JP2657129B2 - Insulated gate bipolar transistor and manufacturing method - Google Patents

Insulated gate bipolar transistor and manufacturing method

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、特に高耐圧の絶縁ゲー
ト型バイポーラトランジスタ(IGBT)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a high breakdown voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】バイポーラトランジスタのベース電流を
MOSFETのチャンネルを介して供給するIGBT
は、縦型MOSFETの高速スイッチング性とバイポー
ラトランジスタの低インピーダンス特性を兼ね備えた素
子として注目されている。図7は従来のIGBTの構造
を示すものであり、その構造は、P型基板(1)上にN
+型バッファ層(2)とN-型半導体層(3)が形成さ
れ、N型半導体層(3)の表面にP型拡散領域(4)が
形成され、さらにその表面にN+型のソース領域(5)
が形成されてPNPNの4層構造となっている。N型半
導体層(3)とN+型ソース領域(5)との間のP型拡
散領域(4)の上にはゲート酸化膜を介して、多結晶シ
リコンから成るゲート電極(6)が設けられている。ま
た、P型拡散領域(4)およびN+型ソース領域(5)
にはソース電極がオーミックコンタクトする。
2. Description of the Related Art An IGBT for supplying a base current of a bipolar transistor through a channel of a MOSFET.
Is attracting attention as an element having both the high-speed switching characteristics of a vertical MOSFET and the low impedance characteristics of a bipolar transistor. FIG. 7 shows the structure of a conventional IGBT.
A + type buffer layer (2) and an N type semiconductor layer (3) are formed, a P type diffusion region (4) is formed on the surface of the N type semiconductor layer (3), and an N + type source is formed on the surface. Area (5)
Are formed to form a PNPN four-layer structure. A gate electrode (6) made of polycrystalline silicon is provided on the P-type diffusion region (4) between the N-type semiconductor layer (3) and the N + -type source region (5) via a gate oxide film. Have been. Further, a P type diffusion region (4) and an N + type source region (5)
Is in ohmic contact with the source electrode.

【0003】上記従来のIGBTは、P型基板(1)上
にN+型バッファ層(2)とN型半導体層(3)とを順
次エピタキシャル成長法で積層しているが、耐圧100
0V以上のものになるとN型半導体層(3)を100μ
以上積層する必要があり、処理時間が長大化するのでス
ループットの悪化とコスト高の欠点を招くことになる。
In the conventional IGBT, an N + -type buffer layer (2) and an N-type semiconductor layer (3) are sequentially stacked on a P-type substrate (1) by an epitaxial growth method.
When the voltage becomes 0 V or more, the N-type semiconductor layer (3) is
Since it is necessary to perform the above-described lamination, the processing time becomes longer, which leads to a decrease in throughput and a disadvantage of higher cost.

【0004】そこで特開平01ー253279号に記載
されているように、N型基板を採用し、N+型バッファ
層(2)となる領域とP型基板(1)となる領域を拡散
で形成する手法が提案されている。また、異種ウェハー
をはり合わせる技術も提案されている。
Therefore, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 01-253279, an N-type substrate is employed, and a region serving as an N + -type buffer layer (2) and a region serving as a P-type substrate (1) are formed by diffusion. Have been proposed. Also, a technique for bonding different kinds of wafers has been proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、N+
バッファ層(2)には、耐圧を保ち、サイリスタ動作を
抑制し、且つ電流容量の低下を招かないよう、高不純物
濃度で幅狭に形成する必要がある。上記拡散手法では、
図8に示すようにN+型バッファ層(2)の不純物濃度
プロファイルがダレてしまい、幅狭で高不純物濃度に形
成することが困難である欠点があった。また、ウェハを
はり合わせる手法では、プロセスが複雑となりコスト高
である。
However, the N + -type buffer layer (2) is formed with a high impurity concentration and a narrow width so as to maintain the breakdown voltage, suppress the thyristor operation, and prevent the current capacity from being reduced. There is a need to. In the above diffusion method,
As shown in FIG. 8, the impurity concentration profile of the N + -type buffer layer (2) is sagged, and there is a disadvantage that it is difficult to form a narrow and high impurity concentration. Also, the method of bonding wafers complicates the process and is costly.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は上述した欠点に
鑑み成されたもので、N型基板(11)上にN+型バッ
ファ層(12)をエピタキシャル成長法によって形成
し、バッファ層(12)の表面にP+型半導体層(1
3)を拡散形成し、バッファ層(12)とは反対側のN
型基板(11)表面にP型拡散領域(14)、N+型ソ
ース領域(15)、およびゲート電極(16)を形成す
ることにより、幅狭で高不純物濃度のバッファ層(1
2)を形成するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned disadvantages, and has an N + type buffer layer (12) formed on an N-type substrate (11) by an epitaxial growth method. ) On the surface of a P + type semiconductor layer (1).
3) is formed by diffusion, and N on the opposite side of the buffer layer (12) is formed.
By forming a P-type diffusion region (14), an N + -type source region (15), and a gate electrode (16) on the surface of a mold substrate (11), a buffer layer (1) having a narrow width and a high impurity concentration is formed.
2).

【0007】[0007]

【作用】本発明によれば、N+型バッファ層(12)を
エピタキシャル手法により形成したので、その濃度プロ
ファイルを厚み方向で一様且つ均一に形成できる。ま
た、P+型半導体層(13)の拡散コントロールによっ
て、N+型バッファ層(12)の膜厚を容易に制御でき
る。従って、幅狭で高不純物濃度のバッファ層(12)
を形成できる。さらに、P+型半導体層(13)を選択
的に拡散することによって、P層とN層とが混在したユ
ニバーサル電極構造が簡単に形成できる。
According to the present invention, since the N + -type buffer layer (12) is formed by the epitaxial method, its concentration profile can be formed uniformly and uniformly in the thickness direction. Further, the thickness of the N + -type buffer layer (12) can be easily controlled by controlling the diffusion of the P + -type semiconductor layer (13). Therefore, the buffer layer (12) having a narrow width and a high impurity concentration
Can be formed. Further, by selectively diffusing the P + type semiconductor layer (13), a universal electrode structure in which a P layer and an N layer are mixed can be easily formed.

【0008】[0008]

【実施例】以下に本発明の一実施例を図面を参照しなが
ら詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0009】図1は本発明のIGBTの構造を示す断面
図である。(11)は比抵抗ρ=100〜200Ω・c
m、厚さ100〜200μのN-型シリコン単結晶基
板、(12)はN-型基板(11)の一方の面にエピタ
キシャル成長法によって形成した比抵抗ρ=0.01〜
数Ω・cm、厚さ数μ〜数+μのN+型バッファ層、
(13)はN+型バッファ層(12)の全面に拡散形成
したP+型半導体層、(14)は基板(11)の反対面
の表面に形成したP型拡散領域、(15)はP型拡散領
域(14)の表面に形成したN+型ソース領域、(1
6)は基板(11)表面にゲート酸化膜を介して配置し
たゲート電極である。P+型半導体層(12)にはコレ
クタ電極が、ソース領域(15)とP型拡散領域(1
4)の両方にはエミッタ電極(ソース電極)が夫々オー
ミックコンタクトする。MOSFETのチャンネルは、
ソース領域(15)とN-型基板(11)とに挟まれた
P型拡散領域(14)の浅い部分の表面で形成される。
そして、このIGBTは、P+型半導体層(13)をコ
レクタ、N-型基板(11)をベース、P型拡散領域
(14)をエミッタとするPNPトランジスタのベース
にNチャンネルMOSFETのチャンネルから電流を供
給して動作させるものである。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an IGBT of the present invention. (11) is the specific resistance ρ = 100 to 200Ω · c
m, an N -type silicon single crystal substrate having a thickness of 100 to 200 μm. (12) is a specific resistance ρ = 0.01 to − formed on one surface of the N -type substrate (11) by an epitaxial growth method.
N + type buffer layer of several Ω · cm, thickness of several μ to several + μ,
(13) is a P + -type semiconductor layer diffused and formed on the entire surface of the N + -type buffer layer (12), (14) is a P-type diffusion region formed on the surface opposite to the substrate (11), and (15) is a P-type diffusion region. N + type source region formed on the surface of the type diffusion region (14), (1
6) is a gate electrode arranged on the surface of the substrate (11) via a gate oxide film. The P + type semiconductor layer (12) has a collector electrode, a source region (15) and a P type diffusion region (1).
Emitter electrodes (source electrodes) are in ohmic contact with both of 4). The channel of the MOSFET is
It is formed on the surface of a shallow portion of the P-type diffusion region (14) sandwiched between the source region (15) and the N - type substrate (11).
In this IGBT, current flows from the channel of an N-channel MOSFET to the base of a PNP transistor having a P + type semiconductor layer (13) as a collector, an N type substrate (11) as a base, and a P type diffusion region (14) as an emitter. Is supplied and operated.

【0010】図2に本願IGBTの基板(11)部分の
不純物濃度プロファイルを示す。本発明はN+型バッフ
ァ層(12)をエピタキシャル成長によって形成したの
で、バッファ層(12)の不純物濃度を十分に高く、し
かも厚み方向に一定の不純物濃度で形成でき、バッファ
層(12)とN-型基板(11)との接合部の不純物濃
度を階段状に形成できる。さらに、エピタキシャル成長
法は膜厚の制御が容易であることから、その表面からの
+型半導体層(13)の拡散をコントロールすること
により、極めて狭い幅のバッファ層(12)が高精度に
得られる。
FIG. 2 shows an impurity concentration profile of the substrate (11) of the present IGBT. In the present invention, since the N + -type buffer layer (12) is formed by epitaxial growth, the buffer layer (12) can be formed with a sufficiently high impurity concentration and a constant impurity concentration in the thickness direction. - it can be an impurity concentration of the junction between the mold substrate (11) stepwise. Further, since the epitaxial growth method can easily control the film thickness, by controlling the diffusion of the P + -type semiconductor layer (13) from the surface thereof, a buffer layer (12) having an extremely narrow width can be obtained with high precision. Can be

【0011】図3以降に本発明のIGBTの製造方法を
示す。先ず図3に示すように、N-型基板(11)を準
備してその表面を清浄化した後、PH4等を用いてエピ
タキシャル成長法によりN+型バッファ層(12)を形
成し、次いで図4に示すように、バッファ層(12)の
表面からボロン(B)等のP型不純物を熱拡散してP +
型半導体層(13)を形成する。その際、拡散深さをコ
ントロールすることでバッファ層(12)が数μ残るよ
うに形成する。次いで図5に示すように、N-型基板
(11)の反対表面にP型拡散領域(14)、ゲート電
極(16)、およびN+型ソース領域(15)を形成す
る。尚、図5以降の工程は従来の技術と同等である。
The method of manufacturing the IGBT of the present invention will be described with reference to FIG.
Show. First, as shown in FIG.-Based on mold substrate (11)
After cleaning the surface,FourEpisode using
N by the tax growth method+Form buffer layer (12)
And then, as shown in FIG.
Thermal diffusion of P-type impurities such as boron (B) from the surface +
A mold semiconductor layer (13) is formed. At this time, adjust the diffusion depth
A few μm of buffer layer (12)
Formed. Then, as shown in FIG.-Mold substrate
On the opposite surface of (11), a P-type diffusion region (14) and a gate electrode
Pole (16), and N+Forming a mold source region (15)
You. The steps after FIG. 5 are the same as those in the conventional technique.

【0012】図6に本発明の第2の実施例を示す。本発
明ではP+型半導体層(13)を拡散で形成することと
したので、その拡散を選択的に行うことによって、P+
型半導体層(13)をバッファ層(12)表面に点在す
るように形成できる。すると、P型拡散領域(14)の
深い部分とN-型基板(11)との接合ダイオード(1
7)を、P+型半導体層(13)から成るIGBTのコ
レクタと、P型拡散領域(14)から成るIGBTのエ
ミッタとの間に等価的に並列接続でき、IGBTをモー
タ等のインバータデバイスやCRTの水平偏向用デバイ
スとして使用する場合に転流用ダイオードとして利用で
きる。
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. Since the present invention was to form a diffusion P + -type semiconductor layer (13), by performing the diffusion selectively, P +
The mold semiconductor layer (13) can be formed so as to be scattered on the surface of the buffer layer (12). Then, the junction diode (1) between the deep portion of the P-type diffusion region (14) and the N -type substrate (11) is formed.
7) can be equivalently connected in parallel between the collector of the IGBT composed of the P + type semiconductor layer (13) and the emitter of the IGBT composed of the P type diffusion region (14), and the IGBT can be connected to an inverter device such as a motor or the like. When used as a horizontal deflection device of a CRT, it can be used as a commutation diode.

【0013】[0013]

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明によれば、
-型基板(11)を用いることにより、高耐圧のIG
BTを安価に提供できる利点を有する。また、バッファ
層(12)の不純物濃度を高く、厚みを薄く、そしてN
-型基板(11)との接合部の濃度プロファイルを階段
状に形成できるので、IGBTの耐圧向上、ラッチアッ
プ耐量の増大、電流容量の増大という利点を有する。さ
らに、エピタキシャル成長法とP+型半導体層(13)
の拡散により、バッファ層(12)の制御が容易である
利点を有する。そしてさらに、第2の実施例によれば、
整流ダイオードを組み込んだ構造が容易に得られる利点
をも有する。
As described above, according to the present invention,
By using the N - type substrate (11), a high breakdown voltage IG
There is an advantage that BT can be provided at low cost. Further, the buffer layer (12) has a high impurity concentration, a small thickness,
Since the concentration profile of the junction with the mold substrate (11) can be formed in a step-like manner, there is an advantage that the breakdown voltage of the IGBT is increased, the latch-up withstand voltage is increased, and the current capacity is increased. Further, the epitaxial growth method and the P + type semiconductor layer (13)
Has an advantage that the buffer layer (12) can be easily controlled. And further, according to the second embodiment,
Another advantage is that a structure incorporating a rectifier diode can be easily obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を説明するための断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the present invention.

【図2】本発明の不純物濃度プロファイルを示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing an impurity concentration profile of the present invention.

【図3】本発明の製造方法を説明するための第1の断面
図である。
FIG. 3 is a first cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the present invention.

【図4】本発明の製造方法を説明するための第2の断面
図である。
FIG. 4 is a second cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the present invention.

【図5】本発明の製造方法を説明するための第3の断面
図である。
FIG. 5 is a third sectional view for explaining the manufacturing method of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施例を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.

【図7】従来例を説明するための断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a conventional example.

【図8】従来例の不純物濃度プロファイルを示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing an impurity concentration profile of a conventional example.

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 一導電型の高比抵抗の半導体基板と、 前記基板の一方の面にエピタキシャル成長した一導電型
の高濃度バッファ層と、 前記バッファ層の表面から拡散形成した逆導電型の高濃
度層と、 前記基板の反対表面に形成した、ゲート電極、ベースと
なる逆導電型拡散領域、および前記逆導電型拡散領域の
表面に形成した一導電型のソース領域とを具備すること
を特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
A semiconductor substrate having a high specific resistance of one conductivity type; a high-concentration buffer layer of one conductivity type epitaxially grown on one surface of the substrate; and a high-concentration buffer layer of a reverse conductivity type formed by diffusion from the surface of the buffer layer. A concentration layer, a gate electrode, a reverse conductivity type diffusion region serving as a base formed on the opposite surface of the substrate, and a one conductivity type source region formed on the surface of the reverse conductivity type diffusion region. Insulated gate bipolar transistor.
【請求項2】 前記逆導電型の高濃度層が前記バッファ
層の表面に一様に形成されていることを特徴とする請求
項1記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
2. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein said high-concentration layer of the opposite conductivity type is uniformly formed on a surface of said buffer layer.
【請求項3】 前記逆導電型の高濃度層が前記バッファ
層の表面に、島状に選択的に形成されていることを特徴
とする請求項1記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジ
スタ。
3. The insulated gate bipolar transistor according to claim 1, wherein said reverse conductivity type high concentration layer is selectively formed in an island shape on a surface of said buffer layer.
【請求項4】 前記バッファ層が厚み方向に一定の不純
物濃度プロファイルを有することを特徴とする請求項1
記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
4. The buffer layer according to claim 1, wherein the buffer layer has a constant impurity concentration profile in a thickness direction.
The insulated gate bipolar transistor according to the above.
【請求項5】 一導電型の高比抵抗の基板を準備する工
程と、 前記基板の一方の面に一導電型の高濃度のバッファ層を
エピタキシャル成長する工程と、 前記バッファ層の表面から逆導電型の不純物を拡散して
高濃度層を形成する工程と、 前記基板の反対表面に逆導電型のベースを形成する工程
と、 前記基板の反対表面に絶縁膜を介してゲート電極を形成
する工程と、 前記ベース領域の表面に一導電型のエミッタ領域を形成
する工程とを具備することを特徴とする絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタの製造方法。
5. A step of preparing a substrate of one conductivity type having a high specific resistance; a step of epitaxially growing a buffer layer of one conductivity type with a high concentration on one surface of the substrate; Forming a high-concentration layer by diffusing impurities of a type, forming a base of the opposite conductivity type on the opposite surface of the substrate, and forming a gate electrode on the opposite surface of the substrate via an insulating film Forming an emitter region of one conductivity type on the surface of the base region .
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