一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件制造技术

本发明专利技术提供一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件，属于功率半导体器件技术领域，本发明专利技术在传统IGBT器件的P+浮空pbody区内引入由栅介质层、MOS控制栅电极和P‑型MOS沟道区形成的MOS控制栅结构，MOS区等效为受到栅压控制作用的开关；在器件正向导通时使得pbody区电位浮空，实现空穴存储，降低了器件的饱和导通压降；在器件关断和短路条件下，提供了空穴的泄放通路，降低密勒电容，实现了低关断损耗和更稳固的短路能力。

【技术实现步骤摘要】
一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件
本专利技术属于功率半导体器件
，具体涉及一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件。
技术介绍
绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)凭借着栅极易驱动、输入阻抗高、电流密度大、饱和压降低等优点，广泛应用在轨道交通、智能电网、风力发电等重要领域，已成为中高功率范围内的主流功率开关器件之一，同时还将继续朝着高压大电流、低功率损耗、高工作温度和高可靠性等方向发展。平面栅结构是高压IGBT常采用的成熟结构，用于高铁、电力输运等对可靠性要求很高的环境，但平面栅型IGBT因为寄生MOS电阻，相比于槽栅型结构，其饱和压降大，增加了通态损耗；而槽栅型IGBT(TrenchIGBT，TIGBT)元胞间距小，电流密度大，已成为降低导通损耗的常用结构。但是TIGBT在槽栅底部存在电场聚集现象，限制了阻断电压的提高，同时其短路电流较大，抗短路能力较弱；可通过在槽栅底部引入P-floating屏蔽层可降低电场峰值，但会引入额外的MOS电阻会使器件损耗增加；在槽栅间的P基区中同时引入钳位二极管，能同时改善关断损耗和导通压降(Eoff-Vcesat)折衷关系和强化器件短路承受能力，但现有方案多集中于1200V电压等级。通过采用宽槽栅间距或FP(Floating-Pbody)区域能降低器件电流密度，明显提高TIGBT的短路承受能力，然而FP结构的槽栅型IGBT(FP-TIGBT)因为负栅电容效应，通过密勒电容Cgc在栅极产生位移电流，引发控制栅压的波动，降低IGBT的栅极控制能力，同时会带来EMI噪声问题。在1700V及其以下电压等级，通过Finp-Body、Shieldtrench和Side-gate等结构能够改善EMI问题，但其对制造工艺精度要求严格；对于大于2500V电压等级的IGBT，国外IGBT供应商已经推出了3300V-TIGBT产品，其基本结构是通过内置结深超过槽栅深度的分立浮空P区(SeparateFloatingPbody)，起到降低槽栅底部电场峰值和增强电导调制的作用，改善Eoff-Vcesat折衷关系，但分立浮空FP区会影响器件耐压和导通压降；而将分立FP通过固定电阻与地相连，提供部分空穴通路，易造成导通损耗增大，使得设计时的折衷窗口减小。
技术实现思路
鉴于上文所述，本专利技术针对现有分立浮空P区的槽栅IGBT器件存在P区电位变化致使器件耐压降低、开关损耗较大等问题，提供一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件。通过在分立FP中内置MOS结构形成空穴载流子泄放通路的控制结构；等效为可变电阻，能够在保证提高器件耐压可靠性、降低密勒电容的同时，降低器件关断损耗和短路承受能力。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件，其元胞结构包括从下至上依次层叠的金属集电极7、P+集电区6、N型缓冲层5、N-漂移区4和金属发射极11；所述N-漂移区4的顶层中间区域设有P+浮空pbody区8，所述P+浮空pbody区8的两侧分别设有P+基区2，所述P+基区2的顶层设有N+发射区1；所述P+基区2和N+发射区1通过金属发射极11相接触；所述P+基区2和N+发射区1两者与P+浮空pbody区8之间设有IGBT栅极结构，P+浮空pbody区8和所述栅极结构不相邻，所述栅极结构包括栅电极9和栅介质层3，栅介质层3沿器件垂直方向延伸进入N-漂移区4中形成沟槽，所述栅电极9设置在沟槽中；所述栅介质层3的一侧与P+基区2、N+发射区1和N-漂移区4接触，所述栅介质层3的另一侧与P+浮空pbody区8通过N-漂移区4相隔离；所述P+浮空pbody区8中还设有栅介质层3、MOS控制栅电极14和P-型MOS沟道区15形成的MOS控制栅结构；P-型MOS沟道区15设置在P+浮空pbody区8顶层的中间区域，且通过P+型接触区13和金属发射极11、与P+基区2和N+发射区1相接触，所述MOS控制栅电极14对称设置在P-型MOS沟道区15的两侧，通过栅介质层3实现与P-型MOS沟道区15隔离，MOS控制栅电极14通过连接桥12与IGBT栅电极9相接触；所述MOS控制栅电极14与P+浮空pbody区8间通过栅介质层3相隔离；所述金属发射极11与连接桥12之间、以及连接桥12与N-漂移区4之间分别通过介质层10相隔离。作为优选方式，所述MOS控制栅结构位于正向阻断状态下浮空pbody区8的中性区。作为优选方式，所述P-型MOS沟道区15的宽度小于通态条件下MOS控制栅电极14产生的电子积累层宽度。作为优选方式，所述MOS控制栅电极14采用与栅电极9相同结构，或采用尖角型MOS控制栅结构，以进一步减小密勒电容。作为优选方式，P+浮空pbody区8的结深大于IGBT栅极结构的深度；这样在器件正向阻断时，P型浮空pbody区8能够与N-漂移区4形成耗尽区，减弱了正向阻断时栅极结构(即槽栅)底部的电场集聚现象，从而保证了槽栅型高压IGBT器件正向耐压的可靠性。作为优选方式，器件所用半导体的材料为单晶硅、碳化硅或者氮化镓。作为优选方式，P+浮空pbody区8的掺杂方式为非均匀掺杂。本专利技术的分立P+浮空pbody区8中由栅介质层3、MOS控制栅电极14和P-型MOS沟道区15形成的MOS控制栅结构需要满足以下条件：1P+浮空pbody区8与栅极结构之间通过N-漂移区4隔断；2栅介质层3位于正向阻断时P+浮空pbody区8的中性区域；3栅介质层3位于P-型MOS沟道区15一侧的厚度小于其在MOS控制栅电极14和分立P+浮空pbody区8之间的厚度；4正向栅压作用下MOS控制栅电极14因为注入增强作用，在P-型MOS沟道区15中产生表面积累层电子宽度能将MOS沟道区完全阻断。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术通过在P+浮空pbody区中引入MOS结构，MOS区等效为受到栅压控制作用的开关；在器件正向导通时使得pbody区8电位浮空，实现空穴存储，降低了器件的饱和导通压降；在器件正向阻断时为空穴提供快速泄放回路，降低了关断时间和关断损耗。(2)本专利技术通过MOS控制栅将P+浮空pbody区电位在关断时置零，降低了密勒电容Cgc，有效地降低了关断损耗。(3)本专利技术MOS控制栅电极14因为正向电压作用，在P-型MOS沟道区15中产生表面积累层电子，在器件短路导通时消失，使得分立P+浮空pbody区电位置零，提供短路导通条件下空穴的泄放通路，抑制了短路时的热奔现象，提升器件的抗短路能力。(4)本专利技术MOS控制栅结构可通过改变MOS控制栅电极14形状、P-型MOS沟道区15掺杂改变IGBT器件的密勒电容Cgc大小，实现对开关过程更好的控制。(5)本专利技术提出的MOS控制栅结构，与现有高压IGBT器件栅电极制作工艺兼容。附图说明图1是传统分立浮空pbody区IGBT器件的结构示意图；图2是本专利技术实施例1的具有MOS控制空穴通路的IGBT器件结构示意图；图3是本专利技术实施例2的具有尖角型MOS控制栅结构的IGBT器件结构示意图；图4是本专利技术提供的IGBT结构与传统结构输出特性曲线对比图；图5是本专利技术提供的IGBT结构与传统结构关断波形对比图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件，其特征在于：其元胞结构包括从下至上依次层叠的金属集电极(7)、P+集电区(6)、N型缓冲层(5)、N‑漂移区(4)和金属发射极(11)；所述N‑漂移区(4)的顶层中间区域设有P+浮空pbody区(8)，所述P+浮空pbody区(8)的两侧分别设有P+基区(2)，所述P+基区(2)的顶层设有N+发射区(1)；所述P+基区(2)和N+发射区(1)通过金属发射极(11)相接触；所述P+基区(2)和N+发射区(1)两者与P+浮空pbody区(8)之间设有IGBT栅极结构，P+浮空pbody区(8)和所述栅极结构不相邻，所述栅极结构包括栅电极(9)和栅介质层(3)，栅介质层(3)沿器件垂直方向延伸进入N‑漂移区(4)中形成沟槽，所述栅电极(9)设置在沟槽中；所述栅介质层(3)的一侧与P+基区(2)、N+发射区(1)和N‑漂移区(4)接触，所述栅介质层(3)的另一侧与P+浮空pbody区(8)通过N‑漂移区(4)相隔离；所述P+浮空pbody区(8)中还设有栅介质层(3)、MOS控制栅电极(14)和P‑型MOS沟道区(15)形成的MOS控制栅结构；P‑型MOS沟道区(15)设置在P+浮空pbody区(8)顶层的中间区域，且通过P+型接触区(13)和金属发射极(11)、与P+基区(2)和N+发射区(1)相接触，所述MOS控制栅电极(14)对称设置在P‑型MOS沟道区(15)的两侧，通过栅介质层(3)实现与P‑型MOS沟道区(15)隔离，MOS控制栅电极(14)通过连接桥(12)与IGBT栅电极(9)相接触；所述MOS控制栅电极(14)与P+浮空pbody区(8)间通过栅介质层(3)相隔离；所述金属发射极(11)与连接桥(12)之间、以及连接桥(12)与N‑漂移区(4)之间分别通过介质层(10)相隔离。...

【技术特征摘要】
1.一种具有MOS控制空穴通路的IGBT器件，其特征在于：其元胞结构包括从下至上依次层叠的金属集电极(7)、P+集电区(6)、N型缓冲层(5)、N-漂移区(4)和金属发射极(11)；所述N-漂移区(4)的顶层中间区域设有P+浮空pbody区(8)，所述P+浮空pbody区(8)的两侧分别设有P+基区(2)，所述P+基区(2)的顶层设有N+发射区(1)；所述P+基区(2)和N+发射区(1)通过金属发射极(11)相接触；所述P+基区(2)和N+发射区(1)两者与P+浮空pbody区(8)之间设有IGBT栅极结构，P+浮空pbody区(8)和所述栅极结构不相邻，所述栅极结构包括栅电极(9)和栅介质层(3)，栅介质层(3)沿器件垂直方向延伸进入N-漂移区(4)中形成沟槽，所述栅电极(9)设置在沟槽中；所述栅介质层(3)的一侧与P+基区(2)、N+发射区(1)和N-漂移区(4)接触，所述栅介质层(3)的另一侧与P+浮空pbody区(8)通过N-漂移区(4)相隔离；所述P+浮空pbody区(8)中还设有栅介质层(3)、MOS控制栅电极(14)和P-型MOS沟道区(15)形成的MOS控制栅结构；P-型MOS沟道区(15)设置在P+浮空pbody区(8)顶层的中间区域，且通过P+型接触区(13)和金属发射极(11)、与P+基区(2)和N+发射区(1)相接触，所述MOS控制栅电极(14)对称设置在P-型MOS沟道区(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泽宏，彭鑫，赵一尚，任敏，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51