專(zhuān)利名稱(chēng)：一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT 器件，本發(fā)明還涉及該種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件的制備方法。
背景技術(shù)：
門(mén)極換流晶閘管(GCT)是一種新型的電力半導(dǎo)體器件，它是在門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 (GT0)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而來(lái)的。逆導(dǎo)型GCT (RC-GCT)將非對(duì)稱(chēng)GCT (A-GCT)與PIN 二極管 反并聯(lián)地集成在一個(gè)芯片上，其中增加了透明陽(yáng)極和緩沖層，使器件正、反向都有導(dǎo)通的能 力。整個(gè)器件采用一個(gè)管殼封裝，并通過(guò)印刷電路板將器件與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路有機(jī)地組裝 在一起，形成集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)。它通過(guò)“硬驅(qū)動(dòng)”電路實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通和關(guān)斷。 與相應(yīng)的組件相比，IGCT結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積和引線(xiàn)電感更小。因此，綜合性能和可靠性更 高，是目前電力半導(dǎo)體器件中的一個(gè)很有發(fā)展前途的器件，可很好地滿(mǎn)足電力電子技術(shù)快 速發(fā)展對(duì)新型電力半導(dǎo)體器件提出的大容量、低損耗、高可靠性及集成化等要求，有廣泛的 應(yīng)用前景。常規(guī)的RC-GCT器件在A(yíng)-GCT與PIN 二極管之間采用pnp結(jié)隔離或溝槽隔離。當(dāng)采 用pnp結(jié)隔離時(shí)，雖然隔離效果很好，但由于pnp結(jié)構(gòu)通常需要采用深P型的雜質(zhì)進(jìn)行選擇 性的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致工藝難度大大增加。而且pnp結(jié)構(gòu)存在結(jié)的彎曲，導(dǎo)致主阻斷結(jié)(J2) 的擊穿電壓下降。當(dāng)采用溝槽隔離時(shí)，雖然避免了主阻斷結(jié)的彎曲效應(yīng)，使得阻斷電壓得以 提高，但為了達(dá)到較好的隔離效果，常需較寬的溝槽，這會(huì)導(dǎo)致門(mén)_陰極(J3)結(jié)的反向漏電 流很大，同時(shí)寬溝槽占用的芯片面積也較大，使器件的有效面積減小，不利于散熱。此外，為 了提高RC-GCT換相的可靠性，通常需要采用少子壽命控制技術(shù)來(lái)改善其PIN 二極管的反向 恢復(fù)特性。所以，上述這些原因都使現(xiàn)有RC-GCT器件的開(kāi)發(fā)受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件，解決了現(xiàn)有的RC-GCT 器件制作工藝難度大、成本高的問(wèn)題，既具有可靠性的換向特性，又省去對(duì)于PIN 二極管的 少子壽命控制要求。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件的制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件，整個(gè)器件以 n-區(qū)為襯底，以器件上方隔離溝槽的中心線(xiàn)為軸、器件下方P+透明陽(yáng)極區(qū)和n+陰極區(qū)I邊 界為軸縱向?qū)⑵骷^(qū)分為A-GCT部分和PIN 二極管部分，
所述A-GCT部分的結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有波狀p基區(qū)和p+基區(qū)；該p+基區(qū)中 間段上表面，與波狀p基區(qū)的波峰對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有A-GCT的n+陰極區(qū)，該n+陰極區(qū)上表面 是陰極鋁電極K;該n+陰極區(qū)兩側(cè)的p+基區(qū)上表面各設(shè)置有門(mén)極鋁電極G;n-區(qū)向下設(shè)置 有n緩沖層，n緩沖層的下方為A-GCT部分的p+透明陽(yáng)極區(qū)；
所述的PIN 二極管部分結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有p基區(qū)和p+基區(qū)，p+基區(qū)上表面設(shè)置有陰極鋁電極K ;n-區(qū)向下設(shè)置有n緩沖層，n緩沖層的下方并排設(shè)置有PIN 二極管n+ 陰極區(qū)I、P+短路區(qū)和PIN 二極管n+陰極區(qū)II，PIN 二極管n+陰極區(qū)I和PIN 二極管n+ 陰極區(qū)II的厚度大于中間的P+短路區(qū)，PIN 二極管n+陰極區(qū)I與A-GCT的p+透明陽(yáng)極區(qū) 鄰接，PIN 二極管n+陰極區(qū)I、p+短路區(qū)和PIN 二極管n+陰極區(qū)II的下方均與A-GCT部分 的P+透明陽(yáng)極區(qū)的下方設(shè)置有共同的陽(yáng)極鋁電極A ； 所述隔離溝槽伸入P基區(qū)，與P基區(qū)的一個(gè)波峰相接。本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件的制備方 法，按照以下步驟具體實(shí)施
步驟1、選用原始的高阻區(qū)熔中照硅單晶作為n-區(qū)；
步驟2、硅片清洗后腐蝕減薄，利用三氯氧磷源兩步擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)n-區(qū)的上下表面的n區(qū)， 并磨去n-區(qū)上表面的n區(qū)；
步驟3、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化形成掩蔽膜，在磨去n區(qū)的n-區(qū)上表面進(jìn)行光 刻，形成硼擴(kuò)散窗口 ；然后利用飽和的三氧化二硼源進(jìn)行選擇性硼擴(kuò)散，形成P+基區(qū)，并去 掉整個(gè)器件表面上的氧化層；
步驟4、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在p+基區(qū)上表面和n區(qū)下表 面上同時(shí)光刻，形成磷擴(kuò)散窗口，然后進(jìn)行選擇性的磷兩步擴(kuò)散，在P+基區(qū)上表面中段形成 A-GCT的陰極n+擴(kuò)散區(qū)、同時(shí)在p+基區(qū)隔離處形成掩蔽用n+擴(kuò)散區(qū)；另外，同時(shí)在n區(qū)下表 面上形成PIN 二極管的兩處n+陰極區(qū)，再去掉整個(gè)器件表面上的氧化層；
步驟5、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在上步得到的器件上表面光 刻形成門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)腐蝕窗口，然后利用腐蝕方法進(jìn)行門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)挖槽；并在上表 面n+擴(kuò)散區(qū)的掩蔽下進(jìn)行大面積的鋁擴(kuò)散，在n-區(qū)中自然形成較深的波狀P基區(qū)和pnp隔 離區(qū)，再去掉整個(gè)器件表面上的氧化層；
步驟6、在上步得到的器件下表面甩稀釋的B203源，進(jìn)行大面積涂層擴(kuò)散，形成A-GCT的 P+透明陽(yáng)極區(qū)和PIN 二極管的p+短路區(qū)，與此同時(shí)，上表面的門(mén)極區(qū)也得以補(bǔ)擴(kuò)，然后，去 掉整個(gè)器件表面上的氧化層；
步驟7、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在上步得到的器件上表面光 刻形成隔離區(qū)腐蝕窗口，然后進(jìn)行二次腐蝕，形成pnp-溝槽復(fù)合隔離區(qū)，接著進(jìn)行下一步 光刻形成A-GCT門(mén)-陰極界的保護(hù)二氧化硅圖形；
步驟8、對(duì)上步得到的器件下表面打毛，形成高復(fù)合中心；清洗后，對(duì)整個(gè)器件上、下表 面分別蒸鋁，并對(duì)上表面的鋁膜進(jìn)行反刻，經(jīng)合金化后形成各個(gè)電極；
步驟9、對(duì)上步得到的器件上表面甩聚酰亞胺膜，光刻形成門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)的保護(hù)圖 形，并進(jìn)行亞胺化處理；然后進(jìn)行磨角保護(hù)、表面鈍化即得。本發(fā)明的有益效果是，A-GCT的p基區(qū)由淺p+基區(qū)和深基p區(qū)兩部分組成波狀結(jié) 構(gòu)；PIN 二極管的陰極側(cè)增加了 p+短路區(qū)，此外，A-GCT與PIN 二極管之間采用pnp-溝槽復(fù) 合隔離區(qū)，上述結(jié)構(gòu)兼顧了 A-GCT的阻斷特性和導(dǎo)通特性及開(kāi)關(guān)特性，還兼顧了 PIN二極管 的正向?qū)ㄌ匦院头聪蚧謴?fù)特性，保證了 RC-GCT的換向特性，省去對(duì)于PIN 二極管的少子 壽命控制要求，顯著降低了制作工藝難度和成本。


圖1是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件與現(xiàn)有的pnp隔離和溝槽隔離兩 種RC-GCT基本剖面結(jié)構(gòu)比較，其中a是現(xiàn)有pnp隔離方式RC-GCT的基本剖面結(jié)構(gòu)圖；b是 現(xiàn)有溝槽隔離RC-GCT方式的基本剖面結(jié)構(gòu)圖；c是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器 件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件與現(xiàn)有pnp隔離RC-GCT器件及現(xiàn)有 溝槽隔離RC-GCT器件的J3擊穿特性曲線(xiàn)的比較；
圖3是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件與現(xiàn)有pnp隔離RC-GCT器件及現(xiàn)有 溝槽隔離RC-GCT器件的正向阻斷特性曲線(xiàn)的比較；
圖4是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件中具有波狀p基區(qū)的A-GCT在正向阻 斷狀態(tài)下沿不同位置剖分的縱向電場(chǎng)分布示意圖5是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件中具有波狀p基區(qū)的A-GCT與具有常 規(guī)P基區(qū)的A-GCT阻斷特性曲線(xiàn)的比較，其中a為波峰寬度不同時(shí)的曲線(xiàn)，b為波峰高度不 同時(shí)的曲線(xiàn)；
圖6是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件中具有波狀p基區(qū)的A-GCT與具有常 規(guī)P基區(qū)的A-GCT導(dǎo)通特性曲線(xiàn)的比較，其中a為波峰寬度不同時(shí)的曲線(xiàn)，b為波峰高度不 同時(shí)的曲線(xiàn)；
圖7是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件中具有波狀p基區(qū)的A-GCT與具有常 規(guī)P基區(qū)的A-GCT開(kāi)關(guān)特性曲線(xiàn)的比較，其中a是開(kāi)通特性曲線(xiàn)，b是關(guān)斷特性曲線(xiàn)；
圖8是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件中帶陰極短路的PIN 二極管與常規(guī)無(wú) 陰極短路的PIN 二極管導(dǎo)通特性曲線(xiàn)的比較，圖中還給出了 p+短路區(qū)的寬度(wsd)對(duì)PIN 二 極管導(dǎo)通特性的影響；
圖9是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件中帶陰極短路的PIN 二極管與常規(guī)的 無(wú)陰極短路的PIN 二極管反向恢復(fù)特性曲線(xiàn)的比較，圖中還給出了 p+短路區(qū)的寬度(wsd)對(duì) PIN 二極管反向恢復(fù)特性的影響；
圖10是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)RC-GCT器件阻斷特性的影響，其 中a是pnp隔離區(qū)d。寬度對(duì)其阻斷特性的影響；b是溝槽隔離區(qū)深度dt對(duì)其阻斷特性的影 響；
圖11是本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件制備方法流程圖，其中a_h為各個(gè)步 驟的制作結(jié)構(gòu)變化示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的RC-GCT器件與現(xiàn)有的pnp隔離RC-GCT與溝槽隔離RC-GCT的基 本結(jié)構(gòu)剖面比較。圖la為現(xiàn)有的RC-GCT器件結(jié)構(gòu)圖，A-GCT與PIN 二極管之間采用了 pnp隔離方 式，無(wú)論G、K間電壓為正或?yàn)樨?fù)，pnp中總有一個(gè)pn結(jié)反偏，所以，pnp隔離實(shí)質(zhì)為pn結(jié)隔 離，其漏電流很小，隔離效果很好。但是，pnp結(jié)構(gòu)需要在氮化硅(Si3N4)掩蔽膜的掩蔽下通 過(guò)P型雜質(zhì)鋁選擇性的深擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)，這使得制作工藝難度很大，成本也很高。同時(shí)，pnp結(jié)構(gòu)使其J2結(jié)存在彎曲效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致器件的正向阻斷電壓下降。圖lb為現(xiàn)有的RC-GCT結(jié)構(gòu)圖，A-GCT與PIN 二極管之間采用了溝槽隔離方式，其 溝槽區(qū)可在大面積鋁擴(kuò)散形成P基區(qū)后通過(guò)刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)，因而避免了 Si3N4掩蔽膜的制 作，不僅工藝簡(jiǎn)單，而且完全消除了 J2結(jié)的彎曲效應(yīng)。為了保證溝槽不影響J2結(jié)耗盡區(qū)的寬 展并獲得良好的隔離效果，溝槽區(qū)盡可能做的淺而寬，但是，溝槽區(qū)太寬不僅會(huì)導(dǎo)致門(mén)_陰 極間J3結(jié)的漏電流急劇增加，同時(shí)占用的硅片表面積也很大，導(dǎo)致陰極有效面積減小。如圖lc，本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件結(jié)構(gòu)是，整個(gè)器件以n_區(qū)為襯 底，以上方隔離溝槽的中心線(xiàn)為軸、下方P+透明陽(yáng)極區(qū)和n+陰極區(qū)I邊界為軸縱向?qū)⑵骷?區(qū)分為兩部分，如圖中的左側(cè)部分稱(chēng)為A-GCT部分，右側(cè)部分稱(chēng)為PIN 二極管部分，
其中A-GCT部分的結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有波狀p基區(qū)和p+基區(qū)；該p+基區(qū)中 間段上表面，與波狀p基區(qū)的波峰對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有A-GCT的n+陰極區(qū)，該n+陰極區(qū)上表面 是陰極鋁電極K ；該n+陰極區(qū)兩側(cè)的p+基區(qū)上表面各設(shè)置有門(mén)極鋁電極G ；n-區(qū)向下設(shè)置 有n緩沖層，n緩沖層的下方為A-GCT部分的p+透明陽(yáng)極區(qū)。其中PIN 二極管部分的結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有p基區(qū)和p+基區(qū)，p+基區(qū)上 表面也設(shè)置有陰極鋁電極K ；n-區(qū)向下設(shè)置有n緩沖層，n緩沖層的下方并排設(shè)置有PIN 二 極管n+陰極區(qū)I、p+短路區(qū)和PIN 二極管n+陰極區(qū)II，PIN 二極管n+陰極區(qū)I和PIN 二 極管n+陰極區(qū)II的厚度大于中間的p+短路區(qū)，PIN 二極管n+陰極區(qū)I與A-GCT的p+透 明陽(yáng)極區(qū)鄰接，PIN 二極管n+陰極區(qū)I、p+短路區(qū)和PIN 二極管n+陰極區(qū)II的下方均與 A-GCT部分的p+透明陽(yáng)極區(qū)的下方設(shè)置有共同的陽(yáng)極鋁電極A。A-GCT與PIN 二極管之間的隔離溝槽伸入p基區(qū)，與A-GCT與PIN 二極管之間的p 基區(qū)的一個(gè)波峰相接，隔離溝槽的深度從陰極鋁電極K內(nèi)表面起算為dt，隔離溝槽的寬度 為Wto本發(fā)明的器件中，A-GCT與PIN 二極管采用了 pnp-溝槽復(fù)合隔離方式，并且n-區(qū) 向上由淺P+基區(qū)和深P基區(qū)兩部分組成，其中淺P+基區(qū)是由硼擴(kuò)散形成的，深P基區(qū)是在 n+區(qū)的掩蔽下通過(guò)大面積鋁擴(kuò)散形成的波狀結(jié)構(gòu)；復(fù)合隔離區(qū)的pnp部分與波狀深p基區(qū) 同時(shí)形成，并通過(guò)刻蝕進(jìn)一步形成pnp-溝槽復(fù)合隔離結(jié)構(gòu)；此外，在PIN二極管的陰極側(cè)增 加了 P+短路區(qū)，它與A-GCT的p+透明陽(yáng)極區(qū)同時(shí)形成。由于本發(fā)明的器件不需要進(jìn)行雜質(zhì) 鋁的選擇性深擴(kuò)散，因而避免了氮化硅掩蔽膜的制作，大大降低了器件的制作工藝難度和 成本。同時(shí)采用波狀P基區(qū)可顯著改善A-GCT器件的導(dǎo)通特性和開(kāi)關(guān)特性，增大了器件的 反偏安全工作區(qū)。此外，在PIN 二極管的陰極側(cè)增加的p+短路區(qū)，可改善其反向恢復(fù)能力， 提高RC-GCT換向的可靠性，同時(shí)也避免了局部少子壽命控制。為了兼顧A-GCT的阻斷特性和導(dǎo)通特性及開(kāi)關(guān)特性，其n+陰極區(qū)寬度W。為 200士20mm ;p+基區(qū)的深度為30士5mm。為了兼顧PIN 二極管的正向?qū)ㄌ匦院头聪蚧謴?fù)特 性，P+短路區(qū)寬度wsd與其所在陰極區(qū)寬度wd之比wsd/Vd (以下簡(jiǎn)稱(chēng)短路比)為0.25-0. 5。 為了保證RC-GCT的換向特性，pnp隔離區(qū)的寬度d。為200士20mm，溝槽隔離區(qū)的寬度wt為 250 士 20mm內(nèi)，溝槽隔離區(qū)的深度dt為30 士 5mm。本發(fā)明的器件的工作原理是
采用門(mén)極“硬驅(qū)動(dòng)”電路來(lái)觸發(fā)。當(dāng)RC-GCT器件兩端加上正向電壓(Uffl>0)時(shí)，2結(jié) 反偏來(lái)承擔(dān)正向阻斷電壓。在A(yíng)-GCT的門(mén)極上加一很強(qiáng)的正電流脈沖信號(hào)，A-GCT的J3結(jié)會(huì)均勻注入，使陰極npn晶體管先大面積導(dǎo)通，然后與其陽(yáng)極pnp晶體管形成正反饋，于是 A-GCT全面導(dǎo)通。導(dǎo)通后A-GCT陽(yáng)、陰極兩端的壓降很低，PIN 二極管也因此承受很低的反 向電壓。當(dāng)在A(yíng)-GCT的門(mén)極上加一很強(qiáng)的負(fù)脈沖信號(hào)，則A-GCT的丄結(jié)會(huì)很快截止，陽(yáng)極 電流全部換流到門(mén)極。于是A-GCT的關(guān)斷就是陽(yáng)極pnp晶體管的關(guān)斷過(guò)程。由于A(yíng)-GCT采 用了透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，n基區(qū)的載流子可直接穿過(guò)透明陽(yáng)極，所以關(guān)斷速度較快。同時(shí)，波狀P 基區(qū)所形成的特殊的橫向電場(chǎng)可加速抽取A-GCT關(guān)斷末期的非平衡載流子，減小其拖尾電 流及其損耗。 當(dāng)RC-GCT器件兩端加上反向電壓(UAK<0)時(shí)，PIN 二極管正向?qū)?，其通態(tài)壓降很 低，A-GCT也因此而承受很低的反向電壓。 當(dāng)RC-GCT器件兩端的電壓UAK進(jìn)行正、反向轉(zhuǎn)換時(shí)，為了防止A-GCT與PIN 二極管 之間的相互影響，在圖lc所示的RC-GCT器件中，A-GCT與PIN 二極管之間采用了 pnp-溝 槽復(fù)合隔離區(qū)，有效改善RC-GCT的換相特性。當(dāng)UAK由正向轉(zhuǎn)為反向時(shí)，在圖lc所示的RC-GCT器件中，陰極側(cè)的pnp隔離區(qū)可有 效地阻止PIN 二極管p陽(yáng)極區(qū)的載流子橫向流入A-GCT部分，引起A-GCT重新導(dǎo)通；同時(shí)， PIN 二極管陰極采用p+短路區(qū)，減少了載流子的注入，可延緩其導(dǎo)通，有利于A(yíng)-GCT恢復(fù)阻 斷，從而確保PIN 二極管導(dǎo)通的同時(shí)，A-GCT能完全恢復(fù)阻斷。當(dāng)UAK由反向轉(zhuǎn)為正向時(shí)，陽(yáng) 極側(cè)的PIN 二極管的p+短路區(qū)與n區(qū)形成的pn結(jié)變?yōu)檎?，向n_基區(qū)注入空穴，與n_基 區(qū)的電子進(jìn)行復(fù)合，加速PIN 二極管反向恢復(fù)。同時(shí)，陰極側(cè)的pnp隔離區(qū)可有效地阻止 A-GCTp基區(qū)的載流子橫向流入PIN 二極管部分，引起二極管重新導(dǎo)通；可見(jiàn)，采用pnp-溝 槽復(fù)合隔離區(qū)和陰極短路的PIN 二極管可以確保RC-GCT換相成功。本發(fā)明的器件的特性評(píng)價(jià)是
為了評(píng)價(jià)RC-GCT器件的特性，根據(jù)圖lc建立了新結(jié)構(gòu)的模型，利用MEDICI模擬軟件 對(duì)RC-GCT的門(mén)極擊穿特性、正向阻斷特性及正、反向?qū)ㄌ匦苑謩e進(jìn)行了模擬，并與具有 相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的pnp隔離RC-GCT和溝槽隔離RC-GCT進(jìn)行了比較。1)門(mén)極擊穿特性
當(dāng)RC-GCT關(guān)斷時(shí)，門(mén)極所加的反向電壓(I < 0)必須小于其J3結(jié)的擊穿電壓。圖2 給出了本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件與現(xiàn)有的pnp隔離RC-GCT器件及現(xiàn)有的溝 槽隔離RC-GCT器件在相同的隔離區(qū)寬度時(shí)J3擊穿特性曲線(xiàn)的比較。由圖2可見(jiàn)，pnp-溝 槽復(fù)合隔離與現(xiàn)有的pnp隔離RC-GCT的J3擊穿特性非常接近，兩者漏電流很??；而溝槽隔 離的RC-GCTJ3擊穿特性曲線(xiàn)與之明顯不同，漏電流很大，且呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。2)正向阻斷特性
當(dāng)門(mén)極電壓UeK=0，陽(yáng)-陰極間電壓Uffl>0時(shí)，RC-GCT器件處于正向阻斷狀態(tài)，由反偏的 了2結(jié)來(lái)承擔(dān)正向阻斷電壓。圖3給出了具有相同隔離區(qū)寬度的三種不同隔離結(jié)構(gòu)的RC-GCT 器件阻斷期間的I-V特性曲線(xiàn)比較。由圖3可見(jiàn)，三種不同隔離結(jié)構(gòu)的RC-GCT器件的阻斷 電壓比較接近，其中溝槽隔離的阻斷電壓稍高，而pnp-溝槽復(fù)合隔離阻斷電壓和pnp隔離 的阻斷電壓幾乎相同。圖4給出了本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件中具有波狀p基區(qū)的A-GCT 在正向阻斷狀態(tài)下沿不同位置剖分的縱向電場(chǎng)分布圖。由圖4可見(jiàn)，波狀p基區(qū)A-GCT中 沿陰極邊緣處的電場(chǎng)(用〇表示)峰值約為1. 65X 105V/cm,明顯高于沿陰極中心的電場(chǎng)(用□表示)峰值約為1.45X 105V/cm?？梢?jiàn)，采用波狀p基區(qū)可在A(yíng)-GCT中形成特殊的橫向電場(chǎng)。圖5給出了本發(fā)明的具有波狀p基區(qū)A-GCT和常規(guī)p基區(qū)的A-GCT器件阻斷時(shí)的 I-V特性曲線(xiàn)(圖中用虛線(xiàn)□表示)比較。由圖5可見(jiàn)，采用波狀p基區(qū)會(huì)使器件的正向阻 斷電壓下降。且波峰寬度越寬，阻斷電壓下降越多；波峰高度越高，阻斷電壓下降也越多。3)正向?qū)ㄌ匦?br> 當(dāng)陽(yáng)-陰極電壓UAK>0，且門(mén)極外加電壓大于門(mén)極觸發(fā)電壓，即Ue>UCT時(shí)，RC-GCT器件處 于正向?qū)顟B(tài)，由A-GCT傳導(dǎo)電流。圖6給出了本發(fā)明的具有波狀p基區(qū)的A-GCT與常 規(guī)P基區(qū)的A-GCT導(dǎo)通特性曲線(xiàn)(圖中用虛線(xiàn)□表示)的比較；由圖6可見(jiàn)，在相同的電流 密度下，波狀P基區(qū)A-GCT器件的正向壓降比常規(guī)的p基區(qū)A-GCT的低。且波峰越寬，通態(tài) 壓降越低；波峰高度變化對(duì)通態(tài)壓降的影響很小。4)GCT的開(kāi)關(guān)特性
圖7給出了本發(fā)明的具有波狀p基區(qū)的A-GCT與常規(guī)的p基區(qū)A-GCT開(kāi)關(guān)特性曲線(xiàn) (圖中用虛線(xiàn)表示)的比較；由圖7a可見(jiàn)，波狀p基區(qū)的A-GCT的開(kāi)通比常規(guī)p基區(qū)的A-GCT 開(kāi)通稍快；由圖7b可見(jiàn)，波狀p基區(qū)的A-GCT的關(guān)斷明顯要比常規(guī)的p基區(qū)A-GCT關(guān)斷快。 并且拖尾電流小，可減小關(guān)斷損耗。5)反向?qū)ㄌ匦?br> 圖8顯示了本發(fā)明的RC-GCT器件中帶陰極短路的PIN二極管與常規(guī)無(wú)陰極短路的PIN 二極管導(dǎo)通特性曲線(xiàn)(圖中用虛線(xiàn)□表示)的比較，及其P+短路區(qū)的寬度(wsd)對(duì)其導(dǎo)通特 性的影響關(guān)系。由圖8可見(jiàn)，在相同的陽(yáng)極電流密度下，與常規(guī)的PIN 二極管相比，帶陰極 短路的PIN 二極管的正向壓降稍有增加。并且，p+短路區(qū)越寬，導(dǎo)通特性越差。6) PIN 二極管的反向恢復(fù)特性
圖9給出了本發(fā)明的RC-GCT器件中帶陰極短路的PIN 二極管與常規(guī)的無(wú)陰極短路的 PIN 二極管反向恢復(fù)特性曲線(xiàn)(圖中用虛線(xiàn)□表示)的比較，及其p+短路區(qū)寬度(wsd)對(duì)其反 向恢復(fù)特性的影響關(guān)系。由圖9可見(jiàn)，在相同的外電路參數(shù)下，與常規(guī)PIN 二極管相比，帶 陰極短路的PIN二極管反向恢復(fù)特性明顯得到改善，反向恢復(fù)電流減小，軟度增加；并且wsd 越寬，反向恢復(fù)特性越好。圖10給出了本發(fā)明的RC-GCT器件中pnp隔離區(qū)寬度d。和溝槽隔離區(qū)深度dt對(duì) 其阻斷特性的影響。由圖10a可見(jiàn)，隔離區(qū)越寬，阻斷電壓下降越多。由圖10b可見(jiàn)，溝槽 隔離區(qū)越深，阻斷電壓下降稍多。相比較而言，dt的影響比d。要小。上述六方面的特性分析表明，與現(xiàn)有的RC-GCT器件相比，本發(fā)明的RC-GCT器件采 用pnp-溝槽復(fù)合隔離結(jié)構(gòu)可獲得更好綜合特性和較大的陰極有效面積，有利于提高器件 的換相可靠性和散熱特性。因此，用本發(fā)明的RC-GCT器件來(lái)代替現(xiàn)有RC-GCT可望更好地 滿(mǎn)足于逆變器等大功率變流器的實(shí)際應(yīng)用。參照?qǐng)D11，本發(fā)明的RC-GCT器件的制備方法，按照以下步驟實(shí)施 步驟1)選用原始的高阻區(qū)熔中照硅單晶作為n-區(qū)(圖11a)；
步驟2)硅片清洗后腐蝕減薄，利用三氯氧磷(P0C13)源兩步擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)n-區(qū)的上下表面 的n區(qū)，并用機(jī)械磨片法磨去n-區(qū)上表面的n區(qū)(圖lib)；
步驟3)采用干氧-濕氧-干氧交替氧化形成掩蔽膜，在磨去n區(qū)的n-區(qū)上表面進(jìn)行光刻，形成硼擴(kuò)散窗口 ；然后利用飽和的三氧化二硼(B203)源進(jìn)行選擇性硼擴(kuò)散，形成p+基 區(qū)，并去掉整個(gè)器件表面上的氧化層(圖11c)；
步驟4)采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在p+基區(qū)上表面和n區(qū)下表 面上同時(shí)光刻，形成磷擴(kuò)散窗口，然后進(jìn)行選擇性的磷兩步擴(kuò)散(同上)，在P+基區(qū)上表面中 段形成A-GCT的陰極n+擴(kuò)散區(qū)、同時(shí)在p+基區(qū)隔離處形成掩蔽用n+擴(kuò)散區(qū)；另外，同時(shí)在 n區(qū)下表面上形成PIN 二極管的兩處n+陰極區(qū)，再去掉整個(gè)器件表面上的氧化層(圖lid)； 步驟5)采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在上步得到的器件上表面光 刻形成門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)腐蝕窗口，然后利用腐蝕方法進(jìn)行門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)挖槽(一次腐蝕); 并在上表面n+擴(kuò)散區(qū)的掩蔽下進(jìn)行大面積的鋁擴(kuò)散，在n-區(qū)中自然形成較深的波狀p基 區(qū)和pnp隔離區(qū)，再去掉整個(gè)器件表面上的氧化層(圖lie)；
步驟6)在上步得到的器件下表面甩稀釋的B203源(稀釋比例1 :40)進(jìn)行大面積涂層擴(kuò) 散，形成A-GCT的p+透明陽(yáng)極區(qū)和PIN 二極管的p+短路區(qū)，與此同時(shí)，上表面的門(mén)極區(qū)也 得以補(bǔ)擴(kuò)，有利于降低其接觸電阻；然后，去掉整個(gè)器件表面上的氧化層(圖llf)；
步驟7)采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在上步得到的器件上表面光 刻形成隔離區(qū)腐蝕窗口，然后進(jìn)行二次腐蝕，形成pnp-溝槽復(fù)合隔離區(qū)(圖llg)，接著進(jìn)行 下一步光刻形成A-GCT門(mén)-陰極界的保護(hù)二氧化硅圖形；
步驟8)對(duì)上步得到的器件下表面打毛，形成高復(fù)合中心；清洗后，對(duì)整個(gè)器件上、下表 面分別蒸鋁，并對(duì)上表面的鋁膜進(jìn)行反刻，經(jīng)合金化后形成各個(gè)電極A、G、K (圖llh);
步驟9)對(duì)上步得到的器件上表面甩聚酰亞胺膜，光刻形成門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)的保護(hù)圖 形，并進(jìn)行亞胺化處理；然后進(jìn)行磨角保護(hù)、表面鈍化即得。
上述方法得到的器件適宜采用壓接式方法封裝，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。
本發(fā)明的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件的制備方法，以現(xiàn)有的RC-GCT器件為基礎(chǔ)， P基區(qū)是由硼擴(kuò)散形成的淺P+基區(qū)和在磷擴(kuò)散形成的陰極n+擴(kuò)散區(qū)掩蔽下進(jìn)行鋁擴(kuò)散形 成的深P基區(qū)組成，并自然形成了一種波狀的P基區(qū)及pnp隔離區(qū)，并在pnp區(qū)上方進(jìn)行挖 槽，從而形成了 pnp-溝槽復(fù)合隔離區(qū)。此外，在PIN 二極管的陰極側(cè)增加了 p+短路區(qū)，并 與A-GCT的p+透明陽(yáng)極區(qū)同時(shí)形成，可有效改善PIN 二極管的反向恢復(fù)特性，從而省去了 對(duì)其少子壽命的控制。
權(quán)利要求
一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件，其特征在于整個(gè)器件以n-區(qū)為襯底，以器件上方隔離溝槽的中心線(xiàn)為軸、器件下方p+透明陽(yáng)極區(qū)和n+陰極區(qū)Ⅰ邊界為軸縱向?qū)⑵骷^(qū)分為A-GCT部分和PIN二極管部分，所述A-GCT部分的結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有波狀p基區(qū)和p+基區(qū)；該p+基區(qū)中間段上表面，與波狀p基區(qū)的波峰對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有A-GCT的n+陰極區(qū)，該n+陰極區(qū)上表面是陰極鋁電極K；該n+陰極區(qū)兩側(cè)的p+基區(qū)上表面各設(shè)置有門(mén)極鋁電極G；n-區(qū)向下設(shè)置有n緩沖層，n緩沖層的下方為A-GCT部分的p+透明陽(yáng)極區(qū)；所述的PIN二極管部分結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有p基區(qū)和p+基區(qū)，p+基區(qū)上表面設(shè)置有陰極鋁電極K；n-區(qū)向下設(shè)置有n緩沖層，n緩沖層的下方并排設(shè)置有PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅰ、p+短路區(qū)和PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅱ，PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅰ和PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅱ的厚度大于中間的p+短路區(qū)，PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅰ與A-GCT的p+透明陽(yáng)極區(qū)鄰接，PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅰ、p+短路區(qū)和PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅱ的下方均與A-GCT部分的p+透明陽(yáng)極區(qū)的下方設(shè)置有共同的陽(yáng)極鋁電極A；所述隔離溝槽伸入p基區(qū)，與p基區(qū)的一個(gè)波峰相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件，其特征在于所述A-GCT部 分的η+陰極區(qū)寬度為200 士 20mm、ρ+基區(qū)的深度為30 士 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件，其特征在于所述PIN二 極管部分的P+短路區(qū)寬度與其陰極區(qū)寬度之比為0. 25-0. 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件，其特征在于所述pnp隔 離區(qū)的寬度為200士20mm，溝槽隔離區(qū)的寬度為250士20mm，溝槽隔離區(qū)的深度為30士5mm。
5.一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件的制備方法，其特征在于，按照以下步驟具體實(shí)施步驟1、選用原始的高阻區(qū)熔中照硅單晶作為η-區(qū)；步驟2、硅片清洗后腐蝕減薄，利用三氯氧磷源兩步擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)η-區(qū)的上下表面的η區(qū)， 并磨去η-區(qū)上表面的η區(qū)；步驟3、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化形成掩蔽膜，在磨去η區(qū)的η-區(qū)上表面進(jìn)行光 亥IJ，形成硼擴(kuò)散窗口 ；然后利用飽和的三氧化二硼源進(jìn)行選擇性硼擴(kuò)散，形成P+基區(qū)，并去 掉整個(gè)器件表面上的氧化層；步驟4、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在ρ+基區(qū)上表面和η區(qū)下表 面上同時(shí)光刻，形成磷擴(kuò)散窗口，然后進(jìn)行選擇性的磷兩步擴(kuò)散，在P+基區(qū)上表面中段形成 A-GCT的陰極η+擴(kuò)散區(qū)、同時(shí)在ρ+基區(qū)隔離處形成掩蔽用η+擴(kuò)散區(qū)；另外，同時(shí)在η區(qū)下表 面上形成PIN 二極管的兩處η+陰極區(qū)，再去掉整個(gè)器件表面上的氧化層；步驟5、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在上步得到的器件上表面光 刻形成門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)腐蝕窗口，然后利用腐蝕方法進(jìn)行門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)挖槽；并在上表 面η+擴(kuò)散區(qū)的掩蔽下進(jìn)行大面積的鋁擴(kuò)散，在η-區(qū)中自然形成較深的波狀P基區(qū)和pnp隔 離區(qū)，再去掉整個(gè)器件表面上的氧化層；步驟6、在上步得到的器件下表面甩稀釋的B2O3源，進(jìn)行大面積涂層擴(kuò)散，形成A-GCT的 P+透明陽(yáng)極區(qū)和PIN 二極管的ρ+短路區(qū)，與此同時(shí)，上表面的門(mén)極區(qū)也得以補(bǔ)擴(kuò)，然后，去 掉整個(gè)器件表面上的氧化層；步驟7、采用干氧-濕氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在上步得到的器件上表面光 刻形成隔離區(qū)腐蝕窗口，然后進(jìn)行二次腐蝕，形成Pnp-溝槽復(fù)合隔離區(qū)，接著進(jìn)行下一步 光刻形成A-GCT門(mén)-陰極界的保護(hù)二氧化硅圖形；步驟8、對(duì)上步得到的器件下表面打毛，形成高復(fù)合中心；清洗后，對(duì)整個(gè)器件上、下表 面分別蒸鋁，并對(duì)上表面的鋁膜進(jìn)行反刻，經(jīng)合金化后形成各個(gè)電極；步驟9、對(duì)上步得到的器件上表面甩聚酰亞胺膜，光刻形成門(mén)極區(qū)和隔離區(qū)的保護(hù)圖 形，并進(jìn)行亞胺化處理；然后進(jìn)行磨角保護(hù)、表面鈍化即得。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述A-GCT部分的η+陰極區(qū)寬度為 200 士 20mm、ρ+基區(qū)的深度為30 士 5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述PIN二極管部分的ρ+短路區(qū)寬 度與其陰極區(qū)寬度之比為0. 25-0. 5。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述pnp隔離區(qū)的寬度為 200 士 20mm，溝槽隔離區(qū)的寬度為250 士 20mm，溝槽隔離區(qū)的深度為30 士 5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件，整個(gè)器件分為A-GCT和PIN二極管兩部分，A-GCT部分結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有波狀p基區(qū)和p+基區(qū)，該p+基區(qū)中間段上表面，與波狀p基區(qū)的波峰對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有n+陰極區(qū)，該n+陰極區(qū)上表面是陰極鋁電極，該n+陰極區(qū)兩側(cè)的p+基區(qū)上表面各設(shè)置有門(mén)極鋁電極，n-區(qū)向下設(shè)置有n緩沖層及p+透明陽(yáng)極區(qū)；PIN二極管部分結(jié)構(gòu)是，n-區(qū)向上依次設(shè)置有p基區(qū)和p+基區(qū)，p+基區(qū)上表面設(shè)置有陰極鋁電極；n-區(qū)向下設(shè)置有n緩沖層，n緩沖層的下方并排設(shè)置有PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅰ、p+短路區(qū)和PIN二極管n+陰極區(qū)Ⅱ。本發(fā)明還公開(kāi)了上述pnp-溝槽復(fù)合隔離RC-GCT器件的制備方法，可有效改善PIN二極管的反向恢復(fù)特性，從而省去了對(duì)其少子壽命的控制。
文檔編號(hào)H01L21/332GK101853878SQ20101019104
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者王彩琳 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)