晶閘管門陰極結(jié)及具有該結(jié)構(gòu)的門極換流晶閘管制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種晶閘管門陰極結(jié)及具有該結(jié)構(gòu)的門極換流晶閘管制備方法，該制備方法包括以下步驟：準備N-型襯底，對N-型襯底正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)。對N-型襯底正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)。進行N+預(yù)沉積處理形成N+層，進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層。對N+層進行N+推進處理，形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)。進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極和門極金屬電極。本發(fā)明專利技術(shù)晶閘管門陰極結(jié)及具有該結(jié)構(gòu)的門極換流晶閘管制備方法能夠減少晶閘管N+發(fā)射區(qū)注入的電子在P+短基區(qū)和P基區(qū)的復(fù)合，增強了晶閘管的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，并可以進一步提高其導(dǎo)通電流和開通速度。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種半導(dǎo)體器件制備方法，尤其是涉及一種應(yīng)用于電力半導(dǎo)體領(lǐng)域的晶閘管門陰極結(jié)結(jié)構(gòu)及具有該結(jié)構(gòu)的門極換流晶閘管制備方法。
技術(shù)介紹
硅作為一種半導(dǎo)體材料，以硅為代表的半導(dǎo)體器件都是在原始單晶的基礎(chǔ)上進行一定的加工工藝，通過向其中摻入少量雜質(zhì)使其導(dǎo)電性發(fā)生顯著改變，從而形成特定結(jié)構(gòu)和摻雜分布，從而實現(xiàn)器件功能。其中摻雜劑分成兩類:一類為N型摻雜劑，如磷和砷原子。另一類為P型摻雜劑，如硼、鋁和鎵原子。摻入磷、砷、銻可以使硅成為電子導(dǎo)電型(N型)硅，摻入硼、鋁或鎵可以使硅成為空穴型(P型)硅，正是有了 P型和N型的區(qū)別，才使得硅能制作出很多種類的半導(dǎo)體器件。大功率半導(dǎo)體的摻雜劑常用磷、硼、鋁和鎵。通常在“N”或“P”后增加一定的符號表明摻雜的輕重程度。如“N-”表示非常低的N型摻雜(13次方量級)，這通常表示襯底；“N' ”是介于重摻雜和襯底摻雜的輕摻雜之間的濃度水平，表示14 16次方個量級的輕摻雜；“奸”表示重摻雜(通常在18次方以上)。P型雜質(zhì)的輕重摻雜也可同樣表不。GCT (Gate Commutated Thyristors):門極換流晶閘管器件作為一種廣泛應(yīng)用的典型晶閘管器件，其主要結(jié)構(gòu)·包含P、N、P、N四層。根據(jù)摻雜的輕重程度，又可細分為P+、N'、N-、P、P+、N+六層，分別對應(yīng)于P+陽極區(qū)1、N'緩沖層2、N-襯底3、P基區(qū)4、P+短基區(qū)5和N+發(fā)射區(qū)6。器件內(nèi)部存在3個PN結(jié)，從陽極往陰極分別為Jl結(jié)10、J2結(jié)11和J3結(jié)，其中，J3結(jié)為門陰極結(jié)12，原有GCT的單個元胞結(jié)構(gòu)如附圖1所示。從附圖1中可以看出，Jl結(jié)10和J2結(jié)11是水平的，結(jié)邊界在同一深度，J3結(jié)是門極挖槽后再擴散N+得到的，所以其邊界底部是水平的，形狀近似為一層臺階。如附圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)的GCT，當(dāng)陽極施加高壓且沒有門極開通觸發(fā)電流的情況下，GCT處于阻斷狀態(tài)，J2結(jié)11兩側(cè)的P型和N型區(qū)各電離一定厚度，形成(載流子)耗盡區(qū)，GCT整體對外呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。當(dāng)給門極施加正向電流，P基區(qū)的電子勢壘將會下降，這時電子從N+發(fā)射區(qū)注入，空穴從P+陽極注入，使器件內(nèi)部的載流子濃度升高，進而能導(dǎo)通一定的電流。電流密度可由以下關(guān)系描述:J — INftn 其中為載流子濃度為單位電荷的電荷量，r為載流子的移動速度。具體的，如果是電子濃度，則/為電子電流密度；如果表示空穴濃度，那么/就是空穴電流密度。當(dāng)電子和空穴分別從器件的N+發(fā)射區(qū)和P+陽極區(qū)注入后，器件內(nèi)部的載流子濃度升高，器件的導(dǎo)電能力隨之增強，這種由于載流子濃度升高而使導(dǎo)電能力顯著提高的現(xiàn)象稱為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)后器件內(nèi)部就形成了從陽極到陰極的低阻導(dǎo)電通路，于是器件就能通過非常大的電流。如附圖3和附圖4所示，分別是原有GCT導(dǎo)通時的電子濃度分布和空穴濃度分布，圖中也標明了電子和空穴的電流方向> 和/P。因此，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)使器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)增強就可以提高器件的導(dǎo)通電流。在現(xiàn)有技術(shù)中，如附圖5至8所示，一篇由日本三菱電氣株式會社于1976年07月09日申請，并于1978年01月23日公開，公開號為JP53007179A的特許公開《晶閘管》通過增加PNPN結(jié)門極附近的注入效率，來增加初始導(dǎo)通面積，從而提高電流上升率di/dt，縮短開通時間，提高門極靈敏度和減少閂鎖電流。該專利的應(yīng)用領(lǐng)域為PNPN晶閘管，其中提到的增加門極附近的注入效率的方法有兩種。如附圖5中所示是第一種方法，通過在陰極N摻雜區(qū)靠近門極的位置，增加N型雜質(zhì)的擴散深度來增加Jl結(jié)(該專利中稱為J3結(jié))的結(jié)深，N型區(qū)雜質(zhì)總量也將增加。如附圖6中所示是第二種方法，該方法通過增加N型區(qū)的表面濃度，從而增加N型區(qū)的雜質(zhì)總量。這兩種方法的共同特點是增加N型區(qū)的雜質(zhì)總量(一種通過增加擴散深度來實現(xiàn)，一種通過增加表面濃度來實現(xiàn))，改變的位置都在門極附近，P型摻雜都沒有改變。增加N型雜質(zhì)總量可以提高電子的注入量，于是就可以實現(xiàn)其提到的目的，即:通過增加PNPN結(jié)門極附近的注入效率，來增加初始導(dǎo)通面積，從而提高電流上升率di/dt，縮短開通時間，提高門極靈敏度和減少閂鎖電流。由附圖3所示可以看出，現(xiàn)有技術(shù)中的門陰極結(jié)結(jié)構(gòu)以及具有該結(jié)構(gòu)的晶閘管雖然從N+發(fā)射區(qū)6有大量的電子注入，但由于P+短基區(qū)5的摻雜濃度很高，提供了大量的空穴，電子在此處與空穴復(fù)合從而降低了 P基區(qū)和N基區(qū)的電子注入量，這就成了限制電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的因素。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種，該方法減少了晶閘管N+發(fā)射區(qū)注入的電子在P+短基區(qū)和P基區(qū)的復(fù)合，增強了晶閘管的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，進而提高了晶閘管的導(dǎo)通電流和開通速度。為了實現(xiàn)上述專利技術(shù)目的，本專利技術(shù)具體提供了一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法的技術(shù)實現(xiàn)方案，一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，所述方法包括以下步驟: 5101:準備N-型襯底； 5102:對所述N-型襯底的正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)； 5103:對所述N-型襯底的正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)，并在所述P基區(qū)與N-襯底之間形成J2結(jié)； 5105:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行N+預(yù)沉積處理形成N+層； 5106:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層； 5107:對所述N+層進行N+推進形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)； S109:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極和門極金屬電極； 形成N+發(fā)射區(qū)、P+短基區(qū)、P基區(qū)、N-襯底依次排布，所述N+發(fā)射區(qū)的外表面設(shè)置有陰極金屬電極，所述P+短基區(qū)的外表面設(shè)置有門極金屬電極的結(jié)構(gòu)。 本專利技術(shù)還具體提供了晶閘管門陰極結(jié)制備方法的另一種技術(shù)實現(xiàn)方案，一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，所述方法包括以下步驟: S301:準備N-型襯底；5302:對所述N-型襯底的正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)，并在所述P基區(qū)與N-襯底之間形成J2結(jié)； 5303:對所述N-型襯底的正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)； 5305:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行N+預(yù)沉積處理形成N+層； 5306:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層； 5307:對所述N+層進行N+推進形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)； S309:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極和門極金屬電極； 形成N+發(fā)射區(qū)、P+短基區(qū)、P基區(qū)、N-襯底依次排布，所述N+發(fā)射區(qū)的外表面設(shè)置有陰極金屬電極，所述P+短基區(qū)的外表面設(shè)置有門極金屬電極的結(jié)構(gòu)。作為本專利技術(shù)一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法技術(shù)方案的進一步改進，采用鋁作為摻雜雜質(zhì)對所述P基區(qū)進行P擴散處理。作為本專利技術(shù)一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法技術(shù)方案的進一步改進，采用硼作為摻雜雜質(zhì)對所述P+短基區(qū)進行選擇性P+擴散處理。作為本專利技術(shù)一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法技術(shù)方案的進一步改進，采用磷作為摻雜雜質(zhì)對所述N+發(fā)射區(qū)進行N+預(yù)沉積和N+推進處理。本專利技術(shù)還具體提供了晶閘管門陰極結(jié)制備方法的第三種技術(shù)實現(xiàn)方案，一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，所述方法包括以下步驟: 5201:準備N-型襯底； 5本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：S101：準備N?型襯底；S102：對所述N?型襯底的正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)（5）；S103：對所述N?型襯底的正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)（4）；S105：對經(jīng)過上述處理的所述N?型襯底正面進行N+預(yù)沉積處理形成N+層；S106：對經(jīng)過上述處理的所述N?型襯底正面進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層；S107：對所述N+層進行N+推進形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)（12）；S109：對經(jīng)過上述處理的所述N?型襯底正面進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極（9）和門極金屬電極（8）；形成N+發(fā)射區(qū)（6）、P+短基區(qū)（5）、P基區(qū)（4）、N?襯底（3）依次排布，所述N+發(fā)射區(qū)（6）的外表面設(shè)置有陰極金屬電極（9），所述P+短基區(qū)（5）的外表面設(shè)置有門極金屬電極（8）的結(jié)構(gòu)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 5101:準備N-型襯底； 5102:對所述N-型襯底的正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)(5)； 5103:對所述N-型襯底的正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)(4)； 5105:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行N+預(yù)沉積處理形成N+層； 5106:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層； 5107:對所述N+層進行N+推進形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)(12); S109:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極(9 )和門極金屬電極(8 ); 形成N+發(fā)射區(qū)(6)、P+短基區(qū)(5)、P基區(qū)(4)、N-襯底(3)依次排布，所述N+發(fā)射區(qū)(6)的外表面設(shè)置有陰極金屬電極(9)，所述P+短基區(qū)(5)的外表面設(shè)置有門極金屬電極(8)的結(jié)構(gòu)。2.一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 5301:準備N-型襯底；` 5302:對所述N-型襯底的正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)(4)； 5303:對所述N-型襯底的正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)(5)； 5305:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行N+預(yù)沉積處理形成N+層； 5306:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層； 5307:對所述N+層進行N+推進形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)(12)； S309:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極(9 )和門極金屬電極(8 ); 形成N+發(fā)射區(qū)(6)、P+短基區(qū)(5)、P基區(qū)(4)、N-襯底(3)依次排布，所述N+發(fā)射區(qū)(6)的外表面設(shè)置有陰極金屬電極(9)，所述P+短基區(qū)(5)的外表面設(shè)置有門極金屬電極(8)的結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用鋁作為摻雜雜質(zhì)對所述P基區(qū)(4)進行P擴散處理。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用硼作為摻雜雜質(zhì)對所述P+短基區(qū)(5)進行選擇性P+擴散處理。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用磷作為摻雜雜質(zhì)對所述N+發(fā)射區(qū)(6)進行N+預(yù)沉積和N+推進處理。6.一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 5201:準備N-型襯底； 5202:對所述N-型襯底的正面進行P^擴散處理； 5203:對所述N-型襯底的正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)(5)； 5204:對所述N-型襯底的正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)(4); 5206:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行N+預(yù)沉積處理形成N+層；5207:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層； S208:對所述N+層進行N+推進形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)(12)； S210:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極(9 )和門極金屬電極(8 ); 形成N+發(fā)射區(qū)(6)、P+短基區(qū)(5)、P基區(qū)(4)、N-襯底(3)依次排布，所述N+發(fā)射區(qū)(6)的外表面設(shè)置有陰極金屬電極(9)，所述P+短基區(qū)(5)的外表面設(shè)置有門極金屬電極(8)的結(jié)構(gòu)。7.—種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 5401:準備N-型襯底； 5402:對所述N-型襯底的正面進行P'擴散處理； 5403:對所述N-型襯底的正面進行P擴散處理，形成P基區(qū)(4)； 5404:對所述N-型襯底的正面進行選擇性P+擴散處理，形成P+短基區(qū)(5)； 5406:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行N+預(yù)沉積處理形成N+層； 5407:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行門極刻蝕處理，刻蝕掉門極位置上方的N+層； 5408:對所述N+層進行N+推進形成二層臺階結(jié)構(gòu)的門陰極結(jié)(12)； S410:對經(jīng)過上述處理的所述N-型襯底正面進行金屬沉積和刻蝕處理，分別形成陰極金屬電極(9 )和門極金屬電極(8 ); 形成N+發(fā)射區(qū)(6)、P+短基區(qū)(5)、P基區(qū)(4)、N-襯底(3)依次排布，所述N+發(fā)射區(qū)(6)的外表面設(shè)置有陰極金屬電極(9)，所述P+短基區(qū)(5)的外表面設(shè)置有門極金屬電極(8)的結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用硼作為摻雜雜質(zhì)對所述N-型襯底的正面進行P'擴散處理。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用硼或鋁作為摻雜雜質(zhì)對所述P+短基區(qū)(5)進行選擇性P+擴散處理。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用鋁作為摻雜雜質(zhì)對所述P基區(qū)(4)進行P擴散處理。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用磷作為摻雜雜質(zhì)對所述N+發(fā)射區(qū)(6)進行N+預(yù)沉積和N+推進處理。12.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4-7、9-11中任一權(quán)利要求所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:通過掩膜阻擋方式實現(xiàn)選擇性P+擴散處理，在所述N-型襯底的正面兩側(cè)形成所述P+短基區(qū)(5)，所述P+短基區(qū)(5)之間的間距通過所述掩膜的寬度進行設(shè)定。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:所述門陰極結(jié)(12)第二層臺階(13)的寬度通過所述選擇性P+擴散的邊界來確定。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:將所述P+短基區(qū)(5)之間的間距設(shè)置為L，并滿足:0 < L彡300Mm。15.根據(jù)權(quán)利要求6、7、9-11、13、14所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:通過對所述N-型襯底的正面進行P'擴散調(diào)節(jié)所述門陰極結(jié)(12)第二層臺階(13)的深度。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:對所述N-型襯底的正面進行K擴散處理的濃度低于對所述P+短基區(qū)(5)進行選擇性P+擴散處理的濃度。17.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4-7、9-11、13、14中任一權(quán)利要求所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:采用I X IO16CnT3至5 X IO19CnT3的摻雜濃度對所述門陰極結(jié)(12)的邊界進行P型雜質(zhì)的摻雜處理。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其特征在于:將所述門陰極結(jié)(12)第二層臺階(13)的深度設(shè)置為Lc，并滿足:IOMm彡Lc ( 50Mm。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的一種晶閘管門陰極結(jié)制備方法，其...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐龍谷，馮江華，吳煜東，陳勇民，陳芳林，
申請(專利權(quán))人：株洲南車時代電氣股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：