JP3924829B2 - 電圧駆動型半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はトレンチ型の絶縁ゲートを有する半導体装置に係り、特にパワー MOSFETやIGBTなどに関する。
【0002】
【従来の技術】
図8(a),(b)に従来のトレンチ型の絶縁ゲートを有するIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor )のアクティブ領域の断面図及び平面図を示す(以下、この素子をトレンチIGBTと呼ぶ)。なお、断面図(a)は平面図(b)のX−X′に対応している。トレンチIGBTはp+基板1上にn-ドリフト層2が形成される。n- ドリフト層2の表面にpベース層3が形成され、さらに、pベース層3の表面に選択的にn+ エミッタ層4が形成される。さらに、pベース層3及びn+ エミッタ層4を貫通して、連続的にトレンチ10が形成され、トレンチ表面には、ゲート絶縁膜6及びゲート電極5が形成される。さらに、ゲート電極表面に酸化膜12及び層間絶縁膜8が形成される。さらに、p+ 基板1の裏面上にコレクタ電極11が形成され、n- ドリフト層2上にエミッタ電極9が形成される。
【0003】
図9(a),(b)に従来のトレンチIGBTのゲート電極をゲートパッドに引き出す領域の断面図及び平面図を示す。なお、断面図(a)は平面図(b)のY−Y′に対応している。p+ 基板1上にn- ドリフト層2が形成される。n- ドリフト層2の表面にpウェル層及びpベース層3が形成され、さらに、pベース層3の表面に選択的にn+ エミッタ層4が形成される。さらに、pベース層3及びn+ エミッタ層4を貫通して、連続的にトレンチ10が形成され、トレンチ表面には、ゲート絶縁膜6及びゲート電極5,ゲート配電部5Aが形成される。さらに、ゲート電極表面に酸化膜12及び層間絶縁膜8が形成される。さらに、p+ 基板1の裏面上にコレクタ電極11が形成され、層間絶縁膜8上にエミッタ電極9が、ゲート配電部5A上にゲート電極用配線9Aが形成される。
【0004】
動作原理は以下の通りである。まず、エミッタ電極9を接地し、コレクタ電極11にある一定の正電圧を印加する。この状態で、ゲート電極5にしきい値電圧以上の電圧を加えることにより、ゲート電極5に沿って、縦方向にチャネルが形成され、コレクタ電極11,エミッタ電極9間に電流が流れ、トレンチIGBTはオン状態となる。
【0005】
従来のIGBTはMOSゲートが平面(プレーナ)にあるため、プレーナIGBTと呼ばれている。プレーナIGBTは微細化し、Pベース層間に設けられたMOSゲートの長さを短くすると、空乏層により電流通路が狭められるJFET効果により、オン電圧が上昇してしまう。このためIGBTはLSIとは異なり微細化には限界がある。一方、トレンチIGBTは、プレーナIGBTに比べ、JFET効果による抵抗成分が存在せず、さらに、微細化が可能であることから、オン電圧が低減できることが特徴である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
トレンチ型の絶縁ゲートを有する半導体装置はその特徴であるゲート電極を形成するために、一般的に、ドライエッチング技術を利用してシリコン基板にトレンチを形成後、ゲート酸化をし、さらに不純物を含んだ多結晶シリコンを埋め込み、その後、ゲート配電部を除き多結晶シリコンをエッチバックする。この時、多結晶シリコンの表面はシリコン基板の表面からn+ エミッタ層の下面との間に存在しなければならない。なぜなら、多結晶シリコンの表面がシリコン基板表面よりも上にある場合、ゲート電極がエミッタ電極と短絡し、多結晶シリコンの表面がn+ エミッタ層の下面よりも下にある場合、チャネルが形成されない領域が生じ、素子がMOS動作をしないためである。したがって、エッチバックの面内均一性を考慮すると、ウエハ全面でこの制御を行うにはn+ エミッタ層の接合深さを深くする必要がある。しかし、n+ エミッタ層の接合深さを深くすると、制御範囲が広くなり、制御性は良くなるものの、n+ エミッタ層横のpベース層の抵抗成分が増加することにより、n+pn-p+ の寄生サイリスタがラッチアップし易くなり、素子が破壊し易くなるという問題があった。
【0007】
本発明の目的は、トレンチ型の絶縁ゲートを有する半導体装置において、前記従来技術の問題点を解決することにある。すなわち、ゲート電極形成時の多結晶シリコンのエッチバックの制御性が良く、しかも寄生サイリスタがラッチアップしにくい素子を提供すること、及びそのような素子の製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は第1半導体領域と、
前記第1半導体領域に隣接する第1導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域に隣接する第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域内に設けられる第1導電型の第4半導体領域と、
前記第1半導体領域に接触する第1主電極と、
前記第3半導体領域及び前記第4半導体領域に接触する第2主電極と、
前記第3半導体領域を貫通するトレンチ内に設けられる絶縁ゲート電極と、
前記第3半導体領域に隣接する絶縁ゲート電極の絶縁膜と、
前記第4半導体領域に隣接し、前記絶縁ゲート電極の絶縁膜よりも厚い第1の絶縁膜とを備え、
前記絶縁ゲート電極が前記第4半導体領域よリ高くかつ前記第1の絶縁膜よリ低いことを特徴とするものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【0010】
図1は本発明の一実施例を示すアクティブ領域の図であり、断面図(a)は平面図(b)のX−X′に対応している。p+ 基板1上にn- ドリフト層2が形成される。そして、n- ドリフト層2の表面にpベース層3が形成され、pベース層3の表面に選択的にn+ エミッタ層4が形成される。さらに、絶縁膜7を形成後、これをマスクとし、ドライエッチング技術を使って、pベース層3及びn+ エミッタ層4を貫通して、連続的にトレンチ10が形成され、トレンチ表面にゲート絶縁膜6及び不純物を含んだ多結晶シリコンで形成されたゲート電極5及びゲート配電部5Aが形成される。この時、ゲート電極5の表面は絶縁膜7の表面からn+ エミッタ層4の下面の間に存在している。そして、層間絶縁膜8が形成された後、絶縁膜7及び層間絶縁膜8が同時にエッチングされ、コンタクト領域が形成される。そして、n- ドリフト層2上にpベース層3及びn+ エミッタ層4に接するようにエミッタ電極9が形成され、p+ 基板1の裏面上にコレクタ電極11が形成される。
【0011】
本発明の場合、絶縁膜7が存在するため絶縁膜7の高さ分だけ、多結晶シリコンで形成されたゲート電極5のエッチバックの制御範囲が広くなり、制御性が向上する。これにより、n+ エミッタ層4の接合深さを浅くできるので、寄生サイリスタがラッチアップしにくくできる。また、n+ エミッタ層4の接合深さは素子のしきい値電圧に大きく影響する。本発明の場合、n+ エミッタ層4が浅く形成できるため、拡散時間が短くなり、安定した接合深さが得られ、チップ内のしきい値電圧が安定する。
【0012】
図2は、図1に示すトレンチIGBTの製造方法を示す断面図である。製造方法は以下の通りである。
【0013】
(a)p+ シリコン基板1の上に、n- シリコンエピタキシャル層2が形成され、n- シリコンエピタキシャル層2の上にpベース拡散層3が形成され、pベース拡散層3の表面中にn+エミッタ拡散層4が形成される。
【0014】
(b)(a)で形成したシリコン基板表面にトレンチゲートのマスクとなる絶縁膜7、例えばCVDによる酸化膜を1〜2μm堆積し、トレンチゲートのパターンにエッチングする。なお、絶縁膜7の厚さはシリコンエッチ後に0.3〜0.7μmの膜厚になる程度に堆積するのが好ましい。
【0015】
(c)絶縁膜7をマスクとし、n+ エミッタ層4及びpベース層3を貫通するようにドライエッチングし、トレンチ10を形成する。この時、トレンチ底部を丸く加工することにより、高電圧印加時の電界集中を緩和できる。
【0016】
(d)ドライエッチ後のシリコン表面の欠陥を除去した後、ゲート絶縁膜6を形成する。
【0017】
(e)不純物を含んだ多結晶シリコンをトレンチ10に埋め込むように堆積する。
【0018】
(f)多結晶シリコンをエッチバックすることにより、ゲート電極5を形成する。この時、多結晶シリコンの表面は絶縁膜7の表面とn+ エミッタ層4の下面の間に存在する。
【0019】
(g)層間絶縁膜8を、例えばPSG1.3μm をCVDにより形成する。なお、膜厚は所望のゲート耐圧に耐え得る厚さにすれば良い。
【0020】
(h)絶縁膜7及び層間絶縁膜8が同時にエッチングし、コンタクト領域を形成する。
【0021】
(i)シリコン基板上に、pベース層3及びn+ エミッタ層4に接するようにエミッタ電極9を形成し、p+ 基板1の裏面上にコレクタ電極11を形成する。
図3は図1で説明した実施例のゲート電極をゲートパッドに引き出す領域における一実施例を示す図であり、断面図(a)は平面図(b)のY−Y′に対応している。p+ 基板1上にn- ドリフト層2が形成される。そして、n- ドリフト層2の表面にpウェル層31及びそれよりも接合深さが浅く、不純物濃度の高いpベース層3が形成され、pベース層3の表面に選択的にn+ エミッタ層4が形成される。さらに、絶縁膜7を形成後、これをマスクとし、ドライエッチング技術を使って、pウェル層31は貫通せず、pベース層3及びn+ エミッタ層4を貫通して、連続的にトレンチ10が形成される。さらに、トレンチ10表面にゲート絶縁膜6及び不純物を含んだ多結晶シリコンで形成されたゲート電極5及びゲート配電部5Aが形成される。この時、ゲート電極5の表面は絶縁膜7の表面からn+ エミッタ層4の下面の間に存在している。そして、層間絶縁膜8が形成された後、層間絶縁膜8上にエミッタ電極9が、ゲート配電部5A上にゲート電極用配線9Aが形成され、p+ 基板1の裏面上にコレクタ電極11が形成される。
【0022】
図9に示す従来構造では、トレンチ端部20でゲート絶縁膜6が局所的に薄くなることにより、ゲート耐圧の劣化を生じるのに対し、本発明では、その上部にトレンチエッチのマスクに使用した絶縁膜7が存在することにより、ゲート絶縁膜6が局所的に薄くなるのを防げるため、所望のゲート耐圧を確保できる。
【0023】
図4は本発明の一実施例を示すアクティブ領域の図であり、断面図(a)は平面図(b)のX−X′に対応している。また、図5は図4のゲート電極をゲートパッドに引き出す領域における一実施例を示す図であり、断面図(a)は平面図(b)のY−Y′に対応している。図1に示した実施例と異なる点は、ゲート電極5と層間絶縁膜8の間に酸化膜12が形成されていることにある。
【0024】
これにより、図1に示した実施例に比べ、多結晶シリコンで形成されたゲート電極の表面が多少後退するものの、ゲート電極とエミッタ電極の絶縁が確実にとれるためゲート耐圧が向上する。
【0025】
図6は図4に示すトレンチIGBTの製造方法を示す断面構造図である。図2に示す製造方法と異なる点は工程(f)の後に酸化工程が追加されることにある。
【0026】
図7は本発明のトレンチIGBTを使って構成したモータ駆動用インバータ回路の例である。トレンチIGBT100 には逆並列にダイオード101が接続されており、トレンチIGBTが2個直列に接続され、1相が形成されている。トレンチIGBTが接続された中点から出力され、モータ106と接続されている。上アーム側のトレンチIGBT100a,b,cのコレクタは共通であり、整流回路の高電位側と接続されている。また、下アーム側のトレンチIGBT100d,e,fのエミッタは共通であり、整流回路のアース側と接続されている。整流回路103は、交流電源102を直流に変換する。トレンチIGBT100 は、この直流を受電し、再度交流に変換してモータを駆動する。上下の駆動回路104,105は、トレンチ
IGBTのゲートに駆動信号を伝え、所定の周期でトレンチIGBTをオン・オフさせる。本実施例では、トレンチIGBTのトレンチ形成のマスクに用いる絶縁膜を残すことにより、多結晶シリコンのエッチバックの制御範囲が広くなり、n+ エミッタを浅接合化できるので、寄生サイリスタがラッチアップしにくく、さらに、チップ内のしきい値電圧が安定するため、従来のトレンチIGBTを使用した場合よりも、信頼性の高いインバータを提供できる。
【0027】
なお、実施例では、半導体素子の例としてIGBTのみについて述べたが、絶縁ゲートを持つ他の素子、例えば、パワーMOSFETなどでも同様の効果があるのは明らかである。
【0028】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、第4半導体領域より絶縁ゲート電極を高くすることで、n + 層と絶縁ゲート電極の間が離れることを防止出来るので、n + 層と絶縁ゲート電極の間のしきい値電圧が大きくなって、不良動作を起こすことを防止して、正常な動作を確保することが実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のアクティブ領域での説明図。
【図2】本発明の一実施例の製造方法の説明図。
【図3】本発明の一実施例のゲート電極をゲートパッドに引き出す領域での説明図。
【図4】本発明の一実施例のアクティブ領域での説明図。
【図5】本発明の一実施例のゲート電極をゲートパッドに引き出す領域での説明図。
【図6】本発明の一実施例の製造方法の説明図。
【図7】本発明の電圧駆動型半導体装置を使用したインバータ装置の一実施例の回路図。
【図8】従来のトレンチ型の絶縁ゲートを有するIGBTの説明図。
【図9】従来のトレンチ型の絶縁ゲートを有するIGBTの異なる断面での説明図。
【符号の説明】
1…p+ 基板、2…n- ドレイン層、3…pベース層、4…n+ エミッタ層、5…ゲート電極、5A…ゲート配電部、6…ゲート絶縁膜、7…トレンチ形成のマスクとなる絶縁膜、8…層間絶縁膜、9…エミッタ電極、10…トレンチ、 11…コレクタ電極、31…pウェル層。
Claims (5)
- 第1半導体領域と、
前記第1半導体領域に隣接する第1導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域に隣接する第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域内に設けられる第1導電型の第4半導体領域と、
前記第1半導体領域に接触する第1主電極と、
前記第3半導体領域及び前記第4半導体領域に接触する第2主電極と、
前記第3半導体領域を貫通するトレンチ内に設けられる絶縁ゲート電極と、
前記第3半導体領域に隣接する絶縁ゲート電極の絶縁膜と、
前記第4半導体領域に隣接し、前記絶縁ゲート電極の絶縁膜よりも厚い第1の絶縁膜とを備え、
前記絶縁ゲート電極が前記第4半導体領域よリ高くかつ前記第1の絶縁膜よリ低いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1において、
前記絶縁ゲート電極及び前記第1の絶縁膜に隣接する第2の絶縁膜を備え、
前記絶縁ゲート電極と前記第2の絶縁膜の間に酸化膜を具備する半導体装置。 - 請求項1の半導体装置の製造方法において、
シリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の表面に前記第1絶縁膜を堆積する工程と、
前記第1絶縁膜をパターニングし、次に、パターニングされた前記第1絶縁膜をマスクにして、前記シリコン基板の表面中にトレンチを形成する工程と、
前記第1絶縁膜を残したまま、前記トレンチ内に酸化膜を形成し、さらに、多結晶シリコンを、前記トレンチ内及び前記第1絶縁膜上に堆積する工程と、
前記多結晶シリコンをゲート配電部を残して、エッチバックする工程と、
前記多結晶シリコンの表面及び前記第1絶縁膜の表面上に、第2絶縁膜を堆積する工程と、
前記第2絶縁膜及び前記第1絶縁膜をパターニングし、前記シリコン基板表面を露出することにより、コンタクト領域を形成する工程と、
前記第1主電極、及び前記第2主電極を形成する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1の半導体装置の製造方法において、
シリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の表面に前記第1絶縁膜を堆積する工程と、
前記第1絶縁膜をパターニングし、次に、パターニングされた第1絶縁膜をマスクにして、前記シリコン基板の表面中にトレンチを形成する工程と、
前記第1絶縁膜を残したまま、前記トレンチ内に酸化膜を形成し、さらに、多結晶シリコンを、前記トレンチ内及び前記第1絶縁膜上に堆積する工程と、
前記多結晶シリコンをゲート配電部を残して、エッチバックする工程と、
前記多結晶シリコンの表面に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜及び前記第1絶縁膜の表面上に、第2絶縁膜を堆積する工程と、
前記第2絶縁膜及び前記第1絶縁膜をパターニングし、前記シリコン基板表面を露出することにより、コンタクト領域を形成する工程と、
前記第1主電極、及び前記第2主電極を形成する工程を備えたことをを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1の半導体装置をスイッチング素子に使用したインバータ装置。
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JP00358897A JP3924829B2 (ja) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | 電圧駆動型半導体装置及びその製造方法 |
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