碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列与其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种单个器件尺寸相对较小的碳化硅门极可关断晶闸管器件阵列与其制备方法，该器件阵列是按照相应光刻版图进行光刻形成的至少包括两个碳化硅门极可关断晶闸管的阵列结构；GTO器件单元的门极位于器件单元的台面中央，并与位于器件单元的台面两侧的阳极构成叉指结构，阴极位于器件单元的衬底背面；封装时，按布局设计将所有器件单元的门极均向下引出到封装结构，将所有阳极向与门极相反方向引出；本发明专利技术采用的器件阵列方案，具有如下优势：可显著提升整个封装芯片的有效工作面积；可避免局部材料缺陷降低整个封装芯片的性能；可降低器件加工的工艺难度、提升工艺稳定性及均匀性，显著提高制备器件的良率。

【技术实现步骤摘要】
碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列与其制备方法
本专利技术涉及一种碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列与其制备方法，属于半导体电力电子器件

技术介绍
碳化硅（SiC）材料作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有一系列的优良材料特性。这些特性包括禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和漂移速度高、抗辐照及可在较高温度条件下正常工作等；除此之外目前碳化硅材料的外延生长技术相较于其他常见宽禁带半导体也更为成熟。这些因素共同决定了SiC材料是制备各类型先进功率器件的优选材料。由于SiC的临界击穿场强是Si的几乎十倍，当制备电压等级相同的功率器件时，采用SiC材料的器件其漂移层厚度将只需Si基器件的十分之一，这一方面可以降低器件的重量体积，另一方面也将显著改善器件的正向导通电阻特性，从而降低器件的开态功耗。另外采用SiC材料制备的器件可在更高的温度下正常工作并且由于其材料热导率相较于Si也更高，因而它对散热系统的要求要低得多，从而进一步有利于降低整机系统的体积与重量。基于SiC材料的功率器件相较于硅基器件的其他优势还包括更好的抗辐照能力及更优的严酷环境适应性。正是由于SiC材料相对于Si材料的诸多优势，再加上近年来SiC材料外延技术的稳步发展进步（四英寸4H-SiC外延片已有稳定的商业供应，六英寸外延片也已出现），因而多种类型基于SiC材料的功率器件不断涌现。文献已有报道的SiC功率器件包括：整流器件的PIN、SBD以及JBS；开关器件的MOSFET、JFET、BJT、IGBT以及GTO等。目前基于SiC材料的功率器件研发无论是在学术还是产业领域都是关注的热点。其中碳化硅的晶闸管（Thyristor）器件在超大功率的开关应用场景中以其耐压高、正向导通压降小、通态功耗低而相较于其他类型功率开关器件具有较大优势，目前对碳化硅晶闸管的研究大多集中在门极可关断晶闸管GTO（GateTurn-OffThyristor）器件上。SiCGTO器件典型的一些应用领域包括高压直流输电（HVDC）、脉冲功率及超大电流电解等。关于SiCGTO器件，目前已有的文献通常都是对单个GTO器件的性能及其应用进行报道。总体上，目前SiCGTO器件的发展思路是将单个GTO器件的芯片面积越做越大以满足对更大电流承载能力的需求，如图1所示。然而在当前的SiC材料外延条件下，制备大尺寸的SiCGTO器件存在着重大的挑战。由于SiC外延材料的位错密度大致在103~104cm-2这一水平，在大尺寸GTO器件（例如近年来报道的面积1cm2及以上的SiCGTO器件）上诸如基平面位错（BPD）、螺位错（TSD）及刃位错（TED）这些SiC材料中常见缺陷类型的一种或多种是必然存在的，甚至像微管这类严重影响器件性能的缺陷也是有可能存在的。这些材料缺陷对GTO器件的耐压能力有重大的负面影响。由于材料缺陷的客观存在，无论大尺寸器件的终端结构设计如何优化，其内部缺陷辅助隧穿漏电造成的器件过早击穿都是不可避免的，这将显著降低器件的阻断电压等级。但是为了满足实际应用上对GTO器件大电流承载能力的要求，SiCGTO器件又必须不断的尝试将器件面积做大。正是这样的矛盾的存在，导致GTO器件在设计过程中总是需要在器件性能与器件面积之间不断的进行折中，超大尺寸（1cm2及以上）器件的开发困难重重，这些都显著的影响了SiCGTO器件自身的进一步发展及未来潜在的可应用领域。
技术实现思路
为了解决上述问题，与常规的将单个GTO器件的芯片面积越做越大不同，本专利技术提出了一种单个器件尺寸相对较小的碳化硅门极可关断晶闸管（SiCGTO）的器件阵列与其制备方法，该器件阵列相较于传统单个器件可进一步提升芯片的有效工作面积，可有效屏蔽局部材料缺陷对整个芯片性能的负面影响，而且制备过程中的工艺稳定性和均匀性要更好，工艺难度更低，最终加工出的器件良率更高，总体而言，本专利技术为SiCGTO器件未来的进一步发展提供了新的思路。本专利技术的技术方案如下：一种碳化硅门极可关断晶闸管的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列是由至少两个碳化硅门极可关断晶闸管的器件单元形成的阵列结构；所述器件单元的GTO门极位于器件单元的台面中央，并与位于器件单元的台面两侧的GTO阳极构成叉指结构，阴极位于器件单元的衬底背面；当器件单元封装时，按照器件阵列的布局设计将所有器件单元的门极均向下引出到封装结构，而将所有器件单元的阳极向与门极相反方向引出，背面的阴极则与热沉底座直接相连。制备SiCGTO器件单元的SiC材料的外延结构从上到下为P+/N/P-/P/N+结构，由上至下的P+/N/P-/P/N+外延结构，衬底为N+的4H-SiC本征衬底；P+接触层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；Nbase层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1016-2×1018cm-3之间；P-漂移层的厚度介于5-200μm之间、平均掺杂浓度介于5×1013-5×1015cm-3之间；P缓冲层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1016-2×1018cm-3之间；N+场截止层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；最下方为N+的4H-SiC本征衬底。所述器件阵列的GTO器件单元的终端结构通过离子注入方式形成，或者通过台面刻蚀的方式形成，或者是采用二者的混合方案。所述器件阵列中的单个器件单元的器件面积范围介于1~100mm2之间。进一步的，所述器件阵列中所包含的器件单元的排布方式是线性阵列的形式，或者是二维平面阵列的形式。SiCGTO器件工作时是需要承受数千伏高压的一种功率开关器件，因而对于GTO器件阵列来说，合理的器件布局及封装布线是实现GTO器件阵列制备的关键，本专利技术上述所提出的方案则顺利解决了这一问题，有效的将阵列中众多GTO器件单元的阳极与门极引出到了封装结构。确定了器件阵列结构的布局布线方案之后，接下来就器件阵列的工艺版图进行设计。所设计的SiCGTO器件单元采用多级小角度倾斜台面的刻蚀终端结构。根据具体设计，SiCGTO器件阵列的制备过程所需要的光刻步骤包括：01对准标记刻蚀；02器件隔离台面刻蚀；03第一级倾斜台面刻蚀；04第二级倾斜台面刻蚀；05第三级倾斜台面刻蚀；06阳极Anode刻蚀；07门极Gate离子注入；08淀积Anode及Gate欧姆接触电极；09开SiO2窗口；10淀积金属覆盖层。所述SiCGTO器件阵列按照上述光刻步骤成功流片之后，再对SiCGTO器件阵列整体进行划片以及后续的测试封装便完成了整个SiCGTO器件阵列的工艺制备流程。与传统SiCGTO将单个器件的芯片面积越做越大的发展思路不同，本专利技术采用制备单个器件尺寸相对较小但工艺相对更稳定的GTO器件阵列方案。虽然阵列中的每个器件单元面积不如传统的大尺寸GTO器件，但组合在一起其实际的有效芯片面积却可以比传统的大尺寸器件还要大。在阵列方案中单个器件单元具体的面积设计将主要取决于SiC材料外延质量以及实际器件制备过程中的工艺成熟度。在未来随着SiC材料外延质量的逐步提升以及器件实际加工工艺的逐渐成熟，器件单元的面积也将随之逐步提高，从而使器件阵列整体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列是由至少两个碳化硅门极可关断晶闸管的器件单元形成的阵列结构；所述器件单元的GTO门极位于器件单元的台面中央，并与位于器件单元的台面两侧的GTO阳极构成叉指结构，阴极位于器件单元的衬底背面；当器件单元封装时，按照器件阵列的布局设计将所有器件单元的门极均向下引出到封装结构，将所有器件单元的阳极向与门极相反方向引出，背面的阴极则与热沉底座直接相连。

【技术特征摘要】
1.碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列是由至少两个碳化硅门极可关断晶闸管的器件单元形成的阵列结构；所述器件单元的GTO门极位于器件单元的台面中央，并与位于器件单元的台面两侧的GTO阳极构成叉指结构，阴极位于器件单元的衬底背面；当器件单元封装时，按照器件阵列的布局设计将所有器件单元的门极均向下引出到封装结构，将所有器件单元的阳极向与门极相反方向引出，背面的阴极则与热沉底座直接相连。2.如权利要求1所述的碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：制备GTO器件阵列时所采用的SiC材料的外延结构为：采用由上至下的P+/N/P-/P/N+外延结构，衬底为N+的4H-SiC本征衬底；P+接触层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；Nbase层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1016-2×1018cm-3之间；P-漂移层的厚度介于5-200μm之间、平均掺杂浓度介于5×1013-5×1015cm-3之间；P缓冲层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1016-2×1018cm-3之间；N+场截止层的厚度介于0.2-5μm之间、平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；最下方为N+的4H-SiC本征衬底。3.如权利要求1或2所述的碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列的GTO器件单元的终端结构通过离子注入方式形成，或者通过台面刻蚀的方式形成，或者是采用二者的混合方案。4.如权利要求1所述的碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列中的单个器件单元的器件面积范围介于1~100mm2之间。5.如权利要求1所述的碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列中所包含的器件单元的排布方式是线性阵列的形式。6.如权利要求1所述的碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列中所包含的器件单元的排布方式是二维平面阵列的形式。7.如权利要求1所述的碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列，其特征在于：所述器件阵列中所包含的器件单元采用多级小角度倾斜台面的刻蚀终端结构。8.如权利要求1-6任意一项所述的碳化硅门极可关断晶闸管GTO的器件阵列的制备方法，其特征在于制备工艺流程如下：（01）对准标记刻蚀；对SiC样片进行RCA标准清洗，PECVD沉积SiO...

【专利技术属性】
技术研发人员：李良辉，周坤，徐星亮，李俊焘，李志强，张林，代刚，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51