CN102422416A - 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

具备具有二极管区和igbt区的半导体基板的半导体装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具备半导体装置，其具备形成有二极管区和IGBT区的半导体基板。在二极管区和IGBT区之间，从半导体基板的上表面起到深于阳极区的下端以及体区的下端的深度为止的范围内，形成有p型的分离区。在二极管漂移区内，形成有二极管寿命控制区。二极管寿命控制区内的载流子寿命短于二极管寿命控制区外的、二极管漂移区内的载流子寿命。二极管寿命控制区的IGBT区侧的端部位于分离区的下方。

Description

具备具有二极管区和IGBT区的半导体基板的半导体装置
技术领域
本说明书中记载的技术涉及一种半导体装置，其具备形成有二极管区和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极性晶体管)区的半导体基板。
背景技术
在日本特许公开公报2008-192737号中公开了一种半导体装置，其具备形成有二极管区和IGBT区的半导体基板。在二极管区内形成有损伤层。由于损伤层成为载流子的再结合中心，因而减小了在反向恢复时流通于二极管内的反向电流。
发明内容
发明所要解决的课题
损伤层通常是通过向半导体基板打入带电粒子而形成的。在打入带电粒子的工序中，打入有带电粒子的范围的制造误差较大。在日本特许公开公报2008-192737号的半导体装置中，损伤层的端部位于二极管区内、IGBT区内、或者二极管区和IGBT区的边界处。因此，当由于制造误差而使损伤层的端部的位置发生偏移时，二极管的特性以及IGBT的特性将发生变化。即，在该半导体装置中，由于形成有损伤层的范围的制造误差，而容易使二极管的特性以及IGBT的特性产生误差。
本说明书提供一种半导体装置，其具有二极管和IGBT，并且在量产时，二极管的特性以及IGBT的特性不易产生误差。
用于解决课题的方法
本说明书所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。在二极管区内的半导体基板的上表面上形成有阳极电极。在IGBT区内的半导体基板的上表面上形成有发射电极。在半导体基板的下表面上形成有共用电极。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，且与阳极电极相接。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，并被形成在二极管漂移区的下侧，与共用电极相接。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，且与发射电极相接。体区为p型，且被形成在发射区的侧方以及下侧，并与发射电极相接。IGBT漂移区为n型，且被形成在体区的下侧。集电区为p型，且被形成在IGBT漂移区的下侧，并与共用电极相接。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。在二极管区和IGBT区之间，从半导体基板的上表面起到深于阳极区的下端以及体区的下端的深度为止的范围内，形成有p型的分离区。在二极管漂移区内形成有二极管寿命控制区。二极管寿命控制区内的载流子寿命短于二极管寿命控制区外的、二极管漂移区内的载流子寿命。二极管寿命控制区的IGBT区侧的端部位于分离区的下方。
二极管寿命控制区为，使载流子寿命缩短化了的区域，例如包括通过打入带电粒子而形成了结晶缺陷的区域等。通过在二极管漂移区内形成二极管寿命控制区，从而在二极管的反向恢复时，二极管漂移区内的载流子容易通过再结合而消失。由此，能够抑制在二极管的反向恢复时流通的反向电流。在该半导体装置中，由于二极管寿命控制区的IGBT侧的端部位于分离区的下方，因此即使端部的位置产生误差，二极管区内的二极管寿命控制区的面积也不会改变。因此，在该半导体装置中，二极管的反向恢复特性不易产生误差。
上述的半导体装置也可以以如下方式构成。可以在IGBT漂移区内，形成有IGBT寿命控制区。IGBT寿命控制区内的载流子寿命短于IGBT寿命控制区外的、IGBT漂移区的载流子寿命。IGBT寿命控制区的二极管区侧的端部可以位于分离区的下方。
IGBT寿命控制区为，使载流子寿命缩短化了的区域，例如包括通过打入带电粒子而形成了结晶缺陷的区域等。通过在IGBT漂移区内形成IGBT寿命控制区，从而在IGBT断开时，IGBT漂移区内的载流子易于通过再结合而消失。由此，能够使IGBT的断开速度提高。在该半导体装置中，由于IGBT寿命控制区的二极管区侧的端部位于分离区的下方，因此即便端部的位置产生误差，IGBT区内的IGBT寿命控制区的面积也不会改变。因此，在该半导体装置中，IGBT的断开速度不易产生误差。
附图说明
图1为半导体装置10中的二极管区20和IGBT区40的边界部分的纵剖视图。
具体实施方式
下面对实施方式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具备半导体基板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。在半导体基板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的下表面上形成有共用电极60。
在二极管区20内形成有阳极层26、二极管漂移层28、阴极层30。
阳极层26为p型。阳极层26具备阳极接触区26a和低浓度阳极层26b。阳极接触区26a在露出于半导体基板12的上表面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，从而覆盖阳极接触区26a。低浓度阳极层26b的杂质浓度低于阳极接触区26a。
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，且杂质浓度较低。
阴极层30被形成在二极管漂移层28的下侧。阴极层30被形成在露出于半导体12的下表面的范围内。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。
二极管由阳极层26、二极管漂移层28以及阴极层30形成。
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。在各个沟槽的内表面上形成有栅绝缘膜56。在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在露出于半导体基板12的上表面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具备体接触区48a和低浓度体层48b。体接触区48a在露出于半导体基板12的上表面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具备漂移层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具有和二极管漂移层28大致相同的杂质浓度，且为与二极管漂移层28相连续的层。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。
集电层52被形成在IGBT漂移层50的下侧。集电层52被形成在露出于半导体基板12的下表面的范围内。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。
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之间形成有分离区70。分离区70被形成在从半导体基板12的上表面起到深于阳极层26的下端以及体层48的下端的深度为止的范围内。更加详细而言，分离区70被形成在从半导体基板12的上表面起到深于栅电极54的下端的深度为止的范围内。分离区70与阳极层26以及体层48相接。分离区70为p型。分离区70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70的底面是平坦的。分离区70抑制电场在阳极层26和体层48之间集中的现象。尤其是，由于分离区70被形成至深于栅电极54的下端的位置，从而抑制了电场在分离区70附近的栅电极54内集中的现象。
在分离区70的下侧，二极管漂移层28和漂移层50a接续。二极管区20的阴极层30被延伸至分离区70的下侧，并且IGBT区40的集电层52被延伸至分离区70的下侧。阴极层30在分离区70的下侧与集电层52相接。即，阴极层30和集电层52的边界72位于分离区70的下侧。更加详细而言，边界72位于分离区70的底面(平坦部分)的下侧。如图1所示的边界部分的结构是沿着二极管区20和IGBT区40之间延伸设置的。即，在二极管区20和IGBT区40之间，边界72沿着分离区70而延伸。
在二极管漂移层28内形成有二极管载流子寿命控制区39。在二极管载流子寿命控制区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。二极管载流子寿命控制区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。二极管载流子寿命控制区39被形成在阳极层26的附近的深度、且深于分离区70的下端的深度处。参考编号39a表示二极管载流子寿命控制区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)而分布。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的密度较低，从而几乎不会对半导体装置10的特性造成影响。二极管载流子寿命控制区39的端部39a位于分离区70的下侧。更加具体而言，端部39a位于分离区70的底面(平坦部分)的下侧。即，在二极管区20和IGBT区40之间，二极管载流子寿命控制区39的端部39a沿着分离区70而延伸。
在漂移层50a内形成有IGBT载流子寿命控制区59。在IGBT载流子寿命控制区59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。IGBT载流子寿命控制区59内的结晶缺陷密度与其周围的漂移层50a相比极高。IGBT载流子寿命控制区59被形成在缓冲层50b的附近的深度处。参考编号59a表示IGBT载流子寿命控制区59的二极管区20侧的端部。在端部59a的外侧(二极管区20侧)，结晶缺陷沿着深度方向分布。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，从而几乎不会对半导体装置10的特性造成影响。IGBT载流子寿命控制区59的端部59a位于分离区70的下侧。更加详细而言，端部9a位于分离区70的底面(平坦部分)的下侧。即，在二极管区20和IGBT区40之间，IGBT载流子寿命控制区59的端部59a沿着分离区70而延伸。
(半导体装置的二极管的动作)
下面对半导体装置10的二极管的动作进行说明。当在阳极电极22和共用电极60之间施加使阳极电极22成为正电位的电压(即正向电压)时，二极管将导通。即，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，而向共用电极60流通。
在本实施方式的半导体装置10中，边界72位于分离区70的下方。在二极管置于导通时，如图1中的箭头81所示，电流从分离区70朝向阴极层30流通。此外，在二极管置于导通时，如图1中的箭头80所示，电流从阳极层26朝向分离区70的下方的阴极层30流通。以此种方式，由于分离区70下方的二极管漂移层28也成为电流路径，因此该二极管的正向通态电压较低。但是，由于在分离区70的下方形成有二极管寿命控制区39，从而如箭头81所示，从分离区70向二极管漂移层28流通的载流子会穿过二极管寿命控制区39，因此大部分载流子通过在二极管寿命控制区39内再结合而消失。此外，由于从分离区70到阳极电极22的距离较长，因而电流不易在箭头81所示的路径上流通。因此，以箭头81所示的方式而流通的电流较小。此外，由于从分离区70的下方的阴极层30到阳极层26的距离较长，因而以图1中的箭头80所示的方式而流通的电流也较小。因此，即使由于制造误差而使边界72的位置(分离区70的宽度方向(图1中的左右方向)上的位置)偏移，二极管的特性也不易产生变动。即，在二极管10的批量生产时，二极管的正向通态电压不易产生误差。
当将施加在二极管上的电压从正向电压切换成反向电压时，二极管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内存在的电子向共用电极60被排出。由此，在二极管内流通有反向电流。反向电流在短时间内衰减，之后，流通于二极管内的反向电流大致变为零。二极管载流子寿命控制区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28内的大部分载流子通过在二极管载流子寿命控制区39内再结合而消失。因此，在半导体装置10中，抑制了在反向恢复动作时产生的反向电流。
在本实施方式的半导体装置10中，二极管载流子寿命控制区39的端部39a位于分离区70的下方。即使由于制造误差而使端部39a的位置(分离区70的宽度方向(图1中的左右方向)上的位置)在分离区70的下方发生偏移，二极管区20内的二极管载流子寿命控制区39的面积也不会改变。此外，如上文所述，在分离区70的下方的二极管漂移层28内流通的电流较小。因此，即使由于端部39a的位置发生偏移而使分离区70的下方的二极管漂移层28的特性发生变化，对二极管的反向恢复特性造成的影响也较小。因此，在半导体10中，即使端部39a的位置发生偏移，二极管的反向恢复特性也不易产生变动。即，在半导体装置10的批量生产时，二极管的反向恢复特性不易产生误差。
此外，在半导体装置10中，二极管载流子寿命控制区39延伸至分离区70的下侧。因此，分离区70的下侧的二极管漂移区28内存在的载流子，在二极管载流子寿命控制区39内再结合。因此，防止了在反向恢复动作时于分离区70附近产生较高的电流的情况。
(半导体装置的IGBT的动作)
下面对半导体装置10的IGBT的动作进行说明。当向发射电极42和共用电极60之间施加使共用电极60成为正电位的电压，且向栅电极54上施加导通电位(形成沟道所需要的电位以上的电位)时，IGBT将导通。即，通过向栅电极54施加导通电位，从而在与栅电极56相接的范围内的低浓度体层48b中形成沟道。于是，电子从发射电极42起，经由发射区44、沟道、IGBT漂移层50以及集电层52，而向共用电极60流通。并且，空穴从共用电极60起，经由集电层52、IGBT漂移层50、低浓度体层48b以及体接触区48a，而向发射电极42流动。即，电流从共用电极60向发射电极42流通。
在本实施方式的半导体装置10中，边界72位于分离区70的下方。当IGBT置于导通时，如图1中的箭头83所示，电流从集电层52朝向分离区70流通。并且，当IGBT置于导通时，如图1中的箭头82所示，电流从分离区70的下方的集电层52朝向体层48流通。如此，由于分离区70的下方的IGBT漂移层50也成为电流路径，因而该IGBT的通态电压较低。但是，由于在分离区70的下方形成有IGBT寿命控制区59，从而如箭头83所示，从IGBT漂移层50向分离区70流动的载流子将穿过IGBT寿命控制区59，因此大部分载流子将通过在IGBT寿命控制区59内再结合而消失。此外，由于从分离区70到发射电极42的距离较长，因而电流不易在箭头83所示的路径上流通。因此，以箭头83所示的方式而流通的电流较小。此外，由于从分离区70的下方的集电区52到体层48的距离较长，因此以图1中的箭头82所示的方式而流通的电流较小。如此，在分离区70的下方的IGBT漂移层50内流通的电流较小。因此，即使由于制造误差而使边界72的位置(分离区70的宽度方向(图1中的左右方向)上的位置)发生偏移，IGBT的特性也不易产生变动。即，在半导体装置10的批量生产时，IGBT的通态电压不易产生误差。
当将施加在栅电极54上的电位从导通电位切换成断开电位时，IGBT将断开。即，在导通时，IGBT漂移层50内存在的空穴将向共用电极60被排出，并且在导通时，IGBT漂移层50内存在的电子将向发射电极42被排出。由此，使得反向电流流通于IGBT内。反向电流在短时间内衰减，之后，流通于IGBT内的电流大致变为零。另外，IGBT载流子寿命控制区59内的结晶缺陷作为载流子的再结合中心而发挥作用。因此，在断开动作时，IGBT漂移层50内的大部分载流子将通过在IGBT载流子寿命控制区59内再结合而消失。因此，在半导体装置10中，抑制了在断开动作时产生的反向电流。由此，提高了IGBT的断开速度。
另外，在本实施方式的半导体装置10中，IGBT载流子寿命控制区59的端部59a位于分离区70的下方。即使由于制造误差而使端部59a的位置(分离区70的宽度方向(图1中的左右方向)上的位置)在分离区70的下方发生偏移，IGBT区40内的IGBT载流子寿命控制区59的面积也不会改变。此外，如上文所述，在分离区70的下方的IGBT漂移层50内流通的电流较小。因此，即使由于端部59a的位置发生偏移而使分离区70的下方的IGBT漂移层50的特性发生改变，对IGBT的断开速度造成的影响也较小。因此，在半导体装置10中，即使端部59a的位置发生偏移，IGBT的断开速度也不易产生变动。即，在半导体装置10的批量生产时，IGBT的断开速度不易产生误差。
此外，在半导体装置10中，IGBT载流子寿命控制区59延伸至分离区70的下侧。因此，分离区70的下侧的IGBT漂移区50内存在的载流子，将在IGBT载流子寿命控制区59内再结合。因此，防止了在断开时，于分离区70附近产生较高的电流的情况。
如以上说明所述，在本实施方式的半导体装置10中，边界72、二极管载流子寿命控制区39的端部39a、以及IGBT载流子寿命控制区59的端部59a位于分离区70的下方。换而言之，即使边界72、端部39a以及端部59a由于制造误差导致位置偏移，分离区70也具有足够的宽度，以使边界72、端部39a以及端部59a位于分离区70的下方。因此，在半导体装置10的批量生产时，二极管的正向通态电压、二极管的反向恢复特性、IGBT的通态电压以及IGBT的断开速度不易产生误差。从而能够以稳定的品质来制造半导体装置10。
另外，虽然在上述的实施方式的半导体装置10中，寿命控制区39、59被形成在二极管区20和IGBT区40内，但是，例如也可以仅在二极管区20和IGBT区40中的某一方内形成寿命控制区。

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，其特征在于，
在二极管区内的半导体基板的上表面上形成有阳极电极，
在绝缘栅双极性晶体管区的半导体基板的上表面上形成有发射电极，
在半导体基板的下表面上形成有共用电极，
在二极管区内形成有：
阳极区，其为p型，且与阳极电极相接；
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，并被形成在二极管漂移区的下侧，与共用电极相接，
在绝缘栅双极性晶体管区内形成有：
发射区，其为n型，且与发射电极相接；
体区，其为p型，且被形成在发射区的侧方以及下侧，并与发射电极相接；
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；
集电区，其为p型，且被形成在绝缘栅双极性晶体管漂移区的下侧，并与共用电极相接；
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，
在二极管区和绝缘栅双极性晶体管区之间，从半导体基板的上表面起到深于阳极区的下端以及体区的下端的深度为止的范围内，形成有p型的分离区，
在二极管漂移区内形成有二极管寿命控制区，
二极管寿命控制区内的载流子寿命短于二极管寿命控制区外的、二极管漂移区内的载流子寿命，
二极管寿命控制区的绝缘栅双极性晶体管区侧的端部位于分离区的下方。
2.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，
在绝缘栅双极性晶体管漂移区内，形成有绝缘栅双极性晶体管寿命控制区，
绝缘栅双极性晶体管寿命控制区内的载流子寿命短于绝缘栅双极性晶体管寿命控制区外的、绝缘栅双极性晶体管漂移区内的载流子寿命，
绝缘栅双极性晶体管寿命控制区的二极管区侧的端部位于分离区的下方。
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