JP2007157861A - Mos semiconductor device - Google Patents

Mos semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2007157861A
JP2007157861A JP2005348600A JP2005348600A JP2007157861A JP 2007157861 A JP2007157861 A JP 2007157861A JP 2005348600 A JP2005348600 A JP 2005348600A JP 2005348600 A JP2005348600 A JP 2005348600A JP 2007157861 A JP2007157861 A JP 2007157861A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
semiconductor device
mos
opening
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2005348600A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5040106B2 (en
Inventor
Tatsuya Naito
達也 内藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Holdings Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Holdings Ltd filed Critical Fuji Electric Holdings Ltd
Priority to JP2005348600A priority Critical patent/JP5040106B2/en
Publication of JP2007157861A publication Critical patent/JP2007157861A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5040106B2 publication Critical patent/JP5040106B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MOS semiconductor device capable of improving the trade-off relationship of an on-state voltage and a turn-off loss without a trench MOS gate structure, and capable of preventing the lowering of a latch-up resistance. <P>SOLUTION: In the MOS semiconductor device, a substrate insulating film with first and second openings and one conductive semiconductor deposit film are formed on one conductive semiconductor substrate. In the semiconductor device; the semiconductor deposit film has the other conductive base region, one conductive emitter region, a first buffer region brought into contact with the substrate in the first opening section, and a second buffer region positioned on the reverse side and brought into contact with the substrate in the second opening section. In the semiconductor device, a gate electrode film and an inter-layer insulating film are formed on the surface of a base region held by the first buffer region and the emitter region through a gate insulating film, and an emitter electrode is brought into contact with the emitter region and the base region. In such a MOS semiconductor device, the width of the first opening section is set at 5 μm or less. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、MOS型半導体装置に関し、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MOS型半導体装置に関する。   The present invention relates to a MOS semiconductor device, and more particularly to a power MOS semiconductor device constituting an IGBT (insulated gate bipolar transistor).

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、小さいオン抵抗で電流を流すことができてパワー損失が少ない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、IGBTについて説明する場合には、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、後述する本発明を説明するために、本発明の一例として特にIGBTを採り上げて、その特性等について説明する。
(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、素子の構造設計面での工夫が必要である。
With regard to IGBTs, performance has been improved by many improvements so far. Here, the performance of the IGBT means that when it is off, the voltage is maintained and the current is completely cut off. On the other hand, when it is on, the current can flow with the smallest possible voltage drop, that is, with low on-resistance. It is the performance as a switch with few. In view of the nature of the operation of the IGBT, when the IGBT is described, the collector is expressed as “anode” and the emitter is expressed as “cathode”. Hereinafter, in order to explain the present invention to be described later, an IGBT is particularly taken up as an example of the present invention, and its characteristics and the like will be described.
(About IGBT performance trade-off)
There is a trade-off relationship (so-called trade-off relationship) between the maximum voltage that can be held by the IGBT, that is, the magnitude of the withstand voltage 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 in terms of the structural design of the element, such as preventing local electric field concentration during voltage holding.

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)間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、スイッチング動作すなわちオンオフ動作が繰り返し行われる。このスイッチング動作の過渡期に、単位時間当たり大きな損失が発生する。一般的には、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くなり、ターンオフ損失を小さくしようとすると、オン電圧が高くなる。これをオン電圧とターンオフ損失の間にトレードオフ関係があるという。このようなトレードオフ関係を改善することによって、IGBTはさらに電気特性の向上を図ることができる。他方、ターンオン損失については、オン電圧に対する依存性は小さい。ターンオン損失は、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, a switching operation, that is, an on / off operation is repeatedly performed. A large loss per unit time occurs during the transition period of the switching operation. In general, an IGBT having a lower on-voltage has a slower turn-off, so that the turn-off loss increases, and an attempt to reduce the turn-off loss increases the on-voltage. It is said that there is a trade-off relationship between on-state voltage and turn-off loss. By improving such a trade-off relationship, the IGBT can further improve electrical characteristics. On the other hand, the turn-on loss is less dependent on the on-voltage. The turn-on loss greatly depends on the characteristics of the freewheeling diode used in combination.

前記オン電圧とターンオフ損失とのトレードオフ関係を最適化するには、IGBTのオン状態における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、オン電圧を下げるために過剰キャリアを多くすると、ターンオフ時には、この増加した過剰キャリアをすべてドリフト層外に掃き出すかまたはキャリア再結合により消滅させる必要がある、すなわち、ターンオフのための仕事をより多く必要とすることになるので、ターンオフ損失が増加する結果となる。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。
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、ドリフト層で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。このことについて、以下説明する。
In order to optimize the trade-off relationship between the on-voltage and the turn-off loss, it is effective to optimize the excess carrier distribution in the on-state of the IGBT. In order to lower the on-voltage, the resistance value of the drift layer may be decreased by increasing the excess carrier amount. However, if excessive carriers are increased in order to reduce the on-voltage, at the time of turn-off, it is necessary to sweep all the increased excess carriers out of the drift layer or to disappear by carrier recombination. This results in an increase in turn-off loss because more is required. Therefore, in order to optimize this trade-off relationship, the turn-off loss may be minimized with the same on-voltage.
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 in the drift layer as large as possible. This will be described below.

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。
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。ターンオフ時に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。
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.
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 carriers receive from the electric field at the time of turn-off 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.

キャリアの移動という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。
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エハを扱う必要があるため、生産技術的観点からは困難性が存在する。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。
From the microscopic viewpoint of career movement, it is as described 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.
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. Difficulties exist from a production engineering perspective. 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。
IE効果の技術的考え方については、既にその本質が議論され、報告されているように公知の技術でもある(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6に示す等価回路のように、MOSFET101とpnpバイポーラトランジスタ102とpinダイオード103の組み合わせであると考えられる。
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.
The technical concept of the IE effect is a known technique as already discussed and reported on its essence (see, for example, 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 the MOSFET 101, the pnp bipolar transistor 102, and the pin diode 103 is equivalent to the equivalent circuit shown in FIG.

図7は、プレーナ型IGBTの要部の構成を示す断面図である。図7において、符号102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103はpinダイオード領域である。また、図7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。
図7に示すように、電子は、MOS部101の表面のn++領域6から、n++領域6を囲むpベース領域7の表面で、図示しないゲート電極へのゲート電圧印加により形成されるnチャネル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102のベース電流となる。pnp−BJT領域102では、pアノード層11から拡散またはドリフトによってやってきたホールがpベース領域7にコレクトされるだけであり、そのpn接合部(pベース領域7とnドリフト層9間のpn接合)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。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of the planar IGBT. In FIG. 7, reference numeral 102 denotes a pnp bipolar transistor region (hereinafter referred to as a pnp-BJT region), and reference numeral 103 denotes a pin diode region. In FIG. 7, the solid line arrows represent the flow of electron current, and the dotted line arrows represent the flow of hole current.
As shown in FIG. 7, n electrons, the n ++ region 6 of the surface of the MOS section 101, the surface of p base region 7 surrounding the n ++ region 6, which is formed by the gate voltage applied to the gate electrode (not shown) It flows toward the p anode layer 11 on the back surface via the channel 8 and the n + electron storage layer 10 on the surface of the n drift layer 9. A part of this electron current becomes a base current of the pnp-BJT region 102. In the pnp-BJT region 102, the holes coming from the p anode layer 11 by diffusion or drift are only collected in the p base region 7, and the pn junction (the pn junction between the p base region 7 and the n drift layer 9). The junction is slightly reverse biased. Therefore, the concentration of minority carriers, that is, holes in the n drift layer 9 near the pn junction is extremely low.

一方、pinダイオード領域103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電子蓄積層10とnドリフト層9の間の接合(以下、n/n接合と略す)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、前記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。
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、前記n/n接合の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効果を有する構造は、pinダイオード領域の比率を増やすと同時に、n/n接合の順バイアスの増加も実現されている。
On the other hand, the n cathode of the pin diode region 103 is the n + electron storage layer 10 on the surface of the n drift layer 9. Since the junction between the n + electron storage layer 10 and the n drift layer 9 (hereinafter abbreviated as n + / n junction) is slightly forward-biased, electrons are injected into the n drift layer 9. The When the current is large, 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. Accordingly, the concentration of minority carriers in the n drift layer 9 near the n + / n junction, that is, the hole concentration, is extremely high.
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 very important to increase the forward bias amount of the n + / n junction to promote electron injection. In the structure having the IE effect proposed so far, the forward bias of the n + / n junction is increased at the same time as the ratio of the pin diode region is increased.

ところで、プレーナ構造のIGBTにおいて、セルピッチに占めるpベースの比率を小さくすると、オン電圧が低減する。その理由は、pinダイオード領域の比率が大きくなったことに加えて、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、前記n/n接合の順バイアスが大きくなる効果が大きいためと説明される。観点を変えると、前記n/n接合の順バイアスが大きくなるのは、n層は低抵抗であるため、その電位はカソード電位にほぼ等しいが、n層は高抵抗であるため、その電位が大電流による電圧降下により持ち上がるからとも言える。
同様に、トレンチ構造のIGBT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接合の順バイアスが強くなったためと考えられる。
By the way, in the planar structure IGBT, when the ratio of the p base in the cell pitch is reduced, the on-voltage is reduced. This is because, in addition to the increase in the ratio of the pin diode region, the lateral current density near the surface is increased and the voltage drop is increased, so that the forward bias of the n + / n junction is increased. It is explained that the effect is large. Changing the viewpoint, the n + / n - because the layer is a high resistance - the forward bias of the junction becomes large, since the n + layer has a low resistance, the potential is approximately equal to the cathode potential, n It can also be said that the potential is raised by a voltage drop due to a large current.
Similarly, in a trench structure IGBT, the IE effect can be enhanced by reducing the ratio of the pnp-BJT region. 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 hole current density flowing through the mesa portion is increased and the forward bias of the n + / n junction due to the voltage drop is increased.

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)
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型不純物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バッファ領域のn型不純物濃度が高すぎると、順耐圧が大きく低下してしまう。
Here, when 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)
As is apparent 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-type impurity concentration. However, since the HiGT structure described in Patent Document 1 is a planar structure, if the n-type impurity concentration in the n + buffer region 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バッファ領域は、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バッファ領域は、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バッファ領域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。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バッファ領域は、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(第一の説明)。 On the other hand, in the CSTBT structure described in Patent Document 3, the n + buffer region on the surface side is sandwiched between trench gate oxide films, and continues to the polysilicon potential via the gate oxide film. Therefore, when the forward voltage is maintained, that is, in the blocking mode, the n + buffer region 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 that it is completely depleted with a low forward bias. Turn into. Therefore, although the n + buffer region on the surface side has a high concentration, the electric field inside it is relaxed. 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. As described above, the CSTBT structure has a characteristic that the forward breakdown voltage is hardly lowered while enhancing the IE effect. The n + buffer region on the surface side creates a diffusion potential with the n drift layer and becomes a potential barrier for holes, so that the hole concentration in the drift layer increases (first explanation).

第二の説明として、表面側のnバッファ領域とn層との間が順バイアスされるので、nバッファ領域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バッファ領域が高濃度であれば、電子注入効率が向上するので、nバッファ領域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バッファ領域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バッファ領域濃度が高いほど、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。この第二の説明は、物理的には、先の第一の説明を言い換えたものである。以上説明したように、従来のIGBTでも、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを最適化するためにIE効果によるカソード側に偏重したキャリア分布となるような素子構造とすることが好ましいことは知られている。 As a second explanation, n + buffer region and the n surface-side - because between the layers is forward biased, it is possible that the n + buffer region is because electrons are injected. That is, in the n + / n junction, if the n + buffer region has a high concentration, the electron injection efficiency is improved. Therefore, the electron current injected into the n layer with respect to the hole current entering the n + buffer region. The ratio of increases. In order for holes to diffuse and flow as minority carriers in the n + buffer region, the n + / n junction needs to be forward biased. The higher the n + buffer region concentration, the smaller the hole concentration as minority carriers in the thermal equilibrium state. Therefore, a higher forward bias amount is required to allow the same hole current to flow. When the forward bias amount is large, the electron current flowing into the n layer increases, so that the electron concentration increases. This second explanation is physically a paraphrase of the first explanation. As described above, it is known that even in the conventional IGBT, in order to optimize the trade-off between the on-voltage and the turn-off loss, it is preferable that the element structure has a carrier distribution concentrated on the cathode side due to the IE effect. ing.

また、ベース領域の底面に接するように埋め込み酸化膜を設けることにより、寄生トランジスタ電流を低電流増幅率の領域に流れるようにして過大電流を防ぎ、破壊耐量を向上させることが記載されている(特許文献4−要約)。さらに、埋め込み酸化膜を用いることにより、MOSFETのオン抵抗を増加させることなく、寄生バイポーラトランジスタの電流増幅率を効果的に低減させ、低オン抵抗と高破壊耐量を同時に満たすことができるMOSFETに関する発明が知られている(特許文献5−要約)。
特開2003−347549号公報 特表2002−532885号公報 特開平8−316479号公報 特開平9−153609号公報 特開平9−270513号公報 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.217−220 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.190−195
In addition, it is described that by providing a buried oxide film so as to be in contact with the bottom surface of the base region, an excessive current is prevented by flowing a parasitic transistor current in a region having a low current amplification factor, thereby improving breakdown resistance ( Patent Document 4-Abstract). Furthermore, by using a buried oxide film, the current amplification factor of the parasitic bipolar transistor is effectively reduced without increasing the on-resistance of the MOSFET, and the invention relates to a MOSFET that can simultaneously satisfy the low on-resistance and the high breakdown resistance. Is known (Patent Document 5-Abstract).
JP 2003-347549 A Japanese translation of PCT publication No. 2002-532885 JP-A-8-316479 JP-A-9-153609 JP-A-9-270513 Eye. Ohmura (I. Omura) and three others, "Carrier injection enhancement effect of high voltage MOS devices-Devices physics and design concept-Devices of high voltage MOS devices-Devices" 97, p. 217-220 Florin Udrea, 1 other, "A unified analytic model for the carrier dynamics in trench insulated gate bipolar transistors (TIGBT) (A unified analytical for T ISPSD '95, p. 190-195

しかしながら、前述のオン電圧−ターンオフ損失のトレードオフの最適化は、必ずしもまだ、充分とは言えず、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ことができれば、前記トレードオフのさらなる改善が可能と考えられる。つまり、従来のIGBTのようなMOS型半導体装置では、前記IE効果がまだ充分に発揮されているとは言えないのである。なぜなら、前述の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、それ以前のものよりは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トレードオフ特性を改善することができる余地があるからである。
一方、トレンチゲート構造のMOS型半導体装置の製造プロセスは、前述のように一定のトレードオフ改善効果を示すものの、プレーナ構造の製造プロセスに比べて長く複雑である。その結果、ただでさえ良品率は低く、製品コストが相対的に高くなり易いのに、特性の向上のため、その上さらに微細化を進めようとすると、良品率が低下して製造コストはさらに高くなると予想される。従って、微細化を究極にまで進めなくとも、あるいはトレンチゲート構造としなくても、前記トレードオフ特性の改善が図れることが良品率の観点、製品コストなどの観点から重要である。さらに、トレンチゲート構造のMOS型半導体装置では、特に、トレンチ底部に電界が集中しやすく、耐圧におけるブレークダウン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トレンチゲート構造特有の問題も抱えている。
However, the above-described optimization of the on-voltage-turn-off loss trade-off is not necessarily sufficient, and if the cathode-side carrier concentration in the on-state can be further increased, the trade-off can be further improved. it is conceivable that. That is, it cannot be said that the above-mentioned IE effect is sufficiently exhibited in a conventional MOS type semiconductor device such as an IGBT. This is because even if the trench gate structure is adopted like the CSTBT structure and the IEGT structure described above, the trade-off characteristic is improved as compared with the previous one, but the trade-off characteristic is still improved by further miniaturization. Because there is room to do.
On the other hand, the manufacturing process of the MOS type semiconductor device having the trench gate structure shows a certain trade-off improvement effect as described above, but is longer and complicated than the manufacturing process of the planar structure. As a result, the yield of non-defective products is low, and the product cost tends to be relatively high. However, if further refinement is attempted to improve the characteristics, the yield of non-defective products decreases and the manufacturing cost further increases. Expected to be higher. Therefore, it is important from the viewpoint of the yield rate and the product cost that the trade-off characteristics can be improved even if miniaturization is not advanced to the ultimate or the trench gate structure is not used. Further, in the MOS type semiconductor device having a trench gate structure, an electric field is likely to be concentrated on the bottom of the trench, and a breakdown in breakdown voltage is likely to occur. Further, there is a problem peculiar to the trench gate structure in that when the gate is set to a negative potential with respect to the cathode, the electric field strength at the bottom of the trench increases and the breakdown voltage deteriorates.

この発明は、以上述べた問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、トレンチゲート構造の採用に起因する良品率低下および製品コストの上昇などの問題点を解消するため、トレンチMOSゲート構造を採用しなくても、オン電圧とターンオフ損失の間のトレードオフ関係をさらに改善でき、ラッチアップ耐量低下を防ぐことのできるMOS型半導体装置の提供である。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to eliminate problems such as a decrease in non-defective product rate and an increase in product cost caused by the adoption of a trench gate structure. The present invention provides a MOS type semiconductor device that can further improve the trade-off relationship between the on-state voltage and the turn-off loss without using a MOS gate structure, and can prevent a decrease in latch-up resistance.

特許請求の範囲の請求項1記載の発明によれば、一導電型半導体基板の一方の主面上に、第一開口部と第二開口部を有する基板絶縁膜および該基板絶縁膜上と前記両開口部上とに堆積される一導電型半導体結晶膜を備え、該一導電型半導体結晶膜が該膜内に選択的に形成される他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内の表面に形成される一導電型エミッタ領域と、前記第一開口部で前記半導体基板に接触する前記一導電型半導体結晶膜部分を含む第一バッファ領域と、前記他導電型ベース領域に対して前記第一バッファ領域と反対側に位置する前記一導電型半導体結晶膜部分からなリ、かつ前記第二開口部で前記半導体基板に接触する第二バッファ領域とを備え、前記第一バッファ領域と前記一導電型エミッタ領域とに挟まれる前記他導電型ベース領域表面には、ゲート絶縁膜を介して多結晶半導体ゲート電極膜および該多結晶半導体ゲート電極膜を覆う層間絶縁膜を備え、エミッタ電極が前記一導電型エミッタ領域表面と前記他導電型ベース領域表面とに接するMOS型半導体装置において、前記第一開口部の幅が5μm以下であるMOS型半導体装置とすることにより、前記目的は達成される。   According to the first aspect of the present invention, the substrate insulating film having the first opening and the second opening on one main surface of the one-conductivity type semiconductor substrate, the substrate insulating film, and the A one-conductivity-type semiconductor crystal film deposited on both openings, wherein the one-conductivity-type semiconductor crystal film is selectively formed in the film; and in the other-conductivity-type base region One-conductivity-type emitter region formed on the surface, a first buffer region including the one-conductivity-type semiconductor crystal film portion in contact with the semiconductor substrate at the first opening, and the other-conductivity-type base region A first buffer region comprising a second buffer region that is formed of the one-conductivity-type semiconductor crystal film portion located on the opposite side of the first buffer region and contacts the semiconductor substrate at the second opening, The sandwiched between the one conductivity type emitter region The surface of the conductive base region is provided with a polycrystalline semiconductor gate electrode film and an interlayer insulating film covering the polycrystalline semiconductor gate electrode film with a gate insulating film interposed therebetween, and an emitter electrode is connected to the surface of the one conductive type emitter region and the other conductive material. In the MOS type semiconductor device in contact with the surface of the mold base region, the object is achieved by making the MOS type semiconductor device wherein the width of the first opening is 5 μm or less.

特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記他導電型ベース領域と前記第一開口部との間隔が4μm以下である特許請求の範囲の請求項1記載MOS型半導体装置とするものである。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、第二開口部の幅が2μm以下である特許請求の範囲の請求項1または2記載のMOS型半導体装置とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項4記載の発明によれば、他導電型ベース領域と第二開口部端との間隔が0.5μm乃至1μmの範囲のいずれかである特許請求の範囲の請求項1乃至3のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、前記第一または第二バッファ領域の不純物濃度の範囲が1×1014cm−3〜1×1016cm−3のいずれかである特許請求の範囲の請求項1乃至4のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置とすることがより好ましい。
特許請求の範囲の請求項6記載の発明によれば、前記基板絶縁膜の厚さが0.05〜1μmの範囲のいずれかである特許請求の範囲の請求項1乃至5のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置とすることが好適である。
According to a second aspect of the present invention, the MOS type semiconductor device according to the first aspect of the present invention is such that the distance between the other conductivity type base region and the first opening is 4 μm or less. Is.
According to the third aspect of the present invention, it is preferable that the MOS type semiconductor device according to the first or second aspect has a width of 2 μm or less.
According to the invention of claim 4, the distance between the other conductivity type base region and the end of the second opening is in the range of 0.5 μm to 1 μm. It is desirable that the MOS type semiconductor device according to any one of items 1 to 3 is used.
According to the invention of claim 5, the impurity concentration range of the first or second buffer region is any one of 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 16 cm −3 . The MOS type semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 is more preferable.
According to the invention described in claim 6, the thickness of the substrate insulating film is in the range of 0.05 to 1 μm. It is preferable to use the MOS type semiconductor device described in 1.

本発明によれば、トレンチMOSゲート構造を採用しなくても、オン電圧とターンオフ損失の間のトレードオフ関係をさらに改善でき、ラッチアップ耐量低下を防ぐMOS型半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a MOS type semiconductor device that can further improve the trade-off relationship between the on-voltage and the turn-off loss without using the trench MOS gate structure and prevent the latch-up withstand capability from being lowered.

以下、本発明にかかるMOS型半導体装置の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
図1は本発明にかかるMOS型半導体装置の要部断面図である。図2は本発明にかかるMOS型半導体装置と対比させて説明するための比較用MOS型半導体装置の要部断面図である。図3は本発明にかかるMOS型半導体装置のキャリアの流れを説明するためのMOS型半導体装置の要部断面図である。図4はトップゲート型MOS型半導体装置の電圧電流波形図である。図5は本発明にかかる第二開口部端とp型ベース領域端の間隔とオン電圧との関係図である。図8〜図10は本発明にかかるトップゲート型表面高注入構造を有するIGBTの製造方法について、主要な製造工程における半導体基板の要部断面図を示し、図8は製造工程順に示す半導体基板の要部断面図(その1)、図9は製造工程順に示す半導体基板の要部断面図(その2)、図10は製造工程順に示す半導体基板の要部断面図(その3)である。
Hereinafter, a method for manufacturing a MOS semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the description of the examples described below unless it exceeds the gist.
FIG. 1 is a sectional view of an essential part of a MOS type semiconductor device according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of a comparative MOS type semiconductor device for comparison with the MOS type semiconductor device according to the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the MOS semiconductor device for explaining the carrier flow of the MOS semiconductor device according to the present invention. FIG. 4 is a voltage-current waveform diagram of the top gate type MOS semiconductor device. FIG. 5 is a relationship diagram between the ON voltage and the distance between the second opening end and the p-type base region end according to the present invention. 8 to 10 are cross-sectional views of the main part of the semiconductor substrate in the main manufacturing process of the IGBT manufacturing method having the top gate type high surface injection structure according to the present invention, and FIG. FIG. 9 is a sectional view (Part 2) of a principal part of a semiconductor substrate shown in the order of the manufacturing process, and FIG. 10 is a sectional view (Part 3) of a relevant part of the semiconductor substrate shown in the order of the manufacturing process.

図8〜図10は本発明によるトップゲート型表面高注入構造を有するIGBTについて、横方向エピタキシャル成長を適用した製造方法を説明するためのものである。前述のトップゲート型とは、半導体基板上に基板絶縁膜を挟んで堆積されたエピタキシャル半導体層に形成されたベース領域上にゲート酸化膜を介してゲート電極が配置され、前記ゲート酸化膜直下の前記ベース領域表面にチャネル領域が形成される構造を言う。横方向エピタキシャル成長を適用した製造方法とは、基板絶縁膜に設けられた開口部を利用して、基板絶縁膜上にも横方向に半導体層をエピタキシャル成長させて全面に半導体結晶層を形成する製造方法を言う。
図8(a)に示すように、基板としては、n型FZ−シリコン基板21のミラー研磨面を用いる。基板の比抵抗は、30〜200Ωcmが好ましく、IGBTの耐圧によって選択する。例えば80Ωcmの基板21を用いて作製すれば、耐圧1200VのIGBTとすることができる。この基板21に熱酸化またはCVD成長による膜厚範囲0.3μm〜1μmの酸化膜22を形成する。次に図8(b)に示すように、その膜上にフォトレジストによるパターニングを施して、酸化膜22をストライプ状に選択的にドライエッチングして大きな開口部23を形成する。このときのセルピッチは5〜20μm、ストライプ状の酸化膜22の幅は0.5μm〜2μmが望ましいが、ここでは、酸化膜22の幅を1μm、セルピッチ幅を10μmとした。続いて、図8(c)に示すように、熱酸化またはCVDにより基板酸化膜24を全面形成した後、フォトリソグラフィーによって基板酸化膜24の中央に幅が2μmの第一開口部25−1と幅が1μmの第二開口部25−2を形成する。なお、基板酸化膜24の厚さは0.05μm〜0.2μm、端部の突出量(皿状の酸化膜22の膜厚)は0.3μm〜1μmの範囲が好ましいが、ここでは、底部の基板酸化膜厚を0.1μm、端部の突出量(膜厚)を0.5μmとした。
8 to 10 are for explaining a manufacturing method to which lateral epitaxial growth is applied to an IGBT having a top gate type high surface injection structure according to the present invention. In the above-mentioned top gate type, a gate electrode is disposed via a gate oxide film on a base region formed on an epitaxial semiconductor layer deposited on a semiconductor substrate with a substrate insulating film sandwiched therebetween, and the gate electrode is directly under the gate oxide film. A structure in which a channel region is formed on the surface of the base region. The manufacturing method using lateral epitaxial growth is a manufacturing method in which a semiconductor crystal layer is formed on the entire surface by epitaxially growing a semiconductor layer also laterally on the substrate insulating film using an opening provided in the substrate insulating film. Say.
As shown in FIG. 8A, the mirror polished surface of the n-type FZ-silicon substrate 21 is used as the substrate. The specific resistance of the substrate is preferably 30 to 200 Ωcm, and is selected according to the breakdown voltage of the IGBT. For example, if an 80Ωcm substrate 21 is used, an IGBT having a withstand voltage of 1200 V can be obtained. An oxide film 22 having a film thickness range of 0.3 μm to 1 μm is formed on the substrate 21 by thermal oxidation or CVD growth. Next, as shown in FIG. 8B, patterning with a photoresist is performed on the film, and the oxide film 22 is selectively dry etched in a stripe shape to form a large opening 23. At this time, the cell pitch is preferably 5 to 20 μm, and the width of the stripe-shaped oxide film 22 is preferably 0.5 μm to 2 μm. Here, the width of the oxide film 22 is 1 μm, and the cell pitch width is 10 μm. Subsequently, as shown in FIG. 8C, after the substrate oxide film 24 is formed on the entire surface by thermal oxidation or CVD, the first opening 25-1 having a width of 2 μm is formed in the center of the substrate oxide film 24 by photolithography. A second opening 25-2 having a width of 1 μm is formed. The thickness of the substrate oxide film 24 is preferably 0.05 μm to 0.2 μm, and the protruding amount of the end portion (thickness of the plate-like oxide film 22) is preferably in the range of 0.3 μm to 1 μm. The substrate oxide film thickness was 0.1 μm, and the protrusion amount (film thickness) at the end was 0.5 μm.

第一開口部の幅は、5μm以下とすると、pベース領域が基板酸化膜によって隠れ、ホールの引き抜き効果を有効に少なくなるので、オン電圧が低くなるという本発明の効果が顕著となる。
その後、図8(d)に示すように、開口により露出したシリコン基板21表面をシード層としてn型シリコンエピタキシャル層26を成長させる。その代表的なプロセスガスとして、主ガスをジシクロロシランあるいはトリクロロシランとし、水素ガスをキャリアガスとし、ドーピングガスとしてアルシンまたはホスフィンを添加したものを用いる。また、反応圧力は100〜760Torr(1Torr=133.3Pa)、半導体基板(ウエハ)温度1000℃程度が好ましい。ここでは、ドーピングガスとしてホスフィンを用い、膜中リン濃度が1×1016cm−3になるように条件を制御した。n型エピタキシャル層26の成長を開始してから成長面が基板酸化膜24の上面の位置よりも高くなると成長は横方向にも進む。その後、端部の突出部(酸化膜22の膜厚部)22を乗り越えて全面を被覆した時点でガスの供給を停止して成長をストップさせる。
When the width of the first opening is 5 μm or less, the p base region is hidden by the substrate oxide film, and the hole extraction effect is effectively reduced. Therefore, the effect of the present invention that the on-voltage is lowered becomes significant.
Thereafter, as shown in FIG. 8D, an n-type silicon epitaxial layer 26 is grown using the surface of the silicon substrate 21 exposed through the opening as a seed layer. As a typical process gas, a main gas is dicyclosilane or trichlorosilane, hydrogen gas is a carrier gas, and arsine or phosphine is added as a doping gas. The reaction pressure is preferably 100 to 760 Torr (1 Torr = 133.3 Pa) and the semiconductor substrate (wafer) temperature is about 1000 ° C. Here, phosphine was used as a doping gas, and the conditions were controlled so that the phosphorus concentration in the film was 1 × 10 16 cm −3 . If the growth surface becomes higher than the position of the upper surface of the substrate oxide film 24 after starting the growth of the n-type epitaxial layer 26, the growth proceeds in the lateral direction. Thereafter, the gas supply is stopped when the entire surface is covered by overcoming the protruding portion (the film thickness portion of the oxide film 22) 22 at the end, and the growth is stopped.

次に、前記ウエハ21をCMP装置に搬入し、酸化膜22をストッパー膜として図9(e)に示すようにn型エピタキシャル層(単結晶シリコン層)26表面が平坦な断面形状になるまで研摩を行う。このとき重要なことは、エッチングの選択比(Si研摩レート/酸化膜研摩レート)を50倍以上、好ましくは100倍以上と高くして基準酸化膜(ストッパー膜)22で確実に研摩を停止させることである。そのためには、たとえば、株式会社フジミインコーポレーテッド製の高純度コロイダルシリカスラリーplanerlite−6103などを用いることが有効である。代表的な研磨条件はトップリング圧力300〜600hPa,テーブル回転数50〜100rpmとした。このときの前記選択比は約100倍である。なお、研摩時間は一定としてもよいが、研摩不足(酸化膜凸部上のエピタキシャル層残さ)や研摩過剰(ディッシング)の発生を抑えるには何らかの終点検出を行うことが有効である。そのための方法としては、モータートルクの検出、反射光測定等が考えられる。ここでは、モータートルク検出を用いることで、研摩不良を抑え、n型エピタキシャル層26の厚みがほぼ一定になるようにした。   Next, the wafer 21 is loaded into a CMP apparatus and polished until the surface of the n-type epitaxial layer (single crystal silicon layer) 26 has a flat cross-sectional shape as shown in FIG. 9E using the oxide film 22 as a stopper film. I do. What is important at this time is that the etching selectivity (Si polishing rate / oxide film polishing rate) is increased to 50 times or more, preferably 100 times or more, and polishing is reliably stopped at the reference oxide film (stopper film) 22. That is. For this purpose, it is effective to use, for example, high-purity colloidal silica slurry planarlite-6103 manufactured by Fujimi Incorporated. Typical polishing conditions were a top ring pressure of 300 to 600 hPa and a table rotation speed of 50 to 100 rpm. The selection ratio at this time is about 100 times. Although the polishing time may be constant, it is effective to detect some end point in order to suppress the occurrence of insufficient polishing (epitaxial layer residue on the oxide film protrusion) and excessive polishing (dishing). For this purpose, motor torque detection, reflected light measurement, and the like can be considered. Here, by using motor torque detection, polishing defects are suppressed, and the thickness of the n-type epitaxial layer 26 is made substantially constant.

続いて、図9(f)に示すように、熱酸化あるいはCVDによりゲート酸化膜27を全面に形成する。ここでは、熱酸化膜を厚さ0.1μmで形成した。次に図9(g)のようにゲート電極となるポリシリコン層28を0.5μm程度の厚さで、CVDにより全面に形成し、その後、図9(h)のように、フォトリソグラフィーによりポリシリコン層28を部分的に除去する。続いて、残ったポリシリコン層28をマスクにして、n型エピタキシャル層(単結晶シリコン層)26へ、ドーズ量5×1014cm−2のボロンイオンおよびドーズ量1×1015cm−2の砒素イオンをイオン注入し、窒素雰囲気で1150℃×2時間のドライブ拡散を行い、p型チャネル領域(p型ベース領域)29とn++型ソース領域30を形成する。p型チャネル領域(p型ベース領域)29が形成されないn型エピタキシャル層(単結晶シリコン層)26のうち、前記第一開口部25−1に接触する部分を第一バッファ領域26−1、前記第二開口部25−2に接触する部分を第二バッファ領域26−2とする。前記第二開口部26−1におけるp型ベース領域29端と第一開口部25−1端との距離(間隔)は4μm以下とする場合に、有効にオン電圧を低くすることができる。但し、第一開口部25−1とp型ベース領域29端が重なるとおん電圧は大きくなるので好ましくない。第二開口部25−2はの幅を2μm以上にすると、p型ベース領域29(または第二p領域)が第二開口部と重なるようになり、オン電圧が上昇するので、好ましくない。 Subsequently, as shown in FIG. 9F, a gate oxide film 27 is formed on the entire surface by thermal oxidation or CVD. Here, the thermal oxide film was formed with a thickness of 0.1 μm. Next, as shown in FIG. 9G, a polysilicon layer 28 to be a gate electrode is formed on the entire surface by CVD with a thickness of about 0.5 .mu.m. Thereafter, as shown in FIG. The silicon layer 28 is partially removed. Subsequently, using the remaining polysilicon layer 28 as a mask, boron ions with a dose amount of 5 × 10 14 cm −2 and a dose amount of 1 × 10 15 cm −2 are applied to the n-type epitaxial layer (single crystal silicon layer) 26. Arsenic ions are implanted and drive diffusion is performed at 1150 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere to form a p-type channel region (p-type base region) 29 and an n ++ type source region 30. Of the n-type epitaxial layer (single crystal silicon layer) 26 in which the p-type channel region (p-type base region) 29 is not formed, a portion in contact with the first opening 25-1 is defined as the first buffer region 26-1. A portion in contact with the second opening 25-2 is defined as a second buffer region 26-2. The on-voltage can be effectively lowered when the distance (interval) between the end of the p-type base region 29 and the end of the first opening 25-1 in the second opening 26-1 is 4 μm or less. However, since the voltage increases when the first opening 25-1 and the p-type base region 29 end overlap, it is not preferable. If the width of the second opening 25-2 is 2 μm or more, the p-type base region 29 (or the second p + region) overlaps with the second opening, which is not preferable.

その後、図10(i)のように厚さ約1μmのBPSG膜31を全面に形成して層間絶縁膜とする。続いて、エミッタ電極コンタクト用の開口部32を形成する。次に、図10(j)のように膜厚5μmのアルミニウム電極(エミッタ電極)33を形成することにより、本発明の実施例にかかるIGBTの表面側のMOSゲート構造が完成する。図10(j)の拡大図を図1に示す。
図1では図8〜図10を用いた製造方法では説明されなかったpコンタクト領域34(以下P領域)が書き込まれているが、この層により金属エミッタ層とのコンタクト性が向上し、pベース領域が低抵抗になる効果が得られるので、形成することが望ましい。
この実施例にかかるIGBTには、以下の利点がある。
1、チャネル領域29をn型エピタキシャル層26内に形成したことにより、キャリア移動度が大きくなり、抵抗ロスが減少する。
Thereafter, as shown in FIG. 10I, a BPSG film 31 having a thickness of about 1 μm is formed on the entire surface to form an interlayer insulating film. Subsequently, an opening 32 for emitter electrode contact is formed. Next, by forming an aluminum electrode (emitter electrode) 33 having a film thickness of 5 μm as shown in FIG. 10J, the MOS gate structure on the surface side of the IGBT according to the embodiment of the present invention is completed. An enlarged view of FIG. 10 (j) is shown in FIG.
In FIG. 1, a p + contact region 34 (hereinafter referred to as a P + region) that has not been described in the manufacturing method using FIGS. 8 to 10 is written, but this layer improves the contact property with the metal emitter layer, It is desirable to form the p base region since the effect of reducing the resistance of the p base region can be obtained.
The IGBT according to this embodiment has the following advantages.
1. By forming the channel region 29 in the n-type epitaxial layer 26, carrier mobility increases and resistance loss decreases.

2、チャネル領域29をエピタキシャル層(単結晶シリコン層)で形成したことにより、順方向ブロッキング時のもれ電流が小さくなる。
3、酸化膜22をストッパーとしたCMPによりエピタキシャル層26の薄膜化および膜厚の均一化が可能になる。これは、IGBTの耐圧向上、特性バラツキ低減につながる。
次に本発明の効果にかかるラッチアップ耐量の向上について、詳細に説明する。
図3は(a)IGBTの比較構造と(b)本発明にかかるIGBTのラッチアップ時の電子と正孔の流れを示す要部断面図である。比較構造の図3(a)は、チャネル層(pベース領域)29が深さ0.7μm程度、エミッタ領域30が、深さ0.3μm程度形成されていて、オン時には、正孔電流は、0.4μm(pベース領域0.7μmの厚さからエミッタ領域の厚さ0.3μmを引いた残りの厚さ)の狭い領域を流れる。大電流を流した場合は、この部分で電流集中が発生し、十分なラッチアップ耐量が得られない。
2. Since the channel region 29 is formed of an epitaxial layer (single crystal silicon layer), the leakage current during forward blocking is reduced.
3. The thickness of the epitaxial layer 26 can be reduced and the film thickness can be made uniform by CMP using the oxide film 22 as a stopper. This leads to an improvement in the breakdown voltage of the IGBT and a reduction in characteristic variation.
Next, the improvement of the latch-up resistance according to the effect of the present invention will be described in detail.
3A and 3B are cross-sectional views of the main part showing the flow of electrons and holes during latch-up of the IGBT according to the present invention. In FIG. 3A of the comparative structure, the channel layer (p base region) 29 is formed with a depth of about 0.7 μm, and the emitter region 30 is formed with a depth of about 0.3 μm. It flows through a narrow region of 0.4 μm (the remaining thickness obtained by subtracting the thickness of the emitter region of 0.3 μm from the thickness of the p base region of 0.7 μm). When a large current is applied, current concentration occurs in this portion, and sufficient latch-up resistance cannot be obtained.

本発明にかかるIGBTでは図3(b)に示したように、比較構造と同様の中心の第一開口部25−1に加えて、新たに第二開口部25−2(ホールパス)を設けることで、アノード側から注入されてくる正孔電流を第−、第二開口部に分散して、電流集中を防ぐことができ、十分なラッチアップ耐量が得られる。
図4に、P領域端−第二開口部端との間隔(μm)(以降、ホールパス間隔またはHPと略)をパラメータとし、ホールパス間隔(HP)を+2.5μm、+1.5μm、+0.5μm、0μm、−0.5μmの場合のIGBTについて、横軸に、ゲート電圧15V、125℃におけるアノード−カソード間電圧Vakを取り、電圧(Vak)を印加した時のアノード電流(Ia)を縦軸に示した。定格電圧1200V、定格電流100A/cmである。参考までに、従来のプレーナ型IGBTの電圧(Vak)電流波形も記載した。
In the IGBT according to the present invention, as shown in FIG. 3B, in addition to the central first opening 25-1 similar to the comparative structure, a second opening 25-2 (hole path) is newly provided. Thus, the hole current injected from the anode side can be distributed to the first and second openings to prevent current concentration, and sufficient latch-up resistance can be obtained.
In FIG. 4, the distance (μm) between the P + region end and the second opening end (hereinafter referred to as a hole path interval or HP) is used as a parameter, and the hole path interval (HP) is +2.5 μm, +1.5 μm, For the IGBT in the case of +0.5 μm, 0 μm, and −0.5 μm, the horizontal axis represents the anode-cathode voltage Vak at a gate voltage of 15 V and 125 ° C., and the anode current (Ia) when the voltage (Vak) is applied Is shown on the vertical axis. The rated voltage is 1200 V and the rated current is 100 A / cm 2 . For reference, the voltage (Vak) current waveform of a conventional planar IGBT is also shown.

図2に示す、ホールパス(HP)を設けない比較構造のIGBTの場合、図4のHP無で示すように、アノード−カソード間電圧が10V程度の低電圧でアノード電流が増加しラッチアップする。第二開口部をP領域の下側に0.5μm入り込んだところから開けたP領域の剥き出し構造(HP−0.5)は、従来IGBT並のラッチアップ耐量である。これは、P領域が、剥き出していることで、正孔電流が、P領域に向けて十分に流れるためである。P領域端と第二開口部端を面一にした構造(HP0)やP領域端を第二開口部端から0.5μm中に押し込んだ構造(HP+0.5)は、従来IGBTと比べるとラッチアップ耐量は、低下しているが、HP無し構造と比べると、ラッチアップ耐量は向上していることが分かる。しかし、さらに、P+領域を中に1.5μm、2.5μmそれぞれ押し込むと(HP+1.5,HP+2.5)、HP無しと同等のラッチアップ耐量になり、ラッチアップ耐量改善に効果は無くなる。従って、ラッチアップ耐量改善には、P+領域端と第二開口部端の間隔(HP)は、1.0μm以下とすることが望ましい。 In the case of an IGBT having a comparative structure without a hole path (HP) shown in FIG. 2, the anode current increases and latches up when the anode-cathode voltage is as low as about 10 V, as indicated by no HP in FIG. . Bare structure of P + region opened from a second opening where the entering 0.5μm below the P + region (HP-0.5) is a latch-up immunity of the conventional IGBT parallel. This, P + regions, that are Expose, hole current is to flow sufficiently toward the P + region. The structure in which the P + region end and the second opening end are flush with each other (HP0) and the structure in which the P + region end is pushed into the 0.5 μm from the second opening end (HP + 0.5) are compared with the conventional IGBT. However, it can be seen that the latch-up resistance is improved as compared with the structure without HP. However, if the P + region is further pushed in by 1.5 μm and 2.5 μm respectively (HP + 1.5, HP + 2.5), the latch-up resistance is equivalent to that without HP, and the effect of improving the latch-up resistance is lost. Therefore, in order to improve the latch-up resistance, the interval (HP) between the P + region end and the second opening end is preferably set to 1.0 μm or less.

図5に、P+領域端と第二開口部端の間隔(HP)の距離(d)とオン電圧の関係を示した。前述したように、第二開口部を設けるとホールが分散してラッチアップ耐量は向上するが、正孔が流れてしまいバルクの正孔濃度が低くなり、オン電圧が上昇するという問題がある。図5より前記間隔(距離)dを0.5μm以上にするとオン電圧の上昇を少なくできることがわかる。従って、図4、図5から前記間隔dは、0.5μm以上1.0μm以下とすることが望ましい。

次に、前述の実施例で作成したIGBTについて、その作用および効果について説明する。
(定常オン状態について)
図1および図3に示すように、ゲート電極(ゲートポリシリコン層)28にカソード(エミッタ)電極33に対して正の電位を印加すると、p型ベース領域29の、ゲート酸化膜27との界面付近の表面領域がn型に反転し、nチャネルができる。この状態でコレクタ(図示せず)−エミッタ(アノードーカソード間)間に順バイアスを加えると、電子は、前記nチャネルおよび電子蓄積層(nバッファ領域26−1のゲート酸化膜27に沿った領域)を経由して、ドリフト層(nシリコン基板)21に流れ込み、図示しない裏面のpアノード層に達する。それによって、pアノード層とドリフト層21とのpn接合は順バイアスされるので、pアノード層からドリフト層21にホール(図3の実線矢印)が注入される。
FIG. 5 shows the relationship between the distance (d) between the P + region end and the second opening end (HP) and the ON voltage. As described above, when the second opening is provided, the holes are dispersed and the latch-up resistance is improved, but there is a problem that the holes flow and the bulk hole concentration is lowered and the on-voltage is increased. From FIG. 5, it can be seen that when the distance (distance) d is set to 0.5 μm or more, the increase in the ON voltage can be reduced. Therefore, from FIG. 4 and FIG. 5, the distance d is preferably 0.5 μm or more and 1.0 μm or less.

Next, the operation and effect of the IGBT created in the above-described embodiment will be described.
(Regarding steady ON state)
As shown in FIGS. 1 and 3, when a positive potential is applied to the gate electrode (gate polysilicon layer) 28 with respect to the cathode (emitter) electrode 33, the interface of the p-type base region 29 with the gate oxide film 27 is obtained. The nearby surface region is inverted to n-type and an n-channel is formed. When a forward bias is applied between the collector (not shown) and the emitter (between the anode and the cathode) in this state, electrons move along the gate oxide film 27 of the n-channel and electron storage layer (n + buffer region 26-1). ) Through the drift layer (n - silicon substrate) 21 and reaches the p + anode layer on the back surface (not shown). As a result, the pn junction between the p + anode layer and the drift layer 21 is forward-biased, so that holes (solid arrows in FIG. 3) are injected from the p + anode layer into the drift layer 21.

注入されたホールは、ドリフト層21の表面に来ると、第一、第二開口部25−1、25−2を通ってnエピタキシャルシリコン層であるnバッファ領域26−1、26−2に分散して入る。nバッファ領域26−1に入ったホールの一部は、nバッファ領域26−1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26−1を通過してp型ベース領域29にコレクトされる。ホール電流は、nバッファ領域26−1とp型ベース領域29を形成する層である狭くて長いシリコン層を流れるため、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26−1のゲート酸化膜27に沿ったn領域とnドリフト層21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。 Injected holes, when come to the surface of the drift layer 21, first, n + buffer region is n + epitaxial silicon layer through the second opening 25-1 and 25-2 26-1, 26-2 Enter dispersed. Some of holes entering the n + buffer region 26-1, and disappear recombined with electrons in the n + buffer region 26-1. The remaining holes pass through the n + buffer region 26-1 and are collected in the p-type base region 29. Since the hole current flows through a narrow and long silicon layer that is a layer forming the n + buffer region 26-1 and the p-type base region 29, a voltage drop occurs. Therefore, the n + / n junction composed of the n + region and the n drift layer 21 along the gate oxide film 27 of the n + buffer region 26-1 serving as the electron storage 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、ホールがnバッファ領域26−1に注入されると、このn/n接合はさらに順バイアスされることになり、電子が注入される。なお、前記エピタキシャルシリコン層とnシリコン基板21とは、第一、第二開口部以外の領域には基板酸化膜24により絶縁分離されているため、pnp−BJT構成になり難い構造となっている。pnp−BJTを構成する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、基板表面の面積を広く使ってn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。
(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等か負にして、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型ベース領域29とnバッファ領域26−1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27からも空乏層が広がる。これは、ゲート電極28がエミッタ電位以下であるのに対して、nバッファ領域26−1が正にバイアスされるからである。nバッファ領域26−1は、エピタキシャルシリコン層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26−1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26−1中の最大電界強度を抑えることができる。
When holes are injected into the n + buffer region 26-1, the n + / n junction is further forward-biased, and electrons are injected. The epitaxial silicon layer and the n - silicon substrate 21 are insulated from each other in regions other than the first and second openings by the substrate oxide film 24, so that it is difficult to achieve a pnp-BJT configuration. Yes. The region constituting the pnp-BJT is a small part of the entire device, and the majority is the pin diode region. Further, the n channel can be formed by using a large area of the substrate surface, and the channel peripheral length can be freely increased. 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.
(For forward blocking state)
Next, an operation in the blocking mode in which a forward bias is applied between the collector and the emitter with the gate potential equal or negative compared to the emitter potential will be described. A depletion layer spreads from the pn junction composed of the p-type base region 29 and the n + buffer region 26-1, and a depletion layer also spreads from the gate oxide film 27. This is because the n + buffer region 26-1 is positively biased while the gate electrode 28 is below the emitter potential. Since n + buffer region 26-1 is only the thickness of the epitaxial silicon layer, it is completely depleted with a slight forward bias. If the total impurity amount of the n + buffer region 26-1 is set to a certain value or less, the maximum electric field strength in the n + buffer region 26-1 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21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21によって担われるので、nバッファ領域26−1中の電界強度の局所的なピークを抑えることができ、局所的な電界集中によるアバランシェ降伏が起こりにくい。従って、十分な順耐圧を確保することができる。この結果として、順耐圧を高くしてもオン電圧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。
(トレードオフ特性について)
前記nエピタキシャルシリコン層26を高不純物濃度にした構成であるn++型エミッタ領域30内ではドーピング濃度が非常に高いため抵抗が低いので、電圧降下はほとんどない。また、前記nエピタキシャルシリコン層26をp型変換した構成であるp型チャネル領域(p型ベース領域)29の周辺長をパターン設計により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。
As the forward bias is further increased, the depletion layer extends into the n drift layer 21. Since most of the applied forward bias is carried by the n drift layer 21, the local peak of the electric field strength in the n + buffer region 26-1 can be suppressed, and avalanche breakdown due to local electric field concentration is suppressed. Hard to happen. Therefore, a sufficient forward breakdown voltage can be ensured. As a result, the on-voltage does not deteriorate even when the forward breakdown voltage is increased. 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.
(About trade-off characteristics)
In the n ++ type emitter region 30 having a high impurity concentration in the n + epitaxial silicon layer 26, since the doping concentration is very high and the resistance is low, there is almost no voltage drop. In addition, since the peripheral length of the p-type channel region (p-type base region) 29 having a configuration obtained by p-type conversion of the n + epitaxial silicon layer 26 can be set relatively freely by pattern design, By making the peripheral length longer so as to compensate for the voltage drop, the voltage drop can be made the same as that of the conventional IGBT.

一方、前記基板絶縁膜に設けられる開口部を第一、第二開口部とすることにより、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本発明の効果が発揮されるのである。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。
(ラッチアップ耐量について)
バッファ領域26−1中のキャリア寿命およびキャリア移動度が低いと、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26−1中でのキャリアの再結合が増える。その結果、p型ベース領域29を通り抜けてエミッタ電極33にコレクトされる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。
On the other hand, when the opening provided in the substrate insulating film is the first and second openings, the effect of the present invention that optimizes the trade-off between on-voltage and turn-off loss is exhibited. This means that the voltage drop in the n drift layer, which occupies most of the on-voltage sharing, particularly in a high voltage IGBT, is minimized for a certain turn-off loss.
(Latch-up tolerance)
When the carrier lifetime and carrier mobility in the n + buffer region 26-1 are low, the diffusion length of holes that are minority carriers is shortened, and the recombination of carriers in the n + buffer region 26-1 is increased. As a result, the hole current that passes through the p-type base region 29 and is collected by the emitter electrode 33 is reduced. For this reason, the hole current contributing to the latch-up is reduced, and the latch-up resistance is improved.

従って、nバッファ領域26−1中のホール拡散長がnバッファ領域26−1の長さよりも遥かに短い場合、ホールのほとんどがnバッファ領域26−1内で再結合により消滅するので、p型ベース領域29に到達するホール電流はゼロになり、ラッチアップ・フリーのIGBTが実現されるので、好ましいと言える。この場合、p型ベース領域29は、BJTのコレクタとしては動作しないので、MOSFETとBJTと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ダイオードとを組み合わせた回路になる。
(微細プロセスについて)
以上説明したIGBTの構造には、表面パターンの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(エミッタ)コンタクト領域は、図1に示すように、基板酸化膜24によりドリフト層21と電気的に分離されており、基板酸化膜24のない部分、すなわち基板酸化膜24の第一、第二開口部においてのみドリフト層21に接続している。そのため、カソード(エミッタ)コンタクト領域の設計寸法は、ドリフト層21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(エミッタ)コンタクト領域のすべてが直接的にドリフト層に接続されており、その設計寸法が直接的に特性に結びついている。従って、本発明にかかるIGBTでは、前述のように、n++型ソース領域9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という利益を有するのである。
Therefore, if the hole diffusion length in the n + buffer region 26-1 is much shorter than the length of the n + buffer region 26-1, since most of the holes disappear by recombination in the n + buffer region 26-1 The hole current reaching the p-type base region 29 becomes zero, and a latch-up free IGBT is realized. In this case, since the p-type base region 29 does not operate as a collector of the BJT, a conventional IGBT equivalent circuit model in which a MOSFET and a BJT are combined does not hold. When such an IGBT is represented by an equivalent circuit, a circuit combining a MOSFET and a pin diode is obtained.
(About micro processes)
The IGBT structure described above has an advantage in design that it is not necessary to make the surface pattern extremely fine. As shown in FIG. 1, the cathode (emitter) contact region is electrically separated from the drift layer 21 by the substrate oxide film 24, and a portion without the substrate oxide film 24, that is, the first and second portions of the substrate oxide film 24. The drift layer 21 is connected only at the two openings. Therefore, the design dimension of the cathode (emitter) contact region does not directly contribute to the characteristics of the drift layer 21. This is symmetric to the conventional planar type or trench type IGBT. In the conventional IGBT, all of the cathode (emitter) contact regions are directly connected to the drift layer, and the design dimensions are directly related to the characteristics. Therefore, as described above, the IGBT according to the present invention has the advantage that the trade-off characteristics are unchanged even if the n ++ type source region 9 is not particularly miniaturized.

本発明にかかるMOS型半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the MOS type semiconductor device concerning this invention. 本発明にかかるMOS型半導体装置と対比させて説明するための比較用MOS型半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the MOS type semiconductor device for a comparison for demonstrating contrast with the MOS type semiconductor device concerning this invention. 本発明にかかるMOS型半導体装置のキャリアの流れを説明するためのMOS型半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the MOS type semiconductor device for demonstrating the flow of the carrier of the MOS type semiconductor device concerning this invention. トップゲート型MOS型半導体装置の電圧電流波形図である。It is a voltage-current waveform diagram of a top gate type MOS semiconductor device. 本発明にかかる第二開口部端とp型ベース領域端の間隔とオン電圧との関係図である。It is a relationship figure of the space | interval and ON voltage of the 2nd opening part end concerning this invention, and a p-type base area | region end. 従来のIGBTの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a conventional IGBT. 従来のプレーナ型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 the conventional planar type IGBT. 本発明にかかるIGBTの製造工程順に示す半導体基板の要部断面図(その1)である。It is principal part sectional drawing (the 1) of the semiconductor substrate shown to the manufacturing process order of IGBT concerning this invention. 本発明にかかるIGBTの製造工程順に示す半導体基板の要部断面図(その2)である。It is principal part sectional drawing (the 2) of the semiconductor substrate shown to the manufacturing process order of IGBT concerning this invention. 本発明にかかるIGBTの製造工程順に示す半導体基板の要部断面図(その3)である。It is principal part sectional drawing (the 3) of the semiconductor substrate shown to the manufacturing process order of IGBT concerning this invention.

符号の説明Explanation of symbols

6 n++エミッタ領域
7 pベース領域
8 nチャネル
9 ドリフト層
10 n蓄積層
11 pアノード層
21 シリコン基板
22 酸化膜
24 基板酸化膜(基板絶縁膜)
25−1 第一開口部
25−2 第二開口部
26−1 第一nバッファ領域
26−2 第二nバッファ領域
27 ゲート酸化膜
28 ゲート電極
29 pベース領域
30 n++エミッタ領域
31 層間絶縁膜
32 エミッタ電極コンタクト開口部
33 エミッタ電極
34 pコンタクト領域(p領域)。
6 n ++ emitter region 7 p base region 8 n channel 9 drift layer 10 n + accumulation layer 11 p anode layer 21 silicon substrate 22 oxide film 24 substrate oxide film (substrate insulating film)
25-1 1st opening 25-2 2nd opening 26-1 1st n + buffer area | region 26-2 2nd n + buffer area | region 27 Gate oxide film 28 Gate electrode 29 p base area | region 30 n ++ emitter area | region 31 interlayer Insulating film 32 Emitter electrode contact opening 33 Emitter electrode 34 p + contact region (p + region).

Claims (6)

一導電型半導体基板の一方の主面上に、第一開口部と第二開口部を有する基板絶縁膜および該基板絶縁膜上と前記両開口部上とに堆積される一導電型半導体結晶膜を備え、
該一導電型半導体結晶膜が該膜内に選択的に形成される他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内の表面に形成される一導電型エミッタ領域と、前記第一開口部で前記半導体基板に接触する前記一導電型半導体結晶膜部分を含む第一バッファ領域と、前記他導電型ベース領域に対して前記第一バッファ領域と反対側に位置する前記一導電型半導体結晶膜部分からなリ、かつ前記第二開口部で前記半導体基板に接触する第二バッファ領域とを備え、
前記第一バッファ領域と前記一導電型エミッタ領域とに挟まれる前記他導電型ベース領域表面には、ゲート絶縁膜を介して多結晶半導体ゲート電極膜および該多結晶半導体ゲート電極膜を覆う層間絶縁膜を備え、エミッタ電極が前記一導電型エミッタ領域表面と前記他導電型ベース領域表面とに接するMOS型半導体装置において、
前記第一開口部の幅が5μm以下であることを特徴とするMOS型半導体装置。
A substrate insulating film having a first opening and a second opening on one main surface of a one-conductivity-type semiconductor substrate, and a one-conductivity-type semiconductor crystal film deposited on the substrate insulating film and on both the openings With
The other conductivity type base region in which the one conductivity type semiconductor crystal film is selectively formed in the film, the one conductivity type emitter region formed on the surface in the other conductivity type base region, and the first opening A first buffer region including the one-conductivity-type semiconductor crystal film portion in contact with the semiconductor substrate, and the one-conductivity-type semiconductor crystal film located on the opposite side of the first buffer region with respect to the other-conductivity-type base region A second buffer region in contact with the semiconductor substrate at the second opening,
On the surface of the other conductivity type base region sandwiched between the first buffer region and the one conductivity type emitter region, a polycrystalline semiconductor gate electrode film and an interlayer insulation covering the polycrystalline semiconductor gate electrode film via a gate insulation film In a MOS type semiconductor device comprising a film and having an emitter electrode in contact with the surface of the one conductivity type emitter region and the surface of the other conductivity type base region,
A MOS type semiconductor device, wherein the width of the first opening is 5 μm or less.
前記他導電型ベース領域と前記第一開口部との間隔が4μm以下であることを特徴とする請求項1記載MOS型半導体装置。 2. The MOS type semiconductor device according to claim 1, wherein a distance between the other conductivity type base region and the first opening is 4 [mu] m or less. 第二開口部の幅が2μm以下であることを特徴とする請求項1または2記載のMOS型半導体装置。 3. The MOS semiconductor device according to claim 1, wherein the width of the second opening is 2 [mu] m or less. 他導電型ベース領域と第二開口部端との間隔が0.5μm乃至1μmの範囲のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置。 4. The MOS semiconductor device according to claim 1, wherein an interval between the other conductivity type base region and the end of the second opening is in a range of 0.5 μm to 1 μm. 5. 前記第一または第二バッファ層の不純物濃度の範囲が1×1014cm−3〜1×1016cm−3のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置。 5. The impurity concentration range of the first or second buffer layer is any one of 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 16 cm −3. 5. The MOS type semiconductor device described. 前記基板絶縁膜の厚さが0.05〜1μmの範囲のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置。 6. The MOS semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the substrate insulating film is in a range of 0.05 to 1 [mu] m.
JP2005348600A 2005-12-02 2005-12-02 MOS type semiconductor device Expired - Fee Related JP5040106B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005348600A JP5040106B2 (en) 2005-12-02 2005-12-02 MOS type semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005348600A JP5040106B2 (en) 2005-12-02 2005-12-02 MOS type semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007157861A true JP2007157861A (en) 2007-06-21
JP5040106B2 JP5040106B2 (en) 2012-10-03

Family

ID=38241862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005348600A Expired - Fee Related JP5040106B2 (en) 2005-12-02 2005-12-02 MOS type semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5040106B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0897413A (en) * 1994-09-21 1996-04-12 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Semiconductor device and its manufacture
EP0768717A2 (en) * 1995-10-13 1997-04-16 Asea Brown Boveri Ag Power semiconductor device
JPH09270513A (en) * 1996-03-29 1997-10-14 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Insulated gate semiconductor device and method of manufacture
JP2007129098A (en) * 2005-11-04 2007-05-24 Fuji Electric Holdings Co Ltd Semiconductor device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0897413A (en) * 1994-09-21 1996-04-12 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Semiconductor device and its manufacture
EP0768717A2 (en) * 1995-10-13 1997-04-16 Asea Brown Boveri Ag Power semiconductor device
JPH09116152A (en) * 1995-10-13 1997-05-02 Abb Manag Ag Power semiconductor element
JPH09270513A (en) * 1996-03-29 1997-10-14 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Insulated gate semiconductor device and method of manufacture
JP2007129098A (en) * 2005-11-04 2007-05-24 Fuji Electric Holdings Co Ltd Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP5040106B2 (en) 2012-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5859319B2 (en) Semiconductor elements and reverse conducting IGBTs.
CN102054859B (en) Bipolar semiconductor device and manufacturing method
JP5787853B2 (en) Power semiconductor device
US9209242B2 (en) Semiconductor device with an edge termination structure having a closed vertical trench
CN104733519A (en) Semiconductor Devices
US7355263B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2005303027A (en) Semiconductor device
JP2013201360A (en) Semiconductor device
JP2013254842A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
US8835935B2 (en) Trench MOS transistor having a trench doped region formed deeper than the trench gate
CN112201690A (en) MOSFET transistor
US7790519B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5114832B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5028749B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2008153454A (en) Method of manufacturing mos type semiconductor device
JP5119589B2 (en) Semiconductor device
JP5135668B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP5040106B2 (en) MOS type semiconductor device
CN213459746U (en) MOSFET transistor
JP2008288350A (en) Manufacturing method of semiconductor device
CN112086512A (en) Power semiconductor device and method
JP2007324540A (en) Mos type semiconductor device and method of manufacturing same
KR20210065759A (en) Power semiconductor device
CN115148800A (en) Asymmetric trench gate SiC IGBT device and preparation method thereof
KR20180111449A (en) Method for manufacturing MOS-controlled rectifier

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20080204

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20081015

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20081216

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20090219

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20091112

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110422

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120221

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120416

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120612

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120625

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150720

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees