專利名稱：溝槽柵型半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溝槽柵型半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
溝槽柵型半導(dǎo)體裝置例如絕緣柵雙極晶體管(即IGBT)和MOS場效應(yīng)晶體管(即MOSFET)是已經(jīng)公知的。例如在USP6,737,705中公開了一種溝槽柵型IGBT。該IGBT具有單元跳躍結(jié)構(gòu)。具體地，有些單元區(qū)域定期跳躍以在IGBT中布置，從而使得打開狀態(tài)的電壓降低。這里，在普通的IGBT中，多個單元區(qū)域串聯(lián)地布置在IGBT中。各個單元區(qū)域都用作一個元件。
在具有單元跳躍結(jié)構(gòu)的IGBT中，溝槽中的柵極絕緣薄膜的厚度為均勻的，即均質(zhì)的。另外，溝槽的底部具有大的曲率半徑，從而減小溝槽底部的電場集中。當(dāng)通過開關(guān)操作將電壓作用于集電極時，電場可能在溝槽的底部集中。通過增大溝槽底部的曲率半徑，可以防止或減小電場集中。
另外，需要IGBT減小當(dāng)IGBT開關(guān)打開或者開關(guān)關(guān)閉時的開關(guān)損失，從而改進裝置效率。因此，對于在開關(guān)關(guān)閉時開關(guān)損失的減小，需要減小柵電阻，從而使得電流切斷速度di/dt變大。然而，當(dāng)該方法用于IGBT時，出現(xiàn)了下面的問題。具體地，當(dāng)IGBT用于開關(guān)如400安培的大電流從而驅(qū)動電感負載時，問題就出現(xiàn)了。
當(dāng)IGBT關(guān)閉時，在電壓波形中出現(xiàn)了不同于普通IGBT電壓波形的電壓浪涌。因此，集電極電壓增大至最大電壓，大于電源電壓。此后，集電極電壓降低，并變?yōu)楹愣ǖ模扔陔娫措妷骸?br> 浪涌電壓隨著電流切斷速度變大而變大。因此，在IGBT中電流切斷速度變大從而降低IGBT關(guān)閉時的開關(guān)損失的情況下，浪涌電壓變大。另外，當(dāng)浪涌電壓超過了裝置的屈服電壓(yielding voltage)時，并且當(dāng)裝置吸收能量超過擊穿能量時，裝置就會被損壞。
這里，當(dāng)溝槽柵型IGBT具有單元跳躍結(jié)構(gòu)時會發(fā)生這種擊穿。另外，在IGBT具有普通構(gòu)造而不具有單元跳躍結(jié)構(gòu)時會發(fā)生擊穿。另外，在溝槽柵型MOSFET中會發(fā)生擊穿。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有小的浪涌電壓的半導(dǎo)體裝置。
半導(dǎo)體裝置包括具有第一傳導(dǎo)型或者第二傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第一半導(dǎo)體層的表面上的第二半導(dǎo)體層；具有第一傳導(dǎo)型并且布置在第二半導(dǎo)體層的表面上的第三半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第三半導(dǎo)體層的表面部分的一部分中的第四半導(dǎo)體層；從第三半導(dǎo)體層的表面穿過第四半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層并到達第二半導(dǎo)體層的溝槽；布置在溝槽內(nèi)壁上的柵極絕緣薄膜；布置在溝槽中柵極絕緣薄膜上的柵電極；與第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層電連接的第一電極；以及與第一半導(dǎo)體層電連接的第二電極。溝槽包括具有彎曲表面的底部，并且溝槽底部的彎曲表面具有等于或小于0.5μm的曲率半徑。
在上述裝置中，當(dāng)IGBT關(guān)閉時以正方式(positive manner)在溝槽的底部產(chǎn)生電場集中。因此，當(dāng)IGBT關(guān)閉時，雪崩電流通過溝槽底部的電場集中而流動，從而使得電流切斷速度變小。因此，降低了浪涌電壓，從而使得IGBT關(guān)閉時裝置具有小的浪涌電壓。
另外，半導(dǎo)體裝置包括具有第一傳導(dǎo)型或者第二傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第一半導(dǎo)體層的表面上的第二半導(dǎo)體層；具有第一傳導(dǎo)型并且布置在第二半導(dǎo)體層的表面上的第三半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第三半導(dǎo)體層的表面部分的一部分中的第四半導(dǎo)體層；從第三半導(dǎo)體層的表面穿過第四半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層并到達第二半導(dǎo)體層的溝槽；布置在溝槽內(nèi)壁上的柵極絕緣薄膜；布置在溝槽中柵極絕緣薄膜上的柵電極；與第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層電連接的第一電極；以及與第一半導(dǎo)體層電連接的第二電極。該柵極絕緣薄膜包括底部部分和側(cè)部部分。柵極絕緣薄膜的底部部分布置在溝槽的底部上。柵極絕緣薄膜的側(cè)部部分布置在溝槽的側(cè)壁上。柵極絕緣薄膜的底部部分的厚度大于柵極絕緣薄膜的側(cè)部部分的厚度。
在上述裝置中，當(dāng)IGBT關(guān)閉時以正方式在溝槽的底部產(chǎn)生電場集中。因此，當(dāng)IGBT關(guān)閉時，雪崩電流通過溝槽底部的電場集中而流動，從而使得電流切斷速度變小。因此，降低了浪涌電壓，從而使得IGBT關(guān)閉時裝置具有小的浪涌電壓。


由下面參考附圖的詳細敘述，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點將會變得更加清楚。附圖中圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的溝槽柵型IGBT的橫截面圖；圖2是顯示在根據(jù)第一實施例的IGBT中浪涌電壓Vpeak和溝槽底部的曲率半徑之間關(guān)系的曲線圖；圖3是顯示在根據(jù)第一實施例的IGBT中關(guān)閉情況下的能量損失Eoff和浪涌電壓Vpeak之間關(guān)系的曲線圖；圖4是顯示在根據(jù)第一實施例的IGBT中打開情況下的能量損失Eon和電流切斷速度di/dt之間關(guān)系的曲線圖；圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的溝槽柵型IGBT的橫截面圖；圖6A是顯示在靠模擬模型獲得的IGBT中打開情況下的能量損失Eon和電流切斷速度di/dt之間關(guān)系的曲線圖；而圖6B是顯示作為模擬模型的IGBT的橫截面圖；圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例修改例的溝槽柵型MOSFET的橫截面圖；圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例比較例的溝槽柵型IGBT的橫截面圖；圖9是顯示具有IGBT的示例電路的電路圖；以及圖10是顯示圖9中IGBT關(guān)閉情況下工作波形的曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明人預(yù)先研究了溝槽柵型半導(dǎo)體裝置作為比較。
溝槽柵型IGBT是溝槽柵型半導(dǎo)體裝置的一個示例。在圖8中顯示該IGBT。該IGBT具有單元跳躍(cell skipping)結(jié)構(gòu)。具體地，有些單元區(qū)域周期性跳躍以布置在IGBT中從而使得打開狀態(tài)的電壓降低。在這里，通常將多個單元區(qū)域串聯(lián)地布置在IGBT中。每個單元區(qū)域用作元件。
該IGBT包括P+型層1、N-型漂移層2、P型基極區(qū)3、N+型發(fā)射極區(qū)4、溝槽5、柵極絕緣薄膜6、柵電極7、發(fā)射電極8以及集電極9。N-型漂移層2布置在P+型層1的表面上。P型基極區(qū)3布置在N-型漂移層2的表面上。N-型發(fā)射極區(qū)4布置在P型基極區(qū)3中，并且布置在P型基極區(qū)3的表面?zhèn)壬?。溝?從基極區(qū)3的表面穿透過N+型發(fā)射極區(qū)4和P型基極區(qū)3并到達N-型漂移層2。在溝槽5的內(nèi)壁上形成了柵極絕緣薄膜6。在柵極絕緣薄膜6上形成了柵電極7、并且布置在溝槽5中。發(fā)射電極8布置在基極區(qū)3的表面上。另外，發(fā)射電極8與基極區(qū)3以及發(fā)射極區(qū)4的一部分電連接。集電極9布置在P+型層1的背側(cè)，并且與P+型層1電連接。
P型基極區(qū)3包括被溝槽5電隔離的第一部分3a和第二部分3b。P型基極區(qū)3的第一部分3a布置在溝槽的左側(cè)，如圖8中所示。發(fā)射極區(qū)4和P型主體區(qū)域10只在第一部分3a中形成。在左側(cè)的第一部分3a通過P型主體部分10與發(fā)射電極8電連接。發(fā)射極區(qū)4布置在溝槽5附近的表面部分的一部分上。在第一部分接觸溝槽5的區(qū)域中形成了通道。第一部分3a表示上述的單元區(qū)域。
基極區(qū)3的第二部分布置在溝槽5的右側(cè)上。第二部分3b通過絕緣薄膜11與發(fā)射電極8以及其它電極電隔離。因此，第二部分的電勢是電浮動的。第二部分表示跳躍單元區(qū)域的部分。具體地，從多個單元區(qū)域中去除一個單元區(qū)域，從而形成第二部分3b。
在這個IGBT中，溝槽5中的柵極絕緣薄膜6的厚度是均勻的。另外，溝槽5底部具有大的曲率半徑，從而減小在溝槽5底部5a的電場集中。當(dāng)通過開關(guān)操作將電壓作用于集電極時，電場會在溝槽5底部5a集中。通過增加溝槽5底部5a的曲率半徑，防止了電場集中。
本發(fā)明人預(yù)先研究了曲率半徑。具體地，當(dāng)在基極區(qū)3中垂直于基片表面形成溝槽時，溝槽5的寬度5c等于或大于1.2μm，并且溝槽5底部5a的曲率半徑等于或大于0.6μm。
在開關(guān)打開或者開關(guān)關(guān)閉時，對于IGBT需要降低開關(guān)損失，從而改善裝置的效率。因此，對于關(guān)閉開關(guān)時降低開關(guān)損失，考慮要降低柵電阻從而使得電流切斷速度di/dt變得更大。然而，當(dāng)將這種方法用于IGBT時，會發(fā)生下面的問題。具體地，當(dāng)IGBT用于開關(guān)例如400安培的大電流從而驅(qū)動電感負載時，問題就出現(xiàn)了。
圖9顯示用IGBT驅(qū)動電感負載的示例性電路。柵電阻R1和用于施加?xùn)艠O電壓的電源E1串聯(lián)地連接在IGBT的柵極和接地之間。電感L1和電壓電源E2串聯(lián)地連接在IGBT的集電極和接地之間。另外，空轉(zhuǎn)二極管D和用于吸收浪涌的第二電感L2與第一電感L1并聯(lián)地連接。在這里，第一電感L1為負載電感，而第二電感L2為線路的寄生電感。柵電阻R1的電阻Rg＝10Ω，電源E1的電壓Vg為15V，第一電感L1為200μH，第二電感L2為200nH，而電壓電源E2的電壓為650V。
圖10顯示IGBT關(guān)閉時的工作波形。圖10顯示當(dāng)示例電路具有圖9所示結(jié)構(gòu)時工作波形的模擬結(jié)果。如圖10中所示，當(dāng)IGBT關(guān)閉時，在電壓波形中出現(xiàn)了電壓浪涌，這與通常的IGBT電源波形不同。因此，集電極電壓Vc增大至大于電源電源的最大電壓Vpeak。此后，集電極電壓Vc降低，并變?yōu)楹愣ǖ亍⒌扔陔娫措妷骸?br> 下面解釋發(fā)生電壓浪涌的原因。在圖9所示的電路中，當(dāng)IGBT關(guān)閉時，累積在負載電感L1中的電能通過空轉(zhuǎn)二極管D釋放掉。具體地，集電極電流Ic從400安培變?yōu)榱惆才?。然而，寄生電感L2布置在空轉(zhuǎn)二極管D與其連接的線路中。因此，借助于寄生電感L2產(chǎn)生了電壓浪涌。具體地，浪涌電壓被定義為最大電壓Vpeak。
當(dāng)電流切斷速度變得更大時，浪涌電壓Vpeak也變大。因此，在IGBT中電流的切斷電壓變大從而降低IGBT關(guān)閉時的開關(guān)損失的情況下，浪涌電壓Vpeak變得更大。另外，當(dāng)浪涌電壓Vpeak超過裝置的屈服電壓時，并且當(dāng)裝置的吸收能量超過擊穿能量時，裝置就會被損壞。
(第一實施例)考慮到上述觀點，提供了一種IGBT作為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體裝置。該IGBT用于驅(qū)動電感負載。例如，該IGBT用于開關(guān)例如400安培的大電流。
這里，在圖1所示的IGBT中，P型導(dǎo)電表示第一型導(dǎo)電，N型導(dǎo)電表示第二型導(dǎo)電，P+型層1表示第一半導(dǎo)體層，N-型漂移層2表示第二半導(dǎo)體層，P型基極區(qū)3表示第三半導(dǎo)體層，N+型發(fā)射極區(qū)4表示第四半導(dǎo)體層，發(fā)射電極8表示第一電極，而集電極9表示第二電極。
P+型層1例如由硅基體制成。柵極絕緣薄膜6例如由氧化硅薄膜(即SiO2薄膜)制成。另外，柵電極7例如由多晶硅(即，poly-Si)制成，其中摻雜了高濃度的磷(即，P)原子，從而降低了poly-Si的電阻。
在該IGBT中，溝槽5垂直于P+型層1的表面形成。溝槽5的寬度5c為1μm，不同于圖6中IGBT的溝槽寬度。溝槽5底部5a的曲率半徑在0μm和0.5μm的范圍之間。
當(dāng)?shù)撞?a的整體形狀由彎曲表面形成時，底部5a的曲率半徑被定義為底部5a整體形狀的曲率半徑。當(dāng)?shù)撞?a的形狀部分地包括彎曲表面時，底部5a的曲率半徑被定義為底部5a一部分的最小曲率半徑。另外，當(dāng)?shù)撞?a的形狀包括多個彎曲表面時，底部5a的曲率半徑被定義為在所有彎曲表面中底部5a一部分的最小曲率半徑。例如，當(dāng)溝槽5的底部5a由平面形表面和彎曲拐角構(gòu)成時，溝槽5底部5a的彎曲半徑被定義為彎曲拐角的曲率半徑。在這里，平面形表面布置在溝槽5的底部表面上，而拐角布置在溝槽5底部表面的兩端上。
當(dāng)設(shè)計IGBT時，要考慮電場集中來確定溝槽5底部5a的曲率半徑。這是因為電場集中會影響IGBT的性能。
當(dāng)溝槽5底部5a的曲率半徑等于或小于0.5μm時，如下所述形成溝槽5。例如，其中形成了N-型漂移層2和P型基極區(qū)3的P+型層1被各向異性地蝕刻，從而使得溝槽5的溝槽寬度5c等于或小于1μm。在這種情況下，底部5a的曲率半徑變成等于或小于0.5μm。
在該IGBT中，布置在溝槽5底部5a上的柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度大于布置在溝槽5側(cè)壁5b上的柵極絕緣薄膜6的側(cè)部部分6b的厚度。
優(yōu)選地，柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度等于或大于側(cè)部部分6b厚度的兩倍。另外，在溝槽5的側(cè)壁5b上均勻地形成側(cè)壁6b的厚度。
柵極絕緣薄膜6與P型基極區(qū)3通道區(qū)域相接觸的部分具有均勻厚度。柵極絕緣薄膜6的底部部分6a并不具有均勻的厚度。布置在側(cè)部部分6b附近的一部分底部部分6a的厚度小于底部部分6a的其它部分的厚度。具體地，在N-型漂移層2與P型基極區(qū)3之間結(jié)合部分周圍的這部分底部部分6a的厚度小于底部部分6a的其它部分。
下面敘述形成柵極絕緣薄膜6的方法，其中柵極絕緣薄膜6的底部部分6a比柵極絕緣薄膜6的側(cè)部部分6b更厚。例如，溝槽5底部5a的晶體表面取向被選擇具有高的氧化薄膜晶體生長速度，其比溝槽5側(cè)壁5b的晶體表面取向的氧化薄膜晶體生長速度更高。因此，柵極絕緣薄膜6在溝槽5的底部5a上以高的晶體生長速度沉積，而在溝槽5的側(cè)壁5b上以低的晶體生長速度沉積。因此，布置在溝槽5底部5a上的柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度大于布置在溝槽5側(cè)壁5b上的柵極絕緣薄膜6側(cè)部部分6b的厚度。
在圖8所示的IGBT中，溝槽5底部5a的曲率半徑等于或大于0.6μm。然而，在圖1所示的IGBT中，溝槽5底部5a的曲率半徑等于或小于0.5μm，因此當(dāng)裝置關(guān)閉時在溝槽5的底部5a上產(chǎn)生了電場集中。因此，在圖1所示的IGBT中，易于產(chǎn)生雪崩擊穿，即以正方式形成的圖1的IGBT具有其中易于產(chǎn)生雪崩擊穿的結(jié)構(gòu)。
另外，由于柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度大于側(cè)部部分6b的厚度，當(dāng)裝置關(guān)閉時在溝槽5的底部5a上產(chǎn)生了電場集中。因此，在圖1所示的IGBT中，易于產(chǎn)生雪崩擊穿，即以正方式形成的圖1的IGBT具有其中易于產(chǎn)生雪崩擊穿的結(jié)構(gòu)。
下面解釋易于產(chǎn)生雪崩擊穿的原因。柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度不是均質(zhì)的，使得底部部分6a在側(cè)部部分6b附近的部分的厚度小于柵極絕緣薄膜6的其它部分的厚度。因此，在柵極絕緣薄膜6具有大厚度的其它部分，電場被減小，即被緩和。然而，在柵極絕緣薄膜6具有小厚度的部分，電場變得密集。因此，電場在柵極絕緣薄膜6具有小厚度的部分集中，因此易于產(chǎn)生雪崩擊穿。
解釋當(dāng)IGBT關(guān)閉時圖9中電路的特性。當(dāng)柵極電壓關(guān)閉時，集電極電壓增大。同時，集電極電流開始減小。在圖1所示的IGBT中，當(dāng)集電極電流增大時，在溝槽5的底部5a的電場變得密集。因此，易于產(chǎn)生雪崩擊穿，從而使得雪崩電流流動。
除了集電極電流還有雪崩電流流動。因此，在圖1和圖8中的兩個IGBT之間開關(guān)損失均衡的情況下，相比較圖8所示的IGBT，在該IGBT中的電流切斷速度di/dt變得更小。
因此，基于電流切斷速度di/dt的大小以及線路的寄生電感L2來確定集電極電壓的增大。因此，相比圖8所示的IGBT，圖1所示IGBT中的集電極電壓的增大被抑制，從而使得浪涌電壓Vpeak變小。
因此，在用于圖9所示電路的IGBT中，柵電阻降低，因此即使在能量損失小時也防止擊穿產(chǎn)生。
圖2顯示浪涌電壓Vpeak和溝槽5底部5a的曲率半徑之間的關(guān)系。IIA表示柵極絕緣薄膜6的厚度變?yōu)榫|(zhì)的情況，而IIB表示柵極絕緣薄膜6底部部分6a比溝槽6側(cè)壁6b更厚的情況。
當(dāng)溝槽5底部5a的曲率半徑等于或小于0.5μm時，隨著曲率半徑變小，在柵極絕緣薄膜6的厚度為均質(zhì)的情況下，浪涌電壓Vpeak變小，如圖2中IIA所示的情況。另外，隨著曲率半徑變小，在柵極絕緣薄膜6底部部分6a比溝槽6側(cè)壁6b更厚的情況下，浪涌電壓Vpeak變小，如圖2中IIB所示的情況。
如下所述，圖1中示出的IGBT在IGBT打開，即開啟時具有小的能量損失。
盡管圖1中的IGBT具有使得溝槽5底部5a的曲率半徑等于或小于0.5μm的結(jié)構(gòu)、和使得柵極絕緣薄膜6底部部分6a比側(cè)壁6b更厚的另一結(jié)構(gòu)，替代地，該IGBT也可以具有兩種結(jié)構(gòu)中的至少一種。如下所述，即使當(dāng)IGBT只具有兩種結(jié)構(gòu)中的一種，IGBT也具有小的浪涌電壓。
下面的示例表示了圖1中IGBT的尺寸和IGBT的工作電壓。另外，下面也敘述了比較例。
(示例No.1)溝槽5底部5a的曲率半徑為0.5μm。柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度比側(cè)壁6b的厚度大 倍。具體地，柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度為250nm，并且柵極絕緣薄膜6側(cè)壁6b的厚度100nm。溝槽5的溝槽寬度5c為0.8μm，而溝槽5的溝槽深度為5.0μm。P+型層1的厚度為145μm。臨界電壓為6.4伏特。
(示例No.2)溝槽5底部5a的曲率半徑為0.5μm。柵極絕緣薄膜6的厚度為均質(zhì)的。具體地，柵極絕緣薄膜6的厚度為100nm。溝槽5的溝槽寬度5c為0.8μm，而溝槽5的溝槽深度為5.0μm。P+型層1的厚度為145μm。臨界電壓為6.4伏特。
(示例No.3)溝槽5底部5a的曲率半徑為0.7μm。柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度比側(cè)壁6b的厚度大 倍。具體地，柵極絕緣薄膜6底部部分6a的厚度為250nm，并且柵極絕緣薄膜6側(cè)壁6b的厚度100nm。溝槽5的溝槽寬度5c為1.2μm，而溝槽5的溝槽深度5c為5.4μm。P+型層1的厚度為145μm。臨界電壓為6.4伏特。
(比較例)溝槽5底部5a的曲率半徑為0.7μm。柵極絕緣薄膜6的厚度為均質(zhì)的。具體地，柵極絕緣薄膜6的厚度為100nm。溝槽5的溝槽寬度5c為1-2μm，而溝槽5的溝槽深度為5.4μm。P+型層1的厚度為145μm。臨界電壓為6.4伏特。
圖3和4顯示當(dāng)圖9中的電路為模擬模型時，示例No.1至No.3以及比較例的模擬結(jié)果。在圖3和4中，EX.1表示示例No.1，EX.2表示示例No.2，EX.3表示示例No.3，而COM表示比較例。圖3和4的測量條件與圖10中的條件相同。
圖3顯示IGBT關(guān)閉時的能量損失Eoff和浪涌電壓Vpeak之間關(guān)系。在各個示例No.1至No.3和比較例中，柵電阻R1從5Ω到20Ω變化。當(dāng)柵電阻從5Ω到20Ω變化時，計算各例中的浪涌電壓Vpeak。
在各個示例No.1至No.3和比較例中，隨著柵電阻R1變得更小，關(guān)閉狀態(tài)下的能量損失Eoff變得更小。當(dāng)能量損失Eoff為恒定時，各示例No.1至No.3中的浪涌電壓Vpeak小于比較例中的浪涌電壓。具體地，當(dāng)能量損失Eoff為特定的恒定值時，示例No.1中的浪涌電壓Vpeak是示例No.1至No.3和比較例的所有浪涌電壓Vpeak中最小的。
圖4顯示IGBT打開時的能量損失Eon和電流切斷速度di/dt之間關(guān)系。當(dāng)電流切斷速度di/dt為恒定時，各示例No.1至No.3中的能量損失Eon小于比較例中的能量損失。具體地，當(dāng)電流切斷速度di/dt為特定的恒定值時，示例No.1中的能量損失Eon是示例No.1至No.3和比較例的所有能量損失Eon中最小的。
(第二實施例)圖5顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的IGBT。在根據(jù)第一實施例的IGBT中，溝槽5的側(cè)壁5b垂直于P+型層1的表面。在根據(jù)第二實施例的IGBT中，溝槽5的側(cè)壁5b為傾斜于P+型層1的表面。因此，溝槽5的形狀為錐形。具體地，向著溝槽5的底部5a方向，溝槽寬度5c逐漸減小。
在這種情況中，溝槽5底部5a的曲率半徑變?yōu)榈扔诨蛐∮?.5μm。當(dāng)溝槽5的橫截面形狀為錐形時，溝槽5的側(cè)壁5b和P+型層1的表面之間的角度被定義為錐角?？紤]錐角來確定溝槽5底部5a的曲率半徑。因此，溝槽5的錐角設(shè)計成使得底部5a的曲率半徑變?yōu)榈扔诨蛐∮?.5μm。
溝槽5的成形方法例如是RIE方法(即反應(yīng)離子蝕刻方法)。在這種情況下，當(dāng)正確控制例如氣體類型、氣體壓力以及輸入功率等蝕刻條件時，溝槽5的形狀可以控制為具有預(yù)定的錐形形狀。
(修改)盡管溝槽柵型IGBT具有單元跳躍結(jié)構(gòu)，IGBT也可以具有串聯(lián)單元結(jié)構(gòu)。這里串聯(lián)單元結(jié)構(gòu)是使得多個單元串聯(lián)地布置在IGBT中而不周期性地使單元跳躍。具體地，在溝槽5的右側(cè)上形成N+型發(fā)射極區(qū)4，即發(fā)射極區(qū)4布置在P型基極區(qū)3的第二部分3b中。第二部分3b和發(fā)射極區(qū)4電連接到發(fā)射電極8上。在這種普通的IGBT中，當(dāng)普通IGBT用于圖9所示電路中時，可以降低關(guān)閉情況下的浪涌電壓。然而，只有在具有單元跳躍結(jié)構(gòu)的IGBT中，打開情況下的能量損失被降低。
圖6A顯示通過模擬結(jié)果獲得的電流切斷速度di/dt與IGBT打開情況下的能量損失Eon之間關(guān)系。具體地，被溝槽5電隔離的第一部分3a和第二部分3b之間絕緣特性與能量損失Eon之間關(guān)系如圖6A所示。圖6B顯示IGBT的模擬模型。該絕緣特性定義為電阻R4，其布置在基極區(qū)3的第二部分3b和發(fā)射電極8之間。Ex.3表示上述的示例No.3。
當(dāng)電流切斷速度di/dt為恒定時，隨著電阻R4變小，在打開狀態(tài)下的能量損失Eon變得更大。因此，只有在具有單元跳躍結(jié)構(gòu)的IGBT中，打開情況下的能量損失Eon被降低。
可選地，IGBT可以具有雜質(zhì)濃度比N-型漂移層2更高的N型層。該N型層布置在P+型層1和N-型漂移層2之間。在這種情況中，IGBT具有與第一實施例相同的效果。具體地，在該IGBT中，關(guān)閉情況下的浪涌電壓Vpeak被降低，并且打開情況下的能量損失Eon被降低。
盡管半導(dǎo)體裝置為IGBT，但是半導(dǎo)體裝置也可以具有其它的結(jié)構(gòu)。例如，半導(dǎo)體裝置可以具有圖7所示的結(jié)構(gòu)。在這種情況中，裝置為MOSFET。該MOSFET包括N+型層21代替了圖1所示IGBT中的P+型層1。另外，該MOSFET可以具有N+型層代替IGBT中的P+型層(未示出)。因此，當(dāng)半導(dǎo)體裝置為溝槽柵型裝置時，關(guān)閉情況下的浪涌電壓Vpeak被降低，并且打開情況下的能量損失Eon被降低。
盡管第一傳導(dǎo)型為P型而第二傳導(dǎo)型為N型，但是第一傳導(dǎo)型也可以為N型而第二傳導(dǎo)型可以為P型。在這種情況中，半導(dǎo)體裝置各部分的傳導(dǎo)型為相反的。
本發(fā)明具有下面的方面。
半導(dǎo)體裝置包括具有第一傳導(dǎo)型或者第二傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第一半導(dǎo)體層的表面上的第二半導(dǎo)體層；具有第一傳導(dǎo)型并且布置在第二半導(dǎo)體層的表面上的第三半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第三半導(dǎo)體層的表面部分的一部分中的第四半導(dǎo)體層；從第三半導(dǎo)體層的表面穿過第四半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層并到達第二半導(dǎo)體層的溝槽；布置在溝槽內(nèi)壁上的柵極絕緣薄膜；布置在溝槽中柵極絕緣薄膜上的柵電極；與第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層電連接的第一電極；以及與第一半導(dǎo)體層電連接的第二電極。溝槽包括具有彎曲表面的底部，并且溝槽底部的彎曲表面具有等于或小于0.5μm的曲率半徑。
在上述裝置中，當(dāng)IGBT關(guān)閉時以正方式在溝槽的底部產(chǎn)生電場集中。因此，當(dāng)IGBT關(guān)閉時，雪崩電流通過溝槽底部的電場集中而流動，從而使得電流切斷速度變小。因此，降低了浪涌電壓，從而使得IGBT關(guān)閉時裝置具有小的浪涌電壓。
替代地，柵極絕緣薄膜可以包括底部部分和側(cè)部部分。柵極絕緣薄膜的底部部分布置在溝槽的底部上，柵極絕緣薄膜的側(cè)部部分布置在溝槽的側(cè)壁上。柵極絕緣薄膜的底部部分的厚度大于柵極絕緣薄膜的側(cè)部部分的厚度。在這種情況下，當(dāng)IGBT關(guān)閉時以正方式在溝槽的底部產(chǎn)生了很多的電場集中。因此，大大降低了浪涌電壓，從而使得IGBT關(guān)閉時裝置具有低的浪涌電壓。
另外，柵極絕緣薄膜底部部分的厚度可以等于或大于柵極絕緣薄膜側(cè)部部分厚度的兩倍。另外，溝槽可以垂直于第三半導(dǎo)體層的表面?；蛘?，溝槽可以傾斜于第三半導(dǎo)體層的表面從而使得溝槽具有錐形形狀。
替代地，第三半導(dǎo)體層可以包括通過溝槽電隔離的第一部分和第二部分。第三半導(dǎo)體層的第一部分與第一電極電連接，而第三半導(dǎo)體層的第二部分不與第一電極電連接。在這種情況下，當(dāng)IGBT打開時降低了能量損失。因此，裝置在IGBT打開時具有小的能量損失。另外，第一半導(dǎo)體層具有第一傳導(dǎo)型。該裝置提供了具有單元跳躍結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管，并且第三半導(dǎo)體層的第二部分提供了單元跳躍結(jié)構(gòu)。另外，第一半導(dǎo)體層具有第二傳導(dǎo)型，并且該裝置提供了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
另外，半導(dǎo)體裝置包括具有第一傳導(dǎo)型或者第二傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第一半導(dǎo)體層的表面上的第二半導(dǎo)體層；具有第一傳導(dǎo)型并且布置在第二半導(dǎo)體層的表面上的第三半導(dǎo)體層；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第三半導(dǎo)體層的表面部分的一部分中的第四半導(dǎo)體層；從第三半導(dǎo)體層的表面穿過第四半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層并到達第二半導(dǎo)體層的溝槽；布置在溝槽內(nèi)壁上的柵極絕緣薄膜；布置在溝槽中柵極絕緣薄膜上的柵電極；與第三半導(dǎo)體層和第四半導(dǎo)體層電連接的第一電極；以及與第一半導(dǎo)體層電連接的第二電極。該柵極絕緣薄膜包括底部部分和側(cè)部部分。柵極絕緣薄膜的底部部分布置在溝槽的底部上。柵極絕緣薄膜的側(cè)部部分布置在溝槽的側(cè)壁上。柵極絕緣薄膜的底部部分的厚度大于柵極絕緣薄膜的側(cè)部部分的厚度。
在上述裝置中，當(dāng)IGBT關(guān)閉時以正方式在溝槽的底部產(chǎn)生電場集中。因此，當(dāng)IGBT關(guān)閉時，雪崩電流通過溝槽底部的電場集中而流動，從而使得電流切斷速度變小。因此，降低了浪涌電壓，從而使得IGBT關(guān)閉時裝置具有小的浪涌電壓。
盡管已參考其優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不僅限于優(yōu)選地實施例和結(jié)構(gòu)。本發(fā)明應(yīng)覆蓋不同的變化以及等同的布置。另外，盡管不同結(jié)合和結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，包括更多、更少或只有單一元件的其它的結(jié)合和結(jié)構(gòu)也包括在本發(fā)明的精髓和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種溝槽柵型半導(dǎo)體裝置，包括具有第一傳導(dǎo)型或者第二傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層(1，21)；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第一半導(dǎo)體層(1，21)的表面上的第二半導(dǎo)體層(2)；具有第一傳導(dǎo)型并且布置在第二半導(dǎo)體層(2)的表面上的第三半導(dǎo)體層(3)；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第三半導(dǎo)體層(3)的表面部分的一部分中的第四半導(dǎo)體層(4)；從第三半導(dǎo)體層(3)的表面穿過第四半導(dǎo)體層(4)和第三半導(dǎo)體層(3)并到達第二半導(dǎo)體層(2)的溝槽(5)；布置在溝槽(5)的內(nèi)壁上的柵極絕緣薄膜(6)；布置在溝槽(5)中柵極絕緣薄膜(6)上的柵電極(7)；與第三半導(dǎo)體層(3)和第四半導(dǎo)體層(4)電連接的第一電極(8)；以及與第一半導(dǎo)體層(1，21)電連接的第二電極(9)；其中溝槽(5)包括具有彎曲表面的底部(5a)，并且溝槽(5)底部(5a)的彎曲表面具有等于或小于0.5μm的曲率半徑。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于柵極絕緣薄膜(6)包括底部部分(6a)和側(cè)部部分(6b)；柵極絕緣薄膜(6)的底部部分(6a)布置在溝槽的底部(5a)上；柵極絕緣薄膜(6)的側(cè)部部分(6b)布置在溝槽的側(cè)壁(5b)上；以及柵極絕緣薄膜(6)的底部部分(6a)的厚度大于柵極絕緣薄膜(6)的側(cè)部部分(6b)的厚度。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于柵極絕緣薄膜(6)底部部分(6a)的厚度等于或大于柵極絕緣薄膜(6)側(cè)部部分(6b)厚度的兩倍。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于溝槽(5)垂直于第三半導(dǎo)體層(3)的表面。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于溝槽(5)傾斜于第三半導(dǎo)體層(3)的表面，使得溝槽(5)具有錐形形狀。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的裝置，其特征在于第三半導(dǎo)體層(3)包括由溝槽(5)電隔離的第一部分(3a)和第二部分(3b)；第三半導(dǎo)體層(3)的第一部分(3a)與第一電極(8)電連接；以及第三半導(dǎo)體層(3)的第二部分(3b)不與第一電極(8)電連接。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于第一半導(dǎo)體層(1)具有第一傳導(dǎo)型；該裝置提供了具有單元跳躍結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管；以及第三半導(dǎo)體層(3)的第二部分(3b)提供了單元跳躍結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于第一半導(dǎo)體層(21)具有第二傳導(dǎo)型；以及該裝置提供了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
9.一種溝槽柵型半導(dǎo)體裝置，包括具有第一傳導(dǎo)型或者第二傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層(1，21)；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第一半導(dǎo)體層(1，21)的表面上的第二半導(dǎo)體層(2)；具有第一傳導(dǎo)型并且布置在第二半導(dǎo)體層(2)的表面上的第三半導(dǎo)體層(3)；具有第二傳導(dǎo)型并且布置在第三半導(dǎo)體層(3)的表面部分的一部分中的第四半導(dǎo)體層(4)；從第三半導(dǎo)體層(3)的表面穿過第四半導(dǎo)體層(4)和第三半導(dǎo)體層(3)并到達第二半導(dǎo)體層(2)的溝槽(5)；布置在溝槽(5)的內(nèi)壁上的柵極絕緣薄膜(6)；布置在溝槽(5)中柵極絕緣薄膜(6)上的柵電極(7)；與第三半導(dǎo)體層(3)和第四半導(dǎo)體層(4)電連接的第一電極(8)；以及與第一半導(dǎo)體層(1，21)電連接的第二電極(9)；其中柵極絕緣薄膜(6)包括底部部分(6a)和側(cè)部部分(6b)；柵極絕緣薄膜(6)的底部部分(6a)布置在溝槽(5)的底部(5a)上；柵極絕緣薄膜(6)的側(cè)部部分(6b)布置在溝槽(5)的側(cè)壁(5b)上；以及柵極絕緣薄膜(6)的底部部分(6a)的厚度大于柵極絕緣薄膜(6)的側(cè)部部分(6b)的厚度。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于第三半導(dǎo)體層(3)包括由溝槽(5)電隔離的第一部分(3a)和第二部分(3b)；第三半導(dǎo)體層(3)的第一部分(3a)與第一電極(8)電連接；以及第三半導(dǎo)體層(3)的第二部分(3b)不與第一電極(8)電連接。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于第一半導(dǎo)體層(1)具有第一傳導(dǎo)型；該裝置提供了具有單元跳躍結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管；以及第三半導(dǎo)體層(3)的第二部分(3b)提供單元跳躍結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于第一半導(dǎo)體層(21)具有第二傳導(dǎo)型；以及該裝置提供金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
13.如權(quán)利要求9-12中任一項所述的裝置，其特征在于柵極絕緣薄膜(6)底部部分(6a)的厚度等于或大于柵極絕緣薄膜(6)側(cè)部部分(6b)厚度的兩倍。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于溝槽(5)垂直于第三半導(dǎo)體層(3)的表面。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于溝槽(5)傾斜于第三半導(dǎo)體層(3)的表面，使得溝槽(5)具有錐形形狀。
全文摘要
一種溝槽柵型半導(dǎo)體裝置包括第一半導(dǎo)體層(1，21)；在第一半導(dǎo)體層(1，21)上的第二半導(dǎo)體層(2)；在第二半導(dǎo)體層(2)上的第三半導(dǎo)體層(3)；在第三半導(dǎo)體層(3)的表面部分的一部分中的第四半導(dǎo)體層(4)；穿過第四半導(dǎo)體層(4)和第三半導(dǎo)體層(3)并到達第二半導(dǎo)體層(2)的溝槽(5)；在溝槽(5)的內(nèi)壁上的柵極絕緣薄膜(6)；在溝槽(5)中柵極絕緣薄膜(6)上的柵電極(7)；第一電極(8)；以及第二電極(9)。溝槽(5)包括具有彎曲表面的底部(5a)，彎曲表面的曲率半徑等于或小于0.5μm。
文檔編號H01L29/78GK1855534SQ20061007771
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者都筑幸夫, 戶倉規(guī)仁, 尾關(guān)善彥, 山本建策 申請人:株式會社電裝