[发明专利]一种具备栅极自钳位功能的三维IGBT及其制造方法

说明书

本发明属于功率半导体技术领域，具体的说是涉及一种具备栅极自钳位功能的三维IGBT及其制造方法。本发明结构与常规IGBT相比，阴极金属通过第一P型阱区、第三P型阱区与第二P型阱区连接，且栅极金属与部分第二N型阱区上表面接触，从而在本发明结构中引入了寄生二极管结构，包括第二N型阱区与第二P型阱区构成的PN结，栅极金属与第二N型阱区上表面接触的部分作为寄生二极管的阴极，阴极金属与P型阱区接触的部分作为寄生二极管的阳极。本发明的结构避免了IGBT器件应用高频变换器时栅电压震荡导致器件误开启甚至击穿器件栅电容而使器件失效，以及静电放电时因栅介质击穿导致的器件失效的问题。

技术领域

本发明属于功率半导体技术领域，具体的说是涉及一种具备栅极自钳位功能的三维IGBT及其制造方法。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT经常使用开关变换器中，但由于IGBT结构内部具有寄生电容和寄生电感，以及用于与变换器其他元件连接的引脚和导线产生的寄生电感，在工作时常常会在其栅-源电压上出现高频振荡。这种高频振荡使导致IGBT失效的一个重要原因：如果电压振荡幅度足够大，会导致器件关闭状态期间周期性地误开启甚至击穿器件栅电容导致器件失效。当多个IGBT并联时，单个器件的震荡可能会引起周围其他器件的震荡，导致更多的器件的失效。

同时，半导体器件在生产、组装、运输等过程中，常常会受到静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)的影响。随着技术的发展，电子系统的小型化使ESD带来的危害尤为突出，因此ESD防护仍是如今的研究热点。ESD现象发生时通常会在很短的时间内产生较大的电流(电压)，对于集成了MOS结构的IGBT而言，该电流(电压)直接加到栅上会导致栅氧化层的击穿，引起器件及系统失效。

发明内容

本发明的目的，就是为了避免了IGBT器件应用高频变换器时栅电压震荡误开启甚至击穿器件栅电容导致器件失效，以及静电放电时因栅介质击穿导致的器件失效的问题。

本发明的技术方案：一种具备栅极自钳位功能的三维IGBT，其元胞结构包括由阳极9和位于阳极9底部的阳极金属10构成的阳极结构、位于阳极结构顶部的漂移区1、位于漂移区1左侧寄生二极管结构以及顶部右侧的栅极结构与阴极结构；所述N型漂移区1顶部右侧具有第一P型阱区21，所述第一P型阱区21上层具有第一N型阱区51，第二N型阱区52；其特征在于，所述阴极结构包括阴极金属7；所述阴极金属7与部分第一P型阱区21的上表面、部分第一N型阱区51的上表面接触；所述N型漂移区1顶部左侧具有第二P型阱区22，所述第二P型阱区22上层具有第二N型阱区52；其特征在于，第二P型阱区22与第一P型阱区21通过中间的条形第三P型阱区23联通；所述栅极结构包括栅氧化层3、多晶硅4和栅极金属8；所述栅氧化层3的底部同时与N型漂移区1的上表面、部分第一P型阱区21的上表面、部分第一N型阱区51的上表面、全部第二P型阱区22、全部第三P型阱区23、部分第二N型阱区52接触；所述多晶硅4位于栅氧化层3上表面；所述栅极金属8与部分多晶硅4接触，同时延伸至远离阴极的左侧，并与部分第二N型阱区52上表面接触；所述栅氧化层3和多晶硅4与阴极金属7之间通过绝缘介质层6完全隔离；所述寄生二极管结构包括第二N型阱区52与第二P型阱区22构成的PN结，栅极金属8与第二N型阱区52上表面接触的部分作为寄生二极管的阴极，阴极金属7通过第一P型阱区21、第三P型阱区23与第二P型阱区22接触的部分作为寄生二极管的阳极。

一种具备栅极自钳位功能的三维IGBT的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：