CN106486539A - 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

本发明公开了一种RC-IGBT及其制作方法，该制作方法包括：提供一衬底；衬底具有漂移区，漂移区包括：元胞区及终端区；在漂移区对应终端区的上表面内形成主结以及场限环；在漂移区对应元胞区的上表面内形成多个IGBT元胞；在漂移区的下表面内形成集电区；在漂移区内形成第一载流子低寿命区及第二载流子低寿命区；第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区均位于漂移区与终端区相对的区域；第一载流子低寿命区与主结底部之间的距离小于第一阈值；第二载流子低寿命区与集电区上表面之间的距离小于第二阈值；第一载流子低寿命区位于第二载流子低寿命区的上方。本发明可以同时降低正向导通与反向导通时的主结电流密度，避免主结雪崩击穿。

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，RC-IGBT的包括：具有漂移区13的衬底；位于所述衬底下表面内的集电区14；位于所述衬底上表面内的终端区D以及元胞区A。所述终端区A包围所述元胞区D。终端区D包括：包围元胞区的主结12；以及包围主结12的多个间隔分布的场限环11。主结12以及场限环11设置在漂移区13的上表面内对应终端区D的设定位置。其中，主结12与场限环11是P型重掺杂(P+)区，漂移区13是N型轻掺杂(N-)区。集电区14包括多个间隔排布的N型重掺杂(N+)区以及P+区。
元胞区A设置有多个互联的IGBT元胞，IGBT元胞的结构如图2所示，包括：位于漂移区13上表面对应元胞区设定位置的表面内的阱区21；位于阱区21内的源区22。在漂移区13上表面设置有栅极结构23以及位于阱区21与源区22上表面的发射极24。在RC-IGBT元胞对应的集电区14的下表面设置有集电极15。其中，阱区21是P型轻掺杂(P-)区，为环形结构；源区22为是N+区，为环形结构。
现有的RC-IGBT主结处的电流密度较大，主结容易发生动态雪崩击穿。
发明内容
为解决上述问题，本申请实施例提供了一种RC-IGBT及其制作方法，降低了RC-IGBT主结处的电流密度较大，能够防止主结发生动态雪崩击穿。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
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，所述漂移区包括：元胞区以及包围所述元胞区的终端区；
在所述漂移区对应所述终端区的上表面内形成主结以及场限环；
在漂移区对应所述元胞区的上表面内形成多个IGBT元胞；
在所述漂移区的下表面内形成集电区；
在所述漂移区内形成第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区；
其中，所述第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区均位于所述漂移区与所述终端区相对的区域；所述第一载流子低寿命区与所述主结底部之间的距离小于第一阈值；所述第二载流子低寿命区与所述集电区上表面之间的距离小于第二阈值；所述第一载流子低寿命区位于所述第二载流子低寿命区的上方。
优选的，在上述制作方法中，所述在所述漂移区内形成第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区包括：
对所述衬底的上表面对应所述终端区的位置进行第一辐照能量的He离子辐照，形成所述第一载流子低寿命区；
对所述衬底的上表面对应所述终端区的位置进行第二辐照能量的He离子辐照，形成所述第二载流子低寿命区；
其中，所述第一辐照能量小于所述第二辐照能量。
优选的，在上述制作方法中，所述第一阈值与所述第二阈值均不大于100μm。
优选的，在上述制作方法中，所述第一载流子低寿命区与第二载流子低寿命区的载流子寿命小于所述漂移区的载流子寿命的十分之一。
本发明还提供了一种RC-IGBT，该RC-IGBT包括：
衬底，所述衬底具有漂移区，所述漂移区包括：元胞区以及包围所述元胞区的终端区；
设置在所述漂移区对应所述终端区的上表面内的主结以及场限环；
设置在所述漂移区对应所述元胞区的上表面内的多个IGBT元胞；
设置在所述漂移区的下表面内的集电区；
设置在所述漂移区内的第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区；
其中，所述第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区均位于所述漂移区与所述终端区相对的区域；所述第一载流子低寿命区与所述主结底部之间的距离小于第一阈值；所述第二载流子低寿命区与所述集电区上表面之间的距离小于第二阈值；所述第一载流子低寿命区位于所述第二载流子低寿命区的上方。
优选的，在上述RC-IGBT中，所述第一阈值与所述第二阈值均不大于100μm。
优选的，在上述RC-IGBT中，所述第一载流子低寿命区与第二载流子低寿命区的载流子寿命小于所述漂移区的载流子寿命的十分之一。
通过上述描述可知，本发明所述制作方法包括：提供一衬底；所述衬底具有漂移区，所述漂移区包括：元胞区以及包围所述元胞区的终端区；在所述漂移区对应所述终端区的上表面内形成主结以及场限环；在漂移区对应所述元胞区的上表面内形成多个IGBT元胞；在所述漂移区的下表面内形成集电区；在所述漂移区内形成第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区；其中，所述第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区均位于所述漂移区与所述终端区相对的区域；所述第一载流子低寿命区与所述主结底部之间的距离小于第一阈值；所述第二载流子低寿命区与所述集电区上表面之间的距离小于第二阈值；所述第一载流子低寿命区位于所述第二载流子低寿命区的上方。
本发明所述制作方法制备的RC-IGBT中，所述第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区的载流子寿命均小于漂移区的载流子寿命。这样，当RC-IGBT时间正向工作电压正向导通时，靠近集电区的第二载流子低寿命区可以降低对应终端区处集电区的P+区对漂移区的空穴电流注入，进而降低主结的电流密度。当时间反向工作电压反向导通时，靠近主结的第一载流子低寿命区可以降低主结对漂移区的空穴电流注入，进而降低主结的电流密度。可见，采用本申请实施例所述制作方法制备的RC-IGBT在反向导通与正向导通时的主结电流密度均较小。因此，本发明技术方案可以同时降低正向导通与反向导通时的主结电流密度，避免主结雪崩击穿，提高安全工作区范围。
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为现有技术中常见的一种RC-IGBT的结构示意图；
图2为IGBT元胞的结构示意图；
图3-与6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。
RC-IGBT相对于传统IGBT，可以双向导通。参考图1和图2，RC-IGBT的元胞中，阱区21为P-区，能够与背面集电区14相对的N+区形成二极管，施加反向工作电压时，可导通反向(从发射极24到集电极15)电流；同理，由于RC-IGBT的主结12为P+区，也会与背面集电区14对应的N+区形成二极管。图1所示为RC-IGBT施加正向工作电压时，在导通正向(集电极15到发射极24)电流时的电流分布情况。图1中，箭头表示正向导通时电流方向，当RC-IGBT导通反向电流时，情况类似，只是电流方向相反。
为了降低主结12处的电流密度，一般的通过改变版图布局来实现降低主结处电流密度的目的。如图1所示，对于集电区14对应终端区D的N+区，每个N+区的长度，及相邻两个N+区的间隔进行非常仔细的设计。对于对应终端区D的集电区14：N+区相邻越近，N+区长度越大，则RC-IGBT工作于正向导通状态时，主结12处电流密度越小，但是在反向导通时，主结12处电流密度则会越大；反之，N+区相邻越远，N+区长度越小，则RC-IGBT工作于反向导通状态时，主结12处电流密度越小，但是在正向导通时，主结12处电流密度则会越大。
通过上述描述可知，通过设置对应终端区D的集电区14N+区与P+区的布局实现降低主结处电流密度的实现方式，RC-IGBT正向导通与RC-IGBT反向导通的特性优化存在折衷关系，无法同时往好的方向改进。
为解决上述问题，本申请实施例提供了一种RC-IGBT及其制作方法，无论是是正向导通，还是反向导通，本申请实施例所述制作方法制作的RC-IGBT的主结电流密度均较小，有效的降低了正向导通时主结的电流密度以及反向导通时主结的电流密度。
本申请实施例提供了一种RC-IGBT的制作方法，参考图3-图6，图3-图6为所述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13，所述漂移区13包括：元胞区A以及包围所述元胞区的终端区D。所述衬底为N-衬底，从而可以使得所述漂移区13为N-漂移区。
步骤S12：如图4所示，在所述漂移区13对应所述终端区D的上表面内形成主结12以及场限环11。
所述场限环可以根据器件本身的电学参数设定为多个。本申请实施例中，所述RC-IGBT设置有三个间隔分布的场限环11。
可以通过离子扩散与退火工艺进行P型离子注入，在终端区设定位置形成P+的主结12以及场限环11。
步骤S13：在漂移区13对应所述元胞区A的上表面内形成多个IGBT元胞。
所述IGBT元胞的结构与现有元胞结构相同，可参考图2所示，在此不再赘述。元胞之间相互电连接。
步骤S14：如图5所示，在所述漂移区13的下表面内形成集电区14。
通过制备设定的掩膜版，对漂移区13的下表面进行P型离子扩散以及N型离子扩散，所述漂移区13的下表面内多个间隔分布的N+区以及P+区。
步骤S15：如图6所示，在所述漂移区13内形成第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52。
第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52与终端区形状相匹配，为环装结构。
其中，所述第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52均位于所述漂移区13与所述终端区D相对的区域；所述第一载流子低寿命区51与所述主结12底部之间的距离小于第一阈值；所述第二载流子低寿命区52与所述集电区14上表面之间的距离小于第二阈值；所述第一载流子低寿命区51位于所述第二载流子低寿命区52的上方。
该制作方法还包括：对所述衬底进行退火处理，调整载所述第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52的注入深度以及载流子寿命。
所述第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52的载流子寿命均小于漂移区13的载流子寿命。这样，当RC-IGBT时间正向工作电压正向导通时，靠近集电区14的第二载流子低寿命区52可以降低对应终端区D处集电区14的P+区对漂移区13的空穴电流注入，进而降低主结12的电流密度。当时间反向工作电压反向导通时，靠近主结12的第一载流子低寿命区51可以降低主结12对漂移区13的空穴电流注入，进而降低主结12的电流密度。因此，采用本申请实施例所述制作方法制备降低了RC-IGBT在反向导通与正向导通时的主结电流密度。
本实施例中，所述在所述漂移区内形成第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52包括：对所述衬底的上表面对应所述终端区D的位置进行第一辐照能量的He离子辐照，形成所述第一载流子低寿命区51；对所述衬底的上表面对应所述终端区D的位置进行第二辐照能量的He离子辐照，形成所述第二载流子低寿命区52。其中，所述第一辐照能量小于所述第二辐照能量，从而使得在第一辐照时，形成第一载流子低寿命区51；在第二次辐照时，形成第二载流子低寿命区52。通过控制辐照能力的大小控制He离子的注入深度，进而控制对应载流子低寿命区在漂移区13内的深度。
本实施例中，为了有效降低注入漂移区13的空穴电流，设置所述第一阈值与所述第二阈值均不大于100μm；并设置所述第一载流子低寿命区51与第二载流子低寿命区52的载流子寿命小于所述漂移区的载流子寿命的十分之一。一般的，第一载流子低寿命区51与第二载流子低寿命区52的载流子寿命为漂移区13的载流子寿的几十分之一到十分之一之间。
通过上述描述可知，本申请实施例所述制作方法，能够同时降低RC-IGBT正向导通与反向导通时主结的电流密度，防止RC-IGBT的主结发生雪崩击穿，有效提高了RC-IGBT的安全工作区。
基于上述制作方法，本申请实施例还提供了一种RC-IGBT，参考图6，该RC-IGBT包括：衬底，所述衬底具有漂移区13，所述漂移区包括：元胞区A以及包围所述元胞区的终端区D；设置在所述漂移区13对应所述终端区D的上表面内的主结12以及场限环11；设置在所述漂移区13对应所述元胞区A的上表面内的多个IGBT元胞；设置在所述漂移区13的下表面内的集电区14；设置在所述漂移区13内的第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52。
其中，所述第一载流子低寿命区51以及第二载流子低寿命区52均位于所述漂移区13与所述终端区D相对的区域。所述第一载流子低寿命区51与所述主结12底部之间的距离小于第一阈值。所述第二载流子低寿命区52与所述集电区14上表面之间的距离小于第二阈值。所述第一载流子低寿命区51位于所述第二载流子低寿命区52的上方。
所述第一阈值与所述第二阈值均不大于100μm。所述第一载流子低寿命区51与第二载流子低寿命区52的载流子寿命小于所述漂移区的载流子寿命的十分之一。
需要说明的是，本申请实施例所述RC-IGBT基于上述制作方法，相同相似之处可以相互补充说明，在此不再赘述。
本申请实施例所述RC-IGBT在正向导通与反向导通时其主结处的电流密度均较小，相对于传统技术，同时降低了正向导通与反向导通时的主结处的电流密度，防止了主结发生雪崩击穿，且有效提高了安全工作区。
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 (7)

1.一种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，所述漂移区包括：元胞区以及包围所述元胞区的终端区；
在所述漂移区对应所述终端区的上表面内形成主结以及场限环；
在漂移区对应所述元胞区的上表面内形成多个IGBT元胞；
在所述漂移区的下表面内形成集电区；
在所述漂移区内形成第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区；
其中，所述第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区均位于所述漂移区与所述终端区相对的区域；所述第一载流子低寿命区与所述主结底部之间的距离小于第一阈值；所述第二载流子低寿命区与所述集电区上表面之间的距离小于第二阈值；所述第一载流子低寿命区位于所述第二载流子低寿命区的上方。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述漂移区内形成第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区包括：
对所述衬底的上表面对应所述终端区的位置进行第一辐照能量的He离子辐照，形成所述第一载流子低寿命区；
对所述衬底的上表面对应所述终端区的位置进行第二辐照能量的He离子辐照，形成所述第二载流子低寿命区；
其中，所述第一辐照能量小于所述第二辐照能量。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一阈值与所述第二阈值均不大于100μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制作方法，其特征在于，所述第一载流子低寿命区与第二载流子低寿命区的载流子寿命小于所述漂移区的载流子寿命的十分之一。
5.一种RC-IGBT，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有漂移区，所述漂移区包括：元胞区以及包围所述元胞区的终端区；
设置在所述漂移区对应所述终端区的上表面内的主结以及场限环；
设置在所述漂移区对应所述元胞区的上表面内的多个IGBT元胞；
设置在所述漂移区的下表面内的集电区；
设置在所述漂移区内的第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区；
其中，所述第一载流子低寿命区以及第二载流子低寿命区均位于所述漂移区与所述终端区相对的区域；所述第一载流子低寿命区与所述主结底部之间的距离小于第一阈值；所述第二载流子低寿命区与所述集电区上表面之间的距离小于第二阈值；所述第一载流子低寿命区位于所述第二载流子低寿命区的上方。
6.根据权利要求5所述的RC-IGBT，其特征在于，所述第一阈值与所述第二阈值均不大于100μm。
7.根据权利要求5所述的RC-IGBT，其特征在于，所述第一载流子低寿命区与第二载流子低寿命区的载流子寿命小于所述漂移区的载流子寿命的十分之一。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109473355A (zh) * 2018-10-12 2019-03-15 龙腾半导体有限公司 增强逆导型igbt雪崩耐量的方法
CN112133742A (zh) * 2020-10-29 2020-12-25 西安众力为半导体科技有限公司 一种igbt器件背面保护环结构

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