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      半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法與流程

      文檔序號(hào):11869378閱讀:279來源:國(guó)知局
      半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法與流程

      半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法

      技術(shù)領(lǐng)域

      本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法,尤其涉及一種在襯底的背面?zhèn)仍O(shè)有場(chǎng)阻斷層的半導(dǎo)體裝置及半導(dǎo)體裝置的制造方法。



      背景技術(shù):

      IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是將MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的高速開關(guān)特性和電壓驅(qū)動(dòng)特性、及雙極晶體管的低導(dǎo)通電壓特性構(gòu)成在一塊芯片上的功率元件。

      IGBT也經(jīng)常與FWD(續(xù)流二極管)等一起使用,并且已經(jīng)擴(kuò)展到應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域,例如一般用途、電動(dòng)汽車逆變器、交流(AC)伺服、不間斷電源(UPS)及開關(guān)電源;以及民用設(shè)備領(lǐng)域,例如微波爐、電飯煲及頻閃觀測(cè)器。并且,具有更低的導(dǎo)通電壓的IGBT被開發(fā),并作為改進(jìn)的下一代類型的元件,從而能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用裝置的低損耗和高效率。

      作為這種IGBT,開發(fā)了使用由廉價(jià)的FZ(浮區(qū))晶片所形成的FZ-n型硅(Si)襯底的元件,來取代已知的昂貴的外延晶片。并且,包括溝槽MOS柵(由金屬-氧化物-薄膜-半導(dǎo)體形成的絕緣柵)結(jié)構(gòu)(下面稱作溝槽MOS結(jié)構(gòu))的場(chǎng)阻斷型(FS)IGBT(以下稱作溝槽-FS-IGBT)通常被稱為IGBT。圖5是表示現(xiàn)有FS-IGBT結(jié)構(gòu)的主要部分的截面圖。

      如圖5所示,溝槽-FS-IGBT在形成n-型漂移層1的硅襯底的前表面?zhèn)劝ǘ鄠€(gè)溝槽11。在溝槽11中,沿溝槽11的內(nèi)壁設(shè)有柵電介質(zhì)膜10,在該柵電介質(zhì)膜10的內(nèi)側(cè)設(shè)有柵電極7。在夾在溝槽11之間的硅襯底的一部分上設(shè)有p型基極層5,由此在硅襯底的前表面?zhèn)刃纬捎蓶烹姌O7、柵電介質(zhì)膜10以及p型基極層5構(gòu)成的溝槽MOS結(jié)構(gòu)12。

      并且,在p型基極層5的表面層上可以選擇性地設(shè)置n+型發(fā)射極區(qū)4和p+接觸區(qū)6。n+型發(fā)射極區(qū)4設(shè)置為與溝槽11的側(cè)面的上側(cè)(孔部分側(cè))端部相接觸。發(fā)射電極9設(shè)置為同時(shí)與n+型發(fā)射極區(qū)4及p型基極層5(p+接觸區(qū)6)進(jìn)行歐姆接觸。在硅襯底的背面?zhèn)仍O(shè)有p+型集電極層3和集電電極8。場(chǎng)阻斷(FS)層2設(shè)置在p+型集電極層3與n-型漂移層1之間。

      通過使用形成n-型漂移層1的FZ-n型硅襯底,能夠減少晶片成本。而且,通過設(shè)置FS層2,能使硅襯底的厚度小于非穿通(NP)IGBT,并使該厚度與擊穿電壓相稱,從而能夠降低導(dǎo)通電壓。并且,通過將p+型集電極層3形成為具有低摻雜且較淺的低注入集電極,能夠高速地關(guān)斷,而不需要使用電子輻照等進(jìn)行壽命控制。

      由溝槽MOS結(jié)構(gòu)12和FS-IGBT兩者以此方式組合而成的溝槽-FS-IGBT成為市場(chǎng)上的主流裝置,其中溝槽MOS結(jié)構(gòu)12構(gòu)成為MOS柵結(jié)構(gòu)設(shè)置在溝槽11的內(nèi)壁上,溝槽11高密度地設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的前表面上,F(xiàn)S-IGBT構(gòu)成為FS層2設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的背面。

      如上所述,對(duì)于圖5所示的溝槽-FS-IGBT,由于設(shè)有FS層2,能夠通過減小硅襯底(晶片)的厚度來降低導(dǎo)通電壓。然而,在生產(chǎn)過程中較薄的晶片容易破裂,從而導(dǎo)致合格率的惡化,因此在導(dǎo)入生產(chǎn)過程時(shí)只能使用沒有被薄化的晶片。在后續(xù)過程中,在晶片的前表面?zhèn)刃纬蓽喜跰OS結(jié)構(gòu)12后,將晶片減薄至擊穿電壓所需的厚度。作為減薄晶片的工序,利用背面研磨工序,即通過研磨、蝕刻等工序?qū)⒕瑥谋趁鏈p薄(例如,參照專利文獻(xiàn)1)。

      此外,提出了一種作為改善FS-IGBT的耐壓的方法,即通過使用磷(P)作為 形成FS層或緩沖層(未示出)的摻雜物來形成兩級(jí)緩沖層(FS層),該兩級(jí)緩沖層(FS層)包括形成在晶片背面?zhèn)鹊纳顚拥木哂械碗s質(zhì)濃度的擴(kuò)散層、以及形成在晶片背面?zhèn)鹊臏\層的具有高雜質(zhì)濃度的擴(kuò)散層(例如,參照專利文獻(xiàn)2)。在專利文獻(xiàn)2中,通過采用兩級(jí)緩沖層,能夠防止在關(guān)斷時(shí)容易導(dǎo)致的漏極電壓和漏極電流振蕩的產(chǎn)生。并且,為了減薄晶片而進(jìn)行背面研磨時(shí),能夠防止對(duì)由拋光量的精度所決定的特性的不利影響。

      此外,提出了一種作為形成FS-IGBT的方法,即通過使用n-型雜質(zhì),例如具有比磷更高的擴(kuò)散常數(shù)的硒(Se)或硫磺(S),而不使用磷來作為形成FS層的摻雜物,從而將FS層有效地形成為具有低雜質(zhì)濃度的深擴(kuò)散層(例如,參照專利文獻(xiàn)3)。

      此外,提出了一種作為在短路電流關(guān)閉時(shí)的安全操作區(qū)域內(nèi)的耐壓得到改善的高擊穿電壓FS-IGBT,該FS-IGBT構(gòu)成為漂移層與耗盡層寬度的比率以及集電極層與緩沖層的雜質(zhì)濃度的比率分別被調(diào)整(例如,參照專利文獻(xiàn)4)。

      現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

      專利文獻(xiàn)

      專利文獻(xiàn)1:JP-A-2002-299346(段落[0008],圖1)

      專利文獻(xiàn)2:JP-A-2002-261282(段落[0018]至段落[0029])

      專利文獻(xiàn)3:JP-T-2002-520885(段落[0010])(此處所使用的術(shù)語“JP-T”表示PCT專利申請(qǐng)的公開日文翻譯)

      專利文獻(xiàn)4:JP-A-2010-56134(段落[0017]至段落[0025])



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      技術(shù)問題

      然而,在專利文獻(xiàn)2中記載有能改善元件損壞耐受性的層結(jié)構(gòu),但并沒有提到防止熱失控?fù)p壞的層結(jié)構(gòu)或抑制導(dǎo)通電壓變化的層結(jié)構(gòu)。并且,在專利文獻(xiàn)4中,通過采用空穴從p+型集電極層到n-型緩沖層的注入效率較高的層結(jié)構(gòu),在短路電流關(guān)閉時(shí)的安全操作區(qū)域內(nèi)的耐壓得到了改善??昭ㄗ⑷胄瘦^高意味著,另一方 面,會(huì)擔(dān)心漏電流將增加,從而容易產(chǎn)生熱失控?fù)p壞。然而,在專利文獻(xiàn)4中沒有示出具有防止熱失控?fù)p壞的優(yōu)點(diǎn)的層結(jié)構(gòu)。

      為了消除現(xiàn)有技術(shù)的上述問題,本發(fā)明的目的在于,提供一種半導(dǎo)體裝置以及半導(dǎo)體裝置的制造方法,能夠平衡對(duì)發(fā)生短路時(shí)元件損壞的耐受性的改善以及對(duì)熱失控?fù)p壞的抑制。另外,為了消除現(xiàn)有技術(shù)的上述問題,本發(fā)明的目的在于,提供一種半導(dǎo)體裝置以及半導(dǎo)體裝置的制造方法,能夠減少導(dǎo)通電壓的變化。

      解決技術(shù)問題的技術(shù)方案

      為解決上述問題并達(dá)到本發(fā)明的目的,根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置,其特征在于,包括:第一導(dǎo)電型漂移層,該第一導(dǎo)電型漂移層由第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底形成;第二導(dǎo)電型基極層,該第二導(dǎo)電型基極層形成在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主面的表面層;第一導(dǎo)電型發(fā)射極層,該第一導(dǎo)電型發(fā)射極層形成在所述第二導(dǎo)電型基極層的所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主面?zhèn)鹊谋砻鎸?;柵電介質(zhì)膜,該柵電介質(zhì)膜設(shè)置在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主面,且與第一導(dǎo)電型發(fā)射極層、第二導(dǎo)電型基極層以及第一導(dǎo)電型漂移層相接觸;柵電極,該柵電極隔著所述柵電介質(zhì)膜與第一導(dǎo)電型發(fā)射極層、第二導(dǎo)電型基極層以及第一導(dǎo)電型漂移層相對(duì);MOS柵結(jié)構(gòu),該MOS柵結(jié)構(gòu)由第一導(dǎo)電型漂移層、第二導(dǎo)電型基極層、第一導(dǎo)電型發(fā)射極層、柵電介質(zhì)膜以及柵電極構(gòu)成;第二導(dǎo)電型集電極層,該第二導(dǎo)電型集電極層設(shè)置在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的另一個(gè)主面;第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層,該第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層設(shè)置在第一導(dǎo)電型漂移層和第二導(dǎo)電型集電極層之間,并具有比所述第一導(dǎo)電型漂移層更高的雜質(zhì)濃度;以及第一導(dǎo)電型緩沖層,該第一導(dǎo)電型緩沖層設(shè)置在第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層與第二導(dǎo)電型集電極層之間,所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的凈摻雜濃度要高于所述第一導(dǎo)電型漂移層的凈摻雜濃度;所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的所述凈摻雜濃度與所述第一導(dǎo)電型漂移層的凈摻雜濃度的總量的值為使得耗盡層的耗盡層邊緣位于所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層內(nèi)部,該耗盡層響應(yīng)所施加的額定電壓而在第一導(dǎo)電型漂移層和第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層中擴(kuò)散,第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的雜質(zhì)濃度分布呈從所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的另一個(gè)主面?zhèn)认蛞粋€(gè)主面?zhèn)冗f減的濃度梯度,所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的深度大于或等于20μm,并且所述第一導(dǎo)電型緩沖層的最大雜質(zhì)濃度要大于所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的最大雜質(zhì)濃度,為大于或等于6×1015cm-3,且小于或等于所述第二導(dǎo)電型集電極 層的最大雜質(zhì)濃度的十分之一。

      并且,根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置,其特征在于,所述第二導(dǎo)電型集電極層的最大雜質(zhì)濃度為大于或等于6×1016cm-3,小于或等于1×1020cm-3。并且,根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置,其特征在于,所述第一導(dǎo)體型場(chǎng)阻斷層的摻雜物為硒或硫磺。

      并且,根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置,其特征在于,所述第一導(dǎo)體型緩沖層的摻雜物為磷。并且,根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置,其特征在于,所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的最大雜質(zhì)濃度為大于或等于3×1014cm-3,小于或等于3×1015cm-3。

      并且,根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置,其特征在于,所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的濃度梯度的大小從所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的最大雜質(zhì)濃度的位置向所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主面?zhèn)戎饾u減小。并且,根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體裝置,其特征在于,額定電壓高于或等于1200V。

      并且,為了解決上述問題并達(dá)到本發(fā)明的目的,根據(jù)本發(fā)明的第八方面的半導(dǎo)體裝置的制造方法是制造下述半導(dǎo)體裝置的方法,該半導(dǎo)體裝置包括第一導(dǎo)電型漂移層,該第一導(dǎo)電型漂移層由第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底形成;MOS柵結(jié)構(gòu),該MOS柵結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主面?zhèn)?,且至少包括柵電極、柵電介質(zhì)膜以及所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底;第二導(dǎo)電型集電極層,該第二導(dǎo)電型集電極層設(shè)置在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的另一個(gè)主面;第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層,該第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層設(shè)置在第一導(dǎo)電型漂移層和第二導(dǎo)電型集電極層之間,并具有比第一導(dǎo)電型漂移層更高的雜質(zhì)濃度;以及第一導(dǎo)電型緩沖層,該第一導(dǎo)電型緩沖層設(shè)置在第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層和第二導(dǎo)電型集電極層之間,并具有比第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層更高的雜質(zhì)濃度,該方法具有如下特征。首先,將所述MOS柵結(jié)構(gòu)形成在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主面?zhèn)?MOS柵結(jié)構(gòu)形成步驟)。接著,對(duì)所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的另一個(gè)主面進(jìn)行研磨,從而將所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底減薄到規(guī)定的厚度(襯底減薄步驟)。接著,將摻雜物離子注入所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的被研磨過的面,從而分別形成第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層、第一導(dǎo)電型緩 沖層、以及第二導(dǎo)電型集電極層(注入步驟)。接著,進(jìn)行熱處理,從而將離子注入到所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的被研磨過的面中的多種摻雜物同時(shí)電激活(激活步驟)。接著,在所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的一個(gè)主面上通過濺射來形成金屬電極膜,并進(jìn)行熱處理(電極膜形成步驟)。

      并且,根據(jù)本發(fā)明的第八方面的半導(dǎo)體裝置的制造方法,其特征在于,通過進(jìn)行注入步驟和激活步驟,使得所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的凈摻雜濃度要高于所述第一導(dǎo)電型漂移層的凈摻雜濃度,所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的凈摻雜濃度與所述第一導(dǎo)電型漂移層的凈摻雜濃度的總和的值為使得耗盡層的耗盡層端部位于所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層內(nèi)部,該耗盡層響應(yīng)所施加的額定電壓而在第一導(dǎo)電型漂移層和第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層中擴(kuò)散,第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的雜質(zhì)濃度分布呈從所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底的另一個(gè)主面?zhèn)认蛞粋€(gè)主面?zhèn)冗f減的濃度梯度,所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的深度大于或等于20μm,并且所述第一導(dǎo)電型緩沖層的最大雜質(zhì)濃度要大于所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層的最大雜質(zhì)濃度,為大于或等于6×1015cm-3,且小于或等于所述第二導(dǎo)電型集電極層的最大雜質(zhì)濃度的十分之一。

      根據(jù)本發(fā)明,通過利用硒或硫磺作為摻雜物來形成較深的并具有低雜質(zhì)濃度的、且具有平緩的濃度梯度的第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層,發(fā)生短路時(shí)由集電極側(cè)所注入的空穴的數(shù)量增加,并能抑制集電極側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升。并且,通過利用磷的離子注入在所述第一導(dǎo)電型場(chǎng)阻斷層與第二導(dǎo)電型集電極層之間設(shè)置具有規(guī)定峰值雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型緩沖層,能夠抑制會(huì)導(dǎo)致漏電流增加的空穴的注入。并且,根據(jù)本發(fā)明,通過將所述第一導(dǎo)電型緩沖層的峰值雜質(zhì)濃度設(shè)置為比所述第二導(dǎo)電型集電極層的峰值雜質(zhì)濃度至少低一個(gè)位數(shù),從而能夠減少導(dǎo)通電壓的變化。

      發(fā)明效果

      根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置以及半導(dǎo)體裝置的制造方法,所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于,能夠兼顧通過在短路發(fā)生時(shí)使空間電荷區(qū)在早期擴(kuò)散來改善對(duì)元件損壞的耐受性、以及抑制因空穴的注入而產(chǎn)生的熱失控?fù)p壞。另外,根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置以及半導(dǎo)體裝置的制造方法,所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于,能夠減少導(dǎo)通電壓的變化。

      附圖說明

      圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的FS-IGBT的結(jié)構(gòu)的主要部分的截面圖。

      圖2是表示在發(fā)生短路時(shí)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的FS-IGBT的漂移層中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布的特性圖。

      圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的FS-IGBT的緩沖層的峰值雜質(zhì)濃度與最大允許結(jié)溫之間的關(guān)系的特性圖。

      圖4是表示由根據(jù)本發(fā)明的FS-IGBT的緩沖層的峰值雜質(zhì)濃度與集電極層的峰值雜質(zhì)濃度之比所引起的導(dǎo)通電壓變化的特性圖。

      圖5是表示現(xiàn)有FS-IGBT的結(jié)構(gòu)的主要部分的截面圖。

      圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的FS-IGBT的雜質(zhì)濃度分布的特性圖。

      圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的FS-IGBT的雜質(zhì)濃度分布的特性圖。

      具體實(shí)施方式

      下面,參照附圖,對(duì)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置以及半導(dǎo)體裝置的制造方法的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明不限于下文所述的實(shí)施例的內(nèi)容,只要不超過本發(fā)明的范圍。在本說明書和附圖中,以n或p作前綴的層或區(qū)分別表示電子或空穴為多數(shù)載流子。在以下的描述中,給出第一導(dǎo)電型是n型而第二導(dǎo)電型是p型的描述,但是本發(fā)明也可以在第一導(dǎo)電型是p型而第二導(dǎo)電型是n型的情況下以相同的方式構(gòu)建。另外,附加到n或p的+或–表示與未附加+或–的層或區(qū)相比,分別具有較高雜質(zhì)濃度或較低雜質(zhì)濃度。另外,決定半導(dǎo)體是p型或是n型的雜質(zhì)也稱作摻雜物。除非有特別地說明,否則雜質(zhì)濃度表示由電激活的摻雜物所產(chǎn)生的凈摻雜濃度。在以下實(shí)施方式的描述和附圖中,對(duì)于相同結(jié)構(gòu)賦予相同參考標(biāo)號(hào),且省略重復(fù)描述。

      (實(shí)施方式)

      參照附圖1、6等,以擊穿電壓為例如1700V的溝槽-FS-IGBT為例,對(duì)根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的場(chǎng)阻斷IGBT(FS-IGBT)進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1是表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的FS-IGBT的結(jié)構(gòu)的主要部分的截面圖。圖6是表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的FS-IGBT的雜質(zhì)濃度分布的特性圖。圖6表示從構(gòu)成溝槽-FS-IGBT的硅(Si)襯底(半導(dǎo)體襯底)的背面到n-型漂移層1的雜質(zhì)濃度分布(同樣適用于圖7)。

      圖1所示的溝槽-FS-IGBT使用例如由廉價(jià)的FZ晶片形成的FZ-n型硅襯底來構(gòu)成。硅襯底的電阻率可以在例如80Ωcm到130Ωcm的范圍內(nèi)。制造完成的硅襯底的厚度可以在例如160μm到210μm的范圍內(nèi)。制造完成的硅襯底的厚度是指在FS-IGBT完成后形成該產(chǎn)品的硅襯底的厚度。硅襯底內(nèi)部的層結(jié)構(gòu)如下所述。在形成n-型漂移層1的硅襯底的一個(gè)主面(前表面)上以預(yù)定間隔設(shè)置多個(gè)溝槽11。

      在溝槽11中,沿溝槽11的內(nèi)壁設(shè)有柵電介質(zhì)膜10,在該柵電介質(zhì)膜10的內(nèi)側(cè)設(shè)有柵電極7。在夾在溝槽11之間的硅襯底的一部分上設(shè)有p型基極層5,由此在硅襯底的前表面?zhèn)刃纬捎蓶烹姌O7、柵電介質(zhì)膜10以及p型基極層5等構(gòu)成的溝槽MOS柵(由金屬-氧化物-薄膜-半導(dǎo)體構(gòu)成的絕緣柵)結(jié)構(gòu)(溝槽MOS結(jié)構(gòu))12。在多個(gè)溝槽11間的各p型基極層5的表面層上可以選擇性地設(shè)置n+型發(fā)射極區(qū)4和p+接觸區(qū)6。

      n+型發(fā)射極區(qū)4設(shè)置為與溝槽11的側(cè)面的上側(cè)(孔部分側(cè))端部相接觸。p+接觸區(qū)6設(shè)置為與n+型發(fā)射極區(qū)4相接觸。發(fā)射電極9設(shè)置為與n+型發(fā)射極區(qū)4的表面和p型基極層5(或者在p型基極層5的表面層上的p+接觸區(qū)6)的表面形成歐姆接觸。發(fā)射電極9通過層間電介質(zhì)膜與柵電極7電絕緣。在硅襯底的背面(另一主面)上設(shè)置p+型集電極層15和與該p+型集電極層15的表面形成歐姆接觸的集電電極8。

      在p+型集電極層15的n-型漂移層1側(cè),由n+型緩沖層13和n型場(chǎng)阻斷(FS)層14形成的n型層結(jié)構(gòu)作為本發(fā)明的特征而構(gòu)成,其中n+型緩沖層13具有本發(fā)明特有的峰值雜質(zhì)濃度(雜質(zhì)濃度分布中的最大雜質(zhì)濃度),n型場(chǎng)阻斷(FS)層14經(jīng)由n+型緩沖層13位于n-型漂移層1側(cè)的深處。在從硅襯底(或IGBT芯片)的背面開始的深度方向上,p+型集電極層15、n+型緩沖層13、n型FS層14以及n-型漂移層1的雜質(zhì)濃度分布在圖6中示出。

      優(yōu)選為例如使用在相同溫度下具有比磷的更高的擴(kuò)散系數(shù)的硒或硫磺,來作為形成n型FS層14的離子注入摻雜物,并且進(jìn)一步優(yōu)選為使用硒。優(yōu)選該n型FS層14的最大雜質(zhì)濃度在例如3×1014cm-3到3×1015cm-3的范圍內(nèi)。優(yōu)選n型FS 層14的擴(kuò)散深度,即n型FS層14和n-型漂移層1的界面在自硅襯底的背面開始大于或等于20μm,小于或等于40μm的范圍內(nèi)。在這些最大雜質(zhì)濃度和擴(kuò)散深度范圍內(nèi)的條件下,進(jìn)行用于形成n型FS層14的例如硒的離子注入以及后續(xù)熱擴(kuò)散工序。例如,從硅襯底的背面到n型FS層14和n-型漂移層1之間的界面的深度可以是30μm。在這種情況下,從硅襯底的背面到30μm的深度的雜質(zhì)濃度分布呈如下的濃度梯度,即在硅襯底背面?zhèn)鹊谋砻娓浇?,n型雜質(zhì)濃度顯示為最高值(例如,3×1015cm-3),并且沿著從硅襯底背面?zhèn)乳_始的深度方向,隨著深度的加深,n型雜質(zhì)濃度變低。

      首先,為了防止元件的熱失控?fù)p壞,設(shè)置具有最大雜質(zhì)濃度的n型FS層14的部分的雜質(zhì)濃度以及從硅襯底背面開始的擴(kuò)散深度,以使得n型FS層14的總雜質(zhì)以及n-型漂移層1的總雜質(zhì)的總數(shù)值至少滿足下列條件。在零電壓或負(fù)電壓被施加到柵電極7上的截止?fàn)顟B(tài)下對(duì)FS-IGBT施加額定電壓時(shí),耗盡層在n-型漂移層1和n型FS層14中擴(kuò)散。此時(shí),在耗盡層中的n型FS層14的總雜質(zhì)以及n-型漂移層1的總雜質(zhì)的總數(shù)值為使得耗盡層的前端部分(耗盡層端部)位于n型FS層14內(nèi)部的數(shù)值,即,足夠使得耗盡層在n型FS層14的內(nèi)部停止擴(kuò)散的數(shù)值。這里總雜質(zhì)(或雜質(zhì)總量)的數(shù)值為某一層的雜質(zhì)濃度在深度方向上(從半導(dǎo)體襯底的前表面垂直地朝向背面的方向,或者與之相反的方向)的積分。

      具體而言,在耗盡層中的n型FS層14的總雜質(zhì)及n-型漂移層1的總雜質(zhì)的總數(shù)值是,在耗盡層擴(kuò)散的區(qū)域內(nèi)的下述兩個(gè)數(shù)值的總和,即將n-型漂移層1的雜質(zhì)濃度從p型基極層5和n-型漂移層1之間的p-n結(jié)的位置(深度)到n-型漂移層1和n型FS層14之間的界面的位置在深度方向上進(jìn)行積分得到的數(shù)值,以及將n型FS層14的雜質(zhì)濃度從n-型漂移層1與n型FS層14相交的位置到耗盡層邊緣的位置在深度方向上進(jìn)行積分得到的數(shù)值。此外,在施加額定電壓時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散的耗盡層的耗盡層端部設(shè)為不與p+型集電極層15接觸,并且在p+型集電極層15和耗盡層端部之間存在一定的距離(例如,大于或等于3μm)。通過以此方式保持p+型集電極層15和耗盡層端部之間的距離,能夠抑制空穴向耗盡層的注入。為了防止元件的熱失控?fù)p壞,如上所述,最重要的是,抑制在對(duì)柵電極7施加零電壓或負(fù)電壓的截止?fàn)顟B(tài)下對(duì)元件施加電壓時(shí)空穴向耗盡層的注入。為此,優(yōu)選為,至少施加額定電壓時(shí)的耗盡層端部位于n型FS層14的內(nèi)部。

      通過設(shè)置n型FS層14,該n型FS層14是位于從硅襯底背面開始沿深度方向的深處,并具有雜質(zhì)濃度自p+型集電極層15側(cè)從背面沿深度方向逐漸降低的濃度梯度,從而能夠緩解施加額定電壓時(shí)擴(kuò)散的耗盡層端部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布的電場(chǎng)強(qiáng)度衰減率。由此,n型FS層14具有抑制在關(guān)斷時(shí)容易產(chǎn)生的電壓波形或電流波形振蕩,并減少電壓波形或電流波形振幅的功能。另外,在形成n型FS層14時(shí),通過使用硒或硫磺作為摻雜物來形成構(gòu)成n型FS層14的、深度大于或等于20μm的擴(kuò)散層,能夠獲得如下效果。將摻雜物離子注入半導(dǎo)體襯底(晶片)時(shí),有可能會(huì)發(fā)生注入表面所存在的、大小在幾微米范圍內(nèi)的粒子(particles)形成阻止離子的離子注入陰影,由此在半導(dǎo)體襯底的內(nèi)部就形成了離子沒有被注入的缺陷區(qū)域。在本發(fā)明中,通過使用硒或硫磺作為摻雜物來形成構(gòu)成n型FS層14的、深度大于或等于20μm的擴(kuò)散層,摻雜物擴(kuò)散到大于粒子尺寸數(shù)倍的深度。因此,由于硒或硫磺的橫向擴(kuò)散(垂直于襯底深度方向的擴(kuò)散),摻雜物也擴(kuò)散到離子注入被粒子阻止的區(qū)域。從而,能夠?qū)⒁蛄W佣a(chǎn)生的離子注入不均勻減少到一定程度,使得例如擊穿電壓和漏電流這些特性不會(huì)惡化。并且,與以往的離子注入中作為摻雜物使用的磷相比,能夠降低作為離子注入摻雜物的硒的峰值雜質(zhì)濃度。其結(jié)果是,當(dāng)發(fā)生短路時(shí)從集電極側(cè)注入的空穴的數(shù)量增加,從而抑制了集電極側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度的上升。因此,能夠防止發(fā)生短路時(shí)的元件損壞。

      并且,如將在下文中所描述的,本發(fā)明的結(jié)構(gòu)為,除了由硒的離子注入形成的深n型FS層14,在n型FS層14和p+集電極層15之間設(shè)置有本發(fā)明所特有的由磷的離子注入形成的n+緩沖層13。如將在下文中所描述的,為了防止發(fā)生短路時(shí)的元件損壞,優(yōu)選該n型FS層14雜質(zhì)濃度具有像硒那樣的整體較低的濃度梯度。其原因如下。當(dāng)n型FS層14的雜質(zhì)濃度為如下狀態(tài)時(shí),即,使得在柵極處于截止?fàn)顟B(tài)下施加額定電壓時(shí)耗盡層端部位于n型FS層14的內(nèi)部,如上所述,在p+型集電極層15附近的n型FS層14的峰值雜質(zhì)濃度也會(huì)降低。由此產(chǎn)生的問題是,來自p+型集電極層15的空穴的注入效率增加,從而熱失控?fù)p壞的可能性增加。通過使用磷離子注入進(jìn)一步在n型FS層14和p+型集電極層15之間設(shè)置n+緩沖層13,如本發(fā)明的情況,能夠抑制會(huì)導(dǎo)致漏電流增加的空穴的注入。除了磷,在n+緩沖層13還可以使用砷(As)。另外,如上所述,除了使用硒,也可以使用硫磺作為n型雜質(zhì)來形成n型FS層14。

      優(yōu)選n+緩沖層13具有例如0.5μm到3.0μm的厚度,峰值雜質(zhì)濃度至少為大于或等于6×1015cm-3,且n+緩沖層13由磷的離子注入形成,從而具有小于或等于p+集電極層15的峰值雜質(zhì)濃度的十分之一的較小的峰值雜質(zhì)濃度。首先,參照?qǐng)D3,對(duì)優(yōu)選n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度大于或等于6×1015cm-3的原因進(jìn)行說明。圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的FS-IGBT的緩沖層的峰值雜質(zhì)濃度(cm-3)和最大允許結(jié)溫(℃)之間的關(guān)系的特性圖。最大允許結(jié)溫是在n+緩沖層13和p+集電極層15之間的p-n結(jié)部分所允許的最大結(jié)溫(以下稱為最大允許結(jié)溫)。n+緩沖層13起到抑制來自p+型集電極層15的空穴的注入的作用。如圖3所示,當(dāng)n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度大于或等于6×1015cm-3時(shí),最大允許結(jié)溫高于或等于175℃。實(shí)際使用元件時(shí)的最大保證工作溫度是確保在等于或低于此溫度時(shí)不會(huì)發(fā)生因漏電流而產(chǎn)生的熱失控(由漏電流導(dǎo)致的溫度上升使得漏電流進(jìn)一步增加的正反饋)的溫度,通常為175℃。因此,在等于或低于最大保證工作溫度時(shí)不會(huì)發(fā)生因漏電流而產(chǎn)生的熱失控。由圖3所示的結(jié)果可以看到,為了防止175℃下的熱失控,優(yōu)選n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度大于或等于6×1015cm-3。

      接著,參照?qǐng)D4,對(duì)優(yōu)選n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度小于p+型集電極層15的峰值雜質(zhì)濃度的原因進(jìn)行說明。圖4是表示由根據(jù)本發(fā)明的FS-IGBT的緩沖層的峰值雜質(zhì)濃度與集電極層的峰值雜質(zhì)濃度之比所引起的導(dǎo)通電壓變化的特性圖。導(dǎo)通電壓(Von)的變化由n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度和p+型集電極層15的峰值雜質(zhì)濃度之間的比率來決定(=n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度/p+型集電極層15的峰值雜質(zhì)濃度)。如圖4所示,可以看到通過將n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度設(shè)置為比p+型集電極層15的峰值雜質(zhì)濃度至少低一個(gè)位數(shù),能夠減少導(dǎo)通電壓(Von)的變化。其結(jié)果是,合格率得到了改善。以上,從圖3和圖4所示的結(jié)果已確認(rèn),優(yōu)選n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度大于或等于6×1015cm-3,并且比p+型集電極層15的峰值雜質(zhì)濃度至少低一個(gè)位數(shù)。

      已被普遍認(rèn)識(shí)到的是,在FS-IGBT的截止損耗和導(dǎo)通電壓之間獲得較好的折衷關(guān)系是有必要的。為了實(shí)現(xiàn)該關(guān)系,將p+型集電極層15的最大雜質(zhì)濃度(峰值雜質(zhì)濃度)設(shè)置為在大于或等于6×1016cm-3,小于或等于1×1020cm-3的范圍內(nèi)較好,并優(yōu)選為在大于或等于6×1016cm-3,小于或等于1×1018cm-3的范圍內(nèi),例如,1× 1017cm-3。即,p+型集電極層15起到具有低空穴注入效率的低注入集電極的作用,且有必要將該p+型集電極層15形成為,如上所述,其表面雜質(zhì)濃度是高于或等于所述的n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度的十倍的峰值雜質(zhì)濃度,且與集電電極8形成歐姆接觸。同時(shí),在使用FS-IGBT作為開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換裝置中,對(duì)降低導(dǎo)通損耗優(yōu)先于開關(guān)損耗這樣的特殊應(yīng)用,會(huì)有盡可能降低IGBT的導(dǎo)通電壓這樣的情況。在這種情況下,例如,優(yōu)選p+型集電極層15的最大雜質(zhì)濃度在大于或等于1×1018cm-3,小于或等于1×1020cm-3的范圍內(nèi),且該峰值雜質(zhì)濃度高于或等于n+緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度的十倍。

      接著,對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的高擊穿電壓的FS-IGBT具有能夠防止短路發(fā)生時(shí)的元件損壞的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。通常,當(dāng)使用FS-IGBT的電路中發(fā)生短路時(shí),在電源電壓被施加到IGBT的條件下柵極會(huì)導(dǎo)通。此時(shí),在IGBT中產(chǎn)生了由MOS柵極閾值電壓和柵電極電壓之差所決定的過量的飽和電流,即短路電流。由于短路電流和電源電壓的乘積所得的功耗,在IGBT的內(nèi)部產(chǎn)生了熱量,從而元件被損壞。因此,為了在電路發(fā)生短路時(shí)保護(hù)IGBT,經(jīng)常會(huì)在例如逆變器這樣的功率轉(zhuǎn)換裝置中使用保護(hù)電路,通過監(jiān)測(cè)IGBT的溫度等來檢測(cè)IGBT中短路的發(fā)生,并對(duì)柵極施加反向偏置來安全地關(guān)斷IGBT。然而,在通過柵極來關(guān)斷IGBT起作用、短路的電流被完全切斷之前,無法避免在大約微秒的時(shí)間內(nèi)短路電流流進(jìn)IGBT。當(dāng)該短路電流、例如在額定電流的20倍的范圍內(nèi)的短路電流流入IGBT時(shí),從IGBT的MOS柵極注入到漂移層的電子的數(shù)量極其大。因此,在漂移層的表面?zhèn)鹊纳贁?shù)載流子和多數(shù)載流子中和,并呈如下狀態(tài),即漂移層空間電荷密度的大小顯著下降到漂移層的摻雜物雜質(zhì)濃度的范圍內(nèi)或更低。例如,在具有大于或等于1700V的高擊穿電壓的FS-IGBT中,在足夠高的柵極電壓下使用FS-IGBT時(shí)產(chǎn)生的短路電流等同于如上所述的情況,即注入到漂移層的電子的數(shù)量極大,從而使得漂移層空間電荷密度的大小下降。

      關(guān)于在如上所述的短路電流流過時(shí)的漂移層的電場(chǎng)強(qiáng)度分布,參照?qǐng)D2,對(duì)由裝置仿真得到的、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的FS-IGBT與已知的高擊穿電壓FS-IGBT的波形的差異進(jìn)行說明。圖2是表示在發(fā)生短路時(shí)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的FS-IGBT的漂移層的電場(chǎng)強(qiáng)度分布的特性圖。已知的高擊穿電壓FS-IGBT的電場(chǎng)強(qiáng)度分布用波形A來表示。已知的高擊穿電壓FS-IGBT的漂移層的電場(chǎng)強(qiáng)度分布 為,即在正常截止電壓下,高電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值發(fā)生在FS-IGBT的主結(jié)(p型基極層和漂移層之間的p-n結(jié))側(cè)。另外,當(dāng)短路電流流過時(shí),呈下述狀態(tài),即如上所述,由于大量電子的注入導(dǎo)致漂移層空間電荷密度顯著下降,由此極性從正轉(zhuǎn)換到負(fù)。由此,在波形A中,主結(jié)側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度下降并被平滑化,空間電荷區(qū)的集電極層側(cè)的區(qū)域內(nèi)的電子濃度變得非常高,并且顯示出高于主結(jié)側(cè)的峰值(最大)電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)該電場(chǎng)強(qiáng)度超過導(dǎo)致硅半導(dǎo)體發(fā)生固有的電介質(zhì)擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度(臨界電場(chǎng)強(qiáng)度)時(shí),在靠近集電結(jié)的緩沖層側(cè)發(fā)生雪崩擊穿,且元件被損壞的可能性增加。

      在發(fā)生這種與短路相關(guān)的損壞的情況下對(duì)具有低注入集電極層的FS-IGBT進(jìn)行調(diào)查,可以發(fā)現(xiàn),例如,在FS-IGBT中漂移層與集電極層之間的FS層的總雜質(zhì)越高,損壞就越容易發(fā)生。因此,可以確定在本發(fā)明中能夠通過采用以下層結(jié)構(gòu)來減少短路相關(guān)的損壞,即減少n型FS層14的總雜質(zhì),使得短路電流流過時(shí),從MOS柵極注入大量電子,并且從p+型集電極層15所注入的空穴的數(shù)量增加。對(duì)于具有這種層結(jié)構(gòu)的FS-IGBT,由裝置仿真對(duì)短路動(dòng)作進(jìn)行分析。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的FS-IGBT的電場(chǎng)強(qiáng)度分布在圖2中用波形B來表示。由此,如圖2的波形B所示,短路電流流過時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布為,與已知波形A相比,集電極側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠小。其原因可作如下推想。與已知的FS-IGBT相比,通過減少n型FS層14和n-型漂移層1的p+型集電極層15側(cè)的總雜質(zhì),在施加較高電壓時(shí)耗盡層更容易擴(kuò)散到集電極側(cè)。其結(jié)果是,由于由p+型集電極層15、n-型漂移層1以及n型FS層14、p型基極層5形成的pnp晶體管的有效n型基極寬度減小,因此載流子運(yùn)輸效率增加,且從p+型集電極層15注入的空穴的數(shù)量增加。從p+型集電極層15注入的作為正電荷的空穴與從發(fā)射極側(cè)注入的作為負(fù)電荷的電子相抵消,空間電荷區(qū)擴(kuò)展,由n-型漂移層1和n型FS層14所承擔(dān)的電壓會(huì)增加。因此,在波形B中,在背面?zhèn)鹊碾妶?chǎng)被減輕,從而防止了雪崩擊穿的發(fā)生。

      短路時(shí)增加從p+型集電極層15注入的空穴的數(shù)量意味著在短路發(fā)生后盡可能快地?cái)U(kuò)展空間電荷區(qū),在短時(shí)間內(nèi)減小空間電荷區(qū)與p+型集電極層15之間的殘留的電荷中性區(qū)的寬度,并獲得足夠接近于1的有效電流放大率α。短路時(shí),在n-型漂移層1和n型FS層14內(nèi),空間電荷區(qū)從p型基極層5和n-型漂移層1之間的p-n結(jié)的位置向p+型集電極層15擴(kuò)散。此時(shí),從MOS柵極提供大量的電子,如上所述,因此作為載流子的電子和空穴相互抵消,空間電荷密度的大小變得足夠小, 且空間電荷區(qū)達(dá)到高阻抗的狀態(tài)。同時(shí),從n-型漂移層1向n型FS層14擴(kuò)散的空間電荷區(qū)的前端部分的位置由施加于元件的電壓、以及對(duì)由空間電荷密度在硅襯底的深度方向的積分所得的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步積分所得的數(shù)值來決定。如上所述,短路時(shí)由于電子和空穴相互中和,空間電荷密度分布敏感地取決于n-型漂移層1和n型FS層14的雜質(zhì)濃度(施主濃度)分布,尤其是n型FS層14的雜質(zhì)濃度分布。即,相應(yīng)于所施加的一定的電壓,當(dāng)n型FS層14的施主濃度在不小于n-型漂移層1的施主濃度的范圍內(nèi)變小時(shí),空間電荷密度的積分?jǐn)?shù)值減小,從而空間電荷區(qū)的前端部分向p+型集電極層15移動(dòng)地更深。特別是,在短路發(fā)生之后的過渡周期內(nèi)空間電荷區(qū)立刻進(jìn)行快速擴(kuò)散。由此,緊接在短路發(fā)生后注入的空穴數(shù)量增加,從而防止了空間電荷密度的極性的倒轉(zhuǎn)。

      根據(jù)發(fā)明者的研究,可以確定的是,當(dāng)n型FS層14的最大雜質(zhì)濃度小于或等于3×1015cm-3時(shí),能夠?qū)型FS層14的總雜質(zhì)減少到一定程度,以得到如上所述的緊接在短路發(fā)生后空間電荷區(qū)能快速擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)。并且,仍然進(jìn)一步優(yōu)選n型FS層14的最大雜質(zhì)濃度小于1×1015cm-3,從而空間電荷區(qū)緊接在短路發(fā)生后在更早的階段進(jìn)行擴(kuò)散。通過減少n型FS層14的總雜質(zhì)以便增加從p+型集電極層15所注入的空穴數(shù)量,從而有效電流放大率增加,并且從p+型集電極層15所注入的空穴數(shù)量增加,由此能夠減輕背面?zhèn)鹊碾妶?chǎng)強(qiáng)度。其結(jié)果是,能夠防止雪崩擊穿的發(fā)生,同時(shí)能夠防止短路損壞。為了在柵極處于截止?fàn)顟B(tài)下對(duì)IGBT施加額定電壓時(shí),使耗盡層端部中止在n型FS層14內(nèi)部,如上所述,優(yōu)選為n型FS層14的最大雜質(zhì)濃度大于或等于3×1014cm-3

      短路發(fā)生后空間電荷區(qū)的快速擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)不僅僅是減少了n型FS層14的總雜質(zhì),如上所述,對(duì)n型FS層14的雜質(zhì)濃度分布也進(jìn)行修正時(shí)能獲得的更大的優(yōu)勢(shì)。圖7表示根據(jù)本發(fā)明的FS-IGBT的雜質(zhì)濃度分布的特性圖。具體而言,例如,優(yōu)選為當(dāng)表示n型FS層14的雜質(zhì)濃度分布的分布函數(shù)不是高斯函數(shù)而是指數(shù)函數(shù)時(shí),空間雜質(zhì)濃度的衰減要比高斯函數(shù)的情況更為急劇。在指數(shù)函數(shù)的情況下,從最大雜質(zhì)濃度的位置到雜質(zhì)濃度為最大雜質(zhì)濃度的一半的位置的雜質(zhì)濃度的降低要比高斯函數(shù)的情況更為急劇。換言之,從雜質(zhì)濃度足夠小的位置向最大雜質(zhì)濃度的位置移動(dòng)時(shí)的濃度梯度在指數(shù)函數(shù)的情況下更為平緩。即,當(dāng)n型FS層14的雜質(zhì)濃度從n型FS層14和n-型漂移層1之間的交界處向p+型集電極層15增加 時(shí)的濃度梯度在指數(shù)函數(shù)分布的情況下更為平緩。由此,當(dāng)短路發(fā)生時(shí)如上所述的空間電荷密度的積分值減小,從而能使空間電荷區(qū)進(jìn)行更快的擴(kuò)散。

      即使n型FS層14的實(shí)際雜質(zhì)濃度分布不是理想的指數(shù)函數(shù)分布,只要從最大值開始的雜質(zhì)濃度的衰減比高斯函數(shù)的情況更急劇,并且當(dāng)雜質(zhì)濃度從n型FS層14和n-型漂移層1之間的交界處向p+型集電極層15增加時(shí)濃度梯度是平緩的即可。發(fā)明者已發(fā)現(xiàn),為了實(shí)現(xiàn)這種n型FS層14的雜質(zhì)濃度分布,作為在通過熱擴(kuò)散形成n型FS層14時(shí)的n型摻雜物,優(yōu)選使用硒或硫磺,其具有比通常使用的磷或砷更高的擴(kuò)散系數(shù)。利用高斯函數(shù)可以很好的表示出對(duì)作為n型摻雜物通常所使用的磷或者砷進(jìn)行熱擴(kuò)散所得到的雜質(zhì)濃度分布。與此相反,如圖7所示,顯然,在使用硒或硫磺作為n型摻雜物時(shí)n型FS層14的雜質(zhì)濃度分布是能夠在比從硅襯底的背面開始的深度為10μm區(qū)域的位置更深的部分形成所謂的后部(后部(trailing portion)16)。該后部16是如下所述的區(qū)域,即以從硅襯底的背面開始的深度為10μm的區(qū)域的位置(以下簡(jiǎn)稱為邊界位置)作為邊界,比邊界部分更深的部分(直到深度為30μm的區(qū)域,即n-型漂移層1的邊界)的濃度梯度的大小逐漸地(或非連續(xù)地)要比從n型FS層14的最大雜質(zhì)濃度的位置到邊界位置的濃度梯度更為小且平緩。與圖7中由點(diǎn)劃線形成的引出線部分的濃度梯度的大小相比,可以觀察到后部16的濃度梯度的大小較小。后部16在使用硒的情況下尤其顯著,且在使用磷和砷的情況下,利用硅中具有替換型原子擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的原子的熱擴(kuò)散而得到的雜質(zhì)濃度分布中無法觀察到該結(jié)構(gòu)。形成后部16的原因如下所述。由于硒和硫磺是有助于原子擴(kuò)散的間隙原子擴(kuò)散結(jié)構(gòu),因此相當(dāng)大比例的所注入的硒或硫磺的原子擴(kuò)散到硅襯底的最深的部分??烧J(rèn)為雜質(zhì)濃度分布的后部16是通過該硒或硫磺擴(kuò)散而形成的。由于后部16的存在,空間電荷密度的積分值平緩地增加,因此空間電荷區(qū)能在短路發(fā)生后迅速地?cái)U(kuò)散。本發(fā)明中形成n型FS層14的摻雜物并不限于硒或硫磺,只要是硅中間隙原子擴(kuò)散結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用的摻雜物原子即可。具體而言,也可以優(yōu)選例如Li(鋰)、氧、氫等,根據(jù)向硅導(dǎo)入和擴(kuò)散的條件,由于其具有和硒或硫磺一樣的優(yōu)點(diǎn),因此顯示出圖7那樣的摻雜物濃度分布。

      如上所述,為了防止因集電極側(cè)的雪崩擊穿而發(fā)生的損壞,在FS-IGBT上形成有n型FS層14,該n型FS層14具有較低的峰值雜質(zhì)濃度,使用硒等進(jìn)行了深度擴(kuò)散,并且具有較小的總雜質(zhì)量,但作為折衷,這種FS-IGBT相對(duì)更容易發(fā)生熱 失控?fù)p壞。因此根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的FS-IGBT具有如下結(jié)構(gòu),即形成有具有較低的峰值雜質(zhì)濃度、為了避免短路損壞而使用硒來形成的深n型FS層14,同時(shí)在n型FS層14和p+型集電極層15之間還設(shè)有n+型緩沖層13,該n+型緩沖層13中對(duì)峰值雜質(zhì)濃度進(jìn)行了控制。通過設(shè)置n+型緩沖層13,抑制了會(huì)導(dǎo)致漏電流增加的空穴的注入,因此能夠防止熱失控?fù)p壞。即,通過采用具有對(duì)峰值雜質(zhì)濃度進(jìn)行了控制的n+型緩沖層13的FS-IGBT,能夠同時(shí)防止短路損壞和熱失控?fù)p壞。n+型緩沖層13的峰值雜質(zhì)濃度如上所述,參考圖3和圖4。

      接著,對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的制造溝槽-FS-IGBT的方法進(jìn)行說明,并以本發(fā)明所涉及的工序?yàn)橹行倪M(jìn)行說明。首先,準(zhǔn)備例如厚度為625μm和電阻率為80Ωcm的FZ n型硅襯底。接著,在形成溝槽n-型漂移層1的硅襯底的前表面上形成多個(gè)溝槽11,呈在與溝槽11的排列方向垂直的方向上延伸的條狀平面布局。接著,沿著溝槽11的內(nèi)壁形成柵電介質(zhì)膜10,并且對(duì)由多晶硅形成的柵電極7進(jìn)行沉積,使其嵌入溝槽11內(nèi)部的柵電介質(zhì)膜10的內(nèi)側(cè)。

      接著,在形成柵電極7的圖案之后,通過使用柵電極7作為掩模的自對(duì)準(zhǔn),并利用例如硼的離子注入來形成p型基極層5。接著,將砷選擇性地離子注入到p型基極層5,從而形成n+型發(fā)射極區(qū)4。此外,將p型摻雜物選擇性地離子注入到p型基極層5,從而形成p+型接觸區(qū)6并使之與n+型發(fā)射極區(qū)4接觸。接著,在硅襯底的前表面上形成層間電介質(zhì)膜。而后在該層間電介質(zhì)膜上形成跨接p型基極層5的表面和n+型發(fā)射極區(qū)4的表面的發(fā)射電極9用的接觸孔。

      接著,利用背面研磨技術(shù)將硅襯底的厚度減薄到期望的厚度,例如在200μm的范圍內(nèi),該背面研磨技術(shù)是將對(duì)硅襯底的背面進(jìn)行研磨、拋光、蝕刻等組合在一起的技術(shù)。接著,為了形成n型FS層14,將硒(或硫磺)離子注入到硅襯底的被研磨薄的背面。接著,為了形成n+型緩沖層13,將磷離子注入到硅襯底的被研磨薄的背面。此外,為了形成p+型集電極層15,將硼離子注入到硅襯底的被研磨薄的背面。p+型集電極層15的厚度要小于n+型緩沖層13的厚度,在例如0.2μm到1.0μm的范圍內(nèi)。接著,為了形成n型FS層14、n+型緩沖層13以及p+型集電極層15這三層,注入到硅襯底的背面的摻雜物被同時(shí)激活。具體而言,在0.5小時(shí)~5小時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi),例如2小時(shí),且在750℃~950℃的溫度范圍內(nèi),例如830℃,能 夠通過實(shí)施熱處理來獲得高效的進(jìn)程,由此同時(shí)激活為形成上述三層而注入的摻雜物。

      接著,通過對(duì)硅襯底的前表面進(jìn)行濺射來形成鋁-硅(Al-Si)電極膜(金屬電極膜)。然后,在將Al-Si電極膜進(jìn)行圖案形成、以形成成為發(fā)射電極9的Al-Si電極膜及成為柵極焊盤的Al-Si電極膜之后,在380℃的溫度下對(duì)其進(jìn)行一小時(shí)的熱處理。接著,在硅襯底的前表面?zhèn)瘸练e由聚酰亞胺膜等形成的表面保護(hù)膜(未圖示),之后去除因用于形成Al-Si電極膜的熱處理而在硅襯底的背面產(chǎn)生的氧化膜,并且在p+型集電極層15的表面形成由鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、金(Au)等的金屬膜的疊層所構(gòu)成的集電電極8。隨后,該晶片(硅襯底)被切割成芯片從而形成IGBT,由此如圖1所示的FS-IGBT芯片制造完成。該FS-IGBT芯片中,前表面的與n+型發(fā)射極區(qū)4相接觸的Al-Si電極膜、以及與柵電極7電接觸的Al-Si電極膜利用超聲焊接經(jīng)由Al線分別與外部連接端子相連接。此外,該FS-IGBT芯片中,背面?zhèn)鹊募婋姌O8被焊接固定于散熱襯底例如銅襯底(未圖示)。接著,F(xiàn)S-IGBT被封裝,從而完成FS-IGBT半導(dǎo)體裝置。

      到目前為止所描述的每一層的雜質(zhì)濃度和厚度(或擴(kuò)散深度)可以通過使用例如已知的擴(kuò)散電阻測(cè)試儀來測(cè)量擴(kuò)散電阻、并由該擴(kuò)散電阻數(shù)值轉(zhuǎn)換而得到。

      根據(jù)本實(shí)施方式,通過利用硒或硫磺作為摻雜物來形成較深的并具有低雜質(zhì)濃度的、且具有緩和的濃度梯度的n型FS層,發(fā)生短路時(shí)由集電極側(cè)所注入的空穴的數(shù)量增加,并能夠抑制集電極側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升。并且,通過利用磷的離子注入在n型FS層與p+型集電極層之間設(shè)置具有規(guī)定的峰值雜質(zhì)濃度的n+型緩沖層,能夠抑制會(huì)導(dǎo)致漏電流增加的向n型FS層的空穴注入。因此,能夠兼顧發(fā)生短路時(shí)對(duì)元器件擊穿的耐受性的增強(qiáng)及防止熱失控?fù)p壞兩者。并且,根據(jù)本實(shí)施方式,通過將n+型緩沖層的峰值雜質(zhì)濃度設(shè)置為比p+型集電極層的峰值雜質(zhì)濃度至少低一個(gè)位數(shù),從而能夠減少導(dǎo)通電壓的變化。

      到目前為止本發(fā)明是以溝槽-FS-IGBT為例來進(jìn)行說明,但是如上所述的實(shí)施方式并不限于此,在不背離本發(fā)明的范圍內(nèi)可作各種變更。具體而言,本發(fā)明也可以適用于例如平面柵型FS-IGBT。另外,對(duì)擊穿電壓(額定電壓)為大于或等于 1700V的FS-IGBT進(jìn)行了說明,但是本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施方式,本發(fā)明也可以適用于例如額定電壓超過600V的這種擊穿電壓的元器件。當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用于額定電壓大于或等于1200V的元器件,甚至是額定電壓大于或等于1700V的元器件,其中漂移層的雜質(zhì)濃度等于或低于發(fā)生短路時(shí)所存在的空穴或電子的濃度時(shí),能夠得到如上所述的優(yōu)點(diǎn),即在集電極層背面附近的電場(chǎng)濃度的增加得到了抑制。

      工業(yè)應(yīng)用性

      如上所述,根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置和半導(dǎo)體裝置的制造方法對(duì)于在如下領(lǐng)域中使用的功率半導(dǎo)體裝置是有用的,即工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域,例如一般用途、電動(dòng)汽車逆變器、交流伺服、不間斷電源(UPS)及開關(guān)電源;以及民用設(shè)備領(lǐng)域,例如微波爐、電飯煲及頻閃觀測(cè)器。

      標(biāo)號(hào)說明

      1 n-型漂移層

      4 n+型發(fā)射極區(qū)

      5 p型基極層

      6 p+型接觸區(qū)

      7 柵電極

      8 集電電極

      9 發(fā)射電極

      10 柵電介質(zhì)膜

      11 溝槽

      12 溝槽MOS結(jié)構(gòu)

      13 n+型緩沖層

      14 n型FS層

      15 p+型集電極層

      16 后部。

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