一种门极换流晶闸管GCT器件结构及其制造方法与流程

一种门极换流晶闸管gct器件结构及其制造方法
技术领域
1.本发明属于电力半导体器件制造技术领域，具体涉及一种门极换流晶闸管gct器件结构及其制造方法。


背景技术：

2.近年来柔性高压直流输电技术快速发展，模块化多电平变换器(mmc)上已有igct使用。igct由gto发展而来，属于电流控制型器件。尽管igct的可关断电流和无吸收soa能力有了很大的提高，但mmc工况的复杂性要求igct具有10000a以上的可关断电流能力，即使将器件尺寸增加到6英寸，对器件制造商来说也是非常大的挑战。
3.目前最新的gct采用了波状p基区结构，这可以实现更高的关断电流。但波状p基区需要采用氮化硅掩蔽铝扩散和二次铝离子注入形成，额外的光刻和注入工艺增加了制造成本和难度。此外，gct采用整晶圆制造工艺，为了实现分立的门—阴极，其台面高度差较大，导致反刻铝的腐蚀工艺难度增大，尤其经过二次刻铝后，阴极指条的铝层形貌较差，进而会影响通态和关断性能。因此需要尽可能地采用一次蒸发并反刻形成铝电极。
4.为了解决以上存在的问题，亟需一种更高关断电流，兼具低成本和高效率生产的门极换流晶闸管gct器件结构及其制造方法。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种门极换流晶闸管gct器件结构及其制造方法。
6.本发明所采用的技术方案是，一种门极换流晶闸管gct器件结构，从上往下依次设置有阴极和门极铝层，阴极n 区，门极p区，p-区，n-基区，n缓冲区，透明阳极p 区和阳极铝层。
7.所述阴极n 区深度为15～25μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～5
×
10
20
cm-3
。所述门极p区深度为30～60μm，掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
18
cm-3
。所述p-区深度为100～140μm，掺杂浓度为1
×
10
14
～5
×
10
15
cm-3
。所述n-基区厚度为400～600μm，掺杂浓度为5
×
10
12
～5
×
10
13
cm-3
。所述n缓冲区的深度为20～40μm，掺杂浓度为5
×
10
15
～5
×
10
16
cm-3
。所述透明阳极p 区深度为1～10μm，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm-3
。
8.阴极铝层和门极铝层之间设有门极沟槽，其深度为h，且大于阴极n 区深度，阴极n 区下方分别设有波状p区和波状p-区，其深度都等于门极沟槽深度，阴极铝层厚度等于门极铝层厚度。
9.所述的一种门极换流晶闸管gct器件结构的制造方法，按照以下步骤实施：
10.(1)选用原始的无缺陷、无位错高阻区熔中照单晶硅片作为n-区的衬底材料；
11.(2)阳极面匀胶保护，阴极面光刻，选择性对硅片进行腐蚀，腐蚀后门极沟槽深度h为20～30μm，形成分立的门—阴极；
12.(3)在硅片阴极面进行硼离子注入，注入能量30～200kev，注入剂量1e14～1e15cm-2
，并高温扩散，条件为1200～1250℃，时间10～40h，形成门极p区，深度30～60μm，掺
杂浓度1
×
10
16
～1
×
10
18
cm-3
。其中，波状p区通过分立的门—阴极高度差扩散后形成，波纹高度等于门极沟槽深度。
13.(4)双面铝预沉积，并腐蚀掉阳极铝，接着湿氧氧化兼高温扩散，条件为1200～1250℃，时间20～50h，形成p-区，深度100～140μm，掺杂浓度1
×
10
14
～5
×
10
15
cm-3
。其中，波状p-区通过分立的门—阴极高度差扩散后形成，波纹高度等于门极沟槽深度。
14.(5)阳极面光刻，磷离子注入，注入能量30～200kev，注入剂量1e12～1e14cm-2
，并高温扩散，条件为1200～1250℃，时间20～40h，形成n缓冲区，深度20～40μm，掺杂浓度5
×
10
15
～5
×
10
16
cm-3
。
15.(6)阴极面光刻，在阴极条上形成n 区扩散窗口，选择性预沉积磷，并湿氧氧化兼高温推进，条件为1100～1200℃，时间5～10h，形成高浓度n 区，掺杂浓度5
×
10
19
～5
×
10
20
cm-3
，并确保结深度为15～25μm，使其不大于门极沟槽深度。
16.(7)阳极面光刻，并硼离子注入，注入能量30～200kev，注入剂量1e14～1e15cm-2
，并退火，条件为850～950℃，时间30～2h，形成透明阳极p 区，深度为1～10μm，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm-3
。
17.(8)硅片双面蒸铝，厚度5～15μm，阴极面仅一次反刻铝，形成门—阴极隔离，构成阴极铝层、门极铝层和阳极铝层，接着合金，激光割圆，切割成直径为30～130mm的圆片。
18.(9)台面造型、腐蚀，形成负角结构，角度1
°
～3
°
，并涂胶保护，形成完整的芯片，后经辐照，完成阻断电压测试。
19.本发明具有以下有益效果：
20.通过先挖槽后扩散的方式，依靠分立的门—阴极高度差扩散形成波纹高度等于门极沟槽深度的波状p区和波状p-区，避免了额外的光刻和注入工艺，降低了制造成本和难度。经过优化设计，其门极沟槽深度大于阴极n 区深度，既可以避免关断期间gct中寄生npn晶体管的栓锁，提高可关断电流能力，又可以实现一次蒸发和一次反刻铝工艺，避免二次蒸发和二次反刻铝，降低工艺成本，提高生产效率。
附图说明
21.图1是普通波状p基区gct结构示意图。
22.图2是本发明波状p基区gct结构示意图。
23.图3是本发明波状p基区gct结构的关键工艺步骤流程图。
24.图4是本发明波状p基区gct结构的制造工艺流程。
25.附图标记说明：
26.参照图1和图2，10-阴极铝层；11-门极铝层；200-门极沟槽；20-阴极n 区；21-门极p区；210-p型波状区；22-p-区；220-p-波状区；30-n-基区；40-n缓冲区；41-透明阳极p 区；50-阳极铝层。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明予以详细说明。
28.参照图2，本发明提供了一种门极换流晶闸管gct器件结构，从上往下依次设置有阴极铝层10和门极铝层11，阴极n 区20，门极p区21，p-区22，n-基区30，n缓冲区40，透明阳
极p 区41和阳极铝层50。阴极铝层10和门极铝层11之间设有门极沟槽200，其深度为h，门极沟槽200深度大于阴极n 区20深度。阴极n 区20正下方分别设置了波状p区210和波状p-区220，其深度都等于门极沟槽深度h。阴极铝层10厚度等于门极铝层11厚度。所述阴极n 区20深度为15～25μm，掺杂浓度为5
×
10
19
～5
×
10
20
cm-3
。所述门极p区21深度为30～60μm，掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
18
cm-3
。所述p-区22深度为100～140μm，掺杂浓度为1
×
10
14
～5
×
10
15
cm-3
。所述n-基区30厚度为400～600μm，掺杂浓度为5
×
10
12
～5
×
10
13
cm-3
。所述n缓冲区40的深度为20～40μm，掺杂浓度为5
×
10
15
～5
×
10
16
cm-3
。所述透明阳极p 区41深度为1～10μm，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm-3
。
29.结合图1和图2，本发明具有的特点是：
30.(1)门极沟槽200深度h大于阴极n 区20深度。阴极n 区20正下方设置的波状p区210和波状p-区220深度都等于门极沟槽200深度h，阴极铝层10厚度等于门极铝层11厚度。
31.(2)由于门极沟槽200深度大于阴极n 区20深度，可以避免寄生的npn晶体管栓锁，提高gct的可关断电流。通过分立的门—阴极高度差扩散形成波纹高度等于门极沟槽深度的波状p区210和波状p-区220，可以减少离子注入和光刻步骤，并进一步提高可关断电流。阴极铝层10和门极铝层11同时形成，避免了二次刻铝，降低了制造成本和反刻铝的工艺难度。
32.结合图3和图4对制造工艺进行说明：
33.一种门极换流晶闸管gct器件结构的制造方法，包括以下步骤：
34.(1)选用原始的无缺陷、无位错高阻区熔中照单晶硅片作为n-区的衬底材料；
35.(2)阳极面匀胶保护，阴极面光刻，选择性对硅片进行腐蚀，腐蚀后门极沟槽200深度h为20～30μm，形成分立的门—阴极；
36.(3)在硅片阴极面进行硼离子注入，注入能量30～200kev，注入剂量1e14～1e15cm-2
，并高温扩散，条件为1200～1250℃，时间10～40h，形成门极p区21，深度30～60μm，掺杂浓度1
×
10
16
～1
×
10
18
cm-3
。其中，波状p区210通过分立的门—阴极高度差扩散后形成，波纹高度h等于门极沟槽200深度h。
37.(4)双面铝预沉积，并腐蚀掉阳极铝，接着湿氧氧化兼高温扩散，条件为1200～1250℃，时间20～50h，形成p-区22，深度100～140μm，掺杂浓度1
×
10
14
～5
×
10
15
cm-3
。其中，波状p-区220也通过分立的门—阴极高度差扩散后形成，波纹高度h等于门极沟槽200深度h。
38.(5)阳极面光刻，磷离子注入，注入能量30～200kev，注入剂量1e12～1e14cm-2
，并高温扩散，条件为1200～1250℃，时间20～40h，形成n缓冲区40，深度20～40μm，掺杂浓度5
×
10
15
～5
×
10
16
cm-3
。
39.(6)阴极面光刻，在阴极条上形成n 区扩散窗口，选择性预沉积磷，并湿氧氧化兼高温推进，条件为1100～1200℃，时间5～10h，形成高浓度阴极n 区20，掺杂浓度5
×
10
19
～5
×
10
20
cm-3
，并确保结深度为15～25μm，使其不大于门极沟槽200深度h。
40.(7)阳极面光刻，并硼离子注入，注入能量30～200kev，注入剂量1e14～1e15cm-2
，并退火，条件为850～950℃，时间30～2h，形成透明阳极p 区41，深度为1～10μm，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
20
cm-3
。
41.(8)硅片双面蒸铝，厚度5～15μm，阴极面仅一次反刻铝，形成门—阴极隔离，构成
阴极铝层10、门极铝层11和阳极铝层50，接着合金，激光割圆，切割成直径为30～130mm的圆片。
42.(9)台面造型、腐蚀，形成负角结构，角度1
°
～3
°
，并涂胶保护，形成完整的芯片，后经辐照，完成阻断电压测试。
43.本发明的器件结构及其制造方法适用于所有gct结构，例如rb-gct、rc-gct和a-gct等。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。