具有新的保护环终端设计的功率半导体器件及其生产方法技术

本发明专利技术名称为具有新的保护环终端设计的功率半导体器件及其生产方法。该器件包括第一导电类型的第一层(2)，设置在该第一层(2)的第一主侧(8)上的中心区域(22)中的第二导电类型的第二层(10)，设置在该第二层(2)上的第三导电层(16)和设置在该第一层(2)上与该第一主侧(8)相对的第二主侧(12)的第四导电层(14)。该器件进一步包括环绕该第二层(10)具有第二导电类型的子包含子区(26)的结终端区(24)。此外，间隔区(42)设置在第二层(10)和结终端区(24)之间并且包括第二导电类型的自包含间隔子区(36)，其与第二层(10)电断开。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功率电子学领域。更加具体地，本专利技术涉及例如具有改进的电特性的功率二极管等功率半导体器件以及用于生产这样的器件的方法。
技术介绍
如在图1在顶视图中和在图2在横截面中示出作为示范的常规垂直功率二极管 101典型地包括具有低(η-)掺杂基极层106的第一层102和在该基极层106的一侧112上的高(η+)掺杂阴极层104和在该基极层106的另一侧108上的高(ρ+)掺杂阳极层110。 该阳极和阴极层110、104典型地通过注入和掺杂剂随后扩散进入η-掺杂衬底(晶圆)形成。阴极层104和阳极层110在它们的外侧覆盖有用于电接触二极管101的金属层 114、116。阴极层104和金属层114通常延伸至器件101的物理边缘118。在另一方面， 阳极层110必须在离边缘118 —定距离120处终止以便当反向偏置时能够支持电场。通常，这通过限制P+掺杂阳极层110到二极管101的中心部分122和通过场限制结终端 (field-limitingjunction termination) 124 (有时也称为“保护环”)环绕它来完成。场限制结终端IM包括多个环形(ρ+)掺杂子区域126，其具有例如5至50 μ m 之间的宽度《1并且它们交替地在作为基极层106的一部分的环形(η-)区128中实现 (implemented)使得(ρ+)子区域1 中的每个与相邻的(ρ+)子区域126以及与(ρ+)掺杂阳极层110电断开。设计(即子区域126、128的设置和尺寸)可必须对每个类型的功率二极管具体地优化并且可取决于例如具体功率器件的电压、功率和开关要求。阳极金属层116具有与(ρ+)掺杂阳极层110自身大约相同的大小。(ρ+)掺杂阳极层110和(η+)掺杂阴极层104之间的区域通常限定为二极管101的有源区130。它由圆周区132包围。这样的功率二极管101的典型应用是作为在IGBT逆变器电路中的续流二极管。在这样的应用中，当IGBT接通时，二极管101从导通on状态切断到阻断off状态，这时二极管操作的临界部分可出现。由于例如在申请人的专利申请EP 1909 332 Al中描述的已知的效应，高电压二极管可要求对有源区130中的局部寿命控制以获得优化的阻断、开关(switching)和导通状态中优化的电特性。因此，寿命控制区134可靠近二极管101的阳极侧表面产生。该寿命控制区134包括形成复合中心的缺陷，其可局部降低邻近半导体材料内的少数载流子寿命。例如，这样的缺陷可通过用像氢离子或氦离子的离子辐照阳极侧表面而产生。这些局部辐照缺陷典型地降低二极管关断期间在二极管中产生的峰值电压(也称为反向恢复峰值)，并且可改进安全操作区。然而，已经观察到具有例如与在图1和2中示出的相似的设计的高功率二极管可能苦于例如非最佳电阻断能力等非最佳电特性。
技术实现思路
本专利技术的目的可以是提供具有改进的电特性的功率半导体器件和用于生产这样的器件的方法。特定地，本专利技术的目的可以是提供功率半导体器件，例如具有改进的电阻断能力而同时提供令人满意的切断特性的功率二极管。专利技术性功率半导体器件包括(a)第一导电类型(例如η型)的第一层，该第一层具有第一主侧和与该第一主侧相对的第二主侧，(b)第二导电类型(例如ρ型)的第二层， 该第二层设置在第一主侧的中心区域中，(C)第三导电层，其设置在与第一层相对的侧上的第二层上，和(d)第四导电层，其设置在第一层的第二主侧上。此外，该功率半导体器件包括设置在第一主侧的圆周区中并且环绕第二层的结终端区，其中该结终端区包括至少一个在第一导电类型的自包含子区域中实现的第二导电类型的自包含子区域。此外，功率半导体器件包括设置在第二层和结终端区之间的第一主侧上的中间区中并且环绕第二层的间隔区。该间隔区包括至少一个在第一导电类型的自包含子区域中实现的第二导电类型的自包含间隔子区域使得该间隔子区域与第二层电断开。该间隔子区域具有在横向上沿第一主侧的宽度，其中该宽度适应成以便实现荫罩掩模(Shadow mask)在制造过程期间关于该间隔子区域对准。寿命控制区(其包括降低邻近半导体材料内的载流子寿命的缺陷)至少贯穿第二层和间隔子区域的一部分而延伸并且不延伸进入结终端区。提出的专利技术性功率半导体器件和它的制造过程的重要特征和想法可基于下面的认识和考虑在例如在图1和2中示出的常规功率二极管中，寿命控制区134常常贯穿形成二极管的有源区的中心部分122以及包括场限制结终端124的二极管的圆周部分而延伸。该寿命控制区134常常贯穿二极管的整个阳极侧表面而延伸的这个事实是用于产生该寿命控制区134的制作方法的结果。常规地，整个阳极侧表面例如用氢离子或氦离子辐照使得这些离子注入阳极侧表面的特定的深度，由此形成电活性缺陷。然而，如将在下文更详细地进一步描述的，已经观察到在场限制结终端124的圆周区中延伸的寿命控制区134的部分可负面地影响功率二极管的电特性。现在已经有想法要防止在对应于场限制结终端区124的圆周区内的这样的离子注入。为了这样的目的，可使用覆盖至少部分的终端结区124(优选地覆盖整个终端结区 124)的自包含的荫罩掩模保护该圆周区免遭离子注入。然而，这样的荫罩掩模的正确放置是困难的。荫罩掩模应该放置以便在注入过程期间可重现地覆盖和保护终端结区124同时使包括形成阳极的第二层的中心区域未被覆盖，使得在该区中寿命控制区可通过离子注入而实现。在生产过程期间荫罩掩模的未对准负面地影响二极管的安全操作区SOA和/或阻断能力。因此，除了这样的结终端区以外，在本专利技术中提供间隔区。这样的间隔区设置在形成阳极的第二层和结终端区之间。与结终端区相似，该间隔区也可以是环形的并且环绕第二层。该间隔区包括第二导电类型(例如P型)的间隔子区域，在形成二极管的有源区的第二层周围形成自包含区，其中第一导电类型的自包含子区域(第二导电类型的间隔子区域在其中实现)以这样的方式包围第二导电类型的间隔子区域使得第二导电类型的间隔子区域与第二导电类型的第二层以及与包括在结终端区中的第二导电类型的子区域电断开。也就是说，间隔区使包括第二层的二极管的有源区与结终端区间隔开并且将它们电分离。为了实现荫罩掩模关于间隔子区域的可靠和可重现对准(!^producible alignment)，间隔子区域应该具有足够的宽度，即在沿着功率半导体器件的主侧表面朝其相应边缘的方向上的横向尺寸。为了获得可重现掩蔽结果所必需的间隔子区域的实际宽度可取决于用于保护结终端区的荫罩掩模的类型。例如，荫罩掩模可以是在注入过程期间置于功率半导体器件的阳极侧表面上的金属掩模或硅掩模。这样的金属或硅荫罩掩模的放置精度(positioning accuracy)可要求间隔子区域的宽度在例如10 μ m和2000 μ m之间，优选地大于100 μ m。备选地，荫罩掩模可采用例如聚酰亚胺等聚合材料来提供，其当提供作为抗蚀剂或粘性膏体(viscous paste)时可例如通过丝网印刷以相对高的放置精度施加到阳极侧表面上。在这样的情况下，10 μ m和500 μ m之间(优选地至少50 μ m)的间隔子区域宽度可以是足够的。在每个情况下，间隔子区域的宽度可相当大地大于在结终端区内实现的第二导电类型的子区域的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种具有有源区（３０）的功率半导体器件（１），其包括第一导电类型的第一层（２），其具有第一主侧（８）和与所述第一主侧（８）相对的第二主侧（１２），第二导电类型的第二层（１０），其设置在所述第一主侧（８）上的中心区域（２２）中，其中所述第二层（１０）对应于所述有源区（３０），结终端区（２４），其设置在所述第一主侧（８）上的圆周区中并且环绕所述第二层（１０），所述结终端区（２４）包括在第一导电类型的子区域（２８）中实现的至少一个第二导电类型的子区域（２６），其中随后的间隔子区域（２６，２８）互相横向包围，第三导电层（１６），其设置在所述第二层（１０）上与所述第一层（２）相对的侧上，第四导电层（１４），其设置在所述第二主侧（１２）上，其特征在于，所述功率半导体器件（１）进一步包括间隔区（４２），其设置在所述第二层（１０）和所述结终端区（２４）之间的所述第一主侧（８）上的中间区中并且环绕所述第二层（１０），所述间隔区（４２）包括在第一导电类型的子区域（３８）中实现的第二导电类型的间隔子区域（３６），其中所述第二导电类型的间隔子区域（３６）横向包围所述第一导电类型的子区域（３８），使得所述间隔子区域（３６）与所述第二层（１０）电断开，寿命控制区（３４），其包括降低邻近半导体材料内的载流子寿命的缺陷，所述寿命控制区（３４）至少贯穿所述第二层（１０）和贯穿所述间隔子区域（３６）的一部分而延伸并且不延伸到所述结终端区（２４）中。...

【技术特征摘要】
2009.12.22 EP 09180365.01.一种具有有源区(30)的功率半导体器件(1)，其包括第一导电类型的第一层O)，其具有第一主侧(8)和与所述第一主侧(8)相对的第二主侧(12)，第二导电类型的第二层(10)，其设置在所述第一主侧(8)上的中心区域0 中，其中所述第二层(10)对应于所述有源区(30)，结终端区(M)，其设置在所述第一主侧(8)上的圆周区中并且环绕所述第二层(10)， 所述结终端区04)包括在第一导电类型的子区域08)中实现的至少一个第二导电类型的子区域( )，其中随后的间隔子区域06J8)互相横向包围，第三导电层(16)，其设置在所述第二层(10)上与所述第一层( 相对的侧上，第四导电层(14)，其设置在所述第二主侧(12)上，其特征在于，所述功率半导体器件(1)进一步包括间隔区(42)，其设置在所述第二层(10)和所述结终端区04)之间的所述第一主侧 (8)上的中间区中并且环绕所述第二层(10)，所述间隔区02)包括在第一导电类型的子区域(38)中实现的第二导电类型的间隔子区域(36)，其中所述第二导电类型的间隔子区域 (36)横向包围所述第一导电类型的子区域(38)，使得所述间隔子区域(36)与所述第二层 (10)电断开，寿命控制区(34)，其包括降低邻近半导体材料内的载流子寿命的缺陷，所述寿命控制区(34)至少贯穿所述第二层(10)和贯穿所述间隔子区域(36)的一部分而延伸并且不延伸到所述结终端区04)中。2.如权利要求1所述的功率半导体器件(1)，其中所述第二导电类型的间隔子区域 (36)的宽度大于第二导电类型的至少一个子区域06)的宽度。3.如权利要求1所述的功率半导体器件(1)，其中所述第二导电类型的间隔子区域 (36)的宽度是第二导电类型的该至少一个子区域06)的宽度的两倍。4.如权利要求1所述的功率半导体器件(1)，其中所述第二导电类型的间隔子区域 (36)的宽度是第二导电类型的所述至少一个子区域06)的宽度的五倍。5.如权利要求1所述的功率半导体器件(1)，其中所述间隔子区域(36)具有至少 10 μ m的宽度(W3)。6.如权利要求1至5中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中形成所述寿命控制区 (34)的离子包括氢离子或氦离子。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·马赛厄斯，A·科普塔，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：CH