JP2009043782A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、トレンチゲートを有する半導体装置の構造及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a structure of a semiconductor device having a trench gate and a manufacturing method thereof.
従来、パワーエレクトロニクス分野のスイッチング素子としてIEGT(Injection Enhanced Gate bipolar Transistor)が周知である。 Conventionally, IEGT (Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor) is well known as a switching element in the field of power electronics.
トレンチゲート型のIEGT素子では、N型半導体層の一方の面にP型ベース層が形成され、P型ベース層からN型半導体層に達する複数のトレンチが設けられている。トレンチ内部には絶縁膜を介して導体層が埋め込まれゲート電極が形成されている。2つのトレンチゲート電極に挟まれたP型ベース層の表面にはN+型エミッタ層が形成されている。N+型エミッタ層の上部には、エミッタ電極が形成されている。N+型エミッタ層が形成されていないP型ベース層のセル領域はダミーセルを構成する。N型半導体層の他方の面にはP型コレクタ層が形成され、P型コレクタ層の上にはコレクタ電極が形成されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3)。 In the trench gate type IEGT element, a P-type base layer is formed on one surface of an N-type semiconductor layer, and a plurality of trenches extending from the P-type base layer to the N-type semiconductor layer are provided. Inside the trench, a conductive layer is embedded via an insulating film to form a gate electrode. An N + type emitter layer is formed on the surface of the P type base layer sandwiched between the two trench gate electrodes. An emitter electrode is formed on the N + type emitter layer. The cell region of the P-type base layer where the N + type emitter layer is not formed constitutes a dummy cell. A P-type collector layer is formed on the other surface of the N-type semiconductor layer, and a collector electrode is formed on the P-type collector layer (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).
コレクタ電極に電圧を印加して、IEGTをターンオンさせると、P型コレクタ層からの正孔が、ダミーセル領域のN型半導体層とトレンチゲート絶縁膜との間に達し、N型半導体層の界面に正孔のチャネルが形成される。この正孔のチャネルによってゲート電極に負の電荷が励起され、ゲート電極に負の微分容量(以下、負性容量という)が生じる。 When a voltage is applied to the collector electrode to turn on the IEGT, holes from the P-type collector layer reach between the N-type semiconductor layer and the trench gate insulating film in the dummy cell region, and enter the interface of the N-type semiconductor layer. Hole channels are formed. Negative holes are excited in the gate electrode by the hole channel, and negative differential capacity (hereinafter referred to as negative capacity) is generated in the gate electrode.
この負性容量の作用により、IEGT素子のターンオン時に、ゲート電圧が振動して上昇(跳ね上がり)し、スイッチング速度(dV/dt)が異常に大きくなり、コレクタ電流が急激に流れて素子の破壊を引き起こす危険性がある。
本発明は、負性容量を抑制すると同時に、負荷短絡耐量の向上を図ることで、素子の信頼性を向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to improve the reliability of an element by suppressing negative capacitance and at the same time improving the load short-circuit withstand capability.
本発明の一つの態様において、半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板の第1の表面に所定の間隔で設けられた複数のゲートトレンチと、半導体基板の第1の表面の第1の領域に形成された第2導電型のベース層と、半導体基板の第1の表面の第2の領域においてゲートトレンチ間に形成されベース層よりも大きな拡散深さを有する第2導電型のダミーベース層と、ゲートトレンチ内部に絶縁膜を介して導体が埋め込まれて形成されるゲート電極と、ベース層の表面にゲートトレンチと接するように選択的に形成された第1導電型のエミッタ層と、エミッタ層及びベース層に接続するように形成されたエミッタ電極と、半導体基板の第2の表面に形成された第2導電型のコレクタ層と、コレクタ層に接続するように形成されたコレクタ電極とを備えたことを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, a semiconductor device includes a first conductivity type semiconductor substrate, a plurality of gate trenches provided at a predetermined interval on the first surface of the semiconductor substrate, and a first surface of the semiconductor substrate. A second conductivity type base layer formed in the first region and a second conductivity type formed between the gate trenches in the second region of the first surface of the semiconductor substrate and having a larger diffusion depth than the base layer. Dummy base layer, a gate electrode formed by burying a conductor through an insulating film inside the gate trench, and a first conductivity type emitter selectively formed on the surface of the base layer so as to be in contact with the gate trench A layer, an emitter electrode formed to connect to the emitter layer and the base layer, a collector layer of a second conductivity type formed on the second surface of the semiconductor substrate, and formed to connect to the collector layer Characterized in that a collector electrode.
本発明の他の態様において、半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板の一方の表面に、第2導電型のベース層、及びベース層よりも拡散深さが大きい第2導電型のダミーベース層を所定のピッチでイオン注入により形成する工程と、ベース層とダミーベース層との間の半導体基板の表面からベース層よりも深く、ダミーベース層と略同一の深さに達する複数のゲートトレンチを形成する工程と、ゲートトレンチ内部にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲートトレンチ内部にゲート絶縁膜を介して導体を埋め込んでゲート電極を形成する工程と、第1拡散層の表面にゲートトレンチに接するように選択的に第1導電型のエミッタ層をイオン注入により形成する工程を備えたことを特徴とする。 In another aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device includes: a second conductivity type base layer on one surface of a first conductivity type semiconductor substrate; and a second conductivity type having a larger diffusion depth than the base layer. Forming a plurality of dummy base layers by ion implantation at a predetermined pitch, and a plurality of depths that are deeper than the base layer from the surface of the semiconductor substrate between the base layer and the dummy base layer and reach substantially the same depth as the dummy base layer Forming a gate trench, forming a gate insulating film inside the gate trench, forming a gate electrode by burying a conductor inside the gate trench through the gate insulating film, and a surface of the first diffusion layer And a step of selectively forming a first conductivity type emitter layer by ion implantation so as to be in contact with the gate trench.
本発明によれば、負性容量を抑制することができ、ターンオン時のゲート電圧の異常振動を防止することができる。また、負荷短絡耐量の向上を図ることもできる。結果として、素子の信頼性が向上する。 According to the present invention, negative capacitance can be suppressed and abnormal oscillation of the gate voltage at turn-on can be prevented. In addition, the load short-circuit resistance can be improved. As a result, the reliability of the element is improved.
以下、図面を参照しながら、本発明に係る絶縁ゲート型半導体装置の実施の形態について詳細に説明する。 Embodiments of an insulated gate semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の一部の構造断面図を概略的に示したものである。図2は、図1に対応する素子パターンレイアウトの一部を概略的に示した平面図である。図2において、説明の都合上、素子の表面を覆う酸化膜、エミッタ電極等は省略してある。図1は、図2のA-A’断面図を示している。 FIG. 1 is a schematic sectional view of a part of an insulated gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view schematically showing a part of the element pattern layout corresponding to FIG. In FIG. 2, for convenience of explanation, an oxide film covering the surface of the element, an emitter electrode, and the like are omitted. FIG. 1 shows a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 2.
本実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装置10は、トランジスタとして機能する駆動セル20、及び、該駆動セル20と隣接して配置されたダミーセル30とが交互に形成されて構成されている。駆動セル20とダミーセル30は、N-/N+/P+型基板37内に形成されている。N-/N+/P+型基板37は、N-型半導体層13の裏面に、高不純物濃度のN+型バッファ層12を介して、高不純物濃度のP+型コレクタ層11が形成されて構成されたものである。N-/N+/P+型基板37は、P+型基板11上にエピタキシャル成長によりN+型バッファ層12を形成し、さらにその上にエピタキシャル成長によって、N+型バッファ層12より不純物濃度の低いN-型半導体層13を形成することにより得ることができる。他に、N-/N+/P+型基板37は、N+型バッファ層12上に、N-型半導体層13を形成し、N+型バッファ層12の裏面にP+型コレクタ層11を形成することにより得ることもできる。
The insulated
N-型半導体層13内には、例えば一定間隔で、縦方向(深さ方向)に伸長するトレンチ14A、14B、14C、14Dが形成されている。各トレンチ14A、14B、14C、14Dの内壁面にはゲート酸化膜15A、15B、15C、15Dがそれぞれ形成されている。トレンチ14A、14B、14C、14Dの内部には例えばポリシリコンのような導電性膜が埋め込まれており、トレンチゲート電極16A、16B、16C、16Dを構成している。このうち、トレンチゲート電極16A、16B、16Dは駆動ゲート電極であり、トレンチゲート電極16Bと16Dに挟まれたトレンチゲート電極16Cはダミーゲート電極である。ゲート電極16B、16C、16Dの上部には共通に層間絶縁膜31が形成されており、ダミーゲート電極16Cは、トレンチゲート電極16B及び16Dと電気的に絶縁されている。
In the N −
駆動セル20は、N-型半導体層13内部のトレンチゲート電極16Aと16Bとの間の領域に形成された、所望の深さのP型ベース拡散層17、及びその上部に選択的に形成されP型ベース拡散層17よりも高濃度に不純物ドープされたP+型コンタクト層18を備える。P型ベース拡散層17表面には、N+型エミッタ拡散層19A、19Bが形成されている。N+型エミッタ拡散層19A、19Bは横方向に伸張し、それぞれトレンチゲート電極16A、16Bの側面とゲート酸化膜15A,15Bを介して接している。N+型エミッタ拡散層19A、19Bの露出面及びP+型ベース拡散層18の露出面は、以下で詳細に説明するようにコンタクト領域を構成する。駆動セル20は、ダミーセル30を挟んで、等間隔で設けられている。他に、間隔を変えて、間欠的に設けられていてもよい。
The
ダミーセル30は、N-型半導体層13内部のトレンチゲート電極16B、16C、16Dの間の領域に形成された、所望の深さのP型ダミーベース拡散層34、35を備える。各トレンチ14A、14B、14C、14Dの間隔が一定となるように、ダミートレンチ14Cが設けられている。ダミートレンチ14Cの内部にはポリシリコンが埋め込まれており、ダミーゲート電極16Cを構成する。ここで、ダミーゲート電極16Cは、素子10の動作とは無関係であるため、省略することも可能である。P型ダミーベース拡散層34、35は、上記したP型ベース拡散層17よりも深い位置まで拡散されて形成されている。具体的には、P型ダミーベース拡散層34は、トレンチ14B、14C、14Dとほぼ同じ深さとなるように形成されている。ここで「ほぼ同じ」とは、トレンチ14B、14C、14Dの側面がP型ダミーベース拡散層34により覆われることにより、前述の負性容量が無視できる程度になっていればよく、具体的には1μm程度以下であればよい。ダミーセル30にはN+型エミッタ拡散層は形成されていない。
The
次に、本実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装置10のパターンレイアウトについて詳細に説明する。図2は、本実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子10の平面図である。なお、図1は、図2のA−A’断面図である。図2に示すように、トレンチ14A、14B、14C、14Dはストライプ状に且つ同一ピッチで設けられている。
Next, the pattern layout of the insulated
トレンチ14Aとトレンチ14Bとの間には、エミッタ拡散層19A、19Bが形成されている。エミッタ拡散層19A、19Bは層間絶縁膜31に覆われてストライプ領域41A、41Bを備え、またエミッタ電極33と接続するコンタクト領域40に位置するストライプ領域42A、42Bを有する。さらに、エミッタ拡散層19A、19Bは、ストライプ領域42A、42Bを接続するべくX方向に延びる連結部44を備えている。
このコンタクト領域40には、ストライプ領域42Aと42Bの間の領域において、長手方向(Y方向)に等ピッチで形成されたP+型コンタクト層18の露出面43が露出している。そして、該露出面43の各々の間に前述の連結部44が形成される。これにより、エミッタ拡散層19A、19Bは、全体として梯子状のエミッタ層として構成される。他に、エミッタ拡散層19A、19Bは、連結部44により連結されず、ストライプ状部分、41A、41B、42A、42Bのみから構成されてもよい。
In the contact region 40, an exposed
図1に戻って説明を続ける。素子表面には、層間絶縁膜31が形成されている。コンタクト領域40に対応する層間絶縁膜31の部分にはコンタクトホール32が開口されている。層間絶縁膜31の上部及びコンタクトホール32の内部には共通に例えばアルミニウムから成る導体膜が形成されている。この導体膜が所望のパターンにパターニングされて、エミッタ電極33及び配線を構成する。さらに、P+型コレクタ層11の裏面にはコレクタ電極38が形成されている。
Returning to FIG. 1, the description will be continued. An interlayer insulating
次に、本実施の形態に係る半導体装置の駆動セル20のベース拡散層17及びダミーセル30のダミーベース拡散層34の深さ方向の不純物濃度プロファイルについて図面を参照しながら説明する。図3は、駆動セル20及びダミーセル30について、それぞれのベース領域17、34での深さ方向の不純物濃度プロファイルを示したグラフである。曲線51は、駆動セル20のP型ベース拡散層17のボロン(B)濃度プロファイルを示す。本実施の形態に係る半導体装置の駆動セル20において、P型ベース拡散層17の不純物濃度曲線51は、エミッタ拡散層19A、19Bとベース拡散層17との接合の深さよりも深い位置(例えば、深さ約2μm)に不純物濃度のピークを有している。これにより、負荷短絡耐量の向上を図ることができる。
Next, impurity concentration profiles in the depth direction of the
一方、ダミーセル30において、P型ダミーベース拡散層34の不純物濃度曲線52は、ベース拡散層内部(深さ約2μm)及びそれより深い位置(深さ約4.2μm)の2箇所に不純物濃度のピークを有している。このように、より深い位置に不純物濃度のピークをもう一つ作成することにより、P型ダミーベース拡散層34を駆動セルのP型ベース拡散層17と比べより深い位置まで一様に拡散させることが可能となる。
On the other hand, in the
以下で詳細に説明するように、不純物濃度プロファイルを適宜調節することにより、P型ダミーベース拡散層34、35の深さをトレンチ14B、14Cの深さと同じ程度に形成することができる。こうすることにより、トレンチゲート電極16B、16Cの側面がP型ダミーベース拡散層34、35によって完全に覆われるため、トレンチゲート電極16B、16Cの底部付近側面とダミーベース拡散層34の底面直下に蓄積されるコレクタ層11から注入された正孔との間に負性容量が発生するのを抑制することができる。結果として、ターンオン時のゲート電位の異常振動の発生が抑制され、素子の信頼性が向上する。
As will be described in detail below, the depth of the P-type dummy base diffusion layers 34 and 35 can be formed to the same extent as the depth of the
続いて、本実施の形態に係る絶縁ゲート半導体装置10の動作原理について説明する。
Subsequently, the operation principle of the insulated
エミッタ電極33に対して正の電圧をコレクタ電極38に印加し、閾値を超える正の電圧をトレンチゲート電極16A、16Bに印加すると、素子がターンオンする。P型ベース拡散層17には電子のチャネルが形成され、エミッタ層19A、19BからP型ベース層17へ電子が流れ込む。一方、コレクタ層11からN+型バッファ層12を介してN−型半導体層13へ正孔が注入される。
When a positive voltage is applied to the
IEGTでは、IGBTに比べ、エミッタの電子注入効率が促進されている。従来のIGBTの場合、Pコレクタ層から注入された正孔は、Pベース層が正孔に対して障壁とならないためにPベース層に向かって単調に減少する。そのためオン電圧が高い。これに対して、IEGTでは、トレンチ構造とダミーベース構造によるエミッタコンタクトの間引き構造の組み合わせにより、正孔に対する障壁が形成されている。そのため、正孔のPベース層への流れ込みが減少し、相対的に電子の注入量が増加する。 In IEGT, the electron injection efficiency of the emitter is promoted compared to IGBT. In the case of a conventional IGBT, holes injected from the P collector layer monotonously decrease toward the P base layer because the P base layer does not serve as a barrier against holes. Therefore, the on-voltage is high. On the other hand, in IEGT, a barrier against holes is formed by a combination of a thinning structure of an emitter contact with a trench structure and a dummy base structure. Therefore, the flow of holes into the P base layer is reduced, and the amount of injected electrons is relatively increased.
隣り合うトレンチにより挟まれた複数のP型ベース拡散層のうち、N+型エミッタ層が形成されていないダミーベース拡散層34、35の直下には、正孔が蓄積されるため、伝導度変調効果が高くなり、オン抵抗が低減すると同時に最大遮断電流密度を大きくすることができる。 Of the plurality of P-type base diffusion layers sandwiched between adjacent trenches, holes are accumulated directly below the dummy base diffusion layers 34 and 35 where the N + -type emitter layer is not formed, and therefore conductivity modulation is performed. The effect is enhanced, the on-resistance is reduced, and the maximum breaking current density can be increased.
従来は、ターンオン時に、ダミーベース34の直下に蓄積された正孔とトレンチゲート電極の底部付近側面との間に負性容量が生じ、その容量の作用によって、ゲート電圧が振動上昇してスイッチング速度(dV/dt)が異常に大きくなって、素子破壊の危険性があった。
Conventionally, at the time of turn-on, a negative capacitance is generated between the holes accumulated immediately below the
本実施の形態によれば、ダミーベース層34が深くまで均一に拡散されて形成されているため、トレンチゲートの側面とダミーベース層34の直下に蓄積されたホールとの間での負性容量の発生が大幅に抑制される。結果として、ターンオン時のゲート電圧の振動によるスイッチング速度の異常な増大が抑制され、素子の信頼性が向上する。
According to the present embodiment, since the
続いて、本実施の形態に係るトレンチゲート半導体装置10の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図4Aから4Gは、本実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装置10の製造プロセスの一部を概略的に示したものである。図4Aから図4Dまでは同一縮尺で示す。図4E及び図4Fは図4Dの点線領域を拡大して示している。また、図4Gは、完成断面図を概略的に示している。これらの図面間で各構成要素の縮尺は、説明の都合上、必ずしも同一ではない。
Next, a method for manufacturing the trench
まず、工程1として、図4Aに示すように、N-/N+/P+型シリコン基板37を準備する。ここで、N-/N+/P+型シリコン基板37の代わりにN型シリコン基板であってもよい。 First, as step 1, as shown in FIG. 4A, an N− / N + / P + type silicon substrate 37 is prepared. Here, instead of the N− / N + / P + type silicon substrate 37, an N type silicon substrate may be used.
次に、工程2として、図4Bに示すように、熱酸化処理により、N-型半導体層13の上に例えばシリコン酸化膜(SiO2)のような絶縁膜60を形成する。次いで、全面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術によって、素子10の最外周部に開口を有するマスク形成する。次いで、そのマスクを使って、例えばボロン(B)を所定濃度でイオン注入し、P+型終端ガードリング(GR)拡散層61を形成する。
Next, as step 2, as shown in FIG. 4B, an insulating
次に、工程3として、図4Cに示すように、フォトリソグラフィー技術により酸化膜60をパターニングし、P型ベース層17及びP型ダミーベース拡散層34を形成すべき部分の酸化膜60を除去する。
Next, as step 3, as shown in FIG. 4C, the
次に、工程4として、図4Dに示すように、バッファ酸化膜(図示せず)を形成し、その上にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー技術により、ダミーセル30を形成すべき領域にのみ選択的に開口を有するフォトレジスト層64を形成する。次いで、該フォトレジスト層64を透過し、酸化膜62を透過しない高エネルギーで加速したボロン(B)を、例えば、3×1019cm−2程度のドーズ量でイオン注入する。これにより、1回のイオン注入により、ベース領域には表面から2μm程度、ダミーベース領域には表面から4μm程度の位置に不純物ドープ濃度プロファイルのピークが形成される。次いで、フォトレジスト層64を除去し、熱拡散を行うことにより、P型ベース層17及びP型ベース層17より深い位置まで均一に拡散されたP型ダミーベース拡散層34が同時に形成される。このとき、P型ベース層17からのサイド拡散により、ダミーベース層34、35の領域にもP型ベース層17とほぼ同じ深さに不純物濃度のピークが現れる。ここで、ダミーベース層34、35の幅が広い場合には、サイド拡散の広がる範囲を超えるため2つのピークが現れない場合もある。
Next, as step 4, as shown in FIG. 4D, a buffer oxide film (not shown) is formed, a photoresist is applied thereon, and then only in the region where the
次に、工程5として、図4Eに示すように、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術により、所定のピッチPの間隔をおいて開口を有するマスクを作成する。そのマスクを使って、ドライエッチングにより、P型ベース拡散層17の表面からN-型半導体層13に達するトレンチ14A、14B、14C、14D、14Eを形成する。次いで、熱酸化等により、トレンチの内側を含め表面全体に例えばシリコン酸化膜などの絶縁膜66を形成する。この絶縁膜66が、後にゲート酸化膜15A、15B、15C、15D、15Eとなる。次いで、トレンチ14A、14B、14C、14D、14Eの内部にポリシリコンを埋め込む。その後、フォトリソグラフィー及びエッチングプロセスによりゲート電極16A、16B、16C、16D、16Eを形成する。所望により、保護ダイオード用のポリシリコン層(図示せず)を同時に形成してもよい。
Next, as step 5, as shown in FIG. 4E, a photoresist is applied, and a mask having openings with a predetermined pitch P is formed by photolithography. Using the mask,
次に、工程6として、図4Fに示すように、レジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術を使って、所望の位置に開口を有するマスクを形成し、該マスクを用いて、イオン注入によりP+型コンタクト層18を形成する。次いで、再びレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術を使って、駆動セル領域についてのみ梯子状の開口部を有するマスクを形成する。次いで、該マスクを使って、例えばリン(P)を所望の濃度でイオン注入することにより、N+型エミッタ拡散層19A、19Bを形成する。次いで、素子領域全体に、例えば熱CVDまたはプラズマCVD法により、所望の厚さの層間絶縁膜31を堆積する。次いで、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術により所望の位置に開口を有するマスクを形成し、それを使って、RIE等のドライエッチングを行いコンタクトホール32を形成する。その後、スパッタ法により、例えばアルミニウム薄膜を全面に堆積する。次いで、フォトリソグラフィー及びエッチングプロセスにより所望のパターンの金属配線層を形成する。こうして、エミッタ電極33及び配線が形成される。
Next, as step 6, as shown in FIG. 4F, a resist is applied, a mask having an opening at a desired position is formed by using a photolithography technique, and a P + type is formed by ion implantation using the mask. A
最後に、工程7として、図4Gに示すように、ポリイミド膜を全面に堆積し、フォトリソグラフィー技術とドライエッチングプロセスにより、パッシベーション膜69A、69Bを形成する。次いで、P+型コレクタ層11の裏面にスパッタ法により例えば、アルミニウム、ニッケルなどの金属膜を堆積しコレクタ電極38を形成する。
Finally, as step 7, as shown in FIG. 4G, a polyimide film is deposited on the entire surface, and
10・・・絶縁ゲート型半導体装置、 11・・・コレクタ層、 12・・・バッファ層、 13・・・N-型半導体層、 14A〜14D・・・トレンチ、 15A〜15D・・・ゲート酸化膜、 16A〜16D・・・トレンチゲート電極、 17・・・P型ベース拡散層、 18・・・P+型コンタクト層、 19A、19B・・・N+型エミッタ拡散層、 20・・・駆動セル、 30・・・ダミーセル、 31・・・層間絶縁膜、 32・・・コンタクトホール、 33・・・エミッタ電極、 34・・・P型ダミーベース拡散層、 35・・・P型ダミーベース拡散層、37・・・シリコン基板、 38・・・コレクタ電極。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体基板の第1の表面に所定の間隔で設けられた複数のゲートトレンチと、
前記半導体基板の第1の表面の第1の領域に形成された第2導電型のベース層と、
前記半導体基板の第1の表面の第2の領域において前記ゲートトレンチ間に形成され前記ベース層よりも大きな拡散深さを有する第2導電型のダミーベース層と、
前記ゲートトレンチ内部に絶縁膜を介して導体が埋め込まれて形成されるゲート電極と、
前記ベース層の表面に前記ゲートトレンチと接するように選択的に形成された第1導電型のエミッタ層と、
前記エミッタ層及び前記ベース層に接続するように形成されたエミッタ電極と、
前記半導体基板の第2の表面に形成された第2導電型のコレクタ層と、
前記コレクタ層に接続するように形成されたコレクタ電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A plurality of gate trenches provided at predetermined intervals on the first surface of the semiconductor substrate;
A second conductivity type base layer formed in the first region of the first surface of the semiconductor substrate;
A dummy base layer of a second conductivity type formed between the gate trenches in the second region of the first surface of the semiconductor substrate and having a diffusion depth larger than the base layer;
A gate electrode formed by burying a conductor through an insulating film inside the gate trench;
An emitter layer of a first conductivity type selectively formed on the surface of the base layer so as to be in contact with the gate trench;
An emitter electrode formed to connect to the emitter layer and the base layer;
A collector layer of a second conductivity type formed on the second surface of the semiconductor substrate;
A collector electrode formed to connect to the collector layer;
A semiconductor device comprising:
前記ベース層と前記ダミーベース層との間の前記半導体基板の表面から前記ベース層よりも深く、前記ダミーベース層と略同一の深さに達する複数のゲートトレンチを形成する工程と、
前記ゲートトレンチ内部にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲートトレンチ内部にゲート絶縁膜を介して導体を埋め込んでゲート電極を形成する工程と、
前記第1拡散層の表面に前記ゲートトレンチに接するように選択的に第1導電型のエミッタ層をイオン注入により形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A second conductivity type base layer and a second conductivity type dummy base layer having a diffusion depth larger than that of the base layer are formed by ion implantation at a predetermined pitch on one surface of the first conductivity type semiconductor substrate. Process,
Forming a plurality of gate trenches that are deeper than the base layer from the surface of the semiconductor substrate between the base layer and the dummy base layer and reach substantially the same depth as the dummy base layer;
Forming a gate insulating film inside the gate trench;
Forming a gate electrode by burying a conductor inside the gate trench through a gate insulating film;
Selectively forming an emitter layer of a first conductivity type by ion implantation on the surface of the first diffusion layer so as to be in contact with the gate trench;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、
前記ベース層及び前記ダミーベース層を形成すべき領域の前記酸化膜を除去する工程と、
前記酸化膜及び前記酸化膜を除去した領域をフォトレジストで覆い、前記ダミーベース層を形成すべき部分にのみ開口を有するフォトレジスト層を形成する工程と、
前記酸化膜及び前記フォトレジスト層をマスクとして、前記ベース層及び前記ダミーベース層を形成すべき領域に、同時に、第2導電型の不純物イオンの高加速イオン注入を行う工程と、
を含む請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the base layer and the dummy base layer includes:
Forming an oxide film on the semiconductor substrate;
Removing the oxide film in regions where the base layer and the dummy base layer are to be formed;
Covering the oxide film and the region from which the oxide film has been removed with a photoresist, and forming a photoresist layer having an opening only in a portion where the dummy base layer is to be formed;
Using the oxide film and the photoresist layer as a mask, simultaneously performing high-acceleration ion implantation of impurity ions of the second conductivity type into regions where the base layer and the dummy base layer are to be formed;
The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 4 containing this.
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011165971A (en) * | 2010-02-10 | 2011-08-25 | Toyota Central R&D Labs Inc | Semiconductor device |
JP2013258190A (en) * | 2012-06-11 | 2013-12-26 | Renesas Electronics Corp | Narrow active cell ie-type trench gate igbt, and method for manufacturing narrow active cell ie-type trench gate igbt |
US8633510B2 (en) | 2011-05-16 | 2014-01-21 | Renesas Electronics Corporation | IE-type trench gate IGBT |
US9111990B1 (en) | 2014-02-27 | 2015-08-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
CN105938798A (en) * | 2016-04-08 | 2016-09-14 | 上海道之科技有限公司 | Manufacturing method of trench IGBT device structure |
US9941395B2 (en) | 2011-11-28 | 2018-04-10 | Fuji Electric Co., Ltd. | Insulated gate semiconductor device and method for manufacturing the same |
JP2018078319A (en) * | 2011-05-16 | 2018-05-17 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Method of manufacturing IGBT |
-
2007
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011165971A (en) * | 2010-02-10 | 2011-08-25 | Toyota Central R&D Labs Inc | Semiconductor device |
US8633510B2 (en) | 2011-05-16 | 2014-01-21 | Renesas Electronics Corporation | IE-type trench gate IGBT |
JP2018078319A (en) * | 2011-05-16 | 2018-05-17 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Method of manufacturing IGBT |
US9941395B2 (en) | 2011-11-28 | 2018-04-10 | Fuji Electric Co., Ltd. | Insulated gate semiconductor device and method for manufacturing the same |
JP2013258190A (en) * | 2012-06-11 | 2013-12-26 | Renesas Electronics Corp | Narrow active cell ie-type trench gate igbt, and method for manufacturing narrow active cell ie-type trench gate igbt |
US10290729B2 (en) | 2012-06-11 | 2019-05-14 | Renesas Electronics Corporation | Narrow active cell IE type trench gate IGBT and a method for manufacturing a narrow active cell IE type trench gate IGBT |
US9111990B1 (en) | 2014-02-27 | 2015-08-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
CN105938798A (en) * | 2016-04-08 | 2016-09-14 | 上海道之科技有限公司 | Manufacturing method of trench IGBT device structure |
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