專利名稱：反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor)和整流二極管的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，逆變器裝置正廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品和工業(yè)用電力設(shè)備等。由于這種逆變器裝置通常使用商用電源(交流電源)，所以由執(zhí)行將交流電源一次轉(zhuǎn)換成直流的正向轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器部分、平滑電路部分以及將直流電壓反向轉(zhuǎn)換為交流的逆變器部分構(gòu)成。并且，在其逆變器部分的主功率元件中，主要使用可高速開關(guān)的絕緣柵雙極晶體管。此外，在功率控制用的逆變器裝置中，在每個(gè)晶體管芯片中，操作額定電流和額定電壓分別工作在約為數(shù)安培～數(shù)百安培、數(shù)百伏～數(shù)千伏的范圍，在靠電阻負(fù)載連續(xù)改變柵極電壓來使絕緣柵雙極晶體管(IGBT)工作的電路中，作為電流乘以電壓的積的功率就導(dǎo)致在晶體管內(nèi)部產(chǎn)生熱。根據(jù)這些情況，就需要大的散熱器，而功率的轉(zhuǎn)換效率也會變差，通過組合工作電壓和工作電流，由于晶體管本身因溫度上升而導(dǎo)致熱破壞，所以不適合于采用電阻負(fù)載電路。
在許多情況下，由于逆變器裝置的負(fù)載為電動感應(yīng)機(jī)(感應(yīng)性負(fù)載的電機(jī))，所以IGBT通常作為開關(guān)來進(jìn)行工作，反復(fù)處于截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)，從而控制功率。在感應(yīng)性負(fù)載開關(guān)逆變器電路的情況下，雖然從晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)的切斷過程和從截止?fàn)顟B(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的開啟過程由晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)構(gòu)成，但流向負(fù)載的電流、感應(yīng)性負(fù)載與上下支路(arm)的中間電位點(diǎn)連接，流向感應(yīng)性負(fù)載的電流方向由于為正和負(fù)兩個(gè)方向，流向負(fù)載的電流就一面從負(fù)載連接端返回高電位的電源側(cè)、一面流向接地側(cè)，所以需要具有使流向感應(yīng)性負(fù)載的大電流在支路和閉路之間循環(huán)流動用途的續(xù)流二極管(free wheeling diode)。
現(xiàn)有的使用IGBT和續(xù)流二極管的逆變器電路，由于對IGBT無雙向的通電能力，所以就采用其它芯片來制備反向并聯(lián)的環(huán)流用的續(xù)流二極管。但是，近年來，已經(jīng)提出了一種一體地內(nèi)置了環(huán)流用的二極管和IGBT的逆變器裝置，以便實(shí)現(xiàn)逆變器裝置的小型化、重量輕的目標(biāo)(專利文獻(xiàn)1、2)。
日本專利申請?zhí)亻_2000-200906號公報(bào)[專利文獻(xiàn)2]日本專利申請?zhí)亻_平10-74959號公報(bào)發(fā)明內(nèi)容但是，現(xiàn)有的反向?qū)ㄐ偷慕^緣柵雙極晶體管，陽極和陰極處于同一平面上，不具有相同程度的雙向通電能力，由于通過共用用于構(gòu)成絕緣柵雙極晶體管的要素來構(gòu)成內(nèi)置二極管，因此就難于使單個(gè)二極管特性最佳化，特別地，就會存在所謂內(nèi)置二極管的恢復(fù)特性比IGBT芯片和續(xù)流二極管芯片這2種芯片構(gòu)成的情況下的二極管的恢復(fù)特性更差的問題。
此外，當(dāng)進(jìn)行恢復(fù)工作時(shí)，在處于芯片外周區(qū)域的連接終端區(qū)域存儲的載流子就會在與單元部分交界的區(qū)域處引起電流集中，就存在所謂芯片被破壞的問題。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種在襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和恢復(fù)特性優(yōu)良的整流二極管的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，在由第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，其特征在于，上述整流二極管，包括在用于構(gòu)成上述絕緣柵雙極晶體管的上述襯底的一個(gè)表面上，通過摻雜第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)而形成的第二導(dǎo)電類型的基極層；和由構(gòu)成上述絕緣柵雙極晶體管的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一導(dǎo)電類型的基極層；且以在上述襯底的一個(gè)表面中，形成為覆蓋在上述第二導(dǎo)電類型的基極層的一部分上形成的第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層和上述第二導(dǎo)電類型的基極層的發(fā)射極電極作為陽極電極；以在上述襯底的另一個(gè)表面中，形成為覆蓋上述第一導(dǎo)電類型的基極層和在該第一導(dǎo)電類型的基極層的一部分中形成的第二導(dǎo)電類型的集電極層的集電極電極作為陰極電極，在上述第一導(dǎo)電類型的基極層的一部分中，形成與其它第一導(dǎo)電類型的基極層相比載流子的壽命更短的短壽命區(qū)域。
如此構(gòu)成的本發(fā)明的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件是在上述襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和整流二極管的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，由于在上述第一導(dǎo)電類型的基極層的一部分中形成了短壽命區(qū)域，所以當(dāng)進(jìn)行恢復(fù)工作時(shí)就能夠減少從上述第一導(dǎo)電類型的基極層轉(zhuǎn)移的載流子數(shù)量，就能夠提高反向回復(fù)特性。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的正向電壓(VF)與恢復(fù)電流的關(guān)系圖。
圖3是比較例的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的剖面圖。
圖4是使用實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件來構(gòu)成逆變器電路的情況的電路圖。
圖5是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在襯底上形成P型基極層后的剖面圖。
圖6是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在P型基極層的一部分上形成N+型發(fā)射極層后的剖面圖。
圖7是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成貫通N+型發(fā)射極層及P型基極層的柵電極用的溝，并在此溝上形成絕緣柵膜后的剖面圖。
圖8是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在溝內(nèi)的絕緣柵膜上形成柵電極后的剖面圖。
圖9是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成發(fā)射極電極后的剖面圖。
圖10是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在襯底的另一個(gè)主表面上形成P型集電極層后的剖面圖。
圖11是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在襯底的另一個(gè)主表面的P型集電極層之間形成陰極層4后的剖面圖。
圖12是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在襯底的另一個(gè)主表面上形成集電極電極后的剖面圖。
圖13是在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成短壽命區(qū)域后的剖面圖。
圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖15是表示未對實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件結(jié)構(gòu)照射電子束時(shí)的回復(fù)特性的曲線圖。
圖16是表示選擇地照射電射線的實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的回復(fù)特性的曲線圖。
圖17是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在襯底上形成P阱層后的剖面圖。
圖18是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成P型基極層后的剖面圖。
圖19是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成N+型發(fā)射極層后的剖面圖。
圖20是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成柵絕緣膜(溝槽型絕緣膜)后的剖面圖。
圖21是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成由硅構(gòu)成的柵電極后的剖面圖。
圖22是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成發(fā)射極電極和電極后的剖面圖。
圖23是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成用于覆蓋P阱層和電極的保護(hù)膜后的剖面圖。
圖24是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，在襯底的另一個(gè)主表面上形成P型集電極層后的剖面圖。
圖25是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，形成與P型集電極層和陰極層歐姆接觸的集電極電極后的剖面圖。
圖26是在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法中，對電場緩和區(qū)照射電子束形成短壽命區(qū)域后的剖面圖。
圖27是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式3的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖28是表示有選擇地照射電子束并進(jìn)行氦照射的實(shí)施方式3的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的回復(fù)特性的曲線圖。
符號說明1 襯底、 1a N基極層、 2 P型基極層、3 P型集電極層、 4 陰極層、5，17 短壽命層、6 集電極電極、 7 發(fā)射極電極、8 N+發(fā)射極層、9 P+集電極層、 10 柵絕緣膜、 11 柵電極、12 層間絕緣膜、 13 P型阱層、 15 電極、16 保護(hù)膜具體實(shí)施方式
下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。
(實(shí)施方式1)本發(fā)明的實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件是在由N型半導(dǎo)體(例如，N型硅)構(gòu)成的襯底1上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和整流二極管的反向?qū)ㄐ徒^緣柵雙極晶體管，其結(jié)構(gòu)如下所示(圖1)。
在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，絕緣柵雙極晶體管包括
在由N型半導(dǎo)體構(gòu)成的襯底1的一個(gè)側(cè)面上形成的(1)P型基極層2；(2)通過在此P型基極層2的一部分中摻雜N型雜質(zhì)而形成的N+型發(fā)射極層8；(3)再通過在N+型發(fā)射極層8之間摻雜P型雜質(zhì)而在P型基極層2之上形成的P+型集電極層9；(4)與P型基極層2、N+型發(fā)射極層8及襯底1的N型半導(dǎo)體相鄰接地形成的柵絕緣膜10；(5)隔著柵絕緣膜10與P型基極層2、N+型發(fā)射極層8及襯底1的N型半導(dǎo)體對置而形成的柵電極11；(6)通過層間絕緣膜12與柵電極11絕緣的N+型發(fā)射極層8和P+型集電極層相鄰接地形成的發(fā)射極電極7；以及在襯底1的另一方表面上形成的(7)P型集電極層3；(8)與此P型集電極層3相鄰接而形成的集電極電極6，且使襯底1的N型半導(dǎo)體作為N型基極層1a，由此來構(gòu)成該絕緣柵雙極晶體管。
而且，利用制造方法的說明，將使襯底1的一個(gè)側(cè)面之上的柵電極結(jié)構(gòu)等的詳細(xì)內(nèi)容更加清楚。
此外，N+型發(fā)射極層8中的“N+型”表示比襯底1的N型半導(dǎo)體的N型雜質(zhì)濃度高，P+型集電極層9中的“P+型”表示比P型基極層2的P型雜質(zhì)濃度高。
此外，對于實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，在襯底1的另一個(gè)表面上，與P型集電極層3鄰接地形成由N+型半導(dǎo)體構(gòu)成的陰極層4，通過形成與此陰極層4連接的集電極電極6，利用P型基極層2和襯底1的N型半導(dǎo)體(N型基極層1a)的PN結(jié)，就在發(fā)射極電極7和集電極電極6之間形成整流二極管。而且，發(fā)射極電極7相當(dāng)于整流二極管的陽極電極，集電極電極6相當(dāng)于整流二極管的陰極電極。
如上述構(gòu)成的圖1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件構(gòu)成為如圖4所示的絕緣柵雙極晶體管T1和整流二極管D1相連接的結(jié)構(gòu)，其工作如下所示。而且，圖4的電路表示使用本發(fā)明的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件來構(gòu)成逆變器電路結(jié)構(gòu)的例子。
下面說明其工作。
在圖1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，對柵極11施加閾值或更大的正向偏壓，在發(fā)射極電極7和背面集電極電極6之間施加規(guī)定的電壓(發(fā)射極電極＜背面集電極電極)時(shí)，絕緣柵雙極晶體管成為導(dǎo)通(oN)狀態(tài)，通過N型基極層1a、P型基極層2及N+型發(fā)射極層8導(dǎo)通。此時(shí)，由于整流二極管成為反向偏壓，所以處于截止?fàn)顟B(tài)。
此外，在圖1中的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，對柵極11施加閾值或更大的正向偏壓，在發(fā)射極電極7和集電極電極6間施加規(guī)定的電壓(發(fā)射極電極＞背面集電極電極)時(shí)，絕緣柵雙極晶體管不導(dǎo)通，整流二極管成為正向偏壓，電流從發(fā)射極電極7經(jīng)過P+集電極層9、P型基極層2及N型基極層1a、流向集電極電極6(在與絕緣柵雙極晶體管相反的方向上導(dǎo)通)。
此外，對柵極11施加負(fù)偏壓，在發(fā)射極電極7和背面集電極電極6之間施加規(guī)定的電壓(發(fā)射極電極＜背面集電極電極)時(shí)，通過從P型基極層2起使耗盡層擴(kuò)展，由此就能夠保持耐壓，由于整流二極管也成為了反向偏置，所以不導(dǎo)通。
由此，在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，整流二極管和絕緣柵雙極晶體管共用P型基極層2和N型基極層1a，在絕緣柵雙極晶體管和整流二極管中，在其各自導(dǎo)通狀態(tài)中，相反方向的電流流過P型基極層2和N型基極層1a。
由此，在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，就構(gòu)成了將絕緣柵雙極晶體管的P型基極層2作為整流二極管的陽極來使用的結(jié)構(gòu)。通常，由于將在逆變器裝置中使用的絕緣柵雙極晶體管的柵極閾值電壓(Vth)設(shè)定為5V左右，所以，沿P型基極層2的柵絕緣膜部分的峰值濃度就設(shè)定在大約1×1017/cm3～1×1018/cm3左右，器件表面部分的P型基極層2的濃度成為1018/cm3左右或更大。為此，整流二極管就成為導(dǎo)通狀態(tài)，從作為陽極層的P型基極層2中注入的空穴就會超出需要，以至導(dǎo)致過剩，并在器件內(nèi)部的N型基極層1a中形成載流子(空穴和電子)過剩存儲的狀態(tài)。當(dāng)二極管反向回復(fù)工作(恢復(fù)工作)時(shí)，存儲在此器件內(nèi)部的電荷作為反向回復(fù)電流(恢復(fù)電流)從器件中被抽取出來。根據(jù)這樣的理由，在沒有形成短壽命層5的如圖3所示的比較例的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，在將絕緣柵雙極晶體管的P型基極層2作為整流二極管的陽極使用時(shí)，就會存在所謂整流二極管的恢復(fù)特性變差的問題。
因此，在實(shí)施方式1中，位于P型基極層2之下的N型基極層1a的一部分(襯底1的厚度方向上的一部分)中，形成與除此一部分之外的其它N型基極層1a相比，載流子的壽命短的短壽命區(qū)域5，通過此短壽命區(qū)域5就能夠減少過剩的載流子，就能夠提高整流二極管的回復(fù)特性。
更詳細(xì)地，整流二極管的恢復(fù)特性是在反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件反方向?qū)?即整流二極管導(dǎo)通)期間，從載流子大量聚集在N型基極層1a中的狀態(tài)到施加反向偏壓時(shí)所產(chǎn)生的特性，在N型基極層1a中存儲的載流子中，空穴被抽取到P型基極層2，電子被抽取到陰極層4，以形成反向回復(fù)電流(恢復(fù)電流)。
在本實(shí)施方式1中，由于從P型基極層2的正下方到襯底中央存在壽命短的短壽命區(qū)域5，所以與未進(jìn)行壽命控制的情況相比，就減少了向反方向?qū)ǖ臓顟B(tài)下的載流子密度。因此，就能夠減少在恢復(fù)工作中轉(zhuǎn)移出的載流子的數(shù)量，并能夠抑制反向回復(fù)電流的絕對值。
此外，在恢復(fù)期間，流過最大電流之后，電流不會立即變?yōu)榱?，而流過時(shí)間常數(shù)大的拖尾(tail)電流。為了控制此拖尾電流，雖然存在進(jìn)行鉑擴(kuò)散壽命控制或由均勻的電子束照射的壽命控制的情況，但在本實(shí)施方式1的在集電極側(cè)形成N型陰極層4的集電極短路型的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，在恢復(fù)期間，對集電極施加正電壓，由于器件內(nèi)部的電子被集中在N型陰極層4，與集電極中無陰極區(qū)域的情況相比，由于從器件內(nèi)部電子快速消失，就能夠通過集電極側(cè)的N型陰極層4減少拖尾電流，僅通過對靠近P型基極層2的部分進(jìn)行氦照射的壽命控制，就能夠抑制反向回復(fù)電流的絕對值并且能夠抑制拖尾電流，從而改善了反向回復(fù)特性。
本發(fā)明人研究了為了確認(rèn)通過此短壽命區(qū)域5能夠提高整流二極管的回復(fù)特性的效果，在圖1的結(jié)構(gòu)中試作了1200V量級的元件，將N型基極層(襯底的N型半導(dǎo)體層)的厚度設(shè)為190μm，并按照有無氦照射來研究內(nèi)置二極管的正向電壓降(VF)和反向回復(fù)工作時(shí)的恢復(fù)峰值電流(Irr)如何變化。其結(jié)果如圖2所示。
而且，氦照射的多個(gè)點(diǎn)是改變了氦照射條件的情況。此外，氦照射的深度為比N型基極層的中央部分更靠近的前表面?zhèn)?更靠近P型基極層2)。判定出，進(jìn)行氦照射時(shí)，盡管VF增加，但降低了恢復(fù)峰值電流(Irr)。
接著，說明實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法。
<第一工序>
在第一工序中，制備由N型硅構(gòu)成的襯底1，從此襯底1的一個(gè)主表面注入P型雜質(zhì)，通過擴(kuò)散，形成P型基極層2(圖5)。
<第二工序>
在第二工序中，從P型基極層2的表面有選擇地注入N型雜質(zhì)，通過擴(kuò)散，形成N+型發(fā)射極層8(圖6)。
<第三工序>
在第三工序中，貫通N+型發(fā)射極層8和P型基極層2，形成直達(dá)襯底1的N型半導(dǎo)體層的溝，在此溝的表面上形成柵絕緣膜10(溝槽型絕緣膜)(圖7)。
<第四工序>
在第四工序中，在溝槽形狀的柵絕緣膜10上形成作為導(dǎo)電體的由多晶硅構(gòu)成的柵電極11(圖8)。
<第五工序>
在第五工序中，對N+型發(fā)射極層8之間的P型基極層2的表面有選擇地注入或擴(kuò)散P型雜質(zhì)，形成P+型集電極層9，并形成層間絕緣膜12覆蓋柵電極11后，形成與N+型發(fā)射極層8和P+型集電極層9連接的發(fā)射極電極7(圖9)。
<第六工序>
在第六工序中，對襯底1的另一個(gè)主表面有選擇地注入或擴(kuò)散P型雜質(zhì)，在襯底1的另一個(gè)主表面上形成P型集電極層3(圖10)。
<第七工序>
在第七工序中，在襯底1的另一個(gè)主表面中，對P型集電極層3之間的區(qū)域有選擇地注入或擴(kuò)散N型雜質(zhì)，在襯底1的另一個(gè)主表面上形成N型雜質(zhì)濃度比N型基極層更高的由N+型半導(dǎo)體構(gòu)成的陰極層4(圖11)。
而且，為了降低與集電極電極6的歐姆接觸電阻，以形成由N+型半導(dǎo)體構(gòu)成的陰極層4。
<第八工序>
在第八工序中，在襯底1的另一個(gè)主表面上，形成與P型集電極層3和陰極層4歐姆接觸的集電極電極6(圖12)。
<第九工序>
在第九工序中，從襯底1的一個(gè)主表面?zhèn)日丈浜?，在N型基極層1a的內(nèi)部局部地形成壽命短的短壽命區(qū)域(氦照射區(qū)域)5(壽命控制)。
而且，在此壽命控制工序中，優(yōu)選地，調(diào)整氦的射程，以便在比N型中央部分更靠近一個(gè)主表面上形成短壽命區(qū)域5，設(shè)定氦照射量，以便能夠更有效地抑制Vf的上升，從而獲得所希望的回復(fù)特性。
在本實(shí)施方式1中，由于通過氦照射形成短壽命區(qū)域5，因此就能夠在所希望的位置可靠地形成短壽命區(qū)域5。
通過上述的工序，就能夠制作實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件。
以上詳細(xì)說明了本實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，由于將P型基極層2和N型基極層1a作為共用的要素，構(gòu)成絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，所以就能夠使結(jié)構(gòu)簡單，并且，通過在N型基極層1a的一部分上形成短壽命區(qū)域5，整流二極管的回復(fù)特性就可以很好。
此外，在實(shí)施方式1的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，形成溝槽以便穿通N+型發(fā)射極層8及P型基極層2，由于具有形成柵電極11的溝槽結(jié)構(gòu)，所以就能夠增加?xùn)艠O的重復(fù)間距數(shù)，就能夠增大溝道寬度。
而且，在實(shí)施方式1中，雖然將n型設(shè)為第一導(dǎo)電類型，將p型設(shè)為第二導(dǎo)電類型，但本發(fā)明并沒有限定于此，也可使導(dǎo)電類型相反。
(實(shí)施方式2)下面，參照圖14來說明本發(fā)明的實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件。
本實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，包括在由N型半導(dǎo)體構(gòu)成的襯底1上一體地形成的絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，以便在一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和整流二極管的工作區(qū)域100的周圍形成，具有在緩和工作期間使周邊部分的電場緩和的接合部終端結(jié)構(gòu)的電場緩和區(qū)200。
而且，在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，由于工作區(qū)域100除沒有形成短壽命區(qū)域5以外，是與實(shí)施方式1相同的結(jié)構(gòu)，所以省略對工作區(qū)域100的詳細(xì)說明。此外，在圖14中，對與圖1相同結(jié)構(gòu)賦予相同的符號。
在實(shí)施方式2中，電場緩和區(qū)域200的接合部終端結(jié)構(gòu)是包圍工作區(qū)域100的周圍形成的多個(gè)環(huán)狀的P型阱層13的結(jié)構(gòu)，按朝著外側(cè)變寬的方式形成鄰接的P型阱層的間隔。
此外，在各P型阱層13上形成彼此相互隔離的電極15，形成保護(hù)膜16以便覆蓋這些多個(gè)P型阱層13及電極15。如此，由使用多個(gè)P型阱層13構(gòu)成的接合部終端結(jié)構(gòu)構(gòu)成的電場緩和區(qū)域200就使在工作區(qū)域100的端部集中的電場向外側(cè)慢慢地減弱，從而防止在工作區(qū)域100的端部處的破壞。
而且，電場緩和區(qū)域200的接合部終端結(jié)構(gòu)不限定于形成了多個(gè)P型阱層的結(jié)構(gòu)，也可使用形成了中間濃度的P型層的RESURF結(jié)構(gòu)等的其它電場緩和結(jié)構(gòu)。
但是，利用這樣的接合部終端結(jié)構(gòu)，雖然能夠防止因在正向或反向?qū)üぷ髌陂g的工作區(qū)域100端部的電場集中而引起的破壞，但不能夠防止從正向?qū)ㄏ蚍聪驅(qū)ɑ蚺c其相反的轉(zhuǎn)換時(shí)的工作區(qū)域100端部的破壞。
即，不能防止當(dāng)轉(zhuǎn)換為正向阻塞工作時(shí)(整流二極管的恢復(fù)工作時(shí))，因整流二極管導(dǎo)通下的反向?qū)üぷ鲿r(shí)在電場緩和區(qū)域200的N型半導(dǎo)體(襯底的N型半導(dǎo)體)中存儲的載流子流入P型基極層2而使工作區(qū)域100的端部破壞。
因此，在本實(shí)施方式2中，對由多個(gè)P型阱層13構(gòu)成的接合部終端結(jié)構(gòu)的正下部分照射電子束以形成短壽命區(qū)域17，雖然能夠減少存儲在整流二極管導(dǎo)通下的反向?qū)üぷ鲿r(shí)的電場緩和區(qū)域200的N型半導(dǎo)體中的載流子，但不能防止因從反向?qū)üぷ鬓D(zhuǎn)換為正向?qū)üぷ鲿r(shí)流入載流子而引起的破壞。
而且，對于工作區(qū)域100中的絕緣柵雙極晶體管和整流二極管反向?qū)ò雽?dǎo)體元件的工作，由于與實(shí)施方式1的相同，所以省略對其基本工作的說明。
在實(shí)施方式2中，為了確認(rèn)形成短壽命區(qū)域17的效果，而試作了1200V量級的元件進(jìn)行評價(jià)。具體地，將N型基極層1a(N型半導(dǎo)體層)的厚度設(shè)為190μm，試驗(yàn)制作1200V量級的元件，評價(jià)對結(jié)合終端結(jié)構(gòu)部分的正下方照射電子束時(shí)和不照射電子束時(shí)的恢復(fù)特性。圖15示出了未對接合部終端結(jié)構(gòu)部分的正下方照射電子束時(shí)的恢復(fù)特性，圖16示出了對接合部終端結(jié)構(gòu)部分的正下方照射電子束時(shí)的恢復(fù)特性。根據(jù)圖15及圖16可判定，對結(jié)合終端部分照射電子束的情況下，恢復(fù)工作時(shí)芯片沒有破壞。
詳細(xì)說明此破壞及防止破壞的機(jī)理。
首先，反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件反向?qū)?即，整流二極管導(dǎo)通)時(shí)，就會在N型半導(dǎo)體層中存儲有大量的載流子。在載流子大量集中的狀態(tài)下進(jìn)行轉(zhuǎn)換(恢復(fù)工作)時(shí)，由于在載流子大量集中的狀態(tài)下施加反向偏壓，所以在N型半導(dǎo)體層中存儲的載流子中，空穴被抽取到工作區(qū)域100端部的P型基極區(qū)域2中，而電子被抽取到集電極區(qū)域4中，從而流過大的反向回復(fù)電流(恢復(fù)電流)。當(dāng)進(jìn)行此恢復(fù)工作時(shí)，在如圖14所示構(gòu)成的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中，由于與P型基極層2鄰接而形成發(fā)射極區(qū)域8，因此就構(gòu)成了寄生晶閘管，就存在因寄生晶閘管的閉鎖操作而引起破壞的情況。
因此，在本實(shí)施方式2中，通過對構(gòu)成結(jié)合終端部的P阱層13的正下方選擇地進(jìn)行電子束照射，形成短壽命區(qū)域17，在反向?qū)顟B(tài)下，在減少短壽命區(qū)域17的載流子的同時(shí)，就可以使載流子集中存在于絕緣柵雙極晶體管單元正下方的工作區(qū)域100，并抑制空穴從反向偏壓時(shí)的結(jié)合終端部的短壽命區(qū)域17集中地流入P型基極層2。
由此，在實(shí)施方式2中，就能夠抑制整流二極管的恢復(fù)工作期間的破壞。
下面，參照圖17～27，說明實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法。
<第一工序>
在第一工序中，準(zhǔn)備由N型硅構(gòu)成的襯底1，在形成P阱層13的部分形成具有開口部分的掩模14，通過掩模14的開口部分選擇地注入P型雜質(zhì)，形成P阱層13。而且，也可通過有選擇地?cái)U(kuò)散P型雜質(zhì)來形成P阱層13(圖17)。
<第二工序>
在第二工序中，去除位于工作區(qū)域100的掩模14，在此被去除的部分上通過有選擇地注入或擴(kuò)散P型雜質(zhì)來形成P型基極層2(圖18)。
<第三工序>
在第三工序中，從P型基極層2的表面有選擇地注入N型雜質(zhì)，通過擴(kuò)散形成N+型發(fā)射極層8(圖19)。
<第四工序>
在第四工序中，形成貫通N+型發(fā)射極層8和P型基極層2，到達(dá)襯底1的N型半導(dǎo)體層的溝，在此溝的表面上形成柵絕緣膜10(溝槽型絕緣膜)(圖20)。
<第五工序>
在第五工序中，在溝槽形狀的柵絕緣膜10上形成作為導(dǎo)電體的由多晶硅構(gòu)成的柵電極11(圖21)。
>第六工序>
在第六工序中，對N+型發(fā)射極層8之間的P型基極層2的表面有選擇地注入或擴(kuò)散P型雜質(zhì)，形成P+型集電極層9，并形成層間絕緣膜12覆蓋柵電極11后，形成與N+型發(fā)射極層8和P+型集電極層9連接的發(fā)射極電極7，在P阱層13之上形成各電極15(圖22)。
<第七工序>
在第七工序中，在電場緩和區(qū)域200的襯底1的表面，形成保護(hù)膜16以便覆蓋P阱層13和電極15(圖23)。
<第八工序>
在第八工序中，在襯底1的另一個(gè)主表面上有選擇地注入或擴(kuò)散P型雜質(zhì)，在襯底1的另一個(gè)主表面上形成P型集電極層3(圖24)。
<第九工序>
在第九工序中，在襯底1的另一個(gè)主表面中，對P型集電極層3之間的區(qū)域有選擇地注入或擴(kuò)散N型雜質(zhì)，在襯底1的另一個(gè)主表面上形成N型雜質(zhì)濃度高的由N型層構(gòu)成的陰極層4，在襯底1的另一個(gè)主表面上形成與P型集電極層3和陰極層4歐姆接觸的集電極電極6(圖25)。
<第十工序>
在第十工序中，除工作區(qū)域100外，從第一主表面?zhèn)葘﹄妶鼍徍蛥^(qū)域200照射電子束，通過對電場緩和區(qū)域200有選擇地進(jìn)行壽命控制，形成短壽命區(qū)域17(圖26)。
在第十工序中，由于通過照射電子束，形成短壽命區(qū)域17，就能夠形成按所希望的壽命控制的短壽命區(qū)域17。
通過以上的工序，可制作出圖14的實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件。
如上所述構(gòu)成的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，由于設(shè)置短壽命區(qū)域17以便使位于電場緩和區(qū)域200中的N型半導(dǎo)體層的載流子的壽命縮短，因此就能夠抑制整流二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的位于電場緩和區(qū)域200的N型半導(dǎo)體層中的載流子的存儲。因此，在整流二極管的恢復(fù)工作期間，就能夠減少工作區(qū)域100端部的反向回復(fù)電流(恢復(fù)電流)，并能夠防止因寄生晶閘管的閉鎖操作而引起的破壞。
而且，在實(shí)施方式2中，雖然將n型設(shè)為第一導(dǎo)電類型，將p型設(shè)為第二導(dǎo)電類型，但本發(fā)明并沒有限定于此，也可使導(dǎo)電類型相反。
(實(shí)施方式3)除了在實(shí)施方式2的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件中進(jìn)一步照射氦并形成與實(shí)施方式1相同的短壽命區(qū)域5以外，本發(fā)明的實(shí)施方式3的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件是與實(shí)施方式2相同的結(jié)構(gòu)(圖27)。
為了確認(rèn)該實(shí)施方式3的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的效果，而試作了1200V量級的元件進(jìn)行評價(jià)。具體地，將N型基極層的厚度設(shè)為190μm，使用對結(jié)合終端結(jié)構(gòu)部分的正下方照射電子束，對電場緩和區(qū)域上的全部N型半導(dǎo)體層進(jìn)行壽命控制，并且與實(shí)施方式1相同地評價(jià)氦照射時(shí)的恢復(fù)特性。圖28示出了其結(jié)果。對結(jié)合終端結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行電子束照射，同時(shí)還進(jìn)行氦照射的情況，在恢復(fù)工作時(shí)不會破壞芯片，由于氦照射的深度更靠近N型基極層中央處的表面?zhèn)龋耘卸ǔ霰M管VF稍微增加但恢復(fù)峰值電流(Irr)則減小。
直到圖26為止，與實(shí)施方式2相同地制作實(shí)施方式3的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件之后，還用氦從側(cè)面對襯底中央附近進(jìn)行局部壽命控制，由此就獲得了圖27的器件。
如上所述構(gòu)成的實(shí)施方式3的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件同時(shí)具有實(shí)施方式1的效果和實(shí)施方式2的效果。
即，通過將P型基極層2和N型基極層1a作為共用的要素，單片地構(gòu)成絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，在N型基極層1a的一部分上形成短壽命區(qū)域5，可以使整流二極管的恢復(fù)特性很好。
此外，通過將位于電場緩和區(qū)域200中的N型半導(dǎo)體層作為短壽命區(qū)域17，就能夠減少恢復(fù)工作期間的工作區(qū)域100端部的反向回復(fù)電流(恢復(fù)電流)，就能夠防止因寄生晶閘管的閉鎖操作而引起的破壞。
權(quán)利要求
1.一種反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，在由第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，其特征在于，上述整流二極管，包括在用于構(gòu)成上述絕緣柵雙極晶體管的上述襯底的一個(gè)表面上，通過摻雜第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)而形成的第二導(dǎo)電類型的基極層；和由構(gòu)成上述絕緣柵雙極晶體管的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一導(dǎo)電類型的基極層；且以在上述襯底的一個(gè)表面中，形成為覆蓋在上述第二導(dǎo)電類型的基極層的一部分上形成的第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層和上述第二導(dǎo)電類型的基極層的發(fā)射極電極作為陽極電極；以在上述襯底的另一個(gè)表面中，形成為覆蓋上述第一導(dǎo)電類型的基極層和在該第一導(dǎo)電類型的基極層的一部分中形成的第二導(dǎo)電類型的集電極層的集電極電極作為陰極電極，在上述第一導(dǎo)電類型的基極層的一部分中，形成與其它第一導(dǎo)電類型的基極層相比載流子的壽命更短的短壽命區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，其中比上述第一導(dǎo)電類型的基極層的中央部分更靠近上述一個(gè)主表面地形成上述短壽命區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，其中上述集電極電極通過比上述第一導(dǎo)電類型的基極層摻雜更多的第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)的陰極層，與上述第一導(dǎo)電類型的基極層連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，其中通過在上述第二導(dǎo)電類型的基極層的一部分上摻雜第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)來形成上述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層；在貫通上述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層和上述第二導(dǎo)電類型的基極層而形成的溝內(nèi)部，隔著絕緣柵膜來形成上述絕緣柵雙極晶體管的柵電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，其中通過氦照射形成上述短壽命區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，在上述襯底中，在形成了上述絕緣柵雙極晶體管和上述整流二極管的工作區(qū)域的周圍形成電場緩和區(qū)，與上述其它第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體相比，位于該電場緩和區(qū)上的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體是載流子壽命更短的區(qū)域。
7.一種反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，在由第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，其特征在于，上述整流二極管，包括在用于構(gòu)成上述絕緣柵雙極晶體管的上述襯底的一個(gè)表面上通過摻雜第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)而形成的第二導(dǎo)電類型的基極層；和由構(gòu)成上述絕緣柵雙極晶體管的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一導(dǎo)電類型的基極層；且以在上述襯底的一個(gè)表面上，形成為覆蓋在上述第二導(dǎo)電類型的基極層的一部分上形成的第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層和上述第二導(dǎo)電類型的基極層的發(fā)射極電極作為陽極電極；以及以在上述襯底的另一個(gè)表面上，形成為覆蓋上述第一導(dǎo)電類型的基極層和在該第一導(dǎo)電類型的基極層的一部分中形成的第二導(dǎo)電類型的集電極層的集電極電極作為陰極電極，在上述襯底中，在形成了上述絕緣柵雙極晶體管和上述整流二極管的工作區(qū)域的周圍還形成有電場緩和區(qū)，與其它第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體的相比，該電場緩和區(qū)的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體是載流子壽命更短的區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件，其中通過電子束照射形成上述短壽命區(qū)域。
9.一種反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法，該反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件包括在由第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的襯底上一體地形成的絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，其特征在于，該制造方法包括第一工序，通過在上述襯底的一個(gè)表面上摻雜第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)來形成第二導(dǎo)電類型的基極層；第二工序，通過在上述第二導(dǎo)電類型的基極層的一部分中摻雜第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)來形成第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層；第三工序，在上述第二導(dǎo)電類型的基極層上和第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層上形成發(fā)射極電極；第四工序，通過在上述襯底的另一個(gè)表面的一部分中有選擇地?fù)诫s第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)來形成第二導(dǎo)電類型的集電極層；第五工序，通過在上述襯底的另一個(gè)表面的除了上述一部分之外的部分中有選擇地?fù)诫s第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)來形成陰極層；以及第六工序，以越過上述第二導(dǎo)電類型的基極層的射程向襯底內(nèi)部照射氦。
10.一種反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法，是根據(jù)權(quán)利要求9所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法，其中在上述襯底的工作區(qū)域中形成上述第二導(dǎo)電類型的基極層、上述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極層、上述第二導(dǎo)電類型的集電極層及上述陰極層，其特征在于，包括替代上述第六工序，而對位于上述襯底的上述工作區(qū)域周圍的上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體照射電子束的工序。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件的制造方法，至少包括以越過上述第二導(dǎo)電類型的基極層的射程對上述工作區(qū)域的襯底內(nèi)部照射氦的工序。
全文摘要
提供一種反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件在襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和恢復(fù)特性優(yōu)良的整流二極管。該反向?qū)ㄐ桶雽?dǎo)體元件在由第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體構(gòu)成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極晶體管和整流二極管，其中，整流二極管包含絕緣柵雙極晶體管的第二導(dǎo)電類型的基極層和第一導(dǎo)電類型的基極層，將襯底的一個(gè)表面的發(fā)射極電極作為陽極電極，將襯底的另一個(gè)表面的集電極電極作為陰極電極，并由此構(gòu)成該整流二極管，在第一導(dǎo)電類型的基極層的一部分之上，形成載流子壽命比其它第一導(dǎo)電類型的基極層更短的短壽命區(qū)域。
文檔編號H01L27/088GK1691349SQ200510065008
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者青野真司, 山本綾, 高橋英樹 申請人:三菱電機(jī)株式會社