CN103383958B - 一种rc-igbt器件及其制作方法 - Google Patents

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一种RC-IGBT器件及其制作方法，属于功率半导体器件技术领域。本发明在传统RC-IGBT器件结构的基础上，在N+集电极短路区11与N型电场阻止层8之间引入P型阱区12，并采用隔离介质13使得N型电场阻止层8与P型阱区12二者与金属集电极10之间相互绝缘。本发明在具备传统RC-IGBT器件特性的基础上，在正向导通时可以完全消除传统RC-IGBT固有的Snapback现象，并具有与传统RC-IGBT相似的损耗特性。本发明适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。

Description

一种RC-IGBT器件及其制作方法
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)。
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(FreeWheelingDiode)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；Minato,T.1200VReverseConductingIGBT.Proceedingsof2004InternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&ICs,2004,pp.24-27)提出了逆导型IGBT(ReverseConductingIGBT)，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，其特性在于其背部制作了与金属集电极连接的N+集电极短路区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电流。然而背部N+集电极短路区11的引入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，漂移区和背部N型区形成了寄生VDMOS结构。在小电流条件下，由于压降不足，背部P型集电区与N型电场阻止层形成的PN结J2无法开启，从沟道注入N-漂移区的电子直接从N+集电极短路区11流出，导致器件呈现出VDMOS特性。只有当电子电流增大到一定程度，使得J2压降高于该PN结开启电压后，P+型集电区才会向N-漂移区中注入空穴，形成电导调制效应，此时随着电流的提高，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。
发明内容
为了抑制传统RC-IGBT的Snapback现象，提高器件的可靠性，本发明提供一种RC-IGBT器件及其制作方法，所述RC-IGBT器件无Snapback现象，且其制备工艺与传统IGBT器件工艺相兼容。
本发明技术方案如下：
一种RC-IGBT器件，其元胞结构如图2所示，包括发射极结构、集电极结构、栅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相互独立地位于P型基区4中，且P+欧姆接触区2和N+发射区3的表面均和金属发射极1相接触；所述集电极结构包括P+集电区9、N+集电极短路区11和金属集电极10，其中N+集电极短路区11和P+集电区9彼此间隔分布，且二者的下表面均与金属集电极10相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区7，且N-漂移区7底部具有N型电场阻止层8；所述栅极结构包括多晶硅栅电极6和栅氧化层5；所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中：漂移区结构的N型电场阻止层8背面与集电极结构的P+集电区9相接触，漂移区结构的N-漂移区7正面与发射极结构的P型基区4相接触，且N+集电极短路区11位于发射极结构的P型基区4的正下方；所述栅极结构的多晶硅栅电极6与N+发射区3、P型基区4和N-漂移区7三者之间隔着栅氧化层5。在N+集电极短路区11与N型电场阻止层8之间还具有一个P型阱区12，且所述P型阱区12和N型电场阻止层8与金属集电极10之间具有隔离介质13，同时N+集电极短路区11与N型电场阻止层8在器件背面通过浮空金属电极151实现等电位连接。
进一步地，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述集电极结构是透明阳极结构或者短路阳极结构；所述RC-IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作。
本发明提供的RC-IGBT器件，在IGBT正向偏置时，栅电极为高电位，器件表面MOS沟道开启，当阳极电压较小时，由于N+集电极短路区11被P型阱区12包裹且P型阱区12与N型电场阻止层8相短接，N+集电极短路区11与P型阱区12形成的PN结J3呈反偏状态，因此电子无法从N+集电极短路区11流出，器件未开启，阳极电压主要降落在P+集电区9与N型电场阻止层8形成的PN结J2上。随着阳极电压的增加，当降落在J2结上的压降超过该结的开启电压后，P+集电区9开始向N-漂移区7中注入空穴，形成电导调制，器件开启。在上述开启过程中，P型阱区12完全屏蔽了N+集电极短路区11的不利影响，因而在开启过程中完全消除了Snapback现象。
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)为低电位，此时J3处于正偏状态，当阴极电压高于P型基区4与N-漂移区7形成的PN结J1及N+集电极短路区11与P型阱区12形成的PN结J3的开启电压后器件导通，从而可以发挥续流作用。
综上，本发明提供的RC-IGBT器件处于正向导通状态时，与N型电场阻止层短接的P型阱区屏蔽了N+集电极短路区对器件的影响。IGBT模式下，N+集电极短路区11与P型阱区12形成的PN结J3处于反偏状态，压降主要降落在P+集电区9与N型电场阻止层8形成的PN结J2上，当PN结J2导通时，P+集电区向N-漂移区中注入电子，形成电导调制效应，因而在导通过程中不会出现Snapback现象。续流二极管模式下，N+集电极短路区11与P型阱区12形成的PN结J3处于正偏状态下，当压降超过J1与J3的开启电压后器件导通，可以传导电流。因此，本发明提供的RC-IGBT器件，在兼具续流能力的同时，完全消除了传统RC-IGBT正向导通过程中的Snapback现象，并且具有与传统RC-IGBT相似的损耗特性。本发明可适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。
附图说明
图1是传统的RC-IGBT器件元胞结构示意图。
图2是本发明提供的RC-IGBT器件元胞结构示意图。
图1至图2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+集电极短路区，12为P型阱区，13为隔离介质，151为连接N+集电极短路区11和N型电场阻止层8的浮空金属电极。
图3为本发明提供的RC-IGBT器件的制作工艺流程图。
图4是仿真获得的不同环境温度下本发明提供的RC-IGBT器件及传统RC-IGBT器件在正向导通状态下的电流电压特性曲线图。
图5是仿真获得的不同环境温度下本发明提供的RC-IGBT器件在续流状态下的电流电压特性曲线图。
图6是仿真获得的本发明提供的RC-IGBT器件与传统RC-IGBT关断损耗与正向导通压降之间关系的对比图。
具体实施方式
一种RC-IGBT器件，其元胞结构如图2所示，包括发射极结构、集电极结构、栅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相互独立地位于P型基区4中，且P+欧姆接触区2和N+发射区3的表面均和金属发射极1相接触；所述集电极结构包括P+集电区9、N+集电极短路区11和金属集电极10，其中N+集电极短路区11和P+集电区9彼此间隔分布，且二者的下表面均与金属集电极10相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区7，且N-漂移区7底部具有N型电场阻止层8；所述栅极结构包括多晶硅栅电极6和栅氧化层5；所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中：漂移区结构的N型电场阻止层8背面与集电极结构的P+集电区9相接触，漂移区结构的N-漂移区7正面与发射极结构的P型基区4相接触，且N+集电极短路区11位于发射极结构的P型基区4的正下方；所述栅极结构的多晶硅栅电极6与N+发射区3、P型基区4和N-漂移区7三者之间隔着栅氧化层5。在N+集电极短路区11与N型电场阻止层8之间还具有一个P型阱区12，且所述P型阱区12和N型电场阻止层8与金属集电极10之间具有隔离介质13，同时N+集电极短路区11与N型电场阻止层8在器件背面通过浮空金属电极151实现等电位连接。
进一步地，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述集电极结构是透明阳极结构或者短路阳极结构；所述RC-IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作。
本发明提供的RC-IGBT器件的制作工艺如图3所示，其正面工艺沿用传统IGBT表面工艺，主要包括终端区制作及元胞区制作。完成正面工艺后，翻转硅片，背面硅片减薄至所需厚度，背部高能注入N型杂质形成所需的N型电场阻止层8，光刻P型基区4正下方的P+集电区9，注入P型杂质在N型电场阻止层8内部形成P型阱区12，光刻P型阱区12下方的P+集电区9，注入N型杂质在P型阱区12内形成N+集电极短路区11，退火激活杂质，在N型电场阻止层8及P型阱区12表面沉积隔离介质13，光刻N+集电极短路区11接触孔区并刻蚀，最后沉积背部金属形成金属集电极10及连接N+集电极短路区11和N型电场阻止层8的浮空金属电极151。
图4是仿真获得的不同环境温度下本发明提供的RC-IGBT器件及传统RC-IGBT在正向导通状态下的电流电压特性曲线图。可见，传统RC-IGBT在正向导通过程中存在Snapback现象，而本发明提供的一种RC-IGBT完全消除了该现象。
图5是仿真获得的不同环境温度下本发明提供的RC-IGBT器件在续流状态下的电流电压特性曲线图。可见，本发明结构具有续流功能。
图6是仿真获得的本发明提供的RC-IGBT器件与传统RC-IGBT关断损耗与正向导通压降之间关系的对比图，可见两者具有相似的损耗特性。

Claims (4)

1.一种RC-IGBT器件，其元胞结构包括发射极结构、集电极结构、栅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)相互独立地位于(P)型基区4中，且P+欧姆接触区(2)和N+发射区(3)的表面均和金属发射极(1)相接触；所述集电极结构包括P+集电区(9)、N+集电极短路区(11)和金属集电极(10)，其中N+集电极短路区(11)和P+集电区(9)彼此间隔分布，且二者的下表面均与金属集电极(10)相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区(7)，且N-漂移区(7)底部具有N型电场阻止层(8)；所述栅极结构包括多晶硅栅电极(6)和栅氧化层(5)；所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中：漂移区结构的N型电场阻止层(8)背面与集电极结构的P+集电区(9)相接触，漂移区结构的N-漂移区(7)正面与发射极结构的P型基区(4)相接触，且N+集电极短路区(11)位于发射极结构的P型基区(4)的正下方；所述栅极结构的多晶硅栅电极(6)与N+发射区(3)、P型基区(4)和N-漂移区(7)三者之间隔着栅氧化层(5)；
其特征在于，在N+集电极短路区(11)与N型电场阻止层(8)之间还具有一个P型阱区(12)，且所述P型阱区(12)和N型电场阻止层(8)与金属集电极(10)之间具有隔离介质(13)，同时N+集电极短路区(11)与N型电场阻止层(8)在器件背面通过浮空金属电极(151)实现等电位连接。
2.根据权利要求1所述的RC-IGBT器件，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构。
3.根据权利要求1或2所述的RC-IGBT器件，其特征在于，所述集电极结构是透明阳极结构或者短路阳极结构。
4.一种RC-IGBT器件的制作方法，其正面工艺沿用传统IGBT表面工艺，主要包括终端区制作及元胞区制作；完成正面工艺后，翻转硅片，背面硅片减薄至所需厚度，背部高能注入N型杂质形成所需的N型电场阻止层(8)，光刻P型基区(4)正下方的P+集电区(9)，注入P型杂质在N型电场阻止层(8)内部形成P型阱区(12)，光刻P型阱区(12)下方的P+集电区(9)，注入N型杂质在P型阱区(12)内形成N+集电极短路区(11)，退火激活杂质，在N型电场阻止层(8)及P型阱区(12)表面沉积隔离介质(13)，光刻N+集电极短路区(11)接触孔区并刻蚀，最后沉积背部金属形成金属集电极(10)及连接N+集电极短路区(11)和N型电场阻止层(8)的浮空金属电极(151)。
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