一種逆阻型IGBT及其製作方法與流程

2023-05-27 18:55:11

本發明涉及半導體器件製造技術領域，更具體的說，涉及一種逆阻型IGBT及其製作方法。

背景技術：

絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)是由雙極型三極體(BJT)和絕緣柵型場效應管(MOSFET)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET器件的高輸入阻抗和電力電晶體(即巨型電晶體，簡稱GTR)的高速開關特性的優點，因此，IGBT器件被廣泛應用到交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

傳統IGBT的結構包括有源區和第二區。第二區的作用是提高正向耐壓，在正向關斷時能夠承受要求的電壓。傳統IGBT只工作在正嚮導通與正向關斷兩種狀態。有些應用場合需要IGBT能夠工作在反向關斷的狀態，而傳統IGBT沒有反向終端結構，反向耐壓非常小。逆阻型IGBT(Reverse Blocking-IGBT，簡稱RB-IGBT)在傳統IGBT的基礎上增加第三區，即反向終端結構，使器件在反向關斷時可以承受要求的電壓。

參考圖1，圖1為現有技術中常見的一種RB-IGBT的結構示意圖，包括：襯底，襯底具有N-(N型淺摻雜)漂移區14；設置在襯底中間元胞區內的IGBT元胞；設置在所述襯底上表面內，包圍所述元胞區的P+(P型重摻雜)主結11；設置在所述襯底內，包圍所述漂移區14的P+隔離區12；設置在所述襯底下表面內的P+集電區13。其中，隔離區12貫穿漂移區14。具體使用時，襯底與元 包區以及主結11對應的上表面上需要設置金屬發射極，在集電區13下表面形成金屬集電極，以便於電路的電連接。

RB-IGBT只有中間的元包區及主結11連接發射極，RB-IGBT導通時，電流從背面的集電區13流入正面的元胞區及主結11，四周的電流向元胞區及主結集中，使得主結11處電流密度很高，導致RB-IGBT關斷時主結11易發生雪崩擊穿，甚至導致器件燒毀。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供了一種逆阻型IGBT及其製作方法，降低了RB-IGBT導通時主結11處的電流密度，避免了RB-IGBT關斷時主結髮射雪崩擊穿的問題，進而避免器件被燒毀。

為實現上述目的，本發明提供如下方案：

一種RB-IGBT，該RB-IGBT包括：

襯底，所述襯底具有漂移區；

所述漂移區包括：第一區；包圍所述第一區的第二區；以及包圍所述第二區的第三區；

設置在所述襯底對應所述第二區的上表面內的主結，所述主結包圍所述第一區；

設置在所述第三區內的隔離區；

設置在所述襯底對應所述第一區的上表面內的IGBT元胞；

設置在所述襯底下表面內的集電區；

其中，所述第二區的載流子壽命小於所述第一區的載流子壽命。

優選的，在上述RB-IGBT中，所述第二區的載流子壽命不大於所述第一區的載流子壽命的百分之十。

優選的，在上述RB-IGBT中，所述襯底對應所述第二區的上表面內還設置有場限環以及截止環；

其中，所述場限環包圍所述主結；所述截止環包圍所述場限環。

本發明還提供了一種RB-IGBT的製作方法，該製作方法包括：

提供一襯底，所述襯底具有漂移區；所述漂移區包括：第一區；包圍所述第一區的第二區；以及包圍所述第二區的第三區；

在所述襯底內形成主結以及隔離區；所述主結位於襯底對應所述第二區的上表面內，所述主結包圍所述第一區；所述隔離區位於所述第三區內；

在所述襯底對應所述第一區的上表面內形成IGBT元胞；

在所述襯底下表面內形成集電區；

對所述第二區進行載流子壽命控制，使得所述第二區的載流子壽命小於所述第一區的載流子壽命。

優選的，在上述製作方法中，所述對所述第二區進行載流子壽命控制包括：

對所述襯底的上表面對應所述第二區的位置進行離子輻照，降低所述第二區的載流子壽命。

優選的，在上述製作方法中，在經過所述離子輻照後，還包括：

通過退火工藝調節所述第二區的載流子壽命。

優選的，在上述製作方法中，所述第二區的載流子壽命不大於所述第一區的載流子壽命的百分之十。

通過上述描述可知，本發明提供的RB-IGBT包括：襯底，所述襯底具有漂移區；所述漂移區包括：第一區；包圍所述第一區的第二區；以及包圍所述第二區的第三區；設置在所述襯底對應所述第二區的上表面內的主結，所述主結包圍所述第一區；設置在所述第三區內的隔離區；設置在所述襯底對 應所述第一區的上表面內的IGBT元胞；設置在所述襯底下表面內的集電區；其中，所述第二區的載流子壽命小於所述第一區的載流子壽命。所述第二區的載流子壽命小於所述第一區的載流子壽命，這樣可以降低與第一區對應的集電區對主結的空穴電流注入，同時降低隔離區對主結的空穴電流注入，避免了隔離區以及與第一區對應的集電區對漂移區大量注入空穴電流，消除主結附近的電流集中現象，進而降低了導通時主結處的電流密度，避免了RB-IGBT關斷時主結髮射雪崩擊穿的問題，進而避免器件被燒毀。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為現有技術中常見的一種RB-IGBT的結構示意圖；

圖2為本申請實施例提供的一種RB-IGBT的結構示意圖；

圖3-圖6為本申請實施例提供的一種RB-IGBT的製作方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

由圖1可知，在RB-IGBT導通時，元胞區的電流相對均勻，但在主結11附近，來自背面邊緣集電區13及隔離區12的電流集中聚集，導致此處電流密度 遠高於平均水平。局部高的電流密度對器件是不利的，尤其是在關斷時，這些高電流密度區會提前發生動態雪崩擊穿，導致電流密度急劇增加，不再受柵極關斷信號的控制，最終導致器件燒毀。圖1中箭頭表示電流方向以及電流密度。

為解決上述問題，本申請實施例提供了一種RB-IGBT，參考圖2，圖2為本申請實施例提供的一種RB-IGBT的結構示意圖，該RB-IGBT包括：襯底20，所述襯底20具有漂移區24；所述漂移區包括：第一區241；包圍所述第一區241的第二區242；以及包圍所述第二區242的第三區243；設置在所述襯底20對應所述第二區242的上表面內的主結21，所述主結21包圍所述第一區241；設置在所述第三區243內的隔離區22；設置在所述襯底20對應所述第一區241的上表面內的IGBT元胞；設置在所述襯底20下表面內的集電區23。

其中，主結21以及隔離區22均為P+區。漂移區24為N-區。所述第二區242的載流子壽命小於所述第一區241的載流子壽命。

本申請實施例中，所述第二區242的載流子壽命不大於所述第一區241的載流子壽命的百分之十。所述襯底對應所述第二區的上表面內還設置有場限環以及截止環(圖2中未示出所述場限環與截止環)。其中，所述場限環包圍所述主結；所述截止環包圍所述場限環。通過在所述襯底上表面內設置場限環以及截止環，可以增強RB-IGBT正向耐壓能力。

本實施例中所述RB-IGBT，在其漂移區24中，第二區242相對於第一區241為載流子低壽命區，對於N-漂移區，空穴的擴散長度以及濃度會大大減小，會使得第一區241的電流密度明顯低於第二區242的電流密度，大大降低了隔離區22以及的集電區14與第一區241對應部分對第一區241的空穴電流注入量，從而大大降低了主結21處的電流密度。圖2中，箭頭表示電流方向以及電流密度。此時，主結21以及其周圍區域的電路密度相對於第一區 242中的電流密度可忽略不計，主結21附近的高電流密度將被消除，避免了RB-IGBT關斷時主結髮射雪崩擊穿的問題，進而避免器件被燒毀。同時可以提高耐壓能力，提高了器件的安全工作範圍。

本申請實施例還提供了一種RB-IGBT的製作方法，參考圖3-圖6，圖3-圖6為本申請實施例提供的一種RB-IGBT的製作方法的流程示意圖，該製作方法包括：

步驟S11：如圖3所示，提供一襯底20，所述襯底20具有漂移區24；所述漂移區24包括：第一區241；包圍所述第一區241的第二區242；以及包圍所述第二區242的第三區243。

可以直接採用N-襯底。此時，第一區241、第二區242以及第三區243均為N-區。

步驟S12：如圖4所示，在所述襯底20內形成主結21以及隔離區22；所述主結21位於襯底20對應所述第二區242的上表面內，所述主結21包圍所述第一區241；所述隔離區22位於所述第三區243內。

本實施例附圖是襯底20的切面圖。主結21以及隔離區22均為環形結構。可以採用對應的掩膜板，通過P型離子摻雜，在襯底的設定區域內形成P+的主結21以及P+的隔離區22。其中，隔離區22的深度大於主結的深度。隔離區22以及主結21的深度根據器件規格設定，在此不做限定。

步驟S13：在所述襯底對應所述第一區241的上表面內形成IGBT元胞。

第一區241為襯底20上表面中心區域的元胞區，設有多個IGBT元胞，IGBT元胞根據設計要求電連接。IGBT元胞結構與現有結構相同，在此不再贅述。

步驟S14：如圖5所示，在所述襯底20下表面內形成集電區14。

可以直接對襯底20的下表面進行P型離子摻雜，形成一定厚度的P+的集電區14。集電區14與隔離區22電連接。

步驟S15：如圖6所示，對所述第二區242進行載流子壽命控制，使得所述第二區242的載流子壽命小於所述第一區241的載流子壽命。最終形成的RB-IGBT結構與圖2所示結構相同。

所述對所述第二區進行載流子壽命控制包括：對所述襯底20的上表面對應所述第二區242的位置進行離子輻照，降低所述第二區242的載流子壽命。如圖6中箭頭所示，可以採用高能粒子束，並通過對應的掩膜板對第二區242進行離子輻照，以降低第二區242的載流子壽命。

在經過所述離子輻照後，該製作方法還包括：通過退火工藝調節所述第二區的載流子壽命。退火工藝可以減弱或是消除離子輻照對漂移區載流子壽命的影響。通過退火工藝與離子輻照工藝配合可以調節第二區242載流子壽命在設定的數值範圍。設置所述第二區242的載流子壽命不大於所述第一區241的載流子壽命的百分之十，以使得第一區241能夠較好的降低主結21及其附近的電流密度。一般的，設置第二區242的載流子壽命為第一區241的載流子壽命的幾十分之一到十分之一。

本申請實施例所述RB-IGBT其製作工藝與現有RB-IGBT其製作工藝兼容，通過離子輻照對半導體元件進行壽命控制工藝成熟，加工難度小，成本低。所述製作方法不改變起勁結構，無需設計新的版圖，工藝簡單。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。