功率半导体器件芯片、其制备方法、对应器件及电子设备与流程

本发明涉及半导体设计和制造，具体涉及一种功率半导体器件芯片、其制备方法、采用其的功率半导体器件及电子设备。

背景技术：

1、1957年，美国ge公司发明了第一只用于工业功率转换与控制的晶闸管(siliconcontrolled rectifier，scr；也称为thyristor)，通过在门极和阴极之间加上一定正电压，器件可导通。晶闸管能以小电流控制较大的功率，标志电能的变换、传输和应用进入新的技术发展时代。电力电子变换装置开始广泛应用于工业、交通和能源等各个领域，实现了弱电控制强电，并完成大功率电能控制的目的，电力电子技术得到了飞速发展，其中4ka/8kv等级晶闸管在本世纪初已经进入大批量应用。

2、为了克服晶闸管无法通过栅极关断的弱点，门极可关断晶闸管(gate turn-offthyristor，gto)于1960年被推出，通过门极环绕分立阴极并联、降低导通时饱和深度等结构与工艺优化，实现了门极关断控制，极大地简化了复杂的配套电路，提高了可靠性。但是由于gto的门极驱动功率大、驱动电路较复杂，且关断器件存在电流的不均匀性，需要一个庞大的缓冲电路，这些缺点限制了gto的应用。

3、集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor，igct)是将改进后的gto芯片与门极驱动电路集成在一起的器件，其本质上属于晶闸管类器件，导通时有强烈的电导调制效应来保证低通态压降和高通流能力。同时，由于透明阳极、场阻止层和硬驱动技术的引入，使其具有快速、可靠的开关特性，应用时可以不用缓冲电路。igct的设计思想是由瑞士abb公司于1996年首次提出的，当时称之为硬驱动的透明阳极gto(hd-gto)，1997年正式命名为igct。相较于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor，igbt)，igct的开关频率较低(＜1khz)，但是具有更高耐压、更大通流能力、更低导通压降、更高可靠性和更低的制造成本等优点。事实上，相比于交流电网应用，在直流电网中的中高压大容量交流-直流换流器、直流变压器以及直流断路器等关键设备均具有很多新的特点，例如：模块化多电平交流-直流换流器的开关频率非常低、双主动全桥直流变压器具有软开关能力、直流断路器仅需单次操作等。这些特点很大程度上规避了igct运行频率较低的劣势，为igct在直流电网中的应用带来了契机。

4、igct虽然具有优良的性能，然而在实际应用中，有许多因素制约着igct的安全工作区(safe operating area，soa)的进一步扩大，igct的可靠性还有待提高，特别是igct的关断过程常伴随着关断失效甚至器件损坏的情况。igct在高压、大电流情况下关断时，因为基区过剩载流子的影响，器件很容易在小于静态阻断电压很多的电压下发生动态雪崩，从而使器件关断失败甚至发生不可恢复的电热击穿。

5、2005年，abb研究了大面积igct器件关断时的失效机制，指出igct中靠近门极接触和远离门极接触的区域总是具有略微不同的门极阻抗。因此，在电流关断期间各个igct阴极环之间将存在轻微的时间偏移，这将导致关断过程中的电流重新分布，远离门极接触的区域发生电流拥挤进而导致失效。

6、2007年，abb首次提出了波浪结p基区igct(corrugated p-base igct)的概念，如图1所示。测试结果显示，波浪结p基区igct可以有效提升器件的电流关断能力，特别是常温下器件的电流关断能力。在25℃下，波浪结p基区igct的电流关断能力由5ka提升至7.2ka；但是在125℃下，波浪结p基区igct的电流关断能力提升并不明显，由6ka提升至6.7ka左右。

7、2013年，如图2a、2b所示，英国剑桥大学和abb的研究人员比较了传统结构igct和波浪结p基区igct的关断能力，并分析了波浪结p基区igct结构具有优秀关断能力的原因，这是由于波浪结p基区igct设计中的横向电场分量将空穴电流转向门极金属接触点，防止空穴到达阴极结附近，这种更优选的电流路径能够防止动态雪崩电流触发晶体管-晶体管的电流增益机制。

8、综上所述，虽然波浪结p基区igct能够有效提升单元胞igct的电流关断能力，但是由于igct中靠近门极接触和远离门极接触的区域总是具有略微不同的门极阻抗，因此，在电流关断期间各个igct阴极环之间将存在轻微的时间偏移，这将导致关断过程中的电流重新分布，远离门极接触的igct阴极环仍然容易发生电流拥挤进而导致失效。

9、目前的解决方法主要是通过局域寿命控制来改善大尺寸igct芯片关断过程中的电流不均现象。

10、2005年，如图3所示，abb通过对远离门极接触区的阴极环进行横向局域寿命控制，调整导通阶段的电流密度分布，从而缓解由于阻抗分布不均匀导致的soa退化现象，并通过配合采用开关自箝位技术，4.5kv非对称型igct器件的电流关断能力提升了30％以上。

11、2012年，株洲南车时代电气股份有限公司采用了横向非均匀电子辐照方法，通过两次辐照技术实现igct芯片局部少子寿命控制，通过降低远离门极接触区阴极环的少子寿命，降低在igct关断过程中电流的再分配效应、提高关断均匀性，从而提高igct芯片整体安全工作区(专利授权公告号cn103065950b)。该专利主要保护的是横向非均匀辐照的工艺实现方法，如图4所示，通过挡板的不同厚度实现非均匀辐照。

12、但是，上述几种方法还是或多或少存在加工工艺复杂、加工成本高等缺陷，本发明人另辟蹊径，开发出一种新的具有变尺寸波浪基区的功率半导体器件及其制备方法，更好地解决了现有技术的缺陷和不足。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种功率半导体器件芯片、其制备方法、采用其的功率半导体器件及电子设备，以期至少部分地解决上述技术问题。

2、为了实现上述目的，作为本发明的第一个方面，提出了一种功率半导体器件芯片，其包括形成在基区上的门极接触环和呈环状排列的阴极梳条，每一个阴极梳条与对应的基区之间形成有波浪结；其中，与门极接触环距离最远的波浪结，相对于其它区域的波浪结，具有最大的宽度和/或结深。

3、作为本发明的第二个方面，还提出了一种功率半导体器件芯片的制造方法，包括以下步骤：

4、在半导体基底上形成一基区；

5、在所述基区上通过离子注入法形成所述功率半导体器件芯片的阴极梳条与对应的基区之间的波浪结；其中，制备与门极接触环距离最远的波浪结时用的离子注入掩膜，相对于制备其它区域的波浪结时用的离子注入掩膜，具有最大的横向尺寸，或者，制备与门极接触环距离最远的波浪结，相对于制备其它区域的波浪结，具有最大的推结时间。

6、作为本发明的第三个方面，还提出了一种包括如上所述的功率半导体器件芯片的功率半导体器件。

7、作为本发明的第四个方面，还提出了一种采用如上所述的功率半导体器件的电子设备。

8、基于上述技术方案可知，本发明的功率半导体器件芯片及其制备方法，相对于现有技术至少具备如下有益效果之一：

9、1、本发明通过调整不同阴极环中igct元胞的波浪结注入掩膜，优化了远离门极接触环的阴极环中igct元胞的波浪结形貌，使igct关断时的动态雪崩位置更加远离阴极区。在igct大电流关断过程中，即使远离门极接触的igct阴极环内发生电流拥挤，该阴极环的动态雪崩位置更加远离阴极区，不容易发生阴极重触发失效，从而增强了整个igct器件的电流关断能力；

10、2、本发明的制造方法具有工艺简单、易实施的优点，该制造方法仅需修改波浪结注入的光刻掩膜，不增加额外的工艺步骤。