CN210605712U - 一种rc-igbt器件版图 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种RC‑IGBT器件版图，包括版图底板，版图底板上设有多个由多根窗口段首尾连接形成的断开的环状窗口，相邻窗口段的首端与尾端之间具有间隔，版图底板上除了断开的环状窗口之外的区域为与P型集电极区对应的P型集电极窗口，断开的环状窗口与RC‑IGBT的N型集电极短路区对应。

Description

一种RC-IGBT器件版图

技术领域

本实用新型涉及一种用于制作该半导体器件的版图结构，尤其涉及一种 RC-IGBT器件版图。

背景技术

在电力电子系统中，IGBT器件通常都会反并联一个续流二极管(FRD)。在传统的封装模式中，往往把两颗IGBT芯片与FRD芯片封装在一起，这样做不仅增加了器件的个数、模块的体积、制造成本，而且封装过程中焊点数的增加还会影响模块的可靠性。因此，为了解决这一问题，设计了逆导型IGBT，即RC-IGBT。RC-IGBT结构可以更大限度的减小IGBT模块面积，增大芯片集成度。

RC-IGBT是将续流二极管FRD集成在IGBT器件内部。以N型IGBT器件为例，RC-IGBT器件的主要特征在于其背部形成了与集电极连接的N型集电极短路区，N型集电极短路区与P型基区、N型基区一起形成了能够反向导通的续流二极管结构。传统RC-IGBT在正向导通时会出现一个负阻效应。N+发射极区、P型基区、N型基区、N型场终止区、N型集电极短路区会形成一个VDMOS 结构。当器件正向导通时，在小电流条件下，背部的P型集电极区与N型场终止区形成的PN结由于压降不足无法开启，此时RC-IGBT器件中只有电子流动，呈现出VDMOS特性。只有当电流增大到一定程度，背部的P型集电极区与N 型场终止区形成的PN结上的压降高于其开启电压后，此PN结才能够导通。导通后，P型集电极区开始向N型基区中注入空穴。此时RC-IGBT器件中既有电子又有空穴流动，主要呈现IGBT特性。在IGBT模式下会形成大注入效应(电导调制效应)，器件的正向压降会迅速降低，使得器件的电流-电压特性曲线呈现折回现象，即出现所谓的负阻效应，其严重影响电力电子系统的稳定性。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种用于制作该RC-IGBT 器件的RC-IGBT器件版图。

本实用新型的RC-IGBT器件版图，包括版图底板，版图底板上设有多个由多根窗口段首尾连接形成的断开的环状窗口，相邻窗口段的首端与尾端之间具有间隔，版图底板上除了断开的环状窗口之外的区域为与集电极区对应的P型集电极窗口，断开的环状窗口与RC-IGBT的N型集电极短路区对应。

进一步的，本实用新型的RC-IGBT器件版图，所述窗口段为矩形窗口。

进一步的，本实用新型的RC-IGBT器件版图，每个断开的环状窗口包括六根窗口段，相邻断开的环状窗口共用同一根窗口段。

进一步的，本实用新型的RC-IGBT器件版图，所述断开的环状窗口呈正六边型。

进一步的，本实用新型的RC-IGBT器件版图，断开的环状窗口内侧还设有与N型集电极短路区对应的第二N型集电极短路区窗口。

进一步的，本实用新型的RC-IGBT器件版图，所述第二N型集电极短路区窗口呈圆形或正多边形。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：本实用新型的RC-IGBT器件版图，包括断开的环状窗口及P型集电极窗口，这使得通过该RC-IGBT器件版图制得的RC-IGBT器件，其整块的P型集电极区被断开的N型集电极短路区隔开，并在N型集电极短路区的间隙处相连，从而形成整片相连的P型集电极区，进而使得RC-IGBT器件在导通过程中，空穴注入区连续扩展，从而消除了RC-IGBT 器件的负阻效应，也消除了二次回跳现象。此外，操作人员可通过调节窗口段的面积来调整N型集电极短路区的面积分布，从而改变RC-IGBT器件的特性。

综上所述，本实用新型的RC-IGBT器件版图，能够制作出无负阻效应、可靠性高的RC-IGBT器件。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是RC-IGBT器件的正面结构示意图；

图2是RC-IGBT器件或RC-IGBT器件版图的结构示意图；

图3是另一种RC-IGBT器件或RC-IGBT器件版图的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参见图2至图3，本实用新型所述的一种RC-IGBT器件版图，包括版图底板301，版图底板上设有多个由多根窗口段302(即N型集电极短路区段)首尾连接形成的断开的环状窗口，相邻窗口段的首端与尾端之间具有间隔，版图底板上除了断开的环状窗口之外的区域为与P型集电极区对应的P型集电极窗口 303，断开的环状窗口与RC-IGBT的N型集电极短路区对应。

本实用新型的RC-IGBT器件版图，包括断开的环状窗口及P型集电极窗口，这使得通过该RC-IGBT器件版图制得的RC-IGBT器件，其整块的P型集电极区被断开的N型集电极短路区隔开，并在N型集电极短路区的间隙处相连，从而形成整片相连的P型集电极区，进而使得RC-IGBT器件在导通过程中，空穴注入区连续扩展，从而消除了RC-IGBT器件的负阻效应，也消除了二次回跳现象。此外，操作人员可通过调节窗口段的面积来调整N型集电极短路区的面积分布，从而改变RC-IGBT器件的特性。

作为优选，窗口段为矩形窗口。

作为优选，每个断开的环状窗口包括六根窗口段，相邻断开的环状窗口共用同一根窗口段。

作为优选，断开的环状窗口呈正六边型。

作为优选，断开的环状窗口内侧还设有与N型集电极短路区对应的第二N 型集电极短路区窗口304。

第二N型集电极短路区窗口的设置，使得操作人员可通过其调节N型集电极短路区的面积，进而调节RC-IGBT器件结构中续流二极管的面积。

作为优选，第二N型集电极短路区窗口呈圆形或正多边形。

参见图1，本实用新型的一种RC-IGBT器件，包括芯片本体，芯片本体的边缘为终端保护区，芯片本体包括N型基区240，N型基区的表面设有多个沟槽区290，沟槽区内设有多晶硅栅极292，多晶硅栅极的顶端为绝缘介质层270， N型基区的上方还设置有P型基区250，N型基区的下方设有P型集电极区220， P型集电极区的下方设有与P型集电极区连接的集电极金属层210，P型集电极区与N型基区之间还设置有N型场终止区230，沟槽区的左右两端还分别设有位于P型基区表面的N+发射极区280，N+发射极区之间还设置有P+深阱区260，沟槽区的内侧面上设有栅氧化层291，N+发射极区的上方还设置有与N+发射极区连接的发射极金属层211，N型场终止区的下方还设有与P型集电极区位于同一层的N型集电极短路区221，N型集电极短路区包括多个断开的N型集电极短路环，断开的N型集电短路环区由多根首尾连接的短路区段222连接形成，首尾相邻的短路区段之间具有间隙，P型集电极区所在层除了N型集电极短路区外均为P型集电极区。

作为优选，短路区段呈矩形结构，每个断开的N型集电极短路环包括六根短路区段，且N型集电极短路环呈正六边形结构。

作为优选，断开的N型集电极短路环内侧设置有第二N型集电极短路区 223。

作为优选，第二N型集电极短路区呈圆形或正多边形。

整块的六边形P型集电极区被断开的六边形N型集电极短路区所隔开，却在间隙处相连，使得整片P型集电极区相连，进而使得RC-IGBT在导通过程中空穴注入区连续扩展，从而消除RC-IGBT的负阻效应，也消除了二次回跳现象。

具体操作时，可通过调节短路区段的面积来调整N型集电极短路区的面积分布，从而改变RC-IGBT器件特性。断开的六边形N型集电极短路区中设置的正六边形、圆形、正方形等对称结构的第二N型集电极短路区可调节RC-IGBT 器件结构中续流二极管的面积。

以下是本实用新型的RC-IGBT器件的制作方法：

1、采用N型单晶硅材料或N型外延硅材料作为衬底材料，充当RC-IGBT 器件的漂移区。

2、忽略终端区域的形成过程，在有源区中形成沟槽RC-IGBT的元胞结构。

3、在该硅衬底100的器件有源区内通过光刻和离子刻蚀形成沟槽区290。具体地，该硅衬底100表面生长一层厚度为

的二氧化硅阻挡层，作为沟槽刻蚀的阻挡层；在阻挡层上面涂布光刻胶层，进行沟槽图形曝光和显影；并带着光刻胶对二氧化硅进行刻蚀，形成二氧化硅阻挡层图形；然后湿法腐蚀去除光刻胶；以二氧化硅阻挡层图形作为掩模对硅衬底进行刻蚀，即深挖多个沟槽，形成沟槽区290；湿法腐蚀去除表面剩余的二氧化硅阻挡层。其中，沟槽的深度为3-8um，横截面宽度为0.5-2um。

4、在该沟槽区290内壁生长有致密性较高的二氧化硅作栅氧化层291。具体地，先通过高温氧化在该沟槽区290内壁生长一层牺牲氧化层，再湿法腐蚀掉该牺牲氧化层，以确保栅氧化层的光滑平整；通过高温氧化在该沟槽区290 内壁生长栅氧化层291。其中栅氧化层291的厚度为

上述操作步骤是为了减少晶体缺陷和杂质，从而生长出致密性较好的栅氧化层291。

5、在该器件的有源区内沉积多晶硅并掺杂形成N型多晶硅。具体地，通过高温炉管在沟槽区290内沉积多晶硅并进行掺杂，形成N型多晶硅，多晶硅的厚度为1-2um，浓度为1E20cm-3；然后对多晶硅进行高温激活，温度为950 -1150℃，时间为30-60分钟。

6、对该衬底表面的多晶硅进行干法刻蚀，刻蚀厚度为1-2um，只保留沟槽区内、栅极PAD以及栅极BUS通道上的多晶硅。

7、在沟槽区290的间隙内通过离子注入和高温推阱形成P型基区250。具体地，利用多晶硅层自对准形成P型基区的注入窗口；向P型基区的注入窗口中注入高能硼离子并高温推阱，形成P型基区250。

8、在P型基区250上部通过离子注入和高温推阱形成N+发射极区280。具体地，利用光刻版图形成N+发射极区的注入窗口；向N+发射极区注入窗口中注入高能砷离子并高温推阱，形成N+发射极区280。

9、在绝缘介质层270上刻蚀形成接触孔，并在N+发射极区280之间形成 P+深阱区260。具体地，在衬底表面淀积二氧化硅绝缘介质层270，绝缘介质层的厚度为1-1.5um；然后刻蚀绝缘介质层270，形成发射极金属接触孔。通过接触孔向N+发射极区高掺杂硅中注入硼离子，形成P+高掺杂区，即P+深阱区260。其中，发射极金属接触孔位于每个沟槽区的间隙内，IGBT器件有源区内有多个发射极金属接触孔。

10、在器件表面淀积金属并通过刻蚀形成正面发射极金属211，使得N+发射极区高掺杂硅与正面发射极金属之间形成欧姆接触，减小接触电阻。正面金属的厚度为1-5um，该金属电极材料可以采用AlSi、AlSiCu或其他材质。

11、待完成功率器件的正面金属化后，翻转芯片，进行背面减薄。

12、在衬底背面进行硼离子注入并通过高温推阱，形成背面P型集电极区 220；P型集电极区起到控制空穴发射效率的作用。

13、采用图2所示的版图结构进行背面磷离子注入，并通过高温推阱形成背面N型集电极短路区221。此背面版图结构能消除负阻效应，进一步提高 RC-IGBT器件的性能及可靠性。

14、进行IGBT器件的背面金属化，形成集电极金属210。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种RC-IGBT器件版图，包括版图底板(301)，其特征在于：版图底板上设有多个由多根窗口段(302)首尾连接形成的断开的环状窗口，相邻窗口段的首端与尾端之间具有间隔，版图底板除了断开的环状窗口之外的区域为与P型集电极区对应的P型集电极窗口(303)，断开的环状窗口与RC-IGBT的N型集电极短路区对应。

2.根据权利要求1所述的RC-IGBT器件版图，其特征在于：所述窗口段为矩形窗口。

3.根据权利要求1所述的RC-IGBT器件版图，其特征在于：每个断开的环状窗口包括六根窗口段，相邻断开的环状窗口共用同一根窗口段。

4.根据权利要求3所述的RC-IGBT器件版图，其特征在于：所述断开的环状窗口呈正六边型。

5.根据权利要求1所述的RC-IGBT器件版图，其特征在于：断开的环状窗口内侧还设有与N型集电极短路区对应的第二N型集电极短路区窗口(304)。

6.根据权利要求5所述的RC-IGBT器件版图，其特征在于：所述第二N型集电极短路区窗口呈圆形或正多边形。

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