JP6947915B6 - Ｉｇｂｔパワーデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、出願日が２０１７年１１月１日、出願番号が２０１７１１０５８０６３．２号、出願日が２０１７年１１月１日、出願番号が２０１７１１０５８０７４．０号、及び出願日が２０１７年１１月１日、出願番号が２０１７１１０５８７８７．７号の中国専利出願の優先権を主張し、上記出願の全部内容を参照によって本発明に援用される。
本発明は、半導体パワーデバイス技術の分野に関し、例えば、ＩＧＢＴパワーデバイスに関する。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ，ＩＧＢＴ）パワーデバイスは、金属酸化物半導体（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＭＯＳ）トランジスタ及びバイポーラトランジスタにより複合したデバイスであり、ＩＧＢＴパワーデバイスの入力電極はＭＯＳトランジスタであり、出力電極はＰＮＰ型トランジスタであり、該パワーデバイスはこの２種類のトランジスタデバイスの利点を融合し、ＭＯＳトランジスタの駆動電力が小さくスイッチング速度が速い利点と、バイポーラトランジスタの飽和電圧が低く容量が大きい利点とを兼備し、現代のパワーエレクトロニクス技術においてますます幅広く応用され、特に高周波の大電力用トランジスタと中電力用トランジスタの応用の主流を占めている。
関連技術のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図を図１に示すように、底部に間隔を空けて設けられたｐ型コレクタ領域３１とｎ型コレクタ領域３とを含み、ｐ型コレクタ領域３１及びｎ型コレクタ領域３は、コレクタ金属コンタクト層７０によってコレクタ電圧に接続されている。ＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型コレクタ領域３１とｎ型コレクタ領域３の上にあるｎ型フィールドストップ領域３２と、ｎ型フィールドストップ領域３２の上にあるｎ型ドリフト領域３０とを更に含み、ｎ型ドリフト領域３０内に少なくとも２つのｐ型ボディ領域３３が設けられ、ｐ型ボディ領域３３とｎ型ドリフト領域３０との間にＩＧＢＴパワーデバイスに寄生するボディダイオード構造が形成されている。ｐ型ボディ領域３３内にｐ型ボディコンタクト領域３８とｎ型ソース領域３４とが設けられ、ｎ型ソース領域３４及びｐ型ボディコンタクト領域３８は、エミッタ金属コンタクト層４７によってエミッタ電圧に接続されている。通常、ｐ型ボディコンタクト領域３８のドーピング濃度は、ｐ型ボディ領域３３のドーピング濃度の最大ピークよりも高いため、ｐ型ボディコンタクト領域３８とエミッタ金属コンタクト層４７との間にオーミックコンタクト構造が形成されている。ＩＧＢＴパワーデバイスは、デバイスの電流チャネルの上に位置するゲート誘電体層３５とゲート３６とを更に含む。絶縁誘電体層５０は層間絶縁誘電体層である。
ＩＧＢＴパワーデバイスのオン／オフは、ゲート−エミッタ間電圧により制御され、ゲート−エミッタ間電圧がＭＯＳトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈよりも大きいと、ＭＯＳトランジスタの内部に電流チャネルが形成され、バイポーラトランジスタにベース電流を供給してＩＧＢＴパワーデバイスがオンにする。ゲート−エミッタ間電圧がＭＯＳトランジスタの閾値電圧Ｖｔｈよりも小さいと、ＭＯＳトランジスタ内の電流チャネルがオフにされてバイポーラトランジスタのベース電流が遮断されることにより、ＩＧＢＴパワーデバイスがオフにされる。ＩＧＢＴパワーデバイスがオフにした場合、コレクタ−エミッタ間電圧が０Ｖ未満であるとき、ＩＧＢＴパワーデバイスに寄生するボディダイオードは、正バイアス状態にあり、逆電流はエミッタからボディダイオードを通ってコレクタに流れ、この時、ボディダイオードの電流には少数キャリアが注入される現象があり、これらの少数キャリアは、ＩＧＢＴパワーデバイスが再度オンにした場合に逆回復することにより、ＩＧＢＴパワーデバイスは大きな逆回復電流と長い逆回復時間を持つ。
本発明は、関連技術のＩＧＢＴパワーデバイスが少数キャリアの注入による逆回復時間が長い問題を解決するために、快速逆回復機能を有するＩＧＢＴパワーデバイスを提供する。
ＩＧＢＴパワーデバイスは、バイポーラトランジスタと、第１のＭＯＳトランジスタと、第２のＭＯＳトランジスタと、ボディダイオードと、ボディコンタクトダイオードとを含み、前記ボディコンタクトダイオードの陽極は前記ボディダイオードの陽極に接続され、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレインは前記バイポーラトランジスタのベースに接続され、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン、ボディダイオードの陰極及びバイポーラトランジスタのエミッタの間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのコレクタ電圧に接続され、前記第１のＭＯＳトランジスタの第１のゲートはＩＧＢＴパワーデバイスのゲート電圧に外部接続され、前記バイポーラトランジスタのコレクタ、第１のＭＯＳトランジスタのソース、第２のＭＯＳトランジスタのソース、第２のＭＯＳトランジスタの第２のゲート及びボディコンタクトダイオードの陰極の間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ電圧に接続されている。
一実施例において、前記バイポーラトランジスタのコレクタは前記ボディダイオードの陽極に接続されている。
一実施例において、前記第１のＭＯＳトランジスタの閾値電圧は前記第２のＭＯＳトランジスタの閾値電圧よりも大きい。
ＩＧＢＴパワーデバイスは、バイポーラトランジスタと、第１のＭＯＳトランジスタと、第２のＭＯＳトランジスタと、ボディダイオードと、ボディコンタクトダイオードとを含み、前記ボディコンタクトダイオードの陽極、ボディダイオードの陽極及びバイポーラトランジスタのコレクタの間は互いに接続され、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレインは前記バイポーラトランジスタのベースに接続され、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン、ボディダイオードの陰極及びバイポーラトランジスタのエミッタの間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのコレクタ電圧に接続され、前記第１のＭＯＳトランジスタの第１のゲートはＩＧＢＴパワーデバイスのゲート電圧に外部接続され、前記第１のＭＯＳトランジスタのソース、第２のＭＯＳトランジスタのソース、第２のＭＯＳトランジスタの第２のゲート及びボディコンタクトダイオードの陰極の間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ電圧に接続されている。
一実施例において、前記第１のＭＯＳトランジスタの閾値電圧は前記第２のＭＯＳトランジスタの閾値電圧よりも大きい。
ＩＧＢＴパワーデバイスは、間隔を空けて設けられたｐ型コレクタ領域とｎ型コレクタ領域であって、いずれもコレクタ電圧に接続されているｐ型コレクタ領域とｎ型コレクタ領域と、前記ｐ型コレクタ領域と前記ｎ型コレクタ領域の上に位置するｎ型フィールドストップ領域と、前記ｎ型フィールドストップ領域の上に位置するｎ型ドリフト領域と、前記ｎ型ドリフト領域内に位置する少なくとも２つの順に配列されるｐ型ボディ領域と、前記ｐ型ボディ領域内に位置する第１のｎ型ソース領域、第２のｎ型ソース領域、ｐ型ボディコンタクト領域と、前記ｐ型ボディコンタクト領域の上に位置する導電層であって、前記導電層と前記ｐ型ボディコンタクト領域とがボディコンタクトダイオード構造を形成し、前記導電層は、該ボディコンタクトダイオードの陰極であり、前記ｐ型ボディコンタクト領域は、該ボディコンタクトダイオードの陽極である導電層と、前記ｐ型ボディ領域内に位置し、且つ前記第１のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間に介在する第１の電流チャネルと、前記第１の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層と第１のゲートであって、前記第１のゲートはゲート電圧に外部接続されているゲート誘電体層と第１のゲートと、前記ｐ型ボディ領域内に位置し、且つ前記第２のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間に介在する第２の電流チャネルと、前記第２の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層と第２のゲートであって、前記第２のゲート、第１のｎ型ソース領域、第２のｎ型ソース領域及び導電層の間は互いに電気的に接続され、且ついずれもエミッタ電圧に接続されているゲート誘電体層と第２のゲートとを含む。
一実施例において、前記導電層は前記ｐ型ボディ領域の上に位置するエミッタ金属コンタクト層であり、前記ｐ型ボディコンタクト領域のドーピング濃度は、前記ｐ型ボディ領域のドーピング濃度の最大ピークよりも低く、前記ｐ型ボディコンタクト領域と前記エミッタ金属コンタクト層とは、ショットキーバリアダイオード構造を形成する。
一実施例において、前記第２のゲート、第１のｎ型ソース領域及び第２のｎ型ソース領域は、いずれも前記エミッタ金属コンタクト層によってエミッタ電圧に外部接続されている。
一実施例において、前記導電層は前記ｐ型ボディ領域の上に位置するｎ型ポリシリコン層であり、前記ｎ型ポリシリコン層と前記ｐ型ボディコンタクト領域とは、シリコンベースのボディコンタクトダイオード構造を形成する。
一実施例において、前記ｎ型ポリシリコン層は前記第２のゲートと、第１のｎ型ソース領域と、第２のｎ型ソース領域と接触接続され、前記ｎ型ポリシリコン層は、エミッタ金属コンタクト層によってエミッタ電圧に外部接続されている。
一実施例において、前記ｎ型ポリシリコン層は前記第１のｎ型ソース領域と、第２のｎ型ソース領域と接触接続され、前記第２のゲートとｎ型ポリシリコン層とは、いずれもエミッタ金属コンタクト層によってエミッタ電圧に外部接続されている。
一実施例において、前記導電層は前記ｐ型ボディ領域内に位置するｎ型ドープ領域であり、前記ｎ型ドープ領域と前記ｐ型ボディコンタクト領域とは、シリコンベースのボディコンタクトダイオード構造を形成する。
一実施例において、前記ｎ型ドープ領域、第２のゲート、第１のｎ型ソース領域及び第２のｎ型ソース領域は、いずれもエミッタ金属コンタクト層によってエミッタ電圧に外部接続されている。
一実施例において、前記第１の電流チャネルのオン電圧は前記第２の電流チャネルのオン電圧よりも大きい。
一実施例において、前記ＩＧＢＴパワーデバイスはゲートトレンチを更に含み、前記ゲートトレンチは、隣接する２つの前記ｐ型ボディ領域の間に位置し、且つ前記ｎ型ドリフト領域内に凹んでおり、前記ゲート誘電体層、前記第１のゲート及び前記第２のゲートは、いずれも前記ゲートトレンチ内に設けられている。
一実施例において、前記ＩＧＢＴパワーデバイスは、前記ｎ型ドリフト領域に凹んでいるシールドゲートトレンチを更に含み、前記シールドゲートトレンチの開口は、前記ゲートトレンチの底部に位置し、前記シールドゲートトレンチ内に第３のゲートが設けられ、前記第３のゲートは、絶縁誘電体層によって前記ｎ型ドリフト領域と、前記第１のゲートと、前記第２のゲートとから分離され、前記第３のゲート、第１のｎ型ソース領域、第２のｎ型ソース領域、第２のゲート及び導電層の間は互いに電気的に接続され、且ついずれもエミッタ電圧に接続されている。
一実施例において、前記第３のゲートは上方へ前記ゲートトレンチ内に延在している。
本発明に係るＩＧＢＴパワーデバイスがオフにした場合、エミッタ−コレクタ間電圧が０Ｖを超えるとき、ボディコンタクトダイオードは負バイアス状態にあるため、ボディダイオードを流れる逆電流を大幅に低減でき、これによりボディダイオード内の少数キャリアを減少し、さらにＩＧＢＴパワーデバイスの逆回復電荷及び逆回復時間を減少することができることで、ＩＧＢＴパワーデバイスは快速逆回復機能を実現可能である。同時に、エミッタ−コレクタ間電圧が第２のＭＯＳトランジスタの閾値電圧（すなわち、第２のゲートにより制御される第２の電流チャネルのオン電圧）に達したとき、第２のＭＯＳトランジスタがオンにし、この時、逆電流はエミッタから第２の電流チャネルを通ってコレクタに流れる。
以下、本発明の模式的な実施例の技術案を説明するために、実施例を説明するために必要な図面を紹介する。
図１は、関連技術に係るＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図である。
図２は、一実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスの等価回路模式図である。
図３は、一実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの等価回路模式である。
図４は、一実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの等価回路模式図である。
図５は、一実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図である。
図６は、一実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図である。
図７は、一実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図である。
図８は、一実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図である。
図９は、一実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図である。
以下、本実施例における図面を参照しながら、具体的な実施形態によって本発明の技術案を説明する。
本実施例で使用される「有する」、「含む」、「含まれる」などの用語は、１つ又は複数の他の部品又はそれらの組合せの存在又は追加を示すものではない。同時に、本発明の具体的な実施形態を説明するために、本明細書の図面に列挙される模式図は、本発明に記載される層及び領域の厚さを拡大し、且つ列挙される図面のサイズは実際の寸法を表せず、本明細書の図面は模式的なものである。本明細書に列挙される実施例は、本明細書の図面に示される領域の特定の形状に限定されるべきではなく、製造などに起因するずれなどの得られた形状を含む。
ＩＧＢＴパワーデバイスはセル領域と終端領域を含み、そのうち、セル領域は低オン抵抗を取得するために用いられ、終端領域はセル領域における最縁部のセルの耐圧を向上するために用いられる。終端領域はＩＧＢＴパワーデバイスにおける汎用構造であり、異なる製品の要求に応じて異なる設計構造があり、本実施例においてはＩＧＢＴパワーデバイスの終端領域の構造を再度示して説明しない。本実施例に記載のＩＧＢＴパワーデバイスとはＩＧＢＴパワーデバイスにおけるセル領域の構造である。
図２は、本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスの等価回路模式図である。図２に示すように、本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、バイポーラトランジスタ４００（該実施例においてはＰＮＰ型トランジスタである）と、第１のＭＯＳトランジスタ５０１と、第２のＭＯＳトランジスタ５０２と、ボディダイオード３０５と、ボディコンタクトダイオード３０４とを含み、ボディコンタクトダイオード３０４の陽極はボディダイオード３０５の陽極に接続されている。
第１のＭＯＳトランジスタ５０１のドレインはバイポーラトランジスタ４００のベースに接続され、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のドレイン、ボディダイオード３０５の陰極及びバイポーラトランジスタ４００のエミッタの間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのコレクタ３０２に接続されていることにより、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のドレイン、ボディダイオード３０５の陰極及びバイポーラトランジスタ４００のエミッタは、いずれもＩＧＢＴパワーデバイスのコレクタ電圧に接続されている。
第１のＭＯＳトランジスタ５０１の第１のゲート３０３ａはＩＧＢＴパワーデバイスのゲート３０３ａであるため、第１のＭＯＳトランジスタ５０１の第１のゲート３０３ａはＩＧＢＴパワーデバイスのゲート電圧に接続され、第１のＭＯＳトランジスタ５０１の第１のゲート３０３ａは、ＩＧＢＴパワーデバイスのゲート電圧によって第１のＭＯＳトランジスタ５０１のオン／オフを制御する。
バイポーラトランジスタ４００のコレクタ、第１のＭＯＳトランジスタ５０１のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２の第２のゲート３０３ｂ及びボディコンタクトダイオード３０４の陰極の間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ３０１に接続されていることにより、バイポーラトランジスタ４００のコレクタ、第１のＭＯＳトランジスタ５０１のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２の第２のゲート３０３ｂ及びボディコンタクトダイオード３０４の陰極は、いずれもＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ電圧に接続され、第２のＭＯＳトランジスタ５０２の第２のゲート３０３ｂは、ＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ電圧によって第２のＭＯＳトランジスタ５０２のオン／オフを制御する。
一実施例において、第１のＭＯＳトランジスタ５０１の閾値電圧は第２のＭＯＳトランジスタ５０２の閾値電圧よりも大きい。
図２に示されるＩＧＢＴパワーデバイスにおいて、バイポーラトランジスタ４００のコレクタは、同時にボディダイオード３０５の陽極に接続されてもよく、その等価回路模式図は図３に示し、本実施例では、図３に示されるＩＧＢＴパワーデバイスの等価回路模式図の構造を再度説明しない。
図４は、本実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの等価回路模式図である。図４に示すように、本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、バイポーラトランジスタ４００（該実施例においてはＰＮＰ型トランジスタである）と、第１のＭＯＳトランジスタ５０１と、第２のＭＯＳトランジスタ５０２と、ボディダイオード３０５と、ボディコンタクトダイオード３０４とを含み、ボディコンタクトダイオード３０４の陽極、ボディダイオード３０５の陽極及びバイポーラトランジスタ４００のコレクタの間は互いに接続されている。
第１のＭＯＳトランジスタ５０１のドレインは、バイポーラトランジスタ４００のベースに接続され、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のドレイン、ボディダイオード３０５の陰極及びバイポーラトランジスタ４００のエミッタの間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのコレクタ３０２に接続されていることにより、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のドレイン、ボディダイオード３０５の陰極及びバイポーラトランジスタ４００のエミッタは、いずれもＩＧＢＴパワーデバイスのコレクタ電圧に接続されている。
第１のＭＯＳトランジスタ５０１の第１のゲート３０３ａはＩＧＢＴパワーデバイスのゲート３０３ａであるため、第１のＭＯＳトランジスタ５０１の第１のゲート３０３ａはＩＧＢＴパワーデバイスのゲート電圧に接続され、第１のＭＯＳトランジスタ５０１の第１のゲート３０３ａは、ＩＧＢＴパワーデバイスのゲート電圧によって第１のＭＯＳトランジスタ５０１のオン／オフを制御する。
第１のＭＯＳトランジスタ５０１のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２の第２のゲート３０３ｂ及びボディコンタクトダイオード３０４の陰極の間は互いに接続され、且ついずれもＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ３０１に接続されていることにより、第１のＭＯＳトランジスタ５０１のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２のソース、第２のＭＯＳトランジスタ５０２の第２のゲート３０３ｂ及びボディコンタクトダイオード３０４の陰極は、いずれもＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ電圧に接続され、第２のＭＯＳトランジスタ５０２の第２のゲート３０３ｂは、ＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ電圧によって第２のＭＯＳトランジスタ５０２のオン／オフを制御する。
図２〜図４に示されるＩＧＢＴパワーデバイスの動作メカニズムは以下の通りである。１）ＩＧＢＴパワーデバイスのゲート−エミッタ間電圧が第１のＭＯＳトランジスタ５０１の閾値電圧に達したとき、第１のＭＯＳトランジスタ５０１の内部の第１の電流チャネルがオンにしてバイポーラトランジスタ４００にベース電流を提供することで、ＩＧＢＴパワーデバイスがオンにする。２）ＩＧＢＴパワーデバイスのゲート−エミッタ間電圧が第１のＭＯＳトランジスタ５０１の閾値電圧よりも小さいとき、第１のＭＯＳトランジスタ５０１の内部の第１の電流チャネルがオフにされてバイポーラトランジスタ４００のベース電流が遮断されることにより、ＩＧＢＴパワーデバイスがオフにされる。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスがオフにした場合、エミッタ電圧がコレクタ電圧よりも大きいとき、ボディコンタクトダイオードは負バイアス状態にあるため、ボディダイオードを流れる逆電流を大幅に低減でき、これによりボディダイオード内の少数キャリアを大幅に低減し、さらにＩＧＢＴパワーデバイスの逆回復電荷及び逆回復時間を大幅に低減することができることで、ＩＧＢＴパワーデバイスは快速逆回復機能を実現可能である。同時に、エミッタ−コレクタ間電圧が第２のＭＯＳトランジスタの閾値電圧に達したとき、第２のＭＯＳトランジスタの内部の第２の電流チャネルがオンにし、逆電流はエミッタから第２のＭＯＳトランジスタの内部の第２の電流チャネルを通ってコレクタに流れる。
図５は、本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図であり、図５に示すように、本実施例のＩＧＢＴパワーデバイスは、ともにコレクタ金属コンタクト層７０によってコレクタ電圧に接続されているｐ型コレクタ領域３１とｎ型コレクタ領域３と、ｐ型コレクタ領域３１とｎ型コレクタ領域３の上に位置するｎ型フィールドストップ領域３２と、ｎ型フィールドストップ領域３２の上に位置するｎ型ドリフト領域３０と、ｎ型ドリフト領域３０内に形成されたｐ型ボディ領域３３とを含み、ｐ型ボディ領域３３の数は、実際の製品の要求に応じて設定可能であり、本実施例では、２つのｐ型ボディ領域３３の構造のみを模式的に示している。ｐ型ボディ領域３３内にｐ型ボディコンタクト領域３８と、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂとが設けられ、ｐ型ボディコンタクト領域３８は、通常、第１のｎ型ソース領域３４ａと第２のｎ型ソース領域３４ｂとの間に設けられている。
ｐ型ボディ領域３３とｎ型ドリフト領域３０との間にはＩＧＢＴパワーデバイスに寄生するボディダイオード構造が形成され、そのうち、ｐ型ボディ領域３３は該ボディダイオードの陽極であり、ｎ型ドリフト領域３０は該ボディダイオードの陰極である。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型ボディ領域３３内に位置し、且つ第１のｎ型ソース領域３４ａとｎ型ドリフト領域３０との間に介在する第１の電流チャネルと、該第１の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層３５と第１のゲート３６ａとを更に含み、第１のゲート３６ａは、ゲート電圧に外部接続されてゲート電圧によって該第１の電流チャネルのオン／オフを制御する。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型ボディ領域３３内に位置し、且つ第２のｎ型ソース領域３４ｂとｎ型ドリフト領域３０との間に介在する第２の電流チャネルと、該第２の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層３５と第２のゲート３６ｂとを更に含む。
一実施例において、第１の電流チャネルのオン電圧は第２の電流チャネルのオン電圧よりも大きいと同時に、電流チャネルはＭＯＳトランジスタ構造におけるゲート電圧を印加するときに半導体の表面に形成された蓄積層及び反転層であり、本実施例の図面では、ＩＧＢＴパワーデバイスにおける第１の電流チャネル及び第２の電流チャネルがいずれも示されていない。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスはｐ型ボディコンタクト領域３８の上に位置する導電層３７を更に含み、導電層３７とｐ型ボディコンタクト領域３８とはボディコンタクトダイオード構造を形成し、そのうち、導電層３７は該ボディコンタクトダイオードの陰極であり、ｐ型ボディコンタクト領域３８は該ボディコンタクトダイオードの陽極であるため、ボディコンタクトダイオードの陽極はボディダイオードの陽極に接続されている。一実施例において、導電層３７は、ｐ型ボディ領域３３の上に位置するｎ型ポリシリコン層又は金属層であってもよいため、ボディコンタクトダイオードはシリコンベースのボディコンタクトダイオード構造であってもよく、ショットキーバリアダイオード構造であってもよい。
第２のゲート３６ｂと、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂと、導電層３７との間は電気的に接続され、且ついずれもエミッタ電圧に接続されていることにより、ボディコンタクトダイオードの陰極はエミッタに接続され、且つ第２のゲート３６ｂはエミッタ電圧によって第２の電流チャネルのオン／オフを制御する。
図５に示されるＩＧＢＴパワーデバイスの実施例において、導電層３７は第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂと直接接触接続されるため、導電層３７と第２のゲート３６ｂとを電気的に接続させる必要がある。
図６は、本実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図であり、図６が対応するものは、本発明に係るＩＧＢＴパワーデバイスの、図５に示されるＩＧＢＴパワーデバイスの実施例を基に、ボディコンタクトダイオードとしてショットキーバリアダイオード構造を採用した実施例である。図６に示すように、ｐ型ボディ領域３３の上にエミッタ金属コンタクト層４７が形成され、エミッタ金属コンタクト層４７はｐ型ボディコンタクト領域３８の上に位置する導電層であり、この時、ｐ型ボディコンタクト領域３８のドーピング濃度はｐ型ボディ領域３３のドーピング濃度の最大ピークよりも低い必要があるため、ｐ型ボディコンタクト領域３８とエミッタ金属コンタクト層４７とはショットキーバリアダイオード構造に形成され、そのうち、エミッタ金属コンタクト層４７は該ショットキーバリアダイオードの陰極であり、ｐ型ボディコンタクト領域３８は該ショットキーバリアダイオードの陽極である。エミッタ金属コンタクト層４７は第２のゲート３６ｂと、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂと直接接続され、エミッタ金属コンタクト層４７はエミッタ電圧に外部接続されていることにより、第２のゲート３６ｂはエミッタ電圧によって第２の電流チャネルのオン／オフを制御する。第１のゲート３６ａは、ゲート金属コンタクト層（断面構造の位置関係に基づいて、ゲート金属コンタクト層構造は図６に示されていない）によってゲート電圧に外部接続されていることにより、第１のゲート３６ａはゲート電圧によって第１の電流チャネルのオン／オフを制御する。エミッタ金属コンタクト層４７とゲート金属コンタクト層との間は層間絶縁層５０により分離され、層間絶縁層５０は、一般的にシリコンガラス、ホウリンケイ酸塩ガラス又はリンケイ酸塩ガラスなどの材料である。
図６に示されるＩＧＢＴパワーデバイスは、エミッタ金属コンタクト層４７とｐ型ボディコンタクト領域３８とにより形成されたショットキーバリアダイオード構造のコンタクトバリアが非常に低い場合、ショットキーバリアダイオード構造はオーミックコンタクト構造に等価であり、ＩＧＢＴパワーデバイスがオフにした場合、ある程度にボディダイオードを流れる逆電流を低減でき、これによりボディダイオード内の少数キャリアを減少し、更にＩＧＢＴパワーデバイスの逆回復電荷及び逆回復時間を減少することができることで、ＩＧＢＴパワーデバイスは快速逆回復機能を実現可能であり、この時のＩＧＢＴパワーデバイスの逆回復速度が高コンタクトバリアのボディコンタクトダイオードを採用した場合の逆回復速度よりも遅いが、ボディコンタクトダイオード構造を持っていない従来のＩＧＢＴパワーデバイスの逆回復速度よりも速い。
図７は、本実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図であり、図７が対応するものは、本発明に係るＩＧＢＴパワーデバイスの、図５に示されるＩＧＢＴパワーデバイスの実施例を基に、ボディコンタクトダイオードとしてシリコンベースのボディコンタクトダイオードを採用した実施例である。図７に示すように、ｐ型ボディ領域３３の上にｎ型ポリシリコン層５７が形成され、ｎ型ポリシリコン層５７は、ｐ型ボディコンタクト領域３８の上に位置する導電層であるため、ｐ型ボディコンタクト領域３８とｎ型ポリシリコン層５７とはシリコンベースのボディコンタクトダイオード構造を形成し、そのうち、ｎ型ポリシリコン層５７は該ボディコンタクトダイオードの陰極であり、ｐ型ボディコンタクト領域３８は該ボディコンタクトダイオードの陽極である。ｎ型ポリシリコン層５７は、図７に示すように、第２のゲート３６ｂと、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂと直接接触接続され、そしてｎ型ポリシリコン層５７はエミッタ金属コンタクト層４７によってエミッタ電圧に外部接続されてもよい。ｎ型ポリシリコン層５７は、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂと直接接触接続され、そして第２のゲート３６ｂとｎ型ポリシリコン層５７とは、いずれもエミッタ金属コンタクト層４７によってエミッタ電圧に外部接続されてもよい。該実施例において、ｎ型ポリシリコン層５７は第２のゲート３６ｂと、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂと直接接触接続され、そしてｎ型ポリシリコン層５７はエミッタ金属コンタクト層４７によってエミッタ電圧に外部接続されていることにより、第２のゲート３６ｂはエミッタ電圧によって第２の電流チャネルのオン／オフを制御する。第１のゲート３６ａは、ゲート金属コンタクト層（断面の位置関係に基づいて、ゲート金属コンタクト層構造は図７に示されていない）によってゲート電圧に外部接続されていることにより、第１のゲート３６ａはゲート電圧によって第１の電流チャネルのオン／オフを制御する。エミッタ金属コンタクト層４７とゲート金属コンタクト層との間は層間絶縁層５０により分離される。
図８は、本実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図であり、図８が対応するものは、本発明に係るＩＧＢＴパワーデバイスの、ボディコンタクトダイオード構造としてシリコンベースのボディコンタクトダイオードを採用した他の実施例である。図８に示すように、本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型コレクタ領域３１とｎ型コレクタ領域３とを含み、ｐ型コレクタ領域３１とｎ型コレクタ領域３とは、いずれもコレクタ金属コンタクト層７０によってコレクタ電圧に接続されている。本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型コレクタ領域３１とｎ型コレクタ領域３の上に位置するｎ型フィールドストップ領域３２と、ｎ型フィールドストップ領域３２の上に位置するｎ型ドリフト領域３０とを更に含み、ｎ型ドリフト領域３０内にｐ型ボディ領域３３が形成され、ｐ型ボディ領域３３内にｐ型ボディコンタクト領域３８と、ｎ型ドープ領域３９と、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂとが設けられ、ｐ型ボディコンタクト領域３８とｎ型ドープ領域３９とは、ともに第１のｎ型ソース領域３４ａと第２のｎ型ソース領域３４ｂとの間に位置し、ｎ型ドープ領域３９はｐ型ボディコンタクト領域３８の上に位置し、ｎ型ドープ領域３９はｐ型ボディコンタクト領域３８の上に位置する導電層である。これにより、ｎ型ドープ領域３９とｐ型ボディコンタクト領域３８とはシリコンベースのボディコンタクトダイオード構造を形成し、そのうち、ｎ型ドープ領域３９は該ボディコンタクトダイオードの陰極であり、ｐ型ボディコンタクト領域３８は該ボディコンタクトダイオードの陽極である。
ｐ型ボディ領域３３とｎ型ドリフト領域３０との間にはＩＧＢＴパワーデバイスに寄生するボディダイオード構造が形成され、そのうち、ｐ型ボディ領域３３は該ボディダイオードの陽極であり、ｎ型ドリフト領域３０は該ボディダイオードの陰極であるため、ボディコンタクトダイオードの陽極はボディダイオードの陽極に接続されている。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型ボディ領域３３内に位置し、且つ第１のｎ型ソース領域３４ａとｎ型ドリフト領域３０との間に介在する第１の電流チャネルと、該第１の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層３５と第１のゲート３６ａとを更に含み、第１のゲート３６ａはゲート電圧によって第１の電流チャネルのオン／オフを制御する。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型ボディ領域３３内に位置し、且つ第２のｎ型ソース領域３４ｂとｎ型ドリフト領域との間に介在する第２の電流チャネルと、該第２の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層３５と第２のゲート３６ｂとを更に含む。
第２のゲート３６ｂと、第１のｎ型ソース領域３４ａと、第２のｎ型ソース領域３４ｂと、ｎ型ドープ領域３９との間はエミッタ金属コンタクト層４７により接続され、エミッタ金属コンタクト層４７はエミッタ電圧に外部接続されていることにより、第２のゲート３６ｂはエミッタ電圧によって第２の電流チャネルのオン／オフを制御する。第１のゲート３６ａは、ゲート金属コンタクト層（断面の位置関係に基づいて、ゲート金属コンタクト層構造は図８に示されていない）によってゲート電圧に外部接続されていることにより、第１のゲート３６ａはゲート電圧によって第１の電流チャネルのオン／オフを制御する。エミッタ金属コンタクト層４７とゲート金属コンタクト層との間は層間絶縁層５０により分離され、層間絶縁層５０は、一般的にシリコンガラス、ホウリンケイ酸塩ガラス又はリンケイ酸塩ガラスなどの材料である。
図９は、本実施例に係る他のＩＧＢＴパワーデバイスの断面構造模式図であり、図９に示すように、本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型コレクタ領域２０ａとｎ型コレクタ領域２０ｂとを含み、ｐ型コレクタ領域２０ａとｎ型コレクタ領域２０ｂとは、いずれもコレクタ金属コンタクト層７０によってコレクタ電圧に外部接続されている。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型コレクタ領域２０ａとｎ型コレクタ領域２０ｂの上に位置するｎ型フィールドストップ領域２１と、ｎ型フィールドストップ領域２１の上に位置するｎ型ドリフト領域２２とを更に含む。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｎ型ドリフト領域２２内に位置する少なくとも２つの順に配列されるｐ型ボディ領域２７を更に含み、図９に６つのｐ型ボディ領域２７の構造のみを模式的に示し、ｐ型ボディ領域２７内にｐ型ボディコンタクト領域２９と、第１のｎ型ソース領域２８と、第２のｎ型ソース領域９８とが設けられ、通常、ｐ型ボディコンタクト領域２９は、第１のｎ型ソース領域２８と第２のｎ型ソース領域９８との間に設けられている。
ｐ型ボディ領域２７とｎ型ドリフト領域２２との間にはＩＧＢＴパワーデバイスに寄生するボディダイオード構造が形成され、そのうち、ｐ型ボディ領域２７は該ボディダイオードの陽極であり、ｎ型ドリフト領域２２は該ボディダイオードの陰極である。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｎ型ドリフト領域２２内に凹んでおり、且つ隣接するｐ型ボディ領域２７の間に介在するゲートトレンチと、ｎ型ドリフト領域２２内に凹んでいるシールドゲートトレンチとを更に含み、そのうち、シールドゲートトレンチの開口はゲートトレンチの底部に位置する。シールドゲートトレンチの開口幅はゲートトレンチの開口幅と同じでもよく、ゲートトレンチの開口幅よりも大きく、又は小さくてもよい。
ｐ型ボディ領域２７の深さはｎ型ドリフト領域２２における前記ゲートトレンチの深さと同じでもよく、ゲートトレンチの深さよりも大きく、又は小さくてもよく、図９において、ｐ型ボディ領域２７の深さが前記ゲートトレンチの深さよりも小さい場合のみを例とする。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型ボディコンタクト領域２９の上に位置する導電層９９を更に含み、導電層９９とｐ型ボディコンタクト領域２９とはボディコンタクトダイオード構造を形成し、そのうち、導電層９９は該ボディコンタクトダイオードの陰極であり、ｐ型ボディコンタクト領域２９は該ボディコンタクトダイオードの陽極である。これにより、ボディコンタクトダイオードの陽極はボディダイオードの陽極に接続されている。導電層９９はｎ型ポリシリコン層又は金属層であってもよいため、ボディコンタクトダイオード構造はショットキーバリアダイオード構造であってもよく、シリコンベースのボディコンタクトダイオード構造であってもよい。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型ボディ領域２７内に位置し、且つ第１のｎ型ソース領域２８とｎ型ドリフト領域２２との間に介在する第１の電流チャネルと、前記ゲートトレンチ内に位置し、且つ前記ゲートトレンチの第１のｎ型ソース領域２８に近接する一側の側壁表面を被覆するゲート誘電体層２３と第１のゲート２４ａとを更に含み、第１のゲート２４ａはゲート電圧に外部接続され、第１のゲート２４ａは、ゲート電圧によって第１のｎ型ソース領域２８とｎ型ドリフト領域２２との間の第１の電流チャネルのオン／オフを制御する。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは、ｐ型ボディ領域２７内に位置し、且つ第２のｎ型ソース領域９８とｎ型ドリフト領域２２との間に介在する第２の電流チャネルと、前記ゲートトレンチ内に位置し、且つ前記ゲートトレンチの第２のｎ型ソース領域９８に近接する一側の側壁表面を被覆するゲート誘電体層２３と第２のゲート２４ｂとを更に含む。
本実施例に係るＩＧＢＴパワーデバイスは前記シールドゲートトレンチ内に位置する第３のゲート２６を更に含み、第３のゲート２６は、フィールド酸化層２５によってｎ型ドリフト領域２２と、第１のゲート２４ａと、第２のゲート２４ｂとから分離される。一実施例において、前記シールドゲートトレンチ内の第３のゲート２６は、上方へ前記ゲートトレンチ内に延在しており、前記ゲートトレンチ領域内に、第３のゲート２６は直接フィールド酸化層２５によって第１のゲート２４ａと、第２のゲート２４ｂとから分離される。
第１のｎ型ソース領域２８と、第２のｎ型ソース領域９８と、第２のゲート２４ｂと、第３のゲート２６と、導電層９９との間は電気的に接続され、且ついずれもエミッタ電圧に接続されていることにより、第２のゲート２４ｂは、エミッタ電圧によって第２のｎ型ソース領域９８とｎ型ドリフト領域２２との間の第２の電流チャネルのオン／オフを制御し、第３のゲート２６はシールドゲートであり、第３のゲート２６はエミッタ電圧によってｎ型ドリフト領域２２内に横電界に形成され、オン抵抗を低減して耐圧を向上する作用を奏する。
一実施例において、第１のゲート２４ａにより制御される第１の電流チャネルのオン電圧は、第２のゲート２４ｂにより制御される第２の電流チャネルのオン電圧よりも大きい。同時に、ＩＧＢＴパワーデバイスにおける電流チャネルは、ゲートに電圧を印加するときにｐ型ボディ領域内に形成された蓄積層及び反転層であり、本実施例の図面では、ＩＧＢＴパワーデバイスにおける第１のゲート２４ａにより制御される第１の電流チャネルと第２のゲート２４ｂにより制御される第２の電流チャネルとは、いずれも示されていない。
図９において、導電層９９は第１のｎ型ソース領域２８と第２のｎ型ソース領域９８と直接接触接続されているため、導電層９９を第２のゲート２４ｂと第３のゲート２６とを電気的に接続させる必要がある。

Claims (12)

  1. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴパワーデバイスであって、
    バイポーラトランジスタと、第１の金属酸化物半導体ＭＯＳトランジスタと、第２のＭＯＳトランジスタと、ボディダイオードと、ボディコンタクトダイオードとを含み、前記ボディコンタクトダイオードの陽極は前記ボディダイオードの陽極に接続され、
    前記第１のＭＯＳトランジスタのドレインは前記バイポーラトランジスタのベースに接続され、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン、前記ボディダイオードの陰極及び前記バイポーラトランジスタのエミッタの間は互いに接続され、且ついずれも前記ＩＧＢＴパワーデバイスのコレクタ電圧に接続され、
    前記第１のＭＯＳトランジスタの第１のゲートは前記ＩＧＢＴパワーデバイスのゲート電圧に外部接続され、
    前記バイポーラトランジスタのコレクタ、前記第１のＭＯＳトランジスタのソース、前記第２のＭＯＳトランジスタのソース、前記第２のＭＯＳトランジスタの第２のゲート及び前記ボディコンタクトダイオードの陰極の間は互いに接続され、且ついずれも前記ＩＧＢＴパワーデバイスのエミッタ電圧に接続されている、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴパワーデバイス。
  2. 前記バイポーラトランジスタのコレクタは、更に前記ボディダイオードの陽極に接続されている、請求項１に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  3. 前記第１のＭＯＳトランジスタの閾値電圧は、前記第２のＭＯＳトランジスタの閾値電圧よりも大きい、請求項１に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  4. 間隔を空けて設けられたｐ型コレクタ領域とｎ型コレクタ領域であって、いずれもコレクタ電圧に接続されているｐ型コレクタ領域とｎ型コレクタ領域と、
    前記ｐ型コレクタ領域と前記ｎ型コレクタ領域の上に位置するｎ型フィールドストップ領域と、前記ｎ型フィールドストップ領域の上に位置するｎ型ドリフト領域と、前記ｎ型ドリフト領域内に位置する少なくとも２つの順に配列されるｐ型ボディ領域と、前記ｐ型ボディ領域内に位置する第１のｎ型ソース領域、第２のｎ型ソース領域、ｐ型ボディコンタクト領域と、
    前記ｐ型ボディコンタクト領域の上に位置する導電層であって、前記導電層と前記ｐ型ボディコンタクト領域とがボディコンタクトダイオード構造を形成し、前記導電層は、該ボディコンタクトダイオードの陰極であり、前記ｐ型ボディコンタクト領域は、該ボディコンタクトダイオードの陽極である導電層と、
    前記ｐ型ボディ領域内に位置し、且つ前記第１のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間に介在する第１の電流チャネルと、前記第１の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層と第１のゲートであって、前記第１のゲートはゲート電圧に外部接続されているゲート誘電体層と第１のゲートと、
    前記ｐ型ボディ領域内に位置し、且つ前記第２のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間に介在する第２の電流チャネルと、前記第２の電流チャネルを被覆するゲート誘電体層と第２のゲートであって、前記第２のゲート、第１のｎ型ソース領域、第２のｎ型ソース領域及び導電層の間は互いに電気的に接続され、且ついずれもエミッタ電圧に接続されているゲート誘電体層と第２のゲートとを含む、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴパワーデバイス。
  5. 前記導電層は、前記ｐ型ボディ領域の上に位置するエミッタ金属コンタクト層であり、前記ｐ型ボディコンタクト領域のドーピング濃度は、前記ｐ型ボディ領域のドーピング濃度の最大ピークよりも低く、前記ｐ型ボディコンタクト領域と前記エミッタ金属コンタクト層とは、ショットキーバリアダイオード構造を形成する、請求項４に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  6. 前記第２のゲート、前記第１のｎ型ソース領域及び前記第２のｎ型ソース領域は、いずれも前記エミッタ金属コンタクト層によってエミッタ電圧に外部接続されている、請求項５に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  7. 前記導電層は、前記ｐ型ボディ領域内に位置するｎ型ドープ領域であり、前記ｎ型ドープ領域と前記ｐ型ボディコンタクト領域とは、シリコンベースのボディコンタクトダイオード構造を形成する、請求項４に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  8. 前記ｎ型ドープ領域、前記第２のゲート、前記第１のｎ型ソース領域及び前記第２のｎ型ソース領域は、いずれもエミッタ金属コンタクト層によってエミッタ電圧に外部接続されている、請求項７に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  9. 前記第１の電流チャネルのオン電圧は、前記第２の電流チャネルのオン電圧よりも大きい、請求項４に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  10. ゲートトレンチを更に含み、前記ゲートトレンチは、隣接する２つの前記ｐ型ボディ領域の間に位置し、且つ前記ｎ型ドリフト領域内に凹んでおり、前記ゲート誘電体層、前記第１のゲート及び前記第２のゲートは、いずれも前記ゲートトレンチ内に設けられている、請求項４に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  11. 前記ｎ型ドリフト領域に凹んでいるシールドゲートトレンチを更に含み、前記シールドゲートトレンチの開口は、前記ゲートトレンチの底部に位置し、前記シールドゲートトレンチ内に第３のゲートが設けられ、前記第３のゲートは、絶縁誘電体層によって前記ｎ型ドリフト領域と、前記第１のゲートと、前記第２のゲートとから分離され、前記第３のゲート、前記第１のｎ型ソース領域、前記第２のｎ型ソース領域、前記第２のゲート及び前記導電層の間は互いに電気的に接続され、且ついずれもエミッタ電圧に接続されている、請求項１０に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
  12. 前記第３のゲートは、上方へ前記ゲートトレンチ内に延在している、請求項１１に記載のＩＧＢＴパワーデバイス。
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