一种无Snapback效应逆导IGBT及其制造方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术，特别涉及一种无snapback效应逆导IGBT及其制造方法。本发明专利技术的主要方案是对IGBT背面的集电极结构进行改进，通过优化P++集电极区和N++层的掺杂浓度和厚度，尽量降低器件的反向阻断电压，利用反向阻断模式时的雪崩击穿效应和隧道击穿效应，实现反向导通。与常规逆导IGBT相比，由于不存在N+短路区，正向导通时不存在由MOSFET导通模式向IGBT导通模式的转变，因此本发明专利技术提出的新型逆导IGBT正向导通时不会发生snapback现象。由于本发明专利技术提出的新型逆导IGBT反向导通的阈值电压较常规逆导IGBT更大，因此适用于诸如准谐振电路一类正向导通时间占大部分而反向导通时间较短的情况。此外，本发明专利技术提出的新型逆导IGBT还具有正向导通压降小、软恢复特性好等优点。

An IGBT without snapback effect and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种无Snapback效应逆导IGBT及其制造方法
本专利技术属于功率半导体
，涉及一种无snapback效应逆导型IGBT及其制造方法。
技术介绍
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是80年代发展起来的一种复合型器件，利用MOSFET驱动双极型晶体管，兼有MOSFET和BJT共同的优点——高输入阻抗和低导通压降，因此广泛应用在中频和中功率的电气中。但由于IGBT不具备反向导通的能力，在其感性负载的应用中，需反向并联一个快恢复二极管(FastRecoveryDiode，简称FRD)以提供续流保护。由于IGBT和FRD在焊接时容易引入寄生电感，会造成实际IGBT应用成本高且可靠性差，因此人们将IGBT和FRD集成在同一芯片上发展出了逆导绝缘栅双极晶体管(ReverseConducting-IGBT，简称RC-IGBT)，采用了集电极短路结构，通过背面光刻形成平行交替排列的N+区和P+区。发射极加正偏压，集电极加零偏压时，P型基区-N-漂移区-N+短路区构成的PN结处于正向偏置状态，使得器件实现反向导通。但是该固有结构使器件在正向导通时存在由MOSFET导通模式向IGBT导通模式的转变，表现为snapback现象(即电压回跳现象)，该现象会加剧电流的集中进而直接影响器件的可靠性。此外，由于FRD仅集成在部分区域，反向导通时容易造成电流分布不均匀，同样会影响器件的可靠性。通过在常规IGBT背面引入隧道二极管也能实现逆导的功能，发射极加正偏压，集电极加零偏压时，P++集电极/N++区构成的隧道二极管处于反偏状态，随着发射极电压增大，势垒区能带越加倾斜，当内建电场增大到一定程度时，大量的电子能够直接从价带穿过禁带而进入导带，实现反向导通。但是构成隧道二极管的P++/N++区的掺杂浓度很高，达到了1×1020cm-3～1×1021cm-3，工艺难度非常大且在正向导通时该IGBT存在由隧道二极管导通模式向IGBT导通模式的转变，因此也会发生snapback现象。在常规场截止型IGBT中，由于N+场截止层的存在，正向阻断模式下，电场在N+场截止层中迅速降为0，电场呈现梯形分布，因此可以减小漂移区的厚度以实现相同等级的耐压。N+场截止层的掺杂浓度通常为1×1015cm-3～1×1016cm-3，其反向阻断电压通常为几十伏～几百伏，因此场截止型IGBT不具备反向导通的能力。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是针对目前传统RC-IGBT正向导通时存在的snapback现象的问题，以及由于器件正反向导通时间不对称故而对器件反向导通特性要求不严苛的情况，提出一种新型无snapback效应逆导型IGBT及其制造方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种新型无snapback效应逆导型IGBT，如图1所示，包括集电极结构、漂移区结构、栅极结构和发射极结构；所述集电极结构包括P++集电极区10和位于P++集电极区10下表面的金属化集电极10；所述漂移区结构包括并列设置的N++层9和N+场截止层8、以及位于N++层9和N+场截止层8上表面的N-漂移区层1，N++层9和N+场截止层8位于P++集电极区10的上表面；所述栅极结构为沟槽栅，嵌入设置在N-漂移区层1上表面两端，其结构包括栅氧化层7和位于栅氧化层7中的多晶硅栅电极6；所述发射极结构位于两个沟槽栅之间，其结构包括N+发射区5、P型基区3、P+接触区2和金属化发射极4，所述P型基区3嵌入设置在N-漂移区层1上表面，所述N+发射区5位于P型基区3上层且与沟槽栅接触，所述P+接触区2位于P型基区3中，并且位于两侧的N+发射区5之间，P+接触区2两端还延伸至N+发射区5下表面；P+接触区2结深大于N+发射区5的结深；金属化发射极4位于N+发射区5和P+接触区2的上表面，金属化发射极4仅覆盖部分N+发射区5。本专利技术的主要方案，主要涉及IGBT的背面集电极结构，通过优化P++集电极区和N++层的掺杂浓度，利用P++集电极区和N++层的雪崩击穿实现反向导通。常规逆导IGBT中，结构示意图如图2，N+场截止层8的掺杂浓度约为1×1015cm-3～1×1016cm-3，这是由于N+场截止层8掺杂浓度过大时，器件的回跳电压Vsnapback很大，会对器件的可靠性带来不利影响。常规逆导IGBT正向导通时，由于N+短路区的存在，器件首先进入MOSFET工作模式，随着正向导通电流的增加，器件逐渐进入IGBT导通模式，N-漂移区1发生电导调制，发生电压回跳(snapback)。在背面引入隧道二极管实现逆导的IGBT结构如图3，在该结构中，P++集电极10和N++层9的掺杂浓度为1×1020cm-3～1×1021cm-3，并且由于隧道二极管的特性，该IGBT在正向导通时存在由隧道二极管导通模式向IGBT导通模式的转变，因此也会发生snapback现象。常规FS-IGBT的结构如图4，其中N+场截止层的掺杂浓度通常为1×1015cm-3～1×1016cm-3，因此器件的反向阻断电压通常为几十伏～几百伏，因此FS-IGBT不具备反向导通的能力。本专利技术提出的新型逆导IGBT，结构如图1所示，利用P++集电极区和N++场截止层的雪崩击穿实现反向导通，P++集电极区9和N++层9的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3，N+场截止层8的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3，正向导通特性与常规FS-IGBT类似，不存在导通模式的转变，因此本专利技术提出的新型逆导IGBT正向导通时不会发生snapback现象。本专利技术具体实施方案以耐压1200V的沟槽栅逆导型IGBT半元胞的设计为例进行阐述，有两种制造方法，第一种制造方法是通过两次离子注入形成N+场截止层和N++层，步骤如下：第一步：选取掺杂浓度为5e13cm-3的N型硅片作为衬底硅片，即结构中的N型半导体漂移区1，首先在N-漂移区层1背面通过磷离子注入并推结形成N+场截止层8；第二步：再通过一次磷离子注入并推结形成N++层9；第三步：在N-漂移区层1上表面生长100nm的栅氧，即栅氧化层7，然后淀积多晶硅，形成多晶硅栅电极6。第四步：在N-漂移区层1注入P型杂质并推结形成P型基区3；第四步：在P型基区3中注入N型杂质形成N+发射区5；第六步：在P型基区3中注入P型杂质并推结形成P+接触区2；第七步：在器件上表面淀积BPSG绝缘介质层，刻蚀欧姆接触孔；第八步：在形成N+发射区5上表面淀积金属，形成阴极金属4，仅覆盖部分N+发射区5，阴极金属4同时覆盖在P+接触区2上；第九步：淀积钝化层；第十步：向背面注入P型杂质并进行离子激活，形成P++集电极区10；第十一步：背面金属化，在P++集电极区10下表面形成金属化集电极10。第二种制造方法是通过对部分N++层注入硼离子并推结，进行杂质补偿形成N+场截止层，步骤如下：第一步：选取掺杂浓度为5e13cm-3的N型硅片作为衬底硅片，即结构中的N型半导体漂移区1，首先在N-漂移区层1背面通过磷离子注入并推结形成N++层9；第二步：通过一次硼离子注入并推结，对N++层进行杂质补偿形成N+层8；第三步：在N-漂移区层1上表面生长100nm的栅氧，即栅氧化层7，然后淀积多晶硅，形成多晶硅栅电极6。第四步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无Snapback效应逆导IGBT，包括集电极结构、漂移区结构、栅极结构和发射极结构；所述集电极结构包括P++集电极区(10)和位于P++集电极区(10)下表面的金属化集电极(11)；所述漂移区结构包括并列设置的N++层(9)和N+场截止层(8)、以及位于N++层(9)和N+场截止层(8)上表面的N‑漂移区层(1)，N++层(9)和N+场截止层(8)位于P++集电极区(10)的上表面；所述栅极结构为沟槽栅，嵌入设置在N‑漂移区层(1)上表面两端，其结构包括栅氧化层(7)和位于栅氧化层(7)中的多晶硅栅电极(6)；所述发射极结构位于两个沟槽栅之间，其结构包括N+发射区(5)、P型基区(3)、P+接触区(2)和金属化发射极(4)，所述P型基区(3)嵌入设置在N‑漂移区层(1)上表面，所述N+发射区(5)位于P型基区(3)上层且与沟槽栅接触，所述P+接触区(2)位于P型基区(3)中，并且位于两侧的N+发射区(5)之间，P+接触区(2)两端还延伸至N+发射区(5)下表面；P+接触区(2)结深大于N+发射区(5)的结深；金属化发射极(4)位于N+发射区(5)和P+接触区(2)的上表面，金属化发射极(4)仅覆盖部分N+发射区(5)。...

【技术特征摘要】
1.一种无Snapback效应逆导IGBT，包括集电极结构、漂移区结构、栅极结构和发射极结构；所述集电极结构包括P++集电极区(10)和位于P++集电极区(10)下表面的金属化集电极(11)；所述漂移区结构包括并列设置的N++层(9)和N+场截止层(8)、以及位于N++层(9)和N+场截止层(8)上表面的N-漂移区层(1)，N++层(9)和N+场截止层(8)位于P++集电极区(10)的上表面；所述栅极结构为沟槽栅，嵌入设置在N-漂移区层(1)上表面两端，其结构包括栅氧化层(7)和位于栅氧化层(7)中的多晶硅栅电极(6)；所述发射极结构位于两个沟槽栅之间，其结构包括N+发射区(5)、P型基区(3)、P+接触区(2)和金属化发射极(4)，所述P型基区(3)嵌入设置在N-漂移区层(1)上表面，所述N+发射区(5)位于P型基区(3)上层且与沟槽栅接触，所述P+接触区(2)位于P型基区(3)中，并且位于两侧的N+发射区(5)之间，P+接触区(2)两端还延伸至N+发射区(5)下表面；P+接触区(2)结深大于N+发射区(5)的结深；金属化发射极(4)位于N+发射区(5)和P+接触区(2)的上表面，金属化发射极(4)仅覆盖部分N+发射区(5)。2.根据权利要求1所述的一种无Snapback效应逆导IGBT，其特征在于，利用P++集电极区(10)和N++场截止层(9)的雪崩击穿实现反向导通，P++集电极区(10)浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3，结深为0.5～1um；N+场截止层(8)的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1016cm-3，结深为2～5um；N++层(9)的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3，结深与N+场截止层(8)相同，为2～5um。3.根据权利要求1所述的一种无Snapback效应逆导IGBT的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：选取掺杂浓度为5e13cm-3的N型硅片作为衬底硅片，即结构中的N型半导体漂移区(1)，首先在N-漂移区层(1)背面通过磷离子注入并推结形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，肖紫嫣，陈万军，周琪钧，刘超，谯彬，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51