一种晶闸管芯片、晶闸管及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种晶闸管芯片及制作方法，其中所述芯片包括，位于阳极P型层之上的N型基区及P型基区；位于所述P型基区上表面内的阴极N型区；位于所述阴极发射N型区之上的阴极金属；位于所述P型基区表面之上放大门极金属及中心门极金属；位于门极阴极金属之间指定厚度的介质薄膜层；及所述阳极P型层之下的阳极金属。本发明专利技术无需对成熟的晶闸管设计、工艺更改，不影响晶闸管各参数，能提高耐受di/dt的能力，有利于提升晶闸管性能，延长使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种晶闸管芯片、晶闸管及其制作方法
本专利技术涉及半导体器件
，尤其涉及一种晶闸管芯片、晶闸管及其制作方法。
技术介绍
晶闸管芯片是一种三端四层的半导体器件，如图1所示，传统晶闸管的三端分别是阳极金属31、阴极金属32、门极金属33(包括放大门极金属34)，四层分别是：深扩散层的阳极P型层35、低阻N型基区36，深扩散层的P型基区37，扩散形成高浓度的阴极N型区38，在阳极P型层35和阴极N型区38区上引出欧姆接触式的金属电极分别做阳极、阴极的端子，P型基区37引出欧姆接触式的金属电极做门极。晶闸管通态电流上升率di/dt是指晶闸管从阻断到导通时，晶闸管能够承受而且不会导致晶闸管损坏的通态电流的最大上升率。即晶闸管在触发导通的瞬间，如阳极电流增大的速度(di/dt)过大，即使电流值未超过元件的额定值，但由于晶闸管内部电流来不及扩大到PN结面因电流密度过大而导致烧毁，所以在使用晶闸管时，电路的电流上升率不能大于晶闸管通态电流上升率di/dt，否则将损坏晶闸管。晶闸管的开通过程包括延迟、上升和扩展3个阶段。延迟阶段，器件上的电压虽高，但电流很小，因而瞬时功率小；在上升阶段，器件两端的电压迅速下降，电流急剧上升，瞬时功率最大；在扩展阶段，电压缓慢下降，电流基本维持在一个稳定的电流值，其瞬时功率相对上升阶段要小得多。因为上升阶段的导通电流集中在初始导通区，di/dt越高，瞬时功率的峰值越提前，也越集中在较小的初始导通区面积上。晶闸管所能承受的di/dt除了与初始导通区面积的大小和扩展速度有关外，还与导通区的热容量有关。由于硅的比热小，热容量也小，且热导率(148W/m.k)低，因此，在上升极端，电流所产生的大部门热量聚集在导通区，只有很少的热量能够传出去，使得导通区的温度迅速上升。当温度达到某一临界值，热载流子已超过了注入的载流子，继而导致热反馈，电流越大，温度越高，导通区的体电阻越低。此时，该区将有更大的电流流过，这样温度就会进一步升高。如此循环，短时间内电流将集中在这个温度最高的某点上，形成热斑，使器件不能正常工作，甚至烧毁。据相关文献，因开通的di/dt故障造成的破坏温度范围在1100℃～1300℃。这温度只比硅的熔点(1415℃)稍低，或者该故障造成的温度远远超过了金属-半导体接触的熔点，从而使器件在极短的时间内烧毁。通常di/dt损坏的现象是门极附近被烧蚀出一个很小但很明显的孔洞。现有技术提高晶闸管di/dt的方法包括：强触发提高扩展速度；改进光刻版图形设计以增加初始导通线的长度的措施；单晶材料的晶向、截面电阻率均匀度、残余少子寿命的提高控制措施；协调di/dt和dv/dt的设计问题等，也有采用导热膏覆盖在门阴极电极之间的硅上与其它措施配合能有效提高晶闸管的di/dt能力。。在无需对成熟的晶闸管设计、工艺进行更改，且不影响晶闸管的各性能参数，提高晶闸管耐受di/dt的能力一直是本领域技术人员想要解决的技术问题，故需要在不极大提升成本的同时提高晶闸管耐受di/dt的新结构及制作方法。
技术实现思路
本专利技术在不影响晶闸管的各性能参数的同时解决了晶闸管耐受di/dt的能力的技术问题，提高了晶闸管耐受di/dt的能力，提升了晶闸管的电性能，延长了使用寿命。本专利技术提供了一种晶闸管芯片，其特征在于，包括：位于阳极P型层之上的N型基区，且位于所述N型基区之上的P型基区；位于所述P型基区部分区域内且上表面与所述P型基区上表面齐平的阴极N型区，其中所述阴极N型区包括阴极发射N型区和在平行于P型基区表面方向上更靠近所述芯片中心的门极N型区；位于所述阴极发射N型区之上且显露部分所述阴极发射N型区上表面的阴极金属；位于所述P型基区表面之上且同时与所述P型基区和所述门极N型区接触的放大门极金属，及位于所述P型基区上表面之上且不与所述门极N型区接触的中心门极金属；位于未被阴极金属、放大门极金属和中心门极金属覆盖的P型基区之上指定厚度的介质薄膜层；在本专利技术的实施例中，所述放大门极金属和所述阴极金属厚度相同，所述介质薄膜层厚度远小于所述放大门极金属和所述阴极金属厚度。在本专利技术的实施例中，所述介质薄膜层的指定厚度设置为20～500nm。所述芯片总厚度设置为1.2mm；所述放大门极金属与所述阴极金属厚度设置为30μm；所述N型基区的载流子浓度设置为1013cm-3；所述阳极P型层和P型基区为铝元素掺杂，载流子浓度设置为1014cm-3～1016cm-3；所述阴极N型区为磷元素掺杂，载流子浓度设置为1019cm-3；所述介质薄膜层包括DLC薄膜、氮化铝薄膜；所述阳极金属、阴极金属和门极金属材质包括铝。本专利技术提供了一种晶闸管，其特征在于，包括以上内容中任一项的晶闸管芯片。本专利技术提供了一种晶闸管芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：同步在N型衬底下表面及上表面分别形成阳极P型层和P型基区；在所述P型基区部分区域内形成上表面与所述P型基区上表面齐平的阴极N型区，其中所述阴极N型区包括阴极发射N型区和门极N型区；同步在所述阴极发射N型区、P型基区、门极N型区之上以及在所述阳极P型层之下形成欧姆接触电极金属，其中，在所述阴极发射N型区之上形成显露部分所述阴极发射N型区上表面的阴极金属，在所述P型基区表面之上形成同时与所述P型基区和所述门极N型区接触的放大门极金属，在所述P型基区上表面之上形成不与所述门极N型区接触的中心门极金属，在所述阳极P型层之下形成阳极金属；在所述放大门极金属之上通过沉积工艺形成指定厚度的第一介质薄膜层。在本专利技术的实施例中，所述沉积工艺包括化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺、离子束沉积工艺、过滤式真空阴极弧工艺、脉冲激光沉积工艺、磁控溅射工艺，其中所述化学气相沉积工艺包括PECVD工艺；所述放大门极金属和所述阴极金属厚度相同，所述介质薄膜层厚度远小于所述放大门极金属和所述阴极金属厚度，所述介质薄膜层包括DLC薄膜、氮化铝薄膜。在本专利技术的实施例中，所述介质薄膜层的指定厚度设置为20～500nm；所述沉积DLC薄膜的所述PECVD工艺参数包括如下设置：沉积腔体抽真空气压设置为10-6Pa；烷烃类气体流量范围设置为0～500sccm；沉积腔体内压强范围设置为0～66.5Pa；射频源设置为13.56MHz；沉积工艺时间范围设置为3～10分钟；沉积工艺过程中保持所述芯片温度恒定，且沉积工艺中所述芯片温度≤300℃。本专利技术提供了一种晶闸管的制作方法，包括以上内容中任一项的晶闸管芯片的制作方法。与现有技术相比，本专利技术的一个或多个实施例可以具有如下优点：本专利技术通过将DLC(类金刚石)薄膜材料应用于晶闸管芯片的结构，由于DLC是很好的散热材料，提高了门极附近的散热能力，无需对成熟的晶闸管设计、工艺更改，不影响晶闸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶闸管芯片，其特征在于，包括：/n位于阳极P型层之上的N型基区，且位于所述N型基区之上的P型基区；/n位于所述P型基区部分区域内且上表面与所述P型基区上表面齐平的阴极N型区，其中所述阴极N型区包括阴极发射N型区和在平行于P型基区表面方向上更靠近所述芯片中心的门极N型区；/n位于所述阴极发射N型区之上且显露部分所述阴极发射N型区上表面的阴极金属；/n位于所述P型基区表面之上且同时与所述P型基区和所述门极N型区接触的放大门极金属，及位于所述P型基区上表面之上且不与所述门极N型区接触的中心门极金属；/n位于未被阴极金属、放大门极金属和中心门极金属覆盖的P型基区之上指定厚度的介质薄膜层；/n及所述阳极P型层之下的阳极金属。/n

【技术特征摘要】
1.一种晶闸管芯片，其特征在于，包括：
位于阳极P型层之上的N型基区，且位于所述N型基区之上的P型基区；
位于所述P型基区部分区域内且上表面与所述P型基区上表面齐平的阴极N型区，其中所述阴极N型区包括阴极发射N型区和在平行于P型基区表面方向上更靠近所述芯片中心的门极N型区；
位于所述阴极发射N型区之上且显露部分所述阴极发射N型区上表面的阴极金属；
位于所述P型基区表面之上且同时与所述P型基区和所述门极N型区接触的放大门极金属，及位于所述P型基区上表面之上且不与所述门极N型区接触的中心门极金属；
位于未被阴极金属、放大门极金属和中心门极金属覆盖的P型基区之上指定厚度的介质薄膜层；
及所述阳极P型层之下的阳极金属。


2.根据权利要求1所述的晶闸管芯片，其特征在于，
所述放大门极金属和所述阴极金属厚度相同，所述介质薄膜层厚度远小于所述放大门极金属和所述阴极金属厚度。


3.根据权利要求2所述的晶闸管芯片，其特征在于，
所述介质薄膜层的指定厚度设置为20～500nm；
所述芯片总厚度设置为1.2mm；
所述放大门极金属与所述阴极金属厚度设置为30μm。


4.根据权利要求3所述的晶闸管芯片，其特征在于，
所述N型基区的载流子浓度设置为1013cm-3；
所述阳极P型层和P型基区包括铝元素掺杂，载流子浓度设置为1014cm-3～1016cm-3；
所述阴极N型区为磷元素掺杂，载流子浓度设置为1019cm-3。


5.根据权利要求2所述的晶闸管芯片，其特征在于，
所述介质薄膜层包括DLC薄膜、氮化铝薄膜；
所述阳极金属、阴极金属和门极金属材质包括铝。


6.一种晶闸管，其特征在于，
包括权利要求1至5中任一项的晶闸管芯片。


7.一种晶闸管芯片的制作方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东东，操国宏，王政英，姚震洋，高军，银登杰，郭润庆，刘军，
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