[发明专利]一种绝缘栅双极型晶体管

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件结构及其制备方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种新型的功率半导体器件。它既具有MOSFET的输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。因此，IGBT具有高压、大电流、高速的三大特点，这是其他功率器件所不能比拟的。IGBT作为功率开关管或功率输出管广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、三相电动机变频器、电焊机开关电源等产品中，现已成为电力电子领域的主流产品之一。

传统的IGBT器件结构如图1所示，由N⁺源区7、P型基区5/P⁺体区6、N^-漂移区4/N⁺缓冲区3和P⁺集电区2形成器件内部寄生晶闸管的PNPN四层结构，其等效电路如图2所示。这个寄生的PNPN四层晶闸管结构可以看做一个PNP晶体管和一个NPN晶体管的连接。当两个晶体管的共基极放大系数之和大于1，即α_NPN+α_PNP≥1时，就会触发IGBT内寄生晶闸管的开启，发生闩锁效应，使器件失去栅控能力，无法关断，器件温度不断升高，形成正反馈，最终导致器件烧毁，限制了器件的工作温度和正向安全工作区。

提高IGBT器件可靠性的常用方法是，采用自对准工艺形成P⁺体区6以减小P型基区5中横向电阻和寄生NPN晶体管共基极放大系数，但是P⁺体区6的注入剂量和能量都不能很大。注入能量过大，多晶硅栅电极10和栅氧9的掩蔽作用可能失效；由于采用自对准工艺进行注入，注入剂量过大，可能导致P⁺体区6向沟道区扩展严重，将严重影响器件的阈值电压和开启能量。这也限制了这种方法对器件可靠性的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗闩锁效应的绝缘栅双机型晶体管，在不影响器件正向导通特性的前提下，使器件具有较高的可靠性。

本发明的核心思想是在传统绝缘栅双击型晶体管的P⁺体区6中引入带有受主能级的深能级杂质12，如图3所示。这些深能级杂质12的杂质能级位于导带底以下0.15eV，在常温下电离率比较低，对器件的阈值电压影响非常小。当器件工作在大电流下，器件温度升高，上述深能级杂质12的电离率将得到大幅提高，相当于提高了P⁺体区6的有效掺杂水平，提高了IGBT器件中寄生NPNP晶闸管结构中NPN管基区有效掺杂浓度，降低了NPN管发射极注入效率γ，进而降低NPN管共基极放大系数α_NPN，可避免因α_NPN+α_PNP≥1而使器件寄生的晶闸管开启，器件因失去栅控能力无法关断而最终烧毁。由于常温下P⁺体区6有效掺杂浓度与传统IGBT器件相差很小，对器件正向导通特性基本没有影响，但增大了器件的正向安全工作区，使得器件的可靠性得到提高。

本发明技术方案如下：

一种绝缘栅双极型晶体管，其结构如图3、4所示，包括金属化集电极1、P型集电区2、N⁺缓冲层3、N^-漂移区4、P⁺体区6、P型基区5、N⁺源区7、二氧化硅栅氧化层8、多晶硅栅电极9、二氧化硅场氧化层10、金属化发射极11；金属化集电极1位于P型集电区2的背面，N⁺缓冲层3位于P型集电区2的正面，且上方同N^-漂移区4相连；N⁺源区7和P⁺体区6二者并排位于金属化发射极12下方、且与金属化发射极12相连，其中P⁺体区6下方与N^-漂移区4直接相连，N⁺源区7同N^-漂移区4之间隔着P型基区5；N^-漂移区4、P型基区5和N⁺源区7三者与多晶硅栅电极9之间隔着二氧化硅栅氧化层8，多晶硅栅电极9与金属化发射极11之间隔着二氧化硅场氧化层10；所述P⁺体区6中引入了带有受主能级的深能级杂质12。

所述带有受主能级的深能级杂质12的杂质能级位于导带底以下0.15eV，以保证在常温下深能级施主杂质的电离率非常低，对器件常温下的阈值电压影响很小。