專利名稱：半導體器件的制作方法
半導體器件說明書本發(fā)明涉及一種包含均形成于同一半導體襯底中的間隔溝道絕緣柵雙 極晶體管和反并聯(lián)二極管的半導體器件。眾所周知，逆變器電路將直流(DC)電壓轉換成交流(AC)電壓并向諸 如感應電動機的感性負載(即，電感L)供給AC電壓。例如，利用圖23A 中所示的半導體器件100構造這種類型的逆變器電路。半導體器件100包 括絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 100i和與IGBT 100i反并聯(lián)連接的反并聯(lián)二 極管100d。利用六個半導體器件100構造成用于產生三相AC電壓的逆變器電路。 如圖23B中所示，利用在DC電源與接地電勢之間串聯(lián)連接的兩個半導體器 件100產生每一個相。IGBT 100i用作開關元件。反并聯(lián)二極管100d用作 飛輪二極管。當關閉IGBT 100i時，流經連接于輸出的電感(沒有示出) 的負載電流會流經二極管100d。因此，能夠防止負載電流的突然改變。這 種二極管100d被稱作飛輪二極管(FWD)。可以如此實現(xiàn)半導體器件100以便于在分離的半導體襯底(芯片)中形 成IGBT 100i和二極管100d。然而，為了減小半導體器件100的尺寸，優(yōu) 選在同一半導體襯底中形成IGBT 100i和二極管100d。圖24示出在相應于JP-A-2005-101514的US 7， 154, 145中公開的半導 體器件91。在該半導體器件91中，在同一半導體襯底中形成IGBT和反并 聯(lián)二極管。具體地，對于每一個IGBT單元，p型基極層(阱)2形成于N一 型半導體襯底1的第一側上。W型陰極層4和P+型集電極層5形成于半導體 襯底1的第二側上且位于基極層2的正下方。每一個IGBT單元的p型基極 層2包括第一和第二側擴散區(qū)域2SDR1、 2SDR2和位于第一和第二側擴散區(qū) 域2SDR1、 2SDR2之間的平坦區(qū)域2FR。平坦區(qū)域2FR具有發(fā)射極區(qū)域3和 被絕緣柵溝槽6穿透的底部表面。第一側擴散區(qū)域2SDR1位于N+型陰極層4 的正上方。N+型陰極層4與F型集電極層5相鄰。利用N"型半導體襯底1 、P型基極層2以及Y型陰極層4構造二極管單元。將IGBT單元的發(fā)射電極 10與二極管單元的陽極電極集成，且將IGBT的集電極11與二極管單元的 陰極電極集成。因此，二極管單元與IGBT單元反并聯(lián)連接。半導體器件91中的IGBT單元是溝槽柵極IGBT。在溝槽柵極IGBT中， 在絕緣柵溝槽兩側形成溝道以便于能夠增加溝道密度。因此，與平面柵極 IGBT相比較，溝槽柵極IGBT能夠具有低的導通電壓。圖25示出在相應于JP-A-2001-308327的US 6， 737， 705中公開的溝槽 柵極IGBT 92。將該IGBT 92設計成不僅實現(xiàn)低的導通電壓還獲得低的開關 損耗，由此減小總的損耗。如圖25中所示，IGBT 92包括硅襯底21、輕摻 雜N型漂移層22、 P型基極層23、 N+型源極區(qū)24、布置在穿透p型基極層 23的溝槽中的柵氧化膜25、通過該柵氧化膜25布置在溝槽中的柵電極26、 層間絕緣膜27、連接于N+型源極區(qū)24的發(fā)射電極28、以及連接于硅襯底 21的相對表面的集電極29。溝槽將p型基極層23劃分成體區(qū)域23a和浮 置區(qū)域23b。體區(qū)域23a連接于發(fā)射電極28且具有相鄰于溝槽定位的!^型 源區(qū)24。因此，體區(qū)域23a用作溝道區(qū)。浮置區(qū)域23b不連接到發(fā)射電極 28且不具有N+型源區(qū)24。浮置區(qū)域23b用作存儲載流子的載流子存儲區(qū)域。如上所述，IGBT 92i具有一種結構，在該結構中，通過載流子存儲區(qū) 域(即，浮置區(qū)域23b)將溝道區(qū)域(即，體區(qū)域23a)互相分隔開。因此， 如同工GBT 92i的IGBT在下文中被稱作"間隔溝道IGBT"。根據(jù)US 6， 737， 705， 當體區(qū)域23a的寬度與浮置區(qū)域23b的寬度的比率從l: 2至ljl: 7時，IGBT 92i具有低的導通電壓和低的開關損耗，以至于可以減少總的損耗。當將如同IGBT 92i的間隔溝道IGBT應用于用于逆變器電路的半導體器 件時，優(yōu)選在同一半導體襯底中形成間隔溝道IGBT和反并聯(lián)二極管。在這 種方法中，像圖24示出的半導體器件91那樣，能夠減小半導體器件的尺 寸。然而，當在同一半導體襯底中形成間隔溝道IGBT和反并聯(lián)二極管時， 在間隔溝道IGBT與反并聯(lián)二極管之間會存在相互干擾。由于上述的問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有用于減小在同一半導體 襯底中形成的間隔溝道IGBT與反并聯(lián)二極管之間的相互干擾的結構的半導體器件。在具有第一側面和相對于第一側面的第二側面的第一導電型半導體襯 底上實現(xiàn)半導體器件。該襯底包括晶體管區(qū)域和反并聯(lián)連接于晶體管區(qū)域 的二極管區(qū)域。晶體管區(qū)域包括形成至襯底的第一側面的表面部分的第二 導電型基極層、形成至基極層的多個絕緣柵溝槽、形成至襯底的第二側面 的表面部分的第二導電型第一擴散層、以及形成在襯底的第一側面上的發(fā) 射電極。二極管區(qū)域包括形成至襯底的第二側面的表面部分的第一導電型 第二擴散層。第二擴散層具有比襯底高的雜質濃度。二極管區(qū)域包括被重 復布置并被組合在一起以形成一個二極管的多個二極管單元。晶體管區(qū)域 包括單元區(qū)域和位于單元區(qū)域與二極管區(qū)域之間的邊界區(qū)域。在單元區(qū)域 中，通過多個絕緣柵溝槽將基極層劃分成多個體區(qū)域和多個浮置區(qū)域。交 替地布置體和浮置區(qū)域。每一個體區(qū)域連接于發(fā)射電極，且每一個浮置區(qū) 域不連接于發(fā)射電極。單元區(qū)域包括被重復布置且被組合在一起以形成間 隔溝道絕緣柵雙極晶體管的多個間隔溝道絕緣柵雙極晶體管單元。每一個 晶體管單元具有多個體區(qū)域中的相應的一個和多個浮置區(qū)域中的相應的一個。在邊界區(qū)域中，通過多個絕緣柵溝槽將基極層劃分成多個被劃分的區(qū) 域。邊界區(qū)域中的相鄰絕緣柵溝槽之間的間隔小于單元區(qū)域中的相鄰絕緣 柵溝槽之間的間隔，每一個浮置區(qū)域位于單元區(qū)域中的相鄰絕緣柵溝槽之 間。通過下述結合附圖的詳細說明，本發(fā)明的上述和其它目的、特征以及優(yōu) 點將變得顯而易見。在附圖中
圖1是示出用于第一模擬的半導體器件的橫截面圖的示意圖； 圖2是示出用于第一模擬的逆變器電路的電路模型的等效電路圖； 圖3是示出通過將圖1的半導體器件應用于圖2的電路模型所進行的第 一模擬的結果且示出圖1的半導體器件的電流和溫度的示意圖；圖4A是示出第一模擬的結果且示出在圖3的Pl時刻的圖1的半導體器 件中的空穴電流密度分布的示意圖，且圖4B是示出第一模擬的結果其示出 在圖3的P2時刻的圖1的半導體器件中的空穴電流密度分布的示意圖；圖5A是示出第一模擬的結果且示出在圖3的P3時刻的圖1的半導體器 件中的空穴電流密度分布的示意圖，且圖5B是示出第一模擬的結果且示出 在圖3的P4時刻的圖1的半導體器件中的空穴電流密度分布的示意圖；圖6A是示出第一模擬的結果且示出在圖3的P4時刻的圖1的半導體器 件中的電場強度的示意圖，且圖6B是示出第一模擬的結果且示出在圖3的 P4吋刻的圖1的半導體器件中的載流子產生數(shù)量分布的示意圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導體器件的橫截面圖的示意圖；圖8是示出通過將圖7的半導體器件應用于圖2的電路模型所迸行的第 二模擬的結果且示出圖7的半導體器件的電流和溫度的示意圖；圖9是示出第二模擬的結果且示出在圖8的P5時刻的圖7的半導體器 件的空穴電流密度分布的示意圖；圖10A是示出第二模擬的結果且示出在圖8的P5時刻的圖7的半導體 器件中的電場強度的示意圖，且圖10B是示出第二模擬的結果且示出在圖8 的P5時刻的圖7的半導體器件中的載流子產生數(shù)量分布的示意圖；圖11是示出根據(jù)圖7的半導體器件的修改的半導體器件的橫截面圖的 示意圖；圖12是示出根據(jù)圖7的半導體器件的另一修改的半導體器件的橫截面 圖的示意圖；圖13是示出根據(jù)圖11的半導體器件的修改的半導體器件的橫截面圖的 示意圖；圖14是示出根據(jù)圖7的半導體器件的另一修改的半導體器件的橫截面 圖的示意圖；圖15是示出根據(jù)圖14的半導體器件的修改的半導體器件的橫截面圖的 示意圖；圖16是示出根據(jù)圖7的半導體器件的另一修改的半導體器件的橫截面 圖的示意圖；圖17是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導體器件的橫截面圖的示意圖；圖18是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的半導體器件的橫截面圖的示意圖；圖19是示出根據(jù)圖18的半導體器件的應用實例的半導體器件的橫截面 圖的示意圖；圖20是示出根據(jù)圖18的半導體器件的另一應用實例的半導體器件的橫截面圖的示意圖；圖21是示出根據(jù)圖18的半導體器件的修改的半導體器件的橫截面圖的 示意圖；圖22是示出根據(jù)圖18的半導體器件的另一修改的半導體器件的橫截面 圖的示意圖；圖23A是示出逆變器電路的基本組件的電路圖，且圖23B是示出用于逆 變器電路每一相的基本單元的電路圖；圖24是示出常規(guī)半導體器件的橫截面圖的示意圖；以及 圖25是示出另一常規(guī)半導體器件的橫截面圖的示意圖。本發(fā)明涉及一種包括均形成在同一半導體襯底中的間隔溝道絕緣柵雙 極晶體管(IGBT)和反并聯(lián)二極管的半導體器件。間隔溝道IGBT具有浮置 區(qū)域，通過該浮置區(qū)域將溝道區(qū)域彼此隔開。如先前參考圖25所述，與沒 有浮置區(qū)域的常規(guī)IGBT相比，這種具有浮置區(qū)域的間隔溝道IGBT不僅可 以具有低的導通電壓，還具有低的開關損耗。通常地，當IGBT和與IGBT反并聯(lián)連接的二極管形成于同一個第一導電 型半導體襯底中時，連接于IGBT的發(fā)射電極的體區(qū)域(即，溝道區(qū)域)具 有第二導電型。由于二極管的陽極電極也具有第二導電型，IGBT的發(fā)射電 極連接于二極管的陽極電極。結果，與圖24中所示半導體器件91相類似， IGBT的體區(qū)域充當在IGBT與二極管之間引起相互干擾的寄生體二極管。如先前參考圖23A所述，包括IGBT和反并聯(lián)二極管的半導體器件成對 使用以構造逆變器電路。在這種情況下，特別地，相互干擾的二極管反向 恢復特性成為問題。特別地，當二極管在逆變器電路中用作飛輪二極管時， 在二極管由導通切換到截止的瞬間反向過沖電流流動。關于包括形成于同一半導體襯底的沒有浮置區(qū)域的一般IGBT和二極管 的半導體器件，已經知道，由于在二極管的導通周期期間存儲的載流子在二極管由導通切換到截止的瞬間流出的事實引起反向過沖電流。已經對這種包括形成于同一半導體襯底中的沒有浮置區(qū)域的一般IGBT 和二極管的半導體器件進行了一些研究。然而，對包括形成于同一半導體 襯底中的具有浮置區(qū)域的間隔溝道IGBT和二極管的半導體器件幾乎沒有進行過研究。將繼續(xù)闡述間隔溝道IGBT和二極管如何互相干擾。為了確定形成于同一半導體襯底中的間隔溝道IGBT和二極管之間的相 互干擾，本發(fā)明人已經進行了模擬以評估圖1中所示的半導體器件110的 特性。在半導體器件110中，間隔溝道IGBT和與IGBT反并聯(lián)連接的二極 管形成于同一 W導電型半導體襯底31中。在IGBT區(qū)域中將多個IGBT單元 組合在一起(即，重復布置)以形成IGBT，且在二極管區(qū)域中將多個二極 管單元組合在一起以形成二極管。如從圖l可以看出，將IGBT和二極管簡 單地布置成彼此相鄰。在IGBT區(qū)域中，將P導電型基極層32形成至半導體襯底31的第一側 面的表面區(qū)域。通過絕緣柵溝槽GT將基極層32劃分成體區(qū)域32b和浮置 區(qū)域32f。如圖1中所示，體區(qū)域32b連接于IGBT的發(fā)射電極E，而浮置 區(qū)域32f不連接于發(fā)射電極E。作為IGBT的發(fā)射極區(qū)域的N+導電型區(qū)域37 形成于體區(qū)域32b且與柵溝槽GT接觸。將P+導電型第一擴散層33形成至 半導體襯底31的第二側面的表面區(qū)域且設置成與基極層32相對。將第一 擴散層33連接到IGBT的集電極C。在第一擴散層33上形成作為IGBT的場 截止層的N導電型層34。在二極管區(qū)域中，將P+導電型區(qū)域35形成至半導體襯底31的第一側面 的表面區(qū)域。該區(qū)域35連接于二極管的陽極電極A。將W導電型第二擴散 層36形成至半導體襯底31的第二側面的表面區(qū)域且設置成與區(qū)域35相對。 第二擴散層36具有比半導體襯底31高的雜質濃度且連接到二極管的陰極 電極K。如從圖1中可以看出，IGBT的發(fā)射電極E和二極管的陽極電極A互相 集成在一起(即，連接)，且IGBT的集電極C和二極管的陰極電極K互相 集成在一起。因此，將二極管與IGBT反并聯(lián)連接。本發(fā)明人通過將圖1中所示的半導體器件IIO應用于圖2中所示的電路 模型Ml的半導體器件101、 102來進行模擬。將半導體器件102的IGBT的 柵極和發(fā)射極端子短路在一起以模擬當半導體器件102的二極管102d從導 通切換到截止時的瞬間(即，當半導體器件101的IGBT 101i從截止切換 到導通時的瞬間)。在該模擬中，半導體器件101的IGBT K)li用作切換元 件，而半導體器件102的二極管102d用作飛輪二極管(FWD)。圖3-6B描述所進行的模擬的結果以評估用作電路模型M1中的半導體器 件101、 102的半導體器件110的特性。圖3示出流經整個半導體器件110 的總電流Id和半導體器件110的溫度。在圖3中，實線表示總電流Id，長 虛線表示流經半導體器件110的二極管的電流Idd，而短虛線表示流經半導 體器件110的IGBT的電流Idi。圖4A示出在圖3的時刻Pl的半導體器件 110中的空穴電流密度分布。圖4B示出在圖3的時刻P2的半導體器件110 中的空穴電流密度分布。圖5A示出在圖3的時刻P3的半導體器件110中 的空穴電流密度分布。圖5B示出在圖3的時刻P4的半導體器件110中的 空穴電流密度分布。在圖4A、 4B、 5A和5B中，通過利用等密度線和箭頭 示意性圖示出空穴電流密度分布。等密度線連接其中電流密度相等的點。 箭頭具有隨著電流密度而變化的長度和厚度。破壞半導體器件110的電流集中是由存儲在W導電型半導體襯底31中 的空穴從半導體襯底31向上流出且由于半導體110的結構而被集中的事實 引起的?？紤]到上述原因，為了確定電流集中的原因，分析空穴電流密度 分布遠比分析電子電流密度分布重要。因此，如圖4A-5B所示，本發(fā)明人 已經分析了空穴電流密度分布。在半導體器件110中，如圖3中所示，當二極管處于導通狀態(tài)時，306 安培的電流Idd流經二極管，且100安培的電流Idi流經IGBT。如圖4A中 所示，100安培的電流Idi流經體區(qū)域32b，該體區(qū)域32b可以充當寄生體 二極管。回到圖3，當二極管從導通切換到截止時，在二極管反向恢復期間， 高至負147安培的反向過沖電流W流經半導體器件110。過沖電流Id的大 部分是流經IGBT的高達負121安培的電流Idi。如從圖5B中可以看出，越 接近二極管區(qū)域，過沖電流密度越大。例如，46897A/cm2的最大電流密度出 現(xiàn)在最近于二極管區(qū)域的IGBT單元的體二極管中?？偟膩碚f，模擬結果顯示電流集中出現(xiàn)在二極管區(qū)域附近。圖6A示出在圖3的時刻P4時IGBT區(qū)域和二極管區(qū)域之間的邊界附近 的電場強度。圖6B示出在圖3的時刻P4時通過碰撞電離在邊界附近產生的載流子量的分布。如圖6A中所示，在時刻P4處，在最接近于二極管區(qū)域的IGBT單元的 柵極溝槽GT下面的電場強度高達0. 53 MV/cm。如圖6B中所示，在時刻P4處，在最接近于二極管區(qū)域的IGBT單元的柵極溝槽GT下面產生的載流子 量高達3.2X10"對/cm3sec。因此，模擬結果顯示在二極管反向恢復期間， 在最接近于二極管區(qū)域的IGBT單元的柵極溝槽GT的下面集中電場。結果， 在遠小于IGBT單元的擊穿電壓的電壓處發(fā)生雪崩擊穿，且發(fā)生電流集中。 結果，最接近于二極管區(qū)域的IGBT單元會被電流集中破壞?；趶哪M結果獲得的結論，下面描述根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體器件。(第一實施例)圖7示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導體器件200。與圖1中示出的半導體器件110相似，半導體器件200包括間隔溝道 IGBT和反并聯(lián)連接于IGBT的二極管。在同一N"導電型半導體襯底31中形 成IGBT和二極管。在IGBT區(qū)域中將多個IGBT單元組合在一起(重復布置) 以形成IGBT,且在二極管區(qū)域中將多個二極管單元組合在一起以形成二極 管。半導體器件110、 200之間的差別如下所述。如圖7中所示，將半導體 器件200的IGBT區(qū)域分割成單元區(qū)域和邊界區(qū)域。在IGBT區(qū)域的單元區(qū) 域中將IGBT單元組合在一起。IGBT區(qū)域的邊界區(qū)域位于二極管區(qū)域與IGBT 區(qū)域的單元區(qū)域之間。因此，半導體器件110中的IGBT相鄰于二極管定位， 而半導體器件200的IGBT遠離二極管定位。在單元區(qū)域和邊界區(qū)域中之間按照不同的圖形布置絕緣柵溝槽GT。在 單元區(qū)域中，通過柵極溝槽GT將基極層32劃分成體區(qū)域32a和浮置區(qū)域 32f。體區(qū)域32a連接于IGBT的發(fā)射電極E，而浮置區(qū)域32f與發(fā)射電極E 斷開。W導電型區(qū)域37形成于體區(qū)域32b中且與柵極溝槽GT接觸。在邊界 區(qū)域中，將基極層32劃分成區(qū)域，每一個區(qū)域相對應于體區(qū)域32a。艮P， 邊界區(qū)域中被劃分的區(qū)域連接于發(fā)射電極E，且N+導電型區(qū)域37形成于被 劃分的區(qū)域中以與柵極溝槽GT接觸。如從圖7中可以看出，將邊界區(qū)域中的相鄰柵極溝槽GT之間的間距Wx 設置成小于單元區(qū)域中的其間設置浮置區(qū)域32f的相鄰柵極溝槽GT之間的 間距Wf。換句話說，將邊界區(qū)域中的被劃分的區(qū)域的寬度設置成小于單元區(qū)域中的浮置區(qū)域32f的寬度。此外，將邊界區(qū)域中的相鄰絕緣柵極溝槽 GT之間的間距Wx設置成等于單元區(qū)域中的其間設置體區(qū)域32b的相鄰柵極 溝槽GT之間的間距Wb。換句話說，將邊界區(qū)域中的被劃分的區(qū)域的寬度設 置成等于單元區(qū)域中的體區(qū)域32b的寬度。本發(fā)明人通過將半導體器件200應用于圖2中所示的電路模型Ml的半 導體器件101、 102來進行模擬。圖8、 9、 IOA和IOB描述模擬的結果并分 別與圖3、 5B、 6A和6B相對應。圖8示出流經整個半導體器件200的總電流Id和半導體器件200的溫 度。在圖8中，實線表示總電流Id，長虛線表示流經半導體器件200的二 極管的電流Idd，而短虛線表示流經半導體器件200的IGBT的電流Idi。圖9示出在圖8的時刻P5處的半導體器件200中的空穴電流密度分布。 在圖9中，通過使用等密度線和箭頭來示意性圖示出空穴電流密度分布。 等密度線連接電流密度相等的點。箭頭具有隨著電流密度而改變的長度和 厚度。圖10A示出在時刻P5處的半導體器件200的IGBT區(qū)域與二極管區(qū)域之 間的邊界附近的電場強度。圖10B示出通過在時刻P5處通過碰撞電離而在 邊界附近產生的載流子量的分布。下面將半導體器件200的模擬結果與半導體器件110的模擬結果進行比 較。通過比較圖3、 8可以看出，當二極管為導通狀態(tài)時，在半導體器件110、 200之間，總電流Id幾乎相同。然而，電流Idd從306安培減少到260安 培，而電流Idi從100安培增加到145安培。此外，在二極管反向恢復期 間，流經整個半導體器件的總過沖電流Id從負147安培減少到負126安培， 且流經IGBT的過沖電流Idi從負121安培減少到負107安培。如圖9中所示，半導體器件200中的過沖電流密度分布在IGBT區(qū)域的 邊界區(qū)域上逐漸地、連續(xù)地改變。通過比較5B、 9可以看出，半導體器件 200中的電流集中被減輕，特別是在接近于二極管區(qū)域的IGBT單元處。在 半導體器件200中，23300A/cn^的最大電流密度出現(xiàn)在從邊界區(qū)域數(shù)的第二 IGBT單元的體二極管中。將半導體器件200的最大電流密度(23300A/cm2) 減少到半導體器件110的最大電流密度(46897A/cm2)的大約一半。半導體器件200具有邊界區(qū)域，其中按照窄間距布置柵極溝槽GT。因此，如圖10A中所示，在時刻P5處在柵極溝槽GT的下方被最大化的電場 強度，在邊界區(qū)域中保持高且在邊界區(qū)域上連續(xù)地分布。因此，過沖電流 分布在邊界區(qū)域中保持高且在整個邊界區(qū)域上連續(xù)地分布。結果，單元區(qū) 域中的電流分布集中被減輕。如上所述，根據(jù)模擬結果，與圖1中所示的半導體器件110相比較，在 半導體器件200中，二極管區(qū)域附近的IGBT單元的體二極管處的電流集中 被減輕。因此，與半導體器件110相比較，在半導體器件200中減少了反 向過沖電流。特別地，在半導體器件200中，發(fā)生在柵極溝槽GT下方的雪 崩電流分布邊界區(qū)域上，其中以比單元區(qū)域中的浮置區(qū)域32f的寬度(即， Wf)窄的間距(即，Wx)布置柵極溝槽GT。因此，IGBT區(qū)域的邊界區(qū)域減 小了形成于半導體襯底31中的間隔溝道IGBT和反并聯(lián)二極管之間的相互 干擾，由此防止IGBT在二極管反向恢復期間被破壞。因此，半導體器件200 可以具有小的尺寸和對擊穿的高抵抗力?？梢砸愿鞣N方式修改圖7中所示的半導體器件200。例如，圖11示出 根據(jù)半導體器件200的修改的半導體器件201。半導體器件200、 201之間 的差別如下所述。如前所述，在圖7中所示的半導體器件200中，將在邊界區(qū)域中的相鄰 的柵極溝槽GT之間的間距Wx設置成小于單元區(qū)域中的其間設置浮置區(qū)域 32f的相鄰柵極溝槽GT之間的間距Wf。此外，將該間距Wx設置成等于單 元區(qū)域中的其間設置體區(qū)域32b的相鄰柵極溝槽GT之間的間距Wb。在這種 方法中，電場強度幾乎平等地分布于邊界區(qū)域上以便于在二極管反向恢復期間所流動的反向電流能夠幾乎均勻地分布于邊界區(qū)域上。結果，在二極 管區(qū)域附近的IGBT單元的體二極管處，電流集中被減輕。在圖11所示的半導體器件201中，將在邊界區(qū)域中的相鄰的柵極溝槽 GT之間的間距Wx設置成小于單元區(qū)域中的其間設置浮置區(qū)域32f的相鄰柵 極溝槽GT之間的間距Wf 。然而，半導體器件200中的間距Wx是有規(guī)則的， 半導體器件201中的間距Wx是不規(guī)則的。特別地，半導體器件201中的間 距Wx朝向二極管區(qū)域連續(xù)地變窄。在半導體器件201中，在邊界區(qū)域的柵極溝槽GT的下方電場被集中。 由于間距Wx朝向二極管區(qū)域連續(xù)地變窄，所以邊界區(qū)域中的電場強度從二極管區(qū)域朝向單元區(qū)域連續(xù)地變弱。因此，在二極管反向恢復期間所流動 的反向電流在邊界區(qū)域中連續(xù)地改變且分布于邊界區(qū)域上。結果，在二極管區(qū)域附近的IGBT單元的體二極管處，電流集中被減輕。圖12示出根據(jù)半導體器件200的另一種修改的半導體器件202。半導 體器件200、 202之間的差別如下所述。在圖7中所示的半導體器件200中，通過邊界區(qū)域中的柵極溝槽GT劃 分的基極層32的每一個區(qū)域連接于發(fā)射電極E，且N+導電型區(qū)域37形成在 每一個被劃分的區(qū)域中并與柵極溝槽GT接觸。gp，邊界區(qū)域中的基極層32 的每一個被劃分的區(qū)域相對應于單元區(qū)域中的基極層32的體區(qū)域32b。因 此，可以認為，僅利用體區(qū)域32b構造邊界區(qū)域。相反，在圖17中所示的半導體器件202中，邊界區(qū)域中的基極層32的 任意一個被劃分的區(qū)域不連接于發(fā)射電極E，且在任意一個被劃分的區(qū)域中 沒有形成N+導電型區(qū)域37。即邊界區(qū)域中的基極層32的每一個被劃分的區(qū) 域相對應于單元區(qū)域中的基極層32的浮置區(qū)域32f。因此，可以認為，僅 利用浮置區(qū)域32f構造邊界區(qū)域。圖13示出根據(jù)圖11中所示的半導體器件201的修改的半導體器件203。 半導體器件201、 203之間的差別與半導體器件200、 202之間的差別是相 同的。即，僅利用體區(qū)域32b構造半導體器件201的邊界區(qū)域，而僅利用 浮置區(qū)域32f構造半導體器件203的邊界區(qū)域。在半導體器件200、 201中，由于僅利用體區(qū)域32b構造邊界區(qū)域，因 此整個邊界區(qū)域都對IGBT的電流容量的增加有貢獻。因此，與半導體器件 202、 203相比較，可以減少半導體器件200、 201的尺寸。然而，主要是通 過在邊界區(qū)域中以窄間距布置的柵極溝槽GT來產生在二極管反向恢復期間 分布電流密度的效果。因此，與半導體器件200、 201相似、半導體器件202、 203可以實現(xiàn)在二極管反向恢復期間分布電流密度的效果。因此，在半導體 器件202、 203中，在二極管區(qū)域附近的IGBT單元的體二極管處，電流集 中可以被減輕。圖14示出根據(jù)圖7中所示的半導體器件200的另一種修改的半導體器 件204。半導體器件200、 204之間的差別如下所述。僅利用體區(qū)域32b構 造半導體器件200的邊界區(qū)域。相反，利用交替布置的體區(qū)域32b和浮置區(qū)域32f構造半導體器件204的邊界區(qū)域。將邊界區(qū)域中的相鄰柵極溝槽 GT之間的間距Wx設置成等于單元區(qū)域中的其間設置體區(qū)域32b的相鄰柵極 溝槽GT之間的間距Wb。 g[3，在半導體器件204中，單元區(qū)域和邊界區(qū)域都 具有由體區(qū)域32b和浮置區(qū)域32f構成的交替結構。與半導體器件200相 似，半導體器件204實現(xiàn)了在二極管反向恢復期間在邊界區(qū)域上分布電流 密度的效果，由此減輕二極管區(qū)域附近的IGBT的體二極管處的電流集中。圖15示出根據(jù)圖14中所示的半導體器件204的一種修改的半導體器件 205。半導體器件204、 205之間的差別如下所述。在半導體器件204中， 邊界區(qū)域中的相鄰柵極溝槽GT之間的間距Wx是有規(guī)則的。相反，在半導 體器件205中，邊界區(qū)域中的相鄰柵極溝槽GT之間的間距Wx是不規(guī)則的， 其中浮置區(qū)域32f位于該邊界區(qū)域中的相鄰柵極溝槽GT之間。特別地，邊 界區(qū)域中的間距Wx朝向二極管區(qū)域連續(xù)地變窄。因此，邊界區(qū)域中的電場 強度從二極管區(qū)域朝向單元區(qū)域連續(xù)地變弱。從而，二極管反向恢復期間 所流動的反向電流在邊界區(qū)域中連續(xù)地改變且分布于邊界區(qū)域上。結果， 在二極管區(qū)域附近的IGBT單元的體二極管處，電流集中被減輕。圖16示出根據(jù)圖7中所示的半導體器件200的另一種修改的半導體器 件206。半導體器件200、 206之間的差別如下所述。在半導體器件200中，將單元區(qū)域中的柵極溝槽GT的深度設置成等于 邊界區(qū)域中的柵極溝槽GT的深度。在這種方法中，簡化了半導體器件200 的制造工藝以便于能夠減少半導體器件200的制造成本。相反，在半導體器件206中，將單元區(qū)域中的絕緣柵溝槽GT1的深度 dl設置成大于邊界區(qū)域中的絕緣柵溝槽GT2的深度d2。在這種方法中，與 半導體器件200相比較，在半導體器件206中，可以減小邊界區(qū)域中的電 場強度。因此，與半導體器件200相比較，在半導體器件206中，可以減 小在二極管反向恢復期間邊界區(qū)域中的電流密度。結果，與半導體器件200 相比較，在半導體器件206中，可以減輕電流集中。可以將半導體器件206的結構應用于半導體器件201-205，以便于半導 體器件201-205可以具有與半導體器件206相同的效果。即，半導體器件 201-205的柵極溝槽GT在單元區(qū)域中的深度可以大于在邊界區(qū)域中的深度。(第二實施例)下面參考圖l7介紹根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導體器件207。半導體 器件200、 207之間的差別如下所述。在半導體器件207中，在二極管區(qū)域中形成絕緣溝槽ZT。該絕緣溝槽 ZT具有與形成于IGBT區(qū)域中的絕緣柵溝槽GT相同的深度和橫截面結構。 因此，在絕緣溝槽ZT的下方電場集中，以至于與半導體器件200相比較， 在半導體器件207中，二極管區(qū)域中的電場強度增加。結果，與半導體器 件200相比較，在半導體器件207中，在二極管反向恢復期間二極管區(qū)域 中的反向電流增加。因此，與半導體器件200相比較，在半導體器件207 中，IGBT區(qū)域中的反向電流減少。因此，反向電流分布在整個半導體器件 207上，以便于與半導體器件200相比較，在半導體器件207中，可以減輕 IGBT區(qū)域中的電流集中。優(yōu)選的，以如圖17中所示的規(guī)則間距重復布置絕緣溝槽ZT。在這種方 法中，二極管區(qū)域中的電場強度幾乎平等分布以便于幾乎可以均勻地分布 二極管區(qū)域中的反向電流。結果，可以減輕二極管區(qū)域中的電流集中。可以將半導體器件207的結構應用于半導體器件201-206以便于半導體 器件201-206可以具有與半導體器件207相同的效果。即，可以在半導體 器件201-206的二極管區(qū)域中形成絕緣溝槽。(第三實施例)下面參考圖18介紹根據(jù)本發(fā)明第三實施例的半導體器件208。半導體 器件200、 208之間的差別如下所述。在半導體器件208中，基極層32從 IGBT區(qū)域延伸到二極管區(qū)域中，且在二極管區(qū)域中形成絕緣柵溝槽GT3。 柵極溝槽GT3具有與形成于IGBT區(qū)域中的柵極溝槽GT相同的深度和橫截 面?？梢允褂枚O管區(qū)域中的基極層32作為二極管的陽極區(qū)域。因此，可 以從半導體器件208消除半導體器件200的專門的陽極區(qū)域35，以便于與 半導體器件200相比較，可以以低成本制造半導體器件208。此外，在半導體器件208中，IGBT區(qū)域的單元區(qū)域和二極管區(qū)域具有 由半導體襯底31的第一側面上的體區(qū)域32b和浮置結構32f構成的相同的 交替結構。在這種方法中，簡化了半導體器件208的設計和制造工藝以便于能夠減少半導體器件208的制造成本。圖19示出根據(jù)圖18所示的半導體器件208的應用實例的半導體器件 209。在半導體器件209中，形成在二極管區(qū)域中的柵極溝槽GT3與形成在 IGBT區(qū)域的柵極溝槽GT并聯(lián)連接。在這種方法中，半導體襯底31的第一 側面上的二極管區(qū)域的結構部分可以用作IGBT的部分。因此，該結構部分 可以有助于IGBT的電流容量的增加。圖20示出根據(jù)半導體器件208的另一應用實例的半導體器件210。在 半導體器件210中，形成在二極管區(qū)域中的柵極溝槽GT3被短路至發(fā)射電 極E以防止二極管區(qū)域的結構部分用作IGBT。因此，可以使結構部分專用于二極管以便于可以簡化二極管的設計。圖21示出根據(jù)半導體器件210的修改的半導體器件211。與半導體器 件210相似，半導體器件211具有專用作二極管的二極管區(qū)域。因此，可 以簡化二極管的設計。半導體器件210、 211之間的差別在于，在半導體器 件211的二極管區(qū)域中不形成W導電型區(qū)域37。由于單元區(qū)域和二極管區(qū) 域具有由半導體襯底31的第一側面上的體區(qū)域32b(除N+導電型區(qū)域37外) 和浮置區(qū)域32f構成的相同的交替結構，所以可以利用相同的布線圖形來 將柵極電極GT、 GT3連接。因此，可以更加簡化二極管的設計。圖22示出根據(jù)半導體器件210的另一種修改的半導體器件212。與半 導體器件210相似，半導體器件212具有專用作二極管的二極管區(qū)域。因 此，可以簡化二極管的設計。半導體器件210、 212之間的差別在于，形成 在半導體器件211的二極管區(qū)域中的W導電型區(qū)域37不連接到發(fā)射電極E。在圖18-21中分別示出的半導體器件208-211中，單元區(qū)域和二極管區(qū) 域具有由半導體襯底31的第一側面上的體區(qū)域32b和浮置區(qū)域32f構成的 相同的交替結構。或者，與在圖22中示出的半導體器件212相似，單元區(qū) 域和二極管區(qū)域在半導體襯底31的第一側面上可以具有不同的結構。分別在圖17-22中示出的半導體器件207-212的IGBT單元區(qū)域具有與 圖7中所示的半導體器件200相同的結構。因此，與半導體器件200相似， 半導體器件207-212可以以低成本來制造、減少尺寸，且具有對擊穿的高 抵抗性。如上所述，根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體器件200-212， IGBT區(qū)域的邊界19區(qū)域減少形成于同一半導體襯底31中的間隔溝道IGBT與反并聯(lián)二極管之 間的相互干擾，由此防止IGBT在二極管反向恢復期間被破壞。因此，半導 體器件200-212可以以低成本來制造、減少尺寸，且具有對擊穿的高抵抗 性。因此，半導體器件200-212可以適用于逆變器電路。例如，交通工具設 置有具有高電壓和高電流容量的逆變器電路以使用DC電源向設備(即，發(fā) 動機)提供電源。特別地，半導體器件200-212可以適用于安裝于交通工 具上的這種逆變器電路。(修改)可以以不同的方式修改上述實施例。例如，可以將圖17-22中分別示出 的半導體器件207-212的二極管區(qū)域的結構應用于圖11-16中分別示出的 半導體器件201-206的二極管區(qū)域中。在這種方法中，半導體器件201-206 可以具有與半導體器件207-212相同的效果。這種改變和修改應當被認為是處在如附屬權利要求所限定的本發(fā)明的 范圍內。
權利要求
1、一種半導體器件，包括具有第一側和相對于該第一側的第二側的第一導電型半導體襯底(31)；晶體管區(qū)域，包含形成至該襯底(31)的第一側的表面部分的第二導電型基極層(32)、形成至該基極層(32)的多個絕緣柵溝槽(GT)、形成至該襯底(31)的第二側的表面部分的第二導電型第一擴散層(33)、以及形成在該襯底(31)的第一側上的發(fā)射電極(E)；和二極管區(qū)域，反并聯(lián)連接于該晶體管區(qū)域，且包含形成至該襯底(31)的第二側的表面部分的第一導電型第二擴散層(36)，該第二擴散層(36)具有比該襯底(31)高的雜質濃度，其中所述二極管區(qū)域包括被重復布置且被組合在一起以形成二極管的多個二極管單元，其中所述晶體管區(qū)域包括單元區(qū)域和位于所述單元區(qū)域與所述二極管區(qū)域之間的邊界區(qū)域，其中在所述單元區(qū)域中，通過所述多個絕緣柵溝槽(GT)將所述基極層(32)劃分成多個體區(qū)域(32b)和多個浮置區(qū)域(32f)，將所述體和浮置區(qū)域(32b、32f)交替布置，每一個體區(qū)域(32b)連接到所述發(fā)射電極(E)，每一個浮置區(qū)域(32f)與所述發(fā)射電極(E)斷開，其中所述單元區(qū)域包括被重復布置且被組合在一起以形成間隔溝道絕緣柵雙極晶體管的多個間隔溝道絕緣柵雙極晶體管單元，每一個晶體管單元具有所述多個體區(qū)域(32b)中的相應的一個和所述多個浮置區(qū)域(32f)中的相應的一個，其中在所述邊界區(qū)域中，通過所述多個絕緣柵溝槽(GT)將所述基極層(32)劃分成多個被劃分的區(qū)域，且其中所述邊界區(qū)域中的相鄰絕緣柵溝槽(GT)之間的第一間隔(Wx)小于所述單元區(qū)域中的其間設置了每一個浮置區(qū)域(32f)的相鄰絕緣柵溝槽(GT)之間的第二間距(Wf)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述第一間距(Wx)等于所述單元區(qū)域中的其間設置了每一個體區(qū) 域(32b)的相鄰絕緣柵溝槽之間的第三間距(Wb)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件， 其中所述第一間距(Wx)朝向所述二極管區(qū)域變窄。
4、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述邊界區(qū)域中的多個被劃分的區(qū)域中的每一個連接到所述發(fā)射 電極(E)。
5、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述邊界區(qū)域中的所述多個被劃分的區(qū)域包括多個第一被劃分的 區(qū)域和多個第二被劃分的區(qū)域，所述第一和第二被劃分的區(qū)域交替布置， 每一個第一被劃分的區(qū)域連接到所述發(fā)射電極(E)，每一個第二被劃分的 區(qū)域與所述發(fā)射電極(E)斷開，且其中所述邊界區(qū)域中的其間設置了每個第二被劃分的區(qū)域的相鄰絕緣 柵溝槽(GT)之間的第一間距(Wx)朝向所述二極管區(qū)域變窄。
6、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述邊界區(qū)域中的每一個絕緣柵溝槽(GT)的深度(d2)等于所述 單元區(qū)域中的每一個絕緣柵溝槽(GT)的深度(dl)。
7、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述邊界區(qū)域中的每一個絕緣柵溝槽(GT2)的深度(d2)小于所 述單元區(qū)域中的每一個絕緣柵溝槽(GT)的深度(dl)。
8、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述二極管區(qū)域包括至少一個具有與所述單元區(qū)域中的每一個絕 緣柵溝槽(GT)相同的深度和橫截面結構的絕緣溝槽(ZT)。
9、 根據(jù)權利要求8所述的半導體器件，其中至少一個絕緣溝槽(ZT)包括被重復布置的多個絕緣溝槽(zt)。
10、 根據(jù)權利要求l所述的半導體器件，其中所述基極層(32)從所述晶體管區(qū)域延伸到所述二極管區(qū)域中，且 其中所述二極管區(qū)域包括多個絕緣柵溝槽(GT3)，每一個具有與所述單 元區(qū)域中的每一個絕緣柵溝槽(GT)相同的深度和橫截面結構。
11、 根據(jù)權利要求10所述的半導體器件，其中所述二極管區(qū)域具有與所述半導體襯底(31)的第一側面上的所述 單元區(qū)域相同的橫截面結構。
12、 根據(jù)權利要求10所述的半導體器件，其中所述二極管區(qū)域中的所述多個絕緣柵溝槽(GT3)與所述晶體管區(qū) 域中的所述多個絕緣柵溝槽(GT)并聯(lián)連接。
13、 根據(jù)權利要求10所述的半導體器件，其中所述二極管區(qū)域中的所述多個絕緣柵溝槽(GT3)被短路至所述晶 體管區(qū)域的發(fā)射電極(E)。
14、 根據(jù)權利要求10所述的半導體器件，其中所述晶體管區(qū)域包括多個第一導電型發(fā)射極區(qū)域(37)，每一個發(fā) 射極區(qū)域(37)形成在相應的體區(qū)域(32b)中，且其中所述二極管區(qū)域具有與除所述多個第一導電型發(fā)射極區(qū)域(37)之 外的所述半導體襯底(31)的第一側面上的所述單元區(qū)域相同的橫截面結 構。
15、 根據(jù)權利要求10所述的半導體器件，其中所述二極管區(qū)域包括第一導電型發(fā)射極區(qū)域(37)，該發(fā)射極區(qū)域 (37)形成在所述基極層(32)中且相鄰于所述二極管區(qū)域中的所述多個絕緣柵溝槽(GT3)中的至少一個，且其中所述基極層(32)連接到所述發(fā)射電極(E)以便于所述發(fā)射極區(qū) 域(37)與所述發(fā)射電極(E)斷開。
16、 根據(jù)權利要求1所述的半導體器件， 其中所述半導體器件用于逆變器電路中。
17、 根據(jù)權利要求1-16中的任意一項所述的半導體器件， 其中所述半導體器件用于安裝在交通工具上的設備中。
全文摘要
一種半導體器件，包括形成在同一半導體襯底(31)中的間隔溝道IGBT和反并聯(lián)二極管。IGBT包括基極層(32)和絕緣柵溝槽(GT)，通過該絕緣柵溝槽(GT)將基極層(32)劃分成連接于發(fā)射電極(E)的體區(qū)域(32b)和與發(fā)射電極(E)斷開的浮置區(qū)域(32f)。在IGBT區(qū)域的單元區(qū)域中形成IGBT，且在二極管區(qū)域中形成二極管。IGBT區(qū)域的邊界區(qū)域位于單元區(qū)域與二極管區(qū)域之間。邊界區(qū)域中的相鄰柵極溝槽(GT)之間的間距(Wx)小于單元區(qū)域中的其間設置浮置區(qū)域(32f)的相鄰柵極溝槽(GT)之間的間距(Wf)。
文檔編號H01L27/06GK101325198SQ200810109479
公開日2008年12月17日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權日2007年6月14日
發(fā)明者加藤久登, 天野伸治, 戶倉規(guī)仁, 曾根弘樹 申請人:株式會社電裝