半導體裝置制造方法
【專利摘要】在成為n-漂移區(qū)(1a)的半導體基板的一個主面?zhèn)?，設置有溝道柵MOS結構。在n-漂移區(qū)(1a)的內部，設置有與構成溝道柵MOS結構的p基區(qū)(2a)的n-漂移區(qū)(1a)側接觸的n殼區(qū)(13)。n殼區(qū)(13)具有比n-漂移區(qū)(1a)高的雜質濃度。n殼區(qū)(13)中的n型的雜質的有效注入劑量為5.0×1012cm-2以下。n-漂移區(qū)(1a)具有施加以發(fā)射極為正極的反向的額定電壓時，使得從另一個主面?zhèn)鹊膒集電區(qū)(10a)擴展的耗盡層不能到達n殼區(qū)(13)和第一溝道(5)的底部中的離p集電區(qū)(10a)較近的一方的電阻率。
【專利說明】半導體裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及包括反向阻斷型半導體裝置、雙向半導體裝置的半導體裝置，特別涉 及溝道柵型的半導體裝置。

【背景技術】
[0002] 近年來，在用于使用半導體元件進行AC (交流）/AC轉換和/或AC/DC (直流）轉 換、DC/AC轉換等的電力轉換電路中，作為不使用由電解電容器和/或直流電抗器等構成的 直流平滑電路而能構成的直接轉換電路，已知有矩陣轉換器。由于該矩陣轉換器可在交流 電壓下使用，所以在構成矩陣轉換器的多個開關器件中，需要具有可在正向和反向進行電 流控制的雙向性的雙向開關器件。以往，作為該雙向開關器件，可使用將兩組由與通常的絕 緣柵型雙極晶體管（以下，稱為IGBT)串聯(lián)的反向耐壓用的二極管構成的器件反向并聯(lián)而 可在雙向進行電流控制的雙向開關器件。
[0003] 最近，從電路的小型化、輕量化、1?效率化、1?速響應化以及低成本化等觀點考慮， 由反向阻斷IGBT(RB-IGBT)構成的上述的雙向開關器件備受關注。其理由是通過構成為將 兩個該反向阻斷IGBT反向并聯(lián)，從而能夠在不使用上述反向耐壓用的二極管的條件下構 成雙向開關器件。由單芯片構成將這兩個反向阻斷IGBT反向并聯(lián)而成的雙向開關器件是 雙向IGBT。接下來，對以往的反向阻斷IGBT的構成進行說明。
[0004] 圖15是示意性地表示以往的反向阻斷IGBT的構成的截面圖。該反向阻斷IGBT通 常在中央具有活性區(qū)域110,在環(huán)繞該活性區(qū)域110的外周側，隔著耐壓結構區(qū)域120設置 有分離部130。分離部130具有p型的分離區(qū)域31?；钚詤^(qū)域110是成為縱型IGBT的主 電流的路徑的區(qū)域，該縱型IGBT具備ιΓ漂移區(qū)l、p基區(qū)2、n+發(fā)射區(qū)3、發(fā)射電極9、p集電 區(qū)10以及集電極11等。上述分離區(qū)域31是以從半導體基板的正面開始與背面?zhèn)鹊膒集 電區(qū)10接觸的深度而形成的P型區(qū)域。對于活性區(qū)域110的構成，參照圖16進行詳細說 明。
[0005] 圖16是詳細表示圖15所示的以往的反向阻斷IGBT的活性區(qū)域的構成的截面圖。 rT漂移區(qū)域1由通過FZ(Floating Zone)法制作的娃基板（以下，稱為FZ娃基板）構成。在 使用了 FZ硅基板的IGBT中，與使用了以往的外延硅基板的IGBT不同，不使用高濃度半導 體基板。因此，例如將IGBT的額定電壓設為600V的情況下，可以使硅基板的厚度為100 μ m 左右，將IGBT的額定電壓設為1200V的情況下可以使硅基板薄化至180 μ m左右。
[0006] 在成為n_漂移區(qū)1的FZ硅基板的正面的表面層，選擇性地設置有p基區(qū)2。在p 基區(qū)2的基板正面?zhèn)鹊谋砻鎸?，選擇性地設置有n+發(fā)射區(qū)3和p+體區(qū)4。在被n+發(fā)射區(qū)3 和ιΓ漂移區(qū)1夾著的部分的p基區(qū)2的表面上，隔著柵極絕緣膜6設置有由多晶硅構成的 柵電極7。發(fā)射電極9在η+發(fā)射區(qū)3和ρ+體區(qū)4的表面均形成歐姆接觸。在柵電極7與 發(fā)射電極9之間設置有層間絕緣膜8,將柵電極7與發(fā)射電極9電絕緣。
[0007] 在成為ιΓ漂移區(qū)1的FZ硅基板的背面?zhèn)?，設置有ρ集電區(qū)10和與ρ集電區(qū)10 歐姆接觸的集電極11。使FZ硅基板的背面?zhèn)鹊臉嫵蔀檫@樣的構成時，通過薄化ρ集電區(qū) 10的厚度，并且將p集電區(qū)10控制在所要求的低雜質濃度，從而能夠降低來自p集電區(qū)10 的少數(shù)載流子的注入效率，提高傳輸效率。其結果，就上述的構成的反向阻斷IGBT而言，導 通電壓特性和關斷損耗之間的權衡關系得到改善，能夠同時降低導通電壓的減少和關斷損 耗。
[0008] 作為這樣的反向阻斷IGBT，提出了在半導體基板的正面?zhèn)刃纬蓀基區(qū)，在該p基區(qū) 的內部形成n+發(fā)射區(qū)，在該半導體基板的外周部和背面?zhèn)?，以包圍p基區(qū)的方式形成基板 側面的P+分離區(qū)域和背面?zhèn)鹊腜+集電區(qū)，將背面的P+集電區(qū)的厚度設為1 μ m左右的反向 阻斷IGBT (例如，參照下述專利文獻1)。
[0009] 另外，作為其它的反向阻斷IGBT，提出了如下的反向阻斷IGBT，即在半導體基板 至少具備在將該半導體基板設為一層的層的兩側形成的正向反向耐壓用pn結，根據(jù)分離 擴散區(qū)域在上述半導體基板的第一主面?zhèn)染邆溥@兩個pn結的耐壓結終端結構的高耐壓半 導體裝置中，將半導體基板設為一層的層通過設置從第一主面朝向內部實際上一定的雜質 濃度分布或者雜質濃度朝向內部減少的區(qū)域，從而能夠不使反向耐壓降低而減少反向漏電 流（例如，參照下述專利文獻2)。
[0010] 另外，作為提高電特性的反向阻斷IGBT，公知有如下的裝置。圖17是表示以往的 反向阻斷IGBT的施加正向電壓時和施加反向電壓時的電場強度分布的說明圖。圖17(a) 中示出了以往的反向阻斷IGBT的主要部分的截面結構。圖17(b)中，以y軸表示圖17(a) 所示的反向阻斷IGBT的厚度，以X軸表示施加正向電壓時和施加反向電壓時的各電場強度 分布。y軸的距離是設基板背面（P集電區(qū)10與集電極11的界面）為〇(零）的朝向發(fā)射 方向的距離。在圖17(a)所示的反向阻斷IGBT中，通過在ιΓ漂移區(qū)1與p基區(qū)2的界面和 η_漂移區(qū)1與Ρ集電區(qū)10的界面分別以相同的導電型形成高雜質濃度的緩沖層201、202， 從而能夠得到正向耐壓值和反向耐壓值一致的IGBT(例如，參照下述專利文獻3)。
[0011] 另外，作為提高了電特性的IGBT，提出了通過在ρ基區(qū)與ιΓ漂移區(qū)的邊界的至少 一部分以與ιΓ漂移區(qū)相同的導電型設置高雜質濃度區(qū)域，從而縮短溝道長，減少導通狀態(tài) 的電壓下降的裝置（例如，參照下述專利文獻4)。
[0012] 另外，作為提高了電特性的另一個IGBT，提出了如下的裝置。在η漂移區(qū)的離ρ集 電區(qū)較近的部分形成短壽命區(qū)域。短壽命區(qū)域以η型且與η基底層相比高濃度地摻雜。通 過該構成，能夠減少ΝΡΤ (非穿通）型IGBT的漏電流（例如，參照下述專利文獻5)。
[0013] 另外，作為提高了電特性的另一個IGBT，提出了具有第二導電型集電區(qū)和與第二 導電型集電區(qū)分離且以比第一導電型半導體基板的雜質濃度更高的雜質濃度形成在第一 導電型半導體基板內的第一導電型場停止區(qū)域的裝置（例如，參照下述專利文獻6)。在下 述專利文獻6中，即使在集電區(qū)存在部分的缺損的情況下，也能夠抑制導通狀態(tài)下的電壓 下降特性的上升和/或耐壓特性的降低。
[0014] 另外，作為提高電特性的雙向IGBT，提出了如下的裝置。在形成于半導體基板的兩 主面的溝道內，分別隔著柵極氧化膜埋設柵電極，在半導體基板的兩主面構成溝道型的M0S 柵（由金屬-氧化膜-半導體構成的絕緣柵）結構（以下，稱為溝道柵M0S結構）。在半導 體基板的兩主面的漂移區(qū)與基底層的界面，設置與漂移區(qū)域相同的導電型，并且濃度比漂 移區(qū)高的緩沖層。并且，成為施加截止電壓時擴展到漂移區(qū)域的耗盡層充分延伸到達高濃 度的緩沖層的穿通型的結構。根據(jù)這樣的結構，能夠同程度地提高雙向的耐壓，去除關斷時 的振動波形，并且能夠在雙向進行柵控制（例如，參照下述專利文獻7)。
[0015] 另外，作為提高了電特性的反向阻斷IGBT，提出了如下裝置。S卩，通過在集電極側 形成第二溝道，在該第二溝道的表面覆蓋氧化膜，填充多晶硅，在被第二溝道夾著的位置形 成第2n緩沖區(qū)域，反向偏壓時的耗盡層的延伸跳過第2n緩沖區(qū)域向ιΓ漂移區(qū)擴展，從而 由ΡΤ型結構得到與正向耐壓與反向耐壓相同的裝置（例如，參照下述專利文獻8)。
[0016] 現(xiàn)有技術文獻
[0017] 專利文獻
[0018] 專利文獻1:日本特開2002-319676號公報
[0019] 專利文獻2:日本特開2006-080269號公報
[0020] 專利文獻3:日本特表2002-532885號公報
[0021] 專利文獻4:日本特開平09-326486號公報
[0022] 專利文獻5:日本特開平09-260662號公報
[0023] 專利文獻6:日本特開2002-246597號公報
[0024] 專利文獻7:日本特開2001-320049號公報
[0025] 專利文獻8:日本特開2003-318399號公報


【發(fā)明內容】

[0026] 技術問題
[0027] 然而，在上述的專利文獻1所示的反向阻斷IGBT中，產生反向耐壓與正向耐壓相 比容易變低的問題。以下，對其理由進行說明。為了確保反向阻斷能力，平面型反向阻斷 IGBT需要有從半導體基板的正面到達背面?zhèn)鹊摩?集電區(qū)的ρ+分離區(qū)域。在為了形成該ρ+ 分離區(qū)域所需要的高溫下長時間的驅動擴散（熱處理），為了防止η型的硅基板的表面粗糙 而在氧氣氛中進行。就該熱處理的擴散時間而言，例如為600V用耐壓器件時在1300°C的溫 度下需要100小時左右，為1200V用的耐壓器件時在1300°C的溫度下需要200小時左右。
[0028] 通過在氧氣氛下對硅基板施加這樣的高溫長時間的熱處理從而使摻雜的氧原子 施主化，特別是在硅基板的雜質濃度低的情況下受到由氧原子的施主化導致的影響而使硅 基板的氧濃度變高。由于硅基板的表面附近的氧濃度因向外側擴散而降低，因此硅基板的 雜質濃度分布是從基板兩主面向深度方向以數(shù)μm?數(shù)十μm的寬度（深度）成為低，基 板中央部成為高。另外，在該反向阻斷IGBT的制造工序中，包括：在正面?zhèn)刃纬伤璧腗0S 柵結構和鋁電極膜的工序；用于在設為低導通電壓的同時，形成耐壓所需要的η漂移區(qū)的 厚度的背面研削工序；形成Ρ+集電區(qū)和集電極的工序。背面研削工序中的硅基板的背面研 削量為最初的硅基板的厚度的一半以上，這是非常大的。因此，如上所述受到氧原子的施主 化的影響的硅基板在背面研削工序后成為如下的雜質濃度分布，即，在進行了背面研削的 集電極側雜質濃度較高，在發(fā)射極側，由于外側擴散的影響雜質濃度在從基板正面沿深度 方向數(shù)μm?數(shù)十μm的寬度（深度）范圍內傾斜地降低。
[0029] 其結果，η漂移區(qū)的集電極側的雜質濃度變得比發(fā)射極側的雜質濃度高，所以與從 處于反向阻斷IGBT的發(fā)射極側的ρ基結（ρ基區(qū)與η漂移區(qū)之間的ρη結）延伸的耗盡層 相比，從集電結（Ρ+集電區(qū)與η漂移區(qū)之間的ρη結）延伸的耗盡層變得難以延伸。由此， 在施加低的電壓下電場容易變高，所以反向耐壓變得比正向耐壓小。這樣的由氧施主對耐 壓產生的影響在硅基板的電阻率大的情況，例如耐壓為600V以上的情況下容易產生問題。 另一方面，對于初始pn結周邊的曲率半徑，也有集電結（反向耐壓結）的曲率半徑比P基 結（正向耐壓結）大而容易得到高耐壓的情況，在小于耐壓600V的器件中，即使考慮上述 的由氧施主對反向耐壓產生的影響，反向耐壓也容易變得比正向耐壓大。
[0030] 另外，在上述的專利文獻3和專利文獻4所示的技術中，產生如下的問題。例如， 如圖17(b)的虛線所示，施加反向電壓（反向偏壓）時，從集電結21延伸的耗盡層難以延 伸到達發(fā)射極側的緩沖層（以下，稱為殼區(qū)）201，因此電場急劇變高，在集電結21附近，表 現(xiàn)出電場峰（臨界電場強度）212。另一方面，如圖17(b)的實線所示，施加正向電壓（正 向偏壓）時，從P基結20延伸的耗盡層到達p集電區(qū)10時電場同樣地急劇變高，在p基結 20的界面附近，表現(xiàn)出電場峰211。因此，正向耐壓和反向耐壓均變得容易降低。即，通過 設置殼區(qū)201和緩沖區(qū)域（集電極側的緩沖層）202,可能無法實現(xiàn)沒有這些區(qū)域的情況下 得到的正向耐壓和反向耐壓。已知這樣的耐壓降低問題能夠通過降低ιΓ漂移區(qū)域1的雜 質濃度，提高設計耐壓而避免。
[0031] 然而，雖然通過降低rr漂移區(qū)域1的雜質濃度，耗盡層變得容易延伸，但在半導體 裝置的動作中容易產生耗盡層到達緩沖區(qū)域202的穿通現(xiàn)象。其結果，產生關斷時的電壓 波形和電流波形（以下，稱為關斷波形）發(fā)生振動的新問題。另外，反向阻斷IGBT在從導 通狀態(tài)切換到反向阻斷狀態(tài)的反向恢復時，具有大的電流過渡地流過的特性（反向恢復特 性）。因此，也產生反向恢復時的電壓波形和電流波形（以下，稱為反向恢復波形）容易振 動的問題。并且，關斷波形和反向恢復波形發(fā)生振動的情況下，產生噪音和/或電壓波形的 振動變得非常大時半導體裝置可能被破壞等。
[0032] 本發(fā)明為了消除上述的現(xiàn)有技術中的問題，目的在于提供一種能夠提高反向耐 壓、提高正向耐壓、抑制關斷時的電壓波形和電流波形的振動，并且能夠抑制反向恢復時的 電壓波形和電流波形的振動的半導體裝置。
[0033] 技術方案
[0034] 為了解決上述的課題，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的半導體裝置具有如下的特征。 在成為漂移區(qū)的第一導電型的半導體基板的一個主面的表面層，選擇性地設置有第二導電 型的基區(qū)。在上述基區(qū)的內部選擇性地設置有第一導電型的發(fā)射區(qū)。設置有從上述半導體 基板的一個主面貫通上述發(fā)射區(qū)和上述基區(qū)到達上述漂移區(qū)的溝道。沿上述溝道的內壁設 置有絕緣膜。在上述溝道內部隔著上述絕緣膜埋設有柵電極。設置有與上述發(fā)射區(qū)和上述 基區(qū)接觸的發(fā)射電極。在上述漂移區(qū)的內部，設置有與上述基區(qū)的漂移區(qū)側接觸的第一導 電型的殼區(qū)。在上述半導體基板的另一個主面的表面層，設置有第二導電型的集電區(qū)。其 中，上述殼區(qū)具有比上述漂移區(qū)高的雜質濃度。上述殼區(qū)中的第一導電型的雜質的有效注 入劑量為5. OX 1012cnT2以下。上述漂移區(qū)具有施加以上述發(fā)射電極為正極的反向的額定電 壓時使得從上述集電區(qū)擴展的耗盡層不能到達上述殼區(qū)或上述溝道的底部中的離上述集 電區(qū)較近的一方的電阻率。
[0035] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，上述殼區(qū)中的第一導電型的雜 質的有效注入劑量為4.0X10 12cnT2以下。
[0036] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，在上述漂移區(qū)與上述集電區(qū)之 間，設置用于減少漏電流的具有比上述漂移區(qū)高的雜質濃度的第一導電型的區(qū)域。
[0037] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，在上述漂移區(qū)的外周端部，進一 步具備從上述半導體基板的一個主面到達上述集電區(qū)的第二導電型的分離區(qū)域。
[0038] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，上述漂移區(qū)具有施加以上述發(fā) 射電極為正極的反向的額定電壓時，使得從上述集電區(qū)朝向上述基區(qū)擴散的耗盡層不能到 達上述基區(qū)或上述溝道的底部中的離上述集電區(qū)較近的一方的電阻率。
[0039] 另外，為了解決上述的課題，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的半導體裝置具有如下的 特征。在成為漂移區(qū)的第一導電型的半導體基板的一個主面的表面層，選擇性地設置有第 二導電型的第一基區(qū)。在上述第一基區(qū)的內部選擇性地設置有第一導電型的第一發(fā)射區(qū)。 設置有從上述半導體基板的一個主面貫通上述第一發(fā)射區(qū)和上述第一基區(qū)到達上述漂移 區(qū)的第一溝道。沿上述第一溝道的內壁設置有第一絕緣膜。在上述第一溝道的內部隔著上 述第一絕緣膜埋設有第一柵電極。設置有與上述第一發(fā)射區(qū)以及上述第一基區(qū)接觸的發(fā)射 電極。在上述漂移區(qū)的內部，設置有與上述第一基區(qū)的上述漂移區(qū)側接觸的第一導電型的 第一殼區(qū)。在上述半導體基板的另一個主面的表面層選擇性地設置有第二導電型的第二基 區(qū)。在上述第二基區(qū)的內部選擇性地設置有第一導電型的第二發(fā)射區(qū)。設置有從上述半導 體基板的另一個主面貫通上述第二發(fā)射區(qū)和上述第二基區(qū)而到達上述漂移區(qū)的第二溝道。 沿上述第二溝道的內壁設置有第二絕緣膜。在上述第二溝道的內部隔著上述第二絕緣膜埋 設有第二柵電極。設置有與上述第二發(fā)射區(qū)和上述第二基區(qū)接觸的背面電極。在上述漂移 區(qū)的內部，設置有與上述第二基區(qū)的上述漂移區(qū)側接觸的第一導電型的第二殼區(qū)。其中，上 述第一殼區(qū)和上述第二殼區(qū)具有比上述漂移區(qū)高的雜質濃度。上述第一殼區(qū)和上述第二殼 區(qū)中的第一導電型的雜質的有效注入劑量為5. OX 1012cnT2以下。上述漂移區(qū)具有施加以上 述發(fā)射電極為正極的反向的額定電壓時使得從上述第二基區(qū)擴展的耗盡層不能到達上述 第一殼區(qū)和上述第一溝道的底部中的離上述第二殼區(qū)較近的一方的電阻率。
[0040] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，上述第二殼區(qū)中的第一導電型 的雜質的有效注入劑量為4. OX 1012cnT2以下。
[0041] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，上述漂移區(qū)具有施加以上述發(fā) 射電極為正極的反向的額定電壓時，使得從上述第二基區(qū)朝向上述第一基區(qū)擴展的耗盡層 不能到達上述第一基區(qū)和上述第一溝道的底部中的離上述第二殼區(qū)較近的一方的電阻率。
[0042] 根據(jù)上述的發(fā)明，通過在漂移區(qū)的內部以與基區(qū)接觸的方式設置殼區(qū)，而能夠與 以往相比緩和半導體基板內的電場，因此能夠提高正向耐壓和反向耐壓。另外，根據(jù)上述的 發(fā)明，通過將殼區(qū)中的第一導電型的雜質的有效注入劑量設為5. 0X1012cnT2以下，能夠使 反向恢復波形的反向恢復電流從負值收斂到零為止的期間比以往快。即，與以往相比能夠 加快阻斷電壓的恢復。
[0043] 另外，為了解決上述的課題，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的半導體裝置具有如下的 特征。在成為第一半導體區(qū)域的第一導電型的半導體基板的一個主面的表面層，選擇性地 設置有第二導電型的第二半導體區(qū)域。在上述第二半導體區(qū)域的內部，選擇性地設置有雜 質濃度比上述第一半導體區(qū)域高的第一導電型的第三半導體區(qū)域。在上述第二半導體區(qū) 域的被上述第三半導體區(qū)域和上述第一半導體區(qū)域夾著的部分的表面上隔著絕緣膜設置 有第一電極。設置有與上述第三半導體區(qū)域和上述第二半導體區(qū)域接觸的第二電極。在上 述半導體基板的另一個主面的表面層，設置有第二導電型的第四半導體區(qū)域。設置有與上 述第四半導體區(qū)域接觸的第三電極。在上述第一半導體區(qū)域的內部的上述第四半導體區(qū)域 偵牝設置有與上述第四半導體區(qū)域的上述第一半導體區(qū)域側的至少一部分對置的第一導電 型的第五半導體區(qū)域。上述第五半導體區(qū)域的雜質濃度比上述第一半導體區(qū)域高。在上述 半導體基板的外周部設置有第二導電型的第六半導體區(qū)域。上述第六半導體區(qū)域從上述半 導體基板的一個主面貫通上述第一半導體區(qū)域而到達上述第四半導體區(qū)域。其中，上述第 五半導體區(qū)域中的第一導電型的雜質的總注入劑量為2. OX l〇12cm2以下。
[0044] 另外，為了解決上述的課題，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，該發(fā)明的半導體裝置具有如下的 特征。在成為第一半導體區(qū)域的第一導電型的半導體基板的一個主面的表面層，選擇性地 設置有第二導電型的第二半導體區(qū)域。在上述第二半導體區(qū)域的內部，選擇性地設置有雜 質濃度比上述第一半導體區(qū)域高的第一導電型的第三半導體區(qū)域。設置有從上述半導體基 板的一個主面貫通上述第三半導體區(qū)域和上述第二半導體區(qū)域而到達上述第一半導體區(qū) 域的溝道。沿上述溝道的內壁設置有絕緣膜。在上述溝道內部隔著上述絕緣膜埋設有第一 電極。設置有與上述第三半導體區(qū)域和上述第二半導體區(qū)域接觸的第二電極。在上述半導 體基板的另一個主面的表面層，設置有第二導電型的第四半導體區(qū)域。設置有與上述第四 半導體區(qū)域接觸的第三電極。在上述第一半導體區(qū)域的內部的上述第四半導體區(qū)域側，設 置有與上述第四半導體區(qū)域的上述第一半導體區(qū)域側的至少一部分對置的第一導電型的 第五半導體區(qū)域。上述第五半導體區(qū)域的雜質濃度比上述第一半導體區(qū)域高。在上述半導 體基板的外周部設置有第二導電型的第六半導體區(qū)域。上述第六半導體區(qū)域從上述半導體 基板的一個主面貫通上述第一半導體區(qū)域而到達上述第四半導體區(qū)域。其中，上述第五半 導體區(qū)域中的第一導電型的雜質的總注入劑量為2. OX 1012cnT2以下。
[0045] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，上述第五半導體區(qū)域與上述第 四半導體區(qū)域的上述第一半導體區(qū)域側整個面對置。
[0046] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，設置有具有上述第二半導體區(qū) 域、上述第三半導體區(qū)域、上述第四半導體區(qū)域、上述第一電極、上述第二電極以及上述第 三電極的活性區(qū)域。在上述半導體基板的一個主面的表面層以包圍上述活性區(qū)域的方式設 置有耐壓結構區(qū)域。上述耐壓結構區(qū)域可以具有多個第二導電型的第七半導體區(qū)域。
[0047] 另外，本發(fā)明的半導體裝置優(yōu)選在上述的發(fā)明中，上述第一半導體區(qū)域具有施加 以上述第二電極為正極的反向的額定電壓時使得從上述第二半導體區(qū)域朝向上述第五半 導體區(qū)域擴展的耗盡層不能到達上述第五半導體區(qū)域的電阻率。
[0048] 根據(jù)上述的發(fā)明，由于通過設置第五半導體區(qū)域，而能夠施加反向電壓時使半導 體基板內的電場強度均勻，因此能夠提高反向耐壓。另外，根據(jù)上述的發(fā)明，由于通過在第 一半導體區(qū)域內部的第四半導體區(qū)域側設置第五半導體區(qū)域，從而在施加正向電壓時，在 第五半導體區(qū)域與第四半導體區(qū)域之間殘留中性區(qū)域，因此能夠抑制關斷時的電壓波形和 電流波形的振動。
[0049] 發(fā)明效果
[0050] 根據(jù)本發(fā)明的半導體裝置，起到如下效果，即能夠提供一種能夠提高反向耐壓、提 高正向耐壓、抑制關斷時的電壓波形和電流波形的振動，并且能夠抑制反向恢復時的電壓 波形和電流波形的振動的半導體裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051] 圖1是表示本發(fā)明的實施方式1的反向阻斷IGBT的構成的截面圖。
[0052] 圖2是表示圖1的反向阻斷IGBT的活性區(qū)域的構成的截面圖。
[0053] 圖3是表示圖1的反向阻斷IGBT的耐壓結構區(qū)域的構成的截面圖。
[0054] 圖4是表示本發(fā)明的實施方式1的反向阻斷IGBT的活性區(qū)域中的電場強度分布 的特性圖。
[0055] 圖5是表示圖2的切割線A - A'中的有效注入劑量的分布的特性圖。
[0056] 圖6是表示圖2的切割線B - B'中的有效注入劑量的分布的特性圖。
[0057] 圖7是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的η殼區(qū)的有效注入劑量與反向漏電流 之間的關系的特性圖。
[0058] 圖8是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的η殼區(qū)的有效注入劑量與關斷損耗和 導通損耗之和的關系的特性圖。
[0059] 圖9是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的反向恢復時的電壓波形和電流波形的 特性圖。
[0060] 圖10是表示以往的反向阻斷IGBT的反向恢復時的電壓波形和電流波形的特性 圖。
[0061] 圖11是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的截面圖。
[0062] 圖12是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的截面圖。
[0063] 圖13是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的截面圖。
[0064] 圖14是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的截面圖。
[0065] 圖15是示意性地表示以往的反向阻斷IGBT的構成的截面圖。
[0066] 圖16是詳細表示圖15所示的以往的反向阻斷IGBT的活性區(qū)域的構成的截面圖。
[0067] 圖17是表示以往的反向阻斷IGBT的施加正向電壓時和施加反向電壓時的電場強 度分布的說明圖。
[0068] 圖18是表示本發(fā)明的實施方式2的反向阻斷IGBT的構成的截面圖。
[0069] 圖19是表示圖18的反向阻斷IGBT的活性區(qū)域的構成的截面圖。
[0070] 圖20是表示圖18的反向阻斷IGBT的耐壓結構區(qū)域的構成的截面圖。
[0071] 圖21是表示實施方式2的反向阻斷IGBT的施加正向電壓時和施加反向電壓時的 電場強度分布的說明圖。
[0072] 圖22是表示圖19的切割線C 一 C'中的雜質量的分布的特性圖。
[0073] 圖23是表示實施方式2的反向阻斷IGBT的η型高濃度區(qū)域的有效的總雜質量與 反向耐壓之間的關系的特性圖。
[0074] 圖24是表示實施方式2的反向阻斷IGBT的η型高濃度區(qū)域的有效的總雜質量與 正向漏電流之間的關系的特性圖。
[0075] 圖25是表示實施方式2的反向阻斷IGBT的耐電荷性的特性圖。
[0076] 符號說明
[0077] l、la:rT 漂移區(qū)
[0078] 2、2a:p 基區(qū)
[0079] 2b :基板背面?zhèn)鹊膒基區(qū)
[0080] 3、3a:n+發(fā)射區(qū)
[0081] 4、4a:p+體區(qū)
[0082] 5 :第一溝道
[0083] 5a :第二溝道
[0084] 6、6a :柵絕緣膜
[0085] 7、7a:柵電極
[0086] 8、8a :絕緣膜、層間絕緣膜
[0087] 8b :場絕緣膜
[0088] 9、9a:發(fā)射電極
[0089] 10、10a:p 集電區(qū)
[0090] 11、11a:集電極
[0091] 12 :nLCS 區(qū)域
[0092] 13 :n殼區(qū)（第一殼區(qū)）
[0093] 13a :n殼區(qū)（第二殼區(qū)）
[0094] 14 :場板
[0095] 15:背面?zhèn)入姌O
[0096] 20 :p 基結
[0097] 21 :集電結
[0098] 21a:分離區(qū)域結
[0099] 31a:分離區(qū)域
[0100] 100 :耐壓結構區(qū)域
[0101] 101 :場限環(huán)
[0102] 200 :活性區(qū)域

【具體實施方式】
[0103] 以下，對本發(fā)明的半導體裝置的優(yōu)選的實施方式，參照附圖進行詳細說明。在以下 的說明中，作為反向阻斷型半導體裝置，舉例說明反向阻斷IGBT的情況，另外，將第一導電 型作為η型，將第二導電型作為p型進行說明。在本說明書和附圖中，對于標記了 η或!)的 層和/或區(qū)域，分別指電子或空穴為多數(shù)載流子。另外，對η或ρ附加的+和-分別指與沒 有附加+和-的層和/或區(qū)域相比雜質濃度相對高或低。應予說明，在以下的實施方式的 說明和附圖中，對相同的構成標記相同的符號，省略重復的說明。另外，為了容易觀察或容 易理解，以下的實施方式中說明的附圖未用準確的比例、尺寸比繪出。本發(fā)明只要不超過其 要旨，并不限于以下說明的實施方式的記載。
[0104] (實施方式1)
[0105] 對實施方式1的半導體裝置，舉例說明反向阻斷IGBT。圖1是表示本發(fā)明的實施 方式1的反向阻斷IGBT的構成的截面圖。如圖1所示，該反向阻斷IGBT在成為ιΓ漂移區(qū) la的FZ硅基板（半導體基板）上，具備活性區(qū)域200、在活性區(qū)域200的外側設置的耐壓 結構區(qū)域100和在耐壓結構區(qū)域100的外側設置的分離部130。例如為了不對600V耐壓等 級的反向阻斷IGBT的特性產生不良影響，半導體基板的厚度例如可以為90 μ m以上，ιΓ漂 移區(qū)la的厚度可以為80 μ m以上。縱型反向阻斷IGBT構成為在活性區(qū)域200具有在ιΓ漂 移區(qū)la的基板正面?zhèn)仍O置的溝道柵MOS結構和在ιΓ漂移區(qū)la的基板背面?zhèn)仍O置的ρ集 電區(qū)l〇a以及集電極11a。關于溝槽柵MOS結構的詳細說明，在后面進行描述。
[0106] 在耐壓結構區(qū)域100的基板正面?zhèn)仍O置的耐壓結構在活性區(qū)域200與分離部130 之間，具有包圍活性區(qū)域200的預定的圖案。耐壓結構區(qū)域100具有緩和構成IGBT的pn 主結終端面的電場強度而實現(xiàn)期望的耐壓和耐壓可靠性的功能。作為pn主結是指ρ基區(qū) 2a與ιΓ漂移區(qū)la之間的pn結（ρ基結）。關于耐壓結構區(qū)域100的結構，在后面進行描 述。將晶圓切割成各個晶片時具有成為半導體基板的側面的切割面，分離部130沿該切割 面形成。因此，分離部130需要有在該切割面產生的結晶缺陷至少對耐壓結構區(qū)域100不 產生不良影響的寬度。分離部130位于ιΓ漂移區(qū)la的外周側端部，具有從ιΓ漂移區(qū)la的 基板正面到達基板背面?zhèn)鹊腜集電區(qū)l〇a的深度的分離區(qū)域31a。施加反向電壓時，耗盡層 從半導體基板的背面?zhèn)鹊募娊Y（P集電區(qū)l〇a與ιΓ漂移區(qū)la之間的pn結）21和分離區(qū) 域31a與ιΓ漂移區(qū)la之間的pn結（以下，稱為分離區(qū)域結）21a，朝向ρ基區(qū)2a延伸。由 此，施加反向電壓時，能夠防止耗盡層到達半導體基板的側面而防止漏電流的產生，能夠得 到相反方向的耐壓。
[0107] 接下來，對活性區(qū)域200的構成進行詳細說明。圖2是表示圖1的反向阻斷IGBT 的活性區(qū)域200的構成的截面圖。在活性區(qū)域200,在成為ιΓ漂移區(qū)la的半導體基板的正 面，以預定的間隔設置多個第一溝道5。在半導體基板的正面的表面層，以被ρ第一溝道5 夾著的方式設置基區(qū)2a。ρ基區(qū)2a具有比ιΓ漂移區(qū)la高的雜質濃度。在被相鄰的第一溝 道5夾著的部分中，在ρ基區(qū)2a的基板正面?zhèn)鹊谋砻鎸樱x擇性地設置有n+發(fā)射區(qū)3a和p+ 體區(qū)4a。p+體區(qū)4a具有比ρ基區(qū)2a高的雜質濃度。在ρ基區(qū)2a的被相鄰的第一溝道5 夾著的部分，將設有n+發(fā)射區(qū)3a和p+體區(qū)4a的構成的部分和該構成中沒有n+發(fā)射區(qū)3a 的構成的部分交替并列地設置。
[0108] η殼區(qū)13設置于ιΓ漂移區(qū)la與ρ基區(qū)2a之間且被第一溝道5夾住的部分。另 夕卜，η殼區(qū)13可以設置為至少占有全部ρ基區(qū)2a的下方（ιΓ漂移區(qū)la側）的區(qū)域。其理 由是能夠抑制少數(shù)載流子從P集電區(qū)l〇a向ρ基區(qū)2a的注入，并且降低傳輸效率。優(yōu)選 地，η殼區(qū)13可以設置為包圍活性區(qū)域200內的ρ基區(qū)2a的下方的整個區(qū)域。即，通過完 全去除P基區(qū)2a與ιΓ漂移區(qū)la接觸的區(qū)域，從而能夠可靠地抑制少數(shù)載流子從ρ集電區(qū) l〇a向ρ基區(qū)2a的注入，并且能夠降低傳輸效率。另外，η殼區(qū)13在圖2中雖然被第一溝 道5完全夾著，但也可以設置一部分被第一溝道5夾著，一部分具有達到第一溝道5的下層 的深度（覆蓋第一溝道5的底部的深度）的η殼區(qū)13。發(fā)射電極9a與η+發(fā)射區(qū)3a以及 P+體區(qū)4a的表面共通接觸。另外，發(fā)射電極9a通過層間絕緣膜8a與柵電極7a電絕緣。
[0109] 對上述的第一溝道5的結構，進一步進行說明。第一溝道必須具有貫通n+發(fā)射區(qū) 3a和ρ基區(qū)2a的深度，但相對于上述的η殼區(qū)13,可以是達到該η殼區(qū)13的中間的深度， 也可以是貫通的深度。形成于第一溝道5內的M0S柵結構（溝道柵M0S結構）與以往同樣， 可以是沿第一溝道5的內壁設置有柵絕緣膜6a，在第一溝道5的內部隔著柵絕緣膜6a埋設 由多晶硅構成的柵電極7a的結構。
[0110] 另外，η殼區(qū)13具有比η漂移區(qū)la商的雜質濃度。而且，η漂移區(qū)la優(yōu)選具有 滿足從P集電區(qū)l〇a朝向η殼區(qū)13擴展的耗盡層不到達η殼區(qū)13這樣的條件的電阻率。 至少，n_漂移區(qū)la需要具有在施加與額定電壓相等的反向電壓時，從p集電區(qū)10a朝向η殼 區(qū)13擴散的耗盡層不到達η殼區(qū)13的電阻率。為了在盡可能低的導通電壓下實現(xiàn)額定電 壓600V的反向阻斷IGBT的耐壓，ιΓ漂移區(qū)la的電阻率例如可以為22Q cm以上且35Qcm 以下，rT漂移區(qū)la的寬度（厚度）例如可以為80 μ m以上且100 μ m以下。由此，反向電壓 的恢復時，能夠使耗盡層不到達η殼區(qū)13。
[0111] 另一方面，在半導體基板的背面?zhèn)?，在rT漂移區(qū)la與ρ集電區(qū)10a之間設置有與 P集電區(qū)l〇a接觸的nLCS(Leakage Cuurrent Stop)區(qū)域12。設置nLCS區(qū)域12的理由是 能夠抑制少數(shù)載流子從P集電區(qū)l〇a向nLCS區(qū)域12的注入，并且降低傳輸效率。nLCS區(qū) 域12具有減少漏電流的功能。
[0112] 另外，nLCS區(qū)域12具有比η漂移區(qū)la商的雜質濃度。并且，η漂移區(qū)la具有在 施加正向電壓，優(yōu)選為與額定電壓相等的正向電壓時，從P基區(qū)2a朝向nLCS區(qū)域12擴展 的耗盡層不到達nLCS區(qū)域12的電阻率。并且，nLCS區(qū)域12具有nLCS區(qū)域12中的η型 雜質的有效注入劑量（以下，稱為nLCS區(qū)域12的有效注入劑量）成為5. 0X 1012cnT2以下 的雜質濃度。對于該雜質濃度，雖然nLCS區(qū)域12中的有效注入劑量集中在nLCS區(qū)域12 中的某個區(qū)域而分布，但是以整個nLCS區(qū)域12中包含的η型雜質的有效注入劑量平均為 5. 0 X 1012cnT2以下的方式包含在nLCS區(qū)域12中即可，不需要nLCS區(qū)域12為特別規(guī)定的雜 質濃度分布。優(yōu)選地，nLCS區(qū)域12可以具有nLCS區(qū)域12的有效注入劑量成為4. 0 X 1012cm_2 以下的雜質濃度。其理由是能夠對反向阻斷IGBT抑制作為特有的動作的反向恢復損耗（反 向電壓恢復時的開關損耗）和導通損耗的總和。
[0113] 接下來，對耐壓結構區(qū)域100的構成進行說明。圖3是表示圖1的反向阻斷IGBT 的耐壓結構區(qū)域100的構成的截面圖。耐壓結構區(qū)域100以環(huán)狀平面圖案形成于活性區(qū)域 200的外圓周。具體而言，在耐壓結構區(qū)域100的rT漂移區(qū)la的基板正面?zhèn)鹊谋砻?，設置 作為耐壓保護膜覆蓋n_漂移區(qū)la的場絕緣膜8b。在成為該場絕緣膜8b下層的rT漂移區(qū) la的基板正面?zhèn)鹊谋砻鎸?，以包圍活性區(qū)域200的表層的方式以環(huán)狀平面圖案設置多個作 為電懸浮的P型區(qū)域的場限環(huán)（以下，F(xiàn)LR:Field Limiting Ring) 101。在場絕緣膜8b分 別設置使FLR101的表面以環(huán)狀的平面圖案露出的開口部8c。在多個FLR101上，通過場絕 緣膜8b的開口部8c，沿FLR101的表面形狀分別設置作為懸浮的導電膜的場板（以下，記為 FP)14。
[0114] 接下來，對實施方式1的反向阻斷IGBT的電場強度分布進行說明。圖4是表示本 發(fā)明的實施方式1的反向阻斷IGBT的活性區(qū)域中的電場強度分布的特性圖。圖14是表示 實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的截面圖。圖4中示出圖1、2的實施方式1的反向 阻斷IGBT的電場強度分布（圖4(a))和圖14以及上述專利文獻6中分別記載的雙向IGBT 的電場強度分布（圖4(b)、4(c))。圖4(a)、4(b)是表不從ρ集電區(qū)10a表面（ρ集電區(qū)10a 與集電極1 la之間的界面）起算的距離y與電場強度E之間的關系的電場強度分布特性圖 (圖4(c)中也相同）。
[0115] 如圖4(a)所示，在圖1、2的實施方式1的反向阻斷IGBT中，由于第一溝道5貫通 了 η殼區(qū)13,因此正向偏壓時（施加正向電壓時：圖4 (a)的實線）所產生的電場峰（臨界 電場強度）不像圖17 (b)所示的以往的反向阻斷IGBT的電場峰211那樣在ρ基結20的附 近，而是處于η殼區(qū)13與rT漂移區(qū)la的邊界附近的第一溝道5底部的位置（與殼區(qū)平行 的虛線）的ιΓ漂移區(qū)la內。并且，在實施方式1的反向阻斷IGBT中，特征在于，電場峰前 后的電場強度的傾斜與圖17(b)所示的以往結構的電場峰211前后的傾斜相比較為緩和。
[0116] 另外，在實施方式1的反向阻斷IGBT中，反向偏壓時（施加反向電壓時：圖4(a) 的傾斜虛線）在P集電區(qū)l〇a與nLCS區(qū)域12的邊界附近所產生的電場峰與正向偏壓同樣 (產生電場峰的方向與正向偏壓相反）地與圖17(b)所示的以往結構的電場峰212前后的 傾斜相比較為緩和。另外，反向偏壓時的電場強度分布的發(fā)射極側沒有到達η殼區(qū)13而是 處于ιΓ漂移區(qū)la內。這表示使從集電結21朝向發(fā)射極方向延伸的耗盡層在到達η殼區(qū) 13前達到雪崩擊穿電場。
[0117] 另外，在圖14所示的基板的兩主面?zhèn)确謩e具有溝道柵M0S結構的雙向IGBT中，第 一殼區(qū)13、第二殼區(qū)13a (η殼區(qū)）分別在基板的兩主面?zhèn)仍O置于在第一溝道5、第二溝道5a 間夾著的狹窄區(qū)域。因此，如圖4(b)所示，施加正向電壓時和施加反向電壓時電場峰的位 置均移動到第一殼區(qū)13、第二殼區(qū)13a與ιΓ漂移區(qū)la的邊界附近的第一溝道5、第二溝道 5a底部的位置（與殼區(qū)平行的虛線），并且電場強度的傾斜與圖17所示的以往結構相比較 為緩和。并且，確認從P基結20朝向p集電區(qū)10a(相當于圖14的p基區(qū)2b)延伸的耗盡 層（傾斜實線）在到達第二殼區(qū)13a之前達到產生雪崩擊穿的臨界電場強度。另外，確認 從集電結21朝向第一殼區(qū)13延伸的耗盡層（傾斜虛線）在到達第一殼區(qū)13前達到產生 雪崩擊穿的臨界電場強度。在圖14中，將基板正面?zhèn)鹊摩菤^(qū)13設定為第一殼區(qū)，將基板 背面?zhèn)鹊摩菤^(qū)設定為第二殼區(qū)13a。另外，將構成基板背面?zhèn)鹊臏系罇臡0S結構的溝道 5a設定為第二溝道。關于圖14所示的實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的構成，在后 面進行描述。
[0118] 如上所述，通過將η殼區(qū)13設置于p基區(qū)2a與ιΓ漂移區(qū)la之間的第一溝道5 之間，從而電場峰前后的傾斜變得緩和的理由如下所述。P基結20的反向偏壓時，狹窄的 第一溝道5之間的η殼區(qū)13不僅從與p基區(qū)2a的pn結開始耗盡，而且也從與夾著η殼區(qū) 13的兩側的第一溝道5內的柵絕緣膜6a的邊界開始耗盡。因此，即使η殼區(qū)13的雜質濃 度高，η殼區(qū)13也容易在低的正向偏壓下完全耗盡。由此，通過等電位間隔擴大，電場強度 的上升變少，從而使電場峰前后的傾斜變緩。上述的狹窄的第一溝道5之間例如為4 μ m? 5 μ m的溝道間隔。
[0119] 本發(fā)明的反向阻斷IGBT以成為上述的電場強度分布的方式在上述的條件下設置 η殼區(qū)13。本發(fā)明的雙向IGBT以成為上述的電場強度分布的方式在上述的條件下設置第 一殼區(qū)13或第二殼區(qū)13a。并且，本發(fā)明的反向阻斷IGBT和雙向IGBT如上所述通過施加 額定電壓在耗盡層在ιΓ漂移區(qū)la內未充分延伸的條件下設置ιΓ漂移區(qū)la。
[0120] 接下來，對上述的圖1、2的實施方式1的反向阻斷IGBT(以下，稱為第1實施例） 的電流特性進行驗證。在第1實施例中，將額定電壓設為600V。將半導體基板的電阻率和 厚度分別設為28 Ω cm和80 μ m。S卩，n_漂移區(qū)la的電阻率為28 Ω cm。將第一溝道5的寬 度設為1. 5 μ m，深度設為5. 0 μ m，第一溝道5的配置間隔設為4. 5 μ m。以下，參照圖5?圖 10,對該第1實施例的電流特性進行說明。圖5是表示圖2的切割線A - A'中的有效注入 劑量的分布的特性圖?？v軸為雜質濃度（cnT3)，橫軸為從發(fā)射表面起算的距離（μπι)(圖6、 22中也相同）。發(fā)射表面是指η+發(fā)射區(qū)3a與發(fā)射電極9a的邊界，即半導體基板的正面。 圖6是表示圖2的切割線B - B'中的有效注入劑量的分布的特性圖。圖5的縱軸所示的 雜質濃度是將從半導體基板正面起算某個深度（切割線A - A'）的區(qū)域的單位體積中的有 效注入劑量作為雜質濃度而示出。另外，圖6的縱軸所示的雜質濃度也同樣地將在從ιΓ漂 移區(qū)la起算朝向ρ+體區(qū)4a的方向的某個距離的區(qū)域的單位體積中的有效注入劑量作為雜 質濃度而示出。按照每個與η殼區(qū)13相當?shù)膮^(qū)域的深度對有效注入劑量進行積分，算出η 殼區(qū)13的有效的雜質濃度。即，圖5所示的η殼區(qū)13的有效注入劑量的分布的分布形狀 內的區(qū)域為η殼區(qū)13的有效注入劑量。
[0121] ιΓ漂移區(qū)la的單位面積中的有效注入劑量是指ιΓ漂移區(qū)la的設置有η殼區(qū)13 的區(qū)域中的ιΓ漂移區(qū)la的單位面積中的有效注入劑量。ιΓ漂移區(qū)la的單位面積中的有 效注入劑量用與η殼區(qū)13相同的方法算出。圖7是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的η 殼區(qū)13的有效注入劑量與反向漏電流之間的關系的特性圖。制作（制造）η殼區(qū)13的有 效注入劑量（N-Shell Dose)不同的多個第1實施例。將η殼區(qū)13的有效注入劑量分別設 定為lX10nCnT2?6.8X10 12cnT2。然后，對這些第1實施例分別測定反向漏電流。另外，作 為比較，準備沒有設置η殼區(qū)的反向阻斷IGBT (以下，稱為比較例），測定反向漏電流。
[0122] 在圖7中，為了將有效注入劑量為零的情況作為比較例表示反向漏電流，并表示η 殼區(qū)13的有效注入劑量不同的多個第1實施例的反向漏電流（縱軸），而將橫軸設為η殼區(qū) 13的有效注入劑量。ιΓ漂移區(qū)la的厚度為80 μ m。根據(jù)圖7所示的結果，可確認比較例的漏 電流在600V時為6. 0 X 10_5A (0. 06mA)。另一方面，在設置有表面雜質濃度為1. 8 X 1012cm_3 以上的η殼區(qū)13的第1實施例中，可確認即使使n_漂移區(qū)la的厚度變?。?0μπι)，也能夠 將反向漏電流實際上減少到零左右。另外，從第1實施例可知，η殼區(qū)13的有效注入劑量 越多，越能夠減少反向漏電流。其理由是η殼區(qū)13設置于ιΓ漂移區(qū)la與ρ基區(qū)2a之間， 所以由P集電區(qū)l〇a、ιΓ漂移區(qū)la以及p基區(qū)2a(p+體區(qū)4a)構成的pnp晶體管的電流放 大率變小。此外，在ιΓ漂移區(qū)la的厚度為ΙΟΟμπι，有效注入劑量為零的情況的比較例中， 可確認漏電流在600V時顯示為1. 1Χ1(Γ5Α(0. 011mA)。
[0123] 接下來，對η殼區(qū)13的有效注入劑量（N-Shell Dose)與關斷損耗（Eoff :反向恢 復損耗）和導通（Eon)損耗之和的關系進行說明。圖8是表示實施方式1的反向阻斷IGBT 的η殼區(qū)13的有效注入劑量與關斷損耗和導通損耗之和的關系的特性圖。反向阻斷IGBT 有在以反向并聯(lián)用作矩陣轉換器的雙向開關器件的情況下，作為與使用了以往的IGBT的 雙向開關器件時的IGBT串聯(lián)的反向耐壓用的二極管（續(xù)流二極管）發(fā)揮功能的階段，所以 優(yōu)選反向恢復損耗和/或導通損耗小。圖8中示出分別對上述的第1實施例和比較例的反 向恢復損耗和導通損耗進行了測定的結果。
[0124] 在圖8中，將作為比較例的沒有η殼區(qū)的反向阻斷IGBT的反向恢復損耗和導通損 耗之和（未圖示）設定為有效的雜質注入劑量為零的情況。另外，將母線電壓設為300V，測 定反向恢復電流為180A/cm 2的情況下的反向恢復損耗（關斷損耗）和導通損耗。根據(jù)圖 8所示的結果，可確認通過設置η殼區(qū)13,會有關斷損耗與導通損耗之和隨著雜質注入劑量 的增加而急劇變大的情況。推測其理由是η殼區(qū)13的有效注入劑量越多，反向恢復電流越 增大，反向恢復損耗越增大。因此，反向阻斷IGBT被用作開關元件的情況下，為了降低開關 損耗，優(yōu)選減少η殼區(qū)13的有效注入劑量。由圖8所示的結果可知，η殼區(qū)13的有效的雜 質注入劑量為5. OX 1012cnT2以下（優(yōu)選為4. OX 1012cnT2以下）時，反向恢復損耗與導通損 耗之和大致為8mJ?9mJ，反向恢復損耗與導通損耗之和的增加較少。另一方面，比較例的 反向阻斷IGBT的關斷損耗與導通損耗之和為13. 5mJ左右（未圖示）。因此，對于關斷損耗 與導通損耗之和，在上述的η殼區(qū)13的有效的雜質注入劑量為5. Ο X 1012cnT2以下（優(yōu)選為 4. 0X1012cnT2以下）的情況的第1實施例中，與比較例相比，能夠減少35%?40%左右。
[0125] 另外，圖8示出了在η殼區(qū)13的有效的雜質注入劑量超過5. OX 1012cm_2的情況下， 反向恢復損耗與導通損耗之和急劇變大。例如，η殼區(qū)13的有效注入劑量為6. 8X 1012cnT2 時，反向恢復損耗與導通損耗之和為11. 7mJ左右。此時，雖然反向恢復損耗與導通損耗之 和與比較例（13. 5mJ)相比較小，但相對于5. OX 1012cm_2以下時的第1實施例（約8mJ? 9mJ)，增大30?46%左右。由這些結果可確認，在本發(fā)明中，可以將η殼區(qū)13的有效注入 劑量設為5. OX 1012cnT2以下，優(yōu)選設為4. OX 1012cnT2以下。
[0126] 圖9是表示實施方式1的反向阻斷IGBT的反向恢復時的電壓波形和電流波形的 特性圖。圖10是表示以往的反向阻斷IGBT的反向恢復時的電壓波形和電流波形的特性 圖。在圖9、10中，橫軸表示時間（time)，縱軸表示陽極電流（Anode Current)和陽極電壓 (Anode Voltage)。圖9中示出將第1實施例的η殼區(qū)13的有效注入劑量設為3. 2 X 1012cm_2 的情況。這些圖9、10中示出母線電壓為300V且反向恢復電流為180A/cm2時的反向恢復 波形。由這些結果可知，在圖9所示的第1實施例中，反向恢復波形的反向恢復電流從負值 收斂到零的期間T1 (以下，成為收斂期間），與圖10所示的比較例的收斂期間T2相比較短。 換言之，可知第1實施例與比較例相比阻止電壓的恢復快。并且可知，在第1實施例中，不 產生反向恢復波形的振動。
[0127] 推測在第1實施例中不產生反向恢復波形的振動的理由是，通過在導通時在由p 基區(qū)2a和η殼區(qū)13構成的二極管的η殼區(qū)13積蓄少數(shù)載流子，從而能夠抑制反向恢復電 流的增大。另外，還因為通過調整ιΓ漂移區(qū)la的基板濃度，從而從ρ集電區(qū)10a朝向ρ基 區(qū)2a延伸的空間電荷區(qū)域（耗盡層）沒有到達η殼區(qū)13或第一溝道5的底部。另外，推 測在第1實施例中反向恢復電流變成零的收斂期間Τ1短，阻止電壓的恢復快的理由是ρ基 區(qū)2a的有效的擴散深度由于η殼區(qū)13的影響而變淺，因而溝道長變短，柵容量C eE變小。
[0128] 如上所述，實施方式1的反向阻斷IGBT在ιΓ漂移區(qū)la與ρ基區(qū)2a之間具備η殼 區(qū)13,該η殼區(qū)13具有η型雜質的有效注入劑量為5. OX 1012cnT2以下的雜質濃度。并且， 實施方式1的反向阻斷IGBT具有ιΓ漂移區(qū)la，該ιΓ漂移區(qū)la具有從ρ集電區(qū)10a擴展 的耗盡層不能到達η殼區(qū)13的電阻率。因此，實施方式1的反向阻斷IGBT與以往的反向 阻斷IGBT相比，能夠緩和基板內的電場。其結果，能夠提高正向耐壓和反向耐壓。另外，根 據(jù)實施方式1，由于能夠抑制反向恢復時的電壓波形和電流波形（反向恢復波形）的振動， 因此能夠防止噪聲的產生、器件的破壞。
[0129] 接下來，對實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的結構進行說明。圖11?14是 表示實施方式1的反向阻斷IGBT的另一例的截面圖。實施方式1的反向阻斷IGBT可以是 如圖11所示，在一部分的第一溝道5之間設置省略了 n+發(fā)射區(qū)3a的區(qū)域，并將省略了該n+ 發(fā)射區(qū)3a的區(qū)域間的第一溝道5的柵電極7a設為柵極電位或者發(fā)射極電位的結構，也可 以是如圖12所示，用層間絕緣膜8a覆蓋一部分的第一溝道5之間，與設置有n+發(fā)射區(qū)3a 的第一溝道5之間相比寬度增寬而設置沒有導通電流流過的區(qū)域的結構?；蛘?，實施方式1 的反向阻斷IGBT也可以是如圖13所示，在設置有n+發(fā)射區(qū)3a的第一溝道5之間，與一個 第一溝道5接觸的方式設置n+發(fā)射區(qū)3a的結構。這些圖11、12、13所示的反向阻斷IGBT 均是通過增大有效的第一溝道5附近的孔密度從而得到增強傳導率調制效果，降低導通電 壓的效果。并且，實施方式1的反向阻斷IGBT通過調整ιΓ漂移區(qū)la的厚度，也能夠形成省 略了 nLCS區(qū)域12的結構（未圖示）。有效的第一溝道5之間是指設置有n+發(fā)射區(qū)3a的 相鄰的第一溝道5之間。
[0130] 圖14中示出可在正向和反向這兩個方向進行柵控制的雙向IGBT的活性區(qū)域的結 構。圖14所示的雙向IGBT通過在半導體基板的正面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)冗@兩個主面設置溝道柵M0S 結構，從而單獨作為雙向開關器件發(fā)揮功能。半導體基板的正面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊臏系罇臡0S 結構與圖1、2、11?13所示的反向阻斷IGBT的溝道柵M0S結構是相同的構造。設基板背 面?zhèn)鹊牡诙系罏榉?a，設基板背面?zhèn)鹊摩菤^(qū)（第二殼區(qū)）為符號13a，設基板背面?zhèn)?的P基區(qū)為符號2b，設背面?zhèn)入姌O為15。在該雙向IGBT中，兩個主面?zhèn)鹊牡谝粴^(qū)13和 第二殼區(qū)13a的雜質濃度也優(yōu)選為上述的雜質濃度。另外，對于ιΓ漂移區(qū)la的雜質濃度， 也可以是施加與額定電壓相等的反向電壓時，使ιΓ漂移區(qū)la中具有從p基區(qū)2a朝向第二 殼區(qū)13a擴展的耗盡層不能到達第二殼區(qū)13a的電阻率。對于圖11?13所示的反向阻斷 IGBT和圖14所示的雙向IGBT，也起到與圖1、2的反向阻斷IGBT相同的效果。
[0131] (實施方式2)
[0132] 對于實施方式2的半導體裝置，舉例說明反向阻斷IGBT。圖18是表示本發(fā)明的實 施方式2的反向阻斷IGBT的構成的截面圖。圖19是表示圖18的反向阻斷IGBT的活性區(qū) 域的構成的截面圖。圖20是表示圖18的反向阻斷IGBT的耐壓結構區(qū)域的構成的截面圖。 實施方式2的反向阻斷IGBT與實施方式1的反向阻斷IGBT的不同點在于在ιΓ漂移區(qū)la 的內部的P集電區(qū)l〇a附近設置η型高濃度區(qū)域45用來代替η殼區(qū)。
[0133] 如圖18、19所示，在實施方式2的反向阻斷IGBT中，在活性區(qū)域220,在成為ιΓ漂 移區(qū)la的FZ硅基板（半導體基板）的正面?zhèn)龋O置由ρ基區(qū)42、η+發(fā)射區(qū)43、ρ+體區(qū)44、 柵絕緣膜46和柵電極47構成的平面型的M0S柵結構和發(fā)射電極49。具體而言，ιΓ漂移區(qū) la具有在施加了與額定電壓相等的反向電壓時，從ρ基區(qū)42與ιΓ漂移區(qū)la之間的ρη結 (Ρ基結）朝向Ρ集電區(qū)l〇a側擴展的耗盡層不能到達η型高濃度區(qū)域45的電阻率。
[0134] ρ基區(qū)42選擇性地設置于半導體基板的正面的表面層。η+發(fā)射區(qū)43和ρ+體區(qū)44 選擇性地設置于Ρ基區(qū)42的內部。柵電極47隔著柵絕緣膜設置在ρ基區(qū)42的被η+發(fā)射 區(qū)43和ιΓ漂移區(qū)la夾著的部分的表面上。發(fā)射電極49與η+發(fā)射區(qū)43和ρ+體區(qū)44導 通連接。另外，發(fā)射電極49通過層間絕緣膜48與柵電極47電絕緣。
[0135] 在成為ιΓ漂移區(qū)la的半導體基板的背面?zhèn)龋c實施方式1同樣地，設置有ρ集電 區(qū)10a和集電極11a。η型高濃度區(qū)域45設置于rT漂移區(qū)la的內部的ρ集電區(qū)10a側。 通過設置η型高濃度區(qū)域45,施加正向電壓時耗盡層從ρ基結朝向ρ集電區(qū)10a側擴展時， 能夠抑制少數(shù)載流子從P集電區(qū)l〇a向rT漂移區(qū)la的注入，而能夠降低傳輸效率。
[0136] 另外，η型高濃度區(qū)域45與ρ集電區(qū)10a分離地設置。由此，施加正向電壓時耗 盡層從P基結朝向P集電區(qū)l〇a側擴展時，在η型高濃度區(qū)域45與ρ集電區(qū)10a之間殘留 有中性區(qū)域，所以能夠抑制關斷時的電壓波形和電流波形的振動。
[0137] 另外，η型高濃度區(qū)域45以夾著rT漂移區(qū)la，且與ρ集電區(qū)10a的ρ基區(qū)42側 的面的至少一部分對置的方式設置。由此，從集電結朝向P基區(qū)42擴展的耗盡層的延伸變 短，因此能夠調整反向耐壓使其降低以接近預定的耐壓（額定電壓）。因此，與不設置η型 高濃度區(qū)域的以往的反向阻斷IGBT相比，能夠縮短耐壓結構區(qū)域的長度（從活性區(qū)域220 朝向基板外周的方向的寬度）。
[0138] 優(yōu)選地，η型高濃度區(qū)域45優(yōu)選以夾著ιΓ漂移區(qū)la，且與p集電區(qū)10a的p基區(qū) 42側的整個面對置的方式設置。即，η型高濃度區(qū)域45優(yōu)選以施加反向電壓時，從與p集 電區(qū)10a和分離區(qū)域31a與ιΓ漂移區(qū)la之間的ρη結（集電結）朝向ρ基區(qū)42側擴展的 耗盡層對置的方式設置。其理由是施加反向電壓時耗盡層從集電結朝向Ρ基區(qū)42進行了 擴展時，能夠使半導體基板內的電場強度均勻。η型高濃度區(qū)域45可以與分離區(qū)域31a接 觸。
[0139] 另外，η型高濃度區(qū)域45具有在施加反向電壓時耗盡層從集電結朝向ρ基區(qū)42擴 展時，η型高濃度區(qū)域45完全耗盡的雜質濃度。具體而言，η型高濃度區(qū)域45的總雜質量 (總注入劑量）N Dx利用基于一元泊松方程式的下述（1)式而用下述（2)式表示。

【權利要求】
1. 一種半導體裝置，其特征在于，具備： 漂移區(qū)，由第一導電型的半導體基板構成； 第二導電型的基區(qū)，選擇性地設置于所述半導體基板的一個主面的表面層； 第一導電型的發(fā)射區(qū)，選擇性地設置于所述基區(qū)的內部； 溝道，從所述半導體基板的一個主面貫通所述發(fā)射區(qū)和所述基區(qū)而到達所述漂移區(qū)； 絕緣膜，沿所述溝道的內壁設置； 柵電極，隔著所述絕緣膜埋設于所述溝道的內部； 發(fā)射電極，與所述發(fā)射區(qū)和所述基區(qū)接觸； 第一導電型的殼區(qū)，設置于所述漂移區(qū)的內部，且與所述基區(qū)的所述漂移區(qū)側接觸；和 第二導電型的集電區(qū)，設置于所述半導體基板的另一個主面的表面層， 所述殼區(qū)具有比所述漂移區(qū)高的雜質濃度， 所述殼區(qū)中的第一導電型的雜質的有效注入劑量為5.0X1012cnT2以下， 所述漂移區(qū)具有施加以所述發(fā)射電極為正極的反向的額定電壓時使得從所述集電區(qū) 擴展的耗盡層不能到達所述殼區(qū)和所述溝道的底部中的離所述集電區(qū)較近的一方的電阻 率。
2. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述殼區(qū)中的第一導電型的雜質 的有效注入劑量為4. OX 1012cm_2以下。
3. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，在所述漂移區(qū)與所述集電區(qū)之間， 設置用于減少漏電流的具有比所述漂移區(qū)高的雜質濃度的第一導電型的區(qū)域。
4. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，在所述漂移區(qū)的外周端部，進一步 具備從所述半導體基板的一個主面到達所述集電區(qū)的第二導電型的分離區(qū)域。
5. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于，所述漂移區(qū)具有施加以所述發(fā)射 電極為正極的反向的額定電壓時，使得從所述集電區(qū)朝向所述基區(qū)擴展的耗盡層不能到達 所述基區(qū)和所述溝道的底部中的離所述集電區(qū)較近的一方的電阻率。
6. -種半導體裝置，其特征在于，具備： 漂移區(qū)，由第一導電型的半導體基板構成； 第二導電型的第一基區(qū)，選擇性地設置于所述半導體基板的一個主面的表面層； 第一導電型的第一發(fā)射區(qū)，選擇性地設置于所述第一基區(qū)的內部； 第一溝道，從所述半導體基板的一個主面貫通所述第一發(fā)射區(qū)和所述第一基區(qū)而到達 所述漂移區(qū)； 第一絕緣膜，沿所述第一溝道的內壁設置； 第一柵電極，隔著所述第一絕緣膜埋設于所述第一溝道的內部； 發(fā)射電極，與所述第一發(fā)射區(qū)和所述第一基區(qū)接觸； 第一導電型的第一殼區(qū)，設置于所述漂移區(qū)的內部，且與所述第一基區(qū)的所述漂移區(qū) 側接觸； 第二導電型的第二基區(qū)，選擇性地設置于所述半導體基板的另一個主面的表面層； 第一導電型的第二發(fā)射區(qū)，選擇性地設置于所述第二基區(qū)的內部； 第二溝道，從所述半導體基板的另一個主面貫通所述第二發(fā)射區(qū)和所述第二基區(qū)而到 達所述漂移區(qū)； 第二絕緣膜，沿所述第二溝道的內壁設置； 第二柵電極，隔著所述第二絕緣膜埋設于所述第二溝道的內部； 背面電極，與所述第二發(fā)射區(qū)和所述第二基區(qū)接觸；和 第一導電型的第二殼區(qū)，設置于所述漂移區(qū)的內部，且與所述第二基區(qū)的所述漂移區(qū) 側接觸， 所述第一殼區(qū)和所述第二殼區(qū)具有比所述漂移區(qū)高的雜質濃度， 所述第一殼區(qū)和所述第二殼區(qū)中的第一導電型的雜質的有效注入劑量為 5. Ο X 1012cm 2 以下， 所述漂移區(qū)具有施加以所述發(fā)射電極為正極的反向的額定電壓時使得從所述第二基 區(qū)擴展的耗盡層不能到達所述第一殼區(qū)和所述第一溝道的底部中的離所述第二殼區(qū)較近 的一方的電阻率。
7. 根據(jù)權利要求6所述的半導體裝置，其特征在于，所述第二殼區(qū)中的第一導電型的 雜質的有效注入劑量為4. OX 1012cnT2以下。
8. 根據(jù)權利要求6所述的半導體裝置，其特征在于，所述漂移區(qū)具有施加以所述發(fā)射 電極為正極的反向的額定電壓時，使得從所述第二基區(qū)朝向所述第一基區(qū)擴展的耗盡層不 能到達所述第一基區(qū)和所述第一溝道的底部中的離所述第二殼區(qū)較近的一方的電阻率。
9. 一種半導體裝置，其特征在于，具備： 第一半導體區(qū)域，由第一導電型的半導體基板構成； 第二導電型的第二半導體區(qū)域，選擇性地設置于所述半導體基板的一個主面的表面 層； 第一導電型的第三半導體區(qū)域，選擇性地設置于所述第二半導體區(qū)域的內部，且雜質 濃度比所述第一半導體區(qū)域高； 第一電極，隔著絕緣膜設置在所述第二半導體區(qū)域的被所述第三半導體區(qū)域和所述第 一半導體區(qū)域夾著的部分的表面上； 第二電極，與所述第三半導體區(qū)域和所述第二半導體區(qū)域接觸； 第二導電型的第四半導體區(qū)域，設置于所述半導體基板的另一個主面的表面層； 第三電極，與所述第四半導體區(qū)域接觸； 第一導電型的第五半導體區(qū)域，設置于所述第一半導體區(qū)域的內部的所述第四半導體 區(qū)域側，且與所述第四半導體區(qū)域的所述第一半導體區(qū)域側的至少一部分對置，雜質濃度 比所述第一半導體區(qū)域高；和 第二導電型的第六半導體區(qū)域，設置于所述半導體基板的外周部，從所述半導體基板 的一個主面貫通所述第一半導體區(qū)域而到達所述第四半導體區(qū)域， 所述第五半導體區(qū)域中的第一導電型的雜質的總注入劑量為2. OX 1012cnT2以下。
10. -種半導體裝置，其特征在于，具備： 第一半導體區(qū)域，由第一導電型的半導體基板構成； 第二導電型的第二半導體區(qū)域，選擇性地設置于所述半導體基板的一個主面的表面 層； 第一導電型的第三半導體區(qū)域，選擇性地設置于所述第二半導體區(qū)域的內部，雜質濃 度比所述第一半導體區(qū)域高； 溝道，從所述半導體基板的一個主面貫通所述第三半導體區(qū)域和所述第二半導體區(qū)域 而到達所述第一半導體區(qū)域； 絕緣膜，沿所述溝道的內壁設置； 第一電極，隔著所述絕緣膜埋設于所述溝道的內部； 第二電極，與所述第三半導體區(qū)域和所述第二半導體區(qū)域接觸； 第二導電型的第四半導體區(qū)域，設置于所述半導體基板的另一個主面的表面層； 第三電極，與所述第四半導體區(qū)域接觸； 第一導電型的第五半導體區(qū)域，設置于所述第一半導體區(qū)域的內部的所述第四半導體 區(qū)域側，且與所述第四半導體區(qū)域的所述第一半導體區(qū)域側的至少一部分對置，雜質濃度 比所述第一半導體區(qū)域高；和 第二導電型的第六半導體區(qū)域，設置于所述半導體基板的外周部，從所述半導體基板 的一個主面貫通所述第一半導體區(qū)域而到達所述第四半導體區(qū)域， 所述第五半導體區(qū)域中的第一導電型的雜質的總注入劑量為2. OX 1012cnT2以下。
11. 根據(jù)權利要求9或10所述的半導體裝置，其特征在于，所述第五半導體區(qū)域與所述 第四半導體區(qū)域的所述第一半導體區(qū)域側的整個面對置。
12. 根據(jù)權利要求9或10所述的半導體裝置，其特征在于，還具備： 活性區(qū)域，具有所述第二半導體區(qū)域、所述第三半導體區(qū)域、所述第四半導體區(qū)域、所 述第一電極、所述第二電極以及所述第三電極； 耐壓結構區(qū)域，具有在所述半導體基板的一個主面的表面層以包圍所述活性區(qū)域的方 式設置的多個第二導電型的第七半導體區(qū)域。
13. 根據(jù)權利要求9或10所述的半導體裝置，其特征在于，所述第一半導體區(qū)域具有施 加以所述第二電極為正極的反向的額定電壓時使得從所述第二半導體區(qū)域朝向所述第五 半導體區(qū)域擴展的耗盡層不能到達所述第五半導體區(qū)域的電阻率。
【文檔編號】H01L29/78GK104145342SQ201380008904
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年2月13日 優(yōu)先權日:2012年3月16日
【發(fā)明者】吉川功 申請人:富士電機株式會社