JP2004079878A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体装置に係り、特にIGBTなどのパワーデバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のパワーエレクトロニクス分野における電源機器の小型化、高性能化への要求を受けて、電力用半導体装置では、高耐圧化、大電流化と共に、低損失化、高破壊耐量化、高速化に対する性能改善について注力されている。特に高耐圧化、高電流化という点では、300V程度以上の耐圧を有する絶縁ゲート型半導体装置としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられている。IGBTは、パワーMOSFETの高速スイッチング特性とバイポーラトランジスタの高出力特性とを兼ね備えており、インバータなどの電力変換装置やスイッチング電源等に多く利用されている。IGBTのゲート構造としては、平板状に形成されているプレーナ構造と、埋め込み形成されているトレンチ構造とがある。
【0003】
図20に従来の電力用半導体装置として、トレンチ構造を有するIGBTを示す。N型半導体基板2001の第1主面にP型ベース層2002が形成されており、前記P型ベース層2002から前記N型半導体基板にまで達する溝2003が形成されている。前記溝2003にはゲート絶縁膜2004が形成され、前記ゲート絶縁膜2004に接するようゲート電極2005が埋め込まれている。前記ゲート電極2005上には、層間絶縁膜2006が形成されている。前記P型ベース層2002の表面領域には、前記溝2003の側壁に接するよう、高不純物濃度のN型エミッタ層2007が形成されている。
【0004】
前記P型ベース層2002及び前記N型エミッタ層2007上に、前記P型ベース層2002及び前記N型エミッタ層2007にコンタクトするよう、エミッタ電極2008が形成されている。前記ゲート電極2005は、上に前記層間絶縁膜2006が形成されているため、前記エミッタ電極2008とは接していない。前記したN型半導体基板2001、P型ベース層2002、ゲート絶縁膜2004、ゲート電極2005及びN型エミッタ層2007によって、MOSFETが形成されている。すなわち、前記P型ベース層2002の前記溝2003の側壁にチャネルが形成され、N型エミッタ層2007からN型半導体基板2001に電子を注入する。
【0005】
一方、前記N型半導体基板2001の第2主面には、N型バッファ層(フィールドストップ層)2009が形成されている。前記N型半導体基板2001の第2主面側には、P型コレクタ層2010とコレクタ電極2011が形成されている。ここで、P型コレクタ層は、比較的、高不純物濃度で形成し、P型コレクタ層及びフィールドストップ層を約2μm以下の厚さで形成している。
【0006】
図21に第2主面側の不純物濃度である、前記P型コレクタ層2010、前記N型フィールドストップ層2009及び前記N型半導体基板2001の不純物濃度分布の模式図を示す。縦軸は濃度、横軸は深さ(矢印の方向が第1主面側)である。
【0007】
上記IGBTの動作について説明する。前記コレクタ電極2011に正の電圧が印加され、前記エミッタ電極2008に負の電圧が印加されているとき、前記エミッタ電極2008より正となる正の電圧が前記ゲート電極2005に印加されると、前記P型ベース層2002の前記ゲート電極2005に接した表面がN型に反転し、反転層が形成される。電子はN型エミッタ層2006から、前記反転層を通ってN型半導体基板2001に注入され、前記P型コレクタ層2010に達する。これによってN型フィールドストップ層2009を介して前記N型半導体基板2001と前記P型コレクタ層2010が順バイアスされ、正孔が前記P型コレクタ層2010から前記N型半導体基板2001に注入される。このように、前記N型半導体基板2001に電子と正孔の両方が注入され、前記N型半導体基板2001で電導率変調が起こってオン電圧が低減される。すなわち、素子が導通状態になる。
【0008】
一方、ターンオフするには、前記ゲート電極2005に前記エミッタ電極2008に対して負の電圧を印加する。これにより、ゲート電極2005に接したP型ベース層2002に形成されていた反転層が消失して、電子注入が停止する。
一方、前記N型半導体基板2001に蓄積されていた正孔は、その一部が前記P型ベース層2002を介してエミッタ電極に排出され、残りの正孔が電子と再結合して消滅し、素子はターンオフする。
【0009】
また、前記コレクタ電極2011に正の電圧が印加され、前記エミッタ電極2006と前記ゲート電極2005に0Vを印加すると、前記P型ベース層2002と前記N型半導体基板2001の接合部分から空乏層が伸び、素子は逆阻止状態となる。パンチスルー型と言われるIGBTでは、前記N型フィールドストップ層2009を形成し、電界を低減することによって空乏層が前記P型コレクタ層に達するのを防ぎ、耐圧を保持する。(ノンパンチスルー型と言われるIGBTでは、厚いN型半導体基板を用いて、空乏層が前記P型コレクタ層に達するのを防ぎ、耐圧を保持する。) この種の半導体装置として、特表2001−501382号公報(公知文献)に記載された半導体装置が知られている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
P型コレクタ層に接して、フィールドストップ層を形成すると、ターンオフ時の正孔の注入を抑制することができ、ターンオフ損失を低減することができる。
しかし一方で、所望の耐圧よりも小さい電圧でリーク電流が増大する、耐圧のソフト化が生じるという問題がある。ここで、耐圧のソフト化とは、耐圧の立ち上がりが緩やかになり、耐圧の低下が生じる現象である
また、このリーク電流を抑えるためにフィールドストップ層の濃度を高く形成すると、ターンオン時に負性抵抗が生じて、オン電圧が上昇するという問題がある。
【0011】
本発明は上記問題点を解決すべくなされたもので、ターンオン時に生じる負性抵抗、耐圧のソフト化、リーク電流の増大を防ぐことが可能となる半導体装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するための本発明の半導体装置は、第1導電型半導体基板と、
前記第1導電型半導体基板の第1主面に形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に形成された第1導電型エミッタ層と、
前記第2導電型ベース層に接するよう形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に接するよう形成されたゲート電極と、
前記第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ層と、前記第1導電型半導体基板の第2主面に形成された第2導電型コレクタ層と、
前記第1導電型フィールドストップ層と前記第2導電型コレクタ層の間に設けられ、少なくとも前記第2導電型コレクタ層に接するように形成された第1導電型リークストップ層と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に形成された第1主電極と、
前記第2導電型コレクタ層に形成された第2主電極と、
を具備したことを特徴とする。
【0013】
また、上記した目的を達成するための本発明の半導体装置は、第1導電型半導体基板と、
前記第1導電型半導体基板の第1主面に形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に形成された第1導電型エミッタ層と、
前記第2導電型ベース層に接するよう形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に接するよう形成されたゲート電極と、
前記第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ層と、前記第1導電型半導体基板の第2主面に形成された前記第2導電型コレクタ層と、
前記第1導電型フィールドストップ層と前記第2導電型コレクタ層の間に設けられ、両方の層に接するように形成された第1導電型リークストップ層と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に形成された第1主電極と、
前記第2導電型コレクタ層に形成された第2主電極と、
を具備したことを特徴とする。
【0014】
また、上記した目的を達成するための本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型半導体基板の第1主面に第2導電型ベース層を形成する工程と、
前記第2導電型ベース層に接するようゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜に接するようゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に、第1導電型の不純物を導入することによって、第1導電型エミッタ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第1導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型半導体基板内にフィールドストップ層を形成する工程と、前記第1導電型半導体基板の第2主面に第1導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型フィールドストップ層よりも第2主面側に第1導電型リークストップ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第2導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型リークストップ層に接するよう前記第2導電型コレクタ層を形成する工程と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に第1主電極を形成する工程と、
前記第2導電型コレクタ層に第2主電極を形成する工程と、
を具備したことを特徴とする。
【0015】
また、上記した目的を達成するための本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型半導体基板の第1主面によって第2導電型ベース層を形成する工程と、
前記第2導電型ベース層に接するようゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜に接するようゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に、第1導電型の不純物を導入することによって、第1導電型エミッタ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第1導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型半導体基板内に、第2主面側から順に第1導電型リークストップ層及び第1導電型フィールドストップ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第2導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型リークストップ層に接するよう前記第2導電型コレクタ層を形成する工程と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に第1主電極を形成する工程と、
前記第2導電型コレクタ層に第2主電極を形成する工程と、
を具備したことを特徴とする。
【0016】
本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、第2導電型コレクタ層側に、逆阻止状態における空乏層の伸びを低減する第1導電型フィールドストップ層及びリーク電流の増大を低減する第1導電型リークストップ層を形成することによって、ターンオン時に生じる負性抵抗、耐圧のソフト化、リーク電流の増大を防ぐことができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の半導体装置の実施の形態について詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るトレンチIGBTの要部断面図である。
【0018】
図1に示すように、N型半導体基板101の第1主面にP型ベース層102が形成されており、前記P型ベース層102から前記N型半導体基板にまで達する溝103が形成されている。前記溝103にはゲート絶縁膜104が形成され、前記ゲート絶縁膜104に接するようゲート電極105が埋め込まれている。前記ゲート電極105上には、層間絶縁膜106が形成されている。前記P型ベース層102の表面領域には、前記溝103の側壁に接するよう、高不純物濃度のN型エミッタ層107が形成されている。
【0019】
前記P型ベース層102及び前記N型エミッタ層107上に、前記P型ベース層102及び前記N型エミッタ層107にコンタクトするよう、エミッタ電極108が形成されている。前記ゲート電極105は、上に前記層間絶縁膜106が形成されているため、前記エミッタ電極108とは接していない。ここで、前記ゲート電極105上に形成されている前記層間絶縁膜106は、前記溝103に埋め込まれていてもよい。このように形成することによって、前記エミッタ電極108を形成する際に、前記P型ベース層102及び前記N型エミッタ層107にコンタクトするためのコンタクトホールを形成する必要がなく、前記ゲート電極105間の距離が短い場合であっても、前記エミッタ電極108を容易に形成することができる。
【0020】
前記したN型半導体基板101、P型ベース層102、ゲート絶縁膜104、ゲート電極105及びN型エミッタ層107によって、MOSFETが形成されている。すなわち、前記P型ベース層102の前記溝103の側壁にチャネルが形成され、N型エミッタ層107からN型半導体基板101に電子を注入する。
【0021】
一方、前記N型半導体基板101の第2主面には、N型フィールドストップ層109及びN型リークストップ層110が形成されている。前記N型リークストップ層110は、前記N型フィールドストップ層109よりも第2主面側に形成されている。前記N型半導体基板101の第2主面側には、前記N型リークストップ層110に接するよう、P型コレクタ層111とコレクタ電極112が形成されている。
【0022】
上記IGBTの動作について説明する。前記コレクタ電極112に正の電圧が印加され、前記エミッタ電極108に負の電圧が印加されているとき、前記エミッタ電極108より正となる正の電圧が前記ゲート電極105に印加されると、前記P型ベース層102の前記ゲート電極105に接した表面がN型に反転し、反転層が形成される。電子はN型エミッタ層106から、前記反転層を通ってN型半導体基板101に注入され、前記P型コレクタ層111に達する。これによってN型リークストップ層110、N型フィールドストップ層109を介して前記N型半導体基板101と前記P型コレクタ層111が順バイアスされ、正孔が前記P型コレクタ層111から前記N型半導体基板101に注入される。このように、前記N型半導体基板101に電子と正孔の両方が注入され、前記N型半導体基板101で電導率変調が起こってオン電圧が低減される。すなわち、素子が導通状態になる。
【0023】
一方、ターンオフするには、前記ゲート電極105に前記エミッタ電極108に対して負の電圧を印加する。これにより、ゲート電極105に接したP型ベース層102に形成されていた反転層が消失して、電子注入が停止する。一方、前記N型半導体基板101に蓄積されていた正孔は、その一部が前記P型ベース層102を介してエミッタ電極に排出され、残りの正孔が電子と再結合して消滅し、素子はターンオフする。
【0024】
また、前記コレクタ電極112に正の電圧が印加し、前記エミッタ電極108と前記ゲート電極105に接地電位を印加すると、前記P型ベース層102と前記N型半導体基板101の接合部分から空乏層が伸び、素子は逆阻止状態となる。
【0025】
図2に、第2主面側の不純物濃度分布である、前記P型コレクタ層111、前記N型リークストップ層110、前記N型フィールドストップ層109及び前記N型半導体基板101の不純物濃度分布の模式図を示す。縦軸は濃度、横軸は深さ(矢印の方向が第1主面側)である。深さに対して濃度を積分した値がドーズ量となる。前記N型リークストップ層110と前記N型フィールドストップ層109は、それぞれピークを有し、独立した分布で形成されている。ここで、図3、図4に示すように、前記N型リークストップ層110と前記N型フィールドストップ層109は離れて形成されていてもよい。前記N型半導体基板101は、前記N型リークストップ層110及び前記N型フィールドストップ層109と比較して、低濃度で形成されている。
【0026】
前記N型フィールドストップ層109のドーズ量の求め方を以下に述べる。前記N型フィールドストップ層109のドーズ量は、主に前記N型半導体基板101の濃度等によって決まる。なお、ここでは、ドーズ量とは実効的なドーズ量であり、例えば、広がり抵抗(Spreading Resistance)測定法、あるいは、ホール効果を利用したホール測定法などから見積もることができる。また、実験結果から、比較的低い温度(400℃から500℃程度)の熱アニ−ルによる活性化方法において得られる実効的なドーズ量は、二次イオン質量分析(SIMS ; Secondary Ion Mass Spectroscopy)方法により得られるドーズ量の30%程度であることが分かっている。
【0027】
まず、N型半導体基板101の厚さと濃度(比抵抗)を選択する。必要な厚さ(下限)は、一般的に約100Vの耐圧を確保するために、約10μmの厚さが必要であり、好ましくは、さらにその約10%〜30%を加えた厚さが必要である。例えば、600Vの耐圧を確保するためには、約60μmの厚さが必要であり、好ましくは、さらにその約10%〜30%の厚さを加えた65μm〜80μm程度である。また、ある電圧に対して、前記P型ベース層102の電荷を中性にするために必要なN型層の総電荷量を求め、ある厚さを有するN型半導体基板を選択したときの、臨界電界から制限される濃度(上限)が決定される。つまり、前記N型半導体基板101の厚さと濃度(比抵抗)は、所望の耐圧に応じて制限される厚さの下限と濃度の上限の範囲で決定される。
【0028】
続いて、前記N型半導体基板101の厚さと濃度が決定されると、前記N型半導体基板101の総電荷量が求まる。耐圧を保持するために必要な前記N型層の総電荷量からこのN型半導体基板101の総電荷量を引いた電荷量がフィールドストップ層に必要な電荷量であるため、この電荷量をドーズ量に換算することによって、フィールドストップ層のドーズ量を求めることができる。具体的には、以下のように求めることができる。
【0029】
電圧Vを印加したとき、N型層の単位長さあたりの電荷量qV[cm−1]は、ノンパンチスルー型デバイスを仮定したときの空乏層幅をWdl[cm]、N型半導体基板の濃度をN[cm−3]とすると、qV=NWdl 2で表される。空乏層幅Wdlは、耐圧VとN型半導体基板の濃度Nを考慮することによって、計算され、次式のような式(1)で表すことができる。
Wdl=(2kεV/qN)1/2 (1)
(k:ボルツマン定数、ε:シリコンの誘電率、V:電圧、q:電荷素量、N:N型半導体基板の濃度)
また、N型半導体基板をI層とする。I層とは、ドリフト層であり、N型フィールドストップ層とN型ベース層間のN型半導体基板の領域である。ここでは、N型フィールドストップ層上のN型半導体基板を示している。I層の単位長さあたりの電荷量qVI[cm−1]は、I層の厚さをWI[cm]とすると、同様に、qVI=NWI 2で表される。フィールドストップ層として必要な単位長さあたりの電荷量qFS[cm−1]は、qV−qVIであり、qFS=N(Wdl−WI)(Wdl+WI)で表される。よって、フィールドストップ層のドーズ量QFSは次式のような式(2)で表される。
QFS=qFS/(Wdl+WI)=N(Wdl−WI) (2)
(qFS:フィールドストップ層の単位長さあたりの電荷量、Wdl:空乏層幅、W
I:I層の厚さ、N:N型半導体基板の濃度)
図5に、前記N型半導体基板101の濃度N(横軸)と前記N型フィールドストップ層109のドーズ量QFS(縦軸)の関係を示す。前記P型ベース層102の電荷を中性にするために必要な電荷中性条件を満たすよう、理論的に計算して求めたグラフである。ここで、前記N型半導体基板101の厚さWIは約60μmであり、耐圧Vは約600Vである。グラフの曲線上のドーズ量は、所望の耐圧を保持するために必要な最低限のドーズ量であり、斜線の領域であれば、逆バイアスが印加されたときに前記N型半導体基板101と前記P型ベース層102との接合部分から伸びる空乏層を、前記N型フィールドストップ層109で低減することが可能となる。
【0030】
例えば、前記N型半導体基板101の不純物濃度が4×1013cm−3(比抵抗100Ω・cm)の場合、前記N型フィールドストップ層109のドーズ量は、4×1011cm−2以上であれば、耐圧を保持することができる。ここで、フィールドストップ層は、電界を阻止する機能を有していればよく、1×1012cm−2以下、好ましくは6×1011cm−2以下のドーズ量がよい。前記したように、フィールドストップ層のドーズ量が多いと、ターンオン時に負性抵抗が生じてオンしにくくなるなどの問題が生じる。前記N型フィールドストップ層109の厚さは特に限定されない。
【0031】
次に、前記N型リークストップ層110のドーズ量と厚さの求め方を以下に述べる。前記N型リークストップ層110のドーズ量と厚さは、主に前記P型コレクタ層のドーズ量等によって決まる。
【0032】
前記N型リークストップ層のドーズ量と厚さは、以下のようにバイポーラトランジスタの電流利得の理論をIGBTに応用することによって、次式のような式(3)を求めることができる。
QLS/QC=[481−480cosh(WLS/60)]/[2194sinh(WLS/60)] (3)
(QLS:前記N型リークストップ層110のドーズ量、QC:前記P型コレクタ層111のドーズ量、WLS[μm]:前記N型リークストップ層110の厚さ)
式(3)のパラメータは、実験とシミュレーションから求めた値である。前記N型リークストップ層110と前記P型コレクタ層111のドーズ量の比が決まれば、必要な前記N型リークストップ層110の厚さが求まる。前記N型リークストップ層110と前記P型コレクタ層111のドーズ量の比は、1以下であれば、負性抵抗の問題は生じない。前記P型コレクタ層111の厚さは、0.1μm〜2μm程度に薄く形成することが可能である。不純物濃度を調整して所定のドーズ量を確保することによって、厚さを1μm以下に形成し、さらに小型化をはかることも可能である。
【0033】
図6に、前記N型リークストップ層110のドーズ量QLSと前記P型コレクタ層111のドーズ量QCの比(横軸)と前記N型リークストップ層110の厚さWLS(縦軸)の関係を示す。グラフ曲線上は、前記N型リークストップ層110と前記P型コレクタ層111のドーズ量比がある値であるときの、所望とする電圧(耐圧)でのリーク電流の増大を防ぐために必要な前記N型リークストップ層110の厚さを示している。斜線の領域であれば、リーク電流の増大は生じない。前記N型リークストップ層110と前記P型コレクタ層111のドーズ量比QLS/QCが小さくなるにしたがって、前記N型リークストップ層110についてある程度の厚さが必要となることが分かる。
【0034】
前記N型リークストップ層110と前記P型コレクタ層111のドーズ量比が0.01≦QLS/QC≦0.2のデバイスでは、スイッチングなどの電気特性の性能がよく、製造工程などの、実用性の点でも優れており、特に有効である。
ドーズ量の比から求まる最低限必要な前記N型リークストップ層110の厚さが約0.3μm以上4μm以下である場合(0.01≦QLS/QC≦0.2)には、最低限必要となるその厚さで形成する方が好ましい。
【0035】
例えば、前記P型コレクタ層111のドーズ量を1×1014cm−2、前記N型リークストップ層を2×1013cm−2とすれば、ドーズ量比は0.2である。よって、前記N型リークストップ層110の厚さは、0.3μm程度であれば、リーク電流の増大を防ぐことができる。
【0036】
以上のように、前記N型半導体基板101の第2主面側に形成された前記N型フィールドストップ層109、前記N型リークストップ層110及び前記P型コレクタ層111の実効的なドーズ量と厚さを決定することによって、ターンオン時に生じる負性抵抗、リーク電流の増大を防ぐことができる。
【0037】
図7は、デバイスシミュレーション結果である。耐圧は600Vを想定しN型半導体基板は、厚さが50μm、不純物濃度が1×1013cm−3である。グラフの曲線Aは、第2主面側から、P型コレクタ層/リークストップ層/フィールドストップ層/N型半導体基板の構造を有したデバイスである。P型コレクタ層の厚さは1μm、実効的なドーズ量は1×1013cm−2であり、リークストップ層の厚さは0.5μm、実効的なドーズ量は1.05×1012cm−2である。フィールドストップ層の厚さは1μm、実効的なドーズ量は2.31×1011cm−2である。また、グラフの曲線Bは、第2主面側から、P型コレクタ層/フィールドストップ層/N型半導体基板の構造を有したデバイスであり、リークストップ層が形成されていない他は、グラフの曲線Aのデバイスと同じ構造である。P型コレクタ層の厚さは1μm、実効的なドーズ量は1×1013cm−2であり、フィールドストップ層の厚さは1μm、実効的なドーズ量は2.31×1011cm−2である。また、グラフの曲線Cは、第2主面側から、フィールドストップ層/N型半導体基板の構造を有したデバイスであり、さらにP型コレクタ層が形成されていない他は、グラフの曲線Bのデバイスと同じ構造である。フィールドストップ層の厚さは1μm、実効的なドーズ量は2.31×1011cm−2である。
【0038】
図7に示すように、グラフの曲線Aのデバイスはフィールドストップ層及びリークストップ層が機能し、600Vの耐圧を保持することができるということが分かる。グラフの曲線Bのデバイスは、リークストップ層が形成されていないため、リーク電流が増大し、耐圧を保持することができないことが分かる。また、グラフの曲線Cのデバイスは、グラフの曲線Aのデバイスと同じ結果であり、パンチスルーすることなく600Vの耐圧を保持することができることが分かる。
グラフの曲線Cのデバイスは、P型コレクタ層が形成されておらず、このシミュレーション結果から、フィールドストップ層によって空乏層の伸びを低減することができるかどうか知ることができる。したがって、空乏層の伸びを低減するフィールドストップ層のみでは、特性のよいデバイスを製造することができないため、フィールドストップ層及びリークストップ層の2層を形成する必要があることが分かる。
【0039】
以下に、本実施の形態に記載された半導体装置の製造方法の一例について述べる。耐圧は例えば600Vとする。
【0040】
図8に示すように、比抵抗が40Ω・cm程度であり例えば、600μmの厚さのN型半導体基板801の第1主面にP型ベース層802を形成する。前記N型半導体基板801の濃度は、約1×1014cm−3である。次に、前記P型ベース層802から前記N型半導体基板801にまで達する溝803を形成する。前記溝803にはゲート絶縁膜804を形成し、前記ゲート絶縁膜804に接するよう、ゲート電極805を埋め込む。前記ゲート電極805上にパターニングした層間絶縁膜806を形成し、前記P型ベース層802の表面領域には、前記溝803の側壁に接するよう、高不純物濃度のN型エミッタ層807を選択的に形成する。前記P型ベース層802及び前記N型エミッタ層807上に、前記P型ベース層802及び前記N型エミッタ層807にコンタクトするよう、エミッタ電極808が形成されている。前記ゲート電極805は、上に前記層間絶縁膜806が形成されているため、前記エミッタ電極808とは接していない。
【0041】
次に図9に示すように、前記N型半導体基板801を第1主面の裏面である第2主面から、耐圧600Vを保持するために必要な約60μmの厚さになるまで研削する。研削は砥石等によって行われる。
【0042】
次に図10に示すように、前記N型半導体基板801の第2主面から例えば500keV程度の加速エネルギーでリン、砒素、アンチモンなどのN型不純物をイオン注入し、実効的なドーズ量が5×1011cm−2程度となるようなN型フィールドストップ層809を形成する。前記N型フィールドストップ層809の厚さは例えば、0.4μmである。
【0043】
次に図11に示すように、例えば300keV程度の加速エネルギーでリン、砒素、アンチモンなどのN型不純物をイオン注入し、実効的なドーズ量が1×1012cm−2程度、厚さが0.6μm程度となるようなN型リークストップ層810を形成する。このとき、加速エネルギー等の条件を適宜選択することによって、図3、図4のデバイス構造及び不純物濃度分布を得ることも可能である。例えば、前記フィールドストップ層809をイオン注入する際の加速エネルギーを大きくすることによって、前記N型半導体基板801内に深く形成することができ、このような構造を得ることができる。ここで、P型コレクタ層811のドーズ量は1×1013cm−2とする。
【0044】
次に図12に示すように、例えば30keV程度の加速エネルギーでボロン、インジウムなどのP型不純物をイオン注入し、実効的なドーズ量が1×1013cm−2程度、厚さが1μm程度となるようなP型コレクタ層811を形成する。続いて、350℃〜550℃アニールする。前記P型コレクタ層811と前記リークストップ層810は接して形成されている。前記P型コレクタ層811上にコレクタ電極812を形成する。
【0045】
このように、逆阻止状態における空乏層の伸びを低減するフィールドストップ層及びリーク電流の増大を低減するリークストップ層を形成し、フィールドストップ層とP型コレクタ層の実効的なドーズ量と、N型リークストップ層のドーズ量と厚さを決定することによって、ターンオン時に生じる負性抵抗、リーク電流の増大を防ぐことができる。
【0046】
なお、本実施の形態は、縦型のトレンチIGBTを例に説明したが、これに限定されず、プレーナ型のデバイス、横型のデバイスに適用しても同様の効果が得られる。また、N型とP型の導電型が逆であってもかまわない。
(第2の実施の形態)
図13は、本発明の第2の実施の形態に係るトレンチIGBTの要部断面図である。第1の実施の形態と異なる点は、図14に示すようにフィールドストップ層とリークストップ層の不純物濃度分布が、独立した分布を形成しておらず、連続した分布を形成している点である。
【0047】
図13に示すように、N型半導体基板1301の第1主面にP型ベース層1302が形成されており、前記P型ベース層1302から前記N型半導体基板にまで達する溝1303が形成されている。前記溝1303にはゲート絶縁膜1304が形成され、前記ゲート絶縁膜1304に接するようゲート電極1305が埋め込まれている。前記ゲート電極1305上には、層間絶縁膜1306が形成されている。前記P型ベース層1302の表面領域には、前記溝1303の側壁に接するよう、高不純物濃度のN型エミッタ層1307が形成されている。
【0048】
前記P型ベース層1302及び前記N型エミッタ層1307上に、前記P型ベース層1302及び前記N型エミッタ層1307にコンタクトするよう、エミッタ電極1308が形成されている。前記ゲート電極1305は、上に前記層間絶縁膜1306が形成されているため、前記エミッタ電極1308とは接していない。ここで、前記ゲート電極1305上に形成されている前記層間絶縁膜1306は、前記溝1303に埋め込まれていてもよい。このように形成することによって、前記エミッタ電極1308を形成する際に、前記P型ベース層3102及び前記N型エミッタ層1307にコンタクトするためのコンタクトホールを形成する必要がなく、前記ゲート電極1305間の距離が短い場合であっても、前記エミッタ電極1308を容易に形成することができる。
【0049】
前記したN型半導体基板1301、P型ベース層1302、ゲート絶縁膜1304、ゲート電極1305及びN型エミッタ層1307によって、MOSFETが形成されている。すなわち、前記P型ベース層1302の前記溝1303の側壁にチャネルが形成され、N型エミッタ層1307からN型半導体基板1301に電子を注入する。
【0050】
一方、前記N型半導体基板1301の第2主面には、N型フィールドストップ層1309及びN型リークストップ層1310が形成されている。前記N型リークストップ層1310は、前記N型フィールドストップ層1309よりも第2主面側に前記N型リークストップ層1309に接して、重なるように形成されている。
【0051】
前記N型半導体基板1301の第2主面側には、前記N型リークストップ層1310に接するよう、P型コレクタ層1311とコレクタ電極1312が形成されている。
【0052】
図14に、第2主面側の不純物濃度分布である、前記P型コレクタ層1311、前記N型リークストップ層1310、前記N型フィールドストップ層1309及び前記N型半導体基板1301の不純物濃度分布の模式図を示す。縦軸は濃度、横軸は深さ(矢印の方向が第1主面側)である。深さに対して濃度を積分した値がドーズ量となる。前記N型半導体基板1301は、前記N型リークストップ層1310及び前記N型フィールドストップ層1309と比較して、低濃度で形成されている。
【0053】
ここで、図14に示すように、前記N型リークストップ層1310と前記N型フィールドストップ層1309は、不純物濃度分布が連続した分布で形成されている。
【0054】
続いて、本実施の形態に記載された半導体装置の製造方法の一例について述べる。耐圧は例えば1000Vとする。
【0055】
図15に示すように、比抵抗が50Ω・cm程度であり、例えば、500μmの厚さのN型半導体基板1501の第1主面にP型ベース層1502を形成する。前記N型半導体基板1501の濃度は、約8×1013cm−3である。
【0056】
次に、前記P型ベース層1502から前記N型半導体基板1501にまで達する溝1503を形成する。前記溝1503にはゲート絶縁膜1504を形成し、前記ゲート絶縁膜1504に接するよう、ゲート電極1505を埋め込む。前記ゲート電極1505上にパターニングした層間絶縁膜1506を形成し、前記P型ベース層1502の表面領域には、前記溝1503の側壁に接するよう、高不純物濃度のN型エミッタ層1507を選択的に形成する。前記P型ベース層1502及び前記N型エミッタ層1507上に、前記P型ベース層1502及び前記N型エミッタ層1507にコンタクトするよう、エミッタ電極1508が形成されている。前記ゲート電極1505は、上に前記層間絶縁膜1506が形成されているため、前記エミッタ電極1508とは接していない。
【0057】
次に図16に示すように、前記N型半導体基板1501を第1主面の裏面である第2主面から、耐圧1000Vを保持するために必要な約100μmの厚さになるまで研削する。研削は砥石等によって行われる。
【0058】
次に図17に示すように、前記N型半導体基板1501の第2主面から例えば700keV程度の加速エネルギーでリン、砒素、アンチモンなどのN型不純物をイオン注入し、図19を参照して、空乏層の伸びを低減することが可能となる必要最低限の実効的なドーズ量、5×1011cm−2程度のN型フィールドストップ層1509及びN型リークストップ層1510を形成する。前記N型フィールドストップ層1509の厚さは、例えば、0.5μmである。必要最低限のドーズ量の前記N型フィールドストップ層1509の下部には、実効的なドーズ量が8×1011cm−3程度で厚さが少なくとも0.7μm程度となるようなN型リークストップ層1510が形成されている。加速エネルギー等の条件を適宜選択することによって、図16の濃度プロファイルを得ることができる。ここで、P型コレクタ層のドーズ量は1×1013cm−3とする。
【0059】
次に図18に示すように、例えば30keV程度の加速エネルギーでボロン、インジウムなどのP型不純物をイオン注入し、実効的なドーズ量が1×1013cm−3程度、厚さが1μm程度となるようなP型コレクタ層1511を形成する。
前記P型コレクタ層1511は、前記N型リークストップ層に接して形成されている。続いて、350℃〜550℃アニールする。前記P型コレクタ層1511上にコレクタ電極1512を形成する
フィールドストップ層とリークストップ層とが連続して分布しているが、本実施の形態では、その機能を果たす上で必要な最低限のドーズ量を有したフィールドストップ層と、その下部に形成されているリークストップ層の2つの層を想定している。すなわち、必要十分な濃度を有するフィールドストップ層と、必要十分な厚さを少なくとも有するリークストップ層である。これらは、式(1)〜(3)(図6及び図19)を参照して求めることができる。
【0060】
このように、N型半導体基板の第2主面側に形成されたN型フィールドストップ層、P型コレクタ層の実効的なドーズ量と、N型リークストップ層のドーズ量と厚さを選択して、従来と同じ工程で形成することによって、ターンオン時に生じる負性抵抗、リーク電流の増大を防ぐことができる。
【0061】
なお、本実施の形態は、縦型のトレンチIGBTを例に説明したが、これに限定されず、プレーナ型のデバイス、横型のデバイスであっても同様の効果が得られる。また、N型とP型の導電型が逆であってもかまわない。
【0062】
第1乃至第2の実施の形態において、耐圧Vについて、600Vまたは1000Vである場合を例に説明したが限定されない。但し、300V以上の耐圧のデバイスに対して適用すると、特に有効である。N型リークストップ層とP型コレクタ層の濃度比(QLS/QC)について、0.08または0.1である場合を例に説明したが限定されない。但し、0.01≦QLS/QC≦0.2のデバイスは、スイッチングなどの電気特性の性能がよく、製造工程などの、実用性の点でも優れており、特に有効である。
【0063】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、第2導電型コレクタ層側に、逆阻止状態における空乏層の伸びを低減する第1導電型フィールドストップ層及びリーク電流の増大を低減する第1導電型リークストップ層を形成することによって、ターンオン時に生じる負性抵抗、耐圧のソフト化、リーク電流の増大を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を示す要部断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の第2主面側不純物濃度分布の例を模式的に示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る他の半導体装置を示す要部断面図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の第2主面側不純物濃度分布の他の例を模式的に示す図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置のN−QFSの関係を示す図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置のQLS/QC−WLSの関係を示す図である。
【図7】リークストップ層の効果を示すデバイスシミュレーション結果を示す図である。
【図8】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図10】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図11】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図12】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図13】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置を示す要部断面図である。
【図14】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の第2主面側不純物濃度分布の例を模式的に示す図である。
【図15】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図16】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図17】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図18】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す要部断面図である。
【図19】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置のN−QFSの関係を示す図である。
【図20】従来の半導体装置を示す要部断面図である。
【図21】従来の半導体装置の第2主面側不純物濃度分布の例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
101,801,1301,1501…N型半導体基板
102,802,1302,1502…P型ベース層
103,803,1303,1503…溝
104,804,1304,1504…ゲート絶縁膜
105,805,1305,1505…ゲート電極
106,806,1306,1506…層間絶縁膜
107,807,1307,1507…N型エミッタ層
108,808,1308,1508…エミッタ電極
109,809,1309,1509…N型フィールドストップ層
110,810,1310,1510…N型リークストップ層
111,811,1311,1511…P型コレクタ層
112,812,1312,1512…コレクタ電極
2001…N型半導体基板
2002…P型ベース層
2003…溝
2004…ゲート絶縁膜
2005…ゲート電極
2006…層間絶縁膜
2007…N型エミッタ層
2008…エミッタ電極
2009…N型フィールドストップ層
2010…P型コレクタ層
2011…コレクタ電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a power device such as an IGBT.
[0002]
[Prior art]
In response to the recent demand for smaller and higher performance power supply equipment in the field of power electronics, power semiconductor devices have been required to have higher withstand voltage and higher current, as well as lower loss, higher breakdown strength, and higher speed. Focus is on improvement. In particular, in terms of high breakdown voltage and high current, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used as an insulated gate semiconductor device having a breakdown voltage of about 300 V or more. IGBTs have both the high-speed switching characteristics of power MOSFETs and the high-output characteristics of bipolar transistors, and are widely used in power converters such as inverters and switching power supplies. As the gate structure of the IGBT, there are a planar structure formed in a flat plate shape and a trench structure formed buried.
[0003]
FIG. 20 shows an IGBT having a trench structure as a conventional power semiconductor device. A P-
[0004]
An
[0005]
On the other hand, an N-type buffer layer (field stop layer) 2009 is formed on the second main surface of the N-
[0006]
FIG. 21 is a schematic diagram showing the impurity concentration distribution of the P-
[0007]
The operation of the IGBT will be described. When a positive voltage is applied to the
[0008]
On the other hand, to turn off, a negative voltage is applied to the
On the other hand, a part of the holes accumulated in the N-
[0009]
When a positive voltage is applied to the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
When a field stop layer is formed in contact with the P-type collector layer, injection of holes at the time of turn-off can be suppressed, and turn-off loss can be reduced.
However, on the other hand, there is a problem that the leak current increases at a voltage lower than the desired withstand voltage and that the withstand voltage becomes soft. Here, the softening of the breakdown voltage is a phenomenon in which the rise of the breakdown voltage becomes gentle and the breakdown voltage decreases.
Further, if the concentration of the field stop layer is increased to suppress the leakage current, there is a problem that a negative resistance is generated at the time of turn-on, and the on-voltage increases.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a semiconductor device capable of preventing a negative resistance, a soft breakdown voltage, and an increase in leakage current from occurring at the time of turn-on.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate,
A second conductivity type base layer formed on a first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type emitter layer formed in a surface region of the second conductivity type base layer;
A gate insulating film formed to be in contact with the second conductivity type base layer;
A gate electrode formed to be in contact with the gate insulating film;
A first conductivity type field stop layer formed in the first conductivity type semiconductor substrate; a second conductivity type collector layer formed on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type leak stop layer provided between the first conductivity type field stop layer and the second conductivity type collector layer and formed so as to be in contact with at least the second conductivity type collector layer;
A first main electrode formed on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
A second main electrode formed on the second conductivity type collector layer;
It is characterized by having.
[0013]
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type base layer formed on a first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type emitter layer formed in a surface region of the second conductivity type base layer;
A gate insulating film formed to be in contact with the second conductivity type base layer;
A gate electrode formed to be in contact with the gate insulating film;
A first conductivity type field stop layer formed in the first conductivity type semiconductor substrate; a second conductivity type collector layer formed on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type leak stop layer provided between the first conductivity type field stop layer and the second conductivity type collector layer, and formed to be in contact with both layers;
A first main electrode formed on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
A second main electrode formed on the second conductivity type collector layer;
It is characterized by having.
[0014]
In addition, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object includes a step of forming a second conductivity type base layer on a first main surface of a first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film in contact with the second conductivity type base layer;
Forming a gate electrode in contact with the gate insulating film;
Forming an interlayer insulating film on the gate electrode;
Forming a first conductivity type emitter layer by introducing a first conductivity type impurity into a surface region of the second conductivity type base layer;
Forming a field stop layer in the first conductivity type semiconductor substrate by introducing a first conductivity type impurity into a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate; Forming a first conductivity type leak stop layer closer to the second main surface than the first conductivity type field stop layer by introducing a first conductivity type impurity into the second main surface of
Forming a second conductivity type collector layer in contact with the first conductivity type leak stop layer by introducing a second conductivity type impurity into a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a first main electrode on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
Forming a second main electrode on the second conductivity type collector layer;
It is characterized by having.
[0015]
In addition, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention for achieving the above object includes a step of forming a second conductivity type base layer on a first main surface of a first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film in contact with the second conductivity type base layer;
Forming a gate electrode in contact with the gate insulating film;
Forming an interlayer insulating film on the gate electrode;
Forming a first conductivity type emitter layer by introducing a first conductivity type impurity into a surface region of the second conductivity type base layer;
By introducing an impurity of the first conductivity type into the second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate, the first conductivity type leak stop layer and the first conductivity type semiconductor substrate are sequentially arranged in the first conductivity type semiconductor substrate from the second main surface side. Forming a first conductivity type field stop layer;
Forming a second conductivity type collector layer in contact with the first conductivity type leak stop layer by introducing a second conductivity type impurity into a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a first main electrode on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
Forming a second main electrode on the second conductivity type collector layer;
It is characterized by having.
[0016]
According to the semiconductor device and the method of manufacturing the same of the present invention, the first conductivity type field stop layer for reducing the extension of the depletion layer in the reverse blocking state and the first conductivity type for reducing the increase in leakage current are provided on the second conductivity type collector layer side. By forming the conductive type leak stop layer, it is possible to prevent a negative resistance, a soft breakdown voltage, and an increase in leak current which occur at the time of turn-on.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a trench IGBT according to the first embodiment of the present invention.
[0018]
As shown in FIG. 1, a P-
[0019]
An
[0020]
The N-
[0021]
On the other hand, an N-type
[0022]
The operation of the IGBT will be described. When a positive voltage is applied to the
[0023]
On the other hand, to turn off, a negative voltage is applied to the
[0024]
When a positive voltage is applied to the
[0025]
FIG. 2 shows an impurity concentration distribution of the P-
[0026]
A method for obtaining the dose of the N-type
[0027]
First, the thickness and concentration (resistivity) of the N-
[0028]
Subsequently, when the thickness and the concentration of the N-
[0029]
When a voltage V is applied, the charge amount q per unit length of the N-type layerV[Cm-1] Indicates the depletion layer width as W assuming a non-punch-through device.dl[Cm] and the concentration of the N-type semiconductor substrate is set to N [cm].-3], QV= NWdl 2Is represented by Depletion layer width WdlIs calculated by considering the breakdown voltage V and the concentration N of the N-type semiconductor substrate, and can be expressed by the following equation (1).
Wdl= (2kεV / qN)1/2(1)
(K: Boltzmann constant, ε: dielectric constant of silicon, V: voltage, q: elementary charge, N: concentration of N-type semiconductor substrate)
The N-type semiconductor substrate is an I layer. The I layer is a drift layer and is a region of the N-type semiconductor substrate between the N-type field stop layer and the N-type base layer. Here, an N-type semiconductor substrate on the N-type field stop layer is shown. Charge amount q per unit length of I layerVI[Cm-1] Indicates that the thickness of the I layer is WI[Cm], qVI= NWI 2Is represented by Charge q per unit length required for field stop layerFS[Cm-1] Is qV-QVIAnd qFS= N (Wdl-WI) (Wdl+ WI). Therefore, the dose Q of the field stop layerFSIs represented by the following equation (2).
QFS= QFS/ (Wdl+ WI) = N (Wdl-WI) (2)
(QFS: Charge amount per unit length of field stop layer, Wdl: Depletion layer width, W
I: Thickness of I layer, N: concentration of N-type semiconductor substrate)
FIG. 5 shows the concentration N (horizontal axis) of the N-
[0030]
For example, the impurity concentration of the N-
[0031]
Next, how to determine the dose and the thickness of the N-type
[0032]
The dose and the thickness of the N-type leak stop layer can be obtained by the following equation (3) by applying the theory of the current gain of the bipolar transistor to the IGBT as follows.
QLS/ QC= [481-480 cosh (WLS/ 60)] / [2194 sinh (WLS/ 60)] (3)
(QLS: Dose amount of the N-type
The parameters in equation (3) are values obtained from experiments and simulations. If the dose ratio between the N-type
[0033]
FIG. 6 shows the dose Q of the N-type leak stop layer 110.LSAnd the dose Q of the P-type collector layer 111C(Horizontal axis) and the thickness W of the N-type leak stop layer 110LS(Ordinate) is shown. On the graph curve, when the dose ratio between the N-type
[0034]
When the dose ratio between the N-type
When the minimum required thickness of the N-type
[0035]
For example, the dose of the P-
[0036]
As described above, the effective doses of the N-type
[0037]
FIG. 7 shows a device simulation result. Assuming a withstand voltage of 600 V, the N-type semiconductor substrate has a thickness of 50 μm and an impurity concentration of 1 × 10Thirteencm-3It is. A curve A in the graph is a device having a structure of a P-type collector layer / leak stop layer / field stop layer / N-type semiconductor substrate from the second main surface side. The thickness of the P-type collector layer is 1 μm, and the effective dose is 1 × 10Thirteencm-2The thickness of the leak stop layer is 0.5 μm, and the effective dose is 1.05 × 1012cm-2It is. The thickness of the field stop layer is 1 μm, and the effective dose is 2.31 × 1011cm-2It is. Curve B in the graph is a device having a structure of a P-type collector layer / field stop layer / N-type semiconductor substrate from the second main surface side, except that no leak stop layer is formed. This is the same structure as the device of the curve A. The thickness of the P-type collector layer is 1 μm, and the effective dose is 1 × 10Thirteencm-2Where the thickness of the field stop layer is 1 μm and the effective dose is 2.31 × 1011cm-2It is. Curve C in the graph is a device having a structure of a field stop layer / N-type semiconductor substrate from the second main surface side, except that no P-type collector layer is formed. It has the same structure as the device. The thickness of the field stop layer is 1 μm, and the effective dose is 2.31 × 1011cm-2It is.
[0038]
As shown in FIG. 7, it can be seen that the device indicated by curve A in the graph functions as a field stop layer and a leak stop layer, and can maintain a withstand voltage of 600 V. It can be seen that, in the device indicated by the curve B in the graph, since the leak stop layer is not formed, the leak current increases and the breakdown voltage cannot be maintained. Further, the device of the curve C in the graph has the same result as the device of the curve A in the graph, and it can be seen that the withstand voltage of 600 V can be maintained without punch-through.
In the device indicated by the curve C in the graph, the P-type collector layer is not formed, and it can be seen from the simulation result whether the extension of the depletion layer can be reduced by the field stop layer. Therefore, it can be seen that a device having good characteristics cannot be manufactured only with the field stop layer that reduces the elongation of the depletion layer, so that it is necessary to form two layers, the field stop layer and the leak stop layer.
[0039]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor device described in this embodiment will be described. The withstand voltage is, for example, 600V.
[0040]
As shown in FIG. 8, a P-
[0041]
Next, as shown in FIG. 9, the N-
[0042]
Next, as shown in FIG. 10, N-type impurities such as phosphorus, arsenic, and antimony are ion-implanted from the second main surface of the N-
[0043]
Next, as shown in FIG. 11, N-type impurities such as phosphorus, arsenic, and antimony are ion-implanted at an acceleration energy of, for example, about 300 keV, and an effective dose amount is 1 × 10 4.12cm-2An N-type
[0044]
Next, as shown in FIG. 12, a P-type impurity such as boron or indium is ion-implanted with an acceleration energy of, for example, about 30 keV, and an effective dose amount is 1 × 10 4.Thirteencm-2A P-
[0045]
As described above, the field stop layer for reducing the extension of the depletion layer and the leak stop layer for reducing the increase in the leak current in the reverse blocking state are formed, and the effective dose of the field stop layer and the P-type collector layer, By determining the dose and the thickness of the mold leak stop layer, it is possible to prevent an increase in negative resistance and leak current generated at the time of turn-on.
[0046]
In the present embodiment, the vertical trench IGBT has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and similar effects can be obtained by applying the invention to a planar device or a horizontal device. Also, the conductivity types of the N type and the P type may be reversed.
(Second embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part of a trench IGBT according to the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that as shown in FIG. 14, the impurity concentration distributions of the field stop layer and the leak stop layer do not form independent distributions but form continuous distributions. is there.
[0047]
As shown in FIG. 13, a P-
[0048]
An
[0049]
The N-
[0050]
On the other hand, an N-type
[0051]
On the second main surface side of the N-
[0052]
FIG. 14 shows the impurity concentration distribution of the P-
[0053]
Here, as shown in FIG. 14, the N-type
[0054]
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device described in this embodiment will be described. The withstand voltage is, for example, 1000V.
[0055]
As shown in FIG. 15, a P-
[0056]
Next, a
[0057]
Next, as shown in FIG. 16, the N-
[0058]
Next, as shown in FIG. 17, N-type impurities such as phosphorus, arsenic, and antimony are ion-implanted from the second main surface of the N-
[0059]
Next, as shown in FIG. 18, a P-type impurity such as boron or indium is ion-implanted at an acceleration energy of, for example, about 30 keV, and an effective dose amount is 1 × 10 4.Thirteencm-3A P-
The P-
Although the field stop layer and the leak stop layer are continuously distributed, in the present embodiment, a field stop layer having a minimum dose required to perform its function and a field stop layer formed thereunder are formed. It is assumed that there are two layers of leak stop layers. That is, a field stop layer having a necessary and sufficient concentration and a leak stop layer having at least a necessary and sufficient thickness. These can be obtained with reference to equations (1) to (3) (FIGS. 6 and 19).
[0060]
Thus, the effective dose of the N-type field stop layer and the P-type collector layer formed on the second main surface side of the N-type semiconductor substrate and the dose and thickness of the N-type leak stop layer are selected. Thus, by forming in the same process as in the related art, it is possible to prevent an increase in negative resistance and leak current generated at the time of turn-on.
[0061]
In the present embodiment, the vertical trench IGBT has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even with a planar device or a horizontal device. Also, the conductivity types of the N type and the P type may be reversed.
[0062]
In the first and second embodiments, the case where the withstand voltage V is 600 V or 1000 V has been described as an example, but is not limited. However, it is particularly effective when applied to a device having a withstand voltage of 300 V or more. The concentration ratio between the N-type leak stop layer and the P-type collector layer (QLS/ QC) Has been described as an example of 0.08 or 0.1, but is not limited. However, 0.01 ≦ QLS/ QCA device of ≦ 0.2 has good performance in electrical characteristics such as switching, is excellent in practicality such as a manufacturing process, and is particularly effective.
[0063]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, on the second conductivity type collector layer side, the first conductivity type field stop layer for reducing the extension of the depletion layer in the reverse blocking state and the first conductivity type field stop layer for reducing the increase in the leak current are provided. By forming the one-conductivity-type leak stop layer, it is possible to prevent a negative resistance, a soft breakdown voltage, and an increase in leak current that occur at the time of turn-on.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fragmentary cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of a second main surface side impurity concentration distribution of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view showing another semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram schematically showing another example of the impurity concentration distribution on the second main surface side of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing NQ of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;FSFIG.
FIG. 6 is a graph showing Q of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;LS/ QC-WLSFIG.
FIG. 7 is a diagram showing a device simulation result showing the effect of the leak stop layer.
FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view showing a step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an essential part cross sectional view showing one step of a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram schematically showing an example of a second main surface side impurity concentration distribution of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a fragmentary cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a fragmentary cross-sectional view showing one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing NQ of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;FSFIG.
FIG. 20 is a cross-sectional view of a main part showing a conventional semiconductor device.
FIG. 21 is a diagram schematically showing an example of a second main surface side impurity concentration distribution of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
101,801,1301,1501 ... N-type semiconductor substrate
102,802,1302,1502 ... P-type base layer
103, 803, 1303, 1503 ... groove
104, 804, 1304, 1504 ... gate insulating film
105,805,1305,1505 ... gate electrode
106,806,1306,1506 ... interlayer insulating film
107, 807, 1307, 1507 ... N-type emitter layer
108, 808, 1308, 1508 ... Emitter electrode
109, 809, 1309, 1509 ... N-type field stop layer
110, 810, 1310, 1510 ... N-type leak stop layer
111, 811, 1311, 1511... P-type collector layer
112, 812, 1312, 1512 ... Collector electrode
2001: N-type semiconductor substrate
2002: P-type base layer
2003 ... groove
2004: Gate insulating film
2005 ... Gate electrode
2006 ... interlayer insulating film
2007 ... N-type emitter layer
2008: Emitter electrode
2009 ... N-type field stop layer
2010: P-type collector layer
2011: Collector electrode
Claims (14)
前記第1導電型半導体基板の第1主面に形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に形成された第1導電型エミッタ層と、
前記第2導電型ベース層に接するよう形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に接するよう形成されたゲート電極と、
前記第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ層と、前記第1導電型半導体基板の第2主面に形成された第2導電型コレクタ層と、
前記第1導電型フィールドストップ層と前記第2導電型コレクタ層の間に設けられ、少なくとも前記第2導電型コレクタ層に接するように形成された第1導電型リークストップ層と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に形成された第1主電極と、
前記第2導電型コレクタ層に形成された第2主電極と、
を具備したことを特徴とする半導体装置。A first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type base layer formed on a first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type emitter layer formed in a surface region of the second conductivity type base layer;
A gate insulating film formed to be in contact with the second conductivity type base layer;
A gate electrode formed to be in contact with the gate insulating film;
A first conductivity type field stop layer formed in the first conductivity type semiconductor substrate; a second conductivity type collector layer formed on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type leak stop layer provided between the first conductivity type field stop layer and the second conductivity type collector layer and formed so as to be in contact with at least the second conductivity type collector layer;
A first main electrode formed on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
A second main electrode formed on the second conductivity type collector layer;
A semiconductor device comprising:
1×1012[cm−2]≧QFS≧N(Wdl−WI)
(但し、QFS[cm−2]は前記フィールドストップ層の実効的なドーズ量、N[cm−3]は第1導電型半導体基板の不純物濃度、Wdl[cm]は第1導電型半導体基板の空乏層幅、WI[cm]は第1導電型フィールドストップ層上の第1導電型半導体基板の厚さ)を満たし、
前記第1導電型リークストップ層において、
1≧QLS/QC≧[481−480cosh(WLS/60)]/[2194sinh(WLS/60)]
(但し、QLS[cm−2]は前記リークストップ層の実効的なドーズ量、QC[cm−2]は前記第2導電型コレクタ層の実効的なドーズ量、WLS[μm]はリークストップ層の厚さ)を満たすことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。In the first conductivity type field stop layer, 1 × 10 12 [cm −2 ] ≧ Q FS ≧ N (W dl −W I )
(However, Q FS [cm −2 ] is the effective dose of the field stop layer, N [cm −3 ] is the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate, and W dl [cm] is the first conductivity type semiconductor.) The depletion layer width of the substrate, W I [cm], satisfies the thickness of the first conductivity type semiconductor substrate on the first conductivity type field stop layer),
In the first conductivity type leak stop layer,
1 ≧ Q LS / Q C ≧ [481-480 cosh (W LS / 60)] / [2194 sinh (W LS / 60)]
(However, Q LS [cm -2] is an effective dose of the leakage stop layer, Q C [cm -2] is an effective dose of the second conductivity type collector layer, W LS [μm] is 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the leak stop layer is satisfied.
前記第1導電型半導体基板の第1主面に形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に形成された第1導電型エミッタ層と、
前記第2導電型ベース層に接するよう形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に接するよう形成されたゲート電極と、
前記第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ層と、前記第1導電型半導体基板の第2主面に形成された前記第2導電型コレクタ層と、
前記第1導電型フィールドストップ層と前記第2導電型コレクタ層の間に設けられ、両方の層に接するように形成された第1導電型リークストップ層と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に形成された第1主電極と、
前記第2導電型コレクタ層に形成された第2主電極と、
を具備したことを特徴とする半導体装置。A first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type base layer formed on a first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type emitter layer formed in a surface region of the second conductivity type base layer;
A gate insulating film formed to be in contact with the second conductivity type base layer;
A gate electrode formed to be in contact with the gate insulating film;
A first conductivity type field stop layer formed in the first conductivity type semiconductor substrate; a second conductivity type collector layer formed on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type leak stop layer provided between the first conductivity type field stop layer and the second conductivity type collector layer, and formed to be in contact with both layers;
A first main electrode formed on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
A second main electrode formed on the second conductivity type collector layer;
A semiconductor device comprising:
1×1012[cm−2]≧QFS≧N(Wdl−WI)
(但し、QFS[cm−2]は前記フィールドストップ層の実効的なドーズ量、N[cm−3]は第1導電型半導体基板の不純物濃度、Wdl[cm]は第1導電型半導体基板の空乏層幅、WI[cm]は第1導電型フィールドストップ層上の第1導電型半導体基板の厚さ)を満たし、
前記第1導電型リークストップ層において、
1≧QLS/QC≧[481−480cosh(WLS/60)]/[2194sinh(WLS/60)]
(但し、QLS[cm−2]は前記リークストップ層の実効的なドーズ量、QC[cm−2]は前記第2導電型コレクタ層の実効的なドーズ量、WLS[μm]はリークストップ層の厚さ)を満たすことを特徴とする請求項3記載の半導体装置。In the first conductivity type field stop layer, 1 × 10 12 [cm −2 ] ≧ Q FS ≧ N (W dl −W I )
(However, Q FS [cm −2 ] is the effective dose of the field stop layer, N [cm −3 ] is the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate, and W dl [cm] is the first conductivity type semiconductor.) The depletion layer width of the substrate, W I [cm], satisfies the thickness of the first conductivity type semiconductor substrate on the first conductivity type field stop layer),
In the first conductivity type leak stop layer,
1 ≧ Q LS / Q C ≧ [481-480 cosh (W LS / 60)] / [2194 sinh (W LS / 60)]
(However, Q LS [cm -2] is an effective dose of the leakage stop layer, Q C [cm -2] is an effective dose of the second conductivity type collector layer, W LS [μm] is 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein a thickness of the leak stop layer is satisfied.
前記第2導電型ベース層に接するようゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜に接するようゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に、第1導電型の不純物を導入することによって、第1導電型エミッタ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第1導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型半導体基板内にフィールドストップ層を形成する工程と、前記第1導電型半導体基板の第2主面に第1導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型フィールドストップ層よりも第2主面側に第1導電型リークストップ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第2導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型リークストップ層に接するよう前記第2導電型コレクタ層を形成する工程と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に第1主電極を形成する工程と、
前記第2導電型コレクタ層に第2主電極を形成する工程と、
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a second conductivity type base layer on a first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film in contact with the second conductivity type base layer;
Forming a gate electrode in contact with the gate insulating film;
Forming an interlayer insulating film on the gate electrode;
Forming a first conductivity type emitter layer by introducing a first conductivity type impurity into a surface region of the second conductivity type base layer;
Forming a field stop layer in the first conductivity type semiconductor substrate by introducing a first conductivity type impurity into a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate; Forming a first conductivity type leak stop layer closer to the second main surface than the first conductivity type field stop layer by introducing a first conductivity type impurity into the second main surface of
Forming a second conductivity type collector layer in contact with the first conductivity type leak stop layer by introducing a second conductivity type impurity into a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a first main electrode on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
Forming a second main electrode on the second conductivity type collector layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
1×1012[cm−2]≧QFS≧N(Wdl−WI)
(但し、QFS[cm−2]は前記フィールドストップ層の実効的なドーズ量、N[cm−3]は第1導電型半導体基板の不純物濃度、Wdl[cm]は第1導電型半導体基板の空乏層幅、WI[cm]は第1導電型フィールドストップ層上の第1導電型半導体基板の厚さ)を満たすよう形成し、
前記第1導電型リークストップ層を形成する工程において、
1≧QLS/QC≧[481−480cosh(WLS/60)]/[2194sinh(WLS/60)]
(但し、QLS[cm−2]は前記リークストップ層の実効的なドーズ量、QC[cm−2]は前記第2導電型コレクタ層の実効的なドーズ量、WLS[μm]はリークストップ層の厚さ)を満たすよう形成することを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。In the step of forming the first conductivity type field stop layer, 1 × 10 12 [cm −2 ] ≧ Q FS ≧ N (W dl −W I )
(However, Q FS [cm −2 ] is the effective dose of the field stop layer, N [cm −3 ] is the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate, and W dl [cm] is the first conductivity type semiconductor.) The depletion layer width of the substrate, W I [cm], is formed so as to satisfy the thickness of the first conductivity type semiconductor substrate on the first conductivity type field stop layer).
In the step of forming the first conductivity type leak stop layer,
1 ≧ Q LS / Q C ≧ [481-480 cosh (W LS / 60)] / [2194 sinh (W LS / 60)]
(However, Q LS [cm -2] is an effective dose of the leakage stop layer, Q C [cm -2] is an effective dose of the second conductivity type collector layer, W LS [μm] is 9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is formed so as to satisfy a thickness of the leak stop layer.
前記第2導電型ベース層に接するようゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜に接するようゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第2導電型ベース層の表面領域に、第1導電型の不純物を導入することによって、第1導電型エミッタ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第1導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型半導体基板内に、第2主面側から順に第1導電型リークストップ層及び第1導電型フィールドストップ層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体基板の第2主面に第2導電型の不純物を導入することによって、前記第1導電型リークストップ層に接するよう前記第2導電型コレクタ層を形成する工程と、
前記第1導電型エミッタ層及び前記第2導電型ベース層上に第1主電極を形成する工程と、
前記第2導電型コレクタ層に第2主電極を形成する工程と、
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a second conductivity type base layer by the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film in contact with the second conductivity type base layer;
Forming a gate electrode in contact with the gate insulating film;
Forming an interlayer insulating film on the gate electrode;
Forming a first conductivity type emitter layer by introducing a first conductivity type impurity into a surface region of the second conductivity type base layer;
By introducing an impurity of the first conductivity type into the second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate, the first conductivity type leak stop layer and the first conductivity type semiconductor substrate are sequentially arranged in the first conductivity type semiconductor substrate from the second main surface side. Forming a first conductivity type field stop layer;
Forming a second conductivity type collector layer in contact with the first conductivity type leak stop layer by introducing a second conductivity type impurity into a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a first main electrode on the first conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer;
Forming a second main electrode on the second conductivity type collector layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
1×1012[cm−2]≧QFS≧N(Wdl−WI)
(但し、QFS[cm−2]は前記フィールドストップ層の実効的なドーズ量、N[cm−3]は第1導電型半導体基板の不純物濃度、Wdl[cm]は第1導電型半導体基板の空乏層幅、WI[cm]は第1導電型フィールドストップ層上の第1導電型半導体基板の厚さ)を満たすよう形成し、
前記第1導電型リークストップ層する工程において、
1≧QLS/QC≧[481−480cosh(WLS/60)]/[2194sinh(WLS/60)]
(但し、QLS[cm−2]は前記リークストップ層の実効的なドーズ量、QC[cm−2]は前記第2導電型コレクタ層の実効的なドーズ量、WLS[μm]はリークストップ層の厚さ)を満たすよう形成することを特徴とする請求項10記載の半導体装置。In the step of forming the first conductivity type field stop layer, 1 × 10 12 [cm −2 ] ≧ Q FS ≧ N (W dl −W I )
(However, Q FS [cm −2 ] is the effective dose of the field stop layer, N [cm −3 ] is the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate, and W dl [cm] is the first conductivity type semiconductor.) The depletion layer width of the substrate, W I [cm], is formed so as to satisfy the thickness of the first conductivity type semiconductor substrate on the first conductivity type field stop layer).
In the step of forming the first conductivity type leak stop layer,
1 ≧ Q LS / Q C ≧ [481-480 cosh (W LS / 60)] / [2194 sinh (W LS / 60)]
(However, Q LS [cm -2] is an effective dose of the leakage stop layer, Q C [cm -2] is an effective dose of the second conductivity type collector layer, W LS [μm] is The semiconductor device according to claim 10, wherein the semiconductor device is formed so as to satisfy (thickness of a leak stop layer).
前記第2導電型ベース層に溝を形成する工程と、
前記溝にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝に形成された前記ゲート絶縁膜に接するよう、前記溝にゲート電極を埋め込む工程とを具備したことを特徴とする請求項8乃至11のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。The step of forming the gate electrode,
Forming a groove in the second conductivity type base layer;
Forming a gate insulating film in the trench;
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, further comprising: embedding a gate electrode in the groove so as to be in contact with the gate insulating film formed in the groove.
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