JP2009194330A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、絶縁ゲート型電界トランジスタ部とコレクタ層とを有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having an insulated gate field transistor portion and a collector layer and a manufacturing method thereof.
民生機器から電鉄用途まで、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などパワー半導体デバイスが幅広く利用されている。通常、IGBTの低ロス化が進められると安全動作領域:SOA(Safe Operating Area)を指標として表される耐性が低下してしまう。SOAとしては、たとえば逆バイアス安全動作領域:RBSOA(Reverse Bias SOA)がある。RBSOAは、IGBTに逆バイアスが印加される際のSOAであり、ターンオフ時の耐性の指標となる。この耐性の低下を抑制するための構造が、近年、提案されている。 Power semiconductor devices such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) are widely used from consumer equipment to electric railway applications. Normally, when the loss reduction of the IGBT is advanced, the tolerance expressed by using the safe operating area (SOA) as an index is lowered. As the SOA, for example, there is a reverse bias safe operation region: RBSOA (Reverse Bias SOA). RBSOA is an SOA when a reverse bias is applied to the IGBT, and serves as an index of resistance at turn-off. In recent years, a structure for suppressing the decrease in resistance has been proposed.
たとえば特開2005−136092号公報によれば、IGBTは、n−型半導体層と、n+型半導体層と、p型半導体層と、エミッタ領域と、ゲート電極と、ガードリング部と、コレクタ層とを有している。コレクタ層は、ガードリング部が設けられた領域の直下において、他の領域よりも不純物濃度が小さくされている。これによりIGBTの弱点であるラッチアップ耐性が向上される、と記載されている。
IGBTのターンオフ時、ガードリング部直下のコレクタ層から注入されてきたホールはセル部最外周のp型半導体層へ集中的に吸収されていく。この吸収量が一定の値を超えてしまうことでIGBTが熱破壊を起こすことがあるため、IGBTのRBSOAを十分に確保することができないという問題があった。 When the IGBT is turned off, holes injected from the collector layer immediately below the guard ring portion are intensively absorbed into the p-type semiconductor layer on the outermost periphery of the cell portion. Since this amount of absorption exceeds a certain value, the IGBT may be thermally destroyed, so that there is a problem that the RBSOA of the IGBT cannot be sufficiently secured.
それゆえ、本発明の目的は、十分なRBSOAを有する半導体装置およびその製造方法を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having sufficient RBSOA and a manufacturing method thereof.
本発明の半導体装置は、ゲート電極を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部と、コレクタ層とを含む半導体装置であって、第1導電型の半導体基板と、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部と、第1導電型のバッファ層と、第1導電型の高濃度バッファ層と、第1導電型と異なる第2導電型のコレクタ層とを備えている。半導体基板は、外周面と外周面に囲まれた内周面とを有する第1主面と、第1主面と対向する第2主面とを有している。絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部は半導体基板の内周面の上に設けられている。バッファ層は、第2主面の内周面に対向する部分の上に設けられ、半導体基板よりも高い不純物濃度を有している。高濃度バッファ層は、第2主面の外周面に対向する部分の上に少なくとも一部が位置し、バッファ層よりも高い不純物濃度を有している。コレクタ層は、バッファ層および高濃度バッファ層の上に設けられている。 A semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor portion having a gate electrode and a collector layer, the first conductivity type semiconductor substrate, an insulated gate field effect transistor portion, A first conductivity type buffer layer; a first conductivity type high concentration buffer layer; and a second conductivity type collector layer different from the first conductivity type. The semiconductor substrate has a first main surface having an outer peripheral surface and an inner peripheral surface surrounded by the outer peripheral surface, and a second main surface facing the first main surface. The insulated gate field effect transistor portion is provided on the inner peripheral surface of the semiconductor substrate. The buffer layer is provided on a portion facing the inner peripheral surface of the second main surface, and has a higher impurity concentration than the semiconductor substrate. The high-concentration buffer layer is at least partially located on the portion facing the outer peripheral surface of the second main surface, and has a higher impurity concentration than the buffer layer. The collector layer is provided on the buffer layer and the high concentration buffer layer.
本発明の半導体装置の製造方法は、ゲート電極を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部と、コレクタ層とを含む半導体装置の製造方法であって、以下の工程を有している。 A manufacturing method of a semiconductor device of the present invention is a manufacturing method of a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor portion having a gate electrode and a collector layer, and includes the following steps.
第1導電型の半導体基板の第1主面において外周面に囲まれた内周面の上に、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部が形成される。第2主面の内周面に対向する部分の上に第1導電型のバッファ層が形成される。第2主面の外周面に対向する部分の少なくとも一部を含む被成膜面の上にリンガラス層が成膜される。リンガラス層を加熱することで、第2主面の外周面に対向する部分の上に少なくとも一部が位置し、かつバッファ層よりも高い不純物濃度を有する第1導電型の高濃度バッファ層が形成される。バッファ層および高濃度バッファ層の上に、第1導電型と異なる第2導電型のコレクタ層が形成される。 An insulated gate field effect transistor portion is formed on the inner peripheral surface surrounded by the outer peripheral surface in the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate. A first conductivity type buffer layer is formed on a portion of the second main surface facing the inner peripheral surface. A phosphorous glass layer is formed on the film formation surface including at least a part of the portion facing the outer peripheral surface of the second main surface. By heating the phosphorous glass layer, a high-concentration buffer layer of the first conductivity type is located at least partially on the portion facing the outer peripheral surface of the second main surface and has an impurity concentration higher than that of the buffer layer. It is formed. A collector layer of a second conductivity type different from the first conductivity type is formed on the buffer layer and the high concentration buffer layer.
本発明によれば、高濃度バッファ層により、第2主面の外周面に対向する部分の上のコレクタ層から注入されてきたホールの大半が消滅させられるため、半導体装置のRBSOAを十分に確保することができる。 According to the present invention, the high-concentration buffer layer eliminates most of the holes injected from the collector layer above the portion facing the outer peripheral surface of the second main surface, so that sufficient RBSOA of the semiconductor device is ensured. can do.
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図2は、本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を概略的に示す上面図である。図3は、図1のIII−III線に沿った概略断面図である。なお、図1は、図2のI−I線に沿った断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a top view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
図1〜図3を参照して、本実施の形態の半導体装置は、セル領域CLと、セル領域CLを取り囲むように設けられたガードリング領域GRとを有するIGBT(半導体装置)である。より具体的には、IGBTは、n−基板11(半導体基板)と、n+層15(バッファ層)と、n++バッファ層20(高濃度バッファ層)と、p+層16(コレクタ層)と、裏面電極17と、ベース部31(pウエル層)と、エミッタ部32eと、エミッタ電極12eと、ゲート絶縁膜41gと、ゲート電極51と、酸化膜42と、層間膜43と、ガードリング部61と、n+部32と、電極12と、絶縁膜41と、オーバーコート膜63とを有している。
1 to 3, the semiconductor device of the present embodiment is an IGBT (semiconductor device) having a cell region CL and a guard ring region GR provided so as to surround the cell region CL. More specifically, the IGBT includes an n− substrate 11 (semiconductor substrate), an n + layer 15 (buffer layer), an n ++ buffer layer 20 (high concentration buffer layer), a p + layer 16 (collector layer), and a back surface. The
n−基板11は、n型(第1導電型)の導電型を有する基板であり、たとえばFZウエハである。n−基板11は、上面(第1主面)として、外周面P1oと、外周面P1oに囲まれた内周面P1iとを有している。またn−基板11は、この上面と対向する裏面(第2主面)として、内周面P1iと対向する内周対向面P2iと、外周面P1oと対向する外周対向面P2oとを有している。n−基板11の内周面P1iおよび内周対向面P2iに挟まれた部分は、セル領域CLに含まれる。またn−基板11の外周面P1oおよび外周対向面P2oに挟まれた部分は、ガードリング領域GRに含まれる。なおn−基板11は、内周対向面P2iおよび外周対向面P2o側にライフタイムキラー層11kを有している。ライフタイムキラー層11kは、たとえば水素イオン(H+)が照射量1×1010/cm2で照射されることにより形成されている。
The n-
n−基板11の内周面P1iの上には、n−基板11と、ベース部31と、エミッタ部32eと、ゲート絶縁膜41gと、ゲート電極51とを有する絶縁ゲート型電界トランジスタ部FTが形成されている。なおベース部31はエミッタ電極12e側に高濃度ベース部31dを有している。
On the inner peripheral surface P1i of the n−
n+層15は、内周対向面P2i上に設けられ、n−基板11よりも高い不純物濃度を有するn型の層である。n+層15の不純物は、たとえば注入量1×1011/cm2で注入されたリン(P)である。
The n +
n++バッファ層20は、外周対向面P2o上に少なくとも一部が位置し、n+層15よりも高い不純物濃度を有するn型の層である。n++バッファ層20の不純物は、たとえば注入量5×1013/cm2で注入されたリン(P)である。
The n ++
p+層16は、n+層15およびn++バッファ層20の上に設けられたp型の層である。p+層16の不純物は、たとえば注入量5×1012/cm2で注入されたボロン(B)である。
The p +
ゲートパッド22(パッド層)は、内周面P1i上に設けられ、IGBTの外部とゲート電極51とを電気的に接続するためのものである。n++バッファ層20は、n−基板11を挟んでゲートパッド22と対向する部分を有している。
The gate pad 22 (pad layer) is provided on the inner peripheral surface P1i and electrically connects the outside of the IGBT and the
次に本実施の形態のIGBTのスイッチング動作について説明する。
まずスイッチング動作のうちターンオン動作について説明する。ゲート電極51に所定の電圧が印加されることで、絶縁ゲート型電界トランジスタ部FTからn−基板11へ電子が注入される。また裏面電極17とエミッタ電極12eとの間に所定の電圧が印加されることで、p+層16とエミッタ部32eとの間が順バイアス状態とされる。この順バイアス状態により、p+層16からn−基板11へホールが注入される。セル領域CLにおいては、上記の電子とホールとが平衡状態となり、伝導度変調が起こる。一方、ガードリング領域GRにおいては、p+層16とn−基板11との間にn型の高濃度不純物領域であるn++バッファ層20が形成されている。このためp+層16からのホールの大半が消滅する。
Next, the switching operation of the IGBT of this embodiment will be described.
First, the turn-on operation of the switching operation will be described. By applying a predetermined voltage to the
続いてスイッチング動作のうちターンオフ動作について説明する。IGBTが順バイアス状態から逆バイアス状態に切り替えられることにより、電子の注入が停止される。セル領域CLにおいては、n−基板11のn+層15近傍に残存したホールはライフタイムキラー層11kにトラップされ、n−基板11の厚み方向の中間部に残存したホールは自己ライフタイムにより消滅し、n−基板11の内周面P1i側に残存したホールはエミッタ部32e側へ抜ける。一方、ガードリング領域GRにおいては、上述したようにn++バッファ層20により大半のホールが消滅している。少量の残存したホールは、セル領域CL最外周のベース部31に流れ込む。
Next, the turn-off operation of the switching operation will be described. By switching the IGBT from the forward bias state to the reverse bias state, the injection of electrons is stopped. In the cell region CL, the holes remaining in the vicinity of the n +
次にn+層15およびn++バッファ層20の形成方法について説明する。まずn−基板11の内周対向面P2iおよび外周対向面P2o側の面全体に1×1011/cm2の注入量でリン(P)が注入される。その後、外周対向面P2oに選択的に5×1013/cm2の注入量でリン(P)が注入されることで、外周対向面P2oの不純物濃度が5×1013/cm2の注入量で規定される濃度とされる。この選択的な不純物の注入は、両面アライナー装置を適用し、裏面マスクを用いてパターニングを行なうことで行なわれる。
Next, a method for forming the n ++
次に比較例の半導体装置について説明する。図4は、比較例における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図4を参照して、比較例のIGBTはn+層15が内周対向面P2iおよび外周対向面P2o上に形成されており、n++バッファ層20が形成されていない。このためターンオン時にガードリング領域GRにおいて、本実施の形態よりも多くのホールがn−基板11に注入される。このホールは、ターンオフ時にセル領域CL部最外周のベース部31に集中する。この集中は、上述したようにホールが多いために過度になりやすいので、IGBTの熱破壊が生じやすい。
Next, a semiconductor device of a comparative example will be described. FIG. 4 is a partial cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device in a comparative example. Referring to FIG. 4, in the IGBT of the comparative example, n +
一方、本実施の形態によれば、ガードリング領域GRにおいては、p+層16からのホールはn++バッファ層20の影響によりn−基板11に少量しか注入されない。よってターンオフ時にセル領域CLの最外周のベース部31に流れ込むホールの量が少なくなる。このためホールの集中による熱破壊が抑制されるので、十分なRBSOAを確保することができる。
On the other hand, according to the present embodiment, only a small amount of holes from the p +
また、図3に示すように、n++バッファ層20は、ガードリング領域GRと同様に無効領域であるゲートパッド22が形成された領域と対向する部分を有している。これにより、n−基板11に注入されるホールの量が抑制されるので、上記と同様の原理で、より広いRBSOAを確保することができる。
As shown in FIG. 3, the n ++
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a partial cross-sectional view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
図5を参照して、本実施の形態の半導体装置としてのIGBTは、実施の形態1のIGBT(図1)のn++バッファ層20の代わりに、n++バッファ層21を有している。n++バッファ層21は、n++バッファ層20と同様に、n+層15よりも高い不純物濃度を有するn型の層である。n++バッファ層21は、たとえば濃度2×1016/cm3で添加されたリン(P)を不純物として有している。n++バッファ層21のp+層16側の面における不純物濃度は1×1019/cm3以上である。なおn+層15は、たとえば濃度1×1015〜1×1016/cm3のリン(P)を不純物として有している。
Referring to FIG. 5, the IGBT as the semiconductor device of the present embodiment has an n ++
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。 Since the configuration other than the above is substantially the same as the configuration of the first embodiment described above, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is not repeated.
次に本実施の形態のIGBTの製造方法について説明する。
図5を参照して、n−基板11の内周面P1iの上に、絶縁ゲート型電界トランジスタ部FTが形成される。内周対向面P2iおよび外周対向面P2oの全体に、低濃度でリン(P)が注入されることで、n+層15が形成される。
Next, the manufacturing method of IGBT of this Embodiment is demonstrated.
Referring to FIG. 5, insulated gate field transistor portion FT is formed on inner peripheral surface P <b> 1 i of n−
次に厚い酸化膜でn−基板11が覆われる。この酸化膜のうち、外周対向面P2oの少なくとも一部を含む面が選択的に露出されて、被被覆面とされる。この選択的な露出は、両面アライナー装置を適用し、裏面のパターニングを行なうことで可能である。次にリン(P)成膜処理が行なわれる。
Next, the n-
図6は、本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法の一工程を説明するための概略的な部分断面図である。図7は、本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法の一工程を説明するための温度プロファイル図である。 FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view for explaining one step of the method of manufacturing a semiconductor device in the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a temperature profile diagram for explaining one step of the method of manufacturing a semiconductor device in the second embodiment of the present invention.
図6および図7を参照して、まずステップS01にて、窒素および酸素の混合ガスが噴出された製造装置内にn−基板11が搬入される。ステップS02にて、リンガラス層の成膜に適した値まで温度Tが上げられる。ステップS03にて、製造装置内にPH3ガスが噴出される。これにより上述した被成膜面、すなわち外周対向面P2oの少なくとも一部を含む面に、リンガラス層2uが形成される。ステップS04にて、温度Tが下げられ、ステップS05にてフラッシュ工程が行なわれる。
Referring to FIGS. 6 and 7, first, in step S01, n-
ステップS06にて、ドライブ工程に適した値まで温度Tが上げられる。これによりリンガラス層2uが加熱される。ステップS07にてドライブ工程が行なわれることで、外周対向面P2oの少なくとも一部に、n++バッファ層21が形成される。その後、リンガラス層2uおよび酸化膜が除去される。n+層15およびn++バッファ層21の上に、p+層16が形成される。n++バッファ層21がn−基板11を挟んでゲートパッド22と対向する部分を有するように、ゲートパッド22が内周面P1i上に設けられる。これにより、図5に示すIGBTが得られる。
In step S06, the temperature T is raised to a value suitable for the drive process. Thereby, the phosphorus glass layer 2u is heated. By performing the drive process in step S07, the n ++
本実施の形態によれば、実施の形態1と同様の効果が得られる。また、図6の矢印に示すように、リンガラス層2uによる不純物IPのゲッタリング効果が得られるため、IGBTのリーク電流を抑制することができる。 According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, as shown by the arrows in FIG. 6, the gettering effect of the impurity IP by the phosphorus glass layer 2u can be obtained, so that the leakage current of the IGBT can be suppressed.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、絶縁ゲート型電界トランジスタ部とコレクタ層とを有する半導体装置およびその製造方法に特に有利に適用され得る。 The present invention can be particularly advantageously applied to a semiconductor device having an insulated gate field transistor portion and a collector layer and a method for manufacturing the same.
CL セル領域、FT 絶縁ゲート型電界トランジスタ部、GR ガードリング領域、2u リンガラス層、11 n−基板、12e エミッタ電極、15 n+層、16 p+層、17 裏面電極、20,21 n++バッファ層、22 ゲートパッド、41g ゲート絶縁膜、51 ゲート電極、61 ガードリング部。 CL cell region, FT insulated gate field transistor portion, GR guard ring region, 2u phosphor glass layer, 11 n− substrate, 12e emitter electrode, 15 n + layer, 16 p + layer, 17 back electrode, 20, 21 n ++ buffer layer, 22 gate pad, 41 g gate insulating film, 51 gate electrode, 61 guard ring part.
Claims (4)
外周面と前記外周面に囲まれた内周面とを有する第1主面と、前記第1主面と対向する第2主面とを有する、第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の前記内周面の上に設けられた前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部と、
前記第2主面の前記内周面に対向する部分の上に設けられ、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する前記第1導電型のバッファ層と、
前記第2主面の前記外周面に対向する部分の上に少なくとも一部が位置し、前記バッファ層よりも高い不純物濃度を有する前記第1導電型の高濃度バッファ層と、
前記バッファ層および前記高濃度バッファ層の上に設けられた、前記第1導電型と異なる第2導電型の前記コレクタ層とを備えた、半導体装置。 A semiconductor device including an insulated gate field effect transistor portion having a gate electrode and a collector layer,
A first conductive type semiconductor substrate having a first main surface having an outer peripheral surface and an inner peripheral surface surrounded by the outer peripheral surface; and a second main surface opposite to the first main surface;
The insulated gate field effect transistor portion provided on the inner peripheral surface of the semiconductor substrate;
A buffer layer of the first conductivity type provided on a portion of the second main surface facing the inner peripheral surface and having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate;
A high-concentration buffer layer of the first conductivity type that is at least partially located on a portion of the second main surface facing the outer peripheral surface and has an impurity concentration higher than that of the buffer layer;
A semiconductor device comprising: a collector layer of a second conductivity type different from the first conductivity type provided on the buffer layer and the high concentration buffer layer.
前記高濃度バッファ層は、前記半導体基板を挟んで前記パッド層と対向する部分を有する、請求項1に記載の半導体装置。 A pad layer for electrically connecting the outside of the semiconductor device and the gate electrode provided on the first main surface;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-concentration buffer layer has a portion facing the pad layer across the semiconductor substrate.
第1導電型の半導体基板の第1主面において外周面に囲まれた内周面の上に、前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部を形成する工程と、
前記第2主面の前記内周面に対向する部分の上に前記第1導電型のバッファ層を形成する工程と、
前記第2主面の前記外周面に対向する部分の少なくとも一部を含む被成膜面の上にリンガラス層を成膜する工程と、
前記リンガラス層を加熱することで、前記第2主面の前記外周面に対向する部分の上に少なくとも一部が位置し、かつ前記バッファ層よりも高い不純物濃度を有する前記第1導電型の高濃度バッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層および前記高濃度バッファ層の上に、前記第1導電型と異なる第2導電型の前記コレクタ層を形成する工程とを備えた、半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including an insulated gate field effect transistor portion having a gate electrode and a collector layer,
Forming the insulated gate field effect transistor portion on the inner peripheral surface surrounded by the outer peripheral surface in the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a buffer layer of the first conductivity type on a portion of the second main surface facing the inner peripheral surface;
Forming a phosphorous glass layer on a film formation surface including at least a part of a portion of the second main surface facing the outer peripheral surface;
By heating the phosphorous glass layer, at least part of the second main surface is located on a portion facing the outer peripheral surface and has a higher impurity concentration than the buffer layer. Forming a high concentration buffer layer;
Forming a collector layer of a second conductivity type different from the first conductivity type on the buffer layer and the high-concentration buffer layer.
前記被成膜面は前記半導体基板を挟んで前記パッド層と対向する部分を有する、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a pad layer for electrically connecting the outside of the semiconductor device and the gate electrode on the first main surface;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the film formation surface has a portion facing the pad layer with the semiconductor substrate interposed therebetween.
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