專利名稱：高壓mos控制功率半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，以一種MOS控制的功率半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)。
這樣一種MOS控制的功率半導(dǎo)體器件，例如已在歐洲專利申請文獻EP O 528 349 A1中敘述過。其中涉及的是一種具有高擊穿電壓的IGBT。
這類IGBT或者概括地講MOS控制的功率半導(dǎo)體器件，在一塊半導(dǎo)體襯底上的陽極與陰極之間，有數(shù)個不同摻雜的半導(dǎo)體層，并且在陰極一側(cè)有許多并聯(lián)單胞或者陰極單元。這些陰極單元具有一個絕緣的控制極，借助該控制極可以開關(guān)此器件。根據(jù)器件類型的不同，陰極單元和半導(dǎo)體層的設(shè)計也不同。
在陽極一側(cè)，按照具體要求可以制成不同的結(jié)構(gòu)。關(guān)于IGBT可以從A.R.Hefner等人發(fā)表在IEEE Trans.on PowerElectronics，Vol.PE-2，No.3，1987年7月雜志上的文章“IGBT性能的優(yōu)化緩沖層與降低基區(qū)壽命的關(guān)系”和T.Laska等人發(fā)表在Solid State Electronics，Vol.35，No.5，PP.681-685 1992年雜志上的文章“高可靠性2000V非穿通型IGBT”中獲得示例。
如F.Bauer等人在1994年功率半導(dǎo)體器件與集成電路國際會議上發(fā)表的文章“BiMOS功率器件在智能無緩沖器功率調(diào)節(jié)電路中的適用性”，Proc.ISPSD，Davos 1994，P.201及其以后各頁所述，這種類型的器件容易產(chǎn)生振蕩。這種振蕩主要是由限制電流變化dIa/dt所必需的發(fā)射極電感與器件結(jié)構(gòu)所固有的控制極—陰極電容的相互作用引起的。這種振蕩大大限制了器件功率并可能危及器件壽命。
在上述F.Bauer等人的文章中，主要借助MCT對起振傾向進行了研究。然而，進一步的實驗表明，當(dāng)前所有已知的MOS控制的功率半導(dǎo)體器件都顯示這種現(xiàn)象。
在V.A.K.Temple發(fā)表在IEEE Trans.on ElectronDevices，Vol.ED-33，No.10，1986年10月的文章“MOS-控制的晶閘管—一種新型功率器件”中或者F.Bauer發(fā)表在<功率半導(dǎo)體器件與電路>A.A.Jaecklin編著，Plenum Press出版社，紐約，1992年，31-36頁上的文章“MOS控制的晶閘管及其限制因素”中已敘述過MCT。B.J.Baliga在Proceedings of the IEEE，Vol.76，No.4，1988年4月發(fā)表的文章“MOS-雙極性功率半導(dǎo)體技術(shù)的進展”中敘述了IGBT或者IGT。另一種MOS控制的功率半導(dǎo)體器件是FiBS(Five Layer Bipolar Switch五層結(jié)構(gòu)雙極性開關(guān))，該種器件K.Lilija在US專利5,289,981中和在歐洲專利申請文獻EP O 487 869 A1中已敘述過，或者F.Bauer等人在德國專利公開文獻DE 40 24 526 A1中敘述過的IGTH或者BRT(BRT＝Base Resistance Controlled Thyristor基極電阻控制的晶閘管)。所有上述器件都容易產(chǎn)生振蕩。這種振蕩對器件功率和壽命起限制作用。
本發(fā)明的任務(wù)是提出一種MOS控制的功率半導(dǎo)體器件，這種器件中不出現(xiàn)上述振蕩趨勢，且價格便宜、容易制造，此外開關(guān)損耗也很小。
這項任務(wù)依據(jù)以下所述特征，用開始時所述類型的MOS控制功率半導(dǎo)體器件得以解決高壓MOS控制的功率半導(dǎo)體器件包括在半導(dǎo)體襯底內(nèi)介于一個陰極和一個陽極之間幾個不同的摻雜層和許多個進入陰極一側(cè)借助MOS控制極控制的陰極單元，其特征在于，陰極單元在圓形單元時占據(jù)總器件面積的比例介于0.1％到10％之間，在條形單元時介于0.4％到40％之間。
本發(fā)明的核心是，增加陽極與陰極的耦合。這種耦合的增加，一種方法是通過在控制極與陽極之間外接一個數(shù)量級為1nF/cm2電容器來實現(xiàn)，另一種方法是使圓形的陰極單元占據(jù)整個器件面積的0.1％至10％或者使帶狀的陰極單元占據(jù)整個器件面積的0.4％至40％。在一種優(yōu)先采用的實施例中這種設(shè)計是以如下方式實現(xiàn)的，即選擇介于25μm與250μm之間的單元間距。特別是優(yōu)先選用介于70μm至150μm之間的間距。
其它實施例是由不同的陰極單元的結(jié)構(gòu)決定的。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，即由于單胞或者陰極單元所占面積分量比較小或者兩個單元之間的間距與現(xiàn)有技術(shù)上采用的距離相比大很多，使器件的振蕩趨勢基本消失。這與采用現(xiàn)有技術(shù)制造的器件完全相反，在現(xiàn)有技術(shù)中單元間距很小，例如參閱上面提到的A.R.Hefner等人的文章，其中采用的單元間距只有10μm。此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)還具有良好的效果，即寬的結(jié)構(gòu)具有較小的開關(guān)損耗。從而比現(xiàn)有技術(shù)制造的器件具有較長的壽命。這種特性主要是由于可以放棄元胞之間和元胞下方較高摻雜的所謂JFET—區(qū)。由此而帶來的優(yōu)點是可以節(jié)省一步工藝。從而可以更簡單和更廉價地制造該種器件。另一方面也由于減少了工藝的波動而減少了廢品率和提高了可靠性。此外，有可能減少器件的布線，因為用于限制dI/dt的發(fā)射極電感不再引起振蕩從而可以放棄其它補償元件。
下面結(jié)合附圖中給出的實施例進一步闡述本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明功率半導(dǎo)體器件的部分截面圖，只示意性示出器件中的單胞；圖2a-d是各種類型的單胞。
圖中所使用的有關(guān)符號及其含義綜合在一個符號表中。在圖中，原則上相同的部分使用相同的符號。
圖1示意性示出本發(fā)明MOS控制的功率半導(dǎo)體器件的截面圖。在半導(dǎo)體襯底2內(nèi)，在只是示意性示出的一個陰極3和一個陽極4之間設(shè)置了數(shù)個不同摻雜的半導(dǎo)體層7，從陰極一側(cè)表面向里在半導(dǎo)體襯底2內(nèi)制作許多陰極單元6。在陰極單元6上裝有控制極5。此控制極5與陰極3是隔開的，例如用一個氧化層(MOS-結(jié)構(gòu))。用加在控制極5上的電壓可以控制通過器件1的電流，即控制器件的開啟和關(guān)斷。
這種功率半導(dǎo)體器件的工作原理由開始所提到的技術(shù)背景已是眾所周知，因此不必在此詳述。本發(fā)明不局限于某一特定的MOS控制功率半導(dǎo)體器件類型，而是可以成功地應(yīng)用于所有圖2a-d所示單胞類型。它們分別是具有一個四層結(jié)構(gòu)和P+摻雜短路區(qū)的MCT(圖2a)，具有一個三層結(jié)構(gòu)和n+摻雜短路區(qū)的IGBT(圖2b)，具有一個三層結(jié)構(gòu)和兩種形式單胞的IGTH或BRT(圖2c)，其中之一只有一個P+槽，而另一個還在P+槽內(nèi)增加一個n+摻雜槽，以及具有一個五層結(jié)構(gòu)和n+摻雜的MOS控制源區(qū)的FiBS(Field Controlled Bipolar Switch場控制雙極性開關(guān))。
對所有這類器件，都曾嘗試過用小的電感保護通常所設(shè)置的空載二極管以防止過陡的電流前沿dI/dt。然而在開始提到的94年ISPSD文章中已經(jīng)確認，除其它原因外，由于這些電感，此類器件具有振蕩趨勢。下面借助一種IGBT進一步闡明此問題。
在這種器件的發(fā)射極上接有電感(發(fā)射極電感)。振蕩趨勢主要基于在發(fā)射極電感上感應(yīng)的電壓經(jīng)器件結(jié)構(gòu)固有的控制極—陰極電容反饋到IGBT的控制極回路。此振蕩只受到雪崩過程的限制，并有極大的可能性導(dǎo)致器件破壞。此外該振蕩在比典型的壓焊引線電感稍大一些的電感值的情況下即可能出現(xiàn)。
為了在應(yīng)用中防止出現(xiàn)振蕩趨勢，根據(jù)本發(fā)明要增加陽極與陰極之間的耦合。其辦法是增加控制極—陽極電容。為此目的本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相反，將兩個陰極單元之間的距離d選擇了足夠大的值。一般情況下，距離的判據(jù)也可以用在器件總面積中陰極單元所占的面積分量表示。
為了有效地防止振蕩趨勢，在器件總面積中陰極單元的面積分量對圓形單元介于0.1％和10％之間，對條形單元介于0.4％和40％之間。對于目前1-2cm直徑的器件，由此得出優(yōu)先采用的相鄰單元之間的距離介于25μm和250μm之間?；诩夹g(shù)上的考慮特別優(yōu)先選擇介于70μm和150μm之間的距離。
當(dāng)然，在陽極一側(cè)可以采用所有已知的措施，如設(shè)置陽極短路連接，輕摻雜層(soft-layer)或者阻擋層。本發(fā)明不局限于上述IGBT，而且可以以很大優(yōu)越性用于所有MOS控制的功率半導(dǎo)體器件。
按照本發(fā)明選擇兩個陰極單元之間的距離或者選擇陰極單元所占面積的百分數(shù)的優(yōu)點在于，由小的電感引起的振蕩趨勢基本消失，從而可以無需大的起動緩沖器而實現(xiàn)廉價的空載二極管dI/dT-保護。此外，這些寬的結(jié)構(gòu)對于工藝的起伏不敏感。特別是可以去掉在單胞之間與其下方較高摻雜的，所謂的JFET—區(qū)。因此，簡化了制造工藝，從而降低了成本。此外，放棄了較高摻雜的JFET—區(qū)，使較弱的電場強度在器件內(nèi)部占據(jù)優(yōu)勢。因此得到較小的開關(guān)損耗，并使器件壽命增加。
與現(xiàn)有技術(shù)中人們在低電壓范圍(約至600V)必須采用越來越小的結(jié)構(gòu)相反，本發(fā)明采用的寬結(jié)構(gòu)為高壓器件帶來種種優(yōu)點。
符號表1.功率半導(dǎo)體器件2.半導(dǎo)體襯底3.陰極4.陽極5.控制極6.陰極單元7.半導(dǎo)體層d.兩個陰極單元之間的距離
權(quán)利要求
1.高壓MOS控制的功率半導(dǎo)體器件(1)包括在半導(dǎo)體襯底(2)內(nèi)介于一個陰極(3)和一個陽極(4)之間幾個不同的摻雜層(7)和許多個進入陰極一側(cè)借助MOS控制極(5)控制的陰極單元(6)，其特征在于，陰極單元(6)在圓形單元時占據(jù)總器件面積的比例介于0.1％到10％之間，在條形單元時介于0.4％到40％之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，兩個相鄰單元之間的橫向距離d介于25μm和250μm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，橫向距離d介于70μm和150μm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，陰極單元(6)具有MOS控制的晶閘管(MCT)的單胞結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，陰極單元(6)具有絕緣控制極的雙極性晶體管(IGBT)單胞結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，半導(dǎo)體襯底(2)陽極一側(cè)含有一個P型重摻雜層和一個n型輕摻雜層以及兩類單胞，這些單胞由一個進入n型輕摻雜層內(nèi)的P型重摻雜的槽組成，其中一類單胞含有附加的n型重摻雜槽，此槽在P槽內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，半導(dǎo)體襯底含有一個五層結(jié)構(gòu)和由P型重摻雜槽組成的單胞，在單胞內(nèi)有n型重摻雜的源極區(qū)。
全文摘要
在具有許多陰極單元的MOS控制功率半導(dǎo)體器件中，選擇陰極單元面積在總器件面積中所占的比例，在圓形單元時，介于0.1％到10％之間；在條形單元時，介于0.4％到40％之間。這種方法可使小電感引起的振蕩趨勢減小。
文檔編號H01L29/06GK1128903SQ9511507
公開日1996年8月14日 申請日期1995年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月8日
發(fā)明者F·鮑爾 申請人:Abb管理有限公司