一种RC-LIGBT器件及其制备方法技术

本发明专利技术属于功率半导体集成电路领域，具体涉及横向逆导型绝缘栅双极型晶体管(Reverse Conducting‑LIGBT，RC‑LIGBT)及其制备方法，用于抑制传统RC‑LIGBT器件的负阻(snapback)现象，同时改善反向二极管特性，提高器件的稳定性和可靠性。本发明专利技术RC‑LIGBT器件通过在器件集电极端引入的复合结构，在正向LIGBT工作模式下完全屏蔽了N型集电区对导通特性的影响，完全消除了负阻(snapback)现象，并具有与传统LIGBT相同的低导通压降，提高了器件的稳定性和可靠性；同时在反向二极管续流工作模式下在集电极端提供了低阻的续流通道，优化了其续流能力，具有小的导通压降。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功率半导体集成电路领域，涉及横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，LIGBT)，具体涉及横向逆导型绝缘栅双极型晶体管(Reverse Cond ucting-LIGBT，RC-LIGBT)及其制备方法。
技术介绍
横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)是功率集成电路中的新型器件，它既有LDMOSFE T易于驱动，控制简单，易集成的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，已成为现代功率半导体集成电路的核心器件之一。文献(Shigeki T.,Akio N.,Youi chi A.,Satoshi S.and Norihito T.Carrier-Storage Effect and Extraction-Enhanced Lateral I GBT(E2LIGBT):A Super-High Speed and Low On-state Voltage LIGBT Superior to LDM OSFET.Proceedings of 2012 International Symposium on Power Semiconductor Devices&ICs,2012,pp.393-396)指出，相同电流能力下，LIGBT所需面积仅为传统LDMOS的八分之一，该特性大幅降低了功率芯片的面积，提高了芯片成品率，降低了生产成本。因而，目前基于LIGBT的功率半导体集成电路被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。从LIGBT器件专利技术以来，人们一直致力于改善LIGBT器件的性能，经过不断的发展，器件性能得到了稳步的提升。在功率集成电路系统中，LIGBT器件通常需要配合续流二极管(Free Wheeling Diode)使用以确保系统的安全稳定。因此在传统功率集成电路中，通常会将FWD与LIGBT反向并联。然而，该FWD不仅占用了芯片面积，增加了成本，此外额外所需的金属布线增大了芯片内部连线的寄生效应。为了使得LIGBT具有反向续流的能力，传统上如图1所示，在LIGBT器件的P型集电区8处额外引入一个与金属集电极13接触的N+集电区9，器件中P型基区4、N型漂移区3、N型电场截止区7、N+集电区9形成了寄生二极管结构，在续流模式下该寄生二极管导通电流。但N+集电区9的引入也给器件的正向导通特性造成了不利影响，这是因为器件结构中的MOS沟道区、漂移区3和N+集电区9形成了寄生的LDMOS结构，在小电流条件下，从沟道注入N型漂移区3的电子直接从N+集电区9流出，此时电压主要降落在器件的N型漂移区3中，导致P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结无法开启，漂移区中无法形成电导调制效应，导致器件呈现出LDMOS特性。只有当电子电流增大到一定程度，P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结上压降超过结开启电压时，P型集电区8开始向N型漂移区3中注入空穴，此时随着电流的提高，由于电导调制效应，器件的正向压降会迅速下降，使得器件电流-电压曲线呈现出负阻(snapback)现象。在低温条件下，P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结的导通压降增大，需要在更大的电流条件下才能将其导通，导致负阻现象更加明显，甚至导致器件中P型集电区8与N型电场截止区7形成的PN结无法正常开启，这严重影响了LIGBT器件的稳定性和可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能完全消除负阻效应的RC-LIGBT器件及其制备方法，用于抑制传统RC-LIGBT器件的负阻(snapback)现象，同时改善反向二极管特性，提高器件的稳定性和可靠性。本专利技术RC-LIGBT器件通过在器件集电极端引入的复合结构，在正向LIG BT工作模式下完全屏蔽了N型集电区对导通特性的影响，完全消除了负阻(snapback)现象，并具有与传统LIGBT相同的低导通压降，提高了器件的稳定性和可靠性；同时在反向二极管续流工作模式下在集电极端提供了低阻的续流通道，优化了其续流能力，具有小的导通压降。本专利技术技术方案如下：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种RC-LIGBT器件，其元胞结构包括衬底1、位于衬底1上的氧化硅介质层2、位于氧化硅介质层2上的N型漂移区3、位于N型漂移区3上的发射极结构、栅极结构、集电极结构以及介质层14；所述发射极结构由P型基区4、N+源区5、P+接触区6和金属发射极12构成，其中，P型基区4设置于N型漂移区3中并位于其顶部一侧，P+接触区6和N+源区5彼此独立地设置于P型基区4中、且P+接触区6和N+源区5的正面均与金属发射极12相接触；所述栅极结构位于所述发射极结构的侧面，由栅介质10和多晶硅栅电极11组成，其中，栅介质10的背面与N+源区5、P型基区4和N型漂移区3相接触、正面与多晶硅栅电极11相接触，所述栅极结构与金属发射极12之间间隔介质层14；其特征在于，所述集电极结构由N型电场截止区7、P型集电区8、N+集电区9、金属集电极13、P型阱区15和介质槽16构成，其中，N型电场截止区7设置于N型漂移区3中并位于其顶部另一侧，所述P型阱区15设置于N型电场截止区7中，所述P型集电区8和N+集电区9彼此独立设置于P型阱区15中、且均与金属集电极13相接触，N+集电区9和P型阱区15与N型电场截止区7之间设置介质槽16；所述集电极结构与栅极结构之间间隔介质层14。进一步的，所述介质槽16的深度大于P型阱区15的厚度、小于N型电场截止区7的厚度；所述P型集电区8和N+集电区9的厚度小于P型阱区15的厚度。更进一步的，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构；所述双通道RC-LIGBT器件的半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN制作；所述金属电极材料采用铝、铜或者其它金属或合金；所述介质槽16中填充的介质为SiO2,HfO2,Al2O3,Si3N4等高k介质材料。上述RC-LIGBT的制备方法，包括以下步骤：第一步：选取绝缘体上硅(SOI)材料，其中衬底厚度为300～600微米，掺杂浓度为1014～1015个/cm3、位于衬底上的氧化硅介质层厚度为0.5～3微米、位于氧化硅介质层上的N型漂移区的厚度为5～20微米，掺杂浓度为1014～1015个/cm3；第二步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入N型杂质并退火制作RC-LIGBT的N型电场截止区，形成的N型电场截止区的厚度为2～5微米；第三步：硅片表面热氧化并淀积栅电极材料，光刻、刻蚀部分栅电极材料和栅氧化层形成栅介质层和栅电极；第四步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P型基区和P型阱区，形成的P型基区4和P型阱区15的厚度分别为2～2.5微米和1～1.5微米；第五步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入N型杂质制作RC-LIGBT的N+源区和N+集电区，形成的N+源区和N+集电区的厚度为0.2～0.5微米；第六步：光刻，在硅片表面预设区域通过离子注入P型杂质并退火制作RC-LIGBT的P+接触区和P型集电区，形成的P+接触区和P型集电区的厚度为0.2～1微米；第七步：光刻，刻蚀并填充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种RC‑LIGBT器件，其元胞结构包括衬底(1)、位于衬底(1)上的氧化硅介质层(2)、位于氧化硅介质层(2)上的N型漂移区(3)、位于N型漂移区(3)上的发射极结构、栅极结构、集电极结构以及介质层(14)；所述发射极结构由P型基区(4)、N+源区(5)、P+接触区(6)和金属发射极(12)构成，其中，P型基区(4)设置于N型漂移区(3)中并位于其顶部一侧，P+接触区(6)和N+源区(5)彼此独立地设置于P型基区(4)中、且P+接触区(6)和N+源区(5)的正面均与金属发射极(12)相接触；所述栅极结构位于所述发射极结构的侧面，由栅介质(10)和多晶硅栅电极(11)组成，其中，栅介质(10)的背面与N+源区(5)、P型基区(4)和N型漂移区(3)相接触、正面与多晶硅栅电极(11)相接触，所述栅极结构与金属发射极(12)之间间隔介质层(14)；其特征在于，所述集电极结构由N型电场截止区(7)、P型集电区(8)、N+集电区(9)、金属集电极(13)、P型阱区(15)和介质槽(16)构成，其中，N型电场截止区(7)设置于N型漂移区(3)中并位于其顶部另一侧，所述P型阱区(15)设置于N型电场截止区(7)中，所述P型集电区(8)和N+集电区(9)彼此独立设置于P型阱区(15)中、且均与金属集电极(13)相接触，N+集电区(9)和P型阱区(15)与N型电场截止区(7)之间设置介质槽(16)；所述集电极结构与栅极结构之间间隔介质层(14)。...

【技术特征摘要】
1.一种RC-LIGBT器件，其元胞结构包括衬底(1)、位于衬底(1)上的氧化硅介质层(2)、位于氧化硅介质层(2)上的N型漂移区(3)、位于N型漂移区(3)上的发射极结构、栅极结构、集电极结构以及介质层(14)；所述发射极结构由P型基区(4)、N+源区(5)、P+接触区(6)和金属发射极(12)构成，其中，P型基区(4)设置于N型漂移区(3)中并位于其顶部一侧，P+接触区(6)和N+源区(5)彼此独立地设置于P型基区(4)中、且P+接触区(6)和N+源区(5)的正面均与金属发射极(12)相接触；所述栅极结构位于所述发射极结构的侧面，由栅介质(10)和多晶硅栅电极(11)组成，其中，栅介质(10)的背面与N+源区(5)、P型基区(4)和N型漂移区(3)相接触、正面与多晶硅栅电极(11)相接触，所述栅极结构与金属发射极(12)之间间隔介质层(14)；其特征在于，所述集电极结构由N型电场截止区(7)、P型集电区(8)、N+集电区(9)、金属集电极(13)、P型阱区(15)和介质槽(16)构成，其中，N型电场截止区(7)设置于N型漂移区(3)中并位于其顶部另一侧，所述P型阱区(15)设置于N型电场截止区(7)中，所述P型集电区(8)和N+集电区(9)彼此独立设置于P型阱区(15)中、且均与金属集电极(13)相接触，N+集电区(9)和P型阱区(15)与N型电场截止区(7)之间设置介质槽(16)；所述集电极结构与栅极结构之间间隔介质层(14)。2.按权利要求1所述RC-LIGBT器件，其特征在于，所述介质槽(16)的深度大于P型阱区(15)的厚度、小于N型电场截止区(7)的厚度；所述P型集电区(8)和N+集电区(9)的厚度小于P型阱区(15)的厚度。3.按权利要求1所述RC-LIGBT器件，其特征在于，所述栅极结构为平面栅结构或槽栅结构。4.按权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，熊景枝，田丰境，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