集成门极换流晶闸管及其制造方法技术

公开了一种集成门极换流晶闸管，所述门极换流晶闸管包括ｎ↑［－］型衬底，ｐ型掺杂区，ｎ型掺杂区，门极换流晶闸管的阳极ｐ＋掺杂区，二极管ｎ＋缓冲区，以及门极换流晶闸管的阴极梳条，还包括门极换流晶闸管的阴极和门极，二极管的阳极、门极换流晶闸管的阳极和二极管的阴极，其特征在于：在门极换流晶闸管的门极和二极管的阳极之间的ｐ型掺杂区中具有ｎ＋型隔离环。本发明专利技术的集成门极换流晶闸管及其制造方法能够在ＧＣＴ单元和二极管之间实现有效的隔离。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力半导体器件
，特别涉及一种大功率集成门极换流晶闸管(IGCT)。技术背景IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)称为集成门才及换流晶 闸管。它是近年发展起来的一种新型大功率电力半导体器件。IGCT是将 众多门极换流晶闸管(GCT)通过印制电路板与门极驱动装置连成一个 整体形成的。IGCT是四层三端器件，其内部由成千个GCT梳条所组成。 IGCT通常制成逆导型，其续流二极管的阳极和GCT的门极共用，而GCT 的阴极梳条并联在一起，与续流二极管单片集成在同一芯片上。逆导型 门极换流晶闸管GCT的结构如图1所示，图1为现有逆导GCT的一个基本 单元的结构剖面图。该图左侧是GCT,右侧是反并联二极管。GCT是一 个五层的PNN-PN+晶闸管，其中PNN-PN+晶闸管采用多阴极梳条并联结 构。GCT的N区由n-基区和n緩沖层两部分组成，阳极16连接到p+透明阳 极区，p基区20接门极10， n+区接阴极11。 GCT的右边为PN-N二极管部 分，阳极16与PN-N二极管的阴极共用，即阳极16也是PN-N二极管的阴极， PN-N二极管的p基区21接二极管的阳极15。 GCT的阴极ll与二极管的阳极 15通过外围电路电连接。GCT与二极管之间需要具有有效的隔离，图1中GCT和二极管享有 同一个阻断结(pn-),因此GCT的p基区20与二极管的p基区21之间是 利用pn结隔离，其等效电路如图2所示，阴极K和门极G之间相当于连接 有反向串联的两个二极管。但这种隔离方式在高压下存在高压结体内终 端处理的困难。图3为现有GCT基本单元的另一种结构剖面图。如图3所示，在这种 结构的隔离方式中，在n基区上的GCT和二极管的公共p基区中通过刻蚀 工艺刻蚀形成隔离沟槽25 ，利用刻蚀后的隔离沟槽在p基区中形成的体电阻实现GCT和二极管的隔离，其等效电路如图4所示，RoK为门极G与阴极 K之间的体隔离电阻。然而这种方式中，由于沟槽深度通常要达到几十微 米才能获得合适的隔离电阻，而刻蚀如此深的沟槽对于刻蚀工艺来说实 现起来非常困难，而且难以对刻蚀深度进行精确地控制，易使形成的隔 离电阻Rgk的阻值过小。过小的隔离电阻RcK会导致附加的导通和关断电 流，增加导通和关断损耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，負fe 够在GCT单元和二极管之间实现有效的隔离，且隔离形成的工艺简便 易行。为达到上述目的，本专利技术提供了一种集成门极换流晶闸管，所述门 极换流晶闸管包括rf型衬底，p型掺杂区，n型掺杂区，门极换流晶闸 管的阳极p+掺杂区，二极管n+緩冲区，以及门极换流晶闸管的阴极梳 条，还包括门极换流晶闸管的阴极和门极，二极管的阳极、门极换流晶 闸管的阳极和二极管的阴极，其特征在于在门极换流晶闸管的门极和 二极管的阳极之间的p型掺杂区中具有n+型隔离环。所述n+型隔离环区中注入的n型杂质离子为磷、砷、锑、铋、或 者氮之中的任意一种或者多种。所述n型杂质离子的浓度为lE17/cm3 lE19/cm3。 所述n-型衬底的杂质掺杂浓度为lEll/cm3~lE13/cm3。 所述p型和n型掺杂区的杂质浓度为在lE14/cm3 lE18/cm3。所述p+掺杂区和n+緩冲区的杂质离子的浓度为 lE17/cm3 lE20/cm3。相应地，本专利技术提供了一种集成门极换流晶闸管的制造方法，包括提供一 n—型单晶硅衬底；在所述rf型衬底双面进行杂质扩散,形成p型掺杂区和n型掺杂区； 在GCT区和二极管区之间的环形区域刻蚀形成沟槽； 在所述沟槽中进行杂质掺杂形成n+掺杂环形隔离区； 在所述衬底的上表面和下表面形成n+掺杂区； 在所述衬底下表面的n型掺杂区中形成p+掺杂区； 形成GCT的阴极梳条； 形成GCT和二极管的电极。所述n+环形隔离区中的n型杂质离子为^f寿、砷、锑、铋、或者氮 之中的任意一种或者多种。所述n型杂质离子的浓度为IE 17/cm3~lE 19/cm3。所述p型和n型4参杂区的杂质浓度为在lE14/cm3~lE18/cm3。所述p+掺杂区和n+緩冲区的杂质离子的浓度为 lE17/cm3~lE20/cm3。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点本专利技术的集成门极换流晶闸管在衬底的GCT区和二极管区之间利用 n型杂质掺杂环隔离结构，实现GCT和二极管之间的隔离。n型杂质掺杂 环的形成采用普通的扩散工艺或离子注入工艺形成，n型杂质掺杂环的结 深可根据现有工艺水平进行调节，工艺控制灵活，工艺实现简便。通过 调节n型杂质掺杂环的工艺参数，可以方便地获得希望的结深，从而得到 期望的隔离电阻阻值。由n型杂质掺杂环结构得到的隔离电阻减少了附加 门极电流，降低了门极的附加损耗。釆用n型杂质掺杂环隔离结构能够通 过调节结深获得期望的隔离电阻大小，能够将门极附加电流和附加损耗 控制在较合适的范围。此外，通过n型杂质掺杂环隔离结构能够抑制GCT单元和二极管之间 少数载流子寿命测量值的相扰，使两者的电子辐照均能够独立控制。 附图说明通过附图中所示的本专利技术的优选实施例的更具体说明，本专利技术的上 述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记 指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本专利技术的主 旨。在附图中，为清楚明了，放大了层和区域的厚度。图1为现有逆导GCT的一个基本单元的结构剖面图；图2为图1所示逆导GCT基本单元的等效电路图；图3为现有逆导GCT基本单元的另一种结构剖面图；图4为图3所示逆导GCT基本单元的等效电路图；图5至图12为说明根据本专利技术实施例的逆导型集成门极换流晶闸 管制造方法的器件剖面示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合 附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是 本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员 可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广。因此本专利技术不受下面公 开的具体实施例的限制。图5至图12为说明根据本专利技术实施例的集成门极换流晶闸管制造 方法的器件剖面示意图。为简便起见，图中仅示出了 IGCT的一个基本 GCT单元的形成过程。如图5所示，首先提供一单晶硅衬底，对该单晶 硅衬底进行n型杂质掺杂，杂质的掺杂浓度为lEll/cm3 lE13/cm3，优 选为1E13/cm3,得到rf单晶硅衬底100,以下简称n-型衬底100。接下来如图6所示，在n-型衬底100的双面进行杂质扩散，即在 n-型衬底100的上表面扩散p型杂质形成p型掺杂区110,在n-型村底 100的下表面利用光刻胶掩膜对GCT区进行n型杂质扩散形成n型掺杂 区120, p型杂质和n型杂质的浓度在lE14/cn^ lE18/cn^之间，优选 为1E15/cm3。随后，如图7所示，利用光刻胶掩膜图形在衬底100的p型掺杂区 110表面定义出GCT区和二极管区的位置，具体来说，利用一掩膜，例 如光刻胶掩膜，将GCT区和二极管区的p型掺杂区110覆盖，暴露出 GCT区和二极管区之间的环形隔离区域，然后在p型掺杂区110中的隔 离区域刻蚀出隔离沟槽130。隔离沟槽130的形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成门极换流晶闸管，所述门极换流晶闸管包括ｎ↑［－］型衬底，ｐ型掺杂区，ｎ型掺杂区，门极换流晶闸管的阳极ｐ＋掺杂区，二极管ｎ＋缓冲区，以及门极换流晶闸管的阴极梳条，还包括门极换流晶闸管的阴极和门极，二极管的阳极、门极换流晶闸管的阳极和二极管的阴极，其特征在于：在门极换流晶闸管的门极和二极管的阳极之间的ｐ型掺杂区中具有ｎ＋型隔离环。

【技术特征摘要】
1、一种集成门极换流晶闸管，所述门极换流晶闸管包括n-型衬底，p型掺杂区，n型掺杂区，门极换流晶闸管的阳极p+掺杂区，二极管n+缓冲区，以及门极换流晶闸管的阴极梳条，还包括门极换流晶闸管的阴极和门极，二极管的阳极、门极换流晶闸管的阳极和二极管的阴极，其特征在于在门极换流晶闸管的门极和二极管的阳极之间的p型掺杂区中具有n+型隔离环。2、 如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于所述 n+型隔离环区中注入的n型杂质离子为磷、砷、锑、铋、或者氮之中的 任意一种或者多种。3、 如权利要求2所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于所述n 型杂质离子的浓度为lE17/cm3~lE19/cm3。4、 如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于所述 n-型衬底的杂质掺杂浓度为lEll/cm3~lE13/cm3。5、 如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于所述p 型和n型4参杂区的杂质浓度为在lE14/cm3 lE18/cm3。6、 如权利要求1所述的集成门极换流晶闸管，其特征在于所述 p+掺杂区...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明，蒋谊，陈芳林，李继鲁，
申请(专利权)人：株洲南车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]