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耐候型微触发可控硅及其制造方法
    【技术领域】

    本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种耐候型微触发可控硅及其制造方法。

    背景技术

    自1958年美国通用电气公司研制成功第一个工业用可控硅开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代。

    可控硅的主要成员有单向可控硅、双向可控硅、光控可控硅、逆导可控硅、可关断可控硅和快速可控硅等。其中，单向可控硅是一种可控整流电子元件，其可在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低两端电压使其关断。

    微触发单向可控硅的重要特性是触发导通时所需要的门极触发电流很小，通常触发电流I_GT小于100μA，一般用户选用触发电流为30～60μA，工作结温则在-40℃～125℃之间。但是，现有技术中的微触发单向可控硅的触发电流随温度变化会发生剧烈改变：低温时触发电流变大，-40℃时的触发电流是常温25℃的6～8倍，这使得可控硅被触发导通困难；而高温时触发电流变小，80℃时的触发电流是常温25℃时的0.1～0.2倍，这又使得可控硅容易受干扰而发生误导通。因此无法满足高低温变化大的环境要求。

    其次，在现有可控硅产品生产过程中，触发电流离散性大，I_GT控制在30～60μA时工艺难度很大、良率较低且成本增加。

    此外，现有技术中的微触发单向可控硅开关速度低、通态压降大也限制了产品使用。

    【发明内容】

    本发明主要解决的技术问题是：提供一种耐候型微触发可控硅及其制造方法，能够使耐候型可控硅具备对其所处的外在气候/工作环境温度、或对其自身工作温度变化进行自适应且适时调整匹配的技术特性，使耐候型可控硅具备抗温度干扰/抗电磁干扰的能力，同时，解决可控硅产品生产过程中的触发电流离散性大，I_GT控制在30～60μA时工艺难度很大、良率较低的制造成本问题。

    为了解决上述技术问题，本发明提供一种耐候型微触发可控硅，为PNP结构，所述PNP结构的一侧P型硅上设有N⁺发射区和门极电极，在所述N⁺发射区上设置有阴极电极，所述PNP结构的另一侧P型硅上设置有阳极电极，所述PNP结构内部设有横向集成电阻，所述横向集成电阻是负温度系数型热敏电阻，并且连接于所述门极电极和阴极电极之间。

    作为本发明耐候型微触发可控硅的一种改进，所述横向集成电阻位于所述N⁺发射区下面邻近所述门极电极区侧的P型硅上。

    作为本发明耐候型微触发可控硅的一种改进，所述横向集成电阻的阻值变化范围为5千欧姆到15千欧姆之间。

    作为本发明耐候型微触发可控硅的一种改进，所述耐候型微触发可控硅还包括包围所述N⁺发射区、邻近N⁺发射区的P型硅以及门极电极的阻断电压保护槽。

    为了解决上述技术问题，本发明还提供一种耐候型微触发可控硅的制造方法，其包括以下步骤：在PNP结构的一侧P型硅上形成N⁺发射区和门极电极；在所述N⁺发射区上形成阴极电极；以及，在所述PNP结构的另一侧P型硅上形成阳极电极，并且在所述PNP结构内部形成连接于所述门极电极和阴极电极之间的横向集成电阻，所述横向集成电阻是负温度系数型热敏电阻。

    作为本发明耐候型微触发可控硅的制造方法的一种改进，所述在PNP结构形成连接于所述门极电极和阴极电极之间的横向集成电阻的步骤为：采用扩散集成的办法，在PNP结构形成连接于所述门极电极和阴极电极之间的次薄层横向集成电阻。

    作为本发明耐候型微触发可控硅的制造方法的一种改进，所述在PNP结构的一侧P型硅上形成N⁺发射区的步骤包括：在N型硅单晶基片上通过硼扩散形成所述PNP结构，并在一侧P型硅上通过选择性磷扩散形成所述N⁺发射区。

    作为本发明耐候型微触发可控硅的制造方法的一种改进，在形成所述横向集成电阻之后，还进一步形成包围所述N⁺发射区、邻近N⁺发射区的P型硅以及门极电极的阻断电压保护槽。

    本发明的有益效果是：区别于现有技术微触发单向可控硅的触发电流随温度变化会发生剧烈改变而导致抗温度干扰能力差、触发电流离散性大、开关速度低、V_TM大等技术问题，本发明在可控硅PNP结构内部形成连接于门极电极和阴极电极之间的横向集成电阻，所述横向集成电阻是负温度系数型热敏电阻。根据半导体随温度变化理论，当环境温度升高时，半导体内部本征载流子浓度升高，电阻率降低，横向集成电阻阻值变小，促使可控硅导通的触发电流I_G变大；同理，当环境温度降低时，半导体内部本征载流子浓度降低，电阻率增大，横向集成电阻的阻值变大，促使可控硅导通的触发电流I_G变小。因此，本发明耐候型可控硅具备对其所处的外在气候/环境温度、或对其自身工作温度变化进行自适应且适时调整匹配的技术特性，使得本发明耐候型可控硅具备抗温度干扰/抗电磁干扰的能力，并且至少可以取得以下技术效果：

    1)抗温度干扰/抗电磁干扰能力明显改善；

    2)触发电流离散性明显缩小；

    3)正向导通电压比现有产品减小0.1V以上；以及

    4)点火能量得到很大的提高，开关速度加快。

    【附图说明】

    下面结合附图和具体实施方式，详细说明本发明耐候型微触发可控硅及其制造方法，其中：

    图1是现有技术可控硅横向结构示意图。

    图2是图1所示可控硅的线路符号图。

    图3是图1所示可控硅的纵向结构图。

    图4是本发明耐候型微触发可控硅实施例的横向结构图。

    图5是本发明耐候型微触发可控硅实施例的线路符号图。

    图6是本发明耐候型微触发可控硅实施例的纵向结构图。

    图7是本发明耐候型微触发可控硅的实施例与现有可控硅的触发电流I_GT随温度变化的曲线图。

    图8是本发明耐候型微触发可控硅实施例中触发电流的分布图。

    图9是本发明耐候型微触发可控硅的实施例与现有可控硅正向导通电压分布的曲线对比图。

    【具体实施方式】

    请一并参阅图4、图5和图6所示，本发明耐候型微触发可控硅的实施例为PNP结构，PNP结构包括P型阳极区1、N型长基区2，以及P型短基区3。

    所述PNP结构的一侧P型硅即短基区3上设有N⁺发射区4和门极电极G，在所述N⁺发射区4上设置有阴极电极K。

    所述PNP结构的另一侧P型硅即阳极区1上设置有阳极电极A。

    在所述PNP结构靠近N⁺发射区侧设有横向集成电阻R_O，所述横向集成电阻R_O是负温度系数型热敏电阻，并且连接于所述门极电极G和阴极电极K之间。

    所述横向集成电阻R_O在温度上升时电阻阻值降低，反之上升。所述横向集成电阻R_O可以称为“本质非线性特性元件R_O”，其是非物理性的，不同于常规固定阻值的纯物理性电阻。该“本质非线性特性元件R_O”的阻值会随其被集成入的可控硅所处在的工作环境温度的变化而改变。

    当所述门极电极G和阴极电极K间通过电流I_G时，在所述横向集成电阻R_O上产生电压降落V_O。当所述电压降落V_O大于或等于所述PNP结构的发射区PN结门槛电压时，触发所述可控硅导通。

    以上可知，本发明在可控硅PNP结构靠近N⁺发射区侧形成连接于门极电极G和阴极电极K之间的横向集成电阻R_O，所述横向集成电阻R_O是负温度系数型热敏电阻，根据半导体随温度变化理论，当环境温度升高时，半导体内部本征载流子浓度升高，电阻率降低，横向集成电阻R_O阻值变小，促使可控硅导通的触发电流I_G变大；同理，当环境温度降低时，半导体内部本征载流子浓度降低，电阻率增大，横向集成电阻R_O的阻值变大，促使可控硅导通的触发电流I_G变小，由此使本发明耐候型可控硅具备对其所处的外在气候/环境温度、或对其自身工作温度变化进行自适应且适时调整匹配的技术特性，使得本发明耐候型可控硅具备抗温度干扰/抗电磁干扰的能力，并且至少可以取得以下技术效果：

    1)抗温度干扰/抗电磁干扰能力明显改善；

    2)触发电流离散性明显缩小；

    3)正向导通电压比现有产品减小0.1V以上，通态损耗低；以及

    4)点火能量得到很大的提高，开关速度加快。

    根据本发明的一个实施例，所述横向集成电阻R_O可以位于所述N⁺发射区4下面邻近所述门极电极G区侧的P型硅上，所述横向集成电阻R_O的阻值变化范围为5千欧姆到15千欧姆之间。

    此外，根据本发明的另一个实施例，本发明耐候型可控硅还可以包括包围所述N⁺发射区4、邻近N⁺发射区4的P型硅以及门极电极G的阻断电压保护槽5。

    请参考图7所示，其中曲线A代表常规可控硅，曲线B代表本发明可控硅。经过大量的测试对比可以看出，本发明耐候型可控硅抗温度干扰特性得到明显改善：现有技术产品-40℃时的触发电流是常温25℃的6～8倍，而相同条件下本发明耐候可控硅-40℃时的触发电流是常温25℃的2～3倍，大大降低了触发电流在低温下的变化率；现有技术产品在80℃时的触发电流会变小到只有常温25℃的10％～20％，而相同条件下本发明耐候型可控硅80℃时的触发电流则可以保持在常温25℃的40～60％。试验测试结果请参阅图8所示。

    本发明耐候型可控硅触发电流离散性小，目标控制区偏差小于10％，产品投档率得到很大的提升，平均触发电流投档率达到90％以上，测试数据如图8所示。

    本发明耐候型可控硅正向导通电压VTM值相对于现有产品减小15％以上，现有产品V_TM值1.35V左右，本发明耐候型可控硅V_TM值1.2V左右，如图9所示，其点火能量得到很大的提升。

    本发明耐候型微触发可控硅的制造方法包括以下步骤：

    在PNP结构的一侧P型硅上形成N⁺发射区4和门极电极G；

    在所述N⁺发射区4上形成阴极电极K；以及

    在所述PNP结构的另一侧P型硅上形成阳极电极A，并且在所述PNP结构靠近N+发射区侧形成连接于所述门极电极G和阴极电极K之间的横向集成电阻R_O，所述横向集成电阻R_O是负温度系数型热敏电阻。

    根据发明耐候型微触发可控硅的制造方法的一个实施例，所述在PNP结构靠近N⁺发射区侧形成连接于所述门极电极G和阴极电极K之间的横向集成电阻R_O的步骤具体为：采用扩散集成的办法，在PNP结构内部形成连接于所述门极电极G和阴极电极K之间的次薄层横向集成电阻R_O。

    以上实施例，是创新产品结构制程设计，利用短基区扩散层的次表面层的高阻特性，将在现有技术可控硅应用线路中需要在G极和K极间外接的电阻功能通过半导体集成的方式构造在芯片内部；

    具体而言，本发明耐候型可控硅在门极电极G和阴极电极K之间利用半导体次薄层电阻的高阻特性，用扩散集成的办法在芯片内部构造/或形成一个类似电阻的功能区域结构：“本质非线性特性元件”，俗称为：“横向集成电阻R_O”，并且将其并联到门极电极G和阴极电极K之间。其是非物理性的，不同于常规固定阻值的纯物理性电阻(参阅图1、图2和图3)。该横向集成电阻R_O不仅可以完全取代普通可控硅在使用时需要在其G极和K极之间外接的物理性、固定阻值(约1KΩ)的R_GK电阻，而且克服了普通可控硅在低温使用时外并联1KΩ电阻造成可控硅无法导通的缺陷，因为横向集成电阻R_O会随可控硅所处环境、工作温度的变化而适时地相匹配性地改变，使得可控硅的触发电流保持在一个适用的范围内，从而改善普通可控硅因为所处的环境、工作温度的变化而被误触发导通或不能被触发导通的缺点，有效提高了产品的可靠性和稳定性。

    本发明利用短基区扩散层的次表面层的高阻特性，并通过芯片纵向结构调整，使耐候型可控硅触发电流离散性减小，大大提升产品的投档率，从而使可控硅平均触发电流投档率达到90％以上，极大提高产品的一致性，降低生产成本。

    本发明利用PN结隔离技术，使耐候可控硅的正向导通电压降低0.1V，并利用开通线长的优势，极大提高产品开关速度和点火能力。

    根据本发明耐候型微触发可控硅的制造方法的一个实施例，所述在PNP结构的一侧P型硅上形成N⁺发射区4的步骤包括：

    在N型硅单晶基片上通过硼扩散形成所述PNP结构，并在一侧P型硅上通过选择性磷扩散形成所述N⁺发射区4。

    根据本发明耐候型微触发可控硅的制造方法的一个实施例，在形成所述横向集成电阻R_O之后还包括步骤：形成包围所述N⁺发射区4、邻近N⁺发射区4的P型硅以及门极电极G的阻断电压保护槽5。

    本发明具备应用场合优势：

    1、可应用于产品/设备的工作使用环境处于变化不定的情形，如类似于像摩托车点火器、漏电保护器等这类工作环境温度没有保障的产品/设备；

    2、可应用于如下产品：虽然产品/设备工作环境温度相对保障，但是因为产品/设备在其工作过程中因为自身的原因导致产品/设备内部的温升变化较大、从而使得其中被使用到的可控硅之工作环境温度变化较大的情形，如类似于电煎烤器、电暖器、电咖啡壶等电子/电器产品/设备。

    以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。