一种双通道RC-IGBT器件及其制备方法技术

一种双通道RC‑IGBT器件及其制备方法。本发明专利技术属于功率半导体器件技术领域，具体提供一种双通道逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC‑IGBT)及其制备方法，用于优化传统RC‑IGBT的正向IGBT特性，同时改善反向二极管特性，提高器件的可靠性；本发明专利技术通过在器件背面形成具有双通道的单向导电通路，在正向IGBT工作模式下完全消除了snapback现象，并具有与传统IGBT相同的导通压降；在反向二极管续流工作模式下具有小的导通压降；同时由于不需要增加背部P+集电区宽度可采用小的背面元胞宽度，克服了传统RC‑IGBT器件电流和温度均匀性的问题，大大提高了可靠性，且其制备工艺与传统RC‑IGBT器件工艺相兼容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功率半导体器件
，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具体涉及逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)及其制备方法。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件；它既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，已成为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，广泛地应用在诸如通信、能源、交通、工业、医学、家用电器及航空航天等国民经济的各个领域。IGBT的应用对电力电子系统性能的提升起到了极为重要的作用。在电力电子系统中，IGBT通常需要搭配续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)使用以确保系统的安全稳定；因此在传统IGBT模块或单管器件中，通常会有FWD与其反向并联，该方案不仅增加了器件的个数、模块的体积及生产成本，而且封装过程中焊点数的增加会影响器件的可靠性，金属连线所产生的寄生效应还影响器件的整体性能。为了解决这一问题，实现产品的整体化，文献《Takahash,H；Yamamoto,A；Aono,S；Mi nato,T.1200V Reverse Conducting IGBT.Proceedings of 2004International Symposium on Power Semiconductor Devices&ICs,2004,pp.24-27》提出了逆导型IGBT(Reverse Cond ucting IGBT,RC-IGBT)，成功地将续流二极管集成在IGBT内部，其结构如图1所示。相比于传统无续流能力的IGBT，该结构在其背部制作了与金属集电极10和N型电场阻止层8连接的N型集电区11，该区域同器件中P型基区4和N-漂移区7形成了寄生二极管结构，在续流模式下该寄生二极管导通提供电流通路；然而该结构背部N型集电区11的引入也给器件的正向导通特性造成了不利影响。由图1可见，器件结构中表面沟道区，N-漂移区7和背部N型集电区11形成了寄生VDMOS结构，当正向导通时，在小电流条件下，由于压降不足，背部P型集电区9与N型电场阻止层8形成的PN结无法开启，从沟道注入N-漂移区7的电子直接从N型集电区11流出，导致器件呈现出VDMOS特性；随着电流的增加，只有当电流增大到一定程度使得P型集电区9与N型电场阻止层8之间的压降高于PN结开启电压后，P型集电区9才会向N型电场阻止层8和N-漂移区7中注入空穴，形成电导调制效应，此时由于N-漂移区7中的电导调制效应，器件的正向压降会迅速下降，使得器件电流-电压曲线呈现出折回(Snapback)现象；在低温条件下snapback现象更加明显，这会导致器件无法正常开启，严重影响电力电子系统的稳定性。对于传统的RC-IGBT，Snapback现象的抑制是在正面多个MOS元胞并联的情况下通过增加背部P+集电区的宽度增大背面元胞宽度，从而增大电子电流横向流动的路径，增大电流路径上的电阻，使其在较小的电流下，就可以使背部远离N型集电区11的P型集电区与N型电场阻止层8形成的压降达到PN结的开启电压。但是，这种方法具有以下问题：1)正向IGBT导通时：由于寄生VDMOS的存在难以完全消除Snapback现象,N型集电区11的存在使传统RC-IGBT的导通压降大于传统IGBT的导通压降，并且增加的P+集电区的宽度会引起器件在正向IGBT导通时的电流均匀性问题,导致严重的电流集中和温度不均匀,严重影响RC-IGBT器件的可靠性；2)反向二极管续流导通时：增加的P+集电区宽度增加了P型集电区9对N-漂移区7中注入空穴的抽取，同时增长了电流的路径，增加了二极管的导通压降，并且增加的P+集电区的宽度会引起器件在反向二极管续流时的电流均匀性问题,导致严重的电流集中和温度不均匀，严重影响RC-IGBT器件的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双通道RC-IGBT器件及其制备方法，用于优化传统RC-IGB T的正向IGBT特性，同时改善反向二极管特性，提高器件的可靠性；本专利技术双通道RC-IGB T器件通过在器件背面形成具有双通道的单向导电通路，在正向IGBT工作模式下完全消除了snapback现象，并具有与传统IGBT相同的导通压降；在反向二极管续流工作模式下具有小的导通压降；同时由于不需要增加背部P+集电区宽度可采用小的背面元胞宽度，克服了传统RC-IGBT器件电流和温度均匀性的问题，大大提高了可靠性，且其制备工艺与传统RC-I GBT器件工艺相兼容。为实现上述目的，本专利技术采用技术方案为：一种双通道RC-IGBT器件，其元胞结构如图2所示，包括发射极结构、栅极结构、集电极结构和漂移区结构，所述发射极结构包括金属发射极1、P+欧姆接触区2、N+发射区3和P型基区4，其中P+欧姆接触区2和N+发射区3相互独立设置于P型基区4中，且P+欧姆接触区2和N+发射区3的表面均与金属发射极1相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区7和N型电场阻止层8，所述N型电场阻止层8设置于N-漂移区7背面；所述栅极结构包括栅电极6和栅氧化层5，所述栅电极6与N+发射区3、P型基区4及N-漂移区7三者之间设置栅氧化层5；所述漂移区结构位于所述发射极结构/栅极结构和所述集电极结构之间，所述N-漂移区7正面与发射极结构的P型基区4和栅极结构的栅氧化层5相接触；其特征在于，所述集电极结构包括P型集电区9、金属集电极10、N型集电区11、第一介质层12、欧姆接触金属13、肖特基接触金属14及第二介质层15；所述P型集电区9与N型电场阻止层8背面相接触，所述N型集电区11位于P型集电区9内，所述金属集电极10设置于P型集电区9背面、且与N型集电区11部分接触，所述第二介质层15与金属集电极10并排设置，所述欧姆接触金属13和肖特基接触金属14并排设置于第二介质层15内、且肖特基接触金属14与金属集电极10间隔第二介质层15，所述欧姆接触金属13与N型电场阻止层8相连并形成欧姆接触，所述肖特基接触金属14与N型集电区11相连并形成肖特基接触，欧姆接触金属13和肖特基接触金属14与P型集电区9之间设置第一介质层12，且欧姆接触金属13与肖特基接触金属14于第一介质层12背面相短接。进一步的，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述漂移区结构为NPT结构或FS结构；所述RC-IGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作；所述第一介质层的介质材料为SiO2、HfO2、Al2O3、Si3N4等高k介质材料。上述双通道RC-IGBT的制备方法，包括以下步骤：第一步：选取轻掺杂FZ硅片用以形成RC-IGBT的N-漂移区；通过多次光刻、氧化、离子注入、退火、淀积工艺在硅片正面制作RC-IGBT的正面结构，包括发射极结构和栅极结构；第二步：翻转硅片，减薄硅片背面至所需厚度；第三步：在硅片背面的预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作RC-IGBT的N型场阻止层，形成的N型场阻止层的厚度为2～5微米；第四步：光刻，在硅片背面的预设区域通过离子注入P型杂质制作RC-IGBT的P型集电区，形成的P型集电区的厚度为0.5～1微米；第五步：光刻，在硅片背面的预本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双通道RC‑IGBT器件，其元胞结构包括发射极结构、栅极结构、集电极结构和漂移区结构，所述发射极结构包括金属发射极(1)、P+欧姆接触区(2)、N+发射区(3)和P型基区(4)，其中P+欧姆接触区(2)和N+发射区(3)相互独立设置于P型基区(4)中，且P+欧姆接触区(2)和N+发射区(3)的表面均与金属发射极(1)相接触；所述漂移区结构包括N‑漂移区(7)和N型电场阻止层(8)，所述N型电场阻止层(8)设置于N‑漂移区(7)背面；所述栅极结构包括栅电极(6)和栅氧化层(5)，所述栅电极(6)与N+发射区(3)、P型基区(4)及N‑漂移区(7)三者之间设置栅氧化层(5)；所述漂移区结构位于所述发射极结构/栅极结构和所述集电极结构之间，所述N‑漂移区(7)正面与发射极结构的P型基区(4)和栅极结构的栅氧化层(5)相接触；其特征在于，所述集电极结构包括P型集电区(9)、金属集电极(10)、N型集电区(11)、第一介质层(12)、欧姆接触金属(13)、肖特基接触金属(14)及第二介质层(15)；所述P型集电区(9)与N型电场阻止层(8)背面相接触，所述N型集电区(11)位于P型集电区(9)内，所述金属集电极(10)设置于P型集电区(9)背面、且与N型集电区(11)部分接触，所述第二介质层(15)与金属集电极(10)并排设置，所述欧姆接触金属(13)和肖特基接触金属(14)并排设置于第二介质层(15)内、且肖特基接触金属(14)与金属集电极(10)间隔第二介质层(15)，所述欧姆接触金属(13)与N型电场阻止层(8)相连并形成欧姆接触，所述肖特基接触金属(14)与N型集电区(11)相连并形成肖特基接触，欧姆接触金属(13)和肖特基接触金属(14)与P型集电区(9)之间设置第一介质层(12)，且欧姆接触金属(13)与肖特基接触金属(14)于第一介质层(12)背面相短接。...

【技术特征摘要】
1.一种双通道RC-IGBT器件，其元胞结构包括发射极结构、栅极结构、集电极结构和漂移区结构，所述发射极结构包括金属发射极(1)、P+欧姆接触区(2)、N+发射区(3)和P型基区(4)，其中P+欧姆接触区(2)和N+发射区(3)相互独立设置于P型基区(4)中，且P+欧姆接触区(2)和N+发射区(3)的表面均与金属发射极(1)相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区(7)和N型电场阻止层(8)，所述N型电场阻止层(8)设置于N-漂移区(7)背面；所述栅极结构包括栅电极(6)和栅氧化层(5)，所述栅电极(6)与N+发射区(3)、P型基区(4)及N-漂移区(7)三者之间设置栅氧化层(5)；所述漂移区结构位于所述发射极结构/栅极结构和所述集电极结构之间，所述N-漂移区(7)正面与发射极结构的P型基区(4)和栅极结构的栅氧化层(5)相接触；其特征在于，所述集电极结构包括P型集电区(9)、金属集电极(10)、N型集电区(11)、第一介质层(12)、欧姆接触金属(13)、肖特基接触金属(14)及第二介质层(15)；所述P型集电区(9)与N型电场阻止层(8)背面相接触，所述N型集电区(11)位于P型集电区(9)内，所述金属集电极(10)设置于P型集电区(9)背面、且与N型集电区(11)部分接触，所述第二介质层(15)与金属集电极(10)并排设置，所述欧姆接触金属(13)和肖特基接触金属(14)并排设置于第二介质层(15)内、且肖特基接触金属(14)与金属集电极(10)间隔第二介质层(15)，所述欧姆接触金属(13)与N型电场阻止层(8)相连并形成欧姆接触，所述肖特基接触金属(14)与N型集电区(11)相连并形成肖特基接触，欧姆接触金属(13)和肖特基接触金属(14)与P型集电区(9)之间设置第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，熊景枝，底聪，刘竞秀，李泽宏，任敏，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51