专利名称：内燃机点火器半导体器件的制作方法
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η型基极层和高杂质浓度η型缓冲层之间具有中间杂质浓度的η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η型缓冲区，该η型缓冲区在集电极侧ρ-η结界面内具有比汽车电池电压更高的ρ-η结耐压(JP-A-2009-130096)。 存在相关于IGBT的描述，其中η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ρ+衬底25上的η+缓冲层M和η基极层26，并且使IGBT的主电流流过的有源区20设置在η基极层表面的中央部分。有源区20的表面包括连接于ρ基极区6、η 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。ρ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M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权利要求
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50μπι或更小，而两个层的总杂质量为 20 X IO1W2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Iym以上且小于或等于10 μ m，所述第一缓冲层的杂质浓度在2 X IO16CnT3至8 X IO16CnT3的范围内，所述第二缓冲层的厚度为49 μ m或更小，而所述第二缓冲层的杂质浓度在IX IO16CnT3至4X IO16CnT3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30 μ m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ι μ m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。
全文摘要
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。
文档编号H01L27/02GK102184918SQ201010576099
公开日2011年9月14日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年12月4日
发明者上野胜典 申请人:富士电机系统株式会社