JP2002542607A - Pn分離層をもつigbt - Google Patents

Pn分離層をもつigbt

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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET

Abstract

(57)【要約】 本発明は、一方の伝導形式の低ドープ半導体基板(1)に設けられる、一方の伝導形式の低ドープドリフトゾーン(2)を有するIGBTに関する。ドリフトゾーン(2)と半導体基板(1)との間に、一方の伝導形式の第1の高ドープキャビティゾーン(8)と一方の伝導形式に対立する他方の伝導形式の第2の高ドープキャビティゾーン(9)とを順次設けている。

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、一方の伝導形式の低ドープ半導体基板に設けられる、一方の伝導形
式の低ドープドリフトゾーンを有するPN分離層付きIGBT(絶縁ゲートをも
つバイポーラトランジスタ)に関する。
【0001】 モノリシック集積回路における隣接半導体素子の絶縁層分離のためには、公知
の通りPN分離層と絶縁層分離とがある。PN分離層では、隣接する素子は互い
にPN接合により電気的に分離されている。すなわち、例えば、US 5 70
8 290では、N伝導キャビティの中に敷き込まれるNチャンネルMOS電界
効果トランジスタをPチャンネルMOS電界効果トランジスタからP+ 伝導領域
により電気的に分離することが知られている。そのようなPN分離層の他の例は
US 4 881 112およびEP−A1−0 282 734により公知で
ある。
【0002】 PN分離層は、絶縁層分離に比べはるかに簡単に実現できるため、絶縁層分離
よりも著しい利点をもっている。すなわち、必要なPN接合は、個々の素子の製
造にはいずれにしても必要となるドーピング工程と共に拡散または注入により問
題なく設けることができるが、絶縁層分離は、トレンチを設けることと、それを
二酸化シリコンおよび窒化シリコンまたはそのどちらかで埋めることを前提とす
るため、すなわち、いずれにせよおこなわなければならない、PN分離層に使わ
れるドーピング工程に加えて、別の工程を必要とする。
【0003】 しかし、「ハイサイド」(high−side)および「ローサイド」(ロー
サイド)のスイッチとして用いられるIGBTでは、PN分離層は今日まで利用
されておらず(これについては、1995年パワーセミコンダクタデバイスおよ
びIC国際シンポジウム/横浜の会報の325−333頁、特に325頁、左段
第2節のM.Stoisiek、K.−G.Oppermann、U.Schw
alke、およびD. Takacs「オフラインアプリケーションのための絶
縁層分離高圧ICテクノロジー」を参照)、現在では費用のかかる絶縁層分離だ
けが採用されている。これは結局のところ、通常のPN分離層を使うと、IGB
Tの機能に必要である高濃度のマイノリティ電荷キャリア、特に特別の正孔がド
リフトゾーンにおいて許容される以上に高い基板電流をもたらすかもしれないこ
とに理由がある。
【0004】 よって、本発明の課題は、PN分離層を使用するにもかかわらず、許容以上の
高い基板電流の発生を回避できるIGBTを提案することである。さらに、その
ようなIGBTの製造方法を創造することが課題である。
【0005】 この課題は、初めに述べた様態のIGBTにおいて、ドリフトゾーンと半導体
基板との間に、一方の伝導形式の第1の高ドープキャビティゾーンと一方の伝導
形式に対立する他方の伝導形式の第2の高ドープキャビティゾーンとを順次設け
ることにより解決される。
【0006】 その場合、ドリフトゾーンにはそれ自体知られた方法で、陰極をもつIGBT
セルと、そのIGBTセルから間隔を空けてドリフトゾーンの縁部を囲む陽極と
が設けられる。
【0007】 両方のキャビティゾーンの表面はUリンクで互いに連結される。このUリンク
には場合によってはさらに低ドープ半導体基板を接続してもよい。この処置は、
例えば、一方の伝導形式がN伝導形式であり、IGBTが「ハイサイド」スイッ
チとして用いられるときに適用される。
【0008】 本発明のIGBTはそのPN分離層により比較的簡単に製造することができる
。両キャビティゾーンの水平方向の領域は、注入または拡散あるいはその両方で
形成でき、他方、これらのキャビティゾーンの垂直方向の領域は、例えば、少な
くとも2つのエピタキシ工程およびそれに続いての注入または拡散あるいはその
両方でつくりだすことができる。もうひとつ別の方法は、トレンチエッチングを
おこない、そのようにしてできたトレンチを引き続きN+ ドープ多結晶シリコン
またはP- ドープ多結晶シリコンで埋め、このドープ物質を隣接する単結晶シリ
コン半導体領域に外方拡散させることである。
【0009】 すなわち、本発明のIGBTでは、素子の絶縁のため、基板電流を基本的に回
避することを可能ならしめるが、ドリフトゾーンにおけるマイノリティ電荷キャ
リア密度は事実上影響を受けない、PN接合の組合せおよび適切な接続が提案さ
れる。このために、本発明のIGBTでは、一方の伝導形式がN伝導形式である
とき、陰極ないしはIGBTセルが、例えばN- 伝導ドリフトゾーンの中央に位
置を占めている。このN- 伝導ドリフトゾーンは、N+ 伝導第1キャビティゾー
ン、そしてP+ 伝導第2キャビティゾーンにより順次囲まれている。
【0010】 N+ 伝導第1キャビティゾーンとN- 伝導ドリフトゾーンとの間の接合部に生
じるドリフトフィールドだけで、僅か一部の正孔だけがこの障壁を乗り越えるこ
とができ、P+ 伝導キャビティゾーンに到達するという結果をもたらす。実験は
、この割合が1%未満であることを示した。
【0011】 しかし、P+ 伝導キャビティゾーンにおいては、正孔はマジョリティ電荷キャ
リアである。両キャビティゾーン間のPN接合はUリンクにより短絡されている
ので、電流は陰極に流れる。従って、マイノリティ電荷キャリアは、回路内に存
在する電位のうち最もポジティブな電位にあるN- 伝導半導体基板には到達しな
い。
【0012】 すなわち、「ハイサイド」スイッチおよび「ローサイド」スイッチとしてのそ
のようなIGBTを、例えば、ブリッジ使用のためにモノリシックに集積するこ
とが可能であり、費用のかかる絶縁層分離を用いる必要はない。
【0013】 上記の例では、伝導形式はもちろん逆にすることもできることを付記しておき
たい。また同じように、両キャビティゾーンにより形成されるそれぞれのキャビ
ティに他の素子、例えば、CMOSトランジスタまたはバイポーラトランジスタ
を組み入れることも可能である。
【0014】 推論が示すところでは、本発明のIGBTをもつディスクは、絶縁層分離の従
来のIGBTが設けられているディスクに比べ約50%までのコスト低減を可能
にする。
【0015】 以下に本発明の実施例を図面により詳述する。
【0016】 図1には、本発明の実施例によるIGBTが示されている。例えば、シリコン
から成るN- 伝導半導体ボディ1には、N- 伝導ドリフトゾーン2が設けられ、
このドリフトゾーンにはP伝導ゾーン4とN+ 伝導ゾーン5をもつIGBTセル
3が設けられている。ゾーン4、5は陰極電極Kにより接触されており、他方、
P伝導ゾーン4のチャンネル領域の上方には、ゾーン5とドリフトゾーン2との
間にゲート電極Gが設けられている。さらに、ドリフトゾーン2の端には陽極電
極Aをもつもう一方のP伝導リングゾーン6が設けられている。
【0017】 ドリフトゾーン2は、P伝導ゾーン4の下に二重矢印7により暗示されている
厚みdepi のアクティブ層を有している。
【0018】 本発明によれば、ドリフトゾーン2と半導体基板1との間には、N+ 伝導第1
キャビティゾーン8ならびにP+ 伝導第2キャビティゾーン9がある。両キャビ
ティゾーン8、9はUリンク10により互いに連結されている。このUリンクは
、「ハイサイド」スイッチでは、鎖線11が暗示するように、半導体基板1にま
で達するようにすることもできる。
【0019】 N+ 伝導第1キャビティゾーン8とN- 伝導ドリフトゾーン2との接合個所に
発生する電界Edrift は、P伝導ゾーン6から出る僅か一部の正孔だけがこの接
合部を克服でき、P+ 伝導第2キャビティゾーン9に到達するという結果をもた
らし、その結果、この方策だけによってすでに基板電流Is は非常に小さくなる
。P+ 伝導第2キャビティゾーン9では、正孔はマジョリティ電荷キャリアであ
る。そこで、両キャビティゾーン8、9の間のPN接合部はUリンク10により
短絡されているので、電流は陰極に向かって流出し(矢印12を参照)、その結
果、マイノリティ電荷キャリアは全回路構造の中で最もポジティブな電位値をも
つN- ドープ半導体基板1に到達しない。
【0020】 従って、簡単な方法で、すなわち、PN分離層により、IGBTを「ハイサイ
ド」スイッチとして、そして「ローサイド」スイッチとしてモノリシックに集積
することができ、費用のかかる絶縁層分離を用いる必要はなくなる。
【0021】 例えば、600Vの逆電圧には、約35μmのドリフトゾーン2のアクティブ
層の厚みdepi で十分である。キャビティゾーン8、9は、ドリフトゾーン2よ
りも、例えば1ランクほど多くドーピングを施してよい。しかし、キャビティゾ
ーン8、9にはドリフトゾーン2を基準としてもっと多くのドーピングを施すこ
とも可能である。ドリフトゾーン2自体は通常通りにドーピングされる。
【0022】 図2および図3は、本発明のIGBTが簡単な方法で製造できることを示す。
図2および図3では、それぞれ対応する部分については、図1と同じ番号および
記号が使われる。
【0023】 図2では、まずは鎖線13が暗示する表面で終わるN- 伝導半導体基板1に、
拡散または注入により、キャビティゾーン8、9の「床領域」が形成される。そ
のあと、2つのエピタキシ層14、15が形成されるが、その場合、各個別のエ
ピタキシ層14ないしは15の装着のあとに、次のエピタキシ層の形成の前に注
入または拡散あるいはその両方により、キャビティゾーン8、9のそれぞれ垂直
の領域が形成される。
【0024】 図3において、本発明のIGBTにおけるキャビティゾーン8、9の他の製造
方法が示される。これらのキャビティゾーン8、9の床領域は、まず、図2の実
施例と同じ方法でつくられる。しかし、そのあとエピタキシ層16にはトレンチ
17、18が形成され、これらのトレンチはP+ 伝導多結晶シリコン19ないし
はN- 伝導多結晶シリコン20により充填される。そのあと、これらの多結晶シ
リコン19、20から外方拡散がおこなわれ、その結果、PN接合部21がモノ
リシック領域に位置することになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるIGBTの実施例の断面図である。
【図2】 図1のIGBTにおけるキャビティゾーンの相異なる製造方法を説明するため
の断面図である。
【図3】 図1のIGBTにおけるキャビティゾーンの相異なる製造方法を説明するため
の断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 27/08 331 H01L 27/08 321B 27/092 29/78 301R

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一方の伝導形式の低ドープ半導体基板(1)に設けられている、一方の伝導形
    式の低ドープドリフトゾーン(2)を有するPN分離層をもつIGBTにおいて
    、 ドリフトゾーン(2)と半導体基板(1)との間に、一方の伝導形式の第1の
    高ドープキャビティゾーン(8)と一方の伝導形式に対立する他方の伝導形式の
    第2の高ドープキャビティゾーン(9)とが順次設けられていることを特徴とす
    るIGBT。
  2. 【請求項2】 請求項1によるIGBTにおいて、ドリフトゾーン(2)には、陰極(4、5
    ;K)をもつIGBTセル(3)と、そのIGBTセル(3)から間隔を空けて
    ドリフトゾーン(2)の縁部を囲む陽極(6;A)とが設けられていることを特
    徴とするIGBT。
  3. 【請求項3】 請求項1または2のIGBTにおいて、両キャビティゾーン(8、9)の表面
    はUリンク(10)で互いに連結されていることを特徴とするIGBT。
  4. 【請求項4】 請求項1または2のIGBTにおいて、両キャビティゾーン(8、9)と半導
    体基板(1)とは、それらの表面においてUリンク(10、11)で互いに連結
    されていることを特徴とするIGBT。
  5. 【請求項5】 請求項1から4のいずれかに掲げるIGBTのためのキャビティゾーンの製造
    方法において、 両キャビティゾーン(8、9)の水平方向の領域は、注入または拡散あるいは
    その両方で形成し、他方、これらのキャビティゾーン(8、9)の垂直方向の領
    域は、少なくとも2つのエピタキシ工程(14、15)およびそれに続いての注
    入または拡散あるいはその両方でつくりだすことことを特徴とする製造方法。
  6. 【請求項6】 請求項1から4のいずれかに掲げるIGBTのためのキャビティゾーンの製造
    方法において、 キャビティゾーン(8、9)の水平方向の領域は、注入または拡散あるいはそ
    の両方で形成すること、そして、キャビティゾーン(8、9)の垂直方向の領域
    は、トレンチエッチング(17、18)をおこない、引き続きドープ多結晶シリ
    コン(19、20)による充填および外方拡散(21参照)によりつくりだすこ
    とを特徴とする製造方法。
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