Bi-Mode逆导门极换流晶闸管工艺方案与版图设计

谭巍，李建清

（1.电子科技大学物理电子学院，成都610054；2.电子科技大学物理电子学院，成都610054）

Bi-Mode逆导门极换流晶闸管工艺方案与版图设计

谭巍，李建清*

（1.电子科技大学物理电子学院，成都610054；2.电子科技大学物理电子学院，成都610054）

Bi-mode逆导门极换流晶闸管（BGCT）是为了改善传统逆导门极换流晶闸管（RC-GCT）电流均匀性和提高硅片有效面积利用率而提出的一种新结构，其主要特点是在版图布局中将二极管阳极与GCT阴极指条穿插一起。通过对BGCT器件结构的分析，给出了一种工艺制作方案，并利用Sentaurus TCAD软件验证了工艺方案的可行性，分析研究结果表明，工艺设计方案可行，器件结构参数符合目标要求；最后在确定的工艺流程方案基础上，通过对门阴极指条的设计给出了其版图布局方案，且用L-edit软件绘制出了其光刻流程。

电力电子器件；门极换流晶闸管；工艺方案；版图布局；TCAD

IGCT是目前电流控制型器件中一种具有广阔发展前景的新型电力半导体器件［1-2］。其中采用透明阳极。缓冲层、沟槽隔离和门极硬驱动技术形成的逆导型集成门极换流晶闸管（RC-GCT）具有很多优良特性，其结构如图1，被广泛应用与电压驱动控制、静态无功补偿和高压直流输电等大功率应用领域［3-5］。在图1中可以看出，在单个RC-GCT器件中GCT与Diode两部分是分开的。相关资料研究表明：这种布局会影响器件的可靠性和电流处理能力［6-7］。

图1　91mm 4.5 kV的RC-GCT

为了克服RC-GCT器件的不足，ABB公司首先提出了双模逆导晶闸管（BGCT）［8］，其单元结构和阴极版图如图2所示。它将Diode按照一定的比例做到GCT中，集成在同一硅片上，充分利用了硅片结构降低了成本，该器件可以工作在两种模式GCT模式和Diode模式，能够提高RC-GCT电流的均匀性。谭巍［9］等通过对BGCT器件特性的详细研究和分析，证明了BGCT器件是一种较好的改良器件，可望在应用中替代传统RC-GCT器件。从这个意义来说，该器件将会是一种性能优越和颇具特色的器件。

文中针对BGCT这种新结构器件，研究了其制作工艺方案和光刻版图方案。在RC-GCT制作工艺上，提出了BGCT的工艺实施方案，并利用Sentarus-TCAD工具进行验证，证明了该工艺方案的可行性；利用在确定BGCT器件工艺流程下，设计出了一套完整的光刻版图方案，而且用版图设计软件L-edit对整个光刻过程进行了绘制。

图2　单个BGCT器件结构和版图布局

1　工艺方案与模拟

BGCT器件的工艺与RC-GCT类似，两者不同的区别在于隔离区的形成，传统的RC-GCT采用的是沟槽隔离［10］，而BGCT采用的是PNP隔离。其中隔离区的宽度Ws的设计很关键，必须保证换向期间GCT的p基区载流子不能穿通到二极管p阳极区。因此对于隔离区宽度的设计，可以参考文献［11］的估算公式。横向PNP结构中深扩散的实是采用两次扩B的方案，首先用低浓度的B形成p基区，再进行高浓度的B扩散得到较好的高斯掺杂分布。

下面给出了一种形成BGCT器件的较好的工艺方案。该方案中首先是采用两次扩B工艺形成P基区和二极管的阳极，在双面扩P形成n+阴极、缓冲层和二极管的阴极，最后在扩散B形成p+阳极区。工艺方案如图3所示。具体的工艺流程为：①2次扩B形成P基区和二极管阳极；②背面扩P形成n型缓冲层；③双面扩P形成n+阴极和二极管阴极；④扩B形成p+阳极区；⑤门极挖槽和门极补扩；⑥反刻铝形成电极；⑦聚酰亚胺钝化。

方案中，双面扩P杂质形成n+阴极和二极管阳极，后面工艺步骤的高温过程都将再次推进P杂质的扩散，从而达到需要的结深，这样的工艺条件，每次扩散时间少，工艺简单，易于控制，降低了成本；刻蚀挖槽的深度会对器件的阻断特性产生一定的影响，需要根据阻断电压值具体设计。下面对BGCT器件的工艺方案的模拟结果进行分析。

采用Synopsys公司开发的半导体器件制造工艺模拟工具Sprocess，对整个工艺流程进行模拟，验证了工艺方案的可行性，并确定了工艺实现条件及相关工艺。以5 000 V/1 000 A器件单元为例，针对BGCT器件按照文中建议方案模拟工艺实现。Si衬底选择<111＞晶向的区熔中子辐射单晶，掺杂浓度为1.0×1013cm-3，数值模拟的工艺条件以南车的GCT生产线所能达到的工艺水平为参照基础［12］。工艺模拟的目标参数见表1。

表1　BGCT器件目标参数

图4是工艺模拟后得到的器件结构图和掺杂分布曲线，其中图4（a）为BGCT器件结构，图4（b）是完成整个工艺模拟后沿器件结构中心的纵向掺杂分布。由图4（b）可知，n+阴极表面浓度1.8×1020cm-3，深度13 μm，p基区表面浓度为8×1016cm-3，深度为50 μm。与表中目标值比较，两者基本一致，存在差异的主要原因是高温下杂质的再扩散。

由图4所示的模拟结果可知，该工艺方案可以实现BGCT器件结构，而且掺杂分布曲线也满足要求，由于模拟结果与目标要求参数差异小，对器件特性影响不显著，因此该工艺方案具备可行性。

图3　BGCT器件工艺制作流程

图4　工艺模拟下的BGCT器件结构和掺杂浓度分布

为验证工艺模拟结果是否符合器件设计要求，以工艺模拟得到的器件单元结构为模型，利用器件模拟工具DESSIS分析器件特性。图给出了采用文中工艺方案得到BGCT器件阻断特性。从图5可知BGCT器件的阻断电压为5 100 V，满足5 000 V的耐压设计要求，因此，模拟得到的器件结构在阻断特性方面满足要求，间接说明了所建议工艺方案的可行性。

图5　工艺模拟下BGCT器件正向阻断特性

2　器件版图方案设计

由图1可以看出BGCT器件的版图特点在于将GCT与Diode两部分穿插在一起，因此需要对其指条的尺寸和分布严格设计。指条设计需要考虑对器件开关特性、二次击穿特性以及较高的可关断电流容量ITGQM［13-15］。其中可关断电流容量ITGQM与指条的长度l和宽度w关系如下：

式中：UBRJ3为J3结的击穿电压，一般在20 V～25 V的范围内。RKP为p基区横向电阻，p2为基区的平均电阻率；WP2为基区厚度。

本文设计的电流容量为1 000 A，综合考虑对器件的影响，设计的指条长2.6 mm，指条宽0.2 mm，指条形状为树指状，即在长方形的两头各有一个半径为0.1 mm的半圆；指条条长方向间距为0.3 mm，指条条宽方向间距为0.42 mm。由于电流容量较小，门极于阴极指条布局采用中心门极的方法。在ϕ50 mm硅片上设计了5个不同的同心圆均匀排列在门极表面，每环对应的阴极单元数为N1=48，N2=84，N3=120，N4=156，N5=192，总共600个指条，图6给出了设计的BGCT器件版图横向尺寸。

图6　1000 A BGCT器件横向尺寸示意图（单位：mm）

根据前面的工艺分析，整个芯片的制作需要6次光刻，需要10快光刻版。其中需要采用双面光刻机用4#和5#光刻版同时形成阴极n+区和二极管n+区。表2给出了设计的5 000 V/1 000 ABGCT器件版图参数；

表2　5000 V/1 000 A BGCT器件版图参数

采用tanner软件中的L-edit软件来绘制BGCT制造过程中需要的光刻版，其光刻流程如图7所示。

图7　BGCT器件光刻流程

3　结束语

BGCT器件是为了改善RC-GCT器件的均匀性和提高硅片有效面积利用率提出的一种新结构。其工艺的实现与RC-GCT相比主要是采用PNP隔离，它能够使GCT获得良好的换流特性，减小表明电流密度，提高硅片利用率。由于BGCT器件版图的特殊性，需要根据实际器件需求对指条严格设计，设计的关键在于解决器件开关期间电流的均匀性。可以根据最大器件的关断电流确定GCT阴极单元的最小值，确保关断的均匀性。文中在确定BGCT器件参数下，以5 000 V/1 000 A的参数为列子给出了一种BGCT器件的生产工艺和光刻版图方案，该方案能够使得器件可以安全可靠的工作，对于BGCT器件的实际生产具有一定的指导意义。

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谭巍（1990-），男，汉，硕士研究生，主要从事半导体器件TCAD方向的研究，627717637@qq.com；

李建清（1975-），男，汉，博士学位，现为电子科技大学物理电子学院教授、博士生导师。主要从事半导体器件TCAD方面的研究，以及微波电子学、微波管CAD技术的基础研究，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