CN112750902A - 一种高抗短路能力的沟槽栅igbt - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT，从上到下依次为：发射极、介质层、N+源区、P‑阱区、N‑漂移区、N+缓冲层、P+集电极和集电极电极，其特征在于，介质层下还包括：两第一沟槽，每一第一沟槽内形成一第一栅极，两第一沟槽间设有偶数个第二沟槽，每一第二沟槽内形成一第二栅极；第一沟槽位于P‑阱区和N‑漂移区，第二沟槽位于N+源区和P‑阱区内，第二沟槽通过N+源区与第一沟槽相连接。本发明在两第一沟槽间设置偶数个第二沟槽，当第一栅极和第二栅极电压达到开启电压时，第二沟槽的侧壁和底部也形成电子导电通道，与第一沟槽的电子导电通道相连接，增加了总沟道的长度，提高了器件抗短路能力。

Description

一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT
技术领域
本发明涉及绝缘栅双极型晶体管技术领域，尤其涉及一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT。
背景技术
众所周知，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)被誉为电力电子装置的CPU，广泛应用于航空、军事、汽车、工业及家电等领域。IGBT本质上是一个电压控制型电子开关，通过控制栅极(G)电压信号来控制电流的导通和关断，具有开关速度快、开关损耗低、驱动电路简单等优点。
目前IGBT绝大多数产品均采用沟槽(trench)结构，相比平面栅IGBT，沟槽栅IGBT消除了寄生JFET效应，且沟槽IGBT的垂直结构省去了在硅表面上制作导电沟道的面积，更有利于设计紧凑的元胞。即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞，从而增加导电沟道的宽度，降低沟道电阻，有效的降低了器件整体的导通压降。但沟槽栅IGBT也有它的缺点。如图1所示，为现有技术中的常规沟槽栅IGBT结构，为了追求更低的饱和压降和损耗，沟槽栅IGBT的沟道密度做得越来越大，沟道密度的增加，在降低沟道电阻的同时，带来的负面影响是增加了饱和电流密度，从而降低了器件的短路耐受能力。
因此，现有技术具有缺陷，需要进行改进及完善。
发明内容
为解决以上存在的技术问题，本发明提供一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT。通过在主沟槽(第一沟槽)间之间挖浅沟槽(第二沟槽)，并在浅沟槽内采用与主沟槽相同的工艺形成多个第二栅极，其能够在几乎不影响其他性能参数的情况下，增加导电沟道的长度，降低了饱和电流密度，从而大大提高了器件的抗短路能力。
本发明的技术方案如下：本发明提供了一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT，从上到下依次为：发射极、介质层、N+源区、P-阱区、N-漂移区、N+缓冲层、P+集电极和集电极电极，其特征在于，所述介质层下还包括：两第一沟槽，每一所述第一沟槽内形成一第一栅极，两第一沟槽间设有偶数个第二沟槽，每一所述第二沟槽内形成一第二栅极；所述第一沟槽位于P-阱区和N-漂移区，所述第二沟槽位于N+源区和P-阱区内，所述第二沟槽通过所述N+源区与所述第一沟槽相连接。
进一步地，偶数个第二沟槽分别平均分布于所述发射极的接触孔的两边。
进一步地，所述第一栅极与所述第二栅极的结构相同，均包括填充于所述第一沟槽和第二沟槽内的多晶硅，和形成于所述第一沟槽和所述第二沟槽表面的栅氧层。
进一步地，所述第二沟槽的深度在N结界面上方1um-2um处。
进一步地，所述第二沟槽的宽度为0.4um-1um。
进一步地，两第一沟槽间设有2个第二沟槽。
进一步地，两第一沟槽间设有4个第二沟槽。
采用上述方案，本发明提供一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT，其具有以下有益效果：
(1)第二沟槽及第二栅极的设置，相对第一栅极来说，形成了额外的栅极机构，使得导电沟道的长度得以增加，降低了饱和电流密度，提高了器件的抗短路能力。
(2)对器件的耐压、饱和压降等其他性能影响较小，且相对复合栅结构来说不增加器件的面积，与现有工艺完全兼容。
附图说明
图1为现有技术中沟槽栅IGBT的示意图。
图2为本发明的实施例1的高抗短路能力的沟槽栅IGBT的示意图。
图3为本发明的实施例2的高抗短路能力的沟槽栅IGBT的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
如图2所示，为本发明的一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT的示意图，可以看出，其从上到下依次为：发射极10、介质层20、N+源区30、P-阱区40、N-漂移区50、N+缓冲层60、P+集电极70和集电极电极80。其中，所述介质层20下还包括：两第一沟槽，每一所述第一沟槽内形成一第一栅极91，两第一沟槽间设有2个第二沟槽，每一所述第二沟槽内形成一第二栅极92；所述第一沟槽位于P-阱区40和N-漂移区50，所述第二沟槽位于N+源区30和P-阱区40内，所述第二沟槽通过所述N+源区30与所述第一沟槽相连接。2个第二沟槽分别设于所述发射极10的接触孔的两边。所述第一栅极91与所述第二栅极92的结构相同，均包括填充于所述第一沟槽和第二沟槽内的多晶硅93，和形成于所述第一沟槽和所述第二沟槽表面的栅氧层94。由此，当第一栅极91上加上足够电压时，靠近第二沟槽的P-阱区40会反型，第二沟槽也形成电子导电通道，并通过N+源区30与第一沟槽相连接，如此，除了第一沟槽形成的主沟道外，还增加了第二沟槽形成的浅沟道，即延长了整体的电子导电通道，增加了总沟道的长度。总沟道长度的增加大大降低了IGBT短路时的电流，从而大大提高了器件的抗短路能力。其中，值得一提的是，第二沟槽的深度和宽度是提高IGBT抗短路能力的关键因素，第二沟槽的深度在不超过P-阱区40的范围内越深，则总沟道的长度越长，器件的抗短路能力越强；第二沟槽的宽度在工艺能力范围内其宽度越宽则器件的抗短路能力越好。发明人经过大量实验，在综合制作工艺难度和效果参数优良的情况下，将第二沟槽的深度控制在PN结界面(即P-阱区40和N-漂移区50的结界面)上方1um-2um处，其宽度范围在0.4um-1um，该参数下，制作工艺难度相对较低，且又有效延长了整体的电子导电通道，降低了饱和电流，取得了较好的器件抗短路能力。
实施例2
如图3所示，为本发明的另外一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT的示意图，可以看出，其从上到下依次为：发射极100、介质层200、N+源区300、P-阱区400、N-漂移区500、N+缓冲层600、P+集电极700和集电极电极800。其中，所述介质层200下还包括：两第一沟槽，每一所述第一沟槽内形成一第一栅极901，两第一沟槽间设有4个第二沟槽，每一所述第二沟槽内形成一第二栅极902；所述第一沟槽位于P-阱区40和N-漂移区50，所述第二沟槽位于N+源区30和P-阱区40内，所述第二沟槽通过所述N+源区30与所述第一沟槽相连接。4个第二沟槽分别均匀分布于所述发射极10的接触孔的两边。所述第一栅极901与所述第二栅极902的结构相同，均包括填充于所述第一沟槽和第二沟槽内的多晶硅903，和形成于所述第一沟槽和所述第二沟槽表面的栅氧层904。由此，当第一栅极901上加上足够电压时，靠近第二沟槽的P-阱区400会反型，第二沟槽也形成电子导电通道，并通过N+源区300与第一沟槽相连接，如此，除了第一沟槽形成的主沟道外，还增加了第二沟槽形成的浅沟道，即延长了整体的电子导电通道，增加了总沟道的长度。本实施例中，将第二沟槽的数量增加为4，使得总沟道长度进一步增加，IGBT短路时的电流得到进一步降低，从而器件的抗短路能力也进一步提高。其中，本实施例中，发明人经过大量实验，在综合制作工艺难度和效果参数优良的情况下，将第二沟槽的深度控制在PN结界面(即P-阱区40和N-漂移区50的结界面)上方1um-2um处，其宽度范围在0.4um-1um，该参数下，制作工艺难度相对较低，且又有效延长了整体的电子导电通道，降低了饱和电流，取得了较好的器件抗短路能力。
可以预见的，在工艺制作能力范围内，可以根据需要设置任意偶数个第二沟槽，第二沟槽的数量越多，则形成的电子导电通道越长，器件的抗短路能力越好。且第二沟槽及第二栅极的制作工艺与第一沟槽和第一栅极相同，其实现过程相对现有技术中的复合栅结构更加简单。
本发明的高抗短路能力的沟槽栅IGBT，通过将第一沟槽作为主沟槽，并在两第一沟槽间设置偶数个第二沟槽，所述第二沟槽通过N+源区与所述第一沟槽相连接，当第一沟槽内的第一栅极和第二沟槽内的第二栅极上电压足够大，而达到开启电压时，靠近第二沟槽的P-阱区则会反型，第二沟槽内也形成电子导电通道，并与第一沟槽的电子导电通道相连接，增加了电子导电通道的长度，大大降低IGBT短路时的电流，从而大大提高了器件抗短路能力。本发明设计简单、制作方便，却取得了良好的技术效果，值得大力推广使用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高抗短路能力的沟槽栅IGBT，从上到下依次为：发射极、介质层、N+源区、P-阱区、N-漂移区、N+缓冲层、P+集电极和集电极电极，其特征在于，所述介质层下还包括：两第一沟槽，每一所述第一沟槽内形成一第一栅极，两第一沟槽间设有偶数个第二沟槽，每一所述第二沟槽内形成一第二栅极；所述第一沟槽位于P-阱区和N-漂移区，所述第二沟槽位于N+源区和P-阱区内，所述第二沟槽通过所述N+源区与所述第一沟槽相连接。
2.根据权利要求1所述的高抗短路能力的沟槽栅IGBT，其特征在于，偶数个第二沟槽分别平均分布于所述发射极的接触孔的两边。
3.根据权利要求1所述的高抗短路能力的沟槽栅IGBT，其特征在于，所述第一栅极与所述第二栅极的结构相同，均包括填充于所述第一沟槽和第二沟槽内的多晶硅，和形成于所述第一沟槽和所述第二沟槽表面的栅氧层。
4.根据权利要求1所述的高抗短路能力的沟槽栅IGBT，其特征在于，所述第二沟槽的深度在PN结界面上方1um-2um处。
5.根据权利要求1所述的高抗短路能力的沟槽栅IGBT，其特征在于，所述第二沟槽的宽度为0.4um-1um。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高抗短路能力的沟槽栅IGBT，其特征在于，两第一沟槽间设有2个第二沟槽。
7.根据权利要求1-5任一项所述的高抗短路能力的沟槽栅IGBT，其特征在于，两第一沟槽间设有4个第二沟槽。
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