JP2014049694A - Igbt - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオード等のパワー系半導体装置(または半導体集積回路装置)のデバイス構造および接合終端(Junction Termination)技術に適用して有効な技術に関する。 The present application relates to a technology effective when applied to a device structure of a power semiconductor device (or semiconductor integrated circuit device) such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a diode, and a junction termination technology.
日本特開2001−77357号公報(特許文献1)は、パンチスルー(Punch Through)型IGBT(Integrated Gate Bipolar Transistor)に関するものである。そこには、P+コレクタ層とN+バッファ層の間に、低ライフタイム層を有するN−層を設ける技術が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-77357 (Patent Document 1) relates to a punch through IGBT type (Integrated Gate Bipolar Transistor). There is disclosed a technique in which an N− layer having a low lifetime layer is provided between a P + collector layer and an N + buffer layer.
日本特開2006−332127号公報(特許文献2)または、これに対応する米国特許第7518197号公報(特許文献3)は、IGBTに関するものである。そこには、たとえば、パンチスルー型IGBTにおいて、N−ドリフト領域の中間に局所ライフタイム制御領域を設ける技術が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-332127 (Patent Document 2) or US Pat. No. 7,518,197 (Patent Document 3) corresponding thereto relates to an IGBT. For example, a technique for providing a local lifetime control region in the middle of an N-drift region in a punch-through IGBT is disclosed.
日本特開2011−238872号公報(特許文献4)は、パンチスルー型IGBTに関するものである。そこには、同様に、N−ドリフト領域の中間にライフタイム制御領域を設ける技術が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-238872 (Patent Document 4) relates to a punch-through IGBT. Similarly, there is disclosed a technique of providing a lifetime control region in the middle of the N-drift region.
日本特表2002−520885号公報(特許文献5)または、これに対応する米国特許第6441408号公報(特許文献6)は、IGBT,パワーダイオード等のパワー半導体素子に関するものである。そこには、たとえば、IGBTのN型ドリフト領域のコレクタ側に関して、通常より厚いN型バッファ層を設ける技術が開示されている。 Japanese Patent Publication No. 2002-52085 (Patent Document 5) or US Pat. No. 6,441,408 (Patent Document 6) corresponding thereto relates to power semiconductor elements such as IGBTs and power diodes. For example, a technique of providing an N-type buffer layer thicker than usual on the collector side of the N-type drift region of the IGBT is disclosed.
日本特開2005−217152号公報(特許文献7)または、これに対応する米国特許公開2005−167694号公報(特許文献8)は、IGBTの接合終端に関するものである。そこには、IGBTチップの周辺に設けられたフィールドプレート、ガードリング(逆フィールドプレートまたはチャンネルストップ電極)および、これらの間の中間電位電極から構成された接合終端構造が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-217152 (Patent Document 7) or US Patent Publication No. 2005-167694 (Patent Document 8) corresponding thereto relates to a junction termination of an IGBT. There is disclosed a junction termination structure comprising a field plate, a guard ring (reverse field plate or channel stop electrode) provided around the IGBT chip, and an intermediate potential electrode therebetween.
日本特開昭58−77242号公報(特許文献9)または、これに対応する米国特許第5311052号公報(特許文献10)は、プレーナ型半導体デバイスに関するものである。そこには、プレーナ型半導体デバイスチップの周辺に設けられた多段のフィールドプレートおよびガードリング(逆フィールドプレートまたはチャンネルストップ電極)から構成された接合終端構造が開示されている。 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 58-77242 (Patent Document 9) or US Pat. No. 5,310,052 (Patent Document 10) corresponding thereto relates to a planar type semiconductor device. There is disclosed a junction termination structure composed of a multi-stage field plate and a guard ring (reverse field plate or channel stop electrode) provided around a planar semiconductor device chip.
IGBTやダイオード等の接合終端構造を考えるとき、多段のFP(Field Plate)を使用したものの周辺長と、多重のFFR(Floating Field Ring)を使用したもの(多重のFPを併用したものを含む)の周辺長を比較すると、前者の方が相当長くなると考えられている。これは、絶縁膜中の臨界電界強度の方が、ドリフト領域等の臨界電界強度よりも相当程度高いことに起因する。 When considering junction termination structures such as IGBTs and diodes, those using multistage FP (Field Plate) and those using multiple FFR (Floating Field Ring) (including those using multiple FP) It is considered that the former is considerably longer when the peripheral lengths of the former are compared. This is because the critical electric field strength in the insulating film is considerably higher than the critical electric field strength in the drift region or the like.
ここで、多段のFPを使用した接合終端構造を適用して良好な耐圧特性を得るには、基板表面の電界強度の上昇を抑えるため、ドリフト領域の抵抗率を上げる必要がある。 Here, in order to obtain a good breakdown voltage characteristic by applying a junction termination structure using a multistage FP, it is necessary to increase the resistivity of the drift region in order to suppress an increase in the electric field strength on the substrate surface.
しかし、コレクタ領域に接してバッファ領域を有する従来の非対称(Asymmetric)IGBTにおいて、バッファ領域等に、少数キャリアのライフタイム制御のための欠陥層が導入されている場合等では、ドリフト領域の抵抗率を上げると、空乏層が延びすぎる結果、リーク電流の著しい増大を招く恐れがある。 However, in a conventional asymmetric IGBT having a buffer region in contact with the collector region, when a defect layer for controlling the lifetime of minority carriers is introduced into the buffer region or the like, the resistivity of the drift region If the value is increased, the depletion layer may extend too much, resulting in a significant increase in leakage current.
このような課題を解決するための手段等を以下に説明するが、その他の課題と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 Means for solving such problems will be described below, but other problems and novel features will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
本願において開示される実施の形態のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 An outline of representative ones of the embodiments disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、本願の一実施の形態の概要は、半導体チップの裏面のコレクタ領域に接するバッファ領域から隔てられてドリフト領域内にフィールドストップ領域を有し、これとバッファ領域との間に結晶欠陥領域を有するIGBTにおいて、半導体チップの表面のセル領域の周辺に、リング状の多段フィールドプレートを有するものである。 That is, the outline of an embodiment of the present application is that a drift region has a field stop region separated from a buffer region in contact with the collector region on the back surface of the semiconductor chip, and a crystal defect region is formed between this and the buffer region. An IGBT having a ring-shaped multistage field plate around a cell region on the surface of a semiconductor chip.
本願において開示される実施の形態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下記のとおりである。 The effects obtained by the representative ones of the embodiments disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、前記本願の一実施の形態によれば、リーク電流の著しい増大を招くことなく、周辺長を短縮することができる。 That is, according to the embodiment of the present application, the peripheral length can be shortened without causing a significant increase in leakage current.
〔実施の形態の概要〕
先ず、本願において開示される代表的な実施の形態について概要を説明する。
[Outline of Embodiment]
First, an outline of a typical embodiment disclosed in the present application will be described.
1.以下を含むIGBT:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記第1の主面上から前記ドリフト領域の内部に亘り設けられたセル領域;
(d)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するリング状のセル周辺接合領域;
(e)前記セル周辺接合領域上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(f)前記セル領域内であって、前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のチャネル領域;
(g)前記チャネル領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第1導電型のエミッタ領域;
(h)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のコレクタ領域;
(i)前記コレクタ領域と前記ドリフト領域との間に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のバッファ領域;
(j)前記バッファ領域に沿って、その境界近傍から前記ドリフト領域の近接する部分に設けられた結晶欠陥領域;
(k)前記結晶欠陥領域に沿って、これよりも前記第1の主面側の前記ドリフト領域内に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のフィールドストップ領域。
1. IGBT including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) a cell region provided from the first main surface to the inside of the drift region;
(D) a ring-like shape that is a surface region on the first main surface side of the drift region and that surrounds the periphery of the cell region and has a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Cell peripheral junction area;
(E) a ring-shaped multistage field plate provided so as to surround the periphery of the cell region between the cell peripheral junction region and the peripheral edge of the semiconductor substrate;
(F) The channel region of the second conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the drift region in the cell region;
(G) the emitter region of the first conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the channel region;
(H) the collector region of the second conductivity type provided in the second principal surface side surface region of the drift region;
(I) the buffer region of the first conductivity type provided between the collector region and the drift region and having a higher concentration than this;
(J) A crystal defect region provided in the vicinity of the boundary from the vicinity of the boundary along the buffer region;
(K) A field stop region of the first conductivity type provided in the drift region on the first main surface side along the crystal defect region and having a higher concentration than the drift region.
2.前記項1のIGBTにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
2. In the IGBT according to
3.前記項1または2のIGBTにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。
3. In the IGBT according to
4.前記項1から3のいずれか一つのIGBTにおいて、前記IGBTは、トレンチゲート型である。
4). In the IGBT according to any one of
5.前記項1から4のいずれか一つのIGBTにおいて、前記フィールドストップ領域は、水素イオン又はヘリウムイオン照射によって形成されたものである。
5. In the IGBT according to any one of
6.前記項1から5のいずれか一つのIGBTにおいて、前記結晶欠陥領域は、前記コレクタ領域および前記バッファ領域の活性化アニール時に残存させたものである。
6). In the IGBT according to any one of
7.前記項1から6のいずれか一つのIGBTにおいて、更に以下を含む:
(l)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル周辺接合領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第2導電型を有するリング状の表面リサーフ領域。
7). The IGBT according to any one of
(L) A ring-shaped surface resurf region having the second conductivity type, which is provided on the first main surface side surface region of the drift region and surrounds the periphery of the cell peripheral junction region.
8.前記項1から7のいずれか一つのIGBTにおいて、前記多段フィールドプレートは、以下を有する:
(e1)多段のメタルフィールドプレート。
8). In the IGBT according to any one of
(E1) Multistage metal field plate.
9.前記8項のIGBTにおいて、前記多段フィールドプレートは、以下を有する:
(e2)前記メタルフィールドプレートの内端部から前記セル周辺接合領域の外端部の間に設けられたポリSiフィールドプレート。
9. In the IGBT of
(E2) A poly-Si field plate provided between the inner end of the metal field plate and the outer end of the cell peripheral junction region.
10.前記項9のIGBTにおいて、前記ポリSiフィールドプレートは、多段のポリSiフィールドプレートである。
10. In the IGBT according to
11.以下を含むIGBT:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記第1の主面上から前記ドリフト領域の内部に亘り設けられたセル領域;
(d)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するリング状のセル周辺接合領域;
(e)前記セル周辺接合領域上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(f)前記セル領域内であって、前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のチャネル領域;
(g)前記チャネル領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第1導電型のエミッタ領域;
(h)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のコレクタ領域;
(i)前記コレクタ領域と前記ドリフト領域の間に設けられ、前記コレクタ領域よりも厚く、前記ドリフト領域よりも濃度が高い前記第1導電型の厚膜バッファ領域;
(j)前記厚膜バッファ領域内に設けられた結晶欠陥領域。
11. IGBT including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) a cell region provided from the first main surface to the inside of the drift region;
(D) a ring-like shape that is a surface region on the first main surface side of the drift region and that surrounds the periphery of the cell region and has a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Cell peripheral junction area;
(E) a ring-shaped multistage field plate provided so as to surround the periphery of the cell region between the cell peripheral junction region and the peripheral edge of the semiconductor substrate;
(F) The channel region of the second conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the drift region in the cell region;
(G) the emitter region of the first conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the channel region;
(H) the collector region of the second conductivity type provided in the second principal surface side surface region of the drift region;
(I) The thick film buffer region of the first conductivity type provided between the collector region and the drift region, thicker than the collector region, and higher in concentration than the drift region;
(J) A crystal defect region provided in the thick film buffer region.
12.前記項11のIGBTにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
12 In the IGBT according to
13.前記項11または12のIGBTにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。
13. In the IGBT according to
14.前記項11から13のいずれか一つのIGBTにおいて、前記IGBTは、トレンチゲート型である。
14 In the IGBT according to any one of
15.前記項11から14のいずれか一つのIGBTにおいて、前記結晶欠陥領域は、水素イオン又はヘリウムイオン照射によって形成されたものである。
15. In the IGBT according to any one of
16.前記項11から14のいずれか一つのIGBTにおいて、更に以下を含む:
(k)前記コレクタ領域と前記厚膜バッファ領域との間に設けられ、前記厚膜バッファ領域よりも濃度が高い前記第1導電型の高濃度バッファ領域。
16. The IGBT according to any one of
(K) The first conductivity type high concentration buffer region provided between the collector region and the thick film buffer region and having a higher concentration than the thick film buffer region.
17.前記項16のIGBTにおいて、前記結晶欠陥領域は、前記高濃度バッファ領域の活性化アニール時に残存させたものである。
17. In the IGBT of
18.前記項11から17のいずれか一つのIGBTにおいて、前記多段フィールドプレートは、以下を有する:
(e1)多段のメタルフィールドプレート。
18. In the IGBT according to any one of
(E1) Multistage metal field plate.
19.前記項18のIGBTにおいて、前記多段フィールドプレートは、以下を有する:
(e2)前記メタルフィールドプレートの内端部から前記セル周辺接合領域の外端部の間に設けられたポリSiフィールドプレート。
19. In the IGBT of
(E2) A poly-Si field plate provided between the inner end of the metal field plate and the outer end of the cell peripheral junction region.
20.前記項19のIGBTにおいて、前記ポリSiフィールドプレートは、多段のポリSiフィールドプレートである。
20. In the IGBT of
次に、本願において開示される代表的な実施の形態についてその他の概要を説明する。 Next, the other outline | summary is demonstrated about typical embodiment disclosed in this application.
21.以下を含むダイオード:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記半導体基板の前記第1の主面側の表面領域に設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するアノード領域;
(d)前記アノード領域上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記アノード領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(e)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のカソード領域;
(f)前記カソード領域に沿って、その境界近傍から前記ドリフト領域の近接する部分に設けられた結晶欠陥領域;
(g)前記結晶欠陥領域に沿って、これよりも前記第1の主面側の前記ドリフト領域内に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のフィールドストップ領域。
21. Diode including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) an anode region provided in a surface region on the first main surface side of the semiconductor substrate and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
(D) a ring-shaped multi-stage field plate provided so as to surround the periphery of the anode region between the anode region and the peripheral edge of the semiconductor substrate;
(E) the cathode region of the first conductivity type provided in the surface region on the second main surface side of the drift region and having a higher concentration;
(F) A crystal defect region provided in the vicinity of the boundary from the vicinity of the boundary along the cathode region;
(G) A field stop region of the first conductivity type provided in the drift region on the first main surface side along the crystal defect region and having a higher concentration than the drift region.
22.前記項21のダイオードにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
22. In the diode of
23.前記項21または22のダイオードにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。
23. In the diode of
24.前記項21から23のいずれか一つのダイオードにおいて、前記フィールドストップ領域は、水素イオン又はヘリウムイオン注入によって形成されたものである。
24. 24. In the diode according to any one of
25.以下を含むダイオード:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記第1の主面上から前記ドリフト領域の内部に亘り設けられたセル領域;
(d)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するリング状のセル周辺接合領域;
(e)前記セル周辺接合領域の周辺上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記セル周辺接合領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(f)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のカソード領域;
(g)前記カソード領域に沿って、その境界近傍から前記ドリフト領域の近接する部分に設けられた結晶欠陥領域;
(h)前記結晶欠陥領域に沿って、これよりも前記第1の主面側の前記ドリフト領域内に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のフィールドストップ領域。
25. Diode including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) a cell region provided from the first main surface to the inside of the drift region;
(D) a ring-like shape that is a surface region on the first main surface side of the drift region and that surrounds the periphery of the cell region and has a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Cell peripheral junction area;
(E) a ring-shaped multi-stage field plate provided between the periphery of the cell peripheral junction region and the peripheral edge of the semiconductor substrate so as to surround the periphery of the cell peripheral junction region;
(F) the cathode region of the first conductivity type provided in the surface region on the second main surface side of the drift region and having a higher concentration;
(G) a crystal defect region provided in the vicinity of the boundary from the vicinity of the boundary along the cathode region;
(H) A field stop region of the first conductivity type provided in the drift region closer to the first main surface along the crystal defect region and having a higher concentration than the drift region.
26.前記項25のダイオードにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
26. 26. In the diode of
27.前記項25または26のダイオードにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。
27. In the diode of the
28.前記項25から27のいずれか一つのダイオードにおいて、前記フィールドストップ領域は、水素イオン又はヘリウムイオン注入によって形成されたものである。
28. 26. In the diode according to any one of
29.以下を含むダイオード:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記半導体基板の前記第1の主面側の表面領域に設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するアノード領域;
(d)前記アノード領域上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記アノード領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(e)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられ、これよりも濃度が高くイオウまたはセレンがドープされた厚膜カソード領域;
(f)前記厚膜カソード領域内に設けられた結晶欠陥領域。
29. Diode including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) an anode region provided in a surface region on the first main surface side of the semiconductor substrate and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
(D) a ring-shaped multi-stage field plate provided so as to surround the periphery of the anode region between the anode region and the peripheral edge of the semiconductor substrate;
(E) a thick film cathode region provided in the surface region on the second main surface side of the drift region and doped with sulfur or selenium at a higher concentration than this;
(F) A crystal defect region provided in the thick film cathode region.
30.前記項29のダイオードにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
30. In the diode of
31.前記項29または30のダイオードにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。
31. In the diode of
32.前記項29から31のいずれか一つのダイオードにおいて、前記結晶欠陥領域は、水素イオン又はヘリウムイオン照射によって形成されたものである。
32. 32. In the diode according to any one of
33.前記項29から31のいずれか一つのダイオードにおいて、更に以下を含む:
(g)前記厚膜カソード領域の前記第2の主面側表面に設けられ、前記厚膜カソード領域よりも濃度が高い前記第1導電型の高濃度カソード領域。
33. The diode according to any one of
(G) The high-concentration cathode region of the first conductivity type provided on the second main surface side surface of the thick-film cathode region and having a higher concentration than the thick-film cathode region.
34.前記項33のダイオードにおいて、前記結晶欠陥領域は、前記高濃度カソード領域の活性化アニール時に残存させたものである。
34. 34. In the diode of
35.以下を含むダイオード:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記第1の主面上から前記ドリフト領域の内部に亘り設けられたセル領域;
(d)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するリング状のセル周辺接合領域;
(e)前記セル周辺接合領域の周辺上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記セル周辺接合領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(f)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられ、これよりも濃度が高くイオウまたはセレンがドープされた厚膜カソード領域;
(g)前記厚膜カソード領域内に設けられた結晶欠陥領域。
35. Diode including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) a cell region provided from the first main surface to the inside of the drift region;
(D) a ring-like shape that is a surface region on the first main surface side of the drift region and that surrounds the periphery of the cell region and has a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Cell peripheral junction area;
(E) a ring-shaped multi-stage field plate provided between the periphery of the cell peripheral junction region and the peripheral edge of the semiconductor substrate so as to surround the periphery of the cell peripheral junction region;
(F) a thick film cathode region provided in the surface region on the second main surface side of the drift region and doped with sulfur or selenium at a higher concentration than this;
(G) A crystal defect region provided in the thick film cathode region.
36.前記項35のダイオードにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
36. 36. In the diode of
37.前記項35または36のダイオードにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。
37. In the diode of the
38.前記項35から37のいずれか一つのダイオードにおいて、前記結晶欠陥領域は、水素イオン又はヘリウムイオン照射によって形成されたものである。
38. 38. In the diode according to any one of
39.前記項35から37のいずれか一つのダイオードにおいて、更に以下を含む:
(g)前記厚膜カソード領域の前記第2の主面側表面に設けられ、前記厚膜バッファ領域よりも濃度が高い前記第1導電型の高濃度カソード領域。
39. The diode according to any one of
(G) The high-concentration cathode region of the first conductivity type provided on the second main surface side surface of the thick-film cathode region and having a higher concentration than the thick-film buffer region.
40.前記項39のダイオードにおいて、前記結晶欠陥領域は、前記高濃度カソード領域の活性化アニール時に残存させたものである。
40. 40. In the diode of
〔本願における記載形式、基本的用語、用法の説明〕
1.本願において、実施の態様の記載は、必要に応じて、便宜上複数のセクションに分けて記載する場合もあるが、特にそうでない旨明示した場合を除き、これらは相互に独立別個のものではなく、単一の例の各部分、一方が他方の一部詳細または一部または全部の変形例等である。また、原則として、同様の部分は繰り返しを省略する。また、実施の態様における各構成要素は、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、必須のものではない。
[Description format, basic terms, usage in this application]
1. In the present application, the description of the embodiment may be divided into a plurality of sections for convenience, if necessary, but these are not independent from each other unless otherwise specified. Each part of a single example, one part is the other part of the details, or part or all of the modifications. Moreover, as a general rule, the same part is not repeated. In addition, each component in the embodiment is not indispensable unless specifically stated otherwise, unless it is theoretically limited to the number, and obviously not in context.
更に、本願において、「半導体装置」というときは、主に、各種トランジスタ、ダイオード(能動素子)単体、またはそれらを中心に、抵抗、コンデンサ等を半導体チップ等(たとえば単結晶シリコン基板、回路基板等)上に集積したもの、および、半導体チップ等をパッケージングしたものをいう。ここで、各種トランジスタの代表的なものとしては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代表されるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を例示することができる。このとき、各種単体トランジスタの代表的なものとしては、パワーMOSFETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を例示することができる。これらは、一般にパワー系半導体デバイスに分類され、その中には、パワーMOSFET、IGBTの外、バイポーラパワートランジスタ、サイリスタ(Thyristor)、パワーダイオード等を含む。 Further, in the present application, the term “semiconductor device” mainly refers to various types of transistors, diodes (active elements) alone, or resistors, capacitors, etc., such as semiconductor chips (for example, single crystal silicon substrates, circuit boards, etc.). ) Integrated on top and packaged semiconductor chip or the like. Here, as a representative of various transistors, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Effect Transistor) typified by a MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) can be exemplified. At this time, typical examples of various single transistors include power MOSFETs and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). These are generally classified as power semiconductor devices, and include power MOSFETs, IGBTs, bipolar power transistors, thyristors, power diodes, and the like.
IGBTの代表的形態は2重拡散型縦型(Double Deffused Vertical)IGBTであり、これは、主に2種類に分類でき、第1はプレーナゲート(Planar Gate)型であり、第2は、実施形態において主に説明するトレンチゲート(Trench Gate)型である。 A typical form of IGBT is a double-diffused vertical IGBT, which can be mainly classified into two types, the first being a planar gate type, and the second being an implementation. It is a trench gate type mainly described in the embodiment.
IGBTには、その他に、LD−IGBT(Lateral−Diffused IGBT)がある。 Other IGBTs include LD-IGBT (Lateral-Diffused IGBT).
なお、本願に於いて、IGBT又はダイオードというときは、単体に限らず、IGBT又はダイオードを内部に包含するデバイスを含むことは言うまでもない。 In the present application, when the term “IGBT” or “diode” is used, it goes without saying that it includes a device including the IGBT or diode.
2.同様に実施の態様等の記載において、材料、組成等について、「AからなるX」等といっても、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかに、そうでない場合を除き、A以外の要素を主要な構成要素のひとつとするものを排除するものではない。たとえば、成分についていえば、「Aを主要な成分として含むX」等の意味である。たとえば、「シリコン部材」等といっても、純粋なシリコンに限定されるものではなく、SiGe合金やその他シリコンを主要な成分とする多元合金、その他の添加物等を含む部材も含むものであることはいうまでもない。 2. Similarly, in the description of the embodiment and the like, the material, composition, etc. may be referred to as “X consisting of A”, etc., except when clearly stated otherwise and clearly from the context, except for A It does not exclude what makes an element one of the main components. For example, as for the component, it means “X containing A as a main component”. For example, “silicon member” is not limited to pure silicon, but also includes SiGe alloys, other multi-component alloys containing silicon as a main component, and members containing other additives. Needless to say.
同様に、「酸化シリコン膜」、「酸化シリコン系絶縁膜」等と言っても、比較的純粋な非ドープ酸化シリコン(Undoped Silicon Dioxide)だけでなく、その他の酸化シリコンを主要な成分とする絶縁膜を含む。たとえば、TEOSベース酸化シリコン(TEOS−based silicon oxide)、PSG(Phosphorus Silicate Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)等の不純物をドープした酸化シリコン系絶縁膜も酸化シリコン膜である。また、熱酸化膜、CVD酸化膜のほか、SOG(Spin On Glass)、ナノクラスタリングシリカ(NSC:Nano−Clustering Silica)等の塗布系膜も酸化シリコン膜または酸化シリコン系絶縁膜である。そのほか、FSG(Fluorosilicate Glass)、SiOC(Silicon Oxicarbide)またはカーボンドープ酸化シリコン(Carbon−doped Silicon oxide)またはOSG(Organosilicate Glass)等のLow−k絶縁膜も同様に、酸化シリコン膜または酸化シリコン系絶縁膜である。更に、これらと同様な部材に空孔を導入したシリカ系Low−k絶縁膜(ポーラス系絶縁膜、「ポーラスまたは多孔質」というときは、分子性多孔質を含む)も酸化シリコン膜または酸化シリコン系絶縁膜である。 Similarly, “silicon oxide film”, “silicon oxide insulating film” and the like are not only relatively pure undoped silicon oxide but also other silicon oxide as main components. Including membrane. For example, a silicon oxide insulating film doped with impurities such as TEOS-based silicon oxide (TEOS-based silicon oxide), PSG (phosphorus silicon glass), BPSG (borophosphosilicate glass) is also a silicon oxide film. In addition to a thermal oxide film and a CVD oxide film, a coating system film such as SOG (Spin On Glass) or nano-clustering silica (NSC) is also a silicon oxide film or a silicon oxide insulating film. In addition, a low-k insulating film such as FSG (Fluorosilicate Glass), SiOC (Silicon Oxide silicide), carbon-doped silicon oxide (OSD), or OSG (Organosilicate Glass) is similarly used. It is a membrane. Further, a silica-based Low-k insulating film (porous insulating film, including “porous” or “porous”) including a hole in a member similar to these is also a silicon oxide film or silicon oxide. It is a system insulating film.
また、酸化シリコン系絶縁膜と並んで、半導体分野で常用されているシリコン系絶縁膜としては、窒化シリコン系絶縁膜がある。この系統の属する材料としては、SiN,SiCN,SiNH,SiCNH等がある。ここで、「窒化シリコン」というときは、特にそうでない旨明示したときを除き、SiNおよびSiNHの両方を含む。同様に、「SiCN」というときは、特にそうでない旨明示したときを除き、SiCNおよびSiCNHの両方を含む。 In addition to silicon oxide insulating films, silicon nitride insulating films that are commonly used in the semiconductor field include silicon nitride insulating films. Materials belonging to this system include SiN, SiCN, SiNH, SiCNH, and the like. Here, “silicon nitride” includes both SiN and SiNH unless otherwise specified. Similarly, “SiCN” includes both SiCN and SiCNH, unless otherwise specified.
なお、SiCは、SiNと類似の性質を有するが、SiONは、むしろ、酸化シリコン系絶縁膜に分類すべき場合が多いが、エッチストップ膜とする場合は、SiC,SiN等に近い。 Although SiC has properties similar to SiN, SiON should be classified as a silicon oxide insulating film in many cases, but in the case of an etch stop film, it is close to SiC, SiN, or the like.
窒化シリコン膜は、SAC(Self−Aligned Contact)技術におけるエッチストップ膜、すなわち、CESL(Contact Etch−Stop Layer)として、多用されるほか、SMT(Stress Memorization Technique)における応力付与膜としても使用される。 A silicon nitride film is frequently used as an etch stop film in SAC (Self-Aligned Contact) technology, that is, CESL (Contact Etch-Stop Layer), and also as a stress applying film in SMT (Stress Measurement Technique). .
3.同様に、図形、位置、属性等に関して、好適な例示をするが、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、厳密にそれに限定されるものではないことは言うまでもない。従って、たとえば、「正方形」とは、ほぼ正方形を含み、「直交」とは、ほぼ直交する場合を含み、「一致」とは、ほぼ一致する場合を含む。このことは、「平行」、「直角」についても同じである。従って、たとえば、完全な平行からの10度程度のずれは、ほぼ平行に属する。 3. Similarly, suitable examples of graphics, positions, attributes, and the like are given, but it is needless to say that the present invention is not strictly limited to those cases unless explicitly stated otherwise, and unless otherwise apparent from the context. Therefore, for example, “square” includes a substantially square, “orthogonal” includes a case where the two are substantially orthogonal, and “match” includes a case where the two substantially match. The same applies to “parallel” and “right angle”. Therefore, for example, a deviation of about 10 degrees from perfect parallel belongs to substantially parallel.
また、ある領域について、「全体」、「全般」、「全域」等というときは、「ほぼ全体」、「ほぼ全般」、「ほぼ全域」等の場合を含む。従って、たとえば、ある領域の80%以上は、「ほぼ全体」、「ほぼ全般」、「ほぼ全域」ということができる。このことは、「全周」、「全長」等についても同じである。 In addition, for a certain region, “whole”, “whole”, “whole area” and the like include cases of “substantially whole”, “substantially general”, “substantially whole area” and the like. Therefore, for example, 80% or more of a certain region can be referred to as “substantially the whole”, “substantially general”, and “substantially the entire region”. The same applies to “all circumferences”, “full lengths”, and the like.
更に、有るものの形状について、「矩形」というときは、「ほぼ矩形」を含む。従って、たとえば、矩形と異なる部分の面積が、全体の20%程度未満であれば、ほぼ矩形ということができる。このことは、「環状」等についても同じである。 Further, regarding the shape of a certain object, “rectangular” includes “substantially rectangular”. Therefore, for example, if the area of the portion different from the rectangle is less than about 20% of the whole, it can be said to be almost rectangular. The same applies to “annular” and the like.
また、周期性についても、「周期的」は、ほぼ周期的を含み、個々の要素について、たとえば、周期のずれが20%未満程度であれば、個々の要素は「ほぼ周期的」ということができる。更に、この範囲から外れるものが、その周期性の対象となる全要素のたとえば20%未満程度であれば、全体として「ほぼ周期的」ということができる。 Also, with regard to periodicity, “periodic” includes almost periodic, and for each element, for example, if the deviation of the period is less than about 20%, each element is said to be “almost periodic”. it can. Furthermore, if what is out of this range is, for example, less than about 20% of all elements that are targets of the periodicity, it can be said to be “substantially periodic” as a whole.
なお、本節の定義は、一般的なものであり、以下の個別の記載で異なる定義があるときは、ここの部分については、個別の記載を優先する。ただし、当該個別の記載部分に規定等されていない部分については、明確に否定されていない限り、本節の定義、規定等がなお有効である。 Note that the definitions in this section are general, and when there are different definitions in the following individual descriptions, priority is given to the individual descriptions for this part. However, the definition, provisions, etc. of this section are still valid for parts that are not stipulated in the individual description part, unless explicitly denied.
4.さらに、特定の数値、数量に言及したときも、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、その特定の数値を超える数値であってもよいし、その特定の数値未満の数値でもよい。なお、本願に於いて、個数について、「多数」とは、「複数」を含む概念である。 4). In addition, when a specific number or quantity is mentioned, a numerical value exceeding that specific number will be used unless specifically stated otherwise, unless theoretically limited to that number, or unless otherwise clearly indicated by the context. There may be a numerical value less than the specific numerical value. In the present application, regarding the number, “many” is a concept including “plurality”.
5.「ウエハ」というときは、通常は半導体集積回路装置(半導体装置、電子装置も同じ)をその上に形成する単結晶シリコンウエハを指すが、エピタキシャルウエハ、SOI基板、LCDガラス基板等の絶縁基板と半導体層等の複合ウエハ等も含むことは言うまでもない。 5. “Wafer” usually refers to a single crystal silicon wafer on which a semiconductor integrated circuit device (same as a semiconductor device and an electronic device) is formed, but an insulating substrate such as an epitaxial wafer, an SOI substrate, an LCD glass substrate and the like. Needless to say, a composite wafer such as a semiconductor layer is also included.
6.トレンチゲート型IGBTは、比較的オン抵抗が低いが、伝導度変調を更に促進してオン抵抗を更に低くするために、IE(Injection Enhancement)効果を利用した「IE型トレンチゲートIGBT」(または、「アクティブセル間引き型トレンチゲートIGBT」)が開発されている。IE型トレンチゲートIGBTは、セル領域に於いて、実際にエミッタ電極に接続されたアクティブセル(Active Cell)と、P型フローティング領域を有するインアクティブセル(Inactive Cell)を交互に、または、櫛の歯状に配置することにより、半導体基板のデバイス主面側(エミッタ側)にホール(正孔)が蓄積しやすい構造としたものである。 6). Although the trench gate type IGBT has a relatively low on-resistance, in order to further promote conductivity modulation and further lower the on-resistance, an “IE type trench gate IGBT” using an IE (Injection Enhancement) effect (or “Active cell thinning-out type trench gate IGBT”) has been developed. The IE type trench gate IGBT has an active cell (Active Cell) actually connected to an emitter electrode and an inactive cell (Inactive Cell) having a P type floating region in a cell region, or a comb-like structure. By arranging in a tooth shape, the structure is such that holes are easily accumulated on the device main surface side (emitter side) of the semiconductor substrate.
なお、本願に於いては、IE型トレンチゲートIGBTではない従来型トレンチゲートIGBT、すなわち、アクティブセル間引き型ではないものを特にIE型トレンチゲートIGBTと区別する必要があるときは、「フルアクティブ型トレンチゲートIGBT(または非IE型トレンチゲートIGBT)」と呼ぶ。なお、「フルアクティブ」といっても、周辺部のダミーセルや周辺構造としてのインアクティブセル等を排除するものではない。 In the present application, when it is necessary to distinguish a conventional trench gate IGBT that is not an IE trench gate IGBT, that is, a non-active cell thinning type, from an IE trench gate IGBT, it is referred to as “full active type”. This is referred to as “trench gate IGBT (or non-IE trench gate IGBT)”. Note that “full active” does not exclude peripheral dummy cells, inactive cells as peripheral structures, and the like.
7.本願においては、IE型トレンチゲートIGBTの内、主要なアクティブセルの幅が、主要なインアクティブセルの幅よりも狭いものを「狭アクティブセルIE型トレンチゲートIGBT」と呼ぶ。 7). In the present application, among the IE-type trench gate IGBTs, a main active cell whose width is narrower than a main inactive cell is referred to as a “narrow active cell IE-type trench gate IGBT”.
また、トレンチゲートを横切る方向を「セルの幅方向」とし、これと直交するトレンチゲート(リニアゲート部分)の延在方向(長手方向)を「セルの長さ方向」とする。 The direction crossing the trench gate is defined as “cell width direction”, and the extending direction (longitudinal direction) of the trench gate (linear gate portion) orthogonal thereto is defined as “cell length direction”.
本願に於いては、主に「線状単位セル領域」(線状アクティブセル領域と線状インアクティブセル領域から構成される)を主に扱うが、この線状単位セル領域が周期的に繰り返して、半導体チップの内部領域に配列されて、「セル領域」を構成している。 In this application, mainly “linear unit cell region” (consisting of a linear active cell region and a linear inactive cell region) is mainly handled, but this linear unit cell region is periodically repeated. Thus, they are arranged in the internal area of the semiconductor chip to constitute a “cell area”.
このセル領域の周りには、通常、セル周辺接合領域が設けられており、更にその周りには、フィールドプレート(Field Plate)、フローティングフィールドリング(Floating Field Ring)等が設けられ、終端構造を構成している。ここで、フローティングフィールドリング(「フィールドリミッティングリング」とも言う)とは、以下のものを言う。すなわち、ドリフト領域の表面(デバイス面)にP型ボディ領域(P型ウエル領域)とは分離して設けられ、それと同一導電形を有するとともに類似した濃度(主接合に逆方向電圧が印加されたときに完全空乏化しない程度の濃度である)を有し、リング状にセル領域を1重又は多重に取り巻く不純物領域または不純物領域群を言う。なお、以下の例では、周辺長を短縮するため、典型的なフローティングフィールドリングは、設けられていないが、これの適用を排除するものではない。 A cell peripheral junction region is usually provided around the cell region, and a field plate (Field Plate), a floating field ring (Floating Field Ring), etc. are provided around the cell region to form a termination structure. doing. Here, the floating field ring (also referred to as “field limiting ring”) refers to the following. In other words, the surface of the drift region (device surface) is provided separately from the P-type body region (P-type well region), and has the same conductivity type and similar concentration (reverse voltage is applied to the main junction). An impurity region or a group of impurity regions having a single or multiple cell regions in a ring shape. In the following example, a typical floating field ring is not provided in order to shorten the peripheral length, but application of this is not excluded.
また、フィールドプレートとは、導電体膜パターンであって、絶縁膜を介してドリフト領域の表面(デバイス面、トレンチ内を含む)の上方に延在し、リング状にセル領域を取り巻く部分を言う。 The field plate is a conductor film pattern, which extends above the surface of the drift region (including the device surface and the inside of the trench) through the insulating film and refers to a portion surrounding the cell region in a ring shape. .
セル領域を構成する周期要素としての線状単位セル領域は、線状アクティブセル領域を中心に両側に半幅の線状インアクティブセル領域を配置したものをセットとして扱いうが合理的であるが、具体的に個別に線状インアクティブセル領域を説明する場合には、両側に分離しているため不便であるので、その場合には、具体的な一体の部分を線状インアクティブセル領域という。 Although it is reasonable to treat the linear unit cell area as a periodic element constituting the cell area as a set of linear inactive cell areas arranged on both sides centering on the linear active cell area, Specifically, when the linear inactive cell region is individually described, it is inconvenient because it is separated on both sides. In this case, a specific integral part is referred to as a linear inactive cell region.
8.本願では、ダイオードについて説明するときは、必要に応じて、IGBTに関する説明を援用する。ダイオードは、IGBTのゲートがない2極構造と見ると、ダイオードのアノードは、IGBTのエミッタに対応しており、ダイオードのカソードは、IGBTのコレクタに対応していることとなる。 8). In this application, when describing a diode, the description regarding IGBT is used as needed. When the diode is viewed as a bipolar structure without the gate of the IGBT, the anode of the diode corresponds to the emitter of the IGBT and the cathode of the diode corresponds to the collector of the IGBT.
フライバックダイオード(Fly−Back Diode)として用いられるダイオードは、PINダイオード(Pin Diode)およびショットキダイオード(Schottky Diode)に分類される。また、複合的なものとして、MPS(Merged Pin−Schottky)ダイオード、SSD(Static−Shielding−Diode)等がある。 Diodes used as fly-back diodes are classified into PIN diodes (Pin Diodes) and Schottky diodes (Schottky Diodes). Further, as a composite device, there are an MPS (Merged Pin-Schottky) diode, an SSD (Static-Shielding-Diode) and the like.
9.本願に於いては、裏面側にバッファ領域またはフィールドストップ領域を有するIGBTを「非対称IGBT」とよぶ。この非対称IGBTにおいて、裏面側に少数キャリアの寿命制御のための欠陥層を導入したIGBTを「欠陥層導入型非対称IGBT」と呼ぶ。更に、裏面側に10マイクロメートル以上の厚さを有するバッファ領域を導入したIGBTを「厚膜バッファ非対称IGBT」と呼び、そのバッファ領域のことを「厚膜バッファ領域」という。厚膜バッファ領域に欠陥層を導入したものを特に「欠陥層導入型厚膜バッファ非対称IGBT」とよぶ。欠陥層を導入していないものを区別するときは、「欠陥層非導入型厚膜バッファ非対称IGBT」という。 9. In the present application, an IGBT having a buffer region or a field stop region on the back side is referred to as an “asymmetric IGBT”. In this asymmetric IGBT, an IGBT in which a defect layer for minority carrier lifetime control is introduced on the back side is referred to as a “defect layer introduction type asymmetric IGBT”. Further, an IGBT in which a buffer region having a thickness of 10 micrometers or more is introduced on the back surface side is referred to as a “thick film buffer asymmetric IGBT”, and the buffer region is referred to as a “thick film buffer region”. A structure in which a defect layer is introduced into the thick film buffer region is particularly referred to as “defect layer introduction type thick film buffer asymmetric IGBT”. When distinguishing those in which a defective layer is not introduced, it is referred to as “defect layer non-introduced thick film buffer asymmetric IGBT”.
また、厚膜バッファ非対称IGBTではなく、中間フィールドストップを導入した欠陥層導入型非対称IGBTを「中間フィールドストップ型非対称IGBT」という。一方、厚膜バッファ非対称IGBTではなく、かつ、中間フィールドストップ型非対称IGBTでもない非対称IGBTを「一般の非対称IGBT」という。 In addition, a defect layer introduction type asymmetric IGBT having an intermediate field stop introduced instead of the thick film buffer asymmetric IGBT is referred to as an “intermediate field stop type asymmetric IGBT”. On the other hand, an asymmetric IGBT that is not a thick film buffer asymmetric IGBT and is not an intermediate field stop asymmetric IGBT is referred to as a “general asymmetric IGBT”.
〔実施の形態の詳細〕
実施の形態について更に詳述する。各図中において、同一または同様の部分は同一または類似の記号または参照番号で示し、説明は原則として繰り返さない。
[Details of the embodiment]
The embodiment will be further described in detail. In the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar symbols or reference numerals, and description thereof will not be repeated in principle.
また、添付図面においては、却って、煩雑になる場合または空隙との区別が明確である場合には、断面であってもハッチング等を省略する場合がある。これに関連して、説明等から明らかである場合等には、平面的に閉じた孔であっても、背景の輪郭線を省略する場合がある。更に、断面でなくとも、空隙でないことを明示するために、ハッチングを付すことがある。 In the accompanying drawings, hatching or the like may be omitted even in a cross section when it becomes complicated or when the distinction from the gap is clear. In relation to this, when it is clear from the description etc., the contour line of the background may be omitted even if the hole is planarly closed. Furthermore, even if it is not a cross section, it may be hatched to clearly indicate that it is not a void.
なお、二者択一の場合の呼称に関して、一方を「第1」等として、他方を「第2」等と呼ぶ場合に於いて、代表的な実施の形態に沿って、対応付けして例示する場合があるが、たとえば「第1」といっても、例示した当該選択肢に限定されるものではないことは言うまでもない。 In addition, regarding the designation in the case of the alternative, when one is referred to as “first” or the like and the other is referred to as “second” or the like, it is exemplified in association with the representative embodiment. Of course, for example, “first” is not limited to the illustrated option.
なお、非対称(Asymmetric)IGBTにおいて、N型ドリフト領域の内部にフィールドストップ層を有するデバイス構造について開示した先行特許出願としては、たとえば日本特願第2011−127305号(日本出願日2011年6月7日)がある。 For example, Japanese Patent Application No. 2011-127305 (Japanese application date: June 7, 2011) discloses a prior art application that discloses a device structure having a field stop layer inside an N-type drift region in an asymmetric IGBT. Day).
1.本願の各実施の形態の半導体装置(IGBT、ダイオード)等の主要な応用分野等の説明(主に図1および図2)
以下では、モータドライブ回路を応用例として具体的に説明するが、本願の各実施の形態の半導体装置(IGBT、ダイオード)等の応用分野は、これに限定されないことはいうまでもない。
1. Description of main application fields such as semiconductor device (IGBT, diode) of each embodiment of the present application (mainly FIG. 1 and FIG. 2)
Hereinafter, the motor drive circuit will be specifically described as an application example, but it is needless to say that the application field of the semiconductor device (IGBT, diode) and the like of each embodiment of the present application is not limited to this.
図1は本願の各実施形態の半導体装置(IGBTおよびダイオード)の使用形態を示すIGBTおよびダイオードペアの相互接続図である。図2は図1に示すIGBTおよびダイオードペアを三相モータの駆動に適用したモータ駆動回路の回路図である。これらに基づいて、本願の各実施の形態の半導体装置(IGBT、ダイオード)等の主要な応用分野等を説明する。 FIG. 1 is an interconnection diagram of an IGBT and a diode pair showing how the semiconductor device (IGBT and diode) of each embodiment of the present application is used. FIG. 2 is a circuit diagram of a motor drive circuit in which the IGBT and the diode pair shown in FIG. 1 are applied to drive a three-phase motor. Based on these, main application fields such as the semiconductor device (IGBT, diode) of each embodiment of the present application will be described.
本願の実施の形態を構成するIGBTおよびダイオードは、図1に示すようなペア接続状態(たとえば、ペアモジュールとして)で使用される。すなわち、IGBT(Q)のコレクタ端子CとフライバックダイオードDのカソード端子Kが接続され、IGBT(Q)のエミッタ端子EとフライバックダイオードDのアノード端子Aが接続されており、ペアモジュールとしては、外部から見ると、ゲート端子Gを含めて3端子となる。 The IGBT and the diode constituting the embodiment of the present application are used in a pair connection state (for example, as a pair module) as shown in FIG. That is, the collector terminal C of the IGBT (Q) and the cathode terminal K of the flyback diode D are connected, and the emitter terminal E of the IGBT (Q) and the anode terminal A of the flyback diode D are connected. When viewed from the outside, there are three terminals including the gate terminal G.
次に、IGBT&ダイオードペアPa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pfの具体的適用回路の一例(3相モータ駆動回路)を図2に示す。図2に示すように、この3相モータ駆動回路は、IGBT&ダイオードペアPa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pfを用いて、直流電源31からの出力を高速スイッチングすることで、3相モータ30を駆動している。各IGBT&ダイオードペアPa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pfは、IGBT素子Qa,Qb,Qc,Qd,Qe,Qfとパワーダイオード素子Da,Db,Dc,Dd,De,Dfの組み合わせで構成されている。
Next, FIG. 2 shows an example of a specific application circuit (three-phase motor drive circuit) of the IGBT & diode pair Pa, Pb, Pc, Pd, Pe, Pf. As shown in FIG. 2, this three-phase motor drive circuit uses the IGBT & diode pairs Pa, Pb, Pc, Pd, Pe, and Pf to switch the output from the
尚、本願で説明するパワーダイオード素子は、上記IGBTに限らず、MOSトランジスタやバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子に用いても良く、また、3相モータに限らず2相モータやソレノイド駆動等の回路等に広く用いることができる。 The power diode element described in the present application is not limited to the above-described IGBT, but may be used as a switching element such as a MOS transistor or a bipolar transistor, and is not limited to a three-phase motor. Can be widely used.
2.本願の一実施の形態のIGBTデバイスチップの全体構造等の説明(主に図3から図5)
このセクションでは、具体的な例を示して、先の定義等を補足するとともに、本願の代表的具体例を抜き出して、その概要を説明するとともに、全体の予備的な説明を行う。
2. Description of the overall structure of the IGBT device chip according to an embodiment of the present application (mainly FIGS. 3 to 5)
In this section, specific examples are shown, the above definitions are supplemented, representative specific examples of the present application are extracted, their outlines are explained, and overall preliminary explanations are given.
以下では、主にIE型トレンチゲートIGBTを例に取り具体的に説明するが、後に説明するように、フルアクティブ型トレンチゲートIGBTにもそのまま適用できることは言うまでもない。 In the following description, the IE type trench gate IGBT will be specifically described as an example. However, as will be described later, it goes without saying that the present invention can also be applied to a full active type trench gate IGBT as it is.
図3は本願の主要な実施の形態のアウトラインを説明するためのIE型トレンチゲートIGBTデバイスチップのセル領域およびその周辺の上面模式レイアウト図である。図4は図3のセル領域端部切り出し領域R1のA−A’断面に対応するデバイス模式断面図である。図5は本願の前記一実施の形態(1次元アクティブセル間引き構造:図6から図8に対応)に関する図3の線状単位セル領域およびその周辺R5の拡大上面図である。これらに基づいて、本願の一実施の形態のIGBTデバイスチップの全体構造等を説明する。 FIG. 3 is a schematic layout diagram of the upper surface of the cell region of the IE trench gate IGBT device chip and its periphery for explaining the outline of the main embodiment of the present application. FIG. 4 is a device schematic cross-sectional view corresponding to the A-A ′ cross section of the cell region end cutout region R <b> 1 of FIG. 3. FIG. 5 is an enlarged top view of the linear unit cell region of FIG. 3 and its periphery R5 relating to the one embodiment of the present application (one-dimensional active cell thinning structure: corresponding to FIGS. 6 to 8). Based on these, the entire structure and the like of the IGBT device chip according to the embodiment of the present application will be described.
(1)セル領域およびその周辺の平面構造の説明(主に図3):
まず、本セクションにおける説明の主な対象であるIE型トレンチゲートIGBTのデバイスチップ2の内部領域(終端構造の最外部であるガードリング等の内側の部分、すなわち、チップ2の主要部)の上面図を図3に示す。図3に示すように、チップ2(半導体基板)の内部領域の主要部は、セル領域10によって占有されている。セル領域10の外周部には、これを取り巻くように、環状を呈し、P型のセル周辺接合領域35が設けられている。このセル周辺接合領域35の外側には、間隔を置いて、環状を呈するメタルフィールドプレート4mが設けられており、セル周辺接合領域35、メタルガードリング3m(図6参照)等とともに、セル領域10に対する終端構造を構成している。
(1) Description of the planar structure of the cell region and its periphery (mainly FIG. 3):
First, the upper surface of the inner region of the
セル領域10には、この例では、多数の線状単位セル領域40が敷き詰められており、これらの端部領域には、一対又はそれ以上(片方についていえば、1列又は数列程度)のダミーセル領域34(線状ダミーセル領域)が配置されている。
In this example, a large number of linear
(2)中間フィールドストップ領域、狭アクティブセル型単位セルおよび交互配列方式の説明(主に図4):
次に、図3のセル領域端部切り出し領域R1のA−A’断面を図4に示す。図4に示すように、チップ2の裏面1b(半導体基板の裏側主面または第2の主面)の半導体領域(この例では、シリコン単結晶領域)には、P+型コレクタ領域18が設けられており、その表面にはメタルコレクタ電極17が設けられている。半導体基板2の主要部を構成するN−型ドリフト領域20(第1導電型のドリフト領域)とP+型コレクタ領域18(第2導電型のコレクタ領域)との間には、N−型ドリフト領域20よりも高濃度のN型バッファ領域19(第1導電型のバッファ領域)が設けられている。すなわち、N型バッファ領域19は、P+型コレクタ領域18に接するように、その内側のN−型ドリフト領域20に設けられている。また、このN型バッファ領域19に沿って、その境界(N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界)近傍からN−型ドリフト領域20の近接する部分に、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、N−型ドリフト領域20よりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
(2) Description of intermediate field stop region, narrow active cell type unit cells and alternate arrangement method (mainly FIG. 4):
Next, FIG. 4 shows an AA ′ cross section of the cell region end cutout region R1 of FIG. As shown in FIG. 4, a P +
ここで、結晶欠陥領域41は、ホールの寿命を制限することにより、スイッチング特性を改善するためのものであり、たとえば、N型バッファ領域19およびP+型コレクタ領域18の導入後の活性化アニールの際に残留する結晶欠陥を利用する。N型フィールドストップ領域42(中間フィールドストップ領域)は、オフ状態のときに、空乏層が結晶欠陥領域41に達することを防止し、リーク電流が増加することを防ぐ効果を有する。また、N型バッファ領域19との間にN−型ドリフト領域20を挟んで、独立してN型フィールドストップ領域42(中間フィールドストップ領域)があるので、ホールの注入効率を決めるP+型コレクタ領域18とN型バッファ領域19とのPN接合の濃度関係と、N型フィールドストップ領域42の濃度を独立に設定できるメリットがある。
Here, the
一方、N−型ドリフト領域20の表面側1a(半導体基板の表側主面または第1の主面)の半導体領域には、多数のトレンチ21が設けられており、その中には、ゲート絶縁膜22を介して、トレンチゲート電極14が埋め込まれている。これらのトレンチゲート電極14は、メタルゲート配線7等を介してメタルゲート電極5(図6)に接続されている。
On the other hand, a large number of
また、これらのトレンチ21は、各領域を区画する働きをしており、たとえば、ダミーセル領域34は、一対のトレンチ21によって両側から区画されており、その内の一つのトレンチ21によって、セル領域10とセル周辺接合領域35(またはチップ周辺領域90)が区画されている。このセル周辺接合領域35は、P+型ボディコンタクト領域25pを介して、メタルエミッタ電極8と接続されている。なお、本願に於いては、特に断らない限り、トレンチのどの部分のゲート絶縁膜22の厚さもほぼ同じとしている(しかし、必要により、ある部分の厚さを他の部分と比較して、異ならせることを排除するものではない)。このように、セル周辺接合領域35およびダミーセル領域34に於いて、エミッタコンタクトを取ることによって、ダミーセル領域34等の幅がプロセス的に変化した場合に於いても、耐圧の低下を防止することができる。なお、このことは、もちろん、必須ではない。
Further, these
セル周辺接合領域35の外側のN−型ドリフト領域20の表面1a上には、端部絶縁膜56を介して、エミッタ電位に接続されたメタルフィールドプレート4mが設けられている。また、セル周辺接合領域35の外部端部からN−型ドリフト領域20に亘って、端部絶縁膜56内には、ゲート電位に接続されたポリシリコンフィールドプレート4pが設けられている。すなわち、メタルフィールドプレート4mおよびポリシリコンフィールドプレート4pにより、接合終端構造の主要部であるフィールドプレート4を構成している。なお、ゲート電位は、オフ時には、エミッタ電位と同電位にされる。すなわち、ポリシリコンフィールドプレート4pが単段(1段)のフィールドプレートであり、メタルフィールドプレート4mが多段(2段)のフィールドプレートであり、更に、フィールドプレート4が多段(3段)のフィールドプレートを構成している。なお、この例では、ポリシリコンフィールドプレート4pがゲート電位に接続された例を示したが、エミッタ電位に接続しても良いことは言うまでもない。これは、IGBTがオフのときは、ゲート電位がエミッタ電位と等しくなることから、いずれに接続しても、フィールドプレートの作用としてはほぼ等価といえるからである。この例に於いては、ゲート引き出し部14wからリング状のP型セル周辺接合領域35の上方にかけて、トレンチ電極と一体となったポリシリコン電極(ゲート引き出し用ポリシリコン環状膜)が環状に存在するので、それをそのままP型セル周辺接合領域35の外縁に延長すると好都合であるからである。このようにすると、メタルゲート配線−トレンチゲート電極接続部13が、そのまま図46等のゲート配線−ポリSiフィールドプレート接続部82として使えるメリットがある。
On the
このことは以下の各図に於いても同じである。 This is the same in the following figures.
次に、セル領域10を更に説明する。ダミーセル領域34は、N+型エミッタ領域12を有さない以外は、構造およびサイズとも、基本的に線状アクティブセル領域40aと同じであり、P型ボディ領域15の表面に設けられたP+型ボディコンタクト領域25dは、メタルエミッタ電極8と接続されている。セル領域10の内部領域の大部分は、基本的に、線状単位セル領域40を単位格子とする並進対象の繰り返し構造(なお、厳密な意味での対象性を要求するものではない。以下同じ)をしている。単位格子としての線状単位セル領域40は、線状アクティブセル領域40aとその両側の半幅の線状インアクティブセル領域40iから構成されているが、具体的には、隣接する線状アクティブセル領域40aの間に全幅の線状インアクティブセル領域40iが配置されていると見ることができる(図5参照)。
Next, the
線状アクティブセル領域40aの半導体基板の表側主面1a(第1の主面)側半導体表面領域には、P型ボディ領域15(第2導電型のチャネル領域)が設けられており、その表面には、N+型エミッタ領域12(第1導電型エミッタ領域)およびP+型ボディコンタクト領域25が設けられている。このP+型ボディコンタクト領域25は、メタルエミッタ電極8と接続されている。線状アクティブセル領域40aにおいては、このP型ボディ領域15の下部のN−型ドリフト領域20に、N型ホールバリア領域24が設けられている。なお、N型ホールバリア領域24は必須ではないことは言うまでもない。
A P-type body region 15 (second-conductivity-type channel region) is provided in a semiconductor surface region on the front-side
一方、線状インアクティブセル領域40iの半導体基板の表側主面1a(第1の主面)側半導体表面領域には、同様に、P型ボディ領域15が設けられており、その下部のN−型ドリフト領域20には、両側のトレンチ21の下端部をカバーし、それよりも深いP型フローティング領域16(第2導電型フローティング領域)が設けられている。このようなP型フローティング領域16を設けることによって、耐圧の急激な低下を招くことなく、線状インアクティブセル領域の幅Wiを広くすることができる。これによって、ホール蓄積効果を有効に増強することが可能となる。なお、P型フローティング領域16は、IE型トレンチゲートIGBTにおいては、そこにホールを蓄積することによって、線状アクティブセル領域40aの下部のN−型ドリフト領域20(Nベース領域)のホール濃度を増加させ、その結果、IGBT内のMOSFETからNベース領域へ注入される電子濃度を向上させることによって、オン抵抗を下げようとするものである。
On the other hand, a P-
この例では、線状アクティブセル領域40aの幅Waは、線状インアクティブセル領域40iの幅Wiよりも狭くされており、本願では、これを「狭アクティブセル型単位セル」と呼ぶ。以下では、主に、この狭アクティブセル型単位セルを有するデバイスについて、具体的に説明するが、以下の例は、それに限定されるものではなく、「非狭アクティブセル型単位セル」を有するデバイスにも適用できることは言うまでもない。
In this example, the width Wa of the linear
図4の例では、線状アクティブセル領域40aと線状インアクティブセル領域40iを交互に配列して、線状単位セル領域40を構成しているが、この構成を、本願においては、「交互配列方式」と呼ぶ。以下では、特に断らない限り、交互配列方式を前提に説明するが、「非交互配列方式」でもよいことはいうまでもない。
In the example of FIG. 4, the linear
図4では、本願の各種の実施の形態の各部分を例示的に包含する主要部を説明したが、以下の説明では、これらをセル部(断面、平面構造)、セル周辺部等の構成要素に分けて説明するが、これらは、個々ばらばらのものではなく、図4に示したように、各種の変形例が各構成要素と置換して、主要部を構成するものである。 In FIG. 4, the main part that illustratively includes each part of various embodiments of the present application has been described. However, in the following description, these are constituent elements such as a cell part (cross section, planar structure), a cell peripheral part, and the like. Although these are described separately, they are not individually separated, but as shown in FIG. 4, various modified examples are replaced with the respective constituent elements to constitute the main part.
(3)アクティブセル1次元間引き構造の説明(主に図5)
図3の線状単位セル領域主要部およびその周辺切り出し領域R5の詳細平面構造の一例を図5に示す。図5に示すように、線状アクティブセル領域40aの長さ方向の全域にN+型エミッタ領域12が設けられている。すなわち、線状アクティブセル領域40aの長さ方向の全域が、アクティブセクション40aaとなっている。ここで、アクティブセクション40aaとは、N+型エミッタ領域12が設けられている線状アクティブセル領域40aの長さ方向の区画をいう。
(3) Description of active cell one-dimensional thinning structure (mainly FIG. 5)
An example of the detailed planar structure of the main part of the linear unit cell region of FIG. 3 and the surrounding cutout region R5 is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the N +
この構造を本願では、「アクティブセル1次元間引き構造」と呼ぶ。 In the present application, this structure is referred to as an “active cell one-dimensional thinning structure”.
3.本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造等の説明(主に図6から図8)
このセクションでは、セクション1および2の説明を踏まえて、前記一実施の形態に対応する具体的チップ上面レイアウトおよび単位セル構造の一例(セクション2の図3から図5に対応するアクティブセル1次元間引き構造を例に取る)を説明する。このセクションで説明するセル構造は、交互配列方式の狭アクティブセル型単位セルである。
3. Description of the cell structure of the IGBT according to the embodiment of the present application (mainly FIGS. 6 to 8)
In this section, based on the description of
なお、通常、耐圧600ボルトのIGBT素子2を例にとると、チップサイズは、3から6ミリメートル角が平均的である。ここでは、説明の都合上、縦4ミリメートル、横5.2ミリメートルのチップを例にとり説明する。ここでは、デバイスの耐圧をたとえば、600ボルト程度として説明する。
In general, when the
また、以下に説明する図のいくつかに於いては、説明上重要でないエッチストップ膜やイオン注入用絶縁膜等の表示を省略している。 In some of the drawings described below, the display of an etch stop film, an ion implantation insulating film, and the like that are not important for the description is omitted.
図6は本願の前記一実施の形態(他の実施形態にも共通する)のIE型トレンチゲートIGBTデバイスチップの全体上面図(図3にほぼ対応するが、より具体的な形状に近い)である。図7は図6のセル領域内部切り出し領域R3の拡大上面図(P型ディープフローティング&ホールバリア線状単位セル構造)である。図8は図7のD−D’断面に対応するデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態におけるIE型トレンチゲートIGBTのデバイス構造を説明する。 FIG. 6 is an overall top view (almost corresponding to FIG. 3 but close to a more specific shape) of the IE-type trench gate IGBT device chip according to the one embodiment of the present application (common to other embodiments). is there. FIG. 7 is an enlarged top view (P-type deep floating & hole barrier linear unit cell structure) of the cell region internal cutout region R3 of FIG. FIG. 8 is a device cross-sectional view corresponding to the D-D ′ cross section of FIG. 7. Based on these, the device structure of the IE-type trench gate IGBT in the one embodiment of the present application will be described.
図6に示すように、IGBTデバイスチップ2の上面1aの外周部には、たとえば、アルミニウム系配線層等から構成された環状のメタルガードリング3mが設けられており、その内側には、環状のメタルフィールドプレート4m(たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されている)が設けられている。なお、本図に於いては、図の明確性を確保するため、ポリシリコンフィールドプレート等は表示していない(図4、図46、図84等参照)。メタルフィールドプレート4mの内側であって、チップ2の上面1aの内部領域の主要部には、セル領域10が設けられており、セル領域10上は、その外部近傍まで、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルエミッタ電極8に覆われている。メタルエミッタ電極8の中央部は、ボンディングワイヤ等を接続するためのメタルエミッタパッド9となっており、メタルエミッタ電極8とメタルフィールドプレート4mの間には、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルゲート配線7が配置されている。このメタルゲート配線7は、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルゲート電極5に接続されており、メタルゲート電極5の中心部は、ボンディングワイヤ等を接続するためのゲートパッド6となっている。なお、メタルフィールドプレート4mは、たとえば、メタルフィールドプレート−メタルエミッタ電極接続部4cを介してメタルエミッタ電極8と接続されている。なお、メタルエミッタパッド9およびゲートパッド6以外の部分は、通常、ほぼファイナルパッシベーション膜60で覆われている。
As shown in FIG. 6, an annular
次に、図6のセル領域内部切り出し領域R3の拡大上面図を図7に示す。図7に示すように、セル領域10は、横方向に交互に配置された線状アクティブセル領域40aおよび線状インアクティブセル領域40iから構成されている。線状アクティブセル領域40aおよび線状インアクティブセル領域40iの間には、トレンチゲート電極14が配置されており、線状アクティブセル領域40aの中央部には、線状のコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が配置されている。このコンタクト溝11の両側の線状アクティブセル領域40aには、線状のN+型エミッタ領域12が設けられている。一方、線状インアクティブセル領域40iには、ほぼその全面にP型ボディ領域15およびP型フローティング領域16が上下(図4又は図8参照)に設けられている。
Next, an enlarged top view of the cell region internal cutout region R3 of FIG. 6 is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the
次に、図7のD−D’断面を図8に示す。図8に示すように、半導体チップ2の裏面1bの半導体領域には、上下に接するようにP+型コレクタ領域18およびN型バッファ領域19等が形成されており、半導体チップ2の裏面1b上には、メタルコレクタ電極17が形成されている。すなわち、先に説明したように、N型バッファ領域19は、P+型コレクタ領域18に接するように、その内側のN−型ドリフト領域20に設けられている。また、このN型バッファ領域19に沿って、その境界(N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界)近傍からN−型ドリフト領域20の近接する部分に、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
Next, FIG. 8 shows a D-D ′ cross section of FIG. 7. As shown in FIG. 8, a P +
線状アクティブセル領域40aにおける半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、下から順に、N型ホールバリア領域24(第1導電型ホールバリア領域)、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12が設けられている。また、半導体チップ2の表面1a上には、層間絶縁膜26が形成されており、線状アクティブセル領域40aにおける層間絶縁膜26部分には、半導体基板内部に及ぶコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が形成されており、このコンタクト溝11等の底の半導体領域には、上からP+型ボディコンタクト領域25およびP+型ラッチアップ防止領域23が設けられている。このコンタクト溝11等を介して、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12は、層間絶縁膜26上に設けられたメタルエミッタ電極8に接続されている。
An N-type
ここで、N型ホールバリア領域24は、N−型ドリフト領域20からN+型エミッタ領域12への通路にホールが流れ込むのを阻止するためのバリア領域であり、その不純物濃度は、N+型エミッタ領域12よりも低く、N−型ドリフト領域20よりも高い。このN型ホールバリア領域24の存在により、線状インアクティブセル領域40iに蓄積されたホールが、線状アクティブセル領域40aのエミッタ通路(N−型ドリフト領域20からP+型ボディコンタクト領域25へ向かう通路)へ入り込むのを有効に阻止することができる。
Here, the N-type
これに対して、線状インアクティブセル領域40iにおける半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、下から順に、P型フローティング領域16およびP型ボディ領域15が設けられている。P型フローティング領域16の深さは、トレンチ21の深さよりも深くされており、トレンチ21の下端部をカバーするように分布している。
In contrast, in the linear
ここで、デバイス構造をより具体的に例示するために、デバイス各部(図8および図4参照)の主要寸法の一例を示す。すなわち、線状アクティブセル領域の幅Waは、2.3マイクロメートル程度、線状インアクティブセル領域の幅Wiは、6マイクロメートル程度(線状アクティブセル領域の幅Waは、線状インアクティブセル領域の幅Wiよりも狭いことが望ましく、Wi/Waの値は、たとえば2から3の範囲が特に好適である)である。そして、コンタクト幅は、0.5マイクロメートル程度、トレンチ幅は、0.7マイクロメートル程度(0.8マイクロメートル以下が特に好適である)、トレンチ深さは、3マイクロメートル程度、N+型エミッタ領域12の深さは、250nm程度である。更に、P型ボディ領域15(チャネル領域)の深さは、0.8マイクロメートル程度、P+型ラッチアップ防止領域23の深さは、1.4マイクロメートル程度、P型フローティング領域16の深さは、4.5マイクロメートル程度である。N型バッファ領域19の厚さは、1.5マイクロメートル程度、P+型コレクタ領域の厚さは、0.5マイクロメートル程度、N型フィールドストップ領域42の厚さは、10マイクロメートル程度でその位置は、(耐圧600ボルト程度の場合)基板表面から50マイクロメートル程度である。半導体基板2の厚さは、60マイクロメートル程度(ここでは、耐圧600ボルト程度の例を示す)である。なお、半導体基板2の厚さは求められる耐圧に強く依存する。従って、耐圧1200ボルトでは、たとえば120マイクロメートル程度であり、耐圧400ボルトでは、たとえば40マイクロメートル程度である。また、言うまでもないことであるが、チップの厚さ方向の各領域等の寸法は、セル領域でもチップ周辺でも基本的に同一である。
Here, in order to illustrate the device structure more specifically, an example of main dimensions of each part of the device (see FIGS. 8 and 4) is shown. That is, the width Wa of the linear active cell region is about 2.3 micrometers, and the width Wi of the linear inactive cell region is about 6 micrometers (the width Wa of the linear active cell region is the linear inactive cell). It is desirable that the width is smaller than the width Wi of the region, and the value of Wi / Wa is particularly preferably in the range of 2 to 3, for example. The contact width is about 0.5 μm, the trench width is about 0.7 μm (particularly less than 0.8 μm is particularly suitable), the trench depth is about 3 μm, and an N + type emitter. The depth of the
なお、以下の例、および、セクション2の例に於いても、対応する部分の寸法は、ここに示したものとほぼ同じであるので、説明は繰り返さない。
In the following example and the example in
このようなトレンチゲート型IGBTは、プレーナ型と比較して、オン抵抗を極めて低くするのに有利である。 Such a trench gate type IGBT is advantageous in that the on-resistance is extremely low as compared with the planar type.
4.本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセス等の説明(主に図9から図25)
このセクションでは、セクション3で説明したデバイス構造に対する製造方法の一例を示す。以下では、セル領域10を中心に説明するが、周辺部等については、必要に応じて図3から図5等を参照する。
4). Description of surface device formation process and the like related to the IGBT according to the embodiment of the present application (mainly FIGS. 9 to 25)
In this section, an example of a manufacturing method for the device structure described in
このセクションおよび次のセクションでは、説明を簡潔にするため、原則として、セル領域に関するプロセスのみを説明し、チップ周辺に関するプロセスの説明(同じ製造プロセスのチップ周辺部分に関する説明)は、別途、セクション18に於いて実行する。
In this section and the next section, for the sake of brevity, in principle, only the process related to the cell region will be described, and the process related to the chip periphery (the description related to the chip peripheral part of the same manufacturing process) will be described separately in
図9は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ホールバリア領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図10は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P型フローティング領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図11は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチ加工用ハードマスク成膜工程)におけるデバイス断面図である。図12は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチハードマスク加工工程)におけるデバイス断面図である。図13は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチハードマスク加工用レジスト除去工程)におけるデバイス断面図である。図14は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチ加工工程)におけるデバイス断面図である。図15は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチ加工用ハードマスク除去工程)におけるデバイス断面図である。図16は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(引き伸ばし拡散およびゲート酸化工程)におけるデバイス断面図である。図17は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ゲートポリシリコン成膜工程)におけるデバイス断面図である。図18は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ゲートポリシリコンエッチバック工程)におけるデバイス断面図である。図19は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ゲート酸化膜エッチバック工程)におけるデバイス断面図である。図20は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P型ボディ領域およびN+型エミッタ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図21は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(層間絶縁膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図22は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(コンタクトホール形成工程)におけるデバイス断面図である。図23は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(基板エッチング工程)におけるデバイス断面図である。図24は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P+型ボディコンタクト領域およびP+型ラッチアップ防止領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図25は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(表面メタル成膜工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセス等を説明する。 FIG. 9 is a device sectional view in the manufacturing process (hole barrier region introducing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 10 is a device sectional view in the manufacturing process (P-type floating region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 11 is a device sectional view in the manufacturing process (trench processing hard mask film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 12 is a device sectional view in the manufacturing process (trench hard mask processing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 13 is a device sectional view in the manufacturing process (trench hard mask processing resist removal step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the embodiment of the present application. FIG. 14 is a device sectional view in the manufacturing process (trench processing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 15 is a device sectional view in the manufacturing process (trench processing hard mask removal step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 16 is a device sectional view in the manufacturing process (stretch diffusion and gate oxidation step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 17 is a device sectional view in the manufacturing process (gate polysilicon film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 18 is a device sectional view in the manufacturing process (gate polysilicon etch-back step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 19 is a device sectional view in the manufacturing process (gate oxide film etchback step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 20 is a device sectional view in the manufacturing process (P-type body region and N + type emitter region introducing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the embodiment of the present application. . 21 is a device sectional view in the manufacturing process (interlayer insulating film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 22 is a device sectional view in the manufacturing process (contact hole forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 23 is a device sectional view in the manufacturing process (substrate etching step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 24 is a device cross section during the manufacturing process (P + type body contact region and P + type latch-up prevention region introducing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. FIG. 25 is a device sectional view in the manufacturing process (surface metal film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. Based on these, the surface device formation process and the like related to the IGBT according to the embodiment of the present application will be described.
まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、たとえば抵抗率65Ωcm程度、特に好適な範囲としては、たとえば抵抗率60Ωcmから70Ωcm)の200φウエハ(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、FZ(Floating Zone)法によるウエハが最も好適であるが、CZ(Czochralski)法によるウエハでもよい。これは、FZ法によるウエハの方が高抵抗率のものが入手しやすいからである。なお、半導体基板の抵抗率は、耐圧に強く依存するので、耐圧600ボルトと耐圧1200ボルトの場合を対比して例示する。すなわち、耐圧600ボルトでは、前記のように、抵抗率は、たとえば、65Ωcm程度であり、範囲としては、50Ωcm以上、90Ωcm未満程度が一般に好適な範囲であり、量産性を考慮すると、60Ωcm以上、80Ωcm未満程度が更に好適である。一方、耐圧1200ボルトでは、前記のように、抵抗率は、たとえば、100Ωcm程度であり、範囲としては、90Ωcm以上、150Ωcm未満程度が一般に好適な範囲であり、量産性を考慮すると、100Ωcm以上、120Ωcm未満程度が更に好適である。 First, a 200φ wafer (150φ, 100φ, 300φ, 450φ, for example, having a phosphorus concentration of about 2 × 10 14 / cm 3 , for example, a resistivity of about 65 Ωcm, for example, a resistivity of about 60 Ωcm to 70 Ωcm) is particularly suitable. Etc.) may be prepared. Here, for example, a wafer by FZ (Floating Zone) method is most suitable, but a wafer by CZ (Czochralski) method may be used. This is because a wafer having a high resistivity is more easily obtained by the FZ method. Since the resistivity of the semiconductor substrate strongly depends on the withstand voltage, the case of a withstand voltage of 600 volts and a withstand voltage of 1200 volts is shown as an example. That is, at a withstand voltage of 600 volts, as described above, the resistivity is, for example, about 65 Ωcm, and the range is generally preferably 50 Ωcm or more and less than 90 Ωcm, and considering mass productivity, 60 Ωcm or more, More preferably less than 80 Ωcm. On the other hand, at a withstand voltage of 1200 volts, as described above, the resistivity is, for example, about 100 Ωcm, and as a range, a range of 90 Ωcm or more and less than 150 Ωcm is generally a preferable range. More preferably less than about 120 Ωcm.
次に、図9に示すように、半導体ウエハ1の表面1a(第1の主面)上のほぼ全面に、N型ホールバリア領域導入用レジスト膜31を塗布等により形成し、通常のリソグラフィにより、パターニングする。パターニングされたN型ホールバリア領域導入用レジスト膜31をマスクとして、たとえば、イオン注入により、半導体ウエハ1の表面1a(第1の主面)側の半導体基板1s(N−型単結晶シリコン基板)内に、N型不純物を導入することにより、N型ホールバリア領域24を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、ドーズ量:6x1012/cm2程度、注入エネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったレジスト膜31を除去する。
Next, as shown in FIG. 9, an N-type hole barrier region introduction resist
次に、図10に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、P型フローティング領域導入用レジスト膜37を塗布等により形成し、通常のリソグラフィにより、パターニングする。パターニングされたP型フローティング領域導入用レジスト膜37をマスクとして、たとえば、イオン注入により、半導体ウエハ1の表面1a(第1の主面)側の半導体基板1s内に、P型不純物を導入することにより、P型フローティング領域16を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、ドーズ量:3.5x1013/cm2程度、注入エネルギ:75KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったレジスト膜37を除去する。なお、P型フローティング領域16の導入の際に、図3のセル周辺接合領域35も同時に導入する。
Next, as shown in FIG. 10, a P-type floating region introducing resist
次に、図11に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition)等により、酸化シリコン系絶縁膜等のトレンチ形成用ハードマスク膜32(例えば、厚さ450nm程度)を成膜する。
Next, as shown in FIG. 11, a
次に、図12に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、トレンチハードマスク膜加工用レジスト膜33を塗布等により形成し、通常のリソグラフィにより、パターニングする。パターニングされたトレンチハードマスク膜加工用レジスト膜33をマスクとして、たとえば、ドライエッチングにより、トレンチ形成用ハードマスク膜32をパターニングする。
Next, as shown in FIG. 12, a resist
その後、図13に示すように、アッシング等により、不要になったレジスト膜33を除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 13, the resist
次に、図14に示すように、パターニングされたトレンチ形成用ハードマスク膜32を用いて、たとえば、異方性ドライエッチングにより、トレンチ21を形成する。この異方性ドライエッチングのガス系としては、たとえば、Cl2/O2系ガスを好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 14, the
その後、図15に示すように、たとえば、弗酸系酸化シリコン膜エッチング液等を用いたウエットエッチングにより、不要になったトレンチ形成用ハードマスク膜32を除去する。
After that, as shown in FIG. 15, the trench forming
次に、図16に示すように、P型フローティング領域16およびN型ホールバリア領域24に対する引き延ばし拡散(たとえば、摂氏1200度、30分程度)を実行する。続いて、たとえば、熱酸化等により、半導体ウエハ1の表面1a上およびトレンチ21の内面のほぼ全面に、ゲート絶縁膜22(例えば、厚さ120nm程度)を形成する。
Next, as shown in FIG. 16, extended diffusion (for example, about 1200 degrees Celsius and about 30 minutes) is performed on the P-
次に、図17に示すように、トレンチ21を埋め込むように、ゲート絶縁膜22上の半導体ウエハ1の表面1a上およびトレンチ21の内面のほぼ全面に、たとえばCVD等により、燐がドープされたドープトポリシリコン(Doped Poly−Silicon)膜27を成膜する(例えば、厚さ600nm程度)。
Next, as shown in FIG. 17, phosphorus is doped on the
次に、図18に示すように、たとえば、ドライエチング等(たとえば、ガス系はSF6等)により、ポリシリコン膜27をエッチバックすることにより、トレンチ21内にトレンチゲート電極14を形成する。
Next, as shown in FIG. 18, the
次に、図19に示すように、たとえば、弗酸系酸化シリコン膜エッチング液等を用いたウエットエッチングにより、トレンチ21外のゲート絶縁膜22を除去する。
Next, as shown in FIG. 19, the
次に、図20に示すように、たとえば、熱酸化またはCVDにより、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、後続のイオン注入用の比較的薄い酸化シリコン膜38(図61参照、厚さは、たとえば、20nm程度)を形成する。次に、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、コンタクトエッチングストップ膜51(図64参照)として、たとえば、CVDにより、窒化シリコン膜(厚さは、たとえば、100nm程度)を成膜する。これにより、下層イオン注入用の薄い酸化シリコン膜と上層エッチングストップ膜の積層膜58が形成されたことになる。
Next, as shown in FIG. 20, a relatively thin
続いて、半導体ウエハ1の表面1a上に通常のリソグラフィにより、P型ボディ領域導入用レジスト膜を形成する。このP型ボディ領域導入用レジスト膜をマスクとして、例えば、イオン注入により、セル領域10のほぼ全面およびその他必要な部分に、P型不純物を導入することにより、P型ボディ領域15を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、ドーズ量:2x1013/cm2程度、注入エネルギ:75KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったP型ボディ領域導入用レジスト膜を除去する。
Subsequently, a resist film for introducing a P-type body region is formed on the
更に、半導体ウエハ1の表面1a上に通常のリソグラフィにより、N+型エミッタ領域導入用レジスト膜を形成する。このN+型エミッタ領域導入用レジスト膜をマスクとして、例えば、イオン注入により、線状アクティブセル領域40aのP型ボディ領域15の上部表面のほぼ全面に、N型不純物を導入することにより、N+型エミッタ領域12を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:砒素、ドーズ量:5x1015/cm2程度、注入エネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったN+型エミッタ領域導入用レジスト膜を除去する。
Further, an N + type emitter region introduction resist film is formed on the
次に、図21に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、たとえば、CVD等により、層間絶縁膜26として、たとえば、PSG(Phosphsilicate Glass)膜を成膜する(厚さは、たとえば、600nm程度)。この層間絶縁膜26の材料としては、PSG膜のほか、BPSG(Borophosphsilicate Glass)膜、NSG(Non−doped Silicate Glass)膜、SOG(Spin−On−Glass)膜または、これらの複合膜等を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 21, a PSG (Phosphosilicate Glass) film, for example, is formed as the
次に、図22に示すように、層間絶縁膜26上の半導体ウエハ1の表面1a上に、通常のリソグラフィにより、コンタクト溝形成用レジスト膜28を形成する。続いて、たとえば、異方性ドライエッチング等(ガス系は、たとえば、Ar/CHF3/CF4等)により、コンタクト溝11(またはコンタクトホール)を形成する。
Next, as shown in FIG. 22, a contact groove forming resist
その後、図23に示すように、アッシング等により、不要になったレジスト膜28を除去する。続いて、たとえば、異方性ドライエッチングにより、コンタクト溝11(またはコンタクトホール)を半導体基板内に延長する。このときのガス系としては、たとえば、Cl2/O2系ガスを好適なものとして例示することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 23, the resist
次に、図24に示すように、たとえば、コンタクト溝11を通して、P型不純物をイオン注入することにより、P+型ボディコンタクト領域25を形成する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:BF2、ドーズ量:5x1015/cm2程度、打ち込みエネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 24, for example, a P + type
同様に、たとえば、コンタクト溝11を通して、P型不純物をイオン注入することにより、P+型ラッチアップ防止領域23を形成する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、ドーズ量:5x1015/cm2程度、打ち込みエネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。
Similarly, for example, a P + type latch-up
次に、図25に示すように、スパッタリング等により、たとえば、アルミニウム系電極膜8(メタルエミッタ電極8となる)を形成する。具体的には、たとえば、以下のような手順で実行する。まず、たとえばスパッタリング成膜より、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面にバリアメタル膜として、TiW膜を(たとえば、厚さ200nm程度)を形成する(TiW膜中のチタンの多くの部分は、後の熱処理によって、シリコン界面に移動してシリサイドを形成して、コンタクト特性の改善に寄与するが、これらの過程は煩雑であるので図面には表示しない)。
Next, as shown in FIG. 25, for example, an aluminum-based electrode film 8 (which becomes the metal emitter electrode 8) is formed by sputtering or the like. Specifically, for example, the following procedure is executed. First, a TiW film (for example, a thickness of about 200 nm) is formed as a barrier metal film on almost the
続いて、たとえば、窒素雰囲気、摂氏600度程度で、10分程度のシリサイドアニールを実行する。続いて、バリアメタル膜上のほぼ全面に、コンタクト溝11を埋め込むように、たとえばスパッタリング成膜より、アルミニウムを主要な成分とする(たとえば、数%シリコン添加、残りはアルミニウム)アルミニウム系メタル膜(たとえば、厚さ5マイクロメートル程度)を形成する。続いて、通常のリソグラフィによって、アルミニウム系メタル膜およびバリアメタル膜からなるメタルエミッタ電極8をパターニングする(ドライエッチングのガス系としては、たとえば、Cl2/BCl3等)。更に、ファイナルパッシベーション膜として、たとえば、ポリイミドを主要な成分とする有機膜(たとえば、厚さ2.5マイクロメートル程度)等をウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に塗布し、通常のリソグラフィによって、図6のエミッタパッド9、ゲートパッド6等を開口する。
Subsequently, for example, silicide annealing is performed for about 10 minutes in a nitrogen atmosphere at about 600 degrees Celsius. Subsequently, aluminum is used as a main component (for example, several percent of silicon is added, and the rest is aluminum) by sputtering, for example, so as to fill the
これにより、表面デバイス形成プロセスが終了し、裏面等のプロセス(裏面側構造に関するプロセスであって表面側からの処理を含む)に移行する。 As a result, the front surface device formation process is completed, and the process proceeds to a process such as a back surface (a process related to the back surface side structure including processing from the front surface side).
5.本願の前記一実施の形態のIGBTに関する裏面デバイス形成プロセス等の説明(主に図26から図30)
このセクションでは、セクション4に続き、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する裏面デバイス形成プロセス(裏面側の構造に関する製造プロセス)等について説明する。
5. Description of backside device formation process and the like related to the IGBT of the embodiment of the present application (mainly FIGS. 26 to 30)
In this section, following the
図26は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(N型フィールドストップ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図27は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(バックグラインド工程)におけるデバイス断面図である。図28は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(N型バッファ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図29は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P+型コレクタ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図30は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(メタルコレクタ電極形成工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する裏面デバイス形成プロセス等を説明する。 FIG. 26 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type field stop region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 27 is a device sectional view in the manufacturing process (back grinding step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 28 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type buffer region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 29 is a device sectional view in the manufacturing process (P + type collector region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. 30 is a device sectional view in the manufacturing process (metal collector electrode formation step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. Based on these, the back surface device formation process regarding the IGBT of the one embodiment of the present application will be described.
図26に示すように、たとえばウエハ1の表面1a側からプロトン(水素イオン)を打ち込む(高エネルギプロトン照射)ことにより、たとえば、基板表面から50マイクロメートル程度の位置のN−型ドリフト領域20のほぼ全面に10マイクロメートル程度の厚さを有するN型フィールドストップ領域42を導入する。ここで、照射条件としては、たとえば、イオン種(打ち込み粒子):プロトン(水素イオン)、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:4.3MeV程度、1回のドーズ量:1x1015/cm2程度(半値幅、たとえば、7.5マイクロメートル程度)、打ち込み回数:2回程度を好適なものとして例示することができる。なお、打ち込み装置としては、たとえば、工業用サイクロトロン等が利用可能である。また、打ち込み粒子としては、水素イオンのほか、ヘリウムイオン等でも良い。
As shown in FIG. 26, for example, by implanting protons (hydrogen ions) from the
また、プロトン照射は、ウエハ1の表面1a側からのほか、裏面1b側からも実行することができる。この場合は、シリコン中でのプロトンの飛程(装置の構成や荷電粒子エネルギによって異なるが、通常は、数十マイクロメートルから数百マイクロメートル程度)を考慮する必要がある。照射時のウエハ裏面からのN型フィールドストップ領域42の深さは、照射の制御性を考慮すると、表面1a側からプロトン照射の場合と同程度にすることが効率的である。したがって、ウエハの裏面側からプロトン照射をする場合は、予備的にバックグラインディングを実行して、最終目的ウエハ厚さよりも50マイクロメートル程度、厚めに予備裏面研削することが有効である。このように、裏面照射方式は、照射後、照射ダメージを受けた部分を後の主裏面研削で除去するので、基板等にダメージを残さないメリットがある。一方、表面照射方式の場合は、付加的な裏面研削工程等が不要であるというメリットを有する。
Further, proton irradiation can be performed not only from the
続いて、たとえば、摂氏420度程度(範囲としては摂氏400度から500度程度)で1時間程度、プロトンの活性化アニールを実行する。 Subsequently, for example, proton activation annealing is performed at about 420 degrees Celsius (the range is about 400 degrees Celsius to 500 degrees Celsius) for about one hour.
次に、図27に示すように、ウエハ1の裏面1bに対して、バックグラインディング処理(必要に応じて、裏面のダメージ除去のためのケミカルエッチング等も実施)を施すことにより、図中に破線で示すバックグラインド位置43まで研削等により薄膜化する。ここで、最終的なウエハ1の厚さは、たとえば、もともとの800マイクロメータ程度(好適な範囲としては、1000から450マイクロメータ程度)のウエハ厚を必要に応じて、たとえば200から30マイクロメータ程度に薄膜化する。たとえば、耐圧が600ボルト程度とすると、最終厚さは、60マイクロメートル程度(下限値は、必要な耐圧によって規定される。たとえば、耐圧1200ボルトでは、最終厚さは、120マイクロメートル程度)である。
Next, as shown in FIG. 27, a back grinding process (chemical etching or the like for removing damage on the back surface is also performed if necessary) is performed on the
次に、図28に示すように、薄膜化されたウエハ1の裏面1b側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の裏面1bの表面領域(導入前は、N−型ドリフト領域20)にN型バッファ領域19を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:350KeV程度、1回のドーズ量:7x1012/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 28, for example, ion implantation is performed on almost the entire surface of the thinned
次に、図29に示すように、ウエハ1の裏面1b側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の裏面1bの表面領域(N型バッファ領域19の導入前は、N−型ドリフト領域20)に、P+型コレクタ領域18を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:40KeV程度、1回のドーズ量:1x1013/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 29, for example, ion implantation is performed on the substantially entire surface from the
続いて、ウエハ1の裏面1bのほぼ全面のP+型コレクタ領域18に対する活性化アニール(活性化率は、たとえば40%程度、好適な範囲としては30%から64%程度)を実行する。ここで、アニール条件(レーザ照射条件)としては、たとえば、アニール方法:ウエハ1の裏面1b側からレーザを照射、波長:527nm、パルス幅:100ns程度、エネルギ密度:1.8J/cm2程度、照射方式:2パルス方式、両パルスの遅延時間:500ns程度、パルスの重ね率:66%程度を好適なものとして例示することができる。
Subsequently, activation annealing is performed on the P +
これらの処理により、N型バッファ領域19に沿って、その境界(N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界)近傍からN型フィールドストップ領域42とN型バッファ領域19の間のN−型ドリフト領域20の前記境界に近接する部分に、裏面イオン注入による結晶欠陥が残留して、結晶欠陥領域41が形成されることとなる。
By these processes, N between the N-type
次に、図30に示すように、たとえば、スパッタリング成膜により、半導体ウエハ1の裏面1bのほぼ全面に、メタルコレクタ電極17を形成する(具体的な詳細については、図33およびその説明を参照)。その後、ダイシング等により、半導体ウエハ1のチップ領域に分割し、必要に応じて、パッケージに封止すると、デバイスが完成する。
Next, as shown in FIG. 30, the
6.本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造の変形例(フルアクティブ型セル領域)の説明(主に図31および図32)
セクション2から5の説明では、主にIE型トレンチゲートIGBTを例にとり、具体的に説明したが、本願の各実施の形態は、その他の単位セル構造、たとえば、フルアクティブ型トレンチゲートIGBTの単位セル構造にも適用できることは言うまでもない。従って、このセクションでは、フルアクティブ型トレンチゲートIGBTの単位セル構造を説明する。
6). Description of Modification (Full Active Cell Region) of IGBT Cell Structure of One Embodiment of the Present Application (Mainly FIGS. 31 and 32)
In the description of the
図31は本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造の変形例(フルアクティブ型セル領域)に関する図6のセル領域内部切り出し領域R3の拡大上面図(セクション3の図7に対応)である。図32は図31のD−D’断面に対応するデバイス断面図(セクション3の図8に対応)である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造の変形例(フルアクティブ型セル領域)を説明する。 FIG. 31 is an enlarged top view (corresponding to FIG. 7 in section 3) of the cell region internal cutout region R3 of FIG. 6 regarding a modification (full active cell region) of the IGBT cell structure of the one embodiment of the present application. . 32 is a device cross-sectional view (corresponding to FIG. 8 of section 3) corresponding to the D-D ′ cross section of FIG. 31. Based on these, a modified example (full active cell region) of the cell structure of the IGBT according to the embodiment of the present application will be described.
図31に示すように、セル領域10は、主に横方向に繰り返し配置された線状アクティブセル領域40a(線状単位セル領域40の全領域が線状アクティブセル領域40a)から構成されている。線状単位セル領域40の間には、トレンチゲート電極14が配置されており、線状単位セル領域40の中央部には、線状のコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が配置されている。このコンタクト溝11の両側の線状単位セル領域40には、線状のN+型エミッタ領域12が設けられている。
As shown in FIG. 31, the
次に、図31のD−D’断面を図32に示す。図32に示すように、半導体チップ2の裏面1bの半導体領域には、上下に接するようにP+型コレクタ領域18およびN型バッファ領域19等が形成されており、半導体チップ2の裏面1b上には、メタルコレクタ電極17が形成されている。すなわち、先に説明したように、N型バッファ領域19は、P+型コレクタ領域18に接するように、その内側のN−型ドリフト領域20に設けられている。また、このN型バッファ領域19に沿って、その外部近傍のN−型ドリフト領域20に亘って、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
Next, FIG. 32 shows a D-D ′ cross section of FIG. 31. As shown in FIG. 32, in the semiconductor region of the
線状単位セル領域40における半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、下から順に、N型ホールバリア領域24、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12が設けられている。また、半導体チップ2の表面1a上には、層間絶縁膜26が形成されており、線状単位セル領域40における層間絶縁膜26部分には、半導体基板内部に及ぶコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が形成されており、このコンタクト溝11等の底の半導体領域には、上からP+型ボディコンタクト領域25およびP+型ラッチアップ防止領域23が設けられている。このコンタクト溝11等を介して、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12は、層間絶縁膜26上に設けられたメタルエミッタ電極8に接続されている。
In the linear
ここで、N型ホールバリア領域24は、N−型ドリフト領域20からN+型エミッタ領域12への通路にホールが流れ込むのを阻止するためのバリア領域であり、その不純物濃度は、N+型エミッタ領域12よりも低く、N−型ドリフト領域20よりも高い。このN型ホールバリア領域24の存在により、N−型ドリフト領域20に蓄積されたホールが、エミッタ通路(N−型ドリフト領域20からP+型ボディコンタクト領域25へ向かう通路)へ入り込むのを有効に阻止することができる。なお、N型ホールバリア領域24は、必須のものではないことはいうまでもない。
Here, the N-type
以上説明したように、フルアクティブ型セル領域10においては、図4における線状インアクティブセル領域40iがない構造となっており、図3の線状単位セル領域40の全体が線状アクティブセル領域40aとなっている。
As described above, the full
7.本願の前記一実施の形態のIGBTの裏面詳細構造の変形例(アルミニウムドープコンタクト)の説明(主に図33)
このセクションの例は、このセクション以外の他の全ての例(ダイオードを含む)に適用できる。また、そのほかの一般的な表面側構造を有するIGBT等にも適用できることは言うまでもない。
7). Description of Modified Example (Aluminum Doped Contact) of Backside Detailed Structure of IGBT of One Embodiment of the Present Application (Mainly FIG. 33)
The examples in this section are applicable to all other examples (including diodes) other than this section. Needless to say, the present invention can also be applied to IGBTs having other general surface-side structures.
このセクションでは、説明の便宜上、セクション3の例に従って、デバイス構造を説明し、プロセスについては、セクション5を参照して、簡単に説明する。
In this section, for convenience of explanation, the device structure will be described according to the example in
なお、以下では、IE型トレンチゲートIGBTについて、具体的に説明するが、この裏面構造は、IE型IGBTやトレンチゲートIGBT(フルアクティブ型トレンチゲートIGBT)に限定されるものではなく、その他の形態のIGBT(たとえばプレーナ型IGBT)等にも適用できることは言うまでもない。 In the following, the IE trench gate IGBT will be specifically described. However, the back surface structure is not limited to the IE type IGBT or the trench gate IGBT (full active trench gate IGBT), but other forms. Needless to say, the present invention can also be applied to other IGBTs (for example, planar IGBTs).
図33は本願の前記一実施の形態のIGBTの裏面詳細構造の変形例(アルミニウムドープコンタクト)のデバイス構造およびその製法を説明するためのデバイス裏面の局所詳細断面図である。 FIG. 33 is a local detailed cross-sectional view of a device back surface for explaining a device structure of a modified example (aluminum doped contact) of the back surface detailed structure of the IGBT according to the embodiment of the present application and a manufacturing method thereof.
図8の半導体チップ2の裏側およびその近傍の断面拡大図(チップの厚さ方向に裏面近傍の構造を拡大して模式的に示したもの)を図33に示す。図33に示すように、半導体基板2の裏面側のP+型コレクタ領域18の下端部の半導体領域には、比較的薄いP型半導体領域(たとえば厚さ0.04から0.1マイクロメートル程度)、すなわちアルミニウムドープ領域30(第2導電型高濃度コレクタコンタクト領域)が設けられている。この不純物濃度(たとえば、1x1019/cm3程度)は、P+型コレクタ領域18の不純物濃度よりも高い。アルミニウムドープ領域30に接して、半導体基板2の裏面1b上に、メタルコレクタ電極17が形成されており、その一例を示せば、半導体基板2に近い方から以下のような構成となっている。すなわち、アルミニウムドープ領域30の不純物ソースであるアルミニウム裏面メタル膜17a(たとえば、厚さ600nm程度)、チタン裏面メタル膜17b(たとえば、厚さ100nm程度)、ニッケル裏面メタル膜17c(たとえば、厚さ600nm程度)および金裏面メタル膜17d(たとえば、厚さ100nm程度)である。
FIG. 33 shows an enlarged cross-sectional view of the back side of the
次に、製法を簡単に説明する。セクション5における図30のプロセス、すなわち、スパッタリング成膜の際に、前記のアルミニウム裏面メタル膜17a、チタン裏面メタル膜17b、ニッケル裏面メタル膜17c、および金裏面メタル膜17dを順次、スパッタリング成膜し、この際に発生する熱により、アルミニウムがシリコン基板中に導入され、アルミニウムドープ領域30が形成される。その後、ダイシング等により、半導体ウエハ1のチップ領域に分割すると、図8のようになる(図8には詳細構造は明示していない)。
Next, the production method will be briefly described. In the process of FIG. 30 in section 5, that is, during the sputtering film formation, the aluminum back
本願の各実施の形態では、オン状態でエミッタ側にホールを蓄積して、電子の注入を促進する構造としている。一方で、裏面コレクタ側のPNダイオードは、逆に低注入効率となるダイオードにして、低スイッチング損失化を図っている。ここで、低注入効率の裏面ダイオードを形成するためには、P+型コレクタ領域18のキャリア濃度QpとN型フィールドストップ領域19のキャリア濃度Qnの比(以下「キャリア濃度比」という)、すなわち(Qp/Qn)を小さくすることが有効である。しかし、そのために、P+型コレクタ領域18のキャリア濃度Qpを下げ過ぎると、裏面メタルコンタクトの特性が劣化する。そこで、この例では、裏面のアルミニウム膜から導入されるP+型コレクタ領域18の不純物濃度よりも高いアルミニウムドープ領域30を設けている。キャリア濃度比としては、たとえば、1.5程度(範囲としては、たとえば、1.1から4程度)を好適なものとして例示することができる。
In each of the embodiments of the present application, holes are accumulated on the emitter side in the on state to promote electron injection. On the other hand, the PN diode on the back collector side is a diode having low injection efficiency to reduce switching loss. Here, in order to form a backside diode with low injection efficiency, the ratio of the carrier concentration Qp of the P +
なお、このセクションでは、裏面コレクタ側のPNダイオードを特に低注入効率としたい場合に適合した裏面メタル構造等(コンタクト領域を含む)を例示したが、裏面メタル構造等としては、アルミニウムドープ領域30やアルミニウム裏面メタル膜17aがないものであっても、その他のメタル膜の組み合わせからなるものであってもよいことはいうまでもない。
In this section, the back surface metal structure and the like (including the contact region) suitable for the case where the PN diode on the back surface collector side is particularly desired to have a low injection efficiency are exemplified. However, as the back surface metal structure and the like, the aluminum doped
8.本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)の説明(主に図34および図35)
セクション4および5では、エピタキシプロセスを使用しない非エピタキシプロセスを説明したが、本願に説明する各種デバイスは、エピタキシプロセスを使用する各種のエピタキシプロセスによっても製造することができる。このセクションでは、セクション4および5に対応するエピタキシプロセスの一例を説明する。
8). Description of Modification (Epitaxial Process) of Surface Device Formation Process Related to IGBT of One Embodiment of the Present Application (Mainly FIGS. 34 and 35)
While
図34は本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)を説明するための図8に対応する製造工程中(N型フィールドストップ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図35は本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)を説明するための図8に対応する製造工程中(N−型シリコンエピタキシャル領域形成工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)を説明する。 FIG. 34 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type field stop region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the modification (epitaxial process) of the surface device formation process related to the IGBT according to the embodiment of the present invention. It is. FIG. 35 is a device cross section in the manufacturing process (N-type silicon epitaxial region forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the modification (epitaxial process) of the surface device forming process related to the IGBT according to the embodiment of the present invention. FIG. Based on these, a modification (epitaxial process) of the surface device formation process related to the IGBT of the one embodiment of the present application will be described.
まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、抵抗率22Ωcmから30Ωcm)の200φウエハ(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、CZ(Czochralski)法によるウエハが最も好適であるが、FZ(Floating Zone)法によるウエハでもよい。これは、CZ結晶の方が、経済的だからである。 First, an N− type silicon single crystal (for example, wafers of various diameters such as 150φ, 100φ, 300φ, 450φ, etc.) with a phosphorus concentration of about 2 × 10 14 / cm 3 and a resistivity of 22 Ωcm to 30 Ωcm may be prepared. Here, for example, a wafer by the CZ (Czochralski) method is most suitable, but a wafer by the FZ (Floating Zone) method may be used. This is because the CZ crystal is more economical.
次に、図34に示すように、ウエハ1の表面1a側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の表面1aの半導体表面領域(N−型ドリフト領域20となるべきN−型単結晶シリコン基板1s内)にN型フィールドストップ領域42を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:75KeV程度、1回のドーズ量:5x1011/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 34, for example, ion implantation is performed on almost the entire surface from the
続いて、必要に応じて、N型フィールドストップ領域42に対する活性化アニール(たとえば、摂氏1200度、30分程度)を実行する。
Subsequently, activation annealing (for example, 1200 degrees Celsius, about 30 minutes) is performed on the N-type
次に、図35に示すように、ウエハ1の表面1a側にエピタキシャル成長により、N−型シリコンエピタキシャル領域1e(耐圧600ボルト程度とすると、厚さは、たとえば、50マイクロメートル程度、抵抗率は、たとえば、22Ωcm程度)を形成する。
Next, as shown in FIG. 35, by epitaxial growth on the
その後、セクション4で説明した図9から図25のプロセスを実行して、更にセクション5で説明した図27から図30のプロセスを実行する。
Thereafter, the processes of FIGS. 9 to 25 described in the
このようなプロセスにおいては、工業用サイクロトロン等の利用が不要である等のメリットを有する。一方、セクション4およびセクション5の非エピタキシプロセスは、高価なエピタキシプロセスを回避できるメリットがある。
Such a process has the advantage that the use of an industrial cyclotron or the like is unnecessary. On the other hand, the non-epitaxy processes of
9.本願の一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)、変形例1(N型厚膜カソード領域を適用した例)および変形例2(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の説明(主に図36、図37、図77および図78)
セクション2から8に於いては、本願の主要な実施の形態の基本的考え方をIGBTに適用した場合を主に説明したが、本セクション9からセクション13までにおいては、それをダイオードに適用した場合を主に説明する。
9. Basic example (PIN diode having crystal defect region and intermediate field stop region) of power system diode according to one embodiment of the present application, Modified example 1 (an example in which an N-type thick film cathode region is applied) and Modified example 2 (N-type) Example of application of thick film cathode region & high concentration cathode region (mainly FIG. 36, FIG. 37, FIG. 77 and FIG. 78)
In
このセクションでは、結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオードのチップ全体構造と主要デバイス領域(基本例、変形例1および2)の構造を説明する。これは、PINダイオードの場合は、一般に、繰り返し構造がなく、主PN接合には、主要部(中央部)と端部のみが存在するからである。従って、ここでは、主PN接合の主要部であってセル構造の場合のセル領域の単位セル部にあたる部分を抽出して説明する。なお、セクション11および12で説明するデバイス構造に於いては、一般に、IGBTと同様に繰り返し構造が存在するので、IGBTと同様に単位セル部を抽出して説明する。
In this section, the entire structure of a PIN diode chip having a crystal defect region and an intermediate field stop region and the structure of a main device region (basic example, modified examples 1 and 2) will be described. This is because a PIN diode generally does not have a repetitive structure, and a main PN junction has only a main part (center part) and an end part. Therefore, here, a description will be given by extracting a portion that is a main portion of the main PN junction and corresponds to a unit cell portion of the cell region in the case of the cell structure. The device structures described in
なお、周辺構造に関しては、図36等で説明するように、ダミーセルに当たるものがない以外、図3および図4に説明したところとほぼ同じである。 The peripheral structure is almost the same as that described in FIGS. 3 and 4 except that there is no dummy cell as described in FIG.
(1)基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)の説明(主に図36および図37):
図36は本願の一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)に関する図6に対応するダイオードチップの全体上面図(セクション3の図6に対応)である。図37は図36のF−F’断面に対応する主要デバイス領域のデバイス断面図(セクション3の図8に対応)である。これらに基づいて、本願の一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)を説明する。
(1) Description of basic example (PIN diode having crystal defect region and intermediate field stop region) (mainly FIG. 36 and FIG. 37):
36 is an overall top view of the diode chip corresponding to FIG. 6 (corresponding to FIG. 6 in section 3) relating to a basic example (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of a power diode according to an embodiment of the present application. ). FIG. 37 is a device cross-sectional view (corresponding to FIG. 8 in section 3) of the main device region corresponding to the FF ′ cross-section of FIG. Based on these, a basic example of a power diode according to an embodiment of the present application (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) will be described.
図36に示すように、PINダイオードデバイスチップ2の上面1aの外周部には、たとえば、アルミニウム系配線層等から構成された環状のメタルガードリング3mが設けられており、その内側には、環状のメタルフィールドプレート4m(たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されている)が設けられている。なお、図6と同様に、この図では、ポリシリコンフィールドプレート等は表示していない(図4、図46、図84等参照)。メタルフィールドプレート4mの内側であって、チップ2の上面1aの内部領域の主要部には、主PN接合領域10(P型アノード領域46)が設けられており、主PN接合領域10上は、その外部近傍まで、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルアノード電極44に覆われている。メタルアノード電極44の中央部は、ボンディングワイヤ等を接続するためのアノードパッド45となっている。なお、メタルフィールドプレート4mとメタルアノード電極44は、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルフィールドプレート−メタルアノード電極接続部4dによって、相互に連結されている。
As shown in FIG. 36, an annular
次に、図36のセル領域内部切り出し領域R3のF−F’断面を図37に示す。図37に示すように、半導体チップ2の裏面1bの半導体領域(N−型ドリフト領域20)には、N−型ドリフト領域20よりも高濃度のN型カソード領域47が形成されており、半導体チップ2の裏面1b上には、メタルカソード電極17が形成されている。また、このN型カソード領域47に沿って、その外部近傍のN−型ドリフト領域20に亘って、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
Next, FIG. 37 shows an F-F ′ cross section of the cell region internal cutout region R <b> 3 of FIG. 36. As shown in FIG. 37, an N-
主PN接合領域10における半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、P型アノード領域46が設けられている。また、半導体チップ2の表面1a上には、アノードメタル電極44が形成されており、アノードメタル電極44は、P型アノード領域46に接続されている(オーミックコンタクト)。
In the main
(2)変形例1(N型厚膜カソード領域を適用した例)の説明(主に図77):
図77は図37のパワー系ダイオードの変形例1(N型厚膜カソード領域を適用した例)の主接合要部のデバイス断面図である。
(2) Description of Modification 1 (example in which N-type thick film cathode region is applied) (mainly FIG. 77):
77 is a device cross-sectional view of the main junction main part of
この例は、セクション17で説明するIGBTに対応させると、図49に当たるものである。すなわち、裏面側にN型厚膜カソード領域61が形成されており、その下端部に結晶欠陥領域41が設けられている。
This example corresponds to FIG. 49 when corresponding to the IGBT described in
なお、N型厚膜カソード領域61は、セクション10のような非エピタキシプロセスでは、たとえば、ウエハの裏面からのイオウやセレン等の不純物のイオン打ち込みおよび引き伸ばし拡散処理等で形成する。一方、結晶欠陥領域41は、セクション10のような非エピタキシプロセスでは、たとえば、図26でIGBTについて説明したような、ウエハの表面または裏面からの高エネルギイオン照射(プロトン照射、ヘリウムイオン照射等)等による欠陥形成を利用することができる。以上の点は、以下のセクション11および12の各サブセクション(2)に於いても同じである。
Note that the N-type thick
(3)変形例2(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の説明(主に図78):
図78は図37のパワー系ダイオードの変形例2(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の主接合要部のデバイス断面図である。
(3) Description of Modification 2 (example in which N-type thick film cathode region & high concentration cathode region is applied) (mainly FIG. 78):
78 is a device cross-sectional view of the main junction main part of Modification 2 (an example in which the N-type thick film cathode region & high-concentration cathode region) of the power diode of FIG. 37 is applied.
この例は、セクション17で説明するIGBTに対応させると、図50に当たるものである。すなわち、裏面側にN型厚膜カソード領域61が形成されており、その下端部に結晶欠陥領域41が設けられており、更に、裏面に高濃度カソード領域67が設けられている。この高濃度カソード領域67を導入すると、その活性化アニール時に、結晶欠陥領域41を導入できるメリットがある。以上の点は、以下のセクション11および12の各サブセクション(3)に於いても同じである。
This example corresponds to FIG. 50 corresponding to the IGBT described in
10.本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)に関する基本的製造プロセス等の説明(主に図38から図43)
このセクションでは、IGBTの製造方法に関してセクション4および5で説明したものに対応するダイオード製造プロセス(非エピタキシプロセス)を説明する。
10. Description of a basic manufacturing process and the like (mainly FIGS. 38 to 43) regarding a basic example (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present application
This section describes a diode manufacturing process (non-epitaxy process) that corresponds to that described in
図38は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(P型アノード領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図39は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(メタルアノード電極形成工程)におけるデバイス断面図である。図40は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(N型フィールドストップ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図41は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(バックグラインド工程)におけるデバイス断面図である。図42は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(N型カソード領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図43は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(メタルカソード電極形成工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)に関する基本的製造プロセスを説明する。 FIG. 38 is a device sectional view in the manufacturing process (P-type anode region introduction step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 39 is a device sectional view in the manufacturing process (metal anode electrode formation step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 40 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type field stop region introduction step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 41 is a device cross-sectional view during the manufacturing process (back grinding process) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 42 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type cathode region introduction step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 43 is a device sectional view in the manufacturing process (metal cathode electrode formation step) corresponding to FIG. 37 for illustrating the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. Based on these, a basic manufacturing process relating to a basic example (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode of the one embodiment of the present application will be described.
まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、抵抗率22Ωcmから30Ωcm)の200φウエハ1(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、FZ(Floating Zone)法によるウエハが最も好適であるが、CZ(Czochralski)法によるウエハでもよい。 First, an N-type silicon single crystal (for example, a wafer having various diameters such as 150φ, 100φ, 300φ, 450φ, etc.) having a phosphor concentration of about 2 × 10 14 / cm 3 and having a resistivity of 22 Ωcm to 30 Ωcm is prepared. Here, for example, a wafer by FZ (Floating Zone) method is most suitable, but a wafer by CZ (Czochralski) method may be used.
次に、図38に示すように、ウエハ1の表面1a側から、主PN接合領域10の全面に対して、たとえばボロン等のP型不純物をイオン注入することにより、ウエハ1の表面1aの半導体表面領域(N−型ドリフト領域20となるべきN−型単結晶シリコン基板1s内)にP型アノード領域46を導入する。
Next, as shown in FIG. 38, the semiconductor on the
次に、図39に示すように、先のセクション4のメタルエミッタ電極8と同様に、P型アノード領域46上のウエハ1の表面1aに、アノードメタル電極44を形成する。
Next, as shown in FIG. 39, the
次に、図40に示すように、先のセクション5の図26と同様に、N−型ドリフト領域20内にN型フィールドストップ領域42を形成する。
Next, as shown in FIG. 40, an N-type
次に、図41に示すように、先のセクション5の図27と同様に、バックグラインディングを実行して、ウエハを薄膜化する。 Next, as shown in FIG. 41, as in FIG. 27 in the previous section 5, back grinding is performed to thin the wafer.
次に、図42に示すように、先のセクション5の図28のN型バッファ領域19と同様に、N−型ドリフト領域20の第2の主面側表面領域に、N型カソード領域47を形成する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:125KeV程度、1回のドーズ量:1x1015/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 42, an N-
なお、ここで、活性化アニール条件(レーザ照射条件)としては、たとえば、アニール方法:ウエハ1の裏面1b側からレーザを照射、波長:527nm、パルス幅:100ns程度、エネルギ密度:1.8J/cm2程度、照射方式:2パルス方式、両パルスの遅延時間:500ns程度、パルスの重ね率:66%程度を好適なものとして例示することができる。
Here, as the activation annealing conditions (laser irradiation conditions), for example, annealing method: laser irradiation from the
次に、図43に示すように、先のセクション5の図30と同様に、ウエハ1の裏面1bにメタルカソード電極17等を形成する。なお、メタルカソード電極17等は、図33のようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 43, the
その後、ダイシング等により、半導体ウエハ1のチップ領域に分割し、必要に応じて、パッケージに封止すると、デバイスが完成する。
Thereafter, it is divided into chip regions of the
11.本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するMPSダイオード)、変形例2(N型厚膜カソード領域適用例)および変形例3(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の説明(主に図44、図79および図80)
このセクションでは、セクション9で説明したダイオード構造に対する変形例1を説明する。製法に関しては、セクション10で説明したところと本質的な違いはないので、ここでは原則として説明を繰り返さない。
11. Modification 1 (MPS diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region), Modification 2 (application example of an N-type thick film cathode region), and Modification 3 (N-type) of the power diode of the one embodiment of the present application Example of application of thick film cathode region & high concentration cathode region (mainly FIG. 44, FIG. 79 and FIG. 80)
In this section,
(1)パワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するMPSダイオード)の説明(主に図44):
図44は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するMPSダイオード)に関する図36のF−F’断面に対応する単位セル部のデバイス断面図である。これに基づいて、本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するMPSダイオード)を説明する。
(1) Description of
44 is a device cross section of a unit cell portion corresponding to the FF ′ cross section of FIG. 36 relating to Modification 1 (MPS diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. Based on this, Modification 1 (MPS diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present invention will be described.
この例におけるセル領域10(図36)の単位セル領域は、一般にIGBTと異なり、円形状のP型アノード領域46がN−型ドリフト領域20の半導体基板2の表面1aに、格子状(例えば、2次元六方最密格子状)に分散配置されている。従って、P型アノード領域46とアノードメタル電極44は、オーミックコンタクトとなっているが、P型アノード領域46がない部分は、ショットキ接合となっている。なお、その他の構造は、図37と全く同一である。
The unit cell region of the cell region 10 (FIG. 36) in this example generally has a circular P-
(2)変形例2(N型厚膜カソード領域を適用した例)の説明(主に図79):
図79は図44のパワー系ダイオードの更なる変形例2(N型厚膜カソード領域を適用した例)の主接合要部のデバイス断面図である。
(2) Description of Modification 2 (example applying N-type thick film cathode region) (mainly FIG. 79):
FIG. 79 is a device cross-sectional view of the main junction part of a further modification 2 (example in which the N-type thick film cathode region is applied) of the power diode of FIG.
この例は、セクション17で説明するIGBTに対応させると、図49に当たるものである。すなわち、裏面側にN型厚膜カソード領域61が形成されており、その下端部に結晶欠陥領域41が設けられている。
This example corresponds to FIG. 49 when corresponding to the IGBT described in
(3)変形例3(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の説明(主に図80):
図80は図44のパワー系ダイオードの更なる変形例3(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の主接合要部のデバイス断面図である。
(3) Description of Modification 3 (example in which N-type thick film cathode region & high concentration cathode region is applied) (mainly FIG. 80):
FIG. 80 is a device cross-sectional view of the main junction part of a further modification 3 (an example in which an N-type thick film cathode region and a high concentration cathode region are applied) of the power diode of FIG.
この例は、セクション17で説明するIGBTに対応させると、図50に当たるものである。すなわち、裏面側にN型厚膜カソード領域61が形成されており、その下端部に結晶欠陥領域41が設けられており、更に、裏面に高濃度カソード領域67が設けられている。この高濃度カソード領域67を導入すると、その活性化アニール時に、結晶欠陥領域41を導入できるメリットがある。
This example corresponds to FIG. 50 corresponding to the IGBT described in
12.本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するSSD)、変形例2(N型厚膜カソード領域適用例)および変形例3(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の説明(主に図45、図81および図82)
このセクションでは、セクション9で説明したダイオード構造に対する変形例2を説明する。製法に関しては、セクション10で説明したところと本質的な違いはないので、ここでは原則として説明を繰り返さない。
12 Modification 1 (SSD having a crystal defect region and an intermediate field stop region), Modification 2 (application example of N-type thick film cathode region), and Modification 3 (N-type thickness) of the power diode according to the embodiment of the present application. Example of application of membrane cathode region & high concentration cathode region) (mainly FIG. 45, FIG. 81 and FIG. 82)
In this section,
(1)変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するSSD)の説明(主に図45):
図45は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するSSD)に関する図36のF−F’断面に対応する単位セル部のデバイス断面図である。これに基づいて、本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するSSD)を説明する。
(1) Description of Modification 1 (SSD having a crystal defect region and an intermediate field stop region) (mainly FIG. 45):
FIG. 45 is a device cross-sectional view of a unit cell portion corresponding to the FF ′ cross section of FIG. 36 regarding Modification 1 (SSD having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present application. It is. Based on this, Modification 1 (SSD having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present invention will be described.
この例は、セクション11で説明したMPSダイオードのショットキ接合近傍での電界集中を緩和するためのP型アノード領域46と比較して浅く薄い不純物領域(たとえば、P型不純物としてアルミニウム等をドープ)、すなわち、P−型表面領域48を付加したものである。
This example is a shallow and thin impurity region (for example, doped with aluminum or the like as a P-type impurity) compared to the P-
(2)変形例2(N型厚膜カソード領域を適用した例)の説明(主に図81):
図81は図45のパワー系ダイオードの更なる変形例2(N型厚膜カソード領域を適用した例)の主接合要部のデバイス断面図である。
(2) Description of Modification 2 (example in which N-type thick film cathode region is applied) (mainly FIG. 81):
FIG. 81 is a device cross-sectional view of the main junction part of a further modification 2 (example in which the N-type thick film cathode region is applied) of the power diode of FIG.
この例は、セクション17で説明するIGBTに対応させると、図49に当たるものである。すなわち、裏面側にN型厚膜カソード領域61が形成されており、その下端部に結晶欠陥領域41が設けられている。
This example corresponds to FIG. 49 when corresponding to the IGBT described in
(3)変形例3(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の説明(主に図82):
図82は図45のパワー系ダイオードの更なる変形例3(N型厚膜カソード領域&高濃度カソード領域を適用した例)の主接合要部のデバイス断面図である。
(3) Description of Modification 3 (example in which N-type thick film cathode region & high concentration cathode region is applied) (mainly FIG. 82):
FIG. 82 is a device cross-sectional view of the main junction part of a further modification 3 (an example in which an N-type thick film cathode region and a high concentration cathode region are applied) of the power diode of FIG.
この例は、セクション17で説明するIGBTに対応させると、図50に当たるものである。すなわち、裏面側にN型厚膜カソード領域61が形成されており、その下端部に結晶欠陥領域41が設けられており、更に、裏面に高濃度カソード領域67が設けられている。この高濃度カソード領域67を導入すると、その活性化アニール時に、結晶欠陥領域41を導入できるメリットがある。
This example corresponds to FIG. 50 corresponding to the IGBT described in
13.ダイオード製造プロセスの変形例の説明(主に図34および図35を参照)
このセクションでは、IGBTに対する製造プロセス(セクション8)を参照しながら、ダイオードに対するエピタキシプロセスを説明する。
13. Description of modification of diode manufacturing process (refer mainly to FIG. 34 and FIG. 35)
In this section, the epitaxy process for the diode is described with reference to the manufacturing process for the IGBT (Section 8).
セクション8と同様に、まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、抵抗率22Ωcmから30Ωcm)の200φウエハ(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、CZ(Czochralski)法によるウエハが最も好適であるが、FZ(Floating Zone)法によるウエハでもよい。
As in
次に、図34に示すように、ウエハ1の表面1a側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の表面1aの半導体表面領域(N−型ドリフト領域20となるべきN−型単結晶シリコン基板1s内)にN型フィールドストップ領域42を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:75KeV程度、1回のドーズ量:5x1011/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 34, for example, ion implantation is performed on almost the entire surface from the
続いて、必要に応じて、N型フィールドストップ領域42に対する活性化アニール(たとえば、摂氏1200度、30分程度)を実行する。
Subsequently, activation annealing (for example, 1200 degrees Celsius, about 30 minutes) is performed on the N-type
次に、図35に示すように、ウエハ1の表面1a側にエピタキシャル成長により、N−型シリコンエピタキシャル領域1e(耐圧600ボルト程度とすると、厚さは、たとえば、50マイクロメートル程度、抵抗率は、たとえば、22Ωcm程度)を形成する。
Next, as shown in FIG. 35, by epitaxial growth on the
その後、セクション10で説明した図38および図39のプロセスを実行して、更に同セクションで説明した図41から図43のプロセスを実行する。
Thereafter, the processes of FIGS. 38 and 39 described in the
14.セクション1から13等に関する考察並びに補足的説明
このセクションでは、セクション1から13等に関する考察並びに補足的説明を行う。なお、ここでは、主にIGBTを例に取り具体的に説明するが、ここで述べることは、ほぼそのままダイオードについても当てはまる。
14 Considerations and supplementary explanations related to
始めに説明したように、裏面側のP型コレクタ領域に接して、N−型ドリフト領域(またはN−型ベース領域)よりも高濃度のN型バッファ(Buffer)領域を有するIGBT等(ダイオードの場合は、N型高濃度領域またはN型コンタクト領域ともいう)においては、以下のことが知られている。すなわち、N型バッファ領域近傍のN−型ドリフト領域に、P型コレクタ領域やN型バッファ領域の導入のためのイオン注入等による欠陥を残留させることにより、スイッチングスピードを改善するデバイス構成手法である。このような「イオン注入欠陥残留型IGBT」は、残留結晶欠陥が再結合中心として作用することで、オフ時のスイッチングスピードを改善する一方で、オフ時に空乏層が結晶欠陥に接触することで、リーク電流が増加するという副作用をもたらすおそれがある。 As described in the beginning, an IGBT or the like having a higher concentration N-type buffer (Buffer) region than the N-type drift region (or N-type base region) in contact with the P-type collector region on the back side (diode of the diode). In some cases, the following is known in an N-type high concentration region or an N-type contact region). That is, this is a device configuration technique for improving the switching speed by leaving defects due to ion implantation for introducing the P-type collector region and the N-type buffer region in the N-type drift region near the N-type buffer region. . Such an “ion implantation defect residual IGBT” improves the switching speed at the time of off by the residual crystal defect acting as a recombination center, while the depletion layer contacts the crystal defect at the time of off, There is a possibility of causing a side effect that leakage current increases.
そこで、前記各実施の形態では、ホールの注入効率を決める裏面側PN接合を形成するN型バッファ領域19とは別に、独立したN型フィールドストップ領域42を設けている。このため、オフ状態に於いて、空乏層は、せいぜいN型バッファ領域19とN型フィールドストップ領域42の間のN−型ドリフト領域20の結晶欠陥領域41よりも上方部分(N型フィールドストップ領域42よりの部分)までしか到達しないので、リーク電流が増加するおそれはない。これは、結晶欠陥領域41は、N型バッファ領域19の不純物分布のN型フィールドストップ領域42側の裾野近傍(すなわち、N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界近傍)から、N型フィールドストップ領域42とN型バッファ領域19の間のN−型ドリフト領域20の内の前記境界に近接した部分に分布しているからである。
Therefore, in each of the embodiments described above, an independent N-type
以上のことは、ダイオードについても当てはまる。すなわち、ダイオードでは、裏面側の不純物構造は、IGBTからP+型コレクタ領域18を取り去ったものとなっている。ここで、ダイオードにおいて、IGBTのN型バッファ領域19に当たるものは、N型カソード領域47である。
The above also applies to diodes. That is, in the diode, the impurity structure on the back surface side is obtained by removing the P +
15.本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造(基本構造:裏面中間フィールドストップ−表面シングルポリシリコン&ダブルメタルフィールドプレート組み合わせ構造)の説明(主に図46)
このセクションでは、図4のチップ周辺領域90(チップ端部を含む)のデバイス断面構造をより具体的に例示して、本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造(基本構造:裏面中間フィールドストップ−表面シングルポリシリコン&ダブルメタルフィールドプレート組み合わせ構造)を説明する。
15. Description of the IGBT junction termination structure (basic structure: back surface intermediate field stop-front surface single polysilicon & double metal field plate combination structure) of the one embodiment of the present application (mainly FIG. 46)
In this section, the device cross-sectional structure of the chip peripheral region 90 (including the chip end portion) in FIG. 4 is illustrated more specifically, and the junction termination structure (basic structure: middle of the back surface) of the IGBT according to the embodiment of the present application is described. A field stop-surface single polysilicon & double metal field plate combination structure) will be described.
なお、チップの周辺構造を模式的に示す図面等に於いては、原則として、ファイナルパッシベーション膜等は表示しないこととする。 In the drawings and the like schematically showing the peripheral structure of the chip, in principle, the final passivation film or the like is not displayed.
また、ここに説明する単段のポリSiフィールドプレートを適用した構造は、図49又は図50のように、厚膜N型バッファ領域52(厚膜バッファ領域)を適用したものにも適用できることは言うまでもない。 Further, the structure to which the single-stage poly-Si field plate described here is applied can be applied to a structure to which the thick N-type buffer region 52 (thick film buffer region) is applied as shown in FIG. 49 or FIG. Needless to say.
図46は本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造(基本構造:裏面中間フィールドストップ−表面シングルポリシリコン&ダブルメタルフィールドプレート組み合わせ構造)を説明するための半導体チップ端部からセル周辺接合領域までの模式断面図(図4のチップ周辺領域にほぼ対応)である。 FIG. 46 shows the junction termination structure of the IGBT from the end portion of the semiconductor chip for explaining the junction termination structure (basic structure: back surface intermediate field stop-front surface single polysilicon & double metal field plate combination structure) of the IGBT according to the embodiment of the present application. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view up to a region (substantially corresponding to the chip peripheral region in FIG. 4).
まず、半導体チップ2の裏面1b側を説明する。図46に示すように、半導体基板1s(または半導体チップ2)の裏面1b側は、中間フィールドストップ構造である。従って、半導体チップ2の裏面1bの表面上には、メタルコレクタ電極17が設けられており、これに接して、半導体チップ2の裏面1bの表面には、P+型コレクタ領域18が設けられている。P+型コレクタ領域18の内側には、これに接して、N型バッファ領域19が設けられており、N型バッファ領域19から間隔を置いて、N−型ドリフト領域20内には、N型フィールドストップ領域42が設けられている。N型フィールドストップ領域42とN型バッファ領域19の間のN−型ドリフト領域20内には、N型バッファ領域19に近接して、これに沿うように、結晶欠陥領域41が設けられている。
First, the
次に、半導体チップ2の表面1a側を説明する。半導体チップ2、すなわち、半導体基板1s(N−型ドリフト領域20)の内部側の表面1aには、たとえば、P型フローティング領域16と同時に導入されたP型セル周辺接合領域35が設けられている。P型セル周辺接合領域35の表面には、P型ボディ領域15(P型チャネル領域)が設けられており、P型ボディ領域15の表面の周辺コンタクト部81には、P+型ボディコンタクト領域25p(25)が設けられている。
Next, the
一方、半導体基板1s(N−型ドリフト領域20)の外部側(チップ端部)の表面1aすなわち、チップ端部コンタクト部91には、たとえば、P+型ボディコンタクト領域25と同時に導入されたチップ端部P+型ボディコンタクト領域55が設けられている。チップ端部P+型ボディコンタクト領域55の近傍の半導体基板1sの表面には、たとえば、N+型エミッタ領域12と同時に導入されたチップ端部N+型基板コンタクト領域49が設けられている。
On the other hand, the chip end introduced simultaneously with the P + type
半導体基板1s上には、ポリシリコンフィールドプレート初段部の端部絶縁膜56pf、メタルフィールドプレート初段部の端部絶縁膜56mf、メタルフィールドプレート次段部の端部絶縁膜56ms等からなる端部絶縁膜56(主に酸化シリコン膜から構成された絶縁膜)が設けられている。P型セル周辺接合領域35の外端部上の端部絶縁膜56内には、ポリシリコンフィールドプレート4pが設けられており、チップ端部の端部絶縁膜56内には、ポリシリコンガードリング3pが設けられている。
Over the
P+型ボディコンタクト領域25pは、端部絶縁膜56膜上に延在するメタルエミッタ電極8と接続されており、チップ端部P+型ボディコンタクト領域55は、端部絶縁膜56膜上に延在し、たとえば、メタルエミッタ電極8と同時に作られたアルミニウム系メタル膜から主に構成されたメタルガードリング3mと接続されている。メタルガードリング3mは、一方で、ガードリング間接続部83を介して、ポリシリコンガードリング3pと接続されており、ポリシリコンガードリング3pとともに、ガードリング3を構成している。
The P + type
ポリシリコンフィールドプレート4p上の端部絶縁膜56膜上には、たとえば、メタルエミッタ電極8と同時に作られたアルミニウム系メタル膜から主に構成されたメタルゲート配線7が設けられており、メタルゲート配線7はゲート配線−ポリSiフィールドプレート接続部82を介してポリシリコンフィールドプレート4pと接続されている。
On the
メタルゲート配線7とメタルガードリング3mの間の端部絶縁膜56膜上には、たとえば、メタルエミッタ電極8と同時に作られたアルミニウム系メタル膜から主に構成されたメタルフィールドプレート4mが設けられている。メタルフィールドプレート4mは、図6で説明したように、たとえば、メタルフィールドプレート−メタルエミッタ電極接続部4c(図6)を介してメタルエミッタ電極8に接続されており、ポリシリコンフィールドプレート4pとともに、フィールドプレート4(多段フィールドプレート)を構成している。
On the
また、この例では、メタルフィールドプレート4m自体が、多段であり、たとえば、メタルフィールドプレート初段部4mfおよびメタルフィールドプレート次段部4msから構成されている。
In this example, the
ここで、端部絶縁膜56pf(ポリシリコンフィールドプレート4p下の酸化シリコン膜等絶縁膜)の厚さは、メタルフィールドプレート初段部4mf下の端部絶縁膜56mfと比較して薄く、端部絶縁膜56mfの厚さは、メタルフィールドプレート次段部4ms下の端部絶縁膜56msと比較して薄くされている。具体的に好適な一例を示すと以下のごとくである。すなわち、端部絶縁膜56pfの厚さは、たとえば、120nm程度(範囲としては、たとえば、80nmから160nm程度)である。また、端部絶縁膜56mfの厚さは、たとえば、1.5マイクロメートル程度(範囲としては、たとえば、1.0マイクロメートルから2.0マイクロメートル程度)である。更に、端部絶縁膜56msの厚さは、たとえば、8マイクロメートル程度(範囲としては、たとえば、5マイクロメートルから15マイクロメートル程度)である。
Here, the end insulating film 56pf (insulating film such as a silicon oxide film under the
以上説明したように、この例では、P型セル周辺接合領域35の外端部にポリシリコンフィールドプレート4pを設けているので、P型セル周辺接合領域35の外端部における電界集中を有効に防止することができる。更に、ポリシリコンフィールドプレート4pとオーバラップして、多段のメタルフィールドプレート4mが有るので、更に空乏層が延びた場合の各部分における電界集中を有効に防止することができる。
As described above, in this example, since the
また、中間フィールドストップ型非対称IGBTであるので、テール電流の少ない良好なスイッチング特性を確保することができる。 In addition, since it is an intermediate field stop type asymmetric IGBT, it is possible to ensure good switching characteristics with a small tail current.
16.本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造に関する変形例1(裏面中間フィールドストップ−表面ダブルポリシリコン&ダブルメタルフィールドプレート組み合わせ構造)および2(裏面中間フィールドストップ−表面多段フィールドプレート&ジャンクションターミネーションエクステンション組み合わせ構造)の説明(主に図47および図48)
このセクションでは、セクション15の接合終端構造の変形例を説明する。このセクションで説明する例は、裏面構造は、セクション15で説明したものと同じ、中間N型フィールドストップ領域を有するものである。
16. Variations 1 (rear surface intermediate field stop-front surface double polysilicon & double metal field plate combination structure) and 2 (rear surface intermediate field stop-front surface multi-stage field plate & junction termination) relating to the junction termination structure of the IGBT according to the one embodiment of the present application Explanation of extension combination structure (mainly FIG. 47 and FIG. 48)
In this section, a modification of the junction termination structure of
なお、構造的には、ほとんど図46と同じであるので、以下では原則として異なる部分のみを説明する。 Since the structure is almost the same as that of FIG. 46, only different parts will be described below in principle.
図47は本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造に関する変形例1(裏面中間フィールドストップ−表面ダブルポリシリコン&ダブルメタルフィールドプレート組み合わせ構造)を説明するための図46に対応する模式断面図(図4のチップ周辺領域にほぼ対応)である。図48は本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造に関する変形例2(裏面中間フィールドストップ−表面フィールドプレート&ジャンクションターミネーションエクステンション組み合わせ構造)を説明するための図46に対応する模式断面図(図4のチップ周辺領域にほぼ対応)である。 FIG. 47 is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 46 for explaining Modification 1 (back surface intermediate field stop-front surface double polysilicon & double metal field plate combination structure) relating to the junction termination structure of the IGBT according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram (corresponding almost to the chip peripheral region in FIG. 4). FIG. 48 is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 46 for explaining Modification 2 (back surface intermediate field stop-front surface field plate & junction termination extension combined structure) relating to the junction termination structure of the IGBT according to the embodiment of the present invention. This corresponds approximately to the chip peripheral area of FIG.
(1)変形例1(裏面中間フィールドストップ−表面ダブルポリシリコン&ダブルメタルフィールドプレート組み合わせ構造)の説明(主に図47):
この例では、図47に示すように、ポリシリコンフィールドプレート4pは、ポリシリコンフィールドプレート初段部4pfのほかに、ポリシリコンフィールドプレート次段部4psを有し、多段構造となっている点が異なっている。ここで、端部絶縁膜56psの厚さは、端部絶縁膜56pfの厚さと比較して、厚くされており、端部絶縁膜56psの厚さは、端部絶縁膜56mfの厚さと比較して、薄くされている。具体的に好適な一例を示すと以下のごとくである。すなわち、端部絶縁膜56psの厚さは、たとえば、500nm程度(範囲としては、たとえば、300nmから700nm程度)である。
(1) Description of Modification 1 (back surface intermediate field stop-front surface double polysilicon & double metal field plate combination structure) (mainly FIG. 47):
In this example, as shown in FIG. 47, the
以上説明したように、この例では、P型セル周辺接合領域35の外端部に多段のポリシリコンフィールドプレート4pを設けているので、P型セル周辺接合領域35の外端部における電界集中を更に有効に防止することができる。これは、更に、P型セル周辺接合領域35の外端部には、特に、電界が集中しやすいからである。ポリシリコンフィールドプレート4pとオーバラップして、多段のメタルフィールドプレート4mが有るので、更に空乏層が延びた場合の各部分における電界集中を有効に防止することができる。
As described above, in this example, since the multi-stage
ここで、多段のポリシリコンフィールドプレート4pの製造プロセスに関しては、たとえば、後に説明する製造プロセスの図57の部分に於いて、薄膜フィールド酸化シリコン膜29をより内側まで延長して、その内側の部分を薄い酸化シリコンまくとする2段構造にしておく等が好適である。
Here, regarding the manufacturing process of the multi-stage
(2)変形例2(裏面中間フィールドストップ−表面多段フィールドプレート&ジャンクションターミネーションエクステンション組み合わせ構造)の説明(主に図48):
この例は、構造的には、図47のものとほぼ同じであるが、図48に示すように、P型セル周辺接合領域35の外縁にこれと連結して、環状を呈するP型表面リサーフ領域39すなわち、ジャンクションターミネーションエクステンション領域が設けられている点が異なっている。このP型表面リサーフ領域39の濃度は、空乏層が延びてきたときに完全空乏化する程度の濃度であり、その深さは、P型セル周辺接合領域35の深さよりも浅い。
(2) Description of Modification 2 (back surface intermediate field stop-front surface multistage field plate & junction termination extension combined structure) (mainly FIG. 48):
This example is structurally almost the same as that of FIG. 47, but as shown in FIG. 48, it is connected to the outer edge of the P-type cell
以上説明したように、この例では、P型セル周辺接合領域35の外端部に多段のポリシリコンフィールドプレート4pを設け、更に、P型表面リサーフ領域39を付加しているので、P型セル周辺接合領域35の外端部における電界集中を更に有効に防止することができる。これは、更に、P型セル周辺接合領域35の外端部には、特に、電界が集中しやすいからである。ポリシリコンフィールドプレート4pとオーバラップして、多段のメタルフィールドプレート4mが有り、さらに、その下部のほぼ全域に亘り、P型表面リサーフ領域39が延在しているので、更に空乏層が延びた場合の各部分における電界集中を更に、有効に防止することができる。
As described above, in this example, the multi-stage
また、ここに説明したP型表面リサーフ領域39は、図47の構造だけでなく、図46のような単段のポリSiフィールドプレートを用いた構造にも適用できることは言うまでもない。また、ここに説明したP型表面リサーフ領域39は、図49又は図50のように、厚膜N型バッファ領域52(厚膜バッファ領域)を適用したものにも適用できることは言うまでもない。
Needless to say, the P-type
なお、プロセス的には、P型表面リサーフ領域39の導入は、たとえば、図51の薄膜フィールド酸化シリコン膜29の成膜前が好適である。
In terms of process, it is preferable to introduce the P-type
17.本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造に関する変形例3(裏面厚膜バッファ−表面多段フィールドプレート組み合わせ構造)および変形例4(裏面厚膜バッファ&高濃度バッファ−表面多段フィールドプレート組み合わせ構造)の説明(主に図49および図50)
このセクションで説明する例に於いては、裏面構造が、中間N型フィールドストップ領域を有するもの、すなわち「中間N型フィールドストップ型裏面構造」から、いわゆる「厚膜バッファ型裏面構造」に変わっている。これらの例の表面構造は、図47と全く同じであり、裏面構造についても、基本的に同じ部分が多いので、以下では原則として、異なる部分のみを説明する。
17. Modification 3 (back surface thick film buffer-front surface multistage field plate combination structure) and Modification 4 (back surface thick film buffer & high concentration buffer-surface multistage field plate combination structure) relating to the junction termination structure of the IGBT according to the embodiment of the present application ) (Mainly FIG. 49 and FIG. 50)
In the example described in this section, the back surface structure is changed from one having an intermediate N type field stop region, that is, “intermediate N type field stop type back surface structure” to so-called “thick film buffer type back surface structure”. Yes. The surface structures of these examples are exactly the same as those in FIG. 47, and the back surface structure has basically the same portions. Therefore, in principle, only different portions will be described below.
図49は本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造に関する変形例3(裏面厚膜バッファ−表面多段フィールドプレート組み合わせ構造)を説明するための図46に対応する模式断面図(図4のチップ周辺領域にほぼ対応)である。図50は本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造に関する変形例4(裏面厚膜バッファ&高濃度バッファ−表面多段フィールドプレート組み合わせ構造)を説明するための図46に対応する模式断面図(図4のチップ周辺領域にほぼ対応)である。 49 is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 46 (FIG. 4) for explaining a third modification (back surface thick film buffer-front surface multistage field plate combination structure) relating to the junction termination structure of the IGBT according to the embodiment of the present invention. It almost corresponds to the chip peripheral area). FIG. 50 is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 46 for explaining Modification 4 (back surface thick film buffer & high concentration buffer-surface multi-stage field plate combination structure) related to the junction termination structure of the IGBT according to the embodiment of the present invention. (Almost corresponding to the chip peripheral area in FIG. 4).
(1)変形例3(裏面厚膜バッファ−表面多段フィールドプレート組み合わせ構造)の説明(主に図49):
この例に於いては、図47の場合と異なり、図49に示すように、N型バッファ領域19、N型フィールドストップ領域42(図47)がなく、その代わりに、P+型コレクタ領域18に接して、厚さの厚い厚膜N型バッファ領域52(厚膜バッファ領域)が設けられており、その下半部に結晶欠陥領域41が設けられている。厚膜N型バッファ領域52の厚さは、たとえば、耐圧600ボルト程度を例にとると、25マイクロメートル程度(範囲としては、15から35マイクロメートル程度)が好適である。この点は、他の例の厚膜N型バッファ領域52およびN型厚膜カソード領域61についても同じである。
(1) Description of Modification 3 (back surface thick film buffer-front surface multistage field plate combination structure) (mainly FIG. 49):
In this example, unlike FIG. 47, there is no N-
このような構成によれば、欠陥層導入型厚膜バッファ非対称IGBTとして、ソフトリカバリ特性を確保した上で、比較的テール電流の少ないスイッチング特性が得られるメリットがあり、且つ、図47の接合終端構造と同様のメリットを得ることができる。 According to such a configuration, the defect-layer-introduced thick film buffer asymmetric IGBT has an advantage that a switching characteristic with a relatively small tail current can be obtained while ensuring a soft recovery characteristic, and the junction termination of FIG. The same merit as the structure can be obtained.
なお、N型厚膜カソード領域61は、セクション10のような非エピタキシプロセスでは、たとえば、ウエハの裏面からのイオウやセレン等の不純物のイオン打ち込みおよび引き伸ばし拡散処理等で形成する(次のサブセクションに於いても同じ)。一方、結晶欠陥領域41は、セクション10のような非エピタキシプロセスでは、たとえば、図26でIGBTについて説明したような、ウエハの表面または裏面からの高エネルギイオン照射(プロトン照射、ヘリウムイオン照射等)等による欠陥形成を利用することができる。
Note that the N-type thick
(2)変形例4(裏面厚膜バッファ&高濃度バッファ−表面多段フィールドプレート組み合わせ構造)の説明(主に図50):
この例は、図49の例の更なる変形例であり、図49における結晶欠陥領域41とP+型コレクタ領域18の間に、これに接して、高濃度バッファ領域59、すなわち、厚膜N型バッファ領域52よりも高濃度であって、厚膜N型バッファ領域52の厚さよりも厚さが薄いN型高濃度バッファ領域59が設けられている点が異なっている。このようなN型高濃度バッファ領域59が設けられていると、後に、図74に関するプロセス説明に有るように、P+型コレクタ領域18およびN型高濃度バッファ領域59の活性化アニール時に欠陥を残留させることによって、簡単に結晶欠陥領域41を形成できるメリットがある。
(2) Description of Modification 4 (back surface thick film buffer & high concentration buffer-surface multi-stage field plate combination structure) (mainly FIG. 50):
This example is a further modification of the example of FIG. 49, and is between the
18.本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスの説明(主に図51から図74)
以下の説明は、セクション4および5で図9から図30を用いて説明したプロセスと(付加的なプロセスを含む点は異なるが)基本的に同じ(同一の製造プロセスのチップ周辺部を中心とする説明)である(多くのプロセスを共有又は兼用している)ので、以下では原則として、先の説明で説明していない部分のみを説明する。
18. Description of chip peripheral process in IGBT of one embodiment of the present application (mainly FIGS. 51 to 74)
The following description is basically the same as that described with reference to FIGS. 9 to 30 in
図51は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(薄膜フィールド酸化シリコン膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図52は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(薄膜フィールド酸化シリコン膜加工工程)におけるデバイス断面図である。図53は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(P型ウエル領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図54は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(トレンチ形成用ハードマスク膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図55は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(トレンチ形成用ハードマスク膜加工工程)におけるデバイス断面図である。図56は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(トレンチ形成工程)におけるデバイス断面図である。図57は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(トレンチ形成用ハードマスク膜除去工程)におけるデバイス断面図である。図58は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(ゲート絶縁膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図59は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(ポリシリコン膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図60は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(ポリシリコン膜加工工程)におけるデバイス断面図である。図61は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(イオン注入用酸化シリコン膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図62は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(P型ボディ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図63は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(チップ端部N+型基板コンタクト領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図64は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(エッチストップ膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図65は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(厚膜フィールド酸化シリコン膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図66は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(厚膜フィールド酸化シリコン膜加工工程)におけるデバイス断面図である。図67は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(層間絶縁膜成膜&コンタクト初段工程)におけるデバイス断面図である。図68は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(コンタクト終段工程)におけるデバイス断面図である。図69は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(基板エッチング工程)におけるデバイス断面図である。図70は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(チップ端部P+型ボディコンタクト領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図71は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(アルミニウム系メタル電極形成工程)におけるデバイス断面図である。図72は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(N型フィールドストップ領域形成工程)におけるデバイス断面図である。図73は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(バックグラインディング工程)におけるデバイス断面図である。図74は本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるチップ周辺プロセスを説明するためのセル領域の図9から図30にほぼ対応する図46の部分の製造工程中(N型バッファ領域&P+型コレクタ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。 FIG. 51 is a view showing a manufacturing process of a portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (thin film field silicon oxide film forming step). FIG. 52 is a manufacturing step of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (thin film field silicon oxide film processing step). FIG. FIG. 53 is a diagram of the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention during the manufacturing process (P-type well region introducing step) of the portion of FIG. 46 substantially corresponding to FIGS. It is device sectional drawing. FIG. 54 shows a manufacturing process of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (deposition of the hard mask film for forming the trench). It is device sectional drawing in a process. FIG. 55 shows a manufacturing process of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (hard mask film processing step for forming trenches). FIG. 56 is a device sectional view in the manufacturing step (trench formation step) of the portion in FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention. It is. FIG. 57 is a diagram showing a process of manufacturing a portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 substantially corresponding to FIGS. 9 to 30 for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (trench forming hard mask film removing step). FIG. FIG. 58 is a diagram showing a process of manufacturing a portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (gate insulating film forming step). It is device sectional drawing. FIG. 59 is a manufacturing step (polysilicon film forming step) of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention. It is device sectional drawing. FIG. 60 is a device in the manufacturing process (polysilicon film processing step) of the portion of FIG. 46 that substantially corresponds to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present application. It is sectional drawing. FIG. 61 is a diagram showing the process of manufacturing the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (deposition of a silicon oxide film for ion implantation). It is device sectional drawing in a process. FIG. 62 is a diagram showing a cell region for explaining a chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention, during the manufacturing process (P-type body region introducing step) of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30. It is device sectional drawing. FIG. 63 is a diagram illustrating a process of manufacturing the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (chip end N + type substrate contact region). It is device sectional drawing in an introduction process. FIG. 64 is a manufacturing step (etch stop film forming step) of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention. It is device sectional drawing. FIG. 65 is a diagram showing the process of manufacturing the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present application (thick film field silicon oxide film formation). It is device sectional drawing in a process. FIG. 66 is a diagram showing a process of manufacturing the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (thick film field silicon oxide film processing step). FIG. FIG. 67 is a sectional view of the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention in the manufacturing process of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 (interlayer insulating film formation & first contact stage) It is device sectional drawing in a process. FIG. 68 is a device cross section during the manufacturing process (contact final stage process) of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention. FIG. 69 is a device sectional view in the manufacturing step (substrate etching step) of the portion in FIG. 46 that substantially corresponds to FIGS. 9 to 30 in the cell region for illustrating the chip peripheral process in the IGBT of the embodiment of the present application. It is. FIG. 70 shows a manufacturing process of a portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (chip end P + type body contact region). It is device sectional drawing in an introduction process. FIG. 71 is a diagram of the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention, during the manufacturing process (aluminum-based metal electrode forming process) of the portion of FIG. 46 substantially corresponding to FIGS. It is device sectional drawing. FIG. 72 is a manufacturing step of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (N-type field stop region forming step). FIG. FIG. 73 is a device cross section in the manufacturing step (back grinding step) of the portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT of the embodiment of the present application. FIG. FIG. 74 is a diagram showing the process of manufacturing a portion of FIG. 46 corresponding to FIGS. 9 to 30 in the cell region for explaining the chip peripheral process in the IGBT according to the embodiment of the present invention (N-type buffer region & P + type collector region). It is device sectional drawing in an introduction process.
セクション4で説明したように、まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、たとえば抵抗率65Ωcm程度、特に好適な範囲としては、たとえば抵抗率60Ωcmから70Ωcm)の200φウエハ(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、FZ(Floating Zone)法によるウエハが最も好適であるが、CZ(Czochralski)法によるウエハでもよい。これは、FZ法によるウエハの方が高抵抗率のものが入手しやすいからである。なお、半導体基板の抵抗率は、耐圧に強く依存するので、耐圧600ボルトと耐圧1200ボルトの場合を対比して例示する。すなわち、耐圧600ボルトでは、前記のように、抵抗率は、たとえば、65Ωcm程度であり、範囲としては、50Ωcm以上、90Ωcm未満程度が一般に好適な範囲であり、量産性を考慮すると、60Ωcm以上、80Ωcm未満程度が更に好適である。一方、耐圧1200ボルトでは、前記のように、抵抗率は、たとえば、100Ωcm程度であり、範囲としては、90Ωcm以上、150Ωcm未満程度が一般に好適な範囲であり、量産性を考慮すると、100Ωcm以上、120Ωcm未満程度が更に好適である。このように、エピタキシャルプロセスを使用しないので、非常に経済的である。
As described in
次に、図51に示すように、ウエハ1(1s)の表面1a(第1の主面)のほぼ全面に、たとえば、熱酸化により、たとえば、厚さ600nm程度の薄膜フィールド酸化シリコン膜29を成膜する。
Next, as shown in FIG. 51, a thin field
次に、図52に示すように、たとえば、通常のリソグラフィにより、薄膜フィールド酸化シリコン膜29をパターニングする(たとえば、このパターニング後に、セル領域における図9のホールバリア領域導入工程が実行される)。次に、ウエハ1の表面1aのほぼ全面に、たとえば、熱酸化により、たとえば、厚さ30nm程度のイオン注入用の薄い酸化シリコン膜71を成膜する。
Next, as shown in FIG. 52, the thin film field
次に、図53に示すように、たとえば、通常のリソグラフィにより、ウエハ1の表面1a上に、P型フローティング領域導入用レジスト膜37を形成し、それをイオン注入のマスクとして、セル領域10におけるP型フローティング領域16(図10)と同時に、P型セル周辺接合領域35を導入する。その後、不要になったP型フローティング領域導入用レジスト膜37を、たとえば、アッシング等により、除去する。
Next, as shown in FIG. 53, a resist
次に、図54(セル領域10における図11に対応)に示すように、たとえば、CVD等により、たとえば、厚さ450nm程度の酸化シリコン膜をトレンチ形成用ハードマスク膜32として成膜する。
Next, as shown in FIG. 54 (corresponding to FIG. 11 in the cell region 10), for example, a silicon oxide film having a thickness of about 450 nm is formed as the trench forming
次に、図55(セル領域10における図12に対応)に示すように、たとえば、通常のリソグラフィにより、ウエハ1の表面1a上に、トレンチハードマスク膜加工用レジスト膜33を形成し、それを耐エッチングマスクとして、トレンチ形成用ハードマスク膜32を加工する。その後、不要になったトレンチ形成用ハードマスク膜32を、たとえば、アッシング等により、除去する(セル領域10における図13に対応)。
Next, as shown in FIG. 55 (corresponding to FIG. 12 in the cell region 10), a resist
次に、図56(セル領域10における図14に対応)に示すように、パターニングされたトレンチ形成用ハードマスク膜32を耐エッチングマスクとして、例えば、異方性ドライエッチングにより、トレンチ21を形成する。
Next, as shown in FIG. 56 (corresponding to FIG. 14 in the cell region 10), the
次に、図57(セル領域10における図15に対応)に示すように、たとえば、ウエットエッチングにより、トレンチ形成用ハードマスク膜32を除去する。
Next, as shown in FIG. 57 (corresponding to FIG. 15 in the cell region 10), the trench forming
次に、図58(セル領域10における図16に対応)に示すように、セル領域10のP型フローティング領域16等の引き伸ばし拡散と同時に、P型セル周辺接合領域35の引き伸ばし拡散を実行し、その後、ウエハ1の表面1aのほぼ全面(トレンチ21内面を含む)に、たとえば、熱酸化により、ゲート絶縁膜22を成膜する。
Next, as shown in FIG. 58 (corresponding to FIG. 16 in the cell region 10), simultaneously with the extension diffusion of the P-
次に、図59(セル領域10における図17に対応)に示すように、セル領域10のポリシリコン膜27と同時に、ウエハ1の表面1aのほぼ全面(トレンチ21内面を含む)に、たとえば、CVDにより、ポリシリコン膜27を成膜する。
Next, as shown in FIG. 59 (corresponding to FIG. 17 in the cell region 10), at the same time as the
次に、図60(セル領域10における図18に対応)に示すように、たとえば、通常のリソグラフィにより、ウエハ1の表面1a上に、ポリシリコンガードリング3pおよびポリシリコンフィールドプレート4pを加工するためのレジスト膜を形成する。そして、それをマスクとして、たとえば、ドライエッチングにより、セル領域10のポリシリコン膜27のエッチバックと同時に、ポリシリコン膜27を加工する。その後、不要になったレジスト膜を、たとえば、アッシング等により、除去するとともに、表面のゲート酸化膜を、たとえば、ウエットエッチング等により、除去する(セル領域10における図19に対応)。
Next, as shown in FIG. 60 (corresponding to FIG. 18 in the cell region 10), for example, the
次に、図61に示すように、たとえば、ウエハ1の表面1a側のほぼ全面に、例えば、熱酸化またはCVDにより、イオン注入用酸化シリコン膜38を成膜する(セル領域10における図20に対応)。
Next, as shown in FIG. 61, for example, a
次に、図62に示すように、たとえば、ウエハ1の表面1a側に、例えば、通常のリソグラフィにより、P型ボディ領域導入用レジスト膜36を形成し、これをマスクとして、例えば、イオン注入により、P型ボディ領域15(P型チャネル領域)を導入する(セル領域10における図20に対応)。その後、不要になったP型ボディ領域導入用レジスト膜36を、たとえば、アッシング等により除去する。
Next, as shown in FIG. 62, for example, a P-type body region introduction resist
次に、図63に示すように、たとえば、ウエハ1の表面1a側に、例えば、通常のリソグラフィにより、ソースドレイン領域導入用レジスト膜50を形成し、これをマスクとして、セル領域10のN+型エミッタ領域12の導入と同時に、例えば、イオン注入により、チップ端部N+型基板コンタクト領域49を導入する(セル領域10における図20に対応)。その後、不要になったソースドレイン領域導入用レジスト膜50を、たとえば、アッシング等により除去する。
Next, as shown in FIG. 63, for example, a source / drain region introduction resist
次に、図64に示すように、たとえば、ウエハ1の表面1a側のほぼ全面に、例えば、CVDにより、コンタクトエッチングストップ膜51(コンタクト工程その他のエッチストップ膜)として、窒化シリコン膜(たとえば、厚さ100nm程度)を成膜する(セル領域10における図20に対応)。
Next, as shown in FIG. 64, a silicon nitride film (for example, a contact etching stop film 51 (contact process or other etch stop film) is formed on almost the entire surface on the
次に、図65に示すように、たとえば、ウエハ1の表面1a側のほぼ全面に、例えば、CVDまたはSOGにより、たとえば、厚さ10マイクロメートル程度(範囲としては、5から15マイクロメートル程度)の酸化シリコン系膜を厚膜フィールド酸化シリコン膜69として成膜する。
Next, as shown in FIG. 65, for example, a thickness of about 10 micrometers (for example, a range of about 5 to 15 micrometers) is formed on almost the entire surface on the
次に、図66に示すように、たとえば、ウエハ1の表面1a側に、例えば、通常のリソグラフィにより、端部絶縁膜加工用レジスト膜57を形成し、これをマスクとし、コンタクトエッチングストップ膜51をエッチングストップとして、たとえば、ウエットエッチングにより、厚膜フィールド酸化シリコン膜69を加工する。その後、不要になった端部絶縁膜加工用レジスト膜57を、たとえば、アッシング等により除去する。
Next, as shown in FIG. 66, for example, a resist
次に、図67に示すように、たとえば、ウエハ1の表面1a側のほぼ全面に、例えば、CVD等により、層間絶縁膜26を成膜する(セル領域10における図21に対応)。次に、たとえば、ウエハ1の表面1a側に、例えば、通常のリソグラフィにより、コンタクト溝形成用レジスト膜28を形成する。次に、これをマスクとし、コンタクトエッチングストップ膜51をエッチングストップとして、たとえば、異方性ドライエッチングにより、コンタクト溝11(またはコンタクトホール)、周辺コンタクト部81、ゲート配線−ポリSiフィールドプレート接続部82、ガードリング間接続部83、チップ端部コンタクト部91等を形成する(セル領域10における図22に対応)。
Next, as shown in FIG. 67, for example, an
次に、図68に示すように、たとえば、ドライエッチング又はウエットエッチングによって、コンタクト溝11の底等のコンタクトエッチングストップ膜51、イオン注入用酸化シリコン膜38等を除去する(セル領域10における図22に対応)。その後、不要になったコンタクト溝形成用レジスト膜28を、たとえば、アッシング等により除去する。
Next, as shown in FIG. 68, the contact
次に、図69(セル領域10における図23に対応)に示すように、たとえば、異方性ドライエッチングにより、コンタクト溝11(またはコンタクトホール)、周辺コンタクト部81、ゲート配線−ポリSiフィールドプレート接続部82、ガードリング間接続部83、チップ端部コンタクト部91等を半導体基板1s、ポリシリコン膜27等の内部に延長する。
Next, as shown in FIG. 69 (corresponding to FIG. 23 in the cell region 10), for example, by anisotropic dry etching, the contact trench 11 (or contact hole), the
次に、図70(セル領域10における図24に対応)に示すように、セル領域10におけるP+型ボディコンタクト領域25の導入と同時に、ダミーセルのP+型ボディコンタクト領域25d、セル周辺接合領域35のP+型ボディコンタクト領域25p、チップ端部P+型ボディコンタクト領域55等を導入する。なお、セル領域10において、P+型ラッチアップ防止領域23の導入を行うときは、同時に導入しても良い。
Next, as shown in FIG. 70 (corresponding to FIG. 24 in the cell region 10), simultaneously with the introduction of the P + type
次に、図71(セル領域10における図25に対応)に示すように、ウエハ1の表面1a側のほぼ全面に、アルミニウム系メタル膜を成膜し、パターニングすることにより、メタルエミッタ電極8、メタルゲート配線7、メタルフィールドプレート4m、メタルガードリング3m等を形成する。次に、必要に応じて、ファイナルパッシベーション膜60を成膜して、ゲートパッド6、エミッタパッド9(図6)を開口する。なお、ファイナルパッシベーション膜は、必要に応じて、他のタイミングでも良い。
Next, as shown in FIG. 71 (corresponding to FIG. 25 in the cell region 10), an aluminum-based metal film is formed on almost the entire surface of the
これ以降、セル領域10に関するセクション5の裏面プロセス(裏面側の構造に関する製造プロセス)に対応するものとなる。 Thereafter, this corresponds to the back surface process of section 5 related to the cell region 10 (a manufacturing process related to the structure on the back surface side).
次に、図72(セル領域10における図26に対応)に示すように、たとえば、プロトン照射およびアニールにより、N−型ドリフト領域20内に、N型フィールドストップ領域42を導入する。このような高エネルギイオン照射(水素イオン、ヘリウムイオン)は、非エピタキシプロセスを実現する上で有利な方法であり、ドーピングのほか、欠陥層の形成にも適用できる。
Next, as shown in FIG. 72 (corresponding to FIG. 26 in the cell region 10), the N-type
次に、図73(セル領域10における図27に対応)に示すように、必要に応じて、ウエハ1の裏面1bに対して、バックグラインディングを実行する。
Next, as shown in FIG. 73 (corresponding to FIG. 27 in the cell region 10), backgrinding is performed on the
次に、図74に示すように、セル領域10に関して図28および図29を用いて説明したように、N型バッファ領域19およびP+型コレクタ領域18を導入する。次に、セル領域10に関して図29を用いて説明したように、N型バッファ領域19およびP+型コレクタ領域18の活性化アニールの際に、同時に、結晶欠陥領域41を形成する。この後、セル領域10に関して図30を用いて説明したように、ウエハ1の裏面1bにメタルコレクタ電極17を形成する。このような欠陥層の形成方法は、必要な活性化アニールの際に同時に形成することができるので、プロセスの簡素化が可能である。
Next, as shown in FIG. 74, the N-
19.本願の前記一実施の形態のIGBTにおけるセル周辺構造の説明(主に図75および図76)
このセクションの説明は、基本的にセクション2および15(この変形例を説明したセクション16および17も同じ)に関する補足的説明である。
19. Description of cell peripheral structure in IGBT of one embodiment of the present application (mainly FIG. 75 and FIG. 76)
The description in this section is basically a supplementary explanation for
図75は図6のセル領域コーナ部切り出し領域R4拡大上面図である。図76は図75のH−H’断面に対応するデバイス断面図である。これらに基づいて、セル領域周辺構造に関する補足的説明を行う。 75 is an enlarged top view of the cell region corner cutout region R4 of FIG. FIG. 76 is a device sectional view corresponding to a section taken along line H-H ′ of FIG. 75. Based on these, a supplementary explanation about the cell region peripheral structure will be given.
図75に示すように、セル領域10の端部に於いては、線状単位セル領域40(図5)の幅方向(線状アクティブセル領域40a、線状インアクティブセル領域40i等の幅方向)に1個から数個のダミーセル領域34(線状ダミーセル領域)が設けられている。ダミーセル領域34には、線状アクティブセル領域40aと同様に、P+型ボディコンタクト領域25dが設けられている。
As shown in FIG. 75, at the end of the
一方、線状単位セル領域40(図5)の長さ方向の端部に於いては、端部トレンチゲート電極14pおよび比較的幅の狭い(線状アクティブセル領域40aと同程度の幅)N+型エミッタ領域12等(この例では、N型ホールバリア領域24も形成されていない)が形成されていない領域が、先のダミーセル領域34が設けられた領域も含めて端部緩衝領域として設けられている。これらの端部緩衝領域の外部には、これらを取り巻くように、リング状のP型セル周辺接合領域35が設けられており、このP型セル周辺接合領域35を構成するP型不純物ドープ領域は、たとえば、P型フローティング領域16と同一のプロセスで、同時に形成される。
On the other hand, at the end in the length direction of the linear unit cell region 40 (FIG. 5), the end
このP型セル周辺接合領域35上には、セル領域10からトレンチゲート電極14がゲート引き出し部14wとして延びており、P型セル周辺接合領域35内には、セル領域10と類似の構造を有する多数のP+型ボディコンタクト領域25p(この部分は、図76の周辺コンタクト部81にも対応している)が設けられている。
On the P-type cell
メタルエミッタ電極8は、セル領域10の周辺外部まで覆っており、周辺コンタクト部81において、P型セル周辺領域35との電気的接続がとられている。メタルエミッタ電極8の周辺部には、メタルゲート配線7が延びており、ゲート引き出し部14w(この例では、直接的には、ポリシリコンフィールドプレート4p)とは、メタルゲート配線−トレンチゲート電極接続部13(図46等のゲート配線−ポリSiフィールドプレート接続部82に対応)に於いて、相互接続されている。通常、チップ周辺部に於いては、メタルエミッタ電極8およびメタルゲート配線7上およびその周辺は、ほぼファイナルパッシベーション膜60(図76)で覆われている。
The
次に、図75のH−H’断面を図76に示す。図76に示すように、線状インアクティブセル領域40iおよびP型セル周辺接合領域35等における半導体基板2の表面1aには、P型ボディ領域15が設けられている。線状インアクティブセル領域40iのP型セル周辺接合領域35との境界近傍には、端部トレンチゲート電極14pが設けられており、端部緩衝領域の一部となっている。また、線状インアクティブセル領域40i下のP型ボディ領域15の下側には、P型フローティング領域16が設けられており、その深さは他の部分と同様に、トレンチ21e(21)よりも深く、端部トレンチゲート電極14pが収納されたトレンチ21e(21)の下端部をカバーしている。
Next, FIG. 76 shows a cross section taken along the line H-H ′ of FIG. 75. As shown in FIG. 76, P-
更に、P型セル周辺接合領域35の部分にも、コンタクト溝(またはコンタクトホール)等が設けられ、エミッタコンタクト(周辺コンタクト部81)も設けられている。このエミッタコンタクト下の半導体基板2の表面領域には、P+型ボディコンタクト領域25pおよびP+型ラッチアップ防止領域23pが設けられており、その下部は、P型セル周辺接合領域35の主要部であるP型不純物ドープ領域(たとえば、P型フローティング領域16と同時に形成)となっている。
Further, a contact groove (or contact hole) or the like is also provided in the P-type cell
周辺コンタクト部81が設けられている理由は、図3に示すように、セル領域10の外部周辺には、リング状にセル周辺接合領域35が設けられており、その部分の基板領域には、P型不純物ドープ領域(たとえば、P型フローティング領域16と同時に形成)が設けられている。このセル周辺接合領域35の面積は、相当に広いものであり、周辺コンタクト部81を設けないと、この部分にホールが溜まりやすいからである。周辺コンタクト部81を設けないと、溜まったホールは、必然的にセル領域に流れて行き(ホールの不所望な流れ)、ラッチアップ耐性を低下させることとなる。これに関して、図76に示すように、セル周辺接合領域35の主要部であるP型不純物ドープ領域(たとえば、P型フローティング領域16と同時に形成)と、セル領域10のP型フローティング領域16が電気的に分離されていることは、ホールの不所望な流れを阻止するのに有効である。また、端部トレンチ21eの存在もこれに寄与している。なお、この例では、端部トレンチ21eよりも外側に於いて、ゲート引き出し部14wを相互に連結するようなトレンチを設けていない。これは、そのようなトレンチ(端部トレンチ21eと同等かそれよりも深いもの)があると、その部分でホールの流れにより電圧降下を生じ、ラッチアップ耐性を下げることになるからである。また、周辺コンタクト部41をセル周辺接合領域35の幅方向に延長することは、通常存在するメタルゲート配線7の存在により制限される。これは、通常、メタルエミッタ電極8とメタルゲート配線7は、同層のメタル層から構成されているからである。
The reason why the
20.本願全体並びに各実施の形態(各種変形例を含む)に関する考察および補足的説明等(主に図83および図84)
図83は本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造のアウトラインを説明するためのチップ上面模式全体図である。図84は図83の接合終端構造のアウトラインのバリエーションの一例を説明するためのチップ上面模式全体図である。これらに基づいて、本願全体並びに各実施の形態(各種変形例を含む)に関する考察および補足的説明等を行う。
20. Consideration and supplementary explanation regarding the entire application and each embodiment (including various modifications) (mainly FIGS. 83 and 84)
FIG. 83 is a schematic top view of a chip for explaining the outline of the IGBT junction termination structure according to the embodiment of the present application. FIG. 84 is a schematic top view of a chip for explaining an example of the outline variation of the junction termination structure of FIG. Based on these, consideration and supplementary explanation regarding the entire present application and each embodiment (including various modifications) will be made.
(1)IGBT等の終端構造等に関する一般的な考察:
先に説明したように、IGBTやダイオード等の接合終端構造を考えるとき、多段のフィールドプレート(Field Plate)を使用したものの周辺長と、多重のフローティングフィールドリング(Floating Field Ring)を使用したもの(多重のフィールドプレートを併用したものを含む)の周辺長を比較すると、前者の方が相当長くなると考えられている。これは、絶縁膜中の臨界電界強度の方が、ドリフト領域等の臨界電界強度よりも相当程度高いことに起因する。
(1) General considerations regarding termination structures such as IGBT:
As described above, when considering a junction termination structure such as an IGBT or a diode, a peripheral length of a multi-stage field plate (Field Plate) and a multi-floating field ring (Floating Field Ring) ( Comparing the peripheral length of the former (including those using a combination of multiple field plates), the former is considered to be considerably longer. This is because the critical electric field strength in the insulating film is considerably higher than the critical electric field strength in the drift region or the like.
ここで、多段のフィールドプレートを使用した接合終端構造を適用して良好な耐圧特性を得るには、基板表面の電界強度の上昇を抑えるため、ドリフト領域の抵抗率を上げる必要がある。 Here, in order to obtain a good breakdown voltage characteristic by applying a junction termination structure using a multistage field plate, it is necessary to increase the resistivity of the drift region in order to suppress an increase in the electric field strength on the substrate surface.
しかし、コレクタ領域に接するバッファ領域を有する従来の非対称IGBTにおいて、バッファ領域等に、少数キャリアのライフタイム制御のための欠陥層が導入されている場合等では、ドリフト領域の抵抗率を上げると、オフ時に空乏層が延びすぎる結果、空乏層が欠陥層に到達し、リーク電流の著しい増大を招く恐れがある。従って、「一般的な非対称IGBT」においては、多段のフィールドプレートを使用して、周辺長を短縮する試みは困難である。 However, in a conventional asymmetric IGBT having a buffer region in contact with the collector region, when a defect layer for minority carrier lifetime control is introduced into the buffer region or the like, increasing the resistivity of the drift region, As a result of excessive extension of the depletion layer at the time of off, the depletion layer reaches the defect layer, which may cause a significant increase in leakage current. Therefore, in the “general asymmetric IGBT”, it is difficult to try to shorten the peripheral length by using a multi-stage field plate.
一方、拡散係数の大きな硫黄やセレンをドープした厚膜N型バッファ領域であって欠陥層を有さないものを導入した「厚膜バッファ非対称IGBT」(厳密には、欠陥層非導入型厚膜バッファ非対称IGBT)が提案されており、この構造においては、オフ状態で空乏層を緩やかに停止させることで、急激なキャリアの枯渇を防ぎ、ソフトなリカバリ特性を得ることができる。また、厚膜バッファ非対称IGBTは、基板の抵抗率を上げても、欠陥層がないので、リーク電流が増大するリスクがない。しかし、一方で、特殊な拡散プロセスを導入する必要があり、熱的負担も比較的大きい。また、欠陥層がない分、テール電流が相対的に大きいという問題もある。 On the other hand, “thick film buffer asymmetric IGBT” in which a thick film N-type buffer region doped with sulfur or selenium having a large diffusion coefficient and having no defect layer is introduced (strictly speaking, a defect layer non-introduced thick film) Buffer asymmetric IGBT) has been proposed, and in this structure, the depletion layer is gently stopped in the off state, so that rapid carrier depletion can be prevented and soft recovery characteristics can be obtained. Further, the thick film buffer asymmetric IGBT does not have a risk of increasing the leakage current because there is no defective layer even if the resistivity of the substrate is increased. However, on the other hand, it is necessary to introduce a special diffusion process, and the thermal burden is relatively large. Another problem is that the tail current is relatively large because there is no defect layer.
(2)本願の前記一実施の形態のIGBTの接合終端構造のアウトラインの説明(主に図83により、図46を参照):
そこで、本願の前記一実施の形態のIGBTにおいては、コレクタ領域に接するバッファ領域とは別に、これとは隔離してドリフト領域内にフィールドストップ領域を有し、これとバッファ領域との間に欠陥領域を有する「中間フィールドストップ型非対称IGBT」において、接合終端構造として、多段フィールドプレートを適用したものである。
(2) Description of outline of junction termination structure of IGBT according to one embodiment of the present application (mainly referring to FIG. 83 and FIG. 46):
Therefore, the IGBT according to the embodiment of the present application has a field stop region in the drift region separately from the buffer region in contact with the collector region, and a defect between this and the buffer region. In the “intermediate field stop asymmetric IGBT” having a region, a multistage field plate is applied as a junction termination structure.
この接合終端構造のアウトラインを図83に示す。図83に示すように、このデバイスにおいては、半導体チップ2の内部には、中間フィールドストップ型非対称IGBTのセル領域10があり、その周りを取り囲むように環状のP型セル周辺接合領域35があり、これの外端部から外部に亘って環状の多段フィールドプレート54が設けられる構造となっている。
An outline of this junction termination structure is shown in FIG. As shown in FIG. 83, in this device, there is a
このような構造とすることにより、オフ時には、比較的高い抵抗率の半導体基板を用いた場合にも、空乏層の延びは、N型フィールドストップ領域42(たとえば図46)で停止するため、通常の条件では、結晶欠陥領域41(図46)にまで到達しない。従って、多段フィールドプレートの特性を十分引き出せる程度に、基板の抵抗率を高くできるため、効率的に周辺長の縮小を実現できる。 With such a structure, when the semiconductor substrate having a relatively high resistivity is used, since the extension of the depletion layer stops at the N-type field stop region 42 (for example, FIG. 46) at the time of off, Under these conditions, the crystal defect region 41 (FIG. 46) is not reached. Accordingly, the resistivity of the substrate can be increased to such an extent that the characteristics of the multi-stage field plate can be sufficiently extracted, so that the peripheral length can be efficiently reduced.
(3)接合終端構造のアウトラインに関するバリエーションの説明(主に図84):
図83の多段フィールドプレートのバリエーションを図84に例示する。図83に示すように、多段フィールドプレート54は、単一の環状体(所定の導電体パターンの環状部分を含む)で構成しても良いし、図84に示すように、相互に平面的にオーバラップした複数の環状体(所定の導電体パターンの環状部分を含む)で構成しても良い。図84に於いて、複数の環状体は、たとえば、ポリシリコンフィールドプレート4pおよびメタルフィールドプレート4mである。ここで、ポリシリコンフィールドプレート4pおよびメタルフィールドプレート4mは、それぞれ単段でも多段でもよい。従って、図84に於いて、複数の環状体で、多段フィールドプレート54を構成している。
(3) Description of variations regarding outline of junction termination structure (mainly FIG. 84):
A variation of the multistage field plate of FIG. 83 is illustrated in FIG. As shown in FIG. 83, the
(4)厚膜バッファ非対称IGBTへの適用(主に図49を参照):
図49に説明した欠陥層を有さない厚膜バッファ非対称IGBTに欠陥層を導入した「欠陥層導入型厚膜バッファ非対称IGBT」に、多段フィールドプレート4を適用すると、ソフトリカバリ特性を保持したまま、テール電流を低減できるとともに、比較的高い比抵抗を有する半導体基板を適用することができ、多段フィールドプレート4のメリットを十分引き出すことができる。
(4) Application to thick film buffer asymmetric IGBT (mainly see FIG. 49):
When the
21.サマリ
以上本願発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
21. Summary Although the invention made by the inventors of the present application has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof.
例えば、前記実施の形態では、主にアルミニウム系表面電極を使用したデバイスを説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、それ以外のメタルを使用したものにも適用できることは言うまでもない。 For example, in the above-described embodiment, a device using mainly an aluminum-based surface electrode has been described. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the present invention can also be applied to devices using other metals.
また、前記実施の形態では、主にシリコン系基板を用いたIGBTおよびダイオードを具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、SiC系基板、GaN基板、GaAs基板、InP基板等を用いたものにも適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the IGBT and the diode mainly using the silicon substrate have been specifically described. However, the present invention is not limited thereto, and the SiC substrate, the GaN substrate, the GaAs substrate, and the InP substrate. Needless to say, the present invention can also be applied to those using the above.
なお、前記の実施の形態では、主にドリフト領域がN型のデバイスについて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、ドリフト領域がP型のデバイスにも適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the device mainly having an N-type drift region has been specifically described. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the device can also be applied to a device having a P-type drift region. Yes.
また、前記の実施の形態では、ダイオードについては、主にフライバックダイオードについて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その他の用途のダイオードにも適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the flyback diode is specifically described mainly for the diode. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the diode can be applied to other purposes.
なお、前記の実施の形態では、結晶欠陥領域は、イオン打ち込みによる欠陥をアニール処理時に残留させているが、本発明はそれに限定されるものではなく、水素イオンやヘリウムイオンその他のイオンや粒子の打ち込みによって、新たに形成してもよいことはいうまでもない。 In the above-described embodiment, the defect caused by the ion implantation remains in the crystal defect region during the annealing process, but the present invention is not limited to this, and the ions of hydrogen ions, helium ions, other ions and particles are not limited thereto. It goes without saying that a new one may be formed by driving.
1 半導体ウエハ
1a ウエハ又はチップの表面(第1の主面)
1b ウエハ又はチップの裏面(第2の主面)
1e N−型シリコンエピタキシャル領域
1s N−型単結晶シリコン基板
2 半導体チップ(半導体基板)
3 ガードリング
3m メタルガードリング
3p ポリシリコンガードリング
4 フィールドプレート
4c メタルフィールドプレート−メタルエミッタ電極接続部
4d メタルフィールドプレート−メタルアノード電極接続部
4m メタルフィールドプレート
4mf メタルフィールドプレート初段部
4ms メタルフィールドプレート次段部
4p ポリシリコンフィールドプレート
4pf ポリシリコンフィールドプレート初段部
4ps ポリシリコンフィールドプレート次段部
5 メタルゲート電極
6 ゲートパッド
7 メタルゲート配線
8 メタルエミッタ電極
9 エミッタパッド
10 セル領域(ダイオードの主PN接合領域)
11 コンタクト溝(またはコンタクトホール)
12 N+型エミッタ領域
13 メタルゲート配線−トレンチゲート電極接続部
14 トレンチゲート電極
14p 端部トレンチゲート電極
14w ゲート引き出し部
15 P型ボディ領域(P型チャネル領域)
16 P型フローティング領域
17 メタルコレクタ電極(またはメタルカソード電極)
17a アルミニウム裏面メタル膜
17b チタン裏面メタル膜
17c ニッケル裏面メタル膜
17d 金裏面メタル膜
18 P+型コレクタ領域
19 N型バッファ領域
20 N−型ドリフト領域
21 トレンチ
22 ゲート絶縁膜
23 P+型ラッチアップ防止領域
24 N型ホールバリア領域
25 P+型ボディコンタクト領域
25d ダミーセルのP+型ボディコンタクト領域
25p セル周辺接合領域のP+型ボディコンタクト領域
25r フローティングフィールドリングのP+型ボディコンタクト領域
26 層間絶縁膜
27 ポリシリコン膜
28 コンタクト溝形成用レジスト膜
29 薄膜フィールド酸化シリコン膜
30 アルミニウムドープ領域(高濃度コレクタコンタクト領域または高濃度裏面コンタクト領域)
31 N型ホールバリア領域導入用レジスト膜
32 トレンチ形成用ハードマスク膜
33 トレンチハードマスク膜加工用レジスト膜
34 ダミーセル領域(線状ダミーセル領域)
35 P型セル周辺接合領域
36 P型ボディ領域導入用レジスト膜
37 P型フローティング領域導入用レジスト膜
38 イオン注入用酸化シリコン膜
39 P型表面リサーフ領域
40 線状単位セル領域
40a 線状アクティブセル領域
40aa アクティブセクション
40i 線状インアクティブセル領域
41 結晶欠陥領域
42 N型フィールドストップ領域
43 バックグラインド位置
44 アノードメタル電極
45 アノードパッド
46 P型アノード領域
47 N型カソード領域
48 P−型表面領域
49 チップ端部N+型基板コンタクト領域
50 ソースドレイン領域導入用レジスト膜
51 コンタクトエッチングストップ膜
52 厚膜N型バッファ領域(厚膜バッファ領域)
54 多段フィールドプレート
55 チップ端部P+型ボディコンタクト領域
56 端部絶縁膜
56mf メタルフィールドプレート初段部の端部絶縁膜
56ms メタルフィールドプレート次段部の端部絶縁膜
56pf ポリシリコンフィールドプレート初段部の端部絶縁膜
56ps ポリシリコンフィールドプレート次段部の端部絶縁膜
57 端部絶縁膜加工用レジスト膜
58 下層イオン注入用の薄い酸化シリコン膜と上層エッチングストップ膜の積層膜
59 N型高濃度バッファ領域
60 ファイナルパッシベーション膜
61 N型厚膜カソード領域
67 高濃度カソード領域
69 厚膜フィールド酸化シリコン膜
71 イオン注入用の薄い酸化シリコン膜
81 周辺コンタクト部
82 ゲート配線−ポリSiフィールドプレート接続部
83 ガードリング間接続部
90 チップ周辺領域
91 チップ端部コンタクト部
A アノード端子
C コレクタ端子
D,Da,Db,Dc,Dd,De,Df フライバックダイオード
E エミッタ端子
G ゲート端子
K カソード端子
M モータ
Pa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pf IGBTおよびダイオードペア
Q,Qa,Qb,Qc,Qd,Qe,Qf IGBT
R1 セル領域端部切り出し領域
R3 セル領域内部切り出し領域
R4 セル領域コーナ部切り出し領域
R5 線状単位セル領域主要部およびその周辺切り出し領域
Vs 直流電源
Wa 線状アクティブセル領域の幅
Wi 線状インアクティブセル領域の幅
1b Back surface of wafer or chip (second main surface)
1e N-type
3
11 Contact groove (or contact hole)
12 N +
16 P-
17a Aluminum back
31 Resist film for introducing N-type
35 P-type cell peripheral junction region 36 P-type body region introduction resist film 37 P-type floating region introduction resist
54
R1 Cell region edge cutout region R3 Cell region internal cutout region R4 Cell region corner cutout region R5 Linear unit cell region main portion and surrounding cutout region Vs DC power supply Wa Width of linear active cell region Wi Linear inactive cell Area width
Claims (20)
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記第1の主面上から前記ドリフト領域の内部に亘り設けられたセル領域;
(d)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するリング状のセル周辺接合領域;
(e)前記セル周辺接合領域上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(f)前記セル領域内であって、前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のチャネル領域;
(g)前記チャネル領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第1導電型のエミッタ領域;
(h)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のコレクタ領域;
(i)前記コレクタ領域と前記ドリフト領域との間に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のバッファ領域;
(j)前記バッファ領域に沿って、その境界近傍から前記ドリフト領域の近接する部分に設けられた結晶欠陥領域;
(k)前記結晶欠陥領域に沿って、これよりも前記第1の主面側の前記ドリフト領域内に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のフィールドストップ領域。 IGBT including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) a cell region provided from the first main surface to the inside of the drift region;
(D) a ring-like shape that is a surface region on the first main surface side of the drift region and that surrounds the periphery of the cell region and has a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Cell peripheral junction area;
(E) a ring-shaped multistage field plate provided so as to surround the periphery of the cell region between the cell peripheral junction region and the peripheral edge of the semiconductor substrate;
(F) The channel region of the second conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the drift region in the cell region;
(G) the emitter region of the first conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the channel region;
(H) the collector region of the second conductivity type provided in the second principal surface side surface region of the drift region;
(I) the buffer region of the first conductivity type provided between the collector region and the drift region and having a higher concentration than this;
(J) A crystal defect region provided in the vicinity of the boundary from the vicinity of the boundary along the buffer region;
(K) A field stop region of the first conductivity type provided in the drift region on the first main surface side along the crystal defect region and having a higher concentration than the drift region.
(l)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル周辺接合領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第2導電型を有するリング状の表面リサーフ領域。 The IGBT of claim 5 further comprising:
(L) A ring-shaped surface resurf region having the second conductivity type, which is provided on the first main surface side surface region of the drift region and surrounds the periphery of the cell peripheral junction region.
(e1)多段のメタルフィールドプレート。 6. The IGBT of claim 5, wherein the multi-stage field plate comprises:
(E1) Multistage metal field plate.
(e2)前記メタルフィールドプレートの内端部から前記セル周辺接合領域の外端部の間に設けられたポリSiフィールドプレート。 In the IGBT of paragraph 8, the multi-stage field plate has the following:
(E2) A poly-Si field plate provided between the inner end of the metal field plate and the outer end of the cell peripheral junction region.
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の前記第1の主面から内部に亘り、その主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記第1の主面上から前記ドリフト領域の内部に亘り設けられたセル領域;
(d)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域であって、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有するリング状のセル周辺接合領域;
(e)前記セル周辺接合領域上から前記半導体基板の周辺端部の間に、前記セル領域の周辺を取り囲むように設けられたリング状の多段フィールドプレート;
(f)前記セル領域内であって、前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のチャネル領域;
(g)前記チャネル領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第1導電型のエミッタ領域;
(h)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のコレクタ領域;
(i)前記コレクタ領域と前記ドリフト領域の間に設けられ、前記コレクタ領域よりも厚く、前記ドリフト領域よりも濃度が高い前記第1導電型の厚膜バッファ領域;
(j)前記厚膜バッファ領域内に設けられた結晶欠陥領域。 IGBT including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type that occupies the main part from the first main surface of the semiconductor substrate to the inside;
(C) a cell region provided from the first main surface to the inside of the drift region;
(D) a ring-like shape that is a surface region on the first main surface side of the drift region and that surrounds the periphery of the cell region and has a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Cell peripheral junction area;
(E) a ring-shaped multistage field plate provided so as to surround the periphery of the cell region between the cell peripheral junction region and the peripheral edge of the semiconductor substrate;
(F) The channel region of the second conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the drift region in the cell region;
(G) the emitter region of the first conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the channel region;
(H) the collector region of the second conductivity type provided in the second principal surface side surface region of the drift region;
(I) The thick film buffer region of the first conductivity type provided between the collector region and the drift region, thicker than the collector region, and higher in concentration than the drift region;
(J) A crystal defect region provided in the thick film buffer region.
(k)前記コレクタ領域と前記厚膜バッファ領域との間に設けられ、前記厚膜バッファ領域よりも濃度が高い前記第1導電型の高濃度バッファ領域。 15. The IGBT of claim 14, further comprising:
(K) The first conductivity type high concentration buffer region provided between the collector region and the thick film buffer region and having a higher concentration than the thick film buffer region.
(e1)多段のメタルフィールドプレート。 16. The IGBT of claim 15, wherein the multi-stage field plate has:
(E1) Multistage metal field plate.
(e2)前記メタルフィールドプレートの内端部から前記セル周辺接合領域の外端部の間に設けられたポリSiフィールドプレート。 19. The IGBT of claim 18, wherein the multistage field plate comprises:
(E2) A poly-Si field plate provided between the inner end of the metal field plate and the outer end of the cell peripheral junction region.
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