晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管制备方法技术

本发明专利技术公开了一种晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管制备方法，该制备方法包括以下步骤：准备N-型衬底，对N-型衬底正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区。对N-型衬底正面进行P扩散处理，形成P基区。进行N+预沉积处理形成N+层，进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层。对N+层进行N+推进处理，形成二层台阶结构的门阴极结。进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极和门极金属电极。本发明专利技术晶闸管门阴极结及具有该结构的门极换流晶闸管制备方法能够减少晶闸管N+发射区注入的电子在P+短基区和P基区的复合，增强了晶闸管的电导调制效应，并可以进一步提高其导通电流和开通速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件制备方法，尤其是涉及一种应用于电力半导体领域的晶闸管门阴极结结构及具有该结构的门极换流晶闸管制备方法。
技术介绍
硅作为一种半导体材料，以硅为代表的半导体器件都是在原始单晶的基础上进行一定的加工工艺，通过向其中掺入少量杂质使其导电性发生显著改变，从而形成特定结构和掺杂分布，从而实现器件功能。其中掺杂剂分成两类:一类为N型掺杂剂，如磷和砷原子。另一类为P型掺杂剂，如硼、铝和镓原子。掺入磷、砷、锑可以使硅成为电子导电型(N型)硅，掺入硼、铝或镓可以使硅成为空穴型(P型)硅，正是有了 P型和N型的区别，才使得硅能制作出很多种类的半导体器件。大功率半导体的掺杂剂常用磷、硼、铝和镓。通常在“N”或“P”后增加一定的符号表明掺杂的轻重程度。如“N-”表示非常低的N型掺杂(13次方量级)，这通常表示衬底；“N' ”是介于重掺杂和衬底掺杂的轻掺杂之间的浓度水平，表示14 16次方个量级的轻掺杂；“奸”表示重掺杂(通常在18次方以上)。P型杂质的轻重掺杂也可同样表不。GCT (Gate Commutated Thyristors):门极换流晶闸管器件作为一种广泛应用的典型晶闸管器件，其主要结构·包含P、N、P、N四层。根据掺杂的轻重程度，又可细分为P+、N'、N-、P、P+、N+六层，分别对应于P+阳极区1、N'缓冲层2、N-衬底3、P基区4、P+短基区5和N+发射区6。器件内部存在3个PN结，从阳极往阴极分别为Jl结10、J2结11和J3结，其中，J3结为门阴极结12，原有GCT的单个元胞结构如附图1所示。从附图1中可以看出，Jl结10和J2结11是水平的，结边界在同一深度，J3结是门极挖槽后再扩散N+得到的，所以其边界底部是水平的，形状近似为一层台阶。如附图2所示，现有技术的GCT，当阳极施加高压且没有门极开通触发电流的情况下，GCT处于阻断状态，J2结11两侧的P型和N型区各电离一定厚度，形成(载流子)耗尽区，GCT整体对外呈现高阻状态。当给门极施加正向电流，P基区的电子势垒将会下降，这时电子从N+发射区注入，空穴从P+阳极注入，使器件内部的载流子浓度升高，进而能导通一定的电流。电流密度可由以下关系描述:J — INftn 其中为载流子浓度为单位电荷的电荷量，r为载流子的移动速度。具体的，如果是电子浓度，则/为电子电流密度；如果表示空穴浓度，那么/就是空穴电流密度。当电子和空穴分别从器件的N+发射区和P+阳极区注入后，器件内部的载流子浓度升高，器件的导电能力随之增强，这种由于载流子浓度升高而使导电能力显著提高的现象称为电导调制效应。发生电导调制效应后器件内部就形成了从阳极到阴极的低阻导电通路，于是器件就能通过非常大的电流。如附图3和附图4所示，分别是原有GCT导通时的电子浓度分布和空穴浓度分布，图中也标明了电子和空穴的电流方向> 和/P。因此，通过优化器件结构使器件的电导调制效应增强就可以提高器件的导通电流。在现有技术中，如附图5至8所示，一篇由日本三菱电气株式会社于1976年07月09日申请，并于1978年01月23日公开，公开号为JP53007179A的特许公开《晶闸管》通过增加PNPN结门极附近的注入效率，来增加初始导通面积，从而提高电流上升率di/dt，缩短开通时间，提高门极灵敏度和减少闩锁电流。该专利的应用领域为PNPN晶闸管，其中提到的增加门极附近的注入效率的方法有两种。如附图5中所示是第一种方法，通过在阴极N掺杂区靠近门极的位置，增加N型杂质的扩散深度来增加Jl结(该专利中称为J3结)的结深，N型区杂质总量也将增加。如附图6中所示是第二种方法，该方法通过增加N型区的表面浓度，从而增加N型区的杂质总量。这两种方法的共同特点是增加N型区的杂质总量(一种通过增加扩散深度来实现，一种通过增加表面浓度来实现)，改变的位置都在门极附近，P型掺杂都没有改变。增加N型杂质总量可以提高电子的注入量，于是就可以实现其提到的目的，即:通过增加PNPN结门极附近的注入效率，来增加初始导通面积，从而提高电流上升率di/dt，缩短开通时间，提高门极灵敏度和减少闩锁电流。由附图3所示可以看出，现有技术中的门阴极结结构以及具有该结构的晶闸管虽然从N+发射区6有大量的电子注入，但由于P+短基区5的掺杂浓度很高，提供了大量的空穴，电子在此处与空穴复合从而降低了 P基区和N基区的电子注入量，这就成了限制电导调制效应的因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，该方法减少了晶闸管N+发射区注入的电子在P+短基区和P基区的复合，增强了晶闸管的电导调制效应，进而提高了晶闸管的导通电流和开通速度。为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体提供了一种晶闸管门阴极结制备方法的技术实现方案，一种晶闸管门阴极结制备方法，所述方法包括以下步骤: 5101:准备N-型衬底； 5102:对所述N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区； 5103:对所述N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区，并在所述P基区与N-衬底之间形成J2结； 5105:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层； 5106:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层； 5107:对所述N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结； S109:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极和门极金属电极； 形成N+发射区、P+短基区、P基区、N-衬底依次排布，所述N+发射区的外表面设置有阴极金属电极，所述P+短基区的外表面设置有门极金属电极的结构。 本专利技术还具体提供了晶闸管门阴极结制备方法的另一种技术实现方案，一种晶闸管门阴极结制备方法，所述方法包括以下步骤: S301:准备N-型衬底；5302:对所述N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区，并在所述P基区与N-衬底之间形成J2结； 5303:对所述N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区； 5305:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层； 5306:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层； 5307:对所述N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结； S309:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极和门极金属电极； 形成N+发射区、P+短基区、P基区、N-衬底依次排布，所述N+发射区的外表面设置有阴极金属电极，所述P+短基区的外表面设置有门极金属电极的结构。作为本专利技术一种晶闸管门阴极结制备方法技术方案的进一步改进，采用铝作为掺杂杂质对所述P基区进行P扩散处理。作为本专利技术一种晶闸管门阴极结制备方法技术方案的进一步改进，采用硼作为掺杂杂质对所述P+短基区进行选择性P+扩散处理。作为本专利技术一种晶闸管门阴极结制备方法技术方案的进一步改进，采用磷作为掺杂杂质对所述N+发射区进行N+预沉积和N+推进处理。本专利技术还具体提供了晶闸管门阴极结制备方法的第三种技术实现方案，一种晶闸管门阴极结制备方法，所述方法包括以下步骤: 5201:准备N-型衬底； 5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S101：准备N?型衬底；S102：对所述N?型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区（5）；S103：对所述N?型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区（4）；S105：对经过上述处理的所述N?型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层；S106：对经过上述处理的所述N?型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层；S107：对所述N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结（12）；S109：对经过上述处理的所述N?型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极（9）和门极金属电极（8）；形成N+发射区（6）、P+短基区（5）、P基区（4）、N?衬底（3）依次排布，所述N+发射区（6）的外表面设置有阴极金属电极（9），所述P+短基区（5）的外表面设置有门极金属电极（8）的结构。

【技术特征摘要】
1.一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 5101:准备N-型衬底； 5102:对所述N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区(5)； 5103:对所述N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区(4)； 5105:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层； 5106:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层； 5107:对所述N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结(12); S109:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极(9 )和门极金属电极(8 ); 形成N+发射区(6)、P+短基区(5)、P基区(4)、N-衬底(3)依次排布，所述N+发射区(6)的外表面设置有阴极金属电极(9)，所述P+短基区(5)的外表面设置有门极金属电极(8)的结构。2.一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 5301:准备N-型衬底；` 5302:对所述N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区(4)； 5303:对所述N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区(5)； 5305:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层； 5306:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层； 5307:对所述N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结(12)； S309:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极(9 )和门极金属电极(8 ); 形成N+发射区(6)、P+短基区(5)、P基区(4)、N-衬底(3)依次排布，所述N+发射区(6)的外表面设置有阴极金属电极(9)，所述P+短基区(5)的外表面设置有门极金属电极(8)的结构。3.根据权利要求1或2所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用铝作为掺杂杂质对所述P基区(4)进行P扩散处理。4.根据权利要求3所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用硼作为掺杂杂质对所述P+短基区(5)进行选择性P+扩散处理。5.根据权利要求4所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用磷作为掺杂杂质对所述N+发射区(6)进行N+预沉积和N+推进处理。6.一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 5201:准备N-型衬底； 5202:对所述N-型衬底的正面进行P^扩散处理； 5203:对所述N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区(5)； 5204:对所述N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区(4); 5206:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层；5207:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层； S208:对所述N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结(12)； S210:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极(9 )和门极金属电极(8 ); 形成N+发射区(6)、P+短基区(5)、P基区(4)、N-衬底(3)依次排布，所述N+发射区(6)的外表面设置有阴极金属电极(9)，所述P+短基区(5)的外表面设置有门极金属电极(8)的结构。7.—种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 5401:准备N-型衬底； 5402:对所述N-型衬底的正面进行P'扩散处理； 5403:对所述N-型衬底的正面进行P扩散处理，形成P基区(4)； 5404:对所述N-型衬底的正面进行选择性P+扩散处理，形成P+短基区(5)； 5406:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行N+预沉积处理形成N+层； 5407:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行门极刻蚀处理，刻蚀掉门极位置上方的N+层； 5408:对所述N+层进行N+推进形成二层台阶结构的门阴极结(12)； S410:对经过上述处理的所述N-型衬底正面进行金属沉积和刻蚀处理，分别形成阴极金属电极(9 )和门极金属电极(8 ); 形成N+发射区(6)、P+短基区(5)、P基区(4)、N-衬底(3)依次排布，所述N+发射区(6)的外表面设置有阴极金属电极(9)，所述P+短基区(5)的外表面设置有门极金属电极(8)的结构。8.根据权利要求6或7所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用硼作为掺杂杂质对所述N-型衬底的正面进行P'扩散处理。9.根据权利要求8所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用硼或铝作为掺杂杂质对所述P+短基区(5)进行选择性P+扩散处理。10.根据权利要求9所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用铝作为掺杂杂质对所述P基区(4)进行P扩散处理。11.根据权利要求10所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用磷作为掺杂杂质对所述N+发射区(6)进行N+预沉积和N+推进处理。12.根据权利要求1、2、4-7、9-11中任一权利要求所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:通过掩膜阻挡方式实现选择性P+扩散处理，在所述N-型衬底的正面两侧形成所述P+短基区(5)，所述P+短基区(5)之间的间距通过所述掩膜的宽度进行设定。13.根据权利要求12所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:所述门阴极结(12)第二层台阶(13)的宽度通过所述选择性P+扩散的边界来确定。14.根据权利要求13所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:将所述P+短基区(5)之间的间距设置为L，并满足:0 < L彡300Mm。15.根据权利要求6、7、9-11、13、14所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:通过对所述N-型衬底的正面进行P'扩散调节所述门阴极结(12)第二层台阶(13)的深度。16.根据权利要求15所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:对所述N-型衬底的正面进行K扩散处理的浓度低于对所述P+短基区(5)进行选择性P+扩散处理的浓度。17.根据权利要求1、2、4-7、9-11、13、14中任一权利要求所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:采用I X IO16CnT3至5 X IO19CnT3的掺杂浓度对所述门阴极结(12)的边界进行P型杂质的掺杂处理。18.根据权利要求17所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其特征在于:将所述门阴极结(12)第二层台阶(13)的深度设置为Lc，并满足:IOMm彡Lc ( 50Mm。19.根据权利要求18所述的一种晶闸管门阴极结制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐龙谷，冯江华，吴煜东，陈勇民，陈芳林，
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：