專利名稱：絕緣柵型雙極晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及功率半導體器件，特別涉及絕緣柵型雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，以下記為IGBT)。
背景技術：
以往，IGBT作為低損耗的功率半導體元件是眾所周知的。其中，槽柵(trench gate)型IGBT與古典的平面柵型IGBT相比，以下優(yōu)點引人注目即通過在芯片內排列多個微細化的部件單元(unitcell)，可獲得低的溝道電阻，在構造上不形成寄生JFET(JunctionField Effect Transistor結型場效應晶體管)，因而沒有夾斷(pinchoff)造成的電壓降，可獲得低導通電壓特性。
圖15是現(xiàn)有的槽柵型IGBT的平面圖，圖16是其I-I’剖面圖。在p+型硅襯底上形成n-型層2，在該n-型層2的表面上擴散形成深度約4μm的p型基區(qū)層(base layer)3，而且在基區(qū)層3的表面上選擇性地擴散形成深度約0.5μm的n+型發(fā)射區(qū)層4。
為了貫通發(fā)射區(qū)層(emitter layer)4和基區(qū)層3，形成寬度約1μm、深度為6～7μm的溝槽5，在該溝槽5內埋入形成柵極電極6。陰極電極(發(fā)射極電極)7形成為基區(qū)層3和發(fā)射區(qū)層4接觸的樣子，陽極電極(集電極電極)8形成在Si襯底1背面。
在該槽柵型IGBT中，將被多個柵極電極6夾置的區(qū)域表面部作為各部件單元的陰極區(qū)域，排列形成多個單元部件。在圖15和圖16的例中，在部件單元寬度D1上占有的陰極區(qū)域寬度D2大。
在這樣的現(xiàn)有IGBT中，導通時的圖15的Y-Y’位置的載流子分布如圖19的虛線所示，載流子濃度在陰極(K)側表面附近低于陽極(A)側表面附近。這成為將IGBT的導通電壓降低到與晶閘管(thyristor)相同程度的障礙。如果可以提高陰極側表面附近的載流子濃度，則當然可以使IGBT實現(xiàn)更低的導通電壓。
圖17和圖18表示與圖15和圖16的IGBT相比，通過增大槽柵寬度，來減小部件單元的寬度D1所占的陰極區(qū)域寬度D2的例子。如果形成這樣的構造，則在導通時從p+型襯底(陽極)1注入到n-型層2并流入陰極側的空穴電流的通路變窄，結果是在陰極側表面附近產(chǎn)生空穴的積累。其結果，Y-Y’位置的載流子分布如圖19的實線所示，在陰極區(qū)域表面附近的載流子濃度升高。而且，隨著該空穴濃度的增加，在應該滿足電荷中性條件的元件內產(chǎn)生來自陰極的電子注入。從陰極向陽極的電子電流流過由柵極電極6控制的溝道區(qū)域，所以因陰極區(qū)域寬度D2窄小而沒有電阻增大。
如以上那樣，通過使槽柵寬度、陰極區(qū)域的寬度、進而槽柵的深度等最合適，可以將IGBT的導通電壓降低到與晶閘管相同的程度。本申請人已經(jīng)報告了該內容(例如，參照專利文獻1美國專利第5329142說明書或非專利文獻1IEDM Tecknical Diest 1993，p679-682)。這樣，本申請人將實現(xiàn)了低導通電壓的IGBT稱為IEGT(Carrier Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor載流子注入增強柵雙極晶體管)。
如上所述，如果為了低導通電壓而增寬槽柵寬度，則會產(chǎn)生幾種不良情況。例如，為了在寬度約10μm的溝槽中埋入多晶硅柵電極，需要堆積約5厚度的多晶硅。因此，制造效率下降。而且，如果在大容積的溝槽中埋入多晶硅，則在溝槽區(qū)域中產(chǎn)生大的應力。這將誘發(fā)溝槽邊緣的結晶缺陷，導致漏電流造成的可靠性下降、良品率下降。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種絕緣柵型雙極晶體管，可以不降低制造效率而獲得低導通電壓特性。
本發(fā)明的絕緣柵型雙極晶體管的特征在于，包括第1導電型的第1半導體層；第2導電型的第2半導體層，形成在所述第1半導體層的表面上；第1導電型的基區(qū)層，形成在所述第2半導體層的表面上；柵極電極，其通過柵極絕緣膜被埋入從所述基區(qū)層的表面到所述第2半導體層的深度形成的溝槽，分別形成上表面垂直的兩軸方向的寬度不同的矩形圖形，并在該寬度方向上排列多個；第2導電型的發(fā)射區(qū)層，形成在所述基區(qū)層的表面上，與所述各柵極電極的長度方向的兩端部對置；第1主電極，與所述發(fā)射區(qū)層和基區(qū)層連接；以及第2主電極，形成在所述第1半導體層的背面上。
根據(jù)本發(fā)明，埋入在溝槽中的絕緣柵的上表面形狀為矩形，將其沿寬度方向排列多個，并且在其長度方向兩端部上形成發(fā)射區(qū)層。由此，容易進行對溝槽的柵極電極的埋入，不降低制造效率，可以獲得低導通電壓特性。
在本發(fā)明中，最好是發(fā)射區(qū)層在各柵極電極的長度方向兩端部中作為分別對置于3側面的雜質擴散層來形成。由此，可以抑制因將柵極電極和發(fā)射區(qū)層沿柵極電極的寬度方向分割為多個而造成的溝道寬度下降，可以獲得必要電流容量的IGBT。
在本發(fā)明中，可以將發(fā)射區(qū)層形成為(a)作為在各柵極電極的長度方向兩端部上相互獨立形成的雜質擴散層，或(b)作為與各柵極電極的長度方向兩端部對置并連續(xù)跨接在多個柵極電極上的雜質擴散層，或(c)柵極電極沿長度方向也被排列多個的情況下，作為與長度方向相鄰的兩個柵極電極的各端部對置，并且相鄰的兩個柵極電極之間的連續(xù)雜質擴散層。
而且，在本發(fā)明中，配有將多個柵極電極在其長度方向的中央部相互連接并與柵極電極構造相同的連接部，或配有在長度方向的兩端部相互連接并與柵極電極構造相同的連接部也是有效的。


圖1是本發(fā)明實施例的IGBT100a的平面圖。
圖2是圖1的I-I’剖面圖。
圖3是圖1的II-II剖面圖。
圖4是用于說明形成該IGBT的pnpn構造的工序的剖面圖。
圖5是用于說明形成該IGBT的槽柵的工序的剖面圖。
圖6是另一實施例的IGBT100b的平面圖。
圖7是另一實施例的IGBT100c的平面圖。
圖8是圖7的I-I’剖面圖。
圖9是另一實施例的IGBT100d的平面圖。
圖10是另一實施例的IGBT100e的平面圖。
圖11是另一實施例的IGBT100f的平面圖。
圖12是另一實施例的IGBT100g的平面圖。
圖13是另一實施例的IGBT100h的平面圖。
圖14是另一實施例的IGBT100i的平面圖。
圖15是現(xiàn)有的IGBT的平面圖。
圖16是圖15的I-I’剖面圖。
圖17是現(xiàn)有的改進型IGBT的平面圖。
圖18是圖17的I-I’剖面圖。
圖19是表示現(xiàn)有的IGBT導通時載流子分布的圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。
圖1是一實施例的IGBT100a的平面圖，圖2和圖3分別是圖1的I-I’及II-II’剖面圖。在P+硅襯底(陽極發(fā)射區(qū)層)1的表面上形成電阻率50Ω·cm以上的n-型層(n基區(qū)層)2，在其表面上形成深度約4μm的p基區(qū)層3。形成溝槽5，其貫通p基區(qū)層3，且深度達到n基區(qū)層2，在該溝槽5中通過柵極絕緣膜11來埋入形成柵極電極6。以下，該柵極電極6也稱為絕緣槽柵或簡稱為槽柵。
如圖1所示，絕緣槽柵6具有上表面形狀為細長的矩形圖形，在其寬度方向(y方向)上按預定間隔排列多個。槽柵6在其長度方向(x方向)上也配置多個，例如如圖1所示至少雙列配置。在p基區(qū)層3的表面，在這些各槽柵6的長度方向兩端部，在與各端部的三側面S1、S2、S3對置的狀態(tài)下，形成深度約0.5μm的n+型發(fā)射區(qū)層(陰極發(fā)射區(qū)層)4。
形成了p基區(qū)層3、陰極發(fā)射區(qū)層4和柵極電極6的表面被絕緣膜10覆蓋。另外，在x方向的柵極排列之間，在絕緣膜10上開接觸開口，形成發(fā)射極電極(陰極電極)7，使得x方向相鄰的兩個陰極發(fā)射區(qū)層4和在其間露出的p基區(qū)層3接觸。將陰極電極7形成為y方向連續(xù)的帶狀，使得y方向上并排的多個陰極發(fā)射區(qū)層4共用連接。在襯底1的背面上形成集電極電極(陽極電極)8。
本實施例的IGBT100a如下形成。首先，如圖4所示，在p+硅襯底1上通過外延生長來形成約100μm的電阻率為50Ω·cm以上的n-型層2。接著，向n-型層2的表面離子注入硼，并擴散到深度4μm左右，形成p基區(qū)層3。進而，向p基區(qū)層3的表面選擇性地離子注入砷，擴散到深度0.5μm左右，形成2μm2左右的多個n+發(fā)射區(qū)層4。
接著，如圖5所示，形成上表面形狀為長方形，短邊方向寬度約1μm、長邊方向寬度約10μm、深度約7μm的溝槽5，其與n+發(fā)射區(qū)層4重疊約1μm左右。在溝槽5的內表面上通過熱氧化形成0.1μm左右的柵極絕緣膜11。另外，通過CVD(Chemical Vapor Deposition；化學汽相淀積)法來淀積0.5μm左右的多晶硅，并埋入溝槽5后，通過RIE(Reactive Ion Etching；反應離子腐蝕)對多晶硅進行回蝕(etch back)，從而使表面平坦。由此，可得到埋入的柵極電極6。
然后，用絕緣膜10覆蓋襯底表面。然后，在絕緣膜10上形成接觸開口，通過蒸鍍或濺射Al來形成陰極電極7。在Si襯底1的背面上蒸鍍V-Ni-Au膜，形成陽極電極8。
在至此的說明中雖有省略，但多個絕緣槽柵6必須共用連接并引出到柵極電極節(jié)點(G)。即，如圖1示意地示出那樣，需要連接有多個絕緣槽柵6的柵極布線12。該柵極布線12可以通過與陰極電極7相同的金屬層、或與其不同的金屬層來形成。
本實施例的IGBT100a僅從圖2的x方向剖面觀察時，與以往例的圖18幾乎相同。即，槽柵寬度比陰極區(qū)域寬度大，與圖16相比，部件單元寬度D1所占的陰極區(qū)域寬度D2變小。由此，如現(xiàn)有技術中說明的那樣，可以提高導通時陰極側表面附近的載流子濃度，可以獲得低導通電壓。
本實施例的情況下，與圖15或圖17的以往例不同，將槽柵6及陰極發(fā)射區(qū)層4在y方向上分割為多個，所以可一下看出與圖15或圖17的IGBT相比溝道寬度變小。但是，槽柵6的兩端部如上所述在與陰極發(fā)射區(qū)層4重疊的狀態(tài)下形成，所以陰極發(fā)射區(qū)層4與槽柵6的各端部的三側面S1、S2、S3對置，在其下面形成溝道。例如，如上述的數(shù)值例，如果槽柵6的y方向寬度為1μm，與陰極發(fā)射區(qū)層4的重疊為1μm，則在一個槽柵6的各端部中可確保3μm的溝道寬度。因此，如果使槽柵6的寬度和排列間隔最合適，則可獲得與以往幾乎相同的溝道寬度。換句話說，可以獲得與以往的IGBT幾乎相同的電流容量。
因而，在本實施例中，在y方向上，將圖17及圖18的槽柵變?yōu)榉指畛啥鄠€的形狀，各溝槽寬度小。因此，為了埋入柵極電極，不需要堆積圖17和圖18的例中那樣厚的多晶硅膜。由此，可防止堆積膜厚度變厚造成的制造效率下降。而且，由于一個溝槽的容積小，所以溝槽上施加的應力變小，使可靠性和良品率提高。此外，在本實施例中，陰極發(fā)射區(qū)層被分別分離形成在各槽柵的兩端，所以無助于晶體管工作的NPNP晶閘管的面積小，鎖存容量也大。
在本實施例中，絕緣槽柵的上表面矩形圖形為寬度1μm、長度10μm，但其最合適值因耐壓而異。例如，在1200V的元件中，相對于寬度1μm長度16μm左右為最合適值。此外，寬度是可形成溝槽的寬度，在可以進行良好的多晶硅膜埋入的條件下可以更小。
以下，說明幾個其他實施例。在以下的實施例中，對與實施例1對應的部分附以與實施例1相同的標號，并省略詳細的說明。
圖6是實施例2的IGBT100b的平面圖，其I-I’及II-II’剖面與圖2和圖3相同。在實施例2中，陰極發(fā)射區(qū)層4的形狀與實施例1有所不同。即，陰極發(fā)射區(qū)層4與陰極電極7同樣，作為y方向上并排的多個絕緣槽柵6之間連接的雜質擴散層，形成在絕緣槽柵6的兩端部。陰極發(fā)射區(qū)層4與槽柵的各端部的三側面對置的情況與實施例1相同。
根據(jù)這樣的構造，除了可獲得與實施例1相同的效果以外，在形成溝槽5時，可緩和與陰極發(fā)射區(qū)層4的位置對準精度，所以可增大制造余量。
圖7是實施例3的IGBT100c的平面圖，圖8是其I-I’剖面圖。II-II’剖面與圖3相同。在該實施例中，陰極發(fā)射區(qū)層4作為在x方向相鄰的兩個絕緣槽柵6間連續(xù)的一個雜質擴散層來形成，由兩個絕緣槽柵6共有。陰極發(fā)射區(qū)層4與槽柵的各端部的3側面對置的情況與實施例1相同。在y方向上分散地形成的陰極發(fā)射區(qū)層4之間成為陰極電極7與p基區(qū)層3的傳導。
根據(jù)這樣的構造，除了可獲得與實施例1相同的效果以外，在形成溝槽5時，可緩和與陰極發(fā)射區(qū)層4的位置對準精度，所以可增大制造余量。

圖9是實施例5的IGBT100d的平面圖。其I-I’及II-II’剖面與圖2和圖3相同。陰極發(fā)射區(qū)層4與實施例1相同。在該實施例中，設置用于將y方向上排列的多個槽柵6在其長度方向中央部上相互連接的連接部21。連接部21具有與絕緣槽柵6相同的構造，以相同的工序來制作，起到連接多個槽柵6的圖1所示的柵極布線12的作用。為了柵極布線的低電阻化，重疊在該連接部21上來形成金屬布線也是有效的。
該構造除了設置連接部21以外，與實施例1相同，因而可獲得與實施例1相同的效果。
圖10是實施例5的IGBT100e的平面圖。其I-I’及II-II’剖面與圖2和圖3相同。陰極發(fā)射區(qū)層4與實施例2的圖6同樣，作為連續(xù)跨接y方向的多個槽柵6的擴散層來形成。在設置用于將槽柵6在其長度方向中央部上相互連接的連接部21這方面與圖9相同。為了柵極布線的低電阻化，重疊在該連接部21上來形成金屬布線也是有效的。
該構造除了設置連接部21以外，與實施例2相同，因而可獲得與實施例2相同的效果。
圖11是實施例6的IGBT100f的平面圖。其I-I’及II-II’剖面與圖8和圖3相同。陰極發(fā)射區(qū)層4與實施例3(圖7及圖8)同樣，作為x方向相鄰的絕緣槽柵6共有的擴散層來形成。在設置用于將槽柵6在其長度方向中央部上相互連接的連接部21這方面與圖9相同。
該構造除了設置連接部21以外，與實施例3相同，因而可獲得與實施例3相同的效果。

圖12是實施例7的IGBT100g的平面圖。其I-I’及II-II’剖面與圖2和圖3相同。本實施例是圖9的實施例的變形例，設置用于將y方向上排列的多個絕緣槽柵6在其長度方向兩端部上相互連接的連接部21a、21b。這些連接部21a、21b具有與絕緣槽柵6相同的構造，以相同的工序來制作，連接多個槽柵6的情況與圖9～圖11的實施例4相同。陰極發(fā)射區(qū)層4與圖1或圖9同樣，是在各槽柵6的兩端部上相互獨立形成的雜質擴散層。
本結構與到此為止的實施例不同，陰極發(fā)射區(qū)層4不是與槽柵端部的3側面對置的狀態(tài)。但是，與陰極發(fā)射區(qū)層4的連接部21a、21b的側面對置的部分的下面也成為溝道，所以可以確保與實施例1相同程度的溝道寬度。另外，可以得到與實施例1相同的效果。
圖13是實施例8的IGBT100h的平面圖。其I-I’及II-II’剖面與圖2和圖3相同。本實施例具有與圖12的實施例相同的槽柵構造，陰極發(fā)射區(qū)層4與圖6或圖10相同，作為在y方向跨接多個槽柵6的連續(xù)的擴散層，換而言之作為沿連接部21a、21b的連續(xù)的擴散層來形成。根據(jù)本實施例，槽柵6的連接部21a、21b全部成為有效的柵極電極，在其側面全體形成溝道區(qū)域。這樣一來，可以確保與現(xiàn)有的圖15或圖17一樣的溝道寬度，可以得到充分的電流容量。而且，與圖6的實施例相同，可以得到大的制造余量。
圖14是實施例9的IGBT100i的平面圖。其I-I’及II-II’剖面與圖8和圖3相同。本實施例具有與圖12的實施例相同的槽柵構造，陰極發(fā)射區(qū)層4與圖7或圖11相同，通過被鄰接的2個槽柵6共用的雜質擴散層來形成。因為與圖7的實施例相同的理由，可以得到大的制造余量。
發(fā)明效果如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠獲得低導通電壓特性而不降低制造效率的絕緣柵型雙極晶體管。
權利要求
1.一種絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，包括第1導電型的第1半導體層；第2導電型的第2半導體層，形成在所述第1半導體層的表面上；第1導電型的基區(qū)層，形成在所述第2半導體層的表面上；柵極電極，其通過柵極絕緣膜被埋入從所述基區(qū)層的表面到達所述第2半導體層的深度形成的槽，形成上表面垂直的兩軸方向的寬度相互不同的矩形圖形，并在該寬度方向上排列多個；第2導電型的發(fā)射區(qū)層，其形成在所述基區(qū)層的表面，與所述各柵極電極的長度方向的兩端部對置；第1主電極，與所述發(fā)射區(qū)層和基區(qū)層連接；以及第2主電極，形成在所述第1半導體層的背面上。
2.如權利要求1所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)層在所述各柵極電極的長度方向的兩端部，作為分別對置于3側面的雜質擴散層來形成。
3.如權利要求2所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)層是在所述各柵極電極的長度方向兩端部相互獨立形成的雜質擴散層。
4.如權利要求2所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)層是與所述各柵極電極的長度方向兩端部對置、并跨越多個柵極電極連續(xù)形成的雜質擴散層。
5.如權利要求2所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述柵極電極在長度方向上也被排列多個；所述發(fā)射區(qū)層是雜質擴散層，其形成為與長度方向上相鄰的兩個柵極電極的各端部對置，且在相鄰的兩個柵極電極之間是連續(xù)的。
6.如權利要求2所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，具有連結部，其使所述多個柵極電極在長度方向的中央部相互連結，且構造與柵極電極相同。
7.如權利要求6所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述基區(qū)層是在所述各柵極電極的長度方向兩端部上相互獨立形成的雜質擴散層。
8.如權利要求6所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)層是與所述各柵極電極的長度方向的兩端部對置、并跨越多個柵極電極連續(xù)形成的雜質擴散層。
9.如權利要求6所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述柵極電極在長度方向上也被排列多個，所述發(fā)射區(qū)層是雜質擴散層，其形成為與長度方向上相鄰的兩個柵極電極的各端部對置，且在相鄰的兩個柵極電極之間是連續(xù)的。
10.如權利要求1所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，具有連結部，其將所述多個柵極電極在長度方向兩端部相互連結，且構造與柵極電極相同。
11.如權利要求10所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)層是與在所述各柵極電極的長度方向的兩端部對置并相互獨立形成的雜質擴散層。
12.如權利要求10所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)層是與在所述各柵極電極的長度方向的兩端部對置并沿所述連結部連續(xù)形成的雜質擴散層。
13.如權利要求10所述的絕緣柵型雙極晶體管，其特征在于，所述柵極電極在長度方向上也被排列多個；所述發(fā)射區(qū)層是與在長度方向上相鄰的兩個柵極電極的各端部對置、并且在相鄰的兩個柵極電極之間連續(xù)形成的雜質擴散層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種絕緣柵型雙極晶體管，可以獲得低導通電壓特性而不降低制造效率。絕緣柵型雙極晶體管包括第1導電型的第1半導體層；第2導電型的第2半導體層，形成在該第1半導體層的表面上；第1導電型的基區(qū)層，形成在該第2半導體層的表面上；柵極電極，其通過柵極絕緣膜被埋入從該基區(qū)層的表面以達到該第2半導體層的深度形成的溝槽，分別形成上表面垂直的兩軸方向的寬度不同的矩形圖形，并在該寬度方向上排列多個；第2導電型的發(fā)射區(qū)層，形成在該基區(qū)層的表面，與該各柵極電極的長度方向的兩端部對置；第1主電極，與該發(fā)射區(qū)層和基區(qū)層連接；以及第2主電極，形成在該第1半導體層的背面上。
文檔編號H01L29/423GK1430288SQ0215936
公開日2003年7月16日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權日2001年12月26日
發(fā)明者松田正 申請人:株式會社東芝