具体实施方式
实施方式1
在本实施方式1中,作为功率用半导体装置,示例IGBT。在图1中示出实施方式1的IGBT10A的半导体芯片的平面图(换言之,俯视图)。IGBT10A至少包括该半导体芯片,进而还能够包括与半导体芯片连接的接合线、搭载有半导体芯片的绝缘性衬底等。以下,对IGBT10A中所包含的一个半导体芯片进行说明,但是,IGBT10A也能够包括多个半导体芯片。
在图1的例子中,IGBT10A的半导体芯片能够大致区分为元件部31和末端部32。元件部31是例如矩阵状地配置有多个功率用半导体元件(此处是多个IGBT单位元件)的区域。末端部32是形成用于确保元件部31内的功率用半导体元件的耐压的结构(例如,保护环)等的区域。此外,也能够采用不存在末端部32的结构,但是,从提高耐压等的观点出发,优选设置有末端部32。
元件部31是包括芯片中心位置(换言之是衬底中心位置)而扩展的区域,但是,未到达芯片外周边缘(换言之是衬底外周边缘)。末端部32是从元件部31的外周边缘到芯片外周边缘的区域,作成包围元件部31的框架状。换言之,末端部32是从芯片外周边缘向芯片中心位置扩展的框架状的区域,该框架状的末端部32的内侧区域是元件部31。
此外,IGBT10A的半导体芯片也能够大致区分为中央部41和外周部42。中央部41是包括芯片中心位置而扩展的区域,但是,未到达芯片外周边缘。外周部42是从中央部41的外周边缘到芯片外周边缘的区域,作成包围中央部41的框架状。换言之,外周部42是从芯片外周边缘朝向芯片中心位置扩展的框架状的区域,该框架状的外周部42的内侧区域是中央部41。
此处,中央部41作为不超过元件部31的区域而存在。因此,在元件部31内划分为中央部41和外周部42。在该情况下,元件部31跨越中央部41和外周部42,包括中央部41的整体和外周部42的与中央部41连续的一部分。此外,外周部42跨越末端部32和元件部31,包括末端部32的整体和元件部31的与末端部32连续的一部分。
此外,上述各部31、32、41、42在图1的俯视图中图示为二维区域,但是,也是在芯片厚度方向(换言之,衬底厚度方向)投影该二维区域而把握的三维区域。
在图2中示出IGBT10A的半导体芯片的纵剖面图。在图2中图示出一个IGBT单位元件的结构。
根据图2的例子,半导体芯片包括半导体衬底(以下有时也略称为“衬底”)100A,在半导体衬底100A内形成有漂移层110(与“第一半导体层”对应)、载流子蓄积层120、基极层130、发射极层140、槽(换言之是沟槽)150、栅极绝缘膜160、栅极电极170、缓冲层190、集电极层200A(与“第二半导体层”对应)。
半导体衬底100A是通过对作为原始材料的半导体衬底(例如,硅衬底、碳化硅衬底等)实施了各种处理而得到的衬底。
漂移层110是位于衬底100A的一个主面101和另一个主面102之间(但是,从两个主面101、102离开)并且将衬底100A的厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。此处,示例出漂移层110在衬底整体上扩展的情况。根据该例子,漂移层110在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。此外,根据该例子,漂移层110具有在中央部41和外周部42都存在的形状。
此处,示例出漂移层110的导电类型是N型的情况,更具体地说,示例出漂移层110是杂质浓度设定在一般被称为低浓度的范围的N型层(N-型层)的情况。此外,漂移层110的杂质浓度在中央部41和外周部42是相同的。
此外,也存在将漂移层称作“基极层”的情况,在该情况下,将漂移层110称作“N基极层110”,将后述的基极层130称作“P基极层130”,由此,将这两层110、130区别开。
载流子蓄积层120是位于漂移层110和衬底100A的一个主面101之间并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。换言之,对于载流子蓄积层120来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110(以漂移层110为基准),位于一个主面101侧,在该厚度方向103,与漂移层110相面对。载流子蓄积层120是与漂移层110连续的层,但是,从一个主面101离开。此处,示例出载流子蓄积层120在衬底整体上扩展的情况。根据该例子,载流子蓄积层120在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。此外,根据该例子,载流子蓄积层120具有在中央部41和外周部42都存在的形状。
此处,示例出载流子蓄积层120的导电类型是N型的情况,更具体地说,示例出载流子蓄积层120是杂质浓度比漂移层110高并且杂质浓度设定在一般被称作高浓度的范围的N型层(N+型层)的情况。此外,载流子蓄积层120的杂质浓度在中央部41和外周部42是相同的。
基极层130是位于载流子蓄积层120和衬底100A的一个主面101之间并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。换言之,对于基极层130来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110以及载流子蓄积层120,位于一个主面101侧,在该厚度方向103隔着载流子蓄积层120与漂移层110面对。基极层130从载流子蓄积层120连续,并到达一个主面101。但是,在基极层130的一部分形成有后述的发射极层140。此处,示例出基极层130在衬底整体上扩展的情况。根据该例子,基极层130在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并被这些单位元件共有。此外,根据该例子,基极层130具有在中央部41和外周部42都存在的形状。
此处,示例出基极层130的导电类型是P型并且其杂质浓度在中央部41和外周部42中相同的情况。
此外,如后所述,由于基极层130是在MIS(Metal Insulator Semiconductor)结构中形成沟道的半导体层,所以,也可以将基极层130称作“沟道形成半导体层130”。
对于发射极层140来说,作为占据基极层130的一部分区域的阱而设置。发射极层140从衬底100A的一个主面101形成到预定深度,但是,比基极层130浅,因此,与载流子蓄积层120分离。在该情况下,对于发射极层140来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110、载流子蓄积层120、基极层130的一部分,位于一个主面101侧,在该厚度方向103,隔着载流子蓄积层120和基极层130的一部分,与漂移层110面对。发射极层140单独地设置在元件部31内的各IGBT单位元件100中,此外,在中央部41和外周部42的任意一个中都设置。
此处,示例出发射极层140的导电类型是N型的情况,更具体地说,示例出发射极层140是杂质浓度比漂移层110高并且是N+型层的情况。此外,杂质浓度在中央部41的发射极层140和外周部42的发射极层140中是相同的。
槽150从衬底100A的一个主面101朝向另一个主面102侧贯通发射极层140、基极层130、载流子蓄积层120,形成到漂移层110内的预定深度。槽150单独设置在元件部31内的各IGBT单位元件100中,此外,在中央部41和外周部42的任意一个中都设置。
栅极绝缘膜160设置在槽150的内表面(更具体地说是侧面以及底面)上,但是,不将槽150完全填埋。栅极绝缘膜160能够由例如硅氧化物、硅氮化物等构成。栅极电极170配置在栅极绝缘膜160上,填充槽150。换言之,栅极电极170隔着栅极绝缘膜160埋设在槽150内。栅极电极170能够由例如多晶硅、各种金属材料等构成。此外,栅极电极170在未图示的位置被引出,连接到未图示的栅极焊盘。
缓冲层190是位于漂移层110和衬底100A的另一个主面102之间并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。换言之,对于缓冲层190来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110,位于另一个主面102侧,在该厚度方向103,与漂移层110面对。缓冲层190是从漂移层110连续的层,但是,从另一个主面102离开。此处,示例出缓冲层190在衬底整体上扩展的情况。根据该例子,缓冲层190在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。此外,根据该例子,缓冲层190具有在中央部41和外周部42都存在的形状。
此处,示例出缓冲层190的导电类型是N型的情况,更具体地说,示例出缓冲层190是杂质浓度比漂移层110高并且是N+型层的情况。此外,缓冲层190的杂质浓度在中央部41和外周部42是相同的。
集电极层200A是位于缓冲层190和衬底100A的另一个主面102之间并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。此时,对于集电极层200A来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110以及缓冲层190,位于另一个主面102侧,在该厚度方向103,隔着缓冲层190与漂移层110面对。集电极层200A从缓冲层190连续并且到达另一个主面102。此处,示例出集电极层200A在衬底整体上扩展的情况。根据该例子,集电极层200A在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。此外,根据该例子,基极层130具有在中央部41和外周部42都存在的形状。
此处,示例出集电极层200A的导电类型是P型的情况。关于集电极层200A的杂质浓度,以后叙述。
此外,也能够在各层中采用与上述示例的导电类型相反的导电类型,对半导体衬底100A进行变形。对于该变形例来说,后述的各种结构也是相同的。
根据图2的例子,IGBT10A的半导体芯片还包括绝缘层252、发射极电极254、集电极电极256。
绝缘层252以将衬底100A的一个主面101的槽150的开口堵塞的方式配置,并且,覆盖栅极电极170。此外,在图2的例子中,绝缘层252并不延伸到发射极层140上,但是,该绝缘层252也可以延伸到发射极层140上。
发射极电极254在衬底100A的一个主面101上扩展,并且,与基极层130以及发射极层140相接触。发射极电极254也在绝缘层252上延伸。根据该例子,发射极电极254在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。
集电极电极256在衬底100A的另一个主面102上扩展,并且,与集电极层200A相接触。根据该例子,集电极电极256在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。
然后,对IGBT10A的动作进行概述。
首先,对IGBT10A的导通状态进行概述。在发射极电极254和集电极电极256之间施加预定的集电极电压(VCE>0)的状态下,对发射极电极254和栅极电极170之间施加预定的栅极电压(VGE>0),由此,实现导通状态。根据这样的电压施加状态,在基极层130中,在栅极电极170附近形成N型沟道。该沟道形成在发射极层140和载流子蓄积层120之间,由此,从发射极电极254通过该沟道向漂移层110注入电子。利用所注入的电子,使漂移层110和集电极层200A之间成为正偏状态,从集电极层200A向漂移层110注入空穴。由此,在集电极电极256与发射极电极254之间,换言之,在衬底100A的厚度方向103流过IGBT10A的电流(也称作集电极电流、导通电流、主电流)。
然后,对IGBT的截止状态进行说明。截止状态是通过使栅极电压VGE≤0来实现的。根据该电压施加状态,上述沟道消失,不从发射极电极254向漂移层110注入电子。电子的注入消失,由此,来自集电极层200A的空穴的注入也消失。其结果是,不流过电流。
此处,栅极电极170、栅极绝缘膜160、基极层130构成的层叠结构(在图2的剖面图中,把握为在与衬底厚度方向103正交的方向上层叠)形成所谓的MIS结构。此外,对于MIS结构来说,在栅极绝缘膜160是氧化膜的情况下,特别地被称作MOS(Metal Oxide Semiconductor:金属氧化物半导体)结构。对于该MIS结构来说,从上述的动作概述可知,在基极层130内形成有沟道,由此,流过IGBT10A的电流,利用沟道的不形成,切断电流。即,对IGBT10A的电流的通/断进行控制的开关元件180包括该MIS结构而形成。
对于开关元件180来说,根据上述结构可知,在各IGBT单位元件中单独设置。这些多个开关元件180的栅极电极170在未图示的位置共同(换言之并联)连接,因此,开关元件180同步动作。
此外,也能够采用不具有载流子蓄积层120的结构,但是,从以下方面考虑,优选设置载流子蓄积层120的结构。即,如上所述,载流子蓄积层120的载流子浓度比漂移层110高,所以,载流子蓄积层120和基极层130的结部分(junction)的内置电位比不具有载流子蓄积层120的结构的漂移层110和基极层130的结部分的内置电位高。该高的内置电位成为防止从集电极层200A注入到漂移层110的空穴向发射极侧穿过的势垒。因此,空穴蓄积在载流子蓄积层120中。由此,发射极侧的载流子密度增加,针对导通电流的电阻(即,导通电阻)降低。此外,流过导通电流时的集电极电压VCE(即导通电压)降低。
此外,在截止状态即耐压保持状态下,为了防止耗尽层到达集电极层200A的穿通现象而设置有缓冲层190。在图2中示出了穿通(Punch Through:PT)型结构。此外,也能够采用不具有缓冲层190的非穿通(Non Punch Through:NPT)型结构。
在图3中示出对集电极层200A进行概述的立体图。在图3中,从衬底100A中去掉集电极层200A而进行图示。此外,在图4中,示出对通过中央部41的纵剖面的集电极层200A的杂质浓度分布进行概述的图。
如图3以及图4所示,集电极层200A大致区分为存在于中央部41内的部分201和存在于外周部42内的部分202。特别是,相当于中央部41的部分201的杂质浓度设定得比相当于外周部42的部分202的杂质浓度低(参照图4)。即,集电极层200A的杂质浓度在中央部41比外周部42低。
此外,在图4中示例出两部分201、202的杂质浓度急剧变化的分布,但是,这样的变化也可以具有倾斜。此外,在此处示例出低浓度部分201和高浓度部分202这二者是杂质浓度设定在一般被称作高浓度的范围的P型层(P+型层)的情况,但是,例如,对于低浓度部分201,能够采用成为P型的浓度范围,对于高浓度部分202,能够采用成为P+型的浓度范围。
根据具有这样的杂质浓度分布的集电极层200A,从集电极层200A向漂移层110注入的空穴的注入效率在中央部41比外周部42低。由此,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300A由集电极层200A构成。
根据电阻控制结构300A,在衬底厚度方向103流过衬底100A的电流(更具体地说,其电流密度)在中央部41比外周部42低。因此,在中央部41,由该电流引起的发热被抑制,由此,中央部41的温度上升被抑制。由于中央部41的温度对衬底整体的温度贡献大,所以,能够抑制衬底整体的温度上升。其结果是,能够提高功率循环寿命等的可靠性。此外,根据电阻控制结构300A,即使不使用温度检测用元件,也起到温度抑制效果,所以,能够避免伴随温度检测用元件的采用的装置大型化。
IGBT10A能够利用已知的各种处理进行制造。例如,准备最终提供漂移层110的N-型的半导体衬底作为原始材料,对该衬底进行离子注入、外延成膜、掩模工艺(masking)、刻蚀、氧化等的处理,由此,能够形成IGBT10A的上述结构。
例如,对于集电极层200A来说,能够通过将对中央部41和外周部42这二者同时进行的离子注入和选择性地只对外周部42进行的离子注入组合来形成。但是,也可以利用其他方法形成集电极层200A。
实施方式2
在图5中示出对实施方式2的IGBT10B进行概述的图。在图5中,为了容易理解说明,在图面右侧示出相当于图1的平面图,并且,在图面左侧上部示出中央部41的纵剖面图,在图面左侧下部示出外周部42的纵剖面图。
对于IGBT10B来说,除了包括半导体衬底100B代替半导体衬底100A(参照图2)这一点外,具有基本与IGBT10A(参照图1以及图2)相同的结构。半导体衬底100B除了包括集电极层200B来代替集电极层200A这一点之外,具有基本与半导体衬底100A相同的结构。
图6示出对集电极层200B进行概述的立体图。在图6中,从衬底100B中去掉集电极层200B进行图示。如图5以及图6可知,集电极层200B做成存在于外周部42但不存在于中央部41的形状。此处,在集电极层200B内,杂质浓度均匀。集电极层200B的其他样态基本上与集电极层200A(参照图2)相同。
此外,在不存在集电极层200B的中央部41,缓冲层190延伸到衬底100B的另一个主面102,并且,与集电极电极256接触(参照图5中的左侧上部分的图)。
根据具有上述形状集电极层200B,从集电极层200B向漂移层110注入的空穴的注入效率在中央部41比外周部42低。由此,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300B(参照图6)由集电极层200B构成。
根据这样的电阻控制结构300B,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10B也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,通过仅对外周部42选择性地进行离子注入,从而能够形成集电极层200B。但是,也可利用其他方法形成集电极层200B。
实施方式3
在图7中示出对实施方式3的IGBT10C进行概述的纵剖面图。对于IGBT10C来说,除了代替半导体衬底100A(参照图2)而包括半导体衬底100C这一点之外,具有基本上与IGBT10A(参照图1以及图2)相同的结构。对于半导体衬底100C来说,除了包括集电极层200来代替集电极层200A(参照图2)这一点以及追加了寿命控制层210C这一点之外,具有基本上与半导体衬底100A相同的结构。
对于集电极层200来说,在中央部41和外周部42具有相同的杂质浓度,关于其他结构,与集电极层200A(参照图2)相同地构成。
寿命控制层210C是设置在漂移层110内并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。因此,对于寿命控制层210C来说,在衬底厚度方向103,相对于缓冲层190以及集电极层200,位于一个主面101侧,在该厚度方向103,隔着缓冲层190与集电极层200面对。
对于寿命控制层210C来说,在漂移层110内,设置在与和该漂移层110相邻的缓冲层190以及载流子蓄积层120都离开的位置。在图7的例子中,对于寿命控制层210C来说,在漂移层110内,靠近缓冲层190设置。即,从寿命控制层210C到缓冲层190的距离比从寿命控制层210C到载流子蓄积层120的距离短。
此处,示例了寿命控制层210C在衬底整体上扩展的情况。根据该例子,寿命控制层210C在设置于元件部31上的多个IGBT单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。此外,根据该例子,寿命控制层210C具有在中央部41和外周部42都存在的形状。
在图8中示出对寿命控制层210C进行概述的立体图。在图8中,从衬底100C中去掉寿命控制层210C进行图示。此外,在图9中,示出对通过中央部41的纵剖面的寿命控制层210C的寿命扼杀剂浓度分布进行概述的图。
如图8以及图9所示,寿命控制层210C大致区分为存在于中央部41内的部分211和存在于外周部42内的部分212。特别是,相当于中央部41的部分211的寿命扼杀剂浓度设定得比相当于外周部42的部分212的寿命扼杀剂浓度高(参照图9)。即,寿命控制层210C的寿命扼杀剂浓度在中央部41比外周部42高。
此外,在图9中示例出两部分211、212的杂质浓度急剧变化的分布,但是,该变化也可以具有倾斜。
寿命控制层210C起到一般的开关损失的降低效果,并且,起到由于寿命扼杀剂浓度的不同所引起的以下的效果。
即,根据具有上述寿命扼杀剂浓度分布的寿命控制层210C,从集电极层200向漂移层110注入的空穴的密度在中央部41比外周部42低。由此,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300C(参照图8)由寿命控制层210C构成。
根据这样的电阻控制结构300C,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10C也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,对漂移层110进行质子照射、电子射线照射等,在漂移层110内引入寿命扼杀剂,由此,能够形成寿命控制层210C。此时,例如,将对中央部41和外周部42这二者同时进行的照射和仅对中央部41选择性地进行的照射组合起来,由此,能够将上述的寿命扼杀剂浓度分布(参照图9)具体实现。但是,也可以利用其他方法形成寿命控制层210C。
实施方式4
在图10中示出对实施方式4的IGBT10D进行概述的图。图10的图示仿照图5。
IGBT10D除了具有半导体衬底100D来代替半导体衬底100C(参照图7)这一点以外,具有基本上与IGBT10C(参照图7)相同的结构。半导体衬底100D除了包括寿命控制层210D来代替寿命控制210C(参照图7)这一点之外,具有基本上与半导体衬底100C相同的结构。
在图11中,示出对寿命控制层210D进行概述的立体图。在图11中,从衬底100D中去掉寿命控制层210D进行图示。从图10以及图11可知,寿命控制层210D具有存在于中央部41但不存在于外周部42的形状。此外,在图11中,利用双点划线辅助性地示出寿命控制层210D存在的深度范围的外周部42的轮廓。此处,在寿命控制层210D内,寿命扼杀剂浓度均匀。寿命控制层210D的其他样态基本上与寿命控制层210C(参照图7)相同。
根据具有上述形状的寿命控制层210D,从集电极层200向漂移层110注入的空穴的密度在中央部41比外周部42低。由此,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制部300D(参照图11)由寿命控制层200D构成。
根据这样的电阻控制结构300D,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10D也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,选择性地仅对中央部41照射质子等,由此,能够形成寿命控制层200D。但是,也能够利用其他方法形成寿命控制层200D。
实施方式5
在图12中示出对实施方式5的IGBT10E进行概述的纵剖面图。IGBT10E除了包含半导体衬底100E来代替半导体衬底100A(参照图2)这一点之外,具有基本上与IGBT10A(参照图1以及图2)相同的结构。半导体衬底100E除了包含集电极层200来代替集电极层200A(参照图2)这一点、以及包含缓冲层190E来代替缓冲层190(参照图2)这一点之外,具有基本上与半导体衬底100A相同的结构。此外,关于集电极层200,由于在实施方式3中已经进行了叙述,所以,此处省略重复的说明。
在图13中,示出对缓冲层190E进行概述的立体图。在图13中,从衬底100E中去掉缓冲层190E进行图示。此外,在图14中,示出对通过中央部41的纵剖面的缓冲层190E的杂质浓度分布进行概述的图。
如图13以及图14所述,缓冲层190E大致区分为存在于中央部41的部分191和存在于外周部42的部分192。特别是,相当于中央部41的部分191的杂质浓度设定得比相当于外周部42的部分192的杂质浓度高(参照图14)。即,缓冲层190E的杂质浓度在中央部41比外周部42高。缓冲层190E的其他样态基本上与缓冲层190(参照图2)相同。
此外,在图14中示例出两部分191、192的杂质浓度急剧变化的分布,但是,这样的变化也可以具有倾斜。此外,此处示例出高浓度部分191和地浓度部分192这二者是N+型的情况,但是,例如,对于低浓度部分192,能够采用成为N型的浓度范围,对于高浓度部分191,能够采用成为N+型的浓度范围。
具有上述杂质浓度分布的缓冲层190E设置在集电极层200和漂移层110之间,由此,从集电极层200向漂移层110注入的空穴的注入效率在中央部41比外周部42低。由此,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300E(参照图13)由缓冲层190E构成。
根据这样的电阻控制结构300E,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10E也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,将对中央部41和外周部42这二者同时进行的离子注入和仅选择性地对中央部41进行的离子注入组合,由此,能够形成缓冲层190E。但是,也可以利用其他方法形成缓冲层190E。
实施方式6
在图15中示出对实施方式6的IGBT10F进行概述的图。图15的图示仿照图5。
IGBT10F除了包括半导体衬底100F来代替半导体衬底100E(参照图12)这一点之外,具有基本上与IGBT10E(参照图12)相同的结构。半导体衬底100F除了包括缓冲层190F来代替缓冲层190E(参照图12)这一点之外,具有基本上与半导体衬底100E相同的结构。
在图16中示出对缓冲层190F进行概述的立体图。在图16中,从衬底100F中去掉缓冲层190F进行图示。由图15以及图16可知,缓冲层190F具有存在于中央部41而不存在于外周部42的形状。此外,在图16中,以双点划线辅助性地示出缓冲层190F存在的深度范围的外周部42的轮廓。此处,在缓冲层190F内,杂质浓度均匀。缓冲层190F的其他样态基本上与缓冲层190、190E(参照图2以及图12)相同。
此外,在不存在缓冲层190F的外周部42,漂移层110延伸到集电极层200(参照图15的左侧下部分的图)。
具有上述形状的缓冲层190F设置在集电极层200和漂移层110之间,由此,从集电极层200向漂移层110注入的空穴的注入效率在中央部41比外周部42低。由此,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央比41比外周部42高的电阻控制结构300F(参照图16)由缓冲层190F构成。
根据这样的电阻控制结构300F,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10F也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,能够通过选择性地仅对中央部41进行离子注入来形成缓冲层190F。但是,也可以利用其他方法形成缓冲层190F。
实施方式7
在图17中示出对实施方式7的IGBT10G进行概述的纵剖面图。IGBT10G除了包括半导体衬底100G来代替半导体衬底100A(参照图2)这一点之外,具有基本上与IGBT10A(参照图1以及图2)相同的结构。半导体衬底100G除了具有集电极层200来代替集电极层200A(参照图2)这一点以及包括载流子蓄积层120G来代替载流子蓄积层120(参照图2)这一点之外,具有基本上与半导体衬底100A相同的结构。此外,关于集电极层200,已经在实施方式3中进行了叙述(参照图7),所以,此处省略重复的说明。
在图18中,示出对载流子蓄积层120G进行概述的立体图。在图18中,从衬底100G中去掉载流子蓄积层120G进行图示。此外,在图19中,示出对通过中央部41的纵剖面的载流子蓄积层120G的杂质浓度分布进行概述的图。
如图18以及图19所示,载流子蓄积层120G大致区分为存在于中央部41内的部分121和存在于外周部42的部分122。特别是,相当于中央部41的部分121的杂质浓度设定得比相当于外周部42的部分122的杂质浓度低(参照图19)。即,载流子蓄积层120G的杂质浓度在中央部41比外周部42低。载流子蓄积层120G的其他样态基本上与载流子蓄积层120(参照图2)相同。
此外,在图19中示例出两部分121、122的杂质浓度急剧变化的分布,但是,这样的变化也可以具有倾斜。此外,此处示出低浓度部分121和高浓度部分122这二者为N+型的情况,但是,例如,对于低浓度部分121,能够采用成为N型的浓度范围,对于高浓度部分122,能够采用成为N+型的浓度范围。
根据具有上述杂质浓度分布的载流子蓄积层120G,在载流子蓄积层120中蓄积从集电极层200向漂移层110注入的空穴的载流子蓄积效果在中央部41比外周部42低。载流子蓄积效果越低,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻越大,所以,该电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300G(参照图18)由载流子蓄积层120G构成。
根据这样的电阻控制结构300G,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10G也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,载流子蓄积层120G能够通过将同时对中央部41和外周部42进行的离子注入和选择性地仅对外周部42进行的离子注入组合来形成。但是,也可以利用其他方法形成载流子蓄积层120G。
实施方式8
在图20中示出对实施方式8的IGBT10H进行概述的图。图20的图示仿照图5。
IGBT10H除了包括半导体衬底100H来代替半导体衬底100G(参照图17)这一点之外,具有基本上与半导体衬底10G(参照图17)相同的结构。半导体衬底100H除了包括载流子蓄积层120H来代替载流子蓄积层120G(参照图17)这一点之外,具有基本上与半导体衬底100G相同的结构。
图21示出对载流子蓄积层120H进行概述的立体图。在图21中,从衬底100H中去掉载流子蓄积层120H进行图示。从图20以及图21可知,载流子蓄积层120H做成存在于外周部42而不存在于中央部41的形状。此处,在载流子蓄积层120H内,杂质浓度均匀。载流子蓄积层120H的其他样态基本上与载流子蓄积层120、120G(参照图2以及图17)相同。
此外,在不存在载流子蓄积层120H的中央部41,漂移层110延伸到基极层130(参照图20的左侧上部分的图)。
根据具有上述形状的载流子蓄积层120H,在载流子蓄积层120H中对从集电极层200向漂移层110注入的空穴进行蓄积的载流子蓄积效果在中央部41比外周部42低。载流子蓄积效果越低,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻越大,所以,该电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300H(参照图21)由载流子蓄积层120H构成。
根据这样的电阻控制结构300H,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10H也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,载流子蓄积层120H能够通过选择性地仅对外周部42进行离子注入来形成。但是,也可以利用其他方法形成载流子蓄积层120H。
实施方式9
在图22中示出对实施方式9的IGBT10J进行概述的纵剖面图。IGBT10J除了包括半导体衬底100J来代替半导体衬底100A(参照图2)这一点之外,具有基本上与IGBT10A(参照图1以及图2)相同的结构。半导体衬底100J除了包括集电极层200来代替集电极层200A(参照图2)这一点以及包括基极层130J来代替基极层130(参照图2)这一点之外,具有基本上与半导体衬底100A相同的结构。此外,关于集电极层200,已经在实施方式3中进行了叙述(参照图7),所以,此处省略重复说明。
在图23中示出对基极层130J进行概述的立体图。在图23中,从衬底100J中去掉基极层130J进行图示。此外,在图24中,示出对通过中央部41的纵剖面的基极层130J的杂质浓度分布进行概述的图。
如图23以及图24所示,基极层130J大致区分为存在于中央部41的部分131和存在于外周部42的部分132。特别是,相当于中央部41的部分131的杂质浓度设定得比相当于外周部42的部分132的杂质浓度高(参照图24)。即,基极层130J的杂质浓度在中央部41比外周部42高。即,基极层130J的其他样态基本上与基极层130(参照图2)相同。
此外,在图24中,示例出两部分131、132的杂质浓度分布急剧变化的分布,但是,这样的变化也可以具有倾斜。此外,此处示例出高浓度部分131和低浓度部分132这二者是P型的情况,但是,例如,对于低浓度部分132,能够采用一般称作低浓度的P-型的浓度范围,对于高浓度部分131,能够采用成为P型的浓度范围。
根据具有上述杂质浓度分布的基极层130J(换言之,沟道形成半导体层130J),MIS型开关元件180的阈值电压在中央部41比外周部42高。换言之,相同的施加电压下的MIS型开关元件180的沟道电阻在中央部41比外周部42高。由此,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300J(参照图23)由基极层130J构成。
根据这样的电阻控制结构300J,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
IGBT10J也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,能够通过将对中央部41和外周部42这二者同时进行的离子注入和选择性地仅对中央部41进行的离子注入组合而形成基极层130J。但是,也能够利用其他方法形成基极层130J。
实施方式10
构成上述的电阻控制结构300A等的各种要素能够进行各种组合。例如,在图25的纵剖面图所示例的IGBT10K中,半导体衬底100K包括上述的集电极层200A以及寿命控制层210C。
即,该IGBT10K的电阻控制结构300K包括集电极层200A和寿命控制层210C而构成。根据这样的电阻控制结构300K,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。此外,也能够将构成上述的电阻控制结构300A等的各种要素组合三种以上。
此外,在利用集电极层200A、200B、寿命控制层210C、210D、缓冲层190E、190F中的一个或者多个构成电阻控制结构的情况下,开关元件180侧的样态在中央部41和外周部42中相同,所以,在开关时,能够防止产生局部的电流集中。
实施方式11
在上述中,作为功率用半导体装置,示例了IGBT。在实施方式11、 12中,作为功率用半导体装置的其他例子,举出功率MISFET(Field Effect Transistor)。此外,对于MISFET来说,在栅极绝缘膜是氧化膜的情况下,特别地称作MOSFET。
在图26中,示出对实施方式11的功率MISFET(以下有时也简称为“MISFET”)10L进行概述的纵剖面图。MISFET10L除了包括半导体衬底100L来代替半导体衬底100A(参照图2)这一点之外,具有基本上与IGBT10A(参照图1以及图2)相同的结构。半导体衬底100L除了不包括集电极层200A以及载流子蓄积层120这一点、以及包含漏极层220L(对应于“第三半导体层”)来代替缓冲层190这一点之外,具有基本上与半导体衬底100A相同的结构。
此处,仿照IGBT的要素和MISFET的要素的一般的对应,在MISFET中,将IGBT中的发射基层140、发射极电极254以及集电极电极256称作源极层140、源极电极254以及漏极电极256。
此外,由于不象上述那样设置有集电极层200A(参照图2),所以,漏极层220L从漂移层110延伸到衬底100L的另一个主面102,并且,与漏极电极256相接触。此外,由于不像上述那样设置有载流子蓄积层120(参照图2),所以,漂移层110和基极层130相接触。
漏极层220L是位于漂移层110和衬底100L的另一个主面102之间并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向扩展的层。换言之,对于漏极层220L来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110,位于另一个主面102侧,在该厚度方向103,与漂移层110相面对。漏极层220L是从漂移层110连续的层,并且,到达另一个主面102。此处,示例出漏极层220L在衬底整体上扩展的情况。根据这样的例子,漏极层220L在设置于元件部31上的多个MISFET单位元件中扩展,并且,被这些单位元件共有。此外,根据该例子,漏极层220L具有在中央部41和外周部42都存在的形状。
此处,示例出漏极层220L的导电类型是N型的情况,更具体地说,示例出漏极层220L的杂质浓度比漂移层110高并且是N+型层的情况。
在图27中,示出对漏极层220L进行概述的立体图。在图27中从衬底100L中去掉漏极层220L进行图示。此外,在图28中,示出对通过中央部41的纵剖面的漏极层220L的杂质浓度分布进行概述的图。
如图27以及图28所示,漏极层220L大致区分为存在于中央部41的部分221和存在于外周部42的部分222。特别是,相当于中央部41的部分221的杂质浓度设定得比相当于外周部42的部分222的杂质浓度低(参照图28)。即,漏极层220L的杂质浓度在中央部41比外周部42低。
此外,在图28中示例出两部分221、222的杂质浓度急剧变化的分布,但是,这样的变化也可以有倾斜。此外,此处示例出低浓度部分221和高浓度部分222这二者是N+型的情况,但是,例如,对于低浓度部分221,能够采用成为N型的浓度范围,对于高浓度部分222,能够采用成为N+型的浓度范围。
在具有上述杂质浓度的漏极层220L中,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300L(参照图27)由漏极层220L构成。
根据这样的电阻控制结构300L,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
MISFET10L也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,漏极层220L能够通过将对中央部41和外周部42这二者同时进行的离子注入和选择性地仅对外周部42进行的离子注入组合而形成。但是,也可以利用其他方法形成漏极层220L。
此外,例如,也能够将漏极层220L和上述基极层130J(参照图22)组合而构成电阻控制结构。
实施方式12
在图29中,示出对实施方式12的功率MOSFET10M进行概述的图。图29的图示仿照图5。
MOSFET10M除了包括半导体衬底100M来代替半导体衬底100L(参照图26)这一点之外,具有基本上与MISFET10L(参照图26)相同的结构。半导体衬底100M除了包括漏极层220M来代替漏极层220L(参照图26)这一点之外,具有基本上与半导体衬底100L相同的结构。
在图30中,示出对漏极层220M进行概述的立体图。在图30中从衬底100M中去掉漏极层220M进行图示。如图29以及图30可知,漏极层220M作成存在于外周部42而不存在于中央部41的形状。此处,在漏极层220M内,杂质浓度均匀。漏极层220M的其他样态基本上与漏极层220L(参照图26)相同。
此外,在不存在漏极层220M的中央部41中,漂移层110延伸到衬底100M的另一个主面102,并且,与漏极电极256相接触(参照图29的左侧上部分的图)。
在具有上述形状的漏极层220M中,针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高。即,用于使针对在衬底厚度方向103流动的电流的电阻在中央部41比外周部42高的电阻控制结构300M(参照图30)由漏极层220M构成。
根据这样的电阻控制结构300M,也能够得到与电阻控制结构300A(参照图3)相同的效果。
MISFET10M也能够利用已知的各种处理进行制造。例如,漏极层220M也能够通过选择性地仅对外周部42进行离子注入来形成。但是,也可以利用其他方法形成漏极层220M。
此外,例如,也能够将漏极层220M和上述基极层130J(参照图22)组合来构成电阻控制结构。
实施方式1~12的变形例
在上述中示例出开关元件180是所谓的沟槽栅极型的情况。相对于此,也能够将开关元件180变形成栅极绝缘膜160以及栅极电极170不使用沟槽150而层叠在主面101上的结构的所谓的平面栅极型。即便采用平面栅极型开关元件,也能够得到上述各种效果。
实施方式13
在上述中,作为功率用半导体装置,示例出IGBT以及功率MISFET。在实施方式13中,作为功率用半导体装置的进一步的例子,举出功率二极管(以下有时简称为“二极管”)。
在图31中,示出对实施方式13的二极管10N进行概述的纵剖面图。根据图31的例子,二极管10N包括半导体衬底100N、阴极电极264、阳极电极266。此外,在半导体衬底100N内形成有漂移层110(对应于“第一半导体层”)、阴极层230(对应于“第三半导体层”)、阳极层240(对应于“第二半导体层”)。此外,关于漂移层110,与实施方式1同样地设置(参照图2),所以,此处省略重复说明。
阴极层230是位于漂移层110和衬底100N的一个主面101之间并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。换言之,对于阴极层230来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110,位于一个主面101侧,在该厚度方向103,与漂移层110相面对。阴极层230从漂移层110连续,并且,到达一个主面101。此处,示例出阴极层230的导电类型是N型的情况,更具体地说,示例出阴极层230的杂质浓度比漂移层110高并且是N+型层的情况。
阳极层240是位于漂移层110和衬底100N的另一个主面102之间并且将衬底厚度方向103作为自身的厚度方向而扩展的层。换言之,对于阳极层240来说,在衬底厚度方向103,相对于漂移层110,位于另一个主面102侧,在该厚度方向103,与漂移层110相面对。阳极层240从漂移层110连续,并且,到达另一个主面102。此处,示例出阳极层240的导电型是P型的情况,更具体地说,示例出是P+型层的情况。
阴极电极264配置在衬底100N的一个主面101上,并且,与阴极层230相接触。此外,阳极电极266配置在衬底100N的另一个主面102上,并且,与阳极层240相接触。
在这样的二极管10N中,例如,对于阳极层240,采用上述集电极层200A(参照图2~图4)的杂质浓度分布或者上述集电极层200B(参照图5以及图6)的形状,由此,能够以阳极层240构成电阻控制结构。
或者,在漂移层110中引入上述寿命控制层210C(参照图7~图9)或者上述寿命控制层210D(参照图10以及图11),由此,能够构成电阻控制结构。
或者,在漂移层110和阳极层240之间追加上述缓冲层190E(参照图12~图14)或者上述缓冲层190F(参照图15以及图16),由此,能够构成电阻控制结构。
或者,对于阴极层230,也可以采用上述载流子蓄积层120G(参照图17~图19)的杂质浓度分布或者上述载流子蓄积层120H(参照图20以及图21)的形状。根据该例子,能够以阴极层230构成电阻控制结构。
此外,在功率二极管10N中,也可以组合各种要素形成电阻控制结构。
功率二极管10N也能够利用已知的各种处理进行制造。此时,例如,能够采用上述集电极层200A等的形成方法。
实施方式1~13的变形例
此外,只要不彼此矛盾,能够适当组合上述的各种方式。