[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件以及该半导体器件的制造方法。尤其，本发明涉及一种具有绝缘栅晶体管的半导体器件以及该半导体器件的制造方法。

背景技术

目前，例如在家用电器设备和工业供电设备领域中，采用反相器装置。对于反相器装置，通常使用商用电源(AC电源)。因此，将反相器装置构成为包括进行正向转换的转换单元，其一次将自AC电源的AC电压转换成DC电压，还包括平滑电路和反相器单元，其进行将DC电压转换成AC电压的反向转换。作为反相器单元的主要功率元件，主要采用能进行相对高速转换操作的绝缘栅双极型晶体管(以下称作IGBT)。

关于用于电功率控制的反相器装置，一个IGBT芯片的额定电流接近几十到几百安培(A)，且其额定电压接近几百到几千伏特(V)。在使用IGBT作为电阻负载并且连续改变栅极电压的电路中，作为电流和电压乘积的电功率以热的形式在IGBT中产生。因此，反相器装置需要大的散热器，导致电功率转换效率退化。而且，根据工作电压和工作电流的组合，IGBT自身的温度升高，导致IGBT的热损坏。这样在反相器装置中，很少采用使用IGBT作为电阻负载的电阻负载电路。

在大多数反相器装置中，负载是电感应机械装置(感应负载发动机)。因此，在反相器装置中，IGBT通常作为开关工作，以重复关断(OFF)态和导通(ON)态，以便控制电功率能量。关于感应负载的反相电路的切换，在开启过程之后建立导通态，同时在截止过程之后建立关断态。开启过程涉及到IGBT从关断态向导通态的转变，截止过程涉及到IGBT从导通态向关断态的转变。

感应负载连接到上臂元件和下臂元件之间的中间电势点，且电流在正向和负向方向上流向感应负载。因此，为了使得电流流过感应负载以从负载连接部分返回向高电势电源或者从负载连接部分流向地，续流二极管(freewheel diode)对于在感应负载和臂元件的闭合电路中循环电流是必需的。对于具有相对小电容的反相器装置，在一些情况下使用场效应晶体管(MOSFET，金属氧化物半导体场效应晶体管)。

用于开启IGBT的将施加到栅电极的电压称作导通电压(Vce(sat))。例如在日本专利特开No.8-316479和2002-353456中公开了用于提供较低导通电压的结构，公开了作为改进方案的沟槽栅极型IGBT的载流子存储型IGBT。在载流子存储型IGBT中，n型载流子存储层形成于N衬底的一个表面上，且p型基区形成于载流子存储层上。

在基区表面的预定区域中，形成发射区。在除了基区表面的发射区之外的区域中，形成p+接触区。而且，形成电连接到发射区的发射极电极。通过发射区、基区和载流子存储层，形成到达N衬底的n型区的开口，并且在其间插入栅极绝缘膜的开口的内壁表面上形成栅电极。

在衬底的另一表面上，形成n型缓冲层，并且在缓冲层上形成p型集电极层。在集电极层的表面上，形成电连接到集电极层的集电极电极。以这种方式构造常规载流子存储型IGBT。

在该载流子存储型IGBT中，将至少为阈值电压(Vth)的电压作为栅极电压施加到栅极，以形成n沟道区，其位于p型基区中的栅电极附近。因此，电子从发射区经由n沟道区注入到N衬底中。

假设，在将至少为阈值电压的电压施加到栅电极的情况下，将电压(集电极电压)施加到集电极。在这种条件下，至少将集电极电压施加到引起缓冲层和集电极层的pn结正向偏置的程度。之后，从集电极电极将空穴注入到N衬底中。在N衬底中，进行导电性调制，以引起N衬底的电阻值急剧降低，并因此电流流动并建立导电的导通态。

由此，在载流子存储型IGBT中，直接位于p型基区下方的载流子存储层存储空穴和电子。因此，当与没有载流子存储层的沟槽栅极型IGBT相比时，载流子存储型IGBT具有以下优点：N衬底具有较高的载流子密度，并因此具有较低的电阻率，且由此能实现较低的导通电压。

近些年，带着提供紧凑且质量轻的反相器装置的目的，已经提出了一种称作反向导电IGBT或反向导电载流子存储型IGBT的IGBT，其具有形成于IGBT或载流子存储型IGBT结构中的续流二极管，并在两个方向上都具有基本相同程度的导电能力。

然而，常规载流子存储型IGBT具有以下问题。载流子存储型IGBT的n型发射区、p型基区和n型载流子存储层均通过注入预定导电类型的杂质离子并且热扩散所注入的杂质来形成。在常规载流子存储型IGBT中，相应杂质浓度轮廓都是高斯分布，其中由于制造装置(离子注入装置)的限制，最大杂质浓度位于N衬底的表面附近。