半导体器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本文所述的实施例涉及功率器件、故障保护电路、功率逆变器和斩波器应用程序。
【背景技术】
[0002]在功率系统中提供可以传导额定电流的功率器件。在功率系统中发生故障或短路的情况下，功率器件被阻断以避免功率器件的损坏。例如，对于为功率逆变器提供的功率器件而言，在功率逆变器故障或短路(例如电桥短路)的情况下，开关被脉冲阻断以避免功率器件和整个逆变器系统的损坏。然而，这导致被连接到功率逆变器的负载的不对称短路。在被连接到功率逆变器的风力涡轮机的发电机的情况下，在风力涡轮机中发生可导致风力涡轮机毁坏的机械应力(具体地以交变扭矩的形式)。
[0003]鉴于上述内容，需要进行改进。期望一种能够使负载短路对称的功率器件。因此，设想开发一种能够在没有去饱和作用的情况下传导达到额定电流的20倍的电流的功率器件。
【发明内容】
[0004]根据实施例，一种功率器件包括具有定义功率器件的有效面积(activearea)的多个可开关晶胞(cell)的半导体基底，所述可开关晶胞中的每一个具有发射极区以及集电极区、与可开关晶胞的发射极区进行欧姆接触的发射极金属化件以及与可开关晶胞的集电极区进行欧姆接触的集电极金属化件。所述有效面积包括第一可开关区和不同于第一可开关区的第二可开关区，其中，第一和第二可开关区中的每一个包括可开关晶胞中的一个或多个的至少一部分。第一可开关区具有在定义器件阈值的5V至1V范围内的第一阈值，在所述器件阈值下功率器件变得导电以便在发射极金属化件与集电极金属化件之间连续地传导功率器件的额定电流。其中，第二可开关区具有在定义功率器件的浪涌阈值的15V至25V范围内的第二阈值，在该浪涌阈值下，功率器件变得可操作用于在发射极金属化件与集电极金属化件之间传导浪涌电流，其中，功率器件的浪涌电流为功率器件的额定电流的至少五倍大。根据实施例，功率器件可以是IGBT。
[0005]根据实施例，一种用于功率系统的故障保护电路包括功率器件，其中，所述功率器件具有与功率器件的集电极区进行欧姆接触的集电极端子和与功率器件的发射极区进行欧姆接触的发射极端子，其中，集电极端子和发射极端子可与将受到故障保护电路保护的功率系统的各输入端子相连。故障保护电路还包括可操作用于针对功率系统检测过电压或过电流的检测电路，其中，该检测电路可操作用于施加等于或高于功率器件的第二阈值的电压，以在功率系统的输入端子之间传导浪涌电流，并因此使功率系统的输入端子短路。根据实施例，功率器件可以是IGBT。
[0006]根据实施例，功率逆变器包括电桥电路，其包括第一半桥，该第一半桥包括被连接在第一节点与中间电路存储器的高侧节点之间的高侧功率器件以及被连接在第一节点与中间电路存储器的低侧节点之间的低侧功率器件。电桥电路还包括至少第二半桥，其具有被连接在第二节点与中间电路存储器的高侧节点之间的高侧功率器件以及被连接在第二节点与中间电路存储器的低侧节点之间的低侧功率器件。该功率逆变器还包括栅极驱动电路，其被与第一和第二半桥的高侧器件和低侧功率器件的每个栅极相连，并可操作用于为每个栅极提供各电压以控制各功率器件的操作，其中，该栅极驱动电路可操作用于提供高于各功率器件的第一阈值电压的第一电压以及高于各功率器件的浪涌阈值的第二电压，在所述第一阈值电压下，各功率器件变得导电以便连续地传导各功率器件的额定电流，其中，浪涌阈值为第一阈值的至少两倍高，并定义各功率器件的浪涌电流操作面积的开始，在该开始时，各功率器件变得可操作用于传导浪涌电流，其为各功率器件的额定电流的至少五倍高。
[0007]根据实施例，断续器(crow bar)包括第一二极管电桥、第一节点以及功率器件。
[0008]根据实施例，斩波器应用包括用于与电源相连的第一输入端子、用于与负载相连的第一输出端子以及功率器件，其中，功率器件被与第一输入端子和第一输出端子并联地电连接。
[0009]根据实施例，提供了一种用于操作具有电桥电路的功率逆变器的方法，该电桥电路包括第一半桥，其具有被连接在第一节点与中间电路存储器的高侧节点之间的高侧功率器件以及被连接在第一节点与中间电路存储器的低侧节点之间的低侧功率器件；以及至少第二半桥，其具有被连接在第二节点与中间电路存储器的高侧节点之间的高侧功率器件以及被连接在第二节点与中间电路存储器的低侧节点之间的低侧功率器件。该方法包括:检测集电极发射极电压Vce和/或集电极电流Ic;确定是否已满足过电流或过电压条件；以及施加在浪涌阈值以上的栅极电压Vg，该浪涌阈值定义各功率器件的浪涌电流操作面积的开始。
[0010]本领域的技术人员在阅读以下详细描述时以及在观察附图时将认识到附加特征和优点。
【附图说明】
[0011]图中的部件不一定按比例，而是着重于图示出本发明的原理。此外，在图中，相同的附图标记指定相应部分。在所述附图中:
图1图示出根据实施例的功率器件；
图2图示出根据实施例的功率器件的传输特性；
图3A至3H图示出根据实施例的功率器件的函数；以及图4图示出示出了根据实施例的功率器件的阈值电压的图表；
图5A至f5D图示出根据实施例的功率器件的可开关晶胞；
图6A至6B图示出根据实施例的到功率器件上的顶视图，其具有朝向第二实施例的边缘终结点的第二可开关区的增加的面积比；
图7图示出根据实施例的故障保护电路；
图8A至SC图示出根据实施例的功率逆变器；
图9图示出根据实施例的斩波电路;以及图10图示出根据实施例的断续器。
【具体实施方式】
[0012]在以下详细描述中，对构成其一部分的附图进行参考，并且其中以图示的方式示出了其中可实施本发明的特定实施例。在这方面，参考所描述的(一个或多个)图的取向而使用方向术语，诸如“顶部”、“底部”、“正面”、“背面”、“前”、“后”、“横向”、“垂直”等。这些术语意图涵盖除与图中所描绘的那些不同的取向之外的不同器件取向。由于实施例的部件能够以许多不同的取向定位，所以该方向术语被用于举例说明的目的而绝不是限制性的。此夕卜，还使用诸如“第一”、“第二”等术语来描述各种元件、区域、区段等，并且也不意图是限制性的。相同的术语遍及本描述指代相同元件。应理解的是在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例并且可以进行结构或逻辑的改变。因此不应在限制性意义上理解以下详细描述，并且由所附权利要求来定义本发明的范围。所描述的实施例使用特定语言，不应将其理解为限制所附权利要求的范围。
[0013]场效应晶体管(FET)的一般地缩写为Vth的阈值电压是栅极源极电压的值，在该值下，FET的导电性质显著地改变，在增强型器件的情况下从不导电至导电或在耗尽型器件的情况下随着栅极源极电压的增加从导电至不导电。该阈值电压也称为夹断电压。对于增强型器件而言，当栅极电极与源极区之间的电压在阈值电压Vth以上时，在紧挨着电介质区或电介质层的主体区的沟道区中形成反转沟道。在阈值电压下，形成于主体区中的沟道区开始在晶体管的源极与漏极接点之间建立欧姆连接。在此阈值电压以下，FET是不导电的。因此，阈值电压Vth常常指代第一导电性类型的两个半导体区之间的单极电流流动的开始所需的最小栅极电压，所述两个半导体区形成晶体管结构的源极和漂移或漏极。
[0014]在本说明书中，将半导体基底的第二表面视为由下侧或背侧表面形成，同时将第一表面视为由半导体基底的上、前或主表面形成。如在本说明书中使用的术语“之上”和“之下”因此描述具有此取向考虑的结构特征与另一结构特征的相对位置。
[0015]在本说明书的背景下，应将术语“M0S”(金属氧化物半导体)理解为包括更一般的术语“MIS”(金属绝缘体半导体)。例如，应将术语MOSFET(金氧氧化物半导体场效应晶体管)理解为还包括具有并非氧化物的栅极绝缘体的FET，即分别地在IGFET(绝缘栅场效应晶体管)和MISFET(金属绝缘体半导体场效应晶体管)的更一般术语意义上使用术语MOSFET13S将用于MOSFET的栅极材料的术语“金属”理解成包括导电材料，诸如但不限于金属、合金、掺杂多晶半导体和金属半导体化合物，诸如金属硅化物。
[0016]诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的场效应控制开关器件已被用于各种应用，包括用作电源和功率转换器、电动汽车、空调机以及甚至立体音响系统中的开关。特别地关于能够切换大电流和/或在较高电压下操作的功率器件，常常要求在传导通态下的低电阻。这意味着例如对于要切换的给定电流而言，期望跨已接通FET的电压降、例如源漏电压是低的。另一方面，在FET的关断或换向期间发生的损耗常常也将被保持很小以使总体损耗最小化。
[0017]如在本说明书中使用的术语“半导体功率开关”意图描述具有高电压和/或高电流开关能力的单个芯片上的半导体器件。换言之，功率半导体器件意图用于高电流，通常是在安培范围内。在本说明书内，以同义词方式使用术语“半导体功率开关”、“半导体开关器件”以及“功率半导体器件”。
[0018]在本说明书的背景下，术语“有效晶胞区”或“有效面积”意图描述在该处布置有载送负载电流的可开关晶胞的半导体开关器件的半导体基底的区域。有效面积中的可开关晶胞定义半导体开关器件的开关行为。具体地，有效面积可以包括至少主或第一可开关区和第二可开关区，可选地超过两个不同可开关区。不同可开关区中的可开关晶胞可以在诸如栅漏电容或阈值电压之类的至少一个物理性质方面相互不同。有效面积的不同可开关区也称为有效面积的“子区”，并描述具有可开关晶胞或可开关晶胞的各部分的区域，具有与其它子区的可开关晶胞的物理性质不同的物理性质。特别地，可以用不同的阈值电压来制造不同的子区，使得特定子区的单独晶胞或一组单独晶胞的阈值电压不同于另一特定子区的单独晶胞或一组单独晶胞的阈值电压。
[0019]在本说明书的背景下，术语“晶胞节距”或“纵向节距”意图描述有效面积中的可开关晶胞的节距。
[0020]在本说明书的背景下，术语“栅极电极结构”意图描述导电结构，其被紧挨着半导体基底布置并通过电介质区或电介质层与半导体基底绝缘。当向半导体机体的表面上看时，栅极电极结构覆盖半导体器件的不同区，诸如主体区和漂移区。栅极电极结构包括紧挨着主体区的可开关晶胞的栅极电极以及被相互电连接的相邻栅极电极之间的电连接。栅极电极被配置成例如通过主体中的“反转沟道”在可开关晶胞的各源极区和漂移区之间的电场调解形成来形成和/或控制主体区中的沟道区的导电性。当形成反转沟道时，沟道区的导电性类型通常被改变，即反转，以在源极区与漏极区之间形成单极电流路径。栅极电极结构常常被方便地称为栅极多晶硅。
[0021]用于在栅极电极与主体区之间形成电介质区或电介质层的电介质材料的示例包括但不限于:硅氧化物(Si02 )、硅氮化物(Si3N4)、硅氧氮化物(S1xNy)、锆氧化物(ZrO2)、钽氧化物(Ta2O5)、钛氧化物(T i O2)和铪氧化物(HfO2)以及包括不同绝缘材料堆叠的其组合。
[0022]术语“电连接”和“被电连接”描述两个元件之间的欧姆连接。
[0023]在本说明