半导体装置

摘要

本发明的半导体装置(100)具备配置在n漂移区域(2)上的p阳极区域(4)、以及配置在n漂移区域(2)上的与p阳极区域(4)相接的p扩散区域(5)。具备配置在n‑区域(3)上的与p扩散区域(5)相接的电阻区域(6)、多根p保护环区域(8)、以及与p保护环区域(8)分离配置的p截断区域(9)。通过设置p扩散区域(5)，在反向恢复时集中于p阳极区域的空穴的俘获得到抑制，从而能够提供具有较高的反向恢复容限的半导体装置。

权利要求

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：

第1导电型的半导体基板；

活性区域，该活性区域形成于该半导体基板的第1主面，主电流流过该活性区域；

边缘终端结构，该边缘终端结构被配置成包围该活性区域；

第2导电型的第1半导体区域，该第2导电型的第1半导体区域形成在所述活性区域；

多个第2导电型的第2半导体区域，该多个第2导电型的第2半导体区域构成所述边缘终端结构；

第1主电极，该第1主电极形成在所述第1主面上，与所述第1半导体区域电连接；

第2导电型的第3半导体区域，该第2导电型的第3半导体区域位于所述第2半导体区域与所述第1半导体区域之间，成为在深度方向上夹着绝缘膜与所述第1主电极相分离的电阻区域；以及除所述第3半导体区域以外的两个以上的第2导电型扩散区域，该两个以上的第2导电型扩散区域具有不同的电阻，形成在从所述第1主电极与所述半导体基板相接触的外周端部起算时更靠近外周方向的所述半导体基板表面，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是在所述第3半导体区域和所述第1半导体区域之间与两者相连接的第2导电型的第4半导体区域，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是位于所述第2半导体区域侧且与所述第3半导体区域相比杂质浓度较高且扩散深度较深的第2导电型的第5半导体区域，所述第4半导体区域的扩散深度比所述第3半导体区域的扩散深度要深，所述第4半导体区域的杂质浓度比所述第3半导体区域的杂质浓度要低。

2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第4半导体区域与所述第1主电极相接。

3.如权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述第3半导体区域和所述两个以上的第2导电型扩散区域中的至少一个区域的扩散深度比其余的区域的扩散深度要深，且比所述第1半导体区域的扩散深度要深。

4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第4半导体区域的外周方向的宽度为5μm以上50μm以下。

5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第3半导体区域的深度方向的积分浓度比所述第1半导体区域的杂质浓度要高，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是第2导电型的第5半导体区域，该第2导电型的第5半导体区域与所述第3半导体区域相比扩散深度较深且杂质浓度较高，并且与该第3半导体区域的外周侧相连接，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是所述第1半导体区域从所述第

1主电极的外周端部向外周方向延伸得到的部分，并且与所述第3半导体区域相连接。

6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，

所述第1半导体区域的延伸部分的长度为2μm以上且小于50μm。

7.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述第3半导体区域是所述第1半导体区域从所述第1主电极的外周端部起向外周方向延伸得到的部分，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是第2导电型的第5半导体区域，该第2导电型的第5半导体区域与所述第3半导体区域相比扩散深度较深且杂质浓度较高，并且与该第3半导体区域的外周侧相连接，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是从与所述绝缘膜相接的所述第3半导体区域的表面起贯穿所述第3半导体区域来进行配置的第2导电型的第6半导体区域，该第6半导体区域的杂质浓度比所述第3半导体区域的杂质浓度要高。

8.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，

配置在所述第6半导体区域与所述第1半导体区域之间的所述第3半导体区域的杂质浓度和扩散深度与所述第1半导体区域的杂质浓度和扩散深度相等。

9.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，

所述第3半导体区域的杂质浓度和扩散深度与所述第1半导体区域的杂质浓度和扩散深度相等。

10.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

通过具备所述第2导电型扩散区域，使得反向恢复电流被分流到所述第1主电极的外周端部的内周侧。

11.一种半导体装置，其特征在于，包括：

第1导电型的半导体基板；

活性区域，该活性区域形成于该半导体基板的第1主面，主电流流过该活性区域；

边缘终端结构，该边缘终端结构被配置成包围该活性区域；

第2导电型的第1半导体区域，该第2导电型的第1半导体区域形成在所述活性区域；

多个第2导电型的第2半导体区域，该多个第2导电型的第2半导体区域构成所述边缘终端结构；

第1主电极，该第1主电极形成在所述第1主面上，与所述第1半导体区域电连接；

第2导电型的第3半导体区域，该第2导电型的第3半导体区域位于所述第2半导体区域与所述第1半导体区域之间，成为在深度方向上夹着绝缘膜与所述第1主电极相分离的电阻区域；以及除所述第3半导体区域以外的两个以上的第2导电型扩散区域，该两个以上的第2导电型扩散区域具有不同的电阻，形成在从所述第1主电极与所述半导体基板相接触的外周端部起算时更靠近外周方向的所述半导体基板表面，所述第3半导体区域的深度方向的积分浓度比所述第1半导体区域的杂质浓度要高，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是第2导电型的第5半导体区域，该第2导电型的第5半导体区域与所述第3半导体区域相比扩散深度较深且杂质浓度较高，并且与该第3半导体区域的外周侧相连接，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是所述第1半导体区域从所述第

1主电极的外周端部向外周方向延伸得到的部分，并且与所述第3半导体区域相连接。

12.一种半导体装置，其特征在于，包括：

第1导电型的半导体基板；

活性区域，该活性区域形成于该半导体基板的第1主面，主电流流过该活性区域；

边缘终端结构，该边缘终端结构被配置成包围该活性区域；

第2导电型的第1半导体区域，该第2导电型的第1半导体区域形成在所述活性区域；

多个第2导电型的第2半导体区域，该多个第2导电型的第2半导体区域构成所述边缘终端结构；

第1主电极，该第1主电极形成在所述第1主面上，与所述第1半导体区域电连接；

第2导电型的第3半导体区域，该第2导电型的第3半导体区域位于所述第2半导体区域与所述第1半导体区域之间，成为在深度方向上夹着绝缘膜与所述第1主电极相分离的电阻区域；以及除所述第3半导体区域以外的两个以上的第2导电型扩散区域，该两个以上的第2导电型扩散区域具有不同的电阻，形成在从所述第1主电极与所述半导体基板相接触的外周端部起算时更靠近外周方向的所述半导体基板表面，所述第3半导体区域是所述第1半导体区域从所述第1主电极的外周端部起向外周方向延伸得到的部分，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是第2导电型的第5半导体区域，该第2导电型的第5半导体区域与所述第3半导体区域相比扩散深度较深且杂质浓度较高，并且与该第3半导体区域的外周侧相连接，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是从与所述绝缘膜相接的所述第3半导体区域的表面起贯穿所述第3半导体区域来进行配置的第2导电型的第6半导体区域，该第6半导体区域的杂质浓度比所述第3半导体区域的杂质浓度要高。

说明书

半导体装置

技术领域

[0001] 本发明涉及功率半导体模块等半导体装置。

背景技术

[0002] 近年来，针对节能的要求，功率半导体模块的应用不断扩展。对该功率半导体模块的一个示例进行说明。图8是功率半导体模块500的主要部分电路图。该功率半导体模块500的电路由整流器部81、制动器部82、以及逆变器部83构成。

[0003] 整流器部81由U相、V相、W相三相形成，各相由上下桥臂构成，各桥臂由二极管84构成。制动器部82由二极管85和IGBT(绝缘栅型双极晶体管)86构成。制动器部82中，二极管85和IGBT86串联连接。

[0004] 逆变器部83由U相、V相、W相三相形成，各相由上下桥臂构成。逆变器部83中的一个桥臂由IGBT87和作为二极管的FWD(续流二极管)88构成。IGBT87和FWD88反向并联连接。在逆变器部83中，IGBT87和FWD88有时分别单独并联连接或多个并联连接。逆变器部83中所使用的FWD88具有反向恢复模式，由于在该反向恢复模式下容易发生损坏，因此要求其具有较高的反向恢复容限。

[0005] 图9是现有的FWD88的主要部分剖视图。图9的剖视图是放大边缘终端结构附近而得到的图，示出例如与专利文献4的图1相近的结构。图9中，FWD88包括形成于n半导体基板51的n漂移区域52上所配置的p阳极区域54和阳极端部区域55、n漂移区域52的延伸部即n-区域53上所配置p保护环区域58和p截断区域(p-stopper region)59。FWD88具备配置在p阳极区域54上和阳极端部区域55上的阳极电极60。

[0006] 此外，FWD88具备配置在p保护环区域58、p截断区域59上的绝缘膜61。FWD88具备与p保护环区域58电连接的保护环电极62、与p截断区域59电连接的截断电极63。所述阳极端部区域55的杂质浓度和扩散深度与p保护环区域58的杂质浓度和扩散深度相同。

[0007] FWD88还具备配置在n漂移区域52的下方的n阴极区域65、以及与n阴极区域65电连接的阴极电极66。FWD88中，形成p阳极区域54的区域是活性部64，形成p保护环区域58、p截断区域59、绝缘膜61的区域为边缘终端结构67。图中的标号52表示n漂移区域，标号53表示n漂移区域52的延伸部即n-区域。对这些区域52、53进行统称，简称为漂移区域。

[0008] 接着，对图8的三相逆变器电路(逆变器部83)与作为负载的未图示的电动机等电感相连接的情况下的逆变器电路(逆变器部83)的电路动作进行说明。这里，着重于U相和V相，对例如U相的上桥臂的IGBT87与W相的下桥臂的IGBT87同时导通，从而电流流过电动机使电动机旋转的情况进行说明。实际上，W相的上桥臂或下桥臂也流过电流，但这里为了简便而省略了说明，对U相和V相单相的逆变器与电动机相连接的情况进行说明。

[0009] U相的上桥臂的IGBT87和W相的下桥臂的IGBT87反复进行导通、截止，若导通的期间增长，则流过电动机的电流增大，若截止的期间增长，则流过电动机的电流减少。通过该电流的增减，来控制电动机的旋转数、转矩。下面，将FWD88导通时称为通电时，将FWD88从导通状态转移到截止状态时称为反向恢复时。

[0010] 图10是表示IGBT87和FWD88的电压电流波形的说明图。使用图10，划分区间来对上述动作进行说明。

[0011] (1)A区间是IGBT87导通，向电动机提供电流的状态。在IGBT87导通，向电动机提供电流的状态下，FWD88中没有电流流过。

[0012] (2)B区间是IGBT87截止的状态。此时，在电动机中流动的电流失去了去处，从而经由其他桥臂的FWD88在逆变器部83流动。该电流称为回流电流，对FWD88而言是正向电流。该FWD88中流过正向电流时为“通电时”。

[0013] (3)C区间是再次使IGBT87导通的状态。因IGBT87导通而流动的电流成为流过电动机的电流和与该IGBT87串联连接的FWD88的反向电流。流过FWD88的反向电流在FWD88反向恢复后的阶段停止，从而所有的电流流过电动机。通过重复该一系列动作来控制在电动机中流动的电流。流过FWD88的反向电流为反向恢复电流，该反向恢复电流流过时为“反向恢复时”。

[0014] 图11是对流过FWD88的空穴的动作进行说明的图，(a)是通电时的图，(b)是反向恢复时的图。图11中，示出流过FWD88的空穴的动作，尤其是从活性部64到边缘终端结构67中的动作。此外，通电时，在活性部64的下部的n漂移区域52中也产生空穴·电子对的蓄积，但省略图示。

[0015] 在图11(a)的通电时，使空穴从p阳极区域54注入(参照图11(a)中的标号71)到n漂移区域52和n漂移区域52的延伸部的n-区域53。为了与该空穴进行中和，使电子从n阴极区域65注入到n漂移区域52和n-区域53。其结果是，在n漂移区域52和n-区域53中，因存在有过剩的空穴和过剩的电子的状态(空穴·电子对的蓄积状态)而流过正向电流。存在有该过剩的空穴和电子从而流过正向电流的状态被称为电导调制，是n漂移区域52和n-区域53的电阻大幅下降的状态。即，在通电时，n漂移区域52和n-区域53蓄积有过剩的空穴和电子。

[0016] 在图11(b)的反向恢复中，IGBT87再次导通，FWD88转移到流过反向恢复电流的反向恢复过程。在该反向恢复时，蓄积在n漂移区域52和n-区域53的空穴和电子中，空穴的俘获(参照图11(b)中的标号73)在p阳极区域54和阳极端部区域55进行，电子被n阴极区域65俘获从而成为反向恢复电流。在n漂移区域52和n-区域53不存在过剩的空穴和电子的阶段，反向恢复电流消失，FWD88成为截止状态。

[0017] 所述阳极端部区域55和n漂移区域52之间的pn结在深度方向上具有凸形的形状。因此，与p阳极区域54的平坦的底部相比，电流容易集中。此外，由于在边缘终端结构67下方的n-区域53所蓄积的空穴在反向恢复时会集中并流过阳极端部区域55，因此会引起FWD88的损坏。

[0018] 作为使电流难以向阳极端部区域55集中的方法，存在有采用延长结构68的方法(例如，参照下述专利文献1的图1)，该延长结构68在p阳极区域54与作为边缘终端结构67的p保护环区域58之间设置电阻区域56。此外，还公开了局部缩短p阳极区域54及边缘终端结构67与n漂移区域52及其延伸部的n-区域53的结附近的寿命的方法等(例如，参照下述专利文献2的图1)。

[0019] 图12是具有延长结构68的FWD88的主要部分剖视图。图12所示的FWD88与图9所示的FWD88的不同点在于，在p阳极区域54与作为边缘终端结构67的p保护环区域58之间，设置有使p阳极区域54沿外周方向延伸而得到的电阻区域56。在该电阻区域56的上表面经由绝缘膜隔开设置有阳极电极60。通过应用该延长结构68，在反向恢复时电流向延长端部区域57的集中得以缓和，由此防止了FWD88的损坏。

[0020] 在下述专利文献3的例如图3中，记载有与保护环相比具有低浓度且较浅、与阳极低浓度层相比具有高浓度且较深的中间层。其中，该中间层不与保护环相连。此外，接触端部与低浓度层相接触。在下述专利文献4的例如图1、图5中，记载有在与上述现有例相同的结构中的电阻所起的作用。此外，在下述专利文献5的例如图1中，记载有接触端部被p环覆盖的结构，并建议该p环比阳极层要深，且具有低浓度。

[0021] 现有技术文献

[0022] 专利文献

[0023] 专利文献1：日本专利第3444081号公报

[0024] 专利文献2：日本专利特开2005－340528号公报

[0025] 专利文献3：日本专利特开2000－114550号公报

[0026] 专利文献4：日本专利特开2000－49360号公报

[0027] 专利文献5：日本专利特开2009－38213号公报

发明内容

[0028] 发明所要解决的技术问题

[0029] 然而，在采用如上述图12所示那样的延长结构的情况下，其电阻区域56的电阻值Rpo的选择变得非常重要。若不将电阻值Rpo设定为最佳值，则在电阻区域56中，在边缘终端结构67一侧或活性部64一侧的端部容易引起电流集中，从而导致FWD88发生损坏。

[0030] 图13示出在图12的FWD88中，当电阻区域56的电阻值Rpo小于最佳值时的空穴的动作，图13(a)是通电时的图，图13(b)是反向恢复时的图。如图13(a)所示，在通电时，空穴的注入(参照图13(a)中的标号71)在较广的区域内进行。在通电时，由于额定电流与正向电压降之积即功耗非常小，因此不会发生发热等元件损坏。

[0031] 然而，在图13所示的FWD88中，在反向恢复时，进行空穴的俘获(参照图13(b)中的标号73)，从而发生电流集中到电阻值Rpo较低的电阻区域56的端部即延长端部区域57。在边缘终端结构67的下部所蓄积的载流子从延长端部区域57流入低电阻的电阻区域56，并从p阳极区域54通过阳极电极60。此时，在比延长端部区域57更靠外周侧的n-区域53所蓄积的载流子集中到延长端部区域57。由于该电流集中，根据泊松方程，延长端部区域57的电场强度增强，从而在该延长端部区域57中发生损坏。

[0032] 图14示出在图12的FWD88中，当电阻区域56的电阻值Rpo大于最佳值时的空穴的动作，图14(a)是通电时的图，图14(b)是反向恢复时的图。如图14(a)所示，在通电时，空穴的注入在较广的区域内进行(参照图14(a)中的标号71)。但是，由于电阻区域56的电阻Rpo较大，因此，从接触端30开始越朝向芯片外周侧，空穴注入量越是减少。即使如此，通电时，由于额定电流与正向电压降之积即功耗非常小，因此不会发生发热等元件损坏。

[0033] 然而，在图14所示的FWD88中，在反向恢复时，如图14(b)所示，空穴难以流入电阻值Rpo较高的电阻区域56，因此，空穴的俘获(参照图14(b)中的标号73)不会通过电阻区域56。因此，在比接触端30更靠外周所蓄积的空穴全部朝向接触端30集中。由此，电流过大地集中到p阳极区域54与电阻区域56的连接部位即接触端30，从而在该部位引起元件损坏。由此，不论电阻区域56的电阻值Rpo过小还是过大，在反向恢复时都容易发生元件损坏。

[0034] 特别对电流容易集中到接触端30的理由进行说明。图15是表示在图14(b)的二极管中，反向恢复时的等电位线与空穴的俘获(参照图14(b)中的标号73)的关系的示意图。图15中，在比接触端30更靠芯片外周的方向，等电位线41如图所示，向活性部弯曲，因此其斜坡向接触端30集中。标号23表示空穴的俘获。由于空穴沿着该等电位线41(电势)的斜坡在空间电荷区域迅速下移，因此在比接触端30更靠芯片外周侧所蓄积的空穴全部集中到接触端30。

[0035] 本发明是为了解决上述现有技术所存在的问题点而完成的，其目的在于提供一种半导体装置，该半导体装置可避免在边缘终端结构区域与活性部的边界处所容易发生的电流集中，并具有较高的反向恢复容限。

[0036] 解决技术问题所采用的技术手段

[0037] 为了达成上述目的，本发明的半导体装置在第1导电型的半导体基板的第1主面具备第2导电型的第1半导体区域，并具备构成边缘终端结构的多个第2导电型的第2半导体区域，该边缘终端结构被配置成包围该第1半导体区域。在所述第1主面上具备与所述第1半导体区域电连接的第1主电极，在所述第2半导体区域与所述第1半导体区域之间，具备成为夹着绝缘膜在深度方向上与所述第1主电极分离开来的电阻区域的第2导电型的第3半导体区域。于是，在该半导体装置中，具有下述结构：在从所述第1主电极与所述半导体基板相接触的外周端部起算时更靠近外周方向的该半导体基板表面，除所述第3半导体区域以外，还具备电阻不同的两个以上的第2导电型扩散区域，并且所述第3半导体区域和所述两个以上的第2导电型扩散区域中的任一个与所述第1半导体区域相连接。

[0038] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：所述第3半导体区域和所述两个以上的第2导电型扩散区域中的至少一个区域的扩散深度比其余的区域的扩散深度要深，且比所述第1半导体区域的扩散深度要深。

[0039] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是在所述第3半导体区域和所述第1半导体区域之间与两者相连接的第2导电型的第4半导体区域，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是在所述第2半导体区域侧与所述第3半导体区域相比杂质浓度较高且扩散深度较深的第2导电型的第5半导体区域，所述第4半导体区域的扩散深度比所述第3半导体区域的扩散深度要深，所述第4半导体区域的杂质浓度比所述第3半导体区域的杂质浓度要低。

[0040] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：所述第5半导体区域的外周方向的宽度为5μm以上50μm以下。

[0041] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：所述第3半导体区域的深度方向的积分浓度比所述第1半导体区域的杂质浓度要高，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是第2导电型的第5半导体区域，该第2导电型的第5半导体区域与所述第3半导体区域相比扩散深度较深且杂质浓度较高，并且与该第3半导体区域的外周侧相连接，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是所述第1半导体区域从所述第1主电极的外周端部起向外周方向延伸得到的部分，并且与所述第3半导体区域相连接。

[0042] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：所述第1半导体区域的延伸部分的长度为2μm以上且小于50μm。

[0043] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：所述第3半导体区域是所述第1半导体区域从所述第1主电极的外周端部起向外周方向延伸得到的部分，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第1扩散区域是第2导电型的第5半导体区域，该第2导电型的第5半导体区域与所述第3半导体区域相比扩散深度较深且杂质浓度较高，并且与该第3半导体区域的外周侧相连接，所述两个以上的第2导电型扩散区域中的第2扩散区域是从与所述绝缘膜相接的所述第3半导体区域的表面起贯穿所述第3半导体区域来进行配置的第2导电型的第6半导体区域，该第6半导体区域的杂质浓度比所述第3半导体区域的杂质浓度要高。

[0044] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：配置在所述第6半导体区域与所述第1半导体区域之间的所述第3半导体区域的杂质浓度和扩散深度与所述第1半导体区域的杂质浓度和扩散深度相等。

[0045] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：所述第3半导体区域的杂质浓度和扩散深度与所述第1半导体区域的杂质浓度和扩散深度相等。

[0046] 在上述发明中，本发明的半导体装置可以设为：通过具备所述第2导电型扩散区域，使得反向恢复电流被分流到所述第1主电极的外周端部的内周侧。

[0047] 根据本发明，在p阳极区域与构成边缘终端结构的p保护环区域之间设置电阻区域，并且在p阳极区域与电阻区域之间设置与两者相接的低浓度的p扩散区域。此外，通过在所述p扩散区域的表面层设置高浓度区域，从而可抑制电流向阳极电极的接触端部附近的集中。

[0048] 根据本发明，通过将比p阳极区域的扩散深度要深、比p保护环区域的扩散深度要浅的电阻区域配置为与p阳极区域和p保护环区域相接，并且使p阳极区域与阳极电极相接的部位的端部从p阳极区域的端部起向内部缩进，且将该缩进量设为2μm～50μm，从而可抑制电流向阳极电极的接触端部附近集中。

[0049] 根据本发明，通过在电阻区域设置杂质浓度高于电阻区域、且扩散深度较深的高浓度区域，从而可抑制电流向阳极电极的接触端部附近集中。

[0050] 发明效果

[0051] 根据本发明，可获得以下效果：能够提供可避免在边缘终端结构区域与活性部的边界所容易发生的电流集中，且具有较高的反向恢复容限的半导体装置。

附图说明

[0052] 图1是本发明的实施例1所涉及的半导体装置100的主要部分剖视图。

[0053] 图2是用于说明图1的结构中的空穴的动作的图，(a)是通电时的图，(b)是反向恢复时的图。

[0054] 图3是本发明的实施例2所涉及的半导体装置200的主要部分剖视图。

[0055] 图4是本发明的实施例3所涉及的半导体装置300的主要部分剖视图。

[0056] 图5是表示阳极接触缩进量与电场强度的关系的图。

[0057] 图6是本发明的实施例4所涉及的半导体装置400的主要部分剖视图。

[0058] 图7是实施例1～4的半导体装置100～400的p阳极区域4附近的主要部分结构图。

[0059] 图8是功率半导体模块500的主要部分电路图。

[0060] 图9是现有的FWD88的主要部分剖视图。

[0061] 图10是表示IGBT87和FWD88的电压电流波形的说明图。

[0062] 图11是对流过FWD88的空穴的动作进行说明的图，(a)是通电时的图，(b)是反向恢复时的图。

[0063] 图12是具有延长结构68的FWD88的主要部分剖视图。

[0064] 图13示出在图12的FWD88中，当电阻区域56的电阻值Rpo小于最佳值时的空穴的动作，图13(a)是通电时的图，图13(b)是反向恢复时的图。

[0065] 图14示出在图12的FWD88中，当电阻区域56的电阻值Rpo大于最佳值时的空穴的动作，图14(a)是通电时的图，图14(b)是反向恢复时的图。

[0066] 图15是表示在图14(b)的二极管中，反向恢复时的等电位线与空穴的俘获(参照图14(b)中的标号73)的关系的示意图。

[0067] 图16是表示在实施例1的二极管的剖面中，反向恢复时的等电位线41与空穴的俘获(参照图16中的标号23)的关系的示意图。

[0068] 图17是表示在实施例3的二极管的剖面中，反向恢复时的等电位线41与空穴的俘获(参照图17中的标号23)的关系的示意图。

[0069] 图18是表示在实施例4的二极管的剖面中，反向恢复时的等电位线41与空穴的俘获(参照图18中的标号23)的关系的示意图。

具体实施方式

[0070] 通过下述实施例来说明实施方式。在下述说明中，区域最开始所标注的p表示导电型为p型，n表示导电型为n型。此外，在下述说明中，将成为半导体基板的晶片切片成一个一个半导体装置的状态作为适当的芯片进行说明。

[0071] 实施例1

[0072] 图1是本发明的实施例1所涉及的半导体装置100的主要部分剖视图。图1是相当于图8的FWD88的FWD的主要部分剖面，示出从活性部端部附近到半导体基板的外周部为止的半导体装置的主要部分剖面。图1中，半导体装置100具备配置于n漂移区域2的上表面的p阳极区域4。n漂移区域2上设置有p扩散区域5，该p扩散区域5配置为与p阳极区域4相接，与p阳极区域4相比具有低浓度且扩散深度较深。在n漂移区域2的外延部的n-区域3形成边缘终端结构17等。

[0073] 在n-区域3上，设置有：与p扩散区域5相接进行配置的电阻区域6、与电阻区域6相接进行配置电阻端部区域7、与电阻端部区域7分离开来进行配置的多根p保护环区域8、以及与p保护环区域8分离开来进行配置p截断区域9。形成于n半导体基板1的各区域不形成在n半导体基板1中的n漂移区域2和其外延部的n-区域3。

[0074] 此外，半导体装置100具备p阳极区域4以及与p扩散区域5电连接进行配置的阳极电极10。在下述说明中，将阳极电极10与p阳极区域4或与其相连接的p型扩散层的表面相连接的接触面的端部部分称为接触端30。在下述说明中，还将从接触端30开始到朝向芯片外周侧的电阻端部区域7的外周端部为止的区域称为缓冲区域18。

[0075] 半导体装置100的一个特征在于，在缓冲区域18具有电气阻抗(以下，简称为电阻)不同的3个或3个以上的p型区域。实施例1的半导体装置100具有与接触端30相连接的p扩散区域5、在p型扩散区域的外周侧与其相连接的电阻区域6、以及在电阻区域6的外周侧与其相连接的电阻端部区域7这3个区域。

[0076] 具体而言，这些区域的电阻不同是指，从半导体基板的表面起沿深度方向对3个区域的各区域的杂质(掺杂)浓度进行积分而得到的积分浓度不同。此外，由于3个区域的各区域的表面电阻(sheet resistance)是积分浓度与载流子移动度(p型层的情况下为空穴)和基本电荷相乘而得到的值的倒数，因此也可以认为3个区域的各区域的表面电阻不同。此外，3个区域的各区域中，2个区域可以具有相同的电阻(积分浓度、表面电阻)。因而在缓冲区域18可以存在至少具有不同的两种电阻值的3个p型区域。

[0077] 半导体装置100具备配置在n-区域3上、电阻区域6上、电阻端部区域7上、p保护环区域8上、p截断区域9上的绝缘膜11。半导体装置100具备以与p保护环区域8上电连接的方式配置在绝缘膜11上的保护环电极12、以及以与p截断区域9上电连接的方式进行配置的截断电极13。作为绝缘膜11，可以是PSG(磷玻璃)膜、热氧化膜(也包含场氧化膜)、以及氧化膜和PSG膜的层叠膜等。图1通过一层绝缘膜来进行图示，但也可以是例如，其中厚度较薄的部位仅仅是热氧化膜，而厚度较厚的部分是在热氧化膜上层叠PSG膜而得到的复合膜。

[0078] 半导体装置100具备配置在n漂移区域2的下方及其延伸部的n-区域3下方的n阴极区域15、以及以与n阴极区域15电连接的方式来进行配置的阴极电极16。所述n漂移区域2与- -延伸部的n区域3中，不形成n半导体基板1中的各扩散区域。n漂移区域2与延伸部的n区域3的杂质浓度与n半导体基板1的杂质浓度相同，例如为1013cm-3左右。n漂移区域2与延伸部的n-区域3的杂质浓度也可以不同于n半导体基板1的杂质浓度。

[0079] 对于所述p阳极区域4，可以将杂质浓度设为例如2×1016cm-3左右(例如3×1015cm-3～1×1017cm-3)，将其扩散深度设为例如5μm左右(例如3μm～7μm)。该情况下，对于p阳极区域4的积分浓度，若假设扩散分布为高斯分布，则积分浓度约为4×1012cm-2(例如4×1011cm-2～3×1013cm-2)，表面电阻约为4000Ω/□(1000Ω/□～30000Ω/□)。

[0080] 所述p保护环区域8是杂质浓度较高的p区域(p+)。对于p保护环区域8，可以将杂质浓度设为例如1018cm-3～1019cm-3左右或以上，将其扩散深度设为例如10μm(例如7μm～15μm)左右。该情况下，p保护环区域8的积分浓度约为3×1014cm-2(例如2×1014cm-2～4×1015cm-2)，表面电阻约为220Ω/□(例如30Ω/□～300Ω/□)。

[0081] 所述电阻端部区域7是杂质浓度和扩散深度与p保护环区域8相同的p区域。该电阻端部区域7也可视为是p保护环区域8的一部分。所述电阻区域6可以设为杂质浓度为1017cm-3左右(例如3×1016cm-3～3×1017cm-3)，其扩散深度为例如7μm左右(例如5μm～10μm)的p区域(p)。该情况下，电阻区域6的积分浓度约为2.5×1013cm-2(例如5×1012cm-2～1×1014cm-2)，表面电阻约为1100Ω/□(例如400Ω/□～3000Ω/□)。

[0082] p扩散区域5是低浓度的p区域(p-)。p扩散区域5可以设为杂质浓度为例如3×15 -3 15 -3 16 -3
10 cm 左右(例如10 cm ～10 cm )，其扩散深度为例如10μm左右(8μm以上15μm以下)的低浓度的p区域(p-)。该情况下，p扩散区域5的积分浓度约为1.4×1012cm-2(例如4×1011cm-2～6×1012cm-2)，表面电阻约为10000Ω/□(例如2000Ω/□～30000Ω/□)。这比所述电阻区域6的杂质浓度要低，扩散深度要深。该p扩散区域5具有抑制向n-区域3注入空穴从而使所蓄积的空穴量减少的功能，并具有使反向恢复时的p阳极区域4中的电流集中缓和的功能。

[0083] 为了使该p扩散区域5的底部5a平坦，可以将其宽度W设在5μm～50μm的范围内。在小于5μm时平坦化的程度过小，从而在该部位的电流集中变大。另一方面，在超过50μm时，p阳极区域4的面积变小，从而使得FWD的导通电压上升。此外，优选为10μm～30μm的范围。半导体装置100中，将p阳极区域4、以及p扩散区域5中到接触端30为止的区域作为活性部14。并且，将p保护环区域8、p截断区域9、以及形成绝缘膜11的区域作为边缘终端结构17。

[0084] 在n半导体基板1的背面，在n漂移区域2的下方及其延伸部的n-区域3的下方配置杂质浓度为1018cm-3左右、扩散深度为1μm左右的高浓度的n阴极区域15，并配置与该n阴极区域15电连接的阴极电极16。阴极电极16例如由Ti/Ni/Au的三层金属膜形成。阳极电极10、保护环电极12以及截断电极13例如由Al-Si膜形成。

[0085] 图2是用于说明图1的结构中的空穴的动作的图，(a)是通电时的图，(b)是反向恢复时的图。图2中，与图11相同，通电时，在活性部14的下部的n漂移区域2中也产生空穴·电子对的蓄积，但省略图示。图2(a)中，通电时，来自与电阻区域6相接的p扩散区域5的空穴的注入21比p阳极区域4要小。此外，来自电阻区域6的空穴的注入21从接触端30开始朝向边缘终端结构17一侧变小。

[0086] 另一方面，由于电阻端部区域7的杂质浓度较高，因此，来自与电阻区域6的外端部6a相接的边缘终端结构17的最内周相邻设置的电阻端部区域7的空穴的注入21变得比来自电阻区域6的内端部6b的空穴的注入21要大。由此，使得空穴的注入21变大的部位被分散到电阻区域6的外端部6a和内端部6b。此外，来自p扩散区域5的空穴的注入21a因杂质浓度较低而受到抑制。此外，由于杂质浓度较低，因此，p扩散区域5本身起到电流限制电阻体R的作用。由此，与未设置p扩散区域5的情况相比，来自与电阻区域6相接的p扩散区域5的空穴的注入21a受到抑制，从而使电流集中受到抑制。

[0087] 图2(b)中，在反向恢复时，边缘终端结构17的下部所蓄积的空穴的蓄积22从电阻端部区域7、电阻区域6被俘获。由于电阻端部区域7、电阻区域6中的电阻值Rp较高，因此，当空穴通过电阻区域6而移动至p阳极区域4时，该空穴的俘获(参照图2(b)中的标号23)导致产生电位差。该电位差也取决于电阻区域6的电阻，但大约为100～200V。

[0088] 由此，空穴的俘获(参照图2(b)中的标号23a)的量变少，所蓄积的空穴的蓄积22几乎全部被p扩散区域5和p阳极区域4俘获。p扩散区域5的浓度比p阳极区域4要低，且扩散深度较深。因此，所蓄积的空穴的蓄积22不仅朝向接触端30，被分流至p扩散区域5的内周侧的p阳极区域4的空穴的蓄积22的分流缓和了向接触端30的电流集中，从而反向恢复容限得到提高。

[0089] 使用图16对产生该反向恢复电流的“分流”的理由进行说明。图16是表示在实施例1的二极管的剖面中，反向恢复时的等电位线41与空穴的俘获(参照图16中的标号23)的关系的示意图。等电位线41仅特别在低电压侧进行了记载，对于高电压侧(n阴极区域15一侧)则省略了图示。

[0090] 反向恢复时，p扩散区域5中与阳极电极10相同电位的线(成为耗尽层端)因比p阳极区域4浓度低而分布得较浅。另一方面，若电位变高，则p扩散区域5更深地进行扩散，从而等电位线41向深度方向延伸。即，等电位线41分布得比p阳极区域4和电阻区域6都要深。由此，在该p扩散区域5的pn结附近，电位的斜坡变缓。即，电场强度得以缓和。由于空穴沿着电位斜坡在空间电荷区域迅速下移，因此，空穴避开该缓和区域而移动至电位斜坡较为陡峭的一侧，即p阳极区域4的一侧。

[0091] 并且，接触端30位于低浓度的p扩散区域5内部。因此，空穴受到该p扩散区域5的高电阻的影响，从与其相比电阻较低的p阳极区域4向阳极电极10流动。即，空穴电流被分流至p阳极区域4而不是p扩散区域5。此外，缓冲区域18的3个p型扩散区域如上所述，除了积分浓度之外，还可以具有至少两个不同的扩散深度，从而能够进一步增强分流的效果。

[0092] 基于上述理由，空穴不会集中于接触端30，而从p阳极区域4向阳极电极10流动，从而电流向接触端30的集中得到缓和，防止了元件损坏。此外，如上所述，通过设置p扩散区域5，从而可防止通电时和反向恢复时的电流集中。其结果是，能够制作得到具有较高的反向恢复容限的半导体装置100。

[0093] 实施例2

[0094] 图3是本发明的实施例2所涉及的半导体装置200的主要部分剖视图。与实施例1的不同点在于，在p阳极区域4上和p扩散区域5上形成有扩散深度较浅的高浓度的p区域25(p+)。在p扩散区域5的表面浓度较低的情况下，与阳极电极10的欧姆接触变得困难，接触电阻变大。若接触电阻变大，则来自p扩散区域5的空穴的俘获量减少，空穴的俘获几乎都在p阳极区域4进行。由此，在p阳极区域4发生电流集中，从而导致元件损坏。

[0095] 作为防止该现象的对策，为了在保持p扩散区域5的杂质浓度较低的情况下，减小与阳极电极10的接触电阻，可以设置与p扩散区域5相比杂质浓度较高、扩散深度较浅的p区域25。通过设置p区域25，被p扩散区域5俘获的空穴的量变多，p阳极区域的电流集中得到改善，从而能够防止元件损坏。

[0096] 此外，在上述实施例1和实施例2中，p保护环区域8的杂质浓度较高，p扩散区域5的杂质浓度较低，但有时也可以使p保护环区域8的杂质浓度与p扩散区域5的杂质浓度相匹配。在这种进行匹配的情况下，由于同时形成这两个区域，因此，能够降低半导体装置100、200的制造成本。

[0097] 实施例3

[0098] 图4是本发明的实施例3所涉及的半导体装置300的主要部分剖视图。该半导体装置300与实施例1的不同之处在于以下两点。第一点是：以与p阳极区域4和电阻端部区域7相接的方式配置电阻区域26，该电阻区域26的扩散深度比p阳极区域4及电阻区域6的扩散深度要深，比p保护环区域8的扩散深度要浅。第2点是使p阳极区域4与阳极电极10相接触的部位的端部与电阻区域26相分离(缩进)。图4中，绝缘膜11由磷玻璃的PSG膜11b与热氧化膜11a这两层绝缘膜来表示。

[0099] 实施例3的缓冲区域18也具有三个不同的电阻区域。第1电阻区域是从接触端30起向芯片外周延伸(或缩进)距离T的p阳极区域4。第2电阻区域是与p阳极区域4的外延部相连接的电阻区域26。第3电阻区域是与电阻区域26的外周侧相连接的电阻端部区域7。

[0100] 通过使上述电阻区域26的扩散深度比所述p阳极区域4的扩散深度要深，从而被该电阻区域26俘获的空穴量变多，包含p阳极区域4在内的空穴的俘获得以均等化。此外，在将所述电阻区域26的表面杂质浓度设为与电阻区域6的表面杂质浓度相等的情况下，由于电阻区域26的扩散深度比电阻区域6的扩散深度要深，因此，电阻区域26的电阻值Rp1要小于电阻区域6的电阻值Rp(参照图3)。

[0101] 即，p阳极区域4和电阻区域26各自的积分浓度不同。电阻端部区域7具有与p保护环区域8相同程度的高浓度，且扩散深度较深，因此电阻值变低。其结果是，与电阻区域6相比，电阻区域26的空穴的俘获效果变高，包含p阳极区域4在内的空穴的俘获得以均等化。

[0102] 此外，也存在将电阻区域26的扩散深度设为与所述电阻区域6相同的情况。但是，在将电阻区域26的扩散深度设为与所述电阻区域6相同时，电阻区域26的扩散深度要比p阳极区域4的扩散深度深。在该元件结构中，不与阳极电极10相接触的p阳极区域4的外周部起到电阻体Ra的作用。即，从电阻区域26起缩进的p阳极区域4的缩进部位27起到实施例1和实施例2的p扩散区域5那样的作用。

[0103] 使用图17对实施例3的二极管能够缓和电流向接触端30的集中的理由进行说明。图17是表示在实施例3的二极管的剖面中，反向恢复时的等电位线41与空穴的俘获(参照图
17中的标号23)的关系的示意图。等电位线41仅特别在低电压侧进行了记载，对于高电压侧(n阴极区域15一侧)则省略了图示。

[0104] 在扩散深度比p阳极区域4要深的电阻区域26中，反向恢复时的等电位线41被推压向n漂移区域2。即，与实施例1相同，在p阳极区域4和电阻区域26的边界附近，等电位线41的分布变广，电位斜坡得以缓和。其结果是，空穴的俘获(参照图17中的标号23)被分流至p阳极区域4，而不是接触端30。并且，由于使接触端30比p阳极区域4与电阻区域26的边界更往里缩进，因此，避免了电流向接触端30的集中。由此，空穴不会集中于接触端30，而从p阳极区域4向阳极电极流动，从而电流向接触端30的集中得到缓和，防止了元件损坏。通过将该缩进部位27的宽度(设为缩进量T)设定为适当的值，从而在反向恢复时，p阳极区域4中的电流集中得到抑制，能够防止元件损坏。

[0105] 接着，对缩进量T与电场强度E的关系进行说明。图5是表示阳极接触缩进量与电场强度的关系的图。纵轴的E是任意标度。电场强度E是反向恢复时的电场强度。虽然导致元件损坏的电场强度在图的范围外，但为了确保较高的可靠性，需要将其设在图示发明的范围内。即，可以将缩进量T设在2μm～35μm的范围。若超过该范围，则电场强度变高，从而无法获得较高的可靠性。更优选的范围是3μm～10μm。

[0106] 如上所述，缓冲区域18的3个p型扩散区域除了积分浓度之外，还可以具有至少两个不同的扩散深度，能够进一步增强分流的效果。

[0107] 实施例4

[0108] 图6是本发明的实施例4所涉及的半导体装置400的主要部分剖视图。与所述实施例1和所述实施例2的不同点在于，去除了p扩散区域5，而在电阻区域6的中间附近配置了高浓度的p扩散区域28。该高浓度的p扩散区域28的杂质浓度高于电阻区域6的杂质浓度，并且加深其扩散深度。由于该高浓度的p扩散区域28可有效地对所蓄积的空穴进行俘获，因此电流集中得以缓和，能够防止元件损坏。

[0109] 此外，该高浓度的p扩散区域28可配置在电阻区域6内的任意部位。有时也存在以下情况，即：配置于p扩散区域28与p阳极区域4之间的电阻区域6与p阳极区域4同时形成，且两者的杂质浓度和扩散深度设为相同。并且，还存在以下情况，即：电阻区域6的整个区域与p阳极区域4同时形成，且两者的杂质浓度和扩散深度设为相同。该情况下，制造工序得以简化，因此能够降低制造成本。

[0110] 实施例4的缓冲区域18也具有三个不同的电阻区域。第1电阻区域是从接触端30起p阳极区域4向芯片外周侧延伸的电阻区域6。第2电阻区域是与p阳极区域4的外延部相连接的p扩散区域28。第3电阻区域是与第1电阻区域相同的电阻区域6。该情况下，缓冲区域18的电阻值有与p阳极区域4相同的浓度分布的电阻区域6和p扩散区域28这两种。

[0111] 使用图18对实施例4的二极管能够缓和电流向接触端30的集中的理由进行说明。图18是表示在实施例4的二极管的剖面中，反向恢复时的等电位线41与空穴的俘获(参照图
18中的标号23)的关系的示意图。等电位线41仅特别在低电压侧进行了记载，对于高电压侧(n阴极区域15一侧)则省略了图示。

[0112] 在扩散深度比p阳极区域4和电阻区域6要深的p扩散区域28中，反向恢复时的等电位线41被推压向n漂移区域2。即，与实施例1相同，在电阻区域6与p扩散区域28的边界附近，等电位线41的分布变广，电位斜坡得以缓和。其结果是，空穴的俘获23被分流至p阳极区域4，而不是接触端30。由此，空穴不会集中于接触端30，而从p阳极区域4向阳极电极10流动，从而电流向接触端30的集中得到缓和，防止了元件损坏。

[0113] 此外，p扩散区域28若形成在比电阻区域6的芯片外周方向的中间位置更靠p阳极区域4一侧的位置，则能够增大分流的效果。并且，如上所述，缓冲区域18的3个p型扩散区域除了积分浓度之外，还可以具有至少两个不同的扩散深度，由此能够进一步增强分流的效果。

[0114] 上述实施例1～4中的半导体装置100～400的p阳极区域4附近的结构例如为下述结构。图7是实施例1～4的半导体装置100～400的p阳极区域4附近的主要部分结构图。这里示出8种示例。

[0115] (1)在n漂移区域2上配置杂质浓度较低的p-阳极区域31，在p-阳极区域31上配置阳极电极10(同图(a))。

[0116] (2)在(1)的p-阳极区域31上的整个区域配置扩散深度较浅的高浓度的p区域32，在该p区域32上配置阳极电极10。该用粗线表示的p区域32相当于图3所示的p区域25。(同图(b))。

[0117] (3)在p-阳极区域31上选择性地配置(2)的p区域32，而并非在整个区域上进行配置(同图(c))。

[0118] (4)在(1)的p-阳极区域31内选择性地配置高浓度的p区域33(同图(d))。

[0119] (5)将(1)的p-阳极区域31替换为杂质浓度较高、扩散深度较浅的p阳极区域34(同图(e))。

[0120] (6)在(5)的p阳极区域34上的整个区域配置扩散深度较浅的高浓度的p区域32，在该p区域32上配置阳极电极10(同图(f))。

[0121] (7)选择性地配置(5)的p阳极区域34(同图(g))。

[0122] (8)在(7)的阳极电极10下方的整个区域配置扩散深度较浅的高浓度的p区域32(同图(h))。

[0123] 工业上的实用性

[0124] 如上所述，本发明所涉及的半导体装置对功率半导体模块是有用的。

[0125] 标号说明

[0126] 1 n半导体基板

[0127] 2 n漂移区域

[0128] 3 n-区域

[0129] 4、54 p阳极区域

[0130] 5、28 p扩散区域

[0131] 5a 底部

[0132] 6、26、56 电阻区域

[0133] 6a 外端部

[0134] 6b 内端部

[0135] 7 电阻端部区域

[0136] 8 p保护环区域

[0137] 9 p截断区域

[0138] 10、60 阳极电极

[0139] 11 绝缘膜

[0140] 11a 热氧化膜

[0141] 11b PSG膜

[0142] 12 保护环电极

[0143] 13 截断电极

[0144] 14、64 活性部

[0145] 15 n阴极区域

[0146] 16 阴极电极

[0147] 17、67 边缘终端结构

[0148] 18 缓冲区域

[0149] 21、21a、71 空穴的注入

[0150] 22 空穴的蓄积

[0151] 23、23a、73 空穴的俘获

[0152] 25 p区域

[0153] 27 缩进部位

[0154] 30 接触端

[0155] 31 p-阳极区域

[0156] 32、33 p区域

[0157] 34 p阳极区域

[0158] 41 等电位线

[0159] 57 延长端部区域

[0160] 68 延长结构

[0161] 87 IGBT

[0162] 88 FWD

[0163] 100、200、300、400 半导体装置

[0164] W、T 宽度

[0165] R、Ra 电阻体

[0166] Rp、Rp1 电阻值