带具有变化厚度基极区的栅极换流晶闸管单元制造技术

一种功率半导体装置(1)包括栅极换流晶闸管单元(20)，该栅极换流晶闸管单元包括阴极电极(2)、第一导电类型的阴极区(9)、第二导电类型的基极层(8)、第一导电类型的漂移层(7)、第二导电类型的阳极层(5)、阳极电极(3)和栅电极(4)。基极层(8)包括：阴极基极区(81)，其位于阴极区(9)与漂移层(7)之间并具有第一深度(D1)；栅极基极区(82)，其位于栅电极(4)与漂移层(7)之间并具有第二深度(D2)；以及中间基极区(83)，其位于阴极基极区(81)与栅极基极区(82)之间并具有第三深度(D3)的两个不同的值，该第三深度介于第一深度(D1)与第二深度(D2)之间。三深度介于第一深度(D1)与第二深度(D2)之间。三深度介于第一深度(D1)与第二深度(D2)之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带具有变化厚度基极区的栅极换流晶闸管单元


[0001]本公开涉及功率半导体装置。
[0002]本公开涉及功率半导体装置领域，更具体地但不限于高压功率半导体装置。功率半导体装置包括例如四层npnp有源晶闸管结构，该结构可以经由栅极关断。功率半导体装置可包括一个栅极换流晶闸管单元或多个栅极换流晶闸管单元。

技术介绍

[0003]文献US 7816706 B2描述了一种功率半导体装置。
[0004]M.Arnold等人的出版物“High Temperature Operation of HPT+IGCTs”(PCIM Europe的会议记录，2011年5月17
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19日，德国)涉及一种集成栅极换流晶闸管(缩写为IGCT)。
[0005]文献CN 108242465 A描述了一种栅极换流晶闸管及其制备方法。TOBIAS WIKSTROM等人的文献：“The Corrugated P
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Base IGCT
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a New Benchmark for Large Area SQA Scaling”(07年第19届功率半导体装置和集成电路国际会议(ISPSD)，2007年，IEEE，PI，2007年5月1日(2007
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05
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01)，第29
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32页，XP031129660，ISBN:978
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4244
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1 095
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8)描述了一种具有非凡的安全操作区(SOA)的IGCT。文献EP 2 622 639 B1描述了一种反向导通功率半导体装置。文献CN 104 795 439 B描述了一种栅极换流晶闸管芯片。

技术实现思路

[0006]本公开的实施例涉及提供一种具有改进的关断性能的功率半导体装置。
[0007]根据实施例，一种功率半导体装置包括栅极换流晶闸管单元、第一主侧、以及与第一主侧相对的第二主侧。栅极换流晶闸管单元按照从第一主侧到第二主侧的顺序包括：阴极电极，其布置在第一主侧上；第一导电类型的阴极区；第二导电类型的基极层，其形成到阴极区的第一结；第一导电类型的漂移层，其与基极层形成第二结；第二导电类型的阳极层；以及阳极电极，其布置在第二主侧上。第二导电类型不同于第一导电类型。栅极换流晶闸管单元进一步包括侧向于(lateral to)阴极区布置的栅电极。基极层包括：阴极基极区，其位于阴极区与漂移层之间并具有第一深度；栅极基极区，其位于栅电极与漂移层之间并具有第二深度；以及中间基极区，其位于阴极基极区与栅极基极区之间并具有第三深度的至少两个不同的值。第三深度的所述至少两个值既大于第一深度又小于第二深度。
[0008]有利地，栅极换流晶闸管单元包括三个和更多个不同的基极区。阴极基极区可以被优化以获得最佳的通态性能，栅极基极区可以被配置成用于实现最佳的关断性能，并且中间基极区在优化中带来了一个额外的自由度，从而本质上允许栅极基极区和阴极基极区独立地被优化；因此，栅极换流晶闸管单元既实现了较低的通态电压又实现了增加的关断电流能力。
[0009]“深度”在本文中被理解为沿从第一主侧到第二主侧的方向测得的厚度。
[0010]第一主侧和/或第二主侧可在制造公差的限度内是平坦的。
[0011]第二结可具有以下形状：当沿侧向方向(即，平行于第二主侧)在栅极基极区上面移动时，第二结可相对于第二主侧处在恒定高度上。当沿远离栅极基极区并朝向阴极基极区的侧向方向在中间基极区上面移动时，第二结的高度可单调地(例如，严格单调地)增加。当在阴极基极区上面移动时，第二结的高度可始终大于栅极基极区中和/或中间区中的高度。
[0012]根据进一步的实施例，阴极电极与阴极区形成欧姆接触。阳极电极与阳极层形成欧姆接触。栅电极与基极层形成欧姆接触。阳极层通过漂移层与基极层分离。第一结和第二结被实施为p
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n结。基极层可包括进一步的区。
[0013]根据进一步的实施例，中间基极区包括在一侧上的栅电极和阴极区之间的间隙与另一侧上的第二结之间的区。第三深度的两个不同的值可在该区中。例如，第三深度的两个不同的值沿从栅极基极区指向阴极基极区的侧向方向不与阴极电极和栅电极重叠。
[0014]根据进一步的实施例，中间基极区附加地包括以下各者中的至少一者：栅电极与第二结之间的相邻区；以及阴极区与第二结之间的相邻区。
[0015]根据进一步的实施例，栅极基极区的最大或平均掺杂浓度高于中间基极区的最大或平均掺杂浓度。中间基极区的最大或平均掺杂浓度高于阴极基极区的最大或平均掺杂浓度。“更高”可意指至少两倍或至少十倍。
[0016]根据进一步的实施例，中间基极区和/或栅极基极区在第一主侧处或在最靠近第一主侧的区域中的掺杂浓度(平均或最大)高于阴极基极区在第一结处和/或在最靠近第一主侧的区域中的掺杂浓度(最大或平均)。
[0017]根据进一步的实施例，第一深度是阴极基极区的最小深度。第二深度是栅极基极区的最大深度。
[0018]根据进一步的实施例，第一深度是阴极区到漂移层的最小距离。第二深度是栅电极到漂移层的最大距离。
[0019]根据进一步的实施例，第三深度的每个值都大于第一深度且小于第二深度。有利地，通过中间基极区实现从阴极基极区到栅极基极区的平滑过渡。
[0020]根据进一步的实施例，第二结的位于中间基极区与漂移层之间的部分包括形成台阶的第一基极过渡区、形成进一步的台阶的第二基极过渡区、以及在第一基极过渡区与第二基极过渡区之间的平面。本文中，平面是例如平行于第一主侧和/或第二主侧延伸的区段。
[0021]根据进一步的实施例，在第一主侧处，阴极区具有包括圆、矩形、八边形和六边形的组的形式。该形式可以在功率半导体装置上的俯视图中看到。有利地，阴极区或阴极电极的形状允许灵活的设计以实现低栅极电阻和电感，包括更大的自由度以便改进性能和设计自动化。
[0022]根据进一步的实施例，栅电极在第一主侧处围封阴极区。
[0023]根据进一步的实施例，阳极层包括栅极阳极区和阴极阳极区。栅极阳极区的最大掺杂浓度小于阴极阳极区的最大掺杂浓度。栅极阳极区与栅电极相邻。阴极阳极区与阴极区相邻。因此，阳极层被拆分成两个不同的区或区域：阴极阳极区位于阴极区的垂直下方，并且栅极阳极区位于栅电极的垂直下方。栅极下方的栅极阳极区具有降低的掺杂浓度，例如以降低PNP晶体管增益。
[0024]根据进一步的实施例，栅极换流晶闸管单元包括第一导电类型的缓冲层。缓冲层位于漂移层与阳极层之间。缓冲层包括例如栅极缓冲区和阴极缓冲区。栅极缓冲区的最大掺杂浓度高于阴极缓冲区的最大掺杂浓度。因此，缓冲层被拆分成两个不同的区或区域：阴极缓冲区位于阴极区的垂直下方，并且栅极缓冲区位于栅电极的垂直下方。栅极下方的栅极缓冲区具有例如增加的掺杂浓度，以降低PNP晶体管增益。
[0025]根据进一步的实施例，栅极换流晶闸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种功率半导体装置(1)，其包括栅极换流晶闸管单元(20)、第一主侧(21)、以及与所述第一主侧(21)相对的第二主侧(22)，其中，所述栅极换流晶闸管单元(20)按照从所述第一主侧(21)到所述第二主侧(22)的顺序包括：
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阴极电极(2)，其布置在所述第一主侧(21)上，
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第一导电类型的阴极区(9)，
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不同于所述第一导电类型的第二导电类型的基极层(8)，其形成到所述阴极区(9)的第一结(31)，
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所述第一导电类型的漂移层(7)，其与所述基极层(8)形成第二结(32)，
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所述第二导电类型的阳极层(5)，以及
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阳极电极(3)，其布置在所述第二主侧(22)上，其中，所述栅极换流晶闸管单元(20)进一步包括侧向于所述阴极区(9)布置的栅电极(4)，其中，所述基极层(8)包括：
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阴极基极区(81)，其位于所述阴极区(9)与所述漂移层(7)之间并具有第一深度(D1)，
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栅极基极区(82)，其位于所述栅电极(4)与所述漂移层(7)之间并具有第二深度(D2)，以及
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中间基极区(83)，其位于所述阴极基极区(81)与所述栅极基极区(82)之间并具有第三深度(D3)的至少两个不同的值，其中，所述第三深度(D3)的所述至少两个值既大于所述第一深度(D1)又小于所述第二深度(D2)，其中，所述栅极基极区(82)的最大掺杂浓度高于所述中间基极区(83)的最大掺杂浓度，并且其中，所述中间基极区(83)的所述最大掺杂浓度高于所述阴极基极区(81)的最大掺杂浓度。2.根据权利要求1所述的功率半导体装置(1)，其中，所述中间基极区(83)包括在一侧上的所述栅电极(4)与所述阴极区(9)之间的间隙与另一侧上的所述第二结(32)之间的区。3.根据权利要求2所述的功率半导体装置(1)，其中，所述中间基极区(83)附加地包括以下各者中的至少一者：
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所述栅电极(4)与所述第二结(32)之间的相邻区，以及
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所述阴极区(9)与所述第二结(32)之间的相邻区。4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中，所述栅极基极区(82)在最靠近所述第一主侧(21)的区域中的最大掺杂浓度高于所述阴极基极区(81)在最靠近所述第一主侧(21)处的最大掺杂浓度。5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中，所述第一深度(D1)是所述阴极基极区(81)的最小深度，其中，所述第二深度(D2)是所述栅极基极区(82)的最大深度，其中，所述第三深度(D3)的所述至少两个值既大于所述第一深度(D1)又小于所述第二深度(D2)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率半导体装置(1)，其中，所述第一深度(D1)是所述阴极区(9)到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：U，
申请(专利权)人：日立能源瑞士股份公司，
类型：发明
国别省市：