[发明专利]制备准谐振变换器的单片IGBT和二极管结构及方法

说明书

技术领域

本发明主要关于半导体功率器件的结构及制造方法。更确切的说，本发明是关于制备准谐振变换器的新型结构和方法，通过将绝缘栅双极晶体管(IGBT)与横向二极管相结合，横向二极管作为单片结构和封装结构，无需共同封装单独的二极管晶片，并且无需特殊的晶圆背部处理。

背景技术

用于配置和制备准谐振变换器成为功率器件的传统工艺，仍然面临许多困难与局限。确切地说，依据行业标准，传统的谐振变换器通常含有一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)1和一个共同封装的二极管2，如图1A所示。与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)不同，IGBT器件没有本征体二极管。在器件底部的P-型集电极层5会阻止将要形成的体二极管传导，如图1B所示。由于需要将两个单独的晶片(IGBT和二极管)作为一个共同封装的部件集成并连接起来，增加了制备成本。此外，IGBT必须做得较小，以便在相同的封装引脚内能够容纳单独的二极管晶片。这增加了器件的电阻，降低了电流处理能力。

传统的准谐振变换器的一种可能的应用就是利用电感加热的电饭煲。在这种应用中，软恢复不是二极管必须具备的特性。不需要高性能的二极管；在IGBT接通之前，二极管仅需要传导一段很短的时间。

如图1C所示，已经研发出了反向传导IGBT，在IGBT晶片的背部附近形成有垂直二极管。P-型集电极层5中的N-型植入区6，形成从IGBT集电极到发射极的P-N结二极管，从器件的底部开始，到顶部与P-型本体(或发射极)区7会合。如图1C所示的带有反平行(反向传导)垂直二极管的IGBT，需要额外的背部处理，包括在背部形成一个掩膜，用于背部植入。这些额外的背部处理工艺，增加了制备成本，而且实施难度更大。在处理薄晶圆时，较薄晶圆的额外的背部处理也增加损坏晶圆的风险。另外，如图1C所示，带有反向传导垂直二极管结构，使得器件可能在接通时受到突然跳回。

因此，仍然需要研发一种新型的IGBT结构以及封装结构，以解决本领域的技术人员在功率器件设计和制备领域中遇到的难题和局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备准谐振变换器的新型结构和方法，通过将绝缘栅双极晶体管(IGBT)与横向二极管相结合，使横向二极管作为单片结构和封装结构，无需共同封装单独的二极管晶片，并且无需特殊的晶圆背部处理，以解决本领域的技术人员在功率器件设计和制备领域中遇到的难题和局限。

因此，本发明的一个方面在于，提出了一种新型和改良的器件结构及制备方法，制备与横向二极管结构相结合的单片IGBT，无需将IGBT晶片与单独的二极管晶片共同封装，并且无需为了制备反平行二极管在晶圆上进行背部处理工艺。从而改善了准谐振变换器的制备成本以及制备系数。

本发明的另一个方面在于，提出了一种新型和改良的器件结构及制备方法，制备与横向二极管结构相结合的单片IGBT，利用IGBT器件的通道终止区，形成横向二极管，从而在IGBT接通时，避免突然跳回问题。

本发明的另一个方面在于，提出了一种新型和改良的器件结构及制备方法，制备与横向二极管结构相结合的单片IGBT，作为P-i-N二极管，从而可以分别控制P-i-N二极管两边的注入效率，获得很低的反向恢复电荷Qrr，无需传统的寿命控制过程(例如电子辐照(ER)或金和铂扩散，形成很深的能级重组位置)。

本发明的另一个方面在于，提出了一种新型和改良的器件结构及制备方法，制备与横向二极管结构相结合的单片IGBT，利用IGBT器件的通道终止区，形成一个横向二极管，从而可以配置较大的IGBT晶片，并且/或者由于不需要共同封装单独的二极管晶片，因此可以使用较小的封装尺寸。

本发明的较佳实施例主要提出了一种形成在半导体衬底中的垂直半导体功率器件。该垂直半导体功率器件还包括相应的横向二极管的外围端，以及设置在半导体功率器件有源区上，与外围端水平相对的二极管中心端。在进一步的实施例中，半导体器件还包括一个通道终止区，在半导体衬底的外围附近，其中外围端在通道终止区接触半导体衬底。在本发明的一个实施例中，半导体功率器件是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。