CN112701158A - 一种功率器件及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子领域，公开一种功率器件及电子设备，包括：衬底；形成于衬底的器件层，器件层包括开通二极管、关断二极管以及多晶电阻，开通二极管和关断二极管均包括阴极、阳极和N阱，多晶电阻包括开通电阻和关断电阻；形成于器件层背离衬底一侧的金属层，金属层包括第一金属引出部、第一连接区、第二连接区、第二金属引出部；第一金属引出部与开通二极管的阴极以及关断二极管的阳极电连接；第一连接区用于连接开通二极管的阳极和开通电阻；第二连接区用于连接关断二极管的阴极和关断电阻；第二金属引出部用于连接开通电阻和关断电阻，通过简单的电路，整合栅极开通电阻和关断电阻回路到IGBT的器件芯片中，简化了***级电路的设计。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种功率器件及电子设备。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，是由双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和绝缘栅型场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其开关速度虽较功率MOS低，但远高于BJT，又因是电压控制器件，控制电路简单，稳定性好，兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管(Giant Transistor，GTR)的低导通压降两方面的优点。
通常在IGBT产品的应用中，驱动IC需要搭配合适的开通电阻和关断电阻，以匹配IGBT的开通关断特性，减小栅极电压振荡，控制IGBT的误开启。通常这种电阻是在电路板上外接实现，或者是整合在驱动IC芯片中，控制起来非常不易。
发明内容
本发明公开了一种功率器件及电子设备，用于通过简单的电路，整合栅极开通电阻和关断电阻回路到IGBT的器件芯片中，以此来简化***级电路的设计。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供一种功率器件，包括：
衬底；
形成于所述衬底的器件层，所述器件层包括开通二极管、关断二极管以及多晶电阻，所述开通二极管和所述关断二极管均包括阴极、阳极和N阱，所述多晶电阻包括开通电阻和关断电阻；
形成于所述器件层背离所述衬底一侧的金属层，所述金属层包括用于与所述功率器件栅极引线连接的第一金属引出部、第一连接区、第二连接区、用于与驱动IC的栅极驱动输出端连接的第二金属引出部；其中，所述第一金属引出部与所述开通二极管的阴极和所述关断二极管的阳极电连接；所述第一连接区与所述开通二极管的阳极以及所述开通电阻的一端连接；所述第二连接区与所述关断二极管的阴极以及所述关断电阻的一端连接；所述第二金属引出部与所述开通电阻的另一端以及和所述关断电阻的另一端连接。
现有技术是将电阻通过外接电路板实现，或者将电阻整合在驱动IC芯片中，但因为栅极开通和关断的调节电阻和IGBT器件的特性强相关，如果是整合到驱动IC芯片中，则会使得驱动IC芯片的特性单一，适用性降低。本发明提供的功率器件中，将栅极电阻电路整合在功率器件芯片上，从而在应用端，不需要再电路板上再设计***栅极电阻电路以匹配之。具体的栅极电阻电路包括形成于衬底的开通二极管和形成于衬底的开通电阻通过金属层中的第一连接区串联形成第一串联电路，形成于衬底的关断二极管和形成于衬底的关断电阻通过金属层中的第二连接区串联形成第二串联电路，第一串联电路两端分别通过第一金属引出部和第二金属引出部并联，且开通二极管和关断二极管方向相反。应用时，第一金属引出部与功率器件栅极引线连接，第二金属引出部与驱动IC的栅极驱动输出端连接。上述功率器件将开通电阻和关断电阻整合在IGBT中，简化了驱动IC的电路，使得其适用性增大。
可选地，所述衬底包括沿所述衬底厚度方向排列的第一P型层和第一N型层以形成PN结；所述器件层形成于所述第一P型层背离所述第一N型层的一侧。
可选地，所述第一P型层内形成有N阱区，且所述N阱区位于所述第一P型层背离所述第一N型层的一侧；
所述开通二极管和/或所述关断二极管包括形成于所述N阱区内的第二P型层和第二N型层以形成PN结。
可选地，所述金属层与所述器件层之间设有绝缘介质层，所述绝缘介质层上设有第一接触孔和第二接触孔，所述金属层贯穿所述第一接触孔且与所述开通二极管或所述关断二极管连接；所述金属层贯穿所述第二接触孔内且与所述多晶电阻的连接端连接。
可选地，所述绝缘介质层包括层叠设置的氧化层和层间电介质层，其中，所述氧化层位于所述衬底朝向所述金属层的一侧；所述多晶电阻镶嵌于所述层间电介质靠近所述氧化层的一侧；
所述第一接触孔贯穿所述氧化层和所述层间电介质层，所述第二接触孔贯穿所述层间电介质层。
可选地，所述多晶电阻的材料均为多晶硅材料。
可选地，所述功率器件还包括覆盖于所述金属层的钝化层，且所述钝化层位于所述金属层背离所述衬底一侧；
所述金属层中，第一金属引出部和第二金属引出部至少部分暴露于所述钝化层外。
可选地，所述功率器件还包括形成于所述衬底的栅极，所述栅极和所述第一金属引出部连接。
可选地，所述多晶电阻具有一体式结构，所述多晶电阻的一端形成有用于与所述第一连接区连接的第一连接端，另一端形成有用于与所述第二连接区连接的第二连接端，中间部位形成有用于与所述第二金属引出部连接的第三连接端，其中，所述多晶电阻处于所述第一连接端与所述第三连接端之间的部位形成所述开通电阻，所述多晶电阻处于所述第二连接端与所述第三连接端之间的部位形成所述关断电阻。
另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括如上述技术方案提供的任一种所述的功率器件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种功率器件中栅极匹配电阻简单电路的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种功率器件中栅极匹配电阻结构在栅极区域的结构平面图；
图3为本发明实施例提供的一种功率器件中栅极匹配电阻结构接触孔的平面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种功率器件中栅极匹配电阻结构金属层的平面示意图；
图5为图4中A-A剖视图；
图6为图4中B-B剖视图。
图中：1-衬底；2-开通二极管；3-关断二极管；4-开通电阻；5-关断电阻；6-金属层；7-氧化层；8-层间电介质层；9-钝化层；61-第一金属引出部；62-第一连接区；63-第二连接区；64-第二金属引出部。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
现有技术是将电阻通过外接电路板实现，或者将电阻整合在驱动IC芯片中，但因为栅极开通和关断的调节电阻和IGBT器件的特性强相关，如果是整合到驱动IC芯片中，则会使得驱动IC芯片的特性单一，适用性降低。如图1至图6所示，本发明实施例提供了一种功率器件，包括：
衬底1；
形成于衬底1的器件层，器件层包括开通二极管2和关断二极管3以及多晶电阻，开通二极管2和关断二极管3均包括阴极、阳极和N阱，多晶电阻包括开通电阻4和关断电阻5；
形成于器件层背离衬底1一侧的金属层6，金属层6包括用于与功率器件栅极引线连接的第一金属引出部61、第一连接区62、第二连接区63、用于与驱动IC的栅极驱动输出端连接的第二金属引出部64；其中，第一金属引出部61与开通二极管2的阴极以及关断二极管3的阳极电连接；第一连接区62与开通二极管2的阳极以及开通电阻4的一端连接；第二连接区63与关断二极管3的阴极以及关断电阻5的一端连接；第二金属引出部64与开通电阻4的另一端以及关断电阻5的另一端连接。
本发明提供的功率器件中，将栅极电阻电路整合在功率器件芯片上，从而在应用端，不需要再电路板上再设计***栅极电阻电路以匹配之。具体的如图1和图4所示，栅极电阻电路包括形成于衬底1的开通二极管2和形成于衬底1的开通电阻4通过金属层6中的第一连接区62串联形成第一串联电路，形成于衬底1的关断二极管3和形成于衬底1的关断电阻5通过金属层6中的第二连接区63串联形成第二串联电路，第一串联电路两端分别通过第一金属引出部61和第二金属引出部64并联，且开通二极管2和关断二极管3方向相反。应用时，第一金属引出部61与功率器件栅极引线连接，第二金属引出部64与驱动IC的栅极驱动输出端连接。上述功率器件将开通电阻4和关断电阻5整合在IGBT中，简化了驱动IC的电路，使得其适用性增大。
可选地，功率器件还包括形成于衬底1的栅极，栅极和第一金属引出部61连接。
一种具体的实施例中，功率器件的栅极与第一金属引出部61电连接，驱动IC与第二金属引出部64电连接，通过简单的电路，整合栅极开通电阻4和关断电阻5回路到IGBT的器件芯片中。
可选地，衬底1包括沿衬底1厚度方向排列的第一P型层和第一N型层以形成PN结；器件层形成于第一P型层背离第一N型层的一侧。
一种具体的实施例中，衬底1的制作流程为：在N型掺杂的单晶硅晶圆上通过光刻和离子注入，定义功率器件终端环的PN结和栅极区域的P-Well结，并扩散推进。
可选地，金属层6与器件层之间设有绝缘介质层，绝缘介质层上设有第一接触孔和第二接触孔，金属层6贯穿第一接触孔且与开通二极管2或关断二极管3连接；金属层6贯穿第二接触孔内且与多晶电阻的连接端连接。
可选地，绝缘介质层包括层叠设置的氧化层7和层间电介质层8，其中，氧化层7位于衬底1朝向金属层6的一侧；多晶电阻镶嵌于层间电介质靠近氧化层7的一侧；
第一接触孔贯穿氧化层7和层间电介质层8，第二接触孔贯穿层间电介质层8。
可选地，多晶电阻的材料均为多晶硅材料。
作为一种优选方式，多晶电阻具有一体式结构，多晶电阻的一端形成有用于与第一连接区62连接的第一连接端，另一端形成有用于与第二连接区63连接的第二连接端，中间部位形成有用于与第二金属引出部64连接的第三连接端，其中，多晶电阻处于第一连接端与第三连接端之间的部位形成开通电阻4，多晶电阻处于第二连接端与第三连接端之间的部位形成关断电阻5。
一种具体的实施例中，在上述衬底1的基础上制作多晶电阻的流程为：在第一P型层即P-Well上生长栅氧化层7，再用气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)沉积多晶硅薄膜，通过光刻和刻蚀形成功率器件的多晶硅栅极和多晶硅电阻结构。
可选地，第一P型层内形成有N阱区，且N阱区位于第一P型层背离第一N型层的一侧；
开通二极管2和/或关断二极管3包括形成于N阱区内的第二P型层和第二N型层以形成PN结。
一种具体的实施例中，在上述衬底1的基础上制作二极管的流程为：
通过光刻和离子注入，并进行扩散推阱，在栅极区域的P-Well内形成N-Well即N阱结构。通过光刻和离子注入，并进行扩散，在N-Well内形成P+、N+，从而形成两个PN结二极管。
而后形成金属层6的制作流程为：
通过光刻和刻蚀，形成接触孔；
通过金属溅射和光刻、刻蚀，形成开通电阻Rgon、关断电阻Rgoff、二极管PN Diode的电性互连，以及栅极垫Gate Pad金属层。
可选地，功率器件还包括覆盖于金属层6的钝化层8，且钝化层8位于金属层6背离衬底1一侧；
金属层6中，第一金属引出部61和第二金属引出部64至少部分暴露于钝化层8外。
一种具体的实施例中，通过钝化层8薄膜层级、光刻和刻蚀，形成钝化保护层和PAD窗口。
上述功率器件可以在常用的功率器件制程流程中，增加N阱、P+注入等步骤来将栅极电阻电路整合在功率器件芯片上，从而在应用端，不需要在电路板上再设计***栅极电阻电路，从而简化了***级电路的设计。
基于同样的发明思路，本发明实施例还提供一种电子设备，具体包括上述任一种功率器件。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种功率器件，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底的器件层，所述器件层包括开通二极管、关断二极管以及多晶电阻，所述开通二极管和所述关断二极管均包括阴极、阳极和N阱，所述多晶电阻包括开通电阻和关断电阻；
形成于所述器件层背离所述衬底一侧的金属层，所述金属层包括用于与所述功率器件栅极引线连接的第一金属引出部、第一连接区、第二连接区、用于与驱动IC的栅极驱动输出端连接的第二金属引出部；其中，所述第一金属引出部与所述开通二极管的阴极和所述关断二极管的阳极电连接；所述第一连接区与所述开通二极管的阳极以及所述开通电阻的一端连接；所述第二连接区与所述关断二极管的阴极以及所述关断电阻的一端连接；所述第二金属引出部与所述开通电阻的另一端以及所述关断电阻的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述衬底包括沿所述衬底厚度方向排列的第一P型层和第一N型层以形成PN结；所述器件层形成于所述第一P型层背离所述第一N型层的一侧。
3.根据权利要求2所述的功率器件，其特征在于，所述第一P型层内形成有N阱区，且所述N阱区位于所述第一P型层背离所述第一N型层的一侧；
所述开通二极管和/或所述关断二极管包括形成于所述N阱区内的第二P型层和第二N型层以形成PN结。
4.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述金属层与所述器件层之间设有绝缘介质层，所述绝缘介质层上设有第一接触孔和第二接触孔，所述金属层贯穿所述第一接触孔且与所述开通二极管或所述关断二极管连接；所述金属层贯穿所述第二接触孔内且与所述多晶电阻的连接端连接。
5.根据权利要求4所述的功率器件，其特征在于，所述绝缘介质层包括层叠设置的氧化层和层间电介质层，其中，所述氧化层位于所述衬底朝向所述金属层的一侧；所述多晶电阻镶嵌于所述层间电介质靠近所述氧化层的一侧；
所述第一接触孔贯穿所述氧化层和所述层间电介质层，所述第二接触孔贯穿所述层间电介质层。
6.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述多晶电阻的材料均为多晶硅材料。
7.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括覆盖于所述金属层的钝化层，且所述钝化层位于所述金属层背离所述衬底一侧；
所述金属层中，第一金属引出部和第二金属引出部至少部分暴露于所述钝化层外。
8.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述功率器件还包括形成于所述衬底的栅极，所述栅极和所述第一金属引出部连接。
9.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述多晶电阻具有一体式结构，所述多晶电阻的一端形成有用于与所述第一连接区连接的第一连接端，另一端形成有用于与上述第二连接区连接的第二连接端，中间部位形成有用于与所述第二金属引出部连接的第三连接端，其中，所述多晶电阻处于上述第一连接端与所述第三连接端之间的部位形成所述开通电阻，所述多晶电阻处于上述第二连接端与所述第三连接端之间的部位形成所述关断电阻。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的功率器件。
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- 2019-10-22 CN CN201911006756.6A patent/CN112701158A/zh active Pending
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