[发明专利]功率半导体装置及相应模块

说明书

技术领域

本发明涉及功率电子装置，以及更具体来说涉及功率半导体装置。

背景技术

实现本发明的模式

图1A和图1B中，示出发射极切换晶闸管(EST)100，其包括具有发射极和集电极侧22、27的晶圆10,在这些侧上设置了发射极电极2和集电极电极25)。在发射极侧22上，设置了平面或沟槽门极电极7，其包括导电门极层72、另一门极层76和绝缘层74，绝缘层74将门极层72和76与晶圆10中的第一或第二导电类型的任何层绝缘以及相互绝缘。图1A示出装置100的顶视图，而图1B示出沿图1A中的线条A-A的剖面。

与IGBT中相似，在发射极侧22上，设置了延伸到门极层72下面的区域的n掺杂第一发射极层3以及包围第一发射极层3的p掺杂基层4。第一发射极层3和基层4在发射极接触区21接触发射极电极2。该装置还包括发射极侧22上的第二n掺杂发射极层35，其通过绝缘层74与发射极电极2绝缘。第二发射极层35从门极层72下面的区域延伸到另一门极层76下面的区域，另一门极层76完全包围门极层72。

对集电极电极25，设置了低(n-)掺杂漂移层5和p掺杂集电极层6。

在这个装置中，MOS沟道140可形成第一发射极层3经由基层4到第二发射极层35形成。在该装置中，采取晶闸管沟道120的形式的另一个沟道可在操作期间从第二发射极层35经由基层4到漂移层5形成。

EST使用级联概念，其中低电压MOSFET与晶闸管结构串联集成，使得通过关断MOSFET，关断晶闸管。由于短接基层，与IGCT相比，EST提供MOS电压控制的接通切换、较高二极管安全操作区和操控故障条件。这种装置具有取决于其低电压MOSFET阻断和较高通态负阻效应（snapbackeffect）的有限短路能力。

另外，通态损耗因低电压MOSFET沟道电阻而比现有技术IGCT要高。基层在EST装置中短接，使得晶闸管结构增强效应因空穴排放而减小，并且因此这引起较高通态损耗。通态在晶闸管区被锁存之前遭受负阻效应，因为导通最初经过两个沟道发生。

US6091987描述一种EST装置，其中第一和第二发射极区以及第一和第二基区通过漂移层分隔。由于两个发射极区之间的距离以及中间的两个基区的存在，不存在这个装置中可形成的MOS沟道。晶闸管沟道没有连接到IGBT单元。这种装置因IGBT排放的强贡献而引起高通态损耗。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种功率半导体装置，其通过在发射极具有更好的载流子增强来提供较低通态损耗，同时具有良好MOS可控性以及比现有技术装置、具体是EST装置要高的安全操作区。

这个目的通过提供一种发明的功率半导体装置来实现，该功率半导体装置包括晶圆，在其上，发射极电极设置在晶圆的发射极侧上并且集电极电极设置在晶圆中与发射极侧相对的集电极侧上。在晶圆中设置第一导电类型或者与第一导电类型不同的第二导电类型的各种层。

如图2A所示，晶圆包括从集电极侧到发射极侧按照下列顺序的层：第二导电类型的集电极层；第一导电类型的低掺杂示范均匀掺杂漂移层；第一导电类型的增强层，其具有比漂移层要高的掺杂浓度，并且其包括第一增强区；第二导电类型的基层，其包括第一和第二基区；以及第一导电类型的第一和第二发射极层。

平面门极电极设置在发射极侧上，该门极电极包括导电门极层和绝缘层，绝缘层将门极层与晶圆中的第一或第二导电类型的任何层绝缘。

第一增强区设置在第一基区与漂移层之间，使得第一增强区将第一基区与第二基区和漂移层分隔，但接触第二发射极层。第一增强区设置成使得第一基区没有接触漂移层。因此，第一增强层朝漂移层包封第一基区。

第一和第二发射极层均设置在基层与发射极电极之间的晶圆的有发射极侧的表面。第一发射极层以及第一基区在发射极接触区接触发射极电极。第一发射极层通过第一基区和第一增强区与漂移层并且与第二发射极层分隔。第二发射极层通过第二基区与漂移层分隔。第二发射极层接触第一增强区。第二发射极层与第一发射极层不同地没有接触到发射极电极，而是通过绝缘层与其绝缘。

在该装置中，三个不同沟道在装置的操作期间是可形成的。IGBT沟道可从第一发射极层经由第一基区和第一增强区到漂移层形成，即，电荷能够从发射极电极流动到漂移层。

第二沟道是晶闸管沟道，其可从第二发射极层经由第二基区到漂移层形成。

第三沟道是MOS沟道，其可从第一发射极层经由第一基区和第一增强区到第二发射极层形成。取决于层的设计，沟道能够在不同位置来形成。