[发明专利]一种发射极伸入衬底凹槽的IGBT芯片

说明书

本发明提供一种发射极伸入衬底凹槽的IGBT芯片，包括具有N型衬底、发射极金属结构的元胞；各个元胞的N型衬底相互连接从而形成一体结构，各个元胞的发射极金属结构相互连接从而形成IGBT芯片的发射极；元胞的第一结构具有开设在N型衬底上的第一凹槽，两个第一结构连接处具有开设在N型衬底上的第二凹槽，第一凹槽、第二凹槽均沿着IGBT芯片高度方向向下伸入N型衬底；第一结构包括第一栅极、第一有源区；第一栅极的至少部分伸入第一凹槽；第一有源区设置于第一凹槽、第二凹槽之间；发射极金属结构的至少部分伸入第二凹槽；发射极金属结构的至少部分的底端所在高度位置低于第一栅极的至少部分的底端所在高度位置。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种发射极伸入衬底凹槽的IGBT芯片。

背景技术

低导通压降、低开关损耗、低EMI、高可靠性成为现在IGBT技术的发展趋势。

图1为现有技术中IGBT芯片的测试电路，其中，IGBT芯片的集电极依次通过寄生电感Ls、外接负载R1、直流供电电源Vcc、寄生电感Le与发射极连接。当外接负载R1因故障而短路（即短路故障或短路工况）导致无法起到分压作用时，由于寄生电感Le和Ls对直流不起阻碍作用，因此直流供电电源Vcc的电压将直接加在IGBT芯片两端，导致IGBT芯片承受的电压增加，电流也随之增加，即在短路故障时IGBT芯片承受较大电压和较大电流（短路时电流值大概为正常工况下的4-5倍），进而导致IGBT短路失效。

传统的平面栅结构的IGBT制作工艺简单，耐压性能好，但是由于其沟道区在表面，限制沟道密度导致电导调制效应较弱，导通压降较高。沟槽栅结构可以消除JFET效应，提高沟道密度，减小导通压降，但是元胞数量的增加导致芯片饱和电流过大，抗短路故障（或称为短路工况）能力较差，同时由于电导调制效应的增强也增大了关断时间和损耗，并且沟槽栅底部电场较高，器件易在沟槽栅底部附近发生击穿。为了提高平面栅极结构的性能，具有沟槽的平面栅结构(TP-IGBT)被提出，在平面栅的基础上引入浅沟槽，能够结合平面栅和沟槽栅的优点，沟槽侧壁形成载流子积累层，增强电导调制效应，在不降低击穿电压的前提下，降低器件的通态损耗，但是，沟槽的引入增大了栅极和发射极之间的电容，增加了开关时间和开关损耗。

为了实现低损耗，近年来一些新型复合栅结构被提出。单沟道结构如专利申请CN104051509B中所提出的，改变多种门极形式，沟槽侧用于载流子积累来降低导通压降，但只有一个沟道。另外，也有申请提出融合平面栅和沟槽栅结构芯片，综合了沟槽栅和平面栅的优点，但是栅极电容增加，增大了开关损耗，并且沟槽底部容易形成电场集中，尤其在短路故障（即外接负载R1短路）时容易造成沟槽栅极温度升高的问题，进而容易导致IGBT芯片较快失效。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中具有沟槽栅极结构的IGBT芯片容易在沟槽底部形成电场集中，使得在外接电阻短路故障时容易造成沟槽栅极底部附近温度升高，容易造成IGBT芯片失效的问题，提供一种发射极伸入衬底凹槽的IGBT芯片。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种发射极伸入衬底凹槽的IGBT芯片，包括具有N型衬底、发射极金属结构的元胞，所述元胞由对称设置且相互连接的两个第一结构形成；各个元胞的N型衬底相互连接从而形成一体结构，各个元胞的发射极金属结构相互连接从而形成IGBT芯片的发射极；所述第一结构具有第一栅极、第一有源区、开设在N型衬底上的第一凹槽；所述第一凹槽沿着IGBT芯片高度方向向下伸入N型衬底；所述第一栅极的至少部分伸入所述第一凹槽。

所述元胞的两个第一结构连接处具有开设在N型衬底上的第二凹槽，与第一结构对应的第一有源区设置于第二凹槽、与第一结构对应的第一凹槽之间；所述第二凹槽沿着IGBT芯片高度方向向下伸入N型衬底。

所述发射极金属结构的至少部分伸入所述第二凹槽；所述发射极金属结构的至少部分的底端所在高度位置低于所述第一栅极的至少部分的底端所在高度位置。