CN106486536A - 一种逆导型绝缘栅双极晶体管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种逆导型绝缘栅双极晶体管及其制作方法。本发明公开了一种RC-IGBT及其制作方法，该RC-IGBT包括：衬底，所述衬底具有漂移区；设置在衬底上表面内的阱区；设置在阱区内的源区；设置在所述衬底下表面内的集电区；设置在所述漂移区内的载流子低寿命薄层；其中，所述衬底上表面包括：中间区以及包围所述中间区的边缘区；所述阱区设置在所述衬底对应所述边缘区的上表面内；所述载流子低寿命薄层位于所述阱区下方；所述载流子低寿命薄层与阱区的距离小于与所述集电区的距离。所述RC-IGBT在阱区下方设置有载流子低寿命薄层，可以加快载流子复合速度，降低阱区对漂移区的空穴注入，进而降低FRD反向恢复电流，进而降低反向恢复时间，从而提高RC-IGBT的开关速度。

Description

一种逆导型绝缘栅双极晶体管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，更具体的说，涉及一种逆导型绝缘栅双极晶体管及其制作方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET器件的高输入阻抗和电力晶体管(即巨型晶体管，简称GTR)的高速开关特性的优点，因此，IGBT器件被广泛应用到交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
逆导型绝缘栅双极晶体管(RC-IGBT，Reverse Conducting-Insulated GateBipolar Transistor)是具有国际前瞻性的一种新型IGBT器件，它将传统的与IGBT芯片反并联封装在一起的快速恢复二极管(FRD，Fast Recovery Diode)与IGBT集成在同一芯片上，提高了功率密度，降低了芯片面积、制作成本以及封装成本，同时提高了IGBT的可靠性。
参考图1，图1为现有的一种RC-IGBT的结构示意图，包括：漂移区11；位于漂移区11上表面内的阱区12；位于阱区12内的源区13。在漂移区11上表面设置有栅极结构14以及位于阱区12与源区13上表面的金属发射极15。在漂移区11的下表面设置有集电区16，在集电区16下表面设置有金属集电极17。其中，阱区12是P型轻掺杂(P-)区，为环形结构；源区13为是N型重掺杂(N+)区，为环形结构；漂移区11为N型轻掺杂(N-)区；集电区16是P型重掺杂(P+)区与N+区的交替结构。
开关速度是衡量RC-IGBT性能的一个重要参数，现有的RC-IGBT开关速度较慢。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种RC-IGBT及其制作方法，提高了RC-IGBT的开关速度。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种RC-IGBT，该RC-IGBT包括：
衬底，所述衬底具有漂移区；
设置在所述衬底上表面内的阱区；
设置在所述阱区内的源区；
设置在所述衬底下表面内的集电区；
设置在所述漂移区内的载流子低寿命薄层；
其中，所述衬底上表面包括：中间区以及包围所述中间区的边缘区；所述阱区设置在所述衬底对应所述边缘区的上表面内；所述载流子低寿命薄层位于所述阱区下方；所述载流子低寿命薄层与所述阱区的距离小于与所述集电区的距离。
优选的，在上述RC-IGBT中，所述载流子低寿命薄层与所述中间区竖直方向上不交叠。
优选的，在上述RC-IGBT中，所述载流子低寿命薄层在水平方向的宽度与所述阱区在水平方向的宽度相同，且所述载流子低寿命薄层与所述阱区正对设置。
优选的，在上述RC-IGBT中，所述载流子低寿命薄层与所述阱区的距离小于100μm。
优选的，在上述RC-IGBT中，所述载流子低寿命薄层的载流子寿命不大于所述漂移区的载流子寿命的百分之十。
本发明还提供了一种RC-IGBT的制作方法，该制作方法包括：
提供一衬底，所述衬底具有漂移区；
在所述衬底上表面内形成阱区；
在所述阱区内形成源区；
在所述衬底下表面内形成集电区；
在所述漂移区内形成载流子低寿命薄层；
其中，所述衬底上表面包括：中间区以及包围所述中间区的边缘区；所述阱区设置在所述衬底对应所述边缘区的上表面内；所述载流子低寿命薄层位于所述阱区下方；所述载流子低寿命薄层与所述阱区的距离小于与所述集电区的距离。
优选的，在上述制作方法中，所述在所述漂移区内形成载流子低寿命薄层为：对所述衬底上表面对应所述阱区的区域进行He离子辐照，形成所述载流子低寿命薄层。
优选的，在上述制作方法中，通过设定的辐照剂量使得所述载流子低寿命薄层的载流子寿命不大于所述漂移区的载流子寿命的百分之十。
通过上述描述可知，本发明提供的RC-IGBT包括：衬底，所述衬底具有漂移区；设置在所述衬底上表面内的阱区；设置在所述阱区内的源区；设置在所述衬底下表面内的集电区；设置在所述漂移区内的载流子低寿命薄层；其中，所述衬底上表面包括：中间区以及包围所述中间区的边缘区；所述阱区设置在所述衬底对应所述边缘区的上表面内；所述载流子低寿命薄层位于所述阱区下方；所述载流子低寿命薄层与所述阱区的距离小于与所述集电区的距离。所述RC-IGBT在阱区下方设置有载流子低寿命薄层，可以加快载流子复合速度，可以降低阱区对漂移区的空穴注入，进而降低FRD反向恢复电流，进而降低反向恢复时间，从而提高RC-IGBT的开关速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的一种RC-IGBT的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种RC-IGBT的结构示意图；
图3-图7为本申请实施例提供的一种RC-IGBT的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的RC-IGBT，阱区13与背面相对的集电区16的N+区形成的二极管结构，即FRD，可导通反向电流(从发射极15到集电极17的电流)。FRD导通时，P-的阱区12向漂移区11注入空穴。IGBT导通时，集电区16的P+区向漂移区11注入空穴。FRD存在反向恢复电流，FRD从正偏转换为反偏时，注入到漂移区11的载流子并不能马上消失，因而造成反向电流，称为反向恢复电流。反向恢复电流的存在导致FRD从正偏到反向阻断所需要的时间，称为反向恢复时间，反向恢复时间会降低RC-IGBT的开关速度。
由于P+区与P-区能够对漂流区11注入空穴，故通过降低形成阱区12的P-区以及形成集电区16的P+区的P型离子的掺杂浓度，能够降低阱区12以及集电区16对漂移区的空穴注入，即漂移区11的载流子浓度将被降低，因此载流子消失所需要的时间变短，从而FRD缩短反向恢复时间，提高RC-IGBT的开关速度。
虽然上述方法可以降低FRD的反向恢复时间，但是，降低阱区12以及集电区16中P+区的P型离子浓度将使得RC-IGBT的导通电压增大，静态损耗增大。且降低阱区12的P型离子浓度将使阱区12在反偏时容易穿通，使RC-IGBT耐压降低。
为解决上述问题，本申请实施例提供了一种RC-IGBT，参考图2，图2为本申请实施例提供的一种RC-IGBT的结构示意图，该RC-IGBT包括：衬底，所述衬底具有漂移区11；设置在所述衬底上表面内的阱区12；设置在所述阱区12内的源区13；设置在所述衬底下表面内的集电区16；设置在所述漂移区11内的载流子低寿命薄层21。
其中，所述衬底上表面包括：中间区A以及包围所述中间区A的边缘区D；所述阱区12设置在所述衬底对应所述边缘区D的上表面内；所述载流子低寿命薄层21位于所述阱区12下方；所述载流子低寿命薄层21与所述阱区12的距离小于与所述集电区16的距离，即在阱区12底部与集电区16上表面之间，所述载流子低寿命薄层21更靠近所述阱区12的底部。
所述衬底上表面还设置有正面电极结构，该正面电极结构包括栅极结构14以及金属发射极15。所述衬底下表面还设置有背面电极结构，所述背面电极结构为金属集电极17。
阱区12为P-区，源区13为N+区，集电区16包括交替分布的N+区域P+区。漂移区11为N-区。
所述载流子低寿命薄层21位于所述阱区12的下方，可以加快载流子复合速度，可以降低阱区12对漂移区11的空穴注入，进而降低FRD反向恢复电流，进而降低反向恢复时间，从而提高RC-IGBT的开关速度。
本实施例中，所述载流子低寿命薄层21与所述中间区A竖直方向上不交叠。这样，在通过载流子低寿命薄层21降低阱区12对漂移区11的空穴注入的同时，不影响IGBT结构的特性。
所述载流子低寿命薄层21在水平方向的宽度与所述阱区12在水平方向的宽度相同。所述载流子低寿命薄层21与所述阱区12正对设置。所述载流子低寿命薄层21与所述阱区12的距离小于100μm。所述载流子低寿命薄层21的载流子寿命不大于所述漂移区11的载流子寿命的百分之十。这样可以最大程度的减少阱区12对漂移区11的空穴注入。
本申请实施例还提供了一种RC-IGBT的制作方法，参考图3-图7，图3-图7为本申请实施例提供的一种RC-IGBT的制作方法的流程示意图，该制作方法包括：
步骤S11：如图3所示，提供一衬底，所述衬底具有漂移区11。
可直接采用N-的衬底，进而使得其具有N-的漂移区11。其中，所述衬底上表面包括：中间区A以及包围所述中间区A的边缘区D。
步骤S12：如图4所示，在所述衬底上表面内形成阱区12。
所述阱区12设置在所述衬底对应所述边缘区A的上表面内。阱区12为P-区，通过P型离子掺杂形成所述阱区12。
步骤S13：如图5所示，在所述阱区12内形成源区13。
源区13为N+区，通过N型离子掺杂形成所源区13。
步骤S14：如图6所示，在所述衬底下表面内形成集电区。
所述集电区16包括交替分布的N+区与P+区。通过P型离子掺杂在衬底背面中间区域形成P+区，在P+区的四周形成N+区，P+区域与N+区构成集电区16。
在形成集电区16后，在衬底的上表面形成正面电极，在衬底下表面形成背面电极。正面电极包括栅极结构14以及金属发射极15。背面电极为金属集电极17。
步骤S15：如图7所示，在所述漂移区11内形成载流子低寿命薄层21。
所述载流子低寿命薄层21位于所述阱区12下方；所述载流子低寿命薄层21与所述阱区12的距离小于与所述集电区16的距离。
本实施例所述制作方法中，所述在所述漂移区11内形成载流子低寿命薄层21为：对所述衬底上表面对应所述阱区12的区域进行He离子辐照，形成所述载流子低寿命薄层21。
可以通过设定的辐照剂量使得所述载流子低寿命薄层21的载流子寿命不大于所述漂移区11的载流子寿命的百分之十。当完成He离子辐照时，可以通过退火处理减弱He离子辐照对载流子寿命的降低，以使得对应载流子低寿命薄层的载流子寿命满足设定需求。
本申请实施例所述制作方法不改变RC-IGBT的结构，工艺简单，成本低。对RC-IGBT中FRD的反向恢复电流及反向恢复时间都进行了优化，提高了RC-IGBT的开关速度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种RC-IGBT，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有漂移区；
设置在所述衬底上表面内的阱区；
设置在所述阱区内的源区；
设置在所述衬底下表面内的集电区；
设置在所述漂移区内的载流子低寿命薄层；
其中，所述衬底上表面包括：中间区以及包围所述中间区的边缘区；所述阱区设置在所述衬底对应所述边缘区的上表面内；所述载流子低寿命薄层位于所述阱区下方；所述载流子低寿命薄层与所述阱区的距离小于与所述集电区的距离。
2.根据权利要求1所述的RC-IGBT，其特征在于，所述载流子低寿命薄层与所述中间区竖直方向上不交叠。
3.根据权利要求2所述的RC-IGBT，其特征在于，所述载流子低寿命薄层在水平方向的宽度与所述阱区在水平方向的宽度相同，且所述载流子低寿命薄层与所述阱区正对设置。
4.根据权利要求1所述的RC-IGBT，其特征在于，所述载流子低寿命薄层与所述阱区的距离小于100μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的RC-IGBT，其特征在于，所述载流子低寿命薄层的载流子寿命不大于所述漂移区的载流子寿命的百分之十。
6.一种RC-IGBT的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底具有漂移区；
在所述衬底上表面内形成阱区；
在所述阱区内形成源区；
在所述衬底下表面内形成集电区；
在所述漂移区内形成载流子低寿命薄层；
其中，所述衬底上表面包括：中间区以及包围所述中间区的边缘区；所述阱区设置在所述衬底对应所述边缘区的上表面内；所述载流子低寿命薄层位于所述阱区下方；所述载流子低寿命薄层与所述阱区的距离小于与所述集电区的距离。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述在所述漂移区内形成载流子低寿命薄层为：对所述衬底上表面对应所述阱区的区域进行He离子辐照，形成所述载流子低寿命薄层。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，通过设定的辐照剂量使得所述载流子低寿命薄层的载流子寿命不大于所述漂移区的载流子寿命的百分之十。
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