软开关半导体器件及其生产方法_2

文档序号:9709959阅读:来源:国知局
t的绝对值In netI在图2中被图示。就本发 明而言,净掺杂浓度涉及电活性电荷载子子(即,电子或空穴)的浓度。
[0056] 在整流结111 (即,在深度dill)处,净掺杂浓度Nnet为0(由于纵轴的对数缩放而 并未在图2中示出)。漂移区118和场停止区119具有第一导通类型。在当前示例中,第 一导通类型为"η"。也就是说,存在供体相对受主的剩余。在深度dlll2处,漂移区118结 束并且场停止区119开始。换句话说,在漂移区118和场停止区119之间的边界位于深度 dll2 处。
[0057] 作为一般规则,深度dll2处于具有第一导通类型(这里为"η")的连续分区(这 里为118+119)中并且从整流结111向第二侧102放射。深度dl 12离开整流结111而位于 该连续分区在第一垂直方向vl所具有的所有局部最小值中的最低掺杂浓度MIN处。就此 所要注意的是,可能出现在整流结111 (例如,如果整流结111是pn结)的局部最小值并不 被认为是所提到的局部最小值之一。另外,如果该连续分区具有多于一个具有相同的最低 掺杂浓度的位置,则深度dlll2由所有那些位置中距离整流结111最远的一个位置的深度 所定义。
[0058] 在场停止区119内,掺杂浓度具有正梯度dM/dvl,其中M是以cm 3所给出的净掺杂 浓度Nnet的绝对量度。例如,如果Nnet= 5 · 10 13Ciii3(5E13cm3),则M等于5 ·IO13或者5E13。 通常,梯度dM/dvl等于梯度d (Nnet · cm3) /dvl。
[0059] 可选地,场停止区119可以具有半导体材料的击穿电荷的至少50%的电荷载子剂 量。场停止区119的电荷载子剂量被定义为净掺杂浓度Nnet在场停止区119的深度范围内 沿直线g的积分。例如,娃的击穿电荷大约为1. 4 · 1012cm2(l. 4E12cm2)并且对应于大约 2 ·105ν/αιι(2Ε5ν/αιι)的击穿场强度,而碳化硅的击穿电荷大约为1. 4 ·1013αιι2(1. 4E13cm2) 并且对应于大约2 · 106V/cm(2E6V/cm)的击穿场强度。
[0060] 另外,净掺杂浓度的绝对值INnetI沿直线g具有最大值并且在漂流区118内被指 定为MAX。最大值MAX位于大于dill且小于dll2的深度dll4处。也就是说,在掺杂电荷 重心和整流结111之间的距离大于零且小于掺杂区118在第一垂直方向vl所具有的厚度 tll8 的 37%〇
[0061] 可选地,同样在这里所描述的另外的实施例中,深度dll4可以被选择以使得 dlll〈dll4〈dlll+0. 50 *tll8。换句话说,在最大值MAX的位置和整流结111之间的距离大 于零且小于漂移区118在第一垂直方向vl所具有的厚度tl 18的50%。
[0062] 在第一垂直距离vl,漂移区具有厚度tll8,并且在第一深度dl处具有掺杂电荷重 心。也就是说,应用以下公式:
[0064] 由此,Nnet是净掺杂浓度,vl是第一垂直方向,dill是整流结111的深度并且dl 12 是在漂移区118和场停止区119之间的边界的深度。掺杂电荷重心的位置被选择以使得 dlll〈dl〈dlll+0. 37 *tll8。也就是说,在掺杂电荷重心和整流结111之间的距离大于零且 小于漂移区118在第一垂直方向vl所具有的厚度tl 18的37%。
[0065] 根据可以在具有漂移区的任何半导体器件中实现的可选的第一特征,乘积 (Nnet ^m3)的十进制对数在漂移区118中在第二深度d2处以及在第一垂直方向vl具有小 于-0· 01/ μπι (负0· 01/ μπι)或者甚至小于-0· 02/ μπι (负0· 02/ μπι)的(负)梯度。也就 是说,从第二深度d2开始,净掺杂浓度Nnet朝向第二侧102有所减小。在d2处具有的梯度 (N net · cm3)等于在第二深度d2处到乘积(Nnet · cm3)的曲线的切线t的斜率。第二深度d2 大于dill并且小于dll2。
[0066] 可选地,可能存在从深度d21到深度22的深度范围Ad2( 即,Ad2 = d22-d21),在该范围内,针对具有d21 < d2 < d22的每个深度d2应用以上所提到的标准,乘积 (Nnet ^m3)的十进制对数在漂移区118中在第二深度d2处以及在第一垂直方向vl具有小 于-0· 01/ μπι(负0· 01/ μπι)或者甚至小于-0· 02/ μπι(负0· 02/ μπι)的(负)梯度。该差 值深度范围A d2例如可以至少为漂移区118的厚度1118的10%。
[0067] 当关闭半导体器件时,反向恢复电流会以几乎无限大的梯度突然断开。结合不可 避免的杂散电感,可以出现高感应电压。这可能导致半导体器件自身的损坏或者连接至该 半导体器件的器件的损坏。为了软化半导体器件的开关表现,可选地可以提供少数电荷载 子递送结构以便保证少数载子(这里为空穴)电流流向整流结,直至恢复过程的结束。当 半导体器件1被关闭时,源自整流结111的空间电荷区朝向第二侧102延伸。在该空间电 荷区到达少数电荷载子递送结构121时,少数电荷载子递送结构121就立刻注入少数电荷 载子,这避免了突然的电流断开。也就是说,少数电荷载子递送结构121增大了半导体器件 1的开关表现的"柔软度"。
[0068] 现在将参考图3至图6来说明可能的少数电荷载子递送结构121的示例。如图3 至图6中所示,与第一导通类型(这里为"η")互补的第二导通类型(这里为"p")的少数 电荷载子递送结构121可以被嵌入在场停止区119中。少数电荷载子递送结构121可以被 嵌入在场停止区119中以使得场停止区119的多个部分中的每个部分在漂移区118和第一 侦忪〇2之间连续延伸。这样的少数电荷载子递送结构121可以像第二侧102 -样远地延伸 至与第二主电极152电连接之处,参见图3,和/或被布置为远离第二侧,参见图4。在后者 的情况下,少数电荷载子递送结构121可以是浮置的。
[0069] 少数电荷载子递送结构121的用途是软化半导体器件1的开关表现。如果半导体 器件1被关闭,则从漂移区118去除移动电荷载子。在该恢复过程期间,在漂移区118中出 现从整流结朝向场停止区119生长的耗尽区。在这一过程结束时,该耗尽区基本上延伸上 至场停止区119,并且在此时一如果没有剩余的电荷载子或者如果没有少数电荷载子递送 结构121-通过半导体主体100的电流将会快速减小(反向电流断开)。作为这样的不期 望见到的开关表现的结果,在连接至半导体器件1中的感应率会出现不期望的高电压。这 种情形在达到更高的IGBT的开关速度("硬开关条件")或更低的电流密度(例如,标称电 流的1/10)的情况下变得更为严重。
[0070] 另外,可能发生不期望的电压振荡。在耗尽区基本上像场停止区119延伸的一样 远时,少数电荷载子递送结构121将电荷载子(在p型掺杂少数电荷载子递送结构121的 情况下为空穴)注入到场停止区119中并且软化该"迅猛的"开关表现。也就是说,在具有 少数电荷载子递送结构121的半导体器件1中,在尾声阶段期间的电流的时间导数的最大 绝对值与没有少数电荷载子递送结构121的情况下相比会更低,例如,比较图23和图24。
[0071] 图5图示了图3和图4的半导体器件的分别沿横截面El-El和E2-E2的的截面图 的示例,并且图6图示了另外的示例。横截面El-El和E2-E2中的每个横截面与少数电荷 载子递送结构121和场停止区119二者相交。如能够从图5所看到的,少数电荷载子递送 结构121可以具有远离彼此而被布置的多个岛(island),或者如图6中所示是网状的。
[0072] 图1以及图3至图6中所示和/或参考图1至图6所说明的半导体器件1是二极 管。然而,参考图1至图6所说明的同样的标准和选项也可以应用于MOSFET、IGBT、晶闸管或 者具有被布置在整流结111和场停止区119之间的漂移区118的任何其它半导体器件。然 而,存在关于IGBT的例外:如图7中所示例性地图示的,在IGBT中,场停止区119并不像第 二侧102延伸得一样远。相反,在场停止区119和第二侧102之间布置有集电极区125 (有 时也被称作"射极区")。集电极区125具有与场停止区119的导通类型互补的导通类型并 且可以在场停止区119和第二侧102之间连续延伸。
[0073] IGBT的开关表现的柔软度可以通过集电极区125而有所提高,集电极区125具有 第一子分区123和第二子分区124,它们各自具有与第一导通类型(这里为"η")互补的第 二导通类型(这里为"Ρ")。子分区123、124二者相互交错并且被布置在场停止区119和 第二侧102之间。第一子分区123具有高于最少第二子分区124的净掺杂浓度的净掺杂浓 度,从而使得集电极区125的净掺杂浓度沿垂直于第一垂直方向vl延伸且与集电极区125 相交的直线h具有若干个局部最大值和若干个局部最小值。例如,直线h可以具有位于第 一子分区123中的第一点Hl以及位于第二子分区124中的第二点H2。集电极区125在第 一点Hl处具有第一净掺杂浓度,并且在第二点H2处具有不同于第一净掺杂浓度的第二净 掺杂浓度。
[0074] 作为任意的IGBT,图7的IGBT 1进一步具有第一导通类型(这里为"η")的源 极区115,并且除了第一主电极151 (源极)和第二主电极152 (漏极)之外,包括控制电极 153 (栅极),其通过栅极电介质163而与半导体主体100电绝缘。源极区115电连接至第 一主电极151,并且在源极区115和也被称作"主体区"的重度掺杂的半导体区117之间形 成另外的ρη结113。可选地,控制电极153可以被布置在从第一侧101延伸至半导体主体 100之中的沟槽中。
[0075] 图8图示了图7的半导体器件1在横截面Ε3-Ε3的截面图的示例,并且图9图示 了另外的示例。如能够从图8所看到的,第一子分区123可以具有彼此远离而被布置的多 个岛,或者如图9中所示是网状的。
[0076] 根据本发明的任何半导体器件1可以具有如以上参考图2所说明的掺杂分布。现 在将参考图10和图11对沿平行于第一垂直方向Vl延伸的直线g的另外掺杂分布的原则 进行说明。图2、图10和图11的掺杂分布彼此的不同仅在于漂移区118的掺杂分布。
[0077] 图10的掺杂分布具有阶梯状分布,其具有至少一个或至少两个或至少三个阶梯 11、12、13、14。在阶梯11、12、13、14中的每个阶梯内,净掺杂浓度N net是恒定的。如果存在 至少两个阶梯,则掺杂分布可以被调节以使得针对任何两个阶梯,更接近于第一侧101而 被布置的一个阶梯具有较高的净掺杂浓度N net。根据以上参考图2所提到的定义,深度dll2 的位置(即,在漂移区118和场停止区119之间的边界的深度)如下被确定:在第一步骤 中,必须标识出具有第一导通类型(这里为"η")且从整流结111朝向第二侧102放射的 连续分区。在当前示例中,该连续分区从整流结放射并且像第二侧102延伸得一样远。在 第二步骤中,要标识出该连续分区中不同于在整流结111处的可能的局部最小值的所有局 部最小值。在当前示例中,在大约70 μ m和80 μ m之间的深度范围中仅有一个局部最小值。 由于这一深度范围内的掺杂
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