專利名稱：柵控晶閘管的制作方法
技術領域：
本發明涉及微電子技術和電力電子技術領域，特別是一種新原理結構的柵控晶閘管功率器件。
半導體器件經數十年的發展，已逐步形成二大領域，即微電子器件和電力電子器件領域，前者以處理信息的集成電路為發展方向，目前已可在一塊半導體芯片上集成上億個元器件，促進了電子技術的飛速發展；后者則以處理功率為方向，希望其功率容量大，且有高的轉換速度，這類功率半導體器件主要以大功率晶體管和晶閘管(Thyristor)為代表。然而這類器件的開啟和關閉都是在輸入端用電流來控制，由于半導體器件的固有特性，決定了要關閉處于導通狀態和開啟處于截止狀態的這類器件需要較大的驅動電流，如關閉晶閘管輸入端約需加四分之一輸出電流的反向電流，致使輸入功率大，驅動電路變得復雜。微電子技術的發展，微細加工和金屬氧化物半導體(MOS)技術的不斷成熟，發展了電壓控制的功率半導體器件，使得器件可以在極小的輸入功率下控制大的功率輸出。七十年代末期，國外發明了垂直雙擴散場效應晶體管(VDMOS)，八十年代初又發明了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和MOS控制的晶閘管(MCT)，這三類器件當中，前二者技術已基本成熟，后者仍在發展之中，但處理功率的能力以MCT為最大。MCT是金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)與晶閘管的復合結構，其輸入端由于電壓控制和輸出功率大，應用前景廣闊，近十余年來是國內外關注及重視的研究領域。該器件是在晶閘管的表面集成了共柵的增強型MOS，當施加正(負)柵壓器件窄基區表面形成反型層，溝道電流流入寬基區觸發晶閘管導通，施加負(正)柵壓其射區表面形成的反型溝道短路晶閘管發射結，窄基區多子流向陰極驅使器件關閉。其可控關斷電流的能力取決于該MOS反型溝道的電阻。由于其制造技術與MOS集成電路工藝相容，呈現了極大生命力，目前已有批量商品。此后圍繞器件電流關斷能力的研究報導了多種新的結構器件，形成了一簇該類器件，代表性的有MOS耗盡型晶閘管(DMT)，發射極關斷晶閘管(EST)，基區電阻控制的晶閘管(BRT)以及具有MOS反型層短路射結的EST(ESTD)等結構。它們觸發器件導通的MOS結構和原理與MCT結構相同，差別在關閉器件的MOS結構及原理。DMT采用了柵電極垂直深入寬基區的U型槽增強型MOS結構，施加柵壓時MOS柵下寬基區耗盡，相鄰耗盡層縱向將寬基區夾斷迫使器件關閉。其采用非平面工藝增加了難度。EST在器件的射極與陰極間集成了增強型MOS結構，導通時電流經該增強型MOS溝道流入陰極，柵壓下降至溝道消失時電流通路切斷實現關閉，該MOS的功率限制了器件的工作電流，且結構中存在不受MOS控制的寄生晶閘管，影響了器件關斷電流的能力。BRT在寬基區表面集成了增強型MOS結構，依靠該MOS反型溝道將窄基區多子驅向陰極，控制關閉，其實質與MCT的射結短路相似。關斷電流的能力受限于MOS反型溝道的電阻。ESTD可看作是EST與BRT的復合結構，其保留了EST切斷電流的MOS結構，增加了與BRT相同功能的增強型MOS結構，提高了電流關斷力，同時也保留了它們的不足。
目前MOS控制的晶閘管類功率器件的研究和發展重點仍在MOS結構對器件電流的可控關斷能力，即可控制關斷的電流密度、關斷速度和關斷的可靠性等。另外，上述各結構器件除EST外都是采用極性相反的二個電壓分別控制其開啟和關閉，而EST又存在固有的不足。
本發明的目的在于提出一種新原理結構的該類器件，其關斷電流的能力優越，而控制開啟和關閉只需一單極性電壓，即輸入端施加電壓信號器件導通，電壓信號降至某一閾值或零，器件則自行關閉。
本發明的基本方案是在器件中晶閘管的表面設計了共柵的增強型MOS結構和耗盡型MOS結構。增強型MOS集成于晶閘管窄基區的表面，該MOS控制器件的導通。耗盡型MOS集成在晶閘管發射區，該MOS的溝道形成了晶閘管的射結本征短路結構，控制器件的關斷。該結構器件工作原理可簡述為當施加某一極性電壓于MOS柵極時，耗盡型MOS的溝道夾斷，晶閘管射結短路消失，器件呈現為晶閘管結構，而增強型MOS形成反型溝道，溝道電流驅使晶閘管開啟。當電壓下降到低于某一閾值或零，增強型MOS溝道消失，失去驅動晶閘管導通的條件，而耗盡型MOS溝通恢復，晶閘管呈現射結被該溝道短路的本征結構，驅使晶閘管關閉。關閉電流的能力取決于短路器件射結的耗盡型MOS溝道電阻。
為進一步提高器件關斷電流的能力，在晶閘管的寬基區表面同時集成耗盡型MOS結構，其溝道同樣形成了晶閘管的射結本征短路，有效減小了射結短路電阻。
由于本結構器件關斷電流的能力取決于射結的短路電阻，即耗盡型MOS溝道的電阻，合理的設計其溝道電阻小于增強型MOS的反型溝道電阻，因此，關閉電流密度高，速度快，且由于晶閘管射結短路為耗盡型MOS溝道所形成，關閉電流的可靠性強，并實現了單一極性電壓控制器件的工作。
以下結合附圖和實施例對本發明器件作進一步的描述。


圖1為本發明器件的第一種實施例的單元胞縱向剖面結構示意圖。
圖2為本發明器件的第二種實施例單元胞縱向剖面結構示意圖。
圖3為本發明器件的第三種實施例的單元胞縱向剖面結構示意圖。
圖4為本發明器件的第四種實施例單元胞縱向剖面結構示意圖。
參見圖1，圖中所示“1”區為P型區，用P2表示，“2”區為MOSFET的柵電極層，“3”區為絕緣介質層，“4”區和“5”區是外電極金屬化層。圖中底部的P+區和N-區、P1區組成的PNP晶體管結構與圖中上部的N(N+)區和P1區、N-區組成NPN晶體管結構復合構成了PNPN型晶閘管，其中N-區和P1區分別為晶閘管的寬基區和窄基區，N(N+)區為其表面發射區。“A”“K”和“G”分別為器件陽極、陰極和柵電極。表面發射區內的P+區、P2區和P1窄基區與“2”區柵電極構成了耗盡型P溝MOSFET，P+區、P2區和P1區分別為其漏區、溝道區和源區。由圖1可見該MOSFET的溝道P2區形成了晶閘管發射結的本征短路結構。該耗盡型MOS溝道P2區和漏極P+區是以一定的平面幾何形狀(如橋梁形狀)分布于表面，因此其間隔部分仍是N型發射區，而該N型射區和N-區及其之間的P1區在表面則分別構成了增強型N溝MOSFET的源區、漏區和溝道區。增強型和耗盡型MOSFET共用圖中所示的“2”區柵電極。
本發明器件實施例的工作原理可簡述為取陰極K為參考電位，陽極A置高電位，當施加正電壓于柵極G時，P2區耗盡，表面P+區與P1區間斷路，耗盡型P溝MOSFET截止，器件呈現為晶閘管結構。同時，P1區表面形成反型層溝道，增強型N溝MOSFET開啟，其溝道電子流從N型射區流入N-寬基區，觸發器件進入導通狀態。當柵電壓下降到某一閾值或零，P1區表面反型層消失，增強型N溝MOSFET截止，耗盡型MOSFET的P2溝道恢復，晶閘管射結呈現短路，P1窄基區內空穴經該短路P2區流入陰極破壞了器件內電流的正反饋，驅使器件關閉。
可見，圖1所示本發明器件實施例關閉電流是依靠了集成在N型射區內的耗盡型P溝MOSFET溝道短路器件發射結，關閉電流的能力由溝道P2區的電阻決定，即射結短路電阻決定，該電阻決定于P2區的材料物理參數和幾何結構參數。
參見圖2，該實施例是為減小器件的射結短路電阻，進一步提高器件關斷電流的能力而提出的。圖2所示本發明的器件第二種實施例保持了第一種實施例的結構，另外在器件相鄰元胞間的N-寬基區表面集成了耗盡型P溝MOSFET，圖2中“6”區是其溝道區，仍用P2表示，圖中兩側的P+區是其漏區，P1窄基區是其源區。“6”區的P2區和“1”區的P2同時形成，且“6”區的P2區也以一定的平面幾何形狀(如橋梁形狀)設置于表面。本實施例器件的工作原理與第一種實施例器件的工作原理相同，但本實施例在器件射區和N-寬基區表而分別集成的兩只耗盡型P溝MOSFET相并聯，有效減小了器件射結的短路電阻，提高了器件關斷電流的能力。
參見圖3，本發明器件的第三種實施例單元胞縱向剖面示意圖與圖1所示本發明器件的第一種實施例單元胞縱向剖面示意圖的幾何結構相同，差別在相應的摻雜類型相反。圖中“1”區為N型區，用N2表示，“2”區為MOSFET的柵電極層，“3”區為絕緣介質層，“4”區和“5”區是外電極金屬化層。圖中底部的N+區、P-區和N1區組成的NPN晶體管結構與圖中上部的P(P+)區和N1區、P-區組成的PNP晶體管結構復合構成了NPNP晶閘管結構，其中P(P+)區是晶閘管的表面發射區，P-區和N1區分別為晶閘管的寬基區和窄基區、“A”、“K”和“G”分別為器件的陽極、陰極和柵電極。表面發射區內的N+區、N2區和N1窄基區分別構成了耗盡型N溝MOSFET的漏區、溝道區和源區。該MOSFET溝道N2區形成了晶閘管射結本征短路結構。其溝道N2區和漏極N+區以一定平面幾何形狀(如橋梁形狀)分布于射區表面，間隔部分仍是P型發射區，在器件表面，該P型射區、P-寬基區及其中間的N1窄基區構成了增強型P溝MOSFET。增強型和耗盡型MOSFET共柵。
本發明器件的第三種實施例的工作原理可簡述為將陰極K作為參考電位，陽極A置負電位，當施加負極性電壓于柵極G時，N2區耗盡，N+區與N1區斷路，耗盡型N溝MOSFET截止，器件結構呈現為晶閘管。而同時N1區表面形成P型反型溝道，增強型P溝MOSFET開啟，空穴電流從陰極經該MOSFET溝道流入P-寬基區，觸發器件導通，當柵電壓的絕對值降至某一閾值或零，N1區表面反型層消失，增強型P溝MOSFET截止，耗盡型N溝MOSFET溝道恢復，器件射結短路，N1窄基區內電子經該短路區流向陰極，驅使器件關閉。
參見圖4，本實施例保持了本發明器件第三種實施例的結構，但在第三種實施例的器件射區表面形成N+區和N2“1”區的同時，在相鄰元胞間的P-寬基區表面也以一定的平面幾何形狀(如橋梁形狀)形成了圖4中所示的N+區和N2“6”區。N2“6”區，N+區和N1窄基區構成了耗盡型N溝MOSFET，該耗盡型MOSFET與器件射區表面耗盡型N溝MOSFET并聯。工作原理與第三種實施例器件相同，當柵電極施加負電壓時，耗盡型N溝MOSFET截止，增強型P溝MOSFET工作，驅使器件導通，當柵電壓絕對值降到某一閾值之下或零，增強型P溝MOSFET截止，耗盡型N溝MOSFET溝道短路器件射結，器件實現關閉。由于集成于射區和寬基區的兩只耗盡型MOSFET相并聯，器件的射結短路電阻減小，關閉電流的能力提高。
總上結構所示，本發明器件的特征為耗盡型MOSFET溝道形成了器件射結的本征短路，關閉電流的能力主要取決于短路溝道電阻，合理的設計使本發明器件所能關閉的電流密度大、速度快、可靠性高，且器件的工作只需要一單極性電壓控制。
本發明器件的制造技術與MOS集成電路工藝相容。以下以本發明器件第一種實施例簡述其制造方法和基本的工藝過程。
首先在P+單晶片上外延生長N-型層，然后進行定域的硼擴散(或離子注入)，形成晶閘管上部晶體管的P1基區，同時也是下部晶體管的收集區。在該基區內定域磷擴散(或離子注入)N+和N層，形成發射區，至此該器件的主結構完成。為了形成控制晶閘管的MOSFET，在其上部晶體管的發射區內采用一定布局擴散或離子注入形成P+區，此后再用離子注入制造淺結P2橋，將P+區與晶閘管P1基區相連接，則器件的體內結構完成。在制造完成表面結構時，首先在晶片表面生長一層柵氧化層，然后生長覆蓋多晶硅或耐熔金屬硅化物，形成MOS柵電極，再在柵電極表面淀積多層介質，即二氧化硅——氮化硅——二氧化硅，光刻出柵電極和陰極引線孔，接著淀積鋁，光刻出陰極和柵電極，經表面鈍化及背面金屬化，本結構器件的芯片即制造完成。
權利要求
1.一種柵控晶閘管，包括陽極A，陰極K和柵電極G以及由二只三極管復合構成的PNPN、NPNP晶閘管結構，且在PNPN結構的射區表面內含有由P+區構成的耗盡型P溝MOSFET漏區，在NPNP結構中含有N+區構成的耗盡型N溝MOSFET漏區，其特征在于上述晶閘管結構的發射區表面或發射區和寬基區表面集成有耗盡型MOSFET溝道區，該溝道區形成了器件射結短路。
2.根據權利要求1所述的柵控晶閘管，其特征在于所述的發射區表面集成的耗盡型MOSFET溝道區(1)以橋梁形狀分布于PNPN結構晶閘管的漏區P+與源區P1之間或NPNP結構晶閘管的N+與N1之間。
3.根據權利要求1所述的柵控晶閘管，其特征在于所述的發射區和寬基區表面集成的耗盡型MOSFET溝道區(1)以橋梁形狀分布于PNPN結構晶閘管射區內漏區P+與窄基區形成的源區P1之間或NPNP結構晶閘管的N+與N1之間，溝道區(6)以橋梁形狀分布于PNPN結構晶閘管寬基區表面漏區P+和窄基區形成的源區P1之間或NPNP結構晶閘管N+與N1之間。
全文摘要
本發明涉及一種新原理結構的柵控晶閘管，其特征在于在晶閘管結構的發射區表面或發射區和寬基區表面集成有耗盡型MOSFET，該MOS溝道區構成了晶閘管的射結短路，控制器件的關閉。它克服了目前柵控晶閘管所能關閉的電流密度較低、速度較慢、存在寄生結構器件和工作時需要二個相反極性的柵電壓控制等缺點。該器件關閉電流密度高、速度快，可靠性強，實現了單一極性電壓控制器件工作，廣泛適應于電子領域內的功率轉換。
文檔編號H01L29/74GK1144975SQ96118670
公開日1997年3月12日 申請日期1996年4月23日 優先權日1996年4月23日
發明者張鶴鳴, 戴顯英 申請人:西安電子科技大學