一种RC-IGBT元胞的制备方法及RC-IGBT芯片与流程

一种rc-igbt元胞的制备方法及rc-igbt芯片
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别地涉及一种rc-igbt元胞的制备方法及rc-igbt芯片。


背景技术：

2.逆导型绝缘栅双极型晶体管(rc-igbt，reverse conducting-insulated gate bipolar transistor)模块中由于芯片内部集成了反并联的快恢复二极管(frd，fast recovery diode)可以大大提高模块的功率水平。rc-igbt具有正向导通和反向导通的能力，正向导通时，rc-igbt工作在igbt模式，反向导通时，器件工作在frd模式。
3.一般igbt模块工作时，会采用一种的优化的栅控方式以获得最低的功率损耗。即为器件的低压侧和高压侧分别提供相反的栅压信号，而且必须需要一个消隐时间以确保两个开关不能同时导通，以免造成器件短路。而对于rc-igbt，当其工作在frd模式时，器件栅极需要接地的或者负的栅压信号以保证低frd通态损耗，因为正栅压会引起mos沟道反型与p阱(即frd阳极)短路，从而大大降低frd阳极空穴注入效率，frd正向导通时导通压降(vf，forward or voltage)大大增大。即rc-igbt工作在frd模式时，正栅压下和负栅压的frd的导通压降vf不同，正栅压下vf的较负栅压下大，这会导致正栅压下frd的损耗增大，这种正负栅压下vf不同的现象我们称之为vf-shift。
4.相关技术中，为了解决vf-shift较大的问题，是从外部着手，优化栅极的控制信号。在二极管工作初期单极导通时，虽然存在vf较大的问题，但是关断时无反向恢复过程，因此反向恢复损耗极小；在二极管发生电导调制效应之后，虽然vf较大，但是反向恢复损耗也增大了。驱动控制信号的优化原理如图1所示，在模块续流阶段的二极管工作时，驱动给栅极一个负栅压，不让沟道导通，让二极管直接进入双极工作模式；在器件快要续流结束时，提前将栅压变成正栅压，使得沟道打开，p区空穴注入效率降低，漂移区空穴减少，在igbt开启时，二极管的反向恢复损耗大大降低。这种方法能从一定程度上解决逆导igbt的vf-shift过大的问题，但是对驱动器提出了更高的要求。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
5.需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本技术提供了一种rc-igbt元胞的制备方法及rc-igbt芯片。
7.本技术首先提供了一种rc-igbt元胞的制备方法，该方法包括：
8.对半导体基板进行处理并在其上形成由氧化层和多晶硅组成的栅极；
9.在所述栅极的中部刻蚀出多个孔洞区；
10.通过一具有预设结构的光刻版在所述孔洞区进行n 发射极的注入，其中注入有所述n 发射极的区域为igbt区，未注入所述n 发射极的区域为frd区。
11.在一些实施例中，每一个所述孔洞区均包括第一刻开区和分布在所述第一刻开区周围的第二刻开区。
12.在一些实施例中，所述孔洞区的数目至少为两个。
13.在一些实施例中，所述光刻版包括：板体以及设置在板体上的多个孔体；
14.其中，各所述孔体沿着所述栅极的长度方向依次排列，且所述孔体的位置与所述igbt区的位置一一对应。
15.在一些实施例中，在进行所述n 发射极的注入时，使得所述光刻版的每一个孔体的位置分别与一个所述孔洞区相对应，且各所述孔体的孔径均小于其所对应的所述孔洞区的长度，各所述孔体之间的间距位置对应于前一孔洞区的尾部和后一孔洞区的首部，首尾孔体到所述光刻版边沿的位置分别与一个孔洞区的首部或尾部相对应。
16.在一些实施例中，在进行所述n 发射极的注入时，使得所述光刻版的每一个孔体的位置分别与一个或多个完整的孔洞区相对应，各所述孔体之间的间距位置分别与一个或多个完整的孔洞区相对应，首尾孔体到所述光刻版边沿的位置也分别与一个或多个完整的孔洞区相对应。
17.在一些实施例中，在进行所述n 发射极的注入时，使得所述光刻版的每一个孔体的位置分别与一个所述孔洞区的中部相对应，各所述孔体之间的间距包括第一间距和第二间距，其中，所述第一间距的位置对应于前一孔洞区的尾部和后一孔洞区的首部，所述第二间距的位置对应于一个完整的孔洞区以及与该孔洞区前后相邻的孔洞区的首部和尾部，首尾孔体到所述光刻版边沿的位置分别与一个孔洞区的首部或尾部相对应。
18.在一些实施例中，所述元胞的总长度范围为10-1000μm。
19.在一些实施例中，所述元胞的总长度范围为1-100μm。
20.本技术实施例还提供了一种rc-igbt芯片，基于上述任一项实施例方法制得的rc-igbt元胞，以阵列形式布设在所述芯片的有源区。
21.本技术提供的一种rc-igbt元胞的制备方法及rc-igbt芯片，通过在栅极的中部刻蚀出多个孔洞区，并利用有预设结构的光刻版在孔洞区合理布局n 发射极的位置，让没有被沟道短路的二极管部分率先进入电导调制状态，能有效降低vf，优化了vf-shift。
附图说明
22.在下文中将基于实施例并参考附图来对本技术进行更详细的描述。
23.图1为本技术背景技术中提供的一种现有技术的驱动控制信号优化原理示意图；
24.图2为本技术实施例提供的一种rc-igbt元胞的制备方法的实现流程示意图；
25.图3为本技术实施例提供的一种分隔式条形栅极元胞平面示意图；
26.图4为本技术实施例提供的一种光刻版与分隔式条形栅极元胞的位置示意图；
27.图5为本技术实施例提供的又一种光刻版与分隔式条形栅极元胞的位置示意图；
28.图6为本技术实施例提供的另一种光刻版与分隔式条形栅极元胞的位置示意图；
29.图7为本技术实施例提供的一种rc-igbt元胞阵列平面示意图。
30.附图标记：100、有源区；200、栅极；300、孔洞区；400、第一刻开区；500、第二刻开区；600、光刻版；610、孔体；620、孔体之间的间距；630、孔体离光刻版边沿的部分。
31.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
32.以下将结合附图及实施例来详细说明本公开的实施方式，借此对本公开如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本公开实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本公开的保护范围之内。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
33.应理解，尽管可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本公开教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
34.应理解，空间关系术语例如“在...上方”、位于...上方”、“在...下方”、“位于...下方”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下方”的元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下方”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
35.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本公开的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
36.这里参考作为本公开的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述本公开的实施例。这样，可以预期由于例如制备技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制备导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本公开的范围。
37.在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
38.为了彻底理解本公开，将在下列的描述中提出详细的结构以及步骤，以便阐释本公开提出的技术方案。本公开的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本公开还可以具有其他实施方式。
39.本公开实施例提供了一种rc-igbt元胞的制备方法，参考图2所示，该方法包括步骤s1-s3。其中：
40.步骤s1，对半导体基板进行处理并在其上形成由氧化层和多晶硅组成的栅极；
41.步骤s2，在所述栅极的中部刻蚀出多个孔洞区；
42.步骤s3，通过一具有预设结构的光刻版在所述孔洞区进行n 发射极的注入，其中注入有所述n 发射极的区域为igbt区，未注入所述n 发射极的区域为frd区。
43.本技术提供的一种rc-igbt元胞的制备方法，通过在栅极的中部刻蚀出多个孔洞区，并利用有预设结构的光刻版在孔洞区合理布局n 发射极的位置，让没有被沟道短路的二极管部分率先进入电导调制状态，能有效降低vf，优化了vf-shift。
44.下面，将参考图2至图6对本技术提供的一种rc-igbt元胞的制备方法进行详细的描述。
45.对于步骤s1，在一个实施例中，可采用n型单晶硅材料或n型外延硅材料作为半导体基板的材料，并且充当rc-igbt元胞的漂移区。根据现有的制作方法在漂移区上经过刻蚀有源区100、淀积氧化层、p-body注入并推结等步骤之后，在上述生成的结构的表面再沉积一层多晶硅或者沉积多晶硅并掺杂形成n型多晶硅。例如，在一个具体的实施例中，可通过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1-2μm，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。最终形成由氧化层和多晶硅组成的栅极200。
46.对于步骤s2，在一个实施例中，参考图3所示，可以通过对所述栅极200的光刻和刻蚀在所述栅极200上形成至少两个孔洞区300。如此，相比于只有中间一个孔洞区的结构来说，多个孔洞区300之间的间隙部分仍然有栅极，在信号传递的过程中，有利于信号同时到达孔洞区300上下两侧的栅极中，可以起到增强栅极信号一致性的效果。
47.当然，本公开对孔洞区300的数目并不做限制，在一个实施例中，一个栅极200上可以只形成2个孔洞区300。在另一个实施例中，一个栅极200上也可以形成3、4、5或更多个孔洞区300，这些结构相对于单个的孔洞区来说，均起到了增强栅极信号一致性的效果。
48.在一个实施例中，如图3所示，上述每一个孔洞区300均包括一个第一刻开区400以及分布在该第一刻开区400周围的第二刻开区500。具体的，第一刻开区400是刻蚀到裸硅的孔洞，而第二刻开区500则是刻蚀到多晶硅层的孔洞。刻蚀时，可使用同一张特定的光刻版，一次性形成第一刻开区400和第二刻开区500。
49.对于步骤s3，在一个实施例中，可事先设计好一具有预设结构的光刻版600，该光刻版600包括板体以及设置在该板体上的多个孔体610。具体的，光刻版600上的孔体610可以是圆形、矩形或其他形状，本公开对该孔体610的形状不做限制，只要能进行n 发射极的注入即可。在一个实施例中，光刻版600上各孔体610沿着所述栅极200的长度方向依次排列，且所述孔体610的位置与所述igbt区的位置一一对应。
50.如此一来，离子注入时可通过多个孔体610在各个孔洞区300进行n 发射极的注入。具体的，光刻版600上孔体610对应的孔洞区300所在的位置可以形成n 发射极，而光刻版600上孔体间隙以及光刻版600周边对应的孔洞区300的位置上则不会形成n 发射极。那么，没有n 发射极的区域在igbt工作模式时不流通，而能在frd工作模式时起到增强空穴注入的效果，同时不受栅极电压的影响，进而能有效降低vf，优化vf-shift。
51.在一个实施例中，n 发射极的注入离子为高能砷离子并高温推阱，例如，砷离子的注入剂量为1e15-8e15cm-2
，注入能量为80-120kev。
52.在一个实施例中，在进行所述n 发射极的注入时，使得光刻版600的每一个孔体
610的位置分别与一个孔洞区300相对应，且各孔体610的孔径均小于其所对应的孔洞区300的长度，各孔体之间的间距位置620对应于前一孔洞区300的尾部和后一孔洞区300的首部，首尾孔体到所述光刻版边沿的部分630分别与一个孔洞区300的首部或尾部相对应。在该种设计中，没有独立的frd区和igbt区，两种区域在同个环内相间分布。
53.例如，参考图4所示，图4中的分隔式条形栅极元胞有4个孔洞区300。在n 发射极的注入时，使用了有4个矩形孔体610的光刻版600，则光刻版600上的4个孔体610分别与4个孔洞区300的中部位置相对应，且该光刻版600中的每一个矩形孔体610沿栅极200长度方向的边长都小于其所对应的孔洞区300的长度。而4个矩形孔体610之间的间距可以相等也可以不相等，只要这些间距所处的位置正好能覆盖前一孔洞区300的尾部和后一孔洞区300的首部即可。而图4中光刻版右侧边沿覆盖了最右端孔洞区300的右端部，而光刻版左侧边沿覆盖了最左端孔洞区300的左端部。当然，在拥有其他数量孔洞区300的分隔式条形栅极元胞，在进行该种设计的n 发射极的注入时，光刻版的结构类似，在此不再赘述。
54.在一个实施例中，在进行所述n 发射极的注入时，使得所述光刻版600的每一个孔体610的位置分别与一个或多个完整的孔洞区300相对应，各所述孔体之间的间距620位置分别与一个或多个完整的孔洞区300相对应，首尾孔体到所述光刻版边沿的部分630也分别与一个或多个完整的孔洞区300相对应。在该种设计中，设有独立的frd区和igbt区，且两种区域连续分布。
55.例如，参考图5所示，图5中的分隔式条形栅极元胞有4个孔洞区300。在n 发射极的注入时，使用了有1个矩形孔体610的光刻版600，则光刻版600上的1个孔体610分别与2个完整的孔洞区300相对应，该光刻版的右侧边沿覆盖了最右端的一个完整孔洞区300，而光刻版左侧边沿覆盖了最左端的一个完整孔洞区300。当然，在其他实施例中，光刻版600上的孔体610也可以只与1个完整的孔洞区300相对应，设计方法类似，不再赘述。
56.在一个实施例中，在进行所述n 发射极的注入时，使得所述光刻版600的每一个孔体610的位置分别与一个所述孔洞区300的中部相对应，各所述孔体之间的间距620包括第一间距和第二间距，其中，所述第一间距的位置对应于前一孔洞区300的尾部和后一孔洞区300的首部，所述第二间距的位置对应于一个完整的孔洞区300以及与该孔洞区300前后相邻的孔洞区300的首部和尾部，首尾孔体到所述光刻版边沿的部分630分别与一个孔洞区300的首部或尾部相对应。在该种设计中，设有独立的frd区和igbt区，且两种区域相间分布。
57.例如，参考图6所示，图6中的分隔式条形栅极元胞有4个孔洞区300。在n 发射极的注入时，使用了有3个矩形孔体610的光刻版600，光刻版600上的3个孔体610分别与其中的3个孔洞区300的中部位置相对应。在该光刻版600的结构中，3个矩形孔体610之间的间距并不相等，其中，从左到右第一个矩形孔和第二个矩形孔之间的间距较大，覆盖了一个完整的孔洞区300以及与该孔洞区300前后相邻的孔洞区300的尾部和首部，而从左到右第二个矩形孔和第三个矩形孔之间的间距较小，仅覆盖了前一孔洞区300的尾部和后一孔洞区300的首部。而图6中光刻版右侧边沿覆盖了最右端孔洞区300的右端部，而光刻版左侧边沿覆盖了最左端孔洞区300的左端部。当然，在拥有其他数量分隔条的分隔式条形栅极元胞，在进行该种设计的n 发射极的注入时，光刻版的结构类似，在此不再赘述。
58.在一个实施例中，为了进一步降低vf，可设计元胞的总长度范围为10-1000μm。
59.在一个实施例中，为了进一步降低vf，可设计元胞的总宽度范围为1-100μm。而孔洞区300之间的栅极宽度则应较小，以使多晶硅底下的相邻p沟道能够合到一起，从而不通电流。
60.本技术还提供了一种rc-igbt芯片，在该rc-igbt芯片中的rc-igbt元胞是以上述任一项实施例所述的方法制备而成的，并且，参考图7所示，多个rc-igbt元胞以阵列形式布设在该rc-igbt芯片的有源区。关于该rc-igbt芯片相关结构带来的技术效果与上述制备rc-igbt元胞时所述的效果一致，此处不再赘述。
61.综上，本技术提供的一种rc-igbt元胞的制备方法及rc-igbt芯片，通过对条形栅极分段，在元胞当中利用有预设结构的光刻版合理布局n 发射极的位置，让没有被沟道短路的二极管部分率先进入电导调制状态，能有效降低vf，优化了vf-shift。
62.以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。虽然本公开所公开的实施方式如上，但的内容只是为了便于理解本公开而采用的实施方式，并非用以限定本公开。任何本公开所属技术领域内的技术人员，在不脱离本公开所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本公开的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。