雙極非穿通功率半導(dǎo)體裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率電子裝置領(lǐng)域，以及更具體來說涉及阻塞電壓為至少2500V的雙極非穿通功率半導(dǎo)體裝置以及用于制造這種半導(dǎo)體裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于對(duì)能量效率的增長(zhǎng)需求，半導(dǎo)體裝置、例如相控晶閘管處于能量傳輸和分配所需的許多設(shè)備的核心位置。這些裝置允許成本、可靠性和效率方面的良好性能。特別地，雙極半導(dǎo)體功率裝置因其與極低導(dǎo)通損耗相組合的極高功率能力而用于應(yīng)用中。例如，對(duì)于非穿通裝置類型，低(n_)摻雜漂移層、S卩(n_)基區(qū)(其是裝置的最厚層)無法減小到低于某個(gè)極限。但是，P摻雜第一層、即P陽極或P基區(qū)的厚度能夠減小。這在負(fù)斜面結(jié)端接(negative bevel junct1n terminat1n)的情況下會(huì)是有益的，其因?yàn)槿舾稍蚨难貦M向方向的大體積，并且第一層因此必須比在正斜面概念中要厚。
[0003]具有負(fù)斜面的結(jié)端接具有實(shí)際重要性，因?yàn)榕c正斜面相反，它在裝置內(nèi)部的阻塞條件下保持峰值電場(chǎng)。因此，表面鈍化沒有遭受極高電場(chǎng)，表面泄漏電流較小，并且取得高可靠性。這極為重要，因?yàn)槔缭诟邏褐绷鱄VDC應(yīng)用中的雪崩放電的條件下，反向電流的高幅值在雪崩反向擊穿生成。換言之，保持負(fù)斜面具有如下優(yōu)點(diǎn):當(dāng)顯著電流可在周邊流經(jīng)結(jié)端接但是尚未接近裝置表面時(shí)的達(dá)到擊穿電壓的健壯反向阻塞。因此，對(duì)于這類應(yīng)用需要負(fù)斜面的使用。但是，晶閘管需要著眼于使總損耗為最小并且使裝置的額定功率為最大來開發(fā)。
[0004]為了在具有厚陽極和基極層的現(xiàn)有技術(shù)裝置保持正向和反向阻塞，能夠在端接區(qū)使用局部深P摻雜端接層。深端接層允許具有帶單或雙負(fù)斜面(其基本上提供HVDC應(yīng)用中所需的高雪崩放電能力)的結(jié)端接。
[0005]例如按照W02012/041836 Al的早期晶閘管設(shè)計(jì)1建議包括內(nèi)區(qū)7和外區(qū)8的晶片
2。在第一主側(cè)3上，具有內(nèi)區(qū)7中的第一段和外區(qū)8中的第二段62的P摻雜第一層6設(shè)置在U-)漂移層5上。第一層6的第二段62按照現(xiàn)有技術(shù)具有比第一層6的第一段61要大許多的深度。兩個(gè)段61、62在第一主側(cè)3上延伸到相同平坦平面，僅在外區(qū)8中以負(fù)斜面角傾斜。在與第一主側(cè)3相對(duì)的第二主側(cè)4上，第二層16按照與第一層6相同的方式來構(gòu)成，其中具有第一段161和第二段162。在主側(cè)3、4之一上，p+摻雜短流路(p+ shorts) 18和η+摻雜陰極層23設(shè)置在P摻雜第一段61或161中，這些層18、23接觸電極35或45。在外區(qū)8中，負(fù)斜面對(duì)晶片2的邊緣端接裝置。
[0006]與其他現(xiàn)有技術(shù)裝置相比，第一和第二層6、16的這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生內(nèi)區(qū)中的第一段61、161的減小厚度，而沒有增加泄漏電流和降低擊穿電壓，并且產(chǎn)生較低通態(tài)電壓降夕卜，例如反向恢復(fù)電荷Qrr、截止時(shí)間tq和最大浪涌電流等的其他參數(shù)得到改進(jìn)?？傃b置厚度因第一和第二層6、16的較薄第一段而能夠減小，同時(shí)反向和正向阻塞能力通過具有輕摻雜P型端接層和負(fù)斜面的修改結(jié)端接來保持。
[0007]但是，早期設(shè)計(jì)導(dǎo)致裝置中的局部高電場(chǎng)，因?yàn)榈谝粚?的厚度從內(nèi)區(qū)7中的第一厚度改變成外區(qū)8中的第二厚度，其可能厚達(dá)第一厚度的數(shù)倍。在生產(chǎn)過程期間，第一層6從內(nèi)區(qū)7到外區(qū)8的階躍變化在到漂移層5的結(jié)上創(chuàng)建。(n_)摻雜漂移層5與P摻雜第一層6之間的邊界的這個(gè)變化引起裝置的局部較大電場(chǎng)和較高泄漏電流。
[0008]ΕΡ030046 Al描述一種GTO晶閘管，其包括薄但高摻雜的中心ρ層和厚但低摻雜的夕卜P層，其使中心P層凸出。在外區(qū)中，晶閘管具有負(fù)斜面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是避免裝置中的高電場(chǎng)，進(jìn)一步降低泄漏電流，并且增加擊穿電壓和降低損耗。這個(gè)目的通過如權(quán)利要求1所述的雙極非穿通功率半導(dǎo)體裝置以及如權(quán)利要求7所述的用于制造這種裝置的方法來實(shí)現(xiàn)。示范實(shí)施例通過從屬專利權(quán)利要求是顯而易見的，其中權(quán)利要求從屬性將不是被理解為排除其它有意義權(quán)利要求組合。
[0010]按照本發(fā)明，示范地具有至少2500V的阻塞電壓的雙極非穿通功率半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體晶片以及在晶片的第一主側(cè)上形成的第一電極和在與第一主側(cè)相對(duì)的晶片的第二主側(cè)上形成的第二電極。此外，半導(dǎo)體晶片包括具有不同導(dǎo)電類型的層的至少二層結(jié)構(gòu)，該至少二層結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電類型的漂移層和第二導(dǎo)電類型(其與第一導(dǎo)電類型不同)的第一層，其中具有從第一主側(cè)到第一層與漂移層之間的結(jié)所測(cè)量的深度，其中第一層按照到第一主側(cè)的正交投影對(duì)第一主側(cè)設(shè)置在漂移層上并且接觸第一電極。
[0011]如專業(yè)人員眾所周知，非穿通功率半導(dǎo)體裝置是一種裝置，其漂移層設(shè)置成與第一層直接相鄰。因此，低摻雜漂移層接觸到第一層，它們之間沒有又稱作緩沖層的第一導(dǎo)電類型的高摻雜層。非穿通裝置的阻塞條件中的電場(chǎng)是三角形，并且在漂移層中停止?？臻g電荷區(qū)沒有達(dá)到第一層。
[0012]示范地，漂移層可具有恒定低摻雜濃度。其中，漂移層3的基本上恒定的摻雜濃度表示摻雜濃度在整個(gè)漂移層上是基本上同質(zhì)的，但是沒有排除大約為一至五倍的漂移層中的摻雜濃度的波動(dòng)因例如拉取原始硅晶體的過程中的波動(dòng)而也許可能存在。因應(yīng)用需要而選擇最終漂移層厚度和摻雜濃度。漂移層5的示范摻雜濃度在5 X 112 cm—3與5 X 114 cm—3之間。
[0013]漂移層在第一與第二主側(cè)之間所測(cè)量的內(nèi)區(qū)中的厚度大于或等于外區(qū)中的厚度。示范地，漂移層的厚度在內(nèi)區(qū)、示范地也在外區(qū)中是恒定的。
[0014]半導(dǎo)體晶片還包括具有在第一與第二主側(cè)之間所測(cè)量的厚度、即平均厚度的內(nèi)區(qū)以及包圍內(nèi)區(qū)的外區(qū)，其中具有在第一與第二主側(cè)之間所測(cè)量的外區(qū)中的晶片的最大厚度。示范地，內(nèi)區(qū)中的厚度是恒定的。外區(qū)中的厚度可在第一主側(cè)或第二主側(cè)或者在第一和第二主側(cè)上采用負(fù)斜面、即朝晶片邊緣的傾斜邊緣來減小。斜面在晶片具有其最大厚度的外區(qū)中的區(qū)域之外開始，并且延伸達(dá)到示范地在斜面區(qū)中的晶片的邊緣，晶片厚度朝晶片邊緣線性減小。第一主側(cè)在晶片的表面上將處于設(shè)置第一電極的側(cè)面并且處于達(dá)到晶片邊緣的表面上的周圍區(qū)域，即，對(duì)于發(fā)明裝置，第一主側(cè)不是平坦區(qū)域，它而是具有彎曲表面，示范地具有內(nèi)區(qū)中的平坦區(qū)域、在達(dá)到最大厚度的過渡區(qū)中的線性升高輪廓以及然后在外區(qū)中的傾斜區(qū)域。
[0015]第一層具有內(nèi)區(qū)中的第一段和外區(qū)中的第二段。第一層的厚度在內(nèi)區(qū)與外區(qū)之間(即，第一層的第一段與第二段之間)的過渡區(qū)中從內(nèi)區(qū)中的厚度增加到外區(qū)中的最大厚度。第一層的厚度在過渡區(qū)范圍上線性增加，其中過渡區(qū)的寬度大于第一層的第一段的厚度的5倍(厚度作為第一層的第一段從第一主側(cè)延伸的深度來測(cè)量)，示范地為第一層的第一段的厚度的10至20倍。換言之，輪廓從內(nèi)區(qū)到外區(qū)的過渡是緩慢或平滑的，但是沒有伸展至跨越裝置以引起裝置的功能的任何擾動(dòng)。這樣，按照本發(fā)明的裝置通過降低在過渡區(qū)的峰值電場(chǎng)來降低裝置的泄漏電流，并且由此增加擊穿電壓。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)也能夠用于減小裝置厚度，同時(shí)得到原始擊穿電壓。裝置然后具有較低通態(tài)和切換損耗，并且因而裝置比現(xiàn)有技術(shù)裝置更為有效。
[0016]在示范實(shí)施例中，外區(qū)和過渡區(qū)的厚度、即晶片厚度的至少最大值在第一主側(cè)上比內(nèi)區(qū)的厚度、即晶片厚度要大優(yōu)選地達(dá)到100 Mi。換言之，從內(nèi)區(qū)轉(zhuǎn)到外區(qū)，達(dá)到100 μπι的上升在第一主側(cè)上出現(xiàn)。這個(gè)擴(kuò)大的厚度、即較大深度是外區(qū)或過渡區(qū)中的第一層的組成部分。這樣，按照現(xiàn)有技術(shù)在深度上比內(nèi)區(qū)中的第一層要大的外區(qū)中的第一層的至少部分沒有促成內(nèi)區(qū)中的有效單元的厚度。這樣，內(nèi)區(qū)中的漂移層和外區(qū)中的漂移層甚至可具有相似厚度或者甚至內(nèi)區(qū)中略大的厚度，使得截面輪廓沿到第一主側(cè)的正交方向具有比現(xiàn)有裝置中要小的變化或者甚至沒有截面輪廓的變化，即，第一層到漂移層的結(jié)可以是整個(gè)區(qū)域的平面表面，同時(shí)比第一段要深的第二段仍然在發(fā)明裝置中是可實(shí)現(xiàn)的。這樣，裝置中的峰值電場(chǎng)能夠顯著降低。
[0017]另外，這樣，第一層、即內(nèi)區(qū)中的第一層的第一段的深度可相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步減小。發(fā)明裝置I與現(xiàn)有技術(shù)裝置相比第一層的減小厚度產(chǎn)生如圖9所示的降低的通態(tài)電壓降Vt。另外，例如反向恢復(fù)電荷Qrr、截止時(shí)間tq和最大浪涌電流等的其他參數(shù)得到改進(jìn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種改進(jìn)通過第一層的第一段的進(jìn)一步薄化來實(shí)現(xiàn)?？傃b置厚度因第一層的較薄第一段而能夠減小，同時(shí)反向和正向阻塞能力通過具有輕摻雜P型端接層和負(fù)斜面的修改結(jié)端接來改進(jìn)(圖10，示出圖左側(cè)的反向偏置和右側(cè)的正向偏置)。保持負(fù)斜面具有如下優(yōu)點(diǎn):當(dāng)顯著電流可在周邊流經(jīng)結(jié)端接但是尚未接近裝置表面時(shí)的達(dá)到擊穿電壓的健壯反向阻塞的優(yōu)點(diǎn)。這例如對(duì)于能夠以反向1-V曲線的拐點(diǎn)之后的高電流進(jìn)行操作的HVDC的晶閘管中的高雪崩放電能力是必需的。
[0018]例如，與具有第二導(dǎo)電類型的層(S卩，第二邊緣層和陽極層，或者第一邊緣層和基極層，或者甚至邊緣層的較低深度)的共同深度的現(xiàn)有技術(shù)晶閘管相比，相控晶閘管(PCT)具有