專利名稱：功率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在短路等時(shí)抑制閉鎖(Iatchup)而且具有高耐壓特性的溝槽柵型的功率器件。
背景技術(shù)：
功率器件是一種高耐壓的半導(dǎo)體器件，在電力控制中廣泛使用。在功率器件中， IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極性晶體管)在能夠使單元結(jié)構(gòu)精細(xì)化及器件的高耐壓化等方面很優(yōu)異。IGBT在傳導(dǎo)率調(diào)制區(qū)即η型的半導(dǎo)體襯底的表面具備P型的基極區(qū)，背面具備P 型的集電極區(qū)。在基極區(qū)的表面形成η型的發(fā)射極區(qū)。而且，還在以貫穿所述發(fā)射極區(qū)的方式形成的多個(gè)縱型的溝槽中形成溝槽柵極。專利文獻(xiàn)1公布了在溝槽柵極和其它的溝槽柵極之間形成接觸孔的半導(dǎo)體裝置。 如專利文獻(xiàn)1的圖3(f)所示，在上述的接觸孔內(nèi)壁，利用熱擴(kuò)散形成被稱作“低電阻區(qū)”的 P+層。而且，上述的P+層具有降低基極電阻的效果。因此，即使在源極(發(fā)射極)_漏極(集電極)之間給予反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，由源極區(qū)_溝道區(qū)_外延層構(gòu)成的寄生晶體管不會(huì)容易成為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，依據(jù)專利文獻(xiàn)1的圖3(f)的結(jié)構(gòu)，能夠提高耐壓。專利文獻(xiàn)1 日本特開2004-303964號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2004-095962號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本實(shí)開昭63-124762號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 日本特表2007-500454號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5 日本特開2000-058823號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)6 日本特開2002-353456號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
IGBT在短路等時(shí)，基極區(qū)中的電流密度非常高。這時(shí)基極區(qū)中形成溝道的區(qū)域附近的空穴電流密度也非常高。因此，由發(fā)射極區(qū)(η型)_基極區(qū)(P型)_半導(dǎo)體襯底(η 型)_集電極區(qū)(P型)構(gòu)成的η-ρ-η-ρ結(jié)構(gòu)有時(shí)引起閉鎖。另外，在半導(dǎo)體襯底和基極區(qū)之間施加的反偏置的作用下，兩者的界面附近形成耗盡層。若耗盡層不充分伸長(zhǎng)而彎曲，則往往引起電場(chǎng)集中。該電場(chǎng)集中導(dǎo)致功率器件的耐壓劣化。在這里，依據(jù)專利文獻(xiàn)1所述的結(jié)構(gòu)，能夠避免上述的閉鎖和耗盡層導(dǎo)致的耐壓劣化。就是說，專利文獻(xiàn)1的圖3(f)所示的低電阻區(qū)使基極區(qū)的空穴向發(fā)射極電極(在專利文獻(xiàn)1中稱作“源極取出電極”)跑去，降低基極區(qū)中的空穴密度。因此不容易引起上述的閉鎖。進(jìn)而，低電阻區(qū)到達(dá)外延層(半導(dǎo)體襯底)而伸長(zhǎng)上述耗盡層。因此能夠緩沖上述耗盡層的彎曲引起的電場(chǎng)集中，并提高耐壓?？墒窃趯?shí)際的功率器件的制造中，往往按照飽和電流調(diào)試多個(gè)品種，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。這時(shí)，在專利文獻(xiàn)1所述的結(jié)構(gòu)中，需要在每次變更設(shè)計(jì)時(shí)給每個(gè)品種準(zhǔn)備溝槽形成用的掩模和接觸孔形成用的掩模等，存在著增加成本的問題。本發(fā)明就是為了解決上述問題而研制的，其目的在于提供一種功率器件，能夠在多個(gè)品種之間共用多個(gè)工序，并能以最低限度的工序變更適應(yīng)設(shè)計(jì)變更，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)抑制閉鎖和提高耐壓。 本申請(qǐng)的發(fā)明涉及的功率器件，具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在該半導(dǎo)體襯底的表面形成的第2導(dǎo)電型的基極區(qū)；在該半導(dǎo)體襯底的背面形成的第2導(dǎo)電型的集電極區(qū)； 以及在該基極區(qū)的表面形成的第1導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)。進(jìn)而其特征在于，具備在以貫通該發(fā)射極區(qū)的方式形成在該基極區(qū)的第1溝槽內(nèi)隔著柵極絕緣膜而形成的溝槽柵極；靠近該發(fā)射極區(qū)而形成在該基極區(qū)的凹坑；形成在該凹坑的內(nèi)壁并且摻雜密度比該基極區(qū)高的第2導(dǎo)電型的接觸層；在該凹坑的底部形成的第2溝槽內(nèi)隔著偽溝槽絕緣膜而形成的偽溝槽；以及與該發(fā)射極區(qū)、該接觸層及該偽溝槽電連接的發(fā)射極電極，該溝槽柵極和該偽溝槽達(dá)到該半導(dǎo)體襯底。本發(fā)明的其它特征在后面做詳細(xì)說明。(發(fā)明效果)依據(jù)本發(fā)明，能以低成本實(shí)現(xiàn)抑制閉鎖和提高耐壓的功率器件。


圖1是包含本發(fā)明的實(shí)施例1中的功率器件的剖面的斜視圖。圖2是圖1的2-2向視圖。 圖3是表示和圖2相同的部位及集電極區(qū)的圖，并且是講述形成發(fā)射極電極、柵電極等的狀態(tài)的功率器件的圖。圖4是包含本發(fā)明的實(shí)施例2中的功率器件的剖面的斜視圖。圖5是圖4的5-5向視圖。圖6是包含本發(fā)明的實(shí)施例3中的功率器件的剖面的斜視圖。圖7是包含本發(fā)明的實(shí)施例4中的功率器件的剖面的斜視圖。附圖標(biāo)記說明10功率器件；12半導(dǎo)體襯底；14集電極區(qū)；16基極區(qū)；19第1溝槽；20發(fā)射極區(qū)；22發(fā)射極延伸部分；30凹坑；40溝槽柵極；41柵極絕緣膜；42偽溝槽；43偽溝槽絕緣膜；49 第 2 溝槽。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，講述實(shí)施本發(fā)明的最佳的方式。此外，在各圖中，對(duì)于相同或相當(dāng)?shù)牟糠郑x予相同的符號(hào)，適當(dāng)簡(jiǎn)化或省略重復(fù)的講述。[實(shí)施例1]圖1是包含講述本實(shí)施例的功率器件10的剖面圖的斜視圖。此外，圖1等中繪出的剖面不是體現(xiàn)芯片端面的情況。功率器件10具備半導(dǎo)體襯底12。半導(dǎo)體襯底12是低濃度地注入η型的摻雜劑的η-層。在半導(dǎo)體襯底12的表面，具備注入ρ型的摻雜劑的基極區(qū)16。而且，在半導(dǎo)體襯底12的背面形成有ρ型的集電極區(qū)14。在基極區(qū)16的表面，形成有η型的發(fā)射極區(qū)20。發(fā)射極區(qū)20是高濃度地注入η 型的摻雜劑的η+層。進(jìn)而，以貫通發(fā)射極區(qū)20的試在基極區(qū)16形成第1溝槽19。在第1 溝槽19中形成有柵極絕緣膜41。而且，隔著柵極絕緣膜41而形成有與發(fā)射極區(qū)20、基極區(qū)16相接的溝槽柵極40。溝槽柵極40例如用被摻雜的多晶硅等形成。溝槽柵極40從后文講述的柵電極接受柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的供給。將形成溝槽柵極40及發(fā)射極區(qū)20的區(qū)域，稱作“柵極區(qū)50”。在與柵極區(qū)50靠近的基極區(qū)16中，形成凹坑30。凹坑30是在基極區(qū)16形成的凹部。凹坑30形成為比溝槽柵極40的深度淺。進(jìn)而，在凹坑30的底部具備第2溝槽49。 第2溝槽49是為了配置不傳輸柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的溝槽結(jié)構(gòu)即偽溝槽而形成的。然后，在第2 溝槽49中形成偽溝槽絕緣膜43。進(jìn)而，具備隔著偽溝槽絕緣膜43而與基極區(qū)16相接的偽溝槽42。偽溝槽42例如用被摻雜的多晶硅等形成。將這樣地形成凹坑30、與柵極區(qū)50相接、應(yīng)該形成發(fā)射極電極的區(qū)域，稱作“發(fā)射極接觸區(qū)沈”。在發(fā)射極接觸區(qū)沈中配置有發(fā)射極區(qū)20的一部分即發(fā)射極延伸部分22。 另外，在除了形成發(fā)射極接觸區(qū)沈及發(fā)射極區(qū)20的部分以外的柵極區(qū)50中的基極區(qū)16 的表面，形成有接觸層18。就是說，在除了柵極絕緣膜41、溝槽柵極40、發(fā)射極區(qū)20(包含發(fā)射極延伸部分22)以外的基極區(qū)16的表面，形成接觸層18。接觸層18是注入ρ型的摻雜劑而形成的層。形成高濃度的ρ+層地進(jìn)行該ρ型的摻雜劑的注入。然后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男毕蜃⑷氲龋?在凹坑30的內(nèi)壁也形成接觸層18。就是說，由于形成凹坑30后形成接觸層18，所以沿著凹坑30的內(nèi)壁的方式形成接觸層18。在這里，接觸層18的摻雜密度，比既沒有形成發(fā)射極區(qū)20也沒有形成接觸層18的基極區(qū)16的摻雜密度高。然后，在發(fā)射極接觸區(qū)沈中形成發(fā)射極電極。圖3示出發(fā)射極電極。圖3是表示圖1的2-2向視圖即與圖2相同的部位的圖，是用于講述形成發(fā)射極電極、柵電極等后的狀態(tài)的圖。由圖3可知以覆蓋發(fā)射極接觸區(qū)沈的方式形成發(fā)射極電極52。就是說，發(fā)射極電極52與發(fā)射極區(qū)20中的發(fā)射極延伸部分22電連接。另外，發(fā)射極電極52還與接觸層 18及偽溝槽42電連接。而且，以覆蓋凹坑30的內(nèi)壁的方式形成凹坑30中的發(fā)射極電極 52。在本實(shí)施例中，接受柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的供給的溝槽柵極40和不接受柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的供給而與發(fā)射極電極52連接的偽溝槽42，都到達(dá)半導(dǎo)體襯底12。另外，由圖3還可知 柵極布線M與溝槽柵極40連接。為了從噪聲中保護(hù)溝槽柵極40及柵極布線M并提高絕緣性而覆蓋柵極布線討地配置介電體53。本實(shí)施例的功率器件的結(jié)構(gòu)，如上所述。下面，參照?qǐng)D3，講述本實(shí)施例的功率器件的動(dòng)作及其效果。如前所述，在短路等時(shí)電流密度較高的狀態(tài)中，在發(fā)射極區(qū)20并且在第1溝槽19 附近，空穴電流密度往往上升。這時(shí)，因?yàn)樵诒緦?shí)施例的基極區(qū)16中形成凹坑30，所以在圖3中，除了用Ihl表示的空穴的通路之外，還提供用Ih2表示的空穴的通路。就是說，基極區(qū)16中的空穴，在沿著凹坑30形成的接觸層18的作用下，迅速地流掉。這樣，空穴就不會(huì)集中到基極區(qū)16中。如此依據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵O(shè)置了凹坑30，所以能夠抑制基極區(qū)16中的空穴電流密度變得非常大的現(xiàn)象。這樣抑制基極區(qū)16的空穴電流密度的上升后，能夠有效地抑制由發(fā)射極區(qū)20、基極區(qū)16、半導(dǎo)體襯底12、集電極區(qū)14構(gòu)成的n-p-n-p結(jié)構(gòu)引起的閉鎖。另外，因?yàn)閭螠喜?2與發(fā)射極電極52電連接，所以應(yīng)該施加給發(fā)射極區(qū)20的電壓也施加給偽溝槽42。因此，第1溝槽19附近的基極區(qū)16和半導(dǎo)體襯底12之間產(chǎn)生的耗盡層延伸到偽溝槽42時(shí)，耗盡層被擴(kuò)張。這樣，偽溝槽42成為原因的偽溝槽42附近的耗盡層的擴(kuò)張，特別有利于摻雜密度較低的半導(dǎo)體襯底12的耗盡層的擴(kuò)張，所以具有緩沖電場(chǎng)集中的效果，因此能夠?qū)崿F(xiàn)功率器件10的高耐壓化。一般按照功率器件的飽和電流調(diào)試多個(gè)品種，進(jìn)而對(duì)各個(gè)品種進(jìn)行變更設(shè)計(jì)，以便調(diào)整其諸特性。在這樣的情況下，例如在專利文獻(xiàn)1公布的結(jié)構(gòu)中，需要每次單獨(dú)地準(zhǔn)備溝槽形成用的掩模。另外在專利文獻(xiàn)1的結(jié)構(gòu)中，如果希望增加應(yīng)該增大飽和電流的溝槽柵極的數(shù)量，就必須形成新的溝槽，所以就會(huì)不可避免地增大單元面積。因此在專利文獻(xiàn)1 的結(jié)構(gòu)中，存在著飽和電流的變更自由度低的問題?？墒牵罁?jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，能夠解決上述問題。就是說，依據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫€能夠?qū)螠喜?2作為溝槽柵極40使用，所以飽和電流的設(shè)定的自由度高。此外在這里，作為前提，將增加溝槽柵極40的數(shù)量后導(dǎo)致的閉鎖的抑制效果的下降控制在容許范圍內(nèi)。另外，因?yàn)楸緦?shí)施例的偽溝槽42和溝槽柵極40用同一個(gè)工序形成，所以能夠不變更溝槽形成用的掩模而增減溝槽柵極40的數(shù)量。將形成的溝槽作為溝槽柵極40使用，還是作為偽溝槽42使用，是根據(jù)用于形成凹坑30的掩模等來決定。這樣將偽溝槽42定為溝槽柵極40或者相反地將溝槽柵極40定為偽溝槽42，能夠不增大單元面積而實(shí)施。因此本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)能夠在抑制閉鎖和高耐壓化的基礎(chǔ)上，使飽和電流的變更自由度高。另外，本實(shí)施例的凹坑30不到達(dá)半導(dǎo)體襯底12為止，比專利文獻(xiàn)1的接觸孔淺。 因此，容易形成接觸層18，從埋入發(fā)射極電極(源極取出電極)的角度上說，也是比專利文獻(xiàn)1有利的工序，所以還能夠提高成品率。這樣，依據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，能夠不提高以低成本制造的難易度而應(yīng)對(duì)多品種的研發(fā)和設(shè)計(jì)變更。進(jìn)而，在專利文獻(xiàn)1的圖3f、g所示的半導(dǎo)體裝置(功率器件)中，為了形成低電阻區(qū)，需要設(shè)置擴(kuò)散源層的工序以及使該擴(kuò)散源層擴(kuò)散的熱擴(kuò)散工序等。因此工序復(fù)雜。而依據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，可以用形成第1溝槽19的同一道工序形成第2溝槽49，用形成柵極絕緣膜41的同一道工序形成偽溝槽絕緣膜43，用形成溝槽柵極40的同一道工序形成偽溝槽42。因此，不必為了形成偽溝槽42等而特別追加工藝，所以能夠簡(jiǎn)化工序。在本實(shí)施例中，采用在凹坑30底部的兩個(gè)部位形成偽溝槽42的結(jié)構(gòu)。但本實(shí)施例并不局限于此。就是說，凹坑30中沿著凹坑30形成的接觸層18是為了靠近第1溝槽19、 有效地使空穴向發(fā)射極電極52跑去而設(shè)置的。因此，凹坑30底部的偽溝槽42的數(shù)量可以根據(jù)它和向半導(dǎo)體襯底12延伸的耗盡層的關(guān)系適當(dāng)決定。進(jìn)而，也未必非要在凹坑30的底部形成偽溝槽42，可以和凹坑30獨(dú)立地在不同的區(qū)域形成。同樣，關(guān)于凹坑30的形狀，只要能靠近第1溝槽19而以大面積使空穴向發(fā)射極電極跑去，就可以任意決定。[實(shí)施例2]本實(shí)施例涉及能夠改善特性的功率器件。圖4是包含本實(shí)施例的功率器件的剖面的斜視圖。另外，圖5是圖4的5-5向視圖。以下講述和實(shí)施例1的不同點(diǎn)。本實(shí)施例的發(fā)射極區(qū)108朝著和溝槽柵極40垂直的方向帶狀地形成。就是說，遍及柵極區(qū)50、發(fā)射接觸區(qū)26、鄰接?xùn)艠O區(qū)57地形成發(fā)射極區(qū)108。這樣，直到凹坑30的內(nèi)壁的一部分為止地形成發(fā)射極區(qū)108。可是，在溝槽柵極 40形成用的掩模工序和發(fā)射極區(qū)16形成用的掩模工序中，往往產(chǎn)生掩模對(duì)準(zhǔn)錯(cuò)位。但是依據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，能夠抑制起因于該掩模對(duì)準(zhǔn)錯(cuò)位的發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極電極的接觸面積的變動(dòng)對(duì)特性的影響。因此，能夠提供功率器件10的gm特性(飽和電流特性)不容易受到工藝偏差的影響的功率 器件。另外，關(guān)于抑制閉鎖及耐壓特性，也能夠獲得和實(shí)施例1相同的效果。進(jìn)而，如前所述，能以低成本應(yīng)對(duì)多品種的研發(fā)和設(shè)計(jì)變更。[實(shí)施例3]本實(shí)施例涉及能夠降低導(dǎo)通電阻、增大飽和電流的功率器件。圖6是包含本實(shí)施例的功率器件的剖面的斜視圖。以下講述和實(shí)施例1的不同點(diǎn)。本實(shí)施例的發(fā)射極區(qū)202 形成為帶狀，而不是像實(shí)施例1那種的橋狀。就是說，發(fā)射極區(qū)202中到達(dá)發(fā)射極接觸區(qū)26 的部分即發(fā)射極延伸部分200，朝著和溝槽柵極40的長(zhǎng)度方向平行地帶狀延伸。若這樣形成發(fā)射極區(qū)202，則由于發(fā)射極區(qū)202在更大的面積中與發(fā)射極電極相接，所以能夠在減少導(dǎo)通電阻的同時(shí)還能夠增大飽和電流。另外，關(guān)于抑制閉鎖及耐壓特性，也能夠獲得和實(shí)施例1相同的效果。進(jìn)而，如前所述，能以低成本應(yīng)對(duì)多品種的研發(fā)和設(shè)計(jì)變更。[實(shí)施例4]本實(shí)施例涉及抑制空穴進(jìn)入基極區(qū)并有效地抑制寄生晶體管導(dǎo)致的閉鎖的功率器件。圖7是包含本實(shí)施例的功率器件的剖面的斜視圖。以下講述和實(shí)施例1的不同點(diǎn)。 本實(shí)施例的半導(dǎo)體襯底12在與基極區(qū)12相接的表面，具備載流子蓄積層300。載流子蓄積層300是注入η型的摻雜劑的η層。載流子蓄積層300的摻雜密度高于半導(dǎo)體襯底12中沒有形成載流子蓄積層300的部分的摻雜密度。若這樣形成載流子蓄積層300，則能夠抑制從半導(dǎo)體襯底12去往基極區(qū)16的空穴的注入。所以短路等時(shí)，基極區(qū)16中靠近第1溝槽19的區(qū)域的空穴電流密度不會(huì)顯著增大。因此，進(jìn)一步提高抑制由發(fā)射極區(qū)20 (η型)-基極區(qū)16 (ρ型)-半導(dǎo)體襯底12 (η 型)_集電極區(qū)14(ρ型)構(gòu)成的η-ρ-η-ρ結(jié)構(gòu)的閉鎖的效果。另外，因?yàn)橛袀螠喜?2，所以關(guān)于耐壓特性，也能夠獲得和實(shí)施例1同等的效果。進(jìn)而，如前所述，能以低成本應(yīng)對(duì)多品種的研發(fā)和設(shè)計(jì)變更。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性綜上所述，依據(jù)本發(fā)明涉及的功率器件，能以低成本提供抑制閉鎖并提高耐壓的功率器件。
權(quán)利要求
1.一種功率器件，其特征在于，具備 第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底的表面形成的第2導(dǎo)電型的基極區(qū)； 在所述半導(dǎo)體襯底的背面形成的第2導(dǎo)電型的集電極區(qū)； 在所述基極區(qū)的表面形成的第1導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)；在以貫通所述發(fā)射極區(qū)的方式形成在所述基極區(qū)的第1溝槽內(nèi)、隔著柵極絕緣膜而形成的溝槽柵極；靠近所述發(fā)射極區(qū)而形成在所述基極區(qū)的凹坑；形成在所述凹坑的內(nèi)壁并且摻雜密度比所述基極區(qū)高的第2導(dǎo)電型的接觸層； 在所述凹坑的底部形成的第2溝槽內(nèi)隔著偽溝槽絕緣膜而形成的偽溝槽；以及與所述發(fā)射極區(qū)、所述接觸層及所述偽溝槽電連接的發(fā)射極電極， 所述溝槽柵極和所述偽溝槽達(dá)到所述半導(dǎo)體襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的功率器件，其特征在于所述發(fā)射極區(qū)形成到所述凹坑的內(nèi)壁的一部分。
3.如權(quán)利要求1所述的功率器件，其特征在于在所述半導(dǎo)體襯底的與所述基極區(qū)相接的區(qū)域，形成有第1導(dǎo)電型的載流子蓄積層； 所述載流子蓄積層的摻雜密度，高于所述半導(dǎo)體襯底中未形成所述載流子蓄積層的部分的摻雜密度。
全文摘要
本發(fā)明的功率器件，具備第1導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在該半導(dǎo)體襯底的表面形成的第2導(dǎo)電型的基極區(qū)；在該半導(dǎo)體襯底的背面形成的第2導(dǎo)電型的集電極區(qū)；以及在該基極區(qū)的表面形成的第1導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)。還具備在以貫通該發(fā)射極區(qū)的方式形成在該基極區(qū)的第1溝槽內(nèi)隔著柵極絕緣膜而形成的溝槽柵極；靠近該發(fā)射極區(qū)而形成在該基極區(qū)的凹坑；形成在該凹坑的內(nèi)壁并且摻雜密度比該基極區(qū)高的第2導(dǎo)電型的接觸層；在該凹坑的底部形成的第2溝槽內(nèi)隔著偽溝槽絕緣膜而形成的偽溝槽；以及與該發(fā)射極區(qū)、該接觸層及該偽溝槽電連接的發(fā)射極電極，該溝槽柵極和該偽溝槽達(dá)到該半導(dǎo)體襯底。
文檔編號(hào)H01L29/78GK102187465SQ200880131608
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者角田哲次郎, 遠(yuǎn)井茂男 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社