包含负温度系数热敏电阻器的绝缘栅双极晶体管的制作方法

包含负温度系数热敏电阻器的绝缘栅双极晶体管的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在半导体功率应用中，低电感中间短路可能由高电流伴随发生。例如，这样的中间短路可能由驱动扰动、半导体故障或负载的短路引起。诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的半导体开关、诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的绝缘栅场效应晶体管(IGFET)、或者双极结型晶体管可有效地限制短路电流，以用于保护整个应用和外围设备免受损坏。避免半导体开关的损坏需要在短路模式中快速关断，因为在半导体中由于施加的完整中间电压的尚的电损耗。
[0002]理想的是提供一种具有改善的短路鲁棒性的IGBT。

【发明内容】

[0003]通过独立权利要求的教导来实现该目的。在从属权利要求中限定进一步的实施例。
[0004]根据IGBT的实施例，该IGBT包含:在半导体主体的第一表面处的发射极端子。IGBT进一步包含:在半导体主体的第二表面处的集电极端子。第一导电性类型的第一区在第一和第二表面之间的半导体主体中。集电极注入结构邻接第二表面，集电极注入结构是第二导电性类型，并且包含在离彼此第一横向距离处的第一部分和第二部分。IGBT进一步包含:邻接在第一和第二部分之间的区中的第一区的负温度系数热敏电阻器。
[0005]根据制造IGBT的方法，该方法包含:在具有相对的第一和第二表面的半导体主体的第二表面处形成集电极注入结构，其中半导体主体包括第一导电性类型的第一区，并且集电极注入结构是包含在离彼此第一横向距离处的第一部分和第二部分的第二导电性类型。该方法进一步包含:形成邻接在第一和第二部分之间的区中的第一区的负温度系数热敏电阻器。
[0006]在阅读下面的【具体实施方式】时和在查看附图时，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。
【附图说明】
[0007]附图被包括以提供对发明的进一步理解，并且被并入在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示本发明的实施例，并且连同说明书起到解释发明原理的作用。发明和预期的优点的其它实施例将被容易理解，因为它们通过参考下面的【具体实施方式】而被更好地理解。
[0008]图1是根据包括的实施例图示绝缘栅双极晶体管的示意性截面图。
[0009]图2至6图示在IGBT的集电极端子和漂移区之间的负温度系数热敏电阻器的不同布置的截面图。
[0010]图7至9图示包括邻接结终止区中集电极侧的掺杂区域的IGBT的实施例的截面图。
[0011]图10是用于图示制造IGBT的方法的图。
[0012]图1lA和IlB是用于图示形成集电极注入结构的分离部分的工艺的半导体主体的截面图。
【具体实施方式】
[0013]在下面的【具体实施方式】中，对形成其一部分的附图做出参考，并且在所述附图中通过说明的方式示出可在其中实施本发明的具体实施例。应理解的是:可利用其它实施例，并且可做出结构或逻辑改变而不脱离本发明的范围。例如，为一个实施例图示或描述的特征可用于其它实施例上或与其它实施例结合使用，以产生又一个进一步的实施例。其意图是:本发明包括这样的修改和变型。使用具体语言描述示例，具体语言不应被解释为限制所附权利要求的范围。附图并不按比例，并且仅用于说明目的。为了清楚起见，如果没有另外说明，相同的元件已经由不同附图中对应的参考指定。
[0014]术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放的，并且术语指示存在所述的结构、元件或特征，但是不排除存在附加的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”意图包括复数以及单数，除非上下文另有明确说明。
[0015]术语“电连接”描述:在电连接的元件之间的永久低欧姆连接，例如在有关元件之间的直接接触，或者经由金属和/或高掺杂半导体的低欧姆连接。术语“电耦合”包括:适用于信号传输的一个或多个中间元件(例如暂时提供第一状态中的低欧姆连接和第二状态中的高欧姆电去耦的元件)可存在于电耦合的元件之间。
[0016]通过靠近掺杂类型“η”或“p”指示或“ + ”，附图图示相对掺杂浓度。例如，“η ”意味着低于“η”掺杂区域的掺杂浓度的掺杂浓度，而“η+”掺杂区域具有比“η”掺杂区域高的掺杂浓度。相同的相对掺杂浓度的掺杂区域不一定具有相同的绝对掺杂浓度。例如，两个不同的“η”掺杂区域可具有相同或不同的绝对掺杂浓度。
[0017]在下面描述中使用的术语“晶圆”、“衬底”、“半导体主体”或“半导体衬底”可包括具有半导体表面的任何基于半导体的结构。晶圆和结构应被理解为包括硅(Si)、绝缘体上硅(S0I)、蓝宝石上硅(S0S)、掺杂和未掺杂的半导体、由基底半导体基础支撑的硅的外延层、以及其它半导体结构。半导体无需是基于硅的。半导体也可以是锗化硅(SiGe)If(Ge)或砷化镓(GaAs)。根据其它实施例，碳化娃(SiC)或氮化镓(GaN)可形成半导体衬底材料。
[0018]如在本说明书中使用的术语“水平”意图描述基本上平行于半导体衬底或主体的第一或主表面的取向。这例如可以是晶圆或管芯的表面。
[0019]如在本说明书中使用的术语“垂直”意图描述基本上垂直于第一表面布置的取向，即平行于半导体衬底或主体的第一表面的正交方向。
[0020]在本说明书中，半导体衬底或半导体主体的第二表面被认为是由下表面或背侧表面形成，而第一表面被认为是由半导体衬底的上表面、前表面或主表面形成。如在本说明书中使用的术语“上方”和“下方”因此描述结构特征与另一结构特征的相对位置。
[0021]在本说明书中，η掺杂被称为第一导电性类型，而P掺杂被称为第二导电性类型。可替代地，可用相反的掺杂关系形成半导体器件，使得第一导电性类型可以是P掺杂的，而第二导电性类型可以是η掺杂的。
[0022]在图1的示意性截面图中图示绝缘栅双极晶体管100的实施例。
[0023]IGBT 100包括在半导体主体105的第一表面103处的发射极端子Ε。集电极端子C在半导体主体105的第二表面107处。例如η型的第一导电性类型的第一区108在第一和第二表面103、107之间的半导体主体105中。集电极注入结构110邻接第二表面107。集电极注入结构110是第二导电性类型，例如P型，并且包含在离彼此第一横向距离d处的第一部分1101和第二部分1102。负温度系数热敏电阻器邻接在集电极注入结构110的第一和第二部分1101、1102之间的区112中的第一区108。
[0024]IGBT 100进一步包括栅极端子G。IGBT 100的发射极的结构元件，例如源极和主体区域，位于邻接第一表面103的半导体主体105的功能区域114中。源极区域是类似于第一区108的第一导电性类型。主体区域是类似于集电极注入结构110的第二导电性类型。根据实施例，IGBT 100的栅极包括栅极电介质和栅极电极，栅极电极位于从第一表面103延伸到半导体主体105中的栅极沟槽中。根据另一个实施例，IGBT 100的栅极是平面栅极，平面栅极包括在第一表面103上布置的栅极电介质和栅极电极。在功能区域中，可以在单元阵列中布置IGBT单元。单元阵列可以是IGBT单元的二维布置。IGBT单元几何形状的示例是正方形IGBT单元、矩形IGBT单元、圆形IGBT单元、椭圆IGBT单元、多边形IGBT单元，例如六边形或八边形IGBT单元。
[0025]第一导电性类型的漂移区位于功能区域114和第二表面107之间，并且构成第一区108的一部分。第一区108是第一导电性类型的连续区域，并且可包括多个第一导电性类型的相关联的半导体区域，例如漂移区，邻接第二表面107的在集电极注入结构110的第一和第二部分1101、1102之间的可选场阑区和短区域。
[0026]根据实施例，在区112中的负温度系数热敏电阻器是其特征在于在临界温度从非晶相相变成结晶相的材料。根据实施例，该材料是硫族化物。例如，硫族化物包括GeTe和Ge2Sb2Te5*的至少一个。
[0027]其它合适的硫族化物是在GeSbTe系统的其它原子组成中的Sb2Te3。为了更好的性能和可制造性，那些相变材料可被集成在高度热传导的基质中，如单壁碳纳米管(SWNT)。用于相变温度的调节的其它选项是用聚合物、陶瓷或半导体材料混合或掺杂。根据一个方面，相变可以是可逆的。根据另一个实施例，负温度系数热敏电阻器是具有小于半导体主体的带隙能量的带隙能量的半导体材料。对于由具有1.12eV带隙能量的硅制成的半导体主体，负温度系数热敏电阻器可包括具有0.67eV带隙能量的锗(Ge)。
[0028]在图1中图示的实施例包括用于改善IGBT 100的短路鲁棒性的优化的集电极。IGBT 100的短路鲁棒性通过减少短路期间的饱和电流而被改善，由此减少短路期间的电损耗并减少温度增加。此外，双极电流增益保持低，这有利于减少在短路关断之后的泄漏电流。包括