一种MOS栅控晶闸管及其制作方法技术

本发明专利技术涉及功率半导体技术，特别涉及一种MOS控制晶闸管及其制作方法。本发明专利技术对常规MCT的阴极以及栅极区进行改造，通过在栅下增加薄的P型半导体层，使得器件在栅上不加电压器件正向阻断时，P+阳极注入空穴形成的空穴漏电流能通过P型短路结构抽走，使器件实现耐压。正向导通时，在栅上加正电压时，P型半导体层反型形成电子沟道，N型半导体源区和中的电子进漂移区内，由P+阳极、漂移区、P型基区和N型源区构成的左侧PNPN晶闸管与右侧P+阳极、漂移区、P型基区和N型源区构成的右侧PNPN晶闸管接连发生闩锁，器件获得低的导通电阻，以及导通时不存在snapback现象。本发明专利技术的阴极PN结两层结构使用双重扩散工艺，与传统MGT三层扩散工艺相比制作简单。

【技术实现步骤摘要】
一种MOS栅控晶闸管及其制作方法
本专利技术属于功率半导体
，特别涉及一种MOS控制晶闸管及其制作方法
技术介绍
随着军事装备的日益智能化，脉冲功率技术在国防军事等领域显得尤为重要。MOS栅控晶闸管是一种重要的脉冲功率器件。MOS控制晶闸管(MOSControlledThyristor，简称MCT)是MOS栅控晶闸管中的典型代表，其由功率MOSFET与晶闸管组合成的复合器件，它用MOSFET来控制晶闸管的开启和关断，使之既具有晶闸管良好的通态特性及较高的抗dv/dt能力、又有功率MOSFET的输入阻抗高、开关速度快等优点，具有大电流密度、低导通损耗和开关速度快等优良性能，主要应用在电力电子和功率脉冲领域。然而MCT器件存在一些缺点，MCT为常开型器件，在器件关断以及正向阻断时，需要在栅上加负压，这会使系统变得复杂，也降低了系统的可靠性。常规MCT的三重扩散的制作工艺使得工艺复杂困难，降低了成品率，增加了产品的成本。常规MGT复杂的驱动系统以及复杂的制作工艺极大地限制了其商业化。常规的阴极短路MCT(CathodeShorted-MCT，简称CS-MCT)解决了常规常开型MCT系统复杂的问题，但是在正向导通时存在snapback现象，导致其正向导通压降增大并且使器件工作不稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是针对目前常规常开型MGT系统复杂、制作工艺复杂以及CS-MCT存在snapback现象的问题，提出一种MOS栅控晶闸管及其制作方法。本专利技术的技术方案：一种MOS栅控晶闸管，其元胞结构包括由阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；所述阳极结构包括P+阳极2和位于P+阳极2下表面的阳极金属1；所述漂移区结构包括位于P+阳极上表面的N-漂移区3；所述阴极结构包括第一阴极和第二阴极；所述第一阴极结构包括第一阴极金属14、第一N型半导体源区13和第一P型半导体基区12；所述第一P型半导体基区12设置在漂移区3顶部的一侧；所述第一N型半导体13设置在第一P型半导体基区12上，其上表面与阴极金属14相连；所述第二阴极结构包括第二阴极金属10、第二N型半导体源区5、P型短路区11、第二P型半导体基区4；所述第二P型半导体基区4设置在漂移区3顶部的另一侧；所述第二N型半导体源区5和P型短路区11设置在第二P型半导体基区4上；所述第二阴极金属10位于第二N型半导体源区5和P型短路区11的上表面；所述栅极结构位于漂移区3顶部以及第一、第二阴极之间，由栅氧化层8、位于栅氧化层8下方的薄P型半导体区15和位于栅氧化层8顶部的多晶硅栅极9构成；其特征在于，第一P型半导体基区12通过薄P型半导体区15与第二P型半导体基区4相连接。附图说明图1是常规MCT元胞结构示意图；图2是阴极短路结构MCT元胞结构示意图；图3是本专利技术的MOS栅控晶闸管元胞的结构示意图；图4是本专利技术的MGT与常规MCT栅下掺杂浓度对比图；图5是本专利技术的制作工艺流程中制备N-漂移区后的结构示意图；图6是本专利技术的制作工艺流程中形成氧化层后的结构示意图；图7是本专利技术的制作工艺流程中通过离子注入P型杂质推结形成P型半导体基区的结构示意图；图8是本专利技术的制作工艺流程中通过离子注入N型杂质推结形成N型半导体源区的结构示意图；图9是本专利技术的制作工艺流程中刻蚀氧化层，并且在原氧化层位置，进行离子注入P型杂质形成薄P型半导体区的结构示意图；图10是本专利技术的制作工艺流程中通过热氧化形成栅氧层，并在栅氧层上淀积一层多晶硅/金属再刻蚀形成栅电极的结构示意图；图11是本专利技术的制作工艺流程中正面金属化后的结构示意图；图12是本专利技术的制作工艺流程中背面减薄后，进行P型杂质注入形成阳极区的结构示意图；图13为本专利技术的制作工艺流程中背面金属化后的结构示意图；图14是本专利技术MGT、常规MCT和CS-MCT的阻断特性曲线示意图；图15是本专利技术MGT、CS-MCT导通特性曲线示意图；图16是测试本专利技术MGT电容放电特性曲线的测试电路图；图17是本专利技术MGT与常规MCT电容放电特性曲线示意图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的描述如图3所示，一种MOS栅控晶闸管，其元胞结构包括由阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；所述阳极结构包括P+阳极2和位于P+阳极2下表面的阳极金属1；所述漂移区结构包括位于P+阳极上表面的N-漂移区3；所述阴极结构包括第一阴极和第二阴极；所述第一阴极结构包括第一阴极金属14、第一N型半导体源区13和第一P型半导体基区12；所述第一P型半导体基区12设置在漂移区3顶部的一侧；所述第一N型半导体13设置在第一P型半导体基区12上，其上表面与阴极金属14相连；所述第二阴极结构包括第二阴极金属10、第二N型半导体源区5、P型短路区11、第二P型半导体基区4；所述第二P型半导体基区4设置在漂移区3顶部的另一侧；所述第二N型半导体源区5和P型短路区11设置在第二P型半导体基区4上；所述第二阴极金属10位于第二N型半导体源区5和P型短路区11的上表面；所述栅极结构位于漂移区3顶部以及第一、第二阴极之间，由栅氧化层8、位于栅氧化层8下方的薄P型半导体区15和位于栅氧化层8顶部的多晶硅栅极9构成；其特征在于，第一P型半导体基区12通过薄P型半导体区15与第二P型半导体基区4相连接。如图1所示，为常规的MOS控制晶闸管(MCT)。如图2所示，为阴极短路结构的MCT。本专利技术与常规MCT结构不同的地方在于，本专利技术对阴极区和栅极区进行了改造，第一阴极结构与现有晶闸管的阴极结构类似，第二阴极结构与阴极短路晶闸管的阴极区结构类似，阳极区域与晶闸管的阳极结构类似，与常规的结构相比，本专利技术在栅极区下面增加了一层薄P型半导体层15。图4为本专利技术MGT与常规MCT在栅氧下掺杂浓度的区别。常规MCT需要在栅上加一个负压使沟道反型才能使器件达到耐压的效果，而本专利技术由于薄P型半导体层15的存在，使得器件在不加栅压的情况下也能实现耐压。与CS-MCT相比较，由于左边PNPN晶闸管结构的存在，器件导通时，左边PNPN晶闸管先开启，进而驱动右边的PNPN晶闸管开启，使得器件不存在snapback现象。本专利技术提供的MOS栅控晶闸管，其工作原理如下：在图3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12和P型基区4由于通过薄P层15相连在一起，因此构成一个统一的P基区，漂移区与统一P基区之间的P-N结反偏，产生的PN结反向漏电流流经P型基区4被P型短路结构11抽取，并在统一的P型基区上产生一个横向压降，此PN结反向漏电流很小，在P型基区12及P型基区4上产生的横向压降远小于N型源区和P型基区构成的PN结势垒电压，不足以开启PNPN晶闸管结构。此时器件耐压效果与常规阴极短路结构MCT相当。在图3所示的元胞结构中，当栅极9加正电位，沟道发生反型，薄P层变成N型电子沟道，阴极加零电位，阳极加正压。此时N型源区13和N型源区5产生的电子通过栅下沟道流入漂移区3，为由P型基区12、漂移区3和P+阳极2构成的左侧PNP晶体管以及P型基区4、漂移区3和P+阳极2构成的右侧PNP晶体管提供基极驱动电流，左右两个PNP晶体管开启，左侧PNP晶体管的集电极电流(空穴电流)通过P型基区12流向N型源区1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MOS栅控晶闸管，其元胞结构包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；所述阳极结构包括P+阳极(2)和位于P+阳极(2)下表面的阳极金属(1)；所述漂移区结构包括位于P+阳极上表面的N‑漂移区(3)；所述阴极结构包括第一阴极和第二阴极；所述第一阴极结构包括第一阴极金属(14)、第一N型半导体源区(13)和第一P型半导体基区(12)；所述第一P型半导体基区(12)设置在漂移区(3)顶部的一侧；所述第一N型半导体(13)设置在第一P型半导体基区(12)上，其上表面与阴极金属(14)相连；所述第二阴极结构包括第二阴极金属(10)、第二N型半导体源区(5)、P型短路区(11)、第二P型半导体基区(4)；所述第二P型半导体基区(4)设置在漂移区(3)顶部的另一侧；所述第二N型半导体源区(5)和P型短路区(11)设置在第二P型半导体基区(4)上；所述第二阴极金属(10)位于第二N型半导体源区(5)和P型短路区(11)的上表面；所述栅极结构位于漂移区(3)顶部以及第一、第二阴极之间，由栅氧化层(8)、位于栅氧化层(8)下方的薄P型半导体区(15)和位于栅氧化层(8)顶部的多晶硅栅极(9)构成；其特征在于，第一P型半导体基区(12)通过薄P型半导体区(15)与第二P型半导体基区(4)相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种MOS栅控晶闸管，其元胞结构包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和栅极结构；所述阳极结构包括P+阳极(2)和位于P+阳极(2)下表面的阳极金属(1)；所述漂移区结构包括位于P+阳极上表面的N-漂移区(3)；所述阴极结构包括第一阴极和第二阴极；所述第一阴极结构包括第一阴极金属(14)、第一N型半导体源区(13)和第一P型半导体基区(12)；所述第一P型半导体基区(12)设置在漂移区(3)顶部的一侧；所述第一N型半导体(13)设置在第一P型半导体基区(12)上，其上表面与阴极金属(14)相连；所述第二阴极结构包括第二阴极金属(10)、第二N型半导体源区(5)、P型短路区(11)、第二P型半导体基区(4)；所述第二P型半导体基区(4)设置在漂移区(3)顶部的另一侧；所述第二N型半导体源区(5)和P型短路区(11)设置在第二P型半导体基区(4)上；所述第二阴极金属(10)位于第二N型半导体源区(5)和P型短路区(11)的上表面；所述栅极结构位于漂移区(3)顶部以及第一、第二阴极之间，由栅氧化层(8)、位于栅氧化层(8)下方的薄P型半导体区(15)和位于栅氧化层(8)顶部的多晶硅栅极(9)构成；其特征在于，第一P型半导体基区(12)通过薄P型半导体区(15)与第二P型半导体基区(4)相连接。2.一种MOS栅控晶闸管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈万军，夏云，刘超，高吴昊，左慧玲，邓操，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51