一种RC-IGBT芯片及其制造方法与流程
本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种rc-igbt芯片，此外本发明还涉及该rc-igbt芯片的制造方法。
背景技术：
rc-igbt是一种将续流二极管frd集成在igbt器件内部的半导体器件。现有rc-igbt器件通常采用一次离子注入，同时形成igbt区和frd区的p型基区。在igbt区中沿有效导电沟道上的p型基区峰值浓度决定了其阈值电压的大小。同时p型基区的浓度又必须与元胞区的耐压条件相适配。因此，p型基区可调节的工艺窗口往往很小。而在二极管区中，在满足耐压条件时，p型基区的掺杂浓度越小，则二极管的反向恢复性能越好。由于p型基区可调节的工艺窗口很小，因此往往很难使p型基区掺杂浓度的选择达到最佳化，进而在确保igbt器件的阈值电压、击穿电压等静态参数性能的同时，提高二极管的反向恢复性能，因此，现有的rc-igbt器件中无法充分降低二极管的反向恢复特性。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种反向恢复特性好的rc-igbt芯片。
本发明的rc-igbt芯片，包括igbt区和frd区，所述igbt区及frd区均包括由半导体基板(100)形成的n型漂移区、位于n型漂移区背面的n型场终止区(210)及位于n型场终止区下方的集电极(5)，igbt区内n型场终止区与集电极之间设有p型集电极区(220)，frd区内n型场终止区与集电极之间设置有n型集电极区(230)，所述igbt区内n型漂移区的表面设有积累区(11)，igbt区内还设有底端位于n型漂移区的多个栅沟槽区(12)及虚拟沟槽区(32)，frd区内设有多个底端位于n型漂移区的发射沟槽区(22)，栅沟槽区内设有位于栅沟槽区表面的绝缘膜(13)及绝缘膜上方的栅电极(14)，虚拟沟槽区内设有位于虚拟沟槽区表面的绝缘膜(33)及绝缘膜上方的虚拟栅电极(34)，发射沟槽区内设有位于发射沟槽区表面的绝缘膜(23)及绝缘膜上方的发射栅电极(24)，所述栅电极、虚拟栅电极及发射栅电极的上方均设有位于半导体基板表面的绝缘介质层(17)，所述igbt区内设有位于积累区上方的p型基区(15)，所述frd区内也设有位于n型漂移区上方的p型基区(25)，且igbt区内p型基区的离子浓度大于frd区内p型基区的离子浓度，所述igbt区内p型基区的表面设有n+发射区(16)，且p型基区内还设有位于n+发射区下方的接触区(19)，frd区内p型基区的表面也设有接触区(29)，且igbt区内接触区的掺杂浓度大于frd区内接触区的掺杂浓度，同时igbt区内接触区的厚度大于frd区内接触区的厚度，igbt区及frd区表面均设有与接触区(19、29)电连接的发射极电极(3)，igbt区的表面还设置有与栅电极连接的栅金属层，igbt区内的虚拟栅电极与所述发射极电极电连接。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的rc-igbt芯片，frd区的接触区和igbt区的接触区是分别通过不同的离子注入工艺所形成的，frd区的接触区的厚度比igbt区的接触区的厚度小，igbt区的接触区通过多次离子注入的工序而形成，离子注入次数越多，则接触区的厚度越厚，在关断时越容易将空穴抽出，从而抑制闩锁；而frd区的接触区仅通过一次离子注入而形成，其厚度越薄，则注入的空穴越少，由此可以改善二极管的反向恢复性能。最终既能抑制闩锁又能提高反向恢复特性。同时，frd区的p型基区和igbt区的p型基区使用不同的掩膜，分别通过不同的离子注入所形成，这使得frd区的p型基区的掺杂浓度比igbt区p型基区低；在保证耐压的情况下，frd区的p型基区采用更低的掺杂浓度，有利于减少二极管的反向恢复电流和反向恢复损耗，增强器件的鲁棒性；此外，frd区的接触区的掺杂浓度比igbt区的接触区的掺杂浓度低，掺杂浓度降低，使得二极管的反向恢复特性提高，由于在二极管中闩锁不成问题，因此不需要形成高浓度的接触区。
综上所述，本发明的rc-igbt芯片反向恢复特性好。
进一步的，本发明的rc-igbt芯片，所述frd区内n型漂移区的表面设有积累区(21)。
一种如上述rc-igbt芯片的制造方法，所述frd区的p型基区和igbt区的p型基区的形成方法如下：
使用不同的掩膜，分别通过不同的离子注入形成所述frd区的p型基区和igbt区的p型基区。
进一步的，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，使用不对frd区中进行离子注入而仅用于对igbt区进行离子注入的掩膜，在栅沟槽区(12)和虚拟沟槽区(32)的间隙内进行硼离子注入，在igbt区中形成p型基区(15)。
进一步的，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，注入硼离子的浓度为2e13～3e13cm-2，注入能量为80～120kev。
进一步的，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，frd区中形成p型基区的方法如下：
使用不对igbt区中进行离子注入而仅用于对frd区进行离子注入的掩膜，在发射沟槽区(22)的间隙内进行硼离子注入，从而在frd区中形成p型基区。
frd区的p型基区和所述igbt区的p型基区是使用不同的掩膜，分别通过不同的离子注入所形成的；所述frd区的p型基区的掺杂浓度比所述igbt区的p型基区低；在保证耐压的情况下，frd区的p型基区采用更低的掺杂浓度，有利于减少二极管的反向恢复电流和反向恢复损耗，增强器件的鲁棒性；
进一步的，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，注入硼离子的浓度为1e13～2e13cm-2，注入能量为80～120kev。
进一步的，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，igbt区内接触区的形成方法如下：
s1：在igbt区中刻蚀绝缘介质层(17)并向下刻蚀半导体基板，形成接触沟槽(18)；
具体地，使用不对frd区中进行刻蚀而仅用于对igbt区进行刻蚀的掩膜，对igbt区中n+发射区16表面的绝缘介质层17进行刻蚀，形成接触窗口并向下刻蚀半导体基板，形成向下深度为0.3um的接触沟槽18；接触沟槽18位于每个沟槽区之间的间隙内。
s2：通过igbt区内接触沟槽(18)向n+发射区中多次注入硼离子，形成p+高掺杂区，即接触区(19)。
igbt区的p+接触区由多次硼离子注入的工序而形成，硼离子注入次数越多，则p+接触区的厚度越厚，在器件关断时越容易将空穴抽出，从而抑制闩锁。
进一步的，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，frd区内接触区的形成方法如下：
s1：在frd区中刻蚀绝缘介质层(17)，形成接触沟槽(28)，frd区的接触沟槽的底端与半导体基板的表面在同一水平。
具体地，使用不对igbt区中进行刻蚀而仅用于对frd区进行刻蚀的掩膜，对frd区中p型基区表面的绝缘介质层17进行刻蚀形成接触沟槽28，frd区的接触沟槽的底端与半导体基板的表面在同一水平，frd区的接触沟槽28并不伸入半导体基板中，在frd区中并不向下刻蚀半导体基板从而形成浅槽，这更有利于在frd区的p型基区表面形成较薄的p+接触区，从而进一步提高二极管的反向恢复性能。
s2：通过frd区内接触沟槽(28)向frd区的p型基区表面进行一次硼离子注入，形成接触区(29)。
通过一次硼离子注入形成的接触区，其厚度较薄，浓度较低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明rc-igbt芯片的正面结构示意图；
图2为实施例中igbt区截面图；
图3为实施例中frd区截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1至图3，本发明一较佳实施例的rc-igbt芯片，包括igbt区和frd区，igbt区及frd区均包括由半导体基板100形成的n型漂移区、位于n型漂移区背面的n型场终止区210及位于n型场终止区下方的集电极5，igbt区内n型场终止区与集电极之间设有p型集电极区220，frd区内n型场终止区与集电极之间设置有n型集电极区230，igbt区内n型漂移区的表面设有积累区11，igbt区内还设有底端位于n型漂移区的多个栅沟槽区12及虚拟沟槽区32，frd区内设有多个底端位于n型漂移区的发射沟槽区22，栅沟槽区内设有位于栅沟槽区表面的绝缘膜13及绝缘膜上方的栅电极14，虚拟沟槽区内设有位于虚拟沟槽区表面的绝缘膜33及绝缘膜上方的虚拟栅电极34，发射沟槽区内设有位于发射沟槽区表面的绝缘膜23及绝缘膜上方的发射栅电极24，栅电极、虚拟栅电极及发射栅电极的上方均设有位于半导体基板表面的绝缘介质层17，igbt区内设有位于积累区上方的p型基区15，frd区内也设有位于n型漂移区上方的p型基区25，且igbt区内p型基区的离子浓度大于frd区内p型基区的离子浓度，igbt区内p型基区的表面设有n+发射区16，且p型基区内还设有位于n+发射区下方的接触区19，frd区内p型基区的表面也设有接触区29，且igbt区内接触区的掺杂浓度大于frd区内接触区的掺杂浓度，同时igbt区内接触区的厚度大于frd区内接触区的厚度，igbt区及frd区表面均设有与接触区19、29电连接的发射极电极3，igbt区的表面还设置有与栅电极连接的栅金属层(图中未示出)，igbt区内的虚拟栅电极与发射极电极电连接。
frd区的接触区和igbt区的接触区是分别通过不同的离子注入工艺所形成的，frd区的接触区的厚度比igbt区的接触区的厚度小，igbt区的接触区通过多次离子注入的工序而形成，离子注入次数越多，则接触区的厚度越厚，在关断时越容易将空穴抽出，从而抑制闩锁；而frd区的接触区仅通过一次离子注入而形成，其厚度越薄，则注入的空穴越少，由此可以改善二极管的反向恢复性能。最终既能抑制闩锁又能提高反向恢复特性。同时，frd区的p型基区和igbt区的p型基区使用不同的掩膜，分别通过不同的离子注入所形成，这使得frd区的p型基区的掺杂浓度比igbt区p型基区低；在保证耐压的情况下，frd区的p型基区采用更低的掺杂浓度，有利于减少二极管的反向恢复电流和反向恢复损耗，增强器件的鲁棒性；此外，frd区的接触区的掺杂浓度比igbt区的接触区的掺杂浓度低，掺杂浓度降低，使得二极管的反向恢复特性提高，由于在二极管中闩锁不成问题，因此不需要形成高浓度的接触区。
作为优选，本发明的rc-igbt芯片，frd区内n型漂移区的表面设有积累区21。
一种如上述rc-igbt芯片的制造方法，frd区的p型基区和igbt区的p型基区的形成方法如下：
使用不同的掩膜，分别通过不同的离子注入形成frd区的p型基区和igbt区的p型基区。
作为优选，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，使用不对frd区中进行离子注入而仅用于对igbt区进行离子注入的掩膜，在栅沟槽区12和虚拟沟槽区32的间隙内进行硼离子注入，在igbt区中形成p型基区15。
作为优选，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，注入硼离子的浓度为2e13～3e13cm-2，注入能量为80～120kev。
作为优选，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，frd区中形成p型基区的方法如下：
使用不对igbt区中进行离子注入而仅用于对frd区进行离子注入的掩膜，在发射沟槽区22的间隙内进行硼离子注入，从而在frd区中形成p型基区。
frd区的p型基区和igbt区的p型基区是使用不同的掩膜，分别通过不同的离子注入所形成的；frd区的p型基区的掺杂浓度比igbt区的p型基区低；在保证耐压的情况下，frd区的p型基区采用更低的掺杂浓度，有利于减少二极管的反向恢复电流和反向恢复损耗，增强器件的鲁棒性；
作为优选，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，注入硼离子的浓度为1e13～2e13cm-2，注入能量为80～120kev。
作为优选，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，igbt区内接触区的形成方法如下：
s1：在igbt区中刻蚀绝缘介质层17并向下刻蚀半导体基板，形成接触沟槽18；
具体地，使用不对frd区中进行刻蚀而仅用于对igbt区进行刻蚀的掩膜，对igbt区中n+发射区16表面的绝缘介质层17进行刻蚀，形成接触窗口并向下刻蚀半导体基板，形成向下深度为0.3um的接触沟槽18；接触沟槽18位于每个沟槽区之间的间隙内。
s2：通过igbt区内接触沟槽18向n+发射区中多次注入硼离子，形成p+高掺杂区，即接触区19。
igbt区的p+接触区由多次硼离子注入的工序而形成，硼离子注入次数越多，则p+接触区的厚度越厚，在器件关断时越容易将空穴抽出，从而抑制闩锁。
进一步的，本发明的rc-igbt芯片的制造方法，frd区内接触区的形成方法如下：
s1：在frd区中刻蚀绝缘介质层17，形成接触沟槽28，frd区的接触沟槽的底端与半导体基板的表面在同一水平。
具体地，使用不对igbt区中进行刻蚀而仅用于对frd区进行刻蚀的掩膜，对frd区中p型基区表面的绝缘介质层17进行刻蚀形成接触沟槽28，frd区的接触沟槽的底端与半导体基板的表面在同一水平，frd区的接触沟槽28并不伸入半导体基板中，在frd区中并不向下刻蚀半导体基板从而形成浅槽，这更有利于在frd区的p型基区表面形成较薄的p+接触区，从而进一步提高二极管的反向恢复性能。
s2：通过frd区内接触沟槽28向frd区的p型基区表面进行一次硼离子注入，形成接触区29。
通过一次硼离子注入形成的接触区，其厚度较薄，浓度较低。
以下为本实施例的rc-igbt芯片的较为完整的制造方法：
1.以n型rc-igbt器件为例，采用n型单晶硅材料或n型外延硅材料作为半导体基板材料，充当rc-igbt器件的漂移区。
2.忽略终端区域的形成过程，在有源区中形成rc-igbt器件的元胞结构。
3.在该半导体基板100的器件有源区内通过离子注入和高温推阱形成积累区11和21。其中，igbt区中形成积累区11，frd区中形成积累区21，这两者在同一工序中完成。在二极管中高浓度的积累区可以减少阳极的空穴注入，从而提高反向恢复特性。在igbt中积累区可以抑制空穴流入p型基区中，降低导通压降。此处也可以使用不对frd区中进行离子注入而仅用于对igbt区进行离子注入的掩膜，从而仅在igbt区中形成积累区11，而不在frd区中形成积累区。
4.在该半导体基板100的表面内通过光刻和反应离子刻蚀形成栅沟槽区12、发射沟槽区22和虚拟沟槽区32。其中igbt区中形成栅沟槽区12和虚拟沟槽区32，两者可按照一定比例1：n来设置。frd区中形成发射沟槽区22。各沟槽区之间可以以同等间距排列也可以不等间距排列。具体地，该半导体基板100表面生长一层厚度为
5.在各沟槽区内壁生长一层致密性较高的绝缘膜13、23和33。具体地，先通过高温氧化在各沟槽区内壁生长一层牺牲氧化层，再利用湿法腐蚀掉该牺牲氧化层，以确保绝缘膜的光滑平整；通过高温氧化在各沟槽区内壁生长一层绝缘膜。其中绝缘膜的厚度为
6.在该半导体基板100的表面沉积一层多晶硅并掺杂形成n型多晶硅。具体地，通过高温炉管在该半导体基板100的表面沉积多晶硅并进行原位掺杂，形成n型多晶硅，多晶硅的厚度为1-2um，浓度为1e20cm-3；然后对多晶硅进行高温激活，温度为950℃，时间为30分钟。
7.对该半导体基板100表面的多晶硅进行反应离子刻蚀，刻蚀厚度为1-2um，只保留各沟槽区内、栅电极pad以及栅电极bus通道上的多晶硅。从而形成栅电极14、虚拟栅电极34和发射栅电极24。其中栅电极14形成于栅沟槽区12内，虚拟栅电极34形成于虚拟沟槽区32，发射栅电极24形成于发射沟槽区22内。
8.在栅沟槽区12和虚拟沟槽区32的间隙内进行离子注入。具体地，使用不对frd区中进行离子注入而仅用于对igbt区进行离子注入的掩膜，从而在igbt区中形成p型基区15。其中，注入硼离子的浓度为2e13-3e13cm-2,注入能量为80-120kev。
9.在发射沟槽区22的间隙内进行离子注入。具体地，使用不对igbt区中进行离子注入而仅用于对igbt区进行离子注入的掩膜，从而在frd区中形成p型基区。其中，注入硼离子的浓度为1e13-2e13cm-2,注入能量为80-120kev。frd区的p型基区和igbt区的p型基区是使用不同的掩膜，分别通过不同的离子注入所形成的；frd区的p型基区的掺杂浓度比igbt区的p型基区低；在保证耐压的情况下，frd区的p型基区采用更低的掺杂浓度，有利于减少二极管的反向恢复电流和反向恢复损耗，增强器件的鲁棒性；
10.进行高温推阱，形成p型基区15和25；
11.在igbt区中p型基区15的上表面通过离子注入和高温推阱形成n+发射区16。具体地，使用不对frd区中进行离子注入而仅用于对igbt区进行离子注入的掩膜，利用光刻掩膜形成n+发射区的注入窗口；向n+发射区注入窗口中注入高能砷离子并高温推阱，从而在igbt区中的p型基区的上表面形成n+发射区16。其中，砷离子的注入剂量为1e15-8e15cm-2,注入能量为80-120kev。
12.在半导体基板表面淀积绝缘介质层17并进行回流使之平坦化。绝缘介质层的厚度为1-1.5um；绝缘介质层可由多层绝缘介质堆叠而成；
13.在igbt区中刻蚀绝缘介质层17并向下刻蚀半导体基板，形成接触沟槽18。具体地，使用不对frd区中进行刻蚀而仅用于对igbt区进行刻蚀的掩膜，对igbt区中n+发射区16表面的绝缘介质层17进行刻蚀，形成接触窗口并向下刻蚀半导体基板，形成向下深度为0.3um的接触沟槽18；接触沟槽18位于每个沟槽区之间的间隙内。
14.通过接触沟槽18向n+发射区中多次注入硼离子，形成p+高掺杂区，即接触区19。igbt区的p+接触区由多次硼离子注入的工序而形成，硼离子注入次数越多，则p+接触区的厚度越厚，在器件关断时越容易将空穴抽出，从而抑制闩锁；
15.在frd区中刻蚀绝缘介质层17,形成接触沟槽28。具体地，使用不对igbt区中进行刻蚀而仅用于对frd区进行刻蚀的掩膜，对frd区中p型基区表面的绝缘介质层17进行刻蚀形成接触沟槽28，此时frd区的接触沟槽28的下方与半导体基板的表面在同一水平，即frd区的接触沟槽28并不伸入半导体基板中，在frd区中并不向下刻蚀半导体基板从而形成浅槽，这更有利于在frd区的p型基区表面形成较薄的p+接触区，从而进一步提高二极管的反向恢复性能。
16.通过接触沟槽28向frd区的p型基区表面进行一次注入硼离子注入，形成厚度较薄，浓度较低的p+接触区29。
17.在器件表面淀积发射极金属并通过刻蚀形成发射极电极3和栅金属层。具体地，在该器件表面沉积一层厚度为1-5um的金属膜；然后通过刻蚀形成发射极电极3和栅金属层；发射极电极3和栅金属层之间通过绝缘介质层17来隔离。金属为铝/硅合金或铝/硅/铜合金或其它材料，厚度为1-5um，并通过400℃左右的加热合金化，使得高掺杂硅与金属之间形成欧姆接触，减小接触电阻。
18.待完成功率器件的正面金属化后，翻转芯片，进行背面减薄。
19.在半导体基板的背面通过磷离子注入和高温推阱工艺形成n型场终止区210；n型场终止区210的掺杂浓度为1e15-1e17cm-3，结深为1-3um，能够达到改善igbt折中特性，减少igbt关断时电流拖尾时间的效果。
20.在半导体基板的背面通过硼离子注入和高温推阱工艺形成背面p型集电极区220；其中，p型集电极区220的掺杂浓度为1e18-5e19cm-3，结深为0.5-1um，达到控制空穴发射效率的作用。p型集电极区220仅形成于igbt区中。
21.在半导体基板的背面通过磷离子注入和高温推阱工艺形成背面n型集电极区230。n型集电极区230仅形成于frd区中。
22.进行rc-igbt器件的背面金属化，形成背面集电极5。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
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