N+緩沖層結(jié)構(gòu)對(duì)MCT瞬態(tài)特性（TLP）的影響

隨著功率MOSFET和IGBT的出現(xiàn)，雙極型晶體管的發(fā)展受到一定影響。但在更高電壓、更大電流的應(yīng)用中，隨著外延層（或單晶）厚度、電阻率的的增加，MOSFET、IGBT導(dǎo)通壓降隨之大幅上升。而雙極型晶體管、晶閘管及其衍生器件由于其具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，可改善大電流情況下的導(dǎo)通壓降，因此，在高壓、低頻應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的需求。在結(jié)構(gòu)方面，MCT多晶硅柵電極下具有雙溝道，分別為開通溝道和關(guān)斷溝道。MCT將晶閘管的大電流容量、高阻斷電壓、低飽和壓降特點(diǎn)和MOS場(chǎng)控器件的柵極控制能力結(jié)合在一起，降低了低頻應(yīng)用中晶閘管驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性。由于MCT芯片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、制備難度較大、工作條件較嚴(yán)苛，因此為了改善MCT的電學(xué)特性，需要在深刻理解器件導(dǎo)通機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝條件進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 MCT單胞結(jié)構(gòu)及物理模型選擇

圖1為MCT半單胞結(jié)構(gòu)。為了使得仿真結(jié)果具有實(shí)際參考意義，根據(jù)電參數(shù)指標(biāo)要求，利用TCAD半導(dǎo)體器件仿真軟件對(duì)MCT單胞橫向、縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，后續(xù)的仿真研究以此為基礎(chǔ)。表1為MCT電參數(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)得到的MCT結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)為：溝道寬度為4×106μm；單胞半寬度為15μm，窗口區(qū)半寬度為5μm，多晶硅區(qū)半寬度為10μm；P+襯底厚度和摻雜濃度分別為150μm和1×1019cm-3，襯底晶向?yàn)?100>；N-外延層厚度和摻雜濃度分別為160μm和7×1013cm-3（外延層電阻率為63Ω.cm）柵氧化層厚度為60nm，注入過程中犧牲氧化層厚度為20nm；P-體區(qū)注入劑量和能量分別為3.5×1014cm-2和60KeV，P-體區(qū)退火時(shí)間和溫度分別為70min和1150℃；N+體區(qū)窗口區(qū)寬度為0.5μm，N+體區(qū)磷注入劑量和能量分別為8×1014cm-2和60KeV；N-體區(qū)磷注入劑量和能量分別為5×1014cm-2和60KeV， N-體區(qū)退火時(shí)間和溫度分別為130min和1150℃；P+陰極區(qū)窗口寬度為2μm，P+陰極區(qū)硼注入劑量和能量分別為2×1015cm-2和50KeV， P+陰極區(qū)退火時(shí)間和溫度分別為1min和1000℃；開通溝道長(zhǎng)度和關(guān)斷溝道長(zhǎng)度分別為2.7μm和0.8μm；側(cè)墻氧化層厚度為0.5μm；硅材料原始少子壽命為10μs；P+陽極區(qū)與N-外延層之間采用N+緩沖層結(jié)構(gòu)，N+緩沖層為均勻摻雜，摻雜濃度和厚度為變量?？v向結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的晶閘管工藝實(shí)現(xiàn)，橫向采用DMOS硅柵工藝，終端采用終端結(jié)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。

工藝流程為：擴(kuò)散P+區(qū)→光刻（一次光刻）擴(kuò)散P-體區(qū)→光刻（二次光刻）擴(kuò)散N+區(qū)→生長(zhǎng)柵氧化層→生長(zhǎng)多晶硅→光刻（三次光刻）擴(kuò)散N-阱→自對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)散P+→生長(zhǎng)SiO2和Si3N4→光刻（四次光刻）引線孔→蒸鋁→反刻（五次光刻）→鈍化→鈍化光刻（六次光刻）。圖2為設(shè)計(jì)得到MCT輸出特性曲線，由圖2可知，設(shè)計(jì)得到的MCT電學(xué)性能滿足電參數(shù)指標(biāo)要求，表明結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和工藝條件選擇較合理。

2、N+緩沖層結(jié)構(gòu)對(duì)MCT瞬態(tài)特性（TLP）的影響

vgate=5V，vanode=800V；IApeak=150A,上升時(shí)間10ns，脈寬6μs，下降時(shí)間150ns，周期150μs

2.1 N+緩沖層摻雜濃度的影響，N+緩沖層厚度35μm

（1）1E17cm-3

（2）3E17cm-3

（3）5E17cm-3

（4）7E17cm-3

（5）9E17cm-3

2.2 N+緩沖層厚度的影響

（1）25μm

（2）30μm

（3）35μm