CN100521207C - 具有igbt和二极管的半导体器件 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件包括：具有第一侧和第二侧的衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)；IGBT(100i、104i、105i)；以及二极管(100d、104d、105d)。衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)包括：第一层(1)；第一层(1)上的第二层(2a)；第二层(2a)上的第一侧的N区(3a)；第二侧的N区和P区(5、6)，位于第一层(1)的第二侧；第一沟槽(T1)中的第一电极(8)，用作栅极；第二电极(10)，位于第一侧的N区(3a)上并且在第二沟槽(T2)中，用作发射极和阳极；以及第三电极(11)，位于第二侧的N区和P区(5、6)上，用作集电极和阴极。所述第一沟槽(T1)穿过第一侧的N区(3a)和第二层(2a)，并且到达第一层(1)。第二沟槽(T2)穿过第一侧的N区(3a)，并且到达第二层(2a)。

Description

具有IGBT和二极管的半导体器件

技术领域

本发明涉及具有IGBT和二极管的半导体器件。

背景技术

用于驱动诸如电动机等负载的逆变器电路是用于切换直流和交流的变换器。因此，该变换器将直流电压转换为交流电压，使得逆变器电路为负载供电。用于驱动感应式电动机(inductive type motor)的逆变器电路包括IGBT(即，绝缘栅双极晶体管)和FWD(即，续流二极管)。IGBT提供开关器件。当IGBT关断时，FWD旁路流过电动机的电流，使得FWD控制流过电动机的电流不变以抵消IGBT的开关操作。具体地，IGBT电耦合在直流电源和电动机之间，使得将预定的电压施加到电动机。当IGBT关断时，流过电动机的电流通过FWD流回直流电源，这是因为电动机的电抗L积累的能量。因此，将反向的直流电压施加给电动机。因此，提供的IGBT的开关操作通过直流电源施加交流电压而不需要快速切断流过电动机的电流。由于逆变器电路提供这些操作，因此需要提供与IGBT反向并联的FWD。因此，形成一对FWD和IGBT，使得IGBT和FWD彼此反向串联连接。

图8示出了半导体器件90的实例作为与本公开的比较。该器件用于逆变器电路以驱动诸如电动机等负载。该器件包括IGBT单元和二极管单元，它们形成在同一个半导体衬底中。图9示出了图8中的器件90的等效电路。

器件90包括具有主表面的N^-导电类型半导体衬底1。P导电类型层2在该主表面侧形成在衬底1的表面部分。具有高杂质浓度的主表面侧的N导电类型区3(即，主要N区)和具有高杂质浓度的主表面侧的高杂质浓度的P导电类型区4(即，主要P区)形成在P导电类型层2的表面部分。此外，具有高杂质浓度的背面P导电类型区5(即，背面P区)和具有高杂质浓度的背面N导电类型区6(即，背面N区)在背面形成在衬底1的表面部分。

沟槽T1形成在器件90中。沟槽T1穿过主表面侧的N导电类型区3和P导电类型层2，并且到达N^-导电类型半导体衬底1。

多晶硅制成的第一电极层8通过绝缘膜7设置在沟槽T1中，该绝缘膜7形成在沟槽T1的内壁上。该第一电极层8提供IGBT单元90i的栅极。铝制成的第二电极层10通过隔层绝缘膜9形成在衬底1的主表面上。该第二电极层10通过主表面侧的N导电类型区3和主表面侧的高杂质浓度的P导电类型区4电连接到P导电类型层2。该第二电极层10提供二极管单元90d的阳极和IGBT单元90i的发射极。第三电极层11形成在衬底1的背面，并且电连接到背面的P导电类型区5和背面的N区6。该第三电极层11提供IGBT单元90i的集电极和二极管单元90d的阴极。

因此，在器件90中，主要N区3提供IGBT单元90i的发射极区，P导电类型层2提供IGBT单元90i的沟道层，以及背面的P区5提供IGBT单元90i的集电极区。此外，衬底1和P导电类型层2之间的边界提供二极管单元90d的PN结，主要P区4提供二极管单元90d的阳极区，而背面的N区6提供二极管单元90d的阴极区。如图9所示，在器件90中，IGBT单元90i和二极管单元90d彼此并联。

当器件90中的二极管90d用作逆变器电路的FWD时，电流波形在二极管从导通状态切换到关断状态的情况下二极管反向恢复时是重要的。

图10A示出了用于测量流过二极管90d的电流的电流波形的求值电路(evaluation circuit)。图10B是该电流波形的采样。

两个半导体器件90a、90b具有与图8所示的器件90相同的结构。第一器件90a中的IGBT单元90ai提供开关器件，并且当第二器件90b中的IGBT短路时，检测流过第二器件90b中的二极管单元90bd的电流Id。

如图10B所示，当第一器件90a中的IGBT 90ai关断时，循环电流Iif流入第二器件90b的二极管90bd。当第一器件90a的IGBT单元90ai导通时，反向电流立即流入第二器件90b的二极管90bd。以与循环电流Iif方向相反流动的反向电流具有峰值电流，将其定义为恢复电流Irr。在反向恢复的情况下，电源电压施加到二极管，并且电压与电流的乘积定义为恢复损耗。通常，要求整流二极管在反向恢复过程的情况下具有小的恢复电流Irr、小的恢复损耗，并且在反向恢复过程的情况下具有电流的软恢复。

在图8所示的器件90中，二极管单元90d用作FWD，该FWD具有位于IGBT单元90i中的P导电类型层2和衬底1之间的边界的PN结。因此，二极管单元90d与IGBT单元90i一起形成。该二极管单元90d具有高杂质浓度的P导电类型层2，其对应于该FWD的P导电类型部分。因此，当二极管单元90d进行正向操作时，引入具有高杂质浓度的空穴，使得恢复电流Irr在恢复操作的情况下变大。因此，恢复性能变低。

为了改善二极管单元90d的恢复性能，在单个高速二极管的情况下，优选的是对二极管中的表面图案、杂质浓度分布或者使用寿命进行优化。然而，由于二极管单元90d与IGBT单元90i一起形成，因此为了改善二极管性能的诸如上述优化的结构改变可能使IGBT单元90i的性能恶化。因此，难以改善二极管的性能。

为了在不降低IGBT单元90i的情况下改善二极管的性能，JP-A-2005-101514(对应于美国专利公开No.2005-0045960)公开了一种半导体器件。

图11示出了美国专利公开No.2005-0045960中的半导体器件91。

在器件91中，IGBT单元91i的沟道区由P导电类型区2w提供，通过沿水平方向扩散形成该P导电类型区2w。二极管单元91d的PN结形成在N导电类型的半导体衬底1和P导电类型区2w之间，P导电类型区2w沿衬底1的水平方向扩展。具体地，PN结设置在沿水平方向的P导电类型区2w的末端和衬底1之间的边界。沿水平方向的P导电类型区2w的末端具有相对低的杂质浓度，使得在二极管单元91d的正向操作的情况下降低所引入空穴的浓度。因此，改善了恢复性能。

尽管图8中的器件90包括主要P区4，但是图11所示的器件91不包括主要P区4。器件91中的P导电类型区2w具有的表面杂质浓度低于器件90中的P导电类型区2的表面杂质浓度。在这种情况下，寄生PNP晶体管具有大的基极电阻，该基极电阻由P导电类型沟道(即，P导电类型区2w)的夹紧电阻(pinch resistance)提供。在这里，寄生PNP晶体管由主要N区3、P导电类型区2w和衬底1组成。因此，该寄生NPN晶体管的电流放大系数变得更大。在这种情况下，当高的电压浪涌施加到器件91时，并且雪崩电流流入P导电类型区2w时，该寄生NPN晶体管容易起作用，使得器件91被高的电压浪涌损坏。因此，尽管改善了二极管单元91d的恢复性能，但是击穿能量变小使得器件91具有小的浪涌耐压。

因此，需要一种半导体器件在具有足够的浪涌耐压的情况下具有足够的IGBT单元的性能和足够的二极管单元的恢复性能。

发明内容

鉴于上述问题，本公开的一个目的是提供一种具有IGBT和二极管的半导体器件。

根据本公开的第一方面，半导体器件包括：具有第一侧和第二侧的衬底；设置在该衬底中的IGBT；以及设置在该衬底中的二极管。该衬底包括具有第一导电类型的第一层、具有第二导电类型的第二层、第一侧的第一导电类型区、第二侧的第一导电类型区以及第二侧的第二导电类型区。第二层设置在第一层的第一侧，并且具有从第二层的第一侧降低到第二层的第二侧的杂质浓度。第一侧的第一导电类型区设置在第二层的第一侧。第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区设置在第一层的第二侧。第二侧的第一导电类型区邻近第二侧的第二导电类型区。衬底还包括第一沟槽、第二沟槽、第一电极、第二电极和第三电极。第一电极通过绝缘膜嵌入第一沟槽。第一沟槽穿过第一侧的第一导电类型区和第二层，并且到达第一层。第一电极提供IGBT的栅极。第二电极设置在第一侧的第一导电类型区上，使得第二电极与第一侧的第一导电类型区电耦合。第二沟槽穿过第一侧的第一导电类型区，并且到达第二层。第二电极填充第二沟槽，使得第二电极与第二层电耦合。第二电极提供IGBT的发射极和二极管的阳极。第三电极设置在第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区，使得第三电极与第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区电耦合。第三电极提供IGBT的集电极和二极管的阴极。

在上述器件中，第二层提供IGBT的沟道和二极管的P导电部分。该器件具有足够的IGBT性能和足够的浪涌耐压。此外，连接到二极管的阳极的第二层具有从表面部分降低到第二层的内部的杂质浓度。因此，在正向操作的情况下，所引入空穴的浓度降低，使得在反向恢复过程情况下的恢复电流变小。因此，降低了器件中的恢复损耗，从而改善了恢复特性。

根据本公开的第二方面，半导体器件包括：具有第一侧和第二侧的衬底；设置在该衬底中的IGBT；以及设置在该衬底中的二极管。该衬底包括具有第一导电类型的第一层、具有第二导电类型的第二层、第一侧的第一导电类型区、第二侧的第一导电类型区以及第二侧的第二导电类型区。第二层设置在第一层的第一侧，并且具有从第二层的第一侧降低到第二层的第二侧的杂质浓度。第一侧的第一导电类型区设置在第二层的第一侧。第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区设置在第一层的第二侧。第二侧的第一导电类型区邻近第二侧的第二导电类型区。衬底还包括第一沟槽、第二沟槽、第一电极、第二电极和第三电极。第一电极通过绝缘膜嵌入第一沟槽。第一沟槽穿过第一侧的第一导电类型区和第二层，并且到达第一层。第一电极提供IGBT的栅极。第二电极设置在第一侧的第一导电类型区上，使得第二电极与第一侧的第一导电类型区电耦合。第二沟槽穿过第一侧的第一导电类型区，并且到达第二层。第二电极填充第二沟槽，使得第二电极与第二层电耦合。第二电极提供IGBT的发射极和二极管的阴极。第三电极设置在第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区，使得第三电极与第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区电耦合。第三电极提供IGBT的集电极和二极管的阳极。

在上述器件中，第二层提供IGBT的沟道和二极管的N导电部分。该器件具有足够的IGBT性能和足够的浪涌耐压。此外，连接到二极管的阴极的第二层具有从表面部分降低到第二层的内部的杂质浓度。因此，在正向操作的情况下，所引入空穴的浓度降低，使得在反向恢复过程情况下恢复电流变小。因此，降低了器件中的恢复损耗，从而改善了恢复特性。

附图说明

通过参照附图进行的下面的具体说明，本发明的上述和其它目的、特征以及优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1是示出根据本公开的优选实施例的半导体器件的横截面图；

图2A和2B是示出用于仿真的半导体器件的横截面图；

图3A是示出用于仿真的另一个半导体器件的横截面图，而图3B是示出图2A和3A所示器件中的杂质浓度的深度分布的曲线图；

图4是示出图2A-2B和3A所示器件中的二极管单元的恢复电流和第二沟槽的深度之间的关系的曲线图；

图5是示出图2A和3A所示器件中的二极管单元的时间和电流之间的关系的曲线图；

图6是示出根据本公开的优选实施例的改进的另一个半导体器件的横截面图；

图7是示出根据本公开的优选实施例的另一个改进的另一个半导体器件的横截面图；

图8是示出根据本公开的优选实施例的比较的半导体器件的横截面图；

图9是示出图8所示器件的等效电路的电路图；

图10A是示出用于检测图9中器件的电流波形的测试电路的电路图，而图10B是示出图9中器件的二极管单元的时间和电流之间的关系的曲线图；以及

图11是示出根据现有技术的半导体器件的横截面图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1示出了根据优选实施例的半导体器件100。器件100包括IGBT单元100i和二极管单元100d，它们形成在同一个衬底1中。器件100包括具有主表面和背面的N^-导电类型半导体衬底1。P导电类型层2a形成在衬底1的主表面上，并且该P导电类型区2a的杂质浓度从表面部分到里面部分逐渐降低。具有高杂质浓度的主表面侧的N⁺导电类型区3a(即，主要N区)和具有高杂质浓度的主表面侧的P⁺导电类型区4a(即，主要P区)形成在P导电类型区2a的表面部分。主要P区4a通过扩散法形成，使得主要P区4a没有达到P导电类型区2a和主要N区3a之间的PN结。该主要P区4a设置在IGBT单元100i的栅极附近。

具有高杂质浓度的背面P⁺导电类型区5(即，背面P区)和具有高杂质浓度的背面N⁺导电类型区6(即，背面N区)在背面形成在衬底1的表面部分。优选的是，主要P区4a邻近主要N区3a。在这种情况下，与其中主要P区4a远离主要N区3a设置的情况相比，IGBT单元100i和二极管单元100d的布置具有高的布置密度。因此，减少了器件100的尺寸，使得器件100最小化。

第一沟槽T1形成在器件100中。该第一沟槽T1穿过主要N区3a和P导电类型层2a，并且到达衬底1。此外，第二沟槽T2形成在器件100中。该第二沟槽T2穿过主要P区4a，并且到达P导电类型区2a的内部。第二沟槽T2还穿过主要N区3a。在这种情况下，IGBT单元100i和二极管单元100d布置成具有高的布置密度，使得与第二沟槽T2形成在不穿过主要N区3a的另一个位置的情况相比，器件100最小。

多晶硅等制成的第一电极层8通过绝缘膜7嵌入第一沟槽T1，该绝缘膜7形成在第一沟槽T1的内壁。第一电极层8提供IGBT单元100i的栅极。

铝等制成的第二电极层10通过隔层绝缘膜9形成在衬底1的主表面。第二电极层10还嵌入第二沟槽T2。第二电极层10通过主要N区3a和主要P区4a与P导电类型区2a电耦合。第二电极层10提供IGBT单元100i的发射极和二极管单元100d的阳极。第二电极层10还连接到主要N区3a和主要P区4a，使得他们被第二电极层10短路。因此，IGBT单元100i中的发射极和沟道电气短路，并且固定了沟道的电位。因此，稳定了IGBT单元100i的操作。

在器件100中，第三电极层11形成在衬底1的背面。该第三电极层11电连接背面P区5和背面N区6，使得他们被短路。第三电极层11提供二极管单元100d的阴极和IGBT单元100i的集电极。

在器件100中，P导电类型层2a形成在衬底1的主表面的表面部分，并且具有从表面部分向衬底1的内部逐渐降低的杂质浓度。P导电类型层2a形成IGBT单元100i的沟道形成层和二极管单元100d的P导电类型部分。器件100中的IGBT单元100i的结构是IGBT单元的一般结构，使得该IGBT单元100i具有一般特性。

在具有形成在同一个衬底1的IGBT单元100i和二极管单元100d的器件中，主要N区3a、P导电类型层2a和N导电类型的半导体衬底1提供寄生NPN晶体管。该寄生NPN晶体管具有如一般寄生NPN晶体管的一般结构。相应地，器件100的浪涌耐压是足够的。

在如图8所示的器件90中，作为二极管单元90d的阳极的第二电极层10通过衬底1的表面部分上的主要P区4电连接到P导电类型层2。然而，在图1所示的器件100中，嵌入第二沟槽T2并到达P导电类型层2a的内部的第二电极层10提供二极管单元100d的阳极，并且第二电极层10电连接到P导电类型层2a。P导电层2a的内部具有的杂质浓度比表面部分的杂质浓度低。因此，在器件100中，降低了在二极管单元100d的正向操作的情况下所引入的空穴浓度。因此，二极管单元100d的恢复电流Irr在反向恢复过程的情况下变小，并且恢复损耗也降低。因此，改善了二极管单元100d的恢复性能。

器件100具有足够的IGBT特性、足够的二极管单元100d的恢复特性以及足够的浪涌耐压特性。

此外，在器件100中，主要P区4a形成在P导电类型层2a的表面部分，并且第二沟槽T2穿过主要P区4a。此外，第二电极层10电连接到第二沟槽T2的侧壁上的主要P区4a。第二电极层10和主要P区4a之间的连接提供欧姆接触。主要P区4a的杂质浓度例如等于或者大于1×10¹⁹cm^-3，使得主要P区4a和发射极具有优良的欧姆接触。

在器件100中，作为IGBT单元100i的发射极的第二电极层10连接到主要P区4a。因此，作为IGBT单元100i的沟道形成层的P导电类型层2a的电位被稳定地固定。具体地，P导电类型层2a的夹紧电阻通过形成主要P区4a而降低。因此，避免了寄生NPN晶体管的操作，使得浪涌耐压改善。此外，作为二极管单元100d的阳极的第二电极层10在第二沟槽T2的侧壁连接到主要P区4a，并且第二电极层10在第二沟槽T2的顶端连接到P导电类型层2a的内部。因此，甚至在主要P区4a形成在器件100中时，该二极管单元100d的恢复性能也不会降低。

此外，在器件100中，P导电类型层2a的杂质浓度从表面部分向内部降低，并且P导电类型层2a可以通过单扩散法形成，使得P导电类型层2a具有单层结构。可选地，P导电类型层2a可以由双扩散法形成，使得P导电类型层2a具有双层结构，其包括高杂质浓度层2ah和低杂质浓度层2al。高杂质浓度层2ah设置在P导电类型层2a的表面侧，而低杂质浓度层2al设置在P导电类型层2a的内部。在图1中，P导电类型层2a具有高杂质浓度层2ah和低杂质浓度层2al。在这种情况下，第二沟槽T2到达低杂质浓度层2al，使得第二电极层10电连接到低杂质浓度层2al。

由于P导电类型层2a具有双层结构，因此高杂质浓度层2ah的杂质浓度和低杂质浓度层2al的杂质浓度是单独可控的。因此，可以适当确定高杂质浓度层2ah的杂质浓度，使得将IGBT单元100i的沟道区的阈值电压设置为预定的电压。此外，可以适当确定低杂质浓度层2al的杂质浓度，使得二极管单元100d的恢复电流适当降低。因此，器件100中的IGBT单元100i和二极管单元100d之间的分界面由P导电类型层2a的双层结构而减小。IGBT单元100i的特性和二极管单元100d的特性可单独并且容易控制。

接着，说明当器件100用于逆变器电路并且二极管单元100d用于续流二极管(即，FWD)时流入二极管单元100d的电流的仿真结果。

图2A和2B示出了用于仿真的两个不同的半导体器件101、102。图2A和2B示出了器件101和102每个中的杂质浓度的当量浓度线。图3A示出了用于仿真的另一个半导体器件103。图3B示出了沿图2A的线IIA-IIA和图3A的线IIIA-IIIA截得的器件101和103中杂质浓度的深度分布。

与器件100相比，器件101具有简单的结构，并且P导电类型层2a具有单层结构以及在第二沟槽T2的四周没有形成主要P区4a。P导电类型层2a和第二沟槽T2中的第二电极层10以其间整个接触区域上的欧姆接触彼此电连接。此外，主要N区3a和第二沟槽T2中的第二电极层10也以其间整个接触区域上的欧姆接触彼此电连接。

在器件102中，P导电类型层2a具有包括低杂质浓度层2al和高杂质浓度层2ah的双层结构。此外，主要P区4a也形成在第二沟槽T2的顶端。P导电类型层2a的低杂质浓度层2al和高杂质浓度层2ah与第二沟槽T2中的第二电极层10以其间整个接触区域上的欧姆接触彼此电连接。此外，主要N区3a和第二沟槽T2中的第二电极层10也以其间整个接触区域上的欧姆接触彼此电连接。

器件103具有类似于器件100的结构。在器件103中，P导电类型层2a具有包括低杂质浓度层2al和高杂质浓度层2ah的双层结构。第二沟槽T2中的第二电极层10在第二沟槽T2的顶端连接到低杂质浓度层2al。在这里，低杂质浓度层2al的杂质浓度比较低，使得低杂质浓度层2al和第二沟槽T2中的第二电极层10之间的电连接在第二沟槽T2的顶端附近提供肖特基接触。此外，形成主要P区4a以邻近主要N区3a，并且主要P区4a和第二沟槽T2中的第二电极层10之间的电连接在第二沟槽T2的侧壁提供欧姆接触。此外，主要N区3a和第二沟槽T2中的第二电极层10之间的电连接在第二沟槽T2的侧壁也提供欧姆接触。

图4示出了每个器件101、102、103中的第二沟槽T2的沟槽深度和二极管单元的恢复电流Irr之间的关系，这由仿真结果得到。图5示出了每个器件101、103中的二极管单元的电流波形，这由仿真结果得到。在图5中，具有单扩散沟道结构的器件101的恢复电流Irr是253安培，这由仿真结果得到，而具有双扩散沟道结构的器件103的恢复电流Irr是180安培，这由仿真结果得到。

在图4中，其中第二沟槽T2具有的深度为0，即器件101、102没有第二沟槽T2的情况对应于图8所示的器件90。在这种情况下，恢复电流是380安培。

在具有P导电类型层2a的单层结构和具有其中在整个接触区域上的P导电类型层2a和第二电极层10之间的欧姆接触的器件101中，当第二沟槽T2的深度变得更深时，恢复电流Irr降低。例如，当第二沟槽T2的深度是1.7μm时，恢复电流Irr是240安培，这比器件90小得多。

在具有P导电类型层2a的双层结构和具有形成在第二沟槽T2的顶端的主要P区4a的器件102中，当第二沟槽T2的深度变得更深时，恢复电流Irr也降低。在这里，器件102中的恢复电流的降低率比器件101的降低率小。例如，当第二沟槽T2的深度是1.7μm时，恢复电流Irr是330安培，这比器件90小。

在具有P导电类型层2a的双层结构和具有以第二沟槽T2顶端的肖特基接触接触低杂质浓度层2al的第二沟槽T2中的第二电极层10的器件103中，恢复电流Irr的降低变得最大。例如，当第二沟槽T2的深度是1.7μm时，恢复电流Irr是180安培，这比器件90小得多。

因此，在第二沟槽T2的顶端连接到第二电极层10的P导电类型层2a的杂质浓度优选较低以便降低二极管单元的恢复电流。

优选的是，P导电类型层2a和在沟槽T2的顶端的第二电极层10之间的电连接是肖特基接触。一般地，肖特基接触提供整流功能，使得当二极管的电流沿正向方向流动时，只执行电子流。因此，减少了由欧姆接触部分所引入的空穴。因此，肖特基接触消除了恢复过程情况下的空穴。结果，改善了恢复特性。因此，第二电极层10和作为二极管单元中的阳极的主要部分的第二沟槽T2的顶端的P导电类型层2a之间的电连接提供具有整流作用的肖特基接触。因此，反向恢复过程情况下的恢复电流变得比整个连接由欧姆接触提供的情况小。因此，降低了恢复损耗，并且改善了恢复特性。

图6示出了根据优选实施例的改进的另一个半导体器件104。

器件104包括形成在衬底1的IGBT单元104i和二极管单元104d。器件104包括形成在衬底1中的背面P区5和背面N区6上的背面N导电类型层1a(即，背面N层)，使得背面N层1a覆盖背面P区5和背面N区6。背面N层1a的杂质浓度介于衬底1和背面N区6的杂质浓度之间。背面N层1a是电场阻止层，用于防止耗尽层中的穿通效应，其使耗尽层从P导电层2a的主表面部分和背面P区5扩展到衬底1。因此，器件104具有高的击穿电压。

图7示出了根据优选实施例的另一改进的另一个半导体器件。器件105包括形成在衬底1的IGBT单元105i和二极管单元105d。此外，器件105包括形成在衬底1中的背面P区5和背面N区6上的背面N导电类型层1a，使得背面N层1a覆盖背面P区5和背面N区6。

在器件105中，第二主表面侧的P导电类型区2b形成在衬底1的主表面部分，该衬底1的主表面部分设置在除了二极管单元105d外还没有P导电类型区2a的区域。第二电极层10不仅电连接到P导电类型区2a而且还电连接到第二主表面侧的P导电类型区2b。因此，器件105还包括第二二极管单元105d2，其由第二主表面侧的P导电类型区2b、衬底1和背面N区6提供。在第二二极管单元105d2中，第二电极层10提供阳极，而第三电极层11提供阴极。第二二极管单元105d2邻近二极管单元105d，该二极管单元105d是第一二极管单元。

在图1和图6所示的每个器件100、104中，二极管单元100d、104d由P导电类型层2a和N导电类型的半导体衬底1和背面的N导电类型区6形成。该二极管单元100d、104d提供体二极管单元。尽管改善了体二极管单元100d、104d的恢复特性，但是与没有第二沟槽T2并且阳极10在衬底1的表面部分附近连接的器件90中的二极管单元90d相比，该二极管单元100d、104d的载流容量变小。

在图7所示的器件105中，第二二极管单元105d2形成在除其上形成第一二极管单元105d的衬底1的部分以外的衬底1的部分上。该第二二极管单元105d2提供足够的载流容量。在第二二极管单元105d2中，阳极10电连接到第二主表面侧的P导电类型区2b。然而，第二主表面侧的P导电类型区2b可以远离IGBT单元105i形成，并且此外，第二主表面侧的P导电类型区2b的杂质浓度可适当控制。因此，改善了恢复特性。

在器件105中，背面P区5形成在P导电类型层2a的下方，并且背面N区6形成在第二主表面侧的P导电类型区2b的下方。因此，降低了第一二极管单元105d的二极管性能，使得第一二极管单元105d连同IGBT单元105i主要用作IGBT，而第二二极管单元105d2用作主二极管。因此，由于IGBT功能部分(即，具有二极管单元105d的IGBT单元105i)和二极管功能部分(即，第二二极管单元105d2)明确地相互分开，因此增加了器件105的设计自由度，并且易于执行器件105的设计。

在图1-7所示的每个器件100-105中，P导电类型层2a形成在N导电类型的半导体衬底1上，并且形成N沟道的IGBT单元100i-105i和将P导电类型层2a作为阳极的二极管单元100d-105d。可选地，N导电类型层可以形成在P导电类型的半导体衬底上，并且可以形成P沟道的IGBT单元和将N导电类型层作为阴极的二极管单元。在这种情况下，该器件具有足够的IGBT性能、足够的恢复性能以及足够的浪涌耐压性能。

上述器件100-105适于逆变器电路，并且第一和第二二极管单元适于用作FWD。

上述公开具有下列方面。

根据本公开的第一方面：半导体器件包括：具有第一侧和第二侧的衬底；设置在衬底中的IGBT；以及设置在衬底中的二极管。该衬底包括具有第一导电类型的第一层、具有第二导电类型的第二层、第一侧的第一导电类型区、第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区。第二层设置在第一层的第一侧，并且具有从第二层的第一侧降低到第二层的第二侧的杂质浓度。第一侧的第一导电类型区设置在第二层的第一侧。第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区设置在第一层的第二侧。第二侧的第一导电类型区邻近第二侧的第二导电类型区。衬底还包括第一沟槽、第二沟槽、第一电极、第二电极和第三电极。第一电极通过绝缘膜嵌入第一沟槽。第一沟槽穿过第一侧的第一导电类型区和第二层，并且到达第一层。第一电极提供IGBT的栅极。第二电极设置在第一侧的第一导电类型区上，使得第二电极与第一侧的第一导电类型区电耦合。第二沟槽穿过第一侧的第一导电类型区，并且到达第二层。第二电极填充第二沟槽，使得第二电极与第二层电耦合。第二电极提供IGBT的发射极和二极管的阳极。第三电极设置在第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区，使得第三电极与第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区电耦合。第三电极提供IGBT的集电极和二极管的阴极。

在上述器件中，第二层提供IGBT的沟道和二极管的P导电部分。该器件具有足够的IGBT性能和足够的浪涌耐压。此外，连接到二极管的阳极的第二层具有从表面部分降低到第二层的内部的杂质浓度。因此，在正向操作的情况下，所引入空穴的浓度降低，使得在反向恢复过程的情况下的恢复电流变小。因此，降低了器件中的恢复损耗，从而改善了恢复特性。

可选地，衬底还可以包括第一侧的第二导电类型区，其设置在第二层和第一侧的第一导电类型区之间，并且第二沟槽穿过第一侧的第二导电类型区，使得第二沟槽中的第二电极与第一侧的第二导电类型区电耦合。此外，第二电极可以以欧姆接触与第一侧的第二导电类型区耦合。可选地，第一侧的第二导电类型区可以接触第一侧的第一导电类型区。在上述的情况中，作为IGBT的沟道的第二层的电位被稳定地固定，使得第二层的夹紧电阻减小。因此，避免了寄生NPN晶体管操作，从而改善浪涌耐压。此外，该器件具有足够的二极管的恢复特性，这是由于作为二极管的阳极的第二电极在第二沟槽的侧壁连接到第一侧的第二导电类型区，并且在第二沟槽的顶端连接到第二层的内部。

可选地，第二电极可以以肖特基接触与第二层电耦合。肖特基接触具有整流功能，使得提供肖特基接触以减少从欧姆接触区引入的空穴。因此，改善了二极管的恢复特性。

可选地，第二层可以包括高杂质浓度层和低杂质浓度层。高杂质浓度层设置在第二层的第一侧，而低杂质浓度层设置在第二层的第二侧。第二沟槽穿过高杂质浓度层，并且到达低杂质浓度层。第二电极与低杂质浓度层电耦合。在这种情况下，适当确定高杂质浓度层的杂质浓度以便设定IGBT中的沟道的阈值电压，并且适当地确定低杂质浓度层的杂质浓度以便减小二极管的恢复电流。因此，IGBT和二极管的特性控制容易并可单独进行。

可选地，器件可以还包括：设置在衬底中的第二二极管。该第二二极管邻近所述二极管。在第二二极管中，第二电极、第一层、第二侧的第一导电类型区和第三电极以该顺序层叠。第二二极管单元中的第一层还包括第二导电类型部分，其设置在第一层的第一侧的表面部分。第二电极与该第二导电类型部分电耦合。第二电极提供第二二极管的阳极。第三电极提供第二二极管的阴极。在这种情况下，第二二极管提供足够的载流容量。

可选地，第二侧的第一导电类型区可以设置在二极管中，并且第二侧的第二导电类型区可以设置在IGBT中。可选地，第二侧的第一导电类型区可以设置在第二二极管中，并且第二侧的第二导电类型区可以设置在IGBT和二极管中。

可选地，第二侧的第一导电类型区可以设置在第二导电类型部分的下方，并且第二侧的第二导电类型区可以设置在第二层的下方。在这种情况下，改善了器件的设计自由度。

可选地，衬底还可以包括具有第一导电类型的第三层。该第三层设置在第一层和第二侧的第一导电类型区之间以及第一层和第二侧的第二导电类型区之间。该第三层覆盖第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区。该第三层具有设置在第一层的杂质浓度和第二侧的第一导电类型区的杂质浓度之间的杂质浓度。

可选地，该IGBT和二极管可以提供逆变器电路，并且该二极管提供续流二极管。

可选地，该IGBT、二极管以及第二二极管可以提供逆变器电路，该二极管提供续流二极管，以及该第二二极管提供第二续流二极管。

根据本公开的第二方面，半导体器件包括：具有第一侧和第二侧的衬底；设置在衬底中的IGBT；以及设置在衬底中的二极管。该衬底包括具有第一导电类型的第一层、具有第二导电类型的第二层、第一侧的第一导电类型区、第二侧的第一导电类型区以及第二侧的第二导电类型区。第二层设置在第一层的第一侧，并且具有从第二层的第一侧降低到第二层的第二侧的杂质浓度。第一侧的第一导电类型区设置在第二层的第一侧。第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区设置在第一层的第二侧。第二侧的第一导电类型区邻近第二侧的第二导电类型区。衬底还包括第一沟槽、第二沟槽、第一电极、第二电极和第三电极。第一电极通过绝缘膜嵌入第一沟槽。第一沟槽穿过第一侧的第一导电类型区和第二层，并且到达第一层。第一电极提供IGBT的栅极。第二电极设置在第一侧的第一导电类型区上，使得第二电极与第一侧的第一导电类型区电耦合。第二沟槽穿过第一侧的第一导电类型区，并且到达第二层。第二电极填充第二沟槽，使得第二电极与第二层电耦合。第二电极提供IGBT的发射极和二极管的阴极。第三电极设置在第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区，使得第三电极与第二侧的第一导电类型区和第二侧的第二导电类型区电耦合。第三电极提供IGBT的集电极和二极管的阳极。

在上述器件中，第二层提供IGBT的沟道和二极管的N导电部分。该器件具有足够的IGBT性能和足够的浪涌耐压。此外，连接到二极管的阴极的第二层具有从表面部分降低到第二层的内部的杂质浓度。因此，在正向操作的情况下，所引入空穴的浓度降低，使得在反向恢复过程的情况下的恢复电流变小。因此，降低了器件中的恢复损耗，从而改善了恢复特性。

尽管已经参考其优选实施例说明了本发明，但是应该理解本发明不局限于优选的实施例和结构。本发明旨在包括各种改进和等效布置。另外，尽管有优选的各种组合和结构，但是包括更多、更少或仅仅一个元件的其它组合和结构也在本发明的精神和范围内。

Claims (26)

1、一种半导体器件包括：

具有第一侧和第二侧的衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)；

设置在所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)中的IGBT(100i、104i、105i)；以及

设置在所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)中的二极管(100d、104d、105d)，其中

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)包括具有第一导电类型的第一层(1)、具有第二导电类型的第二层(2a)、第一侧的第一导电类型区(3a)、第二侧的第一导电类型区(6)以及第二侧的第二导电类型区(5)，

所述第二层(2a)设置在所述第一层(1)的第一侧，并且具有从所述第二层(2a)的第一侧降低到所述第二层(2a)的第二侧的杂质浓度，

所述第一侧的第一导电类型区(3a)设置在所述第二层(2a)的第一侧，

所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述第一层(1)的第二侧，

所述第二侧的第一导电类型区(6)邻近所述第二侧的第二导电类型区(5)，

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)还包括第一沟槽(T1)、第二沟槽(T2)、第一电极(8)、第二电极(10)和第三电极(11)，

所述第一电极(8)通过绝缘膜(7)嵌入所述第一沟槽(T1)中，

所述第一沟槽(T1)穿过所述第一侧的第一导电类型区(3a)和所述第二层(2a)，并且到达所述第一层(1)，

所述第一电极(8)提供所述IGBT(100i、104i、105i)的栅极，

所述第二电极(10)设置在所述第一侧的第一导电类型区(3a)的第一侧上，使得所述第二电极(10)与所述第一侧的第一导电类型区(3a)电耦合，

所述第二沟槽(T2)穿过所述第一侧的第一导电类型区(3a)，并且到达所述第二层(2a)，

所述第二电极(10)填充所述第二沟槽(T2)，使得所述第二电极(10)与所述第二层(2a)电耦合，

所述第二电极(10)提供所述IGBT(100i、104i、105i)的发射极和所述二极管(100d、104d、105d)的阳极，

所述第三电极(11)设置在所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)的第二侧上，使得所述第三电极(11)与所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)电耦合，并且

所述第三电极(11)提供所述IGBT(100i、104i、105i)的集电极和所述二极管(100d、104d、105d)的阴极。

2、根据权利要求1所述的器件，其中

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)还包括第一侧的第二导电类型区(4a)，其设置在所述第二层(2a)和所述第一侧的第一导电类型区(3a)之间，并且

所述第二沟槽(T2)穿过所述第一侧的第二导电类型区(4a)，使得所述第二沟槽(T2)中的所述第二电极(10)与所述第一侧的第二导电类型区(4a)电耦合。

3、根据权利要求2所述的器件，其中

所述第二电极(10)以欧姆接触与所述第一侧的第二导电类型区(4a)耦合。

4、根据权利要求2所述的器件，其中

所述第一侧的第二导电类型区(4a)接触所述第一侧的第一导电类型区(3a)。

5、根据权利要求1所述的器件，其中

所述第二电极(10)以肖特基接触与所述第二层(2a)耦合。

6、根据权利要求1所述的器件，其中

所述第二层(2a)包括高杂质浓度层(2ah)和低杂质浓度层(2al)，

所述高杂质浓度层(2ah)设置在所述第二层(2a)的第一侧，而所述低杂质浓度层(2al)设置在所述第二层(2a)的第二侧，

所述第二沟槽(T2)穿过所述高杂质浓度层(2ah)，并且到达所述低杂质浓度层(2al)，并且

所述第二电极(10)与所述低杂质浓度层(2al)电耦合。

7、根据权利要求1-6中任意一项所述的器件，还包括：

设置在所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)中的第二二极管(105d2)，其中

所述第二二极管(105d2)邻近所述二极管(105d)，

在所述第二二极管(105d2)中，所述第二电极(10)、所述第一层(1)、所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第三电极(11)以该顺序层叠，

所述第二二极管(105d2)中的第一层(1)还包括第二导电类型部分(2b)，其设置在所述第一层(1)的第一侧的表面部分中，

所述第二电极(10)与所述第二导电类型部分(2b)电耦合，

所述第二电极(10)提供所述第二二极管(105d2)的阳极，并且

所述第三电极(11)提供所述第二二极管(105d2)的阴极。

8、根据权利要求1-6中任意一项所述的器件，其中

所述第二侧的第一导电类型区(6)设置在所述二极管(100d、104d)中，并且

所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述IGBT(100i、104i)中。

9、根据权利要求7所述的器件，其中

所述第二侧的第一导电类型区(6)设置在所述第二二极管(105d2)中，并且

所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述IGBT(105i)和所述二极管(105d)中。

10、根据权利要求7所述的器件，其中

所述第二侧的第一导电类型区(6)设置在所述第二导电类型部分(2b)的下方，并且

所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述第二层(2a)的下方。

11、根据权利要求1-6中任意一项所述的器件，其中

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)还包括具有所述第一导电类型的第三层(1a)，

所述第三层(1a)设置在所述第一层(1)和所述第二侧的第一导电类型区(6)之间以及所述第一层(1)和所述第二侧的第二导电类型区(5)之间，

所述第三层(1a)覆盖所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)，并且

所述第三层(1a)具有设置在所述第一层(1)的杂质浓度和所述第二侧的第一导电类型区(6)的杂质浓度之间的杂质浓度。

12、根据权利要求1-6中任意一项所述的器件，其中

所述IGBT(100i、104i)和所述二极管(100d、104d)提供逆变器电路，并且

所述二极管(100d、104d)提供续流二极管(100d、104d)。

13、根据权利要求7所述的器件，其中

所述IGBT(105i)、二极管(105d)以及所述第二二极管(105d2)提供逆变器电路，

所述二极管(105d)提供续流二极管(105d)，并且

所述第二二极管(105d2)提供第二续流二极管(105d2)。

14、一种半导体器件包括：

具有第一侧和第二侧的衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)；

设置在所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)中的IGBT(100i、104i、105i)；以及

设置在所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)中的二极管(100d、104d、105d)，其中

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)包括具有第一导电类型的第一层(1)、具有第二导电类型的第二层(2a)、第一侧的第一导电类型区(3a)、第二侧的第一导电类型区(6)以及第二侧的第二导电类型区(5)，

所述第二层(2a)设置在所述第一层(1)的第一侧，并且具有从所述第二层(2a)的第一侧降低到所述第二层(2a)的第二侧的杂质浓度，

所述第一侧的第一导电类型区(3a)设置在所述第二层(2a)的第一侧，

所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述第一层(1)的第二侧，

所述第二侧的第一导电类型区(6)邻近所述第二侧的第二导电类型区(5)，

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)还包括第一沟槽(T1)、第二沟槽(T2)、第一电极(8)、第二电极(10)和第三电极(11)，

所述第一电极(8)通过绝缘膜(7)嵌入所述第一沟槽(T1)中，

所述第一沟槽(T1)穿过所述第一侧的第一导电类型区(3a)和所述第二层(2a)，并且到达所述第一层(1)，

所述第一电极(8)提供所述IGBT(100i、104i、105i)的栅极，

所述第二电极(10)设置在所述第一侧的第一导电类型区(3a)上，使得所述第二电极(10)与所述第一侧的第一导电类型区(3a)电耦合，

所述第二沟槽(T2)穿过所述第一侧的第一导电类型区(3a)，并且到达所述第二层(2a)，

所述第二电极(10)填充所述第二沟槽(T2)，使得所述第二电极(10)与所述第二层(2a)电耦合，

所述第二电极(10)提供所述IGBT(100i、104i、105i)的发射极和所述二极管(100d、104d、105d)的阴极，

所述第三电极(11)设置在所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)上，使得所述第三电极(11)与所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)电耦合，并且

所述第三电极(11)提供所述IGBT(100i、104i、105i)的集电极和所述二极管(100d、104d、105d)的阳极。

15、根据权利要求14所述的器件，其中

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)还包括第一侧的第二导电类型区(4a)，其设置在所述第二层(2a)和所述第一侧的第一导电类型区(3a)之间，并且

所述第二沟槽(T2)穿过所述第一侧的第二导电类型区(4a)，使得所述第二沟槽(T2)中的所述第二电极(10)与所述第一侧的第二导电类型区(4a)电耦合。

16、根据权利要求15所述的器件，其中

所述第二电极(10)以欧姆接触与所述第一侧的第二导电类型区(4a)耦合。

17、根据权利要求15所述的器件，其中

所述第一侧的第二导电类型区(4a)接触所述第一侧的第一导电类型区(3a)。

18、根据权利要求14所述的器件，其中

所述第二电极(10)以肖特基接触与所述第二层(2a)耦合。

19、根据权利要求14所述的器件，其中

所述第二层(2a)包括高杂质浓度层(2ah)和低杂质浓度层(2al)，

所述高杂质浓度层(2ah)设置在所述第二层(2a)的第一侧，而所述低杂质浓度层(2al)设置在所述第二层(2a)的第二侧，

所述第二沟槽(T2)穿过所述高杂质浓度层(2ah)，并且到达所述低杂质浓度层(2al)，并且

所述第二电极(10)与所述低杂质浓度层(2al)电耦合。

20、根据权利要求14-19中任意一项所述的器件，还包括：

设置在所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)中的第二二极管(105d2)，其中

所述第二二极管(105d2)邻近所述二极管(105d)，

在所述第二二极管(105d2)中，所述第二电极(10)、所述第一层(1)、所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第三电极(11)以该顺序层叠，

所述第二二极管(105d2)中的第一层(1)还包括第二导电类型部分(2b)，其设置在所述第一层(1)的第一侧的表面部分中，

所述第二电极(10)与所述第二导电类型部分(2b)电耦合，

所述第二电极(10)提供所述第二二极管(105d2)的阴极，并且

所述第三电极(11)提供所述第二二极管(105d2)的阳极。

21、根据权利要求14-19中任意一项所述的器件，其中

所述第二侧的第一导电类型区(6)设置在所述二极管(100d、104d)中，并且

所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述IGBT(100i、104i)中。

22、根据权利要求20所述的器件，其中

所述第二侧的第一导电类型区(6)设置在所述第二二极管(105d2)中，并且

所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述IGBT(105i)和所述二极管(105d)中。

23、根据权利要求20所述的器件，其中

所述第二侧的第一导电类型区(6)设置在所述第二导电类型部分(2b)的下方，并且

所述第二侧的第二导电类型区(5)设置在所述第二层(2a)的下方。

24、根据权利要求14-19中任意一项所述的器件，其中

所述衬底(1、1a、2a、2b、3a、4a、5、6、8、10、11、T1、T2)还包括具有所述第一导电类型的第三层(1a)，

所述第三层(1a)设置在所述第一层(1)和所述第二侧的第一导电类型区(6)之间以及所述第一层(1)和所述第二侧的第二导电类型区(5)之间，

所述第三层(1a)覆盖所述第二侧的第一导电类型区(6)和所述第二侧的第二导电类型区(5)，并且

所述第三层(1a)具有设置在所述第一层(1)的杂质浓度和所述第二侧的第一导电类型区(6)的杂质浓度之间的杂质浓度。

25、根据权利要求14-19中任意一项所述的器件，其中

所述IGBT(100i、104i)和所述二极管(100d、104d)提供逆变器电路，并且

所述二极管(100d、104d)提供续流二极管(100d、104d)。

26、根据权利要求20所述的器件，其中

所述IGBT(105i)、所述二极管(105d)以及所述第二二极管(105d2)提供逆变器电路，

所述二极管(105d)提供续流二极管(105d)，并且

所述第二二极管(105d2)提供第二续流二极管。

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