本發(fā)明屬于電力半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，本發(fā)明還涉及該種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管的制備方法。

背景技術(shù)：

電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，特別是新型器件的出現(xiàn)和應(yīng)用，都會以自己獨有的特性占有不同的相關(guān)領(lǐng)域，使應(yīng)用范圍不斷的拓展。同時，電力電子技術(shù)的發(fā)展對器件提出更高的要求，又會促進器件性能的提高和新器件的研究與發(fā)展。

在大部分的igbt應(yīng)用電路中，都會給它反并聯(lián)續(xù)流二極管以作保護。早期做法是分別制作igbt和二極管，再將它們集成封裝在一起，做成igbt、二極管對。早期的igbt與二極管都是獨立封裝，并且獨立應(yīng)用。兩者性能往往不匹配并且在焊接時容易引入寄生電感，導(dǎo)致實際igbt應(yīng)用成本高可靠性不好。為降低成本、提高芯片的功率密度，人們開始通過工藝將igbt與二極管集成，發(fā)展逆向?qū)ㄐ徒^緣柵雙極型晶體管(以下簡稱rc-igbt)。

傳統(tǒng)的rc-igbt在集電極的電流密度較低時，由p⁺集電極區(qū)和n型緩沖層構(gòu)成的p-n結(jié)不能正向?qū)?。電子從發(fā)射極流向n⁺型集電極區(qū)，器件工作在單極模式。隨著電流的增大，p⁺型集電極區(qū)和n型緩沖層構(gòu)成的p-n結(jié)正向?qū)ǎ琾⁺型集電極區(qū)的空穴注入n^-型漂移區(qū)，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制現(xiàn)象，由于器件會存在一個由單極模式到雙極模式的轉(zhuǎn)換，所以在器件導(dǎo)通過程中會出現(xiàn)隨著電流增大，電阻迅速減小的過程。直至p⁺型集電極區(qū)和n型緩沖層構(gòu)成的p-n結(jié)完全正偏。在正向?qū)ǖ妮敵鎏匦郧€出現(xiàn)一個負(fù)阻區(qū)。當(dāng)rc-igbt處于反向工作時，p-base區(qū)相當(dāng)于續(xù)流二極管的陽極，n⁺型集電極相當(dāng)于續(xù)流二極管的陰極。設(shè)rc-igbt的電壓開始折回時的陽極電壓為vsb，并且假設(shè)rc-igbt發(fā)生電壓折回之后的最小陽極電壓為vh。它們分別對應(yīng)正反饋過程的開始和結(jié)束時的陽極電壓。同時，定義δvsb＝vsb-vh，它是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)帶來的陽極電壓減小幅度，也是能反映電壓折回程度的一個關(guān)鍵參數(shù)。可以認(rèn)為當(dāng)δvsb＝0時，電壓折回現(xiàn)象消失。

式中vcr為當(dāng)器件從單極型模式轉(zhuǎn)變成雙極型模式時p⁺型集電極區(qū)和n型緩沖層上的電壓降；rcs為集電極的短路電阻；rdrift為n^-型漂移區(qū)的電阻；rch為mos通道的電阻，傳統(tǒng)rc-igbt效消電壓回跳是通過增大p⁺型集電極的寬度來增大短路電阻來消除vsb，但是這樣會導(dǎo)致另一種缺陷即會引發(fā)電流分布不均勻，嚴(yán)重時會燒毀器件。

傳統(tǒng)的si材料rc-igbt雖然具有、造價低廉、制作簡單，然而它在正向?qū)〞r由于器件寬度較大會出現(xiàn)電流分布不均勻和續(xù)流二極管反向恢復(fù)性能較差。為克服電流分布不均勻經(jīng)常采取降低器件寬度來實現(xiàn)，然而這樣做會導(dǎo)致rc-igbt在正向?qū)〞r會產(chǎn)生電壓回跳。因此需要采用新結(jié)構(gòu)解決這樣的矛盾。并且改善傳統(tǒng)rc-igbt反向恢復(fù)性能較差這些缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的傳統(tǒng)rc-igbt正向工作時電流分布不均勻，及反向工作時反向恢復(fù)峰值電流過大，反向恢復(fù)時間長的問題。

本發(fā)明的另一個目的是提供該種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管的制備方法。

本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，包括從上到下依次設(shè)置的n⁺發(fā)射極區(qū)、p-base區(qū)、n^-層、n緩沖層，n^-層內(nèi)設(shè)置有p柱區(qū)；n緩沖層下方設(shè)置有n⁺集電極及p⁺集電極，n⁺集電極與p⁺集電極相鄰，n⁺集電極與p⁺集電極之間開有氧化槽，氧化槽頂部穿過n緩沖層，氧化槽的上表面與p柱區(qū)的下表面相接觸。

本發(fā)明的特點還在于，

氧化槽內(nèi)填充的介質(zhì)為sio2。

n⁺發(fā)射極區(qū)的摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3-2×10²⁰cm^-3，摻雜劑為磷離子，厚度為0.1μm-1μm；

p-base區(qū)的摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁷cm^-3，摻雜劑為硼離子，深度為3μm-5μm；

n^-層的摻雜濃度為5×10¹³cm^-3-3×10¹⁴cm^-3，厚度為100μm-150μm，寬度為50μm-80μm，摻雜劑為磷離子；

p柱區(qū)的摻雜濃度為8×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁸cm^-3，深度為1μm-4μm；

n緩沖層的摻雜濃度為1×10¹⁶cm^-3-2.5×10¹⁶cm^-3，深度為1μm-3μm，摻雜劑為磷離子；

p⁺集電極的摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3-5.5×10¹⁸cm^-3，深度為1μm-3μm，的摻雜劑為硼離子；

n⁺集電極的摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3-1×10²⁰cm^-3，深度為1μm-3μm，的摻雜劑為磷離子。

n⁺集電極、p⁺集電極及氧化槽的寬度之和為40μm-400μm。

本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是，一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，按照如下步驟實施：

步驟1、選取摻雜濃度均為5×10¹³cm^-3-1×10¹⁴cm^-3數(shù)量級的輕摻雜襯底晶片，厚度為100μm-150μm；

步驟2、采用干-濕-干氧化法在襯底硅片表面生長一層sio2薄膜，厚度為2μm-4μm；

步驟3、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分sio2表面裸露出來；

步驟4、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的部分硅片表面區(qū)域；

步驟5、進行硼離子注入，劑量為5.5×10¹³cm^-2-6.3×10¹⁴cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟6、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；

步驟7、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm-4μm，并涂抹刻蝕光刻膠；

步驟8、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分sio2表面裸露出來；

步驟9、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的部分硅片表面區(qū)域；

步驟10、進行磷離子注入，劑量為5×10¹⁶cm^-2-1×10¹⁷cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟11、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；

步驟12、通過干-濕-干氧化法及外延生長制作柵極所需的sio2以及多晶

硅層；

步驟13、翻轉(zhuǎn)器件，進行磷離子注入，劑量為1×10¹²cm^-2-2.5×10¹³cm^-2，

注入能量為30kev-500kev；

步驟14、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm-4μm；

步驟15、涂抹并刻蝕光刻膠，使得右邊的sio2表面裸露出來；

步驟16、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；

步驟17、進行磷離子注入，劑量為5.5×10¹⁵cm^-2-1.5×10¹⁶cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟18、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；

步驟19、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm-4μm；

步驟20、并涂抹刻蝕光刻膠，使得左邊的sio2表面裸露出來；

步驟21、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；

步驟22、進行硼離子注入，劑量為5.5×10¹⁴cm^-2-6.2×10¹⁵cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟23、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；

步驟24、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm，

步驟25、涂抹刻蝕光刻膠；使得左邊sio2表面裸露出來；

步驟26、刻蝕未被掩蔽的sio2區(qū)域，直至形成深度為5μm-10μm的深槽；

步驟27、進行硼離子注入，劑量為5.8×10¹³cm^-2-2.6×10¹⁴cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟28、淀積形成sio2直至填滿溝槽；

步驟29、刻蝕掉si表面覆蓋的sio2層；

步驟30、蒸鋁：雙面蒸鋁形成陰極和陽極歐姆接觸，并做sio2鈍化保護，最終形成所設(shè)計的rc-igbt。

本發(fā)明的有益效果是：在器件背面n⁺集電極與p⁺集電極之間形成sio2氧化槽，在rc-igbt處于正向?qū)ǖ拈_始階段，即處于mos模式時，電子不能橫向通過低電子電阻通道n緩沖層達n⁺集電極。氧化槽上方的p柱區(qū)形成的勢壘可作為電子的阻擋層，在rc-igbt處于正向?qū)ǖ拈_始階段，可以限制電子電流的流動方向，使電子必須繞過這個p柱區(qū)，從而增大電子電流途徑上的電阻，抑制rc-igbt的折回電壓。在耐壓層中分別引入p柱結(jié)構(gòu)后，經(jīng)實驗，二極管的反向恢復(fù)峰值電流較傳統(tǒng)的rc-igbt減小將近一半；反向恢復(fù)時間縮短到傳統(tǒng)的rc-igbt的一半左右；較低的反向恢復(fù)時間使得該結(jié)構(gòu)的rc-igbt能夠更好的適用于高頻電路應(yīng)用中，并減小了在高頻振蕩中由于反向恢復(fù)峰值電流過大而引起電路燒毀的可能性，極大的節(jié)約了能源和提升了電能的利用率。在同等摻雜的情況下，新結(jié)構(gòu)的加入有效的提升了器件的阻斷電壓并使得該器件在導(dǎo)通時具有更小的壓降。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的rc-igbt正向?qū)〞r電壓折回現(xiàn)象圖；

圖2是傳統(tǒng)的rc-igbt器件縱向剖面圖；

圖3是本發(fā)明rc-igbt的器件縱向剖面圖；

圖4是本發(fā)明rc-igbt與傳統(tǒng)rc-igbt的反向恢復(fù)特性對比曲線；

圖5是本發(fā)明rc-igbt與傳統(tǒng)rc-igbt的的正向向阻斷特性對比曲線；

圖6是本發(fā)明rc-igbt與傳統(tǒng)rc-igbt的的正向?qū)ㄌ匦詫Ρ惹€；

圖7是本發(fā)明rc-igbt在正向?qū)〞r的空穴電流分布圖；

圖8是本發(fā)明rc-igbt的制作工藝流程示意圖。

圖中，1.n⁺發(fā)射極區(qū)，2.p-base區(qū)，3.n^-層，4.p柱區(qū)，5.n緩沖層，6.p⁺集電極，7.氧化槽，8.n⁺集電極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，如圖3所示，包括從上到下依次設(shè)置的n⁺發(fā)射極區(qū)1、p-base區(qū)2、n^-層3、n緩沖層5，n^-層3內(nèi)設(shè)置有p柱區(qū)4；n緩沖層5下方設(shè)置有n⁺集電極8及p⁺集電極6，n⁺集電極8與p⁺集電極6相鄰，n⁺集電極8與p⁺集電極6之間開有氧化槽7，氧化槽7頂部穿過n緩沖層5，氧化槽7的上表面與p柱區(qū)4的下表面相接觸。

氧化槽7內(nèi)填充的介質(zhì)為sio2。

n⁺發(fā)射極區(qū)1的摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3-2×10²⁰cm^-3，摻雜劑為磷離子，厚度為0.1μm-1μm；

p-base區(qū)2的摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁷cm^-3，摻雜劑為硼離子，深度為3μm-5μm；

n^-層3的摻雜濃度為5×10¹³cm^-3-3×10¹⁴cm^-3，厚度為100μm-150μm，寬度為50μm-80μm，摻雜劑為磷離子；

p柱區(qū)4的摻雜濃度為8×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁸cm^-3，深度為1μm-4μm；

n緩沖層5的摻雜濃度為1×10¹⁶cm^-3-2.5×10¹⁶cm^-3，深度為1μm-3μm，摻雜劑為磷離子；

p⁺集電極6的摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3-5.5×10¹⁸cm^-3，深度為1μm-3μm，的摻雜劑為硼離子；器件總寬度為40μm-400μm。

n⁺集電極8的摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3-1×10²⁰cm^-3，深度為1μm-3μm，的摻雜劑為磷離子。

n⁺集電極8、p⁺集電極6及氧化槽7的寬度之和為40μm-400μm。

如圖1所示，傳統(tǒng)的rc-igbt在集電極的電流密度較低時，由p⁺集電極區(qū)和n型緩沖層構(gòu)成的p-n結(jié)不能正向?qū)āｋ娮訌陌l(fā)射極流向n⁺型集電極區(qū)，器件工作在單極模式。隨著電流的增大，p⁺型集電極區(qū)和n型緩沖層構(gòu)成的p-n結(jié)正向?qū)?，p⁺型集電極區(qū)的空穴注入n^-型漂移區(qū)，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制現(xiàn)象，由于器件會存在一個由單極模式到雙極模式的轉(zhuǎn)換，所以在器件導(dǎo)通過程中會出現(xiàn)隨著電流增大，電阻迅速減小的過程。

如圖2所示，傳統(tǒng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極性晶體管(rc-igbt)的結(jié)構(gòu)是，從下到上依次設(shè)置有n⁺發(fā)射極、p-base區(qū)、n^-層、n^-緩沖層、n⁺和p⁺集電極區(qū)。

由上可見，本發(fā)明與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的區(qū)別特征主要在于，引入一種氧化槽7結(jié)合p柱4的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明器件與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)器件的性能對比：

為了直觀對比方便，在具有相同的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與現(xiàn)有rc-igbt的n^-層的摻雜濃度均為5×10¹³cm^-3-3×10¹⁴cm^-3，兩者的n⁺發(fā)射極摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3-2×10²⁰cm^-3，p-base區(qū)的摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁷cm^-3，n⁺集電極的摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3-1×10²⁰cm^-3，p⁺集電極的摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3-5.5×10¹⁸cm^-3。

如圖4可以看出，本發(fā)明rc-igbt的反向恢復(fù)峰值電流明顯較普通結(jié)構(gòu)的rc-igb小了很多，經(jīng)計算，反向恢復(fù)電流降低至普通rc-igbt的一半左右，反向恢復(fù)時間縮減至普通rc-igbt的一半左右；

如圖5可以看出，本發(fā)明rc-igbt的正向阻斷電壓較傳統(tǒng)rc-igbt有所提升，經(jīng)計算，在同等摻雜濃度下，本發(fā)明器件的反向阻斷特性較現(xiàn)有rc-igbt提升了45v左右。

圖6可以看出，本發(fā)明rc-igbt的正向?qū)▔航档陀趥鹘y(tǒng)rc-igbt。

圖7為本發(fā)明rc-igbt在正向?qū)ǔ跏茧A段器件工作在單極模式時，隨著電子電流的增加，器件內(nèi)部電子電流分布圖。電子不能橫向通過低電子電阻通道到n緩沖層5達n⁺集電極8。氧化槽上方的p柱區(qū)4形成的勢壘可作為電子的阻擋層，在rc-igbt處于正向?qū)ǖ拈_始階段，可以限制電子電流的流動方向，使電子必須繞過這個p柱區(qū)4，從而增大電子電流途徑上的電阻

本發(fā)明的另一個目的是提供一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，如圖8所示，按照如下步驟實施：

步驟1、選取摻雜濃度均為5×10¹³cm^-3-1×10¹⁴cm^-3數(shù)量級的輕摻雜襯底晶片，厚度為100μm-150μm；

步驟2、采用干-濕-干氧化法在襯底硅片表面生長一層sio2薄膜，厚度為2μm-4μm；

步驟3、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分sio2表面裸露出來；

步驟4、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的部分硅片表面區(qū)域；

步驟5、進行硼離子注入，劑量為5.5×10¹³cm^-2-6.3×10¹⁴cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟6、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；

步驟7、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm-4μm，并涂抹刻蝕光刻膠；

步驟8、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分sio2表面裸露出來；

步驟9、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的部分硅片表面區(qū)域；

步驟10、進行磷離子注入，劑量為5×10¹⁶cm^-2-1×10¹⁷cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟11、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；沒有區(qū)別這個步驟是重復(fù)的，只不過刻蝕部位不同；

步驟12、通過干-濕-干氧化法及外延生長制作柵極所需的sio2以及多晶硅層。

步驟13、翻轉(zhuǎn)器件，進行磷離子注入，劑量為1×10¹²cm^-2-2.5×10¹³cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟14、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm-4μm；

步驟15、涂抹并刻蝕光刻膠，使得右邊的sio2表面裸露出來；

步驟16、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；

步驟17、進行磷離子注入，劑量為5.5×10¹⁵cm^-2-1.5×10¹⁶cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟18、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；

步驟19、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm-4μm；

步驟20、并涂抹刻蝕光刻膠，使得左邊的sio2表面裸露出來；

步驟21、刻蝕sio2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；

步驟22、進行硼離子注入，劑量為5.5×10¹⁴cm^-2-6.2×10¹⁵cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟23、刻蝕掉剩余光刻膠和sio2掩蔽層；

步驟24、采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜sio2，厚度為2μm，

步驟25、涂抹刻蝕光刻膠；使得左邊sio2表面裸露出來；

步驟26、刻蝕未被掩蔽的sio2區(qū)域，直至形成深度為5μm-10μm的深槽；

步驟27、進行硼離子注入，劑量為5.8×10¹³cm^-2-2.6×10¹⁴cm^-2，注入能量為30kev-500kev；

步驟28、淀積形成sio2直至填滿溝槽；

步驟29、刻蝕掉si表面覆蓋的sio2層；

步驟30、蒸鋁：雙面蒸鋁形成陰極和陽極歐姆接觸，并做sio2鈍化保護，最終形成所設(shè)計的rc-igbt。

本發(fā)明的關(guān)鍵參數(shù)是新結(jié)構(gòu)中p柱區(qū)的摻雜濃度、柱區(qū)厚度和寬度氧化槽部分的寬度厚度。眾所周知，一個rc-igbt器件的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的好壞很大程度上依賴于耐壓層的結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù)。而靜態(tài)特性主要包括正向?qū)ㄌ匦浴⑥D(zhuǎn)移特性、阻斷特性等，動態(tài)特性主要包括續(xù)流二極管反向恢復(fù)時間、反向恢復(fù)電荷量、反向恢復(fù)峰值電流等參數(shù)，以及igbt的關(guān)斷時間以及關(guān)斷損耗。在工藝制作過程中，離子注入是必不可少的步驟之一。而注入離子的濃度分布從本質(zhì)上取決于入射離子能量損失機構(gòu)，與之相關(guān)的參數(shù)有：入射離子的能量、質(zhì)量和原子序數(shù)；離子注入劑量和速度以及硅片溫度等；同時還應(yīng)當(dāng)注意晶體的晶向和離子束的入射方向。

本發(fā)明的優(yōu)點為：本發(fā)明是在常規(guī)rc-igbt基礎(chǔ)上，將氧化槽結(jié)合p柱區(qū)結(jié)構(gòu)引入器件的背面，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)rc-igbt工藝具有很好的兼容性，很好地提升了器件的動態(tài)特性；同時在耐壓層中加入p柱區(qū)結(jié)構(gòu)，提升了器件的正向阻斷電壓；該器件均采用歐姆接觸；本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)有效地改善了器件的正向?qū)▔航狄约瓣P(guān)斷損耗了，工作在反向模式時的恢復(fù)時間、反向恢復(fù)峰值電流都有顯著的提升，其帶來的優(yōu)點是現(xiàn)有傳統(tǒng)rc-igbt無法比擬的；以溝槽隔離集電極結(jié)構(gòu)替換了傳統(tǒng)rc-igbt集電極，在器件背面n⁺集電極與p⁺集電極之間形成sio2氧化槽，在rc-igbt處于正向?qū)ǖ拈_始階段，即處于mos模式時，電子不能橫向通過低電子電阻通道到n緩沖層達n⁺集電極，氧化槽上方的p柱區(qū)形成的勢壘可作為電子的阻擋層，在rc-igbt處于正向?qū)ǖ拈_始階段，可以限制電子電流的流動方向，使電子必須繞過這個p柱區(qū)，從而增大電子電流途徑上的電阻，降低rc-igbt的折回電壓。