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| 10A/500V MCT器件的研制 |
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The Development of 10A/500V MCT Device
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■ 中南林学院电子信息工程学院 张 发 生
西安理工大学自动化学院 陈 治 明
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摘 要：本文叙述了新型功率器件MCT（MOS控制晶闸管）的结构设计、工艺流程及实施方法。西安微 电子研究所采用扩散、硅栅自对准工艺和多层介质隔离等技术制成MCT样品。测试结果表明，
其在20V的栅压下能在4 s内关断50A/cm2的阴极电流。
关键词：MCT ；设计 ；试制
引言
近年来，随着微电子技术的不断进步和市场需求的日益增长，电力电子技术领域有了很大的发展，其重要标志就是研究开发了各种新型的功率器件，如功率MOSFET、SIT、SITH、IGBT和MCT等，其中MCT是目前受同行专家十分看好的一种功率半导体器件。
MCT是MOS控制晶闸管（MOS-Controlled Thyristor）的简称，是一种新型MOS与双极复合型器件。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的开通与关断。MCT既具有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具备MOS场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，同时它还克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的缺点。这就是MCT为什么被认为是目前众多的新型功率器件中很有发展前途的器件的原因。
MCT器件自上世纪八十年代末期产生，到现在不过十余年，然而MCT在国外（尤其是美国、德国和瑞士等）已经发展到了很高水平。MCT器件的最大可关断电流已经达到了300A，最高阻断电压为3000V，可关断电流密度为325A/cm2，且已试制出由12个MCT并联组成的模块。MCT的应用也达到了相当高的水平，如美国西屋公司报道了他们采用MCT开发10kW高频串并联谐振DC-DC变流器的研究情况，已得到了令人瞩目的功率密度（6.1W/cm3）和高可靠的运行。据报道，美国正计划采用MCT组成功率变流设备，建设高达500kV的高压直流输电HVDC设备。它的应用正在全面展开，实用化为期不远。
国内在研制、生产和应用MCT器件方面的水平远不及世界上先进水平的国家。目前，东南大学采用SDB键合特殊工艺在实验室制成了100mA/100V
MCT样品；西安电力电子技术研究所利用国外进口厚外延硅片也试制出9A/300V MCT 样品。但在MCT的试制过程中，仍然存在一些实际问题，如东南大学所采用的SDB键合工艺在国内集成电路工艺线上很难实现，而西安电力电子技术研究所试制MCT所采用的硅片为进口厚外延片，可这种较厚的处延层硅片材料在国内尚无厂家生产。因此，采用进口材料，沿袭国外工艺使我国试制MCT仍存在很大困难。
基于上述分析，MCT的试制生产在国内仍存在相当的局限性，这必然要影响MCT器件的开发和应用。在国内现有的工艺条件下试制MCT器件的工艺方法和条件，这样才更有利于MCT器件在我国的发展，而本文就是想在这一方面作些尝试，文中叙述了研制10A/500V
MCT器件的设计、工艺及测试结果。
工作原理
根据MCT开通MOS管沟道的型号，其结构基本上分为两类，P-MCT（如图1所示）和N-MCT（如图2所示），它们的等效电路分别如图3和图4所示。
P-MCT和N-MCT的工作原理相同，但P-MCT比N- MCT具有关断电流更大、关断时间更短的优点，所以本次实验采用P-MCT结构。其工作原理如下：
当门极相对阳极加负脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流使NPN晶体管导通，由于两个晶体管间的正反馈作用，最后使MCT导通。当门极相对于阳极加正的脉冲电压时，OFF-MCT导通，将PNP管的发射结旁路，使PNP关断，破坏了SCR的擎住条件，迫使MCT关断。
图1 P-MCT单胞结构剖面图(略)
图2 N-MCT单胞结构剖面图(略)
图3 P-MCT等效电路图(略)
图4 N-MCT等效电路图(略)
MCT和普通晶闸管一样具有很高的阻断电压和很低的导通压降，但两者的开关机理却有很大的不同。MCT无论开或关，都是在整个芯片上同时进行的，而普通晶闸管的开启是靠等离子区的扩展来实现的，所以MCT具有较高的开关速度。
主要电学参数的设计考虑
阻断电压UBR
由图1可见P-MCT中承受正反向电压的分别是J2结和J3结，且阳极具有很高的短路点密度，晶闸管的正反向阻断电压均可以近似按宽基区NPN晶体管结构进行估算。根据晶体管理论其击穿电压为：
V_{BR}=V_B(1-{a_{1}})^{1/n}
其中a_1是NPN晶体管的电流放大系数，n是工艺因子，一般取值为4。VBR是NPN晶体管的集射间的击穿电压。VB是单边突变结的击穿电压，也可表达成100
n0.75。VBR由a_1决定，而a_1主要是由基区输运系数决定，
a_1≈1∕{[cos(w_e(p)/L_n)]}
式中We（p）为额定电压下有效基区宽度，Ln为基区少子电子的扩散长度。
要特别注意的是 n 是指N型材料的电阻率，现已采用P型衬底材料，则此表达式就应该作些修正，为了保证N型材料和P型材料能承受相同的耐压，就必须使N型材料的浓度和P型材料的浓度相等，且
V_B=100[\frac{ _P}{ _N} _{P}]^{0.75}
其中 n， p分别为电子和空穴的迁移率。
依据上述公式，同时结合西安微电子研究所的工艺条件，确定500V P-MCT所需求的基区宽度、衬底材料的电阻率和基区少子的寿命分别为230
m、40 ·cm和8 s，且所选的材料必需是（100）晶面，这样做是考虑到（100）面上的Si-SiO2的界面态密度较小。
单胞结构尺寸和终端结构
MCT的单胞形状可以是正方形、六角形和圆形等。对于高压器件，还应该考虑单胞的角曲率，但只要结终端技术设计合理，就几乎可以消除单胞形状对耐压的影响。单胞图形的最小尺寸通常是由工艺条件决定的，综合上述分析，同时参考有关资料，为简化起见，本文可设计成正方形的单胞，其尺寸如图5所示。
由于设计的电流应为10A，经过计算和分析，决定MCT管芯直径为11mm，且MCT结终端结构采用斜角造型技术，其中正斜角为23 ~25
，负斜角为3 ~5 。
图5 P-MCT单胞结构尺寸(略)
图6 MCT器件的正向阻断特性(略)
图7 MCT器件的反向阻断特性(略)
工艺流程设计
结合西安微电子研究所的工艺条件，试制图1所示MCT器件的主要工艺流程如下：
硅单晶材料(即P型（100）)的选取→N发射极氧化→去除未抛光面上的SiO2 层→阴极 N发射区扩散→去除SiO2 层→ N区氧化→一次光刻→N区扩散→去除SiO2层→P发射极氧化→二次光刻→阳极P发射极扩散→去除SiO2→栅氧化→生长多晶硅层→刻蚀多晶硅和栅氧化层→
P阱的扩散→N短接和多晶硅掺杂扩散→光刻挖槽→SiO2和Si3N 4 隔离绝缘介质薄膜的形成→光刻SiO2和Si3N4介质膜→光刻阳极区多晶硅和→SiO2
层→电子束蒸铝→反刻铝膜→铝膜合金化→阴极面蒸金且合金化→超声割图→钼片镀镍与退火→烧结→磨角、付蚀、保护和固化→初测。
实验结果
由图6和7可见，在室温下，正向阻断电压可达500V，正向漏电流为0.01mA。从图8知，MCT的开通时间仅为200~300nS 。从图9知，MCT的关断时间大约为4
S，其关断时间较长的主要原因是所选用的P型长基区内的少子寿命较长的缘故。
结束语
通过比较国外各种MCT器件的结构、原理及其内在规律，吸收国外先进经验，并结合西安微电子研究所已有工艺成功地研制出10A/500V MCT芯片，同时表明上述介绍的有关MCT的设计方法在我国现有条件下是切实可行的。
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