阅读说明：本技术 一种逆导型mos栅控晶闸管及其制造方法 (Reverse conducting MOS grid-controlled thyristor and manufacturing method thereof ) 是由 刘超 汪淳朋 杨超 陈万军 张波 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明属于功率半导体技术领域,具体的说是涉及一种逆导型MOS栅控晶闸管及其制造方法。本发明中的一种逆导型MOS栅控晶闸管,主要是通过缩短常规RC-MCT器件的FS层宽度,增大P型阳极区上方的电阻,从而减小器件正向导通过程中的回跳电压,改善器件正向导通过程中的snapback效应；本发明中的一种逆导型MOS栅控晶闸管的制造方法,能够与现有MOS栅控晶闸管工艺相兼容。本发明的有益效果为：在不牺牲器件正向阻断能力的基础上,改善了器件正向导通过程中的snapback效应,提升了器件在正向导通过程中的稳定性。(The invention belongs to the technical field of power semiconductors, and particularly relates to a reverse conducting MOS (metal oxide semiconductor) grid-controlled thyristor and a manufacturing method thereof. The reverse conducting MOS grid-controlled thyristor is mainly characterized in that the resistance above a P-type anode region is increased by shortening the width of an FS layer of a conventional RC-MCT device, so that the rebound voltage of the device in the forward conducting process is reduced, and the snapback effect of the device in the forward conducting process is improved; the manufacturing method of the reverse conducting MOS grid-controlled thyristor can be compatible with the existing MOS grid-controlled thyristor process. The invention has the beneficial effects that: on the basis of not sacrificing the forward blocking capability of the device, the snapback effect of the device in the forward conduction process is improved, and the stability of the device in the forward conduction process is improved.)

一种逆导型MOS栅控晶闸管及其制造方法

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，具体的说是涉及一种逆导型MOS栅控晶闸管及其制造方法。

背景技术

随着人类社会的不断发展，能源的消耗量也不断增加，增加产出的同时，对于电能的利用率有着越来越高的要求。这些要求的实现，有赖于电力电子器件的发展。MOS栅控晶闸管作为一种新型功率器件，也得到了大家的关注。

MOS栅控晶闸管(MOS Controlled Thyristor，简称MCT)是一种兼具功率MOS和晶闸管优点的半导体器件，它具有电压控制驱动、无电流饱和特性和功率密度高的优点，非常适合应用在高功率领域。典型的MCT器件不具备逆向导通能力，而实际电路中如想正常工作，往往需要并连一个反向二极管，以便实现反向续流能力。以脉冲放电电路为例，若不具备反向导通能力，则不能实现连续脉冲过程，其反向将产生电压停滞，能量难以得到顺畅释放，则易发生器件损坏。

为解决此问题，人们提出了RC-MCT(Reverse Conducting MCT)。相比于传统的MCT而言，RC-MCT可以使用在脉冲功率电路中，不需要并联续流二极管，器件内部存在反向电流泄放通道，这样的优点是在不增加晶胞宽度的基础上，实现反向逆导功能，减小脉冲电路复杂度，便于电路集成，降低成本。但逆导结构会导致MCT在正向导通过程中有一个较大的回跳电压，这对其正向导通造成了不良影响，所以通过改进结构，减小RC-MCT的回跳电压是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种逆导型MOS栅控晶闸管结构，该结构改善了正向导通过程中的snapback效应。

本发明的技术方案：一种逆导型MOS栅控晶闸管，如图2所示，其元胞结包括阳极结构、位于阳极结构上表面的漂移区结构、位于漂移区上表面的平面栅极结构和阴极结构；所述漂移区结构为N-漂移区7和FS层8，所述N-漂移区7位于FS层8上层，FS层8的位于栅极结构下方，FS层8的上表面与N-漂移区7接触；所述平面栅极结构包括栅氧化层3和栅电极1，所述栅氧化层3位于N-漂移区7上表面一端；所述阴极结构包括阴极金属2、P型深阱区4、N阱区5、P阱区6，阴极金属2位于N-漂移区7上表面另一端，其特征在于，所述N-漂移区7上层具有P阱区6，P阱区6上层具有N阱区5，N阱区5上层具有P型深阱区4，P型深阱区4、N阱区5、P阱区6上表面的两端均分别与二氧化硅绝缘层3和阴极金属2的底部接触；所述阳极结构包括阳极金属11、N型阳极区10、P型阳极区9，所述P型阳极区9的上表面与FS层8的底部接触，所述N型阳极区10的上表面与N-漂移区7的底部接触，所述N型阳极区10的侧面与P型阳极区9接触。N型阳极区10的下表面和P型阳极区9的下表面与阳极金属11上表面接触。

本发明提供的逆导型MOS栅控晶闸管，其栅极结构可设置为平面型栅或沟槽型栅。

本发明还提出了一种逆导型MOS栅控晶闸管的制造方法，包括以下步骤：

第一步：选取N型硅片作为衬底硅片，即结构中的N-漂移区7，首先在N-漂移区7背面一端通过光刻离子注入N型杂质并推结形成N型FS层8；如图5所示；

第二步：在N-漂移区7上表面一端通过热氧化形成栅氧化层3，并在栅氧化层3上淀积一层多晶硅/金属，再刻蚀形成栅电极1；如图6所示；

第三步：利用离子注入和高温推结工艺，在N-漂移区7上层注入P型杂质并推结形成P阱区6，P阱区6一端的上表面与栅氧化层3底部接触；如图7所示；

第四步：利用离子注入和高温推结工艺，在P阱区6上层注入N型杂质形成N阱区5，N阱区5一端的上表面与栅氧化层3底部接触；如图8所示；

第五步：利用离子注入和高温推结工艺，在N阱区5上层注入P型杂质形成P型深阱区4，P型深阱区4一端的上表面与栅氧化层8底部接触；如图9所示；

第六步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；

第七步：在N-漂移区7上表面另一端淀积金属，形成阴极金属2；阴极金属2的底部与P阱区5、N阱区6、P型深阱区7另一端的上表面接触；如图10所示；

第八步：在器件表面淀积钝化层；

第九步：向背面N型FS层8下层通过光刻离子注入P型杂质并进行离子激活，形成P型阳极区9；如图11所示；

第十步：向背面N-漂移区7下层一端通过光刻离子注入N型杂质并进行离子激活，形成N型阳极区10；如图12所示；

第十一步：在器件下表面进行金属淀积形成阳极11；

本发明的有益效果为，本发明所提出的新型逆导MOS栅控晶闸管，通过大幅提高阳极短路电阻来抑制snapback效应。

附图说明

图1是常规平面栅型RC-MCT元胞结构示意图；

图2是本发明的平面栅型RC-MCT元胞结构示意图；

图3是常规的槽栅型RC-MCT元胞结构示意图；

图4是本发明的槽栅型RC-MCT元胞结构示意图；

图5本发明的制作工艺流程中形成N型FS层8后的结构示意图；

图6是本发明的制作工艺流程中形成栅氧后，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7是本发明的制作工艺流程中通过离子注入P型杂质推结形成P阱区的结构示意图；

图8是本发明的制作工艺流程中通过离子注入N型杂质推结形成N阱区的结构示意图；

图9是本发明的制作工艺流程中通过离子注入P型杂质推结形成P深阱区的结构示意图；

图10是本发明的制作工艺流程中正面金属化后的结构示意图；

图11是本发明的制作工艺流程中向背面注入P型杂质并进行离子激活，形成P型阳极区9后的结构示意图；

图12是本发明的制作工艺流程中向背面注入N型杂质并进行离子激活，形成N型阳极区10后的结构示意图；

图13为本发明与常规RC-MCT器件正向导通特性曲线对比示意图；

图14为本发明与常规RC-MCT器件击穿特性曲线对比示意图；

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明提供一种逆导型MOS栅控晶闸管，结构示意图如图2，包括栅电极1、金属化阴极2、栅氧化层3、P深阱4、N阱5、P阱6、N漂移区7、FS层8、P阳极区9、N阳极区10、金属化阳极11。P阱6位于漂移区7顶部，N阱5位于P阱6中，P深阱4位于N阱5中，栅氧化层3位于P深阱4、N阱5、P阱6、N漂移区7的表面，栅电极1位于栅氧化层3表面，金属化阴极2覆盖P深阱4和N阱5以及P阱6的一部分。N漂移区7的下表面设置有FS层8和N阳极区10，FS层8下表面是P型阳极区9，金属化阳极11上部与N阳极区10和P型阳极区9接触。

本发明提出的一种逆导型MOS栅控晶闸管，其栅极结构可设置为平面型栅或沟槽型栅，具有平面型栅的逆导型MOS栅控晶闸管元胞结构如图2所示，具有沟槽型栅的逆导型MOS栅控晶闸管元胞结构如图4所示。

在器件的栅极1上加正电压，则栅极1下方的P型基区6表面产生N型沟道。阳极10加正电压，阴极1接零电位，当阳极电流较小时，N阱区5中电子注入到N型漂移区7中，最后通过N型阳极区10流出，该通路仅为电子导电。随着阳极电流的增大，在P型阳极区9与N型FS层8所构成的PN结上形成的压降高于其开启电压，PN结开启，P型阳极区9向N漂移区7注入大量空穴，N漂移区7发生电导调制效应，导通电阻大大降低，此时，器件的电流电压关系曲线将出现回跳现象。

本发明与常规的RC-MCT相比，通过减小FS层的宽度，增大了P型阳极区上方的电阻，使得器件正向导通过程中的回跳电压得以减小，同时，并没有降低器件的正向耐压。

图13表示的是本发明与常规RC-MCT器件正向导通特性曲线对比示意图。从图中可以看到，常规RC-MCT的回跳电压为74.3V，而本发明的回跳电压为57.9V，相较于常规结构，本发明的回跳电压降低了22％，此结果充分说明了本发明显改善了器件正向导通过程中的snapback效应。

图14表示的是本发明与常规MCT器件击穿特性曲线对比示意图。从图中可以看到，两条曲线基本重合，说明本发明相比常规RC-MCT器件，耐压没有变化，这也说明本发明的器件结构上的改变，不会牺牲器件的正向阻断能力。