JP3209091B2 - 絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えた半導体装置 - Google Patents

絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えた半導体装置

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JP3209091B2 JP13680196A JP13680196A JP3209091B2 JP 3209091 B2 JP3209091 B2 JP 3209091B2 JP 13680196 A JP13680196 A JP 13680196A JP 13680196 A JP13680196 A JP 13680196A JP 3209091 B2 JP3209091 B2 JP 3209091B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁ゲートバイポ
ーラトランジスタ(IGBT)を備えた半導体装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】大電流容量及び低飽和電圧(低オン電
圧)のスイッチング半導体装置として、伝導度変調型ト
ランジスタとも称される絶縁ゲートバイポーラトランジ
スタ(IGBT)が知られている。従来、このpnp型
のIGBTの半導体構造は、図16に示すように、裏面
にコレクタ電極1が接続されたp+ 型のコレクタ層(少
数キャリア注入層)2と、このコレクタ層2の上に積層
されたn+ 型のバッファ層3と、バッファ層3の上にエ
ピタキシャル成長により形成されたn- 型の伝導度変調
層(nベース)4と、この伝導度変調層4の表面にゲー
ト絶縁膜5を介して形成されたポリシリコン製のゲート
電極6と、このゲート電極6をマスクとして用いてセル
フアライン法により伝導度変調層4の表面にウェル状に
形成されたp型のエミッタ層(pベース)7と、エミッ
タ層7の上に形成されたアルミニウム製のエミッタ電極
8を用いて導入形成されたウェル状のn+ 型のソース層
9とを有している。
【0003】このような縦型DMOS構造のIGBTに
おいては、エミッタ電極8に対し正の電位がゲート電極
6に印加されると、ゲート電極6の直下のチャネル拡散
層(バックゲート)としてのp型のエミッタ層7の表面
に反転層のnチャネルが形成され、このチャネルを介し
てエミッタ電極8,ソース層9から電子(n- 型の伝導
度変調層4の多数キャリア)が伝導度変調層4に注入さ
れる。これに呼応して、コレクタ層2から正孔(n-
の伝導度変調層4の少数キャリア)が伝導度変調層4に
注入されるため、伝導度変調層4の電気伝導度は急激に
上昇し、pnpトタンジスタがターンオンし、大電流が
流れて低オン電圧(低コレクタ・エミッタ間電圧)とな
る。
【0004】ところで、負荷短絡時等においては、エミ
ッタ層7のうちソース層9の真下部を介してエミッタ電
極8へ流れるホール電流IH が急増してソース層9の真
下部分の拡散抵抗(pベース抵抗)rB の電圧降下が増
大すると、p型のエミッタ層7とn+ 型のソース層9と
のpn接合が順バイアスされてしまい、寄生トランジス
タ(n- 型の伝導度変調層4,p型のエミッタ層7,n
+ 型のソース層9から成るnpn型トランジスタ)のラ
ッチアップが起こり易い。このため負荷短絡の破壊耐量
(ラッチアップ耐量)が低い。
【0005】ここに、ラッチアップ耐量を向上させるた
めには、上記寄生npn型トランジスタの電流増幅率h
FEを下げることが有効である。そのためには、p型のエ
ミッタ層7の不純物濃度を下げるか、又はn+ 型のソー
ス層9の不純物濃度を下げることが必要である。前者の
場合、却ってエミッタ層7内の拡散抵抗rB が高くなり
不都合である。後者の場合、ソース層9とエミッタ電極
8とのコンタクト抵抗がそのまま上昇してしまう。
【0006】そこで、負荷短絡時等でのラッチアップ耐
量を増大させる構造として、図17に示す構造が提案さ
れている。まず、図17(a)に示すIGBT構造は、
ゲート電極6のゲート幅(チャネル幅)方向に走るスト
ライプ状のソース層9にエミッタ電極8が直接接触して
いるのではなく、ソース層9から櫛歯状に延び出た複数
の分岐部9aにエミッタ電極8が導電接触しており、各
分岐部9aの狭窄部分には拡散抵抗rS が寄生してい
る。
【0007】このように、ソース層9とエミッタ電極8
との間に拡散抵抗rS が等価的に介在したIGBT半導
体構造では、負荷短絡時などにエミッタ層7のうちソー
ス層9の真下部を介してエミッタ電極8へ流れるホール
電流IH が急増して拡散抵抗rB の電圧降下が増大して
も、それと同時にソース層9を流れる電子電流IE の方
も急増して拡散抵抗rS の電圧降下も増大するようにな
っているため、両拡散抵抗の電圧降下の拮抗により、エ
ミッタ層7とソース層9のpn接合が順バイアスされ難
なり、寄生npn型トランジスタのラッチアップが起こ
り難くなる。このため、負荷短絡の破壊耐量が上がる。
【0008】他方、図17(b)に示すIGBT構造
は、ゲート電極6のゲート幅(チャネル幅)方向に離散
的に島状の複数のソース層9bを形成し、これらに跨が
るようにエミッタ電極8を形成した構造となっており、
部分チャネル形構造と称されている。この部分チャネル
形構造では、ゲート電極6直下のチャネルに対してソー
ス層9b間の間抜き箇所の部分だけエミッタ電極8と導
通がないので、結果的に図17(a)の構造と同様に、
ソース層9bとエミッタ電極8との間に拡散抵抗rS
寄生している。かかる構造でも、拡散抵抗の電圧降下の
拮抗により、負荷短絡の破壊耐量が向上する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図17
(a),(b)に示すIGBT構造にあっても、次のよ
うな問題点がある。
【0010】即ち、負荷短絡時等の過電圧期のみに着目
すれば、ソース層9の拡散抵抗rSによる電圧降下の急
増によりラッチアップ耐量を増やすには有効的であるも
のの、通常のオン状態(非過電圧期)では拡散抵抗rS
に電子電流が流れてその電圧降下が持続しているため、
当然のことながら、オン電圧(飽和コレクタ電圧)V
CE(sat) が高くなってしまい、オン損失が増大する。
【0011】そこで、上記問題点に鑑み、本発明の課題
は、半導体構造又は電気的特性を改善することにより、
ラッチアップ耐量が高く、常態時には低オン電圧で動作
する絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えた半導体
装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の基本的構造は、裏面にコレクタ電極が形成
された第1導電型のコレクタ層、このコレクタ層の上に
積層された第2導電型のバッファ層、このバッファ層の
上に形成された第2導電型の伝導度変調層、この伝導度
変調層の表面にウェル状に形成された第1導電型のエミ
ッタ層、このエミッタ層の表面でウェル端側に形成され
たウェル状の第2導電型のソース層、このソース層及び
上記伝導度変調層の上に跨がりゲート絶縁膜を介して形
成されたゲート電極、上記エミッタ層及び上記ソース層
の双方にオーミック接触するエミッタ電極を有する絶縁
ゲートバイポーラトランジスタを備えた半導体装置にお
いて、上記第2導電型のソース層が、上記エミッタ層の
ウェル端側に形成された第2導電型のソース領域と、こ
れに連続しており、上記エミッタ電極にオーミック接触
する高濃度で第2導電型のソース・コンタクト領域を有
して成る。
【0013】斯かる基本的構造においては、第2導電型
のソース層が濃度一様ではなく、高濃度のソース・コン
タクト領域領域と、それより低濃度のソース領域とから
成るため、負荷短絡時等においてラッチアップし易い寄
生トランジスタ(伝導度変調層,エミッタ層,ソース領
域から成るトランジスタ)の電流増幅率は、従来構造に
比して低い。このため、ラッチアップ耐量が向上し、負
荷短絡時の破壊耐量が高くなる。ソース領域には高濃度
のソース・コンタクト領域が付帯接続しているので、コ
ンタクト抵抗は高くならず、低オン電圧を維持でき、ま
たターンオン速度も遅くならない。
【0014】本発明は、上記の基本的構造において、上
記第1導電型のエミッタ層は、高濃度で第1導電型のウ
ェル状の主エミッタ領域と、この主エミッタ領域のウェ
ル端の表面側浅部の外側にウェル状に隣接した第1導電
型の外接エミッタ領域を有して成るため、エミッタ層が
MOS部のチャネル拡散層を構成する外接エミッタ領域
と、高濃度の主エミッタ領域とに濃度分けされている
、MOS部の閾値電圧の変動を招来せずに、主エミッ
タ領域の高濃度化によソース・コンタクト領域の真下
部分の拡散抵抗値が低減する。このため、ラッチアップ
が起こり難くなり、従前に比してラッチアップ耐量が向
上する。
【0015】特に本発明は、上記ソース領域と上記ソー
ス・コンタクト領域との接続部分に上記主エミッタ領域
から表面まで貫通した櫛歯状の第1導電型の膨出部を設
けた構造を採用している。膨出部間に挟まれた第2導電
型のソース領域の狭窄部には拡散抵抗が寄生することに
なるが、負荷短絡等の過電流時にエミッタ領域内の拡散
抵抗の電圧降下によって外接エミッタ領域の電位が上昇
しても、同時に、上記寄生抵抗による電圧降下によりソ
ース領域の電圧が上昇するので、ソース領域と外接エミ
ッタ領域とのpn接合が順バイアスされ難くなり、ラッ
チアップ耐量の増大を図ることができる。
【0016】そして、上記主エミッタ領域のウェル端の
表面側浅部の内側にウェル状に隣接しており、上記主エ
ミッタ領域の濃度より高濃度で第1導電型の内接エミッ
タ領域を設けても良い。かかる場合、高濃度の主エミッ
タ領域の外に更に高濃度の内接エミッタ領域が形成され
ているため、上記の拡散抵抗値がより一層低減する
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【発明の実施の形態】
〔第1の実施形態〕図1は本発明の第1の実施形態に係
るIGBT半導体構造を示す断面図である。
【0023】本例のIGBT半導体構造はpnp型であ
り、裏面にコレクタ電極1が接続されたp+ 型のコレク
タ層(少数キャリア注入層)2と、このコレクタ層2の
上に積層されたn+ 型のバッファ層3と、バッファ層3
の上にエピタキシャル成長により形成されたn- 型の伝
導度変調層(nベース)4と、この伝導度変調層4の表
面に形成されたp+ 型の深いウェル状の主エミッタ領域
(pベース)7aと、伝導度変調層4の表面にゲート絶
縁膜5を介して形成されたポリシリコン製のゲート電極
6と、主エミッタ層7aのウェル端の表面側浅部の外側
に隣接したp型の外接エミッタ領域7bと、外接エミッ
タ領域7bの表面に形成された浅いn型のソース領域9
Aと、主エミッタ層7aの表面でn型のソース領域9A
に接続して形成されたn+ 型のソース・コンタクト領域
9Bと、このソース・コンタクト領域9B及び主エミッ
タ領域7aの双方にオーミック接触したアルミニウム製
のエミッタ電極8とを有している。
【0024】つまり、図16に示すIGBTの従来構造
に対して、本例のIGBT構造の新規なところは、従来
のn+ 型ソース層9を、限定された規模のソース領域9
Aと、エミッタ電極8とオーミック接触する高濃度のソ
ース・コンタクト領域9Bに分割した点にある。
【0025】本例においては、ソース層9Aがn+ 型で
はなく、それより低濃度のn型となっているため、負荷
短絡時等においてラッチアップし易い寄生トランジスタ
(n- 型の伝導度変調層4,p型の外接エミッタ層7
b,n型のソース領域9Aから成るnpn型トランジス
タ)の電流増幅率hFEは、図16に示す従来構造に比し
て低い。このため、ラッチアップ耐量が向上し、負荷短
絡時の破壊耐量が高くなる。n型のソース領域9Aには
+ 型のソース・コンタクト領域9Bが付帯接続してい
るので、コンタクト抵抗は高くならず、低オン電圧を維
持でき、またターンオン速度も遅くならない。
【0026】更に、本例では、エミッタ層7がMOS部
のチャネル拡散層を構成するp型の外接エミッタ領域7
bと、p+ 型の主エミッタ領域7aとに濃度分けされて
いるため、MOS部の閾値電圧の変動を招来せずに、主
エミッタ領域7aの高濃度化により殊にソース・コンタ
クト層9Bの真下部分の拡散抵抗(pベース抵抗)rB
の値が低減している。このため、負荷短絡時のホール電
流IH による拡散抵抗rB の電圧降下が低減し、外接エ
ミッタ領域9bとソース領域9Aとのpn接合の順バイ
アスを抑制でき、ラッチアップが起こり難くなり、従前
に比してラッチアップ耐量が向上する。
【0027】次に、第1実施形態に係るIGBT半導体
構造の製造方法を説明する。
【0028】まず、図2(a)に示す如く、p+ 型のコ
レクタ層2の上にn+ 型のバッファ層3が積層された半
導体基板10を準備する。次に、そのn+ 型のバッファ
層3の上にエピタキシャル成長によりn- 型の伝導度変
調層(nベース)4を形成する。次に、初期酸化処理を
行い、n- 型の伝導度変調層4の表面を厚いシリコン酸
化膜11で覆う。
【0029】次に、図2(b)に示す如く、フォトリソ
グラフィーによりシリコン酸化膜11に主エミッタ領域
7aを形成するための開口11aの窓開けを行う。しか
る後、ボロンイオンB+ のイオン注入を行い、アクセプ
タをドープする。
【0030】次に、図2(c)に示す如く、ドライブイ
ンを行い、ウェル状のp+ 型の主エミッタ領域7aを拡
散形成する。そして、酸化処理を行い、開口11aを厚
いシリコン酸化膜11bで覆う。
【0031】次に、図2(d)に示す如く、フォトリソ
グラフィーにより主エミッタ領域7aの上のシリコン酸
化膜11bの中央部分をインプラ用マスク11cとして
残す。
【0032】次に、図2(e)に示す如く、ゲート酸化
処理を施してゲート絶縁膜5を成膜した後、フォトリソ
グラフィーにより隣接の主エミッタ領域7a,7a間の
上にポリシリコン製のゲート電極6を形成する。
【0033】次に、図3(a)に示す如く、シリコン酸
化膜11c及びゲート電極6をマスクとして用いたセル
フアラインにより、ボロンイオンB+ のイオン注入(チ
ャネル・ドーピング)を行い、アクセプタをドープす
る。しかる後、チャネルドライブを行い、p+ の主エミ
ッタ領域7aのウェル端の浅部にp型領域を拡散させて
重ね、そのはみ出し部分として外接エミッタ領域7bを
形成する。なお、p+ 型の主エミッタ領域7aのウェル
端浅部にp型領域が重なるため、主エミッタ領域7aの
内接エミッタ領域7cはp++型に近い高濃度領域とな
る。
【0034】次に、図3(b)に示す如く、シリコン酸
化膜11c及びゲート電極6をマスクとして用いたセル
フアラインにより、燐又は砒素のドナーを高濃度イオン
注入で施し、主エミッタ領域7a及び外接エミッタ領域
7bの表層に浅いn型ソース層9′を形成する。これに
より、外接エミッタ領域7bの表層にはn型ソース領域
9Aが形成されるが、主エミッタ領域7aの内接エミッ
タ領域7cの表層にはp+ 型領域9B′が形成される。
【0035】次に、図3(c)に示す如く、フォトリソ
グラフィーによりゲート絶縁膜6の上に層間絶縁膜とし
ての燐ガラス(PSG)層12及びエミッタ電極8のコ
ンタクト穴8aを形成する。コンタクト穴8aはちょう
どp+ 型領域9B′の上に開口される。しかる後、この
燐ガラス層12及びシリコン酸化膜11cをマスクとし
て再度燐又は砒素のドナーを高濃度イオン注入してコン
タクト孔8aに導入し、n型ソース領域9Aの内側領域
を高濃度化してn+ 型のソース・コンタクト層9Bを形
成する。燐ガラス層12直下はn型ソース領域9Aのま
ま残る。
【0036】次に、シリコン酸化膜11cをエッチング
除去した後、図3(d)に示す如く、アルミニウム製の
エミッタ電極8を形成する。なお、裏面のコレクタ電極
1も形成する。
【0037】このように本例のIGBT構造の製造方法
は、従来の工程に対して、層間絶縁膜の燐ガラス層12
をマスクとしてエミッタ電極8の形成前のコンタクト穴
8aにn型不純物をドーブする工程を追加するだけで、
ソース領域9Aを高濃度化せずに高濃度のソース・コン
タクト領域9Bを得ることができる。しかも、本製法で
は、p+ 型の主エミッタ領域7aの外に更に高濃度のp
+ の内接エミッタ領域7cを得ることができ,pベ
ース抵抗rB の低減が一層顕著となる。
【0038】〔第2の実施形態〕図4は本発明の第2の
実施形態に係るIGBT半導体構造を示す拡大斜視図、
図5は図4中のA−A′線に沿って切断した断面におい
て表面位置に対する表面濃度の関係を示すグラフであ
る。
【0039】本例のIGBT半導体構造は、第1の実施
形態と同様に、主エミッタ領域7aの表面の外側に隣接
された外接エミッタ領域7bと、その外接エミッタ領域
7bの表面に浅く形成されたn型ソース領域9Aと、内
接エミッタ領域7cの表面に浅く形成されたn+ 型ソー
ス・コンタクト領域9Bとを有している。そして、n型
ソース領域9Aとn+ 型ソース・コンタクト領域9Bと
の接続界面には表面までp+ 型の主エミッタ領域7aの
櫛歯状の膨出部7dが貫通している。従って、膨出部7
d間に挟まれたn型ソース領域9Aの狭窄部には拡散抵
抗rS が寄生している。n型ソース領域9Aはゲート絶
縁膜6直下で全幅方向に形成されているため、ゲート電
極6に正電位が印加されると、ゲート絶縁膜6直下では
全幅チャネルとなり、チャネル抵抗は第1の実施形態の
それと変わらない。
【0040】かかる構造では、負荷短絡等の過電流時に
ベース抵抗rB のホール電流による電圧降下によって外
接エミッタ領域7bの電位が上昇しても、同時に、電子
電流による拡散抵抗rS の電圧降下によりn型ソース層
9Aの電圧がエミッタ電極8の電圧に比して上昇するの
で、第1の実施形態に比して更に、n型ソース領域9A
とp型外接エミッタ領域7bとのpn接合が順バイアス
され難くなり、ラッチアップ耐量の増大を図ることがで
きる。ただ、非過電流期(常態オン時)では拡散抵抗r
S がオン抵抗として加わるため、第1の実施形態よりオ
ン抵抗がやや高い。
【0041】次に、第2の実施形態に係るIGBT半導
体構造の製造方法を説明する。
【0042】まず、第1の実施形態の製造方法と同様
に、図2(a)に示す如く、p+ 型のコレクタ層2の上
にn+ 型のバッファ層3が積層された半導体基板10を
準備し、そのn+ 型のバッファ層3の上にエピタキシャ
ル成長によりn- 型の伝導度変調層(nベース)4を形
成する。そして、初期酸化処理を行い、n- 型の伝導度
変調層4の表面を厚いシリコン酸化膜11で覆う。
【0043】次に、図6(a)に示す如く、フォトリソ
グラフィーによりシリコン酸化膜11に主エミッタ領域
7aを形成するための開口11dを窓開けたマスク11
eを形成する。この開口11dは矩形波状の開口縁を有
している。そして、ボロンイオンB+ のイオン注入を行
い、アクセプタをドープする。ドライブインを行い、ウ
ェル状のp+ 型の主エミッタ領域7aを拡散形成する。
マスク11eの縁が矩形波状であるため、主エミッタ領
域7aのウェル端も矩形波状を呈する。そして、酸化処
理を行い、開口11dを厚いシリコン酸化膜で覆う。
【0044】次に、図6(b)に示す如く、フォトリソ
グラフィーにより主エミッタ領域7aの上の中央部分に
シリコン酸化膜をインプラ用マスク11cとして残す。
そして、ゲート酸化処理を施してゲート絶縁膜5を成膜
した後、フォトリソグラフィーにより隣接の主エミッタ
層7aを挟んで上にポリシリコン製のゲート電極6を形
成する。
【0045】次に、図6(c)に示す如く、シリコン酸
化膜11c及びゲート電極6をマスクとして用いたセル
フアラインにより、ボロンイオンB+ のイオン注入(チ
ャネル・ドーピング)を行い、アクセプタをドープす
る。しかる後、チャネルドライブを行い、p+ 型の主エ
ミッタ層7aのウェル端の浅部にp型領域を拡散させて
重ね、そのはみ出し部分として外接エミッタ領域7bを
形成する。なお、p+ の主エミッタ領域7aのウェル端
浅部にp型領域が重なるため、主エミッタ領域7aの内
接エミッタ領域7cはp++型に近い高濃度領域となる。
【0046】次に、図7(a)に示す如く、シリコン酸
化膜11c及びゲート電極6をマスクとして用いたセル
フアラインにより、燐又は砒素のドナーを高濃度イオン
注入し、主エミッタ領域7a及び外接エミッタ領域7b
の表層に浅いn型ソース領域9′を形成する。これによ
り、外接エミッタ領域7bの表層にはn型ソース領域9
Aが形成されるが、主エミッタ領域7aの内接エミッタ
領域7cの表層にはp+ 型領域9B′が形成される。
【0047】次に、図7(b)に示す如く、フォトリソ
グラフィーによりゲート絶縁膜6の上に層間絶縁膜とし
ての燐ガラス(PSG)層12及びエミッタ電極8のコ
ンタクト穴8aを形成する。コンタクト穴8aはちょう
どp+ 型領域層9B′の上に開口する。そして、燐ガラ
ス層12の開口端は矩形波状のpn接合面を交互の横切
る位置に設定する。しかる後、この燐ガラス層12及び
シリコン酸化膜11cをマスクとして再度燐又は砒素の
ドナーを高濃度イオン注入してコンタクト孔8aに導入
し、n型ソース層9の内側領域を高濃度化してn+ 型の
ソース・コンタクト領域9Bを形成する。燐ガラス層1
2直下はn型ソース領域9Aのまま残る。次に、シリコ
ン酸化膜11cをエッチング除去した後、図4に示す如
く、アルミニウム製のエミッタ電極8を形成する。な
お、図1に示す如く、裏面のコレクタ電極1も形成す
る。
【0048】〔第3の実施形態〕図8(a)は本発明の
第3の実施形態に係るIGBTの回路構成を示す回路
図、図8(b)は同IGBTのエミッタ・ゲート間電圧
に対する飽和コレクタ電流の関係を示すグラフである。
【0049】本例のIGBT100は、低い閾値電圧V
TH1 を持つpnp型の第1のIGBT1と高い閾値電圧
TH2 を持つpnp型の第2のIGBT2とを並列接続
した複合IGBTである。第2のIGBT2の閾値電圧
TH2 は第1のIGBT1の閾値電圧VTH1 よりも高く
設定されている。ここに、閾値電圧を高く設定すること
とは、通常のプロセスによる閾値電圧の誤差は±0.3 V
以内であるが、この誤差範囲よりも遙かに大きく、1V
オーダーの差があることを意味する。例えば、低い閾値
電圧VTH1 は4Vで、高い閾値電圧VTH2 は8Vに設定
される。
【0050】本例では、第1のIGBT1の素子規模と
第2の素子規模とは略同等にしてある。このため、本例
の複合IGBT100のエミッタ・ゲート間電圧VGE
対する飽和コレクタ電流IC は、図8(b)に示す如
く、低い閾値電圧VTH1 の第1のIGBT1の特性(一
点鎖線)と高い閾値電圧VTH2 の第2のIGBT2の特
性(破線)との中間特性(実線)となる。
【0051】通常、低い閾値電圧VTH1 (4V)を持つ
第1のIGBT1だけを作り込んだICでは、その閾値
電圧VTH1 よりも相当高いゲート電圧VGE(例えば15
V)がゲートに印加しているため、負荷短絡時に電源電
圧VCC程度のエミッタ・コレクタ間に加わると、第1の
IGBT1には過電流が流れて破壊してしまう。一方、
高い閾値電圧VTH2 (8V)を持つ第2のIGBT2だ
けを作り込んだICでは、その閾値電圧VTH2 と通常オ
ン動作のゲート電圧とのマージンが小さいので、オン電
圧(飽和コレクタ電圧)が高くなり、スイッチング動作
には向かない。
【0052】しかしながら、本例の複合IGBT100
では、その閾値電圧が低い閾値電圧VTH1 に合致してい
るので、通常オン・オフ動作には第1のIGBT1のよ
うに何ら支障がなく、オン電圧は上昇しない。また、負
荷短絡時には第1のIGBT1よりは飽和コレクタ電流
C の電流値が下がるので、負荷短絡耐量が向上する。
【0053】図9は図8(a)の複合IGBT100を
実現する第1の半導体構造を示す断面図である。この半
導体構造は、n- 型の伝導度変調層(nベース)4の表
面に形成されたウェル状のp型で薄い濃度のエミッタ層
17aと、伝導度変調層4の表面に形成されたウェル状
のp型で濃い濃度のエミッタ層17bとを有している。
エミッタ層17aの表面濃度はエミッタ層17bの表面
濃度よりも薄いため、エミッタ層17aを含む部分は低
い閾値電圧VTH1 のIGBT1を構成しており、エミッ
タ層17bを含む部分は高い閾値電圧VTH2 のIGBT
2を構成している。p型のウェル別にIGBTの閾値電
圧を異ならしめてある。
【0054】図10は図8(a)の複合IGBT100
を実現する第2の半導体構造を示す断面図である。この
半導体構造は、単一のp型ウェルのエミッタ層17の片
半分の領域Aはp型で薄い濃度に形成されており、残り
片半分の領域Bはp型で濃い濃度に形成されている。領
域Aを含む部分は低い閾値電圧VTH1 のIGBT1を構
成しており、エミッタ層17Bを含む部分は高い閾値電
圧VTH2 のIGBT2を構成している。
【0055】図11は図8(a)の複合IGBT100
を実現する第3の半導体構造を示す断面図である。この
半導体構造は、n- 型の伝導度変調層(nベース)4の
表面に形成されたp型ウェルの平面ストライプ状のエミ
ッタ層17を有しており、このエミッタ層17はp型で
薄い濃度の領域17Aとp型で濃い濃度の領域17Bと
が交互に配置されて形成されている。p型で薄い濃度の
領域17Aを含む部分は低い閾値電圧VTH1 のIGBT
1を構成しており、p型で濃い領域17Bを含む部分は
高い閾値電圧VTH2 のIGBT2を構成している。
【0056】図12(a)は複合IGBT100を実現
する別の半導体構造を示す断面図、図12(b)は同半
導体構造におけるエミッタ・ゲート間電圧に対する飽和
コレクタ電流の関係を示すグラフである。この半導体構
造は、n- 型の伝導度変調層(nベース)4の表面に形
成されたウェル状のp型で薄い濃度のエミッタ層17a
と、伝導度変調層4の表面に形成されたウェル状のp型
で濃い濃度のエミッタ層17bとを有しており、エミッ
タ層17a内のチャネル長La はエミッタ層17b内の
チャネル長Lb よりも長く形成されている。エミッタ層
17aの表面濃度はエミッタ層17bの表面濃度よりも
薄いため、エミッタ層17aを含む部分は低い閾値電圧
TH1 のIGBT1を構成しており、エミッタ層17b
を含む部分は高い閾値電圧VTH2 のIGBT2を構成し
ているが、IGBT1のチャネル長La はIGBT2の
チャネル長Lb よりも長いので、IGBT1のオン抵抗
はIGBT2のそれよりも大きい。従って、図12
(b)に示す如く、IGBT1の相互コンダクタンス
(g=ΔIC /ΔVGE)がIGBT2のそれよりも小さ
いので、図9〜図11に示す半導体構造に比して本例の
複合IGBT100は負荷短絡時の過電流を抑制するこ
とができる。
【0057】〔第4の実施形態〕図13は本発明の第4
の実施形態に係るIGBTの半導体構造を示す断面図で
ある。本例の半導体構造は、伝導度変調層(nベース)
4の表面にウェル状に形成されたp型のエミッタ層(p
ベース)7と、ゲート絶縁膜5を介して形成されたポリ
シリコン製のゲート電極6及び第2のゲート電極16
と、ゲート電極6及び16をマスクとして用いてセルフ
アライン法によりエミッタ層(pベース)7の表面にウ
ェル状に形成されたn+ 型のソース層19及びn+ 型の
ソース・コンタクト層29と、n+ 型のソース・コンタ
クト層及びエミッタ層7の双方にオーミック接触したア
ルミニウム製のエミッタ電極18とを有している。第2
のゲート電極16はソース層19及びソース・コンタク
ト層29に跨がって形成されており、ソース層19はド
レイン、ソース・コンタクト層29はソースとして機能
するスイッチ横形MOSFET20を構成している。
【0058】ゲート電極6及び第2のゲート電極16に
正の電位が印加してIGBTがターンオンすると、スイ
ッチ横形MOSFET20がオンしているため、電子電
流IE はスイッチ横MOSFET20のnチャネルを介
して流れる。負荷短絡が生じると、スイッチ横形MOS
FET20が飽和領域(非線形領域)で動作し、飽和電
流で電子電流IE が制限されるようになるため、過電流
は流れ難い。これは高いチャネル抵抗が生じたことと等
価であるため、ソース層19の電位がエミッタ電極18
の電位よりも上昇し、ソース層19とエミッタ層7との
pn接合が順バイアスされ難く、ラッチアップ耐量が高
い。
【0059】IGBTのオフ時にはスイッチ横形MOS
FET20のnチャネルが消失し、ソース層19のコン
クタクト層29への導通が断たれているので、ソース層
19はフローティング状態にある。ところで、図16に
示す従来のIGBTのDMOS構造においては、ターン
オフ時にゲート電極8の電位が降下して閾値電圧以下に
なると、DMOSのチャネル消失により電子電流が急激
に減少し、エミッタ−コレクタ電圧が急激に上昇する過
程で、正孔電流成分の上昇によりソース層19とエミッ
タ層7とのpn接合が順バイアスされてラッチアップす
ることがある。
【0060】しかし、本例ではターンオフ時にはソース
層19が接地されておらず、フローティング状態になる
ので、上記pn接合が順バイアスされてもラッチアップ
することはない。
【0061】図14(a)は図13の半導体構造を実現
した平面パターンを示し、図14(b)は図14(a)
中のA−A′線に沿って切断した切断矢視図、図14
(c)は図14(a)中のB−B′線に沿って切断した
切断矢視図である。n+ 型のソース層19は、帯状のゲ
ート電極6の縁直下に差し込まれたチャネル幅相当部1
9aと、そこから一部張り出した幅狭部19bとから成
る。n+ 型のソース・コンタクト層29は、幅狭部19
bに合わせてエミッタ電極18直下に差し込まれた幅狭
部となっており、幅狭部19bとソース・コンタクト層
29には幅狭の矩形状の第2のゲート電極16が跨がっ
ている。このため、スイッチ横形MOSFET20のチ
ャネル抵抗rc だけでなく、幅狭部19bには拡散抵抗
s も寄生している。負荷短絡耐量の向上に繋がる。
【0062】図15(a)は図14に示す構造を改善し
た構造の平面パターンを示し、図15(b)は図15
(a)中のA−A′線に沿って切断した切断矢視図、図
15(c)は図15(a)中のB−B′線に沿って切断
した切断矢視図である。図14では、第2のゲート電極
16を設けたことによって、電子電流IE の注入源のソ
ース層19と正孔電流IH を収集するエミッタ電極18
との距離が長くなっており、正孔電流IH の経路の拡散
抵抗rB が高くなる。このため、なおも拡散抵抗rB
下げる必要がある。そこで、本例の半導体構造では、正
孔電流IH のみを収集する第2のエミッタ電極28を設
けたものである。従って、第1のエミッタ電極18は電
子電流IE だけの注入源となる。この第2のエミッタ電
極28はソース層19の幅狭部19b間に設けられる。
また、第2のゲート電極26は帯状に形成されており、
これに合わせてn+ 型のソース・コンタクト層39も帯
状に形成されている。ソース層19の隣に第2のエミッ
タ電極28が形成されているので、エミッタ層7内での
正孔電流IH の経路長が短縮し、拡散抵抗rB が下がる
ため、負荷短絡耐量が更に向上する。
【0063】なお、上記各実施形態ではpnp型のIG
BTについて説明してあるが、npn型のIGBTにつ
いては導電型を逆にすることにより容易に得ることがで
きる。
【0064】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は次のよう
な効果を奏する。
【0065】 本発明の基本的構造では、第2導電型
のソース層が濃度一様ではなく、高濃度のソース・コン
タクト領域領域と、それより低濃度のソース領域とから
成るため、ラッチアップ耐量が向上し、負荷短絡時の破
壊耐量が高くなる。ソース領域には高濃度のソース・コ
ンタクト領域が付帯接続しているので、コンタクト抵抗
は高くならず、低オン電圧を維持できる。
【0066】 また本発明において、第1導電型のエ
ミッタ層は、高濃度で第1導電型のウェル状の主エミッ
タ領域と、この主エミッタ領域のウェル端の表面側浅部
の外側にウェル状に隣接した第1導電型の外接エミッタ
領域を有して成るため、MOS部の閾値電圧の変動を招
来せずに、主エミッタ領域の高濃度化によソース・コ
ンタクト領域の真下部分の拡散抵抗値が低減する。この
ため、ラッチアップ耐量が向上する。
【0067】 特に本発明は、ソース領域とソース・
コンタクト領域との接続部分に主エミッタ領域から表面
まで貫通した櫛歯状の第1導電型の膨出部を設けた構造
を採用している。ソース領域の狭窄部の拡散抵抗による
電圧降下でソース領域の電圧が上昇するため、ラッチア
ップ耐量の増大を図ることができる
【0068】 そして、主エミッタ領域の濃度より高
濃度で第1導電型の内接エミッタ領域を設けた構成で
は、拡散抵抗値がより一層低減するため、ラッチアップ
耐量が向上する
【0069】
【0070】
【0071】
【0072】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るIGBT半導体
構造を示す断面図である。
【図2】(a)〜(e)は、第1の実施形態の製造方法
の各工程を説明するための工程断面図である。
【図3】(a)〜(d)は、図2の工程に続き第1の実
施形態の製造方法の各工程を説明するための工程断面図
である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係るIGBT半導体
構造を示す拡大斜視図である。
【図5】図4中のA−A′線に沿って切断した断面にお
いて表面位置に対する表面濃度の関係を示すグラフであ
る。
【図6】(a)〜(c)は、第2の実施形態の製造方法
の各工程を説明するための工程断面斜視図である。
【図7】(a),(b)は、図6の工程に続き第2の実
施形態の製造方法の各工程を説明するための工程断面斜
視図である。
【図8】(a)は本発明の第3の実施形態に係るIGB
Tの回路構成を示す回路図、(b)は同IGBTのエミ
ッタ・ゲート間電圧に対する飽和コレクタ電流の関係を
示すグラフである。
【図9】図8(a)の複合IGBTを実現する第1の半
導体構造を示す断面図である。
【図10】図8(a)の複合IGBTを実現する第2の
半導体構造を示す断面図である。
【図11】図8(a)の複合IGBTを実現する第3の
半導体構造を示す断面図である。
【図12】(a)は複合IGBTを実現する別の半導体
構造を示す断面図、(b)は同半導体構造におけるエミ
ッタ・ゲート間電圧に対する飽和コレクタ電流の関係を
示すグラフである。
【図13】本発明の第4の実施形態に係るIGBTの半
導体構造を示す断面図である。
【図14】(a)は図13の半導体構造を実現した平面
パターンを示す平面図、(b)は(a)中のA−A′線
に沿って切断した切断矢視図、(c)は(a)中のB−
B′線に沿って切断した切断矢視図である。
【図15】(a)は図14に示す構造を改善した構造の
平面パターンを示す平面図、(b)は(a)中のA−
A′線に沿って切断した切断矢視図、(c)は(a)中
のB−B′線に沿って切断した切断矢視図である。
【図16】従来のIGBTの一般的な半導体構造を示す
断面図である。
【図17】(a)は従来のIGBTの半導体構造におい
てソース側に拡散抵抗を付加した構造を示す断面斜視
図、(b)は従来のIGBTの半導体構造において部分
チャネル構造を示す断面斜視図である。
【符号の説明】
1…コレクタ電極 2…p+ 型コレクタ層 3…n+ 型バッファ層 4…n- 型伝導度変調層 5…ゲート絶縁膜 6…ゲート電極 7,17…p型エミッタ層 7a…p+ 型主エミッタ領域 7b…p型外接エミッタ領域 7c…p++型内接エミッタ領域 7d…膨出部 8,18…エミッタ電極 8a…コンタクト穴 9…n型ソース層 9A…n型ソース領域 9B…n+ 型ソース・コンタクト領域 10…半導体基板 11…シリコン酸化膜 12…層間絶縁膜(燐ガラス層) 16…第2のゲート電極 17a…P型で薄い濃度のエミッタ層 17b…P型で濃い濃度のエミッタ層 19…ソース層 19a…チャネル幅相当部 19b…幅狭部 28…第2のエミッタ電極 29,39…n+ 型のソース・コンタクト層 A,17A…P型で薄い濃度の領域 B,17b…P型で濃い濃度の領域 100…複合IGBT VTH1 …低い閾値電圧 VTH2 …高い閾値電圧 La ,Lb …チャネル長。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−196174(JP,A) 特開 昭63−84164(JP,A) 特開 平2−162742(JP,A) 特開 平8−186254(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 裏面にコレクタ電極が形成された第1導
    電型のコレクタ層、このコレクタ層の上に積層された第
    2導電型のバッファ層、このバッファ層の上に形成され
    た第2導電型の伝導度変調層、この伝導度変調層の表面
    にウェル状に形成された第1導電型のエミッタ層、この
    エミッタ層の表面でウェル端側に形成されたウェル状の
    第2導電型のソース層、このソース層及び前記伝導度変
    調層の上に跨がりゲート絶縁膜を介して形成されたゲー
    ト電極、前記エミッタ層及び前記ソース層の双方にオー
    ミック接触するエミッタ電極を有する絶縁ゲートバイポ
    ーラトランジスタを備えた半導体装置において、 前記第2導電型のソース層は、前記エミッタ層のウェル
    端側に形成された第2導電型のソース領域と、これに連
    続しており、前記エミッタ電極にオーミック接触する高
    濃度で第2導電型のソース・コンタクト領域を有して成
    り、前記第1導電型のエミッタ層は、高濃度で第1導電
    型のウェル状の主エミッタ領域と、この主エミッタ領域
    のウェル端の表面側浅部の外側にウェル状に隣接した第
    1導電型の外接エミッタ領域を有して成り、前記ソース
    領域と前記ソース・コンタクト領域との接続部分に前記
    主エミッタ領域から表面まで貫通した櫛歯状の第1導電
    型の膨出部を有して成ることを特徴とする絶縁ゲートバ
    イポーラトランジスタを備えた半導体装置。
  2. 【請求項2】 裏面にコレクタ電極が形成された第1導
    電型のコレクタ層、このコレクタ層の上に積層された第
    2導電型のバッファ層、このバッファ層の上に形成され
    た第2導電型の伝導度変調層、この伝導度変調層の表面
    にウェル状に形成された第1導電型のエミッタ層、この
    エミッタ層の表面でウェル端側に形成されたウェル状の
    第2導電型のソース層、このソース層及び前記伝導度変
    調層の上に跨がりゲート絶縁膜を介して形成されたゲー
    ト電極、前記エミッタ層及び前記ソース層の双方にオー
    ミック接触するエミッタ電極を有する絶縁ゲートバイポ
    ーラトランジスタを備えた半導体装置において、 前記第2導電型のソース層は、前記エミッタ層のウェル
    端側に形成された第2導電型のソース領域と、これに連
    続しており、前記エミッタ電極にオーミック接触する高
    濃度で第2導電型のソース・コンタクト領域を有して成
    り、前記第1導 電型のエミッタ層は、高濃度で第1導電
    型のウェル状の主エミッタ領域と、この主エミッタ領域
    のウェル端の表面側浅部の外側にウェル状に隣接した第
    1導電型の外接エミッタ領域を有して成り、前記主エミ
    ッタ領域のウェル端の表面側浅部の内側にウェル状に隣
    接しており、前記主エミッタ領域の濃度より高濃度で第
    1導電型の内接エミッタ領域を有し、前記ソース領域と
    前記ソース・コンタクト領域との接続部分に前記主エミ
    ッタ領域から表面まで貫通した櫛歯状の第1導電型の膨
    出部を有して成る ことを特徴とする絶縁ゲートバイポー
    ラトランジスタを備えた半導体装置。
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