半導(dǎo)體器件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】在半導(dǎo)體器件中，溝槽柵極（18）具有在漂移層（13）中的底部（18b）和從基極層（14）的表面延伸以與底部連通的連通部（18a）。在x方向上相鄰底部之間的距離小于相鄰連通部之間的距離。在連通部中的柵極絕緣層（16）厚于在底部中的柵極絕緣層（16）。將相鄰的溝槽柵極之間的區(qū)域在y方向上分割為有效區(qū)（P）和無(wú)效區(qū)（Q），所述有效區(qū)（P）對(duì)應(yīng)于發(fā)射極層，所述發(fā)射極層作為用于在施加?xùn)艠O電壓時(shí)將電子注入到漂移層中的注入源，所述無(wú)效區(qū)（Q）即使在施加?xùn)艠O電壓時(shí)也不用作注入源。無(wú)效區(qū)在y方向上的間隔L1（>0）、連通部在z方向上的長(zhǎng)度D1、以及底部在z方向上的長(zhǎng)度D2滿(mǎn)足L1≤2（D1+D2）。z方向正交于由彼此正交的x方向和y方向所定義的x-y平面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】半導(dǎo)體器件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)基于在2011年9月27日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)N0.2011-211072和2012年9月6日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)N0.2012-196549，通過(guò)引用來(lái)將上述日本專(zhuān)利申請(qǐng)的內(nèi)容并入于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開(kāi)內(nèi)容涉及具有絕緣柵雙極晶體管(下文簡(jiǎn)化為IGBT)的半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0004]具有IGBT的半導(dǎo)體器件被用在電子電路中，以驅(qū)動(dòng)諸如電機(jī)的電感負(fù)載。具有典型IGBT的半導(dǎo)體器件具有以下結(jié)構(gòu)。
[0005]N—型漂移層形成在P+型集電極層上，P型基極層形成在N—型漂移層的表面部分中，并且N+型發(fā)射極層形成在P型基極層的表面部分中。通過(guò)貫穿P型基極層和N+發(fā)射極層到達(dá)N—型漂移層的多個(gè)溝槽形成條紋圖案。柵極絕緣層和柵電極在每個(gè)溝槽的壁上按順序形成，從而可利用溝槽、柵極絕緣層和柵電極來(lái)形成溝槽柵極。此外，發(fā)射極電極通過(guò)層間介電膜形成在P型基極層和N+型發(fā)射極層上。發(fā)射極電極通過(guò)層間介電膜的接觸孔電連接到P型基極層和N+型發(fā)射極層。此外，集電極電極形成在集電極層的背面上，并電連接到集電極。
[0006]在這種半導(dǎo)體器件中，當(dāng)預(yù)定的柵極電壓施加至柵電極時(shí)，N型反轉(zhuǎn)層形成在P型基極層中的在與溝槽中的柵極絕緣層的界面處，并且電子累積層形成在N—型漂移層中的在與溝槽中的柵極絕緣層的界面處。電子通過(guò)反轉(zhuǎn)層和累積層從N+型發(fā)射極層流入N—型漂移層中，并且空穴流ΛΝ_型漂移層中。因此，由于電導(dǎo)率調(diào)制使電阻減小，從而其可以改變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。
[0007]在這種具有IGBT的半導(dǎo)體器件中，與具有MOSFET的半導(dǎo)體器件相比，可以降低導(dǎo)通電壓。然而近年來(lái)，已需要導(dǎo)通電壓的進(jìn)一步減小。
[0008]為了上述原因，例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)I公開(kāi)了相鄰的柵電極之間的距離被減小至從
0.55nm到0.3 μ m的非常小的值。
[0009]另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)2公開(kāi)了溝槽柵極具有位于N_型漂移層中的擴(kuò)大部分，并且該擴(kuò)大部分的寬度寬于除了擴(kuò)大部分以外的部分的寬度。因此，相鄰的溝槽柵極的擴(kuò)大部分之間的距離小于相鄰的溝槽柵極的其它部分之間的距離。
[0010]在如專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2中所公開(kāi)的半導(dǎo)體器件中，流入N—型漂移層中的空穴不太可能通過(guò)相鄰的溝槽柵極之間的空間被吸引到P型基極層，而使得大量空穴被累積在N—型漂移層中。因此，通過(guò)反轉(zhuǎn)層和累積層從N+型發(fā)射極層流入N_型漂移層中的電子數(shù)量被增加。因?yàn)殡娮舆w移率大于空穴遷移率，所以導(dǎo)通電壓被進(jìn)一步減小。
[0011]在專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2中，實(shí)現(xiàn)了低的導(dǎo)通電壓。然而近年來(lái)，已需要半導(dǎo)體器件不僅具有低的導(dǎo)通電壓，而且具有提高的負(fù)載短路耐受性。[0012]也就是說(shuō)，在這種半導(dǎo)體器件中，當(dāng)負(fù)載短路發(fā)生時(shí)，電流增加至受器件限制的飽和度。隨后，產(chǎn)生與飽和電流成比例的焦耳熱，從而增加了半導(dǎo)體器件的溫度。因此，可能會(huì)毀壞半導(dǎo)體器件。
[0013]現(xiàn)有技術(shù)
[0014]專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0015]專(zhuān)利文獻(xiàn)I JP-A-2007-43123
[0016]專(zhuān)利文獻(xiàn)2 JP-A-2008-153389

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]鑒于上述內(nèi)容，本公開(kāi)內(nèi)容的目的是提供一種不僅具有低導(dǎo)通電壓而且具有改善的負(fù)載短路耐受性的半導(dǎo)體。
[0018]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第一方面，一種半導(dǎo)體器件包括:沿著x-y平面的第一導(dǎo)電型集電極層，該x-y平面由彼此正交的χ方向和y方向所定義；第二導(dǎo)電型漂移層，其形成在集電極層的正面；第一導(dǎo)電型基極層，其形成在漂移層上；溝槽柵極；第二導(dǎo)電型發(fā)射極層，其形成在基極層的表面部分中，并位于溝槽柵極的側(cè)面；集電極電極，其形成在集電極層的背面，并電連接至集電極層；以及發(fā)射極電極，其電連接至發(fā)射極層和基極層。溝槽柵極包括在y方向上延伸以形成條紋圖案的溝槽、形成在溝槽的壁上的柵極絕緣層、以及形成在柵極絕緣層上的柵電極。溝槽通過(guò)在與χ-y平面正交的z方向上貫穿基極層而從基極層的沿著χ-y平面的表面延伸`至漂移層的內(nèi)部。每一溝槽柵極包括位于漂移層中的底部和從基極層的表面延伸以與底部連通的連通部。相鄰的底部之間在χ方向上的距離小于相鄰的連通部之間在χ方向上的距離。在底部中的柵極絕緣厚于在連通部中的柵極絕緣。在相鄰的溝槽柵極之間的區(qū)域在y方向上被分割成有效區(qū)和無(wú)效區(qū)。有效區(qū)對(duì)應(yīng)于發(fā)射極層，并用作在電壓施加至柵電極時(shí)將電荷注入漂移層中的注入源。無(wú)效區(qū)即使在電壓施加至柵電極時(shí)也不用作注入源。無(wú)效區(qū)在y方向上的間隔L1 (>0)、連通部在z方向上的長(zhǎng)度Dp以及底部在z方向上的長(zhǎng)度D2滿(mǎn)足以下關(guān)系=L1 ( 2 (D^D2)0
[0019]根據(jù)第一方面，相鄰的溝槽柵極之間的距離在z方向上不恒定。也就是說(shuō)，相鄰的溝槽柵極之間的基極層的表面部分的長(zhǎng)度不是恒定的。具體來(lái)說(shuō)，相鄰的底部之間的距離小于相鄰的連通部之間的距離。因此，相比相鄰的溝槽柵極之間的距離恒定在相鄰的溝槽柵極之間的基極層的表面部分的長(zhǎng)度而言，注入漂移層中的空穴的遷移受到限制。因此，許多空穴可累積在漂移層中。因?yàn)樗鄯e的空穴，因此增大了從發(fā)射極層通過(guò)反轉(zhuǎn)層和累積層供應(yīng)到漂移層的電子數(shù)量，從而減小了導(dǎo)通電壓。
[0020]相鄰的底部之間的距離小于相鄰的連通部之間的距離這一事實(shí)意味著在相鄰的連通部之間的基極層的表面部分的長(zhǎng)度大于相鄰的底部之間的距離。因此，相比諸如專(zhuān)利文獻(xiàn)I中所公開(kāi)的半導(dǎo)體器件，其中相鄰的溝槽柵極之間的距離恒定在非常小的值，可以實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵趯?dǎo)通時(shí)段期間產(chǎn)生的相鄰的反轉(zhuǎn)層不太可能彼此接觸，因此可減小飽和電流的增大。另外，增大了連接至發(fā)射極電極的基極層和發(fā)射極層的接觸面積，從而減小了接觸電阻。因此，減小了導(dǎo)通電壓。此外，增大了連接至發(fā)射極電極的基極層和發(fā)射極層的接觸面積。因此，例如，在形成電極時(shí)進(jìn)行的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整變得容易，從而可簡(jiǎn)化制造過(guò)程。
[0021]此外，根據(jù)第一方面，形成在溝槽的底部的壁上的柵極絕緣層的厚度大于形成在溝槽的連通部的壁上的柵極絕緣層的厚度。因此，相比柵極絕緣層的厚度恒定在形成在連通部的壁上的柵極絕緣層的厚度而言，累積層(其形成在與溝槽柵極的柵極絕緣層接觸的漂移層的部分中)的厚度被減小。因此，減小了飽和電流，并提高了負(fù)載短路耐受性。
[0022]另外，根據(jù)第一方面，有效區(qū)在溝槽柵極的延伸方向上，S卩，在y方向上被分割開(kāi)。換言之，無(wú)效區(qū)在y方向上位于相鄰的有效區(qū)之間。因此，相比有效區(qū)是連續(xù)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，有效區(qū)寬度與溝槽柵極長(zhǎng)度之比較小。也就是說(shuō)，相比有效區(qū)是連續(xù)的結(jié)構(gòu)而言，由于從發(fā)射極層注入到漂移層中的電子而導(dǎo)致電流密度較小。因此，減小了 IGBT的飽和電流。
[0023]另外，根據(jù)第一方面，作為IGBT的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足以下關(guān)系=L1 SS(DJD2)15在該結(jié)構(gòu)中，用于從分割開(kāi)的發(fā)射極層遷移到漂移層的電子的遷移路徑重疊在一深度，該深度比與溝槽柵極在z方向上的長(zhǎng)度(DJD2)的深度淺。也就是說(shuō)，在漂移層的位于比從基極層的表面在z方向上測(cè)量的長(zhǎng)度(DJD2)深的深度的部分處的電壓降可以與在發(fā)射極層具有連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)的幾乎相同。通常，在IGBT元件中，在漂移層的電壓降與電壓降成分之比是高的?？赏ㄟ^(guò)減小在漂移層的導(dǎo)通電壓來(lái)有效減小IGBT的導(dǎo)通電壓。因此，可通過(guò)減小在漂移層的電壓降來(lái)減小導(dǎo)通電壓的增大。此外，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)具有有效區(qū)和無(wú)效區(qū)這兩者，因此減小了飽和電流，并提高了負(fù)載短路耐受性。
[0024]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第二方面，有效區(qū)在y方向上以間隔L1布置，并且無(wú)效區(qū)在y方向上位于相鄰的有效區(qū)之間。
[0025]根據(jù)第二實(shí)施例，在溝槽柵極的延伸方向上，S卩，在y方向上分割開(kāi)發(fā)射極層。換言之，基極層在y方向上位于相鄰的發(fā)射極層之間。在形成發(fā)射極層的區(qū)域中，當(dāng)電壓施加至柵電極時(shí)，電子從發(fā)射極層注入到漂移層中。相反，在未形成發(fā)射極層的區(qū)域中，沒(méi)有電子從與溝槽柵極接觸的基極層的表面部分注入到漂移層中。也就是說(shuō)，在y方向上，形成作為電子注入源的發(fā)射極層的區(qū)域?qū)?yīng)于有效區(qū)，而相鄰的有效區(qū)之間的區(qū)域?qū)?yīng)于無(wú)效區(qū)。在該結(jié)構(gòu)中，相比發(fā)射極是連續(xù)的結(jié)構(gòu)而言，發(fā)射極層寬度與溝槽柵極長(zhǎng)度之比較小。也就是說(shuō)，相比發(fā)射極層是連續(xù)的結(jié)構(gòu)而言，由于從發(fā)射極層注入到漂移層中的電子而導(dǎo)致電流密度較小。因此，減小了 IGBT的飽和電流。
[0026]在該結(jié)構(gòu)中，在漂移層的位于比從基極層的表面在z方向上測(cè)量的長(zhǎng)度(DJD2)深的深度的部分處的電壓降可以與在發(fā)射極層具有連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)的幾乎相同。因此，減小了在漂移層的電壓降，從而可減小導(dǎo)通電壓的增大。另外，因?yàn)樗指铋_(kāi)的發(fā)射極結(jié)構(gòu)，因此減小了飽和電流，并提高了負(fù)載短路耐受性。
[0027]根據(jù)本實(shí)施例的第三方面，第一導(dǎo)電型的第一高濃度基極區(qū)形成在無(wú)效區(qū)中的基極層的表面部分中，并且第一高濃度基極區(qū)的雜質(zhì)濃度高于基極層的雜質(zhì)濃度。
[0028]在該結(jié)構(gòu)中，相比沒(méi)有第一高濃度基極區(qū)的結(jié)構(gòu)而言，發(fā)射極電極(其形成在發(fā)射極層和基極層的表面上)與基極層之間的接觸電阻被減小。因此，穩(wěn)定了基極層的電位，并提高了電涌耐受性。
[0029]根據(jù)本實(shí)施例的第四方面，發(fā)射極層沿著溝槽柵極在y方向上連續(xù)延伸，并且無(wú)效區(qū)包括第一導(dǎo)電型的第二高濃度基極區(qū)，所述第一導(dǎo)電型的第二高濃度基極區(qū)的雜質(zhì)濃度高于基極層的雜質(zhì)濃度并低于發(fā)射極層的雜質(zhì)濃度。第二高濃度基極區(qū)被間斷地分割開(kāi)，并在y方向上以間隔L1布置。第二高濃度基極區(qū)位于基極層中。第二高濃度基極區(qū)在z方向上與發(fā)射極層接觸且在χ方向上與溝槽柵極接觸。有效區(qū)位于相鄰的第二高濃度基極區(qū)之間。
[0030]根據(jù)第四方面，第二高濃度基極區(qū)在7方向上被分割開(kāi)，在z方向上與發(fā)射極層接觸，并在X方向上與溝槽柵極接觸。第二高濃度基極區(qū)的雜質(zhì)濃度高于基極層的雜質(zhì)濃度。因此，當(dāng)電壓施加至柵電極時(shí)，第二高濃度基極區(qū)比起基極層而言不太可能被反轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，在y方向上位于相鄰溝槽柵極之間且形成第二高濃度基極區(qū)的區(qū)域?qū)?yīng)于無(wú)效區(qū)，在無(wú)效區(qū)中，沒(méi)有電子從與溝槽柵極接觸的區(qū)域注入到漂移層中。在y方向上相鄰的第二高濃度基極區(qū)之間的區(qū)域中，電子從發(fā)射極層注入到漂移層中。也就是說(shuō)，該區(qū)域?qū)?yīng)于發(fā)射極層用作電子注入源的有效區(qū)。即使在該結(jié)構(gòu)中，也分割開(kāi)無(wú)效區(qū)。因此，也分割開(kāi)有效區(qū)。因此，相比有效區(qū)是連續(xù)的結(jié)構(gòu)而言，作為注入源的發(fā)射極層的寬度與溝槽柵極長(zhǎng)度之比較小。也就是說(shuō)，相比有效區(qū)是連續(xù)的結(jié)構(gòu)而言，由于從發(fā)射極層注入到漂移層中的電子而導(dǎo)致的電流密度較小。因此，減小了 IGBT的飽和電流。
[0031]另外，根據(jù)第四方面，在漂移層的位于比從基極層的表面在z方向上測(cè)量的長(zhǎng)度(DfD2)深的深度的部分處的電壓降可以與在發(fā)射極層具有連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)的幾乎相同。因此，減小了在漂移層的電壓降，減小導(dǎo)通電壓的增大，減小了飽和電流，并提高了負(fù)載短路耐受性。
[0032]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第五方面，滿(mǎn)足以下關(guān)系=L1 ( 2D10
[0033]根據(jù)第五方面，用于從分割開(kāi)的有源區(qū)的發(fā)射極層遷移到漂移層的電子的遷移路徑重疊在一深度，該深度比與連通部在z方向上的長(zhǎng)度(D1)相對(duì)應(yīng)的深度淺。換言之，電子遷移路徑重疊在基極層中。因此，在整個(gè)漂移層和深于漂移層的部分處的電壓降可幾乎與有效區(qū)具有連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)的相同。也就是說(shuō)，可有效減少在與底部相對(duì)應(yīng)的漂移層處的電壓降。因此，減小導(dǎo)通電壓的增大，同時(shí)由于所分割開(kāi)的有效區(qū)而減小了飽和電流。
[0034]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第六方面,L1和D1滿(mǎn)足以下關(guān)系=D1 ( U。當(dāng)滿(mǎn)足關(guān)系D1 ( L1時(shí)，有效減少了飽和電流。飽和電流隨L1的增大而減小。變化率的絕對(duì)值，即，斜率隨L1的增大而增大，并變得恒定在D1 ( L1的區(qū)域內(nèi)。因此，當(dāng)L1和D1滿(mǎn)足關(guān)系D1 ( L1時(shí)，有效減少了飽和電流。
[0035]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第七方面，有效區(qū)具有周期性結(jié)構(gòu)，從而使L1和有效區(qū)在y方向上的長(zhǎng)度L2的每一個(gè)是恒定的。
[0036]在該結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)通電壓和飽和電流與x-y平面上的位置的依存關(guān)系被減小。因此，穩(wěn)定了導(dǎo)通電壓和飽和電流。
[0037]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第八方面，第一導(dǎo)電型的基極接觸層形成在基極層的表面部分中的在相鄰的溝槽柵極之間且在所述發(fā)射極層之間?；鶚O接觸層所延伸的深度深于發(fā)射極層所延伸的深度，并且基極接觸層在X方向上的長(zhǎng)度大于相鄰的底部之間的距離。
[0038]在該結(jié)構(gòu)中，相比未形成基極接觸層、基極接觸層的深度小于發(fā)射極的深度、或基極接觸層在X方向上的長(zhǎng)度小于相鄰底部之間的距離而言，空穴在沒(méi)有電壓施加至柵電極的關(guān)斷時(shí)段期間更可能被吸入。因此，可以減小閉鎖的發(fā)生。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0039]根據(jù)下列參照附圖所做出的詳細(xì)描述，本公開(kāi)內(nèi)容的上述和其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。在圖中:[0040]圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的俯視圖；
[0041]圖2是在x-z平面中半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0042]圖3是示出飽和電流與發(fā)射極寬度的依存關(guān)系的曲線(xiàn)圖；
[0043]圖4是示出在半導(dǎo)體器件中的電子遷移路徑的俯視圖；
[0044]圖5是示出在與第二溝槽相鄰的漂移層中導(dǎo)通電壓與發(fā)射極寬度的依存關(guān)系的曲線(xiàn)圖；
[0045]圖6是示出在與第二溝槽相鄰的漂移層中導(dǎo)通電壓與飽和電流及發(fā)射極寬度的依存關(guān)系的曲線(xiàn)圖；
[0046]圖7是示出根據(jù)第二實(shí)施例的在與第二溝槽相鄰的漂移層處的導(dǎo)通電壓與發(fā)射極間隔的依存關(guān)系的曲線(xiàn)圖；
[0047]圖8是根據(jù)第三實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的俯視圖；
[0048]圖9是在x-z平面中的根據(jù)第三實(shí)施例的變形的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0049]圖1OA是根據(jù)第四實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖，并示出在x-y平面中的基極層的表面的截面圖，圖1OB是沿XB-XB線(xiàn)截取的x-z平面中的截面圖，以及圖1OC是沿XC-XC線(xiàn)截取的x-z平面中的截面圖；
[0050]圖11是根據(jù)第五實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖，并示出在x-y平面中的基極層的表面的截面圖；
[0051]圖12是根據(jù)第五實(shí)施例的變形的半導(dǎo)體器件的截面圖，并示出基極層的表面在χ-y平面中的截面圖；
[0052]圖13是根據(jù)第五實(shí)施例的另一變形的半導(dǎo)體器件的截面圖，并示出基極層的表面在χ-y平面中的截面圖；
[0053]圖14是根據(jù)第六實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的俯視圖；
[0054]圖15是沿圖14中的XV-XV線(xiàn)截取的y_z平面中的根據(jù)第六實(shí)施例的半導(dǎo)體期間的截面圖；
[0055]圖16是根據(jù)第七實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的俯視圖；
[0056]圖17是沿圖16中的XVI1-XVII線(xiàn)截取的x_z平面中的根據(jù)第七實(shí)施例的半導(dǎo)體期間的截面圖；以及
[0057]圖18A是根據(jù)第八實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖，并示出基極層的表面在x-y平面中的截面圖，圖18B是沿XVIIIB-XVIIIB線(xiàn)截取的χ-z平面中的截面圖，以及圖18C是沿XVIIIC-XVIIIC線(xiàn)截取的x-z平面中的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058]以下參照附圖來(lái)描述本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或等價(jià)的部分。由X方向和與X方向正交的I方向所定義的平面被定義為x-y平面，而與χ-y平面正交的方向被定義為z方向。
[0059](第一實(shí)施例)
[0060]首先，參照?qǐng)D1和圖2來(lái)描述根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10的結(jié)構(gòu)。
[0061]如圖1所示，在z方向上具有預(yù)定厚度的N+型緩沖層12形成在P+型集電極層11的表面上，該P(yáng)+型集電極層11沿著X-y平面形成，并在X方向上具有預(yù)定的厚度。雜質(zhì)濃度低于緩沖層12的雜質(zhì)濃度的N—型漂移層13形成在緩沖層12的表面上。P型基極層14形成在漂移層13的表面上。也就是說(shuō)，以該順序堆疊集電極層11、緩沖層12，以及漂移層13。
[0062]貫穿基極層14并到達(dá)漂移層13的多個(gè)溝槽15在y方向上延伸，以形成條形圖案。根據(jù)本實(shí)施例，溝槽15在χ方向上以規(guī)則的柵極間距(例如，5.0 μ m)重復(fù)形成。由例如氧化膜制成的柵極絕緣層16和由例如多晶硅制成的柵電極17按順序形成在溝槽15的側(cè)壁上。因此，溝槽15、柵極絕緣層16以及柵電極17形成溝槽柵極18。
[0063]每一溝槽柵極18具有連通部18a和底部18b。連通部18a從基極層14的表面延伸，以與底部18b連通。底部18b位于漂移層13中。底部18b的寬度在χ方向上大于連通部18a的寬度。也就是說(shuō)，相鄰的底部18b之間在χ方向上的距離(圖1中由“A”表示)小于相鄰的連通部18a之間在χ方向上的距離(圖1中由“B”表示)。例如，“A”可以為大約
0.5 μ m,而“B”可以為大約1.5 μ m0
[0064]連通部18a之間在χ方向上的距離可以轉(zhuǎn)化為相鄰的溝槽柵極18之間的基極層14在χ方向上的長(zhǎng)度。底部18b位于漂移層13中這一事實(shí)不僅意味著底部18b只形成在漂移層13中，而且還意味著底部18b跨越基極層14和漂移層13之間的界面而形成。根據(jù)本實(shí)施例，底部18b跨越基極層14和漂移層13之間的界面而形成。
[0065]例如，溝槽柵極18的連通部18a在z方向上的長(zhǎng)度D1可大約為3.0 μ m，而溝槽柵極18的底部18b在z方向上的長(zhǎng)度D2可大約為2.Ομπι。
[0066]根據(jù)本實(shí)施例，溝槽柵極18的溝槽15包括位于漂移層13中的第二溝槽15b、以及從基極層14的表面延伸以與第二溝槽15b連通的第一溝槽15a。在χ方向上第一溝槽15a的相對(duì)壁之間的距離小于第二溝槽15b的相對(duì)壁之間的距離。也就是說(shuō)，第一溝槽15a的開(kāi)口的寬度小于第二溝槽15b的開(kāi)口的寬度，從而使溝槽15的形狀可以像花瓶。溝槽柵極18包括形成在第一溝槽15a和第二溝槽15b中的柵極絕緣層16、以及插入溝槽15中的柵電極17。
[0067]柵極絕緣層16形成在第二溝槽15b的壁上的厚度大于柵極絕緣層16形成在第一溝槽15a的壁上的厚度。柵極絕緣層16形成在第一溝槽15a和第二溝槽15b的壁上的厚度是柵極絕緣層16在與y方向垂直的方向上的厚度。例如，柵極絕緣層16形成在第一溝槽15a的壁上的厚度可以為大約lOOnm，而柵極絕緣層16形成在第二溝槽15b的壁上的厚度可以為大約200nm。
[0068]雜質(zhì)濃度高于漂移層13的雜質(zhì)濃度的N+型發(fā)射極層19形成在基極層14的表面部分中、溝槽柵極18的側(cè)面。發(fā)射極層19被分割成多個(gè)部分，從而使發(fā)射極層19可在y方向上具有長(zhǎng)度L2 (下文稱(chēng)為發(fā)射極寬度)，并使得發(fā)射極層19可在y方向上以間隔L1周期性布置(下文稱(chēng)為發(fā)射極間隔)。根據(jù)本實(shí)施例，將L1設(shè)定成滿(mǎn)足以下關(guān)系=D1≤L1≤2(DJD2X也就是說(shuō)，根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)镈1為大約3.0 μ m，而D2為大約2.0 μ m，因此L1滿(mǎn)SSymSL1SlOymtj L1可以是任意值,只要L1滿(mǎn)足上述關(guān)系。例如，根據(jù)本實(shí)施例，L1可以為大約6.0 μ 111,而L2可以為大約2.0 μ m。[0069]在y方向上具有長(zhǎng)度匕的區(qū)域?qū)?yīng)于權(quán)利要求書(shū)中記載的有效區(qū)(由圖1中的“P”表示)，該區(qū)域位于相鄰溝槽柵極18之間，并且發(fā)射極層19形成在該區(qū)域中。在y方向上具有長(zhǎng)度L1的區(qū)域?qū)?yīng)于權(quán)利要求書(shū)中記載的無(wú)效區(qū)(由圖1中的“Q”表示)，該區(qū)域位于相鄰的有效區(qū)P之間。
[0070]雜質(zhì)濃度高于基極層14的雜質(zhì)濃度的P+型基極接觸層20形成在相鄰的溝槽柵極18之間的發(fā)射極層19之間。根據(jù)本實(shí)施例，基極接觸層20從基極層14的表面延伸至比發(fā)射極層19的深度深的深度。另外，基極接觸層20在χ方向上的長(zhǎng)度(由圖1中的“C”表示)大于相鄰的底部18b之間在χ方向上的距離(由圖1中的“A”表示)。根據(jù)本實(shí)施例，例如，“C”可以為大約0.8 μ m。
[0071]另外，如圖2所示，層間介電膜21形成在基極層14的形成發(fā)射極層19的表面上。層間介電膜21具有接觸孔。發(fā)射極電極22通過(guò)接觸孔電連接至發(fā)射極層19、基極層14、以及基極接觸層20。注意的是，柵電極17和發(fā)射極電極22通過(guò)層間介電膜21彼此絕緣。集電極電極23形成在集電極層11的背面并電連接至集電極層11。
[0072]參照?qǐng)D3-6來(lái)描述根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10的優(yōu)點(diǎn)。
[0073]在根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10中，當(dāng)預(yù)定柵極電壓施加至柵電極17時(shí)，N型反轉(zhuǎn)層形成在基極層14中的在與溝槽15中的柵極絕緣層16的界面處。另外，電子累積層形成在漂移層13中的在與溝槽15中的柵極絕緣層16的界面處。電子從發(fā)射極層19通過(guò)反轉(zhuǎn)層和累積層流入漂移層13中，而空穴從集電極層11流入漂移層13中。因此，漂移層13的電阻由于電導(dǎo)調(diào)制而減小，從而其可以改變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。
[0074]根據(jù)本實(shí)施例，相鄰的底部18b之間在χ方向上的距離“A”小于相鄰的連通部18a之間在X方向上的距離“B”。因此，相比在相鄰的溝槽柵極18之間的距離在Z方向上幾乎恒定在相鄰的溝槽柵極18之間的基極層14的表面部分的長(zhǎng)度“B”而言，注入漂移層13中的空穴的遷移受到限制。因此，許多空穴可能累積在漂移層13中。因?yàn)樗鄯e的空穴，因此可以增加從發(fā)射極層19通過(guò)反轉(zhuǎn)層和累積層供應(yīng)到漂移層13的電子量。因此，可減小導(dǎo)通電壓。
[0075]此外，根據(jù)本實(shí)施例，在第二溝槽15b中的柵極絕緣層16厚于在第一溝槽15a中的柵極絕緣層16。因此，相比柵極絕緣層16的厚度恒定在形成在第一溝槽15a中的柵極絕緣層的厚度時(shí)，可減小累積層的厚度。因此，用于集電極-發(fā)射極電流的電流路徑變窄，從而可減小飽和電流。因此，可提高負(fù)載短路耐受性。
[0076]此外，根據(jù)本實(shí)施例，將發(fā)射極層19分割成多個(gè)部分，從而使發(fā)射極層19可具有發(fā)射極寬度L2，并使得發(fā)射極層19可在y方向上以發(fā)射極間隔L1周期性布置。換言之，基極層14在y方向上位于相鄰的發(fā)射極層19之間。因此，相比發(fā)射極層19具有連續(xù)結(jié)構(gòu)而言，在y方向上發(fā)射極層19的寬度與溝槽柵極18的長(zhǎng)度之比較小。也就是說(shuō)，相比發(fā)射極層19具有連續(xù)結(jié)構(gòu)而言，由于從發(fā)射極層19注入漂移層13中的電子而導(dǎo)致的電流密度較小。因此，在半導(dǎo)體器件10中，飽和電流減小，并且提高了負(fù)載短路耐受性。圖3示出在柵極-發(fā)射極電壓Vg為15V、集電極-發(fā)射極電壓Vce為20V、并且操作溫度為150°C的條件下進(jìn)行評(píng)價(jià)飽和電流Ice (sat)的仿真結(jié)果。在該仿真中，發(fā)射極層19的間距(LfL2)在y方向上是恒定的，而發(fā)射極寬度L2是可變的。除了本實(shí)施例(LJL2=Sym)的情況之外，圖3還示出了 U+L2=12 μ m的情況。從圖3可以看出，當(dāng)發(fā)射極寬度L2與間距之比被減小時(shí)(當(dāng)發(fā)射極間隔L1與間距之比被增大時(shí))，飽和電流Ice (sat)減小了。
[0077]如圖4所示，從發(fā)射極層19注入到漂移層13中的電子的遷移路徑24不僅包括z方向，而且包括平行于x-y平面的方向。也就是說(shuō)，因?yàn)榘l(fā)射極層19具有分割開(kāi)的結(jié)構(gòu)，因此，遷移路徑24甚至存在于表面部分并沒(méi)有發(fā)射極層19的基極層14正下方的漂移層13中。比在y方向上用于從相鄰發(fā)射極層19遷移的電子的遷移路徑24重疊所處的深度深的深度處的電壓降幾乎與發(fā)射極層具有連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)的相同。
[0078]圖5示出在柵極-發(fā)射極電壓Vg為15V、集電極電流為400A/cm2、并且操作溫度為150°C的條件下進(jìn)行評(píng)價(jià)在與第二溝槽15b相鄰的漂移層13處的導(dǎo)通電壓Von的仿真結(jié)果。在該仿真中，發(fā)射極層19在y方向上的間距(1^+1^2)是恒定的，而發(fā)射極寬度匕是可變的。除了本實(shí)施例(!^+L2=S μ m)的情況之外，圖5還示出了 LJL2=U μ m的情況。從圖5中可以看出，盡管在與第二溝槽15b相鄰的漂移層13處的導(dǎo)通電壓Von趨向于隨著發(fā)射極寬度L2的減小而增大，然而導(dǎo)通電壓Von很少取決于發(fā)射極寬度L2，并保持幾乎恒定。也就是說(shuō)，即使當(dāng)發(fā)射極層19具有分割開(kāi)的結(jié)構(gòu)時(shí)，也可減小導(dǎo)通電壓的增大。
[0079]根據(jù)本實(shí)施例，將發(fā)射極間隔L1設(shè)定為滿(mǎn)足關(guān)系D1≤L1≤2 (D^D2)0在該結(jié)構(gòu)中，從分割開(kāi)的發(fā)射極層19遷移到漂移層13的電子的遷移路徑24重疊在比與溝槽柵極18在z方向上的長(zhǎng)度(DJD2)相對(duì)應(yīng)的深度淺的深度處。也就是說(shuō)，在漂移層13的位于比從基極層14的表面在z方向上測(cè)量的長(zhǎng)度(DJD2)深的深度的部分處的電壓降可以與在發(fā)射極層19具有連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)的幾乎相同。通常而言，在IGBT元件中，在漂移層13處的電壓降與電壓降成分之比是高的。根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)閷l(fā)射極間隔L1設(shè)定為滿(mǎn)足關(guān)系D1 < LI < 2(DfD2),因此減小了在漂移層13處的電壓降，從而減小了導(dǎo)通電壓的增大。
[0080]此外，根據(jù)本實(shí)施例，該結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足關(guān)系D1 ( U。在發(fā)射極層19具有分割開(kāi)的結(jié)構(gòu)時(shí)，飽和電流取決于由于從發(fā)射極層19通過(guò)反轉(zhuǎn)層遷移到偏移層13的電子而導(dǎo)致的電流密度。也就是說(shuō)，當(dāng)發(fā)射極層19的間距(LJL2)恒定時(shí)，飽和電流取決于發(fā)射極間隔U。另外，如稍后參照?qǐng)D6所描述的，當(dāng)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足關(guān)系D1 ( L1時(shí)，有效地減少了飽和電流。
[0081]圖6是通過(guò)將圖3和圖5的水平軸改變?yōu)榘l(fā)射極間隔L1來(lái)示出在與溝槽15相鄰的漂移層13處的導(dǎo)通電壓Von和飽和電流Ice(sat)的雙軸曲線(xiàn)圖。如前所述，當(dāng)發(fā)射極間隔L1增大時(shí)(當(dāng)發(fā)射極寬度L2減小時(shí)),導(dǎo)通電壓Von增大,而飽和電流Ice (sat)減小。如圖6所示，當(dāng)L1U(DJD2)時(shí)，導(dǎo)通電壓Von與發(fā)射極間隔L1具有線(xiàn)性關(guān)系。然而，當(dāng)發(fā)射極間隔L1減小至不大于2 (DJD2)的值時(shí)，導(dǎo)通電壓Von接近其最小值(在本實(shí)施例中大約
0.17V)。也就是說(shuō)，當(dāng)滿(mǎn)足關(guān)系L1≤2 (DJD2)時(shí)，可減小導(dǎo)通電壓Von的增大。飽和電流Ice (sat)隨L1的增大而減小。變化率的絕對(duì)值,即,斜率隨L1的增大而增大，并隨后變?yōu)楹愣?線(xiàn)性)。在恒定區(qū)域內(nèi)的直線(xiàn)與在發(fā)射極間隔L1為零(發(fā)射極層未被分割開(kāi)的常規(guī)結(jié)構(gòu))的點(diǎn)處的切線(xiàn)之間的交點(diǎn)處，發(fā)射極間隔L1幾乎與D1相同。因此，當(dāng)L1和D1具有關(guān)系D1 ( L1時(shí)，有效減少了飽和電流。因此，像本實(shí)施例中的一樣，當(dāng)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足關(guān)系D1 ^ L1 ^ 2(DfD2)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電壓，并還可減少飽和電流。也就是說(shuō)，可提高負(fù)載短路耐受性。
[0082]根據(jù)本實(shí)施例，發(fā)射極間隔L1為大約6.0 μ m，并滿(mǎn)足關(guān)系D1≤L1≤2Dlt)如圖6所示，在發(fā)射極間隔L1滿(mǎn)足關(guān)系D1 < L1 < 2Di的區(qū)域中，在與溝槽15相鄰的漂移層13處的導(dǎo)通電壓Von變?yōu)楹愣ㄔ谄渥钚≈?在本實(shí)施例中的大約0.17V)。因此，將更有效地減少導(dǎo)通電壓的增大。
[0083](第二實(shí)施例)
[0084]在第一實(shí)施例中，連通部18a在z方向上的長(zhǎng)度D1為大約3.0 μ m，而底部18b在z方向上的長(zhǎng)度D2為大約2.0 μ m。相反，根據(jù)本實(shí)施例，長(zhǎng)度D1為大約2.4 μ m，而長(zhǎng)度D2為大約1.6 μ m (是第一實(shí)施例的長(zhǎng)度D2的0.8倍)，從而使基極層14、發(fā)射極層19、以及基極層14從表面形成基極接觸層20的深度是第一實(shí)施例的那些的0.8倍。
[0085]因?yàn)槌松鲜龀叽缰獾慕Y(jié)構(gòu)均與第一實(shí)施例相同，因此省略其它結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述。另外，關(guān)于優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)椋藢?dǎo)通電壓之外的因素與D1、D2、基極層14、發(fā)射極層19、以及基極層14從表面形成基極接觸層20的深度的依存關(guān)系相比導(dǎo)通電壓而言是小的，并與第一實(shí)施例的那些相同，因此省略詳細(xì)描述。因此，這里將詳細(xì)描述本實(shí)施例的導(dǎo)通電壓。
[0086]如圖7所示，根據(jù)本實(shí)施例，在與溝槽15相鄰的漂移層13處的導(dǎo)通電壓Von與發(fā)射極間隔L1的依存關(guān)系示出與第一實(shí)施例相同的趨勢(shì)。也就是說(shuō)，當(dāng)L1U (DJD2)時(shí)，導(dǎo)通電壓Von與發(fā)射極間隔L1具有線(xiàn)性關(guān)系。然而，當(dāng)發(fā)射極間隔L1減小至不大于2 (DJD2)的值時(shí)，導(dǎo)通電壓Von接近其最小值(在本實(shí)施例中大約0.14V)。即使在本實(shí)施例中，發(fā)射極間隔L1為6 μ m，而導(dǎo)通電壓Von在外面是線(xiàn)性關(guān)系，并存在于導(dǎo)通電壓Von接近其最小值0.14V的區(qū)域中。也就是說(shuō)，滿(mǎn)足了關(guān)系L1≤2 (DJD2X因此，可減小導(dǎo)通電壓Von的增大。
[0087]如圖7所示，即使在本實(shí)施例中，當(dāng)將發(fā)射極間隔L1設(shè)定為滿(mǎn)足關(guān)系L1 ≤ 2D2時(shí)，在與溝槽15相鄰的漂移層13處的導(dǎo)通電壓Von變得恒定在其最小值(在本實(shí)施例中大約
0.14)，像第一實(shí)施例中的一樣。因此，可更有效地減少導(dǎo)通電壓的增大。
[0088](第三實(shí)施例)
[0089]在前述實(shí)施例中，基極層14位于相鄰的柵極溝槽18之間且在相鄰的發(fā)射極層19之間。相反，根據(jù)本實(shí)施例，如圖8所示，發(fā)射極層19在相鄰的溝槽柵極18之間在χ方向上是連續(xù)的。
[0090]根據(jù)本實(shí)施例，發(fā)射極層19形成在基極層14的表面部分中，并在相鄰的溝槽柵極18之間在χ方向上是連續(xù)的。像在第一實(shí)施例中的一樣，基極接觸層20的長(zhǎng)度“C”在χ方向上為大約0.8 μ m，并與溝槽柵極18間隔開(kāi)。基極接觸層20從基極層14起在z方向上的厚度與發(fā)射極層19的厚度相同。以這種方式，發(fā)射極層19和基極接觸層20在7方向上交替布置，并從基極層14的表面延伸至相同深度。
[0091]根據(jù)本實(shí)施例，位于相鄰的溝槽柵極18之間且對(duì)應(yīng)于發(fā)射極層19的區(qū)域與在權(quán)利要求中所記載的有效區(qū)P相對(duì)應(yīng)。在y方向上相鄰的發(fā)射極層19之間的區(qū)域，即，在基極接觸層20暴露于基極層14的表面的區(qū)域?qū)?yīng)于權(quán)利要求書(shū)中記載的無(wú)效區(qū)Q。
[0092]該結(jié)構(gòu)相比前述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)而言，允許增大發(fā)射極層19與發(fā)射極電極22之間的接觸面積。因此，減少發(fā)射極層19與發(fā)射極電極22之間的接觸電阻，從而減小導(dǎo)通電壓。因此，減少了在器件操作期間的熱生成和功耗。
[0093]根據(jù)本實(shí)施例，基極接觸層20從基極層14的表面延伸至與發(fā)射極層19相同的深度?？商鎿Q地，如圖9所示，基極接觸層20可延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。在該結(jié)構(gòu)中，每一基極接觸層20在y方向上接合在一起。也就是說(shuō)，在y方向上，基極接觸層20不僅位于發(fā)射極層19之間，而且位于發(fā)射極層19的正下方。因此，基極接觸層20和基極層14的電位與y方向的依存關(guān)系被減小，從而使電位穩(wěn)定。因此，相比基極接觸層20在I方向上被分割開(kāi)時(shí)，提高了電涌耐受性。
[0094](第四實(shí)施例)
[0095]在前述實(shí)施例中，發(fā)射極電極22連接至基極層14、發(fā)射極層19、以及在基極層14表面處的基極接觸層20。相反，根據(jù)本實(shí)施例，發(fā)射極電極22延伸至與發(fā)射極層19幾乎相同的深度。
[0096]如圖1OA所示，根據(jù)本實(shí)施例，像第一和第二實(shí)施例中的一樣，發(fā)射極層19在χ方向上不連續(xù)。此外，如圖1OB所示，像第一和第二實(shí)施例中的一樣，基極接觸層20位于基極層14中，并延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。另外，根據(jù)本實(shí)施例，接觸溝槽
25形成在相鄰的溝槽柵極18之間且在發(fā)射極層19之間的基極層14中，即，形成在基極接觸層20所形成的區(qū)域中。接觸溝槽25從基極層14的表面延伸至幾乎與發(fā)射極層19相同的深度，并還在y方向上延伸。接觸溝槽25的側(cè)面與發(fā)射極層19的側(cè)面接觸，并且接觸溝槽25的底部與基極接觸層20接觸。相反，在發(fā)射極層19之間y方向上的區(qū)域中，基極接觸層20與接觸溝槽25的側(cè)面和底部接觸。因此，如圖1OC所示，基極接觸層20在沿x-z平面的截面上具有矩形的U形狀。發(fā)射極電極22形成在基極層14的表面上，且在接觸溝槽25的內(nèi)部。像第一和第二實(shí)施例中的一樣,層間介電膜21形成在溝槽柵極18的柵電極17的表面上，以將柵電極17與發(fā)射極電極22絕緣。
[0097]像第一和第二實(shí)施例中的一樣，位于相鄰的溝槽柵極18之間且在y方向上形成發(fā)射極層19的區(qū)域?qū)?yīng)于權(quán)利要求書(shū)所記載的有效區(qū)P。在y方向上位于相鄰的有效區(qū)P之間的區(qū)域?qū)?yīng)于權(quán)利要求書(shū)所記載的無(wú)效區(qū)Q。
[0098]在該結(jié)構(gòu)中，發(fā)射極電極22不僅在平行于基極層14的表面的x-y平面上與發(fā)射極層19接觸，而且在平行于發(fā)射極層19的側(cè)面的y-z平面上與發(fā)射極層19接觸。因此，相比發(fā)射極電極22僅在平行于基極層14的表面的x-y平面上連接至發(fā)射極層19時(shí)，增大了發(fā)射極層19與發(fā)射極電極22之間的接觸面積。因此，減小了發(fā)射極層19與發(fā)射極電極22之間的接觸電阻，并減小了導(dǎo)通電壓。此外，相比發(fā)射極電極22僅在平行于基極層14的表面的x-y平面上連接至基極接觸層20，增大了基極接觸層20與發(fā)射極電極22之間的接觸面積。因此，穩(wěn)定了基極層14和基極接觸層20的電位，從而提高了電涌耐受性。
[0099](第五實(shí)施例)
[0100]在除了第四實(shí)施例之外的前述實(shí)施例中，形成在一個(gè)溝槽柵極18的側(cè)面的分割開(kāi)的發(fā)射極層19在y方向上位于與形成在相鄰的溝槽柵極18之間的另一溝槽柵極的側(cè)面上的分割開(kāi)的發(fā)射極層19相同的部分。然而，發(fā)射極層19在y方向上位于相同的位置并不總是必要的。
[0101]根據(jù)本實(shí)施例，如圖11所示，形成在一個(gè)溝槽柵極18的側(cè)面的發(fā)射極層19可與形成在相鄰的溝槽柵極18之間的另一溝槽柵極18的側(cè)面的發(fā)射極層19交替。也就是說(shuō)，在χ方向上彼此相鄰的發(fā)射極層19具有相同的L1和L2，而在y方向上彼此錯(cuò)位。
[0102]根據(jù)本實(shí)施例，形成發(fā)射極層19的區(qū)域?qū)?yīng)于權(quán)利要求書(shū)中記載的有效區(qū)P。在y方向上位于相鄰的有效區(qū)P之間的區(qū)域?qū)?yīng)于權(quán)利要求書(shū)中記載的無(wú)效區(qū)Q。
[0103]在該結(jié)構(gòu)中，相比前述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，減少了發(fā)射極-漂移電流密度與X-y平面的依存關(guān)系。也就是說(shuō)，發(fā)射極-漂移電流可以是恒定的，而不管在χ-y平面上的位置。因此，可減小IGBT當(dāng)中飽和電流和導(dǎo)通電壓的變化。根據(jù)本實(shí)施例，在χ方向上彼此相鄰的發(fā)射極層19彼此交替。然而，并不限于該示例。例如，在χ方向上彼此相鄰的發(fā)射極層19可具有不同的L1和L2，而在y方向上的位移量不限于特定值。根據(jù)本實(shí)施例，如圖11所示，發(fā)射極層19形成在每一相鄰的溝槽柵極18的每一側(cè)。然而，并不限于該示例。例如，如圖12所示，發(fā)射極層19可形成在溝槽柵極18的一側(cè)。具體來(lái)說(shuō)，發(fā)射極層19可形成在每一相鄰的溝槽柵極18的在χ方向上的同一側(cè)?？商鎿Q地，如圖13所示，每一側(cè)均形成發(fā)射極層19的溝槽柵極18和每一側(cè)均未形成發(fā)射極層19的溝槽柵極18可在χ方向上交替布置。在圖12和13所示的結(jié)構(gòu)中，相比圖11所示的結(jié)構(gòu)，減小了發(fā)射極層19的面積比。因此，可進(jìn)一步減小飽和電流。
[0104](第六實(shí)施例)
[0105]在前述實(shí)施例中，基極接觸層20在y方向上暴露于相鄰的發(fā)射極層19之間的基極層14的表面。在前述實(shí)施例中，基極接觸層20在y方向上延伸，以貫穿有效區(qū)P和無(wú)效區(qū)Q，而不與溝槽柵極18接觸。相反，根據(jù)本實(shí)施例，如圖14所示，P+型第一高濃度基極區(qū)
26形成在無(wú)效區(qū)Q中的基極層14的表面部分中。第一高濃度基極區(qū)26的濃度高于基極層14的濃度，而低于發(fā)射極層19的濃度。第一高濃度基極區(qū)26與溝槽柵極18的側(cè)面接觸，并從基極層14的表面延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。在有效區(qū)P中的發(fā)射極層19形成在相鄰的溝槽柵極18之間的基極層14的表面部分中，并在χ方向上是連續(xù)的。
[0106]相比沒(méi)有第一高濃度基極區(qū)26的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許發(fā)射極電極22(其形成在發(fā)射極層19和基極層14的表面上)與基極層14之間的接觸電阻減小。因此，穩(wěn)定基極層14的電位，從而提高了電涌耐受性。高濃度基極區(qū)26與溝槽柵極18接觸并不總是必要的。然而，像本實(shí)施例中的一樣，當(dāng)?shù)谝桓邼舛然鶚O區(qū)26在χ方向上與溝槽柵極18接觸時(shí)，在溝槽柵極18附近在無(wú)效區(qū)Q中的基極層14 (高濃度基極區(qū)26)不太可能被反轉(zhuǎn)。此外，高濃度基極區(qū)26延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度并不總是必要的。根據(jù)本實(shí)施例，不包括基極接觸層20?？商鎿Q地，可包括基極接觸層20。在該情況下，優(yōu)選的是，基極接觸層20應(yīng)在y方向上延伸，從而以基極接觸層20在z方向上與發(fā)射極層19接觸而不與溝槽柵極18接觸的方式貫穿有效區(qū)P和無(wú)效區(qū)Q。
[0107]根據(jù)本實(shí)施例，第一高濃度基極區(qū)26從基極層14的表面延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。因此，如圖15所示，第一高濃度基極區(qū)26的摻雜物熱擴(kuò)散至在發(fā)射極層19之下的部分27，即，在z方向上與發(fā)射極層19接觸的部分。因此，如圖15所示，在發(fā)射極層19之下的基極層14的部分27的雜質(zhì)濃度可變得高于基極層14的其它部分的雜質(zhì)濃度。因此，用于將電子注入到漂移層13中的注入源(發(fā)射極層19)的有效長(zhǎng)度L3可變得小于發(fā)射極層19的實(shí)際長(zhǎng)度L2。因此，可減小飽和電流。
[0108](第七實(shí)施例)
[0109]在前述實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)于在y方向上所分割開(kāi)的發(fā)射極層19的區(qū)域用作有效區(qū)P。相反，根據(jù)本實(shí)施例，如圖16所示，發(fā)射極層19在y方向上連續(xù)延伸。此外，在y方向上具有長(zhǎng)度L1的P+型第二高濃度基極區(qū)28形成在相鄰的溝槽柵極18之間的基極層14的表面部分中。因?yàn)槌税l(fā)射極層19和第二高濃度基極區(qū)28之外的結(jié)構(gòu)均與第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同，因此省略詳細(xì)描述。
[0110]第二高濃度基極區(qū)28的雜質(zhì)濃度高于基極層14的雜質(zhì)濃度，而低于發(fā)射極層19的雜質(zhì)濃度。第二高濃度基極區(qū)28在z方向上與發(fā)射極層19接觸，并在χ方向上與溝槽柵極18相接觸。此外，第二高濃度基極區(qū)28被分割開(kāi)，并在y方向上以間隔L2布置。如圖17所示，第二高濃度基極區(qū)28延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。第二高濃度基極區(qū)28與溝槽柵極18接觸。第二高濃度基極區(qū)28的濃度高于基極層14的濃度。因此，當(dāng)電壓施加至柵電極17時(shí)，相比沒(méi)有第二高濃度基極區(qū)28的結(jié)構(gòu)而言，發(fā)射極層19與漂移層13之間的區(qū)域不太可能被反轉(zhuǎn)。因此，對(duì)應(yīng)于第二高濃度基極區(qū)28的區(qū)域用作沒(méi)有電子注入到漂移層13中的無(wú)效區(qū)Q。在y方向上相鄰的無(wú)效區(qū)Q之間的區(qū)域用作在將電壓施加至柵電極17時(shí)電子從發(fā)射極層19注入到漂移層13中的有效區(qū)P。根據(jù)本實(shí)施例，如圖16和17所示，基極接觸層20在y方向上延伸，以貫穿有效區(qū)P和無(wú)效區(qū)Q。
[0111]即使在本實(shí)施例中，有效區(qū)P也被分割開(kāi)，并在y方向上以間隔L1布置。因此，可以獲得與第一和第二實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
[0112](第八實(shí)施例)
[0113]像作為第一實(shí)施例的變形的第四實(shí)施例一樣，在本實(shí)施例中，將第七實(shí)施例變形，從而使發(fā)射極電極22延伸至與發(fā)射極層19相同的深度。
[0114]如圖18A所示，根據(jù)本實(shí)施例，像第七實(shí)施例中的一樣，發(fā)射極層19在7方向上連續(xù)延伸。此外，如圖18B所示，像第七實(shí)施例中的一樣，基極接觸層20位于基極層14中，并延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。此外，接觸溝槽25形成在相鄰的溝槽柵極18之間且在發(fā)射極層19之間的基極層14中，即，形成在基極接觸層20所形成的區(qū)域中。接觸溝槽25從基極層14的表面延伸至與發(fā)射極層19幾乎相同的深度，并也在y方向上延伸。接觸溝槽25的側(cè)面與發(fā)射極層19的側(cè)面接觸，并且接觸溝槽25的底部與基極接觸層20接觸。相反，如圖18C所示，在發(fā)射極層19之間的無(wú)效區(qū)Q中的區(qū)域中，基極接觸層20位于基極層14中，并延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。另外，第二高濃度基極區(qū)28延伸至比發(fā)射極層19所延伸的深度深的深度。第二高濃度基極區(qū)28與發(fā)射極層19和溝槽柵極18的側(cè)面相接觸。像第一和第二實(shí)施例中的一樣，層間介電膜21形成在溝槽柵極18的柵電極17的表面上，以將柵電極17與發(fā)射極電極22絕緣。
[0115]即使在該結(jié)構(gòu)中，有效區(qū)P在y方向上被分割開(kāi)。此外，像第四實(shí)施例中的一樣，形成接觸溝槽25。因此，可以獲得與第四實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
[0116](其它實(shí)施例)
[0117]盡管已參照本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例來(lái)描述本公開(kāi)內(nèi)容，然而應(yīng)理解，本公開(kāi)內(nèi)容并不限于這些實(shí)施例。本公開(kāi)內(nèi)容旨在涵蓋在本公開(kāi)內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)的各種變形和等價(jià)布置。
[0118]在第六實(shí)施例中，無(wú)效區(qū)Q具有第一高濃度基極區(qū)26。在第六實(shí)施例中，作為有效區(qū)P的發(fā)射極層19形成在相鄰的溝槽柵極之間的基極層14的表面部分中，并在χ方向上連續(xù)延伸。然而，當(dāng)包括第一高濃度基極區(qū)26時(shí)，發(fā)射極層19在χ方向上連續(xù)延伸并不總是必要的。像在第一實(shí)施例中的一樣，當(dāng)無(wú)效區(qū)Q具有第一高濃度基極區(qū)26時(shí)，發(fā)射極層19可在χ方向上被分割開(kāi)。
[0119]在這些實(shí)施例中，IGBT元件形成在緩沖層12形成在集電極層11上的結(jié)構(gòu)中。然而，并不限于該示例。例如，場(chǎng)阻止層可代替緩沖層12而形成，或可不形成緩沖層12。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件,包括: 沿著χ-y平面的第一導(dǎo)電型集電極層(11)，所述X-y平面由彼此正交的χ方向和y方向來(lái)定義； 第二導(dǎo)電型漂移層(13)，其形成在所述集電極層的正面； 第一導(dǎo)電型基極層(14)，其形成在所述漂移層上； 溝槽柵極(18)，其包括在所述y方向延伸以形成條紋圖案的溝槽(15)，所述溝槽通過(guò)在與所述x-y平面正交的z方向上貫穿所述基極層而從所述基極層的沿著所述x-y平面的表面延伸至所述漂移層的內(nèi)部，所述溝槽柵極還包括形成在所述溝槽的壁上的柵極絕緣層(16)和形成在所述柵極絕緣層上的柵電極(17)； 第二導(dǎo)電型發(fā)射極層(19)，其形成在所述基極層的表面部分中，并位于所述溝槽柵極的側(cè)面； 集電極電極(23 )，其形成在所述集電極層的背面，并電連接至所述集電極層；以及發(fā)射極電極(22 )，其電連接至所述發(fā)射極層和所述基極層，其中所述溝槽柵極包括位于所述漂移層中的底部(18b )和從所述基極層的表面延伸以與所述底部連通的連通部(18a)， 相鄰的底部之間的在所述χ方向上的距離小于相鄰的連通部之間的在所述χ方向上的距離， 在所述底部中的柵極絕緣厚于在所述連通部中的柵極絕緣， 在相鄰的溝槽柵極之間 的區(qū)域在所述I方向上被分割成有效區(qū)(P)和無(wú)效區(qū)(Q)，所述有效區(qū)對(duì)應(yīng)于所述發(fā)射極層，并用作在電壓施加至所述柵電極時(shí)將電荷注入所述漂移層中的注入源， 所述無(wú)效區(qū)即使在所述電壓施加至所述柵電極時(shí)也不用作所述注入源，并且所述無(wú)效區(qū)在所述I方向上的間隔L1 (>0)、所述連通部在所述z方向上的長(zhǎng)度D1、以及所述底部在所述z方向上的長(zhǎng)度D2滿(mǎn)足以下關(guān)系=L1 ( 2 (DAD2X
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述有效區(qū)在所述I方向上以所述間隔L1布置，并且 所述無(wú)效區(qū)在所述y方向上位于相鄰的有效區(qū)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，還包括: 第一導(dǎo)電型的第一高濃度基極區(qū)(26)，其形成在所述無(wú)效區(qū)中的所述基極層的表面部分中，其中 所述第一高濃度基極區(qū)的雜質(zhì)濃度高于所述基極層的雜質(zhì)濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述發(fā)射極層沿著所述溝槽柵極在所述y方向上連續(xù)延伸， 所述無(wú)效區(qū)包括第一導(dǎo)電型的第二高濃度基極區(qū)(28)，所述第一導(dǎo)電型的第二高濃度基極區(qū)(28)的雜質(zhì)濃度高于所述基極層的雜質(zhì)濃度并低于所述發(fā)射極層的雜質(zhì)濃度， 所述第二高濃度基極區(qū)被間斷地分割，并在所述I方向上以所述間隔L1布置， 所述第二高濃度基極區(qū)位于所述基極層中， 所述第二高濃度基極區(qū)在所述z方向上與所述發(fā)射極層接觸且在所述χ方向上與所述溝槽柵極接觸，并且所述有效區(qū)位于相鄰的第二高濃度基極區(qū)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述L1和所述D1滿(mǎn)足以下關(guān)系I1 ≤2D10
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述L1和所述D1滿(mǎn)足以下關(guān)系=D1 ≤ Lp
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述有效區(qū)具有周期性結(jié)構(gòu)，使得所述L1和所述有效區(qū)在所述y方向上的長(zhǎng)度L2的每一個(gè)是恒定的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，還包括: 第一導(dǎo)電型基極接觸層(20 )，其形成在所述基極層的表面部分中的在相鄰的溝槽柵極之間且在所述發(fā)射極層之間，其中 所述基極接觸層所延伸的深度深于所述發(fā)射極層所延伸的深度，并且 所述基極接觸層在所述χ方向上的長(zhǎng)度大于相鄰的底部之間的距離。
【文檔編號(hào)】H01L29/739GK103828060SQ201280047137
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月27日
【發(fā)明者】樋口安史, 深津重光, 住友正清 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝