CN107516669A - 一种igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种IGBT器件，属于功率器件技术领域。本发明包括自下而上依次层叠的金属化集电极、第一导电类型半导体集电区、第二导电类型半导体漂移区和金属发射极；第二导电类型半导体漂移区中具有栅极结构和位于栅极结构两侧的第一导电类型半导体基区，第一导电类型半导体基区中第一导电类型半导体接触区、第二导电类型半导体发射区；并且第一导电类型半导体基区的掺杂浓度自靠近金属发射极至远离金属发射极方向逐渐增大。本发明通过合理调整基区的掺杂浓度，使得其靠近发射区侧的浓度较低形成基区少子减速场以抑制闩锁的发生，藉此在不影响IGBT正常工作特性的情况下提高了IGBT器件的抗闩锁能力。
Description
技术领域
本发明属于功率器件技术领域，具体涉及一种具有高抗闩锁能力的IGBT器件。
背景技术
IGBT是功率半导体器件中具有代表性的一类器件，因其兼具高耐压、低导通电阻、易驱动、开关速度快等优点，故在开关电源、变频调速、逆变器等许多功率领域有重要的应用。然而，闩锁问题是威胁IGBT可靠性的重要原因之一。
如图1和图2所示分别为传统N沟道IGBT器件的结构示意图及其等效电路。由图1看出：IGBT结构中包含了由N+发射区、P型基区、N-漂移区和P+集电极区构成的N-P-N-P四层三结晶闸管结构。结合图2的等效电路来解释IGBT发生闩锁的机制：当IGBT正常工作时，寄生晶闸管不会开启，这是由于正常工作电流下N+发射区和P型基区形成的短路发射极结构保证了上层NPN管的发射结不发生导通(In1>>IP1>>IP2)，IGBT电流受到栅极电压的控制，具有饱和特性；若由于某种原因使IGBT中的电流密度过大，过高的空穴电流流过N+发射区下方的P型基区(IP2电流)，该电流在P型基区路径电阻Rp-body上产生压降，而此压降足够大则会使P型基区与N+发射区形成的PN结正偏，上层的NPN管进入放大区工作，并驱动下层的PNP管，PNP管开启后又反过来驱动上层NPN管，如此形成正反馈，这样再生反馈效应使得IGBT栅极失去对电流的控制能力，电流迅速增大，当电流增大到一定程度后，可能使IGBT器件过热烧毁，故此闩锁现象限制了IGBT的最大安全工作电流。
现有研究表明：IGBT发生闩锁的临界条件是：αNPN+αPNP≥1，其中αNPN和αPNP分别是上层NPN管和下层PNP管的开基极电流增益；由该条件可以看出，要抑制寄生晶闸管的闩锁效应，就必须减小上层NPN管和下层PNP管的开基极电流增益，由于宽基区的下层PNP管在IGBT正常工作时需要传导通态电流，减小其电流增益会增大IGBT的导通压降，而上层NPN通常不参与IGBT导通态电流的传导，因此最好是降低上层NPN管的电流增益。传统的解决措施是在IGBT的发射极N+发射区6下方引入P+掺杂区7，以减小N+发射区6下方的P型基区8的路径电阻，进而防止N+发射区6与P型基区8形成的PN结发生正偏。然而上述方法会增加IGBT的阈值电压。
发明内容
为了解决现有技术寄生晶闸管的IGBT闩锁效应对器件可靠性带来问题，本发明提供一种具有高抗闩锁能力的IGBT器件。本发明的技术方案具体如下：
一种IGBT器件，包括金属化集电极(1)、第一导电类型半导体集电区(2)、第二导电类型半导体漂移区(3)、栅极结构、第一导电类型半导体基区(8)、第一导电类型半导体接触区(7)、第二导电类型半导体发射区(6)和金属发射极(10)；金属化集电极(1)位于第一导电类型半导体集电区(2)的背面，第二导电类型半导体漂移区(3)位于第一导电类型半导体集电区(2)的正面，且第二导电类型半导体漂移区(3)上方与金属发射极(10)相连；第二导电类型半导体漂移区(3)的顶层设置有第一导电类型半导体基区(8)；第一导电类型半导体基区(8)上还具有栅极结构，栅极结构包括多晶硅栅电极(4)、栅介质层(5)和绝缘介质层(9)，并且栅极结构从第一导电类型半导体基区(8)的中部穿过并进入第二导电类型半导体漂移区(3)；栅极结构两侧的第一导电类型半导体基区(8)分别具有相互独立的第一导电类型半导体接触区(7)、第二导电类型半导体发射区(6)；多晶硅栅电极(4)与其两侧的第一导电类型半导体基区(8)和第二导电类型半导体发射区(6)及其底侧的第二导电类型半导体漂移区(3)之间隔着栅介质层(5)；多晶硅栅电极(4)与其顶侧的金属发射极(10)之间隔着绝缘介质层(9)；其特征在于：第一导电类型半导体基区(8)的掺杂浓度自靠近金属发射极(10)至远离金属发射极(10)方向逐渐增大。
进一步的是，本发明中第一导电类型半导体基区(8)的工艺过程采用多次外延、多次扩散或者多次离子注入形成。
进一步的是，本发明中第一导电类型半导体基区(8)的掺杂方式为渐变掺杂。
进一步的是，本发明中第一导电类型半导体基区(8)中具有若干个子区域，若干个子区域的掺杂方式为均匀掺杂。进一步的是，本发明中第一导电类型半导体为P型半导体，第二导电类型半导体为N型半导体。
进一步的是，本发明中第一导电类型半导体为N型半导体，第二导电类型半导体为P型半导体。
进一步的是，本发明中第一导电类型半导体或者第二导带类型半导体的材料为体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或者锗硅复合材料。
本发明的有益效果在于：本发明通过合理调整基区的掺杂浓度，使得其靠近发射区侧的浓度较低形成基区少子减速场，进而减小了寄生晶闸管中上层NPN管或者PNP管的开基极电流增益以抑制闩锁的发生，藉此在不影响IGBT正常工作特性的情况下提高了IGBT器件的抗闩锁能力。
附图说明
图1是传统绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的剖面结构示意图；
图2是传统绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的等效电路示意图；
图3是本发明实施例1提供一种具有高抗闩锁能力的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例2提供一种具有高抗闩锁能力的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的剖面结构示意图；
图中，1为金属化集电极，2为第一导电类型半导体集电区，3为第二导电类型半导体漂移区，4为多晶硅栅电极，5为栅介质层，6为第二导电类型半导体发射区，7为第一导电类型半导体接触区，8为第一导电类型半导体基区，9为绝缘介质层，10为发射电极,。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，在附图中相同的标号表示相同或者相似的结构。本发明的要旨在于提高一种具有高抗闩锁能力的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，IGBT器件可以是P沟道IGBT器件，也可以是N沟道IGBT器件。
实施例1：
如图3所示，本实施例提供一种绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，包括金属化集电极1、第一导电类型半导体集电区2、第二导电类型半导体漂移区3、栅极结构、第一导电类型半导体基区8、第一导电类型半导体接触区7、第二导电类型半导体发射区6和金属发射极10；金属化集电极1位于第一导电类型半导体集电区2的背面，第二导电类型半导体漂移区3位于第一导电类型半导体集电区2的正面，且第二导电类型半导体漂移区3上方与金属发射极10相连；第二导电类型半导体漂移区3的顶层设置有第一导电类型半导体基区8；第一导电类型半导体基区8上还具有栅极结构，栅极结构包括多晶硅栅电极4、栅介质层5和绝缘介质层9，并且栅极结构从第一导电类型半导体基区8的中部穿过并进入第二导电类型半导体漂移区3；栅极结构两侧的第一导电类型半导体基区8分别具有相互独立的第一导电类型半导体接触区7、第二导电类型半导体发射区6；多晶硅栅电极4与其两侧的第一导电类型半导体基区8和第二导电类型半导体发射区6及其底侧的第二导电类型半导体漂移区3之间隔着栅介质层5；多晶硅栅电极4与其顶侧的金属发射极10之间隔着绝缘介质层9；其特征在于：第一导电类型半导体基区8的掺杂浓度自靠近金属发射极10至远离金属发射极10方向逐渐增大。
本发明的要旨在于提供一种绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，基于上述技术方案，当第一导电类型半导体为P型半导体而第二导电类型半导体为N型半导体时，本发明提供的器件为N沟道IGBT器件；当第一导电类型半导体为N型半导体而第二导电类型半导体为P型半导体时，本发明提供的器件为P沟道IGBT器件。下面具体以N沟道IGBT器件为例对本发明的原理及特性进行详细说明：
如图1所示传统IGBT器件的P型基区通常采用扩散或离子注入的工艺形成，其掺杂浓度从器件表面往体内逐渐降低，结合图2所示其等效电路图可知，此时上层NPN管为缓变基区晶体管，掺杂浓度逐渐降低的基区会形成基区少子加速场，其共基极放大系数αNPN增大，使得IGBT器件更容易闩锁。而本发明为提高IGBT器件的抗闩锁能力，调整P型基区8的掺杂浓度分布，使得越靠近NPN管发射区侧的P型基区8浓度越低，从而形成P型基区8少子减速场，降低了NPN管的基区输运系数，减小了寄生NPN管的电流放大系数αNPN，使闩锁条件αNPN+αPNP≥1更难达到，因此抑制了闩锁的发生，最终达到提高IGBT器件抗闩锁能力的目的。
实施例2：
如图4所示，本发明除了第一导电类型半导体基区8由若干个不同掺杂浓度的子区域构成，假设子区域的个数为n，则n≥3；n个子区域满足：在器件纵向方向上，随着距金属发射极10的距离逐渐增大，第一导电类型半导体基区8中各子区域的掺杂掺杂浓度逐渐增大。
以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种IGBT器件，包括金属化集电极(1)、第一导电类型半导体集电区(2)、第二导电类型半导体漂移区(3)、栅极结构、第一导电类型半导体基区(8)、第一导电类型半导体接触区(7)、第二导电类型半导体发射区(6)和金属发射极(10)；金属化集电极(1)位于第一导电类型半导体集电区(2)的背面，第二导电类型半导体漂移区(3)位于第一导电类型半导体集电区(2)的正面，且第二导电类型半导体漂移区(3)上方与金属发射极(10)相连；第二导电类型半导体漂移区(3)的顶层设置有第一导电类型半导体基区(8)；第一导电类型半导体基区(8)上还具有栅极结构，栅极结构包括多晶硅栅电极(4)、栅介质层(5)和绝缘介质层(9)，并且栅极结构从第一导电类型半导体基区(8)的中部穿过并进入第二导电类型半导体漂移区(3)；栅极结构两侧的第一导电类型半导体基区(8)分别具有相互独立的第一导电类型半导体接触区(7)、第二导电类型半导体发射区(6)；多晶硅栅电极(4)与其两侧的第一导电类型半导体基区(8)和第二导电类型半导体发射区(6)及其底侧的第二导电类型半导体漂移区(3)之间隔着栅介质层(5)；多晶硅栅电极(4)与其顶侧的金属发射极(10)之间隔着绝缘介质层(9)；其特征在于：第一导电类型半导体基区(8)的掺杂浓度自靠近金属发射极(10)至远离金属发射极(10)方向逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT器件，其特征在于，第一导电类型半导体基区(8)的掺杂方式为渐变掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT器件，其特征在于，第一导电类型半导体基区(8)中具有若干个子区域，若干个子区域的掺杂方式为均匀掺杂。
4.根据权利要求2或3所述的一种IGBT器件，其特征在于，第一导电类型半导体为P型半导体，第二导电类型半导体为N型半导体。
5.根据权利要求2或3所述的一种IGBT器件，其特征在于，第一导电类型半导体为N型半导体，第二导电类型半导体为P型半导体。
6.根据权利要求1所述的一种IGBT器件，其特征在于，第一导电类型半导体或者第二导带类型半导体的材料为体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或者锗硅复合材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |