專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，特別是涉及用于半導(dǎo)體器件的耐電壓 (以下記為「耐壓」)的穩(wěn)定化以及高耐壓化的技術(shù)。
背景技術(shù)：
一般在電力半導(dǎo)體器件中，需要高的耐壓保持能力，即，希望耐 壓的穩(wěn)定性提高以及高耐壓化。作為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的技術(shù)，已知場(chǎng)板和 保護(hù)環(huán)等以及把它們組合起來(lái)的構(gòu)造(例如，專利文獻(xiàn)1)。另外， 還有在IGBT (絕緣柵型雙極晶體管)的柵-集之間，通過(guò)配置相互 反向連接的二極管(反向連接二極管)，防止在集-射之間施加過(guò)電 壓的技術(shù)(例如專利文獻(xiàn)2)。另外，還知道把上述反向連接二極管 與保護(hù)環(huán)組合起來(lái)的半導(dǎo)體器件構(gòu)造(例如專利文獻(xiàn)3)，或者把上 述反向連接二極管與場(chǎng)板組合起來(lái)的半導(dǎo)體器件構(gòu)造(例如專利文獻(xiàn) 4)。特開(kāi)2003 - 188381號(hào)公報(bào) [專利文獻(xiàn)2 ]特許3191747號(hào)公報(bào) [專利文獻(xiàn)3 ]特開(kāi)3331846號(hào)公報(bào) [專利文獻(xiàn)4 ]特開(kāi)平10 - 163482號(hào)公報(bào)
一般場(chǎng)板構(gòu)造能夠以小面積謀求半導(dǎo)體器件的高耐壓。但是，由 于在襯底上形成場(chǎng)板，具有易于受到把芯片表面模制的樹(shù)脂等極化(模
3制極化)的影響，由此產(chǎn)生耐壓變動(dòng)等耐壓不穩(wěn)定的問(wèn)題。另外，保 護(hù)環(huán)構(gòu)造雖然與場(chǎng)板構(gòu)造相比較可以得到穩(wěn)定的耐壓，但是與場(chǎng)板構(gòu) 造相比較形成面積增大。另外，在把反向連接二極管與保護(hù)環(huán)組合起 來(lái)的半導(dǎo)體器件構(gòu)造中，具有在保護(hù)環(huán)中的反向連接二極管下方的區(qū) 域與其以外區(qū)域之間易于發(fā)生電位的失配，由此成為耐壓不穩(wěn)定這樣 的問(wèn)題。
另外，在上述專利文獻(xiàn)4中，在IGBT芯片中，在IGBT形成區(qū) 的外圍的硅襯底上，經(jīng)過(guò)絕緣膜形成環(huán)形的場(chǎng)板(等電位環(huán))組的同 時(shí)，在各個(gè)等電位環(huán)之間環(huán)形地設(shè)置條形的反向連接二極管，用該反 向連接二極管把各個(gè)等電位環(huán)之間連接。即，由于反向連接二極管形 成在芯片的外圍整體上，因此有可能增大場(chǎng)板構(gòu)造的形成面積。另外， 由于反向連接二極管朝向成為沿著各個(gè)等電位環(huán)的方向，因此該反向 連接二極管中的電位沿著芯片外圍的方向變化，芯片外圍部分的定位 成為不穩(wěn)定，其結(jié)果耐壓易于不穩(wěn)定。
進(jìn)而，在專利文獻(xiàn)4的IGBT中，如果集-射間的電壓超過(guò)預(yù)定 的值，則反向連接二極管被擊穿，在柵-集之間流過(guò)電流。由此，通 過(guò)使柵極電極的電位上升，IGBT成為ON狀態(tài)(導(dǎo)通狀態(tài))，防止 在集-射之間施加過(guò)電壓。從而，反向連接二極管需要用于流過(guò)擊穿 電流的某種程度的寬度。但是，如果增大其寬度，則上述的問(wèn)題(場(chǎng) 板構(gòu)造的形成面積增大以及芯片外圍部分中的電位不穩(wěn)定)更為顯著。 另外，如果過(guò)于增大其寬度，則難以維持高耐壓，增大了漏電流，因 此在反向連接二極管的寬度方面存在限制，成為芯片設(shè)計(jì)上的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決以上的課題產(chǎn)生的，目的在于提供能夠維持高 耐壓的同時(shí)謀求小型化的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明第l方案的半導(dǎo)體器件具有形成在半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體 元件和設(shè)置在上述半導(dǎo)體元件周圍的外圍構(gòu)造，上述外圍構(gòu)造具備形 成在該外圍構(gòu)造的外圍部分中，與上述半導(dǎo)體村底電連接的第1電極；的絕緣膜；在上述絕緣膜上形成為包圍上述半導(dǎo)體元件的中間電位電 極；局部地形成在上述絕緣膜上的一部分區(qū)域中，在上述中間電位電 極上施加作為上述第l電極的電位與在上述半導(dǎo)體元件中的上述半導(dǎo) 體襯底上配置在最外側(cè)的第2電極的電位之間的電位的預(yù)定中間電位 的中間電位施加單元。
本發(fā)明第2方案的半導(dǎo)體器件具有形成在半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體 元件和設(shè)置在上述半導(dǎo)體元件周圍的外圍構(gòu)造，上述外圍構(gòu)造具備形 成在該外圍構(gòu)造的外圍部分中，與上述半導(dǎo)體襯底電連接的第1電極； 形成在上述半導(dǎo)體元件的形成區(qū)與上述第1電極之間的上述半導(dǎo)體襯 底上的絕緣膜；局部地形成在上述絕緣膜上的一部分區(qū)域中，連接在 上述第1電極與上述半導(dǎo)體元件中的上述半導(dǎo)體襯底上配置在最外側(cè) 的第2電極之間的多級(jí)反向連接二極管；在上述半導(dǎo)體襯底上形成為 包圍上述半導(dǎo)體元件的保護(hù)環(huán)；局部地形成在包括上述半導(dǎo)體襯底中 的上述反向連接二極管附近的區(qū)域中，具有線形形狀，并且與上述保 護(hù)環(huán)相同導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)。
本發(fā)明第3方案的半導(dǎo)體器件具有形成在半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體 元件和設(shè)置在上述半導(dǎo)體元件周圍的外閨構(gòu)造，上述外圍構(gòu)造具備形 成在該外圍構(gòu)造的外圍部分中，與上述半導(dǎo)體襯底電連接的第1電極； 形成在上述半導(dǎo)體元件的形成區(qū)與上述第1電極之間的上述半導(dǎo)體襯 底上的絕緣膜；局部地形成在上述絕緣膜上的一部分區(qū)域中，連接在 上述第1電極與上述半導(dǎo)體元件中的上述半導(dǎo)體村底上配置在最外側(cè) 的第2電極之間的多級(jí)反向連接二極管；在上迷半導(dǎo)體襯底上形成為 包圍上述半導(dǎo)體元件的保護(hù)環(huán)，在上述多級(jí)反向連接二極管中，沒(méi)有 形成上述保護(hù)環(huán)的區(qū)域上方的二極管比形成了上述保護(hù)環(huán)的區(qū)域上方 的二極管寬，沿著上述寬度方向突出。
本發(fā)明第4方案的半導(dǎo)體器件具有形成在半導(dǎo)體村底上的半導(dǎo)體 元件和設(shè)置在上述半導(dǎo)體元件周圍的外圍構(gòu)造，上述外圍構(gòu)造具備形 成在該外圍構(gòu)造的外圍部分中，與上述半導(dǎo)體襯底電連接的第1電極；形成在上述半導(dǎo)體元件的形成區(qū)與上述第1電極之間的上述半導(dǎo)體襯
底上的絕緣膜；形成在上述絕緣膜上，連接在上述第1電極與上述半 導(dǎo)體元件中的上述半導(dǎo)體襯底上配置在最外側(cè)的第2電極之間的多級(jí) 反向連接二極管；在上述半導(dǎo)體襯底上形成為包圍上述半導(dǎo)體元件的 保護(hù)環(huán)，在上述第1電極與上述第2電極之間，當(dāng)施加了上述多級(jí)反 向連接二極管的擊穿電壓時(shí)，位于上述保護(hù)環(huán)上方的上述反向連接二 極管保持的電壓小于等于60V。
本發(fā)明第5方案的半導(dǎo)體器件具有形成在半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體 元件和設(shè)置在上述半導(dǎo)體元件周圍的外圍構(gòu)造，上述外圍構(gòu)造具備形 成在該外圍構(gòu)造的外圍部分中，與上述半導(dǎo)體襯底電連接的第1電極； 形成在上述半導(dǎo)體元件的形成區(qū)與上述第1電極之間的上述半導(dǎo)體村 底上的絕緣膜；形成在上述絕緣膜上，連接在上述第1電極與上述半 導(dǎo)體元件中的上述半導(dǎo)體村底上配置在最外側(cè)的第2電極之間的多級(jí) 反向連接二極管；在上述半導(dǎo)體襯底上形成為包圍上述半導(dǎo)體元件的 保護(hù)環(huán)，在上述多級(jí)反向連接二極管中，在一個(gè)上述保護(hù)環(huán)的上方僅 配置單一導(dǎo)電類型的區(qū)域。
如果依據(jù)本發(fā)明的第l方案，則由于中間電位施加單元局部地設(shè) 置在絕緣膜上的一部分區(qū)域中，因此能夠減小芯片外圍構(gòu)造中的除此 以外的區(qū)域的寬度。另外，由于能夠由中間電位電極謀求芯片外圍構(gòu) 造的高耐壓，因此即使減小芯片外圍構(gòu)造的寬度，也能夠抑制耐壓的 惡化。即，能夠在維持耐壓的同時(shí)，在半導(dǎo)體器件的高集成度以及小 型化方面做出貢獻(xiàn)。
如果依據(jù)本發(fā)明的第2方案，則由于反向連接二極管局部地設(shè)置 在絕緣膜上的一部分區(qū)域中，因此能夠減小芯片外圍構(gòu)造中的除此以 外的區(qū)域的寬度。另外，在形成了反向連接二極管區(qū)域中，由于采取 反向連接二極管與保護(hù)環(huán)的匹配，因此雖然拓寬了保護(hù)環(huán)的間隔，但 是由于在該區(qū)域中形成線形形狀的雜質(zhì)區(qū)，因此緩和電場(chǎng)集中，抑制 耐壓的惡化。
如果依據(jù)本發(fā)明的第3方法，則由于反向連接二極管局部地設(shè)置在絕緣膜上的一部分區(qū)域中，因此能夠減小芯片外圍構(gòu)造中的除此以 外的區(qū)域的寬度。另外，在形成了反向連接二極管的區(qū)域中，由于采 取反向連接二極管與保護(hù)環(huán)的匹配，因此雖然拓寬保護(hù)環(huán)的間隔，但 是由于在該區(qū)域上突出的反向連接二極管起到場(chǎng)板的作用，因此緩和 電場(chǎng)集中，抑制耐壓的惡化。
如果依據(jù)本發(fā)明的第4方案，則由于位于保護(hù)環(huán)上方的反向連接 二極管保持的耐壓小于等于60V，因此抑制保護(hù)環(huán)的電位與反向連接 二極管的電位的失配，能夠抑制發(fā)生電場(chǎng)集中，抑制耐壓的惡化。
如果依據(jù)本發(fā)明的第5方案，則由于在反向連接二極管中，在一 個(gè)上述保護(hù)環(huán)的上方僅配置單一導(dǎo)電類型的區(qū)域，因此能夠把位于保 護(hù)環(huán)上方的反向連接二極管保持的電壓抑制得較低。由此，能夠抑制 保護(hù)環(huán)的電位與反向連接二極管的電位的失配，抑制發(fā)生電場(chǎng)集中， 抑制電壓的惡化。


圖1示出實(shí)施形態(tài)1的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)以及該半導(dǎo)體器件的芯 片外圍部分的電場(chǎng)分布。
圖2是實(shí)施形態(tài)1的半導(dǎo)體器件的芯片的俯視圖。
圖3是實(shí)施形態(tài)1的半導(dǎo)體器件的芯片的俯視圖。
圖4示出實(shí)施形態(tài)1的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖5示出實(shí)施形態(tài)2的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖6是實(shí)施形態(tài)2的半導(dǎo)體器件的芯片的俯視圖。
圖7是實(shí)施形態(tài)2的半導(dǎo)體器件的芯片的俯視圖。
圖8示出實(shí)施形態(tài)2的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖9示出實(shí)施形態(tài)3的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)以及該半導(dǎo)體器件的芯 片外圍部分的電場(chǎng)分布。
圖10示出實(shí)施形態(tài)3的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖11是實(shí)施形態(tài)3的半導(dǎo)體器件中形成了反向連接二極管的部 分的放大俯視圖。圖12是實(shí)施形態(tài)4的半導(dǎo)體器件中形成了反向連接二極管的部 分的放大俯視圖。
圖13示出實(shí)施形態(tài)4的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖14示出實(shí)施形態(tài)4的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖15示出實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖16是實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的芯片的俯視圖。
圖17示出實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖18示出實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖19是實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件中形成了反向連接二極管的部 分的放大俯視圖。
圖20示出實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖21示出實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖22示出實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖23是實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件中形成了反向連接二極管的部 分的放大俯視圖。
圖24示出實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖25是實(shí)施形態(tài)6的半導(dǎo)體器件中形成了反向連接二極管的部 分的放大俯視圖。
圖26示出實(shí)施形態(tài)6的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖27示出實(shí)施形態(tài)6的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖28示出實(shí)施形態(tài)6的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖29用于說(shuō)明實(shí)施形態(tài)6的反向連接二極管的形狀。
圖30是實(shí)施形態(tài)7的半導(dǎo)體器件中形成了反向連接二極管的部 分的放大俯視圖。
圖31示出實(shí)施形態(tài)7的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)以及該半導(dǎo)體器件的 芯片外圍部分的電場(chǎng)分布。
圖32示出實(shí)施形態(tài)7的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)以及該半導(dǎo)體器件的 芯片外圍部分的電場(chǎng)分布。
圖33示出實(shí)施形態(tài)8的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
8圖34示出實(shí)施形態(tài)8的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
<實(shí)施形態(tài)1>
圖l(a)示出本發(fā)明實(shí)施形態(tài)l的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，示出縱向 IGBT芯片的外圍部分。該圖的左側(cè)部分是形成作為進(jìn)行電流通斷的 半導(dǎo)體元件的IGBT的區(qū)域，是IGBT的單元區(qū)。該部分的構(gòu)造與一 般的IGBT相同。即，在iT漂移層1的下面一側(cè)，從iT漂移層l經(jīng)過(guò) 低電阻的n+緩沖層2形成p+集電區(qū)3。在p+集電區(qū)3的下面設(shè)置集電 極電極4。而且，在n-漂移層l的上面一側(cè)的表面層中形成p基區(qū)5。 進(jìn)而，以防止寄生晶閘管的閂鎖為目的，與p基區(qū)5的一部分重疊， 從該p基區(qū)5以高濃度形成擴(kuò)散深度深的p+分離阱6。在p基區(qū)5的 表面層中，選擇性地形成n+發(fā)射區(qū)7。而且，在由n+發(fā)射區(qū)7與iT漂 移層1夾在中間的p基區(qū)5的表面上，經(jīng)過(guò)柵極氧化膜8設(shè)置由多晶 硅構(gòu)成的柵極電極9。在芯片上形成層間絕緣膜16。在其上面，形成 發(fā)射極電極10，使得在p基區(qū)5以及n+發(fā)射區(qū)7的表面上共同接觸。 在該例中，發(fā)射極電極10在IGBT單元中是配設(shè)在襯底上最外側(cè)的電 極(第2電極)。根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)形成IGBT。
另一方面，圖1 (a)的右側(cè)部分示出該半導(dǎo)體器件的外圍構(gòu)造， 繪出了用于提高該半導(dǎo)體器件耐壓的單元。圖的右端是IGBT芯片的 端部(芯片邊緣)，在ir漂移層l的表面層上形成n+型的溝道截?cái)鄬?11。在該溝道截?cái)鄬?1上形成為使得連接溝道截?cái)嚯姌O12 (第1電 極)。由于溝道截?cái)嚯姌O12以及溝道截?cái)鄬?1與集電極電極4幾乎 成為等電位，因此施加到集-射間的電壓保持在IGBT單元部分的p+ 分離阱6與溝道截?cái)鄬觢l之間的部分(以下，稱為r芯片外圍部分J ) 中。特別是當(dāng)IGBT為OFF狀態(tài)(截止?fàn)顟B(tài))時(shí)由于在集-射間加入 高電壓，因此在芯片外圍部分中需要充分的絕緣耐壓。
這里，在以圖1 (a)為主的本說(shuō)明書(shū)中說(shuō)明的IGBT的構(gòu)造中， 在IGBT的OFF時(shí)集電極一側(cè)(溝道截?cái)鄬?1以及溝道截?cái)嚯姌O12一側(cè))成為高電位。這里為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，在本說(shuō)明書(shū)中，把芯片外圍
部分中的IGBT單元一側(cè)(芯片內(nèi)部一側(cè))稱為r低壓側(cè)」，把溝道 截?cái)鄬?1以及溝道截?cái)嚯姌O12 —側(cè)(芯片邊緣一側(cè))稱為「高壓側(cè)J。 在本實(shí)施形態(tài)中，通過(guò)在芯片外圍部分中適用場(chǎng)板構(gòu)造，謀求提 高耐壓。即，在芯片外圍部分的硅襯底上面形成場(chǎng)氧化膜13，在其上 面，在p+分離阱6與n-漂移層1的邊界上形成低壓側(cè)的場(chǎng)板14，在 n-漂移層1與溝道截?cái)鄬?1的邊界上形成高壓側(cè)的場(chǎng)板15。通過(guò)把場(chǎng) 板14設(shè)定為比其下方的硅襯底表面低的電位，耗盡層易于從iT漂移層 1與p+分離阱6之間的pn結(jié)向高壓側(cè)的Kf漂移層1內(nèi)延伸。由此，由 于緩和pn結(jié)附近的電場(chǎng)集中，因此提高芯片外圍部分的耐壓。在該 例子中，場(chǎng)板14連接到發(fā)射極電極10，場(chǎng)板15連接到溝道截?cái)嚯姌O 12。
進(jìn)而，在本實(shí)施形態(tài)中，在場(chǎng)氧化膜13上的場(chǎng)板14與場(chǎng)板15 之間，設(shè)置形成為包圍IGBT單元的中間電位電極20。在中間電位電 極20上從局部地形成在芯片外圍部分上的一部分區(qū)域中的中間電位 施加單元(詳細(xì)結(jié)構(gòu)后述)提供作為溝道截?cái)嚯姌O12 (第1電極)與 發(fā)射極電極IO (第2電極)的電位之間電位的預(yù)定中間電位。這里， 當(dāng)集電極電極4的電位(溝道截?cái)嚯姌O12的電位)比發(fā)射極電極10 高時(shí)，在把中間電位電極20設(shè)定為比其下方的硅襯底表面低的電位的 情況下，耗盡層在芯片外圍部分的iT漂移層l中易于延伸。反之，如 果把中間電位電極20設(shè)定為比其下方的硅襯底表面高的電位，則抑制 耗盡層在芯片外圍部分的n-漂移層1中延伸。
在本實(shí)施形態(tài)中，在中間電位電極20上提供比其下面的硅襯底 表面低的電位，使得在芯片外圍部分的iT漂移層1內(nèi)耗盡層易于延伸。 圖1 (b)用于示出這時(shí)的中間電位電極20的作用，示出使IGBT成 為截止?fàn)顟B(tài)，使得集電極電極4成為比發(fā)射極電極10高的電位那樣施 加電壓時(shí)的芯片外圍部分的硅襯底表面中的電場(chǎng)分布。實(shí)線的曲線是 圖1 (a)所示的本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件的電場(chǎng)分布，虛線的曲線是 以往的半導(dǎo)體器件(圖1 (a)中沒(méi)有中間電位電極20)的電場(chǎng)分布，是兩者被施加了相同電壓時(shí)的曲線。另外，圖l(b)中示出的符號(hào)x、 Y、 Z分別與圖l(a)中所示的點(diǎn)X(發(fā)射極電極10的高壓側(cè)邊緣下)， Y(中間電位電極20的高壓側(cè)下)，Z(溝道截?cái)嚯姌O12的低壓側(cè)下) 相對(duì)應(yīng)。
如圖1 (b)所示，在沒(méi)有中間電位電極20的以往的半導(dǎo)體器件 中，電場(chǎng)的峰值(電場(chǎng)集中)出現(xiàn)在點(diǎn)X的一個(gè)位置。這是因?yàn)樵谝?往的半導(dǎo)體器件中沒(méi)有從點(diǎn)X朝向高壓側(cè)延伸耗盡層緩和電場(chǎng)的技 術(shù)。另一方面，在本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件中，由于通過(guò)中間電位電 極20的作用，耗盡層易于延伸，因此電場(chǎng)的峰值出現(xiàn)在點(diǎn)X、 Y的兩 個(gè)位置，各個(gè)峰值比以往減小。
芯片外圍部分中的電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值如果達(dá)到引起沖擊離子的值 (已知一般為2xl05V/cm)，則由于產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象，因此這時(shí)的集 電極電壓成為半導(dǎo)體器件的耐壓界限。如圖1 (b)所示，在本實(shí)施形 態(tài)的半導(dǎo)體器件中由于把電場(chǎng)峰值抑制得較低，因此難以發(fā)生芯片外
圍部分中的擊穿現(xiàn)象。即，通過(guò)設(shè)置中間電位電極20，能夠使半導(dǎo)體 器件成為高耐壓。
以下，說(shuō)明用于在中間電位電極20上施加預(yù)定的中間電位的中 間電位施加單元。圖2是本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件的芯片的俯視圖。 在具有與圖l(a)所示的部分相同功能的要素上標(biāo)注與其相同的符號(hào)。
如圖所示，中間電位電極20設(shè)置在芯片外圍部分使得包圍單元區(qū)。在 中間電位電極20上從中間電位施加單元21施加預(yù)定的中間電位，而 該中間電位施加單元21局部地形成在芯片外圍部分的一部分區(qū)域中。 圖3示出中間電位施加單元21的一個(gè)具體例子。圖3 (a)是半 導(dǎo)體器件的芯片整體的俯視圖。在該例子中，中間電位施加單元21
連接在發(fā)射極電極10與溝道截?cái)嚯姌O12之間，是串聯(lián)連接了多個(gè)反 向連接的二極管構(gòu)成的多級(jí)反向連接二極管(背靠背二極管)(以下， 把該多級(jí)反向連接二極管總稱為「反向連接二極管211 J )。圖3(b) 是圖3 (a)中形成了反向連接二極管211的部分的放大圖。反向連接 二極管211通過(guò)在形成于場(chǎng)氧化膜13上的多晶硅上交互配置p型區(qū)與n型區(qū)構(gòu)成。上述的圖1 (a)相當(dāng)于沿著圖3 (b)的A-A線的剖面 圖。另夕卜，圖4示出沿著B(niǎo)-B線的剖面圖。圖4中在具有與圖l(a)、 圖3 (b)所示的部分相同功能的要素上也標(biāo)注與其相同的符號(hào)。
發(fā)射極電極10 -溝道截?cái)嚯姌O12之間的電壓由反向連接二極管 211內(nèi)的各個(gè)二極管分擔(dān)保持。即，分壓連接二極管211起到分壓?jiǎn)?元的作用。而且，如圖3(b)所示，中間電位電極20由從多級(jí)反向 連接二極管211中的預(yù)定二極管引出的多晶硅形成。即，中間電位電 極20連接到反向連接二極管211中的預(yù)定的一級(jí)二極管上。
在這里，如果把以發(fā)射極作為基準(zhǔn)電位時(shí)的集電極電位(溝道截 斷電極12的電位)記為VcE，把反向連接二極管211的總級(jí)數(shù)記為N， 并假設(shè)從發(fā)射極電位10 —側(cè)數(shù)起的第i級(jí)二極管引出中間電位電極 20,則中間電位電極20的電位Vi成為
<formula>formula see original document page 12</formula>
即，中間電位電極20的電位Vi成為集電極電位Vce的i/N。從 而，通過(guò)調(diào)整從反向連接二極管211引出中間電位電極20的位置，能 夠任意地設(shè)定中間電位電極20的電位。
例如，如本實(shí)施形態(tài)這樣，在中間電位電極20上提供比其下面 的硅襯底表面低的電位的情況下，可以把中間電位電極20設(shè)置在用i: N 一 1把場(chǎng)板14與場(chǎng)板15之間內(nèi)分的位置更靠近場(chǎng)板15的一側(cè)。或 者，可以把中間電位電極20設(shè)置在用j: N-j把場(chǎng)板14與場(chǎng)板15之 間內(nèi)分的位置上，而且j吏i比j小。
用于決定中間電位電極20的電位的反向連接二極管211由于局 部地形成在芯片外圍部分的一部分區(qū)域中，因此能夠減小芯片外圍部
分中除此以外的區(qū)域的寬度。另外，由于通過(guò)中間電位電極:zo促進(jìn)芯
片外圍部分中的耗盡層的延伸能夠得到高耐壓，因此即使減小芯片外
圍部分的寬度也能夠抑制耐壓的惡化。即，在維持耐壓的同時(shí)，能夠 在半導(dǎo)體器件的高集成度以及小型化方面做出貢獻(xiàn)。另外，連接了中
間電位電極20的反向連接二極管211的情況下，由于局部地形成在芯 片外圍部分的一部分中，因此還具有把電流泄漏抑制為很小的效果。進(jìn)而，通過(guò)設(shè)置中間電位電極20，還能夠得到抑制模制極化的影
響的效果。例如，在沒(méi)有中間電位電極20的情況下，if漂移層l中的
耗盡層的擴(kuò)展易于受到把芯片模制的模制樹(shù)脂內(nèi)部的可動(dòng)電荷的影
響。對(duì)此，在本實(shí)施形態(tài)中，與模制樹(shù)脂內(nèi)部的可動(dòng)電荷的狀態(tài)無(wú)關(guān)，
在中間電位電極20下方的if漂移層l中促進(jìn)了耗盡層的擴(kuò)展。另夕卜，
還能夠得到可以抑制來(lái)自器件外部電場(chǎng)的影響的效果。即，能夠穩(wěn)定 半導(dǎo)體器件的耐壓。
另外，圖1 (a)中示出了把一個(gè)中間電位電極形成在場(chǎng)板14與 場(chǎng)板15之間大致正中間的例子，而如本實(shí)施形態(tài)這樣，在希望促進(jìn)耗 盡層的擴(kuò)展的情況下，如果配置在從正中間靠近場(chǎng)板14 一側(cè)則更有 效。
另外，本實(shí)施形態(tài)的中間電位電極20在以往的半導(dǎo)體器件的形 成方法中的場(chǎng)板14或者場(chǎng)板15的形成工藝中，能夠改變圖形形狀而 與其并行形成。另外，反向連接二極管211在以往的半導(dǎo)體器件的形 成方法的反向連接二極管的形成工藝中，能夠通過(guò)變更圖形形狀形成。 即，沒(méi)有從以往的半導(dǎo)體器件的制造方法中增加工藝數(shù)。
<實(shí)施形態(tài)2>
圖5示出本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。與圖1 (a)不 同點(diǎn)在于把柵極布線19連接到低壓側(cè)場(chǎng)板14上。雖然省略了圖示， 然而柵極布線19與柵極電極9電連接。即，場(chǎng)板14與柵極電極9成 為等電位。另外，圖5中，由于在與圖1 (a)所示的部分具有相同功 能的要素上標(biāo)注與其相同的符號(hào)，因此這里省略它們的詳細(xì)說(shuō)明。另 外，在該例子中，在IGBT單元中配置在基板上最外側(cè)的電極(第2 電極)是柵極布線19。
在圖5的半導(dǎo)體器件中，在場(chǎng)氧化膜13上的場(chǎng)板14與場(chǎng)板15 之間也設(shè)置中間電位電極20。在中間電位電極20上，由中間電位施 加單元提供比其下方的硅襯底表面低的中間電位使得在芯片外圍部分 的n-漂移層1內(nèi)耗盡層易于延伸。由此，能夠得到與在實(shí)施形態(tài)l中 使用圖1 (b)說(shuō)明過(guò)的效果相同的效果，由于難以發(fā)生芯片外圍部分中的擊穿現(xiàn)象，因此能夠使半導(dǎo)體器件成為高耐壓。
以下，說(shuō)明用于在本實(shí)施形態(tài)的中間電位電極20上施加預(yù)定中 間電位的中間電位施加單元。圖6是本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件的芯片 的俯視圖。在與圖5所示的部分具有相同功能的要素上標(biāo)注與其相同 的符號(hào)。在中間電位電極20上從中間電位施加單元22施加預(yù)定的中 間電位，而該中間電位施加單元22局部地形成在芯片外圍部分的一部 分區(qū)域上。
圖7示出中間電位施加單元22的一個(gè)具體例子。圖7 (a)是半 導(dǎo)體器件的芯片整體的俯視圖。在該例子中，中間電位施加單元22 連接在柵極布線19與溝道截?cái)嚯姌O12之間，是串聯(lián)連接了多個(gè)反向 連接二極管構(gòu)成的多級(jí)反向連接二極管(以下把該多級(jí)反向連接二極 管總稱為r反向連接二極管221J )。圖7(a)是圖7(b)中的形成 了反向連接二極管221的部分的放大圖。反向連接二極管221通過(guò)在 形成于場(chǎng)氧化膜13上的多晶硅中交互地形成p型區(qū)和n型區(qū)構(gòu)成。 上述的圖5相當(dāng)于沿著圖7 (b)的A-A線的剖面圖。另外，圖8示 出沿著B(niǎo)-B線的剖面圖。圖8中，在與圖5、圖7(b)所示的部分 具有相同功能的要素上也標(biāo)注與其相同的符號(hào)。
柵極布線19 -溝道截?cái)嚯姌O12之間的電壓由反向連接二極管21 內(nèi)的各個(gè)二極管分擔(dān)保持。即，反向連接二極管221起到分壓?jiǎn)卧?作用。而且，如圖7(b)所示，中間電位電極通過(guò)從多級(jí)反向連接二 極管221中的預(yù)定二極管引出的多晶硅形成。即中間電位電極20連接 到反向連接二極管221中的預(yù)定的一級(jí)二極管上。
以發(fā)射極作為基準(zhǔn)電位，如果把集電極電位(溝道截?cái)嚯姌O12 的電位)記為Vce，把柵極電位(柵極布線19的電位)記為VGE，則 反向連接二極管221保持電壓VCE-VGE。這時(shí)，如果把反向連接二極 管221的總計(jì)數(shù)記為N，而且設(shè)從柵極布線19 一側(cè)數(shù)起的第i級(jí)二極 管引出中間電位電極20，則中間電位電極20的電位Vi成為
Vi- ( VCE-VGE) xi/N
通常，由于Vge比Vce小，因此能夠表示為ViNVCExi/N。
14即，中間電位電極20的電位Vi成為集電極電位VcE的i/N。從 而，通過(guò)調(diào)整從反向連接二極管22引出中間電位電極20的位置，能 夠任意地設(shè)定中間電位電極20的電位。
例如，如本實(shí)施形態(tài)這樣，在中間電位電極20上提供比其下面 的硅襯底表面低的電位的情況下，可以把中間電位電極20設(shè)置在從用 i: N- 1把場(chǎng)板14與場(chǎng)板15之間內(nèi)分的位置更靠近場(chǎng)板15的一側(cè)。 或者，可以把中間電位電極20設(shè)置在用j: N-j把場(chǎng)板14與場(chǎng)板15 之間內(nèi)分的位置上，而且使i比j小。
另外，由于用于決定中間電位電極20的電位的反向連接二極管 211僅形成在芯片外圍部分的一部分上，因此能夠減小除此以外部分 中的芯片外圍部分的寬度。即使減小芯片外圍部分的寬度也能夠通過(guò) 中間電位電極20的作用得到高耐壓，因此能夠抑制耐壓的惡化。即， 在維持耐壓的同時(shí)，在半導(dǎo)體器件的高集成度以及小型化方面也做出 貢獻(xiàn)。
進(jìn)而，通過(guò)設(shè)置中間電位電極20，與實(shí)施形態(tài)l相同，還能夠抑 制模制極化的影響或者來(lái)自器件外部電場(chǎng)的影響，能夠使半導(dǎo)體器件 的耐壓穩(wěn)定。
另外，在實(shí)施形態(tài)中，反向連接二極管221的擊穿電壓設(shè)定為比 發(fā)射極電極10-溝道截?cái)嚯姌O12之間的硅村底內(nèi)的擊穿電壓(n+發(fā) 射區(qū)7-溝道截?cái)鄬觢l之間的擊穿電壓)低的值。由此，如果集-射 間的電壓超過(guò)了反向連接二極管221的擊穿電壓，則反向連接二極管 221擊穿，流過(guò)電流。由此，柵極電極的電位上升，該IGBT成為ON 狀態(tài)(導(dǎo)通狀態(tài))。從而，可以得到防止在集-射間加入過(guò)電壓的所 謂過(guò)電壓保護(hù)功能。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，則希望促進(jìn)耗盡層的擴(kuò)展的情況下，如 果把中間電位電極20配置在從正中間靠向場(chǎng)板14 一側(cè)則也是更有效 的。另外，本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件也能夠通過(guò)變更以往的半導(dǎo)體器 件的形成方法中的場(chǎng)板的形成工藝以及反向連接二極管的形成工藝中 的圖形形狀而形成，沒(méi)有從以往的半導(dǎo)體的制造方法增加工藝數(shù)。<實(shí)施形態(tài)3>
在實(shí)施形態(tài)3中，在芯片外圍部分中設(shè)置多個(gè)中間電位電極。例 如圖9 (a)是相對(duì)于實(shí)施形態(tài)1的半導(dǎo)體器件，配置了兩個(gè)中間電位 電極20a、 20b的例子。圖9(a)由于除去中間電位電極有2個(gè)以外 與圖1U)相同，因此省略該圖的詳細(xì)說(shuō)明。
當(dāng)把集電極電極4的電位(溝道截?cái)嚯姌O12的電位)取為比發(fā) 射極電位10高的電位時(shí)，在把中間電位電極20a、 20b設(shè)定為比其下 方的硅襯底表面低的電位的情況下，在中間電位電極20a、 20b的各個(gè) 下方的芯片外圍部分的if漂移層1中耗盡層易于延伸。反之，如果把 中間電位電極20a、 20b設(shè)定為比其下方的硅襯底表面高的電位，則抑 制在中間電位電極20a、 20b的各個(gè)下方的n-漂移層1中耗盡層的延 伸。
例如，在p+分離阱6附近，由于為了抑制電場(chǎng)集中需要耗盡層易 于延伸，因此低壓側(cè)中間電位電極20a的電位可以成為比其下方的珪 襯底表面低的電位。另一方面，高壓側(cè)的中間電位電極20b的電位如 果是在例如促進(jìn)iT漂移層1內(nèi)的耗盡層延伸的目的下使用，則需要成 為比其高壓側(cè)邊緣下硅襯底表面低的電位。反之，如果是在避免由于 模制極化的影響，耗盡層過(guò)于延伸到溝道截?cái)鄬?1 一側(cè)，耐壓不穩(wěn)定 等問(wèn)題的目的下使用，則需要成為比其高壓側(cè)邊緣下的硅村底表面高 的電位，抑制耗盡層的延伸。
例如，如圖9(a)所示，在設(shè)置2個(gè)中間電位電極20a、 20b的 情況下，如果在點(diǎn)X (發(fā)射極電極10的高壓側(cè)邊緣下)與點(diǎn)Z (溝道 截?cái)嚯姌O12的低壓側(cè)邊緣下)之間均勻地配置該圖中的點(diǎn)W (中間 電位電極20a的高壓側(cè)邊緣下)和點(diǎn)Y (中間電位電極20b的高壓側(cè) 邊緣下)，則可以把中間電位電極20a的電位設(shè)定為小于射-集間電 壓的1/3。另外，中間電位電極20b的電位如果是在促進(jìn)耗盡層延伸 的目的下使用，則設(shè)定為小于射-集間電壓的2/3，如果是在抑制耗 盡層延伸的目的下使用，則設(shè)定為高于射-集間電壓的2/3。
圖9(b)用于示出圖9(a)的半導(dǎo)體器件中的中間電位電極20a、20b的作用，示出使IGBT成為截止?fàn)顟B(tài)，使集電極電極4成為比發(fā) 射極電極10高的電位那樣施加了電壓時(shí)的芯片外圍部分的硅襯底表 面中的電場(chǎng)分布。實(shí)線的曲線是圖9 (a)所示的本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體 器件中的電場(chǎng)分布，虛線的曲線是以往的半導(dǎo)體器件(在圖9 (a)中 沒(méi)有中間電位電極20a、 20b的情況)中的電場(chǎng)分布，是兩者凈皮施加了 相同電壓時(shí)的曲線。另外，圖9 (b)中所示的符號(hào)W、 X、 Y、 Z分 別與圖9 (a)中所示的點(diǎn)W、 X、 Y、 Z相對(duì)應(yīng)。
如圖9(b)所示，在沒(méi)有中間電位電極20a、 20b的以往的半導(dǎo) 體器件中，電場(chǎng)的峰值(電場(chǎng)集中)出現(xiàn)在點(diǎn)X的一個(gè)位置。另一方 面，在本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件中，由于通過(guò)中間電位電極20a、 20b 的作用，耗盡層易于擴(kuò)展，因此電場(chǎng)的峰值出現(xiàn)在點(diǎn)W、 X、 Y的三 個(gè)位置，各個(gè)峰值比以往的小。另外，如與在實(shí)施形態(tài)1中示出的圖 1 (b)的曲線相比較所知那樣，各個(gè)峰值還比實(shí)施形態(tài)1中的小。即， 通過(guò)設(shè)置2個(gè)中間電位電極20a、 20b，與實(shí)施形態(tài)1相比較能夠使半 導(dǎo)體器件進(jìn)一步高耐壓。
雖然省略了圖示，然而圖9(a)的半導(dǎo)體器件的俯視圖除去中間 電位電極有2個(gè)以外，與圖3相同。即，中間電位電極20a、 20b配置 在芯片外圍部分中使得包圍單元區(qū)。在中間電位電極20a、 20b上施加 中間電位的中間電位施加單元局部地形成在芯片外圍部分的一部分區(qū) 域中，是連接在發(fā)射極電極10與溝道截?cái)嚯姌O12之間的反向連接二 極管211。而且，中間電位電極20a、20b分別由從反向連接二極管211 中的預(yù)定二極管引出的多晶硅形成。通過(guò)調(diào)整從反向連接二極管211 引出中間電位電極20a、 20b的位置，能夠任意地設(shè)定中間電位電極 20a、 20b的電位。另外，芯片外圍部分的形成了反向連接二極管211 的區(qū)域的剖面與圖4相同。
圖IO是對(duì)于實(shí)施形態(tài)2的半導(dǎo)體器件設(shè)置了 2個(gè)中間電位電極 20a、 20b的例子。由于圖10除去中間電位電極有2個(gè)以外與圖5相 同，因此省略該圖的詳細(xì)說(shuō)明。
在圖10的半導(dǎo)體器件中，在場(chǎng)氧化膜13上的場(chǎng)板14與場(chǎng)板15
17之間也設(shè)置2個(gè)中間電位電極20a、 20b，提供比其下方的硅村底表面 低的電位，使得在芯片外圍部分的iT漂移層1內(nèi)耗盡層易于延伸。由 此，可以得到與上面使用圖9 (b)說(shuō)明過(guò)的效果相同的效果，由于難 以發(fā)生芯片外圍部分中的擊穿現(xiàn)象，因此能夠使半導(dǎo)體器件高耐壓。
雖然省略了圖示，然而圖10的半導(dǎo)體器件的俯視圖除去中間電 位電極有2個(gè)以外，與圖7相同。即，中間電位電極20a、 20b也與實(shí) 施形態(tài)1的中間電位電極20相同，設(shè)置在芯片外圍部分中使得包圍單 元區(qū)。另外，在中間電位電極20a、 20b上施加中間電位的中間電位施 加單元局部地形成在芯片外圍部分的一部分區(qū)域中，是連接在柵極布 線19與溝道截?cái)嚯姌O12之間的反向連接二極管221。圖11中示出形 成了反向連接二極管221的部分的放大圖。圖IO相當(dāng)于沿著圖11的 A-A線的剖面圖。另外，沿著B(niǎo)-B線的剖面圖與圖8相同。
如圖ll所示，中間電位電極20a、 20b分別由從反向連接二極管 221中的預(yù)定二極管引出的多晶硅形成。即，中間電位電極20a、 20b 分別連接反向連接二極管221中的預(yù)定的一級(jí)二極管。通過(guò)調(diào)整從反 向連接二極管221引出中間電位電極20a、 20b的位置，能夠任意地設(shè) 定中間電位電極20a、 20b的電位。在該結(jié)構(gòu)中，通過(guò)把反向連接二極 管221的擊穿電壓設(shè)定為比發(fā)射極電極10-溝道截?cái)嚯姌O12之間的 硅襯底內(nèi)的擊穿電壓低的值，可以得到防止在集-射間施加過(guò)電壓的 所謂過(guò)電壓保護(hù)功能。
如以上那樣，通過(guò)把中間電位電極增加至多個(gè)，能夠進(jìn)一步使半 導(dǎo)體器件成為高耐壓。另外，還能夠提供抑制模制極化的影響或者來(lái) 自器件外部電場(chǎng)的影響的效果，能夠使半導(dǎo)體器件的耐壓更穩(wěn)定。另
外，由于中間電位施加單元僅形成在芯片外圍部分的一部分中，因此 能夠減小除此以外部分中的芯片外圍部分的寬度。由于即使減小芯片 外圍部分的寬度通過(guò)中間電位電極的作用也能夠得到高耐壓，因此能 夠抑制耐壓的惡化。即，在維持耐壓的同時(shí)，在半導(dǎo)體器件的高集成 度以及小型化方面也做出貢獻(xiàn)。
在上述的例子中，在多個(gè)中間電位電極20a、 20b的雙方分別提供了比各自下方的硅襯底表面低的電位，而如果設(shè)定成使得多個(gè)中間 電位電極中的至少一個(gè)中間電位電極(特別是，最低壓側(cè)的電極)的 電位比其正下方的上述半導(dǎo)體襯底表面的電位低，則可以得到促進(jìn)耗 盡層的擴(kuò)展的效果。
另外，如本實(shí)施形態(tài)這樣，在設(shè)置多個(gè)中間電位電極的情況下，
在希望促進(jìn)耗盡層的擴(kuò)展的情況下，如果接近場(chǎng)板14 一側(cè)配置則更為 有效。即，當(dāng)把場(chǎng)板14與場(chǎng)板15之間的距離記為L(zhǎng)時(shí)，場(chǎng)板14一 側(cè)的中間電位電極與場(chǎng)板14之間的距離最好小于L/ (N-l)。
另外，在以上的說(shuō)明中，作為中間電位電極示出了設(shè)置中間電位 電極20a、 20b這兩個(gè)電極的例子，而根據(jù)需要也可以進(jìn)一步增加其數(shù) 量。在這樣的情況下也能夠得到與上述相同的效果。
<實(shí)施形態(tài)4>
在實(shí)施形態(tài)4中，示出中間電位施加單元的其它例子。圖12示 出實(shí)施形態(tài)4的半導(dǎo)體器件，是芯片外圍部分中形成了中間電位施加 單元部分的放大圖。對(duì)于實(shí)施形態(tài)3的半導(dǎo)體器件，作為中間電位施 加單元22，代替反向連接二極管221,使用電阻元件222。在圖U中， 在與圖11具有相同功能的要素上標(biāo)注相同的符號(hào)。電阻元件222由多 晶硅形成，局部地形成在芯片外圍部分的一部分區(qū)域中，連接在柵極 布線19與溝道截?cái)嚯姌O12之間。另外，圖13、圖14分別示出沿著 圖12的A-A線以及B-B線的剖面圖。如從圖12、圖13、圖14所 知，與實(shí)施形態(tài)3的區(qū)別僅在于反向連接二極管221置換為電阻元件 222。
柵極布線19 -溝道截?cái)嚯姌O12之間的電壓由電阻元件222保持， 如圖12所示，中間電位電極20a、 20b分別由從電阻元件222的一部 分引出的多晶硅形成。即，中間電位電極20a、 20b連接電阻元件222 的一部分，施加以預(yù)定的比例把柵極布線19-溝道截?cái)嚯姌O12之間 的電壓分壓了的電壓。即，電阻元件222起到分壓?jiǎn)卧淖饔?。在?阻元件222內(nèi)，在柵極布線19 -溝道截?cái)嚯姌O12之間電位幾乎線性 地變化，通過(guò)調(diào)整從電阻元件222引出中間電位電極20a、20b的位置，
19能夠任意地設(shè)定中間電位電極20a、 20b的電位。
在本實(shí)施形態(tài)中，由于通過(guò)中間電位電極20a、 20b得到的效果 與上述實(shí)施形態(tài)3相同，因此在這里省略說(shuō)明。另外，這里示出了電 阻元件222連接在柵極布線19-溝道截?cái)嚯姌O12之間的具有所謂過(guò) 電壓保護(hù)功能的結(jié)構(gòu)，而也可以像實(shí)施形態(tài)1那樣，是在發(fā)射極電極 10-溝道截?cái)嚯姌O12之間連接作為中間電位施加單元的電阻元件的 結(jié)構(gòu)，可以得到同樣的效果。
<實(shí)施形態(tài)5>
圖15示出本發(fā)明實(shí)施形態(tài)5的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，示出縱向 IGBT芯片的外圍部分。該圖中，由于在與圖5所示的部分具有相同 功能的要素上標(biāo)注與其相同的符號(hào)，因此在這里省略它們的詳細(xì)說(shuō)明。
在圖15右側(cè)部分的芯片外圍部分中，在場(chǎng)氧化膜13下的iT漂移 層1上設(shè)置p型的保護(hù)環(huán)30a、 30b。由于通過(guò)i殳置保護(hù)環(huán)30a、 30b 促進(jìn)芯片外圍部分的n-漂移層1中的耗盡層的延伸，因此能夠得到高 耐壓。
另外，圖16 (a)是本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件的芯片的俯視圖。 在與圖15所示的部分具有相同功能的要素上標(biāo)注與其相同的符號(hào)。如 圖所示，保護(hù)環(huán)30a、 30b設(shè)置在芯片外圍部分中使得包圍單元區(qū)。而 且，在芯片外圍部分的一部分區(qū)域中局部地形成連接在柵極布線19 與溝道截?cái)嚯姌O12之間，串聯(lián)連接了多個(gè)反向連接的二極管構(gòu)成的多 級(jí)反向連接二極管(以下，把該多級(jí)反向連接二極管總稱為r反向連 接二極管31J )。另外，反向連接二極管31由于局部地形成在外圍 部分的一部分區(qū)域中，因此能夠減小外圍部分中除此以外的區(qū)域的寬 度。即使減小外芯片外圍部分的寬度，通過(guò)保護(hù)環(huán)30a、 30b的作用也 能夠維持耐壓。
反之可以講，芯片外圍部分的形成了反向連接二極管31的區(qū)域 的寬度產(chǎn)生不得不比其以外的區(qū)域?qū)挼那闆r。另外，保護(hù)環(huán)30a、 30b 各自的電位需要設(shè)定其位置或者電位使得能夠得到預(yù)定的耐壓。這時(shí)， 該保護(hù)環(huán)30a、 30b的電位需要與位于其上方的反向連接二極管31的電位匹配。
圖16 (b)是圖16 (a)中形成了反向連接二極管31的部分的放大圖。反向連接二極管31通過(guò)在形成于場(chǎng)氧化膜13上的多晶硅中交互地配置p型區(qū)和n型區(qū)構(gòu)成。在形成了反向連接二極管31的部分的下方及其附近，是與保護(hù)環(huán)30a、 30b沒(méi)有交叉的大致平行的線形，局部地形成與保護(hù)環(huán)30a、 30b相同導(dǎo)電類型的p型雜質(zhì)區(qū)32。即，p型雜質(zhì)區(qū)32把反向連接二極管31的下方橫斷。p型區(qū)雜質(zhì)區(qū)32不是像保護(hù)環(huán)30a、 30b那樣的環(huán)形，而是具有有限長(zhǎng)度的線形形狀。上述的圖15相當(dāng)于沿著圖16 (b)的A-A線的剖面圖。另外，圖17、圖18分別示出沿著B(niǎo)-B線以及C-C線的剖面圖。在圖17、圖18中，在與圖15、圖16 (b)所示的部分具有相同功能的要素上也標(biāo)注與其相同的符號(hào)。
芯片外圍部分的形成反向連接二極管31的區(qū)域的寬度由于比除此以外的區(qū)域?qū)?，因此為了使保護(hù)環(huán)30a、 30b的電位與其上方的反向連接二極管31的電位匹配，如圖16(b)所示，需要按照形成反向連接二極管31的區(qū)域擴(kuò)展保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30B的間隔。這時(shí)，如果不存在p型雜質(zhì)區(qū)32，則在反向連接二極管31附近的區(qū)域(圖18)中，保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b的間隔展寬，在其部分中耗盡層沒(méi)有充分延伸而發(fā)生電場(chǎng)集中。在本實(shí)施形態(tài)中，在保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b的間隔展寬的反向連接二極管31附近的區(qū)域中，通過(guò)在保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b之間設(shè)置線形的p型雜質(zhì)區(qū)32，在該區(qū)域中耗盡層易于延伸。由此，由于緩和反向連接二極管31附近的電場(chǎng)集中，因此芯片
外部周圍成為高耐壓。
在反向連接二極管31的正下方的區(qū)域(圖17)中，由于反向連接二極管31起到場(chǎng)板的作用，因此即使保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b的間隔展寬，耗盡層也比較容易擴(kuò)展，抑制發(fā)生電場(chǎng)集中。而像本實(shí)施形態(tài)這樣，通過(guò)在反向連接二極管31的正下方也形成p型雜質(zhì)區(qū)32，由于該p型雜質(zhì)區(qū)32的電位穩(wěn)定，因此能夠得到更穩(wěn)定的耐壓。
另外，本實(shí)施形態(tài)的p型雜質(zhì)區(qū)32在以往的半導(dǎo)體器件的形成方法中的保護(hù)環(huán)的形成工藝中，能夠通過(guò)改變圖形形狀而形成。另外，
反向連接二極管31在以往的半導(dǎo)體器件的形成方法的反向連接二極
管的形成工藝中，能夠通過(guò)變更圖形形狀而形成。即，沒(méi)有從以往的半導(dǎo)體器件的制造方法中增加工藝數(shù)。
另外，在以上的說(shuō)明中，示出了在2個(gè)保護(hù)環(huán)30a、 30b之間設(shè)置l個(gè)p型雜質(zhì)區(qū)32的結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明的結(jié)構(gòu)并不限于這種形式。也可以根據(jù)需要變更保護(hù)環(huán)以及p型雜質(zhì)區(qū)的數(shù)量和位置。以下示出其例子。
例如，圖19~圖21是在保護(hù)環(huán)30a、 30b之間設(shè)置了 2個(gè)p型雜質(zhì)區(qū)32a、 32b的例子。圖19是芯片外圍部分的形成了反向連接二極管31的部分的放大圖，圖20、圖21分離示出沿著圖19的A-A線、B-B線的剖面圖。在這些圖中，在與圖15 ~圖18所示的部分具有相同功能的要素上標(biāo)注與其相同的符號(hào)。p型雜質(zhì)區(qū)32a、 32b是與保護(hù)環(huán)30a、 30b沒(méi)有交叉的大致平行的線形，局部地形成在反向連接二極管31的下方及其附近。例如，通過(guò)展寬芯片外圍部分中的反向連接二極管31的形成區(qū)的寬度，或者減少保護(hù)環(huán)的數(shù)量，在反向連接二極管31附近的保護(hù)環(huán)的間隔特別展寬的情況下，可以這樣在保護(hù)環(huán)之間設(shè)置多個(gè)p型雜質(zhì)區(qū)。
另外，例如圖22~圖24是設(shè)置了 3個(gè)保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c時(shí)的例子。圖23是芯片外圍部分形成了反向連接二極管31的部分的放大圖，圖22、圖24分別示出沿著圖23的A-A線、B-B線的剖面圖。在這些圖中，在與圖15~圖18所示的部分具有相同功能的要素上也標(biāo)注與其相同的符號(hào)。在保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b之間設(shè)置p型雜質(zhì)區(qū)32a，在保護(hù)環(huán)30b與保護(hù)環(huán)30c之間，沒(méi)置p型雜質(zhì)區(qū)32b。 p型雜質(zhì)區(qū)32a、 32b的每一個(gè)都具有與保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c大致平行的線形形狀，局部地形成在反向連接二極管31的下方及其附近。在增加了保護(hù)環(huán)的數(shù)量的情況下，如果這樣在各個(gè)保護(hù)環(huán)之間分別設(shè)置p型雜質(zhì)區(qū)，則能夠促進(jìn)各個(gè)保護(hù)環(huán)之間的耗盡層的延伸，抑制發(fā)生電場(chǎng)集中。
22另外，在以上的例子中，示出了在保護(hù)環(huán)與保護(hù)環(huán)之間設(shè)置線形
的p型雜質(zhì)區(qū)的結(jié)構(gòu)，而例如也可以在圖17中的p基區(qū)5與保護(hù)環(huán)30a之間，或者溝道截?cái)鄬?1與保護(hù)環(huán)30b之間形成與保護(hù)環(huán)大致平行的線形的p型雜質(zhì)區(qū)。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，在形成了反向連接二極管31的區(qū)域中局部地設(shè)置了 p型雜質(zhì)區(qū)32，而例如在代替反向連接二極管31使用電阻元件(如圖12所示那樣的多晶硅的電阻元件)等的情況下也能夠適用。這種情況下由于確定保護(hù)環(huán)的位置使得與電阻元件內(nèi)的電位分布匹配，因此可以在保護(hù)環(huán)的間隔展寬的部分中形成線形的p型雜質(zhì)區(qū)。
<實(shí)施形態(tài)6>
圖25示出本發(fā)明實(shí)施形態(tài)6的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，示出縱向IGBT芯片的外圍部分中的形成了反向連接二極管31的部分的放大圖。另外，圖26、圖27、圖28分別示出沿著圖25中的A-A線、B-B線以及C-C線的剖面圖。在這些圖中，在與圖16 ~圖18所示的部分具有相同功能的要素上標(biāo)注與其相同的符號(hào)。
保護(hù)環(huán)30a、 30b設(shè)置在芯片外圍部分中使得包圍單元區(qū)。而且，在芯片外圍部分的一部分區(qū)域中局部地設(shè)置連接在柵極布線19與溝道截?cái)嚯姌O12之間的相互串聯(lián)連接的多級(jí)反向連接二極管31。反向連接二極管31由于局部地形成在芯片外圍部分的一部分區(qū)域中，因此能夠減小芯片外圍部分中除此以外的區(qū)域的寬度，在半導(dǎo)體器件的高集成度以及小型化方做出貢獻(xiàn)。
然而如在實(shí)施形態(tài)5中也說(shuō)明過(guò)的那樣，芯片外圍部分的形成反向連接二極管31的區(qū)域的寬度產(chǎn)生不得不比除此以外的區(qū)域?qū)挼那闆r。而且，為了使保護(hù)環(huán)30a、 30b的電位與位于其上方的反向連接二極管31的電位匹配，如圖25所示，需要按照形成反向連接二極管M的區(qū)域展寬保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b的間隔。
在本實(shí)施形態(tài)中，在展寬了保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b的間隔的部分中，展寬反向連接二極管31的寬度。即，如圖"所示，展寬了反向連接二極管31中的位于保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b之間的上方的二極管的寬度，沿著該寬度方向突出。反向連接二極管31的寬度展寬的二極管的各個(gè)形狀成為圖25所示的平面觀看與上迷保護(hù)環(huán)沒(méi)有交叉的大致平行的線形形狀。
一般，如圖27或圖28所示，如果保護(hù)環(huán)的間隔展寬，則在該部分中耗盡層沒(méi)有充分延伸，易于發(fā)生電場(chǎng)集中，而在圖27所示的反向連接二極管31的正下方的區(qū)域中，由于反向連接二極管31起到場(chǎng)板的作用，因此即使保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b的間隔展寬度，耗盡層也比較易于擴(kuò)展，抑制發(fā)生電場(chǎng)集中。進(jìn)而，在圖28所示的區(qū)域中，在保護(hù)環(huán)30a與保護(hù)環(huán)30b之間反向連接二極管31的寬度展寬的部分由于起到場(chǎng)板的作用，因此也抑制發(fā)生電場(chǎng)集中。另外，保護(hù)環(huán)30a、30b的電位與反向連接二極管31的電位分布匹配，而且，反向連接二極管31的寬度寬的二極管的各個(gè)形狀由于是平面觀看與上述保護(hù)環(huán)大致平行的線形，因此各個(gè)二極管的電位與其下方的襯底表面幾乎相同，作為場(chǎng)板可以得到適宜的電位分布。
圖29示出反向連接二極管31的寬度展寬部分的沿著該寬度的方向突出的部分的形狀的例子。沿著反向連接二極管31的寬度方向突出的部分的形狀與保護(hù)環(huán)30a和保護(hù)環(huán)31b之間的區(qū)域的行動(dòng)一致，如圖29 U)所示可以做成錐形?；蛘?，如圖29 (b)所示，可以做成與保護(hù)環(huán)30b的形狀一致的扇形。在圖29 (a)、圖29 (b)的每一種情況下，由于各個(gè)二極管配置成平面觀看與上述保護(hù)環(huán)大致平行的形狀，因此作為場(chǎng)板可以得到適宜的電場(chǎng)分布。
另外，本實(shí)施形態(tài)的反向連接二極管31在以往的半導(dǎo)體器件的形成方法的反向連接二極管的形成工藝中，能夠通過(guò)變更圖形形狀而形成。即，沒(méi)有從以往的半導(dǎo)體器件的制造方法中增加工藝數(shù)。
<實(shí)施形態(tài)7>
在實(shí)施形態(tài)7中，優(yōu)化芯片外圍部分中的反向連接二極管下方的保護(hù)環(huán)的寬度。圖30示出縱向IGBT芯片的外圍部分中的形成了反向連接二極管31的部分的放大圖。3個(gè)保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c配置在芯片外圍部分中使得包圍單元區(qū)。而且，在芯片外圍部分的一部分區(qū)域
中局部地設(shè)置連接在柵極布線19與溝道截?cái)嚯姌O12之間的串聯(lián)連接了多個(gè)反向連接的二極管構(gòu)成的多級(jí)反向連接二極管31。
圖31用于說(shuō)明本實(shí)施形態(tài)。圖31 (a)相當(dāng)于圖30的A-A剖面圖，圖31 (b)示出該剖面中的硅襯底表面的電場(chǎng)分布。圖31(b)中示出的符號(hào)W、 X， Y， Z分別與圖31 (a)中示出的點(diǎn)W (場(chǎng)板14的高壓側(cè)邊緣部分)、X (保護(hù)環(huán)30a的高壓側(cè)邊緣部分)、Y (保護(hù)環(huán)30b的高壓側(cè)邊緣部分)、Z (保護(hù)環(huán)30c的高壓側(cè)邊緣部分)相對(duì)應(yīng)。如圖31 (b)那樣，在保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的寬度展寬的情況下如圖31 (b)所示，在點(diǎn)X、 Y、 Z中發(fā)生大的電場(chǎng)峰值(電場(chǎng)集中)。
由于保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的電阻值低，因此在其內(nèi)部電位幾乎均勻。即，在保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的寬度Wcj之間電位幾乎沒(méi)有變化。另一方面，在反向連接二極管31中，由于各個(gè)二極管分擔(dān)并保持柵極布線19-溝道截?cái)嚯姌O12之間的電壓，因此在寬度Wc之間，在反向連接二極管31中發(fā)生電位差VD。如圖31 (a)所示，如果寬度Wg大，則電位差Vo增大，在各個(gè)保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的低壓側(cè)雖然與反向連接二極管31的電位匹配，但是在高壓側(cè)不匹配。其結(jié)果，如圖31(b)所示，在點(diǎn)X、 Y、 Z中發(fā)生大的電場(chǎng)峰值(電場(chǎng)集中)。
因此，在本實(shí)施形態(tài)中，如圖32 (a)那樣，在反向連接二極管31的下方減小保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的寬度Wc。如果減小寬度Wc，則由于其之間的反向連接二極管31中的電位差Vo也減小，因此緩和各個(gè)保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的高壓側(cè)中的與反向連接二極管31的電位匹配。其結(jié)果如圖32 (b)所示，點(diǎn)X、 Y、 Z中的電場(chǎng)峰值減小，能夠謀求芯片外圍部分的高耐壓。
本發(fā)明者們?cè)谀蛪?00~800V左右，場(chǎng)氧化膜l.Onm左右，保護(hù)環(huán)2 ~ 6個(gè)左右的條件下進(jìn)行半導(dǎo)體器件的耐壓模擬，得到了如果電位差Vn超過(guò)60V,則耐壓極度惡化的結(jié)果。即，即使在柵極布線19-溝道截?cái)嚯姌O12之間的電壓(—射-集間電壓)成為最大值的情況下，也可以設(shè)定寬度Wc使得電位差Vo不超過(guò)60V。本實(shí)施形態(tài)的半 導(dǎo)體器件由于具有由反向連接二極管31得到的過(guò)電壓保護(hù)功能，因此 柵極布線19-溝道截?cái)嚯姌O12之間電壓的最大值相當(dāng)于反向連接二 極管31的擊穿電壓。即，當(dāng)在柵極布線19與溝道截?cái)嚯姌O12之間施 加反向連接二極管31的擊穿電壓時(shí)，通過(guò)確定保護(hù)環(huán)寬度Wc，使得 位于各個(gè)保護(hù)環(huán)上方的二極管保持的電壓VD小于60V,能夠抑制耐壓 的惡化。
<實(shí)施形態(tài)8>
在實(shí)施形態(tài)8，優(yōu)化形成在保護(hù)環(huán)上方的反向連接二極管的構(gòu)造。 圖33示出本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在實(shí)施形態(tài)7中示 出的圖30的A-A剖面。如圖33所示，在反向連接二^L管31中，在 寸呆護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的上方，分別僅形成n型區(qū)33a、 33b、 33c。 換言之，反向連接二極管31中的pn結(jié)沒(méi)有位于保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c 的上方。
如在實(shí)施形態(tài)7中也敘述過(guò)的那樣，保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的各 個(gè)上方中的反向連接二極管31內(nèi)的電位差Vo越小，越能夠減小保護(hù) 環(huán)30a、 30b、 30c的高壓側(cè)邊緣(點(diǎn)X、 Y、 Z)中電場(chǎng)的峰值。
在反向連接二極管31中，產(chǎn)生電位差的主要是pn結(jié)部分，在各 個(gè)n型區(qū)33a、 33b、 33c內(nèi)成為幾乎恒定的電位。在本實(shí)施形態(tài)中， 在反向連接二極管31中，由于在保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的上方分別僅 形成n型區(qū)33a、 33b、 33c,因此4呆護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的各個(gè)上方 中的反向連接二極管31內(nèi)的電位差Vd板小。從而，能夠減小保護(hù)環(huán) 30a、 30b、 30c的高壓側(cè)邊緣(點(diǎn)X、 Y、 Z)中的電場(chǎng)的峰值，能夠 謀求芯片外圍部分的高耐壓。從而，能夠使芯片外圍部分的寬度狹窄， 在半導(dǎo)體器件的高集成度以及小型化方面做出貢獻(xiàn)。
另外，圖33中，示出了使保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的寬度Wg與 形成在其上方的反向連接二極管31的n型區(qū)33a、 33b、 33c的長(zhǎng)度 !^成為相同大小的例子，而如圖34所示，也可以使長(zhǎng)度Ljy比寬度 Wg大，而且，使保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c上方的n型區(qū)33a、 33b、 33c
26從分別從該保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c的上方向高壓側(cè)突出。另外，通過(guò) 使保護(hù)環(huán)30a、 30b、 30c上的n型區(qū)33a、 33b、 33c分別在點(diǎn)X、 Y、 Z上延伸，該n型區(qū)33a、 33b、 33c起到與一般的場(chǎng)板同樣的作用， 能夠進(jìn)一步減小該點(diǎn)X、 Y、 Z中的電場(chǎng)的峰值。
另外，本實(shí)施形態(tài)的反向連接二極管31在以往的半導(dǎo)體器件的 形成方法的反向連接二極管的形成工藝中，能夠通過(guò)變更圖形形狀而 形成。即，沒(méi)有從以往的半導(dǎo)體器件的制造方法中增加工藝數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件具有形成在半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體元件和設(shè)置在上述半導(dǎo)體元件周圍的外圍構(gòu)造，其特征在于，上述外圍構(gòu)造具備形成在該外圍構(gòu)造的外圍部分上且與上述半導(dǎo)體襯底電連接的第1電極；形成在上述半導(dǎo)體元件的形成區(qū)與上述第1電極之間的上述半導(dǎo)體襯底上的絕緣膜；形成在上述絕緣膜上且連接于上述第1電極與配置在上述半導(dǎo)體元件中的上述半導(dǎo)體襯底上最外側(cè)的第2電極之間的多級(jí)反向連接二極管；和在上述絕緣膜下方的上述半導(dǎo)體襯底中形成為包圍上述半導(dǎo)體元件的保護(hù)環(huán)，其中，在上述多級(jí)反向連接二極管中，在一個(gè)上述保護(hù)環(huán)的上方僅配置單一導(dǎo)電類型的區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于 在上述多級(jí)反向連接二極管中，上述保護(hù)環(huán)上方的上述單一導(dǎo)電類型的區(qū)域的長(zhǎng)度比上述保護(hù)環(huán)的寬度長(zhǎng)，上述單一導(dǎo)電類型的區(qū)域從上述保護(hù)環(huán)的上方朝著面向上述第1 電極的方向突出。
全文摘要
本發(fā)明提供維持高耐壓的同時(shí)能夠謀求小型化的半導(dǎo)體器件，在IGBT芯片的外圍部分中，在場(chǎng)氧化膜(13)上的場(chǎng)板(14)與場(chǎng)板(15)之間，設(shè)置形成為包圍IGBT單元的中間電位電極(20)，在中間電位電極(20)上，從局部地形成在芯片外圍部分上的一部分區(qū)域中的中間電位施加單元提供作為發(fā)射極電極(10)的電位與溝道截?cái)嚯姌O(12)的電位之間的電位的預(yù)定中間電位。
文檔編號(hào)H01L21/328GK101677099SQ20091020636
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月29日
發(fā)明者高橋徹雄 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社