[发明专利]一种多栅极可控型IGBT芯片及其工作方法

说明书

本发明公开了一种多栅极可控型IGBT芯片及其工作方法，属于半导体器件制造领域。一种多栅极可控型IGBT芯片，包括芯片主体，芯片主体的内部设有多组沟槽，每组沟槽内有N个栅极沟槽，芯片主体的一面上设有N个栅极和发射极，芯片主体的另一面上设有集电极；N个栅极沟槽与N个栅极对应连接，N≥2。应用于上述芯片的工作方法，包括全部栅极沟槽导通、部分栅极沟槽导通、单独栅极沟槽导通和屏蔽沟槽栅结构四种模式。实际使用该芯片时，可根据使用需求来灵活匹配工作模式，不同的工作模式对应不同的性能参数。因此，本发明在流片后可调节其各项性能参数之间的折衷关系，从而有助于IGBT芯片发挥最好的效果。

技术领域

本发明属于半导体器件制造领域，具体为一种多栅极可控型IGBT芯片及其工作方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是由双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和绝缘栅型场效应管(Metal OxideSemiconductor，MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。具体来说：GTR饱和压降低、载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率小、开关速度快，但导通压降大、载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，即驱动功率小而饱和压降低，因而在电压为300V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域中得到了广泛应用。为实现更好的应用效果，IGBT自发明以来就朝着高频率、低功耗、大电流密度的方向发展，但其多项性能参数之间却存在着相互制约的关系。

第一，饱和压降（VCEsat）是衡量IGBT是否过流的重要指标。IGBT芯片在栅极驱动下、饱和导通时芯片集电极与发射极之间的电压降即为饱和压降。影响饱和压降的主要因素有：P+集电极与N+截止层之间的导通压降、漂移区电阻及栅极JFET区沟道电阻。其中，对于Si衬底，其P+集电极与N+截止层之间的导通压降约0.7V。再者，漂移区电阻与漂移区厚度及掺杂浓度有关，使用场截止技术可有效降低漂移区厚度，从而降低漂移区电阻，同时达到耐压要求。另外，使用沟槽栅技术可降低栅极JFET区沟道电阻，具体来说，栅极的宽度越宽、栅极长度与源极长度之间的比例越大、沟道电阻越小，从而使得饱和压降低；但是随着栅极的宽度越宽、栅极长度与源极长度之间的比例越大，栅极与集电极的正对面积也会越大，即其米勒电容越大；米勒电容所带来的米勒效应会导致IGBT在实际使用中表现为功耗增加、系统稳定性降低等缺点。因此，IGBT芯片存在着栅极JFET区沟道电阻越小、米勒电容越大的负面制约关系，即因栅极JFET区沟道电阻引起的饱和压降与米勒电容之间存在负面制约关系。

第二，耐短路能力是衡量IGBT芯片性能质量的重要指标，短路条件下，器件温度升高，当温度达到一个临界值时，器件会出现破坏性失效，同时集电极电流瞬间增大，在破坏性失效之前、器件所能承受的最大短路时间即代表其耐短路能力。由B. J. Baliga,Fundamentals of Power Semiconductor Devices. NewYork,NY,USA:Springer,2008中，可得：

t_SCSOA=[(T_CR-T_HS)W_SiC_V]/(K_TJ_C,SATV_CS)

上式中，t_SCSOA是器件所能承受的最大短路时间；T_HS是器件初始温度；T_CR是器件失效临界温度；W_Si是硅片厚度；C_V是容积比热；K_T代表器件的非均匀温度系数；J_C,SAT是初始电流密度；V_CS是集电极与发射极之间的电压。基于该公式，可得器件的耐短路时间与电流密度为负相关的关系。因此，IGBT芯片朝大电流密度方向发展的同时，其耐短路能力却越来越弱。