具有栅环的改进定中心和固定的关断功率半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种关断功率半导体装置(1)，具有：晶片(10)，具有有源区以及包围有源区的端接区；橡胶环(70)，作为晶片(10)的边缘钝化；以及栅环(60)，放置于端接区上的环形栅接触件(40)上，以用于接触晶片的有源区中形成的至少一个晶闸管单元的栅电极。在本发明专利技术的关断功率半导体装置中，栅环的外圆周表面与橡胶环相接触，以限定橡胶环(70)的内边界。在本发明专利技术中，由端接或边缘区上的环形栅接触件(40)所消耗的面积能够为最小。栅环(60)的上表面和橡胶环(70)的上表面形成与晶片(10)的第一主侧(11)平行的平面中延伸的连续表面。在用于制造装置的方法中，栅环(60)用作用于模塑橡胶环(70)的模具的内侧壁。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及如权利要求1的序言所述的关断功率半导体装置以及涉及用于制造这种关断功率半导体装置的方法。
技术介绍
从US2009/096503A1已知一种栅关断晶闸管(GTO)，其中衬底的栅电极由环形接触元件来接触。环形钝化(passivation)构件设置在半导体衬底的边缘，包围环形栅接触元件。从JP07-312420A已知一种栅关断晶闸管(GTO)，其中针形环栅框电极焊接在半导体装置的栅电极表面上。绝缘涂层材料覆盖半导体装置的边缘。从US4370180A已知一种栅关断晶闸管(GTO)，其中衬底的周边通过用于钝化的硅橡胶来封装。已知的现有技术关断功率半导体装置包括栅关断晶闸管(GTO)和集成栅换向晶闸管(IGCT)。一种已知关断功率半导体装置包括晶片，其具有第一主侧、与第一主侧平行并且沿侧向延伸的第二主侧、有源区以及侧向包围有源区的端接区。在有源区中，提供第一主侧与第二主侧之间的多个晶闸管单元。晶闸管单元的每个按照从第一主侧到第二主侧的顺序包括阴极电极、n型阴极半导体层、p型基底半导体层、n型漂移半导体层、p型阳极半导体层和阳极电极。各晶闸管单元还包括栅电极，其设置在阴极半导体层的侧向，并且接触基底半导体层。栅电极实现为栅金属化层，其电连接到环形栅接触件，以用于将多个晶闸管单元的所有栅电极连接到控制电路。在已知关断功率半导体装置中，环形栅接触件在晶片的第一主侧的端接区中形成，并且包围有源区。作为边缘钝化，已知关断功率半导体装置还包括橡胶环，其设置在端接区上并且包围有源区。用于从外部接触环形栅接触件的导电栅环在橡胶环中设置于环形接触件上并且电连接到环形接触件。还已知一种具有内环形栅接触件的关断功率半导体装置，该内环形栅接触件不是位于晶片的端接区或外边缘区上，而是位于晶片的内区域。本文中，术语“外”和“内”涉及与晶片的第一主侧平行的平面中离晶片中心的距离。内环形栅接触件形成为环，其中具有在晶片中心的中心以及是晶片半径的大约一半的半径。关于装置性能，晶片的端接区上的环形栅接触件与内环形接触件相比具有如下优点：（i）包括将栅环连接到控制电路的栅引线的栅电路能够具有更低阻抗。（ii）压到多个晶闸管单元的阴极电极上以用于将多个晶闸管单元的阴极电极电连接到主电流线的阴极极片不需要具有用于将栅环连接到控制电路的栅引线的任何通道或馈通。其优点在于，能够使用于将阴极极片压到多个晶闸管单元的阴极电极上的压力以及还有阴极极片的冷却更为均质。（iii）在晶片具有集成续流二极管的IGCT中，用于晶闸管单元的有效面积(activearea)与用于集成续流二极管的面积之间的比率能够在0%与100%之间自由选择。在另一侧，在上述已知关断功率半导体装置中，放置于晶片的端接区或边缘区的环形栅接触件的使用与内环形接触件相比具有消耗晶片的更大面积的缺点。原因在于，环形栅接触件的宽度对于两种配置必须是相同的。例如，对于68mm晶片，对于内环形栅接触件放置在R/2处(其中R是晶片的半径)，3mm宽环形栅接触件消耗可用晶片面积的9%，但是当环形栅接触件放置于晶片的边缘区时消耗可用晶片面积的20%。这意味着，使用边缘区上的环形接触件消耗可用晶片面积的额外的11%。在用于制造上述关断功率半导体装置的已知方法中，橡胶环首先通过在栅环(gatering)被定中心并且固定到晶片之前进行模塑(molding)来形成。因此，橡胶环几何结构的容差以及相对于晶片对栅环定中心的容差相加。对于68mm晶片，这些容差能够合计为1mm的直径。橡胶环几何结构的容差主要是使用全氟烷氧基树脂(PFA)作为模具的涂层的已知模塑过程固有的。采用PFA来涂敷模塑腔具有固有容差。另外，加热模具和夹具，以减少循环时间，以及模具和夹具的尺寸取决于温度。为了补偿这些容差，环形栅接触件的宽度必须增加。在环形栅接触件的宽度对68mm晶片增加1mm的情况下，对于环形栅接触件放置在晶片的边缘消耗可用晶片面积的8%，但是对于内环形栅接触件仅消耗可用面积的3%。为了使具有处于晶片边缘的环形栅接触件的装置中的有效面积为最大，栅环必须放置成尽可能靠近橡胶环。这涉及栅环的接触面积的一部分(其预计被压到环形栅接触件上)是压到橡胶环上，而不是压到环形栅接触件上。这能够引起晶片的破裂、橡胶环的损坏或者电气故障(栅环与环形栅接触件之间的非均质接触)。
技术实现思路
本专利技术的目的是使用于可靠地接触关断功率半导体装置中的至少一个晶闸管的栅电极的晶片的端接或边缘区上的环形接触件所消耗的面积为最小。此目的通过如权利要求1所述的关断功率半导体装置以及通过如权利要求7所述的用于制造这种关断功率半导体装置的方法来实现。在如权利要求1所述的关断功率半导体装置中，栅环的外圆周表面与橡胶环相接触，以限定橡胶环的内边界。本文中，术语“外”和“内”涉及与晶片的第一主侧平行的平面中离晶片中心的距离。具体来说，栅环的外圆周表面是栅环的表面上沿与第一主侧平行的方向背离晶片中心的那个部分。橡胶环的内边界是在与第一主侧平行的所有平面中朝向晶片中心的边界。相应地，因为对于栅环与橡胶环之间的距离不再存在容差，所以使装置的有效面积为最大。此外，如权利要求1所述的关断功率半导体装置的优点在于，不存在橡胶环因栅环相对于晶片的不良定中心而被栅环的接触面积所按压的危险，因为栅环限定橡胶环的内边界。在从属权利要求中规定本专利技术的其他发展。在优选实施例中，橡胶环与环形接触件的外部部分重叠。这个优选实施例的优点在于，它能够确保栅环与环形接触件的可靠接触。在另一个优选实施例中，橡胶环具有大于晶片的直径的外径，并且覆盖晶片的圆周侧表面，其将第一主侧连接到第二主侧。这个特征的优点在于，橡胶环提供晶片的有效边缘钝化。在如权利要求7所述的用于制造本专利技术的关断功率半导体装置的方法中，栅环在用于模塑橡胶环的模塑步骤期间用作模具的内侧壁。这样，橡胶环的内边界能够通过栅环可靠地限定。在用于制造本专利技术的关断功率半导体装置的方法的优选实施例中，栅环在模塑步骤之前通过栅环定中心引导件来定中心到晶片，以及模具包括顶部模具部分和底部模具部分，其中栅环定中心引导件是顶部模具部分的组成部分。这个优选实施例允许栅环和橡胶环相对于晶片的可靠有效定中心。在用于制造本专利技术的关断功率半导体装置的方法的另一个优选实施例中，栅环在模塑步骤之前通过接合技术来固定到环形接触件。那个优选实施例的优点在于，在栅环的接触面积与环形接触件之间能够不形成间隙，并且因此在模塑过程期间，没有液态橡胶能够在栅环的接触面积下面。这样，能够更可靠的进行栅环与环形接触件之间的电接触。附图说明下面将参照附图来说明本专利技术的详细实施例，附图包括图1是按照本专利技术的第一实施例的关断功率半导体装置的截面；图2A沿图2B的线条AA’的按照图1所示本专利技术的第一实施例的关断功率半导体装置的晶片的一部分的截面；图2B是图1所示关断功率半导体装置的晶片的第一主侧的顶视图；图3是包含在陶瓷壳体中的状态的图1的关断功率半导体装置的边缘部分的截面；图4是示出在用于制造按照本专利技术的第一实施例的关断功率半导体装置的方法中用于在将液态橡胶注入模具之前在晶片边缘来模塑橡胶环的模具的截面图；图5是示出在用于制造按照本专利技术的第一实施例的关断功率半导体装置的方法中用于在将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种关断功率半导体装置，包括：晶片(10)，具有第一主侧(11)、与所述第一主侧(11)平行并且沿侧向延伸的第二主侧(12)、有源区(16)以及侧向包围所述有源区(16)的端接区(15)；所述第一主侧(11)与所述第二主侧(12)之间的所述有源区(16)中的至少一个晶闸管单元(2)，所述至少一个晶闸管单元(2)按照从所述第一主侧(11)到所述第二主侧(12)的顺序包括：（a）第一阴极电极(21)；（b）第一导电类型的阴极半导体层(22)；（c）与所述第一导电类型不同的第二导电类型的基底半导体层(23)；（d）所述第一导电类型的漂移半导体层(24)；（e）所述第二导电类型的阳极半导体层(26)；（f）第一阳极电极(27)，其中所述至少一个晶闸管单元(2)还包括栅电极(20)，其设置在所述阴极半导体层(22)的侧向，并且接触所述基底半导体层(23)，以及其中所述至少一个晶闸管单元(2)的所述至少一个栅电极(20)电连接到环形接触件(40)，该环形接触件(40)用于接触所述至少一个晶闸管单元(2)的所述至少一个栅电极(20)，其中所述环形接触件(40)在所述晶片的所述第一主侧(11)上在所述端接区(15)中形成，并且包围所述有源区(16)；所述装置(1)还包括：橡胶环(70)，设置在所述端接区(15)上，并且包围所述有源区(16)；以及用于从外部接触所述环形栅接触件(40)的导电栅环(60)，其中所述栅环(60)在所述橡胶环(70)中设置于所述环形接触件(40)上并且电连接到所述环形接触件(40)，其特征在于，所述栅环(60)的外圆周表面(61)与所述橡胶环(70)相接触，以限定所述橡胶环(70)的内边界，以及所述栅环(60)的上表面和所述橡胶环(70)的上表面形成与所述晶片(10)的所述第一主侧(11)平行的平面中延伸的连续表面。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.10 EP 14164195.11.一种关断功率半导体装置，包括：晶片(10)，具有第一主侧(11)、与所述第一主侧(11)平行并且沿侧向延伸的第二主侧(12)、有源区(16)以及侧向包围所述有源区(16)的端接区(15)；所述第一主侧(11)与所述第二主侧(12)之间的所述有源区(16)中的至少一个晶闸管单元(2)，所述至少一个晶闸管单元(2)按照从所述第一主侧(11)到所述第二主侧(12)的顺序包括：（a）第一阴极电极(21)；（b）第一导电类型的阴极半导体层(22)；（c）与所述第一导电类型不同的第二导电类型的基底半导体层(23)；（d）所述第一导电类型的漂移半导体层(24)；（e）所述第二导电类型的阳极半导体层(26)；（f）第一阳极电极(27)，其中所述至少一个晶闸管单元(2)还包括栅电极(20)，其设置在所述阴极半导体层(22)的侧向，并且接触所述基底半导体层(23)，以及其中所述至少一个晶闸管单元(2)的所述至少一个栅电极(20)电连接到环形接触件(40)，该环形接触件(40)用于接触所述至少一个晶闸管单元(2)的所述至少一个栅电极(20)，其中所述环形接触件(40)在所述晶片的所述第一主侧(11)上在所述端接区(15)中形成，并且包围所述有源区(16)；所述装置(1)还包括：橡胶环(70)，设置在所述端接区(15)上，并且包围所述有源区(16)；以及用于从外部接触所述环形栅接触件(40)的导电栅环(60)，其中所述栅环(60)在所述橡胶环(70)中设置于所述环形接触件(40)上并且电连接到所述环形接触件(40)，其特征在于，所述栅环(60)的外圆周表面(61)与所述橡胶环(70)相接触，以限定所述橡胶环(70)的内边界，以及所述栅环(60)的上表面和所述橡胶环(70)的上表面形成与所述晶片(10)的所述第一主侧(11)平行的平面中延伸的连续表面。2.如权利要求1所述的关断功率半导体装置，其中，所述橡胶环(70)与所述环形接触件(40)的外部部分重叠。3.如权利要求1或2所述的关断功率半导体装置，其中，所述橡胶环(70)具有大于所述晶片(10)的直径的外径，并且覆盖所述晶片(10)的圆周侧表面(17)，其将所述第一主侧(11)连接到所述第二主侧(12)。4.如权利要求1至3中的任一项所述的关断功率半导体装置，其中，所述栅环(60)通过接合连接而固定到所述环形接触件(40)。5.如权利要求1至4中的任一项所述的关断功率半导体装置，其中，所述栅环(60)由钼或者钼铜合金来制成。6.如权利要求1至5中的任一项所述的关断功率半导体装置，还包括阳极盘(80)，其通过接合连接而固定到所述晶片(10)的所述第二主侧(12)上的所述第一阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：H拉韦纳，T维克斯特伦，H阿姆斯图茨，N迈尔，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH