專利名稱：功率半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于大功率控制的功率半導(dǎo)體元件，特別涉及具有超級(jí)結(jié)(super junction)結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體元件，例如縱式功率MOSFET、SBD和MPS二極管、SIT、JFET、IGBT等。
背景技術(shù)：
功率半導(dǎo)體元件之一的縱式功率MOSFET，其導(dǎo)通電阻很大地依賴于傳導(dǎo)層(漂移層)部分的電阻。決定上述漂移層的摻雜濃度對(duì)應(yīng)于基極和漂移層的形成的pn結(jié)的耐壓，超不過(guò)界限。因此，在元件耐壓和導(dǎo)通電阻上存在權(quán)衡(trade off)的關(guān)系，改善該權(quán)衡相對(duì)于低消耗功率元件十分重要。該權(quán)衡具有由元件材料確定的界限，超過(guò)該限制是實(shí)現(xiàn)超過(guò)現(xiàn)有的功率元件的低導(dǎo)通電阻元件的途徑。
作為解決該問(wèn)題的MOSFET的一例，已知在漂移層中嵌入被稱為超級(jí)結(jié)(superjunction)結(jié)構(gòu)的RESURF(リサ-フ)結(jié)構(gòu)。
圖13A是模式地表示嵌入了RESURF結(jié)構(gòu)的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
該MOSFET在n-型漂移層(以下為n-漂移層)3的一個(gè)表面上形成n+型漏極層2，在該n+型漏極層2上形成漏電極1。而在所述n-型漂移層3的另一表面上選擇性形成多個(gè)p型基極層5，在各p型基極層5的表面上選擇性地形成n+型源極6。
然后，通過(guò)柵極絕緣膜8形成柵電極9，以覆蓋從p型基極層5的n+型源極層6至該p型基極層5、n-漂移層3、相鄰的p型基極層5和其n+型源極層6的區(qū)域上的表面。
為了通過(guò)上述柵極絕緣膜8夾置柵電極9，在p型基極層5上，以接合在n+型源極層6的表面上和p型基極層5的表面上那樣來(lái)形成源電極7。
然后，在p型基極層5和漏電極1之間的n-漂移層3中，形成連接到p型基極層5的p型RESURF層4和n-漂移層3成為橫方向上交替重復(fù)的縱式RESURF結(jié)構(gòu)，通過(guò)將該RESURF的間隔(元件寬度)變窄，可增加n-漂移層3的雜質(zhì)濃度，降低導(dǎo)通電阻。
圖13B表示圖13A中縱式功率MOSFET的有關(guān)n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)的縱方向上的分布。n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度相同，在各個(gè)縱方向上有固定的分布。
在制造上述那樣的MOSFET時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)在于設(shè)計(jì)超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)，n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度成為確定耐壓和導(dǎo)通電阻的關(guān)鍵點(diǎn)。
在原理上，通過(guò)使n-漂移層3和pRESURF層4各自的雜質(zhì)量相等，從而等價(jià)于雜質(zhì)濃度為零，可獲得高耐壓。因此，可照樣保持耐壓而使n-漂移層3的雜質(zhì)濃度高于現(xiàn)有的MOSFET的n-漂移層濃度，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)材料限制的低導(dǎo)通電阻。
但是，在進(jìn)行制造時(shí)，因工序的偏差，難以使n-漂移層3和p型RESURF層4各自的雜質(zhì)量完全相等，因而耐壓惡化。
因此，在進(jìn)行元件設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮制造上的工序偏差造成的耐壓惡化。這種情況下，為了降低導(dǎo)通電阻，提高n-漂移層3的雜質(zhì)濃度是有效的，而相對(duì)于耐壓的工藝余量取決于n-漂移層3和p型RESURF層4的雜質(zhì)量之差(不平衡量)。即，即使提高n-漂移層3的雜質(zhì)濃度，也沒(méi)有改變獲得工藝余量的不平衡量。
因此，如果提高n-漂移層3的雜質(zhì)濃度，則容許的不平衡量和n-漂移層3的雜質(zhì)量之比變小，工藝余量(margin)變小。相反，為了擴(kuò)大工藝余量，需要降低n-漂移層3的濃度，但會(huì)使導(dǎo)通電阻增大。
再有，在文獻(xiàn)1中，公開了以下半導(dǎo)體器件，可滿足需要的耐壓，同時(shí)可增大容許導(dǎo)通電流，并且可以降低輸出電容和導(dǎo)通電阻。該半導(dǎo)體器件在SOI結(jié)構(gòu)的n型半導(dǎo)體層上隔開形成n++型漏區(qū)域和p+形阱區(qū)域，在p+型阱區(qū)域內(nèi)形成n++型源區(qū)域，在n++型漏區(qū)域和p+型阱區(qū)域之間形成n型漂移區(qū)域。而且，n型漂移區(qū)域的雜質(zhì)濃度的濃度分布無(wú)論n型半導(dǎo)體層的橫方向和縱方向都設(shè)定為隨著離開n++型漏區(qū)域而降低。
在文獻(xiàn)2中，公開了超級(jí)結(jié)半導(dǎo)體器件，可以抑制熱載流子對(duì)絕緣膜的注入，不損害元件有源區(qū)域的特性和可靠性。該超結(jié)半導(dǎo)體器件配有并列pn結(jié)構(gòu)的漏極漂移部，在p型的隔開區(qū)域中，在p型基極層區(qū)域的阱底面上形成雜質(zhì)濃度高的p型的耐壓限制區(qū)域。
在文獻(xiàn)3中，公開了以下內(nèi)容在超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的MOSFET中，規(guī)定漂移區(qū)域的雜質(zhì)量。
在文獻(xiàn)4中，公開了以下內(nèi)容在多RESURF結(jié)構(gòu)的橫式MOSFET中，兼顧低導(dǎo)通電阻和高耐壓。
在文獻(xiàn)5中，公開了以下內(nèi)容通過(guò)在SOI結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層上橫向結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有耐壓高和導(dǎo)通電阻低的超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體元件。
上述引用文獻(xiàn)1、2、3、4、5是(日本)特開2001-244472號(hào)公報(bào)(圖1)、特開2001-313391號(hào)公報(bào)(圖1)、美國(guó)專利第6291856號(hào)說(shuō)明書(圖3、圖4)、特開2000-286417號(hào)公報(bào)(圖1)、R.Ng、外5名“Lateral Unbalanced Super Junction(USJ)/3D-RESURF for HighBreakdown Voltage on SOI”、Proceedings of 2001 internationalSymposium on Power Semiconductor Devices & ICs，Osaka，pp.395-398。
上述那樣的現(xiàn)有的縱式功率MOSFET有降低導(dǎo)通電阻和要求擴(kuò)大相對(duì)于耐壓的雜質(zhì)量的工藝余量二律相反的關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)將n-漂移層3的雜質(zhì)濃度設(shè)定為合適的值來(lái)處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的功率半導(dǎo)體元件，包括橫方向上周期性地形成第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層和第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層；以及包含該周期性地形成半導(dǎo)體層的功率半導(dǎo)體元件；其中，所述第1半導(dǎo)體層的縱方向的雜質(zhì)量的分布和所述第2半導(dǎo)體層的縱方向的雜質(zhì)量的分布不同。


圖1模式地表示本發(fā)明第1實(shí)施方式的縱式功率MOSFET結(jié)構(gòu)的剖面圖并表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
圖2表示圖1所示的MOSFET中的n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)量之差(不平衡量)與耐壓變化的關(guān)系特性圖。
圖3表示相對(duì)于圖1所示的MOSFET中的pRESURF層的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度變化的最大耐壓和耐壓下降率的特性圖。
圖4模式地表示圖1所示的MOSFET的變形例結(jié)構(gòu)的剖面圖和表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
圖5模式地表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的縱式功率MOSFET結(jié)構(gòu)的剖面圖并表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
圖6模式地表示圖5所示的MOSFET的變形例結(jié)構(gòu)的剖面圖并表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
圖7模式地表示本發(fā)明第3實(shí)施方式的縱式功率MOSFET結(jié)構(gòu)的剖面圖并表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
圖8表示圖7所示的MOSFET的n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)量之差(不平衡量)與耐壓變化的關(guān)系的特性圖。
圖9表示相對(duì)于圖7所示的MOSFET中的pRESURF層的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度變化的最大耐壓和耐壓下降率的特性圖。
圖10模式地表示本發(fā)明第4實(shí)施方式的縱式功率MOSFET結(jié)構(gòu)的剖面圖并表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
圖11模式地表示圖10所示的MOSFET的變形例結(jié)構(gòu)的剖面圖并表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
圖12模式地表示本發(fā)明第5實(shí)施方式的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖13模式地表示嵌入了RESURF結(jié)構(gòu)的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)剖面圖并表示有關(guān)n-漂移層和pRESURF層的雜質(zhì)濃度的縱方向分布的特性圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。再有，在以下的實(shí)施方式中，設(shè)第1導(dǎo)電型為n型，第2導(dǎo)電型為p型。而且，附圖中的相同部分附以相同號(hào)碼。
<第1實(shí)施方式>
圖1A是模式地表示本發(fā)明第1實(shí)施方式的嵌入了RESURF結(jié)構(gòu)的縱式功率MOSFET結(jié)構(gòu)的剖面圖。
該MOSFET在第1半導(dǎo)體層的n-漂移層3的一個(gè)表面上形成高濃度半導(dǎo)體層(例如n+漏極層)2，在該n+漏極層2上形成第1主電極的漏電極1。
在所述n-漂移層3的另一表面?zhèn)壬?，作為多個(gè)第2半導(dǎo)體層，將p型RESURF層4橫方向周期性地配置，形成超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)。
在該超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的表面上，形成p型基極層5作為第3半導(dǎo)體層，在該p型基極層5的表面上選擇性地并且平面條紋形狀地?cái)U(kuò)散形成n+型源極層6，作為第4半導(dǎo)體層。
作為一例，該p型基極層5以約1×1017cm-3的雜質(zhì)濃度、約2.0μm的深度來(lái)形成，作為一例，所述n+型源極層7以約1×1020cm-3的雜質(zhì)濃度、約0.2μm的深度來(lái)形成。
然后，為了覆蓋從p型基極層5的n+型源極層6至該p型基極層5、n-漂移層3、相鄰的p型基極層5和該n+型源極層6的區(qū)域上的表面，通過(guò)厚度約0.1μm的柵極絕緣膜(例如Si氧化膜)8，平面條紋形狀地形成柵電極9，作為第1控制電極。
此外，為了通過(guò)上述柵極絕緣膜8夾置柵電極9，在各p型基極層5上，平面條紋形狀地形成第2主電極的源電極7，以使n+型源極層6的表面和p型基極層5的表面接合。
換句話說(shuō)，在n-漂移層3的另一表面上選擇性地形成多個(gè)p型基極層5，在各p型基極層5的表面上選擇性地形成n+型源極層6。然后，在p型基極層5和漏電極1之間的n-漂移層3中，形成連接到p型基極層5的p型RESURF層4。該p型RESURF層4和n-漂移層3為橫方向上交替重復(fù)的縱式RESURF結(jié)構(gòu)，通過(guò)使該RESURF的間隔(元件寬度)變窄，可以增加n-漂移層3的雜質(zhì)濃度，降低導(dǎo)通電阻。
根據(jù)超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的原理，最好是n-漂移層3的雜質(zhì)總量和pRESURF層4的雜質(zhì)總量為相同量，如果兩者的雜質(zhì)量不相等，則漂移層的等價(jià)的雜質(zhì)量增加，耐壓下降。
圖1B表示有關(guān)圖1A中的n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的縱方向上的分布。
n-漂移層3的雜質(zhì)濃度具有在縱方向上固定的分布，而pRESURF層4的雜質(zhì)濃度具有在從源電極7向漏電極1的縱方向(深度方向)上慢慢變小的分布(傾斜分布)。
圖2對(duì)比表示圖1A和圖1B所示的第1實(shí)施方式的MOSFET中的相對(duì)于n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)量之差(不平衡量)的耐壓變化特性，以及圖13A和圖13B所示的具有以往例的超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的MOSFET的耐壓變化特性。
根據(jù)該特性，第1實(shí)施方式的MOSFET與現(xiàn)有例的元件比，耐壓下降與雜質(zhì)量的不平衡小。
即，根據(jù)超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的原理，如果為了低導(dǎo)通電阻而提高n-漂移層3的濃度，則相對(duì)于不平衡量的耐壓下降增大，工藝余量變小。但是，如果使用第1實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有例的結(jié)構(gòu)相比，由于工藝余量寬，所以可提高n-漂移層3的濃度，可使導(dǎo)通電阻低。
圖3表示相對(duì)于圖1A和圖1B所示的第1實(shí)施方式的MOSFET中的pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度變化的最大耐壓和耐壓下降率的特性圖。
在圖3中，橫軸表示pRESURF層4的上部雜質(zhì)濃度Nt和下部雜質(zhì)濃度Nb之比(雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度)，縱軸表示相對(duì)于最大耐壓的耐壓下降量和最大耐壓之比(耐壓下降率ΔVB)。
這里，作為n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)不平衡量，參照?qǐng)D2中的特性例示了不平衡量為20％的情況。傾斜分布的梯度為1的情況下的特性表示圖13A和圖13B所示的現(xiàn)有例的MOSFET特性。
根據(jù)圖3的特性，如果傾斜分布的梯度增大，則可理解因傾斜分布的效果而減少耐壓下降率ΔVB，但也可以理解為最大耐壓VBmax緩慢地下降。而且，作為第1實(shí)施方式的MOSFET的最大耐壓VBmax，可以理解如果要獲得現(xiàn)有例的MOSFET的VBmax的90％，則pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度最好在1.7以下。此外，作為耐壓下降率ΔVB，在要抑制到現(xiàn)有例的MOSFET的ΔVB一半以下時(shí)，可以理解最好使pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度在1.4以上。
<第1實(shí)施方式的變形例>
圖4A和圖4B模式地表示第1實(shí)施方式的變形例的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)的剖面圖并表示雜質(zhì)濃度的分布。
該MOSFET與第1實(shí)施方式的MOSFET相比，不同點(diǎn)在于，將pRESURF層4的雜質(zhì)濃度在縱方向上形成固定的分布，將n-漂移層3的雜質(zhì)濃度在縱方向上形成傾斜的分布，由于其他是相同的，所以與圖1A和圖1B中相同的部分附以相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說(shuō)明。
這樣，即使變更雜質(zhì)濃度的分布，也可獲得基本上與第1實(shí)施方式的MOSFET同樣的動(dòng)作和同樣的效果。
<第2實(shí)施方式>
圖5A是模式地表示本發(fā)明第2實(shí)施方式的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖5B表示圖5A中的有關(guān)n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的縱方向上的分布。
該MOSFET使用重復(fù)進(jìn)行嵌入外延生長(zhǎng)和離子注入的方法來(lái)形成第1實(shí)施方式的MOSFET中的超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)。
即，如果重復(fù)進(jìn)行n層的嵌入外延生長(zhǎng)和p型摻雜的離子注入，則如圖5A、圖5B所示，pRESURF層4的雜質(zhì)濃度分布在深度方向上形成具有波形的分布。這種情況下，通過(guò)調(diào)整各嵌入的p型摻雜的離子注入量，如果在深度方向上整體地觀察，則形成p型雜質(zhì)量緩慢減小(pRESURF層4的雜質(zhì)濃度分布緩慢降低)的分布。其結(jié)果，可期待與第1實(shí)施方式的MOSFET基本相同的動(dòng)作和同樣的效果。
<第2實(shí)施方式的變形例>
圖6A和圖6B模式地表示第2實(shí)施方式的變形例的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)剖面圖并表示雜質(zhì)濃度的分布。
該MOSFET與第2實(shí)施方式的MOSFET相比，不同點(diǎn)在于，使高電阻層結(jié)晶生長(zhǎng)，通過(guò)重復(fù)進(jìn)行離子注入p型摻雜和n型摻雜兩方的處理，來(lái)形成超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于其他是相同的，所以與圖5A和圖5B中相同的部分附以相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說(shuō)明。
這樣，即使變更超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成方法，也可獲得基本上與第2實(shí)施方式的MOSFET同樣的動(dòng)作和同樣的效果。
再有，超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成方法不限于上述那樣的工序，通過(guò)使用其他工序在pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的分布上具有傾斜分布，可獲得與上述相同的效果。
例如，在形成溝槽溝后，在溝內(nèi)進(jìn)行p層嵌入外延生長(zhǎng)，并使用形成pRESURF層4的工序時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)溝寬度和形狀、摻雜物氣體的流量等，使對(duì)于深度方向的摻雜物的取入方向變化，可具有傾斜分布。
在形成溝槽后，在使用向溝側(cè)壁從斜方向離子注入的工序時(shí)，通過(guò)進(jìn)行在溝形狀上帶有曲率、以及使注入角度變化并進(jìn)行多次離子注入，可在深度方向上具有傾斜分布。
<第3實(shí)施方式>
圖7A是模式地表示本發(fā)明第3實(shí)施方式的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖7B表示圖7A中的有關(guān)n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的縱方向上的分布。
該MOSFET的不同點(diǎn)在于，不僅將第1實(shí)施方式的MOSFET中的pRESURF層4的雜質(zhì)濃度在縱方向上形成傾斜分布，而且n-漂移層3的雜質(zhì)濃度也在深度方向中形成傾斜分布，由于其他是相同的，所以與圖1A和圖1B中相同的部分附以相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說(shuō)明。
這樣，即使變更雜質(zhì)濃度的分布，也可獲得與第1實(shí)施方式的MOSFET基本相同的動(dòng)作和進(jìn)一步的改善效果。
圖8對(duì)比表示圖7A和圖7B所示的第3實(shí)施方式的MOSFET中對(duì)于n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)量之差(不平衡量)的耐壓變化特性、圖1A和圖1B所示的第1實(shí)施方式的MOSFET中的耐壓變化特性、以及圖13A和圖13B所示的現(xiàn)有例的具有超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的MOSFET的耐壓變化特性。
根據(jù)這樣的特性，可以理解，第3實(shí)施方式的MOSFET不僅與現(xiàn)有例的MOSFET相比，而且即使與第1實(shí)施方式的MOSFET(僅pRESURF層4具有雜質(zhì)濃度的傾斜分布的情況)相比，對(duì)于雜質(zhì)量的不平衡，可進(jìn)一步減小耐壓下降，而且，工藝余量增大，容易進(jìn)行低導(dǎo)通電阻化。
圖9表示圖7A和圖7B所示的第3實(shí)施方式的MOSFET中的相對(duì)于pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度變化的最大耐壓和耐壓下降率的特性圖。
在圖9中，橫軸表示pRESURF層4的上部雜質(zhì)濃度Nt和下部雜質(zhì)濃度Nb之比(雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度)，縱軸表示相對(duì)于最大耐壓的耐壓下降量與最大耐壓之比(耐壓下降率ΔVB)。
這里，作為n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)不平衡量，參照?qǐng)D8中的特性例示了不平衡量為20％的情況。傾斜分布的梯度為1情況下的特性表示圖13A和圖13B所示的現(xiàn)有例的MOSFET特性。
根據(jù)圖9的特性可理解，如果傾斜分布的梯度增大，則因傾斜分布的效果而耐壓下降率ΔVB減少。而且，如果第3實(shí)施方式的MOSFET的pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度超過(guò)1.82，則n-漂移層3的雜質(zhì)濃度和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度相等的情況不會(huì)出現(xiàn)得到最大耐壓VBmax的狀態(tài)。因此，耐壓下降率ΔVB為負(fù)，設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。由此，最好是pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的傾斜分布的梯度在1.82以下。
而且，與第1實(shí)施方式的MOSFET(僅pRESURF層4具有雜質(zhì)濃度的傾斜分布的情況)相比，由于n-漂移層3的上部濃度低，所以在可施加高電壓時(shí)，n-漂移層3的上部迅速地耗盡。由此，MOSFET的柵-漏間電容變小，可以期待高速的開關(guān)動(dòng)作。
從圖9的特性可理解，作為第3實(shí)施方式的MOSFET的耐壓下降率ΔVB，要抑制到現(xiàn)有例的MOSFET的ΔVB的一半以下時(shí)，使pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的分布梯度在1.25以上就可以。
再有，在上述第3實(shí)施方式中，示出了n-漂移層3的雜質(zhì)濃度的分別傾斜與pRESURF層4的傾斜方向相反相同增大情況下的計(jì)算例，但即使與pRESURF層4的傾斜不同，也可實(shí)施。
超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成方法不限于上述那樣的工序，通過(guò)使用其他工序，在pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的分布上具有傾斜分布，從而可獲得與上述同樣的效果。
<第4實(shí)施方式>
圖10A是模式地表示本發(fā)明第4實(shí)施方式的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖10B表示圖10A中的有關(guān)n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的縱方向上的分布。
該MOSFET使用重復(fù)進(jìn)行嵌入外延生長(zhǎng)和離子注入的方法來(lái)形成第3實(shí)施方式的MOSFET中的超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)。
即，如果重復(fù)進(jìn)行n層的外延生長(zhǎng)和p型摻雜物的離子注入，則如圖5A、圖5B所示，pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的分布在深度方向上形成具有波形的分布(profile)。
這種情況下，通過(guò)調(diào)整各n層的雜質(zhì)濃度和各嵌入的p型摻雜物的離子注入量，如果在深度方向上整體地觀察，則形成n型雜質(zhì)量緩慢增大(n-漂移層3的雜質(zhì)濃度緩慢增大)的分布，以及p型雜質(zhì)量緩慢地減小(pRESURF層4的雜質(zhì)濃度緩慢地下降)的分布。
其結(jié)果，可以期待與第3實(shí)施方式的漂移層基本上同樣的動(dòng)作和同樣的效果。
<第4實(shí)施方式的變形例>
圖11A是模式地表示本發(fā)明第4實(shí)施方式的變形例的縱式功率MOSFET的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖11B表示圖11A中的有關(guān)n-漂移層3和pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的縱方向上的分布。
該MOSFET與第4實(shí)施方式的MOSFET相比，不同點(diǎn)在于，使高電阻層結(jié)晶生長(zhǎng)，通過(guò)重復(fù)進(jìn)行離子注入p型摻雜物和n型摻雜物兩方的處理(調(diào)整各層的每次離子注入的離子注入量)，來(lái)形成超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于其他是相同的，所以與圖10A和圖10B中相同的部分附以相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說(shuō)明。
這樣，即使變更超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成方法，也可獲得基本上與第2實(shí)施方式的MOSFET同樣的動(dòng)作和同樣的效果。
再有，超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成方法不限于上述工序，通過(guò)使用其他工序在pRESURF層4的雜質(zhì)濃度分布上具有傾斜分布，可獲得與上述同樣的效果。
例如，在形成溝槽后，在溝內(nèi)進(jìn)行p層嵌入外延生長(zhǎng)，使用形成pRESURF層4的工序情況下，通過(guò)調(diào)整溝寬度和形狀、摻雜物氣體的流量等改變相對(duì)于深度方向的摻雜物的取入方向，從而可具有傾斜分布。
在形成溝槽后，在使用從斜方向向溝側(cè)壁進(jìn)行離子注入的工序情況下，通過(guò)在溝形狀上具有曲率，以及改變注入角度并進(jìn)行多次離子注入，可在深度方向上具有傾斜分布。
<第5實(shí)施方式>
圖12是模式地表示本發(fā)明第5實(shí)施方式的縱式功率MOSFET結(jié)構(gòu)的剖面圖。
該MOSFET通過(guò)在深度方向改變第1實(shí)施方式的MOSFET中的pRESURF層4的寬度，使其縱方向的雜質(zhì)濃度固定，從而使縱方向的雜質(zhì)量與n-漂移層3有所不同，對(duì)與圖1A中相同的部分附以同一標(biāo)號(hào)并省略其說(shuō)明。
pRESURF層4內(nèi)的雜質(zhì)量為濃度和寬度之積，所以在pRESURF層4內(nèi)的雜質(zhì)濃度固定時(shí)，通過(guò)在深度方向?qū)挾茸冋瓉?lái)減小雜質(zhì)量。相反，通過(guò)將n-漂移層3在深度方向上寬度擴(kuò)大來(lái)增大雜質(zhì)量。由此，可以期待與第3實(shí)施方式的MOSFET(pRESURF層4和n-漂移層3中雜質(zhì)濃度的傾斜分布具有相反方向的情況)同樣的動(dòng)作和同樣的效果。
這種情況下，pRESURF層4的上部寬度和下部寬度之比具有與第3實(shí)施方式的MOSFET中的pRESURF層4的雜質(zhì)濃度的傾斜分布梯度相同的意義，所以如上述那樣，最好在1.82以下、1.25以上。
再有，本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)在形成溝槽后，可通過(guò)進(jìn)行嵌入外延生長(zhǎng)的工序來(lái)形成。這種情況下，通過(guò)干法腐蝕形成深度方向上溝寬度窄的溝后，進(jìn)行pRESURF層4的結(jié)晶生長(zhǎng)，以使雜質(zhì)濃度一樣就可以。
再有，本發(fā)明不限于上述各實(shí)施方式，根據(jù)這些實(shí)施方式，可應(yīng)用于本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易獲得的所有變形。
即，超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)、p型基極層5、n+源極層6、柵電極9不限于所述條紋狀，也可以格子狀、鋸齒狀地配置。
而且，半導(dǎo)體不限于上述硅，例如可使用硅碳化物(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)等的化合物半導(dǎo)體或金剛石。
此外，在上述實(shí)施方式中說(shuō)明了縱式元件，但即使是橫式元件，如果是具有超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的元件，則也可采用上述實(shí)施方式。而且，不限于具有超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，在具有超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的SBD和MPS二極管、SIT、JFET、IGBT等開關(guān)元件、二極管和開關(guān)元件的復(fù)合或集成元件中都可采用。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體器件，可以增大相對(duì)于耐壓的雜質(zhì)量的工藝余量而不提高導(dǎo)通電阻，抑制相對(duì)于雜質(zhì)量變化的耐壓下降，可實(shí)現(xiàn)高耐壓、低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET等。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體元件，包括橫方向上周期性地形成第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層和第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層；以及包含該周期性地形成半導(dǎo)體層的功率半導(dǎo)體元件；其中，所述第1半導(dǎo)體層的縱方向的雜質(zhì)量的分布和所述第2半導(dǎo)體層的縱方向的雜質(zhì)量的分布不同。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體元件，其中將所述第2半導(dǎo)體層設(shè)置在縱向形成的溝槽的內(nèi)部，以使開口端側(cè)的面積比底面?zhèn)鹊拿娣e緩慢地變寬，而且縱向的雜質(zhì)濃度的分布是固定的；所述第1半導(dǎo)體層縱向的雜質(zhì)濃度分布是固定的；所述第2半導(dǎo)體層的所述溝槽的底面?zhèn)鹊碾s質(zhì)量比開口端側(cè)的雜質(zhì)量少。
3.一種功率半導(dǎo)體元件，包括第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層；電連接于所述第1半導(dǎo)體層的第1主電極；形成于所述第1半導(dǎo)體層內(nèi)層，橫方向上周期性地配置，縱方向的雜質(zhì)量的分布不同于所述第1半導(dǎo)體層內(nèi)縱方向的雜質(zhì)量的分布的第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層；選擇性地形成于所述第1半導(dǎo)體層和第2半導(dǎo)體層的表面上的第2導(dǎo)電型的第3半導(dǎo)體層；選擇性地形成于所述第3半導(dǎo)體層的表面上的第1導(dǎo)電型的第4半導(dǎo)體層；為與所述第3半導(dǎo)體層和所述第4半導(dǎo)體層的表面接合而形成的第2主電極；以及在所述第1半導(dǎo)體層、第3半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層的表面上通過(guò)柵絕緣膜形成的控制電極。
4.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中所述第1半導(dǎo)體層在從所述第2主電極向所述第1主電極的縱方向上雜質(zhì)濃度是一定的；所述第2半導(dǎo)體層具有在從所述第2主電極向所述第1主電極的縱方向上雜質(zhì)濃度變小的分布。
5.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中所述第1半導(dǎo)體層具有在從所述第2主電極向所述第1主電極的縱方向上雜質(zhì)濃度變大的分布；所述第2半導(dǎo)體層在從所述第2主電極向所述第1主電極的縱方向上雜質(zhì)濃度是一定的。
6.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中所述第1半導(dǎo)體層具有在從所述第2主電極向所述第1主電極的縱方向上雜質(zhì)濃度變大的分布；所述第2半導(dǎo)體層具有在從所述第2主電極向所述第1主電極的縱方向上雜質(zhì)濃度變小的分布。
7.如權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體元件，其中靠近所述第2半導(dǎo)體層的所述第2主電極的一端側(cè)的雜質(zhì)量Nt與靠近所述第1主電極的另一端側(cè)的雜質(zhì)量Nb之比(Nt/Nb)為1.7以下。
8.如權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體元件，其中靠近所述第2半導(dǎo)體層的所述第2主電極的一端側(cè)的雜質(zhì)量Nt與靠近所述第1主電極的另一端側(cè)的雜質(zhì)量Nb之比(Nt/Nb)在1.4以上。
9.如權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體元件，其中靠近所述第2半導(dǎo)體層的所述第2主電極的一端側(cè)的雜質(zhì)量Nt與靠近所述第1主電極的另一端側(cè)的雜質(zhì)量Nb之比(Nt/Nb)在1.82以下。
10.如權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體元件，其中靠近所述第2半導(dǎo)體層的所述第2主電極的一端側(cè)的雜質(zhì)量Nt與靠近所述第1主電極的另一端側(cè)的雜質(zhì)量Nb之比(Nt/Nb)在1.25以上。
11.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層的所述縱方向的雜質(zhì)濃度的分布具有雜質(zhì)濃度緩慢變化的傾斜分布。
12.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中，所述第1半導(dǎo)體層的所述縱方向的雜質(zhì)濃度的分布具有雜質(zhì)濃度緩慢變化的傾斜分布。
13.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層的所述縱方向的雜質(zhì)濃度的分布具有雜質(zhì)濃度緩慢變化的波形分布。
14.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中，所述第1半導(dǎo)體層的所述縱方向的雜質(zhì)濃度的分布具有雜質(zhì)濃度緩慢變化的波形分布。
15.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體元件，其中，將所述第2半導(dǎo)體層設(shè)置在縱向形成的溝槽的內(nèi)部，縱方向上的雜質(zhì)濃度分布是一定的；所述第1半導(dǎo)體層縱向的雜質(zhì)濃度分布是一定的；所述第2半導(dǎo)體層溝槽的底面?zhèn)鹊碾s質(zhì)量比開口端側(cè)的雜質(zhì)量少。
全文摘要
公開了一種功率半導(dǎo)體元件，包括橫方向上周期性地形成第1導(dǎo)電型的第1半導(dǎo)體層和第2導(dǎo)電型的第2半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層；以及包含該周期性地形成的半導(dǎo)體層的功率半導(dǎo)體元件；所述第1半導(dǎo)體層的縱方向的雜質(zhì)量分布和所述第2半導(dǎo)體層的縱方向的雜質(zhì)量分布有所不同。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1494160SQ0316010
公開日2004年5月5日 申請(qǐng)日期2003年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月25日
發(fā)明者齋藤涉, 大村一郎, 木下浩三, 三, 郎 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝