CN110364569A - 一种沟槽栅mos-gct结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沟槽栅MOS‑GCT，在n‑基区上的p基区上设有n辅助层，在n辅助层上方中央设有n+阴极区；在n+阴极区的环形沟槽内圈的n辅助层上方的p+漏区与n+阴极区的铝层相连形成阴极K；在环形沟槽中设有栅氧化层和重掺杂的多晶硅层，作为关断门极Goff；在n辅助层上方环形沟槽外圈设有p+门极区，p+门极区上表面的铝电极为开通门极Gon；开通门极Gon与关断门极Goff相连形成集成栅极G；n‑基区向下依次设有n FS层、p+透明阳极区、金属化阳极A。本发明还公开了该沟槽栅MOS‑GCT的制备方法。本发明沟槽栅MOS‑GCT结构，显著降低门极驱动电路复杂度、寄生电感及成本，缩小体积。
Description
技术领域
本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种沟槽栅MOS-GCT，本发明还涉及该沟槽栅MOS-GCT的制备方法。
背景技术
集成门极换流晶闸管(IGCT)是将其管芯(GCT)和门极驱动器通过印刷电路板集成在一起，采用“硬驱动”电路来触发，以实现器件内部换流。为了实现“硬驱动”，电路中需要并联几十只MOS管和电容，并将门极回路中的杂散电感必须控制在几十nH左右，以确保门极电流脉冲峰值为几千安培、其上升率为几千安培每微秒，因此导致门极驱动电路非常复杂、寄生电感大体积大且可靠性下降，使现有IGCT的开发和应用受到限制，亟需研制一种新的沟槽栅MOS-GCT结构，以克服上述的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种沟槽栅MOS-GCT，将GCT和MOS管集成在一个硅芯片上，并通过MOS沟槽栅来实现电压控制GCT的关断过程，可以显著降低门极驱动电路的复杂度、寄生电感及成本，并缩小体积。
本发明的另一目的是提供该种沟槽栅MOS-GCT的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种沟槽栅MOS-GCT，整个器件以n-基区为衬底，n-基区向上设置有p基区，p基区向上设置有一层n辅助层，在n辅助层的上方中央设置有n+阴极区；在n+阴极区周围设置有环形沟槽，环形沟槽的槽底位置低于n辅助层下表面，环形沟槽内圈的n辅助层上方的p+漏区与n+阴极区的铝层相连形成阴极K；在环形沟槽中设置有栅氧化层和重掺杂的多晶硅层，作为关断门极Goff；在n辅助层上方环形沟槽外圈设置有p+门极区，p+门极区上表面的铝电极为开通门极Gon；开通门极Gon通过磷硅玻璃层中的通孔与关断门极Goff相连形成集成栅极G，该集成栅极G环绕在整个阴极K之外；n-基区向下设置有nFS层，n FS层向下设置有p+透明阳极区；p+透明阳极区的下方设置有多层的金属化阳极A。
本发明所采用的另一技术方案是，上述的沟槽栅MOS-GCT的制备方法，按照以下步骤具体实施：
步骤1、选用原始的高阻区熔中照单晶抛光硅片作为n-基区；
步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，在上述硅片n-基区的下表面采用磷离子注入及高温退火兼推进，形成n FS层；
步骤3、在步骤2所得硅片的上表面采用硼离子注入及高温退火兼推进，形成p基区；
步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化在步骤3所得硅片表面形成掩蔽膜，经光刻形成磷扩散窗口，然后进行磷选择性两步扩散，在p基区上表面中央形成n+阴极区，并去掉整个器件表面上的氧化层；
步骤5、在步骤4所得硅片的上表面采用磷离子注入及高温推进兼退火，形成n辅助层；
步骤6、在步骤5所得硅片上表面通过光刻形成p+漏区和p+门极区的硼离子注入窗口，然后进行硼离子注入。
步骤7、去掉步骤6所得硅片下表面的氧化层，调整注入剂量，在下表面进行硼离子注入；然后进行高温退火兼推进，在下表面形成p+透明阳极区，同时上表面形成p+门极区和pMOS的p+漏区。
步骤8、在步骤7所得硅片上表面依次通过光刻、刻蚀、氧化、填充多晶硅及掺杂等工艺形成环形沟槽，得到沟槽栅pMOS；
步骤9、采用化学气相淀积形成磷硅玻璃掩蔽膜，通过光刻形成MOS-GCT门极和阴极的接触孔，然后进行PSG回流；
步骤10、在步骤9所得硅片的上表面蒸铝膜，然后对该铝膜进行反刻，形成集成栅极和阴极的压焊点；
步骤11、在步骤10所得硅片的下表面依次溅射铝、钛、镍、银四层金属化膜，经合金化后形成多层的金属化阳极；
步骤12、最后对步骤11所得硅片的上表面进行钝化保护，即得。
本发明的有益效果是，该沟槽栅MOS-GCT结构是将沟槽栅pMOS集成在GCT单元的四周，采用集成化的门极利用电压信号控制。当沟槽栅MOS-GCT开通时，通过给集成栅极G施加适当的正电压，p MOS截止，沟槽栅MOS-GCT通过p+np晶体管的集电极电流触发GCT开通；当沟槽栅MOS-GCT关断时，通过给集成栅极G施加适当的负电压，pMOS导通，通过沟道实现MOS-GCT的内部换流。因此，采用上述的沟槽栅MOS-GCT结构不仅可以利用电压信号来控制关断，实现其内部换流，还可以显著降低门极驱动电路的功耗、杂散电感及复杂度，提高驱动的可靠性。
附图说明
图1a是本发明沟槽栅MOS-GCT的基本结构剖面示意图；
图1b是现有的普通GCT芯片基本结构剖面示意图；
图2a是本发明沟槽栅MOS-GCT的等效电路；
图2b是本发明沟槽栅MOS-GCT在导通状态下的等效电路；
图2c是本发明沟槽栅MOS-GCT在关断状态下的等效电路；
图3a是本发明沟槽栅MOS-GCT在常、高温下(300K、400K)阻断期间沿阴极中心的纵向电场强度分布仿真曲线；
图3b是本发明沟槽栅MOS-GCT在常、高温下(300K、400K)的阻断特性仿真曲线；
图4是本发明沟槽栅MOS-GCT在常、高温下(300K、400K)导通特性曲线；
图5为沟槽栅MOS-GCT在常、高温(300K、400K)下开通过程中阳极电压随时间的变化曲线；
图6a分别为本发明沟槽栅MOS-GCT在感性负载下常、高温(300K、400K)状态中的关断特性仿真曲线；
图6b是本发明沟槽栅MOS-GCT在换流阶段沿门阴极下方的横向电流密度随时间变化的分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1a，本发明沟槽栅MOS-GCT(芯片)的结构是，整个器件以n-基区为衬底，n-基区向上设置有p基区，p基区向上设置有一层n辅助层，n辅助层作为pMOS的体区，在n辅助层的上方中央设置有n+阴极区；在n+阴极区周围设置有环形沟槽，环形沟槽的槽底位置低于n辅助层下表面，环形沟槽内圈的n辅助层上方的p+漏区与n+阴极区的铝层相连形成阴极K；在环形沟槽中设置有栅氧化层(即SiO2材料层)和重掺杂的多晶硅层(为Poly-Si，构成沟槽栅pMOS的栅极)，作为关断门极Goff；在n辅助层上方环形沟槽外圈设置有p+门极区，p+门极区上表面的铝电极为开通门极Gon；开通门极Gon通过磷硅玻璃层(PSG)中的通孔与关断门极Goff相连形成集成栅极G，该集成栅极G环绕在整个阴极K之外；n-基区向下设置有n FS层(即n场阻止层)，n FS层向下设置有p+透明阳极区；p+透明阳极区的下方设置有多层的金属化阳极A。
p+漏区表面浓度为1×1019～1×1020cm-3，深度为1.5～3.5μm，宽度为3.0～5.0μm。
n辅助层的表面浓度为1×1018～3×1018cm-3，深度为4.0～6.0μm。
p+门极区的表面浓度为1×1019～1×1020cm-3，深度为1.5～3.5μm。
参照图1b，为现有的普通GCT(芯片)基本结构剖面图。整个器件以n-基区为衬底，n-基区向上设置有p基区，p基区上方中心设置有n+阴极区，该n+阴极区上表面是阴极铝电极K；环绕该n+阴极区的p基区上表面设置了门极G，该门极G环绕着整个n+阴极区；n-基区向下设置有n场阻止层，n场阻止(n FS)层向下为p+透明阳极区；p+透明阳极区的下方设置有多层的金属化阳极A。
对比图1b和图1a，与现有的普通GCT芯片结构相比较，本发明的沟槽栅MOS-GCT芯片在GCT主单元外围增加了沟槽栅pMOS，可以通过电压信号来控制器件的关断；同时p+门极区下方设置了n辅助层，可以防止关断时载流子从p+门极区抽取。而现有的普通GCT芯片关断时，需采用较复杂的电流驱动型关断电路来实现；相反，本发明沟槽栅MOS-GCT关断时，可以采用更为简单的电压驱动型关断电路，从而显著降低门极驱动电路的复杂度、寄生电感及成本，并缩小体积。
本发明上述沟槽栅MOS-GCT的制备方法，按照以下步骤具体实施：
步骤1、选用原始的高阻区熔中照单晶抛光硅片作为n-基区；
步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，在上述硅片n-基区的下表面采用磷离子注入及高温退火兼推进，形成n FS层(n场阻止层)(与普通的GCT的FS层形成方法相同)；
步骤3、在步骤2所得硅片的上表面采用硼离子注入及高温退火兼推进，形成p基区；
步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化在步骤3所得硅片表面形成掩蔽膜，经光刻形成磷扩散窗口，然后进行磷选择性两步扩散，在p基区上表面中央形成n+阴极区，并去掉整个器件表面上的氧化层(与普通的GCT的n+阴极区形成方法相同)；
步骤5、在步骤4所得硅片的上表面采用磷离子注入及高温推进兼退火，形成n辅助层；
步骤6、在步骤5所得硅片上表面通过光刻形成p+漏区和p+门极区的硼离子注入窗口，然后进行硼离子注入。
步骤7、去掉步骤6所得硅片下表面的氧化层，调整注入剂量，在下表面进行硼离子注入；然后进行高温退火兼推进，在下表面形成p+透明阳极区(与普通的GCT的p+透明阳极区形成方法相同)，同时上表面形成p+门极区和pMOS的p+漏区。
步骤8、在步骤7所得硅片上表面依次通过光刻、刻蚀、氧化、填充多晶硅(Poly-Si)及掺杂等工艺形成环形沟槽，得到沟槽栅pMOS，(与沟槽栅pMOS的制作方法相同)；
步骤9、采用化学气相淀积形成磷硅玻璃(PSG)掩蔽膜，通过光刻形成MOS-GCT门极和阴极的接触孔，然后进行PSG回流；
步骤10、在步骤9所得硅片的上表面蒸铝膜，然后对该铝膜进行反刻，形成集成栅极和阴极的压焊点；
步骤11、在步骤10所得硅片的下表面依次溅射铝、钛、镍、银四层金属化膜，经合金化后形成多层的金属化阳极(与普通的GCT的阳极形成方法相同)；
步骤12、最后对步骤11所得硅片的上表面进行钝化保护，即得。
本发明器件的工作原理是，
本发明的沟槽栅MOS-GCT等效电路如图2a所示。可见，MOS-GCT可以等效为一个pnp晶体管和一个由pMOS控制其负基极电流的npn晶体管的耦合；
当沟槽栅MOS-GCT处于阻断状态时，在阳-阴极两端加上正向电压(UAK>0)时，J2结反偏来承担正向阻断电压；若门极加上施加一个负电压信号(幅值为-15V)，pMOS导通，漏电流由pMOS沟道流出；
当沟槽栅MOS-GCT开通时，给门极G加上一个正电压脉冲信号(幅值为+15V)，此时pMOS不导通，触发脉冲转换成正电流信号使沟槽栅MOS-GCT导通，此时主器件相当于一个由p+nn-pn+组成的普通GCT，可等效为npn晶体管和pnp晶体管的耦合，其导通状态下的等效电路如图2b所示，开通后沟槽栅MOS-GCT与现有的普通GCT相同，具有较低的通态压降，可以通过大电流；
当沟槽栅MOS-GCT关断时，给门极G施加一个负电压信号(幅值为-15V)，使pMOS快速开通，J3结截止，阳极电流通过pMOS沟道换流到阴极。可见，沟槽栅MOS-GCT的关断与现有的普通GCT相同，可以像pnp晶体管那样关断，其关断状态下的等效电路如图2c所示，其关断速度取决于pnp晶体管。
可见，本发明沟槽栅MOS-GCT在阻断或关断期间都需要一个-15V的电压，通过pMOS沟道释放断态的漏电流和关断过程中的阳极电流，完全能够实现内部换流，其关断电路与现有的IGBT器件相似；与普通IGCT相比，无需几千安培的负电流脉冲，故省去了庞大的关断回路，降低了驱动电路的复杂度，提高了驱动的可靠性。
本发明的器件的特性评价是：
为了评价本发明沟槽栅MOS-GCT的特性，以4.5kV沟槽栅MOS-GCT为例，根据图1b建立了结构模型，利用专业仿真软件对沟槽栅MOS-GCT的正向阻断特性、导通特性及开关特性分别进行了仿真。
1)正向阻断特性
当阳-阴极间电压UAK>0、门极电压UGK＝-15V时，沟槽栅MOS-GCT处于正向阻断状态，J2结反偏承担正向阻断电压，漏电流通过pMOS沟道流到阴极。
参照图3a，为本发明的沟槽栅MOS-GCT在常温(300K)和高温(400K)下沿阴极中心剖分的纵向电场强度分布仿真曲线。可见，当温度为300K时，pn结处的峰值电场较低，电场强度分布为梯形，对应的阻断电压也较低。当温度较高(400K)时，pn结处的峰值电场较高，对应的阻断电压也高。
参照图3b，是本发明沟槽栅MOS-GCT在常温(300K)和高温(400K)下的阻断特性仿真曲线。由图可见，300K时的阻断电压为5200V；400K时的阻断电压达到了5980V，但是对应的漏电流也显著增大。
2)正向导通特性
当npn晶体管开通并与pnp晶体管形成内部正反馈后，沟槽栅MOS-GCT进入正向导通状态。
参照图4，是本发明沟槽栅MOS-GCT在常温(300K)和高温(400K)下导通特性曲线。在电流密度JA＝60A/cm2时，温度为300K下的导通压降为1.32V，温度为400K下的导通压降为1.23V。在电流密度小于95A/cm2时，通态压降随着温度的升高而降低；在电流密度大于95A/cm2时，通态压降随着温度升高而增大。
3)开通特性
当阳-阴极间电压UAK>0，在门极施加正向电压(即UGK＝15V)时，此时pMOS不导通，沟槽栅MOS-GCT在门极处p+np晶体管的作用下进入开通状态。
参照图5，是本发明沟槽栅MOS-GCT在开通过程的阳极电压随时间的变化曲线。可见，在高温(400K)阳极电压下降比常温(300K)时稍慢，但导通时间相差无几。
4)关断特性
当阳-阴极间电压UAK>0时，在门极施加一个负电压(即UGK＝-15V)时，pMOS导通，阳极电流从沟道流到阴极，使J3结截止，npn晶体管与pnp晶体管之间的正反馈作用消失，沟槽栅MOS-GCT开始关断。
参照图6a，为本发明的沟槽栅MOS-GCT在感性负载下的关断特性仿真曲线。由图可见，在常温(300K)下沟槽栅MOS-GCT关断时存储时间较小，且阳极电压上升峰值较小，阳极电流下降的拖尾时间也较短。
参照图6b，是本发明沟槽栅MOS-GCT在换流阶段沿阴极下方Y＝7μm横向电流密度分布。可见，在器件关断之前，即t＝25μs前，阴极下方的电流密度最大。在t＝25μs时给栅极施加一个关断信号，在远低于1μs时间内就可将阳极电流从阴极下方换流至pMOS沟道流出；随关断持续推进，沟道电流先上升至最大值，随后再缓缓降低直至关断。可见沟槽栅MOS-GCT是通过pMOS的导通来实现内部换流的。
上述特性分析表明，本发明沟槽栅MOS-GCT通过pMOS的导通可以控制MOS-GCT的关断，不仅可以实现芯片内换流，而且可以显著降低门极驱动电路的复杂度、寄生电感及成本，并缩小体积。因此，用本发明的沟槽栅MOS-GCT来代替现有的普通GCT可望更好地满足于大功率变流器的实际应用。
Claims (5)
1.一种沟槽栅MOS-GCT，其特征在于：整个器件以n-基区为衬底，n-基区向上设置有p基区，p基区向上设置有一层n辅助层，在n辅助层的上方中央设置有n+阴极区；在n+阴极区周围设置有环形沟槽，环形沟槽的槽底位置低于n辅助层下表面，环形沟槽内圈的n辅助层上方的p+漏区与n+阴极区的铝层相连形成阴极K；在环形沟槽中设置有栅氧化层和重掺杂的多晶硅层，作为关断门极Goff；在n辅助层上方环形沟槽外圈设置有p+门极区，p+门极区上表面的铝电极为开通门极Gon；开通门极Gon与关断门极Goff相连形成集成栅极G，该集成栅极G环绕在整个阴极K之外；n-基区向下设置有n FS层，n FS层向下设置有p+透明阳极区；p+透明阳极区的下方设置有多层的金属化阳极A。
2.根据权利要求1所述的沟槽栅MOS-GCT，其特征在于：所述的p+漏区表面浓度为1×1019～1×1020cm-3，深度为1.5～3.5μm，宽度为3.0～5.0μm。
3.根据权利要求1所述的沟槽栅MOS-GCT，其特征在于：所述的n辅助层的表面浓度为1×1018～3×1018cm-3，深度为4.0～6.0μm。
4.根据权利要求1所述的沟槽栅MOS-GCT，其特征在于：所述的p+门极区的表面浓度为1×1019～1×1020cm-3，深度为1.5～3.5μm。
5.一种权利要求1-4任一所述的沟槽栅MOS-GCT的制备方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：
步骤1、选用原始的高阻区熔中照单晶抛光硅片作为n-基区；
步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，在上述硅片n-基区的下表面采用磷离子注入及高温退火兼推进，形成n FS层；
步骤3、在步骤2所得硅片的上表面采用硼离子注入及高温退火兼推进，形成p基区；
步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化在步骤3所得硅片表面形成掩蔽膜，经光刻形成磷扩散窗口，然后进行磷选择性两步扩散，在p基区上表面中央形成n+阴极区，并去掉整个器件表面上的氧化层；
步骤5、在步骤4所得硅片的上表面采用磷离子注入及高温推进兼退火，形成n辅助层；
步骤6、在步骤5所得硅片上表面通过光刻形成p+漏区和p+门极区的硼离子注入窗口，然后进行硼离子注入。
步骤7、去掉步骤6所得硅片下表面的氧化层，调整注入剂量，在下表面进行硼离子注入；然后进行高温退火兼推进，在下表面形成p+透明阳极区，同时上表面形成p+门极区和pMOS的p+漏区。
步骤8、在步骤7所得硅片上表面依次通过光刻、刻蚀、氧化、填充多晶硅及掺杂等工艺形成环形沟槽，得到沟槽栅pMOS；
步骤9、采用化学气相淀积形成磷硅玻璃掩蔽膜，通过光刻形成MOS-GCT门极和阴极的接触孔，然后进行PSG回流；
步骤10、在步骤9所得硅片的上表面蒸铝膜，然后对该铝膜进行反刻，形成集成栅极和阴极的压焊点；
步骤11、在步骤10所得硅片的下表面依次溅射铝、钛、镍、银四层金属化膜，经合金化后形成多层的金属化阳极；
步骤12、最后对步骤11所得硅片的上表面进行钝化保护，即得。
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