[發明專利]一種晶閘管芯片、晶閘管及其制作方法

在審

• 申請號: 202010675829.7
• 申請日: 2020-07-14
• 公開（公告）號: CN112071906A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 王東東;操國宏;王政英;姚震洋;高軍;銀登杰;郭潤慶;劉軍
• 申請（專利權）人: 株洲中車時代半導體有限公司
• 主分類號: H01L29/74
• 分類號: H01L29/74;H01L21/332;H01L23/373
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;陳敏

本發明公開了一種晶閘管芯片及制作方法，其中所述芯片包括，位于陽極P型層之上的N型基區及P型基區；位于所述P型基區上表面內的陰極N型區；位于所述陰極發射N型區之上的陰極金屬；位于所述P型基區表面之上放大門極金屬及中心門極金屬；位于門極陰極金屬之間指定厚度的介質薄膜層；及所述陽極P型層之下的陽極金屬。本發明無需對成熟的晶閘管設計、工藝更改，不影響晶閘管各參數，能提高耐受di/dt的能力，有利于提升晶閘管性能，延長使用壽命。

技術領域

本發明涉及半導體器件技術領域，尤其涉及一種晶閘管芯片、晶閘管及其制作方法。

背景技術

晶閘管芯片是一種三端四層的半導體器件，如圖1所示，傳統晶閘管的三端分別是陽極金屬31、陰極金屬32、門極金屬33(包括放大門極金屬34)，四層分別是：深擴散層的陽極P型層35、低阻N型基區36，深擴散層的P型基區37，擴散形成高濃度的陰極N型區38，在陽極P型層35和陰極N型區38區上引出歐姆接觸式的金屬電極分別做陽極、陰極的端子，P型基區37引出歐姆接觸式的金屬電極做門極。

晶閘管通態電流上升率di/dt是指晶閘管從阻斷到導通時，晶閘管能夠承受而且不會導致晶閘管損壞的通態電流的最大上升率。即晶閘管在觸發導通的瞬間，如陽極電流增大的速度(di/dt)過大，即使電流值未超過元件的額定值，但由于晶閘管內部電流來不及擴大到PN結面因電流密度過大而導致燒毀，所以在使用晶閘管時，電路的電流上升率不能大于晶閘管通態電流上升率di/dt，否則將損壞晶閘管。

晶閘管的開通過程包括延遲、上升和擴展3個階段。延遲階段，器件上的電壓雖高，但電流很小，因而瞬時功率小；在上升階段，器件兩端的電壓迅速下降，電流急劇上升，瞬時功率最大；在擴展階段，電壓緩慢下降，電流基本維持在一個穩定的電流值，其瞬時功率相對上升階段要小得多。因為上升階段的導通電流集中在初始導通區，di/dt越高，瞬時功率的峰值越提前，也越集中在較小的初始導通區面積上。

晶閘管所能承受的di/dt除了與初始導通區面積的大小和擴展速度有關外，還與導通區的熱容量有關。由于硅的比熱小，熱容量也小，且熱導率(148W/m.k) 低，因此，在上升極端，電流所產生的大部門熱量聚集在導通區，只有很少的熱量能夠傳出去，使得導通區的溫度迅速上升。當溫度達到某一臨界值，熱載流子已超過了注入的載流子，繼而導致熱反饋，電流越大，溫度越高，導通區的體電阻越低。此時，該區將有更大的電流流過，這樣溫度就會進一步升高。如此循環，短時間內電流將集中在這個溫度最高的某點上，形成熱斑，使器件不能正常工作，甚至燒毀。據相關文獻，因開通的di/dt故障造成的破壞溫度范圍在1100℃～1300 ℃。這溫度只比硅的熔點(1415℃)稍低，或者該故障造成的溫度遠遠超過了金屬-半導體接觸的熔點，從而使器件在極短的時間內燒毀。通常di/dt損壞的現象是門極附近被燒蝕出一個很小但很明顯的孔洞。

現有技術提高晶閘管di/dt的方法包括：強觸發提高擴展速度；改進光刻版圖形設計以增加初始導通線的長度的措施；單晶材料的晶向、截面電阻率均勻度、殘余少子壽命的提高控制措施；協調di/dt和dv/dt的設計問題等，也有采用導熱膏覆蓋在門陰極電極之間的硅上與其它措施配合能有效提高晶閘管的di/dt能力。。

在無需對成熟的晶閘管設計、工藝進行更改，且不影響晶閘管的各性能參數，提高晶閘管耐受di/dt的能力一直是本領域技術人員想要解決的技術問題，故需要在不極大提升成本的同時提高晶閘管耐受di/dt的新結構及制作方法。

發明內容

本發明在不影響晶閘管的各性能參數的同時解決了晶閘管耐受di/dt的能力的技術問題，提高了晶閘管耐受di/dt的能力，提升了晶閘管的電性能，延長了使用壽命。

本發明提供了一種晶閘管芯片，其特征在于，包括：

位于陽極P型層之上的N型基區，且位于所述N型基區之上的P型基區；