CN102623492A - 一种mos场控晶闸管 - Google Patents

Abstract

一种MOS场控晶闸管(MCT)，属于功率半导体器件技术领域。本发明将普通MCT的P型体区向下延伸、延伸区插入N-型漂移区，以增大P型体区与N-漂移区的接触面积，增加少数载流子的抽取通道，进而加快少数载流子的抽取速度，缩短关断时间，减小关断损耗。当P型延展区与N-型漂移区恰好达到电荷平衡时，电荷平衡的P型延展区与N-型漂移区恰好形成超结结构(SuperJunction)，这种情况下的MOS场控晶闸管能进一步优化反向耐压特性，降低器件的导通压降。本发明快速关断的特性，可显著提高器件的工作频率，使器件比常规MCT有更广的应用范围，更适合应用于高压开关电路中。

Description

一种MOS场控晶闸管

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及MOS场控晶闸管(MOS Controlled Thyristor，简称：MCT)。

背景技术

高压功率半导体器件是功率电子的重要组成部分，在诸如动力系统中的电机驱动，消费电子中变频等领域具有广泛的应用。在应用中，高压功率半导体器件需要具有低导通功耗，大导通电流，高电压阻断能力，栅驱动简单，低开关损耗等特性。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT)由于其在中高压电力电子领域中展现出优越的性能而得到广泛的应用。但是，IGBT应用于高压大功率领域时，若要获得更高的电流密度，导通压降会迅速增大。作为新型高压功率器件的另一种选择，MOS场控晶闸管(MOSControlled Thyristor，简称：MCT)由于其具有栅极驱动简单，高电压阻断能力和较低的导通压降等优越特性而在高压及超高压电力电子领域的应用备受瞩目。然而，由于工作原理与IGBT截然不同，MCT在拥有比IGBT更高的电流密度及更低的导通压降的同时，也需要比IGBT更长的关断时间。其主要原因是MCT在正向导通时为晶闸管特性，这将导致在关断时MCT的漂移区储存的少数载流子总量高于IGBT，造成关断困难。关断时间长必将导致关断损耗大，安全工作区变小。因而关断时间是影响MCT应用范围的一个关键因素。

D.J.Coe等在专利US Patent 4,754,310，陈星弼等在专利US Patent 5,216,275中分别提出了应用于横向器件与纵向器件中Super Junction超结技术。该技术可在保持耐压不变的情况下有效降低VDMOS导通电阻，甚至可以突破硅材料VDMOS导通电阻与反向阻断电压关系(R_on∝BV^2.5)的极限，使VDMOS应用于更高的电压条件下。基于该技术的CoolMOS一经商业化便受到了广泛的关注和应用。对于双极型载流子器件，Super Junction超结理论同样适用。

发明内容

本发明针对现有MOS场控晶闸管存在的关断时间长、关断损耗大的技术问题，提供一种可快速关断的、具有额外少数载流子抽取通道的MOS场控晶闸管(可称为ECP-MCT)。该MOS场控晶闸管将P型体区向下延伸、延伸区插入N-型漂移区，以增大P型体区与N-漂移区的接触面积，增加少数载流子的抽取通道，进而加快少数载流子的抽取速度，缩短关断时间，减小关断损耗。当P型延展区与N-型漂移区恰好达到电荷平衡时，电荷平衡的P型延展区与N-型漂移区恰好形成超结结构(SuperJunction)，这种情况下的MOS场控晶闸管能进一步优化反向耐压特性，降低器件的导通压降。

本发明的技术方案如下：

一种MOS场控晶闸管，如图1所示，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；所述漂移区结构包括N-型漂移区4和P型延伸区5；所述P型延伸区5由阴极结构中的P型体区3向下延伸入N-型漂移区4形成，但P型延伸区5不与阳极结构中的P+区7接触。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其特点是对漂移区结构进行改进，即将图3所示的常规MCT的P型体区3向下延伸，P型延伸区5插入N-漂移区4。P型延伸区5不贯穿整个漂移区，它与P+阳极区7之间仍有部分N-漂移区(可视为图3中的缓冲区6)相隔，缓冲区的厚度为L。根据器件要求不同，缓冲层的浓度可与N-漂移区4的掺杂浓度相同，也可另行掺杂。作为缓冲区层6的N-型漂移区4若直接与阳极结构中的P+阳极区7相接触，则整个漂移区结构为NPT型漂移区；若作为缓冲区层6的N-型漂移区4中还具有与阳极结构中的P+阳极区7相接触的N+缓冲层，则整个漂移区结构为PT型或FS型漂移区。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其漂移区结构可与现有各种半导体功率器件的阳极结构、各种现有MOS场控晶闸管阴极和栅极结构相结合，组合出具有本发明所述漂移区结构的MOS场控晶闸管。

进一步地，本发明提供的MOS场控晶闸管的漂移区结构中，P型延伸区5与两侧的N-型漂移区4形成超结结构。如图2所示，P型延伸区5与两侧的N-型漂移区4形成NPN相间的结构，即超结结构；其中两侧的N-型漂移区4为两条相对于P型延伸区5对称且宽度相等(Wn)的N-型掺杂柱12，而P型延伸区5为宽度Wp的P型掺杂柱。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其工作原理如下：

在所述MOS场控晶闸管(MCT)的阳极11加正电压，阴极10加零电压，使栅极9上所加的正电压大于MCT的阈值电压，则器件开启，进入导通态。MCT的开启过程由器件中的MOS结构决定，所以所述MCT开启的时间与常规MCT和IGBT基本相同。在导通态下，P型延伸区5的加入增加了下方的PNP晶体管的集电极的有效区域，可以使电导调制进行的更加充分，进而降低器件的导通压降。

将所述MCT的栅极9上的正电压转为负电压或零电压，则器件开始关断，进入截止态。MCT的关断时间主要由少子电流产生的拖尾所决定。P型延伸区5与N-型漂移区的广泛接触为储存在漂移区的少子的抽取提供了额外的通道，使抽取的速度加快，电流拖尾明显减小，进而缩短了器件的关断时间，降低了关断损耗。对于漂移区为超结结构的MCT器件(即SJ-MCT)，Super Junction超结结构可以在漂移区内实现电荷平衡，承受耐压时的电场呈矩形，耐压仅取决于漂移区的长度而与其掺杂浓度无关。可实现漂移区长度的缩短和漂移区的掺杂浓度的提升，从而进一步降低漂移区电阻，降低导通压降。

综上，本发明的有益成果体现在：

本发明提供的可快速关断的ECP-MCT器件，减小了高压下器件的导通电阻和拖尾电流，降低了导通损耗和关断损耗，具有高耐压、大电流、低功耗的优点。其快速关断的特性，可显著提高器件的工作频率，使器件比常规MCT有更广的应用范围，更适合应用于高压开关电路中。

附图说明

图1是本发明所提供的MOS场控晶闸管(ECP-MCT)结构示意图

图2是本发明提供的ECP-MCT的特例SJ-MCT的结构示意图。

图3是常规的MCT的结构示意图。

图4是常规的MCT与本发明提供的ECP-MCT开启特性曲线示意图。

图5是常规的MCT与本发明提供的ECP-MCT关断特性曲线示意图。

图6是常规的MCT与本发明提供的ECP-MCT导通压降Von和关断损耗Eoff与阳极电流密度J_A的关系示意图。

图7是常规的MCT与本发明提供的ECP-MCT正向输出特性曲线示意图。

具体实施方式

一种MOS场控晶闸管，如图1所示，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；所述漂移区结构包括N-型漂移区4和P型延伸区5；所述P型延伸区5由阴极结构中的P型体区3向下延伸入N-型漂移区4形成，但P型延伸区5不与阳极结构中的P+区7接触。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其特点是对漂移区结构进行改进，即将图3所示的常规MCT的P型体区3向下延伸，P型延伸区5插入N-漂移区4。P型延伸区5不贯穿整个漂移区，它与P+阳极区7之间仍有部分N-漂移区(可视为图3中的缓冲区6)相隔，缓冲区的厚度为L。根据器件要求不同，缓冲层的浓度可与N-漂移区4的掺杂浓度相同，也可另行掺杂。作为缓冲区层6的N-型漂移区4若直接与阳极结构中的P+阳极区7相接触，则整个漂移区结构为NPT型漂移区；若作为缓冲区层6的N-型漂移区4中还具有与阳极结构中的P+阳极区7相接触的N+缓冲层，则整个漂移区结构为PT型或FS型漂移区。

本发明提供的MOS场控晶闸管，其漂移区结构可与现有各种半导体功率器件的阳极结构、各种现有MOS场控晶闸管阴极和栅极结构相结合，组合出具有本发明所述漂移区结构的MOS场控晶闸管。

进一步地，本发明提供的MOS场控晶闸管的漂移区结构中，P型延伸区5与两侧的N-型漂移区4形成超结结构。如图2所示，P型延伸区5与两侧的N-型漂移区4形成NPN相间的结构，即超结结构；其中两侧的N-型漂移区4为两条相对于P型延伸区5对称且宽度相等(Wn)的N-型掺杂柱12，而P型延伸区5为宽度Wp的P型掺杂柱。

以耐压为1600V的常规结构MCT和本发明提供的MCT(可称为ECP-MCT)为例进行仿真比较，直观地展示本发明结构的相比于常规结构器件性能的改进。由于P型扩展区的加入，ECP-MCT的开启时间与常规MCT相同，关断时间较常规MCT下降了近50％，如图4，图5所示。在阳极电压V_A＝800V，阳极电流密度J_A＝400A/cm²的情况下，ECP-MCT的关断时间比MCT的关断时间(5us)快2us。图6给出了导通压降Von和关断损耗Eoff与阳极电流密度J_A的关系图，可以看出采用本结构，Von、Eoff均有显著下降，Eoff的降幅可达40％。阳极电流密度J_A＝400A/cm²下，常规MCT的导通压降Von为1.34V，关断损耗Eoff为11mJ；而SJ-MCT的导通压降Von为1.12V，关断损耗Eoff为6.7mJ，关断损耗减小39％。在相同的导通压降下，ECP-MCT具有更高的电流密度，如图7所示。

以图1所示的器件结构为例，其制造方法包括以下步骤：

第一步：在N型衬底上利用挖槽填充P型或多次外延注入等工艺形成满足要求的P型延伸区5。

第二步：注入P并推结形成P型体区3。

第四步：热氧生长栅氧8，淀积栅极金属/多晶硅，形成栅极9。

第五步：注入N并推结形成N型体区2。

第六步：注入P⁺并推结形成源区1。

第七步：分别淀积SiO₂等绝缘介质层、刻蚀欧姆孔。

第八步：淀积金属层，形成阴极10及互联，淀积钝化层。

第九步：衬底背面减薄、抛光，注入P⁺并进行离子激活，形成阳极区7。

第十步：背金，形成阳极11。

应当说明，本发明的核心发明点在于提出了一种可快速关断的ECP-MCT结构。说明书中所举仿真结果只为更具体明了的阐述本发明所具有的优势，并不代表已经达到了最优值，本领域技术人员可通过对本发明结构各参数的优化来获得更好的结果。本发明中结构的制备工艺具有很多种变化，本发明中提供的制备方法仅为实现该结构的一种途径。本发明不可能也没有必要将一一逐级，但本领域技术人员应当理解在本发明的基础上所作出的各种结构或工艺上的变化，均在本发明申请保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种MOS场控晶闸管，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；其特征在于，所述漂移区结构包括N-型漂移区(4)和P型延伸区(5)；所述P型延伸区(5)由阴极结构中的P型体区(3)向下延伸入N-型漂移区(4)形成，但P型延伸区(5)不与阳极结构中的P+区(7)接触。

2.根据权利要求1所述的MOS场控晶闸管，其特征在于，所述MOS场控晶闸管的开启沟道与关断沟道的比值为1∶N，其中N为自然数。

3.根据权利要求1所述的MOS场控晶闸管，其特征在于，所述P型延伸区(5)下方的N-型漂移区(4)中还具有与阳极结构中的P+阳极区7相接触的N+缓冲层，使得漂移区结构形成PT型或FS型漂移区结构。

4.根据权利要求1所述的MOS场控晶闸管，其特征在于，所述栅极结构为平面型结构或沟槽型结构。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的MOS场控晶闸管，其特征在于，所述P型延伸区(5)与两侧的N-型漂移区(4)形成超结结构。

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