半导体装置制造方法
【专利摘要】在晶体管区域中设置有绝缘栅型双极晶体管，该绝缘栅型双极晶体管具有栅极电极（7）和发射极电极（9）。在晶体管区域的周围配置有末端区域。在晶体管区域中，在N型漂移层（1）的下方设置有第1N型缓冲层（18）。在第1N型缓冲层（18）的下方设置有P型集电极层（19）。在末端区域中，在N型漂移层（1）的下方设置有第2N型缓冲层（20）。P型集电极层（19）和第2N型缓冲层（20）与集电极电极（21）直接连接。越接近集电极电极（21），第2N型缓冲层（20）的杂质浓度越小。第2N型缓冲层（20）与集电极电极（21）不构成欧姆接触。
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有绝缘栅型双极晶体管(IGBT:1nsulated Gate BipolarTransistor)的半导体装置。
【背景技术】
[0002]作为高耐压(大于或等于600V)的功率设备，使用具有IGBT的半导体装置。在这种半导体装置中，在设置有IGBT的激活区域的周围配置有末端区域。
[0003]作为功率半导体的IGBT，与在LSI (Large Scale Integration)中使用的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)晶体管等不同，除了要求低接通电压化、高速化以及电流驱动能力的提高以外，还要求断开动作时的电流切断能力等耐破坏量。在这里，所谓电流切断能力，是指在断开时不破坏半导体装置而能够切断的最大电流密度。
[0004]提出了一种半导体装置，其在末端区域中不存在P型集电极层，N型缓冲层与集电极电极直接连接(例如，参照专利文献I的图1)。由此，能够降低断开动作时的载流子浓度，因此容易耗尽，可以降低电场强度。因此，可以提高断开动作时的电流切断能力。
[0005]专利文献1:日本特开2009 - 176772号公报
【发明内容】
[0006]但是，在现有的半导体装置中，在IGBT反向耐压时(发射极为高电位，集电极为低电位)，在激活区域的P型基极层和末端区域的N型缓冲层之间形成正向偏压二极管。因此，存在下述问题，即，IGBT的反向耐压量低，在反向耐压模式中产生泄漏电流。
[0007]本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的是得到一种半导体装置，该半导体装置可以抑制反向耐压模式中的泄漏电流。
[0008]本发明所涉及的半导体装置的特征在于，具有:晶体管区域，在该晶体管区域中设置有绝缘栅型双极晶体管，该绝缘栅型双极晶体管具有栅极电极和发射极电极；以及末端区域，其配置在所述晶体管区域的周围，在所述晶体管区域中，在N型漂移层的下方设置第IN型缓冲层，在所述第IN型缓冲层的下方设置P型集电极层，在所述末端区域中，在所述N型漂移层的下方设置第2N型缓冲层，所述P型集电极层和所述第2N型缓冲层与集电极电极直接连接，越接近所述集电极电极，所述第2N型缓冲层的杂质浓度越小，所述第2N型缓冲层与所述集电极电极不构成欧姆接触。
[0009]发明的效果
[0010]通过本发明可以抑制反向耐压模式中的泄漏电流。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的俯视图。
[0012]图2是将图1的区域A放大的俯视图。
[0013]图3是沿图2的B — B'的剖面图。[0014]图4是沿图3的C 一 CT以及D — D'的表示杂质浓度分布的图。
[0015]图5是表示在评价断开特性的实验中使用的电路的图。
[0016]图6是表示使用图5的电路获得的断开特性的评价结果的图。
[0017]图7是表示使用图5的电路进行的断开特性的评价结果的图。
[0018]图8是表示在评价耐压特性的实验中使用的电路的图。
[0019]图9是表示使用图8的电路获得的耐压特性的评价结果的图。
[0020]图10是表示与IGBT的断开切断能力相对的P集电极层的浓度依赖性的图。
[0021]图11是表示IGBT的断开切断时的安全动作区域的图。[0022]图12是表示在评价反向耐压特性的实验中使用的电路的图。
[0023]图13是表示使用图12的电路获得的反向耐压特性的评价结果的图。
[0024]图14是将对比例1、2和实施方式I的断开切断能力Jc (break)进行比较的图。
[0025]图15是将PN结区域的N型层和P型层的影响换算为电阻值而表示该值的容许范围的图。
[0026]图16是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的变形例I的剖面图。
[0027]图17是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的变形例2的剖面图。
[0028]图18是表示N型缓冲层的边界位置和断开特性的关系的图。
[0029]图19是表示N型缓冲层的边界位置和接通电压特性的关系的图。
[0030]图20是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的剖面图。
[0031]图21是沿图20的E — 以及F — F'的表示杂质浓度分布的图。
[0032]图22是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的变形例I的剖面图。
[0033]图23是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的变形例2的剖面图。
【具体实施方式】
[0034]参照附图，对本发明的实施方式所涉及的半导体装置进行说明。对于相同或者对应的构成要素，有时标注相同的标号，省略重复的说明。
[0035]实施方式I
[0036]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的俯视图。该半导体装置是具有IGBT的高耐压(大于或等于600V)功率设备。在激活区域的周围配置有末端区域。在激活区域中包含:设置有多个沟槽栅极型IGBT构造的晶体管区域、以及在晶体管区域和末端区域之间配置的提取区域。
[0037]在IGBT接通时，在激活区域中流动主电流，但在末端区域中不流动主电流。另外，如果在IGBT断开时向集电极?发射极之间施加电压，则在末端区域中耗尽层向设备横向延伸。因此，通过设置末端区域，可以保持耐压。
[0038]图2是将图1的区域A放大的俯视图。图3是沿图2的B — B'的剖面图。
[0039]在晶体管区域中，在N一型漂移层I上设置N型电荷积蓄层2，在该N型电荷积蓄层2上设置有P型基极层3。在P型基极层3上的一部分上设置有P+型接触层4和N +型发射极层5。以贯穿N+型发射极层5、P型基极层3以及N型电荷积蓄层2的方式设置沟槽，在该沟槽的内部经由栅极绝缘膜6而设置有栅极电极7。在栅极电极7上设置有层间绝缘膜8。在晶体管区域的整个面上设置发射极电极9，该发射极电极9与P +型接触层4连接。[0040]以贯穿P型基极层3以及N型电荷积蓄层2的方式设置伪沟槽，在该伪沟槽的内部经由栅极绝缘膜6而设置有栅极配线10。栅极配线10与发射极电极9连接。通过该结构，得到抑制短路时的振荡等的效果。
[0041]在PN结区域中，在N一型漂移层I上设置有P型层11。在P型层11上经由绝缘膜12设置有栅极配线13。栅极配线13配置在晶体管区域外周，与栅极电极7连接。在P型层11上设置N型层14，在N型层14和发射极电极9之间设置有P型层15。N型层14经由P型层15与发射极电极9连接。该结构并不是作为MOS晶体管而动作，而是在断开动作时提取剩余的载流子(空穴)。此外，激活区域和末端区域的边界位于P型层11的外端。
[0042]在末端区域中，在N—型漂移层I上的一部分上设置有P型层16。该P型层16是用于高耐压化的保护环。与保持的耐压相对应地设计P型层16的浓度、深度、数量等。在晶体管区域的一部分、PN结区域、以及末端区域中，表面保护膜17覆盖发射极电极9。
[0043]在晶体管区域和PN结区域中，在N—型漂移层I的下方设置N型缓冲层18，在该N型缓冲层18的下方设置有P型集电极层19。在末端区域中，在N—型漂移层I的下方设置有N型缓冲层20。P型集电极层19和N型缓冲层20与集电极电极21直接连接。
[0044]图4是沿图3的C 一 CT以及D — W的表示杂质浓度分布的图。在本实施方式中，通过注入杂质而较深地形成N型缓冲层18、20。为了进行比较，还示出较浅地形成N型缓冲层18、20的情况。越接近集电极电极21，N型缓冲层20的杂质浓度越小。在本实施方式中，由于较深地形成N型缓冲层20，所以在与集电极电极21之间的界面附近，N型缓冲层20的杂质浓度充分地变小。因此，N型缓冲层20与集电极电极21不构成欧姆接触。
[0045]下面，与对比例I?3进行比较，说明实施方式I的效果。对比例1、2与实施方式I的不同点在于，在末端区域设置P型集电极层，并且在对比例I中，在PN结区域中不设置N型层14和P型层15。对比例3与实施方式I的不同点在于，较浅地形成N型缓冲层20，与集电极电极21构成欧姆接触。
[0046]在末端区域中设置有P型集电极层的对比例1、2的情况下，在激活区域和末端区域的边界处，在进行断开动作时发射极侧的载流子浓度不会降低，电场强度上升。并且，由于碰撞电离化的促进，发射极侧的电流密度增加。其结果，局部温度上升，发生热破坏，由此使电流切断能力降低。
[0047]与此相对，在实施方式I及对比例3中，在末端区域中省略P型集电极层而使N型缓冲层20与集电极电极21直接接触。由此，在进行IGBT的断开动作时，在末端区域的集电极构造中载流子的产生变少，因此，促进从P型层11向集电极侧的耗尽，使电场强度降低。其结果，可以提高IGBT的断开动作时的电流切断能力。
[0048]图5是表示在评价断开特性的实验中使用的电路的图。图6是表示使用图5的电路获得的断开特性的评价结果的图。在实验中，使用耐压4500V的IGBT构造的设备。电压Vcc为3400V，电感Ls为2.47 μ H，温度Tj为423Κ。将电流密度Jc从56A/cm2开始逐步升高至该值的1.5倍、2.0倍，直至设备破坏为止进行评价。图7是表示使用图5的电路进行的断开特性的评价结果的图。在实验中，使用耐压4500V的IGBT构造的设备。电压Vcc为3400V,电感Ls为2.47 μ H，温度Tj为398Κ，电流密度Jc为56A/cm2。在实施方式I中，由于电流冲击现象消失，所以断开损耗减少了 12%。在接通IGBT时，抑制来自末端区域的集电极的空穴在PN结区域中集中，因此，缓和了断开时的载流子的移动。[0049]图8是表示在评价耐压特性的实验中使用的电路的图。图9是表示使用图8的电路获得的耐压特性的评价结果的图。在实验中，使用耐压4500V的IGBT构造的设备。栅极电压VGE为0V，温度Tj为398K，是AC模式(Mode)。在实施方式I中，与对比例I相比泄漏电流减少了 55%。其原因在于，末端区域的N型缓冲层20在IGBT的断开动作时抑制来自集电极侧的空穴注入。
[0050]图10是表示与IGBT的断开切断能力相对的P集电极层的浓度依赖性的图。电源电压Vcc为3400V，栅极电压VG为±15V，温度为423K。IGBT的接通电压及断开切断能力依赖于P型集电极层19的浓度。与此相对，在实施方式I中，即使P型集电极层19的浓度变化，也能够将断开时的切断能力维持得较高。图11是表示IGBT的断开切断时的安全动作区域的图。温度为423K。在实施方式I中，也可以将断开切断时的安全动作区域扩大。
[0051]另外，在本实施方式中，N型缓冲层20与集电极电极21不构成欧姆接触。由此，可以防止在IGBT反向耐压时(发射极为高电位，集电极为低电位)，在激活区域的P型基极层3和末端区域的N型缓冲层20之间形成正向偏压二极管。其结果，提高IGBT的反向耐压量，可以抑制反向耐压模式中的泄漏电流。
[0052]图12是表示在评价反向耐压特性的实验中使用的电路的图。图13是表示使用图12的电路获得的反向耐压特性的评价结果的图。在实验中，使用耐压4500V的IGBT构造的设备。电压Vcc为一 100V，栅极电压VGE为0V，温度Tj为298K，是AC模式(Mode)。与构成欧姆接触的对比例3相比，在N型缓冲层20与集电极电极21不构成欧姆接触的实施方式I中，泄漏电流减少至小于或等于10%。其原因在于，在IGBT反向耐压时防止在P型基极层3和N型缓冲层20之间形成正向偏压二极管，提高IGBT的反向耐压量，抑制了反向耐压模式中的泄漏电流。
[0053]另外，在实施方式I中，在PN结区域中设置有N型层14和P型层15。利用该电阻成分，可以抑制局部的高电场，可以抑制由高电场强度引起的离子碰撞现象。其结果，可以抑制局部的温度上升，提高IGBT的断开动作时的电流切断能力。
[0054]图14是将对比例1、2和实施方式I的电流切断能力Jc (break)进行比较的图。从该图可知，在PN结区域中设置有N型层14和P型层15的对比例2的电流切断能力，是没有设置N型层14和P型层15的对比例I的2倍。另外，实施方式I的电流切断能力是对比例I的3.5倍。
[0055]图15是将PN结区域的N型层14和P型层15的影响换算为电阻值而表示该值的容许范围的图。纵轴是将在断开时不破坏设备而能够切断的最大电流密度J。(break)，以对比例I的值J。(break)，为基准进行标准化后的值。对比例I仅具有额定电流密度的电流切断能力，如果考虑作为电流切断能力需要保证大于或等于额定电流密度的2倍，则纵轴的值需要大于或等于2.0。因此，需要将PN结区域的电阻值设为大于或等于300 Ω。
[0056]图16是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的变形例I的剖面图。与实施方式I的不同点在于没有P型层15。在此情况下，也可以通过N型层14的电阻成分，抑制PN结区域中的局部的高电场，抑制由高电场强度引起的离子碰撞现象。其结果，可以抑制局部的温度上升，提高IGBT的断开动作时的电流切断能力。
[0057]图17是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体装置的变形例2的剖面图。与实施方式I的不同点在于，没有N型层14和P型层15，没有P型层11和发射极电极9的接触。由此，在IGBT接通状态下的末端区域中载流子的产生变少，在断开时发射极侧的载流子浓度降低。另外，通过缓和PN结区域和末端区域的边界部的电场，从而可以促进向集电极侧的耗尽，抑制由局部的温度上升引起的热破坏，抑制PN结区域中的电流密度的增加。另外，通过延长PN结区域中的电流的流动路径，从而使电阻成分增加。由此，可以抑制PN结区域中的局部的高电场，抑制由高电场强度引起的离子碰撞现象。其结果，可以抑制局部的温度上升，提高IGBT的断开动作时的电流切断能力。
[0058]此外，在本实施方式中，N型缓冲层18和N型缓冲层20的边界位于PN结区域和末端区域的边界处。但是，并不限于此，该边界也可以位于PN结区域的内部、激活区域和PN结区域的边界、末端区域内部。
[0059]图18是表示N型缓冲层的边界位置和断开特性的关系的图。图19是表示N型缓冲层的边界位置和接通电压特性的关系的图。图18的纵轴是将在断开时不破坏设备而能够切断的最大的电流密度J。(break)，以对比例I的值J。(break) /为基准进行标准化后的值。图19的纵轴是将接通电压VCE (sat)以对比例I的值VCE (sat)'为基准进行标准化后的值。横轴以PN结区域和末端区域的边界为原点0，将芯片端部设为+ 1，将芯片中心设为一 I。为了在不会对IGBT的接通状态造成恶劣影响的状态下提高断开切断能力，必须将边界位置设为大于或等于一 0.05。该位置是晶体管区域内的最外周的沟槽栅极的外端部。
[0060]实施方式2
[0061]图20是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的剖面图。在晶体管区域以及末端区域中，在N—型漂移层I的下方设置有N型缓冲层22。在晶体管区域以及PN结区域中，在N型缓冲层22的下方设置有P型集电极层23。在末端区域中，在N型缓冲层22的下方设置有P型集电极层24。集电极电极21与P型集电极层23、24连接。其他结构与实施方式I相同。
[0062]图21是沿图20的E —以及F — F'的表示杂质浓度分布的图。P型集电极层24的峰值杂质浓度比N—型漂移层I高，比N型缓冲层22低。P型集电极层24与集电极电极21不构成欧姆接触。
[0063]下面，对实施方式2的效果进行说明。在实施方式2中，在IGBT反向耐压时(发射极为高电位，集电极为低电位)，P型集电极层24和N型缓冲层22构成PN结，因此可以反向耐压，提高IGBT的反向耐压量，抑制反向耐压模式中的泄漏电流。
[0064]另外，在实施方式2中，P型集电极层24的峰值杂质浓度比N—型漂移层I高，比N型缓冲层22低。由此，在IGBT的接通状态时，在末端区域中，不会从集电极侧注入空穴，因此，可以抑制末端区域的载流子浓度的提高。其结果，可以抑制局部的温度上升，提高IGBT的断开动作时的电流切断能力。
[0065]图22是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的变形例I的剖面图。与实施方式2的不同点在于没有P型层15。在此情况下，也可以通过N型层14的电阻成分，抑制PN结区域中的局部的高电场，抑制由高电场强度引起的离子碰撞现象。其结果，可以抑制局部的温度上升，提高IGBT的断开动作时的电流切断能力。
[0066]图23是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的变形例2的剖面图。与实施方式2的不同点在于没有N型层14和P型层15，没有P型层11和发射极电极9的接触。由此，在IGBT接通状态下的末端区域中载流子的产生变少，在断开时发射极侧的载流子浓度降低。另外，通过缓和PN结区域和末端区域的边界部的电场，可以促进向集电极侧的耗尽，抑制由局部的温度上升引起的热破坏，抑制PN结区域中的电流密度的增加。另外，通过延长PN结区域中的电流的流动路径，使电阻成分增加。由此，可以抑制PN结区域中的局部的高电场，抑制由高电场强度引起的离子碰撞现象。其结果，可以抑制局部的温度上升，提高IGBT的断开动作时的电流切断能力。
[0067]此外，在上述的实施方式中，对4500V的高耐压的半导体装置进行了说明，但无论耐压如何，均可以得到上述效果。另外，在上述的实施方式中，对晶体管区域的IGBT为沟槽栅极构造的情况进行了说明，但在平面栅极构造的情况下，也可以得到上述效果。另外，对在末端区域形成有由P型层16构成的保护环的情况进行了说明，但对于保持耐压的其他构造，也可以得到上述效果。
[0068]另外，上述的实施方式所涉及的半导体装置，并不限于由硅形成的半导体装置，对于由带隙比硅大的宽带隙半导体形成的半导体装置，也可以得到本实施方式中记载的效果。宽带隙半导体是例如碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石。由这种宽带隙半导体形成的半导体装置耐电压性及容许电流密度高，因此可以实现小型化。通过使用该小型化的半导体装置，还可以使得组装有该元件的半导体模块小型化。另外，由于半导体装置的耐热性高，所以可以使得散热器的散热片小型化，可以将水冷部变更为空气冷却，因此，半导体模块可以进一步小型化。另外，由于半导体装置的功率损耗低，效率高，所以可以使半导体模块高效率化。
[0069]标号的说明
[0070]IN—型漂移层
[0071]7 栅极电极
[0072]9 发射极电极
[0073]11 P型层(第IP型层)
[0074]12 绝缘膜
[0075]13 栅极配线
[0076]14 N 型层
[0077]15 P型层(第2P型层)
[0078]18 N型缓冲层(第IN型缓冲层)
[0079]19 P型集电极层
[0080]20 N型缓冲层(第2N型缓冲层)
[0081]21 集电极电极
[0082]22 N型缓冲层
[0083]23 P型集电极层(第IP型集电极层)
[0084]24 P型集电极层(第2P型集电极层)
【权利要求】
1.一种半导体装置，其特征在于，具有: 晶体管区域，在该晶体管区域中设置有绝缘栅型双极晶体管，该绝缘栅型双极晶体管具有栅极电极和发射极电极；以及 末端区域，其配置在所述晶体管区域的周围， 在所述晶体管区域中，在N型漂移层的下方设置第IN型缓冲层， 在所述第IN型缓冲层的下方设置P型集电极层， 在所述末端区域中，在所述N型漂移层的下方设置第2N型缓冲层， 所述P型集电极层和所述第2N型缓冲层与集电极电极直接连接， 越接近所述集电极电极，所述第2N型缓冲层的杂质浓度越小， 所述第2N型缓冲层与所述集电极电极不构成欧姆接触。
2.—种半导体装置，其特征在于，具有: 晶体管区域，在该晶体管区域中设置有绝缘栅型双极晶体管，该绝缘栅型双极晶体管具有栅极电极和发射极电极；以及 末端区域，其配置在所述晶体管区域的周围， 在所述晶体管区域以及所述末端区域中，在N型漂移层的下方设置N型缓冲层， 在所述晶体管区域中，在所述N型缓冲层的下方设置第IP型集电极层， 在所述末端区域中，在所述N型缓冲层的下方设置第2P型集电极层， 集电极电极与所述第I以及第2P型集电极层连接， 所述第2P型集电极层的峰值杂质浓度，比所述N型漂移层高而比所述N型缓冲层低。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 还具有PN结区域，该PN结区域配置在所述晶体管区域和所述末端区域之间， 在所述PN结区域中，在所述N型漂移层上设置第IP型层， 在所述第IP型层上经由绝缘膜设置栅极配线， 所述栅极配线与所述栅极电极连接。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于， 在所述第IP型层上设置N型层， 所述N型层与所述发射极电极连接。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其特征在于， 在所述N型层和所述发射极电极之间设置有第2P型层。
【文档编号】H01L29/06GK103650147SQ201180072134
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年7月5日 优先权日:2011年7月5日
【发明者】陈则, 中村胜光 申请人:三菱电机株式会社