JP2011066290A - Semiconductor device, and method of manufacturing the same - 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SOI(Silicon On Insulator)基板に高耐圧横型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が形成された半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which a high breakdown voltage lateral IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate and a manufacturing method thereof.
近年、低電圧駆動のIC回路と高耐圧素子とが複合化された半導体装置が各種の用途に利用されている。特にプラズマディスプレイの駆動回路に利用される半導体装置には、高耐圧横型IGBTが採用されている。通常高耐圧横型IGBTは次のように動作する。すなわち、エミッタ電極に0V、コレクタ電極に正の電圧が印加され、ゲート電極に閾値電圧以上の正の電圧が印加されるとIGBTがオン状態に至る。オン状態ではゲート電極下部のボディ領域表面にチャネルが形成され電子がエミッタ電極よりチャネルを通過してドリフト領域に注入される。その際に電荷中性条件を満たそうとしてコレクタ領域よりバッファ領域およびドリフト領域にホールが注入される。それによりドリフト領域およびバッファ領域において伝導度変調が生じ、IGBTでは他の半導体装置に比べてオン電圧(IGBTの電流電圧特性の飽和(saturation)領域において所定の電流が流れるときのコレクタ−エミッタ間電圧)を大きく低減することができるという特徴がある。 In recent years, a semiconductor device in which a low-voltage driving IC circuit and a high breakdown voltage element are combined has been used for various applications. In particular, a high breakdown voltage lateral IGBT is employed in a semiconductor device used in a driving circuit of a plasma display. The normal high breakdown voltage lateral IGBT operates as follows. That is, when 0 V is applied to the emitter electrode, a positive voltage is applied to the collector electrode, and a positive voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode, the IGBT is turned on. In the ON state, a channel is formed on the surface of the body region below the gate electrode, and electrons pass through the channel from the emitter electrode and are injected into the drift region. At that time, holes are injected from the collector region into the buffer region and the drift region so as to satisfy the charge neutrality condition. As a result, conductivity modulation occurs in the drift region and the buffer region, and in the IGBT, compared to other semiconductor devices, the on-voltage (the collector-emitter voltage when a predetermined current flows in the saturation region of the IGBT current-voltage characteristics) ) Can be greatly reduced.
このときオン電圧は、コレクタ領域からの少数キャリアであるホールの、特にドリフト領域あるいはバッファ領域への注入効率が高いほど低減効果が高くなる。この注入効率はコレクタ領域のP型不純物濃度Neとバッファ領域でのN型不純物濃度Nbとの比(Ne/Nb)に概ね比例する(参考文献:Power Semiconductor Devices B.JAYANT BALIGA 1996)とみられるので、バッファ領域のN型不純物濃度Nbを低減することで改善することができる。ところが、バッファ領域のN型不純物濃度を低濃度にすると、オン状態からオフ状態となるIGBTのターンオフ時にドリフト領域およびバッファ領域において、コレクタ領域より注入された少数キャリアであるホールの残存時間が長くなる。すなわち再結合によりホールが消滅するまでにかかる時間が長くなることでスイッチング速度が遅くなる。スイッチング速度を改善するという観点からは従来構造ではコレクタ領域からバッファ領域に注入されるホール量の抑制が重要であり、そのためバッファ領域での不純物濃度は比較的高濃度である1×1017/cm3〜1×1019/cm3程度に設定される。 At this time, the ON voltage becomes more effective as the efficiency of injection of holes, which are minority carriers from the collector region, into the drift region or the buffer region is higher. This injection efficiency is considered to be roughly proportional to the ratio (Ne / Nb) between the P-type impurity concentration Ne in the collector region and the N-type impurity concentration Nb in the buffer region (reference: Power Semiconductor Devices B.JAYANT BALIGA 1996). This can be improved by reducing the N-type impurity concentration Nb of the buffer region. However, when the N-type impurity concentration in the buffer region is lowered, the remaining time of holes, which are minority carriers injected from the collector region, becomes longer in the drift region and the buffer region when the IGBT is turned off from the on state. . That is, the switching speed is slowed down because the time taken for the holes to disappear due to recombination becomes longer. From the viewpoint of improving the switching speed, in the conventional structure, it is important to suppress the amount of holes injected from the collector region to the buffer region. Therefore, the impurity concentration in the buffer region is a relatively high concentration of 1 × 10 17 / cm. It is set to about 3 to 1 × 10 19 / cm 3 .
しかしながら、ゲート電極とエミッタ電極および支持基板の電位が同電位の0V、コレクタ電極に正電圧が印加され、ゲート電極下のチャネルがオフの状態においては、不純物濃度の大きいバッファ領域と低不純物濃度のドリフト領域との境界付近で等ポテンシャル線が集中しやすくなるため、バッファ領域を高不純物濃度にすることで、この領域での電界強度が増加しIGBT全体としての耐圧向上が困難になるという課題を有していた。これを改善する手法として特許文献1に記載されるような構造が提案されている。
However, when the gate electrode, the emitter electrode, and the support substrate have the same potential of 0 V, a positive voltage is applied to the collector electrode, and the channel under the gate electrode is off, the buffer region having a high impurity concentration and the low impurity concentration Since equipotential lines tend to concentrate near the boundary with the drift region, increasing the impurity concentration in the buffer region increases the electric field strength in this region, making it difficult to improve the breakdown voltage of the IGBT as a whole. Had. As a technique for improving this, a structure as described in
しかしながら、特許文献1に記載されたデバイスにもなお課題が存在する。図11はその課題を説明するための図面である。バッファ領域115は半導体層表面よりイオン注入されて形成されるのが普通であるため、半導体層のより表面に近い側でのバッファ層115の不純物濃度はより高濃度となる。図12(b)は図11のX−X‘線に沿う横方向の不純物濃度プロファイルを示す。また図12(a)は図11のY−Y’線の深さ方向不純物濃度プロファイルを示したものである。図12(a)および(b)に示すように、コレクタ領域116と第2バッファ領域115bとの接合部における第2バッファ領域115bの不純物濃度は、コレクタ領域116側部に位置する領域(図11のB点)に比べて底部に近接する領域(図11のA点)の方が低濃度となっている。そのためコレクタ領域116の側部からバッファ層115に注入され、バッファ層115内を再結合せずにある程度の距離拡散し伝導度変調に寄与する少数キャリアの注入効率は低下するので、オン電圧を十分低減させることは依然として容易ではなかった。
However, the device described in
そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、高耐圧IGBTの耐圧低下を招くことなく、オン電圧を十分低減させることを可能とした半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof that can sufficiently reduce the on-voltage without causing a decrease in breakdown voltage of the high breakdown voltage IGBT. To do.
上記従来の課題を解決する本発明の半導体装置は、
半導体層と、前記半導体層内に形成された第1導電型のボディ領域と、前記半導体層内に前記ボディ領域と隣接して形成された第2導電型のドリフト領域と、前記ボディ領域表面部に形成された第2導電型のエミッタ領域と、前記エミッタ領域の端部から前記ボディ領域の表面上および前記ドリフト領域の表面上に渡ってゲート絶縁膜を介して形成された制御電極部と、前記制御電極部を挟んで前記エミッタ領域とは反対側の前記ドリフト領域に形成された第2導電型のバッファ領域と、前記バッファ領域表面部に形成された第1導電型のコレクタ領域と、前記コレクタ領域側部の前記バッファ領域内に位置するとともにそのキャリア濃度が、前記コレクタ領域底部に接する部分に位置する前記バッファ領域のキャリア濃度と実質的に同じとなっている領域とを備えたことを特徴とするものである。
The semiconductor device of the present invention that solves the above-described conventional problems is as follows.
A semiconductor layer; a first conductivity type body region formed in the semiconductor layer; a second conductivity type drift region formed in the semiconductor layer adjacent to the body region; and a body region surface portion An emitter region of the second conductivity type formed on the control region, and a control electrode portion formed via a gate insulating film over the surface of the body region and the surface of the drift region from the end of the emitter region; A second conductivity type buffer region formed in the drift region opposite to the emitter region across the control electrode portion; a first conductivity type collector region formed in the buffer region surface; and Located in the buffer region on the side of the collector region, and its carrier concentration is substantially the same as the carrier concentration of the buffer region located in the portion in contact with the bottom of the collector region It is characterized in that a Tsu and has regions.
また本発明の半導体装置は、
半導体層と、前記半導体層内に形成された第1導電型のボディ領域と、前記半導体層内に前記ボディ領域と隣接して形成された第2導電型のドリフト領域と、前記ボディ領域表面部に形成された第2導電型のエミッタ領域と、前記エミッタ領域の端部から前記ボディ領域の表面上および前記ドリフト領域の表面上に渡ってゲート絶縁膜を介して形成された制御電極部と、前記制御電極部を挟んで前記エミッタ領域とは反対側の前記ドリフト領域に形成された第2導電型のバッファ領域と、前記バッファ領域表面部に形成された第1導電型のコレクタ領域と、前記コレクタ領域側部の前記バッファ領域内に形成された不純物調整領域とを備え、前記バッファ領域の第2導電型不純物濃度が、その表面部よりも前記コレクタ領域底部に接する部分において小さく、また前記不純物調整領域は、前記コレクタ領域側部に位置する前記バッファ領域の表面部における前記第2導電型不純物濃度を超えない濃度の第1導電型不純物を含んでいることを特徴とするものである。
The semiconductor device of the present invention is
A semiconductor layer; a first conductivity type body region formed in the semiconductor layer; a second conductivity type drift region formed in the semiconductor layer adjacent to the body region; and a body region surface portion An emitter region of the second conductivity type formed on the control region, and a control electrode portion formed via a gate insulating film over the surface of the body region and the surface of the drift region from the end of the emitter region; A second conductivity type buffer region formed in the drift region opposite to the emitter region across the control electrode portion; a first conductivity type collector region formed in the buffer region surface; and An impurity adjustment region formed in the buffer region on the side of the collector region, and a portion where the second conductivity type impurity concentration of the buffer region is in contact with the bottom of the collector region rather than the surface thereof And the impurity adjustment region contains the first conductivity type impurity having a concentration not exceeding the second conductivity type impurity concentration in the surface portion of the buffer region located on the side of the collector region. It is what.
また上記の半導体装置においては、(前記コレクタ領域側部に位置する前記バッファ領域の表面部における前記第2導電型不純物濃度−前記不純物調整領域に含まれる前記第1導電型不純物濃度)の値が前記バッファ領域の、前記コレクタ領域底部に接する部分の第2導電型不純物濃度と実質的に同じとすることができる。このような構成とすれば、前記不純物調整領域内のキャリア濃度と前記コレクタ領域底部に接する部分に位置する前記バッファ層のキャリア濃度を実質的に同じとすることができる。 In the above semiconductor device, the value of (the second conductivity type impurity concentration in the surface portion of the buffer region located on the side of the collector region−the first conductivity type impurity concentration included in the impurity adjustment region) is The buffer region may be substantially the same as the second conductivity type impurity concentration in the portion in contact with the bottom of the collector region. With such a configuration, the carrier concentration in the impurity adjustment region and the carrier concentration of the buffer layer located at the portion in contact with the bottom of the collector region can be made substantially the same.
また前記バッファ領域は、第2導電型不純物の第1平均濃度を有する第1バッファ領域と、前記第1バッファ領域内に設けられ、前記第1平均濃度より高い第2導電型不純物の第2平均濃度を有する第2バッファ領域とからなり、前記コレクタ領域は前記第2バッファ領域に設けられるようにすることが望ましい。 The buffer region is provided in the first buffer region with a first buffer region having a first average concentration of second conductivity type impurities, and a second average of second conductivity type impurities higher than the first average concentration. It is desirable that the second buffer region has a concentration, and the collector region is provided in the second buffer region.
また前記半導体層は、支持基板の一主面上に、絶縁膜を介して設けられるようにしてもよい。 The semiconductor layer may be provided on one main surface of the support substrate via an insulating film.
上記従来の課題を解決するための本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体層内に第1導電型のボディ領域を形成する工程と、前記半導体層内に前記ボディ領域と隣接して第2導電型のドリフト領域を形成する工程と、前記ボディ領域の表面部に第2導電型のエミッタ領域を形成する工程と、前記エミッタ領域の端部から前記ボディ領域の表面上および前記ドリフト領域の表面上に渡って形成されたゲート絶縁膜を介して制御電極部を設ける工程と、前記制御電極部を挟んで前記エミッタ領域とは反対側の前記ドリフト領域に第2導電型のバッファ領域を形成する工程と、前記バッファ領域表面部に第1導電型のコレクタ領域を形成する工程と、前記コレクタ領域側部に位置する前記バッファ領域内に第1導電型不純物を導入して不純物調整領域を形成する工程とを含むことを特徴とするものである。
A method of manufacturing a semiconductor device of the present invention for solving the above conventional problem is as follows.
Forming a first conductivity type body region in the semiconductor layer; forming a second conductivity type drift region in the semiconductor layer adjacent to the body region; and forming a second conductivity type on the surface of the body region. A step of forming a two-conductivity type emitter region, and a step of providing a control electrode portion via a gate insulating film formed over the surface of the body region and the surface of the drift region from the end of the emitter region Forming a second conductivity type buffer region in the drift region opposite to the emitter region across the control electrode portion, and forming a first conductivity type collector region on the surface of the buffer region And a step of forming an impurity adjustment region by introducing a first conductivity type impurity into the buffer region located on the side of the collector region.
以上の半導体装置の製造方法においては、前記コレクタ領域側部に位置する前記バッファ領域内に導入された第1導電型不純物の濃度は、前記バッファ領域の表面部における前記第2導電型不純物の濃度を超えないことが望ましい。 In the above semiconductor device manufacturing method, the concentration of the first conductivity type impurity introduced into the buffer region located on the side of the collector region is equal to the concentration of the second conductivity type impurity in the surface portion of the buffer region. It is desirable not to exceed.
また本発明の半導体装置の製造方法では、さらに具体的に、前記コレクタ領域が、前記バッファ領域の表面上に開口を有するマスク層を形成した後、前記マスク層をマスクとして前記バッファ領域の表面部に第1導電型の不純物をイオン注入することによって形成され、前記コレクタ領域側部に位置する前記バッファ領域内に第1導電型不純物を導入する工程は、前記マスク層をマスクとして第1導電型不純物をイオン注入することによって行われ、その前記バッファ領域表面の法線に対するイオンの注入角度は、前記コレクタ領域を形成するためのイオン注入より大きい。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, more specifically, after the collector region forms a mask layer having an opening on the surface of the buffer region, the surface portion of the buffer region is formed using the mask layer as a mask. The step of introducing the first conductivity type impurity into the buffer region located on the side of the collector region is formed by ion-implanting the first conductivity type impurity to the first collector type using the mask layer as a mask. Impurities are ion-implanted, and the angle of ion implantation relative to the normal of the buffer region surface is larger than the ion implantation for forming the collector region.
以上のように本発明の半導体装置は、(1)バッファ領域の第2導電型不純物濃度が、その表面部よりもコレクタ領域底部に接する部分において小さく、またコレクタ領域側部に位置するバッファ領域内にはバッファ領域の表面部における第2導電型不純物濃度を超えない濃度の第1導電型不純物を含むようにしたこと、さらには(2)(バッファ領域の表面部における第2導電型不純物濃度−コレクタ領域側部に位置するバッファ領域内に含まれる第1導電型不純物濃度)の値がバッファ領域の、コレクタ領域底部に接する部分の第2導電型不純物濃度と実質的に同じとなるようにしたこと、すなわち(3)コレクタ領域側部に位置するバッファ領域内のキャリア濃度とコレクタ領域底部に接する部分に位置するバッファ領域のキャリア濃度が実質的に同じとなるような構造としたことに特徴を有するものである。この構造によれば、バッファ領域表面部の不純物濃度が高くてもコレクタ領域側部からバッファ領域に注入される少数キャリアの注入効率を向上でき、オン電圧を低減することが可能となる。 As described above, in the semiconductor device of the present invention, (1) the second conductivity type impurity concentration of the buffer region is smaller in the portion in contact with the bottom of the collector region than in the surface thereof, and in the buffer region located on the side of the collector region Includes a first conductivity type impurity having a concentration not exceeding the second conductivity type impurity concentration in the surface portion of the buffer region, and (2) (second conductivity type impurity concentration in the surface portion of the buffer region − The value of the first conductivity type impurity concentration contained in the buffer region located on the side of the collector region is set to be substantially the same as the second conductivity type impurity concentration of the buffer region in contact with the collector region bottom. That is, (3) the carrier concentration in the buffer region located on the side of the collector region and the carrier concentration in the buffer region located on the portion in contact with the bottom of the collector region. There are those having features that have a structure that has substantially the same. According to this structure, even when the impurity concentration on the surface of the buffer region is high, the injection efficiency of minority carriers injected from the side of the collector region into the buffer region can be improved, and the on-voltage can be reduced.
また、バッファ領域を第2導電型不純物の第1平均濃度を有する第1バッファ領域と、第1バッファ領域内に設けられ、第1平均濃度より高い第2導電型不純物の第2平均濃度を有する第2バッファ領域とで構成することにより、半導体装置の高い耐圧を維持することができる。なお、本発明において、以上の効果全てが発揮されなければならない訳ではなく、どれか一つの効果が発揮できれば良く、発揮できる効果が多いほど望ましい。 The buffer region is provided in the first buffer region with a first buffer region having a first average concentration of the second conductivity type impurity, and has a second average concentration of the second conductivity type impurity higher than the first average concentration. By configuring with the second buffer region, the high breakdown voltage of the semiconductor device can be maintained. In the present invention, not all of the above effects must be exhibited, and any one effect may be exhibited.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は本発明の第1の実施形態に係るNチャネル横型IGBTの構造を示す断面図である。図1において、支持基板101はNチャネル横型IGBTを形成するためのベースとなる基板であり、その表面上には埋め込み酸化膜102が形成されている。埋め込み酸化膜102上には、P型の単結晶シリコンからなるSOI層103(半導体層)が形成されている。支持基板101およびSOI層103は、元々は個別のシリコン単結晶基板であるが、3〜10μm程度の厚みを有する埋め込み酸化膜102を介して接合されることにより、1つのSOI基板を構成する。SOI層103は、その表面より3〜10μm程度の厚みに研磨され平坦化処理されている。SOI層103の比抵抗は1〜10Ω・cm程度である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an N-channel lateral IGBT according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
SOI層103にはN型不純物領域としてのドリフト領域104が形成されている。またSOI層103にイオン注入することにより、ドリフト領域104の一方側に隣接してP型不純物領域としてのボディ領域105が形成されている。これらドリフト領域104およびボディ領域105の厚さは図1の例ではSOI層103の厚さと同じである。このボディ領域105には高濃度のN型不純物領域としてのエミッタ領域106が表面から0.5μm程度の深さに形成されている。また、バッファ領域115が、前記ドリフト領域104の他方側に隣接し、ドリフト領域104より高濃度のN型不純物領域としてSOI層103に形成されている。このバッファ領域115は以下に説明するコレクタ領域116に近い第1バッファ領域115bとドリフト領域104に近い第2バッファ領域115aとで構成され、SOI層103の表面からの深さはそれぞれ1μm程度および2μm程度である。第2バッファ領域115b内の平均N型不純物濃度は第2バッファ領域115b内の平均N型不純物濃度より高く設定されている。バッファ領域115が形成されているSOI層103表面部にはコレクタ領域116がP型不純物領域として、0.5μm程度の深さで設けられ、その不純物濃度は1×1021/cm3程度の高濃度である。
In the
またP型のコレクタ領域116の側部に位置する所定の領域には、当該コレクタ領域116と接してN型の不純物調整領域119が設けられている。この不純物調整領域119はコレクタ領域116の側部周囲の一部を取り囲んでいてもよいし、またコレクタ領域116の側部を全周にわたって完全に取り囲んでいてもよい。不純物調整領域119におけるキャリア濃度(電子)はコレクタ領域116底部と第2バッファ領域115bとの境界(PN接合)を含むその近傍における第2バッファ領域115bのキャリア濃度(電子)と同等になるように調整されることが望ましい。ドリフト領域104の表面にはLOCOS酸化膜107が100〜1000nm程度に厚く形成されている。エミッタ領域106とLOCOS酸化膜107の端部との間におけるドリフト領域104およびボディ領域105上にはゲート酸化膜108が形成され、LOCOS酸化膜107と接している。また、ゲート酸化膜108の下のチャネルを流れる電流を制御するためのゲート電極109が、エミッタ領域106の端部におけるゲート酸化膜108上からLOCOS酸化膜107上にかけて形成されている。
An N-type
さらに前記ゲート電極109やLOCOS酸化膜107などを覆うように層間絶縁膜110がSOI層103上に形成されている。層間絶縁膜110上にはエミッタ電極111が形成され、その一部はエミッタ領域106とボディ領域105とに電気的に共通接続され、ゲート電極109上からさらにコレクタ領域116方向へ延在している。またコレクタ電極112が層間絶縁膜110上に形成され、その一部はコレクタ領域116に接続される。また当該IGBTに隣接する他の素子を電気的に分離するために絶縁膜114が充填された分離溝113が設けられ、通常IGBTが形成されるべきSOI層103の領域を取り囲むとともにその底部は埋め込み酸化膜102まで達している。
Further, an
以上が本発明によるIGBTの構成であるが、不純物調整領域119について更に詳しく説明する。図2は図1のコレクタ領域116、バッファ層115付近を拡大した断面図であり、図3(a)および図3(b)はそれぞれ図2におけるY−Y’、X−X‘断面での濃度プロファイル、正確にはIGBTの少なくとも各電極111、112に電圧が印加されず、動作していない状態におけるキャリア濃度プロファイルを示す図である。図3(b)に示す領域Cは不純物調整領域119であり、この領域を除く領域ではキャリア濃度は不純物濃度とほぼ等しいと考えてよい。通常熱処理によって十分不純物が活性化されているからである。また図3(a)および(b)においてN型バッファ領域115のキャリア濃度プロファイルが第1バッファ領域115aと第2バッファ領域115bとにより2段の階段状になっているが、キャリア濃度の高い段部分が第2バッファ領域115bに対応し、キャリア濃度の低い段部分が第1バッファ領域115aに対応する。
The above is the configuration of the IGBT according to the present invention. The
また、図2、図3中のA点はコレクタ領域116底面での第2バッファ領域115bとの接合近傍において第2バッファ領域115b中のキャリア濃度が極大となる位置であり、B点はコレクタ領域116側部での第2バッファ領域115bとの接合近傍において第2バッファ領域115b中のキャリア濃度が極大となる位置である。従来のように不純物調整領域119を設けない場合は、一例としてB点でのキャリア濃度は1×1018/cm3程度、A点では8×1017/cm3程度だが、N型第2バッファ領域115b内のコレクタ領域116に隣接する部分に不純物調整領域119を形成することで、B点でのキャリア濃度はA点でのキャリア濃度と同程度の8×1017/cm3程度とすることができる。不純物調整領域119は具体的には、第2バッファ領域115bに反対導電型のP型不純物を導入してこの部分のキャリアの一部を相殺して形成される。すなわち、(コレクタ領域116側部での第2バッファ領域115bとコレクタ領域116との接合近傍においてキャリア濃度が極大となる位置(B点)におけるN型不純物濃度)−(B点に導入したP型不純物濃度)の値がコレクタ領域116底面での第2バッファ領域115bとコレクタ領域116との接合近傍においてキャリア濃度が極大となる位置(A点)でのN型不純物濃度に近づくように、また同程度になるようにP型不純物を導入して形成される。そして少なくともB点でのキャリア濃度はA点でのキャリア濃度の95%〜105%とするのが望ましい。以上のようにするのが望ましいのであるが、これに限らず基本的には、第2バッファ領域115bのコレクタ領域116の横に隣接する表面部分のN型不純物濃度を超えない濃度のP型不純物濃度を導入することが可能である。
2 and 3, the point A is the position where the carrier concentration in the
本発明によるIGBTなどの半導体装置では、コレクタ領域116側面の第2バッファ領域115bにこの部分を構成する不純物とは反対導電型の不純物を適量導入して両不純物濃度を調整し、これによってキャリア濃度を調整できる不純物調整領域119を形成しているため、コレクタ領域116側面の第2バッファ領域115bでのキャリア濃度を図11、図12に示す従来構造のIGBTの場合と比較して低減でき、コレクタ領域116底部の第2バッファ領域115bと同等の濃度にすることができる。このためコレクタ領域116側部から第2バッファ領域115b内へ注入され、第2バッファ領域115bのキャリア(電子)と再結合して消滅する少数キャリア(ホール)を適度に低減でき、反対に再結合せずに第1バッファ領域115a、第2部分115b内を比較的長い距離に渡って拡散する少数キャリア(ホール)注入量を増加させて伝導度変調を起こさせることができる。すなわち、コレクタ領域116からの少数キャリア注入効率を増大させてオン電圧を低減することができる。またこれと同時に、本発明では第2バッファ領域115bを取り囲むように不純物濃度がより小さい第1バッファ領域115aが付加されているので、バッファ領域115における耐圧低下を招くことがなくなるという効果が得られる。
In a semiconductor device such as an IGBT according to the present invention, an appropriate amount of an impurity having a conductivity type opposite to that of this portion is introduced into the
(実施形態2)
図4〜図7は本発明の第2の実施形態に係るNチャネル横型IGBTの製造方法を示す工程断面図である。この製造方法で形成されるIGBTは図1に示したIGBTに対応するものである。以下、その製造方法を説明する。
(Embodiment 2)
4 to 7 are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an N-channel lateral IGBT according to the second embodiment of the present invention. The IGBT formed by this manufacturing method corresponds to the IGBT shown in FIG. The manufacturing method will be described below.
まず、図4において、支持基板101はNチャネル横型IGBTを形成するためのベースとなる基板であり、その上には埋め込み酸化膜102が形成されている。埋め込み酸化膜102の上には、P型のSOI層103が形成されている。支持基板101およびSOI層103は、元々は個別のシリコン単結晶基板であるが、3〜10μm程度の厚みを有する埋め込み酸化膜102を介して接合されることにより、1つのSOI基板を構成する。SOI層103は、表面より3〜10μm程度の厚みに研磨され平坦化処理されている。このときSOI層103の比抵抗は1〜10Ω・cm程度である。
First, in FIG. 4, a
次に図5に示すように、ドリフト領域104を構成するN型不純物領域を形成するため、図示しないがレジストなどを用いてパターンニングをしたSOI層103表面より選択的に3×1012cm-2程度のリンを注入し、さらに同じくレジストなどをマスクとしてボディ領域105を構成するP型不純物領域を、ドリフト領域104の一方側に隣接して形成するために3×1012cm-2程度のボロンを選択的に注入する。またドリフト領域104を構成するN型不純物層に1×1014cm-2のリンを選択的に注入し、1200℃で高温熱処理を行うことで熱拡散し、ドリフト領域104の他方側に隣接する第1バッファ領域115aを形成する。その後、バッファ領域115中に5×1012cm-2程度のリンをSOI層103表面より選択的に注入し、1100℃の高温熱処理を行うことで熱拡散し、周辺部に前記第1バッファ領域115aを残した状態で所定深さの第2バッファ領域115bを形成する。このときバッファ領域115の深い部分の形状はほぼもとの状態を維持するのでこの部分が第1バッファ領域115aとなる。
Next, as shown in FIG. 5, in order to form the N-type impurity region constituting the
次にSOI層103に形成されたドリフト領域104の表面に熱酸化法により100〜1000nm程度の膜厚のLOCOS酸化膜107を形成し、エミッタ領域106となるべきSOI層領域とLOCOS酸化膜107との間のドリフト領域104およびボディ領域105上に熱酸化法を用いて10〜50nm程度の膜厚にてゲート酸化膜108をLOCOS酸化膜107と接するように形成し、ゲート酸化膜108上に多結晶シリコンからなるゲート電極109を形成する。その後ゲート電極109をマスクの一部として、ボディ領域105に高濃度のリン、砒素などのN型不純物を注入することによってエミッタ領域106を形成する。
Next, a
さらに図6に示すようにSOI層103上にコレクタ領域となる領域に開口部を有するレジスト膜117を形成し、レジスト膜117をマスクとして第2バッファ領域115b内の表面よりその表面の法線に対して7°以下のイオン入射角をもって3〜8×1015cm-2程度のBF2 +を注入し、コレクタ領域116を形成する。図8はBF2 +イオン注入直後の状態を示すバッファ領域115部の拡大図である。次いで前記BF2 +イオン注入に連続し、レジスト膜117をマスクとして斜めイオン注入法により、SOI層103表面の法線に対して前記BF2 +イオン注入の場合より大きい角度、例えば30°で8×1012cm-2のBF2 +をコレクタ領域116に注入し、不純物調整領域119となるイオン注入層を形成する。このような大傾角のイオン注入より、コレクタ領域116側部近傍の第2バッファ領域115bに不純物調整領域119が容易に形成できる。図9は斜めイオン注入直後の状態を示す拡大図である。このイオン注入においてはコレクタ領域116の深さを超えてBF2 +が注入され、コレクタ領域116底面近傍における第2バッファ領域115bのキャリア濃度を変動させない程度に加速エネルギーを低く設定することが望ましい。本実施の形態では一例として130keV程度に設定することでコレクタ領域116深さを超えないように注入することができる。
Further, as shown in FIG. 6, a resist
この時点において第2バッファ領域115bの深さ方向の不純物濃度は一例として8×1017〜1×1018/cm3程度に分布し、SOI表面での不純物濃度は1×1018/cm3、コレクタ領域116底部近傍での不純物濃度は8×1017/cm3程度である。また第1バッファ領域115aの不純物濃度は1×1016/cm3(底面)〜5×1016/cm3程度(SOI層表面)であり、コレクタ領域116が形成された領域近傍の第2バッファ領域115bは第1バッファ領域115aより高濃度である。
At this time, the impurity concentration in the depth direction of the
その後前記レジスト膜117を除去し、800℃〜900℃での比較的低温でアニールを実施する。これにより(コレクタ領域116側部での第2バッファ領域115bとコレクタ領域116との接合近傍においてキャリア濃度が極大となる位置(B点)におけるN型不純物濃度)−(B点に導入したP型不純物濃度)の値がコレクタ領域116底面での第2バッファ領域115bとコレクタ領域116との接合近傍においてキャリア濃度が極大となる位置(A点)でのN型不純物濃度と同程度の8×1017/cm3程度にすることができる。そして不純物調整領域形成用イオン注入は、少なくともB点でのキャリア濃度がA点でのキャリア濃度の95%〜105%となるように設定するのが望ましい。このアニール後コレクタ領域116の不純物濃度は1×1021/cm3程度の高濃度となり、不純物深さは0.5μm程度となる。図10はアニール後の状態を示す拡大図である。
Thereafter, the resist
次に、図7に示すようにゲート電極109やLOCOS酸化膜107などを覆うようにSOI層103上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはそれらの積層膜からなる層間絶縁膜110を形成する。そして図7に示すIGBTに隣接する他のIGBT、低電圧駆動回路素子などの素子を電気的に分離するための分離溝113を、層間絶縁膜110、SOI層103を垂直方向にエッチングした後に、CVD法によりTEOSやBPSGなどの絶縁膜114を分離溝113内に充填する。また層間絶縁膜110上に金属製の電極で、その一部がエミッタ領域106およびボディ領域105に電気的に接続されたエミッタ電極111を形成し、さらに層間絶縁膜110上に金属製の電極で、その一部がコレクタ領域116に接続されるようにコレクタ電極112を形成する。
Next, as shown in FIG. 7, an
以上のように構成された本実施の形態によれば、コレクタ領域116側部の第2バッファ領域115bの不純物濃度を調整する不純物調整領域119を形成しているため、図2(a)におけるA点での(N型不純物濃度−P型不純物濃度)の値をB点でのN型不純物濃度と実質的に同等の濃度にすることが可能になるため、実施形態1と同様に、コレクタ領域116からバッファ領域への少数キャリア注入効率は、コレクタ領域116側部と第2バッファ領域115bとの接合において増加するため、耐圧低下を招くことなくオン電圧を低減することができるという効果が得られる。
According to the present embodiment configured as described above, since the
さらに本実施形態においては不純物調整領域119の形成工程において用いたレジストパターンはコレクタ領域116で用いたレジストパターンと共通であるため、コレクタ領域116と不純物調整領域119とに対するマスクズレを考慮する必要がなく、より高精度に相対的位置を制御することが可能である。なお、上記実施の形態では、Nチャネル横型IGBTを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Pチャネル横型IGBTに対しても適用することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the resist pattern used in the process of forming the
本発明に係る半導体装置および半導体の製造方法は、IGBTなどのような高耐圧半導体装置単体だけでなく、低電圧駆動半導体集積回路と高耐圧半導体素子とが同一基板に一体化された半導体集積回路装置などに有用である。 The semiconductor device and the semiconductor manufacturing method according to the present invention include not only a single high-voltage semiconductor device such as an IGBT but also a semiconductor integrated circuit in which a low-voltage drive semiconductor integrated circuit and a high-voltage semiconductor element are integrated on the same substrate. Useful for devices.
101 支持基板
102 埋め込み酸化膜
103 SOI層
104 ドリフト領域
105 ボディ領域
106 エミッタ領域
107 LOCOS酸化膜
108 ゲート酸化膜
109 ゲート電極
110 層間絶縁膜
111 エミッタ電極
112 コレクタ電極
113 分離溝
114、118 絶縁膜
115 バッファ領域
115a 第1バッファ領域
115b 第2バッファ領域
116 コレクタ領域
117 レジスト膜
119 不純物調整領域
101
Claims (9)
前記半導体層内に形成された第1導電型のボディ領域と、
前記半導体層内に前記ボディ領域と隣接して形成された第2導電型のドリフト領域と、
前記ボディ領域表面部に形成された第2導電型のエミッタ領域と、
前記エミッタ領域の端部から前記ボディ領域の表面上および前記ドリフト領域の表面上に渡ってゲート絶縁膜を介して形成された制御電極部と、
前記制御電極部を挟んで前記エミッタ領域とは反対側の前記ドリフト領域に形成された第2導電型のバッファ領域と、
前記バッファ領域表面部に形成された第1導電型のコレクタ領域と、
前記コレクタ領域側部の前記バッファ領域内に位置するとともにそのキャリア濃度が、前記コレクタ領域底部に接する部分に位置する前記バッファ領域のキャリア濃度と実質的に同じとなっている領域と
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor layer;
A first conductivity type body region formed in the semiconductor layer;
A drift region of a second conductivity type formed adjacent to the body region in the semiconductor layer;
A second conductivity type emitter region formed on the surface of the body region;
A control electrode portion formed through a gate insulating film over the surface of the body region and the surface of the drift region from the end of the emitter region;
A buffer region of a second conductivity type formed in the drift region opposite to the emitter region across the control electrode portion;
A first conductivity type collector region formed on the surface of the buffer region;
A region located in the buffer region on the side of the collector region and having a carrier concentration that is substantially the same as the carrier concentration of the buffer region located in a portion in contact with the bottom of the collector region. A semiconductor device characterized by the above.
前記半導体層内に形成された第1導電型のボディ領域と、
前記半導体層内に前記ボディ領域と隣接して形成された第2導電型のドリフト領域と、
前記ボディ領域表面部に形成された第2導電型のエミッタ領域と、
前記エミッタ領域の端部から前記ボディ領域の表面上および前記ドリフト領域の表面上に渡ってゲート絶縁膜を介して形成された制御電極部と、
前記制御電極部を挟んで前記エミッタ領域とは反対側の前記ドリフト領域に形成された第2導電型のバッファ領域と、
前記バッファ領域表面部に形成された第1導電型のコレクタ領域と、
前記コレクタ領域側部の前記バッファ領域内に形成された不純物調整領域とを備え、
前記バッファ領域の第2導電型不純物濃度は、その表面部よりも前記コレクタ領域底部に接する部分において小さく、
前記不純物調整領域は、前記コレクタ領域側部に位置する前記バッファ領域の表面部における前記第2導電型不純物濃度を超えない濃度の第1導電型不純物を含んでいることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor layer;
A first conductivity type body region formed in the semiconductor layer;
A drift region of a second conductivity type formed adjacent to the body region in the semiconductor layer;
A second conductivity type emitter region formed on the surface of the body region;
A control electrode portion formed through a gate insulating film over the surface of the body region and the surface of the drift region from the end of the emitter region;
A buffer region of a second conductivity type formed in the drift region opposite to the emitter region across the control electrode portion;
A first conductivity type collector region formed on the surface of the buffer region;
An impurity adjustment region formed in the buffer region on the side of the collector region,
The second conductivity type impurity concentration of the buffer region is smaller at the portion in contact with the bottom of the collector region than at the surface thereof,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity adjustment region includes a first conductivity type impurity having a concentration not exceeding the second conductivity type impurity concentration in a surface portion of the buffer region located on the side of the collector region.
前記半導体層内に前記ボディ領域と隣接して第2導電型のドリフト領域を形成する工程と、
前記ボディ領域の表面部に第2導電型のエミッタ領域を形成する工程と、前記エミッタ領域の端部から前記ボディ領域の表面上および前記ドリフト領域の表面上に渡って形成されたゲート絶縁膜を介して制御電極部を設ける工程と、
前記制御電極部を挟んで前記エミッタ領域とは反対側の前記ドリフト領域に第2導電型のバッファ領域を形成する工程と、
前記バッファ領域表面部に第1導電型のコレクタ領域を形成する工程と、
前記コレクタ領域側部に位置する前記バッファ領域内に第1導電型不純物を導入して不純物調整領域を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first conductivity type body region in the semiconductor layer;
Forming a drift region of a second conductivity type adjacent to the body region in the semiconductor layer;
Forming a second conductivity type emitter region on the surface of the body region; and a gate insulating film formed on the surface of the body region and on the surface of the drift region from the end of the emitter region. Providing a control electrode part via,
Forming a second conductivity type buffer region in the drift region opposite to the emitter region across the control electrode portion;
Forming a first conductivity type collector region on the surface of the buffer region;
And a step of forming an impurity adjustment region by introducing a first conductivity type impurity into the buffer region located on the side of the collector region.
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