CN104282744A - 一种igbt器件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种IGBT器件结构，包括：集电极金属、P型集电极层、N型漂移区、P型环、交替排布并通过设置于N型漂移区中的沟槽栅结构相互隔离的至少一个P型体区及P型浮空区、N型发射区、绝缘层、位于所述P型体区上方的第一接触孔、发射极金属；所述IGBT器件结构还包括位于所述P型环上方的第二接触孔，所述P型浮空区两端与P型环连接，并通过P型环连接到发射极金属上。本发明的IGBT器件结构中，P型浮空区不是大面积连接到发射极金属，而是部分连接到发射极金属，其中，P型浮空区上面没有开接触孔，而是在器件边缘通过P型环连接到发射极金属上，从而更加灵活地调整Vcesat和Eoff的折中关系，在保证Vcesat不增大的前提下更好地优化IGBT器件的开关损耗。

Description

一种IGBT器件结构
技术领域
本发明属于半导体器件领域，涉及一种IGBT器件结构。
背景技术
半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域。以IGBT、VDMOS、CoolMOS为标志的MOS型半导体功率器件是当今电力电子领域器件的主流，其中，最具代表性的半导体功率器件当属IGBT。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是一种电压控制的MOS/BJT复合型器件。从结构上，IGBT的结构与VDMOS极为相似，只是将VDMOS的N+衬底调整为P+衬底，但是引入的电导调制效应克服了VDMOS本身固有的导通电阻与击穿电压的矛盾，从而使IGBT同时具有双极型功率晶体管和功率MOSFET的主要优点：输入阻抗高、输入驱动功率小、导通压降低、电流容量大、开关速度快等。正是由于IGBT独特的、不可取代的性能优势使其自推出实用型产品便在诸多领域得到广泛的应用，例如：新能源技术、以动车、高铁为代表的先进交通运输工具、混合动力汽车、办公自动化以及家用电器等领域。在倡导低碳环保的资源节约型社会需求下，IGBT作为高性能、高效率的开关控制元器件，得到更多的重视与发展，并且对安全性、可靠性、智能化提出了更高的要求。
为了进一步降低IGBT的导通压降，人们采用沟槽栅结构，形成沟槽栅IGBT。沟槽栅IGBT将沟道从横向变为纵向，消除了导通电阻中RJFET的影响。同时缩小了元胞尺寸，大大提高元胞密度，每个芯片的沟道总宽度增加，减小了沟道电阻。另一方面，由于多晶硅栅面积增大，减少了分布电阻，有利于提高开关速度。
IGBT的饱和压降(Vcesat)和抗冲击能力及耐压特性是衡量IGBT器件的几个重要指标。饱和压降是衡量IGBT产品导通损耗的重要参数，降低IGBT饱和压降可以有效降低IGBT功率损耗，减小产品发热，提高功率转换效率。耐压特性是产品的最重要参数之一，耐压不足可能导致IGBT器件使用时出现击穿烧毁的风险。IGBT产品抗冲击能力的主要体现之一就是产品抗短路能力，是体现产品可靠性的重要参数指标。
随着技术的发展，对IGBT的性能要求越来越高，如何更加灵活地调整饱和压降(Vcesat)与关断损耗(Eoff)的折中关系，在保证饱和压降不增大的前提下更好的优化开关损耗，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种IGBT器件结构，用于解决现有技术中不能灵活调整饱和压降与关断损耗的折中关系，开关损耗有待进一步优化的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种IGBT器件结构，包括：
集电极金属；
P型集电极层，结合于所述集电极金属上方；
N型漂移区，结合于所述P型集电极层上方；
P型环，形成于所述N型漂移区中，从所述N型漂移区正面向背面方向延伸，且延伸距离小于所述N型漂移区的厚度；
至少一个P型体区及至少一个P型浮空区，所述P型体区及P型浮空区位于所述P型环所围成的区域中，且在所述N型漂移区中交替排布；所述P型体区及P型浮空区通过设置于所述N型漂移区中的沟槽栅结构隔离；所述P型体区的深度小于所述沟槽栅结构的深度；
N型发射区，形成于所述P型体区上部两侧；
绝缘层，覆盖所述N型漂移区；
第一接触孔，位于所述P型体区上方且贯通所述绝缘层；
发射极金属，覆盖所述绝缘层并填充于所述第一接触孔中；
所述IGBT器件结构还包括：
第二接触孔，位于所述P型环上方并贯通所述绝缘层；所述发射极金属亦填充于所述第二接触孔内；所述P型浮空区两端与所述P型环连接，并通过所述P型环连接到所述发射极金属上。
可选地，所述P型浮空区的厚度等于所述P型体区的厚度。
可选地，所述P型浮空区与所述P型体区同步形成。
可选地，所述P型浮空区的厚度大于所述P型体区的厚度。
可选地，所述P型浮空区的厚度等于所述P型环的厚度。
可选地，所述P型浮空区与所述P型环同步形成。
可选地，一部分P型浮空区的厚度等于所述P型体区的厚度，其余的P型浮空区的厚度大于所述P型体区的厚度。
可选地，所述第二接触孔分立分布于所述P型体区及P型浮空区两端，并与所述第一接触孔相连。
可选地，所述P型体区两端均连接于所述P型环。
可选地，所述P型集电极层与所述N型漂移区之间形成有N型缓冲层。
如上所述，本发明的IGBT器件结构，具有以下有益效果：本发明的IGBT器件结构中，P型浮空区不是大面积连接到发射极金属，而是部分连接到发射极金属，其中，P型浮空区上面没有开接触孔，而是在器件边缘通过P型环连接到发射极金属上，从而实现：(1)不改变浮空型IGBT的基本结构，可以有效减小饱和压降、通态损耗；(2)与完全浮空型IGBT相比，可以更加灵活地调整饱和压降(Vcesat)和关断损耗(Eoff)的折中关系；因而，本发明可以在保证饱和压降不增大的前提下更好地优化IGBT器件的开关损耗，提高IGBT器件性能参数。
附图说明
图1显示为本发明的IGBT器件结构的剖视示意图。
图2显示为本发明的IGBT器件结构的俯视示意图。
图3显示为本发明的IGBT器件结构在实施例二中的剖视示意图
图4显示为本发明的IGBT器件结构在实施例三中的剖视示意图
元件标号说明
1     集电极金属
2     P型集电极层
3     N型漂移区
4     P型环
5     P型体区
6     P型浮空区
7     沟槽栅结构
8     N型发射区
9     绝缘层
10    第一接触孔
11    发射极金属
12    第二接触孔
13    N型缓冲层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种IGBT器件结构，请参阅图1及图2，分别显示为该IGBT器件结构的剖视图及俯视图，如图所示，该IGBT器件结构包括：
集电极金属1；
P型集电极层2，结合于所述集电极金属1上方；
N型漂移区3，结合于所述P型集电极层2上方；
P型环4，形成于所述N型漂移区3中，从所述N型漂移区3正面向背面方向延伸，且延伸距离小于所述N型漂移区3的厚度；
至少一个P型体区5及至少一个P型浮空区6，所述P型体区5及P型浮空区6位于所述P型环4所围成的区域中，且在所述N型漂移区3中交替排布；所述P型体区5及P型浮空区6通过设置于所述N型漂移区3中的沟槽栅结构7隔离；所述P型体区5的深度小于所述沟槽栅结构7的深度；
N型发射区8，形成于所述P型体区5上部两侧；
绝缘层9，覆盖所述N型漂移区3；
第一接触孔10，位于所述P型体区5上方且贯通所述绝缘层9；
发射极金属11，覆盖所述绝缘层9并填充于所述第一接触孔11中；
所述IGBT器件结构还包括：
第二接触孔12，位于所述P型环4上方并贯通所述绝缘层9；所述发射极金属11亦填充于所述第二接触孔12内；所述P型浮空区6两端与所述P型环4连接，并通过所述P型环4连接到所述发射极金属11上。
具体的，所述沟槽栅结构7包括从所述N型漂移区3正面向背面方向延伸的沟槽，形成于沟槽内壁上的栅氧化层，及填充于所述沟槽内的多晶硅栅极，所述沟槽的延伸距离小于所述N型漂移区3的厚度。
具体的，于所述P型体区5中，所述N型发射区8位于所述P型体区5上部两侧，并与所述栅极结构的栅氧化层外壁接触。所述N型发射区8为N型重掺杂(N+)，所述发射极金属11通过所述第一接触孔10与所述P型体区5及所述N型发射区8欧姆接触。
如图2所示，本实施例中，所述第二接触孔12分立分布于所述P型体区5及P型浮空区6两端，并与所述第一接触孔10相连。即所述P型环4一对相对的侧边上具有所述第二接触孔12，而另外一对相对的侧边上无所述第二接触孔。
由于所述P型浮空区6两端与所述P型环4连接，因此，所述P型浮空区6通过所述P型环4即可连接到所述发射极金属11上。需要指出的是，为了更好地显示所述第一接触孔10、第二接触孔12、P型体区5、P型浮空去6及P型环4相互之间的相对位置关系，图2中并未示出所述绝缘层9、N型发射区8、所述绝缘层9以上的发射极金属11及其它细节，此处不应过分限制本发明的保护范围。
特别的，所述P型浮空区6上面没有开接触孔，不与发射极金属直接连接，且所述P型浮空区6与所述P型体区5之间通过所述沟槽栅结构7隔离，因此本发明的IGBT器件结构并未改变浮空型IGBT的基本结构，当IGBT器件正向导通工作时，所述P型浮空区6下方的N型漂移区3中会产生空穴积累，形成电导调制效应，从而有效减小饱和压降Vcesat，降低通态损耗。另一方面，所述P型浮空区6在器件边缘通过所述P型环4连接到所述发射极金属11上，因此，本发明的IGBT器件结构与完全浮空型IGBT相比，又可以更加灵活地调整饱和压降(Vcesat)和关断损耗(Eoff)的折中关系，在保证饱和压降不增大的前提下更好地优化IGBT器件的开关损耗。
本实施例中，所述P型浮空区6的厚度大于所述P型体区5的厚度。所述P型浮空区6可以与所述P型环4同步形成，即在所述N型漂移区3中对P型环形成区域进行P型掺杂时，同时对P型浮空区形成区域进行P型掺杂。所述P型浮空区6的厚度可以等于所述P型环4的厚度，也可以略小于所述P形环4的厚度。
所述P型浮空区6的厚度大于所述P型体区5的厚度，可以平衡所述P型体区与所述P型浮空区6的耗尽层扩散速度，提高IGBT器件的耐压性能。
具体的，所述P型体区5的两端可以均连接于所述P型环4，也可以不连接于所述P型环4，本实施例中，如图2所示，所述P型体区5的两端优选为均连接于所述P型环4。
本发明的IGBT器件结构中，P型浮空区不是大面积连接到发射极金属，而是部分连接到发射极金属，其中，P型浮空区上面没有开接触孔，而是在器件边缘通过P型环连接到发射极金属上，从而实现：(1)不改变浮空型IGBT的基本结构，可以有效减小饱和压降、通态损耗；(2)与完全浮空型IGBT相比，可以更加灵活地调整饱和压降(Vcesat)和关断损耗(Eoff)的折中关系；因而，本发明可以在保证饱和压降不增大的前提下更好地优化IGBT器件的开关损耗。
实施例二
本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一中，所述P型浮空区6的厚度大于所述P型体区5的厚度，而本实施例中，所述P型浮空区6的厚度等于所述P型体区5的厚度。
请参阅图3，显示为本实施例中所述IGBT器件结构的剖视图，如图所示，所述P型浮空区6的厚度等于所述P型体区5的厚度。
具体的，所述P型浮空区6与所述P型体区5可以同步形成，即在所述N型漂移区3中对P型体区形成区域进行P型掺杂时，同时对P型浮空区形成区域进行P型掺杂。所述P型浮空区6与所述P型体区5的深度均小于所述沟槽栅结构7的深度。
实施例三
本实施例与实施例一及实施例二采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一中，所有P型浮空区6的厚度均大于所述P型体区5的厚度；实施例二中，所有P型浮空区6的厚度均等于所述P型体区5的厚度；而本实施例中，一部分P型浮空区6的厚度等于所述P型体区的厚度，其余的P型浮空区6的厚度大于所述P型体区5的厚度。
具体的，厚度较厚(大于所述P型体区5的厚度)的P型浮空区可以与P型环4同步形成，厚度较薄(等于所述P型体区5的厚度)的P型浮空区可以与所述P型体区5同步形成，即在所述N型漂移区3中对P型环形成区域进行P型掺杂时，同时对一部分P型浮空区形成区域进行P型掺杂，在所述N型漂移区3中对P型体区形成区域进行P型掺杂时，同时对剩余的P型浮空区形成区域进行P型掺杂。
本实施例中，可以进一步调整厚度较厚的P型浮空区与厚度较薄的P型浮空区的数量比及分布位置，从而更加灵活地调整饱和压降和关断损耗的折中关系，进一步提高IGBT器件性能参数。
实施例四
本实施例与实施例一、实施例二或实施例三采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一、实施例二及实施例三中，所述N型漂移区3直接结合于所述P型集电极层2，IGBT的纵向耐压结构为非穿通结构(NPT，Non-Punch through)，非穿通(NPT)技术基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数比较低。而本实施例中，所述P型集电极层2与所述N型漂移区3之间形成有N型缓冲层13。
所述N型缓冲层13的存在，使得IGBT器件的纵向耐压结构为软穿通结构(SPT，Soft-Punch Through，软穿通结构)。在漂移区和集电区之间存在缓冲层的穿通型IGBT可以在保证耐压的前提下，减少漂移区的厚度，并控制IGBT背表面的空穴注入效率，从而改善IGBT性能。
综上所述，本发明的IGBT器件结构，具有以下有益效果：本发明的IGBT器件结构中，P型浮空区不是大面积连接到发射极金属，而是部分连接到发射极金属，其中，P型浮空区上面没有开接触孔，而是在器件边缘通过P型环连接到发射极金属上，从而实现：(1)不改变浮空型IGBT的基本结构，可以有效减小饱和压降、通态损耗；(2)与完全浮空型IGBT相比，可以更加灵活地调整饱和压降(Vcesat)和关断损耗(Eoff)的折中关系；因而，本发明可以在保证饱和压降不增大的前提下更好地优化IGBT器件的开关损耗。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种IGBT器件结构，其特征在于，包括：
集电极金属；
P型集电极层，结合于所述集电极金属上方；
N型漂移区，结合于所述P型集电极层上方；
P型环，形成于所述N型漂移区中，从所述N型漂移区正面向背面方向延伸，且延伸距离小于所述N型漂移区的厚度；
至少一个P型体区及至少一个P型浮空区，所述P型体区及P型浮空区位于所述P型环所围成的区域中，且在所述N型漂移区中交替排布；所述P型体区及P型浮空区通过设置于所述N型漂移区中的沟槽栅结构隔离；所述P型体区的深度小于所述沟槽栅结构的深度；
N型发射区，形成于所述P型体区上部两侧；
绝缘层，覆盖所述N型漂移区；
第一接触孔，位于所述P型体区上方且贯通所述绝缘层；
发射极金属，覆盖所述绝缘层并填充于所述第一接触孔中；
其特征在于，所述IGBT器件结构还包括：
第二接触孔，位于所述P型环上方并贯通所述绝缘层；所述发射极金属亦填充于所述第二接触孔内；所述P型浮空区两端与所述P型环连接，并通过所述P型环连接到所述发射极金属上。
2.根据权利要求1所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述P型浮空区的厚度等于所述P型体区的厚度。
3.根据权利要求2所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述P型浮空区与所述P型体区同步形成。
4.根据权利要求1所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述P型浮空区的厚度大于所述P型体区的厚度。
5.根据权利要求4所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述P型浮空区的厚度等于所述P型环的厚度。
6.根据权利要求4或5所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述P型浮空区与所述P型环同步形成。
7.根据权利要求1所述的IGBT器件结构，其特征在于：一部分P型浮空区的厚度等于所述P型体区的厚度，其余的P型浮空区的厚度大于所述P型体区的厚度。
8.根据权利要求1所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述第二接触孔分立分布于所述P型体区及P型浮空区两端，并与所述第一接触孔相连。
9.根据权利要求1所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述P型体区两端均连接于所述P型环。
10.根据权利要求1所述的IGBT器件结构，其特征在于：所述P型集电极层与所述N型漂移区之间形成有N型缓冲层。
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