JP4085073B2 - Vertical semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、縦型半導体装置、特に縦型絶縁ゲートトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:以下、単にIGBTと称する)に関する。 The present invention relates to a vertical semiconductor device, and more particularly to a vertical insulated gate transistor (hereinafter simply referred to as IGBT).
絶縁ゲート型の高耐圧半導体装置としてのIGBTは、電圧制御であるためにゲート回路が構成しやすく、インバータやスイッチング電源等のパワーエレクトロニクス分野で広く利用されている。特に、IGBTは、MOSFETの高速スイッチング特性とバイポーラトランジスタの高出力特性とを兼ね備えたパワーデバイスである。また、高集積化に有利な横型IGBTは、パワーICの出力デバイスとしてよく用いられる。出力デバイスを複数備えたパワーICは、誘電体分離に有利なSOI(Semiconductor On Insulator)基板を用いて作られることが多い。 An IGBT as an insulated gate type high-breakdown-voltage semiconductor device is easily controlled by voltage control, and is widely used in the field of power electronics such as inverters and switching power supplies. In particular, the IGBT is a power device that combines high-speed switching characteristics of MOSFETs and high-output characteristics of bipolar transistors. A lateral IGBT advantageous for high integration is often used as an output device of a power IC. A power IC including a plurality of output devices is often manufactured using an SOI (Semiconductor On Insulator) substrate that is advantageous for dielectric separation.
この種の従来の横型IGBTについて、図24及び図25を用いて説明する。図24は、そのIGBTの平面図、図25は、図24のA−A'線に沿う断面図である。 This type of conventional lateral IGBT will be described with reference to FIGS. 24 is a plan view of the IGBT, and FIG. 25 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
SOI基板1101は、支持基板1102と、埋め込み酸化膜1103と、n-型ベース層1104とを有している。n-型ベース層1104の表面内には、n型バッファ層1105が選択的に拡散形成され、且つn型バッファ層1105は、両端部が外方に円弧状に突出したストライプ形状を有している。n型バッファ層1105表面には、p型ドレイン層1106が選択的に拡散形成され、p型ドレイン層1106は、n型バッファ層1105と同一形状を有している。
The SOI substrate 1101 has a
n-型ベース層1104表面内には、p型ベース層1107がn型バッファ層1105を取り囲むように選択的に拡散形成され、p型ベース層1107は、内周面がn型バッファ層1105と同一形状を有している。p型ドレイン層1106の両側のp型ベース層1107部分には、ストライプ状のn+型ソース層1108が選択的に拡散形成され、n+型ソース層1108は、p型ドレイン層1106の直線部分と略同じ長さに形成されている。
A p-
そして、n-型ベース層1104とn+型ソース層1107とに挟まれたp型ベース層1107上には、ゲート絶縁膜1109を介してゲート電極1110が形成されている。ゲート電極1110は、n型バッファ層1105を取り囲むように環状構造に形成され、内周面がn型バッファ層1105の外周面と同一形状を有している。さらに、ゲート電極の一部に、外部に電極を取り出すためのゲート配線1113が設けられている。
A
また、ゲート電極1110及びn−型ベース層1104の露出表面上には、絶縁膜1111が形成されている。絶縁膜1111上には、ドレイン配線1112及びソース配線1114がそれぞれ形成されている。絶縁膜1111には、所定の位置にコンタクトホール1115がそれぞれ形成され、これらのコンタクトホール1115を介して、ドレイン配線1112は、p型ドレイン層1106にオーミック接触し、ソース配線1114は、p型ベース層1107及びn+型ソース層1108にオーミック接触している。
An
このような横型IGBTにおいて、高い降伏電圧特性を得るためには、n型バッファ層1105の両端部における円弧状の曲率Rをある程度大きくしておく必要があり、このためには、n型バッファ層1105の幅Lbを大きくしておく必要がある。n型バッファ層1105の幅Lbを大きくすると、p型ドレイン層1106幅も大きくなり、必然的にp型ドレイン層1106の面積は大きくなる。
In such a lateral IGBT, in order to obtain a high breakdown voltage characteristic, it is necessary to increase the arc-shaped curvature R at both ends of the n-
しかし、発明者の実験からn型バッファ層1105の幅Lbを大きくすることにより、p型ドレイン層1106の面積が大きくなるとと、IGBTのオン電圧が高くなることが分かった。図26は、p型ドレイン層の面積とIGBTのオン電圧の関係を示す図である。図26から分かるように、従来のIGBTでは、高い降伏電圧特性を得ようとして、n型バッファ層105の幅Lbを大きくすると、p型ドレイン層106の面積が大きくなって、オン電圧が高くなるという問題があった。
However, it has been found from experiments by the inventors that the on-voltage of the IGBT increases as the area of the p-
次に、従来の縦型IGBTについて説明する。図27に、従来の縦型IGBTの縦断面図を示す。 Next, a conventional vertical IGBT will be described. FIG. 27 shows a longitudinal sectional view of a conventional vertical IGBT.
このIGBTは、ドレイン電極1201、p型ドレイン層1202、n型バッファ層1203、n−型ベース層1204、p型ベース層1205、n型+ソース層1206、ゲート絶縁膜1207、ゲート電極1208、ソース電極1209を備える。
This IGBT includes a
この構造において、ソース電極1209に対して正の電圧をドレイン電極1201に印加した状態で、ゲート電極1208にソース電極1209に対して正の電圧を印加すると、ゲート電極1208下におけるp型ベース層1205の表面に形成されるチャネルを介して、n+型ソース層1206がn−型ベース層1204と短絡し、n−型ベース層1204内に電子が注入される。p型ドレイン層1202からは、注入された電子に見合った量の正孔がn−型ベース層1204内に注入される。
In this structure, when a positive voltage is applied to the
これにより高抵抗のn−型ベース層1204は伝導度変調されて低抵抗となり、同じ順方向阻止特性を有するMOSFETよりもオン電圧を低くすることができる。
As a result, the high resistance n − -
このIGBTをオフするには、ゲート電極1208への正電圧の印加を停止すればよい。これにより、n−型ベース層1204への電子の注入は止まり、それに伴い正孔の注入も止まる。しかし、n−型ベース層1204中に残った電子および正孔は、電圧上昇に伴う空乏層の広がりによるドリフト電流とn−型ベース層1204のライフタイムに依存する再結合電流となって、しばらく流れ続ける。
In order to turn off the IGBT, application of a positive voltage to the
よってオン電圧を低くしたままでIGBTのターンオフ時の損失を低減するには、図28に示すように、オン状態ではソース電極1209側のキャリア量を増やして、ドレイン電極1201側のキャリア量を減らす事が必要である。これは、空乏層はソース側から広がり、ドレイン側のキャリアが最後まで残留することによる。
Therefore, in order to reduce the loss at the turn-off time of the IGBT while the on-voltage is kept low, as shown in FIG. 28, the carrier amount on the
ドレイン側のキャリア量を減らす手法としては、低濃度のp型ドレイン層1202を用いる方法が、以下の文献に提案されている。
As a technique for reducing the carrier amount on the drain side, a method using a low-concentration p-
J.Fugger et al., "Optimizing the vertical IGBT structure - The NPT concept as the most economic and electrically ideal solution for a 1200V IGBT", Proceedings of the 8th ISPSD, pp.169-172, 1996
この手法では、n型バッファ層1203は、順方向阻止電圧を保持するために必要最小限の濃度で形成し、p型ドレイン層1202は正孔の注入を抑えるために低濃度で形成する必要がある。
J. Fugger et al., "Optimizing the vertical IGBT structure-The NPT concept as the most economic and electrically ideal solution for a 1200V IGBT", Proceedings of the 8th ISPSD, pp. 169-172, 1996
In this method, the n-
p型ドレイン層1202の形成方法は、ボロンのイオン注入から高温アニールによる拡散を用いる。しかし、拡散による表面だれのためボロンの表面濃度が低くなり、ドレイン電極1201に対してオーミック接合を実現することができなくなり、正孔の注入が起こりにくくなる。また、ボロンの注入ドーズ量が少ないため、少しでもドーズ量がバラつくと素子特性も大きく変わり、プロセスマージンが少ないという問題があった。
As a method for forming the p-
また、縦型半導体装置における他の問題について述べる。IGBTは低損失の半導体装置であるが、近年より低損失化を図るために、基板の厚さを薄くする試みがなされている。例えば、耐圧が600V級のIGBTでは、基板の厚さは50μmまでに薄くされている。 Further, other problems in the vertical semiconductor device will be described. An IGBT is a low-loss semiconductor device, but in recent years, attempts have been made to reduce the thickness of the substrate in order to reduce the loss. For example, in an IGBT with a withstand voltage of 600 V class, the thickness of the substrate is reduced to 50 μm.
しかし、基板を薄くしてn−型ベース層を薄くすると、素子の製造工程において基板が割れるという問題があった。 However, when the substrate is thinned and the n − -type base layer is thinned, there is a problem that the substrate is broken in the element manufacturing process.
上述したように、従来の縦型半導体装置には、良好なオン電圧とターンオフ損失のトレードオフ関係を得ようとすると、非常に低濃度のp型コレクタ層1202を形成する必要があるが、その形成方法であるイオン注入から高温アニールによる拡散は、表面濃度の制御が困難で、素子特性のバラツキの原因となった。
As described above, in the conventional vertical semiconductor device, it is necessary to form the p-
本発明は、良好なオン電圧とターンオフ損失の低減とを共に実現し得る縦型半導体装置を提供することを第1の目的とする。 The first object of the present invention is to provide a vertical semiconductor device capable of realizing both a good on-voltage and a reduction in turn-off loss.
さらに従来は、基板を薄くし、n型ベース層を薄くすることによって低損失化を図ろうとすると、素子の製造工程において基板が割れるという問題があった。 Furthermore, conventionally, there has been a problem that the substrate is broken in the device manufacturing process when the loss is reduced by making the substrate thinner and the n-type base layer thinner.
そこで本発明は、基板を薄くすることなく低損失化を実現することができる縦型半導体装置を提供することを第2の目的とする。 Accordingly, a second object of the present invention is to provide a vertical semiconductor device capable of realizing a reduction in loss without reducing the thickness of the substrate.
本発明の一態様による縦型半導体装置は、第1導電型バッファ層より高抵抗の第1導電型半導体基板と、前記第1導電型半導体基板の一方の表面上に形成された前記第1導電型バッファ層と、前記第1導電型半導体基板の他方の表面部分に形成された複数の第1の溝と、前記第1導電型半導体基板の他方の表面部分において前記第1の溝より浅く形成された第2導電型ベース層と、前記第2導電型ベース層の表面部分において各々の前記第1の溝の両側に形成された第1導電型ソース層と、前記第1の溝の側壁及び底面に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の溝の内部に前記第1の絶縁膜を介して埋め込むように形成されたゲート電極と、前記第1導電型ソース層及び前記第2導電型ベース層に接続するように形成されたソース電極と、前記第1導電型バッファ層に形成された第2の溝と、
前記第2の溝の側壁に形成した第2の絶縁膜と、前記第2の溝の底面部分に形成された第2導電型第1ドレイン層と、前記第1導電型バッファ層の表面部分において前記前記第2の溝より浅く形成された第2導電型第2ドレイン層と、前記第2の溝の内部に前記第2の絶縁膜を介して埋め込むように形成され、前記第2導電型第1ドレイン層に接続する埋め込みドレイン電極と、前記第2導電型第2ドレイン層及び前記埋め込みドレイン電極と接続するドレイン電極とを備えることを特徴としている。
A vertical semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a first conductive semiconductor substrate having a higher resistance than a first conductive buffer layer, and the first conductive formed on one surface of the first conductive semiconductor substrate. A first buffer layer, a plurality of first grooves formed in the other surface portion of the first conductive semiconductor substrate, and a shallower portion than the first groove in the other surface portion of the first conductive semiconductor substrate. The second conductivity type base layer formed, the first conductivity type source layer formed on both sides of each first groove in the surface portion of the second conductivity type base layer, the side wall of the first groove, and A first insulating film formed on a bottom surface; a gate electrode formed so as to be embedded in the first trench through the first insulating film; the first conductivity type source layer; A source electrode formed to connect to the conductive type base layer; A second groove formed on the first conductivity type buffer layer,
In the second insulating film formed on the side wall of the second groove, the second conductivity type first drain layer formed on the bottom surface portion of the second groove, and the surface portion of the first conductivity type buffer layer A second conductivity type second drain layer formed shallower than the second trench; and a second conductivity type second drain layer embedded in the second trench via the second insulating film. A buried drain electrode connected to one drain layer, and a drain electrode connected to the second conductivity type second drain layer and the buried drain electrode are provided.
また、本発明の一態様による縦型半導体装置は、第1導電型バッファ層より高抵抗の第1導電型半導体基板と、前記第1導電型半導体基板の一方の表面上に形成された前記第1導電型バッファ層と、前記第1導電型半導体基板の他方の表面部分に選択的に形成された第2導電型ベース層と、前記第2導電型ベース層の表面部分に選択的に形成された第1導電型ソース層と、前記第1導電型ソース層と前記第1導電型半導体基板との間の前記第2導電型ベース層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記第2導電型ベース層上に形成されたゲート電極と、前記第1導電型ソース層及び前記第2導電型ベース層に接続するように形成されたソース電極と、前記第1導電型バッファ層に形成された溝と、前記溝の側壁に形成した絶縁膜と、前記溝の底面部分に形成された第2導電型第1ドレイン層と、前記第1導電型バッファ層の表面部分において前記前記溝より浅く形成された第2導電型第2ドレイン層と、前記溝の内部に前記絶縁膜を介して埋め込むように形成され、前記第2導電型第1ドレイン層に接続する埋め込みドレイン電極と、前記第2導電型第2ドレイン層及び前記埋め込みドレイン電極と接続するドレイン電極とを備えることを特徴とする。 The vertical semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a first conductive semiconductor substrate having a higher resistance than the first conductive buffer layer and the first conductive semiconductor substrate formed on one surface of the first conductive semiconductor substrate. A first conductivity type buffer layer; a second conductivity type base layer selectively formed on the other surface portion of the first conductivity type semiconductor substrate; and a selectively formed on a surface portion of the second conductivity type base layer. A first conductive type source layer; a gate insulating film formed on the second conductive type base layer between the first conductive type source layer and the first conductive type semiconductor substrate; and the gate insulating film. A gate electrode formed on the second conductivity type base layer, a source electrode formed to be connected to the first conductivity type source layer and the second conductivity type base layer, and the first conductivity type. A groove formed in the buffer layer and formed on the sidewall of the groove; An insulating film; a second conductivity type first drain layer formed on a bottom portion of the groove; and a second conductivity type second drain layer formed shallower than the groove on a surface portion of the first conductivity type buffer layer. A buried drain electrode that is buried in the trench through the insulating film, and is connected to the second conductivity type first drain layer; the second conductivity type second drain layer; and the buried drain electrode. And a drain electrode connected to each other.
本発明の縦型半導体装置によれば、ドレイン層において面積比で正孔の注入を制御することにより、ドレイン層の表面濃度を高く形成することができるため、プロセスのバラつきに影響されずに縦型IGBTのターンオフ特性を改善する事ができる。 According to the vertical semiconductor device of the present invention, the surface concentration of the drain layer can be formed high by controlling the injection of holes by the area ratio in the drain layer, so that the vertical concentration is not affected by process variations. The turn-off characteristics of the type IGBT can be improved.
さらに本発明の縦型半導体装置によれば、溝の底面に形成したドレイン層からソース側の基板までの厚さを薄くして低損失化を実現すると共に、基板全体の厚さを厚くして強度性を高めることができるので、製造工程等において基板の割れを防止することができる。 Furthermore, according to the vertical semiconductor device of the present invention, the thickness from the drain layer formed on the bottom surface of the groove to the substrate on the source side is reduced to reduce the loss, and the thickness of the entire substrate is increased. Since the strength can be improved, the substrate can be prevented from cracking in the manufacturing process or the like.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。各実施の形態において、第1導電型をn型、第2導電型をp型とするnチャンネル型IGBTを示す。また、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合のみ行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the embodiments, an n-channel IGBT is shown in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. In addition, components having substantially the same functions and configurations are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be provided only when necessary.
(第1の参考例)
図1は、本発明の第1の参考例に係わる横型IGBTを模式的に示す平面図、図2は、図1のA−A’線に沿う断面図である。
(First reference example)
FIG. 1 is a plan view schematically showing a lateral IGBT according to a first reference example of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
SOI基板1は、シリコンの支持基板2と、埋め込み酸化膜3と、高抵抗(低濃度)のn-型シリコン活性層4とを有している。本参考例のIGBTでは、n-型シリコン活性層4をn-型ベース層14として用い、n-型ベース層14の表面内には、n型バッファ層15が選択的に拡散形成され、且つn型バッファ層15は、上下両端部が外方に曲率Rの円弧状に突出したストライプ形状を有している。n型バッファ層15表面には、p型ドレイン層16が選択的に拡散形成されている。
The SOI substrate 1 includes a silicon support substrate 2, a buried oxide film 3, and a high resistance (low concentration) n − -type silicon
本参考例では、p型ドレイン層16は、n型バッファ層15と相似形状で、且つ環状構造を有している。
In this reference example, the p-
n−型ベース層14の表面内には、p型ベース層17がn型バッファ層15と離間して、且つ該n型バッファ層15を取り囲むように選択的に拡散形成され、p型ベース層17は、内周面がn型バッファ層15と相似形状を有している。
A p-
p型ドレイン層16の両側のp型ベース層17の部分には、ストライプ状のn+型ソース層18が選択的に拡散形成され、n+型ソース層18は、p型ドレイン層16の直線部分と略同じ長さに形成されている。
Striped n + -type source layers 18 are selectively diffused and formed on the p-
そして、n-型ベース層14とn+型ソース層18とに挟まれたp型ベース層17の表面上には、ゲート絶縁膜19を介してゲート電極20が形成されている。ゲート電極20は、n型バッファ層15を取り囲むように環状構造に形成され、内外周面がn型バッファ層15と相似形状を有している。さらに、ゲート電極の一部に、外部に電極を取り出すためのゲート配線23が設けられている。
A
また、ゲート電極20及びn−型ベース層14の露出表面上には、絶縁膜21が形成されている。絶縁膜21上には、ドレイン配線22及びソース配線24がそれぞれ形成されている。
An insulating
絶縁膜21には、所定の位置にコンタクトホール25がそれぞれ形成され、これらのコンタクトホール25を介して、ドレイン配線22は、p型ドレイン層16にオーミック接触し、ソース配線24は、p型ベース層17及びn+型ソース層18にオーミック接触している。
Contact holes 25 are respectively formed at predetermined positions in the insulating
本参考例の横型IGBTによれば、p型ドレイン層16が、環状構造を有しており、p型ドレイン層16の面積が小さく形成されている。
According to the lateral IGBT of this reference example, the p-
従って、p型ドレイン層の面積の縮少分、n型バッファ層15の幅Lbを大きくして降伏電圧の高電圧化を図っても、オン電圧が上昇することはない。
Therefore, even if the width Lb of the n-
(第2の参考例)
図3は、本発明の第2の参考例に係わる横型IGBTの平面図である。このA−A'断面は、図2と同じであるので省略する。
(Second reference example)
FIG. 3 is a plan view of a lateral IGBT according to a second reference example of the present invention. Since this AA ′ cross section is the same as FIG.
本参考例が上記第1の参考例と異なる点は、上記第1の参考例では、p型ドレイン層16が環状構造であるのに対して、本参考例では、p型ドレイン層36は、上記第1の参考例における環状構造のp型ドレイン層16の上下端部の一方、例えば下端部を水平方向(紙面上において、左右方向)に切除してなる馬蹄構造、又は逆U字構造を有する点である。なお、その他の構成については、上記第1の参考例と同じである。
The difference between this reference example and the first reference example is that, in the first reference example, the p-
本参考例の横型IGBTにおいても、p型ドレイン層36の面積が小さく形成されており、上記第1の参考例と同様に、オン電圧を上昇させることなく、降伏電圧の高電圧化を図ることができる。
Also in the lateral IGBT of this reference example, the area of the p-
また、p型ドレイン層36の円弧状端部に電流集中し、この部分において素子が破壊する恐れがあるが、上記第1の参考例においては、上下、2個所、存在するのに対して、本参考例では、1個所であり、素子の破壊の虞れが少ない。
Further, current concentrates on the arc-shaped end portion of the p-
ここで、上記第1の参考例におけるp型ドレイン層16は、図4に示されたように、複数個の短冊状のドレイン層部分16aの集合体であってもよい。
Here, the p-
同様に、上記第2の参考例におけるp型ドレイン層36は、図5に示されたように、複数個の短冊状のドレイン層部分36aの集合体であってもよい。
Similarly, the p-
(第3の参考例)
図6は、本発明の第3の参考例に係わる横型IGBTの平面図である。このA−A'断面は、図2と同じであるので省略する。
(Third reference example)
FIG. 6 is a plan view of a lateral IGBT according to a third reference example of the present invention. Since this AA ′ cross section is the same as FIG.
本参考例が上記第1の参考例と異なる点は、上記第1の参考例では、p型ドレイン層16が環状構造であるのに対して、本参考例では、p型ドレイン層46は、上記第1の参考例の環状構造のp型ドレイン層16の上下端部を水平方向に切除して2個のストライプ構造に形成した点である。
The difference between this reference example and the first reference example is that in the first reference example, the p-
なお、その他の構成については、上記第1の参考例と同じである。 Other configurations are the same as those in the first reference example.
本参考例IGBTにおいても、p型ドレイン層46の面積が小さくなっており、上記第1の参考例と同様に、オン電圧を上昇させることなく、降伏電圧の高電圧化を図ることができる。
Also in this reference example IGBT, the area of the p-
また、p型ドレイン層の上下端部に、円弧状部を有しないため、上記第1及び第2の参考例のように、円弧状部への電流集中による素子破壊の虞れがない。 In addition, since there are no arc-shaped portions at the upper and lower end portions of the p-type drain layer, there is no possibility of element destruction due to current concentration in the arc-shaped portions as in the first and second reference examples.
(第4の参考例)
図7は、本発明の第4の参考例に係わる横型IGBTの平面図である。このA−A'断面は、図2と同じであるので省略する。
(Fourth reference example)
FIG. 7 is a plan view of a lateral IGBT according to a fourth reference example of the present invention. Since this AA ′ cross section is the same as FIG.
本参考例が上記第1の参考例と異なる点は、上記第1の参考例では、p型ドレイン層16が環状構造であるのに対して、本参考例では、p型ドレイン層56は、上記第1の参考例の環状構造のp型ドレイン層16の上下端部を水平方向に切除して2個のストライプ状に形成し、更に、各ストライプ状のp型ドレイン層を水平方向に切除し、複数のp型ドレイン層部分56aに分割してなる点である。換言すれば、上記第3の参考例におけるp型ドレイン層46をメッシュ状に分割してなるものである。なお、その他の構成については、上記第1の参考例と同じである。
The difference between this reference example and the first reference example is that in the first reference example, the p-
本参考例の横型IGBTにおいては、上記第1乃至第3の参考例におけるp型ドレイン層16、36、46よりもp型ドレイン層56の面積が小さくなっており、上記第1乃至第3の参考例に比べて、降伏電圧の高電圧化を図ることができる。
In the lateral IGBT of this reference example, the area of the p-
また、p型ドレイン層56の上下端部に、円弧状部を有しないため、上記第1及び第2の参考例のように、円弧状部への電流集中による素子破壊の恐れがない。
Further, since there are no arc-shaped portions at the upper and lower end portions of the p-
(第5の参考例)
図8は、本発明の第5の参考例に係わる横型IGBTの平面図である。このA−A'断面は、図25と同じであるので省略する。
(Fifth reference example)
FIG. 8 is a plan view of a lateral IGBT according to a fifth reference example of the present invention. The AA ′ cross section is the same as FIG.
本参考例が上記第1の参考例と異なる点は、上記第1の参考例では、p型ドレイン層16が環状構造であるのに対して、本参考例では、p型ドレイン層66は、p型ドレイン層をストライプ状に形成し、更に、このp型ドレイン層を水平方向に複数のp型ドレイン層部分66aに分割してなる。即ち、短冊状のp型ドレイン層部分66aを梯子状に配列した点である。なお、その他の構成については、上記第1の参考例と同じである。
The difference between this reference example and the first reference example is that in the first reference example, the p-
本参考例の横型IGBTにおいても、p型ドレイン層66の面積が小さく形成されており、上記参考例と同様に、オン電圧を上昇させることなく、降伏電圧の高電圧化を図ることができる。
Also in the lateral IGBT of this reference example, the area of the p-
また、p型ドレイン層66の上下端部に、円弧状部を有しないため、上記第1及び第2の参考例のように、円弧状部への電流集中による素子破壊の恐れがない。
In addition, since there are no arc-shaped portions at the upper and lower end portions of the p-
なお、上記第1の参考例〜第5の参考例に限定されず、種々に変更して実施することができる。 In addition, it is not limited to the said 1st reference example-5th reference example, It can implement in various changes.
例えば、上記参考例では、第1導電型をn型、第2導電型をp型とするnチャンネル型の横型IGBTについて例示したが、本発明は、pチャンネル型の横型IGBTにも適用できる。この場合には、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型とすればよい。 For example, in the above-described reference example, an n-channel lateral IGBT in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type is illustrated, but the present invention can also be applied to a p-channel lateral IGBT. In this case, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
また、本発明は、上記参考例のドレイン層の構造に限定されず、組み合わせてもよい。例えば、図4、図5を用いて説明したように、第1及び第2の参考例に第4の参考例をそれぞれ組み合わせて、環状構造のドレイン層及び馬蹄形(逆U字)構造のドレイン層を複数に分割し、複数の分割ドレイン層で構成された環状構造、或いは馬蹄形構造のドレイン層としてもよい。 Further, the present invention is not limited to the structure of the drain layer of the above reference example, and may be combined. For example, as described with reference to FIGS. 4 and 5, the drain layer having the annular structure and the drain layer having the horseshoe shape (inverted U shape) are combined with the first and second reference examples, respectively. May be divided into a plurality of parts, and a drain structure having a ring structure composed of a plurality of divided drain layers or a horseshoe structure may be used.
更に、上記参考例のIGBTに限定されず、例えばnpn、pnp型トランジスタやGTO、ESTのような他のバイポーラ素子にも適用可能である。 Further, the present invention is not limited to the IGBT of the above reference example, and can be applied to other bipolar elements such as npn and pnp transistors and GTO and EST.
次に、本発明の第1〜第5の実施の形態による縦型IGBTについて説明する。 Next, vertical IGBTs according to first to fifth embodiments of the present invention will be described.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態による縦型IGBTについて、図9を用いて説明する。
(First embodiment)
A vertical IGBT according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図27に示された縦型IGBTでは、p型ドレイン層1202が素子のドレイン側全面に形成されている。これに対し本実施の形態では、p型ドレイン層110は、ドレイン側の全面ではなく、n型バッファ層103における一部部分に形成されている。これに伴い、ドレイン電極111は、コレクタ側の全面ではなくp型ドレイン層110上に形成されている。他のn−型ベース層104、p型ベース層105、n+型ソース層106、ゲート絶縁膜107、ゲート電極108、ソース電極109は、図27に示されたn−型ベース層1204、p型ベース層1205、n+型ソース層1206、ゲート絶縁膜1207、ゲート電極1208、ソース電極1209と同様であり、説明を省略する。
In the vertical IGBT shown in FIG. 27, a p-
ここで、p型ドレイン層110の表面濃度(Cp)は、ドレイン電極111と完全にオーミック接合が取れるように、
Cp>1×1019 cm−3
を満たす様に形成する。この数値は、以下の文献の記載に基づいている。
Here, the surface concentration (Cp) of the p-
Cp> 1 × 10 19 cm −3
It forms so that it may satisfy. This numerical value is based on the description of the following literature.
S.M.Sze, physics of Semiconductor Devices 2nd Edition, p.305, 1981
p型ドレイン層110を以上のような構造とすることで、ドレイン電極111からの正孔の注入効率を、p型ドレイン層110の濃度ではなく、面積比で調節する事が可能となり、図26に示されたIGBTにおけるオーミック接合や、ドーズ量のバラつきに関するプロセスマージンの問題を解決する事が出来る。
SMSze, physics of Semiconductor Devices 2nd Edition, p.305, 1981
By making the p-
(第2の実施の形態)
図10に、本発明の第2の実施の形態に係る縦型IGBTの断面を示す。上記第1の実施の形態と比較し、第1の実施の形態ではゲート電極108がプレーナ型であるのに対し、第1の実施の形態ではゲート電極118がトレンチ型である点で相違する。ソース側におけるゲート電極118をこのようなトレンチ型とすることで、MOSのチャネル密度を増やして、ソース電極119側のキャリア量を増やすことができる。ドレイン側におけるp型ドレイン層110、ドレイン電極111の構造は上記第1の実施の形態と同一であり、説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 10 shows a cross section of a vertical IGBT according to the second embodiment of the present invention. Compared to the first embodiment, the
(第3の実施の形態)
図11に、本発明の第3の実施の形態に係る縦型IGBTの縦断面を示す。本実施の形態は、ソース側において、ゲート電極118を上記第7の実施の形態と同様なトレンチ型とするが、p型ベース層115およびn+型ソース層126と接続するソース電極129を一定の割合で間引いてその数を減らしている点で相違する。これにより、正孔の排出抵抗を大きくして電子注入を促進させることができる。このようなソース側の構造は、ソース側のキャリア量を増やすために以下の文献において提案されている。
(Third embodiment)
FIG. 11 shows a longitudinal section of a vertical IGBT according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, on the source side, the
M.Kitagawa et al., "A 4500V Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor (IEGT) in a Mode Similar to a Thyristor", IEDM'93, pp.679-682, 1993
ドレイン側におけるp型ドレイン層110、ドレイン電極111の構造は、上記第1、第2の実施の形態と同一であり、説明を省略する。
M. Kitagawa et al., "A 4500V Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor (IEGT) in a Mode Similar to a Thyristor", IEDM'93, pp.679-682, 1993
The structures of the p-
(第4の実施の形態)
図12に、本発明の第4の実施の形態に係る縦型IGBTの縦断面を示す。
(Fourth embodiment)
FIG. 12 shows a vertical cross section of a vertical IGBT according to the fourth embodiment of the present invention.
図9に示された上記第1の実施の形態と比較し、ドレイン電極111とp型ドレイン層110との間にバリアメタル層112が形成されている点が相違する。他の構成は上記第1の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
Compared to the first embodiment shown in FIG. 9, the difference is that a barrier metal layer 112 is formed between the
ドレイン側からの正孔の注入を抑制するために、p型ドレイン層110の表面濃度を高くし、かつn型バッファ層103の表面において浅く拡散して形成する必要がある。しかし、ドレイン電極111を、通常用いられているアルミニウムにより形成すると、アルミニウムがシリコンを吸い出して突き抜けが生じ、正孔の注入量を制御することができない。そこで、本実施の形態では、ドレイン電極111とp型ドレイン層110との間に、バリアメタル層112(例えば、TiN,TiW,Ti)を挿入する事により、ドレイン電極111におけるアルミニウムがシリコンを吸い出して突き抜ける減少を防止する事ができる。
In order to suppress injection of holes from the drain side, it is necessary to increase the surface concentration of the p-
ここで、バリアメタル層112は、上記第2の実施の形態、あるいは上記第3の実施の形態におけるドレイン電極111とp型ドレイン層110との間に設けても同様な効果が得られる。
Here, the same effect can be obtained even if the barrier metal layer 112 is provided between the
(第5の実施の形態)
図13に、本発明の第5の実施の形態に係る縦型半導体装置の縦断面構造を示す。
(Fifth embodiment)
FIG. 13 shows a vertical sectional structure of a vertical semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
本実施の形態は、n−型基板201の一方の面(図中、下面側)に、比較的深くn型バッファ層202を形成した点と、p型ドレイン層209をこのn型バッファ層202に形成したトレンチ型の溝207の底面部分に不純物を導入して形成した点に特徴がある。この場合の深さ方向の不純物プロファイルを、図14に示す。
In the present embodiment, an n-
先ず、本実施の形態によれば、深いn型バッファ層202を形成したことで、基板全体を厚くして十分な強度性を有することができる。
First, according to the present embodiment, since the deep n-
また本実施の形態によれば、n型バッファ層202に形成した溝207の底面部分にp型ドレイン層209を形成したことで、n型バッファ層202からn−型基板201の上面までの厚さを十分に薄くすることができる。
Further, according to the present embodiment, the p-
具体的には、例えば厚さ150〜400μmのn−型基板201の図中下面側に不純物を拡散して100〜350μmのn型バッファ層202を形成し、このn型バッファ層202に深さ90〜340μmの溝207を形成する。この溝207の底面に不純物を導入してp型ドレイン層209を形成すると、n型バッファ層202からn−型基板201の上面までは約50〜60μmというように十分薄くなる。
Specifically, for example, an n-
また、ドレイン層209がそれぞれ分離されて形成されるため、より低損失化を実現することができる。
Further, since the
次に、本実施の形態による縦型半導体装置の製造方法を工程別に簡単に説明する。ただし、ソース側の工程は従来と同様であるので、この部分の説明は省略する。 Next, a method for manufacturing a vertical semiconductor device according to the present embodiment will be briefly described for each process. However, since the source side process is the same as the conventional process, the description of this part is omitted.
図15に示すように、例えば厚さ150〜400μmのn−型基板201を用意し、図中下方の面から不純物を拡散してn型バッファ層202を形成する。次に、図16に示すように、n型バッファ層202の表面を酸化し、シリコン酸化膜203を形成する。そして、シリコン酸化膜203にエッチングを行って、溝を形成する箇所を選択的に除去する。
As shown in FIG. 15, for example, an n − -
図17に示すように、残ったシリコン酸化膜203をマスクとして異方性エッチングを行い、トレンチ型の溝207を形成する。
As shown in FIG. 17, anisotropic etching is performed using the remaining
図18に示すように、n型バッファ層202側の表面全体を酸化し、シリコン酸化膜208を形成する。このシリコン酸化膜208にエッチバックを行うと、図19に示すように溝207の側壁にシリコン酸化膜208が残り、溝207の底部及びn型バッファ層202の表面のシリコン酸化膜208は除去される。
As shown in FIG. 18, the entire surface on the n-
このような状態からボロンをイオン注入してアニールすると、図20に示すように溝207の底部にp型ドレイン層209が形成され、同時にn型バッファ層202の表面にp型ドレイン層210が形成される。この後、図13に示すように、溝207の中に埋め込みドレイン電極211を形成し、表面全体にドレイン電極212を形成する。
When boron is ion-implanted from this state and annealed, a p-
尚、n型バッファ層202の形成に関してであるが、例えば650μmというように厚いn−型基板201に不純物を拡散して厚く形成しておき、この後所望の厚さになるように研削してもよい。
Incidentally, regarding the formation of the n-
あるいは、図21に示すように、n型バッファ層202の表面上に高抵抗のエピタキシャル層221を形成してもよい。この場合の不純物プロファイルを図22に示す。
Alternatively, as shown in FIG. 21, a high-
また、本実施の形態ではゲート構造をトレンチ型としたが、図23に示すように、p型ベース層231、n+型ソース層232、ソース電極235、ゲート絶縁膜233、ゲート電極234を備えたプレーナ型としてもよい。
In this embodiment mode, the gate structure is a trench type. However, as shown in FIG. 23, a p-
上述した実施の形態はいずれも一例であり、本発明の技術的範囲を超えない範囲内において、様々に変形することが可能である。 The above-described embodiments are merely examples, and various modifications can be made without departing from the technical scope of the present invention.
1 SOI基板
2 支持基板(シリコン)
3 埋め込み酸化膜
4 シリコン活性層
14 n−型ベース層
15 n型バッファ層
16、16a、36、36a、46、56、66、106 p型ドレイン層
17 p型ベース層
18 n+型ソース層
19 ゲート絶縁膜
20 ゲート電極
21 絶縁膜
22 ドレイン配線
23 ゲート配線
24 ソース配線
25 コンタクトホール
Lb n型バッファ層の幅(1/2幅)
56a、66a p型ドレイン層部分
103 n型バッファ層
104 n型ベース層
105、115 p型ベース層
106、116、126 n型ソース層
107、117 ゲート絶縁膜
108、118 ゲート電極
109、119、129 ソース電極
110 p型ドレイン層
111 ドレイン電極
112 バリアメタル
201 n−型半導体基板
202 n型バッファ層
203、208 シリコン酸化膜
207 溝
209、210 p型ドレイン層
211 埋め込みドレイン電極
212 ドレイン電極
221 n−型エピタキシャル層
231 p型ベース層231
232 n型ソース層
233 ゲート絶縁膜
234 ゲート電極
235 ソース電極
1 SOI substrate 2 Support substrate (silicon)
3 buried
56a, 66a p-type drain layer portion 103 n-type buffer layer 104 n-
232 n-
Claims (2)
前記第1導電型半導体基板の一方の表面上に形成された前記第1導電型バッファ層と、 前記第1導電型半導体基板の他方の表面部分に形成された複数の第1の溝と、
前記第1導電型半導体基板の他方の表面部分において前記第1の溝より浅く形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面部分において各々の前記第1の溝の両側に形成された第1導電型ソース層と、
前記第1の溝の側壁及び底面に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の溝の内部に前記第1の絶縁膜を介して埋め込むように形成されたゲート電極と、
前記第1導電型ソース層及び前記第2導電型ベース層に接続するように形成されたソース電極と、
前記第1導電型バッファ層に形成された第2の溝と、
前記第2の溝の側壁に形成した第2の絶縁膜と、
前記第2の溝の底面部分に形成された第2導電型第1ドレイン層と、
前記第1導電型バッファ層の表面部分において前記第2の溝より浅く形成された第2導電型第2ドレイン層と、
前記第2の溝の内部に前記第2の絶縁膜を介して埋め込むように形成され、前記第2導電型第1ドレイン層に接続する埋め込みドレイン電極と、
前記第2導電型第2ドレイン層及び前記埋め込みドレイン電極と接続するドレイン電極とを備えることを特徴とする縦型半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate having a higher resistance than the first conductivity type buffer layer;
The first conductivity type buffer layer formed on one surface of the first conductivity type semiconductor substrate; a plurality of first grooves formed on the other surface portion of the first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type base layer formed shallower than the first groove in the other surface portion of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type source layer formed on both sides of each of the first grooves in the surface portion of the second conductivity type base layer;
A first insulating film formed on a side wall and a bottom surface of the first groove;
A gate electrode formed so as to be embedded in the first trench through the first insulating film;
A source electrode formed to connect to the first conductivity type source layer and the second conductivity type base layer;
A second groove formed in the first conductivity type buffer layer;
A second insulating film formed on a side wall of the second groove;
A second conductivity type first drain layer formed on a bottom surface portion of the second groove;
A second conductivity type second drain layer formed shallower than the second groove in the surface portion of the first conductivity type buffer layer;
A buried drain electrode formed so as to be buried in the second trench through the second insulating film and connected to the second drain type first drain layer;
A vertical semiconductor device comprising: the second conductivity type second drain layer; and a drain electrode connected to the buried drain electrode.
前記第1導電型半導体基板の一方の表面上に形成された前記第1導電型バッファ層と、 前記第1導電型半導体基板の他方の表面部分に選択的に形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面部分に選択的に形成された第1導電型ソース層と、
前記第1導電型ソース層と前記第1導電型半導体基板との間の前記第2導電型ベース層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第2導電型ベース層上に形成されたゲート電極と、
前記第1導電型ソース層及び前記第2導電型ベース層に接続するように形成されたソース電極と、
前記第1導電型バッファ層に形成された溝と、
前記溝の側壁に形成した絶縁膜と、
前記溝の底面部分に形成された第2導電型第1ドレイン層と、
前記第1導電型バッファ層の表面部分において前記溝より浅く形成された第2導電型第2ドレイン層と、
前記溝の内部に前記絶縁膜を介して埋め込むように形成され、前記第2導電型第1ドレイン層に接続する埋め込みドレイン電極と、
前記第2導電型第2ドレイン層及び前記埋め込みドレイン電極と接続するドレイン電極とを備えることを特徴とする縦型半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate having a higher resistance than the first conductivity type buffer layer;
The first conductivity type buffer layer formed on one surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and the second conductivity type base layer selectively formed on the other surface portion of the first conductivity type semiconductor substrate. When,
A first conductivity type source layer selectively formed on a surface portion of the second conductivity type base layer;
A gate insulating film formed on the second conductivity type base layer between the first conductivity type source layer and the first conductivity type semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the second conductivity type base layer via the gate insulating film;
A source electrode formed to connect to the first conductivity type source layer and the second conductivity type base layer;
A groove formed in the first conductivity type buffer layer;
An insulating film formed on the sidewall of the groove;
A second conductivity type first drain layer formed on the bottom surface of the groove;
A second conductivity type second drain layer formed shallower than the groove in the surface portion of the first conductivity type buffer layer;
A buried drain electrode formed so as to be buried in the trench through the insulating film and connected to the second drain type first drain layer;
A vertical semiconductor device comprising: the second conductivity type second drain layer; and a drain electrode connected to the buried drain electrode.
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