一种逆导型IGBT器件的制作方法

一种逆导型igbt器件
技术领域
1.本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种逆导型(reverse conducting，rc)绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)器件。


背景技术：

2.在电力电子系统应用中，功率半导体器件常常需要反并联二极管来获得反向续流能力。对于igbt器件来说，由于背面p型集电区的存在，其本身很难实现反向导通，而采用反并联二极管的方式又会给系统带来额外的寄生电容及电感，增加系统的损耗。近年来逆导型igbt的出现很好地解决了这个问题，逆导型igbt在背面引入了和p型集电区掺杂类型相反的n型集电区，从而能在基区、漂移区到n型集电区之间形成反向恢复二极管，从而能为反向电流提供了导电通路，弥补了传统igbt无法反向导电的不足。然而逆导型igbt仍然存在很多问题，如开关速度较慢、工作在续流模式时器件的反向恢复特性较差等。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种逆导型igbt器件，能够提高反向恢复的开关速度和功耗，改善反向恢复特性。
4.为解决上述技术问题，本发明提供的一种逆导型igbt器件结构包括：
5.第一导电类型掺杂的漂移区；
6.在所述漂移区的背面形成有第一导电类型掺杂的缓冲层，所述缓冲层的掺杂浓度大于所述漂移区的掺杂浓度；
7.在所述缓冲层的背面形成有第二导电类型重掺杂的集电区以及第一导电类型重掺杂的背面阴极区，其中集电区位于背面阴极区的两侧；
8.所述集电区和所述背面阴极区同时和由背面金属层组成的集电极接触；
9.在所述漂移区的顶部内嵌形成具有第二导电类型掺杂的基区，所述基区对称设置于漂移区的两侧；
10.在所述基区的顶部内嵌形成具有第一导电类型重掺杂的发射区，及第二导电类型重掺杂的基区引出区，基区引出区位于所述发射区的外侧；
11.在所述漂移区的顶部内嵌形成两个具有第二导电类型重掺杂的阱区，阱区位于所述基区的内侧，并与背面阴极区对准；
12.在所述漂移区的上表面形成介质氧化物，介质氧化物与部分发射区、基区、部分漂移区的上表面接触；
13.在所述介质氧化物内部内嵌形成第一栅极导电材料层；
14.在所述漂移区的上表面形成第二栅极导电材料层，第二栅极导电材料层位于部分阱区、部分漂移区的上表面，并与背面阴极区对准。所述漂移区上表面与第二栅极导电材料层形成肖特基接触或异质结接触。
15.进一步，所述第一栅极导电材料层的顶部通过对应的接触孔连接到由正面金属层
组成的栅电极。
16.进一步，所述基区引出区、所述发射区和所述第二栅极导电材料层的顶部都通过对应的接触孔连接到由所述正面金属层组成的发射极；所述基区引出区、所述发射区和所述第二栅极导电材料层的顶部均与正面金属层形成欧姆接触。
17.进一步，由所述发射区、通过所述第一栅极导电材料层控制的所述基区、所述漂移区、所述缓冲层和所述集电区组成igbt元胞区；
18.由所述第二栅极导电材料层、所述阱区、所述漂移区、所述缓冲层和所述背面阴极区组成二极管元胞区；并且，二极管元胞区导通时，所述第二栅极导电材料层作为所述二极管元胞区的阳极，所述背面阴极区作为所述二极管元胞区的阴极，从而实现反向电流的输运。
19.进一步地，所述介质氧化物的材料为氧化硅或者为低介电常数材料或高介电常数材料。
20.进一步地，所述第一栅极导电材料层的材料为多晶硅或者金属。
21.进一步地，所述第二栅极导电材料层的材料为多晶硅或者金属。
22.进一步地，所述第一栅极导电材料层和所述第二栅极导电材料层的多晶硅采用n型掺杂，掺杂杂质包括磷或砷，掺杂浓度为1e19cm-3
～1e20cm-3
。
23.进一步地，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型；或者，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
24.本发明中，igbt元胞区的第一栅极导电材料层用于控制igbt单元的导通和截止。二极管元胞区的第二栅极导电材料层作为二极管元胞区的阳极，背面阴极区作为二极管元胞区的阴极，第二栅极导电材料层连接到发射极，在igbt单元截止并开始反向续流时，二极管元胞区会导通，从而使得反向恢复电流能快速导通。和现有技术中反向恢复电流通过寄生体二极管输运不同，本发明的反向恢复电流是通过肖特基(第二栅极导电材料层的材料为金属)或异质结二极管(第二栅极导电材料层的材料为多晶硅)导通，由于肖特基或异质结二极管具有极低的开启电压，能使得器件一直处于单极导电模式，从而避免进入寄生体二极管导通的双极导电模式，因此能大幅度降低功率损耗，改善器件的反向恢复特性。
25.此外，由于igbt元胞区的第一栅极导电材料层与漂移区的耦合面积减小，由此减弱了器件电极间的耦合作用，使得所述逆导型igbt器件的电容特性、栅电荷特性也得到了极大改善。
附图说明
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
27.图1是本发明的剖面结构示意图；
28.图2是本发明中igbt元胞区的剖面结构示意图；
29.图3是本发明中的二极管元胞区的剖面结构示意图；
具体实施方式
30.如图1-3所示，本发明实施例一种逆导型igbt器件结构包括：
31.第一导电类型掺杂的漂移区50。
32.在所述漂移区50的背面形成有第一导电类型掺杂的缓冲层40，所述缓冲层40的掺杂浓度大于所述漂移区50的掺杂浓度。
33.在所述缓冲层40的背面形成有第二导电类型重掺杂的集电区20以及第一导电类型重掺杂的背面阴极区30，其中集电区20位于背面阴极区30的两侧。
34.所述集电区20和所述背面阴极区30同时和由背面金属层10组成的集电极接触。
35.在所述漂移区50的顶部内嵌形成具有第二导电类型掺杂的基区60，所述基区60对称设置于漂移区50的两侧。
36.在所述基区60的顶部内嵌形成具有第一导电类型重掺杂的发射区80，及第二导电类型重掺杂的基区引出区701，基区引出区701位于所述发射区80的外侧。
37.在所述漂移区50的顶部内嵌形成两个具有第二导电类型重掺杂的阱区702，阱区702位于所述基区60的内侧，并与背面阴极区30对准。
38.在所述漂移区50的上表面形成介质氧化物90，介质氧化物90与部分发射区80、基区60、部分漂移区50的上表面接触。
39.在所述介质氧化物90内部内嵌形成第一栅极导电材料层101。
40.在所述漂移区50的上表面形成第二栅极导电材料层102，第二栅极导电材料层102位于部分阱区702、部分漂移区50的上表面，并与背面阴极区30对准。所述漂移区50上表面与第二栅极导电材料层102形成肖特基接触或异质结接触。
41.所述第一栅极导电材料层101的顶部通过对应的接触孔连接到由正面金属层110组成的栅电极(图1的剖面结构示意图中未显示)。
42.所述基区引出区701、所述发射区80和所述第二栅极导电材料层102的顶部都通过对应的接触孔连接到由所述正面金属层110组成的发射极。所述基区引出区701、所述发射区80和所述第二栅极导电材料层102的顶部均与正面金属层110形成欧姆接触。
43.由所述发射区80、通过所述第一栅极导电材料层101控制的所述基区60、所述漂移区50、所述缓冲层40和所述集电区20组成igbt元胞区，如图2所示。
44.由所述第二栅极导电材料层102、所述阱区702、所述漂移区50、所述缓冲层40和所述背面阴极区30组成二极管元胞区，如图3所示。二极管元胞区导通时，所述第二栅极导电材料层102作为所述二极管元胞区的阳极，所述背面阴极区30作为所述二极管元胞区的阴极，从而实现反向电流的输运。
45.本发明实施例中，所述介质氧化物90的材料为氧化硅，如二氧化硅。在其他实施例中，也能为：所述介质氧化物90的材料为低介电常数材料或高介电常数材料。
46.本发明实施例中，所述第一栅极导电材料层101的材料为多晶硅即采用多晶硅栅。在其他实施例中也能为：所述第一栅极导电材料层101的材料为金属即采用金属栅。
47.所述第二栅极导电材料层102的材料为多晶硅，与所述漂移区50上表面形成异质结接触，此时所述二极管元胞区为异质结二极管。在其他实施例中也能为：所述第二栅极导电材料层102的材料为金属，与所述漂移区50上表面形成肖特基接触，此时所述二极管元胞区为肖特基二极管。
48.所述第一栅极导电材料层101和所述第二栅极导电材料层102的多晶硅采用n型掺杂，掺杂杂质包括磷或砷，掺杂浓度为1e19cm-3
～1e20cm-3
。
49.本发明实施例中，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型，这时沟道导电类型为
n型。igbt元胞区导通时，所述集电区20会向所述漂移区50中注入空穴，发射区80会通过所述第一栅极导电材料层101控制的所述基区60向所述漂移区50中注入电子。
50.本发明实施例中，由于所述第二栅极导电材料层102与所述漂移区50之间的肖特基结或异质结势垒极低，因此当所述逆导型igbt器件作为反向续流二极管使用时，可以使反向肖特基或异质结二极管提前导通。此时，背面阴极区30的电子，通过所述缓冲层40、所述漂移区50进入到所述第二栅极导电材料层102，进而进入到发射极，形成由发射极指向集电极的反向电流。肖特基或异质结二极管为单极导电模式的器件，而非寄生体二极管导通的双极导电模式，故采用肖特基或异质结二极管进行反向电流输运后，能大幅度降低功率损耗，改善器件的反向恢复特性。此外，由于具有第二导电类型重掺杂的阱区702的设置，该肖特基或异质结二极管结构还拥有一定抗浪涌电流的能力，因此也提高了器件可靠性。
51.本发明实施例中，当所述逆导型igbt器件处于阻断工作模式时，所述阱区702可以有效屏蔽所述第二栅极导电材料层102内的电场，减少漏电通路，因此器件阻断态下拥有较低的漏电。
52.本发明实施例中，igbt元胞区对应的所述第一栅极导电材料层101和所述漂移区50的耦合面积减少，由此减弱了器件电极间的耦合作用，使得所述逆导型igbt器件的电容特性、栅电荷特性得到了极大改善。
53.在其他实施例中，将第一导电类型改变为p型以及将第二导电类型改变为n型，则器件变为p型器件，沟道导电类型为p型。
54.所述逆导型igbt器件通常由多个器件单元结构并联而成。
55.以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。