具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT包括：主体区域、漂移区域及N型FS场终止区；主体区域的上方设置有发射极以及栅极；所述N型FS区下方设置P型集电区，P型集电区的下方设置集电极；所述栅极区包括沟槽栅极以及平面栅极；所述平面栅极设置在所述栅极区的表面，在所述栅极区的预设位置形成沟槽，所述沟槽内设置沟槽栅极，所述沟槽栅极远离沟槽底端的一端与绝缘层连接，所述绝缘层覆盖所述平面栅极的外表面。本实用新型专利技术能改善导通电压降，导致大短路电路承受能力和低Vce(sat)。导致大短路电路承受能力和低Vce(sat)。导致大短路电路承受能力和低Vce(sat)。

【技术实现步骤摘要】
具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管


[0001]本技术涉及半导体领域，并且特别涉及一种具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是家用电器、工业、可再生能源、UPS、铁路、电机驱动和EV和HEV应用等电力电子应用中使用最广泛的功率器件，由于双极结型晶体管的存在，它具有非常高的电流处理能力在其结构中，大约为数百安培，阻断电压为6500V。这些IGBT可以控制数百千瓦的负载，适用于许多应用。IGBT特别适用于占空比、低频、高压和负载变化，使其能够用于机车列车、电动汽车和混合动力电动汽车。IGBT在电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)中的应用包括它们在动力传动系统和充电器中的应用，用于向电机输送和控制电力。预计EV/HEV的IGBT市场在预测期内将增长两倍，占整个市场的50％以上。
[0003]然而，IGBT有一个固有的缺点，例如随着阻断电压的增加，Vce(sat)会迅速增加，因此开发了IEGT概念来降低通态电压降。沟槽栅极功率器件降低了沟道电阻并消除了JFET效应，并能够降低通态电压降。此外，IEGT(注入增强型IGBT)概念通过使用沟槽栅单元之间的浮动p区增加了n漂移区上侧的存储载流子，因此对于相对较高电压的IGBT显着降低了Vce(sat)。
[0004]这些应用于混合动力汽车和电动汽车的功率器件被迫频繁面对恶劣的环境，从器件故障和保护的角度出发，分析故障机理并根据故障机理创新针对故障和破坏的主要措施非常有用。最重要的破坏现象之一是逆变器应用中短路条件下的破坏。一般来说，可以说破坏性最严重的条件是在大功率开关下。IGBT结构必须能够在覆盖这些轨迹的整个区域内运行而不会发生破坏性故障。在IGBT结构同时承受大电流和大电压的过程中，会发生一种称为雪崩诱发的二次击穿的现象，从而导致破坏性故障。在开启瞬态和关闭瞬态期间都可以触发这种现象。在开启瞬态期间，据说会限制正向偏置安全工作区(FBSOA)。在关断瞬态期间，据说限制了反向偏置安全工作区(RBSOA)。包括FBSOA和RBSOA在内的非常严重的应力发生在短路条件下，可以认为短路操作的破坏机制可以分为四种模式。
[0005]模式A是导通后几微秒内发生的破坏，是由于寄生双极晶体管在集电极电流很大时导通造成的。模式B是由过度的功耗引起的热破坏。模式C是在关闭期间观察到的破坏，在Ic达到零电流水平之前不久，dic/dt正在增加并且出现更高的峰值电压。如果Rg关断电阻减小到非常小的值且寄生电感很大，则会发生动态雪崩，这是由于电流丝状化而造成的破坏性事件，并且会发生SSCM(开关自钳位模式)，可以将峰值电压钳位到击穿电压。模式D是在关闭后大约几百微秒观察到的破坏，这种模式可以描述为由较大的泄漏电流引起的热失控。
[0006]短路耐受能力一直是EV、HEV和大功率电机控制应用中IGBT和IGET最重要的问题之一。在硬开关条件下运行的应用中的许多要求推动了针对宽SOA限制的IGBT开发趋势。改
进的SOA性能将对可制造性、可靠性、功率处理能力、更好的可控性、更好的系统和门器件设计产生积极影响，旨在降低总损耗并采用更优化的保护方案。为了确保高压设备不超过其SOA限制，对此类设备的操作引入了许多限制。因此，系统设计人员已决定相应地设置许多电路和栅极驱动参数。这种修改包括增加栅极电阻和包含保护性有源钳位或缓冲器。
[0007]这种增加的复杂性通常会对大功率电子系统的性能、成本和尺寸产生负面影响。因此，如何在不牺牲性能与技术之间的权衡关系的情况下，大幅提高IGBT和IEGT的SOA，提高短路耐受能力，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本技术旨在提供一种具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管IGBT。
[0009]具体而言，本技术提供一种具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT包括：主体区域、漂移区域及N型场终止FS(Field Stop)区；主体区域的上方设置有发射极以及栅极；所述N型FS区下方设置P型集电区，P型集电区的下方设置集电极；所述栅极区包括沟槽栅极以及平面栅极；所述平面栅极设置在所述栅极区的表面，在所述栅极区的预设位置形成沟槽，所述沟槽内设置沟槽栅极，所述沟槽栅极远离沟槽底端的一端与绝缘层连接，所述绝缘层覆盖所述平面栅极的外表面。
[0010]进一步地，所述发射极区为N型发射极区，以及所述栅极区为P型基极区，所述沟槽栅极的周围为P型基极区，所述沟槽栅极临近绝缘层的一端设置有N型发射极区。
[0011]进一步地，所述沟槽栅极外表面设置有栅氧化层。
[0012]进一步地，所述绝缘栅双极型晶体管为注入增强型IGBT。
[0013]本技术还提供一种电力电子设备，包括上述绝缘栅双极型晶体管。
[0014]进一步地，所述电力电子设备包括变流器。
[0015]本技术还提供一种动力车，包括上述的绝缘栅双极型晶体管。
[0016]进一步地，所述动力车包括机车列车、电动汽车或混合动力电动汽车。
[0017]本技术的具有提高短路耐受能力的IGBT，通过具有沟槽栅极以及平面栅极的组合结构，该结构可以限制短路下的峰值饱和电流，发挥注入增强效应，改善导通电压降，提高大短路电路承受能力。
附图说明
[0018]并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本技术的实施例，并且与描述一起用于解释本技术的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本技术的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本技术实施例提供的不同局部区域，IGBT芯片中电场和电流分布不均匀的示意图；
[0020]图2为本技术实施例提供的具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；
[0021]图3为图2中沿A
‑
A
′
的横截面视图；
[0022]图4为图2中沿B
‑
B
′
的横截面视图；
[0023]图5为图2中沿C
‑
C
′
的横截面视图。
具体实施方式
[0024]现在参考附图介绍本技术的示例性实施方式，然而，本技术可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本技术，并且向所属
的技术人员充分传达本技术的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本技术的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0025]除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属
的技术人员具有通常的理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管包括：主体区域、漂移区域及N型场终止FS区；主体区域的上方设置有发射极以及栅极；所述N型FS区下方设置P型集电区，P型集电区的下方设置集电极；栅极区包括沟槽栅极以及平面栅极；所述平面栅极设置在所述栅极区的表面，在所述栅极区的预设位置形成沟槽，所述沟槽内设置沟槽栅极，所述沟槽栅极远离沟槽底端的一端与绝缘层连接，所述绝缘层覆盖所述平面栅极的外表面。2.如权利要求1所述的具有提高短路耐受能力的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述发射极区为N型发射极区，以及所述栅极区为P型基极区，所述沟槽栅极的周围为P型基极区，所述沟槽栅极临近绝缘层的一端设置有N型发射极区。3.如权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴磊，陆界江，李娇，周明江，
申请(专利权)人：上海睿驱微电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：