CN117116938B - 一种功率器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，提供一种功率器件及其制备方法，该功率器件包括：IGBT；开关模块，与所述IGBT发射极和栅极连接，用于在所述IGBT短路时将所述IGBT发射极和栅极短接；所述开关模块设置于所述IGBT内部。通过设置开关模块在IGBT处于短路状态时将其发射极和栅极短接，降低电流，保护该功率器件，以解决现有技术中通过Driver IC控制IGBT器件关断降低电流会极大的增加器件的导通损耗，使器件的工作效率降低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种功率器件及其制备方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）通常应用于电机，变频器，功率因数校正（PFC，Power Factor Correc TIon）等多种大电流应用领域。在大多数IGBT领域中，需要IGBT能够有10us的短路时间，为保证器件有10us的短路时间，需降低IGBT器件电流密度。传统技术中，当器件短路发生时，需要通过外围过流检测电路，当检测电路检测到大电流时，将信号传递至微控制单元(MCU，Microcontroller Unit)之后MCU将控制信号发送给驱动集成电路（Driver IC，integrated circuit）,Driver IC控制IGBT器件关断降低电流，减少器件发热，避免烧毁。但是，这样会极大的增加器件的导通损耗，使器件的工作效率降低。
因此，有必要提供一种功率器件及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种功率器件，包括：
IGBT；
开关模块，与所述IGBT发射极和栅极连接，用于在所述IGBT短路时将所述IGBT发射极和栅极短接；
所述开关模块设置于所述IGBT内部。
进一步地，所述开关模块包括NPN三极管。
进一步地，所述NPN三极管包括：
N型漂移区；
位于所述N型漂移区内的P阱、第一N阱及第二N阱，所述P阱将所述第一N阱及第二N阱隔离开。
进一步地，所述IGBT包括
栅极；所述栅极形成于所述N型漂移区顶部；
层间阻绝物；所述层间阻绝物覆盖所述N型漂移区顶部及覆盖所述IGBT栅极；
金属层；位于所述层间阻绝物顶部；所述金属层包括相互独立的第一区域、第二区域及第三区域，所述第一区域与所述IGBT栅极和所述第一N阱连接，所述第二区域与所述P阱连接，所述第三区域与所述第二N阱连接。
进一步地，还包括：
封装结构；所述封装结构上所述第二区域在所述封装结构上的连接点与所述IGBT发射极的连接点之间的距离为0.2mm。
本申请还提供一种功率器件的制备方法，包括：
形成开关模块；
形成IGBT；所述IGBT发射极和栅极均与所述开关模块连接，所述开关模块用于在所述IGBT短路时将所述IGBT发射极和栅极短接；所述开关模块设置于所述IGBT内部。
进一步地，所述开关模块包括NPN三极管。
进一步地，所述形成开关模块，包括：
形成N型漂移区和位于所述N型漂移区内的N阱；
在所述N阱内形成P阱，所述P阱将所述N阱分割为两个独立的第一N阱和第二N阱，以形成所述NPN三极管。
进一步地，所述形成IGBT，包括：
在所述N型漂移区顶部形成所述IGBT栅极；
形成层间阻绝物；所述层间阻绝物覆盖所述N型漂移区顶部及覆盖所述IGBT栅极；
在所述层间阻绝物顶部形成金属层；所述金属层包括相互独立的第一区域、第二区域及第三区域，所述第一区域与所述IGBT栅极和所述第一N阱连接，所述第二区域与所述P阱连接，所述第三区域与所述第二N阱连接。
进一步地，还包括：
形成封装结构，所述封装结构上所述第二区域在所述封装结构上的连接点与所述IGBT发射极的连接点之间的距离为0.2mm。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例提供的本专利的构想是在IGBT器件短路发生时，通过在IGBT发射极（Emitter）与IGBT栅极（gate）之间设置开关模块。当IGBT短路发生时，开关模块将IGBT栅极和发射极短接，关断IGBT，降低电流。该方式不需降低IGBT本身的电流密度从而提升短路能力，从而改善器件发热，提升功率密度，进而提升器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的功率器件的示意图；
图2和图3为本发明的一个实施例提供的功率器件的原理等效图；
图4为本发明的一个实施例提供的功率器件的制备方法的流程图；
图5-8为本发明的一个实施例提供的功率器件的制备方法的各个步骤的剖视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种功率器件及其制备方法。
如图1-3所示，本发明提供一种功率器件。功率器件包括IGBT11和开关模块12。IGBT11包括IGBT发射极111和IGBT栅极112和IGBT集电极。开关模块12与IGBT发射极111和IGBT栅极112连接，用于在IGBT11短路时将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接。开关模块12设置于IGBT11内部。
具体的，开关模块12可以包括两个连接端和一个控制端，其两个连接端可以分别与IGBT发射极111和IGBT栅极112连接，其控制端可以感应IGBT11短路，当感应到IGBT11短路时控制其两个连接端之间导通，从而将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接；反之开关模块12两个连接端之间断开，从而不会影响IGBT的正常工作。
本实施例通过在IGBT发射极（Emitter）111与 IGBT栅极（gate）112之间设置开关模块12，开关模块12阈值电压可以设为3-5V左右，在IGBT11短路发生时，将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接，从而关断IGBT11，降低电流，使得不需降低IGBT11本身的电流密度就能提升短路能力。
在一些示例中，开关模块12包括NPN三极管。NPN三极管的基极121和IGBT发射极111之间具有功率器件封装的内部电阻R，在IGBT11短路发生时，由于封装内部电阻R两端的压差会使得NPN三极管处于放大状态，将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接，关断IGBT11，降低电流，使得不需降低IGBT11本身的电流密度就能提升短路能力。
本实施例中在IGBT11短路发生时，通过在IGBT发射极111与IGBT栅极112之间设置NPN三极管，其阈值电压设为3-5V左右。当IGBT11短路发生时，NPN三极管由于封装内部电阻R两端的压差会处于放大状态，将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接，关断IGBT11，降低电流。此外，可通过调整在IGBT发射极111框架的打线位置调整内部电阻R的电阻值，从而调整NPN三极管放大状态时IGBT11的短路电流值，从而改善器件发热，提升功率密度，进而提升器件性能。
在一些示例中，如图8所示，NPN三极管包括：N型漂移区（N-drift）21；位于N型漂移区21内的P阱(Pwell)223、第一N阱(Nwell)221及第二N阱(Nwell)222，P阱223将第一N阱221及第二N阱222隔离开。
本实施例中，P阱223、第一N阱221及第二N阱222可以依次分别作为NPN三极管的基极（NPN base）、集电极(NPN collector)及发射极(NPN emitter)。
在一些示例中， IGBT11包括IGBT栅极112，栅极112形成于N型漂移区21顶部。如图8所示，IGBT栅极112可以采用二氧化硅(SiO2)层23和多晶硅栅极（IGBT gate poly）24形成，二氧化硅(SiO2)层23和多晶硅栅极（IGBT gate poly）24依次形成于N型漂移区21顶部。IGBT11还包括层间阻绝物（ILD ，Inter-Layer Dielectric）25。层间阻绝物25覆盖N型漂移区21顶部及覆盖IGBT栅极。IGBT11还包括金属层；位于层间阻绝物25顶部。金属层包括相互独立的第一区域251、第二区域252及第三区域253，第一区域251与IGBT栅极112（本实施例可以与多晶硅栅极（IGBT gate poly）24）和第一N阱221连接，第二区域252与P阱223连接，第三区域253与第二N阱222连接。
本实施例中，IGBT11的其他结构与普通的IGBT结构相同，不再赘述。本实施例中，第一区域251将IGBT栅极112和NPN三极管的集电极即第一N阱221连接并将IGBT栅极112引出；第二区域252将NPN三极管的基极引出，其在封装上的打线位置可以改变内部电阻R的大小；第三区域253与NPN三极管的发射极即第二N阱222连接，并将IGBT发射极111引出。
在一些示例中，功率器件还包括封装结构。封装结构上第二区域252在封装结构上的连接点与IGBT发射极111的连接点之间的距离为0.2mm。本实施例中，可通过调整第二区域252在封装结构上的连接点与IGBT发射极111的连接点之间的距离调整内部电阻R的电阻值，从而调整NPN三极管放大状态时IGBT11的短路电流值。
本申请还提供一种功率器件的制备方法，如图4所示，功率器件的制备方法包括：
步骤S110，形成开关模块。
步骤S120，形成IGBT。IGBT发射极和栅极均与开关模块连接，开关模块用于在IGBT短路时将IGBT发射极和栅极短接；开关模块设置于IGBT内部。
本实施例通过在IGBT发射极（Emitter）111与 IGBT栅极（gate）112之间设置开关模块12，开关模块12阈值电压可以设为3-5V左右，在IGBT11短路发生时，将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接，从而关断IGBT11，降低电流，使得不需降低IGBT11本身的电流密度就能提升短路能力。
在一些示例中，开关模块12包括NPN三极管。NPN三极管的基极121和IGBT发射极111之间具有功率器件封装的内部电阻R，在IGBT11短路发生时，由于封装内部电阻R两端的压差会使得NPN三极管处于放大状态，将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接，关断IGBT11，降低电流，使得不需降低IGBT11本身的电流密度就能提升短路能力。
本实施例中在IGBT11短路发生时，通过在IGBT发射极111与IGBT栅极112之间设置NPN三极管，其阈值电压设为3-5V左右。当IGBT11短路发生时，NPN三极管由于封装内部电阻R两端的压差会处于放大状态，将IGBT发射极111和IGBT栅极112短接，关断IGBT11，降低电流。此外，可通过调整在IGBT发射极111框架的打线位置调整内部电阻R的电阻值，从而调整NPN三极管放大状态时IGBT11的短路电流值，从而改善器件发热，提升功率密度，进而提升器件性能。
在一些示例中，步骤S110形成开关模块，包括：
步骤S111，形成N型漂移区和位于N型漂移区内的N阱。
步骤S112，在N阱内形成P阱， P阱将N阱分割为两个独立的第一N阱和第二N阱，以形成NPN三极管。
在一些示例中，步骤S120形成IGBT，包括：
步骤S121，在N型漂移区顶部形成IGBT栅极。
步骤S122，形成层间阻绝物；层间阻绝物覆盖N型漂移区顶部及覆盖IGBT栅极。
步骤S123，在层间阻绝物顶部形成金属层；金属层包括相互独立的第一区域、第二区域及第三区域，第一区域与IGBT栅极和第一N阱连接，第二区域与P阱连接，第三区域与第二N阱连接。
具体的，如图5至8所示，NPN三极管包括：N型漂移区（N-drift）21以及位于N型漂移区内的N阱22；位于N型漂移区21内的P阱(Pwell)223、第一N阱(Nwell)221及第二N阱(Nwell)222，P阱223将第一N阱221及第二N阱222隔离开。
本实施例中，P阱223、第一N阱221及第二N阱222可以依次分别作为NPN三极管的基极（NPN base）、集电极(NPN collector)及发射极(NPN emitter)。
IGBT11包括IGBT栅极112，栅极112形成于N型漂移区21顶部。IGBT栅极112可以采用二氧化硅(SiO2)层23和多晶硅栅极（IGBT gate poly）24形成，二氧化硅(SiO2)层23和多晶硅栅极（IGBT gate poly）24依次形成于N型漂移区21顶部。IGBT11还包括层间阻绝物（ILD ，Inter-Layer Dielectric）25。层间阻绝物25覆盖N型漂移区21顶部及覆盖IGBT栅极。IGBT11还包括金属层；位于层间阻绝物25顶部。金属层包括相互独立的第一区域251、第二区域252及第三区域253，第一区域251与IGBT栅极112（本实施例可以与多晶硅栅极（IGBTgate poly）24）和第一N阱221连接，第二区域252与P阱223连接，第三区域253与第二N阱222连接。
本实施例中，IGBT11的其他结构与普通的IGBT结构相同，不再赘述，形成IGBT11和NPN三极管的部分的具体步骤可以采用现有技术任意一种工艺，区别在于本实施例将IGBT11设置于功率器件内部，设置金属层中的三个区域，并分别与IGBT11和NPN三极管的各个部分连接从而将NPN三极管与IGBT11结合。本实施例中，第一区域251将IGBT栅极112和NPN三极管的集电极即第一N阱221连接并将IGBT栅极112引出；第二区域252将NPN三极管的基极引出，其在封装上的打线位置可以改变内部电阻R的大小；第三区域253与NPN三极管的发射极即第二N阱222连接，并将IGBT发射极111引出。
在一些示例中，如图4所示，功率器件的制备方法还包括：
步骤S130，形成封装结构。
本实施例中，封装结构上第二区域252在封装结构上的连接点与IGBT发射极111的连接点之间的距离为0.2mm。本实施例中，可通过调整第二区域252在封装结构上的连接点与IGBT发射极111的连接点之间的距离调整内部电阻R的电阻值，从而调整NPN三极管放大状态时IGBT11的短路电流值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种功率器件，其特征在于，包括：
IGBT；
开关模块，与所述IGBT发射极和栅极连接，用于在所述IGBT短路时将所述IGBT发射极和栅极短接；所述开关模块设置于所述IGBT内部；
其中，所述开关模块包括NPN三极管；
所述NPN三极管包括：N型漂移区；位于所述N型漂移区内的P阱、第一N阱及第二N阱，所述P阱将所述第一N阱及第二N阱隔离开；
所述IGBT包括：
栅极；所述栅极形成于所述N型漂移区顶部；
层间阻绝物；所述层间阻绝物覆盖所述N型漂移区顶部及覆盖所述IGBT栅极；
金属层；位于所述层间阻绝物顶部；所述金属层包括相互独立的第一区域、第二区域及第三区域，所述第一区域与所述IGBT栅极和所述第一N阱连接，所述第二区域与所述P阱连接，所述第三区域与所述第二N阱连接。
2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，还包括：
封装结构；所述封装结构上所述第二区域在所述封装结构上的连接点与所述IGBT发射极的连接点之间的距离为0.2mm。
3.一种功率器件的制备方法，其特征在于，包括：
形成开关模块；
形成IGBT；所述IGBT发射极和栅极均与所述开关模块连接，所述开关模块用于在所述IGBT短路时将所述IGBT发射极和栅极短接；所述开关模块设置于所述IGBT内部；
其中，所述开关模块包括NPN三极管，
其中，所述形成开关模块，包括：
形成N型漂移区和位于所述N型漂移区内的N阱；
在所述N阱内形成P阱，所述P阱将所述N阱分割为两个独立的第一N阱和第二N阱，以形成所述NPN三极管；
其中，所述形成IGBT，包括：
在所述N型漂移区顶部形成所述IGBT栅极；
形成层间阻绝物；所述层间阻绝物覆盖所述N型漂移区顶部及覆盖所述IGBT栅极；
在所述层间阻绝物顶部形成金属层；所述金属层包括相互独立的第一区域、第二区域及第三区域，所述第一区域与所述IGBT栅极和所述第一N阱连接，所述第二区域与所述P阱连接，所述第三区域与所述第二N阱连接。
4.根据权利要求3所述的功率器件的制备方法，其特征在于，还包括：
形成封装结构，所述封装结构上所述第二区域在所述封装结构上的连接点与所述IGBT发射极的连接点之间的距离为0.2mm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017011319A (ja) * | 2016-10-21 | 2017-01-12 | 良孝 菅原 | 半導体装置とその動作方法 |
| CN115566060A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-01-03 | 上海功成半导体科技有限公司 | Igbt器件及其制备方法 |
| CN115732553A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-03-03 | 上海功成半导体科技有限公司 | Igbt器件及其制备方法 |
| CN116190435A (zh) * | 2022-11-10 | 2023-05-30 | 上海功成半导体科技有限公司 | Igbt器件及其制备方法 |
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2023
- 2023-10-24 CN CN202311381526.4A patent/CN117116938B/zh active Active
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