一种集电极隔离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，涉及一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管，本发明还涉及该集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管的制备方法。

背景技术：

igbt在应用中离不开续流二极管，通常将igbt和续流二极管封装成模块一起使用。将igbt和续流二极管芯片封装在一起，可以有效缩减制造封装成本和模块的面积。但两个芯片的散热及开关匹配等方面都存在较大的缺点。为了改进这一缺陷、降低成本、提高芯片的功率密度，通过将igbt与二极管制作在一个芯片上，实现单片工艺集成，即形成rc-igbt。

常规rc-igbt是在传统igbt基础上，保持器件表面mos场效应晶体管结构不变，将p⁺集电极(也称阳极)部分用n⁺短路区替代。由mos结构为igbt提供电子，漂移区为igbt提供击穿耐压所需的耗尽层，p⁺集电极为igbt提供空穴，故将p⁺集电极上方区域称为igbt区。同理mos结构的p阱作为续流二极管的阳极，漂移区为续流二极管提供击穿耐压所需的耗尽层，n⁺短路区作为续流二极管的阴极，故将n⁺短路区上方区域称为续流二极管区，这样可以把rc-igbt的结构分为igbt区和续流二极管区。当栅极和集电极加正向电压时，此时rc-igbt中的igbt部分开始工作，集成续流二极管截止。当igbt关断时，感性电路中的电感通过rc-igbt体内集成的续流二极管进行续流放电，此时续流二极管正向导通。因此rc-igbt实现了正反向均可以导通的功能，且rc-igbt中的igbt和续流二极管的漂移区合二为一，还能缩减终端设计步骤，节约了制造成本。

图2是rc-igbt正向和逆向导通特性曲线，位于第一象限的为正向导通特性，可以明显的看出，正向导通特性中存在电压折回现象，即正向导通时的负阻效应。第三象限为rc-igbt的逆向导通特性曲线。图2中可以看出，rc-igbt具有逆向导通能力。rc-igbt电压折回现象发生的根本原因，是由正向导通过程中单极型模式工作的mosfet向双极型模式工作的igbt切换时造成的。单极型模式只有mosfet中的电子参与导电，其电流密度小，器件导通压降较高，而双极型工作模式既有电子参与导电，又有空穴参与导电，其工作电流密度大，正向导通压降相对较小。当这两种方式切换时，便产生电压折回现象。电压折回现象与rc-igbt的集电极版图设计和场阻止层(fieldstop,fs)层掺杂浓度有直接的关系，是导通过程中的不利因素，应当被抑制或消除。否则会引起并联的rc-igbt芯片导通电流分布不均，使得器件开启时间不统一，电流集中流向单个芯片，导致芯片电流过大而被烧毁。

技术实现要素：

本发明提供一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管，可有效抑制传统rc-igbt中电压折回现象，同时晶体管具有较低的关断损耗。

本发明的另一个目的是提供集电极隔离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，包括从上到下依次设置的mos栅极区、n-漂移区和p⁺集电极，p⁺集电极一侧依次设置有隔离区和n⁺短路区，隔离区将p⁺集电区和n⁺短路区隔离开；n⁺短路区上表面还设置有p-stop层，隔离区的顶面与p-stop层顶面位于同一平面，隔离区的顶面位于n-漂移区内，n-漂移区内还设置有n型浮置场阻止层，p-stop层和隔离区位于n型浮置场阻止层下方。

本发明的特点还在于，

n型浮置场阻止层距离p⁺集电极上方1.5～2.5μm。

隔离区填充的介质为si3n4。

mos栅极区中发射极n⁺的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3，掺杂剂为磷离子，结深为3μm-6μm，p阱部分掺杂浓度为8×10¹⁶cm^-3-2×10¹⁷cm^-3，结深为8μm-12μm，掺杂剂为硼离子，多晶硅栅极掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3-5×10²¹cm^-3，二氧化硅厚度为100nm-200nm；

n-漂移区的厚度为100μm-150μm，掺杂浓度为7×10¹³cm^-3-1×10¹⁴cm^-3，掺杂剂为磷离子；

n型浮置场阻止层的掺杂浓度为2×10¹⁶cm^-3-3×10¹⁶cm^-3，厚度为2μm-4μm，掺杂剂为磷离子；

p-stop层的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁶cm^-3，厚度为2μm-4μm，掺杂剂为磷离子；

si3n4隔离区的厚度为4μm-8μm；

p⁺集电极掺杂剂为硼离子，掺杂浓度为6×10¹⁷cm^-3-1×10²⁰cm^-3，结深为1μm-3μm,；

n⁺短路区掺杂剂为磷离子，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²⁰cm^-3，结深为1μm-3μm。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种集电极隔离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：

针对p⁺集电极、n⁺短路区和p-stop层的离子注入退火应采用局部快速退火工艺，首先在n-衬底上完成器件栅极的制作过程，然后翻转器件，对n-衬底进行高能磷离子注入，使得注入的磷离子结深达到表面以下3.5-4μm处，注入剂量为1×10¹¹cm^-2，注入能量为7-9mev；然后采用离子注入，先形成p-stop层，再形成p⁺集电极和n⁺短路区，并对p-stop层、p⁺集电极及n⁺短路区进行局部快速退火；最后通过蒸铝金属工艺形成电极部分，即得到集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管。

本发明的有益效果是，本发明的一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管在相同结构参数下，和常规rc-igbt相比，正向导通特性中初始折回电压明显下降。本发明的晶体管阻断电压为1500v左右，较常规rc-igbt增大约30v。常规氧化槽隔离型rc-igbt以sio2为隔离介质，本发明中采用si3n4材料后，其逆向导通压降大大减小，因此具有si3n4结构的一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管逆向导通功耗极大地减小。另外其反向恢复峰值电流密度减小、反向恢复时间缩短。该结构的引入对器件的开关特性影响较小。

附图说明

图1是常规rc-igbt器件纵向剖面图；

图2是常规rc-igbt的正向和反向导通i-v特性曲线；

图3是本发明一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管器件纵向剖面图；

图4是本发明一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管与常规rc-igbt的导通i-v特性对比曲线；

图5是本发明一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管与常规rc-igbt的阻断特性对比曲线；

图6是本发明集电极隔离材质为si3n4的晶体管与同等结构下集电极隔离材质为sio2时的逆导特性对比曲线；

图7是本发明一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管与常规rc-igbt反向恢复特性对比曲线；

图8是本发明一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管杂质浓度随器件随器件深度变化曲线。

其中，1.mos栅极区，2.n-漂移区，3.n型浮置场阻止层，4.p-stop层，5.隔离区，6.p⁺集电极，7.n⁺短路区。

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。

如图1所示，常规逆导型晶体管的结构是，从下到上依次设置有mos栅极区、n-漂移区部分和p⁺集电极。

如图3所示，本发明的一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管，包括从上到下依次设置的mos栅极区1、n-漂移区2、p⁺集电极6，p⁺集电极6一侧相邻设置有隔离区5和n⁺短路区7，n⁺短路区7上方设置有p-stop层4，隔离区5的顶面与p-stop层4顶面位于同一平面，n-漂移区2内还设置有n型浮置场阻止层3，p-stop层4和隔离区5位于n型浮置场阻止层3下方。

n型浮置场阻止层3距离p⁺集电极6上方1.5～2.5μm。

隔离区5填充的介质为si3n4。

mos栅极区1中发射极n⁺的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²²cm^-3，掺杂剂为磷离子，结深为3μm-6μm，p阱部分掺杂浓度为8×10¹⁶cm^-3-2×10¹⁷cm^-3，结深为8μm-12μm，掺杂剂为硼离子，多晶硅栅极掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3-5×10²¹cm^-3，二氧化硅厚度为100nm-200nm；

n-漂移区2的厚度为100μm-150μm，掺杂浓度为7×10¹³cm^-3-1×10¹⁴cm^-3，掺杂剂为磷离子；

n型浮置场阻止层3的掺杂浓度为2×10¹⁶cm^-3-3×10¹⁶cm^-3，厚度为2μm-4μm，掺杂剂为磷离子；

p-stop层4的掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁶cm^-3，厚度为2μm-4μm，掺杂剂为磷离子；

隔离区5的厚度为4μm-8μm，隔离区内填充的是si3n4；

p⁺集电极6掺杂剂为硼离子，掺杂浓度为6×10¹⁷cm^-3-1×10²⁰cm^-3，结深为1μm-3μm,；

n⁺短路区7掺杂剂为磷离子，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-5×10²⁰cm^-3，结深为1μm-3μm。

晶体管的宽度为50um。

由上可见，本发明与现有rc-igbt结构的区别特征主要在于：引入n型浮置场阻止层3结构；si3n4隔离区5，同时在n⁺短路区上方引入p-stop层4。

图2是rc-igbt正向和逆向导通特性曲线，位于第一象限的为正向导通特性，可以明显的看出，正向导通特性中存在电压折回现象，即正向导通时的负阻效应。第三象限为rc-igbt的逆向导通特性曲线。图2中可以看出，rc-igbt具有逆向导通能力。rc-igbt电压折回现象发生的根本原因，是由正向导通过程中单极型模式工作的mosfet向双极型模式工作的igbt切换时造成的。单极型模式只有mosfet中的电子参与导电，其电流密度小，器件导通压降较高，而双极型工作模式既有电子参与导电，又有空穴参与导电，其工作电流密度大，正向导通压降相对较小。当这两种方式切换时，便产生电压折回现象。电压折回现象与rc-igbt的集电极版图设计和场阻止层(fieldstop,fs)层掺杂浓度有直接的关系，是导通过程中的不利因素，应当被抑制或消除。否则会引起并联的rc-igbt芯片导通电流分布不均，使得器件开启时间不统一，电流集中流向单个芯片，导致芯片电流过大而被烧毁。

本发明所提出的晶体管结构如图3所示，隔离区si3n4材料可以很好地阻挡水汽和钠离子的扩散，能够有效的防止硅被氧化，隔离槽si3n4介质特性要优于sio2隔离介质。同时，n型浮置场阻止层被嵌入在n-漂移区域内，位于p⁺集电极之上2μm处，同p⁺集电极分开。p-stop层厚度1μm，位于n⁺短路区上方。正向导通开始时，夹在n⁺短路区和n-漂移层之间的p-stop层可以起到电子势垒的作用。

此外，在续流二极管工作模式下，其反向峰值电流密度明显减小，反向恢复时间缩短。

在相同结构参数下，和常规rc-igbt相比，正向导通特性中初始折回电压由rc-igbt的1.56v完全消除至0v。ci-rc-igbt的阻断电压为1500v左右，较常规rc-igbt增大约30v。常规氧化槽隔离型rc-igbt以sio2为隔离介质，本发明中采用si3n4材料后，其逆向导通压降大大减小，因此具有si3n4结构的一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管逆向导通功耗极大地减小。此外，ci-rc-igbt的反向恢复峰值电流密度较常规rc-igbt减小约70a·cm^-2，反向恢复时间缩短了100ns。该结构的引入对器件的开关特性影响较小。

本发明的一种集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管得制备方法，具体如下：

针对p⁺集电极、n⁺短路区和p-stop层的离子注入退火应采用局部快速退火工艺，首先在n-衬底上完成器件栅极的制作过程，然后翻转器件，对n-衬底进行高能磷离子注入，使得注入的磷离子结深达到表面以下3.5-4μm处，注入剂量为1×10¹¹cm^-2，注入能量为7-9mev；然后采用离子注入，先形成p-stop层，再形成p⁺集电极和n⁺短路区，并对p-stop层、p⁺集电极及n⁺短路区进行局部快速退火；最后通过蒸铝金属工艺形成电极部分，即得到集电极隔离逆导型绝缘栅双极型晶体管。

如图4所示，为本发明的晶体管与常规rc-igbt的导通i-v特性对比曲线；和常规rc-igbt相比，正向导通特性中初始折回电压由rc-igbt的1.56v完全消除至0v。

图5是本发明的晶体管与常规rc-igbt的阻断特性对比曲线；ci-rc-igbt的阻断电压为1500v左右，较常规rc-igbt增大约30v。

如图6为是集电极隔离材质为si3n4的rc-igbt与同等结构下集电极隔离材质为sio2时的逆导特性对比曲线；可以看出，具有si3n4结构的ci-rc-igbt逆向导通压降减小约2v，因此其逆向导通功率将极大地缩短。

图7是本发明的晶体管与常规rc-igbt反向恢复特性对比曲线。ci-rc-igbt的反向恢复峰值电流密度较常规rc-igbt减小约70a·cm^-2，反向恢复时间缩短了100ns。其动态特性较常规rc-igbt有很大的提升。

其杂质浓度分布沿集电极处和n⁺短路区处的分布曲线如图8所示。方框标签曲线为集电极处为剖分线，圆圈标签曲线对应在n⁺短路区处剖分线。对方框标签曲线，器件上半部分杂质浓度分布曲线完全重合，杂质分布在n-漂移区至p⁺集电极先由n-fs层产生向上尖峰，其峰值浓度在2×10¹⁵cm^-3，随后产生一个向下的尖峰，从而形成一个pn结，该pn结为n-漂移区和p⁺集电极所形成。对圆圈标签曲线，与集电极剖分线唯一不同的地方是靠近n⁺短路区上方p-stop层杂质为硼离子，对应峰值浓度为2×10¹⁵cm^-3。所以此处产生耗尽区形成pn结，该pn结也是抑制电压折回现象的关键所在。

在相同结构参数下，和常规rc-igbt相比，正向导通特性中初始折回电压由rc-igbt的1.56v完全消除至0v。ci-rc-igbt的阻断电压为1500v左右，较常规rc-igbt增大约30v。常规氧化槽隔离型rc-igbt以sio2为隔离介质，本发明中采用si3n4材料后，其逆向导通压降大大减小，因此具有si3n4结构的ci-rc-igbt逆向导通功耗极大地减小。此外，ci-rc-igbt的反向恢复峰值电流密度较常规rc-igbt减小约70a·cm^-2，反向恢复时间缩短了100ns。该结构的引入对器件的开关特性影响较小。