內燃機點火器半導體器件的製作方法

2023-06-18 05:20:41

專利名稱：內燃機點火器半導體器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於內燃機點火器的半導體器件。2.相關領域圖2所示的電路包括作為電感負載的初級側線圈45以及次級側線圈42，並具有響應從電源41流至初級側線圈45的間歇電流藉助次級線圈42中產生的高電壓造成間歇火花發出的功能。該電路所應用的一種產品是內燃機點火器(在下文中稱為「點火器」)，該點火器利用在連接於次級側線圈42的內燃機火花塞44中發出的間歇火花。迄今為止，雙極型電晶體已在內燃機點火器(點火器)中用作使間歇電流流至初級側線圈的開關單元43， 但近年來，這已被絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)代替(JP-A-2000-310173、JP-A-2002-4991 以及日本專利No. 4，263，102)。在使用這種類型點火器的IGBT中，，可內建圖3的IGBT等效電路中所示的柵極控制電路部分17以使IGBT具有監視工作狀態且在存在異常時控制柵極信號的功能，也可如圖5的IGBT主要部分截面圖所示內建有用於防止IGBT由於過電流、 過電壓或發熱而損壞的控制電路部分21。為了減小L負載截止時的浪湧電壓，已知提供在IGBT的高阻η型基極層和高雜質濃度η型緩衝層之間具有中間雜質濃度的η型區(日本專利No. 4，164，962和 JP-A-6-268226)。另外，為了防止IGBT截止時因集電極側為負而在L負載電路中產生的浪湧電壓而使IGBT受到破壞，已知一種配置成提供設置在與前側IGBT區相反的集電極側上的集電極區的IGBT(JP-A-2009-105265)。另外，為了使IGBT難以被IGBT截止時因集電極側為負而在點火電路中產生的浪湧電壓損害，也公知IGBT具有η型緩衝區，該η型緩衝區在集電極側ρ-η結界面內具有比汽車電池電壓更高的ρ-η結耐壓(JP-A-2009-130096)。 存在相關於IGBT的描述，其中η型緩衝層是具有不同雜質濃度的兩層結構(日本專利 No. 3，764，343)。在點火器電感負載電路中(圖2)，在當IGBT開關從導通狀態切換至截止狀態時電流急劇減小的過程中，在響應於線圈電感L和流過線圈的電流變化抑制該變化的方向 (IGBT集電極側是正方向)上的電壓在初級側線圈45中急劇上升，而在IGBT到達截止狀態時，電壓急劇下降。當突然產生的浪湧電壓(幾百伏)由設置在IGBT的集電柵之間的齊納二極體16(圖3)的齊納電壓鉗位時，在次級側線圈中感生出初級側線圈電壓，在次級側線圈中產生反向電壓，放電開始，並且聚集在電感器中的能量被釋放。然而，在放電由於某種原因不發生的情況下，聚集在電感器中的能量直接返回到 IGBT側，並且發生IGBT本身不得不消耗能量的情況。此時的情況如圖4所示。水平軸表示時間，而垂直軸表示電流或電壓。也就是說，一旦集電極側上產生的電壓Vc達到柵極和集電極之間的二極體的鉗位電壓Vb，電壓就被鉗位，柵極電壓因流過二極體的電流流過圖 3的柵極電阻而正偏壓，IGBT達到導通狀態且電流流過。在保持這種狀態的同時，電流繼續在大電壓Vb施加於IGBT的狀態下變化，直到零為止。在這段時間，即使在IGBT的內部溫度由於引發大損耗而上升的情形下，IGBT需要忍受這種溫度上升而不會擊穿。此時所引發的最大損耗能量值被稱為能量耐受性。除非由於電路或IGBT的配置或結構造成的諸如鎖閉的局部發熱造成器件擊穿，否則到達作為矽半導體的物理熱擊穿溫度的能量值就是能量耐受性的極限。為此，能量隨著晶片尺寸的增大而增加。另外，當至外界的熱輻射性良好時， 溫度上升得以抑制，且容量增強。結果，能量耐受性是在希望減小晶片尺寸以降低產品成本的情況下確定界限的一個因素。迄今為止已知的此類點火器IGBT的截面結構在圖5示出。 圖5的IGBT包括ρ+襯底25上的η+緩衝層M和η基極層26，並且使IGBT的主電流流過的有源區20設置在η基極層表面的中央部分。有源區20的表面包括連接於ρ基極區6、η 發射電極區7、柵極絕緣膜13、柵極端子2、柵電極14和發射極端子3的發射電極。耐壓區 18設置在圍繞有源區20的周邊。在圖5的有源區20的右側，包括水平MOSFET的控制電路部塊21單片地由溝道區9、源極10-1、漏極10-2、柵極氧化膜11、柵電極12等構成。ρ區8 是用於通過與發射電極短路，通過將流入溝道區9的電流轉移至發射電極來減小流至電路部分21的電流並保護IGBT免受由於寄生電流造成的元件擊穿的區域。從製造角度看，多數情形下連接在IGBT的柵極2和集電極1之間的鉗位二極體16由沉積在IGBT襯底表面上的絕緣膜上的多晶矽層形成，以使電流沿該表面流動。同時，通過例如點火器的汽車點火器件，當安裝在汽車中的電池的12V電源被無意地截止時存在一種模式，其中隨著流過負載電感器的電流急劇減小電感器產生反偏壓 (-Ldi/dt)，如前所述。此時，要求有負浪湧耐受能力(V)，藉此即使在存在反向電壓且電流流入開關半導體元件(IGBT)時也不會有擊穿。圖7示出施加反向浪湧電壓的測試電路。電容器48從電源49充電，並通過切換電容器48而使電流流至半導體側。此時，等於或大於反向耐壓的電壓被施加於是半導體元件的IGBT，電流流動並釋放聚集在電容器中的能量。此時的充電電壓被稱為反向浪湧耐受能力(V)。圖6用圖5示出此時IGBT內部的狀態。IGBT 的反向耐壓是根據由P型襯底25和緩衝層M形成的p-n結(二極體19)的耐壓特性確定的。一旦以發射電極3為正並以集電極1為負的反向電壓施加於IGBT，器件表面側上包含在有源區20和控制電路部分21中的p-n結17就達到正偏壓狀態，且電流在低電壓下流動。此時，當從圖7中假定IGBT反向耐壓特性的動態電阻為0時，由IGBT消耗的能量被計算為等式權利要求
1.一種內燃機點火器半導體器件，包括半導體襯底，所述半導體襯底具有第一導電型集電層、第二導電型緩衝層和第二導電型基極層，這些層按前述順序排列，所述第二導電型緩衝層具有雜質濃度比所述第二導電型基極層的雜質濃度高的、設置在所述第二導電型基極層側的第二緩衝層，以及雜質濃度比所述第二緩衝層的雜質濃度高的、設置在所述第一導電型集電層側的第一緩衝層；絕緣柵雙極型電晶體，所述絕緣柵雙極型電晶體包括設置在半導體襯底的所述第二導電型基極層的表面層上的第一導電型基極區，跨過夾在形成於所述第一導電型基極區內的表面層上的第二導電型發射區和第二導電型基極層表面之間的第一導電型基極區的表面上的柵絕緣膜的柵電極；以及在第一導電型集電層表面上與集電極、第二導電型基極層以及第二導電型發射區共同接觸的發射電極；在柵電極和集電極之間的鉗位二極體，其柵極側作為陽極側；以及控制電路，所述控制電路與所述絕緣柵雙極型電晶體位於同一半導體襯底上，並由通過導線連接至發射電極的另一導電型區以環形圍繞，所述控制電路配置成使用來自發射電極的信號檢測所述絕緣柵雙極型電晶體的異常狀態，並通過控制柵極電壓來防止絕緣柵雙極型電晶體被擊穿，其中第一緩衝層和第二緩衝層的總厚度為50μπι或更小，而兩個層的總雜質量為 20 X IO1W2或更低。
2.如權利要求1所述的內燃機點火器半導體器件，其特徵在於，所述第一緩衝層的厚度為Iym以上且小於或等於10 μ m，所述第一緩衝層的雜質濃度在2 X IO16CnT3至8 X IO16CnT3的範圍內，所述第二緩衝層的厚度為49 μ m或更小，而所述第二緩衝層的雜質濃度在IX IO16CnT3至4X IO16CnT3的範圍內。
3.如權利要求1所述的內燃機點火器半導體器件，其特徵在於， 所述第一緩衝層和所述第二緩衝層的總厚度為30 μ m或更大。
4.如權利要求1所述的內燃機點火器半導體器件，其特徵在於，包括在所述絕緣柵雙極型電晶體和所述控制電路之間的填充有絕緣體的溝槽，用來取代連接至所述發射電極的另一導電型區。
5.如權利要求4所述的內燃機點火器半導體器件，其特徵在於， 所述溝槽的深度到達所述第一導電型集電層。
6.如權利要求5所述的內燃機點火器半導體器件，其特徵在於， 所述溝槽的寬度為ι μ m或更小，且多個所述溝槽平行設置。
7.如權利要求1所述的內燃機點火器半導體器件，其特徵在於，由其它傳導區域圍繞的控制電路被分隔成島狀電路塊，且每個所述島狀電路塊通過導線連接至發射電極。
8.如權利要求7所述的內燃機點火器半導體器件，其特徵在於，在島狀電路塊間夾設高濃度的其它導電型帶狀區，並通過導線將所述高濃度的其它導電型帶狀區連接至發射電極和其它導電型區域。
全文摘要
為了提供儘可能低成本的內燃機點火器半導體器件，同時確保能量耐受性和反向浪湧耐受能力。一種IGBT包括在集電電極和柵電極之間的鉗位二極體，該IGBT在IGBT的p+襯底和n型基極層之間具有不同雜質濃度的兩個n型緩衝層，其中該雙層緩衝層的總厚度為50μm或更小，而總雜質量為20x1013cm-2或更小。
文檔編號H01L27/02GK102184918SQ201010576099
公開日2011年9月14日 申請日期2010年11月25日 優先權日2009年12月4日
發明者上野勝典 申請人:富士電機系統株式會社