專利名稱：功率用半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及ー種絕緣柵型的功率用半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
作為對汽車、鉄路車輛、其它產(chǎn)業(yè)用馬達等進行驅(qū)動的電源設(shè)備的開關(guān)元件，使用 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor :絕緣柵雙極型晶體管)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor :注入增強柵晶體管)等(下面稱作IGBT等)。在這些功率用半導(dǎo)體裝置中，要求高耐壓化、大電流化、低損耗化，因此使用提高溝道密度來實現(xiàn)導(dǎo)通電阻的降低的溝槽柵結(jié)構(gòu)。在這種電源設(shè)備中，在作為負載的馬達中發(fā)生短路事故時，施加于負載的大電壓全部施加到IGBT等，在IGBT等中流過大電流的負載短路電流。直到IGBT等破壞為止負載短路電流流動的時間被稱作負載短路容量。在馬達驅(qū)動用的電源設(shè)備中，具備當(dāng)發(fā)生了負載短路時通過傳感器來檢測負載短路并保護IGBT等的功能，但是發(fā)生負載短路到其保護功能進行工作為止需要10 μ秒左右的處理時間。因而，在IGBT等中要求充分超過10μ秒的負載短路容量。然而，在IGBT等中，提高溝道密度來實現(xiàn)導(dǎo)通電阻的降低。導(dǎo)通電阻越降低，負載短路電流越大，因此存在負載短路容量下降這樣的折衷的問題。希望得到降低導(dǎo)通電阻的同時提高負載短路容量的IGBT或者IEGT。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式提供負載短路容量高、導(dǎo)通電阻低的功率用半導(dǎo)體裝置。實施方式中的功率用半導(dǎo)體裝置具備P型集電極層、η型基極層、P型基極層、η型源極層、柵電極、層間絕緣膜、集電極以及發(fā)射扱。η型基極層形成在P型集電極層上。P型基極層形成在η型基極層上。η型源極層具有比η型基極層高的η型雜質(zhì)濃度，并選擇性地形成于P型基極層的表面。溝槽形成為從η型源極層的表面貫通η型源極層以及P型基極層而到達至η型基極層中。柵電極隔著柵極絕緣膜而形成于溝槽內(nèi)。層間絕緣膜形成在柵電極上。集電極電連接到P型集電極層的與η型源極層相反側(cè)的表面。發(fā)射極隔著設(shè)置于層間絕緣膜的開ロ部而電連接到η型源極層和P型接觸層。關(guān)于P型基極層的雜質(zhì)濃度，在層疊方向上，在與源極層鄰接的上端部具有最大值，并從P型基極層的上端部朝向η型基極層而單調(diào)減少。柵電極具有第I部分，隔著柵極絕緣膜的第I部分而與η型基極層和P型基極層的底端部相対；以及第2部分，與柵電極的第I部分的上部連續(xù)，并隔著柵極絕緣膜的第2部分而與P型基極層的上端部和η型源極層相対。特征在干，以使在柵極絕緣膜的第I部分與P型基極層的底端部之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值大于等于在柵極絕緣膜的第2部分與P型基極層的上端部之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值的方式，形成有柵電扱。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，能夠提供負載短路容量高、導(dǎo)通電阻低的功率用半導(dǎo)體裝置。


圖I是與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的主要部分截面圖。圖2是表示沿著圖I的C-C線的雜質(zhì)濃度分布的曲線圖。圖3是表示沿著與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜厚的溝槽深度方向的變化的曲線圖。圖4是與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的主要部分截面圖。圖5是表示沿著與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜厚的溝槽深度 方向的變化的曲線圖。圖6是用于說明與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的動作的主要部分截面圖。圖7是表示與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的P型基極層的P型雜質(zhì)濃度的分布與閾值的深度方向的變化的曲線圖。圖8是表示與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵極-基極間電壓與集電極-發(fā)射極間電流的關(guān)系的曲線圖。圖9是表示與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的P型基極層的P型雜質(zhì)濃度的分布與閾值的深度方向的變化的曲線圖。圖10是表示與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵扱-基極間電壓與集電極-發(fā)射極間電流的關(guān)系的曲線圖。圖11是與第I實施方式的變形例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的主要部分截面圖。圖12是表示沿著與第I實施方式的變形例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜厚的溝槽深度方向的變化的曲線圖。圖13是表示與第I實施方式的變形例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的P型基極層的P型雜質(zhì)濃度的分布與閾值的深度方向的變化的曲線圖。圖14是表示與第I實施方式的變形例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵極-基極間電壓與集電極-發(fā)射極間電流的關(guān)系的曲線圖。圖15是與第2實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的主要部分截面圖。
具體實施例方式下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。實施方式中的說明中使用的附圖是便于說明的示意性的圖，圖中的各要素的形狀、尺寸、大小關(guān)系等在實際的實施中未必如圖所示，能夠在獲得本發(fā)明的效果的范圍內(nèi)適當(dāng)進行變更。只要沒有特別說明，半導(dǎo)體材料只是以硅為一個例子進行說明。另外，在使用了 η—型、η型以及n+型的情況下，設(shè)為在其雜質(zhì)濃度中存在n_<n<n+的關(guān)系。關(guān)于p_型、P型以及P+型也相同。另外，各實施方式IGBT為例說明功率用半導(dǎo)體裝置，但是這些實施方式也能夠同樣地適用于IEGT。(第I實施方式)使用圖I 圖10來說明第I實施方式和比較例。圖I是與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的主要部分截面圖。圖2是表示沿著圖I的C-C線的雜質(zhì)濃度分布的曲線圖。圖3是表示沿著與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜厚的溝槽深度方向的變化的曲線圖。圖4是與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的主要部分截面圖。圖5是表示沿著與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜厚的溝槽深度方向的變化的曲線圖。圖6是用于說明與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的動作的主要部分截面圖。圖7是表示與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的P型基極層的P型雜質(zhì)濃度的分布與閾值的深度方向的變化的曲線圖。圖8是表示與比較例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵扱-基極間電壓與集電極-發(fā)射極間電流的關(guān)系的曲線圖。圖9是表示與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的P型基極層的P型雜質(zhì)濃度的分布與閾值的深度方向的變化的曲線圖。圖10是表示與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的柵扱-基極間電壓與集電極-發(fā)射極間電流的關(guān)系的曲線圖。如圖I所示，與第I實施方式有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置100是IGBT，具備p型集電極層l、n+型緩沖層2、n_型基極層3、P型基極層4、n+型源極層5、柵電極8、層間絕緣膜9、集電極11以及發(fā)射極12。 在P+型集電極層I上隔著n+型緩沖層2而設(shè)置有η—型基極層3。η—型基極層3具有比η+型緩沖層2的η型雜質(zhì)濃度低的η型雜質(zhì)濃度。作為ー個例子，它們的層結(jié)構(gòu)是能夠在P+型的硅基板上通過硅的外延生長而依次形成η.型緩沖層2以及η_型基極層3。之后通過將P+型基板研磨為期望的厚度，能夠?qū)+型基板設(shè)為P+型集電極層。P型基極層4設(shè)置在η_型基極層3上。η+型源極層5具有比η_型基極層3還高的η型雜質(zhì)的濃度，選擇性地形成于P型基極層4的表面。如圖2所示，P型基極層4具有P型雜質(zhì)的濃度分布4Ρ，該P型雜質(zhì)的濃度分布4Ρ在與η+型源極層5在層疊方向上鄰接的部分4Β(以后稱作上端部)中、即從P型基極層4的表面向ρ+型集電極層I側(cè)侵入了形成η+型源極層5的厚度的部分中，ρ型雜質(zhì)濃度具有最大值，隨著朝向P+型集電極層1，P型雜質(zhì)的濃度單調(diào)地以指數(shù)函數(shù)的方式減少。作為ー個例子，這種P型基極層4能夠通過在規(guī)定的條件下向η—型基極層3的表面離子注入ρ型雜質(zhì)(例如硼等)，并在之后通過熱處理使P型雜質(zhì)進行熱擴散，從而形成為擴散層。形成從η+型源極層5的表面貫通η+型源極層5以及ρ型基極層4而到達η—基極層3的內(nèi)部的溝槽6。具有第I部分7Α和第2部分7Β的柵極絕緣膜7設(shè)計成將溝槽6的底面及側(cè)壁、以及η+型源極層5的溝槽6的開ロ部周邊的表面上進行覆蓋。柵極絕緣膜7的第I部分7Α將露出于溝槽6的底面以及側(cè)壁的η—型基極層3以及與η—型基極層3鄰接的P型基極層4的底端部4Α的各個表面上進行覆蓋。柵極絕緣膜7的第2部分將露出干溝槽6的側(cè)壁的η+型源極層5的表面以及從ρ型基極層4的上端部4Β至中央部為止的部分的表面上進行覆蓋并與柵極絕緣膜7的第I部分7Α連續(xù)。柵極絕緣膜7的第2部分7Β在溝槽6的側(cè)壁的η+型源極層5的表面以及ρ型基極層4的上端部4Β的表面上，厚度比柵極絕緣膜7的第I部分7Α薄，朝向ρ型基極層4的底端部4Α以指數(shù)函數(shù)的方式變厚，在ρ型基極層4的底端部4Α的表面上變成柵極絕緣膜7的第2部分7Β的膜厚。如圖2所示，P型基極層4中的ρ型雜質(zhì)的濃度從ρ型基極層4的上端部4Β的深度B朝向ρ型基極層4的底端部4Α的深度A以指數(shù)函數(shù)的方式減少。如圖3所示，柵極絕緣膜7的第2部分7Β的膜厚根據(jù)P型基極層4中的ρ型雜質(zhì)濃度的變化，從ρ型基極層4的上端部4Β的深度B朝向P型基極層4的底端部4Α的深度A以指數(shù)函數(shù)的方式増加。柵極絕緣膜7能夠與第I部分7A以及第2部分7B —起設(shè)為氧化硅，但是除此之外還能夠設(shè)為氮化硅、氧化鋁等的電介質(zhì)膜、或它們的層疊結(jié)構(gòu)。柵電極8也同樣地具有第I部分8A和第2部分SB。柵電極8的第I部分8A隔著柵極絕緣膜7的第I部分7A而嵌入到溝槽6內(nèi)。柵電極8的第2部分SB隔著柵極絕緣膜7的第2部分7B而嵌入到溝槽6內(nèi)，并與柵電極8的第I部分8A連續(xù)。層間絕緣膜9形成為將柵電極8的第2部分SB之上進行覆蓋，與后述的發(fā)射極12絕緣。柵電極8的第I部分8A和第2部分SB只要都是相同的導(dǎo)電性高的材料即可，例如能夠設(shè)為摻雜為η型的多晶硅。柵電極8從未圖示的層間絕緣膜9的開ロ部引出到溝槽6的外面，通過未圖示的柵極布線層以及柵電極焊盤引出到未圖示的柵電極端子。層間絕緣膜9能夠與柵極絕緣膜同樣地設(shè)為氧化硅、氮化硅、氧化鋁、或者它們的層疊結(jié)構(gòu)。集電極11形成干與ρ+型集電極層I的η—基極層3相反側(cè)的表面，并與P+型集電極層I電連接。集電極11也通過未圖示的布線而引出到集電極端子。
在ρ型基極層4的表面的與η+型源極層5鄰接的部分中形成有P+型接觸層10。P+型接觸層10具有比P型基極層4的P型雜質(zhì)濃度高的P型雜質(zhì)濃度。發(fā)射極12隔著層間絕緣膜9的未圖示的開ロ部而形成在η+型源極層5以及P+型接觸層10的表面上。發(fā)射極12與η+型源極層5電連接，并隔著ρ+型接觸層10而與ρ型基極層4電連接。ρ+型接觸層10是為了使發(fā)射極12與ρ型基極層4良好地電連接而設(shè)置的層。即使發(fā)射極12不隔著P+型接觸層10而直接形成在ρ型基極層4的表面上，也只是接觸電阻變高。這種結(jié)構(gòu)也同樣地能夠獲得本發(fā)明的效果，因此在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)。在說明與本實施方式有關(guān)的IGBT 100的動作以及發(fā)明的效果之前，說明與比較例有關(guān)的IGBT 500的結(jié)構(gòu)以及動作。圖4是與比較例有關(guān)的IGBT的主要部分截面圖。與比較例有關(guān)的IGBT 500除了以覆蓋溝槽6的底面以及側(cè)壁的方式形成的柵極絕緣膜507 的厚度均勻之外，是與本實施方式所涉及的IGBT 100相同的結(jié)構(gòu)。即，在與比較例有關(guān)的IGBT 500中，柵極絕緣膜507以及柵電極508不是分別具有第I部分以及第2部分的結(jié)構(gòu)，而是ー樣的單一的結(jié)構(gòu)。沿著從圖4中的ρ型基極層4的上端部4Β的深度B到ρ型基極層4的底端部4Α的深度A為止的C-C線的雜質(zhì)濃度分布也如圖2所示。圖5表示與比較例有關(guān)的IGBT 500的柵極絕緣膜的深度方向的變化。如圖5所示，柵極絕緣膜507在溝槽的底面以及側(cè)壁的全部區(qū)域中形成為一祥。下面，說明與比較例有關(guān)的IGBT 500的動作。在集電極11中對發(fā)射極12施加了正的電壓的狀態(tài)下，在柵電極508中對發(fā)射極12施加超過IGBT的導(dǎo)通/截止狀態(tài)的閾值的額定電壓\Ε時，在ρ型基極層4與柵極絕緣膜508之間形成電子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層。此時，如圖6所示，電子從發(fā)射極12經(jīng)由n+型源極層5、以及ρ型基極層4的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層而注入到η—型基極層3，η—型基極層3與ρ+型集電極層I之間成為正偏壓?？昭◤腜+型集電極層I注入到η—型基極層3，在η—型基極層3中，電子和空穴的數(shù)量激增而引起傳導(dǎo)率調(diào)制。 其結(jié)果，η—型基極層3的電阻值急劇減少，IGBT 500成為導(dǎo)通狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)中，電子從發(fā)射極12經(jīng)由η+型源極層5、ρ型基極層4的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層、η_型基極層3、以及ρ+型集電極層I而流入集電極11。空穴經(jīng)由集電極11、P+型集電極層1、η_型基極層3、ρ型基極層4、以及P+型接觸層10而流向發(fā)射極12。這里，如圖7所示，ρ型基極層4中的ρ型雜質(zhì)的濃度在P型基極層4的上端部4B(圖中點B)中具有最大值，朝向ρ型基極層4的底部4A(圖中A)而減少。一般，ρ型基極層的P型雜質(zhì)濃度越高，越難以在P型基極層與柵極絕緣膜之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層。即，當(dāng)施加于柵電極與P型基極層之間的電壓超過閾值時會形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層，但是P型基極層的P型雜質(zhì)濃度越高，用于形成該粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值越高。此外，在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的電子被傳輸?shù)姆较?溝道長度的方向)上，當(dāng)用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值不同的部分存在多個的情況下，IGBT的導(dǎo)通/截止狀態(tài)的閾值成為用于形成該粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值之中的最高的閾值。即，當(dāng)施加于柵電極與P型基極層之間的電壓超過用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的最大的閾值吋，IGBT變成導(dǎo)通狀態(tài)。在與比較例有關(guān)的IGBT 500中，如圖7所示，在ρ型基極層4的上端部4Β中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值取最大值，在P型基極層4的底端部4Α中取最小值，因此IGBT 500具有ρ型基極層4Β的閾值。這里，在將ρ型基極層4的上端部4Β以及底端部4Α中的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值分別設(shè)為Vtb以及Vta時，在柵電極508與ρ型基極層4之間的電壓比Vtb高的狀態(tài)下，IGBT 500成為導(dǎo)通狀態(tài)，在比Vtb低而比Vta高的狀態(tài)下，IGBT 500成為截止狀 態(tài)。在后者的截止狀態(tài)下，在P型基極層4的上端部4Β中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層消失而成為夾斷，在P型基極層4的底端部4Α中存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層。此時，在ρ型基極層4的上端部4Β與底端部4Α之間存在夾斷點，施加于該部分的柵電極508與ρ型基極層4之間的電壓成為夾斷電壓。接著，考慮如下情況在比IGBT的閾值Vta充分大的額定電壓VeE施加到柵電極508的導(dǎo)通狀態(tài)下，在負載側(cè)發(fā)生了負載短路。當(dāng)發(fā)生負載短路時，施加于負載的大電壓被施加到IGBT 500的集電極11與發(fā)射極12之間，因此在集電極-發(fā)射極之間瞬時流過負載短路電流的大電流。空穴所致的負載短路電流如圖6所示那樣流過ρ型基極層4以及ρ+型接觸層10，從而在各個層中發(fā)生電壓下降Va以及VB。如果將ρ型基極層4以及ρ+型接觸層10的內(nèi)部電阻分別設(shè)為R2以及Rl，則由于P型基極層4中的ρ型雜質(zhì)濃度具有圖2以及圖7所示的雜質(zhì)濃度分布、以及P+型接觸層10具有比ρ型基極層4的ρ型雜質(zhì)濃度的最大值還高的濃度，成為R2 >> R1。如果將集電極-發(fā)射極間電流設(shè)為し，則成為Va = R2 X ICE,VB=RlX Ice^在P型基極層4的上端部4B中，施加于柵電極508與ρ型基極層4之間的電壓成為VeE-VB。另外，在P型基極層4的底端部4A中，施加于柵電極508與ρ型基極層4之間的電壓成為veE-(vA+vB)。在圖8中，分別針對ρ型基極層4的上端部4B (圖中B)以及底端部4A(圖中A),示出施加于柵電極與P型基極層之間的電壓(以下，稱為柵扱-基極間電壓)由于集電極-發(fā)射極間電流而減少的曲線圖。在IGBT 500的集電極-發(fā)射極之間流過額定電流吋，柵極-基極間電壓受到由空穴電流引起的電壓下降的影響少，比P型基極層4的上端部4B以及底端部4A的各自的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb以及Vta充分大，因此IGBT 500是穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)。這里，當(dāng)發(fā)生負載短路時，集電極-發(fā)射極間電流激増，柵極-基極間電壓急劇下降。P型基極層4的底端部4A與上端部4B相比，由空穴電流引起的電壓下降大，因此柵極-基極層間電壓急劇減小。然而，P型基極層4的上端部4B與底端部4A相比，用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb大，因此柵扱-基極間電壓達到ρ型基極層4的上端部4B的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值VTB，ρ型基極層4的上端部4B先成為夾斷狀態(tài)。因此，IGBT500的集電極-發(fā)射極間的電流Ira被固定為該夾斷中的飽和電流，它成為負載短路電流。將由該夾斷引起的飽和電流抑制得越低，越能夠使IGBT 500的負載短路容量變大。接著，關(guān)于與本實施方式有關(guān)的IGBT 100，與上述同樣地說明關(guān)于負載短路發(fā)生時的動作。圖9示出與本實施方式有關(guān)的IGBT 100的ρ型基極層中的ρ型雜質(zhì)濃度的分布(與圖2以及圖7相同)以及用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值的深度方向的變化。使與本實施方式有關(guān)的IGBT 100的柵極絕緣膜7的膜厚如圖3那樣根據(jù)ρ型雜質(zhì)濃度的增加而増加。一般，越使柵極絕緣膜變厚，柵極絕緣膜與P型基極層間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層越難以形成，因此用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值變大。在本實施方式中，以使所得到的由柵極絕緣膜厚的増加引起的閾值的上升量大于等于由P型雜質(zhì)濃度的下降引起的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值的下降量的方式，使P型半導(dǎo)體層4的底端部4A中的柵極絕緣膜7的第I部分7A的膜厚形成為比ρ型半導(dǎo)體層4的上端部4B中的柵極絕緣膜7的第2部分7B的膜厚還厚。其結(jié)果，如圖9所示，ρ型基極層4的底端部4A中的閾值Vta變得比上端部4B中的閾值Vtb還尚。在與本實施方式有關(guān)的IGBT 100中，與比較例所涉及的IGBT500不同，ρ型基極 層4的底端部4Α中的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta比上端部4Β中的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb高。因此，如圖10所示，在與本實施方式有關(guān)的IGBT 100的負載側(cè)發(fā)生負載短路時，在P型基極層4的底端部4Α中比上端部4Β更先發(fā)生夾斷，此時的夾斷所致的飽和電流成為負載短路電流。其結(jié)果，本實施方式所涉及的IGBT 100的負載短路電流遠低于比較例所涉及的IGBT500，因此具有遠高的負載短路容量。如以上說明那樣，在與本實施方式有關(guān)的IGBT 100中，柵電極8具有 第I部分8Α，隔著柵極絕緣膜7的第I部分7Α而與η-型基極層3和ρ型基極層4的底端部4Α相對；以及第2部分SB，與柵電極8的第I部分8Α的上部連續(xù)，并隔著柵極絕緣膜7的第2部分7Β而與ρ型基極層4的上端部4Β和η+型源極層5相対。以使在柵極絕緣膜7的第I部分7Α與ρ型基極層4的底端部4Α之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta大于等于在柵極絕緣膜7的第2部分7Β與ρ型基極層4的上端部4Β之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb的方式，形成有柵電極8。由此，與ρ型基極層4的上端部4Β相比，在底端部4Α中先發(fā)生夾斷，與本實施方式有關(guān)的IGBT 100具有低的導(dǎo)通電阻且具有高的負載短路容量。特別是在本實施方式中，柵電極8隔著使柵極絕緣膜7的第I部分7Α的膜厚比第2部分7Β的膜厚還厚的柵極絕緣膜7而形成于溝槽6內(nèi)，從而使在柵極絕緣膜7的第I部分7Α與ρ型基極層4的底端部4Α之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta大于等于在柵極絕緣膜7的第2部分7Β與ρ型基極層4的上端部4Β之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值VTB。與本實施方式有關(guān)的IGBT 100在ρ+型集電極層I與n_型基極層3之間具有n+型緩沖層2，但如果是使η—型基極層3充分厚而耗盡層沒有從ρ型基極層3到達ρ+型集電極層I的結(jié)構(gòu)，則也可以省略。接著使用圖11來說明與本實施方式的變形例有關(guān)的IGBT 500。圖11是與本實施方式的變形例有關(guān)的IGBT 500的主要部分截面圖。圖12是表示沿著與本實施方式的變形例有關(guān)的IGBT 500的柵極絕緣膜厚的溝槽深度方向的變化的曲線圖。圖13是表示與本實施方式的變形例有關(guān)的IGBT 500的ρ型基極層的ρ型雜質(zhì)濃度的分布與閾值的深度方向的變化的曲線圖。圖14是表示與本實施方式的變形例有關(guān)的IGBT 500的柵扱-基極間電壓與集電極-發(fā)射極間電流的關(guān)系的圖。
在第I實施方式的IGBT 100中，柵極絕緣膜7的第2部分7B的膜厚根據(jù)ρ型基極層4中的ρ型雜質(zhì)濃度的變化，從ρ型基極層4的上端部4Β的深度B朝向ρ型基極層4的底端部4Α的深度A以指數(shù)函數(shù)的方式増加。與此相對，如圖11以及圖12所示，在與本實施方式的變形例有關(guān)的IGBT 101中，不依賴于ρ型基極層4中的ρ型雜質(zhì)濃度，柵極絕緣膜7的第2部分7Β的膜厚具有一定的厚度，形成得比第I部分7Α的膜厚薄。在除此以外的點中，本變形例所涉及的IGBT 101具有與本實施方式所涉及的IGBT 100相同的結(jié)構(gòu)。
在本變形例中，也通過使ρ型基極層4的上端部4Β中的柵極絕緣膜7的第I部分7Α的厚度比第2部分7Β的厚度厚，從而將第I部分7Α的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta設(shè)定得高。然而，在與本實施方式有關(guān)的IGBT 100中，將第I部分7Α中的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta形成為比第2部分7Β中的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb還高，但是如圖13所示，在與本變形例有關(guān)的IGBT 101中設(shè)定成使第I部分7Α中的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta與第2部分7Β中的用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb成為幾乎相同的閾值。這樣也能夠如圖14中示出負載短路時的夾斷的情況那樣，在與本變形例有關(guān)的IGBT 101中使P型基極層4的底端部4Α比上端部4Β更先成為夾斷狀態(tài)，因此飽和電流值變小，使負載短路電流降低，所以負載短路容量得到提高。在與本變形例有關(guān)的IGBT 101中，也以使在柵極絕緣膜7的第I部分7Α與ρ型基極層4的底端部4Α之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta大于等于在柵極絕緣膜7的第2部分7Β與ρ型基極層4的上端部4Β之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb的方式，形成有柵電極8。由此，與ρ型基極層4的上端部4Β相比在底端部4Α中更先發(fā)生夾斷，與本實施方式有關(guān)的IGBT 100具有低的導(dǎo)通電阻且具有高的負載短路容量。此外，在與本實施方式有關(guān)的IGBT 100以及與變形例有關(guān)的IGBT 101中，柵電極8隔著使柵極絕緣膜7的第I部分7Α的膜厚比第2部分7Β的膜厚還厚的柵極絕緣膜7而形成于溝槽6內(nèi)，從而使在柵極絕緣膜7的第I部分7Α與ρ型基極層4的底端部4Α之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta大于等于在柵極絕緣膜7的第2部分7Β與ρ型基極層4的上端部4Β之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值VTB。與此相対，雖然省略詳細說明，但是柵極絕緣膜7的第I部分7A具有與第2部分7B相同的膜厚，通過由具有比第2部分的介電常數(shù)低的介電常數(shù)的電介質(zhì)來構(gòu)成，也能夠?qū)崿F(xiàn)上述本實施方式以及變形例的效果。例如，能夠?qū)艠O絕緣膜7的第I部分7A設(shè)為氧化硅，將第2部分7B設(shè)為氮化硅。當(dāng)然，能夠并用使柵極絕緣膜7的第I部分7A的膜厚比第2部分7B的膜厚還厚的情形、和以使第I部分7A的介電常數(shù)比第2部分7B的介電常數(shù)低的方式選擇各自的電介質(zhì)材料情形。(第2實施方式)接著使用圖15來說明與第2實施方式有關(guān)的IGBT 200。圖15是與本實施方式有關(guān)的IGBT 200的主要部分截面圖。此外，對于與第I實施方式中說明的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)的部分，使用相同的參考編號或者記號并省略其說明。主要說明與第I實施方式的不同點。如圖4所示，本實施方式所涉及的IGBT 200與第I實施方式所涉及的IGBT 100的不同點在于，在第I實施方式所涉及的IGBT 100中，將柵極絕緣膜7的第I部分7A以及第2部分7B以相同的電介質(zhì)膜形成為相同的厚度，以及形成為使柵電極8的第I部分具有比第2部分還低的費米能級。除此之外，IGBT 200具有與IGBT 100相同的結(jié)構(gòu)。
用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vth—般由下述的式(I)來表示。這里，Vfb是平帶電壓，Vfb = (；EF-EFM)/q, Ef是ρ型基極層的費米能級,Efm是柵電極的費米能級，q是元電荷。ΨΒ= (Ei-E^/qJiip型基極層的本征費米能級。es是硅的介電常數(shù)，Na是受主密度，C。是柵極絕緣膜的靜電電容。
「 %! _ I ' Il, \ I _ IjVIi.(/,, = yfB + Jfftf + ' f ，' I 1
(-柵電極的費米能級Efm越高(能級越高)，Vfb的負的值變得越大，因此根據(jù)式(1)，Vth變低。因而，通過將柵電極8的第I部分8A的費米能級Efm設(shè)定為比第2部分SB的費米能級Efm低，從而能夠?qū)⒃跂艠O絕緣膜7的第I部分7A與ρ型基極層4的底端部4A之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta設(shè)定得比在柵極絕緣膜7的第2部分7B與ρ型基極層4的上 端部4B之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb高。如圖7所示，通過使ρ型基極層4的ρ型雜質(zhì)濃度從P型基極層4的上端部4B朝向底端部4B以指數(shù)函數(shù)的方式減少，從而使在柵極絕緣膜7的第I部分7A與ρ型基極層4的底端部4A之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta變得比在柵極絕緣膜7的第2部分7B與ρ型基極層4的上端部4Β之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb低。因此，在與本實施方式有關(guān)的IGBT 200中，為了抵消上述ρ型基極層4內(nèi)的ρ型雜質(zhì)濃度給用于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值帶來的影響，而且使在柵極絕緣膜7的第I部分7Α與ρ型基極層4的底端部4Α之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta大于等于在柵極絕緣膜7的第2部分7Β與ρ型基極層4的上端部4Β之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值VTB，而將柵電極8的第I部分8A的費米能級Efm設(shè)定得比第2部分8B的費米能級Efm低。如上所述那樣，通過設(shè)定柵電極8的第I部分8A與第2部分SB的費米能級，能夠如圖10或者圖14所示那樣獲得與第I實施方式或者其變形例相同的效果。作為柵電極8的第I部分8A的費米能級Efm比第2部分SB的費米能級Efm低的柵電極8的ー個例子，能夠用摻雜為ρ型的多晶硅來構(gòu)成柵電極8的第I部分，用摻雜為η型的多晶硅來構(gòu)成柵電極8的第2部分。另外，如果柵電極8的第I部分8Α和第2部分SB分別是P型半導(dǎo)體和η型半導(dǎo)體，則還能夠?qū)⒍嗑Ч枰酝獾膶?dǎo)電性高的半導(dǎo)體層用于柵電極8的第I部分8Α以及第2部分8Β?；蛘撸词乖O(shè)為用第I半導(dǎo)體層來構(gòu)成柵電極8的第I部分8Α、用第2半導(dǎo)體層來構(gòu)成第2部分SB、并使第I半導(dǎo)體層的電子親和力比第2半導(dǎo)體層的電子親和力還大的結(jié)構(gòu)，也能夠設(shè)為柵電極8的第I部分8Α的費米能級Efm比第2部分SB的費米能級Efm低的柵電極8。例如，能夠使用η型多晶硅作為第I半導(dǎo)體，并使用η型碳化硅(SiC)作為第2半導(dǎo)體。而且，如上所述那樣，通過將第I半導(dǎo)體設(shè)為P型、并第2半導(dǎo)體設(shè)為η型，能夠進ー步使柵電極8的第I部分8Α的費米能級低于第2部分SB。如以上說明那樣，在本實施方式所涉及的IGBT 200中，也與第I實施方式所涉及的IGBT 100同樣地，柵電極8具有第I部分8Α，隔著柵極絕緣膜7的第I部分7Α而與η_型基極層3和ρ型基極層4的底端部4Α相對；以及第2部分SB，與柵電極8的第I部分8Α的上部連續(xù)，并隔著柵極絕緣膜7的第2部分7Β而與ρ型基極層4的上端部4Β和η+型源極層5相対。以使在柵極絕緣膜7的第I部分7Α與ρ型基極層4的底端部4Α之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta大于等于在柵極絕緣膜7的第2部分7B與ρ型基極層4的上端部4B之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb的方式，形成有柵電極8。由此，與ρ型基極層4的上端部4B相比，在底端部4A中先發(fā)生夾斷，與本實施方式有關(guān)的IGBT 100具有低的導(dǎo)通電阻且具有高的負載短路容量。特別是在本實施方式中，以使柵電極8的第I部分8A的費米能級Efm低于第2部分8B的費米能級Efm的方式，使柵電極8隔著柵極絕緣膜7而形成于溝槽6內(nèi)，從而使在柵極絕緣膜7的第I部分7A與ρ型基極層4的底端部4A之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vta大于等于在柵極絕緣膜7的第2部分7B與ρ型基極層4的上端部4B之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值Vtb。雖然說明了本發(fā)明的幾個實施方式，但是這些實施方式只是作為例子來示出的，并非限定發(fā)明的范圍。這些新的實施方式能夠以其它的各種方式來實施，能夠在不脫離發(fā) 明的精神的范圍內(nèi)進行各種省略、替換、變更。這些實施方式及其變形包含在發(fā)明的范圍、精神中，并且包含在權(quán)利要求書所記載的發(fā)明及其均等的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有 P型集電極層； η型基極層，形成在所述P型集電極層上； P型基極層，形成在所述η型基極層上； η型源極層，選擇性地形成于所述P型基極層的表面，且具有比所述η型基極層高的η型雜質(zhì)濃度； 在從所述η型源極層的表面貫通所述η型源極層以及所述P型基極層而到達至所述η型基極層中的溝槽內(nèi)，隔著柵極絕緣膜而形成的柵電極； 層間絕緣膜，形成在所述柵電極上； 集電極，電連接到所述P型集電極層的與所述η型源極層相反側(cè)的表面；以及發(fā)射扱，隔著設(shè)置于所述層間絕緣膜的開ロ部而電連接到所述η型源極層和所述P型接觸層，其中， 關(guān)于所述P型基極層的雜質(zhì)濃度，在層疊方向上，在與所述源極層鄰接的上端部具有最大值，并從所述P型基極層的所述上端部朝向所述η型基極層而減少， 所述柵電極具有 第I部分，隔著所述柵極絕緣膜的第I部分而與所述η型基極層及所述P型基極層的底端部相対；以及 第2部分，與所述柵電極的所述第I部分的上部連續(xù)，并隔著所述柵極絕緣膜的第2部分而與所述P型基極層的所述上端部及所述η型源極層相對，其中， 以使在所述柵極絕緣膜的所述第I部分與所述P型基極層的所述底端部之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值大于等于在所述柵極絕緣膜的所述第2部分與所述P型基極層的所述上端部之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值的方式，形成有所述柵電扱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干， 所述P型基極層是在所述η型基極層的表面選擇性地形成的擴散層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干， 所述發(fā)射極隔著形成于所述P型基極層的表面且具有比所述P型基極層的P型雜質(zhì)的濃度高的P型雜質(zhì)的濃度的P型接觸層而電連接到所述P型基極層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干， 所述柵極絕緣膜的所述第I部分的膜厚比所述柵極絕緣膜的所述第2部分的膜厚厚。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干， 所述柵極絕緣膜的所述第2部分的膜厚朝向所述柵極絕緣膜的所述第I部分而變厚。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干， 所述柵極絕緣膜的所述第I部分由具有比所述柵極絕緣膜的所述第2部分的介電常數(shù)高的介電常數(shù)的材料構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干， 所述柵電極的所述第I部分的費米能級比所述柵電極的第2部分的費米能級低。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干， 所述柵電極的所述第I部分是P型的多晶硅， 所述柵電極的所述第2部分是η型的多晶硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干，所述柵電極的所述第I部分是P型的半導(dǎo)體層，所述柵電極的所述第2部分是η型的半導(dǎo)體層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干，所述柵電極的所述第I部分是第I半導(dǎo)體層，所述柵電極的所述第2部分是第2半導(dǎo)體層，所述第I半導(dǎo)體層的電子親和力比所述第2半導(dǎo)體層的電子親和カ大。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率用半導(dǎo)體裝置，其特征在干，所述柵電極的所述第I部分是第I半導(dǎo)體層，所述柵電極的所述第2部分是第2半導(dǎo)體層，所述第I半導(dǎo)體層的電子親和力比所述第2半導(dǎo)體層的電子親和カ大。
全文摘要
本發(fā)明提供一種功率用半導(dǎo)體裝置，具備p型集電極層、n型基極層、p型基極層、n型源極層、柵電極、層間絕緣膜、集電極以及發(fā)射極。p型基極層的雜質(zhì)濃度從p型基極層的上端部朝向n型基極層而單調(diào)減少。柵電極具有第1部分和第2部分。第1部分隔著柵極絕緣膜的第1部分而與p型基極層的底端部相對。第2部分與柵電極的第1部分的上部連續(xù)并隔著柵極絕緣膜的第2部分而與p型基極層的上端部相對。在柵極絕緣膜的第1部分與p型基極層的底端部之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值大于等于在柵極絕緣膜的第2部分與p型基極層的上端部之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)層的閾值。
文檔編號H01L29/423GK102694018SQ20121006003
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者小林政和, 鐮田周次 申請人:株式會社東芝