CN102414817B - 具备具有二极管区和igbt区的半导体基板的半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体装置，其具备形成有二极管区和IGBT区的半导体基板。在二极管漂移区内形成有寿命控制区。二极管漂移区和IGBT漂移区在二极管区和IGBT区之间的边界区内连续。边界区内形成有第1分离区和第2分离区。第1分离区为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，并与阳极区相接。第2分离区为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，并与体区相接，且与第1分离区分离。
Description
技术领域
本说明书所记载的技术涉及一种具备形成有二极管区和IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor：绝缘栅双极性晶体管)区的半导体基板的半导体装置。
背景技术
在日本特许公开公报2008-235405号(以下，称为专利文献1)中，公开了一种具备形成有二极管区和IGBT区的半导体基板的半导体装置。在该半导体装置中，于二极管区和IGBT区之间的边界区内形成有p型区。该p型区被形成在，从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内。并且，该p型区与阳极区以及体区相接。以此种方式，通过在阳极区和体区之间形成较深的p型区，从而抑制了电场在IGBT区和二极管区的边界附近的栅电极和体区内集中的现象。
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1的半导体装置中，较深的p型区经由阳极区而与阳极电极相连接，且经由体区而与发射电极相连接。并且，如专利文献1所述，具有二极管和IGBT的半导体装置在二极管的阳极电极和IGBT的发射电极导通的状态下被使用。即，在向阳极电极和阴极电极之间施加正向电压时，发射电极也和阳极电极同样成为高电位。在向专利文献1中的半导体装置的二极管施加正向电压时，由于阳极电极和发射电极将成为高电位，从而较深的p型区也将成为高电位。因此，电流将从较深的p型区起经由较深的p型区的下方的漂移区和阴极区，而朝向阴极电极流通。以此种方式，在专利文献1的半导体装置中，通过较深的p型区、漂移区和阴极区而形成了寄生二极管。
为了抑制在二极管的反向恢复动作时流通的反向电流，有时会在二极管的漂移区(以下，称为二极管漂移区)内形成寿命控制区。寿命控制区为，通过形成结晶缺陷从而缩短了载流子的寿命的区域。当在专利文献1的半导体装置的二极管漂移区内形成寿命控制区时，将产生以下的问题。如上文所述，在专利文献1的半导体装置中形成有寄生二极管。在二极管的反向恢复动作时，于二极管区中，二极管漂移区内的多数载流子通过在寿命控制区再结合而消失。因此，在二极管区内不会流有较大的反向电流。另一方面，在反向恢复动作时，寄生二极管内也流有反向电流。由于在寄生二极管内流通的反向电流不经过寿命控制区，因此寄生二极管内流通的反向电流将变大。由于通过寄生二极管而产生的反向电流，将会导致反向恢复动作时的损耗增大。
本说明书提供一种具有二极管和IGBT、且在二极管的反向恢复动作时不易产生反向电流的半导体装置。
用于解决课题的方法
本说明书公开的半导体装置具备形成有二极管区和IGBT区的半导体基板。在二极管区内形成有阳极区、二极管漂移区和阴极区。阳极区为p型，且被形成在包含半导体基板的上表面在内的范围内。二极管漂移区为n型，且被形成在阳极区的下侧。阴极区为n型，且n型杂质浓度高于二极管漂移区，并被形成在包含半导体基板的下表面在内的、二极管漂移区的下侧的范围内。在IGBT区内形成有发射区、体区、IGBT漂移区、集电区和栅电极。发射区为n型，且被形成在包含半导体基板的上表面在内的范围内。体区为p型，且被形成在包含半导体基板的上表面在内的范围以及发射区的下侧的范围内。IGBT漂移区为n型，且被形成在体区的下侧，并通过体区而与发射区分离。集电区为p型，且被形成在包含半导体基板的下表面在内的、IGBT漂移区的下侧的范围内。栅电极通过绝缘膜而与将发射区和IGBT漂移区分离的范围内的体区对置。在二极管漂移区内形成有寿命控制区。寿命控制区的载流子寿命短于寿命控制区外的、二极管漂移区内的载流子寿命。二极管漂移区和IGBT漂移区在边界区内连续。在边界区内形成有第1分离区、第2分离区和n型区。第1分离区为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，并与阳极区相接。第2分离区为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，并与体区相接。n型区被形成在第1分离区和第2分离区之间，从而将第1分离区和第2分离区分离。
在该半导体装置中，边界区内形成有第1分离区和第2分离区。即，边界区内形成有相互分离的两个较深的p层。通过第1分离区和第2分离区，从而能够抑制电场在边界区附近的IGBT的栅电极或体区内集中的现象。此外，二极管区内的二极管的反向电流通过寿命控制区而被抑制。此外，由于与体区相接的第2分离区和二极管区的阴极区分离，因而在二极管区内的二极管的反向恢复动作时，在第2分离区内几乎不会流有反向电流。因此，与边界区内形成有一个较深的p型区(与阳极区和体区双方相接的p型区)的半导体装置相比，经由边界区而流通的反向电流减小。因此，该半导体装置在二极管的反向恢复动作时不易产生反向电流。
上述的半导体装置优选采用如下的结构，即，在第1分离区和第2分离区之间形成有第3分离区。第3分离区为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，且通过所述n型区而与第1分离区以及第2分离区分离。
该半导体装置中，通过第1分离区、第2分离区以及第3分离区，从而能够抑制电场在边界区附近的IGBT的栅电极或体区内集中的现象。此外，由于第3分离区与第1分离区以及第2分离区分离，因此在第3分离区内不会流有反向电流。以此种方式，由于通过含有不流通反向电流的第3分离区的结构而形成了边界区，因此能够进一步抑制边界区内的反向电流。
上述的半导体装置优选采用如下的结构，即，寿命控制区的IGBT区侧的端部位于第1分离区的下方。
以此种方式，通过将寿命控制区延伸至第1分离区的下方，从而能够减小在第1分离区内流通的反向电流。
附图说明
图1为第1实施例中的半导体装置的纵剖视图。
图2为第2实施例中的半导体装置的纵剖视图。
具体实施例
(第1实施例)
下面对第1实施例所涉及的半导体装置进行说明。
(半导体装置的结构)
如图1所示，半导体装置10具有半导体基板12和被形成在半导体基板12的上表面以及下表面上的金属层以及绝缘层等。半导体基板12上形成有二极管区20和IGBT区40。
在二极管区20内的半导体基板12的上表面上形成有阳极电极22。在IGBT区40内的半导体基板12的上表面上形成有发射电极42。在半导体基板12的下表面的整个区域内形成有共用电极60。
在二极管区20上形成有阳极层26、二极管漂移层28以及阴极层30。
阳极层26为p型。阳极层26具有阳极接触区26a和低浓度阳极层26b。阳极接触区26a在包含半导体基板12的上表面在内的范围内被形成为岛状。阳极接触区26a的杂质浓度较高。阳极接触区26a与阳极电极22欧姆接触。低浓度阳极层26b被形成在阳极接触区26a的下侧以及侧方，并覆盖阳极接触区26a。低浓度阳极层26b的杂质浓度低于阳极接触区26a。阳极层26的下端的位置浅于后文叙述的栅电极54的下端的位置。
二极管漂移层28被形成在阳极层26的下侧。二极管漂移层28为n型。二极管漂移层28具有漂移层28a和缓冲层28b。漂移层28a被形成在阳极层26的下侧。漂移层28a的杂质浓度较低。缓冲层28b被形成在漂移层28a的下侧。缓冲层28b的杂质浓度高于漂移层28a。
阴极层30被形成在二极管漂移层28的下侧。阴极层30被形成在包含半导体基板12的下表面在内的范围内。阴极层30为n型，且杂质浓度较高。阴极层30与共用电极60欧姆接触。
在二极管区20内，由阳极层26、二极管漂移层28以及阴极层30而形成了二极管。以下，将被形成在二极管区内的二极管称为二极管20。
在IGBT区40内形成有发射区44、体层48、IGBT漂移层50、集电层52以及栅电极54等。
在IGBT区40内的半导体基板12的上表面上形成有多个沟槽。各个沟槽的内表面上形成有栅绝缘膜56。各个沟槽的内部形成有栅电极54。栅电极54的上表面被绝缘膜58覆盖。栅电极54与发射电极42绝缘。
发射区44在包含半导体基板12的上表面在内的范围内被形成为岛状。发射区44被形成在与栅绝缘膜56相接的范围内。发射区44为n型，且杂质浓度较高。发射区44与发射电极42欧姆接触。
体层48为p型。体层48具有体接触区48a和低浓度体层48b。体接触区48a在包含半导体基板12的上表面在内的范围内被形成为岛状。体接触区48a被形成在两个发射区44之间。体接触区48a的杂质浓度较高。体接触区48a与发射电极42欧姆接触。低浓度体层48b被形成在发射区44以及体接触区48a的下侧。低浓度体层48b被形成在浅于栅电极54的下端的范围内。低浓度体层48b的杂质浓度低于体接触区48a。通过低浓度体层48b，从而使发射区44与IGBT漂移层50分离。栅电极54通过绝缘膜56，而与将发射区44和IGBT漂移层50分离的范围内的低浓度体层48b对置。
IGBT漂移层50被形成在体层48的下侧。IGBT漂移层50为n型。IGBT漂移层50具有漂移层50a和缓冲层50b。漂移层50a被形成在体层48的下侧。漂移层50a的杂质浓度较低。漂移层50a具有与二极管漂移层28大致相同的杂质浓度。漂移层50a在后文叙述的边界区70内与漂移层28a相接。以下，有时会将漂移层28a和漂移层50a统称为漂移层90。缓冲层50b被形成在漂移层50a的下侧。缓冲层50b的杂质浓度高于漂移层50a。缓冲层50b在后面叙述的边界区70内与漂移层28b相接。
集电层52被形成在IGBT漂移层50的下侧。集电层52被形成在包含半导体基板12的下表面在内的范围内。集电层52为p型，且杂质浓度较高。集电层52与共用电极60欧姆接触。集电层52与阴极层30邻接。集电层52和阴极层30的边界位于后面叙述的分离区72的下方。
在IGBT区40内，由发射区44、体层48、IGBT漂移层50、集电层52以及栅电极54而形成了IGBT。
在二极管区20和IGBT区40之间存在边界区70。在边界区70中形成有两个分离区72、74。分离区72、74被形成在，从半导体基板12的上表面起到比阳极层26的下端以及体层48的下端更深的深度为止的范围内。更加详细而言，分离区72、74被形成在，从半导体基板12的上表面起到比栅电极54的下端更深的深度为止的范围内。分离区72与阳极层26相接。分离区72为p型。分离区72的杂质浓度高于低浓度阳极层26b以及低浓度体层48b。分离区74与体层26相接。分离区74为p型。分离区74的杂质浓度高于低浓度阳极层26b以及低浓度体层48b。分离区72和分离区74之间存在漂移层90。通过漂移层90，从而使分离区72和分离区74被相互分离。当IGBT关闭时，耗尽层从分离区72、74向其下侧的漂移层90内延伸。由此，抑制了边界区70附近的电场集中。尤其是，由于分离区72、74被形成至比栅电极54的下端更深的深度为止，因而抑制了电场在分离区70附近的栅电极54处集中的现象。
在分离区72、74的下侧，二极管漂移层28和IGBT漂移层50连续。二极管区20的阳极层30延伸至边界区70内，且IGBT区40的集电层52延伸至边界区70内。阴极层30在分离区72的下侧与集电层52相接。图1所示的边界区70的剖面结构是沿着二极管区20和IGBT区40的边界而延伸设置的。
在二极管漂移层28内形成有载流子寿命控制区39。在载流子寿命控制区39内，存在通过向半导体基板12打入带电粒子而形成的结晶缺陷。载流子寿命控制区39内的结晶缺陷密度与其周围的二极管漂移层28相比极高。载流子寿命控制区39被形成在阳极层26的附近的深度，且深于分离区72的下端的深度处。参考序号39a表示载流子寿命控制区39的IGBT区40侧的端部。在端部39a的外侧(IGBT区40侧)，结晶缺陷沿着深度方向(图1中的纵向)分布。这是由于，在打入带电粒子时，带电粒子的打入深度在掩膜的开口部的外周附近发生变化的缘故。沿着深度方向分布的结晶缺陷密度较低，几乎不会对半导体装置10的特性造成影响。载流子寿命控制区39的端部39a位于分离区72的下侧。即，载流子寿命控制区39的端部39a沿着分离区72延伸。
(半导体装置的二极管的动作)
对半导体装置10的二极管20的动作进行说明。在二极管20内流通有电流时，二极管20将被施加正向电压。即，在阳极电极22和共用电极60之间，施加有阳极电极22成为正电位的电压。另外，半导体装置10在使阳极电极22和发射电极42被导通的状态下使用。因此，当向二极管20施加正向电压时，发射电极42的电位将上升至与阳极电极22大致相同的电位。当被施加正向电压时，二极管20将导通。即，如图1中的箭头100所示，电流从阳极电极22起经由阳极层26、二极管漂移层28以及阴极层30而朝向共用电极60流通。
此外，在半导体装置10内，通过阳极层26、分离区72、漂移层90、阴极层30而形成了寄生二极管(以下，称为第1寄生二极管)。当被施加正向电压时，第1寄生二极管将导通，从而电流也以图1中的箭头102所示的路径而从阳极电极22朝向共用电极60流通。
此外，在半导体装置10中，还通过体接触区48a、分离区72、漂移层90、阴极层30而形成了寄生二极管(以下，称为第2寄生二极管)。当被施加正向电压从而发射电极42成为高电位时，电流将以图1中的箭头104所示的路径而从发射电极42朝向共用电极60流通。然而，在半导体装置10中，通过使分离区74与分离区72分离，从而从分离区74到阴极区30的距离变长。因此，以箭头104所示的路径流通的电流极小。
当施加在二极管20上的电压从正向电压切换为反向电压时，二极管20将实施反向恢复动作。即，在施加正向电压时，二极管漂移层28内存在的空穴将向阳极电极22被排出，且在施加正向电压时，二极管漂移层28内存在的电子将向共用电极60被排出。由此，反向电流在二极管20中向图1中的箭头100的反方向流通。反向电流在短时间内衰减，之后，在二极管20内流通的电流大致变为零。载流子寿命控制区39内的结晶缺陷作为载流子的再结合中心而发挥作用。因此，在反向恢复动作时，二极管漂移层29内的大部分载流子通过在载流子寿命控制区39内再结合而消失。因此，在二极管20内流通的反向电流较小。
此外，在二极管20的反向恢复动作时，第1寄生二极管内也流有反向电流。即，反向电流向图1的箭头102的反方向上流通。如上文所述，在分离区72的下方形成有载流子寿命控制区39。因此，在第1寄生二极管内流通的反向电流将穿过载流子寿命控制区39。因此，大部分载流子在载流子寿命控制区39内消失。因此，在第1寄生二极管内流通的反向电流也较小。
此外，在二极管20的反向恢复动作时，第2寄生二极管内也流有反向电流。即，反向电流向图1中的箭头104的反方向流通。然而，如上文所述，在施加正向电压时第2寄生二极管内流通的电流极小。因此，在二极管20的反向恢复动作时，第2寄生二极管的电流路径(箭头104)中存在的载流子极少。因此，在第2寄生二极管内流通的反向电流极小。
如以上说明中所述，在第1实施例的半导体装置10中，由于分离区74与分离区72分离，因而在分离区74内流通的反向电流极小。由此，抑制了由于反向电流而产生损耗的情况。
此外，在第1实施例的半导体装置10中，分离区72的下方的漂移层90内形成有载流子寿命控制区39。由此，抑制了在分离区72内流通的反向电流。因此，进一步抑制了由于反向电流而产生损耗的情况。
(第2实施例)
下面，对第2实施例中的半导体装置110进行说明。第2实施例中的半导体装置110的边界区70的宽度与第1实施例中的半导体装置10的边界区70的宽度大致相等。在第2实施例的半导体装置110中，与第1实施例中的半导体装置10相比，分离区72的宽度和分离区74的宽度较小，且在分离区72和分离区74之间形成有分离区76。第2实施例中的半导体装置10的其他结构与第1实施例中的半导体装置10相同。
分离区76被形成在，从半导体基板12的上表面起到比栅电极54的下端更深的深度为止的范围内。分离区76为p型。分离区76的杂质浓度高于低浓度阳极层26b以及低浓度体层48b。分离区76的上表面被绝缘层78覆盖。在分离区76和分离区72之间存在漂移层90。通过漂移层90，从而使分离区76和分离区72被相互分离。在分离区76和分离区74之间存在漂移层90。通过漂移层90，从而使分离区76和分离区74被相互分离。通过分离区72、74、76，从而抑制了电场在边界区70附近的栅电极54以及体层48内集中的现象。
分离区76的周围被漂移区90包围。因此，在向二极管20施加了正向电压时，分离区76不会成为电流的路径。因此，在二极管20的反向恢复动作时，在分离区76内也不会流通有反向电流。并且，通过形成分离区76，从而分离区72、74的宽度变小。由于分离区72的宽度变小，从而反向电流更不易流通。此外，由于分离区74的宽度变小，而且到阴极层30的距离变长，因而反向电流更不易流通。因此，第2实施例中的半导体装置110与第1实施例中的半导体装置10相比，反向电流更不易流通。
如以上说明中所述，在第1实施例的半导体装置以及第2实施例的半导体装置中，边界区内设置有多个分离区。由此，抑制了边界区附近的电场集中，且抑制了反向电流在边界区内流通的现象。
另外，虽然在上述的第2实施例中，边界区内形成有3个分离区，但是也可以在边界区内形成4个以上的分离区。
Claims (2)
1.一种半导体装置，其具备形成有二极管区和绝缘栅双极性晶体管区的半导体基板，
所述半导体装置的特征在于，
在二极管区中形成有：
阳极区，其为p型，且被形成在包含半导体基板的上表面在内的范围内；
二极管漂移区，其为n型，且被形成在阳极区的下侧；
阴极区，其为n型，且n型杂质浓度高于二极管漂移区，并被形成在包含半导体基板的下表面在内的、二极管漂移区的下侧的范围内，
在绝缘栅双极性晶体管区中形成有：
发射区，其为n型，且被形成在包含半导体基板的上表面在内的范围内；
体区，其为p型，且被形成在包含半导体基板的上表面在内的范围、以及发射区的下侧的范围内；
绝缘栅双极性晶体管漂移区，其为n型，且被形成在体区的下侧，并通过体区而与发射区分离；
集电区，其为p型，且被形成在包含半导体基板的下表面在内的、绝缘栅双极性晶体管漂移区的下侧的范围内；
栅电极，其通过绝缘膜而与将发射区和绝缘栅双极性晶体管漂移区分离的范围内的体区对置，
在二极管漂移区内形成有寿命控制区，
寿命控制区内的载流子寿命短于寿命控制区外的二极管漂移区内的载流子寿命，
二极管漂移区和绝缘栅双极性晶体管漂移区在二极管区和绝缘栅双极性晶体管区之间的边界区内连续，
在边界区内形成有：
第1分离区，其为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，并与阳极区相接；
第2分离区，其为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，并与体区相接；
n型区，其为n型，且被形成在第1分离区和第2分离区之间，从而将第1分离区和第2分离区分离，
寿命控制区的绝缘栅双极性晶体管区侧的端部，位于第1分离区的下方。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
在第1分离区和第2分离区之间形成有第3分离区，所述第3分离区为p型，且被形成在从半导体基板的上表面起到比阳极区的下端以及体区的下端更深的深度为止的范围内，并通过所述n型区而与第1分离区以及第2分离区分离。
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