一种逆导型集成门极换流晶闸管制造技术

本发明专利技术公开了一种逆导型集成门极换流晶闸管，包括：GCT、FRD，以及GCT和FRD之间的隔离区。GCT在纵向由上至下依次包括GCT的阴极N+掺杂区、GCT的P型基区、N-衬底、N′缓冲层和GCT的P+阳极区。FRD在纵向由上至下依次包括FRD的P型基区、N-衬底、N′缓冲层和FRD的N+阴极区。N′缓冲层为GCT和FRD共用的N′缓冲层。在隔离区的上表面轻掺杂有一层N′杂质，N′杂质的掺杂浓度比N-衬底的掺杂浓度高出1～2个数量级。本发明专利技术利用杂质的补偿作用，在不改变隔离区P型掺杂分布的条件下，增加了隔离区的有效宽度，克服了现有技术存在的扩散控制精度不高、工艺复杂、不适用于高压器件的缺点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种功率半导体开关器件的结构，尤其是涉及一种逆导型集成门极换流晶闸管(RCGCT,Reverse Conducting Integrated Gate Commutated Thyristor)的结构。
技术介绍
逆导型集成门极换流晶闸管(ReverseConducting Integrated Gate CommutatedThyristor,RCGCT)是一种在一个芯片上集成了 GCT (Gate Commutated Thyristor,门极换流晶闸管)与FRD (Fast Recovery Diode，快恢复二极管)的电力电子器件。其中，GCT是一种电力电子开关器件，典型的工作状态为导通状态、阻断状态以及状态转换的开通过程和关断过程。电极有门极(Gate,控制极)，阳极(Anode)和阴极(Cathode)。在电力电子器件中GCT主要作为开关元件。而FRD的典型结构为PIN结构，电极有阳极(Anode)和阴极(Cathode)。在电力电子器件中FRD主要用于续流和嵌位。但GCT和FRD并不同时工作，因 此需要将其进行电性能隔离。如附图I所示，GCT与FRD两部分之间设计一个环状隔离区，以隔离GCT与FRD之间的相互影响，保证器件安全可靠独立工作。以硅为代表的半导体器件都是在原始单晶的基础上进行一定的加工工艺，形成特定结构和掺杂分布，从而实现器件功能。其中掺杂剂分成两类一类为N型掺杂剂，如磷和砷原子。另一类为P型掺杂剂，如硼、铝和镓原子。大功率半导体的掺杂剂常用磷、硼、铝和镓。通常在“N”或“P”后增加一定的符号表明掺杂的轻重程度。如“N-”表示非常低的N型掺杂(13次方量级)，这通常表示衬底；“N' ”表示14 16次方个量级的轻掺杂；“N+”表示重掺杂(通常在18次方以上)。P型杂质的轻重掺杂也可同样表示。隔离技术是RCGCT器件的关键技术。当前，隔离技术的难点在于(I)隔离区有效宽度的控制。过窄不能有效隔离，过宽则消耗器件的有效面积，且影响器件的耐压水平。(2)隔离区的横向耐压水平。隔离区双向均需达到20V及以上的耐压，以保证器件间的独立性。(3)隔离区形成工艺不得影响器件各个部分的耐压水平和其它特性。(4)工艺必须简单可行。若通过复杂、多次扩散和光刻工艺来保证隔离，易造成生产成本的提高、生产周期的延长、工艺缺陷几率的增加等负面影响。现有的隔离技术是以PNP+沟槽隔离为基础，PNP隔离是指采用本征N-衬底，两侧进行P杂质扩散，通过设计控制合适的宽度，实现GCT和FRD的隔离。沟槽是指在隔离区PNP基础上在本征N-区通过刻蚀工艺形成一个沟槽。已有三种相似的现有技术归纳如下现有技术一如附图2所示，该技术方案采用PNP+沟槽隔离方式。PNP+沟槽的隔离是逆导器件隔离区具有的共同特点，其他隔离方法都是在该方法的基础上做一些优化。现有技术二 如附图3所示，该技术方案采用隔离区表面N掺杂结合场环+沟槽隔离方式。场环结构是在N型隔离区中掺杂一道一道的P型区，当GCT阳极施加高电压之后，隔离区中数个PN结一起承受高电压，从而实现隔离要求。现有技术三如附图4所示，该技术方案采用隔离区N+掺杂结合场板+沟槽的隔离方式。隔离区中进行N型重掺杂。场板结构是指在隔离区表面先后制作一层绝缘层(SiO2)和金属层，金属层和一侧电极相连，可以在电极上施加电压之后改变隔离区电场的分布，从而满足隔离的要求。其中，在附图2至附图4中所示的A部分均为隔离区。以上三种现有技术存在的不足主要有以下几点(I)隔离区边界不易控制。现有隔离技术其隔离区采用N-衬底，N-衬底是低掺杂，P基区的结深约80 150 μ m，杂质的横向扩散距离也较大。如附图5所示，当横向扩散使杂质浓度从18 19次方的高浓度降低到衬底浓度时，表面状况的一些差异将导致横向扩散距离产生较大的偏差。如附图6所示是横向扩散距离体现出隔离区宽度的变化示 意图。因此自然的PNP隔离其隔离区N区宽度不易控制，尤其是N区宽度很小时，N区宽度的变化很可能导致隔离无效。从附图5中也可以看出将PN结边界的浓度升高，可以削弱横向扩散差异对隔离区宽度的影响，从而增加工艺制作的可控性。(2)隔离区宽度不易控制。PNP结构+沟槽的隔离技术方案中N区宽度由两侧P型区的横向扩散确定，器件表面杂质横向扩散距离取决于工艺过程中的表面状况，P型区结深也有波动起伏，由此P型区边界线存在左右变动的可能，造成N区宽度的不稳定，不能做到精确控制，隔离效果也将随之受到影响。(3)横向穿通电压偏低。现有的PNP隔离结合沟槽的隔离技术中隔离区宽度设计在穿通电压和GCT阻断状态下的耐压有矛盾，必须折衷考虑，这就造成现有隔离技术的穿通电压不高(小于110V)，对逆导型GCT的安全工作而言有提高的必要。(4)工艺复杂。现有技术在隔离环区域增加P型区(现有技术二)或N+区(现有技术三)，都将增加工艺的复杂度，增加这些杂质沉积前的光刻，且在窄小的隔离区进行这些高浓度杂质扩散，隔离区的有效边界更加难以保证。同时，场环和场板均需要增加多次光亥IJ，设计光刻掩膜版，增加高温扩散过程，这不仅增加器件生产的成本，延长生产周期，且对于大电流高电压的功率器件而言，其隔离环宽度不能可靠控制。(5)不适用高压器件。现有技术一的工艺实现最为简单，但是根据之前的技术分析，隔离环宽度需要平衡主结耐压和穿通电压，过宽或过窄均不行，方案一适用于小功率器件，其耐压不高，可以增加隔离区宽度来保证穿通电压。但是对于大功率器件，电压等级高达6000V，甚至9000V，器件的耐压等级提高需要减小隔离区宽度，但大功率器件对应的穿通电压需求也随之提升，同时又要求增加隔离区宽度，这是隔离区宽度设计矛盾更加突出，所以现有技术一不适用于大功率器件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种逆导型集成门极换流晶闸管，以克服现有技术存在的逆导型集成门极换流晶闸管扩散控制精度不高、工艺复杂、不适用于高压器件的缺点。为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体提供了一种逆导型集成门极换流晶闸管的技术实现方案，一种逆导型集成门极换流晶闸管，包括GCT、FRD，以及GCT和FRD之间的隔离区。GCT在纵向由上至下依次包括GCT的阴极N+掺杂区、GCT的P型基区、N-衬底、N'缓冲层和GCT的P+阳极区。FRD在纵向由上至下依次包括FRD的P型基区、N-衬底、N'缓冲层和FRD的N+阴极区。N-衬底为GCT和FRD共用的N-衬底。N'缓冲层为GCT和FRD共用。隔离区的上表面轻掺杂有一层N'杂质，N'杂质的掺杂浓度比N-衬底的掺杂浓度高出I 2个数量级。作为本专利技术一种逆导型集成门极换流晶闸管技术方案的进一步改进，隔离区的上表面去除一定深度的硅，在GCT的阴极N+掺杂区与FRD的P型基区之间形成隔离沟槽。作为本专利技术一种逆导型集成门极换流晶闸管技术方案的进一步改进，N'杂质的掺杂浓度为I X IO14 I X IO16CnT3。作为本专利技术一种逆导型集成门极换流晶闸管技术方案的进一步改进，N-衬底的掺杂浓度为I X IO13CnT3。作为本专利技术一种逆导型集成门极换流晶闸管技术方案的进一步改进，隔离区的表面掺杂的N'杂质结深为20 50 μ m。 作为本专利技术一种逆导型集成门极换流晶闸管技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种逆导型集成门极换流晶闸管，其特征在于，包括：GCT（1）、FRD（2），以及GCT（1）和FRD（2）之间的隔离区（3）；GCT（1）在纵向由上至下依次包括GCT的阴极N+掺杂区（4）、GCT的P型基区（5）、N？衬底（6）、N′缓冲层（7）和GCT的P+阳极区（8）；FRD（2）在纵向由上至下依次包括FRD的P型基区（10）、N？衬底（6）、N′缓冲层（7）和FRD的N+阴极区（11）；N？衬底（6）为GCT（1）和FRD（2）共用的N？衬底；N′缓冲层（7）为GCT（1）和FRD（2）共用的N′缓冲层；隔离区（3）的上表面轻掺杂有一层N′杂质，N′杂质的掺杂浓度比N？衬底（6）的掺杂浓度高出1～2个数量级。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈芳林，刘可安，唐龙谷，张弦，雷云，
申请(专利权)人：株洲南车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：