CN105304699B - 一种功率半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体的说是涉及一种功率半导体器件及其制造方法，尤其是逆导型的MOS触发负阻性器件。本发明包括N型衬底，在N型衬底上表面设置有P型基区，在P型基区上表面有N型源区、PIN阳极区和N型发射区，其中N型源区是MOS管的源端、PIN阳极区是反向PIN管的阳极区、N型发射区是NPNP晶闸管的阴极区；在N型衬底下表面设置有P型阳极区，在P型阳极区7的中间位置设有N型阳极区，并且N型阳极区没有穿通P型阳极区直接和N型衬底连接，而是包含于P型阳极区内。本发明的有益效果为，具有常关功能、极高的峰值电流能力和电流上升率、反向导通能力，同时本发明还提供简单的制造方法，本发明的器件还具有较高的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说是涉及一种功率半导体器件及其制造方法，尤其是逆导型的MOS触发负阻性器件(Reverse Conducting-MOS Triggered Dynistor简称：RC-MTD)。
背景技术
功率半导体器件作为开关器件，可以应用于电力电子领域和脉冲功率领域两个方面。在脉冲功率领域要求开关器件具备极高的峰值电流能力和电流上升率(di/dt)。常规IGBT由于器件本身具有电流饱和能力，使得其应用在电力电子整流电路中安全工作区以及短路工作能力优异，但若应用于脉冲功率领域，电流饱和能力却会使脉冲电流幅值IPEAK、电流上升率di/dt等参数受到限制。
晶闸管是一种容易实现高电压、高电流的半导体器件，在功率开关领域占有很大的份额，随着工艺的进步，技术的发展，晶闸管的工作电压、电流等级达到几KV和几KA，正是由于这种优良特性然而由于尺寸较大，无法直接通过栅极抽取电流来关断器件，需在阳极加上反向电压，这使得晶闸管应用受限。
常规的MOS控制双极型器件，MOS场控晶闸管(MOS Controlled Thyristor，简称：MCT)在脉冲功率领域得到广泛的应用。但该类存在一些缺点：比如该器件是常开器件，器件关断时需要给栅极提供负电压，这不仅增加了系统复杂性，而且也给系统安全带来了潜在危险；同时该器件的三重扩散的制作工艺使它的制作变得复杂，制作成本高、成品率低。
同时，功率半导体器件的可靠性一直是衡量器件好坏的一个重要标准。在功率脉冲系统中，开关器件要经历大的电流脉冲过程。在大电流的脉冲震荡过程，常规的MCT反向电流过程是完全依靠对衬底的载流子进行抽取完成的。而在实际制造中，背面工艺水平常常限制了阳极的掺杂浓度，影响了电导调制。衬底的载流子浓度限制了反向电流能力，使得反向电压不能快速的泄放。这导致了一个过高的反向过冲电压的产生。这个反向过冲电压很可能使器件击穿，甚至烧毁，极大地影响了器件可靠性。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出具有常关功能、极高的峰值电流能力和电流上升率、反向导通能力和制造工艺简单的功率半导体器件(逆导型的MOS触发负阻性器件)及其制作方法，以解决常规的功率器件在脉冲放电过程中遇到的反向过冲电压问题，从而提高器件可靠性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种功率半导体器件，包括N型衬底6，所述N型衬底6上层具有P型基区5；所述P型基区5的上层具有N型发射区2、PIN阳极区1和N型源区11，所述N型发射区2位于PIN阳极区1之间，所述N型源区11位于PIN阳极区1远离N型发射区2一侧的侧面；所述N型发射区2的上表面、PIN阳极区1的上表面和部分N型源区11上表面具有阴极金属10；所述部分N型源区11上表面和N型衬底6两侧上表面具有栅氧化层4，所述栅氧化层4上表面具有栅极金属3；所述N型衬底6的底部具有P型阳极区7；所述P型阳极区7中具有N型阳极区9，所述N型阳极区9位于P型阳极区7中部下层；所述P型阳极区7的下表面和N型阳极区9下表面具有阳极金属8。
具体的，所述N型阳极区9沿器件纵向方向的宽度为P型阳极区7沿器件纵向方向宽度的1/10～1/5。
一种功率半导体器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制备N型衬底6；
第二步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在N型衬底底部形成P型阳极区7；
第三步：采用离子注入，在P型阳极区7中形成N型阳极区9，所述N型阳极区9位于P型阳极区中部下层；
第四步：在N型衬底6上表面生长二氧化硅，形成栅氧化层4，在栅氧化层4上表面淀积N型导电多晶硅形成栅电极3；
第五步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在N型衬底上层形成P型基区5；
第六步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在P型基区5上层形成N型发射区2和N型源区11，所述N型源区11位于N型发射区2之间；
第七步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在P型基区5上层形成PIN阳极区1，所述PIN阳极区1位于N型源区11和N型发射区2之间；
第八步：在N型极发射区2、反向PIN管阳极区1和N型源区11上表面淀积金属层，形成阴极金属10；
第九步：在N型阳极区9和P型阳极区7下表面淀积金属层，形成阳极金属8。
本发明的有益效果为，具有常关功能、极高的峰值电流能力和电流上升率、反向导通能力，同时本发明还提供简单的制造方法，本发明的器件还具有较高的可靠性。
附图说明
图1是本发明的纵向剖面结构示意图；
图2是本发明的等效电路图；
图3是改变N型阳极区宽度的正向导通特性曲线示意图；
图4是改变N型阳极区宽度的反向导通特性曲线示意图；
图5是为本发提供的一种制作方法的流程示意图；
图6是背面掺杂分布图；
图7是MTD的纵向剖面结构示意图；
图8是常规MCT、常规IGBT与本发明的RC-MTD阻断特性曲线示意图
图9是常规MCT、常规IGBT与本发明的RC-MTD导通特性曲线示意图；
图10是测试器件电容放电特性曲线的测试电路图；
图11是常规MCT、常规IGBT与RC-MTD电容放电特性的阳极电流示意图；
图12是常规MCT、常规IGBT与RC-MTD电容放电特性的阳极电压示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提供一种RC-MTD，结构示意图如图1，解决了常规的功率脉冲器件在反向工作时没有续流能力的问题。主要方法为：本发明包括N型衬底6，在N型衬底6上表面设置有P型基区5，在P型基区5上表面有N型源区11、PIN阳极区1和N型发射区2，其中N型源区11是MOS管的源端、PIN阳极区1是反向PIN管的阳极区、N型发射区2是NPNP晶闸管的阴极区；在N型衬底6下表面设置有P型阳极区7，在P型阳极区7的中间位置设有宽为其1/10～1/5的N型阳极区9，并且N型阳极区9没有穿通P型阳极区7直接和N型衬底6连接，而是包含于P型阳极区7内；在N型源区11上表面设置有栅氧化层4，在栅氧化层4上有栅极金属3、在N型发射区2上表面有阴极金属10、在P型阳极区7和N型阳极区9下表面有阳极金属8。
本发明工作原理：器件的栅极3上加正电压，则栅极3下方的P型基区5表面产生N型沟道。N型发射极2电子注入到N型漂移区6中，使得由阳极区7、N型漂移区6、P型基区5组成的PNP晶体管(如图2)获得基极电流而被打开。该PNP晶体管的集电极电流(空穴电流)横向流过P型基区5被P型阳极1抽走。这股横向电流在P型基区(5)中产生了横向压降。当阳极电压升高，使电流增大时，该横向压降也相应升高。当横向压降高于由P型基区5和N型源区11组成的PN结的势垒电压时，该PN结离N型发射区2开口的远端被开启。由于该PN结部分被开启，使得电流急剧增大，该pn结的其他区域按与N型发射区2开口的距离远近逐渐被开启，直到整个PN结被开启。此时，寄生的NPNP晶闸管结构进入闩锁状态，器件开启，进入正向导通状态。
当阴极10加正向偏压，栅极3加负压，阳极8接地，在N型阳极区9上面由P型阳极区7和N型衬底6形成的PN结反偏，由于PN结耗尽区随着其两端的反向电压增大而展宽，当电压足够大时，PN结的P区完全耗尽，N型阳极区9和N型衬底6穿通连接，PIN管阳极区1和P型基区5的空穴向N型衬底6注入、N型阳极区9的电子也向N型衬底6注入，此时由P型IN阳极区1、P型基区5、N型衬底6和N型阳极区9构成的反向PIN管工作，器件反向导通。N型阳极区9的宽度对于器件的正向和反向导通有很大的影响。如图5和图6所示随着N型阳极区的宽度增大在正向工作时器件发生闩锁的电压越大，但反向导通能力越强。
实例：
以3300V的RC-MTD为例，本发明的主要制造流程包括：
第一步：制备N型衬底6；
第二步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，P型阳极区7；
第三步：采用离子注入，在P型阳极中形成N型阳极区9；
第四步：在N型衬底6上表面生长二氧化硅，形成栅氧化层4，在栅氧化层4上表面淀积N型导电多晶硅形成栅电极3；
第五步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在N型衬底上层形成P型基区5；
第六步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在P型基区5上层形成N型发射区2和N型源区11；
第七步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在P型基区5上层形成反向PIN管阳极区1；
第八步：在N型极发射区2、PIN管阳极区1和N型源区11上表面淀积金属层，形成阴极金属10；
第九步：在N型阳极区9和P型阳极区7下表面淀积金属层，形成阳极金属8；
本发明是先做P型阳极7，然后高温退火，再做N型阳极区9，接下来利用正面工艺的高温过程再次对背面阳极推结得到图6的掺杂分布。同时也提出另一种结构如图7，和RC-MTD的主要区别是没有N型阳极区，这样器件虽然没有了反向导通能力外，但是仍具有常关功能、极高的峰值电流能力和电流上升率，而且制造工艺更加简单。
以耐压为3300V的常规IGBT、MCT和本发明提供的RC-MTD为例进行仿真比较。如图8所示，在栅压等于0V时，RC-MTD和IGBT具有3300V的耐压。而常规MCT在栅压等于0V时，只有0.7V的耐压。只有当栅压达到-10V时，常规MCT才与RC-MTD和IGBT的阻断特性相当。而在开启三种器件时，如图9所示，RC-MTD在阳极电压逐渐增加的过程中有一段负阻区，这是由于PN结在横向上的不同区域逐渐开启导致的，而常规MCT并无此效应。RC-MTD在通过负阻区后常规MCT有着基本相似的导通特性,而IGBT有电流饱特性，电流上升率远小于MCT和RC-MTD。
以上述仿真器件为例，直观地展示出本发明结构在脉冲功率应用领域所具有的性能优势试电路图如图10所示，当电源电压为1500V，电容C为1μF，电感L为20nH，栅电阻Rg为4.7Ω时，在相同的芯片面积下常规IGBT、MCT和本发明提供的RC-MTD的峰值电流如图11所示，MCT和RC-MTD的峰值电流分别为7000A和8000A，而IGBT的峰值电流只有几百安培。如图12所示，本发明具有逆向导通通道，脉冲放电过程中可以正常进行，反向过冲电压几乎为零，而常规的MCT有近600V的反向过冲电压。直观地展示出本发明结构相对于常规IGBT、MCT在脉冲功率应用领域所具有的性能优势。
Claims (3)
1.一种功率半导体器件，包括N型衬底(6)，所述N型衬底(6)上层具有P型基区(5)；所述P型基区(5)的上层具有N型发射区(2)、PIN阳极区(1)和N型源区(11)，所述N型发射区(2)位于PIN阳极区(1)之间，所述N型源区(11)位于PIN阳极区(1)远离N型发射区(2)一侧的侧面；所述N型发射区(2)的上表面、PIN阳极区(1)的上表面和部分N型源区(11)上表面具有阴极金属(10)；所述部分N型源区(11)上表面和N型衬底(6)两侧上表面具有栅氧化层(4)，所述栅氧化层(4)上表面具有栅极金属(3)；所述N型衬底(6)的底部具有P型阳极区(7)；所述P型阳极区(7)中具有N型阳极区(9)，所述N型阳极区(9)包含于P型阳极区(7)中且不与N型衬底(6)连接；所述P型阳极区(7)的下表面和N型阳极区(9)下表面具有阳极金属(8)。
2.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件，其特征在于，所述N型阳极区(9)沿器件纵向方向的宽度为P型阳极区(7)沿器件纵向方向宽度的1/10～1/5。
3.一种功率半导体器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制备N型衬底(6)；
第二步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在N型衬底底部形成P型阳极区(7)；
第三步：采用离子注入，在P型阳极区(7)中形成N型阳极区(9)，所述N型阳极区(9)包含于P型阳极区(7)中且不与N型衬底(6)连接；
第四步：在N型衬底(6)上表面生长二氧化硅，形成栅氧化层(4)，在栅氧化层(4)上表面淀积N型导电多晶硅形成栅电极(3)；
第五步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在N型衬底上层形成P型基区(5)；
第六步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在P型基区(5)上层形成N型发射区(2)和N型源区(11)，所述N型源区(11)位于N型发射区(2)之间；
第七步：采用离子注入和高温扩散推结工艺，在P型基区(5)上层形成PIN阳极区(1)，所述PIN阳极区(1)位于N型源区(11)和N型发射区(2)之间；
第八步：在N型极发射区(2)、反向PIN管阳极区(1)和N型源区(11)上表面淀积金属层，形成阴极金属(10)；
第九步：在N型阳极区(9)和P型阳极区(7)下表面淀积金属层，形成阳极金属(8)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |