一種功率半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種功率半導(dǎo)體器件。本發(fā)明包括從下至上依次層疊設(shè)置的陽(yáng)極金屬、P型陽(yáng)極區(qū)和N型襯底；所述N型襯底上層具有P型基區(qū)，所述P型基區(qū)上層具有相互獨(dú)立的N型源區(qū)和N型發(fā)射區(qū)；所述N型襯底上表面具有柵氧化層，所述柵氧化層還延伸覆蓋部分P型基區(qū)和N型源區(qū)的上表面；所述柵氧化層的上表面具有柵極金屬；所述N型發(fā)射區(qū)上表面具有第一陰極金屬，所述第一陰極金屬還覆蓋部分P型基區(qū)的上表面；其特征在于，所述N型源區(qū)的上表面還具有第二陰極金屬。本發(fā)明的有益效果為，解決了常規(guī)的功率器件在陰極電感引起的柵氧化層擊穿問(wèn)題，從而提高了器件的可靠性。
【專利說(shuō)明】
一種功率半導(dǎo)體器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種功率半導(dǎo)體器件，更具體的說(shuō)是設(shè)id種減小陰極電感的M0S觸發(fā)負(fù)阻性器件(MOS Triggered Dynistor簡(jiǎn)稱:MTD)。【背景技術(shù)】
[0002]晶閘管是一種容易實(shí)現(xiàn)高電壓、高電流的半導(dǎo)體器件，在功率開(kāi)關(guān)領(lǐng)域占有很大的份額，隨著工藝的進(jìn)步，技術(shù)的發(fā)展，晶閘管的工作電壓、電流等級(jí)達(dá)到幾KV和幾KA，正是由于這種優(yōu)良特性然而由于尺寸較大，無(wú)法直接通過(guò)柵極抽取電流來(lái)關(guān)斷器件，需在陽(yáng)極加上反向電壓，這使得晶閘管應(yīng)用受限。
[0003]常規(guī)的M0S控制雙極型器件，M0S場(chǎng)控晶閘管(MOS Controlled Thyristor，簡(jiǎn)稱: MCT)在脈沖功率領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但該類存在一些缺點(diǎn):比如該器件也給系統(tǒng)安全帶來(lái)了潛在危險(xiǎn)；同時(shí)該器件的三重?cái)U(kuò)散的制作工藝使它的制作變得復(fù)雜，制作成本高、成品率低。
[0004]同時(shí)，功率半導(dǎo)體器件的可靠性一直是衡量器件好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。在功率脈沖系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)器件要經(jīng)歷大的電流脈沖過(guò)程，具有極大的電流上升率(di/dt)。由于寄生電感(封裝打線引入或者應(yīng)用回路引入等)的存在(UL = LXdi/dt)，那么在器件陰極電位會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的變化。即在器件的柵極和陰極之間會(huì)有一個(gè)比較大的電壓差，會(huì)使器件的柵氧化層擊穿，從而器件失效。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述問(wèn)題提出一種具有極高的峰值電流能力和電流上升率的功率半導(dǎo)體器件。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種功率半導(dǎo)體器件，如圖1所示，包括從下至上依次層疊設(shè)置的陽(yáng)極金屬8、P型陽(yáng)極區(qū)7和N型襯底6;所述N型襯底6上層具有P型基區(qū)5,所述P型基區(qū) 5上層具有相互獨(dú)立的N型源區(qū)2和N型發(fā)射區(qū)10;所述N型襯底6上表面具有柵氧化層4,所述柵氧化層4還延伸覆蓋部分P型基區(qū)5和N型源區(qū)2的上表面;所述柵氧化層4的上表面具有柵極金屬3;所述N型發(fā)射區(qū)10上表面具有第一陰極金屬9,所述第一陰極金屬9還覆蓋部分P型基區(qū)5的上表面;其特征在于，所述N型源區(qū)2的上表面還具有第二陰極金屬1。
[0007]本發(fā)明的有益效果為，解決了常規(guī)的功率器件在陰極電感引起的柵氧化層擊穿問(wèn)題，從而提高了器件的可靠性。【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2是本發(fā)明器件的等效電路圖；[〇〇1〇]圖3是傳統(tǒng)的MTD結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇11]圖4是傳統(tǒng)的MTD與本發(fā)明的MTD的阻斷特性曲線示意圖；[0〇12]圖5是傳統(tǒng)的MTD與本發(fā)明的MTD的導(dǎo)通特性曲線示意圖；[〇〇13]圖6是本發(fā)明MTD的正向?qū)〞r(shí)的電流線分布示意圖；
[0014]圖7是本發(fā)明器件測(cè)試電容放電特性曲線的測(cè)試電路圖；
[0015]圖8是傳統(tǒng)的器件測(cè)試電容放電特性曲線的測(cè)試電路圖；
[0016]圖9是傳統(tǒng)的MTD與本發(fā)明MTD的電容放電特性的柵極電壓示意圖；[〇〇17]圖10是傳統(tǒng)的MTD與本發(fā)明MTD的電容放電特性的柵極電流示意圖；[〇〇18]圖11是傳統(tǒng)的MTD與本發(fā)明MTD的電容放電特性的陽(yáng)極電壓示意圖；[〇〇19]圖12本發(fā)明MTD的電容放電特性的陰極電流意圖。【具體實(shí)施方式】[〇〇2〇]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0021]本發(fā)明的一種功率半導(dǎo)體器件，如圖1所示，包括從下至上依次層疊設(shè)置的陽(yáng)極金屬8、P型陽(yáng)極區(qū)7和N型襯底6;所述N型襯底6上層具有P型基區(qū)5,所述P型基區(qū)5上層具有相互獨(dú)立的N型源區(qū)2和N型發(fā)射區(qū)10;所述N型襯底6上表面具有柵氧化層4,所述柵氧化層4還延伸覆蓋部分P型基區(qū)5和N型源區(qū)2的上表面;所述柵氧化層4的上表面具有柵極金屬3;所述N型發(fā)射區(qū)10上表面具有第一陰極金屬9,所述第一陰極金屬9還覆蓋部分P型基區(qū)5的上表面;其特征在于，所述N型源區(qū)2的上表面還具有第二陰極金屬1。[〇〇22]本發(fā)明工作原理:器件的柵極3上加正電壓，陰極金屬1和陰極金屬9接地，則柵極3 下方的P型基區(qū)5表面產(chǎn)生N型溝道。N型發(fā)射極2電子注入到N型漂移區(qū)6中，使得由陽(yáng)極區(qū)7、 N型漂移區(qū)6、P型基區(qū)5組成的PNP晶體管獲得基極電流而被打開(kāi)。該P(yáng)NP晶體管的集電極電流(空穴電流)橫向流過(guò)P型基區(qū)5被陰極金屬9抽走。這股橫向電流在P型基區(qū)5中產(chǎn)生了橫向壓降。當(dāng)陽(yáng)極電壓升高，使電流增大時(shí)，該橫向壓降也相應(yīng)升高。當(dāng)橫向壓降高于由P型基區(qū)5和N型源區(qū)2組成的PN結(jié)的勢(shì)皇電壓時(shí)，該P(yáng)N結(jié)離N型發(fā)射區(qū)10開(kāi)口的遠(yuǎn)端被開(kāi)啟。由于該P(yáng)N結(jié)部分被開(kāi)啟，使得電流急劇增大，該P(yáng)N結(jié)的其他區(qū)域按與N型發(fā)射區(qū)10開(kāi)口的距離遠(yuǎn)近逐漸被開(kāi)啟，直到整個(gè)PN結(jié)被開(kāi)啟。此時(shí)，寄生的NPNP晶閘管結(jié)構(gòu)進(jìn)入閂鎖狀態(tài)，器件開(kāi)啟，進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。[〇〇23]以1600V的雙陰極MTD為例，本發(fā)明的主要制造流程包括:[〇〇24] 第一步:制備N型襯底6;
[0025]第二步:在N型襯底6上表面生長(zhǎng)二氧化硅，形成柵氧化層4，在柵氧化層4上表面淀積N型導(dǎo)電多晶硅形成柵電極3;[〇〇26]第三步:采用離子注入和高溫?cái)U(kuò)散推結(jié)工藝，在N型襯底上層形成P型基區(qū)5;
[0027]第四步:采用離子注入和高溫?cái)U(kuò)散推結(jié)工藝，在P型基區(qū)5上層形成N型發(fā)射區(qū)10和 N型源區(qū)2;[〇〇28] 第五步:對(duì)型襯底6下表面進(jìn)行減薄、拋光處理，注入P型雜質(zhì)并進(jìn)行離子激活，形成陽(yáng)極區(qū)7;
[0029]第六步:在N型極發(fā)射區(qū)10上表面淀積金屬層，形成陰極金屬1;
[0030]第七步:N型源區(qū)2和P型基區(qū)5上表面淀積金屬層，形成陰極金屬9;
[0031]第八步:在N型陽(yáng)極區(qū)7下表面淀積金屬層，形成陽(yáng)極金屬8。[〇〇32]以耐壓為1600V的常規(guī)MTD和本發(fā)明提供的雙陰極MTD為例進(jìn)行仿真比較。如圖3所示，常規(guī)MTD和本發(fā)明提供的雙陰極MTD都具有1600V的耐壓。在開(kāi)啟二種器件時(shí)，如圖4所示，常規(guī)MTD和本發(fā)明提供的雙陰極MTD都在陽(yáng)極電壓逐漸增加的過(guò)程中有一段負(fù)阻區(qū)，這是由于PN結(jié)在橫向上的不同區(qū)域逐漸開(kāi)啟導(dǎo)致的。在通過(guò)負(fù)阻區(qū)后常規(guī)MTD和本發(fā)明提供的雙陰極MTD具有相似的導(dǎo)通特性。
[0033]以上述仿真器件為例，直觀地展示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)在脈沖功率應(yīng)用領(lǐng)域所具有的性能優(yōu)勢(shì)試電路圖如圖7所示，當(dāng)電源電壓為1100V，電容C為0.9yF，電感L1和L2分別為60nH、 5nH，柵電阻Rg為4.7 Q時(shí)。用電路圖8仿真普通MTD器件，當(dāng)電源電壓為1100V，電容C為0.9y F，電感L1和L2分別為60nH、5nH，柵電阻Rg為4.7Q時(shí)。在相同的芯片面積下常規(guī)MTD和本發(fā)明提供的雙陰極MTD的柵極電壓如圖9所示，可以看到雙陰極器件放電時(shí)柵極電壓不會(huì)有明顯的震蕩，而普通MTD柵壓有劇烈的震蕩;常規(guī)MTD和本發(fā)明提供的雙陰極MTD的陽(yáng)極電流如圖11所示，兩種器件的陽(yáng)極峰值電流都大于3000A并沒(méi)沒(méi)有明顯的差距；如圖12所示，雙陰極MTD在脈沖放電時(shí)，陰極2上不會(huì)過(guò)大電流(V = L*di/dt)，所以柵極相對(duì)于陰極不會(huì)有大的電壓差，那么柵極就不容易擊穿。直觀地展示出本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對(duì)于常規(guī)MTD在脈沖功率應(yīng)用領(lǐng)域所具有的性能優(yōu)勢(shì)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種功率半導(dǎo)體器件，包括從下至上依次層疊設(shè)置的陽(yáng)極金屬(8)、P型陽(yáng)極區(qū)(7)和 N型襯底(6);所述N型襯底(6)上層具有P型基區(qū)(5)，所述P型基區(qū)(5)上層具有相互獨(dú)立的N 型源區(qū)(2)和N型發(fā)射區(qū)(10);所述N型襯底(6)上表面具有柵氧化層(4)，所述柵氧化層(4) 還延伸覆蓋部分P型基區(qū)(5)和N型源區(qū)(2)的上表面;所述柵氧化層(4)的上表面具有柵極 金屬(3);所述N型發(fā)射區(qū)(10)上表面具有第一陰極金屬(9)，所述第一陰極金屬(9)還覆蓋 部分P型基區(qū)(5)的上表面；其特征在于，所述N型源區(qū)(2)的上表面還具有第二陰極金屬 ⑴。
【文檔編號(hào)】H01L21/332GK106024869SQ201610348220
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】陳萬(wàn)軍, 唐血鋒, 劉超, 婁倫飛, 程武, 劉亞偉, 張波
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)