CN106611779A - 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
本发明属于功率半导体器件领域，具体的涉及一种逆导型绝缘栅双极晶体管及其制作方法。本发明所提出的新型逆导型绝缘栅双极晶体管，其创新之处是将结终端阳极区域的P型掺杂替换为N型掺杂，这样在元胞区的N型阳极区可以做的比较短，从而提高了阳极短路电阻以抑制Snapback效应。在加反向电压的时候，元胞区和结终端区的N型阳极区域共同充当PIN二极管的阴极，相当于将结终端区的面积利用起来进行反向导通，这样就在不影响器件反向导通能力的同时抑制了正向导通时候的Snapback效应。在实际应用中可以根据器件正反向导通能力的需要，灵活地调整元胞区的N型阳极区长度来满足要求。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件领域，特别涉及一种逆导型绝缘栅双极晶体管及其制造方法。
背景技术
伴随着中国经济的腾飞，国内各项基础设施及能源建设都处在飞速发展时期。以国家电网工程、高速轨道交通、电动汽车及混合动力汽车、绿色节能产业等为代表的一批对国民经济有巨大拉动作用的国家重点项目，均对新型电力电子器件有着旺盛的需求。其中具有代表性的器件之一便是绝缘栅双极晶体管。
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，简称IGBT，是一种集合了MOSFET特性与双极晶体管特性的复合型器件。并同时具备MOSFET的输入阻抗高，栅级控制方便以及双极晶体管的高阻断电压和低导通压降的优点，在中高压功率器件领域有着广泛的应用。典型的IGBT器件不具备逆向导通能力，而实际电路中如想正常工作，往往需要反并联一个二极管，以便实现反向续流能力。以IGBT典型应用之一的逆变电路为例，若不具备反向导通能力，则不能实现连续的能量转换过程，其反向将产生电压停滞，能量难以得到顺畅释放，则易发生器件损坏。
为解决此问题，人们提出了逆导型IGBT(Reverse Conducting IGBT)，简称RC-IGBT，如图1所示，通过在阳极引入短路区域，为其反向导通设计出了电流通道，特性类似一个二极管，但结构会导致RC-IGBT在正向工作时出现snapback现象，该现象源于阳极短路导致的RC-IGBT由单极工作模式转向双极工作模式的切换。snapback现象对RC-IGBT的正向导通性能具有不利的影响。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出不会发生snapback效应的、正反向导通特性优良而且制造工艺简单的RC-IGBT器件(逆导型绝缘栅双极晶体管)及其制作方法。
本发明的技术方案是：如图2所示，一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，包括元胞区和结终端区；所述元胞区包括第一N型漂移区6，所述第一N型漂移区6的上层具有P型基区5，所述P型基区5的上层具有N型源区4；所述第一N型漂移区6的上表面具有和栅极，所述栅极由栅氧化层2和位于栅氧化层2上表面的栅电极1构成；栅氧化层2的下表面还与部分P型基区5和部分N型源区4的上表面接触，部分P型基区5的上表面和部分N型源区4的上表面还具有金属化阴极3；第一N型漂移区6的下层具有N型阳极区7和P型阳极区8，所述N型阳极区7和P型阳极区8并列设置，且P型阳极区8位于靠近结终端区一侧；
所述结终端区中包括第二N型漂移区15，所述第二N型漂移区15的上层具有P型等位环10和P型场限环13，所述P型等位环10位于靠近元胞区一侧，且P型等位环10与相邻的P型基区5接触，P型等位环10的部分上表面与金属化阴极3接触；所述P型等位环10的上表面还具有栅极；所述第二N型漂移区15的上表面具有场氧化层12，所述场氧化层12的下表面还与部分P型等位环10和部分P型场限环13的上表面接触，所述场氧化层12靠近元胞区的一侧具有金属化场板11，所述金属化场板11的下表面与P型等位环10和P型场限环13的上表面接触，且金属化场板11还延伸至部分场氧化层12的上表面；所述第二N型漂移区15的下层具有N型阳极区14，所述N型阳极区14与P型阳极区8并列设置，所述N型阳极区7、P型阳极区8和N型阳极区14的下表面具有金属化阳极9。
一种逆导型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在硅片上生长场氧化层，形成第一N型漂移区6、第二N型漂移区15和场氧化层12；其中，第一N型漂移区6、第二N型漂移区15并列设置，场氧化层12位于第一N型漂移区6和第二N型漂移区15上表面；
第二步：刻蚀部分场氧化层，在第二N型漂移区15上层进行离子注入完成结终端的制作，形成P型等位环10和P型场限环13；其中，P型等位环10位于靠近第一N型漂移区6的一侧
第三步：在第一N型漂移区6上表面的一侧通过热氧化形成栅氧化层2，并在栅氧化层2上淀积一层多晶硅/金属再刻蚀形成栅电极3；
第四步：在第一N型漂移区6上层注入P型杂质并推结形成P型基区5；
第五步：在第一N型漂移区6上层注入N型杂质形成N型源区4；所述N型源区4位于P型基区5中；
第六步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；
第七步：在P型基区5、N型源区4、P型等位环10以及P型场限环13上表面淀积金属，形成阴极金属1和金属化场板11；
第八步：淀积钝化层；
第九步：对第一N型漂移区6和第二N型漂移区15的下表面进行减薄、抛光处理，采用较高能量注入P型杂质形成P型阳极区8；
第十步：对第一N型漂移区6和第二N型漂移区15的下表面的部分区域采用离子注入比第九步中注入的P型杂质更高掺杂浓度的N型杂质形成N型阳极区7和N型阳极区14；所述N型阳极区7、N型阳极区14和P型阳极区8并列设置，且P型阳极区8位于N型阳极区7和N型阳极区14之间；
第十步：在器件下表面进行金属淀积以形成金属化阳极9。
本发明的有益效果为，本发明所提出的新型逆导型绝缘栅双极晶体管，其结终端阳极部分由P型掺杂替换成了N型掺杂，因此它可以参与反向导通，而元胞部分的阳极区长度就可以做的比较短。因而在保证同样的反向导通能力的前提下，元胞区拥有更短N型阳极区长度的新型RC-IGBT也拥有着更大的阳极短路电阻，从而有效地抑制了snapback效应。
附图说明
图1是传统RC-IGBT的结终端区和部分元胞区的剖面示意图；
图2是本发明提供的新型RC-IGBT的结终端和部分元胞区的剖面示意图；
图3是传统RC-IGBT在不同N型阳极区长度情况下的正向导通特性曲线；
图4是传统RC-IGBT在不同N型阳极区长度情况下的反向导通特性曲线；
图5是新型RC-IGBT在不同N型阳极区长度情况下的正向导通特性曲线；
图6是新型RC-IGBT在不同N型阳极区长度情况下的反向导通特性曲线；
图7是新型RC-IGBT和传统RC-IGBT在不同N型阳极区长度情况下的正向导通特性对比曲线；
图8是新型RC-IGBT和传统RC-IGBT在不同N型阳极区长度情况下的反向向导通特性对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
如图2所示，本发明的一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，包括元胞区和结终端区；所述元胞区包括第一N型漂移区6，所述第一N型漂移区6的上层具有P型基区5，所述P型基区5的上层具有N型源区4；所述第一N型漂移区6的上表面具有和栅极，所述栅极由栅氧化层2和位于栅氧化层2上表面的栅电极1构成；栅氧化层2的下表面还与部分P型基区5和部分N型源区4的上表面接触，部分P型基区5的上表面和部分N型源区4的上表面还具有金属化阴极3；第一N型漂移区6的下层具有N型阳极区7和P型阳极区8，所述N型阳极区7和P型阳极区8并列设置，且P型阳极区8位于靠近结终端区一侧；
所述结终端区中包括第二N型漂移区15，所述第二N型漂移区15的上层具有P型等位环10和P型场限环13，所述P型等位环10位于靠近元胞区一侧，且P型等位环10与相邻的P型基区5接触，P型等位环10的部分上表面与金属化阴极3接触；所述P型等位环10的上表面还具有栅极；所述第二N型漂移区15的上表面具有场氧化层12，所述场氧化层12的下表面还与部分P型等位环10和部分P型场限环13的上表面接触，所述场氧化层12靠近元胞区的一侧具有金属化场板11，所述金属化场板11的下表面与P型等位环10和P型场限环13的上表面接触，且金属化场板11还延伸至部分场氧化层12的上表面；所述第二N型漂移区15的下层具有N型阳极区14，所述N型阳极区14与P型阳极区8并列设置，所述N型阳极区7、P型阳极区8和N型阳极区14的下表面具有金属化阳极9。
本发明的工作原理为：
本发明提出的新型RC-IGBT，相较传统的RC-IGBT，将传统RC-IGBT结终端区的P型阳极区替换为N型，而减小了元胞区N型阳极区的长度。这样在加反向电压的时候，元胞区和结终端区的N型阳极区共同作为反向PIN二极管的阴极承担反向导通电流，相当于将原来在导通过程中不起作用的结终端区的面积利用起来作为反向导通之用，即使减小元胞区N型阳极区的长度，也可以达到和原来一样的反向导通特性。而因为元胞区N型阳极区长度的减小，在正向导通的时候N型阳极区7和P型阳极区8之间的短路电阻将会增加，从而抑制了正向导通的Snapback效应。
图3显示传统RC-IGBT的N型阳极区长度越长，越容易出现snapback效应，而且导通压降也会变得更大。当阳极区长度减少至20μm时，snapback效应基本消失。
图4显示传统RC-IGBT的反向导通特性和正向导通特性刚好相反，N型阳极区长度越长，反向导通压降越低，导通特性越好。说明传统RC-IGBT的正反向导通特性存在着矛盾的关系。
图5显示新型RC-IGBT的正向导通特性和传统RC-IGBT相似，但是在同样的N型阳极区长度下，新型RC-IGBT的snapback效应并没有传统RC-IGBT那么严重。
图6显示新型RC-IGBT的反向导通特性同样和传统RC-IGBT相似，但是不同N型阳极区长度下的导通特性差异并没有传统RC-IGBT那么大，这是因为结终端的N型阳极区也参与了反向导通。
图7显示新型RC-IGBT在N型阳极区取20μm的时候，已经没有snapback现象。而传统RC-IGBT在N型阳极区取40μm的时候snapback效应却很严重。
图8显示新型RC-IGBT的阳极区长度取20μm的时候，和传统RC-IGBT的阳极区长度取40μm情况下的反向导通特性相差无几。
Claims (2)
1.一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，包括元胞区和结终端区；所述元胞区包括第一N型漂移区(6)，所述第一N型漂移区(6)的上层具有P型基区(5)，所述P型基区(5)的上层具有N型源区(4)；所述第一N型漂移区(6)的上表面具有和栅极，所述栅极由栅氧化层(2)和位于栅氧化层(2)上表面的栅电极(1)构成；栅氧化层(2)的下表面还与部分P型基区(5)和部分N型源区(4)的上表面接触，部分P型基区(5)的上表面和部分N型源区(4)的上表面还具有金属化阴极(3)；第一N型漂移区(6)的下层具有N型阳极区(7)和P型阳极区(8)，所述N型阳极区(7)和P型阳极区(8)并列设置，且P型阳极区(8)位于靠近结终端区一侧；
所述结终端区中包括第二N型漂移区(15)，所述第二N型漂移区(15)的上层具有P型等位环(10)和P型场限环(13)，所述P型等位环(10)位于靠近元胞区一侧，且P型等位环(10)与相邻的P型基区(5)接触，P型等位环(10)的部分上表面与金属化阴极(3)接触；所述P型等位环(10)的上表面还具有栅极；所述第二N型漂移区(15)的上表面具有场氧化层(12)，所述场氧化层(12)的下表面还与部分P型等位环(10)和部分P型场限环(13)的上表面接触，所述场氧化层(12)靠近元胞区的一侧具有金属化场板(11)，所述金属化场板(11)的下表面与P型等位环(10)和P型场限环(13)的上表面接触，且金属化场板(11)还延伸至部分场氧化层(12)的上表面；所述第二N型漂移区(15)的下层具有N型阳极区(14)，所述N型阳极区(14)与P型阳极区(8)并列设置，所述N型阳极区(7)、P型阳极区(8)和N型阳极区(14)的下表面具有金属化阳极(9)。
2.一种逆导型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在硅片上生长场氧化层，形成第一N型漂移区(6)、第二N型漂移区(15)和场氧化层(12)；其中，第一N型漂移区(6)、第二N型漂移区(15)并列设置，场氧化层(12)位于第一N型漂移区(6)和第二N型漂移区(15)上表面；
第二步：刻蚀部分场氧化层，在第二N型漂移区(15)上层进行离子注入完成结终端的制作，形成P型等位环(10)和P型场限环(13)；其中，P型等位环(10)位于靠近第一N型漂移区(6)的一侧
第三步：在第一N型漂移区(6)上表面的一侧通过热氧化形成栅氧化层2，并在栅氧化层(2)上淀积一层多晶硅/金属再刻蚀形成栅电极(3)；
第四步：在第一N型漂移区(6)上层注入P型杂质并推结形成P型基区(5)；
第五步：在第一N型漂移区(6)上层注入N型杂质形成N型源区(4)；所述N型源区(4)位于P型基区(5)中；
第六步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；
第七步：在P型基区(5)、N型源区(4)、P型等位环(10)以及P型场限环(13)上表面淀积金属，形成阴极金属(1)和金属化场板(11)；
第八步：淀积钝化层；
第九步：对第一N型漂移区(6)和第二N型漂移区(15)的下表面进行减薄、抛光处理，采用较高能量注入P型杂质形成P型阳极区(8)；
第十步：对第一N型漂移区(6)和第二N型漂移区(15)的下表面的部分区域采用离子注入比第九步中注入的P型杂质更高掺杂浓度的N型杂质形成N型阳极区(7)和N型阳极区(14)；所述N型阳极区(7)、N型阳极区(14)和P型阳极区(8)并列设置，且P型阳极区(8)位于N型阳极区(7)和N型阳极区(14)之间；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170503 |