一種高di/dt柵控晶閘管的三重擴(kuò)散工藝優(yōu)化*

孫瑞澤 ，陳萬軍 ，彭朝飛 ，阮建新 ，張 波

（1. 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054；2. 東莞電子科技大學(xué)電子信息工程研究院，廣東 東莞 523808）

1 引言

電容式能量存儲器具有穩(wěn)定的能量存儲、高功率密度和高傳輸速度等優(yōu)點，在具有高瞬時功率的脈沖功率系統(tǒng)中，系統(tǒng)的能源供給通常由電容式能量存儲提供[1~3]。脈沖寬度是由電路的時間常數(shù)決定的，因此電容式能量存儲器需要足夠低的負(fù)載阻抗以產(chǎn)生短脈沖大電流，從而實現(xiàn)脈沖功率系統(tǒng)中的高電流上升速率[4,5]?；鸹ㄏ兜葌鹘y(tǒng)開關(guān)器件具有開關(guān)速率低、使用壽命短和效率低下等缺點，而固體開關(guān)器件因其優(yōu)越輕便性、低成本和高效率等特點在脈沖功率系統(tǒng)中得到了應(yīng)用[6]。柵控晶閘管（MOS Controlled Thyristor，簡稱MCT）具有高電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)與極低的導(dǎo)通電阻，因此MCT在脈沖放電應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢[7]。但是在短脈沖操作中，特別是在快速開啟時，器件有可能根本無法完成操作，或者即使完成也會導(dǎo)致過早失效[8~10]。

當(dāng)MCT應(yīng)用在脈沖放電電路中時，更高的正向工作電流意味著器件能夠承受具有高電流上升率的浪涌電流。一個有效提高此特性的方法就是增加器件濃度梯度以實現(xiàn)陰極側(cè)的載流子注入增強(qiáng)。MCT的傳統(tǒng)制造工藝是基于DMOS技術(shù)的三重擴(kuò)散工藝[11]。由于陰極側(cè)的P阱與N阱都是通過注入擴(kuò)散形成，其濃度受器件正向?qū)芰εc耐壓要求所限制，制造工藝中無法針對高電流上升率特性進(jìn)行濃度分布的調(diào)整。因此，本文提出了一種優(yōu)化型三重擴(kuò)散工藝（Optimized Triple Diffusion，簡稱OTD）以實現(xiàn)高電流上升率MCT器件。

2 濃度分布與di/dt的折中關(guān)系

傳統(tǒng)MCT制造工藝是通過修改DMOS工藝菜單而實現(xiàn)，同時MCT的結(jié)構(gòu)決定了要采用三重擴(kuò)散工藝來制造開啟與關(guān)斷溝道。圖1顯示了傳統(tǒng)MCT的結(jié)構(gòu)與其等效電路。高di/dt特性MCT首先要擁有足夠高的正向電流能力，這可以通過增大MCT中寄生三極管的電流增益以加快MCT閂鎖狀態(tài)的建立而實現(xiàn)。另外，降低器件的導(dǎo)通電阻能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電流上升率，這需要在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計中增大陰極電流注入效率以實現(xiàn)更強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制。

圖1 MCT的結(jié)構(gòu)橫截面與等效電路圖

增加寄生晶體管的放大系數(shù)與注入效率都可以通過調(diào)整P阱與N阱間的濃度梯度來實現(xiàn)。通常調(diào)整阱區(qū)與溝道區(qū)的濃度都是通過調(diào)整整體的注入劑量與擴(kuò)散時間。低導(dǎo)通電阻可以通過簡單的增加N阱的注入劑量來實現(xiàn)，但是這種方法存在以下折中關(guān)系：

（1）關(guān)斷溝道是由N阱的注入擴(kuò)散形成的，因而器件關(guān)斷閾值電壓會隨著N阱劑量的提高而增加。在DMOS工藝中柵氧層厚度通常低于100 nm，過高的關(guān)斷閾值電壓會降低柵極驅(qū)動的可靠性并且加速柵氧化層老化，同時系統(tǒng)保持關(guān)斷狀態(tài)所需的功耗也會上升。

（2）在正向耐壓狀態(tài)時，耗盡區(qū)更傾向于向低摻雜區(qū)擴(kuò)展，因此P阱一側(cè)的P阱/N阱結(jié)的耗盡區(qū)寬度會展寬。隨著N阱劑量的提高，此側(cè)的耗盡區(qū)會進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致P阱內(nèi)未耗盡區(qū)被壓縮，這就產(chǎn)生了穿通擊穿的危險。雖然可以通過將P阱劑量同時提高50%來應(yīng)對N阱劑量提高帶來的缺點，但是考慮到MCT的傳統(tǒng)工藝中P阱由單步注入擴(kuò)散形成，并且器件的高耐壓要求已經(jīng)導(dǎo)致P阱濃度非常高，不適合再提高。如果通過增加擴(kuò)散時間來提高P阱結(jié)深與開啟溝道的寬度，這樣雖然可以降低P阱濃度，但是過長的高溫退火會影響其他阱區(qū)的濃度分布并增加生產(chǎn)成本。

正向能力的提升與關(guān)斷操作對器件的要求之間存在折中關(guān)系，單獨增大N阱的劑量會導(dǎo)致諸如更高的閾值電壓與穿通擊穿等性能退化。

3 優(yōu)化型三重擴(kuò)散工藝

本文設(shè)計了基于DMOS工藝的優(yōu)化型三重擴(kuò)散工藝（Optimized Triple Diffusion，簡稱OTD），包括重新設(shè)定掩模板參數(shù)、引入深N阱、復(fù)用場限環(huán)的掩模板來制造P阱等優(yōu)化措施。該措施在深N阱制造中使用結(jié)終端工藝中的N型截止環(huán)的高濃度注入，修改其掩模板使N型截止環(huán)工藝同時實現(xiàn)元胞中的深N阱。如果器件結(jié)終端工藝中未使用截止環(huán)，則需要增加一層光刻層次。該措施在深P阱制造中使用結(jié)終端工藝中的P型場限環(huán)的高濃度注入，修改其掩模板使P型場限環(huán)工藝同時實現(xiàn)元胞中的深P阱。器件結(jié)終端工藝中通常具有此步驟，因此深P阱不需要增加光刻層次。圖2與圖3展示了OTD工藝與其他傳統(tǒng)工藝的對比以及制造出的MCT的結(jié)構(gòu)對比。

圖2 OTD工藝與傳統(tǒng)工藝流程對比

圖3 傳統(tǒng)工藝與OTD工藝制造的MCT的橫截面對比

3.1 場限環(huán)掩模板復(fù)用與P阱的窗口組合

利用場限環(huán)注入的高劑量P型雜質(zhì)與重新設(shè)計的掩模板，在形成場限環(huán)的同時在P阱中心范圍實現(xiàn)深P阱。此道工藝在柵形成工藝之前，因此形成的P阱可以通過后續(xù)的高溫過程得到充分?jǐn)U散。深P阱可以將P阱中心部分的擴(kuò)散邊界向體內(nèi)推進(jìn)更深，同時又不影響開啟溝道處較低的P阱濃度，從而保證開啟閾值電壓不變。深P阱還可以在關(guān)斷溝道處于N阱進(jìn)行雜質(zhì)補(bǔ)償，進(jìn)一步降低關(guān)斷溝道的濃度，降低關(guān)斷閾值電壓。此道工藝將場限環(huán)掩模板復(fù)用實現(xiàn)P阱的橫向濃度的準(zhǔn)確控制，同時又不增加額外熱過程，該步驟實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖4左所示。

3.2 大注入窗口的深N阱與N阱的窗口組合

深N阱的注入窗口設(shè)計為小于N阱的自對準(zhǔn)注入窗口。N阱與深N阱注入窗口之間的非重疊部分可以保證關(guān)斷溝道處只有N阱的注入，進(jìn)而保持關(guān)斷溝道處較低的濃度，而元胞中心區(qū)域有深N阱與N阱的疊加注入，注入總劑量為N阱的5倍以上，這樣可以在元胞中心區(qū)域獲得較大的濃度梯度。如圖4所示，此道工藝可以實現(xiàn)對N阱橫向濃度的準(zhǔn)確控制。該步驟實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖4右所示。

圖4 器件截面結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)果與討論

本文通過半導(dǎo)體器件仿真軟件MEDICI對MCT進(jìn)行工藝仿真與電學(xué)性能測試以證實OTD工藝對MCT的性能改進(jìn)。將傳統(tǒng)MCT作為基準(zhǔn)參考組（標(biāo)記為Con.MCT），將N阱劑量提高50%以作為比對組（標(biāo)記為N+MCT），將改進(jìn)型三重擴(kuò)散工藝制造的MCT作為目標(biāo)組（標(biāo)記為OTD-MCT）。主要器件參數(shù)如下：元胞寬度為30 μm，MOS柵長為7 μm，N漂移區(qū)的厚度與摻雜濃度分別為200 μm與8×1013cm-3，P阱的峰值濃度與結(jié)深分別為2×1017cm-3與4 μm，N阱的峰值濃度與結(jié)深分別為1×1018cm-3與1.5 μm，背面P型重?fù)诫s陽極區(qū)的摻雜濃度與結(jié)深分別為1×1019cm-3與2 μm，電子與空穴的壽命都是10 μs。

4.1 靜態(tài)參數(shù)對比

三種不同工藝下制造的MCT器件的表面濃度分布如圖5所示，OTD-MCT在元胞中心區(qū)域具有高濃度梯度同時在溝道區(qū)具有較低的濃度。從x=0到x=4 μm處，深N阱的存在使得N阱的整體濃度較高。在x=7 μm附近的關(guān)斷溝道處，由于N阱劑量未改變，溝道濃度能夠保持與傳統(tǒng)MCT一致。N+MCT器件組擁有最高的N阱濃度，在關(guān)斷溝道區(qū)始終高于Con.MCT，這對閾值電壓是十分不利的。

圖5 不同工藝下制造MCT器件的表面濃度分布對比

圖6顯示了三種MCT器件在陽極電壓+2 V以及柵壓+7 V的情況下的I-V曲線，得益于OTD工藝中實現(xiàn)的元胞中心區(qū)域的高濃度梯度，OTD-MCT的電流能力甚至超過了N+MCT，與傳統(tǒng)MCT相比提高了20%。

圖6 不同工藝下制造MCT器件的I-V特性

圖7左與圖7右分別顯示了MCT器件的開啟與關(guān)斷溝道的轉(zhuǎn)移特性曲線?？梢钥闯觯啾扔谄渌に?，OTD工藝可以將關(guān)斷閾值電壓控制在-10 V左右，開啟閾值僅比Con.MCT高0.1 V。從圖8中MCT器件在正向耐壓時的等勢線可以看出，N+MCT將N型阱區(qū)與P型阱區(qū)組成的正偏二極管的耗盡區(qū)邊界推向P型阱區(qū)深處，器件易發(fā)生穿通擊穿；而OTD-MCT能夠?qū)崿F(xiàn)N阱/P阱結(jié)與P阱/N漂移區(qū)結(jié)的耗盡區(qū)邊界間足夠的未耗盡區(qū)域?qū)挾?，能夠有效防止穿通擊穿?/p>

圖7 不同工藝MCT器件的開啟溝道與關(guān)斷溝道的轉(zhuǎn)移特性

4.2 脈沖放電特性對比

為了驗證OTD-MCT在脈沖放電應(yīng)用中的高脈沖特性效果，搭建了如圖9所示的電容測試平臺。利用MEDICI設(shè)置了一個5 μF的電容放電試驗，其中電容兩端電壓預(yù)先設(shè)置為1 000 V，串聯(lián)電感值設(shè)置為9 nH以模擬實際應(yīng)用中的寄生電感，柵極電阻設(shè)置為4.7 Ω。

圖9 脈沖電流仿真測試中的電容放電電路

圖10 不同工藝下制造的MCT的脈沖放電曲線

在電容充電完成后斷開Vcc，此時電路中的能量全部存儲于電容中。在給MCT柵極提供開啟電壓后，電路實現(xiàn)脈沖放電，其I-V曲線如圖10所示。對于上升沿來說，OTD-MCT與Con.MCT實現(xiàn)了同樣的脈沖峰值，然而OTD-MCT的上升時間較短，因而實現(xiàn)了更高的di/dt。對于下降沿來說，OTD-MCT擁有較長的拖尾，這可以由此時兩種器件不同的載流子濃度分布來解釋。從圖11中的載流子分布圖可以看出，從開啟時刻到脈沖峰值之前，圖11（a）中的OTD-MCT擁有高于Con.MCT的載流子濃度，其電流上升速度與陽極電壓上升速度都快于Con.MCT；在達(dá)到峰值電流之后，OTD-MCT的載流子濃度小于Con.MCT并且快速下降，如圖11（b）所示。這使得整個脈沖過程中OTD-MCT器件損耗的能量小于Con.MCT。

對于不同的載流子壽命，OTD-MCT的電流上升率與脈沖放電中器件的最高溫度顯著變化。從圖12可以看出，載流子壽命從0.1 μs增大到100 μs時，di/dt值持續(xù)上升，并且當(dāng)壽命值大于1 μs后保持不變。這說明了要使制造出的MCT器件具有較高的di/dt值，制造工藝應(yīng)當(dāng)保證器件的載流子壽命至少為1 μs以上。從最高溫度的變化關(guān)系也看出，較低的載流子壽命會導(dǎo)致器件在脈沖放電過程中溫度顯著提高。

圖11 脈沖放電開啟后不同時刻的MCT器件中載流子分布

圖12 載流子壽命對器件的電流上升率和最高溫度的影響

圖13展示了在電容值為0.2 μF到20 μF的脈沖電路中Con.MCT與OTD-MCT的脈沖放電特性對比。其中“電流上升率”為脈沖電流上升沿的最大斜率；“最高溫度”定義為整個下降時間內(nèi)的溫度最大值；“下降時間”參數(shù)定義為從脈沖放電開始時刻到器件溫度再次恢復(fù)至300 K初始溫度的時刻；“脈沖能量”代表的是整個脈沖操作中的能量消耗。

與正向電流能力的對比一致，OTD-MCT得益于更快速建立的閂鎖效應(yīng)與更大的正向電流容量而表現(xiàn)出更高的電流上升率。這正驗證了本文提出的對于傳統(tǒng)三重擴(kuò)散工藝的優(yōu)化方法對于制造具有高電流上升率MCT的有效性。對于增加的電容值，也意味著電路中的總存儲能量的增加，以上4個參數(shù)都會增加。OTD-MCT的電流上升率較高，同時最大溫度與下降時間都較小，這都與其較強(qiáng)的注入效應(yīng)帶來的低有效電阻密不可分。相比于傳統(tǒng)MCT，OTD-MCT的電流上升率提高了15%。對于不同電容值，兩者總消耗的能量相同，而OTD-MCT的最高溫度始終低于Con.MCT。在高電容值（C=15 μF與C=20 μF）的情況下，Con.MCT的最高溫度達(dá)到了600 K以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最大工作溫度，而OTD-MCT為420 K，仍在安全工作范圍內(nèi)，相比于Con.MCT降低了33%。OTD-MCT由于工作狀態(tài)下較高的載流子濃度，其溫度下降時間為11 ms，相比Con.MCT降低36%。OTD-MCT表現(xiàn)出更高的熱穩(wěn)定性、更快的熱逸散速度與更優(yōu)異的動態(tài)特性。

圖13 不同電容值的脈沖放電電路中傳統(tǒng)MCT與OTD-MCT對比

5 結(jié)論

由以上分析結(jié)論可知，本文提出的優(yōu)化型三重擴(kuò)散工藝克服了傳統(tǒng)工藝中的阱區(qū)濃度調(diào)整與器件性能最大化之間的矛盾，實現(xiàn)了更優(yōu)化的濃度分布。該工藝所制造的MCT器件擁有更強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，更高的正向工作電流與更低的閾值電壓，并且在脈沖放電應(yīng)用中實現(xiàn)了電流上升率15%的提高，同時其熱穩(wěn)定性也得到顯著提高。

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