專利名稱：補(bǔ)償器件,電路,方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1、2和3的前序部分所述的半導(dǎo)體器件，按照載流子補(bǔ)償原理制成，還涉及一種電路和兩種用于制造這種補(bǔ)償器件的補(bǔ)償層的方法，以及所述電路的用途。
背景技術(shù)：
這種補(bǔ)償器件所依據(jù)的原理是，在施加反向電壓時(shí)，n摻雜區(qū)和p摻雜區(qū)的自由載流子在漂移區(qū)內(nèi)多少是相互耗盡的，所以能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。這種補(bǔ)償器件的優(yōu)點(diǎn)是，在通路工作時(shí)和現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件相比可明顯減小導(dǎo)通電阻，并且在截止?fàn)顟B(tài)下具有良好的截止特性。這種補(bǔ)償器件的結(jié)構(gòu)和工作原理已經(jīng)被多次公開，例如描述在美國專利文獻(xiàn)US 5,216,275和US5,754,310中，以及描述在WO97/29518，德國專利文獻(xiàn)DE4309764C2和DE19840032C1中。所以下面不再詳細(xì)描述這種補(bǔ)償器件的結(jié)構(gòu)和工作原理。
補(bǔ)償器件應(yīng)用在許多不同的器件種類中，例如MOS晶體管，二極管，閘流晶體管，GTOS，IGBTS等，但是目前大多用于MOS晶體管。所以下面作為一個(gè)補(bǔ)償器件的實(shí)例列舉一種由場效應(yīng)控制的MOS晶體管，也簡稱為MOSFET，但是這并不意味著本發(fā)明僅限于這種半導(dǎo)體器件。
目前所能得到的所有具有反向功能的半導(dǎo)體器件，例如MOSFET，其反向特性是一種靜態(tài)的器件特性。如果要根據(jù)使用條件在這種半導(dǎo)體器件中達(dá)到很高的反向電壓，則會(huì)對半導(dǎo)體器件的其他電特性造成影響，例如導(dǎo)通電阻RDSon變差，電流承載性降低。特別是在德國專利文獻(xiàn)DE19840032C1中表明了擊穿電壓和雪崩擊穿能量之間的另一個(gè)中間途徑。
設(shè)計(jì)半導(dǎo)體器件的反向特性時(shí)，要考慮各種邊界條件。
在第一種應(yīng)用中，半導(dǎo)體器件必須能夠在大電流和/或電壓的開關(guān)中重復(fù)承受所出現(xiàn)的擊穿電壓，此時(shí)電流很大，但是短時(shí)間的能量要小。這種半導(dǎo)體器件可作為功率開關(guān)用于大負(fù)載的開關(guān)，例如開關(guān)電源，開關(guān)控制器，開關(guān)供電裝置等等。
在這種開關(guān)電路中，根據(jù)電路布局和傳輸器的質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)μH范圍內(nèi)的漏電感(幾十個(gè)μH)。該漏電感并不能通過電路內(nèi)典型設(shè)置的放電元件，例如緩沖電容而得到緩沖，從而驅(qū)使半導(dǎo)體器件進(jìn)入雪崩擊穿。典型的擊穿僅持續(xù)極短的時(shí)間，即剛好等于漏電感存儲(chǔ)的能量完全釋放的時(shí)間。半導(dǎo)體器件必須在這種情況下根據(jù)使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得它能夠吸收漏電感給出的為持續(xù)擊穿的能量，而其功能不會(huì)受到隨后出現(xiàn)的同樣擊穿的影響。
在第二種應(yīng)用中，半導(dǎo)體器件的截止特性也必須根據(jù)非常罕見的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這種狀態(tài)中對反向電壓的要求明顯高于第一種應(yīng)用情況。例如它可以應(yīng)用在功率半導(dǎo)體器件，作為截止變換器構(gòu)成的開關(guān)電源和功率因數(shù)控制器(PFC)中，經(jīng)電源電壓耦合出較高的電壓峰值，該峰值不能用一個(gè)輸入濾波器濾掉。這種電源側(cè)的電壓峰值同樣會(huì)導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件負(fù)載回路中電壓峰值的明顯超高。例如在一臺(tái)氣體放電燈的控制器中，采用通常的半波整流電路或高邊帶或低邊帶功率晶體管，在開燈時(shí)或重復(fù)發(fā)出點(diǎn)火脈沖時(shí)，產(chǎn)生的電壓峰值要高于正常的工作狀態(tài)。以上所述的這種能量釋放在極端情況下可導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的熱損壞。為了使整個(gè)電路的功能在高出尋常的過壓狀態(tài)下得到保證，需要提供一種半導(dǎo)體器件，它能夠工作在更高的反向電壓狀態(tài)下。
第二種應(yīng)用所要求的反向電壓明顯高于第一種應(yīng)用中的電壓。例如一種半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)反向電壓為600V，它在第一種應(yīng)用中具有擊穿電壓為300至400V范圍內(nèi)的反向電壓。已有的半導(dǎo)體器件考慮到其反向特性必須根據(jù)第二種應(yīng)用進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻RDSon明顯提高，使半導(dǎo)體器件的性能價(jià)格比大大下降。
如果半導(dǎo)體器件僅用于第一種應(yīng)用，即用于明顯降低的反向電壓，雖然可以顯著降低導(dǎo)通電阻RDSon，但是該半導(dǎo)體器件以及整個(gè)開關(guān)電路，在相當(dāng)于第二種應(yīng)用的電壓擊穿情況中將會(huì)受到無法修復(fù)的損壞，甚至被破壞。
所以存在的要求是提供一種半導(dǎo)體器件，其反向特性按照第一種應(yīng)用設(shè)計(jì)，但是在出現(xiàn)第二種應(yīng)用中的電壓擊穿情況時(shí)也能保持其功能。
具有這種功能的半導(dǎo)體器件迄今為止并沒有公開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種具有上述功能的半導(dǎo)體器件。
以上任務(wù)的解決方案體現(xiàn)在權(quán)利要求1、2和3的特征部分所述的補(bǔ)償器件中。其中所述類型的半導(dǎo)體器件是按照載流子補(bǔ)償原理制成的，其構(gòu)成方式是，其擊穿電壓在恒定的溫度下作為時(shí)間的函數(shù)增高。
相應(yīng)的構(gòu)成是—一種半導(dǎo)體器件，按照載流子補(bǔ)償原理制成，其中在一個(gè)半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體基片內(nèi)加入額外的不完全電離化的摻雜材料，并且在加上反向電壓后，補(bǔ)償率作為時(shí)間的函數(shù)發(fā)生改變，從而使所述半導(dǎo)體器件的擊穿電壓增高(權(quán)利要求1)。
—一種同類半導(dǎo)體器件，其中在已經(jīng)摻雜的所述補(bǔ)償層內(nèi)加入額外的不完全電離化的摻雜材料，該材料屬于第一種或者第二種電導(dǎo)類型(權(quán)利要求2和3)。
本發(fā)明所述任務(wù)的解決方案體現(xiàn)在權(quán)利要求20的特征部分所述的電路，以及權(quán)利要求23和24的特征部分所述的兩種方法中，此外所述任務(wù)的解決方案還體現(xiàn)在權(quán)利要求25的特征部分所述的用途中。
根據(jù)本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件，其擊穿電壓可隨時(shí)間增高。這種半導(dǎo)體器件是為“正?！钡墓ぷ鳡顟B(tài)，即在持續(xù)工作中使用較低的擊穿電壓設(shè)計(jì)的，但是具備額外的電壓儲(chǔ)備，在需要的情況下可發(fā)揮其作用，并且通過該性能使半導(dǎo)體器件在例外情況中具有較高的擊穿電壓。這種原理上的新穎功能開辟了半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)中的一種額外的自由度。此外對這種半導(dǎo)體器件還開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。
對于這種半導(dǎo)體器件具有隨時(shí)間增高的擊穿電壓技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)及其功能，必須要求設(shè)置一層補(bǔ)償層，也就是說，設(shè)置一層半導(dǎo)體層，它包括交替布置的不同電導(dǎo)類型的區(qū)域。這種補(bǔ)償層的特定結(jié)構(gòu)當(dāng)然不是必要的，也就是說，為了電荷隔離的目的而建立的不同電導(dǎo)類型的區(qū)域不一定必須設(shè)置在一個(gè)單元區(qū)的單元上，或者與其相連，而是多少可以任意地布置在單元區(qū)的下面。此外補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的精確形狀同樣也沒有強(qiáng)制規(guī)定，換句話說，它們可以由相關(guān)的柱形、條形或者不相關(guān)的球形結(jié)構(gòu)組成。這些區(qū)域也不必具有相同的摻雜濃度。
本發(fā)明所述半導(dǎo)體器件的擊穿電壓隨時(shí)間增高的原理基于以下物理效應(yīng)，即一部分形成載流子補(bǔ)償?shù)目昭姾稍诎雽?dǎo)體器件上施加了反向電壓時(shí)，在時(shí)間上延遲生效。這種物理機(jī)制是已知的，被稱為不完全電離化。為此目的采用的摻雜元素在“正?！睏l件下，即在半導(dǎo)體器件的工作溫度或室溫下，僅有部分電離，所以只有該摻雜材料的電離化部分形成電流。這種元素在下面稱為具有不完全電離化特性的元素或者不完全電離化元素。施加電場和/或提高溫度時(shí)，這種不完全電離化元素的電離率將升高。
如果在一種公知的沒有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件內(nèi)，將一部分摻雜用不完全電離化元素的相同摻雜代替，則擊穿電壓甚至?xí)鳛闀r(shí)間的函數(shù)而下降，而且在半導(dǎo)體器件的發(fā)熱區(qū)的下降速度高于較冷的區(qū)域。這種半導(dǎo)體器件具有隨時(shí)間下降的擊穿電壓特性，完全不希望將其用于以上所述的應(yīng)用。
根據(jù)本發(fā)明所述補(bǔ)償層具有不完全電離化的摻雜材料，其中應(yīng)當(dāng)注意的是，所述不完全電離化的摻雜材料在補(bǔ)償層內(nèi)至少包含在相同電導(dǎo)類型的區(qū)域內(nèi)。作為n摻雜和p摻雜的不完全電離化的摻雜材料，例如可以使用硒和鈀，它們在室溫下的電離率約為20％。使用硒時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，這種摻雜材料至少要布置在補(bǔ)償層的n摻雜區(qū)域內(nèi)。同樣地在使用鈀時(shí)，該元素至少應(yīng)當(dāng)布置在補(bǔ)償層的p摻雜區(qū)域內(nèi)。應(yīng)當(dāng)盡可能避免不僅將硒而且將鈀布置在補(bǔ)償層內(nèi)，也就是說，避免使用不同的不完全電離化的摻雜元素。
如果在補(bǔ)償層上未施加反向電壓，則只有一部分不完全電離化的摻雜元素電離，例如對于硒或鈀約20％，因此呈現(xiàn)電活性。所述半導(dǎo)體器件在這種狀態(tài)下是用于較低擊穿電壓而設(shè)計(jì)的，例如300V。如果在這種半導(dǎo)體器件上施加了一個(gè)反向電壓，并且由此決定的空穴電荷區(qū)達(dá)到了補(bǔ)償層，則摻雜材料的電離率將隨著時(shí)間的增加而升高，釋放出的自由載流子以及已經(jīng)存在的背景摻雜載流子，將穿過空穴電荷區(qū)立即實(shí)現(xiàn)傳輸。不完全電離化的摻雜材料將繼續(xù)電離化并且被電場所吸收，直至達(dá)到最大電離率。在這種狀態(tài)下，半導(dǎo)體器件由于具有不完全電離化的完全電離的摻雜材料和背景摻雜的摻雜材料，而達(dá)到最大擊穿電壓，例如600V。
本發(fā)明所述半導(dǎo)體器件優(yōu)選采用強(qiáng)勢n取向構(gòu)成。半導(dǎo)體層的強(qiáng)勢n取向設(shè)計(jì)的條件是補(bǔ)償率K≥20％，特別是K≥30％。擊穿電壓可以大大低于最大擊穿電壓的特征極限，例如從600V下降到例如300V。P電導(dǎo)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以采用很弱的構(gòu)成，在極限情況中甚至由弱的n摻雜區(qū)構(gòu)成。在導(dǎo)通狀態(tài)下，產(chǎn)生擊穿電壓時(shí)間延遲作用的摻雜元素不完全電離化。在這種情況中產(chǎn)生的未電離部分不會(huì)形成橫向電場，并且也不會(huì)構(gòu)成寄生結(jié)FET晶體管(J-FET)。隨著電離率的增加，電場曲線趨向平緩，擊穿電壓隨之升高。當(dāng)然，也減小了擊穿強(qiáng)度，因?yàn)榫植靠昭姾擅芏戎罱档土溯d流子的完全補(bǔ)償。
在另一種有利的方案中，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可采用強(qiáng)勢p取向構(gòu)成。半導(dǎo)體層的強(qiáng)勢p取向設(shè)計(jì)的條件是補(bǔ)償率K≥20％，特別是K≥30％。在這里時(shí)間延遲效應(yīng)是通過不完全電離化的反向摻雜元素，例如鈀實(shí)現(xiàn)的。在這種情況中，電壓擊穿深度轉(zhuǎn)移到空穴電荷區(qū)內(nèi)。半導(dǎo)體器件的邊緣區(qū)同樣由此而得到可靠的卸載。
在本發(fā)明的一個(gè)有利的方案中，也可以將不完全電離化的摻雜材料完全設(shè)置在補(bǔ)償層的相同摻雜區(qū)內(nèi)。因?yàn)椴煌耆婋x化的摻雜元素，如硒和鈀具有相對較高的擴(kuò)散系數(shù)，所以特別有利的是將該元素在大范圍內(nèi)進(jìn)行布圖，并且分布在整個(gè)補(bǔ)償層內(nèi)。在大面積加入不完全電離化的摻雜元素時(shí)，該元素在反向?qū)愋蛥^(qū)域內(nèi)，當(dāng)然也會(huì)與該處局部存在的摻雜補(bǔ)償。因此這里應(yīng)當(dāng)注意，該區(qū)域內(nèi)要對摻雜濃度有所保留，也就是說，加大不完全電離化的摻雜元素的摻雜量。在相同導(dǎo)通類型的區(qū)域內(nèi)，不完全電離化的摻雜元素在本發(fā)明的意義上發(fā)生作用。
特別有利的是，作為不完全電離化的摻雜元素采用的材料應(yīng)當(dāng)在半導(dǎo)體器件的工作溫度下實(shí)際上僅能部分電離。這種材料的摻雜水平至相應(yīng)帶邊的間隔是由電離率以及熱生成率以及擊穿電壓的時(shí)間特性確定的。作為n摻雜的不完全電離化元素首先適于采用硒，p摻雜元素首先采用鈀。但是本發(fā)明不限于采用這些元素。代替這些元素也可采用其他許多不完全電離化元素。例如作為n摻雜元素可以使用鉍、鈦、鉭等等。作為p摻雜元素可以選擇銦或鉈。
在一種有利的方案中，所述不完全電離化的元素在補(bǔ)償層內(nèi)的摻雜濃度范圍為20至100％，特別是大于50％，在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，相同的電導(dǎo)類型具有相同的摻雜濃度。
在一種典型的方案中，設(shè)置一個(gè)漏區(qū)，該區(qū)與所述補(bǔ)償層大面積相接。此外所述補(bǔ)償層最好具有一個(gè)漂移區(qū)，該區(qū)位于所述耗散區(qū)或補(bǔ)充耗散區(qū)和漏區(qū)之間，并且與該區(qū)相接。所述漂移區(qū)的摻雜濃度，特別是對于MOSFET，應(yīng)小于補(bǔ)償層的耗散區(qū)或補(bǔ)充耗散區(qū)以及漏區(qū)的摻雜濃度。
在所述漏區(qū)的摻雜類型與源區(qū)和補(bǔ)充耗散區(qū)相同的情況下，所述半導(dǎo)體器件優(yōu)選作為MOSFET構(gòu)成，特別是作為功率MOSFET構(gòu)成。所述漏區(qū)具有反向電導(dǎo)類型的，半導(dǎo)體器件優(yōu)選作為IGBT構(gòu)成。
一種典型的，而且工藝上特別有利的方案是，在所述補(bǔ)償層內(nèi)設(shè)置一個(gè)唯一的耗散區(qū)和多個(gè)補(bǔ)充耗散區(qū)，或者設(shè)置一個(gè)唯一的補(bǔ)充耗散區(qū)和多個(gè)耗散區(qū)。
在本發(fā)明的另一種方案中，所述補(bǔ)償層內(nèi)的不完全電離化的摻雜材料在室溫下只有部分電離化，并且其電離率隨著溫度的升高而增加。
典型的所述半導(dǎo)體器件具有一個(gè)單元區(qū)，它有多個(gè)單元，每一單元內(nèi)至少有一個(gè)獨(dú)立的晶體管，這些單獨(dú)的晶體管經(jīng)其負(fù)載線路并聯(lián)連接，并且可由一個(gè)共用的控制器控制，從而定義出一個(gè)活性區(qū)。在所述單元區(qū)的活性區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)第一區(qū)，該區(qū)內(nèi)的不完全電離化的元素的摻雜濃度高于活性區(qū)其他部分中的摻雜濃度。通過該方式可以肯定地確定半導(dǎo)體器件的哪個(gè)區(qū)域首先被擊穿。
所述半導(dǎo)體器件具有一個(gè)活性的、用于電流流動(dòng)的區(qū)域和一個(gè)邊緣區(qū)，通過在該區(qū)域給半導(dǎo)體器件施加一個(gè)電壓，定義出所述半導(dǎo)體基片的場特性線，其中所述不完全電離化的摻雜材料的摻雜濃度從活性區(qū)朝其邊緣區(qū)遞減。
所述半導(dǎo)體基片優(yōu)選用單晶硅或碳化硅制成。但是本發(fā)明當(dāng)然也可采用其他半導(dǎo)體材料，例如砷化鎵，鍺等。
本發(fā)明特別適用于功率半導(dǎo)體器件，例如MOSFETs，特別是功率MOSFETs。但是本發(fā)明并不限于MOSFETs，而是可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)擴(kuò)展到任意具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件上，例如J-FETs，IGBTs，二極管，閘流晶體管等等。
本發(fā)明所述半導(dǎo)體器件首先適用于具有改進(jìn)的RCD緩沖器的電路。所述RCD緩沖器除了具有公知的元件如電阻，二極管，電容外，還具有附加的高反向電壓齊納二極管。這種具有附加齊納二極管的RCD緩沖器優(yōu)選用于卸載網(wǎng)絡(luò)，它只有從某個(gè)特定的電壓差ΔV開始才有效。所述卸載網(wǎng)絡(luò)可用于所有必須在斷路后補(bǔ)償局部電壓升高的開關(guān)電路中，即優(yōu)選用于開關(guān)電源、脈沖電源、調(diào)壓器或類似的裝置。
本發(fā)明的其他有利構(gòu)成和改進(jìn)見從屬權(quán)利要求以及對附圖的說明。


下面對照附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
圖1表示一種垂直構(gòu)成的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的第一實(shí)施例的局部剖視圖；圖2表示一種垂直構(gòu)成的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的第二實(shí)施例的局部剖視圖；圖3表示一種垂直構(gòu)成的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的第三實(shí)施例的局部剖視圖；圖4表示一種垂直構(gòu)成的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的第四實(shí)施例的局部剖視圖；圖5表示一種橫向結(jié)構(gòu)的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的局部立體圖；圖6表示已有技術(shù)中的半導(dǎo)體器件(A)和圖1所示本發(fā)明半導(dǎo)體器件(B)的擊穿電壓隨補(bǔ)償率變化的曲線圖；圖7表示導(dǎo)通電阻RDSon隨補(bǔ)償率K變化的曲線圖；圖8表示按圖1所示方式設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體器件(B)的電場隨n取向(a)和p取向(b)深度變化的曲線圖；圖9表示補(bǔ)償層的n取向結(jié)構(gòu)的示意性局部剖視圖；圖10表示補(bǔ)償層的p取向結(jié)構(gòu)的示意性局部剖視圖；圖11表示無電場情況(a)和施加電場(b)時(shí)的區(qū)帶模型；圖12表示的局部剖視圖說明了本發(fā)明所述補(bǔ)償層的第一種制造方法；圖13表示的局部剖視圖說明了本發(fā)明所述補(bǔ)償層的第二種制造方法；圖14表示的局部剖視圖說明了本發(fā)明所述補(bǔ)償層的第三種制造方法；圖15表示的電路圖是本發(fā)明所述補(bǔ)償器件在卸載網(wǎng)絡(luò)中的有利應(yīng)用。
在所有的附圖中，相同或功能相同的元件和信號只要沒有專門規(guī)定，均使用相同的標(biāo)號。
具體實(shí)施例方式
圖1表示一種垂直構(gòu)成的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的第一實(shí)施例的局部剖視圖，這里是一種n溝道MOSFET。
在圖1中用標(biāo)號1表示一個(gè)半導(dǎo)體基片，例如一個(gè)單晶硅片。該半導(dǎo)體基片1具有一個(gè)第一表面2，它是所謂的基片正面，還具有一個(gè)第二表面3，它是所謂的基片背面。所述半導(dǎo)體基片具有一個(gè)在表面3上強(qiáng)勢n摻雜的漏區(qū)7，該區(qū)經(jīng)一個(gè)大面積地設(shè)置在表面3上的漏區(qū)金屬化層20與漏區(qū)引線D相連。在與表面3相對的側(cè)面連接著補(bǔ)償器件的補(bǔ)償層8。所述補(bǔ)償層8在補(bǔ)償器件中起到內(nèi)部漂移路徑的功能，它具有交替排列布置的兩種電導(dǎo)類型的摻雜區(qū)4、5，它們共同構(gòu)成補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。其中的p摻雜區(qū)5在下面稱為耗散區(qū)，n摻雜區(qū)4稱為補(bǔ)充耗散區(qū)。
在本實(shí)施例中，所述補(bǔ)償層8作為外延層構(gòu)成，它是通過n摻雜硅淀積在邊界層6上生長形成的。耗散區(qū)5隨后通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ诎雽?dǎo)體基片1內(nèi)制成。也可以設(shè)想，淀積出一層p摻雜或不摻雜的外延層，在該層內(nèi)制出n摻雜區(qū)4和/或p摻雜區(qū)5。
在表面2上的補(bǔ)償層8內(nèi)埋入多個(gè)p摻雜基體區(qū)13。在每個(gè)基體區(qū)13內(nèi)埋入一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)勢n摻雜的源區(qū)14。所述基體區(qū)13和源區(qū)14可以按照公知的方式和方法，通過離子注入或者擴(kuò)散在半導(dǎo)體基片1內(nèi)制成和/或通過外延法在半導(dǎo)體基片1上構(gòu)成。所述基體區(qū)13在表面2上通過隔離區(qū)15相互隔開。該隔離區(qū)屬于補(bǔ)充耗散區(qū)4的組成部分，也具有與其同樣的摻雜。隔離區(qū)15的上部分別設(shè)置一個(gè)柵電極16，它橫向延伸到源區(qū)14。所述柵電極16相對表面2經(jīng)一層薄的柵極氧化物17絕緣。此外設(shè)置一個(gè)源區(qū)金屬化層18，它使源區(qū)14和基體區(qū)13經(jīng)一個(gè)旁路引線實(shí)現(xiàn)電接觸，并且與所述柵電極16之間由一種保護(hù)氧化層19隔開。在半導(dǎo)體基片11的正面，所述源區(qū)金屬化層18與一根源區(qū)引線S相連，柵電極16與一根柵極引線G相連。
半導(dǎo)體基片11的布局包括由柵電極16以及基體區(qū)13和源區(qū)14覆蓋的區(qū)域，該區(qū)域由多個(gè)單元構(gòu)成補(bǔ)償器件的單元區(qū)ZF。每個(gè)單元區(qū)均包括一個(gè)獨(dú)立的晶體管。多個(gè)獨(dú)立晶體管的負(fù)載路徑并聯(lián)連接構(gòu)成了補(bǔ)償器件的MOSFET。補(bǔ)償器件的典型結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)邊緣區(qū)RB，它設(shè)置在單元區(qū)ZF的外部，并且在補(bǔ)償器件工作時(shí)應(yīng)當(dāng)在邊緣區(qū)內(nèi)保證確定的電場線曲線。在邊緣區(qū)RB內(nèi)設(shè)置場片21，它同樣經(jīng)防護(hù)氧化物22與半導(dǎo)體基片1和源區(qū)金屬化層18絕緣。
所述單元區(qū)ZF的單元以及補(bǔ)償結(jié)構(gòu)構(gòu)成了網(wǎng)格。在本實(shí)施例中區(qū)域4、5與基體區(qū)13相連，其中單元區(qū)的網(wǎng)格對準(zhǔn)補(bǔ)償層的網(wǎng)格。但是還可以設(shè)想兩個(gè)網(wǎng)格不是相互對準(zhǔn)，或者區(qū)域4、5不與單元區(qū)ZF的結(jié)構(gòu)相連。
所述耗散區(qū)5和補(bǔ)充耗散區(qū)4在圖1中對準(zhǔn)單元區(qū)ZF的網(wǎng)格，但是當(dāng)然也可設(shè)想不存在單元區(qū)對準(zhǔn)該區(qū)域4、5的結(jié)構(gòu)。
區(qū)域4、5在圖1中的實(shí)施例中構(gòu)成橫向條狀和垂直柱狀，但是也可設(shè)想其他的設(shè)計(jì)方式。
所述柵電極16的典型結(jié)構(gòu)由多晶硅組成，但它也可用其他材料構(gòu)成，例如金屬或硅化物，但是這些材料的制造工藝以及其物理和電學(xué)性質(zhì)并不像高摻雜多晶硅那么有利。同樣對于柵極氧化物16和防護(hù)氧化物19、22也可用任何其他絕緣材料如氮化硅(Si3N4)或用真空取代二氧化硅(SiO2)，然而用加熱法制造二氧化硅，特別是用于柵極氧化物時(shí)，其質(zhì)量最高，所以應(yīng)當(dāng)優(yōu)選采用。作為源區(qū)金屬化層18和漏區(qū)金屬化層20典型采用鋁或鋁合金，例如AlSi或AlSiCu，或類似的材料，但是這里也可采用任何除鋁以外的其他良導(dǎo)體材料，能保證與半導(dǎo)體基片的良好接觸。
根據(jù)本發(fā)明在p摻雜區(qū)內(nèi)摻入一種不完全電離化的p摻雜的摻雜材料30。在圖1所示的實(shí)施例中，含有該元素的區(qū)域用十字線30表示。下面所述的不完全電離化的p摻雜元素30采用鈀。
圖2所示的補(bǔ)償器件與圖1所示的不同之處在于，p摻雜元素30分布在整個(gè)補(bǔ)償層內(nèi)，即不僅在p摻雜區(qū)域5內(nèi)，而且在n摻雜區(qū)域4內(nèi)均有分布。圖3所示的補(bǔ)償器件和圖1所示的差別在于，將p摻雜區(qū)內(nèi)的鈀30用n摻雜區(qū)內(nèi)的硒31(圓圈)取代。此外這里可設(shè)想將硒分布在整個(gè)補(bǔ)償層8內(nèi)。
圖4表示一種垂直構(gòu)成的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的第四實(shí)施例的局部剖視圖。圖4中的半導(dǎo)體器件和圖1所示的半導(dǎo)體器件之間的區(qū)別特別在于補(bǔ)償層8的結(jié)構(gòu)。這里的補(bǔ)償層8的耗散區(qū)5和補(bǔ)充耗散區(qū)4并沒有與背面的漏區(qū)7相連，也就是說，在區(qū)域4、5之間還設(shè)置了一層弱勢n摻雜漂移區(qū)10。因此所述區(qū)域4、5在補(bǔ)償層8內(nèi)多少采用浮動(dòng)方式構(gòu)成。圖4所示的半導(dǎo)體器件，其補(bǔ)償層8的結(jié)構(gòu)特別出于工藝上的原因，是一種有利的方案，它在補(bǔ)償半導(dǎo)體器件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面要優(yōu)于圖1至圖3所示的實(shí)施例，后者的補(bǔ)償層8直接與漏區(qū)7相連。
圖5表示一種橫向結(jié)構(gòu)的本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的局部立體圖。圖5和圖2所示實(shí)施例之間的區(qū)別在于，補(bǔ)償層的結(jié)構(gòu)是橫向布置的，也就是說，漏區(qū)和源區(qū)電極D、S位于半導(dǎo)體基片1的同一個(gè)表面2上，因此構(gòu)成一個(gè)位于表面附近的基本上是橫向的電流流動(dòng)。不完全電離化摻雜材料30分布在整個(gè)補(bǔ)償層上(十字線)，換言之，不僅分布在n摻雜區(qū)4內(nèi)，而且也分布在p摻雜區(qū)5內(nèi)。在圖中，設(shè)置在表面2上的電極以及鈍化層出于顯示清楚的原因而放棄表示。
本發(fā)明所述設(shè)置在補(bǔ)償層8內(nèi)的不完全電離化元素的時(shí)間延遲的活性機(jī)制按以下方式工作在無電場的情況中以及在一個(gè)給定溫度下，例如在室溫下，實(shí)際上所有“正?！睋诫s的摻雜材料(磷)電離化，但是只有一部分不完全電離化元素(Se)發(fā)生電離(見圖11(a))。在這里，不完全電離化元素的電離率，即相對于進(jìn)入半導(dǎo)體基片內(nèi)的全部載流子而言，電離化的部分以及由此產(chǎn)生的電活性載流子的份額小于100％。在半導(dǎo)體器件上施加一個(gè)電壓時(shí)，將建立起一個(gè)空穴電荷區(qū)，該區(qū)從源區(qū)出發(fā)，隨著電壓的增高延伸到半導(dǎo)體基片內(nèi)部。一旦空穴電荷區(qū)抵達(dá)補(bǔ)償層的范圍，不完全電離化摻雜原子的自由載流子以及背景摻雜的全部載流子將被吸收。在空穴電荷區(qū)內(nèi)部將不再發(fā)生自由載流子與其電離化原子內(nèi)層的重結(jié)合。
不完全電離化元素的在該狀態(tài)下尚未電離的原子首先并不參與整個(gè)空穴電荷。由于載流子是與溫度相關(guān)產(chǎn)生的，所以繼續(xù)有自由載流子從不完全電離化元素中生成(見圖11(b))，該載流子然后立刻被空穴電荷區(qū)吸收。殘余的原子內(nèi)層參與整個(gè)的空穴電荷。該過程將持續(xù)進(jìn)行，直到所有不完全電離化元素的原子被電離為止。此時(shí)的電離率達(dá)到100％。通過這種上升的總體空穴電荷使得空穴電荷密度作為時(shí)間的函數(shù)升高。所以電場分布以及擊穿電壓也作為時(shí)間的函數(shù)發(fā)生變化。因此在一種合適的尺寸上，擊穿電壓可隨著時(shí)間延伸而提供的電荷越來越高。
一種特別有利的附帶效應(yīng)可通過以下方式得到，即不完全電離化的摻雜元素的電離率隨著溫度的升高而上升。例如在半導(dǎo)體器件的一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，通過擊穿而產(chǎn)生強(qiáng)負(fù)荷，則該處的局部擊穿電流上升，溫度也隨之上升。由于增加了附加的熱負(fù)荷，使不完全電離化元素的電離率在“熱”區(qū)內(nèi)上升的速度高于“冷”區(qū)，使得半導(dǎo)體器件的低負(fù)荷區(qū)擊穿。在半導(dǎo)體器件的熱區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的擊穿電壓要高于半導(dǎo)體器件冷區(qū)內(nèi)的擊穿電壓。因此從擊穿電壓方面看，是一種具有負(fù)反饋的調(diào)節(jié)回路，換言之，半導(dǎo)體器件具有自穩(wěn)定的擊穿特性。
補(bǔ)償率在圖中與擊穿電壓相關(guān)，以下稱為補(bǔ)償拋物線，例如參見德國專利文獻(xiàn)DE19840032C1中的詳細(xì)描述。補(bǔ)償率K在n溝道MOSFET中按下式定義K＝(Np-Nn)/Nn式中的Np和Nn表示p摻雜和n摻雜區(qū)內(nèi)的(電活性，電離化)載流子總量。補(bǔ)償率在局部定義的意義上涉及平行于表面3的薄層。
圖6表示已有技術(shù)中的半導(dǎo)體器件(A)和圖1所示本發(fā)明所述n溝道MOSFET(B)的擊穿電壓VDS隨補(bǔ)償率K變化的曲線圖。其中在縱坐標(biāo)中給出的擊穿電壓VDS的單位是伏特，橫坐標(biāo)上給出的補(bǔ)償率K用百分比表示。較低的K值表示補(bǔ)償層的p取向，較高的K值表示n取向結(jié)構(gòu)。
如圖所示，在已有技術(shù)所述的半導(dǎo)體器件中，摻雜材料在補(bǔ)償層內(nèi)有相同的總濃度時(shí)，其補(bǔ)償拋物線比較平坦，即在其邊緣的擊穿電壓和最大值的差是很小的。然而本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的補(bǔ)償拋物線在相同的摻雜濃度、但采用一種不完全電離化摻雜材料的條件下，具有較陡的形狀。
已有技術(shù)中的半導(dǎo)體器件其拋物線用于設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，例如通過相應(yīng)區(qū)域的摻雜濃度設(shè)定。已有技術(shù)中的補(bǔ)償器件其摻雜濃度在補(bǔ)償層范圍內(nèi)的選擇方式是，使補(bǔ)償拋物線上的工作點(diǎn)盡可能接近最大值。
本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的工作點(diǎn)和已有技術(shù)中的補(bǔ)償器件的不同之處在于沒有固定在補(bǔ)償拋物線上，而是在產(chǎn)生了空穴電荷區(qū)后隨著時(shí)間增加，工作點(diǎn)在補(bǔ)償拋物線上的變換也朝向更高的擊穿電壓VDS移動(dòng)。通過該方式得到的補(bǔ)償器件具有擊穿電壓動(dòng)態(tài)變換的工作點(diǎn)。
本發(fā)明所述半導(dǎo)體器件例如可以采用強(qiáng)勢n取向結(jié)構(gòu)，其中在正常運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)，考慮到制造的公差分布，位于補(bǔ)償拋物線上部的一個(gè)第一特征擊穿電壓VDS1上。此外本發(fā)明所述補(bǔ)償器件的設(shè)計(jì)方式是，在完全電離化時(shí)，補(bǔ)償拋物線的最大值VDSmax考慮到制造公差被定義成大于一個(gè)第二個(gè)較高的特征擊穿電壓VDS2。在這種情況下，本發(fā)明所述補(bǔ)償器件也是為開始所述的罕見情況設(shè)計(jì)的，此時(shí)時(shí)間的延遲必然會(huì)帶來明顯的擊穿電壓升高。
圖7表示一個(gè)n溝道MOSFET中導(dǎo)通電阻RDSon隨補(bǔ)償率K改變的曲線，其中曲線的左邊表示補(bǔ)償層的一種p取向區(qū)，右邊表示一種n取向結(jié)構(gòu)。如圖7所示，在一種n溝道MOSFET中，最低的導(dǎo)通電阻RDSmin可通過補(bǔ)償層盡可能采用n取向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，然而補(bǔ)償層采用p取向結(jié)構(gòu)是不利的，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件會(huì)因此而增大導(dǎo)通電阻RDSon。p溝道MOSFET在此意義上應(yīng)當(dāng)盡量采用p取向結(jié)構(gòu)。
補(bǔ)償層n取向結(jié)構(gòu)的界限的實(shí)現(xiàn)方式是，在p摻雜區(qū)5內(nèi)全部采用不完全電離化元素，不采用任何在工作溫度下完全電離的元素。反之在最大p取向結(jié)構(gòu)中，n摻雜區(qū)全部是由不完全電離化的n摻雜元素構(gòu)成的。
圖8表示圖2所示半導(dǎo)體器件中電場E作為深度x函數(shù)的曲線。其中的曲線P[t1]表示電場E在時(shí)刻t1的曲線，此時(shí)空穴電荷區(qū)完全擴(kuò)張，不完全電離化元素還沒有完全電離，而曲線Q[t2]則表示電場E在隨后的一個(gè)時(shí)刻(t2＞t1)的曲線，空穴電荷區(qū)完全擴(kuò)張，并且不完全電離化的元素已經(jīng)完全電離。如圖所示，電場E的曲線不是靜態(tài)的，而是隨時(shí)間變化。
圖8表示一個(gè)n取向結(jié)構(gòu)的局部視圖(a)和一個(gè)p取向結(jié)構(gòu)的局部視圖(b)。在n取向結(jié)構(gòu)中，電場最大值Emax1首先出現(xiàn)在基片正面，而p取向結(jié)構(gòu)的電場最大值Emax1則首先出現(xiàn)在半導(dǎo)體基片的深處。在第一種情況中，電場最大值Emax2在施加了電場后進(jìn)入到半導(dǎo)體基片的深度x內(nèi)，而在第二種情況中，則從半導(dǎo)體基片內(nèi)向外移動(dòng)。p取向結(jié)構(gòu)要優(yōu)于n取向結(jié)構(gòu)，因?yàn)榘雽?dǎo)體基片可因此出現(xiàn)雪崩窗口，使器件更為牢度。
圖9和圖10分別表示補(bǔ)償層的n取向結(jié)構(gòu)的示意性局部剖視圖(圖9)和補(bǔ)償層的p取向結(jié)構(gòu)的示意性局部剖視圖(圖10)。在n取向結(jié)構(gòu)中，鈀原子基本上處在補(bǔ)償層的下部(圖9)，并且具有均勻摻雜，在p取向結(jié)構(gòu)中，硒原子基本上處在補(bǔ)償層的上部(圖10)，并且同樣具有均勻摻雜。該器件或者作為n取向構(gòu)成，或者作為p取向構(gòu)成。也可設(shè)想硒和鈀是不均勻摻雜，而且或多或少在補(bǔ)償層內(nèi)部逐級或累進(jìn)遞減摻雜。
在n取向結(jié)構(gòu)中(圖8(a))，在初始時(shí)刻t1，場強(qiáng)最大值Emax1位于補(bǔ)償層表面x2，其中在n取向或p取向的補(bǔ)償層情況中，也進(jìn)入半導(dǎo)體基片的深層。在兩種范圍內(nèi)，所述半導(dǎo)體器件極為耐用。所謂的科克(Kirk)效應(yīng)表示電場分布受到與電流相關(guān)的載流子的影響被大大抑制。隨著不完全電離化元素的初始附加電離，電場曲線逐漸變得平坦，從而實(shí)現(xiàn)與時(shí)間相關(guān)的擊穿電壓升高。電場最大值Emax2移動(dòng)到半導(dǎo)體基片的深處。經(jīng)過一個(gè)給定的時(shí)間間隔后將達(dá)到最大擊穿電壓，該間隔由相應(yīng)帶緣的能級、電離率和溫度確定。該時(shí)間間隔根據(jù)不同的元素典型的數(shù)值在500納秒至5微秒之間。
p取向結(jié)構(gòu)(圖8(b))的情況剛好相反。
隨時(shí)間變化的電場分布特別有利于半導(dǎo)體器件的振蕩穩(wěn)定性，特別是在具有扁平電場梯度的半導(dǎo)體器件中，在電場最大值范圍內(nèi)容易產(chǎn)生這種振蕩。這種振蕩被稱為TRAPATT振蕩，它特別是對補(bǔ)償器件構(gòu)成干擾。本發(fā)明僅僅出于這個(gè)理由，即避免TRAPATT振蕩，就已經(jīng)顯示出其優(yōu)點(diǎn)。
為了制造所述補(bǔ)償層，優(yōu)選采用的制造技術(shù)是將n摻雜和p摻雜區(qū)4、5通過交替淀積n摻雜硅以及隨后進(jìn)行掩模摻雜而生成，例如通過離子注入法或擴(kuò)散法。通過進(jìn)行多個(gè)這種淀積和摻雜步驟，可以根據(jù)所要求的補(bǔ)償器件的耐壓強(qiáng)度和電流通量制造出所要求的厚度。
作為選擇方案可以使補(bǔ)償層具有一層摻雜的基礎(chǔ)層，通過掩模窗口注入，在疊加能量和/或注入劑量的條件下生成所要求的柱形結(jié)構(gòu)。通過高能注入可以使20MeV的注入能量按照不同的摻雜元素實(shí)現(xiàn)大于50微米的注入深度。另一種方法是在補(bǔ)償層內(nèi)進(jìn)行圓管電解腐蝕。這種制造補(bǔ)償層的方法例如見歐洲專利文獻(xiàn)EP0621355A2所述。
為了將不完全電離化元素?fù)饺胙a(bǔ)償層，原則上可以采用兩種不同的方法。下面僅僅對原理加以說明，制造各種結(jié)構(gòu)的詳細(xì)工藝步驟對專業(yè)人員已是公知的，所以不再另外說明第一種方法(圖12)進(jìn)行p或n區(qū)4、5的摻雜時(shí)，不完全電離化元素要采用相同的摻雜掩模滲入。如圖2所示，補(bǔ)償層8具有一層n摻雜基層(a)。裝上注入掩模后，使用相同的注入掩模通過擴(kuò)散法或注入法首先生成補(bǔ)償層8的p摻雜區(qū)5(b)。隨后使用同一個(gè)注入掩模32將鈀31注入p摻雜區(qū)5(c)。
通過該方法可以放棄使用掩模步驟。但是由于鈀具有很高的擴(kuò)散系數(shù)，所以在很大程度上會(huì)擴(kuò)散到相鄰的n摻雜區(qū)。從p摻雜區(qū)擴(kuò)散出來的鈀必須保留在p或n摻雜區(qū)內(nèi)。所以這種方法難以控制。
第二種方法(圖13)如圖13所示，補(bǔ)償層8具有一層n摻雜基層(a)。裝上注入掩模32后，通過擴(kuò)散法或注入法首先生成補(bǔ)償層8的p摻雜區(qū)5(b)。除掉注入掩模32后，將鈀大面積滲入整個(gè)補(bǔ)償層8，其中該材料由于很高的擴(kuò)散系數(shù)橫向并均勻分布在補(bǔ)償層的整個(gè)深度上。但也可設(shè)想將鈀滲入在補(bǔ)償層8的摻雜基層內(nèi)，例如在外延工藝中實(shí)現(xiàn)。
該第二種方法的優(yōu)點(diǎn)特別在于，不存在由于鈀的擴(kuò)散而出現(xiàn)濃度比例的移動(dòng)。只需要保證維持n摻雜區(qū)內(nèi)的摻雜濃度，使p摻雜鈀的濃度在該處得到補(bǔ)償。
第三種方法(圖14)圖14所示方法和圖13所示方法的區(qū)別在于，硒僅僅在補(bǔ)償層8的上部8a范圍內(nèi)注入和擴(kuò)散，該范圍處在表面上。因此可提供一種p取向的半導(dǎo)體器件(見圖10)。在n取向結(jié)構(gòu)的情況中，鈀必須注入和擴(kuò)散到補(bǔ)償層8的深處(見圖10)。該下部范圍8b與漏區(qū)7相接。
本發(fā)明不局限于圖1至圖5所示的實(shí)施例，以及圖12至圖14所述的方法。其中舉例說明的方案可用電導(dǎo)類型n替換p，并且通過改變摻雜濃度得到多種新型器件類型。關(guān)于其他實(shí)施例可參見開始所列舉的美國專利文獻(xiàn)US 5,216,275和US 5,754,310，以及WO97/29518，德國專利文獻(xiàn)DE4309764C2和DE19840032C1，其主題內(nèi)容完全包括在本專利申請中。
圖15表示本發(fā)明所述補(bǔ)償器件用于一種卸載網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
在圖15中，標(biāo)號40表示本發(fā)明所述補(bǔ)償器件。該補(bǔ)償器件40以其漏區(qū)—源區(qū)—負(fù)載路徑布置在一個(gè)具有第一電源電位Vdd的第一引線41(例如一個(gè)整流器的正電位)與一個(gè)具有第二電源電位GND的第二引線42(例如一個(gè)接地的電位)之間。此外還設(shè)有一個(gè)變壓器43，其初級繞組44與補(bǔ)償器件40的負(fù)載路徑串聯(lián)，并且位于引線41、42之間。
該電路還具有一個(gè)所謂的“RCD緩沖器”。該RCD緩沖器以公知的方式和方法由一個(gè)二極管45構(gòu)成，它的正極與補(bǔ)償器件40和初級繞組44之間的中間接點(diǎn)46相連。二極管45的負(fù)極與一個(gè)電阻47和電容48的并聯(lián)電路相串聯(lián)。和公知的RCD緩沖器電路的區(qū)別是，圖12所示的電路還包括一個(gè)附加的齊納二極管49，它位于引線41和電阻47之間。
圖12所示的電路，例如可以是一個(gè)脈沖電源、一個(gè)調(diào)壓器、一個(gè)電壓供應(yīng)裝置、一個(gè)開關(guān)電源或類似裝置的組成部分。在這種裝置中，切斷電源電位Vdd時(shí)，例如300V，根據(jù)變壓器43的不同變壓比會(huì)在中間接點(diǎn)46上產(chǎn)生一個(gè)反向電位Vz，該電位明顯大于電源電位Vdd，例如為420V。二極管45在這種情況下由于電壓差ΔV＝Vz-Vdd而在電源電位Vdd和反向電位Vz之間導(dǎo)通。電容48具有很大的容量，它的作用是用于故障情況下的大型蓄能器。新增加的齊納二極管應(yīng)當(dāng)選擇其耐壓特性，使得RCD緩沖器即便在很大的電壓差ΔV作用下也不會(huì)擊穿。在本實(shí)施例中，可采用耐壓為150V的齊納二極管49。也可以采用任何其他的限壓元件代替所述齊納二極管。
用附加齊納二極管49改進(jìn)的RCD緩沖器按照圖15工作，即作為卸載網(wǎng)絡(luò)，它只有從某個(gè)特定的電壓差ΔV起才開始有效。
對于必須承受漏電感產(chǎn)生的很大漏散能量的電路，使用專門設(shè)計(jì)的RCD緩沖器能帶來特殊的優(yōu)點(diǎn)。該RCD緩沖器的構(gòu)成必須能使其使用電壓明顯高于正常工作時(shí)的反向電壓，并且高于不完全電離化晶體管的最大擊穿電壓，但是應(yīng)當(dāng)?shù)陀诒景l(fā)明所述半導(dǎo)體器件的可達(dá)到的最大擊穿電壓。這種RCD緩沖器在正常工作時(shí)，幾乎不消耗能量，所以幾乎不會(huì)影響電路的效率。由于具有擊穿電壓的“電壓儲(chǔ)備”，所以該RCD緩沖器在故障情況中，例如在短時(shí)間出現(xiàn)過高的擊穿電壓時(shí)，能夠以有利方式被激活，并且使半導(dǎo)體器件卸載。
通過以上方式可以提供一種用于半導(dǎo)體器件的時(shí)間和電壓控制的卸載元件。由此產(chǎn)生的半導(dǎo)體器件的優(yōu)點(diǎn)是，它由于其在正常工作時(shí)具有較低的擊穿電壓，因此能可靠地防止RCD緩沖器不必要地吸收能量，從而減小功率損失，提高效率。
除了所列舉的電路用途外，本發(fā)明所述補(bǔ)償器件也可找到許多其他用途。
綜上所述，可以確定在補(bǔ)償層內(nèi)滲入不完全電離化元素，并且形成補(bǔ)償器件的漂移區(qū)，可以完全脫離公知的補(bǔ)償器件，以非常簡單而有效的方式實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償器件的擊穿電壓的時(shí)間相關(guān)性。通過該方式補(bǔ)償器件可以通過不同擊穿電壓優(yōu)化。
本發(fā)明的以上說明解釋了本發(fā)明的原理及其最佳的實(shí)際用途。當(dāng)然本發(fā)明可以在專業(yè)人員的常識(shí)范圍內(nèi)以合適的方式實(shí)現(xiàn)各種不同的實(shí)施方式和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體器件，按照載流子補(bǔ)償原理制成，本發(fā)明的特征是，在一個(gè)半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體基片(1)內(nèi)加入額外的不完全電離化的摻雜材料，并且在加上反向電壓后，補(bǔ)償率作為時(shí)間的函數(shù)發(fā)生改變，從而使所述半導(dǎo)體器件的擊穿電壓增高。
2.半導(dǎo)體器件，包括一個(gè)半導(dǎo)體基片(1)，具有至少一層設(shè)在所述半導(dǎo)體基片(1)內(nèi)的補(bǔ)償層(8)，該補(bǔ)償層具有至少一個(gè)屬于第一種電導(dǎo)類型的耗散區(qū)(5)，以及至少一個(gè)屬于第二種反向電導(dǎo)類型的補(bǔ)充耗散區(qū)(4)，其中所述至少一個(gè)耗散區(qū)(5)以及至少一個(gè)補(bǔ)充耗散區(qū)(4)交替并列設(shè)置在所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)，本發(fā)明的特征是，在已經(jīng)摻雜的所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)加入額外的不完全電離化的摻雜材料(30，31)，該材料屬于第一種或者第二種電導(dǎo)類型。
3.半導(dǎo)體器件，包括一個(gè)半導(dǎo)體基片(1)，具有至少一層設(shè)在所述半導(dǎo)體基片(1)內(nèi)的補(bǔ)償層(8)，該補(bǔ)償層具有至少一個(gè)屬于第一種電導(dǎo)類型的耗散區(qū)(5)，以及至少一個(gè)屬于第二種反向電導(dǎo)類型的補(bǔ)充耗散區(qū)(4)，其中所述至少一個(gè)耗散區(qū)(5)以及至少一個(gè)補(bǔ)充耗散區(qū)(4)交替并列設(shè)置在所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)，還具有至少一個(gè)埋設(shè)在所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)的屬于第二種電導(dǎo)類型的基體區(qū)(13)，具有至少一個(gè)埋設(shè)在所述基體區(qū)(13)內(nèi)的屬于第一種電導(dǎo)類型的源區(qū)(14)，本發(fā)明的特征是，在已經(jīng)摻雜的所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)加入額外的不完全電離化的摻雜材料(30，31)，該材料屬于第一種或者第二種電導(dǎo)類型。
4.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述不完全電離化的摻雜材料(30，31)在補(bǔ)償層(8)內(nèi)以極其均勻的形式分布。
5.如權(quán)利要求1至3中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述不完全電離化的摻雜材料(30)屬于第一種電導(dǎo)類型，并且在所述耗散區(qū)(5)內(nèi)呈多數(shù)分布。
6.如權(quán)利要求1至3中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述不完全電離化的摻雜材料(31)屬于第二種電導(dǎo)類型，并且在所述補(bǔ)充耗散區(qū)(4)內(nèi)呈多數(shù)分布。
7.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述耗散區(qū)(5)或補(bǔ)充耗散區(qū)(4)全部具有所述不完全電離化的摻雜材料(30，31)。
8.如權(quán)利要求1至6中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述不完全電離化的元素(30，31)在補(bǔ)償層(8)內(nèi)的摻雜濃度范圍為20至100％，特別是大于50％，在相應(yīng)區(qū)域(4，5)內(nèi)，相同的電導(dǎo)類型具有相同的摻雜濃度。
9.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述不完全電離化的摻雜材料(30)是鈀。
10.如權(quán)利要求1至8中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述不完全電離化的摻雜材料(31)是硒。
11.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，設(shè)置一個(gè)漏區(qū)(7)，該區(qū)與所述補(bǔ)償層(8)大面積相接。
12.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，設(shè)置一個(gè)屬于第一種電導(dǎo)類型的漂移區(qū)(10)，該區(qū)位于所述補(bǔ)償層(8)和漏區(qū)(7)之間，并且與該區(qū)(7，8)相接，其中所述漂移區(qū)的摻雜濃度小于補(bǔ)償層(8)的補(bǔ)充耗散區(qū)的摻雜濃度。
13.如權(quán)利要求11至12中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述漏區(qū)具有屬于第一種電導(dǎo)類型的載流子，并且所述半導(dǎo)體器件作為MOSFET構(gòu)成，特別是作為功率MOSFET構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求11至12中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述漏區(qū)具有屬于第二種電導(dǎo)類型的載流子，并且所述半導(dǎo)體器件作為IGBT構(gòu)成。
15.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，在所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)設(shè)置一個(gè)唯一的耗散區(qū)(5)和多個(gè)補(bǔ)充耗散區(qū)(4)，或者設(shè)置一個(gè)唯一的補(bǔ)充耗散區(qū)(4)和多個(gè)耗散區(qū)(5)。
16.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)的不完全電離化的摻雜材料(30，31)在室溫下只有部分電離化，并且其電離率隨著溫度的升高而增加。
17.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述半導(dǎo)體器件由多個(gè)位于一個(gè)單元區(qū)(ZF)的單元內(nèi)的獨(dú)立晶體管組成，這些晶體管經(jīng)其負(fù)載線路并聯(lián)連接，并且可由一個(gè)共用的控制器(G)控制，從而定義出一個(gè)活性區(qū)，其中在所述單元區(qū)(ZF)內(nèi)存在一個(gè)第一區(qū)，該區(qū)內(nèi)的不完全電離化的元素(30，31)的摻雜濃度高于單元區(qū)(ZF)其他部分中的摻雜濃度。
18.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述半導(dǎo)體器件具有一個(gè)活性的、用于電流流動(dòng)的區(qū)域(ZF)和一個(gè)邊緣區(qū)(RB)，通過在該區(qū)域給半導(dǎo)體器件施加一個(gè)電壓，定義出所述半導(dǎo)體基片(1)的場特性線，其中所述不完全電離化的摻雜材料(30，31)的摻雜濃度從活性區(qū)(ZF)朝其邊緣區(qū)(RB)遞減。
19.如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其特征是，所述半導(dǎo)體基片(1)用單晶硅或碳化硅制成。
20.具有如以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述半導(dǎo)體器件(40)的電路，包括一個(gè)RCD緩沖器，它具有一個(gè)電阻元件(47)和一個(gè)與其并聯(lián)連接的電容元件(48)，還具有一個(gè)與該電阻元件(47)和電容元件(48)組成的并聯(lián)電路相串聯(lián)的二極管(45)，還包括一個(gè)附加的齊納二極管(49)。
21.如權(quán)利要求20所述的電路，其特征是，所述齊納二極管(49)與所述電阻元件(47)串聯(lián)連接，與所述電容元件(48)并聯(lián)連接。
22.如權(quán)利要求20或21所述的電路，其特征是，所述電路具有一個(gè)變壓器(43)，其初級繞組(44)與所述半導(dǎo)體器件(40)串聯(lián)連接，并且設(shè)置在電源電壓(Vdd)的接線端子(41，42)之間，其中具有所述附加齊納二極管(49)的RCD緩沖器連接在半導(dǎo)體器件(40)和初級繞組(44)之間的中間接點(diǎn)(46)以及電源電壓(Vdd)的一個(gè)接線端子(41)上。
23.補(bǔ)償層(8)的摻雜方法，用于如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述不完全電離化的摻雜材料(30，31)大面積地設(shè)置在所述補(bǔ)償層(8)內(nèi)。
24.補(bǔ)償層(8)的摻雜方法，用于如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述不完全電離化的摻雜材料(30，31)屬于一種電導(dǎo)類型，它設(shè)置在所述補(bǔ)償層(8)的具有相同電導(dǎo)類型的摻雜區(qū)內(nèi)。
25.如權(quán)利要求20所述電路的用途，該電路具有如權(quán)利要求1至19中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件(40)，包括一個(gè)RCD緩沖器，它具有一個(gè)電阻元件(47)和一個(gè)與其并聯(lián)連接的電容元件(48)，還具有一個(gè)與該電阻元件(47)和電容元件(48)組成的并聯(lián)電路相串聯(lián)的二極管(45)，還包括一個(gè)附加的齊納二極管(49)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件,按照載流子補(bǔ)償原理制成,其中在一個(gè)半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體基片內(nèi)加入額外的不完全電離化的摻雜材料,并且在加上反向電壓后,補(bǔ)償率作為時(shí)間的函數(shù)發(fā)生改變,從而使所述半導(dǎo)體器件的擊穿電壓增高。此外本發(fā)明還涉及一種電路以及一種本發(fā)明所述補(bǔ)償層的摻雜方法。
文檔編號H03K17/0814GK1388588SQ0212452
公開日2003年1月1日 申請日期2002年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月9日
發(fā)明者H·韋伯, D·阿勒斯, G·德博 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司