CN104091826A - 一种沟槽隔离igbt器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体器件技术领域，公开了一种沟槽隔离IGBT器件，包括：P型有源基区、沟槽栅电极、P型冗余基区、隔离沟槽以及P型主结；所述P型有源基区包括：N+源区和P型基区；所述P型冗余基区包括：第二P型基区；所述P型主结包括：P+基板；所述P型冗余基区设置在两个所述P型有源基区之间；两个相邻的所述P型有源基区和所述P型冗余基区之间设置所述沟槽栅电极；所述P型冗余基区与所述P型主结之间设置隔离沟槽。本发明提供的沟槽隔离IGBT器件通过设置P型冗余基区能够增强对空穴的阻挡作用，维持等离子体浓度，降低导通压降，从而优化导通电压和关断损耗的折衷特性。

Description

一种沟槽隔离IGBT器件
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，特别涉及一种沟槽隔离IGBT器件。
背景技术
绝缘栅双极晶体管IGBT作为功率开关被广泛应用到电力电子系统中。导通压降和关断损耗是影响IGBT在工作状态下的关键参数。导通压降越低，则IGBT在导通状态下的功率损耗越小。关断时间越小，则IGBT从导通到关断的切换过程中的功率损耗越低。参见图1，在导通状态下，载流子从正面的MOS沟道和背面集电极注入并在IGBT的N-基区形成大量的载流子：电子和空穴，该区域为电中性；从而降低基区的电阻进而使其导通压降降低。另一方面，在从导通到关断的切换过程中，电场从P基区/N-基区界面处向N-基区延伸，同时N-基区存储的载流子被完全移除，通过减小基区的宽度或者降低基区中的载流子浓度可以降低关断时间。
在导通状态下，注入的电子和空穴在IGBT的N-基区形成大量的等离子体。由于正面PNP晶体管集电极对空穴的抽取作用，因此在导通状态下N-基区靠近正面一侧的等离子体浓度小于靠近背面一侧的等离子体浓度。等离子体浓度的降低导致靠近正面一侧的N-基区上会有很大压降，因此增大了IGBT的导通电压。另一方便，在关断过程中，靠近正面一侧的N-基区的等离子体被反偏PN结内的电场移出，因此该等离子体浓度不会影响关断时间；因此，IGBT的导通电压和关断损耗折衷特性势必受到影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够维持N-基区等离子体浓度，进而优化IGBT的导通电压和关断损耗折衷特性的IGBT器件结构。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种沟槽隔离IGBT器件，包括：P型有源基区、沟槽栅电极、P型冗余基区、隔离沟槽以及P型主结；所述P型有源基区包括：N+源区和P型基区；所述P型冗余基区包括：第二P型基区；所述P型主结包括：P+基板；所述P型冗余基区设置在两个所述P型有源基区之间；两个相邻的所述P型有源基区和所述P型冗余基区之间设置所述沟槽栅电极；所述P型冗余基区与所述P型主结之间设置隔离沟槽。
进一步地，所述P型冗余基区与所述P型有源基区连接关系为直接相连、或者通过大电阻，二极管相连、或者直接浮空。
进一步地，所述隔离沟槽设置在所述P型有源基区与所述P型主结之间。
进一步地，所述隔离沟槽设置在两个所述沟槽栅电极之间。
进一步地，所述隔离沟槽的数量为至少一条。
进一步地，所述P型冗余基区的宽度大于P型有源基区的宽度。
进一步地，所述隔离沟槽的宽度为栅电极沟槽的宽度的1～6倍。
进一步地，所述隔离沟槽的深度大于或等于栅电极的沟槽深度。
本发明提供的沟槽隔离IGBT器件通过P型冗余基区阻挡空穴移动，进而维持等离子体浓度，从而降低导通压降，进而优化IGBT的导通电压和关断损耗折衷特性。
附图说明
图1为N沟道IGBT结构示意图；
图2为本发明实施例提供的IGBT器件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的IGBT器件沟槽完全隔离结构示意图；
图4为本发明实施例提供的IGBT器件部分沟槽隔离结构示意图。
具体实施方式
参见图2，本发明实施例提供的一种沟槽隔离IGBT器件，包括：P型有源基区、沟槽栅电极、P型冗余基区、隔离沟槽以及P型主结；P型有源基区包括：N+源区和P型基区；P型冗余基区包括：第二P型基区；P型主结包括：P+基板；P型冗余基区设置在两个P型有源基区之间，起到阻挡空穴移动，维持N-基区的等离子体浓度，从而降低导通压降；两个相邻的P型有源基区和P型冗余基区之间设置沟槽栅电极；P型冗余基区与P型主结之间设置隔离沟槽。
在电学连接上，P型冗余基区与P型有源基区直接相连、或者通过大电阻,二极管相连、或者直接浮空。均能一定程度上阻挡空穴移动，其中，直接浮空作用最为明显，增大等离子体浓度，进而降低导通压降。
参见图3，隔离沟槽设置在所述P型有源基区与所述P型主结之间，通过隔离沟槽把P型主结区域和原胞区域完全隔离，此时原胞区域和主结(终端)区域在电学上是完全隔离的。
参见图4，隔离沟槽只是把P型冗余基区和主结区域隔离开来，以此实现P型冗余基区的电学浮空。
隔离沟槽的数量为至少一条；根据实际需要，可以设置多条隔离沟槽，只要能够满足衬底区域PN结的隔离即可。
IGBT器件的的饱和电流和短路电流与沟道宽度有关，本实施例的沟道宽度更小，因此其可靠性更高；在原胞尺寸确定条件下，P型冗余基区和P型有源基区的宽度比值可以随意调节，从而可以增加设计的自由度。优选的，P型冗余基区的宽度大于P型有源基区的宽度。
当隔离沟槽的宽度变小后，其底部的电场会更加集中，因此此处更容易发生击穿。当隔离沟槽的宽度增大后，器件栅极和漏极的寄生电容增大，因此动态特性也会变差。一般的，取隔离沟槽的宽度为栅沟槽的1倍到6倍之间。当采用两条以上的隔离沟槽时，相邻的隔离之间的距离的最小值受器件制备工艺的限制，一般情况下大于沟槽的宽度。
隔离沟槽的深度一般要求大于等于栅极沟槽的深度。
参见图1，常规的沟槽型IGBT的器件，当在器件的栅极施加一个较大电压后，IGBT的正面MOS沟道导通，当在漏极施加一个电压后，电子从N+发射极经过沟道注入到N-基区中，空穴从P+集电极注入到N-基区中，从而在基区形成等离子体。等离子体浓度大小直接影响导通压降的大小。另一方面，由于正面P基区/N-基区PN结反偏，该反偏的PN结是寄生PNP晶体管的一部分，因此在靠近正面的N-基区，等离子体被反偏的PN结抽取，因此其浓度较低，进而导致这一部分的导通压降较大。
本发明实施例提出的一种新型的沟槽型IGBT器件，定义N+源极/P基区对应区域为P型有源基区，只有P型基区的区域为P型冗余基区。与常规的沟槽型IGBT相比，本发明实施例提出的结构在电学连接上，P型冗余基区可以和P型有源基区连接在一起，也可以通过一个大的电阻和P型基区连接在一起，或者直接浮空。理论的分析的表明，直接浮空时P型冗余基区起到空穴阻挡层的作用最为明显，因此对导通压降的改善最为明显。在器件特性上，这种方法可以增大N-基区的等离子体的浓度，从而优化IGBT的导通电压和关断损耗的折衷特性。
IGBT的导通压降Vce主要有如下三部分组成：MOS沟道区域导通压降Vmos，背面PN结压降Vpn和N-基区的压降Vpin。其中，Vce＝Vmos+Vpn+Vpin；在一定的原胞宽度范围内，N-基区的压降Vpin起主要作用，本实施例通过设置P型冗余基区，在阻挡空穴移动，增强N-基区的等离子浓度，从而降低导通压降，因此本实施例提出的IGBT器件结构的导通压降Vce更低。
本发明提供的沟槽隔离IGBT器件通过P型冗余基区阻挡空穴移动，进而维持等离子体浓度，从而降低导通压降，进而优化IGBT的导通电压和关断损耗折衷特性。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种沟槽隔离IGBT器件，其特征在于，包括：P型有源基区、沟槽栅电极、P型冗余基区、隔离沟槽以及P型主结；所述P型有源基区包括：N+源区和P型基区；所述P型冗余基区包括：第二P型基区；所述P型主结包括：P+基板；所述P型冗余基区设置在两个所述P型有源基区之间；两个相邻的所述P型有源基区和所述P型冗余基区之间设置所述沟槽栅电极；所述P型冗余基区与所述P型主结之间设置隔离沟槽。
2.如权利要求1所述的沟槽隔离IGBT器件，其特征在于：所述P型冗余基区与所述P型有源基区连接关系为直接相连、或者通过大电阻或者通过二极管相连、或者直接浮空。
3.如权利要求1所述的沟槽隔离IGBT器件，其特征在于：所述隔离沟槽设置在所述P型有源基区与所述P型主结之间。
4.如权利要求1所述的沟槽隔离IGBT器件，其特征在于：所述隔离沟槽设置在两个所述沟槽栅电极之间。
5.如权利要求3或4所述沟槽隔离IGBT器件，其特征在于：所述隔离沟槽的数量为至少一条。
6.如权利要求1～5任一项所述的沟槽隔离IGBT器件，其特征在于：所述P型冗余基区的宽度大于P型有源基区的宽度。
7.如权利要求6所述的沟槽隔离IGBT器件，其特征在于：所述隔离沟槽的宽度为栅电极沟槽的宽度的1～6倍。
8.如权利要求7所述的沟槽隔离IGBT器件，其特征在于：所述隔离沟槽的深度大于或等于栅电极的沟槽深度。
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