[发明专利]包括绝缘栅双极晶体管和二极管的半导体设备

说明书

技术领域

本发明涉及包括设置在同一半导体衬底中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）和二极管的半导体设备。

背景技术

传统上，例如，如JP-A-2007-227806（对应于US2007/200138A）中所述，用于将直流电变换为交流电的逆变器电路包括半导体设备，在该半导体设备中，用作开关元件的IGBT和续流二极管（FWD）一体形成在同一芯片中。该半导体设备通过导通和关断IGBT来将直流电变换为交流电。当IGBT关断时，流至负载（例如，电动机）的电流经过FWD回流。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种半导体设备，该半导体设备包括IGBT形成区域和二极管形成区域，并且该半导体设备可以减少载流子注入量以改善恢复特性。

根据本发明的一个方面的半导体设备包括IGBT形成区域、以及沿着所述IGBT形成区域设置的二极管形成区域。所述IGBT形成区域包括垂直的IGBT，并且所述二极管形成区域包括二极管。所述半导体设备包括：第一导电型的漂移层、第二导电型的集电极区域、第一导电型的阴极区域、第二导电型区域、多个沟槽、第一导电型的发射极区域、栅极绝缘层、栅极电极、上部电极以及下部电极。

漂移层具有第一表面和第二表面。集电极区域设置在所述IGBT形成区域中的漂移层的第二表面。阴极区域设置在二极管形成区域中的漂移层的第二表面。第二导电型区域设置在IGBT形成区域和二极管形成区域两者中的漂移层的第一表面。所述沟槽延伸至比第二导电型区域深的深度。所述沟槽将IGBT形成区域中的所述第二导电型区域分割为包括沟道区域和第一阳极区域的多个区域。发射极区域沿着IGBT形成区域中的所述沟槽的侧壁设置在所述沟道区域的表面部分处。栅极绝缘层设置在所述沟槽的表面上。栅极电极设置在栅极绝缘层的表面上。上部电极与IGBT形成区域中的包括沟道区域和第一阳极区域的第二导电型区域电耦合。所述上部电极还与二极管形成区域中用作第二阳极区域的第二导电型区域电耦合。下部电极与IGBT形成区域中的集电极区域和二极管形成区域中的所述阴极区域电耦合。

在IGBT形成区域中，包括沟道区域的区段是用作垂直的IGBT的IGBT操作区段，并且包括第一阳极区域的区段是不用作所述垂直的IGBT的减薄区段（thinned-out section）。当将面密度（area density）定义为通过对所述第二导电型区域中的第二导电型杂质的浓度分布曲线（concentration profile）在深度方向上进行积分所计算的值时，沟道区域的面密度高于第一阳极区域的面密度以及所述第二阳极区域的面密度。

该半导体设备可以减少来自二极管形成区域的载流子注入量，并且可以改善恢复特性。

附图说明

根据以下结合附图进行的详细描述，本发明的附加目的和优点将更加明显。在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的半导体设备的横截面视图；

图2是根据第一实施例的半导体设备的顶视图；

图3A至图3H是示出在仿真中使用的半导体设备的横截面模型的图；

图4A至图4G是示出在仿真中使用的半导体设备中的空穴浓度分布的曲线图；

图5A是示出在不同p型杂质面密度情况下IGBT操作区段的宽度和空穴浓度之间的关系的曲线图，而图5B是用于说明IGBT操作区段的宽度W1、减薄区段的宽度W2以及单元（cell）的宽度W3的图；

图6是示出在p型杂质面密度为高的情况下和在p型杂质面密度为低的情况下，正向电压和恢复损耗之间的关系的曲线图；

图7是示出仅在二极管形成区域中的阳极p型区域的面密度减小的情况下和在二极管形成区域中的阳极p型区域和IGBT形成区域中的阳极p型区域两者的面密度减小的情况下，正向电压和恢复损耗之间的关系的曲线图；

图8是根据本发明第二实施例的半导体设备的横截面视图；

图9是示出在减薄区段中的p型区域的表面浓度为高的情况下和在减薄区段中的p型区域的表面浓度为低的情况下，正向电压和恢复损耗之间的关系的曲线图；

图10是根据本发明第三实施例的半导体设备的横截面视图；

图11是根据本发明第四实施例的半导体设备的横截面视图；

图12是根据本发明第五实施例的半导体设备的横截面视图；

图13是根据本发明第六实施例的半导体设备的横截面视图；

图14是根据本发明第七实施例的半导体设备的横截面视图；

图15是根据本发明第八实施例的半导体设备的横截面视图；以及