一種逆導型絕緣柵雙極晶體管及其制作方法與流程

本發明屬于功率半導體器件領域，特別涉及一種逆導型絕緣柵雙極晶體管及其制造方法。

背景技術：

伴隨著中國經濟的騰飛，國內各項基礎設施及能源建設都處在飛速發展時期。以國家電網工程、高速軌道交通、電動汽車及混合動力汽車、綠色節能產業等為代表的一批對國民經濟有巨大拉動作用的國家重點項目，均對新型電力電子器件有著旺盛的需求。其中具有代表性的器件之一便是絕緣柵雙極晶體管。

絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，簡稱IGBT，是一種集合了MOSFET特性與雙極晶體管特性的復合型器件。并同時具備MOSFET的輸入阻抗高，柵級控制方便以及雙極晶體管的高阻斷電壓和低導通壓降的優點，在中高壓功率器件領域有著廣泛的應用。典型的IGBT器件不具備逆向導通能力，而實際電路中如想正常工作，往往需要反并聯一個二極管，以便實現反向續流能力。以IGBT典型應用之一的逆變電路為例，若不具備反向導通能力，則不能實現連續的能量轉換過程，其反向將產生電壓停滯，能量難以得到順暢釋放，則易發生器件損壞。

為解決此問題，人們提出了逆導型IGBT(Reverse Conducting IGBT)，簡稱RC-IGBT，如圖1所示，通過在陽極引入短路區域，為其反向導通設計出了電流通道，特性類似一個二極管，但結構會導致RC-IGBT在正向工作時出現snapback現象，該現象源于陽極短路導致的RC-IGBT由單極工作模式轉向雙極工作模式的切換。snapback現象對RC-IGBT的正向導通性能具有不利的影響。

技術實現要素：

本發明所要解決的，就是針對上述問題，提出不會發生snapback效應的、正反向導通特性優良而且制造工藝簡單的RC-IGBT器件(逆導型絕緣柵雙極晶體管)及其制作方法。

本發明的技術方案是：如圖2所示，一種逆導型絕緣柵雙極型晶體管，包括元胞區和結終端區；所述元胞區包括第一N型漂移區6，所述第一N型漂移區6的上層具有P型基區5，所述P型基區5的上層具有N型源區4；所述第一N型漂移區6的上表面具有和柵極，所述柵極由柵氧化層2和位于柵氧化層2上表面的柵電極1構成；柵氧化層2的下表面還與部分P型基區5和部分N型源區4的上表面接觸，部分P型基區5的上表面和部分N型源區4的上表面還具有金屬化陰極3；第一N型漂移區6的下層具有N型陽極區7和P型陽極區8，所述N型陽極區7和P型陽極區8并列設置，且P型陽極區8位于靠近結終端區一側；

所述結終端區中包括第二N型漂移區15，所述第二N型漂移區15的上層具有P型等位環10和P型場限環13，所述P型等位環10位于靠近元胞區一側，且P型等位環10與相鄰的P型基區5接觸，P型等位環10的部分上表面與金屬化陰極3接觸；所述P型等位環10的上表面還具有柵極；所述第二N型漂移區15的上表面具有場氧化層12，所述場氧化層12的下表面還與部分P型等位環10和部分P型場限環13的上表面接觸，所述場氧化層12靠近元胞區的一側具有金屬化場板11，所述金屬化場板11的下表面與P型等位環10和P型場限環13的上表面接觸，且金屬化場板11還延伸至部分場氧化層12的上表面；所述第二N型漂移區15的下層具有N型陽極區14，所述N型陽極區14與P型陽極區8并列設置，所述N型陽極區7、P型陽極區8和N型陽極區14的下表面具有金屬化陽極9。

一種逆導型絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步：在硅片上生長場氧化層，形成第一N型漂移區6、第二N型漂移區15和場氧化層12；其中，第一N型漂移區6、第二N型漂移區15并列設置，場氧化層12位于第一N型漂移區6和第二N型漂移區15上表面；

第二步：刻蝕部分場氧化層，在第二N型漂移區15上層進行離子注入完成結終端的制作，形成P型等位環10和P型場限環13；其中，P型等位環10位于靠近第一N型漂移區6的一側

第三步：在第一N型漂移區6上表面的一側通過熱氧化形成柵氧化層2，并在柵氧化層2上淀積一層多晶硅/金屬再刻蝕形成柵電極3；

第四步：在第一N型漂移區6上層注入P型雜質并推結形成P型基區5；

第五步：在第一N型漂移區6上層注入N型雜質形成N型源區4；所述N型源區4位于P型基區5中；

第六步：在器件上表面淀積BPSG絕緣介質層，刻蝕歐姆接觸孔；

第七步：在P型基區5、N型源區4、P型等位環10以及P型場限環13上表面淀積金屬，形成陰極金屬1和金屬化場板11；

第八步：淀積鈍化層；

第九步：對第一N型漂移區6和第二N型漂移區15的下表面進行減薄、拋光處理，采用較高能量注入P型雜質形成P型陽極區8；

第十步：對第一N型漂移區6和第二N型漂移區15的下表面的部分區域采用離子注入比第九步中注入的P型雜質更高摻雜濃度的N型雜質形成N型陽極區7和N型陽極區14；所述N型陽極區7、N型陽極區14和P型陽極區8并列設置，且P型陽極區8位于N型陽極區7和N型陽極區14之間；

第十步：在器件下表面進行金屬淀積以形成金屬化陽極9。

本發明的有益效果為，本發明所提出的新型逆導型絕緣柵雙極晶體管，其結終端陽極部分由P型摻雜替換成了N型摻雜，因此它可以參與反向導通，而元胞部分的陽極區長度就可以做的比較短。因而在保證同樣的反向導通能力的前提下，元胞區擁有更短N型陽極區長度的新型RC-IGBT也擁有著更大的陽極短路電阻，從而有效地抑制了snapback效應。

附圖說明

圖1是傳統RC-IGBT的結終端區和部分元胞區的剖面示意圖；

圖2是本發明提供的新型RC-IGBT的結終端和部分元胞區的剖面示意圖；

圖3是傳統RC-IGBT在不同N型陽極區長度情況下的正向導通特性曲線；

圖4是傳統RC-IGBT在不同N型陽極區長度情況下的反向導通特性曲線；

圖5是新型RC-IGBT在不同N型陽極區長度情況下的正向導通特性曲線；

圖6是新型RC-IGBT在不同N型陽極區長度情況下的反向導通特性曲線；

圖7是新型RC-IGBT和傳統RC-IGBT在不同N型陽極區長度情況下的正向導通特性對比曲線；

圖8是新型RC-IGBT和傳統RC-IGBT在不同N型陽極區長度情況下的反向向導通特性對比曲線。

具體實施方式

下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案：

如圖2所示，本發明的一種逆導型絕緣柵雙極型晶體管，包括元胞區和結終端區；所述元胞區包括第一N型漂移區6，所述第一N型漂移區6的上層具有P型基區5，所述P型基區5的上層具有N型源區4；所述第一N型漂移區6的上表面具有和柵極，所述柵極由柵氧化層2和位于柵氧化層2上表面的柵電極1構成；柵氧化層2的下表面還與部分P型基區5和部分N型源區4的上表面接觸，部分P型基區5的上表面和部分N型源區4的上表面還具有金屬化陰極3；第一N型漂移區6的下層具有N型陽極區7和P型陽極區8，所述N型陽極區7和P型陽極區8并列設置，且P型陽極區8位于靠近結終端區一側；

所述結終端區中包括第二N型漂移區15，所述第二N型漂移區15的上層具有P型等位環10和P型場限環13，所述P型等位環10位于靠近元胞區一側，且P型等位環10與相鄰的P型基區5接觸，P型等位環10的部分上表面與金屬化陰極3接觸；所述P型等位環10的上表面還具有柵極；所述第二N型漂移區15的上表面具有場氧化層12，所述場氧化層12的下表面還與部分P型等位環10和部分P型場限環13的上表面接觸，所述場氧化層12靠近元胞區的一側具有金屬化場板11，所述金屬化場板11的下表面與P型等位環10和P型場限環13的上表面接觸，且金屬化場板11還延伸至部分場氧化層12的上表面；所述第二N型漂移區15的下層具有N型陽極區14，所述N型陽極區14與P型陽極區8并列設置，所述N型陽極區7、P型陽極區8和N型陽極區14的下表面具有金屬化陽極9。

本發明的工作原理為：

本發明提出的新型RC-IGBT，相較傳統的RC-IGBT，將傳統RC-IGBT結終端區的P型陽極區替換為N型，而減小了元胞區N型陽極區的長度。這樣在加反向電壓的時候，元胞區和結終端區的N型陽極區共同作為反向PIN二極管的陰極承擔反向導通電流，相當于將原來在導通過程中不起作用的結終端區的面積利用起來作為反向導通之用，即使減小元胞區N型陽極區的長度，也可以達到和原來一樣的反向導通特性。而因為元胞區N型陽極區長度的減小，在正向導通的時候N型陽極區7和P型陽極區8之間的短路電阻將會增加，從而抑制了正向導通的Snapback效應。

圖3顯示傳統RC-IGBT的N型陽極區長度越長，越容易出現snapback效應，而且導通壓降也會變得更大。當陽極區長度減少至20μm時，snapback效應基本消失。

圖4顯示傳統RC-IGBT的反向導通特性和正向導通特性剛好相反，N型陽極區長度越長，反向導通壓降越低，導通特性越好。說明傳統RC-IGBT的正反向導通特性存在著矛盾的關系。

圖5顯示新型RC-IGBT的正向導通特性和傳統RC-IGBT相似，但是在同樣的N型陽極區長度下，新型RC-IGBT的snapback效應并沒有傳統RC-IGBT那么嚴重。

圖6顯示新型RC-IGBT的反向導通特性同樣和傳統RC-IGBT相似，但是不同N型陽極區長度下的導通特性差異并沒有傳統RC-IGBT那么大，這是因為結終端的N型陽極區也參與了反向導通。

圖7顯示新型RC-IGBT在N型陽極區取20μm的時候，已經沒有snapback現象。而傳統RC-IGBT在N型陽極區取40μm的時候snapback效應卻很嚴重。

圖8顯示新型RC-IGBT的陽極區長度取20μm的時候，和傳統RC-IGBT的陽極區長度取40μm情況下的反向導通特性相差無幾。