CN115911119A - 一种具有体二极管的新型igbt结构 - Google Patents

一种具有体二极管的新型igbt结构 Download PDF

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伍伟
喻明康
高崇兵
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Abstract

本发明提供了一种具有体二极管的新型IGBT结构，该结构在具有浮空P区的常规沟槽栅IGBT结构的基础上，在P型浮空区上方开孔注入施主离子，形成N+接触区，与P型浮空区一起构成体二极管。在开启瞬态，新器件通过体二极管将P型浮空区钳位至低电位，以此抑制位移电流、降低密勒电容，从而提高栅极电阻对器件集电极‑发射极电压的可控性，减小EMI噪声。在关断瞬态，新器件通过体二极管形成的额外空穴路径加速提取基区空穴，从而降低关断时间，减小关断损耗。

Description

一种具有体二极管的新型IGBT结构
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种具有体二极管的新型IGBT结构。
背景技术
IGBT由于其驱动电路简单、驱动功率低等优点，越来越受到理论研究的关注。IGBT是由MOS和BJT部件组成的电压控制器件。在高压、大电流、快速开关和大功率应用中，IGBT表现出较低的电阻特性，因此已成为一种很有前途的功率半导体器件。
为了提高IGBT的导通压降VCE(ON)与关断损耗EOFF的折中关系，浮空P区IGBT被提出。随着浮空P区IGBT的发明与进一步研究，研究者也发现该结构的EMI问题较为严重。这是由于器件开启时P型浮空区不断积累的空穴引发P型浮空区流向栅极的位移电流导致的，该电流的产生会使栅极对器件电流电压的可控性降低，具体影响为使栅极电阻Rg对集电极-发射极电压VCE和电流IC的变化率dVCE/dt和dIC/dt的控制能力下降，最终在系统中引发较为严重的电磁干扰EMI噪声问题。
发明内容
针对增加IGBT的栅极对器件电压电流的可控性，进而改善器件EMI噪声特性的需求，本发明提供了一种具有体二极管的新型IGBT结构如图1所示。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种具有体二极管的新型IGBT结构，其元胞结构包括：P型集电区(1)、N型缓冲层(2)、N型漂移区(3)、载流子存储层(4)、P型基区(5)、P+型发射区(6)、N+型发射区(7)、P型浮空区(8)、N+接触区(9)。发射区间有SiO2氧化层(10)和多晶硅(11)构成的沟槽栅。其中载流子存储层(4)、P型基区(5)、P+型发射区(6)和N+型发射区(7)构成主流区，在导通阶段提供主要电流通路；P型浮空区(8)、N+接触区(9)组成体二极管区，提供额外的空穴路径。
本发明的技术方案相对常规IGBT结构，主要针对IGBT的P型浮空区结构进行改进。所述P型浮空区(8)与P型浮空区(8)上的N+接触区(9)构成体二极管，并由N+接触区(9)直接连接发射极，从而在器件开启阶段将所述P型浮空区(8)钳位至低电位。
进一步地，所述P型浮空区(8)与P型基区(5)深度相同，使P型基区(5)与P型浮空区(8)在工艺流程中可通过单次离子注入完成，从而减少所述结构的工艺复杂度。
进一步地，所述P型浮空区(8)的深度需比沟槽栅深度稍大，从而使P型浮空区(8)下方载流子分布减少，发射极区载流子更多地分布在主流区，达到降低导通压降的效果。
进一步地，所述N+接触区(9)需要高掺杂，使其与发射极金属形成欧姆接触，从而形成额外的空穴通路。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种具有体二极管的新型IGBT结构，该结构在常规IGBT结构的基础上，在P型浮空区上方注入N+接触区形成体二极管。体二极管在器件开启阶段通过将P型浮空区钳位至低电位，从而抑制位移电流，同时降低了密勒电容，进而使栅极电阻对器件集电极-发射极的电压与电流有更好的可控性，进而降低EMI噪声。同时，在器件关断阶段，体二极管提供的额外空穴路径提高了基区空穴的提取速率，从而降低关断时间，减小关断损耗。
附图说明
图1为常规IGBT的结构示意图；
图2为实施例1的结构示意图；
图3为实施例2的结构示意图；
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图2所示，本例的具有体二极管的新型IGBT结构，其元胞结构包括：P型集电区(1)、N型缓冲层(2)、N型漂移区(3)、载流子存储层(4)、P型基区(5)、P+型发射区(6)、N+型发射区(7)、P型浮空区(8)、N+接触区(9)。发射区间有SiO2氧化层(10)和多晶硅(11)构成的沟槽栅。其中载流子存储层(4)、P型基区(5)、P+型发射区(6)和N+型发射区(7)构成主流区，在导通阶段提供主要电流通路；P型浮空区(8)、N+接触区(9)组成体二极管区，提供额外的空穴路径。
本例相对常规IGBT结构，主要针对IGBT的P型浮空区结构进行改进，在P型浮空区(8)上方添加N+接触区(9)。所述N+接触区(9)的形成需要在P型浮空区(8)上方刻蚀一定面积的场氧，开出连接半导体的通路，然后通过施主离子注入并高温快速推结。P型浮空区(8)及其上方的N+接触区(9)形成体二极管，并通过欧姆接触连接发射极。本例P型浮空区(8)与常规IGBT结构的相同，所述P型浮空区(8)与P型基区(5)深度相同，二者通过同一次离子注入产生。
本例的工作原理为：
在器件的开启瞬态，P型浮空区(8)及其上方的N+接触区(9)形成的体二极管将所述P型浮空区(8)钳位至低电位，抑制从P型浮空区(8)流向栅极的位移电流，同时降低密勒电容，使栅极电阻Rg对器件开启时集电极-发射极电压与电流的变化率有更好的可控性，从而降低EMI噪声。在器件关断阶段，体二极管形成额外的空穴提取路径能够加速提取基区空穴，从而减小关断时间，降低关断损耗。
实施例2
如图3所示，本例与实施例1的区别在于本例P型浮空区(8)的深度需比沟槽栅深度稍大，而P型基区(5)深度不变。与实施例1相比，本例器件使发射极区载流子更多地分布在主流区，导通压降相对更低。
综上所述，本发明提供了一种具有体二极管的新型IGBT结构，该结构在常规IGBT结构的基础上，在P型浮空区上方添加N+接触区形成体二极管。体二极管在器件开启阶段通过将P型浮空区钳位至低电位，抑制位移电流，同时降低密勒电容，进而增强栅极对器件的可控性，并降低EMI噪声。同时，体二极管在器件关断阶段会形成额外的空穴提取路径，从而降低关断损耗。

Claims (5)

1.一种具有体二极管的新型IGBT结构，其元胞结构从下往上依次为：P型集电区(1)，N型缓冲层(2)和N型漂移区(3)，正面结构包含由载流子存储层(4)、P型基区(5)、P+型发射区(6)和N+型发射区(7)所组成的主流区，以及由P型浮空区(8)、N+接触区(9)所构成的体二极管区；发射区间有SiO2氧化层(10)和多晶硅(11)构成的沟槽栅。
2.根据权利要求1所述的具有体二极管的新型IGBT结构，其特征在于，所述P型浮空区(8)与P型浮空区(8)上的N+接触区(9)构成体二极管，并由N+接触区(9)直接连接发射极，从而在器件开启阶段将所述P型浮空区(8)钳位至低电位。
3.根据权利要求1和2所述的具有体二极管的新型IGBT结构，其特征在于，所述P型浮空区(8)与P型基区(5)深度相同，使P型基区(5)与P型浮空区(8)在工艺流程中可通过单次离子注入完成，从而减少所述结构的正面工艺复杂度。
4.根据权利要求1和2所述的具有体二极管的新型IGBT结构，其特征在于，所述P型浮空区(8)的深度需比沟槽栅深度稍大，从而优化所述结构在开启阶段发射极区的载流子分布，降低导通压降的效果。
5.根据权利要求1所述的具有体二极管的新型IGBT结构，其特征在于，所述N+接触区(9)需要高掺杂，使其与发射极金属形成欧姆接触，从而在关断阶段形成空穴通路。
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