一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管

摘要

本发明属于半导体器件技术领域，具体的说涉及一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管。本发明的主要方案：一是采用了元胞区与假元胞区在水平方向交替排列的结构，假元胞区与金属化发射极相连，并不浮空；二是在假元胞上表面垂直延伸进器件形成多晶硅二极管结构，从而将P型半导体条与金属化发射极通过浮空欧姆接触与多晶硅二极管结构连接在一起，达到钳位P型半导体条电势的作用。在器件开启时，空穴电流对栅电容的充电作用被极大削弱，从而大大增加器件的栅极控制能力同时降低了器件的电磁干扰噪声。在器件导通时，二极管钳位P型半导体条的电势，抑制其对空穴的抽取作用，增强了器件的电导调制效应，降低了导通压降。

权利要求

1.一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管，其特征在于，沿横向方向，器件由假元胞区(1)和元胞区(2)交替排列而成；

所述的假元胞区(1)包括第一集电极结构、第一漂移区结构和多晶硅二极管结构；所述的第一集电极结构包括金属化集电极(3)和位于金属化集电极(3)上表面的P‑集电极(4)；

所述的第一漂移区结构包括位于P‑集电极(4)上表面的N‑缓冲层(5)、位于N‑缓冲层(5)上表面的P型半导体条(6)；所述的多晶硅二极管结构包括氧化层(11)、P型多晶硅(12)、N型多晶硅(13)、浮空欧姆接触(14)、钝化隔离层(15)和金属化发射极(17)；所述的氧化层(11)沿P型半导体条(6)的对称轴垂直方向延伸入P型半导体条(6)中形成沟槽，所述的氧化层(11)的侧面仅与P型半导体条(6)接触；所述的P型多晶硅(12)位于沟槽中；所述的N型多晶硅(13)沿P型多晶硅(12)的对称轴垂直方向延伸入P型多晶硅(12)，所述的N型多晶硅(13)的结深比P型多晶硅(12)的结深浅；所述的浮空欧姆接触(14)与P型半导体条(6)、氧化层(11)、P型多晶硅(12)的上表面接触，所述的金属化发射极(17)位于N型多晶硅(13)与钝化隔离层(15)的上表面，所述的浮空欧姆接触(14)通过钝化隔离层(15)与金属化发射极(17)隔离开；

所述的元胞区(2)包括第二集电极结构、第二漂移区结构、发射极结构和沟槽结构；所述的第二集电极结构包括金属化集电极(3)和位于金属化集电极(3)上表面的P‑集电极(4)；所述的第二漂移区结构包括位于P‑集电极(4)上表面的N‑缓冲层(5)和位于N‑缓冲层(5)上表面的N型半导体条(7)；所述发射极结构包括P型基区(8)、P+接触区(9)、N+发射区(10)和金属化发射极(17)，所述的发射极结构位于N型半导体条(7)的上层，且位于相邻两个沟槽结构之间；所述的N+发射区(10)位于元胞区(2)上表面的两端；所述的P+接触区(9)位于两个相邻的N+发射区(10)之间；所述金属化发射极(17)位于P+接触区(9)和N+发射区(10)的上表面；所述的沟槽结构包括栅氧化层(18)和多晶硅栅(16)；所述的栅氧化层(18)沿器件的垂直方向延伸入N型半导体条(7)中形成沟槽，所述的栅氧化层侧面与N+发射区(10)、P型基区(8)、N型半导体条(7)和P型半导体条(6)接触；所述的多晶硅栅(16)位于沟槽中。

2.根据权利要求1所述的一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管，其特征在于：

所述的假元胞区(1)和元胞区(2)通过金属化发射极连接到一起，使假元胞不浮空。

3.根据权利要求1所述的一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管，其特征在于：

所述的多晶硅二极管是制作在一个垂直插入假元胞区上表面的沟槽结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管，其特征在于：

所述的多晶硅二极管通过嵌入假元胞区顶部以消除P型半导体条(6)对空穴的收集能力，从而降低器件开启过程中空穴位移电流对栅电容的充电效应，降低电磁干扰噪声。

5.根据权利要求1所述的一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管，其特征在于：

所述的多晶硅二极管钳位了P型半导体条的电势，使得器件工作在开启状态和短路状态下时大部分空穴电流被多晶硅二极管导走。

说明书

一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管

技术领域

[0001] 本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种具有低电磁干扰噪声特性的槽栅双极型晶体管(Trench Insulated Gate Bipolar Transisitor，简称：TIGBT)。

背景技术

[0002] 高压功率半导体器件是功率电子的重要组成部分，在诸如动力系统中的电机驱动，消费电子中变频等领域具有广泛的应用。在应用中，高压功率半导体需要具有低功率损
耗，高抗短路能力，低电磁干扰噪声等特性。传统绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate 
Bipolar Transistor，简称：IGBT)由于其在中高压电力电子领域中展现出优越的性能而得
到广泛的应用但是，IGBT作为一种双极型器件，其关键参数导通压降与关断损耗之间存在
折中关系。带有浮空假元胞的IGBT改善了传统IGBT的功耗折中关系，且获得了更大的短路
安全工作区。但是，带有浮空假元胞的IGBT(Floating‑P IGBT)在开启过程中电磁干扰噪声
太大，影响器件的可靠性。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种电势自调制槽栅型IGBT结构(可称为SRP‑IGBT)，大大降低了IGBT开启过程中的电磁干扰噪声，并且进一步降低了器件的功
率损耗，增大了器件的短路安全工作区。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种槽栅双极型晶体管，其结构如图1所示；在水平方向由假元胞区1和元胞区2交替排列而成；所述的假元胞区1包括集电极结构、漂移区结构和多晶硅二极管结构；所述的
集电极结构包括金属化集电极3和位于金属化集电极3上表面的P‑集电极；所述的漂移区结
构包括位于P‑集电极上表面的N‑缓冲层5和位于N‑缓冲层5上表面的P型半导体条6；所述的
多晶硅二极管结构包括氧化层11、P型多晶硅12、N型多晶硅13、浮空欧姆接触14、钝化隔离
层15和金属化发射极17；所述的氧化层11沿P型半导体条6的对称轴垂直方向延伸入P型半
导体条6中形成沟槽，所述的氧化层11的侧面仅与P型半导体条6接触；所述的P型多晶硅12
位于沟槽中；所述的N型多晶硅13沿P型多晶硅12的对称轴垂直方向延伸入P型多晶硅12，所
述的N型多晶硅13比P型多晶硅12的结深浅；所述的浮空欧姆接触14与P型半导体条6、氧化
层11、P型多晶硅12的上表面接触，所述的浮空欧姆接触14通过钝化隔离层15与金属化发射
极17隔离开；所述的金属化发射极17位于N型多晶硅13与钝化隔离层15的上表面；所述的元
胞区2包括集电极结构、漂移区结构、发射极结构和沟槽结构；所述的集电极结构包括金属
化集电极3和位于金属化集电极3上表面的P‑集电极；所述的漂移区结构包括位于P‑集电极
上表面的N‑缓冲层5和位于N‑缓冲层5上表面的N型半导体条7；所述发射极结构包括P型基
区8、P+接触区9、N+发射区10和金属化发射极17，所述的发射极结构位于N型半导体条7的上
层，且位于相邻两个沟槽结构之间；所述的N+发射区10位于元胞区2上表面的两端；所述的P
+接触区9位于两个相邻的N+发射区10之间；所述的金属化发射极17位于P+接触区9和N+发
射区10的上表面；所述的沟槽结构包括栅氧化层18和多晶硅栅16；所述的栅氧化层18沿器
件的垂直方向延伸入N型半导体条7中形成沟槽，所述的栅氧化层侧面与N+发射区10、P型基
区8、N型半导体条7和P型半导体6接触；所述的多晶硅栅16位于沟槽中。其特征在于，所述的
SRP‑IGBT由水平方向交替排列的假元胞区1和元胞区2构成；所述的假元胞区1和元胞区2通
过金属化发射极17连接到一起；所述的P型半导体条6和金属化发射极17通过浮空欧姆接触
14和多晶硅二极管结构连接到一起，从而达到对P型半导体条电势的钳位作用。

[0006] 本发明总的技术方案，主要有三点，一是器件采用了元胞区与假元胞区在水平方向交替排列的结构；二是假元胞区与金属化发射极相连，并不浮空；三是P型半导体条与金
属化发射极通过浮空欧姆接触与多晶硅二极管结构连在了一起。

[0007] 本发明的有益效果为，通过提出新结构槽栅双极型晶体管(SRP‑IGBT)，在不改变器件参数的前提下，极大降低了器件开启时的电磁噪声干扰，同时降低了器件的功率损耗、
增大了器件的短路安全工作区。

附图说明

[0008] 图1是本发明的SRP‑IGBT结构示意图；

[0009] 图2是带有浮空假元胞的IGBT结构示意图；

[0010] 图3是带有浮空假元胞的IGBT与本发明提供的SRP‑IGBT的阈值电压比较图；

[0011] 图4是带有浮空假元胞的IGBT与本发明提供的SRP‑IGBT的击穿电压比较图；

[0012] 图5是带有浮空假元胞的IGBT与本发明提供的SRP‑IGBT的电磁干扰噪声与开启功耗的折中关系比较图；

[0013] 图6是带有浮空假元胞的IGBT与本发明提供的SRP‑IGBT的功耗折中关系比较图；

[0014] 图7是带有浮空假元胞的IGBT与本发明提供的SRP‑IGBT的短路特性比较图；

具体实施方式

[0015] 下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

[0016] 本发明提出的一种新型槽栅双极型晶体管，结构示意图如图1，极大降低了IGBT的开启电磁噪声干扰，同时降低IGBT了的功率损耗、增大了IGBT的短路安全工作区。本发明的
主要方案是采用水平方向交替排列的元胞区与假元胞区，且元胞区与假元胞区通过金属化
发射极相连，使假元胞区不浮空；其次P型半导体条和金属化发射极通过浮空欧姆接触和多
晶硅二极管结构连在一起，将P型半导体条的电势钳位。

[0017] 一种槽栅双极型晶体管，其结构如图1所示；在水平方向由假元胞区1和元胞区2交替排列而成；所述的假元胞区1包括集电极结构、漂移区结构和多晶硅二极管结构；所述的
集电极结构包括金属化集电极3和位于金属化集电极3上表面的P‑集电极；所述的漂移区结
构包括位于P‑集电极上表面的N‑缓冲层5和位于N‑缓冲层5上表面的P型半导体条6；所述的
多晶硅二极管结构包括氧化层11、P型多晶硅12、N型多晶硅13、浮空欧姆接触14、钝化隔离
层15和金属化发射极17；所述的氧化层11沿P型半导体条6的对称轴垂直方向延伸入P型半
导体条6中形成沟槽，所述的氧化层11的侧面仅与P型半导体条6接触；所述的P型多晶硅12
位于沟槽中；所述的N型多晶硅13沿P型多晶硅12的对称轴垂直方向延伸入P型多晶硅12，所
述的N型多晶硅13比P型多晶硅12的结深浅；所述的浮空欧姆接触14与P型半导体条6、氧化
层11、P型多晶硅12的上表面接触，所述的浮空欧姆接触14通过钝化隔离层15与金属化发射
极隔离开；所述的金属化发射极17位于N型多晶硅13与钝化隔离层15的上表面；所述的元胞
区2包括集电极结构、漂移区结构、发射极结构和沟槽结构；所述的集电极结构包括金属化
集电极3和位于金属化集电极3上表面的P‑集电极；所述的漂移区结构包括位于P‑集电极上
表面的N‑缓冲层5和位于N‑缓冲层5上表面的N型半导体条7；所述发射极结构包括P型基区
8、P+接触区9、N+发射区10和金属化发射极17，所述的发射极结构位于N型半导体条7的上
层，且位于相邻两个沟槽结构之间；所述的N+发射区10位于元胞区2上表面的两端；所述的P
+接触区9位于两个相邻的N+发射区10之间；所述的金属化发射极17位于P+接触区9和N+发
射区10的上表面；所述的沟槽结构包括栅氧化层18和多晶硅栅16；所述的栅氧化层18沿器
件的垂直方向延伸入N型半导体条7中形成沟槽，所述的栅氧化层侧面与N+发射区10、P型基
区8、N型半导体条7和P型半导体条6接触；所述的多晶硅栅16位于沟槽中。其特征在于，所述
的SRP‑IGBT由水平方向交替排列的假元胞区1和元胞区2构成；所述的假元胞区1和元胞区2
通过金属化发射极17连接到一起；所述的P型半导体条6和金属化发射极17通过浮空欧姆接
触14和多晶硅二极管结构连接到一起，从而达到对P型半导体条电势的钳位作用。

[0018] 本发明工作原理：在所述IGBT的金属化集电极11上加正电压，在金属化发射极8上加零电压，IGBT工作在阻断状态。此时，给IGBT的栅极加上电压，IGBT从阻断状态逐渐转为
开启状态。在IGBT开启初期，元胞区的N型半导体条与假元胞区的P型半导体条发生横向耗
尽，使得P型半导体条的电势低于N型半导体条。此时，从集电极测来的空穴位移电流会沿着
P型半导体条流向发射极侧，而后经过多晶硅二极管流出器件，抑制了空穴在栅极附近的积
累。同时，多晶硅二极管的存在占据了假元胞发射极侧的大部分区域，同样抑制了空穴在栅
极附近的积累。由于这部分空穴积累产生的位移电流会对栅电容充电，从而削弱了IGBT开
启时的栅极控制能力、增大了电磁干扰噪声。而SRP‑IGBT降低了位移电流对栅电容的充电
效果，从而增强了器件开启时的栅极控制能力、降低了电磁干扰噪声。

[0019] 当SRP‑IGBT处于导通状态下，二极管的存在钳位了P型半导体条的电势，抑制了P型半导体条对空穴的抽取，增强了器件的电导调制效应，降低了导通压降。同时，SRP‑IGBT
在关断时由于元胞区的N型半导体条与假元胞区的P型半导体条发生横向耗尽，迅速将过剩
载流子抽出器件，大大降低了关断时间。所以，SRP‑IGBT具有极低的功率损耗。

[0020] 当SRP‑IGBT处于短路状态下，由于P型半导体条的电势被多晶硅二极管钳位，因此一部分来自集电极侧的空穴电流通过多晶硅二极管导出器件，从而减小了流经P‑基区的空
穴电流。而当流经P‑基区的空穴电流足够大，会触发IGBT寄生晶闸管的开启，使得器件失
效。对于SRP‑IGBT来说，较少的空穴流经P‑基区会极大抑制了寄生晶闸管的开启，从而增大
了SRP‑IGBT的短路安全工作区。

[0021] 对本发明提供的SRP‑IGBT和带浮空假元胞IGBT(Floating‑P IGBT)结构进行仿真对比，进一步证实了本结构的优越性。图3和图4给出了SRP‑IGBT和Floating‑P IGBT的阈值
电压和耐压特性的对比。为了保证公平比较，必须保证SRP‑IGBT和Floating‑P IGBT一致的
阻断能力和阈值电压；图5给出了SRP‑IGBT和Floating‑P IGBT开启功耗和电磁干扰噪声
(Maxmum dVKA/dt)。从图5可以看出，在相同的开启功耗下(Eon)，SRP‑IGBT的Maxmum dVKA/dt
从12.86kV/μs降低到2.82kV/μs，实现了78％的降低量，极大抑制了IGBT开启的电磁干扰噪
声。

[0022] 图6给出了SRP‑IGBT和Floating‑P IGBT的导通压降(Von)和关断损耗(Eoff)折中关系曲线。有图可知，SRP‑IGBT拥有更加优化的导通压降和关断损耗的折中曲线。在相同关断
损耗下，SRP‑IGBT的导通压降比C‑IGBT的导通压降低了35％。

[0023] 图7给出了SRP‑IGBT和Floating‑P IGBT的短路特性对比曲线。有图可知，SRP‑IGBT在经过10.4μs短路冲击后失效，Floating‑P IGBT在经过7.6μs短路冲击后失效。SRP‑
IGBT的短路持续时间比Floating‑P IGBT的长了37％。

[0024] 通过对IGBT关键参数：电磁干扰噪声、功率损耗以及抗短路能力的比较，直观地展示出了本发明结构相对与Floating‑P IGBT结构在中高压功率半导体器件应用上的性能优
势。