相控晶闸管制造技术

公开晶闸管，特别是相控晶闸管，其包括：a）半导体片，特别是半导体晶圆或管芯，其中形成晶闸管结构，b）在半导体片的阴极侧表面上的阴极区上形成的阴极金属化，c）在半导体片的阴极侧表面上的栅极区上形成的栅极金属化，d）布置在阴极区中的点Pi处的多个N个离散发射极短路，所述点具有点位置xi，其中

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相控晶闸管
根据独立专利权利要求，本专利技术涉及晶闸管，特别是相控晶闸管，其具有主栅极结构以及布置在晶闸管的阴极侧上的多个离散发射极短路，并且涉及用于制造这种晶闸管的方法。
技术介绍
晶闸管(有时也称为硅控整流器（SCR）)是开关设备，其能够在正向方向上（即在通过导通电压而正向偏置时和在向栅极端子供应正的栅极电流时）导通。晶闸管然后被认为处于正向传导态或导通态，其中电流可在正向方向上从阳极流到阴极。另一方面，晶闸管也能够处于正向阻断态，也称为关断态，意味着可以阻断在正向方向上的高的正电压。在与正向方向相反的反向方向上，晶闸管无法导通。晶闸管可能是：反向阻断，这意味着它能够在反向方向上阻断与在正向阻断方向上至少近似相同的电压；或不对称的，这意味着它在反向方向上实际上没有阻断能力。因为相控应用通常要求反向阻断能力，相控晶闸管（PCT）典型地是反向阻断的。在下文中,相控晶闸管（PCT）的一些基本原理和后续在说明书和专利权利要求书通篇中使用的术语和词语的定义将关于图1-4给出。图1示意示出简单的晶闸管100的横截面。晶闸管包括半导体片，特别是半导体晶圆(waver)或管芯，其中通过同样对本领域内技术人员已知的方法形成了晶闸管结构，其包括四层不同掺杂的半导体材料，这些材料具有交替传导类型，即npnp层堆栈结构。按照从晶闸管100的阴极侧102到阳极侧104的顺序，晶闸管结构首先包括（n+）掺杂阴极发射极层106。然后，接着是p掺杂基极层108和（n-）掺杂基极层110。最后，在阳极侧104处布置p掺杂阳极层112。（n+）掺杂阴极发射极层106通过在半导体片的阴极侧表面上形成的阴极金属化114而电接触来邻接所述阴极发射极层106。p掺杂阳极层112通过在半导体片的阳极侧表面上形成的阳极金属化116而电接触来邻接所述p阳极层112。p掺杂基极层108通过在半导体片的阴极侧表面上形成的栅极金属化118而电接触来邻接所述p掺杂基极层108。阴极侧表面与阴极金属化114之间的接触区将称为阴极区；阴极侧表面上在p掺杂基极层108与栅极金属化118之间的接触区将称为栅极区。当在阳极金属化116（在下文中为了简洁起见也称为阳极）与阴极金属化114（在下文中也简称为阴极）之间施加正电压或正向电压时，晶闸管100可在正向阻断态与正向传导态之间切换。只要没有向栅极金属化118（为了简洁起见，在下文中也称为栅极）供应电流，晶闸管将保持在阻断态中。然而，当通过向栅极118供应电流来触发晶闸管时，电子将从阴极注入、流向它们将导致空穴注入所在的阳极，并且将在p掺杂基极层108与n掺杂基极层110之间形成电子-空穴等离子体，其可使晶闸管100切换到正向传导态中。只要施加正向电压则就可维持正向传导态，并且该正向传导态仅在阳极金属化116与阴极金属化114之间施加的正向电压被切断时或在阳极与阴极之间施加的电压被反向时才停止。在阳极与阴极之间施加反向的负电压时，晶闸管进入反向阻断态并且可仅通过由再次施加正向电压和足够栅极电流而再次触发来切换到正向传导态。然而，为了获得它的完全阻断能力，必须持续某一持续时间（称为静止时间tq）施加反向电压使得之前注入的电子-空穴等离子体可由于重组过程而消失，由此重启设备的正向阻断能力。为了触发如图1中示出的晶闸管100，将要求大量栅极电流。已知的简单补救是如本领域内技术人员众所周知的、在如图2中描绘的晶闸管100’的主栅极（有时也称为放大栅极）与阳极之间辅助晶闸管120的集成，所述晶闸管100’进一步包括主晶闸管126。辅助晶闸管可备选地称为先导(pilot)晶闸管。在其中，先导晶闸管130（有时也称为辅助栅极）接触辅助晶闸管120的区中的p掺杂基极108。辅助晶闸管120还包括附加的（n+）掺杂发射极层122，也称为辅助（n+）掺杂发射极层。辅助（n+）发射极层122通过辅助晶闸管的附加阴极金属化124而接触。辅助晶闸管120的附加阴极金属化124在内部上连接到栅极金属化118，也称为主栅极金属化，其接触主晶闸管126的区中的基础p掺杂基极层108，并且其中阴极侧表面上在主晶闸管126的区中的p掺杂基极层108’与主栅极金属化之间的接触区又称为栅极区。优选地，单个连续金属化既充当附加阴极金属化124又充当主栅极金属化118。在主晶闸管区126中包括（n+）掺杂发射极层106并且其通过主晶闸管的阴极金属化114而与主晶闸管126的区中的阴极侧表面与阴极金属化114之间的接触区（又称为阴极区）接触。通常，辅助晶闸管120的另外的阴极金属化124从晶闸管100’的外部不可到达；即不存在将允许从外部到另外的阴极金属化124的直接电连接的端子。示范性地，先导晶闸管结构在先导栅极130与主晶闸管126之间集成。在先导栅极处，先导晶闸管具有另外的（n+）掺杂发射极层122并且朝向主晶闸管126具有（p+）掺杂发射极层。这些层经由金属化而彼此连接。（p+）掺杂发射极层充当在附加（n+）掺杂发射极层122的边缘上的短路。附加（n+）掺杂发射极层122中的电流经由金属化转换成空穴电流，其再次充当主晶闸管126的注入电流。（p+）掺杂发射极层携带空穴电流，其注入主晶闸管126的相反区段。周向（p+）掺杂发射极层对于该用途来说是足够的。经由金属化实现电荷扩散。然而高的栅极过驱动因子（即利用的栅极电流与最小栅极触发电流的比率）可加速晶闸管100’的触发，进一步的改进可大大有助于该过程。如可以从图2看到的，主晶闸管126的触发态（即，注入的电子-空穴等离子体）在辅助晶闸管120的边界处开始，该边界常规可以是在晶闸管100’的中心处约1cm直径的环。等离子体然后必须散布到整个晶闸管区域，这可能花几毫秒。仅在这之后晶闸管才将展现它的稳定导通态正向电压特性。为了缩短到晶闸管设备的区域元件的最大距离，可使用分布式放大栅极结构。这暗示主晶闸管的栅极区可具有更复杂的形状，并且可例如包括如在WO2011/161097A2（其通过引用而全部合并于此）的图5中示出的T栅极设计并且常用于大面积的PCT。这种T栅极设计可基本上使等离子体扩散的距离大大缩短使得晶闸管可在栅极触发脉冲后约1ms完全导通。因为等离子体扩散可与基本上已经有正向电流并且还有高阻断电压的时间相关，该导通持续时间可对导通能量损耗具有强烈影响。对于高功率应用，已经基于具有例如4或5英寸直径dwafer的圆形半导体晶圆开发晶闸管。然而，高级晶闸管应用要求基于例如6英寸晶圆的甚至更大的晶闸管设计。已经观察到对于这类大晶闸管设计，简单地扩大之前的较小晶闸管设计是不够的。在增加晶闸管直径的情况下，另外的效应可增加对晶闸管操作的影响。例如，在晶闸管操作期间对于具有相等正向阻断能力或导通特性以及冷却特性的较高标称电流的较大晶闸管可并不能通过对晶闸管尺寸按比例缩放而简单地实现。特别地，具有与上文描述的那些类似的尺寸的晶闸管一般要求比上文进一步描述的甚至更复杂的形状和/或几何形状的栅极区。栅极区往往包括多个纵向主栅极束，其从晶闸管的阴极侧表面102的中心区朝所述表面的周向区延伸。相邻主栅极束相对于关联的虚构中间中线布置有一定距离。具有这类栅极结构的示范性晶闸管设计再次在WO2011/161097A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶闸管，特别是相控晶闸管，包括：a）半导体片，特别是半导体晶圆或管芯，其中形成晶闸管（100，100’）结构，b）在所述半导体片的阴极侧（102）表面上的阴极区上形成的阴极金属化（114），c）在所述半导体片的所述阴极侧表面上的栅极区上形成的栅极金属化（118），d）布置在在所述阴极区中的点Pi处的多个N个离散发射极短路（128），所述点具有点位置xi，其中

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.31 EP 14179320.81.一种晶闸管，特别是相控晶闸管，包括：a）半导体片，特别是半导体晶圆或管芯，其中形成晶闸管（100，100’）结构，b）在所述半导体片的阴极侧（102）表面上的阴极区上形成的阴极金属化（114），c）在所述半导体片的所述阴极侧表面上的栅极区上形成的栅极金属化（118），d）布置在在所述阴极区中的点Pi处的多个N个离散发射极短路（128），所述点具有点位置xi，其中，e）所述点Pi，所述点定义Delaunay三角剖分，其包括多个三角形Tj，其中，其特征在于f）对于三角形Tl的第一子集，其中，特别地，g）其中每个三角形Tl由具有值qT,l的几何量表征，其中，所述几何量具有均值μ，并且i）所述值qT,l的变异系数小于0.1，优选地小于0.05，其中,和/或ii）所述几何量qT,l的偏斜的绝对值小于5，优选地小于1，其中,和/或iii）所述几何量qT,l的峰度小于20，优选地小于10，其中,和/或iv）对于三角形Tm的第二子集，其中,针对其相应几何量qT,m与所述均值偏离超过预定量，特别偏离超过30%，其中1）所述量qT,m的标准偏差与所述几何量qT,l的均方值的商小于1，优选地小于0.1，其中,其中,和/或2）所述第二子集中三角形的数量与所述第一子集中三角形的数量的商小于1.0×10-2，优选地小于0.5×10-3。2.如权利要求1所述的晶闸管，其特征在于i）所述值qT,l的变异系数大于0.0001，优选地大于0.01，其中,和/或ii）所述几何量qT,l的偏斜的绝对值大于0.0001，优选地大于0.01,其中，和/或iii）所述几何量qT,l的峰度大于3.0001，其中,和/或iv）对于三角形Tm的第二子集，其中,针对其相应几何量qT,m与所述均值偏离超过预定量，特别偏离超过30%，其中,1）所述量qT,m的标准偏差与所述几何量qT,l的均方值的商大于0.0001，优选地大于0.01，其中,其中,和/或2）所述第二子集中三角形的数量与所述第一子集中三角形的数量的商大于10-6，优选地大于0.0001。3.如权利要求1或2所述的晶闸管，其特征在于对于所述第一子集中的所有三角形，所述几何量qT,l定义为以下中的任一个：a）每个三角形Tl中最长边的长度Dl，其中，b）每个三角形Tl中的最小角度αmin,l，其中，c）每个三角形Tl中的最大角度，其中，d）每个三角形Tl中内接的圆的半径rmin,l，其中，e）在每个三角形Tl周围外接的圆的半径rmax,l，其中，或者f）对于每个三角形Tl由给出的质量指数ql，其中。4.一种晶闸管，特别是相控晶闸管，包括：a）半导体片，特别是半导体晶圆或管芯，其中已形成晶闸管（100，100’）结构，b）在所述半导体片的阴极侧（102）表面上的阴极区上形成的阴极金属化（114），c）在所述半导体片的所述阴极侧表面上的栅极区上形成的栅极金属化（118），d）布置在所述阴极区中的点Pi处的多个N个离散发射极短路（128），所述点具有点位置xi，其中，e）所述点Pi，所述点定义Delaunay三角剖分，其包括多个三角形Tj，其中，其特征在于f）对于点Pl的第一子集，其中，特别地，g）其中每个点Pl由具有值qP,l的几何量表征，其中，所述几何量具有均值μ，并且i）所述值qP,l的变异系数小于0.1，优选地小于0.05，其中,和/或ii）所述几何量qP,l的偏斜的绝对值小于5，优选地小于1，其中,和/或iii）所述几何量qP,l的峰度小于20，优选地小于10，其中,和/或iv）对于点Pm的第二子集，其中,针对其,相应几何量qP,m与均值偏离超过预定量，其中,1）所述量qP,m的标准偏差与所述几何量qP,l的均方值的商小于1，优选地小于0.1，其中,其中,和/或2）所述第二子集中点的数量与输送第一子集中三角形的数量的商小于1.0×10-2，优选地小于0.5×10-3。5.如权利要求4所述的晶闸管，其特征在于i）所述值qP,l的变异系数大于0.0001，优选地大于0.01，其中,和/或ii）所述几何量qP,l的偏斜的绝对值大于0.0001，优选地大于0.01，其中,和/或iii）所述几何量qP,l的峰度大于3.0001，其中,和/或iv）对于点Pm的第二子集，其中,针对其,相应几何量qP,...

【专利技术属性】
技术研发人员：M贝利尼，J沃贝克伊，
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