功率半導體器件、用于處理其的方法以及功率電子模塊的制作方法
【技術領域】
[0001]各種實施例涉及功率半導體器件、功率電子模塊以及用于處理功率半導體器件的方法。
【背景技術】
[0002]可在功率電子模塊中實施功率半導體器件，諸如功率晶體管(例如絕緣柵雙極晶體管，IGBT)或二極管。有時，可能需要在苛刻的環境條件下操作功率器件或模塊，例如，諸如熱、潮濕或空氣污染，其可能影響器件或模塊的性能或者甚至導致故障。因此，可能期望改善器件或模塊在苛刻環境條件下的可靠性。
【發明內容】
[0003]根據各種實施例，功率半導體器件可包括:半導體本體(semiconductor body);鈍化層，設置在半導體本體的至少一部分上，其中，所述鈍化層包括有機電介質材料，其在飽和中具有小于或等于0.5 wt%的水吸收。
[0004]根據各種實施例，一種功率電子模塊可包括:多個功率半導體器件，每個包括半導體本體和設置在半導體本體的至少一部分上的鈍化層，其中，所述鈍化層包括有機電介質材料，其在飽和中具有小于或等于0.5 wt%的水吸收；以及至少一個接觸，被連接到所述多個功率半導體器件。
[0005]根據各種實施例，一種用于處理功率半導體器件的方法可包括:在功率半導體器件的半導體本體上沉積可熱固化硅樹脂材料；以及在具有小于或等于I ppm的氧水平的惰性氣氛中使可熱固化硅樹脂材料熱固化。
【附圖說明】
[0006]在圖中，相似的參考字符一般地遍及不同的圖指的是相同部分。附圖不一定按比例，而是一般地著重于圖示出本發明的原理。在以下描述中，參考以下各圖來描述本發明的各種實施例，在所述附圖中:
圖1和圖2示出了圖示出在高濕度和溫度下經受高壓長期測試的常規功率半導體器件中的場電極結構的場電極處的腐蝕的各種視圖；
圖3示出了長期測試期間的根據實施例的被鈍化層鈍化的功率模塊的芯片的視圖；
圖4示出了根據各種實施例的半導體器件；
圖5示出了根據各種實施例的另一半導體器件；
圖6示出了根據各種實施例的功率電子模塊；以及圖7示出了根據各種實施例的用于處理功率半導體器件的方法。
【具體實施方式】
[0007]以下詳細的描述參考附圖，附圖以圖示的方式示出了其中可實施本發明的實施例和特定細節。足夠詳細地描述了這些實施例以使得本領域的技術人員能夠實施本發明。在不脫離本發明的范圍的情況下，可利用其它實施例，并且可進行結構、邏輯以及電學改變。各種實施例不一定是相互排斥的，因為可以將某些實施例與一個或多個其它實施例組合以形成新的實施例。結合方法來描述各種實施例并結合器件來描述各種實施例。然而，可理解的是結合方法所述的實施例可類似地應用于器件，并且反之亦然。
[0008]詞語“示例性”在本文中用來意指“充當示例、實例或圖示”。在本文中描述為“示例性”的任何實施例或設計不一定解釋為相比于其它實施例或設計而言是優選或有利的。
[0009]可將術語“至少一個”和“一個或多個”理解成包括大于或等于一的任何整數，即一、二、三、四等。
[0010]可將術語“多個”理解成包括大于或等于二的任何整數，即二、三、四、五等。
[0011]在本文中用來描述在側面或表面“之上”形成特征(例如層)的詞語“之上”可用來意指可“直接地在”所指的側面或表面上、例如與之直接接觸地形成該特征(例如層)。在本文中用來描述在側面或表面“之上”形成特征(例如層)的詞語“之上”可用來意指可“間接地”在所指側面或表面上形成特征(例如層)，其中在所指側面或表面與形成的層之間布置一個或多個附加層。
[0012]以類似的方式，在本文中用來描述設置在另一個之上的特征、例如“覆蓋”側面或表面的層的詞語“覆蓋”可用來意指可將該特征(例如層)設置在所指側面或表面上并與之進行直接接觸。在本文中用來描述設置在另一個之上的特征、例如“覆蓋”側面或表面的層的詞語“覆蓋”可用來意指可在所指側面或表面上設置該特征(例如層)并與之進行間接接觸，其中在所指側面或表面與覆蓋層之間布置一個或多個附加層。
[0013]可將術語“耦合”或“連接”理解成包括直接“耦合”或“連接”的情況和間接“耦合”或“連接”的情況兩者。
[0014]針對以下描述，將在各種位置上使用功率半導體器件的應用作為示例，例如，諸如應用“牽引”(例如鐵路技術)中的功率晶體管(例如IGBT功率晶體管)或功率二極管。此應用的特征在于相對于溫度/空氣濕度和壽命(> 20年)而言的極端苛刻的條件。在這種情況下通常已知的錯誤是腐蝕，其可通過本文所述的鈍化方案來避免。然而，腐蝕僅僅是示例。
[0015]本文所述的方案可適合于將在極端環境壓力(例如還有化學影響)下使用的所有半導體系統。
[0016]高壓功率半導體器件或部件可能需要適當的高壓邊界終結(boundaryterminat1n)以便具有阻擋能力。在此上下文中可以采用各種構造，例如諸如場電極構造、P防護環構造，有時也與場電極組合，并且還有VLD (橫向摻雜的變化)概念。這些構造的重要元件可以是鈍化層，其也可由多個層組成，可以視情況而定。此鈍化層可用于針對操作期間的濕氣和離子污染的滲透而保護部件。在芯片級，按照慣例使用酰亞胺作為高壓部件中的最后終止保護層。
[0017]濕氣到芯片的邊界區域中的滲透可導致芯片的阻擋能力的改變。在金屬板處有時觀察到腐蝕問題，并且在濕度下的非常侵蝕性且廣泛的長期測試中觀察到另外的邊界概念(例如，在高壓(HV)H3TRB測試中，即基于在國際標準IEC 60749中定義的所謂的H3TRB (高濕度高溫反向偏置)測試的測試，但是沒有H3TRB測試的電壓極限)。通常，那些金屬板由鋁或鋁合金(例如具有Cu和/或Si的添加的鋁，即AlS1、AlSiCu, AlCu)組成。在現代技術中，主要使用Si且尤其是Cu的添加。兩個元素且特別是Cu是促進腐蝕的元素，因為其形成沉淀，該沉淀組成局部單元(cell)且此外妨礙本地氧化鋁層的形成。這使得能夠實現自由電子交換，其是鋁腐蝕的氧化還原反應所需要的。由于體積膨脹(氫氧化鋁Al (OH) 3的形成)，金屬場電極或其它金屬接觸處的腐蝕可導致鈍化的進一步破壞和高壓邊界構造的阻擋能力的損失。
[0018]此外，在長期應力測試期間輸入到鈍化系統中的濕氣可導致鈍化層的氧化(例如，氮化物、類金剛石碳(DLC))。
[0019]上述鈍化(在通常為可光圖案化聚酰亞胺的高壓器件中)需要是防潮的，以便防止這些腐蝕發生或鈍化層的氧化。首先，針對濕氣的穩定性的特征在于材料中的環境濕氣的弱結合(主要采取來自空氣濕度的水蒸氣的形式)，也稱為且在下文中描述為潮解。當鈍化的水/濕氣吸收大時，這可導致如上所述的腐蝕。
[0020]另外，鈍化的粘附可能是重要的標準。在由于未調整機械應力而發生分層的情況下，濕汽膜可在鈍化與金屬/絕緣體之間發展，這繼而可加速高壓邊界終結的上述腐蝕或直接故障。充分的粘附可要求沒有或基本上沒有機械應力的層。當前使用的聚酰亞胺可在GPa范圍內示出相當高的抗拉應力。
[0021]粘附或無應力鈍化可能不僅相對于腐蝕而言是重要的。不良的粘附或分層還可加速其它環境影響(例如化學影響)。
[0022]先前已開發了具有略微改善的防潮性的鈍化系統。這些改善的鈍化系統實現了增強的壽命，使得可安全地通過80V阻擋電壓下的H3TRB (高濕度高溫反向偏置)測試。
[0023]然而，已經證明這些鈍化系統獨自地對于未來的濕氣穩健性要求而言可能并不夠。取決于應用，對于未來技術而言可能需要的東西是在例如HV H3TRB測試中達到> 1000h (超過1000小時)的阻擋穩定性。在H3TRB測試的這些嚴緊條件下，有時只能實現< 1000h的壽命。這些器件的故障分析主要示出在陽極側和陰極側兩者的高壓邊界中的鋁金屬化處的腐蝕問題。
[0024]有時，可在能夠阻擋的邊界區處的功率半導體中使用由鋁或鋁合金制成的簡單金屬化。此外，更新的技術可提供掩埋式VLD注入，其可替換典型的高壓邊界。一般地可將Si3N4蓋層或S1 JPSi3N4的堆疊層用于鈍化。通常可用可光圖案化聚酰亞胺來終止這些鈍化。
[0025]此鈍化系統已被證明相對于高壓H3TRB穩健性而言是不足的。到目前為止，還沒有提出能夠針對高壓邊界終止中的鋁和針對包括絕緣體的掩埋式VLD層兩者安全地防止HV邊界處的腐蝕過程的鈍化系統。
[0026]在形貌臺階(生長凹槽)或可能的缺陷(針孔或顆粒)處的(具體地，設置在酰亞胺下面的Si3N4和S12層的)鈍化的不良不滲透性中可看到其原因。
[0027]然而，可看到基本問題，其在于濕氣可首先穿透終止聚酰亞胺層直達此類薄層缺陷。
[0028]在具有不同技術的不同鈍化的系統處的許多調查中已檢測到相對于HV-H3TRB的鈍化不足。錯誤分析已反復地示出一方面的鋁處和另一方面的VL