门极换流晶闸管的元胞结构、制备方法及门极换流晶闸管技术

本公开提供一种门极换流晶闸管的元胞结构、制备方法及门极换流晶闸管，所述元胞结构包括在元胞结构两侧，于所述衬底表面向下设置有侧部沟槽，以在所述衬底表面于所述元胞结构中心位置形成凸台；位于所述侧部沟槽和所述凸台下方的第二导电类型短基区；其中，所述短基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；位于所述短基区上方的第二导电类型第一基区；位于所述短基区下方的第二导电类型第二基区；其中，所述第二基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；位于所述第一基区表面内的第一导电类型发射区；其中，所述短基区的掺杂浓度高于所述第一基区和所述第二基区。可提高驱动控制电压值，从而提高换流速度、增大GCT芯片的关断能力。

【技术实现步骤摘要】
门极换流晶闸管的元胞结构、制备方法及门极换流晶闸管
本公开涉及半导体器件
，具体涉及一种门极换流晶闸管的元胞结构、制备方法及门极换流晶闸管。
技术介绍
门极换流晶闸管(GateCommutatedThyristors，GCT)是电力电子领域中一种电流全控型的大功率容量的半导体器件，开通特性像晶闸管，具有较低的通态损耗，关断特性如晶体管，因而具有通态损耗低、浪涌电流大，关断速度快、功率容量大等特点。GCT通常用于一些功率容量超大的电力装置中，比如冶金轧机传动系统、船舶驱动系统、电网能源质量控制装置等重工核心装备中。现有GCT芯片纵向上的主要结构包含PNPN四层，如图1所示，器件内部存在3个PN结，从阳极107往阴极109分别为J1结(阳极透明结)、J2结(阻断电压主结)和J3结(门阴极结)。从GCT芯片横向上看，芯片阴极的发射区104(阴极梳条)采用扇区圆弧或者圆周均匀排布在一个晶圆中。对于不同直径的GCT管芯，阴极梳条一般按同心分圈排布。根据GCT关断电流大小，GCT门极108引出部位排布在晶圆的中心，即称为中心门极，或者排布在晶圆的中心或者外周，称中间环形门极或边缘环形门极。对于现有GCT芯片，由于在关断过程中阴极梳条下方载流子密度抽取至门极速度较慢，特别是在离门极位置较远的阴极梳条，容易在该处产生电流丝现象，导致GCT梳条因再触发发生关断失效，导致GCT关断电流密度较低，关断能力较差。
技术实现思路
针对上述问题，本公开提供了一种门极换流晶闸管的元胞结构、制备方法及门极换流晶闸管，解决了现有技术中门极换流晶闸管的关断电流密度较低，关断能力较差的技术问题。第一方面，本公开提供一种门极换流晶闸管的元胞结构，包括：第一导电类型衬底；其中，在元胞结构两侧，于所述衬底表面向下设置有侧部沟槽，以在所述衬底表面于所述元胞结构中心位置形成凸台；设置于所述衬底内且位于所述侧部沟槽和所述凸台下方的第二导电类型短基区；其中，所述短基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；设置于所述凸台内且位于所述短基区上方的第二导电类型第一基区；设置于所述衬底内且位于所述短基区下方的第二导电类型第二基区；其中，所述第二基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；位于所述第一基区表面内且覆盖所述凸台表面的第一导电类型发射区；其中，所述短基区的掺杂浓度高于所述第一基区和所述第二基区。根据本公开的实施例，优选地，所述侧部沟槽的深度为30至50μm。根据本公开的实施例，优选地，所述第一基区的掺杂浓度为1E15～1E16cm-3；所述短基区的掺杂浓度为1E15～5E18cm-3；所述第二基区的掺杂浓度为1E13～1E16cm-3。根据本公开的实施例，优选地，所述元胞结构还包括：位于所述衬底下方的第一导电类型缓冲层；位于所述缓冲层下方的第二导电类型阳极区；位于所述阳极区下方并与所述阳极区形成电连接的阳极金属层；位于所述侧部沟槽底部并与所述短基区形成电连接的门极金属层；位于所述凸台上方并与所述发射区形成电连接的阴极金属层。第二方面，本公开提供一种门极换流晶闸管的元胞结构的制备方法，包括：提供第一导电类型衬底；在所述衬底表面于所述元胞结构的两侧形成侧部沟槽，以在所述衬底表面于所述元胞结构中心位置形成凸台；通过斜向离子注入的方式，在所述侧部沟槽下方的所述衬底内注入第二导电类型第一高能离子，并进行高温扩散工艺，以在所述衬底内于所述侧部沟槽和所述凸台下方形成第二导电类型短基区；其中，所述短基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；在所述衬底上方注入第二导电类型第二高能离子并进行高温扩散工艺，以在所述凸台内于所述短基区上方形成第二导电类型第一基区，并使所述第二高能离子扩散至所述短基区下方，以在所述短基区下方形成第二导电类型第二基区；其中，所述第二基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起，所述短基区的掺杂浓度高于所述第一基区和所述第二基区；在所述第一基区内选择性进行第一导电类型离子高温扩散，以在所述第一基区表面内形成覆盖所述凸台表面的第一导电类型发射区。根据本公开的实施例，优选地，所述第一高能离子的扩散系数比所述第二高能离子的扩散系数小。根据本公开的实施例，优选地，所述在所述第一基区内选择性进行第一导电类型离子高温扩散，以在所述第一基区表面内形成覆盖所述凸台表面的第一导电类型发射区的步骤之前，还包括以下步骤：在所述衬底下方注入第一导电类型高能离子，以在所述衬底下方形成第一导电类型缓冲层。根据本公开的实施例，优选地，所述在所述第一基区内选择性进行第一导电类型离子高温扩散，以在所述第一基区表面内形成覆盖所述凸台表面的第一导电类型发射区的步骤之后，还包括以下步骤：在所述缓冲层下方注入所述第一高能离子或所述第二高能离子，以在所述缓冲层下方形成第二导电类型阳极区；在所述阳极区下方形成与所述阳极区电连接的阳极金属层；在所述凸台上方形成与所述发射区电连接的阴极金属层；在所述侧部沟槽底部形成与所述短基区电连接的门极金属层。第三方面，本公开提供一种门极换流晶闸管，包括若干如第一方面任一项所述的门极换流晶闸管的元胞结构。采用上述技术方案，至少能够达到如下技术效果：(1)在衬底凸台内于发射区(阴极梳条)下方引入第一基区，使得门极与阴极之间的电压提升约50％以上，进而可提高驱动控制电压值，从而提高换流速度，增大GCT的关断能力。(2)采用侧部沟槽结构，在短基区和第二基区的底部形成凸起，形成横向PN结，缩短了GCT的纵向换流路径，有利于提升GCT关断速度及关断能力。(3)在第一基区与第二基区之间形成高掺杂浓度的短基区，防止GCT误触发，提升了GCT关断电流密度和关断能力。(4)优化制备工艺流程，结合侧部沟槽结构，在元胞结构中一次形成了底部有凸起的第二基区，使得在GCT的整体结构中第二基区呈现出波纹状，简化了具有高关断电流密度GCT的制备工艺，降低了芯片生产成本。附图说明附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：图1是现有的门极换流晶闸管的元胞结构的剖面结构示意图；图2是本公开一示例性实施例示出的一种门极换流晶闸管的元胞结构的剖面结构示意图；图3是本公开一示例性实施例示出的一种门极换流晶闸管的元胞结构内各区域的掺杂浓度的纵向(A至A′)分布示意图；图4是本公开一示例性实施例示出的一种门极换流晶闸管的元胞结构的制备方法流程示意图；图5-12是本公开一示例性实施例示出的一种门极换流晶闸管的元胞结构的制备方法的相关步骤形成的剖面结构示意图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本公开的实施方式，借此对本公开如何应用技术手段来解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种门极换流晶闸管的元胞结构，其特征在于，包括：/n第一导电类型衬底；其中，在元胞结构两侧，于所述衬底表面向下设置有侧部沟槽，以在所述衬底表面于所述元胞结构中心位置形成凸台；/n设置于所述衬底内且位于所述侧部沟槽和所述凸台下方的第二导电类型短基区；其中，所述短基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；/n设置于所述凸台内且位于所述短基区上方的第二导电类型第一基区；/n设置于所述衬底内且位于所述短基区下方的第二导电类型第二基区；其中，所述第二基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；/n位于所述第一基区表面内且覆盖所述凸台表面的第一导电类型发射区；/n其中，所述短基区的掺杂浓度高于所述第一基区和所述第二基区。/n

【技术特征摘要】
1.一种门极换流晶闸管的元胞结构，其特征在于，包括：
第一导电类型衬底；其中，在元胞结构两侧，于所述衬底表面向下设置有侧部沟槽，以在所述衬底表面于所述元胞结构中心位置形成凸台；
设置于所述衬底内且位于所述侧部沟槽和所述凸台下方的第二导电类型短基区；其中，所述短基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；
设置于所述凸台内且位于所述短基区上方的第二导电类型第一基区；
设置于所述衬底内且位于所述短基区下方的第二导电类型第二基区；其中，所述第二基区的底部于与所述凸台对应的位置处有凸起；
位于所述第一基区表面内且覆盖所述凸台表面的第一导电类型发射区；
其中，所述短基区的掺杂浓度高于所述第一基区和所述第二基区。


2.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管的元胞结构，其特征在于，所述侧部沟槽的深度为30至50μm。


3.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管的元胞结构，其特征在于，
所述第一基区的掺杂浓度为1E15～1E16cm-3；
所述短基区的掺杂浓度为1E15～5E18cm-3；
所述第二基区的掺杂浓度为1E13～1E16cm-3。


4.根据权利要求1所述的门极换流晶闸管的元胞结构，其特征在于，还包括：
位于所述衬底下方的第一导电类型缓冲层；
位于所述缓冲层下方的第二导电类型阳极区；
位于所述阳极区下方并与所述阳极区形成电连接的阳极金属层；
位于所述侧部沟槽底部并与所述短基区形成电连接的门极金属层；
位于所述凸台上方并与所述发射区形成电连接的阴极金属层。


5.一种如权利要求1至4中任一项所述的门极换流晶闸管的元胞结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一导电类型衬底；
在所述衬底表面于所述元胞结构的两侧形成侧部沟槽，以在所述衬底表面于所述元胞结构中心位置形成凸台；
通过斜向离子注入的方式，在所述侧部沟槽下方的所述衬底内注入第二导电类...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇民，操国宏，陈芳林，蒋谊，徐焕新，潘学军，
申请(专利权)人：株洲中车时代半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43