CN116314265A - 一种逆导型igbt及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域，具体的说是涉及一种逆导型IGBT及其制造方法。本发明中的一种RC‑IGBT，主要是通过在常规RC‑IGBT器件的P型集电极区上方增加了低掺杂的N型层，增大了P型集电极区上方的电阻，从而减小器件正向导通过程中的回跳电压，改善器件正向导通过程中的snapback效应；本发明中的RC‑IGBT的制造方法，能够与现有RC‑IGBT工艺相兼容。本发明的有益效果为：在不牺牲器件正向阻断能力的基础上，改善了器件正向导通过程中的snapback效应，提升了器件在正向导通过程中的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，具体的说是涉及一种逆导型IGBT及其制造方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是在80年代发展起来的，是一种兼具功率MOS和双极结型晶体管优点的半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降，通常应用在中频和中功率的场景中。但由于IGBT不具备反向导通能力，当应用在感性负载场合时，通常会将一个快回复二极管(Fast Recovery Diode，简称FRD)与其并联在一起使用，为其提供续流保护。
最初是将IGBT和FWD两个独立的器件通过引线焊接到一起做成模块来使用，但这样会带来寄生电感，并且体积较大，限制了其的使用。因此人们将IGBT和FRD集成在同一芯片上发展出了逆导绝缘栅双极晶体管(Reverse Conducting-IGBT，简称RC-IGBT)，通过在背面引入了集电极短路结构，使其获得了反向导通能力。
相比于传统的IGBT而言，RC-IGBT可以使用在感性负载电路中，不需要并联续流二极管，器件内部存在反向电流泄放通道，这样的优点是在不增加元胞宽度的基础上，实现反向逆导功能，便于电路集成，降低成本。但是集电极短路结构使器件在正向导通时存在由MOSFET导通模式向IGBT导通模式的转变，表现为snapback现象(即电压回跳现象)，不利于器件的并联使用，所以通过改进结构，减小RC-IGBT的回跳电压是很有必要的。
发明内容
本发明的目的，就是针对目前传统RC-IGBT正向导通时存在的snapback现象的问题，提供一种新型RC-IGBT结构，该结构改善了器件正向导通过程中的snapback效应。
本发明的技术方案：一种新型RC-IGBT，如图2所示，其元胞结包括集电极结构、位于集电极结构上表面的漂移区结构、位于漂移区上表面的平面栅极结构和发射极结构；所述漂移区结构为N-漂移区6、FS层7和N-层8，所述N-漂移区6位于FS层7上层，N-层8位于FS层7下层；所述平面栅极结构包括栅氧化层3和栅电极1，所述栅氧化层3位于N-漂移区6上表面一端；所述发射极结构包括发射极金属2、N型阱区4、P-body区5，发射极金属2位于N-漂移区6上表面另一端，其特征在于，所述N-漂移区6上层具有P-body区5，P-body区5上层具有N型阱区4，N型阱区4、P-body区5上表面的两端均分别与二氧化硅绝缘层3和发射极金属2的底部接触；所述集电极结构包括集电极金属11、N型集电极区10、P型集电极区9，所述P型集电极区9和N型集电极区10的上表面与N-层8的底部接触，所述N型集电极区10的侧面与P型集电极区9接触。N型集电极区10的下表面和P型集电极区9的下表面与集电极金属11上表面接触。
本发明提供的新型RC-IGBT，其栅极结构可设置为平面型栅或沟槽型栅。
本发明还提出了一种RC-IGBT的制造方法，包括以下步骤：
第一步：选取N型硅片作为衬底硅片，即结构中的N-层8，在N-层8上表面通过外延或离子注入工艺形成FS层7，如图5所示；
第二步：在FS层7上表面通过外延工艺形成N-漂移区6，如图6所示；
第三步：在N-漂移区6上表面一端通过热氧化形成栅氧化层3，并在栅氧化层3上淀积一层多晶硅/金属，再刻蚀形成栅电极1；如图7所示；
第四步：利用离子注入和高温推结工艺，在N-漂移区6上层注入P型杂质并推结形成P-body区5，P-body区5一端的上表面与栅氧化层3底部接触；如图8所示；
第五步：利用离子注入和高温推结工艺，在P-body区5上层注入N型杂质形成N型阱区4，N型阱区4一端的上表面与栅氧化层3底部接触；如图9所示；
第六步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；
第七步：在N-漂移区6上表面另一端淀积金属，形成发射极金属2；发射极金属2的底部与N型阱区4、P-body区5另一端的上表面接触；如图10所示；
第八步：在器件表面淀积钝化层；
第九步：将背面N-层8减薄至所需厚度，并向背面N-层8下层通过光刻离子注入P型杂质并进行离子激活，形成P型集电极区9；如图11所示；
第十步：向背面N-层8下层一端通过光刻离子注入N型杂质并进行离子激活，形成N型集电极区10；如图12所示；
第十一步：在器件下表面进行金属淀积形成集电极11；
本发明的有益效果为，本发明所提出的新型RC-IGBT，通过增加N-层，大幅提高了器件集电极短路电阻来抑制snapback效应。
附图说明
图1是常规平面栅型RC-IGBT元胞结构示意图；
图2是本发明的平面栅型RC-IGBT元胞结构示意图；
图3是常规的槽栅型RC-IGBT元胞结构示意图；
图4是本发明的槽栅型RC-IGBT元胞结构示意图；
图5本发明的制作工艺流程中形成N型FS层7后的结构示意图；
图6是本发明的制作工艺流程中形成N-漂移区6后的结构示意图；
图7是本发明的制作工艺流程中形成栅氧后，在栅氧层上淀积一层多晶硅/金属再刻蚀形成栅电极的结构示意图；
图8是本发明的制作工艺流程中通过离子注入P型杂质推结形成P-body区的结构示意图；
图9是本发明的制作工艺流程中通过离子注入N型杂质推结形成N阱区的结构示意图；
图10是本发明的制作工艺流程中正面金属化后的结构示意图；
图11是本发明的制作工艺流程中向背面注入P型杂质并进行离子激活，形成P型集电极区9后的结构示意图；
图12是本发明的制作工艺流程中向背面注入N型杂质并进行离子激活，形成N型集电极区10后的结构示意图；
图13为本发明与常规RC-IGBT器件正向导通特性曲线对比示意图；
图14为本发明与常规RC-IGBT器件击穿特性曲线对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提供一种RC-IGBT，结构示意图如图2，包括栅电极1、金属化发射极2、栅氧化层3、N阱4、P-body区5、N漂移区6、FS层7、N型区8、P集电极区9、N集电极区10、金属化集电极11。P阱5位于漂移区6顶部，N阱4位于P阱5中，栅氧化层3位于N阱4、P-body区5、N漂移区6的表面，栅电极1位于栅氧化层3表面，金属化发射极2覆盖N阱4以及P-body区5的一部分。N漂移区6的下表面设置有FS层7，FS层7下表面是N型层8，N型层8下表面是P型集电极区9和N型集电极区10，金属化集电极11上部与N集电极区10和P型集电极区9接触。
本发明提出的一种RC-IGBT结构，其栅极结构可设置为平面型栅或沟槽型栅，具有平面型栅的RC-IGBT元胞结构如图2所示，具有沟槽型栅的RC-IGBT元胞结构如图4所示。
在器件的栅极1上加正电压，则栅极1下方的P型基区5表面产生N型沟道。集电极10加正电压，发射极2接零电位，当集电极电流较小时，N阱区5中电子注入到N型漂移区6中，经过FS层7和N型层8，最后通过N型集电极区10流出，该通路仅为电子导电。随着集电极电流的增大，在P型集电极区9与N型层8所构成的PN结上形成的压降高于其开启电压，PN结开启，P型集电极区9向N漂移区6注入大量空穴，N漂移区6发生电导调制效应，导通电阻大大降低，此时，器件的电流电压关系曲线将出现回跳现象。
本发明与常规的RC-IGBT相比，通过增加了低掺杂的N型层，增大了P型集电极区上方的电阻，使得器件正向导通过程中的回跳电压得以减小，同时，并没有降低器件的正向耐压。
图13表示的是本发明与常规RC-IGBT器件正向导通特性曲线对比示意图。从图中可以看到，常规RC-IGBT的回跳电压为7.52V，而本发明的回跳电压为4.52V，相较于常规结构，本发明的回跳电压降低了39％，此结果充分说明了本发明显改善了器件正向导通过程中的snapback效应。
图14表示的是本发明与常规MCT器件击穿特性曲线对比示意图。从图中可以看到，两条曲线基本重合，说明本发明相比常规RC-MCT器件，耐压没有变化，这也说明本发明的器件结构上的改变，不会牺牲器件的正向阻断能力。
Claims (3)
1.一种逆导型IGBT，其元胞包括集电极结构、位于集电极结构上表面的漂移区结构、位于漂移区上表面的栅极结构和发射极结构；其特征在于，所述漂移区结构包括N-漂移区(6)、FS层(7)和N-层(8)，所述N-漂移区(6)位于FS层(7)上层，N-层(8)位于FS层(7)下层；所述栅极结构包括栅氧化层(3)和栅电极(1)，所述栅氧化层(3)位于N-漂移区(6)上表面一端；所述发射极结构包括发射极金属(2)、N型阱区(4)、P-body区(5)，发射极金属(2)位于N-漂移区(6)上表面另一端，所述P-body区(5)位于N-漂移区(6)上层一侧，N阱区(4)位于P-body区(5)上层，并且N阱区(4)、P-body区(5)上表面的两端均分别与栅氧化层(3)和发射极金属(2)的底部接触；所述集电极结构包括集电极金属(11)、N型集电极区(10)和P型集电极区(9)，所述P型集电极区(9)和N型集电极区(10)的上表面与N-层(8)的底部接触，所述N型集电极区(10)的侧面与P型集电极区(9)接触，N型集电极区(10)的下表面和P型集电极区(9)的下表面与集电极金属(11)上表面接触。
2.根据权利要求1所述的一种逆导型IGBT，其特征在于，所述栅极结构为槽栅结构，即栅氧化层(3)嵌入在N-漂移区(6)上层的凹槽中，与平面栅结构不同的是，栅氧化层(3)的侧面与N阱区(4)和P-body区(5)接触。
3.一种逆导型IGBT的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：选取N型硅片作为衬底硅片，形成N-层(8)，在N-层(8)上表面通过外延或离子注入工艺形成FS层(7)；
第二步：在FS层(7)上表面通过外延工艺形成N-漂移区(6)；
第三步：在N-漂移区(6)上表面一端通过热氧化形成栅氧化层(3)，并在栅氧化层(3)上淀积一层多晶硅/金属，再刻蚀形成栅电极(1)；
第四步：利用离子注入和高温推结工艺，在N-漂移区(6)上层另一端注入P型杂质并推结形成P-body区(5)，P-body区(5)一端的上表面与栅氧化层(3)底部接触；
第五步：利用离子注入和高温推结工艺，在P-body区(5)上层注入N型杂质形成N阱区(4)，N阱区(4)一端的上表面与栅氧化层(3)底部接触；
第六步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；
第七步：在N-漂移区(6)上表面另一端淀积金属，形成发射极金属(2)；发射极金属(2)的底部与N型阱区(4)、P-body区(5)另一端的上表面接触；
第八步：在器件表面淀积钝化层；
第九步：将背面N-层(8)减薄至所需厚度，并向背面N-层(8)下层通过光刻离子注入P型杂质并进行离子激活，形成P型集电极区(9)；
第十步：向背面N-层(8)下层一端通过光刻离子注入N型杂质并进行离子激活，形成N型集电极区(10)；
第十一步：在器件下表面进行金属淀积形成集电极(11)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |