CN110444592A - 一种栅极结构及igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种栅极结构，具有多晶硅条，多晶硅条中部为主栅区，主栅区至少一端连接有电阻区，电阻区的宽度小于主栅区的宽度；所述主栅区和电阻区组成的整体结构的两端上方的介质层中加工有接触孔，接触孔中填充有金属。本发明的栅极结构主栅区两端的电阻区的宽度比主栅区宽度小，电阻区的电阻很大，相当于在主栅区两端串联了一个电阻，而且本发明栅极结构的主栅区、电阻区、接触区和过渡区，可以通过一次光刻以及刻蚀工艺制作完成，无需增加额外的制造成本。相比现有技术，本发明无需在IGBT或者VDMOS器件外部串联一个专用的电阻，可以降低电器设备的成本，同时有利于设备的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率器件技术领域，尤其是一种应用于IGBT或者VDMOS器件的栅极结构，以及使用该栅极结构的IGBT器件。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor），是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的电压驱动式功率半导体器件，兼有绝缘栅型场效应管的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点，因此，IGBT器件已经广泛应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域，成为一种越来越重要的功率半导体器件。对于使用IGBT器件的变频器和UPS等电子设备来说，为减小对电网系统和室内电器设备的干扰和影响，必须满足EMI（Electric Magnetic Interference，电磁干扰）标准。EMI是指电子装置对周围设备所产生的干扰，一般有两种形式的干扰，一种是传导干扰，主要影响电源线；另一种是辐射干扰，以电磁波的形式发射出来。由于IGBT器件需要在500ns的时间内快速开通或关断数百伏的电压或数百安培的电流，很容易产生传导干扰及辐射干扰。因此，实际使用中，降低IGBT器件产生的电磁干扰尤为重要。同样，在VDMOS（垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管）器件的使用中，也存在着同样的EMI问题，迫切需要进行解决。
常规解决IGBT或VDMOS EMI问题的方案是，在器件的栅极管脚上串联一个专用的外置电阻，以抑制器件的栅极电压过冲和集电极电压变化率dV/dt，从而减小电器设备的EMI。但是，在栅极管脚上串接一个外置电阻，将增加电器设备的成本，同时增大了设备的体积，不利于设备小型化。在解决方案中，还可以采用其他方式降低EMI，例如对印刷电路板引线和系统连接线进行特殊处理，但是这样会大大增加印刷电路板的设计难度，或者对一些电子元件进行特殊的封装，但是也将增加成本。
发明内容
本申请人针对现有技术中为降低IGBT或者VDMOS器件的电磁干扰，需要在器件栅极管脚外部串联一个专用电阻，增加电子设备的成本，以及不利于设备小型化，或者采用复杂的印刷电路板等方法将增加生产成本等问题，提供一种新型的栅极结构，无需额外串联一个专用电阻，印刷电路板设计简单，具有成本低、有利于设备小型化等优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种栅极结构，具有多晶硅条，多晶硅条中部为主栅区，主栅区至少一端连接有电阻区，电阻区的宽度小于主栅区的宽度；所述主栅区和电阻区组成的多晶硅条的两端上方的介质层中加工有接触孔，接触孔中填充有金属。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述电阻区的一端连接主栅区，另一端连接接触区；所述接触孔位于接触区上方的介质层中，接触孔中的金属穿过接触孔与接触区连通。
所述接触区为圆形或者方形，圆形的直径或者方形的边长大于电阻区的宽度。
所述主栅区两端分别连接有电阻区，两个电阻区的一端连接主栅区，另一端上方的介质层中分别加工有上接触孔和下接触孔。
所述主栅区和电阻区之间设置过渡区，过渡区两端的宽度分别与主栅区和电阻区相同。
一种使用上述栅极结构的IGBT器件，所述IGBT器件两侧的多晶硅条的主栅区逐渐变短，所有多晶硅条的主栅区连接的电阻区的长度相同。
本发明的有益效果如下：
本发明的栅极结构在主栅区两端设置电阻区，电阻区的宽度比主栅区宽度小，电阻区的电阻很大，相当于在主栅区两端串联了一个电阻，而且本发明栅极结构的主栅区、电阻区、接触区和过渡区，可以通过一次光刻以及刻蚀工艺制作完成，无需增加额外的制造成本。相比现有技术，本发明无需在IGBT或者VDMOS器件外部串联一个专用的电阻，可以降低电器设备的成本，同时有利于设备的小型化。
而且，本发明无需在使用IGBT器件的印刷电路板上安装专用电阻，可以降低印刷电路板的设计难度，节约成本，也无需对IGBT器件进行特殊的封装，采用常规封装即可，大大降低封装成本。
附图说明
图1为现有IGBT器件的栅极结构示意图。
图2为本发明实施例一的栅极结构示意图。
图3为本发明实施例二的栅极结构示意图。
图4为IGBT整体栅极结构示意图。
图5为图4中右侧多组栅极结构示意图。
图中：1、多晶硅；2、接触孔；11、主栅区；12、电阻区；13、接触区；14、过渡区；15、上接触孔；16、下接触孔；21、第一栅极；22、第二栅极；23、第三栅极；24、第四栅极；25、第五栅极。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，现有技术中IGBT栅极结构的多晶硅1为长条状，两端上方的介质层中分别加工有一个接触孔2，接触孔2中淀积有栅极金属，栅极金属穿过接触孔2与多晶硅1导通，可提供栅极电压，使IGBT栅极导通工作。
实施例一：
如图2所示，本发明的栅极结构的多晶硅条中部为主栅区11，主栅区11的宽度与现有技术的多晶硅1的宽度相同。主栅区11的两端分别连接有电阻区12，电阻区12的宽度小于主栅区11宽度。为方便进行光刻和多晶刻蚀工艺，可以在主栅区11和电阻区12之间设置过渡区14，过渡区14上下两端的宽度分别与主栅区11和电阻区12相同。电阻区12一端连接主栅区11，没有与主栅区11连接的另一端连接有接触区13，接触区13为圆形或者方形，其直径或者边长大于电阻区12的宽度。在两个接触区13上方的介质层中，分别加工有上接触孔15和下接触孔16，孔中淀积有金属，金属穿过接触孔与下方的接触区13连通，为栅极结构提供栅极电压。其中，上接触孔15和下接触孔16共同组成栅极接触孔。
当然，上接触孔15和下接触孔16也可以直接加工在电阻区12上方的介质层中，而无需设置专用的接触区13。
在一个具体实施方式中，主栅区11的长度为2000um，宽度为6.5um，电阻区12的宽度为1.2um，长度为12um。以多晶硅方块电阻为20欧姆举例，则电阻区12的电阻为200欧姆。而在现有技术的IGBT栅极结构中，多晶硅1两端与电阻区12等长的多晶硅条的电阻为37欧姆，本发明电阻区12的电阻比现有技术同样长度的多晶硅条的电阻增大了5.4倍。相比现有技术，本发明相当于在主栅区11的两端分别串联了一个较大的电阻。
本发明通过在主栅区11两端串接一个阻值较大的电阻区12，可以增大栅电阻，进而增大栅电阻与输入电容组成的输入回路以及栅电阻与输出电容组成的输出回路的时间常数，有利于抑制IGBT器件的栅极电压过冲和集电极电压变化率dV/dt，从而减小IGBT器件产生的电磁干扰。
本发明栅极结构的主栅区11、电阻区12、接触区13和过渡区14，通过优选的工艺，可以通过一次栅极多晶硅光刻以及刻蚀工艺制作完成，相比现有技术，无需增加新的工艺步骤，因此本发明的IGBT器件的制造成本没有增加。但是，使用本发明栅极结构的IGBT器件，无需在器件外部串联一个用于降低电磁干扰的电阻，因此可以降低使用IGBT器件的电器设备的成本，同时缩小设备的体积，有利于设备的小型化。而且，本发明无需在安装IGBT器件的印刷电路板上安装专用电阻，降低印刷电路板线路设计的难度，节约成本，也无需对IGBT器件进行特殊的降低电磁干扰的封装，采用常规封装即可，大大降低封装成本。即使栅极结构的多晶推条需要通过多步光刻和刻蚀工艺制作，相比现有技术的外接串联电阻，也具有设备体积小、设计难度低等优点。
实施例二：
如图3所示，本发明的栅极结构在主栅区11的一端设置电阻区12，电阻区12的另一端连接接触区13。接触区13为圆形或者方形，接触区13上方的介质层中加工有上接触孔15，主栅区11另一端上方的介质层中加工有下接触孔16。
在IGBT器件设计和加工工艺中，可以根据降低电磁干扰所需的电阻阻值，设计加工相应宽度和长度的电阻区12即可。
实施例三：
图4所示为IGBT器件的整体栅极结构形貌，具有多根并列的多晶硅栅，IGBT器件的四个拐角处为圆弧状，在四个拐角处的栅极金属布局也为圆弧结构。为实现多晶硅栅两端的接触孔与栅极金属相连，IGBT器件两侧的多晶硅栅的长度逐渐变短。
图5为IGBT器件右侧多晶硅栅的示意图，分别为第一栅极21、第二栅极22、第三栅极23、第四栅极24和第五栅极25，第一栅极21和第二栅极22的长度一样，代表IGBT器件中部所有等长的多晶硅栅，而第二栅极22、第三栅极23、第四栅极24和第五栅极25依次变短，其端部的连线成弧形状，以便使两端的接触孔与上方拐角处的圆弧形结构的栅极金属相连。本发明中，不同长度的第二栅极22、第三栅极23、第四栅极24和第五栅极25的主栅区11长度逐渐缩短，主栅区11两端的电阻区12的长度相同，既可以满足所有多晶硅栅端部与上方的栅极金属相连，也可以确保每个多晶硅栅串联的电阻阻值相同，提高器件性能的一致性。相对于传统栅极结构，本实施例相当于所有多晶硅栅都串联了一个阻值较大的电阻，有效降低IGBT器件产生的电磁干扰。
本发明中的栅极结构，不仅可以应用在IGBT器件中，同样可以应用在VDOMS器件中，用于降低VDMOS器件产生的电磁干扰。以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。
Claims (6)
1.一种栅极结构，其特征在于：具有多晶硅条，多晶硅条中部为主栅区（11），主栅区（11）至少一端连接有电阻区（12），电阻区（12）的宽度小于主栅区（11）的宽度；所述主栅区（11）和电阻区（12）组成的多晶硅条的两端上方的介质层中加工有接触孔，接触孔中填充有金属。
2.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于：所述电阻区（12）的一端连接主栅区（11），另一端连接接触区（13）；所述接触孔位于接触区（13）上方的介质层中，接触孔中的金属穿过接触孔与接触区（13）连通。
3.根据权利要求2所述的栅极结构，其特征在于：所述接触区（13）为圆形或者方形，圆形的直径或者方形的边长大于电阻区（12）的宽度。
4.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于：所述主栅区（11）两端分别连接有电阻区（12），两个电阻区（12）的一端连接主栅区（11），另一端上方的介质层中分别加工有上接触孔（15）和下接触孔（16）。
5.根据权利要求1所述的栅极结构，其特征在于：所述主栅区（11）和电阻区（12）之间设置过渡区（14），过渡区（14）两端的宽度分别与主栅区（11）和电阻区（12）相同。
6.一种使用权利要求1所述的栅极结构的IGBT器件，其特征在于：所述IGBT器件两侧的多晶硅条的主栅区（11）逐渐变短，所有多晶硅条的主栅区（11）连接的电阻区（12）的长度相同。
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