專(zhuān)利名稱(chēng)：絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕緣柵雙極型晶體管，特別是涉及一種溝 槽結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管被稱(chēng)為IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor), 成為大電流開(kāi)關(guān)的主流之一 。圖7的(a)表示現(xiàn)有技術(shù)所涉及的穿通(Punch Through, PT) 結(jié)構(gòu)的溝槽型IGBT的截面圖。PT結(jié)構(gòu)的IGBT 5 l在由P+型的半導(dǎo)體基板構(gòu)成的集電極層 60上依次外延生長(zhǎng)N-型的緩沖層62以及N-型的漂移層53 。并 且，在漂移層53的主表面上形成P型的基極層54，并形成多個(gè) 溝槽52以從該基極層54的表面到達(dá)漂移層53。此外，在本圖中， 為了簡(jiǎn)單而僅在兩個(gè)位置上形成溝槽52，但是，實(shí)際上，在平 面視圖中以規(guī)定的間隔成條狀地形成多個(gè)溝槽52。在該溝槽52 的內(nèi)部形成柵極氧化膜55，并通過(guò)該柵極氧化膜55將柵電極56 嵌入到溝槽52中，從而構(gòu)成絕緣柵。并且，在基極層54的主表 面上形成N型的發(fā)射極層57以與絕緣柵鄰接。然后，形成層間 絕緣膜59以覆蓋絕緣柵、并露出發(fā)射極層57，發(fā)射極電極58形 成為與發(fā)射極層57接觸。一般地，在IGBT中，通過(guò)外延生成來(lái)較厚地生成漂移層， 使得在希望的耐壓下耗盡層無(wú)法到達(dá)集電極層。但是，在PT結(jié) 構(gòu)的IGBT 51中，由于緩沖層62作為制止耗盡層的限制器而發(fā) 揮功能，因此能夠使漂移層53相應(yīng)變薄。具體地說(shuō)，在設(shè)為600V 的耐壓的情況下，在PT結(jié)構(gòu)的IGBT 51中，漂移層53外延生長(zhǎng)為大約60pm的厚度。在這種結(jié)構(gòu)中，在IGBT 51中使導(dǎo)通電阻降低，因此嘗試 高密度地形成溝槽52來(lái)提高單元密度。也就是說(shuō)，通過(guò)高密度 地形成溝槽52,從而也高密度地形成溝道，因此電子的電流密 度提高，導(dǎo)通電阻下降。在此，為了將溝槽52變?yōu)楦呙芏?，?要將溝槽52的寬度W1以及溝槽52之間的間隔W2變窄即可。但 是，實(shí)際上，主要通過(guò)將溝槽52的寬度W1變窄來(lái)實(shí)現(xiàn)溝槽52 的高密度化。這是因?yàn)槿绻麑喜?2之間的間隔W2變窄則鄰接 的發(fā)射極層57之間有可能被連接。因此，溝槽57的寬度W1被構(gòu) 成為始終比溝槽57之間的間隔W2窄，例如，溝槽57的寬度W1 是溝槽57之間的間隔W2的0.3倍左右。另外，如上所述，如果對(duì)漂移層54要求高耐壓則需要與其 相應(yīng)的厚度。關(guān)于這一點(diǎn)，在上述的PT型的IGBT 51中，由于 通過(guò)外延生長(zhǎng)來(lái)形成漂移層54,因此導(dǎo)致成本隨著厚度而提高。 因此，近年來(lái)，在要求高耐壓的IGBT中采用了由低價(jià)格的FZ 晶片構(gòu)成漂移層的非穿通(Non Punch Through, NPT)結(jié)構(gòu)。圖7的(b)表示現(xiàn)有技術(shù)所涉及的NPT結(jié)構(gòu)的溝槽型IGBT的 截面圖。NPT結(jié)構(gòu)的IGBT 71根據(jù)所希望的耐壓來(lái)研磨FZ(Float Zoning:浮區(qū))晶片，形成漂移層73。并且，以低噪聲量將P十 型的雜質(zhì)注入到漂移層73來(lái)形成集電極層80。此外，在NPT結(jié) 構(gòu)的IGBT 71中，由于沒(méi)有如PT結(jié)構(gòu)的IGBT 51那樣形成緩沖層 62，因此漂移層73在600V的耐壓下需要100[xm左右的厚度。但 是，在NPT結(jié)構(gòu)的IGBT 71中，由于通過(guò)離子注入來(lái)形成集電^L 層80,因此關(guān)于元件整體的厚度，NPT結(jié)構(gòu)比PT結(jié)構(gòu)更薄。在NPT結(jié)構(gòu)中，也與PT結(jié)構(gòu)同樣地，以高密度形成溝槽72 來(lái)提高電子的電流密度?？墒?，如上所述，在NPT結(jié)構(gòu)中，由于通過(guò)離子注入來(lái)形成集電極層80,因此與PT結(jié)構(gòu)相比，從集 電極層80注入到漂移層73的空穴數(shù)量較少。因此，空穴從在溝 槽72之間所接觸的發(fā)射極電極78脫離的影響較大，傳導(dǎo)率調(diào)制 容易變?nèi)酢Ｒ虼?，在以往，如圖8所示的IGBT 81那樣，在高密度地形 成溝槽72的狀態(tài)下，在規(guī)定的溝槽72之間的區(qū)域中形成層間絕 緣膜82使得發(fā)射極電極78與基極層74絕緣，從而抑制了空穴的排出量。作為關(guān)聯(lián)的技術(shù)文獻(xiàn)例如列舉以下的專(zhuān)利文獻(xiàn)。 專(zhuān)利文南大l:曰本4爭(zhēng)開(kāi)2000—5883
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，在圖8所示的IGBT81中，在形成層間絕緣膜82的溝 槽72之間，在漂移層73中導(dǎo)致電位游離，容易使特性分散。也 就是說(shuō)，在漂移層73中，由于少數(shù)空穴變?yōu)檩d體，因此幾乎不 會(huì)受到基極層74/漂移層73的勢(shì)壘的影響。因此，在IGBT 81導(dǎo) 通時(shí)，導(dǎo)致空穴從集電極層80進(jìn)入到由層間絕緣膜82包圍的漂 移層73,與此相應(yīng)，該部分的電位發(fā)生改變。另夕卜，在IGBT81 截止時(shí)，難以控制已進(jìn)入該部分的空穴的排出，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)特性 分散。用于解決問(wèn)題的方案鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明所涉及的絕緣柵雙極型晶體管的特 征在于，具備第一導(dǎo)電型的集電極層；第二導(dǎo)電型的漂移層， 其被形成在上述集電極層上；第一導(dǎo)電型的基極層，其被形成 在上述漂移層的主表面內(nèi)；多個(gè)絕緣柵，該多個(gè)絕緣柵被形成 為從上述基極層的表面到達(dá)上述漂移層；以及第二導(dǎo)電型的發(fā)射極層，其被形成在上述基極層的表面以與上述絕緣柵鄰接， 其中，上述絕緣柵的寬度大于上述絕緣柵的最小間隔。發(fā)明的效果本發(fā)明所涉及的絕緣柵雙極型晶體管即使是NPT結(jié)構(gòu)，在本 實(shí)施方式所涉及的IGB T中，也將電子電流密度的下降抑制到最 小限度，不使特性產(chǎn)生分散，能夠充分地得到傳導(dǎo)率調(diào)制效果。


圖l表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的IGBT的截面圖。 圖2表示作為評(píng)價(jià)對(duì)象的IGBT的條件。圖3表示飽和(saturation)電壓相對(duì)于溝槽寬度比例的變化。 圖4表示由于溝槽寬度比例的不同而引起的空穴濃度分布的變化。圖5表示由于溝槽寬度比例的不同而引起的電場(chǎng)強(qiáng)度分布的變化。圖6表示由于溝槽寬度比例的不同而引起的發(fā)射極-集電極 之間的耐壓波形的變化。圖7表示現(xiàn)有技術(shù)所涉及的IGBT的截面圖。 圖8表示現(xiàn)有技術(shù)所涉及的IGBT的截面圖。 附圖標(biāo)記說(shuō)明1: IGBT; 2:溝槽；3:漂移層；4:基極層；5:柵極氧 化膜；6:柵電極；7:發(fā)射極層；8:發(fā)射極電極；9:層間絕 緣膜；10:集電極層；11:集電極。
具體實(shí)施方式
下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所涉及的絕緣柵雙極型晶體管的實(shí)施方式。圖1表示本實(shí)施方式所涉及的NPT結(jié)構(gòu)的溝槽型IGBT l的 截面圖。此外，在本圖中，為了簡(jiǎn)單而僅在兩個(gè)位置上形成溝 槽2，但是，實(shí)際上，在平面視圖中以規(guī)定的間隔成條狀地形成 多個(gè)溝槽。IGBT1具備N(xiāo)-的漂移層3，其由FZ晶片構(gòu)成；P型的基極 層4，其被形成在漂移層3的主表面上；多個(gè)溝槽2，該多個(gè)溝槽 2被形成為從基極層4的表面到達(dá)漂移層3;絕緣柵，其在溝槽2 的內(nèi)部通過(guò)斥冊(cè)才及氧化H莫5形成4冊(cè)電極6而形成；N+型的發(fā)射才及層 7，其被形成為在基極層4的主表面與絕緣柵鄰接；發(fā)射極電極8， 其與發(fā)射極層7接觸；層間絕緣膜9，其將柵電極6與發(fā)射極電極 8絕緣；以及P+型的集電極層10,其向漂移層3的背面?zhèn)茸⑷腚x 子而被形成。在此，漂移層3需要在所希望的耐壓下耗盡層無(wú)法到達(dá)集 電極層10的程度的厚度。在本實(shí)施方式所涉及的IGBT中，例如 在耐壓是600V的情況下，研磨FZ晶片成為大約100(im的厚度來(lái)形成漂移層3。另外，集電極層10根據(jù)所希望的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)整雜質(zhì)濃 度，例如，注入雜質(zhì)使集電極層10的雜質(zhì)濃度的峰值成為大約 lxl010cm 3。在本實(shí)施方式所涉及的IGBT l中，其特征在于溝槽2的寬 度W1被構(gòu)成為大于溝槽2之間的間隔W2、且不足其2倍的點(diǎn)。 在后面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在這種結(jié)構(gòu)中，本實(shí)施方式所涉及的IGBT l在導(dǎo)通/截止?fàn)?態(tài)中分別如下面所述進(jìn)行動(dòng)作。首先，說(shuō)明將IGBT l設(shè)為導(dǎo)通狀態(tài)的情況下的動(dòng)作。發(fā)射 極電極8接地，對(duì)集電極ll施加正電壓。于是，漂移層3與基極層4之間的PN結(jié)成為反偏壓。但是，在該狀態(tài)下，當(dāng)在與發(fā)射 極電極8之間對(duì)柵電極6施力卩閾值以上的正電壓時(shí)，在漂移層3 上沿著柵電極6形成反轉(zhuǎn)為N型的溝道。因而，電子通過(guò)溝道而 從發(fā)射極層7注入到漂移層3。由此，集電極層10與n型漂移層3 之間的PN結(jié)成為正偏壓，將空穴從集電極層10注入到漂移層3。 于是，在漂移層3中產(chǎn)生傳導(dǎo)率調(diào)制，漂移層3的電阻變低。在本實(shí)施方式所涉及的IGBT l中，將電子電流密度的下降 抑制到最小限度，并且不使特性分散地充分產(chǎn)生傳導(dǎo)率調(diào)制。 在后面對(duì)其進(jìn)4亍詳細(xì)i兌明。接著，說(shuō)明將IGBT l設(shè)為截止?fàn)顟B(tài)的情況下的動(dòng)作。當(dāng)將 柵電極6與發(fā)射極電極8之間的電壓設(shè)為在閾值以下時(shí)，不存在 沿著柵電極6形成的溝道。于是，不從發(fā)射極層7向漂移層3提供 電子，與此同時(shí)，不從集電極層10向漂移層3注入空穴。然后， 在漂移層3中殘留的電子和空穴從集電極層10和集電極電極11 排出，并且相互重新結(jié)合成為電流。另外，如上所述，溝槽2的寬度W1被構(gòu)成為大于溝槽之間 的間隔W2、且不足其2倍。下面，說(shuō)明利用該結(jié)構(gòu)得到的效果。圖2表示下面要說(shuō)明的評(píng)價(jià)中的溝槽2的寬度Wl以及溝槽2 之間的間隔W2的條件。在a g的7個(gè)條件下， -使溝槽2的寬度W1 與溝槽2之間的間隔W2的比值(W1/W2)在0.2 2.4以?xún)?nèi)來(lái)改變條 件從而進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，a對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)所涉及的IGBT的條 件，相當(dāng)于電子電流密度最佳的情況。圖3表示比值(W1/W2)、以及與其相應(yīng)的IGBT l的導(dǎo)通電阻 相當(dāng)?shù)娘柡碗妷?VCEsat)的變化。關(guān)于本評(píng)價(jià)的結(jié)果，a表示現(xiàn)有技術(shù)中的IGBT的特性，在 比值(W1/W2)大約是0.2時(shí)，VCEsat大約為6V。并且，到b f為止， VCF，t總計(jì)下降了2.7V左右。另一方面，在f g中，VCEw上升了 0.3V左右。對(duì)此進(jìn)行考察，認(rèn)為其主要原因是由于本實(shí)施方式的IGBT 1是NPT結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，在IGBT1中，不僅僅是電子電流密度，由空穴 的注入而引起的傳導(dǎo)率調(diào)制效果對(duì)VCEw也有很大的影響。關(guān) 于這一點(diǎn)，由于電子電流密度由溝道密度決定，因此如果比值 (Wl/W2)變小則電子電流密度提高。而且，在PT結(jié)構(gòu)中，集電 極層IO由高濃度的P型半導(dǎo)體基板形成，因此即使改變比值 (Wl/W2)，對(duì)蓄積在漂移層3中的空穴密度產(chǎn)生的影響也較少。 因此，至少將比值(W1/W2)設(shè)定在低于1的范圍內(nèi)。另 一方面，由于本實(shí)施方式的IGBT 1是NPT結(jié)構(gòu)，因此通 過(guò)離子注入來(lái)形成集電極層IO。因此，在PT結(jié)構(gòu)與NPT結(jié)構(gòu)中， 集電極層內(nèi)的空穴量有很大的不同。具體地說(shuō)，在PT結(jié)構(gòu)中， 雜質(zhì)濃度是2xlO"cm—3并以100 150(im形成集電極層。另 一方 面，在NPT結(jié)構(gòu)中，雜質(zhì)濃度是大約lxl017cm—3并以大約0.5pm 形成集電極層IO。因而，被注入到漂移層3的空穴的量比PT結(jié) 構(gòu)更少。因此，使比值(W1/W2)變小時(shí)的、空穴通過(guò)溝槽2之間 而從發(fā)射才及電極8脫離的影響大于PT結(jié)構(gòu)。而且，根據(jù)本評(píng)價(jià)結(jié)果，認(rèn)為在NPT結(jié)構(gòu)中，如果比值 (Wl/W2)超過(guò)l，則傳導(dǎo)率調(diào)制效果幾乎不損失。并且，認(rèn)為如 果比值(W1/W2)超過(guò)2，則電子電流密度減少的影響變大。圖4表示空穴濃度相對(duì)于漂移層3的深度的分布圖。此外， 縱軸表示從漂移層3與基極層4之間的邊界起的深度。參照該分布圖，到a e為止，在漂移層3中蓄積的空穴的量 增加。這是由于當(dāng)比值(W1/W2)變大時(shí)空穴很難從發(fā)射極電極8 脫離。另一方面，在f g中，在漂移層3中蓄積的空穴量減少。這是由于在f g中很難從發(fā)射極電極8排出空穴。但是，認(rèn)為這是 由于以下原因造成的在該范圍中，被注入到漂移層3的電子的 量由于溝道密度的減少而減少，因此也很難將空穴(hole)從集電 極層10注入到漂移層3。如上所述，根據(jù)本評(píng)價(jià)可知，能夠通過(guò)改變比值(W1/W2) 來(lái)得到與如圖8的現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)那樣在高密度地形成溝槽72的狀 態(tài)下在規(guī)定的溝槽72之間的區(qū)域上形成層間絕緣膜82的情況相 同的效果。并且，在通過(guò)離子注入來(lái)形成集電極層10的情況下， 可知在比值(W1/W2)為1 2的范圍的情況下，由電子電流密度和 傳導(dǎo)率調(diào)制效果的平衡決定的導(dǎo)通電阻為最佳。另夕卜， 一般地，在IGBT中，在對(duì)柵電極施加闊值以下的電 壓的狀態(tài)下，在集電極中需要提高對(duì)發(fā)射極電極施加較大的正 電壓時(shí)的耐壓。也就是說(shuō)，在該電壓施加狀態(tài)下，在漂移層中， 耗盡層從基極層向集電極層延伸。并且，為了提高此時(shí)的耐壓 而抑制耗盡層的彎曲，最好不使在各溝槽之間產(chǎn)生的耗盡層分 離地分別進(jìn)行連接?？墒?，在將比值(W1/W2)設(shè)為1 2時(shí)，為了防止發(fā)射極層7 之間的連接，溝槽2之間的間隔W2需要確保某種程度的寬度。 因而，在將比值(W1/W2)設(shè)為1 2時(shí)，需要與其相應(yīng)地將溝槽2 的寬度W1變大。并且，當(dāng)將溝槽2的寬度W1變大時(shí)，相鄰的溝 槽2之間的耗盡層會(huì)相應(yīng)分離，變得容易彎曲。因此，對(duì)a g的 情況下的耐壓進(jìn)行了評(píng)價(jià)。圖5表示施加600V時(shí)的耗盡層的分布圖，(a)是將比值 (Wl/W2)設(shè)為0.3的情況的分布圖,(b)是將比值(Wl/W2)設(shè)為1.3 的情況的分布圖。參照?qǐng)D5的(a),在比值(W1/W2)是0.3的情況下，在溝槽2 的正下部A中，耗盡層彎曲且電場(chǎng)強(qiáng)度最大，但是在溝槽2之間耗盡層不分離地分別進(jìn)行連接。另一方面，參照?qǐng)D5的(b),即使在比值(W1/W2)是1.3的情 況下，大部分耗盡層在溝槽2之間不分離而分別進(jìn)行連接。這是 由于本實(shí)施方式所涉及的NPT結(jié)構(gòu)以高耐壓特性為前"R。也就 是說(shuō)，當(dāng)施加高電壓時(shí)，耗盡層與其相應(yīng)地進(jìn)行較大的延伸。 而且，進(jìn)行了較大的延伸的耗盡層在溝槽2之間容易連接。此外， 在溝槽2的端部B中，溝槽2之間的耗盡層分離并且彎曲。但是， 可知該部分的電場(chǎng)強(qiáng)度與圖5的(a)中的溝槽的正下部A的電場(chǎng) 強(qiáng)度大致相等。另夕卜，圖6表示600V耐壓的IGBT中的發(fā)射極-集電極之間 的耐壓波形。參照?qǐng)D6可知耐壓波形在a g的范圍中幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。如上所述，可知在高耐壓的NPT結(jié)構(gòu)中，視為在a g的范圍 中，耐壓幾乎不減少。此外，應(yīng)該i人為本次開(kāi)的實(shí)施方式在所有的點(diǎn)中進(jìn)行例 示而不是進(jìn)行限制。本發(fā)明的范圍不是上述的實(shí)施方式的說(shuō)明 而是通過(guò)權(quán)利要求來(lái)表示，還包含與權(quán)利要求相等的意義以及 在范圍內(nèi)的所有變更。例如，在上述實(shí)施方式中，說(shuō)明了 NPT型的IGBT 1的情況。 但是，本發(fā)明并不限于此，只要是通過(guò)離子注入來(lái)形成集電極 層，即使是其它的結(jié)構(gòu)也能夠有效地應(yīng)用。作為其它的結(jié)構(gòu)， 例如，即使是通過(guò)離子注入而形成的集電極層，只要在集電極 層與漂移層之間形成緩沖層，頁(yè)能夠比NPT結(jié)構(gòu)更薄，但是在 本結(jié)構(gòu)中也能夠同樣地應(yīng)用本發(fā)明。另外，在上述實(shí)施方式中，說(shuō)明了 600V耐壓的IGBT,但 是本發(fā)明并不限于此。也就是說(shuō)，在600V耐壓以上的高耐壓的 IGBT中進(jìn)一步減少耗盡層的彎曲，本發(fā)明的意義較大。
權(quán)利要求
1.一種非穿通型的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，具備第一導(dǎo)電型的集電極層；第二導(dǎo)電型的漂移層，其被形成在上述集電極層上；第一導(dǎo)電型的基極層，其被形成在上述漂移層的主表面內(nèi)；多個(gè)絕緣柵，該多個(gè)絕緣柵被形成為從上述基極層的表面到達(dá)上述漂移層；以及第二導(dǎo)電型的發(fā)射極層，其被形成在上述基極層的表面，使得與上述絕緣柵鄰接，上述絕緣柵的寬度大于上述絕緣柵的最小間隔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，上述絕緣柵的寬度不足上述絕緣柵的最小間隔的2倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，將第一導(dǎo)電型的雜質(zhì)注入到漂移層來(lái)形成上述集電極層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種絕緣柵雙極型晶體管。在NPT結(jié)構(gòu)的IGBT中，即使提高溝槽密度，對(duì)導(dǎo)通電阻的改善也較少。在本發(fā)明所涉及的IGBT中，將溝槽(2)的寬度(W1)與溝槽(2)之間的間隔(W2)的比值(W1/W2)設(shè)定在1～2的范圍內(nèi)，由此能夠使電子電流密度與傳導(dǎo)率調(diào)制效果最佳，保持耐壓，抑制特性的分散，并且較大地降低導(dǎo)通電阻。
文檔編號(hào)H01L29/06GK101325215SQ20081011065
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者岡田喜久雄 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社;三洋半導(dǎo)體株式會(huì)社