反向传导半导体装置的制造方法
【专利摘要】提供在装置的中心部分中具有电有源区的反向传导半导体装置（200），该装置包括在共同晶圆（100）上的续流二极管和绝缘栅双极晶体管。晶圆（100）的部分形成具有基极层厚度（102）的基极层（101）。具有至少一个第一区（10）的第一导电型的阴极层（1）和具有至少一个第二和先导区（20、22）的第二导电型的阳极层（2）交替布置在集电极侧（103）上。每个区具有由区边界环绕、具有区宽度（11、21、23）的区区域。RC?IGBT以这样的方式设计，使得满足下面几何规则：每个先导区区域是具有基极层厚度（102）的至少两倍的先导区宽度的区域；至少一个先导区（22）以这样的方式设置在有源区的中心部分中，使得混合区横向环绕至少一个先导区（22）；至少一个第二区是阳极层（2）的那个部分，其不是至少一个先导区（22）；混合区具有基极层厚度（102）的至少一倍的宽度；至少一个先导区（22）的总面积（即，面积的和）在混合区面积的10与45%之间；每个第一区宽度（11）小于所述基极层厚度（102）；在发射极侧（104）上处于对至少一个先导区（22）中的一个的投影中的每个区域中，多个源区（3）具有第一区域密度（31）；在发射极侧（104）上处于对混合区的投影中的每个区域中，多个源区（3）具有第二区域密度（32）；并且第一区域密度（31）低于第二区域密度（32）。
【专利说明】
反向传导半导体装置
技术领域
[0001]本发明涉及功率电子设备的领域并且更具体地涉及根据权利要求1的序言的反向传导半导体装置。
【背景技术】
[0002]在US8212283B2中，如描述采用双模式绝缘栅晶体管(BIGT)形式的现有技术的反向传导绝缘栅双极晶体管(RC-1GBT)(在图1中示出)，其包括在共同晶圆100上的续流二极管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)，所述晶圆的部分形成具有第一掺杂浓度和基极层厚度102的(n_)掺杂基极层101AC-1GBT包括集电极侧103和发射极侧104，而集电极侧103布置在晶圆100的发射极侧104的对面。
[0003]基极层厚度102是具有第一掺杂浓度的晶圆100的那个部分的集电极侧与发射极侧103和104之间的最大垂直距离。
[0004]比第一掺杂浓度要高的掺杂浓度的η掺杂阴极层I和P掺杂阳极层2交替布置在集电极侧103上。阴极层I包括至少一个或多个第一区10，其中每个第一区10具有第一区宽度
Ilo
[0005]阳极层2包括至少一个或多个第二区20和至少一个或多个先导区(pilot reg1n)22，其中每个第二区20具有第二区宽度21并且每个先导区22具有先导区宽度23。
[0006]任何区(第一、第二或先导区)具有区宽度和由区边界环绕的区区域。
[0007]在示范性实施例中，最短距离是所述区区域内的点与所述区边界上的点之间的最小长度。在那个示范性实施例中，每个区宽度限定为所述区内的任何最短距离的最大值的两倍。
[0008]η掺杂源区3、p掺杂阱层4和具有导电栅极层5和绝缘层6(其使栅极层5与任何掺杂层绝缘)的栅电极以及发射极电极8布置在发射极侧104处。
[0009]反向传导半导体装置包括有源区110，该有源区110是晶圆100中的区域，其包含并且布置在源区3、阱层4或栅极层5中的任何的下方。
[0010]必须满足下面几何规则:
-每个先导区区域是P掺杂区域，其中到任何边界点的所有最短距离中的最大值大于基极层厚度102，
-至少一个先导区22以这样的方式布置在有源区110的中心部分中，使得在先导区边界到有源区边界之间存在基极层厚度102的至少一倍的最小距离，
-至少一个第二区20是阳极层2的那个部分，其不是至少一个先导区22，
-至少一个先导区2 2的总面积(面积总和)在有源区110的1与3 O %之间，
-每个第一区宽度11小于基极层厚度102。
[0011]先导区22代表先导IGBT区，其消除在低电流的快回效应(snap — back effect)。BIGT的快回效应取决于基极层的电阻，其进而取决于基极层102的电阻率和厚度。对于具有更大基极层厚度102的装置，跨基极层的电压降是更大的。因此，总通态电压降对于这类装置也是更高的，并且快回效应在更高电压发生。
[0012]引入足够大的P掺杂区(先导区)能够在高压IGBT装置中避免这种快回效应。因为先导IGBT不包含芯片的过渡部分(例如从有源到终止区111的那些)，该先导区22与有源区110的边界之间的最小距离对于装置SOA的良好热性能和改进是必需的。此外，通过使用先导区22，快回行为与分布的更小先导区相比得到改进。
[0013]通过引入更大先导区22(与更小第二区20相比)，维持具有短路结构的装置的大的区域。通过引入与第一和第二区10、20相比具有大大增加尺寸的先导区22，创建仅仅专用为IGBT区并且未采用二极管模式操作的区。P型先导区22确保增加的IGBT面积。先导区22主要出现在给予更多自由来确定IGBT与二极管面积比率并且使该设计方面与仅涉及小的第二区22的标准方法分离。
[0014]先导区22由具有交替第一和第二掺杂区10、20的短路区(混合区)环绕。因为小的第一和第二区10、20未严重影响与上文的设计规则一致的IGBT快回模式，调整它们的尺寸来实现需要的二极管面积。
[0015]第一和第二区10、20形成主短路区，其中包含的硅区域在IGBT和二极管模式两者中利用。这些区还影响主要IGBT电气性质。
[0016]然而，现有技术的RC-1GBT由于阳极短路而在它们的通态特性中具有快回。在现有技术的BIGT的情况下，初始快回被最小化或甚至通过在装置中心提供大的先导区22而被去除。因此，注入的载流子分布在先导区域中具有宽阳极和在混合区中具有强的短路阳极的BIGT中变得不均匀。
[0017]在IGBT模式传导期间，载流子等离子体在先导区22投影的中间上方的有源区110中具有其最高密度。因此，在IGBT模式传导期间，芯片的中心处的温度与在现有技术的IGBT中通常所看到的温度相比被增加。因此，在IGBT模式关断期间，动态雪崩早先在定位在最宽/最大阳极区域的中心上方的单元处设置，该最宽/最大阳极区域是先导IGBT区22。该效应主要在等离子体不均一地分布在先导IGBT区22与短路区10、20之间时是显著的。这主要在更低温度(室温)和多至标称电流的低电流发生。动态雪崩有助于在这些条件期间增加的关断损耗并且造成关于持续采用动态雪崩模式操作的组件的可靠性的关注。该效应由于电流增加和短路区10、20充满载流子而变得渐少，但是然而BIGT的最大关断能力与对应的现有技术的RC-1GBT相比减少。
[0018]图20和21示出在IGBT模式关断期间在离发射极5Mi定位的平面中半导体装置中的载流子等离子体(空穴密度)浓度。在三个不同的电压500V、1200V和1900V处示出空穴密度。图20示出对于现有技术的BIGT结构的空穴密度，并且在右侧上示出现有技术的RC IGBT结构。
[0019]在现有技术的BIGT结构(图20)中，在先导区的中间(在位置-250 μπι处)发生动态雪崩(被视为高等离子体浓度纤丝(filament))。如在图21中示出的没有先导IGBT区的RCIGBT示出没有动态雪崩的更平滑行为。
[0020]图22示出现有技术的BIGT关断波形的示例，其示出检测为dV/dt率的改变(减慢)的动态雪崩开始。
【发明内容】
[0021]本发明的目的是提供在关断期间具有带有更少动态雪崩的改进的切换性能的双模式绝缘栅晶体管，其具有改进的最大关断能力。
[0022]该目的由根据权利要求1的反向传导半导体装置实现。
[0023]发明的反向传导绝缘栅双极晶体管(RC-1GBT)包括在共同晶圆上的续流二极管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)，所述晶圆的部分形成具有第一掺杂浓度和基极层厚度的第一导电型的基极层。绝缘栅双极晶体管包括集电极侧和发射极侧，而集电极侧布置在晶圆的发射极侧的对面。
[0024]基极层厚度是具有第一掺杂浓度的晶圆的那个部分的集电极侧与发射极侧之间的最大垂直距离。基极层厚度是如在图1中由虚线示出的厚度。
[0025]第一导电型和比第一掺杂浓度要高的掺杂浓度的阴极层和第二导电型的阳极层交替布置在集电极侧上。阴极层包括至少一个或多个第一区，其中每个第一区具有第一区宽度。
[0026]阳极层包括至少一个或多个第二以及至少一个或多个先导区，其中每个第二区具有第二区宽度并且每个先导区具有先导区宽度。
[0027]任何区(第一、第二或先导区)具有区宽度和由区边界环绕的区区域。
[0028]在示范性实施例中，最短距离是所述区区域内的点与所述区边界上的点之间的最小长度。在那个示范性实施例中，每个区宽度限定为所述区内的任何可能最短距离的最大值，即，先导区中可获得的所有最短距离的最大值，的两倍。
[0029]在发射极侧处，布置第一导电型的源区、第二导电型的阱层和具有导电栅极层和绝缘层(其使栅极层与任何掺杂层绝缘)的栅电极以及发射极电极。
[0030]反向传导半导体装置包括在装置中心部分中的电有源区，所述有源区是晶圆中的区域，其包含并且布置在源区、阱层或栅极层中的任何下方(即，在其投影中)。朝向集电极侦U，取决于集电极电极以及集电极侧上第一和第二区的设计，载流子等离子体可散布在如上文限定的有源区之外，但为了该专利申请的目的，有源区应局限于源区、阱层或栅极层下方的区域，即排除载流子等离子体朝向集电极侧的任何横向散布。
[0031 ]必须满足下面几何规则:
-每个先导区区域是第二导电型的区域，其中到任何边界点的任何(即，所有可能)最短距离的最大值大于基极层厚度的两倍，即先导区宽度大于基极层厚度的两倍，其中先导区在先导区边界上由第一区横向环绕，第一区彼此具有小于基极层厚度的两倍的距离，
-至少一个先导区以这样的方式布置在装置的中心部分中，使得混合区横向环绕至少一个先导区，示范性地混合区的宽度(先导区的边界到有源区和终止区之间的界面的距离)是基极层厚度的至少一倍，示范性地是基极层厚度的两倍，
-至少一个第二区是阳极层的那个部分，其不是至少一个先导区，
-至少一个先导区的总面积是混合区的面积的10与45%之间，
-每个第一区宽度小于基极层厚度。
[0032]装置的中心部分从发射极侧延伸到集电极侧并且由终止区域环绕。先导区是P掺杂区域，围绕其布置第一和第二区。布置第一区，使得跨先导区，它们具有比基极层厚度的两倍要大的距离。到下一个相邻第一区(即，在到先导区的边界上)的距离可比那个距离小得多，即第一区可以以小的距离围绕先导区布置，而在先导区的区域中不存在这种η掺杂第一区。因而，混合区(其包括第一和第二区)包围先导区，其中未布置第一区，即第一区未被包围在先导区中。
[0033]在发射极侧上处于对至少一个先导区中的一个的投影中的每个区域中，多个源区具有第一区域密度。在发射极侧上处于到混合区的投影中的每个区域中，多个源区具有第二区域密度。第一区域密度低于第二区域密度，示范性地低于50%、10%或5%。在示范性实施例中，在对先导区的投影中未布置源区。由于源区布置在对混合区的投影中，混合区(或布置在对源区、阱层和栅极层的投影中的混合区的至少该部分)布置在有源区中。
[0034]IGBT沟道可从与发射极电极接触的源区经由基极层到漂移层来形成，即电荷能够从发射极电极流到漂移层。上文描述的现有技术BIGT中的电流(以及载流子等离子体浓度)的不均一性通过设计BIGT的发射极侧以采用其中不存在或存在减少数量的定位在先导区的投影区域中的IGBT沟道的这样的方式补偿由于先导区中局部强阳极引起的高电流密度来在发明的半导体设计中得到改进而不减少先导IGBT大小。在现有技术的装置中，先导区的投影内部和外部的相同IGBT沟道密度使先导区上方的电流密度增加，这在发明的半导体装置中被避免或至少被减少，使得载流子分布在发明的装置中被均衡。这可改进反向偏置安全操作区域(RBS0A)，其是在装置变成断态的短时间期间的安全操作条件。采用二极管模式的装置性能不受影响，因为先导区不包含阴极层I中的任何并且该装置区域是非活动的。
[0035]在示范性实施例中，发射极侧上先导区的投影区域上的空间可用于栅极垫，栅电极通常通过该栅极垫连接到外部触点。
[0036]发明的主题的另外的优选实施例在从属权利要求中公开。
【附图说明】
[0037]本发明的主题将在下面文本中参照附图更详细地解释，其中:
图1示出现有技术的反向传导IGBT上的横截面图；
图2示出根据本发明的反向传导IGBT的第一和第二区的结构的平面图；
图3示出根据本发明的另一个反向传导IGBT的第一和第二区的结构的平面图；
图4和图5示出根据本发明的其他反向传导IGBT的具有第一区的阴极层和具有第二和先导区的阳极层以及栅极垫的结构的平面图；
图6-8示出根据本发明的其他反向传导IGBT的具有第一区的阴极层和具有第二和先导区的阳极层的结构的平面图；
图9示出具有槽栅电极的另一个发明的反向传导IGBT的发射极侧上的层；
图10示出具有增强层的另一个发明的反向传导IGBT的发射极侧上的层；
图11-16示出根据本发明的其他反向传导IGBT的具有第一区的阴极层和具有第二和先导区的阳极层的结构的平面图；以及
图17-19示出根据本发明的其他反向传导IGBT的具有第一区的阴极层和具有第二和先导区的阳极层的结构的平面图；
图20-21示出在IGBT模式关断期间离发射极5 Mi定位的平面中现有技术的装置中的载流子等离子体(空穴密度)浓度；以及
图22示出BIGT关断波形的示例，其示出动态雪崩的开始；以及图23示出根据本发明的反向传导IGBT上的横截面图。
[0038]在图中使用的参考符号和其含意在参考符号列表中被概述。一般来说，相似或者相似功能的部分被给予相同的参考符号。描述的实施例意为示例并且不应该限制本发明。
【具体实施方式】
[0039]在图1中示出发明的反向传导半导体装置200的第一实施例，也称为反向传导绝缘栅双极晶体管(RC-1GBT) AC-1GBT 200包括η型基极层101，其具有:第一主侧，其形成集成IGBT的发射极侧104;和与该第一主侧相对的第二主侧，其形成集成IGBT的集电极侧103。基极层101是(η_)掺杂晶圆100的那个部分，其具有第一低掺杂浓度，通常在成型反向传导绝缘栅双极晶体管中具有未修改掺杂。备选地，装置还能够从P掺杂晶圆开始制造，在该P掺杂晶圆上创建基极层101，例如通过外延生长。在示范性实施例中，基极层厚度102是具有第一掺杂浓度的晶圆的那个部分(即，基极层101的)的集电极侧与发射极侧103和104之间的最大垂直距离。在示范性实施例中，基极层厚度是至少100 μπι(对于约1200V的装置)、至少300μπι(对于约2500V的装置)和至少500 μπι(对于约4500V的装置)。
[0040]在发射极侧104上布置P型阱层4。至少一个η型源区3也布置在发射极侧104上并且它由阱层4环绕。至少一个源区3具有比基极层101要高的掺杂。电绝缘层6布置在发射极侧104上在基极层101、阱和源区4、3顶部。它至少部分覆盖至少一个源区3、阱层4和基极层
101。导电栅极层5布置在发射极侧104上，其通过绝缘层6而与至少一个阱层4、源区3和基极层1I电绝缘。示范性地，栅极层5完全被绝缘层6覆盖。
[0041]通常绝缘层6包括第一电绝缘层61(优选地由二氧化硅制成)，和第二电绝缘层62(优选地也由二氧化硅制成，优选地由与第一电绝缘层61相同的材料制成)。第二电绝缘层62覆盖第一电绝缘层61。对于具有形成为平面栅电极5’(如在图1中示出的)的栅极层5的RC-1GBT 200，第一电绝缘层61布置在发射极侧104顶部。在第一与第二电绝缘层61、62(它们形成绝缘层6)之间嵌入栅极层5，通常它被完全嵌入。因此，栅极层5与基极层101、源区3和阱层4通过第一电绝缘层61而分离。栅极层5通常由重掺杂多晶硅或金属类铝制成。平面栅电极5 ’包括栅极层5和绝缘层6。
[0042]至少一个源区3、栅极层5和绝缘层6以这样的方式形成，使得在阱层4上方创建开口。开口由至少一个源区3、栅极层5和绝缘层6环绕。
[0043]发射极电极8在开口内布置在发射极侧104上，使得它与阱层4和源区3直接电接触。该发射极电极8通常还覆盖绝缘层6，但通过第二电绝缘层62与栅极层5分离并且因此电绝缘。
[0044]在集电极侧103上布置η型阴极层I和P型阳极层2并且阴极层I具有比基极层101的第一掺杂浓度要高的掺杂浓度。阴极和阳极层1、2能够布置在相同平面中，或备选地，它们也能够布置在不同平面中，而来自阴极和阳极层1、2的平面彼此隔开，优选地至少隔开那个层的厚度，其离集电极侧103更远离地布置。具有这种阴极和阳极层1、2的装置布置在不同平面中并且它们的制造方法从具有申请号EP 07150162和EP 07150165的欧洲专利申请获悉。
[0045]半导体装置包括装置200的中心部分中的有源区110(中心区)和终止区111，其一直环绕有源区110至衬底或芯片的边缘。有源区110是其中装置在通态期间传导电流的区域，在IGBT情况下这是MOS单元。有源区是晶圆100内的那个区域，其包含源区3和阱层4并且布置在源区3、阱层4和栅极层5下方。由于在下方，意味着布置在晶圆100中在发射极侧104与集电极侧103之间的区域，在所述区域中布置源区3、阱层4或栅极层5中的任何。
[0046]在终止区域111中，第一和第二区10、20通常布置在集电极侧103上，但备选地，该区也可由单个η掺杂区组成或由单个P掺杂区组成。在终止区域(其中布置集电极侧103上的仅单个η或P区或第一和第二区10、20)内，在发射极侧104上既未布置源区3、阱层4，也未布置栅电极。
[0047]集电极电极9布置在集电极侧103上并且它与至少一个阴极和阳极层1、2直接电接触。通常，选择T 1、N1、Au或Al作为集电极电极9的材料。
[0048]在发明的RC-1GBT200中，在发射极电极8(其在二极管中形成阳极电极)、阱层4(其中的部分形成二极管的阳极层)、基极层101(其中的部分形成二极管的基极层)、n型阴极层1(并且所述层形成阴极层)和集电极电极9(其形成阴极电极)之间形成二极管。
[0049]在发明的RC-1GBT200中，在发射极电极8(其在IGBT中形成发射极电极)、源区3(其形成源区)、阱层4(其中的部分形成沟道区)、基极层101(其中的部分形成IGBT的基极区)、P型阳极层2和集电极电极9(其形成集电极电极)之间形成绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
[0050]作为具有平面栅电极5’的发明的RC-1GBT的备选，发明的RC-1GBT可包括栅极层5，形成为如在图9中示出的槽栅电极5’ ’。槽栅电极5’ ’布置在与阱层4相同的平面中并且邻近源区3，彼此通过第一绝缘层61而分离，该第一绝缘层61也使栅极层5与基极层101分离。第二绝缘层62布置在栅极层5(形成为槽栅电极5’’)顶部，因此使栅极层5与发射极电极8绝缘。
[0051]第一、第二和先导区中的任何具有区宽度和由区边界环绕的区区域。
[0052]在示范性实施例中，最短距离是所述区区域内的点与区边界上的点之间的最小长度。在与集电极侧103平行的平面中测量区宽度。在该示范性实施例中每个区宽度限定为所述区内所有最短距离的最大值的两倍。
[0053]η型阴极层I包括至少一个或多个第一区10，其中每个第一区10具有第一区宽度
11。通常阴极层I包括多个第一区10。
[0054]P型阳极层2包括至少一个或多个第二区20和至少一个或多个先导区22，其中每个第二区20具有第二区宽度21并且先导区22具有先导区宽度23。
[0055]图2示出从图1沿线B-B通过阴极和阳极层1、2的切割(cut)。该线也在图2中指示以便示出RC-1GBT在晶圆100的整个平面上对于阴极和阳极层1、2不具有相同结构。这些是这样的部分，其中阴极和阳极层1、2仅包括第一和第二区10、20，如在图2和图3中示出并且其也在图6、7和8中存在，例如沿线B-B。在RC-1GBT 200的其他部分中，仅先导区22布置在集电极侧103上，该先导区与集电极电极9接触。
[0056]每个先导区区域是这样的区域，其中任何两个第一区10(其布置在先导区22的边界上)在先导区边界上的两个相邻第一区10之间具有小于基极层厚度102的两倍的距离。那意味着至少一个第一区10在与发射极侧104平行的平面中环绕至少一个先导区22，使得具有小于基极层厚度102的两倍的至少一个开口(S卩，其中布置P掺杂第二区20)或没有这类开口的η掺杂区域(S卩，一个或多个第一区)环绕至少一个先导区22。这将包含第一区10是在与发射极侧104平行的平面中环绕先导区22的连续区或通过具有形成为开环(其具有小于基极层厚度102的两倍的开口)的第一区的选项。通过具有围绕先导区22的η掺杂区域，布置P掺杂区域，其具有小于基极层厚度201的两倍的宽度(并且因此形成第二区20)。
[0057]在先导区22中，未布置或未包围第一区。跨先导区22，第一区10具有超过基极层厚度102的两倍的距离。那意味着先导区22可由具有到彼此更小距离的第一区10包围，但跨先导区区域，任何两个第一区10之间的距离可大于基极层厚度102的两倍。在其他示范性实施例中，每个先导区区域具有大于基极层厚度102的2.5倍、特别3倍或4倍的宽度。至少一个第二区是阳极层2的那个部分，其不是至少一个先导区22。
[0058]先导区22(8卩，P掺杂区域)，其中宽度大于基极层厚度102的两倍，以这样的方式布置在装置的中心部分中，使得在先导区边界到有源区和终止区之间的界面之间存在基极层厚度102的至少一倍(特别地，基极层厚度102的两倍)的最小距离。至少一个先导区22的面积总和(总面积)在混合区10、20的面积的10%与45%之间，示范性地在11与43%之间。此外，每个第一区宽度11小于基极层厚度102。
[0059]对于装置(其中在对先导区22的投影中布置源区3)，先导区22变成有源区110的部分并且先导区面积可以在有源区面积的10至30%之间。
[0060]先导区具有先导区区域，使得具有基极层厚度102至少两倍的直径的圆(P掺杂区域)能够在与发射极侧104平行的平面中的整个区区域上铺设(laid)到先导区中。η掺杂区10在该P掺杂先导区22中未被包围。第一区10以彼此小于基极层厚度102两倍(示范性地，基极层厚度102—倍)的距离布置在先导区边界上。
[0061 ] 在示范性实施例中，先导区的宽度可以是至少200 μπι、至少500 μπι或至少1000 μ
m。在另一个示范性实施例中，先导区宽度可以是基极层厚度102的至少2、2.5、3或4倍。
[0062]第二区20和第一区10形成短路区。第二区20是P掺杂区，其不是先导区22。在另一个示范性实施例中，至少一个第二区宽度21等于或大于基极层厚度102的一倍(但小于基极层厚度102的两倍)，特别地，每个第二区宽度21等于或大于基极层厚度102，并且每个第一区宽度11小于基极层厚度102。
[0063]在另一个示范性实施例中，第二和先导区20、22的总面积对中心区中晶圆100总面积(即，先导区面积加上第一和第二区面积，其是有源区110的部分)在70%多至90%之间。在这种装置中，第一区10总面积对第二区20加上先导区22的面积在10%至45%之间(其对应于中心面积的1至30%)。
[0064]在另外的优选实施例中，至少一个先导区22的总面积在混合区的18至33%之间并且示范性地在22至28%之间(S卩，中心面积的15至25或18至22，约20%)。
[0065]对于第一和第二区10、20的典型设计是条带设计(如图2、17和22、23中示出的)。然而，任何适合的设计可用于第一和第二区。
[0066]短路第一和/或第二区10、20的宽度11、21在整个晶圆区域上能够是恒定的，使得第一和先导区10、20以规则几何方式布置在晶圆100上，如例如在图2和图3中示出的，但它们的宽度在晶圆100上也可变化。在第二区20形成为条带的情况下，条带能够被环绕为第一区，如在图3中示出的。
[0067]在图17至19中，仅示出装置的有源区110。终止区111，其中通常布置第一和第二区
10、20，但备选地，该区还可由η掺杂区组成或由P掺杂区组成，环绕有源区110。
[0068]由于在装置中存在大的先导区22，去除初始快回。因为余下的第二区20具有更小尺寸，在这些P掺杂区相继导通时可存在二次快回并且在通态特性中引起负阻跳(negativeresistance jump)。通过接近先导区具有带有更大宽度的第二区20并且通过使后续第二区的宽度减小，实现平滑过渡，快回效应通过其而进一步降低或甚至避免。
[0069]在发射极侧104上处于对先导区22的投影中(直接与之相对)的每个区域中，多个源区3具有第一区域密度31。在发射极侧104上处于对混合区(第一和第二区10、20)的投影中的每个区域中，多个源区3具有第二区域密度31。第一区域密度31低于第二区域密度32。那意味着在发射极侧104上的先导区22的投影中，未布置源区或至少源区的区域密度比在混合区的投影中的小得多。“在投影中”将意味着区域或层与另一个层/区域并且与集电极侧103平行布置。层/区域处于彼此直接相对而没有横向移位。
[0070]在其他示范性实施例中，第一区域密度31低于第二区域密度32的50%或低于10%或低于5%。在另一个示范性实施例中，在对先导区22的投影中没有布置的源区3。在该情况下，对先导区22的投影中的区未有助于装置的有源区110，但先导区22由混合区10、20(其是有源区110的部分)包围。
[0071]图23示出发明的RC-1GBT上的横截面图。在图的中间部分，布置先导区22，在其上(即，在对其的投影中)源区3与区域中的第二区域密度32相比具有减少的第一区域密度31，其中混合第一和第二区10、20布置在集电极侧103上。为了清楚原因，在图中，在发射极侧104上示出MOS单元250来代替源区3，并且因此，代替源区的密度31、32。每个MOS单元250包括栅电极5’、源区3和阱层4以及源区3和阱层4到发射极电极8的触点，使得可从发射极电极8形成到基极层101的沟道。图示出减少的第一区域密度31，但在先导区22上可还根本未布置源区。
[0072]在与先导区22相对(S卩，在对先导区22的投影中)的该区域中，对于栅电极5的外部触点的栅极垫55可布置在发射极侧104上(图4)。栅极垫55用于使栅电极5电连接到外部触点。这种栅极垫55示范性地布置在装置的有源区110中。由于在该区中没有或至少减少的区域用于源区，空间对于这种栅极垫55是可用的，从而在需要的位置释放有源区域。备选地，这种栅极垫55可独立布置在有源区110内的任何其他地方处，例如在有源区110的拐角(图5)0
[0073]在示范性实施例中，先导区22由单个区组成(如在图6、7、8、11、12和13中示出的)。先导区备选地还可包括多个区，其彼此分离基极层厚度102的至多两倍、特别地基极层厚度102的至多一倍(图14、15、16)。在先导区22包括多个区的情况下，通常第一区10布置在属于先导区22的两个区之间或至少中间空间包括第一区10，即中间空间包括第一和第二区10、
20 ο
[0074]在另一个示范性实施例中，第一区10在晶圆100上布置为条带。多个条带以行布置并且多个这类行在有源区110内以列布置(图2)。
[0075]在另一个示范性实施例中，先导区22连接到有源区110内的每个第二区20(图17)。
[0076]先导区或多个区22在另一个优选实施例中具有正方形、矩形、圆形、星形、菱形、三星或多边形形状(像六边形或另一个多角设计)。
[0077]图6示出具有正方形形状的这种先导区22，而图7示出具有圆形形状的先导区22。在图6至图8中，为了清楚的原因，第一和第二区10、20仅通过对用10、20指定的区域的阴影线(hatch)来指示，但阴影线区域意为交替第一和第二区10、20的区域，如例如在图2和图3中示出的。
[0078]最短距离是所述区区域内的点与所述区边界上的点之间的最小长度。所述区内的所有可能最短距离(即，任何可能距离)的最大值对于正方形设计是正方形的中心点到边界线中的任何的中点之间的距离。这是使装置切换期间电荷均衡的最长距离。区宽度限定为该最大值的两倍，即宽度是正方形的边缘的长度。
[0079]对于如在图7中示出的先导区22的圆形形状，先导区宽度23对应于先导区的直径(再次从圆形的中心点到圆形先导区边界上的任何点测量最大值)。
[0080]通过先导区22具有带细长手指(凸出)的星形形状，与例如带十字形形状一样，热分布能够被改进，因为热在该IGBT区域中产生而不必增加先导区22的大小。星形形状将意味着区的任何中心区域，其由具有至少三个这类凸出的凸出(手指)所环绕。如在图8中示出的十字形由四个这类凸出形成。当然，能够在星形设计中使用除四个以外的另一数量的手指，如在三角形(三臂星形或三星形状)中的三个手指或在星形设计中的五个或更多手指。
[0081]在示范性实施例中，手指将理解为区域，其中宽度小于那个区域的长度。这类手指能够形成为十字形(图8)，但当然也能够使用除4以外的另一数量的手指，如在三角形中的三个手指或在星形设计中的5个或更多手指。
[0082]图8示出以十字形形式的第二先导区22。为了解释对于该情况的最短距离的最大值(先导区宽度23)是什么，十字形假设分成四个外部矩形和中央矩形。从十字形的中央矩形的中点到四个点中的一个存在十字形区内的点到十字形区的边界之间的任何最短距离的最大值，在这四个点上两个相邻外部矩形邻接。先导区宽度23(其是该最大值的两倍)示出为虚线。最大值是电子或空穴必须流动以便如果装置在导通/关断之间切换或反之亦然则对区充电或放电的最长方式。
[0083]图18示出发明的装置的另一个示范性实施例，其中以正方形设计的先导区22连接到第二区20，其延伸到有源区110的边界。在装置包括多个先导区22的情况下，这些区22通过第二区20而彼此互连。在另一个示范性实施例中，第二区20(其扩展到有源区110的边界)径向布置在至少一个先导区与有源区的边界之间。通过“径向”它意味着第二区星状围绕先导区22布置，使得第二区是到有源区边界的短连接。图19示出以十字形设计的先导区并且图17以条带设计。在这些图中，仅第二区的一部分从先导区边界辐射到有源区边界并且因此形成最短连接。例如在正方形、矩形或星形的拐角中，第二区延伸，使得第一区之间的距离未变大(即，满足对于第一区距离的几何规则)。
[0084]由于存在大的先导区(具有基极层厚度的至少两倍的宽度)作为装置中的先导区，去除初始快回。由于第二区的更小的大小，如果第二区从先导区断开，在这些P掺杂区相继导通时可存在二次快回并且在通态特性中引起负阻跳。通过使先导区连接到第二区，并且通过使第二区在先导区到有源区与终止区之间的界面之间径向延伸，快回效应进一步降低或甚至避免。
[0085]如还在图1中示出的，在另一个实施例中，RC-1GBT 10可进一步包括η型缓冲层7，其分别布置在基极层101与阴极和阳极层1、2之间，并且所述缓冲层7具有比基极层101高的掺杂浓度。
[0086]缓冲层7优选地具有至多l*1016cm—3的最大掺杂浓度。
[0087]在图10中示出的另一个优选实施例中，η掺杂增强层41布置在阱层4与基极层101之间以便具有更低通态损耗。增强层41使阱层4与基极层101分离并且它具有比基极层101要高的掺杂浓度。增强层41能够在平面栅设计以及槽栅设计中存在。
[0088]在另一个实施例中，切换层的导电型，即第一导电型的所有层是P型(例如，基极层101)并且第二导电型的所有层是η型(例如，阱层4)。
[0089]发明的反向传导半导体装置200能够例如在转换器中使用。
[0090]参考列表
1.阴极层
10.第一区
11.第一区的宽度
2.阳极层
20.第二区
21.第二区的宽度
22.先导区
23.先导区的宽度
3.源区
31.第一区域密度
32.第二区域密度
4.阱层 41.增强层
5.5 ’.栅极层 55.栅极垫
6.绝缘层
61.第一电绝缘层
62.第二电绝缘层
7.缓冲层
8.发射极电极
9.集电极电极
100.晶圆
101.基极层
102.基极层厚度
103.集电极侧
104.发射极侧
110.有源区
111.终止区域
112.先导区边界到有源区边界之间的距离 200.RC-1GBT
250.MOS单元。
【主权项】
1.一种反向传导半导体装置(200)，所述反向传导半导体装置(200)包括在共同晶圆(100)上的续流二极管和绝缘栅双极晶体管，所述晶圆(100)的部分形成具有第一掺杂浓度和基极层厚度(102)的第一导电型的基极层(101)，其中 所述绝缘栅双极晶体管包括所述晶圆(100 )的集电极侧(103)和与所述集电极侧(103 )相对的发射极侧(104)，其中 所述基极层厚度(102)是具有所述第一掺杂浓度的所述晶圆的那个部分的所述集电极侧与发射极侧(103、104)之间的最大垂直距离， 所述第一导电型和比所述第一掺杂浓度要高的掺杂浓度的阴极层(I)以及与所述第一导电型的不同的第二导电型的阳极层(2)交替布置在所述集电极侧(103)上，其中 所述第一导电型的多个源区(3)、所述第二导电型的阱层(4)和具有导电栅极层(5)的栅电极布置在所述发射极侧(104)上，所述导电栅极层(5)通过第一绝缘层(61)而与所述第一或第二导电型的任何层绝缘，其中 所述阴极层(I)包括至少一个第一区(10)，其中每个第一区(10)具有第一区宽度(11)，其中 所述阳极层(2)包括至少一个第二区(20)，其中每个第二区(20)具有第二区宽度(21)，和至少一个先导区(22)，其中每个先导区(22)具有先导区宽度(23)，其中任何区具有区宽度和由区边界环绕的区区域，其中最短距离是所述区区域内的点与所述区边界上的点之间的最小长度， 每个区宽度限定为所述区内所有最短距离的最大值的两倍， 所述反向传导半导体装置(200)包括所述装置(200)的中心部分中的有源区(110)，所述有源区(110)是所述晶圆(100)内的区域，所述有源区(110)包含并且布置在所述源区(3)、阱层(4)和栅极层(50)的投影中， 其中每个先导区区域是具有所述基极层厚度(102)的至少两倍的宽度的区域， 其中所述先导区(22)在所述先导区边界上由第一区(10)横向环绕，所述第一区(10)彼此具有小于所述基极层厚度(102)的两倍的距离， 其中所述至少一个第二区(20)是所述阳极层(2)的那个部分，所述那个部分不是所述至少一个先导区(22)， 其中混合区包括所述至少一个第一和第二区(10、20)， 其中所述至少一个先导区(22)布置在所述装置(200)的所述中心部分中，使得所述混合区横向环绕所述至少一个先导区(22)， 其中所述混合区具有所述基极层厚度(102)的至少一倍的宽度， 其中 所述至少一个先导区(22)的总面积在所述混合区的所述面积的10%与45%之间，其中 每个第一区宽度(11)小于所述基极层厚度(102)，其特征在于 在所述发射极侧(104)上处于对所述至少一个先导区(22)中的一个的投影中的每个区域中，所述多个源区(3)具有第一区域密度(31)，特征在于 在所述发射极侧(104)上处于对所述混合区的投影中的每个区域中，所述多个源区(3)具有第二区域密度(32)，并且特征在于 所述第一区域密度(31)低于所述第二区域密度(32)。2.如权利要求1所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于所述第一区域密度(31)是所述第二区域密度(3 2 )的至多50%或至多10%或至多5%。3.如权利要求1所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于所述第一区域密度(31)是零。4.如权利要求1至3中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于对于所述栅电极(5)的外部触点的栅极垫布置在发射极侧(104)上，所述发射极侧(104)与对所述至少一个先导区(22)的投影重叠。5.如权利要求1至4中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于至少一个或每个第二区宽度(21)大于所述基极层厚度(102)。6.如权利要求1至5中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于 每个先导区区域具有所述基极层厚度(102)的至少2.5或3或4倍的宽度。7.如权利要求1至6中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于所述先导区(22)具有正方形、矩形、圆形、星形、菱形或六边形形状。8.如权利要求7所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于所述先导区(22)具有星形形状，其中三个凸出形成三星、四个凸出形成十字形或五个或更多凸出。9.如权利要求1至8中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于所述至少一个先导区(22)连接到至少一个或每个第二区(20)。10.如权利要求9所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于所述至少一个先导区(22)是单个先导区或特征在于至少两个先导区(22)经由第二区(20)彼此互连并且特征在于所述单个先导区或所述至少两个先导区连接到第二区(22)，其延伸到所述有源区(110)的所述边界。11.如权利要求1至10中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于所述第一区(1、12 )的所述总面积对所述第二区(20 )加上先导区(22 )的所述面积在10%至45%之间。12.如权利要求1至11中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于 所述至少一个先导区(22)的所述总面积在所述混合区的18%与33%之间或22与28%之间。13.如权利要求1至12中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于 所述至少一个先导区(22)由单个区组成或特征在于所述至少一个先导区(22)包括彼此分离所述基极层厚度(102)的至多两倍、特别所述基极层厚度(102)的至多一倍的多个区。14.如权利要求1至13中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于 所述混合区具有所述基极层厚度(102)的至少两倍的宽度。15.如权利要求1至14中任一项所述的反向传导半导体装置(200)，其特征在于 所述栅电极形成为槽栅电极(5)或平面栅电极(5’)。
【文档编号】H01L29/08GK105830221SQ201480070644
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月22日
【发明人】L.斯托拉斯塔, C.科瓦斯塞, M.勒-加尔洛, M.拉希莫
【申请人】Abb 技术有限公司