CN110504311B - 一种具有短路自保护能力的igbt - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管，具体涉及一种具有短路自保护能力的IGBT。本发明在传统IGBT结构基础上集成一个PMOS结构和NMOS结构，同时配合二极管与电阻的使用，可以构成一个短路自保护电路来保护IGBT器件，当IGBT发生短路时，该保护电路使得IGBT栅电极与发射极之间形成一个低阻通路从而使得栅电极上的压降将来下，从而使得短路电流下降，避免了器件因发生短路而失效，而且该短路保护方式简单高效，集成度很高，体积小，成本低。

Description

一种具有短路自保护能力的IGBT
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管，具体涉及一种具有短路自保护能力的IGBT。
技术背景
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为新一代的电力电子器件因其结合了场效应晶体管(MOSFET)和双极结晶型晶体管(BJT)的优点，既具有MOSFET易于驱动、输入阻抗低、开关速度快的优点，又具有BJT通态电流密度大、导通压降低、损耗小、稳定性好的优点。因而发展为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，被广泛应用于交通、通信、家用电器及航空航天各个领域。IGBT的运用极大地改善了电力电子系统的性能。
对于传统的IGBT器件(如图1所示)，一般采用专用的元器件构成的保护电路来保护IGBT发生短路。用器件检测IGBT集电极和发射极之间的电压Vce，在IGBT短路时Vce电压急剧上升，当超过设定值时元器件会关断IGBT起到保护作用。IGBT短路保护电路一般采用专用的元器件来保护，然而其核心技术由国外公司掌握，因此保护电路成本很高，同时体积大，无法满足低成本小体积产品应用，而且这个检测过程周期长、响应慢，问题多。
发明内容
本发明为了克服现有的IGBT短路保护方法的不足，提出了一种具有短路自保护能力的IGBT结构，通过在传统的IGBT的基础上引入PMOS结构和NMOS结构，同时配合二极管与电阻的使用，可以构成一个短路自保护电路来保护IGBT器件。
本发明的技术方案如下：
一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图2所示，包括：从下至上依次层叠设置的背部集电极金属1、P+型集电区2、N型场阻止层3、N-型漂移区4；所述N-型漂移区上部具有N型电荷存储层7；所述N型电荷存储层7上部具有P型基区8；所述P型基区8上部并排设置有相互独立的N+发射区9、P+接触区10；其特征在于：在N-漂移区上部，在N型电荷存储层7、P型基区8、N+发射区9、P+接触区10一侧具有沟槽结构，所述沟槽结构包括栅介质层51、栅电极61、隔离介质层53、分离栅介质层52、分离栅电极62，所所述沟槽深度大于N型电荷存储层7的结深；所述N-漂移区上部、沟槽结构另一侧具有P型埋层13；所述P型埋层上部、沟槽一侧具有N型埋层14；所述N型埋层14上部、沟槽一侧具有P型掺杂层15；所述N型埋层14上部、P型掺杂层15一侧具有N+型隔离层16；所述N+型隔离层16上部具有P型陷阱17；所述P型陷阱17上部具有并排设置有P+接触区20、N+源区18；所述P型陷阱17上部、N+型隔离层16一侧具有N+漏区19；所述P+接触区20、N+源区18上方具有接触金属24；所述N+源区18上方、N+漏区19上方、分离栅介质层52上方具有介质层23；所述N+源区上方、P型陷阱17上方、N+漏区19上方具有栅介质层21；所述栅介质层21上方具有栅电极22；所述N+漏区19上方具有接触金属25；所述P型掺杂层15上方具有接触金属26；所述隔离介质层53上方、栅电极61上方、栅介质层51上方具有介质层11；所述分离栅介质层52上方、分离栅电极62上方、N+发射区9上方、P+接触区10上方具有发射极金属12；所述接触金属25与栅电极61短接；所述二极管阳极与接触金属26短接，阴极与电阻28短接；所述电阻28一端与二极管阴极短接，；另一端与发射极金属12短接；所述栅电极22与二极管27阴极短接；所述接触金属24与发射极金属12短接。
进一步的，一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图3所示，其特征是将P型陷阱17下部的N+隔离层16替换成绝缘介质层29。
进一步的，一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图4所示，其特征是将N+隔离层16全部替换成绝缘介质层29。
进一步的，一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图5所示，其特征是将分离栅电极62制作成L型包围栅电极62。
进一步的本发明中的IGBT器件半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN,沟槽填充材料采用多晶Si、SiC、GaAs或者GaN，且各部分可以采用相同的材料也可采用不同材料组合。
进一步的，所述器件结构不仅适用于IGBT器件，将器件背面的P型集电区2换为N+层，所述结构同样适用于MOSFET器件。
本发明的工作原理
当发射极12接低电位，集电极2接高电位，栅电极61接大于其阈值电压的高电位时，器件处于正向导通状态，电流从IGBT的MOS沟道流走，当集电极电压继续增大时，由P型埋层13、N型埋层14、P型掺杂层15与分离栅电极62构成的PMOS开启，为电流的流动提供额外的通路，该电流流过电阻28时会在电阻28上产生一个压降，当器件工作在稳定状态且设置合适的电阻28电阻值使得电阻28上的压降小到不足以使得多晶栅电极22下方的P陷阱17表面反型，此时N+源区18、P型陷阱17、N+型漏区19、栅电极22构成的NMOS处于不导通状态，然而当器件发生短路时，随着集电极电压的增大，流过PMOS结构的电流也急剧增大，导致电阻28上的压降增大，当电阻28上压降大到使得多晶栅电极22下方的P陷阱17表面反型时，集成的NOMS开启，这样使得栅电极61与发射极之间形成一个低阻通路，栅电极61上的压降会随之降下来使得器件短路电流降低从而保护器件不会因为发生短路而损坏，该短路保护方法简单高效，能有效保证器件的安全工作。
本发明的有益效果表现在：
针对现有的IGBT短路保护方法的不足，本发明提出的一种具有短路自保护能力的IGBT结构，通过在传统IGBT结构基础上集成一个PMOS结构和NMOS结构，同时配合二极管与电阻的使用，可以构成一个短路自保护电路来保护IGBT器件，当IGBT发生短路时，该保护电路使得IGBT栅电极与发射极之间形成一个低阻通路从而使得栅电极上的压降将来下，从而使得短路电流下降，避免了器件因发生短路而失效，而且该短路保护方式简单高效，集成度很高，体积小，成本低。
附图说明
图1是传统IGBT半元胞结构示意图，其中，1是集电极金属，2是P+型集电区，3是N型场阻止层，4是N-漂移区，5是栅介质层，6是栅电极，7是N型电荷存储层，8是P型基区，9是N+发射区，10是P+接触区，11是绝缘介质层，12是发射极金属。
图2是本发明实施例1提供的一种具有短路自保护能力的IGBT的元胞结构示意图；
图3是本发明实施例2提供的一种具有短路自保护能力的IGBT的元胞结构示意图；
图4是本发明实施例3提供的一种具有短路自保护能力的IGBT的元胞结构示意图；
图5是本发明实施例4提供的一种具有短路自保护能力的IGBT的元胞结构示意图；
图2至图5中，其中，1是集电极金属，2是P+型集电极，3是N型场阻止层，4是N-漂移区，51是栅介质层，52是分离栅介质层，53是隔离介质层，54是介质层，61是栅电极，62是分离栅电极，7是N型电荷存储层，8是P型基区，9是N+型发射区，10是P+型接触区，11是介质层，12是发射极金属，13是P型埋层，14是N型埋层，15是P型掺杂层，16是N+型隔离层，17是P型陷阱，18是N+型源区，19是P+型漏区，20是P+型接触区，21是栅介质层，22是栅电极，23是介质层，24是接触金属，25是接触金属，26是接触金属，27是二极管，28是电阻，29是隔离介质层。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的原理和特性做进一步的说明，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图2所示，包括：从下至上依次层叠设置的背部集电极金属1、P+型集电区2、N型场阻止层3、N-型漂移区4；所述N-型漂移区上部具有N型电荷存储层7；所述N型电荷存储层7上部具有P型基区8；所述P型基区8上部并排设置有相互独立的N+发射区9、P+接触区10；其特征在于：在N-漂移区上部，在N型电荷存储层7、P型基区8、N+发射区9、P+接触区10一侧具有沟槽结构，所述沟槽结构包括栅介质层51、栅电极61、隔离介质层53、分离栅介质层52、分离栅电极62，所所述沟槽深度大于N型电荷存储层7的结深；所述N-漂移区上部、沟槽结构另一侧具有P型埋层13；所述P型埋层上部、沟槽一侧具有N型埋层14；所述N型埋层14上部、沟槽一侧具有P型掺杂层15；所述N型埋层14上部、P型掺杂层15一侧具有N+型隔离层16；所述N+型隔离层16上部具有P型陷阱17；所述P型陷阱17上部具有并排设置有P+接触区20、N+源区18；所述P型陷阱17上部、N+型隔离层16一侧具有N+漏区19；所述P+接触区20、N+源区18上方具有接触金属24；所述N+源区18上方、N+漏区19上方、分离栅介质层52上方具有介质层23；所述N+源区上方、P型陷阱17上方、N+漏区19上方具有栅介质层21；所述栅介质层21上方具有栅电极22；所述N+漏区19上方具有接触金属25；所述P型掺杂层15上方具有接触金属26；所述隔离介质层53上方、栅电极61上方、栅介质层51上方具有介质层11；所述分离栅介质层52上方、分离栅电极62上方、N+发射区9上方、P+接触区10上方具有发射极金属12；所述接触金属25与栅电极61短接；所述二极管阳极与接触金属26短接，阴极与电阻28短接；所述电阻28一端与二极管阴极短接，；另一端与发射极金属12短接；所述栅电极22与二极管27阴极短接；所述接触金属24与发射极金属12短接，所述栅电极61通过介质层51与N-漂移区4、N型电荷存储层7、P型基区8、N+型发射区9、P+型接触区10连接，所示栅电极61通过隔离介质层53与分离栅电极62连接；所述分离栅电极62通过分离栅介质层52与P型埋层13、N型埋层14、P型掺杂层15连接；所述P型埋层13可沿与分离栅介质层52接触面延伸到栅介质层51接触面。
实施例2
一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图3所示，包括：从下至上依次层叠设置的背部集电极金属1、P+型集电区2、N型场阻止层3、N-型漂移区4；所述N-型漂移区上部具有N型电荷存储层7；所述N型电荷存储层7上部具有P型基区8；所述P型基区8上部并排设置有相互独立的N+发射区9、P+接触区10；其特征在于：在N-漂移区上部，在N型电荷存储层7、P型基区8、N+发射区9、P+接触区10一侧具有沟槽结构，所述沟槽结构包括栅介质层51、栅电极61、隔离介质层53、分离栅介质层52、分离栅电极62，所所述沟槽深度大于N型电荷存储层7的结深；所述N-漂移区上部、沟槽结构另一侧具有P型埋层13；所述P型埋层上部、沟槽一侧具有N型埋层14；所述N型埋层14上部具有隔离介质层29；所述N型埋层14上部、沟槽一侧具有P型掺杂层15；所述隔离介质层29上部、P型掺杂层15一侧具有N+型隔离层16；所述N+型隔离层16上部具有P型陷阱17；所述P型陷阱17上部具有并排设置有P+接触区20、N+源区18；所述P型陷阱17上部、N+型隔离层16一侧具有N+漏区19；所述P+接触区20、N+源区18上方具有接触金属24；所述N+源区18上方、N+漏区19上方、分离栅介质层52上方具有介质层23；所述N+源区上方、P型陷阱17上方、N+漏区19上方具有栅介质层21；所述栅介质层21上方具有栅电极22；所述N+漏区19上方具有接触金属25；所述P型掺杂层15上方具有接触金属26；所述隔离介质层53上方、栅电极61上方、栅介质层51上方具有介质层11；所述分离栅介质层52上方、分离栅电极62上方、N+发射区9上方、P+接触区10上方具有发射极金属12；所述接触金属25与栅电极61短接；所述二极管阳极与接触金属26短接，阴极与电阻28短接；所述电阻28一端与二极管阴极短接，；另一端与发射极金属12短接；所述栅电极22与二极管27阴极短接；所述接触金属24与发射极金属12短接，所述栅电极61通过介质层51与N-漂移区4、N型电荷存储层7、P型基区8、N+型发射区9、P+型接触区10连接，所示栅电极61通过隔离介质层53与分离栅电极62连接；所述分离栅电极62通过分离栅介质层52与P型埋层13、N型埋层14、P型掺杂层15连接；所述P型埋层13可沿与分离栅介质层52接触面延伸到栅介质层51接触面。
实施例3
一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图4所示，其特征是：在实施例1的基础上将N+型隔离层16全部替换成隔离介质层29。
通过将N+型隔离层16全部替换成隔离介质层29起到更好的隔离作用。
实施例4
一种具有短路自保护能力的IGBT结构，其元胞结构示意图如图4所示，其特征是：在或实施例2的基础上将分离栅电极62制作成L型包围住栅电极61，介质层54厚度大于或等于栅介质层51的厚度。
通过将分离栅电极62制作成L型包围住栅电极61进一步的减小栅电容尤其是密勒电容。

Claims (5)

1.一种具有短路自保护能力的IGBT，其元胞结构包括：从下至上依次层叠设置的背部集电极金属(1)、P+型集电区(2)、N型场阻止层(3)、N-型漂移区(4)；所述N-型漂移区上层一端具有N型电荷存储层(7)、位于N型电荷存储层(7)上表面的P型基区(8)、并列位于P型基区(8)上表面的N+发射区(9)和第一P+接触区(10)，第一P+接触区(10)位于元胞结构外侧；其特征在于：在N-型漂移区(4)上部，在N型电荷存储层(7)、P型基区(8)、N+发射区(9)、第一P+接触区(10)一侧具有沟槽结构，所述沟槽结构包括第一栅介质层(51)、第一栅电极(61)、第一隔离介质层(53)、分离栅介质层(52)、分离栅电极(62)，所述沟槽深度大于N型电荷存储层(7)的结深；所述N-型漂移区(4)上部、沟槽结构另一侧具有P型埋层(13)；所述P型埋层(13)上部、沟槽一侧具有N型埋层(14)；所述N型埋层(14)上部、沟槽一侧具有P型掺杂层(15)；所述N型埋层(14)上部、P型掺杂层(15)一侧具有N+型隔离层(16)；所述N+型隔离层(16)上部具有P型陷阱(17)；所述P型陷阱(17)上部具有并排设置有第二P+接触区(20)、N+源区(18)；所述P型陷阱(17)上部、N+型隔离层(16)一侧具有N+漏区(19)；所述第二P+接触区(20)、N+源区(18)上方具有第一接触金属(24)；所述N+源区(18)上方、N+漏区(19)上方、分离栅介质层(52)上方具有第一介质层(23)；所述N+源区(18)上方、P型陷阱(17)上方、N+漏区(19)上方具有第二栅介质层(21)；所述第二栅介质层(21)上方具有第二栅电极(22)；所述N+漏区(19)上方具有第二接触金属(25)；所述P型掺杂层(15)上方具有第三接触金属(26)；所述第一隔离介质层(53)上方、第一栅电极(61)上方、第一栅介质层(51)上方具有第二介质层(11)；所述分离栅介质层(52)上方、分离栅电极(62)上方、N+发射区(9)上方、第一P+接触区(10)上方具有发射极金属(12)；所述第二接触金属(25)与第一栅电极(61)短接；二极管(27)阳极与第三接触金属(26)短接，阴极与电阻(28)短接；所述电阻(28)一端与二极管阴极短接；另一端与发射极金属(12)短接；所述第二栅电极(22)与二极管(27)阴极短接；所述第一接触金属(24)与发射极金属(12)短接，所述第一栅电极(61)通过第一栅介质层(51)与N-型漂移区(4)、N型电荷存储层(7)、P型基区(8)、N+发射区(9)、P+型接触区(10)连接，所述第一栅电极(61)通过第一隔离介质层(53)与分离栅电极(62)连接；所述分离栅电极(62)通过分离栅介质层(52)与P型埋层(13)、N型埋层(14)、P型掺杂层(15)连接；所述P型埋层(13)的范围沿与分离栅介质层(52) 接触面延伸到栅介质层(51)接触面。
2.根据权利要求1所述的一种具有短路自保护能力的IGBT，其特征在于：IGBT器件半导体材料采用Si、SiC、GaAs或者GaN,沟槽填充材料采用多晶Si、SiC、GaAs或者GaN，且各部分可以采用相同的材料也可采用不同材料组合。
3.根据权利要求1所述的一种具有短路自保护能力的IGBT，其特征在于：将器件背面的P+型集电区(2)换为N+层，所述结构同样适用于MOSFET器件。
4.一种具有短路自保护能力的IGBT，其元胞结构包括：从下至上依次层叠设置的背部集电极金属(1)、P+型集电区(2)、N型场阻止层(3)、N-型漂移区(4)；所述N-型漂移区上部一端具有N型电荷存储层(7)；所述N型电荷存储层(7)上部具有P型基区(8)；所述P型基区(8)上部并排设置有相互独立的N+发射区(9)、第一P+接触区(10)；其特征在于：在N-型漂移区(4)上部，在N型电荷存储层(7)、P型基区(8)、N+发射区(9)、第一P+接触区(10)一侧具有沟槽结构，所述沟槽结构包括第一栅介质层(51)、第一栅电极(61)、第一隔离介质层(53)、分离栅介质层(52)、分离栅电极(62)，所述沟槽深度大于N型电荷存储层(7)的结深；所述N-型漂移区(4)上部、沟槽结构另一侧具有P型埋层(13)；所述P型埋层(13)上部、沟槽一侧具有N型埋层(14)；所述N型埋层(14)上部具有第二隔离介质层(29)；所述N型埋层(14)上部、沟槽一侧具有P型掺杂层(15)；所述第二隔离介质层(29)上部、P型掺杂层(15)一侧具有N+型隔离层(16)；所述N+型隔离层(16)上部具有P型陷阱(17)；所述P型陷阱(17)上部具有并排设置有第二P+接触区(20)、N+源区(18)；所述P型陷阱(17)上部、N+型隔离层(16)一侧具有N+漏区(19)；所述第二P+接触区(20)、N+源区(18)上方具有第一接触金属(24)；所述N+源区(18)上方、N+漏区(19)上方、分离栅介质层(52)上方具有第一介质层(23)；所述N+源区(18)上方、P型陷阱(17)上方、N+漏区(19)上方具有第二栅介质层(21)；所述第二栅介质层(21)上方具有第二栅电极(22)；所述N+漏区(19)上方具有第二接触金属(25)；所述P型掺杂层(15)上方具有第三接触金属(26)；所述第一隔离介质层(53)上方、第一栅电极(61)上方、第一栅介质层(51)上方具有第二介质层(11)；所述分离栅介质层(52)上方、分离栅电极(62)上方、N+发射区(9)上方、第一P+接触区(10)上方具有发射极金属(12)；所述第二接触金属(25)与第一栅电极(61)短接；二极管(27)阳极与第三接触金属(26)短接，阴极与电阻(28)短接；所述电阻(28)一端与二极管阴极短接；另一端与发射极金属(12)短接；所述第二栅电极(22)与二极管(27)阴极短接；所述第一接触金属(24)与发射极金属(12)短接，所述第一栅电极(61)通过第一栅介质层(51)与N-型漂移区(4)、N型电荷存储层(7)、P型基区(8)、N+发射区(9)、P+型接触区(10)连接，所述 第一栅电极(61)通过第一隔离介质层(53)与分离栅电极(62)连接；所述分离栅电极(62)通过分离栅介质层(52)与P型埋层(13)、N型埋层(14)、P型掺杂层(15)连接；所述P型埋层(13)的范围沿与分离栅介质层(52)接触面延伸到第一栅介质层(51)接触面。
5.根据权利要求4所述的一种具有短路自保护能力的IGBT，其特征在于：将分离栅电极(62)制作成L型包围住第一栅电极(61)，分离栅电极(62)通过第三介质层(54)与N-型漂移区(4)和N型电荷存储层(7)连接，第三介质层(54)厚度大于或等于第一栅介质层(51)的厚度。
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