CN110610986B - 一种利用结终端集成横向续流二极管的rc-igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用结终端集成横向续流二极管的RC‑IGBT器件，属于半导体技术领域。该器件包括栅极接触区1、发射极接触区2、金属场板3、N型集电极接触区4、P型集电极接触区4’、发射极5、元胞区P型阱6、过渡区P型阱7、第一场限环8、第二场限环9、第三场限环10、N型集电极11、N型缓冲层12、P型集电极13、N型漂移区14、栅氧化层15、场氧化层16。本发明在保证较低关断损耗、反向导通性能及较高的阻断电压的前提下，能够消除在传统器件导通时存在的负阻效应，提高器件的工作稳定性和电流导通能力，同时还能降低制造成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是由BJT(Bipolar Junction Transistor)双极型三极管和MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，因此其兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。因此它将成为智能功率集成电路的核心部件之一被广泛应用于家电产品、环保型汽车及工业生产等领域,是未来市场极具潜力的半导体功率器件。但是其关断速度远比横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(LateralDouble-diffused MOSFET,LDMOS)的关断速度慢，导致其开关损耗较大，这严重影响了IGBT在功率集成电路中的应用。另外，IGBT结构，在反向导通时等效于两个背靠背的二极管，在集电极的P型集电极和N型缓冲层组成的PN结始终处于反向偏置状态，因此IGBT不具备反向导电能力。为了规避此项劣势，通常在IGBT典型逆变电路应用中反并联一个续流二极管FWD(Free Wheeling Diode)以作保护作用。但是传统RC-IGBT器件也有一些先天的劣势：首先因为N型集电极的引入，由于重掺杂的P型集电极对于从发射极流出的电子而言是一个高势垒，阻挡了电子流向集电极接触区。所以电子会首先通过N型缓冲层流到集电极的N型集电极部分，由于在电子流过时，N型缓冲层和P型集电极之间会产生一个电势差VPN。这个电势差成为导电模式的转换关键，在其低于阈值电压时只有发射极注入的电子参与导电，RC-IGBT处于单极型导电模式下。而随着在N型缓冲层中流过的电子电流的增加，当VPN达到阈值电压时，此时N型缓冲层和P型集电极形成的PN结会开启，P型集电极向漂移区注入空穴，此时实现导电模式的转换，这一过程便会导致负阻效应，在输出曲线上发生电流电压的突变，对器件的动态特性影响很大。这种现象也会使得RC-LIGBT在低温下并联使用时对电路系统中的其它器件的完全开启形成阻碍。
目前，对于提高IGBT的关断速度方法主要有三种：
1)降低N型漂移区内非平衡载流子的寿命，增加复合速率以提高关断速度。通常降低漂移区内非平衡载流子寿命的同时，其非平衡载流子总数也会减小，因此这种方法将导致导通压降增大，所以这种方法存在关断速度与导通压降之间的折衷问题；
2)控制从集电极到N型漂移区的少数载流子注入水平，以达到导通电阻和关断时间的折衷；
3)在阳极区提供非平衡载流子抽出通道,在关断时迅速减少漂移区内非平衡载流子的总数，以提高器件的关断速度，由于载流子从单极型导通模式向双极型导通模式的转换，导通过程中容易出现负阻效应。
对于消除负阻效应思路主要有两种：①减小N型漂移区在发生电导调制前的固有电阻值；②增大与P型集电极并联的电阻值，提前获得足以开启P型集电极和N型缓冲层形成的PN结的压降；
针对基于以上方法对关断损耗和负阻效应的优化，其中纵向器件中新颖设计以元胞区的为主。如图1～5所示：常规集电极短路RC-IGBT，介质隔离与结隔离相结合的RC-IGBT，隧道注入型RC-IGBT，集电极槽栅MCT型RC-IGBT，双栅IGBT器件的结构示意图。现有设计中此类器件的续流二极管均纵向集成在元胞区，和P型集电极同向集成，对终端区面积的有效利用率太低。因纵向设计的续流二极管占用P型集电极面积会削弱电流能力，又会因这种短路结构而使电导调制滞后，易引起负阻效应。另外，复杂的集电极结构设计增加额外的背面版工艺，制造成本高昂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，在有效消除负阻效应的同时还能降低器件的制造成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，包括栅极接触区(1)、发射极接触区(2)、金属场板(3)、N型集电极接触区(4)、P型集电极接触区(4’)、发射极(5)、元胞区P型阱(6)、过渡区P型阱(7)、第一场限环(8)、第二场限环(9)、第三场限环(10)、N型集电极(11)、N型缓冲层(12)、P型集电极(13)、N型漂移区(14)、栅氧化层(15)、场氧化层(16)；
1)元胞部分：从左至右依次设置五个技术参数相同的元胞结构，所述元胞结构包括栅极接触区(1)、发射极接触区(2)、发射极(5)、元胞区P型阱(6)和栅氧化层(15)；最右侧的元胞结构紧邻过渡区P型阱(7)；所述发射极(5)上表面部分被栅氧化层(15)覆盖，另一部分被发射极接触区(2)所覆盖；栅氧化层(15)以及发射极接触区(2)均为相邻两发射极(5)所共用；完全相同的五个处于并排位置的元胞区P型阱(6)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，元胞区P型阱(6)其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中；所述发射极(5)和过渡区P型阱(7)的上表面与元胞区P型阱(6)平齐，其余表面被元胞区P型阱(6)紧密包围；
所述栅极接触区(1)处于栅氧化层(15)之上，与发射极接触区(2)、N型漂移区(14)、元胞区P型阱(6)、过渡区P型阱(7)和发射极(5)做介质隔离；所述发射极接触区(2)左右两侧与栅氧化层(15)或场氧化层(16)紧邻，覆盖于发射极(5)、元胞区P型阱(6)或过渡区P型阱(7)的上表面；
2)过渡区部分：过渡区P型阱(7)紧邻最右端元胞P型阱(6)，最右侧第六个发射极(5)位于过渡区P型阱(7)上表面，且栅氧化层(15)以及发射极接触区(2)覆盖于发射极(5)上表面；所述过渡区P型阱(7)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，过渡区P型阱(7)其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中；栅氧化层(15)部分覆盖于N型漂移区(14)上表面，其余部分分别覆盖于发射极(5)上表面，元胞区P型阱(6)或过渡区P型阱(7)上表面；
3)终端部分：从左到右依次设置三个相同的金属场板(3)分别覆盖于其下方所设置的第一场限环(8)、第二场限环(9)以及第三场限环(10)表面的中间部分，金属场板(3)的其余部分表面与场氧化层(16)的接触，与N型漂移区(14)不直接接触；所述第一场限环(8)、第二场限环(9)及第三场限环(10)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中；所述场氧化层(16)覆盖过渡区P型阱(7)右端上表面、N型漂移区(14)、第一场限环(8)、第二场限环(9)、第三场限环(10)的部分上表面，以及N型集电极(11)的上表面的两边。
4)集电极部分：所述N型集电极(11)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，其余表面完全处于N型漂移区(14)的包围之中；所述N型集电极(11)上表面中间部分被N型集电极接触区(4)所覆盖，N型集电极(11)上表面左右两边均被场氧化层(16)所覆盖。
进一步，所述P型集电极(13)完全覆盖于P型集电极接触区(4’)上表面；所述N型缓冲层(12)完全覆盖在P型集电极(13)上表面；所述N型漂移区(14)完全覆盖于整个N型缓冲层(12)上表面。
进一步，所述RC-IGBT器件还包括三个技术参数相同的P型埋层(17)，纵向等间距重叠设置于第一场限环(8)、第二场限环(9)以及第三场限环(10)的下端。
进一步，所述RC-IGBT器件包括有从左至右并排设置的三个N型集电极(11)和三个N型集电极接触区(4)；所述三个N型集电极(11)之间间距可调；三个N型集电极(11)上表面中间部分被三个N型集电极接触区(4)所覆盖，上表面左右两边均被场氧化层16所覆盖。
进一步，所述N型漂移区(14)以P型硅为衬底。
进一步，所述栅极接触区(1)的材料包括掺杂多晶硅。
进一步，所述发射极接触区(2)和N型集电极接触区(4)、P型集电极接触区(4’)的材料包括铝硅或铝硅铜等常用接触金属。
本发明的有益效果在于：本发明所述器件是通过在器件终端横向集成续流二极管、结合场限环和金属场板技术的设计来实现的，即通过在终端区横向集成N型集电极为非平衡载流子提供抽出通道来减小关断过程的损耗，增加P型集电极的有效长度以优化导通压降，横向集成的续流二极管增加单极型导电模式下的电子路径，即增加通路电阻，使P型集电极电导调制效应提前，而P型埋层作用也同样如此，因而有助于消除负阻效应。另外，续流二极管集成在终端，N型集电极可以发挥场截止环作用，优化阻断性能。因此本发明既能减小器件工作期间总损耗，又能提高器件工作稳定性。此外，该器件的制造工艺与现有的常规集成电路制造工艺兼容，并且这种器件设计无需额外复杂的背面版工艺。本发明具体优点如下：
1)简化了元胞区集电极，减少背面版工艺或额外的驱动电路，降低器件的制造成本。
2)终端横向集成续流二极管增大P型集电极面积利用率，非平衡载流子抽取通道横向集成，增强正向电流能力，降低正向导通压降，有助于消除负阻效应。
3)在终端的漂移区中的P型埋层和场限环减小反向导通时空穴电流的通路电阻，反向导通压降降低。反之，也可增加正向时被短路电子电流的通路电阻，使P型集电极电导调制效应提前，有助于消除负阻效应。
4)终端横向集成续流二极管使得反向导通电流横向流经终端区。器件的终端区面积利用率大大提高，而且N集电极作为场截止环和电子快速抽取通道，既提高电压阻断能力又提高关断性能。
5)终端结合金属场板和场限环技术极大削弱过渡区主结附近的表面电场。三个场限环分别分担一个电场峰值，使得器件整体电场分布趋于更加均匀且更大，避免提前击穿，从而提高晶体管的耐压。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为现有技术中常规集电极短路RC-IGBT器件的结构示意图；
图2为现有技术中介质隔离与结隔离相结合的TPRC-IGBT器件的结构示意图；
图3为现有技术中隧道注入型RC-IGBT器件的结构示意图；
图4为现有技术中集电极槽栅MCT型RC-IGBT器件的结构示意图；
图5为现有技术中双栅IGBT器件的结构示意图；
图6为本发明提供的RC-IGBT器件的实施例1结构示意图；
图7为本发明提供的RC-IGBT器件的实施例2结构示意图；
图8为本发明提供的RC-IGBT器件的实施例3结构示意图；
图9为本发明提供的RC-IGBT器件和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件在Nd＝1×1014cm-3时击穿电压仿真对比图；
图10为本发明提供的RC-IGBT器件和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件击穿状态下在Nd＝1×1014cm-3时Y＝6μm处二维电场强度对比图；
图11为本发明提供的RC-IGBT器件和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件击穿状态下在Nd＝1×1014cm-3时Y＝15μm处二维电场强度对比图；
图12为本发明提供的RC-IGBT器件和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件在Nd为7×1013cm-3正向导通状态I-V特性曲线对比图；
图13为本发明提供的RC-IGBT器件在Nd分别为7×1013cm-3、9×1013cm-3、1×1014cm-3、2×1014cm-3、3×1014cm-3时正向导通状态I-V特性曲线对比图；
图14为本发明提供的RC-IGBT器件和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件在Nd为7×1013cm-3时反向导通状态下I-V特性曲线对比图；
图15为本发明提供的RC-IGBT器件和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件在Nd为1×1014cm-3时关断特性曲线对比图；
图16为本发明提供的RC-IGBT器件的主要工艺流程示意图；
附图标记：1-栅极接触区、2-发射极接触区、3-金属场板、4-N型集电极接触区、4’-P型集电极接触区、5-发射极、6-元胞区P型阱、7-过渡区P型阱、8-第一场限环、9-第二场限环、10-第三场限环、11-N型集电极、12-N型缓冲层、13-P型集电极、14-N型漂移区、15-栅氧化层、16-场氧化层、17-P型埋层、18-场截止环金属接触区、19-场截止环、20-二氧化硅阻挡层、21-P型浮空层、22-重掺杂N型层、23-重掺杂P型集电极、24-N型多晶硅栅、25-P型集电极阱、26-集电极栅。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1：
如图6所示，本发明实施例优选的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，包括栅极接触区1、发射极接触区2、金属场板3、N型集电极接触区4、P型集电极接触区4’、发射极5、元胞区P型阱6、过渡区P型阱7、第一场限环8、第二场限环9、第三场限环10、N型集电极11、N型缓冲层12、P型集电极13、N型漂移区14、栅氧化层15和场氧化层16。
P型集电极13完全覆盖于P型集电极接触区4’上表面。P型集电极13为厚度为1μm的掺杂硅，宽度335μm，掺杂浓度选择18次方。P型集电极接触区4’宽度为335μm，厚度为2μm。
N型缓冲层12完全覆盖在P型集电极13上界面。N型缓冲层12为厚度4μm的掺杂硅，宽度为335μm，掺杂浓度选择15次方。
N型漂移区14完全覆盖于整个N型缓冲层12上表面。N型漂移区14为厚度60μm，宽度335μm的硅，为满足高电压阻断能力，典型掺杂浓度典型数量级选择14次方。
完全相同的五个处于并排位置的元胞区P型阱6上表面与N型漂移区14上表面平齐，元胞区P型阱6其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。元胞区P型阱6离子注入窗口宽度为16μm，结深为3μm，离子注入浓度数量级选择13次方。
过渡区P型阱7上表面与N型漂移区14上表面平齐，过渡区P型阱7其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。过渡区P型阱7离子注入窗口宽度为30μm，结深为10μm，离子注入浓度数量级选择13次方。
第一场限环8上表面与N型漂移区14上表面平齐，第一场限环8其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。所述第一场限环8离子注入窗口宽度为2μm，结深为10μm，离子注入浓度数量级选择16次方，浓度、两侧间距可调。
第二场限环上9表面与N型漂移区14上表面平齐，第二场限环上9其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中，第二场限环9离子注入窗口宽度为2μm，结深为10μm，离子注入浓度数量级同样选择16次方，略低于第一场限环8，浓度、两侧间距可调。
第三场限环上10表面与N型漂移区14上表面平齐，所述第三场限环上10其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中，第三场限环10离子注入窗口宽度为2μm，结深为10μm，离子注入浓度数量级同样选择16次方，略低于第二场限环9，浓度、两侧间距可调。
N型集电极11上表面与N型漂移区14上表面平齐，N型集电极11其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。N型集电极11为掺杂硅，离子注入窗口宽度17μm，结深13μm，掺杂浓度数量级选择20次方。
发射极5为处于完全相同的五个并排位置的元胞区P型阱6中掺杂硅，上表面与元胞区P型阱6平齐，其余表面被元胞区P型阱6紧密包围。发射极5宽度2μm，掺杂峰值浓度数量级为20次方；处于过渡区P型阱7中的发射极5上表面与过渡区P型阱7平齐，其余表面被过渡区P型阱7包围，过渡区P型阱7中的发射极5掺杂峰值浓度为20次方，宽度为8μm。
发射极5上表面部分被栅氧化层15所覆盖，另一部分被发射极接触区2所覆盖。所述栅氧化层15厚度为0.1μm，所述发射极接触区2宽度为12μm，厚度为2μm。
N型集电极11上表面中间部分被N型集电极接触区4所覆盖，N型集电极11上表面左右两边均被场氧化层16所覆盖。N型集电极接触区4宽度为13μm，厚度为2μm；场氧化层16厚度为2μm。
栅氧化层15部分覆盖于N型漂移区14上表面，其余部分分别覆盖于发射极5上表面，元胞区P型阱6或过渡区P型阱7上表面。栅氧化层15厚度为0.1μm。
场氧化层16覆盖过渡区P型阱(7)右端上表面、N型漂移区14、第一场限环8、第二场限环9、第三场限环10的部分上表面，以及N型集电极11的上表面的两边。所述场氧化层16厚度为2μm。
栅极接触区1处于栅氧化层15之上，与发射极接触区2、N型漂移区14、元胞区P型阱6或过渡区P型阱7、发射极5做介质隔离。所述栅极接触区1宽度为172μm，厚度为0.92μm。
发射极接触区2左右两侧与栅氧化层15或场氧化层16紧邻，覆盖于发射极5、元胞区P型阱6或过渡区P型阱7的上表面。所述发射极接触区2宽度为12μm，厚度为2μm。
三个完全相同的并排的金属场板3分别覆盖于第一场限环8、第二场限环9、第三场限环10表面的中间部分，金属场板3的其余部分表面与场氧化层16的接触，与N型漂移区14不直接接触。金属场板的宽度为11μm，厚度为0.9μm。
在反向导通时，N型集电极11提供电子，赋予了器件反向导通能力。在正向导通时，以参与导电的载流子的种类分为两个过程：首先N型集电极11注入电子，元胞区发射极5注入的电子被P型集电极13重掺杂形成的空穴势垒阻挡，从左到右流经低阻的N型缓冲层12再进入N型漂移区14被重掺杂的N型集电区11短路至N型集电极接触区4，而P型集电极13与N型缓冲层12形成的PN结处于截止状态。随后，N型集电极接触区4电压继续增加到大于阈值电压VPN，PN结开启，P型集电极13开始大量注入空穴。从而进入主导的双极型导电模式；N型集电极13同时由于这是发生在本实施例所述的复合型RC-LIGBT器件中的一个平稳的导电模式转换，电阻不会突变，所以消除了Snapback效应。
击穿特性，由于终端部分第一场限环8、第二场限环9和第三场限环10以及上方分别设置的金属场板3两种终端电场优化技术的利用，极大削弱过渡区P型阱7表面的电场，避免提前击穿。另外，第一场限环8、第二场限环9和第三场限环10分别引入一个峰值电场，使得器件整体电场分布趋于更加均匀且更大，从而提高晶体管的耐压。
实施例2：
如图7所示，本发明实施例优选的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，在实施例1的结构上再增加三个技术参数相同的P型埋层17，纵向等间距重叠设置于第一场限环8、第二场限环9以及第三场限环10的下端。P型埋层17宽80μm，厚度为4μm，掺杂浓度数量级选择16次方。
实施例3：
如图8所示，本发明实施例优选的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，在实施例1的结构上将一个N型集电极11扩展为三个从左至右排设置的N型集电极11，该三个N型集电极11技术参数和尺寸均相同，相互之间间距可调。三个N型集电极11上表面中间部分被三个N型集电极接触区4所覆盖，上表面左右两边均被场氧化层16所覆盖。
借助MEDICI仿真软件可得，对所提供的如图1所示的传统RC-IGBT，如图2所示的介质隔离和结隔离结合的TPRC-IGBT以及本发明所提出的实施例1的新型RC-IGBT(如图6所示)进行仿真比较，在仿真过程中四种结构的仿真参数一致，其中N-漂移区总厚度为60μm，载流子寿命为10μs，环境温度为300K，长度为335μm，漂移区掺杂浓度Nd、缓冲层N-buffer、P型集电极及N型集电极的浓度均可调。
图9是室温下T＝300K时，在漂移区浓度为1×1014cm-3时传统Con-RC-IGBT(其结构如图1所示)、质隔离和结隔离结合TPRC-IGBT(其结构如图2所示)和新型RC-IGBT器件(如图6所示)在雪崩击穿状态下的耐压比较图。由MEDICI仿真得到的数据结果再通过Origin工具绘制的对比图如图9所示，可以看出：在1×1014cm-3的漂移区掺杂浓度下：新型RC-IGBT的击穿电压优于传统RC-IGBT结构，在相同的结构参数下，新型RC-IGBT的击穿电压为661V，比传统RC-LIGBT的511V提高了29.3％；比TPRC-IGBT的429V提高了54.1％。可以看出新型RC-LIGBT器件具有和传统RC-IGBT同样优异的击穿特性。
图10所示为在漂移区浓度为1×1014cm-3时Con-RC-IGBT、TPRC-IGBT和新型RC-IGBT器件(如图6所示)在雪崩击穿状态下的Y＝6μm处的二维电场比较图。显然新型RC-IGBT器件的在Y＝15μm界面上的电场依然是最大的。从图10中可以看出，新型RC-IGBT在元胞区的电场分布均匀且高于Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT，达到了206677V/cm，比Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT，电场峰值分别提高了5602V/cm和44199V/cm。另外，相比于Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT，新型RC-IGBT器件在X＝193μm处的电场峰值分别提高了12528V/cm和66065V/cm。
图11仿真了在漂移区浓度为1×1014cm-3时Con-RC-IGBT、TPRC-IGBT和新型RC-IGBT器件(如图6所示)在雪崩击穿状态下的Y＝11处的二维电场比较图。可以看出新型RC-IGBT器件的在Y＝11μm界面上的电场是最大的。根据MEDICI仿真结果数据得出，由于续流二极管从纵向集成改为终端区横向集成，对器件底部原本的P集电极和N集电极相结合的结构简化为只剩P型集电极，无横向突变的PN结，而N型集电极又在终端区充当了场截止环和P型浮空场限环一起优化电场。从图11中可以看到，相比于Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT，新型RC-IGBT器件在X＝188μm过渡区处的电场峰值分别提高了13582V/cm和50368V/cm；另外，新型RC-IGBT在元胞区的电场分布均匀且高于Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT，达到了157838V/cm，比Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT，电场峰值分别提高了13583V/cm和40747V/cm。从直观上看，由于电场曲线与X轴所围成的封闭图形面积大小可作为比较电场大小的参考，故可以看到Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT器件在Y＝6μm和Y＝15μm处的电场均低于新型RC-IGBT器件。TPRC-IGBT器件由于引入了介质隔离层SiO2和P型浮空层导致电场过于集中。而新型RC-IGBT器件的结构完成了对表面电场的削弱和对内部电场的增强，达到了提高了击穿电压的目的。
图12给出了Con-RC-IGBT、TPRC-IGBT和新型RC-IGBT器件(如图6所示)在漂移区浓度Nd为7×1013cm-3时，据用Origin处理的正向导通时的输出特性曲线横向比较图。如图12所示，Con-RC-LIGBT、TPRC-IGBT以及新型RC-LIGBT器件均存在由单极性导电模式向双极性导电模式的转换过程。根据仿真结果，可以看到TPRC-IGBT以及新型RC-LIGBT器件在集电极电压达到0.7V左右时就进入双极型导电模式，电流激增。而对于Con-RC-IGBT器件由于N-Collector的引入，重掺杂的P-Collector对于从发射极N+流出的电子而言是一个高势垒，阻挡了电子流向金属集电极，电子会首先通过N-buffer流到集电极的N-Collector部分，此时只有来自N+电子发射极的电子参与导电，随着集电极电压增大，在N-buffer中流过的电子电流增加，VPN值会超过0.6V，此时N-buffer和P-Collector之间的PN结会开启，P-Collector向漂移区注入空穴，此时实现导电模式的转换，但是传统RC-LIGBT在这一过程中产生电流突变，会导致Snapback现象，如图12所示出现一个很明显的电压折回。相比之下，TPRC-IGBT以及新型RC-LIGBT器件，整个导电过程器件的转换处于平稳过渡状态，无电流突变，所以正向导通无Snapback现象。尽管TPRC-IGBT与新型RC-LIGBT均成功避免snapback效应。但是TPRC-IGBT的导通压降大于新型RC-IGBT，如图所示，在集电极电流密度达到100A/cm2条件下TPRC-IGBT导通压降Von约为1.323V，新型RC-IGBT约为1.203V。Con-RC-IGBT最高，达到约1.455V。
图13为本发明提供的新型RC-IGBT器件(如图6所示)在Nd分别为7×1013cm-3、9×1013cm-3、1×1014cm-3、2×1014cm-3、3×1014cm-3时正向导通状态I-V特性曲线对比图。在此四种情况，器件所表现的正向导通特性存在着差异。因为随着Nd的增大，漂移区电阻会减小，因此图13中在集电极电流密度为100A/cm2时的导通压降越来越低，Von从1.2V下降到了1.1V左右。更为重要的是尽管Nd在7×1013cm-3到3×1014cm-3大幅度变化，仍然没有Snapback效应出现。说明该新型RC-IGBT器件对负阻效应的消除是趋于理想的。
图14为新型RC-IGBT器件(如图6所示)和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件在Nd为7×1013cm-3时反向导通状态下I-V特性曲线对比图。如图所示新型RC-IGBT器件和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件均在0.5V左右进入双极型导电模式，电流激增。但是这里可以看出新型RC-IGBT的反向导通性能略逊与Con-RC-IGBT和TPRC-IGBT，有待进一步提升的。
图15为新型RC-IGBT器件(如图6所示)和TPRC-IGBT、Con-RC-IGBT器件在Nd为1×1014cm-3时关断特性曲线对比图。在同样的动态仿真电路设置下，栅极和发射极接地，场限环场板短接浮空，器件加500V的集电极偏置电压，对其进行关断仿真测试。仿真结果如图15所示，新型RC-IGBT将集电极电流从90％Ic关断到10％Ic所需时间为195ns，而Con-RC-IGBT将集电极电流从90％Ic关断到10％Ic所需时间为243ns，TPRC-IGBT将集电极电流从90％Ic关断到10％Ic所需时间为434ns。新型RC-IGBT关断用时为Con-RC-IGBT的80％，TPRC-IGBT的44％。可见，新型RC-IGBT具有较为优异的关断特性。
上述三种实施例所述RC-IGBT器件均是：利用终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件在保证较低关断损耗、反向导通性能及较高的阻断电压的前提下，能够消除在传统器件导通时存在的负阻效应，提高器件的工作稳定性。此外，该器件的制造工艺与现有的常规集成电路制造工艺兼容，并且这种器件设计还可以减小器件的横向尺寸，提高电流导通能力。
本发明提出的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，以示意图6为例，其主要工艺流程如图16所示。其具体实现方法包括：选取P型<100>晶向区熔单晶衬垫，生长N型缓冲层，再外延生长N-漂移区。其次，只需不同的掩膜版采用离子注入、扩散等工艺依次完成新型RC-IGBT的元胞区P型阱、过渡区P型阱、浮空场限环和N型集电极接触区的制作即可，无需额外的高难度复杂工艺。尔后，以离子注入、高温推结等工艺形成高浓度N型电子发射区。接下来在表面淀积硅采用干氧氧化方式生长一层致密的栅氧化层。此后，在氧化层上形成栅电极金属、以及浮空金属场板。然后，再进行硅淀积，氧化。最后，打孔淀积发射极金属接触、浮空场限环金属并和金属场板短路接触。N型集电极、P型集电极金属接触并通过封装互连线短接。最后钝化并封装等。
在实施的过程中，根据具体器件的设计要求，本发明提出的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，在具体制作时，衬底材料除了可以用硅Si材料，还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体硅。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，其特征在于，该器件包括栅极接触区(1)、发射极接触区(2)、金属场板(3)、N型集电极接触区(4)、P型集电极接触区(4’)、发射极(5)、元胞区P型阱(6)、过渡区P型阱(7)、第一场限环(8)、第二场限环(9)、第三场限环(10)、N型集电极(11)、N型缓冲层(12)、P型集电极(13)、N型漂移区(14)、栅氧化层(15)、场氧化层(16)；
1)元胞部分：从左至右依次设置五个技术参数相同的元胞结构，所述元胞结构包括栅极接触区(1)、发射极接触区(2)、发射极(5)、元胞区P型阱(6)和栅氧化层(15)；最右侧的元胞结构紧邻过渡区P型阱(7)；所述发射极(5)上表面部分被栅氧化层(15)覆盖，另一部分被发射极接触区(2)所覆盖；栅氧化层(15)以及发射极接触区(2)均为相邻两发射极(5)所共用；完全相同的五个处于并排位置的元胞区P型阱(6)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，元胞区P型阱(6)其余表面完全处于N型漂移区(14)的包围之中；所述发射极(5)和过渡区P型阱(7)的上表面与元胞区P型阱(6)平齐，其余表面被元胞区P型阱(6)紧密包围；
所述栅极接触区(1)处于栅氧化层(15)之上，与发射极接触区(2)、N型漂移区(14)、元胞区P型阱(6)、过渡区P型阱(7)和发射极(5)做介质隔离；所述发射极接触区(2)左右两侧与栅氧化层(15)或场氧化层(16)紧邻，覆盖于发射极(5)、元胞区P型阱(6)或过渡区P型阱(7)的上表面；
2)过渡区部分：过渡区P型阱(7)紧邻最右端元胞P型阱(6)，最右侧第六个发射极(5)位于过渡区P型阱(7)上表面，且栅氧化层(15)以及发射极接触区(2)覆盖于发射极(5)上表面；所述过渡区P型阱(7)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，过渡区P型阱(7)其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中；栅氧化层(15)部分覆盖于N型漂移区(14)上表面，其余部分分别覆盖于发射极(5)上表面，元胞区P型阱(6)或过渡区P型阱(7)上表面；
3)终端部分：从左到右依次设置三个相同的金属场板(3)分别覆盖于其下方所设置的第一场限环(8)、第二场限环(9)以及第三场限环(10)表面的中间部分，金属场板(3)的其余部分表面与场氧化层(16)的接触，与N型漂移区(14)不直接接触；所述第一场限环(8)、第二场限环(9)及第三场限环(10)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中；所述场氧化层(16)覆盖过渡区P型阱(7)右端上表面、N型漂移区(14)、第一场限环(8)、第二场限环(9)、第三场限环(10)的部分上表面，以及N型集电极(11)的上表面的两边；
4)集电极部分：所述N型集电极(11)上表面与N型漂移区(14)上表面平齐，其余表面完全处于N型漂移区(14)的包围之中；所述N型集电极(11)上表面中间部分被N型集电极接触区(4)所覆盖，N型集电极(11)上表面左右两边均被场氧化层(16)所覆盖；
所述P型集电极(13)完全覆盖于P型集电极接触区(4’)上表面；所述N型缓冲层(12)完全覆盖在P型集电极(13)上表面；所述N型漂移区(14)完全覆盖于整个N型缓冲层(12)上表面。
2.根据权利要求1所述的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，其特征在于，所述RC-IGBT器件还包括三个技术参数相同的P型埋层(17)，纵向等间距重叠设置于第一场限环(8)、第二场限环(9)以及第三场限环(10)的下端。
3.根据权利要求1所述的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，其特征在于，所述RC-IGBT器件包括有从左至右并排设置的三个N型集电极(11)和三个N型集电极接触区(4)；所述三个N型集电极(11)之间间距可调；所述三个N型集电极(11)上表面中间部分被三个N型集电极接触区(4)所覆盖，上表面左右两边均被场氧化层16所覆盖。
4.根据权利要求1所述的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，其特征在于，所述N型漂移区(14)以P型硅为衬底。
5.根据权利要求1所述的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，其特征在于，所述栅极接触区(1)的材料包括掺杂多晶硅。
6.根据权利要求1所述的一种利用结终端集成横向续流二极管的RC-IGBT器件，其特征在于，所述发射极接触区(2)和N型集电极接触区(4)、P型集电极接触区(4’)的材料包括铝硅或铝硅铜。
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