专利名称：半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)元件区与二极管元件区被形成在同一半导体基板上的半导体装置。
背景技术：
在专利文献I中，公开了一种IGBT元件区与回流用的二极管元件区被形成在同一半导体基板上的半导体装置。在半导体基板上依次层叠有背面侧、N_层、N层、P层。在P层的一部分表面上设置有N+层。设置有从半导体基板的表面侧起贯穿P层以及N层而到达N—层的沟槽栅。沟槽栅与N+层相接。作为背面层，而形成有P+层或者N+层。背面层成为P+层的区域为IGBT元件区，而背面层成为N+层的区域为二极管元件区。在IGBT元件区中，由于被设置在成为漂移区的N—层与成为体区的P层之间的N层，从而在与P层之间的界面附近处的N层中累积有空穴。其结果为，IGBT工作时的通态电压降低。在先技术文献专利文献专利文献I :日本特开2005-57235号公报
发明内容
发明所要解决的课题在IGBT元件区与二极管元件区之间的边界附近，载流子有时会在IGBT元件区与二极管元件区之间移动。例如，在IGBT工作时，在IGBT元件区中，被吸引至与体区之间的界面附近处的漂移区中的载流子，向二极管元件区的阳极区侧移动。其结果为，IGBT元件区的漂移区中的载流子密度减少而使漂移区的电阻增大，从而导致IGBT工作时的通态电压增大。而且，当在二极管元件区中流通有回流电流的状态下将IGBT元件区切换为导通状态时，反向恢复电流将在二极管元件区中流通。在该二极管反向恢复时，累积在二极管元件区的外部处的载流子将向二极管元件区移动。其结果为，二极管的反向恢复电流增大，从而易引起元件损坏。用于解决课题的方法在本发明的半导体装置中，在同一半导体基板内形成有IGBT元件区、二极管元件区、被设置在IGBT元件区与二极管元件区之间的边界区。IGBT元件区具备第一导电型的集电区；第二导电型的第一漂移区，其相对于集电区而被设置在半导体基板的表面侧;第一导电型的第一体区，其相对于第一漂移区而被设置在半导体基板的表面侧；第二导电型的发射区，其被设置在第一体区的表面上；第二导电型的载流子累积区，其被设置在第一体区内，并通过第一体区而与第一漂移区以及发射区隔离；沟槽栅，其从半导体基板的表面侧起贯穿第一体区而到达第一漂移区。二极管元件区具备第二导电型的阴极区；第二导电型的第二漂移区，其相对于阴极区而被设置在半导体基板的表面侧；第一导电型的第二体区，其相对于第二漂移区而被设置在半导体基板的表面侧。边界区具备第二导电型的第一扩散区；第一导电型的第二扩散区，其相对于第一扩散区而被设置在半导体基板的表面侧；第二导电型的第三扩散区，其被设置在第二扩散区内，并通过第二扩散区而与第一扩散区隔离。IGBT元件区中的第一漂移区与边界区中的第一扩散区相接，并且二极管元件区中的第二漂移区与边界区中的第一扩散区相接。IGBT元件区中的第一体区与边界区中的第二扩散区相接，并且二极管元件区中的第二体区与边界区中的第二扩散区相接。根据上述的半导体装置，在边界区内，于第一导电型的第二扩散区内设置有第二导电型的第三扩散区。由此，能够抑制在IGBT工作时，从半导体基板的背面侧向表面侧移动的载流子穿过边界区，而向二极管元件区移动的情况。其结果为，在IGBT元件区中，能够提高体区附近的漂移区中的载流子累积量，从而使通态电压降低。
而且，能够抑制在二极管工作时，从半导体基板的表面侧向背面侧移动的载流子向边界区移动的情况。其结果为，能够降低边界区的漂移区中的载流子累积量。因此，能够在二极管反向恢复时，降低反向恢复电流，从而不易引起元件损坏。在上述的半导体装置中，优选为，边界区的第三扩散区延伸至与IGBT元件区中的载流子累积区相接为止。能够进一步提高对IGBT工作时的载流子移动的抑制效果。在上述的半导体装置中，边界区的第三扩散区与IGBT元件区的载流子累积区也可以由同一半导体层形成。由于能够在半导体装置的制造工序中，同时形成载流子累积区与第三扩散区，因此不会增加在半导体装置的制造工序中所花费的时间或成本。
图I为实施例I中的半导体装置的剖视图。图2为模式化地表示图I中的半导体装置在IGBT工作时的状态的图。图3为模式化地表示图I中的半导体装置在二极管工作时的状态的图。图4为改变例中的半导体装置的剖视图。
具体实施例方式实施例I以下，参照附图对本发明的实施例I进行说明。在本实施例中，例示将第一导电型设为P型，而将第二导电型设为N型的情况进行说明。图I为，本实施例所涉及的半导体装置100的剖视图。图2为，模式化地表示图I中所示的半导体装置100在IGBT工作时的状态的图，而图3为，模式化地表示图I中所示的半导体装置100在二极管动作时的状态的图。在图2、图3中，对在图I中所示的半导体装置100的各个结构省略了其符号。在图2、图3中，用圆形围绕起来的加号标记表示空穴。半导体装置100具有半导体基板10、背面电极40、二极管表面电极41、IGBT表面电极42。半导体装置100具备在半导体基板10上形成的、二极管元件区1、IGBT元件区2、边界区3和外围耐压部4。半导体基板10具备第一 N+层11 ;与第一 N+层11邻接的第一P+层12 ;被层叠于第一 N+层11以及第一 P+层12的表面上的、第一 N层13以及N_层14。如图I所示，二极管元件区I为半导体基板10的第一 N+层11的上面侧的区域，在其背面侧上设置有背面电极40，而在其表面侧上设置有二极管表面电极41。在二极管元件区I中，于作为第二漂移区的N—层14的表面上层叠有作为第二体区的第一 P层151。在第一 P层151的表面上设置有作为阳极区的第二 P+层171。在二极管元件区I中，第一 N+层11作为阴极区，第一 N层13、仄层14、第一 P层151作为导电区，第二 P+层171作为阳极区而被利用。如图I所示，IGBT元件区2为半导体基板10的第一 P+层12的上面侧的区域，在其背面侧上设置有背面电极40，而在其表面侧上设置有IGBT表面电极42。在IGBT元件区2中，于N—层14的表面上层叠有第二 P层152、第 二 N层161、第三P层153。在第三P层153的表面上设置有第三P+层172和第二 N+层181。S卩，在IGBT元件区2中，第二 N层161通过第二 P层152而与N—层14隔离，并通过第三P层153而与第三P+层172以及第二 N+层181隔离。在IGBT元件区2和外围耐压部4之间的边界处，设置有从半导体基板10的表面侧延伸至N_层14为止的第四P层301。第四P层301的下端延伸至深于第二 P层152的下端的深度。在IGBT元件区2中，以从半导体基板10的上表面起朝向f层14的方式而设置有多个沟槽栅19。沟槽栅19的下端部的深度深于第二 P层152的下端部，且浅于第四P层301的下端部。沟槽栅19具有栅绝缘膜192，其被形成于沟槽191内；栅电极193，其被填充在栅绝缘膜192的内部。在栅电极193和IGBT表面电极42之间设置有层间绝缘膜32。第二 N+层181与沟槽栅19相接。在IGBT元件区2中，第一 P+层12作为集电区、第一 N层13作为缓冲区、N—层14作为第一漂移区、第二 P层152以及第三P层153作为第一体区、第二 N+层181作为发射区、第三P+层172作为体接触区而被利用。而且，第二 N层161作为载流子累积区而被利用。边界区3为，被设置在二极管元件区I和IGBT元件区2之间的非活性区。在边界区3中，在半导体基板10的表面侧未形成与表面电极之间的接触。在本实施例中，在边界区3内具有第一 N+层11和第一 P+层12之间的边界，在该边界的上层侧层叠有第一 N层13和N—层14。在本实施例中，在边界区3中设置有从半导体基板10的表面侧起延伸至N—层14为止的第五P层302。第五P层302沿着边界区3与IGBT元件区2之间的边界、以及边界区3与二极管元件区I之间的边界，而从半导体基板10的表面侧向背面侧延伸。设置有在半导体基板10的平面方向(图I中所示的横向)上贯穿第五P层302的第三N层162，并且第三N层162的IGBT元件区2侧的端部，延伸至与被设置在IGBT元件区2中的第二 N层161相接为止。第三N层162的二极管元件区I侧的端部，伸入二极管元件区I的一部分内。如上文所述，边界区3具有作为N型的第一扩散区的N—层14 ;作为P型的第二扩散区的第五P层302，其相对于N_层14而被设置在半导体基板10的表面侧；作为N型的第三扩散区的第三N层162。第三N层162被设置在第五P层302内，并且N—层14与第三N层162通过第五P层302而隔离。而且，第三N层162延伸至与被设置在IGBT元件区2中的、作为N型的载流子累积区的第二 N层161相接为止。另外，在本实施例中，第二 N层161与第三N层162作为同一层而被形成于半导体基板10上。由于能够在半导体装置100的制造工序中，在形成第二 N层161的工序中同时形成第三N层162，因此不会大幅地增加在制造工序中所花费的时间或成本。如上文所述，半导体装置100为，在同一半导体基板10上具有IGBT元件区2、二极管元件区I以及边界区3的反向导通型的半导体装置，其中，所述边界区3被设置在IGBT元件区2和二极管元件区I之间。IGBT元件区2中的第一漂移区、二极管元件区I中的第二漂移区、和边界区3中的第一扩散区作为同一层、即N—层14而被形成于半导体基板10上。由此，成为如下状态，即，IGBT元件区中的第一漂移区与边界区中的第一扩散区相接，而二极管元件区中的第二漂移区与边界区中的第一扩散区相接的状态。IGBT元件区2中的、作为第一体区的第二 P层152以及第三P层153，与边界区3中的、作为第二扩散区的第五P层302相接，而二极管元件区I中的、作为第二 体区的第一 P层151，与边界区3中的、作为第二扩散区的第五P层302相接。而且，被设置在边界区3中的、作为N型的第三扩散区的第三N层162延伸至，与被设置在IGBT元件区2中的、作为N型的载流体累积区的第二 N层161相接。接下来，对半导体装置100的工作进行说明。(IGBT 工作时)当将背面电极40的电位Va设为高于二极管表面电极41的电位Vb、以及IGBT表面电极42的电位Vc的高电位(Va>Vb、Vc)，从而向栅电极193施加正电压(正偏压)时，在IGBT元件区2中，将在作为第一体区的第二 P层152以及第三P层153内，于沟槽栅19的附近形成沟道。穿过该沟道，作为多数载流子的电子从作为发射区的第二 N+层181注入到作为第一漂移区的N—层14。而且，空穴从作为集电区的第一 P+层12向第一 N层13以及N_层14注入。当作为少数载流子的空穴被注入到N_层14中时，将在作为漂移区的N_层14中产生电导率调制，从而N—层14的电阻降低。通过电子和空穴以此种方式进行移动，从而流通有从半导体装置的背面侧(集电区侧)朝向表面侧(发射区侧)的IGBT电流。另一方面，在二极管元件区I中没有电流流通。如上文所述，当向栅电极193施加正电压时，将在沟槽栅19的附近形成电子密度较高的区域。空穴进一步被吸引至该电子密度较高的区域，从而如图2所示，在IGBT元件区2中，在与第二 P层152之间的边界附近处的N-层14中形成有空穴密度较高的区域。在本实施例中，在作为体区的、第二 P层152与第三P层153之间，设置有作为载流子累积层的第二 N层161。因此，与未设置有第二 N层161的情况相比，能够提高与第二 P层152之间的边界附近处的K层14中的空穴密度。在本实施例中，在边界区3中还设置有第三N层162，第三N层162与被设置于IGBT元件区2中的第二 N层161相接。因此，能够抑制图2中用虚线所示的空穴的移动。即，通过在边界区3中设置有第三N层162，从而能够抑制空穴穿过第五P层302等而向二极管元件区I中的第二 P+层171移动的情况。与在边界区3中未设置有第三N层162的情况相比，能够进一步提高与第二 P层152之间的边界附近处的『层14中的空穴密度。(二极管工作时)接下来，将IGBT元件区2从导通状态切换为断开状态，而使二极管元件区I工作，从而流通有回流电流。当将背面电极40的电位Va设为低于二极管表面电极41的电位Vb、以及IGBT表面电极42的电位Vc时(Va < Vb、Vc)，则如图3所示，在二极管元件区I中，空穴将从作为阳极区的第二 P+层171起，经由作为第二体区的第一 P层151而被注入到作为第二漂移区的N—层14中。由此，二极管电流(回流电流)将从第二 P+层171 (阳极区)起经由第一 P层151、N—层14、第一 N层13而向第一 N+层11 (阴极区)流动。在IGBT元件区2中没有电流流通。
在本实施例中，在边界区3中还设置有第三N层162，第三N层162与被设置于IGBT元件区2中的第二 N层161相接。因此，能够抑制图3中用虚线所示的空穴的移动。即，通过在边界区3中设置有第三N层162，从而能够抑制空穴穿过第五P层302等而从二极管元件区I向边界区3中的K层14移动的情况。与在IGBT元件区2中设置有第二 N层161，而在边界区3中未设置有第三N层162的情况相比，抑制了空穴在边界区3的N—层14中累积的情况。(二极管反向恢复时)接下来，在于二极管元件区中流通有回流电流的状态下将IGBT元件区切换为导通状态。即，将背面电极40的电位Va设为高于二极管表面电极41的电位Vb、以及IGBT表面电极42的电位Vc的高电位(Va > Vb、Vc)，从而向栅电极193施加正电压(正偏压)。此时，在二极管元件区I中流通有反向恢复电流。在二极管反向恢复时，被累积在二极管元 件区I的外部的载流子向二极管元件区I移动。在二极管反向恢复时，累积在N—层14中的空穴向第一 P层151以及第二 P+层171侧被排出，而累积在N—层14中的电子向第一 N层13、第一 N+层11侧被排出。将通过该反向恢复时的载流子的移动而产生的电流称为反向恢复电流。在N-层14中累积的载流子量越多反向恢复电流越大。当反向恢复电流过大时，将容易引起兀件损坏。根据本实施例，由于抑制了在二极管动作时，空穴累积在边界区3的N层14中的情况，因此能够在二极管反向恢复时，减小反向恢复电流。由此，能够抑制在二极管反向恢复时发生的元件损坏。而且，边界区3的结构并不限定于上述的实施例。例如，边界区3的结构也可以采用如图4所示的结构。图4中所示的半导体装置400与图I中所示的半导体装置100在边界区3的结构上有所不同。在图4所示的边界区3中，第六P层312被形成在与二极管元件区I中的第一 P层151、以及IGBT元件区2中的第二 P层152相同的深度处。在第六P层312内形成有第三N层162，第三N层162与N—层14通过第六P层312而被隔离。而且，在第六P层312中设置有沟槽39，该沟槽39从半导体基板10的表面侧起贯穿第六P层312、第三N层162而到达N_层14。关于半导体装置400的其它结构，由于与半导体装置100相同，从而省略重复说明。边界区为，未形成有半导体基板与表面电极之间的接触的非活性区，且被设置于二极管元件区与IGBT元件区之间。在边界区中，半导体基板只需具备第二导电型的第一扩散区、第一导电型的第二扩散区、被设置在第二扩散区内且通过第二扩散区而与第一扩散区隔离的第二导电型的第三扩散区即可。与被设置于二极管元件区或IGBT元件区等的活性区中的、“未形成有半导体基板与表面电极之间的接触的区域”的面积相比，被设置于边界中区的、“未形成有半导体基板与表面电极之间的接触的区域”的面积较大。具体而言，在边界区中，半导体基板为，在第二导电型的第一扩散区的表面侧层叠有第一导电型的第二扩散区，并且在该第二扩散区内设置有通过第二扩散区而与第一扩散区隔离的第二导电型的第三扩散区的结构，例如，只需具备满足下述的(a) (C)中的至少一个的结构即可。(a)第二扩散区为，被形成至深于IGBT元件区的第一体区的下端(在图I中为第二 P层152的下端)以及二极管元件区的第二体区的下端(在图I中为第一 P层151的下端)的位置为止的扩散区(在图I中为第五P层302)。(b)第二扩散区为，被形成在与IGBT元件区的第一体区(在图4中为第二 P层152)、以及二极管元件区的第二体区(在图4中为第一 P层151)相同的深度处的扩散区(在图4中为第六P层312)。并且，形成有从半导体基板的表面侧起贯穿第二扩散区(在图4中为第六P层312)而到达第一扩散区(在图4中为N_层14)的沟槽(在图4中为沟槽 39)。(C)在第一扩散区的背面侧(不与第二扩散区相接的一侧)，存在作为二极管元件区中的阴极区的第二导电型的扩散区(在实施例I中为第一 N+层11)、与作为IGBT元件区中的集电区的第一导电型的扩散区(在实施例I中为第一 P+层12)之间的边界。而且，即使在边界区中的第三扩散区未与IGBT元件区中的载流子累积区相接的情况下，也能够通过在边界区中设置第三扩散区，从而使载流子进行移动的路径变窄。因·此，能够获得IGBT工作时的通态电压降低的效果、二极管的反向恢复电流降低的效果。而且，第三扩散区并不需要从IGBT元件区与边界区之间的边界起形成至到达二极管元件区与边界区之间的边界为止，也可以被形成在其中一部分上。在该种情况下，优选为，第三扩散区被形成在更靠近IGBT元件区的一侧。而且，虽然在上述的实施例中，第三扩散区与IGBT元件区的载流子累积区由同一半导体层而形成，但第三扩散区与载流子累积区也可以由分别不同的半导体层形成。上文对本发明的实施例进行了详细说明，但这些只不过是示例，并不对权利要求的范围进行限定。在权利要求书中所记载的技术中包含对上文所例示的具体示例进行了各种改变、变更的内容。在本说明书或附图中进行说明的技术要素，是单独或者以各种组合的形式来发挥技术上的有用性的，其并不限定于申请时权利要求中记载的组合。另外，在本说明书或者附图中所例示的技术为，可以同时达成多个目的的技术，且达成其中的一个目的本身也具有技术上的有用性。
权利要求
1.一种半导体装置，其在同一半导体基板内形成有绝缘栅双极性晶体管元件区、二极管元件区、和被设置于绝缘栅双极性晶体管元件区与二极管元件区之间的边界区，其中， 绝缘栅双极性晶体管元件区具备 第一导电型的集电区； 第二导电型的第一漂移区，其相对于集电区而被设置在半导体基板的表面侧； 第一导电型的第一体区，其相对于第一漂移区而被设置在半导体基板的表面侧； 第二导电型的发射区，其被设置在第一体区的表面上； 第二导电型的载流子累积区，其被设置在第一体区内，并通过第一体区而与第一漂移区以及发射区隔离； 沟槽栅，其从半导体基板的表面侧起贯穿第一体区而到达第一漂移区， 二极管元件区具备 第二导电型的阴极区； 第二导电型的第二漂移区，其相对于阴极区而被设置在半导体基板的表面侧； 第一导电型的第二体区，其相对于第二漂移区而被设置在半导体基板的表面侧， 边界区具备 第二导电型的第一扩散区； 第一导电型的第二扩散区，其相对于第一扩散区而被设置在半导体基板的表面侧；第二导电型的第三扩散区，其被设置在第二扩散区内，并通过第二扩散区而与第一扩散区隔离， 绝缘栅双极性晶体管元件区中的第一漂移区与边界区中的第一扩散区相接，并且二极管元件区中的第二漂移区与边界区中的第一扩散区相接， 绝缘栅双极性晶体管元件区中的第一体区与边界区中的第二扩散区相接，并且二极管元件区中的第二体区与边界区中的第二扩散区相接。
2.如权利要求I所述的半导体装置，其中， 边界区中的第三扩散区延伸至与绝缘栅双极性晶体管元件区中的载流子累积区相接为止。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其中， 边界区中的第三扩散区与绝缘栅双极性晶体管元件区中的载流子累积区由同一半导体层形成。
全文摘要
本发明涉及一种半导体装置，其在同一半导体基板内形成有IGBT元件区、二极管元件区、被设置于IGBT元件区与二极管元件区之间的边界区，在IGBT元件区中的第一导电型的第一体区内设置有第二导电型的载流子累积区。在边界区中，于第一导电型的第二扩散区内，设置有延伸至与载流子累积区相接为止的第二导电型的第三扩散区。由此，能够在IGBT工作时，对载流子穿过边界区而向二极管元件区移动的情况进行抑制，从而降低通态电压。而且，能够在二极管反向恢复时，对载流子在边界区的漂移区中累积的情况进行抑制，从而降低反向恢复电流。
文档编号H01L27/04GK102804359SQ20098015980
公开日2012年11月28日 申请日期2009年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者添野明高 申请人:丰田自动车株式会社