CN102891173B - 适用于gct器件的阶梯型平面终端结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，在芯片的中央区域为有源区，外围区域为终端区，有源区和终端区共同的n^-衬底下方依次为n型FS层、p⁺阳极区及其阳极电极；在有源区中，n^-基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与n^-基区相邻的是波状p^-基区，p^-基区上面为p⁺基区，p⁺基区中间位置设置有一个n⁺发射区，每个n⁺发射区上方设置有阴极电极；p⁺基区上方设置有一个门极电极；在终端区的n^-衬底内，设有与有源区内主结的p基区弯曲处相连的两级阶梯型的p型延伸区。本发明还公开了上述的阶梯型平面终端结构的制备方法。本发明的结构有效实现了击穿电压和终端面积的最佳折衷。

Description

适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构及其制备方法

技术领域

本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，本发明还涉及该种阶梯型平面终端结构的制备方法。

背景技术

为了提高电力半导体器件的终端击穿电压，需采用各种结构的终端技术对其表面终止的pn结进行处理。终端技术的选择会直接影响电力半导体器件的耐压及其稳定性和可靠性。

GCT是一种新型的大功率器件，与门极可关断晶闸管（GTO）相同，采用多单元并联结构，最外环的单元都存在表面终止的pn结，并且p基区的较深，属于深结器件。为了提高GCT终端击穿电压，通常采用类似于普通晶闸管的台面终端结构或横向变掺杂（VLD）结构。台面终端结构采用机械磨角及腐蚀工艺形成，制作简单也比较成熟，但它能实现的终端击穿电压只有其体内击穿电压的80%，并且其高温漏电流及终端所占的芯片面积很大，也只适用于圆形的芯片，不适合方形芯片。横向变掺杂结构是采用渐变的扩散窗口进行铝扩散形成，能使器件的终端击穿电压达到其体内击穿电压的90%，但终端所占的芯片面积也很大，并且形成渐变的掺杂所需的光刻窗口较难控制。

可见，现有的终端技术都不能有效地提高器件的终端击穿电压和芯片的利用率，从而限制了高压大功率器件的开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，解决了现有的高压深结器件结终端电压低、高温稳定性差及终端占用芯片面积大的问题。

本发明的另一目的是提供上述的阶梯型平面终端结构的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，在芯片的中央区域为有源区，外围区域为终端区，有源区和终端区共同的n^-衬底下方为n型FS层，n型FS层下方为p⁺阳极区及其阳极电极；

在有源区中，n^-基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与n^-基区相邻的是波状p^-基区，p^-基区上面为p⁺基区，p⁺基区中间位置设置有一个n⁺发射区，每个n⁺发射区上方设置有阴极电极；p⁺基区上方设置有一个门极电极，并且整个门极电极环绕在所包围的阴极区的周围；

在终端区的n^-衬底内，设有与有源区内主结的p基区弯曲处相连的两级阶梯型的p型延伸区，并且两级p型延伸区宽度依次增加，掺杂浓度依次降低，结深依次变浅。

本发明所采用的另一技术方案是，一种上述的阶梯型平面终端结构的制备方法，

第一种方式：按照以下步骤实施：

步骤1、在有源区的p⁺基区和终端区的n^-基区上进行选择性的磷两步扩散，于是在有源区内形成n⁺阴极区，在终端区内形成n⁺掩蔽区；

步骤2、采用相应的光刻版选择性地刻蚀硅表面上n⁺区以外的区域；

步骤3、在整个硅表面进行铝涂源扩散，形成两级延伸区；

步骤4、刻蚀掉终端区内的n⁺掩蔽区；

步骤5、在终端区内的两级p延伸区表面淀积一层磷硅玻璃或氮化硅作为终端钝化层，即成。

第二种方式：按照以下步骤实施：

步骤1、先在硅片上涂铝源，并稍加推进；

步骤2、采用相应的光刻版选择性地刻蚀掉部分铝源；

步骤3、高温推进，形成阶梯型的p型延伸区；

步骤4、淀积钝化层，并填平刻蚀窗口，作为终端保护层，即成。

本发明的有益效果是，此阶梯型平面终端结构可获得95%的体击穿电压，终端面积小于传统台面结构的50%，并且允许的工艺容差范围较宽，高温稳定性高。此外，该平面终端结构还可以推广到逆导型GCT及FRD等其他深结的高压器件中，既可用于圆形芯片，也可用于方形芯片。

附图说明

图1是本发明适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构的截面示意图；

图2是本发明的阶梯型平面终端结构击穿时的纵向电场分布模拟图；

图3是终端击穿电压随第一级延伸区扩散窗口宽度w₁的变化关系；

图4是终端击穿电压随第二级延伸区扩散窗口宽度w₂的变化关系；

图5是终端击穿电压随主结与第一级延伸区之间掩模宽度s₁、以及第一级延伸区与第二级延伸区之间掩模宽度s₂的变化关系；

图6是终端击穿电压随第一级延伸区深度d₁及第二级延伸区深度d₂的变化关系；

图7是终端击穿电压随第一级延伸区的表面掺杂浓度N_S1及第二级延伸区表面掺杂浓度N_S2的变化关系；

图8是采用本发明的阶梯型平面终端结构的GCT器件击穿特性模拟曲线；

图9是采用本发明的阶梯型平面终端结构的GCT器件击穿时耗尽层展宽模拟图；

图10是本发明的阶梯型平面终端结构一种制备方法实施例示意图；

图11是本发明的阶梯型平面终端结构另一种制备方法实施例示意图；

图12是采用本发明的阶梯型平面终端结构的RC-GCT器件的示意图。

具体实施方式

参照图1，是本发明的适用于门极换流晶闸管（GCT）器件的阶梯型平面终端结构，即适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，具体结构是：

在芯片的中央区域为有源区，外围区域为终端区，有源区和终端区共同的n^-衬底下方为n型FS层，n型FS层下方为p⁺阳极区及其阳极电极（即底部位置）；

在有源区中，n^-基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与n^-基区相邻的是波状p^-基区，p^-基区上面为p⁺基区，p⁺基区中间位置设置有一个n⁺发射区，每个n⁺发射区上方设置有阴极电极；p⁺基区上方设置有一个门极电极，并且整个门极电极环绕在所包围的阴极区的周围；

在终端区的n^-衬底内，设有与有源区内主结的p基区弯曲处相连的两级阶梯型的p型延伸区，并且两级p型延伸区宽度依次增加，掺杂浓度依次降低，结深依次变浅。

本发明的适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，其耐压机理是：

通过在主结末端设置掺杂浓度逐个降低、结深逐个变浅的两级延伸区，增加了主结末端处耗尽层的曲率半径，缓解表面电场集中。于是，在主结发生击穿时，延伸区可承担几乎相同的电压。图2是本发明的阶梯型平面终端结构击穿时的纵向电场分布模拟图，由图2可见，在主结与第一延伸区的相接处（x=103μm）、第一延伸区与第二延伸区的相接处（x=305μm）以及第二延伸区末端处（x=949μm）的峰值电场非常接近，其中第一延伸区与第二延伸区的相接处的电场稍高，击穿将会在此发生。可见，通过选择合理的结构参数，能够将表面的最高电场转移到体内，使击穿稳定地发生在体内。

为了优选本发明最佳的阶梯型平面终端的结构参数，以5kV的GCT器件为例，分析了各项结构参数对器件击穿电压的影响。

图3-图7是本发明的阶梯型平面终端结构的终端击穿电压随各关键参数的变化曲线。由图3可见，当w₂=600μm，w₁从150μm到275μm之间变化，终端击穿电压先增大后减小；由图4可见，当w₁=200μm，w₂从500μm到800μm之间变化，终端击穿电压逐渐增大，但增加趋势随w₂的增加变缓；由图5可见，终端击穿电压随s₁和s₂的变化都是先增加而后就减小，并且当s₁为20μm、s₂为40μm时，击穿电压可达到5149V；由图6可见，当d₁分别为42μm、44μm及46μm时，终端击穿电压随d₂的增加先增加而后下降，并且当d₂=27μm时终端击穿电压会突降；由图7可见，当其他参数保持不变，N_S1为5×10¹⁵cm^-3时，N_S2为8×10¹⁴cm^-3时，击穿电压达到最大，为5300V，并且N_S1对终端击穿电压影响很小，如图7中的三条N_S1在不同取值时的曲线的走向几乎一致。

依据上述的分析，本发明所述的终端区为两级延伸区，该优选参数包括，第一级延伸区的深度d1为42～46μm，第二级延伸区的深度d2为23～27μm；第一级延伸区的浓度Ns1为5×10¹⁵cm^-3～3×10¹⁶cm^-3，第二级延伸区的浓度Ns2为6.5×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3；第一级延伸区的扩散窗口宽度W1为200～250μm，第二级延伸区的扩散窗口宽度W2为600～800μm；主结与第一级延伸区的掩模宽度s1为0～60μm，第一级与第二级延伸区的掩模宽度s2为0～40μm。

本发明的适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，其器件特性评价是：

图8是采用上述阶梯型平面终端结构的GCT器件击穿特性的模拟曲线。由图8可见，GCT体内击穿电压约为5430V，采用阶梯型平面终端结构至少可获得约5149V的终端击穿电压，约为其体内击穿电压的95%。图8中还给出了高温下该终端结构的击穿特性曲线，可见，高温下该终端结构的漏电流密度较低；

图9是采用本发明的阶梯型平面终端结构的GCT器件击穿时的耗尽层展宽模拟图。由图9可见，在5149V电压下终端所占的尺寸约为1.2mm。而采用传统的台面终端或横向变掺杂结构，要获得90%的体击穿电压，终端尺寸通常需要3mm左右。这说明，采用阶梯型平面终端结构不仅能提高GCT器件的终端击穿电压及其高温稳定性，而且能显著提高芯片面积的利用率。

图10是本发明的阶梯型平面终端结构一种制备方法实施例的示意图，其两级延伸区与GCT有源区中的波状p-基区能够同时实现，都是在磷（P）扩散区的掩蔽下由多个相同的小铝（Al）源区扩散所形成的弧形剖面交叠而成，只是第一级延伸区表面的Al源区比第二级延伸区表面的Al源区稍大，该种结构的制备方法包括以下步骤：

步骤1、在有源区的p⁺基区和终端区的n^-基区上进行选择性的磷两步扩散，于是在有源区内形成n⁺阴极区，在终端区内形成n⁺掩蔽区；

步骤2、采用图10上方所示相应的光刻版选择性地刻蚀硅表面上n⁺区以外的区域；

步骤3、在整个硅表面进行铝涂源扩散，形成两级延伸区；

步骤4、刻蚀掉终端区内的n⁺掩蔽区；

步骤5、在终端区内的两级p延伸区表面淀积一层磷硅玻璃或氮化硅作为终端钝化层，即成。

图11是本发明的用于GCT的阶梯型平面终端结构的另一种制备方法实施例的示意图，其两级延伸区均是由多个相同的小铝（Al）源区扩散所形成的弧形剖面交叠而成，只是第一级延伸区表面的Al源区比第二级延伸区表面的Al源区稍大，该种结构的制备方法包括以下步骤：

步骤1、先在硅片上涂铝源，并稍加推进；

步骤2、采用图11上方所示相应的光刻版选择性地刻蚀掉部分铝源；

步骤3、高温推进，形成阶梯型的p型延伸区；

步骤4、淀积钝化层，并填平刻蚀窗口，作为终端保护层，即成。

本发明的阶梯型平面终端结构同样适用于RC-GCT器件，无论其中的非对称GCT（A-GCT）与集成二极管（Diode）在芯片中心还是外侧，均可采用此终端结构。参照图12，是采用本发明的阶梯型平面终端结构的RC-GCT器件的示意图，其中在二极管的外侧设置了两级p型延伸区。

Claims (3)

1.一种适用于GCT器件的阶梯型平面终端结构，其特征在于：

在芯片的中央区域为有源区，外围区域为终端区，有源区和终端区共同的n^-衬底下方为n型FS层，n型FS层下方为p⁺阳极区及其阳极电极；

在有源区中，n^-基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与n^-基区相邻的是波状p^-基区，p^-基区上面为p⁺基区，p⁺基区中间位置设置有一个n⁺发射区，每个n⁺发射区上方设置有阴极电极；p⁺基区上方设置有一个门极电极，并且整个门极电极环绕在所包围的阴极区的周围；

在终端区的n^-衬底内，设有与有源区内主结的p基区弯曲处相连的两级阶梯型的p型延伸区，并且两级p型延伸区宽度依次增加，掺杂浓度依次降低，结深依次变浅；

所述的终端区为两级延伸区，第一级延伸区的深度d1为42～46μm，第二级延伸区的深度d2为23～27μm；第一级延伸区的浓度Ns1为5×10¹⁵cm^-3～3×10¹⁶cm^-3，第二级延伸区的浓度Ns2为6.5×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3；第一级延伸区的扩散窗口宽度W1为200～250μm，第二级延伸区的扩散窗口宽度W2为600～800μm；主结与第一级延伸区的掩模宽度s1为0～60μm，第一级与第二级延伸区的掩模宽度s2为0～40μm。

2.一种权利要求1所述的阶梯型平面终端结构的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、在有源区的p⁺基区和终端区的n^-基区上进行选择性的磷两步扩散，于是在有源区内形成n⁺阴极区，在终端区内形成n⁺掩蔽区；

步骤2、采用相应的光刻版选择性地刻蚀硅表面上n⁺区以外的区域；

步骤3、在整个硅表面进行铝涂源扩散，形成两级延伸区；

步骤4、刻蚀掉终端区内的n⁺掩蔽区；

步骤5、在终端区内的两级p延伸区表面淀积一层磷硅玻璃或氮化硅作为终端钝化层，即成。

3.一种权利要求1所述的阶梯型平面终端结构的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、先在硅片上涂铝源，并稍加推进；

步骤2、采用相应的光刻版选择性地刻蚀掉部分铝源；

步骤3、高温推进，形成阶梯型的p型延伸区；

步骤4、淀积钝化层，并填平刻蚀窗口，作为终端保护层，即成。