JP2984478B2 - 伝導度変調型半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

伝導度変調型半導体装置及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電力用半導体装置に係
り、とくに1200V以上の高耐圧IGBT(Insulate
d Gate Bipolar Transistor )に関するものである。
【0002】
【従来の技術】IGBTは、図12に代表されるユニッ
トセル断面構造を有するトランジスタであり、上部にM
OSFET構造、下部にバイポーラトランジスタ構造部
を有する複合構造ととらえることができる。この構造及
び基本動作は、特開昭57−120369に詳述されて
いる。この図を参照し、シリコンウェーハに形成された
NチャネルIGBTを例にしてその構造及び動作を説明
する。このウェーハに含まれるシリコン半導体基板1
は、厚さ約150μm、不純物濃度約1020cm-3のP
アノード領域11からなり、その第1の主面上にN
ドレイン領域12が形成された半導体層2が積層されて
いる。このNドレイン領域12中には、1対のP型ベ
ース領域13が、さらに、このP型ベース領域13中に
は、Nソース領域14が通常の不純物拡散法により形
成されている。
【0003】このドレイン領域が形成された半導体層2
の表面には、薄いゲ−ト酸化膜15を介してポリシリコ
ンゲ−ト16が設けられている。ソース領域14とベー
ス領域13とをこの半導体層2の表面で短絡するように
金属ソース電極17が設けられ、ポリシリコンゲ−ト1
6に接続して金属ゲ−ト電極18が形成され、Pアノ
ード領域11に接続して、半導体基板1の第2の主面上
に金属アノード電極19が設けられている。また、P
アノード領域11とNドレイン領域12の間にN
ッファ層を設けた構造も一般に使われている。これは、
アノ−ド領域からの正孔の流入を抑えると共に半導体層
2の表面から拡がる空乏層を抑える事もでき、このバッ
ファ層によってNドレイン領域12は薄くすることが
できる。
【0004】次に、NチャネルIGBTの一般的な製造
方法について説明すると、P半導体基板1にNドレ
イン領域12(または、Nバッファ層に続いてN
レイン領域12)気相成長させて、P−N(また
は、P−N−N)ウェ−ハを形成する。その後前
述したように、Nドレイン領域12中にP型ベース領
域を選択的に形成し、このP型ベース領域中に2つのN
型ソース領域14を形成していわゆる2重拡散型にす
る。前記P型ベース領域13及びN型ソース領域14
は、その端部をNドレイン領域12の表面に露出する
が、各端部は、絶縁膜22で被覆され、この絶縁膜22
内の各ベース領域13間の領域上にゲ−ト酸化膜15を
介してポリシリコンゲ−ト16を形成する。このポリシ
リコンゲ−ト16上の絶縁膜22を部分的に除去してで
きる前記ポリシリコンゲ−ト16の露出部にアルミニウ
ムなどを堆積して金属ゲ−ト電極18を形成する。ま
た、選択的に被覆した前記絶縁膜22間に露出した前記
P型ベース領域13及びN型ソース領域14には、金属
ソース電極17が形成される。アノ−ド領域11となる
半導体基板1の第2の主面には、金属アノード電極
9が形成される。
【0005】このように形成した半導体装置は、ソース
電極17を接地し、アノード電極19に正電圧が印加さ
れた状態で、ゲ−ト16を負電位に保てば、半導体装置
は、阻止状態になる。ゲ−ト16に正電圧を印加すれ
ば、一般のMOSFETと同様にPベース領域13の表
面に反転チャネル領域が形成され、ソース領域14から
チャネルを通してドレイン領域12の表面部分に電子が
流入し、電子の蓄積層が形成される。電子はさらにソー
ス−アノード間に印加されている電圧によってドレイン
領域12中をアノード電極19側へ走行していき、P
アノード領域11とNドレイン領域12もしくはN
バッファ層の間を順バイアス状態に至らしめる。これに
よりPアノード領域11からNドレイン領域12へ
正孔の注入が生じ、Nドレイン領域12中の伝導度が
変調されると共に素子は通電状態となる。この状態でゲ
−ト電極18を零もしくは負電位に戻せばチャネルが閉
じ、該素子は再び阻止状態に戻る。
【0006】一般のMOSFETではドレイン領域に電
子しか注入されないため、このドレイン領域の濃度が低
い場合や、ドレイン領域が厚い場合には、ドレイン領域
が電子の流れにとって、極めて大きい抵抗となり、これ
がMOSFETのオン抵抗最大成分であった。一方、I
GBTでは、前記ドレイン領域が伝導度変調を受けるの
でその抵抗成分は極めて小さくなり、このドレイン領域
の濃度が低くかつこの領域が厚い場合でもオン抵抗の小
さい半導体装置となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前記IGBTはアノー
ド領域からドレイン領域中に注入した少数キャリア(正
孔)の一部は過剰少数キャリアとしてドレイン領域中に
蓄積されてしまう。従って、このIGBTをオフするた
めにゲート印加電圧を零にしてチャネルを閉じて電子の
流れを止めても蓄積された少数キャリア(正孔)が排出
されるまで、このIGBTはオフ状態にならない。さら
に、このIGBTではオフ時にドレイン領域に存在する
電子がアノード領域を通過する際にアノード領域から新
たな正孔の注入を誘起し、結果的にはターンオフ時間が
極めて長くなる。そのため、IGBTでは一般的なMO
SFETと比べて約10倍の電流を流すことができる
が、ターンオフ時間は、逆に10倍以上長くなる欠点を
持っている。このようなIGBTをインバータ等のスイ
ッチング用途へ応用する場合、長いターンオフ時間は、
スイッチング周波数を高められないためその応用範囲が
極めて限られてくる。
【0008】前記IGBTのターンオフ時間を改善する
方法としてキャリアライフタイムを短くする手法が提案
されている。例えばAu、Pt等の重金属拡散法、もし
くは中性子線、ガンマ線、電子線などの放射線などを照
射する方法を使用してキャリアライフタイムを小さくで
きる。しかし、ターンオフ時間は改善されるが、同時に
伝導度変調度合いをも低下させる結果となり、このIG
BTの最大の利点である低オン抵抗特性が悪化する。ま
た、別の方法としてアノードからの正孔注入を抑えるた
め、Pアノード領域の不純物濃度を下げたり、N
ッファ層の不純物濃度を上げるなどの手法も考えられ
る。しかし、Pアノード領域の不純物濃度を下げると
金属電極との接続抵抗が大きくなり、ばらつきも大きく
なるため、この抵抗が素子のオン抵抗を悪化させてしま
う。
【0009】また、Nバッファ層については、現状の
気相成長法では不純物濃度を上げると制御性が下がり、
安定したバッファ層が形成されない。すなわち、IGB
T製造工程での熱履歴でNドレイン層に拡散し、最終
的には不純物濃度が下がり、バッファ層が厚くなって期
待される効果は得られなくなる。さらに、1200V以
上の高耐圧になると非常に低不純物濃度(約5×1013
/cm-3)で厚い(100μm以上)Nドレイン領域
が必要となり、現状の気相成長法では安定的に製造する
ことは難しい。この様に、Nドレイン領域がまた、低
濃度のN半導体基板の一方の主面に、二重拡散型DM
OS構造を形成し、もう一方の主面に、Pアノード領
域をイオン注入で形成する構造が、特開平2−7569
号公報に開示されているが、このような構造ではP
ノード領域が1μm程度の非常に浅い接合になるため、
表面状態の影響を受け易くなり、安定した素子特性を得
ることができない。本発明は、オン電圧とタ−ンオフ時
間のトレ−ドオフを改善でき安定した素子特性が得られ
る新規なアノ−ド構造を有する高耐圧半導体装置を提供
する事を目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】低不純物濃度のドレイン
領域上の低不純物濃度のアノ−ド領域上に高不純物濃度
の多結晶シリコン層を成長させ、これを高不純物濃度の
アノ−ド領域とすることを特徴としている。すなわち、
本発明の伝導変調型半導体装置は、半導体基板と、前記
半導体基板に形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記ドレイン領域内に形成され、前記半導体基板の第1
の主面に露出している第2導電型のベ−ス領域と、前記
ベ−ス領域内に形成され、前記半導体基板の前記第1の
主面に露出している第1導電型のソ−ス領域と、前記半
導体基板の前記第1の主面上に前記ソ−ス領域と前記ド
レイン領域に跨がり、前記ベ−ス領域上に形成されたゲ
−ト絶縁膜と、前記ゲ−ト絶縁膜上に形成されたゲ−ト
と、前記ソ−ス領域及び前記ベ−ス領域上に跨がって形
成され、このソ−ス領域とベ−ス領域とを短絡するソ−
ス電極と、前記半導体基板の第2の主面に露出し、前記
ドレイン領域内に形成された複数の領域からなる第2導
電型の低不純物濃度アノ−ド領域と、前記低不純物濃度
アノ−ド領域上に形成された高不純物濃度の多結晶シリ
コンからなる第2導電型の高不純物濃度アノ−ド領域
と、前記高不純物濃度アノ−ド領域上に形成されたアノ
−ド電極とを備えていることを特徴としている。
【0011】前記ドレイン領域と前記低不純物濃度アノ
−ド領域の間には、第1導電型のバッファ層を形成する
ことができる。前記低不純物濃度アノ−ド領域の不純物
濃度は、1×1016〜1×1018cm-3の範囲にするこ
とが適当である。
【0012】また、伝導度変調型半導体装置は、前記低
不純物濃度アノ−ド領域の不純物濃度を下げることによ
って、そのタ−ンオフタイムを短くし、この不純物濃度
を上げることによってそのオン電圧を下げるようにして
も良い。また、前記低不純物濃度アノ−ド領域の前記高
不純物濃度アノ−ド領域に対する面積比を大きくする事
によって、そのタ−ンオフタイムを短くし、この面積比
を小さくすることによってそのオン電圧を下げるように
しても良い。本発明の伝導度変調型半導体装置の製造方
法は、第1導電型のドレイン領域となる半導体基板内
に、この半導体基板の第1の主面に露出している第2導
電型のベ−ス領域を形成する工程と、前記ベ−ス領域内
に、前記半導体基板の第1の主面に露出している第1導
電型のソ−ス領域を形成する工程と、前記半導体基板の
第1の主面上に、前記ソ−ス領域と前記ドレイン領域に
跨がり、前記ベ−ス領域の上にゲ−ト絶縁膜を形成する
工程と、前記ゲ−ト領域の上に、前記ソ−ス領域と前記
ドレイン領域に跨がり、前記ベ−ス領域の上にゲ−トを
形成する工程と、前記半導体基板の第2の主面に第2導
電型の低不純物濃度アノ−ド領域を気相成長により形成
する工程と、前記低不純物濃度アノ−ド領域の上に多結
晶シリコンからなる高不純物濃度アノ−ド領域を形成す
る工程とを備えていることを第1の特徴としている。
【0013】また、第1導電型のドレイン領域となる半
導体基板内にこの半導体基板の第1の主面に露出してい
る第2導電型のベ−ス領域を形成する工程と、前記ベ−
ス領域内に前記半導体基板の第1の主面に露出している
第1導電型のソ−ス領域を形成する工程と、前記半導体
基板の第1の主面上に、前記ソ−ス領域と前記ドレイン
領域に跨がり、前記ベ−ス領域の上にゲ−ト絶縁膜を形
成する工程と、前記ゲ−ト領域の上に、前記ソ−ス領域
と前記ドレイン領域に跨がり、前記ベ−ス領域の上にゲ
−トを形成する工程と、前記半導体基板の第2の主面に
不純物を拡散して、前記ドレイン領域上に第2導電型の
低不純物濃度アノ−ド領域を形成する工程と、前記低不
純物濃度アノ−ド領域の上に多結晶シリコンからなる高
不純物濃度アノ−ド領域を形成する工程とを備えている
ことを第2の特徴としている。
【0014】
【作用】IGBTが形成されたウェーハの一方の主面の
低不純物濃度アノード領域上に高濃度の不純物をドーピ
ングした多結晶シリコンの高不純物濃度アノード領域を
形成することにより、アノード領域からドレイン領域へ
の正孔の注入量を適正化し、ライフタイムコントロール
が不要で、かつ、金属アノ−ド電極との接合抵抗が小さ
く、低オン電圧と高速スイッチング特性のトレードオフ
を改善する。
【0015】
【実施例】図1乃至図4を参照して本発明の第1の実施
例のNチャネル型IGBTを説明する。図1は、IGB
Tの1素子を示す断面図であり、図2及び図3は、その
製造工程断面図、図4は、その平面図である。ウェーハ
は、Nシリコン半導体基板1からなるNドレイン領
域12と気相成長法により形成した半導体層2からなる
アノ−ド領域11とから構成されている。ウェーハ
の厚さは、250〜300μm程度であり、そのうち、
アノ−ド領域11は約10μm以下の厚さがある。
ドレイン領域12中には、前記半導体基板1の第1
の主面(ウェーハの第1の主面でもある)に隣接して1
対のP型ベ−ス領域13が形成され、さらに、このP型
ベ−ス領域13中には、やはり前記第1の主面に隣接し
てNソ−ス領域14が、周知の不純物拡散領域により
形成されている。この第1の主面上には、薄いゲ−ト酸
化膜15を介して多結晶シリコンのゲ−ト16が配設さ
れている。この多結晶シリコンゲ−ト16は、1対のソ
−ス領域14とベ−ス領域13との間を跨ぐように配置
されている。多結晶シリコンゲ−ト16に接続して金属
ゲ−ト電極18が形成され、ソ−ス領域14とベ−ス領
域13とを短絡するように金属ソ−ス電極17が前記第
1の主面上に設けられている。
【0016】前記第1の主面上のゲ−ト酸化膜15は、
SiO2 などの絶縁膜22によって被覆されている。一
方、半導体基板1の第2の主面上には、不純物濃度が1
×1016〜1×1018cm-3程度のPアノ−ド領域1
1の気相成長層が形成されている。そして、この気相成
長層の表面に本発明の特徴であるP型不純物が高濃度に
ド−プされた多結晶シリコンのPアノ−ド領域21が
形成されている。このPアノ−ド領域21の不純物濃
度は、大体1×1018〜1×1020cm-3の範囲にあ
り、その厚さは、1μm程度以下で良く、0.1〜1.
0μm程度が最も適当である。Nドレイン領域12の
不純物濃度は、1×1013〜1×1014cm-3程度であ
る。Pアノ−ド領域21の上にアルミニウムなどの金
属アノ−ド電極19が形成される。このように、P型ア
ノ−ド領域11の不純物濃度を可能な限り低くしてお
き、その表面に高不純物濃度の多結晶シリコン層からな
るPアノ−ド領域21を形成することにより、金属ア
ノ−ド電極19とのコンタクトを良好にすることができ
る。また結晶性がないので正孔(ホ−ル)の発生が少な
く、したがって、Nドレイン領域12への正孔供給が
過剰になることはない。さらに、多結晶シリコンは、不
純物を高濃度にド−プすることができるので、オン抵抗
を小さくするなどその特性を自由に調整をすることがで
きる。すなわち、単結晶シリコンと金属電極との間に多
結晶シリコンの低ライフタイム層を形成した結果、アノ
ード層である多結晶シリコン領域の不純物濃度を高くし
ても、N型ドレイン領域への少数キャリアの注入量は低
濃度アノード領域の不純物濃度で殆ど決まってしまうの
で、スイッチング特性への影響が少なくなる。つまり、
スイッチング特性とオン電圧のトレードオフを改善する
ことができる。
【0017】Nドレイン領域12のキャリアライフタ
イムが長いままでも、正孔の注入量を少なく抑えられる
ために良好な高速スイッチング特性が得られる。N
レイン領域12でのキャリアライフタイムが長く、再結
合中心が少ないためにPアノ−ド領域11から注入さ
れた正孔は効率良く導電度変調に寄与するためにオン電
圧も低くなり、低オン電圧特性と高速スイッチング特性
を兼ね備えたIGBTを提供する事ができる。図4は、
図1の電極部分を省略した平面図(この図のE−E′部
の断面が図1である)であるが、前記IGBTを構成す
る複数の素子が形成されたウェーハの一部が示されてい
る。ウェーハは、このIGBTが形成されたチップ毎に
分離切断されて製品化される。このチップを適宜組合わ
せて、例えば、インバ−タを形成する。図の点線で示さ
れる範囲Dは、このこれら素子の1素子分を表わしてい
る。すなわち、1つのゲ−ト16に2つの素子が形成さ
れている。複数のゲ−ト16は、1つに接続され、その
接続配線は、絶縁膜を介して半導体基板1の上に形成さ
れ、ベ−ス領域13とソ−ス領域14とを短絡して形成
された金属ソ−ス電極も、図示はしないが、各素子に共
通に絶縁膜を介して半導体基板1の上に形成されてい
る。
【0018】このソ−ス電極は、これら素子の上に絶縁
膜を介して形成されている。ソ−ス電極は、素子部の大
半を占め、前記接続配線は、全ゲ−トの内の幾つかのゲ
−トをまとめ、これを1つの配線とし、これらを幾つか
形成してなるので、この接続配線が素子部上に占める割
合は、前記ソ−ス電極よりかなり小さい。ついで、図2
及び図3を参照して第1の実施例の製造方法を説明す
る。まず、リン等のN型不純物をドープしたNシリコ
ン半導体基板1の第2の主面4に1×1016〜1×10
18cm-3程度の比較的低濃度のボロンをドーピングした
アノード領域11となる半導体層2を気相成長法に
より約10μm堆積する。次にNドレイン領域12と
なる半導体基板1の厚さを調整するために、半導体基板
1の第1の主面3を鏡面研磨して半導体基板1と気相成
長法による半導体層2とから構成されるウェ−ハを形成
する。その後、前記第1の主面3のNドレイン領域1
2上全面にシリコン酸化膜15を形成し、この酸化膜1
5上に多結晶シリコン膜16を形成する。これらの酸化
膜15、多結晶シリコン膜16をパターニングして、ゲ
ート酸化膜15、ゲ−ト16を形成し、このゲ−ト16
をマスクにして、ボロン等のP型不純物を、例えは、イ
オン注入法によりド−プし、拡散することによって前記
第1の主面に露出するP型ベース領域13を選択的に形
成する。
【0019】ベ−ス領域13は、ゲ−ト16の両端に向
い合うように1対形成され、その間の領域の上にゲ−ト
16が配置されることになる。さらに、P型ベース領域
13内にゲ−ト16や選択的に形成した、例えば、レジ
ストや熱酸化膜などの絶縁膜をマスクにして砒素、リン
等のN型不純物を、例えば、イオン注入によってド−プ
し、拡散して前記第1の主面に露出するN型ソース領域
14を形成する。このN型ソ−ス領域14は、ゲ−ト1
6の両端に向い合うように前記ベ−ス領域内に1対形成
され、その間の領域の上にゲ−ト16が配置されること
になる。次に、半導体基板1の第1の主面3の全面及び
第2の主面4上に形成された半導体層2の露出面の全面
に、例えば、シリコン酸化膜などからなる絶縁膜22、
23を形成する。その後、半導体層2のP型アノード領
域11側の絶縁膜23を除去し、ボロン等のP型不純物
を1×1018〜1×1020cm-3程度にドーピングした
多結晶シリコンからなるPアノード領域21を低濃度
のPアノード領域11上に気相成長法などにより形成
する。次に、反対側の前記第1の主面の絶縁膜22を選
択的に除去して、P型ベ−ス領域13、N型ソ−ス領域
14、ゲ−ト16を部分的に露出する。そして、Al等
の金属を全面に形成した後パターニングし、ゲート電極
18及びソ−ス電極17を形成する。
【0020】また、アノード領域側にはAu等の金属膜
を形成し、これをアノード電極19とする。この後、所
定の大きさに分離切断されてチップが完成する。このチ
ップには、前述した素子が複数形成されているものであ
り、同じ形状の素子が繰り返し形成されている。図1に
は、4素子が形成されている。多数の素子を同時に形成
するには、図4に示すように、Nドレイン領域11
に、複数のP型ベ−ス領域13を形成する。ついで、各
P型ベ−ス領域13には、それぞれ1対のNソ−ス領
域14が形成される。そして、隣接する2つのベ−ス領
域13間の領域上にゲ−ト16を形成する。ゲ−ト16
は、この領域は勿論、前記隣接する2つのベ−ス領域1
3の互いに向い合う端部やこの2つのベ−ス領域のそれ
ぞれに形成されたソ−ス領域14の互いに向い合う端部
を被覆している。ゲ−ト16は、全ての隣接するベ−ス
領域13間の上に形成しているが、各ゲ−ト16は、他
の領域へ延在しており、そこで1つに結合している。
【0021】以上のように、従来は、ドレイン領域を気
相成長で形成していたので、現在の気相成長法では量産
が不可能なほど低い不純物濃度であり、また、厚くもあ
るドレイン領域を有する高耐圧IGBTを形成すること
は不可能であった。本発明では、この実施例で説明した
ように、ドレイン領域をシリコン単結晶より切り出した
半導体基板で形成するので、不純物濃度や各領域の厚さ
を自由に設計でき、1700Vに達する高耐圧のものが
得られる。さらに、ウェ−ハコストも気相成長法では成
長させる厚さに比例して上昇するが、本発明では、あま
り厚くする必要のないアノ−ド領域に気相成長法を適用
するために、例えば、ドレイン領域に100μm程度の
厚さが必要な1200V系では、従来に比べて2分の1
以下のコストで実現できる。
【0022】次に、図5及び図6を参照して第2の実施
例を説明する。図5は、この実施例の製造工程断面図で
あり、図6は、その完成された断面図である。ウェーハ
は、Nシリコン半導体基板1からなるNドレイン領
域12と気相成長法により形成した半導体層2からなる
アノ−ド領域11とから構成されている。Pアノ
−ド領域11は、複数の島状に形成されている。P
ノ−ド領域11は約10μm以下の厚さがある。N
レイン領域12中には、前記半導体基板1の第1の主面
に隣接して1対のP型ベ−ス領域13が形成されさら
に、このP型ベ−ス領域13中には、やはり前記第1の
主面に隣接してNソ−ス領域14が形成されている。
この第1の主面上には、薄いゲ−ト酸化膜15を介して
多結晶シリコンのゲ−ト16が配設されている。この多
結晶シリコンゲ−ト16は、1対のN型ソ−ス領域14
とP型ベ−ス領域13との間を跨ぐように配置されてい
る。多結晶シリコンゲ−ト16に接続して金属ゲ−ト電
極18が形成され、N型ソ−ス領域14とP型ベ−ス領
域13とを短絡するように金属ソ−ス電極17が前記第
1の主面上に設けられている。前記第1の主面上のゲ−
ト酸化膜15は、絶縁膜22によって被覆されている。
アノ−ド領域11及びNドレイン領域12の表面
に、本発明の特徴であるP型不純物が高濃度にド−プさ
れた多結晶シリコンのPアノ−ド領域21が形成され
ている。
【0023】前述のように、P型アノ−ド領域11は、
島状に形成されているので、Nドレイン領域12は、
部分的にPアノ−ド領域21に接している。Pアノ
−ド領域21の上にアルミニウムなどの金属アノ−ド電
極19が形成される。このように、島状に形成されたP
アノ−ド領域11の不純物濃度を可能な限り低くして
おき、その表面に高不純物濃度の多結晶シリコン層から
なるPアノ−ド領域21を形成することにより、金属
アノ−ド電極19とのコンタクトを良好にすることがで
きる。この実施例のようにPアノ−ド領域11が島状
に形成されている場合は、不純物量が少ないので、正孔
の供給量は少なくすることができ、この領域の形状を変
えることによって正孔の供給量を調整することができ
る。
【0024】次に、第2の実施例の製造方法を説明す
る。まず、Nシリコン半導体基板1の第2の主面4
に、例えば、シリコン酸化膜などの絶縁膜23を形成
し、これをマスクパタ−ンを用いて選択的にエッチング
除去する。この選択的にエッチングされた絶縁膜23を
マスクとして、ボロンをイオン注入してP領域24を
島状に形成する。この島状部分を熱処理してこの注入さ
れたイオンを熱により拡散して約10μm厚のPアノ
−ド領域11を形成する。その後、第1の主面3のN
ドレイン領域12上全面にシリコン酸化膜15を形成
し、この酸化膜15上に多結晶シリコン膜16を形成す
る。これらの酸化膜15、多結晶シリコン膜16をパタ
ーニングしてゲート酸化膜15、ゲ−ト16を形成す
る。そして、ボロン等のP型不純物をNドレイン領域
12に拡散することによって前記第1の主面に露出する
P型ベース領域13を選択的に形成する。P型ベ−ス領
域13は、ゲ−ト16の両端に向い合うように1対形成
され、その間の領域の上にゲ−ト16が配置されること
になる。さらに、P型ベース領域13内に、砒素、リン
等のN型不純物をNドレイン領域12に拡散して前記
第1の主面に露出するN型ソース領域14を形成する。
【0025】このN型ソ−ス領域14は、ゲ−ト16の
両端に向い合うように前記P型ベ−ス領域内に1対形成
され、その間の領域の上にゲ−ト16が配置されること
になる。次に、半導体基板1の第1の主面の全面に絶縁
膜22を形成する。その後、アノード領域側の絶縁膜2
3を除去し、ボロン等のP型不純物を1×1018〜1×
1020cm-3程度にドーピングした多結晶シリコンから
なるPアノード領域21を気相成長法などにより形成
する。次に、反対側の前記第1の主面の絶縁膜22を選
択的に除去して、P型ベ−ス領域13、N型ソ−ス領域
14、ゲ−ト16を部分的に露出する。そして、Al等
の金属を全面に形成した後パターニングし、ゲート電極
18及びソ−ス電極17を形成する。また、アノード領
域側にはAu等のアノード電極19を形成する。この
後、所定の大きさに分離切断されてチップが完成する。
【0026】次に、図7を参照して第3の実施例を説明
する。この実施例は、IGBTの製造方法に特徴があ
る。まず、Nシリコン半導体基板1の第2の主面から
その内部に、例えば、ボロンをイオン注入し、約110
0℃で10時間程度熱拡散処理して、前記第2の主面か
らの深さが約10μmで不純物濃度が1×1016cm-3
程度のPアノ−ド領域11を形成する。他の領域は、
ドレイン領域12として用いられる。この第2の主
面の上に、さらに、約1μmの高濃度に不純物をド−プ
した多結晶シリコン膜を堆積し、これをPアノード領
域21とする。Nドレイン領域12には、半導体基板
1の第1の主面に隣接して、P型ベ−ス領域13及びN
ソ−ス領域14が形成されており、その第1の主面上
には、ゲ−ト酸化膜15を介して多結晶シリコンゲ−ト
16が形成されている。この実施例では、気相成長を利
用しないので、1200V以上の高耐圧IGBTを容易
にしかも安定的に製造することができる。前記Pアノ
ード領域21の上には、例えば、Auなどからなるアノ
ード電極19を形成する。
【0027】次ぎに、図8を参照して第4の実施例を説
明する。図は、半導体基板の断面図を示している。この
実施例では、Nシリコン半導体基板24とPシリコ
ン半導体基板25とを張合わせることによって、上はを
形成することに特徴がある。Nシリコン半導体基板2
4とPシリコン半導体基板25の向い合ういずれか1
つの面もしくは両方の面を鏡面研磨して鏡面を形成す
る。両半導体基板の鏡面同志を重ね合わせ、約1100
℃で約1時間熱処理して両者を接合する。この接合によ
り両者の結晶格子は、ほぼ一致する。N半導体基板2
4を約200〜250μmになるまで鏡面研磨してN
ドレイン領域12を形成し、続いて、P半導体基板2
5を鏡面研磨して厚さ10μm程度のPアノード領域
11を形成する。IGBTとしての他の構成要素は、前
述した実施例と同じである。気相成長法を用いないの
で、製造工程が簡単になる上、各領域の不純物濃度の調
整は容易になる。
【0028】次ぎに、図9を参照して第5の実施例を説
明する。図は、Nドレイン領域12と、Pアノード
領域11との間にNバッファ層20が形成されている
IGBTを部分的に示す断面図である。Nドレイン領
域12は、Nシリコン半導体基板1に形成されてい
る。そして、Nバッファ層20およびPアノード領
域11は、気相成長法により、順次Nドレイン領域1
2上に形成される。Nバッファ層20は、アノ−ド領
域からの正孔の流入を抑えると共にNドレイン領域1
2の表面から拡がる空乏層を抑えることができるので、
ドレイン領域12を薄くする事ができ、タ−ンオフ
時間が改善される。また、Pアノード領域11の不純
物濃度を多少上げても素子の特性には格別の変化は認め
られないので、製造上でも有利になる。このNバッフ
ァ層20は、この実施例では、気相成長法を用いたが、
他の方法でも形成することができる。例えば、Nシリ
コン半導体基板1のP型ベ−ス領域13やNソ−ス領
域14が形成されていない方の主面に不純物をイオン注
入し、その後、熱処理を行ってNバッファ層20を形
成する。
【0029】次ぎに、図10を参照して本発明における
アノード領域11の不純物濃度の影響に付いて説明
する。図は、図1に示すIGBT素子のPアノード領
域11の不純物濃度を変化させたときのオン電圧とタ−
ンオフタイムとの関係を示す特性図である。縦軸にゲ−
ト電圧が15Vの場合のオン電圧(V)をとり、横軸に
タ−ンオフタイム(μs)をとる。図のように、P
ノード領域11の不純物濃度を5×1015〜5×1018
cm-3の範囲で変化させる。この不純物濃度が下がると
タ−ンオフタイムは早くなるが、オン電圧は高くなる。
逆に不純物濃度が上がるとオン電圧は下がるが、タ−ン
オフタイムは長くなってしまう。通常のインバ−タの使
用周波数は、数k〜数10kHzであり、素子の発熱を
抑えるために、タ−ンオフタイムは、1μs以下である
ことが求められる。オン電圧も4V以下が望ましい。し
たがって、Pアノード領域11の不純物濃度は、1×
1016〜1×1017cm-3程度が適当である。この範囲
で不純物濃度を適宜変えることによりオン電圧とタ−ン
オフタイムをコントロ−ルすることができる。
【0030】次ぎに、図11を参照して本発明における
アノード領域21の影響について説明する。図は、
図1及び図6に示すIGBT素子のPアノード領域2
1とPアノード領域11との面積比を変化させたとき
のオン電圧とタ−ンオフタイムとの関係を示す特性図で
ある。ここで、Pアノ−ド領域21は、全く形成しな
いか、もしくは、チップ全面に形成している。縦軸にゲ
−ト電圧が15Vの場合のオン電圧(V)をとり、横軸
にタ−ンオフタイム(μs)をとる。図において、本発
明の特性曲線中のA点は、Pアノード領域21が無く
アノード領域11がNドレイン領域全面に形成さ
れている場合、すなわち、Pアノード領域/Pアノ
ード領域の面積比が0/1の場合、B点は、Pアノー
ド領域21とPアノード領域11との面積比が等しい
場合(1/1)、すなわち両アノード領域11、21が
ドレイン領域12全面に積層している場合、そして
C点は、Pアノード領域11が無い場合、すなわち、
アノード領域21/Pアノード領域11の面積比
が1/0で、Pアノード領域21がNドレイン領域
全面に形成されている場合の特性をそれぞれ示してい
る。
【0031】このときのPアノード領域11の不純物
濃度は、約5×1016cm-3に一定にしている。P
ノード領域21が少ないと、オン電圧は高くなり、特性
のばらつきも大きくなる。逆にPアノード領域のみに
なると、オン電圧は、低くなるが、タ−ンオフタイム
は、長くなって、高周波対応ができなくなる0.4μs
程度になる。したがって、オン電圧が低く、タ−ンオフ
タイムを0.4μsより短くするには、Pアノード領
域21/Pアノード領域11の面積比を大体1/1よ
り小さくすれば良い。以上、前述の実施例では、Nチャ
ネルIGBTについて説明したが、本発明では、Pチャ
ネルIGBTを用いることもできる。ウェーハのコスト
は、気相成長法で成長させる厚さに比例して上昇する
が、本発明では、あまり気相成長法による半導体層を厚
くする必要がないために、100μmの厚さが必要な1
200V系では2分の1以下のコストで実現する。本発
明に用いるアノード電極19の材料は、Ti、Al、A
u、Pt、W、Moなどを用いる。Alなどを電極に用
いる場合は、電極を熱処理して安定化する必要がある。
また、ゲ−ト材料は、多結晶シリコンに限らず、シリサ
イドでも良いし、ポリサイドでも良い。
【0032】
【発明の効果】本発明は、低不純物濃度アノード領域の
濃度を低くし、表面に不純物を高濃度にド−プした多結
晶シリコンの高不純物濃度アノード領域を形成すること
で、金属アノード電極との良好な接合を得ることができ
る。また、低不純物濃度ドレイン領域のキャリアライフ
タイムが長いままでも、前記多結晶シリコンからの正孔
の注入は殆ど起こらないため、正孔の注入量は少なく抑
えられ、良好な高速スイッチング特性を得られる。さら
に、低不純物濃度ドレイン領域のキャリアライフタイム
が長く、再結合中心が少ないため、アノード領域から注
入された正孔は効率よく、伝導度変調に寄与するため
に、オン電圧も低くなり、低オン電圧特性と高速スイッ
チング特性を兼ね備えたIGBTを提供することができ
る。また、現状の気相成長法では量産不可能な低濃度で
厚いドレイン領域が必要な高耐圧のIGBTについて
は、ドレイン領域をシリコン単結晶より切り出したウェ
ーハで形成するため、濃度や厚さが自由に設計でき、さ
らに、製造が容易であり、その結果低コストでIGBT
が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例のIGBTの断面図。
【図2】第1の実施例のIGBTの製造工程断面図。
【図3】第1の実施例のIGBTの製造工程断面図。
【図4】第1の実施例のIGBTの平面図。
【図5】第2の実施例のIGBTの製造工程断面図。
【図6】第2の実施例のIGBTの断面図。
【図7】第3の実施例のIGBTの断面図。
【図8】第4の実施例のIGBTの製造工程断面図。
【図9】第5の実施例のIGBTの断面図。
【図10】本発明のIGBTのオン電圧とスイッチング
タイムのPアノード領域の不純物濃度を変化させたと
きのトレードオフ曲線と従来例のIGBTのオン電圧と
スイッチングタイムのトレードオフ曲線を示す特性図。
【図11】本発明のIGBTのPアノード領域を部分
的に形成した場合にその面積を変化させたときのオン電
圧とスイッチングタイムのトレードオフ曲線及び従来例
のIGBTのオン電圧とスイッチングタイムのトレード
オフ曲線を示す特性図。
【図12】従来例のIGBTの断面図。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 半導体層 3 半導体基板の第1の主面 4 半導体基板の第2の主面 11 Pアノード領域 12 Nドレイン領域 13 P型ベース領域 14 Nソース領域 15 ゲート酸化膜 16 多結晶シリコンゲ−ト 17 金属ソース電極 18 金属ゲート電極 19 金属アノード電極 20 Nバッファ層 21 多結晶シリコンPアノード領域 22、23 絶縁膜 24 N半導体基板 25 P半導体基板

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、前記半導体基板に形成さ
    れた第1導電型のドレイン領域と、前記ドレイン領域内
    に形成され、前記半導体基板の第1の主面に露出してい
    る第2導電型のベ−ス領域と、前記ベ−ス領域内に形成
    され、前記半導体基板の前記第1の主面に露出している
    第1導電型のソ−ス領域と、前記半導体基板の前記第1
    の主面上に前記ソ−ス領域と前記ドレイン領域に跨が
    り、前記ベ−ス領域上に形成されたゲ−ト絶縁膜と、前
    記ゲ−ト絶縁膜の上に形成されたゲ−トと、前記ソ−ス
    領域及び前記ベ−ス領域上に跨がって形成され、このソ
    −ス領域とベ−ス領域とを短絡するソ−ス電極と、前記
    半導体基板の第2の主面に露出し、前記ドレイン領域内
    に形成された複数の領域からなる第2導電型の低不純物
    濃度アノ−ド領域と、前記低不純物濃度アノ−ド領域上
    に形成された多結晶シリコンからなる第2導電型の高不
    純物濃度アノ−ド領域と、前記高不純物濃度アノ−ド領
    域上に形成されたアノ−ド電極とを備えていることを特
    徴とする伝導度変調型半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記ドレイン領域と前記低不純物濃度ア
    ノ−ド領域の間には第1導電型のバッファ層が形成され
    ていることを特徴とする請求項1に記載の伝導度変調型
    半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記低不純物濃度アノ−ド領域の不純物
    濃度は、1×1016〜1×1018cm-3の範囲にあるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の伝導度変調型半導体装
    置。
  4. 【請求項4】 前記第2導電型の低不純物濃度アノード
    領域は、第2導電型の半導体基板からなることを特徴と
    する請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の伝導度変
    調型半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記第2導電型の高不純物濃度アノード
    領域の膜厚は、0.1〜1.0μmであることを特徴と
    する請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の伝導度変
    調型半導体装置。
  6. 【請求項6】 第1導電型のドレイン領域となる半導体
    基板内に、この半導体基板の第1の主面に露出している
    第2導電型のベ−ス領域を形成する工程と、前記ベ−ス
    領域内に、前記半導体基板の第1の主面に露出している
    第1導電型のソ−ス領域を形成する工程と、前記半導体
    基板の第1の主面上において、前記ソ−ス領域と前記ド
    レイン領域に跨がり、且つ前記ベ−ス領域の上にゲ−ト
    絶縁膜を形成する工程と、前記ソ−ス領域と前記ドレイ
    ン領域に跨がり、前記ベ−ス領域上に、前記ゲ−ト絶縁
    膜を介してゲ−トを形成する工程と、前記半導体基板の
    第2の主面に第2導電型の低不純物濃度アノ−ド領域を
    気相成長により形成する工程と、前記低不純物濃度アノ
    −ド領域上に多結晶シリコンからなる高不純物濃度アノ
    −ド領域を形成する工程とを備えていることを特徴とす
    る伝導度変調型半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 第1導電型のドレイン領域となる半導体
    基板内に、この半導体基板の第1の主面に露出している
    第2導電型のベ−ス領域を形成する工程と、前記ベ−ス
    領域内に、前記半導体基板の第1の主面に露出している
    第1導電型のソ−ス領域を形成する工程と、前記半導体
    基板の第1の主面上において、前記ソ−ス領域と前記ド
    レイン領域に跨がり、前記ベ−ス領域上にゲ−ト絶縁膜
    を形成する工程と、前記ソ−ス領域と前記ドレイン領域
    に跨がり、前記ベ−ス領域上に、前記ゲ−ト絶縁膜を介
    してゲ−トを形成する工程と、前記半導体基板の第2の
    主面に不純物を拡散して、前記ドレイン領域上に第2導
    電型の低不純物濃度アノ−ド領域を形成する工程と、前
    記低不純物濃度アノ−ド領域の上に多結晶シリコンから
    なる高不純物濃度アノ−ド領域を形成する工程とを備え
    ていることを特徴とする伝導度変調型半導体装置の製造
    方法。
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