一种双埋层MOS栅控晶闸管及制备方法技术

技术编号:21366063 阅读:20 留言:0更新日期:2019-06-15 10:21
本发明专利技术提供一种双埋层MOS栅控晶闸管及制备方法,所述双埋层MOS栅控晶闸管包括:衬底和漂移区;从下至上依次在漂移区中设置有双N埋层、表面结构;设置在表面结构上端面的阴极和栅极、以及衬底下端面的阳极。本发明专利技术能够提升器件开启速度、抑制基区电阻控制晶闸管(BRT)和发射极开关晶闸管(EST)开启过程中的snapback现象,解决多元胞开启不一致问题,缓解电流分布不均匀,提高器件开启可靠性。

A double-buried MOS gate-controlled thyristor and its preparation method

The invention provides a double-buried MOS gate-controlled thyristor and a preparation method. The double-buried MOS gate-controlled thyristor comprises a substrate and a drift region, a double N buried layer and a surface structure are arranged in the drift region from bottom to top, a cathode and a gate on the upper end surface of the surface structure, and an anode on the lower end surface of the substrate. The invention can improve the device opening speed, suppress snapback phenomenon in the opening process of base resistance controlled thyristor (BRT) and emitter switch thyristor (EST), solve the problem of inconsistent opening of multiple cells, alleviate the uneven current distribution, and improve the device opening reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种双埋层MOS栅控晶闸管及制备方法
本专利技术涉及功率半导体
,尤其涉及一种双埋层MOS栅控晶闸管及制备方法。
技术介绍
与绝缘栅双极性晶体管(IGBT,InsulatedGateBipolarTransistor)相比,MOS栅控晶闸管(MOS栅控晶闸管:MOS-gatedthyristor)具有导通电阻低、电流密度高、开启速度快等优势,在诸如脉冲功率等领域具有广阔的应用前景。MOS栅控晶闸管主要包括四层N-P-N-P材料构成的晶闸管结构,通过NMOS(金属氧化物半导体场效应晶体管:MOSFET,MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor,N沟道场效应晶体管:NMOS)注入电子电流开启晶闸管内部正反馈使器件导通,PMOS(P沟道场效应晶体管:PMOS)抽取反馈电流中断正反馈使器件关断。当前MOS栅控晶闸管主要包括MOS控制晶闸管(MCT,MOSControlledThyristor)、基区电阻控制晶闸管(BRT,BaseResistanceControlledThyristor)和发射极开关晶闸管(EST,EmitterSwitchedThyristor)等器件。与MCT相比,BRT和EST具有工艺和IGBT相兼容的优势,但在开启过程中工作状态从IGBT模式转换到晶闸管模式,发生强烈的电导调制,会使器件导通电阻出现骤降,输出曲线出现snapback现象,在多元胞器件中会造成开启不一致的问题,制约器件性能,影响器件工作可靠性。例如,如图1所示,普通基区电阻控制晶闸管(BRT)主要部分是N-P-N-P四层材料构成的晶闸管(图1中1、2、4、5、6),还包括两个表面MOSFET:NMOS(图1中1、2、4)和PMOS(图1中2、4、3),以及寄生PNP晶体管(图1中3、4、5、6)。另外,BRT还包含三个电极:阳极A(10)、阴极K(7)和栅极G(8)。因此,当栅极8施加正向偏压时,NMOS导通、PMOS关断,NMOS电流触发晶闸管结构,开启内部正反馈,使器件导通;栅极8施加负向偏压时,NMOS关断、PMOS导通,PMOS抽取P基区空穴电流,中断晶闸管内部正反馈,使器件关断。由于器件存在寄生PNP晶体管(图1右侧3、4、5、6),BRT在小电流时工作在IGBT模式,输出特性存在snap-back现象(如图2所示);此外,由于PMOS关断能力弱,致使BRT关断速度较慢,关断功耗较大。
技术实现思路
本专利技术提供的双埋层MOS栅控晶闸管及制备方法,能够提升器件开启速度、抑制基区电阻控制晶闸管(BRT)和发射极开关晶闸管(EST)开启过程中的snapback现象,解决多元胞开启不一致问题,缓解电流分布不均匀,提高器件开启可靠性。第一方面,本专利技术提供一种双埋层MOS栅控晶闸管,包括:衬底和漂移区;从下至上依次在漂移区中设置有双N埋层、表面结构;设置在表面结构上端面的阴极和栅极、以及衬底下端面的阳极。可选地,所述双N埋层包括:设置在漂移区左侧的第一表面结构下端的第一N埋层,以使其在晶闸管内形成电子势阱;设置在漂移区右侧的第二表面结构下端的第二N埋层,以使其在寄生三极管区内形成空穴势垒。可选地,所述第一N埋层与第二N埋层相对设置。可选地,所述电子势阱的大小与所述第一N埋层的掺杂浓度相对应;优选地,所述空穴势垒的大小与所述第二N埋层的掺杂浓度相对应。可选地,所述第一N埋层与所述第二N埋层之间的间距与晶闸管类型相对应。第二方面,本专利技术提供一种双埋层MOS栅控晶闸管制备方法,包括:制备衬底和漂移区;从下至上依次在漂移区中制备双N埋层、表面结构;在表面结构上端面以及衬底下端面进行金属化,制备形成阴极、栅极、阳极。可选地,所述在漂移区中制备双N埋层包括:在漂移区左侧的第一表面结构下端制备第一N埋层,以使其在晶闸管内形成电子势阱;在漂移区右侧的第二表面结构下端制备第二N埋层,以使其在寄生三极管区内形成空穴势垒。可选地,所述第一N埋层与第二N埋层相对设置。可选地,所述电子势阱的大小与所述第一N埋层的掺杂浓度相对应;优选地,所述空穴势垒的大小与所述第二N埋层的掺杂浓度相对应。可选地,所述第一N埋层与所述第二N埋层之间的间距与晶闸管类型相对应。本专利技术实施例提供的双埋层MOS栅控晶闸管及制备方法,所述双埋层MOS栅控晶闸管主要是通过在漂移区内设置有双N埋层区,并使其在晶闸管和寄生三极管区内分别形成电子势阱和空穴势垒,一方面可抽取电子电流进入晶闸管,提高有效触发电流密度;另一方面可阻止空穴电流进入寄生三极管,提高进入晶闸管P基区的空穴电流密度,两者共同作用促进正反馈建立,加速晶闸管开启,提高器件开启速度、抑制输出snapback现象,提升器件工作可靠性。附图说明图1为现有技术中基区电阻控制晶闸管(BRT)及开启电流分布示意图;图2为现有技术中基区电阻控制晶闸管(BRT)输出特性曲线的示意图;图3为本专利技术一实施例双埋层MOS栅控晶闸管的结构示意图;图4为本专利技术另一实施例双沟道MOS栅控晶闸管的结构示意图;图5为本专利技术另一实施例单沟道MOS栅控晶闸管的结构示意图;图6为本专利技术双埋层MOS栅控晶闸管开启过程电子电流分布的示意图;图7为本专利技术双埋层MOS栅控晶闸管开启过程空穴电流分布的示意图;图8为本专利技术双埋层MOS栅控晶闸管的输出特性曲线;图9为本专利技术双埋层MOS栅控晶闸管的开启特性曲线;图10为本专利技术双埋层MOS栅控晶闸管制备方法的流程图;图11为本专利技术双埋层MOS栅控晶闸管制备过程的流程图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供一种双埋层MOS栅控晶闸管,如图3所示,所述晶闸管包括:衬底和漂移区;从下至上依次在漂移区中设置有双N埋层、表面结构;设置在表面结构上端面的阴极和栅极、以及衬底下端面的阳极。本专利技术实施例提供的双埋层MOS栅控晶闸管,主要是通过在漂移区内设置有双N埋层区,并使其在晶闸管和寄生三极管区内分别形成电子势阱和空穴势垒,一方面可抽取电子电流进入晶闸管,提高有效触发电流密度;另一方面可阻止空穴电流进入寄生三极管,提高进入晶闸管P基区的空穴电流密度,两者共同作用促进正反馈建立,加速晶闸管开启,提高器件开启速度、抑制输出snapback现象,提升器件工作可靠性。其中,如图3所示,本实施例所述结构由下至上依次包括阳极A27、衬底(P++层20和N+层19)、N-漂移区18、双N埋层23、表面结构(15、16、17)、栅极氧化层26、阴极K24和栅极G25。器件主体是左侧15、16、18、19、20构成的晶闸管28,以及表面NMOS(15、16、18)和PMOS(16、18、17),器件右侧17、18、19、20构成寄生PNP三极管29。可选地,如图3所示,所述双N埋层23包括:设置在漂移区左侧的第一表面结构下端的第一N埋层21,并将其位于晶闸管28中,以使其在晶闸管28内形成电子势阱;本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种双埋层MOS栅控晶闸管,其特征在于,包括:衬底和漂移区;从下至上依次在漂移区中设置有双N埋层、表面结构;设置在表面结构上端面的阴极和栅极、以及衬底下端面的阳极。

【技术特征摘要】
1.一种双埋层MOS栅控晶闸管,其特征在于,包括:衬底和漂移区;从下至上依次在漂移区中设置有双N埋层、表面结构;设置在表面结构上端面的阴极和栅极、以及衬底下端面的阳极。2.根据权利要求1所述的晶闸管,其特征在于,所述双N埋层包括:设置在漂移区左侧的第一表面结构下端的第一N埋层,以使其在晶闸管内形成电子势阱;设置在漂移区右侧的第二表面结构下端的第二N埋层,以使其在寄生三极管区内形成空穴势垒。3.根据权利要求2所述的晶闸管,其特征在于,所述第一N埋层与第二N埋层相对设置。4.根据权利要求2或3所述的晶闸管,其特征在于,所述电子势阱的大小与所述第一N埋层的掺杂浓度相对应;优选地,所述空穴势垒的大小与所述第二N埋层的掺杂浓度相对应。5.根据权利要求2-4任何一所述的晶闸管,其特征在于,所述第一N埋层与所述第二N埋层之间的间距与晶闸管类型相对应。6.一种双埋层MOS...

【专利技术属性】
技术研发人员:胡飞宋李梅韩郑生杜寰
申请(专利权)人:中国科学院微电子研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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