CN109192774A - 栅极双箝位的igbt器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种栅极双箝位的IGBT器件，其包括设置于栅电极区内的栅极电压箝位结构，所述栅极电压箝位结构包括位于栅极金属层正下方的第三掺杂区、位于所述第三掺杂区内的第二掺杂区以及位于所述第二掺杂区的第一掺杂区；第一掺杂区位于第一导电类型漂移区内，第一掺杂区的掺杂类型与第三掺杂区的掺杂类型相一致，第一掺杂区的掺杂类型与第二掺杂区的掺杂类型不同；第一掺杂区与栅极金属层欧姆接触，第三掺杂区与发射极金属欧姆接触。本发明结构紧凑，降低IGBT器件的栅电极被正负栅压过高尖峰的影响，避免出现栅压过高时短路电流急剧增大而导致IGBT器件的烧毁，安全可靠。

Description

栅极双箝位的IGBT器件
技术领域
本发明涉及一种IGBT器件，尤其是一种栅极双箝位的IGBT器件，属于IGBT器件的技术领域。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的电力电子器件；它既具有MOSFET易于驱动、控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通压降地、同台电流打、损耗小的优点。鉴于IGBT的这些优点，使其成为当今先进电力电子装置的主选开关器件，广泛地应用在诸如通信、能源、交通、工业、医学、家用电器及航天航空等国民经济的各个领域，IGBT的应用对系统性能的提升起到了至关重要的作用。
IGBT经过近些年来的发展，经历了从穿通型绝缘栅双极型晶体管(PT-IGBT)到非穿通型绝缘栅双极型晶体管(NPT-IGBT)，再到电场中止型绝缘栅双极型晶体管(FS-IGBT)的变化，也经历了从平面结构到沟槽结构的发展。如今IGBT结构朝向结构更复杂，更精细的发展。IGBT芯片集成了更多更复杂的结构，例如集成了电流测量功能的IGBT，可以实现集电极电流测量。集成了温度测量功能的IGBT可以实现结温测量。
如今IGBT的应用面越来越广，应用环境更加复杂多变，器件间和电路间的相互干扰成为器件设计应用的一个重要关注点。在实际应用电路中，电路工作时IGBT栅极会产生栅压的正负尖峰，尖峰的存在一方面可能会使IGBT栅极造成不可逆损伤，另一方面如果尖峰出现在IGBT短路过程中，会造成集电极短路电流的急剧增大，最终导致器件被烧毁。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种栅极双箝位的IGBT器件，其结构紧凑，降低IGBT器件的栅电极被正负栅压过高尖峰的影响，避免出现栅压过高时短路电流急剧增大而导致IGBT器件的烧毁，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述栅极双箝位的IGBT器件，包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区；所述元胞区包括发射极区以及栅电极区；半导体基板包括第一导电类型漂移区，所述发射极区包括发射极金属层，栅电极区包括栅极金属层；
还包括设置于栅电极区内的栅极电压箝位结构，所述栅极电压箝位结构包括位于栅极金属层正下方的第三掺杂区、位于所述第三掺杂区内的第二掺杂区以及位于所述第二掺杂区的第一掺杂区；第一掺杂区位于第一导电类型漂移区内，第一掺杂区的掺杂类型与第三掺杂区的掺杂类型相一致，第一掺杂区的掺杂类型与第二掺杂区的掺杂类型不同；
第一掺杂区与栅极金属层欧姆接触，第三掺杂区与发射极金属层欧姆接触。
所述栅极金属层通过栅极绝缘介质层与第一掺杂区、第二掺杂区以及第三掺杂区。
所述发射极区还包括设置于第一导电类型漂移区内上部的第二导电类型基区，在所述第二导电类型基区内设置元胞沟槽，元胞沟槽的槽底位于第二导电类型基区的下方，元胞沟槽的侧壁以及底壁生长有栅氧化层，在生长有栅氧化层的元胞沟槽内填充有栅极多晶硅，所述栅极多晶硅通过压盖元胞沟槽槽口的发射极绝缘介质层与发射极金属层绝缘隔离，所述栅极多晶硅与栅极金属层欧姆接触；
在第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，所述第二导电类型源区与元胞沟槽上部的外侧壁接触，发射极金属层与第二导电类型基区、第一导电类型源区欧姆接触。
在元胞区的外圈还设置终端保护区，所述终端保护区包括终端金属层以及位于所述终端金属层正下方的终端结，所述终端金属层与终端结欧姆接触。
所述终端保护区还包括终端绝缘介质层，终端金属层支撑在终端绝缘介质层上，终端金属层通过终端绝缘介质层内的终端介质接触孔与终端结欧姆接触。
在所述半导体基板的背面还设置第一导电类型场截止层以及设置于所述第一导电类型场截止层上的第二导电类型集电区，第一导电类型场截止层位于第一导电类型漂移区与第二导电类型集电区之间，且第一导电类型场截止层分别与第一导电类型漂移区、第二导电类型集电区邻接；在第二导电类型集电区上设置集电极金属层，所述集电极金属层与第二导电类型集电区欧姆接触。
所述“第一导电类型”和“第二导电类型”两者中，对于N型功率IGBT器件，第一导电类型指N型，第二导电类型为P型；对于P型功率IGBT器件，第一导电类型与第二导电类型所指的类型与N型半导体器件正好相反。
本发明的优点：在栅极金属层的正下方设置第一掺杂区、第二掺杂区以及第三掺杂区，第一掺杂区与发射极金属层欧姆接触，第三掺杂区与发射极金属层欧姆接触，从而利用第一掺杂区、第二掺杂区以及第三掺杂区能在IGBT器件的发射电极、栅电极之间形成双向TVS结构，即利用栅极电压箝位结构能保护不受正负栅压的冲击，保护IGBT器件的栅电极，还可以避免在栅压过高时出现较高的短路电流，避免IGBT器件由于短路电流过大导致的损坏，增加IGBT器件的鲁棒性，减少对栅极驱动的依赖，有效提高器件的集成度，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的正面版图的示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为本发明的等效原理图。
附图标记说明：1-发射极区、2-栅电极区、3-终端保护区、4-发射极金属层、5-栅极金属层、6-终端金属层、7-N型漂移区、8-发射极绝缘介质层、9-P型基区、10-N+源区、11-栅极多晶硅、12-栅氧化层、13-第三掺杂区、14-第二掺杂区、15-第一掺杂区、16-终端绝缘介质层、17-终端结、18-N型场截止层、19-P+集电区、21-IGBT器件、22-栅电极、23-集电极、24-发射电极、25-栅极电压箝位结构以及26-栅极绝缘介质层。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示：为了能降低IGBT器件21的栅电极22被正负栅压过高尖峰的影响，避免出现栅压过高时短路电流急剧增大而导致IGBT器件21的烧毁，以N型IGBT器件21为例，本发明包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区；所述元胞区包括发射极区1以及栅电极区2；半导体基板包括N型漂移区7，所述发射极区1包括发射极金属层4，栅电极区2包括栅极金属层5；
还包括设置于栅电极区2内的栅极电压箝位结构25，所述栅极电压箝位结构25包括位于栅极金属层5正下方的第三掺杂区13、位于所述第三掺杂区内13的第二掺杂区14以及位于所述第二掺杂区14的第一掺杂区15；第一掺杂区15位于N型漂移区7内，第一掺杂区15的掺杂类型与第三掺杂区13的掺杂类型相一致，第一掺杂区15的掺杂类型与第二掺杂区14的掺杂类型不同；
第一掺杂区15与栅极金属层5欧姆接触，第三掺杂区13与发射极金属层4欧姆接触。
具体地，半导体基板可以采用现有常用的半导体材料，如硅、碳化硅等，具体可以根据需要进行选择确定，此处不再赘述。元胞区位于半导体基板的中心，元胞区包括若干元胞，元胞区内的元胞并联成一体。元胞区包括发射极区1以及栅电极区2，通过发射极区2能形成IGBT器件21的发射电极24，通过栅电极区2能形成IGBT器件21的栅电极22。半导体基板包括N型漂移区7，发射极金属层4、栅极金属层5位于N型漂移区7的上方。
本发明实施例中，栅极电压箝位结构25包括第一掺杂区15、第二掺杂区14以及第三掺杂区13，第一掺杂区15位于N型漂移区7内，第二掺杂区14位于第一掺杂区15内，即第二掺杂区14被第一掺杂区15包裹，第三掺杂区13位于第二掺杂区14内，第一掺杂区15与第三掺杂区13具有相同的掺杂类型，且第二掺杂区14与第一掺杂区15、第三掺杂区13的掺杂类型相反。第一掺杂区15与栅极金属层5欧姆接触，第三掺杂区13与发射极金属4欧姆接触，当然，第一掺杂区15也可以与发射极金属层4欧姆接触，则第三掺杂区13与栅极金属层5欧姆接触，具体连接可以根据需要进行选择，此处不再赘述。
当第一掺杂区15、第三掺杂区13的掺杂类型均为P型，第二掺杂区14的掺杂类型为N型，则得到栅极电压箝位结构25如图3所示。
进一步地，所述栅极金属层5通过栅极绝缘介质层26与第一掺杂区15、第二掺杂区14以及第三掺杂区13。本发明实施例中，栅极绝缘介质层26支撑在N型漂移区7的正面，栅极绝缘介质层26可以采用现有常用的绝缘材料，当栅极金属层5与第一掺杂区15欧姆接触时，一般需要在栅极绝缘介质层26内设置接触孔，栅极金属层5通过接触孔与第一掺杂区15欧姆接触，具体实现栅极金属层5与第一掺杂区15或第三掺杂区13欧姆接触的方式可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
进一步地，所述发射极区1还包括设置于N型漂移区7内上部的P型基区9，在所述P型基区9内设置元胞沟槽，元胞沟槽的槽底位于P型基区9的下方，元胞沟槽的侧壁以及底壁生长有栅氧化层12，在生长有栅氧化层12的元胞沟槽内填充有栅极多晶硅11，所述栅极多晶硅11通过压盖元胞沟槽槽口的发射极绝缘介质层8与发射极金属层4绝缘隔离，所述栅极多晶硅11与栅极金属层5欧姆接触；
在P型基区9内设置N+源区10，所述N+源区10与元胞沟槽上部的外侧壁接触，发射极金属层4与P型基区9、N+源区10欧姆接触。
本发明实施例中，P型基区9位于N型漂移区7内的上部，P型基区9的深度小于N型漂移区7的厚度，元胞沟槽设置在P型基区9内，元胞沟槽的槽底位于P型基区9的下方，元胞沟槽的深度也小于N型漂移区7的厚度。P型基区9与第一掺杂区15、第二掺杂区14以及第三掺杂区13之间互不接触。栅氧化层12覆盖元胞沟槽的侧壁以及底壁，栅极多晶硅11填充在元胞沟槽内，栅极多晶硅11通过栅氧化层12与元胞沟槽的侧壁以及底壁绝缘隔离。元胞沟槽的槽口由发射极绝缘介质层8覆盖，发射极金属层4通过发射极绝缘介质层8与栅极多晶硅11绝缘隔离，栅极多晶硅11与栅极金属层5欧姆接触，即通过栅极多晶硅11、元胞沟槽与栅极金属层5配合，能形成沟槽栅IGBT器件21，当然，IGBT器件21也可以采用平面型结构，具体可以根据需要进行选择，此处不再赘述。
N+源区10位于P型基区9内，N+源区10与元胞沟槽的外侧壁接触，发射极金属层4与P型基区9、N+源区10欧姆接触，从而能形成IGBT器件21的发射电极24。
进一步地，在元胞区的外圈还设置终端保护区3，所述终端保护区3包括终端金属层6以及位于所述终端金属层6正下方的终端结17，所述终端金属层6与终端结17欧姆接触。
本发明实施例中，终端保护区3环绕包围元胞区，利用终端保护区3能对元胞区进行保护，元胞区、终端保护区3之间的具体作用等与现有相一致，此处不再赘述。终端金属层6与栅极金属层5、发射极金属层4为同一工艺步骤层，对N型IGBT器件21，终端结17为P型掺杂区域。
所述终端保护区3还包括终端绝缘介质层16，终端金属层6支撑在终端绝缘介质层17上，终端金属层6通过终端绝缘介质层16内的终端介质接触孔与终端结17欧姆接触。本发明实施例中，终端绝缘介质层16与栅极绝缘介质层26、发射极绝缘介质层8为同一工艺步骤层，在终端绝缘介质层16内设置终端介质接触孔，以便终端金属层6与终端结17的欧姆接触。具体实施时，终端金属层6、终端结17欧姆接触后，所起到终端保护的机理、作用等与现有相一致，此处不再赘述。
进一步地，在所述半导体基板的背面还设置N型场截止层18以及设置于所述N型场截止层18上的P+集电区19，N型场截止层18位于N型漂移区7与P+集电区19之间，且N型场截止层18分别与N型漂移区7、P+集电区19邻接；在P+集电区19上设置集电极金属层20，所述集电极金属层20与P+集电区19欧姆接触。
本发明实施例中，N型场截止层18的掺杂浓度大于N型漂移区7的掺杂浓度，P+集电区19与N型场截止层18邻接，利用集电极金属层20与P+集电区19的欧姆接触，能形成IGBT器件21的集电极23。
本发明在栅极金属层5的正下方设置第一掺杂区15、第二掺杂区14以及第三掺杂区13，第一掺杂区15与发射极金属层5欧姆接触，第三掺杂区13与发射极金属层4欧姆接触，从而利用第一掺杂区15、第二掺杂区14以及第三掺杂区15能在IGBT器件21的发射电极24、栅电极21之间形成双向TVS结构，实现双向箝位的作用，即利用栅极电压箝位结构25能保护不受正负栅压的冲击，保护IGBT器件21的栅电极21，还可以避免在栅压过高时出现较高的短路电流，避免IGBT器件21由于短路电流过大导致的损坏，增加IGBT器件21的鲁棒性，减少对栅极驱动的依赖，有效提高器件的集成度，安全可靠。

Claims (6)

1.一种栅极双箝位的IGBT器件，包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区；所述元胞区包括发射极区以及栅电极区；半导体基板包括第一导电类型漂移区，所述发射极区包括发射极金属层，栅电极区包括栅极金属层；其特征是：
还包括设置于栅电极区内的栅极电压箝位结构，所述栅极电压箝位结构包括位于栅极金属层正下方的第三掺杂区、位于所述第三掺杂区内的第二掺杂区以及位于所述第二掺杂区的第一掺杂区；第一掺杂区位于第一导电类型漂移区内，第一掺杂区的掺杂类型与第三掺杂区的掺杂类型相一致，第一掺杂区的掺杂类型与第二掺杂区的掺杂类型不同；
第一掺杂区与栅极金属层欧姆接触，第三掺杂区与发射极金属层欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的栅极双箝位的IGBT器件，其特征是：所述栅极金属层通过栅极绝缘介质层与第一掺杂区、第二掺杂区以及第三掺杂区。
3.根据权利要求1所述的栅极双箝位的IGBT器件，其特征是：所述发射极区还包括设置于第一导电类型漂移区内上部的第二导电类型基区，在所述第二导电类型基区内设置元胞沟槽，元胞沟槽的槽底位于第二导电类型基区的下方，元胞沟槽的侧壁以及底壁生长有栅氧化层，在生长有栅氧化层的元胞沟槽内填充有栅极多晶硅，所述栅极多晶硅通过压盖元胞沟槽槽口的发射极绝缘介质层与发射极金属层绝缘隔离，所述栅极多晶硅与栅极金属层欧姆接触；
在第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，所述第二导电类型源区与元胞沟槽上部的外侧壁接触，发射极金属层与第二导电类型基区、第一导电类型源区欧姆接触。
4.根据权利要求1所述的栅极双箝位的IGBT器件，其特征是：在元胞区的外圈还设置终端保护区，所述终端保护区包括终端金属层以及位于所述终端金属层正下方的终端结，所述终端金属层与终端结欧姆接触。
5.根据权利要求4所述的栅极双箝位的IGBT器件，其特征是：所述终端保护区还包括终端绝缘介质层，终端金属层支撑在终端绝缘介质层上，终端金属层通过终端绝缘介质层内的终端介质接触孔与终端结欧姆接触。
6.根据权利要求1所述的栅极双箝位的IGBT器件，其特征是：在所述半导体基板的背面还设置第一导电类型场截止层以及设置于所述第一导电类型场截止层上的第二导电类型集电区，第一导电类型场截止层位于第一导电类型漂移区与第二导电类型集电区之间，且第一导电类型场截止层分别与第一导电类型漂移区、第二导电类型集电区邻接；在第二导电类型集电区上设置集电极金属层，所述集电极金属层与第二导电类型集电区欧姆接触。
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