具有高短路安全工作区SOA的绝缘栅双极型晶体管的制作方法

本发明涉及半导体领域，并且特别涉及一种具有高短路soa的绝缘栅双极型晶体管。

背景技术：

1、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。

2、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)。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提供一种具有高短路安全工作区soa的绝缘栅双极型晶体管igbt。

2、具体而言，本发明提供一种具有高短路soa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；在栅极区上方设置有栅极焊盘，在栅极焊盘的周围设置有非有源单元区域、有源单元区域、栅极流道以及空穴流接触区域；所述非有源单元区域中以及栅极流道的周围均设置有空穴流动路径。

3、进一步地，所述空穴流接触区域的数量为多个，多个所述空穴流接触区域位于绝缘栅双极型晶体管芯片的四个角落。

4、进一步地，在栅极区上方设置有栅极焊盘，在栅极焊盘下方设置有 p+阱区域，p+阱区域中设置有用于传送空穴电流的孔旁路；

5、所述孔旁路连通所述栅极区；

6、所述孔旁路的数量为多个，多个所述孔旁路在栅极焊盘下方对称分布。

7、进一步地，位于栅极焊盘下方的所述发射极区与栅极区的比例大于 1：1或者大于2：1，位于栅极焊盘下方的所述发射极区的长度小于预设值。

8、进一步地，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。

9、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，所述沟槽栅极外表面设置有栅氧化层。

10、进一步地，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，所述沟槽底端外围设置有p型环状结构，所述p型环状结构为埋入式，所述p型环状结构的中心与所述沟槽的中心重叠，所述p型环状结构的内圆周为所述沟槽的外周，所述p型环状结构的外圆周每点距离所述沟槽的中心的距离相等。

11、进一步地，所述n型fs区与所述p型集电区之间设置有混合扩散层，所述混合扩散层设置有p+区域与n+区域；

12、在短路关断瞬态期间，混合扩散层设置的p+区域将空穴载流子注入空间电荷区；所述空穴载流子补偿空间电荷中的有效净电荷密度以消除峰值电场；混合扩散层设置的n+区域去除注入的空穴载流子，所述混合扩散层中的p+区域与n+区域交替排列分布。

13、本发明还提供一种电力电子设备，包括上述绝缘栅双极型晶体管。

14、本发明还提供一种动力车，包括上述的绝缘栅双极型晶体管。

15、本发明的具有提高短路耐受能力的igbt，通过在边缘终端周围存在非活性空穴流动路径，并且沿着内部电池的外围在电池中存在非活性空穴路径。此外，由于该区域容易产生较高的电场，因此在芯片的四个角落周围布置了较大的空穴流接触区域，即通过边缘终止区域和内部电池之间的区域设计非活性空穴流动路径，同时栅极焊盘周围存在非有源单元区域作为空穴流动路径，能有效避免该区域周围的电场和电流密度集中。

技术特征：

1.一种具有高短路安全工作区soa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；

2.如权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述空穴流接触区域的数量为多个，多个所述空穴流接触区域位于绝缘栅双极型晶体管芯片的四个角落。

3.如权利要求2所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，在栅极区上方设置有栅极焊盘，在栅极焊盘下方设置有p+阱区域，p+阱区域中设置有用于传送空穴电流的孔旁路；

4.如权利要求3所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，位于栅极焊盘下方的所述发射极区与栅极区的比例大于1：1或者大于2：1，位于栅极焊盘下方的所述发射极区的长度小于预设值。

5.如权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，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。

6.如权利要求5所述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，所述沟槽栅极外表面设置有栅氧化层。

7.如权利要求5所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，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，所述沟槽底端外围设置有p型环状结构，所述p型环状结构为埋入式，所述p型环状结构的中心与所述沟槽的中心重叠，所述p型环状结构的内圆周为所述沟槽的外周，所述p型环状结构的外圆周每点距离所述沟槽的中心的距离相等。

8.如权利要求7所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述n型fs区与所述p型集电区之间设置有混合扩散层，所述混合扩散层设置有p+区域与n+区域；

9.一种电力电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的绝缘栅双极型晶体管。

10.一种动力车，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的绝缘栅双极型晶体管。

技术总结
本发明公开了一种具有高短路安全工作区SOA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；在栅极区上方设置有栅极焊盘，在栅极焊盘的周围设置有非有源单元区域、有源单元区域、栅极流道以及空穴流接触区域；所述非有源单元区域中以及栅极流道的周围均设置有空穴流动路径。本发明可以具有高短路SOA。

技术研发人员：陆界江,吴磊,李娇,周明江
受保护的技术使用者：上海睿驱微电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11