反嚮導通半導體裝置的製作方法

2023-07-21 01:45:41 2

專利名稱：反嚮導通半導體裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及功率電子器件的領域，更具體來說，涉及如權利要求1的前序部分所述的反嚮導通半導體裝置以及如權利要求13所述的具有這種反嚮導通半導體裝置的轉換
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背景技術：
在US 2008/0135871 Al中，描述如圖1所示的反嚮導通半導體裝置200'(反嚮導通絕緣柵雙極電晶體(RC-IGBT))，它在一個晶圓100中包括具有內置續流二極體的絕緣柵雙極電晶體。如圖1所示，這種反嚮導通半導體裝置200』包括η型基層101，它具有作為集成IGBT的發射極側104的第一主側以及作為IGBT的集電極側103並且與發射極側104 相對的第二主側。第四P型層4設置在發射極側104上。在第四層4上，設置具有比基層 101更高摻雜的第三η型層3。第六電絕緣層6設置在發射極側104上，覆蓋第四層4和基層101，並且部分覆蓋第三層3。導電第五層5完全嵌入第六層6中。在第四層4的中心部分之上，沒有設置第三或第六層3、6。在第四層4的這個中心部分上，設置第一電接觸8，它還覆蓋第六層6。第一電接觸8與第三層3和第四層4直接電接觸，但是與第五層5電絕緣。在第二主側，作為緩衝層所形成的第七層7設置在基層101上。在第七層7，η型第一層1和P型第二層2在平面中交替設置。第一層1以及第七層7具有比基層101更高的摻雜。第二電接觸9設置在集電極側103上，它覆蓋第一和第二層1、2，並且與它們直接電接觸。在這種反嚮導通半導體裝置200』中，續流二極體在其一部分形成二極體的陰極的第二電接觸9、形成二極體的陰極區的η型第一層1、其一部分形成二極體基層的基層101、 其一部分形成二極體的陽極區的P型第四層4以及形成二極體的陽極的第一電接觸8之間形成。絕緣柵雙極電晶體(IGBT)在其一部分形成IGBT的集電極電極的第二電接觸9、 形成IGBT的集電極區的ρ型第二層2、其一部分形成IGBT基層的基層101、其一部分形成 IGBT的ρ基區的第四層4、形成IGBT的η型源區的第三層3以及形成發射極電極的第一電接觸8之間形成。在IGBT的通態期間，溝道朝η基層在發射極電極、源區和ρ基區之間形成。η型第一層1包括具有第三區寬度16的多個第三區15。ρ型第二層2包括具有第四區寬度26的多個第四區25。第二層2形成連續層，其中每個第三區15由連續第二層2 包圍。圖2中，示出通過沿圖1的線條A-A的截面的整個晶圓面積之上的第一和第二層 1、2。這個線條也在圖2中示出，以便示出RC-IGBT200』在晶圓100的整個平面之上不具有第一和第二層1、2的相同結構。在圖的上部(參見線條A-A)，示出規則設置的第三區15和第四區25的結構。在圖2的下部，示出第二層2還包括第五區27(在圖中由虛線包圍)，它具有比任何第四區25的寬度26更大的第五區寬度28。第五區27的寬度28加上第三區15的寬度 16比第四區25的寬度26加上第三區15的寬度16要大1. 5至5倍。使用這種結構，以便獲得大ρ摻雜區供改進半導體裝置的通態性質，並且通過具有採取第四區25形式的ρ摻雜區與第五區27相比很小的面積，其中存在第三區15的面積中的第三區15之間的距離能夠保持很小。由此，裝置可用於更高電流。但是，由於各由第四區25包圍的第三區15的使用，實現RC-IGBT的良好二極體性質的可能性受到極大限制，因為負責二極體性質的η型第一層1的面積因從US 2008/0135871 Al已知的這種現有技術裝置的幾何條件而很小。如果例如使第三區15的寬度16與第四區25的寬度同樣大，則總η摻雜麵積不超過整個面積的25%。通過另外引入作為P摻雜第五區27的另一個大ρ面積，總η摻雜麵積進一步減小。另一方面，如果與第四區25相比，第三區15的寬度16經過放大，則由於反彈效應可能發生，IGBT性質會以不可接受的方式變壞。US 2005/017290、EP 0683530和US 2008/093623示出具有裝置的集電極側上的交替η和ρ摻雜區的現有技術反嚮導通IGBT。在ΕΡ0683530中公開，ρ摻雜區的總面積大於η摻雜區的總面積。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有改進二極體性能但無需犧牲IGBT性能的反嚮導通半導體裝置。這個目的通過如權利要求1所述的反嚮導通半導體裝置以及如權利要求13所述的轉換器來實現。本發明的反嚮導通絕緣柵雙極電晶體(RC-IGBT)包括共同晶圓上的續流二極體和絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，晶圓的部分形成具有基層厚度的基層。絕緣柵雙極電晶體包括集電極側和發射極側，而集電極側設置成與晶圓的發射極側相對。基層厚度定義為基層在集電極側與發射極側之間具有的最大厚度。第一導電類型、如η型的第一層以及第二導電類型、如ρ型的第二層交替設置在集電極側。第一層包括至少一個第一區和至少一個第一引導區，其中每個第一區由第一區邊界包圍並且具有第一區寬度，以及每個第一引導區由第一引導區邊界包圍並且具有第一引導區寬度。第二層包括至少一個第二區和至少一個第二引導區，其中每個第二區由第二區邊界包圍並且具有第二區寬度，以及每個第二引導區由第二引導區邊界包圍並且具有第二引導區寬度。必須滿足如下幾何規則-第二層在整個平面之上沒有相同結構，-每個第一區寬度小於基層厚度，-每個第二區寬度等於或大於基層厚度，-每個第一引導區寬度等於或大於基層厚度的一倍，-每個第二引導區寬度大於基層厚度的兩倍，
-每個第二引導區寬度大於每個第一引導區寬度，以及-至少一個第二引導區的面積之和大於至少一個第一引導區的面積之和。各區或層寬度定義為所述區或層中的任何點與所述區或層邊界上的點之間存在的最短距離的最大值的兩倍。最大值是在通/斷之間切換裝置(反過來也是一樣)時對該區完全充電或放電的最長距離。這些條件確保與第二區相比存在較小第一區，使得使IGBT面積保持為較大，並且避免在較大第一二極體區發生的反彈效應。由於較小第一和第二區沒有極大地影響符合上述設計規則的IGBT模式，所以其尺寸調整成取得所需二極體面積。通過引入與第一和第二區相比具有增加尺寸的獨立第二引導區，創建作為沒有工作在相對模式的IGBT區或二極體區專用的區域。通過與第一區和第二區相比僅引入第一引導區和第二引導區的幾個，保持具有縮短結構(第一和第二區)的裝置的大面積。為了不犧牲過多IGBT面積，作為引導區的ρ型第二引導區確保增加的IGBT面積， 同時作為引導η型區的第一引導區確保相當大的二極體面積。第一和第二區形成主短接區(shorted region)，其中所包含的矽面積用於IGBT 和二極體模式。這些區域還影響主要IGBT電性質。第一引導區和第二引導區主要提供用於賦予確定IGBT對二極體面積比以及將這個設計方面與僅涉及較小第一區和較大第一引導區的標準方式分離的更大自由度。如果引入第一引導區，則較大尺寸能夠選擇用於第二區，這將產生兩個積極特徵 第一，IGBT的通態特性期間的反彈的消除；以及其次，IGBT和二極體的更軟截止性能。在從屬權利要求中公開本發明主題的其它優選實施例。


下文中將參照附圖更詳細地說明本發明主題，其中圖1示出現有技術反嚮導通IGBT的截面圖；圖2示出現有技術RC-IGBT的第一和第二層的結構的平面圖；圖3示出本發明反嚮導通IGBT的截面圖；圖4示出根據本發明的反嚮導通IGBT的第一和第二區的結構的平面圖；圖5示出根據本發明的另一種反嚮導通IGBT的第一和第二區的結構的平面圖；圖6至圖8示出根據本發明的其它反嚮導通IGBT的具有第一區和第一引導區的第一層以及具有第二區和第二引導區的第二層的結構的平面圖；圖9示出具有溝槽柵電極的另一種本發明反嚮導通IGBT的發射極側的層；以及圖10示出具有增強層的另一種本發明反嚮導通IGBT的發射極側的層。在參考標號列表中概括附圖中使用的參考標號及其含義。一般來說，向相似或相似機能的部件賦予相同參考標號。所述實施例意在作為示例而不是要限制本發明。
具體實施例方式圖3中，示出又稱作反嚮導通絕緣柵雙極電晶體(RC-IGBT)的本發明反嚮導通半導體裝置200的第一實施例。RC-IGBT 200包括低摻雜η型基層101，它具有形成集成IGBT 的發射極側104的第一主側以及形成集成IGBT的集電極側103、與第一主側相對的第二主側。基層101是在成品反嚮導通絕緣柵雙極電晶體中具有未修正摻雜的晶圓100的那個部分。基層101具有基層厚度102，它定義為基層101在集電極側103與發射極側104之間具有的最大厚度。圖3中，基層厚度是發射極側104(即，第六層6，在以下章節介紹)與第七層7之間的距離。在RC-IGBT沒有第七層7的情況下，基層厚度是發射極側104(即，第六層6)與第一或第二層1、2之間的距離。ρ型第四層4設置在發射極側104上。至少一個η型第三層3也設置在發射極側 104上，並且它由第四層4包圍。至少一個第三層3具有比基層101更高的摻雜。第六電絕緣層6設置在基層101、第四和第三層4、3之上的發射極側104上。它至少部分覆蓋至少一個第三層3、第四層4和基層101。導電第五層5設置在發射極側104上，通過第六層6與至少一個第四層4、第三層3和基層101電絕緣。優選地，第五層5嵌入第六層6中。通常，第六層6包括優選地由二氧化矽製成的第一電絕緣層61以及優選地也由二氧化矽製成、優選地由與第一電絕緣層61相同的材料製成的第二電絕緣層62。第二電絕緣層62覆蓋第一電絕緣層61。對於具有作為如圖3所示的平面柵電極所形成的第五層5的 RC-IGBT200，第一電絕緣層61設置在發射極側104上。在形成第六層6的第一與第二電絕緣層61、62之間，嵌入形成柵電極的第五層5，通常將它完全嵌入。因此，第五層5通過第一電絕緣層61與基層101、第四和第三層4、3分隔。第五層5通常由重摻雜多晶矽或者例如鋁等金屬製成。至少一個第三層3、第五層5和第六層6按照在第四層4之上創建開口的方式來形成。開口由至少一個第三層3、第五層5和第六層6包圍。第一電接觸8設置在開口中的發射極側104上，使得它與第四層4和第三層3直接電接觸。這個第一電接觸8通常還覆蓋第六層6，但是通過第二電絕緣層62與第五層5 分隔並且因而電絕緣。η型第一層1和ρ型第二層2設置在集電極側103上，並且第一層1具有比基層 101更高的摻雜。第一和第二層1、2能夠設置在同一個平面中，或者備選地，它們也能夠設置在不同平面中，而第一和第二層1、2的平面相互至少間隔開設置成離集電極側103更遠的那個層的厚度。從申請號為EP 07150162和EP 07150165的歐洲專利申請已知其中這種第一和第二層1、2設置在不同平面中的裝置及其製造方法。第二電接觸9設置在集電極側103上，並且它與至少一個第一和第二層1、2直接電接觸。通常，Ti、Ni、Au或Al用作第二電接觸9的材料。在本發明RC-IGBT 200中，二極體在形成二極體中的陽極的第一電接觸8、其一部分形成陽極層的第四層4、其一部分形成二極體的基層的基層101、形成陰極層的η型第一層1以及形成陰極的第二電接觸9之間形成。在本發明RC-IGBT 200中，絕緣柵雙極電晶體(IGBT)在形成IGBT的發射極電極的第一電接觸8、形成源區的第三層3、其一部分形成溝道區的第四層4、其一部分形成IGBT 的基區的基層101、形成集電極層的ρ型第二層2以及其一部分形成集電極電極的第二電接觸9之間形成。作為具有平面柵電極的本發明RC-IGBT的備選，本發明RC-IGBT可包括作為如圖9所示的溝槽柵電極所形成的第五層5，。溝槽柵電極設置在與第四層4相同的平面中，並且與第三層3相鄰，相互之間分隔第一絕緣層61，第一絕緣層61還將第五層5』與基層101 分隔。第二絕緣層62設置在作為溝槽柵電極所形成的第五層5』之上，因而使第五層5』與第一電接觸8絕緣。η型第一層1包括至少一個第一區10和至少一個第一引導區12，其中每個第一區 10具有第一區寬度11和包圍第一區的第一區邊界，並且每個第一引導區12具有第一引導區寬度13和包圍第一引導區的第一引導區邊界。通常，第一層1包括多個第一區10和/ 或第一引導區12。ρ型第二層2包括至少一個第二區20和至少一個第二引導區22，其中每個第二區 20具有第二區寬度21和包圍第二區的第二區邊界，並且每個第二引導區22具有第二引導區寬度23和包圍第二引導區的第二引導區邊界。通常，第二層2包括多個第二區20和/ 或第二引導區22。第一區10和第二區20形成短接區域。每個第二區寬度21等於或大於基層厚度 102，而每個第一區寬度11小於基層厚度102。圖4示出通過沿圖3的線條B-B的第一和第二層1、2的截面。這個線條也在圖4 中示出，以便示出RC-IGBT在晶圓100的整個平面之上不具有第一和第二層1、2的相同結構。存在其中第一和第二層1、2僅包括如圖4和圖5所示並且例如沿線條B-B也存在於圖 6、圖7和圖8中的第一和第二區域10、20的部分。在RC-IGBT 200的其它部分，第一和第二層1、2包括第二引導區22和第一引導區12。每個第二引導區22的寬度23大於每個第一引導區寬度13。每個第二引導區寬度等於或大於基層厚度102的兩倍，每個第一引導區寬度13等於或大於基層厚度102的一倍。此外，第二引導區22的總面積大於第一引導區 12的總面積。第一引導區的總面積是所有單個第一引導區的面積之和。任何其它區域的總面積對應地是所有這類單個區域的面積之和。例如，如果在裝置中僅存在一個第一引導區， 則第一引導區的總面積是該區域的面積。如果在裝置中存在多個這種第一引導區，則總面積是這些第一引導區之和。在另一個優選實施例中，第二區和第二引導區20、22的面積之和對晶圓面積是在 70%直到90%之間。在這種裝置中，第一區10和第一引導區12的面積之和對晶圓面積是在10%直到30%之間。在另一個優選實施例中，第二引導區22的面積之和對晶圓面積是在10%至30% 之間。短接第一和/或第二區10、20的寬度11、21在整個晶圓面積之上能夠是恆定的， 使得第一和第二區10、20以規則幾何方式設置在晶圓100之上，但是其寬度在晶圓100之上也可改變。第一和第二區10、20的典型設計是帶狀設計(如圖4所示)，或者是其中每個第一區10由第二區20包圍的設計(如圖5所示)。在這種設計中，第一區10在示範實施例中可具有正方形、矩形或圓形形狀。在另一個優選實施例中，第一引導區12和/或第二引導區22也具有正方形、矩形、十字形或圓形形狀。圖6示出具有正方形形狀的這類第一引導區12和第二引導區22， 而圖7示出具有圓形形狀的第一引導區12和第二引導區22。在圖6和圖7中，每個第一引導區12通過位於中間的第一和/或第二區10、20與第二引導區22隔離。備選地，至少一個第一引導區12也可附連到第二引導區22。在具有正方形形式(圖6)的引導區12、22的情況下的引導區寬度對應於正方形的寬度。對於正方形設計，所述引導區中的任何點與所述引導區邊界上的點之間的最短距離的最大值是正方形的中心點與邊界線的任一個的中點之間的距離。這是在裝置切換期間使電荷均衡的最長距離。對於如圖7所示的引導區12、22的圓形形狀，引導區寬度對應於引導區的直徑 (從圓的中心點到圓形引導區的邊界上的任何點再次存在最大值)。圖8示出十字形形式的第二引導區22。為了說明這種情況的最短距離的最大值 24，十字形假想地分為四個外矩形和一個中心矩形。從十字形的中心矩形的中點到兩個相鄰外矩形在其上鄰接(參見圖8的實線)的四個點之一存在十字形區域中的任何點與十字形區域的邊界之間的最短距離的最大值對。作為這個最大值的兩倍的第二引導區寬度23 示為虛線。這是電子或空穴必須流動以便在通/斷之間切換裝置(反過來也是一樣)時對該區進行充電或放電的的最長路徑。在圖6至圖8中，為了清晰起見，第一和第二區10、20僅通過對採用10、20所表示的區域加陰影來示出，但是加陰影區域預計是例如圖4和圖5所示的交替第一和第二區10、 20的區域。又如圖3所示，在另一個實施例中，RC-IGBT 10還可包括η型第七層7，它分別設置在基層101與第一和第二層1、2之間，並且所述第七層7具有比基層101更高的摻雜。在圖10所示的另一個優選實施例中，作為增強層所形成的第八η摻雜層41設置在第四層4與基層101之間，以便具有較低通態損耗。第八層41使第四層4與基層101分隔，並且它具有比基層101更高的摻雜。在另一個實施例中，對層的導電類型進行改變，即，第一導電類型的所有層為P型 (例如基層101)，而第二導電類型的所有層為η型(例如第四層4)。本發明反嚮導通半導體裝置200例如能夠用於轉換器中。參考標號列表1第—-層
10第-一區
11第-一區的寬度
12第-一引導區
13第-一引導區寬度
15第J三區
16第J三區的寬度
2第二層
20第:二區
21第:二區的寬度
22第:二引導區
23第:二引導區寬度 24區域中的任何點與其邊界上的點之間的最短距離的最大值
25第四區沈第四區的寬度27第五區沘第五區的寬度3第三層4第四層41第八層5,5'第五層6第六層61第一電絕緣層62第二電絕緣層7第七層8第一電接觸9第二電接觸100 晶圓101 基層102基層厚度103集電極側104發射極側200,200' RC-IGBT
權利要求
1.一種反嚮導通半導體裝置(200)，包括共同晶圓(100)上的續流二極體和絕緣柵雙極電晶體，在成品反嚮導通半導體裝置(200)中具有未修正摻雜的所述晶圓(100)的部分形成基層(101)，其中所述絕緣柵雙極電晶體包括集電極側(103)和發射極側(104)，並且所述集電極側 (103)設置成與所述晶圓(100)的所述發射極側(104)相對，其中所述基層(101)具有基層厚度(102)，它定義為所述基層(101)在所述集電極側(103) 與所述發射極側(104)之間具有的最大厚度，第一導電類型的第一層(1)和第二導電類型的第二層(2)交替設置在所述集電極側 (103)上，其特徵在於所述第一層(1)包括至少一個第一區(10)和至少一個第一引導區(12)，其中每個第一區(10)由第一區邊界包圍並且具有第一區寬度(11)，以及每個第一引導區(12)由第一引導區邊界包圍並且具有第一引導區寬度(13)，所述第二層(2)包括至少一個第二區(20)和至少一個第二引導區(22)，其中每個第二區(20)由第二區邊界包圍並且具有第二區寬度(21)，以及每個第二引導區(22)由第二引導區邊界包圍並且具有第二引導區寬度(23)，各區或層寬度定義為所述區或層中的任何點與所述區或層邊界上的點之間的最短距離的最大值的兩倍，所述第二層(2)在整個平面之上沒有相同結構， 每個第一區寬度(11)小於所述基層厚度(102)， 每個第二區寬度(21)等於或大於所述基層厚度(102)， 每個第一引導區寬度(13)等於或大於所述基層厚度(102)的一倍， 每個第二引導區寬度(23)大於所述基層厚度(102)的兩倍， 每個第二引導區寬度(23)大於每個第一引導區寬度(13)，以及所述至少一個第二引導區(22)的面積之和大於所述至少一個第一引導區(12)的面積之和。
2.如權利要求1所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，所述至少一個第一和 /或第二區(10，20)的寬度(11，21)在所述晶圓(100)上改變。
3.如權利要求1所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，至少一個第一和/或第二區(10,20)的寬度(11，21)在所述晶圓(100)上是恆定的。
4.如權利要求1至3中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，所述至少一個第一和第二區(10，20)在所述晶圓(100)上設置為帶狀。
5.如權利要求1至3中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，每個第一區(10)由第二區(20)完全包圍。
6.如權利要求5所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，所述至少一個第一區 (10)具有正方形、矩形或圓形形狀。
7.如權利要求1至6中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，每個第一引導區(12)通過至少一個第一和/或第二區(10，20)與任何第二引導區(22)隔離。
8.如權利要求1至6中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，至少一個第一引導區(12)附連到第二引導區(22)。
9.如權利要求1至8中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，所述至少一個第二引導區和/或所述至少一個第一引導區(12，22)具有正方形、矩形、十字形或圓形形狀。
10.如權利要求1至9中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於所述至少一個第二區和所述至少一個第二引導區(20，22)的面積之和對晶圓面積是在70%直到90%之間。
11.如權利要求1至10中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於所述至少一個第一區(10)和所述至少一個第一引導區(12)的面積之和對晶圓面積是在10%直到30%之間。
12.如權利要求1至11中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(200)，其特徵在於，所述至少一個第二引導區(22)的面積之和對所述晶圓面積是在10%到30%之間。
13.具有如權利要求1至12中的任一項所述的反嚮導通半導體裝置(10)的轉換器。
全文摘要
提供一種反嚮導通半導體裝置(200)，它包括共同晶圓(100)上的續流二極體和絕緣柵雙極電晶體，晶圓(100)的一部分形成具有基層厚度(102)的基層(101)。絕緣柵雙極電晶體包括集電極側(103)和發射極側(104)，而集電極側(103)設置成與晶圓(100)的發射極側(104)相對。第一導電類型的第一層(1)和第二導電類型的第二層(2)交替設置在集電極側(103)上。第一層(1)包括具有第一區寬度(11)的至少一個第一區(10)以及具有第一引導區寬度(13)的至少一個第一引導區(12)。第二層(2)包括具有第二區寬度(21)的至少一個第二區(20)以及具有第二引導區寬度(23)的至少一個第二引導區(22)。RC-IGBT按照滿足如下幾何規則的方式來設計每個第二區寬度(21)等於或大於基層厚度(102)，而每個第一區寬度(11)小於基層厚度(102)。每個第二引導區寬度(23)大於每個第一引導區寬度(13)。每個第一引導區寬度等於或大於基層厚度(102)的兩倍，並且第二引導區(22)的面積之和大於第一引導區(12)的面積之和。
文檔編號H01L29/739GK102203945SQ200980144515
公開日2011年9月28日 申請日期2009年11月4日 優先權日2008年11月5日
發明者A·科普塔, M·拉希莫 申請人:Abb技術有限公司