專利名稱：半導(dǎo)體裝置以及使用它的電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置以及使用它的電力變換裝置，特別涉及適合具有溝槽絕緣 柵結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor 下面簡稱IGBT)的半 導(dǎo)體裝置以及使用它的電力變換裝置。
背景技術(shù)：
IGBT是通過在柵極施加的電壓來控制在集電極和發(fā)射極之間流過的電流的開關(guān) 元件。由于IGBT能夠控制的功率從數(shù)十瓦到數(shù)十萬瓦，另外開關(guān)頻率也是從數(shù)十赫茲到超 過數(shù)百千赫的很寬的范圍，因而從家用空調(diào)機(jī)和微波爐等小功率設(shè)備到鐵道和煉鐵廠的逆 變器等大功率設(shè)備中廣泛使用。在IGBT中，為了使這些電力設(shè)備的高效化而要求低損失化，要求降低導(dǎo)通損失和 開關(guān)損失。同時為防止EMC噪聲和誤動作、電動機(jī)的絕緣損壞等問題，要求能夠根據(jù)應(yīng)用的 規(guī)范控制dv/dt。在日本特開2000-307116號公報(bào)中，如圖23所示，公開了改變溝槽柵極的排列間 距的結(jié)構(gòu)的IGBT。圖23的IGBT的特點(diǎn)在于，在溝槽柵極的間隔較寬的部位不形成ρ溝道 層106，而是設(shè)置浮動ρ層105。通過形成這樣的結(jié)構(gòu)，由于電流僅在溝槽柵極的間隔狹窄的部分流過，所以能夠 抑制短路時流過的過電流，能夠提高元件的抗破壞能力。另外，因?yàn)榭昭娏鞯囊徊糠纸?jīng)由 浮動P層105流入發(fā)射極114，因而發(fā)射極114附近的空穴濃度增加，還具有降低導(dǎo)通電壓 的效果。并且，還具有減緩浮動P層105和η-漂移層104形成的ρη結(jié)對溝槽柵極施加的 電場的效果。專利文獻(xiàn)1 日本特開2000-307116號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2004-39838號公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開平5-Μ3561號公報(bào)專利文獻(xiàn)4 日本特開2009-200103號公報(bào)非專利文獻(xiàn) 1 :Y. Onozawa, et at.，Proc. 19th ISPSD, ppl3_16，2007但是，在圖23表示的IGBT中，在接通IGBT時，有時發(fā)生IGBT或者對臂的二極管 的輸出電壓的時間變化率dv/dt的控制性降低的問題。圖M表示接通時的集電極-發(fā)射 極間電壓的計(jì)算波形的特性圖。如該圖所示，存在即使改變柵極電阻dvce/dt也不變化無 法控制的期間。其理由考慮如下。即當(dāng)IGBT接通時，在圖23中的浮動ρ層105中過渡流入空穴， 浮動P層105的電位升高。此時，經(jīng)由柵極絕緣膜110的寄生電容，在柵極109上流過位移 電流，柵極電位升高，因而由MOSFET結(jié)構(gòu)的互導(dǎo)gm和柵極-發(fā)射極間電壓的時間變化率 dvce/dt的積決定的集電極電流的時間變化率dic/dt增加，開關(guān)速度加速。過渡流入浮動 P層105的空穴的量主要由半導(dǎo)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)決定，難于通過外部的柵極電阻控制。因此，無法用外部的柵極電阻控制被加速的dic/dt，結(jié)果，發(fā)生無法用柵極電阻控制IGBT與對臂的二極管的電壓的時間變化率dv/dt的期間。為抑制通過該浮動ρ層105的影響引起的柵極電位升高，公開了以下的方法。在專利文獻(xiàn)2中，如圖25所示，經(jīng)由電阻201電氣連接浮動ρ層105與發(fā)射極114， 抑制浮動P層105的電位升高。由此從浮動ρ層105流入柵極109的位移電流減少，抑制柵極電位的升高，結(jié)果， 能夠提高IGBT與對臂的二極管的dv/dt的控制性。如圖沈所示，在專利文獻(xiàn)3中公開了通過設(shè)置寬度大的溝槽柵極，促進(jìn)來自溝槽 柵極的電子的注入來降低損失的方法。雖然在專利文獻(xiàn)3中未明示，但是因?yàn)椴皇褂酶?P層而是在溝槽柵極底保持耐壓，所以不存在由浮動P層的影響引起的柵極電位的變動，能 夠提高dv/dt的控制性。如圖27所示，在專利文獻(xiàn)4中公開了通過在溝槽的側(cè)壁上形成柵極301，在柵極 301間填充絕緣層302，降低柵極絕緣膜的寄生電容。由于柵極絕緣膜的寄生電容減低，因 而能夠提高柵極電壓，能夠提高dv/dt的控制性。如圖觀所示，在非專利文獻(xiàn)1中公開了通過對每個單元朝向與溝槽平行的內(nèi)側(cè)方 向交互配置與發(fā)射極電氣連接的P基極層106，不使用浮動P層來保持耐壓。由于不使用浮 動P層，因而沒有浮動P層的影響引起的柵極電位的變動，能夠提高dv/dt的控制性。但是，在IGBT中，在要求保持低損失和高耐壓的同時，要求提高接通切換期間的 dv/dt的基于柵極驅(qū)動電路的控制性。對于該課題，可知在上述文獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)中具有以下的改 進(jìn)點(diǎn)。在專利文獻(xiàn)2的場合，雖然越是減小浮動ρ層105與發(fā)射極114之間的電阻201 的電阻值，dv/dt的控制性越高，但是因?yàn)樵诮油顟B(tài)下注入的空穴電流的一部分經(jīng)由電阻 201流出到發(fā)射極114，所以促進(jìn)電子的注入的效果降低，導(dǎo)通電壓上升，損失增加。反之， 當(dāng)增大電阻201的電阻值時，存在導(dǎo)通電壓的上升變小，但是dv/dt的控制性降低的問題。在專利文獻(xiàn)3的場合，因?yàn)樵O(shè)置有寬度大的溝槽柵極，柵極的寄生電容大，所以 IGBT的反饋電容大，具有開關(guān)損失和柵極驅(qū)動電路的功率增大的問題。在專利文獻(xiàn)4的場合，當(dāng)為了促進(jìn)電子的注入而增大溝槽的寬度時，在側(cè)壁上形 成的柵極301的底部的電場增大，具有耐壓、可靠性降低的問題。在非專利文獻(xiàn)1的場合，因?yàn)殚g隔設(shè)置ρ基極層106，所以施加在柵極109上的電 場增大，具有耐壓、可靠性降低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于以上問題點(diǎn)而作出的，其目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置以及使用它 的電力變換裝置，其能夠保持低損失和高耐壓，同時能夠提高接通切換期間中的dv/dt的 基于柵極驅(qū)動電路的控制性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置特征在于，具有第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體 層；在該第一半導(dǎo)體層的表面附近形成的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；與所述第一半導(dǎo)體 層鄰接，在與所述第二半導(dǎo)體層相反一側(cè)的表面附近形成的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層； 在該第三半導(dǎo)體層的上部選擇性地設(shè)置的第一導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層；貫穿該第四半導(dǎo)體 層和所述第三半導(dǎo)體層到達(dá)所述第一半導(dǎo)體層的溝槽；沿該溝槽的內(nèi)壁設(shè)置的柵極絕緣層；在所述溝槽內(nèi)設(shè)置的絕緣層；在所述柵極絕緣層的內(nèi)側(cè)空間中填充的第一導(dǎo)電層；以 及設(shè)置在所述絕緣層的表面上的第二導(dǎo)電層，所述第一導(dǎo)電層具有在所述溝槽內(nèi)夾有所述 絕緣層和第二導(dǎo)電層而被分割的剖面結(jié)構(gòu)，或者比不形成該溝槽的區(qū)域的寬度b寬地形成 所述溝槽的寬度a，并且在所述寬度a寬的所述溝槽的側(cè)壁上設(shè)置所述第一導(dǎo)電層。另外，本發(fā)明的電力變換裝置具有一對輸入端子；在該輸入端子間連接的，串聯(lián) 連接多個半導(dǎo)體開關(guān)元件的多條串聯(lián)連接電路；以及與該多條串聯(lián)連接電路的各串聯(lián)連 接點(diǎn)連接的多個輸出端子，通過所述多個半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行接通、斷開，來進(jìn)行電力的變 換，其特征為所述多個半導(dǎo)體開關(guān)元件中的各個半導(dǎo)體開關(guān)元件是上述的半導(dǎo)體裝置。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置以及使用它的電力變換裝置，能夠保持低損失和高耐 壓，同時具有能夠提高接通期間中的dv/dt的基于柵極驅(qū)動電路的控制性的效果。


圖1是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例1的IGBT的截面圖。圖2是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例1的IGBT與專利文獻(xiàn)1中公開的IGBT 的反饋電容的集電極電壓依存性的特性圖。圖3是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例1的IGBT接通時的集電極_發(fā)射極間 電壓的計(jì)算波形的特性圖。圖4是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例1的IGBT的制造工序的圖。圖5是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例2的IGBT的截面圖。圖6是實(shí)施例2中的IGBT的終結(jié)區(qū)域的截面圖。圖7是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例3的IGBT的截面圖。圖8是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例4的IGBT的截面圖。圖9是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例4的其他例的IGBT的截面圖。圖10是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例4的其他例的IGBT的截面圖。圖11是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例5的IGBT的截面圖。圖12是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例5的其他例的IGBT的截面圖。圖13是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例5的其他例的IGBT的截面圖。圖14是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例6的IGBT的截面圖。圖15是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例7的IGBT的截面圖。圖16是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例7的其他例的IGBT的截面圖。圖17是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例7的其他例的IGBT的截面圖。圖18是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例7的其他例的IGBT的截面圖。圖19是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例7的其他例的IGBT的截面圖。圖20是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例8的IGBT的截面圖。圖21是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例9的IGBT的截面圖。圖22是表示本發(fā)明的電力變換裝置的一個實(shí)施例的電路圖。圖23是表示專利文獻(xiàn)1中公開的現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的截面圖。圖M是表示專利文獻(xiàn)1中公開的現(xiàn)有技術(shù)的IGBT接通時的集電極-發(fā)射機(jī)間電 壓的計(jì)算波形的特性圖。
圖25是表示專利文獻(xiàn)2中公開的現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的截面圖。圖沈是表示專利文獻(xiàn)3中公開的現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的截面圖。圖27是表示專利文獻(xiàn)4中公開的現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的截面圖。圖觀是剖開一部分表示非專利文獻(xiàn)1中公開的現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的立體圖。圖四是用于說明實(shí)施例2的層間膜的厚度的根據(jù)的特性圖。圖中100集電極，101集電極端子，102p集電極層，103η緩沖層，104rT漂移層，105浮動 P層，106p溝道層，107η發(fā)射極層，108ρ接觸層，109,301,401柵極，110、402、柵極絕緣膜， 113、302、403、407、417絕緣膜，114,404發(fā)射極，115柵極端子，116、119發(fā)射極端子，201電 阻，405、408、409、413、415、418、419、420、422ρ 層，410、414、416、421η 層，411、412 多晶硅電 極，423,424,425溝槽，426絕緣膜，501、502光致抗蝕劑，601柵極驅(qū)動電路，602IGBT，603 二 極管，604、605輸入端子，606、607、608輸出端子
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖示的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置。(實(shí)施例1)圖1表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例1的IGBT的截面構(gòu)造。該圖表示的IGBT大體由下列部分構(gòu)成作為第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層的η-漂 移層104 ；在該η-漂移層104的表面附近形成的、相反側(cè)與集電極10接觸的作為第二導(dǎo)電 型的第二半導(dǎo)體層的P集電極層102 ；與η-漂移層104鄰接、在與ρ集電極層102相反一 側(cè)的表面附近形成的作為第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層的P溝道層106 ；在該ρ溝道層106 的上部選擇性地設(shè)置的作為第一導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層的η發(fā)射極層107 ；貫穿該η發(fā)射 極層107和ρ溝道層106到達(dá)η-漂移層104的溝槽423 ；沿該溝槽423的內(nèi)壁設(shè)置的柵極 絕緣膜402 ；在溝槽423內(nèi)設(shè)置的絕緣膜403 ；在柵極絕緣膜402的內(nèi)側(cè)空間中填充的作為 第一導(dǎo)電層的柵極401 ；在絕緣膜403的表面上設(shè)置的、一部分在溝槽423內(nèi)向η-漂移層 104側(cè)突出的作為第二導(dǎo)電層的發(fā)射極電極404 ；在ρ集電極層102與η_漂移層104之間 形成的η緩沖層103 ；以及在ρ溝道層106內(nèi)形成的ρ接觸層108。此外，101是集電極端 子，115是柵極端子，116是發(fā)射極端子。另外，在本實(shí)施例的IGBT中，η_漂移層104成為在溝槽423內(nèi)隔著絕緣膜403和 發(fā)射極404而被分割的剖面結(jié)構(gòu)。另外，溝槽423的寬度a比不形成溝槽的區(qū)域的寬度b 寬，圖1中有a > b的關(guān)系，在寬度寬的溝槽423的側(cè)壁設(shè)置有柵極401。另外，柵極401 由于被柵極絕緣膜402和成為層間膜的厚的絕緣膜403 (例如柵極絕緣膜402為IOOnm左 右，絕緣膜(層間膜)403為IOOOnm左右)覆蓋，所以柵極的寄生電容與圖23表示的現(xiàn)有 技術(shù)的IGBT相比能夠大幅減低。即，現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的柵極的兩側(cè)被薄的柵極絕緣膜覆 蓋，而在本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，由于一側(cè)被柵極絕緣膜402覆蓋，一側(cè)被厚的層間膜(絕緣膜 403)覆蓋，所以厚的層間膜一側(cè)的寄生電容減低。因?yàn)槲灰齐娏鳛?寄生電容)X(浮動P 層的電位變化)，當(dāng)寄生電容小時位移電流也小，能夠控制柵極電位的上升，所以能夠提高 dv/dt的控制性。圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的IGBT與現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的反饋電容的集電極電壓依存性的計(jì)算結(jié)果的圖。柵極的寄生電容是IGBT的反饋電容成分，通過減低寄生電容反 饋電容減低。從該圖可明顯看出，本發(fā)明的實(shí)施例1的IGBT與現(xiàn)有技術(shù)的IGBT相比反饋 電容降低到1/4左右。并且，本發(fā)明的實(shí)施例1的IGBT因?yàn)槲丛O(shè)置在現(xiàn)有技術(shù)的IGBT中設(shè)置的浮動ρ 層，所以不存在浮動P層的影響引起的電位變動，能夠提高dv/dt的控制性。另外，關(guān)于由 于不設(shè)置浮動P層而擔(dān)心的耐壓和可靠性的降低，因?yàn)榘l(fā)射極404在溝槽423內(nèi)向n_漂移 層104側(cè)突出設(shè)置(劃分配置)，所以發(fā)射極404作為減緩對柵極401的角部施加的電場的 場板發(fā)揮作用，因而能夠防止耐壓和可靠性降低。圖3表示本發(fā)明的實(shí)施例1的IGBT接通時的集電極-發(fā)射極間電壓的計(jì)算波形。 從該圖可明顯看出，在本發(fā)明的實(shí)施例1的IGBT中，與圖M表示的現(xiàn)有技術(shù)的IGBT不同， 通過改變柵極電阻，能夠控制集電極-發(fā)射極間電壓的dvce/dt。圖4(a) (k)是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的IGBT的制造工序的一例的圖。首先對 圖4(a)表示的n_漂移層104如圖4(b)所示，用光致抗蝕劑501進(jìn)行圖形成型，如圖4(c) 所示，通過各向異性蝕刻形成寬度寬的溝槽423。接著如圖4(d)所示，形成柵極絕緣膜402， 如圖4(e)所示，堆積作為柵極401的材料的多晶硅，當(dāng)通過各向異性蝕刻進(jìn)行回蝕時，如圖 4(f)所示，由多晶硅組成的柵極401作為側(cè)墻形成在溝槽423的側(cè)壁上。接著如圖4(g) 所示，用光致抗蝕劑502進(jìn)行圖形成型，打入ρ型、η型離子，如圖4 (h)所示，形成ρ溝道層 106以及η發(fā)射極層107。接著如圖4(i)所示，堆積絕緣膜403，如圖4 (j)所示，開通接觸 孔，形成P接觸層108。最后，如圖4 (k)所示，形成發(fā)射極404以及集電極端子101、緩沖層 103、ρ集電極層102、集電極100，結(jié)束。此外，在本實(shí)施例中，在表面的工序后形成背面的集電極端子101和ρ集電極層 102，但是也可以使用在最初就形成了集電極端子101和ρ集電極層102的硅基板(工C基 板)。如上所述，在本發(fā)明的實(shí)施例1的IGBT中，由于在寬度寬的溝槽423的側(cè)壁上設(shè) 置有柵極401，因而降低了柵極的寄生電容，能夠提高接通期間的dv/dt的基于柵極驅(qū)動電 路的控制性。(實(shí)施例2)圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的IGBT的截面構(gòu)造的圖。實(shí)施例2表示的IGBT的 特征為通過使絕緣膜407比周邊區(qū)域(未圖示芯片的周邊區(qū)域)的絕緣膜403(參照圖 6)更薄，能夠提高由發(fā)射極404實(shí)現(xiàn)的場板效應(yīng)，能夠進(jìn)一步提高耐壓程度。如圖所示，柵 極401的角部(與柵極401的下側(cè)的發(fā)射極404接近的角部)和發(fā)射極404的端部(最接 近柵極401的角部)越近，場板效應(yīng)越高，越能提高IGBT的耐高壓程度。但是，在由圖6所示的深的ρ層405 (比浮動ρ層、溝道層深)和浮動電極406構(gòu) 成的IGBT的周邊區(qū)域中，當(dāng)絕緣膜403變薄(與絕緣膜407相同程度)時，層間膜中的電 場升高，周邊區(qū)域的耐壓降低。因此，在本實(shí)施例2中，通過使IGBT的主動區(qū)域(圖5的區(qū) 域)的絕緣膜407比周邊區(qū)域的絕緣膜403更薄，具有主動區(qū)域、周邊區(qū)域都能夠保持高耐 壓的效果。即，因?yàn)樵谥鲃訁^(qū)域做成薄的絕緣膜407耐壓得到提高，在周邊區(qū)域作為厚的絕 緣膜403耐壓得到提高，所以在兩個區(qū)域中改變層間膜的厚度是本實(shí)施例的特征。作為具體的絕緣膜407的厚度，希望為300nm IOOOnm左右，希望絕緣膜403在IOOOnm以上。S卩，如圖四所示，氧化膜(絕緣膜407)的厚度在300nm IOOOnm之間耐壓 連續(xù)提高，厚度在300nm以下耐壓大體飽和。另外，當(dāng)把氧化膜做得過薄時，因?yàn)樵诖舜未?入離子時雜質(zhì)會擴(kuò)散到層間膜的基礎(chǔ)的Si層，所以希望為300nm左右。(實(shí)施例3)圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施例3的IGBT的截面構(gòu)造的圖。實(shí)施例3的IGBT的特征 為，溝槽4M階梯狀地成為兩級，發(fā)射極404的n_漂移層104 —側(cè)的端部設(shè)置在柵極401的 角部以下。通過做成實(shí)施例3這樣的結(jié)構(gòu)，施加在柵極401的角部上的電場在發(fā)射極404的 n_漂移層104 —側(cè)端部或溝槽似4的角部分散，由于與實(shí)施例2同樣的理由，能夠進(jìn)一步提 高耐壓。(實(shí)施例4)圖8到圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施例4的IGBT的截面構(gòu)造的圖。實(shí)施例4的IGBT 的特征為，通過在溝槽423下方插入ρ層，由于空乏層從ρ層延伸，能夠減緩溝槽角部的電 場，所以能夠減緩柵極401的角部的電場，進(jìn)一步提高耐壓。圖8中，在溝槽423的下方一 部分插入P層408，在圖9中插入ρ層409以便覆蓋柵極401的角部，圖10中在ρ層409內(nèi) 插入η層410。圖10的η層410防止接通時向浮動ρ層409流入的空穴。S卩，通過在ρ層 的內(nèi)部設(shè)置η層，空穴不會進(jìn)入η層中，所以能夠減低進(jìn)入浮動層的空穴，可以具有抑制浮 動P層的電位升高的效果。(實(shí)施例5)圖11到圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施例5的IGBT的截面構(gòu)造的圖。實(shí)施例5的IGBT 的特征為，通過在P溝道層106的下側(cè)設(shè)置P層418，減緩柵極401的角部的電場，能夠進(jìn)一 步提高耐壓。圖11中，在ρ溝道層下方插入ρ層418，圖12中插入搭在ρ溝道層106的兩 側(cè)的柵極401上的ρ層419，圖13中插入搭在一側(cè)的柵極401上的ρ層420。(實(shí)施例6)圖14是表示本發(fā)明的實(shí)施例6的IGBT的截面構(gòu)造的圖。實(shí)施例6的IGBT的特 征為，在溝槽423之上形成由絕緣膜似6和多晶硅電極411形成的電容。多晶硅電極411 與發(fā)射極404連接，在接通時流過溝槽423的下部的空穴電流的一部分用于對上述電容充 電，具有能夠抑制溝槽423的下部的電位升高，減低柵極電位升高的效果。另外，多晶硅電 極411作為場板發(fā)揮作用，還具有減緩柵極401的角部的電場，能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓的效果。(實(shí)施例7)圖15到圖19是表示本發(fā)明的實(shí)施例7的IGBT的截面構(gòu)造的圖。圖15中，與柵 極401同樣，在溝槽425的側(cè)壁上形成多晶硅電極412，通過在發(fā)射極404上連接由柵極絕 緣膜402和多晶硅電極412形成的電容，具有能夠降低接通時的柵極電位升高的效果。圖 16通過在多晶硅電極412之間設(shè)置ρ層413，減緩施加在多晶硅電極412的角部的電場，能 夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓化。圖17通過在ρ層413內(nèi)設(shè)置η層414，防止接通時向浮動的ρ層413內(nèi) 流入的空穴，具有抑制浮動P層的電位升高的效果。圖18中設(shè)置ρ層415以便覆蓋多晶硅 電極412的角部，能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓化。另外，圖19通過在ρ層415內(nèi)設(shè)置η層416，防止接 通時向浮動的P層415內(nèi)流入的空穴，具有抑制浮動ρ層的電位升高的效果。(實(shí)施例8)
圖20是表示本發(fā)明的實(shí)施例8的IGBT的截面構(gòu)造的圖。實(shí)施例8的特征為，在 P溝道層106的下方插入η層421。該η層421對于要流入發(fā)射極404的空穴成為壁壘，所 以發(fā)射極附近的空穴濃度增加，能夠進(jìn)一步減低導(dǎo)通電壓。(實(shí)施例9)圖21是表示本發(fā)明的實(shí)施例9的IGBT的截面構(gòu)造的圖。實(shí)施例9的特征為，在 η層421的下方還插入ρ層422。在實(shí)施例8的結(jié)構(gòu)中，可以認(rèn)為越是提高η層421的載流 子濃度，對于空穴的壁壘越高，導(dǎo)通電壓的降低效果越高，但是在關(guān)斷時在η層421中的電 場強(qiáng)度增強(qiáng)，耐壓降低。像本實(shí)施例這樣，因?yàn)橥ㄟ^在η層421的下方追加ρ層422，能夠減緩η層421中 的電場強(qiáng)度，即使提高載流子濃度，也能夠保持耐壓，所以能夠進(jìn)一步減低導(dǎo)通電壓。(實(shí)施例10)圖22是表示采用在上述各實(shí)施例中說明的IGBT的電力變換裝置的電路圖。圖22的實(shí)施例表示逆變器的電路圖，601是柵極驅(qū)動電路，602是IGBT，603是二 極管，604、605是輸入端子，從606到608是輸出端子，構(gòu)成在逆變電路中應(yīng)用在本實(shí)施例1 到9中說明的IGBT的電力變換裝置。通過在電力變換裝置中應(yīng)用在上述各實(shí)施例中說明的IGBT，能夠?qū)崿F(xiàn)電力變換裝 置的低損失化和高可靠化。此外，在本實(shí)施例中說明了逆變器電路，但是對于變換器或斬波器等其他的電力 變換裝置也能得到同樣的效果。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，具有第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；在該第一半導(dǎo)體層的表面附 近形成的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；與所述第一半導(dǎo)體層鄰接，在與所述第二半導(dǎo)體層 相反一側(cè)的表面附近形成的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層；在該第三半導(dǎo)體層的上部選擇性 地設(shè)置的第一導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層；貫穿該第四半導(dǎo)體層和所述第三半導(dǎo)體層到達(dá)所述 第一半導(dǎo)體層的溝槽；沿該溝槽的內(nèi)壁設(shè)置的柵極絕緣層；在所述溝槽內(nèi)設(shè)置的絕緣層； 在所述柵極絕緣層的內(nèi)側(cè)空間中填充的第一導(dǎo)電層；以及設(shè)置在所述絕緣層的表面上的第 二導(dǎo)電層，所述半導(dǎo)體裝置的特征在于，所述第一導(dǎo)電層具有在所述溝槽內(nèi)隔著所述絕緣層和第二導(dǎo)電層而被分割的剖面結(jié)構(gòu)。
2.一種半導(dǎo)體裝置，具有第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；在該第一半導(dǎo)體層的表面附 近形成的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；與所述第一半導(dǎo)體層鄰接，在與所述第二半導(dǎo)體層 相反側(cè)的表面附近形成的第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層；在該第三半導(dǎo)體層的上部選擇性地 設(shè)置的第一導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層；貫穿該第四半導(dǎo)體層和所述第三半導(dǎo)體層到達(dá)所述第 一半導(dǎo)體層的溝槽；沿該溝槽的內(nèi)壁設(shè)置的柵極絕緣層；在所述溝槽內(nèi)設(shè)置的絕緣層；在 所述柵極絕緣層的內(nèi)側(cè)空間中填充的第一導(dǎo)電層；以及在所述絕緣層的表面上設(shè)置的第二 導(dǎo)電層，所述半導(dǎo)體裝置的特征在于，所述第二導(dǎo)電層至少在所述溝槽內(nèi)一部分向所述第一半導(dǎo)體層側(cè)突出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，比不形成所述溝槽的區(qū)域的寬度b寬地形成所述溝槽的寬度a。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在所述寬度a寬的所述溝槽的側(cè)壁上設(shè)置所述第一導(dǎo)電層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述第一導(dǎo)電層被所述柵極絕緣層和所述絕緣層覆蓋。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 比所述柵極絕緣層厚地形成所述絕緣層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，比所述半導(dǎo)體裝置的周邊區(qū)域的絕緣層薄地形成所述半導(dǎo)體裝置的主動區(qū)域的絕緣層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體裝置的主動區(qū)域的絕緣層的厚度為300nm lOOOnm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述溝槽為階梯狀，而且形成為兩級。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，以所述階梯狀形成為兩級的溝槽內(nèi)的所述第二導(dǎo)電層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)端部位 于比所述第一導(dǎo)電層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)端部靠近第一半導(dǎo)體層側(cè)的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述溝槽的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)設(shè)置有第二導(dǎo)電型的第五半導(dǎo)體層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，設(shè)置所述第五半導(dǎo)體層，使其覆蓋所述第一導(dǎo)電層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)端部。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述第五半導(dǎo)體層內(nèi)設(shè)置有第一導(dǎo)電型的第六半導(dǎo)體層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述第三導(dǎo)電層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)設(shè)置有第二導(dǎo)電型的第七半導(dǎo)體層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第七半導(dǎo)體層的至少一部分搭在位于所述第三半導(dǎo)體層的兩側(cè)的所述第一導(dǎo)電 層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)端部上。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第七半導(dǎo)體層形成兩層，各個所述第七半導(dǎo)體層的至少一部分搭在位于所述第三 半導(dǎo)體層的兩側(cè)的各個所述第一導(dǎo)電層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)端部上。
17.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述溝槽內(nèi)形成有由絕緣膜和第三導(dǎo)電層形成的電容。
18.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在所述溝槽的側(cè)壁的一部分上形成第三導(dǎo)電層，在所述第二導(dǎo)電層上連接了由該第三 導(dǎo)電層和所述柵極絕緣層形成的電容。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 在所述第三導(dǎo)電層之間設(shè)置有第二導(dǎo)電型的第八半導(dǎo)體層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在與所述第八半導(dǎo)體層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)相反的一側(cè)設(shè)置有第一導(dǎo)電型的第九 半導(dǎo)體層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，設(shè)置所述第八半導(dǎo)體層，使其覆蓋所述第三導(dǎo)電層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)端部。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，比所述溝槽的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)端部向所述第一半導(dǎo)體層側(cè)突出地設(shè)置有所述第 九半導(dǎo)體層。
23.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4的任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在所述第三半導(dǎo)體層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)設(shè)置有第一導(dǎo)電型的第十半導(dǎo)體層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在所述第十半導(dǎo)體層的所述第一半導(dǎo)體層側(cè)，還設(shè)置有第二導(dǎo)電型的第十一半導(dǎo)體層。
25.一種電力變換裝置，具有一對輸入端子；在該輸入端子間連接的，串聯(lián)連接多個 半導(dǎo)體開關(guān)元件的多條串聯(lián)連接電路；以及與該多條串聯(lián)連接電路的各串聯(lián)連接點(diǎn)連接的 多個輸出端子，通過所述多個半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行接通、斷開，來進(jìn)行電力的變換，所述電 力變換裝置的特征在于，所述多個半導(dǎo)體開關(guān)元件中的各個半導(dǎo)體開關(guān)元件是權(quán)利要求1到M的任何一項(xiàng)所 述的半導(dǎo)體裝置。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供一種半導(dǎo)體裝置以及使用它的電力變換裝置，能夠保持低損失和高耐壓，同時能夠提高接通期間中的dv/dt的基于柵極驅(qū)動電路的控制性。為解決上述課題，在寬度寬的溝槽(423)的側(cè)壁上設(shè)置柵極(401)，由此，因?yàn)闁艠O(401)被柵極絕緣膜(402)和成為層間膜的厚的絕緣膜(403)覆蓋，所以柵極的寄生電容小，而且沒有浮動p層，因此柵極的電位不變動，能夠提高dv/dt的控制性，能夠同時兼顧低損失和低噪聲。
文檔編號H01L29/06GK102136490SQ20101058009
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者新井大夏, 森睦宏, 渡邊聰 申請人:株式會社日立制作所