CN109087944A - 一种集成mos电流采样结构的rc-igbt - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种集成MOS电流采样结构的逆导型IGBT。本发明主要在传统RC‑IGBT器件的基础上，在不增加工艺步骤的前提下，引入了MOS电流采样结构17，该结构用于RC‑IGBT器件的电流采样。相对于IGBT模块来讲，RC‑IGBT比常规IGBT具有更高的集成度，本发明将IGBT模块中的采样功能集成于RC‑IGBT内部，能够进一步减小IGBT模块体积，降低成本。采用MOS电流采样结构17，可以快速反映RC‑IGBT的电流变化，提高器件的可靠性；采用二极管元胞区域16形成的隔离区，可以减小IGBT主元胞区15对MOS电流采样区17的影响，提高采样精度。

Description

一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT。
背景技术
逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)是一种新型IGBT器件，它将IGBT元胞结构和快恢复二极管(FRD)元胞结构集成在同一个芯片上。相比于传统IGBT结构，RC-IGBT在成本、功率密度、寄生参数和可靠性等领域均有优势。
随着IGBT模块封装技术的进步和应用要求的不断提高，智能功率模块(IPM)正在快速发展，IPM是在普通IGBT模块的基础上将驱动电路和保护电路封装在模块内部，从而提高了模块的可靠性和集成度。而过流保护是IPM的一个重要功能，为实现这一功能，一般会在模块内部集成电流传感器。但大多数制造厂商都选择采用分立式的电流传感器，此种方法在模块面积以及采样精度上存在不足；针对这一不足，一些制造厂商会选择将电流采样结构集成到IGBT芯片内部来进一步提高模块的性能。其中最为简单且易于实现的采样结构是等比例IGBT元胞，该采样结构是将IGBT芯片内部分区域的IGBT元胞作为电流采样元胞，从而实现电流采样功能。
集成电流采样功能的逆导型IGBT相比于集成电流采样能力的常规IGBT具有以下优势。首先在工艺制备方面，RC-IGBT相比于常规IGBT结构对工艺线的背部加工能力有一定要求，这也使在电流采样结构上有了多样化的设计和选择，在采样精度方面也可以从背部工艺上做出调整；在模块体积方面，RC-IGBT的集成度会更高，在一些对模块体积有苛刻要求的应用场所下更有优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT器件，用于获得更快的过流反应能力，提高RC-IGBT的集成度和可靠性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
如图1所示，一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT，其元胞结构包括从下至上依次层叠设置的金属化集电极1、衬底层、第一导电类型FS层4和顶部半导体层；所述顶部半导体层包括第一导电类型区域5、位于第一导电类型区域5上层的第二导电类型半导体掺杂区6、位于第一导电类型区域5上层两端的第一第二导电类型区71和第二第二导电类型区72、位于第二导电类型半导体掺杂区6靠近第一第二导电类型区71侧面的第三第二导电类型区73、位于第二导电类型半导体掺杂区6和第二第二导电类型区73之间第四第二导电类型区74、位于第一导电类型区域5上表面两端的第一栅极结构和第二栅极结构、位于第一栅极结构上的金属化发射极13、位于第二栅极结构上的金属化采样电极14、位于第二导电类型半导体掺杂区6上表面的氧化层10；
所述第一第二导电类型区71、第二第二导电类型区72、第三第二导电类型区73和第四第二导电类型区74上层均具有第五第二导电类型区和重掺杂第一导电类型区，且位于第一第二导电类型区71和第三第二导电类型区73中的重掺杂第一导电类型区相邻，位于第二第二导电类型区72和第四第二导电类型区74中的重掺杂第一导电类型区相邻；
所述金属化发射极13两端的底部分别与第一第二导电类型区71和第三第二导电类型区73中的第五第二导电类型区和部分重掺杂第一导电类型区的上表面接触；第一栅极结构被金属化发射极13的两端与底部包围，第一栅极结构由第一栅介质层121和位于第一栅介质层121中的第一栅电极111构成，第一栅电极111的底部与部分位于第一第二导电类型区71和第三第二导电类型区73中重掺杂第一导电类型区的上表面、及位于第一第二导电类型区71和第三第二导电类型区73之间的第一导电类型区域5的上表面接触；
所述金属化采样电极14两端的底部分别与第二第二导电类型区72和第四第二导电类型区74中的第五第二导电类型区和部分重掺杂第一导电类型区的上表面接触；第二栅极结构被金属化采样电极14的两端与底部包围，第二栅极结构由第二栅介质层122和位于第二栅介质层122中的第二栅电极112构成，第二栅电极112的底部与部分位于第二第二导电类型区72和第四第二导电类型区74中重掺杂第一导电类型区的上表面、及位于第二第二导电类型区72和第四第二导电类型区74之间的第一导电类型区域5的上表面接触；
所述衬底层包括并列设置的第一导电类型衬底2与第二导电类型衬底3，第二导电类型衬底3位于第一第二导电类型区71、第三第二导电类型区73以及第一第二导电类型区71和第三第二导电类型区73之间的第一导电类型区域5的正下方；
所述第二导电类型半导体掺杂区6的结深大于第一第二导电类型区71、第二第二导电类型区72、第三第二导电类型区73、第四第二导电类型区74的结深。
上述方案中，如图1所示从左至右分为三个区域，依次是IGBT元胞区15、二极管元胞区16、MOS元胞区17；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型半导体时，所述集成MOS电流采样结构的RC-IGBT器件为N沟道RC-IGBT器件，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型半导体时，所述集成MOS电流采样结构的RC-IGBT器件为P沟道RC-IGBT器件。
以N沟道RC-IGBT器件为例，上述方案的工作原理如图2所示：
本发明所提供的集成MOS电流采样结构的RC-IGBT器件，其正向导通时的电极连接方式为：栅电极11接正电位，金属化发射极13接零电位，金属化集电极1接正电位，金属化采样电极14通过采样电阻接地，如图2所示。当电流流过器件时，部分电流流过金属化采样电极14，经采样电阻产生采样信号反馈给过流保护电路。
随着流过金属化集电极1的电流增加，其电压增大，图1所的MOS结构区域17由于是多子导电，其采样电流能够快速随金属化集电极1的增加而增大，当电流达到限定值时，保护电路会采取相应的保护行为。P型半导体掺杂区6及其下方的N+衬底2将RC-IGBT元胞与MOS元胞隔离，大幅减弱空穴对MOS元胞的影响，提高采样精度。
其反向阻断时的电极连接方式为：栅电极11和金属化发射极13接零电位，金属化集电极1接正电位，金属化采样电极通过采样电阻接地。由于零偏压下MOS采样元胞的沟道夹断，不会流过电流，此时金属化采样电极14不会产生过流信号。
另一种可行的方案是，如图3所示，第二导电类型半导体掺杂区6与第四第二导电类型区74连接，且从第四第二导电类型区74中移除第五第二导电类型区和部分重掺杂第一导电类型区
本发明的有益效果为，通过在RC-IGBT器件的基础上，引入了MOS采样结构，提高了IGBT模块的集成度。当器件处于工作状态时，通过MOS元胞的金属化采样电极14快速得到采样信号；第二导电类型半导体掺杂区6以及下方第一导电类型衬底2可以将采样元胞与主元胞区相隔离，提高采样精度。
附图说明
图1是本发明的一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT器件的剖面结构示意图；
图2是本发明所适用的一种过流保护电路示意图；
图3是本发明的一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT器件衍生结构的剖面结构示意图。
具体实施方式
在发明内容中已经对本发明的方案进行了详细描述，在此不再赘述。

Claims (2)

1.一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT，其元胞结构包括从下至上依次层叠设置的金属化集电极(1)、衬底层、第一导电类型FS层(4)和顶部半导体层；所述顶部半导体层包括第一导电类型区域(5)、位于第一导电类型区域(5)上层的第二导电类型半导体掺杂区(6)、位于第一导电类型区域(5)上层两端的第一第二导电类型区(71)和第二第二导电类型区(72)、位于第二导电类型半导体掺杂区(6)靠近第一第二导电类型区(71)侧面的第三第二导电类型区(73)、位于第二导电类型半导体掺杂区(6)和第二第二导电类型区(73)之间第四第二导电类型区(74)、位于第一导电类型区域(5)上表面两端的第一栅极结构和第二栅极结构、位于第一栅极结构上的金属化发射极(13)、位于第二栅极结构上的金属化采样电极(14)、位于第二导电类型半导体掺杂区(6)上表面的氧化层(10)；
所述第一第二导电类型区(71)、第二第二导电类型区(72)、第三第二导电类型区(73)和第四第二导电类型区(74)上层均具有第五第二导电类型区和重掺杂第一导电类型区，且位于第一第二导电类型区(71)和第三第二导电类型区(73)中的重掺杂第一导电类型区相邻，位于第二第二导电类型区(72)和第四第二导电类型区(74)中的重掺杂第一导电类型区相邻；
所述金属化发射极(13)两端的底部分别与第一第二导电类型区(71)和第三第二导电类型区(73)中的第五第二导电类型区和部分重掺杂第一导电类型区的上表面接触；第一栅极结构被金属化发射极(13)的两端与底部包围，第一栅极结构由第一栅介质层(121)和位于第一栅介质层(121)中的第一栅电极(111)构成，第一栅电极(111)的底部与部分位于第一第二导电类型区(71)和第三第二导电类型区(73)中重掺杂第一导电类型区的上表面、及位于第一第二导电类型区(71)和第三第二导电类型区(73)之间的第一导电类型区域(5)的上表面接触；
所述金属化采样电极(14)两端的底部分别与第二第二导电类型区(72)和第四第二导电类型区(74)中的第五第二导电类型区和部分重掺杂第一导电类型区的上表面接触；第二栅极结构被金属化采样电极(14)的两端与底部包围，第二栅极结构由第二栅介质层(122)和位于第二栅介质层(122)中的第二栅电极(112)构成，第二栅电极(112)的底部与部分位于第二第二导电类型区(72)和第四第二导电类型区(74)中重掺杂第一导电类型区的上表面、及位于第二第二导电类型区(72)和第四第二导电类型区(74)之间的第一导电类型区域(5)的上表面接触；
所述衬底层包括并列设置的第一导电类型衬底(2)与第二导电类型衬底(3)，第二导电类型衬底(3)位于第一第二导电类型区(71)、第三第二导电类型区(73)以及第一第二导电类型区(71)和第三第二导电类型区(73)之间的第一导电类型区域(5)的正下方；
所述第二导电类型半导体掺杂区(6)的结深大于第一第二导电类型区(71)、第二第二导电类型区(72)、第三第二导电类型区(73)、第四第二导电类型区(74)的结深。
2.根据权利要求1所述的一种集成MOS电流采样结构的RC-IGBT，其特征在于，第二导电类型半导体掺杂区(6)与第四第二导电类型区(74)连接，且从第四第二导电类型区(74)中移除第五第二导电类型区和部分重掺杂第一导电类型区。
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