半导体装置的制作方法

半导体装置
1.相关申请
2.本技术享受以日本专利申请2020-156337号(申请日：2020年9月17日)为基础申请的优先权。本技术通过参考此该基础申请而包括该基础申请的所有内容。
技术领域
3.实施方式涉及半导体装置。


背景技术：

4.igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)以及二极管等半导体装置，被用于逆变器等电力变换器。例如，二极管作为所谓fwd(free wheeling diode：续流二极管)与igbt反向并联连接。对于这样的电力变换器的高效率化而言，重要的是改善fwd的特性。


技术实现要素：

5.实施方式提供降低开关损耗、提高反向耐压的半导体装置。
6.实施方式的半导体装置具备第一导电型的第一半导体层、第二导电型的第三半导体层、所述第一导电型的第二半导体层、多个电极以及第一绝缘膜。第二半导体层设置于所述第一半导体层上，包含比所述第一半导体层的第一导电型杂质低浓度的第一导电型杂质。第三半导体层设置于所述第二半导体层的上方，在与所述第一半导体层相反一侧具有在第一方向以及与所述第一方向交叉的第二方向上延伸的第一面。所述多个电极分别在沟槽的内部延伸，设置于所述第二半导体层上，该沟槽具有从所述第一面到所述第二半导体层中的深度。所述第一绝缘膜设置于所述多个电极中的1个与所述第三半导体层之间以及所述多个电极中的所述1个与所述第二半导体层之间。所述多个电极包括：第一电极组，在所述第一方向上各隔开第一距离地排成一列；以及第二电极组，在所述第一方向上各隔开所述第一距离地排成一列，在所述第二方向上与所述第一电极组隔开了第二距离。所述第一距离比所述第二距离长。
附图说明
7.图1a及图1b是表示实施方式的半导体装置的示意图。
8.图2a～图2c是表示实施方式的半导体装置的特性的示意图。
9.图3是表示实施方式的半导体装置的另一特性的曲线图。
10.图4a及图4b是表示实施方式的半导体装置的沟槽配置的示意图。
11.图5a及图5b是表示实施方式的变形例的半导体装置的沟槽配置的示意图。
12.图6a及图6b是表示实施方式的另一变形例的半导体装置的沟槽配置的示意图。
13.图7a及图7b是表示实施方式的变形例的半导体装置的示意剖视图。
14.图8是表示实施方式的另一变形例的半导体装置的布线的设置方法的示意图。
15.图9a及图9b是表示实施方式的半导体装置的布线的设置方法的示意图。
16.图10是表示实施方式的半导体装置的布线的设置方法的另一例的示意图。
具体实施方式
17.以下，参照附图对实施方式进行说明。在附图中的相同部分标注相同的附图标记并适当省略其详细的说明，对不同的部分进行说明。另外，附图是示意性或概念性的，各部分的厚度与宽度的关系、部分间的大小的比率等未必与现实的相同。另外，即使在表示相同的部分的情况下，也存在根据附图而彼此的尺寸、比率不同地进行表示的情况。
18.进而，使用各图中所示的x轴、y轴及z轴，对各部分的配置及结构进行说明。x轴、y轴、z轴相互正交，分别表示x方向、y方向、z方向。另外，有时将z方向作为上方，将其相反方向作为下方进行说明。
19.图1a及图1b是表示实施方式的半导体装置1的示意图。图1a是沿着x-z平面的剖视图。图1b是表示沿着图1a中所示的a-a线的截面的俯视图。
20.半导体装置1例如是二极管。半导体装置1例如与igbt一体化使用。另外，以下所示的实施方式是例示，并不限定于此。
21.如图1a所示，半导体装置1具备第一导电型的第一半导体层11、第一导电型的第二半导体层12、以及第二导电型的第三半导体层13。第二半导体层12设置于第一半导体层11上。第三半导体层13设置于第二半导体层12上。第二半导体层12包含比第一半导体层11的第一导电型杂质低浓度的第一导电型杂质。
22.第一半导体层11例如是n型阴极层。第三半导体层13例如是p型阳极层。在以下的说明中，将第一导电型记载为n型，将第二导电型记载为p型。
23.半导体装置1还具备电极30。电极30设置于具有从第三半导体层13的表面到第二半导体层12的深度的沟槽at的内部。电极30在第三半导体层13中以及第二半导体层12中延伸。电极30例如是导电性的多晶硅。电极30例如通过绝缘膜33而与第三半导体层13以及第二半导体层12电绝缘。绝缘膜33设置于电极30与第三半导体层13之间、电极30与第二半导体层12之间。绝缘膜33例如是硅氧化膜。
24.第一半导体层11与电极10(阴极电极)电连接。第三半导体层13与电极20(阳极电极)电连接。另外，电极30例如与电极20电连接，成为与第三半导体层13相同的电位。另外，实施方式并不限定于此，例如，电极30也可以与未图示的其他电极电连接，并被偏压为与第三半导体层13不同的电位。
25.如图1b所示，电极30设置有多个，分别设置于多个沟槽at的内部。多个电极30的一部分例如构成在y方向上排列的多个列，在y方向上排列的电极30的列在x方向上排列。
26.多个沟槽at例如被配置为，在施加于第一半导体层11与第三半导体层13之间的规定的反向偏压下例如在1v下，第二半导体层12的在接近的沟槽at之间存在的区域被耗尽化。即，将接近的沟槽at之间的最大宽度wm设定为接近的沟槽at之间的电流路径被夹断。
27.例如，在第二半导体层12上的任意的点，引出包含位于xy平面上的点的直线时，包含被不同的沟槽at夹着的点在内的线段的长度是接近的沟槽at之间的距离。沟槽at之间的距离、间隔以及沟槽的长度，以沟槽at的侧壁或者沟槽at所具有的绝缘膜33的外缘的位置为基准进行测定。第二半导体12上的接近的沟槽at之间的距离的最大值为最大宽度wm。
28.图2a～图2c以及图3是表示实施方式的半导体装置1的特性的示意图。图2a～图2c是将沟槽at的深度例如设为5.5μm的情况下的从相邻的沟槽at之间的表面到沟槽底部的剖视图。图2a～图2c分别表示规定的反向偏压下例如1v下的第三半导体层13中以及第二半导体层12中的耗尽层。图3是表示半导体装置1的反向耐压的曲线图。
29.如图2a～图2c所示，相邻的沟槽at之间的间隔(参照图1)分别为1.6微米(以下，μm)、2.0μm以及2.5μm。各图中所示的等电位面表示耗尽层的扩展。
30.若如图2a及图2b所示那样、相邻的沟槽at之间的间隔为1.6μm、2.0μm，则位于第二半导体层12的相邻的沟槽at之间的部分被耗尽化。另一方面，若如图2c所示那样、相邻的沟槽at之间的间隔为2.5μm，则第二半导体层12在相邻的沟槽at之间包含未被耗尽化的部分。
31.图3是表示相邻的沟槽at的间隔与反向耐压(击穿电压)之间的关系。如图3所示，wm越宽，则击穿电压越低下。
32.实施方式的半导体装置1，为了确保反向耐压以及阳极/阴极间的击穿耐量，而具备具有沟槽结构的电极30。然而，通过设置电极30，第二半导体层12的x-y平面中的面积变窄。因此，与未设置电极30的情况相比，载流子的导通路径变窄，第三半导体层13中的载流子密度(电子和空穴的密度)变高。
33.例如，在逆变器等电力变换装置中，期望对导通电压(导通状态下的电压下降)、恢复时间(反向恢复时的恢复电流的消灭时间)、恢复时的安全动作区域(在反向恢复电流流过的状态下即使施加电压也不破坏的动作区域)、以及恢复时的电流、电压振动等的特性进行改善。其中，重要的是缩短恢复时间，并且扩大恢复时的安全动作区域。
34.在半导体装置1中，设置配置有电极30的沟槽at，由此能够在其底部产生均匀的雪崩现象，并提高破坏耐量。进而，通过使相邻的沟槽at之间的间隔wm比施加反向偏压时夹断的间隔窄，由此能够提高反向耐压。
35.然而，通过形成沟槽at，第二半导体层12以及第三半导体层13中的载流子密度变高。因此，从接通状态向断开状态转移的恢复特性劣化，与未设置电极30的情况相比，恢复损耗变大。
36.因此，在半导体装置1中，通过减小第三半导体层13的x-y截面中的沟槽at的占有比率，由此使从第三半导体层13向第二半导体层12注入的空穴的密度降低。由此，能够抑制反向耐压以及破坏耐量的降低，并且能够降低恢复损耗。
37.图4a及图4b是例示实施方式的半导体装置1的结构的示意俯视图。图4a及图4b是例示沟槽at的配置的俯视图。此外，在以下所示的沟槽at的配置图中，省略了电极30、绝缘膜33以及第三半导体层13。
38.如图4a所示，沟槽at例如具有边在x方向及y方向上延伸的长方形的x-y截面。多个沟槽at在y方向上排列而形成列，并在x方向上排列而形成行，从而配置成矩阵状。在x方向上相邻的沟槽at以具有间隔wdx的方式配置。在y方向上相邻的沟槽at以具有间隔wdy的方式配置。沟槽at的y方向的长度ly比x方向的长度lx长。相邻的沟槽at之间的间隔例如在多个沟槽at的排列的对角方向上成为最大。对角方向是指在x方向上加上lx wdx、在y方向上加上ly wdy而得到的方向。最大间隔wm例如为在对角方向上接近的沟槽at的端部之间的距离，且为2μm以下。
39.在图4b所示的例子中，多个沟槽at中的在y方向上排列的第一列中包含的沟槽at，
以在x方向上与和第一列相邻的第二列的沟槽at之间的空间并排的方式配置。在y方向上相邻的沟槽at之间的间隔wdy比沟槽at的y方向的长度ly窄。进而，wdx例如为1μm以下。在该情况下，相邻的沟槽at之间的间隔wm在y方向上在相邻的沟槽at之间成为最大。相邻的沟槽at的间隔wm例如为2μm以下。
40.图5a及图5b是例示实施方式的变形例的半导体装置1的结构的示意图。图5a及图5b是例示沟槽at的配置的俯视图。
41.如图5a所示，多个沟槽at中的在y方向上排列的第一列中包含的沟槽at，以在x方向上与和第一列相邻的第二列的沟槽at之间的空间排列的方式配置。在y方向上相邻的沟槽at之间的间隔wdy比沟槽at的y方向的长度ly大。进而，wdx例如为1μm以下。在该情况下也是，相邻的沟槽at之间的间隔wm在沿y方向相邻的沟槽at之间成为最大。相邻的沟槽at之间的间隔wm例如为2μm以下。
42.如图5b所示，沟槽at例如也可以设置为具有圆形的x-y截面。沟槽at例如在其配置的对角方向上排列。在对角方向上相邻的沟槽at之间的间隔wm例如为2μm以下。
43.图6a及图6b是表示实施方式的另一变形例的半导体装置1的结构的示意图。图6a及图6b是例示沟槽at的配置的俯视图。
44.如图6a所示，沟槽at例如也可以设置为，在x-y平面内具有圆形的环状的截面。沟槽at以包围第三半导体层13的一部分以及第二半导体层12的一部分的方式设置。沟槽at例如在其配置的对角方向上排列。在对角方向上相邻的沟槽at之间的间隔wm例如为2μm以下。进而，沟槽at的内径例如为2μm以下。
45.如图6b所示，沟槽at例如在x-y平面内具有六边形的环状的截面。沟槽at例如在其配置的对角方向上排列。在对角方向上相邻的沟槽at之间的间隔wm例如为2μm以下。进而，沟槽内径例如为2μm以下。此外，沟槽at的截面的外形并不限定于六边形，也可以是其他多边形。
46.在上述的沟槽at的配置中，沟槽at的x-y截面积的合计例如优选比第三半导体层13的x-y平面中的面积窄。由此，能够降低从第三半导体层13向第二半导体层12注入的空穴的密度，能够降低第二半导体层12中的载流子密度。
47.图7a及图7b是表示实施方式的变形例的半导体装置2及3的示意图。
48.在图7a所示的半导体装置2中，沟槽at被设置为，在x-z平面中，位于第二半导体层12中的底部的x方向的宽度具有比位于第三半导体层13中的部分的x方向的宽度宽的倒锥形状的截面。设置于沟槽at的内部的电极30也具有同样的x-z截面形状。
49.在半导体装置2中，在相邻的沟槽at的底面间确保x方向的间隔wm。间隔wm是在反向偏压下夹断的间隔。与此相对，第三半导体层13的x方向的宽度比沟槽at的底面间的间隔wm更宽。
50.在图7b所示的半导体装置3中，沟槽at被设置为，位于第二半导体层12中的部分的x方向的宽度，比位于第三半导体层13的上部的部分的x方向的宽度宽。在沟槽at的内部设置的电极30也具有同样的x-z截面形状。
51.在半导体装置3中，在相邻的沟槽at的位于第二半导体层12中的部分之间确保x方向的间隔wm。间隔wm是在反向偏压下夹断的间隔。与此相对，第三半导体层13的上部的x方向的宽度比间隔wm更宽。
52.这样，在半导体装置2以及3中，多个沟槽at被配置为，相邻的沟槽at各自的底部的间隔wm比夹断的间隔窄。由于第三半导体层13的上部的间隔比wm大，因此通过增大x-y平面中的第三半导体层13的占有率，能够降低载流子密度。
53.图8是表示实施方式的半导体装置4的布线40的设置方法的示意图。
54.半导体装置4与图1所示的半导体装置1同样地，第三半导体层13与电极30通过布线40而电连接。布线40例如是设置于第三半导体层13、电极30以及绝缘膜33的上方的金属膜。布线40与阳极电极20连接。实施方式的半导体装置均能够如图8那样设置布线40。
55.图9a及图9b是表示实施方式的半导体装置5的布线的设置方法的示意图。在实施方式的半导体装置5中，能够对第三半导体层13和电极30施加不同的电位。半导体装置5除了半导体装置1的结构以外，还具有绝缘膜50、布线40a以及布线40b。图9a是表示在图4a所示的半导体装置的结构中设置了布线40a以及40b的例子的示意俯视图。图9b是沿着图9a中所示的b-b线的剖视图。
56.绝缘膜50设置于第三半导体层13、电极30以及绝缘膜33的上方。布线40a(在图9a中用单点划线表示)在绝缘膜50上沿x方向延伸设置。多个布线40a与沿y方向延伸的电极20a连接。
57.布线40a经由贯通绝缘膜50的接触件30c(在图9a中用斜线部表示)而与多个电极30连接。布线40a与第三半导体层13电分离。
58.布线40b在绝缘膜50上沿x方向延伸设置。布线40b(在图9a中用虚线表示)经由贯通绝缘膜50的接触件30c与第三半导体层13连接。多个布线40b与沿y方向延伸的电极20b连接。布线40b与电极30电分离。布线40a与布线40b在y方向上分离设置，并电绝缘。布线40a和布线40b在y方向上相互交替地设置。布线40a及布线40b例如是金属膜。
59.图10是表示实施方式的半导体装置5的布线40的设置方法的另一例的示意图。图10是表示在图4b所示的半导体装置的结构中设置了布线40a以及40b的例子的示意俯视图。在图10中，省略了布线40b的接触件。
60.如图10所示，通过将布线40a的接触件30c设置于沟槽at的y方向端部，从而与将接触件30c设置于沟槽at的中央相比，能够增大相对于布线40a的占有面积而言的接触面积的比例。
61.对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。