半导体装置的制作方法

【关联申请】

本申请享受以日本专利申请2019－168448号(申请日：2019年9月17日)为基础申请的优先权。本申请通过参考该基础申请而包括基础申请的全部内容。

实施方式涉及半导体装置。

背景技术：

半导体装置被要求针对由动作时的发热引起的损坏模式具有较高的耐性。

技术实现要素：

实施方式提供针对由动作时的发热引起的损坏模式具有较高的耐性的半导体装置。

实施方式的半导体装置具备：半导体部，包含第1导电型的第1半导体层；第1电极，设置于上述半导体部的背面侧；第2电极，设置于上述半导体部的表面侧；第1控制电极，配置于上述半导体部与上述第2电极之间，通过第1绝缘膜而与上述半导体部电绝缘，通过第2绝缘膜而与上述第2电极电绝缘；以及第2控制电极，在上述半导体部与上述第2电极之间、与上述第1控制电极并排而配置，通过第3绝缘膜而与上述半导体部电绝缘，与上述第1控制电极电分离。上述半导体部还包括：第2导电型的第2半导体层，设置于上述第1半导体层与上述第2电极之间；和第1导电型的第3半导体层，选择性地设置于上述第2半导体层与上述第2电极之间，配置于与上述第1绝缘膜接触的位置。上述第2半导体层及上述第3半导体层与上述第2电极电连接。上述第1控制电极隔着上述第1绝缘膜而与上述第2半导体层对置，上述第2控制电极隔着上述第3绝缘膜而与上述第2半导体层对置。上述第1控制电极及上述第2控制电极具有位于上述第1半导体层中的端部，上述第2控制电极包含与上述第1控制电极的材料相比、导热率更大的材料。

附图说明

图1是表示第1实施方式的半导体装置的示意剖视图。

图2示意地表示第1实施方式的半导体装置的立体图。

图3的(a)、(b)是示意地表示第1实施方式的半导体装置的特性的立体图。

图4的(a)～(d)是表示第1实施方式的半导体装置的终端构造的示意剖视图。

图5是示意地表示第1实施方式的第1变形例的半导体装置的立体图。

图6是示意地表示第1实施方式的第2变形例的半导体装置的立体图。

图7是示意地表示第1实施方式的第3变形例的半导体装置的立体图。

图8是示意地表示第1实施方式的第4变形例的半导体装置的立体图。

图9的(a)～(c)是表示第1实施方式的半导体装置的控制电极的构造的示意剖视图。

图10的(a)～(c)是表示第1实施方式的半导体装置的其他的控制电极的构造的示意剖视图。

图11的(a)、(b)是示意地表示第2实施方式的半导体装置的立体图。

具体实施方式

以下，关于实施的方式，参照附图进行说明。对附图中的同一部分，附以同一符号，并适当省略其详细的说明，对不同的部分进行说明。另外，附图是示意性的或概念性的，各部分的厚度与宽度的关系、部分间的大小的比率等不一定与现实的相同。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、比率不同而进行表示的情况。

并且，使用各图中所示的x轴、y轴及z轴，对各部分的配置及构成进行说明。x轴、y轴、z轴相互正交，并分别表示x方向、y方向、z方向。另外，存在将z方向设为上方，并将其相反方向作为下方进行说明的情况。

(第1实施方式)

图1是表示第1实施方式的半导体装置1的示意剖视图。半导体装置1例如是igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极性晶体管)。

如图1所示，半导体装置1具备半导体部10、集电极电极20、发射极电极30、第1控制电极40及第2控制电极50。半导体部10例如是硅。集电极电极20设置于半导体部10的背面上。发射极电极30设置于半导体部10的表面侧。发射极电极30包含例如铝、钨等。集电极电极包含例如金、锗、镍等。

第1控制电极40配置于在半导体部10的表面侧设置的沟槽gt的内部。第1控制电极40位于半导体部10与发射极电极30之间。第1控制电极40例如是导电性的多晶硅。第1控制电极40通过绝缘膜43而与半导体部10电绝缘。另外，第1控制电极40通过绝缘膜45而与发射极电极30电绝缘。绝缘膜43、45例如是硅氧化膜。

第2控制电极50配置于在半导体部10的表面侧设置的沟槽gt的内部。第2控制电极50包含与第1控制电极40相比导热率更大的材料。第2控制电极50例如包含钨等的金属。第2控制电极50通过绝缘膜53而与半导体部10电绝缘。在该例子中，第2控制电极50与发射极电极30电连接。第2控制电极50也可以与发射极电极30直接连接。

并且，第2控制电极50与第1控制电极40电分离。例如，第2控制电极50也可以构成为，通过未图示的绝缘膜而与发射极电极30电绝缘，并对第2控制电极50赋予与第1控制电极40不同的电位。

第1控制电极40及第2控制电极50在沿着半导体部10的表面的方向上并排而配置。第2控制电极50例如配置于相邻的2个第1控制电极40之间。

半导体部10例如包括n型基极层11、p型基极层13、n型发射极层15、p型集电极层17及n型缓冲层19。

n型基极层11在半导体部10的整体上延伸，具有与规定的耐压对应的z方向的厚度。沟槽gt具有从半导体部10的表面一直到n型基极层11的深度。第1控制电极40及第2控制电极50的各自的下端位于n型基极层11的内部。

p型基极层13设置于n型基极层11与发射极电极30之间。p型基极层13具有位于第1控制电极40与第2控制电极50之间的部分。p型基极层13配置为隔着绝缘膜43而与第1控制电极40相对。另外，p型基极层13配置为隔着绝缘膜53而与第2控制电极相对。

n型发射极层15设置于p型基极层13与发射极电极30之间。n型发射极层15包含比n型基极层11的n型杂质高浓度的n型杂质。n型基极层11例如与发射极电极30接触并且与发射极电极30电连接。

p型集电极层17设置于n型基极层11与集电极电极20之间。p型集电极层17例如包含比p型基极层13的p型杂质高浓度的p型杂质，但并不限定于此。p型集电极层17例如与集电极电极20接触并且与集电极电极20电连接。

n型缓冲层19设置于n型基极层11与p型集电极层17之间。n型缓冲层19包含比n型基极层11的n型杂质高浓度的n型杂质。

第1控制电极40例如作为在p型基极层13与绝缘膜43的界面感应出n型反型层的栅极电极而发挥功能。第2控制电极50例如作为对n型基极层11中的载流子分布进行控制的电极发挥功能。

图2是示意地表示第1实施方式的半导体装置1的立体图。在图2中，将集电极电极20、发射极电极30及绝缘膜45省略，而将半导体部10的构成更详细地表示。如图2所示那样，半导体部10还包括p型接触层16。p型接触层16位于p型基极层13与发射极电极30之间，包含比p型基极层13的p型杂质高浓度的p型杂质。

第1控制电极40及第2控制电极50例如设置为在y方向上延伸的板状。n型发射极层15及p型接触层16分别选择性地设置在第1控制电极40与和其相邻的第2控制电极50之间。n型发射极层15及p型接触层16例如沿着y方向交替地配置。发射极电极30与在半导体部10的表面露出的n型发射极层15及p型接触层16接触并且电连接。发射极电极30经由p型接触层16而与p型基极层13电连接。

图3的(a)及(b)是示意地表示第1实施方式的半导体装置1的特性的立体图。图3的(a)是表示比较例的半导体装置的半导体部10x的示意图。图3的(b)是表示实施方式的半导体装置1的半导体部10的示意图。

在图3的(a)所示的半导体部10x，未设置第2控制电极50，而是在x方向上并排地配置第1控制电极40。例如，若对第1控制电极40施加比其阈值电压高的栅极电压，则在p型基极层13与绝缘膜43的界面感应出n型反型层，在发射极-集电极电极间流通导通电流。因此，在n型基极层11，产生与该电阻对应的焦耳热。在n型基极层11产生热例如经由集电极电极20而向外部扩散，但其一部分也流到发射极电极30。

如图3的(a)所示那样，在n型基极层11产生的热经由p型基极层13及n型发射极层15而向发射极电极30移动。因此，位于相邻的第1控制电极40间的n型基极层11、p型基极层13及n型发射极层15的温度上升。因此，n型基极层11与p型基极层13之间的电位降低，不经由在p型基极层13与绝缘膜43的界面感应出的n型反型层的电流加速地增加。其结果，例如，n型基极层11与n型发射极层15之间的寄生晶体管锁止，栅极驱动变得不可能。因此，有时导致由过电流引起的损坏。

与此相对，在图3的(b)所示的半导体部10中，在相邻的2个第1控制电极40之间设置第2控制电极50。第2控制电极50包含与第1控制电极40的材料例如多晶硅相比导热率更大的材料即金属。因此，在n型基极层11产生的热的大部分经由第2控制电极50向发射极电极30扩散。因此，经由p型基极层13及n型发射极层15向发射极电极30扩散的热的移动得到抑制，p型基极层13及n型发射极层15的温度上升也得到抑制。其结果，能够避免n型基极层11与n型发射极层15之间的寄生晶体管的锁止，能够防止半导体装置1的过电流引起的损坏。

并且，为了促进经由第2控制电极50的热的扩散，优选绝缘膜53包含与绝缘膜43的材料相比导热率更大的材料。绝缘膜53例如包含硅氮化膜或氮化铝膜等、与硅氧化膜相比导热率更大的材料。

图4的(a)～(d)是例示第1实施方式的半导体装置1的终端构造的示意剖视图。另外，在图4的(a)～(d)中，将p型集电极层17、n型缓冲层19及集电极电极20省略。

如图4的(a)所示，半导体装置1具有配置有第1控制电极40及第2控制电极50的有源区域及包围有源区域的终端区域。在终端区域设置p型护圈gr1、p型护圈gr2及p型护圈gr3。并且，在gr3的外侧的终端区域并排地配置与期望的耐压对应的个数的护圈。p型护圈gr1设置为与p型基极层13相连，并经由p型基极层而与发射极电极30电连接。p型护圈gr2及gr3以电位浮动的状态配置。护圈gr1、gr2及gr3分别与电极31、浮动电极33及35连接。以下，在图4的(b)～(d)中是同样的。

在图4的(a)所示的例子中，在有源区域与终端区域的边界配置第2控制电极50。由此，能够将在终端区域产生的热经由第2控制电极50向发射极电极30高效地扩散。例如，能够将在半导体装置1的关断时产生的雪崩电流、电流集中等引起的焦耳热经由第2控制电极50扩散。由此，能够使终端部处的雪崩耐量、关断时的耐量提高，能够避免半导体装置1的损坏。

在图4的(b)所示的例子中，还设置第3控制电极60。第3控制电极60例如在p型护圈gr1的内部设置多个。第3控制电极60例如电连接于电极31并电连接于p型护圈gr1。

第3控制电极60例如包含钨等的金属。绝缘膜61例如是硅氧化膜。另外，绝缘膜61优选是与硅氧化膜相比导热率更大的硅氮化膜等。

这样，第3控制电极60配置于在关断时电场容易集中的有源区域与终端区域的边界例如p型护圈gr1处。由此，能够促进在终端区域产生的热的向电极31的扩散。

如图4的(c)所示，第3控制电极60可以设置为，具有贯穿p型护圈gr1地到达n型基极层11的长度。由此，能够将终端区域的n型基极层11中产生的热经由电极31而高效地扩散。

也可以如图4的(d)所示那样、将第3控制电极60分别配置于p型护圈gr1及gr2。由此，终端区域的较宽的范围中产生的热高效地扩散。p型护圈gr2在电气上与发射极电极30不连接，但与在p型护圈gr2上形成的浮动电极33连接。第3控制电极60能够经由浮动电极33使热扩散。

图4的(a)～(d)所示的构成是例示，实施方式并不限定于这些。例如，也能够是将第2控制电极50不配置在有源区域，而仅配置在有源区域与终端区域的边界的构成。另外，在图4的(b)～(d)所示的例子中，也可以是不配置第2控制电极50的构成。并且，可以是图4的(a)～(d)的任意的组合。

图5是表示第1实施方式的第1变形例的半导体装置2的示意剖视图。在图5中，示出了将集电极电极20、发射极电极30及绝缘膜45省略的半导体部10的构造。

在半导体装置2中，半导体部10还包括n型阻挡层14。n型阻挡层14设置于n型基极层11与p型基极层13之间。n型阻挡层14包含比n型基极层11的n型杂质高浓度的n型杂质。另外，n型阻挡层14包含比n型发射极层15的n型杂质低浓度的n型杂质。

通过设置n型阻挡层14，导通状态下的从n型基极层11向p型基极层13的空穴的移动得以抑制，能够提高n型基极层11中的空穴浓度。与此相对应，从n型发射极层15向n型基极层11的电子的注入得以促进，能够提高n型基极层11中的载流子密度。由此，在半导体装置2中，能够降低导通电阻。

图6是表示第1实施方式的第2变形例的半导体装置3的示意剖视图。半导体装置3例如是mosfet。在图6中，示出了将漏极电极、源极电极及绝缘膜45予以省略的半导体部10m的构造。漏极电极设置于半导体部10m的背面上，源极电极设置于半导体部10m的表面侧。

在图6所示的半导体装置3中，半导体部10m包括n型漂移层21、p型扩散层23、n型源极层25、p型接触层27及n型漏极层29。半导体部10m不包括p型集电极层17。

p型扩散层23设置于n型漂移层21与源极电极(未图示)之间。另外，p型扩散层23位于第1控制电极40与第2控制电极50之间(或者，包括位于第1控制电极40与第2控制电极50之间的部分)。

n型源极层25及p型接触层27分别选择性地设置于p型扩散层23与源极电极(未图示)之间。n型源极层25包括比n型漂移层21的n型杂质高浓度的n型杂质。p型接触层27包括比p型扩散层23的p型杂质高浓度的p型杂质。n型源极层25及p型接触层27电连接于源极电极(未图示)。p型扩散层23经由p型接触层27而电连接于源极电极(未图示)。

n型漏极层29设置于n型漂移层21与漏极电极(未图示)之间。n型漏极层29包含比n型漂移层21的n型杂质高浓度的n型杂质，并电连接于漏极电极(未图示)。

在半导体装置3中，也能够通过在第1控制电极40间配置第2控制电极50，而使在n型漂移层21产生的热经由源极电极(未图示)而高效地扩散。

图7是表示第1实施方式的第3变形例的半导体装置4的示意剖视图。在图7中，示出了将p型集电极层17，n型缓冲层19、集电极电极20、发射极电极30及绝缘膜45省略的半导体部10的构造。

在图7所示的半导体装置4中，在相邻的2个第1控制电极40间，设置3个第2控制电极50。实施方式并不限定于该例，也可以在相邻的2个第1控制电极40间配置2个第2控制电极50或者4个以上的第2控制电极50。

这样，通过在相邻的2个第1控制电极40间配置多个第2控制电极50，由此能够使在n型基极层11中产生的热经由发射极电极30进一步高效地扩散。

图8是表示第1实施方式的第4变形例的半导体装置5的示意剖视图。在图8中，示出了将发射极电极30及绝缘膜45省略的半导体部10的构造。

在图8所示的半导体装置5中，第2控制电极50设置为，与第1控制电极40相比在n型基极层11中延伸得更深。即，集电极电极20与第2控制电极50的间隔wsc，比集电极电极20与第1控制电极40的间隔wgc狭窄。由此，能够将在n型基极层11产生的热经由第2控制电极50及发射极电极30进一步高效地扩散。

图9的(a)～(c)及图10的(a)～(c)是例示第1实施方式的半导体装置1中的第2控制电极50的构造的示意剖视图。

如图9的(a)所示，使第2控制电极50从半导体部10电绝缘的绝缘膜53例如具有均匀的膜厚。即，绝缘膜53中的、在沟槽gt的内壁上设置的部分的膜厚tsw，与在沟槽gt的底面上设置的部分的膜厚tbm大致相同。

如图9的(b)所示，绝缘膜53包括设置于沟槽gt的内壁上且膜厚不同的2个部分。绝缘膜53例如包括具有膜厚tswa的部分和具有膜厚tswd的部分。膜厚tswd比膜厚tswa厚。例如，在图7所示的半导体装置4中，具有膜厚tswa的部分位于第2控制电极50的与第1控制电极40相对的侧面与半导体部10之间。具有膜厚tswd的部分位于第2控制电极50的与别的第2控制电极50相对的侧面与半导体部10之间。

另外，在图4的(a)所示的例子中，绝缘膜53的具有膜厚tswa的部分位于在有源区域与终端区域的边界配置的第2控制电极50中的与有源区域面对的侧面与半导体部10之间。另外，具有膜厚tswd的部分位于相同的第2控制电极50的与终端区域面对的侧面与半导体部10之间。

即，在导通状态下，使与集电极电流流动的区域面对一侧的绝缘膜53的膜厚变薄，由此能够促进从n型基极层11向第2控制电极50的热传导。另外，在该例子中，在绝缘膜53的沟槽gt的底面上设置的部分的膜厚tbm，比膜厚tswa厚，且比膜厚tswd薄。另外，膜厚tbm可以与膜厚tswa大致相同。

也可以如图9的(c)所示那样将绝缘膜53设为均匀地薄。即，通过使绝缘膜53较薄，由此能够促进对第2控制电极50的热传导。

也可以是如图10的(a)所示那样、使绝缘膜53的与第2控制电极50的沟槽gt的底面较近的部分更薄的构成。绝缘膜53例如沿着沟槽gt的内壁具有3级的膜厚tsw1、tsw2及tsw3，从距沟槽gt的底较近一侧起有tsw1＜tsw2＜tsw3的关系。

即，通过使绝缘膜53中的距n型基极层11中的发热区域较近的部分的膜厚较薄，由此能够促进从n型基极层11对第2控制电极50的热传导。

如图10的(b)所示那样、使绝缘膜53中的位于第2控制电极50与沟槽gt的内壁之间的部分的膜厚tsw，比位于第2控制电极50与沟槽gt的底面之间的部分的膜厚tbm薄。另外，也可以如图10的(c)所示那样、使膜厚tbm比膜厚tsw薄。

这样，绝缘膜53的膜厚能够根据设置第2控制电极50的位置及n型基极层11中的发热区域的位置而适当选择。

(第2实施方式)

图11的(a)及(b)是表示第2实施方式的半导体装置6、7的示意剖视图。在图11的(a)及(b)中，示出了将p型集电极层17、n型缓冲层19、集电极电极20、发射极电极30及绝缘膜45省略的半导体部10的构造。

图11的(a)所示的半导体装置6，包括在1个沟槽gt的内部配置的、多个第1控制电极40及多个第2控制电极50。第1控制电极40及第2控制电极50沿着沿半导体部10的表面延伸的沟槽gt的延伸方向(例如，y方向)而交替地配置。第1控制电极40及第2控制电极50分别在z方向延展，并具有位于n型基极层11中的端部。

第1控制电极40通过绝缘膜43而与半导体部10电绝缘。第2控制电极50通过绝缘膜53而与半导体部10电绝缘。例如，在沿沟槽gt的延伸方向(例如，y方向)而相邻的第1控制电极40与第2控制电极50之间，设置绝缘膜43或者绝缘膜53中的某一个，而相互被电绝缘。

p型基极层13例如位于在x方向上相邻的2个第1控制电极40间及在x方向上相邻的2个第2控制电极50间。p型基极层13被一体设置的情况下，包括位于在x方向上相邻的2个第1控制电极40间及在x方向上相邻的2个第2控制电极50间的部分。

n型发射极层15位于被选择性地设置于p型基极层13与发射极电极30(参照图1)之间、且在x方向上相邻的2个第1控制电极40间。即，n型发射极层15设置于与绝缘膜43接触的位置。

p型接触层16位于被选择性地设置于p型基极层13与发射极电极30(参照图1)之间、且在x方向上相邻的2个第2控制电极50间。即，p型接触层16被设置于与绝缘膜53接触的位置。

半导体部10还包括位于n型基极层11与p型基极层13之间的n型阻挡层14。另外，半导体部10也可以是不包含n型阻挡层14的构造。

在本实施方式的半导体装置6中，第2控制电极50包含与第1控制电极40的材料相比导热率更大的材料例如金属。由此，能够使在n型基极层11产生的热经由第2控制电极50及发射极电极30而高效地扩散，能够避免半导体装置6中的由过电流引起的损坏。

并且，绝缘膜53包含与绝缘膜43的材料相比导热率更大的材料。由此，能够进一步促进从n型基极层11向第2控制电极50的热传导。

在图11的(b)所示的半导体装置7中，除了第1控制电极40以外，还设置第2控制电极50a及50b。第2控制电极50a配置于在配置第1控制电极40的沟槽gt间设置的别的沟槽gt的内部。第2控制电极50a在y方向上延伸。

另一方面，第2控制电极50b与第1控制电极40一起被配置于1个沟槽gt的内部。第1控制电极40与第2控制电极50b，沿着沟槽gt的延伸方向(例如，y方向)而交替地配置。

例如，第2控制电极50a及50b包含具有比第1控制电极40的材料大的导热率的材料。另外。第2控制电极50b可以包含具有比第1控制电极40及第2控制电极50a的材料更大的导热率的材料。

在半导体装置7中，也能够使在n型基极层11产生的热经由第2控制电极50a、50b及发射极电极30而高效地扩散，能够避免由过电流引起的损坏。

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，意图不是限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他的各种各样的方式实施，在不脱离发明的宗旨的范围内能够进行各种各样的省略、置换及变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围及宗旨，并且包含于权利要求记载的发明及其等同物的范围。