縱向型半導體裝置及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠應用于MOSFET (絕緣柵型場效應晶體管)、IGBT (絕緣柵型雙極晶體管)等的具有高耐壓且大電流容量的超結(Super Junct1n)結構的縱向型半導體裝置及其制造方法。
【背景技術】
[0002]半導體裝置一般存在單面具有電極部的橫向型和雙面具有電極的縱向型?？v向型半導體裝置導通時漂移電流流動的方向與截止時由反向偏置電壓引起的耗盡層延伸的方向相同。例如在通常的平面型的η溝道縱向型MOSFET的情況下，在MOSFET處于導通狀態(tài)時，高電阻的η漂移層作為使漂移電流沿縱向流動的區(qū)域發(fā)揮作用，在MOSFET處于截止狀態(tài)時，高電阻的η漂移層耗盡而起到提高耐壓的作用。通過使該高電阻的η漂移層的厚度變薄來縮短電流路徑而漂移電阻變低。因而，具有降低MOSFET的實質的導通電阻的效果。然而，相反地，由于在η漂移區(qū)域擴展的耗盡層的寬度變窄，因此耐壓下降。
[0003]另一方面，在耐壓高的半導體裝置中，需要使η漂移層厚以確保耐壓。因此，導通電阻變大，導通損失增加。這樣，導通電阻與耐壓之間存在折衷關系。
[0004]已知該折衷關系在IGBT、雙極晶體管、二極管等的縱向型半導體裝置中成立。
[0005]另外，該折衷關系對于橫向型半導體裝置也相同。作為改善該折衷關系的方法，已知如下一種超結結構的縱向型半導體裝置，該超結結構的縱向型半導體裝置具有由提高了雜質濃度的η型區(qū)域和P型區(qū)域交替地配置而得到的并列ρη層構成的漂移層。
[0006]圖25表示具有以往的超結結構的縱向型半導體裝置500的俯視圖和截面圖。圖25的(a)示出俯視圖的一部分，圖25的(b)是圖25的(a)的X-X’截面圖。在此，示出了配置在源極焊盤電極56下和柵極焊盤電極57下的并列ρη層60的寬度相同的情況。
[0007]該縱向型半導體裝置500具備活性區(qū)域53以及配置于活性區(qū)域53的外周部的耐壓結構區(qū)域52。在活性區(qū)域53配置有柵極焊盤區(qū)域54 (圖25的(a)所示的雙點劃線內)。在活性區(qū)域53配置有P阱區(qū)域55，在柵極焊盤區(qū)域54以外的活性區(qū)域53的p阱區(qū)域55的上表面配置有源極焊盤電極56。在活性區(qū)域53內的外周端以包圍活性區(qū)域53的方式形成P阱區(qū)域55，在其上表面配置與柵極焊盤電極57連接的柵極澆道58。
[0008]配置在源極焊盤電極56下的柵電極59的俯視形狀為沿圖25的(a)的Q方向延伸的條狀，以延伸至柵極焊盤電極57下的整個區(qū)域的方式進行配置。此外，圖25的(a)的Q方向表示與后述的并列ρη層60的P型分隔區(qū)域60a和η型漂移區(qū)域60b重復交替地配置的方向垂直的方向。
[0009]在源極焊盤電極56下和柵極焊盤電極57下的第一 η漂移區(qū)域69的表面層配置P阱區(qū)域55。在P阱區(qū)域55的表面層配置η+源極區(qū)域61、ρ+接觸區(qū)域62。在ρ阱區(qū)域55下，與P阱區(qū)域55接觸地配置P型分隔區(qū)域60a。在被上述的n+源極區(qū)域61和第一 η漂移區(qū)域69夾持的ρ阱區(qū)域55上隔著柵極絕緣膜68配置柵電極59。該柵電極59延伸，從而也被配置在柵極焊盤電極57下。源極焊盤電極56下的η+源極區(qū)域61、ρ +接觸區(qū)域62與配置在上部的源極焊盤電極56連接。另外，源極焊盤電極56下的柵電極59通過層間絕緣膜64而與源極焊盤電極56電隔離，外周部通過接觸孔65與柵極澆道58連接。
[0010]如上所述，在活性區(qū)域53內和柵極焊盤區(qū)域54內形成相同尺寸的MOS結構J，在P阱區(qū)域55下形成有與P阱區(qū)域55連接的P型分隔區(qū)域60a。ρ型分隔區(qū)域60a的寬度在源極焊盤電極56下部和柵極焊盤電極57下部是相同的。圖25的(a)所示的與Q方向平行的虛線是用線示意性地示出柵電極59。J部的MOS結構由ρ阱區(qū)域55、n+源極區(qū)域61、柵極絕緣膜68以及柵電極59構成。
[0011]柵極焊盤電極57下的n+源極區(qū)域61和P+接觸區(qū)域62沿圖25的(a)圖中的Q方向延伸而與源極焊盤電極56連接。
[0012]該縱向型半導體裝置500的漂移層不是均勻且單一的導電型，而是由很多并列ρη層60構成，該很多并列ρη層60是由縱形層狀的η型漂移區(qū)域60b (η型柱)和縱形層狀的P型分隔區(qū)域60a (ρ型柱)交替重復接合而得到的。
[0013]通過提高構成并列ρη層60的η型漂移區(qū)域60b的雜質濃度來減小導通電阻，通過取得η型漂移區(qū)域60b和ρ型分隔區(qū)域60a的電荷平衡，能夠使并列ρη層60的整個區(qū)域耗盡而高耐壓化。因此，能夠改善上述的折衷關系。上述的取得電荷平衡是指，以使在η型漂移區(qū)域60b內擴展的耗盡層的寬度與在ρ型分隔區(qū)域60a內擴展的耗盡層的寬度相同的方式決定各自的雜質濃度并在額定電壓以下使并列ρη層60的整個區(qū)域耗盡。
[0014]在專利文獻I中記載了以下內容:為了抑制在柵極焊盤電極下產生雪崩載流子并實現(xiàn)導通電阻的減小，在柵極焊盤電極正下方形成MOS結構部并使η型柱和ρ型柱的雜質濃度低于源電極下的η型柱和ρ型柱的雜質濃度。
[0015]另外，在專利文獻2中記載了以下內容:為了抑制柵極焊盤電極的正下方部分的雪崩擊穿并確保穩(wěn)定的耐壓，在柵極焊盤電極正下方設置P阱區(qū)域，使在該P阱區(qū)域下與該P阱區(qū)域連接的并列Pn層的間距與活性區(qū)域的相比窄且使雜質濃度與活性區(qū)域的相比低。
[0016]在具有該超結結構的縱向型半導體裝置中，由于并列ρη層的ρη結的端部與P講區(qū)域連接，因此能夠獲得良好的電荷平衡，并且不容易產生在關斷時易于發(fā)生的動態(tài)雪崩擊穿。
[0017]另外，在專利文獻3中記載了以下內容:在平面型半導體裝置中，在柵極焊盤電極下也形成有MOSFET的原胞(cell)結構。
[0018]專利文獻1:日本特開2009-99911號公報
[0019]專利文獻2:日本特開2001-298191號公報
[0020]專利文獻3:日本特開2005-150348號公報
【發(fā)明內容】
[0021]發(fā)明要解決的問題
[0022]圖26和圖27示出圖25所示的縱向型半導體裝置500的關斷時的載流子(電子74)的流動。
[0023]圖26是表示進入關斷動作之前的導通狀態(tài)的電子74的流動的圖。在導通狀態(tài)下，從源極焊盤電極56流出到n+源極區(qū)域61的電子74通過溝道反轉層67被注入到第一 η漂移區(qū)域69，經由η型漂移區(qū)域60b流向n+漏極區(qū)域71。此時，對于從活性區(qū)域53的周邊部的n+源極區(qū)域61流出的電子74，由于柵極焊盤電極57正下方的ρ型分隔區(qū)域60a而向并列ρη層60的ρ型分隔區(qū)域60a和η型漂移區(qū)域60b交替重復的方向(圖中虛線箭頭的橫方向)擴散的被阻止。因此，與在漂移層不形成并列ρη層60的縱向型半導體裝置中電子74的流動沿與并列ρη層60的重復方向(圖中橫方向虛線箭頭所示)相同的方向(圖中虛線箭頭)擴散的情況相比，導通電阻大，從而導通電阻與耐壓的折衷關系未必理想。
[0024]圖27是表示轉變成關斷動作而電壓上升的狀態(tài)的圖。虛線所示的耗盡層81從用粗線表示的ρη結80 (在此僅示出了一個位置的粗線)開始擴展，該ρη結80由ρ阱區(qū)域55和ρ型分隔區(qū)域60a與第一 η漂移區(qū)域69、第二 η漂移區(qū)域72以及η型漂移區(qū)域60b構成。所殘留的電子74通過該耗盡層81被向n+漏極區(qū)域71掃出。
[0025]當關斷動作下的電流密度例如高達ΙΟΟΑ/cm2而在該狀態(tài)下耗盡層81內的電場強度變高時產生動態(tài)雪崩。由于該動態(tài)雪崩而大量產生的空穴83通過ρ阱區(qū)域55和p+接觸區(qū)域62流向源極焊盤電極56。但是，進入柵極焊盤電極57下的ρ阱區(qū)域55和p+接觸區(qū)域62的空穴83移動長的距離到達處于Q方向的源極焊盤電極56。因此，由于ρ阱區(qū)域55和ρ+接觸區(qū)域62的Q方向的電阻R而柵極焊盤電極57的中央下方的ρ阱區(qū)域55和ρ +接觸區(qū)域62的電位上升，從而E部的由η+源極區(qū)域61、ρ阱區(qū)域55以及η型漂移區(qū)域60b構成的寄生npn晶體管產生誤觸發(fā)。由于該誤觸發(fā)，大量的后續(xù)電流流過而產生擊穿。也就是說，關斷(動態(tài)雪崩)耐量降低。另一方面，流入源極焊盤電極56下的ρ阱區(qū)域55和P+接觸區(qū)域62的空穴83被處于ρ +接觸區(qū)域62正上方的源極焊盤電極56抽出，因此不產生該現(xiàn)象。
[0026]另外，在靜態(tài)雪崩的情況下，在耗盡層81內產生的空穴83也表現(xiàn)相同的運動狀態(tài)，從而使柵極焊盤電極57下的雪崩耐量降低。
[0027]圖28和圖29是表示圖25的縱向型半導體裝置500的寄生二極管的反向恢復現(xiàn)象的圖。圖28示出正向電流流過寄生二極管的狀態(tài)。圖29示出寄生二極管進行反向恢復的狀態(tài)。
[0028]在圖28中，從源極焊盤電極56注入到ρ阱區(qū)域55的空穴83通過由ρ阱區(qū)域55和P型分隔區(qū)域60a與第一 η漂移區(qū)域69、第二 η漂移區(qū)域72以及η型漂移區(qū)域60b構成的ρη結80流向第二 η漂移區(qū)域72。另一方面，從η +漏極區(qū)域71注入到第二 η漂移區(qū)域72的電子74通過η型漂移區(qū)域60b流向ρ型分隔區(qū)域60a。由于這些空穴83和電子74，并列ρη層60 (圓90內)產生電導率調制，累積過剩載流子。
[0029]在圖29中，在反向恢復時耗盡層81從上述的ρη結80開始擴展，過剩的空穴83經由P阱區(qū)域55和ρ+接觸區(qū)域62被向源極焊盤電極56掃出。另一方面，過剩的電子74經由η+漏極區(qū)域71被向漏電極73掃出。當在存在很多載流子的狀態(tài)下耗盡層81內的電場強度變高時產生動態(tài)雪崩。柵極焊盤電極57下的由于動態(tài)雪崩而產生的很多空穴83流向處于Q方向的源極焊盤電極56。于是，如以圖27說明的那樣，柵極焊盤電極57下的E部的寄生npn晶體管產生誤觸發(fā)。因此，動態(tài)雪崩耐量降低。
[0030]能夠推測在專利文獻1、2中也發(fā)生以上述的圖26?圖29說明的現(xiàn)象。
[0031]另外，在專利文獻3中，是平面型元件而非超結型元件。另外，通過使柵極焊盤電極正下方成為活性區(qū)域能夠降低導通電阻，但是如果只用該方法則電流路徑被限定為P阱區(qū)域延伸的方向。因此，存在以下問題:在關斷時，柵極焊盤電極正下方的H+源極區(qū)域的末端(n+源極區(qū)域與同柵極焊盤電極相向配置的源電極連接的位置)處電流密度變高，耗盡層內的電場強度變高而容易產生動態(tài)雪崩。
[0032]本發(fā)明的目的在于提供一種解決上述問題而能夠獲得高雪崩耐量、高關斷耐量以及高反向恢復耐量的縱向型半導體裝置及其制造方法。
[0033]用于解決問題的方案
[0034]為