專利名稱：半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式涉及用于電力設備的電力半導體器件。
背景技術：
對于逆變器等電力設備內的開關元件中使用的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)及 IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)等(以下，IGBT 等))的電力半導體器件，要求降低導通狀態(tài)下的耗電和關斷損失。關斷損失是在關斷時蓄積在基極層中的載流子排出時所消耗的電力。減少向基極層注入的載流子的量對于減少關斷損失是較有效的。減少P+型集電極層的P型雜質濃度對于減少向基極層注入的載流子的量是較有效的。但是，P+型集電極層的P型雜質濃度的減少會使集電極層的電阻(或導通電壓)增大，并使導通狀態(tài)下的耗電增大。因此，導通狀態(tài)下的耗電減少和關斷損失的減少處于折中關系。希望向基極層注入的載流子為低注入型、且導通電阻(集電極層的電阻)較低的IGBT 等。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種導通電阻較小、關斷損失較少的電力半導體器件。本發(fā)明實施方式的半導體器件具備第一導電型的第一半導體層，第一導電型的第二半導體層，第二導電型的第三半導體層，第一導電型的第四半導體層，柵極絕緣膜，柵極電極，層間絕緣膜，第二導電型的第五半導體層，第二導電型的第六半導體層，絕緣性電流狹窄體，第一電極，第二電極。第二半導體層設在第一半導體層之上，并具有比第一半導體層的第一導電型雜質濃度低的濃度的第一導電型雜質。第三半導體層形成在第二半導體層的與第一半導體層相反側的表面。第四半導體層形成在第三半導體層的與第一半導體層相反側的表面，并具有比第二半導體層的第一導電型雜質濃度高的濃度的第一導電型雜質。柵極絕緣膜與第二半導體層、第三半導體層及第四半導體層相接地設置。柵極電極隔著柵極絕緣膜與第二半導體層、第三半導體層及第四半導體層對置地設置。層間絕緣膜設在柵極電極上，與柵極絕緣膜一起覆蓋柵極電極。第五半導體層設在第一半導體層的與第二半導體層相反側的表面上。第六半導體層設在第五半導體層的與第一半導體層相反側的表面上，并具有比第五半導體層的第二導電型雜質濃度高的濃度的第二導電型雜質。電流狹窄體設在第五半導體層內，具有與第五半導體層的表面平行的平面和設在該平面內的間隙。第一電極與第六半導體電連接。第二電極與第三半導體層和第四半導體層電連接。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，能夠提供一種導通電阻小且關斷損失小的電力半導體器件。


圖I是第一實施方式的半導體器件的主要部分截面圖。圖2是第二實施方式的半導體器件的主要部分截面圖。
具體實施例方式下面，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。在實施例中的說明中使用的圖是為便于說明而采用的示意性的圖，圖中的各要素的形狀、尺寸、大小關系等，在實際實施時不一定限于圖中所示，能夠在得到本發(fā)明的效果的范圍內適當進行變更。半導體材料則以硅作為一例進行了說明。關于第一導電型及第二導電型，則分別說明n型及p型的情況。在使用n_型、n型及n+形的情況下，其雜質濃度具有n_ < n < n+的關系。關于p_型、p型 及P+形也同樣。此外，例如，單指的P型雜質的濃度表示半導體層中所含的實際的P型雜質的濃度，所謂有效P型雜質的濃度是指與半導體層中所含的n型雜質補償后的濃度。關于n型雜質的濃度和有效n型雜質的濃度也同樣。在各實施方式中，作為電力半導體器件，以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極晶體管))為例進行了說明，但是這些實施方式同樣能夠應用于IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor (注入增強柵晶體管))等的半導體器件中。(第一實施方式)關于第一實施方式，用圖I進行說明。圖I是第一實施方式的電力半導體器件即IGBT100的主要部分截面圖。如圖I所示，本實施方式的IGBT100具備n+形(第一導電型)緩沖層(第一半導體層)1，n_型基極層(第二半導體層)2，p型(第二導電型)基極層(第三半導體層)3，n+型集電極層(第四半導體層)4，柵極絕緣膜6，柵極電極7，層間絕緣膜8，p—型第一集電極層(第五半導體層)9，P+型第二集電極層(第六半導體層)10，絕緣性的電流狹窄體11，集電極電極(第一電極)12，以及發(fā)射極電極(第二電極)13。關于n+型緩沖層l、n_型基極層2、p型基極層3、n+型集電極層4、p_型第一集電極層，及P+型第二集電極層(第六半導體層)，以為硅的情況為例進行說明。例如，n+型緩沖層I的膜厚為約10 ii m,n型雜質濃度為IO15 1016cm_3。n_型基極層2設置在n+型緩沖層I之上，具有比n+型緩沖層I的n型雜質的濃度低的濃度的n型雜質。例如，n_型基極層2的膜厚為約30 ii m, n型雜質濃度為IO13 1014cm_3。p型基極層3形成在n_型基極層2的與n+型緩沖層I相反側的表面上。p型基極層3的膜厚為數(shù)y m，p型雜質的濃度為IO16 1017cm_3。n+型集電極層4形成在p型基極層的與n+型緩沖層I相反側的表面上，具有比n_型基極層2的n型雜質的濃度高的濃度的n型雜質。n+型集電極層2的膜厚為約I ii m, n型雜質的濃度為IO19 102°cm_3。溝槽5設置成與n+型集電極層4相鄰、且從n+型集電極層4的表面貫通p型基極層而到達n_型基極層2中。柵極絕緣膜6設置成覆蓋溝槽5的整個內面(側壁及整個底面)。例如，柵極絕緣膜6可以設為通過熱氧化形成的氧化硅膜，但是也可以設為通過CVD等形成的氧化硅膜。此外，也可以代替氧化硅膜，而使用氮化硅膜或其他電介質材料。柵極電極7隔著柵極絕緣膜6設置在溝槽5內。柵極電極7也可以設為摻雜成n型的多晶硅。層間絕緣膜8設成與覆蓋柵極電極7的上端部的柵極絕緣膜6連接。層間絕緣膜8與柵極絕緣膜同樣，能夠設成由熱氧化或CVD形成的氧化硅膜。柵極電極7除了從設置在層間絕緣膜8上的未圖示的開口部引出到溝槽5外部的柵極布線層的部分之外，被柵極絕緣膜6及層間絕緣膜8包圍，由此與溝槽的外部絕緣。p_型第一集電極層9設置在n+型緩沖層I的與n_型基極層2相反側的表面上，具有比P型基極層3的p型雜質的濃度低的p型雜質。例如，p_型第一集電極層9的膜厚為數(shù)U m，p型雜質的濃度為IO15 1016cm_3。在此，優(yōu)選將p_型第一集電極層9的有效p型雜質濃度設定為比n+型緩沖層I的有效n型雜質濃度高。若如上設定p—型第一集電極層的雜質濃度，則容易從關斷時的P—型第一集電極層9向n+型緩沖層I排出空穴，從而能夠降低關斷損失。P+型第二集電極層10設置在p_型第一集電極層9的與n+型緩沖層I相反側的表面上，具有比p_型第一集電極層9的p型雜質濃度高的濃度的p型雜質。P+型第二集電極層10的p型雜質濃度例如為IO19 102°cnT3。電流狹窄體11設置在p—型第一集電極層9內，具有與p—型第一集電極層9的上述表面平行的平面及設置在該平面內的間隙11A。電流狹窄體11具有能夠不在與p_型第一集電極層9的上述表面垂直的方向(層疊方向)上通過電流的充分的絕緣性。例如，電流狹窄體11能夠設為氧化硅膜或氮化硅膜等絕緣膜。在電流狹窄體11的間隙IlA中填充P—型第一集電極層9。電流狹窄體11與P+型第二集電極層10相鄰，隔著p_型第一集電極層9與n+型緩沖層I分離。在電流狹窄體11為氧化硅膜或氮化硅膜的情況下，例如，能夠如下形成電流狹窄體。在P+型第二集電極層之上生長P_型第一集電極層之后，在從P_型第一集電極層的與P+型第二集電極層相反側的表面到P—型第一集電極層中的與P+型第二集電極層相鄰的部分，使用規(guī)定的掩模來離子注入氧離子或氮離子，之后實施熱處理，由此能夠形成氧化硅膜或氮化硅膜的電流狹窄體11。集電極電極12與P+型第二集電極層電連接。發(fā)射極電極13與n+型集電極層4和P型基極層3電連接。在圖I中，發(fā)射極電極13沒有形成在柵極電極7上，而只形成在n+型集電極層4和p型基極層上，但是這終究只是一例。發(fā)射極電極13當然可以設成隔著層間絕緣膜8跨過柵極電極7上的結構。此外，當然發(fā)射極電極13隔著p型雜質濃度比p型基極層濃度高的未圖示的P+型集電極層，與P型基極層3電連接。
接著，對本實施方式的IGBT100的動作進行說明。若在相對于發(fā)射極電極13對集電極電極12施加了正電壓的狀態(tài)下，相對于發(fā)射極電極13對柵極電極7施加超過閾值的電壓，則在P型基極層3的與柵極絕緣膜6相鄰的部分形成基于反轉分布的溝道層。經(jīng)由n+型集電極層4及溝道層，從發(fā)射極電極13向n_型基極層2中供給電子。對于與電子對應的量的空穴，經(jīng)由P+型第二集電極層10、 _型第一集電極層9及11+型緩沖層1，從集電極電極12供給到n_型基極層2。通過該電子和空穴蓄積到n_型基極層2中，產(chǎn)生傳導率調制而導通電阻激減，IGBT100成為導通狀態(tài)。通過將施加到柵極電極7的電壓設為閾值以下，上述溝道層消失，由此，向n_型基極層2中供給的電子和空穴的供給被斷絕，IGBT從導通狀態(tài)切換為切斷狀態(tài)。此時，蓄積在n_型基極層中的過剩的電子和空穴分別持續(xù)朝向集電極電極及發(fā)射極電極流動，從而作為殘留電流，電流暫時持續(xù)流動。由于該殘留電流，產(chǎn)生關斷損失。為了減少該關斷損失，抑制從P+型第二集電極層10向rT型基極層2的空穴的注入是較高效的。作為其中一個方式，可以考慮降低P+型第二集電極層12的p型雜質濃度，但這會導致P+型第二集電極層中的集電極電阻增大，還導致IGBT100的導通電阻增大。本實施方式的IGBT100在p—型第一集電極層內具有在層疊方向上切斷電流的電流狹窄體11，電流狹窄體11具有與P—型第一集電極層9的上述表面平行的平面；以及設置在該平面內的間隙11A。在間隙IlA中充滿了 p—型第一集電極層9。在該間隙IlA中，電連接了 P_型第一集電極層9和P+型第二集電極層10。由此，從P+型第二集電極層10向 型第一集電極層流動的電流被電流狹窄體11狹窄，集中到間隙IlA的部分。其結果，在P型第一集電極層9的電流狹窄體11的間隙IlA的部分中，從發(fā)射極電極13供給的電子及從集電極電極12供給的空穴的載流子密度增大，所以載流子壽命縮短，促進電子和空穴的復合。通過該電子和空穴的復合，從P+型第二集電極層10向rT型基極層的空穴的供給量減少。因此，在本實施方式的IGBT100中，為了在不使關斷損失增大的情況下減少導通電阻，能夠使P+型第二集電極層的P型雜質的濃度增大。 (第二實施方式)接著，用圖2說明第二實施方式的半導體器件200。圖2是第二實施方式的半導體器件的IGBT200的主要部分截面圖。此外，對于與在第一實施方式說明的結構相同的結構部分使用相同的參照標記或記號，并省略說明。主要對與第一實施方式的不同點進行說明。如圖2所示，本實施方式的IGBT200在電流狹窄體14成為空洞的這一點上，不同于第一實施方式的IGBT100。除此之外，兩者具有相同的結構。即，本實施方式的IGBT200具有如下結構在第一實施方式的IGBT100中，將電流狹窄體11的絕緣膜置換為空洞。由這樣的空洞形成的電流狹窄體，例如預先由比P_型第一集電極層及P+型第二集電極層容易蝕刻的犧牲層來形成電流狹窄體，并通過從P+型第二集電極層的表面到達犧牲層的未圖示的蝕刻用的通孔，對犧牲層進行蝕刻，由此能夠形成該電流狹窄體?？斩磧瘸錆MIGBT200的外部的環(huán)境氣體。由于基于這樣的空洞的電流狹窄體14，電流集中到間隙14A中，本實施方式的IGBT200也能夠得到與第一實施方式的IGBT100相同的效果。在上述各個實施方式中，電流狹窄體11、14與P+型第二集電極層相鄰，但是通過形成為隔著P—型第一集電極層9與P+型第二集電極層10分離的結構，能夠進一步減少集電極電阻，能夠減少導通電阻。此外，前面對柵極電極為溝槽型的IGBT進行了說明，但是當然能夠應用于柵極電極為平面型的IGBT。此外，只要IGBT100、200具備圖I及圖2所示的截面結構，柵極電極7及電流狹窄體11、14就可以是條紋形狀、格子形狀、交叉格子形狀(偏置格子形狀)及蜂巢形狀等圖案。此外，以第一導電型為n型、第二導電型為p型的情況說明了各實施方式，但是也可以分別是調換了 n型和p型的結構。雖然對本發(fā)明的幾個實施方式進行了說明，但是這些實施方式只是作為例子來提示的，并不用于限定發(fā)明的范圍。這些新的實施方式能夠在其他方式的各種方式中實施，在不脫離發(fā)明的主旨的范圍內能夠進行各種省略、置換和變更。這些實施方式及其變形包含在發(fā)明的范圍和主旨內，并且包含在權利要求的范圍中記載的發(fā)明及其等同的范圍內。
權利要求
1.一種電カ半導體器件，其特征在于，具有 第一導電型的第一半導體層； 第一導電型的第二半導體層，設置在上述第一半導體層之上，并具有比上述第一半導體層的第一導電型雜質濃度低的濃度的第一導電型雜質； 第二導電型的第三半導體層，形成在上述第二半導體層的與上述第一半導體層相反側的表面；第一導電型的第四半導體層，形成在上述第三半導體層的與上述第一半導體層相反側的表面，并具有比上述第二半導體層的第一導電型雜質濃度高的濃度的第一導電型雜質；柵極絕緣膜，與上述第二半導體層、上述第三半導體層及上述第四半導體層相接地設置； 柵極電極，隔著上述柵極絕緣膜與上述第二半導體層、上述三半導體層及上述第四半導體層對置地設置； 層間絕緣膜，設置在上述柵極電極上，與上述柵極絕緣膜一起覆蓋上述柵極電扱； 第二導電型的第五半導體層，設置在上述第一半導體層的與上述第二半導體層相反側的表面上； 第二導電型的第六半導體層，設置在上述第五半導體層的與上述第一半導體層相反側的表面上，并具有比上述第五半導體層的第二導電型雜質濃度高的濃度的第二導電型雜質； 絕緣性的電流狹窄體，設置在上述第五半導體層內，具有與上述第五半導體層的上述表面平行的平面和設置在該平面內的間隙； 第一電極，與上述第六半導體電連接；以及 第二電極，與上述第三半導體層和上述第四半導體層電連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干， 在上述電流狹窄體的上述間隙填充了上述第五半導體層，經(jīng)由上述間隙，上述第五半導體層和上述第六半導體層電連接。
3.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述電流狹窄體與上述第六半導體層相鄰。
4.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述電流狹窄體隔著上述第五半導體層而與上述第六半導體層分離。
5.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述電流狹窄體隔著上述第五半導體層而與上述第一半導體層分離。
6.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述第五半導體層的有效第二導電型雜質的濃度比上述第一半導體層的有效第一導電型雜質的濃度高。
7.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述電流狹窄體是絕緣膜。
8.根據(jù)權利要求7所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述絕緣膜是氧化硅膜或氮化硅膜。
9.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干，上述電流狹窄體是空洞。
10.根據(jù)權利要求I所述的電力半導體器件，其特征在干， 形成了溝槽，該溝槽與上述第四半導體層相鄰、且從上述第四半導體層的表面貫通上述第三半導體層而到達上述第二半導體層中， 上述柵極電極隔著上述柵極絕緣膜設置在上述溝槽內。
11.根據(jù)權利要求2所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述電流狹窄體與上述第六半導體層相鄰。
12.根據(jù)權利要求3所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述第五半導體層的有效第二導電型雜質的濃度比上述第一半導體層的有效第一導電型雜質的濃度高。
13.根據(jù)權利要求6所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述電流狹窄體是絕緣膜。
14.根據(jù)權利要求13所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述絕緣膜是氧化硅膜或氮化硅膜。
15.根據(jù)權利要求14所述的電力半導體器件，其特征在干， 形成了溝槽，該溝槽與上述第四半導體層相鄰、且從上述第四半導體層的表面貫通上述第三半導體層而到達上述第二半導體層中， 上述柵極電極隔著上述柵極絕緣膜設置在上述溝槽內。
16.根據(jù)權利要6所述的電力半導體器件，其特征在干， 上述電流狹窄體是空洞。
17.根據(jù)權利要16所述的電力半導體器件，其特征在干， 形成了溝槽，該溝槽與上述第四半導體層相鄰、且從上述第四半導體層的表面貫通上述第三半導體層而到達上述第二半導體層中， 上述柵極電極隔著上述柵極絕緣膜設置在上述溝槽內。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導體器件，其具備第一導電型的第一半導體層(1)，第一導電型的第二半導體層(2)，第二導電型的第三半導體層(3)，第一導電型的第四半導體層(4)，柵極絕緣膜(6)，柵極電極(7)，層間絕緣膜(8)，第二導電型的第五半導體層(9)，第二導電型的第六半導體層10，絕緣性的電流狹窄體(11)，第一電極(12)，以及第二電極(13)。第六半導體層(10)具有比第五半導體層(9)的第二導電型雜質濃度高的濃度的第二導電型雜質。電流狹窄體(11)設置在第五半導體層內(9)，具有與第五半導體層(9)的表面平行的平面和設置在該平面內的間隙(11A)。
文檔編號H01L29/739GK102694017SQ20111025158
公開日2012年9月26日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權日2011年3月24日
發(fā)明者下條亮平 申請人:株式會社東芝