具有改善的软度的半导体组件技术领域
本发明的实施例涉及半导体组件，尤其是双极功率半导体组件。
背景技术
比如功率二极管、功率IGBT（绝缘栅双极晶体管）或功率晶闸管的双极功率半导体组件包括第一导电类型的第一发射极区域、第二导电类型的第二发射极以及布置在第一和第二发射极区域之间的第一或第二导电类型的基极或漂移区域。基极区域具有比第一和第二发射极区域低的掺杂浓度。当组件处于导通状态或开态时，第一导电类型的电荷载流子从第一发射极区域注入到基极区域，且第二导电类型的电荷载流子从第二发射极区域注入到基极区域。这些电荷载流子在基极区域中形成电荷载流子等离子体。具有第一和第二导电类型的电荷载流子的该等离子体导致开态中组件的低电阻。
例如，当存在导致二极管正向偏置的电压时，二极管处于开态（on state），且当电压导致二极管反向偏置时，二极管处于关态(off state)。在从正向偏置状态向反向偏置状态转变期间，即当二极管从开态向关态转变时，形成电荷载流子等离子体的这些电荷载流子从基极区域移除。这称为反向恢复。在反向恢复期间，从基极区域移除电荷载流子导致的反向恢复电流流经组件。当电荷载流子已经被移除时，该电流最终降为零。在其趋向于零时，该反向恢复的斜率限定了组件的软度（softness）。斜率越陡，二极管的反向恢复行为越不“软”。软行为是所期望的，因为陡的斜率导致连接到组件的寄生电感中的电压过冲和/或导致摆动（oscillation）或振荡（ringing）。
发明内容
一个实施例涉及一种半导体组件，其具有半导体本体、半导体本体中的第一导电类型的第一发射极区域、在半导体本体的垂直方向与第一发射极区域相距一定距离布置的第二导电类型的第二发射极区域以及布置在第一和第二发射极区域之间且具有比第一和第二发射极区域低的掺杂浓度的第二导电类型的基极区域。半导体组件还包括布置在基极区域中的第二导电类型的第一场停止区以及布置在基极区域中的第二导电类型的第二场停止区。第二场停止区在半导体本体的垂直方向与第一场停止相距一定距离布置，且第一场停止区布置在第二场停止区和第二发射极区之间。而且，第二场停止区包括在半导体本体的至少一个水平方向彼此相距一定距离布置的多个场停止区部分。
当阅读下面的详细描述且当查看附图时，本领域技术人员将意识到附加特征和优点。
附图说明
现在将参考附图解释示例。附图用于说明基本原理，所以仅说明了理解基本原理所必须的方面。附图没有按比例绘制。在附图中，相同的参考字符指示相似的特征。
图1说明具有布置在基极区域中的两个场停止区的半导体组件的示意性剖面图；
图2说明根据第一实施例的场停止区中的第二场停止区的水平示意性剖面图；
图3说明根据第二实施例的场停止区中的第二场停止区的水平示意性剖面图；
图4说明具有布置在基极区域中的两个场停止区且具有发射极短路区域的半导体组件的垂直示意性剖面图；
图5说明根据第一实施例的发射极短路区域的水平示意性剖面图；
图6说明根据第二实施例的发射极短路区域的水平示意性剖面图；
图7包括图7A至7C，说明根据图4的半导体组件的电学特性；
图8说明根据第三实施例的半导体组件的垂直示意性剖面图；
图9说明根据第四实施例的半导体组件的垂直示意性剖面图；以及
图10说明实现为IGBT且具有布置在基极区域中的第一和第二场停止区的半导体组件的垂直示意性剖面图。
具体实施方式
图 1 示意性说明半导体组件、尤其是双极功率半导体组件的垂直剖面图。半导体组件包括半导体本体100，该半导体本体100具有第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102。半导体本体100能够包括诸如硅（Si）等常规半导体材料。图1说明通过半导体本体100的垂直剖面，该剖面是垂直于第一和第二表面101、102延伸的垂直剖平面中的剖面。
图1中说明的半导体组件实现为二极管。然而，这仅是示例。此处参考二极管解释的基本原理也可应用于诸如IGBT或晶闸管、尤其是GTO（门极关断晶闸管）的其他双极半导体组件。
参考图1，半导体组件包括第一发射极区域11、第二发射极区域12和基极区域20。基极区域在半导体本体100的垂直方向v布置在第一发射极区域11和第二发射极区域12之间。第一发射极区域11具有第一导电类型，第二发射极区域12具有第二导电类型，且基极区域20具有第一和第二导电类型其中之一但具有比第一和第二发射极区域11、12低的掺杂浓度。在图1中说明的实施例中，第一发射极区域11邻接半导体本体100的第一表面101，且第二发射极区域12邻接第二表面102。第一接触电极41能够布置在第一表面101上以电学接触第一发射极区域11，且第二接触电极42能够布置在第二表面102上以电学接触第二发射极区域12。接触电极41、42能够像常规接触电极那样实现且能够包括诸如金属（例如钨、铜或铝）或高掺杂多晶半导体材料（例如多晶硅）之类的常规接触材料。第一接触电极41形成半导体组件的第一端子，且第二接触电极42形成二极管的第二端子。
仅用于解释目的，假设基极区域20的导电类型对应于第二发射极区域12的导电类型。而且，假设第一发射极区域11的第一导电类型是p型，且基极区域20和第二发射极区域12的第二导电类型是n型。在这种情况中，在第一发射极区域11和基极区域20之间形成PN结，第一接触电极41形成阳极端子A、且第二接触电极42形成二极管的阴极端子K。导电类型可以反转和/或基极区域20的导电类型可以对应于第一发射极区域11而不是第二发射极区域12的导电类型。
基极区域20的掺杂浓度例如处于1012 cm-3至1015 cm-3的范围内，第一发射极区域11的掺杂浓度例如处于1017 cm-3至1021 cm-3的范围内。第二发射极区域12的掺杂浓度例如处于1017 cm-3至1021 cm-3的范围内，或第二发射极区域21中的掺杂剂剂量例如处于1014 cm-2至1015 cm-2的范围内。
参考图1，半导体组件还包括两个场停止区，即第一场停止区31和第二场停止区32。两个场停止区31、32具有与基极区域20相同的导电类型，即第二导电类型，但是具有比基极区域20高的掺杂浓度。根据一个实施例，场停止区31、32的（峰值）掺杂浓度处于1015 cm-3至1021 cm-3的范围内。
第二场停止区32包括在半导体本体100的至少一个水平方向h彼此相距一定距离布置的多个场停止区部分，它们之间布置基极区域20的部分21。布置在第一场停止区31和第二场停止区32之间的基极区域20的部分22在下文中被称为第一中间区域22。在图1中说明的实施例中，第一场停止区31在半导体本体100的垂直方向与第二发射极区域12相距一定距离布置。布置在第二发射极区域12和第一场停止区31之间的基极区域20的部分23在下文中被称为第二中间区域23。根据另一实施例（未示出），第一场停止区31邻接第二发射极区域12，使得在该实施例中没有第二中间区域。
基极区域20具有垂直长度或厚度d1。该垂直长度影响二极管的电压阻断能力。电压阻断能力对应于在没有雪崩击穿发生的情况下能够在阳极端子A和阴极端子K之间施加的最大反向偏置电压。反向偏置电压是在反方向偏置PN结的电压。在图1中说明的实施例中，反向偏置电压是阳极端子A和阴极端子K之间的负电压VAK。基极20的垂直长度d1因此与期望的电压阻断能力相关。作为经验法则：d1 = VBL·10μm/100V，其中VBL是期望的电压阻断能力。
根据一个实施例，第一场停止区31和第二场停止区32之间的垂直距离d2在2μm和20μm之间。根据另一实施例，第一场停止区31和第二场停止区32之间的垂直距离d2在基极区域20的垂直长度d1的1％和10％之间。第二发射极区域12和第一场停止区31之间的垂直距离d3例如处于5μm至15μm的范围内。第二发射极12和第二场停止区32之间的总距离d2+d3例如在10μm和40μm之间。根据另一实施例，第二发射极区域12和第二场停止区32之间的距离例如在基极区域20的垂直长度d1的2％和25％之间、尤其在2％和20％之间。因而，相对于第一发射极区域11，第一和第二场停止区域31、32更靠近第二发射极区域12布置。各个区域之间的距离是各个掺杂区域具有其最高（峰值）掺杂浓度的这些位置之间的距离。如果个别区域具有恒定的掺杂浓度，从该区域的中间（中心）计算从该区域到其他区域的距离。
根据一个实施例，第二发射极12和第一场停止区31之间的垂直距离d3至少对应于第二发射极区域12的垂直厚度d4。第二发射极区域的垂直厚度d4例如在 1μm 至10μm的范围内。
能够使用用于制造二极管的发射极区域和场停止区的常规方法制造第一和第二发射极区域11、12以及两个场停止区31、32。例如可以通过经由第二表面102向基极区域20注入掺杂剂颗粒制造第一和第二场停止区31、32。能够通过适当地选择注入能量调节这两个场停止区31、32之间的相互距离以及它们到第二表面的距离。能够通过在注入过程中使用掩模（未示出）获得第二场停止区32的多个分离的部分。掩模具有开口，其中第二场停止区32的各个场停止区部分的大小和位置通过掩模中开口的大小和位置限定。
图2示出半导体组件在穿过第二场停止区32的水平剖平面A-A中的水平剖面图。在图2中说明的实施例中，第二场停止区32的各个场停止区部分具有矩形、尤其是方形的几何形状。然而，这仅是示例。场停止区部分32也可以使用不同于矩形几何形状的几何形状实现，诸如椭圆形几何形状、圆形几何形状或多边形几何形状。根据图3中说明的另一实施例，场停止区部分32具有条形几何形状。两个相邻场停止区部分32之间的最小相互距离例如约为2μm。
图1至3均仅说明半导体本体100的一部分。未示出的是在半导体本体100的水平方向终止半导体组件的边缘区域或边缘终止。常规边缘终止能够与半导体本体结合使用，使得在此方面无需进一步解释。第一场停止区31也布置在边缘区域中。可选地，第二场停止区32也布置在边缘区域中。
参考图2和3，第二场停止区32的每一个部分都具有水平平面中的面积，其中第二场停止区32的总面积是这些各个部分面积的总和。而且，横向地布置在场停止区部分32之间的基极区域20的部分21具有总面积。基极区域部分21的总面积a21和第二场停止区32的场停止区部分的总面积a32之间的比r例如在a21:a32＝10:1和a21:a32=1:10之间、尤其在a21:a32=3:1和a21:a32=1:3之间。
图4示出根据另一实施例的半导体组件的垂直剖面图。图4中说明的组件是图1中说明的组件的修改，使得原先关于图1的组件的各个半导体区域的掺杂浓度、掺杂剂类型、距离或几何形状等解释的一切方面相应地应用于图4的组件。与图1的组件相比较，图4的组件附加地包括与第一发射极区域11相同导电类型且因此与基极区域20的掺杂类型互补的掺杂类型的发射极短路区域50。发射极短路区域50在垂直方向从第二接触电极42延伸通过第二发射极区域12。发射极短路区域50的掺杂浓度例如处于 1017cm-3 至1021cm-3的范围内。掺杂浓度尤其在1018cm-3 和1019cm-3之间。根据一个实施例（未示出），发射极短路区域50在水平方向邻接第二发射极区域12的部分。根据另一实施例（图4中说明），基极区域20的部分24在水平方向布置在发射极短路区域50和第二发射极区域12的各个部分之间。
图5说明图4的组件在穿过第二发射极区域12的水平剖平面B-B中的水平剖面图。在该实施例中，发射极短路区域50具有矩形、尤其是方形的几何形状且在水平方向彼此相距一定距离布置。然而，发射极短路区域50也可以具有不同于矩形几何形状的几何形状，诸如椭圆形几何形状、圆形几何形状或多边形几何形状。
根据图6中说明的另一实施例，发射极短路区域50具有条形几何形状。场停止区32部分的几何形状能够与发射极短路区域50的几何形状无关。然而，第二场停止区32的场停止区部分可以至少部分地与发射极短路区域50重叠。就此方面而言，“重叠”意味着发射极短路区域50其中至少一些具有部分，在该部分上方布置一个场停止区部分32的至少一部分。换句话说，第二场停止区32的场停止区部分在发射极短路区域50上的垂直投影至少部分地覆盖发射极短路区域50。
现在解释图1和4的半导体组件的操作原理。当在阳极端子A和阴极端子K之间施加正电压（VAK > 0）时，组件处于开态或正向偏置状态。在这种情况中，第一发射极区域11和基极区域20之间的PN结正向偏置，且电流IAK在阳极端子A和阴极端子K之间流动。二极管的正向偏置状态中该电流IAK的方向如图1和4所示。
当在阳极端子A和阴极端子K之间施加负电压（VAK < 0）时，二极管处于关态或反向偏置状态。在这种情况中，空间电荷区域从第一发射极区域11和基极区域20之间的PN结开始在基极区域20中扩展。空间电荷区域在半导体本体100的垂直方向v的宽度与施加的反向偏置电压的绝对值相关。当反向偏置电压低于二极管的电压阻断能力时，电流IAK为零。
当二极管处于开态时，第一发射极11向基极区域20注入第一类型的电荷载流子，且第二发射极12向基极区域20注入第二类型的电荷载流子。在上面参考图1和4给出的示例中，第一类型的电荷载流子是p型电荷载流子（空穴）且第二类型的电荷载流子是n型电荷载流子（电子）。这些电荷载流子在基极区域20中形成电荷载流子等离子体，该电荷载流子等离子体导致二极管的低导通电阻。二极管的导通电阻是二极管处于开态（正向偏置状态）时阳极端子A和阴极端子K之间的欧姆电阻。当通过施加反向偏置电压使得二极管从开态切换到关态时，形成电荷载流子等离子体的电荷从基极区域20移除。该过程被称为反向恢复。在反向恢复期间，电流IAK改变其极性，使得在反向恢复期间，负电流（IAK < 0）流动。在电流下降到零之前，该负电流的绝对值首先增加，直到绝对值到达最大值。尤其相关的是当它下降到零时反向恢复具有的斜率。尤其关键的是反向恢复电流突然下降到零的反向恢复情景（scenario）。电流的这些突变可能导致连接到二级管的负载电感或寄生电感（在图1和4中未示出）的电压过冲或可能导致摆动或振荡。
当在反向恢复过程中从基极区域20到第一和第二发射极区域11、12的电荷载流子的流动突然中断时，反向恢复电流可能突然下降为零。在根据图1和4的二极管中防止了电荷载流子流的这种突然中断。在这些组件中，基极区域20的第一中间区域22用作用于电荷载流子、尤其是少数电荷载流子的缓冲区域。在上面结合图1和4给出的示例中，少数电荷载流子是p型电荷载流子。这些少数电荷载流子在第一中间区域22中被“缓冲”，直到少数电荷载流子从第一发射极区域11和第二场停止区32之间的基极区域20移除。此时，少数电荷载流子从第一中间区域22中的贮存器（reservoir）提供，且因此防止到第一发射极区域11的少数电荷载流子流被突然中断。
在根据图4的组件中，发射极短路区域50在反向恢复过程中向基极区域20注入少数电荷载流子，且因而向第一中间区域22中的贮存器供应少数电荷载流子。反向恢复过程中少数电荷载流子的该注入附加地帮助“软化”反向恢复行为。通过发射极短路区域50的少数电荷载流子的注入在反向恢复过程快结束时被中断，此时在中间区域22的贮存器中仍存在可用的少数电荷载流子，结果是这些少数电荷载流子在反向恢复过程快结束时帮助“软化”反向恢复过程，这意味着在通过发射极短路区域50注入少数电荷载流子之后停止。
现在将参考图7A解释图4的半导体组件的操作原理。图7A示出在针对不同反向偏置电压的反向恢复过程中阳极和阴极端子A、K之间的电压VAK以及电流IAK的时序图。二极管的电压阻断能力为1,700V、基极区域20的垂直长度d1为130μm、发射极短路区域50的掺杂剂剂量为1.24·1014cm-2、第二发射极区域12的掺杂剂量为1·1015cm-2且基极区域20的掺杂浓度为2.66·1013cm-3，针对该二极管获得图7A的时序图。二极管的正向电压是 Vf = 1.8V。
评估的二极管的第一发射极区域12和第一场停止区31之间的垂直距离d3是6μm，且第二发射极区域12和第二场停止区32之间的距离是12μm。图7a示出在4个不同反向偏置电压，即VRB1 = 350V、VRB2 = 600V、VRB3 = 900V和VRB4 = 1200V，电压VAK和电流IAK的时序图。这些电压在反向恢复过程结束时存在于阳极端子A和阴极端子K之间。从图7A可以看出，在反向恢复过程开始时，电流IAK下降以呈现负值。在负电流的绝对值下降（直到反向恢复电流达到零）之前，电流IAK的绝对值首先增加，直到达到负最大值。参考图7A，反向恢复过程中的峰值电流，即二极管电流IAK的绝对值的最大值与反向偏置电压相关，峰值电流的大小随着反向偏置电压的增加而增加。在反向恢复过程中尤其关键的是反向恢复电流减小到零。从图7A能够看出，在反向恢复过程快结束时，没有出现电流IAK的陡电流斜率。这不同于不包括第一和第二场停止区的半导体组件。
除了仅具有一个场停止区（其对应于图1和4的组件中的第一场停止区31）外与获得图7A中的时序图的二极管相同的那些二极管，图7B和7C示出针对它们在反向恢复过程中电压VAK和电流IAK的时序图。在图7B中说明时序图的第一二极管中，第二发射极和唯一一个场停止区之间的垂直距离是12μm，在图7C中说明时序图的第二二极管中，第二发射极和唯一一个场停止区之间的垂直距离是6μm。
从图7B和7C可以看出，在这些二极管中，至少在一些不同反向偏置电压处，在反向恢复过程快结束时出现电流IAK的陡斜率或甚至摆动。
图8示出根据另一实施例的半导体组件的垂直剖面。在该组件中，第一场停止区31也包括彼此相距一定距离布置的多个场停止区部分。第一场停止区31的场停止区部分的几何形状可以对应于第二场停止区32的场停止区部分的几何形状。然而，两个场停止区31、32的场停止区部分的形式或几何形状还能够彼此不同。第一和第二场停止区31、32重叠，这意味着基极区域31没有部分在垂直方向从第一发射极区域11到第二发射极区域12而不被第一和第二场停止区31、32其中至少之一的至少一个部分中断。
在图1、4和8中说明的实施例中，一个场停止区的场停止区部分布置在半导体本体100的同一水平平面内。然而，这仅是示例。根据图9中说明的另一实施例，一个场停止区（诸如图9中说明的第二场停止区32）的各个场停止区部分能够在半导体本体100的垂直方向彼此偏移地布置。垂直偏移例如处于几微米的范围内，如 0.5μm 至10μm。
提供两个场停止区（诸如图1、4、8和9中示出的在半导体本体的垂直方向彼此相距一定距离布置的第一和第二场停止区31、32）的基本概念不限于用在二极管中。该概念还能够结合诸如晶闸管或IGBT的其他双极半导体组件使用。
图10说明IGBT的垂直剖面图。像二极管一样，IGBT包括第一发射极区域11、第二发射极区域12和布置在第一和第二发射极区域11、12之间的基极区域20。第一发射极区域11还能够被称为源极区域，第二发射极区域12还能够被称为漏极区域。在IGBT中，基极区域20具有与第一发射极区域11相同的导电类型，通常是n型的。第二发射极区域12与基极区域20互补地掺杂。第一和第二发射极区域11、12在半导体本体100的垂直方向彼此相距一定距离布置。
第一发射极区域11通过与第一发射极区域11和基极区域20互补掺杂的本体区域61与基极区域20分离。IGBT还包括具有栅电极62的控制结构，该栅电极62沿着本体区域61从第一发射极区域11延伸到基极区域20。该栅电极62通过栅极电介质63与半导体本体100介质绝缘，且通过绝缘层64与第一接触电极41绝缘。
在图10中说明的实施例中，栅电极62布置在半导体本体100的第一表面101上方且基极区域20的部分延伸到半导体本体的表面101。图10中示出的这种类型的栅电极称为平面栅电极。然而，这仅是示例。栅电极还能够实现为布置在半导体本体的沟槽中的沟槽电极。
参考图10，IGBT还包括发射极短路区域50。发射极短路区域50通过第二发射极区域12从第二接触电极42延伸到基极区域20。然而，这些发射极短路区域50是可选的且能够省略。发射极短路区域50具有与基极区域20相同掺杂类型但是被更高掺杂。在IGBT中，第二发射极区域12的部分被第二场停止区32的部分至少部分地重叠。
在图10中说明的IGBT中，第一场停止区31在水平平面内是连续区，且第二场停止区32具有布置在一个水平平面内的多个独立场停止区部分。然而，这仅是示例。具有此前解释的两个场停止区的任意其他配置也能够在IGBT中应用。而且，除非明确声明，否则涉及此前参考二极管解释的各个半导体区的掺杂浓度和/或其距离的一切方面相应地应用于IGBT。
当在形成集电极或漏极端子的第二接触电极42和形成发射极或源极端子的第一接触电极41之间施加正电压（VCE> 0）且当向栅电极62施加适当的驱动电势时，IGBT处于开态，使得在第一发射极区域11和基极区域20之间的本体区域61中产生导电沟道（通常是反型沟道）。
当IGBT处于开态时，第一发射极区域11经由本体区域61中的沟道向基极区域20注入第一类型的电荷载流子，即在上述示例中为n型电荷载流子（电子），且第二发射极区域12向基极区域20注入第二导电类型的电荷载流子（即在上述示例中为p型电荷载流子（空穴））。
当在集电极端子C和发射极端子E之间存在正电压（VCE > 0）且当本体区域61中的导电沟道中断时，IGBT处于关态。在这种情况中，空间电荷区域从本体区域61和基极区域20之间的pn结开始在基极区域20中扩展。本体区域61电连接到发射极电极41。
当从开态切换到关态时IGBT 10的行为与二极管的行为相同，差异在于在IGBT中，在本体区域61和基极区域20之间形成pn结而不在第一发射极区域11和基极区域20之间形成pn结。具有两个场停止区31、32的场停止区布置的机制因此与此前解释的二极管中相同。关于IGBT的反向恢复过程中该场停止区布置的功能，参考此前的描述。
诸如“下面”、“下方”、“下部”“上方”、“上部”等空间相对术语用于描述的简单以解释一个元件相对于另一元件的定位。除了与图中示意的取向不同的取向之外，这些术语还旨在涵盖器件的不同取向。而且，诸如“第一”、“第二”等术语也用于描述各个元件、区域、部分等但也不限于此。贯穿说明书，相似的术语表示相似的元件。
当在此使用时，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是指示陈述的元件或特征的存在但是不排除附加元件或特征的开放式术语。除非语境明确指明，否则冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数和单数。
应当理解，除非特别声明，此处描述的各个实施例的特征可以彼此组合。
尽管此处已经说明和描述了特定实施例，本领域技术人员应当意识到很多备选和/或等价实施方式可以代替示出和描述的特定实施例而不偏离本发明的范围。本申请旨在覆盖此处讨论的特定实施例的任意调适和变型。因此，旨在表明，本发明仅由权利要求及其等同物限定。