反嚮導通型半導體元件及其製造方法
2023-10-19 05:04:17
專利名稱：反嚮導通型半導體元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種在襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor)和整流二極體的反嚮導通型半導體元件及其製造方法。
背景技術：
近年來，逆變器裝置正廣泛應用於家電產品和工業用電力設備等。由於這種逆變器裝置通常使用商用電源(交流電源)，所以由執行將交流電源一次轉換成直流的正向轉換的轉換器部分、平滑電路部分以及將直流電壓反向轉換為交流的逆變器部分構成。並且，在其逆變器部分的主功率元件中，主要使用可高速開關的絕緣柵雙極電晶體。此外，在功率控制用的逆變器裝置中，在每個電晶體晶片中，操作額定電流和額定電壓分別工作在約為數安培～數百安培、數百伏～數千伏的範圍，在靠電阻負載連續改變柵極電壓來使絕緣柵雙極電晶體(IGBT)工作的電路中，作為電流乘以電壓的積的功率就導致在電晶體內部產生熱。根據這些情況，就需要大的散熱器，而功率的轉換效率也會變差，通過組合工作電壓和工作電流，由於電晶體本身因溫度上升而導致熱破壞，所以不適合於採用電阻負載電路。
在許多情況下，由於逆變器裝置的負載為電動感應機(感應性負載的電機)，所以IGBT通常作為開關來進行工作，反覆處於截止狀態和導通狀態，從而控制功率。在感應性負載開關逆變器電路的情況下，雖然從電晶體的導通狀態到截止狀態的切斷過程和從截止狀態到導通狀態的開啟過程由電晶體的導通狀態構成，但流向負載的電流、感應性負載與上下支路(arm)的中間電位點連接，流向感應性負載的電流方向由於為正和負兩個方向，流向負載的電流就一面從負載連接端返回高電位的電源側、一面流向接地側，所以需要具有使流向感應性負載的大電流在支路和閉路之間循環流動用途的續流二極體(free wheeling diode)。
現有的使用IGBT和續流二極體的逆變器電路，由於對IGBT無雙向的通電能力，所以就採用其它晶片來製備反向並聯的環流用的續流二極體。但是，近年來，已經提出了一種一體地內置了環流用的二極體和IGBT的逆變器裝置，以便實現逆變器裝置的小型化、重量輕的目標(專利文獻1、2)。
日本專利申請特開2000-200906號公報[專利文獻2]日本專利申請特開平10-74959號公報發明內容但是，現有的反嚮導通型的絕緣柵雙極電晶體，陽極和陰極處於同一平面上，不具有相同程度的雙向通電能力，由於通過共用用於構成絕緣柵雙極電晶體的要素來構成內置二極體，因此就難於使單個二極體特性最佳化，特別地，就會存在所謂內置二極體的恢復特性比IGBT晶片和續流二極體晶片這2種晶片構成的情況下的二極體的恢復特性更差的問題。
此外，當進行恢復工作時，在處於晶片外周區域的連接終端區域存儲的載流子就會在與單元部分交界的區域處引起電流集中，就存在所謂晶片被破壞的問題。
因此，本發明的目的在於，提供一種在襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和恢復特性優良的整流二極體的反嚮導通型半導體元件。
為了實現上述目的，本發明提供一種反嚮導通型半導體元件，在由第一導電類型的半導體構成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，其特徵在於，上述整流二極體，包括在用於構成上述絕緣柵雙極電晶體的上述襯底的一個表面上，通過摻雜第二導電類型的雜質而形成的第二導電類型的基極層；和由構成上述絕緣柵雙極電晶體的上述第一導電類型的半導體構成的第一導電類型的基極層；且以在上述襯底的一個表面中，形成為覆蓋在上述第二導電類型的基極層的一部分上形成的第一導電類型的發射極層和上述第二導電類型的基極層的發射極電極作為陽極電極；以在上述襯底的另一個表面中，形成為覆蓋上述第一導電類型的基極層和在該第一導電類型的基極層的一部分中形成的第二導電類型的集電極層的集電極電極作為陰極電極，在上述第一導電類型的基極層的一部分中，形成與其它第一導電類型的基極層相比載流子的壽命更短的短壽命區域。
如此構成的本發明的反嚮導通型半導體元件是在上述襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和整流二極體的反嚮導通型半導體元件，由於在上述第一導電類型的基極層的一部分中形成了短壽命區域，所以當進行恢復工作時就能夠減少從上述第一導電類型的基極層轉移的載流子數量，就能夠提高反向回復特性。
圖1是表示根據本發明的實施方式1的反嚮導通型半導體元件結構的剖面圖。
圖2是實施方式1的反嚮導通型半導體元件的正向電壓(VF)與恢復電流的關係圖。
圖3是比較例的反嚮導通型半導體元件的剖面圖。
圖4是使用實施方式1的反嚮導通型半導體元件來構成逆變器電路的情況的電路圖。
圖5是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在襯底上形成P型基極層後的剖面圖。
圖6是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在P型基極層的一部分上形成N+型發射極層後的剖面圖。
圖7是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成貫通N+型發射極層及P型基極層的柵電極用的溝，並在此溝上形成絕緣柵膜後的剖面圖。
圖8是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在溝內的絕緣柵膜上形成柵電極後的剖面圖。
圖9是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成發射極電極後的剖面圖。
圖10是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在襯底的另一個主表面上形成P型集電極層後的剖面圖。
圖11是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在襯底的另一個主表面的P型集電極層之間形成陰極層4後的剖面圖。
圖12是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在襯底的另一個主表面上形成集電極電極後的剖面圖。
圖13是在實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成短壽命區域後的剖面圖。
圖14是表示根據本發明的實施方式2的反嚮導通型半導體元件結構的剖面圖。
圖15是表示未對實施方式2的反嚮導通型半導體元件結構照射電子束時的回覆特性的曲線圖。
圖16是表示選擇地照射電射線的實施方式2的反嚮導通型半導體元件的回覆特性的曲線圖。
圖17是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在襯底上形成P阱層後的剖面圖。
圖18是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成P型基極層後的剖面圖。
圖19是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成N+型發射極層後的剖面圖。
圖20是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成柵絕緣膜(溝槽型絕緣膜)後的剖面圖。
圖21是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成由矽構成的柵電極後的剖面圖。
圖22是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成發射極電極和電極後的剖面圖。
圖23是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成用於覆蓋P阱層和電極的保護膜後的剖面圖。
圖24是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，在襯底的另一個主表面上形成P型集電極層後的剖面圖。
圖25是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，形成與P型集電極層和陰極層歐姆接觸的集電極電極後的剖面圖。
圖26是在實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法中，對電場緩和區照射電子束形成短壽命區域後的剖面圖。
圖27是表示根據本發明的實施方式3的反嚮導通型半導體元件結構的剖面圖。
圖28是表示有選擇地照射電子束並進行氦照射的實施方式3的反嚮導通型半導體元件的回覆特性的曲線圖。
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 發射極電極、8 N+發射極層、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 保護膜具體實施方式
下面，參照
本發明的實施方式。
(實施方式1)本發明的實施方式1的反嚮導通型半導體元件是在由N型半導體(例如，N型矽)構成的襯底1上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和整流二極體的反嚮導通型絕緣柵雙極電晶體，其結構如下所示(圖1)。
在實施方式1的反嚮導通型半導體元件中，絕緣柵雙極電晶體包括
在由N型半導體構成的襯底1的一個側面上形成的(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型雜質而形成的N+型發射極層8；(3)再通過在N+型發射極層8之間摻雜P型雜質而在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+型發射極層8及襯底1的N型半導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+型發射極層8及襯底1的N型半導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+型發射極層8和P+型集電極層相鄰接地形成的發射極電極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型半導體作為N型基極層1a，由此來構成該絕緣柵雙極電晶體。
而且，利用製造方法的說明，將使襯底1的一個側面之上的柵電極結構等的詳細內容更加清楚。
此外，N+型發射極層8中的「N+型」表示比襯底1的N型半導體的N型雜質濃度高，P+型集電極層9中的「P+型」表示比P型基極層2的P型雜質濃度高。
此外，對於實施方式1的反嚮導通型半導體元件，在襯底1的另一個表面上，與P型集電極層3鄰接地形成由N+型半導體構成的陰極層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型半導體(N型基極層1a)的PN結，就在發射極電極7和集電極電極6之間形成整流二極體。而且，發射極電極7相當於整流二極體的陽極電極，集電極電極6相當於整流二極體的陰極電極。
如上述構成的圖1的反嚮導通型半導體元件構成為如圖4所示的絕緣柵雙極電晶體T1和整流二極體D1相連接的結構，其工作如下所示。而且，圖4的電路表示使用本發明的反嚮導通型半導體元件來構成逆變器電路結構的例子。
下面說明其工作。
在圖1的反嚮導通型半導體元件中，對柵極11施加閾值或更大的正向偏壓，在發射極電極7和背面集電極電極6之間施加規定的電壓(發射極電極＜背面集電極電極)時，絕緣柵雙極電晶體成為導通(oN)狀態，通過N型基極層1a、P型基極層2及N+型發射極層8導通。此時，由於整流二極體成為反向偏壓，所以處於截止狀態。
此外，在圖1中的反嚮導通型半導體元件中，對柵極11施加閾值或更大的正向偏壓，在發射極電極7和集電極電極6間施加規定的電壓(發射極電極＞背面集電極電極)時，絕緣柵雙極電晶體不導通，整流二極體成為正向偏壓，電流從發射極電極7經過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(在與絕緣柵雙極電晶體相反的方向上導通)。
此外，對柵極11施加負偏壓，在發射極電極7和背面集電極電極6之間施加規定的電壓(發射極電極＜背面集電極電極)時，通過從P型基極層2起使耗盡層擴展，由此就能夠保持耐壓，由於整流二極體也成為了反向偏置，所以不導通。
由此，在實施方式1的反嚮導通型半導體元件中，整流二極體和絕緣柵雙極電晶體共用P型基極層2和N型基極層1a，在絕緣柵雙極電晶體和整流二極體中，在其各自導通狀態中，相反方向的電流流過P型基極層2和N型基極層1a。
由此，在實施方式1的反嚮導通型半導體元件中，就構成了將絕緣柵雙極電晶體的P型基極層2作為整流二極體的陽極來使用的結構。通常，由於將在逆變器裝置中使用的絕緣柵雙極電晶體的柵極閾值電壓(Vth)設定為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，整流二極體就成為導通狀態，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，以至導致過剩，並在器件內部的N型基極層1a中形成載流子(空穴和電子)過剩存儲的狀態。當二極體反向回復工作(恢復工作)時，存儲在此器件內部的電荷作為反向回復電流(恢復電流)從器件中被抽取出來。根據這樣的理由，在沒有形成短壽命層5的如圖3所示的比較例的反嚮導通型半導體元件中，在將絕緣柵雙極電晶體的P型基極層2作為整流二極體的陽極使用時，就會存在所謂整流二極體的恢復特性變差的問題。
因此，在實施方式1中，位於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域5，通過此短壽命區域5就能夠減少過剩的載流子，就能夠提高整流二極體的回覆特性。
更詳細地，整流二極體的恢復特性是在反嚮導通型半導體元件反方向導通(即整流二極體導通)期間，從載流子大量聚集在N型基極層1a中的狀態到施加反向偏壓時所產生的特性，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，以形成反向回復電流(恢復電流)。
在本實施方式1中，由於從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域5，所以與未進行壽命控制的情況相比，就減少了向反方向導通的狀態下的載流子密度。因此，就能夠減少在恢復工作中轉移出的載流子的數量，並能夠抑制反向回復電流的絕對值。
此外，在恢復期間，流過最大電流之後，電流不會立即變為零，而流過時間常數大的拖尾(tail)電流。為了控制此拖尾電流，雖然存在進行鉑擴散壽命控制或由均勻的電子束照射的壽命控制的情況，但在本實施方式1的在集電極側形成N型陰極層4的集電極短路型的反嚮導通型半導體元件中，在恢復期間，對集電極施加正電壓，由於器件內部的電子被集中在N型陰極層4，與集電極中無陰極區域的情況相比，由於從器件內部電子快速消失，就能夠通過集電極側的N型陰極層4減少拖尾電流，僅通過對靠近P型基極層2的部分進行氦照射的壽命控制，就能夠抑制反向回復電流的絕對值並且能夠抑制拖尾電流，從而改善了反向回復特性。
本發明人研究了為了確認通過此短壽命區域5能夠提高整流二極體的回覆特性的效果，在圖1的結構中試作了1200V量級的元件，將N型基極層(襯底的N型半導體層)的厚度設為190μm，並按照有無氦照射來研究內置二極體的正向電壓降(VF)和反向回復工作時的恢復峰值電流(Irr)如何變化。其結果如圖2所示。
而且，氦照射的多個點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側(更靠近P型基極層2)。判定出，進行氦照射時，儘管VF增加，但降低了恢復峰值電流(Irr)。
接著，說明實施方式1的反嚮導通型半導體元件的製造方法。
第一工序
在第一工序中，製備由N型矽構成的襯底1，從此襯底1的一個主表面注入P型雜質，通過擴散，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，通過擴散，形成N+型發射極層8(圖6)。
第三工序
在第三工序中，貫通N+型發射極層8和P型基極層2，形成直達襯底1的N型半導體層的溝，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上形成作為導電體的由多晶矽構成的柵電極11(圖8)。
第五工序
在第五工序中，對N+型發射極層8之間的P型基極層2的表面有選擇地注入或擴散P型雜質，形成P+型集電極層9，並形成層間絕緣膜12覆蓋柵電極11後，形成與N+型發射極層8和P+型集電極層9連接的發射極電極7(圖9)。
第六工序
在第六工序中，對襯底1的另一個主表面有選擇地注入或擴散P型雜質，在襯底1的另一個主表面上形成P型集電極層3(圖10)。
第七工序
在第七工序中，在襯底1的另一個主表面中，對P型集電極層3之間的區域有選擇地注入或擴散N型雜質，在襯底1的另一個主表面上形成N型雜質濃度比N型基極層更高的由N+型半導體構成的陰極層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+型半導體構成的陰極層4。
第八工序
在第八工序中，在襯底1的另一個主表面上，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的一個主表面側照射氦，在N型基極層1a的內部局部地形成壽命短的短壽命區域(氦照射區域)5(壽命控制)。
而且，在此壽命控制工序中，優選地，調整氦的射程，以便在比N型中央部分更靠近一個主表面上形成短壽命區域5，設定氦照射量，以便能夠更有效地抑制Vf的上升，從而獲得所希望的回覆特性。
在本實施方式1中，由於通過氦照射形成短壽命區域5，因此就能夠在所希望的位置可靠地形成短壽命區域5。
通過上述的工序，就能夠製作實施方式1的反嚮導通型半導體元件。
以上詳細說明了本實施方式1的反嚮導通型半導體元件，由於將P型基極層2和N型基極層1a作為共用的要素，構成絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，所以就能夠使結構簡單，並且，通過在N型基極層1a的一部分上形成短壽命區域5，整流二極體的回覆特性就可以很好。
此外，在實施方式1的反嚮導通型半導體元件中，形成溝槽以便穿通N+型發射極層8及P型基極層2，由於具有形成柵電極11的溝槽結構，所以就能夠增加柵極的重複間距數，就能夠增大溝道寬度。
而且，在實施方式1中，雖然將n型設為第一導電類型，將p型設為第二導電類型，但本發明並沒有限定於此，也可使導電類型相反。
(實施方式2)下面，參照圖14來說明本發明的實施方式2的反嚮導通型半導體元件。
本實施方式2的反嚮導通型半導體元件，包括在由N型半導體構成的襯底1上一體地形成的絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，以便在一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和整流二極體的工作區域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構的電場緩和區200。
而且，在實施方式2的反嚮導通型半導體元件中，由於工作區域100除沒有形成短壽命區域5以外，是與實施方式1相同的結構，所以省略對工作區域100的詳細說明。此外，在圖14中，對與圖1相同結構賦予相同的符號。
在實施方式2中，電場緩和區域200的接合部終端結構是包圍工作區域100的周圍形成的多個環狀的P型阱層13的結構，按朝著外側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，形成保護膜16以便覆蓋這些多個P型阱層13及電極15。如此，由使用多個P型阱層13構成的接合部終端結構構成的電場緩和區域200就使在工作區域100的端部集中的電場向外側慢慢地減弱，從而防止在工作區域100的端部處的破壞。
而且，電場緩和區域200的接合部終端結構不限定於形成了多個P型阱層的結構，也可使用形成了中間濃度的P型層的RESURF結構等的其它電場緩和結構。
但是，利用這樣的接合部終端結構，雖然能夠防止因在正向或反嚮導通工作期間的工作區域100端部的電場集中而引起的破壞，但不能夠防止從正嚮導通向反嚮導通或與其相反的轉換時的工作區域100端部的破壞。
即，不能防止當轉換為正向阻塞工作時(整流二極體的恢復工作時)，因整流二極體導通下的反嚮導通工作時在電場緩和區域200的N型半導體(襯底的N型半導體)中存儲的載流子流入P型基極層2而使工作區域100的端部破壞。
因此，在本實施方式2中，對由多個P型阱層13構成的接合部終端結構的正下部分照射電子束以形成短壽命區域17，雖然能夠減少存儲在整流二極體導通下的反嚮導通工作時的電場緩和區域200的N型半導體中的載流子，但不能防止因從反嚮導通工作轉換為正嚮導通工作時流入載流子而引起的破壞。
而且，對於工作區域100中的絕緣柵雙極電晶體和整流二極體反嚮導通半導體元件的工作，由於與實施方式1的相同，所以省略對其基本工作的說明。
在實施方式2中，為了確認形成短壽命區域17的效果，而試作了1200V量級的元件進行評價。具體地，將N型基極層1a(N型半導體層)的厚度設為190μm，試驗製作1200V量級的元件，評價對結合終端結構部分的正下方照射電子束時和不照射電子束時的恢復特性。圖15示出了未對接合部終端結構部分的正下方照射電子束時的恢復特性，圖16示出了對接合部終端結構部分的正下方照射電子束時的恢復特性。根據圖15及圖16可判定，對結合終端部分照射電子束的情況下，恢復工作時晶片沒有破壞。
詳細說明此破壞及防止破壞的機理。
首先，反嚮導通型半導體元件反嚮導通(即，整流二極體導通)時，就會在N型半導體層中存儲有大量的載流子。在載流子大量集中的狀態下進行轉換(恢復工作)時，由於在載流子大量集中的狀態下施加反向偏壓，所以在N型半導體層中存儲的載流子中，空穴被抽取到工作區域100端部的P型基極區域2中，而電子被抽取到集電極區域4中，從而流過大的反向回復電流(恢復電流)。當進行此恢復工作時，在如圖14所示構成的反嚮導通型半導體元件中，由於與P型基極層2鄰接而形成發射極區域8，因此就構成了寄生晶閘管，就存在因寄生晶閘管的閉鎖操作而引起破壞的情況。
因此，在本實施方式2中，通過對構成結合終端部的P阱層13的正下方選擇地進行電子束照射，形成短壽命區域17，在反嚮導通狀態下，在減少短壽命區域17的載流子的同時，就可以使載流子集中存在於絕緣柵雙極電晶體單元正下方的工作區域100，並抑制空穴從反向偏壓時的結合終端部的短壽命區域17集中地流入P型基極層2。
由此，在實施方式2中，就能夠抑制整流二極體的恢復工作期間的破壞。
下面，參照圖17～27，說明實施方式2的反嚮導通型半導體元件的製造方法。
第一工序
在第一工序中，準備由N型矽構成的襯底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，形成P阱層13。而且，也可通過有選擇地擴散P型雜質來形成P阱層13(圖17)。
第二工序
在第二工序中，去除位於工作區域100的掩模14，在此被去除的部分上通過有選擇地注入或擴散P型雜質來形成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，通過擴散形成N+型發射極層8(圖19)。
第四工序
在第四工序中，形成貫通N+型發射極層8和P型基極層2，到達襯底1的N型半導體層的溝，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上形成作為導電體的由多晶矽構成的柵電極11(圖21)。
第六工序
在第六工序中，對N+型發射極層8之間的P型基極層2的表面有選擇地注入或擴散P型雜質，形成P+型集電極層9，並形成層間絕緣膜12覆蓋柵電極11後，形成與N+型發射極層8和P+型集電極層9連接的發射極電極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，在電場緩和區域200的襯底1的表面，形成保護膜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的另一個主表面上有選擇地注入或擴散P型雜質，在襯底1的另一個主表面上形成P型集電極層3(圖24)。
第九工序
在第九工序中，在襯底1的另一個主表面中，對P型集電極層3之間的區域有選擇地注入或擴散N型雜質，在襯底1的另一個主表面上形成N型雜質濃度高的由N型層構成的陰極層4，在襯底1的另一個主表面上形成與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，除工作區域100外，從第一主表面側對電場緩和區域200照射電子束，通過對電場緩和區域200有選擇地進行壽命控制，形成短壽命區域17(圖26)。
在第十工序中，由於通過照射電子束，形成短壽命區域17，就能夠形成按所希望的壽命控制的短壽命區域17。
通過以上的工序，可製作出圖14的實施方式2的反嚮導通型半導體元件。
如上所述構成的反嚮導通型半導體元件，由於設置短壽命區域17以便使位於電場緩和區域200中的N型半導體層的載流子的壽命縮短，因此就能夠抑制整流二極體處於導通狀態時的位於電場緩和區域200的N型半導體層中的載流子的存儲。因此，在整流二極體的恢復工作期間，就能夠減少工作區域100端部的反向回復電流(恢復電流)，並能夠防止因寄生晶閘管的閉鎖操作而引起的破壞。
而且，在實施方式2中，雖然將n型設為第一導電類型，將p型設為第二導電類型，但本發明並沒有限定於此，也可使導電類型相反。
(實施方式3)除了在實施方式2的反嚮導通型半導體元件中進一步照射氦並形成與實施方式1相同的短壽命區域5以外，本發明的實施方式3的反嚮導通型半導體元件是與實施方式2相同的結構(圖27)。
為了確認該實施方式3的反嚮導通型半導體元件的效果，而試作了1200V量級的元件進行評價。具體地，將N型基極層的厚度設為190μm，使用對結合終端結構部分的正下方照射電子束，對電場緩和區域上的全部N型半導體層進行壽命控制，並且與實施方式1相同地評價氦照射時的恢復特性。圖28示出了其結果。對結合終端結構部分進行電子束照射，同時還進行氦照射的情況，在恢復工作時不會破壞晶片，由於氦照射的深度更靠近N型基極層中央處的表面側，所以判定出儘管VF稍微增加但恢復峰值電流(Irr)則減小。
直到圖26為止，與實施方式2相同地製作實施方式3的反嚮導通型半導體元件之後，還用氦從側面對襯底中央附近進行局部壽命控制，由此就獲得了圖27的器件。
如上所述構成的實施方式3的反嚮導通型半導體元件同時具有實施方式1的效果和實施方式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，單片地構成絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，在N型基極層1a的一部分上形成短壽命區域5，可以使整流二極體的恢復特性很好。
此外，通過將位於電場緩和區域200中的N型半導體層作為短壽命區域17，就能夠減少恢復工作期間的工作區域100端部的反向回復電流(恢復電流)，就能夠防止因寄生晶閘管的閉鎖操作而引起的破壞。
權利要求
1.一種反嚮導通型半導體元件，在由第一導電類型的半導體構成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，其特徵在於，上述整流二極體，包括在用於構成上述絕緣柵雙極電晶體的上述襯底的一個表面上，通過摻雜第二導電類型的雜質而形成的第二導電類型的基極層；和由構成上述絕緣柵雙極電晶體的上述第一導電類型的半導體構成的第一導電類型的基極層；且以在上述襯底的一個表面中，形成為覆蓋在上述第二導電類型的基極層的一部分上形成的第一導電類型的發射極層和上述第二導電類型的基極層的發射極電極作為陽極電極；以在上述襯底的另一個表面中，形成為覆蓋上述第一導電類型的基極層和在該第一導電類型的基極層的一部分中形成的第二導電類型的集電極層的集電極電極作為陰極電極，在上述第一導電類型的基極層的一部分中，形成與其它第一導電類型的基極層相比載流子的壽命更短的短壽命區域。
2.根據權利要求1所述的反嚮導通型半導體元件，其中比上述第一導電類型的基極層的中央部分更靠近上述一個主表面地形成上述短壽命區域。
3.根據權利要求1或2所述的反嚮導通型半導體元件，其中上述集電極電極通過比上述第一導電類型的基極層摻雜更多的第一導電類型的雜質的陰極層，與上述第一導電類型的基極層連接。
4.根據權利要求1或2所述的反嚮導通型半導體元件，其中通過在上述第二導電類型的基極層的一部分上摻雜第一導電類型的雜質來形成上述第一導電類型的發射極層；在貫通上述第一導電類型的發射極層和上述第二導電類型的基極層而形成的溝內部，隔著絕緣柵膜來形成上述絕緣柵雙極電晶體的柵電極。
5.根據權利要求1或2所述的反嚮導通型半導體元件，其中通過氦照射形成上述短壽命區域。
6.根據權利要求1或2所述的反嚮導通型半導體元件，在上述襯底中，在形成了上述絕緣柵雙極電晶體和上述整流二極體的工作區域的周圍形成電場緩和區，與上述其它第一導電類型的半導體相比，位於該電場緩和區上的上述第一導電類型的半導體是載流子壽命更短的區域。
7.一種反嚮導通型半導體元件，在由第一導電類型的半導體構成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，其特徵在於，上述整流二極體，包括在用於構成上述絕緣柵雙極電晶體的上述襯底的一個表面上通過摻雜第二導電類型的雜質而形成的第二導電類型的基極層；和由構成上述絕緣柵雙極電晶體的上述第一導電類型的半導體構成的第一導電類型的基極層；且以在上述襯底的一個表面上，形成為覆蓋在上述第二導電類型的基極層的一部分上形成的第一導電類型的發射極層和上述第二導電類型的基極層的發射極電極作為陽極電極；以及以在上述襯底的另一個表面上，形成為覆蓋上述第一導電類型的基極層和在該第一導電類型的基極層的一部分中形成的第二導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電晶體和上述整流二極體的工作區域的周圍還形成有電場緩和區，與其它第一導電類型的半導體的相比，該電場緩和區的第一導電類型的半導體是載流子壽命更短的區域。
8.根據權利要求7所述的反嚮導通型半導體元件，其中通過電子束照射形成上述短壽命區域。
9.一種反嚮導通型半導體元件的製造方法，該反嚮導通型半導體元件包括在由第一導電類型的半導體構成的襯底上一體地形成的絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，其特徵在於，該製造方法包括第一工序，通過在上述襯底的一個表面上摻雜第二導電類型的雜質來形成第二導電類型的基極層；第二工序，通過在上述第二導電類型的基極層的一部分中摻雜第一導電類型的雜質來形成第一導電類型的發射極層；第三工序，在上述第二導電類型的基極層上和第一導電類型的發射極層上形成發射極電極；第四工序，通過在上述襯底的另一個表面的一部分中有選擇地摻雜第二導電類型的雜質來形成第二導電類型的集電極層；第五工序，通過在上述襯底的另一個表面的除了上述一部分之外的部分中有選擇地摻雜第一導電類型的雜質來形成陰極層；以及第六工序，以越過上述第二導電類型的基極層的射程向襯底內部照射氦。
10.一種反嚮導通型半導體元件的製造方法，是根據權利要求9所述的反嚮導通型半導體元件的製造方法，其中在上述襯底的工作區域中形成上述第二導電類型的基極層、上述第一導電類型的發射極層、上述第二導電類型的集電極層及上述陰極層，其特徵在於，包括替代上述第六工序，而對位於上述襯底的上述工作區域周圍的上述第一導電類型的半導體照射電子束的工序。
11.根據權利要求10所述的反嚮導通型半導體元件的製造方法，至少包括以越過上述第二導電類型的基極層的射程對上述工作區域的襯底內部照射氦的工序。
全文摘要
提供一種反嚮導通型半導體元件在襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和恢復特性優良的整流二極體。該反嚮導通型半導體元件在由第一導電類型半導體構成的襯底上一體地形成有絕緣柵雙極電晶體和整流二極體，其中，整流二極體包含絕緣柵雙極電晶體的第二導電類型的基極層和第一導電類型的基極層，將襯底的一個表面的發射極電極作為陽極電極，將襯底的另一個表面的集電極電極作為陰極電極，並由此構成該整流二極體，在第一導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電類型的基極層更短的短壽命區域。
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 優先權日2004年4月28日
發明者青野真司, 山本綾, 高橋英樹 申請人:三菱電機株式會社