双极非穿通功率半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率电子装置领域，以及更具体来说涉及阻塞电压为至少2500V的双极非穿通功率半导体装置以及用于制造这种半导体装置的方法。
【背景技术】
[0002]由于对能量效率的增长需求，半导体装置、例如相控晶闸管处于能量传输和分配所需的许多设备的核心位置。这些装置允许成本、可靠性和效率方面的良好性能。特别地，双极半导体功率装置因其与极低导通损耗相组合的极高功率能力而用于应用中。例如，对于非穿通装置类型，低(n_)掺杂漂移层、S卩(n_)基区(其是装置的最厚层)无法减小到低于某个极限。但是，P掺杂第一层、即P阳极或P基区的厚度能够减小。这在负斜面结端接(negative bevel junct1n terminat1n)的情况下会是有益的，其因为若干原因而消耗沿横向方向的大体积，并且第一层因此必须比在正斜面概念中要厚。
[0003]具有负斜面的结端接具有实际重要性，因为与正斜面相反，它在装置内部的阻塞条件下保持峰值电场。因此，表面钝化没有遭受极高电场，表面泄漏电流较小，并且取得高可靠性。这极为重要，因为例如在高压直流HVDC应用中的雪崩放电的条件下，反向电流的高幅值在雪崩反向击穿生成。换言之，保持负斜面具有如下优点:当显著电流可在周边流经结端接但是尚未接近装置表面时的达到击穿电压的健壮反向阻塞。因此，对于这类应用需要负斜面的使用。但是，晶闸管需要着眼于使总损耗为最小并且使装置的额定功率为最大来开发。
[0004]为了在具有厚阳极和基极层的现有技术装置保持正向和反向阻塞，能够在端接区使用局部深P掺杂端接层。深端接层允许具有带单或双负斜面(其基本上提供HVDC应用中所需的高雪崩放电能力)的结端接。
[0005]例如按照W02012/041836 Al的早期晶闸管设计1建议包括内区7和外区8的晶片
2。在第一主侧3上，具有内区7中的第一段和外区8中的第二段62的P掺杂第一层6设置在U-)漂移层5上。第一层6的第二段62按照现有技术具有比第一层6的第一段61要大许多的深度。两个段61、62在第一主侧3上延伸到相同平坦平面，仅在外区8中以负斜面角倾斜。在与第一主侧3相对的第二主侧4上，第二层16按照与第一层6相同的方式来构成，其中具有第一段161和第二段162。在主侧3、4之一上，p+掺杂短流路(p+ shorts) 18和η+掺杂阴极层23设置在P掺杂第一段61或161中，这些层18、23接触电极35或45。在外区8中，负斜面对晶片2的边缘端接装置。
[0006]与其他现有技术装置相比，第一和第二层6、16的这种设计产生内区中的第一段61、161的减小厚度，而没有增加泄漏电流和降低击穿电压，并且产生较低通态电压降夕卜，例如反向恢复电荷Qrr、截止时间tq和最大浪涌电流等的其他参数得到改进。总装置厚度因第一和第二层6、16的较薄第一段而能够减小，同时反向和正向阻塞能力通过具有轻掺杂P型端接层和负斜面的修改结端接来保持。
[0007]但是，早期设计导致装置中的局部高电场，因为第一层6的厚度从内区7中的第一厚度改变成外区8中的第二厚度，其可能厚达第一厚度的数倍。在生产过程期间，第一层6从内区7到外区8的阶跃变化在到漂移层5的结上创建。(n_)掺杂漂移层5与P掺杂第一层6之间的边界的这个变化引起装置的局部较大电场和较高泄漏电流。
[0008]ΕΡ030046 Al描述一种GTO晶闸管，其包括薄但高掺杂的中心ρ层和厚但低掺杂的夕卜P层，其使中心P层凸出。在外区中，晶闸管具有负斜面。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的一个目的是避免装置中的高电场，进一步降低泄漏电流，并且增加击穿电压和降低损耗。这个目的通过如权利要求1所述的双极非穿通功率半导体装置以及如权利要求7所述的用于制造这种装置的方法来实现。示范实施例通过从属专利权利要求是显而易见的，其中权利要求从属性将不是被理解为排除其它有意义权利要求组合。
[0010]按照本发明，示范地具有至少2500V的阻塞电压的双极非穿通功率半导体装置包括半导体晶片以及在晶片的第一主侧上形成的第一电极和在与第一主侧相对的晶片的第二主侧上形成的第二电极。此外，半导体晶片包括具有不同导电类型的层的至少二层结构，该至少二层结构包括第一导电类型的漂移层和第二导电类型(其与第一导电类型不同)的第一层，其中具有从第一主侧到第一层与漂移层之间的结所测量的深度，其中第一层按照到第一主侧的正交投影对第一主侧设置在漂移层上并且接触第一电极。
[0011]如专业人员众所周知，非穿通功率半导体装置是一种装置，其漂移层设置成与第一层直接相邻。因此，低掺杂漂移层接触到第一层，它们之间没有又称作缓冲层的第一导电类型的高掺杂层。非穿通装置的阻塞条件中的电场是三角形，并且在漂移层中停止。空间电荷区没有达到第一层。
[0012]示范地，漂移层可具有恒定低掺杂浓度。其中，漂移层3的基本上恒定的掺杂浓度表示掺杂浓度在整个漂移层上是基本上同质的，但是没有排除大约为一至五倍的漂移层中的掺杂浓度的波动因例如拉取原始硅晶体的过程中的波动而也许可能存在。因应用需要而选择最终漂移层厚度和掺杂浓度。漂移层5的示范掺杂浓度在5 X 112 cm—3与5 X 114 cm—3之间。
[0013]漂移层在第一与第二主侧之间所测量的内区中的厚度大于或等于外区中的厚度。示范地，漂移层的厚度在内区、示范地也在外区中是恒定的。
[0014]半导体晶片还包括具有在第一与第二主侧之间所测量的厚度、即平均厚度的内区以及包围内区的外区，其中具有在第一与第二主侧之间所测量的外区中的晶片的最大厚度。示范地，内区中的厚度是恒定的。外区中的厚度可在第一主侧或第二主侧或者在第一和第二主侧上采用负斜面、即朝晶片边缘的倾斜边缘来减小。斜面在晶片具有其最大厚度的外区中的区域之外开始，并且延伸达到示范地在斜面区中的晶片的边缘，晶片厚度朝晶片边缘线性减小。第一主侧在晶片的表面上将处于设置第一电极的侧面并且处于达到晶片边缘的表面上的周围区域，即，对于发明装置，第一主侧不是平坦区域，它而是具有弯曲表面，示范地具有内区中的平坦区域、在达到最大厚度的过渡区中的线性升高轮廓以及然后在外区中的倾斜区域。
[0015]第一层具有内区中的第一段和外区中的第二段。第一层的厚度在内区与外区之间(即，第一层的第一段与第二段之间)的过渡区中从内区中的厚度增加到外区中的最大厚度。第一层的厚度在过渡区范围上线性增加，其中过渡区的宽度大于第一层的第一段的厚度的5倍(厚度作为第一层的第一段从第一主侧延伸的深度来测量)，示范地为第一层的第一段的厚度的10至20倍。换言之，轮廓从内区到外区的过渡是缓慢或平滑的，但是没有伸展至跨越装置以引起装置的功能的任何扰动。这样，按照本发明的装置通过降低在过渡区的峰值电场来降低装置的泄漏电流，并且由此增加击穿电压。这个优点也能够用于减小装置厚度，同时得到原始击穿电压。装置然后具有较低通态和切换损耗，并且因而装置比现有技术装置更为有效。
[0016]在示范实施例中，外区和过渡区的厚度、即晶片厚度的至少最大值在第一主侧上比内区的厚度、即晶片厚度要大优选地达到100 Mi。换言之，从内区转到外区，达到100 μπι的上升在第一主侧上出现。这个扩大的厚度、即较大深度是外区或过渡区中的第一层的组成部分。这样，按照现有技术在深度上比内区中的第一层要大的外区中的第一层的至少部分没有促成内区中的有效单元的厚度。这样，内区中的漂移层和外区中的漂移层甚至可具有相似厚度或者甚至内区中略大的厚度，使得截面轮廓沿到第一主侧的正交方向具有比现有装置中要小的变化或者甚至没有截面轮廓的变化，即，第一层到漂移层的结可以是整个区域的平面表面，同时比第一段要深的第二段仍然在发明装置中是可实现的。这样，装置中的峰值电场能够显著降低。
[0017]另外，这样，第一层、即内区中的第一层的第一段的深度可相对现有技术进一步减小。发明装置I与现有技术装置相比第一层的减小厚度产生如图9所示的降低的通态电压降Vt。另外，例如反向恢复电荷Qrr、截止时间tq和最大浪涌电流等的其他参数得到改进。与现有技术相比，这种改进通过第一层的第一段的进一步薄化来实现。总装置厚度因第一层的较薄第一段而能够减小，同时反向和正向阻塞能力通过具有轻掺杂P型端接层和负斜面的修改结端接来改进(图10，示出图左侧的反向偏置和右侧的正向偏置)。保持负斜面具有如下优点:当显著电流可在周边流经结端接但是尚未接近装置表面时的达到击穿电压的健壮反向阻塞的优点。这例如对于能够以反向1-V曲线的拐点之后的高电流进行操作的HVDC的晶闸管中的高雪崩放电能力是必需的。
[0018]例如，与具有第二导电类型的层(S卩，第二边缘层和阳极层，或者第一边缘层和基极层，或者甚至边缘层的较低深度)的共同深度的现有技术晶闸管相比，相控晶闸管(PCT)具有