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隔离栅双极型晶体管失效专利 发明

技术内容

技术领域 本发明涉及半导体技术领域。尤其涉及权利要求1的前序部分的 IGBT(隔离栅双极型晶体管)。这种IGBT可见于德国专利公开说明 书DE 196 12 516 A1。 技术现状 按当前技术构造的IGBT内,具有0.2cm2极小表面的IGBT芯片的 栅极信号首先借助于栅极导片分布在芯片的周边上(参阅DE 196 12 516 A1)。窄带状栅(栅指)随后把这信号引入芯片内部(详见EP 0 755 076 A2)。无论栅极导片或栅指都由铝金属化层形成。信号也可 从安排在一个角上或中央的栅极垫片出发经栅指分布在芯片表面上 (见图1)。一般采用的设计规则指出,栅指的间距x必须满足以下 条件。 x < < τ / ( R c ) R是多晶硅的薄层电阻,它把信号从栅指引到实际的栅极,c是 单位面积栅极的MOS电容量,τ是由τ=RGate·Ctot给出的IGBT的特 征开关时间,RGate是栅极偏置电阻,Ctot是芯片总MOS电容量,典型值 是c=30nF/cm2,R=30欧姆,τ=200纳秒。这样x<<0.47cm。如果满 足上述条件,则在导通期间,与栅极偏置电阻无关,任一时刻栅极上 的电压分布是平缓的,因而电流密度是均匀的。 然而如果需要阴极侧焊接,则栅指需要复杂且昂贵的焊接金属 化,及对钝化提出很高要求。钝化缺陷导至栅极发射极短路,这表现 为早期失效,且只有通过昂贵的老化试验才可以发现。类似的问题在 压力接触情况下会出现。 发明描述 本发明的任务是提供制造方式简单,但仍然可以均一开启的 IGBT。该任务通过独立权利要求的特征来解决。 本发明的核心是:IGBT芯片的栅极电流从栅接线端出发,不用栅 指,直接经栅极的多晶硅层转接到IGBT-单元。栅极信号按照第1实 施例可以经安排在一个角上的栅接线端(栅极垫片)或按照第2实施 例经一个中央栅接线端输入到IGBT芯片。 因此本发明恰恰有别于目前主导的观点,即从一定的芯片尺寸 起,只在应用栅指的情况下才能达到均一接通。更确切地说本发明人 第一次认识到,与适用于MOS晶体管的设计规则不同的另外的设计规 则适用于IGBT均一关断。本发明人尤其发现,当等离子体分布还是 均匀时,最大损耗功率密度总是均匀的。特别是在MOS电流不再能够 用来维持外部电流时,一个双极型器件表现出基本上不同于单极型器 件的性能,如MOS晶体管。在该时刻之后,从双极型电流过渡到纯空 穴电流,并与主结的耗尽相联系。一旦这个过程中止,则全部电流由 空穴输运,并且形成空间电荷区。但是,等离子分布横向总还是相当 均匀的。因此,极不均匀的电流分布也会很快均匀化。在最大功率耗 损时,电流分布差不多是均匀的。因此安全运行区并不减小,而且关 断能量几乎不变。结果可以制造没有栅指的IGBT,尽管超过了适合无 栅指MOS晶体管的0.2cm2最小面积。 图2a和2b示出本发明的IGBT-芯片1的一个实施例。示出的主 接线端3被绝缘体7和栅极性8包围。栅极性8与栅接线端4相连, 从接线端4例如可以把压焊丝连接至相应的外壳引线端。与此相反, 在按照图1a和1b的当前技术中安排了栅指6,它从栅接线端4出发, 将栅极信号分布在芯片表面。 本发明的优点尤其在于: -通过去掉栅指使简单和低成本地实施焊接金属化成为可能。 -较简单的工艺使对芯片压触时,较高的可靠性成为可能。 附图简介 本发明依靠附图进一步说明如下: 图1a:按照当前技术的IGBT芯片俯视图; 图1b:根据图1a的IGBT芯片部分透视图; 图2a:按本发明第1实施例的IGBT芯片俯视图; 图2b:根据图2a的IGBT芯片部分透视图; 图3:按本发明第2实施例的IGBT芯片俯视图; 图4:按本发明的IGBT芯片剖面图; 图5:多晶硅层俯视图。 附图中用的参考符号在参考符号表内一起列出。 发明实施途径 在预试验中,制造了具有0.2cm2最小表面没有栅指的慢速2.5kV 芯片并测量其特性。它在误差范围内与带栅指的类型没有差别。然而 令人担心的是,快速芯片没有栅指的话可能会在极不均匀的电流分布 情况下关断,因此会具有高的开关损耗、缓慢瞬变过程以及小的SOA。 然而开关特性的分析计算、数字模拟以及没有栅指的快速IGBT的开 关试验给出令人惊愕的结果。事实表明在关断时与开关时间τ可比较 的信号传输时间并非一定导至不均匀的电流分布。试验还表明,与关 断相比,接通是非关键的。 对于进行芯片周边的栅极控制和选择 x τ / ( R · c ) 的情况,在关断 时首先出现电流重新分布。芯片外部开始关断,负荷维持总电流恒 定,并将电流引入芯片中央。在此时刻阳极电压基本上还是零。 在此时刻,MOS电流不再够用于维持外部电流。在纯MOS晶体管 内,现在开始电压上升。电压上升是这样经栅-阳极(密勒效应)将 电容电荷耦合到栅极,使得在栅极上的电压分布维持恒定,并且电流 不再下降。一旦达到满负载电压,则调节机制中止栅压下降且使器件 关断。 本发明的核心是,识别和充分利用双极型器件从上述时刻起主要 表现出的另一种性能。在该时刻之后,与主结耗尽相联系双极型电流 过渡到纯空穴电流。一旦该过程中止,则全部电流由空穴输运,而且 形成空间电荷区。但等离子区横向仍旧维持均匀分布。因此,在该时 刻极其不均匀的电流分布快速均匀化。到最大耗损功率时,电流分布 几乎是均匀的。因此安全运行区不减小且关断能量几乎不变。因此, 可以制造没有栅指也行的IGBT。 图2a和2b为由俯视或透视示出的按本发明的无栅指IGBT芯片 1,它具有可见的第1主接线端3和未示出的第2主接线端以及栅接 线端4,该接线端4在由图2a、2b所示实施例内安排在IGBT-芯片1 的边缘,尤其是在一个角上。与展示现有技术的图1a和1b相反,它 没有栅指6,而是栅极信号从栅接线端4出发经栅极性8分布在周边 上。如图2b所看到的,栅极框8也是直接与栅极5有效连接的。栅 极框最好具有小于5欧姆的电阻。 因此,第1主接线端3经一面形成,该面直到栅极引线4的凹槽 为止是凸出的。其中在图2a和2b的实施例情况下,其凸出构形的面 区被栅极性8所包围。如果存在多个栅接线端4,则第1主接线端的 实际凸出的面具有相应数目的凹槽。 在尤其由IGBT的阴极形成的大面积第1主接线端(作为金属化 层示出)和栅接线端4以及栅极框8之间安排绝缘体7。根据本发明, 栅接线端4或栅极框8与IGBT的栅极5的多晶硅层直接连接,即没 用栅指的中间连接。这在图4中用剖面示出。IGBT的多晶硅层5直接 与栅接线端4相连。其余的IGBT单元2的多晶硅层5在组件内并联。 图5描绘了多晶硅层5排列的实施例。在这种情况下它大面积复盖芯 片并且具有凹槽5’。在图4也可以清楚地看到安排在栅接线端4和 主接线端3之间的绝缘体7或为此用的沟。 显然栅接线端4也可以安排在IGBT芯片1的中央。图3示出该 实施例。栅接线端4仍是被绝缘体7包围,该绝缘体7使栅接线端4 与主接线端3断开。 参考符号表 1   IGBT-芯片 2   IGBT-单元 3   第一主接线端 4   栅接线端(栅极垫片) 5   栅极 5’   凹槽 6   栅指 7   绝缘体 8   栅极框

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