專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力用半導(dǎo)體裝置及其制造方法，特別涉及包含絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流二極管的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
圖33是使用絕緣柵雙極型晶體管(以下稱「IGBT」)和續(xù)流二極管(以下簡(jiǎn)稱為「二極管」)的逆變器的電路圖。作為直流和交流變換器的逆變器由開關(guān)元件IGBT和二極管構(gòu)成。IGBT和二極管以4元件或6元件為一組(圖33中為6元件)用于馬達(dá)的控制。
圖33的逆變器的直流端子連接在直流電源上，通過使IGBT通斷來將直流電壓變換成交流電壓，向作為負(fù)載的馬達(dá)供電。這樣，逆變器中，二極管與IGBT成對(duì)地反向并聯(lián)連接。
圖34是以整體1000示出的、將IGBT和二極管集成在一個(gè)元件中的半導(dǎo)體裝置的截面圖。形成了包含IGBT和二極管的結(jié)構(gòu)(例如，專利文獻(xiàn)1)。
半導(dǎo)體裝置1000包含N-襯底1。在N-襯底1上隔著N層4有選擇地設(shè)置P基極層2。在P基極層2上，有選擇地形成含高濃度n型雜質(zhì)的發(fā)射極區(qū)3。
形成從發(fā)射極區(qū)3至N-襯底1的槽7。槽7的內(nèi)壁上形成柵絕緣膜8，并在其中形成多晶硅的柵極電極9。發(fā)射極區(qū)3和N層4之間的P基極層2成為溝道區(qū)。
發(fā)射極區(qū)3上設(shè)有層間絕緣膜10。發(fā)射極電極11設(shè)置成與發(fā)射極區(qū)3的一部分和P基極層2相接。
N-襯底1的背面設(shè)N+陰極層5和P+集電極層6，而且，其背面設(shè)有集電極電極13。
IGBT1000的動(dòng)作與通常的IGBT的動(dòng)作基本相同。但是，由于形成了N層4，IGBT的導(dǎo)通動(dòng)作時(shí)，對(duì)于從P+集電極層6注入的空穴N層4成為阻擋層，空穴難以通過而到達(dá)P基極層2側(cè)。因而，在N層4附近蓄積載流子，使得IGBT1000的導(dǎo)通電壓降低。截止時(shí)，N層4在集電極電壓下耗盡，因此，N層4的影響消失。
特開2005-57235號(hào)公報(bào)本發(fā)明要解決的課題但是，由于半導(dǎo)體裝置1000的內(nèi)部包含二極管，因此存在IGBT的柵極設(shè)為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)二極管的VF(正向電壓降)上升的問題。
并且存在這樣的問題若為了降低N層4中的載流子的壽命并減小恢復(fù)電流(圖35的Irr)而在N層4中注入氦離子(壽命扼殺劑)，則IGBT的柵極成為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的二極管的VF上升，成為比柵極截止?fàn)顟B(tài)時(shí)大。
發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的目的在于提供能夠不增加二極管的VF地減小恢復(fù)電流的、包含IGBT和二極管的半導(dǎo)體裝置。
解決課題的手段本發(fā)明是一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括具有第1主面和第2主面的第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底的第1主面?zhèn)刃纬傻牡?導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層；在半導(dǎo)體層的第1主面?zhèn)刃纬傻?、與半導(dǎo)體襯底之間由半導(dǎo)體層隔離的第2導(dǎo)電型的基極層；從第1主面貫穿基極層而至少到達(dá)半導(dǎo)體層而形成的1對(duì)槽部；設(shè)在槽部的內(nèi)部的絕緣膜；隔著絕緣層在槽部?jī)?nèi)形成的柵極電極；在半導(dǎo)體襯底的第2主面?zhèn)刃纬傻牡?導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層及第2導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層；以及在基極層的第1主面?zhèn)妊夭鄄慷O(shè)的發(fā)射極區(qū)，該半導(dǎo)體裝置內(nèi)設(shè)有用柵極電極控制流過基極層的電流的晶體管和由半導(dǎo)體層和基極層構(gòu)成的二極管，發(fā)射極區(qū)僅設(shè)在1對(duì)槽部所夾持的區(qū)域。
另外，本發(fā)明是一種內(nèi)設(shè)有用柵極電極控制流過基極層的電流的晶體管和二極管的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括準(zhǔn)備具有第1主面和第2主面的第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底的工序；在半導(dǎo)體襯底的第1主面上形成第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的工序；在半導(dǎo)體層的表面形成第2導(dǎo)電型的基極層的工序；形成從第1主面貫穿基極層而至少到達(dá)半導(dǎo)體層的1對(duì)槽部的工序；在槽部的內(nèi)部設(shè)絕緣膜且隔著絕緣膜在槽部?jī)?nèi)形成柵極電極的工序；在半導(dǎo)體襯底的第2主面?zhèn)刃纬傻?導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層及第2導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的工序；以及僅在基極層的第1主面?zhèn)?對(duì)槽部夾持的基極層上沿槽部而設(shè)置發(fā)射極區(qū)的工序。
發(fā)明的效果如以上所說明，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，即使IGBT設(shè)于導(dǎo)通狀態(tài)二極管的VF也不增大，且恢復(fù)電流也能減小。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖8是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖10是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖11是本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖12是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
圖13是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖14是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖15是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖16是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖17是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖18是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖19是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖20是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖21是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖22是本發(fā)明實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
圖23是本發(fā)明實(shí)施例3的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
圖24是本發(fā)明實(shí)施例3的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
圖25是本發(fā)明實(shí)施例4的半導(dǎo)體裝置的上面圖。
圖26是本發(fā)明實(shí)施例4的半導(dǎo)體裝置的上面圖。
圖27是本發(fā)明實(shí)施例4的半導(dǎo)體裝置的上面圖。
圖28是本發(fā)明實(shí)施例5的半導(dǎo)體裝置的上面圖。
圖29是本發(fā)明實(shí)施例5的半導(dǎo)體裝置的上面圖。
圖30是本發(fā)明實(shí)施例5的半導(dǎo)體裝置的上面圖。
圖31是本發(fā)明實(shí)施例6的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
圖32是本發(fā)明實(shí)施例6的半導(dǎo)體裝置的制造工序的截面圖。
圖33是使用絕緣柵雙極型晶體管和續(xù)流晶體管的逆變器的電路圖。
圖34是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
圖35是將二極管從導(dǎo)通狀態(tài)設(shè)為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)的電流波形。
圖36是試作的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
附圖標(biāo)記說明1N-襯底；2P基極層；3發(fā)射極區(qū)域；4N層；5N+陰極層；6P+集電極層；7槽(第1槽)；8柵極絕緣層；9柵極電極；10層間絕緣膜；11發(fā)射極電極；12集電極電極；13槽(第2槽)；100半導(dǎo)體裝置。
具體實(shí)施例方式
以下，就半導(dǎo)體裝置1000(圖34)中IGBT的柵極導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)二極管的VF(正向電壓降)的上升進(jìn)行討論。
二極管在P基極層2和N層4之間的電位超過PN結(jié)的內(nèi)建電位時(shí)導(dǎo)通。但是，一旦IGBT的柵極導(dǎo)通，N層4和發(fā)射極區(qū)(N+層)3就導(dǎo)通。由于發(fā)射極區(qū)3與P基極層2有共通的接觸孔，柵極的導(dǎo)通使得難以給P基極層2和N層4之間形成的PN結(jié)加上電壓。因而，可認(rèn)為在P基極層2附近難以發(fā)生空穴注入，VF會(huì)因此上升。
還認(rèn)為將氦離子作為壽命扼殺劑進(jìn)行照射時(shí)P基極層2附近的壽命縮短，因此，如上所述，注入量減少的空穴進(jìn)而在該區(qū)域壽命扼殺劑結(jié)合，從而會(huì)發(fā)生顯著的VF上升。
基于這些考慮，為了降低二極管的恢復(fù)電流并抑制IGBT的柵極導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的二極管的VF上升，發(fā)明人提出了圖36所示的半導(dǎo)體裝置1100(特開2005-101514號(hào)公報(bào))。半導(dǎo)體裝置1100中，從表面形成1對(duì)(2個(gè))槽7(圖36中，1對(duì)槽7形成為2組)1對(duì)槽7在與紙面垂直的方向上大致平行地延伸。
在1對(duì)槽7所夾持的區(qū)域，形成N層4、P基極層2及發(fā)射極區(qū)3而構(gòu)成IGBT。另外，在1對(duì)槽7的外側(cè)沒有形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域，形成P基極層2的側(cè)擴(kuò)散區(qū)域和MPS二極管(Merged PiN Diode and SchottkyBarrier Diode)。
這樣，通過用槽7將IGBT和二極管的形成區(qū)域分割，能夠抑制IGBT的柵極導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)二極管的VF上升。另外，通過將二極管區(qū)域設(shè)為MPS，能夠抑制恢復(fù)電流。
但是，另一方面會(huì)出現(xiàn)這樣的問題IGBT動(dòng)作時(shí)從背面注入的空穴經(jīng)由MPS區(qū)域移動(dòng)到發(fā)射極電極11，IGBT的導(dǎo)通電壓變高。
另外，通過將二極管設(shè)為MPS，由于二極管形成區(qū)域變寬而形成發(fā)射極區(qū)3的由1對(duì)槽7夾持的區(qū)域的間隔變狹，存在不能充分地抑制IGBT的柵極成為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的二極管的VF上升的問題。
因而，在未形成發(fā)射極區(qū)3的槽(第1槽)7的外側(cè)形成第2槽來抑制耐壓的降低，但是存在第1槽7和第2槽7之間的間隔不夠，不能夠充分抑制VF上升的問題。
基于這樣的認(rèn)識(shí)，發(fā)明人提出了以下的實(shí)施例所示的半導(dǎo)體裝置。
實(shí)施例1圖1是以整體100示出的本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的截面圖。
半導(dǎo)體裝置100包含例如硅構(gòu)成的N-襯底1。在N-襯底1上，分別用擴(kuò)散法形成N層4、P基極層2。
形成從P基極層2的表面到N-襯底1的1對(duì)(2個(gè)為1組)槽7。1對(duì)槽7在與圖1的紙面垂直的方向上大致平行地延伸。在1對(duì)槽7所夾持的P基極層2上，有選擇地使高濃度n型雜質(zhì)擴(kuò)散而形成發(fā)射極區(qū)3。
半導(dǎo)體裝置100中，相鄰的1對(duì)槽7之間的、未形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域的間隔形成得比該1對(duì)槽7的間隔寬。
在槽7的內(nèi)壁形成例如氧化硅構(gòu)成的柵極氧化膜8。而且，在柵絕緣膜8的內(nèi)部，形成由例如多晶硅構(gòu)成的柵極電極9。經(jīng)由柵極氧化膜8而與柵極電極9連接的P基極層2成為IGBT的溝道區(qū)。
柵極電極9上形成例如氧化硅構(gòu)成的層間絕緣膜10，將發(fā)射極區(qū)3的一部分覆蓋。發(fā)射極區(qū)3的一部分上和P基極層2上，形成由例如鋁構(gòu)成的發(fā)射極電極11。
在N-襯底1的背面分別形成P+集電極層6和N+陰極層5。而且，設(shè)有與P+集電極層6和N+陰極層5雙方連接的集電極電極12。
接著，就半導(dǎo)體裝置100的動(dòng)作進(jìn)行說明。
圖1的半導(dǎo)體裝置100中，在發(fā)射極電極11和集電極電極12之間施加預(yù)定的集電極電壓VCE。在該狀態(tài)下，一旦在發(fā)射極電極11和柵極電極9之間施加預(yù)定的柵極電壓VGE，P基極層2就轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，形成溝道。通過該溝道從發(fā)射極電極11向N-層1注入電子。該注入的電子將P+集電極層6和N-層1之間正向偏置，從P+集電極層6向N-層1注入空穴。從而，N-層1的電阻顯著下降，且IGBT的電流容量增加。
此時(shí)，1對(duì)槽7所夾持的區(qū)域用作IGBT。另一方面，沒有形成發(fā)射極區(qū)3的槽7之間不具有IGBT的功能。在P基極層2的正下面形成N層4，因此該N層4成為從背面注入的空穴的阻擋層，在P基極層2的正下面積累空穴，N-層1的電阻下降。即，由于N層4在P基極層2之下全面地形成，因此，從P+集電極層6注入的空穴不會(huì)如圖36所示那樣簡(jiǎn)單地逃逸到P基極層2，而是蓄積在P基極層2之下。從而，能夠抑制IGBT的導(dǎo)通電壓的上升。
接著，就半導(dǎo)體裝置100所包含的IGBT從導(dǎo)通狀態(tài)改變到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的動(dòng)作進(jìn)行說明。
圖1的半導(dǎo)體裝置100中，在發(fā)射極電極11和柵極電極9之間導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)施加的柵極電壓VGE設(shè)為0或反向偏置(柵極截止)時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)镹型的溝道就返回到P型，來自發(fā)射極電極11的電子注入停止。由于電子的注入停止，來自P+集電極層6的空穴注入也停止。然后，在N-層1上蓄積的電子和空穴分別向集電極電極12、發(fā)射極電極11移動(dòng)，或相互再結(jié)合而消失。此時(shí)，在P基極層2的正下面形成的N層4被耗盡，因此不會(huì)給IGBT的斷開特性帶來惡劣影響。另外，在不存在發(fā)射極區(qū)3的槽7之間也不會(huì)發(fā)生寄生動(dòng)作。
另外，就半導(dǎo)體裝置100所包含的二極管的導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行說明。半導(dǎo)體裝置100中，N+陰極層5在N-襯底1的背面形成。因而，通過例如負(fù)載L中蓄積的能量，在半導(dǎo)體裝置100所包含的IGBT施加電壓VEC，N+陰極層5和P基極層2之間形成的二極管就成為導(dǎo)通狀態(tài)，有電流流過。該二極管例如在圖34中作為反向并聯(lián)連接的二極管動(dòng)作。
本發(fā)明中，IGBT區(qū)域和二極管區(qū)域由槽7隔離。換言之，槽7將主要作為IGBT工作而形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域和主要作為二極管工作而未形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域隔離。特別地，未形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域的寬度比圖36的半導(dǎo)體裝置1100的大。
主要作為IGBT工作而形成發(fā)射極區(qū)域3的區(qū)域中，IGBT的柵極導(dǎo)通時(shí)，N層4和發(fā)射極區(qū)3通過溝道電氣連接。其結(jié)果，由于發(fā)射極電極11的電位，發(fā)射極區(qū)3和P基極層2被固定在同電位上。即，P基極層2和N層4也成為同電位，因此二極管變得難以工作。
但是，未形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域與形成了發(fā)射極區(qū)域3的區(qū)域不同，即使柵極導(dǎo)通，由于N層4和P基極層2不通過溝道電氣連接，因此將柵極導(dǎo)通時(shí)對(duì)二極管動(dòng)作影響小。
因此，與全區(qū)域未形成發(fā)射極區(qū)3的情況(圖36)相比，能夠降低使柵極導(dǎo)通時(shí)的二極管的VF上升。另外，通過將未形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域加寬，可提高作為二極管的工作容限，降低二極管的VF。
接著，用圖2～11說明半導(dǎo)體裝置100的制造方法。這種制造方法包含以下的工序(1)～(10)，圖2～11是各制造工序中的截面圖。圖2～11中與圖1相同的標(biāo)記表示相同或相當(dāng)?shù)牟课弧?br>
工序(1)如圖2所示，準(zhǔn)備具有表面和背面的N-襯底1。N-襯底1由例如N型硅構(gòu)成。
工序(2)如圖3所示，在N-襯底1的表面例如用擴(kuò)散法使N型雜質(zhì)擴(kuò)散而形成N層4。
工序(3)如圖4所示，在N-襯底1上形成的N層4中，例如用擴(kuò)散法使P型雜質(zhì)擴(kuò)散而形成P基極層2。
工序(4)如圖5所示，在P基極層2的表面，例如用擴(kuò)散法有選擇地使N型雜質(zhì)擴(kuò)散而形成發(fā)射極區(qū)3。
工序(5)如圖6所示，形成從P基極層2的表面通過N層4而到達(dá)N-襯底1的槽(第1槽)7。形成槽7是使2個(gè)槽7形成為1對(duì)，并在槽7所夾持的區(qū)域設(shè)發(fā)射極區(qū)3。槽7例如用干法蝕刻法形成。圖6中，1對(duì)槽7形成為2組。
工序(6)如圖7所示，例如用熱氧化法將槽7的內(nèi)壁、P基極層2和發(fā)射極區(qū)3的表面氧化，形成柵絕緣膜(硅氧化膜)8。
工序(7)如圖8所示，在N-襯底1的整個(gè)表面上，淀積多晶硅層(未圖示)進(jìn)行蝕刻或拋光，僅在槽7中殘留多晶硅。槽7內(nèi)殘留的多晶硅成為柵極電極9。
工序(8)如圖9所示，形成層間絕緣膜10，將埋入了多晶硅的槽7和發(fā)射極區(qū)3的一部分覆蓋。層間絕緣膜10由例如氧化硅構(gòu)成。
工序(9)如圖10所示，用層間絕緣膜10作為掩模將P基極層2、發(fā)射極區(qū)域3表面的硅氧化膜(柵極氧化膜8)除去，使P基極層2、射極區(qū)域3表面露出。接著，例如蒸鍍鋁來形成發(fā)射極電極11。從而，P基極層2、發(fā)射極區(qū)3與發(fā)射極電極11電氣連接。
工序(10)如圖11所示，在N-襯底1的背面分別注入磷和硼并使之激活。從而，形成N+陰極層5、P+集電極層6。最后，在N-襯底1的背面例如蒸鍍鋁而形成集電極電極12。
通過以上工序，完成了圖1所示的半導(dǎo)體裝置100的制作。
再有，在背面形成的P+集電極層6和N+陰極層5，哪一個(gè)先形成均可。
另外，形成于背面的P+集電極層6和N+陰極層5，可在表面的發(fā)射極電極11形成前、后的任一工序中制作。
實(shí)施例2圖12是以整體200示出的本發(fā)明的實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的截面圖。圖12中，與圖1相同的標(biāo)記表示相同或相當(dāng)?shù)牟课弧０雽?dǎo)體裝置200中，與半導(dǎo)體裝置100一樣，1對(duì)槽7設(shè)為2組，在它們之間不設(shè)發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域中還形成第2槽13。在第2槽13的內(nèi)壁也形成硅氧化膜，在其中形成多晶硅。在第2槽13內(nèi)形成的多晶硅與發(fā)射極電極11電氣連接。其他結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體裝置100相同。
半導(dǎo)體裝置200的動(dòng)作也與上述的半導(dǎo)體裝置100的動(dòng)作和基本相同。半導(dǎo)體裝置100中，為降低二極管的VF而將未形成發(fā)射極區(qū)3的區(qū)域的寬度(相鄰的第1槽7的間隔)加大時(shí)，會(huì)有第1槽7的尖端處電場(chǎng)增強(qiáng)而使耐壓降低的情況。
本實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置200中，在未形成發(fā)射極區(qū)3的相鄰的第1槽7之間形成第2槽13。槽13內(nèi)所設(shè)的多晶硅層成為具有與發(fā)射極電極11近似相同的電位。因而，通過第2槽13能夠?qū)⒌?槽7的尖端部附近的電場(chǎng)緩和。
其結(jié)果，與半導(dǎo)體裝置100相比，能夠?qū)⑽葱纬砂l(fā)射極區(qū)3的第1槽7之間設(shè)置得較寬，將柵極導(dǎo)通時(shí)成為與N層4不同電位的P基極層2增大，能夠進(jìn)一步抑制二極管的VF上升。從而，與半導(dǎo)體裝置100相比，能夠提高設(shè)計(jì)容限。
而且，如圖36所示的半導(dǎo)體裝置1100，在第1槽7之間不形成肖特基區(qū)域，因此，第2槽13不會(huì)造成半導(dǎo)體裝置200耐壓的降低。
這里，第1槽7和第2槽13的間隔最好與第1槽7相互之間的間隔相等或比該間隔小，以將電場(chǎng)緩和。
接著，用圖13～21說明半導(dǎo)體裝置200的制造方法。該制造方法包含以下的工序(1)～(10)，圖13-21是各制造工序中的截面圖。圖13～21中與圖12相同的標(biāo)記表示相同或相當(dāng)?shù)牟课弧?br>
工序(1)～(4)如圖13～16所示，用與實(shí)施例1所示的半導(dǎo)體裝置100的制造方法相同的工序，在N-襯底1的表面形成N層4、P基極層2及發(fā)射極區(qū)域3。
工序(5)如圖17所示，形成從P基極層2的表面通過N層4而到達(dá)N-襯底1的槽(第1槽)7。2個(gè)槽7形成為1對(duì)，以在這些槽7所夾持的區(qū)域設(shè)置發(fā)射極區(qū)3。該工序中，與發(fā)射極區(qū)3相鄰的槽7分開，還在2組槽7之間(近似中央)形成同樣形狀的第2槽13。
工序(6)如圖18所示，例如用熱氧化法將第1槽7、第2槽13的內(nèi)壁及P基極層2、發(fā)射極區(qū)3的表面氧化，形成柵絕緣膜(硅氧化膜)8。
工序(7)如圖19所示，在N-襯底1的整個(gè)表面淀積多晶硅層(未圖示)，通過蝕刻等加工在第1槽7、第2槽13中殘留多晶硅。槽7內(nèi)殘留的多晶硅成為柵極電極9。
工序(8)如圖20所示，形成層間絕緣膜10，將埋入多晶硅的槽7和發(fā)射極區(qū)3一部分覆蓋。在第2槽13上不形成層間絕緣膜10。層間絕緣膜10由例如氧化硅構(gòu)成。
工序(9)如圖21所示，將層間絕緣膜10用作掩模，除去P基極層2、發(fā)射極區(qū)3、第2槽13中埋入的多晶硅的表面的硅氧化膜(柵極氧化膜8)，使P基極層2、發(fā)射極區(qū)3、多晶硅的表面露出。接著，例如通過蒸鍍鋁來形成發(fā)射極電極11。從而，P基極層2、發(fā)射極區(qū)3及第2槽13中的多晶硅與發(fā)射極電極11電氣連接。
工序(10)分別在N-襯底1的背面注入磷和硼，并使之激活。從而，形成N+陰極層5和P+集電極層6。最后，在N-襯底1的背面例如蒸鍍鋁，形成集電極電極12。
通過以上的工序，完成了圖12所示的半導(dǎo)體裝置200的制作。
圖22是以整體300示出的本實(shí)施例2的其他半導(dǎo)體裝置的截面圖。圖22中，與圖1相同的標(biāo)記表示相同或相當(dāng)?shù)牟课弧Ｎ葱纬砂l(fā)射極區(qū)3的第1槽7之間設(shè)置得較寬時(shí)，如圖22所示的半導(dǎo)體裝置300，形成多個(gè)第2槽13來緩和電場(chǎng)，這是理想的。為了緩和電場(chǎng)，最好將第2槽13相互之間的間隔設(shè)置成與第1槽7的間隔相等或比該間隔小。
特別是，在相鄰的第2槽13所夾持的未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2，能夠比半導(dǎo)體裝置100的第1槽7所夾持的未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2更加抑制二極管的VF上升。
實(shí)施例3圖23是以整體400示出的本發(fā)明實(shí)施例3的半導(dǎo)體裝置的截面圖。圖23中，與圖1相同的標(biāo)記表示相同或相當(dāng)?shù)牟课弧?br>
半導(dǎo)體裝置400中，與半導(dǎo)體裝置300相比，相鄰的第2槽13相互之間的間隔比第1槽7和第2槽13之間的間隔大。其他結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體裝置300相同。
半導(dǎo)體裝置400中，第1槽7的柵極成為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，柵極電極9附近的P基極層2成為與N型相反。另一方面，由于形成了具有與發(fā)射極電極11近似同電位的多晶硅的第2槽13，第1槽7對(duì)第2槽13所夾持的、未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層3的影響變小。
即，第2槽13所夾持的、未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2比半導(dǎo)體裝置100的第1槽7所夾持的、未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2形成得更狹窄。通過將第1槽7和第2槽13之間的間隔設(shè)置得比圖22的半導(dǎo)體裝置300的小，第1槽7的電場(chǎng)影響的區(qū)域變得狹窄。而且，第2槽13相互所夾持的未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2不受第1槽7的電場(chǎng)的影響而起到二極管的陽極作用。
這里，第1槽7和第2槽13之間的間隔，最好形成得與第1槽7相互之間的間隔相等或比該間隔狹窄。另外，第2槽13相互之間的間隔，最好形成得與第1槽7相互之間的間隔差不多相同。
另外，半導(dǎo)體裝置400中，即使不形成這樣發(fā)射極區(qū)3的P基極層2的區(qū)域較大，由于在P基極層2下方形成了N層4，IGBT的導(dǎo)通電壓的上升變小。
圖24是以整體500示出的本實(shí)施例4的其他半導(dǎo)體裝置的截面圖。其中二極管的特性得到改善。圖24中，除了增加了第2槽13以外，具有與半導(dǎo)體裝置400基本上相同的結(jié)構(gòu)。圖24中，與圖23相同的標(biāo)記表示相同或相當(dāng)?shù)牟课弧?br>
這樣，通過增加設(shè)于未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2的第2槽13的數(shù)量，能夠?qū)⒉皇艿?槽7的影響的、未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2設(shè)置得更寬。其結(jié)果，能夠進(jìn)一步抑制柵極導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的VF的上升。
實(shí)施例4圖25、26是以整體600示出的本實(shí)施例4的半導(dǎo)體裝置中的單元的上面圖(發(fā)射極電極11省略)。圖25、26中，形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2的區(qū)域14和未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2的區(qū)域15隔著第1槽7交替地設(shè)置。
這樣，N-襯底1(未圖示)上形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2的區(qū)域14和未形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2的區(qū)域15隔著第1槽7條紋狀地交替地設(shè)置，從而，在IGBT和二極管工作時(shí)，能夠各自在N-襯底1內(nèi)基本一致地動(dòng)作。
如圖25、26所示，區(qū)域14和區(qū)域15的面積可任意地改變。
另外，條狀地形成在N-襯底的背面形成的P+集電極層6和N+陰極層5，并使與設(shè)于表面的區(qū)域14、15的長(zhǎng)條方向相交(最好配置成相互垂直的方向)，從而能夠使IGBT和二極管一致地工作。
圖27是以整體650示出的本實(shí)施例4的其他半導(dǎo)體裝置的上面圖。半導(dǎo)體裝置650中，第1槽7設(shè)置成矩形狀(環(huán)狀)，其內(nèi)部成為區(qū)域14(形成發(fā)射極區(qū)3的P基極層2)，其外部成為區(qū)域15(未形成發(fā)射極區(qū)域3的P基極層2)。
通過這樣的配置，與上述的半導(dǎo)體裝置600相比，區(qū)域15相對(duì)于區(qū)域14的比例變大。其結(jié)果，作為二極管工作的區(qū)域擴(kuò)大，可抑制柵極導(dǎo)通時(shí)的VF的上升。
實(shí)施例5圖28、29、30是以整體700、710、720示出的本實(shí)施代形態(tài)5的半導(dǎo)體裝置的上面圖(發(fā)射極電極11省略)。
圖28、29的半導(dǎo)體裝置700、710中，第1槽7條紋狀(上下方向)地形成，與半導(dǎo)體裝置600(圖25)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)。另一方面，圖30的半導(dǎo)體裝置720中，第1槽7矩形狀地形成，與半導(dǎo)體裝置650(圖27)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)。
半導(dǎo)體裝置700、710、720中，除了第1槽7之外還設(shè)有第2槽13。通過設(shè)置與發(fā)射極電極11(未圖示)同電位的第2槽13，可防止從P+集電極層6(未圖示)注入的空穴移向P基極層2，因此，P基極區(qū)域2下也有載流子蓄積。從而，能夠降低IGBT的導(dǎo)通電壓。另外，可通過減小作為二極管的陽極的P基極區(qū)域2的面積，降低二極管的恢復(fù)電流。
實(shí)施例6圖31是以整體800示出的本實(shí)施例6的半導(dǎo)體裝置的截面圖。圖31中，相同的符號(hào)表示與圖1相同或相當(dāng)?shù)牟课弧?br>
半導(dǎo)體裝置800中，通過從表面例如注入氦離子，在N層4和N-層4的邊界附近形成低壽命區(qū)域(壽命扼殺劑)16。其他結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體裝置100的相同。
半導(dǎo)體裝置800中，通過在N層4和N-層4的邊界附近形成低壽命區(qū)域16，能夠降低P基極層2正下面的載流子密度。因而，作為二極管工作時(shí)，作為陽極的P基極區(qū)域2附近的載流子密度變小。其結(jié)果，能夠減小二極管從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)改變時(shí)的恢復(fù)動(dòng)作中的恢復(fù)電流。特別地，半導(dǎo)體裝置800中，由于降低了柵極導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)對(duì)二極管的影響，即使在N層4和N-層1的邊界附近形成低壽命區(qū)域16，也可抑制二極管的VF上升。
該低壽命區(qū)域16是，可在實(shí)施例1所示的制造工序(10)之后，通過從表面注入氦離子(圖32)并加以退火來形成。
另外，實(shí)施例1～6中IGBT是N溝道晶體管，但是本發(fā)明對(duì)于P溝道的IGBT同樣可適用。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其中包括具有第1主面和第2主面的第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底的第1主面?zhèn)刃纬傻牡?導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層；在所述半導(dǎo)體層的第1主面?zhèn)刃纬傻?、在與所述半導(dǎo)體襯底之間由所述半導(dǎo)體層隔離的第2導(dǎo)電型的基極層；從所述第1主面貫穿所述基極層而到達(dá)至少所述半導(dǎo)體層而形成的1對(duì)槽部；在所述槽部的內(nèi)部設(shè)置的絕緣膜；隔著所述絕緣膜在所述槽部?jī)?nèi)形成的柵極電極；在所述半導(dǎo)體襯底的第2主面?zhèn)刃纬傻牡?導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層及第2導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層；以及在所述基極層的第1主面?zhèn)妊厮霾鄄慷O(shè)的發(fā)射極區(qū)，它是內(nèi)置用所述柵極電極控制流過所述基極層的電流的晶體管和由所述半導(dǎo)體層和所述基極層構(gòu)成的二極管的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述發(fā)射極區(qū)僅設(shè)在所述1對(duì)槽部夾持的區(qū)域。
2.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于設(shè)置至少2組所述1對(duì)槽部構(gòu)成的槽部組，所述1對(duì)槽部之間的間隔比相鄰的所述槽部組之間的間隔窄。
3.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于設(shè)置至少2組所述1對(duì)槽部構(gòu)成的槽部組，并在相鄰的所述槽部組之間包含隔著絕緣膜而設(shè)有導(dǎo)電層的第2槽部。
4.權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述1對(duì)槽部的間隔與所述槽部和所述第2槽部之間的間隔大致相等。
5.權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于在所述相鄰的槽部組之間設(shè)有多個(gè)所述第2槽部。
6.權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于相鄰的所述第二2槽部的間隔比所述1對(duì)槽部的間隔小。
7.權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述第2槽部格子狀地設(shè)置。
8.權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述槽部的深度和所述第2槽部的深度大致相同。
9.權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于在所述半導(dǎo)體襯底的第1主面設(shè)發(fā)射極電極，所述第2槽部的導(dǎo)電層與所述發(fā)射極電極電氣連接。
10.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于多個(gè)所述槽部設(shè)置成大致平行的條紋形狀，在所述槽部所夾持的區(qū)域每隔一個(gè)地設(shè)置所述發(fā)射極區(qū)。
11.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述槽部由不含所述發(fā)射極區(qū)的所述基極層包圍。
12.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體層包含低壽命區(qū)域。
13.一種內(nèi)置用柵極電極控制流過基極層的電流的晶體管和二極管的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于包括準(zhǔn)備具有第1主面和第2主面的第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底的工序；在所述半導(dǎo)體襯底的第1主面上形成第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的工序；在所述半導(dǎo)體層的表面上形成第2導(dǎo)電型的基極層的工序；從所述第1主面貫穿所述基極層而到達(dá)至少所述半導(dǎo)體層而形成1對(duì)槽部的工序；在所述槽部的內(nèi)部設(shè)絕緣膜且隔著所述絕緣膜在所述槽部?jī)?nèi)形成柵極電極的工序；在所述半導(dǎo)體襯底的第2主面?zhèn)刃纬傻?導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層及第2導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的工序；以及在所述基極層的第1主面?zhèn)葍H在所述1對(duì)槽部所夾持的所述基極層沿所述槽部設(shè)置發(fā)射極區(qū)的工序。
14.權(quán)利要求13所述的制造方法，其特征在于包含形成至少2組所述1對(duì)槽部，并在相鄰的所述槽部組之間形成第2槽部的工序。
全文摘要
提供包含能夠不增大二極管的VF地減小恢復(fù)電流的IGBT和二極管的半導(dǎo)體裝置，其中包括第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底的第1主面?zhèn)刃纬傻牡?導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層；在半導(dǎo)體層的第1主面?zhèn)刃纬傻?、與半導(dǎo)體襯底之間由半導(dǎo)體層隔離的第2導(dǎo)電型的基極層；從第1主面貫穿基極層而至少到達(dá)半導(dǎo)體層地形成的1對(duì)槽部；在槽部的內(nèi)部設(shè)置的絕緣膜；隔著絕緣層在槽部?jī)?nèi)形成的柵極電極；在半導(dǎo)體襯底的第2主面?zhèn)刃纬傻牡?導(dǎo)電層的半導(dǎo)體層和第2導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層；以及在基極層的第1主面?zhèn)妊夭鄄吭O(shè)置的發(fā)射極區(qū)，在內(nèi)置控制流過基極層的電流的晶體管和二極管的半導(dǎo)體裝置中，發(fā)射極區(qū)僅設(shè)在1對(duì)槽部所夾持的區(qū)域。
文檔編號(hào)H01L21/331GK1967868SQ20061013736
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月14日
發(fā)明者高橋英樹 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社