[发明专利]一种高耐压的超结IGBT结构

说明书

本发明提供了一种高耐压的超结IGBT结构，该结构在常规超结IGBT结构的基础上：引入P型浮空区结构，并对第一沟槽栅进行分离式设计，同时添加第二沟槽栅，并使俩沟槽栅之间的区域与发射极相连。由于第一沟槽栅附近P柱通过俩沟槽栅之间的区域与发射极短路，同时第一沟槽栅下部栅使栅底N柱反型形成P型环，屏蔽栅底的横向电场，使第一沟槽栅底电场强度较低，实现器件高耐压。在器件导通阶段，两个沟槽栅之间的P型耗尽区完全耗尽并反型，形成空穴势垒区，阻止空穴经由此处被发射极提取，增强电导调制效应，从而降低导通压降。在器件关断阶段，P型耗尽区逐渐恢复到准中性区，形成空穴抽取路径，加快器件关断，降低关断损耗。

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种高耐压的超结IGBT结构。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)广泛用于开关电源转换器应用中。改善关断损耗(E_off)和通态电压降(V_ce，on)之间的权衡关系是IGBT的主要设计目标之一。与传统的场截止(FS)IGBT相比，超结IGBT(SJ-IGBT)具有出色的权衡关系。然而，对于传统的SJ-IGBT，由于其超结P柱直接连接到P型基区并通过P+型发射区与发射极相连，使发射极能直接提取超结P柱的空穴，抹除双极导通器件的载流子聚集优势，因此其V_ce，on相对较大且对超结P柱与N柱掺杂浓度敏感。为解决该问题，浮空P区SJ-IGBT被提出。

然而，在阻断状态下，P型浮空区的存在会导致与其相连的超结P柱电位会随着集电极电压的升高而上升，在横向电场的加持下使沟槽栅附近的超结N柱电位很高，使栅底承受更大的电场，这会显着降低击穿电压(BV)。如何降低耐压是当前SJ-IGBT的研究重心之一。

发明内容

针对降低超结IGBT击穿电压的需求，本发明提供了一种高耐压的超结IGBT结构如图2所示。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种高耐压的超结IGBT结构，其元胞结构包括：从下往上依次设置P+集电区(1)、N型缓冲层(2)和N型缓冲层(2)上方的超结N柱(3)及超结P柱(4)，正面结构包含由P型基区(5)、P+型发射区(6)和N+型发射区(7)所组成的主流区，由P型耗尽区(8)、P+型欧姆接触区(9)所构成的自适应空穴路径区，以及P型浮空区(10)。所述发射区间有第一栅介质层(11)、下部栅电极(12)和上部栅电极(13)构成的第一沟槽栅，以及由第二栅介质层(14)和第二栅电极(15)组成的第二沟槽栅；所述结构中上部栅电极(13)深度不小于P型基区(5)结深；所述第一沟槽栅与第二沟槽栅深度相等；此外所述结构中上部栅电极(13)和第二栅电极(15)连接栅极，下部栅(12)连接发射极；所述超结N柱(3)与超结P柱(4)的掺杂浓度相等。

本发明的技术方案相对常规RC-IGBT器件，引入P型浮空区(10)，使超结P柱(4)与P型基区(5)不相连，并对第一沟槽栅进行上下分离式设计，同时添加第二沟槽栅，并使俩沟槽栅之间的区域与发射极相连。由于超结P柱(4)通过俩沟槽栅之间的区域与发射极短路，使第一沟槽栅附近超结P柱(4)电位降低，在横向电场的影响下第一沟槽栅附近超结N柱(3)的电位也相应降低，从而减小栅底电场，增大耐压。同时第一沟槽栅下部栅使栅底N柱反型形成P型环，屏蔽栅底的横向电场，使第一沟槽栅底电场强度较低，实现器件高耐压。在器件导通阶段，两个沟槽栅之间的P型耗尽区完全耗尽并反型，形成空穴势垒区，阻止空穴经由此处被发射极提取，增强电导调制效应，从而降低导通压降。在器件关断阶段，P型耗尽区逐渐恢复到准中性区，形成空穴抽取路径，加快器件关断，降低关断损耗。

进一步地，在超结N柱(3)与P型基区(5)之间引入载流子存储层(16)，所述载流子存储层(16)底部深度小于第一沟槽栅深度，同时掺杂浓度大于超结N柱(3)的掺杂浓度。

进一步地，增大超结N柱(3)与超结P柱(4)的掺杂浓度，减小导通电阻，降低导通压降。