KR100192972B1 - Cell structure of insulation gate bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선 모양의 베이스를 갖는 모스 구동형 IGBT 소자에 있어서, 셀 내의 대향하는 베이스를 좁은 간격과 넓은 간격이 공존하는 불균일한 간격으로 서로 이격하여 형성한 IGBT를 개시한다. 따라서, IGBT의 턴온 때, 넓은 간격 부분의 베이스에서 턴온이 먼저 이루어져 상기 넓은 간격 부분의 공핍층이 다량의 홀전류에 의해 줄어들게 되고, 이러한 영향으로 인하여 좁은 간격 부분의 베이스에서 턴온이 나중에 이루어져 턴온 파형이 유연해진다. 그 결과, 고속복구다이오드(FRD)의 유연한 복구파형을 유도함으로써 IGBT의 전압 변화율을 안정화시켜 전자사태 항복현상을 방지하고, FRD의 스냅 복구 파형에서 발진으로 인하여 발생되는 FRD의 노이즈를 줄임으로써 IGBT 모듈의 안정적인 동작을 도모할 수 있다.The present invention discloses an IGBT in which a MOS-driven IGBT device having a linear base is formed so that opposing bases in a cell are spaced apart from each other at nonuniform intervals in which narrow and wide intervals coexist. Therefore, when the IGBT is turned on, the turn-on is first made at the base of the wide gap, so that the depletion layer of the wide-gap is reduced by a large amount of hall current, and due to this effect, the turn-on waveform is made later at the base of the narrow gap. This becomes flexible. As a result, the IGBT module is prevented by inducing the breakdown of the IGBT by inducing the flexible recovery waveform of the fast recovery diode (FRD) to prevent the avalanche breakdown and reducing the noise of the FRD caused by the oscillation in the snap recovery waveform of the FRD. The stable operation can be achieved.
Description
본 발명은 전력용 소자로 사용되는 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(IGBT)의 셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 IGBT 칩의 셀 내에서 대향하는 베이스를 불균일 이격 간격으로 형성하여 턴온 파형을 유연하게 만들어줌으로써, 턴오프 때에 IGBT 전류를 프리휠링(free wheeling)시켜 IGBT 개선 목적으로 사용되는 고속 복구 다이오드(FRD)의 유연한 복구파형을 유도할 수 있게 하여 IGBT의 전압 변화율을 안정화시켜 전자사태 항복현상을 방지하고, FRD의 스냅 복구 파형에서 발진으로 인하여 발생되는 FRD의 노이즈(noise)를 줄임으로써 IGBT 모듈의 안정적인 동작을 도모할 수 있도록 한 IGBT의 셀 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a cell of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) used as a power device, and more particularly, by forming opposing bases in a cell of an IGBT chip at non-uniform spacing, thereby making the turn-on waveform flexible. Freewheeling the IGBT current at turn-off to induce a flexible recovery waveform of the fast recovery diode (FRD) used for IGBT improvement purposes, thereby stabilizing the voltage change rate of the IGBT to prevent avalanche breakdown. The present invention relates to a cell structure of an IGBT that enables stable operation of the IGBT module by reducing the noise of the FRD generated by oscillation in the FRD snap recovery waveform.
종래의 IGBT 셀 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 선 모양의 대향하는 베이스 사이의 간격이 균일하게 형성되어 있으며, 일반적으로 IGBT는 콜렉터와 게이트에 전압을 인가하고 에미터를 접지를 만들어준 상태에서 정상적인 동작모드를 가지는 것으로서, IGBT가 정상적인 모드로 동작할 때 N채널을 통해 전하 중성 영역(N-EPI)으로 들어오는 전자전류(Ie)는 전하 중성 영역인 Z영역으로 흐르고 이 전자전류(Ie)로 인하여 P+ 기판(1)으로부터 주입된 다수의 홀전류(Ih)의 일부는 전자와 재결합하고 재결합하지 않고 남은 다수의 홀들은 전하 중성 영역이 아닌 P'영역(원래의 공핍 영역이었던 부분)으로 들어가게 되므로 다수의 홀들로 인해 P'영역의 알짜전하밀도를 더 크게 만든다. 이렇게 되면 P' 영역은 다수의 홀 주입으로 인해 점차 축소되게 되고 제1도의 P영역의 축소로 인하여 J-FET 영역은 더 넓어지게 된다. 이로 인해 전자 전류는 더 많아지게 되어 P+ 기판(1)으로부터 많은 홀전류(Ih)를 유입하게 되며, 일반적으로 셀내에서 대향하는 베이스 사이의 이격 간격이 균일한 IGBT에서는 위와 같은 동작 특성을 나타나게 된다.In the conventional IGBT cell structure, as shown in FIG. 1, the spacing between the opposing bases in a linear shape is uniformly formed. In general, the IGBT applies a voltage to the collector and the gate and makes the emitter grounded. In the normal operation mode at, when the IGBT operates in the normal mode, the electron current Ie that enters the charge neutral region N-EPI through the N channel flows to the Z region, which is the charge neutral region, and the electron current Ie. Due to this, some of the plurality of hole currents Ih injected from the P + substrate 1 recombine with electrons, and many of the remaining holes enter the P 'region (the original depletion region) instead of the charge neutral region. Therefore, the large number of holes make the net charge density of the P 'region larger. In this case, the P ′ region is gradually reduced due to the plurality of hole injections, and the J-FET region is wider due to the reduction of the P region of FIG. 1. As a result, the electron current is increased to introduce a large number of Hall currents Ih from the P + substrate 1, and in general, the IGBT exhibits the above operating characteristics in an IGBT having a uniform spacing between opposing bases in the cell.
그러나, 상기와 같은 종래 구조의 IGBT가 각종 산업용 기기의 소형 인버터, 직류 모터, 전자식 안정기, 유도가열(Ih) 응용 기기, 요리기 등에 스위칭 소자로 사용될 때, IGBT의 전압 변화율 증가 현상이 발생하게 되며, 이러한 전압 변화율이 증가할 때는 다수의 홀전류가 P'영역으로의 주입으로 전자사태항복(Avalanche breakdown) 현상이 발생한다. 이로 말미암아, IGBT 모듈이 파괴되고 IGBT가 탑재된 세트가 오동작하는 등의 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 IGBT 턴오프 때에 IGBT 전류를 프리휠링시켜 IGBT의 개선 목적으로 사용되는 FRD의 유연한 복구파형을 유도함으로써, IGBT의 전압 변화율을 감소시켜 전자사태 항복현상을 방지하고, IGBT를 과전압에서 보호하여 안정적인 동작을 도모하면서 FRD의 스냅 복구 파형에서 발진으로 인한 FRD의 노이즈(noise)를 줄여 IGBT 모듈의 안정적인 동작을 도모할 수 있도록 한 IGBT의 셀 구조를 제공함에 있다.However, when the IGBT of the conventional structure is used as a switching device in small inverters, DC motors, electronic ballasts, induction heating (Ih) applications, cookers, etc. of various industrial devices, an increase in the voltage change rate of the IGBT occurs. When the rate of change of voltage increases, an Avalanche breakdown occurs due to the injection of a number of Hall currents into the P 'region. This causes problems such as the destruction of the IGBT module and malfunction of the set on which the IGBT is mounted. Accordingly, an object of the present invention is to freewheel the IGBT current during IGBT turn-off to induce a flexible recovery waveform of the FRD used for the improvement of the IGBT, thereby reducing the voltage change rate of the IGBT and preventing the avalanche breakdown phenomenon, The IGBT cell structure provides stable operation by protecting against overvoltage while reducing the noise of the FRD caused by oscillation in the snap recovery waveform of the FRD.
제1도은 종래 기술에 의한 IGBT의 셀에 적용된 베이스 사이의 균일 간격을 나타낸 단면 구조도.1 is a cross-sectional structural view showing uniform spacing between bases applied to cells of an IGBT according to the prior art.
제2도는 본 발명에 의한 IGBT의 셀에 적용된 베이스 사이의 불균일 간격을 나타낸 단면 구조도.2 is a cross-sectional structure diagram showing nonuniform spacing between bases applied to cells of an IGBT according to the present invention.
제3도은 본 발명에 의한 IGBT의 셀을 위한 마스크를 나타낸 평면도.3 is a plan view showing a mask for a cell of an IGBT according to the present invention.
제4도는 본 발명에 의한 IGBT와 고속복구다이오드(fast recovery diode: FRD)의 유도 부하 때의 동작을 설명하기 위한 파형도로서,4 is a waveform diagram illustrating the operation of an IGBT and a fast recovery diode (FRD) during inductive load according to the present invention.
제4a도는 IGBT의 게이트 펄스 파형도.4A is a gate pulse waveform diagram of an IGBT.
제4b도는 IGBT의 턴-온 전류 파형도.4b is a turn-on current waveform diagram of an IGBT.
제4c도는 FRD의 역복구 때의 유연한 복구 파형도.Figure 4c is a flexible recovery waveform in the reverse recovery of the FRD.
제4d도는 FRD의 역복구 때의 스냅(snap) 복구 파형도.4d is a snap recovery waveform diagram in the reverse recovery of the FRD.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 기판 2 : IGBT셀의 베이스를 위한 게이트 폴리실리콘층의 개구부1: Substrate 2: Opening of gate polysilicon layer for base of IGBT cell
3 : 게이트 폴리실리콘층3: gate polysilicon layer
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IGBT의 셀 구조의 특징은 선 모양의 대향하는 베이스가 형성된 셀을 갖는 모스 구동형 IGBT 소자에 있어서, IGBT 칩의 셀 내에서 대향하는 베이스 사이의 이격 간격이 불균일한 것에 있다.A feature of the cell structure of the IGBT according to the present invention for achieving the above object is that in the Morse-driven IGBT device having a cell having a linear opposed base is formed, the distance between the opposing base in the cell of the IGBT chip The gap is in unevenness.
이하, 본 발명에 따른 IGBT의 셀 구조를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 종래의 부분과 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여한다.Hereinafter, a cell structure of an IGBT according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same code | symbol is attached | subjected to the part same as a conventional part.
도 2는 본 발명에 의한 IGBT의 셀에 적용된 불균일 베이스 이격 간격을 나타낸 단면 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 IGBT의 셀은 N 에피층에 형성된 선 형상의 P 베이스가 좁은 간격과 넓은 간격이 공존하는 불균일 간격으로 이격하여 형성된 제외하면 도 1에 도시된 IGBT의 셀과 동일한 구조로 이루어진다.Figure 2 is a cross-sectional structural view showing a non-uniform base spacing applied to the cells of the IGBT according to the present invention. As shown in FIG. 2, the cell of the IGBT of the present invention is a cell of the IGBT shown in FIG. 1 except that the linear P bases formed in the N epitaxial layers are spaced apart at non-uniform intervals in which a narrow gap and a wide gap coexist. It is made of the same structure.
도 3은 본 발명에 의한 IGBT의 셀을 위한 마스크를 나타낸 평면도이다. 도3에 도시된 바와 같이, 선 모양의 베이스를 갖는 모스 구동형 IGBT칩에 있어서, 셀의 베이스를 한정하기 위한 개구부들(2)이 불균일 간격으로 이격하도록 게이트 폴리실리콘층(3)에 형성된다. 즉, 게이트 폴리실리콘층(3)이 제거된 개구부들(2)은 좁은 간격과 넓은 간격이 공존하는 형태로 이격된다. 개구부들(2) 사이의 게이트 폴리실리콘층(3)에서도 이와 마찬가지로 좁은 폭과 넓은 폭이 공존한다.3 is a plan view showing a mask for a cell of the IGBT according to the present invention. As shown in Fig. 3, in the MOS-driven IGBT chip having a linear base, openings 2 for defining the base of the cell are formed in the gate polysilicon layer 3 so as to be spaced at non-uniform intervals. . That is, the openings 2 from which the gate polysilicon layer 3 is removed are spaced apart in such a manner that a narrow gap and a wide gap coexist. Similarly, narrow and wide widths coexist in the gate polysilicon layer 3 between the openings 2.
이와 같은 구조의 마스크를 이용하여 예를 들어 이온주입방법에 의해 도 2의 N에피층에 P 베이스를 형성한 IGBT셀의 경우, 대향하는 베이스 사이의 간격이 종래와 달리 불균일하다. 따라서, IGBT의 턴온 때, 넓은 간격 부분의 베이스에서 턴온이 먼저 이루어져 상기 넓은 간격 부분의 공핍층이 다량의 홀전류에 의해 줄어들게 되고, 이러한 영향으로 인하여 좁은 간격 부분의 베이스에서 턴온이 나중에 이루어지므로 IGBT의 턴온 때의 전류변화율이 감소될 수 있다.In the case of an IGBT cell in which a P base is formed in the N epi layer of FIG. 2 by using an ion implantation method using a mask having such a structure, for example, the spacing between the opposing bases is uneven. Therefore, when the IGBT is turned on, the turn-on is performed first at the base of the wide gap, so that the depletion layer of the wide-gap portion is reduced by a large amount of hall current, and because of this effect, the turn-on at the base of the narrow gap is later performed. The rate of change of current at the turn-on of may be reduced.
도 4를 참조하여 본 발명에 의한 IGBT의 셀 구조의 동작을 설명하기로 한다. 도 4a는 IGBT의 게이트 펄스 파형도, 도 4b는 IGBT의 턴-온 전류 파형도, 도 4c는 FRD의 역복구 때의 유연한 복구 파형도, 도 4d는 FRD의 역복구 때의 스냅(snap) 복구 파형도이다.The operation of the cell structure of the IGBT according to the present invention will be described with reference to FIG. 4. 4A is a gate pulse waveform diagram of the IGBT, FIG. 4B is a turn-on current waveform diagram of the IGBT, FIG. 4C is a flexible recovery waveform at the time of reverse recovery of the FRD, and FIG. 4D is a snap recovery of the reverse recovery of the FRD. It is a waveform diagram.
IGBT의 턴온 때, 넓은 간격 부분의 베이스에서 턴온이 먼저 이루어져 상기 넓은 간격 부분의 공핍층이 다량의 홀전류에 의해 줄어들게 되고, 이러한 영향으로 인하여 좁은 간격 부분의 베이스에서 턴온이 나중에 이루어지도록 하면, 도 4a에 도시된 바와 같은 게이트 구동 펄스가 인가되는 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이, 전류파형의 a지점에서 전류 변화율(di/dt)이 감소하고, 동시에 도 4c에 도시된 바와 같이, FRD의 역복구 파형이 b 지점에서 유연하게 된다.When the IGBT is turned on, the turn-on is performed first at the base of the wide gap so that the depletion layer of the wide-gap portion is reduced by a large amount of Hall current, and this effect causes the turn-on at the base of the narrow gap at a later time. When a gate drive pulse as shown in 4a is applied, as shown in Fig. 4b, the current change rate (di / dt) decreases at point a of the current waveform, and at the same time, as shown in Fig. 4c, The reverse recovery waveform is smooth at point b.
따라서, 본 발명은 IGBT의 전압 변화율(dv/dt)을 안정화시킴으로써 IGBT를 과전압에서 보호하여 안정적인 동작을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 전자사태 항복현상이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있으며, 도 4d에 도시된 바와 같이, FRD의 역복구 후의 FRD 파형의 발진(c지점)을 줄여줌으로써 IGBT 모듈의 안정적인 동작을 도모할 수 있다.Therefore, the present invention can stabilize the voltage change rate (dv / dt) of the IGBT to protect the IGBT from overvoltage, thereby achieving stable operation, and to prevent the occurrence of an avalanche breakdown. As shown in the figure, stable operation of the IGBT module can be achieved by reducing the oscillation (point c) of the FRD waveform after the FRD reverse recovery.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 IGBT의 셀 구조에 의하면, 대향하는 베이스를 불균일한 간격으로 서로 이격하여 형성하여 턴온 파형을 유연하게 만들어줌으로써 FRD의 유연한 복구파형을 유도하여 IGBT 모듈의 파괴를 방지하고 IGBT가 탑재된 세트의 오동작을 방지할 수 있으며, FRD의 스냅 복구 파형에서 발진으로 인하여 발생되는 FRD의 잡음을 줄임으로써 IGBT 모듈의 안정적인 동작 효율을 높일 수 있는 유용함이 있다.As described above, according to the cell structure of the IGBT according to the present invention, the opposing bases are formed to be spaced apart from each other at non-uniform intervals, thereby making the turn-on waveform flexible, thereby inducing a flexible recovery waveform of the FRD to break the IGBT module. It is useful to increase the stable operation efficiency of the IGBT module by reducing the noise of the FRD generated by oscillation in the snap recovery waveform of the FRD.
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