CN113451397A - 一种rc-igbt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种RC‑IGBT器件制备方法，包括以下步骤：提供具备正面元胞结构的RC‑IGBT硅基，并将RC‑IGBT硅基的背面减薄至所需厚度；对上述减薄后的RC‑IGBT硅基背面生长SiC层，并注入P型杂质离子形成P型掺杂区域；向上述RC‑IGBT硅基背面注入N型杂质离子形成N型掺杂区域；将上述RC‑IGBT硅基背面金属化，以得到与P型掺杂区域、N型掺杂区域欧姆接触的集电极金属。本发明还提供了该方法制备的RC‑IGBT器件，本发明中将器件背面替换成碳化硅并掺杂P型杂质离子形成P型掺杂区域，首先N型掺杂区域扩散程度比较好，其次抑制了载流子在N型掺杂区域中的流动从而控制其寿命，达到消除电压回折的现象，优化了其反向回复特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率器件领域，尤其涉及一种RC-IGBT器件及其制备方法。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT(双极型三极管)和MOS(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，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT通常与二极管结合使用，二极管的作用是在IGBT关断的时候起到一种续流的作用，用来泄放负载的能量，以确保IGBT的安全使用。目前常用的IGBT逆变结构主要有两种，一种是分离的IGBT和续流二极管反并联使用；一种是现有的由IGBT和续流二极管集成的逆导IGBT，即RC-IGBT(reverse-conducting insulated-gate bipolar transistor，反向导通绝缘栅双极型晶体管)。
目前的RC-IGBT是在一个IGBT内部加入一个自由交换二极管，在背面形成平行的n区和p区，取代传统的n缓冲区和P集电区结构，这样就使得在集电极-发射极电压反向偏置的时候IGBT同样能传导电流，从而形成了IGBT反向导通。其中，RC-IGBT背面的n型掺杂区就相当于集成在芯片上的续流二极管的阴极；正面的P+区域相当于续流二极管的阳极；RC-IGBT的正面结构与传统的沟槽栅FS IGBT相同，区别仅在背面工艺上。
相比于传统的IGBT，RC-IGBT主要的优点就是缩减了芯片的尺寸，减少了二极管芯片的面积，使得RC-IGBT和IGBT的面积类似。
但是同时相比于传统的沟槽栅FS IGBT，RC-IGBT也有一些缺点：
1)RC-IGBT双向导通，在正向工作时，在较小的电流密度下，RC-IGBT有明显的电压回折Snapback现象。
2)RC-IGBT由于需要背面工艺，在背面注入N+，但需要严格的控制N+的扩散程度，但是传统的硅注入扩散很难达到要求。
3)RC-IGBT需要考虑反向回复特性但是载流子在硅基中寿命不好控制。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种RC-IGBT器件制备方法及RC-IGBT器件。
本发明的第一方面提供了一种RC-IGBT器件制备方法，包括以下步骤：
提供具备正面元胞结构的RC-IGBT硅基，并将所述RC-IGBT硅基的背面减薄至所需厚度；
对上述减薄后的RC-IGBT硅基背面生长SiC层，并注入P型杂质离子形成P型掺杂区域；
向上述RC-IGBT硅基背面注入N型杂质离子形成N型掺杂区域；
将上述RC-IGBT硅基背面金属化，以得到与P型掺杂区域、N型掺杂区域欧姆接触的集电极金属。
进一步地，所述正面元胞结构包括第一导电类型的漂移区，在所述第一导电类型的漂移区内上方设置沟槽栅极，在相邻沟槽栅极之间设置第二导电类型源区，所述第二导电类型源区内的正面设置第一导电类型源区，所述第一导电类型源区与第二导电类型源区分别与相应的沟槽栅极的栅极氧化层相接触，所述第一导电类型源区与上方的发射极金属相接触。
进一步地，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
进一步地，对所述RC-IGBT硅基的背面减薄的过程包括机械研磨减薄及化学腐蚀减薄。
进一步地，所述漂移区包括N-漂移层和位于N-漂移层背面的N+截止层，所述沟槽栅极的沟槽的底部位于所述N-漂移层内。
本发明的第二方面提供了一种RC-IGBT器件，其元胞结构包括正面元胞结构及背面集电极结构，所述背面集电极结构包括碳化硅P+集电区及碳化硅N+集电区，所述碳化硅P+集电区与正面元胞结构的漂移区结构背面相接触，所述碳化硅N+集电区位于所述碳化硅P+集电区内的一侧，并与所述漂移区结构背面相接触，所述碳化硅P+集电区及碳化硅N+集电区背面设置有集电极金属层。
进一步地，所述正面元胞结构包括硅基，所述硅基包括漂移区，所述漂移区内设置沟槽栅极，在相邻沟槽栅极之间设置有第二导电类型源区，所述第二导电类型源区内的上方设有第一导电类型源区，所述第一导电类型源区与第二导电类型源区分别与相应的沟槽栅极的栅极氧化层相接触，所述第一导电类型源区与上方的发射极金属相接触。
进一步地，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
进一步地，所述漂移区包括N-漂移层和位于N-漂移层背面的N+截止层，所述沟槽栅极的沟槽的底部位于所述N-漂移层内。
与现有技术相比，本发明的RC-IGBT器件，将器件背面替换成碳化硅并掺杂P型杂质离子形成P+集电区，由于碳化硅其特有的具有较高的电离能，空穴迁移率较低的特性，所以在形成N+集电区后，首先N+集电区扩散程度比较好，其次抑制了载流子在N+集电区中的流动从而控制其寿命，达到消除电压回折的现象，在此新结构的RC-IGBT反向回复的过程中，由于载流子在碳化硅中比正常硅基中更易控制，所以其反向回复特性同时得到优化。
上述技术特征可以各种技术上可行的方式组合以产生新的实施方案，只要能够实现本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了根据本发明的RC-IGBT器件制备方法的示意性流程图；
图2显示了本发明的RC-IGBT器件的示意性结构图；
图3显示了传统的全部是硅基的RC-IGBT的Snapback电压回折曲线；
图4显示了本发明的RC-IGBT的电压曲线。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
图中，附图标记为：
10、正面元胞结构；20、背面集电极结构；11、发射极；12、绝缘层；13、N-源区；14、P+源区；15、沟槽栅极；16、栅极氧化层；17、N-漂移层；18、N+截止层；21、碳化硅P+集电区；22、碳化硅N+集电区；30、漂移区结构。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
如图1所示，本发明的第一方面提供了一种RC-IGBT器件制备方法，包括以下步骤：
步骤S101.提供具备正面元胞结构的RC-IGBT硅基，并将所述RC-IGBT硅基的背面减薄至所需厚度；
具体地，根据实际的需要在RC-IGBT硅基的正面制备正面元胞结构，具体制备正面元胞结构的过程以及工艺条件等均可以采用现有常用的技术手段，具体均为本领域技术人员所熟知的技术，此处不再赘述。在制备得到正面元胞结构后，将RC-IGBT硅基进行减薄，具体减薄的厚度可以根据实际的需要选择确定，此处不再赘述。在具体减薄的过程中，可以先采用机械研磨的方式进行减薄处理，之后利用化学腐蚀减薄，具体的减薄工艺过程等均有现有技术相同，为本领域技术人员熟知的技术，此处不再赘述。
步骤S102.对上述减薄后的RC-IGBT硅基背面生长SiC层，并注入P型杂质离子形成P型掺杂区域；
具体地，将上述的RC-IGBT硅基减薄后，在其背面生长一层SiC，并在生成的SiC层中进行P型杂质离子注入，以形成P型掺杂区域得到P型半导体。优选地，注入离子选用磷离子。具体进行P型杂质离子的过程与现有技术相同，在此不再赘述。
步骤S103.向上述RC-IGBT硅基背面注入N型杂质离子形成N型掺杂区域，N型掺杂区域位于P型掺杂区域一侧；
具体地，在注入P型杂质离子形成P型掺杂区域后，注入N型杂质离子，未再P型掺杂区域一侧形成N型掺杂区域，需要使得N型杂质离子的注入量大于P型杂质离子的注入量，离子的注入量及注入深度均为本领域技术人员熟知的技术，可根据实际情况选择合适的数值，在此不再赘述。
步骤S104.将上述RC-IGBT硅基背面金属化，以得到与P型掺杂区域、N型掺杂区域欧姆接触的集电极金属。
具体地，可采用本领域的常规技术制备得到集电极金属，集电极金属与P型掺杂区域、N型掺杂区域欧姆接触。
如图2所示，图2为利用上述制备方法制得的RC-IGBT器件的结构简图，以N型RC-IGBT器件为例，本发明的RC-IGBT器件包括正面元胞结构10及背面集电极结构20，集电极结构20包括碳化硅P+集电区21及碳化硅N+集电区22，碳化硅P+集电区21与正面元胞结构10的漂移区结构30的背面相接触，碳化硅N+集电区22位于碳化硅P+集电区21内的一侧，并与漂移区结构30的背面相接触，碳化硅P+集电区21及碳化硅N+集电区22背面设置有集电极金属层(图中未画出)。
如图2所示，本发明的RC-IGBT器件的正面元胞结构10包括漂移区30，漂移区30包括N-漂移层17和N+截止层18；N+截止层18位于N-漂移层17的背面，N-漂移层17内设置有沟槽栅极15，在相邻的沟槽栅极15之间设置有P+源区14，P+源区14位于N-漂移层17的正面，在P+源区14的正面设置有N-源区，P+源区14与N-源区分别与相应的沟槽栅极15的栅极氧化层16相接触，N-源区与正面元胞结构10表面的发射极金属欧姆接触，形成发射极。
如图3和图4所示，图3为传统的全部是硅基的RC-IGBT的Snapback电压回折曲线，图4为RC-IGBT背面替换为碳化硅后的电压曲线，从图4中可以看出，本发明的RC-IGBT器件，其电压回折已经消除。
本发明的RC-IGBT器件，将器件背面替换成碳化硅并掺杂磷形成碳化硅P+集电区后，由于碳化硅其特有的具有较高的电离能，空穴迁移率较低的特性，所以在形成碳化硅N+集电区后，首先碳化硅N+集电区扩散程度比较好，其次抑制了载流子在碳化硅N+集电区中的流动从而控制其寿命，达到消除电压回折的现象，在此新结构的RC-IGBT反向回复的过程中，由于载流子在碳化硅中比正常硅基中更易控制，所以其反向回复特性同时得到优化。
至此，本领域技术人员应该认识到，虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种RC-IGBT器件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供具备正面元胞结构的RC-IGBT硅基，并将所述RC-IGBT硅基的背面减薄至所需厚度；
对上述减薄后的RC-IGBT硅基背面生长SiC层，并注入P型杂质离子形成P型掺杂区域；
向上述RC-IGBT硅基背面注入N型杂质离子形成N型掺杂区域；
将上述RC-IGBT硅基背面金属化，以得到与P型掺杂区域、N型掺杂区域欧姆接触的集电极金属。
2.根据权利要求1所述的RC-IGBT器件制备方法，其特征在于，所述正面元胞结构包括第一导电类型的漂移区，在所述第一导电类型的漂移区内上方设置沟槽栅极，在相邻沟槽栅极之间设置第二导电类型源区，所述第二导电类型源区内的正面设置第一导电类型源区，所述第一导电类型源区与第二导电类型源区分别与相应的沟槽栅极的栅极氧化层相接触，所述第一导电类型源区与上方的发射极金属相接触。
3.根据权利要求2所述的RC-IGBT器件制备方法，其特征在于，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
4.根据权利要求2或3所述的RC-IGBT器件制备方法，其特征在于，所述漂移区包括N-漂移层和位于N-漂移层背面的N+截止层，所述沟槽栅极的沟槽的底部位于所述N-漂移层内。
5.根据权利要求1所述的RC-IGBT器件制备方法，其特征在于，对所述RC-IGBT硅基的背面减薄的过程包括机械研磨减薄及化学腐蚀减薄。
6.一种RC-IGBT器件，其元胞结构包括正面元胞结构及背面集电极结构，其特征在于，所述背面集电极结构包括碳化硅P+集电区及碳化硅N+集电区，所述碳化硅P+集电区与正面元胞结构的漂移区结构背面相接触，所述碳化硅N+集电区位于所述碳化硅P+集电区内的一侧，并与所述漂移区结构背面相接触，所述碳化硅P+集电区及碳化硅N+集电区背面设置有集电极金属层。
7.根据权利要求6所述的RC-IGBT器件，其特征在于，所述正面元胞结构包括硅基，所述硅基包括漂移区，所述漂移区内设置沟槽栅极，在相邻沟槽栅极之间设置有第二导电类型源区，所述第二导电类型源区内的上方设有第一导电类型源区，所述第一导电类型源区与第二导电类型源区分别与相应的沟槽栅极的栅极氧化层相接触，所述第一导电类型源区与上方的发射极金属相接触。
8.根据权利要求7所述的RC-IGBT器件，其特征在于，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。
9.根据权利要求7所述的RC-IGBT器件，其特征在于，所述漂移区包括N-漂移层和位于N-漂移层背面的N+截止层，所述沟槽栅极的沟槽的底部位于N-漂移层内。
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