纵向型半导体装置及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够应用于MOSFET (绝缘栅型场效应晶体管)、IGBT (绝缘栅型双极晶体管)等的具有高耐压且大电流容量的超结(Super Junct1n)结构的纵向型半导体装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002]半导体装置一般存在单面具有电极部的横向型和双面具有电极的纵向型。纵向型半导体装置导通时漂移电流流动的方向与截止时由反向偏置电压引起的耗尽层延伸的方向相同。例如在通常的平面型的η沟道纵向型MOSFET的情况下，在MOSFET处于导通状态时，高电阻的η漂移层作为使漂移电流沿纵向流动的区域发挥作用，在MOSFET处于截止状态时，高电阻的η漂移层耗尽而起到提高耐压的作用。通过使该高电阻的η漂移层的厚度变薄来缩短电流路径而漂移电阻变低。因而，具有降低MOSFET的实质的导通电阻的效果。然而，相反地，由于在η漂移区域扩展的耗尽层的宽度变窄，因此耐压下降。
[0003]另一方面，在耐压高的半导体装置中，需要使η漂移层厚以确保耐压。因此，导通电阻变大，导通损失增加。这样，导通电阻与耐压之间存在折衷关系。
[0004]已知该折衷关系在IGBT、双极晶体管、二极管等的纵向型半导体装置中成立。
[0005]另外，该折衷关系对于横向型半导体装置也相同。作为改善该折衷关系的方法，已知如下一种超结结构的纵向型半导体装置，该超结结构的纵向型半导体装置具有由提高了杂质浓度的η型区域和P型区域交替地配置而得到的并列ρη层构成的漂移层。
[0006]图25表示具有以往的超结结构的纵向型半导体装置500的俯视图和截面图。图25的(a)示出俯视图的一部分，图25的(b)是图25的(a)的X-X’截面图。在此，示出了配置在源极焊盘电极56下和栅极焊盘电极57下的并列ρη层60的宽度相同的情况。
[0007]该纵向型半导体装置500具备活性区域53以及配置于活性区域53的外周部的耐压结构区域52。在活性区域53配置有栅极焊盘区域54 (图25的(a)所示的双点划线内)。在活性区域53配置有P阱区域55，在栅极焊盘区域54以外的活性区域53的p阱区域55的上表面配置有源极焊盘电极56。在活性区域53内的外周端以包围活性区域53的方式形成P阱区域55，在其上表面配置与栅极焊盘电极57连接的栅极浇道58。
[0008]配置在源极焊盘电极56下的栅电极59的俯视形状为沿图25的(a)的Q方向延伸的条状，以延伸至栅极焊盘电极57下的整个区域的方式进行配置。此外，图25的(a)的Q方向表示与后述的并列ρη层60的P型分隔区域60a和η型漂移区域60b重复交替地配置的方向垂直的方向。
[0009]在源极焊盘电极56下和栅极焊盘电极57下的第一 η漂移区域69的表面层配置P阱区域55。在P阱区域55的表面层配置η+源极区域61、ρ+接触区域62。在ρ阱区域55下，与P阱区域55接触地配置P型分隔区域60a。在被上述的n+源极区域61和第一 η漂移区域69夹持的ρ阱区域55上隔着栅极绝缘膜68配置栅电极59。该栅电极59延伸，从而也被配置在栅极焊盘电极57下。源极焊盘电极56下的η+源极区域61、ρ +接触区域62与配置在上部的源极焊盘电极56连接。另外，源极焊盘电极56下的栅电极59通过层间绝缘膜64而与源极焊盘电极56电隔离，外周部通过接触孔65与栅极浇道58连接。
[0010]如上所述，在活性区域53内和栅极焊盘区域54内形成相同尺寸的MOS结构J，在P阱区域55下形成有与P阱区域55连接的P型分隔区域60a。ρ型分隔区域60a的宽度在源极焊盘电极56下部和栅极焊盘电极57下部是相同的。图25的(a)所示的与Q方向平行的虚线是用线示意性地示出栅电极59。J部的MOS结构由ρ阱区域55、n+源极区域61、栅极绝缘膜68以及栅电极59构成。
[0011]栅极焊盘电极57下的n+源极区域61和P+接触区域62沿图25的(a)图中的Q方向延伸而与源极焊盘电极56连接。
[0012]该纵向型半导体装置500的漂移层不是均匀且单一的导电型，而是由很多并列ρη层60构成，该很多并列ρη层60是由纵形层状的η型漂移区域60b (η型柱)和纵形层状的P型分隔区域60a (ρ型柱)交替重复接合而得到的。
[0013]通过提高构成并列ρη层60的η型漂移区域60b的杂质浓度来减小导通电阻，通过取得η型漂移区域60b和ρ型分隔区域60a的电荷平衡，能够使并列ρη层60的整个区域耗尽而高耐压化。因此，能够改善上述的折衷关系。上述的取得电荷平衡是指，以使在η型漂移区域60b内扩展的耗尽层的宽度与在ρ型分隔区域60a内扩展的耗尽层的宽度相同的方式决定各自的杂质浓度并在额定电压以下使并列ρη层60的整个区域耗尽。
[0014]在专利文献I中记载了以下内容:为了抑制在栅极焊盘电极下产生雪崩载流子并实现导通电阻的减小，在栅极焊盘电极正下方形成MOS结构部并使η型柱和ρ型柱的杂质浓度低于源电极下的η型柱和ρ型柱的杂质浓度。
[0015]另外，在专利文献2中记载了以下内容:为了抑制栅极焊盘电极的正下方部分的雪崩击穿并确保稳定的耐压，在栅极焊盘电极正下方设置P阱区域，使在该P阱区域下与该P阱区域连接的并列Pn层的间距与活性区域的相比窄且使杂质浓度与活性区域的相比低。
[0016]在具有该超结结构的纵向型半导体装置中，由于并列ρη层的ρη结的端部与P讲区域连接，因此能够获得良好的电荷平衡，并且不容易产生在关断时易于发生的动态雪崩击穿。
[0017]另外，在专利文献3中记载了以下内容:在平面型半导体装置中，在栅极焊盘电极下也形成有MOSFET的原胞(cell)结构。
[0018]专利文献1:日本特开2009-99911号公报
[0019]专利文献2:日本特开2001-298191号公报
[0020]专利文献3:日本特开2005-150348号公报
【发明内容】
[0021]发明要解决的问题
[0022]图26和图27示出图25所示的纵向型半导体装置500的关断时的载流子(电子74)的流动。
[0023]图26是表示进入关断动作之前的导通状态的电子74的流动的图。在导通状态下，从源极焊盘电极56流出到n+源极区域61的电子74通过沟道反转层67被注入到第一 η漂移区域69，经由η型漂移区域60b流向n+漏极区域71。此时，对于从活性区域53的周边部的n+源极区域61流出的电子74，由于栅极焊盘电极57正下方的ρ型分隔区域60a而向并列ρη层60的ρ型分隔区域60a和η型漂移区域60b交替重复的方向(图中虚线箭头的横方向)扩散的被阻止。因此，与在漂移层不形成并列ρη层60的纵向型半导体装置中电子74的流动沿与并列ρη层60的重复方向(图中横方向虚线箭头所示)相同的方向(图中虚线箭头)扩散的情况相比，导通电阻大，从而导通电阻与耐压的折衷关系未必理想。
[0024]图27是表示转变成关断动作而电压上升的状态的图。虚线所示的耗尽层81从用粗线表示的ρη结80 (在此仅示出了一个位置的粗线)开始扩展，该ρη结80由ρ阱区域55和ρ型分隔区域60a与第一 η漂移区域69、第二 η漂移区域72以及η型漂移区域60b构成。所残留的电子74通过该耗尽层81被向n+漏极区域71扫出。
[0025]当关断动作下的电流密度例如高达ΙΟΟΑ/cm2而在该状态下耗尽层81内的电场强度变高时产生动态雪崩。由于该动态雪崩而大量产生的空穴83通过ρ阱区域55和p+接触区域62流向源极焊盘电极56。但是，进入栅极焊盘电极57下的ρ阱区域55和p+接触区域62的空穴83移动长的距离到达处于Q方向的源极焊盘电极56。因此，由于ρ阱区域55和ρ+接触区域62的Q方向的电阻R而栅极焊盘电极57的中央下方的ρ阱区域55和ρ +接触区域62的电位上升，从而E部的由η+源极区域61、ρ阱区域55以及η型漂移区域60b构成的寄生npn晶体管产生误触发。由于该误触发，大量的后续电流流过而产生击穿。也就是说，关断(动态雪崩)耐量降低。另一方面，流入源极焊盘电极56下的ρ阱区域55和P+接触区域62的空穴83被处于ρ +接触区域62正上方的源极焊盘电极56抽出，因此不产生该现象。
[0026]另外，在静态雪崩的情况下，在耗尽层81内产生的空穴83也表现相同的运动状态，从而使栅极焊盘电极57下的雪崩耐量降低。
[0027]图28和图29是表示图25的纵向型半导体装置500的寄生二极管的反向恢复现象的图。图28示出正向电流流过寄生二极管的状态。图29示出寄生二极管进行反向恢复的状态。
[0028]在图28中，从源极焊盘电极56注入到ρ阱区域55的空穴83通过由ρ阱区域55和P型分隔区域60a与第一 η漂移区域69、第二 η漂移区域72以及η型漂移区域60b构成的ρη结80流向第二 η漂移区域72。另一方面，从η +漏极区域71注入到第二 η漂移区域72的电子74通过η型漂移区域60b流向ρ型分隔区域60a。由于这些空穴83和电子74，并列ρη层60 (圆90内)产生电导率调制，累积过剩载流子。
[0029]在图29中，在反向恢复时耗尽层81从上述的ρη结80开始扩展，过剩的空穴83经由P阱区域55和ρ+接触区域62被向源极焊盘电极56扫出。另一方面，过剩的电子74经由η+漏极区域71被向漏电极73扫出。当在存在很多载流子的状态下耗尽层81内的电场强度变高时产生动态雪崩。栅极焊盘电极57下的由于动态雪崩而产生的很多空穴83流向处于Q方向的源极焊盘电极56。于是，如以图27说明的那样，栅极焊盘电极57下的E部的寄生npn晶体管产生误触发。因此，动态雪崩耐量降低。
[0030]能够推测在专利文献1、2中也发生以上述的图26?图29说明的现象。
[0031]另外，在专利文献3中，是平面型元件而非超结型元件。另外，通过使栅极焊盘电极正下方成为活性区域能够降低导通电阻，但是如果只用该方法则电流路径被限定为P阱区域延伸的方向。因此，存在以下问题:在关断时，栅极焊盘电极正下方的H+源极区域的末端(n+源极区域与同栅极焊盘电极相向配置的源电极连接的位置)处电流密度变高，耗尽层内的电场强度变高而容易产生动态雪崩。
[0032]本发明的目的在于提供一种解决上述问题而能够获得高雪崩耐量、高关断耐量以及高反向恢复耐量的纵向型半导体装置及其制造方法。
[0033]用于解决问题的方案
[0034]为