一種功率半導體器件的制作方法
【專利摘要】本發明屬于功率半導體器件技術領域，涉及一種功率半導體器件。本發明包括從下至上依次層疊設置的陽極金屬、P型陽極區和N型襯底；所述N型襯底上層具有P型基區，所述P型基區上層具有相互獨立的N型源區和N型發射區；所述N型襯底上表面具有柵氧化層，所述柵氧化層還延伸覆蓋部分P型基區和N型源區的上表面；所述柵氧化層的上表面具有柵極金屬；所述N型發射區上表面具有第一陰極金屬，所述第一陰極金屬還覆蓋部分P型基區的上表面；其特征在于，所述N型源區的上表面還具有第二陰極金屬。本發明的有益效果為，解決了常規的功率器件在陰極電感引起的柵氧化層擊穿問題，從而提高了器件的可靠性。
【專利說明】
一種功率半導體器件
技術領域
[0001 ]本發明屬于功率半導體器件技術領域，涉及一種功率半導體器件，更具體的說是設id種減小陰極電感的M0S觸發負阻性器件(MOS Triggered Dynistor簡稱:MTD)。【背景技術】
[0002]晶閘管是一種容易實現高電壓、高電流的半導體器件，在功率開關領域占有很大的份額，隨著工藝的進步，技術的發展，晶閘管的工作電壓、電流等級達到幾KV和幾KA，正是由于這種優良特性然而由于尺寸較大，無法直接通過柵極抽取電流來關斷器件，需在陽極加上反向電壓，這使得晶閘管應用受限。
[0003]常規的M0S控制雙極型器件，M0S場控晶閘管(MOS Controlled Thyristor，簡稱: MCT)在脈沖功率領域得到廣泛的應用。但該類存在一些缺點:比如該器件也給系統安全帶來了潛在危險；同時該器件的三重擴散的制作工藝使它的制作變得復雜，制作成本高、成品率低。
[0004]同時，功率半導體器件的可靠性一直是衡量器件好壞的一個重要標準。在功率脈沖系統中，開關器件要經歷大的電流脈沖過程，具有極大的電流上升率(di/dt)。由于寄生電感(封裝打線引入或者應用回路引入等)的存在(UL = LXdi/dt)，那么在器件陰極電位會產生一個較大的變化。即在器件的柵極和陰極之間會有一個比較大的電壓差，會使器件的柵氧化層擊穿，從而器件失效。
【發明內容】

[0005]本發明所要解決的，就是針對上述問題提出一種具有極高的峰值電流能力和電流上升率的功率半導體器件。
[0006]本發明的技術方案是:一種功率半導體器件，如圖1所示，包括從下至上依次層疊設置的陽極金屬8、P型陽極區7和N型襯底6;所述N型襯底6上層具有P型基區5,所述P型基區 5上層具有相互獨立的N型源區2和N型發射區10;所述N型襯底6上表面具有柵氧化層4,所述柵氧化層4還延伸覆蓋部分P型基區5和N型源區2的上表面;所述柵氧化層4的上表面具有柵極金屬3;所述N型發射區10上表面具有第一陰極金屬9,所述第一陰極金屬9還覆蓋部分P型基區5的上表面;其特征在于，所述N型源區2的上表面還具有第二陰極金屬1。
[0007]本發明的有益效果為，解決了常規的功率器件在陰極電感引起的柵氧化層擊穿問題，從而提高了器件的可靠性。【附圖說明】
[0008]圖1是本發明器件的結構示意圖；
[0009]圖2是本發明器件的等效電路圖；[〇〇1〇]圖3是傳統的MTD結構示意圖；[〇〇11]圖4是傳統的MTD與本發明的MTD的阻斷特性曲線示意圖；[0〇12]圖5是傳統的MTD與本發明的MTD的導通特性曲線示意圖；[〇〇13]圖6是本發明MTD的正向導通時的電流線分布示意圖；
[0014]圖7是本發明器件測試電容放電特性曲線的測試電路圖；
[0015]圖8是傳統的器件測試電容放電特性曲線的測試電路圖；
[0016]圖9是傳統的MTD與本發明MTD的電容放電特性的柵極電壓示意圖；[〇〇17]圖10是傳統的MTD與本發明MTD的電容放電特性的柵極電流示意圖；[〇〇18]圖11是傳統的MTD與本發明MTD的電容放電特性的陽極電壓示意圖；[〇〇19]圖12本發明MTD的電容放電特性的陰極電流意圖。【具體實施方式】[〇〇2〇]下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案:
[0021]本發明的一種功率半導體器件，如圖1所示，包括從下至上依次層疊設置的陽極金屬8、P型陽極區7和N型襯底6;所述N型襯底6上層具有P型基區5,所述P型基區5上層具有相互獨立的N型源區2和N型發射區10;所述N型襯底6上表面具有柵氧化層4,所述柵氧化層4還延伸覆蓋部分P型基區5和N型源區2的上表面;所述柵氧化層4的上表面具有柵極金屬3;所述N型發射區10上表面具有第一陰極金屬9,所述第一陰極金屬9還覆蓋部分P型基區5的上表面;其特征在于，所述N型源區2的上表面還具有第二陰極金屬1。[〇〇22]本發明工作原理:器件的柵極3上加正電壓，陰極金屬1和陰極金屬9接地，則柵極3 下方的P型基區5表面產生N型溝道。N型發射極2電子注入到N型漂移區6中，使得由陽極區7、 N型漂移區6、P型基區5組成的PNP晶體管獲得基極電流而被打開。該PNP晶體管的集電極電流(空穴電流)橫向流過P型基區5被陰極金屬9抽走。這股橫向電流在P型基區5中產生了橫向壓降。當陽極電壓升高，使電流增大時，該橫向壓降也相應升高。當橫向壓降高于由P型基區5和N型源區2組成的PN結的勢皇電壓時，該PN結離N型發射區10開口的遠端被開啟。由于該PN結部分被開啟，使得電流急劇增大，該PN結的其他區域按與N型發射區10開口的距離遠近逐漸被開啟，直到整個PN結被開啟。此時，寄生的NPNP晶閘管結構進入閂鎖狀態，器件開啟，進入正向導通狀態。[〇〇23]以1600V的雙陰極MTD為例，本發明的主要制造流程包括:[〇〇24] 第一步:制備N型襯底6;
[0025]第二步:在N型襯底6上表面生長二氧化硅，形成柵氧化層4，在柵氧化層4上表面淀積N型導電多晶硅形成柵電極3;[〇〇26]第三步:采用離子注入和高溫擴散推結工藝，在N型襯底上層形成P型基區5;
[0027]第四步:采用離子注入和高溫擴散推結工藝，在P型基區5上層形成N型發射區10和 N型源區2;[〇〇28] 第五步:對型襯底6下表面進行減薄、拋光處理，注入P型雜質并進行離子激活，形成陽極區7;
[0029]第六步:在N型極發射區10上表面淀積金屬層，形成陰極金屬1;
[0030]第七步:N型源區2和P型基區5上表面淀積金屬層，形成陰極金屬9;
[0031]第八步:在N型陽極區7下表面淀積金屬層，形成陽極金屬8。[〇〇32]以耐壓為1600V的常規MTD和本發明提供的雙陰極MTD為例進行仿真比較。如圖3所示，常規MTD和本發明提供的雙陰極MTD都具有1600V的耐壓。在開啟二種器件時，如圖4所示，常規MTD和本發明提供的雙陰極MTD都在陽極電壓逐漸增加的過程中有一段負阻區，這是由于PN結在橫向上的不同區域逐漸開啟導致的。在通過負阻區后常規MTD和本發明提供的雙陰極MTD具有相似的導通特性。
[0033]以上述仿真器件為例，直觀地展示出本發明結構在脈沖功率應用領域所具有的性能優勢試電路圖如圖7所示，當電源電壓為1100V，電容C為0.9yF，電感L1和L2分別為60nH、 5nH，柵電阻Rg為4.7 Q時。用電路圖8仿真普通MTD器件，當電源電壓為1100V，電容C為0.9y F，電感L1和L2分別為60nH、5nH，柵電阻Rg為4.7Q時。在相同的芯片面積下常規MTD和本發明提供的雙陰極MTD的柵極電壓如圖9所示，可以看到雙陰極器件放電時柵極電壓不會有明顯的震蕩，而普通MTD柵壓有劇烈的震蕩;常規MTD和本發明提供的雙陰極MTD的陽極電流如圖11所示，兩種器件的陽極峰值電流都大于3000A并沒沒有明顯的差距；如圖12所示，雙陰極MTD在脈沖放電時，陰極2上不會過大電流(V = L*di/dt)，所以柵極相對于陰極不會有大的電壓差，那么柵極就不容易擊穿。直觀地展示出本發明結構相對于常規MTD在脈沖功率應用領域所具有的性能優勢。
【主權項】
1.一種功率半導體器件，包括從下至上依次層疊設置的陽極金屬(8)、P型陽極區(7)和 N型襯底(6);所述N型襯底(6)上層具有P型基區(5)，所述P型基區(5)上層具有相互獨立的N 型源區(2)和N型發射區(10);所述N型襯底(6)上表面具有柵氧化層(4)，所述柵氧化層(4) 還延伸覆蓋部分P型基區(5)和N型源區(2)的上表面;所述柵氧化層(4)的上表面具有柵極 金屬(3);所述N型發射區(10)上表面具有第一陰極金屬(9)，所述第一陰極金屬(9)還覆蓋 部分P型基區(5)的上表面；其特征在于，所述N型源區(2)的上表面還具有第二陰極金屬 ⑴。
【文檔編號】H01L21/332GK106024869SQ201610348220
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】陳萬軍, 唐血鋒, 劉超, 婁倫飛, 程武, 劉亞偉, 張波
【申請人】電子科技大學