具有双p基区门阴极结构的门极换流晶闸管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体集成电路技术领域，特别涉及一种半导体器件结构，尤其涉及一种应用于自然换流型混合式直流断路器中的集成门极换流晶闸管的门极结构设计。
【背景技术】
[0002]集成门极换流晶闸管(IGCT:1ntegrated Gate Commutated Thyristor)是一种用于大容量电力电子装置中的新型电力半导体器件，它最先是由瑞士 ABB公司开发并成功投入市。IGCT是将GCT(Gate Commutated Thyristor门极换流晶闸管)芯片与反并联的二极管和门极驱动MOSFET集成在一起，再与门极驱动在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的关断能力和晶闸管低导通损耗等优点，适用于自然换流型混合式直流断路器。
[0003]GCT芯片集成了多个门极换流晶闸管元胞单元，每个元胞的基本结构同GTO(门极可关断晶闸管)类似，为PNPN结构，GCT(Gate Commutated Thyristor)元胞单元如图1所示，按照掺杂的浓度细化区分，则阴极极至阳极依次分别是:η+发射极、P基区、η基区、η+缓冲层、P+发射极，共有J1、J2、J3三个PN结(即半导体中P型掺杂区和N型掺杂区的边界线)。其导通和关断过程如图2所示，正常导通时，门阴极正偏，电流自阳极流入，阴极流出，如图2(a)所示。关断时，门阴极反偏，电流自阴极流入，门极流出，如图2(b);
[0004]已有的典型的直径4英寸GCT芯片的阴极面和纵向剖面结构如图3所示:由多个同心的阴极环31、一个同心的门极接触环32和多个阴极梳条33构成;一个个梳条33沿径向排列在每个阴极环31的部分区域中，形成一个扇形区域。阴极环31的数量和深度根据实际芯片尺寸确定，数值上不是严格的。图3以10个阴极环为例进行说明，图3中在第5阴极环与第6阴极环之间有一个门极接触环32;所述GCT芯片的剖面如图3下方所示(图中只显示了阴极面的左半径的剖面)XCT的纵向元胞结构与图2的说明一致，即每个元胞纵向结构从阴极至阳极分别是:n+发射极、P基区、η基区、η+缓冲层、P+发射极，共有J1、J2、J3三个PN结；阴极面的每个梳条33上表面为阴极发射极电极34，阴极面的门极表面部分被门极电极35覆盖，并与阴极电极相隔离。
[0005]门极电极35是经过溅射得到的金属电极，门极电极35覆盖了除梳条以外所有的阴极面表面区域，因此是各阴极环彼此相通的，并与阴极面梳条33表面的阴极发射极电极34绝缘。门极电极35直接同门极接触环32表面36相连。且已有的GCT芯片的阴极面各阴极环和门极接触环纵向的元胞结构的P基区深度相同(深度具体取值可根据器件的电压、电流等级优化得到)。导通时电流Ia.0n由阳极流入，阴极流出；进行关断操作时，电流从阴极梳条处转移至门极接触环。由于门极接触环位于第5到第6阴极环之间，因此所有阴极梳条的电流都要通过金属层汇聚到门极接触环。
[0006]GCT关断操作时，在门阴极外接反向电源的作用下，电流从阴极换到门极。电流在正常导通情况下的分布如图4所示，关断指令发出后换流到门极电流重新分布如图5所示。关断过程中，通过晶闸管的电流从阴极换流到门极。从阴极到阳极，掺杂浓度的纵向分布如图6所示:η+发射极的边界浓度在lel9至le20cm—3，发射极扩散深度在15?25um;p+短基区的边界浓度在5el6?5el7cm—3，扩散深度30至70um;p基区边界浓度范围在lel5?5el6cm—3，扩散深度80?140um;n-衬底根据器件耐受电压等级的不同选择掺杂浓度和宽度，一般掺杂浓度在Ie 13左右，宽度在200?700um;n’缓冲区由阳极表面进行离子注入和扩散，掺杂浓度表面值在lel5?5el6，扩散深度20?40um;p+发射极表面浓度在lel8?le20，扩散深度在I?1um0
[0007 ]在传统制备GCT芯片的工艺流程包括:
[0008]SO1:n_衬底上阴极面进行p+短基区和P基区的扩散，最成熟的工艺是采用硼铝同时预沉积扩散的方法。
[0009]S02:阳极面η ’缓冲区注入和扩散。
[0010]S03:阴极面选择性磷预沉积。
[0011]S04:阴极面门极部分刻蚀挖槽，使得门极位置低于阴极发射极η+部分约13?ISum
[0012]S05:阴极面高磷扩散，制作η+发射极。
[0013]S06:阳极面制作ρ+透明阳极。
[0014]S07:金属电极沉积和刻蚀。
[0015]S08:后续保护等工艺。
[0016]η+发射极采用高磷预沉积和扩散制作，ρ+短基区采用硼或镓的离子注入或者预沉积扩散，P区采用铝的预沉积扩散，η’缓冲层采用磷的离子注入和扩散，ρ+透明阳极采用硼的离子注入和扩散。其中，P+短基区由于杂质浓度较高，因此电阻率较低，如图5所示，ρ+短基区为电流转移到门极的横向电流主要通道。
[0017]现有的GCT关断时电流从阴极换流到门极的示意如图7所示，ρ+短基区位于硅片阴极面表面，与η+交界处构成J3结。在关断的换流过程中，门极、阴极外接反向电源VCK，因此J3结会承受反向电压，因此外接的反向电源Vck不能超过J3结的反向击穿电压，如图7所示。因此GCT的设计需要考虑两个要素:
[0018]l)p+短基区需要有足够高的掺杂浓度，以便形成如图7所示的横向电流通道，利于电流从阴极转移到门极。
[0019]2)p+短基区掺杂浓度不能过高，因为与η+构成的J3结，过高的浓度会导致较低的击穿电压，一旦J3结反向击穿，则换流失败，GCT芯片会损坏。因此J3结的反向击穿电压大大限制了 GCT的关断能力。
[0020]传统的GCT芯片设计中，采用在硅片上挖槽的方式降低J3结处ρ+短基区的浓度，并保证P+短基区浓度足够高以便形成电流通道。所述“挖槽”工艺是采用湿法或干法在硅片上选择性腐蚀成沟槽，形成如图3所示的阴极面梳条结构，S卩η+发射极为梳条顶，门极位于梳条间的槽底。“挖槽”工艺由于使得硅片表面结构出现高低错落，大大增大了 GCT芯片后续工艺难度，如蒸铝电极、刻铝等步骤，导致工艺的一致性受到影响，从而降低GCT芯片的关断能力。
【发明内容】
[0021]本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种双ρ基区门阴极结构的门极换流晶闸管及其制备方法。本发明的新型的门极换流晶闸管的门阴极结构，既能够保证门阴极J3结有较大的反向击穿电压，又能够保证ρ+短基区杂质浓度足够高从而利于电流通道形成，并且省去了挖槽的工艺步骤，从而简化工艺步骤并提高门极换流晶闸管的关断能力和可靠性。
[0022]本发明为了实现上述发明目的，提供一种双ρ基区门阴极结构的门极换流晶闸管，其特征在于，所述门极换流晶闸管包括从阳极到阴极依次排列的P+发射极(阳极)、n’缓冲区、η-衬底、第一ρ基区l、p+短基区、第二ρ基区2、n+发射极;所述阴极电极设置在所述η+发射极外表面，所述门极金属电极设置在所述P+短基区的外表面;所述门极换流晶闸管的门极包括第一 P基区1、第二 P基区2和ρ+短基区;所述第二 ρ基区2与η+发射极构成J3结;所述第一P基区I位于P+短基区下方，与η-衬底构成阻断结J2结。
[0023]所述第二ρ基区2的深度D2、p+短基区的深度D0、第一ρ基区I的深度Dl，可根据实际器件特性，在制备过程中通过调整扩散温度和时间调整。
[0024]所述门极换流晶闸管的门阴极结构可以采用门极金属电极和阴极金属电极处于高度相同的硅片表面;也可以采用传统的门极换流晶闸管门阴极的沟槽形式。
[0025]所述的ρ基区2的掺杂浓度边界值为lel5cm—3至lel8cm—3，p基