專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有絕緣柵型雙極性晶體管(IGBT :Insulated Gate BipolarTransistor)的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
作為高耐壓(600V以上)的功率器件，使用具有IGBT的半導(dǎo)體裝置。作為這種半導(dǎo)體裝置，提出在設(shè)有IGBT的晶體管區(qū)域和在其周圍配置的終端區(qū)域之間配置有抽取區(qū)域的半導(dǎo)體裝置(例如，參照專利文獻(xiàn)I的圖I的P層4’)。通過該抽取區(qū)域的結(jié)構(gòu)，能夠在斷開動作時抽取剩余的載流子(空穴)。 此外，在專利文獻(xiàn)I的半導(dǎo)體裝置中，通過離子注入向終端區(qū)域和抽取區(qū)域?qū)刖Ц袢毕?。從而，能夠降低斷開動作時的載流子濃度，因此容易耗盡化，并且能夠降低電場強(qiáng)度。因而，能夠提高斷開動作時的電流截斷能力。在此，電流截斷能力是指在斷開時不破壞半導(dǎo)體裝置而能夠截斷的最大的電流密度。專利文獻(xiàn)I :日本特開平6-21358號公報

發(fā)明內(nèi)容
抽取區(qū)域被包括在IGBT的導(dǎo)通時流過主電流的激活區(qū)域內(nèi)。因而，存在的問題是在向該抽取區(qū)域?qū)刖Ц袢毕輹r，導(dǎo)通電壓(導(dǎo)通電阻)上升。本發(fā)明為解決上述那樣的課題而構(gòu)思，其目的在于得到能夠提高斷開動作時的電流截斷能力并降低導(dǎo)通電壓的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，其中包括晶體管區(qū)域，設(shè)有具有柵極電極和發(fā)射極電極的絕緣柵型雙極性晶體管；終端區(qū)域，配置在所述晶體管區(qū)域的周圍；以及抽取區(qū)域，其配置在所述晶體管區(qū)域和所述終端區(qū)域之間，抽取剩余的載流子，其特征在于在所述抽取區(qū)域中，在N型漂移層上設(shè)有P型層，所述P型層與所述發(fā)射極電極連接，在所述P型層上隔著絕緣膜設(shè)有偽柵極電極，所述偽柵極電極與所述柵極電極連接，所述終端區(qū)域中的載流子的壽命短于所述晶體管區(qū)域及所述抽取區(qū)域中的載流子的壽命。通過本發(fā)明能提高斷開動作時的電流截斷能力并降低導(dǎo)通電壓。


圖I是示出本發(fā)明實(shí)施方式I的半導(dǎo)體裝置的俯視圖。圖2是沿著圖I的A-A’的剖視圖。圖3是示出模擬IGBT的L負(fù)載斷開特性時的評價電路的圖。圖4是示出采用圖3的電路進(jìn)行模擬的典型的IGBT的斷開波形的圖。圖5是示出沿著圖4的A點(diǎn)上的比較例的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。圖6是示出沿著圖4的B點(diǎn)上的比較例的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。圖7是示出沿著圖4的A點(diǎn)上的實(shí)施方式I的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。圖8是示出沿著圖4的B點(diǎn)上的實(shí)施方式I的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。圖9是示出導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度和電流截斷能力的關(guān)系的圖。圖10是示出導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度和導(dǎo)通電壓的關(guān)系的圖。圖11是示出導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度和泄漏 電流密度的關(guān)系的圖。圖12是示出本發(fā)明實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。圖13是示出對比較例和實(shí)施方式2的裝置的L負(fù)載斷開特性進(jìn)行模擬時的評價電路的圖。圖14是示出采用圖13的電路進(jìn)行模擬的實(shí)施方式2和比較例的IGBT的斷開波形的圖。圖15是示出本發(fā)明實(shí)施方式3的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行說明。對于相同或?qū)?yīng)的構(gòu)成要素標(biāo)注相同的符號，有時省略重復(fù)說明。實(shí)施方式I圖I是示出本發(fā)明實(shí)施方式I的半導(dǎo)體裝置的俯視圖。該半導(dǎo)體裝置是具有IGBT的高耐壓(600V以上)的功率器件。在激活區(qū)域的周圍配置有終端區(qū)域。若在IGBT截止時有電壓施加到集電極/發(fā)射極間，則在終端區(qū)域有耗盡層沿器件橫向延伸。因而，通過設(shè)置終端區(qū)域，能夠保持耐壓。此外，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，主電流在激活區(qū)域流動，但在終端區(qū)域中沒有主電流流過。圖2是沿著圖I的A-A’的剖視圖。激活區(qū)域包含設(shè)有多個溝槽柵型IGBT結(jié)構(gòu)的晶體管區(qū)域、和配置在晶體管區(qū)域與終端區(qū)域之間的抽取區(qū)域。在晶體管區(qū)域中，在N_型漂移層I上設(shè)有N型電荷蓄積層2，其上設(shè)有P型基極層3。在一部分P型基極層3上設(shè)有P+型接觸層4和N+型發(fā)射極層5。以貫通N+型發(fā)射極層5、P型基極層3及N型電荷蓄積層2的方式設(shè)有溝槽，在其內(nèi)部隔著柵極絕緣膜6設(shè)有柵極電極7。在柵極電極7上設(shè)有層間絕緣膜8。在晶體管區(qū)域的整個面設(shè)有發(fā)射極電極9，并與P+型接觸層4連接。以貫通P型基極層3及N型電荷蓄積層2的方式設(shè)有偽溝槽，在其內(nèi)部隔著柵極絕緣膜6設(shè)有偽柵極電極10。偽柵極電極10與發(fā)射極電極9連接。通過該構(gòu)成，能得到抑制短路時的振蕩等效果。在抽取區(qū)域中，在N—型漂移層I上設(shè)有P型層11。P型層11與發(fā)射極電極9連接。在P型層11上隔著絕緣膜12設(shè)有偽柵極電極13。偽柵極電極13與柵極電極7連接。該構(gòu)成并不作為MOS晶體管進(jìn)行動作，而在斷開動作時抽取剩余的載流子(空穴)。再者，激活區(qū)域與終端區(qū)域的邊界位于P型層11的外端。在終端區(qū)域中，在一部分K型漂移層I上設(shè)有P型層14。該P(yáng)型層14是用于高耐壓化的保護(hù)環(huán)。在晶體管區(qū)域的一部分、抽取區(qū)域、及終端區(qū)域中，表面保護(hù)膜15覆蓋發(fā)射極電極9。在激活區(qū)域和終端區(qū)域中，在N—型漂移層I之下設(shè)有N型緩沖層16，其下設(shè)有P型集電極層17。集電極電極18與P型集電極層17連接。在本實(shí)施方式中，用不銹鋼制的掩模覆蓋激活區(qū)域僅對終端區(qū)域選擇性照射粒子束(例如電子束)。因此，終端區(qū)域中的晶格缺陷的密度高于晶體管區(qū)域及抽取區(qū)域中的晶格缺陷的密度。其結(jié)果，終端區(qū)域中的載流子的壽命T2短于晶體管區(qū)域及抽取區(qū)域中的載流子的壽命T I。接著，與比較例進(jìn)行比較而說明實(shí)施方式I的效果。比較例在不用粒子束的照射進(jìn)行晶格缺陷的導(dǎo)入這一點(diǎn)上與實(shí)施方式I不同，但其它構(gòu)成與實(shí)施方式I相同。圖3是示出對IGBT的L負(fù)載斷開特性進(jìn)行模擬時的評價電路的圖。電源電壓V。。 為4500V，集電極電流密度上為180A/cm2，柵極電壓Ve為± 15V，溫度為398K。IGBT的耐壓為6500V，N_型漂移層的雜質(zhì)濃度為6. 5X 1012cm_3，N_型漂移層的厚度為650 Um0圖4是示出采用圖3的電路進(jìn)行模擬的典型的IGBT的斷開波形的圖。A點(diǎn)是IGBT截斷的集電極電流密度J。成為最大的時刻。B點(diǎn)是IGBT的內(nèi)部溫度成為最高的時刻。圖5是示出沿著圖4的A點(diǎn)上的比較例的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。圖6是示出沿著圖4的B點(diǎn)上的比較例的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。在比較例中，在IGBT的斷開動作時，大概從深度400 起載流子濃度變高，因此向集電極方向的耗盡化較慢。因而，在B點(diǎn)上發(fā)射極側(cè)的電場強(qiáng)度成為3X 105V/cm以上，促進(jìn)碰撞離子化。其結(jié)果，增加圖2的C點(diǎn)中電流密度，并達(dá)到熱破壞。圖7是示出沿著圖4的A點(diǎn)上的實(shí)施方式I的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。圖8是示出沿著圖4的B點(diǎn)上的實(shí)施方式I的終端區(qū)域和激活區(qū)域的邊界的載流子濃度與電場強(qiáng)度的深度方向分布的圖。在實(shí)施方式I中，在IGBT的斷開動作時，大概深度500 為止載流子濃度降低，因此向集電極方向的耗盡化較快。因而，在B點(diǎn)中發(fā)射極側(cè)的電場強(qiáng)度降低，碰撞離子化得到抑制。其結(jié)果，抑制圖2的C點(diǎn)中電流密度的增加和熱破壞。如上所述，在比較例的情況下，在抽取區(qū)域中，在斷開動作時發(fā)射極側(cè)的載流子濃度不降低，而電場強(qiáng)度上升。然后，通過碰撞離子化的促進(jìn)，發(fā)射極側(cè)的電流密度增加。其結(jié)果，溫度局部上升而產(chǎn)生熱破壞，因此電流截斷能力下降。另一方面，在實(shí)施方式I中，通過向終端區(qū)域?qū)刖Ц袢毕?，容易消滅存在于終端區(qū)域的載流子，因此在IGBT的斷開動作時抽取區(qū)域的載流子濃度下降。因而，促進(jìn)從P型層11到集電極側(cè)的耗盡化，且電場強(qiáng)度下降。其結(jié)果，能夠提高IGBT的斷開動作時的電流截斷能力。圖9是示出導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度與電流截斷能力Jc^eak)的關(guān)系的圖。電源電壓V。。為3400V。圖10是示出導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度與導(dǎo)通電壓VeE(sat)的關(guān)系的圖。集電極電流密度J。為56A/cm2。圖11是示出導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度與泄漏電流密度Jras的關(guān)系的圖。集電極/發(fā)射極間的電壓Vras為4500V。圖9到圖11中溫度為398K。
此外，圖9到圖11的橫軸的“導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度”被標(biāo)準(zhǔn)化，沒有導(dǎo)入晶格缺陷的情況下(比較例)為0，在一部分終端區(qū)域?qū)肓司Ц袢毕莸那闆r下為0. 5，在終端區(qū)域?qū)肓司Ц袢毕莸那闆r下(實(shí)施方式I)為0. 68，在終端區(qū)域和抽取區(qū)域?qū)肓司Ц袢毕莸那闆r下為1.0。如圖9所示，與未導(dǎo)入晶格缺陷的情況相比，導(dǎo)入了晶格缺陷的情況下，電流截斷能力提高。此外，如圖10所示，不僅終端區(qū)域還向抽取區(qū)域?qū)刖Ц袢毕輹r，導(dǎo)通電壓會上升。此外，在IGBT截止時發(fā)射極/集電極間電壓越高，耗盡層越是從P型層11向集電極側(cè)延伸。此時，如果在抽取區(qū)域有晶格缺陷，則如圖11所示，容易發(fā)生泄漏電流。而且，若溫度高于398K，則泄漏電流密度急劇增加，熱失控引發(fā)器件破壞。在本實(shí)施方式中，僅對終端區(qū)域?qū)刖Ц袢毕?，對抽取區(qū)域不導(dǎo)入晶格缺陷。因而，能夠提高斷開動作時的電流截斷能力，并能降低導(dǎo)通電壓(導(dǎo)通電阻)，且能夠減少截止時的泄漏電流。此外，P型層11與N—型漂移層I的接合部靠近發(fā)射極側(cè)。因而，通過從發(fā)射極側(cè)照 射粒子束，能夠提高其靠近接合部的終端區(qū)域的晶格缺陷的密度，因此能得到更高的效果。實(shí)施方式2圖12是示出本發(fā)明實(shí)施方式2的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。在晶體管區(qū)域和抽取區(qū)域中，在N—型漂移層I之下設(shè)有N型緩沖層16，其下設(shè)有P型集電極層17。在終端區(qū)域中，在N—型漂移層I之下設(shè)有N型緩沖層19。集電極電極18直接與P型集電極層17和N型緩沖層19連接。S卩，終端區(qū)域的N型緩沖層19與集電極電極18直接接觸(短路)。接著，與比較例進(jìn)行比較而說明實(shí)施方式2的效果。在比較例中，也在終端區(qū)域設(shè)置P型集電極層17，N型緩沖層19不與集電極電極18直接接觸。圖13是示出對比較例和實(shí)施方式2的裝置的L負(fù)載斷開特性進(jìn)行模擬時的評價電路的圖。電源電壓V。。為3400V，電感Ls為2.47 ii H，電阻Re為1066 Q，溫度為150°C。IGBT的耐壓為6500V。將集電極電流密度J。從56A/cm2提高I. 5倍、2. 0倍，評價到器件破壞為止。圖14是示出采用圖13的電路進(jìn)行模擬的實(shí)施方式2和比較例的IGBT的斷開波形的圖。由該圖可知，實(shí)施方式2的電流截斷能力為比較例的2. 5倍。在實(shí)施方式2中，在終端區(qū)域中省略P型集電極層17并使N型緩沖層19與集電極電極18直接接觸。從而，在IGBT的斷開動作時終端區(qū)域的集電極結(jié)構(gòu)中的載流子發(fā)生減少，因此促進(jìn)從P型層11到集電極側(cè)的耗盡化，并降低電場強(qiáng)度。其結(jié)果，能夠提高IGBT的斷開動作時的電流截斷能力。此外，若將圖10的橫軸的“導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度”替換為“不存在P型集電極層的區(qū)域的寬度，則在實(shí)施方式2中也得到同樣的結(jié)果。因而，在實(shí)施方式2中，能夠降低導(dǎo)通電壓(導(dǎo)通電阻)。實(shí)施方式3圖15是示出本發(fā)明實(shí)施方式3的半導(dǎo)體裝置的剖視圖。在晶體管區(qū)域和抽取區(qū)域中，在N—型漂移層I之下設(shè)有N型緩沖層16。在終端區(qū)域中，在N—型漂移層I之下設(shè)有N+型緩沖層20。在N型緩沖層16和N+型緩沖層20之下設(shè)有P型集電極層17。集電極電極18與P型集電極層17連接。N+型緩沖層20的雜質(zhì)濃度高于N型緩沖層16的雜質(zhì)濃度。
在實(shí)施方式3中，在終端區(qū)域設(shè)置雜質(zhì)濃度高的N+型緩沖層20。由此，在IGBT的斷開動作時在終端區(qū)域中能抑制來自P型集電極層17的空穴注入，因此促進(jìn)從P型層11到集電極側(cè)的耗盡化，并降低電場強(qiáng)度。其結(jié)果，能夠提高IGBT的斷開動作時的電流截斷能力。此外，若將圖10的橫軸的“導(dǎo)入了晶格缺陷的區(qū)域的寬度”替換為“存在第二 N型緩沖層的區(qū)域的寬度”，則在實(shí)施方式3中也得到同樣的結(jié)果。因而，在實(shí)施方式3中，能夠降低導(dǎo)通電壓(導(dǎo)通電阻)。此外，在實(shí)施方式I 3中對4500V的高耐壓的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行了說明，但能與耐壓無關(guān)地得到上述效果。此外，在實(shí)施方式I 3中對晶體管區(qū)域的IGBT為溝槽柵結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行了說明，但平面柵極結(jié)構(gòu)的情況下也能得到上述效果。此外，對在終端區(qū)域形成由P型層14構(gòu)成的保護(hù)環(huán)的情況進(jìn)行了說明，但保持耐壓的其它結(jié)構(gòu)也能得到上述效果。此外，實(shí)施方式I 3的半導(dǎo)體裝置并不限于用硅形成的半導(dǎo)體裝置，用禁帶大于硅的寬禁帶半導(dǎo)體形成也能得到本實(shí)施方式所記載的效果。寬禁帶半導(dǎo)體例如為碳化硅、氮化鎵類材料、或金剛石。用這樣的寬禁帶半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體裝置的耐電壓性、容許電流 密度高，因此能夠小型化。通過使用該小型化的半導(dǎo)體裝置，裝配該元件的半導(dǎo)體模塊也能小型化。此外，半導(dǎo)體裝置的耐熱性高，因此能夠?qū)⑸崞鞯纳崞⌒突⒛軐⑺洳窟M(jìn)行空冷化，因此能夠?qū)雽?dǎo)體模塊進(jìn)一步小型化。此外，半導(dǎo)體裝置的電力損耗低且高效率，因此能夠?qū)雽?dǎo)體模塊高效率化。標(biāo)號說明If型漂移層；7柵極電極；9發(fā)射極電極；11P型層；12絕緣膜；13偽柵極電極；16N型緩沖層(第一 N型緩沖層)；17P型集電極層；18集電極電極；19N型緩沖層(第二 N型緩沖層)；20N+型緩沖層(第二 N型緩沖層)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其中包括 晶體管區(qū)域，設(shè)有具有柵極電極和發(fā)射極電極的絕緣柵型雙極性晶體管； 終端區(qū)域，配置在所述晶體管區(qū)域的周圍；以及 抽取區(qū)域，其配置在所述晶體管區(qū)域與所述終端區(qū)域之間，并抽取剩余的載流子， 其特征在于 在所述抽取區(qū)域中在N型漂移層上設(shè)有P型層， 所述P型層與所述發(fā)射極電極連接， 在所述P型層上隔著絕緣膜設(shè)有偽柵極電極， 所述偽柵極電極與所述柵極電極連接， 所述終端區(qū)域中的載流子的壽命短于所述晶體管區(qū)域及所述抽取區(qū)域中的載流子的壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述終端區(qū)域中的晶格缺陷的密度高于所述晶體管區(qū)域及所述抽取區(qū)域中的晶格缺陷的密度。
3.一種半導(dǎo)體裝置，其中包括 晶體管區(qū)域，設(shè)有具有柵極電極和發(fā)射極電極的絕緣柵型雙極性晶體管； 終端區(qū)域，配置在所述晶體管區(qū)域的周圍；以及 抽取區(qū)域，其配置在所述晶體管區(qū)域與所述終端區(qū)域之間，并抽取剩余的載流子， 其特征在于 在所述抽取區(qū)域中在N型漂移層上設(shè)有P型層， 所述P型層與所述發(fā)射極電極連接， 在所述P型層上隔著絕緣膜設(shè)有偽柵極電極， 所述偽柵極電極與所述柵極電極連接， 在所述晶體管區(qū)域和所述抽取區(qū)域中，在所述N型漂移層之下設(shè)有第一 N型緩沖層， 在所述第一 N型緩沖層之下設(shè)有P型集電極層， 在所述終端區(qū)域中，在所述N型漂移層之下設(shè)有第二 N型緩沖層， 集電極電極直接與所述P型集電極層和所述第二 N型緩沖層連接。
4.一種半導(dǎo)體裝置，其中包括 晶體管區(qū)域，設(shè)有具有柵極電極和發(fā)射極電極的絕緣柵型雙極性晶體管； 終端區(qū)域，配置在所述晶體管區(qū)域的周圍；以及 抽取區(qū)域，其配置在所述晶體管區(qū)域與所述終端區(qū)域之間，并抽取剩余的載流子， 其特征在于 在所述抽取區(qū)域中在N型漂移層上設(shè)有P型層， 所述P型層與所述發(fā)射極電極連接， 在所述P型層上隔著絕緣膜設(shè)有偽柵極電極， 所述偽柵極電極與所述柵極電極連接， 在所述晶體管區(qū)域和所述抽取區(qū)域中，在所述N型漂移層之下設(shè)有第一 N型緩沖層， 在所述終端區(qū)域中，在所述N型漂移層之下設(shè)有第二 N型緩沖層， 在所述第I及第二 N型緩沖層之下設(shè)有P型集電極層，集電極電極與所述P型集電極層連接，所述第二 N型緩沖層的雜質(zhì)濃度高于所述第一 N型緩沖層的雜質(zhì)濃度。·
全文摘要
本發(fā)明得到能提高斷開動作時的電流截斷能力并降低導(dǎo)通電壓的半導(dǎo)體裝置。在設(shè)有IGBT的晶體管區(qū)域與配置在其周圍的終端區(qū)域之間配置有抽取區(qū)域。在抽取區(qū)域中，在N-型漂移層(1)上設(shè)有P型層(11)。P型層(11)與發(fā)射極電極(9)連接。在P型層(11)上隔著絕緣膜(12)設(shè)有偽柵極電極(13)。偽柵極電極(13)與柵極電極(7)連接。終端區(qū)域中的載流子的壽命短于晶體管區(qū)域及抽取區(qū)域中的載流子的壽命。
文檔編號H01L29/739GK102760760SQ201210138450
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者中村勝光, 貞松康史, 陳則 申請人:三菱電機(jī)株式會社