《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》是株洲南車時代電氣股份有限公司於2010年11月22日申請的發明專利，該專利申請號為2010105572460，公布號為CN102044543A，公布日為2011年5月4日，發明人是丁榮軍、劉國友、覃榮震、黃建偉、羅海輝。
《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》涉及一種半導體器件，該半導體器件將IGBT模組封裝所需的全部IGBT和FRD晶片集成在一片晶圓上，且IGBT和FRD反並聯設定；晶圓的邊緣部分為多級場限環區，中間部分為IGBT區和FRD區；IGBT和FRD位於同一N型襯底內，具有多級場限環的終端結構；IGBT由在襯底上依次注入發射極P阱、發射極歐姆接觸P+區、橫向MOSFEFN+源極區、背部集電極P+區構成；FRD由在矽襯底上注入陽極P阱和陰極N+構成；多級場限環的終端結構由在襯底上注入多個P阱和一個N阱而成。該發明半導體器件不需要切片就能直接進行壓接式封裝成IGBT模組，並且該壓接式封裝與傳統的功率半導體壓接式封裝工藝相兼容。
2017年12月，《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件
- 地址：湖南省株洲市石峰區時代路
- 公布號：CN102044543A
- 公布日：2011年5月4日
- 申請號：2010105572460
- 申請日：2010年11月22日
- 申請人：株洲南車時代電氣股份有限公司
- 代理人：逯長明、王寶筠
- 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
- 類別：發明專利
- Int. Cl.：H01L27/06（2006.01）I
- 發明人：丁榮軍、劉國友、覃榮震、黃建偉、羅海輝
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
絕緣柵雙極電晶體（IGBT）具有通態壓降低、電流容量大、輸入阻抗高、回響速度快和控制簡單的特點，被廣泛用於工業、信息、新能源、醫學、交通、軍事和航空領域。參見圖1，示出2010年11月之前已有半導體器件結構俯視圖，該器件晶片為方形，中心部位是FWD區，FWD區外圍是IGBT區，IGBT區的外周是外圍區。參見圖2，示出2010年11月之前已有半導體器件結構的縱向剖視圖，在FWD區採用溝槽柵結構，在FWD區將二極體的陽極分成多個P+區，在外圍區為多個P+阱結構。
上述器件雖然是將IGBT和FWD集成為一起，形成具有IGBT模組的單元性功能的器件。但該器件的結構是基於方形晶片來設計，在製造時，需要將晶圓切成多個方片，在各方片上集成IGBT和FWD，再將若干方片並聯壓接式封裝，形成完整實用的IGBT模組。該方式製造過程相對複雜，對工藝要求較高。
發明內容
專利目的
《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》所要解決的技術問題是提供一種單片集成了IGBT和FRD的半導體器件，該半導體器件不需要切片就能直接進行壓接式封裝而成為一個完整實用的IGBT模組，並且該壓接式封裝與傳統的功率半導體壓接式封裝工藝相兼容。
技術方案
《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》所述半導體器件將IGBT模組封裝所需的全部IGBT和FRD集成在一片晶圓上，且IGBT和FRD反並聯設定；晶圓的邊緣部分為多級場限環區，中間部分為IGBT區和FRD區；IGBT和FRD位於同一N型襯底內，具有多級場限環的終端結構；IGBT由在襯底上依次注入發射極P阱、發射極歐姆接觸P+區、橫向MOSFEFN+源極區、背部集電極P+區構成；FRD由在矽襯底上注入陽極P阱和陰極N+構成；多級場限環的終端結構由在襯底上注入多個P阱和一個N阱而成。
優選的，IGBT包括：一具有P型導電離子的第一P型擴散區，於N型襯底內形成一第一P型阱；一具有P+型導電離子的第一發射極擴散區，於該第一P型阱內形成一第一發射極區域；一具有N+型導電離子的第一N型擴散區，於該第一發射極區域內形成一第一N型區域；一具有P+型導電離子的第一集電極擴散區，於該N型襯底背部形成一第一集電極區域。
優選的，FRD包括：一具有P型導電離子的第二P型擴散區，於N型襯底正面形成一第二P型區域。
優選的，所述多級場限環的終端結構包括：一具有P型導電離子的多個分離的P型擴散區，於該N型襯底內形成多個分離的P型區域以提供耐壓；一具有N型導電離子的第三N型擴散區，於該N型襯底內形成一第三N型擴散區以提供電場截止特性。
優選的，IGBT和FRD反並聯設定為：IGBT的發射極與FRD的陽極連線在一起，IGBT的集電極和FRD的陰極連線在一起。
優選的，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，中心為圓形的IGBT區，IGBT區與多級場限環區之間為FRD區。
優選的，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，IGBT區和FRD區間隔著一圈圈排布在晶圓中間部位，其中晶圓中心為IGBT區。
優選的，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，IGBT區和FRD區間隔著一圈圈排布在晶圓中間部位，其中晶圓中心為FRD區。
優選的，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，IGBT區為多個小圓形，分布在晶圓的中間部位，IGBT區周圍分布FRD區。
優選的，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，IGBT區和FRD區均為半圓形結構，設定晶圓中間位置。
優選的，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，晶圓中心為IGBT區，FLR區和IGBT區之間等份分布多個IGBT區和FRD區。
優選的，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，晶圓中心為FRD區，FLR區構和IGBT區之間等份分布多個IGBT區和FRD區。
改善效果
《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》提供的單片集成IGBT和FRD結構，IGBT模組所需的所有晶片採用一片矽片實現單片集成，並且IGBT和FRD反並聯設計，很容易實現IGBT模組的壓接式封裝。因此不需要切片就能直接進行壓接式封裝成模組，並且該壓接式封裝與傳統的功率半導體壓接式封裝工藝相兼容。該發明半導體器件的晶片形狀為圓形或環形，取代了2010年11月之前的方片形狀，封裝的時候不需要先進行切片再取多個晶片組裝，直接將該晶圓經過壓接就是一個IGBT模組。該發明將IGBT及FRD集成在一片矽片上，使IGBT模組的封裝理念將由多晶片焊接式的塑殼封裝變為單片壓接式的陶瓷封裝，這樣IGBT模組的結構將更加簡單，絕緣強度更高，散熱效果更好，因此，IGBT模組的熱疲勞能力更強，可靠性更高。
附圖說明
為了更清楚地說明《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》實施例中的技術方案，下面將對2010年11月之前已有技術和實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是該發明的一些實施例，對於該領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為2010年11月之前已有半導體器件結構俯視圖；
圖2為2010年11月之前已有半導體器件結構的縱向剖視圖；
圖3a為該發明半導體器件第一實施例俯視圖；
圖3b為該發明半導體器件第一實施例底視圖；
圖4a為該發明半導體器件第二實施例俯視圖；
圖4b為該發明半導體器件第二實施例底視圖；
圖5a為該發明半導體器件第三實施例俯視圖；
圖5b為該發明半導體器件第三實施例底視圖；
圖6a為該發明半導體器件第四實施例俯視圖；
圖6b為該發明半導體器件第四實施例底視圖；
圖7a為該發明半導體器件第五實施例俯視圖；
圖7b為該發明半導體器件第五實施例底視圖；
圖8a為該發明半導體器件第六實施例俯視圖；
圖8b為該發明半導體器件第六實施例底視圖；
圖9a為該發明半導體器件第七實施例俯視圖；
圖9b為該發明半導體器件第七實施例底視圖；
圖10a為該發明半導體器件第八實施例俯視圖；
圖10b為該發明半導體器件第八實施例底視圖；
圖11為該發明半導體器件第九實施例縱向剖視圖；
圖12為該發明半導體器件第十實施例縱向剖視圖；
圖13為該發明半導體器件第十一實施例縱向剖視圖；
圖14為該發明半導體器件第十二實施例縱向剖視圖。
權利要求
1.一種半導體器件，其特徵在於，該半導體器件將絕緣柵雙極電晶體模組封裝所需的全部絕緣柵雙極電晶體和快速恢復二極體集成在一片晶圓上，且絕緣柵雙極電晶體和快速恢復二極體反並聯設定；晶圓的邊緣部分為多級場限環區，中間部分為絕緣柵雙極電晶體區和快速恢復二極體區；絕緣柵雙極電晶體和快速恢復二極體位於同一N型襯底內，具有多級場限環的終端結構；絕緣柵雙極電晶體由在所述N型襯底上依次注入發射極P阱、發射極歐姆接觸P+區、橫向MOSFEFN+源極區、背部集電極P+區構成；快速恢復二極體由在所述N型襯底上注入陽極P阱和陰極N+構成；多級場限環的終端結構由在所述N型襯底上注入多個P阱和一個N阱而成。
2.如權利要求1所述的半導體器件，其特徵在於，絕緣柵雙極電晶體包括：一具有P型導電離子的第一P型擴散區，於N型襯底內形成一所述發射極P阱；一具有P+型導電離子的第一發射極擴散區，於該所述發射極P阱內形成一發射極歐姆接觸P+區；一具有N+型導電離子的第一N型擴散區，於該第一發射極區域內形成一橫向MOSFEFN+源極區；一具有P+型導電離子的第一集電極擴散區，於該N型襯底背部形成一背部集電極P+區。
3.如權利要求1所述的半導體器件，其特徵在於，快速恢復二極體包括：一具有P型導電離子的第二P型擴散區，於N型襯底正面形成一陽極P阱。
4.如權利要求1所述的半導體器件，其特徵在於，所述多級場限環的終端結構包括：一具有P型導電離子的多個分離的P阱，於該N型襯底內形成多個分離的P阱以提供耐壓；一具有N型導電離子的N阱，於該N型襯底內形成一N阱以提供電場截止特性。
5.如權利要求1所述的半導體器件，其特徵在於，絕緣柵雙極電晶體和快速恢復二極體反並聯設定為：絕緣柵雙極電晶體的發射極P阱與快速恢復二極體的陽極P阱連線在一起，絕緣柵雙極電晶體的背部集電極P+區和快速恢復二極體的陰極N+連線在一起。
6.如權利要求1-5任一項所述的半導體器件，其特徵在於，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，中心為圓形的絕緣柵雙極電晶體區，絕緣柵雙極電晶體區與多級場限環區之間為快速恢復二極體區。
7.如權利要求1-5任一項所述的半導體器件，其特徵在於，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，絕緣柵雙極電晶體區和快速恢復二極體區間隔著一圈圈排布在晶圓中間部位，其中晶圓中心為絕緣柵雙極電晶體區。
8.如權利要求1-5任一項所述的半導體器件，其特徵在於，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，絕緣柵雙極電晶體區和快速恢復二極體區間隔著一圈圈排布在晶圓中間部位，其中晶圓中心為快速恢復二極體區。
9.如權利要求1-5任一項所述的半導體器件，其特徵在於，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，絕緣柵雙極電晶體區為多個小圓形，分布在晶圓的中間部位，絕緣柵雙極電晶體區周圍分布快速恢復二極體區。
10.如權利要求1-5任一項所述的半導體器件，其特徵在於，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，絕緣柵雙極電晶體區和快速恢復二極體區均為半圓形結構，設定晶圓中間位置。
11.如權利要求1-5任一項所述的半導體器件，其特徵在於，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，晶圓中心為絕緣柵雙極電晶體區，多級場限環區和絕緣柵雙極電晶體區之間等份分布多個絕緣柵雙極電晶體區和快速恢復二極體區。
12.如權利要求1-5任一項所述的半導體器件，其特徵在於，多級場限環區設定在晶圓的邊緣，晶圓中心為快速恢復二極體區，多級場限環區和快速恢復二極體區之間等份分布多個絕緣柵雙極電晶體區和快速恢復二極體區。
實施方式
《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》將IGBT模組製造所需的IGBT與FRD集成在同一塊襯底上，實現單片集成IGBT和FRD。該襯底為圓形晶圓，製造完成後，晶圓即包含IGBT和FRD，並且IGBT和FRD為反並聯結構，不需要進行晶圓切片，可以直接進行壓接式封裝，形成IGBT模組。
在該發明半導體器件的平面結構中，晶圓的邊緣部分為多級場限環區，中間部分為IGBT區和FRD區，其中IGBT區和FRD區的形狀和結構可以有多種方式。
參見圖3a和圖3b，示出該發明半導體器件第一實施例俯視圖和底視圖，該半導體器件中，多級場限環結構（FLR）設定在晶圓的邊緣，中心為圓形的IGBT區，IGBT區與FLR區結構之間為FRD區。可以將IGBT區的柵極區設計在IGBT區的中心位置，其餘IGBT區域作為發射極區。
參見圖4a和圖4b，示出該發明半導體器件第二實施例的俯視圖和底視圖。該半導體器件中，FLR區設定在晶圓的邊緣，IGBT區和FRD區間隔著一圈圈排布在晶圓中間部位，其中晶圓中心為IGBT區。
參見圖5a和圖5b，示出該發明半導體器件第三實施例的俯視圖和底視圖。該半導體器件中，FLR區設定在晶圓的邊緣，IGBT區和FRD區間隔著一圈圈排布在晶圓中間部位，其中晶圓中心為FRD區。
參見圖6a和圖6b，示出該發明半導體器件第四實施例的俯視圖和底視圖。該半導體器件中，FLR區設定在晶圓的邊緣，IGBT區為多個小圓形，分布在晶圓的中間部位，IGBT區周圍分布FRD區。
參見圖7a和圖7b，示出該發明半導體器件第五實施例的俯視圖和底視圖。該半導體器件中，FLR區設定在晶圓的邊緣，FRD區為多個小圓形，分布在晶圓的中間部位，FRD區周圍分布IGBT區。
參見圖8a和圖8b，示出該發明半導體器件第六實施例的俯視圖和底視圖。該半導體器件中，FLR區設定在晶圓的邊緣，IGBT區和FRD區均為半圓形結構，設定在晶圓中間位置。
參見圖9a和圖9b，示出該發明半導體器件第七實施例的俯視圖和底視圖。該半導體器件中，FLR區設定在晶圓的邊緣，晶圓中心為IGBT區，FLR區和IGBT區之間，等份分布多個IGBT區和FRD區。
參見圖10a和圖10b，示出該發明半導體器件第八實施例俯視圖和底視圖。該半導體器件中，FLR區設定在晶圓的邊緣，晶圓中心為FRD區，FLR區和IGBT區之間，等份分布多個IGBT區和FRD區。
該發明半導體器件由IGBT和FRD兩部分組成，IGBT和FRD位於同一N型襯底內，並具有多級場限環的終端結構。IGBT由在矽襯底上依次注入發射極P阱、發射極歐姆接觸P+區、橫向MOSFEFN+源極區、背部集電極P+區構成；FRD由在矽襯底上注入陰極P阱和陽極N+構成；多級場限環的終端結構由在矽襯底上注入多個P阱和一個N阱而成。
上述方案中，IGBT包括：一具有P型導電離子的第一P型擴散區，於N型襯底內形成一第一P型阱（發射極P阱）；一具有P+型導電離子的第一發射極擴散區，於該第一P型阱內形成一第一發射極區域（發射極歐姆接觸P+區）；一具有N+型導電離子的第一N型擴散區，於該第一發射極區域內形成一第一N型區域（橫向MOSFEFN+源極區）；一具有P+型導電離子的第一集電極擴散區，於該N型襯底背部形成一第一集電極區域（背部集電極P+區）。
上述方案中，FRD包括：一具有P型導電離子的第二P型擴散區，於N型襯底正面形成一第二P型區域。
上述方案中，所述多級場限環的終端結構包括：一具有P型導電離子的多個分離的P型擴散區，於該N型襯底內形成多個分離的P型區域以提供耐壓；一具有N型導電離子的第三N型擴散區，於該N型襯底內形成一第三N型擴散區以提供電場截止特性。
下述圖11-圖14為半導體器件的縱向剖視圖，圖11～14中的任意一結構均可與第一至第八實施例中的任一結構匹配。
參見圖11，示出該發明半導體器件第九實施例縱向剖視圖，IGBT與FRD是反並聯連線的，IGBT的發射極與FRD的陽極連線在一起，IGBT的集電極和FRD的陰極連線在一起。這樣，當IGBT導通的時候，FRD是截止的；當IGBT截止的時候，FRD是導通的。在圖11所示的結構中，左邊部分是IGBT，中間部分是FRD，右邊部分是場限環終端。當在IGBT的柵極加上電壓（大於閾值電壓），則IGBT柵極下方（P區）的溝道會反型，再在IGBT的集電極（陽極）相對發射極（陰極）加正壓，此時FRD是反偏截止的，電子會從IGBT的N+源區經過溝道注入到N-基區，由於電子注入降低了N-區的電位，從而加速了P+集電極區向N-區注入空穴的進程，使器件很快進入正嚮導通狀態。當IGBT器件的柵極施加一個負偏壓或柵壓低於閾值電壓時，柵極下方的溝道消失，IGBT關斷，而此時二極體導通，起反向續流的作用。IGBT部分：N-導電層為襯底，漂移區；P導電層為IGBT提供溝道；N導電層為IGBT提供場終止層（Fieldstop）；底部P+層為IGBT集電極；表面N+和P+一起做為IGBT發射極，其中P+可以改善IGBT的閂鎖效應。 FRD部分：N-導電層為襯底，漂移區；N導電層為緩衝層；N+為陰極；P+為陽極。多級場限環的終端結構部分：表面P+為保護環，起到提高電壓的作用；N+是截止環；N-導電層為襯底；N導電層為緩衝層；底面P+起隔離作用。
參見圖12，示出該發明半導體器件第十實施例縱向剖視圖。與圖11所示實施例相比，該圖12右下區域（I區）採用P+代替1P+N+（圖11）。
參見圖13，示出該發明半導體器件第十一實施例縱向剖視圖。與圖12所示實施例相比，該圖13右下區域（I區）採用N代替1P+N+（圖11），同時底部電極減短。
參見圖14，示出該發明半導體器件第十二實施例縱向剖視圖。與圖13所示實施例相比，該圖14右下區域（I區）N區減短，底部電極保持不變。
榮譽表彰
2017年12月，《一種單片集成IGBT和FRD的半導體器件》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
