CN103413824B - 一种rc-ligbt器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种RC-LIGBT器件及其制作方法，属于功率半导体器件及集成电路领域。本发明在传统RC-LIGBT结构的基础上，在器件集电极结构中引入了P型阱区，该P型阱区将集电极结构中的N+集电极短路区包围在里面，且通过连接金属与N型场截止区短接。本发明提供的RC-IGBT器件在正向导通过程中，能够屏蔽背部N型区对开启过程的影响，从而可以完全消除传统RC-LIGBT固有的负阻现象，从而提高了器件的稳定性和可靠性。本发明适用于功率半导体集成电路。

Description

一种RC-LIGBT器件及其制作方法
技术领域
本发明属于功率半导体集成电路领域，涉及横向绝缘栅双极型晶体管(LateralInsulatedGateBipolarTransistor，LIGBT)，具体涉及横向逆导型绝缘栅双极型晶体管(ReverseConducting-LIGBT，RC-LIGBT)。
背景技术
横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)是功率集成电路中的新型部件。它既有LDMOSFET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，已成为现代功率半导体集成电路的核心部件之一。文献(ShigekiT.,AkioN.,YouichiA.,SatoshiS.andNorihitoT.Carrier-StorageEffectandExtraction-EnhancedLateralIGBT(E2LIGBT):ASuper-HighSpeedandLowOn-stateVoltageLIGBTSuperiortoLDMOSFET.Proceedingsof2012InternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&ICs,2012,pp.393-396)指出，相同电流能力下，LIGBT所需面积仅为传统LDMOS的八分之一，该特性大幅降低了功率芯片的面积，提高了芯片成品率，降低了生产成本。因而，目前基于LIGBT功率半导体集成电路被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。
从LIGBT器件发明以来，人们一直致力于改善LIGBT的性能。经过二十几年的发展，器件性能得到了稳步的提升。在集成电路系统中，LIGBT器件通常需要配合续流二极管(FreeWheelingDiode)使用以确保系统的安全稳定。因此在传统功率集成电路中，通常会将FWD与LIGBT反向并联。然而，该FWD不仅占用了芯片面积，增加了成本，此外额外所需的金属布线增大了芯片内部连线的寄生效应。
为了使得LIGBT具有反向续流能力，常规上在器件的P+集电区11处引入一个与金属集电极接触的N+集电极短路区12，如图1所示。器件中P型基区4、N型漂移区7和N+集电极短路区12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。但N+集电极短路区12的引入给器件的正向导通特性造成了不利影响，这是因为器件结构中沟道区、漂移区和N+集电极短路区12形成了寄生LDMOS结构，在小电流条件下，从沟道注入N型漂移区7的电子直接从N+集电极短路区12流出，此时电压主要降落在器件的N型漂移区7中，导致P+集电区11与N型电场截止区10形成的PN结J1无法开启，漂移区中无法形成电导调制效应，导致器件呈现出LDMOS特性。当电子电流增大到一定程度，P+集电区11与N型电场截止区10形成的PN结J1上压降超过结开启电压时，P+集电区11向N型漂移区7中注入空穴，此时随着电流的提高，由于电导调制效应，器件的正向压降会迅速下降，使得器件电流-电压曲线呈现出负阻现象。在低温条件下负阻现象更加明显，甚至导致器件中P+集电区11与N型电场截止区10形成的PN结J1无法正常开启，这严重影响了LIGBT器件的稳定性和可靠性。
发明内容
为了抑制传统RC-LIGBT器件的负阻现象，提高器件的稳定性和可靠性，本发明提供一种能完全消除负阻效应的RC-LIGBT器件。
本发明技术方案如下：
一种RC-LIGBT器件，其元胞结构如图2所示，包括衬底9、位于衬底表面的氧化硅介质层8、位于氧化硅介质层8表面的N型外延层构成的N型漂移区7；还包括发射极结构、集电极结构和栅极结构；所述发射极结构由金属发射极1、P+接触区2、N+源区3和P型基区4构成，其中P型基区4位于N型漂移区7中横向一侧，P+接触区2和N+源区3彼此独立地位于P型基区4中、且P+接触区2和N+源区3的表面与金属发射极1相接触；所述集电极结构由金属集电极13、P+集电区11、N+集电极短路区12和N型电场截止区10构成，其中N型电场截止区10位于N型漂移区7中横向另一侧，P+集电区11和N+集电极短路区12彼此独立地位于N型电场截止区10中、且P+集电区11和N+集电极短路区12表面与金属集电极13相接触；所述栅极结构由栅氧化层5和多晶硅栅电极6构成，其中多晶硅栅电极6与N+源区3、P型基区4和N型漂移区7三者之间隔着栅氧化层5；所述金属发射极1、金属集电极13和多晶硅栅电极6之间的区域填充隔离介质14。该RC-LIGBT器件还包括一个P型阱区15，所述P型阱区15位于N型电场截止区10内、并将N+集电极短路区12包围在P型阱区15中，但所述P型阱区15与P+集电区11不相接触；所述P型阱区15与N型电场截止区10通过表面连接金属16实现等电位连接。
上述技术方案中，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述RC-IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作；所述金属电极或连接金属可以是铝、铜或者其它金属或合金。
本发明在传统RC-LIGBT器件结构的基础上，在集电极结构中引入了P型阱15，该P型阱15与N型电场截止区10短接(通过表面连接金属16实现)，并将集电极结构中的N+集电极短路区12包围。在正向偏置状态下，栅电极为高电位，器件表面MOS沟道开启，由于集电极为正电位，P型阱区15与N+集电极短路区12所形成的PN结J2处于反偏状态，从沟道流入N型漂移区7的电子无法从N+集电极短路区12流出，当集电极电压较小时，集电极电压主要降落在P+集电区11与N型电场截止区10形成的PN结J1上，器件未开启。随着集电极电压的增加，当降落在J2结上的压降超过该结的开启电压后，P+集电区11开始向N型漂移区7中注入空穴，形成电导调制，器件开启。在上述器件的开启过程中，完全避免了传统RC-LIGBT负阻现象的产生。当器件处于续流状态时，器件的发射极为高电位，集电极为低电位，P型基区4与N型漂移区7形成的PN结J3以及P型阱区15与N+集电极短路区12所形成的PN结J2都处于正向偏置状态，当压降超过开启电压后，器件导通，因而该器件具有续流能力。
本发明的有益效果表现在：
本发明结构在传统RC-LIGBT器件结构的基础上，在集电极结构中引入了P型阱15，该P型阱区完全屏蔽了集电极结构中N+集电极短路区对正向导通过程的不利影响，在正向导通过程中完全消除了传统结构所固有的负阻现象，从而提高了器件的稳定性和可靠性。在续流状态时，P型基区4与N型漂移区7形成的PN结J3以及P型阱区15与N+集电极短路区12所形成的PN结J2都处于正向偏置状态，当两端压降超过J3结及J2结的PN结开启电压后，器件导通，能够发挥续流作用。本发明适用于功率集成电路领域。
附图说明
图1是传统的RC-LIGBT器件元胞结构示意图。
图2是本发明提供的RC-LIGBT器件元胞结构示意图。
图1、2中，1为金属发射极，2为P+接触区，3为N+源区，4为P型基区，5为栅氧化层，6为多晶硅栅电极，7为N型漂移区，8为氧化硅介质层，9为衬底，10为N型电场截止区，11为P+集电区，12为N+集电极短路区，13为金属集电极，14为隔离介质，15为P型阱区，16为连接P型阱区15和N型电场截止区10的连接金属。
图3是本发明提供的RC-LIGBT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传统RC-LIGBT器件与本发明提供的RC-LIGBT器件正向导通状态电流电压特性的对比图。
图5是仿真获得的不同环境温度下本发明提供的RC-LIGBT器件续流状态下电流电压特性关系图。
具体实施方式
一种RC-LIGBT器件，其元胞结构如图2所示，包括衬底9、位于衬底表面的氧化硅介质层8、位于氧化硅介质层8表面的N型外延层构成的N型漂移区7；还包括发射极结构、集电极结构和栅极结构；所述发射极结构由金属发射极1、P+接触区2、N+源区3和P型基区4构成，其中P型基区4位于N型漂移区7中横向一侧，P+接触区2和N+源区3彼此独立地位于P型基区4中、且P+接触区2和N+源区3的表面与金属发射极1相接触；所述集电极结构由金属集电极13、P+集电区11、N+集电极短路区12和N型电场截止区10构成，其中N型电场截止区10位于N型漂移区7中横向另一侧，P+集电区11和N+集电极短路区12彼此独立地位于N型电场截止区10中、且P+集电区11和N+集电极短路区12表面与金属集电极13相接触；所述栅极结构由栅氧化层5和多晶硅栅电极6构成，其中多晶硅栅电极6与N+源区3、P型基区4和N型漂移区7三者之间隔着栅氧化层5；所述金属发射极1、金属集电极13和多晶硅栅电极6之间的区域填充隔离介质14。该RC-LIGBT器件还包括一个P型阱区15，所述P型阱区15位于N型电场截止区10内、并将N+集电极短路区12包围在P型阱区15中，但所述P型阱区15与P+集电区11不相接触；所述P型阱区15与N型电场截止区10通过表面连接金属16实现等电位连接。
上述技术方案中，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述RC-IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作；所述金属电极或连接金属可以是铝、铜或者其它金属或合金。
本发明提供的RC-LIGBT器件，其制作流程如下如图3所示，包括如下步骤：A、准备SOI硅片；B、采用光刻工艺在SOI硅片的硅层横向一侧刻蚀沟槽；C、在步骤B所刻蚀的沟槽表面生长栅氧化层；D、在沟槽内淀积多晶硅，形成多晶硅栅电极；E、光刻P型基区、P型杂质离子注入并退火形成P型基区；F、光刻N型电场截止区、N型杂质注入并退火形成N型电场截止区；G、在N型电场截止区表面光刻P+集电区和P型阱区、P型杂质离子注入并退火在N型电场截止区形成彼此独立的P+集电区和P型阱区；H、在P型基区表面光刻N+源区，同时在P型阱区表面光刻N+集电极短路区，N型离子注入并退火，形成N+源区和N+集电极短路区；I、在P型基区表面光刻P+接触区，P型离子注入并退火形成P+接触区；J、沉积隔离介质；K、光刻隔离介质形成接触孔；L、沉积表面金属，同时形成连接N型电场截止区和P型阱区的连接金属以及金属发射极和金属集电极。
上述工艺过程，可以根据集成电路芯片中其他器件所需工艺条件进行相应调整。
图4是Medici仿真获得的不同环境温度下传统RC-LIGBT器件与本发明提供的RC-LIGBT器件正向导通状态电流电压特性的对比图。由图4可见，传统RC-LIGBT器件具有负阻效应，并且随着温度降低，负阻效应愈发明显；而本发明提供的RC-LIGBT器件完全避免了负阻效应。
图5是Medici仿真获得的不同环境温度下本发明提供的RC-LIGBT器件续流状态下电流电压特性关系图。由图5可见，本发明提供的RC-LIGBT器件具有续流能力。

Claims (3)

1.一种RC-LIGBT器件，其元胞结构包括衬底(9)、位于衬底表面的氧化硅介质层(8)、位于氧化硅介质层(8)表面的N型外延层构成的N型漂移区(7)；还包括发射极结构、集电极结构和栅极结构；所述发射极结构由金属发射极(1)、P+接触区(2)、N+源区(3)和P型基区(4)构成，其中P型基区(4)位于N型漂移区(7)中横向一侧，P+接触区(2)和N+源区(3)彼此独立地位于P型基区(4)中、且P+接触区(2)和N+源区(3)的表面与金属发射极(1)相接触；所述集电极结构由金属集电极(13)、P+集电区(11)、N+集电极短路区(12)和N型电场截止区(10)构成，其中N型电场截止区(10)位于N型漂移区(7)中横向另一侧，P+集电区(11)和N+集电极短路区(12)彼此独立地位于N型电场截止区(10)中、且P+集电区(11)和N+集电极短路区(12)表面与金属集电极(13)相接触；所述栅极结构由栅氧化层(5)和多晶硅栅电极(6)构成，其中多晶硅栅电极(6)与N+源区(3)、P型基区(4)和N型漂移区(7)三者之间隔着栅氧化层(5)；所述金属发射极(1)、金属集电极(13)和多晶硅栅电极(6)之间的区域填充隔离介质(14)；
其特征在于，该RC-LIGBT器件还包括一个P型阱区(15)，所述P型阱区(15)位于N型电场截止区(10)内、并将N+集电极短路区(12)包围在P型阱区(15)中，但所述P型阱区(15)与P+集电区(11)不相接触；所述P型阱区(15)与N型电场截止区(10)通过表面连接金属(16)实现等电位连接。
2.根据权利要求1所述的RC-LIGBT器件，其特征在于，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构。
3.一种RC-LIGBT器件的制作方法，包括如下步骤：A、准备SOI硅片；B、采用光刻工艺在SOI硅片的硅层横向一侧刻蚀沟槽；C、在步骤B所刻蚀的沟槽表面生长栅氧化层；D、在沟槽内淀积多晶硅，形成多晶硅栅电极；E、光刻P型基区、P型杂质离子注入并退火形成P型基区；F、光刻N型电场截止区、N型杂质注入并退火形成N型电场截止区；G、在N型电场截止区表面光刻P+集电区和P型阱区、P型杂质离子注入并退火在N型电场截止区形成彼此独立的P+集电区和P型阱区；H、在P型基区表面光刻N+源区，同时在P型阱区表面光刻N+集电极短路区，N型离子注入并退火，形成N+源区和N+集电极短路区；I、在P型基区表面光刻P+接触区，P型离子注入并退火形成P+接触区；J、沉积隔离介质；K、光刻隔离介质形成接触孔；L、沉积表面金属，同时形成连接N型电场截止区和P型阱区的连接金属以及金属发射极和金属集电极。
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