CN106067481B - 一种双通道rc-igbt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双通道RC‑IGBT器件及其制备方法。本发明属于功率半导体器件技术领域，具体提供逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC‑IGBT)及其制备方法，用于获得更好的器件特性，提高RC‑IGBT的可靠性；本发明在传统RC‑IGBT器件结构的基础上，通过器件背面介质沟槽和肖特基接触等结构的引入，使RC‑IGBT器件在正向IGBT工作模式下完全消除了snapback现象，并具有与传统IGBT相同的导通压降；在反向二极管续流工作模式下具有小的导通压降；同时由于不需要增加背部P+集电区宽度可采用小的背面元胞宽度，解决了传统RC‑IGBT器件电流和温度均匀性的问题，大大提高了可靠性，且其制备工艺与传统RC‑IGBT器件工艺相兼容。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具体涉及逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)及其制备方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件。它既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，已成为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，广泛地应用在诸如通信、能源、交通、工业、医学、家用电器及航空航天等国民经济的各个领域。IGBT的应用对电力电子系统性能的提升起到了极为重要的作用。
在电力电子系统中，IGBT通常需要搭配续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)使用以确保系统的安全稳定。因此在传统IGBT模块或单管器件中，通常会有FWD与其反向并联，该方案不仅增加了器件的个数，模块的体积及生产成本，而且封装过程中焊点数的增加会影响器件的可靠性，金属连线所产生的寄生效应还影响器件的整体性能。
为了解决这一问题，实现产品的整体化，文献《Takahash,H；Yamamoto,A；Aono,S；Mi nato,T.1200V Reverse Conducting IGBT.Proceedings of 2004InternationalSymposium on Power Semiconductor Devices&ICs,2004,pp.24-27》提出了逆导型IGBT(Reverse Cond ucting IGBT,RC-IGBT)，成功地将续流二极管集成在IGBT内部，其结构如图1所示。相比于传统无续流能力的IGBT，该结构在其背部制作了与金属集电极10和N型电场阻止层8连接的N型集电区11，该区域同器件中P型基区4和N-漂移区7形成了寄生二极管结构，在续流模式下该寄生二极管导通提供电流通路。然而该结构背部N型集电区11的引入也给器件的正向导通特性造成了不利影响。由图1可见，器件结构中表面沟道区，N-漂移区7和背部N型集电区11形成了寄生VDMOS结构，当正向导通时，在小电流条件下，由于压降不足，背部P型集电区9与N型电场阻止层8形成的PN结无法开启，从沟道注入N-漂移区7的电子直接从N型集电区11流出，导致器件呈现出VDMOS特性；随着电流的增加，只有当电流增大到一定程度使得P型集电区9与N型电场阻止层8之间的压降高于PN结开启电压后，P型集电区9才会向N型电场阻止层8和N-漂移区7中注入空穴，形成电导调制效应，此时由于N-漂移区7中的电导调制效应，器件的正向压降会迅速下降，使得器件电流-电压曲线呈现出折回(Snapback)现象。在低温条件下snapback现象更加明显，这会导致器件无法正常开启，严重影响电力电子系统的稳定性。对于传统的RC-IGBT，Snapback现象的抑制是在正面多个MOS元胞并联的情况下通过增加背部P+集电区的宽度增大背面元胞宽度，从而增大电子电流横向流动的路径，增大电流路径上的电阻，使其在较小的电流下，就可以使背部远离N型集电区11的P型集电区与N型电场阻止层8形成的压降达到PN结的开启电压。但是，这种方法具有以下问题：1)正向IGBT导通时：由于寄生VDMOS的存在难以完全消除Snapback现象,N型集电区11的存在使传统RC-IGBT的导通压降大于传统IGBT的导通压降，并且增加的P+集电区的宽度会引起器件在正向IGBT导通时的电流均匀性问题,导致严重的电流集中和温度不均匀,严重影响RC-IGBT器件的可靠性；2)反向二极管续流导通时：增加的P+集电区宽度增加了P型集电区9对N-漂移区7中注入空穴的抽取，同时增长了电流的路径，增加了二极管的导通压降，并且增加的P+集电区的宽度会引起器件在反向二极管续流时的电流均匀性问题,导致严重的电流集中和温度不均匀,严重影响RC-IGBT器件的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双通道RC-IGBT器件及其制备方法，用于获得更好的器件特性，提高RC-IGBT的可靠性；本发明RC-IGBT器件在正向IGBT工作模式下完全消除了sn apback现象，并具有与传统IGBT相同的导通压降；在反向二极管续流工作模式下具有小的导通压降；同时由于不需要增加背部P+集电区宽度可采用小的背面元胞宽度，解决了传统R C-IGBT器件电流和温度均匀性的问题，大大提高了可靠性，且其制备工艺与传统RC-IGBT器件工艺相兼容。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双通道RC-IGBT器件，其元胞结构包括发射极结构、栅极结构、集电极结构和漂移区结构，所述发射极结构包括金属发射极1、P+欧姆接触区2、N+发射区3和P型基区4，其中P+欧姆接触区2和N+发射区3相互独立设置于P型基区4中，且P+欧姆接触区2和N+发射区3的表面均与金属发射极1相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区7和N型电场阻止层8，所述N型电场阻止层8设置于N-漂移区7背面；所述栅极结构包括栅电极6和栅氧化层5，所述栅电极6与N+发射区3、P型基区4及N-漂移区7三者之间设置栅氧化层5；所述漂移区结构位于所述发射极结构/栅极结构和所述集电极结构之间，所述N-漂移区7正面与发射极结构的P型基区4和栅极结构的栅氧化层5相接触；
其特征在于，所述集电极结构包括P集电区9、金属集电极10、N型集电区11、欧姆接触金属13、肖特基接触金属14、介质槽15和隔离介质层16，所述P型集电区9与N型电场阻止层8背面相接触，所述N型集电区11位于P型集电区9内一侧底部，所述金属集电极10设置于P型集电区9背面、且与N型集电区11部分接触，所述欧姆接触金属13和肖特基接触金属14并排设置、且与金属集电极10之间通过隔离介质层16相隔离，所述欧姆接触金属13与N型电场阻止层8相连并形成欧姆接触，所述肖特基接触金属14与N型集电区11相连并形成肖特基接触，所述欧姆接触金属13与所述P型集电区9和N型集电区11之间设置所述介质槽15、且欧姆接触金属13和肖特基接触金属14于介质槽15背面相短接。
进一步的，所述N型电场阻止层8与所述欧姆接触金属13之间还设置有N型集电极旁路区12，则所述N型集电极旁路区12正面与N型电场阻止层8背面相接触、N型集电极旁路区12背面与欧姆接触金属13相连并形成欧姆接触。
更进一步的，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述漂移区结构为NPT结构或F S结构；所述RC-IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作；所述介质槽15中填充的介质材料为SiO2、HfO2、Al2O3、Si3N4等高k介质材料。
上述双通道RC-IGBT的制备方法，包括以下步骤：
第一步：选取轻掺杂FZ硅片用以形成RC-IGBT的N-漂移区；通过多次光刻、氧化、离子注入、退火、淀积工艺在硅片正面制作RC-IGBT的正面结构，包括发射机结构和栅极结构；
第二步：翻转硅片，减薄硅片背面至所需厚度；
第三步：在硅片背面的预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作N型场阻止层，形成的N型场阻止层的厚度为2～5微米；
第四步：在硅片背面的预设区域通过离子注入P型杂质制作P型集电区，形成的P型集电区的厚度为0.5～1微米；
第五步：在硅片背面的预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作N型集电区，形成的N型集电区的厚度比P型集电区9的厚度小0.1～0.3微米；
第六步：光刻、刻蚀并填充介质形成介质槽，介质槽的深度大于P型集电区9的深度0.1～0.3微米，介质槽15的宽度为0.02～0.2微米；
第七步：淀积并光刻、刻蚀金属形成欧姆接触金属及肖特基接触金属；
第八步：淀积并光刻、刻蚀介质层形成隔离介质层；
第九步：淀积金属，形成金属集电极10；
即制备得双通道RC-IGBT。
进一步的，所述工艺步骤中第三步N型场阻止层的制备可在RC-IGBT的正面结构，包括元胞MOS结构和终端结构的制备之前进行；或可直接选用具有N型场阻止层和N-漂移区的双层外延材料作为工艺起始的硅片材料，即第三步可省略。
需要说明的是，为了简化描述，上述器件结构和制备方法是以n沟道RC-IGBT器件为例来说明，但本发明同样适用于p沟道RC-IGBT器件的制备；且上述RC-IGBT的制备方法中的工艺步骤和工艺条件可根据实际需要进行设定。
本发明提供的双通道RC-IGBT器件，在IGBT正向偏置时，发射极金属1接零电位，集电极金属10接高电位，栅电极6接高电位。对于N型集电区11与肖特基金属14形成的肖特基结，由于金属集电极10接高电位，在N型集电区11中形成载流子的阻挡层，该肖特基结反偏，电流不能通过该肖特基结流通，因此金属集电极10、N型集电区11、肖特基金属14、欧姆接触金属13与N集电极旁路区12和N型场阻止层8的路径电流不能导通；此外，由于P集电区9和介质槽15将N型集电区11包裹，并且P集电区9和N型集电区11等电位，因此在IGBT正向偏置时N型集电区11被P集电区9完全屏蔽。当栅电极6接高电位时，器件表面MOS沟道开启，电子由N+发射区3经P-body区4的表面沟道注入N-漂移区7中，随着集电极金属10电压的增加，当P集电区9和N型场阻止层8的压降超过PN结的导通压降后，由表面MOS沟道流入N-漂移区7中电子电流作为由P-body区4、N-漂移区7与P集电区9组成的PNP晶体管的基极电流，使PNP晶体管导通，大量空穴由P集电区9经N型电场阻止层8注入N-漂移区7中。因此，对于本发明结构不仅完全消除了传统RC-IGBT在正向导通时的snapback的现象，而且具有与传统IGBT相同的正向导通压降，同时不需要增大背部P集电区9的宽度可采用小的背面元胞宽度，解决了传统RC-IGBT器件电流和温度均匀性的问题，大大提高了可靠性。
对于本发明结构在二极管续流模式下，器件的阴极(发射极)为高电位，阳极(集电极)为零电位，其等效电路如图4所示，二极管电流的通路在背部将由两种导电通道构成，如图5所示。首先，N型场阻止层8、N集电极旁路区12、P集电区9、N型集电区11与介质槽15构成了栅-漏短接的寄生MOSFET结构，对于该寄生MOSFET，P集电区9为衬底，N型场阻止层8为漏区，N型集电区11为源区，N集电极旁路区12/N型场阻止层8为栅极，介质槽15为栅介质。通过调整介质槽15的宽度和材料以及P集电区9的浓度和深度，使该寄生MOSFET具有介于0～0.1V的阈值电压。当本发明器件阴极和阳极的电位差超过所述寄生MO SFET的阈值电压以及由P-body区4和N-漂移区7形成的PN结的开启电压之和后，此时上述由P-body区4和N-漂移区7形成的PN结开启并且寄生MOS沟道开启，器件进入二极管续流导通模式，电流从表面PN结流入并从背部寄生MOS沟道流出器件；当阴极和阳极的电位差继续增加，当阴极和阳极的电位差超过肖特基金属14和N型集电区11形成的肖特基结的开启电压以及由P-body区4和N-漂移区7形成的PN结的开启电压之和后，背部除寄生M OS沟道开启外，由肖特基金属14和N型集电区11形成的肖特基结也开启，此时一部分电流在背部通过由N-漂移区7、N型场阻止层8、N集电极短路区12、欧姆接触金属13、肖特基金属14、N型集电区11的电流通路流出，背部为双导电通道导通，即电流从表面PN结流入后从背部寄生MOS沟道和肖特基结两条通道流出器件。通过选择合适的肖特基金属14，可得到～0.3V甚至更低的肖特基开启电压。因此，在续流二极管的工作模式下，本发明在器件背部有两条导电通路，具有更低的导通压降，更优的二极管导通特性。特别地，在正向IG BT导通模式下，背部寄生MOSFET不能导通，而此时肖特基结也为反偏截止状态，因此在正向IGBT导通模式下用于续流二极管的背部的两条通路均是阻断的。
综上所述，本发明提供的双通道RC-IGBT器件在正向IGBT工作模式下完全消除了sna pback现象，并具有与传统IGBT相同的导通压降；在反向二极管续流工作模式下由于背部双导电通道的存在具有小的导通压降；同时由于不需要增加背部P集电区宽度可采用小的背面元胞宽度，解决了传统RC-IGBT器件电流和温度均匀性的问题，大大提高了可靠性；并且本发明提供的制备方法与传统RC-IGBT器件工艺相兼容。
附图说明
图1是传统的RC-IGBT器件元胞结构示意图。
图2是本发明实施例1提供双通道RC-IGBT器件元胞结构示意图。
图3是本发明实施例2提供双通道RC-IGBT器件元胞结构示意图。
图1至图3中，1为金属发射极，2为P+欧姆接触区，3为N+发射区，4为P型基区，5为栅氧化层，6为多晶硅栅极，7为N-漂移区，8为N型电场阻止层，9为P集电区，10为金属集电极，11为N型集电区，12为N型集电极短路区，13为欧姆接触金属，14为肖特基接触电阻，15为介质槽，16为隔离介质层。
图4为本发明提供的双通道RC-IGBT器件工作在二极管续流模式时的等效电路模型。
图5为本发明提供的双通道RC-IGBT器件工作在二极管续流模式时的双通道导电模式示意图。
图6为本发明提供的双通道RC-IGBT器件的制造工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的原理和特性做进一步的说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例提供600V电压等级的双通道RC-IGBT，其元胞结构如图2所示，包括发射极结构、栅极结构、集电极结构和漂移区结构，所述发射极结构包括金属发射极1、P+欧姆接触区2、N+发射区3和P型基区4，其中P+欧姆接触区2和N+发射区3相互独立设置于P型基区4中，且P+欧姆接触区2和N+发射区3的表面均与金属发射极1相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区7和N型电场阻止层8，所述N型电场阻止层8设置于N-漂移区7背面；所述栅极结构包括栅电极6和栅氧化层5，所述栅电极6与N+发射区3、P型基区4及N-漂移区7三者之间设置栅氧化层5；所述漂移区结构位于所述发射极结构/栅极结构和所述集电极结构之间，所述N-漂移区7正面与发射极结构的P型基区4和栅极结构的栅氧化层5相接触；其特征在于，所述集电极结构包括P集电区9、金属集电极10、N型集电区11、欧姆接触金属13、肖特基接触金属14、介质槽15和隔离介质层16，所述P型集电区9与N型电场阻止层8背面相接触，所述N型集电区11位于P型集电区9内一侧底部，所述金属集电极10设置于P型集电区9背面、且与N型集电区11部分接触，所述欧姆接触金属13和肖特基接触金属14并排设置、且与金属集电极10之间通过隔离介质层16相隔离，所述欧姆接触金属13与N型电场阻止层8相连并形成欧姆接触，所述肖特基接触金属14与N型集电区11相连并形成肖特基接触，所述欧姆接触金属13与所述P型集电区9和N型集电区11之间设置所述介质槽15、且欧姆接触金属13和肖特基接触金属14于介质槽15背面相短接。
所述介质槽15的深度大于P型集电区9的深度0.1～0.3微米，介质槽15的宽度为0.02～0.2微米；形成的所述N集电极短路区11的厚度比P型集电区9的厚度小0.1～0.3微米，通过调整介质槽15的宽度和材料以及P集电区9的浓度和深度，使背部寄生MOSFET具有介于0～0.1V的阈值电压；通过选择合适的肖特基金属14，使形成的肖特基结具有0.3V甚至更低的开启电压。
实施例2
本实施例提供600V电压等级的双通道RC-IGBT，其元胞结构如图3所示，该结构在实施例1的基础上，在所述N型电场阻止层8与所述欧姆接触金属13之间还设置有N型集电极旁路区12，则所述N型集电极旁路区12正面与N型电场阻止层8背面相接触、N型集电极旁路区12背面与欧姆接触金属13相连并形成欧姆接触。所述N型集电极旁路区12的厚度同样比P型集电区9的厚度小0.1～0.3微米，但与N型集电区11相比，其厚度及掺杂浓度可以相同也可以不同。
上述双通道RC-IGBT的制备方法，如图6所示，具体包括以下步骤：
第一步：选取掺杂浓度为2×1014个/cm3,厚度为300～500微米的轻掺杂FZ硅片用以形成RC-IGBT的漂移区；通过多次光刻、氧化、离子注入、退火、淀积工艺在硅片正面制作RC-IGBT的正面结构，包括元胞MOS结构和终端结构；
第二步：翻转硅片，减薄硅片背面至40～60微米的厚度；
第三步：在硅片背面预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作RC-IGBT的N型场阻止层8，形成的N型场阻止层的厚度为2～3微米，离子注入能量为1000keV～2000keV，注入剂量为1×1014个/cm2，采用激光退火工艺，退火温度为400-500℃，退火时间为30～60分钟；
第四步：在硅片背面的预设区域通过离子注入P型杂质制作RC-IGBT的P型集电区，形成的P型集电区9的厚度为～0.5微米，离子注入能量为60keV，注入剂量为1×1014个/cm2；
第五步：在硅片背面的预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作RC-IGBT的N型集电区11和N集电极旁路区12，形成的N型集电区11和N集电极旁路区12的厚度比P型集电区9的厚度小0.2微米，离子注入能量为15keV，注入剂量为2×1014个/cm2，退火温度为450℃，退火时间为30～60分钟；
第六步：光刻，刻蚀并填充介质形成介质槽15，介质槽15的深度大于P型集电区9的深度0.1微米，介质槽15的宽度为0.02微米，介质槽15的侧壁一边与P集电区9和N型集电区11的侧壁相接触，一边与N集电极旁路区12和N型场阻止层8的侧壁相接触；
第七步：淀积并光刻、刻蚀金属Al在N集电极旁路区12的表面形成欧姆接触金属13；淀积并光刻、刻蚀金属Ni在N型集电区11靠近介质槽15的部分表面形成肖特基接触金属14，且所述欧姆接触金属13与肖特基接触金属14在介质槽15的下表面处相短接；
第八步：淀积并光刻、刻蚀介质层形成介质层16；
第九步：淀积金属，形成金属集电极10；
即制备得双通道RC-IGBT。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种双通道RC-IGBT器件，其元胞结构包括发射极结构、栅极结构、集电极结构和漂移区结构，所述发射极结构包括金属发射极(1)、P+欧姆接触区(2)、N+发射区(3)和P型基区(4)，其中P+欧姆接触区(2)和N+发射区(3)相互独立设置于P型基区(4)中，且P+欧姆接触区(2)和N+发射区(3)的表面均与金属发射极(1)相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区(7)和N型电场阻止层(8)，所述N型电场阻止层(8)设置于N-漂移区(7)背面；所述栅极结构包括栅电极(6)和栅氧化层(5)，所述栅电极(6)与N+发射区(3)、P型基区(4)及N-漂移区(7)三者之间设置栅氧化层(5)；所述漂移区结构位于所述发射极结构/栅极结构和所述集电极结构之间，所述N-漂移区(7)正面与发射极结构的P型基区(4)和栅极结构的栅氧化层(5)相接触；
其特征在于，所述集电极结构包括P型 集电区(9)、金属集电极(10)、N型集电区(11)、欧姆接触金属(13)、肖特基接触金属(14)、介质槽(15)和隔离介质层(16)，所述P型集电区(9)与N型电场阻止层(8)背面相接触，所述N型集电区(11)位于P型集电区(9)内一侧底部，所述金属集电极(10)设置于P型集电区(9)背面、且与N型集电区(11)部分接触，所述欧姆接触金属(13)和肖特基接触金属(14)并排设置、且与金属集电极(10)之间通过隔离介质层(16)相隔离，所述欧姆接触金属(13)与N型电场阻止层(8)相连并形成欧姆接触，所述肖特基接触金属(14)与N型集电区(11)相连并形成肖特基接触，所述欧姆接触金属(13)与所述P型集电区(9)和N型集电区(11)之间设置所述介质槽(15)、且欧姆接触金属(13)和肖特基接触金属(14)于介质槽(15)背面相短接。
2.按权利要求1所述双通道RC-IGBT器件，其特征在于，所述N型电场阻止层(8)与所述欧姆接触金属(13)之间还设置有N型集电极旁路区(12)，则所述N型集电极旁路区(12)正面与N型电场阻止层(8)背面相接触、N型集电极旁路区(12)背面与欧姆接触金属(13)相连并形成欧姆接触。
3.按权利要求1或2所述双通道RC-IGBT器件，其特征在于，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构。
4.按权利要求1或2所述双通道RC-IGBT器件，其特征在于，所述漂移区结构为NPT结构或FS结构。
5.按权利要求1或2所述双通道RC-IGBT器件，其特征在于，所述RC-IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作。
6.按权利要求1或2所述双通道RC-IGBT器件，其特征在于，所述介质槽(15)中填充的介质材料为SiO2、HfO2、Al2O3或Si3N4。
7.按权利要求1所述双通道RC-IGBT的制备方法，包括以下步骤：
第一步：选取轻掺杂FZ硅片用以形成RC-IGBT的N-漂移区；通过多次光刻、氧化、离子注入、退火、淀积工艺在硅片正面制作RC-IGBT的正面结构，包括发射机结构和栅极结构；
第二步：翻转硅片，减薄硅片背面至所需厚度；
第三步：在硅片背面的预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作N型场阻止层，形成的N型场阻止层的厚度为2～5微米；
第四步：在硅片背面的预设区域通过离子注入P型杂质制作P型集电区，形成的P型集电区的厚度为0.5～1微米；
第五步：在硅片背面的预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作N型集电区，形成的N型集电区的厚度比P型集电区的厚度小0.1～0.3微米；
第六步：光刻、刻蚀并填充介质形成介质槽，介质槽的深度大于P型集电区的深度0.1～0.3微米，介质槽的宽度为0.02～0.2微米；
第七步：淀积并光刻、刻蚀金属形成欧姆接触金属及肖特基接触金属；
第八步：淀积并光刻、刻蚀介质层形成隔离介质层；
第九步：淀积金属，形成金属集电极；
即制备得双通道RC-IGBT。
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