CN102184918A - 内燃机点火器半导体器件 - Google Patents

Abstract

为了提供尽可能低成本的内燃机点火器半导体器件，同时确保能量耐受性和反向浪涌耐受能力。一种IGBT包括在集电电极和栅电极之间的钳位二极管，该IGBT在IGBT的p⁺衬底和n型基极层之间具有不同杂质浓度的两个n型缓冲层，其中该双层缓冲层的总厚度为50μm或更小，而总杂质量为20x10¹³cm^-2或更小。

Description

内燃机点火器半导体器件

发明背景

1.技术领域

本发明涉及用于内燃机点火器的半导体器件。

2.相关领域

图2所示的电路包括作为电感负载的初级侧线圈45以及次级侧线圈42，并具有响应从电源41流至初级侧线圈45的间歇电流借助次级线圈42中产生的高电压造成间歇火花发出的功能。该电路所应用的一种产品是内燃机点火器(在下文中称为“点火器”)，该点火器利用在连接于次级侧线圈42的内燃机火花塞44中发出的间歇火花。迄今为止，双极型晶体管已在内燃机点火器(点火器)中用作使间歇电流流至初级侧线圈的开关单元43，但近年来，这已被绝缘栅双极型晶体管(IGBT)代替(JP-A-2000-310173、JP-A-2002-4991以及日本专利No.4,263,102)。在使用这种类型点火器的IGBT中，，可内建图3的IGBT等效电路中所示的栅极控制电路部分17以使IGBT具有监视工作状态且在存在异常时控制栅极信号的功能，也可如图5的IGBT主要部分截面图所示内建有用于防止IGBT由于过电流、过电压或发热而损坏的控制电路部分21。

为了减小L负载截止时的浪涌电压，已知提供在IGBT的高阻n型基极层和高杂质浓度n型缓冲层之间具有中间杂质浓度的n型区(日本专利No.4,164,962和JP-A-6-268226)。另外，为了防止IGBT截止时因集电极侧为负而在L负载电路中产生的浪涌电压而使IGBT受到破坏，已知一种配置成提供设置在与前侧IGBT区相反的集电极侧上的集电极区的IGBT(JP-A-2009-105265)。另外，为了使IGBT难以被IGBT截止时因集电极侧为负而在点火电路中产生的浪涌电压损害，也公知IGBT具有n型缓冲区，该n型缓冲区在集电极侧p-n结界面内具有比汽车电池电压更高的p-n结耐压(JP-A-2009-130096)。存在相关于IGBT的描述，其中n型缓冲层是具有不同杂质浓度的两层结构(日本专利No.3,764,343)。

在点火器电感负载电路中(图2)，在当IGBT开关从导通状态切换至截止状态时电流急剧减小的过程中，在响应于线圈电感L和流过线圈的电流变化抑制该变化的方向(IGBT集电极侧是正方向)上的电压在初级侧线圈45中急剧上升，而在IGBT到达截止状态时，电压急剧下降。当突然产生的浪涌电压(几百伏)由设置在IGBT的集电栅之间的齐纳二极管16(图3)的齐纳电压钳位时，在次级侧线圈中感生出初级侧线圈电压，在次级侧线圈中产生反向电压，放电开始，并且聚集在电感器中的能量被释放。

然而，在放电由于某种原因不发生的情况下，聚集在电感器中的能量直接返回到IGBT侧，并且发生IGBT本身不得不消耗能量的情况。此时的情况如图4所示。水平轴表示时间，而垂直轴表示电流或电压。也就是说，一旦集电极侧上产生的电压Vc达到栅极和集电极之间的二极管的钳位电压Vb，电压就被钳位，栅极电压因流过二极管的电流流过图3的栅极电阻而正偏压，IGBT达到导通状态且电流流过。在保持这种状态的同时，电流继续在大电压Vb施加于IGBT的状态下变化，直到零为止。在这段时间，即使在IGBT的内部温度由于引发大损耗而上升的情形下，IGBT需要忍受这种温度上升而不会击穿。此时所引发的最大损耗能量值被称为能量耐受性。除非由于电路或IGBT的配置或结构造成的诸如锁闭的局部发热造成器件击穿，否则到达作为硅半导体的物理热击穿温度的能量值就是能量耐受性的极限。为此，能量随着芯片尺寸的增大而增加。另外，当至外界的热辐射性良好时，温度上升得以抑制，且容量增强。结果，能量耐受性是在希望减小芯片尺寸以降低产品成本的情况下确定界限的一个因素。迄今为止已知的此类点火器IGBT的截面结构在图5示出。图5的IGBT包括p⁺衬底25上的n⁺缓冲层24和n基极层26，并且使IGBT的主电流流过的有源区20设置在n基极层表面的中央部分。有源区20的表面包括连接于p基极区6、n发射电极区7、栅极绝缘膜13、栅极端子2、栅电极14和发射极端子3的发射电极。耐压区18设置在围绕有源区20的周边。在图5的有源区20的右侧，包括水平MOSFET的控制电路部块21单片地由沟道区9、源极10-1、漏极10-2、栅极氧化膜11、栅电极12等构成。p区8是用于通过与发射电极短路，通过将流入沟道区9的电流转移至发射电极来减小流至电路部分21的电流并保护IGBT免受由于寄生电流造成的元件击穿的区域。从制造角度看，多数情形下连接在IGBT的栅极2和集电极1之间的钳位二极管16由沉积在IGBT衬底表面上的绝缘膜上的多晶硅层形成，以使电流沿该表面流动。

同时，通过例如点火器的汽车点火器件，当安装在汽车中的电池的12V电源被无意地截止时存在一种模式，其中随着流过负载电感器的电流急剧减小电感器产生反偏压(-Ldi/dt)，如前所述。此时，要求有负浪涌耐受能力(V)，藉此即使在存在反向电压且电流流入开关半导体元件(IGBT)时也不会有击穿。图7示出施加反向浪涌电压的测试电路。电容器48从电源49充电，并通过切换电容器48而使电流流至半导体侧。此时，等于或大于反向耐压的电压被施加于是半导体元件的IGBT，电流流动并释放聚集在电容器中的能量。此时的充电电压被称为反向浪涌耐受能力(V)。图6用图5示出此时IGBT内部的状态。IGBT的反向耐压是根据由p型衬底25和缓冲层24形成的p-n结(二极管19)的耐压特性确定的。一旦以发射电极3为正并以集电极1为负的反向电压施加于IGBT，器件表面侧上包含在有源区20和控制电路部分21中的p-n结17就达到正偏压状态，且电流在低电压下流动。此时，当从图7中假定IGBT反向耐压特性的动态电阻为0时，由IGBT消耗的能量被计算为：

等式1

$\frac{\∫\mathrm{Pdt}}{C_c}=V_B(V_S-V_B)-\frac{R_1{V}_B}{(R_1+R_2)}[(V_S-V_B)+\frac{R_2}{(R_1+R_2)}{V}_B\ln |\frac{(R_1+R_2)}{R_1}(\frac{V_S}{V_B}-\frac{R_2}{(R_1+R_2)})\left|\right]$

P：由半导体器件消耗的能量，Cc：电容器容量，R1和R2：电路电阻(图7)，V_B：IGBT反向耐压，Vs：电容器充电电压。

如可从公式中理解的那样，随着IGBT反向耐压VB减小所消耗的能量减小。这是因为与IGBT串联的电阻R1以及并联的电阻R2消耗掉剩下的能量。IGBT反向耐压VB越低，则反向浪涌耐受能力(V)增大得越多。这在图8和图9中示出，其中图8示出IGBT缓冲层24的杂质浓度和反向耐压之间的关系，而图9示出反向耐压和实际测量时的反向浪涌耐受能力之间的关系。为此，需要降低反向耐压以确保反向浪涌耐受能力。然而，在汽车应用中，要求半导体即使在电池意外地极性相反地连接的情形下也不会击穿。为此，需要至少象电池电压(12V)那样高的反向耐压。由于可能存在两个电池串联使用的情形，因此需要一种设计，其中反向耐压至少为30V并且当考虑反向耐压波动等因素时至少为40V。为此，需要在使反向耐压最小处于40V左右的同时确保反向浪涌耐受能力。

发明内容

本发明鉴于迄今为止描述的发明点具有以尽可能低的成本提供内燃机点火器半导体器件同时确保能量耐受性和反向浪涌耐受能力的目的。

为了达到本发明的目的，一种内燃机点火器半导体器件包括：半导体衬底，该半导体衬底按以下顺序具有第一导电型集电层、第二导电型缓冲层和第二导电型基极层，第二导电型缓冲层具有：杂质浓度比第二导电型基极层的杂质浓度更高、设置在第二导电型基极层侧上的第二缓冲层，以及杂质浓度比第二缓冲层的杂质浓度更高、设置在第一导电型集电层侧的第一缓冲层；绝缘栅极双极型晶体管，该绝缘栅极双极型晶体管包括设置在半导体衬底的第二导电型基极层的表面层上的第一导电型基极区，跨过夹在设置于第一导电型基极区内的表面层上的第二导电型发射区与第二导电型基极层表面之间的第一导电型基极区的表面上的栅绝缘膜的栅电极，以及在第一导电型集电层表面上与集电极、第二导电型基极层以及第二导电型发射区共同接触的发射电极；在栅电极和集电极之间的钳位二极管，其栅极侧作为阳极侧；以及控制电路，该控制电路与绝缘栅极双极型晶体管位于同一半导体衬底上，并由通过导线连接于发射电极的另一导电型区以环形围绕，该控制电路配置成使用来自发射电极的信号检测绝缘栅双极型晶体管的异常状态，并通过控制栅极电压来防止绝缘栅双极型晶体管的击穿。第一缓冲层和第二缓冲层的总厚度为50μm或更小，而两个层的总杂质量为20×10¹³cm^-2或更低。

另外还优选的是，第一缓冲层的厚度为1-10μm或更小，第一缓冲层的杂质浓度在2×10¹⁶cm^-3至8×10¹⁶cm^-3的范围内，第二缓冲层的厚度为49μm或更小，而第二缓冲层的杂质浓度在1×10¹⁶cm^-3至4×10¹⁶cm^-3的范围内。另外，第一缓冲层和第二缓冲层的总厚度还优选为30μm或更大。

此外更为优选的是，内燃机点火器半导体器件包括在绝缘栅双极型晶体管和控制电路之间填充有绝缘体的沟槽，用来取代连接至发射电极的另一导电型区。优选的是使沟槽的深度到达第一导电型集电层。也可采纳一种配置，其中沟槽的宽度为1μm或更小，并且多个沟槽平行地设置。更为优选的是，被连接至发射电极的其它导电型区围绕的控制电路被分割成岛状电路块，且各个岛状电路块通过导线连接至发射电极。另外，可在岛状电路块间夹设高浓度的其它导电型带状区，并通过导线将高浓度的其它导电型带状区连接至发射电极和其它导电型区域。

根据本发明，有可能在确保或增强能量耐受性的同时抑制导通电压的上升。此外，芯片尺寸的减小变得可能，并且有可能提供低成本的内燃机点火器半导体器件。

附图简述

图1是根据本发明第一实施例的IGBT的主要部分视图；

图2是点火器点火电路的基本构造图；

图3是根据本发明的点火器IGBT的等效电路；

图4是测量能量耐受性时的电压、电流和栅极电压的波形图；

图5是迄今为止已知的点火器IGBT的主要部分截面图；

图6是使用图5施加负集电极浪涌电压时的主要部分截面图；

图7是负集电极浪涌测试电路图；

图8是IGBT缓冲层杂质浓度和反向耐压之间关系的示图；

图9是IGBT反向耐压和反向浪涌耐受能力之间关系的示图；

图10是IGBT缓冲层厚度和能量耐受性之间关系的示图；

图11是IGBT缓冲层杂质浓度和能量耐受性之间关系的示图；

图12是IGBT缓冲层的总杂质量和导通电压之间关系的示图；

图13是示出根据本发明第二实施例的半导体器件的主要部分截面图；

图14是示出根据本发明第二实施例的半导体器件的主要部分截面图；

图15是示出根据本发明第二实施例的半导体器件的主要部分截面图；

图16是示出根据本发明第二实施例的半导体器件的平面图；

图17是沿图16的剖切线A-A的横截面图；

图18是示出根据本发明第三实施例的半导体器件的平面图；

图19是沿图18的剖切线B-B的横截面图；

图20是根据本发明第三实施例的用于获得半导体器件的实验用半导体器件的平面图；以及

图21是示出根据本发明第三实施例的半导体器件的控制电路部分和IGBT部分的分隔距离所产生的分隔效果的关系图。

实施例的详细描述

下面，参照附图给出本发明的内燃机点火器半导体器件的实施例的详细说明。本发明不局限于下文描述的实施例的细节，只要它不超出其要旨即可。

第一实施例：

下面，参照附图给出作为本发明的内燃机点火器半导体器件的优选实施例的详细说明。在下面对实施例和附图的说明中，相同的附图标记和符号表示相同的结构，并省去重复的说明。在描述本发明实施例的细节前，先对通过对迄今为止已知的点火器IGBT进行研究而获得的结果予以描述。图10和图11分别为示出能量耐受性相对于缓冲层厚度和杂质浓度的关系的示图。图11示出缓冲层杂质浓度对能量耐受性的依存性低，在1×10¹⁷cm^-3或更高的高杂质浓度下特性略为改善的程度。然而，图10示出缓冲层厚度对能量耐受性的依存性高，且能量耐受性随着缓冲层变厚而增大。发生这种情况的原因在于，当电流在高电压施加于IGBT的状态下流动时，在耗尽层在其中扩大的图5的n型基极层26中发生损耗，且温度上升。也就是说，随着引起热击穿的热散逸在从后表面p+衬底25的空穴注入变大时发生，pn结27离其中发生损耗的n型基极层26越远，热散逸发生的时间越晚。结果，温度上升变得柔和，且热击穿得以减轻。此外，由于损耗引起的温度最高所处的时间是电流达到最大的最初时间，当该时段过去时，温度由于辐射而下降。结果，由于有可能通过提供缓冲层24来使pn结27远离n型基极层26，因此能量耐受性增大。

然而，一旦增加缓冲层24的厚度(具有恒定的杂质浓度)以使pn结27远离n型基极层26，就会发生IGBT导通电压上升的现象。图12示出缓冲层24的杂质浓度和厚度之积(即总杂质量)和导通电压之间的关系。图12示出导通电压从缓冲层24的总杂质量超出20×10¹³cm^-2的点四周急剧上升。在总杂质量极高且导通电压高的IGBT中，I-V特性是不规则的，其具有被称为跳变波形的异常波形，其中尽管集电极电压上升电流也只是略有流过，但在达到某一电压后即快速流过。已知这种现象是由于当来自集电极侧的少数载流子注入很少时n型基极层26中的载流子聚集程度很低所引起的现象。由于发生电路噪声和大损耗，具有这种异常波形的IV特性的IGBT不是优选的。也就是说，这意味着尽管缓冲层24变得越厚能量耐受性越高，但该厚度是有上限的。

同时，对于点火器IGBT，在12V电池的情形下，需要优选为40V或更高的反向耐压，如前面提到的那样。通过使IGBT的反向耐压设定为40V，有可能在同样安全应对两串汽车电池(12V)的反向连接的同时使在反向连接时间内流过IGBT的能量减至最小。从示出反向耐压和反向浪涌耐受能力之间关系的图9可以看出，反向耐压越低反向浪涌耐受能力越高。另外，从图8中可以看出，获得40V反向耐压所在的缓冲层杂质浓度在4×10¹⁶cm^-3左右。然而，在杂质浓度为4×10¹⁶cm^-3的情形下，当增加厚度以增大能量耐受性时，一旦缓冲层厚度超过50μm，作为浓度和厚度之积的总杂质量就超出20×10¹³cm^-2。结果，如图12所示，导通电压急剧上升，且在I-V特性中观察到跳变波形。结果，当需要40V作为IGBT的反向耐压时，缓冲层厚度的上限为50μm以避免导通电压的急剧上升。

另外，由于图15所示迄今为止已知的IGBT的缓冲层(单层)厚度为30μm，在根据本发明的缓冲层厚度超出30μm且等于或低于50μm(30μm＜缓冲层厚度≤50μm)且总杂质量为20×10¹³cm^-2且钳位二极管插入在栅极和集电极之间的IGBT作为根据第一实施例的点火器IGBT使能量耐受性高于迄今为止已知的IGBT的能量耐受性。如从上面说明清楚知道的那样，通过利用这种内燃机点火器半导体器件，有可能在令能量耐受性上升超过迄今为止已知IGBT的能量耐受性的同时抑制导通电压的上升。

例如，当使缓冲层厚度为40μm时，能量耐受性相比缓冲层厚度为30μm的迄今为止已知情形增加将近10％，这意味着有可能将芯片尺寸减小相应的量。在缓冲层厚度为40μm且杂质浓度为1×10¹⁶cm^-3的情形下，总杂质量为从40μm×1×10¹⁶cm^-3，即4x10¹³cm^-2，这意味着满足之前提到的状况，即缓冲层的总杂质量等于或低于20x10¹³cm^-2，且导通电压没有陡峭的上升。另外，如图10所示，能量耐受性也增大。

此外，如图1所示，利用通过新添加与图5所示迄今已知的IGBT具有不同杂质浓度的第一缓冲层50形成的具有双层结构缓冲层的IGBT，在更靠近p⁺集电层一侧的第一缓冲层50的杂质浓度被设定为确定反向耐受性电压类型的高杂质浓度。例如，当需要40V的反向耐压时，杂质浓度等于或低于4×10¹⁶cm^-3左右，如前面提到的那样，并且当电池(12V)是单个串时等于或低于8×10¹⁶cm^-3左右，因为20V左右的反向耐压就足够了。由于当施加反向耐压时耗尽层的扩大最多在1μm左右，因此第一缓冲层50的厚度超过1μm的厚度就够了。然而，当考虑用外延生长来形成缓冲层时，有可能稳定形成的2或3μm的厚度是优选的。此外，为了保持20×10¹³cm^-2或更低的总杂质量，优选使最大厚度为10μm或更小。

同时，较为远离p+集电层一侧上的第二缓冲层24厚厚地形成以便有可能保持能量耐受性，如前面提到的那样。然而，为了保持20×10¹³cm^-2或更低的总杂质量，杂质浓度被设定为低。例如，当所添加的第一缓冲层50被给予获得20V反向耐压所需的8×10¹⁶cm^-3的杂质浓度和2μm(2×10^-4cm)的厚度时，总杂质量为1.6×10¹³cm^-2。当给予第二缓冲层2×10¹⁶cm^-3的杂质浓度和40μm的厚度时，总杂质量为8×10¹³cm^-2。合计总杂质量为9.6×10¹³cm^-2，这满足总杂质量等于或低于20×10¹³cm^-2的条件。另外，当将获得40V反向耐压所需的4×10¹⁶cm^-3的杂质浓度和10μm(10×10^-4cm)的厚度给予第一缓冲层50时，总杂质量为4×10¹³cm^-2。当将2×10¹⁶cm^-3的杂质浓度和40μm的最大厚度给予第二缓冲层时，总杂质量为8×10¹³cm^-2。合计总杂质量为12×10¹³cm^-2，这满足总杂质量等于或低于20×10¹³cm^-2的条件。

这样，假设第一缓冲层和第二缓冲层的厚度和杂质浓度的组合满足总杂质量为20×10¹³cm^-2或更低以及总厚度为50μm或更小的条件，则有可能从杂质浓度和厚度的如下优选范围内进行选择。第一缓冲层和第二缓冲层的杂质浓度和厚度的优选范围是：对第一缓冲层1μm-10μm的厚度、对第一缓冲层2×10¹⁶cm^-3至8×10¹⁶cm^-3的杂质浓度，对第二缓冲层49μm或更小的厚度、以及对第二缓冲层1×10¹⁶cm^-3至4×10¹⁶cm^-3的杂质浓度。此外，当使第一缓冲层和第二缓冲层的总厚度为30μm或更大时，由于能量耐受性增加超过迄今已知的点火器IGBT，这样做是优选的。

缓冲层是不同杂质浓度的双层结构的分层结构本身已在日本专利No.4,164,962、JP-A-6-268226以及日本专利No.3,764,343中描述。然而，最先提到的两篇专利文献在第一缓冲层的杂质浓度方面与本发明存在区别。在最后提到的专利文献中，半导体的n型基极层是通过研薄半导体衬底而形成的，该结构是为了防止研磨误差对导通电压和开关特性具有大的影响。这种结构假想一种情形，其中当将该结构施加于以几千赫或更高频率执行操作的逆变器等时，器件的特性是由导通电压和切换损耗决定的。结果，双层缓冲层的总杂质量不同于本发明的总杂质量。同时，对于根据本发明的点火器，工作频率在50Hz左右，此外占空比在10％左右，这意味着由于损耗发生不是问题，开关速度低是可接受的，且由于工作寿命等因素不对开关速度进行控制是正常的。

如迄今描述的那样，根据本发明，有可能提供低损耗点火器半导体器件，该半导体器件在将能量耐受性保持在最大限度的同时控制导通电压的上升，且同时维持反向浪涌耐受能力。

第二实施例

对于第一实施例的配有控制电路的IGBT，一种配置是使p区8设置在控制电路部分和IGBT主部分之间以控制由于寄生元件操作而引起的寄生电流的流入并防止元件击穿，并且该p区8连接至IGBT有源区20的表面上的发射电极22并连接至控制电路21的MOSFET源极和漏极。当仅仅通过分隔距离尝试阻止由于寄生电流引起的元件击穿而不设置此类寄生电流控制部分时，在控制电路部分和IGBT主要部分之间需要500μm的分隔距离。芯片尺寸增加相应量，且芯片成本上升。

下文中针对一种结构给出说明，在这种结构中作为第一实施例的IGBT的特征的缓冲层由不同浓度的两个层形成，该缓冲层保持原样，并通过设置新的寄生电流控制部分而将控制电路部分和IGBT主要部分之间的分隔距离相比第一实施例设计得更小，由此减小芯片尺寸。

图13示出配有保护电路的IGBT的主要部分截面图，通过之前描述的控制电路部分同样类型的配置，该保护电路履行寄生电流控制功能而不会增加芯片尺寸并且面积效率良好。图13的IGBT的区别点在于不包括设置成围绕控制电路部分的水平MOSFET的边缘以防止其锁闭的p区8，以及与p区8的表面接触并以相同电位与IGBT发射电极和控制电路部分的源极和漏极连接的电极结构，如图1所示。取而代之的是，IGBT包括一种结构，其中在IGBT部分(有源区)54和保护电路部分51之间具有深沟槽10a，并且在其内填充有绝缘材料，例如二氧化硅(SiO₂)膜，如图13所示。SiO₂仅具有硅的百分之一的导热性。为此，有可能用仅1μm的厚度即可实现与100μm厚度的硅相等的耐热性。此外，由于空穴电流被沟槽10a阻挡，因此进入保护电路部分51的空穴电流也得到控制，从而提供对抗伴随IGBT操作的寄生电流的双重控制效果。

然而，一旦改变沟槽10a的深度并测量流入保护电路部分51的空穴电流量，可以发现，当沟槽10b的深度是到达阳极侧的p+集电区附近的深度时，效果最终增强。这种现象在开关速度低是可接受的且尤其在内燃机点火设备中的应用中是尤为显著的。其原因是由于硅材料中的n和n+层内的少数载流子的寿命被设定为长，少数载流子扩散到很远。通过采用由使用寿命长的n基极层26和n+缓冲层24中的沟槽10b分隔的这种结构，而在p区6中由于使用寿命因高浓度p型杂质而变短，几乎不存在少数载流子的任何扩散，并且IGBT 54侧的电流流入保护电流51侧的情况不再发生。结果，当希望抑制流入空穴电流的效果时，如图14所示，形成到达集电极的p⁺集电区25的足够深的沟槽10b是优选的。

通常，当形成沟槽并用绝缘材料填充沟槽时，对于宽沟槽来说，必须沉积极厚的绝缘材料以填满沟槽。如前面提到的，当仅仅通过硅材料区的分隔距离控制空穴电流的流入时，需要500μm或更大宽度的分隔区。当尝试通过绝缘体分隔获得与宽分隔区相当的耐热性时，需要具有至少5μm或更大宽度的绝缘区。当使沟槽宽度为5μm时，所沉积的绝缘膜需要为3μm或更大，然而当使沟槽宽度小至1μm或更小时，有可能使绝缘膜的厚度沉积至1μm或更小。这里，如图15所示，通过形成具有1μm宽度的必要数量的沟槽10c，有可能获得实质上高的耐热性，即使当所沉积的绝缘膜的厚度减小也是如此。通过使用这种方法，不需要在制造工艺中沉积厚的绝缘膜，并且有可能以低成本工艺进行制造。

通过使用这种方法，有可能将迄今已知的IGBT部分54和保护电路部分51之间的分隔距离减小至1/100左右。此外，由于用来防止因寄生电流造成的击穿的保护电路的设计变得不需要，因此保护电路51部分的布局设计自由度增加，并且有可能省去不需要面积，这意味着可实现研发周期的缩短和半导体芯片面积的显著减小。

第三实施例

在下文中，对分隔距离缩短的结构部分的更优示例予以描述，这种结构进一步区别于之前描述的结构。关于其它结构和缓冲层由两个层形成的结构，包括与之前描述的相同种类的结构。图16和18是示出配有保护电路的IGBT的优选例的平面图，该保护电路的平面布置与之前描述的控制电路部分的平面布置不同但在功能上具有相同功能，其中控制电路部分和IGBT部分之间的分隔结构存在区别。图17和19分别示出沿图16的剖切线A-A和图18的剖切线B-B的截面图。

图20是示出用于确定具有图16-19所示的优选分隔结构的IGBT的实验的测试IGBT的芯片分布的平面图。图20所示的芯片的右侧区域是IGBT154，而芯片左侧的p区153(对角斜线)是与由p型区域覆盖的保护电路部分对应的一部分。在p区中，不存在p区的一部分(图20中的空白部分)形成在多个位置(图20中的四个位置)，而电极形成在每个位置的中央，形成与IGBT的距离逐渐增加的电流检测电极焊点156。P型区直接形成在电极焊点156下方。除此以外，用于测量流过p区153的寄生电流的电焊点155设置在p区153的表面上的多个位置(图20中的四个位置)，这些位置以相同的方式逐渐移离IGBT。使电流流入右侧的IGBT 154，并在将每个电焊点155、156的电位保持在与IGBT 154的发射极相同电位的同时测量电流。因此，有可能监测何种类型的寄生电流正在流入实际的电路部分。所设置的测量电极焊点155、156具有每边100μm的尺寸。其结果的一个例子在图21示出。测量值示出当1安培的电流流过IGBT 154时流过每个测量电极焊点155和156的电流，而水平轴表示从IGBT 154至每个测量电极焊点155、156的距离。从图21可以清楚地看出，比分隔p区测量电极焊点156大将近10倍或更大的电流流过位于大p区153中的测量电极焊点155。另外，在测量电极焊点156的分隔p区中，一旦距离IGBT 154的距离增大，电流就剧烈减小至1/10或更小。同时，在大p区内的测量电极焊点155中，尽管存在某种程度的减小，然而在减小30％左右就停止了。尽管不可能用二维模拟来解释这种现象，但用三维模拟可以发现，在大p区153中的测量电极焊点155的情形下，由于分布电阻出现在p区153的外围，因此流入外围的空穴电流聚集在测量电极焊点155处。同时，在分隔p区测量电极焊点156中，可以看出，由于只有取决于在p区153正下方分布的空穴密度的空穴电流流过，因此几乎没有来自外围p区153的任何效应。这些结果是无法从迄今已知的二维模拟中单纯推导出的结果，是由实际测量揭示的结果。

基于实验结果，达到图16-19所示的优选IGBT配置。在下文中，参照附图给出作为本发明的内燃机点火器半导体器件的优选实施例的详细说明。在下面对实施例和附图的说明中，相同的附图标记和符号表示相同的结构，并省去重复的说明。

图16是示出根据第三实施例的配有保护电路的IGBT的芯片结构的平面图。为了应用所获得的实验结果，芯片左侧上的保护电路部分将p区分成合适电路块134、138、157和158。电路块134、138、157和158可以是执行某一功能的电路块，或单纯为配置目的而分割。每个电路块134、138、157和158的p区在表面上与金属电极131相连(图17)，并连接至IGBT 154的发射区。附图标记150是p⁺衬底，附图标记151是齐纳二极管，而附图标记152是栅极焊点(图16)。图17示出沿图16剖切线A-A的截面图。在图17中，IGBT是154，而分隔的电路块是134和138。至少各电路块的周边和MOSFET的周边以迄今已知的方式由高浓度p区137围绕。由此，如从实验结果中发现的那样，流入各个电路块134、138、157和158的寄生电流减小，并且锁闭现象难以发生。结果，例如静电放电(ESD)或雪崩耐受能力的抗击穿能力显著增强。

图18是示出为了获得更接近实验的结构而在电路块134、138、157和158的p区之间设置由高浓度p区159围绕的区域的平面图。图中的B-B区域的截面结构在图19中示出。在图19结构的情形下，由于存在围住每个电路块138的周边并进一步连接至IGBT 154的发射极的高浓度p区159，因此源自外围空穴电流分布的效应被进一步减弱。然而，当与图16的IGBT比较时，由于添加了额外区域159，面积略有增加。

Claims (8)

1.一种内燃机点火器半导体器件，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底具有第一导电型集电层、第二导电型缓冲层和第二导电型基极层，这些层按前述顺序排列，所述第二导电型缓冲层具有杂质浓度比所述第二导电型基极层的杂质浓度高的、设置在所述第二导电型基极层侧的第二缓冲层，以及杂质浓度比所述第二缓冲层的杂质浓度高的、设置在所述第一导电型集电层侧的第一缓冲层；

绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管包括设置在半导体衬底的所述第二导电型基极层的表面层上的第一导电型基极区，跨过夹在形成于所述第一导电型基极区内的表面层上的第二导电型发射区和第二导电型基极层表面之间的第一导电型基极区的表面上的栅绝缘膜的栅电极；以及在第一导电型集电层表面上与集电极、第二导电型基极层以及第二导电型发射区共同接触的发射电极；

在栅电极和集电极之间的钳位二极管，其栅极侧作为阳极侧；以及

控制电路，所述控制电路与所述绝缘栅双极型晶体管位于同一半导体衬底上，并由通过导线连接至发射电极的另一导电型区以环形围绕，所述控制电路配置成使用来自发射电极的信号检测所述绝缘栅双极型晶体管的异常状态，并通过控制栅极电压来防止绝缘栅双极型晶体管被击穿，其中

第一缓冲层和第二缓冲层的总厚度为50μm或更小，而两个层的总杂质量为20×10¹³cm^-2或更低。

2.如权利要求1所述的内燃机点火器半导体器件，其特征在于，

所述第一缓冲层的厚度为1μm以上且小于或等于10μm，所述第一缓冲层的杂质浓度在2×10¹⁶cm^-3至8×10¹⁶cm^-3的范围内，所述第二缓冲层的厚度为49μm或更小，而所述第二缓冲层的杂质浓度在1×10¹⁶cm^-3至4×10¹⁶cm^-3的范围内。

3.如权利要求1所述的内燃机点火器半导体器件，其特征在于，

所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的总厚度为30μm或更大。

4.如权利要求1所述的内燃机点火器半导体器件，其特征在于，包括：

在所述绝缘栅双极型晶体管和所述控制电路之间的填充有绝缘体的沟槽，用来取代连接至所述发射电极的另一导电型区。

5.如权利要求4所述的内燃机点火器半导体器件，其特征在于，

所述沟槽的深度到达所述第一导电型集电层。

6.如权利要求5所述的内燃机点火器半导体器件，其特征在于，

所述沟槽的宽度为1μm或更小，且多个所述沟槽平行设置。

7.如权利要求1所述的内燃机点火器半导体器件，其特征在于，

由其它传导区域围绕的控制电路被分隔成岛状电路块，且每个所述岛状电路块通过导线连接至发射电极。

8.如权利要求7所述的内燃机点火器半导体器件，其特征在于，

在岛状电路块间夹设高浓度的其它导电型带状区，并通过导线将所述高浓度的其它导电型带状区连接至发射电极和其它导电型区域。

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