半导体装置的制作方法

专利名称：半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置，特别涉及功率半导体装置。
背景技术：
作为功率半导体装置，例如有能够经受600V以上的电压的高耐压功率模块。在这 样的功率模块中，有形成有二极管的功率模块。例如根据日本特开平02-066977号公报，在二极管中，通过与ρ层相接的的η_层 形成Pn结，在η—层的与ρ层的相反侧的面上，设置有η+区域和ρ+区域。此外，在η+区域以 及P+区域、和η—层之间，设置有η缓冲层。根据该公报，记述了 Ρ+区域具有减小二极管的 反向恢复电流，此外缩短反向恢复时间的效果。此外，记述了 因为能够通过η缓冲层来阻 止在施加反方向电压时向η—层扩展的耗尽层，所以能够使η—层变薄，由此能够改善高耐压 二极管的反向恢复特性。此外，根据例如日本特开平08-172205号公报，记述了二极管具有η_半导体层， 形成在η型半导体衬底的一主表面上；η+阴极区域，形成在η_半导体层的表面层；沟槽，从 η+阴极区域的表面起贯通η—半导体层而到达η型半导体衬底；栅极电极，在该沟槽内隔着 栅极氧化膜而被填充；绝缘膜，在该栅极电极上形成；阴极电极，与被沟槽夹着的η+阴极区 域的表面接触；P+阳极区域，形成在η型半导体衬底的表面层的一部分；以及阳极电极，接 触于P+阳极区域。根据该公报，通过对栅极电极施加相对于阴极电极是负的电压，从而在 过电流流过二极管时能够防止二极管的破坏或开关变压器(switching transformer)的烧 损。在功率用二极管中，同时解决正向电压降(Vf)的降低、和恢复(反向恢复)时的 振荡的抑制的课题是困难的。例如在上述日本特开平02-066977号公报中，仅公开了通过 设置P+区域而改善恢复特性，并没有公开如何设置P+区域才能以平衡优良的方式同时解决 上述各问题。此外，根据功率用二极管的用途，存在特别希望减小Vf的情况。相对于此，根据上 述特开平08-172205号公报的技术，对栅极电极施加相对于阴极电极是负的电压，结果存 在Vf变大的问题。

发明内容
发明的概要本发明正是鉴于上述课题而完成的，其一个目的在于提供一种能够降低VF，并且 能够抑制恢复时的振荡的半导体装置，此外本发明的另一个目的在于提供一种能够特别降 低Vf的半导体装置。按照本发明的一个方面的半导体装置具有第一和第二电极、和第一 第四层。第 一层设置在第一电极上，并且具有第一导电型。第二层设置在第一层上，并且具有与第一导 电型不同的第二导电型。第三层设置在第二层上。第二电极设置在第三层上。第四层设置
4在上述第二层和上述第三层之间，并且具有上述第二导电型。第三层具有第一和第二部分。 第一部分具有第二导电型，并且具有比第二层的杂质浓度的峰值高的杂质浓度的峰值。第 二部分具有第一导电型。第二部分的面积相对于第一和第二部分的总面积所占的比例是 20%以上95%以下。按照本发明的另一个方面的半导体装置具有第一和第二电极、第一 第三层、和 沟槽结构。第一层设置在第一电极上，并且具有第一导电型。第二层设置在第一层上，并且 具有与第一导电型不同的第二导电型。第三层设置在第二层上，并且具有第一部分。第一 部分具有第二导电型，并且具有比第二层的杂质浓度的峰值高的杂质浓度的峰值。第二电 极设置在第三层上。沟槽结构设置在第一部分中，并且将第二电极的电位作为基准被施加 正的电位。根据按照本发明的一个方面的半导体装置，二极管的Vf降低，并且恢复时的振荡 被抑制。根据按照本发明的其它方面的半导体装置，二极管的Vf降低。本发明的上述和其它的目的、特征、方面、以及优点，通过与附图相关地理解的关 于本发明的下面的详细的说明就能清楚了。


图1是概略地表示作为本发明的实施方式1的半导体装置的二极管的结构的剖面 图。图2是概略地表示分别沿着图1的箭头Da和Db的杂质分布图Ca和Cb的图表。图3是表示在图1的二极管及其比较例的各自的模拟中使用的电路的图。图4是表示图1的二极管和比较例的二极管各自的恢复特性的波形的模拟的一个 例子的图表。图5是表示图1的二极管的正方向的电压Vffi和电流密度Ja的关系JaI的一个例 子，以及比较例的二极管的正方向的电压Vak和电流密度Ja的关系JaO的一个例子的图表。图6是表示电压Vak和电流密度Ja的关系的温度变化中的交叉点的一个例子的图。图7是表示图1的二极管的反方向的电压Vea和电流密度Jk的关系JkI的一个例 子，以及比较例的二极管的反方向的电压Vka和电流密度Jk的关系JkO的图表。图8是概略地表示图4的点Pb的电场强度E和载流子浓度CC的图表。图9是表示二极管的、在额定电流密度下的Vf和浪涌电压Vsurge的每一个，和ρ层 的宽度Wp占阴极部的宽度W。的比例的关系的一个例子的图表。图10是表示在图1中在P层的宽度Wp占阴极部的宽度W。的比例为0%的情况下 的二极管的恢复特性的一个例子的图表。图11是表示在图1中在ρ层的宽度Wp占阴极部的宽度W。的比例为10%的情况 下的二极管的恢复特性的一个例子的图表。图12是表示在图1中在ρ层的宽度Wp占阴极部的宽度W。的比例为20%的情况 下的二极管的恢复特性的一个例子的图表。图13是表示在图1中在ρ层的宽度Wp占阴极部的宽度W。的比例为50%的情况 下的二极管的恢复特性的一个例子的图表。
图14是表示图1的二极管的最大反向电压VKKM、额定电流密度下的Vf、和浪涌电压 Vsurge的每一个，和图2的杂质浓度的峰值C1和C3的比C1ZiC3的关系的一个例子的图表。图15是如下图表，其表示表示图2的峰值C2比C1高的情况下的图1的二极管在 额定电流密度下的Vf和恢复损失Ekk的折衷特性的特性曲线EkkI的一个例子；表示图2的 峰值C2和C1相等的情况下的图1的二极管的在额定电流密度下的Vf和恢复损失Ekk的关 系的特性曲线Eke。2的一个例子；和表示比较例的二极管在额定电流密度下的Vf和恢复损 失Ekk的关系的特性曲线EkkO的一个例子。图16是表示图1 二极管的在额定电流密度下、和图2的杂质浓度的峰值C1和 C2的比C2ZiC1的关系的一个例子的图表。图17是如下图表，其表示在图2的峰值C2比C1高的情况下的导通状态的沿着箭 头Da(图1)的空穴浓度CChl和电子浓度CCel的一个例子；在图2的峰值C2和C1相等的 情况下的导通状态的沿着箭头Da(图1)的空穴浓度CCh2和电子浓度CCe2的一个例子。图18是概略地表示作为本发明的实施方式2的半导体装置的二极管的结构的剖 面图。图19是概略地表示图18的二极管的变形例的结构的剖面图。图20是概略地表示作为本发明的实施方式3的半导体装置的二极管的结构的剖 面图。图21是概略地表示图20的二极管的第一变形例的结构的剖面图。图22是概略地表示图20的二极管的第二变形例的结构的剖面图。图23是表示图20的二极管和比较例的二极管各自的在导通状态下的载流子浓度 CC3和CCO的一个例子的图表。图24是表示图20的二极管的正方向的电压Vffi和电流密度Ja的关系JA3的一个 例子，以及比较例的二极管的正方向的电压Vffi和电流密度Ja的关系JaO的一个例子的图表。图25是表示图20的沟槽的深度y和额定电流密度下的Vf的关系的一个例子的 图表。图26是表示比较例的二极管的结构的剖面图。
具体实施例方式下面，基于附图对本发明的一个实施方式进行说明。(实施方式1)参照图1，作为本实施方式的半导体装置的二极管具有阳极电极5(第一电极)； P层3(第一层)；n_漂移层(drift layer)l(第二层)山层15(第四层)；阴极层CLa(第 三层)；阴极电极4(第二层)。ρ层3、η—漂移层1、η层15、和阴极层CLa例如由被添加了 导电型杂质的Si构成。ρ层3设置在阳极电极5上(图中，紧邻下方)，具有ρ型(第一导电型)。IT漂移层1在ρ层3上(图中，紧邻下方)以尺寸t3的厚度设置。此外η—漂移 层1具有与P型不同的导电型，即η型(第二导电型)。阴极层CLa隔着η层15设置在η_漂移层1上(图中，下方)。此外阴极层CLa在平面观察中具有宽度W。的长方形状。此外阴极层CLa具有具有η型的η+区域2 (第一部 分)、具有P型的P区域16 (第二部分)。此外在本实施方式中，η+区域2和ρ区域16分别具有在平面观察中宽度Wn的长 方形状和宽度Wp的长方形状。此外阴极层CLa、n+区域2、和ρ区域16具有在平面观察中 相同的长度。此外宽度W。、宽度Wn和宽度Wp之间，有W。= Wn+Wp&关系。由此在平面观察 中n+区域2的面积和ρ区域16的面积的比为Wn Wp。此外阴极层CLa以满足下式的方式 形成。0. 2 ^ ffp/ffc ^ 0. 95由此在η层15上，ρ区域16相对于η+区域2和ρ区域16的总面积所占的比例为 20%以上95%以下。再有，图中的尺寸tl对应于η.区域2和ρ区域16各自的厚度，例如是0. 2 5 μ m。 此外尺寸tsub对应于半导体层整体的厚度。η层15设置在η_漂移层1和阴极层CLa之间，并且具有η型(第二导电型)。此 外η层15的厚度具有在图中从尺寸t2减去尺寸tl后的尺寸，例如是1 50 μ m。此外，η 层15具有位于η+层2上的η区域15η (第三部分)、和位于ρ区域16上的η区域15ρ (第 四部分)。此外η层15含有的导电型杂质实质上仅是η型的导电型杂质，实质上不包含ρ 型的导电型杂质。阴极电极4设置在阴极层CLa上。进而参照图2，杂质分布图Ca和Cb分别表示深度Da和Db (图1)中的杂质浓度的 分布。η+区域2具有比η_漂移层1的杂质浓度的峰值Ctl高的杂质浓度的峰值C4。此外η+ 区域2的杂质浓度的峰值C4比ρ区域16的杂质浓度的峰值C3高。η区域15ρ的杂质浓度 的峰值C1相对于ρ区域16的杂质浓度的峰值C3的比是0. 001以上0. 1以下。η层15的 杂质浓度的峰值C1和C2分别比η_漂移层1的杂质浓度的峰值Ctl高，并且比阴极层CLa的 η+区域2的杂质浓度的峰值C4低。例如，η+区域2的表面浓度是IX IO17 lX1021cnT3，ρ区域16的表面浓度是 1 X IO16 1 X 1021cnT3。此外η层15的杂质浓度的峰值C1和C2是1 X IO16 1 X 1020cnT3。再有，在本实施方式中η层15含有的导电型杂质实质上仅是η型的导电型杂质， 实质上不包含P型的导电型杂质。因此图2的深度tl t2的区间内的杂质浓度分布图Cb 表示η型的导电型杂质的浓度。如果在η区域15ρ在η型的导电型杂质之外还实质上包含 P型的导电型杂质的情况下，杂质浓度指的是实效的杂质浓度，即P型和η型导电型杂质的 浓度的差分。接着，对比较例的二极管进行说明。参照图26，在比较例的二极管中，代替本实施方式的阴极层CLa，具有由η.区域2 构成的阴极层CLb。在阴极CLb的紧邻上方存在η层15。在该比较例中，考虑以下2个问题。第一，在恢复工作时，在η+区域2和η层15侧残留的空穴浓度低，并且耗尽层容 易延伸。在该耗尽层抵达η层15的瞬间产生振荡现象，因此安全工作区域(SOA =Safety Operating Area)禾口恢复耐量(recoverytolerance)下降。第二，在恢复时的振荡现象的对策上，需要使从作为主结的P层3/rT漂移层1结
7向阴极侧的耗尽层的延伸延迟，因此在本比较例中产生增大对应于η—漂移层的厚度的尺 寸t3的需要。结果，难以改善Vf的降低和恢复损失(Ekk)之间的折衷特性(trade-off characteristics)0在比较例中，当减小尺寸t3时产生上述第一问题，当增大尺寸t3时产生上述第二 问题。即在本比较例中，难以使Vf的降低和恢复损失之间的折衷特性的改善、和振荡现象 的抑制等引起的SOA耐量的提高共同实现。相对于此，根据本实施方式，确保了耐压，并且能够使Vf的降低和SOA耐量的提高 共同实现。即，能够降低VF，使最大反向电压提高，并且抑制恢复时的振荡。参照图3，为了验证上述作用效果，对于包含作为本实施方式的半导体装置的 实施例的额定3300V级别的二极管的电路进行了模拟。该电路具有二极管DD、作为 IGBTdnsulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)的晶体管TR、线圈LM、 LAK、LCE、电阻RL、RAK、RCE、RG、电源VC、VG、电流源ION。线圈LM对应于寄生电感、电阻RG 对应于IGBT的栅极电阻、电源VG对应于IGBT的栅极电压。此外线圈LAK、LCE对应于用于 使实测结果和模拟结果匹配的布线阻抗。此外电阻RL、RAK, RCE对应于用于使实测结果和 模拟结果匹配的布线关联电阻。以下，对该模拟的结果进行说明。参照图4，关于本实施例和比较例，进行了恢复特性波形、即恢复时的电压Vak和电 流密度Ja的时间变化的模拟。图中，电压VakI和电流密度JaI对应于本实施例(图1)的二 极管，电压VakO和电流密度JaO对应于比较例的二极管(图26)。根据本实施例，与比较例 相比，抑制了恢复时产生的振荡。由此，作为电源Vffi的峰值电压的浪涌电压Vsurge,在比较 例中是5000V以上，但在本实施例中被抑制到3000V左右。再有，作为模拟条件，线圈LM作为12 μ H，电源VC设定为1700V，额定电流密度JaR 设定为90A/cm2，正方向的电流Jf设定为JAR/10，温度设定为298K。参照图5，进行了电流密度Ja-电压Vak特性的模拟。图中，关系JaI对应于本实施 方式的实施例(图1)的二极管，关系JaO对应于比较例的二极管(图26)。此外Vf是电流 密度Ja为额定电流密度JaR = 90A/cm2时的电压VAK。根据本实施例，与比较例相比能够降 低VF。再有，电流密度Ja-电压Vffi特性通常根据温度而变化。25°C和125°C的情况下的 电流密度Ja-电压Vffi特性，例如如图6所示。再有，将两特性曲线交叉的点作为交叉点CP。参照图7，进行了反方向特性(电流密度Jk-电压Vka)的模拟。图中，关系JkI对 应于本实施例(图1)的二极管，关系JkO对应于比较例的二极管(图26)。此外，假设最大 反向电压Vkkm是电流密度Jk = 1 X 10_2A/cm2时的电压VKA。根据本实施例，与比较例相比能 够提高最大反向电压VKKM。再有，当η层15实质上包含ρ型导电型杂质时，最大反向电压Vkkm变低。反之而 言，通过做成η层15含有的导电型杂质实质上仅是η型的导电型杂质，从而最大反向电压
Verm提闻。主要参照图8，使用模拟对在点PB (图4)的电场强度E和载流子浓度CC的相对于 元件深度方向的分布进行了分析。图中，横轴是沿着箭头Da(图1)的深度。此外，空穴浓 度CChl、电子浓度CCel、和电场强度El对应于本实施例(图1)的二极管，空穴浓度CChO、 电子浓度CCeO、以及电场强度EO对应于比较例的二极管(图26)。在本实施例的结构(图1)中，在恢复现象时，通过位于阴极侧的P区域16注入空穴，从而阴极侧空穴浓度CChl与 比较例的空穴浓度CChO相比提高。结果，如图中箭头RE所示，产生了阴极侧的电场强度E 缓和的电场缓和现象。主要参照图9 图13，为了探讨Vf(图5)和浪涌电压Vsurge(图4)的每一个、与宽 度的比Wp/W。(图1)的相关(图9)，进行了在各种各样的比Wp/W。下的恢复特性波形(电流 Ia和电压Vak各自的恢复时的时间变化)的模拟(例如图10 图13)。结果，在宽度Wp是宽度W。的20%以上的情况下，即ρ区域16的面积相对于η.区 域2和ρ区域16(图1)的总面积所占的比例是20%以上的情况下，恢复时的振荡被抑制， 由此浪涌电压Vsurge显著地被抑制到作为额定电压的3300V以下。此外，当宽度Wp超过宽度W。的95%时，Vf激增，由此可能对二极管的工作产生障 碍。反之而言，通过宽度Wp为宽度W。的95%以下、即P区域16的面积相对于η.区域2和 P区域16的总面积所占的比例为95%以下，从而显著地抑制VF。主要参照图14，通过模拟探讨了最大反向电压VKKM、Vf和浪涌电压Vsurge的每一个， 与杂质浓度的峰值C1和C3(图2)的比C1ZiC3的相关。再有，根据图9的结果，以抑制恢复时 的振荡的方式将宽度Wp作为宽度W。的20%。根据模拟的结果，可知通过将比C1Zt3作为IXliT1以下，从而能够显著地将浪涌电 压Vsurge抑制在作为额定电压的3300V以下。此夕卜，可知通过将比CVC3作为1X10—3以上，确保最大反向电压VKKM(图7)为额定 电压3300V以上。其理由是，通过将比C1ZiC3作为IX 10_3以上，抑制了从作为主结的ρ层3/ η—漂移层1结向阴极侧的耗尽层的延伸。参照图15，通过模拟探讨了恢复损失EKEC(mJ/A ·脉冲)和Vf(V)的折衷特性。图 中，特性曲线Eke。1是杂质浓度的峰值C1和C2 (图2)满足C2 > C1的情况下的特性曲线，特 性曲线Eke。2是满足C2 = C1的情况下的特性曲线。另一方面，特性曲线EkkO对应于比较例 (图26)的二极管。结果，可知与比较例(图26)的结构的情况(特性曲线EkecO)相比，在本实施例的 结构(图1)的情况(特性曲线Eke。1和Eke。2)下，恢复损失Ekk和Vf的折衷特性被改善，特 别是在杂质浓度的峰值C1和C2满足C2 > C1的情况下(特性曲线Eke。1)，能够进一步改善。 即可知在SOA的观点下在维持尺寸t3(图1和图26)的同时，即不依赖于尺寸t3的减少， 能够改善上述折衷特性。再有，Vf如图16所示，随着杂质浓度的峰值的比C2Zt1变大而降低。参照图17，是在导通状态的情况下，即电流密度Ja与额定电流密度JaR(图5)相 等的情况下的载流子浓度CC的模拟结果。图中，横轴是沿着箭头Da(图1)的深度。此外， 空穴浓度CChl和电子浓度CCel对应于杂质浓度的峰值C1和C2满足C2 > C1的情况，空穴 浓度CCh2和电子浓度CCe2对应于杂质浓度的峰值C1和C2满足C2 = C1的情况。根据该结果，可知通过峰值C1和C2成为C2 > C1，在导通状态下阴极附近的载流子 浓度变高。通过该载流子浓度的增大而Vf(图16)降低，结果，可以认为恢复损失E-和Vf 的折衷关系(图15)被改善。根据本实施方式，降低VF，抑制恢复时的振荡，最大反向电压Vkkm提高。针对该方 面在以下详细进行说明。
在本实施方式的二极管结构(图1)中，通过在恢复现象时从ρ区域16注入空穴， 从而阴极侧的空穴浓度CChl (图8)与比较例的二极管结构(图26)的情况下的空穴浓度 CChO相比被提高。结果，与比较例相比，在本实施方式中，在恢复时如箭头RE(图8)所示， 阴极侧的电场被缓和，因此从作为主结的P层3/rT漂移层1结向阴极侧的耗尽层的延伸被 抑制。由此，如图4所示，恢复时的振荡现象被抑制，因此二极管的SOA耐量提高。像这样， 本实施方式的二极管(图1)通过在恢复现象时通过来自P区域16的空穴的注入而引起电 场缓和(抑制耗尽层延伸)，从而应对振荡，所以能够减小η—漂移层1的厚度t3，如图15所 示能够改善恢复损失Eke。、和Vf的折衷特性。为了在恢复工作时促进来自阴极侧的空穴注入，在图1中，ρ区域16的面积占阴极 层CLa的面积的比例(图1中的宽度 和义的比Wp/W。)是重要的参数。S卩，如图4所示， Vf和浪涌电压Vsuw较大地依赖于该参数而较大地变化。根据本实施方式，通过满足以下的 式(1)，从而一边抑制恢复时的振荡，一边保障二极管的良好的工作。20%彡比 Wp/Wc 彡 95% …(1)在上述式(1)中，上限值95%是用于使Vf(图9)减小到充分实用程度的条件。此 外，下限值20%是用于将Vak波形(图10 图13)的波形的浪涌、即Vsmge(图9)显著地抑 制到耐压级别的值(在上述的模拟中是3300V)以下的条件。通过像这样满足式(1)，从而 降低Vf、并且抑制恢复时的振荡。如上述那样通过在降低Vf、并且抑制恢复时的振荡的同时，使杂质浓度的峰值C1 和C3(图2)的比CVC3(图14)满足以下的式(2)，从而最大反向电压Vkkm提高。0. 001 ^ 比 C1ZC3 ( 0. 1 ... (2)在上述式(2)中，上限值0.1是用于通过将从阴极层CLa的ρ区域16注入的空穴 的量作为充分的量，从而将Vsuw抑制到耐压级别的值(在上述模拟中是3300V)以下的条 件。此外下限值0. 001是用于防止在反偏置时从作为主结的ρ层3/rT漂移层1结向阴极 侧延伸的耗尽层到达P区域16而引起的最大反向电压Vkkm的降低的条件。此外，通过杂质浓度的峰值C1和C2(图2)满足以下的式(3)，从而提高二极管在 导通状态时的阴极侧的载流子浓度CC(图17)。C2 > C1 ... (3)因为像这样载流子浓度CC提高，结果是VF(图16)降低，因此恢复损失Ekec和Vf 的折衷特性(图15)被改善。在满足上述的⑴ (3)的情况下，能够得到与比较例的二极管(图26)相比，具 有特别优越的特性的二极管。(实施方式2)参照图18，作为本实施方式的半导体装置的二极管，具有n型扩散层17(第五 层)、沟槽结构26a、p+扩散层18、层间绝缘膜19、绝缘膜20、23、硅化物层21a、阻挡金属层 22。η型扩散层17设置在ρ层3和η_漂移层1之间，并且具有η型。沟槽结构26a具 有贯通P层3和η层扩散层17的沟槽，此外具有隔着栅极绝缘膜12而埋入该沟槽的栅极 电极14。此外，栅极电极14通过层间绝缘膜19与阳极电极5电绝缘。硅化物21a用于实 现与Si扩散层的低接触电阻，例如由TiSi2、CoSi、或WSi构成。阻挡金属层22例如由TiN
10构成。层间绝缘膜19例如是被添加了硼、磷等的硅酸盐玻璃膜。再有，关于上述以外的结构，由于与上述实施方式1的结构大致相同，对同一或对 应的要素赋予同一附图标记，不重复其说明。接着，对本实施方式的二极管的制造方法进行说明。首先准备作为厚的IT漂移层1的衬底。IT漂移层1的杂质浓度依赖于耐压级别 而决定，例如在600 6500V级别中，是1 X IO12 1 X IO15CnT3。接着在该衬底的表面形成ρ层3和位于ρ层3的紧邻下方的η型扩散层17。ρ层 3例如具有峰值浓度1 X IO16 1 X IO18Cm-3,以及扩散深度1 4 μ m。η型扩散层17的杂质 的峰值浓度是η_漂移层1的杂质浓度以上，并且是ρ层3的杂质浓度的峰值以下。接着在 衬底表面形成P+扩散层18。ρ+扩散层18例如具有表面浓度1 X IO18 1 X IO20Cm-3,以及扩 散深度0. 5 μ m。接着形成沟槽结构26a和阴极层CLa。再有，p+扩散层18在形成沟槽结构26a之后形成也可。本实施方式的二极管在对二极管施加反方向电压时，以对栅极电极14施加比阴 极电极4的电位低的电位的方式使用。为此，例如栅极电极14电连接于阳极电极5。再有， 在对二极管施加反方向电压时阴极电极4的电位变为正的情况下，栅极电极14也可以接 地。在该情况下，根据模拟的结果，可知能够使交叉点CP (图6)的电流密度Ja变小。 由此，能够使交叉点CP的电流密度比二极管变为过载那样的电流密度小。在该情况下，因 为在变为过载的二极管中Vf的温度系数变为正，所以能够防止向变为过载的二极管的电流 集中。此外，能够通过η型扩散层17，控制在元件导通时从ρ层3注入的空穴的量。此外，沟槽结构26a成为虚拟的场板结构，促进从P层3和η型扩散层17的结部 的耗尽层的延伸，由此能够保持最大反向电压Vm。此外通过与ρ层3和η型扩散层17的 界面相比较深地形成沟槽结构26a，从而能够更可靠地保持最大反向电压Vm。此外在比较例的二极管(图26)中，通常通过调整n_漂移层1的载流子的寿命， 从而控制恢复损失Ekk和Vf的折衷特性。相对于此根据本实施方式，通过调整ρ层3的浓 度从而控制该折衷特性，并且扩大能够控制该折衷特性的范围，并且通过废除寿命调整工 序而使晶片处理简易化。参照图19，对本实施方式的变形例进行说明。本变形例的二极管具有n型扩散层 17、沟槽结构27、p+扩散层18、硅化物层21a、21b、阻挡金属层22b。沟槽结构27具有贯通 P层3和η层扩散层17的沟槽，此外具有隔着栅极绝缘膜12而埋入该沟槽的栅极电极14。 此外栅极电极14与阳极电极5电连接，成为与阳极电极5相同电位的电极。根据本变形例，在栅极电极14施加与阳极电极5相同的电位。由此，即使不从二 极管的外部控制栅极电极14的电位，在对二极管施加反方向的电压时，也能够对栅极电极 14施加比阴极电极4的电位低的电位。结果，得到与本实施方式同样的效果。(实施方式3)参照图20，作为本实施方式的半导体装置的二极管，具有阳极电极5(第一电 极)、Ρ层3(第一层)、η-漂移层1(第二层)、η层15(第四层)、阴极层CLb (第三层)、阴 极电极24(第二电极)、沟槽结构26b、层间绝缘膜19、绝缘膜20、23、阻挡金属层22。
ρ层3设置在阳极电极5上，并且具有ρ型(第一导电型)。η—漂移层1设置在ρ 层3上，此外具有与ρ型不同的导电型，即η型(第二导电型)。阴极层CLb隔着η层15在η—漂移层1上设置。此外阴极层CLb具有η+区域2 (第 一部分)。η+区域2具有η型，并且具有比η_漂移层1的杂质浓度的峰值高的杂质浓度的 峰值。η层15设置在η_漂移层1和阴极层CLb之间。此外η层15具有η型，并且具有 比η_漂移层1的杂质浓度的峰值高的杂质浓度的峰值，并且具有比η+区域2的杂质浓度的 峰值低的杂质浓度的峰值。阴极电极24设置在阴极层CLb上。沟槽结构26b具有贯通η+区域2和η层15的沟槽，此外具有隔着栅极绝缘膜12 而埋入该沟槽的栅极电极14。S卩，沟槽结构26b设置在η+区域2和η层15。栅极电极14和阴极电极24分别连接于电压源30的正极侧和负极侧。由此沟槽 结构26b以将阴极电极24的电位作为基准施加正的电位的方式构成。再有，关于上述以外的结构，由于与实施方式1的结构大致相同，对同一或对应的 要素赋予同一附图标记，不重复其说明。此外，也可以使用代替上述阴极层CLb而具有阴极层CLa的结构(图21)，或不具 有η层15的结构(图22)。为了探讨本实施方式的二极管的特性，进行与实施方式1相同的模拟。以下，对该 模拟的结果进行说明。参照图23，进行了导通状态下的载流子浓度CC的模拟。结果，可知本实施方式的 实施例的二极管(图20)的载流子浓度CC3，与比较例的二极管(图26)的载流子浓度CCO 相比变高。即，可知在导通状态下阴极附近的载流子浓度提高。可以认为通过该载流子浓 度的增大，Vf降低。参照图24，进行了电流密度Ja-电压Vak特性的模拟。图中，电流密度Ja3对应于本 实施例(图20)的二极管，电流密度JaO对应于比较例的二极管(图26)。根据本实施例， 与比较例相比，朝向电压Vak小的方向，电流密度Ja-电压Vffi的特性曲线移动(shift)。即， 可知能够降低Vf。参照图25，进行沟槽结构26b的深度y，和Vf的相关的模拟。结果，可知通过使沟 槽深度y为尺寸t2以上，能够充分降低VF。即通过以贯通η+区域2和η层15的方式设置 沟槽结构26b，能够充分降低VF。根据本实施方式，通过对存在于阴极侧的沟槽结构26b施加正偏压，从而在沟槽 侧壁部形成累积层，由此虚拟地扩大n+区域2，因此能够在元件导通时促进来自阴极侧的电 子注入。由此，能够降低VF。此外，通过以贯通η.区域2和η层15的方式设置沟槽结构26b，能够充分降低VF。 再有，在变形例(图22)中，以贯通η+区域2的方式设置沟槽结构26b即可。再有，在上述各实施方式中，第一和第二导电型分别被作为ρ型和η型，但本发明 并不限定于此，第一导电型和第二导电型分别作为η型和P型也可。此外，在上述各实施方式中作为半导体装置针对二极管进行了说明，但本发明的 半导体装置并不限定于二极管单体，是包含二极管的功率模块也可。作为这样的功率模块，例如包含IGBT。此外，针对ρ层3、n_漂移层l、n层15、阴极层CLa是由被添加了导电型杂质的Si 构成的情况进行了说明，但代替Si，使用SiC或GaN等的宽禁带材料也能获得同样的效果。此外作为实施例针对额定3300V级别的高耐压半导体装置进行了说明，但本发明 也能够对其他的耐压级别应用。对本发明详细地进行了说明和表示，但这只是为了举例表示，并不是限定，可以很 明确地理解本发明的范围是通过本发明的技术方案所要求的范围来解释的。
权利要求
一种半导体装置，具有第一电极；第一层，设置在所述第一电极上，并且具有第一导电型；第二层，设置在所述第一层上，并且具有与所述第一导电型不同的第二导电型；第三层，设置在所述第二层上；第二电极，设置在所述第三层上；以及第四层，设置在所述第二层和所述第三层之间，并且具有所述第二导电型，所述第三层包含第一部分，具有所述第二导电型，并且具有比所述第二层的杂质浓度的峰值高的杂质浓度的峰值；以及第二部分，具有所述第一导电型，所述第二部分的面积相对于所述第一和第二部分的总面积所占的比例是20％以上95％以下。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第四层的杂质浓度的峰值比所述第 二层的杂质浓度的峰值高，并且比所述第三层的所述第一部分的杂质浓度的峰值低。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，所述第四层含有的导电型杂质仅是所述 第二导电型的导电型杂质。
4.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，所述第四层包含第三部分，位于所述第一部分上；以及第四部分，位于所述第二部分上，所述第四部分的杂质浓度的峰值相对于所述第二部分的杂质浓度的峰值的比是0. 001 以上0. 1以下。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，所述第四层的所述第三部分的杂质浓度 的峰值比所述第四层的所述第四部分的杂质浓度的峰值高。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第一部分的杂质浓度的峰值比所述 第二部分的杂质浓度的峰值高。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，还具备第五层，设置在所述第一层和所述第二层之间，并且具有所述第二导电型；以及 沟槽结构，贯通所述第一和第五层。
8.一种半导体装置，具有 第一电极；第一层，设置在所述第一电极上，并且具有第一导电型；第二层，设置在所述第一层上，并且具有与所述第一导电型不同的第二导电型；以及 第三层，设置在所述第二层上，并且具有第一部分，所述第一部分具有所述第二导电型，并且具有比所述第二层的杂质浓度的峰值高的杂 质浓度的峰值，该半导体装置还具有第二电极，设置在所述第三层上；以及沟槽结构，设置在所述第一部分中，并且将所述第二电极的电位作为基准被施加正的电位。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述沟槽结构贯通所述第一部分。
10.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，在所述第二层和所述第三层之间，还具 有第四层，具有所述第二导电型，并且具有比所述第二层的杂质浓度的峰值高的杂质浓度 的峰值，并且具有比所述第一部分的杂质浓度的峰值低的杂质浓度的峰值。
11.根据权利要求10所述的半导体装置，其中，所述沟槽结构贯通所述第一部分和所 述第四层。
12.根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第三层包含具有所述第一导电型 的第二部分。
全文摘要
本发明涉及半导体装置。第一层(3)设置在第一电极(5)上，并且具有第一导电型。第二层(1)设置在第一层(3)上，并且具有与第一导电型不同的第二导电型。第三层(CLa)设置在第二层(1)上。第二电极(4)设置在第三层(CLa)上。第四层(15)设置在第二层(1)和第三层(Cla)之间，并且具有第二导电型。第三层(CLa)具有第一部分(2)和第二部分(16)。第一部分(2)具有第二导电型，并且具有比第二层(1)的杂质浓度的峰值高的杂质浓度的峰值。第二部分(16)具有第一导电型。第二部分(16)的面积相对于第一部分(2)和第二部分(16)的总面积所占的比例是20％以上95％以下。
文档编号H01L29/06GK101908558SQ20101018024
公开日2010年12月8日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年6月4日
发明者中村胜光 申请人:三菱电机株式会社