CN103765582B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种二极管区（11）和IGBT区（13）被形成在同一半导体基板上的半导体装置。二极管区具备多个第一导电型的阳极层（115、116），所述多个第一导电型的阳极层（115、116）露出于半导体基板（100）的表面且被相互隔离。IGBT区具备多个第一导电型的体接触层（135），所述多个第一导电型的体接触层（135）露出于半导体基板的表面且被相互隔离。阳极层具备至少一个以上的第一阳极层（116）。第一阳极层（116）至少被形成在接近IGBT区的位置处，第一阳极层（116）各自的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近二极管区的体接触层（135）的半导体基板平面方向上的面积。由此，由于从第一阳极层（116）注入有较多的空穴，因此能够降低第一二极管区（11a）的正向电压。能够抑制因从体接触层（135）注入的空穴减少而使二极管区的正向电压上升的情况，以及，热损耗增大的情况。

Description

半导体装置
技术领域
本说明书所记载的技术涉及一种半导体装置。
背景技术
日本国专利公开公报2008-53648号（专利文献1）中公开了一种二极管区和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极性晶体管)区被形成在同一半导体基板上的半导体装置。在二极管区内，于半导体基板的背面侧形成有n型的阴极层，而在IGBT区内，于半导体基板的背面侧形成有p型的集电层。阴极层和集电层相互相接，且其边界存在于二极管区和IGBT区的边界区内。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-53648号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在二极管区和IGBT区被形成在同一半导体基板上的半导体装置中，在二极管动作时，通过从IGBT区侧向二极管区侧流入的空穴而使二极管区的正向电压降低。但是，在二极管动作时实施向IGBT区内施加栅电压的控制的情况下，将沿着IGBT区的绝缘栅而从发射层向漂移层形成n型的沟道。当形成该沟道时，从IGBT区侧向二极管区侧流入的空穴将减少。其结果为，二极管区的正向电压上升从而使热损耗变大。
用于解决课题的方法
在本说明书所公开的半导体装置中，二极管区和IGBT区被形成在同一半导体基板上。二极管区具备：多个第一导电型的阳极层，其露出于半导体基板的表面且被相互隔离；第一导电型的二极管体层，其被形成于阳极层的背面侧，且与阳极层相比，第一导电型的杂质浓度较低；第二导电型的二极管漂移层，其被形成于二极管体层的背面侧；第二导电型的阴极层，其被形成于二极管漂移层的背面侧，且与二极管漂移层相比，第二导电型的杂质浓度较高。IGBT区具备：第二导电型的发射层，其露出于半导体基板的表面；多个第一导电型的体接触层，其露出于半导体基板的表面且被相互隔离；第一导电型的IGBT体层，其被形成于发射层以及体接触层的背面侧，且与体接触层相比，第一导电型的杂质浓度较低；第二导电型的IGBT漂移层，其被形成于IGBT体层的背面侧；第一导电型的集电层，其被形成于IGBT漂移层的背面侧；IGBT栅电极，其通过绝缘膜而与将发射层和IGBT漂移层分离的范围内的IGBT体层对置。阳极层具备至少一个以上的第一阳极层。第一阳极层至少被形成在接近IGBT区的位置处，第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积。
根据上述的半导体装置，第一阳极层至少被形成在接近IGBT区的位置处，且第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积。因此，在二极管动作时，从第一阳极层向二极管漂移层注入的空穴的量变得多于从体接触层向IGBT漂移层注入的空穴的量。由于能够使从IGBT区流入的空穴的量，相对于从接近IGBT区的阳极层注入的空穴的量而相对地减小，因此能够抑制因从IGBT区流入的空穴的量而使二极管区的正向电压发生变动的情况。能够抑制因从IGBT区流入的空穴的量减少而使二极管区的正向电压上升的情况，以及热损耗增大的情况。
上述的半导体装置可以还具备被形成在与第一阳极层相比距IGBT区较远的位置处的、至少一个以上的第二阳极层。第二阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，可以小于第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积。此外，第二阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，可以大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积。
附图说明
图1为实施例1所涉及的半导体装置的俯视图。
图2为沿图1中的II-II线的剖视图。
图3为对实施例1所涉及的半导体装置的二极管动作时的状态进行说明的图。
图4为改变例所涉及的半导体装置的俯视图。
图5为改变例所涉及的半导体装置的俯视图。
具体实施方式
在本说明书所公开的半导体装置中，阳极层具备至少一个以上的第一阳极层。第一阳极层至少被形成在接近IGBT区的位置处。第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积。另外，“最接近二极管区”是指，被形成在IGBT区的端部处，且至IGBT区与二极管区的边界的距离最近。此外，被形成在“接近IGBT区的位置”处的阳极层是指，被形成在距IGBT区与二极管区的边界更近的位置处的、一个以上的阳极层。被形成在“接近IGBT区的位置”处的阳极层也可以包括最接近IGBT区的阳极层，并且还包括被形成在与该阳极层相比距IGBT区较远的位置处的、一个以上的阳极层。因此，例如，从接近IGBT区与二极管区的边界的一侧至第一～第三左右的位置也可以为第一阳极层。
例如，虽然未被特别限定，但是在阳极层和体接触层双方被形成为，沿着绝缘栅的长边方向而以同样的方式延伸时，使各自的第一阳极层的绝缘栅的短边方向（与长边方向垂直的方向）上的宽度，大于最接近二极管区的体接触层的绝缘栅的短边方向上的宽度。由此，能够使第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积。
上述的半导体装置也可以具备被形成在与第一阳极层相比距IGBT区较远的位置处的、至少一个以上的第二阳极层。例如，可以采用如下方式，即，在多个阳极层中，在从接近IGBT区与二极管区的边界的一侧至第一～第三左右的位置处形成有第一阳极层，并且在与第一阳极层相比距IGBT区较远的位置处形成有第二阳极层。第二阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，与最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积相比，既可以较大，也可以大致相同，还可以较小。例如，可以采用如下方式，即，阳极层的半导体基板平面方向上的面积从第一阳极层侧朝向第二阳极层侧（即，朝向距接近IGBT区的一侧较远的一侧）而逐渐缩小。在根据距IGBT区的距离而改变阳极层的半导体基板平面方向上的面积时，例如，优选为，减少第二阳极层的半导体基板平面方向上的面积，以抵消第一阳极层的半导体基板平面方向上的面积的增量。由于能够将二极管区整体的空穴的注入量抑制为与现有结构的半导体装置相等或其以下，因此例如，能够抑制用于对形成于二极管区内的载流子的寿命进行控制的结构（例如，结晶缺陷）的量。此外，例如，第一阳极层以及第二阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，也可以大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积。换言之，可以采用如下方式，即，在全部的多个阳极层中，各自的阳极层的半导体基板平面方向上的面积，均大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积。此外，多个阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积可以大致相同。换言之，多个阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积可以与第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积相同。
二极管区和IGBT区既可以分别各有一个，也可以有多个二极管区或多个IGBT区。例如，在一个IGBT区中存在多个二极管区的情况下，或在多个IGBT区被交替配置的情况下，在该半导体装置中，二极管区和IGBT区的边界存在有多个。在二极管区和IGBT区的边界存在有多个的半导体装置中，二极管区与IGBT区之间的载流子的移动对半导体装置的特性的影响变大。因此，因本申请所涉及的、具备第一阳极层的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积这种结构而实现的半导体特性改善的效果变得更加显著。另外，在二极管区与IGBT区的边界存在有多个的半导体装置中，只需在至少一个二极管区与IGBT区的边界附近处应用上述的本申请所涉及的阳极层的结构即可。
另外，本申请所涉及的半导体装置也可以采用如下方式，即，以与漂移层的背面相接的方式而具备缓冲层，并以与缓冲层的背面相接的方式而形成有集电层、阴极层。此外，也可在二极管区内形成有绝缘栅或虚设栅。
利用现有的半导体装置的制造方法，能够容易地制造出本申请所公开的半导体装置。例如，在为了形成阳极层、体接触层等而实施杂质注入的工序中，通过对图案掩模的形状进行调节，从而能够容易地进行制造。
实施例1
（半导体装置）
图1、2所示的半导体装置1为，IGBT和二极管被形成在同一半导体基板100上的RC－IGBT。另外，图1所示的俯视图图示了半导体基板100的表面，其中，省略了被形成在半导体基板100的表面上的表面电极101的图示。此外，在半导体装置1中，交替地配置有多个IGBT区和多个二极管区，且具有多个IGBT区和二极管区的边界。图1、2图示了多个IGBT区与二极管区的边界中的一个，且半导体装置1的多个边界均具有与图1、2相同的结构。
半导体装置1具备：半导体基板100；虚设栅130、绝缘栅140以及表面绝缘膜145，被形成在半导体基板100的表面侧；表面电极101，其与半导体基板100的表面相接；背面电极102，其与半导体基板100的背面相接。半导体基板100具备二极管区11和IGBT区13。二极管区11具备第一二极管区11a和第二二极管区11b。第一二极管区11a接近IGBT区13，且被形成在第二二极管区11b与IGBT区13之间。虚设栅130和绝缘栅140以大致固定的间隔被形成在半导体基板100上。
半导体基板100具备：p+型的体接触层135；n+型的发射层136；p+型的第一阳极层116以及第二阳极层115；p型的二极管体层114；p型的IGBT体层134；n型的漂移层113；n型的缓冲层112；n+型的阴极层111以及p+型的集电层117。体接触层135、发射层136、第一阳极层116以及第二阳极层115露出于半导体基板100的表面。二极管体层114被形成在第一阳极层116以及第二阳极层115的背面以及侧面上。IGBT体层134被形成在体接触层135以及发射层136的背面上。漂移层113被形成在二极管体层114以及IGBT体层134的背面上。缓冲层112被形成在漂移层113的背面上。阴极层111以及集电层117被形成在缓冲层112的背面上。第一阳极层116以及第二阳极层115与二极管体层114相比，p型的杂质浓度较高。体接触层135以及集电层117与IGBT体层134相比，p型的杂质浓度较高。在半导体装置1中，对于二极管体层114和IGBT体层134，p型的杂质浓度相同。发射层136以及阴极层111与漂移层113以及缓冲层112相比，n型的杂质浓度较高，缓冲层112与漂移层113相比，n型的杂质浓度较高。在半导体装置1中，二极管漂移层和IGBT漂移层作为一个层（漂移层113）而形成。漂移层113中被包含于二极管区11内的部分为二极管漂移层，被包含于IGBT区13内的部分为IGBT漂移层。
如图1所示，在第一二极管区11a中，第一阳极层116以及表面部114a（二极管体层114的一部分，且为露出于半导体基板100的表面的部分）露出于半导体基板100的表面，且分别与表面电极101相接。在第二二极管区11b中，第二阳极层115以及表面部114b（二极管体层114的一部分，且为露出于半导体基板100的表面的部分）露出于半导体基板100的表面，且分别与表面电极101连接。在二极管区11中，阴极层111露出于半导体基板100的背面，且与背面电极102相接。
此外，在IGBT区13中，体接触层135以及发射层136露出于半导体基板100的表面，且与表面电极101相接。在IGBT区13中，集电层117露出于半导体基板100的背面，且与背面电极102相接。
在二极管区11中，形成有从半导体基板100的表面侧贯穿二极管体层114，且到达漂移层113的虚设栅130。虚设栅130具备：虚设栅绝缘膜132，其被形成在沟槽131的内壁上，所述沟槽131被形成于半导体基板100的表面侧；虚设栅电极133，其被虚设栅绝缘膜132覆盖且被填充于沟槽131内。虚设栅130与二极管体层114相接。虚设栅电极133与表面电极101电连接。
在IGBT区13中，形成有从半导体基板100的表面侧贯穿IGBT体层134，且到达漂移层113的绝缘栅140。绝缘栅140具备：栅绝缘膜142，其被形成在沟槽141的内壁上，所述沟槽141被形成于半导体基板100的表面侧；栅电极143，其被栅绝缘膜142覆盖且被填充于沟槽141内。绝缘栅140与将发射层136和漂移层113隔离的部分的IGBT体层134相接。栅电极143通过表面绝缘膜145而与表面电极101隔离。
如图1所示，第一阳极层116、第二阳极层115、体接触层135以及发射层136沿着虚设栅130以及绝缘栅140的长边方向（图1所示的y方向）延伸，并且在虚设栅130以及绝缘栅140的短边方向（图1所示的x方向）上的宽度，沿着虚设栅130以及绝缘栅140的长边方向而大致固定。位于二极管区11的端部处、且接近IGBT区13的两列阳极层为第一阳极层116。位于二极管区11的中央侧、且被形成在与第一阳极层116相比距IGBT区较远的位置处的阳极层为第二阳极层115。第二阳极层115的x方向上的宽度D1与体接触层135的x方向上的宽度D3大致相同，且第一阳极层116的x方向上的宽度D2大于宽度D1以及宽度D3。由于第一阳极层116、第二阳极层115、体接触层135沿着y方向延伸，因此x方向上的宽度越大，半导体基板平面方向上的面积越大。即，第一阳极层116的半导体基板平面方向上的面积，大于第二阳极层115以及体接触层135的半导体基板平面方向上的面积。表面部114a的x方向上的宽度，小于表面部114b的x方向上的宽度。发射层136的x方向上的宽度与表面部114b的x方向上的宽度大致相同。
接下来，对半导体装置1的动作进行说明。
＜IGBT动作时＞
当将背面电极102的电位Va设为与表面电极101的电位Vb相比较高的电位（Va＞Vb），从而向栅电极133、143施加正电压（正偏压）时，将在IGBT体层134中，于绝缘栅140的附近形成有沟道。作为多数载流子的电子将穿过该沟道而从发射层136注入到漂移层113。此外，从集电层117向漂移层113注入有空穴。当作为少数载流子的空穴被注入到漂移层113时，将在漂移层113中产生电导率调制，从而漂移层113的电阻变低。通过以此方式使电子和空穴进行移动，从而流通有从半导体基板100的背面侧（集电层117侧）朝向表面侧（发射层136侧）的IGBT电流。
＜二极管动作时＞
接下来，当将背面电极102的电位Va设为低于表面电极101的电位Vb时（Va＜Vb），如图3的实线所示，在二极管区11中，从第一阳极层116以及第二阳极层115经由二极管体层114而向漂移层113注入空穴。由此，从第一阳极层116以及第二阳极层115侧向阴极层111侧流通有二极管电流（回流电流）。此时，如图3的虚线所示，在二极管区11的附近的IGBT区13中，也从体接触层135经由二极管体层114而向漂移层113注入空穴。从体接触层注入的空穴朝向二极管区11的阴极层111进行移动。通过从体接触层注入的空穴，从而使二极管区11的正向电压降低。
在二极管动作时向栅电极133施加了正电压的情况下，在IGBT区13中，在IGBT体层134中，于绝缘栅140的附近形成有n型的沟道。通过利用该n型的沟道而注入到漂移层113的电子，从而使从体接触层注入的空穴被抵销。其结果为，从体接触层注入且朝向二极管区11的阴极层111进行移动的空穴的量变少。
在本实施例中，接近IGBT区13的两列第一阳极层116的半导体基板平面方向上的面积，大于第二阳极层115以及体接触层135的半导体基板平面方向上的面积。因此，在第一二极管区11a中，从第一阳极层116向漂移层113注入的空穴的量变多，从而能够使图3中虚线所示的、从体接触层135注入的空穴相对于图3中实线所示的、从第一阳极层116以及第二阳极层115注入的空穴，相对地变小。此外，由于从第一阳极层116注入有较多的空穴，因此能够降低第一二极管区11a的正向电压。能够抑制因从体接触层135注入的空穴减少而使二极管区的正向电压上升的情况，以及，热损耗增大的情况。
（改变例）
虽然在上述的实施例中，对只有位于二极管区中接近IGBT区的部分处的第一阳极层的宽度较大的情况进行了例示并进行了说明，但并不被限定于此。例如，可以采用如下方式，即，在整个二极管区中，阳极层的宽度大于体接触层的宽度。即，可以如图4所示的半导体装置2那样，具备整体上形成有如下的阳极层216的二极管区21，其中，所述阳极层216具有与图1所示的第一阳极层116相同的宽度D2。与图1相同地，阳极层216的x方向上的宽度D2大于体接触层135的宽度D1，且阳极层216的半导体基板平面方向上的面积，大于体接触层135的半导体基板平面方向上的面积。由于其他结构与图1所示的半导体装置1相同，因此省略重复说明。由于在二极管区21的整体上，阳极层216的半导体基板平面方向上的面积，大于体接触层135的半导体基板平面方向上的面积，因此能够更加减小从体接触层135向二极管区21侧移动的空穴的影响。由此，能够更明显地得到如下的效果，即，减少因从体接触层135注入的空穴而引起的正向电压的上升幅度，且降低热损耗的效果。
此外，虽然在上述的实施例中，对阳极层、体接触层、发射层沿着绝缘栅的长边方向沿伸，且在绝缘栅的短边方向上的宽度大致固定的情况进行了示例并进行了说明，但是阳极层、体接触层、发射层的形状并不被限定于此。只要能够使接近IGBT区的阳极层的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近二极管区的体接触层的半导体基板平面方向上的面积，则阳极层、体接触层、发射层的形状不会被特别限定。例如，也可以采用如下方式，即，如图5所示，在IGBT区33中，于绝缘栅140之间形成有梯子形状的发射层336，并且于发射层336的梯子形状之间形成体接触层335。在二极管区31中，接近IGBT区33的第一阳极层316与图1同样地，沿着虚设栅130的长边方向延伸。第一阳极层316的半导体基板平面方向上的面积，大于被形成于相邻的绝缘栅140之间的体接触层335的半导体基板平面方向上的面积的总和。由于其他结构与图1所示的半导体装置1相同，因此省略重复说明。
以上，虽然对本发明的实施例进行了详细说明，但是这些实施例仅为示例，并非对权利要求书进行限定的内容。在权利要求书中所记载的技术中包括对以上所例示的具体示例进行了各种各样的变形、变更的内容。
本说明书或附图中所说明的技术要素可以通过单独或各种组合的方式而发挥技术有用性，且并不限定于申请时权利要求所记载的组合。此外，本说明书或附图所例示的技术能够同时实现多个目的，并且实现其中的一个目的技术本身也具有技术有用性。

Claims (2)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：二极管区（11、31）、和与所述二极管区被形成在同一半导体基板上的绝缘栅双极性晶体管区（13、33），
所述二极管区具备：
多个第一导电型的阳极层，其露出于半导体基板（100）的表面且被相互隔离；
第一导电型的二极管体层（114），其被形成于所述阳极层的背面侧，且与所述阳极层相比，第一导电型的杂质浓度较低；
第二导电型的二极管漂移层（113），其被形成于所述二极管体层的背面侧；和
第二导电型的阴极层（111），其被形成于所述二极管漂移层的背面侧，且与所述二极管漂移层相比，第二导电型的杂质浓度较高，
所述绝缘栅双极性晶体管区具备：
第二导电型的发射层（136），其露出于所述半导体基板的表面；
多个第一导电型的体接触层（135），其露出于所述半导体基板的表面且被相互隔离；
第一导电型的绝缘栅双极性晶体管体层（134），其被形成于所述发射层以及所述体接触层的背面侧，且与所述体接触层相比，第一导电型的杂质浓度较低；
第二导电型的绝缘栅双极性晶体管漂移层（113），其被形成于所述绝缘栅双极性晶体管体层的背面侧；
第一导电型的集电层（117），其被形成于所述绝缘栅双极性晶体管漂移层的背面侧；和
绝缘栅双极性晶体管栅电极（143），其通过绝缘膜（142）而与将所述发射层和所述绝缘栅双极性晶体管漂移层分离的范围内的所述绝缘栅双极性晶体管体层对置，
其中，所述阳极层具备至少一个以上的第一阳极层（116、316），
所述第一阳极层至少被形成在接近所述绝缘栅双极性晶体管区的位置处，
所述第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近所述二极管区的体接触层（135、335）的半导体基板平面方向上的面积，
所述阳极层还具备被形成在与所述第一阳极层相比距所述绝缘栅双极性晶体管区较远的位置处的、至少一个以上的第二阳极层（115），并且，所述第二阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，小于所述第一阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第二阳极层各自的半导体基板平面方向上的面积，大于最接近所述二极管区的所述体接触层的半导体基板平面方向上的面积。
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