CN100547790C - 集成门极换流晶闸管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种集成门极换流晶闸管，所述门极换流晶闸管包括n-型衬底，p型掺杂区，n型掺杂区，门极换流晶闸管的阳极p+掺杂区，二极管n+缓冲区，以及门极换流晶闸管的阴极梳条，还包括门极换流晶闸管的阴极和门极，二极管的阳极、门极换流晶闸管的阳极和二极管的阴极，其特征在于：在门极换流晶闸管的门极和二极管的阳极之间的p型掺杂区中具有沟槽，所述沟槽中掺杂n+型隔离环。本发明的集成门极换流晶闸管及其制造方法能够在GCT单元和二极管之间实现有效的隔离。
Description
技术领域
本发明涉及电力半导体器件技术领域，特别涉及一种大功率集成门极换流晶闸管(IGCT)。
背景技术
IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)称为集成门极换流晶闸管。它是近年发展起来的一种新型大功率电力半导体器件。IGCT是将众多门极换流晶闸管(GCT，Gate Commutated Thyristor)通过印制电路板与门极驱动装置连成一个整体形成的。IGCT是四层三端器件，其内部由成千个GCT梳条所组成。IGCT通常制成逆导型，其续流二极管的阳极和GCT的门极共用，而GCT的阴极梳条并联在一起，与续流二极管单片集成在同一芯片上。逆导型门极换流晶闸管GCT的结构如图1所示，图1为现有逆导GCT的一个基本单元的结构剖面图。该图左侧是GCT，右侧是反并联二极管。GCT是一个五层的PNN-PN+晶闸管，其中PNN-PN+晶闸管采用多阴极梳条并联结构。GCT的N区由n-基区和n缓冲层两部分组成，阳极16连接到p+透明阳极区，p基区20接门极10，n+区接阴极11。GCT的右边为PN-N二极管部分，阳极16与PN-N二极管的阴极共用，即阳极16也是PN-N二极管的阴极，PN-N二极管的p基区21接二极管的阳极15。GCT的阴极11与二极管的阳极15通过外围电路电连接。
GCT与二极管之间需要具有有效的隔离，图1中GCT和二极管享有同一个阻断结(pn-)，因此GCT的p基区20与二极管的p基区21之间是利用pn结隔离，其等效电路如图2所示，阴极K和门极G之间相当于连接有反向串联的两个二极管。但这种隔离方式在高压下存在高压结体内终端处理的困难。
图3为现有GCT基本单元的另一种结构剖面图。如图3所示，在这种结构的隔离方式中，在n基区上的GCT和二极管的公共p基区中通过刻蚀工艺刻蚀形成隔离沟槽25，利用刻蚀后的隔离沟槽在p基区中形成的体电阻实现GCT和二极管的隔离，其等效电路如图4所示，RGK为门极G与阴极K之间的体隔离电阻。然而这种方式中，由于沟槽深度通常要达到几十微米才能获得合适的隔离电阻，而刻蚀如此深的沟槽对于刻蚀工艺来说实现起来非常困难，而且难以对刻蚀深度进行精确地控制，易使形成的隔离电阻RGK的阻值过小。过小的隔离电阻RGK会导致附加的导通和关断电流，增加导通和关断损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成门极换流晶闸管及其制造方法，能够在GCT单元和二极管之间实现有效的隔离，且隔离形成的工艺简便易行。
为达到上述目的，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管，所述门极换流晶闸管包括n-型衬底，p型掺杂区，n型掺杂区，门极换流晶闸管的阳极p+掺杂区，二极管n+缓冲区，以及门极换流晶闸管的阴极梳条，还包括门极换流晶闸管的阴极和门极，二极管的阳极、门极换流晶闸管的阳极和二极管的阴极，其特征在于：在门极换流晶闸管的门极和二极管的阳极之间的p型掺杂区中具有沟槽，所述沟槽中掺杂n+型隔离环。
所述n+型隔离环区中注入的n型杂质离子为磷、砷、锑、铋、或者氮之中的任意一种或者多种。
所述n型杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E19/cm3。
所述n-型衬底的杂质掺杂浓度为1E11/cm3～1E13/cm3。
所述p型掺杂区和n型掺杂区的杂质浓度为在1E14/cm3～1E18/cm3。
所述p+掺杂区和n+缓冲区的杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E20/cm3。
相应地，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管的制造方法，包括：
提供一n-型单晶硅衬底；
在所述n-型单晶硅衬底双面进行杂质扩散，形成p型掺杂区和n型掺杂区；
在所述p型掺杂区刻蚀形成环形区域的沟槽，所述沟槽两端分别为将要形成的门极换流晶闸管区和二极管区；
在所述沟槽中进行杂质掺杂形成n+掺杂环形隔离区；
在所述n-型单晶硅衬底的上表面和下表面形成n+缓冲区；
在所述n-型单晶硅衬底下表面的n型掺杂区中形成p+掺杂区；
形成门极换流晶闸管的阴极梳条；
形成门极换流晶闸管和二极管的电极。
所述n+环形隔离区中的n型杂质离子为磷、砷、锑、铋、或者氮之中的任意一种或者多种。
所述n型杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E19/cm3。
所述p型掺杂区和n型掺杂区的杂质浓度为在1E14/cm3～1E18/cm3。
所述p+掺杂区和n+缓冲区的杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E20/cm3。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的集成门极换流晶闸管在衬底的GCT区和二极管区之间利用n型杂质掺杂环隔离结构，实现GCT和二极管之间的隔离。n型杂质掺杂环的形成采用普通的扩散工艺或离子注入工艺形成，n型杂质掺杂环的结深可根据现有工艺水平进行调节，工艺控制灵活，工艺实现简便。通过调节n型杂质掺杂环的工艺参数，可以方便地获得希望的结深，从而得到期望的隔离电阻阻值。由n型杂质掺杂环结构得到的隔离电阻减少了附加门极电流，降低了门极的附加损耗。采用n型杂质掺杂环隔离结构能够通过调节结深获得期望的隔离电阻大小，能够将门极附加电流和附加损耗控制在较合适的范围。
此外，通过n型杂质掺杂环隔离结构能够抑制GCT单元和二极管之间少数载流子寿命测量值的相扰，使两者的电子辐照均能够独立控制。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了层和区域的厚度。
图1为现有逆导GCT的一个基本单元的结构剖面图；
图2为图1所示逆导GCT基本单元的等效电路图；
图3为现有逆导GCT基本单元的另一种结构剖面图；
图4为图3所示逆导GCT基本单元的等效电路图；
图5至图12为说明根据本发明实施例的逆导型集成门极换流晶闸管制造方法的器件剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图5至图12为说明根据本发明实施例的集成门极换流晶闸管制造方法的器件剖面示意图。为简便起见，图中仅示出了IGCT的一个基本GCT单元的形成过程。如图5所示，首先提供一单晶硅衬底，对该单晶硅衬底进行n型杂质掺杂，杂质的掺杂浓度为1E11/cm3～1E13/cm3，优选为1E13/cm3，得到n-单晶硅衬底100，以下简称n-型衬底100。
接下来如图6所示，在n-型衬底100的双面进行杂质扩散，即在n-型衬底100的上表面扩散p型杂质形成p型掺杂区110，在n-型衬底100的下表面利用光刻胶掩膜对GCT区进行n型杂质扩散形成n型掺杂区120，p型杂质和n型杂质的浓度在1E14/cm3～1E18/cm3之间，优选为1E15/cm3。
随后，如图7所示，利用光刻胶掩膜图形在衬底100的p型掺杂区110表面定义出GCT区和二极管区的位置，具体来说，利用一掩膜，例如光刻胶掩膜，将GCT区和二极管区的p型掺杂区110覆盖，暴露出GCT区和二极管区之间的环形隔离区域，然后在p型掺杂区110中的隔离区域刻蚀出隔离沟槽130。隔离沟槽130的形成可采用常规的刻蚀工艺，通过调整刻蚀参数可以得到所需的刻蚀深度。然后，在沟槽130中通过扩散或离子注入工艺掺杂较高浓度的n型杂质离子，例如磷、砷、锑、铋、或者氮之中的任意一种或者多种，n型杂质离子掺杂物的浓度为1E17/cm3～1E19/cm3，优选为1E18/cm3，形成n型杂质环形隔离区131，如图8所示。
上述环形隔离区131的n型杂质离子注入的结深可根据前述隔离电阻所需的阻值而定，本发明并不做过多的限制，本领域技术人员可视实际情况而定。
接下来如图9所示，在衬底100的上表面的p型掺杂区100中，利用掩膜定义出基区和环形隔离区，在衬底100的下表面定义出二极管的缓冲层，继续进行较高剂量的n型杂质掺杂，浓度为1E17/cm3～1E20/cm3，优选为1E18/cm3，形成GCT的n+基区150和结深更深的环形隔离区140，以及二极管的n+缓冲层160。
然后如图10所示，在衬底100下表面的n型掺杂区120中进行GCT阳极p型杂质离子扩散，形成p+掺杂区170，杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E20/cm3，优选为1E18/cm3。利用掩膜、刻蚀等常规工艺，形成GCT的阴极梳条151，如图11所示。刻蚀后的n+环形隔离区域141的结深为上述n+环形隔离区140的结深与n+基区150结深的差值。
随后采用物理气相淀积、蒸发或溅射等工艺形成GCT的阴极180、GCT的门极185、二极管的阳极190，以及GCT的阳极(二极管的阴极)200，如图12所示。
根据本发明实施例的集成门极换流晶闸管亦如图12所示，所述门极换流晶闸管包括n-型衬底100，p型掺杂区110，n型掺杂区120，GCT阳极p+掺杂区170，二极管n+缓冲区160，以及GCT阴极梳条151，还包括GCT的阴极180、GCT的门极185、二极管的阳极190和GCT的阳极和二极管的阴极200，此外，本发明的门极换流晶闸管在GCT的门极185和二极管的阳极190之间的p型掺杂区110中具有n+型隔离环141。由n+型隔离环141结构得到的隔离电阻能够减少了附加门极电流，降低了门极的附加损耗。其中，n+型隔离环区中注入的n型杂质离子为磷、砷、锑、铋、或者氮之中的任意一种或者多种。n型杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E19/cm3。n-型衬底的杂质掺杂浓度为1E11/cm3～1E13/cm3。p型和n型掺杂区的杂质浓度为在1E14/cm3～1E18/cm3。p+掺杂区和n+缓冲区的n型杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E20/cm3。
本发明的集成门极换流晶闸管在衬底的GCT区和二极管区之间利用n+型杂质掺杂形成n+型隔离环141实现GCT和二极管之间的隔离。n+型隔离环141的形成采用普通的扩散工艺或离子注入工艺形成，通过调节扩散或离子注入工艺的工艺参数，可以方便地获得希望的结深，从而得到期望的隔离电阻阻值，将门极附加电流和附加损耗控制在较合适的范围。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (11)
1、一种集成门极换流晶闸管，所述门极换流晶闸管包括n-型衬底，p型掺杂区，n型掺杂区，门极换流晶闸管的阳极p+掺杂区，二极管n+缓冲区，以及门极换流晶闸管的阴极梳条，还包括门极换流晶闸管的阴极和门极，二极管的阳极、门极换流晶闸管的阳极和二极管的阴极，其特征在于：在门极换流晶闸管的门极和二极管的阳极之间的p型掺杂区中具有沟槽，所述沟槽中掺杂n+型隔离环。
2、如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述n+型隔离环区中注入的n型杂质离子为磷、砷、锑、铋、或者氮之中的任意一种或者多种。
3、如权利要求2所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述n型杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E19/cm3。
4、如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述n-型衬底的杂质掺杂浓度为1E11/cm3～1E13/cm3。
5、如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述p型掺杂区和n型掺杂区的杂质浓度为在1E14/cm3～1E18/cm3。
6、如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于：所述p+掺杂区和n+缓冲区的杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E20/cm3。
7、一种集成门极换流晶闸管的制造方法，包括：
提供一n-型单晶硅衬底；
在所述n-型单晶硅衬底双面进行杂质扩散，形成p型掺杂区和n型掺杂区；
在所述p型掺杂区刻蚀形成环形区域的沟槽，所述沟槽两端分别为将要形成的门极换流晶闸管区和二极管区；
在所述沟槽中进行杂质掺杂形成n+掺杂环形隔离区；
在所述n-型单晶硅衬底的上表面和下表面形成n+缓冲区；
在所述n-型单晶硅衬底下表面的n型掺杂区中形成p+掺杂区；
形成门极换流晶闸管的阴极梳条；
形成门极换流晶闸管和二极管的电极。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述n+环形隔离区中的n型杂质离子为磷、砷、锑、铋、或者氮之中的任意一种或者多种。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述n型杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E19/cm3。
10、如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述p型掺杂区和n型掺杂区的杂质浓度为在1E14/cm3～1E18/cm3。
11、如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述p+掺杂区和n+缓冲区的杂质离子的浓度为1E17/cm3～1E20/cm3。
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