Bi-Mode逆導(dǎo)門極換流晶閘管工藝方案與版圖設(shè)計(jì)

譚巍，李建清

（1.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054；2.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054）

Bi-Mode逆導(dǎo)門極換流晶閘管工藝方案與版圖設(shè)計(jì)

譚巍，李建清*

（1.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054；2.電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054）

Bi-mode逆導(dǎo)門極換流晶閘管（BGCT）是為了改善傳統(tǒng)逆導(dǎo)門極換流晶閘管（RC-GCT）電流均勻性和提高硅片有效面積利用率而提出的一種新結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是在版圖布局中將二極管陽極與GCT陰極指條穿插一起。通過對(duì)BGCT器件結(jié)構(gòu)的分析，給出了一種工藝制作方案，并利用Sentaurus TCAD軟件驗(yàn)證了工藝方案的可行性，分析研究結(jié)果表明，工藝設(shè)計(jì)方案可行，器件結(jié)構(gòu)參數(shù)符合目標(biāo)要求；最后在確定的工藝流程方案基礎(chǔ)上，通過對(duì)門陰極指條的設(shè)計(jì)給出了其版圖布局方案，且用L-edit軟件繪制出了其光刻流程。

電力電子器件；門極換流晶閘管；工藝方案；版圖布局；TCAD

IGCT是目前電流控制型器件中一種具有廣闊發(fā)展前景的新型電力半導(dǎo)體器件［1-2］。其中采用透明陽極。緩沖層、溝槽隔離和門極硬驅(qū)動(dòng)技術(shù)形成的逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管（RC-GCT）具有很多優(yōu)良特性，其結(jié)構(gòu)如圖1，被廣泛應(yīng)用與電壓驅(qū)動(dòng)控制、靜態(tài)無功補(bǔ)償和高壓直流輸電等大功率應(yīng)用領(lǐng)域［3-5］。在圖1中可以看出，在單個(gè)RC-GCT器件中GCT與Diode兩部分是分開的。相關(guān)資料研究表明：這種布局會(huì)影響器件的可靠性和電流處理能力［6-7］。

圖1　91mm 4.5 kV的RC-GCT

為了克服RC-GCT器件的不足，ABB公司首先提出了雙模逆導(dǎo)晶閘管（BGCT）［8］，其單元結(jié)構(gòu)和陰極版圖如圖2所示。它將Diode按照一定的比例做到GCT中，集成在同一硅片上，充分利用了硅片結(jié)構(gòu)降低了成本，該器件可以工作在兩種模式GCT模式和Diode模式，能夠提高RC-GCT電流的均勻性。譚巍［9］等通過對(duì)BGCT器件特性的詳細(xì)研究和分析，證明了BGCT器件是一種較好的改良器件，可望在應(yīng)用中替代傳統(tǒng)RC-GCT器件。從這個(gè)意義來說，該器件將會(huì)是一種性能優(yōu)越和頗具特色的器件。

文中針對(duì)BGCT這種新結(jié)構(gòu)器件，研究了其制作工藝方案和光刻版圖方案。在RC-GCT制作工藝上，提出了BGCT的工藝實(shí)施方案，并利用Sentarus-TCAD工具進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該工藝方案的可行性；利用在確定BGCT器件工藝流程下，設(shè)計(jì)出了一套完整的光刻版圖方案，而且用版圖設(shè)計(jì)軟件L-edit對(duì)整個(gè)光刻過程進(jìn)行了繪制。

圖2　單個(gè)BGCT器件結(jié)構(gòu)和版圖布局

1　工藝方案與模擬

BGCT器件的工藝與RC-GCT類似，兩者不同的區(qū)別在于隔離區(qū)的形成，傳統(tǒng)的RC-GCT采用的是溝槽隔離［10］，而BGCT采用的是PNP隔離。其中隔離區(qū)的寬度Ws的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，必須保證換向期間GCT的p基區(qū)載流子不能穿通到二極管p陽極區(qū)。因此對(duì)于隔離區(qū)寬度的設(shè)計(jì)，可以參考文獻(xiàn)［11］的估算公式。橫向PNP結(jié)構(gòu)中深擴(kuò)散的實(shí)是采用兩次擴(kuò)B的方案，首先用低濃度的B形成p基區(qū)，再進(jìn)行高濃度的B擴(kuò)散得到較好的高斯摻雜分布。

下面給出了一種形成BGCT器件的較好的工藝方案。該方案中首先是采用兩次擴(kuò)B工藝形成P基區(qū)和二極管的陽極，在雙面擴(kuò)P形成n+陰極、緩沖層和二極管的陰極，最后在擴(kuò)散B形成p+陽極區(qū)。工藝方案如圖3所示。具體的工藝流程為：①2次擴(kuò)B形成P基區(qū)和二極管陽極；②背面擴(kuò)P形成n型緩沖層；③雙面擴(kuò)P形成n+陰極和二極管陰極；④擴(kuò)B形成p+陽極區(qū)；⑤門極挖槽和門極補(bǔ)擴(kuò)；⑥反刻鋁形成電極；⑦聚酰亞胺鈍化。

方案中，雙面擴(kuò)P雜質(zhì)形成n+陰極和二極管陽極，后面工藝步驟的高溫過程都將再次推進(jìn)P雜質(zhì)的擴(kuò)散，從而達(dá)到需要的結(jié)深，這樣的工藝條件，每次擴(kuò)散時(shí)間少，工藝簡(jiǎn)單，易于控制，降低了成本；刻蝕挖槽的深度會(huì)對(duì)器件的阻斷特性產(chǎn)生一定的影響，需要根據(jù)阻斷電壓值具體設(shè)計(jì)。下面對(duì)BGCT器件的工藝方案的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

采用Synopsys公司開發(fā)的半導(dǎo)體器件制造工藝模擬工具Sprocess，對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了工藝方案的可行性，并確定了工藝實(shí)現(xiàn)條件及相關(guān)工藝。以5 000 V/1 000 A器件單元為例，針對(duì)BGCT器件按照文中建議方案模擬工藝實(shí)現(xiàn)。Si襯底選擇<111＞晶向的區(qū)熔中子輻射單晶，摻雜濃度為1.0×1013cm-3，數(shù)值模擬的工藝條件以南車的GCT生產(chǎn)線所能達(dá)到的工藝水平為參照基礎(chǔ)［12］。工藝模擬的目標(biāo)參數(shù)見表1。

表1　BGCT器件目標(biāo)參數(shù)

圖4是工藝模擬后得到的器件結(jié)構(gòu)圖和摻雜分布曲線，其中圖4（a）為BGCT器件結(jié)構(gòu)，圖4（b）是完成整個(gè)工藝模擬后沿器件結(jié)構(gòu)中心的縱向摻雜分布。由圖4（b）可知，n+陰極表面濃度1.8×1020cm-3，深度13 μm，p基區(qū)表面濃度為8×1016cm-3，深度為50 μm。與表中目標(biāo)值比較，兩者基本一致，存在差異的主要原因是高溫下雜質(zhì)的再擴(kuò)散。

由圖4所示的模擬結(jié)果可知，該工藝方案可以實(shí)現(xiàn)BGCT器件結(jié)構(gòu)，而且摻雜分布曲線也滿足要求，由于模擬結(jié)果與目標(biāo)要求參數(shù)差異小，對(duì)器件特性影響不顯著，因此該工藝方案具備可行性。

圖3　BGCT器件工藝制作流程

圖4　工藝模擬下的BGCT器件結(jié)構(gòu)和摻雜濃度分布

為驗(yàn)證工藝模擬結(jié)果是否符合器件設(shè)計(jì)要求，以工藝模擬得到的器件單元結(jié)構(gòu)為模型，利用器件模擬工具DESSIS分析器件特性。圖給出了采用文中工藝方案得到BGCT器件阻斷特性。從圖5可知BGCT器件的阻斷電壓為5 100 V，滿足5 000 V的耐壓設(shè)計(jì)要求，因此，模擬得到的器件結(jié)構(gòu)在阻斷特性方面滿足要求，間接說明了所建議工藝方案的可行性。

圖5　工藝模擬下BGCT器件正向阻斷特性

2　器件版圖方案設(shè)計(jì)

由圖1可以看出BGCT器件的版圖特點(diǎn)在于將GCT與Diode兩部分穿插在一起，因此需要對(duì)其指條的尺寸和分布嚴(yán)格設(shè)計(jì)。指條設(shè)計(jì)需要考慮對(duì)器件開關(guān)特性、二次擊穿特性以及較高的可關(guān)斷電流容量ITGQM［13-15］。其中可關(guān)斷電流容量ITGQM與指條的長(zhǎng)度l和寬度w關(guān)系如下：

式中：UBRJ3為J3結(jié)的擊穿電壓，一般在20 V～25 V的范圍內(nèi)。RKP為p基區(qū)橫向電阻，p2為基區(qū)的平均電阻率；WP2為基區(qū)厚度。

本文設(shè)計(jì)的電流容量為1 000 A，綜合考慮對(duì)器件的影響，設(shè)計(jì)的指條長(zhǎng)2.6 mm，指條寬0.2 mm，指條形狀為樹指狀，即在長(zhǎng)方形的兩頭各有一個(gè)半徑為0.1 mm的半圓；指條條長(zhǎng)方向間距為0.3 mm，指條條寬方向間距為0.42 mm。由于電流容量較小，門極于陰極指條布局采用中心門極的方法。在?50 mm硅片上設(shè)計(jì)了5個(gè)不同的同心圓均勻排列在門極表面，每環(huán)對(duì)應(yīng)的陰極單元數(shù)為N1=48，N2=84，N3=120，N4=156，N5=192，總共600個(gè)指條，圖6給出了設(shè)計(jì)的BGCT器件版圖橫向尺寸。

圖6　1000 A BGCT器件橫向尺寸示意圖（單位：mm）

根據(jù)前面的工藝分析，整個(gè)芯片的制作需要6次光刻，需要10快光刻版。其中需要采用雙面光刻機(jī)用4#和5#光刻版同時(shí)形成陰極n+區(qū)和二極管n+區(qū)。表2給出了設(shè)計(jì)的5 000 V/1 000 ABGCT器件版圖參數(shù)；

表2　5000 V/1 000 A BGCT器件版圖參數(shù)

采用tanner軟件中的L-edit軟件來繪制BGCT制造過程中需要的光刻版，其光刻流程如圖7所示。

圖7　BGCT器件光刻流程

3　結(jié)束語

BGCT器件是為了改善RC-GCT器件的均勻性和提高硅片有效面積利用率提出的一種新結(jié)構(gòu)。其工藝的實(shí)現(xiàn)與RC-GCT相比主要是采用PNP隔離，它能夠使GCT獲得良好的換流特性，減小表明電流密度，提高硅片利用率。由于BGCT器件版圖的特殊性，需要根據(jù)實(shí)際器件需求對(duì)指條嚴(yán)格設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于解決器件開關(guān)期間電流的均勻性。可以根據(jù)最大器件的關(guān)斷電流確定GCT陰極單元的最小值，確保關(guān)斷的均勻性。文中在確定BGCT器件參數(shù)下，以5 000 V/1 000 A的參數(shù)為列子給出了一種BGCT器件的生產(chǎn)工藝和光刻版圖方案，該方案能夠使得器件可以安全可靠的工作，對(duì)于BGCT器件的實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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譚?。?990-），男，漢，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體器件TCAD方向的研究，627717637@qq.com；

李建清（1975-），男，漢，博士學(xué)位，現(xiàn)為電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要從事半導(dǎo)體器件TCAD方面的研究，以及微波電子學(xué)、微波管CAD技術(shù)的基礎(chǔ)研究，627717637@qq.com。

Bi-Mode Reverse Conducting Gate Commutated Thyristor Technology Programs and Layout

TAN Wei，LI Jianqing*
（1.School of Physical Electronics of University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China；2.School of Physical Electronics of University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

Bi-mode reverse conducting gate commutated thyristors（BGCT）is to improve the traditional reverse conducting gate commutated thyristors（RC-GCT）current uniform and improve the utilization of the effective area of the wafer proposed a new structure.The main feature is the map layout in which the diode anode and cathode refers to Article interludes together GCT.Based on the BGCT device structure analysis，a fabrication scheme is given by using Sentaurus TCAD software to verify the feasibility of the technology program.The analysis results show that the process design is feasible，the device structure parameters fit in line with the objectives and requirements；and finally process scheme is determined based on the cathode，by means of the gate design its territory layout program is giv?en，and with L-edit software its lithography processes can map out.

power electronic device；gate commutated thyristor；craft programs；layout；TCAD

O29

A

1005-9490（2016）03-0264-06

EEACC：8510；2560L10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.006

2015-06-07修改日期：2015-07-16