專(zhuān)利名稱(chēng)：適用于gct器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)及其制備方法
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，涉及一種適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還涉及該種階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
為了提高電力半導(dǎo)體器件的終端擊穿電壓，需采用各種結(jié)構(gòu)的終端技術(shù)對(duì)其表面終止的pn結(jié)進(jìn)行處理。終端技術(shù)的選擇會(huì)直接影響電力半導(dǎo)體器件的耐壓及其穩(wěn)定性和
可靠性。GCT是一種新型的大功率器件，與門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)相同，采用多單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)，最外環(huán)的單元都存在表面終止的pn結(jié)，并且P基區(qū)的較深，屬于深結(jié)器件。為了提高 GCT終端擊穿電壓，通常采用類(lèi)似于普通晶閘管的臺(tái)面終端結(jié)構(gòu)或橫向變摻雜(VLD)結(jié)構(gòu)。臺(tái)面終端結(jié)構(gòu)采用機(jī)械磨角及腐蝕工藝形成，制作簡(jiǎn)單也比較成熟，但它能實(shí)現(xiàn)的終端擊穿電壓只有其體內(nèi)擊穿電壓的80%，并且其高溫漏電流及終端所占的芯片面積很大，也只適用于圓形的芯片，不適合方形芯片。橫向變摻雜結(jié)構(gòu)是采用漸變的擴(kuò)散窗口進(jìn)行鋁擴(kuò)散形成，能使器件的終端擊穿電壓達(dá)到其體內(nèi)擊穿電壓的90%，但終端所占的芯片面積也很大，并且形成漸變的摻雜所需的光刻窗口較難控制?？梢?jiàn)，現(xiàn)有的終端技術(shù)都不能有效地提高器件的終端擊穿電壓和芯片的利用率，從而限制了高壓大功率器件的開(kāi)發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有的高壓深結(jié)器件結(jié)終端電壓低、高溫穩(wěn)定性差及終端占用芯片面積大的問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的是提供上述的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，在芯片的中央?yún)^(qū)域?yàn)橛性磪^(qū)，外圍區(qū)域?yàn)榻K端區(qū)，有源區(qū)和終端區(qū)共同的η—襯底下方為η型FS層，η型FS層下方為P+陽(yáng)極區(qū)及其陽(yáng)極電極；在有源區(qū)中，η_基區(qū)中設(shè)置有多個(gè)并聯(lián)的單元，每個(gè)單元內(nèi)與η_基區(qū)相鄰的是波狀ρ_基區(qū)，ρ_基區(qū)上面為P+基區(qū)，P+基區(qū)中間位置設(shè)置有一個(gè)η+發(fā)射區(qū)，每個(gè)η+發(fā)射區(qū)上方設(shè)置有陰極電極；P+基區(qū)上方設(shè)置有一個(gè)門(mén)極電極，并且整個(gè)門(mén)極電極環(huán)繞在所包圍的陰極區(qū)的周?chē)?；在終端區(qū)的η_襯底內(nèi)，設(shè)有與有源區(qū)內(nèi)主結(jié)的P基區(qū)彎曲處相連的兩級(jí)階梯型的P型延伸區(qū)，并且兩級(jí)P型延伸區(qū)寬度依次增加，摻雜濃度依次降低，結(jié)深依次變淺。本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種上述的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的制備方法，第一種方式按照以下步驟實(shí)施步驟I、在有源區(qū)的P+基區(qū)和終端區(qū)的η_基區(qū)上進(jìn)行選擇性的磷兩步擴(kuò)散，于是在有源區(qū)內(nèi)形成η+陰極區(qū)，在終端區(qū)內(nèi)形成η+掩蔽區(qū)；
步驟2、采用相應(yīng)的光刻版選擇性地刻蝕硅表面上n+區(qū)以外的區(qū)域；步驟3、在整個(gè)硅表面進(jìn)行鋁涂源擴(kuò)散，形成兩級(jí)延伸區(qū)；步驟4、刻蝕掉終端區(qū)內(nèi)的n+掩蔽區(qū)；步驟5、在終端區(qū)內(nèi)的兩級(jí)P延伸區(qū)表面淀積一層磷硅玻璃或氮化硅作為終端鈍化層，即成。第二種方式按照以下步驟實(shí)施步驟I、先在硅片上涂鋁源，并稍加推進(jìn)；步驟2、采用相應(yīng)的光刻版選擇性地刻蝕掉部分鋁源；步驟3、高溫推進(jìn)，形成階梯型的P型延伸區(qū)；·步驟4、淀積鈍化層，并填平刻蝕窗口，作為終端保護(hù)層，即成。本發(fā)明的有益效果是，此階梯型平面終端結(jié)構(gòu)可獲得95%的體擊穿電壓，終端面積小于傳統(tǒng)臺(tái)面結(jié)構(gòu)的50%，并且允許的工藝容差范圍較寬，高溫穩(wěn)定性高。此外，該平面終端結(jié)構(gòu)還可以推廣到逆導(dǎo)型GCT及FRD等其他深結(jié)的高壓器件中，既可用于圓形芯片，也可用于方形芯片。


圖I是本發(fā)明適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的截面示意圖；圖2是本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)擊穿時(shí)的縱向電場(chǎng)分布模擬圖；圖3是終端擊穿電壓隨第一級(jí)延伸區(qū)擴(kuò)散窗口寬度W1的變化關(guān)系；圖4是終端擊穿電壓隨第二級(jí)延伸區(qū)擴(kuò)散窗口寬度W2的變化關(guān)系；圖5是終端擊穿電壓隨主結(jié)與第一級(jí)延伸區(qū)之間掩模寬度S1、以及第一級(jí)延伸區(qū)與第二級(jí)延伸區(qū)之間掩模寬度S2的變化關(guān)系；圖6是終端擊穿電壓隨第一級(jí)延伸區(qū)深度Cl1及第二級(jí)延伸區(qū)深度d2的變化關(guān)系；圖7是終端擊穿電壓隨第一級(jí)延伸區(qū)的表面摻雜濃度Nsi及第二級(jí)延伸區(qū)表面摻雜濃度Ns2的變化關(guān)系；圖8是采用本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的GCT器件擊穿特性模擬曲線(xiàn)；圖9是采用本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的GCT器件擊穿時(shí)耗盡層展寬模擬圖；圖10是本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)一種制備方法實(shí)施例示意圖；圖11是本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)另一種制備方法實(shí)施例示意圖；圖12是采用本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的RC-GCT器件的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，是本發(fā)明的適用于門(mén)極換流晶閘管(GCT)器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，即適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)是在芯片的中央?yún)^(qū)域?yàn)橛性磪^(qū)，外圍區(qū)域?yàn)榻K端區(qū)，有源區(qū)和終端區(qū)共同的n_襯底下方為η型FS層，η型FS層下方為ρ+陽(yáng)極區(qū)及其陽(yáng)極電極(即底部位置)；在有源區(qū)中，η_基區(qū)中設(shè)置有多個(gè)并聯(lián)的單元，每個(gè)單元內(nèi)與η_基區(qū)相鄰的是波狀ρ_基區(qū)，ρ_基區(qū)上面為P+基區(qū)，P+基區(qū)中間位置設(shè)置有一個(gè)η+發(fā)射區(qū)，每個(gè)η+發(fā)射區(qū)上方設(shè)置有陰極電極；P+基區(qū)上方設(shè)置有一個(gè)門(mén)極電極，并且整個(gè)門(mén)極電極環(huán)繞在所包圍的陰極區(qū)的周?chē)?；在終端區(qū)的n_襯底內(nèi)，設(shè)有與有源區(qū)內(nèi)主結(jié)的P基區(qū)彎曲處相連的兩級(jí)階梯型的P型延伸區(qū)，并且兩級(jí)P型延伸區(qū)寬度依次增加，摻雜濃度依次降低，結(jié)深依次變淺。本發(fā)明的適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，其耐壓機(jī)理是通過(guò)在主結(jié)末端設(shè)置摻雜濃度逐個(gè)降低、結(jié)深逐個(gè)變淺的兩級(jí)延伸區(qū)，增加了主結(jié)末端處耗盡層的曲率半徑，緩解表面電場(chǎng)集中。于是，在主結(jié)發(fā)生擊穿時(shí)，延伸區(qū)可承擔(dān)幾乎相同的電壓。圖2是本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)擊穿時(shí)的縱向電場(chǎng)分布模擬圖，由圖2可見(jiàn)，在主結(jié)與第一延伸區(qū)的相接處(χ=103 μ m)、第一延伸區(qū)與第二延伸區(qū)的相接處(χ=305μπι)以及第二延伸區(qū)末端處(χ=949μπι)的峰值電場(chǎng)非常接近，其中第一延伸區(qū)與第二延伸區(qū)的相接處的電場(chǎng)稍高，擊穿將會(huì)在此發(fā)生?？梢?jiàn)，通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠?qū)⒈砻娴淖罡唠妶?chǎng)轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，使擊穿穩(wěn)定地發(fā)生在體內(nèi)。
為了優(yōu)選本發(fā)明最佳的階梯型平面終端的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以5kV的GCT器件為例，分析了各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件擊穿電壓的影響。圖3-圖7是本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的終端擊穿電壓隨各關(guān)鍵參數(shù)的變化曲線(xiàn)。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)w2=600 μ m, W1從150 μ m到275 μ m之間變化,終端擊穿電壓先增大后減小；由圖4可見(jiàn)，當(dāng)W1=ZOO μ m, W2從500 μ m到800 μ m之間變化,終端擊穿電壓逐漸增大，但增加趨勢(shì)隨W2的增加變緩；由圖5可見(jiàn)，終端擊穿電壓隨S1和S2的變化都是先增加而后就減小，并且當(dāng)S1為20 μ m、S2為40 μ m時(shí),擊穿電壓可達(dá)到5149V ;由圖6可見(jiàn)，當(dāng)Cl1分別為42 μ m、44 μ m及46 μ m時(shí)，終端擊穿電壓隨d2的增加先增加而后下降，并且當(dāng)d2=27 μ m時(shí)終端擊穿電壓會(huì)突降；由圖7可見(jiàn)，當(dāng)其他參數(shù)保持不變，Nsi為5X IO15CnT3時(shí)，Ns2為8X IO14CnT3時(shí)，擊穿電壓達(dá)到最大，為5300V，并且Nsi對(duì)終端擊穿電壓影響很小，如圖7中的三條Nsi在不同取值時(shí)的曲線(xiàn)的走向幾乎一致。依據(jù)上述的分析，本發(fā)明所述的終端區(qū)為兩級(jí)延伸區(qū)，該優(yōu)選參數(shù)包括，第一級(jí)延伸區(qū)的深度dl為42 46 μ m，第二級(jí)延伸區(qū)的深度d2為23 27 μ m ;第一級(jí)延伸區(qū)的濃度Nsl 為 5X IO15CnT3 3X 1016cnT3，第二級(jí)延伸區(qū)的濃度 Ns2 為 6. 5X IO14CnT3 IX IO15CnT3 ；第一級(jí)延伸區(qū)的擴(kuò)散窗口寬度Wl為200 250 μ m，第二級(jí)延伸區(qū)的擴(kuò)散窗口寬度W2為600 800 μ m ;主結(jié)與第一級(jí)延伸區(qū)的掩模寬度si為O 60 μ m,第一級(jí)與第二級(jí)延伸區(qū)的掩模寬度s2為O 40 μ m。本發(fā)明的適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，其器件特性評(píng)價(jià)是圖8是采用上述階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的GCT器件擊穿特性的模擬曲線(xiàn)。由圖8可見(jiàn)，GCT體內(nèi)擊穿電壓約為5430V，采用階梯型平面終端結(jié)構(gòu)至少可獲得約5149V的終端擊穿電壓，約為其體內(nèi)擊穿電壓的95%。圖8中還給出了高溫下該終端結(jié)構(gòu)的擊穿特性曲線(xiàn)，可見(jiàn)，高溫下該終端結(jié)構(gòu)的漏電流密度較低；圖9是采用本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的GCT器件擊穿時(shí)的耗盡層展寬模擬圖。由圖9可見(jiàn)，在5149V電壓下終端所占的尺寸約為I. 2mm。而采用傳統(tǒng)的臺(tái)面終端或橫向變摻雜結(jié)構(gòu)，要獲得90%的體擊穿電壓，終端尺寸通常需要3mm左右。這說(shuō)明，采用階梯型平面終端結(jié)構(gòu)不僅能提高GCT器件的終端擊穿電壓及其高溫穩(wěn)定性，而且能顯著提高芯片面積的利用率。圖10是本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)一種制備方法實(shí)施例的示意圖，其兩級(jí)延伸區(qū)與GCT有源區(qū)中的波狀P-基區(qū)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)，都是在磷(P)擴(kuò)散區(qū)的掩蔽下由多個(gè)相同的小鋁(Al)源區(qū)擴(kuò)散所形成的弧形剖面交疊而成，只是第一級(jí)延伸區(qū)表面的Al源區(qū)比第二級(jí)延伸區(qū)表面的Al源區(qū)稍大，該種結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟步驟I、在有源區(qū)的P+基區(qū)和終端區(qū)的n_基區(qū)上進(jìn)行選擇性的磷兩步擴(kuò)散，于是在有源區(qū)內(nèi)形成η+陰極區(qū)，在終端區(qū)內(nèi)形成η+掩蔽區(qū)；步驟2、采用圖10上方所示相應(yīng)的光刻版選擇性地刻蝕硅表面上η+區(qū)以外的區(qū)域；步驟3、在整個(gè)硅表面進(jìn)行鋁涂源擴(kuò)散，形成兩級(jí)延伸區(qū)；步驟4、刻蝕掉終端區(qū)內(nèi)的η+掩蔽區(qū)；步驟5、在終端區(qū)內(nèi)的兩級(jí)P延伸區(qū)表面淀積一層磷硅玻璃或氮化硅作為終端鈍 化層，即成。圖11是本發(fā)明的用于GCT的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的另一種制備方法實(shí)施例的示意圖，其兩級(jí)延伸區(qū)均是由多個(gè)相同的小鋁(Al)源區(qū)擴(kuò)散所形成的弧形剖面交疊而成，只是第一級(jí)延伸區(qū)表面的Al源區(qū)比第二級(jí)延伸區(qū)表面的Al源區(qū)稍大，該種結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟步驟I、先在硅片上涂鋁源，并稍加推進(jìn)；步驟2、采用圖11上方所示相應(yīng)的光刻版選擇性地刻蝕掉部分鋁源；步驟3、高溫推進(jìn)，形成階梯型的P型延伸區(qū)；步驟4、淀積鈍化層，并填平刻蝕窗口，作為終端保護(hù)層，即成。本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)同樣適用于RC-GCT器件，無(wú)論其中的非對(duì)稱(chēng)GCT(A-GCT)與集成二極管(Diode)在芯片中心還是外側(cè)，均可采用此終端結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D12，是采用本發(fā)明的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的RC-GCT器件的示意圖，其中在二極管的外側(cè)設(shè)置了兩級(jí)P型延伸區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，其特征在于 在芯片的中央?yún)^(qū)域?yàn)橛性磪^(qū)，外圍區(qū)域?yàn)榻K端區(qū)，有源區(qū)和終端區(qū)共同的η—襯底下方為η型FS層，η型FS層下方為ρ+陽(yáng)極區(qū)及其陽(yáng)極電極； 在有源區(qū)中，η—基區(qū)中設(shè)置有多個(gè)并聯(lián)的單元，每個(gè)單元內(nèi)與η—基區(qū)相鄰的是波狀ρ_基區(qū)，ρ-基區(qū)上面為P+基區(qū)，ρ+基區(qū)中間位置設(shè)置有一個(gè)η+發(fā)射區(qū)，每個(gè)η+發(fā)射區(qū)上方設(shè)置有陰極電極；P+基區(qū)上方設(shè)置有一個(gè)門(mén)極電極，并且整個(gè)門(mén)極電極環(huán)繞在所包圍的陰極區(qū)的周?chē)? 在終端區(qū)的η_襯底內(nèi)，設(shè)有與有源區(qū)內(nèi)主結(jié)的P基區(qū)彎曲處相連的兩級(jí)階梯型的P型延伸區(qū)，并且兩級(jí)P型延伸區(qū)寬度依次增加，摻雜濃度依次降低，結(jié)深依次變淺。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的終端區(qū)為兩級(jí)延伸區(qū)，第一級(jí)延伸區(qū)的深度dl為42 46 μ m，第二級(jí)延伸區(qū)的深度d2為23 27 μ m ;第一級(jí)延伸區(qū)的濃度Nsl為5 X 1015cm_3 3X 1016cm_3，第二級(jí)延伸區(qū)的濃度Ns2為6. 5 X IO14CnT3 I X IO15CnT3 ;第一級(jí)延伸區(qū)的擴(kuò)散窗口寬度Wl為200 250 μ m，第二級(jí)延伸區(qū)的擴(kuò)散窗口寬度W2為600 800 μ m ;主結(jié)與第一級(jí)延伸區(qū)的掩模寬度si為O 60 μ m,第一級(jí)與第二級(jí)延伸區(qū)的掩模寬度s2為O 40 μ m。
3.—種權(quán)利要求I或2所述的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，按照以下步驟實(shí)施 步驟I、在有源區(qū)的P+基區(qū)和終端區(qū)的η—基區(qū)上進(jìn)行選擇性的磷兩步擴(kuò)散，于是在有源區(qū)內(nèi)形成η+陰極區(qū)，在終端區(qū)內(nèi)形成η+掩蔽區(qū)； 步驟2、采用相應(yīng)的光刻版選擇性地刻蝕硅表面上η.區(qū)以外的區(qū)域； 步驟3、在整個(gè)硅表面進(jìn)行鋁涂源擴(kuò)散，形成兩級(jí)延伸區(qū)； 步驟4、刻蝕掉終端區(qū)內(nèi)的η+掩蔽區(qū)； 步驟5、在終端區(qū)內(nèi)的兩級(jí)ρ延伸區(qū)表面淀積一層磷硅玻璃或氮化硅作為終端鈍化層，即成。
4.一種權(quán)利要求I或2所述的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，按照以下步驟實(shí)施 步驟I、先在硅片上涂鋁源，并稍加推進(jìn)； 步驟2、采用相應(yīng)的光刻版選擇性地刻蝕掉部分鋁源； 步驟3、高溫推進(jìn)，形成階梯型的ρ型延伸區(qū)； 步驟4、淀積鈍化層，并填平刻蝕窗口，作為終端保護(hù)層，即成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于GCT器件的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)，在芯片的中央?yún)^(qū)域?yàn)橛性磪^(qū)，外圍區(qū)域?yàn)榻K端區(qū)，有源區(qū)和終端區(qū)共同的n-襯底下方依次為n型FS層、p+陽(yáng)極區(qū)及其陽(yáng)極電極；在有源區(qū)中，n-基區(qū)中設(shè)置有多個(gè)并聯(lián)的單元，每個(gè)單元內(nèi)與n-基區(qū)相鄰的是波狀p-基區(qū)，p-基區(qū)上面為p+基區(qū)，p+基區(qū)中間位置設(shè)置有一個(gè)n+發(fā)射區(qū)，每個(gè)n+發(fā)射區(qū)上方設(shè)置有陰極電極；p+基區(qū)上方設(shè)置有一個(gè)門(mén)極電極；在終端區(qū)的n-襯底內(nèi)，設(shè)有與有源區(qū)內(nèi)主結(jié)的p基區(qū)彎曲處相連的兩級(jí)階梯型的p型延伸區(qū)。本發(fā)明還公開(kāi)了上述的階梯型平面終端結(jié)構(gòu)的制備方法。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)了擊穿電壓和終端面積的最佳折衷。
文檔編號(hào)H01L21/332GK102891173SQ20121037605
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者王彩琳, 王一宇 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)