发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单片集成了IGBT和FRD的半导体器件,该半导体器件不需要切片就能直接进行压接式封装而成为一个完整实用的IGBT模块,并且该压接式封装与传统的功率半导体压接式封装工艺相兼容。
本发明一种半导体器件,该半导体器件将IGBT模块封装所需的全部IGBT和FRD集成在一片晶圆上,且IGBT和FRD反并联设置;晶圆的边缘部分为多级场限环区,中间部分为IGBT区和FRD区;IGBT和FRD位于同一N型衬底内,具有多级场限环的终端结构;IGBT由在衬底上依次注入发射极P阱、发射极欧姆接触P+区、横向MOSFEF N+源极区、背部集电极P+区构成;FRD由在硅衬底上注入阳极P阱和阴极N+构成;多级场限环的终端结构由在衬底上注入多个P阱和一个N阱而成。
优选的,IGBT包括:一具有P型导电离子的第一P型扩散区,于N型衬底内形成一第一P型阱;一具有P+型导电离子的第一发射极扩散区,于该第一P型阱内形成一第一发射极区域;一具有N+型导电离子的第一N型扩散区,于该第一发射极区域内形成一第一N型区域;一具有P+型导电离子的第一集电极扩散区,于该N型衬底背部形成一第一集电极区域。
优选的,FRD包括:一具有P型导电离子的第二P型扩散区,于N型衬底正面形成一第二P型区域。
优选的,所述多级场限环的终端结构包括:一具有P型导电离子的多个分离的P型扩散区,于该N型衬底内形成多个分离的P型区域以提供耐压;一具有N型导电离子的第三N型扩散区,于该N型衬底内形成一第三N型扩散区以提供电场截止特性。
优选的,IGBT和FRD反并联设置为:IGBT的发射极与FRD的阳极连接在一起,IGBT的集电极和FRD的阴极连接在一起。
优选的,多级场限环区设置在晶圆的边缘,中心为圆形的I GBT区,I GBT区与多级场限环区之间为FRD区。
优选的,多级场限环区设置在晶圆的边缘,IGBT区和FRD区间隔着一圈圈排布在晶圆中间部位,其中晶圆中心为IGBT区。
优选的,多级场限环区设置在晶圆的边缘,IGBT区和FRD区间隔着一圈圈排布在晶圆中间部位,其中晶圆中心为FRD区。
优选的,多级场限环区设置在晶圆的边缘,IGBT区为多个小圆形,分布在晶圆的中间部位,IGBT区周围分布FRD区。
优选的,多级场限环区设置在晶圆的边缘,IGBT区和FRD区均为半圆形结构,设置晶圆中间位置。
优选的,多级场限环区设置在晶圆的边缘,晶圆中心为IGBT区,FLR区和IGBT区之间等份分布多个IGBT区和FRD区。
优选的,多级场限环区设置在晶圆的边缘,晶圆中心为FRD区,FLR区构和IGBT区之间等份分布多个IGBT区和FRD区。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明提供的单片集成IGBT和FRD结构,IGBT模块所需的所有芯片采用一片硅片实现单片集成,并且IGBT和FRD反并联设计,很容易实现I GBT模块的压接式封装。因此不需要切片就能直接进行压接式封装成模块,并且该压接式封装与传统的功率半导体压接式封装工艺相兼容。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明将IGBT模块制造所需的IGBT与FRD集成在同一块衬底上,实现单片集成IGBT和FRD。该衬底为圆形晶圆,制造完成后,晶圆即包含IGBT和FRD,并且IGBT和FRD为反并联结构,不需要进行晶圆切片,可以直接进行压接式封装,形成IGBT模块。
在本发明半导体器件的平面结构中,晶圆的边缘部分为多级场限环区,中间部分为IGBT区和FRD区,其中IGBT区和FRD区的形状和结构可以有多种方式。
参见图3a和图3b,示出本发明半导体器件第一实施例俯视图和底视图,该半导体器件中,多级场限环结构(FLR)设置在晶圆的边缘,中心为圆形的IGBT区,IGBT区与FLR区结构之间为FRD区。可以将IGBT区的栅极区设计在IGBT区的中心位置,其余IGBT区域作为发射极区。
参见图4a和图4b,示出本发明半导体器件第二实施例的俯视图和底视图。该半导体器件中,FLR区设置在晶圆的边缘,IGBT区和FRD区间隔着一圈圈排布在晶圆中间部位,其中晶圆中心为IGBT区。
参见图5a和图5b,示出本发明半导体器件第三实施例的俯视图和底视图。该半导体器件中,FLR区设置在晶圆的边缘,IGBT区和FRD区间隔着一圈圈排布在晶圆中间部位,其中晶圆中心为FRD区。
参见图6a和图6b,示出本发明半导体器件第四实施例的俯视图和底视图。该半导体器件中,FLR区设置在晶圆的边缘,IGBT区为多个小圆形,分布在晶圆的中间部位,IGBT区周围分布FRD区。
参见图7a和图7b,示出本发明半导体器件第五实施例的俯视图和底视图。该半导体器件中,FLR区设置在晶圆的边缘,FRD区为多个小圆形,分布在晶圆的中间部位,FRD区周围分布IGBT区。
参见图8a和图8b,示出本发明半导体器件第六实施例的俯视图和底视图。该半导体器件中,FLR区设置在晶圆的边缘,IGBT区和FRD区均为半圆形结构,设置在晶圆中间位置。
参见图9a和图9b,示出本发明半导体器件第七实施例的俯视图和底视图。该半导体器件中,FLR区设置在晶圆的边缘,晶圆中心为IGBT区,FLR区和IGBT区之间,等份分布多个IGBT区和FRD区。
参见图10a和图10b,示出本发明半导体器件第八实施例俯视图和底视图。该半导体器件中,FLR区设置在晶圆的边缘,晶圆中心为FRD区,FLR区和IGBT区之间,等份分布多个IGBT区和FRD区。
本发明半导体器件由IGBT和FRD两部分组成,IGBT和FRD位于同一N型衬底内,并具有多级场限环的终端结构。IGBT由在硅衬底上依次注入发射极P阱、发射极欧姆接触P+区、横向MOSFEF N+源极区、背部集电极P+区构成;FRD由在硅衬底上注入阴极P阱和阳极N+构成;多级场限环的终端结构由在硅衬底上注入多个P阱和一个N阱而成。
上述方案中,IGBT包括:一具有P型导电离子的第一P型扩散区,于N型衬底内形成一第一P型阱(发射极P阱);一具有P+型导电离子的第一发射极扩散区,于该第一P型阱内形成一第一发射极区域(发射极欧姆接触P+区);一具有N+型导电离子的第一N型扩散区,于该第一发射极区域内形成一第一N型区域(横向MOSFEF N+源极区);一具有P+型导电离子的第一集电极扩散区,于该N型衬底背部形成一第一集电极区域(背部集电极P+区)。
上述方案中,FRD包括:一具有P型导电离子的第二P型扩散区,于N型衬底正面形成一第二P型区域。
上述方案中,所述多级场限环的终端结构包括:一具有P型导电离子的多个分离的P型扩散区,于该N型衬底内形成多个分离的P型区域以提供耐压;一具有N型导电离子的第三N型扩散区,于该N型衬底内形成一第三N型扩散区以提供电场截止特性。
下述图11-图14为半导体器件的纵向剖视图,图11~14中的任意一结构均可与第一至第八实施例中的任一结构匹配。
参见图11,示出本发明半导体器件第九实施例纵向剖视图,IGBT与FRD是反并联连接的,IGBT的发射极与FRD的阳极连接在一起,IGBT的集电极和FRD的阴极连接在一起。这样,当IGBT导通的时候,FRD是截止的;当IGBT截止的时候,FRD是导通的。在图11所示的结构中,左边部分是IGBT,中间部分是FRD,右边部分是场限环终端。当在IGBT的栅极加上电压(大于阈值电压),则IGBT栅极下方(P区)的沟道会反型,再在IGBT的集电极(阳极)相对发射极(阴极)加正压,此时FRD是反偏截止的,电子会从IGBT的N+源区经过沟道注入到N-基区,由于电子注入降低了N-区的电位,从而加速了P+集电极区向N-区注入空穴的进程,使器件很快进入正向导通状态。当IGBT器件的栅极施加一个负偏压或栅压低于阈值电压时,栅极下方的沟道消失,IGBT关断,而此时二极管导通,起反向续流的作用。
IGBT部分:N-导电层为衬底,漂移区;P导电层为IGBT提供沟道;N导电层为IGBT提供场终止层(Field stop);底部P+层为IGBT集电极;表面N+和P+一起做为IGBT发射极,其中P+可以改善IGBT的闩锁效应。
FRD部分:N-导电层为衬底,漂移区;N导电层为缓冲层;N+为阴极;P+为阳极。
多级场限环的终端结构部分:表面P+为保护环,起到提高电压的作用;N+是截止环;N-导电层为衬底;N导电层为缓冲层;底面P+起隔离作用。
参见图12,示出本发明半导体器件第十实施例纵向剖视图。与图11所示实施例相比,该图12右下区域(I区)采用P+代替1P+N+(图11)。
参见图13,示出本发明半导体器件第十一实施例纵向剖视图。与图12所示实施例相比,该图13右下区域(I区)采用N代替1P+N+(图11),同时底部电极减短。
参见图14,示出本发明半导体器件第十二实施例纵向剖视图。与图13所示实施例相比,该图14右下区域(I区)N区减短,底部电极保持不变。
本发明提供的单片集成IGBT和FRD结构,IGBT模块所需的所有芯片采用一片硅片实现单片集成,并且IGBT和FRD反并联设计,很容易实现IGBT模块的压接式封装。因此不需要切片就能直接进行压接式封装成装置,并且该压接式封装与传统的功率半导体压接式封装工艺相兼容。
本发明半导体器件的芯片形状为圆形或环形,取代了目前的方片形状,封装的时候不需要先进行切片再取多个芯片组装,直接将该晶圆经过压接就是一个IGBT模块。
本发明将IGBT及FRD集成在一片硅片上,使IGBT模块的封装理念将由多芯片焊接式的塑壳封装变为单片压接式的陶瓷封装,这样IGBT模块的结构将更加简单,绝缘强度更高,散热效果更好,因此,IGBT模块的热疲劳能力更强,可靠性更高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,也可以上述具体实施方式的进行组合,这些改进、润饰及组合形成的技术方案也应视为本发明的保护范围。