JP2006237553A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device such as an IGBT with a high rate of yield, an excellent on-voltage to turn-off loss tradeoff and an excellent on-voltage to breakdown voltage tradeoff using the low-cost manufacturing process. <P>SOLUTION: An oxide film 21 is selectively formed on an n<SP>-</SP>-single crystal silicon substrate 29. A gate polysilicon 22 is formed on this oxide film 21. The surface of the gate polysilicon 22 is covered with a gate oxide film 23, and the surface of the gate oxide film 23 is covered with a cathode film 24 subject to n-type doping with a density higher than that of the n<SP>-</SP>drift layer. On this cathode film 24, a portion in contact with the n<SP>-</SP>-single crystal silicon substrate 29 is formed as a high-density n<SP>+</SP>buffer region 25, a p-base region 27 is formed next to this buffer region and an n<SP>+</SP>source region 26 is further formed next to this base region. An interlayer insulating film 28 is selectively formed on the cathode film 24, and an emitter electrode 30 is formed on this insulating film. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を構成するパワー半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a power semiconductor device constituting an IGBT (insulated gate bipolar transistor) and a manufacturing method thereof.

IGBTについては、これまで数多くの改良によって、その性能の向上が図られてきている。ここで、IGBTの性能とは、オフ時には、電圧を保持して電流を完全に遮断し、一方、オン時には、できる限り小さい電圧降下、すなわち、できる限り小さいオン抵抗で電流を流すというスイッチとしての性能のことである。なお、IGBTの動作の本質に鑑みて、本明細書では、コレクタを「アノード」と表記し、エミッタを「カソード」と表記する。以下に、IGBTの特性等について説明する。   With regard to IGBTs, performance has been improved by many improvements so far. Here, the performance of the IGBT is as a switch that keeps the voltage and shuts off the current completely when it is off, while flowing the current with the smallest possible voltage drop, that is, the smallest on-resistance when it is on. It's about performance. In the present specification, in view of the essence of the operation of the IGBT, the collector is denoted as “anode” and the emitter is denoted as “cathode”. Below, the characteristic etc. of IGBT are demonstrated.

(IGBT性能のトレードオフについて)
IGBTの保持可能な最大電圧、すなわち耐圧の大きさと、オン時の電圧降下との間には、二律背反の関係(いわゆるトレードオフ関係)が存在し、高耐圧のIGBTほどオン電圧が高くなる。最終的には、このトレードオフ関係の限界値は、シリコンの物性で決まる。このトレードオフを限界まで向上させるためには、電圧保持時に局所的な電界集中が生じるのを防ぐなど、設計面での工夫が必要である。
(About IGBT performance trade-off)
There is a trade-off relationship (the so-called trade-off relationship) between the maximum voltage that can be held by the IGBT, that is, the withstand voltage level and the voltage drop at the time of ON, and the higher the withstand voltage IGBT, the higher the ON voltage. Ultimately, the limit value of this trade-off relationship is determined by the physical properties of silicon. In order to improve this trade-off to the limit, it is necessary to devise on the design side, such as preventing local electric field concentration when holding the voltage.

また、IGBTの性能を表すもう一つの重要な指標として、オン電圧とスイッチング損失(特に、ターンオフ損失)のトレードオフ関係がある。IGBTは、スイッチングデバイスであるため、オンからオフまたはオフからオンの動作を行う。このスイッチング動作の瞬間に、時間当たり大きな損失が発生する。一般に、オン電圧の低いIGBTほどターンオフが遅いので、ターンオフ損失が大きい。以上のようなトレードオフ関係を改善することによって、IGBTの性能の向上を図ることができる。なお、ターンオン損失のオン電圧に対する依存性は小さい。ターンオン損失は、IGBTと組み合わせて使われる還流ダイオードの特性に大きく左右される。   As another important index representing the performance of the IGBT, there is a trade-off relationship between on-voltage and switching loss (particularly, turn-off loss). Since the IGBT is a switching device, it operates from on to off or off to on. At the moment of this switching operation, a large loss per hour occurs. In general, an IGBT having a lower on-voltage has a slower turn-off loss, and therefore has a larger turn-off loss. By improving the trade-off relationship as described above, the performance of the IGBT can be improved. Note that the dependency of the turn-on loss on the on-voltage is small. The turn-on loss greatly depends on the characteristics of the freewheeling diode used in combination with the IGBT.

(卜レードオフの改善について)
オン電圧とターンオフ損失のトレードオフ関係(以下、オン電圧−ターンオフ損失の関係とする)を最適化するには、IGBTがオン状態のときの内部の過剰キャリア分布を最適化することが有効である。オン電圧を下げるには、過剰キャリア量を増やしてドリフト層の抵抗値を下げればよい。しかし、ターンオフ時には、この過剰キャリアをすべてデバイスの外に掃き出すか、または、電子−ホール再結合により消滅させる必要がある。そのため、過剰キャリア量を増やすと、ターンオフ損失が増加してしまう。従って、このトレードオフ関係を最適化するには、同じオン電圧でターンオフ損失を最小にすればよい。
(Improvement of raid-off)
In order to optimize the trade-off relationship between the on-voltage and the turn-off loss (hereinafter referred to as the on-voltage-turn-off loss relationship), it is effective to optimize the internal excess carrier distribution when the IGBT is on. . In order to lower the on-voltage, the resistance value of the drift layer may be decreased by increasing the excess carrier amount. However, at the time of turn-off, it is necessary to sweep all the excess carriers out of the device or to disappear by electron-hole recombination. Therefore, when the excess carrier amount is increased, the turn-off loss increases. Therefore, in order to optimize this trade-off relationship, the turn-off loss may be minimized with the same on-voltage.

最適なトレードオフを実現するには、アノード側のキャリア濃度を下げるとともに、カソード側のキャリア濃度を上げることによって、アノード側とカソード側のキャリア濃度の比率が1:5程度になるようにすればよい。さらに、ドリフト層のキャリアライフタイムをできるだけ大きく保つことによって、ドリフト層内の平均キャリア濃度が高くなるようにすればよい。   To achieve the optimal trade-off, the ratio of the carrier concentration on the anode side and the cathode side should be about 1: 5 by lowering the carrier concentration on the anode side and increasing the carrier concentration on the cathode side. Good. Furthermore, the average carrier concentration in the drift layer may be increased by keeping the carrier lifetime of the drift layer as large as possible.

IGBTのターンオフ時には、空乏層は、カソード側のpn接合からドリフト層内部に拡がり、裏面のアノード層へ向かって進展する。その際、ドリフト層内の過剰キャリアのうち、ホールは、電界によって空乏層端から引き抜かれる。このようにして電子過剰状態となり、余った電子は、中性領域を抜けてp型のアノード層に注入される。そして、アノード側pn接合がやや順バイアスされることになるので、注入された電子に応じてホールが逆注入される。この逆注入されたホールは、上述した電界によって引き抜かれるホールと合流して、空乏層に入っていく。   When the IGBT is turned off, the depletion layer extends from the pn junction on the cathode side into the drift layer and progresses toward the anode layer on the back surface. At that time, holes out of excess carriers in the drift layer are extracted from the end of the depletion layer by the electric field. In this way, an electron excess state occurs, and surplus electrons pass through the neutral region and are injected into the p-type anode layer. Then, since the anode side pn junction is slightly forward-biased, holes are reversely injected according to the injected electrons. The reversely injected holes merge with the holes extracted by the electric field described above and enter the depletion layer.

電荷の担い手であるキャリア(ここでは、ホール)が電界領域を通過してカソード側に抜けるため、電界はキャリアに対して仕事をすることになる。キャリアが電界から受けた仕事は、最終的には、シリコンなどの結晶格子との衝突による格子振動となり、熱として散逸する。この散逸するエネルギーがターンオフ損失となる。ところで、空乏層が伸びきらないうちに引き抜かれるキャリアによって散逸するエネルギーは、空乏層が伸びきったときに引き抜かれるキャリアによって散逸するエネルギーよりも小さい。これは、空乏層が伸びきっていないと、キャリアが空乏層を通過する際の電位差が小さいため、空乏層の電界から受ける仕事が少ないからである。   Since carriers (here, holes) that are charge carriers pass through the electric field region and escape to the cathode side, the electric field works on the carriers. The work that the carriers receive from the electric field eventually becomes lattice vibration due to collision with a crystal lattice such as silicon, and is dissipated as heat. This dissipating energy becomes a turn-off loss. By the way, the energy dissipated by the carriers extracted before the depletion layer is fully extended is smaller than the energy dissipated by the carriers extracted when the depletion layer is fully extended. This is because if the depletion layer is not fully extended, the potential difference when carriers pass through the depletion layer is small, so that the work received from the electric field of the depletion layer is small.

ミクロの観点で見ると以上のようになる。これを、デバイスの端子電圧というマクロの観点で見ると、アノード−カソード間電圧が上がり終わる前、すなわち上昇中に流れる電流の方が、上がり終わった後に流れる電流よりも、電圧と電流の積(電圧×電流)で表される損失に対する寄与が少ないということを意味する。以上のことから、後述するIE効果によりカソード側に偏重したキャリア分布は、低電圧で引き抜かれるキャリアの割合が多く、オン電圧が同じであるという条件下では、アノード側偏重のキャリア分布よりもターンオフ損失が小さいということがわかる。   From a micro perspective, it looks like the above. From a macro viewpoint of the terminal voltage of the device, the product of the voltage and current (the current that flows before the anode-cathode voltage finishes rising, that is, the current that flows while the voltage rises) This means that the contribution to the loss expressed by (voltage × current) is small. From the above, the carrier distribution biased to the cathode side due to the IE effect described later turns off more than the carrier distribution of anode side bias under the condition that the proportion of carriers extracted at a low voltage is large and the on-voltage is the same. It can be seen that the loss is small.

アノード側のキャリア濃度を下げるには、アノード層の総不純物量を下げればよい。これ自体は、特に困難なことではない。ただし、600Vなどのように定格耐圧の低いIGBTでは、アノード層の総不純物量を下げるためには、製造工程中に、100μm程度の厚さ、あるいはそれよりも薄いウェハを扱う必要があるため、生産技術上の困難が存在する。一方、カソード側のキャリア濃度を上げるメカニズムは、IE効果と呼ばれている。   In order to lower the carrier concentration on the anode side, the total impurity amount in the anode layer may be lowered. This is not particularly difficult. However, in an IGBT having a low rated breakdown voltage such as 600 V, it is necessary to handle a wafer having a thickness of about 100 μm or thinner during the manufacturing process in order to reduce the total impurity amount of the anode layer. There are difficulties in production technology. On the other hand, the mechanism for increasing the carrier concentration on the cathode side is called the IE effect.

IE効果の大きいカソード構造として、プレーナ構造のpベースを囲むように高濃度n層を挿入したHiGT構造などが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。また、トレンチゲート構造において、隣り合うトレンチ間のメサ部に、ドリフト層よりも高濃度のn層を挿入したCSTBT構造や、IEGT(インジェクション エンハンスメント ゲート トランジスタ)構造などが提案されている(例えば、特許文献3、非特許文献1参照。)。一般に、トレンチ型におけるIE効果の方がプレーナ型におけるIE効果よりも大きい。   As a cathode structure having a large IE effect, a HiGT structure in which a high-concentration n layer is inserted so as to surround a p base of a planar structure has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). Further, in the trench gate structure, a CSTBT structure in which an n layer having a higher concentration than the drift layer is inserted in a mesa between adjacent trenches, an IEGT (Injection Enhancement Gate Transistor) structure, and the like have been proposed (for example, patents). Reference 3 and Non-Patent Document 1). In general, the IE effect in the trench type is larger than the IE effect in the planar type.

(IE効果について)
IE効果については、その本質が議論され、報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。よく描かれるIGBTの等価回路は、MOSFET(金属−酸化膜−半導体構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)とバイポーラトランジスタの組み合わせである。しかし、実際のデバイス動作を考えると、図1に示す等価回路のように、MOSFET1とpnpバイポーラトランジスタ2とpinダイオード3の組み合わせであると考えられる。
(IE effect)
The essence of the IE effect has been discussed and reported (for example, see Non-Patent Document 2). An IGBT equivalent circuit that is often drawn is a combination of a MOSFET (insulated gate field effect transistor having a metal-oxide-semiconductor structure) and a bipolar transistor. However, considering the actual device operation, it is considered that the combination of MOSFET 1, pnp bipolar transistor 2 and pin diode 3 is equivalent to the equivalent circuit shown in FIG.

図2は、プレーナ型IGBTの要部の構成を示す断面図である。図2において、符号4はpnpバイポーラトランジスタ領域(以下、pnp−BJT領域とする)であり、符号5はpinダイオード領域である。また、図2において、実線の矢印は電子電流の流れを表し、点線の矢印はホール電流の流れを表す。なお、本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、n+またはp+の領域(層を含む)は、それぞれ「+」が付されていないnまたはpの領域(層を含む)よりも高不純物濃度であることを意味する。さらに、n++領域(層を含む)は、n+領域(層を含む)よりも高不純物濃度であることを意味する。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of the planar IGBT. In FIG. 2, reference numeral 4 denotes a pnp bipolar transistor region (hereinafter referred to as a pnp-BJT region), and reference numeral 5 denotes a pin diode region. In FIG. 2, the solid arrow indicates the flow of the electron current, and the dotted arrow indicates the flow of the hole current. In this specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. In addition, the n + or p + region (including the layer) means a higher impurity concentration than the n or p region (including the layer) not marked with “+”. Further, the n ++ region (including the layer) means a higher impurity concentration than the n + region (including the layer).

図2に示すように、電子は、MOS部の表面のn++領域6から、n++領域6を囲むp層7の表面のn+反転層8と、n-ドリフト層9の表面のn+電子蓄積層10を経由して、裏面のpアノード層11に向かって流れる。この電子電流の一部は、pnp−BJT領域4のベース電流となる。pnp−BJT領域4では、pアノード層11から拡散またはドリフトによって流れてきたホールがp層7に流れ込むだけであり、そのpn接合部は、若干逆バイアスされている。従って、そのpn接合部付近のn-ドリフト層9中の少数キャリア、すなわちホールの濃度は、極めて低い。 As shown in FIG. 2, electrons from n ++ region 6 of the surface of the MOS portion, an n + inversion layer 8 on the surface of the p layer 7 surrounding the n ++ region 6, n - of the surface of the drift layer 9 It flows toward the p anode layer 11 on the back surface via the n + electron storage layer 10. A part of this electron current becomes a base current of the pnp-BJT region 4. In the pnp-BJT region 4, holes that have flowed from the p anode layer 11 by diffusion or drift only flow into the p layer 7, and the pn junction is slightly reverse-biased. Accordingly, the concentration of minority carriers in the n drift layer 9 near the pn junction, that is, the hole concentration, is extremely low.

一方、pinダイオード領域5のnカソードは、n-ドリフト層9の表面のn+電子蓄積層10である。このn+/n-接合は、若干順バイアスされているので、n-ドリフト層9中に電子が注入される。大電流時には、電子濃度は、n-ドリフト層9のドーピング濃度よりも遥かに高くなる(高注入状態)。そして、電荷中性条件を満たすため、電子と同じ濃度のホールも存在する。従って、n+/n-接合付近のn-ドリフト層9中の少数キャリア、すなわちホールの濃度は、極めて高い。 On the other hand, the n cathode of the pin diode region 5 is the n + electron storage layer 10 on the surface of the n drift layer 9. Since the n + / n junction is slightly forward-biased, electrons are injected into the n drift layer 9. At high current, the electron concentration is much higher than the doping concentration of the n drift layer 9 (high injection state). In order to satisfy the charge neutrality condition, holes having the same concentration as the electrons also exist. Therefore, the concentration of minority carriers in the n drift layer 9 near the n + / n junction, that is, the hole concentration, is extremely high.

IGBTにおいて、カソード側偏重の最適キャリア分布を実現するためには、pnp−BJT領域を減らして、pinダイオード領域を増やすことが重要である。また、n+/n-順バイアス量を増やして、電子注入を促進することが非常に重要である。これまで提案されたIE効果を有する構造では、pinダイオード領域の比率を増やすと同時に、n+/n-順バイアスの増加も実現されている。 In the IGBT, it is important to reduce the pnp-BJT region and increase the pin diode region in order to realize an optimum carrier distribution with cathode side bias. It is also very important to increase the n + / n forward bias amount to promote electron injection. In the structure having the IE effect proposed so far, the ratio of the pin diode region is increased, and at the same time, the increase of n + / n forward bias is realized.

ところで、プレーナ構造において、セルピッチに占めるpベースの比率が小さくなると、オン電圧が低減する。これは、pinダイオード領域の比率が大きくなることに加えて、表面付近での横方向電流密度が高くなり、電圧降下が大きくなることによって、n+/n-接合の順バイアスが大きくなる効果が大きいと考えられる。n+/n-接合の順バイアスが大きくなる理由は、n+層は低抵抗であるため、その電位がカソード電位に等しいが、n-層は高抵抗であるため、その電位が大電流により持ち上がるからである。 By the way, in the planar structure, when the ratio of the p base in the cell pitch is reduced, the on-voltage is reduced. This has the effect of increasing the forward bias of the n + / n junction by increasing the lateral current density near the surface and increasing the voltage drop in addition to increasing the ratio of the pin diode region. It is considered large. The reason why the forward bias of the n + / n junction becomes large is that the n + layer has a low resistance, so its potential is equal to the cathode potential, but since the n layer has a high resistance, its potential is increased by a large current. Because it lifts.

同様に、トレンチ構造において、pnp−BJT領域の比率を減らすことによって、IE効果を高めることができる。pnp−BJT領域の比率を減らすには、例えば一部のメサ部において、pベース領域をフローティング状態とすればよい。また、トレンチを深くして、トレンチ底部をpn接合から離すことによっても、IE効果が大きくなる。さらに、メサ部の幅を狭くすることによっても、IE効果が大きくなる。これらは、いずれの場合も、メサ部を流れるホール電流密度が大きくなり、電圧降下によるn+/n-順バイアスが強くなるためと考えられる。 Similarly, the IE effect can be enhanced by reducing the ratio of the pnp-BJT region in the trench structure. In order to reduce the ratio of the pnp-BJT region, for example, the p base region may be set in a floating state in some mesa portions. The IE effect can also be increased by deepening the trench and separating the bottom of the trench from the pn junction. Further, the IE effect is increased by reducing the width of the mesa portion. In any case, it is considered that the density of the hole current flowing through the mesa portion increases, and the n + / n forward bias due to the voltage drop increases.

ここで、ドリフト層のドーピング濃度をNdとし、n+/n-接合にかかる順バイアスをVnとすると、n+/n-接合のn-層側の電子濃度nは、次式で表される。ただし、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温度である。
n=Nd*exp(Vn/kT)
Here, assuming that the doping concentration of the drift layer is Nd and the forward bias applied to the n + / n junction is Vn, the electron concentration n on the n layer side of the n + / n junction is expressed by the following equation. . However, k is a Boltzmann constant and T is an absolute temperature.
n = Nd * exp (Vn / kT)

上記式より明らかなように、n+/n-接合に印加される順バイアスに応じて、カソード側の電子濃度nは、指数関数的に増大する。順バイアス量を増やす手段として、上述したように、大電流による電圧降下を利用するものがある。また、上記特許文献1〜3に記載されているように、n+濃度を増やすことによっても、順バイアス量を増やすことができる。ただし、特許文献1に記載されているHiGT構造は、プレーナ構造であるため、表面側のn+バッファ層の濃度が高すぎると、順耐圧が大きく低下してしまう。 As is clear from the above equation, the electron concentration n on the cathode side increases exponentially according to the forward bias applied to the n + / n junction. As means for increasing the forward bias amount, there is one that uses a voltage drop due to a large current as described above. Further, as described in Patent Documents 1 to 3, the forward bias amount can be increased by increasing the n + concentration. However, since the HiGT structure described in Patent Document 1 is a planar structure, if the concentration of the n + buffer layer on the surface side is too high, the forward breakdown voltage is greatly reduced.

一方、特許文献3に記載されているCSTBT構造では、表面側のn+バッファ層は、トレンチゲート酸化膜により挟まれており、そのゲート酸化膜を介してポリシリコン電位へと続いている。そのため、順電圧保持時、すなわちブロッキングモード時には、表面側のn+バッファ層は、pn接合だけでなく、両側のトレンチゲート酸化膜との境界からも空乏化するので、低い順バイアスで完全に空乏化する。従って、表面側のn+バッファ層は高濃度であるにもかかわらず、その内部の電界は緩和されている。順バイアスをさらに上げても、トレンチ間のメサ部の電界が緩和されていることによって、局所的なピーク電界が現れにくい。 On the other hand, in the CSTBT structure described in Patent Document 3, the n + buffer layer on the surface side is sandwiched between trench gate oxide films and continues to the polysilicon potential via the gate oxide film. Therefore, when holding forward voltage, that is, in blocking mode, the n + buffer layer on the surface side is depleted not only from the pn junction but also from the boundary with the trench gate oxide film on both sides, so it is completely depleted with low forward bias. Turn into. Therefore, the electric field inside the n + buffer layer on the surface side is relaxed despite the high concentration. Even if the forward bias is further increased, a local peak electric field is unlikely to appear due to the relaxation of the electric field at the mesa between the trenches.

これは、一様、かつ単一の導電型層よりなるドリフト層の代わりに、不純物濃度を高めた縦形層状のn型領域と縦形層状のp型領域を交互に繰り返し接合した並列pn構造をドリフト部に備える超接合構造のMOSFETの原理にも通ずるものである。このように、CSTBT構造は、IE効果を高めつつも、順耐圧が低下しにくいという特性を有する。表面側のn+バッファ層は、n-ドリフト層との間に拡散電位を作り、ホールにとっての電位障壁となるので、ドリフト層中のホール濃度が上昇する。 This drifts a parallel pn structure in which vertical layered n-type regions and vertical layered p-type regions with increased impurity concentration are alternately joined instead of a uniform and single drift type drift layer. This is also in accordance with the principle of the superjunction MOSFET provided in the part. As described above, the CSTBT structure has a characteristic that the forward breakdown voltage is hardly lowered while enhancing the IE effect. Since the n + buffer layer on the surface side creates a diffusion potential with the n drift layer and becomes a potential barrier for holes, the hole concentration in the drift layer increases.

もう一つの説明として、表面側のn+バッファ層とn-層との間が順バイアスされるので、n+層から電子が注入されるからであるということができる。つまり、n+/n-接合において、n+層が高濃度であれば、電子注入効率が向上するので、n+層に入るホール電流に対して、n-層に注入される電子電流の比率が大きくなる。ホールがn+層中を少数キャリアとして拡散して流れるためには、n+/n-接合が順バイアスされる必要がある。n+層濃度が高いほど、熱平衡状態における少数キャリアとしてのホール濃度が小さいため、同じホール電流を流すためには、より高い順バイアス量が必要となる。順バイアス量が大きいと、n-層に流れ込む電子電流が増えるので、電子濃度が増える。この第2の説明は、物理的には、先の第1の説明を言い換えたものである。 Another explanation is that electrons are injected from the n + layer because a forward bias is applied between the n + buffer layer and the n layer on the surface side. That is, in the n + / n junction, if the n + layer has a high concentration, the electron injection efficiency is improved. Therefore, the ratio of the electron current injected into the n layer with respect to the hole current entering the n + layer. Becomes larger. In order for holes to diffuse and flow as minority carriers in the n + layer, the n + / n junction needs to be forward biased. The higher the n + layer concentration, the smaller the hole concentration as a minority carrier in the thermal equilibrium state. When the forward bias amount is large, the electron current flowing into the n layer increases, so that the electron concentration increases. This second description is physically a paraphrase of the first description.

特開2003−347549号公報JP 2003-347549 A 特表2002−532885号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-532885 特開平8−316479号公報JP-A-8-316479 アイ. オームラ(I. Omura)、他3名、「キャリア インジェクション エンハンスメント エフェクト オブ ハイ ボルテージ MOS デバイシズ −デバイス フィジックス アンド デザイン コンセプト−(Carrier injection enhancement effect of high voltage MOS devices -Device physics and design concept-)」、ISPSD'97、p.217−220Eye. I. Omura, 3 others, “Carrier injection enhancement effect of high voltage MOS devices -Device physics and design concept-”, ISPSD ' 97, p. 217-220 フロリン・ウドレア、他1名、「ア ユニファイド アナリティカル モデル フォア ザ キャリア ダイナミクス イン トレンチ インシュレイテッド ゲート バイポーラ トランジスタズ(TIGBT)(A unified analytical model for the carrier dynamics in Trench Insulated Gate Bipolar Transistors(TIGBT))」、ISPSD'95、p.190−195Florin Udrea, 1 other, "A unified analytical model for the carrier dynamics in Trench Insulated Gate Bipolar Transistors (TIGBT)" ISPSD '95, p. 190-195

上述したように、従来のIGBTでも、IE効果によるカソード側に偏重したキャリア分布が実現されている。しかしながら、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを最適化するには、オン状態におけるカソード側のキャリア濃度をさらに高くする必要がある。つまり、従来のIGBTでは、IE効果がまだ不十分である。CSTBT構造やIEGT構造のように、トレンチゲート構造を採用したものでもトレードオフ特性が向上しているが、それでもなお、さらなる微細化によって特性を改善することができる余地がある。   As described above, even in the conventional IGBT, a carrier distribution concentrated on the cathode side due to the IE effect is realized. However, in order to optimize the trade-off between on-voltage and turn-off loss, it is necessary to further increase the carrier concentration on the cathode side in the on-state. That is, the IE effect is still insufficient in the conventional IGBT. Even though a trench gate structure such as a CSTBT structure or an IEGT structure has improved trade-off characteristics, there is still room for improvement in characteristics by further miniaturization.

しかし、トレンチ構造の製造プロセスは、プレーナ構造の製造プロセスに比べて、長く、複雑である。そのため、トレンチ型デバイスの良品率は、プレーナ型デバイスの良品率よりも低い。従って、トレンチ型デバイスの製品コストは高い。それにもかかわらず、特性の向上を図るため、より一層の微細化を進めると、製造コストはさらに高くなってしまう。なお、トレンチゲート構造では、トレンチ底部に電界が集中しやすく、アバランシェ降伏を起こしやすいため、オン電圧−耐圧のトレードオフが悪化しやすい。また、構造上、ゲートをカソードに対して負電位にした場合に、トレンチ底部の電界強度が増し、さらに耐圧が劣化してしまうという問題を抱えている。   However, the manufacturing process of the trench structure is long and complicated compared to the manufacturing process of the planar structure. Therefore, the yield rate of trench type devices is lower than that of planar type devices. Therefore, the product cost of the trench type device is high. Nevertheless, if further miniaturization is performed in order to improve the characteristics, the manufacturing cost will be further increased. In the trench gate structure, the electric field tends to concentrate on the bottom of the trench and the avalanche breakdown is likely to occur, so that the trade-off between on-voltage and withstand voltage tends to deteriorate. Further, structurally, when the gate is set to a negative potential with respect to the cathode, there is a problem that the electric field strength at the bottom of the trench is increased and the breakdown voltage is further deteriorated.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、従来よりもIE効果の大きい半導体装置、すなわちオン電圧−ターンオフ損失トレードオフが最適化された半導体装置を提供することを目的とする。また、電圧保持時に、局所的な電界集中を防ぐことによって、オン電圧−耐圧のトレードオフの悪化を招くことのない半導体装置を提供することを目的とする。さらに、このような特性を有する半導体装置を、極端に微細でない低コストの製造プロセスを用いて、高良品率で製造することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device having an IE effect larger than that of the prior art, that is, a semiconductor device in which the on-voltage-turnoff loss trade-off is optimized, in order to solve the above-described problems caused by the prior art. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device that does not cause a deterioration in the on-voltage-breakdown voltage trade-off by preventing local electric field concentration during voltage holding. Furthermore, it aims at providing the manufacturing method of the semiconductor device which can manufacture the semiconductor device which has such a characteristic by the low-cost manufacturing process which is not extremely fine at high yield rate.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、表面からの電子注入が促進されるような構造、すなわちIE効果の大きい構造を検討した結果、次のような特徴を有する構造が有効であることがわかった。第1に、表面側のpベース層とドリフト層との間に、高濃度のn+バッファ層を挿入する。ただし、順バイアス時に電界強度が大きくなりすぎないようにするため、電界が緩和されるような構造にする。第2に、pnp−BJTの面積比率をできるだけ小さくする。ただし、チャネルの実効周辺長が小さくなりすぎると、チャネル部のオン電圧降下が大きくなってしまうので注意が必要である。第3に、ホールがpベース層に流れ込むまでの電流経路を細く、かつ長くする。このような構造とすることによって、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを改善することができる。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, as a result of examining a structure that facilitates electron injection from the surface, that is, a structure having a large IE effect, a structure having the following characteristics is effective. I understood it. First, a high-concentration n + buffer layer is inserted between the p base layer and the drift layer on the surface side. However, in order to prevent the electric field intensity from becoming excessively large during forward biasing, a structure that reduces the electric field is employed. Second, the area ratio of pnp-BJT is made as small as possible. However, it should be noted that if the effective peripheral length of the channel becomes too small, the on-voltage drop in the channel portion becomes large. Third, the current path until holes flow into the p base layer is narrowed and lengthened. With such a structure, the trade-off between on-voltage and turn-off loss can be improved.

上述した構造を実現するため、請求項1の発明にかかる半導体装置は、第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面を選択的に覆う第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に設けられた多結晶半導体領域と、前記多結晶半導体領域の周囲を囲む第2の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の窓部において前記単結晶半導体基板に接触する第1の第1導電型半導体領域と、前記第1の絶縁膜の窓部の外側において前記第2の絶縁膜の上に設けられた第2の第1導電型半導体領域と、前記第1の第1導電型半導体領域と前記第2の第1導電型半導体領域との間の前記第2の絶縁膜の上に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の両方に接触する第1の電極と、前記第1の電極と前記第1の第1導電型半導体領域との間に設けられた第3の絶縁膜と、前記単結晶半導体基板の第2の主面に沿って設けられた第2の第2導電型半導体領域と、前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極と、を備えることを特徴とする。   In order to realize the above-described structure, a semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a first insulating film that selectively covers a first main surface of a first conductivity type single crystal semiconductor substrate, and the first insulation. A polycrystalline semiconductor region provided on the film; a second insulating film surrounding the polycrystalline semiconductor region; and a first first electrode contacting the single crystal semiconductor substrate at a window portion of the first insulating film. A first conductivity type semiconductor region; a second first conductivity type semiconductor region provided on the second insulation film outside the window portion of the first insulation film; and the first first conductivity type. A first second conductivity type semiconductor region provided on the second insulating film between the semiconductor region and the second first conductivity type semiconductor region; and the second first conductivity type semiconductor region. And a first electrode that contacts both the first second-conductivity-type semiconductor region, the first electrode, and the first electrode A third insulating film provided between the first first conductivity type semiconductor region, a second second conductivity type semiconductor region provided along the second main surface of the single crystal semiconductor substrate, And a second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region.

請求項2の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記第1の第1導電型半導体領域は、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープされていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to the first aspect, wherein the first first conductivity type semiconductor region is doped to a first conductivity type having a higher concentration than the single crystal semiconductor substrate. It is characterized by being.

請求項3の発明にかかる半導体装置は、請求項1または2に記載の発明において、前記単結晶半導体基板と前記第2の第2導電型半導体領域との間に、前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域が設けられていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device according to the first or second aspect of the present invention, wherein the single crystal semiconductor substrate is located between the single crystal semiconductor substrate and the second second conductivity type semiconductor region. A third impurity type semiconductor region having a high impurity concentration is provided.

請求項4の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の全部が多結晶シリコンでできていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the first first-conductivity-type semiconductor region, the second first-conductivity-type semiconductor region, and the The semiconductor film made of the first second conductivity type semiconductor region is entirely made of polycrystalline silicon.

請求項5の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の一部または全部が単結晶シリコンでできていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the first first-conductivity-type semiconductor region, the second first-conductivity-type semiconductor region, and the A part or all of the semiconductor film formed of the first second conductivity type semiconductor region is made of single crystal silicon.

また、請求項6の発明にかかる半導体装置は、第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面を選択的に覆う第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の窓部において前記単結晶半導体基板に接触する第1の第1導電型半導体領域と、前記第1の絶縁膜の窓部の外側において前記第1の絶縁膜の上に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、前記第1の第2導電型半導体領域内に設けられた第2の第1導電型半導体領域と、前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域を覆う第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜の上に設けられた多結晶半導体領域と、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の両方に接触する第1の電極と、前記第1の電極と前記多結晶半導体領域との間に設けられた第3の絶縁膜と、前記単結晶半導体基板の第2の主面に沿って設けられた第2の第2導電型半導体領域と、前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を備えることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including: a first insulating film that selectively covers a first main surface of a first conductivity type single crystal semiconductor substrate; and a window portion of the first insulating film. A first first-conductivity-type semiconductor region in contact with the single-crystal semiconductor substrate; and a first second-conductivity-type semiconductor provided on the first insulation film outside the window of the first insulation film A region, a second first conductivity type semiconductor region provided in the first second conductivity type semiconductor region, the first first conductivity type semiconductor region, and the second first conductivity type semiconductor region And a second insulating film covering the first second conductivity type semiconductor region, a polycrystalline semiconductor region provided on the second insulation film, the second first conductivity type semiconductor region, and the A first electrode contacting both of the first second conductivity type semiconductor regions, the first electrode, and the polycrystal; A third insulating film provided between the conductor region, a second second conductivity type semiconductor region provided along the second main surface of the single crystal semiconductor substrate, and the second second A second electrode in contact with the conductive semiconductor region is provided.

請求項7の発明にかかる半導体装置は、請求項6に記載の発明において、前記第1の第1導電型半導体領域は、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープされていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to the sixth aspect, wherein the first first conductivity type semiconductor region is doped to a first conductivity type having a higher concentration than the single crystal semiconductor substrate. It is characterized by being.

請求項8の発明にかかる半導体装置は、請求項6または7に記載の発明において、前記単結晶半導体基板と前記第2の第2導電型半導体領域との間に、前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域が設けられていることを特徴とする。   A semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the sixth or seventh aspect, wherein the semiconductor device is located between the single crystal semiconductor substrate and the second second-conductivity-type semiconductor region more than the single crystal semiconductor substrate. A third impurity type semiconductor region having a high impurity concentration is provided.

請求項9の発明にかかる半導体装置は、請求項6〜8のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の全部が多結晶シリコンでできていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a ninth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein the first first-conductivity-type semiconductor region, the second first-conductivity-type semiconductor region, and the The semiconductor film made of the first second conductivity type semiconductor region is entirely made of polycrystalline silicon.

請求項10の発明にかかる半導体装置は、請求項6〜8のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の一部または全部が単結晶シリコンでできていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a tenth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the sixth to eighth aspects, wherein the first first-conductivity-type semiconductor region, the second first-conductivity-type semiconductor region, and the A part or all of the semiconductor film formed of the first second conductivity type semiconductor region is made of single crystal silicon.

また、請求項11の発明にかかる半導体装置は、第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面の下に選択的に埋め込まれた第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜と前記第1の主面との間に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、前記第1の第2導電型半導体領域内に設けられた第1導電型半導体領域と、前記第1の主面の、前記第1の絶縁膜が埋め込まれていない領域上の部分を覆う第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜の上に設けられた多結晶半導体領域と、前記第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の両方に接触する第1の電極と、前記第1の電極と前記多結晶半導体領域との間に設けられた第3の絶縁膜と、前記単結晶半導体基板の第2の主面に沿って設けられた第2の第2導電型半導体領域と、前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極と、を備えることを特徴とする。   The semiconductor device according to an eleventh aspect of the present invention is a semiconductor device comprising: a first insulating film selectively embedded below a first main surface of a first conductivity type single crystal semiconductor substrate; and the first insulating film; A first second conductivity type semiconductor region provided between the first main surface, a first conductivity type semiconductor region provided in the first second conductivity type semiconductor region, and the first A second insulating film that covers a portion of the main surface of the first insulating film on the region where the first insulating film is not buried, a polycrystalline semiconductor region provided on the second insulating film, and the first A first electrode that contacts both the conductive semiconductor region and the first second conductive semiconductor region; a third insulating film provided between the first electrode and the polycrystalline semiconductor region; , A second second conductivity type semiconductor region provided along the second main surface of the single crystal semiconductor substrate, and the second second Characterized in that it comprises a second electrode in contact with the conductive type semiconductor region.

請求項12の発明にかかる半導体装置は、請求項11に記載の発明において、前記単結晶半導体基板と前記第2の第2導電型半導体領域との間に、前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第2の第1導電型半導体領域が設けられていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a twelfth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the eleventh aspect, wherein a higher impurity than the single crystal semiconductor substrate is provided between the single crystal semiconductor substrate and the second second conductivity type semiconductor region. A second conductive type semiconductor region having a second concentration is provided.

また、請求項13の発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面上に第1の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成する第1の工程と、前記多結晶半導体膜の一部を除去して窓部を形成する第2の工程と、前記多結晶半導体膜の露出部分を覆う第2の絶縁膜を形成した後、前記窓部において前記単結晶半導体基板の一部を露出させる第3の工程と、前記単結晶半導体基板の、前記窓部において露出した部分、および前記第2の絶縁膜の上に第1導電型半導体膜を積層する第4の工程と、前記第1導電型半導体膜の、前記単結晶半導体基板と接触する第1の第1導電型半導体領域の隣に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域を挟んで前記第1の第1導電型半導体領域の反対側に第2の第1導電型半導体領域を形成する第5の工程と、前記第1の第1導電型半導体領域、前記第1の第2導電型半導体領域および前記第2の第1導電型半導体領域の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させる第6の工程と、前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成した後に、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第7の工程と、前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第8の工程を含むことを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising: a first step of sequentially forming a first insulating film and a polycrystalline semiconductor film on a first main surface of a first conductivity type single crystal semiconductor substrate; And a second step of removing a part of the polycrystalline semiconductor film to form a window, and a second insulating film covering an exposed part of the polycrystalline semiconductor film, and then forming the window in the window A third step of exposing a portion of the single crystal semiconductor substrate; and laminating a first conductivity type semiconductor film on the portion of the single crystal semiconductor substrate exposed at the window and the second insulating film. A fourth step, forming a first second conductivity type semiconductor region adjacent to the first first conductivity type semiconductor region in contact with the single crystal semiconductor substrate of the first conductivity type semiconductor film; The first first conductivity type semiconductor region sandwiching the first second conductivity type semiconductor region A fifth step of forming a second first conductivity type semiconductor region on the opposite side; the first first conductivity type semiconductor region; the first second conductivity type semiconductor region; and the second first conductivity type. A third insulating film is laminated on the type semiconductor region, a contact hole is opened in the third insulating film, and the second first conductive type semiconductor region and the first second conductive type semiconductor region are formed. A sixth step of exposing a part of the second conductive type semiconductor region and a second conductive type semiconductor region on the third insulating film via the contact hole; And forming a second second-conductivity-type semiconductor region along the ground surface by grinding the second main surface of the single crystal semiconductor substrate after forming the first electrode in contact with the portion. And an eighth step of forming a second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region Characterized in that it contains.

請求項14の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項13に記載の発明において、前記第4の工程において、前記第1導電型半導体膜を、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープすることを特徴とする。   According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the thirteenth aspect of the present invention, wherein the first conductive semiconductor film in the fourth step is higher in concentration than the single crystal semiconductor substrate. It is characterized by doping to one conductivity type.

請求項15の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項13または14に記載の発明において、前記第7の工程において、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成することを特徴とする。   According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the thirteenth or fourteenth aspect, wherein after the second main surface of the single crystal semiconductor substrate is ground in the seventh step, the grinding is performed. A third first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the single crystal semiconductor substrate is formed deeper than the second second conductivity type semiconductor region along the plane.

請求項16の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項13〜15のいずれか一つに記載の発明において、前記第1導電型半導体膜を多結晶シリコンで形成することを特徴とする。   According to a sixteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to any one of the thirteenth to fifteenth aspects, the first conductive semiconductor film is formed of polycrystalline silicon.

請求項17の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項13〜15のいずれか一つに記載の発明において、前記第1導電型半導体膜の一部または全部を単結晶シリコンで形成することを特徴とする。   According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the thirteenth to fifteenth aspects, wherein a part or all of the first conductivity type semiconductor film is formed of single crystal silicon. It is characterized by.

また、請求項18の発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面上に第1の絶縁膜を形成する第1の工程と、前記第1の絶縁膜の一部を除去して窓部を形成する第2の工程と、前記第1の絶縁膜および前記単結晶半導体基板の、前記窓部において露出した部分の上に第1導電型半導体膜を積層する第3の工程と、前記第1導電型半導体膜の上に第2の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成する第4の工程と、前記多結晶半導体膜の一部を除去して、前記第1導電型半導体膜の、前記単結晶半導体基板と接触する第1の第1導電型半導体領域の上の部分に前記多結晶半導体膜を残し、前記第1導電型半導体膜の、前記第1の絶縁膜と前記第1の主面との間に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域内に第2の第1導電型半導体領域を形成する第5の工程と、前記多結晶半導体膜の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させ、前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成する第6の工程と、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第7の工程と、前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第8の工程を含むことを特徴とする。   According to a eighteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a first step of forming a first insulating film on a first main surface of a first conductive type single crystal semiconductor substrate; A second step of removing a part of the insulating film to form a window; and a first conductive type semiconductor film on the exposed portion of the first insulating film and the single crystal semiconductor substrate in the window. A third step of stacking layers, a fourth step of sequentially forming a second insulating film and a polycrystalline semiconductor film on the first conductive type semiconductor film, and removing a portion of the polycrystalline semiconductor film. Leaving the polycrystalline semiconductor film in a portion of the first conductive semiconductor film over the first first conductive semiconductor region in contact with the single crystal semiconductor substrate; Forming a first second conductivity type semiconductor region between the first insulating film and the first main surface; and A fifth step of forming a second first-conductivity-type semiconductor region in the first second-conductivity-type semiconductor region; a third insulating film is stacked on the polycrystalline semiconductor film; A contact hole is opened in the insulating film to expose the second first conductive semiconductor region and a part of the first second conductive semiconductor region, and the contact hole is formed on the third insulating film. A sixth step of forming a first electrode in contact with the second first conductivity type semiconductor region and a part of the first second conductivity type semiconductor region via a first step; A second step of grinding a second main surface and forming a second second conductivity type semiconductor region along the ground surface; and a second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region. It includes an eighth step of forming.

請求項19の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項18に記載の発明において、前記第3の工程において、前記第1導電型半導体膜を、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープすることを特徴とする。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the eighteenth aspect, in the third step, the first conductivity type semiconductor film is formed at a concentration higher than that of the single crystal semiconductor substrate. It is characterized by doping to one conductivity type.

請求項20の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項18または19に記載の発明において、前記第7の工程において、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成することを特徴とする。   According to a twentieth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the twentieth aspect of the invention, wherein the second main surface of the single crystal semiconductor substrate is ground after the second step in the seventh step. A third first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the single crystal semiconductor substrate is formed deeper than the second second conductivity type semiconductor region along the plane.

請求項21の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項18〜20のいずれか一つに記載の発明において、前記第1導電型半導体膜を多結晶シリコンで形成することを特徴とする。   According to a twenty-first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the eighteenth to twentieth aspects, wherein the first conductive type semiconductor film is formed of polycrystalline silicon.

請求項22の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項18〜20のいずれか一つに記載の発明において、前記第1導電型半導体膜の一部または全部を単結晶シリコンで形成することを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to a twenty-second aspect of the invention is the method according to any one of the eighteenth to twentieth aspects, wherein a part or all of the first conductivity type semiconductor film is formed of single crystal silicon. It is characterized by.

請求項23の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項22に記載の発明において、前記第1導電型半導体膜をエピタキシャル成長法により形成することを特徴とする。   According to a twenty-third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the twenty-second aspect, wherein the first conductive type semiconductor film is formed by an epitaxial growth method.

また、請求項24の発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面の下に選択的に第1の絶縁膜を埋め込む第1の工程と、前記第1の主面上に第2の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成し、該多結晶半導体膜および前記第2の絶縁膜の一部を除去して、前記第1の絶縁膜が埋め込まれていない領域上の部分に前記多結晶半導体膜および前記第2の絶縁膜を残す第2の工程と、前記第1の絶縁膜と前記第1の主面との間に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域内に第1導電型半導体領域を形成する第3の工程と、前記多結晶半導体膜の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させる第4の工程と、前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成した後に、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第5の工程と、前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第6の工程を含むことを特徴とする。   According to a twenty-fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a first step of selectively burying a first insulating film below a first main surface of a first conductivity type single crystal semiconductor substrate; A second insulating film and a polycrystalline semiconductor film are sequentially formed on the first main surface, a part of the polycrystalline semiconductor film and the second insulating film is removed, and the first insulating film is embedded. A second step of leaving the polycrystalline semiconductor film and the second insulating film in a portion above the unexposed region, and a first second between the first insulating film and the first main surface. A third step of forming a conductive semiconductor region and further forming a first conductive semiconductor region in the first second conductive semiconductor region; and a third insulating film on the polycrystalline semiconductor film. The first insulating semiconductor layer and the first second conductive layer are stacked, and a contact hole is opened in the third insulating film. A fourth step of exposing a part of the semiconductor region, and one of the first conductive type semiconductor region and the first second conductive type semiconductor region on the third insulating film via the contact hole. A fifth step of forming a second second-conductivity-type semiconductor region along the ground surface by grinding the second main surface of the single crystal semiconductor substrate after forming the first electrode in contact with the portion And a sixth step of forming a second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region.

請求項25の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項24に記載の発明において、前記第5の工程において、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第2の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成することを特徴とする。   According to a 25th aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the 24th aspect of the present invention, wherein the second main surface of the single crystal semiconductor substrate is ground on the ground surface in the fifth step. A second conductive semiconductor region having a higher impurity concentration than that of the single crystal semiconductor substrate is formed deeper than the second conductive semiconductor region.

請求項26の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項24または25に記載の発明において、前記第1の工程において、前記第1の絶縁膜を形成するために、前記単結晶半導体基板に選択的に酸素イオンを注入することを特徴とする。   According to a twenty-sixth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the twenty-fourth or twenty-fifth aspect, wherein the first insulating film is formed on the single crystal semiconductor substrate in the first step. It is characterized in that oxygen ions are selectively implanted.

請求項27の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項26に記載の発明において、前記第1の工程において、前記単結晶半導体基板に酸素イオンを注入した後、1000℃以上の温度でアニールすることにより前記第1の絶縁膜を形成することを特徴とする。   According to a twenty-seventh aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the twenty-sixth aspect, wherein in the first step, oxygen ions are implanted into the single crystal semiconductor substrate and then annealed at a temperature of 1000 ° C. or higher. Thus, the first insulating film is formed.

また、請求項28の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜10のいずれか一つに記載の発明において、前記単結晶半導体基板の、前記第1の絶縁膜の窓部において前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に第2導電型拡散層がセルごとに独立して設けられていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a twenty-eighth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the first insulating film in the window portion of the first insulating film of the single crystal semiconductor substrate. The second conductivity type diffusion layer is provided independently for each cell in a portion where the first conductivity type semiconductor region is in contact.

請求項29の発明にかかる半導体装置は、請求項28に記載の発明において、順電圧阻止時の印加電圧が、素子内のいずれの部分においてもアバランシェ降伏が発生しない範囲内の電圧であるときに、前記第2導電型拡散層が完全に空乏化することを特徴とする。   A semiconductor device according to a twenty-ninth aspect of the invention is the semiconductor device according to the twenty-eighth aspect, wherein the applied voltage at the time of blocking forward voltage is a voltage within a range in which no avalanche breakdown occurs in any part of the element. The second conductivity type diffusion layer is completely depleted.

また、請求項30の発明にかかる半導体装置は、請求項28または29に記載の発明において、前記第2導電型拡散層内の、前記第1の絶縁膜の窓部において前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に第1導電型拡散層が設けられていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a thirtieth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the twenty-eighth or thirty-ninth aspect, wherein the first first in the window portion of the first insulating film in the second conductivity type diffusion layer. A first conductivity type diffusion layer is provided in a portion where the conductivity type semiconductor region is in contact.

また、請求項31の発明にかかる半導体装置は、請求項30に記載の発明において、順電圧阻止時の印加電圧が、素子内のいずれの部分においてもアバランシェ降伏が発生しない範囲内の電圧であるときに、前記第1導電型拡散層が完全に空乏化することを特徴とする。   In the semiconductor device according to a thirty-first aspect, in the invention according to the thirty-third aspect, the applied voltage at the time of blocking forward voltage is a voltage within a range in which no avalanche breakdown occurs in any part of the element. In some cases, the first conductivity type diffusion layer is completely depleted.

また、請求項32の発明にかかる半導体装置は、請求項31に記載の発明において、前記第1導電型拡散層が前記多結晶半導体領域の下まで伸びていることを特徴とする。   According to a thirty-second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the thirty-first aspect, the first conductivity type diffusion layer extends below the polycrystalline semiconductor region.

また、請求項33の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項13〜17のいずれか一つに記載の発明において、前記第2の工程と前記第3の工程の間に、前記多結晶半導体膜の窓部からイオン注入を行って、前記単結晶半導体基板の、前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に自己整合的に第2導電型拡散層をセルごとに独立して形成する工程をさらに有することを特徴とする。   According to a thirty-third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the thirteenth to seventeenth aspects, wherein the polycrystal is provided between the second step and the third step. Ions are implanted from the window of the semiconductor film, and the second conductivity type diffusion layer is independently formed for each cell in a self-aligned manner with the portion of the single crystal semiconductor substrate in contact with the first first conductivity type semiconductor region. It further has the process of forming, It is characterized by the above-mentioned.

また、請求項34の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項18〜23のいずれか一つに記載の発明において、前記第2の工程と前記第3の工程の間に、前記第1の絶縁膜の窓部からイオン注入を行って、前記単結晶半導体基板の、前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に自己整合的に第2導電型拡散層をセルごとに独立して形成する工程をさらに有することを特徴とする。   According to a thirty-fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the eighteenth to twenty-third aspects, wherein the first step is performed between the second step and the third step. The second conductivity type diffusion layer is made independent for each cell in a self-aligned manner in the portion of the single crystal semiconductor substrate in contact with the first first conductivity type semiconductor region. And a step of forming the structure.

また、請求項35の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項33または34に記載の発明において、前記第2導電型拡散層を形成する際に、同第2導電型拡散層内の、前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に第1導電型拡散層を形成することを特徴とする。   According to a thirty-fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the thirty-third or thirty-fourth aspect, wherein the second conductive type diffusion layer is formed when the second conductive type diffusion layer is formed. A first conductivity type diffusion layer is formed in a portion where the first first conductivity type semiconductor region is in contact.

本発明にかかる半導体装置によれば、第1導電型単結晶半導体基板よりなるドリフト層中のキャリア分布が表面偏重型になるので、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフが最適化される。その一方で、カソード領域中の電界強度の局所的なピークを抑えることによって、局所的なアバランシェ降伏が起こりにくくなり、十分な耐圧を確保することができるので、オン電圧−耐圧のトレードオフが悪化するのを防ぐことができる。また、本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、カソード領域が第1の絶縁膜によってドリフト層(第1導電型単結晶半導体基板)から隔てられているので、カソード領域の設計寸法は、ドリフト領域の特性に直接は寄与しない。従って、ソース領域を従来よりも微細化しなくても、トレードオフ特性は不変である。   According to the semiconductor device of the present invention, since the carrier distribution in the drift layer made of the first conductivity type single crystal semiconductor substrate becomes the surface deviated type, the trade-off between the on-voltage and the turn-off loss is optimized. On the other hand, by suppressing the local peak of the electric field strength in the cathode region, local avalanche breakdown is less likely to occur, and sufficient withstand voltage can be secured, so the on-voltage-withstand voltage trade-off deteriorates. Can be prevented. In addition, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the cathode region is separated from the drift layer (first conductivity type single crystal semiconductor substrate) by the first insulating film. It does not directly contribute to the drift region characteristics. Therefore, even if the source region is not made smaller than before, the trade-off characteristics are unchanged.

本発明にかかる半導体装置およびその製造方法によれば、低コストの製造プロセスを用いて、高良品率で、オン電圧−ターンオフ損失トレードオフおよびオン電圧−耐圧トレードオフの非常に良好なIGBT等の半導体装置を得ることができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device and the method for manufacturing the same according to the present invention, using a low-cost manufacturing process, with a high yield rate, an on-voltage-turn-off loss tradeoff and an on-voltage-withstand voltage tradeoff are very good. There is an effect that a semiconductor device can be obtained.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明するが、本発明はその逆の場合にも成り立つ。また、以下の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the first conductivity type is assumed to be n-type and the second conductivity type is assumed to be p-type. However, the present invention also holds in the opposite case. Moreover, in the following description and all attached drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure and the overlapping description is abbreviate | omitted.

実施の形態1.
図3は、実施の形態1のIGBTの構成を示す断面図である。図3に示すように、ドリフト層となるn-単結晶シリコン基板29の第1の主面上に、例えば酸化膜(第1の絶縁膜)21が選択的に形成されている。そして、この酸化膜21の上に、ゲート電極となるポリシリコン(以下、ゲートポリシリコンとする)22が堆積されている。ゲートポリシリコン22の表面は、ゲート酸化膜(第2の絶縁膜)23で覆われている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the IGBT according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, for example, an oxide film (first insulating film) 21 is selectively formed on the first main surface of an n single crystal silicon substrate 29 to be a drift layer. On the oxide film 21, polysilicon (hereinafter referred to as gate polysilicon) 22 serving as a gate electrode is deposited. The surface of the gate polysilicon 22 is covered with a gate oxide film (second insulating film) 23.

ゲート酸化膜23の表面、およびn-単結晶シリコン基板29の、酸化膜21で覆われていない部分は、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)よりも高濃度にn型ドープされたカソード膜24で覆われている。カソード膜24は、例えばポリシリコンでできていてもよいし、n-単結晶シリコン基板29の、酸化膜21で覆われていない部分からエピタキシャル成長したn型の単結晶シリコンでできていてもよい。カソード膜24の、n-単結晶シリコン基板29と接触する部分は、n+バッファ領域(第1の第1導電型半導体領域)25となる。 The surface of the gate oxide film 23 and the portion of the n single crystal silicon substrate 29 not covered with the oxide film 21 are n-type doped cathodes with a higher concentration than the drift layer (n single crystal silicon substrate 29). Covered with a membrane 24. The cathode film 24 may be made of, for example, polysilicon, or may be made of n-type single crystal silicon that is epitaxially grown from a portion of the n single crystal silicon substrate 29 that is not covered with the oxide film 21. A portion of the cathode film 24 that contacts the n single crystal silicon substrate 29 becomes an n + buffer region (first first conductivity type semiconductor region) 25.

カソード膜24において、n+バッファ領域25に隣接し、かつゲート酸化膜23に接する部分には、選択的に高濃度p型にドープされたpベース領域(第1の第2導電型半導体領域)27が設けられている。pベース領域27の内部の、n+バッファ領域25から離れた部分には、非常に高濃度のn+ソース領域(第2の第1導電型半導体領域)26が形成されている。カソード膜24の上には、例えばBPSG等の酸化膜よりなる層間絶縁膜(第3の絶縁膜)28が選択的に形成されている。 A portion of the cathode film 24 adjacent to the n + buffer region 25 and in contact with the gate oxide film 23 is a p base region (first second conductivity type semiconductor region) selectively doped to a high concentration p type. 27 is provided. An extremely high-concentration n + source region (second first conductivity type semiconductor region) 26 is formed in a portion of the p base region 27 away from the n + buffer region 25. On the cathode film 24, an interlayer insulating film (third insulating film) 28 made of an oxide film such as BPSG is selectively formed.

層間絶縁膜28、n+ソース領域26およびpベース領域27の上には、エミッタ電極(第1の電極)30となるアルミニウム層が形成されている。エミッタ電極30は、n+ソース領域26の一部または全部とコンタクトしているとともに、pベース領域27の一部とコンタクトしている。n-単結晶シリコン基板29の第2の主面には、p+アノード層(第2の第2導電型半導体領域)31が形成されている。p+アノード層31の表面には、アノード電極(第2の電極)32となるアルミニウム層が形成されている。なお、特に図示しないが、ドリフト層とp+アノード層31との間に、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)よりも高不純物濃度のn+バッファ層(第3の第1導電型半導体領域)が設けられていてもよい。 An aluminum layer to be an emitter electrode (first electrode) 30 is formed on the interlayer insulating film 28, the n + source region 26 and the p base region 27. Emitter electrode 30 is in contact with part or all of n + source region 26 and is in contact with part of p base region 27. A p + anode layer (second second conductivity type semiconductor region) 31 is formed on the second main surface of the n single crystal silicon substrate 29. On the surface of the p + anode layer 31, an aluminum layer serving as an anode electrode (second electrode) 32 is formed. Although not particularly shown, an n + buffer layer (third first conductivity type semiconductor) having a higher impurity concentration than the drift layer (n single crystal silicon substrate 29) is provided between the drift layer and the p + anode layer 31. Area) may be provided.

ここで、阻止時に耐圧を保持し、導通時には電流を流すn-ドリフト層をn-単結晶シリコン基板29で構成しているのは、以下の理由による。すなわち、ドリフト層は1次元的であり、複雑な構造をもたない。従って、物理特性がデバイスそのものの特性を左右する部分であり、物性定数(キャリア移動度およびキャリア寿命)を最大値に保つ必要があるからである。従って、単結晶を用いることが必須である。一方、カソードおよびアノードに関しては、それを構成する材料の物性定数は最重要ではなく、その構造の方が重要である。本実施の形態によるIGBTでは、カソード領域をドリフト層と構造的に分離している点に特徴があり、IE効果向上に有効である。 Here, the reason why the n drift layer that holds the withstand voltage during blocking and flows current when conducting is formed of the n single crystal silicon substrate 29 is as follows. That is, the drift layer is one-dimensional and does not have a complicated structure. Therefore, the physical characteristics are the parts that influence the characteristics of the device itself, and it is necessary to keep the physical constants (carrier mobility and carrier life) at the maximum values. Therefore, it is essential to use a single crystal. On the other hand, regarding the cathode and the anode, the physical constants of the materials constituting the cathode and the anode are not the most important, and the structure is more important. The IGBT according to the present embodiment is characterized in that the cathode region is structurally separated from the drift layer, and is effective in improving the IE effect.

次に、実施の形態1の作用および効果について説明する。ここでは、カソード膜24がポリシリコンでできているとする。   Next, the operation and effect of the first embodiment will be described. Here, it is assumed that the cathode film 24 is made of polysilicon.

(定常オン状態について)
ゲート電極(ゲートポリシリコン22)にエミッタに対して正の電位を印加すると、pベース領域27の、ゲート酸化膜23との界面付近の領域がn型に反転し、チャネルができる。コレクタ−エミッタ間に順バイアスを加えると、電子は、チャネルおよび電子蓄積層(n+バッファ領域25)を経由して、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)に流れ込み、裏面(第2の主面)のp+アノード層31に達する。それによって、裏面のpn接合、すなわちp+アノード層31とドリフト層との接合は順バイアスされるので、p+アノード層31からドリフト層にホールが注入される。
(Regarding steady ON state)
When a positive potential is applied to the gate electrode (gate polysilicon 22) with respect to the emitter, the region of the p base region 27 in the vicinity of the interface with the gate oxide film 23 is inverted to n-type, thereby forming a channel. When a forward bias is applied between the collector and the emitter, electrons flow into the drift layer (n single crystal silicon substrate 29) via the channel and the electron storage layer (n + buffer region 25), and the back surface (second It reaches the p + anode layer 31 on the main surface). As a result, the pn junction on the back surface, that is, the junction between the p + anode layer 31 and the drift layer is forward-biased, so that holes are injected from the p + anode layer 31 into the drift layer.

注入されたホールは、ドリフト層の表面(第1の主面)に来ると、n+バッファ領域25に入る。n+バッファ領域25に入ったホールの一部は、n+バッファ領域25内で電子と再結合して消滅する。残りのホールは、n+バッファ領域25を通過してpベース領域27に流れ込む。ホール電流は、狭くて長いポリシリコン領域(カソード膜24)を流れるため、電圧降下が発生する。従って、電子蓄積層であるn+バッファ領域25とn-ドリフト層とからなるn+/n-接合が順バイアスされる。これにより、電子が注入されて、カソード側の電子濃度が上昇し、それに応じて、電荷中性条件を満たすために同濃度のホールが蓄積される。 The injected holes enter the n + buffer region 25 when they come to the surface (first main surface) of the drift layer. Some of holes entering the n + buffer region 25 disappears recombine with electrons in the n + buffer region 25 within. The remaining holes pass through the n + buffer region 25 and flow into the p base region 27. Since the hole current flows through the narrow and long polysilicon region (cathode film 24), a voltage drop occurs. Therefore, the n + / n junction composed of the n + buffer region 25 which is an electron storage layer and the n drift layer is forward-biased. As a result, electrons are injected to increase the electron concentration on the cathode side, and accordingly, holes of the same concentration are accumulated to satisfy the charge neutrality condition.

また、ホールは、n+バッファ領域25に注入されるので、このn+/n-接合も順バイアスされることになり、電子が注入される。なお、ポリシリコン領域(カソード膜24)とn-単結晶シリコン基板29とは、そのほとんどの部分において酸化膜21により分離されている。従って、pnp−BJT領域は、デバイス全体の僅かな部分であり、大部分は、pinダイオード領域である。また、面積を十分に使ってチャネルを形成することができ、チャネル周辺長も自在に大きくすることができる。ただし、周辺長が大きすぎると、伝達特性が高くなりすぎて、短絡時の制限電流が増大し、短絡耐量が低下してしまうので、この点を考慮して周辺長を決定する必要がある。 Since holes are injected into the n + buffer region 25, the n + / n junction is also forward-biased, and electrons are injected. The polysilicon region (cathode film 24) and the n single crystal silicon substrate 29 are separated from each other by the oxide film 21 in most parts. Therefore, the pnp-BJT region is a small part of the entire device, and the majority is the pin diode region. In addition, the channel can be formed using a sufficient area, and the channel peripheral length can be increased freely. However, if the peripheral length is too large, the transfer characteristic becomes too high, the current limit at the time of short-circuiting increases, and the short-circuit withstand capability decreases, so it is necessary to determine the peripheral length in consideration of this point.

(順方向ブロッキング状態について)
次に、ゲート電位をエミッタ電位に比べて同じか負にして、コレクタ−エミッタ間に順バイアスを印加するブロッキングモード時の動作について説明する。pベース領域27とn+バッファ領域25からなるpn接合から空乏層が広がると同時に、ゲート酸化膜23からも空乏層が広がる。これは、ゲート電極がエミッタ電位以下であるのに対して、n+バッファ領域25が正にバイアスされるからである。n+バッファ領域25は、カソード膜24となるポリシリコンの厚さ分のみであるので、僅かな順バイアスで完全に空乏化する。n+バッファ領域25の総不純物量を一定値以下に設定しておけば、n+バッファ領域25中の最大電界強度を抑えることができる。
(For forward blocking state)
Next, the operation in the blocking mode in which the gate potential is the same or negative compared to the emitter potential and a forward bias is applied between the collector and the emitter will be described. A depletion layer spreads from the pn junction composed of the p base region 27 and the n + buffer region 25, and a depletion layer also spreads from the gate oxide film 23. This is because the n + buffer region 25 is positively biased while the gate electrode is below the emitter potential. Since the n + buffer region 25 is only the thickness of the polysilicon serving as the cathode film 24, it is completely depleted with a slight forward bias. If the total impurity amount in the n + buffer region 25 is set to a certain value or less, the maximum electric field strength in the n + buffer region 25 can be suppressed.

順バイアスをさらに増やしていくと、空乏層は、n-ドリフト層中に伸びる。印加した順バイアスの大部分は、n-ドリフト層によって担われる。カソード領域中の電界強度の局所的なピークを抑えることができるので、局所的なアバランシェ降伏が起こりにくい。従って、十分な耐圧を確保することができる。この結果として、オン電圧−耐圧トレードオフが悪化することはない。これは、従来のプレーナ型またはトレンチ型のIGBTと比べて、大変に優れている点である。従来のプレーナ型またはトレンチ型のIGBTでは、局所的な電界集中を避けることは困難である。 As the forward bias is further increased, the depletion layer extends into the n drift layer. Most of the applied forward bias is carried by the n drift layer. Since the local peak of the electric field intensity in the cathode region can be suppressed, local avalanche breakdown hardly occurs. Therefore, a sufficient breakdown voltage can be ensured. As a result, the on-voltage-withstand voltage trade-off does not deteriorate. This is a great advantage compared to conventional planar type or trench type IGBTs. In the conventional planar type or trench type IGBT, it is difficult to avoid local electric field concentration.

(トレードオフ特性について)
ポリシリコンは、単結晶シリコンに比べて移動度およびキャリア寿命の点で劣る。しかし、1000℃以上の高温でアニールすることによって、ポリシリコンの移動度およびキャリア寿命は、相当程度、回復する。レーザーアニールによって結晶粒径を制御しつつ移動度を回復する技術も開発されている。このような技術を用いれば、閾値や伝達特性などの特性バラツキを低減することが可能であると考えられる。
(About trade-off characteristics)
Polysilicon is inferior in terms of mobility and carrier life compared to single crystal silicon. However, by annealing at a high temperature of 1000 ° C. or higher, the mobility and carrier life of polysilicon are restored to a considerable extent. A technique for restoring mobility while controlling the crystal grain size by laser annealing has also been developed. If such a technique is used, it is considered that characteristic variations such as threshold values and transfer characteristics can be reduced.

図4に、図3に示す構成のIGBTのオン状態における電位分担を示す。図4に示すように、IGBTのオン電圧は、n+ソース領域26内での電圧降下(矢印41で示す)と、チャネル領域(pベース領域27)内での電圧降下(矢印42で示す)と、n+バッファ領域25内での電圧降下(矢印43で示す)と、n+バッファ領域25とn-ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)との間の順バイアス(矢印44で示す)と、n-ドリフト層中での電圧降下(矢印45で示す)と、n-ドリフト層とp+アノード層31との間の電圧降下(矢印46で示す)とを足した値となる。 FIG. 4 shows potential sharing in the ON state of the IGBT having the configuration shown in FIG. As shown in FIG. 4, the on-voltage of the IGBT includes a voltage drop in the n + source region 26 (indicated by an arrow 41) and a voltage drop in the channel region (p base region 27) (indicated by an arrow 42). And a voltage drop in the n + buffer region 25 (indicated by an arrow 43), and a forward bias (indicated by an arrow 44) between the n + buffer region 25 and the n drift layer (n single crystal silicon substrate 29). ), A voltage drop in the n drift layer (indicated by an arrow 45), and a voltage drop between the n drift layer and the p + anode layer 31 (indicated by an arrow 46).

+ソース領域26内では、ドーピング濃度が非常に高いため、移動度が低くても抵抗が低いので、電圧降下はほとんどない。また、本実施の形態では、チャネル領域(pベース領域27)の周辺長を比較的自在に設定することができるため、移動度劣化分を補うように周辺長を長くすることによって、電圧降下を従来のIGBTと同じ程度にすることができる。n+バッファ領域25内では、ポリシリコンが低移動度であるため、電圧降下がやや増加するが、後のシミュレーションで示すように、全オン電圧への寄与は小さい。逆に、n+バッファ領域25内での電圧降下により、n-ドリフト層の電位がエミッタ電位に対して上昇する。一方、n+バッファ領域25の表面の電子蓄積層では、電子濃度が非常に高く(〜1×1019cm-3)、電気抵抗が低いので、電圧降下が少ない。 In the n + source region 26, since the doping concentration is very high, the resistance is low even if the mobility is low, so there is almost no voltage drop. In this embodiment, since the peripheral length of the channel region (p base region 27) can be set relatively freely, the voltage drop can be reduced by increasing the peripheral length so as to compensate for the mobility degradation. It can be set to the same level as a conventional IGBT. In the n + buffer region 25, since the polysilicon has a low mobility, the voltage drop slightly increases, but the contribution to the total on-voltage is small as shown in a later simulation. Conversely, the voltage drop in the n + buffer region 25 causes the potential of the n drift layer to rise with respect to the emitter potential. On the other hand, the electron accumulation layer on the surface of the n + buffer region 25 has a very high electron concentration (˜1 × 10 19 cm −3 ) and a low electric resistance, so that the voltage drop is small.

このため、n+電子蓄積層とn-ドリフト層とからなる接合がより順バイアスされるので、電子が注入され易くなる。つまり、n+バッファ領域25において電圧降下が生じることにより、n-ドリフト層中のキャリア分布が表面偏重型になる。これによって、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフが最適化される。これは、特に高耐圧IGBTにおけるオン電圧分担の大部分を占めるn-ドリフト層中の電圧降下を、ある一定のターンオフ損失に対して最小化することを意味する。 For this reason, the junction composed of the n + electron storage layer and the n drift layer is more forward-biased, so that electrons are easily injected. That is, when a voltage drop occurs in the n + buffer region 25, the carrier distribution in the n drift layer becomes a surface-biased type. This optimizes the on-voltage-turnoff loss tradeoff. This means that the voltage drop in the n drift layer, which occupies most of the on-voltage sharing, particularly in the high voltage IGBT, is minimized for a certain turn-off loss.

(ラッチアップ耐量について)
+バッファ領域25中のキャリア寿命および移動度が低いと、少数キャリアであるホールの拡散長が短くなり、n+バッファ領域25中でのキャリアの再結合が増える。その結果、pベース領域27を通り抜けてエミッタ電極30に流れ込むホール電流が減少する。このため、ラッチアップに寄与するホール電流が減少し、ラッチアップ耐量が向上する。
(Latch-up tolerance)
When the carrier lifetime and mobility in the n + buffer region 25 are low, the diffusion length of holes that are minority carriers is shortened, and the recombination of carriers in the n + buffer region 25 is increased. As a result, the hole current flowing through the p base region 27 and flowing into the emitter electrode 30 is reduced. For this reason, the hole current contributing to latch-up is reduced, and the latch-up resistance is improved.

ここで、ポリシリコンの物性を敢えて回復させない場合には、n+バッファ領域25中のホール拡散長がn+バッファ領域25の長さよりも遥かに短くなる。従って、ホールのほとんどがn+バッファ領域25内で再結合により消滅するので、pベース領域27に到達するホール電流はゼロになる。この場合には、ラッチアップの起こらない、すなわちラッチアップ・フリーのIGBTが実現される。これは、従来のIGBTとは動作が本質的に異なっている。この場合、pベース領域27は、BJTのコレクタとしては動作しないので、MOSFETとBJTを組み合わせた従来のIGBTの等価回路モデルは成り立たない。このようなIGBTを等価回路で表すと、MOSFETとpinダイオードを組み合わせた回路になる。 Here, if not dare to restore the properties of polysilicon, n + hole diffusion length in the buffer area 25 is much shorter than the length of the n + buffer region 25. Accordingly, since most of the holes disappear due to recombination in the n + buffer region 25, the hole current reaching the p base region 27 becomes zero. In this case, a latch-up free IGBT, that is, a latch-up free IGBT is realized. This is essentially different in operation from conventional IGBTs. In this case, since the p base region 27 does not operate as a collector of the BJT, an equivalent circuit model of a conventional IGBT combining a MOSFET and a BJT is not established. When such an IGBT is represented by an equivalent circuit, a circuit combining a MOSFET and a pin diode is obtained.

(微細プロセスについて)
上述したIGBTの構造には、極端な微細化が不要であるという設計上の長所がある。カソード領域は、酸化膜21によりドリフト層と電気的に分離されており、酸化膜21のない部分、すなわち酸化膜21の窓部においてのみドリフト層に接続している。そのため、カソード領域の設計寸法は、ドリフト層の特性には直接は寄与しない。これは、従来のプレーナ型またはトレンチ型のIGBTとは対称的である。従来のIGBTでは、カソード領域のすべてが直接的にドリフト層に接続しており、その設計寸法が直接的に特性に結びついている。従って、本実施の形態では、n+ソース領域26を特に微細化しなくても、トレードオフ特性は不変である。
(About micro processes)
The above-described IGBT structure has a design advantage that extreme miniaturization is unnecessary. The cathode region is electrically separated from the drift layer by the oxide film 21 and is connected to the drift layer only at a portion where the oxide film 21 is not present, that is, at a window portion of the oxide film 21. Therefore, the design dimensions of the cathode region do not directly contribute to the drift layer characteristics. This is symmetric to the conventional planar type or trench type IGBT. In the conventional IGBT, all of the cathode region is directly connected to the drift layer, and the design dimensions are directly related to the characteristics. Therefore, in the present embodiment, the trade-off characteristics are unchanged even if the n + source region 26 is not particularly miniaturized.

実施の形態2.
図5は、実施の形態2のIGBTの構成を示す断面図である。図5に示すように、実施の形態2が実施の形態1と異なるのは、第1に、第1の絶縁膜となる酸化膜21の表面と、n-単結晶シリコン基板29の、酸化膜21で覆われていない部分が、カソード膜24で覆われていることである。第2に、カソード膜24の表面にゲート酸化膜23が形成されており、このゲート酸化膜23上にゲートポリシリコン22が設けられていることである。第3に、ゲートポリシリコン22の上に層間絶縁膜28が設けられており、この層間絶縁膜28によりゲートポリシリコン22がエミッタ電極30から絶縁されていることである。第4に、エミッタ電極30が、層間絶縁膜28およびゲート酸化膜23を貫通するコンタクトホールを介してn+ソース領域26およびpベース領域27に接触していることである。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the IGBT according to the second embodiment. As shown in FIG. 5, the second embodiment is different from the first embodiment in that first, the surface of the oxide film 21 to be the first insulating film, and the oxide film of the n single crystal silicon substrate 29. The portion not covered with 21 is covered with the cathode film 24. Second, the gate oxide film 23 is formed on the surface of the cathode film 24, and the gate polysilicon 22 is provided on the gate oxide film 23. Third, an interlayer insulating film 28 is provided on the gate polysilicon 22, and the gate polysilicon 22 is insulated from the emitter electrode 30 by the interlayer insulating film 28. Fourth, the emitter electrode 30 is in contact with the n + source region 26 and the p base region 27 through a contact hole that penetrates the interlayer insulating film 28 and the gate oxide film 23.

カソード膜24において、n+バッファ領域25は、n-単結晶シリコン基板29と接触する部分であり、pベース領域27は、酸化膜21の窓部の外側において酸化膜21の上に設けられている。n+ソース領域26は、pベース領域27の内部の表面領域に設けられている。その他の構成は、実施の形態1と同じである。なお、実施の形態1と同様に、ドリフト層とp+アノード層31との間に、第3の第1導電型半導体領域となる高不純物濃度のn+バッファ層が設けられていてもよい。また、実施の形態2の作用および効果も、実施の形態1と同じであるので、説明を省略する。 In the cathode film 24, the n + buffer region 25 is a portion in contact with the n single crystal silicon substrate 29, and the p base region 27 is provided on the oxide film 21 outside the window portion of the oxide film 21. Yes. N + source region 26 is provided in a surface region inside p base region 27. Other configurations are the same as those in the first embodiment. As in the first embodiment, a high impurity concentration n + buffer layer serving as the third first conductivity type semiconductor region may be provided between the drift layer and the p + anode layer 31. Further, since the operation and effect of the second embodiment are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

実施の形態2では、ゲート電極(ゲートポリシリコン22)をカソードに対して正電位にすると、pベース領域27の、ゲート酸化膜23との界面付近の領域に電子が誘起されて、チャネルが形成される。電子は、このチャネルを通ってn+バッファ領域25に入る。n+バッファ領域25の表面には、極めて高濃度の電子蓄積層が形成されているので、電子電流の多くはこの電子蓄積層を経由して流れる。そして、電子は、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)に入ると、電界ドリフトにより裏面のp+アノード層31に注入される。p+アノード層31に注入された電子は、拡散によってアノード電極32まで移動する。 In the second embodiment, when the gate electrode (gate polysilicon 22) is set to a positive potential with respect to the cathode, electrons are induced in a region of the p base region 27 in the vicinity of the interface with the gate oxide film 23, thereby forming a channel. Is done. Electrons enter the n + buffer region 25 through this channel. Since an extremely high concentration electron storage layer is formed on the surface of the n + buffer region 25, most of the electron current flows through the electron storage layer. Then, when electrons enter the drift layer (n single crystal silicon substrate 29), they are injected into the p + anode layer 31 on the back surface due to electric field drift. The electrons injected into the p + anode layer 31 move to the anode electrode 32 by diffusion.

-ドリフト層とp+アノード層31との接合が順バイアスされるので、ホールがアノードから注入されて、n-ドリフト層中を電界ドリフトにより移動し、n+バッファ領域25に入る。ホールの大部分は、その拡散長が短いため、n+バッファ領域25およびn+バッファ領域25の電子蓄積層において電子と再結合して、消滅する。電子蓄積層とn-ドリフト層とからなる接合が順バイアスされるので、電子蓄積層からの電子注入が促進される(IE効果)。このため、カソード側のキャリア濃度が高まり、オン電圧−スイッチング損失のトレードオフが良好となる。 Since the junction between the n drift layer and the p + anode layer 31 is forward-biased, holes are injected from the anode, move in the n drift layer due to electric field drift, and enter the n + buffer region 25. Since most of the holes have a short diffusion length, they recombine with electrons in the n + buffer region 25 and the electron storage layer of the n + buffer region 25 and disappear. Since the junction composed of the electron storage layer and the n drift layer is forward-biased, electron injection from the electron storage layer is promoted (IE effect). For this reason, the carrier concentration on the cathode side is increased, and the trade-off between on-voltage and switching loss is improved.

実施の形態3.
図6〜図13は、実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。特に限定しないが、実施の形態3では、実施の形態2の構造を適用した定格600V耐圧のノンパンチスルー型IGBTを製造する場合について説明する。まず、n-単結晶シリコン基板29として、例えば30Ωcmのn型FZシリコン基板を用意する。そして、熱酸化を行い、その基板のミラー研磨面に例えば0.1μmの厚さの酸化膜21を成長させる(図6)。次いで、パターニングおよびエッチングを行って、酸化膜21の一部を除去する(図7)。
Embodiment 3 FIG.
6 to 13 are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the third embodiment. Although not particularly limited, in the third embodiment, a case will be described in which a non-punch through type IGBT having a rated voltage of 600 V to which the structure of the second embodiment is applied is manufactured. First, as the n single crystal silicon substrate 29, for example, an n-type FZ silicon substrate of 30 Ωcm is prepared. Then, thermal oxidation is performed to grow an oxide film 21 having a thickness of, for example, 0.1 μm on the mirror polished surface of the substrate (FIG. 6). Next, patterning and etching are performed to remove a part of the oxide film 21 (FIG. 7).

次いで、酸化膜21およびn-単結晶シリコン基板29の、酸化膜21の窓部において露出する部分の上に、例えば1×1016cm-3の濃度でn型にドープされたポリシリコンを例えば0.25μmの厚さに堆積する。このポリシリコンは、カソード膜24であり、後にソース領域、チャネル領域およびバッファ領域となる(図8)。次いで、熱酸化を行って、カソード膜24の表面を酸化し、例えば0.1μmの厚さのゲート酸化膜23を形成する。その際、ポリシリコンが例えば0.05μmほど膜減りするので、カソード膜24の厚さは、例えば0.2μmとなる。 Next, on the exposed portions of the oxide film 21 and the n single crystal silicon substrate 29 in the window portion of the oxide film 21, for example, polysilicon doped in the n-type at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 is used. Deposit to a thickness of 0.25 μm. This polysilicon is a cathode film 24, which later becomes a source region, a channel region, and a buffer region (FIG. 8). Next, thermal oxidation is performed to oxidize the surface of the cathode film 24 to form a gate oxide film 23 having a thickness of 0.1 μm, for example. At that time, since the film thickness of polysilicon is reduced by, for example, 0.05 μm, the thickness of the cathode film 24 becomes, for example, 0.2 μm.

次いで、ゲート酸化膜23の上に、ゲート電極となるゲートポリシリコン22を例えば0.5μmの厚さに堆積する。そして、例えばPOCl3雰囲気中で900℃の熱処理を行い、ゲートポリシリコン22を高濃度n型にドープする(図9)。次いで、パターニングおよびエッチングを行って、ゲートポリシリコン22の一部を除去する。残ったゲートポリシリコン22をマスクとして、カソード膜24に、例えば5×1014cm-2のドーズ量のボロンと、例えば1×1015cm-2のドーズ量の砒素をイオン注入する。そして、例えば窒素雰囲気中で1150℃、2時間のドライブを行い、チャネル領域となるpベース領域27とn+ソース領域26を形成する(図10)。 Next, on the gate oxide film 23, a gate polysilicon 22 to be a gate electrode is deposited to a thickness of 0.5 μm, for example. Then, for example, heat treatment is performed at 900 ° C. in a POCl 3 atmosphere to dope the gate polysilicon 22 to a high concentration n-type (FIG. 9). Next, patterning and etching are performed to remove a part of the gate polysilicon 22. Using the remaining gate polysilicon 22 as a mask, boron having a dose of, for example, 5 × 10 14 cm −2 and arsenic having a dose of, for example, 1 × 10 15 cm −2 are ion-implanted into the cathode film 24. Then, for example, driving is performed at 1150 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to form a p base region 27 and an n + source region 26 which become channel regions (FIG. 10).

次いで、層間絶縁膜28として例えば1μmの厚さのBPSGを堆積し、パターニングおよびエッチングを行って、層間絶縁膜28およびゲート酸化膜23を貫通するコンタクトホールを形成する。次いで、層間絶縁膜28の上に、アルミニウム等の金属を例えば5μmの厚さにスパッタする。そして、アルミニウム等の金属のパターニングおよびエッチングを行い、エミッタ電極30を形成する(図11)。次いで、n-単結晶シリコン基板29の裏面を研削して、ウェハ厚を例えば100μmにする。その後、その研削面に、例えば1×1014cm-2のドーズ量のボロンをイオン注入する。そして、例えば380℃で1時間のアニールを行い、p+アノード層31を形成する(図12)。 Next, BPSG having a thickness of, for example, 1 μm is deposited as the interlayer insulating film 28, and patterning and etching are performed to form a contact hole that penetrates the interlayer insulating film 28 and the gate oxide film 23. Next, a metal such as aluminum is sputtered on the interlayer insulating film 28 to a thickness of 5 μm, for example. Then, patterning and etching of a metal such as aluminum is performed to form the emitter electrode 30 (FIG. 11). Next, the back surface of the n single crystal silicon substrate 29 is ground to a wafer thickness of, for example, 100 μm. Thereafter, boron having a dose of, for example, 1 × 10 14 cm −2 is ion-implanted into the ground surface. Then, for example, annealing is performed at 380 ° C. for 1 hour to form the p + anode layer 31 (FIG. 12).

次いで、p+アノード層31の表面にアルミニウム等の金属を蒸着し、アノード電極32を形成する(図13)。なお、アニールを行う前に、n-単結晶シリコン基板29の裏面の研削面に、リン等のn型不純物をイオン注入してもよい。そうすれば、アニールによって、p+アノード層31とともに、n-ドリフト層とp+アノード層31との間にn+バッファ層が形成される。最後に、ウェハをダイシングしてチップが完成する。 Next, a metal such as aluminum is deposited on the surface of the p + anode layer 31 to form the anode electrode 32 (FIG. 13). It should be noted that n-type impurities such as phosphorus may be ion-implanted into the ground surface of the back surface of the n single crystal silicon substrate 29 before annealing. That way, by annealing, with p + anode layer 31, n - n + buffer layer is formed between the drift layer and the p + anode layer 31. Finally, the wafer is diced to complete the chip.

実施の形態4.
図14〜図21は、実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。特に限定しないが、実施の形態4では、実施の形態1の構造を適用した定格1200V耐圧のフィールドストップ型IBGTを製造する場合について説明する。ただし、実施の形態4では、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)とp+アノード層31との間に、フィールドストップ層として、ドリフト層よりも高不純物濃度のn+バッファ層33が形成される。
Embodiment 4 FIG.
14 to 21 are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the fourth embodiment. Although not particularly limited, in the fourth embodiment, a case of manufacturing a field stop type IBGT having a rated 1200 V breakdown voltage to which the structure of the first embodiment is applied will be described. However, in the fourth embodiment, an n + buffer layer 33 having a higher impurity concentration than the drift layer is formed as a field stop layer between the drift layer (n single crystal silicon substrate 29) and the p + anode layer 31. Is done.

まず、n-単結晶シリコン基板29として、例えば80Ωcmのn型FZシリコン基板を用意する。そして、熱酸化を行い、その基板のミラー研磨面に例えば0.1μmの厚さの酸化膜21を成長させる。続いて、酸化膜21の上にゲートポリシリコン22を例えば0.5μmの厚さに堆積する。そして、例えばPOCl3雰囲気中で900℃の熱処理を行い、ゲートポリシリコン22を高濃度n型にドープする(図14)。 First, as the n single crystal silicon substrate 29, for example, an n-type FZ silicon substrate of 80 Ωcm is prepared. Then, thermal oxidation is performed to grow an oxide film 21 having a thickness of, for example, 0.1 μm on the mirror polished surface of the substrate. Subsequently, a gate polysilicon 22 is deposited on the oxide film 21 to a thickness of 0.5 μm, for example. Then, for example, heat treatment is performed at 900 ° C. in a POCl 3 atmosphere to dope the gate polysilicon 22 to a high concentration n-type (FIG. 14).

次いで、パターニングおよびエッチングを行って、ゲートポリシリコン22の一部を除去する(図15)。次いで、熱酸化を行って、ゲートポリシリコン22の表面を酸化し、例えば0.1μmの厚さのゲート酸化膜23を形成する。続いて、パターニングおよびエッチングを行って、ゲート酸化膜23および酸化膜21の、ゲートポリシリコン22のない部分を除去する(図16)。次いで、ゲート酸化膜23およびn-単結晶シリコン基板29の露出部分の上に、例えば1×1016cm-3の濃度でn型にドープされたポリシリコンを例えば0.25μmの厚さに堆積する(図17)。このポリシリコンは、カソード膜24であり、後にソース領域、チャネル領域およびバッファ領域となる。 Next, patterning and etching are performed to remove a part of the gate polysilicon 22 (FIG. 15). Next, thermal oxidation is performed to oxidize the surface of the gate polysilicon 22 to form a gate oxide film 23 having a thickness of, for example, 0.1 μm. Subsequently, patterning and etching are performed to remove portions of the gate oxide film 23 and the oxide film 21 where the gate polysilicon 22 is not present (FIG. 16). Next, on the exposed portions of the gate oxide film 23 and the n single crystal silicon substrate 29, polysilicon doped in an n-type at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 is deposited to a thickness of, for example, 0.25 μm. (FIG. 17). This polysilicon is the cathode film 24 and later becomes a source region, a channel region, and a buffer region.

次いで、パターニングしたレジストをマスクとして、カソード膜24に、例えば5×1014cm-2のドーズ量のボロンと、例えば1×1015cm-2のドーズ量の砒素をイオン注入する。そして、レジストを灰化した後に、例えば窒素雰囲気中で1150℃、2時間のドライブを行い、チャネル領域となるpベース領域27とn+ソース領域26を形成する。その際、ポリシリコン(カソード膜24)の結晶粒径が大きくなり、移動度が回復する(図18)。 Next, using the patterned resist as a mask, boron having a dose of, for example, 5 × 10 14 cm −2 and arsenic having a dose of, for example, 1 × 10 15 cm −2 are ion-implanted into the cathode film 24. Then, after the resist is ashed, for example, driving is performed at 1150 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to form the p base region 27 and the n + source region 26 that become the channel region. At that time, the crystal grain size of polysilicon (cathode film 24) is increased, and the mobility is recovered (FIG. 18).

次いで、層間絶縁膜28として例えば1μmの厚さのBPSGを堆積し、パターニングおよびエッチングを行って、層間絶縁膜28を貫通するコンタクトホールを形成する(図19)。次いで、層間絶縁膜28の上に、アルミニウム等の金属を例えば5μmの厚さにスパッタする。そして、アルミニウム等の金属のパターニングおよびエッチングを行い、エミッタ電極30を形成する。次いで、n-単結晶シリコン基板29の裏面を研削して、ウェハ厚を例えば140μmにする。 Next, BPSG having a thickness of 1 μm, for example, is deposited as the interlayer insulating film 28, and patterning and etching are performed to form a contact hole penetrating the interlayer insulating film 28 (FIG. 19). Next, a metal such as aluminum is sputtered on the interlayer insulating film 28 to a thickness of 5 μm, for example. Then, patterning and etching of a metal such as aluminum is performed to form the emitter electrode 30. Next, the back surface of the n single crystal silicon substrate 29 is ground to a wafer thickness of, for example, 140 μm.

その後、その研削面に、例えば2×1012cm-2のドーズ量のリン、および例えば5×1014cm-2のドーズ量のボロンをイオン注入する。そして、例えば450℃で5時間のアニールを行い、n+バッファ層33およびp+アノード層31を形成する。n+バッファ層33はp+アノード層31よりも深い位置に形成される(図20)。次いで、p+アノード層31の表面にアルミニウム、チタン、ニッケルおよび金等の金属を蒸着し、アノード電極32を形成する(図21)。最後に、ウェハをダイシングしてチップが完成する。 Thereafter, phosphorus having a dose of, for example, 2 × 10 12 cm −2 and boron having a dose of, for example, 5 × 10 14 cm −2 are ion-implanted into the ground surface. Then, for example, annealing is performed at 450 ° C. for 5 hours to form the n + buffer layer 33 and the p + anode layer 31. The n + buffer layer 33 is formed at a position deeper than the p + anode layer 31 (FIG. 20). Next, a metal such as aluminum, titanium, nickel and gold is deposited on the surface of the p + anode layer 31 to form the anode electrode 32 (FIG. 21). Finally, the wafer is diced to complete the chip.

図22は、実施の形態4により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(実施例とする)と、従来の定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(従来例とする)の出力特性を示す特性図である。図22に示すように、温度125℃、電流密度100A/cm2において、実施例のオン電圧は1.4Vであった。それに対して、従来例のオン電圧は2.2Vであった。従って、実施例の方がオン電圧が低いことが確認された。 FIG. 22 shows the output characteristics of a field stop IGBT with a rated voltage of 1200 V manufactured according to the fourth embodiment (referred to as an example) and a conventional field stop IGBT with a rated voltage of 1200 V (referred to as a conventional example). FIG. As shown in FIG. 22, the on-voltage of the example was 1.4 V at a temperature of 125 ° C. and a current density of 100 A / cm 2 . On the other hand, the on-voltage of the conventional example was 2.2V. Accordingly, it was confirmed that the on-voltage was lower in the example.

図23に、実施の形態4により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBTの定常オン状態時のオン電圧分担を示す。図23は、コレクタ−エミッタ間に2Vの電圧を印加した場合に、デバイスの各領域が分担しているバイアスの大きさを表している。全体図(図23の左側の図)を見ると、キャリア濃度の高い表面側(図の上側)では、電気抵抗が低いため、等電位線の間隔が広くなっている。それに対して、キャリア濃度の低い裏面側(図の下側)では、電気抵抗が高いため、等電位線の間隔が狭くなっている。   FIG. 23 shows the on-voltage sharing in the steady-on state of the field-stop IGBT with a rated voltage of 1200 V manufactured according to the fourth embodiment. FIG. 23 shows the magnitude of the bias shared by each region of the device when a voltage of 2 V is applied between the collector and the emitter. Looking at the overall diagram (the diagram on the left side of FIG. 23), on the surface side where the carrier concentration is high (the upper side in the diagram), the electrical resistance is low, so the interval between equipotential lines is wide. On the other hand, since the electrical resistance is high on the back surface side (lower side in the figure) where the carrier concentration is low, the interval between equipotential lines is narrow.

また、図23のカソード領域の拡大図(図23の右側の図)を見ると、表面のカソード領域(カソード膜24のポリシリコン領域)では、キャリア移動度が単結晶シリコンの1/3以下であるにもかかわらず、等電位線間隔が広い、すなわち抵抗が低いことがわかる。これは、電流の多くが電子蓄積層を流れるからである。また、電子およびホールのライフタイムは、500psである。ポリシリコン中のホール拡散長は、0.5μm程度である。従って、カソード領域に入ったホールの多くは、n+バッファ領域25内で再結合により消滅する。また、pベース領域27内のホール電流が極めて小さいために、従来のIGBTで見られたpベース領域内での電圧降下がない。従って、n+ソース領域26とpベース領域27との接合が順バイアスされないので、ラッチアップによるサイリスタ動作は起こらない。つまり、ラッチアップ・フリーであるので、短絡耐量および逆バイアス安全動作領域の向上が期待される。 Further, when the enlarged view of the cathode region in FIG. 23 (the diagram on the right side of FIG. 23) is seen, in the cathode region on the surface (polysilicon region of the cathode film 24), the carrier mobility is 1/3 or less of single crystal silicon. Despite being, it can be seen that the equipotential line spacing is wide, that is, the resistance is low. This is because most of the current flows through the electron storage layer. The lifetime of electrons and holes is 500 ps. The hole diffusion length in the polysilicon is about 0.5 μm. Therefore, many of the holes that have entered the cathode region disappear due to recombination within the n + buffer region 25. In addition, since the hole current in the p base region 27 is extremely small, there is no voltage drop in the p base region seen in the conventional IGBT. Accordingly, since the junction between the n + source region 26 and the p base region 27 is not forward-biased, the thyristor operation due to latch-up does not occur. That is, since it is latch-up free, it is expected that the short-circuit tolerance and the reverse bias safe operation area are improved.

ただし、カソード領域内のホールライフタイムが短すぎると、n+バッファ領域25内のホール電流密度が低くなり、n+バッファ領域25内での電圧降下が小さくなる。この場合、電子蓄積層とn-ドリフト層との接合の順バイアス量が減少するので、カソード領域からの電子注入が減少してしまう。従って、ある程度のホール電流を確保することによって、n+バッファ領域25内での電圧降下を発生させる方が、IE効果が向上する。結果的に、n-ドリフト層内のキャリア分布が最適化されることによって、n+バッファ領域25内の電圧降下は相殺される。 However, when the hole lifetime of the cathode region is too short, n + becomes the hole current density in the buffer area 25 is low, n + voltage drop in the buffer area 25 within decreases. In this case, since the forward bias amount of the junction between the electron storage layer and the n drift layer is reduced, electron injection from the cathode region is reduced. Therefore, the IE effect is improved by generating a voltage drop in the n + buffer region 25 by securing a certain hole current. As a result, the voltage drop in the n + buffer region 25 is canceled by optimizing the carrier distribution in the n drift layer.

図24は、実施の形態4により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(実施例とする)と、従来の定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(従来例とする)のオン状態における縦方向過剰キャリア分布を示す特性図である。図24に示すように、実施例では、カソード側キャリア濃度がアノード側キャリア濃度の約5倍高くなっており、理想的な分布となっていることが確認された。また、図25は、実施の形態4により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(実施例とする)と、従来の定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(従来例とする)のオン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを示す特性図である。図25に示すように、実施例のトレードオフが従来例に比べて大きく改善されていることが確認された。   FIG. 24 shows a longitudinal direction in the ON state of a field stop type IGBT with a rated voltage of 1200 V manufactured according to the fourth embodiment (referred to as an example) and a conventional field stop type IGBT with a rated voltage of 1200 V withstand voltage (referred to as a conventional example). It is a characteristic view which shows excess carrier distribution. As shown in FIG. 24, in the example, the cathode side carrier concentration was about 5 times higher than the anode side carrier concentration, and it was confirmed that the distribution was ideal. FIG. 25 shows the on-state voltage of the field-stop type IGBT with a rated voltage of 1200 V manufactured according to the fourth embodiment (example) and the conventional field-stop type IGBT with a rated voltage of 1200 V (referred to as a conventional example). It is a characteristic view which shows the trade-off of turn-off loss. As shown in FIG. 25, it was confirmed that the trade-off of the example was greatly improved as compared with the conventional example.

図26は、実施の形態4により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(実施例とする)のブロッキングモード時の電界分布を示す図である。また、図27は、従来の定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(従来例とする)のブロッキングモード時の電界分布を示す図である。両図より、電流1mAのときの実施例の耐圧は1420Vであり、従来のIGBTの耐圧(1370V)よりも改善されていることが確認された。実施例のブロッキングモード時には、電界が平均化されており、1次元理想耐圧に近い数値が得られる。このため、ウェハをさらに薄くしても、従来例と同程度の耐圧を得ることができる。当然のことながら、実施例のオン電圧は低減される。これは、実施例のオン電圧−耐圧のトレードオフが優れていることを意味している。   FIG. 26 is a diagram showing an electric field distribution in a blocking mode of a field stop IGBT (with an example) having a rated voltage of 1200 V manufactured according to the fourth embodiment. FIG. 27 is a diagram showing an electric field distribution in a blocking mode of a conventional field stop type IGBT (conventional example) having a rated withstand voltage of 1200V. From both figures, it was confirmed that the withstand voltage of the example at a current of 1 mA was 1420V, which was improved from the withstand voltage (1370V) of the conventional IGBT. In the blocking mode of the embodiment, the electric field is averaged, and a numerical value close to the one-dimensional ideal withstand voltage is obtained. For this reason, even if the wafer is made thinner, a breakdown voltage comparable to that of the conventional example can be obtained. Of course, the on-voltage of the embodiment is reduced. This means that the on-voltage-withstand voltage trade-off of the embodiment is excellent.

また、図28は、実施の形態4により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBTのブロッキングモード時の電界分布を拡大して示す図である。図28より、ポリシリコン(カソード膜24)と単結晶シリコン(n-単結晶シリコン基板29)との境界面付近で最大電界となっていることがわかる。 FIG. 28 is an enlarged view showing the electric field distribution in the blocking mode of the field-stop type IGBT with a rated 1200 V breakdown voltage manufactured according to the fourth embodiment. FIG. 28 shows that the maximum electric field is present in the vicinity of the boundary surface between polysilicon (cathode film 24) and single crystal silicon (n single crystal silicon substrate 29).

実施の形態5.
図29〜図33は、実施の形態5の製造方法を説明するための断面図である。特に限定しないが、実施の形態5では、実施の形態1の構造を適用した定格600V耐圧の逆阻止型IBGTを製造する場合について説明する。ただし、図29〜図33には、活性部のみが示されており、分離層領域については図示省略されている。また、分離層領域を形成するプロセスについても図示省略する。
Embodiment 5. FIG.
29 to 33 are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the fifth embodiment. Although not particularly limited, in the fifth embodiment, a case where a reverse blocking type IBGT having a rated withstand voltage of 600 V to which the structure of the first embodiment is applied will be described. However, in FIGS. 29 to 33, only the active portion is shown, and the separation layer region is not shown. Also, the process for forming the separation layer region is not shown.

まず、n-単結晶シリコン基板29として、例えば30Ωcmのn型FZシリコン基板を用意する。そして、分離層領域を形成するために、熱酸化を行い、その基板のミラー研磨面に例えば1.6μmの厚さの酸化膜を成長させる。続いて、パターニングおよびエッチングを行って、その酸化膜の一部を除去する。次いで、ボロンソースを塗布し、酸素雰囲気中で1300℃、90時間のドライブを行い、分離層領域を形成する。 First, as the n single crystal silicon substrate 29, for example, an n-type FZ silicon substrate of 30 Ωcm is prepared. Then, in order to form the separation layer region, thermal oxidation is performed, and an oxide film having a thickness of 1.6 μm, for example, is grown on the mirror polished surface of the substrate. Subsequently, patterning and etching are performed to remove a part of the oxide film. Next, a boron source is applied, and driving is performed at 1300 ° C. for 90 hours in an oxygen atmosphere to form a separation layer region.

次いで、熱酸化を行い、例えば0.1μmの厚さの酸化膜21を成長させる。続いて、酸化膜21の上にゲートポリシリコン22を例えば0.5μmの厚さに堆積する。そして、例えばPOCl3雰囲気中で900℃の熱処理を行い、ゲートポリシリコン22を高濃度n型にドープする。次いで、パターニングおよびエッチングを行って、ゲートポリシリコン22の一部を除去する。次いで、熱酸化を行って、ゲートポリシリコン22の表面を酸化し、例えば0.1μmの厚さのゲート酸化膜23を形成する。続いて、パターニングおよびエッチングを行って、ゲート酸化膜23および酸化膜21の、ゲートポリシリコン22のない部分を除去する(図14、図15および図16参照)。 Next, thermal oxidation is performed to grow an oxide film 21 having a thickness of, for example, 0.1 μm. Subsequently, a gate polysilicon 22 is deposited on the oxide film 21 to a thickness of 0.5 μm, for example. Then, for example, heat treatment is performed at 900 ° C. in a POCl 3 atmosphere, and the gate polysilicon 22 is doped to a high concentration n-type. Next, patterning and etching are performed to remove a part of the gate polysilicon 22. Next, thermal oxidation is performed to oxidize the surface of the gate polysilicon 22 to form a gate oxide film 23 having a thickness of, for example, 0.1 μm. Subsequently, patterning and etching are performed to remove portions of the gate oxide film 23 and the oxide film 21 where the gate polysilicon 22 is not present (see FIGS. 14, 15 and 16).

次いで、n-単結晶シリコン基板29の開口部分から、例えば1×1016cm-3濃度のリンを含む単結晶シリコン層をエピタキシャル法により成長させる。エピタキシャル成長層は、まずn-単結晶シリコン基板29の開口部分から上方向に向かって成長し、ゲート酸化膜23上には成長しない。そして、エピタキシャル成長層は、ゲート酸化膜23の上面の高さまで成長すると、上方向および横方向に向かって成長を続ける。やがて、n-単結晶シリコン基板29の隣り合う開口部分から成長してきたエピタキシャル成長層同士が接触し、ゲート酸化膜23の上面がエピタキシャル成長層で完全に覆われる。このエピタキシャル成長した単結晶シリコン層は、カソード膜24であり、後にソース領域、チャネル領域およびバッファ領域となる(図29)。 Next, a single crystal silicon layer containing phosphorus having a concentration of, for example, 1 × 10 16 cm −3 is grown from the opening of the n single crystal silicon substrate 29 by an epitaxial method. The epitaxial growth layer first grows upward from the opening of the n single crystal silicon substrate 29 and does not grow on the gate oxide film 23. When the epitaxial growth layer grows up to the height of the upper surface of the gate oxide film 23, the epitaxial growth layer continues to grow upward and laterally. Eventually, the epitaxial growth layers grown from the adjacent openings of the n single crystal silicon substrate 29 come into contact with each other, and the upper surface of the gate oxide film 23 is completely covered with the epitaxial growth layer. This epitaxially grown single crystal silicon layer is a cathode film 24, which later becomes a source region, a channel region, and a buffer region (FIG. 29).

次いで、カソード膜24に、例えば1.5×1014cm-2のドーズ量のボロンをイオン注入する。続いて、パターニングしたレジストをマスクとして、カソード膜24に、例えば1×1015cm-2のドーズ量の砒素をイオン注入する。そして、レジストを灰化した後に、例えば窒素雰囲気中で1150℃、2時間のドライブを行い、チャネル領域となるpベース領域27とn+ソース領域26を形成する(図30)。次いで、層間絶縁膜28として例えば1μmの厚さのBPSGを堆積し、パターニングおよびエッチングを行って、層間絶縁膜28を貫通するコンタクトホールを形成する(図31)。 Next, boron having a dose of 1.5 × 10 14 cm −2 is ion-implanted into the cathode film 24, for example. Subsequently, arsenic having a dose of, for example, 1 × 10 15 cm −2 is ion-implanted into the cathode film 24 using the patterned resist as a mask. Then, after the resist is incinerated, for example, driving is performed at 1150 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to form a p base region 27 and an n + source region 26 which become channel regions (FIG. 30). Next, BPSG having a thickness of 1 μm, for example, is deposited as the interlayer insulating film 28, and patterning and etching are performed to form a contact hole penetrating the interlayer insulating film 28 (FIG. 31).

次いで、層間絶縁膜28の上に、アルミニウム等の金属を例えば5μmの厚さにスパッタする。そして、アルミニウム等の金属のパターニングおよびエッチングを行い、エミッタ電極30を形成する。次いで、n-単結晶シリコン基板29の裏面を研削して、ウェハ厚を例えば100μmにする。その後、その研削面に、例えば1×1014cm-2のドーズ量のボロンをイオン注入する。そして、例えば380℃で1時間のアニールを行い、p+アノード層31を形成する(図32)。次いで、p+アノード層31の表面にアルミニウム、チタン、ニッケルおよび金等の金属を蒸着し、アノード電極32を形成する(図33)。最後に、ウェハをダイシングしてチップが完成する。 Next, a metal such as aluminum is sputtered on the interlayer insulating film 28 to a thickness of 5 μm, for example. Then, patterning and etching of a metal such as aluminum is performed to form the emitter electrode 30. Next, the back surface of the n single crystal silicon substrate 29 is ground to a wafer thickness of, for example, 100 μm. Thereafter, boron having a dose of, for example, 1 × 10 14 cm −2 is ion-implanted into the ground surface. Then, for example, annealing is performed at 380 ° C. for 1 hour to form the p + anode layer 31 (FIG. 32). Next, a metal such as aluminum, titanium, nickel and gold is deposited on the surface of the p + anode layer 31 to form the anode electrode 32 (FIG. 33). Finally, the wafer is diced to complete the chip.

実施の形態5により製造された逆阻止型IBGTは、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフ特性に優れる。また、実施の形態5により製造された逆阻止型IBGTによれば、逆阻止型IBGTに特有の逆バイアス印加モードにおける逆方向漏れ電流が、従来の逆阻止型IBGTに比べて低減される。逆阻止型IGBTにおいては、裏面側のpn接合で発生した電子電流が表面側のpベース領域に注入されると、電子電流がpnp構造のベース電流となる。そのため、増幅効果により、大きなホール電流が表面側のpベース領域から注入される。   The reverse blocking type IBGT manufactured according to the fifth embodiment is excellent in the on-voltage-turn-off loss trade-off characteristic. Further, according to the reverse blocking type IBGT manufactured according to the fifth embodiment, the reverse leakage current in the reverse bias application mode peculiar to the reverse blocking type IBGT is reduced as compared with the conventional reverse blocking type IBGT. In the reverse blocking IGBT, when an electron current generated at the pn junction on the back surface side is injected into the p base region on the front surface side, the electron current becomes a base current of a pnp structure. Therefore, a large hole current is injected from the p base region on the surface side due to the amplification effect.

電子電流に対するホール電流の大きさ、すなわちエミッタ接地の増幅率を決定する大きな要因の一つは、pベース領域とn型ドリフト層との不純物量比である。この比の値が大きいと、エミッタ注入効率が増加し、増幅率が増大する。従来の定格600V耐圧の逆阻止型IBGTでは、n型ドリフト層の不純物量は1.5×1012cm-2程度である。一方、pベース領域の不純物量は1.5×1014cm-2程度であるから、pベース領域とn型ドリフト層との不純物量比は100倍である。 One of the major factors determining the magnitude of the hole current with respect to the electron current, that is, the amplification factor of the grounded emitter, is the impurity amount ratio between the p base region and the n-type drift layer. When the value of this ratio is large, the emitter injection efficiency increases and the amplification factor increases. In the conventional reverse blocking type IBGT with a rated withstand voltage of 600 V, the impurity amount of the n-type drift layer is about 1.5 × 10 12 cm −2 . On the other hand, since the impurity amount of the p base region is about 1.5 × 10 14 cm −2 , the impurity amount ratio between the p base region and the n-type drift layer is 100 times.

それに対して、実施の形態5により製造された定格600V耐圧の逆阻止型IBGTでは、pベース領域とn型ドリフト層との不純物量比は30倍程度である。これは、実施の形態5でもpベース領域27の不純物量は、従来の逆阻止型IBGTと同じ1.5×1014cm-2であるが、高濃度のn+バッファ領域25が設けられていることによって、n型総不純物量が5×1012cm-2程度に増加しているからである。 On the other hand, in the reverse blocking type IBGT with a rated voltage of 600 V manufactured according to the fifth embodiment, the impurity amount ratio between the p base region and the n type drift layer is about 30 times. In the fifth embodiment, the impurity amount of the p base region 27 is 1.5 × 10 14 cm −2 which is the same as that of the conventional reverse blocking type IBGT, but the high concentration n + buffer region 25 is provided. This is because the n-type total impurity amount increases to about 5 × 10 12 cm −2 .

このように、pベース領域とn型ドリフト層との不純物量比が従来よりも低くなっていることによって、エミッタ注入効率が従来の1/3以下に低減される。このため、増幅率が低下するので、逆漏れ電流が従来の1/3以下に減少する。また、pnp構造の増幅率が低減することによって、逆方向アバランシェ耐圧の向上が実現される。   As described above, since the impurity amount ratio between the p base region and the n-type drift layer is lower than the conventional one, the emitter injection efficiency is reduced to 1/3 or less of the conventional one. For this reason, since the amplification factor is lowered, the reverse leakage current is reduced to 1/3 or less of the conventional one. Further, the reverse avalanche breakdown voltage is improved by reducing the amplification factor of the pnp structure.

実施の形態6.
図34〜図41は、実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。特に限定しないが、実施の形態6では、実施の形態2の構造を適用した定格600V耐圧のフィールドストップ型IBGTを製造する場合について説明する。ただし、実施の形態6では、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)とp+アノード層31との間に、フィールドストップ層として、ドリフト層よりも高不純物濃度のn+バッファ層33が形成される。また、第1の絶縁膜となる酸化膜21は、n-単結晶シリコン基板29の表面(第1の主面)から所定の深さの所に形成され、その酸化膜21とn-単結晶シリコン基板29の表面との間に、n+ソース領域26およびpベース領域27が形成される。
Embodiment 6 FIG.
34 to 41 are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the sixth embodiment. In the sixth embodiment, a field stop type IBGT having a rated withstand voltage of 600 V to which the structure of the second embodiment is applied will be described. However, in the sixth embodiment, an n + buffer layer 33 having a higher impurity concentration than the drift layer is formed as a field stop layer between the drift layer (n single crystal silicon substrate 29) and the p + anode layer 31. Is done. The oxide film 21 serving as the first insulating film is formed at a predetermined depth from the surface (first main surface) of the n single crystal silicon substrate 29, and the oxide film 21 and the n single crystal are formed. An n + source region 26 and a p base region 27 are formed between the surface of the silicon substrate 29.

まず、n-単結晶シリコン基板29として、例えば30Ωcmのn型FZシリコン基板を用意する。そして、熱酸化を行い、その基板のミラー研磨面に例えば1μmの厚さの酸化膜34を成長させる(図34)。次いで、パターニングおよびエッチングを行って、酸化膜34の一部を除去する。残った酸化膜34をマスクとして、n-単結晶シリコン基板29に、例えば100keVの加速電圧で1×1015cm-2のドーズ量の酸素をイオン注入する(図35)。図35において、符号35で示すハッチング領域は、酸素イオンの注入領域である。 First, as the n single crystal silicon substrate 29, for example, an n-type FZ silicon substrate of 30 Ωcm is prepared. Then, thermal oxidation is performed to grow an oxide film 34 having a thickness of, for example, 1 μm on the mirror polished surface of the substrate (FIG. 34). Next, patterning and etching are performed to remove a part of the oxide film 34. With the remaining oxide film 34 as a mask, oxygen with a dose of 1 × 10 15 cm −2 is ion-implanted into the n single crystal silicon substrate 29 at an acceleration voltage of 100 keV, for example (FIG. 35). In FIG. 35, a hatched region indicated by reference numeral 35 is an oxygen ion implantation region.

次いで、1300℃でアニールを行い、結晶欠陥を回復させる。これによって、図36に示すように、例えば0.3μmの厚さの単結晶シリコンの下に、例えば0.1μmの厚さの酸化膜21が選択的に形成される。この0.3μmの厚さの単結晶シリコン層が実施の形態1〜5におけるカソード膜24に相当する。マスクとした酸化膜34を除去した後、熱酸化を行い、基板表面を酸化し、例えば0.1μmの厚さのゲート酸化膜23を形成する。その際、カソード膜24に相当する単結晶シリコン層が例えば0.05μmほど膜減りするので、この単結晶シリコン層の厚さは、例えば0.25μmとなる。   Next, annealing is performed at 1300 ° C. to recover crystal defects. As a result, as shown in FIG. 36, an oxide film 21 having a thickness of, for example, 0.1 μm is selectively formed under a single crystal silicon having a thickness of, for example, 0.3 μm. This single crystal silicon layer having a thickness of 0.3 μm corresponds to the cathode film 24 in the first to fifth embodiments. After removing the oxide film 34 used as a mask, thermal oxidation is performed to oxidize the substrate surface to form a gate oxide film 23 having a thickness of, for example, 0.1 μm. At this time, since the single crystal silicon layer corresponding to the cathode film 24 is reduced by, for example, 0.05 μm, the thickness of the single crystal silicon layer is, for example, 0.25 μm.

次いで、ゲート酸化膜23の上にゲートポリシリコン22を例えば0.5μmの厚さに堆積する。そして、例えばPOCl3雰囲気中で900℃の熱処理を行い、ゲートポリシリコン22を高濃度n型にドープする(図36)。次いで、パターニングおよびエッチングを行って、ゲートポリシリコン22およびゲート酸化膜23の一部を除去する(図37)。残ったゲートポリシリコン22をマスクとして、カソード膜24に相当する単結晶シリコン層に、例えば5×1014cm-2のドーズ量のボロンと、例えば1×1015cm-2のドーズ量の砒素をイオン注入する。そして、例えば窒素雰囲気中で1150℃、2時間のドライブを行い、チャネル領域となるpベース領域27とn+ソース領域26を形成する(図38)。 Next, a gate polysilicon 22 is deposited on the gate oxide film 23 to a thickness of 0.5 μm, for example. Then, for example, heat treatment is performed at 900 ° C. in a POCl 3 atmosphere, and the gate polysilicon 22 is doped to a high concentration n-type (FIG. 36). Next, patterning and etching are performed to remove part of the gate polysilicon 22 and the gate oxide film 23 (FIG. 37). Using the remaining gate polysilicon 22 as a mask, a single crystal silicon layer corresponding to the cathode film 24 is formed with boron having a dose of, for example, 5 × 10 14 cm −2 and arsenic having a dose of, for example, 1 × 10 15 cm −2. Ion implantation. Then, for example, driving is performed at 1150 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to form a p base region 27 and an n + source region 26 which become channel regions (FIG. 38).

次いで、層間絶縁膜28として例えば1μmの厚さのBPSGを堆積し、パターニングおよびエッチングを行って、層間絶縁膜28を貫通するコンタクトホールを形成する(図39)。次いで、層間絶縁膜28の上に、アルミニウム等の金属を例えば5μmの厚さにスパッタする。そして、アルミニウム等の金属のパターニングおよびエッチングを行い、エミッタ電極30を形成する。次いで、n-単結晶シリコン基板29の裏面を研削して、ウェハ厚を例えば100μmにする。 Next, BPSG having a thickness of, for example, 1 μm is deposited as the interlayer insulating film 28, and patterning and etching are performed to form a contact hole penetrating the interlayer insulating film 28 (FIG. 39). Next, a metal such as aluminum is sputtered on the interlayer insulating film 28 to a thickness of 5 μm, for example. Then, patterning and etching of a metal such as aluminum is performed to form the emitter electrode 30. Next, the back surface of the n single crystal silicon substrate 29 is ground to a wafer thickness of, for example, 100 μm.

その後、その研削面に、例えば2×1012cm-2のドーズ量のリン、および例えば5×1014cm-2のドーズ量のボロンをイオン注入する。そして、例えば1000℃で5時間のアニールを行い、n+バッファ層33およびp+アノード層31を形成する。n+バッファ層33はp+アノード層31よりも深い位置に形成される(図40)。次いで、p+アノード層31の表面にアルミニウム、チタン、ニッケルおよび金等の金属を蒸着し、アノード電極32を形成する(図41)。最後に、ウェハをダイシングしてチップが完成する。実施の形態6により製造されたIGBTによれば、特性バラツキが少ないという効果と、漏れ電流が少ないという効果が得られる。 Thereafter, phosphorus having a dose of, for example, 2 × 10 12 cm −2 and boron having a dose of, for example, 5 × 10 14 cm −2 are ion-implanted into the ground surface. Then, for example, annealing is performed at 1000 ° C. for 5 hours to form the n + buffer layer 33 and the p + anode layer 31. The n + buffer layer 33 is formed at a position deeper than the p + anode layer 31 (FIG. 40). Next, a metal such as aluminum, titanium, nickel and gold is deposited on the surface of the p + anode layer 31 to form the anode electrode 32 (FIG. 41). Finally, the wafer is diced to complete the chip. According to the IGBT manufactured according to the sixth embodiment, an effect that there is little characteristic variation and an effect that there is little leakage current are obtained.

実施の形態7.
図42は、実施の形態7のIGBTの構成を示す断面図である。図42に示すように、実施の形態7が実施の形態1と異なるのは、n-単結晶シリコン基板29の、n+バッファ領域25が接する部分にp拡散層41が設けられていることと、そのp拡散層41内の、n+バッファ領域25が接する部分にn+拡散層42が設けられていることである。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 42 is a cross-sectional view showing the configuration of the IGBT according to the seventh embodiment. As shown in FIG. 42, the seventh embodiment differs from the first embodiment in that a p diffusion layer 41 is provided in a portion of the n single crystal silicon substrate 29 in contact with the n + buffer region 25. The n + diffusion layer 42 is provided in a portion of the p diffusion layer 41 that is in contact with the n + buffer region 25.

+拡散層42は、ゲートポリシリコン22の下まで伸びている。すなわち、このデバイスをエミッタ電極30側から見たときに、n+拡散層42の縁がゲートポリシリコン22とオーバーラップしている。p拡散層41は、n+拡散層42を囲み、かつ隣接するセルのp拡散層41(図には現れていない)に接触しないようにセルごとに独立して設けられている。その他の構成は、実施の形態1と同じである。 The n + diffusion layer 42 extends under the gate polysilicon 22. That is, when this device is viewed from the emitter electrode 30 side, the edge of the n + diffusion layer 42 overlaps the gate polysilicon 22. The p diffusion layer 41 is provided independently for each cell so as to surround the n + diffusion layer 42 and not to contact the p diffusion layer 41 (not shown in the drawing) of an adjacent cell. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

これらp拡散層41およびn+拡散層42は、順電圧阻止時の印加電圧が、素子内のいずれの部分においてもアバランシェ降伏が発生しない範囲内の電圧であるときに、完全に空乏化する。次に、実施の形態7の作用および効果について説明する。実施の形態7では、実施の形態1の作用および効果に加えて、以下の作用および効果が得られる。 The p diffusion layer 41 and the n + diffusion layer 42 are completely depleted when the applied voltage at blocking forward voltage is a voltage within a range where no avalanche breakdown occurs in any part of the element. Next, the operation and effect of the seventh embodiment will be described. In the seventh embodiment, the following operations and effects are obtained in addition to the operations and effects of the first embodiment.

(定常オン状態について)
ゲート電位をエミッタ電位に比べて正にし、コレクタ−エミッタ間に順バイアスを印加して順方向オン状態にすると、エミッタ電極30から、pベース領域27にできるチャネルを介して、電子がn+バッファ領域25に流れ込む。上述したように実施の形態7ではp拡散層41とn+拡散層42が設けられているため、電子は、n+バッファ領域25からn+拡散層42へ流れる。
(Regarding steady ON state)
When the gate potential is made positive compared to the emitter potential and a forward bias is applied between the collector and the emitter to turn on the forward direction, electrons are transferred from the emitter electrode 30 through the channel formed in the p base region 27 to the n + buffer. Flow into region 25. Since the p diffusion layer 41 and the n + diffusion layer 42 in the seventh embodiment as described above is provided, electrons flow from the n + buffer region 25 into the n + diffusion layer 42.

そして、電子は、p拡散層41の表面がn型に反転してできるチャネルを介して、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)に流れ込み、裏面(第2の主面)のp+アノード層31に達する。それによって、裏面のpn接合、すなわちp+アノード層31とドリフト層との接合は順バイアスされるので、p+アノード層31からドリフト層にホールが注入される。 Then, electrons, over a channel surface of the p diffusion layer 41 can be inverted to n-type drift layer - flow into (n single-crystal silicon substrate 29), p + anode of the back surface (second main surface) Layer 31 is reached. As a result, the pn junction on the back surface, that is, the junction between the p + anode layer 31 and the drift layer is forward-biased, so that holes are injected from the p + anode layer 31 into the drift layer.

注入されたホールは、p拡散層41を経由してn+拡散層42に注入される。それによって、n+拡散層42とp拡散層41とのpn接合が順バイアスされるので、n+拡散層42からp拡散層41に電子が注入され、サイリスタ動作が開始される。この時点で、p拡散層41の表面のチャネルの役目は終了する。つまり、p拡散層41の表面のチャネルは、サイリスタをオンさせるためのものである。一旦サイリスタ動作が開始されると、p拡散層41が本来のドーピング濃度よりもキャリア濃度の高い高注入状態となるので、p拡散層41はデバイス特性にほとんど影響を及ぼさない。 The injected holes are injected into the n + diffusion layer 42 via the p diffusion layer 41. As a result, the pn junction between the n + diffusion layer 42 and the p diffusion layer 41 is forward-biased, so that electrons are injected from the n + diffusion layer 42 into the p diffusion layer 41 and the thyristor operation is started. At this point, the role of the channel on the surface of the p diffusion layer 41 ends. That is, the channel on the surface of the p diffusion layer 41 is for turning on the thyristor. Once the thyristor operation is started, the p diffusion layer 41 is in a high injection state in which the carrier concentration is higher than the original doping concentration, so that the p diffusion layer 41 hardly affects the device characteristics.

(順方向ブロッキング状態およびターンオフ時の状態について)
順方向ブロッキングモード時においてn+バッファ領域25が完全に空乏化した後も順バイアスを増やしていくと、空乏層は、p拡散層41とドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)とのpn接合からも伸び始める。このとき、印加した順バイアスの大部分は、n-ドリフト層によって担われる。そして、隣り合うp拡散層41間の距離は短いので、空乏層が容易にピンチオフする。それによって、pn接合の曲率を有する部分がなくなるので、従来のpn接合の曲率を有する部分に電界が集中するのを防ぐことができる。
(Forward blocking state and turn-off state)
When the forward bias is increased even after the n + buffer region 25 is completely depleted in the forward blocking mode, the depletion layer becomes a pn between the p diffusion layer 41 and the drift layer (n single crystal silicon substrate 29). It begins to grow from the joint. At this time, most of the applied forward bias is carried by the n drift layer. Since the distance between the adjacent p diffusion layers 41 is short, the depletion layer is easily pinched off. As a result, the portion having the curvature of the pn junction is eliminated, so that the electric field can be prevented from being concentrated on the portion having the curvature of the conventional pn junction.

従来のプレーナ型IGBTでは、BJTのコレクタ領域が拡大すると、IE効果が損なわれてしまう。IE効果が損なわれないようにするためには、p拡散層41間の距離を広く設計する必要がある。それに対して、実施の形態7では、n-単結晶シリコン基板29の、n+バッファ領域25が接する部分に設けられたp拡散層41は、BJTのコレクタ領域ではないので、p拡散層41を設けてもIE効果は変化しない。従って、従来のプレーナ型IGBTよりも大幅に耐圧が向上するとともに、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフが改善される。 In the conventional planar IGBT, when the collector region of the BJT is enlarged, the IE effect is impaired. In order not to impair the IE effect, it is necessary to design a wide distance between the p diffusion layers 41. On the other hand, in the seventh embodiment, the p diffusion layer 41 provided in the portion where the n + buffer region 25 is in contact with the n single crystal silicon substrate 29 is not a BJT collector region. Even if it is provided, the IE effect does not change. Therefore, the withstand voltage is greatly improved as compared with the conventional planar IGBT, and the trade-off between on-voltage and turn-off loss is improved.

順方向ブロッキングモード時において重要な点は、サイリスタがオン状態のときにカソードとして機能するn+バッファ領域25が完全に空乏化することである。これにより、ターンオフ時にサイリスタ動作が起こらない。つまり、n+バッファ領域25、n+拡散層42、p拡散層41およびn-ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)が空乏化することによって、それらの領域や層の本来の導電型がp型であるかn型であるかということは、デバイス特性に影響を及ぼさない。 The important point in the forward blocking mode is that the n + buffer region 25 functioning as the cathode when the thyristor is in the on state is completely depleted. This prevents thyristor operation at turn-off. That is, when the n + buffer region 25, the n + diffusion layer 42, the p diffusion layer 41, and the n drift layer (n single crystal silicon substrate 29) are depleted, the original conductivity type of these regions and layers is reduced. Whether it is p-type or n-type does not affect the device characteristics.

このようにして、MOS型サイリスタ素子に特有の可制御電流が低いという問題が解消される。なお、ターンオフ時には、p拡散層41の表面のチャネルではなく、pベース領域27内のチャネルが消失することによって、電流の供給が遮断され、ターンオフ動作が開始される。   In this way, the problem that the controllable current peculiar to the MOS type thyristor element is low is solved. At the time of turn-off, not the channel on the surface of the p diffusion layer 41 but the channel in the p base region 27 disappears, whereby the supply of current is cut off and the turn-off operation is started.

図43および図44は、それぞれ実施の形態7の構成を適用した定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBTのドーピング分布およびそれに対応するブロッキングモード時の電界分布を示す図である。これらの図から明らかなように、電界強度は、p拡散層41とn-ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)との接合部で最大となり、p拡散層41内を第1の主面に近づくに連れて弱くなる。従って、カソード領域中の電界強度が低くなり、カソード領域内でのアバランシェ降伏は起こりにくい。カソード膜24の結晶性に起因する耐圧低下が懸念される場合には、実施の形態7の構成によってカソード膜24内の電界が大きく緩和されるので、理想的な単結晶の平面接合耐圧を得ることができる。 43 and 44 are diagrams showing a doping distribution of a field stop IGBT having a rated withstand voltage of 1200 V to which the configuration of the seventh embodiment is applied and a corresponding electric field distribution in the blocking mode. As is apparent from these drawings, the electric field strength becomes maximum at the junction between the p diffusion layer 41 and the n drift layer (n single crystal silicon substrate 29), and the first main surface is formed in the p diffusion layer 41. It gets weaker as you get closer to. Therefore, the electric field strength in the cathode region is reduced, and avalanche breakdown is unlikely to occur in the cathode region. When there is a concern about a decrease in breakdown voltage due to the crystallinity of the cathode film 24, the electric field in the cathode film 24 is greatly relaxed by the configuration of the seventh embodiment, so that an ideal single crystal plane junction breakdown voltage is obtained. be able to.

実施の形態8.
図45〜図51は、実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。特に限定しないが、実施の形態8では、実施の形態7の構造を適用した定格1200V耐圧のフィールドストップ型IBGTを製造する場合について説明する。ただし、実施の形態8では、ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)とp+アノード層31との間に、フィールドストップ層として、ドリフト層よりも高不純物濃度のn+バッファ層33が形成される。
Embodiment 8 FIG.
45 to 51 are cross-sectional views for explaining the manufacturing method according to the eighth embodiment. Although not particularly limited, in the eighth embodiment, a case of manufacturing a field stop type IBGT having a rated 1200 V breakdown voltage to which the structure of the seventh embodiment is applied will be described. However, in the eighth embodiment, an n + buffer layer 33 having a higher impurity concentration than the drift layer is formed as a field stop layer between the drift layer (n single crystal silicon substrate 29) and the p + anode layer 31. Is done.

まず、実施の形態4と同様にして、n-単結晶シリコン基板29、酸化膜21およびn型のゲートポリシリコン22の積層構造を形成する(図14)。n-単結晶シリコン基板29として、例えば80Ωcmのn型FZシリコン基板を用いる。酸化膜21の厚さとゲートポリシリコン22の厚さは、実施の形態4と同じである。次いで、パターニングおよびエッチングを行って、ゲートポリシリコン22の一部を除去する。 First, in the same manner as in the fourth embodiment, a stacked structure of an n single crystal silicon substrate 29, an oxide film 21, and an n-type gate polysilicon 22 is formed (FIG. 14). As the n single crystal silicon substrate 29, for example, an 80 Ωcm n-type FZ silicon substrate is used. The thickness of oxide film 21 and the thickness of gate polysilicon 22 are the same as in the fourth embodiment. Next, patterning and etching are performed to remove a part of the gate polysilicon 22.

次いで、ゲートポリシリコン22をマスクにして自己整合的にn-単結晶シリコン基板29に、例えば1×1012cm-2のドーズ量のボロンと、例えば1×1012cm-2のドーズ量の砒素をイオン注入する。そして、例えば窒素雰囲気中で1150℃、2時間のドライブを行い、n-単結晶シリコン基板29の第1の主面側にp拡散層41とn+拡散層42を形成する(図45)。 Then, self-aligning manner n and the gate polysilicon 22 as a mask - the single crystal silicon substrate 29, for example, 1 × 10 12 cm -2 and the boron dose of, for example, 1 × 10 12 cm -2 dose of Arsenic ions are implanted. Then, for example, driving is performed at 1150 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to form the p diffusion layer 41 and the n + diffusion layer 42 on the first main surface side of the n single crystal silicon substrate 29 (FIG. 45).

これ以降、チップの完成に至るまでのプロセスは、実施の形態4と同様である。従って、これ以降のプロセスについては、実施の形態4の説明において図16、図17、図18、図19、図20および図21をそれぞれ図46、図47、図48、図49、図50および図51と読み替えるものとして、重複する説明を省略する。   Thereafter, the process up to the completion of the chip is the same as in the fourth embodiment. Accordingly, with respect to the subsequent processes, FIG. 16, FIG. 17, FIG. 18, FIG. 19, FIG. 20 and FIG. 21 in FIG. 46, FIG. 47, FIG. 48, FIG. The description which overlaps with FIG. 51 is omitted.

図52は、実施の形態8により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(実施例とする)と、従来の定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBT(従来例とする)のオン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを示す特性図である。図52に示すように、温度125℃、電流密度100A/cm2において、従来例に対して実施例の方が、トレードオフがやや向上していることが確認された。また、従来例の耐圧が1078〜1370Vであるのに対して、実施例の耐圧は1615Vであり、耐圧が大幅(+250〜+500V程度)に上昇していることが確認された。 FIG. 52 shows the on-voltage-turn-off loss of a field stop IGBT with a rated voltage of 1200 V manufactured according to the eighth embodiment (referred to as an example) and a conventional field stop IGBT with a rated voltage of 1200 V (referred to as a conventional example). It is a characteristic view which shows the trade-off of. As shown in FIG. 52, at a temperature of 125 ° C. and a current density of 100 A / cm 2 , it was confirmed that the trade-off was slightly improved in the example compared to the conventional example. Further, the withstand voltage of the conventional example is 1078 to 1370V, whereas the withstand voltage of the example is 1615V, and it was confirmed that the withstand voltage was significantly increased (about +250 to + 500V).

実施の形態8により製造された定格1200V耐圧のフィールドストップ型IGBTのブロッキングモード時の電界分布については、図44に示す通りである。電流1mA時の耐圧は1615Vである。図44に示すように、p拡散層41とn-ドリフト層(n-単結晶シリコン基板29)との接合部で電界強度が最大となる。カソード膜24と単結晶シリコン(n+拡散層42)との境界面付近の電界は、p拡散層41によって緩和される。従って、カソード膜24がポリシリコンでできている場合、ポリシリコンに由来する衝突イオン化率の上昇などの問題が発生したとしても、これを隠蔽することができる。また、隣り合うp拡散層41間の空乏層がピンチオフしているので、一次元平面接合の理想耐圧に近い耐圧が得られる。 The electric field distribution in the blocking mode of the field stop IGBT having a rated voltage of 1200 V manufactured according to the eighth embodiment is as shown in FIG. The breakdown voltage at a current of 1 mA is 1615V. As shown in FIG. 44, the electric field strength is maximized at the junction between the p diffusion layer 41 and the n drift layer (n single crystal silicon substrate 29). The electric field in the vicinity of the interface between the cathode film 24 and the single crystal silicon (n + diffusion layer 42) is relaxed by the p diffusion layer 41. Therefore, when the cathode film 24 is made of polysilicon, even if a problem such as an increase in the impact ionization rate derived from the polysilicon occurs, it can be concealed. In addition, since the depletion layer between the adjacent p diffusion layers 41 is pinched off, a breakdown voltage close to the ideal breakdown voltage of the one-dimensional planar junction can be obtained.

実施の形態9.
図53は、実施の形態9のIGBTの構成を示す要部断面斜視図である。図53に示すように、実施の形態9のIGBTは、図5に示す実施の形態2のIGBTと同様の断面構成を有する素子である。ただし、実施の形態9では、単結晶シリコン基板29の、酸化膜21の窓部において露出する部分から成長させたエピタキシャル層をカソード膜24としている。実施の形態9では、ストライプセルの上から見て、ソース領域26およびベース領域27の両方ともストライプ状に形成されている。そして、エミッタ電極30は、層間絶縁膜28に開口するコンタクトホールを介してソース領域26とベース領域27の両方に接触している。
Embodiment 9 FIG.
FIG. 53 is a cross-sectional perspective view showing a main part of the configuration of the IGBT according to the ninth embodiment. As shown in FIG. 53, the IGBT of the ninth embodiment is an element having the same cross-sectional configuration as the IGBT of the second embodiment shown in FIG. However, in the ninth embodiment, the epitaxial layer grown from the exposed portion of the window portion of the oxide film 21 of the single crystal silicon substrate 29 is used as the cathode film 24. In the ninth embodiment, when viewed from above the stripe cell, both the source region 26 and the base region 27 are formed in a stripe shape. The emitter electrode 30 is in contact with both the source region 26 and the base region 27 through a contact hole opened in the interlayer insulating film 28.

デバイス特性の向上を図るためには、微細化によってセルピッチを縮小するのが有利である。従って、ソース領域26の幅は、狭い方が望ましい。しかし、層間絶縁膜28にコンタクトホールを形成する際のパターニングにおいてマスクずれが発生すると、エミッタ電極30がソース領域26に接触しないおそれがある。その場合には、電子電流が流れないため、IGBTがオン状態にならない。これを防ぐには、マスクずれが発生してもエミッタ電極30がソース領域26に確実に接触する程度に、ソース領域26の幅を広くする必要がある。   In order to improve device characteristics, it is advantageous to reduce the cell pitch by miniaturization. Therefore, it is desirable that the width of the source region 26 is narrow. However, if mask displacement occurs in patterning when forming contact holes in the interlayer insulating film 28, the emitter electrode 30 may not contact the source region 26. In that case, since the electronic current does not flow, the IGBT is not turned on. In order to prevent this, it is necessary to increase the width of the source region 26 to such an extent that the emitter electrode 30 reliably contacts the source region 26 even if mask displacement occurs.

実施の形態10.
図54は、実施の形態10のIGBTの構成を示す要部断面斜視図である。図54に示すように、実施の形態10のIGBTは、図53に示す実施の形態9のIGBTにおいて、ストライプセルの上から見て、ソース領域26を櫛歯状に形成し、ソース領域26の一部(櫛歯の先端部分)がエミッタ電極30の下側へ伸びてエミッタ電極30と接触し、また櫛歯の歯と歯の間の部分にベース領域27が露出してエミッタ電極30と接触するようにしたものである。なお、特に限定しないが、実施の形態10は、定格1200V耐圧のノンパンチスルー型IGBTの例である。
Embodiment 10 FIG.
FIG. 54 is a cross-sectional perspective view showing a main part of the configuration of the IGBT according to the tenth embodiment. As shown in FIG. 54, the IGBT of the tenth embodiment is similar to the IGBT of the ninth embodiment shown in FIG. 53, in which the source region 26 is formed in a comb shape when viewed from above the stripe cell. A part (tip portion of the comb tooth) extends below the emitter electrode 30 and comes into contact with the emitter electrode 30, and the base region 27 is exposed at a portion between the comb teeth and comes into contact with the emitter electrode 30. It is what you do. Although not particularly limited, the tenth embodiment is an example of a non-punch through IGBT having a rated withstand voltage of 1200V.

実施の形態9のIGBTでは、実施の形態9において説明したように、ソース領域26の幅を広くする必要があるため、セルピッチを十分に小さくすることができない。そのため、十分に優れたデバイス特性が得られない可能性がある。また、エミッタ電極30に接触するベース領域27が極端に狭くなると、コンタクト抵抗が上昇して寄生サイリスタがラッチアップしやすくなるため、逆バイアス安全動作領域(RBSOA)耐量および短絡耐量が低下するおそれがある。   In the IGBT according to the ninth embodiment, as described in the ninth embodiment, since the width of the source region 26 needs to be widened, the cell pitch cannot be sufficiently reduced. Therefore, there is a possibility that sufficiently excellent device characteristics cannot be obtained. Further, if the base region 27 in contact with the emitter electrode 30 becomes extremely narrow, the contact resistance increases and the parasitic thyristor is likely to be latched up, so that the reverse bias safe operation region (RBSOA) withstand capability and the short circuit withstand capability may be reduced. is there.

それに対して、実施の形態10のIGBTでは、ソース領域26を櫛歯状に形成することによって、セルが微細寸法になっても、マスクずれ発生時にエミッタ電極30がソース領域26に確実に接触する。例えば図54に一例として示す寸法によれば、マスクが1μmずれても、エミッタ電極30がソース領域26に確実に接触するので、エミッタ電極30がソース領域26に接触しないことによるオン不能を回避することができる。また、エミッタ電極30がpベース領域27にも確実に接触するので、寄生サイリスタのラッチアップが起こりにくくなる。つまり、実施の形態10によれば、実施の形態9のIGBTの欠点を克服することができる。   On the other hand, in the IGBT of the tenth embodiment, by forming the source region 26 in a comb-like shape, the emitter electrode 30 reliably contacts the source region 26 when a mask shift occurs even if the cell has a fine size. . For example, according to the dimensions shown as an example in FIG. 54, even if the mask is displaced by 1 μm, the emitter electrode 30 is in reliable contact with the source region 26, thereby avoiding the on-impossibility due to the emitter electrode 30 not being in contact with the source region 26. be able to. In addition, since the emitter electrode 30 reliably contacts the p base region 27, the parasitic thyristor is less likely to latch up. That is, according to the tenth embodiment, the drawbacks of the IGBT of the ninth embodiment can be overcome.

実施の形態11.
図55は、実施の形態11のIGBTの構成を示す要部断面斜視図である。図55に示すように、実施の形態11のIGBTは、図53に示す実施の形態9のIGBTにおいて、ストライプセルの上から見て、ソース領域26を不連続な島状(長方形状)に形成し、ソース領域26の一部がエミッタ電極30の下側へ伸びてエミッタ電極30と接触し、またソース領域26の島と島の間の部分でベース領域27にエミッタ電極30が接触するようにしたものである。なお、特に限定しないが、実施の形態11は、定格1200V耐圧のノンパンチスルー型IGBTの例である。実施の形態11によれば、実施の形態10と同様に、実施の形態9のIGBTの欠点を克服することができる。
Embodiment 11 FIG.
FIG. 55 is a cross-sectional perspective view showing a main part of the configuration of the IGBT according to the eleventh embodiment. As shown in FIG. 55, in the IGBT of the eleventh embodiment, the source region 26 is formed in a discontinuous island shape (rectangular shape) when viewed from above the stripe cell in the IGBT of the ninth embodiment shown in FIG. Then, a part of the source region 26 extends below the emitter electrode 30 and contacts the emitter electrode 30, and the emitter electrode 30 contacts the base region 27 at a portion between the islands of the source region 26. It is a thing. Although not particularly limited, the eleventh embodiment is an example of a non-punch-through IGBT having a rated withstand voltage of 1200 V. According to the eleventh embodiment, similarly to the tenth embodiment, the drawbacks of the IGBT of the ninth embodiment can be overcome.

以上説明したように、実施の形態によれば、n-単結晶シリコン基板29よりなるドリフト層中のキャリア分布が表面偏重型になるので、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフが最適化される。その一方で、カソード領域中の電界強度の局所的なピークを抑えることによって、局所的なアバランシェ降伏が起こりにくくなり、十分な耐圧を確保することができるので、オン電圧−耐圧のトレードオフが悪化するのを防ぐことができる。また、カソード領域が酸化膜21によってドリフト層から隔てられていることによって、カソード領域の設計寸法がドリフト領域の特性に直接、寄与しないので、従来よりも微細化しなくても、トレードオフ特性は不変である。従って、低コストの製造プロセスを用いて、高良品率で、オン電圧−ターンオフ損失トレードオフおよびオン電圧−耐圧トレードオフの非常に良好なIGBTを得ることができる。 As described above, according to the embodiment, since the carrier distribution in the drift layer made of the n single crystal silicon substrate 29 is a surface-biased type, the trade-off between on-voltage and turn-off loss is optimized. On the other hand, by suppressing the local peak of the electric field strength in the cathode region, local avalanche breakdown is less likely to occur, and sufficient withstand voltage can be secured, so the on-voltage-withstand voltage trade-off deteriorates. Can be prevented. In addition, since the cathode region is separated from the drift layer by the oxide film 21, the design dimension of the cathode region does not directly contribute to the characteristics of the drift region. It is. Therefore, using a low-cost manufacturing process, it is possible to obtain an IGBT having a very good product ratio and a very good on-voltage-turn-off loss trade-off and on-voltage-withstand voltage trade-off.

以上において、本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、IGBTの耐圧クラス、各部の寸法や濃度、およびドーズ量などは一例であり、変更可能である。   As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the withstand voltage class of the IGBT, the size and concentration of each part, the dose amount, and the like are examples and can be changed.

以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、電力変換装置などに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特に、IGBTに適している。   As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for a power semiconductor device used for a power conversion device and the like, and are particularly suitable for an IGBT.

IGBTの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of IGBT. プレーナ型IGBTの要部の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the principal part of planar type IGBT. 実施の形態1のIGBTの構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of an IGBT according to a first embodiment. 図3に示す構成のIGBTのオン状態における電位分担を説明するための断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining potential sharing in the ON state of the IGBT having the configuration shown in FIG. 3. 実施の形態2のIGBTの構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a configuration of an IGBT according to a second embodiment. FIG. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態3の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the third embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fourth embodiment. 実施の形態4により製造されたIGBTの出力特性を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing output characteristics of an IGBT manufactured according to the fourth embodiment. 実施の形態4により製造されたIGBTの定常オン状態時のオン電圧分担を示す図である。It is a figure which shows on-voltage sharing at the time of the steady-on state of IGBT manufactured by Embodiment 4. FIG. 実施の形態4により製造されたIGBTのオン状態時の過剰キャリア分布を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing an excess carrier distribution in the on state of an IGBT manufactured according to the fourth embodiment. 実施の形態4により製造されたIGBTのオン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing a trade-off between an on-voltage and a turn-off loss of an IGBT manufactured according to the fourth embodiment. 実施の形態4により製造されたIGBTのブロッキングモード時の電界分布を示す図である。It is a figure which shows the electric field distribution at the time of the blocking mode of IGBT manufactured by Embodiment 4. FIG. 従来のIGBTのブロッキングモード時の電界分布を示す図である。It is a figure which shows the electric field distribution at the time of blocking mode of the conventional IGBT. 実施の形態4により製造されたIGBTのブロッキングモード時の電界分布を示す拡大図である。6 is an enlarged view showing an electric field distribution in the blocking mode of an IGBT manufactured according to Embodiment 4. FIG. 実施の形態5の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fifth embodiment. 実施の形態5の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fifth embodiment. 実施の形態5の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fifth embodiment. 実施の形態5の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fifth embodiment. 実施の形態5の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the fifth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態6の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the sixth embodiment. 実施の形態7のIGBTの構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of an IGBT according to a seventh embodiment. 実施の形態7のIGBTのドーピング分布を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an IGBT doping distribution of the seventh embodiment. 実施の形態7のIGBTのブロッキングモード時の電界分布を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing an electric field distribution in the blocking mode of the IGBT according to the seventh embodiment. 実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the eighth embodiment. 実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the eighth embodiment. 実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the eighth embodiment. 実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the eighth embodiment. 実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the eighth embodiment. 実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the eighth embodiment. 実施の形態8の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for illustrating the manufacturing method according to the eighth embodiment. 実施の形態8により製造されたIGBTのオン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing a trade-off between on-state voltage and turn-off loss of an IGBT manufactured according to the eighth embodiment. 実施の形態9のIGBTの構成を示す要部断面斜視図である。FIG. 25 is a cross-sectional perspective view of a relevant part showing a configuration of an IGBT according to a ninth embodiment. 実施の形態10のIGBTの構成を示す要部断面斜視図である。FIG. 38 is a main-portion cross-sectional perspective view showing the configuration of the IGBT according to the tenth embodiment. 実施の形態11のIGBTの構成を示す要部断面斜視図である。FIG. 38 is a main-portion cross-sectional perspective view showing the configuration of the IGBT according to the eleventh embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

21 第1の絶縁膜(酸化膜)
22 多結晶半導体領域(ゲートポリシリコン)
23 第2の絶縁膜(ゲート酸化膜)
24 第1導電型半導体膜(カソード膜)
25 第1の第1導電型半導体領域(n+バッファ領域)
26 第2の第1導電型半導体領域(n+ソース領域)
27 第1の第2導電型半導体領域(pベース領域)
28 第3の絶縁膜(層間絶縁膜)
29 第1導電型単結晶半導体基板(n-単結晶シリコン基板)
30 第1の電極(エミッタ電極)
31 第2の第2導電型半導体領域(p+アノード層)
32 第2の電極(アノード電極)
33 第3の第1導電型半導体領域(n+バッファ層)
41 第2導電型拡散層(p拡散層)
42 第1導電型拡散層(n+拡散層)



21 First insulating film (oxide film)
22 Polycrystalline semiconductor region (gate polysilicon)
23 Second insulating film (gate oxide film)
24 First conductivity type semiconductor film (cathode film)
25 1st 1st conductivity type semiconductor region (n + buffer region)
26 Second first conductivity type semiconductor region (n + source region)
27 1st 2nd conductivity type semiconductor region (p base region)
28 Third insulating film (interlayer insulating film)
29 1st conductivity type single crystal semiconductor substrate (n - single crystal silicon substrate)
30 First electrode (emitter electrode)
31 2nd 2nd conductivity type semiconductor region (p + anode layer)
32 Second electrode (anode electrode)
33 3rd 1st conductivity type semiconductor region (n + buffer layer)
41 Second conductivity type diffusion layer (p diffusion layer)
42 First conductivity type diffusion layer (n + diffusion layer)



Claims (35)

第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面を選択的に覆う第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に設けられた多結晶半導体領域と、
前記多結晶半導体領域の周囲を囲む第2の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜の窓部において前記単結晶半導体基板に接触する第1の第1導電型半導体領域と、
前記第1の絶縁膜の窓部の外側において前記第2の絶縁膜の上に設けられた第2の第1導電型半導体領域と、
前記第1の第1導電型半導体領域と前記第2の第1導電型半導体領域との間の前記第2の絶縁膜の上に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、
前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の両方に接触する第1の電極と、
前記第1の電極と前記第1の第1導電型半導体領域との間に設けられた第3の絶縁膜と、
前記単結晶半導体基板の第2の主面に沿って設けられた第2の第2導電型半導体領域と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first insulating film that selectively covers the first main surface of the first conductivity type single crystal semiconductor substrate;
A polycrystalline semiconductor region provided on the first insulating film;
A second insulating film surrounding the polycrystalline semiconductor region;
A first first-conductivity-type semiconductor region in contact with the single crystal semiconductor substrate at a window portion of the first insulating film;
A second first conductivity type semiconductor region provided on the second insulating film outside the window of the first insulating film;
A first second conductivity type semiconductor region provided on the second insulating film between the first first conductivity type semiconductor region and the second first conductivity type semiconductor region;
A first electrode in contact with both the second first conductivity type semiconductor region and the first second conductivity type semiconductor region;
A third insulating film provided between the first electrode and the first first conductivity type semiconductor region;
A second second conductivity type semiconductor region provided along the second main surface of the single crystal semiconductor substrate;
A second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
前記第1の第1導電型半導体領域は、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープされていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first first conductivity type semiconductor region is doped to a first conductivity type having a concentration higher than that of the single crystal semiconductor substrate. 前記単結晶半導体基板と前記第2の第2導電型半導体領域との間に、前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   A third first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than that of the single crystal semiconductor substrate is provided between the single crystal semiconductor substrate and the second second conductivity type semiconductor region. The semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の全部が多結晶シリコンでできていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor film comprising the first first conductivity type semiconductor region, the second first conductivity type semiconductor region, and the first second conductivity type semiconductor region is all made of polycrystalline silicon. The semiconductor device according to claim 1. 前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の一部または全部が単結晶シリコンでできていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。   Part or all of the semiconductor film formed of the first first conductivity type semiconductor region, the second first conductivity type semiconductor region, and the first second conductivity type semiconductor region is made of single crystal silicon. The semiconductor device according to claim 1, wherein: 第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面を選択的に覆う第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜の窓部において前記単結晶半導体基板に接触する第1の第1導電型半導体領域と、
前記第1の絶縁膜の窓部の外側において前記第1の絶縁膜の上に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、
前記第1の第2導電型半導体領域内に設けられた第2の第1導電型半導体領域と、
前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域を覆う第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜の上に設けられた多結晶半導体領域と、
前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の両方に接触する第1の電極と、
前記第1の電極と前記多結晶半導体領域との間に設けられた第3の絶縁膜と、
前記単結晶半導体基板の第2の主面に沿って設けられた第2の第2導電型半導体領域と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first insulating film that selectively covers the first main surface of the first conductivity type single crystal semiconductor substrate;
A first first-conductivity-type semiconductor region in contact with the single crystal semiconductor substrate at a window portion of the first insulating film;
A first second conductivity type semiconductor region provided on the first insulating film outside the window portion of the first insulating film;
A second first conductivity type semiconductor region provided in the first second conductivity type semiconductor region;
A second insulating film covering the first first conductivity type semiconductor region, the second first conductivity type semiconductor region, and the first second conductivity type semiconductor region;
A polycrystalline semiconductor region provided on the second insulating film;
A first electrode in contact with both the second first conductivity type semiconductor region and the first second conductivity type semiconductor region;
A third insulating film provided between the first electrode and the polycrystalline semiconductor region;
A second second conductivity type semiconductor region provided along the second main surface of the single crystal semiconductor substrate;
A second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
前記第1の第1導電型半導体領域は、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープされていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the first first conductivity type semiconductor region is doped with a first conductivity type having a higher concentration than the single crystal semiconductor substrate. 前記単結晶半導体基板と前記第2の第2導電型半導体領域との間に、前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域が設けられていることを特徴とする請求項6または7に記載の半導体装置。   A third first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than that of the single crystal semiconductor substrate is provided between the single crystal semiconductor substrate and the second second conductivity type semiconductor region. The semiconductor device according to claim 6 or 7. 前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の全部が多結晶シリコンでできていることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor film comprising the first first conductivity type semiconductor region, the second first conductivity type semiconductor region, and the first second conductivity type semiconductor region is all made of polycrystalline silicon. The semiconductor device as described in any one of Claims 6-8. 前記第1の第1導電型半導体領域、前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域よりなる半導体膜の一部または全部が単結晶シリコンでできていることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一つに記載の半導体装置。   Part or all of the semiconductor film formed of the first first conductivity type semiconductor region, the second first conductivity type semiconductor region, and the first second conductivity type semiconductor region is made of single crystal silicon. The semiconductor device according to claim 6, wherein: 第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面の下に選択的に埋め込まれた第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜と前記第1の主面との間に設けられた第1の第2導電型半導体領域と、
前記第1の第2導電型半導体領域内に設けられた第1導電型半導体領域と、
前記第1の主面の、前記第1の絶縁膜が埋め込まれていない領域上の部分を覆う第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜の上に設けられた多結晶半導体領域と、
前記第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の両方に接触する第1の電極と、
前記第1の電極と前記多結晶半導体領域との間に設けられた第3の絶縁膜と、
前記単結晶半導体基板の第2の主面に沿って設けられた第2の第2導電型半導体領域と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first insulating film selectively embedded below the first main surface of the first conductivity type single crystal semiconductor substrate;
A first second conductivity type semiconductor region provided between the first insulating film and the first main surface;
A first conductivity type semiconductor region provided in the first second conductivity type semiconductor region;
A second insulating film covering a portion of the first main surface on a region where the first insulating film is not embedded;
A polycrystalline semiconductor region provided on the second insulating film;
A first electrode that contacts both the first conductive semiconductor region and the first second conductive semiconductor region;
A third insulating film provided between the first electrode and the polycrystalline semiconductor region;
A second second conductivity type semiconductor region provided along the second main surface of the single crystal semiconductor substrate;
A second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
前記単結晶半導体基板と前記第2の第2導電型半導体領域との間に、前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第2の第1導電型半導体領域が設けられていることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。   A second first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the single crystal semiconductor substrate is provided between the single crystal semiconductor substrate and the second second conductivity type semiconductor region. The semiconductor device according to claim 11. 第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面上に第1の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成する第1の工程と、
前記多結晶半導体膜の一部を除去して窓部を形成する第2の工程と、
前記多結晶半導体膜の露出部分を覆う第2の絶縁膜を形成した後、前記窓部において前記単結晶半導体基板の一部を露出させる第3の工程と、
前記単結晶半導体基板の、前記窓部において露出した部分、および前記第2の絶縁膜の上に第1導電型半導体膜を積層する第4の工程と、
前記第1導電型半導体膜の、前記単結晶半導体基板と接触する第1の第1導電型半導体領域の隣に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域を挟んで前記第1の第1導電型半導体領域の反対側に第2の第1導電型半導体領域を形成する第5の工程と、
前記第1の第1導電型半導体領域、前記第1の第2導電型半導体領域および前記第2の第1導電型半導体領域の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させる第6の工程と、
前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成した後に、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第7の工程と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第8の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first step of sequentially forming a first insulating film and a polycrystalline semiconductor film on a first main surface of a first conductivity type single crystal semiconductor substrate;
A second step of removing a part of the polycrystalline semiconductor film to form a window;
A third step of exposing a part of the single crystal semiconductor substrate in the window after forming a second insulating film covering the exposed portion of the polycrystalline semiconductor film;
A fourth step of laminating a first conductivity type semiconductor film on the exposed portion of the window portion of the single crystal semiconductor substrate and the second insulating film;
A first second conductivity type semiconductor region is formed in the first conductivity type semiconductor film adjacent to the first first conductivity type semiconductor region in contact with the single crystal semiconductor substrate, and the first second conductivity type is further formed. A fifth step of forming a second first conductivity type semiconductor region on the opposite side of the first first conductivity type semiconductor region across the type semiconductor region;
A third insulating film is laminated on the first first conductive semiconductor region, the first second conductive semiconductor region, and the second first conductive semiconductor region, and the third insulating film A sixth step of opening a contact hole to expose a portion of the second first conductive semiconductor region and the first second conductive semiconductor region;
A first electrode that contacts the second first conductive semiconductor region and a part of the first second conductive semiconductor region through the contact hole is formed on the third insulating film. A seventh step of grinding a second main surface of the single crystal semiconductor substrate and forming a second second conductivity type semiconductor region along the ground surface;
An eighth step of forming a second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第4の工程において、前記第1導電型半導体膜を、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープすることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。   14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein in the fourth step, the first conductive semiconductor film is doped to a first conductive type having a higher concentration than the single crystal semiconductor substrate. 前記第7の工程において、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成することを特徴とする請求項13または14に記載の半導体装置の製造方法。   In the seventh step, after the second main surface of the single crystal semiconductor substrate is ground, a third first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the single crystal semiconductor substrate is formed along the ground surface. 15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the semiconductor device is formed deeper than the second second conductivity type semiconductor region. 前記第1導電型半導体膜を多結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項13〜15のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the first conductive semiconductor film is formed of polycrystalline silicon. 前記第1導電型半導体膜の一部または全部を単結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項13〜15のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。   16. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein a part or all of the first conductive semiconductor film is formed of single crystal silicon. 第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面上に第1の絶縁膜を形成する第1の工程と、
前記第1の絶縁膜の一部を除去して窓部を形成する第2の工程と、
前記第1の絶縁膜および前記単結晶半導体基板の、前記窓部において露出した部分の上に第1導電型半導体膜を積層する第3の工程と、
前記第1導電型半導体膜の上に第2の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成する第4の工程と、
前記多結晶半導体膜の一部を除去して、前記第1導電型半導体膜の、前記単結晶半導体基板と接触する第1の第1導電型半導体領域の上の部分に前記多結晶半導体膜を残し、前記第1導電型半導体膜の、前記第1の絶縁膜と前記第1の主面との間に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域内に第2の第1導電型半導体領域を形成する第5の工程と、
前記多結晶半導体膜の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させ、前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成する第6の工程と、
前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第7の工程と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第8の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first step of forming a first insulating film on the first main surface of the first conductivity type single crystal semiconductor substrate;
A second step of removing a part of the first insulating film to form a window;
A third step of laminating a first conductive type semiconductor film on the exposed portion of the first insulating film and the single crystal semiconductor substrate in the window;
A fourth step of sequentially forming a second insulating film and a polycrystalline semiconductor film on the first conductive type semiconductor film;
A portion of the polycrystalline semiconductor film is removed, and the polycrystalline semiconductor film is formed on a portion of the first conductive semiconductor film above the first first conductive semiconductor region in contact with the single crystal semiconductor substrate. A first second conductivity type semiconductor region is formed between the first insulating film and the first main surface of the first conductivity type semiconductor film, and the first second conductivity type is further formed. A fifth step of forming a second first conductivity type semiconductor region in the semiconductor region;
A third insulating film is stacked on the polycrystalline semiconductor film, a contact hole is opened in the third insulating film, and the second first conductivity type semiconductor region and the first second conductivity type semiconductor are formed. A part of the region is exposed, and a part of the second first conductive type semiconductor region and a part of the first second conductive type semiconductor region are contacted on the third insulating film through the contact hole. A sixth step of forming a first electrode to be performed;
A seventh step of grinding a second main surface of the single crystal semiconductor substrate and forming a second second conductivity type semiconductor region along the ground surface;
An eighth step of forming a second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第3の工程において、前記第1導電型半導体膜を、前記単結晶半導体基板よりも高濃度の第1導電型にドープすることを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。   19. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein in the third step, the first conductivity type semiconductor film is doped to a first conductivity type having a concentration higher than that of the single crystal semiconductor substrate. 前記第7の工程において、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成することを特徴とする請求項18または19に記載の半導体装置の製造方法。   In the seventh step, after the second main surface of the single crystal semiconductor substrate is ground, a third first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the single crystal semiconductor substrate is formed along the ground surface. 20. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein the semiconductor device is formed deeper than the second second conductivity type semiconductor region. 前記第1導電型半導体膜を多結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項18〜20のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。   21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein the first conductive semiconductor film is formed of polycrystalline silicon. 前記第1導電型半導体膜の一部または全部を単結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項18〜20のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。   21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein a part or all of the first conductive type semiconductor film is formed of single crystal silicon. 前記第1導電型半導体膜をエピタキシャル成長法により形成することを特徴とする請求項22に記載の半導体装置の製造方法。   23. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 22, wherein the first conductivity type semiconductor film is formed by an epitaxial growth method. 第1導電型単結晶半導体基板の第1の主面の下に選択的に第1の絶縁膜を埋め込む第1の工程と、
前記第1の主面上に第2の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成し、該多結晶半導体膜および前記第2の絶縁膜の一部を除去して、前記第1の絶縁膜が埋め込まれていない領域上の部分に前記多結晶半導体膜および前記第2の絶縁膜を残す第2の工程と、
前記第1の絶縁膜と前記第1の主面との間に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域内に第1導電型半導体領域を形成する第3の工程と、
前記多結晶半導体膜の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させる第4の工程と、
前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成した後に、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第5の工程と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第6の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first step of selectively embedding a first insulating film under the first main surface of the first conductivity type single crystal semiconductor substrate;
A second insulating film and a polycrystalline semiconductor film are sequentially formed on the first main surface, a part of the polycrystalline semiconductor film and the second insulating film is removed, and the first insulating film is A second step of leaving the polycrystalline semiconductor film and the second insulating film in a portion on a region not buried;
A first second conductivity type semiconductor region is formed between the first insulating film and the first main surface, and a first conductivity type semiconductor region is further formed in the first second conductivity type semiconductor region. A third step of forming;
A third insulating film is stacked on the polycrystalline semiconductor film, and a contact hole is opened in the third insulating film to form one of the first conductive type semiconductor region and the first second conductive type semiconductor region. A fourth step of exposing the part;
Forming a first electrode in contact with a part of the first conductive type semiconductor region and the first second conductive type semiconductor region through the contact hole on the third insulating film; A fifth step of grinding a second main surface of the single crystal semiconductor substrate and forming a second second conductivity type semiconductor region along the ground surface;
A sixth step of forming a second electrode in contact with the second second conductivity type semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第5の工程において、前記単結晶半導体基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記単結晶半導体基板よりも高不純物濃度の第2の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成することを特徴とする請求項24に記載の半導体装置の製造方法。   In the fifth step, after the second main surface of the single crystal semiconductor substrate is ground, the second first conductivity type semiconductor region having a higher impurity concentration than the single crystal semiconductor substrate is formed along the ground surface. 25. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 24, wherein the semiconductor device is formed deeper than the second second conductivity type semiconductor region. 前記第1の工程において、前記第1の絶縁膜を形成するために、前記単結晶半導体基板に選択的に酸素イオンを注入することを特徴とする請求項24または25に記載の半導体装置の製造方法。   26. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 24, wherein in the first step, oxygen ions are selectively implanted into the single crystal semiconductor substrate in order to form the first insulating film. Method. 前記第1の工程において、前記単結晶半導体基板に酸素イオンを注入した後、1000℃以上の温度でアニールすることにより前記第1の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項26に記載の半導体装置の製造方法。   27. The first insulating film according to claim 26, wherein, in the first step, oxygen ions are implanted into the single crystal semiconductor substrate, and then the first insulating film is formed by annealing at a temperature of 1000 ° C. or higher. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記単結晶半導体基板の、前記第1の絶縁膜の窓部において前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に第2導電型拡散層がセルごとに独立して設けられていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の半導体装置。   A second conductivity type diffusion layer is independently provided for each cell in a portion of the single crystal semiconductor substrate where the first first conductivity type semiconductor region is in contact with the window portion of the first insulating film. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device. 順電圧阻止時の印加電圧が、素子内のいずれの部分においてもアバランシェ降伏が発生しない範囲内の電圧であるときに、前記第2導電型拡散層が完全に空乏化することを特徴とする請求項28に記載の半導体装置。   The second conductivity type diffusion layer is completely depleted when an applied voltage at the time of forward voltage blocking is a voltage within a range in which no avalanche breakdown occurs in any part of the element. Item 29. The semiconductor device according to Item 28. 前記第2導電型拡散層内の、前記第1の絶縁膜の窓部において前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に第1導電型拡散層が設けられていることを特徴とする請求項28または29に記載の半導体装置。   In the second conductivity type diffusion layer, a first conductivity type diffusion layer is provided at a portion where the first first conductivity type semiconductor region is in contact with the window portion of the first insulating film. 30. The semiconductor device according to claim 28 or 29. 順電圧阻止時の印加電圧が、素子内のいずれの部分においてもアバランシェ降伏が発生しない範囲内の電圧であるときに、前記第1導電型拡散層が完全に空乏化することを特徴とする請求項30に記載の半導体装置。   The first conductivity type diffusion layer is completely depleted when an applied voltage at the time of forward voltage blocking is a voltage within a range in which no avalanche breakdown occurs in any part of the element. Item 30. The semiconductor device according to Item 30. 前記第1導電型拡散層が前記多結晶半導体領域の下まで伸びていることを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。   32. The semiconductor device according to claim 31, wherein the first conductivity type diffusion layer extends below the polycrystalline semiconductor region. 前記第2の工程と前記第3の工程の間に、前記多結晶半導体膜の窓部からイオン注入を行って、前記単結晶半導体基板の、前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に自己整合的に第2導電型拡散層をセルごとに独立して形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項13〜17のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。   A portion where the first first-conductivity-type semiconductor region is in contact with the single-crystal semiconductor substrate by performing ion implantation from the window of the polycrystalline semiconductor film between the second step and the third step. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, further comprising a step of independently forming the second conductivity type diffusion layer for each cell in a self-aligning manner. 前記第2の工程と前記第3の工程の間に、前記第1の絶縁膜の窓部からイオン注入を行って、前記単結晶半導体基板の、前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に自己整合的に第2導電型拡散層をセルごとに独立して形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項18〜23のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。   Between the second step and the third step, ion implantation is performed from the window portion of the first insulating film so that the first first-conductivity-type semiconductor region of the single crystal semiconductor substrate is in contact 24. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, further comprising a step of independently forming a second conductivity type diffusion layer for each cell in a self-aligned manner with respect to the portion. 前記第2導電型拡散層を形成する際に、同第2導電型拡散層内の、前記第1の第1導電型半導体領域が接する部分に第1導電型拡散層を形成することを特徴とする請求項33または34に記載の半導体装置の製造方法。

When forming the second conductivity type diffusion layer, the first conductivity type diffusion layer is formed in a portion of the second conductivity type diffusion layer in contact with the first first conductivity type semiconductor region. 35. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 33 or 34.

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