JP2006210547A - 絶縁ゲート型半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トレンチで挟まれるメサ領域がフローティング構造とならないようエミッタ電極に接続することでメサ領域の電位を固定する。トレンチで挟まれるメサ領域内を複数のP型ベース領域に分割し、メサ領域内のある限られた領域をエミッタ構造とすることで、トレンチ型IGBTのオン電圧をIEGT並みの低い状態のままで、スイッチング損失も低くし、トータルの発生損失を低減することができる。加えて、ゲート電極がエミッタ構造に面している領域が減る為、ゲート・エミッタ間容量が低減できる。ある程度間隔の狭いトレンチゲート構造を適切に配置することで、トレンチゲート底部への電界集中を緩和し高い耐圧を得る。トレンチに挟まれたメサ領域の幅を狭めることで、トレンチゲートに挟まれたメサ領域のN層部分が数V程度の電圧印加で容易に空乏化するようにする。
【選択図】 図1
Description
このトレンチ型IGBTの構造を図14を例にして説明する。図14は、ストライプ状のトレンチゲートを有するNチャネル型IGBTを、トレンチゲートを横切る方向に切断した従来例の断面図である。図14において、P型で高濃度のシリコン基盤1とN型で低濃度のドリフト層2からなるシリコンウエハの表面にP型ベース領域3が形成され、そのP型ベース領域3の表面に選択的にN+エミッタ領域4が形成されている。また、N+エミッタ領域4の表面からP型ベース領域3を貫通してN型のドリフト層2に達するトレンチが形成され、そのトレンチの内部には、ゲート酸化膜5を挟んで多結晶シリコンからなるゲート電極6が充填され形成されている。このゲート電極6の上部を覆うように層間絶縁膜7が形成されている。さらに層間絶縁膜7の上部にはエミッタ電極8がシート状に設けられ、かつN+エミッタ領域4とP型ベース領域3に共通にエミッタ電極8が接触するように設けられている。さらにこのエミッタ電極8の上部に、パッシベーション膜としての窒化膜やアモルファスシリコン膜が形成されることがあるが、この図では省略してある。また、P型のシリコン基盤1の反対側表面(裏面)にはコレクタ電極9が設けられている。ここでは、IGBTの動作について説明するので、P型ベース領域3のうち、符号11を付けた領域については後述する。
エミッタ電極8は通常アースに接地し、エミッタ電極8よりも高い電圧をコレクタ電極9に印加した状態で、ゲート電極6の電圧が閾値よりも低い電圧ではIGBTはオフ状態である。これに、図示しないゲート駆動回路よりゲート抵抗を介して閾値より高い電圧をゲート電極6に印加すると、ゲート電極6には電荷が蓄積され始める。ゲート電極6への電荷の蓄積と同時に、P型ベース領域3でゲート酸化膜5を介してゲート電極6に対峙している部分はN型に反転してチャネル部を形成する。これにより電子電流がエミッタ電極8から、N+エミッタ領域4、P型ベース領域3のチャネル領域を通り、N型のドリフト層2に注入される。この注入された電子によりP型のシリコン基盤1とN型のドリフト層2との間が順バイアスされて、コレクタ電極9から正孔が注入されオン状態となる。このオン状態のIGBTのエミッタ電極8とコレクタ電極9間の電圧降下がオン電圧である。
このトレンチ型IGBTのオン電圧をさらに低減するためにさまざまな改善方法が提案されている。たとえば特許文献1のIEGT(INJECTION ENHANCED GATE BIPOLOR TRANSISTOR)はダイオードのオン電圧に近い限界の特性が出せるものである。これはN+エミッタ領域およびP型ベース領域の一部表面を絶縁層により被覆してこれら被覆された領域とエミッタ電極がコンタクトしないようにしたものである。このIEGTの動作は基本的にトレンチ型IGBTと同じであるが、N+エミッタ領域とP型ベース領域とがエミッタ電極とコンタクトしていない部分のP型ベース領域の下の正孔は、エミッタ電極に吐き出されにくいためにここに蓄積し、N型のドリフト層のキャリア濃度分布はダイオードのそれに近くまでになり、通常のトレンチ型IGBTのオン電圧よりも低くできるものである。しかしパワーデバイスには低オン電圧以外にも高速スイッチング特性も要求されており、高速スイッチング特性の改善も重要な課題となっている。また、トレンチ型IGBTおよびIEGTは、トレンチ構造を高密度で形成してあるがために、ゲート電極とエミッタ電極間の容量も大きなものとなる。
また、上記図14の構造は、本質的に高い素子耐圧が得にくいという第2の課題を抱える。これは、トレンチが等間隔な配置ではないため、オフ時における電界分布が不均一となるためであり、トレンチゲート底部への電界集中が起こりやすい。
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、トレンチ型IGBTのオン電圧をIEGT並みの低い状態のままで、スイッチング損失も低くし、総合発生損失を低減し、ターンオン特性を改善し、かつ高い素子耐圧が得られる絶縁ゲート型半導体装置を提供することを目的とする。
前記第1の半導体層の上に設けられた第2導電型の第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の表面に複数形成されたストライプの溝と、
前記溝間の長手方向に選択的に形成された複数の第1導電型の第3の半導体領域と、
前記第3の半導体領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第4の半導体領域と、
前記溝内に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記第3の半導体領域と第4の半導体領域に接するエミッタ電極と、
前記第1の半導体層に接するコレクタ電極とを有することを特徴とする。
請求項3記載の発明によれば、前記第1の半導体層の表面積に対する第3の半導体領域と第4の半導体領域を合計した表面積の比が80%以下、10%以上であることとする。
請求項4記載の発明によれば、前記第3の半導体領域と第4の半導体領域は、共通するエミッタ電極で電気的に接続されていることとする。
請求項5記載の発明によれば、隣り合う溝が等間隔に形成されており、該溝に挟まれた領域の幅Wが、絶縁ゲート型半導体装置の定格電圧をVとすると、W< 0.186V1/2の条件を満たすこととする。
請求項6記載の発明によれば、前記第3の半導体領域が溝を挟んだ対角上に配置される市松模様状であることとする。
該溝に絶縁膜と絶縁膜を介してのゲート電極を形成する工程と、
前記溝を交差する方向には第3の半導体領域と第4の半導体領域の拡散層が到達しないよう選択的に不純物拡散を用いて第3の半導体領域と第4の半導体領域を形成する工程を有する製造方法とする。
第1の特徴として、トレンチで挟まれるメサ領域がフローティング構造とならないようエミッタ電極に接続することでメサ領域の電位を固定し、タ−ンオン特性に関する第1の課題を解決する。非特許文献1によれば、フローティングのメサ領域の電位がターンオン過程においてゲート電位を変動させる。このことでIGBTのターンオン動作を不安定にし制御性などに問題を生じている。従ってフローティング領域そのものを取り去ることが課題の本質的な解決となる。この際、フローティング領域を単純に無くすだけでは通常のトレンチ型IGBTに戻ってしまってIE効果を失う結果になり、オン電圧の上昇を伴う。従ってこの第1の手段は単独では用いることができず、IE効果を失わないための別の手段と併用する必要がある。
第3の手段として、ある程度間隔の狭いトレンチゲート構造を適切に配置することで、トレンチゲート底部への電界集中を緩和し高い耐圧を得る。つまりトレンチに挟まれたメサ領域の幅を狭めることで、トレンチゲートに挟まれたメサ領域のN層部分が数V程度の電圧印加で容易に空乏化するようにする。このことで、オフ状態における素子表面付近の電界分布の均等化が可能になるだけでなく、特にゲート電極とコレクタ電極間容量の低減が実現できる。
例えばこの構造を用いた1200VクラスのIGBTを実現するにあたって、表面工程の具体的な製造工程を図5〜図7を用いて説明する。図5〜図7は図1のA-A線断面を工程順に記載したものである。まず、抵抗率60〜80Ωcmのシリコンウェハを用意し、異方性エッチングを用いて一方の表面に深さ5μm程度のトレンチエッチングを行いトレンチを形成する(図5(a))。このトレンチに熱酸化により100nm程度の厚さのゲート酸化膜5を形成する(図5(b))。その後、トレンチ内に多結晶シリコン6をCVD法等により形成しゲート電極とする(図5(c))。このようにトレンチゲートを形成した後に、フォトレジスト12などを用いて分散したPベース拡散層を形成すべくボロン13をイオン注入する(図6(a))。Pベース拡散層3の接合深さを4μm程度にするために、例えば1100℃程度の高温で数時間ドライブイン拡散を行う。この時、トレンチゲートがすでに形成されている為、ゲート酸化膜がトレンチゲートをまたぐ方向の不純物拡散を抑える。従って、Pベース拡散層3はトレンチに平行な方向(トレンチの長手方向)にしか横方向拡散はせずに、トレンチに挟まれたイオン注入されない領域はN型のまま保たれる(図6(b))。フォトレジスト12を一旦除去して、再度フォトレジスト14などを用いて、砒素15などをイオン注入し、1000℃程度のアニールを施すことでN+エミッタ領域4を形成する(図6(c))。フォトレジスト14を除去して、厚さ1μm程度のSiO2をCVD法などで堆積させ層間絶縁膜7とする図7(a))。これにフォトレジストパターンなどを用いてコンタクトを形成、Alなどを堆積させることでエミッタ電極8にする(図7(b))。
2 N型ドリフト層
3 P型ベース領域
4 N+エミッタ領域
5 ゲート酸化膜
6 ゲート電極
7 層間絶縁膜
8 エミッタ電極
9 コレクタ電極
Claims (7)
- 第1導電型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に設けられた第2導電型の第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の表面に複数形成されたストライプの溝と、
前記溝間の長手方向に選択的に形成された複数の第1導電型の第3の半導体領域と、
前記第3の半導体領域の表面に選択的に形成された第2導電型の第4の半導体領域と、
前記溝内に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記第3の半導体領域と第4の半導体領域に接するエミッタ電極と、
前記第1の半導体層に接するコレクタ電極とを有することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。 - 前記溝間において、第3の半導体領域と第3の半導体領域の間に絶縁層で覆われた第2の半導体層を有することを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記第1の半導体層の表面積に対する第3の半導体領域と第4の半導体領域を合計した表面積の比が80%以下、10%以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記第3の半導体領域と第4の半導体領域は、共通するエミッタ電極で電気的に接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 隣り合う前記溝が等間隔に形成されており、該溝に挟まれた領域の幅Wが、絶縁ゲート型半導体装置の定格電圧をVとすると、W< 0.186V1/2の条件を満たすことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記第3の半導体領域が溝を挟んだ対角上に配置される市松模様状であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 第1の半導体層の上に設けられた第2導電型の第2の半導体層の表面から溝を形成する工程と、
該溝に絶縁膜と絶縁膜を介してのゲート電極を形成する工程と、
前記溝を交差する方向には第3の半導体領域と第4の半導体領域の拡散層が到達しないよう選択的に不純物拡散を用いて第3の半導体領域と第4の半導体領域を形成する工程を有することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
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