CN106206291A - 一种rc‑ligbt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体集成电路领域，具体涉及横向逆导型绝缘栅双极型晶体管(Reverse Conducting‑LIGBT，RC‑LIGBT)及其制备方法，用于抑制传统RC‑LIGBT器件的负阻(snapback)现象，同时改善反向二极管特性，提高器件的稳定性和可靠性。本发明RC‑LIGBT器件通过在器件集电极端引入的复合结构，在正向LIGBT工作模式下完全屏蔽了N型集电区对导通特性的影响，完全消除了负阻(snapback)现象，并具有与传统LIGBT相同的低导通压降，提高了器件的稳定性和可靠性；同时在反向二极管续流工作模式下在集电极端提供了低阻的续流通道，优化了其续流能力，具有小的导通压降。
Description
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(LateralInsulated Gate Bipolar Transistor，LIGBT)，具体涉及横向逆导型绝缘栅双极型晶体管(Reverse Cond ucting-LIGBT，RC-LIGBT)及其制备方法。
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器件，它既有LDMOSFET易于驱动，控制简单，易集成的优点，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器件之一。文献(Shigeki T.,Akio N.,Youichi A.,Satoshi S.and Norihito T.Carrier-Storage Effect and Extraction-Enhanced Lateral I GBT(E2LIGBT):A Super-High Speed and Low On-state VoltageLIGBT Superior to LDM OSFET.Proceedings of 2012 International Symposium onPower Semiconductor Devices&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的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器件的性能，经过不断的发展，器件性能得到了稳步的提升。在功率集成电路系统中，LIGBT器件通常需要配合续流二极管(Free Wheeling Diode)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具有反向续流的能力，传统上如图1所示，在LIGBT器件的P型集电区8处额外引入一个与金属集电极13接触的N+集电区9，器件中P型基区4、N型漂移区3、N型电场截止区7、N+集电区9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+集电区9的引入也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的MOS沟道区、漂移区3和N+集电区9形成了寄生的LDMOS结构，在小电流条件下，从沟道注入N型漂移区3的电子直接从N+集电区9流出，此时电压主要降落在器件的N型漂移区3中，导致P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结无法开启，漂移区中无法形成电导调制效应，导致器件呈现出LDMOS特性。只有当电子电流增大到一定程度，P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结上压降超过结开启电压时，P型集电区8开始向N型漂移区3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(snapback)现象。在低温条件下，P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结的导通压降增大，需要在更大的电流条件下才能将其导通，导致负阻现象更加明显，甚至导致器件中P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结无法正常开启，这严重影响了LIGBT器件的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能完全消除负阻效应的RC-LIGBT器件及其制备方法，用于抑制传统RC-LIGBT器件的负阻(snapback)现象，同时改善反向二极管特性，提高器件的稳定性和可靠性。本发明RC-LIGBT器件通过在器件集电极端引入的复合结构，在正向LIGBT工作模式下完全屏蔽了N型集电区对导通特性的影响，完全消除了负阻(snapback)现象，并具有与传统LIGBT相同的低导通压降，提高了器件的稳定性和可靠性；同时在反向二极管续流工作模式下在集电极端提供了低阻的续流通道，优化了其续流能力，具有小的导通压降。
本发明技术方案如下：
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种RC-LIGBT器件，其元胞结构包括衬底1、位于衬底1上的氧化硅介质层2、位于氧化硅介质层2上的N型漂移区3、位于N型漂移区3上的发射极结构、栅极结构、集电极结构以及介质层14；所述发射极结构由P型基区4、N+源区5、P+接触区6和金属发射极12构成，其中，P型基区4设置于N型漂移区3中并位于其顶部一侧，P+接触区6和N+源区5彼此独立地设置于P型基区4中、且P+接触区6和N+源区5的正面均与金属发射极12相接触；所述栅极结构位于所述发射极结构的侧面，由栅介质10和多晶硅栅电极11组成，其中，栅介质10的背面与N+源区5、P型基区4和N型漂移区3相接触、正面与多晶硅栅电极11相接触，所述栅极结构与金属发射极12之间间隔介质层14；
其特征在于，所述集电极结构由N型电场截止区7、P型集电区8、N+集电区9、金属集电极13、P型阱区15和介质槽16构成，其中，N型电场截止区7设置于N型漂移区3中并位于其顶部另一侧，所述P型阱区15设置于N型电场截止区7中，所述P型集电区8和N+集电区9彼此独立设置于P型阱区15中、且均与金属集电极13相接触，N+集电区9和P型阱区15与N型电场截止区7之间设置介质槽16；所述集电极结构与栅极结构之间间隔介质层14。
进一步的，所述介质槽16的深度大于P型阱区15的厚度、小于N型电场截止区7的厚度；所述P型集电区8和N+集电区9的厚度小于P型阱区15的厚度。
更进一步的，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述双通道RC-LIGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作；所述金属电极材料采用铝、铜或者其它金属或合金；所述介质槽16中填充的介质为SiO2,HfO2,Al2O3,Si3N4等高k介质材料。
上述RC-LIGBT的制备方法，包括以下步骤：
第一步：选取绝缘体上硅(SOI)材料，其中衬底厚度为300～600微米，掺杂浓度为1014～1015个/cm3、位于衬底上的氧化硅介质层厚度为0.5～3微米、位于氧化硅介质层上的N型漂移区的厚度为5～20微米，掺杂浓度为1014～1015个/cm3；
第二步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作RC-LIGBT的N型电场截止区，形成的N型电场截止区的厚度为2～5微米；
第三步：硅片表面热氧化并淀积栅电极材料，光刻、刻蚀部分栅电极材料和栅氧化层形成栅介质层和栅电极；
第四步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P型基区和P型阱区，形成的P型基区4和P型阱区15的厚度分别为2～2.5微米和1～1.5微米；
第五步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入N型杂质制作RC-LIGBT的N+源区和N+集电区，形成的N+源区和N+集电区的厚度为0.2～0.5微米；
第六步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P+接触区和P型集电区，形成的P+接触区和P型集电区的厚度为0.2～1微米；
第七步：光刻，刻蚀并填充介质形成介质槽，形成的介质槽的深度小于N型电场截止区的深度，介质槽的深度大于P型阱区的深度0.1～0.2微米，介质槽的宽度为0.01～0.1微米；
第八步：淀积并光刻、刻蚀介质层形成介质层；
第九步：淀积并光刻、刻蚀金属在器件表面形成金属发射极和金属集电极；
即制备得RC-LIGBT。
需要说明的是，在第一步材料的选取过程中除了SOI材料外，还可以选取P型衬底上具有N型漂移区的外延材料；在第四步P型基区4和P型阱区15的形成中，在第五步N+源区5和N+集电区9的形成中，在第六步P+接触区6和P型集电区8的形成中以及在第九步金属发射极12和金属集电极13的形成中各区的形成可单步完成，也可分多步分别完成。
另外，为了简化描述，上述器件结构和制备方法是以n沟道RC-LIGBT器件为例来说明，但本发明同样适用于p沟道RC-LIGBT器件的制备；且上述RC-LIGBT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。
本发明在传统RC-LIGBT器件结构的基础上，在集电极端引入了P型阱区15和介质槽16，所述P型阱区15和介质槽16将集电极结构中的N+集电区9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，由于集电极为高电位，P型阱区15与N+集电区9所形成的PN结处于反偏状态，因此从沟道流入N型漂移区3的电子无法从N+集电区9流出。当集电极电压较小时，集电极电压主要降落在P型阱区15与N型电场截止区7形成的P N结上，器件未开启；随着集电极电压的增加，当降落在P型阱区15与N型电场截止区7形成的PN结上的压降超过该结的开启电压(约0.7V)时，P型集电区8通过P型阱区15开始向N型漂移区3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，P型阱区15和介质槽16完全屏蔽了N型集电区9对导通特性的影响，完全消除了负阻(snap back)现象的产生，提高了器件的稳定性和可靠性，并具有与传统LIGBT相同的低导通压降。当器件处于续流二极管状态时，器件的发射极为高电位，集电极为零电位。此时，N型集电区9和P型阱区15与集电极13等电位为零电位，当发射极12的电位增加超过由P-body区4和N型漂移区3形成的PN结的开启电压后，N型电场截止区7的电位增加，介质槽16两边N型电场截止区7和P型阱区15之间形成的电位差产生的电场使P型阱区15靠近介质槽16的侧壁形成电子的积累，进而形成反型，从而形成电子的导电通道，此时器件进入二极管续流导通模式，电流从左侧发射极端的PN结流入经P型阱区15靠近介质槽16侧壁形成的电子通道和集电极端的N型集电区9流出。通过调整介质槽16的宽度和材料以及P型阱区15的浓度和深度，使P型阱区15靠近介质槽16的侧壁开始反型形成电子通道时介质槽16两边N型电场截止区7和P型阱区15之间的电位差介于0～0.1V，从而在集电极端提供低阻的导电通道，优化了其续流能力，可获得低的二极管导通压降；
本发明的有益效果表现在：
本发明结构在传统的RC-LIGBT器件结构的基础上，在集电极端引入了P型阱区15和介质槽16，所述P型阱区15和介质槽16将集电极结构中的N+集电区9包围。在正向IGBT导通模式下，P型阱区15和介质槽16完全屏蔽了N型集电区9对导通特性的影响，因而完全消除了负阻(snapback)现象的产生，提高了器件的稳定性和可靠性，并具有与传统LIGB T相同的低导通压降。在续流二极管的工作模式下，电流从发射极侧PN结流入后在集电极端经P型阱区15靠近介质槽16侧壁形成的低阻电子通道流出器件，续流能力强，具有更低的导通压降，更优的二极管导通特性。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是本发明实施例1提供的RC-LIGBT器件元胞结构示意图。
图3是本发明实施例2提供的RC-LIGBT器件元胞结构示意图。
图1～3中，1为衬底，2为SOI隔离氧化层，3为N型漂移区，4为P型基区，5为N+源区，6为发射极P+接触区，7为N型电场截止区，8为P型集电区，9为N+集电区，10为栅介质层，11为栅电极，12为发射极金属，13为集电极金属，14为隔离介质层，15为P型阱区，16为介质槽。
图4是本发明提供的RC-LIGBT器件工艺制作流程示意图。
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
本实施例提供一种400V电压等级的RC-LIGBT器件，其元胞结构如图2所示，包括衬底1、位于衬底1上的氧化硅介质层2、位于氧化硅介质层2上的N型漂移区3、位于N型漂移区3上的发射极结构、栅极结构、集电极结构以及介质层14；所述发射极结构由P型基区4、N+源区5、P+接触区6和金属发射极12构成，其中，P型基区4设置于N型漂移区3中并位于其顶部左侧，P+接触区6和N+源区5彼此独立地设置于P型基区4中、且P+接触区6和N+源区5的正面均与金属发射极12相接触；所述栅极结构位于所述发射极结构的右侧，由栅介质10和多晶硅栅电极11组成，其中，栅介质10的背面与N+源区5、P型基区4和N型漂移区3相接触、正面与多晶硅栅电极11相接触，所述栅极结构与金属发射极12之间间隔介质层14；所述集电极结构由N型电场截止区7、P型集电区8、N+集电区9、金属集电极13、P型阱区15、介质槽16构成，其中，N型电场截止区7设置于N型漂移区3中并位于其顶部右侧，所述P型阱区15设置于N型电场截止区7中、且位于其顶部右侧，所述P型集电区8和N+集电区9彼此独立设置于P型阱区15中、P型集电区8位于右侧、N+集电区9位于左侧，N+集电区9和P型阱区15与N型电场截止区7之间设置介质槽16；所述金属集电极13与P型集电区8和N+集电区9正面相接触，所述集电极结构与栅极结构之间间隔介质层14。
所述P型阱区15的厚度为0.5～1.5微米，介质槽16的深度大于P型阱区15的深度0.1～0.2微米，介质槽16的宽度为0.01～0.1微米，P型集电区8和N+集电区9的厚度比P型阱区15的厚度小0.3～0.5微米；P型阱区15和P型基区4，N+集电区9和N+源区5，P型集电区8和P+接触区6的浓度可以相同也可以不同；通过调整介质槽16的宽度和材料以及P型阱区15的浓度和深度，使P型阱区15靠近介质槽16的侧壁开始反型形成电子通道时介质槽16两边N型电场截止区7和P型阱区15之间的电位差介于0～0.1V。
实施例2
本实施例提供一种400V电压等级的RC-LIGBT器件，其元胞结构如图3所示，包括衬底1、位于衬底1上的氧化硅介质层2、位于氧化硅介质层2上的N型漂移区3、位于N型漂移区3上的发射极结构、栅极结构、集电极结构以及介质层14；所述发射极结构由P型基区4、N+源区5、P+接触区6和金属发射极12构成，其中，P型基区4设置于N型漂移区3中并位于其顶部左侧，P+接触区6和N+源区5彼此独立地设置于P型基区4中、且P+接触区6和N+源区5的正面均与金属发射极12相接触；所述栅极结构位于所述发射极结构的右侧，由栅介质10和多晶硅栅电极11组成，其中，栅介质10的背面与N+源区5、P型基区4和N型漂移区3相接触、正面与多晶硅栅电极11相接触，所述栅极结构与金属发射极12之间间隔介质层14；所述集电极结构由N型电场截止区7、P型集电区8、N+集电区9、金属集电极13、P型阱区15、介质槽16构成，其中，N型电场截止区7设置于N型漂移区3中并位于其顶部右侧，所述P型阱区15被包围于N型电场截止区7中，所述P型集电区8和N+集电区9彼此独立设置于P型阱区15中、P型集电区8位于左侧、N+集电区9位于右侧，N+集电区9和P型阱区15与N型电场截止区7之间设置介质槽16；所述金属集电极13与P型集电区8和N+集电区9正面相接触，所述集电极结构与栅极结构之间间隔介质层14。
所述P型阱区15的厚度为0.5～1.5微米，介质槽16的深度大于P型阱区15的深度0.1～0.2微米，介质槽16的宽度为0.01～0.1微米，P型集电区8和N+集电区9的厚度比P型阱区15的厚度小0.3～0.5微米；P型阱区15和P型基区4，N+集电区9和N+源区5，P型集电区8和P+接触区6的浓度可以相同也可以不同；通过调整介质槽16的宽度和材料以及P型阱区15的浓度和深度，使P型阱区15靠近介质槽16的侧壁开始反型形成电子通道时介质槽16两边N型电场截止区7和P型阱区15之间的电位差介于0～0.1V。
上述400V电压等级的RC-LIGBT的制备方法，如图4所示，具体包括以下步骤：
第一步：选取绝缘体上硅(SOI)材料，其中衬底厚度为500微米，掺杂浓度为1×1015个/cm3、位于衬底上的氧化硅介质层厚度为2微米、位于氧化硅介质层上的N型漂移区的厚度为10微米，掺杂浓度为1×1015个/cm3；
第二步：光刻，在硅片表面部分区域通过离子注入N型杂质并退火制作RC-LIGBT的N型电场截止区7，形成的N型电场截止区的厚度为4微米，离子注入能量为120keV，注入剂量为5×1013个/cm2，退火温度为1100℃，退火时间为30分钟；
第三步：硅片表面热氧化并淀积多晶硅栅电极材料，光刻、刻蚀部分栅电极材料和栅氧化层形成栅介质层10和栅电极11，形成的栅氧化层厚度为0.1微米；
第四步：在硅片表面部分区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P型基区4和P型阱区15，形成的P型基区4和P型阱区15的厚度分别为2.5微米和1微米；离子注入能量为80keV，注入剂量为6×1013个/cm2，退火温度为1050℃，退火时间为30分钟，形成的P型基区4距离N型电场截止区7为40～45微米；
第五步：光刻，在硅片表面部分区域通过离子注入N型杂质制作RC-LIGBT的N+源区5和N+集电区9，形成的N+源区5和N+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；
第六步：光刻，在硅片表面部分区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P+接触区6和P型集电区8，形成的P+接触区6和P型集电区8的厚度为0.5微米；离子注入能量为60keV，注入剂量为6×1013个/cm2，退火温度为1000℃，退火时间为15分钟；
第七步：光刻，刻蚀并填充介质形成介质槽16，介质槽16的深度为1.1～1.2微米，介质槽16的宽度为0.01～0.02微米，介质槽16的侧壁一边与N型电场截止区7相接触，一边与N+集电区9和P型阱区15的侧壁相接触；
第八步：淀积并光刻、刻蚀介质层形成介质层14；
第九步：淀积并光刻、刻蚀金属在器件表面的适当位置形成金属发射极12和金属集电极13。
即制备得RC-LIGBT。
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 (6)
1.一种RC-LIGBT器件，其元胞结构包括衬底(1)、位于衬底(1)上的氧化硅介质层(2)、位于氧化硅介质层(2)上的N型漂移区(3)、位于N型漂移区(3)上的发射极结构、栅极结构、集电极结构以及介质层(14)；所述发射极结构由P型基区(4)、N+源区(5)、P+接触区(6)和金属发射极(12)构成，其中，P型基区(4)设置于N型漂移区(3)中并位于其顶部一侧，P+接触区(6)和N+源区(5)彼此独立地设置于P型基区(4)中、且P+接触区(6)和N+源区(5)的正面均与金属发射极(12)相接触；所述栅极结构位于所述发射极结构的侧面，由栅介质(10)和多晶硅栅电极(11)组成，其中，栅介质(10)的背面与N+源区(5)、P型基区(4)和N型漂移区(3)相接触、正面与多晶硅栅电极(11)相接触，所述栅极结构与金属发射极(12)之间间隔介质层(14)；
其特征在于，所述集电极结构由N型电场截止区(7)、P型集电区(8)、N+集电区(9)、金属集电极(13)、P型阱区(15)和介质槽(16)构成，其中，N型电场截止区(7)设置于N型漂移区(3)中并位于其顶部另一侧，所述P型阱区(15)设置于N型电场截止区(7)中，所述P型集电区(8)和N+集电区(9)彼此独立设置于P型阱区(15)中、且均与金属集电极(13)相接触，N+集电区(9)和P型阱区(15)与N型电场截止区(7)之间设置介质槽(16)；所述集电极结构与栅极结构之间间隔介质层(14)。
2.按权利要求1所述RC-LIGBT器件，其特征在于，所述介质槽(16)的深度大于P型阱区(15)的厚度、小于N型电场截止区(7)的厚度；所述P型集电区(8)和N+集电区(9)的厚度小于P型阱区(15)的厚度。
3.按权利要求1所述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。
4.按权利要求1所述RC-LIGBT器件，其特征在于，所述双通道RC-LIGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作。
5.按权利要求1所述RC-LIGBT器件，其特征在于，所述介质槽16中填充的介质为SiO2、HfO2、Al2O3或者Si3N4。
6.按权利要求1所述RC-LIGBT器件制备方法，包括以下步骤：
第一步：选取绝缘体上硅(SOI)材料，其中衬底厚度为300～600微米，掺杂浓度为1014～1015个/cm3、位于衬底上的氧化硅介质层厚度为0.5～3微米、位于氧化硅介质层上的N型漂移区的厚度为5～20微米，掺杂浓度为1014～1015个/cm3；
第二步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作RC-LIGBT的N型电场截止区，形成的N型电场截止区的厚度为2～5微米；
第三步：硅片表面热氧化并淀积栅电极材料，光刻、刻蚀部分栅电极材料和栅氧化层形成栅介质层和栅电极；
第四步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P型基区和P型阱区，形成的P型基区和P型阱区的厚度分别为2～2.5微米和1～1.5微米；
第五步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入N型杂质制作RC-LIGBT的N+源区和N+集电区，形成的N+源区和N+集电区的厚度为0.2～0.5微米；
第六步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P+接触区和P型集电区，形成的P+接触区和P型集电区的厚度为0.2～1微米；
第七步：光刻，刻蚀并填充介质形成介质槽，形成的介质槽的深度小于N型电场截止区的深度，介质槽的深度大于P型阱区的深度0.1～0.2微米，介质槽的宽度为0.01～0.1微米；
第八步：淀积并光刻、刻蚀介质层形成介质层；
第九步：淀积并光刻、刻蚀金属在器件表面形成金属发射极和金属集电极；
即制备得RC-LIGBT。
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