CN115985941B - 一种纵向rc-igbt结构及其制备方法 - Google Patents

一种纵向rc-igbt结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纵向RC‑IGBT结构及其制备方法，其纵向RC‑IGBT结构包括若干横向排列的RC‑IGBT子区域，每个所述RC‑IGBT子区域内均包括纵向排布的一个IGBT元胞区和一个FRD元胞区，所述FRD元胞区位于所述IGBT元胞区上方。本发明可以解决传统RC‑IGBT结构在开通时的snap‑back现象，提高芯片的电流密度。

Description

一种纵向RC-IGBT结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及IGBT技术领域，特别涉及一种纵向RC-IGBT结构及其制备方法。
背景技术
IGBT芯片通常需要并联起续流作用的FRD芯片使用，RC-IGBT就是将IGBT与续流二极管部署在同一颗芯片中。常规的RC-IGBT芯片中IGBT元胞与FRD元胞并列排布。
传统的RC-IGBT结构存在下述缺陷：
（1）、由于开通初期正面电子电流会流向FRD区域的N+区，所以开通时会有snap-back现象；
（2）、横向排布的IGBT、FRD区域也会增加芯片的元胞尺寸，相同芯片面积下限制电流能力；
（3）、传统结构的FRD元胞厚度与IGBT元胞厚度相同，FRD的N-基区浓度与IGBT的N-基区浓度相同，不利于FRD性能最优化设计。
因此本发明提供一种纵向RC-IGBT结构，有效解决传统RC-IGBT结构在开通时的snap-back现象，同时提高芯片的电流密度，且便于根据FRD性能进行RC-IGBT结构优化设计。
发明内容
为解决传统RC-IGBT结构在开通时出现snap-back的技术问题，本发明提供一种纵向RC-IGBT结构及其制备方法，具体的技术方案如下：
本发明提供一种纵向RC-IGBT结构，包括：
纵向若干横向排列的RC-IGBT子区域，每个所述RC-IGBT子区域内均包括纵向排布的一个IGBT元胞区和一个FRD元胞区，所述FRD元胞区位于所述IGBT元胞区上方。
本发明提供的纵向RC-IGBT结构相比于传统RC-IGBT结构节省FRD区域的横向尺寸，使RC-IGBT结构中整个元胞的横向尺寸更小，相同芯片面积下更有利于并联更多元胞，从而实现更大的电流密度，在RC-IGBT器件开通时，电子电流不会流向FRD的N+区，从而避免了传统RC-IGBT开通时的snap-back现象。
在一些实施方式中，所述IGBT元胞区由下至上依次设置集电极金属区域、集电极P+区、N型FS区、第一N-基区、Pwell区、N+发射极区域、层间介质区域、发射极金属区，以及位于所述Pwell区内的沟槽、栅氧化层、多晶硅栅和P+区。
在一些实施方式中，所述FRD元胞区由下至上依次设置阳极金属区和FRD体区，以及用于隔断所述阳极金属和所述FRD体区的绝缘区；
所述FRD体区中由下至上依次设置P型阳极区、第二N-基区、阴极区和阴极区金属。
在一些实施方式中，所述IGBT元胞区中的所述发射极金属区作为所述FRD元胞区中的所述阳极金属区。
本发明提供的纵向RC-IGBT结构通过将IGBT元胞区中的发射极金属区作为FRD元胞区中的阳极金属区，实现IGBT元胞区发射极和FRD元胞区阳极之间的电性连接，在不影响RC-IGBT性能的同时改善RC-IGBT结构。
在一些实施方式中，所述FRD元胞区和所述IGBT元胞区并联连接。
在一些实施方式中，所述FRD元胞区中的所述阴极区在封装时通过打线方式与焊接底板连接；
所述IGBT元胞区中的所述集电极金属区域焊接在所述焊接底板上。
在一些实施方式中，所述IGBT元胞区中的所述第一N-基区浓度和所述FRD元胞区中的第二N-基区浓度不同。
本发明提供的纵向RC-IGBT结构与传统RC-IGBT结构不同，由于IGBT元胞区中N-基区和FRD元胞区中N-基区不再连通，使IGBT元胞区中的第一N-基区浓度和FRD元胞区中的第二N-基区浓度可以设置为不同参数，便于通过调整N-基区浓度对FRD元胞区的性能进行优化设计。
在一些实施方式中，所述IGBT元胞区由上至下的厚度和所述FRD元胞区由上至下的厚度不同。
本发明提供的纵向RC-IGBT结构与传统RC-IGBT结构不同，由于IGBT元胞区和FRD元胞区不再横向排列，因此IGBT元胞区由上至下的厚度和FRD元胞区由上至下的厚度可以设置为不同数值，便于通过调整FRD元胞区由上至下的厚度对FRD元胞区的性能进行优化设计。
在一些实施方式中，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种纵向RC-IGBT结构的制备方法，应用于若干横向排列的RC-IGBT子区域的纵向RC-IGBT结构制备过程，包括步骤：
在每个所述RC-IGBT子区域内制备一个IGBT元胞区；
在所述IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区。
在一些实施方式中，所述的在每个所述RC-IGBT子区域内制备一个IGBT元胞区，具体包括：
以第一N-基区为基底，在所述第一N-基区背面离子注入5价元素形成N型FS区；
在所述N型FS区背面离子注入3价元素形成集电极P+区；
在所述第一N-基区正面刻蚀形成沟槽；
在所述沟槽内热氧化形成栅氧化层；
在所述沟槽内填充多晶硅形成多晶硅栅；
在所述第一N-基区正面离子注入3价元素形成Pwell区域；
在所述Pwell区域正面离子注入5价元素形成N+发射极区域；
在所述Pwell区域正面离子注入3价元素形成P+区域；
在所述N+发射极区域正面淀积层间介质区域并刻蚀形成孔；
所述的在所述IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区，具体包括：
在所述N+发射极区域正面溅射金属形成阳极金属，使阳极金属通过所述形成孔与所述N+发射极区域和所述P+区形成欧姆接触；
刻蚀所述阳极金属并淀积氧化层后，刻蚀所述阳极金属的底部氧化层形成绝缘区；
在所述绝缘区内填充P型硅形成P型阳极区；
在所述绝缘区内所述P型阳极区的纵向上方填充低浓度N型硅形成第二N-基区；
在所述绝缘区内所述第二N-基区的纵向上方填充高浓度的N型硅形成阴极区；
在所述绝缘区内所述阴极区的纵向上方填充金属形成阴极区金属，使所述阴极区金属与所述阴极区欧姆接触；
所述的在所述IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区之后，还包括：
依次经过背面减薄、溅射在所述集电极P+区背面形成集电极金属区域，使所述集电极P+区与所述集电极金属区域形成欧姆接触。
本发明提供纵向RC-IGBT结构及其制备方法，至少具有以下一项技术效果：
（1）相比于传统RC-IGBT结构节省FRD区域的横向尺寸，使RC-IGBT结构中整个元胞的横向尺寸更小，相同芯片面积下更有利于并联更多元胞，从而实现更大的电流密度，在RC-IGBT器件开通时，电子电流不会流向FRD的N+区，从而避免了传统RC-IGBT开通时的snap-back现象；
（2）通过将IGBT元胞区中的发射极金属区作为FRD元胞区中的阳极金属区，实现IGBT元胞区发射极和FRD元胞区阳极之间的电性连接，在不影响RC-IGBT性能的同时改善RC-IGBT结构；
（3）与传统RC-IGBT结构不同，由于IGBT元胞区中N-基区和FRD元胞区中N-基区不再连通，使IGBT元胞区中的第一N-基区浓度和FRD元胞区中的第二N-基区浓度可以设置为不同参数，便于通过调整N-基区浓度对FRD元胞区的性能进行优化设计；
（4）与传统RC-IGBT结构不同，由于IGBT元胞区和FRD元胞区不再横向排列，因此IGBT元胞区由上至下的厚度和FRD元胞区由上至下的厚度可以设置为不同数值，便于通过调整FRD元胞区由上至下的厚度对FRD元胞区的性能进行优化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的纵向RC-IGBT结构的结构示例图；
图2为传统RC-IGBT结构的结构示例图；
图3为本发明提供的纵向RC-IGBT结构制备方法的流程图。
图中标号：集电极金属区域-1、阴极N+区-2、集电极P+区-3、N型FS区-4、第一N-基区-5、Pwell区-6、沟槽-7、栅氧化层-8、多晶硅栅-9、P+区-10、N+发射极区域-11、层间介质区域-12、阳极金属-13、P型阳极区-14、第二N-基区-15、阴极区-16、绝缘区-17和阴极区金属-18。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明的一个实施例，如图1～3所示，本发明提供的纵向RC-IGBT结构，包括：
若干横向排列的RC-IGBT子区域，每个RC-IGBT子区域内均包括纵向排布的一个IGBT元胞区和一个FRD元胞区，FRD元胞区位于IGBT元胞区上方。
其中，图1为RC-IGBT子区域的示例图，在图1中，IGBT元胞区由下至上依次设置集电极金属区域1、位于集电极金属区域1上的集电极P+区3、位于集电极P+区3上的N型FS区4、位于N型FS去4上的第一N-基区5、位于N-基区5上的Pwell区6、N+发射极区域11、层间介质区域12、发射极金属区13，以及位于Pwell区6内的沟槽7、栅氧化层8、多晶硅栅9和P+区10，图1中还公开FRD元胞区由下至上依次设置阳极金属区和FRD体区，以及用于隔断阳极金属和FRD体区的绝缘区17，绝缘区17可采用高介电常数的绝缘材料，FRD体区中由下至上依次设置位于阳极金属13上的P型阳极区14、位于P型阳极区14上的第二N-基区15、位于第二N-基区15上的阴极区16和位于阴极区16上的阴极区金属18。
图2为传统RC-IGBT结构，由图2所示，RC-IGBT结构底层设置集电极金属区域1，传统RC-IGBT结构中IGBT元胞区和FRD元胞区交替横向排列，集电极金属区域1纵向上方交替横向设置集电极P+区3和阴极N+区2，集电极P+区3设置于IGBT元胞区内，阴极N+区2设置于FRD体区内，其中IGBT元胞区内的集电极P+区3纵向上方设置N型FS区4，在IGBT元胞区内的N型FS区4和阴极N+区2上方设置第一N-基区5，在第一N-基区5的纵向上方由下至上依次设置有位于N-基区5上的Pwell区6、层间介质区域12、发射极金属区13，以及位于Pwell区6内的沟槽7、栅氧化层8、多晶硅栅9和P+区10，IGBT元胞区中Pwell区6和层间介质区域12之间还设置有N+发射极区域11，在传统RC-IGBT结构开通初期正面电子电流会流向FRD区域的N+区，所以开通时会有snap-back现象，同时横向排布的IGBT、FRD区域也会增加芯片的元胞尺寸，相同芯片面积下限制电流能力，并且在传统结构中，FRD元胞厚度与IGBT元胞厚度相同，FRD的N-基区浓度与IGBT的N-基区浓度相同，不利于FRD性能最优化设计。
本实施例提供的纵向RC-IGBT结构相比于传统RC-IGBT结构节省FRD区域的横向尺寸，使RC-IGBT结构中整个元胞的横向尺寸更小，相同芯片面积下更有利于并联更多元胞，从而实现更大的电流密度，在RC-IGBT器件开通时，电子电流不会流向FRD的N+区，从而避免了传统RC-IGBT开通时的snap-back现象。
在一个实施例中，如图1所示，IGBT元胞区中的发射极金属区13作为FRD元胞区中的阳极金属区。
本实施例提供的纵向RC-IGBT结构通过将IGBT元胞区中的发射极金属区作为FRD元胞区中的阳极金属区，实现IGBT元胞区发射极和FRD元胞区阳极之间的电性连接，在不影响RC-IGBT性能的同时改善RC-IGBT结构。
在一个实施例中，FRD元胞区和IGBT元胞区并联连接，封装时FRD元胞区中的阴极区16通过打线方式与焊接底板连接，IGBT元胞区中的集电极金属区域1焊接在焊接底板上。
在一个实施例中，IGBT元胞区中的第一N-基区浓度和FRD元胞区中的第二N-基区浓度不同。
本实施例提供的纵向RC-IGBT结构与传统RC-IGBT结构不同，由于IGBT元胞区中N-基区和FRD元胞区中N-基区不再连通，使IGBT元胞区中的第一N-基区浓度和FRD元胞区中的第二N-基区浓度可以设置为不同参数，便于通过调整N-基区浓度对FRD元胞区的性能进行优化设计。
在一个实施例中，IGBT元胞区由左至右的宽度和FRD元胞区由左至右的宽度相同，IGBT元胞区由上至下的厚度和FRD元胞区由上至下的厚度不同。
本实施例提供的纵向RC-IGBT结构与传统RC-IGBT结构不同，由于IGBT元胞区和FRD元胞区不再横向排列，因此IGBT元胞区由上至下的厚度和FRD元胞区由上至下的厚度可以设置为不同数值，便于通过调整FRD元胞区由上至下的厚度对FRD元胞区的性能进行优化设计。
在一个实施例中，如图3所示，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种纵向RC-IGBT结构制备方法，应用于若干横向排列的RC-IGBT子区域的纵向RC-IGBT结构制备过程，包括步骤：
在每个RC-IGBT子区域内制备一个IGBT元胞区后，在IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区。
具体地，在每个RC-IGBT子区域内制备一个IGBT元胞区，具体包括：
S110以第一N-基区为基底，在第一N-基区背面离子注入5价元素形成N型FS区。
S120在N型FS区背面离子注入3价元素形成集电极P+区。
S130在第一N-基区正面刻蚀形成沟槽。
S140在沟槽内热氧化形成栅氧化层。
S150在沟槽内填充多晶硅形成多晶硅栅。
S160在第一N-基区正面离子注入3价元素形成Pwell区域。
S170在Pwell区域正面离子注入5价元素形成N+发射极区域。
S180在Pwell区域正面离子注入3价元素形成P+区域。
S190在N+发射极区域正面淀积层间介质区域并刻蚀形成连接孔。
进一步地，在IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区，具体包括：
S210在N+发射极区域正面溅射金属形成阳极金属，使阳极金属通过连接孔与N+发射极区域和P+区形成欧姆接触。
S220刻蚀阳极金属并淀积氧化层后，刻蚀阳极金属的底部氧化层形成绝缘区。
S230在绝缘区内填充P型硅形成P型阳极区。
S240在绝缘区内P型阳极区的纵向上方填充低浓度N型硅形成第二N-基区。
S250在绝缘区内第二N-基区的纵向上方填充高浓度的N型硅形成阴极区。
S260在绝缘区内阴极区的纵向上方填充金属形成阴极区金属，使阴极区金属与阴极区欧姆接触。
进一步地，在IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区之后，还包括：
S300依次经过背面减薄、溅射在集电极P+区背面形成集电极金属区域，使集电极P+区与集电极金属区域形成欧姆接触。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

Claims (10)

1.一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，包括：
若干横向排列的RC-IGBT子区域，每个所述RC-IGBT子区域内均包括纵向排布的一个IGBT元胞区和一个FRD元胞区，所述FRD元胞区位于所述IGBT元胞区上方。
2.根据权利要求1所述的一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，
所述IGBT元胞区由下至上依次设置集电极金属区域、集电极P+区、N型FS区、第一N-基区、Pwell区、N+发射极区域、层间介质区域、发射极金属区，以及位于所述Pwell区内的沟槽、栅氧化层、多晶硅栅和P+区。
3.根据权利要求2所述的一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，
所述FRD元胞区由下至上依次设置阳极金属区和FRD体区；
所述FRD体区中由下至上依次设置P型阳极区、第二N-基区、阴极区和阴极区金属；
所述FRD元胞区中还设置有绝缘区，用于隔断所述阳极金属和所述FRD体区中的所述第二N-基区、所述阴极区以及所述阴极区金属。
4.根据权利要求3所述的一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，
所述IGBT元胞区中的所述发射极金属区作为所述FRD元胞区中的所述阳极金属区。
5.根据权利要求3所述的一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，
所述FRD元胞区和所述IGBT元胞区并联连接。
6.根据权利要求5所述的一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，
所述FRD元胞区中的所述阴极区在封装时通过打线方式与焊接底板连接；
所述IGBT元胞区中的所述集电极金属区域焊接在所述焊接底板上。
7.根据权利要求3～6中任一项所述的一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，
所述IGBT元胞区中的所述第一N-基区浓度和所述FRD元胞区中的第二N-基区浓度不同。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的一种纵向RC-IGBT结构，其特征在于，
所述IGBT元胞区由上至下的厚度和所述FRD元胞区由上至下的厚度不同。
9.一种纵向RC-IGBT结构制备方法，其特征在于，应用于若干横向排列的RC-IGBT子区域的纵向RC-IGBT结构制备过程，包括步骤：
在每个所述RC-IGBT子区域内制备一个IGBT元胞区；
在所述IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区。
10.根据权利要求9所述的一种纵向RC-IGBT结构制备方法，其特征在于，所述的在每个所述RC-IGBT子区域内制备一个IGBT元胞区，具体包括：
以第一N-基区为基底，在所述第一N-基区背面离子注入5价元素形成N型FS区；
在所述N型FS区背面离子注入3价元素形成集电极P+区；
在所述第一N-基区正面刻蚀形成沟槽；
在所述沟槽内热氧化形成栅氧化层；
在所述沟槽内填充多晶硅形成多晶硅栅；
在所述第一N-基区正面离子注入3价元素形成Pwell区域；
在所述Pwell区域正面离子注入5价元素形成N+发射极区域；
在所述Pwell区域正面离子注入3价元素形成P+区域；
在所述N+发射极区域正面淀积层间介质区域并刻蚀形成连接孔；
所述的在所述IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区，具体包括：
在所述N+发射极区域正面溅射金属形成阳极金属，使阳极金属通过所述连接孔与所述N+发射极区域和所述P+区形成欧姆接触；
刻蚀所述阳极金属并淀积氧化层后，刻蚀所述阳极金属的底部氧化层形成绝缘区；
在所述绝缘区内填充P型硅形成P型阳极区；
在所述绝缘区内所述P型阳极区的纵向上方填充低浓度N型硅形成第二N-基区；
在所述绝缘区内所述第二N-基区的纵向上方填充高浓度的N型硅形成阴极区；
在所述绝缘区内所述阴极区的纵向上方填充金属形成阴极区金属，使所述阴极区金属与所述阴极区欧姆接触；
所述的在所述IGBT元胞区的纵向上方制备一个FRD元胞区之后，还包括：
依次经过背面减薄、溅射在所述集电极P+区背面形成集电极金属区域，使所述集电极P+区与所述集电极金属区域形成欧姆接触。
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