双极穿通半导体器件和制造这种半导体器件的方法技术

提供一种具有半导体衬底（１）的双极穿通半导体器件，其至少包括两层结构，其中一层是第一导电类型的基极层（１０）。衬底包括具有第一电接触（２）的第一主侧（１１）和具有第二电接触（３）的第二主侧（１２）。第一导电类型的缓冲层（４）布置在所述基极层（１０）上。交替包括第一导电类型的第一区域（５１，５１′）和第二导电类型的第二区域（５２，５２′）的第一层（５）布置在缓冲层（４）与第二电接触（３）之间。第二区域（５２，５２′）是具有最大２μｍ的深度和结轮廓的激活区域，其在至多１μｍ内从最大掺杂浓度的９０％降到１０％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及功率电子器件领域，并且更具体地说，涉及根据权利要求1前导部分用于制造双极穿通半导体器件的方法和根据权利要求6前导部分的双极穿通半导体器件。
技术介绍
功率半导体器件的趋势已经总是以开关瞬时条件下的软关断特性为目标，以便最小化振荡，并减少电磁干扰，同时还确保在开关期间没有出现峰值过冲电压。器件柔软性通常与器件关断期间在最后阶段保留的总电荷(过量载流子)相关联。当器件关断时并同时仍传导比较高电流(> IAmp)时低水平电荷或电荷突然消失通常导致大振荡和/或可超过器件安全操作阻断电压裕度的过冲电压，并由此导致器件失效。这通常称为器件活跃 (snappy)特性。当空间电荷区域达到扫除在正向导通期间存储的所有其余载流子的缓冲区时，电荷消失还与器件的穿通电压Vpth相关。Vpth值依赖于基极区域厚度和电阻率，并且通常对于中间至低电压范围的器件(< 2000V)，Vpth值接近于标称DC链路值(即额定电压的一半)，并且对于需要高电阻率基极区域的高电压器件(> 2000V)，Vpth值更低。对于更厚和/或更低电阻率基极区域，Vpth更高。为了增大器件柔软性，在功率器件中已经实现了如下若干常规设计技术-如果允许的话，通过选择更厚和/或更低电阻率基极区域来增大穿通电压。极端的示例是非穿通(NPT)设计。这种方法通常导致更高的损耗和高宇宙射线失效率。-引入深且低掺杂的缓冲区轮廓以将电荷存储在空间电荷区域所不能达到的缓冲区的更高掺杂部分以便提供载流子以用于软关断。通过使用这种缓冲区设计所提供的柔软性在极端开关条件下已经显示为受限效应。这种器件的示例是具有软穿通(SPT)缓冲区的器件。-增大双极器件中阳极区域的注入效率以提供附加过量载流子以用于柔软性。这通常导致高关断损耗并将器件限制在低频应用中使用。然而，以上所有技术都已经证明是不充分的，因为在通常基于非常低穿通电压值的现代低损耗技术设计中由于薄且高电阻率基极区域已经保持活跃行为。而且，这种设计对于增大朝器件活跃恢复的趋势的极端测试条件(包括低电流、高直流链路电压、低温、高换向电流水平和高杂散电感值)非常敏感。已经实现了用于获得二极管中软恢复性能的不同现有技术，其相比以上常规技术基于不同的概念。该设计包括与主二极管的N+阴极区域交替布置的高掺杂P+区域。这个技术的操作机制基于在二极管反向恢复期间将在P+N结附近流向N+阴极区域的返回电子。 这导致在P+N结处增大的将超过P+N结内置电压的横向电压降，因此引起来自P+区域的空穴注入。注入或诱导的空穴将在反向恢复的最后阶段期间提供用于软性能的电荷而与器件基极区域和缓冲区设计参数无关。这种设计包含具有宽、即大于500μπι的P+区域尺寸的深扩散、即几微米厚的高掺杂交替P+和N+区域。还优选的是具有比N+区域更深的P+区域以增大横向电子流和随后的空穴注入。已经仅对于硅快速恢复二极管实现了该设计，因为过去认为基本原理和过程仅适用于具有N+阴极区域的双极器件，即二极管。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于制造双极穿通半导体器件的方法，所述器件比现有技术双极穿通半导体器件不太易受通态快回效应的影响，并且所述器件提供对于以上提到的电气性质的更好控制，并且提供这种双极穿通半导体器件。这个目的通过根据权利要求1的用于制造双极穿通半导体器件的方法和根据权利要求6的双极穿通半导体器件来实现。用本专利技术的方法制造具有半导体衬底的双极穿通半导体器件，所述半导体器件根据半导体类型至少包括具有第一和第二导电类型的层的两层结构，其中一层是第一导电类型的基极层。衬底包括其上布置第一电接触的第一主侧(发射极侧)和其上布置第二电接触的第二主侧(集电极侧)。第一主侧布置在第二主侧的相对侧。第一导电类型的缓冲层布置在第二主侧上的所述基极层上，所述缓冲层具有比所述基极层高的掺杂浓度。第一层布置在所述缓冲层与第二电接触之间的衬底中。第一层交替包括至少一个第一导电类型的第一区域和至少一个第二导电类型的第二区域。第二区域是激活区域，其具有最大2 μ m的深度，并且它具有结轮廓，其在至多Iym内从最大掺杂浓度的90%降到10%。用于制造双极穿通半导体器件第一层的制造方法，所述制造方法包括如下步骤-提供第一导电类型的衬底，-对于创建第一区域，在第二主侧上施加具体地说是注入或沉积第一导电类型的微粒，-对于创建第二区域，在第二主侧上施加具体地说是注入或沉积第二导电类型的微粒，-第二导电类型的微粒在如下这种条件下激活所述微粒扩散到衬底中不大于 2 μ m,并且第二区域的结轮廓在最大1 μ m内从最大掺杂浓度的90%降到10%，-通过掩膜执行用于创建第一区域或注入第二微粒的步骤中的至少一个。在任何功率双极穿通半导体器件结构中操作机制都基于上面提到的用于从与N+ 区域交替的P+区域提供额外空穴的相同原理。这种方法允许器件设计与用于增大Vpth或阳极注入效率的常规设计规则无关，得到更大设计自由和更薄的基极区域(更接近用于较低损耗的半导体设计限制)。本专利技术的半导体器件称为具有用于软关断开关的关断电荷诱导(TCI)。如图11所示，与第一导电类型例如N+掺杂的区域交替的具有非常陡P+N结的第二导电类型例如P+ 掺杂的高掺杂区域在平面中确保在关断期间通过的电子在P+区域结上诱导大电势，迫使受控水平的空穴注入以进行软关断。图11中的点划线标记空间电荷区域(SCR)的边缘。图 9示出了相比现有技术器件(灰色线)在晶体管模式(黑色线)下在本专利技术反向导通IGBT 关断期间的电压和电流。电压和电流都显示出本专利技术器件的更平滑行为。现有技术器件的最大过电压大于3000V，并且对于本专利技术器件，对于操作在的器件，它小于^00V。对于相比现有技术器件(灰色线)在二极管模式(黑色线)下本专利技术反向导通 IGBT的反向恢复获得类似结果，如图10所示。对于这种情况，出现大约3700V的过电压，而本专利技术器件再次更平滑，具有最大3000V的过电压。这应用于各种各样的双极穿通功率半导体器件，诸如IGBT、GCT和二极管。本专利技术中用于实现软性能的重要特征不同于现有技术，因为它不需要宽且深的P+ 区域作为实现空穴注入和软性能的基础。本专利技术很大程度上基于在平面中提供与N+区域交替的具有非常陡结轮廓(突变结)的P+区域，如图7所示。N+区域通常也是浅的。非常陡的P+N结轮廓提供了更低的有效内置电压和更高的横向电阻用于改进的空穴注入，与P+ 区域相对于N+区域的宽度无关。这使本专利技术以更大设计自由应用于大多数功率半导体器件。为了实现这种轮廓，使用具有高激活能量的第二导电类型的微粒如硼，其在热处理期间没有出现或出现极小的扩散，由此可以实现直到或小于ι μ m的扩散深度。这种突变结轮廓通常可在小于一小时内以1000°c以下的温度在硅衬底中用硼微粒或通过激光退火实现。P+型注入或沉积剂量可从1*1013变到高达l*1016cm_2，取决于柔软性所需的电荷量。应用本专利技术的典型示例在反向导通半导体器件中，也称为反向导通绝缘栅双极晶体管(RC-IGBT)，在晶体管模式和二极管模式下，分别用于如图1和2所示的软关断性能。 该概念还可容易地应用在正常绝缘栅双极晶体管(IGBT)和栅极换向晶体管(GCT)中。在这种双极本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．用于制造具有半导体衬底（１）的双极穿通半导体器件的方法，所述半导体器件至少包括具有第一和第二导电类型的层的两层结构，其中一层是第一导电类型的基极层（１０），－其中所述衬底（１）包括第一主侧（１１）和第二主侧（１２），－其中第一主侧（１１）布置在第二主侧（１２）的相对侧，－其中第一电接触（２）布置在第一主侧（１１）上，－其中第二电接触（３）布置在第二主侧（１２）上，－其中第一导电类型的缓冲层（４）在第二主侧（１２）上布置在所述基极层（１０）上，所述缓冲层（４）具有比所述基极层（１０）高的掺杂浓度，第一层（５）布置在所述衬底（１）中的缓冲层（４）与第二电接触（３）之间，第一层（５）交替包括至少一个第一导电类型的第一区域（５１，５１′）和至少一个第二导电类型的第二区域（５２，５２′），所述制造方法包括如下步骤：提供所述衬底（１），其中：对于创建第一层（５），执行如下步骤：－对于创建第一区域（５１，５１′），在第二主侧（１２）上施加第一导电类型的微粒，－对于创建第二区域（５２，５２′），在第二主侧（１２）上施加第二导电类型的微粒，－之后在如下这种条件下激活第二导电类型的微粒：所述微粒扩散到所述衬底（１）中不大于２μｍ，并且第二区域（５２，５２′）的结轮廓在至多１μｍ内从最大掺杂浓度的９０％降到１０％，－通过掩膜执行用于创建第一区域（５１，５１′）或第二区域（５２）的微粒施加步骤中的至少一个。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·拉希莫，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：CH