專利名稱：絕緣柵型晶體管以及逆變器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有絕緣柵(MOS構(gòu)造)的晶體管(例如，絕緣柵型雙極晶體管(以下，也稱為IGBT。另外，這種IGBT也稱為反導通型IGBT。)或者功率MOSFET等)，特別是，涉及在內(nèi)部安裝了起到續(xù)流二極管(以下，也簡單地稱為FWD。)作用的二極管單元且具有溝槽柵構(gòu)造的絕緣柵型晶體管的構(gòu)造及其制造技術(shù)。而且，本發(fā)明是謀求改善安裝在絕緣柵型晶體管內(nèi)的二極管單元的二極管動作中的恢復特性的技術(shù)。
背景技術(shù)：
在驅(qū)動電機等負載的功率電子技術(shù)中，在額定電壓為300V以上的區(qū)域中，從其特性出發(fā)，作為開關(guān)元件使用IGBT，而且，同時使用并聯(lián)連接在該開關(guān)元件上的環(huán)流用的二極管(FWD)。
以下，簡單地記述溝槽型IGBT的構(gòu)造。即，在溝槽型IGBT中，在P+集電區(qū)層上形成N+緩沖層，在N+緩沖層上形成N-層。在N-層的表面上通過擴散P型雜質(zhì)選擇性地形成P基區(qū)，進而，在該P基區(qū)的表面上通過選擇性地擴散高濃度的N型雜質(zhì)，形成發(fā)射區(qū)。進而，形成從發(fā)射區(qū)到N-層的溝槽，在該溝槽的內(nèi)壁形成氧化膜，在其中形成多晶硅柵極電極使得充填該溝槽。位于發(fā)射區(qū)及其正下方的N-層部分之間的P基區(qū)的部分成為溝道區(qū)。另外，在發(fā)射區(qū)表面的一部分區(qū)域上和P基區(qū)表面的中央部分區(qū)域上，形成發(fā)射極電極，在N+襯底的背面上形成漏極電極。
其次，記述具有上述構(gòu)造的溝槽型IGBT的動作。在上述的構(gòu)造中，如果在發(fā)射極電極與集電極電極之間施加預定的集電極電壓VCE，在發(fā)射極電極與柵極電極之間施加預定的柵極電壓VGE(即，使柵極導通。)，則溝道區(qū)反型成N型，形成溝道。通過該溝道，從發(fā)射極電極向N-層注入電子，根據(jù)該注入的電子，P+集電區(qū)層與N-層(N+緩沖層)之間被正向偏置，其結(jié)果，從P+集電區(qū)層注入空穴，N-層的電阻大幅度下降，IGBT的電流容量增大。這樣，IGBT通過來自P+集電區(qū)層的空穴注入，降低了N-層的電阻。其次，說明IGBT從導通狀態(tài)向截止狀態(tài)的轉(zhuǎn)移動作。在上述的構(gòu)造中，如果在導通狀態(tài)下使施加在發(fā)射極電極與柵極電極之間的柵極電壓VGE成為0V或者反偏置(即，使柵極截止)，則反型成N型的溝道區(qū)返回到P型區(qū)，停止來自發(fā)射極電極的電子注入。通過該電子的注入停止，來自P+集電區(qū)層的空穴注入也停止。然后，滯留在N-層(N+緩沖層)中的電子和空穴或者分別向集電極電極和發(fā)射極電極逃逸，或者相互復合而消失。
接著，記述與具有上述構(gòu)造的IGBT并聯(lián)連接的FWD的基本構(gòu)造。該二極管在由N-層構(gòu)成的N-襯底的表面上形成陽極的P區(qū)，進而在其表面上形成陽極電極。在N-襯底的背面上順序形成N+陰極層和陰極電極。
以下記述該構(gòu)造的二極管的動作。在上述構(gòu)造中，如果在陽極電極與N-層之間施加預定的陽極電壓VAK(正向偏置)，而且如果陽極電壓超過某個閾值，則陽極的P區(qū)與N-層之間被正向偏置，二極管導通。其次，如果在陽極電極與N-層之間施加反向偏置，則耗盡層從陽極P層向N-層一側(cè)延伸，能夠保持反向耐壓。
圖38中示出了把上述構(gòu)造的二極管的狀態(tài)從導通狀態(tài)變更為截止狀態(tài)時的該二極管的反向恢復時的電流波形。二極管在從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)移到截止狀態(tài)時，反方向瞬時流過電流。把沿著該反方向流過的電流的峰值稱為「恢復電流Irr」，把該電流值從恢復電流Irr到0值時的電流變化的斜率比較平緩的二極管稱為「軟恢復」。另外，這里雖然沒有圖示，但是在反向恢復時當在二極管上施加電源電壓時，該電壓與電流的積成為「恢復損耗」。
一般，作為整流用二極管，需要導通狀態(tài)時的恒定損耗(Vf)低，反向恢復時的損耗(恢復損耗)低，反向恢復時電流恢復平緩(軟恢復)的二極管。
一般的逆變器電路是直流與交流的交換器，由作為開關(guān)元件的IGBT和續(xù)流二極管(FWD)構(gòu)成，IGBT和FWD以4個元件或者6個元件，在電機的控制中使用。這樣的逆變器電路的直流端子連接到直流電源，通過把各個IGBT通斷，逆變器電路把直流電壓變換為交流電壓，向作為負載的電機供給交流電壓。在一般的逆變器電路中，由于作為負載的電機是電感性的，因此需要上述的續(xù)流二極管。負載的電感性意味著在由電流產(chǎn)生的磁場中存儲能量，電流變化所存儲的能量也變化。這里，把負載電感性的能量存儲能力表現(xiàn)為「L」。如果切斷在負載中流過的電流，則存儲在L中的能量向要切斷電流的物體釋放，阻止電流的變化。如果瞬時釋放存儲在電機的L中的能量，則使IGBT的動作惡化，成為某種程度大小的電力，因此如果要由IGBT急劇地切斷流過電機的電流，則根據(jù)所釋放的能量，IGBT成為不能動作的狀態(tài)。因此，由續(xù)流二極管迂回環(huán)流在IGBT的截止過程中流過電機的電流，使得流過電機的電流自身通過開關(guān)而不發(fā)生變化。更具體地講，如果把直流電源與電機連接在一起，截止在電機上施加了電壓的IGBT，則流過電機的電流通過存儲在電機的L中的能量，經(jīng)過續(xù)流二極管反向流過直流電流，電機成為與施加了反向直流電壓等價的狀態(tài)。如果改變IGBT的導通與關(guān)斷的時間比例，則由于直流電壓施加期間與反向流動期間的比例改變，因此能夠平均地控制施加在電機上的電壓。從而，如果使該比例正弦波形地變化，則不必通過IGBT的開關(guān)動作來急劇地切斷電機的電流，而是能夠通過開關(guān)動作從直流電源供給交流電壓。為了進行這樣的動作，逆變器電路需要與該IGBT反向串聯(lián)的續(xù)流二極管，即，需要相對于與某個IGBT構(gòu)成一對的該IGBT反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管。而與IGBT同樣地慣用為開關(guān)元件的功率MOSFET由于具有內(nèi)部安裝反向并聯(lián)二極管的構(gòu)造，因此在電路上沒有在功率MOSFET的外部另外連接續(xù)流二極管的必要性。但是，MOSFET由于其能夠通電的電流密度低，不適合于大電流的用途。而IGBT由于具有將縱向MOSFET襯底的N+層的底部改變?yōu)镻+層的構(gòu)造，因此在背面的P+集電區(qū)層與N+緩沖層之間形成了二極管，該二極管的耐壓大致成為20V～50V范圍內(nèi)的值。這種值的耐壓在使用該二極管作為內(nèi)置FWD的情況下過高。因此，該耐壓對于續(xù)流二極管成為過高的勢壘，由于環(huán)流時發(fā)生的電壓產(chǎn)生的發(fā)熱，反而使IGBT的動作顯著惡化。因此，雖然在元件內(nèi)部流過大電流的這一點上可以說IGBT比MOSFET更有利，但是在把IGBT作為逆變器電路的開關(guān)元件使用的情況下，在電路上需要把上述另外的續(xù)流二極管連接到IGBT上。
根據(jù)IGBT在縱向MOSFET以后開發(fā)的經(jīng)歷和兩者之間存在上述的優(yōu)點以及缺點的觀點，與縱向功率MOSFET相同，在IGBT內(nèi)部裝入起到續(xù)流二極管作用的二極管單元被認為是IGBT的當前技術(shù)課題，其結(jié)果至今為止提出了若干方案。
專利文獻1特開2002-314082號公報專利文獻2特開2000-307116號公報專利文獻3特開平9-82954號公報專利文獻4特開平8-116056號公報專利文獻5特開平7-153942號公報專利文獻6特開平6-53511號公報專利文獻7特開平6-196705號公報在特開平7-153942號公報以及特開平6-53511號公報中提出了在IGBT內(nèi)部裝入續(xù)流二極管的構(gòu)造。在這些文獻所提出的構(gòu)造中，在背面一側(cè)形成電子的供給源，使表面的P基區(qū)起到二極管的陽極的作用。但是，IGBT的P基區(qū)層由于決定IGBT的閾值電壓Vth的值，因此必須把其表面濃度設(shè)定為1E18左右。
另一方面，在最近的二極管中，為了改善其恢復特性，陽極的雜質(zhì)濃度設(shè)定為1E17和比較低的值。
因此，本申請發(fā)明者為了調(diào)查陽極的表面濃度對于恢復特性的影響，以圖39所示的構(gòu)造進行了模擬。即，被模擬的二極管的模型構(gòu)造具備具有170μm的厚度以及55Ωcm電阻值的N-襯底、在該N-襯底的背面上形成的厚度1μm以及表面濃度6E18的N+層和在該N-襯底的表面上厚度3μm的陽極P層。而且，在模擬過程中，上述陽極P層的表面濃度設(shè)定為1E17和1E18。這時的壽命設(shè)定為10μsec。這時的二極管正向電壓(Vf)在上述陽極P層的表面濃度為1E17時是1.23V，當上述陽極P層的表面濃度為1E18時是1.07V，具有15％左右的差別。特別是，圖40示出恢復特性的模擬結(jié)果。從模擬結(jié)果可以理解，在上述陽極P層的表面濃度是1E17時和1E18時，恢復電流Irr也相差40％左右，而且，Qrr(沿著反方向流過的電流的總和)相差50％以上。如該模擬結(jié)果所示，陽極P層的表面濃度的值對于二極管的恢復特性產(chǎn)生了很大的影響。
因此，在特開平6-196705號公報中提出了用于改善在IGBT內(nèi)置入了二極管時的該內(nèi)置二極管的恢復特性的構(gòu)造。即，在特開平6-196705號公報中，作為用于改善內(nèi)置二極管的恢復特性的技術(shù)，公開了在表面的P層上形成P-層的構(gòu)造。在該公報的本文中，記載了IGBT的溝道寬度是17μm，二極管的溝道寬度是5μm，基區(qū)層的表面濃度是5×1E18，而且，基區(qū)層的厚度是5μm。在該公報中，雖然沒有記載基區(qū)層寬度，但如果從在該公報中公開的附圖考慮，可以認為基區(qū)層寬度是總體的20％。因此，可以認為在表面的P層中形成P-層的效果小。特別是，在大電流時的恢復特性中，由于來自高濃度的基區(qū)層的空穴注入是支配性的，因此認為在該公報的上述提案中，大電流時的恢復特性的改善效果小。但是，如果單純地加大設(shè)定該區(qū)域，則將引起反向漏電流以及反向耐壓特性的惡化。從而，該公報的上述提案難以說對于內(nèi)置FWD的恢復特性的改善是有效的提案。
另外，雖然對于FWD內(nèi)置型的IGBT特別顯著地產(chǎn)生這樣的「內(nèi)置二極管的恢復特性的改善」的問題點，但是這樣的問題點可以說也是在FWD內(nèi)置型的縱向MOSFET(功率MOSFET)中同樣產(chǎn)生的技術(shù)課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了要打破這種技術(shù)的停滯狀態(tài)而產(chǎn)生的，其主要目的在于把作為起到FWD作用的二極管單元安裝在內(nèi)部的同時，有效地改善具有溝槽柵構(gòu)造的絕緣柵型晶體管器件(IGBT或者縱向MOSFET等)中的上述二極管單元的恢復特性。
與本發(fā)明的主題有關(guān)的絕緣柵型晶體管器件的特征是具備具有第1主面以及第2主面的第1導電類型的半導體襯底；從上述半導體襯底的上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成為阱狀的第2導電類型的第1半導體層，具有第1側(cè)面擴散區(qū)、與上述第1側(cè)面擴散區(qū)相對的第2側(cè)面擴散區(qū)和位于上述第1側(cè)面擴散區(qū)與上述第2側(cè)面擴散區(qū)之間的平坦區(qū)，上述平坦區(qū)的底面構(gòu)成與上述第1主面大致平行的大致平坦面；從上述第1主面貫通上述第1半導體層的底面的主溝槽，上述主溝槽的底部位于上述半導體襯底內(nèi)上述第1半導體層的正下方部分中；在上述主溝槽的上部底部以及側(cè)面上形成的絕緣膜；形成在上述絕緣膜的整個面上來充填上述主溝槽的控制電極；從上述第1主面朝向上述第1半導體層的上述平坦區(qū)內(nèi)形成的上述第1導電類型的第2半導體層，具有位于上述第1主面上的上表面、與上述上表面相對且構(gòu)成底部的下表面和由上述上表面和上述下表面夾在中間且相互對準的第1以及第2側(cè)面；形成在上述第2半導體層的上述上表面上以及上述第1半導體層的上述第1側(cè)面擴散區(qū)上的第1主電極；從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的上述第1導電類型的第4半導體層；形成在上述半導體襯底的上述第2主面上且與上述第4半導體層電導通的第2主電極，上述第2半導體層的上述第1側(cè)面與上述主溝槽的上述側(cè)面結(jié)合，上述第1側(cè)面擴散區(qū)的底面對于上述第1主面的深度，從其最大深度位置開始，朝向位于上述第1主面且與上述第1主電極結(jié)合的上述第1側(cè)面擴散區(qū)的表面，連續(xù)而且平滑地逐漸變淺，同時，上述第2側(cè)面擴散區(qū)的底面對于上述第1主面的深度，從其最大深度位置開始，朝向位于上述第1主面且與上述第1主電極結(jié)合的上述第2側(cè)面擴散區(qū)的表面，連續(xù)而且平滑地逐漸變淺。
以下，根據(jù)附圖與發(fā)明的效果、優(yōu)點一起詳細地敘述本發(fā)明主題的各個具體例子。
如果依據(jù)本發(fā)明的主題，則由于在絕緣柵型晶體管器件的每一個單元(例如IGBT單元或者縱向MOSFET單元)中設(shè)置第1側(cè)面擴散區(qū)，因此當形成在該單元內(nèi)的二極管單元(即，由第1主電極-第1半導體層-半導體襯底-第4半導體層-第2主電極構(gòu)成的部分)中的二極管動作時，從第1半導體層注入的載流子(例如空穴)的數(shù)量比較少，能夠格外地改善起到FWD作用的內(nèi)置二極管的恢復特性。


圖1是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖2是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的縱剖面圖。
圖3是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的縱剖面圖。
圖4是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的斜視圖。
圖5是示出本發(fā)明實施形態(tài)2的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖6是示出本發(fā)明實施形態(tài)2的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的縱剖面圖。
圖7是示出本發(fā)明實施形態(tài)3的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖8是示出本發(fā)明實施形態(tài)3的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的縱剖面圖。
圖9是示出本發(fā)明實施形態(tài)3的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的縱剖面圖。
圖10是示出本發(fā)明實施形態(tài)3的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的縱剖面圖。
圖11是示出本發(fā)明實施形態(tài)3的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的斜視圖。
圖12是示出本發(fā)明實施形態(tài)4的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖13是示出本發(fā)明實施形態(tài)4的IGBT器件的單位單元的另一個構(gòu)造的縱剖面圖。
圖14是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖15是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖16是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖17是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖18是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖19是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖20是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖21是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖22是示出本發(fā)明實施形態(tài)5的制造工藝的縱剖面圖。
圖23是示出本發(fā)明實施形態(tài)6的制造工藝的縱剖面圖。
圖24是示出本發(fā)明實施形態(tài)6的制造工藝的縱剖面圖。
圖25是示出本發(fā)明實施形態(tài)6的制造工藝的縱剖面圖。
圖26是示出本發(fā)明實施形態(tài)6的制造工藝的縱剖面圖。
圖27是示出本發(fā)明實施形態(tài)6的制造工藝的縱剖面圖。
圖28是示出本發(fā)明實施形態(tài)6的制造工藝的縱剖面圖。
圖29是示出本發(fā)明實施形態(tài)6的制造工藝的縱剖面圖。
圖30是示出本發(fā)明實施形態(tài)7的制造工藝的縱剖面圖。
圖31是示出本發(fā)明實施形態(tài)7的制造工藝的縱剖面圖。
圖32是示出本發(fā)明實施形態(tài)7的制造工藝的縱剖面圖。
圖33是示出本發(fā)明實施形態(tài)7的制造工藝的縱剖面圖。
圖34是示出本發(fā)明實施形態(tài)7的制造工藝的縱剖面圖。
圖35是示出本發(fā)明實施形態(tài)7的制造工藝的縱剖面圖。
圖36是示出本發(fā)明實施形態(tài)7的制造工藝的縱剖面圖。
圖37是示出逆變器電路的框圖。
圖38是二極管的恢復波形的模式圖。
圖39是示出在以往的問題驗證中使用的模擬模型的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖40示出在以往的問題驗證中使用的模擬結(jié)果。
圖41是示出本發(fā)明實施形態(tài)4的變形例1的IGBT器件的單位單元構(gòu)造的縱剖面圖。
圖42是示出本發(fā)明實施形態(tài)8的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖43是示出本發(fā)明實施形態(tài)9的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖44是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖45是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例1的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖46是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例2的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖47是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例3的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖48是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例4的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖49是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例5的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖50是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例6的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖51是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例7的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖52是示出本發(fā)明實施形態(tài)10的變形例8的IGBT器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
圖53是示出本發(fā)明實施形態(tài)11的IGBT器件的單位單元中的圖形構(gòu)造的俯視圖。
圖54是示出本發(fā)明實施形態(tài)11的變形例1的IGBT器件的單位單元中的圖形構(gòu)造的俯視圖。
圖55是示出本發(fā)明實施形態(tài)12的IGBT器件的單位單元中的圖形構(gòu)造的俯視圖。
圖56是示出本發(fā)明實施形態(tài)12的IGBT器件的單位單元中的圖形構(gòu)造的俯視圖。
圖57是示出本發(fā)明實施形態(tài)12的IGBT器件的單位單元中的圖形構(gòu)造的俯視圖。
圖58是示出本發(fā)明實施形態(tài)12的IGBT器件的單位單元中的圖形構(gòu)造的俯視圖。
圖59是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖60是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖61是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖62是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖63是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖64是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖65是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖66是示出本發(fā)明實施形態(tài)13的制造工藝的縱剖面圖。
圖67是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖68是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖69是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖70是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖71是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖72是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖73是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖74是示出本發(fā)明實施形態(tài)14的制造工藝的縱剖面圖。
圖75是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的溝槽型功率MOSFET器件的單位單元構(gòu)造的縱剖面圖。
圖76是示出本發(fā)明實施形態(tài)8的溝槽型功率MOSFET器件的單位單元的構(gòu)造的縱剖面圖。
具體實施例方式
以下，記述把本發(fā)明的各個主題適用在溝槽柵型IGBT器件中的情況，而應該留意的是從以下所述的各個實施形態(tài)的記述中明確的各個技術(shù)的思想如后所述，對于具有溝槽柵構(gòu)造的縱向MOSFET基本上也能夠適用。
(實施形態(tài)1)本實施形態(tài)的溝槽柵型IGBT器件的IGBT單元(IGBT單位單元+內(nèi)置二極管單元)的特征點以及核心部分如參照后述的縱剖面圖1所理解的那樣，具備I)從第1導電類型(這里作為一個例子是N型)的半導體襯底1的第1主面1US朝向半導體襯底1的內(nèi)部形成為阱狀且具有其底面2BF形成為與第1主面1US大致平行的平坦面的平坦區(qū)2FR、與平坦區(qū)2FR結(jié)合的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1和與平坦區(qū)2FR結(jié)合而且經(jīng)過平坦區(qū)2FR與第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1相對的第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的第2導電類型(這里作為一個例子是P型)的第1半導體層(這里是P基區(qū)層或P基區(qū))2，II)從第1主面1US貫通第1半導體層2的平坦區(qū)2FR以及其底面2BF，而且，具有在第1半導體襯底1內(nèi)位于第1半導體層2的正下方部分的底部6B的主溝槽6(在其側(cè)面6S上以及底部6B上全面地形成絕緣膜7的同時，用控制電極8充填主溝槽6的內(nèi)部)，III)從半導體襯底1的第2主面1LS朝向半導體襯底內(nèi)形成的第2導電類型的第3半導體層(這里是P層集電區(qū)層)5，IV)從半導體襯底1的第2主面1LS朝向半導體襯底內(nèi)部形成而且與第3半導體層5鄰接的第1導電類型的第4半導體層(這里是N+陰極層)4，V)第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1對于第1主面1US的深度DP1，從第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1與平坦區(qū)2FR的底面2BF的結(jié)合部分開始，即，從其最大深度位置開始，朝向位于第1主面1US且與第1主電極(這里是發(fā)射極電極)10結(jié)合的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的表面，連續(xù)而且平滑地逐漸變淺，同時，VI)第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的底面2BS2對于第1主面1US的深度DP2，從第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的底面2BS2與平坦區(qū)2FR的底面2BF的結(jié)合部分開始，即，從其最大深度位置開始，朝向位于第1主面1US且與第1主電極10結(jié)合的第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的表面，連續(xù)而且平滑地逐漸變淺。而且，VII)第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1位于二極管單元的第4導電層4的正上方。其它的結(jié)構(gòu)部分如下。即，第1導電類型的第2半導體層(這里是N+型的發(fā)射區(qū))3從第1主面1US朝向第1半導體層2的平坦區(qū)2FR內(nèi)形成，而且，第2半導體層3具備位于第1主面1US的上表面3US，與該上表面3US相對構(gòu)成底部的下表面3BS，由該上表面3US和該下表面3BS夾在中間相互對準的第1以及第2側(cè)面3S1、3S2。而且，第2半導體層3的第1側(cè)面3S1與主溝槽6的側(cè)面6S整個面地結(jié)合。即，在本例中，隔開預定的間隔沿著第3方向D3排列的各個第2半導體層3經(jīng)由主溝槽6貫通，從圖1的紙面觀看被左右分斷。另外，第1主電極(這里是發(fā)射極電極)10形成在第2半導體層3的上表面上(未圖示)以及第1半導體層2的第1以及第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2上，第2主電極(這里是集電極電極)11形成在半導體襯底1的背面的第2主面1LS上，其結(jié)果，第2主電極11處于與第3以及第4半導體層5、4電導通的狀態(tài)。在上述結(jié)構(gòu)中，作為第3半導體層5與第4半導體層4相互鄰接時的「鄰接」是包括1)兩者4、5在其之間完全不經(jīng)過半導體襯底1的部分而相互接觸的情況，2)兩者4、5在其之間經(jīng)過半導體襯底1的部分而相對配置的情況。這方面用語的意義在后述的所有實施形態(tài)以及各種變形例中都是妥當?shù)摹Ｒ韵?，遵循這一點更詳細地記述該IGBT單元的構(gòu)造。
圖1是示出本發(fā)明實施形態(tài)1的二極管內(nèi)置型的溝槽柵型IGBT的構(gòu)造的縱剖面圖。圖1中，第1方向D1相當于用柵極電極8充填的主溝槽6，P基區(qū)層2，P+集電區(qū)層5以及N+陰極層4各自的排列方向(從而，也稱為主溝槽排列方向)，對此，在同一個面內(nèi)與第1方向D1正交的第2方向D2示出主溝槽6以及P基區(qū)層2的深度方向或者半導體襯底1的厚度方向(因此，也把第2方向D2稱為主溝槽深度方向)。另一方面，與圖1的紙面正交的第3方向D3是主溝槽6，P基區(qū)層2，P+集電區(qū)層5以及N+陰極層4各自的延伸方向，從而也稱為主溝槽延伸方向。在該縱剖面圖中，在N-襯底1的表面1US上，通過選擇性地擴散P型的雜質(zhì)，選擇性地形成阱狀的P基區(qū)2，進而在該P基區(qū)2的表面上通過選擇性地擴散與半導體襯底1的雜質(zhì)濃度相比較濃度高的N型雜質(zhì)，形成發(fā)射區(qū)3。而且，從發(fā)射區(qū)3的表面貫通發(fā)射區(qū)3以及P基區(qū)2直到N-層1內(nèi)形成第1溝槽即主溝槽6，在該主溝槽6中，經(jīng)過柵極絕緣膜7，形成柵極電極8。進而，P基區(qū)層2具有隨著從第1溝槽6開始遠離第1方向D1，其擴散深度DP1、DP2變淺的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2。如上所述，在主溝槽(第1溝槽)6的內(nèi)部形成柵極絕緣膜7，在柵極絕緣膜7的上部，形成多晶硅的柵極電極8。對于第1方向D1位于柵極電極8的正下方的P基區(qū)2的平坦區(qū)2FR的部分成為該IGBT單位單元的溝道區(qū)。另外，層間絕緣膜9也經(jīng)過柵極絕緣膜7，沿著溝槽延伸方向D3形成，使得覆蓋主溝槽6內(nèi)的柵極電極8的上表面以及N+發(fā)射區(qū)3的上面即表面。圖1中，在N+發(fā)射區(qū)3的表面上形成柵極絕緣膜7，但實際上，在圖1描繪的部分以外的區(qū)域中，通過部分地去除該區(qū)域中的層間絕緣膜9及其正下方的柵極絕緣膜7，在部分地露出的N+發(fā)射區(qū)3的表面一部分(未圖示)上，形成例如由Al構(gòu)成發(fā)射極電極(第1主電極)10。除此以外，如圖1明示的那樣，在位于第1主面1US的P基區(qū)2的表面上，即，在該表面中央部分區(qū)域(平坦區(qū)2FR的上表面)上以及兩個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的上表面上也全面地形成發(fā)射極電極10。另一方面，在N-襯底1的下表面1LS上，分別形成P+集電區(qū)層5和N+陰極層4使得相互鄰接，進而，集電極電極(第2主電極)11分別與P+集電區(qū)層5和N+陰極層4電連接且機械性連接。
其次，記述本IGBT單元中的IGBT元件(也簡單地稱為IGBT)的動作。在圖1的構(gòu)造中，如果在發(fā)射極電極與集電極電極之間施加預定的集電極電壓VCE，在發(fā)射極電極10與柵極電極8之間施加預定的柵極電壓VGE，即，如果使柵極導通，則溝道區(qū)反型為N型，形成溝道。通過該溝道，電子從發(fā)射極電極10注入到N-層(半導體襯底)1。根據(jù)該注入的電子，P+集電區(qū)層5與N-層1之間被正向偏置，空穴從P+集電區(qū)層5注入到N-層1內(nèi)，其結(jié)果，N-層1的電阻大幅度下降，IGBT的電流容量格外提高。與此相反，從本IGBT的導通狀態(tài)向截止狀態(tài)的轉(zhuǎn)移動作如下。在圖1的構(gòu)造中，如果使發(fā)射極電極10與柵極電極8之間在導通期間中加入的柵極電壓VGE成為0或者反偏置值，即，使柵極截止，則反型成N型的溝道區(qū)返回到P型區(qū)，停止來自發(fā)射極電極10的電子注入。通過該電子注入的停止，來自P+集電區(qū)層5的空穴的注入也停止。然后，滯留在N-層1內(nèi)的電子和空穴分別向集電極電極5以及發(fā)射極電極10逃逸，或者相互復合而消失。另外，在截止狀態(tài)下，加入在發(fā)射極電極10與集電極電極5之間的集電極電壓VCE由N-層1的雜質(zhì)濃度及其厚度決定。
另外，在本IGBT單元中，在N-襯底下表面1LS形成N+陰極層4使得與P+集電區(qū)層5鄰接。因此，如果用存儲在外部的負載L(未圖示)中的能量在本IGBT上施加電壓VEC，則在由N+陰極層4，N-襯底1以及N-襯底上表面1US一側(cè)的P基區(qū)層2形成的二極管單元中流過正向電流。即，該二極管單元成為導通狀態(tài)，起到相對應的IGBT單位單元保護用的FWD作用。即，根據(jù)該N+陰極層4形成的內(nèi)置二極管起到代替以往的反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管的作用。
進而，在二極管單元導通了的狀態(tài)下，然后，如果串聯(lián)連接到該二極管單元上的IGBT(未圖示)向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)移，則來自該二極管單元中的P基區(qū)層2的空穴注入以及來自陰極N+層4的電子注入都停止。然后，滯留在襯底1內(nèi)的殘余載流子，即滯留在N-層1內(nèi)的電子和空穴分別向集電極電極11以及發(fā)射極電極10一側(cè)逃逸，或者相互復合而消失。這時，在該二極管單元中如已經(jīng)敘述的那樣流過恢復電流。
一般，已知二極管的恢復電流依賴于二極管陽極附近的載流子的密度。根據(jù)該現(xiàn)象，如果能夠抑制來自P基區(qū)層的空穴注入，則能夠降低陽極附近的載流子密度，因此在二極管從導通狀態(tài)向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)移時的恢復動作中，恢復電流減小。
在本實施形態(tài)的IGBT的構(gòu)造中，與以往的IGBT構(gòu)造相比較，在每一個主溝槽6或每一個IGBT單位單元中，單獨或部分地形成P基區(qū)層2，而且，沒有由主溝槽6分斷的P基區(qū)層2的各個側(cè)面部分2SDR1，2SDR2形成為構(gòu)成其底部剖面形狀從最大底部緩慢持續(xù)傾斜的放射線的側(cè)面擴散區(qū)，而且，在各個側(cè)面擴散區(qū)上表面上整個面地形成發(fā)射極電極10。因此，該二極管單元導通時的各個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的空穴量注入與以往的IGBT的構(gòu)造相比較被格外地抑制。通過該被抑制的空穴注入，二極管單元的陽極附近中的載流子密度格外下降，其結(jié)果，降低了恢復電流。
<實施形態(tài)1的變形例1>
本變形例以及后述的變形例2的特點在于還設(shè)置了從第1主面1US貫通第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1且在半導體襯底1內(nèi)具有位于第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的正下方部分處的底部12B的輔助溝槽12。當然，對于第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2，也可以設(shè)置同樣的輔助溝槽12。
例如，如圖2的縱剖面圖所示，以沿著主溝槽排列方向D1相互對準的分別屬于各個IGBT單位單元的兩個側(cè)面擴散區(qū)(2SDR1、2SDR1)，(2SDR2、2SDR2)之間插入的形態(tài)，換言之，貫通從各個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的底面2BS1、2BS2與第1主面1US的結(jié)合部分以及其附近部分朝向半導體襯底1內(nèi)部相對的兩個側(cè)面擴散區(qū)的一部分的同時，沿著主溝槽延伸方向D3形成與主溝槽6平行延伸的第2溝槽或者輔助溝槽12。
設(shè)置這樣的輔助溝槽12的優(yōu)點或者著眼點如下。即，由于各個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2中的電場與沒有側(cè)面擴散的區(qū)域即平坦區(qū)2FR相比較過強，其結(jié)果易于導致反向漏電流以及耐壓的降低。因此，如上所述，通過在主溝槽6與輔助溝槽12之間形成側(cè)面擴散區(qū)，以輔助溝槽12的溝槽形緩和側(cè)面擴散區(qū)中的電場強度，能夠防止反向漏電流以及耐壓的降低。
這里，主溝槽6的中心軸與第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1一側(cè)的輔助溝槽12的中心軸的間隔d1，主溝槽6的中心軸與第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2一側(cè)的輔助溝槽12的中心軸的間隔d2在圖2的例子中相互相同，而一般兩個間隔d1、d2也可以相互不同。另外，關(guān)于各個輔助溝槽12的第1方向D1的寬度尺寸12W不必與主溝槽6的寬度尺寸6W一致，同樣，關(guān)于各個輔助溝槽12的第2方向D2的深度尺寸D也不必與主溝槽6的深度尺寸一致。但是，如圖2所示，使寬度尺寸12W與寬度尺寸6W相互一致將帶來制造上的優(yōu)點，同樣，通過使輔助溝槽12的底部12B的深度尺寸D與主溝槽6的底部6B的深度尺寸相互一致也帶來制造上的優(yōu)點。另外，如上所述，通過設(shè)定d1＝d2也將帶來制造上的優(yōu)點。進而，充填各個輔助溝槽12內(nèi)部的材料既可以是金屬材料也可以是絕緣性材料。在每一種情況下，在上述制造上的優(yōu)點方面都沒有差異。其中，在各個輔助溝槽12的底部12B上及其側(cè)面上整個面地形成柵極絕緣膜，用多晶硅那樣的導電物質(zhì)充滿各個輔助溝槽12內(nèi)部的構(gòu)造由于與主溝槽6一側(cè)構(gòu)造的制造工藝相匹配，因此也同樣帶來制造上的優(yōu)點。
<實施形態(tài)1的變形例2>
為了進一步緩和各個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2中的電場強度，如圖3的縱剖面圖所示，也可以形成兩條輔助溝槽(第2溝槽)12把分別屬于各個IGBT單位單元同時相互對準的兩個側(cè)面擴散區(qū)(2SDR1、2SDR1)，(2SDR2、2SDR)夾在中間。這種情況下，各個輔助溝槽12在相對應的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的底面2BS1、2BS2的內(nèi)部，僅貫通靠近該側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的底面2BS1、2BS2與平坦區(qū)2FR的底面2BF的結(jié)合部分，第1以及第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的各個底面2BS1、2BS2仍到達第1主面1US。
<實施形態(tài)1的變形例3>
圖4是示出本變形例的IGBT單元構(gòu)造的斜視圖，而且，還示出在用第1方向D1以及第2方向D2規(guī)定的面中沿著縱向切斷了主溝槽6的剖面構(gòu)造。另外，圖4中，為了圖示的方便，并沒有圖示與P基區(qū)層2的各個部分2FR、2SDR1、2SDR2的上表面整個面結(jié)合的與圖1的電極10相當?shù)陌l(fā)射極電極。
圖4所示的構(gòu)造的特征點與圖1的構(gòu)造相對照，各個IGBT單位單元對于主溝槽延伸方向D3，具有平坦區(qū)2FR，與該區(qū)域2FR結(jié)合的與圖1的第1側(cè)面擴散區(qū)相當?shù)牡?側(cè)面擴散區(qū)2SDR1，與平坦區(qū)2FR相結(jié)合而且經(jīng)過平坦區(qū)2FR在主溝槽延伸方向D3與第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1相對的第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2。從而，對于主溝槽延伸方向D3相互相鄰的兩個IGBT單位單元的每一個的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1以與相對一方的IGBT單位單元的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1在第1主面1US上相互接觸的形態(tài)相互對準。關(guān)于該主溝槽延伸方向d3的構(gòu)造對于第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2也是妥當?shù)?。而且，各個第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1位于第4半導體層4的正上方。另外，在圖4中，各個發(fā)射區(qū)3僅在相對應的IGBT單位單元中的第2半導體層2的平坦區(qū)2FR內(nèi)，以沿著主溝槽延伸方向D3延伸的形態(tài)存在。與此不同，各個主溝槽6以橫切或者交叉全部沿著主溝槽延伸方向D3排列而且沿著主溝槽排列方向D1延伸的相互對準的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1以及相互對準的第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的形態(tài)，沿著主溝槽延伸方向D3延伸。
在圖4的構(gòu)造中當然也能夠得到與圖1的構(gòu)造同樣的作用效果。
(實施形態(tài)2)圖5是示出本實施形態(tài)一例的IGBT單位單元附近的構(gòu)造的縱剖面圖。在圖5的構(gòu)造中，與圖1的IGBT單元構(gòu)造相比較，在第1半導體層2的阱內(nèi)，以貫通該P基區(qū)層2的形態(tài)形成兩個主溝槽6，其結(jié)果，第1半導體層2的平坦區(qū)2FR由兩個主溝槽6夾在中間。而且，位于N+陰極層4的正上方n處的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1的深度DP1從與相對應的主溝槽6的側(cè)面結(jié)合的最大深度位置出發(fā)，朝向與第1主面1US的接合部分逐漸變淺，使得底面2BS1構(gòu)成放射線形的縱剖面形狀，同樣，第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的底面2BS2的深度DP2從與相對應的主溝槽6的側(cè)面結(jié)合的最大深度位置出發(fā)，朝向與第1主面1US的接合部分逐漸變淺，使得底面2BS2構(gòu)成放射線形的縱剖面形狀。而且，在由兩個第1溝槽6夾在中間的平坦區(qū)2FR的上表面上，對于第1方向D1形成相互對準的兩個N+發(fā)射區(qū)層3(雖然沒有圖示，但是與圖1的構(gòu)造相同，該層3直接與發(fā)射極電極10連接)，在由兩個N+發(fā)射區(qū)層3的每一個的第2側(cè)面3S2夾在中間的N-層1的第1主面1US上，直接形成發(fā)射極電極10，如上所述，在位于第1溝槽6的相反一側(cè)的P基區(qū)層2內(nèi)，形成第1以及第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2。
在本構(gòu)造中，由于也在P基區(qū)層2的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2上形成發(fā)射極電極10，因此可以得到在該二極管單元的導通動作時抑制來自各個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的空穴的注入量，該二極管單元的陽極附近的載流子密度下降，恢復電流降低這樣的作用效果。
另外，在圖5的構(gòu)造中，在二極管區(qū)內(nèi)，僅形成IGBT元件的P基區(qū)層2的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2。因此，當形成IGBT元件的P基區(qū)時，僅部分地形成P基區(qū)層就能夠得到本構(gòu)造。
另外，在側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2中，與通常那樣擴展形成的具有平坦底面的P基區(qū)層相比較，由于格外地減少空穴的注入量，因此陽極附近的載流子密度急劇下降，二極管單元的恢復電流值下降。
<實施形態(tài)2的變形例1>
也能夠把在實施形態(tài)1的各個變形例中記述的輔助溝槽12適用在圖5例示的實施形態(tài)2的構(gòu)造中，能夠得到同樣的作用效果。圖6的縱剖面圖示出這樣的適用例子。圖6的輔助溝槽(第1以及第2輔助溝槽)12相當于圖2的輔助溝槽12(第1以及第2輔助溝槽)。
另外，在圖6的構(gòu)造中，在二極管區(qū)域內(nèi)，僅形成IGBT元件的P基區(qū)層2的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2。因此，當形成IGBT元件的P基區(qū)層時，僅部分地形成P基區(qū)層就能夠得到本構(gòu)造。
另外，在圖6構(gòu)造中的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2中，由于與通常構(gòu)成的具有平坦底面的P基區(qū)相比較，格外地減少空穴的注入量，因此陽極附近的載流子密度急劇下降，二極管單元的恢復電流值降低。
(實施形態(tài)3)本實施形態(tài)的核心部分如從后述圖7的縱剖面圖例示的構(gòu)造所理解的那樣，在于(I)還具備從第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，而且對于第1方向D1隔開預定的距離13W與第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1相對的第2導電類型的阱層WL，(II)在第1主面1US內(nèi)，在被阱層WL的底面2BS與第1主面1US的結(jié)合部分和第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1與第1主面1US的結(jié)合部分夾在中間的阱間區(qū)1USWR上，也形成第1主電極10，而且，(III)在阱間區(qū)1USWR正上方的第1主電極10的部分與位于該阱間區(qū)1USWR正下方的半導體襯底1的部分之間形成呈現(xiàn)肖特基結(jié)的硅化物薄膜(例如由鉑和硅構(gòu)成的硅化物層)13或者具有比第1半導體層2以及阱層WL小的雜質(zhì)濃度而且具有比第1半導體層1、阱層WL以及阱間區(qū)1USWR正上方的第1主電極10的部分還薄的厚度的第2導電類型的半導體薄膜(這里是淺的P-層)13。以下，根據(jù)附圖具體地記述。
圖7是示出本實施形態(tài)一例的IGBT單位單元附近的構(gòu)造的縱剖面圖。在圖7的構(gòu)造中，與圖1的IGBT單元的構(gòu)造相比較，沿著第1方向D1相鄰的兩個P基區(qū)層2的各個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR對于第1方向D1隔開距離13W相對，而且，在由這些相對的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR夾在中間的N-層1的部分的上表面1USWR上，直接地整個面地形成發(fā)射極電極10，而且，在阱間區(qū)1USWR正下方的N-層部分與阱間區(qū)1USWR正上方的發(fā)射極電極部分之間，例如整個面地形成硅化物膜那樣的構(gòu)成肖特基結(jié)的薄膜13，或者構(gòu)成以上述定義賦與了意義的淺P-層的半導體薄膜13。因此，在薄膜13的背面與阱間區(qū)1USWR正下方的N-層部分的界面中，形成肖特基結(jié)或者以其為標準的狀態(tài)。其它的構(gòu)造與圖1構(gòu)造中的對應部分相同。圖7構(gòu)造中的IGBT單位單元的動作基本上與圖1的IGBT單位單元的動作相同。
本實施形態(tài)在圖7構(gòu)造中的二極管單元作為FWD進行二極管動作時顯現(xiàn)了其存在意義。即，在圖7的構(gòu)造中，首先，從構(gòu)成肖特基結(jié)的硅化物薄膜13或者構(gòu)成淺P-層的半導體薄膜13作為多數(shù)載流子的電子注入到阱間區(qū)1USWR正下方的N-層部分中，然后，從P基區(qū)層2注入空穴，注入空穴的一部分與從硅化物薄膜13或者半導體薄膜13注入的上述電子結(jié)合而消失。其結(jié)果，圖7的構(gòu)造與圖1的構(gòu)造相比較，能夠更進一步降低P基區(qū)層正下方的載流子密度。因此，由于使用薄膜13產(chǎn)生的肖特基結(jié)或者淺P-層，進一步抑制來自P基區(qū)層2的空穴的注入量，因此能夠進一步降低陽極附近的載流子密度，在二極管單元從導通狀態(tài)向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)移時的恢復動作中進一步減小恢復電流。
另外，圖7的構(gòu)造與圖1的構(gòu)造相比較，由于進一步擴展起到柵極作用的第1溝槽6的中心軸間隔，因此可以說在IGBT的反向耐壓的保持方面存在問題，然而由于能夠自由地設(shè)定薄膜13的表面積或者阱間區(qū)1USWR的間隔13W，因此通過該表面積或者間隔13W的適當選擇，能夠緩和上述的問題點。
<實施形態(tài)3的變形例1>
本變形例的核心在于還具備「在第1主面1US的阱間區(qū)1USWR中，具有位于薄膜13(硅化物薄膜13或者半導體薄膜13)正下方的半導體襯底1的部分中的底部12的輔助溝槽12」這一點。
即，在圖7的構(gòu)造中，不僅是側(cè)面擴散區(qū)，而且構(gòu)成肖特基結(jié)的硅化物薄膜13或者構(gòu)成淺P-層的半導體薄膜13中的電場強度也升高，而且，由于構(gòu)成肖特基結(jié)的硅化物薄膜13或者構(gòu)成淺P-層的半導體薄膜13的功函數(shù)比較小，因此與PN結(jié)相比較，載流子的漏泄量增大。從而，如圖8所示，在形成肖特基結(jié)或者淺P-層的區(qū)域中，以與主溝槽6平行延伸的形態(tài)形成作為第2溝槽的輔助溝槽12。這樣，圖8的輔助溝槽12由于是在形成肖特基結(jié)或者淺P-層的薄膜13的正下方，而且延伸到由兩個側(cè)面擴散區(qū)2SDR、2SDR1夾在中間的N-層1內(nèi)部，因此通過該輔助溝槽12的存在，能夠緩和加入在肖特基結(jié)或者淺P-層上的電場強度，能夠有效地防止反向漏電流以及耐壓的降低。另外，在輔助溝槽12的上表面與發(fā)射極電極10的界面中，存在合金膜(當薄膜13形成硅化物薄膜時)或者淺P-層(當薄膜13形成淺P-層時)(圖8中未圖示)(這一點對后述的圖9以及圖10的各個溝槽12也是妥當?shù)?。從而，在輔助溝槽12的邊緣周圍存在薄膜13。
<實施形態(tài)3的變形例2>
本變形例的要點在于還設(shè)置了「在第1主面1US的阱間區(qū)1USWR中，具有位于薄膜13(硅化物薄膜13或者半導體薄膜13)正下方附近的半導體襯底1的部分中的底部12B的多個輔助溝槽12。」。
即，如圖9的縱剖面圖所示，還能夠把圖8例示的輔助溝槽12做成2條以上。另外，這時通過削除相對應的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR的一部分使得形成各個輔助溝槽12，還能夠?qū)崿F(xiàn)電場強度的進一步緩和。特別是如圖9那樣，用第2溝槽12包圍構(gòu)成肖特基結(jié)的硅化物13或者構(gòu)成淺P-層的半導體薄膜13的構(gòu)造對于抑制半導體薄膜13中的漏電流十分有效。
<實施形態(tài)3的變形例3>
本變形例的要點在于「多個輔助溝槽12內(nèi)相互鄰接的輔助溝槽中的中心軸間距離d2、d3設(shè)定為比多個輔助溝槽12內(nèi)最接近第1半導體層中的主溝槽6的輔助溝槽與該主溝槽6之間的中心軸間距離d1小」(d2＜d1，d3＜d1)。
即，如圖10所示，經(jīng)過構(gòu)成肖特基結(jié)的硅化物薄膜13或者淺P-層的半導體薄膜13相互鄰接的第2溝槽12之間的間隔d2、d3(這里d2＝d3)設(shè)定為比第1溝槽6與其相鄰的第2溝槽12的間隔d1狹窄。通過做成這樣的結(jié)構(gòu)，能夠更進一步緩和作為漏電流的原因的硅化物薄膜13或者半導體薄膜13中的電場強度，能夠更進一步改善肖特基結(jié)或者淺P-層中的漏電流。
<實施形態(tài)3的變形例4>
圖11的斜視圖中示出本變形例的構(gòu)造。該構(gòu)造是把圖7中記述的特征性的構(gòu)造(設(shè)置硅化物薄膜13或者半導體薄膜13這一點)應用在圖4的構(gòu)造中的例子，這里也能夠得到與圖7的構(gòu)造同樣的作用效果。
(實施形態(tài)4)本實施形態(tài)是把在實施形態(tài)3中記述的特征性的構(gòu)造(設(shè)置硅化物薄膜13或者半導體薄膜13這一點)適用在圖5等中例示的實施形態(tài)2的構(gòu)造中的情況，在這里也能夠得到與實施形態(tài)3同樣的作用效果。以下，根據(jù)附圖詳細敘述。
圖12是示出本實施形態(tài)的IGBT單位單元附近的構(gòu)造的縱剖面圖。圖12的構(gòu)造與圖7的IGBT單位單元構(gòu)造相比較，在由P基區(qū)層2內(nèi)的2個主溝槽6夾在中間的平坦區(qū)2FR內(nèi)而且由相互對準的發(fā)射區(qū)層3夾在中間的第1主面1US上，直接形成發(fā)射極電極10，而且，在各個主溝槽6相反一側(cè)中的P基區(qū)層2的側(cè)面部分中形成側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR這一點不同，其它各個點與圖7的構(gòu)造相同。從而，本實施形態(tài)也與圖7的構(gòu)造相同，能夠控制P基區(qū)層正下方的載流子密度。因而，通過使用構(gòu)成肖特基結(jié)的硅化物薄膜13或者構(gòu)成淺P-層的半導體薄膜13抑制來自P基區(qū)層的空穴的注入，能夠降低陽極附近的載流子密度，在二極管單元從導通狀態(tài)變化到截止狀態(tài)時的恢復動作中，能夠更進一步減小恢復電流。
另外，在圖12的構(gòu)造中，在二極管區(qū)域內(nèi)僅形成IGBT元件的P基區(qū)層2的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2(2SDR)。因此，當形成IGBT元件的P基區(qū)層時，僅部分地形成P基區(qū)層就能夠得到本構(gòu)造。
另外，在圖12構(gòu)造中的側(cè)面區(qū)2SDR1、2SDR2(2SDR)中，與通常那樣擴散構(gòu)成的具有平坦底面的P基區(qū)相比較，由于格外地減少空穴的注入量，因此陽極附近的載流子密度急劇下降，二極管單元的恢復電流值降低。
另外，如圖13所示，也可以在圖12的構(gòu)造中設(shè)置多個輔助溝槽12，在這種情況下，如已經(jīng)敘述的那樣進行耐壓降低以及漏電流的控制。
另外，在圖13的構(gòu)造中也在二極管區(qū)域內(nèi)僅形成IGBT元件的P基區(qū)層2的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2(2SDR)。從而，當形成IGBT元件的P基區(qū)層時，僅部分地形成P基區(qū)層就能夠得到本構(gòu)造。而且，在圖13的構(gòu)造中的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2(2SDR)中，與通常那樣擴散構(gòu)成的具有平坦底面的P基區(qū)相比較，由于格外地減少空穴的注入量，因此陽極附近的載流子密度急劇下降，二極管單元的恢復電流值降低。
<實施形態(tài)4的變形例1>
圖41示出本變形例的構(gòu)造。如果把圖41的構(gòu)造與成為其基礎(chǔ)的圖12的構(gòu)造相比較，則在本變形例中，在把區(qū)域2FR和第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1分離的主溝槽6的附近，重新設(shè)置貫通P阱層的輔助溝槽12的同時，通過用絕緣膜覆蓋其表面整體使得夾在兩個溝槽6、12中的P型的區(qū)域14FR無效。
即，輔助溝槽12把構(gòu)成二極管單元的主要部分的第1主側(cè)面擴散區(qū)14和平坦的第1無效區(qū)14FR分離，在輔助溝槽12的底部12B及其側(cè)面的整個面上形成絕緣膜，多晶硅等充填材料經(jīng)過上述絕緣膜充填輔助溝槽12。第1無效區(qū)14FR的底面14FRBS比兩個溝槽6、12的底部6B、12B淺，位于第1主面1US的該區(qū)域14FR的表面14FRUS在整個面上用絕緣膜(層間絕緣膜)14IF覆蓋，與第1主電極1 0電絕緣。另外，無效區(qū)14FR不僅在第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1一側(cè)，而且同樣設(shè)置在第2側(cè)面擴散區(qū)一側(cè)。換言之，在一個P型阱內(nèi)左右對稱地設(shè)置輔助溝槽12以及無效區(qū)14FR(第1以及第2主側(cè)面擴散區(qū)，第1以及第2輔助溝槽，第1以及第2無效區(qū)，第1以及第2層間絕緣膜)。
如以上那樣，在用絕緣膜整體地覆蓋無效區(qū)14FR的表面14FRUS及其兩個側(cè)面的情況下，無效區(qū)14FR最早不能夠作為二極管單元的一部分動作，完全沒有來自無效區(qū)14FR的空穴注入量的部分，空穴向半導體襯底1的注入量減少，能夠降低陽極附近的載流子密度，其結(jié)果，能夠使二極管單元的恢復電流降低。
另外，在圖41的構(gòu)造中，在二極管區(qū)域內(nèi)僅形成IGBT元件的P基區(qū)層2的第1以及第2主側(cè)面擴散區(qū)14。從而，當形成IGBT元件的P基區(qū)層時，僅部分地形成P基區(qū)層就能夠得到本構(gòu)造。
另外，在圖41的構(gòu)造中的第1以及第2主側(cè)面擴散區(qū)14中，與通常那樣擴散構(gòu)成的具有平坦底面的P基區(qū)相比較，由于格外地減少空穴的注入量，因此陽極附近的載流子密度急劇下降，二極管單元的恢復電流值降低。
另外，還能夠把圖14所示的第1以及第2主側(cè)面擴散區(qū)14、第1以及第2溝槽6、第1以及第2輔助溝槽12、第1以及第2無效區(qū)14FR、第1以及第2層間絕緣膜14IF的特征性的構(gòu)成要素適用在圖13的結(jié)構(gòu)中，這時，也能夠得到對于圖41所述的作用效果。而且，在這樣的變形例中，在二極管區(qū)內(nèi)也僅形成IGBT元件的P基區(qū)層2的第1以及第2主側(cè)面擴散區(qū)14。因此，當形成IGBT元件的P基區(qū)層時，僅部分地形成P基區(qū)層就能夠得到本構(gòu)造。進而，在該變形例的構(gòu)造中的第1以及第2主側(cè)面擴散區(qū)14中，與通常那樣擴散構(gòu)成的具有平坦底面的P基區(qū)相比較，由于格外地減少空穴的注入量，因此陽極附近的載流子密度急劇下降，二極管單元的恢復電流值降低。
以下記述本發(fā)明的制造方法。
(實施形態(tài)5)圖14～圖22是示出用于制造圖1的器件的各個工藝中的器件構(gòu)造的縱剖面圖。在圖14所示的工藝中，首先，準備成為N-襯底或者N-層的N型硅襯底1。接著，在圖15所示的工藝中，在N-層1的表面上選擇性地形成各個IGBT單位單元用的P基區(qū)層2。這時，各個P基區(qū)層2具備平坦區(qū)2FR和第1以及第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2。接著，在圖16所示的工藝中，在與P基區(qū)層2的中央相當?shù)钠教箙^(qū)2FR內(nèi)，選擇性地形成發(fā)射區(qū)3。接著，在圖17所示的工藝中，形成從P+發(fā)射區(qū)層3到達N-襯底1的溝槽(主溝槽)6，在溝槽6的內(nèi)部整個面地形成絕緣膜7。接著，在圖18所示的工藝中，在N-襯底1的表面上形成作為導電物質(zhì)的多晶硅層，然后通過把多晶硅層腐蝕，形成把溝槽6內(nèi)整體充填的多晶硅8。接著，在圖19所示的工藝中，在從N+發(fā)射區(qū)層3的表面形成的溝槽6的上部形成層間絕緣膜9。接著，在圖20所示的工藝中，在N-襯底1的表面上形成與P基區(qū)層2的平坦區(qū)2FR以及兩個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2連接的發(fā)射極電極10。接著，在圖21所示的工藝中，在N-襯底1的背面1LS上形成陰極N+層4。接著，在圖22所示的工藝中，在N-襯底1的背面1LS上形成集電區(qū)P+層5。然后，通過在背面1LS上形成集電極電極(未圖示)，能夠得到圖1的內(nèi)置二極管單元型的IGBT器件。
(實施形態(tài)6)圖23～圖29是示出用于制造圖2的IGBT器件的各個工藝中的器件構(gòu)造的縱剖面圖。在圖23所示的工藝中，首先，準備成為N-襯底的N型硅襯底1。接著，在圖24所示的工藝中，在N-層1的表面上選擇性地形成P基區(qū)層2。接著，在圖25所示的工藝中，在P基區(qū)層2的中央部分中選擇性地形成發(fā)射區(qū)3。接著，在圖26所示的工藝中，形成從N+發(fā)射區(qū)層3到達N-襯底1的第1溝槽6和從P基區(qū)層2的側(cè)面擴散區(qū)的端部中的P基區(qū)層2到達N-襯底1的第2溝槽(輔助溝槽)12，在兩個溝槽6、12的內(nèi)部形成絕緣膜7。接著，在圖27所示的工藝中，形成作為導電物質(zhì)的多晶硅膜，通過把該膜進行腐蝕，在兩個溝槽6、12內(nèi)形成多晶硅8。接著，在圖28所示的工藝中，在從N+發(fā)射區(qū)3的表面形成的主溝槽6的上部形成層間絕緣膜9。接著，在圖29所示的工藝中，形成與各個N+發(fā)射區(qū)層3、各個P基區(qū)層2的平坦區(qū)以及兩個側(cè)面擴散區(qū)連接的發(fā)射極電極10。然后，與實施形態(tài)5相同，在背面上順序地形成集電區(qū)P+層和陰極N+層的基礎(chǔ)上，進而在背面上形成集電極電極。
(實施形態(tài)7)
圖30～圖36是示出用于制造圖7(實施形態(tài)3)的IGBT器件的各個工藝中的器件構(gòu)造的縱剖面圖。在圖30所示的工藝中，首先，準備成為N-襯底的N型硅襯底1。接著，在圖31所示的工藝中，在N-層1的表面上使得相鄰的P基區(qū)層之間相互隔開預定的間隔那樣，選擇性地形成各個P基區(qū)層2。接著，在圖32所示的工藝中，在各個P基區(qū)層2的中央部分選擇性地形成發(fā)射區(qū)3。接著，在圖33所示的工藝中，形成從N+發(fā)射區(qū)層3到達N-襯底1的主溝槽6，在溝槽6的內(nèi)部以及N-層1的表面上全面地形成絕緣膜。接著，在圖34所示的工藝中，在絕緣膜上形成作為導電物質(zhì)的多晶硅膜，通過把該多晶硅膜腐蝕，僅在溝槽6內(nèi)形成多晶硅8。接著，在圖35所示的工藝中，去除位于N-層1的表面上以及P基區(qū)層2的表面上的絕緣膜，在溝槽6的上部形成層間絕緣膜9。在此基礎(chǔ)上，通過從被相鄰的側(cè)面擴散區(qū)夾在中間的露出的N-層1的表面把鉑等形成肖特基結(jié)的導電物質(zhì)導入到該表面正下方的N-層1內(nèi)，形成由該導電物質(zhì)與硅原子生成的硅化物薄膜13。該硅化物薄膜13及其正下方的N-層1的界面構(gòu)成肖特基結(jié)?；蛘?，通過從被相鄰的側(cè)面擴散區(qū)夾在中間的露出的N-層1的表面，在該表面正下方的N-層1內(nèi)以低摻雜量注入硼，然后進行400℃左右的熱處理，在該表面正下方的N-層1內(nèi)形成低濃度的非常薄的P-層13。該淺P-層13及其正下方的N-層1的界面也構(gòu)成與肖特基結(jié)類似的PN結(jié)面。在此基礎(chǔ)上，接著，在圖36所示的工藝中，用鋁形成與N+發(fā)射區(qū)層3、薄膜13以及P基區(qū)層2的各個部分連接的發(fā)射極電極10。然后，與實施形態(tài)5相同，在N-層1的背面上順序地形成集電區(qū)P+層和陰極N+層，在此基礎(chǔ)上，在N-層1的背面上形成集電極電極。
在上述制造方法的實施形態(tài)5～6中，在N-層1的背面上最初形成集電區(qū)P+層的基礎(chǔ)上，然后，形成陰極N+層，而對于兩層的形成順序，即使最初形成任一層，也能夠得到同樣的構(gòu)造和作用效果。
進而，在上述制造方法中，在表面一側(cè)的發(fā)射極電極10的形成以后，在背面上形成集電區(qū)P+層和陰極N+層，而反之也可以在形成發(fā)射極電極10之前在背面形成集電區(qū)P+層和陰極N+層，這種情況下當然也能夠得到同樣的構(gòu)造和作用效果。
(實施形態(tài)8)如果參照圖42概略說明本實施形態(tài)的特征點，則其核心部分在于具備(1)從半導體襯底1的第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成且具有與第1主面1US大致平行而且構(gòu)成大致平坦面的第1底面2BS的第2導電類型(這里是P型)的第1半導體層(P基區(qū)層)2，(2)從半導體襯底1的第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，具有與第1主面1US大致平行而且構(gòu)成大致平坦面的同時，比第1底面2BS淺的第2底面14BS(由于是低濃度因此第2底面14BS必然比較淺)，而且，與第1主電極(發(fā)射極電極)14導通的第2導電類型的第5半導體層(內(nèi)置二極管單元的P-層)14，(3)從第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，而且把第1半導體層2與第5半導體層14相互分離的同時，具有比第1底面2BS淺的底部6B的主溝槽6。而且，其核心部分在于(4)第5半導體層14的第2底面14BS經(jīng)過半導體襯底1與第4半導體層(N+)4相對，3個層14、1、4構(gòu)成非內(nèi)置型的PIN二極管的同時，第5半導體層14的雜質(zhì)濃度(P-)比第1半導體層(P)2的雜質(zhì)濃度(＜第3半導體層(P+)5的雜質(zhì)濃度)低。圖42中，其它各個點與例如圖5中例示的IGBT單元的構(gòu)造的各個部分要素沒有改變。
如圖42所示，IGBT單元的絕緣柵構(gòu)造部分乃至MOS構(gòu)造部分(主要由構(gòu)成要素2、3、7、8構(gòu)成的區(qū)域)和內(nèi)置型二極管單元的陽極P-層14在第1主面1US中，由主溝槽6相互物理地分離。即，IGBT的MOS構(gòu)造部分形成在由主溝槽6夾在中間的半導體襯底1的臺面區(qū)域內(nèi)，另一方面，內(nèi)置型二極管單元的陽極P-層14形成在使兩個主溝槽6存在于內(nèi)部的相互相鄰的臺面區(qū)域之間。而且，陽極P-層14的雜質(zhì)濃度設(shè)定為比IGBT的MOS構(gòu)造部分的P基區(qū)層2的雜質(zhì)濃度(P)低。
如上所述，在本實施形態(tài)中，IGBT的MOS構(gòu)造部分與內(nèi)置型二極管單元的陽極P-層14經(jīng)過主溝槽6相互分離，而且，內(nèi)置型二極管單元的陽極P-層14與MOS構(gòu)造部分的P基區(qū)層2相比較設(shè)定為低濃度層。因此，與二極管單元的陽極層的濃度等同于MOS構(gòu)造部分的P基區(qū)層2的濃度(P)的以往構(gòu)造相比較，抑制二極管單元處于導通時的來自內(nèi)置型二極管單元的二極管區(qū)，即，陽極P-層14的空穴的注入量。從而，通過這樣依據(jù)雜質(zhì)濃度差與以往構(gòu)造相比較抑制了注入量的空穴向N-層1的注入乃至擴散，二極管單元的陽極附近區(qū)中的載流子密度也比以往構(gòu)造減少，其結(jié)果二極管單元的恢復電流也比以往構(gòu)造降低(優(yōu)點1)。如果重復敘述，則由于空穴向二極管單元的半導體襯底1的注入效率低，因此在二極管動作時從第5半導體層14注入的空穴的數(shù)量減少，改善了恢復特性。
另外，在第1主面1US中，能夠根據(jù)主溝槽6的形成位置自由設(shè)定IGBT的MOS構(gòu)造部分和二極管單元的二極管區(qū)分別占有的面積比例。因此，能夠設(shè)定最佳的面積比例(優(yōu)點2)。
進而，如已經(jīng)敘述的，由于用主溝槽6把MOS構(gòu)造部分與二極管區(qū)14分離，因此在第1主面1US一側(cè)的半導體襯底1的部分中能夠分離IGBT元件的動作和與其相對應的二極管單元的動作。這樣的分離構(gòu)造在二極管單元的動作過程中在柵極電極8上施加導通電壓的情況下，還帶來能夠防止器件的誤動作這樣的優(yōu)點(優(yōu)點3)。
(實施形態(tài)9)如果參照圖43敘述與圖5以及圖42的兩種構(gòu)造不同的本實施形態(tài)的特征點，則作為其核心部分具備(1)從第1主面1US通過第1半導體層2朝向半導體襯底1的內(nèi)部形成，把第1半導體層2的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1與平坦區(qū)2FR相互分離，具有比第1底面2BS深的底部6B的主溝槽6，(2)從第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，而且與第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1相對的第2導電類型(這里是P型)的其它的阱層WL，(3)在第1主面1US內(nèi)，從由第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1和相鄰的阱層WL的側(cè)面擴散區(qū)2SDR2夾在中間的區(qū)域1USS朝向半導體襯底1內(nèi)形成，與第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的第1主面?zhèn)纫徊糠忠约摆鍖覹L的側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的第1主面?zhèn)纫徊糠纸Y(jié)合，具有與第1主面1US大致平行而且構(gòu)成大致平坦面的同時比第1底面2BS淺的第2底面14BS的同時，還與第1主電極10導通的上表面第2導電類型的第5半導體層(P-)14，而且，(4)第5半導體層14的第2底面14BS經(jīng)過半導體襯底1的體部分與第3半導體層(N+)4相對，而且，第5半導體層14的雜質(zhì)濃度(P-)比第1半導體層2的雜質(zhì)濃度(P)低。圖43中，其它各個點例如與圖5中例示的IGBT單元的構(gòu)造的各個構(gòu)成要素沒有改變。
如圖43所示，在本實施形態(tài)中，在用主溝槽6與平坦區(qū)2FR分離了的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1延伸到二極管單元的臺面區(qū)，其結(jié)果，該區(qū)域2SDR1的第1主面?zhèn)炔糠峙c設(shè)定為比平坦區(qū)2FR以及第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1低濃度P-的第5半導體層14物理結(jié)合(其結(jié)果，該層14、2SDR1相互電導通)。這一點即使在與相鄰單元中的阱區(qū)WL的側(cè)面擴散區(qū)的關(guān)系中也相同。
根據(jù)以上的構(gòu)造，本實施形態(tài)(1)不僅起到與第5半導體層14的存在為起因的實施形態(tài)8相同的作用效果，(2)還與空穴從二極管區(qū)內(nèi)的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1向半導體襯底1的注入量也減少相對應，進一步使陽極區(qū)附近的載流子密度降低，謀求恢復電流的進一步降低，由此，能夠更難以引起反向耐壓的降低，而且，(3)由于與圖42的構(gòu)造相比較，第5半導體層14在二極管區(qū)內(nèi)占有的比例減少二極管區(qū)內(nèi)的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1及其相鄰的阱區(qū)WL的側(cè)面擴散區(qū)2SDR2的兩個空間部分，因此空穴從第5半導體層14向半導體襯底1的注入量也不得不與其占有面積的減少而相對地也減少，從而，能夠謀求恢復電流的進一步降低。除此以外，本實施形態(tài)(4)還起到以下特有的作用效果。即，在本實施形態(tài)中，如圖43所示，從二極管區(qū)中的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1與主溝槽6的側(cè)面的結(jié)構(gòu)部分到主溝槽6的底部6B的距離，即，主溝槽6的底部6B的突出量AP與圖42的情況相比較格外少。從而，具有比圖42的情況更易于穩(wěn)定地保持二極管單元的耐壓的優(yōu)點。(5)進而，如果依據(jù)本構(gòu)造，則增加了第1半導體層2在制造上的富余度。
(實施形態(tài)10)本實施形態(tài)的絕緣柵型半導體器件改善了圖42例示的實施形態(tài)8的絕緣柵型半導體器件，其改善點的要點是在如圖44所示，把在圖42中由相鄰的主溝槽6夾在中間的區(qū)域而且設(shè)置了第1半導體層2的區(qū)域整體置換為「由具有比半導體襯底1的雜質(zhì)濃度(N-)高的雜質(zhì)濃度(N)的第1導電類型(這里是N型)的第6半導體層15和設(shè)置在其正上方的第2導電類型(這里是P型)的第1半導體層2構(gòu)成的二重構(gòu)造」。換言之，特征在于配置了具有用第1半導體層2的第1底面2BS及其正下方的半導體襯底1的部分夾層的比襯底雜質(zhì)濃度(N-)高的雜質(zhì)濃度(N)的第1導電類型的第6半導體層15這一點。其它的各個構(gòu)造與實施形態(tài)8中的相對應的構(gòu)造沒有改變。從而，在兩個實施形態(tài)中對于共同的各個部分的參考符號，在圖44中援用圖42以及圖5中相對應的參考符號。
即，本器件作為其核心部分具備(1)從半導體襯底1的第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，具有與第主面1US大致平行構(gòu)成大致平坦面的第1底面2BS的第2導電類型的第1半導體層2，(2)從第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，用各個側(cè)面把第1半導體層2和以下的第6半導體層15夾在中間的同時，具有比第1底面2BS以及第6半導體層15的第3底面15BS深的底部6B的相互對準的兩個主溝槽6，(3)具有構(gòu)成第1半導體層2的第1底面2BS和界面的表面，與該界面相對而且比主溝槽6的底部6B淺的第3底面15BS，由上述界面和第3底面15BS夾在中間的第3側(cè)面15SS1以及第4側(cè)面15SS2的第1導電類型(N)的第6半導體層15。而且，第2半導體層3的第1側(cè)面3S1，與第2半導體上3的下表面3BS結(jié)合的第1半導體層2的側(cè)面以及第6半導體層15的第3側(cè)面15SS1的每一個與主溝槽6的上述側(cè)面相結(jié)合，進而，第6半導體層15的雜質(zhì)濃度(N)比半導體襯底1的雜質(zhì)濃度(N-)高，而且比第4半導體層4的雜質(zhì)濃度(N+)低。
另外，與圖44的例示不同，第6半導體層15的第3底面15BS也可以比主溝槽6的底部6B深(第3底面15BS的深度＞底部6B的深度)。在這樣的變形例中，也同樣能夠得到后述的作用效果，從而，由發(fā)明者們實驗性地確認了該變形例在技術(shù)上沒有問題。而圖44中的第3底面15BS的構(gòu)造只是一個例子，并不存在第3底面15BS設(shè)定在比主溝槽6的底部6B淺的位置的必然性(這一點在后述的各個變形例中也成立)。
在本實施形態(tài)中新添加的第6半導體層(N+層)15起到以下兩個作用效果。第1是在降低IGBT元件的導通電壓方面做出貢獻。即，濃度比襯底濃度(N-)高的第6半導體層(N層)15作用為當IGBT元件處于導通狀態(tài)時，防止從背面一側(cè)的第3半導體層注入的空穴經(jīng)過IGBT元件的P基區(qū)層2到達發(fā)射極電極10的勢壘，其結(jié)果，在IGBT元件的導通狀態(tài)下，所注入的上述空穴存儲在P基區(qū)層2的第3底面2BS正下方的第6半導體層(N層)15內(nèi)。伴隨該空穴的存儲，在IGBT元件的導通狀態(tài)下第6半導體層(N層)15內(nèi)的電子濃度也增大。從而，IGBT元件導通狀態(tài)下的導通電阻減少，進一步降低IGBT元件的導通電壓。其第2個作用效果(優(yōu)點)是通過作為勢壘存在第6半導體層(N+)15，在內(nèi)置二極管單元的導通狀態(tài)下，與第5半導體層14一起，能夠抑制來自起到該二極管單元的P陽極層一部分作用的IGBT元件的P基區(qū)層2的過?？昭ǖ淖⑷?。伴隨著抑制該空穴的注入量，能夠更進一步促進二極管單元的恢復電流的降低。另外，第2個優(yōu)點是在即使代替IGBT使用縱向MOSFET的情況下也能夠成立的優(yōu)點。
如已經(jīng)敘述的那樣，在圖44的單元構(gòu)造中，也與圖42相同，設(shè)置「從半導體襯底1的第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，具有把主溝槽6夾在其中間與第2半導體層3的第1側(cè)面3S1以及第1半導體層2的上述側(cè)面相對一方的側(cè)面14S1，與第1主面1US大致平行構(gòu)成大致平坦面的同時具備比第3底面15BS淺的第2底面14BS，同時在第1主面1US中與第1主電極10結(jié)合的雜質(zhì)濃度比第1半導體層2的雜質(zhì)濃度(P)的大」的第2導電類型的第5半導體層14。從而，在本實施形態(tài)中，也同樣能夠得到對于圖42的構(gòu)造所敘述的作用效果。從而，通過第5半導體層14的低濃度(P-)化產(chǎn)生的已經(jīng)敘述的作用效果以及通過配置第6半導體層15產(chǎn)生的上述第2優(yōu)點的重合，能夠達到二極管單元的恢復電流的更進一步降低。
(實施形態(tài)10的變形例1)圖45示出本變形例的IGBT單元的縱剖面圖。如從圖45的構(gòu)造所明確的那樣，本變形例的特征點在于對于圖43例示的實施形態(tài)9的構(gòu)造添加已經(jīng)敘述過的實施形態(tài)10的特征性的構(gòu)造(配置第6半導體層15)。
由此，如果依據(jù)本變形例，則能夠同樣到發(fā)揮在實施形態(tài)9以及實施形態(tài)10的每一個中已經(jīng)敘述過的作用效果。
(實施形態(tài)10的變形例2)圖46示出本變形例的IGBT單元的縱剖面圖。如從圖46的構(gòu)造所明確的那樣，本變形例的特征點在于對于實施形態(tài)2中的圖5例示的構(gòu)造添加了已經(jīng)敘述過的實施形態(tài)10的特征性的構(gòu)造(配置第6半導體層15)。
由此，如果依據(jù)本變形例，則能夠同時發(fā)揮在實施形態(tài)2以及實施形態(tài)10的每一個中敘述過的作用效果。
(實施形態(tài)10的變形例3)圖47示出本變形例的IGBT單元的縱剖面圖。如從圖47的構(gòu)造所明確的那樣，本變形例的特征點在于對于實施形態(tài)2的圖6例示的構(gòu)造添加了已經(jīng)敘述過的實施形態(tài)10的特征性構(gòu)造(配置第6半導體層(N)15)。
如在實施形態(tài)2的圖6中已經(jīng)敘述過的那樣，輔助溝槽12把第1主面1US內(nèi)中的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1與阱層WL的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1的底面2BS1的結(jié)合部分，從該結(jié)合部分的附近區(qū)域朝向半導體襯底1內(nèi)延長形成的第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1與阱層WL的側(cè)面擴散區(qū)2SDR1相互分離。
由此，如果依據(jù)本變形例，則能夠共同發(fā)揮在實施形態(tài)2的圖6以及實施形態(tài)10的每一個中已經(jīng)敘述過的作用效果。
(實施形態(tài)10的變形例4)圖48示出本變形例的IGBT單元的縱剖面圖。如從圖48的構(gòu)造所明確的那樣，本變形例的特征點在于對于實施形態(tài)3中的圖7例示的構(gòu)造適用了已經(jīng)敘述過的實施形態(tài)10的特征性構(gòu)造(配置第6半導體層(N)15)。
由此，如果依據(jù)本變形例，則能夠共同發(fā)揮在實施形態(tài)3的圖7以及實施形態(tài)10的每一個中已經(jīng)敘述過的作用效果。
(實施形態(tài)10的變形例5)本變形例的特征點在于對于圖示8的構(gòu)造還至少設(shè)置1個輔助溝槽12。換言之，本變形例的特征點在于如圖49例示的那樣，對于實施形態(tài)3中的圖8或者圖9例示的構(gòu)造，適用已經(jīng)敘述過的實施形態(tài)10的特征性構(gòu)造(設(shè)置第6半導體層(N)15)。圖49中的各個輔助溝槽12從第1主面1US阱間區(qū)延伸，具備位于薄膜13下方的半導體襯底1的部分中的底部12B。
由此，如果依據(jù)本變形例，則能夠共同發(fā)揮在實施形態(tài)3的圖8等以及實施形態(tài)10的每一個中已經(jīng)敘述過的作用效果。
(實施形態(tài)10的變形例6)圖50本變形例的特征點在于對于圖示8的構(gòu)造(變形例4)適用了對于圖41敘述過的構(gòu)造(設(shè)置由主溝槽和輔助溝槽夾在中間的無效區(qū))。圖50示出這種適用例的一個例子。
即，本IGBT單元作為其特征性的構(gòu)成要素至少具備(1)從第1主面1US朝向半導體襯底1內(nèi)形成，具有比第3底面15BS深的底部12B的同時，與主溝槽6相鄰的輔助溝槽12，(2)在輔助溝槽12的底部12B及其側(cè)面上整個面地形成的其它的絕緣膜7，(3)被主溝槽6的側(cè)面和輔助溝槽12的側(cè)面夾在中間，具有位于半導體襯底1的第1主面1US的上表面14FRUS，比第1底面2BS深而且比第3底面15BS淺的第3底面14FRBS的第2導電類型(P型)的平坦區(qū)14FR，(4)在平坦區(qū)14FR的上表面14FRUS上整個面地形成的層間絕緣膜14IF，(5)從第1主面1US沿主溝槽12的側(cè)面朝向半導體襯底1的內(nèi)部形成，在其中間經(jīng)過輔助溝槽12與平坦區(qū)14FR相對，而且在第1主面1US中具有與第1主電極10相結(jié)合的上表面，而且具有平滑地逐漸加深并且具備比輔助溝槽12的底部12B淺的最大深度的底面14BS的第2導電類型(P型)的第1側(cè)面擴散區(qū)14。
由此，如果依據(jù)本實施例，則能夠同樣地發(fā)揮對于實施形態(tài)3的圖48敘述過的作用效果的同時，還能夠得到對于圖41的變形例敘述過的作用效果。如果對后者重復記述，則由于用兩個溝槽6、12包圍的P型的雜質(zhì)區(qū)(平坦區(qū))14FR的上表面14FRUS及其兩個側(cè)面都用絕緣膜14IF、7IF整個面地覆蓋，處于與第1主電極10電絕緣的狀態(tài)，因此不能夠最早作為二極管單元的一部分進行一切動作。即，平坦區(qū)14FR從二極管單元的動作的觀點出發(fā)觀看處于無效區(qū)化的狀態(tài)。從而，空穴從內(nèi)置二極管單元的P型區(qū)向半導體襯底1內(nèi)部的注入量比較少，陽極附近的載流子密度下降，二極管單元的恢復電流能夠比較低。
(實施形態(tài)10的變形例7)圖51本變形例有關(guān)圖50(變形例6)的修正構(gòu)造，如作為其一例的圖51所示，作為N型層的第6半導體層15的一個端部延伸形成到由圖50中的兩個溝槽6、12夾在中間的平坦區(qū)14FR內(nèi)。即，本變形例對于變形例6的構(gòu)造，還具備從圖50的平坦區(qū)14FR的第4底面14FRBS的整個面朝向平坦區(qū)14FR的內(nèi)部形成的第1導電類型(N型)的第7半導體層15E。從而，圖50的平坦區(qū)14FR如圖51所示，由(1)具有從主溝槽6的側(cè)面一側(cè)朝向輔助溝槽12的側(cè)面一側(cè)逐漸而且連續(xù)減小的厚度的第7半導體層(第6半導體層15的延長區(qū))15E，(2)由第7半導體層15E和第1主面1US夾在中間的第2導電類型(P型)的無效區(qū)14SR構(gòu)成。
配置這種第7半導體層15E的理由如下。即，僅在把第1半導體層2夾在中間相互對準的兩個主溝槽6之間形成N型的第6半導體層15，在制造上和實用上十分困難。為此，產(chǎn)生了越過主溝槽6到達P型的區(qū)域內(nèi)形成第6半導體層15的情況。這是因為通過在部分地等離子注入工藝等中形成N層，然后，通過使所注入的N型雜質(zhì)擴散，在N-的半導體襯底1內(nèi)形成第6半導體層15。從而，從制造時N層的導入位置出發(fā)，通過側(cè)面擴散現(xiàn)象，不僅在深度方向，在橫方向也形成N層，在該橫方向側(cè)面擴散的部分構(gòu)成第7半導體層15E。
通過第6半導體層15越過主溝槽6擴散到P型區(qū)域形成的這種第7半導體層15E，當在發(fā)射極電極10-集電極電極11之間施加集電極電壓VCE的情況下，由于提高主溝槽6中的二極管單元一側(cè)的電場強度，因此有時帶來IGBT元件以及二極管單元的各個耐壓的降低。然而，在本變形例中，通過在主溝槽6的外側(cè)積極地設(shè)置相應的輔助溝槽12，把第7半導體層15E的存在區(qū)域僅限定在兩個溝槽6、12之間。從而，在本變形例中，在構(gòu)成內(nèi)置二極管單元的主要部分的側(cè)面擴散區(qū)14內(nèi)，絲毫不存在第7半導體層15E，從而與僅主溝槽(第1溝槽)6形成在P型阱區(qū)內(nèi)的圖48的情況相比較，本變形例具有不引起IGBT元件的耐壓降低以及二極管單元的正向耐壓降低的優(yōu)點。
另外，假如第6半導體層15的N層越過輔助溝槽(第2溝槽)12形成在側(cè)面擴散區(qū)14內(nèi)，則由于二極管單元的主要的P型區(qū)從部分地形成了N層的區(qū)域15離開一些，因此越過輔助溝槽12形成在側(cè)面擴散區(qū)14內(nèi)的N層部分的濃度比位于兩個溝槽6、12之間的N層15E的濃度低。從而，在這樣的情況下，與僅主溝槽(第1溝槽)6形成在P型阱區(qū)內(nèi)的圖48的情況相比較，可以說也難以引起上述的耐壓降低。
(實施形態(tài)10的變形例8)圖52本變形例相當于圖49(變形例5)的構(gòu)造的修正例，圖52示出其構(gòu)造的一個例子。在本變形例中，在P型側(cè)面擴散區(qū)14的底面14BS中的靠近主溝槽6的部分的正下方，沿著與底面14BS的界面，在半導體襯底1內(nèi)形成N型的第8半導體層15E，該層15E的底面15EBS比主溝槽6的底部6B淺。
在本變形例中，越過主溝槽6形成了N層的第8半導體層15E與N層15相比較是低濃度層，而且，由于僅形成在側(cè)面擴散區(qū)14的底面14BS的一部分上，因此可以說由第8半導體層15E引起的耐壓降低的影響比較小。
(實施形態(tài)11)本實施形態(tài)適用于已經(jīng)敘述過的實施形態(tài)2(例如圖5以及圖6的構(gòu)造)，實施形態(tài)4(例如圖12、圖13以及圖41的構(gòu)造)，實施形態(tài)8(例如圖42的構(gòu)造)，實施形態(tài)9(例如圖43的構(gòu)造)以及實施形態(tài)10(例如圖44至圖52的構(gòu)造)的每一個中。
這里，圖53以及圖54的每一個是與上述各個實施形態(tài)的某一個有關(guān)的IGBT單位單元附近的俯視圖。即，2個圖53、54的每一個示出(1)在半導體襯底1的第1主面1US上的MOS構(gòu)造占有的區(qū)域(稱為MOS構(gòu)造區(qū))16，(2)在半導體襯底1的第1主面1US上的主溝槽6占有的區(qū)域(在P型阱區(qū)內(nèi)設(shè)置了輔助溝槽12的情況下，相當于主溝槽6，由兩個溝槽6、12夾在中間的無效區(qū)14FR、14SR和輔助溝槽12占有的區(qū)域)(稱為溝槽區(qū))6R，(3)在半導體襯底1的第1主面1US上內(nèi)置二極管單元占有的區(qū)域(稱為二極管單元區(qū))17R構(gòu)成的半導體襯底1的第1主面1US上的圖形。
如圖53以及圖54所示，MOS構(gòu)造區(qū)16R和二極管區(qū)17R在其中間夾住溝槽區(qū)6R的同時，沿著第3方向D3條帶狀延伸而且沿著第1方向D1交互排列。
這樣，通過交互地條帶狀地形成兩個區(qū)域16R、17R，本器件在起到絕緣柵型晶體管或者二極管單元的作用時，在半導體襯底1內(nèi)，能夠使絕緣柵型晶體管以及二極管單元的每一個幾乎均勻地動作。
另外，在圖53以及圖54中，能夠把MOS構(gòu)造區(qū)16R的面積和二極管單元區(qū)17R的面積都設(shè)定為任意值。
另外，為了促進絕緣柵型晶體管(IGBT等)的動作特性，特別是促進其導通電壓值的降低，減少形成在半導體襯底1的第1主面1US上的二極管單元的P型層(陽極區(qū))在第1主面1US上占有的面積是有效的。這種情況下，二極管單元的恢復電流也降低。如果考慮這樣的觀點，則在二極管單元區(qū)17R的下方形成薄膜13的構(gòu)造(例如，圖12、圖13、圖41、圖48-圖52所例示的構(gòu)造)中，能夠采用二極管單元區(qū)17R的面積比MOS構(gòu)造區(qū)16R的面積大的圖54例示的圖形，其結(jié)果，由于能夠更小地設(shè)定P型的側(cè)面擴散區(qū)在第1主面中占有的面積，因此能夠使絕緣柵型晶體管的動作特性更良好。在這個意義上，采用圖54的圖形對于提高性能夠綜合地起到有利的作用。
(實施形態(tài)12)本實施形態(tài)適用于已經(jīng)敘述過的實施形態(tài)2(例如圖5以及圖6的構(gòu)造)，實施形態(tài)4(例如圖12、圖13以及圖41的構(gòu)造)，實施形態(tài)8(例如圖42的構(gòu)造)，實施形態(tài)9(例如圖43的構(gòu)造)以及實施形態(tài)10(例如圖44至圖52的構(gòu)造)的每一個中。
這里，圖55以及圖56的每一個是與上述各個實施形態(tài)的某一個有關(guān)的IGBT單位單元附近的俯視圖。另外，在圖56的圖形中，與圖55的圖形相比較，MOS構(gòu)造區(qū)16R和二極管單元區(qū)17R的配置位置設(shè)定為相反。即，在兩個圖55、56的每一個中，MOS構(gòu)造區(qū)16R以及二極管單元區(qū)17R的任一方是方形，溝槽區(qū)62整體地包圍其邊緣部分，進而，MOSFET溝道區(qū)16R以及二極管單元區(qū)17R的另一方整體地包圍溝槽區(qū)6R的邊緣部分。
通過采用這樣的圖形構(gòu)造，與圖53以及圖54的條帶狀的圖形相比較，能夠二維地配置絕緣柵型晶體管的溝道，能夠有效地使用該溝道。
其中，當采用圖5以及圖56的各個構(gòu)造時，如圖57所示，設(shè)置連接各個方形上的溝槽的連接用溝槽的同時，如圖58所示，需要利用上述連接溝槽設(shè)置用于使在溝槽區(qū)中包圍其周圍的上述一方區(qū)域的各個表面相互電連接的例如多晶硅層18那樣的連接構(gòu)件。
(實施形態(tài)13)圖59至圖66是示出制造實施形態(tài)8(圖42)的半導體器件時的各個工藝階段中的器件構(gòu)造的縱剖面圖。首先，在圖59的工藝中，準備成為N-襯底1的N型硅襯底。在接著的圖60的工藝中，在N-襯底1的表面上選擇性地形成P基區(qū)層2。在接著的圖61的工藝中，在P基區(qū)層2的表面上選擇性地形成N+發(fā)射區(qū)3。在接著的圖62的工藝中，在相鄰的P基區(qū)層2之間的N-襯底1的表面上選擇性地形成陽極P-層14。在接著的圖63的工藝中，形成從N+發(fā)射區(qū)3到達N-襯底1的溝槽(主溝槽6)。在各個溝槽6的內(nèi)部整個面地形成絕緣膜7。在接著的圖64的工藝中，形成作為導電性物質(zhì)的多晶硅膜，然后通過腐蝕，形成充填各個溝槽6的內(nèi)部的多晶硅電極層8。在接著的圖65的工藝中，在從N+發(fā)射區(qū)3的表面上形成的各個溝槽6的上部分中形成層間絕緣膜9。在接著的圖66的工藝中，形成與N+發(fā)射區(qū)3，P基區(qū)層2以及陽極P-層14連接的發(fā)射極電極10。然后，與實施形態(tài)5相同，通過在N-襯底1的背面上形成集電區(qū)P+層5，陰極N+層4以及集電極電極11，得到具有圖42的構(gòu)造的半導體器件。
(實施形態(tài)14)圖67至圖74是示出制造實施形態(tài)10的變形例4(圖48)的半導體器件時的各個工藝階段中的器件構(gòu)造的縱剖面圖。首先，在圖67的工藝中，準備成為N-襯底1的N型硅襯底。在接著的圖68的工藝中，在N-襯底1的表面上選擇性地形成N層15。在接著的圖69的工藝中，在N-襯底1的表面上選擇性地形成P基區(qū)層，使得從N-襯底1的表面朝向內(nèi)部形成的N層15包圍。在接著的圖70的工藝中，在P基區(qū)層的表面上選擇性地形成發(fā)射N+層3。在接著的圖71的工藝中，去除發(fā)射N+層3的一部分那樣，形成從發(fā)射N+層3到達N-襯底1內(nèi)部的溝槽(主溝槽)6，在溝槽6的內(nèi)部整個面地形成絕緣膜7。在接著的圖72的工藝中，形成作為導電性物質(zhì)的多晶硅膜，然后通過腐蝕，形成充填各個溝槽6的內(nèi)部的多晶硅電極層8。在接著的圖73的工藝中，在各個溝槽6的上部形成層間絕緣膜9。在接著的圖74的工藝中，形成與N+發(fā)射區(qū)3、P基區(qū)層2以及P基區(qū)側(cè)面擴散區(qū)14連接的發(fā)射極電極10。如果在該電極10的形成之前形成鉑等構(gòu)成肖特基結(jié)的物質(zhì)，則如圖74所示，能夠形成肖特基結(jié)13。然后，與實施形態(tài)5相同，通過在N-襯底1的背面上形成集電區(qū)P+層5，陰極N+層4以及集電極電極11，可以得到具有圖48的構(gòu)造的半導體器件。
(各個實施形態(tài)中的共同的變形例)另外，在各個實施形態(tài)1～14中的一個例子中，記述了N溝道的IGBT器件，而對于P溝道的IGBT器件，當然也能夠適用各個實施形態(tài)1～7中的技術(shù)特征。
另外，如已經(jīng)敘述的那樣，在N溝道或者P溝道的縱向MOSFET器件(二極管單元內(nèi)置型的溝槽型MOSFET)中也能夠適用各個實施形態(tài)中的技術(shù)特征。這種情況下，不需要第3半導體層5，在半導體襯底1的第2主面1LS上整個面地形成第4半導體層4。圖75以及圖76示出把本發(fā)明適用在縱向MOSFET器件中的代表例。
以上詳細地公開并記述了本發(fā)明的實施形態(tài)，以上的記述例示了能夠適用本發(fā)明的情況，但是本發(fā)明并不限于這些情況。即，在沒有從本發(fā)明范圍脫離的范圍內(nèi)能夠考慮對于所記述的情況的各個種修正或者變形例。
本發(fā)明的功率半導體器件，即，二極管內(nèi)置型的絕緣柵型晶體管在產(chǎn)業(yè)上能夠利用為電力變換設(shè)備，例如驅(qū)動電機等負載的逆變器電路中的FWD內(nèi)置型開關(guān)元件。圖37的框圖示出了對于這樣的三相交流電機用逆變器電路的應用例。
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵型晶體管，具備具有第1主面以及第2主面的第1導電類型的半導體襯底；從上述半導體襯底的上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成為阱狀的第2導電類型的第1半導體層，該第1半導體層具有第1側(cè)面擴散區(qū)、與上述第1側(cè)面擴散區(qū)相對的第2側(cè)面擴散區(qū)和位于上述第1側(cè)面擴散區(qū)與上述第2側(cè)面擴散區(qū)之間的平坦區(qū)，上述平坦區(qū)的底面構(gòu)成與上述第1主面大致平行的大致平坦面；從上述第1主面貫通上述第1半導體層的底面的主溝槽，上述主溝槽的底部位于上述半導體襯底內(nèi)上述第1半導體層的正下方部分中；在上述主溝槽的整個上述底部以及側(cè)面上形成的絕緣膜；形成在上述絕緣膜的整個面上來充填上述主溝槽的控制電極；從上述第1主面朝向上述第1半導體層的上述平坦區(qū)內(nèi)形成的上述第1導電類型的第2半導體層，該第2半導體層具有位于上述第1主面上的上表面、與上述上表面相對且構(gòu)成底部的下表面和由上述上表面和上述下表面夾在中間且相互對準的第1以及第2側(cè)面；形成在上述第2半導體層的上述上表面上以及上述第1半導體層的上述第1側(cè)面擴散區(qū)上的第1主電極；從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的上述第1導電類型的第4半導體層；形成在上述半導體襯底的上述第2主面上且與上述第4半導體層電導通的第2主電極，上述第2半導體層的上述第1側(cè)面與上述主溝槽的上述側(cè)面結(jié)合，上述第1側(cè)面擴散區(qū)的底面相對于上述第1主面的深度，從其最大深度位置開始，朝向位于上述第1主面且與上述第1主電極結(jié)合的上述第1側(cè)面擴散區(qū)的表面，連續(xù)而且平滑地逐漸變淺，同時，上述第2側(cè)面擴散區(qū)的底面相對于上述第1主面的深度，從其最大深度位置開始，朝向位于上述第1主面且與上述第1主電極結(jié)合的上述第2側(cè)面擴散區(qū)的表面，連續(xù)而且平滑地逐漸變淺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于還具備從上述第1主面貫通上述第1側(cè)面擴散區(qū)的上述底面的第1輔助溝槽，該第1輔助溝槽的底部位于上述半導體襯底內(nèi)上述第1側(cè)面擴散區(qū)的下方部分中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于還具備從上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成且與上述第1側(cè)面擴散區(qū)相對的上述第2導電類型的阱層，在上述第1主面內(nèi)，還在由上述阱層的底面與上述第1主面的結(jié)合部分和上述第1側(cè)面擴散區(qū)的上述底面與上述第1主面的結(jié)合部分夾在中間的阱間區(qū)上形成上述第1主電極，而且，在上述阱間區(qū)正上方的上述第1主電極與位于該阱間區(qū)正下方的上述半導體襯底部分之間，形成有呈現(xiàn)肖特基結(jié)的薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利3所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于條帶狀地交互形成MOS構(gòu)造在上述第1主面上占有的MOS構(gòu)造區(qū)和二極管單元在上述第1主面上占有的二極管單元區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任一項所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于還具備從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的、與上述第4半導體層鄰接且與上述第2主電極電導通的上述第2導電類型的第3半導體層。
6.一種絕緣柵型晶體管，具備具有第1主面以及第2主面的第1導電類型的半導體襯底；從上述半導體襯底的上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成且具有構(gòu)成與上述第1主面大致平行的大致平坦面的第1底面的第2導電類型的第1半導體層；從上述半導體襯底的上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成且具有構(gòu)成與上述第1主面大致平行的大致平坦面、同時比上述第1底面淺的第2底面的上述第2導電類型的第5半導體層；從上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的主溝槽，該主溝槽把上述第1半導體層與上述第5半導體層相互分離且具有比上述第1底面深的底部；在上述主溝槽的整個上述底部以及側(cè)面上形成的絕緣膜；形成在上述絕緣膜的整個面上來充填上述主溝槽的控制電極；從上述第1主面朝向上述第1半導體層內(nèi)形成的上述第1導電類型的第2半導體層，該第2半導體層具有位于上述第1主面上的上表面、與上述上表面相對且構(gòu)成底部的下表面和由上述上表面和上述下表面夾在中間且相互對準的第1以及第2側(cè)面；形成在上述第2半導體層的上述上表面上以及上述第5半導體層的上表面上的第1主電極；從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的上述第1導電類型的第4半導體層；形成在上述半導體襯底的上述第2主面上且與上述第4半導體層電導通的第2主電極，上述第2半導體層的上述第1側(cè)面與上述主溝槽的上述側(cè)面結(jié)合，上述第5半導體層的上述第2底面隔著上述半導體襯底與上述第4半導體層相對，上述第5半導體層的雜質(zhì)濃度比上述第1半導體層的雜質(zhì)濃度低。
7.根據(jù)權(quán)利6所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于條帶狀地交互形成MOS構(gòu)造在上述第1主面上占有的MOS構(gòu)造區(qū)和二極管單元在上述第1主面上占有的二極管單元區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于還具備從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的、與上述第4半導體層鄰接且與上述第2主電極電導通的上述第2導電類型的第3半導體層。
9.一種絕緣柵型晶體管，具備具有第1主面以及第2主面的第1導電類型的半導體襯底；從上述半導體襯底的上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成為阱狀的第2導電類型的第1半導體層，該第1半導體層具有第1側(cè)面擴散區(qū)、與上述第1側(cè)面擴散區(qū)相對的第2側(cè)面擴散區(qū)和位于上述第1側(cè)面擴散區(qū)與上述第2側(cè)面擴散區(qū)之間的平坦區(qū)，上述平坦區(qū)具有構(gòu)成與上述第1主面大致平行的大致平坦面的第1底面；從上述第1主面通過上述第1半導體層朝向上述半導體襯底的內(nèi)部形成的主溝槽，該主溝槽把上述第1側(cè)面擴散區(qū)與上述平坦區(qū)相互分離且具有比上述第1底面深的底部；在上述主溝槽的整個上述底部以及側(cè)面上形成的絕緣膜；形成在上述絕緣膜的整個面上來充填上述主溝槽的控制電極；從上述第1主面朝向上述第1半導體層內(nèi)形成的上述第1導電類型的第2半導體層，該第2半導體層具有位于上述第1主面上的上表面、與上述上表面相對且構(gòu)成底部的下表面和由上述上表面和上述下表面夾在中間且相互對準的第1以及第2側(cè)面；從上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成且與上述第1側(cè)面擴散區(qū)相對的上述第2導電類型的阱層；從在上述第1主面內(nèi)從由上述第1側(cè)面擴散區(qū)與上述阱層的側(cè)面擴散區(qū)夾在中間的區(qū)域朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的、與上述第1側(cè)面擴散區(qū)的一部分以及上述阱層的上述側(cè)面擴散區(qū)的一部分結(jié)合的上述第2導電類型的第5半導體層，該第5半導體層具有構(gòu)成與上述第1主面大致平行的大致平坦面且比上述第1底面淺的第2底面；從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的上述第1導電類型的第4半導體層；形成在上述第2半導體層的上述上表面上以及上述第5半導體層的上表面上的第1主電極；形成在上述半導體襯底的上述第2主面上且與上述第4半導體層電導通的第2主電極，上述第2半導體層的上述第1側(cè)面與上述主溝槽的上述側(cè)面結(jié)合，上述第5半導體層的上述第2底面隔著上述半導體襯底與上述第4半導體層相對，上述第5半導體層的雜質(zhì)濃度比上述第1半導體層的雜質(zhì)濃度低。
10.根據(jù)權(quán)利9所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于條帶狀地交互形成MOS構(gòu)造在上述第1主面上占有的MOS構(gòu)造區(qū)和二極管單元在上述第1主面上占有的二極管單元區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于還具備從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的、與上述第4半導體層鄰接且與上述第2主電極電導通的上述第2導電類型的第3半導體層。
12.一種絕緣柵型晶體管，具備具有第1主面以及第2主面的第1導電類型的半導體襯底；從上述半導體襯底的上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的第2導電類型的第1半導體層，該第1半導體層具有構(gòu)成與上述第1主面大致平行的大致平坦面的第1底面；從上述第1主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成且具有比上述第1底面深的底部的主溝槽；在上述主溝槽的整個上述底部以及側(cè)面上形成的絕緣膜；形成在上述絕緣膜的整個面上來充填上述主溝槽的控制電極；從上述第1主面朝向上述第1半導體層內(nèi)形成的上述第1導電類型的第2半導體層，該第2半導體層具有位于上述第1主面上的上表面、與上述上表面相對且構(gòu)成底部的下表面和由上述上表面和上述下表面夾在中間且相互對準的第1以及第2側(cè)面；具有與上述第1半導體層的上述第1底面構(gòu)成界面的表面、與上述界面相對的第3底面和由上述界面和上述第3底面夾在中間的第3側(cè)面以及第4側(cè)面的上述第1導電類型的第6半導體層；形成在上述第1主面中的上述第1半導體層的上表面上以及上述第2半導體層的上述上表面上的第1主電極；從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的上述第1導電類型的第4半導體層；形成在上述半導體襯底的上述第2主面上且與上述第4半導體層電導通的第2主電極，上述第2半導體層的上述第1側(cè)面、與上述第2半導體層的上述下表面結(jié)合的上述第1半導體層的側(cè)面、以及上述第6半導體層的上述第3側(cè)面的各個側(cè)面都與上述主溝槽的上述側(cè)面結(jié)合，上述第6半導體層的雜質(zhì)濃度比上述半導體襯底的雜質(zhì)濃度高且比上述第4半導體層的雜質(zhì)濃度低。
13.根據(jù)權(quán)利12所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于條帶狀地交互形成MOS構(gòu)造在上述第1主面上占有的MOS構(gòu)造區(qū)和二極管單元在上述第1主面上占有的二極管單元區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于還具備從上述半導體襯底的上述第2主面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成的、與上述第4半導體層鄰接且與上述第2主電極電導通的上述第2導電類型的第3半導體層。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的絕緣柵型晶體管，其特征在于上述第4半導體層從上述半導體襯底的上述第2主面的整個面朝向上述半導體襯底內(nèi)形成。
全文摘要
本發(fā)明在FWD內(nèi)置型的絕緣柵型晶體管中改善二極管動作中的恢復特性，在每個IGBT單元中，形成阱狀的P基區(qū)層2，在其正下方的背面一側(cè)部分中形成集電區(qū)P+層5以及陰極N+層4，各個IGBT單元的P基區(qū)層2具有1)由主溝槽6貫通其底部2BF且具有發(fā)射區(qū)3的平坦區(qū)2FR，2)把平坦區(qū)2FR夾在中間的第1以及第2側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2，第1側(cè)面擴散區(qū)2SDR1位于陰極N+層4的正上方，兩個側(cè)面擴散區(qū)2SDR1、2SDR2的底部2BS1、2BS2的縱剖面形狀構(gòu)成緩慢變化的放射線，另外，如果把集電區(qū)P+層5用陰極N+層4置換，則本構(gòu)造的特征部分還能夠適用在功率MOSFET中。
文檔編號H01L27/04GK1591902SQ20041006443
公開日2005年3月9日 申請日期2004年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月27日
發(fā)明者高橋英樹 申請人:三菱電機株式會社