JP2005057235A - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ及びその製造方法、並びに、インバータ回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フリーホイールダイオード内蔵型IGBTにおいて、研磨後のウエハ厚みDを200μm以下とし、カソードN+層8の厚みT8及びP+コレクタ層9の厚みT9を共に2μm以下に設定する。更に、幅方向Xに関するカソードN+層8及びP+コレクタ層9の幅の和を、50μm以上200μm以下の範囲内に設定する。この場合、界面IF中、P+コレクタ層9とコレクタ電極10との界面IF2が占める割合は、30%〜80%の範囲内の値となる。
【選択図】図2
Description
図2は、本実施の形態の一例であるFWD内蔵型IGBTの構造の一部分を示す縦断面図であり、図2中、方向Xはシリコンウエハのウエハ幅方向であり、方向Yはウエハ厚み方向である。図2の半導体装置は、DMOS構造のMOSFETセルを有するFWD内蔵型IGBTに対して、以下に記載する本実施の形態の特徴を適用したものである。
上記動作内容に関して、シミュレーションソフトとしてMEDICIを用いて、本装置の動作について検証した。その際のシミュレーションの対象となった構造は、図3に示す半導体構造である。即ち、不純物濃度1E19であり且つ厚さ3μmのP層(ダイオードの順方向降下電圧Vfを算出する場合にのみ当該P層が適用される)、又は、不純物濃度1E19であり且つ厚さ1μmのN層(IGBTの飽和状態におけるコレクタ−エミッタ間電圧値VCE(sat)を算出する場合にのみ当該N層が上記P層に代えて適用される)の何れか一方が、N−層の上側表面上に配設されており、N−層の下側表面(裏面)上に、不純物濃度1E19で且つ厚さ0.3μmのコレクタP層と、不純物濃度1E19で且つ厚さ0.3μmのカソードN層が、それぞれ隣接する態様で配設されている。図3中のX及びY方向は、図1のX及びY方向にそれぞれ該当する。本シミュレーション構造においては、コレクタP層及びカソードN層が共にウエハプロセス(W/P)の最後の段階において実際には製造される点を考慮して、両層の厚みは共に0.3μmと設定されている。尚、本願発明者の実施品の一例では、コレクタP層及びカソードN層の厚みは共に0.5μm程度である。従って、実際のシミュレーションにおいて内蔵型ダイオード及びIGBTの各々のオン電圧を算出するに当たっては、一方で、1)図3の最上層が上記P型表面層で以って構成され且つ+電位が上記P型表面層に印加されているものと想定した上で、ダイオードの順方向降下電圧Vfが計算され、他方で、2)図3の最上層が上記N型表面層で以って構成され且つ最下層のコレクタP層に+電位が印加されているものと想定した上で、IGBTの飽和状態におけるコレクタ−エミッタ間電圧値VCE(sat)が計算された。
図2の構造に代えて、図10に示す様な変形を行っても、同様な作用効果が達成される。図10においては、ベース領域2とエミッタ電極7との界面直下に位置する裏面上半導体層は第2半導体層9となり、図2と比較して、第1及び第2半導体層8及び9の配設位置が逆転している。
図2又は図10の構造に代えて、図11に示す様な変形を行っても、基本的に同様な作用効果が得られる。図11においては、第1半導体層8と第2半導体層9との間にN−層1の裏面側一部が介在している。このN−層部分の幅方向Xにおける寸法W1及びW2のセルサイズ中に占める比率によっては、I)コレクタP層9の占有率を30%以上80%以下の範囲内の値に設定したときには、カソードN層8の占有率は図2ないしは図3における場合の比率20%〜70%よりも狭まる。逆に、II)カソードN層8の占有率を20%以上70%以下の範囲内の値に設定したときには、コレクタP層9の占有率は図2ないしは図3における場合の比率30%〜80%よりも狭まる。この変形例においても、セルサイズの範囲は、図9に基づき設定される。
図2、図10及び図11においてはDMOS構造のMOSFETセルに本発明の特徴を適用したものであるが、既述した本発明の特徴(ウエハ厚みDの範囲限定、第1及び第2半導体層8&9の厚み範囲の限定、第1及び第2半導体層8&9の各々における占有率の限定、及び、セルサイズの範囲限定)を、そのまま、トレンチ型MOS構造の絶縁ゲートトランジスタ(MOSFET)セルを有するFWD内蔵型IGBTに対して適用しても良い。この適用例を、図12に示す。本構造においても、単にMOSFETセル構造が変更されるにすぎないので、実施の形態1、その変形例1及び2において記載したものと同様の作用効果が得られる。
図13は、本実施の形態に係るFWD内蔵型IGBTを示す縦断面図である。図13の装置は、N−層1内にまで形成された各溝の中にゲート電極が充填形成されたトレンチ型MOSFETセルを備える図12の装置に対して、隣合うトレンチ(溝)で挟まれ且つPベース層2とN−層1とで挟まれたN層11を追加した構造を有している。その他の構造は、図12の構造と同一である。
本実施の形態に係るFWD内蔵型IGBTの製造方法の骨子は、1)第1導電型の半導体基板の第1主面側にMOSFETセル及びIGBT用第1主電極を形成し、2)当該MOSFETセル形成後における半導体基板を、その第2主面(第1主面に略平行に対向する表面)側より研磨して、半導体基板の厚みを200μm以下にし、3)研磨後の半導体基板の第2主面の内でMOSFETセルに対向する領域より半導体基板内部に向けて、第1導電型の第1半導体層及び当該第1半導体層に隣接する第2導電型の第2半導体層を形成し、4)第1及び第2半導体層形成後の半導体基板の第2主面上に、第1及び第2半導体層と接触したIGBT用第2主電極を形成すると言うものである。
本実施の形態に係るFWD内蔵型IGBTの製造方法の骨子は、1)第1導電型の半導体基板の第1主面側にMOSFETセルを形成し、2)当該MOSFETセル形成後における半導体基板を、その第2主面側より研磨して、半導体基板の厚みを200μm以下に設定し、3)研磨後の半導体基板の第2主面の内でMOSFETセルに対向する領域より半導体基板内部に向けて、第1導電型の第1半導体層及び当該第1半導体層に隣接する第2導電型の第2半導体層を形成し、4)第1及び第2半導体層形成後の半導体基板における第1主面上及び第2主面上に、IGBT用の、第1主電極及び第2主電極を、それぞれ形成すると言うものである。
上記の各実施の形態においては、便宜上、NチャネルのFWD内蔵型IGBTについて一貫して記載しているが、当然の事ながら、本発明に係るFWD内蔵型IGBTはPチャネル型のものに適用出来る。この場合、P型半導体基板が「第1導電型の半導体基板」に該当し、IGBTのN型ベース領域が「第2導電型のベース領域」に該当し、コレクタ電極が「第1主電極」に該当し、エミッタP+層及びN+エミッタ層がそれぞれ「第1半導体層」及び「第2半導体層」に該当することになる。
各実施の形態1〜4において既述した、裏面側に共に位置する、第1半導体層(カソードN層)8及び第2半導体層(コレクタP層)9の平面的な乃至は2次元的な相互配置関係の具体例を、図28〜図52の各々に示す。ここで、図28〜図52の各々は、本半導体装置の裏面側から第2主電極(コレクタ電極)10を介して両半導体層8,9を透視した際の、両層8,9の配置構造を模式的に描写した平面図である。以下、図28〜図52の各々に示される相互配置関係を簡潔に記載すれば、次の通りである。
Claims (10)
- 第1主面及び第2主面を有する第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の前記第1主面側に形成されており、しかも、前記第1主面より前記半導体基板の内部に向けて形成された第2導電型のベース領域内に、そのオン動作時に前記第1導電型のチャネルを有する絶縁ゲート型トランジスタと、
前記第1主面上に形成されており且つ前記第1主面において前記絶縁ゲート型トランジスタの前記ベース領域と接触する第1主電極と、
前記半導体基板の前記第2主面上に形成されており且つ前記絶縁ゲート型トランジスタに対向する前記第1導電型の第1半導体層と、
前記半導体基板の前記第2主面上に形成されており且つ前記絶縁ゲート型トランジスタに対向する前記第2導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層上及び前記第2半導体層上に形成された第2主電極とを備えており、
前記第2主電極と、前記第1半導体層及び前記第2半導体層との界面は、前記第1主面と平行であり、
前記第1主面と前記界面との間の厚みは200μm以下であり、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層の各々の厚みは共に2μm以下であることを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。 - 請求項1記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであって、
前記界面に対する、前記第1半導体層と前記第2主電極との第1界面の占有率は、20%乃至70%の範囲内の値であることを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。 - 請求項1記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであって、
前記界面に対する、前記第2半導体層と前記第2主電極との第2界面の占有率は、30%乃至80%の範囲内の値であることを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至3の何れかに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであって、
前記第1主面と平行であり且つ前記第1半導体層及び前記第2半導体層の配列方向に該当する幅方向における、前記第1半導体層の第1幅と前記第2半導体層の第2幅との和は、50μm乃至200μmの範囲内の値であることを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至4の何れかに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであって、
前記半導体基板は、
前記ベース領域と前記半導体基板との界面から前記半導体基板内部に向けて形成された前記第1導電型の半導体層を備えており、
前記半導体層は、前記半導体層と界面を成す前記半導体基板の部分よりも高不純物濃度を有することを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至5の何れかに記載の前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを、フリーホイールダイオードを内蔵したスイッチング素子として備えることを特徴とする、
インバータ回路。 - 第1導電型の半導体基板の第1主面側にMOSFETセルを形成し、
前記MOSFETセル形成後における前記半導体基板の第2主面の内で前記MOSFETセルに対向する領域より、前記半導体基板内部に向けて、前記第1導電型の第1半導体層及び前記第1半導体層に隣接する第2導電型の第2半導体層を形成し、
前記第1及び第2半導体層が形成された前記第2主面上に、前記第1及び第2半導体層と接触した第2主電極を形成することを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。 - 請求項7記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法であって、
前記第1及び第2半導体層形成後の前記半導体基板における前記第1主面上及び前記第2主面上に、第1主電極及び前記第2主電極をそれぞれ形成することを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。 - 請求項7又は8に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法であって、
前記MOSFETセル形成後であり且つ前記第1及び第2半導体層形成の前に、前記半導体基板を前記第2主面側から研磨して前記半導体基板の厚みを200μm以下に設定することを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。 - 請求項9に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法であって、
前記半導体基板の研磨後であり且つ前記第1及び第2半導体層形成の前に、前記半導体基板の前記第2主面側部分にマスクアライメント用マークとなる凸部を形成することを特徴とする、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。
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