[发明专利]用于绝缘栅双极晶体管的防闩锁终端区

说明书

技术领域

本发明涉及功率器件的终端结构，特别涉及用于绝缘栅双极晶体管的防闩锁终端区，更进一步本发明更适用于逆导型绝缘栅双极晶体管。

背景技术

绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是新型的大功率器件，集MOSFET栅极电压控制特性和双极型晶体管低导通电阻特性于一身，改善了器件耐压和导通电阻相互牵制的情况，具有高电压、大电流、高频率、功率集成密度高、输入阻抗大、导通电阻小、开关损耗低等优点。在变频家电、工业控制、电动及混合动力汽车、新能源、智能电网等诸多领域获得了广泛的应用空间。近年来不断发展的逆导IGBT（RC-IGBT，Reverse Conducting IGBT）以其可以降低损耗、提高系统效率，减小大功率系统中器件并联的数目，减小热沉大小等优点逐渐占有一定市场，并不断发展壮大，其集电极不是连续的P+区，而是部分地引入一些N+短路区。

IGBT终端区是围绕器件有源区外围的保护结构，主要形成于功率器件正表面，是保证耐压的区域。根据工作的原理可以分为电场延伸型和电场截断型：电场延伸型，在主结边缘处设置延伸结构，将主结耗尽区向外展宽，降低内部电场强度提高击穿电压，用于平面工艺，如场板（FP)、阻性场板(SIPOS）、场限环(FGR)、结终端延伸（JTE)、横向变掺杂（VLD)等；电场截断型，刻蚀深槽，截断曲面结，影响表面电场分布，常用于台面或刻蚀工艺。优良的终端保护结构是功率器件（诸如功率二极管、功率MOS管、IGBT等）实现预定耐压的重要保障。

IGBT在版图的实现上，是由并联的元胞构成的有源区101（图中未给出具体的并联形式）、有源区外围一圈的终端区102（图中未设定特定的终端结构）、栅PAD103（图中未设定PAD103特定的位置，PAD是电极的压线盘）、源PAD104（图中未设定PAD特定的位置）等构成，如图1所示。

图2所示的是IGBT芯片终端和最靠近IGBT终端最外延的一圈元包的结构示意图。201为衬底结构，202为背面集电极，其掺杂类型与衬底区相反，203为IGBT元包的基区，其掺杂类型与衬底区的相反，204为IGBT元包的发射极，其掺杂类型与衬底区的相同，205为IGBT芯片场限环终端的场限环，其掺杂类型与衬底相反，206为覆盖终端区域的氧化层或称为钝化层，207为连接背面集电极的金属电极，208为连接正面发射极的金属电极。

以N型沟道的IGBT元包为例，图3为其所示的等效结构图。IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生NPNP晶闸管，可以等效成NPN晶体管和PNP晶体管组成的正反馈电路，其等效电路如图3所示。当N+层与P型层接触面上存在横向流动的空穴电流时，NPN晶闸管就很容易导通。NPN晶体管导通时，NPN管和PNP管会形成一个互相反馈的回路，使集电极与发射极之间的电流增加，最终导致栅极对器件电流的控制能力下降甚至消失，通常还会引起器件击穿问题。这种晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，这一特殊现象严重地限制了IGBT的安全工作区。

图4是一个RC-IGBT的元包结构。401为衬底结构，403为IGBT元包的基区，其掺杂类型与衬底区的相反，404为IGBT元包的发射极，其掺杂类型与衬底区的相同，306为覆盖终端区域的氧化层或称为钝化层，这些正面结构与常规的IGBT相同。对比图2中的元包结构和图4中的元包结构的背面可以发现，对于RC-IGBT的背面集电极，其由与衬底401掺杂浓度相同（图中402B）和相反（图中402A）的两种结构组成的，407为连接背面集电极的金属电极。

专利JP2005136092-A提供的技术方案，其终端区域所对应的P型基区的掺杂浓度小于有源区所对应的P型基区的掺杂浓度。该方案在背面采用多一层掩膜版形成终端区域的低掺杂的P型集电极，但是该层仍为P型区，仍然会在关断时向终端区域的耗尽区注入大量的空穴，对器件抗闩锁能力的改进有限。

专利JP2005142288-A提供的技术方案，其终端所对应的P型基区被绝缘层代替，有源区对应的仍为P型基区。该方案在背面首先采用一层掩膜版刻蚀掉终端区所对应芯片背面的半导体材料，然后淀积绝缘物质，进一步再采用一层掩膜版对绝缘物质进行刻蚀，形成P型集电极的注入窗口，随后通过注入窗口进行P型注入，形成P型集电极。该方案虽然能够达到提高器件抗闩锁能力，但是在背面需要两个掩膜版，增加了工艺制作难度的同时提高了器件的制作成本。

发明内容