[发明专利]一种具有复合栅介质的栅控晶闸管

说明书

本发明提供一种具有复合栅介质的栅控晶闸管，从下到上依次层叠金属化阳极、第一导电类型半导体衬底、第二导电类型半导体外延层、金属化阴极；还包括第一导电类型半导体阱区、第二导电类型半导体阱区、重掺杂第一导电类型半导体区、栅极结构；栅极结构由第一介质材料层、第二介质材料层以及位于两种介质材料层上表面的栅电极构成；第一介质材料层的厚度等于第二介质材料层的厚度，第一介质材料层的介电常数低于第二介质材料层；本发明减小了关断沟道的阈值电压，同时不影响导通时的阈值电压，提升了栅控晶闸管器件的可靠性。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种具有复合栅介质的栅控晶闸管。

背景技术

随着人类社会的不断发展，能源的消耗量不断增加，增加能量产出的同时，能量利用率也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栅控晶闸管作为这种新型半导体功率开关器件，得到越来越多人的关注。

图1所示为传统的N型栅控晶闸管结构示意图。栅控晶闸管(MOS ControlledThyristor，MCT)，是一种结合了MOSFET特性和晶闸管特性的复合型功率器件，同时具有MOSFET高的输入阻抗、快的开关速度、门极控制方便以及晶闸管高的阻断电压、低的导通功耗、大的驱动电流等优点，广泛应用于功率开关领域。如图2所示，N-MCT中有两个MOSFET结构， ON-FET和OFF-FET，这两个MOSFET共用一个栅极，分别控制MCT的导通和关断。当栅极相对阴极加正脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流使PNP晶体管导通，由于两个晶体管的正反馈作用，最后使MCT导通。当栅极相对阴极加负脉冲电压时，OFF-FET导通，将 NPN晶体管的发射结旁路，使NPN关断，破坏了晶闸管的擎住条件，迫使MCT关断。

然而由于器件在关断时容易出现电流分布不均匀的现象致使关断失效，器件的可靠性较差。其原因是由于关断时需要给栅电容充电使栅压下降(以N-MCT为例)，而达到能够使 MCT元胞关断的栅压需要一定的时间；又因为栅与栅之间存在互连线电阻，因此离信号源越远的元胞栅充电时间将会越长，当离信号源最近的元胞关断时，其中的等离子体将被“挤到”离信号源远的元胞中，使元胞电流增大。当等离子体的移动速度过快而信号源传递信号到最远的元胞时间过长，且使元胞开始关断所需的栅压过高时，会导致未关断的元胞MOS栅下降到可成功关断之前，电流已经增长到超过了MCT元胞的最大可关断电流，导致电流集中，器件不能关断。

因此降低使元胞关断所需的栅压，即OFF-FET开启所需的阈值电压可以有效地防止关断失效，提高MCT可靠性。然而由于传统栅控晶闸管的制造工艺是基于DMOS技术的三重扩散工艺，阴极侧的P阱与N阱都是通过注入扩散形成，因此通常情况下N阱的掺杂浓度大于P阱的掺杂浓度，可调整的范围很小，因此调整N阱的掺杂浓度无法有效的降低OFF-FET的阈值电压。而减薄栅介质——二氧化硅来降低OFF-FET的阈值电压会同时降低ON-FET的阈值电压，带来误开启等问题,且较薄的栅氧化层还会带来可靠性问题。

发明内容

本发明的目的就是针对上述传统栅控晶闸管存在的问题，提出一种具有复合栅介质的栅控晶闸管，获得ON-FET和OFF-FET的阈值电压的折中。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：