專利名稱：集成門極換流晶閘管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大功率集成門極換流晶閘管(IGCT)。
技術(shù)背景IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)稱為集成門才及換流晶 閘管。它是近年發(fā)展起來的一種新型大功率電力半導(dǎo)體器件。IGCT是將 眾多門極換流晶閘管(GCT)通過印制電路板與門極驅(qū)動(dòng)裝置連成一個(gè) 整體形成的。IGCT是四層三端器件，其內(nèi)部由成千個(gè)GCT梳條所組成。 IGCT通常制成逆導(dǎo)型，其續(xù)流二極管的陽極和GCT的門極共用，而GCT 的陰極梳條并聯(lián)在一起，與續(xù)流二極管單片集成在同一芯片上。逆導(dǎo)型 門極換流晶閘管GCT的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1為現(xiàn)有逆導(dǎo)GCT的一個(gè)基本 單元的結(jié)構(gòu)剖面圖。該圖左側(cè)是GCT,右側(cè)是反并聯(lián)二極管。GCT是一 個(gè)五層的PNN-PN+晶閘管，其中PNN-PN+晶閘管采用多陰極梳條并聯(lián)結(jié) 構(gòu)。GCT的N區(qū)由n-基區(qū)和n緩沖層兩部分組成，陽極16連接到p+透明陽 極區(qū)，p基區(qū)20接門極10， n+區(qū)接陰極11。 GCT的右邊為PN-N二極管部 分，陽極16與PN-N二極管的陰極共用，即陽極16也是PN-N二極管的陰極， PN-N二極管的p基區(qū)21接二極管的陽極15。 GCT的陰極ll與二極管的陽極 15通過外圍電路電連接。GCT與二極管之間需要具有有效的隔離，圖1中GCT和二極管享有 同一個(gè)阻斷結(jié)(pn-),因此GCT的p基區(qū)20與二極管的p基區(qū)21之間是 利用pn結(jié)隔離，其等效電路如圖2所示，陰極K和門極G之間相當(dāng)于連接 有反向串聯(lián)的兩個(gè)二極管。但這種隔離方式在高壓下存在高壓結(jié)體內(nèi)終 端處理的困難。圖3為現(xiàn)有GCT基本單元的另一種結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖3所示，在這種 結(jié)構(gòu)的隔離方式中，在n基區(qū)上的GCT和二極管的公共p基區(qū)中通過刻蝕 工藝刻蝕形成隔離溝槽25 ，利用刻蝕后的隔離溝槽在p基區(qū)中形成的體電阻實(shí)現(xiàn)GCT和二極管的隔離，其等效電路如圖4所示，RoK為門極G與陰極 K之間的體隔離電阻。然而這種方式中，由于溝槽深度通常要達(dá)到幾十微 米才能獲得合適的隔離電阻，而刻蝕如此深的溝槽對于刻蝕工藝來說實(shí) 現(xiàn)起來非常困難，而且難以對刻蝕深度進(jìn)行精確地控制，易使形成的隔 離電阻Rgk的阻值過小。過小的隔離電阻RcK會(huì)導(dǎo)致附加的導(dǎo)通和關(guān)斷電 流，增加導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種集成門極換流晶閘管及其制造方法，負(fù)fe 夠在GCT單元和二極管之間實(shí)現(xiàn)有效的隔離，且隔離形成的工藝簡便 易行。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種集成門極換流晶閘管，所述門 極換流晶閘管包括rf型襯底，p型摻雜區(qū)，n型摻雜區(qū)，門極換流晶閘 管的陽極p+摻雜區(qū)，二極管n+緩沖區(qū)，以及門極換流晶閘管的陰極梳 條，還包括門極換流晶閘管的陰極和門極，二極管的陽極、門極換流晶 閘管的陽極和二極管的陰極，其特征在于在門極換流晶閘管的門極和 二極管的陽極之間的p型摻雜區(qū)中具有n+型隔離環(huán)。所述n+型隔離環(huán)區(qū)中注入的n型雜質(zhì)離子為磷、砷、銻、鉍、或 者氮之中的任意一種或者多種。所述n型雜質(zhì)離子的濃度為lE17/cm3 lE19/cm3。 所述n-型襯底的雜質(zhì)摻雜濃度為lEll/cm3~lE13/cm3。 所述p型和n型摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度為在lE14/cm3 lE18/cm3。所述p+摻雜區(qū)和n+緩沖區(qū)的雜質(zhì)離子的濃度為 lE17/cm3 lE20/cm3。相應(yīng)地，本發(fā)明提供了一種集成門極換流晶閘管的制造方法，包括提供一 n—型單晶硅襯底；
在所述rf型襯底雙面進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散,形成p型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)； 在GCT區(qū)和二極管區(qū)之間的環(huán)形區(qū)域刻蝕形成溝槽； 在所述溝槽中進(jìn)行雜質(zhì)摻雜形成n+摻雜環(huán)形隔離區(qū)； 在所述襯底的上表面和下表面形成n+摻雜區(qū)； 在所述襯底下表面的n型摻雜區(qū)中形成p+摻雜區(qū)； 形成GCT的陰極梳條； 形成GCT和二極管的電極。所述n+環(huán)形隔離區(qū)中的n型雜質(zhì)離子為^f壽、砷、銻、鉍、或者氮 之中的任意一種或者多種。所述n型雜質(zhì)離子的濃度為IE 17/cm3~lE 19/cm3。所述p型和n型4參雜區(qū)的雜質(zhì)濃度為在lE14/cm3~lE18/cm3。所述p+摻雜區(qū)和n+緩沖區(qū)的雜質(zhì)離子的濃度為 lE17/cm3~lE20/cm3。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的集成門極換流晶閘管在襯底的GCT區(qū)和二極管區(qū)之間利用 n型雜質(zhì)摻雜環(huán)隔離結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)GCT和二極管之間的隔離。n型雜質(zhì)摻雜 環(huán)的形成采用普通的擴(kuò)散工藝或離子注入工藝形成，n型雜質(zhì)摻雜環(huán)的結(jié) 深可根據(jù)現(xiàn)有工藝水平進(jìn)行調(diào)節(jié)，工藝控制靈活，工藝實(shí)現(xiàn)簡便。通過 調(diào)節(jié)n型雜質(zhì)摻雜環(huán)的工藝參數(shù)，可以方便地獲得希望的結(jié)深，從而得到 期望的隔離電阻阻值。由n型雜質(zhì)摻雜環(huán)結(jié)構(gòu)得到的隔離電阻減少了附加 門極電流，降低了門極的附加損耗。釆用n型雜質(zhì)摻雜環(huán)隔離結(jié)構(gòu)能夠通 過調(diào)節(jié)結(jié)深獲得期望的隔離電阻大小，能夠?qū)㈤T極附加電流和附加損耗 控制在較合適的范圍。此外，通過n型雜質(zhì)摻雜環(huán)隔離結(jié)構(gòu)能夠抑制GCT單元和二極管之間 少數(shù)載流子壽命測量值的相擾，使兩者的電子輻照均能夠獨(dú)立控制。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的更具體說明，本發(fā)明的上 述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記 指示相同的部分。并未刻意按比例繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主 旨。在附圖中，為清楚明了，放大了層和區(qū)域的厚度。圖1為現(xiàn)有逆導(dǎo)GCT的一個(gè)基本單元的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2為圖1所示逆導(dǎo)GCT基本單元的等效電路圖；圖3為現(xiàn)有逆導(dǎo)GCT基本單元的另一種結(jié)構(gòu)剖面圖；圖4為圖3所示逆導(dǎo)GCT基本單元的等效電路圖；圖5至圖12為說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘 管制造方法的器件剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合 附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是 本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公 開的具體實(shí)施例的限制。圖5至圖12為說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的集成門極換流晶閘管制造 方法的器件剖面示意圖。為簡便起見，圖中僅示出了 IGCT的一個(gè)基本 GCT單元的形成過程。如圖5所示，首先提供一單晶硅襯底，對該單晶 硅襯底進(jìn)行n型雜質(zhì)摻雜，雜質(zhì)的摻雜濃度為lEll/cm3 lE13/cm3，優(yōu) 選為1E13/cm3,得到rf單晶硅襯底100,以下簡稱n-型襯底100。接下來如圖6所示，在n-型襯底100的雙面進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散，即在 n-型襯底100的上表面擴(kuò)散p型雜質(zhì)形成p型摻雜區(qū)110,在n-型村底 100的下表面利用光刻膠掩膜對GCT區(qū)進(jìn)行n型雜質(zhì)擴(kuò)散形成n型摻雜 區(qū)120, p型雜質(zhì)和n型雜質(zhì)的濃度在lE14/cn^ lE18/cn^之間，優(yōu)選 為1E15/cm3。隨后，如圖7所示，利用光刻膠掩膜圖形在襯底100的p型摻雜區(qū) 110表面定義出GCT區(qū)和二極管區(qū)的位置，具體來說，利用一掩膜，例 如光刻膠掩膜，將GCT區(qū)和二極管區(qū)的p型摻雜區(qū)110覆蓋，暴露出 GCT區(qū)和二極管區(qū)之間的環(huán)形隔離區(qū)域，然后在p型摻雜區(qū)110中的隔 離區(qū)域刻蝕出隔離溝槽130。隔離溝槽130的形成可釆用常規(guī)的刻蝕工 藝，通過調(diào)整刻蝕參數(shù)可以得到所需的刻蝕深度。然后，在溝槽130中 通過擴(kuò)散或離子注入工藝摻雜較高濃度的n型雜質(zhì)離子，例如磷、砷、 銻、鉍、或者氮之中的任意一種或者多種，n型雜質(zhì)離子摻雜物的濃度 為1E17/cm3 lE19/cm3,優(yōu)選為1E18/cm3,形成n型雜質(zhì)環(huán)形隔離區(qū)131, 如圖8所示。上述環(huán)形隔離區(qū)131的n型雜質(zhì)離子注入的結(jié)深可才艮據(jù)前述隔離電 阻所需的阻值而定，本發(fā)明并不做過多的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可視實(shí) 際情況而定。接下來如圖9所示，在襯底100的上表面的p型摻雜區(qū)IOO中，利 用掩膜定義出基區(qū)和環(huán)形隔離區(qū)，在襯底100的下表面定義出二極管的 緩沖層，繼續(xù)進(jìn)行較高劑量的n型雜質(zhì)摻雜，濃度為 lE17/cm3~lE20/cm3,優(yōu)選為1E18/cm3，形成GCT的n+基區(qū)150和結(jié) 深更深的環(huán)形隔離區(qū)140,以及二極管的n+緩沖層160。然后如圖10所示，在襯底100下表面的n型摻雜區(qū)120中進(jìn)行GCT 陽極p型雜質(zhì)離子擴(kuò)散，形成p+摻雜區(qū)170,雜質(zhì)離子的濃度為 lE17/cm3 lE20/cm3，優(yōu)選為1E18/cm3。利用掩膜、刻蝕等常規(guī)工藝， 形成GCT的陰極梳條151，如圖11所示?？涛g后的n+環(huán)形隔離區(qū)域 141的結(jié)深為上述n+環(huán)形隔離區(qū)140的結(jié)深與n+基區(qū)150結(jié)深的差值。隨后釆用物理氣相淀積、蒸發(fā)或?yàn)R射等工藝形成GCT的陰極180、
GCT的門極185、 二極管的陽極190，以及GCT的陽極(二極管的陰極) 200，如圖12所示。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的集成門極換流晶閘管亦如圖12所示，所述門 極換流晶閘管包括n-型襯底100, p型摻雜區(qū)110, n型摻雜區(qū)120, GCT 陽極p+摻雜區(qū)170, 二極管n+緩沖區(qū)160，以及GCT陰極梳條151, 還包括GCT的陰極180、 GCT的門極185、 二極管的陽極190和GCT 的陽極和二極管的陰極200，此外，本發(fā)明的門極換流晶閘管在GCT 的門極185和二極管的陽極190之間的p型摻雜區(qū)110中具有n+型隔 離環(huán)141。由n+型隔離環(huán)141結(jié)構(gòu)得到的隔離電阻能夠減少了附加門極 電流，降低了門極的附加損耗。其中，n+型隔離環(huán)區(qū)中注入的n型雜 質(zhì)離子為磷、砷、銻、鉍、或者氮之中的任意一種或者多種。n型雜質(zhì) 離子的濃度為lE17/cm3 lE19/cm3 。 n_型襯底的雜質(zhì)摻雜濃度為 lEll/cm3~lE13/cm3 。 p型和n型摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度為在 lE14/cm3~lE18/cm3。 p+^參雜區(qū)和n+緩沖區(qū)的n型雜質(zhì)離子的濃度為 lE17/cm3 lE20/cm3。本發(fā)明的集成門極換流晶閘管在襯底的GCT區(qū)和二極管區(qū)之間利 用n+型雜質(zhì)摻雜形成n+型隔離環(huán)141實(shí)現(xiàn)GCT和二極管之間的隔離。 n+型隔離環(huán)141的形成采用普通的擴(kuò)散工藝或離子注入工藝形成，通過 調(diào)節(jié)擴(kuò)散或離子注入工藝的工藝參數(shù)，可以方^f更地獲得希望的結(jié)深，從 而得到期望的隔離電阻阻值，將門極附加電流和附加損耗控制在4交合適 的范圍。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。 任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都 可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的 變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā) 明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡 單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種集成門極換流晶閘管，所述門極換流晶閘管包括n-型襯底，p型摻雜區(qū)，n型摻雜區(qū)，門極換流晶閘管的陽極p+摻雜區(qū)，二極管n+緩沖區(qū)，以及門極換流晶閘管的陰極梳條，還包括門極換流晶閘管的陰極和門極，二極管的陽極、門極換流晶閘管的陽極和二極管的陰極，其特征在于在門極換流晶閘管的門極和二極管的陽極之間的p型摻雜區(qū)中具有n+型隔離環(huán)。
2、 如權(quán)利要求1所述的集成門極換流晶閘管，其特征在于所述 n+型隔離環(huán)區(qū)中注入的n型雜質(zhì)離子為磷、砷、銻、鉍、或者氮之中的 任意一種或者多種。
3、 如權(quán)利要求2所述的集成門極換流晶閘管，其特征在于所述n 型雜質(zhì)離子的濃度為lE17/cm3~lE19/cm3。
4、 如權(quán)利要求1所述的集成門極換流晶閘管，其特征在于所述 n-型襯底的雜質(zhì)摻雜濃度為lEll/cm3~lE13/cm3。
5、 如權(quán)利要求1所述的集成門極換流晶閘管，其特征在于所述p 型和n型4參雜區(qū)的雜質(zhì)濃度為在lE14/cm3 lE18/cm3。
6、 如權(quán)利要求1所述的集成門極換流晶閘管，其特征在于所述 p+摻雜區(qū)和n+緩沖區(qū)的雜質(zhì)離子的濃度為lE17/cm3~lE20/cm3。
7、 一種集成門極換流晶閘管的制造方法，包括 提供一 if型單晶硅襯底；在所述n-型襯底雙面進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散,形成p型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)； 在GCT區(qū)和二極管區(qū)之間的環(huán)形區(qū)域刻蝕形成溝槽； 在所述溝槽中進(jìn)行雜質(zhì)摻雜形成n+摻雜環(huán)形隔離區(qū)； 在所述襯底的上表面和下表面形成n+摻雜區(qū)； 在所述襯底下表面的n型摻雜區(qū)中形成p+摻雜區(qū)； 形成GCT的陰才及梳條； 形成GCT和二極管的電極。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述n+環(huán)形隔離區(qū)中 的n型雜質(zhì)離子為磷、砷、銻、鉍、或者氮之中的任意一種或者多種。
9、 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述n型雜質(zhì)離子的 濃度為lE17/cm3 lE19/cm3。
10、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述p型和n型摻雜 區(qū)的雜質(zhì)濃度為在lE14/cm3 lE18/cm3。
11、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述？+摻雜區(qū)和！1+ 緩沖區(qū)的雜質(zhì)離子的濃度為lE17/cm3 lE20/cm3。
全文摘要
公開了一種集成門極換流晶閘管，所述門極換流晶閘管包括n^-型襯底，p型摻雜區(qū)，n型摻雜區(qū)，門極換流晶閘管的陽極p+摻雜區(qū)，二極管n+緩沖區(qū)，以及門極換流晶閘管的陰極梳條，還包括門極換流晶閘管的陰極和門極，二極管的陽極、門極換流晶閘管的陽極和二極管的陰極，其特征在于在門極換流晶閘管的門極和二極管的陽極之間的p型摻雜區(qū)中具有n+型隔離環(huán)。本發(fā)明的集成門極換流晶閘管及其制造方法能夠在GCT單元和二極管之間實(shí)現(xiàn)有效的隔離。
文檔編號(hào)H01L21/822GK101132001SQ20071016358
公開日2008年2月27日 申請日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者明 張, 李繼魯, 誼 蔣, 陳芳林 申請人:株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司