DE102012211544A1

DE102012211544A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102012211544A1
Application number: DE102012211544A
Authority: DE
Inventors: Yukio Tsuzuki; Kenji Kouno; Hiromitsu Tanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2013-01-10
Also published as: US8729600B2; JP5348276B2; JP2013033919A; CN102867846A; US20130009205A1; CN102867846B

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist ein Halbleitersubstrat (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps, Kanalbereiche (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und ausgedünnte Bereiche (18) des zweiten Leitfähigkeitstyps auf. Die Kanalbereiche (13) und die ausgedünnten Bereiche (18) sind benachbart einer Substratfläche (10a) des Halbleitersubstrats (10) ausgebildet. Weiterhin ist in jedem der ausgedünnten Bereiche (18) eine Lochstoppschicht (19) ausgebildet, um den ausgedünnten Bereich (18) in einen ersten Teil (18a) benachbart der Substratfläche (10a) und einen zweiten Teil (18b) benachbart eines Bodens des ausgedünnten Bereichs (18) zu unterteilen. Die Lochstoppschicht (19) hat eine Flächendichte von gleich oder weniger als 4.0 × 1012 cm–2, um es einer Verarmungsschicht zu ermöglichen, die Lochstoppschicht (19) zu durchstoßen, so dass eine Abnahme oder Verschlechterung von Durchbrucheigenschaften begrenzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem bipolaren Transistorelement mit isoliertem Gate (IGBT).
Die JP 2007-266134 A beschreibt ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung mit einem IGBT-Element, welches als Schaltelement für einen Inverter oder dergleichen verwendet wird. Die Halbleitervorrichtung hat ein Halbleitersubstrat, welches eine Driftschicht bildet, und zwei Typen von Teilbereichen an einer Vorderfläche des Halbleitersubstrats.
Jeder Teilbereich des ersten Typs enthält einen ersten Körperbereich vom P-Typ, einen Emitterbereich vom N⁺-Typ und einen ersten Körperkontaktbereich vom P⁺-Typ. Der Emitterbereich vom N⁺-Typ und der erste Körperkontaktbereich vom P⁺-Typ sind an einem Oberflächenschichtabschnitt des ersten Körperbereichs ausgebildet. Jeder der Teilbereiche vom zweiten Typ hat einen zweiten Körperbereich vom P-Typ und eine Lochstoppschicht. Die Lochstoppschicht ist so ausgebildet, dass der zweite Körperbereich vom P-Typ in einen ersten Teil benachbart der Vorderfläche des Halbleitersubstrats und einen zweiten Teil benachbart dem Boden des zweiten Körperbereichs unterteilt ist.
Das heißt, der erste Körperbereich ist nicht mit der Lochstoppschicht ausgebildet und der zweite Körperbereich ist nicht mit dem Emitterbereich ausgebildet. Der erste Körperbereich des Teilbereichs vom ersten Typ dient als ein Kanalbereich und der zweite Körperbereich des Teilbereichs vom zweiten Typ dient als Ausdünnbereich. Die Teilbereiche vom ersten Typ und die Teilbereiche vom zweiten Typ sind abwechselnd in einer Ebenenrichtung entlang einer Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet. Eine derartige Halbleitervorrichtung wird als ausgedünnte Halbleitervorrichtung bezeichnet. In der genannten Halbleitervorrichtung ist eine Kollektorschicht entlang einer rückwärtigen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet.
Bei einer derartigen Halbleitervorrichtung werden von der Kollektorschicht injizierte Löcher von der Lochstoppschicht gesammelt. Damit ist es möglich, eine Lochkonzentration der Driftschicht zu erhöhen. Da in der Driftschicht die Leitfähigkeitsmodulation verbessert ist, kann eine Durchlassspannung verringert werden. Im Teilbereich vom zweiten Typ, der die Lochstoppschicht hat, wird, da der Emitterbereich nicht ausgebildet ist, kein parasitärer Transistor gebildet. Somit es weniger wahrscheinlich, dass Latch-up auftritt.
Bei einer solchen Halbleitervorrichtung kann die Durchlassspannung mit einem Anstieg einer Flächendichte der Lochstoppschicht verringert werden. Wenn jedoch die Flächendichte in der Lochstoppschicht zu stark erhöht wird, werden die Durchbrucheigenschaften beeinflusst.
Genauer gesagt, in einem Fall, bei dem die Flächendichte der Lochstoppschicht niedrig ist, kann, wenn eine positive Spannung an die Kollektorschicht angelegt wird, eine Verarmungsschicht die Lochstoppschicht durchstoßen. In diesem Fall werden daher die Durchbrucheigenschaften nicht beeinflusst. Das heißt, da die Lochstoppschicht aufgrund der Verarmung nicht als PN-Übergang dient, sind die Durchbrucheigenschaften auf dem gleichen Wert wie in einem Fall, bei dem die Lochstoppschicht nicht ausgebildet ist.
Andererseits kann in einem Fall, bei dem die Flächendichte der Lochstoppschicht hoch ist, die Verarmungsschicht sich nicht ohne Weiteres in der Lochstoppschicht ausbreiten. Das heißt, die Verarmungsschicht kann die Lochstoppschicht nicht durchstoßen. Somit verbleibt in der Lochstoppschicht ein nicht verarmter Bereich. In einem solchen Fall wird der PN-Übergang zwischen dem nicht verarmten Bereich in der Lochstoppschicht und dem zweiten Teil des zweiten Körperbereichs in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Somit wird ein parasitärer Thyristor von der Kollektorschicht, der Driftschicht, dem zweiten Teil, der Lochstoppschicht und dem ersten Teil gebildet und in einen Latch-up-Zustand gebracht. Folglich führt ein zu starker Anstieg der Flächendichte der Lochstoppschicht zu einer Abnahme der Durchbrucheigenschaften.
Es sei festzuhalten, dass die Flächendichte der Lochstoppschicht definiert wird durch einen integrierten Wert der Verunreinigungsdichte der Lochstoppschicht. Auch bedeutet der Anstieg der Flächendichte der Lochstoppschicht einen Anstieg der Gesamtmenge an Verunreinigung in der Lochstoppschicht.
Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, die Durchlassspannung zu verringern, ohne dass die Durchbrucheigenschaften verschlechtert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird demzufolge eine Halbleitervorrichtung geschaffen, welche aufweist: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Substratfläche; eine Mehrzahl von Kanalbereichen eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die benachbart der Substratfläche angeordnet sind; eine Mehrzahl von ausgedünnten Bereichen des zweiten Leitfähigkeitstyps, die benachbart der Substratfläche angeordnet sind, wobei die ausgedünnten Bereiche und die Kanalbereiche in einer Richtung parallel zur Substratfläche derart angeordnet sind, dass wenigstens einer der ausgedünnten Bereiche zwischen benachbarten Kanalbereichen angeordnet ist; einen Emitterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der an einem Oberflächenschichtabschnitt eines jeden der Kanalbereiche angeordnet ist; eine Lochstoppschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welche in jedem der ausgedünnten Bereiche angeordnet ist, um den (jeweiligen) ausgedünnten Bereich in einen ersten Teil benachbart der Substratfläche und einen zweiten Teil benachbart einem Boden des ausgedünnten Bereichs zu unterteilen; eine Emitterelektrode in Verbindung mit dem Emitterbereich und dem ersten Teil; eine Kollektorschicht, welche in dem Halbleitersubstrat an einer Position getrennt von den Kanalbereichen und den ausgedünnten Bereichen angeordnet ist; und eine Kollektorelektrode in elektrischer Verbindung mit der Kollektorschicht. Hierbei hat die Lochstoppschicht eine Flächendichte von gleich oder weniger als 4.0 × 10¹² cm^–2.
Da bei der obigen Halbleitervorrichtung die Flächendichte der Lochstoppschicht gleich oder kleiner als 4.0 × 10¹² cm^–2 ist, kann die Durchlassspannung verringert werden, ohne dass die Durchbrucheigenschaften verschlechtert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung, wobei gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Es zeigt:
1 in einer Querschnittsansicht eine Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei die Schnittlinie entlang Linie I-I in 2 gelegt ist;
2 eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung von 1;
3 in einer grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen einer Flächendichte einer Lochstoppschicht und den Durchbrucheigenschaften bei der ersten Ausführungsform;
4 in einer grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen der Flächendichte der Lochstoppschicht und der Durchlassspannung bei der ersten Ausführungsform;
5 in einer grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen einer Flächendichte eines ersten Teils eines ausgedünnten Bereichs und der Abnahme der Spannungsfestigkeit bei der ersten Ausführungsform;
6 eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei der Schnitt entlang VI-VI in 7 gelegt ist;
7 eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung von 6;
8 in einer grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen einer Flächendichte eines ersten Teils eines ausgedünnten Bereichs und einem Spitzenwert eines Erholstroms bei der zweiten Ausführungsform;
9 eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
10 eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
11 eine schematische Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
12 eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
13 eine Draufsicht auf eine Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren anderen Ausführungsform.
<Erste Ausführungsform>
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
Eine Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform hat ein IGBT-Element und dient z.B. als Schaltelement für eine Energieversorgungsschaltung, etwa einen Inverter. 1 ist eine Schnittansicht durch die Halbleitervorrichtung und 2 ist eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung, wobei 1 eine Schnittansicht entlang Linie I-I in 2 ist. In 2 sind ein Zwischenschichtisolationsfilm und eine Emitterelektrode nicht dargestellt.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, hat die Halbleitervorrichtung ein Halbleitersubstrat 10 vom N^–-Typ, welches als Driftschicht dient. Das Halbleitersubstrat 10 enthält einen Zellenbereich 1 und einen äußeren Umfangsbereich 2 an einem Umfang oder einer Umgebung des Zellenbereichs 1. Das Halbleitersubstrat 10 ist mit einer Basisschicht 11 vom P-Typ entlang einer ersten Oberfläche (Substratfläche) 10a des Halbleitersubstrats 10 versehen. Die Basisschicht 11 hat eine bestimmte Dicke. Die Basisschicht 11 erstreckt sich vom Zellenbereich 1 zu dem äußeren Umfangsbereich 2 entlang einer Richtung entsprechend der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10. Weiterhin ist eine Mehrzahl von Gräben 12 ausgebildet, welche durch die Basisschicht 11 reichen und das Halbleitersubstrat 10 erreichen, welche also entlang der Dickenrichtung (Tiefenrichtung) des Halbleitersubstrats 10 verlaufen. Die Basisschicht 11 wird durch die Gräben 12 in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilt.
Jeder der Gräben 12 erstreckt sich in einer Richtung entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10. Im Beispiel von 1 erstreckt sich der Graben 12 in einer Richtung senkrecht zu einer Zeichenfläche von 1, welche einer Richtung von oben nach unten in 2 entspricht. Beispielsweise sind die Gräben 12 parallel zueinander in gleichen Abständen angeordnet, und die Enden einander benachbarter zweier Gräben 12 sind miteinander verbunden, um einen schleifenförmigen Graben zu bilden. In der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich die Gräben 12 vom Zellenbereich 1 zum äußeren Umfangsbereich 2, und die Enden zweier benachbarter Gräben 12 sind miteinander in dem äußeren Umfangsbereich 2 verbunden.
Ein Kanalbereich 13 vom P-Typ wird durch einen Bereich der Basisschicht 11 gebildet, der zwischen benachbarten, schleifenförmig verbundenen Gräben 12 liegt. Genauer gesagt, der Kanalbereich 13 vom P-Typ wird durch den Bereich der Basisschicht 11 geliefert, der nicht von dem schleifenförmig verbundenen Graben 12 umfasst ist. Emitterbereiche 14 vom N⁺-Typ sind in einem Oberflächenschichtabschnitt des Kanalbereichs 13 ausgebildet. Ein Körperbereich 15 vom P⁺-Typ ist in dem Oberflächenschichtabschnitt des Kanalbereichs 13 und zwischen den Emitterbereichen 14 gebildet.
Die Emitterbereiche 14 vom N⁺-Typ haben eine höhere Verunreinigungskonzentration als das Halbleitersubstrat 10 vom N^–-Typ. Die Emitterbereiche 14 enden in Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10, also der Richtung von oben nach unten in 1, innerhalb der Basisschicht 11. Genauer gesagt, die Emitterbereiche 14 sind dünner als die Basisschicht 11. Weiterhin sind die Emitterbereiche 14 in Kontakt mit Seitenflächen der Gräben 12. Der Körperbereich 15 vom P⁺-Typ hat eine höhere Verunreinigungskonzentration als der Kanalbereich 13 vom P-Typ. Ähnlich wie die Emitterbereiche 14 endet der Körperbereich 15 innerhalb der Basisschicht 11 in Dickenrichtung gesehen.
Insbesondere hat jeder der Emitterbereiche 14 eine Stabform, die sich in Längsrichtung des Grabens 12 erstreckt. Der Emitterbereich 14 ist in einem Bereich zwischen benachbarten Gräben 12 angeordnet und in Kontakt mit der Seitenfläche des Grabens 12. Weiterhin endet der Emitterbereich 14 innerhalb des Zellenbereichs 1 in Längsrichtung des Grabens 12 gesehen.
Der Körperbereich 15 hat eine Stabform. Der Körperbereich 15 erstreckt sich in Längsrichtung des Grabens 12 zwischen den Emitterbereichen 14. Mit anderen Worten, der Körperbereich 15 erstreckt sich entlang der Emitterbereiche 14. Der Körperbereich 15 erstreckt zum äußeren Umfangsbereich 2, um problemlos Löcher freizugeben, die sich in einem Aus-Zustand im äußeren Umfangsbereich 2 gesammelt haben.
In jedem der Gräben 12 ist ein Gateisolationsfilm 16 angeordnet, um eine Innenfläche des Grabens 12 abzudecken. Weiterhin ist eine Gateelektrode 17, welche beispielsweise aus Polysilizium oder dergleichen ist, auf dem Gateisolationsfilm 16 angeordnet. Das heißt, der Graben 12 ist mit dem Gateisolationsfilm 16 und der Gateelektrode 17 gefüllt. Diese Gräben 12 liefern eine Grabengatestruktur.
Ein Bereich der Basisschicht 11 in dem schleifenförmig verbundenen Graben 12, das heißt, die Basisschicht 11 ohne die Emitterbereiche 14, liefert einen ausgedünnten Bereich 18.
Wie oben beschrieben, ist die Basisschicht 11 durch die Gräben 12 in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilt. Der Bereich der Basisschicht 11, wo die Emitterbereiche 14 ausgebildet sind, dient als der Kanalbereich 13, und der Bereich der Basisschicht 11, wo die Emitterbereiche 14 nicht ausgebildet sind, dient als ausgedünnter Bereich 18.
Die Emitterbereiche 14 sind in abwechselnden Bereichen der Basisschicht 11 ausgebildet, die von den Gräben 12 unterteilt ist. Das heißt, die Kanalbereiche 13 und der ausgedünnte Bereich 18 sind sich wiederholend in einer bestimmten Reihenfolge in einer Richtung entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 angeordnet. Mit anderen Worten, die IGBT-Elemente und Dummy-Elemente sind abwechselnd angeordnet. Daher kann die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform als Halbleitervorrichtung mit IGBT-Elementen vom ausgedünnten Typ bezeichnet werden.
Der ausgedünnte Bereich 18 ist mit einer Lochstoppschicht 19 vom N-Typ versehen. Die Lochstoppschicht 19 teilt den ausgedünnten Bereich 18 in einen ersten Teil 18a und einen zweiten Teil 18b in Tiefenrichtung des Grabens 12 gesehen. Der erste Teil 18a ist benachbart einem offenen Ende des Grabens 12, das heißt, benachbart der ersten Fläche 10a des Halbleitersubstrats 10, und der zweite Teil 18b ist benachbart einem Bodenende des Grabens 12 (z. B. einem unteren Ende in 1). Der erste Teil 18a und der zweite Teil 18b sind potenzialmäßig durch die Lochstoppschicht 19 vollständig voneinander isoliert.
Die Lochstoppschicht 19 ist nur in dem ausgedünnten Bereich 18 der Basisschicht 11 und nicht im Kanalbereich 13 ausgebildet. Mit anderen Worten, die Lochstoppschicht 19 ist nicht in dem IGBT-Element ausgebildet, sondern in dem Dummy-Element, welches den Kanalbereich 13 nicht hat.
Die Lochstoppschicht 19 liegt benachbart dem Oberflächenschichtabschnitt des ausgedünnten Bereichs in Tiefenrichtung des Grabens 12 gesehen, das heißt, liegt benachbart der ersten Fläche 10a des Halbleitersubstrats 10 im ausgedünnten Bereich 18. In der vorliegenden Ausführungsform liegt die Lochstoppschicht 19 in einer Tiefe von 0.5 bis 1.0 Mikrometer (µm) von der ersten Oberfläche 10a aus und hat eine Dicke von annähernd 0.4 µm.
Eine Beziehung zwischen einer Flächendichte der Lochstoppschicht 19 und den Durchbrucheigenschaften, beispielsweise der Durchbruchspannung, wurde von den vorliegenden Erfindern durch Simulation erstellt. 3 ist eine grafische Darstellung des Simulationsergebnisses.
Gemäß 3 erkennt man, dass die Durchbrucheigenschaften sich verringern (verschlechtern), wenn die Flächendichte größer als 4.0 × 10¹² cm^–2 wird. Von daher wird die Flächendichte der Lochstoppschicht 19 gleich oder kleiner als 4.0 × 10¹² cm^–2 gemacht. Hierbei ist die Flächendichte der Lochstoppschicht 19 definiert durch einen integrierten Wert der Verunreinigungsdichte der Lochstoppschicht 19.
Weiterhin wurde eine Beziehung zwischen der Flächendichte der Lochstoppschicht 19 und der Durchlassspannung von den vorliegenden Erfindern durch Simulation erstellt. 4 ist eine Grafik, welche das Simulationsergebnis zeigt. In 4 ist die Durchlassspannung 1.0, wenn die Flächendichte der Lochstoppschicht 19 0.0 ist, das heißt, wenn die Lochstoppschicht 19 nicht ausgebildet ist.
Wie in 4 gezeigt, nimmt die Durchlassspannung rapide ab, wenn die Flächendichte der Lochstoppschicht 19 von 0.0 auf 1.0 × 10¹² cm^–2 zunimmt. Die Abnahme der Durchlassspannung wird schwächer, wenn die Flächendichte der Lochstoppschicht größer als 1.0 × 10¹² cm^–2 wird.
Daher beträgt die Flächendichte der Lochstoppschicht 19 beispielsweise 1.0 × 10¹² cm^–2 oder mehr und ist gleich oder kleiner als 4.0 × 10¹² cm^–2. In diesem Fall verbessern sich die Durchbrucheigenschaften der Halbleitervorrichtung, wobei die Durchlassspannung verringert wird.
Die Lochstoppschicht 19 ist vom Zellenbereich 1 zum äußeren Umfangsbereich 2 hin ausgebildet, wie in 2 gezeigt. Daher begrenzt die Lochstoppschicht 19 die Löcher, die sich in einem äußeren Randbereich des Zellenbereichs 1 gesammelt haben, das heißt, benachbart einer Grenze zwischen dem Zellenbereich 1 und dem äußeren Umfangsbereich 2, so dass diese an einer Abgabe aus dem äußeren Umfangsbereich 2 gehindert sind.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Zwischenschichtisolationsfilm 20 aus beispielsweise Borphosphorsilikatglas (BPSG) auf der Basisschicht 11 gebildet. Der Zwischenschichtisolationsfilm 20 hat eine Kontaktöffnung 20a zum Freilegen eines Abschnitts der Emitterbereiche 14, des Körperbereichs 15 und eines Abschnitts des ersten Teils 18a des ausgedünnten Bereichs 18 von dem Zwischenschichtisolationsfilm 20. Eine Emitterelektrode 21 ist auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 20 gebildet. Die Emitterelektrode 21 ist elektrisch in Verbindung mit den Emitterbereichen 14 vom N⁺-Typ, dem Körperbereich 15 vom P⁺-Typ und dem ersten Teil 18a, wobei die Verbindung über die Kontaktöffnung 20a erfolgt. Das heißt, die Emitterelektrode 21 ist elektrisch sowohl mit den Emitterbereichen 14 als auch dem ersten Teil 18a verbunden.
Weiterhin ist eine Feldstoppschicht 22 vom N-Typ auf einer zweiten Oberfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 vom N^–-Typ ausgebildet, welche gegenüberliegend der ersten Oberfläche 10a ist. Eine Kollektorschicht 23 vom P-Typ ist an einer gegenüberliegenden Seite der Feldstoppschicht 22 bezüglich des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet und auf der Kollektorschicht 23 ist eine Kollektorelektrode 24 gebildet.
Die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform hat den obigen Aufbau. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Untersuchungen an der Flächendichte des ersten Teils 18a durchgeführt und herausgefunden, dass in einem Fall, wo die Flächendichte des ersten Teils 18a besonders niedrig ist, ein Durchstoßen („punch-through“) in dem ersten Teil 18a auftritt, wenn eine Spannung zwischen Kollektor und Emitter angelegt wird, was zu einer Abnahme der Spannungsfestigkeit führt. Es sei festzuhalten, dass die Flächendichte des ersten Teils 18a durch einen integrierten Wert der Verunreinigungsdichte des ersten Teils 18a definiert ist.
5 ist eine grafische Darstellung, welche ein Simulationsergebnis hinsichtlich einer Beziehung zwischen der Flächendichte des ersten Teils 18a und dem Abnahmebetrag der Spannungsfestigkeit (Stehspannung) zeigt. Was die Halbleitervorrichtungen betrifft, welche bei der Simulation verwendet wurden, wurde die Verunreinigungskonzentration etc. des Halbleitersubstrats 10 so eingestellt, dass die Spannungsfestigkeit des Elements in einem Fall, wo das Durchstoßen in dem ersten Teil 18a nicht auftritt, 2400 V, 1200 V und 600 V betrug.
Bei Halbleitervorrichtungen mit einer Elementspannungsfestigkeit von 2400 V und 600 V ist die Oberflächenkonzentration des ersten Teils 18a 4.0 × 10¹⁶ cm^–2. Bei der Halbleitervorrichtung mit der Elementspannungsfestigkeit von 1200 V ist die Oberflächenkonzentration des ersten Teils 18a 4.0 × 10¹⁶ cm^–2 oder 2.0 × 10¹⁷ cm^–2. Es sei festzuhalten, dass die Oberflächenkonzentration des ersten Teils 18a eine Konzentration eines Kontaktabschnitts des ersten Teils 18a mit der Emitterelektrode 21 ist. Bei der Simulation ist die Tiefe der Lochstoppschicht 19 in jeder der Halbleitervorrichtungen 0.2 bis 0.5 µm. In 5 stellt eine vertikale Achse den Abnahmebetrag der Spannungsfestigkeit oder Stehspannung dar, und eine horizontale Achse stellt die Flächendichte des ersten Teils 18a in logarithmischer Skalierung dar. Der Abnahmebetrag der Stehspannung, wenn ein Durchstoßen nicht in dem ersten Teil 18a auftritt, ist als 0 definiert.
Gemäß 5 kann festgehalten werden, dass der Abnahmebetrag der Spannungsfestigkeit abrupt zunimmt, wenn die Flächendichte des ersten Teils 18a kleiner als 1.1 × 10¹² cm^–2 wird. Nachfolgend werden die Gründe für diese Eigenschaften erläutet.
In der Vorrichtung mit der Lochstoppschicht 19 wird von dem ersten Teil 18a und der Lochstoppschicht 19 ein PN-Übergang geschaffen. Wenn eine Spannung zwischen Kollektor und Emitter angelegt wird, dehnt sich die Verarmungsschicht sowohl in Richtung erstes Teil 18a als auch Lochstoppschicht 19 aus. Hierbei kann sich die Verarmungsschicht leicht ausdehnen, wenn die Flächendichte des ersten Teils 18a niedrig ist. Wenn die Flächendichte des ersten Teils 18a unter 1.1 × 10¹² cm^–2 liegt, erreicht die Verarmungsschicht die Oberfläche des ersten Teils 18a, das heißt, die erste Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10. Das heißt, die Vorrichtung gelangt in einen Zustand, der äquivalent zu einem Aufbau ist, bei dem die Lochstoppschicht 19 mit der Emitterelektrode 21 verbunden ist und somit ein Thyristor gebildet wird.
Daher nimmt die Spannungsfestigkeit ab, wenn die Flächendichte des ersten Teils 18a niedriger als 1.1 × 10¹² cm^–2 ist. Mit anderen Worten, der Abnahmebetrag der Spannungsfestigkeit oder Stehspannung nimmt zu. In der vorliegenden Ausführungsform ist daher die Flächendichte des ersten Teils 18a gleich oder größer als 1.1 × 10¹² cm^–2, um ein Beispiel zu nennen. In diesem Fall wird die Elementspannungsfestigkeit oder Elementstehspannung stabil.
Weiterhin nimmt gemäß 5 der Abnahmebetrag in der Spannungsfestigkeit annähernd ähnlich in den Halbleitervorrichtungen ungeachtet der Elementstehspannung (z. B. der Verunreinigungskonzentration des Halbleitersubstrats 10), der Tiefe der Lochstoppschicht 19 und der Oberflächenkonzentration des ersten Teils 18a zu.
In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen beispielsweise „N-Typ“, „N^–-Typ“, und „N⁺-Typ“ einem ersten Leitfähigkeitstyp, und „P-Typ“ und „P⁺-Typ“ entsprechen einem zweiten Leitfähigkeitstyp.
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren für die oben beschriebene Halbleitervorrichtung erläutert.
Zunächst wird ein Wafer vom N^–-Typ bereitgestellt und die Basisschicht 11 wird auf der Oberfläche des Wafers durch eine thermische Diffusionstechnik gebildet. Dann wird die Grabengatestruktur in entsprechenden Bereichen des Wafers ausgebildet, wo die Halbleitervorrichtungen auszubilden sind. Die Grabengatestruktur wird durch ein bekanntes Verfahren gebildet. Bei Ausbildung der Grabengatestruktur werden die Gräben 12 so ausgebildet, dass sie durch die Basisschicht 11 hindurch das Halbleitersubstrat 10 erreichen, und der Gateisolationsfilm 16 wird an der Innenfläche eines jeden Grabens 12 ausgebildet. Weiterhin wird Polysilizium als Gateelektrode 17 auf dem Gateisolationsfilm 16 im Graben 12 gebildet.
Nachfolgend wird eine Maske mit Öffnungen an Positionen entsprechend den Positionen der Emitterbereiche 14 auf dem Wafer angeordnet, und unter Verwendung der Maske wird Ionenimplantation einer Verunreinigung vom N-Typ durchgeführt. Nachdem die Maske vom Wafer abgenommen worden ist, wird eine weitere Maske mit Öffnungen an Positionen entsprechend den Positionen der Körperbereiche 15 auf dem Wafer angeordnet, und unter Verwendung der Maske wird Ionenimplantation einer Verunreinigung vom P-Typ durchgeführt. Nachdem die Maske vom Wafer entfernt worden ist, werden die Verunreinigungen durch eine thermische Behandlung aktiviert. Somit werden die Emitterbereiche 14 vom N⁺-Typ und die Körperbereiche 15 vom P⁺-Typ gebildet.
Nachfolgend wird eine Maske mit Öffnungen an Positionen entsprechend den Positionen der Lochstoppschicht 19 auf dem Wafer angeordnet, und unter Verwendung der Maske erfolgt eine Ionenimplantation und thermische Behandlung, um die Lochstoppschichten 19 in den Abschnitten der Basisschicht 11 auszubilden, wo die ausgedünnten Bereiche 18 zu bilden sind. Beispielsweise wird Phosphor (P) als Dotierungsmittel ionenimplantiert und mit einer Temperatur von 900 Grad Celsius (°C) oder mehr durch thermische Behandlung aktiviert. Somit wird die Lochstoppschicht 19 gebildet.
In diesem Fall werden Beschleunigungsspannung und Dosierungsbetrag geeignet eingestellt, so dass die Lochstoppschicht 19 eine Oberflächendichte von gleich oder mehr als 1.0 × 10¹² cm^–2 und gleich oder weniger als 4.0 × 10¹² cm^–2 hat und der erste Teil 18a eine Flächendichte von gleich oder mehr als 1.1 × 10¹² cm^–2 hat.
Als anderes Beispiel wird der erste Teil 18a mit der Flächendichte von gleich oder mehr als 1.1 × 10¹² cm^–2 durch Ionenimplantation von Bor (B) in dem ersten Teil 18a und thermische Behandlung gebildet, nachdem die Lochstoppschicht 19 mit der Flächendichte von gleich oder mehr als 1.0 × 10¹² cm^–2 und gleich oder weniger als 4.0 × 10¹² cm^–2 durch die Ionenimplantation von Phosphor (P) und die thermische Behandlung gebildet worden ist.
Nachfolgend wird der Zwischenschichtisolationsfilm 20 auf der Basisschicht 11 ausgebildet und die Kontaktöffnung 20a wird in der Basisschicht 11 gebildet, um den Teil der Emitterbereiche 14, den Körperbereich 15 und den Teil des ersten Teils 18a des ausgedünnten Bereichs 18 von dem Zwischenschichtisolationsfilm 20 freizulegen. Dann wird die Emitterelektrode 21 auf der Basisschicht 11 gebildet, so dass der Emitterbereich 14, der Körperbereich 15 und der erste Bereich 18a elektrisch über die Kontaktöffnung 20a mit der Emitterelektrode 21 verbunden sind.
Weiterhin werden die Feldstoppschicht 22 vom N-Typ auf der rückwärtigen Oberfläche des Wafers gebildet und die Kollektorschicht 23 vom P-Typ auf der Feldstoppschicht 22. Weiterhin wird die Kollektorelektrode 24 auf der Kollektorschicht 23 gebildet. Wenn danach der Wafer entsprechend unterteilt wird, wird die Halbleitervorrichtung 1 gemäß 1 hergestellt.
Wie oben beschrieben, ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Flächendichte der Lochstoppschicht gleich oder größer als 1.0 × 10¹² cm^–2 und gleich oder kleiner als 4.0 × 10¹² cm^–2. Damit kann die Durchlassspannung verringert werden, ohne die Durchbrucheigenschaften zu verringern, wie in den 3 und 4 gezeigt. Weiterhin wird in einem Fall, wo der erste Teil 18a die Flächendichte von gleich oder mehr als 1.1 × 10¹² cm^–2 hat, die Stehspannung stabil, wie in 5 gezeigt.
<Zweite Ausführungsform>
Eine zweite Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 beschrieben. Eine Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist eine Halbleitervorrichtung mit einem RC-IGBT-Element. Das heißt, die Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform hat zusätzlich zu dem IGBT-Element ein Diodenelement. Der verbleibende Aufbau der zweiten Ausführungsform ist gleich oder ähnlich demjenigen der ersten Ausführungsform. Aus diesem Grund werden nachfolgend nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform näher beschrieben.
6 ist eine Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung und 7 eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung von 6, wobei der Schnitt in 6 entlang der Linie VI-VI in 7 gelegt ist. In 7 sind der Zwischenschichtisolationsfilm 20 und die Emitterelektrode 21 nicht dargestellt.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, hat die Halbleitervorrichtung einen IGBT-Abschnitt 25, der das IGBT-Element bildet, und einen Diodenabschnitt 26, der das Diodenelement bildet.
Genauer gesagt, in dem IGBT-Abschnitt 25 ist die Kollektorschicht 23 auf einer Seite entgegengesetzt zur Feldstoppschicht 22 bezogen auf das Halbleitersubstrat 10 ausgebildet. Somit werden in dem IGBT-Abschnitt 25 die Löcher von der Kollektorschicht 23 geliefert.
Im Diodenabschnitt 26 ist eine Kathodenschicht 27 vom N-Typ auf einer Seite entgegengesetzt zur Feldstoppschicht 22 bezogen auf das Halbleitersubstrat 10 gebildet. Das heißt, der IGBT-Abschnitt 25 und der Diodenabschnitt 26 werden abhängig davon definiert, ob die auf der Feldstoppschicht 22 ausgebildete Schicht entweder die Kollektorschicht 23 oder die Kathodenschicht 27 ist. In dem Diodenabschnitt 26 sind die Grabengatestruktur, der Emitterbereich 14 und die Lochstoppschicht 19 nicht auf der Seite benachbart der ersten Oberfläche 10a ausgebildet.
Bezüglich der Richtung entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 wird der IGBT-Abschnitt 25 mit der Kollektorschicht 23 als das IGBT-Element betrieben, und der Diodenabschnitt 26 mit der Kathodenschicht 27 wird als Diodenelement betrieben. Das heißt, die Kollektorelektrode 24 dient auch als Kathodenelektrode.
Im IGBT-Abschnitt 25 wird ein Bereich der Basisschicht 11, der von der Grabengatestruktur unterteilt ist und dem Diodenabschnitt 26 am nächsten liegt, als ausgedünnter Bereich 18 ausgebildet. Im Vergleich zu einem Fall, wo ein Bereich der Basisschicht 11, der dem Diodenabschnitt 26 am nächsten liegt, als Kanalbereich 13 ausgebildet ist, werden Löcher, die sich im äußeren Endabschnitt des IGBT-Abschnitts 25 sammeln, nicht ohne Weiteres abgegeben. Somit kann die Durchlassspannung verringert werden.
In der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung mit dem RC-IGBT-Element nimmt die Menge an Löchern, welche während eines Betriebs der Diode injiziert werden, mit einem Anstieg der Flächendichte des ersten Teils 18a zu, was zu einem Anstieg im Spitzenwert des Erholstroms führt. Eine Beziehung zwischen der Flächendichte des ersten Teils 18a und dem Spitzenstrom wurde von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung mittels Simulation ermittelt. 8 ist eine grafische Darstellung des Simulationsergebnisses hinsichtlich der Beziehung zwischen Flächendichte des ersten Teils 18a und Spitzenwert des Erholstroms.
Wie in 8 gezeigt, ist der Spitzenwert des Erholstroms bei 210 A auf dem Minimum und nimmt mit einem Anstieg der Flächendichte des ersten Teils 18a allmählich von 210 A aus zu. Insbesondere schneidet eine Linie L1 tangential zu einem Abschnitt der Charakteristikkurve des Spitzenwerts, wo der Spitzenwert stark ansteigt, den Spitzenwert von 210 A, wenn die Flächendichte 3.5 × 10¹² cm^–2 beträgt. Der Spitzenwert des Erholstroms steigt scharf an, wenn die Flächendichte des ersten Teils 18a von 3.5 × 10¹² cm^–2 aus ansteigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist daher die Flächendichte des ersten Teils 18a gleich oder größer als 1.1 × 10¹² cm^–2 und gleich oder kleiner als 3.5 × 10¹² cm^–2.
Auf diese Art und Weise ist der vorliegende Erfindungsgegenstand bei einer Halbleitervorrichtung mit RC-IGBT-Element anwendbar. Bei einer Halbleitervorrichtung mit RC-IGBT-Element kann, wenn die Flächendichte des ersten Teils 18a gleich oder größer als 1.1 × 10¹² cm^–2 und gleich oder kleiner als 3.5 × 10¹² cm^–2 ist, der Spitzenwert des Erholstroms verringert werden und Schaltverluste lassen sich verringern.
<Dritte Ausführungsform>
Eine dritte Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Bei der Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform ist die Lochstoppschicht 19 auch in dem Diodenabschnitt 26 zusätzlich zu dem Aufbau der zweiten Ausführungsform ausgebildet. Der verbleibende Aufbau der Halbleitervorrichtung der dritten Ausführungsform ist gleich oder ähnlich demjenigen der zweiten Ausführungsform, so dass nachfolgend nur die wesentlichen Unterschiede beschrieben werden.
Gemäß 9 ist die Lochstoppschicht 19 in der Basisschicht 11 des Diodenabschnitts 26 benachbart der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet. Genauer gesagt, die Basisschicht 11 des Diodenabschnitts 26 dient als ausgedünnter Bereich 18 des IGBT-Abschnitts 25.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein „Lebensdauerkiller“ ausgebildet, indem ein Elektronenstrahl, eine Heliumlinie, ein Proton oder dergleichen auf das Halbleitersubstrat 10 (die Driftschicht) gestrahlt wird. Wie oben beschrieben, ist zusätzlich zu dem IGBT-Abschnitt 25 die Lochstoppschicht 19 im Diodenabschnitt 26 ausgebildet. Daher kann die Menge an Löchern, welche während des Diodenbetriebs injiziert werden, verringert werden. Hiermit kann der Spitzenwert des Erholstroms weiter verringert werden und der Schaltverlust wird verringert. Da zusätzlich die Menge an Löchern, welche während des Diodenbetriebs injiziert werden, verringert wird, verbessern sich die Gestaltungsmöglichkeiten.
Da der Lebensdauerkiller in dem Halbleitersubstrat 10 (der Driftschicht) ausgebildet ist, kann die Lebensdauer von Ladungsträgern während des Diodenbetriebs verkürzt werden. Genauer gesagt, die Menge an Löchern, die injiziert werden, kann durch die Lochstoppschicht 19 verringert werden und die Lebensdauer von Ladungsträgern kann durch den Lebensdauerkiller verkürzt werden. Folglich können Schaltverluste weiter verringert werden.
Zur Ausbildung der Lochstoppschicht 19 des Diodenabschnitts 26 wird beispielsweise die Maskenform zur Ausbildung der Lochstoppschicht 19 im IGBT-Abschnitt 25 geändert. Die Lochstoppschicht 19 des Diodenabschnitts 26 wird durch die Ionenimplantation und die thermische Behandlung unter Verwendung der Maske gebildet. Daher nimmt die Anzahl von Schritten im Herstellungsverfahren nicht wesentlich zu.
Im Beispiel von 9 ist die Lochstoppschicht 19 vollständig im Diodenabschnitt 26 gebildet. Alternativ kann die Lochstoppschicht 19 teilweise im Diodenabschnitt 26 gebildet werden.
<Vierte Ausführungsform>
Eine vierte Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. In der Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform hat der Diodenabschnitt 26 zusätzlich zu dem Aufbau der dritten Ausführungsform die Grabengatestruktur. Der verbleibende Aufbau der Halbleitervorrichtung der vierten Ausführungsform ist gleich oder ähnlich demjenigen der dritten Ausführungsform, so dass nachfolgend nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.
Wie in 10 gezeigt, ist die Grabengatestruktur auch im Diodenabschnitt 26 ausgebildet. Somit ist der Diodenabschnitt 26 mit dem Kanalbereich 13 und dem ausgedünnten Bereich 18 versehen. Die Emitterbereiche 14 und der Körperbereich 15 sind im Kanalbereich 13 ausgebildet, und die Lochstoppschicht 19 ist im ausgedünnten Bereich 18 ausgebildet.
Wie oben beschrieben, ist zusätzlich zum IGBT-Abschnitt 25 die Grabengatestruktur im Diodenabschnitt 26 ausgebildet. Daher kann die Zelle, welche als IGBT-Element dient, vergrößert werden und die IGBT-Leistung nimmt zu. Die Grabengatestruktur des Diodenabschnitts 26 wird gleichzeitig mit der Ausbildung der Grabengatestruktur des IGBT-Abschnitts 25 gebildet. Die Anzahl von Herstellungsschritten beim Herstellungsverfahren nimmt somit nicht wesentlich zu.
<Fünfte Ausführungsform>
Eine fünfte Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Eine Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform hat ein planares IGBT-Element vom Vertikaltyp, wohingegen die Halbleitervorrichtungen der bisherigen Ausführungsformen Grabengate-IGBT-Elemente vom Vertikaltyp betreffen, die gebildet sind durch Einbetten des Gateisolationsfilms 16 und der Gateelektrode 17 in dem Graben 12. Die Konfiguration, welche die Lochstoppschicht 19 bildet, kann bei einer Halbleitervorrichtung mit planarem IGBT-Element angewendet werden.
Gemäß 11 sind Bereiche vom P-Typ in dem Halbleitersubstrat 10 vom N^–-Typ benachbart der ersten Fläche oder Oberfläche 10a ausgebildet. Jeder der Bereiche vom P-Typ ist in Streifenform ausgebildet, welche sich in Ebenenrichtung entlang der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 erstreckt. Die Bereiche vom P-Typ sind so ausgebildet, dass sie den Kanalbereichen 13 und den ausgedünnten Bereichen 18 entsprechen. Die Kanalbereiche 13 und die ausgedünnten Bereiche 18 sind abwechselnd in einer Richtung (z. B. von rechts nach links in 11) parallel zur ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet.
Weiterhin sind die Emitterbereiche 14 vom N⁺-Typ in dem Oberflächenschichtabschnitt des Kanalbereichs 13 entlang des Kanalbereichs 13 ausgebildet. Die Emitterbereiche 14 sind voneinander in dem Kanalbereich 13 getrennt, und zwischen den Emitterbereichen ist der Körperbereich 15 vom P⁺-Typ ausgebildet.
In dem ausgedünnten Bereich 18 ist die Lochstoppschicht 19 vom N-Typ ausgebildet, um den ausgedünnten Bereich 18 in den ersten Teil 18a benachbart der ersten Fläche 10a des Halbleitersubstrats 10 und den zweiten Teil 18b benachbart der zweiten Fläche 10b des Halbleitersubstrat 10 zu unterteilen. Insbesondere ist die Lochstoppschicht 19 so ausgebildet, dass beide Enden der Lochstoppschicht 19 die erste Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 erreichen. Somit wird der ausgedünnte Bereich 18 vollständig in die beiden Abschnitte unterteilt. In 11 ist die Lochstoppschicht 19 als eine dicke Linie dargestellt.
Auch bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Flächendichte der Lochstoppschicht 19 gleich oder größer als 1.0 × 10¹² cm^–2 und höchstens 4.0 × 10¹² cm^–2, und die Flächendichte des ersten Teils 18a ist gleich oder größer als 1.1 × 10¹² cm^–2.
Der Gateisolationsfilm 16 ist auf der ersten Fläche 10a des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet. Der Gateisolationsfilm 16 ist mit den Kontaktöffnungen 16c so ausgebildet, dass der Körperbereich 15 und der Teil des Emitterbereichs 14 des Kanalbereichs 13 und der Teil des ersten Teils 18a des ausgedünnten Bereichs 18 vom Gateisolationsfilm 16 frei liegen. Die Gateelektrode 17 ist auf dem Gateisolationsfilm 16 ausgebildet. Die Gateelektrode 17 ist mit dem Gateisolationsfilm 16 bedeckt. Obgleich in 11 nicht dargestellt, ist die Emitterelektrode 21 auf dem Gateisolationsfilm 16 angeordnet und ist in Kontakt mit dem Körperbereich 15, dem Emitterbereich 14 und dem ersten Teil 18a, welche von dem Gateisolationsfilm 16 frei liegen.
Die Feldstoppschicht 22, die Kollektorschicht 23 und die Kollektorelektrode 24 werden in dieser Reihenfolge auf der zweiten Oberfläche 10b des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet.
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung bei einer Halbleitervorrichtung anwendbar, welche die ebene IGBT-Elementstruktur hat. Auch bei einer Halbleitervorrichtung mit der ebenen IGBT-Elementstruktur lassen sich die Durchbrucheigenschaften verbessern, indem die Lochstoppschicht 19 eine Flächendichte von gleich oder weniger als 4.0 × 10¹² cm^–2 hat.
<Andere Ausführungsformen
In den oben beschriebenen Ausführungsformen hat der Graben 12 die Schleifenform. Der ausgebildete Bereich 18 wird von dem Abschnitt der Basisschicht 11 gebildet, der von dem schleifenförmig verlaufenden Graben 12 eingefasst ist, und der Kanalbereich 13 wird von dem Abschnitt der Basisschicht 11 geliefert, der zwischen benachbarten Gräben 12 liegt. Eine derartige Auslegung des Grabens 12 ist jedoch nur ein Beispiel. Der Graben 12 kann auch eine andere Auslegung, d. h. Formgebung haben.
Beispielsweise kann die Struktur des RC-IBGT-Elements vom Grabengatetyp bei dem ebenen RC-IGBT-Element angewendet werden, indem die oben beschriebene zweite Ausführungsform mit der oben beschriebenen fünften Ausführungsform kombiniert wird. Auf ähnliche Weise kann eine ebene Halbleitervorrichtung mit der Lochstoppschicht 19 im Diodenabschnitt 26 gebildet werden, indem die oben beschriebene fünfte Ausführungsform mit der oben beschriebenen dritten Ausführungsform kombiniert wird. Auch kann eine ebene Halbleitervorrichtung mit der Lochstoppschicht 19 und der Grabengatestruktur im Diodenabschnitt 26 gebildet werden, indem die obige fünfte Ausführungsform mit der obigen vierten Ausführungsform kombiniert wird.
In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform kann ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform der Lebensdauerkiller in dem Halbleitersubstrat 10 (der Driftschicht) ausgebildet werden oder angeordnet werden.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform können die Kanalbereiche 13 und die ausgedünnten Bereiche 18 abwechselnd angeordnet sein. In einem anderen Beispiel können die Kanalbereiche 13 und die ausgedünnten Bereiche 18 gemäß 12 angeordnet werden.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß 12 sind zwischen zwei benachbarten Kanalbereichen 13 zwei ausgedünnte Bereiche 18 ausgebildet. Als weiteres anderes Beispiel können drei oder mehr ausgedünnte Bereiche 18 zwischen zwei benachbarten Kanalbereichen 13 ausgebildet werden. Insbesondere ist die Anzahl von ausgedünnten Bereichen 18, welche zwischen zwei benachbarten Kanalbereichen 13 ausgebildet werden, keinen besonderen Einschränkungen unterworfen. Auch in den oben beschriebenen zweiten bis fünften Ausführungsformen ist die Anzahl von ausgedünnten Bereichen 18, welche zwischen den benachbarten Kanalbereichen 13 gebildet werden, beliebig.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform haben die Emitterbereiche 14 die Stabform und liegen entlang der Seitenflächen der Gräben 12. Weiterhin kann der Körperbereich 15 die Stabform und liegt entlang und zwischen zwei Emitterbereichen 14. Diese Anordnung kann gemäß 13 abgewandelt werden. In 13 sind der Zwischenschichtisolationsfilm 20 und die Emitterelektrode 21 nicht dargestellt.
Gemäß 13 können die Emitterbereiche 14 in einem Leitermuster ausgebildet werden. Mit anderen Worten, zwei benachbarte Emitterbereiche 14 haben in Längsrichtung des Grabens 12 zwischen sich Verbindungsbereiche. Auch kann der Körperbereich 15 in eine Mehrzahl von Abschnitten in Längsrichtung des Grabens 12 unterteilt werden. In diesem Fall ist die Emitterelektrode 21 abwechselnd mit den Emitterbereichen 14 und den Körperbereichen 15 in Längsrichtung des Grabens 12 verbunden. Daher kann ein Abstand zwischen benachbarten Gräben 12 verringert werden. Damit kann die Durchlassspannung weiter verringert werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Gegenstand der Erfindung auf eine vertikale Halbleitervorrichtung angewendet, bei der der elektrische Strom in Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 10 fließt. In einem anderen Beispiel kann die vorliegende Erfindung bei einer lateralen Halbleitervorrichtung angewendet werden, bei der der elektrische Strom in einer Ebenenrichtung des Halbleitersubstrats 10 fließt. Insbesondere wird die Kollektorschicht 23 an einer Position ausgebildet, welche von der Basisschicht 11 (dem Kanalbereich 13 und dem ausgedünnten Bereich 18) benachbart der ersten Oberfläche 10a des Halbleitersubstrats 10 entfernt ist.
Fasst man die oben beschriebenen Ausführungsformen zusammen, so enthält eine Halbleitervorrichtung ein Halbleitersubstrat 10 eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Substratfläche oder Substratoberfläche 10a, Kanalbereiche 13 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche benachbart der Substratfläche 10a angeordnet sind, und ausgedünnte Bereiche 18 des zweiten Leitfähigkeitstyps, welche benachbart der Substratfläche 10a angeordnet sind. Die ausgedünnten Bereiche 19 und die Kanalbereiche 13 sind in einer Richtung parallel zur Substratfläche 10a derart angeordnet, dass wenigstens ein ausgedünnter Bereich 18 zwischen zwei benachbarten Kanalbereichen 13 liegt. Die Halbleitervorrichtung hat weiterhin einen Emitterbereich 14 eines ersten Leitfähigkeitstyps, der in einem Oberflächenschichtabschnitt eines jeden der Kanalbereiche 13 angeordnet ist, und eine Lochstoppschicht 19 des ersten Leitfähigkeitstyps, welche in jedem der ausgedünnten Bereiche 18 angeordnet ist. Die Lochstoppschicht 19 ist vorgesehen, den ausgedünnten Bereich 18 in einen ersten Teil 18a benachbart der Substratfläche 10a und einen zweiten Teil 18b benachbart einem Boden des ausgedünnten Bereichs 18 zu unterteilen. Weiterhin ist eine Emitterelektrode 21 mit dem Emitterbereich 14 und dem ersten Teil 18a verbunden. Eine Kollektorschicht 23 ist in dem Halbleitersubstrat 10 an einer Position getrennt von den Kanalbereichen 13 und den ausgedünnten Bereichen 18 angeordnet. Eine Kollektorelektrode 24 ist elektrisch mit der Kollektorschicht 23 verbunden. Weiterhin hat die Lochstoppschicht 19 eine Flächendichte von gleich oder kleiner als 4.0 × 10¹² cm^–2.
Da bei der obigen Halbleitervorrichtung die Flächendichte der Lochstoppschicht 19 gleich oder kleiner als 4.0 × 10¹² cm^–2 ist, kann die Durchlassspannung verringert werden, ohne dass die Durchbrucheigenschaften verringert, d. h. verschlechtert werden.
Beispielsweise kann der erste Teil 18a eine Flächendichte von gleich oder mehr als 1.1 × 10¹² cm^–2 haben. In diesem Fall wird das Auftreten eines Durchstoßens des ersten Teils 18a unterbunden.
Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung als eine Halbleitervorrichtung mit einem RC-IGBT-Element konfiguriert werden, das heißt, mit deinem IGBT-Abschnitt und einem Diodenabschnitt. Insbesondere liefert die Kollektorschicht 23 dann eine Kathodenschicht 27 eines ersten Leitfähigkeitstyps an einem Teil, und das Halbleitersubstrat 10 enthält einen IGBT-Abschnitt 25, der als IGBT-Element dient, und einen Diodenabschnitt 26, der als Diodenelement dient, und zwar bezüglich einer Richtung parallel zur Substratfläche 10a. Der IGBT-Abschnitt 25 ist definiert durch einen Abschnitt, der die Kollektorschicht 23 anders als die Kathodenschicht 27 enthält, und der Diodenabschnitt 26 ist durch einen Abschnitt definiert, der die Kathodenschicht 27 enthält.
In der obigen Halbleitervorrichtung mit dem RC-IGBT-Element ist die Flächendichte des ersten Teils 18a beispielsweise gleich oder kleiner als 3.5 × 10¹² cm^–2. In einem solchen Fall wird ein überhoher Anstieg des Spitzenwerts des Erholstroms begrenzt und Schaltverluste werden verringert.
Zusätzlich kann die Lochstoppschicht 19 auch im Diodenabschnitt 26 ausgebildet werden. In einem solchen Fall kann die Menge an Löchern, welche während eines Diodenbetriebs in den Diodenabschnitt 26 injiziert werden, verringert werden. Damit wird ein Anstieg des Spitzenwerts des Erholstroms begrenzt und der Schaltverlust kann verringert werden. Weiterhin kann ein Lebensdauerkiller in einem Bereich des Halbleitersubstrats 10 ausgebildet werden, der als Driftschicht dient. In einem solchen Fall lassen sich Schaltverluste noch weiter verringern.
Weiterhin kann die Halbleitervorrichtung so gestaltet werden, dass sie eine Grabengatestruktur hat. Genauer gesagt, das Halbleitersubstrat 10 hat eine Basisschicht 11 des zweiten Leitfähigkeitstyps benachbart der Substratfläche 10a und Gräben 12, welche durch die Basisschicht 11 verlaufen, um die Basisschicht 11 in eine Mehrzahl von Bereichen zu unterteilen. In diesem Fall sind die Kanalbereiche 13 und die ausgedünnten Bereiche 18 durch die Mehrzahl von Bereichen der Basisschicht 11 geschaffen, welche von den Gräben 12 unterteilt wird. Jeder der Gräben 12 ist mit einem Gateisolationsfilm 16 und einer Gateelektrode 17 gefüllt. Der Gateisolationsfilm 16 ist an einer Wandfläche des Grabens 12 angeordnet und die Gateelektrode 17 ist auf dem Gateisolationsfilm 16 angeordnet.
Beschrieben wurde insoweit zusammenfassend eine Halbleitervorrichtung, welche im Wesentlichen aufweist: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, Kanalbereiche eines zweiten Leitfähigkeitstyps und ausgedünnte Bereiche des zweiten Leitfähigkeitstyps. Die Kanalbereiche und die ausgedünnten Bereiche sind benachbart einer Substratfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet. Weiterhin ist in jedem der ausgedünnten Bereiche eine Lochstoppschicht ausgebildet, um den ausgedünnten Bereich in einen ersten Teil benachbart der Substratfläche und einen zweiten Teil benachbart eines Bodens des ausgedünnten Bereichs zu unterteilen. Die Lochstoppschicht hat eine Flächendichte von gleich oder weniger als 4.0 × 10¹² cm^–2, um es einer Verarmungsschicht zu ermöglichen, die Lochstoppschicht zu durchstoßen, so dass eine Abnahme (Verschlechterung) von Durchbrucheigenschaften begrenzt ist.
Es wurden verschiedene ausgewählte Ausführungsformen beschrieben, um den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darzulegen. Es versteht sich, dass diese Beschreibung als rein illustrativ und darstellend und nicht einschränkend zu verstehen ist; vielmehr ist eine Vielzahl von Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-266134 A [0002]

Claims

Eine Halbleitervorrichtung, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Substratfläche (10a); eine Mehrzahl von Kanalbereichen (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die benachbart der Substratfläche (10a) angeordnet sind; eine Mehrzahl von ausgedünnten Bereichen (18) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die benachbart der Substratfläche (10a) angeordnet sind, wobei die ausgedünnten Bereiche (18) und die Kanalbereiche (13) in einer Richtung parallel zur Substratfläche (10a) derart angeordnet sind, dass wenigstens einer der ausgedünnten Bereiche (18) zwischen benachbarten Kanalbereichen (13) angeordnet ist; einen Emitterbereich (14) des ersten Leitfähigkeitstyps, der an einem Oberflächenschichtabschnitt eines jeden der Kanalbereiche (13) angeordnet ist; eine Lochstoppschicht (19) des ersten Leitfähigkeitstyps, welche in jedem der ausgedünnten Bereiche (18) angeordnet ist, um den ausgedünnten Bereich (18) in einen ersten Teil (18a) benachbart der Substratfläche (10a) und einen zweiten Teil (18b) benachbart einem Boden des ausgedünnten Bereichs (18) zu unterteilen; eine Emitterelektrode (21) in Verbindung mit dem Emitterbereich (14) und dem ersten Teil (18a); eine Kollektorschicht (23), welche in dem Halbleitersubstrat (10) an einer Position getrennt von den Kanalbereichen (13) und den ausgedünnten Bereichen (18) angeordnet ist; und eine Kollektorelektrode (24) in elektrischer Verbindung mit der Kollektorschicht (23), wobei die Lochstoppschicht (19) eine Flächendichte von gleich oder weniger als 4.0 × 10¹² cm^–2 hat.
Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Teil (18a) eine Flächendichte von gleich oder mehr als 1.1 × 10¹² cm^–2 hat.
Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kollektorschicht (23) teilweise eine Kathodenschicht (27) des ersten Leitfähigkeitstyps liefert, und das Halbleitersubstrat (10) einen IGBT-Abschnitt (25), der als ein IGBT-Element dient, und einen Diodenabschnitt (26), der als ein Diodenelement dient, in einer Richtung parallel zur Substratfläche (10a) aufweist, wobei der IGBT-Abschnitt (25) durch einen Abschnitt definiert ist, der die Kollektorschicht (23) mit Ausnahme der Kathodenschicht (27) enthält, und der Diodenabschnitt (26) durch einen Abschnitt definiert ist, der die Kathodenschicht (27) enthält.
Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Flächendichte des ersten Teils (18a) gleich oder kleiner als 3.5 × 10¹² cm^–2 ist.
Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Lochstoppschicht (19) ebenfalls in dem Diodenabschnitt (26) angeordnet ist.
Die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Halbleitersubstrat (10) einen Driftbereich aufweist, der als Driftschicht dient, und wobei der Driftbereich mit einem Lebensdauerkiller ausgebildet ist.
Die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Halbleitersubstrat (10) eine Basisschicht (11) des zweiten Leitfähigkeitstyps benachbart der Substratfläche (10a) und eine Mehrzahl von Gräben (12) aufweist, welche die Basisschicht (11) durchtreten, um die Basisschicht (11) in eine Mehrzahl von Bereichen zu unterteilen, wobei die Kanalbereiche (13) und die ausgedünnten Bereiche (18) durch die Mehrzahl von Bereichen der Basisschicht (11) gebildet sind, welche von den Gräben (12) unterteilt sind, und wobei jeder der Gräben (12) mit einem Gateisolationsfilm (16) und einer Gateelektrode (17) gefüllt ist, wobei der Gateisolationsfilm (16) an einer Wandfläche des Grabens (12) angeordnet ist und die Gateelektrode (17) auf dem Gateisolationsfilm (16) angeordnet ist.