JP2007134421A - Vertical semiconductor device such as power mosfet and igbt, and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は耐圧を向上させたパワーMOSFET又はIGBTなどの半導体装置の構造とその製造方法に関する。 The present invention relates to a structure of a semiconductor device such as a power MOSFET or IGBT having improved breakdown voltage and a method for manufacturing the same.
従来のこの種の技術としては特許文献1に耐圧向上に関する技術が開示されている。
段落(0008)に、「図1(本書面の図5)は、本発明に係わる高耐圧MOSトランジスタの構成断面図である。この例においては、N形の横型MOSトランジスタを例示する。図において、11はP形基板、26はこの基板上に設けたドレイン・ドリフト領域層で、N形のエピタキシャル層を積み上げて形成してある。12はドレイン・ドリフト領域層26上に設けた素子間分離のための酸化膜で、例えば1μm程度の厚さのLOCOS(Local Oxidation of Silicon)で形成される。18は層間膜(絶縁膜)で、酸化膜12上に形成してある。なお、ドレイン・ドリフト領域層26は、エピタキシャル層を積み上げて形成する場合の外に、拡散層により形成してもよい」の記述がある。
段落(0009)に、「14は基板上11に形成したソース電極、16はドレイン電極、17はソース電極14とドレイン電極16との間に配置されたゲート電極である。高耐圧MOSトランジスタの特徴として、ドレイン電極16が、ソース電極14,ゲート電極17から離れて配置されている。ここで、ゲート電極17とドレイン電極16との間をドレイン・ドリフト領域と呼んでいる。高耐圧MOSトランジスタが、高い電圧を吸収できるのは、このドレイン・ドリフト領域層に伸びる空乏層によるものである」。
段落(0011)に、「27a,27b,27cは、本発明で特徴としているドレイン・ドリフト領域層26の表面に設けた島状の浅いP層(基板11がN形であればN層)で、少なくとも2以上に分割(この例では3分割)して配置してある。ここで、島状の浅いP層27は、例えば、濃度1×1016(/cm3)深さ1μmとしてある。なお、ドレイン・ドリフト領域層26の濃度2×1015(/cm3)厚さ4μm、ドレイン電極とソース電極との間の長さ(ドレイン・ドリフト領域)は50μm程度としてある」。
段落(0012)に、「図2(本書面の図7)のドレイン電極16とソース電極14との間に高電圧を印加した時の電界分布を示す図で、P層を構成した場合を対比して示している。」
段落(0013)に、「(b)図では、ゲート電極17の直下、ドレイン電極16の直下の2カ所において電界が集中している。これに対して、(a)図に示す本発明の構造の場合は、分割した各浅いP層27a,27b,27cの間において、電位が入り込むために4カ所において電界が集中し、4つのピークが表れている。これにより、電界集中が分散されることとなり、ドレイン電圧がより高い電圧まで耐えうるようになって、耐圧を向上させることができる」。
段落(0014)に、「ドレイン・ドリフト領域層26の表面に浅いP層を設けることによる効果を説明する。高耐圧MOSトランジスタのオン抵抗は、ドレイン・ドリフト領域層の抵抗で決まる」。段落(0015)に、「MOSトランジスタのオン抵抗を下げるためには、エピタキシャル濃度Nエピを濃く(大きく)すればよいが、これを濃くするとドレイン・ドリフト領域層内の空乏層の伸びが悪くなり、耐圧が落ちてしまう。ドレイン・ドリフト領域層の表面に浅いP層を設けると、ドレイン・ドリフト領域層内の空乏層は伸びやすくなり、エピタキシャル濃度Nエピを濃くしても、高耐圧を吸収することができるのである」と記載されている。
As a conventional technique of this type,
In paragraph (0008), “FIG. 1 (FIG. 5 of this document) is a cross-sectional view of a high voltage MOS transistor according to the present invention. In this example, an N-type lateral MOS transistor is illustrated. , 11 is a P-type substrate, 26 is a drain / drift region layer provided on this substrate, and is formed by stacking N-type epitaxial layers, and 12 is an element isolation provided on the drain / drift region layer 26. For example, the oxide film is formed of LOCOS (Local Oxidation of Silicon) having a thickness of about 1 μm, and 18 is an interlayer film (insulating film) formed on the
In paragraph (0009), “14 is a source electrode formed on the
In paragraph (0011), “27a, 27b, 27c are island-like shallow P layers (N layers if the
Paragraph (0012) is a diagram showing the electric field distribution when a high voltage is applied between the drain electrode 16 and the source electrode 14 in FIG. 2 (FIG. 7 in this document), and contrasts with the case where the P layer is configured. Is shown. "
In the paragraph (0013), “In FIG. (B), the electric field is concentrated at two locations immediately below the gate electrode 17 and immediately below the drain electrode 16. On the other hand, the structure of the present invention shown in FIG. In the case of (1), the electric field is concentrated at four locations because the potential enters between the divided
In paragraph (0014), “the effect of providing a shallow P layer on the surface of the drain / drift region layer 26 will be described. The on-resistance of the high voltage MOS transistor is determined by the resistance of the drain / drift region layer”. In paragraph (0015), “In order to lower the on-resistance of the MOS transistor, the epitaxial concentration Nepi should be increased (increased), but if this is increased, the depletion layer in the drain / drift region layer will not be elongated. When a shallow P layer is provided on the surface of the drain / drift region layer, the depletion layer in the drain / drift region layer is easily extended, and even if the epitaxial concentration N epi is increased, high breakdown voltage is absorbed. It can be done ".
段落(0020)に、「図5(本書面には示さず)は、本発明に係わる高耐圧MOSトランジスタの製造方法の一例を示す図である。ここでは、本発明において特徴としている、ドレイン・ドリフト領域層の表面に島状のP層を形成する工程より後の工程を示している。(a)は、酸化膜(LOCOS)12にゲート電極17を形成した状態を示している。この状態において、酸化膜(LOCOS)12およびゲート電極17上にマスクとなるフォト・レジスト膜31を施し、(b)に示すように、島状の浅いP層を形成する位置に対応するフォト・レジスト膜部分を除去する。フォト・レジスト膜31の厚さは、高エネルギーのイオン注入に耐え得る程度厚く、例えば、通常より3倍程度の厚さとしてある」
段落(0021)に、「(c)に示すように、フォト・レジスト膜の上部よりボロン・イオンをドレイン・ドリフト領域層26に注入する。ここでのイオン注入は、酸化膜12を介して行われるので高エネルギー注入となる。続いて、フォト・レジスト膜31を除去すると共に、アニールにより、ドレイン・ドリフト領域層26の表面に形成される島状のP層27が所定の深さ(例えば、1μm)に入るように調整する」と記載されている。
In paragraph (0020), “FIG. 5 (not shown in this document) is a diagram showing an example of a method of manufacturing a high voltage MOS transistor according to the present invention. A process after the process of forming the island-shaped P layer on the surface of the drift region layer is shown, (a) shows a state where the gate electrode 17 is formed on the oxide film (LOCOS) 12. 5A, a photoresist film 31 serving as a mask is applied on the oxide film (LOCOS) 12 and the gate electrode 17, and a photoresist film corresponding to a position where an island-shaped shallow P layer is formed as shown in FIG. The thickness of the photo resist film 31 is thick enough to withstand high energy ion implantation, for example, about three times as thick as usual. "
In the paragraph (0021), “as shown in (c), boron ions are implanted into the drain / drift region layer 26 from the upper part of the photo resist film. The ion implantation is performed through the
段落(0021)に、「(c)に示すように、フォト・レジスト膜の上部よりボロン・イオンをドレイン・ドリフト領域層26に注入する。ここでのイオン注入は、酸化膜12を介して行われるので高エネルギー注入となる。」と記述されているように、イオン注入をするための高エネルギー注入設備を導入することが前提とされている。安価に製品を完成させる為に、新しく高エネルギー注入設備を導入する事なく、耐圧を改善する技術を確立する製造方法と半導体装置の構造創出が課題である。
In the paragraph (0021), “as shown in (c), boron ions are implanted into the drain / drift region layer 26 from the upper part of the photo resist film. The ion implantation is performed through the
イオン注入の設備導入しなければ出来ないような生産工程を不要とし、マスク形状のみ修正することで、他は従来の製作工程でよい半導体装置の実現を以下に述べる構造で可能とした。請求項1に関しては、pnpn基本構成のIGBTに適応される場合の技術として、アノード電極、高濃度第1導電型(p+型)半導体のアノード層、第2導電型(n-型)半導体のドリフト層、高濃度第1導電型(p+型)半導体のカソード領域の順で積層され、該カソード領域を除く前記ドリフト層にゲート酸化膜を介してストライプ構造またはメッシュ構造にゲート配線が選択的に形成される縦型半導体装置において、ゲート配線直下の第2導電型(n-型)半導体の前記ドリフト層内に第1導電型(p-型)半導体または高濃度第1導電型(p+型)半導体の耐圧維持用拡散層をアイランド状に配置し、耐圧を向上させたことを特徴とする縦型半導体装置とした。 By eliminating the production process that would otherwise be possible without introducing ion implantation equipment, and modifying only the mask shape, the semiconductor device that can be used in the conventional manufacturing process can be realized with the structure described below. With respect to claim 1, as a technique applied to an IGBT having a basic structure of pnpn, an anode electrode, an anode layer of a high-concentration first conductivity type (p + type) semiconductor, a drift of a second conductivity type (n− type) semiconductor The layers are stacked in the order of the cathode region of the high-concentration first conductivity type (p + type) semiconductor, and the gate wiring is selectively formed in the stripe structure or the mesh structure through the gate oxide film on the drift layer excluding the cathode region. In the vertical semiconductor device, the first conductivity type (p− type) semiconductor or the high concentration first conductivity type (p + type) semiconductor is provided in the drift layer of the second conductivity type (n− type) semiconductor immediately below the gate wiring. A vertical semiconductor device characterized in that the withstand voltage diffusion layer is arranged in an island shape to improve the withstand voltage.
請求項2に関しては、MOSFETに適応される場合であり、
ドレイン電極、高濃度第1導電型(p+型)半導体のドレイン層、第2導電型(n-型)半導体のドリフト層、高濃度第1導電型(p+型)半導体のソース領域の順で積層され、該ソース領域を除く前記ドリフト層に、ゲート酸化膜を介してストライプ構造またはメッシュ構造にゲート配線が選択的に形成される縦型半導体装置において、ゲート配線直下の第2導電型(n-型)半導体の前記ドリフト層内に第1導電型(p-型)半導体または高濃度第1導電型(p+型)半導体の耐圧維持用拡散層をアイランド状に配置し、耐圧を向上させたことを特徴とする縦型半導体装置とした。
With respect to
The drain electrode, the drain layer of the high-concentration first conductivity type (p + -type) semiconductor, the drift layer of the second conductivity type (n − -type) semiconductor, and the source region of the high-concentration first conductivity type (p + -type) semiconductor In a vertical semiconductor device in which gate wiring is selectively formed in a stripe structure or mesh structure on the drift layer excluding the source region via a gate oxide film, the second conductivity type (n -Diffusion layer for maintaining the breakdown voltage of the first conductivity type (p-type) semiconductor or the high-concentration first conductivity type (p + type) semiconductor is arranged in an island shape in the drift layer of the semiconductor to improve the breakdown voltage. The vertical semiconductor device is characterized by this.
請求項3に関しては、アイランド状に配置された耐圧維持用拡散層が、セル間の間隔寸法以下の寸法間隔で配置されたアイランド状拡散層である、請求項1乃至2記載の縦型半導体装置とした。
3. The vertical semiconductor device according to
請求項4の場合では、前記アイランド状に配置された耐圧維持用拡散層は、アイランド同士が接近し一体化して一平面として配置された、第1導電型半導体の耐圧維持用拡散層である、請求項1乃至3記載の縦型半導体装置とした。
In the case of claim 4, the withstand voltage maintaining diffusion layer arranged in the shape of an island is a withstand voltage maintaining diffusion layer of the first conductivity type semiconductor, which is arranged as one plane with the islands approaching and integrated. A vertical semiconductor device according to
請求項5の場合では、
アイランド状に配置された耐圧維持用拡散層の形成には、ソース領域を拡散工程で同時に拡散される様に修正したマスクを用いる他は、新たな工程を追加する必要がない、耐圧維持用拡散層の形成方法である請求項1乃至4記載の構造の縦型半導体装置の製造方法とした。
In the case of
In order to form a breakdown voltage maintaining diffusion layer arranged in an island shape, there is no need to add a new process other than using a mask modified so that the source region is simultaneously diffused in the diffusion process. 5. A method of manufacturing a vertical semiconductor device having a structure according to
ソース領域形成のマスクを修正して、アイランド状に耐圧維持用拡散層を、ソース形成と同一工程で拡散して形成し、ドリフト層のソース電極方向へ向かう空乏層の伸びを抑制し、電界集中により耐圧低下するのを抑制し、耐圧を向上させた。その為、耐圧向上の為のマスク修正以外は、製作工程が従来のままでよいから、製造上コントロールを厳密にするため高価についていた高エネルギーイオン注入工程を追加すること無く、目的としていた600V級の耐圧が達成できた。 The mask for forming the source region is modified to form a breakdown voltage maintaining diffusion layer in the form of islands by diffusing in the same process as the source formation, suppressing the expansion of the depletion layer toward the source electrode of the drift layer, and electric field concentration As a result, the pressure drop was suppressed and the pressure resistance was improved. For this reason, the manufacturing process can remain the same except for mask correction for improving the breakdown voltage. Therefore, the target 600V class has been achieved without adding the high-energy ion implantation process which has been expensive in order to tighten the control in manufacturing. The pressure resistance was achieved.
図1と図3に於いて本発明の一実施形態における装置の構造を説明するとドレイン電極1、高濃度第1導電型半導体のドレイン層2、第2導電型半導体のドリフト層3、高濃度第1導電型半導体のソース領域5の順で積層され、ソース領域形成と同時工程で第1導電型半導体または高濃度第1導電型半導体の耐圧維持用拡散層8をドリフト層にアイランド状に設けた。該ソース領域5を除く前記ドリフト層3にゲート酸化膜7を介してストライプ構造またはメッシュ構造にゲート配線6が選択的に形成され、その結果、ゲート配線6の直下に前記耐圧維持用拡散層8がアイランド状に配置されることを特徴とする半導体装置とした。9はゲート電極(図3)であり、10はソース電極、13は層間絶縁層である。この半導体装置がOFF動作するのは、p+型ドレイン層2とn-型ドリフト層の接合面に空乏層11が出来るからである。ドレイン層2の他方の主面にドレイン電極1を形成して半導体装置を完成する。
1 and 3, the structure of an apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. The
空乏層11を平坦にするために、第2導電型半導体のドリフト層3の内部に第1導電型半導体または高濃度第1導電型半導体の耐圧維持用拡散層8を、間隔Gをセル間隔以下に保ちながらアイランド状に設けて耐圧向上が実測された。その一例はセル間隔寸法が30μmの場合に、耐圧維持用拡散層のアイランド間寸法を15μmとした場合においては、図4に示すように耐圧600Vとなった。これは耐圧維持用拡散層8を形成しない場合の図6に示した耐圧250Vの約2.4倍である。
図3(a)の点線で描いた空乏層の伸びが、図3(b)の場合に比べて大きい場合を示した、耐圧維持用拡散層8が結果的に広い間隔で配置される従来の半導体装置では、空乏層11が平坦に分布せずに図3(a)の点線のようにソース方向に伸びてくるので等電位面が独立峰の形状になる、この為、矢印のように局部的に電界が集中し、耐圧が低下する要因であるとの知見を得た。図3(b)に点線で描いた空乏層の伸びが前記より小さい場合を示した、耐圧維持用拡散層8が前記より狭い間隔で配置されるこの場合では、点線で描いた空乏層11が平坦に近づくので、耐圧が低下する要因が抑制されて耐圧改善に寄与している。
In order to flatten the
FIG. 3A shows a conventional example in which the breakdown voltage maintaining
電界集中による絶縁破壊に関しては「耐圧設計は、電界を局部的に集中させないように、一様な電界分布するように設計すること」が基本である。 Regarding dielectric breakdown due to electric field concentration, “basic voltage design is to design a uniform electric field distribution so that the electric field is not concentrated locally”.
図2に於いて本発明の第二の実施形態における装置の構造を説明すると、ドレイン電極1、高濃度第1導電型(p+型)半導体のドレイン層2、第2導電型(n-型)半導体のドリフト層3、高濃度第1導電型(p+型)半導体のソース領域5の順で積層され、該ソース領域を除く前記ドリフト層3にゲート酸化膜7を介してストライプ構造またはメッシュ構造にゲート配線6が選択的に形成され、ゲート配線6の直下の第2導電型(n-型)半導体のドリフト層3の内部に、結果的に、第1導電型(p-型)半導体または高濃度第1導電型(p+型)半導体の耐圧維持用拡散層8をアイランド状に配置する半導体装置とした。10はソース電極、11は空乏層で、13は層間絶縁膜である。ドレイン層2の他方の主面にドレイン電極1を形成して半導体装置を完成する。
The structure of the device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2. The
アイランド状に配置された耐圧維持用拡散層8は、セル間の間隔寸法以下の寸法間隔で配置されたアイランド状拡散層である縦型半導体装置とした。
The breakdown voltage maintaining
前記アイランド状に配置された耐圧維持用拡散層8は、例えば、ポリシリコンウインドウの(穴あけ寸法最小ルール5ミクロン)とし(拡散マスクの穴間隔4ミクロン)として拡散層を形成した結果、アイランド同士が接近し一体化し一平面として配置された、第1導電型(p-型)半導体の耐圧維持用拡散層である縦型半導体装置とした。
The breakdown voltage maintaining
アイランド状に配置された耐圧維持用拡散層8は、その厚さ寸法が1〜3μmの寸法に形成された拡散層である縦型半導体装置とした。図4は、本発明による実施の形態による電圧・電流特性図である。図4のグラフから分かるように耐圧600Vであることが分かる。
The breakdown voltage maintaining
アイランド状に配置された耐圧維持用拡散層8は、ソース領域5を拡散で形成する工程と同時に拡散される様に修正したマスクを用い、新工程を追加する必要がない、縦型半導体装置の製造方法とした。
The breakdown voltage maintaining
特許文献1で開示された従来のような工程の複雑さを排除し、マスクの修正のみで他は従来と同じ工程で製作できるので安価に提供できるので産業上に貢献度が高い。
The complexity of the conventional process disclosed in
1 ドレイン電極
2 ドレイン層
3 ドリフト層
4 空乏層
5 ソース領域
6 ゲート配線(導体)
7 ゲート酸化膜
8 耐圧維持用拡散層
9 ゲート電極
10 ソース電極
11 P型基板
12 酸化膜
13 層間絶縁膜
14 ソース電極
16 ドレイン電極
17 ゲート電極
18 層間膜
26 ドレイン・ドリフト領域層
27a 島状の浅いP層
27b 島状の浅いP層
27c 島状の浅いP層
G 間隔
1
7
Claims (5)
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