反向导通功率半导体器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率半导体器件领域。它涉及如权利要求1所述的反向导通功率半导体器件。
【背景技术】
[0002]反向导通反向导通GCT (RC-GCT)将一个或多个门极换向晶闸管(GCT)和一个或多个二极管与单个功率半导体器件相结合。双模门极换向晶闸管(BGCT)是RC-GCT，其在单个半导体晶圆中包括相互并联电连接的多个门极换向晶闸管(GCT)区以及分布在GCT单元之间的多个二极管单元。二极管单元也相互并联电连接并且并联连接到GCT单元，但是以相反的正向。
[0003]设置在半导体晶圆中的二极管单元允许在二极管模式操作BGCT ;因而提供BGCT的反向导电性，其是功率电子器件中的多个应用所需的。
[0004]在W02012/041958 A2中描述一种现有技术BGCT，通过引用将其完整地结合于此。图1以截面图示出W02012/041958 A2的现有技术BGCT。
[0005]现有技术BGCT I’包括:半导体晶圆，具有第一主侧11和第二主侧15，所述第二主侧I设置成与第一主侧11平行；以及η-掺杂漂移层3，位于第一主侧11与第二主侧15之间并且沿与其平行的方向延伸。现有技术BGCT I’还包括多个GCT单元91，每个GCT单元91包括按照下列顺序的在晶圆中的第一主侧11与第二主侧15之间的层:η掺杂晶闸管阴极层4、P掺杂晶闸管基层6、晶闸管漂移层3’ (其作为漂移层3的一部分)、η掺杂晶闸管缓冲层以及P+掺杂晶闸管阳极层5。GCT单元91还包括:晶闸管阴极电极2，设置在第一主侧11的各晶闸管阴极层4上；晶闸管阳极电极25，设置在第二主侧15的各晶闸管阳极层5上；以及多个门电极7，设置在各晶闸管基层6，侧向于晶闸管阴极电极2和晶闸管阴极层4但是与其分隔。它接触P掺杂晶闸管基层6。
[0006]BGCT I’还包括多个二极管单元96，其包括按照下列顺序的在半导体晶圆中的第一主侧11与第二主侧15之间的层:ρ掺杂二极管阳极层55、二极管漂移层3” (其作为漂移层3的一部分)以及η掺杂二极管阴极层45，其与晶闸管阳极层5交替地设置成与第二主侧15相邻。最后，BGCT I’包括二极管阳极电极28，其设置在第一主侧11的各二极管阳极层55上。多个二极管单元96形成反向导通半导体器件100的二极管部分。
[0007]二极管单元96通过均匀分隔区350 (其通过位于二极管单元96与GCT单元91之间的漂移层3的部分来形成，并且其中漂移层3延伸到第一主侧11)与GCT单元91分隔。
[0008]对于现有技术BGCT，在GCT模式操作中，在导通期间因等离子体(电荷)而利用专用二极管区。在二极管模式操作中，还利用专用GCT区域。图1中的倾斜箭头示出在GCT模式操作中扩展的预计等离子体，其对二极管模式能够反转。
[0009]GCT单元91的尺寸确定以及二极管与GCT单元91、96之间的分隔面积是面积利用的重要因素。分隔区350必须设计成实现门极驱动的所需阻断能力(门极-阴极阻断能力，即，GCT截止和阻断期间的-20 V)，同时将尺寸(分隔区距离)保持为总面积利用的最小数(以便实现在GCT操作模式中等离子体从GCT区91传播到专用二极管区96，反过来也是一样)。
[0010]在高电压器件、例如BGCT I’中，N-基(N漂移层)经过极低掺杂，以及如果分隔区距离较小，则存在穿通效应，并且这个区域最终无法阻断所需门极驱动电压。即使小分隔距离足以阻断所需门极驱动电压(在截止和阻断期间)，也将存在高门极-阴极泄漏电流，因为PNP (P晶闸管基层6、N漂移层3、P 二极管阳极层55)增益因低掺杂N漂移层3以及晶闸管基层6与二极管阳极层55之间的N漂移层3的小距离、即分隔区350的宽度而过高。
【发明内容】
[0011]本发明的一个目的是提供一种反向导通功率半导体器件，其中在分隔区具有改进的降低侧向PNP增益。
[0012]此问题通过具有权利要求1的特性的反向导通功率半导体器件来解决。发明的反向导通功率半导体器件包括晶圆(又称作半导体芯片)，其具有第一主侧以及设置成与第一主侧平行的第二主侧。该器件包括多个二极管单元和多个GCT单元((集成)门极换向晶闸管单元)，其中每个GCT单元包括按照下列顺序的在第一主侧与第二主侧之间的层:
-晶闸管阴极电极，
-第一导电类型的晶闸管阴极层，
-与第一导电类型不同的第二导电类型的晶闸管基层，
-第一导电类型的晶闸管漂移层，
-第一导电类型的晶闸管缓冲层，
-第二导电类型的晶闸管阳极层，以及 -晶闸管阳极电极。
[0013]每个GCT单元还包括门电极，其设置成侧向于晶闸管阴极层并且通过晶闸管基层与其分隔。这种GCT单元是专业人员众所周知的。它们在其构造方面与GTO单元相似，它们是从其中的进一步发展，但是在门极控制以及接通和关断方面与其不同。针对GCT单元的定位，它将被理解为晶闸管阴极层(以及门电极和晶闸管基层)的定位、即IGCT单元的第一主侧层的定位。
[0014]各二极管单元包括:第一主侧上的二极管阳极电极，其与第二导电类型的第二阳极层相接触，该二极管阳极层通过漂移层与晶闸管基层分隔；二极管漂移层；第二主侧上的第一导电类型的二极管阴极层，其与晶闸管阳极层交替设置；以及二极管阴极电极，其作为与晶闸管阳极电极的公共电极来形成。晶闸管漂移层和二极管漂移层形成漂移层，其是与第一主侧平行的平面中的晶圆的整个平面之上的连续层。
[0015]在针对二极管单元的定位的本专利申请中，它将被理解为二极管阳极层的定位，SP，二极管单元的第一主侧层的定位。在各二极管单元中，第一导电类型的二极管缓冲层设置在二极管阳极层与漂移层之间，使得二极管缓冲层覆盖从第一主侧至少到二极管阳极层的厚度的90%的深度的二极管阳极层的侧向面。
[0016]该器件包括至少一个混合部分，其中二极管单元(S卩，二极管单元的二极管阳极层)与GCT单元(即，GCT单元的晶闸管阴极层(以及门电极和晶闸管基层))交替。
[0017]由于二极管缓冲层的引入，在分隔区的寄生BJT的侧向PNP增益并且因此门极阴极泄漏电流极大地降低，如图7所示。对于-20 V的电压，泄漏电流从现有技术GBCT到发明的RC-GCT能够降低2/3。
[0018]对于图7至图9，从具有最大掺杂浓度为IXlO17 cm 3并且从晶圆表面到pn结的二极管阳极的厚度为20 μ m的二极管阳极层55的RC-GCT得到图表。
[0019]在这个示例中，二极管缓冲层具有IXlO15 cm 3的最大掺杂浓度以及从二极管阳极结到η漂移层的17 ym的二极管缓冲层的厚度。二极管缓冲器的表面载流子浓度为7X1011 cm2o图10示出这个示例中使用的发明RE-GCT的二极管阳极层55、二极管缓冲层32和二极管漂移层3”的二极管单元中的掺杂剖面。
[0020]在一示范实施例中，侧向PNP增益可通过二极管阳极效率的弱化进一步降低。这可通过提供比晶闸管基层要低的厚度和/或要低的深度的二极管阳极层来实现。
[0021]BGCT的二极管阳极层的N 二极管缓冲层不仅降低侧向PNP增益(二极管p阳极层、η漂移层和GCT P晶闸管基层之间)，而且还降低垂直PNP增益(ρ型GCT阳极层、η漂移层、二极管P阳极层)，由此