[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有绝缘栅双极晶体管(IGBT)的半导体器件，还涉及制造半导体器件的方法。

背景技术

已知具有IGBT的半导体器件是用于诸如工业电动机的电子设备中的功率转换器。这种半导体器件的典型结构如下。

N^-型漂移层形成于P⁺型半导体衬底上作为集电极层。在N^-型漂移层的表面部分中形成P型基极层(base layer)。N⁺型发射极层形成于P型基极层的表面部分中。按照条形图案布置穿透P型基极层和N⁺型发射极层并到达N^-型漂移层的沟槽。栅极绝缘层和栅电极形成于每个沟槽的壁上，从而可以形成沟槽栅极结构。发射电极通过层间电介质层形成于P型基极层和N⁺型发射极层上。发射电极通过层间电介质层中形成的接触孔电连接到P型基极层和N⁺型发射极层。集电电极形成于集电极层的背表面上并电连接到集电极层。

在这样的半导体器件中，在向栅电极施加预定栅极电压时，在P型基极层与栅极绝缘层接触的部分中形成反转层，在N^-型漂移层与栅极绝缘层接触的部分中形成电子累积层。然后，电子从N⁺型发射极层通过反转层和累积层流到N^-型漂移层，空穴从集电极层流到N^-型漂移层。于是，由于电导率调制导致电阻减小，从而可以使半导体器件导通。

尽管具有这种IGBT的半导体器件的导通电压小于具有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的半导体器件，但对进一步降低导通电压的需求越来越大。

在对应于JP-A-2007-43123的US2007/0001263中公开的半导体器件中，将相邻栅电极之间的距离设置成从0.55nm到0.3μm范围的非常小的值。

在JP-A-2008-153389中公开的半导体器件中，沟槽栅极结构底部的宽度大于沟槽栅极结构其他部分的宽度，使得相邻沟槽栅极结构底部之间的距离小于沟槽栅极结构其他部分之间的距离。

在US 2007/0001263或JP-A-2008-153389中公开的这种半导体器件中，流入N^-型漂移层中的空穴较不可能通过相邻沟槽栅极结构之间的空间流到P型基极层。于是，在N^-型漂移层中可以累积大量空穴。于是，从发射极层通过反转层和累积层注入N^-型漂移层中的电子的量增加。由于电子迁移率大于空穴迁移率，可以进一步降低导通电压。

顺便提及，对改善半导体器件负载短路能力同时降低半导体器件的导通电压有越来越大的需求。

亦即，在负载短路时，有大的饱和电流流动，从而可以产生与饱和电流成正比的焦耳热。结果，半导体器件的温度可以升高到最大容许温度以上。

发明内容

鉴于以上情况，本发明的目的是提供一种具有低导通电压和改进的负载短路能力的半导体器件。本发明的另一目的是提供一种制造半导体器件的方法。

根据本发明的第一方面，一种半导体器件包括：第一导电类型的漂移层；所述漂移层前侧上的第二导电类型的基极层；沟槽栅极结构；位于所述基极层的表面部分中并与所述沟槽栅极结构相邻的第一导电类型的发射极层；以及与所述发射极层隔着漂移层设置的第二导电类型的集电极层。每个沟槽栅极结构包括穿透基极层到达漂移层的沟槽、沟槽壁表面上的栅极绝缘层以及栅极绝缘层上的栅电极。沟槽栅极结构的长度方向平行于漂移层的平面方向，宽度方向平行于漂移层的平面方向并垂直于长度方向，深度方向垂直于漂移层的平面方向。沟槽栅极结构具有底部部分和开口部分。底部部分界定沟槽栅极结构的底部。开口部分位于沿深度方向的沟槽栅极结构与底部部分相对一侧。底部部分位于漂移层中并在宽度方向上扩展，使得在宽度方向上相邻沟槽栅极结构的底部部分之间的距离小于相邻沟槽栅极结构的开口部分之间的距离。底部部分的沟槽的壁表面上的栅极绝缘层的厚度大于开口部分的沟槽的壁表面上的栅极绝缘层的厚度。