立式耐高压半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种即使在施加高电压时也不会产生栅极氧化膜击穿和可靠性变差、且能够具有低通态电阻的立式SiC-MOSFET和IGBT以及它们的制造方法。在立式MOSFET中，代替阱区(6)，而将半导体层(3)和基极层(4)键合，以作为键合部而包含距相对置的全部的源极区域的中心最远且等距离、并且距源极区域的与中心最远离的端部最近且等距离的点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在碳化硅（Sic)基板上制成的碳化硅半导体装置及其制造方法，涉及 能够控制耐高压大电流的功率半导体装置，特别涉及将作为宽带隙材料之一的碳化硅设为 半导体而使用的立式耐高压半导体装置和IGBT以及它们的制造方法。
技术介绍
作为控制耐高压、大电流的功率半导体元件的材料，现有技术使用了硅单晶。现 状是：功率半导体元件具有若干种类，按照用途来分别使用它们。例如双极性晶体管或者 IGBT(绝缘栅型双极性晶体管），虽然能够取得大电流密度，但是不能够为高速下的开关， 双极性晶体管为数kHz，但对于IGBT而言，20kHz左右的频率是其使用极限。另一方面，对 于功率M0SFET，虽然不能够取得大电流，但是却能够在数MHz为止的高速下使用。 但是，市场对大电流和高速性兼备的功率器件的需求强烈，特别是IGBT或者功率 M0SFET的改良力度愈来愈大，现在，几乎接近材料极限的程度在进行开发。 图12示出现有技术的M0SFET的剖面结构。在n+基板（sub) 301上设置η-漂移 层302,在η-漂移层302之上层叠 ρ基极层303,在ρ基极层303的表面层选择性地形成η+ 源极层304,在η-漂移层302和ρ基极层303以及η+源极层304之上，隔着源极电极305 和栅极绝缘膜306形成了栅电极307。308是漏极电极。 最近，超连接型M0SFET正受到关注。关于超连接型M0SFET，已知藤平等在1997年 发表了该理论（参考非专利文献1)，1998年由Deboy等制造成为CoolMOSFET (参考非专利 文献2)。它们的特征在于，通过在η-漂移层在纵向方向上将P层形成为柱状结构，从而不 会使源极-漏极间的耐压特性变差，能够显著地提高通态电阻。 此外，从功率半导体元件的观点出发还进行了材料研讨，如Shenai等在文献（参 考非专利文献3)中报道的那样，SiC作为下一代功率半导体元件，由于是低通态电压、高 速-高温特性优良的元件，因此最近特别地受到关注。这是因为，SiC是化学上非常稳定的 材料，带隙宽达3eV，即使在高温下也能够作为半导体而极其稳定地使用。此外，最大电场强 度也比硅大1位数以上。由于SiC超过硅的材料极限的可能性大，因此在功率半导体用途 中，特别在M0SFET中，期待今后有大的增长。尽管特别期待其通态电阻小，但是能够期待一 种立式SiC-MOSFET，其原样维持耐高压特性且具有更低一级的低通态电阻。 与硅的情况同样，前述的图12示出了一般的SiC-MOSFET的剖面结构。在η-漂移 层302之上层叠 ρ基极层303,在ρ基极层303的表面层选择性地形成η+源极层304,在 η-漂移层302和ρ基极层303以及η+源极层304之上，隔着栅极绝缘膜306形成了栅电极 307,在基板301的背面形成了漏极电极308。 这样形成的SiC-MOSFET，作为开关转换器件，并且作为低通态电阻且能够高速开 关转换的元件，而期待被应用于电动机控制用逆变器或者不间断电源装置（UPS)等的电力 变换装置中。SiC由于是宽带隙半导体材料，因此如前述那样，期待其击穿电场强度高达 硅的大约10倍，且通态电阻变得充分小，但是其另一方面，由于半导体的击穿电场强度变 成高达10倍，因此特别地，在施加高电压时向氧化膜的电场的集中负荷与硅元件相比也变 大。因此，在硅功率器件中，会担心：本来由于在将大的电场施加到氧化膜之前会达到硅的 击穿电场强度因而不会成为问题，但是由于变成Sic而会使氧化膜击穿。具体地，存在下述 可能性：通过在图12所示的SiC-MOSFET的栅极氧化膜上施加大的电场强度，栅极氧化膜击 穿或者可靠性产生大的问题。这不仅对SiC-MOSFET而言，对SiC-IGBT而言也是这样。 以与图12的结构关联的图13的另一个例子来详述上述问题点。 图13是其单位单元的剖面图。 在该结构中，在高浓度η型基板201上堆积了低浓度η型漂移层202,在η型漂移 层202的表面通过离子注入形成了高浓度ρ型栅极层231，还在其上堆积了低浓度ρ型层 232。在该低浓度ρ型层232的表面部分通过离子注入而选择性地形成了 η型源极层205， 并隔着栅极氧化膜206而形成栅极电极207,还隔着层间绝缘膜208而形成源极电极209， 沟道区域211被形成在栅极氧化膜206正下方的低浓度ρ型堆积层232内。贯通低浓度ρ 型堆积层232而到达η型漂移层202的η型基极层204被选择性地形成为由来自表面的η 型杂质的离子注入所实现的翻转层。210为漏极电极。 在该结构中，由于沟道区域211被形成在没有被离子注入的低浓度ρ型堆积层内， 因此能够得到传导电子的高迁移率，能够制作通态电阻小的立式M0SFET。此外，具有的特 征是：由于在势阱闭塞状态下，通过从高浓度Ρ型栅极层231在横向方向上扩展到低浓度η 型漂移层202的耗尽层而使阱的纵向沟道部分224以低电压而被完全地闭塞，因此防止了 沟道区域211附近的向栅极氧化膜等的电场的泄漏，能够提高源极-漏极耐电压。当阱通 过耗尽层而被关闭时，就变成阱闭塞状态。 但是，即使在该结构中，也存在下述问题：在从高浓度ρ型栅极层231在横向方向 上扩展到低浓度η型漂移层202的耗尽层完全扩展到阱的纵向沟道部分224之后，在翻转 层的杂质浓度低且厚度薄的情况下，会残留通过耗尽层而未被关闭的阱部分，可动电荷到 达与栅极氧化膜206之间的界面附近，会对介于栅极电极207和η型基极层204之间的栅 极氧化膜206施加强的电场，从而引起绝缘击穿。 现有技术文献 非专利文献 非专利文献 1 :Fujihira 等，JJAP vol. 36partl no. 10, ρρ· 6254,17 非专利文献 2 :Deboy 等，IEEE IEDM 1998, ρρ· 683 非专利文献 3 :IEEE Transaction on Electron Devices Vol. 36, ρ· 1811，1989
技术实现思路
专利技术所要解决的技术问题 SiC由于具有超过硅的材料极限的特性，例如具有能隙宽和热稳定之类的特性，因 此在功率半导体用途中，特别在M0SFET中，期望今后有大的增长。尽管特别期待其通态电 阻变小，但是也希求在施加高电压时不会有栅极氧化膜击穿以及可靠性变差，且具有低通 态电阻特性。 本专利技术的目的在于提供一种，其即使在施加 高电压时，也不会产生栅极氧化膜击穿和可靠性变差，且具有低通态电阻特性。 本专利技术的另一个目的在于提供一种立式SiC-MOSFET和IGBT以及它们的制造方 法，它们即使在施加高电压时，也不会产生栅极氧化膜击穿和可靠性变差，且具有低通态电 阻特性。 为了实现上述目的， (1)在构成沟道的翻转层的杂质浓度低、厚度薄的立式耐高压半导体装置中，设置 用于确保耗尽层无空的空间的扩展以使得在耗尽层完全扩展到阱的沟道部分时不会残留 通过耗尽层而未被关闭的阱部分的机构。 由此，由于与栅极氧化膜对置的阱部分被耗尽层完全地关闭，因此不会存在可动 电荷经由未被关闭的阱部分而到达栅极氧化膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立式耐高压半导体装置，具有：第1导电型的半导体基板；在所述半导体基板上形成、且浓度比所述半导体基板更低的第1导电型半导体层；在所述半导体层的表面选择性地形成的高浓度的第2导电型半导体层；在所述第1导电型半导体层和所述第2导电型半导体层之上形成、且浓度较低的半导体的第2导电型基极层；在该第2导电型基极层的表面层选择性地形成的第1导电型源极区域；以从表面贯通所述第2导电型基极层而到达所述第1导电型半导体层的方式形成的第1导电型阱区；栅极电极层，其隔着栅极绝缘膜设置在被所述第1导电型源极区域和所述第1导电型阱区所夹着的所述第2导电型基极层的表面露出部上的至少一部分；经由所述第1导电型源极区域和接触辅助层而与所述第2导电型基极层连接的源极电极；以及在所述第1导电型的半导体基板1的背面设置的漏极电极，所述立式耐高压半导体装置的特征在于，代替所述阱区，而使所述高浓度的第2导电型半导体层和所述第2导电型基极层在其一部分中进行了键合，以使得在俯视图所示时，作为键合部而包含距相对置的全部的所述源极区域的中心最远且等距离、并且距所述源极区域的与中心最远离的端部最近且等距离的点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.24 JP 2012-0989941. 一种立式耐高压半导体装置，具有： 第1导电型的半导体基板； 在所述半导体基板上形成、且浓度比所述半导体基板更低的第1导电型半导体层； 在所述半导体层的表面选择性地形成的高浓度的第2导电型半导体层； 在所述第1导电型半导体层和所述第2导电型半导体层之上形成、且浓度较低的半导 体的第2导电型基极层； 在该第2导电型基极层的表面层选择性地形成的第1导电型源极区域； 以从表面贯通所述第2导电型基极层而到达所述第1导电型半导体层的方式形成的第 1导电型阱区； 栅极电极层，其隔着栅极绝缘膜设置在被所述第1导电型源极区域和所述第1导电型 阱区所夹着的所述第2导电型基极层的表面露出部上的至少一部分； 经由所述第1导电型源极区域和接触辅助层而与所述第2导电型基极层连接的源极电 极；以及 在所述第1导电型的半导体基板1的背面设置的漏极电极， 所述立式耐高压半导体装置的特征在于， 代替所述阱区，而使所述高浓度的第2导电型半导体层和所述第2导电型基极层在其 一部分中进行了键合，以使得在俯视图所示时，作为键合部而包含距相对置的全部的所述 源极区域的中心最远且等距离、并且距所述源极区域的与中心最远离的端部最近且等距离 的点。2. 根据权利要求1所述的立式耐高压半导体装置，其特征在于， 通过外延生长来形成第1导电型的半导体基板、和在所述半导体基板上形成且浓度比 所述半导体基板更低的第1导电型半导体层， 利用离子注入法在所述半导体层的表面选择性地形成高浓度的第2导电型半导体层， 利用外延生长法在所述第1导电型半导体层和所述第2导电型半导体层之上形成浓度 较低的第2导电型基极层， 在该第2导电型基极层的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：田中敦之，岩室宪幸，原田信介，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP