(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110379853 A(43)申请公布日 2019.10.25
(21)申请号 201910629038.8(22)申请日 2019.07.12
(71)申请人 电子科技大学
地址 611731 四川省成都市高新西区西源
大道2006号(72)发明人 张波 周琪钧 陈万军 刘超
肖紫嫣 谯彬 (74)专利代理机构 成都点睛专利代理事务所
(普通合伙) 51232
代理人 孙一峰(51)Int.Cl.
H01L 29/74(2006.01)H01L 29/06(2006.01)H01L 21/332(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图14页
(54)发明名称
一种MOS控制晶闸管(57)摘要
本发明属于半导体技术领域，涉及一种MOS控制晶闸管。本发明引入P型半导体区2后产生的结构既保留了由P型基区3、N型源区1和P型源区
同时引入了贯穿P型基区3和P10形成的MOS结构，
型源区10的阴极短路结构；P型半导体区2的引入使得器件具备了常关特性而不会影响其电流能力。本发明的有益效果为，提出了应用于高压高功率领域驱动简单，导通电流快速均匀分布的常关型MOS控制晶闸管及其制造方法。
CN 110379853 ACN 110379853 A
权 利 要 求 书
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1.一种MOS控制晶闸管，包括自底向上依次层叠设置的阳极(6)、P型阳极区(5)、N型漂移区(4)；在N型漂移区(4)上层具有P型基区(3)，P型基区(3)上层具有N型源区(1)；在器件上表面一端具有栅氧化层(9)，栅氧化层(9)的下表面与N型漂移区(4)、P型基区(3)和N型源区(1)接触，栅氧化层(9)上表面具有栅电极(8)；在与器件上表面另一端具有阴极(7)，阴极(7)下表面与N型源区(1)接触；在栅电极(8)与阴极(7)之间的N型源区(1)上层还具有P型源区(10)，且P型源区(10)的上表面分别与栅氧化层(9)和阴极(7)接触；其特征在于，沿器件纵向方向，在P型源区(10)位于栅氧化层(9)下表面的部分中，具有多个呈间断分布的贯穿P型源区(10)并与P型基区(3)接触的P型半导体区(2)，所述器件纵向方向为同时垂直于器件水平方向和垂直方向的第三维方向。
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说 明 书一种MOS控制晶闸管
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技术领域
[0001]本发明属于半导体技术领域，涉及一种MOS控制晶闸管。
背景技术
[0002]功率半导体器件作为开关器件，可以应用于电力电子和功率脉冲领域。在脉冲功率领域要求开关器件具备极高的峰值电流能力和电流上升率(di/dt)。MOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor，简称MCT)由功率MOSFET和晶闸管组合成的复合器件，使之具有功率MOSFET的电压控制驱动、输入阻抗高、开关速度快等优点，同时又具有晶闸管无电流饱和特性和功率密度高等优点，非常适合适合应用在功率脉冲领域。[0003]但是传统的MCT是一种常开型器件，需要在栅极提供一个负电压以维持其关断状态。这不仅增加了系统的复杂性，也降低了系统的可靠性。后来一种具备阴极短路结构的MOS触发负阻二极管被提出，使器件具备常关特性，但是阴极短路区远离栅控区域，使得器件导通时电流不能快速均匀分布。
发明内容
[0004]本发明提出了一种应用于脉冲功率领域，具有驱动简单，导通电流快速均匀分布的常关型沟道MOS控制晶闸管。[0005]本发明的技术方案，一种MOS控制晶闸管，包括自底向上依次层叠设置的阳极6、P型阳极区5、N型漂移区4；在N型漂移区4上层具有P型基区3，P型基区3上层具有N型源区1；在器件上表面一端具有栅氧化层9，栅氧化层9的下表面与N型漂移区4、P型基区3和N型源区1接触，栅氧化层9上表面具有栅电极8；在与器件上表面另一端具有阴极7，阴极7下表面与N型源区1接触；在栅电极8与阴极7之间的N型源区1上层还具有P型源区10，且P型源区10的上表面分别与栅氧化层9和阴极7接触；其特征在于，沿器件纵向方向，在P型源区10位于栅氧化层9下表面的部分中，具有多个呈间断分布的贯穿P型源区10并与P型基区3接触的P型半导体区2，所述器件纵向方向为同时垂直于器件水平方向和垂直方向的第三维方向；多个凸出P型源区10下表面的P型半导体区2呈现锯齿形状，因此本发明将其称为锯齿形结构，相应的形成的沟道称为锯齿形沟道以便于描述。[0006]本发明的主要方案，引入P型半导体区2后产生的锯齿形结构既保留了由P型基区3、N型源区1和P型源区10形成的MOS结构，同时引入了贯穿P型基区3和P型源区10的阴极短路结构；P型半导体区2的引入使得器件具备了常关特性而不会影响其电流能力。
[0007]本方案所述的P半导体区2为注入的P型杂质与P型基区3和P型源区10连接后形成，可根据实际需要改变注入剂量、注入位置和P型半导体区数量，具有很大的灵活性。[0008]本发明提供的MOS控制晶闸管，其MOS部分可设置为沟槽型栅或平面型栅。[0009]本发明还提出MOS控制晶闸管的制造方法，包括以下步骤：[0010]第一步：采用衬底硅片制作结终端，形成N型半导体漂移区4；[0011]第二步：离子注入P型杂质，推结扩散形成P型基区3；
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第三步：在衬底表面热生长形成栅氧化层9并淀积多晶形成栅氧多晶8；
[0013]第四步：刻蚀衬底表面栅氧化层和多晶，并采用自对准工艺分别形成N型源区1和P型源区10；在P型源区10上制作连接P型基区3的锯齿结构；[0014]第五步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；[0015]第六步：在N型半导体源区1上表面淀积金属，形成阴极金属7；[0016]第七步：淀积钝化层；[0017]第八步：对N型半导体漂移区4下表面进行减薄、抛光处理，注入P型杂质并进行离子激活，形成阳极区5；[0018]第九步：背金，在阳极区5底部形成阳极6。[0019]具体的，第四步中所述制造与P型源区相互独立的P型半导体区2锯齿结构的方法为：
[0020]在自对准工艺中，形成P型源区10后，使用具有如图14的具有遮蔽区域的掩膜版继续注入P型杂质，所述遮蔽区域遮蔽的N型半导体源区1部分未被P型杂质注入，从而形成连接P型源区10和P型基区3的P型半导体区2的锯齿结构。[0021]本方案中提供的制造具有N型锯齿基区的方法为：
[0022]在自对准工艺中注入N型杂质形成N型半导体源区1时采用的掩膜板具有遮蔽区域，如图15，所述遮蔽区域遮蔽的P型半导体基区3部分未被N型杂质注入，形成N型锯齿基区[0023]本发明的有益效果为，提出了应用于高压高功率领域驱动简单、导通电流快速均匀分布的常关型MOS控制晶闸管及其制造方法。
附图说明
[0024]图1是传统MCT元胞结构示意图；
[0025]图2是一种MOS触发负阻二极管平面型栅元胞结构示意图；[0026]图3是另一种MOS触发负阻二极管平面型栅元胞结构示意图；
[0027]图4是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管平面型栅元胞结构示意图；[0028]图5是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管凹槽型栅元胞结构示意图；[0029]图6是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管俯视图结构示意图；[0030]图7是沿图4剖面线AA’的剖面示意图；[0031]图8是沿图4剖面线BB’的剖面示意图；
[0032]图9是一种MOS触发负阻二极管平面型栅元胞结构二维截面示意图；[0033]图10是另一种MOS触发负阻二极管平面型栅元胞结构二维截面示意图；[0034]图11是一种MOS触发负阻二极管导通时电流流向示意图；[0035]图12是另一种MOS触发负阻二极管导通时电流流向示意图；
[0036]图13是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管导通时电流流向示意图；
[0037]图14是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管平面栅型元胞制作P型锯齿结构2的示意图；
[0038]图15是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管另一种平面栅型元胞制作N型锯齿基区1的示意图；
[0039]图16是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管等效电路示意图；
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图17是本发明锯齿型沟道MOS控制晶闸管与其他MCT正向阻断特性曲线示意图。
具体实施方式
[0041]下面结合附图对本发明进行详细的描述[0042]为便于描述，将本发明提出的新的结构称为锯齿型沟道MOS控制晶闸管，平面栅型元胞结构如图4所示，其MOS部分为PNPN晶闸管部分提供驱动电流，快速触发整个器件开启，这样使器件获得大电流能力。所述PNPN晶闸管部分具有由P型源区10、P型半导体区2锯齿结构和阴极金属7构成的阴极短路结构，使器件具有常关特性。[0043]本发明提供的锯齿型沟道MOS控制晶闸管，其MOS部分可设置为沟槽型栅和平面型栅，沟槽栅型MCT元胞结构如图5所示，平面栅型MCT元胞结构如图4所示；其阳极结构与现有的MCT各种阳极结构类似。
[0044]如图1所示的传统MCT，无阴极短路结构，不具备常关特性，由图2及图3中具备突刺P型半导体区11的MOS触发负阻二极管，将P型基区3与阴极金属7相连，构成阴极短路结构，使器件具有常关特性。本发明如图4由锯齿型P型半导体区2引入了贯穿P型基区3、P型源区10和阴极金属7的阴极短路结构，同样使器件具有常关特性。[0045]本发明提供的锯齿型沟道MOS控制晶闸管，其工作原理如下：[0046]在图4中所示的元胞结构中，当阳极加正电压，阴极和栅极接零电位时，P型基区3和N型漂移区4之间的P-N结反偏，产生的PN结反向漏电流流经P型基区3被如图8中所示P半导体区2锯齿结构和P型源区10抽取，并在P型基区3上产生一个横向压降，此PN结反向漏电流很小，在P型基区3上产生的横向压降远小于P型基区3和N型源区1构成的PN结势垒电压，不足以开启PNPN负阻二极管部分。此时器件表现常关特性，其耐压效果和栅上加负电位时效果相当。
[0047]将如图7中的栅极8加上正电位，栅下P型基区3发生反型，形成N型电子沟道，阴极加零电位，阳极加正电位。此时MOS部分N型源区1中的电子通过栅下电子沟道流入N型漂移区4，为由P型基区3、N型漂移区4和P型阳极5所构成的PNP晶体管提供基极驱动电流。此时PNP晶体管开启，阳极5注入空穴电流，流经如图8中N型漂移区4、P型基区3，被P半导体区2和P型源区10抽取，由于此电流较大，其在P型基区3产生的横向压降很快超过由P型基区3和N型源区1构成的PN结势垒电压，从而触发由N型源区1、P型基区3、N型漂移区4和P型阳极5构成的PNPN晶闸管开启，在几十纳秒内，晶闸管迅速闩锁，使得器件具有大的电流能力和高的电流上升率。其等效电路如图16所示。
[0048]本发明提供的锯齿型沟道MOS控制晶闸管，以图4所示的平面型栅元胞结构为例，其制造步骤如下：[0049]第一步：采用衬底硅片制作结终端，形成N型半导体漂移区4；[0050]第二步：离子注入P型杂质，推结扩散形成P型基区3；[0051]第三步：在衬底表面热生长形成栅氧化层9并淀积多晶形成栅氧多晶8；[0052]第四步：刻蚀衬底表面栅氧化层和多晶，并采用自对准工艺分别形成N型源区1和P型源区10；在P型源区10上制作连接P型基区3的锯齿结构；[0053]第五步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；[0054]第六步：在N型半导体源区1上表面淀积金属，形成阴极金属7；
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第七步：淀积钝化层；
[0056]第八步：对N型半导体漂移区4下表面进行减薄、抛光处理，注入P型杂质并进行离子激活，形成阳极区5；[0057]第九步：背金，在阳极区5底部形成阳极6。
[0058]已有的MOS控制负阻二极管具备的阴极短路突刺结构远离栅极一侧，器件导通时，栅极一侧最先注入空穴电流，而后逐步向阴极短路结构一侧扩展，造成电流均匀分布缓慢，如图11，图12所示。本发明P型半导体区2的锯齿型结构在靠近栅极一侧引入了阴极短路结构，同时保留了MOS结构，器件导通时，空穴电流由高电势向低电势流动，从P型基区3经过被由P型基区3、P型半导体区2和P型源区10构成的阴极短路结构抽取，直到N型基区1和P型构成的PN结被触发，电流由如图13所示的方向扩展，由于栅下最早注入电流，在器件导通后，较前者能快速达到电流的均匀分布。[0059]以耐压2000V的传统MCT、MOS触发负阻二极管和本发明进行仿真比较，表现出本发明相对于广泛使用于脉冲功率领域的电压控制型器件MCT的性能改进。如图14所示，在栅压等于0V时，本发明及CS-MCT具有2000V以上的耐压，而传统MCT则不能保持其阻断状态，其耐压为0V。在栅电压等于-10V时，传统MCT才具有2000V耐压，与本发明相当。本发明具有常关型特性使得其驱动相较于传统的常开型MCT简单。
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