一种逆导型绝缘栅双极型晶体管及其制备方法与流程

本发明属于电力半导体器件技术领域，具体涉及一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，本发明还涉及该种逆导型绝缘栅双极型晶体管的制备方法。

背景技术：

电力半导体器件的发展，特别是新型器件的出现和应用，都会以自己独有的特性占有不同的相关领域，使应用范围不断的拓展。同时，电力电子技术的发展对器件提出更高的要求，又会促进器件性能的提高和新器件的研究与发展。

在大部分的igbt应用电路中，都会给它反并联续流二极管以作保护。早期做法是分别制作igbt和二极管，再将它们集成封装在一起，做成igbt、二极管对。早期的igbt与二极管都是独立封装，并且独立应用。两者性能往往不匹配并且在焊接时容易引入寄生电感，导致实际igbt应用成本高可靠性不好。为降低成本、提高芯片的功率密度，人们开始通过工艺将igbt与二极管集成，发展逆向导通型绝缘栅双极型晶体管(以下简称rc-igbt)。

传统的rc-igbt在集电极的电流密度较低时，由p⁺集电极区和n型缓冲层构成的p-n结不能正向导通。电子从发射极流向n⁺型集电极区，器件工作在单极模式。随着电流的增大，p⁺型集电极区和n型缓冲层构成的p-n结正向导通，p⁺型集电极区的空穴注入n^-型漂移区，产生电导调制现象，由于器件会存在一个由单极模式到双极模式的转换，所以在器件导通过程中会出现随着电流增大，电阻迅速减小的过程。直至p⁺型集电极区和n型缓冲层构成的p-n结完全正偏。在正向导通的输出特性曲线出现一个负阻区。当rc-igbt处于反向工作时，p-base区相当于续流二极管的阳极，n⁺型集电极相当于续流二极管的阴极。设rc-igbt的电压开始折回时的阳极电压为vsb，并且假设rc-igbt发生电压折回之后的最小阳极电压为vh。它们分别对应正反馈过程的开始和结束时的阳极电压。同时，定义δvsb＝vsb-vh，它是电导调制效应带来的阳极电压减小幅度，也是能反映电压折回程度的一个关键参数。可以认为当δvsb＝0时，电压折回现象消失。

式中vcr为当器件从单极型模式转变成双极型模式时p⁺型集电极区和n型缓冲层上的电压降；rcs为集电极的短路电阻；rdrift为n^-型漂移区的电阻；rch为mos通道的电阻，传统rc-igbt效消电压回跳是通过增大p⁺型集电极的宽度来增大短路电阻来消除vsb，但是这样会导致另一种缺陷即会引发电流分布不均匀，严重时会烧毁器件。

传统的si材料rc-igbt虽然具有、造价低廉、制作简单，然而它在正向导通时由于器件宽度较大会出现电流分布不均匀和续流二极管反向恢复性能较差。为克服电流分布不均匀经常采取降低器件宽度来实现，然而这样做会导致rc-igbt在正向导通时会产生电压回跳。因此需要采用新结构解决这样的矛盾。并且改善传统rc-igbt反向恢复性能较差这些缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，解决了现有技术中存在的传统rc-igbt正向工作时电流分布不均匀，及反向工作时反向恢复峰值电流过大，反向恢复时间长的问题。

本发明的另一个目的是提供该种逆导型绝缘栅双极型晶体管的制备方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，包括从上到下依次设置的n⁺发射极区、p-base区、n^-层、n缓冲层，n^-层内设置有p柱区；n缓冲层下方设置有n⁺集电极及p⁺集电极，n⁺集电极与p⁺集电极相邻，n⁺集电极与p⁺集电极之间开有氧化槽，氧化槽顶部穿过n缓冲层，氧化槽的上表面与p柱区的下表面相接触。

本发明的特点还在于，

氧化槽内填充的介质为sio2。

n⁺发射极区的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3-2×10²⁰cm^-3，掺杂剂为磷离子，厚度为0.1μm-1μm；

p-base区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁷cm^-3，掺杂剂为硼离子，深度为3μm-5μm；

n^-层的掺杂浓度为5×10¹³cm^-3-3×10¹⁴cm^-3，厚度为100μm-150μm，宽度为50μm-80μm，掺杂剂为磷离子；

p柱区的掺杂浓度为8×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁸cm^-3，深度为1μm-4μm；

n缓冲层的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3-2.5×10¹⁶cm^-3，深度为1μm-3μm，掺杂剂为磷离子；

p⁺集电极的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3-5.5×10¹⁸cm^-3，深度为1μm-3μm，的掺杂剂为硼离子；

n⁺集电极的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3-1×10²⁰cm^-3，深度为1μm-3μm，的掺杂剂为磷离子。

n⁺集电极、p⁺集电极及氧化槽的宽度之和为40μm-400μm。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种逆导型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，按照如下步骤实施：

步骤1、选取掺杂浓度均为5×10¹³cm^-3-1×10¹⁴cm^-3数量级的轻掺杂衬底晶片，厚度为100μm-150μm；

步骤2、采用干-湿-干氧化法在衬底硅片表面生长一层sio2薄膜，厚度为2μm-4μm；

步骤3、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分sio2表面裸露出来；

步骤4、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的部分硅片表面区域；

步骤5、进行硼离子注入，剂量为5.5×10¹³cm^-2-6.3×10¹⁴cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤6、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；

步骤7、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm-4μm，并涂抹刻蚀光刻胶；

步骤8、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分sio2表面裸露出来；

步骤9、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的部分硅片表面区域；

步骤10、进行磷离子注入，剂量为5×10¹⁶cm^-2-1×10¹⁷cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤11、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；

步骤12、通过干-湿-干氧化法及外延生长制作栅极所需的sio2以及多晶

硅层；

步骤13、翻转器件，进行磷离子注入，剂量为1×10¹²cm^-2-2.5×10¹³cm^-2，

注入能量为30kev-500kev；

步骤14、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm-4μm；

步骤15、涂抹并刻蚀光刻胶，使得右边的sio2表面裸露出来；

步骤16、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤17、进行磷离子注入，剂量为5.5×10¹⁵cm^-2-1.5×10¹⁶cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤18、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；

步骤19、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm-4μm；

步骤20、并涂抹刻蚀光刻胶，使得左边的sio2表面裸露出来；

步骤21、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤22、进行硼离子注入，剂量为5.5×10¹⁴cm^-2-6.2×10¹⁵cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤23、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；

步骤24、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm，

步骤25、涂抹刻蚀光刻胶；使得左边sio2表面裸露出来；

步骤26、刻蚀未被掩蔽的sio2区域，直至形成深度为5μm-10μm的深槽；

步骤27、进行硼离子注入，剂量为5.8×10¹³cm^-2-2.6×10¹⁴cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤28、淀积形成sio2直至填满沟槽；

步骤29、刻蚀掉si表面覆盖的sio2层；

步骤30、蒸铝：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并做sio2钝化保护，最终形成所设计的rc-igbt。

本发明的有益效果是：在器件背面n⁺集电极与p⁺集电极之间形成sio2氧化槽，在rc-igbt处于正向导通的开始阶段，即处于mos模式时，电子不能横向通过低电子电阻通道n缓冲层达n⁺集电极。氧化槽上方的p柱区形成的势垒可作为电子的阻挡层，在rc-igbt处于正向导通的开始阶段，可以限制电子电流的流动方向，使电子必须绕过这个p柱区，从而增大电子电流途径上的电阻，抑制rc-igbt的折回电压。在耐压层中分别引入p柱结构后，经实验，二极管的反向恢复峰值电流较传统的rc-igbt减小将近一半；反向恢复时间缩短到传统的rc-igbt的一半左右；较低的反向恢复时间使得该结构的rc-igbt能够更好的适用于高频电路应用中，并减小了在高频振荡中由于反向恢复峰值电流过大而引起电路烧毁的可能性，极大的节约了能源和提升了电能的利用率。在同等掺杂的情况下，新结构的加入有效的提升了器件的阻断电压并使得该器件在导通时具有更小的压降。

附图说明

图1是传统的rc-igbt正向导通时电压折回现象图；

图2是传统的rc-igbt器件纵向剖面图；

图3是本发明rc-igbt的器件纵向剖面图；

图4是本发明rc-igbt与传统rc-igbt的反向恢复特性对比曲线；

图5是本发明rc-igbt与传统rc-igbt的的正向向阻断特性对比曲线；

图6是本发明rc-igbt与传统rc-igbt的的正向导通特性对比曲线；

图7是本发明rc-igbt在正向导通时的空穴电流分布图；

图8是本发明rc-igbt的制作工艺流程示意图。

图中，1.n⁺发射极区，2.p-base区，3.n^-层，4.p柱区，5.n缓冲层，6.p⁺集电极，7.氧化槽，8.n⁺集电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，如图3所示，包括从上到下依次设置的n⁺发射极区1、p-base区2、n^-层3、n缓冲层5，n^-层3内设置有p柱区4；n缓冲层5下方设置有n⁺集电极8及p⁺集电极6，n⁺集电极8与p⁺集电极6相邻，n⁺集电极8与p⁺集电极6之间开有氧化槽7，氧化槽7顶部穿过n缓冲层5，氧化槽7的上表面与p柱区4的下表面相接触。

氧化槽7内填充的介质为sio2。

n⁺发射极区1的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3-2×10²⁰cm^-3，掺杂剂为磷离子，厚度为0.1μm-1μm；

p-base区2的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁷cm^-3，掺杂剂为硼离子，深度为3μm-5μm；

n^-层3的掺杂浓度为5×10¹³cm^-3-3×10¹⁴cm^-3，厚度为100μm-150μm，宽度为50μm-80μm，掺杂剂为磷离子；

p柱区4的掺杂浓度为8×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁸cm^-3，深度为1μm-4μm；

n缓冲层5的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3-2.5×10¹⁶cm^-3，深度为1μm-3μm，掺杂剂为磷离子；

p⁺集电极6的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3-5.5×10¹⁸cm^-3，深度为1μm-3μm，的掺杂剂为硼离子；器件总宽度为40μm-400μm。

n⁺集电极8的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3-1×10²⁰cm^-3，深度为1μm-3μm，的掺杂剂为磷离子。

n⁺集电极8、p⁺集电极6及氧化槽7的宽度之和为40μm-400μm。

如图1所示，传统的rc-igbt在集电极的电流密度较低时，由p⁺集电极区和n型缓冲层构成的p-n结不能正向导通。电子从发射极流向n⁺型集电极区，器件工作在单极模式。随着电流的增大，p⁺型集电极区和n型缓冲层构成的p-n结正向导通，p⁺型集电极区的空穴注入n^-型漂移区，产生电导调制现象，由于器件会存在一个由单极模式到双极模式的转换，所以在器件导通过程中会出现随着电流增大，电阻迅速减小的过程。

如图2所示，传统的逆导型绝缘栅双极性晶体管(rc-igbt)的结构是，从下到上依次设置有n⁺发射极、p-base区、n^-层、n^-缓冲层、n⁺和p⁺集电极区。

由上可见，本发明与现有结构的区别特征主要在于，引入一种氧化槽7结合p柱4的创新结构。

本发明器件与现有结构器件的性能对比：

为了直观对比方便，在具有相同的工艺参数和结构尺寸的情况下，本发明结构的器件与现有rc-igbt的n^-层的掺杂浓度均为5×10¹³cm^-3-3×10¹⁴cm^-3，两者的n⁺发射极掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3-2×10²⁰cm^-3，p-base区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁷cm^-3，n⁺集电极的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3-1×10²⁰cm^-3，p⁺集电极的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3-5.5×10¹⁸cm^-3。

如图4可以看出，本发明rc-igbt的反向恢复峰值电流明显较普通结构的rc-igb小了很多，经计算，反向恢复电流降低至普通rc-igbt的一半左右，反向恢复时间缩减至普通rc-igbt的一半左右；

如图5可以看出，本发明rc-igbt的正向阻断电压较传统rc-igbt有所提升，经计算，在同等掺杂浓度下，本发明器件的反向阻断特性较现有rc-igbt提升了45v左右。

图6可以看出，本发明rc-igbt的正向导通压降低于传统rc-igbt。

图7为本发明rc-igbt在正向导通初始阶段器件工作在单极模式时，随着电子电流的增加，器件内部电子电流分布图。电子不能横向通过低电子电阻通道到n缓冲层5达n⁺集电极8。氧化槽上方的p柱区4形成的势垒可作为电子的阻挡层，在rc-igbt处于正向导通的开始阶段，可以限制电子电流的流动方向，使电子必须绕过这个p柱区4，从而增大电子电流途径上的电阻

本发明的另一个目的是提供一种逆导型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，如图8所示，按照如下步骤实施：

步骤1、选取掺杂浓度均为5×10¹³cm^-3-1×10¹⁴cm^-3数量级的轻掺杂衬底晶片，厚度为100μm-150μm；

步骤2、采用干-湿-干氧化法在衬底硅片表面生长一层sio2薄膜，厚度为2μm-4μm；

步骤3、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分sio2表面裸露出来；

步骤4、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的部分硅片表面区域；

步骤5、进行硼离子注入，剂量为5.5×10¹³cm^-2-6.3×10¹⁴cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤6、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；

步骤7、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm-4μm，并涂抹刻蚀光刻胶；

步骤8、涂抹并刻蚀光刻胶，使得部分sio2表面裸露出来；

步骤9、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的部分硅片表面区域；

步骤10、进行磷离子注入，剂量为5×10¹⁶cm^-2-1×10¹⁷cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤11、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；没有区别这个步骤是重复的，只不过刻蚀部位不同；

步骤12、通过干-湿-干氧化法及外延生长制作栅极所需的sio2以及多晶硅层。

步骤13、翻转器件，进行磷离子注入，剂量为1×10¹²cm^-2-2.5×10¹³cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤14、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm-4μm；

步骤15、涂抹并刻蚀光刻胶，使得右边的sio2表面裸露出来；

步骤16、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤17、进行磷离子注入，剂量为5.5×10¹⁵cm^-2-1.5×10¹⁶cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤18、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；

步骤19、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm-4μm；

步骤20、并涂抹刻蚀光刻胶，使得左边的sio2表面裸露出来；

步骤21、刻蚀sio2露出需要进行离子注入的硅片表面区域；

步骤22、进行硼离子注入，剂量为5.5×10¹⁴cm^-2-6.2×10¹⁵cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤23、刻蚀掉剩余光刻胶和sio2掩蔽层；

步骤24、采用干-湿-干氧化法在硅片表面生长一层薄膜sio2，厚度为2μm，

步骤25、涂抹刻蚀光刻胶；使得左边sio2表面裸露出来；

步骤26、刻蚀未被掩蔽的sio2区域，直至形成深度为5μm-10μm的深槽；

步骤27、进行硼离子注入，剂量为5.8×10¹³cm^-2-2.6×10¹⁴cm^-2，注入能量为30kev-500kev；

步骤28、淀积形成sio2直至填满沟槽；

步骤29、刻蚀掉si表面覆盖的sio2层；

步骤30、蒸铝：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并做sio2钝化保护，最终形成所设计的rc-igbt。

本发明的关键参数是新结构中p柱区的掺杂浓度、柱区厚度和宽度氧化槽部分的宽度厚度。众所周知，一个rc-igbt器件的动态特性和静态特性的好坏很大程度上依赖于耐压层的结构尺寸和工艺参数。而静态特性主要包括正向导通特性、转移特性、阻断特性等，动态特性主要包括续流二极管反向恢复时间、反向恢复电荷量、反向恢复峰值电流等参数，以及igbt的关断时间以及关断损耗。在工艺制作过程中，离子注入是必不可少的步骤之一。而注入离子的浓度分布从本质上取决于入射离子能量损失机构，与之相关的参数有：入射离子的能量、质量和原子序数；离子注入剂量和速度以及硅片温度等；同时还应当注意晶体的晶向和离子束的入射方向。

本发明的优点为：本发明是在常规rc-igbt基础上，将氧化槽结合p柱区结构引入器件的背面，其结构与传统rc-igbt工艺具有很好的兼容性，很好地提升了器件的动态特性；同时在耐压层中加入p柱区结构，提升了器件的正向阻断电压；该器件均采用欧姆接触；本发明器件结构有效地改善了器件的正向导通压降以及关断损耗了，工作在反向模式时的恢复时间、反向恢复峰值电流都有显著的提升，其带来的优点是现有传统rc-igbt无法比拟的；以沟槽隔离集电极结构替换了传统rc-igbt集电极，在器件背面n⁺集电极与p⁺集电极之间形成sio2氧化槽，在rc-igbt处于正向导通的开始阶段，即处于mos模式时，电子不能横向通过低电子电阻通道到n缓冲层达n⁺集电极，氧化槽上方的p柱区形成的势垒可作为电子的阻挡层，在rc-igbt处于正向导通的开始阶段，可以限制电子电流的流动方向，使电子必须绕过这个p柱区，从而增大电子电流途径上的电阻，降低rc-igbt的折回电压。