基于VLD技術(shù)的MCT器件仿真分析*

阮建新，陳萬軍，孫瑞澤，彭朝飛，張 波

（1. 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054；2. 東莞電子科技大學(xué)電子信息工程研究院，東莞 523808）

基于VLD技術(shù)的MCT器件仿真分析*

阮建新1,2，陳萬軍1,2，孫瑞澤1,2，彭朝飛1,2，張 波1

（1. 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054；2. 東莞電子科技大學(xué)電子信息工程研究院，東莞 523808）

針對(duì)在脈沖功率領(lǐng)域有一定應(yīng)用的柵控晶閘管（MCT）器件，提出了一種基于VLD（橫向變摻雜）技術(shù)的MCT（VMCT）器件新工藝并通過仿真比較出新工藝的優(yōu)勢。VLD技術(shù)是指通過調(diào)整掩模版窗口的大小調(diào)節(jié)雜質(zhì)摻雜濃度，進(jìn)而優(yōu)化MCT中NPN晶體管的電流放大系數(shù)a，通過仿真確定了新工藝的雜質(zhì)注入劑量。仿真結(jié)果表明采用新工藝的VMCT器件比采用常規(guī)工藝MCT（CMCT）電流能力更強(qiáng)，是CMCT的2倍；和CMCT相比，VMCT器件的耐壓和關(guān)斷電壓都保持不變，但是VMCT在工藝流程中比MCT節(jié)省一張掩模版。

MCT；VLD；擊穿電壓；電流能力

1 引言

在功率電子器件領(lǐng)域，MCT（MOS Control Thyristor）器件兼?zhèn)銶OS和雙極器件的特點(diǎn)，具有高壓、大電流、低導(dǎo)通壓降、可控性、快開關(guān)速度和負(fù)溫度反饋等一系列優(yōu)點(diǎn)，使得它有一定的應(yīng)用潛力[1]。由于電流不飽和特性[2]使得MCT在應(yīng)用時(shí)需要復(fù)雜的外部匹配電路，導(dǎo)致了MCT的應(yīng)用受到了一定的限制；但是隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，MCT在脈沖功率領(lǐng)域應(yīng)用重新[3]吸引了人們對(duì)它的研究。從MCT（圖1）陰極（Cathode）看，由于P+、N-well和P-well三個(gè)阱對(duì)雜質(zhì)濃度要求不同，采用三重?cái)U(kuò)散[4]形成這三個(gè)阱成為了常規(guī)MCT（CMCT）的核心工藝。考慮到三重?cái)U(kuò)散工藝的容寬較小，工藝控制困難，如何優(yōu)化形成這三個(gè)阱的工藝成為關(guān)鍵。本文基于VLD（橫向變摻雜）技術(shù)對(duì)CMCT的三重?cái)U(kuò)散工藝進(jìn)行優(yōu)化，使得新MCT（VMCT）器件相對(duì)于CMCT器件在節(jié)省一張掩模版的同時(shí)也具有較低的導(dǎo)通電阻，并且使用VLD技術(shù)可以擴(kuò)大工藝控制能力。

2 器件結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是MCT器件結(jié)構(gòu)和等效電路圖，從圖1中可以看出MCT器件是由MOS控制的PNPN結(jié)構(gòu)組成，它包含了一個(gè)寄生的PNPN晶閘管和兩個(gè)MOSFET；兩個(gè)MOSFET為等效電路圖中的ON-FET和OFFFET，分別起到了開啟和關(guān)斷MCT的作用。當(dāng)門極[5]（Gate）相對(duì)陰極施加正電壓時(shí)，P-well表面出現(xiàn)反型層，提供了電子通道，電子進(jìn)入漂移區(qū)；由于陽極（Anode）和陰極存在電勢差，大量空穴從陽極注入到漂移區(qū)使PNP晶體管導(dǎo)通；PNP晶體管的集電極電流提供了NPN晶體管的基極電流使NPN晶體管導(dǎo)通，而NPN晶體管的集電極電流又作為了PNP晶體管的基極電流，這樣在NPN和PNP晶體管之間形成了正反饋；若滿足aNPN+aPNP≥1時(shí)，MCT便迅速由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)門極相對(duì)于陰極施加負(fù)電壓時(shí)，寄生NPN晶體管的基極-發(fā)射極被短路，使NPN晶體管截止，破壞了晶閘管的擎住條件，使MCT關(guān)斷。

圖1 MCT器件結(jié)構(gòu)和等效電路圖

3 器件的工藝分析

圖2是一種典型的CMCT器件工藝流程圖[6]，從中可以得出CMCT在形成P-well時(shí)需要兩張掩模版，即FLR（結(jié)終端）和P-well，來完成兩次雜質(zhì)注入；在形成FLR時(shí)掩模版也在P-well處開孔注入雜質(zhì)。用兩張掩模版的原因是如果采用一次雜質(zhì)注入造成P-well濃度過大，MCT開啟電壓增大，電流能力減??；P-well濃度過小，MCT在承受電壓的時(shí)候P-well里的雜質(zhì)會(huì)耗盡，使得耐壓降低，因此優(yōu)化P-well的濃度成為了關(guān)鍵。

圖2 MCT和VMCT器件工藝流程圖

圖3 VLD注入窗口示意圖

VLD技術(shù)是通過調(diào)整掩模版的窗口大小和比例調(diào)節(jié)注入雜質(zhì)的劑量[7]，近而實(shí)現(xiàn)調(diào)整雜質(zhì)濃度的目的。本文中P-well的濃度如果過低，在承受電壓的時(shí)候會(huì)穿通；P-well的濃度如果過高，會(huì)影響MCT的電流能力，而VLD技術(shù)可以解決這一問題。因此本文基于VLD[8]技術(shù)提出一種新的MCT工藝，在新工藝中把P-well和FLR用一張掩模版完成，這樣在優(yōu)化P-well濃度的同時(shí)也節(jié)省了一張掩模版；圖3是VLD注入窗口示意圖[9]，其原理可以用公式[10]（1）、（2）、（3）來解釋。從公式[10]（4）得到采用VLD技術(shù)調(diào)節(jié)P-well的濃度可以優(yōu)化電流放大系數(shù)a，使得寄生晶體管NPN的aNPN提高，從而使器件更容易滿足aNPN+aPNP≥1的條件，使得MCT電流能力得到提高。

4 仿真條件

器件采用的是電阻率為80 Ω·cm、＜100﹥徑向的硅片；VMCT的VLD層的注入劑量為5×1013cm-2；CMCT的FLR和P-well的注入劑量分別為4×1013cm-2和2×1013cm-2；N-well的注入劑量為2×1014cm-2，P+的注入劑量為4×1015cm-2，陽極P的注入劑量為2× 1015cm-2，器件摻雜濃度分布如圖4所示。

5 仿真結(jié)果和分析

圖4 X=5 μm時(shí)Y方向的濃度分布

圖4是X=5 μm時(shí)Y方向的雜質(zhì)濃度分布，從圖中可知CMCT的濃度要高于VMCT，原因在于CMCT中的P-well由兩次雜質(zhì)注入擴(kuò)散形成，而VMCT只有一次，這也正是VMCT工藝優(yōu)越之處；此外由于雜質(zhì)補(bǔ)償作用導(dǎo)致兩種工藝都會(huì)出現(xiàn)器件局部濃度很低的情況。

圖5 VMCT和CMCT的正向電流圖

圖5是VMCT和CMCT器件在開通過程中的電流圖，圖6是當(dāng)器件導(dǎo)通陽極加2 V電壓時(shí)部分漂移區(qū)（長度100 μm）的電子濃度分布圖，從兩圖中可知采用VLD技術(shù)時(shí)P-well注入劑量越小，漂移區(qū)的電子濃度越大，電流能力越強(qiáng)。采用VLD工藝可以降低P-well的濃度（由圖4可知），導(dǎo)致N(X)降低（參考公式4），從而使寄生晶體管NPN的放大系數(shù)aNPN變大，使得MCT電流能力更強(qiáng)。但是如何選擇VLD工藝的雜質(zhì)注入劑量又成了問題，由于器件的耐壓和P-well濃度有很大關(guān)系，器件的耐壓成了衡量P-well雜質(zhì)注入劑量的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 漂移區(qū)電子濃度分布圖

圖7 VLD層不同注入劑量下的耐壓圖

圖7為MCT不同注入劑量下的耐壓圖，圖8為MCT正向承受耐壓時(shí)P-well的耗盡曲線圖。從圖7中可以得知不同注入劑量的VMCT器件耐壓差別很大。采用VLD工藝時(shí)，P-well的注入劑量太低會(huì)導(dǎo)致耐壓時(shí)P-well全部耗盡，見圖8(a)，器件擊穿，耐壓降低；在注入劑量為5×1013cm-2的時(shí)候，VMCT器件的耐壓和CMCT器件的耐壓同樣達(dá)到1740 V；注入劑量增加到6×1013cm-2的時(shí)候，VMCT器件耐壓幾乎保持不變且P-well并沒有完全耗盡，見圖8(c)。從圖5可知注入劑量為5×1013cm-2時(shí)VMCT器件電流能力強(qiáng)于注入劑量為6×1013cm-2時(shí)，并且注入劑量為5×1013cm-2時(shí)VMCT的電流能力近似于CMCT的2倍，因此選擇5 ×1013cm-2的注入劑量。但是由于MCT關(guān)斷特性不好的特點(diǎn)，在選擇P-well注入劑量的時(shí)候應(yīng)該考慮其是否對(duì)MCT的關(guān)斷特性造成影響。

圖8 MCT的正向耐壓P-well耗盡曲線

由于雜質(zhì)補(bǔ)償作用P-well濃度改變會(huì)導(dǎo)致N-well濃度改變，N-well濃度變化會(huì)改變器件的關(guān)斷閾值電壓。圖9是MCT在不同注入劑量下的關(guān)斷電壓圖，從圖中可知注入劑量為5×1013cm-2時(shí)的VMCT和CMCT關(guān)斷電壓相同，所以選擇注入劑量為5×1013cm-2。

6 結(jié)束語

圖9 不同注入劑量下MCT的關(guān)斷電壓

本文在CMCT的工藝流程基礎(chǔ)上提出了一種新的工藝流程，采用橫向變摻雜工藝替代以前的兩次擴(kuò)散工藝。仿真結(jié)果表明，和CMCT相比，VMCT的電流能力得到了很大提高，陽極外加電壓2 V時(shí)VMCT電流能力近似于CMCT的2倍；此外VMCT器件相對(duì)于CMCT器件在工藝流程上還節(jié)省一張掩模版。有了新工藝，MCT在功率脈沖電子領(lǐng)域?qū)?huì)有更大的應(yīng)用潛力。

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Simulation and Analysis of MCT Device Based on VLD Technology

RUAN Jianxin1,2, CHEN Wanjun1,2, SUN Ruize1,2, PENG Zhaofei1,2, ZHANG Bo1

（1.State Key Laboratory of Electronic Thin Film and Integrated Devices,UESTC,Chengdu610054,China; 2.Institute of Electronic and Information Engineering in Dongguan,UESTC,Dongguan523808,China）

MOS controlled thyristor (MCT) which is used in pulsed power field is investigated by numerical simulation tool in this paper. A new process based on VLD(variable lateral doping) technology for MCT is proposed and its advantages are also found by simulation. Current amplification factoraof NPN transistor in MCT is optimized by adjust the size of mask and the dose of impurity implantation.The dose of impurity implantation is identified by simulation.The simulation results indicate that the current ability of conventional MOS controlled thyristor (CMCT) is only half of the VLD MOS controlled thyristor (VMCT). The breakdown voltage and turn off voltage of VMCT are the same as CMCT.However, compared with CMCT, a mask is saved in the VMCT process.

MCT; VLD; breakdown voltage; current ability

TN386.2

A

1681-1070（2014）08-0028-04

阮建新（1988—），男，河南開封人，電子科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦凸β拾雽?dǎo)體器件與集成電路和系統(tǒng)。

2014-03-07

國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)（2011ZX02706-003）；預(yù)研項(xiàng)目（51308030407）