具有栅环的改进定中心和固定的关断功率半导体装置及其制造方法与流程

本发明涉及如权利要求1的序言所述的关断功率半导体装置以及涉及用于制造这种关断功率半导体装置的方法。

背景技术：

从US 2009/096503 A1已知一种栅关断晶闸管(GTO)，其中衬底的栅电极由环形接触元件来接触。环形钝化(passivation)构件设置在半导体衬底的边缘，包围环形栅接触元件。

从JP 07-312420 A已知一种栅关断晶闸管(GTO)，其中针形环栅框电极焊接在半导体装置的栅电极表面上。绝缘涂层材料覆盖半导体装置的边缘。

从US 4370180 A已知一种栅关断晶闸管(GTO)，其中衬底的周边通过用于钝化的硅橡胶来封装。

已知的现有技术关断功率半导体装置包括栅关断晶闸管(GTO)和集成栅换向晶闸管(IGCT)。一种已知关断功率半导体装置包括晶片，其具有第一主侧、与第一主侧平行并且沿侧向延伸的第二主侧、有源区以及侧向包围有源区的端接区。在有源区中，提供第一主侧与第二主侧之间的多个晶闸管单元。晶闸管单元的每个按照从第一主侧到第二主侧的顺序包括阴极电极、n型阴极半导体层、p型基底半导体层、n型漂移半导体层、p型阳极半导体层和阳极电极。各晶闸管单元还包括栅电极，其设置在阴极半导体层的侧向，并且接触基底半导体层。栅电极实现为栅金属化层，其电连接到环形栅接触件，以用于将多个晶闸管单元的所有栅电极连接到控制电路。在已知关断功率半导体装置中，环形栅接触件在晶片的第一主侧的端接区中形成，并且包围有源区。

作为边缘钝化，已知关断功率半导体装置还包括橡胶环，其设置在端接区上并且包围有源区。用于从外部接触环形栅接触件的导电栅环在橡胶环中设置于环形接触件上并且电连接到环形接触件。

还已知一种具有内环形栅接触件的关断功率半导体装置，该内环形栅接触件不是位于晶片的端接区或外边缘区上，而是位于晶片的内区域。本文中，术语“外”和“内”涉及与晶片的第一主侧平行的平面中离晶片中心的距离。内环形栅接触件形成为环，其中具有在晶片中心的中心以及是晶片半径的大约一半的半径。

关于装置性能，晶片的端接区上的环形栅接触件与内环形接触件相比具有如下优点：

（i）包括将栅环连接到控制电路的栅引线的栅电路能够具有更低阻抗。

（ii）压到多个晶闸管单元的阴极电极上以用于将多个晶闸管单元的阴极电极电连接到主电流线的阴极极片不需要具有用于将栅环连接到控制电路的栅引线的任何通道或馈通。其优点在于，能够使用于将阴极极片压到多个晶闸管单元的阴极电极上的压力以及还有阴极极片的冷却更为均质。

（iii）在晶片具有集成续流二极管的IGCT中，用于晶闸管单元的有效面积(active area)与用于集成续流二极管的面积之间的比率能够在0%与100%之间自由选择。

在另一侧，在上述已知关断功率半导体装置中，放置于晶片的端接区或边缘区的环形栅接触件的使用与内环形接触件相比具有消耗晶片的更大面积的缺点。原因在于，环形栅接触件的宽度对于两种配置必须是相同的。例如，对于68 mm晶片，对于内环形栅接触件放置在R/2处(其中R是晶片的半径)，3 mm宽环形栅接触件消耗可用晶片面积的9%，但是当环形栅接触件放置于晶片的边缘区时消耗可用晶片面积的20%。这意味着，使用边缘区上的环形接触件消耗可用晶片面积的额外的11%。

在用于制造上述关断功率半导体装置的已知方法中，橡胶环首先通过在栅环(gate ring)被定中心并且固定到晶片之前进行模塑(molding)来形成。

因此，橡胶环几何结构的容差以及相对于晶片对栅环定中心的容差相加。对于68 mm晶片，这些容差能够合计为1 mm的直径。橡胶环几何结构的容差主要是使用全氟烷氧基树脂(PFA)作为模具的涂层的已知模塑过程固有的。采用PFA来涂敷模塑腔具有固有容差。另外，加热模具和夹具，以减少循环时间，以及模具和夹具的尺寸取决于温度。

为了补偿这些容差，环形栅接触件的宽度必须增加。在环形栅接触件的宽度对68 mm晶片增加1 mm的情况下，对于环形栅接触件放置在晶片的边缘消耗可用晶片面积的8%，但是对于内环形栅接触件仅消耗可用面积的3%。

为了使具有处于晶片边缘的环形栅接触件的装置中的有效面积为最大，栅环必须放置成尽可能靠近橡胶环。这涉及栅环的接触面积的一部分(其预计被压到环形栅接触件上)是压到橡胶环上，而不是压到环形栅接触件上。这能够引起晶片的破裂、橡胶环的损坏或者电气故障(栅环与环形栅接触件之间的非均质接触)。

技术实现要素：

本发明的目的是使用于可靠地接触关断功率半导体装置中的至少一个晶闸管的栅电极的晶片的端接或边缘区上的环形接触件所消耗的面积为最小。

此目的通过如权利要求1所述的关断功率半导体装置以及通过如权利要求7所述的用于制造这种关断功率半导体装置的方法来实现。

在如权利要求1所述的关断功率半导体装置中，栅环的外圆周表面与橡胶环相接触，以限定橡胶环的内边界。本文中，术语“外”和“内”涉及与晶片的第一主侧平行的平面中离晶片中心的距离。具体来说，栅环的外圆周表面是栅环的表面上沿与第一主侧平行的方向背离晶片中心的那个部分。橡胶环的内边界是在与第一主侧平行的所有平面中朝向晶片中心的边界。

相应地，因为对于栅环与橡胶环之间的距离不再存在容差，所以使装置的有效面积为最大。此外，如权利要求1所述的关断功率半导体装置的优点在于，不存在橡胶环因栅环相对于晶片的不良定中心而被栅环的接触面积所按压的危险，因为栅环限定橡胶环的内边界。

在从属权利要求中规定本发明的其他发展。

在优选实施例中，橡胶环与环形接触件的外部部分重叠。这个优选实施例的优点在于，它能够确保栅环与环形接触件的可靠接触。

在另一个优选实施例中，橡胶环具有大于晶片的直径的外径，并且覆盖晶片的圆周侧表面，其将第一主侧连接到第二主侧。这个特征的优点在于，橡胶环提供晶片的有效边缘钝化。

在如权利要求7所述的用于制造本发明的关断功率半导体装置的方法中，栅环在用于模塑橡胶环的模塑步骤期间用作模具的内侧壁。这样，橡胶环的内边界能够通过栅环可靠地限定。

在用于制造本发明的关断功率半导体装置的方法的优选实施例中，栅环在模塑步骤之前通过栅环定中心引导件来定中心到晶片，以及模具包括顶部模具部分和底部模具部分，其中栅环定中心引导件是顶部模具部分的组成部分。这个优选实施例允许栅环和橡胶环相对于晶片的可靠有效定中心。

在用于制造本发明的关断功率半导体装置的方法的另一个优选实施例中，栅环在模塑步骤之前通过接合技术来固定到环形接触件。那个优选实施例的优点在于，在栅环的接触面积与环形接触件之间能够不形成间隙，并且因此在模塑过程期间，没有液态橡胶能够在栅环的接触面积下面。这样，能够更可靠的进行栅环与环形接触件之间的电接触。

附图说明

下面将参照附图来说明本发明的详细实施例，附图包括

图1是按照本发明的第一实施例的关断功率半导体装置的截面；

图2A沿图2B的线条AA’的按照图1所示本发明的第一实施例的关断功率半导体装置的晶片的一部分的截面；

图2B是图1所示关断功率半导体装置的晶片的第一主侧的顶视图；

图3是包含在陶瓷壳体中的状态的图1的关断功率半导体装置的边缘部分的截面；

图4是示出在用于制造按照本发明的第一实施例的关断功率半导体装置的方法中用于在将液态橡胶注入模具之前在晶片边缘来模塑橡胶环的模具的截面图；

图5是示出在用于制造按照本发明的第一实施例的关断功率半导体装置的方法中用于在将液态橡胶注入模具之后模塑橡胶环的模具的截面图；以及

图6是示出在用于制造按照本发明的第二实施例的关断功率半导体装置的方法中用于在将液态橡胶注入模具之前在晶片边缘来模塑橡胶环的模具的截面图。

在参考标号列表中概括附图中使用的参考标号及其含意。一般来说，相似元件在本说明书中通篇具有相同参考标号。所述实施例意在作为示例而不是限制本发明的范围。

具体实施方式

图1通过截面所示的按照本发明的第一实施例的关断功率半导体装置是反向导通集成栅换向晶闸管(RC-IGCT) 1，其包括晶片10、导电栅环60和橡胶环70。如在图2A(其示出沿图2B中的线条AA’的晶片10的截面)中能够最好地看到，晶片10具有第一主侧11和第二主侧12，其与第一主侧11平行并且沿侧向延伸。晶片包括有源区16(内区域)以及包围有源区16的端接区(边缘区)15。在晶片10的有源区16中，在第一主侧11与第二主侧12之间提供多个晶闸管单元2和单个续流二极管3。

各晶闸管单元2从晶片10的第一主侧11到第二主侧12包括第一阴极电极21、n⁺掺杂阴极半导体层22、p掺杂基底半导体层23、n^-掺杂漂移半导体层24、示范的缓冲半导体层25、p⁺掺杂第一阳极半导体层26和第一阳极电极27。其中，缓冲半导体层25朝第二主侧12具有升高掺杂浓度，而漂移半导体层24具有近似恒定掺杂浓度。

此外，各晶闸管单元2具有栅电极20，其设置在阴极半导体层22侧向的晶片10的第一主侧11上，并且接触基底半导体层23，但是与第一阴极电极21和阴极半导体层22分隔。其中，术语“侧向”涉及沿作为与第一主侧11平行的方向的侧向的位置。

在示范圆形晶片10的中心C，设置集成单个续流二极管3，其截面(沿图2B的线条AA’)也能够在图2A中看到。续流二极管3从晶片10的第一主侧11到第二主侧12包括第二阳极电极31、p掺杂第二阳极半导体层32、n⁺掺杂第二阴极半导体层33(其通过n^-掺杂漂移半导体层24与p掺杂第二阳极半导体层32分隔)和第二阴极电极34。

RC-IGCT 1中的多个晶闸管单元2的布置能够在图2B中看到，图2B示出晶片10的第一主侧11的顶视图。RC-IGCT 1的阴极半导体层22按照条形状来形成，其中其纵向沿径向(其是从晶片10的中心C延伸并且与晶片10的第一主侧11平行)对齐。此外，条将被理解为层，其通过具有通常相互平行设置的两个较长侧沿一个方向(其是它们的纵向)具有比沿其他方向要长的延伸。多个条形阴极半导体层22按照同心环围绕晶片10的中心来设置。在晶片10的端接区15上，设置环形接触件40，多个晶闸管单元2的所有栅电极20与其电连接。晶闸管单元2的栅电极20、环形接触件40以及它们之间的连接实现为包围所有阴极半导体层22的栅金属化层。

另外，当第一主侧11被看作装置的上侧而第二主侧12被看作装置的下侧时，栅金属化层的上侧处于比多个晶闸管单元2的第一阴极电极21的上侧要低的水平。

图1所示的橡胶环70设置在晶片10的端接区15上，并且包围装置1的有源区16。用于从外部接触环形栅接触件40的栅环60在橡胶环70中设置于环形接触件40上并且电连接到环形接触件40。此外，栅环60优选地通过接合连接而固定到环形接触件40。栅环60的外圆周表面61与橡胶环70相接触，以限定橡胶环70的内边界。优选地，橡胶环60通过被模塑到栅环60的外圆周表面来固定到栅环70。如在图1中能够看到，橡胶环70沿到晶片10的第一主侧11上的正交投影与环形接触件40的外部部分重叠。栅环60的上表面和橡胶环70的上表面形成与晶片10的第一主侧平行的平面中延伸的连续表面。其中，栅环60和橡胶环70的上表面是背离晶片10的第一主侧的表面。

多个晶闸管单元2的第一阳极电极27和续流二极管3的第二阴极电极34实现为晶片10的第二主侧12上形成的金属化层50。由钼或钼铜合金所制成的阳极盘80通过将要与金属化层50电接触的接合连接(例如低温接合、焊接、胶合等)来固定到金属化层50。因此，阳极盘80与多个晶闸管单元2的第一阳极电极27并且与续流二极管3的第二阴极电极34相接触。阳极盘80的外侧表面81通过橡胶环70来覆盖。此外，橡胶环70具有大于晶片10的直径的外径，并且覆盖晶片10的圆周侧表面17，其将第一主侧11连接到第二主侧12。

图3中，示出被安装在陶瓷壳体300中时的关断功率半导体装置1的边缘部分的截面。由钼或者包含钼和另一种金属的合金(示范地为像阳极盘80的钼铜合金)压到晶片10的第一主侧11上，以接触多个晶闸管单元2的第一阴极电极21和续流二极管3的第二阳极电极31。经过阴极极片311，阴极接触盘310电连接到外部可访问的主阴极接触件315以及经过辅助阴极引线330电连接到栅控制电路(附图中未示出)的阴极端口。经过阳极极片85，阳极盘80电连接到外部可访问的主阳极接触件316。栅环60电连接到栅引线340，其经过陶瓷壳体300中的馈通将栅环60连接到栅控制电路(附图中未示出)的栅端口。

接下来将参照图4和图5描述用于制造按照本发明的第一实施例的关断功率半导体装置的方法。

在用于制造按照本发明的第一实施例的关断功率半导体装置的方法中，栅环70通过注入模塑来模塑。如图5所示，用于模塑橡胶环70的模具包括顶部模具部分410、作为模具的外侧壁的圆筒模具部分420以及底部模具部分430。其中，圆筒模具部分420能够是独立部分，其与顶部模具部分410分离并且与底部模具部分430分离，或者它能够是顶部模具部分410或者底部模具部分430的集成部分。如以后描述，栅环60将用作模具的内侧壁。顶部模具部分410、圆筒模具部分420和底部模具部分430涂敷有PFA(全氟烷氧基树脂)。

在执行模塑橡胶环70的步骤之前，阳极盘80通过接合技术(其能够提供金属化层50与导电阳极盘80之间的电连接)来接合到晶片10的金属化层50。

此后，栅环60由定中心引导件相对于晶片10来定中心。定中心引导件能够是独立部分，或者是上模具部分410的集成部分。当栅环60相对于晶片10来定中心时，它则通过接合技术(例如低温接合、焊接或胶合)来固定到晶片，其中接合技术提供栅环60与环形接触件40之间的电连接。

在该方法的后一步骤中，包括栅环60和阳极盘80的晶片10安装在包括顶部模具部分410、圆筒模具部分420和底部模具部分430的模具中。其中，真空夹持460用来相对于模具来固定晶片10。

如图4所示，栅环60用作用于模塑橡胶环70的模具的内侧壁。作为下一个步骤，液态橡胶经过圆筒模具部分中的入口开口440来注入。硅橡胶能够用于模塑橡胶环70。虽然液态橡胶经过入口开口440来注入，但是模具中的空气能够经过圆筒模具部分420中的出口开口450离开模具。注入液态橡胶，使得栅环60的上表面和液态橡胶(即，硬化之后的橡胶环70)的上表面形成与晶片10的第一主侧平行的平面中延伸的连续表面。图5示出包括阳极盘80以及在将液态橡胶注入模具之后组装有顶部模具部分410、圆筒模具部分420和底部模具部分430的栅环60的晶片10。橡胶环70的负形通过上模具部分410、圆筒模具部分420、底部模具部分430、晶片10、阳极盘80和栅环60来确定。在模塑步骤期间，上模具部分410和底部模具部分430按压在一起，以将晶片10、栅环60和阳极盘80夹在上模具部分410与底部模具部分430之间。

在液态橡胶的硬化之后，能够移开顶部模具部分410、圆筒模具部分420和底部模具部分430，并且完成制造如图1所示的按照第一实施例的关断功率半导体装置。

接下来将参照图6来描述用于制造按照本发明的第二实施例的关断功率半导体装置的方法，图6是示出用于在将液态橡胶注入模具之前在晶片10的边缘来模塑橡胶环的模具的截面图，其中包括栅环60的晶片10组装到上模具部分410、圆筒模具部分420和底部模具部分435。用于制造按照第二实施例的关断功率半导体装置的方法与以上对图4和图5所述的方法极为相似。相应地，下面将仅描述与以上所述方法的差异。在用于制造按照第二实施例的关断功率半导体装置的方法中，阳极盘80在用于模塑橡胶环70的模塑步骤之前没有接合到晶片10。对图6所述的方法中使用的底部模具部分435与底部模具部分430的不同之处在于，还在边缘区中的晶片10的第二主侧上提供用于形成橡胶环的凹口436。在这里要注意，底部模具部分与晶片10的接触面积必须沿到晶片10的第一主侧11上的正交投影重叠栅环60与晶片10的接触面积，以便在模塑期间栅环压到晶片10上时避免晶片的破裂。

本领域的技术人员将清楚地知道，上述实施例的修改是可能的，而没有背离如所附权利要求书所限定的本发明的思路。

本发明的关断功率半导体装置描述为RC-IGCT。但是，本发明的关断功率半导体装置不一定必须是RC-IGCT，而能够是具有权利要求1的特征的任何其他种类的关断功率半导体装置、例如反向阻塞IGCT或栅关断晶闸管(GTO)。

上述实施例采用特定导电类型来说明。可能切换上述实施例中的半导体层的导电类型，使得描述为p型层的所有层是n型层，而描述为n型层的所有层是p型层。例如，在修改的第一实施例中，晶闸管单元可包括p⁺掺杂阴极半导体层、n掺杂基底半导体层、p掺杂漂移半导体层、p⁺掺杂缓冲半导体层和n掺杂第一阳极半导体层。

阳极盘和栅环的材料描述为钼或者钼铜合金。但是，也有可能使用其他导电材料。

在用于制造关断功率半导体装置的方法的上述实施例中，描述成在相对于晶片对栅环定中心之后并且在模塑步骤之前通过接合技术(例如低温接合、焊接或胶合)将栅环固定到晶片。但是，也有可能例如通过在模塑期间将栅环压靠晶片，来将晶片暂时保持到位。在橡胶的模塑和初始交联(硬化)之后，栅环通过橡胶环保持为固定到位。

应当注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。也可组合与不同实施例结合描述的元件。

参考标号列表

1 反向导通IGCT (RC-IGCT)

2 晶闸管单元

3 续流二极管

10 晶片

11 第一主侧

12 第二主侧

15 端接区

16 有源区

20 栅电极

21 第一阴极电极

22 阴极半导体层

23 基底半导体层

24 漂移半导体层

25 缓冲半导体层

26 第一阳极半导体层

27 第一阳极电极

31 第二阳极电极

32 第二阳极半导体层

33 第二阴极半导体层

34 第二阴极电极

40 环形接触件

60 栅环

61 外圆周表面

70 橡胶环

80 阳极盘

85 阳极极片

81 外侧表面

300 陶瓷壳体

310 阴极接触盘

311 阴极极片

315 主阴极接触件

316 主阳极接触件

330 辅助阴极引线

340 栅引线

410 顶部模具部分

420 圆筒模具部分

430 底部模具部分

435 底部模具部分

440 入口开口

450 出口开口

C 晶片中心。