TW201635528A - 半導體裝置 - Google Patents

Abstract

實施形態之半導體裝置包含二極體部及IGBT部，上述二極體部包括：第1導電型陽極區域，其設置於包含第1面、及與第1面對向之第2面之半導體基板之第1面；第2導電型陰極區域，其設置於第2面；及第1區域，其係設置於陽極區域與陰極區域之間且第2導電型雜質濃度較陰極區域低之第2導電型漂移區域之一部分；上述IGBT部包括：第2導電型之複數個射極區域，其等設置於第1面，且第1面中之面密度朝向上述二極體部地下降；第1導電型之集極區域，其設置於第2面；第1導電型之基極區域，其設置於射極區域與集極區域之間；及第2區域，其係設置於基極區域與集極區域之間之漂移區域之一部分。

Description

半導體裝置 [相關申請案]

本申請案享有以日本專利申請案2015-52274號(申請日：2015年3月16日)作為基礎申請案之優先權。本申請案藉由參照該基礎申請案而包含基礎申請案之全部內容。

本發明之實施形態係關於一種半導體裝置。

RC(Reverse Conducting，逆導)-IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極電晶體)係形成有IGBT之IGBT部、及相鄰於IGBT部且形成有二極體之二極體部形成於同一半導體基板上。於RC-IGBT中，於二極體進行正向動作時，載子亦自相鄰之IGBT部朝向二極體部擴展。因此，存在如下問題：於IGBT部與二極體部之交界部，載子儲存量增大，恢復損失(recovery loss)(切換損失)增大。

本發明之實施形態提供一種能夠降低恢復損失之半導體裝置。

實施形態之半導體裝置包含二極體部及IGBT部，上述二極體部包括：第1導電型陽極區域，其設置於包含第1面、及與上述第1面對向之第2面之半導體基板之上述第1面；第2導電型陰極區域，其設置於上述第2面；及第1區域，其係設置於上述陽極區域與上述陰極區域之間且第2導電型雜質濃度較上述陰極區域低之第2導電型漂移區域之一部分；上述IGBT部包括：第2導電型之複數個射極區域，其等設置於上 述第1面，且上述第1面中之面密度朝向上述二極體部地下降；第1導電型之集極區域，其設置於上述第2面；第1導電型之基極區域，其設置於上述射極區域與上述集極區域之間；及第2區域，其係設置於上述基極區域與上述集極區域之間之上述漂移區域之一部分。

10‧‧‧半導體基板

12‧‧‧第1陽極區域

14‧‧‧第2陽極區域

16‧‧‧陰極區域

18‧‧‧漂移區域

20‧‧‧第1共通電極

22‧‧‧第2共通電極

24‧‧‧溝

26‧‧‧閘極絕緣膜

27‧‧‧絕緣膜

28‧‧‧虛設閘極電極

30‧‧‧射極區域

32‧‧‧集極區域

34‧‧‧基極區域

36‧‧‧基極接觸區域

38‧‧‧p⁺型區域

40‧‧‧閘極電極

42‧‧‧浮動層

44‧‧‧層間絕緣膜

100‧‧‧RC-IGBT

200‧‧‧RC-IGBT

300‧‧‧RC-IGBT

900‧‧‧RC-IGBT

圖1係第1實施形態之半導體裝置之模式剖視圖。

圖2係第1實施形態之二極體部之模式剖視圖。

圖3係第1實施形態之IGBT部之模式剖視圖。

圖4係比較形態之半導體裝置之模式剖視圖。

圖5係第2實施形態之半導體裝置之模式剖視圖。

圖6係第3實施形態之半導體裝置之模式剖視圖。

圖7係第3實施形態之二極體部之模式剖視圖。

圖8係第3實施形態之IGBT部之模式剖視圖。

以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。再者，於以下之說明中，對相同之構件等標註相同之符號，並對說明過一次之構件等適當省略其說明。

於本說明書中，n⁺型、n型、n^-型之記法係指n型雜質濃度以n⁺型、n型、n^-型之順序變低。又，p⁺型、p型、p^-型之記法係指p型雜質濃度以p⁺型、p型、p^-型之順序變低。

(第1實施形態)

本實施形態之半導體裝置具備二極體部及IGBT部，上述二極體部具有：第1導電型陽極區域，其設置於具有第1面、及與第1面對向之第2面之半導體基板之第1面；第2導電型陰極區域，其設置於第2面；以及第1區域，其為設置於陽極區域與陰極區域之間且第2導電型雜質濃度較陰極區域低之第2導電型漂移區域之一部分；上述IGBT部具有： 第2導電型之複數個射極區域，其等設置於第1面，且朝向二極體部而第1面之面密度下降；第1導電型之集極區域，其設置於第2面；第1導電型之基極區域，其設置於射極區域與上述集極區域之間；以及第2區域，其為設置於基極區域與集極區域之間之漂移區域之一部分。

圖1係本實施形態之半導體裝置之模式剖視圖。本實施形態之半導體裝置係具備溝構造之RC-IGBT。

RC-IGBT100具備供配置IGBT單元(圖中“I”)及虛設單元(圖中“D”)之IGBT部、以及供配置二極體之二極體部。

圖2係本實施形態之二極體部之模式剖視圖。二極體部具備半導體基板10、p型之第1陽極區域(陽極區域)12、p⁺型之第2陽極區域(陽極區域)14、n⁺型陰極區域16、作為n^-型漂移區域18之一部分之第1區域、第1共通電極20、及第2共通電極22。又，具備溝24、閘極絕緣膜26、虛設閘極電極28。

半導體基板10具備第1面(以後亦稱為正面)、及與第1面對向之第2面(以後亦稱為背面)。半導體基板10例如為單晶矽基板。

p型之第1陽極區域(陽極區域)12、p⁺型之第2陽極區域(陽極區域)14設置於半導體基板10之正面。第1陽極區域12及第2陽極區域14含有p型雜質。p型雜質例如為硼(B)。

第2陽極區域14之p型雜質濃度高於第1陽極區域12之p型雜質濃度。因此，第2陽極區域14具備降低第1共通電極20之接觸電阻之功能。

n⁺型陰極區域16設置於半導體基板10之背面。陰極區域16含有n型雜質。n型雜質例如為磷(P)或砷(As)。陰極區域16具備降低第2共通電極22之接觸電阻之功能。

n^-型漂移區域18設置於第1陽極區域12與陰極區域16之間。漂移區域18含有n型雜質。n型雜質例如為磷(P)。

第1共通電極20設置於半導體基板10之正面。第1共通電極20為金 屬電極。第1共通電極20係於二極體部中作為陽極電極而發揮功能。第1共通電極20與第1陽極區域12之間之接觸為肖特基接觸(schottky contact)。第1共通電極20與第2陽極區域14之間之接觸為歐姆接觸(ohmic contact)。

第2共通電極22設置於半導體基板10之背面。第2共通電極22為金屬電極。第2共通電極22係於二極體部中作為陰極電極而發揮功能。第2共通電極22與陰極區域16之間之接觸為歐姆接觸。

溝24設置於半導體基板10之第1面側。閘極絕緣膜26設置於溝24之內表面。閘極絕緣膜26設置於第1陽極區域12內。閘極絕緣膜26例如為氧化矽膜。

虛設閘極電極28設置於溝24內。虛設閘極電極28係於與第1陽極區域12之間隔著閘極絕緣膜26。

虛設閘極電極28與第1共通電極20係藉由絕緣膜27而分離。

圖3係本實施形態之IGBT部之模式剖視圖。IGBT部具備半導體基板10、n⁺型射極區域30、p⁺型集極區域32、p型基極區域34、作為n^-型漂移區域18之一部分之第2區域、p⁺⁺型基極接觸(base contact)區域36、p⁺型區域38、第1共通電極20、及第2共通電極22。又，具備溝24、閘極絕緣膜26、絕緣膜27、虛設閘極電極28、及閘極電極40。

n⁺型射極區域30於半導體基板10之正面設置有複數個。射極區域30含有n型雜質。n型雜質例如為砷(As)。

p⁺型集極區域32設置於半導體基板10之背面。集極區域32含有p型雜質。p型雜質例如為硼(B)。

p型基極區域34設置於射極區域30與集極區域32之間。p型基極區域34係於IGBT單元(圖中“I”)之接通動作時，形成反轉層，作為通道區域而發揮功能。

p型基極區域34含有p型雜質。p型雜質例如為硼(B)。

p型基極區域34例如與二極體部之第1陽極區域12同時形成。基極區域34例如為與二極體部之第1陽極區域12大致相同之雜質濃度、且大致相同之深度。

n^-型漂移區域18設置於基極區域34與集極區域32之間。

p⁺⁺型基極接觸區域36設置於半導體基板10之正面。基極接觸區域36係相鄰於射極區域30而設置於基極區域34內。基極接觸區域36具備降低第1共通電極20之接觸電阻之功能。又，基極接觸區域36具備將注入並儲存於漂移區域18之電洞消去之功能。

基極接觸區域36含有p型雜質。p型雜質例如為硼(B)。

基極接觸區域36之p型雜質濃度高於二極體部之第2陽極區域14之p型雜質濃度。又，基極接觸區域36之寬度較第2陽極區域14之寬度寬。又，基極接觸區域36之深度較第2陽極區域14之深度深。

p⁺型區域38設置於半導體基板10之正面。p⁺型區域38設置於虛設單元(圖中“D”)之間之基極區域34內。

p⁺型區域38含有p型雜質。p型雜質例如為硼(B)。p⁺型區域38之p型雜質濃度較基極接觸區域36之p型雜質濃度低。

p⁺型區域38例如與二極體部之第2陽極區域14同時形成。p⁺型區域38例如為與二極體部之第2陽極區域14大致相同之雜質濃度、且大致相同之深度。

第1共通電極20設置於半導體基板10之正面。第1共通電極20為金屬電極。第1共通電極20係於IGBT部中作為射極電極而發揮功能。第1共通電極20與射極區域30之間之接觸為歐姆接觸。第1共通電極20與基極接觸區域36之間之接觸為歐姆接觸。第1共通電極20與p⁺型區域38之間之接觸為歐姆接觸。第1共通電極20與基極區域34之間之接觸為肖特基接觸。

第2共通電極22設置於半導體基板10之背面。第2共通電極22為金 屬電極。第2共通電極22係於IGBT部中作為集極電極而發揮功能。第2共通電極22與集極區域32之間之接觸為歐姆接觸。

溝24設置於半導體基板10之第1面側。閘極絕緣膜26設置於溝24之內表面。閘極絕緣膜26設置於基極區域34內。閘極絕緣膜26例如為氧化矽膜。

虛設閘極電極28設置於虛設單元(圖中“D”)之溝24內。虛設閘極電極28係於與基極區域34之間隔著閘極絕緣膜26。

虛設閘極電極28與第1共通電極20係藉由絕緣膜27而分離。

閘極電極40設置於IGBT單元(圖中“I”)之溝24內。虛設閘極電極28係於與基極區域34之間隔著閘極絕緣膜26。

閘極電極28與第1共通電極20係藉由絕緣膜27而分離。

如圖1所示，設置於IGBT部之半導體基板10之正面之複數個射極區域30係朝向二極體部而正面之面密度下降。換言之，IGBT部之IGBT單元(圖中“I”)之密度朝向二極體部下降。換言之，IGBT部之虛設單元(圖中“D”)之密度朝向二極體部增加。再者，即便複數個射極區域30之面密度局部地增減，只要作為整體，複數個射極區域30之面密度朝向二極體部減小即可。

如圖1所示，於RC-IGBT100中，射極區域30之半導體基板10之正面之面密度朝向二極體部連續地下降。即，藉由使IGBT單元間之虛設單元之個數呈1個→2個→3個→4個而連續地增加，而使IGBT單元之個數連續地減少，結果為射極區域30之正面之面密度連續地下降。

其次，對本實施形態之作用及效果進行說明。

圖4係比較形態之半導體裝置之模式剖視圖。比較形態之半導體裝置亦為具備溝構造之RC-IGBT。

RC-IGBT900係於IGBT部之射極區域30之半導體基板10之正面之面密度為固定之方面，與本實施形態之RC-IGBT100不同。RC-IGBT900 之IGBT部之IGBT單元(圖中“I”)之密度為固定。

於圖4中，由實線箭頭表示二極體部之二極體進行正向動作時之電洞之流向，並由虛線箭頭表示電子之流向。如圖4所示，於二極體部之二極體進行正向動作時，載子自相鄰之IGBT部朝向二極體部擴展。因此，於IGBT部與二極體部之交界部，載子儲存量增大。

於二極體斷開時，必須將IGBT部與二極體部之交界部之過剩之載子消去。因此，切換時間變長，恢復損失(切換損失)增大。

於二極體進行正向動作時之於IGBT部之電洞之注入係自IGBT單元之基極接觸區域36(圖3)、及虛設單元之p⁺型區域38(圖3)起發生。尤其是，較p⁺型區域38，p型雜質濃度高、寬度寬、且深度亦深之基極接觸區域36之貢獻較大。

本實施形態之RC-IGBT100係射極區域30之半導體基板10之正面之面密度朝向二極體部下降。即，IGBT部之IGBT單元之密度朝向二極體部下降。因此，IGBT單元之基極接觸區域36之半導體基板10之正面之面密度亦下降。因此，於二極體進行正向動作時之自IGBT部之電洞之注入係於IGBT部與二極體部之交界部被抑制。因此，於IGBT部與二極體部之交界部，電洞之儲存量減少，恢復損失降低。

根據本實施形態，可實現能夠降低恢復損失之RC-IGBT100。

(第2實施形態)

本實施形態之半導體裝置係於在IGBT部具有射極區域之面密度為第1值之第1區域、及設置於第1區域與二極體部之間且面密度為小於第1值之第2值之第2區域之方面，與第1實施形態不同。關於與第1實施形態重複之內容，省略一部分記述。

圖5係本實施形態之半導體裝置之模式剖視圖。RC-IGBT200之IGBT部具備第1區域及第2區域。

第1區域係以IGBT單元與虛設單元為1比1之比例而配置。第2區域 係以IGBT單元與虛設單元為1比3之比例而配置。

第1區域之射極區域30之半導體基板10正面之面密度為第1值。第2區域之射極區域30之半導體基板10正面之面密度為第2值。第2值小於第1值。即，第2區域之射極區域30之半導體基板10正面之面密度小於第1區域之射極區域30之半導體基板10正面之面密度。

藉由配置射極區域30之面密度為固定之第1區域、及射極區域30之面密度為固定之第2區域，而使於二極體進行正向動作時之自IGBT部之電洞之注入量最佳化。因此，與使射極區域30之面密度連續地改變之第1實施形態相比，裝置設計變得容易。

根據本實施形態，與第1實施形態同樣地可實現能夠降低恢復損失之RC-IGBT200。又，可實現用以降低恢復損失之裝置設計變得容易之RC-IGBT200。

(第3實施形態)

本實施形態之半導體裝置係於IGBT部與二極體部之構造不同之方面，與第2實施形態不同。關於與第2實施形態重複之內容，省略一部分記述。

圖6係本實施形態之半導體裝置之模式剖視圖。RC-IGBT300之IGBT部具備第1區域及第2區域。第2區域之射極區域30之半導體基板10正面之面密度小於第1區域之射極區域30之半導體基板10正面之面密度。

圖7係本實施形態之二極體部之模式剖視圖。二極體部具備半導體基板10、p型之第1陽極區域(陽極區域)12、p⁺型之第2陽極區域(陽極區域)14、n⁺型陰極區域16、n^-型漂移區域18、第1共通電極20、及第2共通電極22。除了不具備溝、閘極絕緣膜、虛設閘極電極以外，與第1實施形態之二極體部相同。

圖8係本實施形態之IGBT部之模式剖視圖。IGBT部具備半導體基 板10、n⁺型射極區域30、p⁺型集極區域32、p型基極區域34、n^-型漂移區域18、p⁺⁺型基極接觸區域36、p型浮動層42、第1共通電極20、及第2共通電極22。又，具備溝24、閘極絕緣膜26、絕緣膜27、虛設閘極電極28、及閘極電極40。又，具備層間絕緣膜44。

p型浮動層42設置於虛設單元之溝24與虛設單元之溝24之間之半導體基板10之正面。浮動層42例如與基極區域34同時形成。浮動層42例如為與基極區域34大致相同之雜質濃度、且大致相同之深度。

浮動層42係藉由層間絕緣膜44而與第1共通電極20物理性、電性地分離。

於RC-IGBT300中，藉由改變浮動層42之寬度，而改變第1區域及第2區域之射極區域30之半導體基板10正面之面密度。

再者，於本實施形態中，於如下方面與第2實施形態不同，即由於自浮動層42之電洞之注入不會發生，故而於二極體進行正向動作時之於IGBT部之電洞之注入中，僅基極接觸區域36發揮作用。除基極接觸區域36以外之電洞之注入源不存在於IGBT部，因此，進而，於IGBT部與二極體部之交界部，電洞之儲存量減少，恢復損失降低。

根據本實施形態，進而，可實現能夠降低恢復損失之RC-IGBT300。又，可實現用以降低恢復損失之裝置設計變得容易之RC-IGBT300。

於第1至第3實施形態中，以具有溝構造之IGBT之RC-IGBT作為半導體裝置之例進行了說明，但本發明亦可應用於具有平面構造之IGBT之RC-IGBT。

又，於第1至第3實施形態中，以單晶矽作為半導體基板之材料之例進行了說明，但可將其他半導體材料、例如碳化矽、氮化鎵等應用於本發明。

又，於第1至第3實施形態中，以第1導電型為p型、第2導電型為n 型之情形為例進行了說明，但亦可將第1導電型設為p型，將第2導電型設為n型。

又，於第1至第3實施形態中，以二極體部之陽極電極與IGBT部之射極電極共用之情形為例進行了說明，但亦可設為物理性地分離之電極。

對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為示例而提出者，並非意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施形態能以其他各種形態實施，且能夠於不脫離發明之主旨之範圍內，進行各種省略、替換、變更。該等實施形態及其變化包含於發明之範圍或主旨，並且包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。

10‧‧‧半導體基板

12‧‧‧第1陽極區域

16‧‧‧陰極區域

18‧‧‧漂移區域

20‧‧‧第1共通電極

22‧‧‧第2共通電極

24‧‧‧溝

30‧‧‧射極區域

32‧‧‧集極區域

34‧‧‧基極區域

100‧‧‧RC-IGBT

Claims (10)

1. 一種半導體裝置，其包含：二極體部及IGBT部，且上述二極體部包括：第1導電型陽極區域，其設置於包含第1面、及與上述第1面對向之第2面之半導體基板之上述第1面；第2導電型陰極區域，其設置於上述第2面；及第1區域，其係設置於上述陽極區域與上述陰極區域之間且第2導電型雜質濃度較上述陰極區域低之第2導電型漂移區域之一部分；且上述IGBT部包括：第2導電型之複數個射極區域，其等設置於上述第1面，且上述第1面中之面密度朝向上述二極體部地下降；第1導電型之集極區域，其設置於上述第2面；第1導電型之基極區域，其設置於上述射極區域與上述集極區域之間；及第2區域，其係設置於上述基極區域與上述集極區域之間之上述漂移區域之一部分。
2. 如請求項1之半導體裝置，其進而包含：第1導電型之基極接觸區域，其設置於上述IGBT部之上述第1面，且第1導電型雜質濃度高於上述陽極區域。
3. 如請求項1之半導體裝置，其中上述面密度連續地下降。
4. 如請求項1之半導體裝置，其中於上述IGBT部包含：上述面密度為第1值之第1區域、及設置於上述第1區域與上述二極體部之間且上述面密度為小於上述第1值之第2值之第2區域。
5. 如請求項1之半導體裝置，其進而包含：閘極電極；及閘極絕緣 膜，其設置於上述閘極電極與上述基極區域之間。
6. 如請求項1之半導體裝置，其進而包含：第1電極，其設置於上述第1面上；及第2電極，其設置於上述第2面上。
7. 如請求項5之半導體裝置，其進而包含：第1溝(trench)，其設置於上述IGBT部，且一端在上述第1面，另一端在上述漂移區域；且上述閘極電極及上述閘極絕緣膜係設置於上述第1溝內。
8. 如請求項7之半導體裝置，其進而包含：第2溝，其設置於上述二極體部，且一端在上述第1面，另一端在上述漂移區域。
9. 如請求項6之半導體裝置，其中上述第1電極電性連接於上述陽極區域及上述射極區域，上述第2電極電性連接於上述陰極區域及上述集極區域。
10. 如請求項1之半導體裝置，其中上述半導體基板為矽基板。