JP2014011418A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置およびその製造技術に関し、特に、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを備えた半導体装置および製造に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and particularly to a semiconductor device including an insulated gate bipolar transistor and a technique effective when applied to the manufacturing.
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)は、主にパワーエレクトロニクス分野で電流制御用デバイスとして使用される半導体素子である。このIGBTは、裏面に設けられたコレクタ電極、表面に設けられたエミッタ電極およびゲート電極からなる3端子を備えており、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)とバイポーラトランジスタを折衷した構造を有する。 An insulated gate bipolar transistor (IGBT) is a semiconductor element mainly used as a current control device in the field of power electronics. This IGBT has three terminals consisting of a collector electrode provided on the back surface, an emitter electrode and a gate electrode provided on the front surface, and has a structure in which a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) and a bipolar transistor are compromised.
IGBTは少数キャリアの過剰蓄積効果を利用することで大電流を流すことができる。そのため、パワーMISFETなど他の構造のパワーデバイスと比較すると、オン状態のときに大電流を流すことが可能であるとともに、オフ状態のときには高耐圧を維持することが可能であるという特徴を有する。 The IGBT can flow a large current by utilizing the excessive accumulation effect of minority carriers. Therefore, as compared with a power device having another structure such as a power MISFET, it has a feature that a large current can flow in the on state and a high breakdown voltage can be maintained in the off state.
特開2000−164859号公報(特許文献1)には、コレクタ電極とエミッタ電極との間に、p型のコレクタ領域、n型のドリフト領域、p型のベース領域およびn型のエミッタ領域が設けられ、さらに、ゲート電極が、ゲート絶縁膜を介してベース領域に接するように設けられたIGBTについての技術が記載されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-164859 (Patent Document 1) provides a p-type collector region, an n-type drift region, a p-type base region, and an n-type emitter region between a collector electrode and an emitter electrode. Furthermore, a technique is described for an IGBT in which a gate electrode is provided so as to be in contact with a base region through a gate insulating film.
このようなIGBTにおいて、コレクタ電極とエミッタ電極との間に電圧(コレクタ電圧)を印加した状態で、IGBTをオン状態にするために必要な電圧をゲート電極に印加する。このとき、ゲート絶縁膜近傍のp型のベース領域に反転層が形成され、電子が反転層を通してエミッタ電極からコレクタ電極に向けて流れ始める。n型のドリフト領域における不純物濃度は、1014(cm-3)程度であり、通常導体として用いられるシリコンにおける不純物濃度に比べ非常に低濃度であるため、電子が流れ始めた時の電流は小さい。しかし、p型のコレクタ領域の正孔が拡散電流によりn型のドリフト領域に流れ始めると、n型のドリフト領域において電子と正孔とがクーロン引力によって互いに引き合うため、n型のドリフト領域には1016(cm-3)以上の過剰な電荷が蓄積される。このような効果を過剰蓄積効果といい、この過剰蓄積効果によって、n型のドリフト領域の抵抗が小さくなるため、IGBTに大電流を流すことができる。 In such an IGBT, a voltage required to turn on the IGBT is applied to the gate electrode while a voltage (collector voltage) is applied between the collector electrode and the emitter electrode. At this time, an inversion layer is formed in the p-type base region near the gate insulating film, and electrons begin to flow from the emitter electrode toward the collector electrode through the inversion layer. The impurity concentration in the n-type drift region is about 10 14 (cm −3 ), which is very low compared to the impurity concentration in silicon normally used as a conductor, so that the current when electrons start to flow is small. . However, when holes in the p-type collector region start to flow into the n-type drift region due to the diffusion current, electrons and holes are attracted to each other by the Coulomb attractive force in the n-type drift region. An excessive charge of 10 16 (cm −3 ) or more is accumulated. Such an effect is referred to as an excessive accumulation effect, and the resistance of the n-type drift region is reduced by the excessive accumulation effect, so that a large current can flow through the IGBT.
一方、IGBTがオフ状態のときは、前述したように、n型のドリフト領域の不純物濃度が非常に低濃度であるため、電流が流れず、高耐圧を維持することができる。 On the other hand, when the IGBT is in an OFF state, as described above, since the impurity concentration of the n-type drift region is very low, no current flows and a high breakdown voltage can be maintained.
このようなIGBTについては、その過剰蓄積効果を促進するために様々な工夫がされており、その工夫の一つとしてIE(Injection Enhancement)効果の利用が挙げられる。IE効果とは、IGBTがオン状態のときにエミッタ電極側から正孔が排出されにくくすることで、n型のドリフト領域に蓄積される電荷の濃度を高めるものである。 For such IGBTs, various devices have been devised to promote the excessive accumulation effect, and one of the devices is the use of the IE (Injection Enhancement) effect. The IE effect is to increase the concentration of charges accumulated in the n-type drift region by making it difficult for holes to be discharged from the emitter electrode side when the IGBT is on.
特開2005−209811号公報(特許文献2)には、IE効果を利用するものとして、エミッタ領域の面積を低減することで、n型のドリフト領域に蓄積される電荷の濃度を高める技術が記載されている。また、特開2008−288386号公報(特許文献3)には、IE効果を利用するものとして、n型のドリフト領域とp型のベース領域との間にn型のバリア領域(ホールバリア層)を設けることで、n型のドリフト領域に蓄積される電荷の濃度を高める技術が記載されている。このようなIE効果の利用により、ドリフト領域よりもエミッタ電極側における抵抗は増加するが、それ以上にドリフト領域の抵抗が減少するために、定格で定められたコレクタ電流を流すためのコレクタ電圧(オン電圧)を下げることができる。 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-209811 (Patent Document 2) describes a technique for increasing the concentration of charges accumulated in an n-type drift region by reducing the area of the emitter region as an IE effect. Has been. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-288386 (Patent Document 3) discloses that an IE effect is utilized by using an n-type barrier region (hole barrier layer) between an n-type drift region and a p-type base region. Describes a technique for increasing the concentration of charges accumulated in the n-type drift region by providing. By using such an IE effect, the resistance on the emitter electrode side with respect to the drift region is increased, but the resistance of the drift region is further decreased. Therefore, the collector voltage (in order to flow the collector current determined by the rating) ( ON voltage) can be lowered.
このIE効果を促進させることとトレードオフの関係にある問題として、ラッチアップの問題がある。これは、IE効果によりドリフト領域における正孔の濃度が高くなりすぎると、反転層などにより構成されるpnp寄生バイポーラトランジスタがオン状態になり、ラッチアップしてしまう問題である。特開2001−127286号公報(特許文献4)には、この問題の解決策として、IGBTがオン状態のときに正孔のみを流すことができる第2のエミッタ領域を形成する技術が記載されている。また、特開2004−221370号公報(特許文献5)には、IGBTがオン状態のときに、第2のエミッタ領域に正孔からなる電流が流れてIE効果が低減されてしまうことを防ぐために、第2のエミッタ領域にn型のバリア領域(ホールバリア層)を挿入する技術が記載されている。 There is a latch-up problem as a problem that has a trade-off relationship with promoting the IE effect. This is a problem that if the concentration of holes in the drift region becomes too high due to the IE effect, a pnp parasitic bipolar transistor constituted by an inversion layer or the like is turned on and latched up. Japanese Patent Laid-Open No. 2001-127286 (Patent Document 4) describes a technique for forming a second emitter region that can flow only holes when the IGBT is in an ON state as a solution to this problem. Yes. Japanese Patent Laid-Open No. 2004-221370 (Patent Document 5) describes that when the IGBT is in an on state, a current composed of holes flows in the second emitter region and the IE effect is reduced. Describes a technique of inserting an n-type barrier region (hole barrier layer) into the second emitter region.
本発明者の検討によれば、次のことが分かった。 According to the study of the present inventor, the following has been found.
IE効果を高めるために、エミッタ領域の面積をさらに減少させるか、あるいは、n型のバリア領域の不純物濃度を増加させると、オン電圧は低減するものの、IGBTをオン状態からオフ状態に切り替える際の電力消費(スイッチング損失)が増加してしまう問題がある。これは、ゲート電極に印加されている電圧を閾値電圧よりも低い電圧に下げることでIGBTがオン状態からオフ状態に切り替わったときに、ドリフト領域に高濃度で蓄積されている正孔がエミッタ電極側に排出されにくくなるために起こる問題である。 If the area of the emitter region is further reduced or the impurity concentration of the n-type barrier region is increased to increase the IE effect, the on-voltage is reduced, but the IGBT is switched from the on state to the off state. There is a problem that power consumption (switching loss) increases. This is because when the IGBT is switched from the on state to the off state by lowering the voltage applied to the gate electrode to a voltage lower than the threshold voltage, holes accumulated at a high concentration in the drift region are emitted from the emitter electrode. It is a problem that occurs because it is difficult to be discharged to the side.
例えばIGBTがオン状態のときに正孔のみを流すことができる第2のエミッタ領域を形成するという特許文献4記載の技術では、IGBTがオン状態のときのIE効果が低減されてしまうため、上記したオン電圧の低減の問題を解決することはできない。一方、第2のエミッタ領域にn型のバリア領域を挿入するという特許文献5記載の技術では、IGBTがオフ状態のときに効果的に正孔をエミッタ電極から排出させることができないため、上記したスイッチング損失の問題を解決することはできない。その結果、オン電圧の低減と、スイッチング損失の低減とを両立させることができず、半導体装置の性能を低下させる。
For example, in the technique described in
本発明の目的は、半導体装置の性能を向上させることができる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the performance of a semiconductor device.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
代表的な実施の形態による半導体装置は、p+コレクタ領域、および、p+コレクタ領域の上面側に形成されたn--ドリフト領域を備えており、n--ドリフト領域上に、第1トランジスタおよび第2トランジスタが形成されたIGBTである。第1トランジスタおよび第2トランジスタには、エミッタ電極が接続されており、p+コレクタ領域には、コレクタ電極が接続されている。第1トランジスタおよび第2トランジスタがオン状態のときに、コレクタ電極から第1トランジスタを通してエミッタ電極に、電子および正孔からなる電流が流れるが、第2トランジスタを通して電流が流れない。一方、第1トランジスタおよび第2トランジスタがオン状態からオフ状態に切り替わったとき、n--ドリフト領域から第1トランジスタおよび第2トランジスタを通してエミッタ電極に、正孔からなる電流が流れる。 The semiconductor device according to a typical embodiment, p + collector region, and, n formed on the top surface side of the p + collector region - has a drift region, n - on the drift region, the first transistor And an IGBT in which a second transistor is formed. An emitter electrode is connected to the first transistor and the second transistor, and a collector electrode is connected to the p + collector region. When the first transistor and the second transistor are in the ON state, a current consisting of electrons and holes flows from the collector electrode to the emitter electrode through the first transistor, but no current flows through the second transistor. On the other hand, when the first transistor and the second transistor are switched from the on state to the off state, a current consisting of holes flows from the n − drift region through the first transistor and the second transistor to the emitter electrode.
また、代表的な実施の形態による半導体装置の製造方法は、p+コレクタ領域、および、p+コレクタ領域の上面側に形成されたn--ドリフト領域を備えた基板上に、互いに離れた第1トランジスタおよび第2トランジスタを形成するものである。まず、n--ドリフト領域および半導体層からなる半導体基板を用意し、半導体層を貫通するように、一対の第1トレンチおよび一対の第2トレンチを形成する。次いで、一対の第1トレンチおよび一対の第2トレンチの内部にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する。次いで、一対の第1トレンチに挟まれた第1領域において、p+チャネル領域、n++エミッタ領域およびp++エミッタ領域を形成し、一対の第2トレンチに挟まれた第2領域において、p-チャネル領域およびp++エミッタ領域を形成する。また、一対の第2トレンチの間隔をW(m)とし、p-チャネル領域の不純物濃度をNa(cm-3)とし、素電荷をq(C)とし、p-チャネル領域の誘電率をε(F/m)とし、p-チャネル領域のバンドギャップをV(eV)とするとき、W<2×10-3×(2Vε/(qNa))1/2を満たす。
In addition, a method of manufacturing a semiconductor device according to a representative embodiment includes a p + collector region and a substrate provided with an n − drift region formed on the upper surface side of the p + collector region and separated from each other. One transistor and a second transistor are formed. First, a semiconductor substrate including an
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
代表的な実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。 According to the representative embodiment, the performance of the semiconductor device can be improved.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。 In the drawings used in the embodiments, hatching may be omitted even in a cross-sectional view so as to make the drawings easy to see. Further, even a plan view may be hatched to make the drawing easy to see.
(実施の形態1)
<半導体装置>
本発明の一実施の形態である半導体装置を、図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置は、MISFETとして第1トランジスタおよび第2トランジスタを備えた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)である。
(Embodiment 1)
<Semiconductor device>
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor device of the present embodiment is an insulated gate bipolar transistor (IGBT) provided with a first transistor and a second transistor as a MISFET.
図1は、実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。図2は、実施の形態1の半導体装置の斜視図である。なお、図2においては、理解を簡単にするために、層間絶縁膜11(図1参照)およびエミッタ電極12(図1参照)を除去した(透視した)状態を図示している。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a perspective view of the semiconductor device of the first embodiment. 2 shows a state in which the interlayer insulating film 11 (see FIG. 1) and the emitter electrode 12 (see FIG. 1) are removed (see through) for easy understanding.
図1および図2に示すように、本実施の形態1の半導体装置であるIGBT50は、n--ドリフト領域1、n+バッファ領域2、p+コレクタ領域3、p++エミッタ領域4、ゲート電極5、ゲート絶縁膜6、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8、p-チャネル領域9、pウェル領域10、層間絶縁膜11、エミッタ電極12およびコレクタ電極13を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
n--ドリフト領域1は、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるn型半導体領域(第1導電型の半導体領域)である。n--ドリフト領域1の不純物濃度は、比較的低濃度であり、例えば5×1013〜5×1014cm-3程度とすることができる。また、n--ドリフト領域1の厚さを例えば40〜300μm程度とすることができる。
The n − drift region 1 is an n-type semiconductor region (first conductivity type semiconductor region) made of silicon (Si) in which an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is diffused. impurity concentration of n - drift region 1 is a relatively low concentration, it can be, for example, 5 × 10 13 ~5 × 10 14 cm -3 or so. Further, the thickness of the
n+バッファ領域2は、n--ドリフト領域1の上面(第1主面)と反対側、すなわち、下面(第2主面)側に形成されており、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるn型半導体領域(第1導電型の半導体領域)である。n+バッファ領域2の不純物濃度は、n--ドリフト領域1の不純物濃度に比べて高濃度であり、例えば1×1016〜1×1018cm-3程度とすることができる。また、n+バッファ領域2の厚さを例えば1〜20μm程度とすることができる。 The n + buffer region 2 is formed on the side opposite to the upper surface (first main surface) of the n − drift region 1, that is, on the lower surface (second main surface) side. For example, phosphorus (P) or arsenic (As ) And other n-type semiconductor regions (first conductivity type semiconductor regions) made of silicon (Si) diffused. The impurity concentration of the n + buffer region 2 is higher than the impurity concentration of the n − drift region 1 and can be, for example, about 1 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3 . Further, the thickness of the n + buffer region 2 can be set to about 1 to 20 μm, for example.
p+コレクタ領域3は、n+バッファ領域2の上面(第1主面)と反対側、すなわち、下面(第2主面)側に形成されており、例えばホウ素(B)などのp型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるp型半導体領域(第2導電型の半導体領域)である。p+コレクタ領域3の不純物濃度は、比較的高濃度であり、例えば1×1017〜5×1018cm-3程度とすることができる。また、p+コレクタ領域3の厚さを例えば0.1〜200μm程度とすることができる。 The p + collector region 3 is formed on the side opposite to the upper surface (first main surface) of the n + buffer region 2, that is, on the lower surface (second main surface) side, and is a p-type impurity such as boron (B). Is a p-type semiconductor region (second conductivity type semiconductor region) made of silicon (Si) diffused. The impurity concentration of the p + collector region 3 is relatively high, and can be, for example, about 1 × 10 17 to 5 × 10 18 cm −3 . Further, the thickness of the p + collector region 3 can be set to about 0.1 to 200 μm, for example.
なお、n+バッファ領域2は、n--ドリフト領域1とp+コレクタ領域3の間に形成されたn型半導体領域である。また、n--ドリフト領域1とp+コレクタ領域3との間にn+バッファ領域2を形成せず、n--ドリフト領域1とp+コレクタ領域3とが直接接した構造であってもよい。
The n + buffer region 2 is an n-type semiconductor region formed between the n − drift region 1 and the p + collector region 3. Further, n - without forming the n + buffer region 2 between the
n--ドリフト領域1の上面(第1主面)側には、例えばシリコン(Si)からなる半導体層SL1が形成されている。半導体層SL1には、p++エミッタ領域4、ゲート電極5、ゲート絶縁膜6、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8およびp-チャネル領域9が形成されている。半導体層SL1には、半導体層SL1を貫通するように、トレンチTが形成されている。具体的には、トレンチTとして、トレンチT1、T2、T3、T4が形成されている。半導体層SL1の厚さを例えば1〜5μm程度とすることができる。
A semiconductor layer SL1 made of, for example, silicon (Si) is formed on the upper surface (first main surface) side of the n − drift region 1. A p ++ emitter region 4, a
トレンチT1、T2は互いに離れて形成された一対のトレンチを構成している。平面視において、トレンチT1、T2およびトレンチT1、T2に挟まれた領域を、第1領域AR1とする。このとき、トレンチT1、T2および半導体層SL1のうちトレンチT1、T2に挟まれた領域に、第1トランジスタTR1が形成されている。すなわち、第1トランジスタTR1は、平面視において、第1領域AR1に形成されている。 The trenches T1 and T2 constitute a pair of trenches formed apart from each other. In plan view, a region sandwiched between the trenches T1 and T2 and the trenches T1 and T2 is defined as a first region AR1. At this time, the first transistor TR1 is formed in a region sandwiched between the trenches T1 and T2 in the trenches T1 and T2 and the semiconductor layer SL1. That is, the first transistor TR1 is formed in the first region AR1 in plan view.
トレンチT3、T4は互いに離れて形成された一対のトレンチを構成している。平面視において、トレンチT3、T4およびトレンチT3、T4に挟まれた領域を、第2領域AR2とする。このとき、トレンチT3、T4および半導体層SL1のうちトレンチT3、T4に挟まれた領域に、第2トランジスタTR2が形成されている。すなわち、第2トランジスタTR2は、平面視において、第2領域AR2に形成されている。 The trenches T3 and T4 constitute a pair of trenches formed apart from each other. In plan view, a region sandwiched between the trenches T3 and T4 and the trenches T3 and T4 is defined as a second region AR2. At this time, the second transistor TR2 is formed in a region sandwiched between the trenches T3 and T4 in the trenches T3 and T4 and the semiconductor layer SL1. That is, the second transistor TR2 is formed in the second region AR2 in plan view.
また、平面視において、第1領域AR1と第2領域AR2との間の領域を、第3領域AR3とする。このとき、半導体層SL1のうちトレンチT2、T3に挟まれた領域に、pウェル領域10が形成されている。すなわち、pウェル領域10は、平面視において、第3領域AR3に形成されている。
Further, in plan view, a region between the first region AR1 and the second region AR2 is defined as a third region AR3. At this time, the
なお、図2の斜視図に示すように、トレンチT1、T2、T3、T4は、一方向(図2のY方向)に沿って形成されている。 As shown in the perspective view of FIG. 2, the trenches T1, T2, T3, and T4 are formed along one direction (the Y direction in FIG. 2).
p++エミッタ領域4は、半導体層SL1に形成されており、例えばホウ素(B)などのp型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるp型半導体領域である。p++エミッタ領域4として、p++エミッタ領域4a、4bの2つが形成されている。p++エミッタ領域4の不純物濃度は、p+コレクタ領域3の不純物濃度よりも高濃度であり、例えば1×1018〜5×1020cm-3程度とすることができる。 The p ++ emitter region 4 is formed in the semiconductor layer SL1, and is a p-type semiconductor region made of silicon (Si) in which a p-type impurity such as boron (B) is diffused. As p ++ emitter region 4, p ++ emitter regions 4a, two of 4b are formed. The impurity concentration of the p ++ emitter region 4 is higher than the impurity concentration of the p + collector region 3 and can be, for example, about 1 × 10 18 to 5 × 10 20 cm −3 .
p++エミッタ領域4aは、第1領域AR1において、トレンチT1、T2の間であって、トレンチT1、T2のいずれとも離れた位置に、形成されている。すなわち、トレンチT1、T2は、p++エミッタ領域4aの両側であって、各々がp++エミッタ領域4aから離れた位置に形成されている。 The p ++ emitter region 4a is formed in the first region AR1 between the trenches T1 and T2 and at a position away from both the trenches T1 and T2. That is, the trench T1, T2 is a both sides of the p ++ emitter regions 4a, are formed in each separated from the p ++ emitter region 4a position.
p++エミッタ領域4bは、第2領域AR2において、トレンチT3、T4の間であって、トレンチT3、T4のいずれとも離れた位置に、形成されている。すなわち、トレンチT3、T4は、p++エミッタ領域4bの両側であって、各々がp++エミッタ領域4bから離れた位置に形成されている。 The p ++ emitter region 4b is formed in the second region AR2 between the trenches T3 and T4 and at a position away from both the trenches T3 and T4. That is, the trench T3, T4 is a both sides of the p ++ emitter regions 4b, are formed in each separated from the p ++ emitter regions 4b position.
ゲート電極5は、p++エミッタ領域4の両側に形成された一対の電極である。ゲート電極5として、一対のゲート電極5a、5b、および、一対のゲート電極5c、5dが形成されている。ゲート電極5は、例えばリン(P)や砒素(As)などのn型不純物が高濃度で拡散されたポリシリコン膜などからなり、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより形成された導体膜である。
The
ゲート電極5a、5bの各々は、第1領域AR1において、一対のトレンチT1、T2の各々の内部に形成された電極である。前述したように、一対のトレンチT1、T2は、p++エミッタ領域4aの両側に形成されているため、ゲート電極5a、5bも、p++エミッタ領域4aの両側に形成された一対のゲート電極である。ただし、図示を省略するが、ゲート電極5a、5bは、図1に示す断面よりも奥側(または手前側)の位置で、互いに電気的に接続されている。
Each of the
ゲート電極5c、5dの各々は、第2領域AR2において、一対のトレンチT3、T4の各々の内部に形成された電極である。前述したように、一対のトレンチT3、T4は、p++エミッタ領域4bの両側に形成されているため、ゲート電極5c、5dも、p++エミッタ領域4bの両側に形成された一対のゲート電極である。ただし、図示を省略するが、ゲート電極5c、5dは、図1に示す断面よりも奥側(または手前側)の位置で、互いに電気的に接続されている。
Each of the
ゲート絶縁膜6は、ゲート電極5の表面を覆っている。ゲート絶縁膜6として、ゲート絶縁膜6a、6b、6c、6dの4つが形成されている。ゲート絶縁膜6は、例えば酸化シリコン膜などからなり、ゲート電極5の形成前に、例えば熱酸化法やCVD法などにより形成された絶縁膜である。
The
ゲート絶縁膜6a、6bの各々は、第1領域AR1において、一対のトレンチT1、T2の各々の内壁に形成されており、一対のゲート電極5a、5bの各々の表面を覆っている。
Each of the
ゲート絶縁膜6c、6dの各々は、第2領域AR2において、一対のトレンチT3、T4の各々の内壁に形成されており、一対のゲート電極5c、5dの各々の表面を覆っている。
Each of the
p+チャネル領域7は、第1領域AR1において、半導体層SL1のうち一対のトレンチT1、T2に挟まれた部分に形成されており、例えばホウ素(B)などのp型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるp型半導体領域(第2導電型の半導体領域)である。p+チャネル領域7は、p++エミッタ領域4a、ゲート絶縁膜6a、6bおよびn--ドリフト領域1のいずれにも接している。p+チャネル領域7の不純物濃度は、p++エミッタ領域4aの不純物濃度よりも低濃度であり、例えば5×1015〜1×1018cm-3程度とすることができる。
The p + channel region 7 is formed in a portion of the semiconductor layer SL1 sandwiched between the pair of trenches T1 and T2 in the first region AR1, for example, silicon (p-type impurities such as boron (B) diffused) This is a p-type semiconductor region (second conductivity type semiconductor region) made of Si). The p + channel region 7 is in contact with any of the p ++ emitter region 4a, the
n++エミッタ領域8は、第1領域AR1において、半導体層SL1のうち一対のトレンチT1、T2に挟まれた部分に形成されており、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるn型半導体領域(第1導電型の半導体領域)である。n++エミッタ領域8として、n++エミッタ領域8a、8bの2つが形成されている。n++エミッタ領域8aは、エミッタ電極12(12a)、ゲート絶縁膜6aおよびp+チャネル領域7のいずれにも接しており、n++エミッタ領域8bは、エミッタ電極12(12a)、ゲート絶縁膜6bおよびp+チャネル領域7のいずれにも接している。n++エミッタ領域8(8a、8b)の不純物濃度は、n--ドリフト領域1の不純物濃度よりも高濃度であり、例えば1×1018〜5×1020cm-3程度とすることができる。
The n ++ emitter region 8 is formed in a portion of the semiconductor layer SL1 sandwiched between the pair of trenches T1 and T2 in the first region AR1, and for example, n-type such as phosphorus (P) or arsenic (As). It is an n-type semiconductor region (first conductivity type semiconductor region) made of silicon (Si) in which impurities are diffused. As n ++ emitter region 8, n ++ emitter region 8a, two of 8b are formed. The n ++ emitter region 8a is in contact with any of the emitter electrode 12 (12a), the
p-チャネル領域9は、第2領域AR2において、半導体層SL1のうち一対のトレンチT3、T4に挟まれた部分に形成されており、例えばホウ素(B)などのp型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるp型半導体領域(第2導電型の半導体領域)である。p-チャネル領域9は、p++エミッタ領域4b、ゲート絶縁膜6c、6dおよびn--ドリフト領域1のいずれにも接している。p-チャネル領域9の不純物濃度は、p+チャネル領域7の不純物濃度よりも低濃度であり、例えば1×1015〜5×1016cm-3程度とすることができる。
In the second region AR2, the p − channel region 9 is formed in a portion of the semiconductor layer SL1 sandwiched between the pair of trenches T3 and T4. For example, silicon (p-type impurity such as boron (B)) is diffused. This is a p-type semiconductor region (second conductivity type semiconductor region) made of Si). The p − channel region 9 is in contact with any of the p ++ emitter region 4 b, the
p++エミッタ領域4a、一対のゲート電極5a、5b、一対のゲート絶縁膜6a、6b、p+チャネル領域7およびn++エミッタ領域8a、8bは、第1トランジスタTR1を構成している。第1トランジスタTR1は、一対のゲート電極5a、5b、一対のゲート絶縁膜6a、6bおよびp+チャネル領域7を備えたMISFETである。
The p ++ emitter region 4a, the pair of
また、p++エミッタ領域4b、一対のゲート電極5c、5d、一対のゲート絶縁膜6c、6dおよびp-チャネル領域9は、第2トランジスタTR2を構成している。第2トランジスタTR2は、一対のゲート電極5c、5d、一対のゲート絶縁膜6c、6dおよびp-チャネル領域9を備えたMISFETである。
The p ++ emitter region 4b, the pair of
図2の斜視図に示すように、トレンチT1、T2、T3、T4は、一方向(図2のY方向)に沿って形成されている。その結果、一対のトレンチT1、T2の間に形成されているp++エミッタ領域4(4a)、p+チャネル領域7およびn++エミッタ領域8(8a、8b)は、一方向(図2のY方向)に沿って形成されている。また、一対のトレンチT3、T4の間に形成されているp++エミッタ領域4(4b)およびp-チャネル領域9は、一方向(図2のY方向)に沿って形成されている。さらに、トレンチT1、T2、T3、T4の内部に形成されているゲート電極5(5a、5b、5c、5d)、および、ゲート絶縁膜6(6a、6b、6c、6d)も、一方向(図2のY方向)に沿って形成されている。 As shown in the perspective view of FIG. 2, the trenches T1, T2, T3, and T4 are formed along one direction (Y direction in FIG. 2). As a result, the p ++ emitter region 4 (4a), the p + channel region 7 and the n ++ emitter region 8 (8a, 8b) formed between the pair of trenches T1 and T2 are unidirectional (FIG. 2). In the Y direction). Further, the p ++ emitter region 4 (4b) and the p − channel region 9 formed between the pair of trenches T3 and T4 are formed along one direction (Y direction in FIG. 2). Furthermore, the gate electrode 5 (5a, 5b, 5c, 5d) and the gate insulating film 6 (6a, 6b, 6c, 6d) formed in the trenches T1, T2, T3, T4 are also unidirectional ( It is formed along the Y direction in FIG.
pウェル領域10は、第3領域AR3において、半導体層SL1に形成されており、例えばホウ素(B)などのp型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるp型半導体領域である。pウェル領域10は、正孔を第1トランジスタTR1または第2トランジスタTR2に向って移動しやすくする。pウェル領域10の不純物濃度は、例えば5×1016〜1×1018cm-3程度とすることができる。
The
層間絶縁膜11は、半導体層SL1の上面(第1主面)側に形成された絶縁膜である。層間絶縁膜11のうち、平面視において、p++エミッタ領域4上の部分には、コンタクトホールCH1、CH2が形成されている。具体的には、第1領域AR1において、層間絶縁膜11のうちp++エミッタ領域4a上の部分には、コンタクトホールCH1が形成されており、第2領域AR2において、層間絶縁膜11のうちp++エミッタ領域4b上の部分には、コンタクトホールCH2が形成されている。層間絶縁膜11として、例えば酸化シリコン膜を用いることができる。
The
エミッタ電極12は、層間絶縁膜11の上面を覆うとともに、コンタクトホールCH1、CH2を埋めるように形成された電極である。エミッタ電極12は、第1トランジスタTR1を構成するp++エミッタ領域4およびn++エミッタ領域8と電気的に接続されており、第2トランジスタTR2を構成するp++エミッタ領域4およびp-チャネル領域9と電気的に接続されている。
The
エミッタ電極12のうち、第1領域AR1において、コンタクトホールCH1を埋めるように形成された部分をエミッタ電極12aとし、第2領域AR2において、コンタクトホールCH2を埋めるように形成された部分をエミッタ電極12bとする。このとき、第1領域AR1において、エミッタ電極12aは、p++エミッタ領域4aおよびn++エミッタ領域8a、8bと電気的に接続されており、第2領域AR2において、エミッタ電極12bは、p++エミッタ領域4bおよびp-チャネル領域9と電気的に接続されている。
Of the
エミッタ電極12(12a、12b)として、例えばチタンタングステン(TiW)膜からなるバリア導体膜と、例えばアルミニウム(Al)膜からなる導体膜とが積層された積層導体膜を用いることができる。このような積層導体膜を用いることで、p++エミッタ領域4a、4b、n++エミッタ領域8a、8bおよびp-チャネル領域9と、エミッタ電極12とを、低抵抗で電気的に接続することができる。
As the emitter electrode 12 (12a, 12b), a laminated conductor film in which a barrier conductor film made of, for example, a titanium tungsten (TiW) film and a conductor film made of, for example, an aluminum (Al) film can be used. By using such a laminated conductor film, the p ++ emitter regions 4a and 4b, the n ++ emitter regions 8a and 8b and the p − channel region 9 and the
半導体層SL1には、平面視において、コンタクトホールCH1と同一の位置に凹部CC1が形成されており、エミッタ電極12aは、凹部CC1およびコンタクトホールCH1を埋めるように、形成されている。また、半導体層SL1には、平面視において、コンタクトホールCH2と同一の位置に凹部CC2が形成されており、エミッタ電極12bは、凹部CC2およびコンタクトホールCH2を埋めるように、形成されている。
In the semiconductor layer SL1, a recess CC1 is formed at the same position as the contact hole CH1 in plan view, and the
コレクタ電極13は、p+コレクタ領域3の下面(第2主面)側に形成された電極である。コレクタ電極13は、p+コレクタ領域3と電気的に接続されている。コレクタ電極13として、アルミニウム(Al)などの金属、または、アルミニウムシリコン(AlSi)などの合金からなる導体膜を用いることができる。このような導体膜を用いることで、コレクタ電極13とp+コレクタ領域3とを、低抵抗で電気的に接続することができる。
The
本実施の形態1では、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接している。 In the first embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are adjacent to each other along one direction (Y direction in FIG. 2).
図2に示すように、IGBT50には、第1トランジスタTR1として、第1トランジスタTR11、TR12が形成されており、第2トランジスタTR2として、第2トランジスタTR21、TR22が形成されている。一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11と第2トランジスタTR22とが隣接しており、第1トランジスタTR12と第2トランジスタTR21とが隣接している。
As shown in FIG. 2, in the
第1トランジスタTR11において、一対のトレンチT1、T2として、トレンチT11、T21が形成されており、第2トランジスタTR21において、一対のトレンチT3、T4として、トレンチT31、T41が形成されている。また、第1トランジスタTR12において、一対のトレンチT1、T2として、トレンチT12、T22が形成されており、第2トランジスタTR22において、一対のトレンチT3、T4として、トレンチT32、T42が形成されている。そして、一対のトレンチT32、T42の各々は、一方向(図2のY方向)に沿って、一対のトレンチT11、T21の各々と連続して形成されている。また、一対のトレンチT12、T22の各々は、一方向(図2のY方向)に沿って、一対のトレンチT31、T41の各々と連続して形成されている。 In the first transistor TR11, trenches T11 and T21 are formed as a pair of trenches T1 and T2, and in the second transistor TR21, trenches T31 and T41 are formed as a pair of trenches T3 and T4. In the first transistor TR12, trenches T12 and T22 are formed as a pair of trenches T1 and T2, and in the second transistor TR22, trenches T32 and T42 are formed as a pair of trenches T3 and T4. Each of the pair of trenches T32 and T42 is formed continuously with each of the pair of trenches T11 and T21 along one direction (the Y direction in FIG. 2). In addition, each of the pair of trenches T12 and T22 is formed continuously with each of the pair of trenches T31 and T41 along one direction (the Y direction in FIG. 2).
その結果、図2に示すように、第2トランジスタTR22におけるp++エミッタ領域4bは、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11におけるp++エミッタ領域4aと連続して形成されている。また、第2トランジスタTR22におけるゲート電極5c、5dの各々は、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11におけるゲート電極5a、5bの各々と連続して形成されている。また、第2トランジスタTR22におけるゲート絶縁膜6c、6dの各々は、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11におけるゲート絶縁膜6a、6bの各々と連続して形成されている。また、第2トランジスタTR22におけるp-チャネル領域9は、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11におけるp+チャネル領域7およびn++エミッタ領域8a、8bと隣接して形成されている。
As a result, as shown in FIG. 2, the p ++ emitter region 4b in the second transistor TR22 is continuous with the p ++ emitter region 4a in the first transistor TR11 along one direction (the Y direction in FIG. 2). Is formed. In addition, each of the
また、第1トランジスタTR12と第2トランジスタTR21との間における、一方向(図2のY方向)に沿って隣接した位置関係についても、前述した第1トランジスタTR11と第2トランジスタTR22との間における、一方向(図2のY方向)に沿って隣接した位置関係と同様である。 Further, the positional relationship between the first transistor TR12 and the second transistor TR21 adjacent in one direction (the Y direction in FIG. 2) is also between the first transistor TR11 and the second transistor TR22 described above. This is the same as the positional relationship adjacent to each other in one direction (Y direction in FIG. 2).
このような構成により、第1トランジスタTR1のゲート電極5a、5bに印加するゲート電圧と、第2トランジスタTR2のゲート電極5c、5dに印加するゲート電圧とを、一括して制御することができる。
With such a configuration, the gate voltage applied to the
以下、本願明細書では、各々の内部に、ゲート絶縁膜6a、6bの各々、および、ゲート電極5a、5bの各々が形成された一対のトレンチT1、T2の間隔W1を、第1トランジスタTR1のゲート間距離と定義する。また、各々の内部に、ゲート絶縁膜6c、6dの各々、および、ゲート電極5c、5dの各々が形成された一対のトレンチT3、T4の間隔W2を、第2トランジスタTR2のゲート間距離と定義する。
Hereinafter, in this specification, the interval W1 between the pair of trenches T1 and T2 in which each of the
本実施の形態1では、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2をW(m)とし、p-チャネル領域9の不純物濃度をNa(cm-3)とし、電子および正孔の素電荷をq(C)とし、p-チャネル領域9の誘電率をε(F/m)とし、p-チャネル領域9のバンドギャップをV(eV)とするとき、下記式(1)
W<2×10-3×(2Vε/(qNa))1/2 (1)
を満たすことが好適である。具体的には、p-チャネル領域9がシリコン(Si)からなり、シリコン(Si)の誘電率をεsi(F/m)としたとき、p-チャネル領域9の不純物濃度Naが下記式(2)
W<2×10-3×(2εsi/(qNa))1/2 (2)
を満たすような濃度になるように、イオン注入することが好適である。
In the first embodiment, the inter-gate distance W2 of the second transistor TR2 and W (m), p - the impurity concentration of the
W <2 × 10 −3 × (2Vε / (qN a )) 1/2 (1)
It is preferable to satisfy. Specifically, when the p − channel region 9 is made of silicon (Si) and the dielectric constant of silicon (Si) is ε si (F / m), the impurity concentration N a of the p − channel region 9 is expressed by the following formula. (2)
W <2 × 10 −3 × (2ε si / (qN a )) 1/2 (2)
It is preferable to perform ion implantation so that the concentration satisfies the above.
また、本実施の形態1では、前述したように、第2トランジスタTR22のトレンチT32、T42の各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11のトレンチT11、T21の各々と、連続して形成されている。また、第1トランジスタTR12のトレンチT12、T22の各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、第2トランジスタTR21のトレンチT31、T41の各々と、連続して形成されている。その結果、一対のトレンチT11、T21、および、一対のトレンチT12、T22の間隔W1は、一対のトレンチT31、T41、および、一対のトレンチT32、T42の間隔W2と等しくなる。 In the first embodiment, as described above, each of the trenches T32 and T42 of the second transistor TR22 extends along one direction (the Y direction in FIG. 2) of the trenches T11 and T21 of the first transistor TR11. Each is formed continuously. Further, each of the trenches T12 and T22 of the first transistor TR12 is formed continuously with each of the trenches T31 and T41 of the second transistor TR21 along one direction (Y direction in FIG. 2). As a result, the interval W1 between the pair of trenches T11 and T21 and the pair of trenches T12 and T22 is equal to the interval W2 between the pair of trenches T31 and T41 and the pair of trenches T32 and T42.
なお、一対のトレンチT11、T21、および、一対のトレンチT12、T22の間隔は、ゲート絶縁膜6a、6bの間隔、すなわち、p+チャネル領域7の幅に等しい。したがって、ゲート絶縁膜6a、6bの厚さが、p+チャネル領域7の幅に比べて小さい場合には、第1トランジスタTR1におけるゲート間距離W1は、ゲート電極5a、5bの間隔に略等しい。
The distance between the pair of trenches T11 and T21 and the pair of trenches T12 and T22 is equal to the distance between the
また、一対のトレンチT31、T41、および、一対のトレンチT32、T42の間隔は、ゲート絶縁膜6c、6dの間隔、すなわち、p-チャネル領域9の幅に等しい。したがって、ゲート絶縁膜6c、6dの厚さが、p-チャネル領域9の幅に比べて小さい場合には、第2トランジスタTR2におけるゲート間距離W2は、ゲート電極5c、5dの間隔に略等しい。
The distance between the pair of trenches T31 and T41 and the pair of trenches T32 and T42 is equal to the distance between the
<半導体装置の動作>
続いて、本実施の形態1の半導体装置であるIGBT50の動作について説明する。
<Operation of semiconductor device>
Next, the operation of the
図3は、図1において、IGBTがオン状態のときに電荷が流れる経路を模式的に示した図である。図4は、図1において、IGBTがオン状態からオフ状態に切り替わったときに電荷が流れる経路を模式的に示した図である。 FIG. 3 is a diagram schematically showing a path through which charges flow when the IGBT is on in FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing a path through which charges flow when the IGBT is switched from the on state to the off state in FIG.
初めに、IGBT50をオン状態にするオン動作について説明する。
First, an on operation for turning on the
まず、コレクタ電極13の電位がエミッタ電極12の電位に対して所定の正の電位になるように、コレクタ電極13に所定の電圧(コレクタ電圧)を印加する。具体的には、例えばエミッタ電極12を接地した状態で、コレクタ電極13にコレクタ電圧Vcを印加する。これにより、コレクタ電極13からp+コレクタ領域3およびn+バッファ領域2を通して、n--ドリフト領域1へ正孔が注入される。
First, a predetermined voltage (collector voltage) is applied to the
この状態で、ゲート電極5a、5b、5c、5dの電位がエミッタ電極12に対して所定の正の電位となるように、ゲート電極5a、5b、5c、5dに所定の電圧を印加する。具体的には、例えばエミッタ電極12を接地した状態で、ゲート電極5a、5b、5c、5dに、ゲート電圧Vg1を印加する。ゲート電圧Vg1は、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2をオン状態にするための電圧であり、例えば第1トランジスタTR1の閾値電圧および第2トランジスタTR2の閾値電圧のいずれよりも高い電圧である。
In this state, a predetermined voltage is applied to the
第1トランジスタTR1では、ゲート電極5a、5bにゲート電圧Vg1が印加されることで、p+チャネル領域7のうち、ゲート絶縁膜6a、6bと接する領域、すなわち、ゲート絶縁膜6a、6bから例えば10nm程度の領域において、反転層7a、7bが形成された状態(オン状態)になる。そして、エミッタ電極12aからの電子が、図3に経路をPS1として示すように、n++エミッタ領域8a、8bの各々、および、形成された反転層7a、7bの各々を通して、n--ドリフト領域1に注入される(流れ込む)。
In the first transistor TR1, the gate voltage Vg1 is applied to the
前述したように、コレクタ電極13にコレクタ電圧Vcが印加されているため、コレクタ電極13からn--ドリフト領域1に正孔が注入される(流れ込む)。その結果、エミッタ電極12aからn--ドリフト領域1に注入された(流れ込んだ)電子と、コレクタ電極13からn--ドリフト領域1に注入された(流れ込んだ)正孔とは、n--ドリフト領域1中でクーロン引力によって引き合うため、n--ドリフト領域1中には例えば1016(cm-3)以上の過剰な電荷が蓄積される。この過剰蓄積効果によって、n--ドリフト領域1の抵抗値が小さくなるため、IGBTに大きなオン電流を流すことができる。すなわち、IGBT50がオン状態になる。
As described above, since the collector voltage Vc is applied to the
第1トランジスタTR1では、p+チャネル領域7のうちゲート絶縁膜6a、6bと接する領域に反転層7a、7bが形成された状態(オン状態)であるとき、p+チャネル領域7のうちゲート絶縁膜6a、6bから少し離れた領域に空乏層(図示は省略)が形成されている。そのため、n--ドリフト領域1からの正孔は、図3に経路をPS2として示すように、p+チャネル領域7のうち反転層7a、7bおよび空乏層(図示は省略)以外の部分、すなわち中央部側の部分を通して、エミッタ電極12aに排出される(流れ出る)。
In the first transistor TR1, when the
一方、第2トランジスタTR2でも、ゲート電極5c、5dにゲート電圧Vg1が印加されることで、p-チャネル領域9のうち、ゲート絶縁膜6c、6dと接する領域において、反転層9a、9bが形成された状態(オン状態)になる。しかし、第2トランジスタTR2では、第1トランジスタTR1と異なり、n++エミッタ領域8a、8bが形成されておらず、エミッタ電極12bと反転層9a、9bとが離れているため、エミッタ電極12bからの電子は、n--ドリフト領域1に注入されない(流れ込まない)。
On the other hand, in the second transistor TR2, the gate voltages Vg1 are applied to the
また、第2トランジスタTR2でも、p-チャネル領域9のうちゲート絶縁膜6c、6dと接する領域に反転層9a、9bが形成された状態(オン状態)であるとき、p-チャネル領域9のうちゲート絶縁膜6c、6dから少し離れた領域に空乏層(図示は省略)が形成されている。
In addition, even the second transistor TR2, p - when the
なお、上記したように、本願明細書では、第1トランジスタTR1がオン状態であるとは、p+チャネル領域7に反転層7a、7bが形成された状態であることを意味する。また、第1トランジスタTR1がオフ状態であるとは、p+チャネル領域7において反転層7a、7bが消滅した状態であることを意味する。一方、第2トランジスタTR2がオン状態であるとは、p-チャネル領域9に反転層9a、9bが形成された状態であることを意味する。また、第2トランジスタTR2がオフ状態であるとは、p-チャネル領域9において反転層9a、9bが消滅した状態であることを意味する。
As described above, in the present specification, the first transistor TR1 being in the ON state means that the
ここで、空乏層が形成されるときの空乏層の幅LDは、下記式(3)
LD=10-3×(2εsiV/(qNa))1/2 (3)
により表される。ただし、上記式(3)において、Na(cm-3)はp-チャネル領域9の不純物濃度であり、q(C)は電子および正孔の素電荷であり、εsi(F/m)はシリコン(Si)の誘電率である。また、p-チャネル領域9のゲート絶縁膜6c、6dとの界面では、エネルギーバンドが反転層の形成に必要な程度曲がっており、このエネルギーバンドの曲がり量がV(eV)である。
Here, the width L D of the depletion layer when the depletion layer is formed is expressed by the following formula (3).
L D = 10 −3 × (2ε si V / (qN a )) 1/2 (3)
It is represented by However, in the above formula (3), N a (cm −3 ) is the impurity concentration of the p − channel region 9, q (C) is the elementary charge of electrons and holes, and ε si (F / m) Is the dielectric constant of silicon (Si). Further, at the interface between the
ここで、エネルギーバンドの曲がり量Vは、シリコン(Si)のバンドギャップに相当する1(eV)程度の量になる。したがって、p-チャネル領域9においてゲート絶縁膜6c、6dの一方との界面に形成される空乏層の幅LDは、上記式(3)において、V=1(eV)とした下記式(4)
LD=10-3×(2εsi/(qNa))1/2 (4)
で表される。そして、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2をW(m)とすると、W(m)が、p-チャネル領域9においてゲート絶縁膜6c、6dの各々との界面に形成される空乏層の幅LDの合計よりも小さいとき、すなわち、下記式(5)
W<2LD (5)
を満たすときに、p-チャネル領域9全体が空乏化する。
Here, the bending amount V of the energy band is about 1 (eV) corresponding to the band gap of silicon (Si). Therefore, the width L D of the depletion layer formed at the interface with one of the
L D = 10 −3 × (2ε si / (qN a )) 1/2 (4)
It is represented by If the inter-gate distance W2 of the second transistor TR2 is W (m), W (m) is the width of the depletion layer formed at the interface with each of the
W <2L D (5)
When satisfied, the entire p − channel region 9 is depleted.
上記式(2)は、上記式(5)に上記式(4)を組み合わせたものである。したがって、上記式(2)の関係を満たす場合には、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、p-チャネル領域9全体が空乏化するため、n--ドリフト領域1の正孔が、p-チャネル領域9を通してエミッタ電極12bに排出されない(流れ出ない)ようにすることができる。その結果、第2トランジスタTR2が形成された場合でも、オン状態におけるIGBTの特性を、第2トランジスタTR2が形成されない場合と同一にすることができる。
The above formula (2) is a combination of the above formula (5) and the above formula (4). Therefore, when the relationship of the above formula (2) is satisfied, the entire p − channel region 9 is depleted when the second transistor TR2 is in the on state, and therefore the holes in the n − drift region 1 are changed to p - can be prevented from being discharged through the
上記式(2)において、例えばNa=1016(cm-3)とし、q=1.6×10-19(C)とし、εsi=10.4×10-10(F/m)とすると、ゲート間距離Wは、0.72μm未満となる。 In the above formula (2), for example, N a = 10 16 (cm −3 ), q = 1.6 × 10 −19 (C), and ε si = 10.4 × 10 −10 (F / m) Then, the inter-gate distance W becomes less than 0.72 μm.
なお、ゲート間距離W1、W2が互いに等しく、ゲート間距離W2をWとしたときに上記式(2)を満たす場合でも、p+チャネル領域7における不純物濃度Naがp-チャネル領域9における不純物濃度Naよりも十分に高ければ、ゲート間距離W1をWとしたときに上記式(2)を満たさない。すなわち、p+チャネル領域7における不純物濃度Naが、p-チャネル領域9における不純物濃度Naよりも十分に高いときは、ゲート間距離W1、W2が互いに等しい場合でも、第1トランジスタTR1がオン状態のときにp+チャネル領域7全体が空乏化することがない。したがって、第1トランジスタTR1がオン状態のときに、n--ドリフト領域1の正孔がp+チャネル領域7を通してエミッタ電極12aに排出される(流れ出る)。
The gate distance W1, W2 are equal to each other, even if satisfying the above formula (2) when the gate length W2 was is W, the impurity concentration N a of the p + channel region 7 p - impurity in the
すなわち、コレクタ電極13にコレクタ電圧を印加した状態であって、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときは、コレクタ電極13から第1トランジスタTR1を通してエミッタ電極12aに、正孔(正の極性の電荷)および電子(負の極性の電荷)からなる電流が流れる。しかし、第2トランジスタTR2には、電流が流れない。
That is, when the collector voltage is applied to the
次に、IGBT50をオン状態からオフ状態に切り替える動作について説明する。
Next, an operation for switching the
コレクタ電極13に所定の電圧(コレクタ電圧)Vcを印加した状態で、ゲート電極5a、5b、5c、5dへのゲート電圧Vg1の印加を停止する。具体的には、例えばエミッタ電極12を接地した状態で、ゲート電極5a、5b、5c、5dに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2をオン状態からオフ状態に切り替えるためのゲート電圧Vg2を印加するか、または、ゲート電極5a、5b、5c、5dを接地する。ゲート電圧Vg2は、例えば第1トランジスタTR1の閾値電圧および第2トランジスタTR2の閾値電圧のいずれよりも低い電圧である。
In a state where a predetermined voltage (collector voltage) Vc is applied to the
第1トランジスタTR1では、ゲート電極5a、5bへのゲート電圧Vg1の印加が停止されることで、オン状態のときにp+チャネル領域7に形成されていた反転層7a、7bが消滅し、エミッタ電極12aからn--ドリフト領域1への電子の注入(流れ込み)が止まる。また、オン状態のときにn--ドリフト領域1に過剰に蓄積されていた正孔が、図4に経路をPS3として示すように、p+チャネル領域7を通して、エミッタ電極12aに排出される(流れ出る)。ただし、電子は、p+チャネル領域7を流れることができない。
In the first transistor TR1, the application of the gate voltage Vg1 to the
一方、第2トランジスタTR2でも、ゲート電極5c、5dへのゲート電圧Vg1の印加が停止されることで、オン状態のときにp-チャネル領域9に形成されていた反転層9a、9bおよび空乏層(図示は省略)が消滅する。また、オン状態のときにn--ドリフト領域1に過剰に蓄積されていた正孔が、図4に経路をPS4として示すように、p-チャネル領域9を通して、エミッタ電極12bにも排出される(流れ出る)。ただし、電子は、p-チャネル領域9を流れることができない。
On the other hand, in the second transistor TR2, the application of the gate voltage Vg1 to the
すなわち、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、n--ドリフト領域1から、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して、エミッタ電極12a、12bに、正孔(正の極性の電荷)からなる電流が流れることになる。
That is, when the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are switched from the on state to the off state, the n − drift region 1 passes through the first transistor TR1 and the second transistor TR2 to the
<半導体装置の製造工程>
次に、本実施の形態1の半導体装置の製造工程の例を、図面を参照して説明する。図5〜図22は、実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Next, an example of a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. 5 to 22 are main-portion cross-sectional views during the manufacturing process of the semiconductor device of First Embodiment.
まず、半導体基板3Sを用意する。
First, the
この半導体基板3Sを用意する工程では、図5に示すように、例えばリン(P)などのn型不純物を導入したn型シリコン(Si)基板からなる半導体基板3Sを用意する。半導体基板3Sは、前述したn--ドリフト領域1(図1参照)となる部分であるが、図22を用いて後述するように、裏面(下面)側の部分には、n+バッファ領域2(図1参照)およびp+コレクタ領域3(図1参照)が形成される。
In the step of preparing the
このような半導体基板3Sについては、例えば不純物注入がほぼされていない純粋なシリコン(Si)基板に、高エネルギーの中性子線を照射して一部のシリコン(Si)原子をリン(P)原子に原子核変換することで、不純物濃度が例えば8×1013〜1×1014cm-3程度であるn型Si基板を用意することができる。
With respect to such a
次いで、半導体層SL1を形成する。 Next, the semiconductor layer SL1 is formed.
この半導体層SL1を形成する工程では、例えばイオン注入法により、半導体基板3Sの表面(上面)側から、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を導入する。これにより、図6に示すように、半導体基板3Sの表面(上面)側の部分(上層部)にp型の半導体層SL1が形成され、半導体基板3Sの表面(上面)側の部分(上層部)以外の部分が、n--ドリフト領域1となる。半導体層SL1は、図1を用いて説明したような、p++エミッタ領域4、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8またはp-チャネル領域9となる部分である。前述したように、半導体層SL1の厚さを、例えば1〜5μm程度とすることができる。
In the step of forming the semiconductor layer SL1, a p-type impurity such as boron (B) is introduced from the surface (upper surface) side of the
次いで、酸化シリコン膜21を形成する。
Next, a
この酸化シリコン膜21を形成する工程では、図7に示すように、半導体基板3Sの半導体層SL1上に、酸化シリコン膜21を形成する。この酸化シリコン膜21は、半導体基板3Sの基板温度を例えば1000℃程度に保持した状態で、ウェット酸化法で形成することができる。
In the step of forming the
次いで、図8に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、酸化シリコン膜21をパターニングする。酸化シリコン膜21のパターニングは、後述するトレンチTを形成する領域(後述する図9参照)において酸化シリコン膜21を除去することで、酸化シリコン膜21に開口OPを形成するように、行われる。図8に示すように、第1領域AR1において、開口OPとして、一対の開口OP1、OP2が形成され、第2領域AR2において、開口OPとして、一対の開口OP3、OP4が形成される。第1領域AR1は、平面視において、第1トランジスタTR1(図1参照)が形成される領域であり、第2領域AR2は、平面視において、第2トランジスタTR2(図1参照)が形成される領域である。また、平面視において、第1領域AR1と第2領域AR2との間の領域が、第3領域AR3である。
Next, as shown in FIG. 8, the
次いで、トレンチTを形成する。 Next, the trench T is formed.
このトレンチTを形成する工程では、図9に示すように、開口OPが形成された酸化シリコン膜21をマスクとしたエッチングにより、半導体層SL1にトレンチTを形成する。トレンチTは、第1領域AR1および第2領域AR2において、半導体層SL1を貫通し、n--ドリフト領域1に到達するように、形成される。第1領域AR1には、トレンチTとして、一対のトレンチT1、T2が形成され、第2領域AR2には、トレンチTとして、一対のトレンチT3、T4が形成される。
In the step of forming the trench T, as shown in FIG. 9, the trench T is formed in the semiconductor layer SL1 by etching using the
図9に示すように、一対のトレンチT1、T2の間隔をW1とし、一対のトレンチT3、T4の間隔をW2とする。このとき、一対のトレンチT3、T4の間隔W2については、以下のような関係を満たすことが好適である。すなわち、間隔W2をW(m)とし、p-チャネル領域9(図1参照)の不純物濃度をNa(cm-3)とし、電子および正孔の素電荷をq(C)とし、p-チャネル領域9の誘電率をε(F/m)とし、p-チャネル領域9のバンドギャップをV(eV)とするとき、上記式(1)を満たすような間隔とすることが好適である。
As shown in FIG. 9, the interval between the pair of trenches T1 and T2 is W1, and the interval between the pair of trenches T3 and T4 is W2. At this time, it is preferable that the distance W2 between the pair of trenches T3 and T4 satisfy the following relationship. That is, the distance W2 between W (m), p - the impurity concentration of the channel region 9 (see FIG. 1) and N a (cm -3), and the electrons and holes elementary charge and q (C), p - When the dielectric constant of the
また、本実施の形態1では、図2に示したように、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが、一方向(図2のY方向)に沿って、隣接するように形成される。すなわち、このトレンチTを形成する工程において、図2に示したように、第2トランジスタTR22のトレンチT32、T42の各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11のトレンチT11、T21の各々と、連続して形成される。また、第1トランジスタTR12のトレンチT12、T22の各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、第2トランジスタTR21のトレンチT31、T41の各々と、連続して形成される。したがって、図9にも示すように、一対のトレンチT1、T2の間隔W1は、一対のトレンチT3、T4の間隔W2と等しくなる。 Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are formed adjacent to each other along one direction (Y direction in FIG. 2). That is, in the step of forming the trench T, as shown in FIG. 2, each of the trenches T32 and T42 of the second transistor TR22 extends along one direction (Y direction in FIG. 2) of the first transistor TR11. Each of the trenches T11 and T21 is formed continuously. Further, each of the trenches T12 and T22 of the first transistor TR12 is formed continuously with each of the trenches T31 and T41 of the second transistor TR21 along one direction (Y direction in FIG. 2). Therefore, as also shown in FIG. 9, the interval W1 between the pair of trenches T1 and T2 is equal to the interval W2 between the pair of trenches T3 and T4.
次いで、ゲート絶縁膜6を形成する。
Next, the
このゲート絶縁膜6を形成する工程では、図10に示すように、トレンチTの内壁にゲート絶縁膜6を形成する。ゲート絶縁膜6は、例えば酸化シリコン膜とすることができ、例えば熱酸化法によりトレンチTの内壁に露出した半導体層SL1を酸化することで、形成することができる。ただし、ゲート絶縁膜6は、酸化シリコン膜に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば酸窒化シリコン(SiON)膜とすることができる。あるいは、ゲート絶縁膜6は、例えば酸化シリコン膜より誘電率の高い高誘電率膜とすることもでき、高誘電体膜として、例えば酸化ハフニウム(HfO2)膜とすることもできる。
In the step of forming the
なお、本実施の形態1では、このゲート絶縁膜6を形成する工程において、図2に示したように、一対のトレンチT32、T42の各々の内壁に、一対のゲート絶縁膜6c、6dの各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、一対のゲート絶縁膜6a、6bの各々と連続して形成される。また、一対のトレンチT12、T22の各々の内壁に、一対のゲート絶縁膜6a、6bの各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、一対のゲート絶縁膜6c、6dの各々と連続して形成される。
In the first embodiment, in the step of forming the
次いで、ポリシリコン膜22を形成する。
Next, a
このポリシリコン膜22を形成する工程では、図11に示すように、酸化シリコン膜21上にポリシリコン膜22を形成する。このとき、内壁にゲート絶縁膜6が形成されたトレンチTを埋め込むように、ポリシリコン膜22を形成する。ポリシリコン膜22として、例えばリン(P)や砒素(As)などのn型不純物が高濃度で拡散されたものとすることができ、例えばCVD法により形成することができる。
In the step of forming the
次いで、ゲート電極5を形成する。
Next, the
このゲート電極5を形成する工程では、酸化シリコン膜21上に形成したポリシリコン膜22をドライエッチングによる全面エッチバックにより除去し、酸化シリコン膜21をドライエッチング技術により除去する。これにより、図12に示すように、トレンチTにポリシリコン膜22を埋め込んだ構造のゲート電極5が形成される。ゲート電極5として、トレンチT1、T2、T3、T4の各々に、ゲート電極5a、5b、5c、5dの各々が形成される。
In the step of forming the
なお、本実施の形態1では、図2に示したように、内壁に一対のゲート絶縁膜6c、6dの各々が形成された一対のトレンチT32、T42の各々を埋め込むように、一対のゲート電極5c、5dの各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、一対のゲート電極5a、5bの各々と連続して形成される。また、内壁に一対のゲート絶縁膜6a、6bの各々が形成された一対のトレンチT12、T22の各々を埋め込むように、一対のゲート電極5a、5bの各々が、一方向(図2のY方向)に沿って、一対のゲート電極5c、5dの各々と連続して形成される。
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the pair of gate electrodes is embedded so as to bury each of the pair of trenches T32 and T42 in which the pair of
次いで、p+チャネル領域7を形成する。 Next, the p + channel region 7 is formed.
このp+チャネル領域7を形成する工程では、半導体基板3S上にレジスト膜R1を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R1に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図13に示すように、レジスト膜R1をパターニングする。レジスト膜R1のパターニングは、第2領域AR2および第3領域AR3が覆われ、第1領域AR1が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1に例えばホウ素(B)などのp型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第1領域AR1においてレジスト膜R1で覆われていない部分には、p+チャネル領域7が形成される。p+チャネル領域7は、一対のトレンチT1、T2の間に、その両側がトレンチT1、T2に接し、その下側がn--ドリフト領域1に接するように形成される。p+チャネル領域7の不純物濃度については、前述したように、例えば5×1015〜1×1018cm-3程度とすることができる。
In the step of forming the p + channel region 7, a resist film R1 is applied on the
また、p+チャネル領域7を形成することで、第1領域AR1において、半導体層SL1に、ゲート電極5a、5b、ゲート絶縁膜6a、6b、p+チャネル領域7を含むMISFETである第1トランジスタTR1が形成される。
Further, by forming the p + channel region 7, in the first region AR1, the first transistor which is a MISFET including the
次いで、n++エミッタ領域8を形成する。 Next, an n ++ emitter region 8 is formed.
このn++エミッタ領域8を形成する工程では、図14に示すように、パターニングされたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1にn型不純物を導入する。具体的には、p型半導体領域であるp+チャネル領域7の上部において、p型半導体領域を完全に相殺するように、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第1領域AR1においてレジスト膜R1で覆われていない部分であって、p+チャネル領域7の上方に、n++エミッタ領域8が形成される。n++エミッタ領域8は、一対のトレンチT1、T2の間に、その両側がトレンチT1、T2に接するように形成される。n++エミッタ領域8の不純物濃度については、前述したように、例えば1×1018〜5×1020cm-3程度とすることができる。 In the step of forming the n ++ emitter region 8, as shown in FIG. 14, n-type impurities are introduced into the semiconductor layer SL1 by ion implantation using the patterned resist film R1 as a mask. Specifically, an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is introduced above the p + channel region 7 which is a p-type semiconductor region so as to completely cancel the p-type semiconductor region. . As a result, an n ++ emitter region 8 is formed above the p + channel region 7 in the portion of the semiconductor layer SL1 that is not covered with the resist film R1 in the first region AR1. The n ++ emitter region 8 is formed between the pair of trenches T1 and T2 so that both sides thereof are in contact with the trenches T1 and T2. As described above, the impurity concentration of the n ++ emitter region 8 can be, for example, about 1 × 10 18 to 5 × 10 20 cm −3 .
次いで、p-チャネル領域9を形成する。 Next, the p − channel region 9 is formed.
このp-チャネル領域9を形成する工程では、パターニングされたレジスト膜R1を除去した後、半導体基板3S上にレジスト膜R2を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R2に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図15に示すように、レジスト膜R2をパターニングする。レジスト膜R2のパターニングは、第1領域AR1および第3領域AR3が覆われ、第2領域AR2が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R2をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1に例えばホウ素(B)などのp型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第2領域AR2においてレジスト膜R2で覆われていない部分には、p-チャネル領域9が形成される。p-チャネル領域9は、一対のトレンチT3、T4の間に、その両側がトレンチT3、T4に接するように形成される。p-チャネル領域9の不純物濃度については、前述したように、例えば1×1015〜5×1016cm-3程度とすることができる。
In the step of forming the p − channel region 9, after removing the patterned resist
また、p-チャネル領域9を形成することで、第2領域AR2において、半導体層SL1に、ゲート電極5c、5d、ゲート絶縁膜6c、6d、p-チャネル領域9を含むMISFETである第2トランジスタTR2が形成される。
Further, p - by forming the
なお、本実施の形態1では、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8およびp-チャネル領域9をイオン注入法により形成する工程において、図2に示したように、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11と、第2トランジスタTR22とが互いに隣接するように、イオン注入を行う。また、図2に示したように、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR12と第2トランジスタTR21とが互いに隣接するように、イオン注入を行う。すなわち、p-チャネル領域9が、一方向(図2のY方向)に沿って、p+チャネル領域7およびn++エミッタ領域8と隣接して形成される。 In the first embodiment, in the step of forming the p + channel region 7, the n ++ emitter region 8 and the p − channel region 9 by the ion implantation method, as shown in FIG. Ion implantation is performed so that the first transistor TR11 and the second transistor TR22 are adjacent to each other along the Y direction). Further, as shown in FIG. 2, ion implantation is performed so that the first transistor TR12 and the second transistor TR21 are adjacent to each other along one direction (Y direction in FIG. 2). That is, the p − channel region 9 is formed adjacent to the p + channel region 7 and the n ++ emitter region 8 along one direction (Y direction in FIG. 2).
次いで、pウェル領域10を形成する。
Next, the p-
このpウェル領域10を形成する工程では、パターニングされたレジスト膜R2を除去した後、半導体基板3S上にレジスト膜R3を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R3に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図16に示すように、レジスト膜R3をパターニングする。レジスト膜R3のパターニングは、第1領域AR1および第2領域AR2が覆われ、第3領域AR3が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R3をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1に例えばホウ素(B)などのp型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第3領域AR3においてレジスト膜R3で覆われていない部分には、pウェル領域10が形成される。pウェル領域10は、その両側がトレンチT2、T3に接するように形成される。pウェル領域10の不純物濃度については、前述したように、例えば5×1016〜1×1018cm-3程度とすることができる。
In the step of forming the p-
なお、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8、p-チャネル領域9およびpウェル領域10を形成する工程については、上記した順番で行う場合に限られず、いずれの順番で行ってもよい。また、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8、p-チャネル領域9およびpウェル領域10を形成する工程については、各工程の後、または、全ての工程が終わった後、例えば1050℃程度で熱処理を行い、注入した不純物を活性化させることができる。
Note that the steps of forming the p + channel region 7, the n ++ emitter region 8, the p − channel region 9 and the
次いで、凹部CC1、CC2を形成する。 Next, recesses CC1 and CC2 are formed.
この凹部CC1、CC2を形成する工程では、パターニングされたレジスト膜R3を除去した後、半導体基板3S上にレジスト膜R4を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R4に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、図17に示すように、レジスト膜R4をパターニングする。レジスト膜R4のパターニングは、第1領域AR1のうちp++エミッタ領域4aが形成される部分、および、第2領域AR2のうちp++エミッタ領域4bが形成される部分が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R4をマスクとし、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることにより、半導体層SL1に凹部CC1、CC2を形成する。第1領域AR1では、凹部CC1は、n++エミッタ領域8を貫通し、p+チャネル領域7に到達するように、形成される。このとき、第1領域AR1において、凹部CC1が形成され、n++エミッタ領域8が凹部CC1により分断されることで、2つのn++エミッタ領域8a、8bが形成される。また、凹部CC1の底面には、p+チャネル領域7が露出し、凹部CC2の底面には、p-チャネル領域9が露出する。
In the step of forming the recesses CC1 and CC2, after removing the patterned resist film R3, a resist film R4 is applied on the
なお、本実施の形態1では、この凹部CC1、CC2を形成する工程において、図2に示したように、第2トランジスタTR22における凹部CC2が、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11における凹部CC1と連続して形成される。また、第1トランジスタTR12における凹部CC1が、一方向(図2のY方向)に沿って、第2トランジスタTR21における凹部CC2と連続して形成される。 In the first embodiment, in the step of forming the recesses CC1 and CC2, as shown in FIG. 2, the recess CC2 in the second transistor TR22 extends along one direction (Y direction in FIG. 2). It is formed continuously with the recess CC1 in the first transistor TR11. Further, the recess CC1 in the first transistor TR12 is formed continuously with the recess CC2 in the second transistor TR21 along one direction (Y direction in FIG. 2).
次いで、層間絶縁膜11を形成する。
Next, an
この層間絶縁膜11を形成する工程では、パターニングされたレジスト膜R4を除去した後、図18に示すように、半導体基板3S上に層間絶縁膜11を形成する。層間絶縁膜11として、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁膜を、例えばCVD法により形成することができる。
In the step of forming the
次いで、コンタクトホールCH1、CH2を形成する。 Next, contact holes CH1 and CH2 are formed.
このコンタクトホールCH1、CH2を形成する工程では、図19に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜11にコンタクトホールCH1、CH2を形成する。コンタクトホールCH1は、第1領域AR1においてp++エミッタ領域4aが形成される部分に形成され、コンタクトホールCH2は、第2領域AR2においてp++エミッタ領域4bが形成される部分に形成される。したがって、コンタクトホールCH1は、凹部CC1と平面視で重なった位置に形成されており、コンタクトホールCH2は、凹部CC2と平面視で重なった位置に形成されている。
In the step of forming the contact holes CH1 and CH2, as shown in FIG. 19, the contact holes CH1 and CH2 are formed in the
次いで、p++エミッタ領域4を形成する。 Next, the p ++ emitter region 4 is formed.
このp++エミッタ領域4を形成する工程では、図20に示すように、層間絶縁膜11をマスクにしたイオン注入法により、凹部CC1の底面に露出したp+チャネル領域7、および、凹部CC2の底面に露出したp-チャネル領域9に、例えばホウ素(B)などのp型不純物を導入する。これにより、第1領域AR1において、半導体層SL1のうち凹部CC1の底面に露出した部分に、p++エミッタ領域4として、p++エミッタ領域4aが形成される。また、第2領域AR2において、半導体層SL1のうち凹部CC2の底面に露出した部分に、p++エミッタ領域4として、p++エミッタ領域4bが形成される。
In the step of forming the p ++ emitter region 4, as shown in FIG. 20, the p + channel region 7 exposed on the bottom surface of the recess CC1 and the recess CC2 are formed by ion implantation using the
次いで、エミッタ電極12を形成する。
Next, the
このエミッタ電極12を形成する工程では、図21に示すように、コンタクトホールCH1、CH2、凹部CC1、CC2の内部および層間絶縁膜11上に、エミッタ電極12を形成する。具体的には、まず、コンタクトホールCH1、CH2、凹部CC1、CC2の内部および層間絶縁膜11上に、例えばチタンタングステン(TiW)からなるバリア導体膜を例えばスパッタリング法により形成する。次いで、このバリア導体膜上に例えばアルミニウム(Al)膜からなる導体膜を例えばスパッタリング法により形成することで、積層導体膜からなるエミッタ電極12を形成する。これにより、第1領域AR1において、コンタクトホールCH1および凹部CC1の内部にエミッタ電極12aが形成され、第2領域AR2において、コンタクトホールCH2および凹部CC2の内部にエミッタ電極12bが形成される。
In the step of forming the
その結果、第1領域AR1において、コンタクトホールCH1および凹部CC1の内部に形成されたエミッタ電極12aが、p++エミッタ領域4aおよびn++エミッタ領域8a、8bと電気的に接続される。一方、第2領域AR2において、コンタクトホールCH2および凹部CC2の内部に形成されたエミッタ電極12bが、p-チャネル領域9と電気的に接続される。また、p+チャネル領域7は、n++エミッタ領域8a、8b、ゲート絶縁膜6a、6bおよびn--ドリフト領域1に接し、n++エミッタ領域8a、8bの各々は、エミッタ電極12a、ゲート絶縁膜6a、6bの各々およびp+チャネル領域7に接する。さらに、p-チャネル領域9は、エミッタ電極12b、ゲート絶縁膜6c、6dおよびn--ドリフト領域1に接する。
As a result, in first region AR1,
なお、本実施の形態1では、このエミッタ電極12a、12bを形成する工程において、図2に示したように、第2トランジスタTR22のエミッタ電極12bが、一方向(図2のY方向)に沿って、第1トランジスタTR11のエミッタ電極12aと連続して形成される。また、第1トランジスタTR12のエミッタ電極12aが、一方向(図2のY方向)に沿って、第2トランジスタTR21のエミッタ電極12bと連続して形成される。
In the first embodiment, in the step of forming the
次いで、裏面を研削し、n+バッファ領域2およびp+コレクタ領域3を形成する。 Next, the back surface is ground to form an n + buffer region 2 and a p + collector region 3.
まず、裏面を研削する工程では、半導体基板3Sの厚さが所定の厚さになるように、半導体基板3Sの裏面(下面)を研削する。研削後の半導体基板3Sの厚さについては、例えば形成されるIGBTの耐圧に依存し、耐圧が例えば3.3kVであるときは、厚さを300μm程度とし、耐圧が例えば1.2kVであるときは、厚さを120μm程度とし、耐圧が例えば600Vであるときは、厚さを60μmとすることができる。
First, in the step of grinding the back surface, the back surface (lower surface) of the
次いで、n+バッファ領域2およびp+コレクタ領域3を形成する工程では、例えばイオン注入法により、半導体基板3Sの裏面(下面)側から、p+コレクタ領域3を形成する部分に例えばホウ素(B)などのp型不純物を導入し、n+バッファ領域2を形成する部分に例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物を導入する。その後、半導体基板3Sの裏面(下面)に対して、例えばレーザーアニール装置により例えば数100μm程度の瞬間的なアニール処理(熱処理)を行い、導入した不純物の活性化およびpn接合の活性化を行う。これにより、図22に示すように、半導体基板3Sの裏面(下面)側の部分に、裏面(下面)から表面(上面)に向かって順に、p+コレクタ領域3、n+バッファ領域2が形成される。その結果、n--ドリフト領域1の上面(第1主面)と反対側すなわち下面(第2主面)側に、n+バッファ領域2が形成され、n+バッファ領域2の下面(第2主面)側に、p+コレクタ領域3が形成される。
Next, in the step of forming the n + buffer region 2 and the p + collector region 3, for example, boron (B) is formed on the portion where the p + collector region 3 is formed from the back surface (lower surface) side of the
なお、n+バッファ領域2およびp+コレクタ領域3については、n+バッファ領域2およびp+コレクタ領域3の一方についてイオン注入およびアニール処理(熱処理)を行って形成した後、他方を形成することもできる。 The n + buffer region 2 and the p + collector region 3 are formed by performing ion implantation and annealing (heat treatment) on one of the n + buffer region 2 and the p + collector region 3 and then forming the other. You can also.
また、イオン注入法およびアニール処理(熱処理)に代え、例えばエピタキシャル成長法を用いることもできる。この場合には、半導体基板3Sに代え、例えばp+コレクタ領域3からなる半導体基板上に、n+バッファ領域2およびn--ドリフト領域1が順次形成された積層基板を用意し、用意した積層基板に対して、図7〜図22を用いて説明した工程と同様の工程を行う。
Further, for example, an epitaxial growth method can be used instead of the ion implantation method and the annealing treatment (heat treatment). In this case, instead of the
その後、半導体基板3Sの裏面(下面)に、コレクタ電極13として、アルミニウム(Al)などの金属、または、アルミニウムシリコン(AlSi)などの合金からなる導体膜を形成する。以上のようにして、図1および図2に示したような、本実施の形態1における半導体装置であるIGBT50を製造することができる。
Thereafter, a conductor film made of a metal such as aluminum (Al) or an alloy such as aluminum silicon (AlSi) is formed as the
<IGBTにおけるオン電圧とスイッチング損失について>
続いて、IGBTにおけるオン電圧とスイッチング損失の関係について、比較例の半導体装置と比較しながら説明する。
<On-voltage and switching loss in IGBT>
Next, the relationship between the on-voltage and switching loss in the IGBT will be described in comparison with a semiconductor device of a comparative example.
図23は、比較例の半導体装置の要部断面図である。図24は、図23において、IGBTがオン状態のときに電荷が流れる経路を模式的に示した図である。図25は、図23において、IGBTがオン状態からオフ状態に切り替わったときに電荷が流れる経路を模式的に示した図である。 FIG. 23 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device of a comparative example. FIG. 24 is a diagram schematically showing a path through which charges flow when the IGBT is on in FIG. FIG. 25 is a diagram schematically showing a path through which charges flow when the IGBT is switched from the on state to the off state in FIG.
図23において、比較例の半導体装置であるIGBT150のn--ドリフト領域1、n+バッファ領域2、p+コレクタ領域3は、それぞれ上記IGBT50のn--ドリフト領域1、n+バッファ領域2、p+コレクタ領域3に相当するものである。また、IGBT150のp++エミッタ領域4a、ゲート電極5a、5b、ゲート絶縁膜6a、6b、p+チャネル領域7は、それぞれ上記IGBT50のp++エミッタ領域4a、ゲート電極5a、5b、ゲート絶縁膜6a、6b、p+チャネル領域7に相当するものである。また、IGBT150のn++エミッタ領域8a、8b、pウェル領域10、層間絶縁膜11、エミッタ電極12a、コレクタ電極13は、それぞれ上記IGBT50のn++エミッタ領域8a、8b、pウェル領域10、層間絶縁膜11、エミッタ電極12a、コレクタ電極13に相当するものである。また、IGBT150の第1トランジスタTR1は、上記IGBT50の第1トランジスタTR1に相当するものである。
In Figure 23, n of IGBT150 a semiconductor device of Comparative Example - drift region 1, n + buffer region 2, p + collector region 3, n of each of the
しかし、比較例の半導体装置であるIGBT150には、第2トランジスタが設けられていない。
However, the
比較例の半導体装置(IGBT150)でも、コレクタ電極13にコレクタ電圧Vcを印加し、ゲート電極5a、5bにゲート電圧Vg1を印加することで、p+チャネル領域7に反転層7a、7bが形成された状態(オン状態)になる。そして、エミッタ電極12aからの電子が、図24に経路をPS1として示すように、n++エミッタ領域8a、8bの各々、および、形成された反転層7a、7bを通して、n--ドリフト領域1に注入される(流れ込む)。エミッタ電極12aからn--ドリフト領域1に注入された(流れ込んだ)電子と、コレクタ電極13からn--ドリフト領域1に注入された(流れ込んだ)正孔とは、n--ドリフト領域1中でクーロン引力によって引き合う。そのため、n--ドリフト領域1中には過剰な電荷が蓄積され、IGBT150に大きなオン電流を流すことができる。
Also in the semiconductor device (IGBT 150) of the comparative example, the
また、第1トランジスタTR1がオン状態のときは、n--ドリフト領域1からの正孔は、図24に経路をPS2として示すように、p+チャネル領域7のうち反転層7a、7bおよび空乏層(図示は省略)以外の部分、すなわち中央部側の部分を通して、エミッタ電極12aに排出される(流れ出る)。
Further, when the first transistor TR1 is turned on, n - holes from the
一方、第1トランジスタTR1がオン状態からオフ状態に切り替わったとき、すなわち、ゲート電極5a、5bへのゲート電圧Vg1の印加を停止したときは、n--ドリフト領域1に過剰に蓄積されていた正孔が、図25に経路をPS3として示すように、p+チャネル領域7を通してエミッタ電極12aに排出される(流れ出る)。ただし、電子は、p+チャネル領域7を流れることができない。
On the other hand, when the first transistor TR1 is switched from the on state to the off state, that is, when the application of the gate voltage Vg1 to the
ところが、比較例の半導体装置(IGBT150)では、第1トランジスタTR1がオン状態からオフ状態に切り替わる際の消費電力(スイッチング損失)が大きい。これは、図25に示す経路PS3のみでは、正孔がp+チャネル領域7を通して流れる量があまり多くないので、効率的に正孔を排出することができないためである。 However, in the semiconductor device (IGBT 150) of the comparative example, power consumption (switching loss) when the first transistor TR1 is switched from the on state to the off state is large. This is because the amount of holes flowing through the p + channel region 7 is not so large only in the path PS3 shown in FIG. 25, so that holes cannot be efficiently discharged.
このようなスイッチング損失を低減するために、第1トランジスタTR1と異なるトランジスタを形成し、第1トランジスタTR1およびその異なるトランジスタがオン状態からオフ状態に切り替わったときに、その異なるトランジスタを通して正孔を流すことも考えられる。しかし、第1トランジスタTR1およびその異なるトランジスタがオン状態のときに、その異なるトランジスタを通して正孔が流れ、実質的にエミッタ領域の面積が増加するため、IE効果が低減され、過剰蓄積効果が低減されてしまうという問題がある。 In order to reduce such a switching loss, a transistor different from the first transistor TR1 is formed, and holes flow through the different transistors when the first transistor TR1 and the different transistors are switched from the on state to the off state. It is also possible. However, when the first transistor TR1 and the different transistor are in the ON state, holes flow through the different transistors and the area of the emitter region is substantially increased, so that the IE effect is reduced and the excessive accumulation effect is reduced. There is a problem that it ends up.
また、第1トランジスタTR1と異なるトランジスタを形成する場合には、その異なるトランジスタに、ホールバリア層となるn型のバリア領域を形成し、第1トランジスタTR1およびその異なるトランジスタがオン状態のときに、その異なるトランジスタを通して正孔が流れることを抑制することも考えられる。しかし、n型のバリア領域を形成した場合には、今度は、第1トランジスタTR1およびその異なるトランジスタがオン状態からオフ状態に切り替わったときに、効率的に正孔を排出することができない。 When a transistor different from the first transistor TR1 is formed, an n-type barrier region serving as a hole barrier layer is formed in the different transistor, and when the first transistor TR1 and the different transistor are in an on state, It is also conceivable to suppress the flow of holes through the different transistors. However, when the n-type barrier region is formed, holes cannot be efficiently discharged when the first transistor TR1 and the different transistors are switched from the on state to the off state.
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
一方、本実施の形態1の半導体装置であるIGBT50では、第1トランジスタTR1に加え、第2トランジスタTR2を有する。第2トランジスタTR2には、第1トランジスタTR1に形成されているn++エミッタ領域8a、8bに相当する領域が形成されていない。そのため、第2トランジスタTR2は、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、電流を流さないが、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、正孔からなる電流を流す。
<Main features and effects of the present embodiment>
On the other hand, the
すなわち、本実施の形態1の半導体装置(IGBT50)では、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、コレクタ電極13から第1トランジスタTR1のp+チャネル領域7を通してエミッタ電極12aに、正孔(正の極性の電荷)および電子(負の極性の電荷)からなる電流が流れる。しかし、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第2トランジスタTR2のp-チャネル領域9を通して電流が流れない。したがって、本実施の形態1の半導体装置(IGBT50)におけるオン状態のときの特性は、比較例の半導体装置(IGBT150)のオン状態のときの特性と変わらない。これにより、オン状態におけるIE効果を確保することができ、過剰蓄積効果を確保することができる。その結果、n--ドリフト領域1の抵抗を低減することができ、定格で定められたコレクタ電流を流すためのコレクタ電圧、すなわちオン電圧を低減することができる。
That is, in the semiconductor device (IGBT 50) according to the first embodiment, when the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are in the ON state, the
一方、本実施の形態1の半導体装置(IGBT50)では、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、n--ドリフト領域1から第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通してエミッタ電極12a、12bに正孔(正の極性の電荷)からなる電流が流れる。これにより、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わる際の消費電力(スイッチング損失)を低減することができる。
On the other hand, in the semiconductor device (IGBT 50) according to the first embodiment, when the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are switched from the on state to the off state, the first transistor TR1 and the second transistor TR1 from the n − drift region 1 are switched. A current consisting of holes (positive polarity charges) flows through the transistor TR2 to the
すなわち、本実施の形態1の半導体装置(IGBT50)によれば、オン電圧を低減するとともに、スイッチング損失を低減することができる。したがって、オン電圧を低減するために、例えば第1トランジスタTR1のp++エミッタ領域4aの面積(平面積)またはp+チャネル領域7の面積(平面積)を小さくすることで、IE効果を高め、オン電圧を低減する場合でも、スイッチング損失を低減することができる。つまり、従来トレードオフの関係にあったオン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができ、IGBTからなる半導体装置の性能を向上させることができる。 That is, according to the semiconductor device (IGBT 50) of the first embodiment, the on-voltage can be reduced and the switching loss can be reduced. Therefore, in order to reduce the on-voltage, for example, by reducing the area (planar area) of the p ++ emitter region 4a or the area (planar area) of the p + channel region 7 of the first transistor TR1, the IE effect is enhanced. Even when the on-voltage is reduced, the switching loss can be reduced. In other words, it is possible to achieve both reduction in on-voltage and reduction in switching loss that are in a trade-off relationship, and it is possible to improve the performance of a semiconductor device made of IGBT.
なお、本実施の形態1では、p+チャネル領域7の面積(平面積)とp-チャネル領域9の面積(平面積)との面積比については、好適には、例えば以下のような方法により決定することができる。まず、p++エミッタ領域4a、4bの面積(エミッタ径)を決定し、決定されたp++エミッタ領域4a、4bの面積(エミッタ径)に対して、IE効果により最もオン電圧を低減できるように、p+チャネル領域7の面積(平面積)を決定する。そして、p+チャネル領域7またはp-チャネル領域9が形成される予定の面積(平面積)からp+チャネル領域7の面積(平面積)を差し引いた残りの面積を、p-チャネル領域9の面積(平面積)とする。
In the first embodiment, the area ratio between the area (planar area) of the p + channel region 7 and the area (plane area) of the p − channel region 9 is preferably determined by the following method, for example. Can be determined. First, the area (emitter diameter) of the p ++ emitter regions 4a and 4b is determined, and the ON voltage can be reduced most by the IE effect with respect to the determined area (emitter diameter) of the p ++ emitter regions 4a and 4b. Thus, the area (planar area) of the p + channel region 7 is determined. Then, p + channel region 7 or p - from the area of the
また、本実施の形態1については、n型の半導体領域およびp型の半導体領域の各領域の導電型をp型とn型との間で互いに入れ替えた場合でも、本実施の形態1の半導体装置と同様の効果が得られる(以下の実施の形態においても同様)。 In the first embodiment, even when the conductivity types of the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region are interchanged between the p-type and the n-type, the semiconductor of the first embodiment The same effect as the apparatus can be obtained (the same applies to the following embodiments).
また、本実施の形態1では、半導体基板3Sおよび各半導体領域を構成する半導体材料がシリコン(Si)である例について説明した。しかし、半導体材料として、シリコン(Si)に限られず、例えば炭化ケイ素(SiC)など他の各種の半導体材料を用いることができる(以下の実施の形態においても同様)。ただし、シリコン(Si)に代え、他の半導体材料を用い、上記式(1)に基づいてゲート間距離Wを決定する場合には、誘電率εを各半導体材料の誘電率とし、バンドギャップVを各半導体材料のバンドギャップとする。
In the first embodiment, the example in which the semiconductor material constituting the
さらに、本実施の形態1では、第2トランジスタTR2がオン状態のときに第2トランジスタTR2を通して正孔が流れないようにするためには、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2をWとしたときに、ゲート間距離Wが上記式(1)を満たすことが好適であることを説明した。しかし、ゲート間距離Wが上記式(1)を満たしていない場合でも、例えばp-チャネル領域9の不純物濃度をp+チャネル領域7の不純物濃度よりも低くすることで、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第2トランジスタTR2のp-チャネル領域9を通して正孔がほとんど流れないように調節することができる。そのため、ゲート間距離Wが上記式(1)を満たしていない場合でも、第2トランジスタTR2を形成しない場合に比べれば、スイッチング損失をより低減することができる。 Further, in the first embodiment, in order to prevent holes from flowing through the second transistor TR2 when the second transistor TR2 is in the ON state, when the inter-gate distance W2 of the second transistor TR2 is set to W. In addition, it has been explained that it is preferable that the inter-gate distance W satisfies the above formula (1). However, even when the inter-gate distance W does not satisfy the above equation (1), the second transistor TR2 is turned on by making the impurity concentration of the p − channel region 9 lower than the impurity concentration of the p + channel region 7, for example. It can be adjusted so that almost no holes flow through the p − channel region 9 of the second transistor TR2 when in the state. Therefore, even when the inter-gate distance W does not satisfy the above formula (1), the switching loss can be further reduced as compared with the case where the second transistor TR2 is not formed.
(実施の形態2)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態2の半導体装置について説明する。前述した実施の形態1では、第1トランジスタと第2トランジスタとは、一方向に沿って、互いに隣接している。それに対して、実施の形態2では、第1トランジスタと第2トランジスタとは、pウェル領域を挟んで互いに離れた位置に形成されており、互いに隣接していない。
(Embodiment 2)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment described above, the first transistor and the second transistor are adjacent to each other along one direction. In contrast, in the second embodiment, the first transistor and the second transistor are formed at positions separated from each other across the p-well region, and are not adjacent to each other.
図26は、実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。図27は、実施の形態2の半導体装置の斜視図である。 FIG. 26 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment. FIG. 27 is a perspective view of the semiconductor device of the second embodiment.
図26に示すように、本実施の形態2の半導体装置であるIGBT50aは、実施の形態1の半導体装置であるIGBT50と略同一の構造を有する。すなわち、IGBT50aは、IGBT50と同様に、n--ドリフト領域1、n+バッファ領域2、p+コレクタ領域3、p++エミッタ領域4(4a、4b)、ゲート電極5(5a、5b、5c、5d)およびゲート絶縁膜6(6a、6b、6c、6d)を備えている。また、IGBT50aは、IGBT50と同様に、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8(8a、8b)、p-チャネル領域9、pウェル領域10、層間絶縁膜11、エミッタ電極12(12a、12b)およびコレクタ電極13を備えている。
As shown in FIG. 26, the
また、図27に示すように、本実施の形態2でも、トレンチT1、T2、T3、T4が一方向(図27のY方向)に沿って形成されている。したがって、p++エミッタ領域4(4a、4b)、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8(8a、8b)およびp-チャネル領域9は、一方向(図27のY方向)に沿って形成されている。また、ゲート電極5(5a、5b、5c、5d)およびゲート絶縁膜6(6a、6b、6c、6d)も、一方向(図27のY方向)に沿って形成されている。 As shown in FIG. 27, also in the second embodiment, trenches T1, T2, T3, and T4 are formed along one direction (Y direction in FIG. 27). Therefore, the p ++ emitter region 4 (4a, 4b), the p + channel region 7, the n ++ emitter region 8 (8a, 8b), and the p − channel region 9 are along one direction (the Y direction in FIG. 27). Is formed. Further, the gate electrode 5 (5a, 5b, 5c, 5d) and the gate insulating film 6 (6a, 6b, 6c, 6d) are also formed along one direction (Y direction in FIG. 27).
また、本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2をW(m)とし、p-チャネル領域9の不純物濃度をNa(m-3)とし、電子および正孔の素電荷をq(C)とし、p-チャネル領域9の誘電率、バンドギャップを、それぞれε(F/m)、V(eV)とするとき、上記式(1)を満たすことが好適である。 Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the gate-to-gate distance W2 of the second transistor TR2 is set to W (m), and the impurity concentration of the p − channel region 9 is set to N a (m −3 ). When the electron and hole elementary charges are q (C) and the dielectric constant and band gap of the p − channel region 9 are ε (F / m) and V (eV), respectively, It is preferable to satisfy.
ただし、本実施の形態2では、一方向(図27のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。すなわち、第2トランジスタTR2のトレンチT3、T4の各々は、一方向(図27のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1のトレンチT1、T2の各々とは、連続して形成されていない。第2トランジスタTR2のトレンチT3、T4の各々は、図27のY方向と交差する方向(図27のX方向)に沿って、第1トランジスタTR1のトレンチT1、T2と離れた位置に形成されている。また、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1、すなわち、トレンチT1、T2の間隔は、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2、すなわち、トレンチT3、T4の間隔と等しくなくてもよい。図27は、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1が第2トランジスタTR2のゲート間距離W2と等しくない場合について、示している。 However, in the second embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are not adjacent to each other along one direction (Y direction in FIG. 27). That is, each of the trenches T3 and T4 of the second transistor TR2 is not formed continuously with each of the trenches T1 and T2 of the first transistor TR1 along one direction (Y direction in FIG. 27). Each of the trenches T3 and T4 of the second transistor TR2 is formed at a position separated from the trenches T1 and T2 of the first transistor TR1 along a direction intersecting the Y direction of FIG. 27 (X direction of FIG. 27). Yes. Further, the inter-gate distance W1 of the first transistor TR1, that is, the interval between the trenches T1 and T2, may not be equal to the inter-gate distance W2 of the second transistor TR2, that is, the interval between the trenches T3 and T4. FIG. 27 shows a case where the inter-gate distance W1 of the first transistor TR1 is not equal to the inter-gate distance W2 of the second transistor TR2.
そのため、第1トランジスタTR1におけるゲート間距離W1および第2トランジスタTR2におけるゲート間距離W2については、以下のように個別に設計することができる。すなわち、ゲート間距離W1については、オン電圧を低減するために必要な距離として設計することができる。また、ゲート間距離W2については、第2トランジスタTR2がオン状態のときに第2トランジスタTR2を流れる電流を少なくし、第2トランジスタTR2がオフ状態のときに第2トランジスタTR2を流れる電流を大きくするために必要な距離として設計することができる。 Therefore, the inter-gate distance W1 in the first transistor TR1 and the inter-gate distance W2 in the second transistor TR2 can be individually designed as follows. That is, the inter-gate distance W1 can be designed as a distance necessary for reducing the on-voltage. Regarding the inter-gate distance W2, the current flowing through the second transistor TR2 is reduced when the second transistor TR2 is in the on state, and the current flowing through the second transistor TR2 is increased when the second transistor TR2 is in the off state. It can be designed as a necessary distance.
なお、図示を省略するが、ゲート電極5a、5bは、図26に示す断面よりも奥側(または手前側)の位置で、互いに電気的に接続されており、ゲート電極5c、5dも、図26に示す断面よりも奥側(または手前側)の位置で、互いに電気的に接続されている。また、図27のX方向に沿って離れた位置に形成されているゲート電極5(5a、5b、5c、5d)を互いに電気的に接続することができる。このような構成により、第1トランジスタTR1のゲート電極5a、5bに印加するゲート電圧と、第2トランジスタTR2のゲート電極5c、5dに印加するゲート電圧とを、一括して制御することができる。
Although not shown, the
本実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)の動作については、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)の動作と同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the semiconductor device (
<半導体装置の製造工程>
本実施の形態2の半導体装置の製造工程については、酸化シリコン膜21をパターニングする工程、トレンチTを形成する工程、ならびに、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8およびp-チャネル領域9をイオン注入法により形成する工程以外の工程については、実施の形態1の半導体装置の製造工程と同様であり、その説明を省略する。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Regarding the manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment, the process of patterning the
酸化シリコン膜21をパターニングする工程、および、トレンチTを形成する工程は、それぞれ実施の形態1で図8、図9を用いて説明した工程と略同様に行うことができる。ただし、本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、一対のトレンチT3、T4は、図27のX方向に沿って、一対のトレンチT1、T2と離れた位置に形成される。したがって、一対のトレンチT3、T4の各々は、図27のY方向に沿って、一対のトレンチT1、T2の各々と連続して形成されない。
The step of patterning the
ゲート絶縁膜6を形成する工程は、実施の形態1で図10を用いて説明した工程と略同様に行うことができる。ただし、本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、一対のゲート絶縁膜6c、6dの各々は、図27のX方向に沿って、一対のゲート絶縁膜6a、6bの各々と離れた位置に形成される。したがって、一対のゲート絶縁膜6c、6dの各々は、図27のY方向に沿って、一対のゲート絶縁膜6a、6bの各々と連続して形成されない。
The step of forming the
ゲート電極5を形成する工程は、実施の形態1で図11および図12を用いて説明した工程と略同様に行うことができる。ただし、本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、一対のゲート電極5c、5dの各々は、図27のX方向に沿って、一対のゲート電極5a、5bの各々と離れた位置に形成される。したがって、一対のゲート電極5c、5dの各々は、図27のY方向に沿って、一対のゲート電極5a、5bの各々と連続して形成されない。
The step of forming the
p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8およびp-チャネル領域9をイオン注入法により形成する工程は、それぞれ実施の形態1で図13、図14、図15を用いて説明した工程と略同様に行うことができる。ただし、本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、p+チャネル領域7、n++エミッタ領域8およびp-チャネル領域9をイオン注入法により形成する工程においては、図27のY方向に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが互いに隣接しないように、イオン注入を行う。すなわち、p-チャネル領域9が、図27のY方向に沿って、p+チャネル領域7およびn++エミッタ領域8a、8bと隣接しないように形成する。 The step of forming p + channel region 7, n ++ emitter region 8 and p − channel region 9 by ion implantation is substantially the same as the step described with reference to FIGS. 13, 14, and 15 in the first embodiment. The same can be done. However, in the second embodiment, unlike the first embodiment, in the step of forming the p + channel region 7, the n ++ emitter region 8 and the p − channel region 9 by the ion implantation method, the Y direction in FIG. The ion implantation is performed so that the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are not adjacent to each other. That is, p − channel region 9 is formed so as not to be adjacent to p + channel region 7 and n ++ emitter regions 8a and 8b along the Y direction in FIG.
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)でも、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第1トランジスタTR1を通して正孔と電子が流れるが、第2トランジスタTR2を通して電流が流れない。また、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して正孔が流れる。そのため、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、オン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
In the semiconductor device (
また、本実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)では、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と異なり、一方向(図27のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。そのため、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1は、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2と等しくなくてもよい。したがって、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1と、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2とを、個別に設計することができる。
In addition, unlike the semiconductor device (IGBT 50) of the first embodiment, the semiconductor device (
(実施の形態3)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態3の半導体装置について説明する。実施の形態3の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置において、p+チャネル領域とn--ドリフト領域との間にnバリア領域が形成されたものであるため、nバリア領域以外の部分については、その説明を省略する。
(Embodiment 3)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the third embodiment is the same as the semiconductor device according to the first embodiment except that an n barrier region is formed between the p + channel region and the n − drift region. The description of is omitted.
図28は、実施の形態3の半導体装置の要部断面図である。図29は、実施の形態3の半導体装置の斜視図である。 FIG. 28 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment. FIG. 29 is a perspective view of the semiconductor device of the third embodiment.
図28に示すように、本実施の形態3の半導体装置であるIGBT50bでは、第1領域AR1において、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。nバリア領域14は、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるn型半導体領域(第1導電型の半導体領域)である。nバリア領域14の不純物濃度は、例えば5×1016〜1×1018cm-3程度とすることができる。
As shown in FIG. 28, in
nバリア領域14を形成することで、第1トランジスタTR1がオン状態のときに、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が、p+チャネル領域7を通してエミッタ電極12aに排出される(流れ出る)ことを抑制することができる。したがって、nバリア領域14の不純物濃度を調節することで、IE効果の程度を調節することができる。
By forming the
また、図29に示すように、本実施の形態3では、実施の形態1と同様に、一方向(図29のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接している。 As shown in FIG. 29, in the third embodiment, as in the first embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are adjacent to each other along one direction (the Y direction in FIG. 29). ing.
本実施の形態3の半導体装置(IGBT50b)の動作については、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)の動作と略同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the semiconductor device (
ただし、本実施の形態3では、第1トランジスタTR1がオン状態のときに、nバリア領域14により、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が第1トランジスタTR1を通してエミッタ電極12aに排出されることを抑制する。
However, in the third embodiment, when the first transistor TR1 is in the on state, the holes accumulated excessively in the n − drift region 1 by the
<半導体装置の製造工程>
図30および図31は、実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Manufacturing process of semiconductor device>
30 and 31 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of the third embodiment during the manufacturing steps thereof.
本実施の形態3の半導体装置の製造工程については、nバリア領域14を形成する工程、および、p+チャネル領域7を形成する工程以外の工程については、実施の形態1の半導体装置の製造工程と同様であり、その説明を省略する。
Regarding the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment, the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment is performed except for the process of forming the
本実施の形態3では、例えばゲート電極5を形成した後、p+チャネル領域7を形成する前に、図30に示すように、nバリア領域14を形成する。
In the third embodiment, for example, after forming the
具体的には、半導体基板3S上にレジスト膜R1を塗布する。そして、塗布されたレジスト膜R1に対してフォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、レジスト膜R1をパターニングする。レジスト膜R1のパターニングは、第2領域AR2および第3領域AR3が覆われ、第1領域AR1が露出するように行われる。そして、パターニングされたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1にn型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第1領域AR1においてレジスト膜R1で覆われていない部分には、nバリア領域14が形成される。nバリア領域14は、一対のトレンチT1、T2の間に、その両側がトレンチT1、T2に接し、その下側がn--ドリフト領域1に接するように形成される。nバリア領域14の不純物濃度については、前述したように、例えば5×1016〜1×1018cm-3程度とすることができる。
Specifically, a resist film R1 is applied on the
次いで、p+チャネル領域7を形成する。図31に示すように、パターニングされたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1にp型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第1領域AR1においてレジスト膜R1で覆われていない部分であって、nバリア領域14の上方に、p+チャネル領域7が形成される。p+チャネル領域7の不純物濃度については、実施の形態1と同様にすることができる。
Next, the p + channel region 7 is formed. As shown in FIG. 31, a p-type impurity is introduced into the semiconductor layer SL1 by ion implantation using the patterned resist film R1 as a mask. As a result, the p + channel region 7 is formed above the
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態3の半導体装置(IGBT50b)でも、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第1トランジスタTR1を通して正孔と電子が流れるが、第2トランジスタTR2を通して電流が流れない。また、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して正孔が流れる。そのため、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、オン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
In the semiconductor device (
また、本実施の形態3の半導体装置(IGBT50b)では、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と異なり、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。そのため、nバリア領域14の不純物濃度を調節することで、IE効果の程度を調節することができ、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)に比べ、オン電圧をさらに低減することができる。
Further, in the semiconductor device (
(実施の形態4)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態4の半導体装置について説明する。実施の形態4の半導体装置は、実施の形態2の半導体装置において、p+チャネル領域とn--ドリフト領域との間にnバリア領域が形成されたものであるため、nバリア領域以外の部分については、その説明を省略する。
(Embodiment 4)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the fourth embodiment is the same as the semiconductor device according to the second embodiment except that an n barrier region is formed between the p + channel region and the n − drift region. The description of is omitted.
図32は、実施の形態4の半導体装置の斜視図である。 FIG. 32 is a perspective view of the semiconductor device of the fourth embodiment.
図32に示すように、本実施の形態4の半導体装置であるIGBT50cでは、実施の形態3の半導体装置であるIGBT50bと同様に、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。
As shown in FIG. 32, in the
また、図32に示すように、本実施の形態4では、実施の形態2と同様に、一方向(図32のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。 As shown in FIG. 32, in the fourth embodiment, as in the second embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are adjacent to each other along one direction (the Y direction in FIG. 32). Not.
本実施の形態4の半導体装置(IGBT50c)の動作については、実施の形態3の半導体装置(IGBT50b)の動作と同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the semiconductor device (
<半導体装置の製造工程>
本実施の形態4の半導体装置の製造工程については、nバリア領域14を形成する工程、および、p+チャネル領域7を形成する工程以外の工程については、実施の形態2の半導体装置の製造方法と同様であり、その説明を省略する。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Regarding the manufacturing process of the semiconductor device of the fourth embodiment, the manufacturing method of the semiconductor device of the second embodiment is the same as the process other than the process of forming the
本実施の形態4では、例えばゲート電極5を形成した後、p+チャネル領域7を形成する前に、実施の形態3で図30を用いて説明した工程と同様の工程を行って、nバリア領域14を形成する。
In the fourth embodiment, for example, after the
また、本実施の形態4では、実施の形態3で図31を用いて説明した工程と同様の工程を行って、p+チャネル領域7を形成する。 In the fourth embodiment, the p + channel region 7 is formed by performing the same process as that described with reference to FIG. 31 in the third embodiment.
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態4の半導体装置(IGBT50c)でも、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第1トランジスタTR1を通して正孔と電子が流れるが、第2トランジスタTR2を通して電流が流れない。また、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して正孔が流れる。そのため、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、オン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
In the semiconductor device (
また、本実施の形態4の半導体装置(IGBT50c)では、実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)と同様に、一方向(図32のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。そのため、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1は、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2と等しくなくてもよい。したがって、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1と、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2とを、個別に設計することができる。
Further, in the semiconductor device (
また、本実施の形態4の半導体装置(IGBT50c)では、実施の形態3の半導体装置(IGBT50b)と同様に、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。そのため、nバリア領域14の不純物濃度を調節することで、IE効果の程度を調節することができ、実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)に比べ、オン電圧をさらに低減することができる。
In the semiconductor device (
(実施の形態5)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態5の半導体装置について説明する。実施の形態5の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置において、p-チャネル領域とn--ドリフト領域との間にpバリア領域が形成されたものであるため、pバリア領域以外の部分については、その説明を省略する。
(Embodiment 5)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the fifth embodiment is the same as the semiconductor device according to the first embodiment, except that the p barrier region is formed between the p − channel region and the n − drift region. The description of is omitted.
図33は、実施の形態5の半導体装置の要部断面図である。図34は、実施の形態5の半導体装置の斜視図である。 FIG. 33 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of the fifth embodiment. FIG. 34 is a perspective view of the semiconductor device of the fifth embodiment.
図33に示すように、本実施の形態5の半導体装置であるIGBT50dでは、第2領域AR2において、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間、および、ゲート絶縁膜6c、6dとn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。pバリア領域15は、例えばホウ素(B)などのp型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるp型半導体領域(第2導電型の半導体領域)である。pバリア領域15の不純物濃度は、例えば5×1016〜1×1018cm-3程度とすることができる。
As shown in FIG. 33, in the
pバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、エミッタ電極12bからp-チャネル領域9を通してn--ドリフト領域1に、電子がリーク電流として注入されにくく(流れ込みにくく)なる。また、p-チャネル領域9付近にpバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が、p-チャネル領域9を通してエミッタ電極12bに排出されやすく(流れ出やすく)なる。
By forming the
また、図34に示すように、本実施の形態5では、実施の形態1と同様に、一方向(図34のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接している。 As shown in FIG. 34, in the fifth embodiment, as in the first embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are adjacent to each other along one direction (the Y direction in FIG. 34). ing.
本実施の形態5の半導体装置(IGBT50d)の動作については、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)の動作と略同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the semiconductor device (
ただし、本実施の形態5では、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、pバリア領域15により、エミッタ電極12bから第2トランジスタTR2を通してn--ドリフト領域1に、電子がリーク電流として注入されることを抑制する。また、本実施の形態5では、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、pバリア領域15により、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が、第2トランジスタTR2を通してエミッタ電極12bに排出されることを促進する。
However, in the fifth embodiment, when the second transistor TR2 is in the ON state, electrons are injected as a leakage current from the
<半導体装置の製造工程>
図35は、実施の形態5の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Manufacturing process of semiconductor device>
FIG. 35 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device in
本実施の形態5の半導体装置の製造工程については、pバリア領域15を形成する工程以外の工程については、実施の形態1の半導体装置の製造工程と同様であり、その説明を省略する。
About the manufacturing process of the semiconductor device of this
本実施の形態5では、例えば半導体層SL1を形成する際に、pバリア領域15を形成する。
In the fifth embodiment, for example, the
例えば半導体層SL1を形成する前、半導体基板3S上にレジスト膜(図示は省略)を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いて露光・現像処理を施すことにより、pバリア領域15が形成される部分が露出するように、レジスト膜をパターニングする。そして、パターニングされたレジスト膜をマスクにしたイオン注入法により、半導体基板3Sにp型不純物を導入する。次いで、図6を用いて説明した工程と同様の工程を行い、半導体層SL1を形成する。これにより、図35に示すように、半導体基板3Sの表面(上面)側の部分(上層部)にp型の半導体層SL1が形成され、半導体層SL1よりも裏面(下面)側の部分がn--ドリフト領域1となり、半導体層SL1とn--ドリフト領域1との間に、pバリア領域15が形成される。pバリア領域15の不純物濃度については、例えば5×1016〜1×1018cm-3程度とすることができる。
For example, before forming the semiconductor layer SL1, a resist film (not shown) is applied on the
なお、pバリア領域15を形成する工程については、例えば半導体層SL1を形成した後、または、pウェル領域10を形成する際に行うこともできる(以下の実施の形態においても同様)。
Note that the step of forming the
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態5の半導体装置(IGBT50d)でも、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第1トランジスタTR1を通して正孔と電子が流れるが、第2トランジスタTR2を通して電流が流れない。また、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して正孔が流れる。そのため、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、オン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
In the semiconductor device (
また、本実施の形態5の半導体装置(IGBT50d)では、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と異なり、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。pバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第2トランジスタTR2を通して流れるリーク電流を抑制し、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第2トランジスタTR2を通しての正孔の排出を促進することができる。したがって、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)に比べ、オン電圧をさらに低減するとともに、スイッチング損失をさらに低減することができる。
Also, in the semiconductor device (
(実施の形態6)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態6の半導体装置について説明する。実施の形態6の半導体装置は、実施の形態2の半導体装置において、p-チャネル領域とn--ドリフト領域との間にpバリア領域が形成されたものであるため、pバリア領域以外の部分については、その説明を省略する。
(Embodiment 6)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device of the sixth embodiment is the same as the semiconductor device of the second embodiment, except that the p barrier region is formed between the p − channel region and the n − drift region. The description of is omitted.
図36は、実施の形態6の半導体装置の斜視図である。 FIG. 36 is a perspective view of the semiconductor device of the sixth embodiment.
図36に示すように、本実施の形態6の半導体装置であるIGBT50eでは、実施の形態5の半導体装置であるIGBT50dと同様に、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間、および、ゲート絶縁膜6c、6dとn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。
As shown in FIG. 36, in the
また、図36に示すように、本実施の形態6では、実施の形態2と同様に、一方向(図36のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。 As shown in FIG. 36, in the sixth embodiment, as in the second embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are adjacent to each other along one direction (the Y direction in FIG. 36). Not.
本実施の形態6の半導体装置(IGBT50e)の動作については、実施の形態5の半導体装置(IGBT50d)の動作と同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the semiconductor device (
<半導体装置の製造工程>
本実施の形態6の半導体装置の製造工程については、pバリア領域15を形成する工程以外の工程については、実施の形態2の半導体装置の製造工程と同様であり、その説明を省略する。
<Manufacturing process of semiconductor device>
About the manufacturing process of the semiconductor device of this
本実施の形態6では、例えば半導体層SL1を形成する際に、実施の形態5で図35を用いて説明した工程と同様の工程を行って、pバリア領域15を形成する。
In the sixth embodiment, for example, when the semiconductor layer SL1 is formed, the
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態6の半導体装置(IGBT50e)でも、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第1トランジスタTR1を通して正孔と電子が流れるが、第2トランジスタTR2を通して電流が流れない。また、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して正孔が流れる。そのため、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、オン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
In the semiconductor device (
また、本実施の形態6の半導体装置(IGBT50e)では、実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)と同様に、一方向(図36のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。そのため、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1は、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2と等しくなくてもよい。したがって、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1と、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2とを、個別に設計することができる。
Further, in the semiconductor device (
また、本実施の形態6の半導体装置(IGBT50e)では、実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)と異なり、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。pバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第2トランジスタTR2を通して流れるリーク電流を抑制し、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第2トランジスタTR2を通しての正孔の排出を促進することができる。したがって、実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)に比べ、オン電圧をさらに低減するとともに、スイッチング損失をさらに低減することができる。
Further, in the semiconductor device (
(実施の形態7)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態7の半導体装置について説明する。実施の形態7の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置において、nバリア領域およびpバリア領域が形成されたものであるため、nバリア領域およびpバリア領域以外の部分については、その説明を省略する。
(Embodiment 7)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention will be described. Since the n barrier region and the p barrier region are formed in the semiconductor device according to the seventh embodiment in the semiconductor device according to the first embodiment, the description of the portions other than the n barrier region and the p barrier region is as follows. Omitted.
図37は、実施の形態7の半導体装置の要部断面図である。図38は、実施の形態7の半導体装置の斜視図である。 FIG. 37 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Seventh Embodiment. FIG. 38 is a perspective view of the semiconductor device according to the seventh embodiment.
図37に示すように、本実施の形態7の半導体装置であるIGBT50fでは、第1領域AR1において、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。nバリア領域14は、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物が拡散したn型半導体領域(第1導電型の半導体領域)である。nバリア領域14の不純物濃度については、実施の形態3と同様にすることができる。
As shown in FIG. 37, in the
nバリア領域14を形成することで、第1トランジスタTR1がオン状態のときに、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が、p+チャネル領域7を通してエミッタ電極12aに排出される(流れ出る)ことを抑制することができる。したがって、nバリア領域14の不純物濃度を調節することで、IE効果の程度を調節することができる。
By forming the
また、図37に示すように、本実施の形態7の半導体装置であるIGBT50fでは、第2領域AR2において、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間、および、ゲート絶縁膜6c、6dとn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。pバリア領域15は、例えばホウ素(B)などのp型不純物が拡散したシリコン(Si)からなるp型半導体領域(第2導電型の半導体領域)である。pバリア領域15の不純物濃度については、実施の形態5と同様にすることができる。
As shown in FIG. 37, in the
pバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、エミッタ電極12bからp-チャネル領域9を通してn--ドリフト領域1に、電子がリーク電流として注入されにくく(流れ込みにくく)なる。また、p-チャネル領域9付近にpバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が、p-チャネル領域9を通してエミッタ電極12bに排出されやすく(流れ出やすく)なる。
By forming the
また、図38に示すように、本実施の形態7では、実施の形態1と同様に、一方向(図38のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接している。 As shown in FIG. 38, in the seventh embodiment, as in the first embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are adjacent to each other along one direction (the Y direction in FIG. 38). ing.
本実施の形態7の半導体装置(IGBT50f)の動作については、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)の動作と略同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the semiconductor device (
ただし、本実施の形態7では、第1トランジスタTR1がオン状態のときに、nバリア領域14により、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が第1トランジスタTR1を通してエミッタ電極12aに排出されることを抑制する。
However, in the seventh embodiment, when the first transistor TR1 is in the on state, the holes accumulated excessively in the n − drift region 1 by the
また、本実施の形態7では、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、pバリア領域15により、エミッタ電極12bから第2トランジスタTR2を通してn--ドリフト領域1に、電子がリーク電流として注入されることを抑制する。また、本実施の形態7では、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、pバリア領域15により、n--ドリフト領域1に過剰蓄積された正孔が、第2トランジスタTR2を通してエミッタ電極12bに排出されることを促進する。
In the seventh embodiment, when the second transistor TR2 is in the ON state, electrons are injected as a leakage current from the
<半導体装置の製造工程>
本実施の形態7の半導体装置の製造工程については、pバリア領域15を形成する工程、nバリア領域14を形成する工程、および、p+チャネル領域7を形成する工程以外の工程については、実施の形態1の半導体装置の製造方法と同様であり、その説明を省略する。
<Manufacturing process of semiconductor device>
Regarding the manufacturing process of the semiconductor device of the seventh embodiment, the processes other than the process of forming the
本実施の形態7では、例えば半導体層SL1を形成する際に、実施の形態5で図35を用いて説明した工程と同様の工程を行って、pバリア領域15を形成する。
In the seventh embodiment, for example, when the semiconductor layer SL1 is formed, the
また、本実施の形態7では、例えばゲート電極5を形成した後、p+チャネル領域7を形成する前に、実施の形態3で図30を用いて説明した工程と同様の工程を行って、パターニングされたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1にn型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第1領域AR1においてレジスト膜R1で覆われていない部分には、nバリア領域14が形成される。
In the seventh embodiment, for example, after the
さらに、本実施の形態7では、実施の形態3で図31を用いて説明した工程と同様の工程を行って、パターニングされたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、半導体層SL1にp型不純物を導入する。これにより、半導体層SL1のうち第1領域AR1においてレジスト膜R1で覆われていない部分であって、nバリア領域14の上方に、p+チャネル領域7が形成される。
Further, in the seventh embodiment, the same process as that described with reference to FIG. 31 in the third embodiment is performed, and the semiconductor layer SL1 is formed by ion implantation using the patterned resist film R1 as a mask. Type impurities are introduced. As a result, the p + channel region 7 is formed above the
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態7の半導体装置(IGBT50f)でも、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第1トランジスタTR1を通して正孔と電子が流れるが、第2トランジスタTR2を通して電流が流れない。また、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して正孔が流れる。そのため、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、オン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
Also in the semiconductor device (
また、本実施の形態7の半導体装置(IGBT50f)では、実施の形態3の半導体装置(IGBT50b)と同様に、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。そのため、nバリア領域14の不純物濃度を調節することで、IE効果の程度を調節することができ、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)に比べ、オン電圧をさらに低減することができる。
Further, in the semiconductor device (
また、本実施の形態7の半導体装置(IGBT50f)では、実施の形態5の半導体装置(IGBT50d)と同様に、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。pバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第2トランジスタTR2を通して流れるリーク電流を抑制し、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第2トランジスタTR2を通しての正孔の排出を促進することができる。したがって、実施の形態3の半導体装置(IGBT50b)に比べ、オン電圧をさらに低減するとともに、スイッチング損失をさらに低減することができる。
Further, in the semiconductor device (
(実施の形態8)
<半導体装置>
次に、本発明の実施の形態8の半導体装置について説明する。実施の形態8の半導体装置は、実施の形態2の半導体装置において、nバリア領域およびpバリア領域が形成されたものであるため、nバリア領域およびpバリア領域以外の部分については、その説明を省略する。
(Embodiment 8)
<Semiconductor device>
Next, a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention will be described. Since the n barrier region and the p barrier region are formed in the semiconductor device of the second embodiment, the semiconductor device of the eighth embodiment is described for portions other than the n barrier region and the p barrier region. Omitted.
図39は、実施の形態8の半導体装置の斜視図である。 FIG. 39 is a perspective view of the semiconductor device of the eighth embodiment.
図39に示すように、本実施の形態8の半導体装置であるIGBT50gでは、実施の形態3の半導体装置であるIGBT50bと同様に、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。
As shown in FIG. 39, in the
また、図39に示すように、本実施の形態8の半導体装置であるIGBT50gでは、実施の形態5の半導体装置であるIGBT50dと同様に、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間、および、ゲート絶縁膜6c、6dとn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。
Further, as shown in FIG. 39, in the
また、図39に示すように、本実施の形態8では、実施の形態2と同様に、一方向(図39のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。 As shown in FIG. 39, in the eighth embodiment, as in the second embodiment, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 are adjacent to each other along one direction (the Y direction in FIG. 39). Not.
本実施の形態8の半導体装置(IGBT50g)の動作については、実施の形態7の半導体装置(IGBT50f)の動作と同様であるため、その説明を省略する。
Since the operation of the semiconductor device (
<半導体装置の製造工程>
本実施の形態8の半導体装置の製造工程については、pバリア領域15を形成する工程、nバリア領域14を形成する工程、および、p+チャネル領域7を形成する工程以外の工程については、実施の形態2の半導体装置の製造方法と同様であり、その説明を省略する。
<Manufacturing process of semiconductor device>
As for the manufacturing process of the semiconductor device of the eighth embodiment, the processes other than the process of forming the
本実施の形態8では、例えば半導体層SL1を形成する際に、実施の形態5で図35を用いて説明した工程と同様の工程を行って、pバリア領域15を形成する。
In the eighth embodiment, for example, when the semiconductor layer SL1 is formed, the same process as that described in the fifth embodiment with reference to FIG. 35 is performed to form the
また、本実施の形態8では、例えばゲート電極5を形成した後、p+チャネル領域7を形成する前に、実施の形態3で図30を用いて説明した工程と同様の工程を行って、nバリア領域14を形成する。
In the eighth embodiment, for example, after forming the
さらに、本実施の形態8では、実施の形態3で図31を用いて説明した工程と同様の工程を行って、p+チャネル領域7を形成する。 Further, in the eighth embodiment, the same process as that described with reference to FIG. 31 in the third embodiment is performed to form the p + channel region 7.
<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態8の半導体装置(IGBT50g)でも、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第1トランジスタTR1を通して正孔と電子が流れるが、第2トランジスタTR2を通して電流が流れない。また、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第1トランジスタTR1および第2トランジスタTR2を通して正孔が流れる。そのため、実施の形態1の半導体装置(IGBT50)と同様に、オン電圧の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
Also in the semiconductor device (
また、本実施の形態8の半導体装置(IGBT50g)では、実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)と同様に、一方向(図39のY方向)に沿って、第1トランジスタTR1と第2トランジスタTR2とが隣接していない。そのため、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1は、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2と等しくなくてもよい。したがって、第1トランジスタTR1のゲート間距離W1と、第2トランジスタTR2のゲート間距離W2とを、個別に設計することができる。
Further, in the semiconductor device (
また、本実施の形態8の半導体装置(IGBT50g)では、実施の形態4の半導体装置(IGBT50c)と同様に、p+チャネル領域7とn--ドリフト領域1との間にnバリア領域14が形成されている。そのため、nバリア領域14の不純物濃度を調節することで、IE効果の程度を調節することができ、実施の形態2の半導体装置(IGBT50a)に比べ、オン電圧をさらに低減することができる。
Further, in the semiconductor device (
また、本実施の形態8の半導体装置(IGBT50g)では、実施の形態6の半導体装置(IGBT50e)と同様に、p-チャネル領域9とn--ドリフト領域1との間にpバリア領域15が形成されている。pバリア領域15を形成することで、第2トランジスタTR2がオン状態のときに、第2トランジスタTR2を通して流れるリーク電流を抑制し、第2トランジスタTR2がオン状態からオフ状態に切り替わったときに、第2トランジスタTR2を通しての正孔の排出を促進することができる。したがって、実施の形態4の半導体装置(IGBT50c)に比べ、オン電圧をさらに低減するとともに、スイッチング損失をさらに低減することができる。
Further, in the semiconductor device (
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば、前記実施の形態では、ゲート電極がトレンチの内部に形成された例について説明したが、本発明は、ゲート電極がトレンチの内部に形成された場合に限定されるものではなく、例えば半導体層上に一対のゲート電極が形成された後、その一対のゲート電極に挟まれた領域にチャネル領域が形成された場合にも適用可能である。 For example, in the above-described embodiment, the example in which the gate electrode is formed in the trench has been described. However, the present invention is not limited to the case in which the gate electrode is formed in the trench. The present invention can also be applied to a case where a channel region is formed in a region sandwiched between the pair of gate electrodes after the pair of gate electrodes is formed thereon.
本発明は、半導体装置およびその製造方法に適用して有効である。 The present invention is effective when applied to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
1 n--ドリフト領域
2 n+バッファ領域
3 p+コレクタ領域
3S 半導体基板
4、4a、4b p++エミッタ領域
5、5a〜5d ゲート電極
6、6a〜6d ゲート絶縁膜
7 p+チャネル領域
7a、7b 反転層
8、8a、8b n++エミッタ領域
9 p-チャネル領域
9a、9b 反転層
10 pウェル領域
11 層間絶縁膜
12、12a、12b エミッタ電極
13 コレクタ電極
14 nバリア領域
15 pバリア領域
21 酸化シリコン膜
22 ポリシリコン膜
50、50a〜50g IGBT
AR1 第1領域
AR2 第2領域
AR3 第3領域
CC1、CC2 凹部
CH1、CH2 コンタクトホール
OP、OP1〜OP4 開口
PS1〜PS4 経路
R1〜R4 レジスト膜
SL1 半導体層
T、T1、T11、T12、T2、T21、T22、T3、T31、T32、T4、T41、T42 トレンチ
TR1、TR11、TR12 第1トランジスタ
TR2、TR21、TR22 第2トランジスタ
W1、W2 ゲート間距離
1 n − drift region 2 n + buffer region 3 p + collector region
AR1 First region AR2 Second region AR3 Third region CC1, CC2 Recessed portion CH1, CH2 Contact hole OP, OP1-OP4 Opening PS1-PS4 Path R1-R4 Resist film SL1 Semiconductor layers T, T1, T11, T12, T2, T21 , T22, T3, T31, T32, T4, T41, T42 Trench TR1, TR11, TR12 First transistor TR2, TR21, TR22 Second transistor W1, W2 Distance between gates
Claims (15)
前記第1半導体層の一方の主面側に形成された第2導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層の他方の主面側に形成されており、第1ゲート電極を含む第1トランジスタと、
前記第1半導体層の前記他方の主面側に形成されており、前記第1ゲート電極と電気的に接続された第2ゲート電極を含む第2トランジスタと、
前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタに電気的に接続されたエミッタ電極と、
前記第2半導体層に電気的に接続されたコレクタ電極と、
を有し、
前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタがオン状態のときに、前記コレクタ電極から前記第1トランジスタを通して前記エミッタ電極に、第1の極性の電荷および第2の極性の電荷からなる電流が流れるが、前記第2トランジスタを通して電流が流れず、
前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタがオン状態からオフ状態に切り替わったときに、前記第1半導体層から前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタを通して前記エミッタ電極に、前記第2の極性の電荷からなる電流が流れることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second semiconductor layer of a second conductivity type formed on one main surface side of the first semiconductor layer;
A first transistor formed on the other main surface side of the first semiconductor layer and including a first gate electrode;
A second transistor formed on the other main surface side of the first semiconductor layer and including a second gate electrode electrically connected to the first gate electrode;
An emitter electrode electrically connected to the first transistor and the second transistor;
A collector electrode electrically connected to the second semiconductor layer;
Have
When the first transistor and the second transistor are in an on state, a current having a first polarity charge and a second polarity charge flows from the collector electrode through the first transistor to the emitter electrode. No current flows through the second transistor;
When the first transistor and the second transistor are switched from the on state to the off state, the charge from the second polarity is transferred from the first semiconductor layer to the emitter electrode through the first transistor and the second transistor. A semiconductor device characterized in that a current flows.
前記第1トランジスタは、
前記エミッタ電極に接した前記第2導電型の第1エミッタ領域と、
前記第1エミッタ領域の両側に形成された一対の前記第1ゲート電極と、
各々が、前記一対の第1ゲート電極の表面を覆っている一対の第1ゲート絶縁膜と、
前記第1エミッタ領域および前記第1ゲート絶縁膜に接した前記第2導電型の第1チャネル領域と、
前記エミッタ電極、前記第1ゲート絶縁膜および前記第1チャネル領域に接した前記第1導電型の第2エミッタ領域と、
を有し、
前記第2トランジスタは、
前記エミッタ電極に接した前記第2導電型の第3エミッタ領域と、
前記第3エミッタ領域の両側に、第1間隔で互いに離れて形成された一対の前記第2ゲート電極と、
各々が、前記一対の第2ゲート電極の表面を覆っている一対の第2ゲート絶縁膜と、
前記エミッタ電極および前記第2ゲート絶縁膜に接した前記第2導電型の第2チャネル領域と、
を有し、
前記第1間隔をW(m)とし、前記第2チャネル領域の不純物濃度をNa(cm-3)とし、素電荷をq(C)とし、前記第2チャネル領域の誘電率をε(F/m)とし、前記第2チャネル領域のバンドギャップをV(eV)とするとき、W<2×10-3×(2Vε/(qNa))1/2を満たすことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The first transistor includes:
A first emitter region of the second conductivity type in contact with the emitter electrode;
A pair of first gate electrodes formed on both sides of the first emitter region;
A pair of first gate insulating films each covering a surface of the pair of first gate electrodes;
A first channel region of the second conductivity type in contact with the first emitter region and the first gate insulating film;
A second emitter region of the first conductivity type in contact with the emitter electrode, the first gate insulating film and the first channel region;
Have
The second transistor is
A third emitter region of the second conductivity type in contact with the emitter electrode;
A pair of second gate electrodes formed on both sides of the third emitter region and spaced apart from each other by a first interval;
A pair of second gate insulating films each covering a surface of the pair of second gate electrodes;
A second channel region of the second conductivity type in contact with the emitter electrode and the second gate insulating film;
Have
Said first interval is W (m), the impurity concentration of the second channel region and N a (cm -3), the elementary charge and q (C), the dielectric constant of the second channel region epsilon (F / M), and when the band gap of the second channel region is V (eV), W <2 × 10 −3 × (2Vε / (qN a )) 1/2 is satisfied .
前記第1半導体層の前記他方の主面側に形成された第3半導体層を有し、
前記第1トランジスタは、
各々が、前記第3半導体層を貫通するように互いに離れて形成された一対の第1トレンチと、
各々が、前記一対の第1トレンチの各々の内壁に形成された一対の第1ゲート絶縁膜と、
各々が、内壁に前記一対の第1ゲート絶縁膜の各々が形成された、前記一対の第1トレンチの各々を埋め込むように形成された一対の前記第1ゲート電極と、
前記一対の第1トレンチに挟まれた第1領域において形成されており、前記エミッタ電極に接している前記第2導電型の第1エミッタ領域と、
前記第1領域において形成されており、前記第1エミッタ領域および前記第1ゲート絶縁膜に接している前記第2導電型の第1チャネル領域と、
前記第1領域において形成されており、前記エミッタ電極、前記第1ゲート絶縁膜および前記第1チャネル領域に接している前記第1導電型の第2エミッタ領域と、
を有し、
前記第2トランジスタは、
各々が、前記第3半導体層を貫通するように、第1間隔で互いに離れて形成された一対の第2トレンチと、
各々が、前記一対の第2トレンチの各々の内壁に形成された一対の第2ゲート絶縁膜と、
各々が、内壁に前記一対の第2ゲート絶縁膜の各々が形成された、前記一対の第2トレンチの各々を埋め込むように形成された一対の前記第2ゲート電極と、
前記一対の第2トレンチに挟まれた第2領域において形成されており、前記エミッタ電極に接している前記第2導電型の第3エミッタ領域と、
前記第2領域において形成されており、前記エミッタ電極および前記第2ゲート絶縁膜に接している前記第2導電型の第2チャネル領域と、
を有し、
前記第1間隔をW(m)とし、前記第2チャネル領域の不純物濃度をNa(cm-3)とし、素電荷をq(C)とし、前記第2チャネル領域の誘電率をε(F/m)とし、前記第2チャネル領域のバンドギャップをV(eV)とするとき、W<2×10-3×(2Vε/(qNa))1/2を満たすことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A third semiconductor layer formed on the other main surface side of the first semiconductor layer;
The first transistor includes:
A pair of first trenches that are formed apart from each other so as to penetrate the third semiconductor layer;
A pair of first gate insulating films each formed on an inner wall of each of the pair of first trenches;
A pair of first gate electrodes, each of which is formed so as to fill each of the pair of first trenches, each of which is formed on the inner wall with each of the pair of first gate insulating films;
A first emitter region of the second conductivity type formed in a first region sandwiched between the pair of first trenches and in contact with the emitter electrode;
A first channel region of the second conductivity type formed in the first region and in contact with the first emitter region and the first gate insulating film;
A second emitter region of the first conductivity type formed in the first region and in contact with the emitter electrode, the first gate insulating film and the first channel region;
Have
The second transistor is
A pair of second trenches formed to be spaced apart from each other at a first interval so that each penetrates the third semiconductor layer;
A pair of second gate insulating films each formed on the inner wall of each of the pair of second trenches;
A pair of second gate electrodes, each of which is formed so as to embed each of the pair of second trenches, each of which is formed with an inner wall of each of the pair of second gate insulating films;
A third emitter region of the second conductivity type formed in a second region sandwiched between the pair of second trenches and in contact with the emitter electrode;
A second channel region of the second conductivity type formed in the second region and in contact with the emitter electrode and the second gate insulating film;
Have
Said first interval is W (m), the impurity concentration of the second channel region and N a (cm -3), the elementary charge and q (C), the dielectric constant of the second channel region epsilon (F / M), and when the band gap of the second channel region is V (eV), W <2 × 10 −3 × (2Vε / (qN a )) 1/2 is satisfied .
前記第1エミッタ領域、前記一対の第1ゲート電極、前記一対の第1ゲート絶縁膜、前記第1チャネル領域および前記第2エミッタ領域は、平面視において、第1方向に沿って形成されており、
前記一対の第1ゲート電極は、前記第1間隔で互いに離れて形成されており、
前記第3エミッタ領域は、前記第1方向に沿って、前記第1エミッタ領域と連続して形成されており、
前記一対の第2ゲート電極の各々は、前記第1方向に沿って、前記一対の第1ゲート電極の各々と連続して形成されており、
前記一対の第2ゲート絶縁膜の各々は、前記第1方向に沿って、前記一対の第1ゲート絶縁膜の各々と連続して形成されており、
前記第2チャネル領域は、前記第1方向に沿って、前記第1チャネル領域および前記第2エミッタ領域と隣接して形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The first emitter region, the pair of first gate electrodes, the pair of first gate insulating films, the first channel region, and the second emitter region are formed along a first direction in plan view. ,
The pair of first gate electrodes are formed apart from each other at the first interval,
The third emitter region is formed continuously with the first emitter region along the first direction,
Each of the pair of second gate electrodes is formed continuously with each of the pair of first gate electrodes along the first direction,
Each of the pair of second gate insulating films is formed continuously with each of the pair of first gate insulating films along the first direction,
The semiconductor device, wherein the second channel region is formed adjacent to the first channel region and the second emitter region along the first direction.
前記一対の第1トレンチは、第1方向に沿って、前記第1間隔で互いに離れて形成されており、
前記第1エミッタ領域、前記一対の第1ゲート電極、前記一対の第1ゲート絶縁膜、前記第1チャネル領域および前記第2エミッタ領域は、平面視において、前記第1方向に沿って形成されており、
前記一対の第2トレンチの各々は、前記第1方向に沿って、前記一対の第1トレンチの各々と連続して形成されており、
前記第3エミッタ領域は、前記第1方向に沿って、前記第1エミッタ領域と連続して形成されており、
前記一対の第2ゲート絶縁膜の各々は、前記第1方向に沿って、前記一対の第1ゲート絶縁膜の各々と連続して形成されており、
前記一対の第2ゲート電極の各々は、前記第1方向に沿って、前記一対の第1ゲート電極の各々と連続して形成されており、
前記第2チャネル領域は、前記第1方向に沿って、前記第1チャネル領域および前記第2エミッタ領域と隣接して形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3,
The pair of first trenches are formed apart from each other at the first interval along the first direction,
The first emitter region, the pair of first gate electrodes, the pair of first gate insulating films, the first channel region, and the second emitter region are formed along the first direction in plan view. And
Each of the pair of second trenches is formed continuously with each of the pair of first trenches along the first direction,
The third emitter region is formed continuously with the first emitter region along the first direction,
Each of the pair of second gate insulating films is formed continuously with each of the pair of first gate insulating films along the first direction,
Each of the pair of second gate electrodes is formed continuously with each of the pair of first gate electrodes along the first direction,
The semiconductor device, wherein the second channel region is formed adjacent to the first channel region and the second emitter region along the first direction.
前記第1チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第1導電型の第1バリア領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3,
A semiconductor device, wherein a first barrier region of the first conductivity type is formed between the first channel region and the first semiconductor layer.
前記第1チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第1導電型の第1バリア領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5,
A semiconductor device, wherein a first barrier region of the first conductivity type is formed between the first channel region and the first semiconductor layer.
前記第2チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第2導電型の第2バリア領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3,
A semiconductor device, wherein a second barrier region of the second conductivity type is formed between the second channel region and the first semiconductor layer.
前記第2チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第2導電型の第2バリア領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5,
A semiconductor device, wherein a second barrier region of the second conductivity type is formed between the second channel region and the first semiconductor layer.
前記第2チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第2導電型の第2バリア領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6,
A semiconductor device, wherein a second barrier region of the second conductivity type is formed between the second channel region and the first semiconductor layer.
前記第2チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第2導電型の第2バリア領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
A semiconductor device, wherein a second barrier region of the second conductivity type is formed between the second channel region and the first semiconductor layer.
(b)前記第2半導体層を貫通するように、互いに離れた一対の第1トレンチと、第1間隔で互いに離れた一対の第2トレンチとを形成する工程、
(c)前記一対の第1トレンチの各々の内壁に、一対の第1ゲート絶縁膜の各々を形成し、前記一対の第2トレンチの各々の内壁に、一対の第2ゲート絶縁膜の各々を形成する工程、
(d)内壁に前記一対の第1ゲート絶縁膜の各々が形成された、前記一対の第1トレンチの各々を埋め込むように、一対の第1ゲート電極を形成し、内壁に前記一対の第2ゲート絶縁膜の各々が形成された、前記一対の第2トレンチの各々を埋め込むように、一対の第2ゲート電極を形成する工程、
(e)前記一対の第1トレンチに挟まれた第1領域において、第2導電型の第1チャネル領域を形成する工程、
(f)前記一対の第2トレンチに挟まれた第2領域において、前記第2導電型の第2チャネル領域を形成する工程、
(g)前記第1領域において、前記一対の前記第1トレンチのいずれとも離れ、前記第1チャネル領域に接するように、前記第2導電型の第1エミッタ領域を形成する工程、
(h)前記第1領域において、前記第1ゲート絶縁膜および前記第1チャネル領域に接するように、前記第1導電型の第2エミッタ領域を形成する工程、
(i)前記第2領域において、前記一対の前記第2トレンチのいずれとも離れ、前記第2チャネル領域に接するように、前記第2導電型の第3エミッタ領域を形成する工程、
(j)前記第1領域において、前記第1エミッタ領域および前記第2エミッタ領域に接し、前記第2領域において、前記第3エミッタ領域に接するように、エミッタ電極を形成する工程、
(k)前記第1半導体層の前記一方の主面と反対側に前記第2導電型の第3半導体層を形成する工程、
(l)前記第3半導体層に接するように、コレクタ電極を形成する工程、
を有し、
前記第1間隔をW(m)とし、前記第2チャネル領域の不純物濃度をNa(cm-3)とし、素電荷をq(C)とし、前記第2チャネル領域の誘電率をε(F/m)とし、前記第2チャネル領域のバンドギャップをV(eV)とするとき、W<2×10-3×(2Vε/(qNa))1/2を満たすことを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) preparing a semiconductor substrate including a first semiconductor layer of a first conductivity type and a second semiconductor layer formed on one main surface side of the first semiconductor layer;
(B) forming a pair of first trenches separated from each other and a pair of second trenches separated from each other at a first interval so as to penetrate the second semiconductor layer;
(C) A pair of first gate insulating films is formed on the inner walls of each of the pair of first trenches, and each of the pair of second gate insulating films is formed on the inner walls of the pair of second trenches. Forming step,
(D) A pair of first gate electrodes is formed so as to embed each of the pair of first trenches in which each of the pair of first gate insulating films is formed on the inner wall, and the pair of second gates is formed on the inner wall. Forming a pair of second gate electrodes so as to embed each of the pair of second trenches in which each of the gate insulating films is formed;
(E) forming a second channel type first channel region in a first region sandwiched between the pair of first trenches;
(F) forming a second channel region of the second conductivity type in a second region sandwiched between the pair of second trenches;
(G) forming the second conductivity type first emitter region so as to be in contact with the first channel region apart from any of the pair of first trenches in the first region;
(H) forming a second emitter region of the first conductivity type so as to be in contact with the first gate insulating film and the first channel region in the first region;
(I) forming the second conductivity type third emitter region so as to be in contact with the second channel region apart from any of the pair of second trenches in the second region;
(J) forming an emitter electrode in the first region so as to be in contact with the first emitter region and the second emitter region, and in the second region so as to be in contact with the third emitter region;
(K) forming a second semiconductor layer of the second conductivity type on the opposite side of the first main surface of the first semiconductor layer;
(L) forming a collector electrode so as to be in contact with the third semiconductor layer;
Have
Said first interval is W (m), the impurity concentration of the second channel region and N a (cm -3), the elementary charge and q (C), the dielectric constant of the second channel region epsilon (F / M), and when the band gap of the second channel region is V (eV), W <2 × 10 −3 × (2Vε / (qN a )) 1/2 is satisfied Manufacturing method.
前記(b)工程において、前記第1間隔で互いに離れた前記一対の第1トレンチを、前記第1方向に沿って形成し、前記一対の第2トレンチの各々を、前記第1方向に沿って、前記一対の第1トレンチの各々と連続して形成し、
前記(c)工程において、前記一対の第2ゲート絶縁膜の各々を、前記第1方向に沿って、前記一対の第1ゲート絶縁膜の各々と連続して形成し、
前記(d)工程において、前記一対の第2ゲート電極の各々を、前記第1方向に沿って、前記一対の第1ゲート電極の各々と連続して形成し、
前記(f)工程において、前記第2チャネル領域を、前記第1方向に沿って、前記第1チャネル領域および前記第2エミッタ領域と隣接して形成し、
前記(i)工程において、前記第3エミッタ領域を、前記第1方向に沿って、前記第1エミッタ領域と連続して形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
In the step (b), the pair of first trenches separated from each other at the first interval is formed along the first direction, and each of the pair of second trenches is formed along the first direction. , Continuously with each of the pair of first trenches,
In the step (c), each of the pair of second gate insulating films is formed continuously with each of the pair of first gate insulating films along the first direction,
In the step (d), each of the pair of second gate electrodes is formed continuously with each of the pair of first gate electrodes along the first direction,
In the step (f), the second channel region is formed adjacent to the first channel region and the second emitter region along the first direction,
In the step (i), the third emitter region is formed continuously with the first emitter region along the first direction.
(m)前記第1チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第1導電型の第1バリア領域を形成する工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
(M) forming a first barrier region of the first conductivity type between the first channel region and the first semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(n)前記第2チャネル領域と前記第1半導体層との間に、前記第2導電型の第2バリア領域を形成する工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
(N) forming a second barrier region of the second conductivity type between the second channel region and the first semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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