JP4904625B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP4904625B2
JP4904625B2 JP2001036353A JP2001036353A JP4904625B2 JP 4904625 B2 JP4904625 B2 JP 4904625B2 JP 2001036353 A JP2001036353 A JP 2001036353A JP 2001036353 A JP2001036353 A JP 2001036353A JP 4904625 B2 JP4904625 B2 JP 4904625B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
conductivity type
type
collector
semiconductor substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001036353A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002246597A (en
Inventor
博樹 脇本
功 吉川
勝典 上野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2001036353A priority Critical patent/JP4904625B2/en
Publication of JP2002246597A publication Critical patent/JP2002246597A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4904625B2 publication Critical patent/JP4904625B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換装置などに用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTと称す。IGBT:Insulated Gate Bipolar Transisitor)などの半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、600〜1200V耐圧のIGBTなどのMOS制御型の電力用半導体デバイスでは、動作時のエネルギー損失の低減と、ウェハコストの削減のために、エピタキシャル基板よりも安価なFZ(Floting Zone)基板を用いて、そのFZ基板の厚さを150μm以下と極めて薄く加工し、デバイスを作り込む技術が脚光を浴びている。特に、耐圧が1200VクラスのIGBTでは、オン電圧や順阻止耐圧などで、良好な電気的特性が得られるフィールドストップ(Field Stop)型IGBT(以下、FS−IGBTと称す)と呼ばれるIGBTが注目されている。
【0003】
図7は、従来のFS−IGBTであり、同図(a)は要部断面図、同図(b)は同図(a)のY−Y線上での不純物濃度分布図である。
同図(a)において、n- 半導体基板200の第1主面側の表面層にpベース領域52を形成し、pベース領域52の表面層にn+ エミッタ領域53を形成し、n- 半導体基板200とn+ エミッタ領域53に挟まれたpベース領域52上にゲート絶縁膜54を介してゲート電極55を形成し、その上に層間絶縁膜56を形成し、n+ エミッタ領域53上とpベース領域52上にエミッタ電極60を形成する。その上に図示しないパッシベーション膜を被覆する。
【0004】
一方、n- 半導体基板200の第2主面側の表面層にn型FS領域59を形成し、このn型FS領域59の表面層にp+ コレクタ領域57を形成し、p+ コレクタ領域57上にコレクタ電極61を形成する。n- 半導体基板200の各領域が形成されない領域が、n- ベース領域51となる。
この従来のFS−IGBTでは、前記したように、エミッタ電極60が形成される前に、コレクタ側のウエハ表面に、リンイオンなどのn型不純物とボロンイオンなどのp型不純物をイオン注入により打ち込み、400℃程度の低温で熱処理して電気的に活性化して、n型FS領域59とp+ コレクタ領域57を形成する。以下に説明するこれらの領域の不純物濃度は、活性化した不純物濃度のことである。
【0005】
この従来のFS−IGBTは、エピタキシャル基板を用いて形成した従来のパンチスルー型IGBT(PT−IGBT)の数百μmの厚いコレクタ領域を1μm以下と極めて薄くした構造であり、従って、全体の半導体基板200の厚さも150μm以下と極めて薄くなっている。
同図(b)において、空乏層の伸びを抑えるフィールドストップ領域となるn型FS領域59を形成する。このn型FS領域59は、従来のエピタキシャル基板を用いたパンチスルー型IGBT(以下、PT−IGBTという)のnバッファ領域よりも不純物濃度が低いことが特徴である。その理由をつぎに説明する。
【0006】
図8は、従来のエピタキシャル基板を用いたパンチスルー型IGBT(PT−IGBT)であり、同図(a)は要部断面図、同図(b)はY−Y線上での不純物濃度分布図である。
図8に示すように、従来のエピタキシャル基板300を用いたPT−IGBTでは、数百μmと厚い高濃度のp+ コレクタ領域77となるp+ 半導体基材上に、比較的高濃度の空乏層をストップさせるnバッファ領域79をエピタキシャル成長で形成する。このnバッファ領域79上に低濃度のn- 半導体領域80を形成し、このn- 半導体領域80の表面層にpベース領域52やn+ エミッタ領域53などを形成する。このn- 半導体領域80のpベース領域52を形成ない領域がn- ベース領域71となる。
【0007】
このnバッファ領域79の不純物濃度を比較的高い値にするのは、不純物濃度が極めて高いp+ コレクタ領域77からの正孔の注入を抑え、空乏層の伸びを完全に止めるためである。
また、p+ コレクタ領域77の不純物濃度を極めて高い値にするのは、p+ コレクタ領域77の厚さが数百μmと厚いために、小さなオン電圧(VCE(sat))を得るためには、このp+ コレクタ領域77の抵抗を極めて小さな値にしなければならないからである。
【0008】
一方、従来のFS−IGBTでは、順阻止状態では空乏層の伸びを、p+ コレクタ領域57に接して形成されるn型FS領域59で、ストップするために、PT−IGBTと同様にn- ベース領域51の厚さを薄くできる。また、前記したように、p+ コレクタ領域57の厚さをPT−IGBTより大幅に薄くできるために、p+ コレクタ領域57の不純物濃度を、PT−IGBTに比べて低くできる。このp+ コレクタ領域57の不純物濃度を低くすることで、オン状態でp+ コレクタ領域57からのn- ベース領域51に蓄積されるキャリア量を、PT−IGBTと比べて小さくできる。
【0009】
- ベース領域51に蓄積されるキャリア量を少なくすることで、ライフタイムキラーの導入なしでターンオフ時間を短縮できる。また、ライフタイムキラーの導入がないことで、オン電圧を小さくできる。
また、p+ コレクタ領域57からの正孔の注入効率を所定の値にするために、n型FS領域59の不純物濃度をp+ コレクタ領域57の不純物濃度より小さくする必要がある。その結果、n型FS領域59の不純物濃度は、PT−IGBTのnバッファ領域79の不純物濃度に比べて低い値となる。このことがFS−IGBTの特徴である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のFS−IGBTのp+ コレクタ領域57は、前記したように、PT−IGBTのp+ コレクタ領域77と比べて不純物濃度が低く、厚さが大幅に薄く、また、nバッファ領域79に相当するn型FS領域59の不純物濃度も低いために、p+ コレクタ領域57やn型FS領域59に部分的な欠損(欠落箇所)が生じ易い。
【0011】
イオン注入前に、コレクタ側のウエハの表面に付着したごみ・ほこりなどによりn型FS領域59の一部分でも形成されない箇所(欠損箇所)があると、pベース領域52側からから伸びてきた空乏層が容易にp+ コレクタ領域57にパンチスルーして、IGBTの耐圧が劣化する。
また、p+ コレクタ領域57が形成されない箇所があると、n型FS領域59の不純物濃度が通常のpnダイオードのn領域と比べて大幅に高くなっているために、p+ コレクタ領域57とn型FS領域59からなるp/n接合が順バイアスされ難くなり、その結果、p+ コレクタ領域57からn型FS領域59への正孔の注入が起こり難くなり、オン電圧が上昇する。
【0012】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、p+ コレクタ領域とn型FS領域の部分的な欠損が、オン電圧特性や耐圧特性に及ぼす影響を小さくできる半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、第1導電型半導体基板の第1主面の表面層に、選択的に形成された第2導電型ベース領域と、該第2導電型ベース領域の表面層に選択的に形成された第1導電型エミッタ領域と、該第1導電型エミッタ領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれた前記第2導電型ベース領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型エミッタ領域上と前記第2導電型ベース領域上に形成されたエミッタ電極と、前記第1導電型半導体基板を150μm以下に薄くした第2主面の表面層に形成された厚さが1μm以下の第2導電型コレクタ領域と、該第2導電型コレクタ領域上に形成されたコレクタ電極とを具備する半導体装置であって、
前記第2導電型コレクタ領域と離して前記第1導電型半導体基板の不純物濃度より高い不純物濃度で、第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ領域とを有し、該第1導電型フィールドストップ領域と前記第2導電型コレクタ領域との間が前記第1導電型半導体基板の不純物濃度の領域で分離されている構成とする。
【0014】
また、第1導電型半導体基板の第1主面の表面層に、選択的に形成された第2導電型ベース領域と、該第2導電型ベース領域の表面層に選択的に形成された第1導電型エミッタ領域と、該第1導電型エミッタ領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれた前記第2導電型ベース領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型エミッタ領域上と前記第2導電型ベース領域上に形成されたエミッタ電極と、前記第1導電型半導体基板を150μm以下に薄くした第2主面の表面層に形成された厚さが1μm以下の第2導電型コレクタ領域と、該第2導電型コレクタ領域上に形成されたコレクタ電極とを具備する半導体装置であって、
前記第2導電型コレクタ領域と離して前記第1導電型半導体基板の不純物濃度より高い不純物濃度で、第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ領域とを有し、該第1導電型フィールドストップ領域の不純物ピーク濃度が1015〜1017cm−3であり、該第1導電型フィールドストップ領域と前記第2導電型コレクタ領域との間が前記第1導電型半導体基板の不純物濃度より1桁以内の不純物濃度高さの領域で分離されている構成とする。
【0015】
また、前記第1導電型フィールドストップ領域が離れて複数個形成されるとよい。
また、前記第2導電型コレクタ領域の表面から前記第1導電型半導体基板内に到達するように形成された複数個の溝と、該溝内を充填する絶縁膜と、該溝の各先端部に個別に形成された前記第1導電型フィールドストップ領域とを有するとよい。
【0016】
【0017】
また、前記第1導電型フィールドストップ領域前記第2主面に投影した平面形状が、格子状であるとよい。
また、前記第1導電型フィールドストップ領域の前記第2主面に投影した平面形状が、セル状もしくはストライプ状であるとよい。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明の第1実施例の半導体装置であり、同図(a)は要部断面図、同図(b)は同図(a)のY−Y線上での不純物濃度分布(拡散プロフィル)図である。従来のFS−IGBTとの違いは、p+ コレクタ領域7とn型FS領域9が接していない点である。また、以下の実施例では、ゲート部分がトレンチ構造であっても同様の効果がある。
【0019】
同図(a)において、n- 半導体基板100の第1主面側の表面層にpベース領域2を形成し、このpベース領域2の表面層にn+ エミッタ領域3を形成する。n- 半導体基板100(n- ベース領域1)とn+ エミッタ領域3に挟まれたpベース領域2上にゲート絶縁膜4を介してゲート電極5を形成し、その上に層間絶縁膜6を形成し、層間絶縁膜にコンタクトホールを開けて、前記のn+ エミッタ領域3上とpベース領域2上にエミッタ電極10を形成する。その後、表面に図示しないパッシベーション膜を被覆する。
【0020】
一方、n- 半導体基板100の第2主面から所定の深さに、空乏層の伸びを抑える働きがあるn型FS領域9を形成し、このn型FS領域9より低い不純物濃度で、n型FS領域9と第2主面の間にn領域8を形成し、このn領域8の表面層に、n型FS領域9と離してp+ コレクタ領域7を形成し、p+ コレクタ領域7上にコレクタ電極11を形成する。n- 半導体基板100の各領域が形成されない領域がn- ベース領域1となる。
【0021】
前記のn型FS領域9とp+ コレクタ領域7およびn領域8は、リンイオンなどのn型不純物およびボロンイオンなどのp型不純物をイオン注入し、400℃程度の低温で熱処理してイオン注入された不純物を活性化する。以下の説明で、これらの領域の不純物濃度は、熱処理した後の活性化した不純物濃度のことである。
【0022】
尚、図1(a)のn型FS領域9のp+ コレクタ領域表面12に投影した平面形状は、全面がn型FS領域9であるが、図6(a)に示すような格子状をしていてもよい。
同図(b)において、n型FS領域9がp+ コレクタ領域7に接しないようにするためには、n型FS領域9の不純物濃度ピーク位置15(不純物濃度がピークとなる位置のこと)からn- ベース領域と同等の不純物濃度になる位置まで(n- ベース領域1とn型FS領域9とのpn接合の位置)の距離aよりも、n型FS領域の不純物濃度ピーク位置15からp+ コレクタ領域7とn領域8とのp/n接合(以下、コレクタp/n接合13と称す)までの距離bを大きくする。つまり距離b<距離aとする。
【0023】
通常の工程では、p+ コレクタ領域表面12からコレクタp/n接合13までの距離(p+ コレクタ領域の厚さ)は0.2〜0.3μm、p+ コレクタ領域表面12からn型FS領域9の不純物濃度ピーク位置15は0.8〜1μm程度である。コレクタp/n接合13とn型FS領域9が接する場合には、n型FS領域の半分の厚み(距離aに相当する)は、0.5〜0.8μmとなる。従って、距離bが0.8μmより大きい値(b>0.8μm)であれば、p+ コレクタ領域13とn型FS領域9とは接することはない。
【0024】
n型FS領域9がpベース領域2に近すぎると、n型FS領域9内が空乏化してしまう可能性があるため、pベース領域2のボトム(pベース領域2とn- ベース領域1のp/n接合(以下、ベースp/n接合14と称す))からn型FS領域9の不純物濃度ピーク位置15までの距離cに対して、距離bを20%程度以下にすることが必要がある。
【0025】
また、前記のn型FS領域9の不純物ピーク濃度が高すぎると、オン電圧の上昇を招くので、p+ コレクタ領域7の不純物ピーク濃度よりn型FS領域9の不純物ピーク濃度を2桁程度以上小さくなるように、設定するのが好ましい。しかし、このn型FS領域9の不純物ピーク濃度の高さ(図中、番号15の位置での濃度の高さ)は、n型FS領域9が完全に空乏化しない程度にすることが望ましい。
【0026】
また、前記のp+ コレクタ領域7を形成するために、イオン注入した不純物原子は、400℃程度以下の低温で熱処理(アニール)し、活性化させるが、通常、この活性化した不純物ピーク濃度を1017cm-3〜1019cm-3程度にすることができる。従って、n型FS領域9の不純物ピーク濃度は1015〜1017cm-3程度とすることが好ましい。
【0027】
また、p+ コレクタ領域7とn型FS領域9のそれぞれに接して、これらの領域の間に形成されるn領域8の不純物ピーク濃度は、n- 半導体基板100(n- ベース領域1)の不純物濃度より多少高く(1桁以内の高さ)、n型FS領域9の不純物ピーク濃度より低く設定する。
このn領域8は、空乏層がn型FS領域9を突き抜けた場合やn型FS領域9に部分的な欠損があった場合に、p+ コレクタ領域7に空乏層が到達しないようにする働きと、p+ コレクタ領域7からの正孔の注入を抑制する働きがある。従って、n型FS領域9により、空乏層がp+ コレクタ領域7に達せず、且つ、p+ コレクタ領域7からの正孔の注入を抑制する必要がなければ、このn領域8は形成しなくても構わない。また、図1では、n領域8がn型FS領域9に接しているが、接しなくても構わない。
【0028】
前記のp+ コレクタ領域7と離してn型FS領域9を形成するには、n型不純物を高エネルギーで加速して、深くイオン注入し、低温の熱処理で活性化させる方法と、エピタキシャル成長による方法がある。イオン注入法では1μm程度の深さ程度であるが、エピタキシャル成長による方法では、p+ コレクタ領域表面12から任意の深さに、n型FS領域9を形成することができる。しかし、n型FS領域9を深くし過ぎると、前記のように、n- ベース領域1の幅が狭くなる。その結果、前記のように、n型FS領域内が空乏化してしまう可能性が生じるため、p+ コレクタ領域表面からの深さを10μm程度以下にすることが望ましい。
【0029】
本発明のFS−IGBTでは、p+ コレクタ領域7と離してn型FS領域9を形成し、これらに挟まれた箇所に低濃度のn領域8を形成することで、順阻止状態においては、従来のFS−IGBTと同様に、空乏層をn型FS領域9でストップさせて、耐圧を確保し、一方、オン状態では、p+ コレクタ領域7に低濃度のn領域8が接しているために、この箇所はノンパンチスルー型IGBT(NPT−IGBT)のコレクタ側と類似しており、p+ コレクタ領域7からの正孔の注入効率が低下せず、オン電圧を小さくできる。
【0030】
また、この構造では、p+ コレクタ領域7の部分的な欠損が、オン電圧に与える影響を小さくできる。それは、p+ コレクタ領域7と接するn領域8の不純物濃度が低いために、部分的にp+ コレクタ領域7が欠損しても、容易にp+ コレクタ領域7とn領域8のp/n接合が順バイアスされて、p+ コレクタ領域7からn領域8へ正孔が注入されるためである。
【0031】
図2は、この発明の第2実施例の半導体装置の要部断面図である。図1との違いはn型FS領域9aが複数個に分割されている点である。
+ コレクタ領域7と離して、部分的にn- 半導体基板100の不純物濃度よりも大きい不純物濃度ピークを持つn型FS領域9aが複数個、離して、n- ベース領域1に埋め込まれるように形成され、このn型FS領域9aとp+ コレクタ領域7の間に、n型FS領域と離して、n型FS領域9aの不純物濃度より低いn領域8を形成する。この埋め込まれたn型FS領域9aとn型領域8は、空乏層の伸びを抑える働きをして、n型FS領域9aのない領域でのp+ コレクタ領域7へ、空乏層が達する電圧(パンチスルー電圧)を高めることができる。また、前記したように、コレクタp/n接合13からn型FS領域9aの不純物濃度ピーク位置15までの距離bは0.8μm以上であることが望ましい。
【0032】
また、ベースp/n接合14からn型FS領域9aの不純物濃度ピーク位置15までの距離cに対して、n型FS領域9aの不純物濃度ピーク位置15からコレクタp/n接合13までの距離bが、20%程度以下で、十分空乏層の伸びを抑制する効果がある。
また、n型FS領域9aのp+ コレクタ領域表面12に垂直投影した平面形状(以下、単に平面形状という)は、図6(b)に示すように、セル状(円形、楕円形、多角形など)、図6(c)に示すように、ストライプ状のいずれでもよい。また、セル状のn型FS領域9aの立体的な形状が、たとえば、球形や、ウェハ面に平行な方向に長く垂直な方向に短い楕円形およびウェハ面に垂直な方向に長く平行な方向に短い楕円形のいずれかの場合には、図6(d)に示すような、n型FS領域9aがウェハ面に垂直な方向に長い楕円形のものが空乏層の伸びを抑える効果が高く、またチップの総面積(チップ面の総面積)に対するn型FS領域9aの面積割合が小さいのでオン電圧の上昇も小さい。尚、図6(d)の垂直の方向と水平の方向は、図2の垂直の方向と水平の方向のことである。
【0033】
また、n型FS領域9aの面積割合が小さい場合には、オン電圧の上昇の割合が小さくなるため、n型FS領域9aの不純物ピーク濃度を高くして順阻止耐圧を向上させることができる。
また、この構造では、前記したように、n領域8が低濃度であるため、コレクタ側の構造は、NPT−IGBTに近い構造となり、従来のFS−IGBTより、p+ コレクタ領域の一部分が欠損しても、オン電圧に及ぼす影響は小さい。尚、前記したように、n型FS領域9aにより、空乏層がp+ コレクタ領域7に達せず、且つ、p+ コレクタ領域7からの正孔の注入を抑制する必要がなければ、このn領域8は形成しなくても構わない。
【0034】
図3は、この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図である。コレクタ側からn- 半導体基板100に形成された複数個の溝16に絶縁材17が埋め込まれ、その先端にn型FS領域9bが形成されている。n型FS領域9bの不純物濃度は順阻止状態で空乏化しない程度の濃度とすることが望ましい。前記したように、コレクタp/n接合13からn型FS領域9bのもっともpベース領域2側に近い不純物濃度ピーク位置15までの距離bが0.8μm程度以上であることが望ましい。
【0035】
また、前記したように、空乏層の伸びを抑るためには、ベースp/n接合14からn型FS層9bの不純物濃度ピーク位置15までの距離cに対して、n型FS層9bの不純物ピーク位置15からコレクタp/n接合13までの距離bが、20%程度以下で十分である。また、前記したように、n型FS領域9bの面積割合が十分小さい場合には、オン電圧が上昇する割合が小さいため、n型FS領域9bの不純物濃度ピーク濃度を高くすることで、順阻止耐圧を向上させることができる。
【0036】
この構造は、溝16を形成した後、イオン注入、または、n型不純物を含有した材料を埋め込み、拡散によってn型FS領域9bとn領域8を形成し、最後に溝16を絶縁材17で埋めることにより形成できる。n型FS領域9bの平面形状は、セル状、ストライプ状のいずれでも良い。また、n領域8の働きは前記した通りであり、空乏層の伸びがn型FS領域9bによりp+ コレクタ領域7に達せず、また、p+ コレクタ領域7からの正孔の注入を抑制する必要がなければ、形成しなくても構わない。
【0037】
図4、この発明の第1参考例の半導体装置の要部断面図である。図1から図3までとの違いは、複数個形成されたn型FS領域9cがp+ コレクタ領域7に接している点である。このn型FS領域9cの不純物濃度は、前記したように、順阻止状態で完全に空乏化しない程度の濃度とすることが望ましい。n型FS領域9cの面積割合が十分小さい場合にはオン電圧が上昇する割合が小さいため、n型FS領域9cの不純物ピーク濃度を、高くすることで、順阻止耐圧を向上させることができる。
【0038】
また、n型FS領域9cの平面形状は、セル状およびストライプ状のいずれでも良い。この構造においても、順阻止状態では、n型FS領域9cにより、n型FS領域9cがない箇所の空乏層の伸びが抑制され、空乏層がp+ コレクタ領域7に到達し難くなり、耐圧が確保しやすい。この空乏層の伸びは、前記のn領域8を形成することで、さらに抑えられて、耐圧の確保が容易になる。しかし、空乏層の伸びがn型FS領域9cによりp+ コレクタ領域7へ達せず、且つ、p+ コレクタ領域7からの正孔の注入を抑制する必要がないならば、このn領域8は形成しなくても構わない。
【0039】
また、n型FS領域9cがない箇所では、p+ コレクタ領域7からの正孔の注入効率が低下しないため、オン電圧を低く保つことができる。このn型FS領域9cがない箇所の断面構造は、n領域8の不純物濃度が十分低いために、NPT−IGBTに近い構造となり、前記したように、従来のFS−IGBTほどには、p+ コレクタ領域7の一部分の欠損が、オン電圧の上昇を招かない。
【0040】
図5は、この発明の第2参考例の半導体装置の要部断面図である。コレクタ側からn- 半導体基板100に形成された溝16に絶縁材17が埋め込まれ、それを囲むようにn型FS領域9dが形成されている。またp+ コレクタ領域7と接するように、n型FS領域9dより不純物濃度が低いn領域8が形成されている。n型FS領域9dの不純物濃度は、順阻止状態で空乏化しない程度の濃度が望ましい。
【0041】
また、溝16の深さを深くすることにより、n型FS領域9dのp+ コレクタ領域表面12からの深さを深くすることが可能であるが、空乏層の伸びを効果的に抑えるためには、ベースp/n接合14からn型FS層9dの不純物濃度ピーク位置15までの距離cに対して、先端箇所18のn型FS層9dの不純物ピーク位置15からコレクタp/n接合13までの距離bが、20%程度以下で十分である。
【0042】
前記したように、n型FS領域9dの面積割合が十分小さい場合には、オン電圧が上昇する割合が小さいため、n型FS領域9dの不純物濃度ピーク濃度高くすることで、順阻止耐圧を向上させることができる。
また、n型FS領域9dの平面形状は、セル状およびストライプ状のいずれでも良い。また、前記したように、n領域8は空乏層の伸びがn型FS領域9dによりp+ コレクタ領域7に達せず、且つ、p+ コレクタ領域9dからの正孔の注入を抑制する必要がなければ、形成しなくても構わない。
【0043】
【発明の効果】
この発明によれば、p+ コレクタ領域に、n型FS領域を接しないように形成し、p+ コレクタ領域とn型FS領域の間に低濃度のn領域を形成することで、p+ コレクタ領域、n型FS領域の部分的な欠損が、オン電圧および順阻止耐圧に及ぼす影響を小さくできる。
【0044】
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1実施例の半導体装置であり、(a)は要部断面図、(b)は(a)のY−Y線上での不純物濃度分布図
【図2】 この発明の第2実施例の半導体装置の要部断面図
【図3】 この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図
【図4】 この発明の第1参考例の半導体装置の要部断面図
【図5】 この発明の第2参考例の半導体装置の要部断面図
【図6】 n型FS領域の形状で、(a)は格子状の図、(b)はセル状の図、(c)はストラプ状の図、(d)は楕円状の図
【図7】 従来のFS−IGBTであり、(a)は要部断面図、(b)は(a)のY−Y線上での不純物濃度分布図
【図8】 従来のエピタキシャル基板を用いたパンチスルー型IGBT(PT−IGBT)であり、(a)は要部断面図、(b)はY−Y線上での不純物濃度分布図
【符号の説明】
1 n- ベース領域
2 pベース領域
3 n+ エミッタ領域
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 層間絶縁膜
7 p+ コレクタ領域
8 n領域
9、9a、9b、9c、9d n型FS領域
10 エミッタ電極
11 コレクタ電極
12 p+ コレクタ領域表面
13 コレクタp/n接合
14 ベースp/n接合
15 不純物濃度ピーク位置
16 溝
17 絶縁材
18 先端箇所
21 p+ コレクタ領域表面に投影した形状
100 n- 半導体基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device such as an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT; IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) used in a power conversion device or the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, MOS-controlled power semiconductor devices such as IGBTs with a breakdown voltage of 600 to 1200 V have been manufactured using FZ (Floating Zone) substrates that are less expensive than epitaxial substrates in order to reduce energy loss during operation and reduce wafer costs. The technology of fabricating a device by using the FZ substrate as thin as 150 μm or less and making a device is in the spotlight. In particular, in a IGBT with a withstand voltage of 1200 V class, an IGBT called a field stop type IGBT (hereinafter referred to as FS-IGBT) that can obtain good electrical characteristics with an on-state voltage, a forward blocking withstand voltage, and the like has attracted attention. ing.
[0003]
7A and 7B show a conventional FS-IGBT. FIG. 7A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 7B is an impurity concentration distribution diagram on the YY line of FIG.
In FIG. 9A, n - A p base region 52 is formed in the surface layer on the first main surface side of the semiconductor substrate 200, and n is formed on the surface layer of the p base region 52. + An emitter region 53 is formed and n - Semiconductor substrate 200 and n + A gate electrode 55 is formed on the p base region 52 sandwiched between the emitter regions 53 via a gate insulating film 54, an interlayer insulating film 56 is formed thereon, and n + Emitter electrodes 60 are formed on the emitter region 53 and the p base region 52. A passivation film (not shown) is coated thereon.
[0004]
On the other hand, n - An n-type FS region 59 is formed in the surface layer on the second main surface side of the semiconductor substrate 200, and p-type is formed on the surface layer of the n-type FS region 59. + A collector region 57 is formed and p + A collector electrode 61 is formed on the collector region 57. n - A region where each region of the semiconductor substrate 200 is not formed is n - A base region 51 is formed.
In this conventional FS-IGBT, as described above, before the emitter electrode 60 is formed, n-type impurities such as phosphorus ions and p-type impurities such as boron ions are implanted into the wafer surface on the collector side by ion implantation. The n-type FS region 59 and p are electrically activated by heat treatment at a low temperature of about 400 ° C. + A collector region 57 is formed. The impurity concentration of these regions described below is the activated impurity concentration.
[0005]
This conventional FS-IGBT has a structure in which a thick collector region of several hundreds μm of a conventional punch-through type IGBT (PT-IGBT) formed using an epitaxial substrate is extremely thin as 1 μm or less. The thickness of the substrate 200 is also extremely thin at 150 μm or less.
In FIG. 2B, an n-type FS region 59 serving as a field stop region that suppresses the growth of the depletion layer is formed. The n-type FS region 59 is characterized by a lower impurity concentration than an n buffer region of a punch-through IGBT (hereinafter referred to as PT-IGBT) using a conventional epitaxial substrate. The reason will be described next.
[0006]
8A and 8B show a punch-through IGBT (PT-IGBT) using a conventional epitaxial substrate. FIG. 8A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 8B is an impurity concentration distribution diagram on the YY line. It is.
As shown in FIG. 8, in the PT-IGBT using the conventional epitaxial substrate 300, a high concentration p having a thickness as large as several hundred μm. + P to be the collector region 77 + On the semiconductor substrate, an n buffer region 79 for stopping a relatively high concentration depletion layer is formed by epitaxial growth. On this n buffer area 79, a low concentration n - A semiconductor region 80 is formed and this n - The p base region 52 and n are formed on the surface layer of the semiconductor region 80. + An emitter region 53 and the like are formed. This n - The p base region 52 of the semiconductor region 80 is formed. Shi No region is n - A base region 71 is formed.
[0007]
The reason why the impurity concentration of the n buffer region 79 is set to a relatively high value is that the impurity concentration is very high. + This is to suppress the injection of holes from the collector region 77 and completely stop the depletion layer from extending.
P + The reason why the impurity concentration in the collector region 77 is set to a very high value is p. + In order to obtain a small on-voltage (VCE (sat)) because the collector region 77 is as thick as several hundred μm, this p + This is because the resistance of the collector region 77 must be made extremely small.
[0008]
On the other hand, in the conventional FS-IGBT, in the forward blocking state, the extension of the depletion layer is reduced to p. + In order to stop at the n-type FS region 59 formed in contact with the collector region 57, n is the same as PT-IGBT. - The thickness of the base region 51 can be reduced. In addition, as described above, p + In order to make the thickness of the collector region 57 significantly thinner than the PT-IGBT, p + The impurity concentration of the collector region 57 can be made lower than that of PT-IGBT. This p + By reducing the impurity concentration of the collector region 57, p is turned on in the on state. + N from collector region 57 - The amount of carriers stored in the base region 51 can be made smaller than that of PT-IGBT.
[0009]
n - By reducing the amount of carriers accumulated in the base region 51, the turn-off time can be shortened without introducing a lifetime killer. In addition, the on-voltage can be reduced by not introducing a lifetime killer.
P + In order to set the hole injection efficiency from the collector region 57 to a predetermined value, the impurity concentration of the n-type FS region 59 is set to p. + It is necessary to make it smaller than the impurity concentration of the collector region 57. As a result, the impurity concentration of the n-type FS region 59 is lower than the impurity concentration of the n-buffer region 79 of PT-IGBT. This is a feature of FS-IGBT.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, this conventional FS-IGBT p + As described above, the collector region 57 is made of PT-IGBT p. + The impurity concentration is lower than that of the collector region 77, the thickness is significantly reduced, and the impurity concentration of the n-type FS region 59 corresponding to the n buffer region 79 is also low. + Partial defects (missing portions) are likely to occur in the collector region 57 and the n-type FS region 59.
[0011]
A depletion layer extending from the p base region 52 side if there is a portion (defect portion) that is not formed even in a part of the n-type FS region 59 due to dust or dust attached to the surface of the wafer on the collector side before ion implantation. Is easily p + Punching through the collector region 57 causes the breakdown voltage of the IGBT to deteriorate.
P + If there is a portion where the collector region 57 is not formed, the impurity concentration of the n-type FS region 59 is significantly higher than the n region of a normal pn diode. + The p / n junction composed of the collector region 57 and the n-type FS region 59 is less likely to be forward-biased. + Hole injection from the collector region 57 into the n-type FS region 59 hardly occurs, and the on-voltage increases.
[0012]
The object of the present invention is to solve the above problems and + An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can reduce the influence of partial defects in a collector region and an n-type FS region on on-voltage characteristics and breakdown voltage characteristics.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a second conductive type base region selectively formed on a surface layer of the first main surface of the first conductive type semiconductor substrate, and a surface layer of the second conductive type base region. A first conductive type emitter region formed selectively, and a first conductive type emitter region and the second conductive type base region sandwiched between the first conductive type semiconductor substrate and a gate insulating film; A gate layer; an emitter electrode formed on the first conductivity type emitter region and the second conductivity type base region; and a surface layer of a second main surface in which the first conductivity type semiconductor substrate is thinned to 150 μm or less. Formed in The thickness is less than 1μm A semiconductor device comprising a second conductivity type collector region and a collector electrode formed on the second conductivity type collector region,
A first conductivity type field stop region formed in the first conductivity type semiconductor substrate at an impurity concentration higher than the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate apart from the second conductivity type collector region; The first conductivity type field stop region and the second conductivity type collector region are separated by an impurity concentration region of the first conductivity type semiconductor substrate.
[0014]
In addition, a second conductivity type base region selectively formed on the surface layer of the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate and a second layer selectively formed on the surface layer of the second conductivity type base region. A first conductivity type emitter region, a gate electrode formed on the second conductivity type base region sandwiched between the first conductivity type emitter region and the first conductivity type semiconductor substrate via a gate insulating film; Formed on the surface layer of the second main surface of the emitter electrode formed on the first conductivity type emitter region and the second conductivity type base region, and the first conductivity type semiconductor substrate thinned to 150 μm or less. The thickness is less than 1μm A semiconductor device comprising a second conductivity type collector region and a collector electrode formed on the second conductivity type collector region,
A first conductivity type field stop region formed in the first conductivity type semiconductor substrate at an impurity concentration higher than the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate apart from the second conductivity type collector region; The impurity peak concentration of the first conductivity type field stop region is 10 15 -10 17 cm -3 The first conductivity type field stop region and the second conductivity type collector region are separated by a region having an impurity concentration height within one digit from the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate. And
[0015]
A plurality of the first conductivity type field stop regions may be formed apart from each other.
A plurality of grooves formed so as to reach the first conductivity type semiconductor substrate from the surface of the second conductivity type collector region; an insulating film filling the grooves; and each tip portion of the grooves And the first conductivity type field stop region formed individually.
[0016]
[0017]
Also, The first conductivity type field stop region of The planar shape projected on the second main surface may be a lattice shape.
The planar shape projected onto the second main surface of the first conductivity type field stop region may be a cell shape or a stripe shape.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1A and 1B show a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view of an essential part, and FIG. 1B is an impurity concentration distribution (Y-Y line in FIG. 1A). (Diffusion profile) FIG. The difference from the conventional FS-IGBT is p + The collector region 7 and the n-type FS region 9 are not in contact with each other. In the following embodiments, the same effect can be obtained even if the gate portion has a trench structure.
[0019]
In FIG. 9A, n - A p base region 2 is formed in the surface layer on the first main surface side of the semiconductor substrate 100, and + Emitter region 3 is formed. n - Semiconductor substrate 100 (n - Base regions 1) and n + A gate electrode 5 is formed on the p base region 2 sandwiched between the emitter regions 3 via a gate insulating film 4, an interlayer insulating film 6 is formed thereon, a contact hole is opened in the interlayer insulating film, and the above-mentioned n + Emitter electrodes 10 are formed on the emitter region 3 and the p base region 2. Thereafter, a passivation film (not shown) is coated on the surface.
[0020]
On the other hand, n - An n-type FS region 9 that functions to suppress the growth of the depletion layer is formed at a predetermined depth from the second main surface of the semiconductor substrate 100, and the n-type FS region 9 has an impurity concentration lower than that of the n-type FS region 9. N region 8 is formed between the first main surface and the second main surface, and the surface layer of n region 8 is separated from n-type FS region 9 by p + A collector region 7 is formed and p + A collector electrode 11 is formed on the collector region 7. n - A region where each region of the semiconductor substrate 100 is not formed is n - Base region 1 is formed.
[0021]
N-type FS region 9 and p + The collector region 7 and the n region 8 are ion-implanted with n-type impurities such as phosphorus ions and p-type impurities such as boron ions, and are heat-treated at a low temperature of about 400 ° C. to activate the implanted ions. In the following description, the impurity concentration in these regions refers to the activated impurity concentration after heat treatment.
[0022]
Note that p in the n-type FS region 9 in FIG. + The planar shape projected on the collector region surface 12 is the n-type FS region 9 as a whole, but it may have a lattice shape as shown in FIG.
In FIG. 5B, the n-type FS region 9 is p + In order to avoid contact with the collector region 7, the n-type FS region 9 has an impurity concentration peak position 15 (a position where the impurity concentration reaches a peak) to n. - Up to the position where the impurity concentration is equivalent to the base region (n - P from the impurity concentration peak position 15 of the n-type FS region than the distance a) of the pn junction between the base region 1 and the n-type FS region 9). + The distance b to the p / n junction (hereinafter referred to as the collector p / n junction 13) between the collector region 7 and the n region 8 is increased. That is, distance b <distance a.
[0023]
In normal process, p + Distance from collector region surface 12 to collector p / n junction 13 (p + (Thickness of collector region) is 0.2 to 0.3 μm, p + The impurity concentration peak position 15 from the collector region surface 12 to the n-type FS region 9 is about 0.8 to 1 μm. When the collector p / n junction 13 and the n-type FS region 9 are in contact with each other, the half thickness (corresponding to the distance a) of the n-type FS region is 0.5 to 0.8 μm. Therefore, if the distance b is greater than 0.8 μm (b> 0.8 μm), p + The collector region 13 and the n-type FS region 9 do not contact each other.
[0024]
If the n-type FS region 9 is too close to the p base region 2, there is a possibility that the n-type FS region 9 is depleted, so that the bottom of the p base region 2 (p base region 2 and n - The distance b is about 20% or less with respect to the distance c from the p / n junction of the base region 1 (hereinafter referred to as the base p / n junction 14) to the impurity concentration peak position 15 of the n-type FS region 9. It is necessary.
[0025]
On the other hand, if the impurity peak concentration of the n-type FS region 9 is too high, the on-voltage is increased. + It is preferable to set the impurity peak concentration of the n-type FS region 9 to be smaller than the impurity peak concentration of the collector region 7 by about two digits or more. However, it is desirable that the height of the impurity peak concentration of the n-type FS region 9 (the concentration at the position of number 15 in the figure) is such that the n-type FS region 9 is not completely depleted.
[0026]
In addition, the above p + In order to form the collector region 7, the ion-implanted impurity atoms are activated by annealing (annealing) at a low temperature of about 400 ° C. or lower. 17 cm -3 -10 19 cm -3 Can be about. Therefore, the impurity peak concentration of the n-type FS region 9 is 10 15 -10 17 cm -3 It is preferable to set the degree.
[0027]
P + The impurity peak concentration of the n region 8 formed between and in contact with the collector region 7 and the n-type FS region 9 is n - Semiconductor substrate 100 (n - The impurity concentration of the base region 1) is set slightly higher (height within one digit) and lower than the impurity peak concentration of the n-type FS region 9.
The n region 8 is formed when the depletion layer penetrates the n-type FS region 9 or when the n-type FS region 9 has a partial defect. + The function of preventing the depletion layer from reaching the collector region 7 and p + It functions to suppress the injection of holes from the collector region 7. Therefore, the n-type FS region 9 makes the depletion layer p + The collector region 7 is not reached and p + If it is not necessary to suppress the injection of holes from the collector region 7, the n region 8 may not be formed. In FIG. 1, the n region 8 is in contact with the n-type FS region 9, but may not be in contact.
[0028]
P above + To form the n-type FS region 9 apart from the collector region 7, there are a method in which n-type impurities are accelerated with high energy, deep ion implantation is performed, and activation is performed by low-temperature heat treatment, and a method by epitaxial growth. In the ion implantation method, the depth is about 1 μm. + The n-type FS region 9 can be formed at an arbitrary depth from the collector region surface 12. However, if the n-type FS region 9 is made too deep, as described above, n - The width of the base region 1 is narrowed. As a result, the n-type FS region may be depleted as described above. + The depth from the collector region surface is desirably about 10 μm or less.
[0029]
In the FS-IGBT of the present invention, p + By forming an n-type FS region 9 apart from the collector region 7 and forming a low-concentration n region 8 between the regions, in the forward blocking state, as in the conventional FS-IGBT, depletion is performed. The layer is stopped at the n-type FS region 9 to ensure a breakdown voltage, while in the on state, p + Since the low-concentration n region 8 is in contact with the collector region 7, this portion is similar to the collector side of a non-punch through type IGBT (NPT-IGBT), and p + The efficiency of hole injection from the collector region 7 is not lowered, and the on-voltage can be reduced.
[0030]
In this structure, p + The influence of the partial defect of the collector region 7 on the on-voltage can be reduced. It is p + Since the impurity concentration of the n region 8 in contact with the collector region 7 is low, it is partially p + Even if the collector region 7 is missing, + The p / n junction of the collector region 7 and the n region 8 is forward biased and p + This is because holes are injected from the collector region 7 to the n region 8.
[0031]
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. The difference from FIG. 1 is that the n-type FS region 9a is divided into a plurality of parts.
p + Separated from the collector region 7, partially n - A plurality of n-type FS regions 9a having an impurity concentration peak larger than the impurity concentration of the semiconductor substrate 100 are separated, and n - The n-type FS region 9a and p are formed so as to be embedded in the base region 1. + An n region 8 lower than the impurity concentration of the n-type FS region 9a is formed between the collector regions 7 apart from the n-type FS region. The buried n-type FS region 9a and n-type region 8 serve to suppress the growth of the depletion layer, and the p in the region without the n-type FS region 9a. + The voltage (punch through voltage) that the depletion layer reaches the collector region 7 can be increased. As described above, the distance b from the collector p / n junction 13 to the impurity concentration peak position 15 of the n-type FS region 9a is preferably 0.8 μm or more.
[0032]
Further, a distance b from the impurity concentration peak position 15 of the n-type FS region 9a to the collector p / n junction 13 with respect to a distance c from the base p / n junction 14 to the impurity concentration peak position 15 of the n-type FS region 9a. However, at about 20% or less, there is an effect of sufficiently suppressing the elongation of the depletion layer.
Further, p of the n-type FS region 9a + A planar shape (hereinafter simply referred to as a planar shape) vertically projected onto the collector region surface 12 is a cell shape (circular, elliptical, polygonal, etc.), as shown in FIG. 6B, and shown in FIG. 6C. Thus, any of stripe shapes may be used. The three-dimensional shape of the cellular n-type FS region 9a is, for example, a sphere, an ellipse that is long in a direction perpendicular to the direction parallel to the wafer surface, and a direction that is long and parallel to a direction perpendicular to the wafer surface. In the case of any of the short ovals, an ellipse whose n-type FS region 9a is long in the direction perpendicular to the wafer surface as shown in FIG. 6 (d) has a high effect of suppressing the extension of the depletion layer. Further, since the area ratio of the n-type FS region 9a with respect to the total area of the chip (total area of the chip surface) is small, the rise of the on-voltage is small. Note that the vertical and horizontal directions in FIG. 6D are the vertical and horizontal directions in FIG.
[0033]
In addition, when the area ratio of the n-type FS region 9a is small, the rate of increase of the on-voltage is small, so that the forward peak breakdown voltage can be improved by increasing the impurity peak concentration of the n-type FS region 9a.
In this structure, as described above, since the n region 8 has a low concentration, the structure on the collector side is a structure close to that of the NPT-IGBT. + Even if a part of the collector region is lost, the influence on the ON voltage is small. As described above, the n-type FS region 9a causes the depletion layer to be p. + The collector region 7 is not reached and p + If it is not necessary to suppress the injection of holes from the collector region 7, the n region 8 may not be formed.
[0034]
FIG. 3 is a cross-sectional view of a principal part of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. N from collector side - An insulating material 17 is embedded in a plurality of grooves 16 formed in the semiconductor substrate 100, and an n-type FS region 9b is formed at the tip thereof. It is desirable that the impurity concentration of the n-type FS region 9b be a concentration that does not cause depletion in the forward blocking state. As described above, the distance b from the collector p / n junction 13 to the impurity concentration peak position 15 closest to the p base region 2 side of the n-type FS region 9b is desirably about 0.8 μm or more.
[0035]
As described above, in order to suppress the growth of the depletion layer, the n-type FS layer 9b has a distance c from the base p / n junction 14 to the impurity concentration peak position 15 of the n-type FS layer 9b. The distance b from the impurity peak position 15 to the collector p / n junction 13 should be about 20% or less. Further, as described above, when the area ratio of the n-type FS region 9b is sufficiently small, the rate of increase of the on-voltage is small. Therefore, the forward blocking is achieved by increasing the impurity concentration peak concentration of the n-type FS region 9b. The breakdown voltage can be improved.
[0036]
In this structure, after the groove 16 is formed, an n-type FS region 9b and an n region 8 are formed by ion implantation or embedding a material containing an n-type impurity, and finally, the groove 16 is formed with an insulating material 17. It can be formed by filling. The planar shape of the n-type FS region 9b may be either a cell shape or a stripe shape. The function of the n region 8 is as described above, and the extension of the depletion layer is reduced by the n-type FS region 9b. + The collector region 7 is not reached, and p + If it is not necessary to suppress the injection of holes from the collector region 7, it may not be formed.
[0037]
FIG. Is Of this invention First reference example It is principal part sectional drawing of this semiconductor device. The difference from FIG. 1 to FIG. 3 is that a plurality of n-type FS regions 9c are p. + This is a point in contact with the collector region 7. As described above, the impurity concentration of the n-type FS region 9c is desirably set to a concentration that does not completely deplete in the forward blocking state. When the area ratio of the n-type FS region 9c is sufficiently small, the rate of increase of the on-voltage is small. Therefore, the forward blocking breakdown voltage can be improved by increasing the impurity peak concentration of the n-type FS region 9c.
[0038]
The planar shape of the n-type FS region 9c may be either a cell shape or a stripe shape. Also in this structure, in the forward blocking state, the n-type FS region 9c suppresses the extension of the depletion layer where there is no n-type FS region 9c. + It becomes difficult to reach the collector region 7 and it is easy to secure a withstand voltage. The elongation of the depletion layer is further suppressed by forming the n region 8, and the breakdown voltage can be easily secured. However, the extension of the depletion layer is reduced by the n-type FS region 9c. + It does not reach the collector region 7 and p + If it is not necessary to suppress the injection of holes from the collector region 7, the n region 8 may not be formed.
[0039]
Further, in a place where the n-type FS region 9c is not present, p + Since the efficiency of hole injection from the collector region 7 does not decrease, the on-voltage can be kept low. The cross-sectional structure where the n-type FS region 9c is not present has a structure close to that of the NPT-IGBT because the impurity concentration of the n region 8 is sufficiently low, and as described above, the p-type structure is less than that of the conventional FS-IGBT. + A defect in a part of the collector region 7 does not cause an increase in the on-voltage.
[0040]
FIG. 5 shows the present invention. Second reference example It is principal part sectional drawing of this semiconductor device. N from collector side - An insulating material 17 is embedded in the groove 16 formed in the semiconductor substrate 100, and an n-type FS region 9d is formed so as to surround it. P + An n region 8 having an impurity concentration lower than that of the n-type FS region 9d is formed so as to be in contact with the collector region 7. The impurity concentration of the n-type FS region 9d is desirably a concentration that does not cause depletion in the forward blocking state.
[0041]
Further, by increasing the depth of the groove 16, the p of the n-type FS region 9d is increased. + Although the depth from the collector region surface 12 can be increased, in order to effectively suppress the extension of the depletion layer, from the base p / n junction 14 to the impurity concentration peak position 15 of the n-type FS layer 9d. The distance b from the impurity peak position 15 of the n-type FS layer 9d at the tip 18 to the collector p / n junction 13 is about 20% or less.
[0042]
As described above, when the area ratio of the n-type FS region 9d is sufficiently small, the rate of increase in the on-voltage is small, so that the impurity concentration of the n-type FS region 9d is low. of Peak concentration The By increasing the value, the forward blocking withstand voltage can be improved.
The planar shape of the n-type FS region 9d may be either a cell shape or a stripe shape. As described above, the n region 8 is , The extension of the depletion layer is p by the n-type FS region 9d. + The collector region 7 is not reached and p + If it is not necessary to suppress the injection of holes from the collector region 9d, it may not be formed.
[0043]
【Effect of the invention】
According to the invention, p + The collector region is formed so as not to contact the n-type FS region, and p + By forming a low concentration n region between the collector region and the n-type FS region, p + The influence of partial defects in the collector region and the n-type FS region on the ON voltage and the forward blocking breakdown voltage can be reduced.
[0044]
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view of an essential part, and FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an essential part of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an essential part of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 of the present invention First reference example Sectional view of the main part of the semiconductor device
FIG. 5 of the present invention Second reference example Sectional view of the main part of the semiconductor device
6A and 6B show the shape of an n-type FS region, where FIG. 6A is a lattice-like view, FIG. 6B is a cell-like view, and FIG. I (D) is an oval figure
7A and 7B are conventional FS-IGBTs, where FIG. 7A is a cross-sectional view of the main part, and FIG.
8 is a punch-through IGBT (PT-IGBT) using a conventional epitaxial substrate, (a) is a cross-sectional view of the main part, and (b) is an impurity concentration distribution diagram on the YY line.
[Explanation of symbols]
1 n - Base area
2 p base region
3 n + Emitter area
4 Gate insulation film
5 Gate electrode
6 Interlayer insulation film
7 p + Collector area
8 n region
9, 9a, 9b, 9c, 9d n-type FS region
10 Emitter electrode
11 Collector electrode
12 p + Collector area surface
13 Collector p / n junction
14 base p / n junction
15 Impurity concentration peak position
16 groove
17 Insulation material
18 Tip
21 p + Shape projected on the collector surface
100 n - Semiconductor substrate

Claims (6)

第1導電型半導体基板の第1主面の表面層に、選択的に形成された第2導電型ベース領域と、該第2導電型ベース領域の表面層に選択的に形成された第1導電型エミッタ領域と、該第1導電型エミッタ領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれた前記第2導電型ベース領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型エミッタ領域上と前記第2導電型ベース領域上に形成されたエミッタ電極と、前記第1導電型半導体基板を150μm以下に薄くした第2主面の表面層に形成された厚さが1μm以下の第2導電型コレクタ領域と、該第2導電型コレクタ領域上に形成されたコレクタ電極とを具備する半導体装置であって、
前記第2導電型コレクタ領域と離して前記第1導電型半導体基板の不純物濃度より高い不純物濃度で、第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ領域とを有し、該第1導電型フィールドストップ領域と前記第2導電型コレクタ領域との間が前記第1導電型半導体基板の不純物濃度の領域で分離されていることを特徴とする半導体装置。
A second conductivity type base region selectively formed on the surface layer of the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and a first conductivity selectively formed on the surface layer of the second conductivity type base region. A first emitter region, a gate electrode formed on the second conductivity type base region sandwiched between the first conductivity type emitter region and the first conductivity type semiconductor substrate via a gate insulating film, and the first conductivity type A thickness formed on the surface layer of the second main surface obtained by thinning the first conductive semiconductor substrate to 150 μm or less on the emitter electrode formed on the type emitter region and the second conductive type base region, and 1 μm or less. A semiconductor device comprising: a second conductivity type collector region; and a collector electrode formed on the second conductivity type collector region,
A first conductivity type field stop region formed in the first conductivity type semiconductor substrate at an impurity concentration higher than the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate apart from the second conductivity type collector region; A semiconductor device characterized in that a first conductivity type field stop region and the second conductivity type collector region are separated by a region of impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate.
第1導電型半導体基板の第1主面の表面層に、選択的に形成された第2導電型ベース領域と、該第2導電型ベース領域の表面層に選択的に形成された第1導電型エミッタ領域と、該第1導電型エミッタ領域と前記第1導電型半導体基板に挟まれた前記第2導電型ベース領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型エミッタ領域上と前記第2導電型ベース領域上に形成されたエミッタ電極と、前記第1導電型半導体基板を150μm以下に薄くした第2主面の表面層に形成された厚さが1μm以下の第2導電型コレクタ領域と、該第2導電型コレクタ領域上に形成されたコレクタ電極とを具備する半導体装置であって、
前記第2導電型コレクタ領域と離して前記第1導電型半導体基板の不純物濃度より高い不純物濃度で、第1導電型半導体基板内に形成された第1導電型フィールドストップ領域とを有し、該第1導電型フィールドストップ領域の不純物ピーク濃度が1015〜1017cm−3であり、該第1導電型フィールドストップ領域と前記第2導電型コレクタ領域との間が前記第1導電型半導体基板の不純物濃度より1桁以内の不純物濃度高さの領域で分離されていることを特徴とする半導体装置。
A second conductivity type base region selectively formed on the surface layer of the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and a first conductivity selectively formed on the surface layer of the second conductivity type base region. A first emitter region, a gate electrode formed on the second conductivity type base region sandwiched between the first conductivity type emitter region and the first conductivity type semiconductor substrate via a gate insulating film, and the first conductivity type A thickness formed on the surface layer of the second main surface obtained by thinning the first conductive semiconductor substrate to 150 μm or less on the emitter electrode formed on the type emitter region and the second conductive type base region, and 1 μm or less. A semiconductor device comprising: a second conductivity type collector region; and a collector electrode formed on the second conductivity type collector region,
A first conductivity type field stop region formed in the first conductivity type semiconductor substrate at an impurity concentration higher than the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate apart from the second conductivity type collector region; The impurity peak concentration of the first conductivity type field stop region is 10 15 to 10 17 cm −3 , and the first conductivity type semiconductor substrate is between the first conductivity type field stop region and the second conductivity type collector region. The semiconductor device is characterized in that it is isolated in a region having an impurity concentration height within one digit from the impurity concentration.
前記第1導電型フィールドストップ領域が離れて複数個形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the first conductivity type field stop regions are formed apart from each other. 前記第2導電型コレクタ領域の表面から前記第1導電型半導体基板内に到達するように形成された複数個の溝と、該溝内を充填する絶縁膜と、該溝の各先端部に個別に形成された前記第1導電型フィールドストップ領域とを有することを特徴とする請求項に記載の半導体装置。A plurality of grooves formed so as to reach the inside of the first conductive type semiconductor substrate from the surface of the second conductive type collector region, an insulating film filling the inside of the grooves, and individual tip portions of the grooves 4. The semiconductor device according to claim 3 , further comprising: the first conductivity type field stop region formed on the semiconductor device. 前記第1導電型フィールドストップ領域の前記第2主面に投影した平面形状が、格子状であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a planar shape projected onto the second main surface of the first conductivity type field stop region is a lattice shape. 4. 前記第1導電型フィールドストップ領域の前記第2主面に投影した平面形状が、セル状もしくはストライプ状であることを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 3, wherein a planar shape projected onto the second main surface of the first conductivity type field stop region is a cell shape or a stripe shape. 6.
JP2001036353A 2001-02-14 2001-02-14 Semiconductor device Expired - Fee Related JP4904625B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001036353A JP4904625B2 (en) 2001-02-14 2001-02-14 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001036353A JP4904625B2 (en) 2001-02-14 2001-02-14 Semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002246597A JP2002246597A (en) 2002-08-30
JP4904625B2 true JP4904625B2 (en) 2012-03-28

Family

ID=18899635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001036353A Expired - Fee Related JP4904625B2 (en) 2001-02-14 2001-02-14 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4904625B2 (en)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4000927B2 (en) * 2002-07-03 2007-10-31 富士電機デバイステクノロジー株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP4878739B2 (en) * 2004-05-12 2012-02-15 新電元工業株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
JP4785364B2 (en) * 2004-09-24 2011-10-05 株式会社豊田中央研究所 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2007184486A (en) * 2006-01-10 2007-07-19 Denso Corp Semiconductor device
JP2007184478A (en) * 2006-01-10 2007-07-19 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Semiconductor device
JP2009218543A (en) * 2008-02-15 2009-09-24 Toshiba Corp Semiconductor device
JP5439763B2 (en) * 2008-08-14 2014-03-12 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
WO2013136898A1 (en) 2012-03-16 2013-09-19 富士電機株式会社 Semiconductor device
WO2015008458A1 (en) 2013-07-17 2015-01-22 富士電機株式会社 Semiconductor device
EP3082168A4 (en) * 2013-12-10 2017-07-19 ULVAC, Inc. Insulated gate bipolar transistor and production method therefor
JP6667798B2 (en) * 2016-01-29 2020-03-18 サンケン電気株式会社 Semiconductor device
EP3240040A1 (en) * 2016-04-26 2017-11-01 ABB Schweiz AG Insulated gate bipolar transistor and method for manufacturing such an insulated gate bipolar transistor
JP6733739B2 (en) * 2016-10-17 2020-08-05 富士電機株式会社 Semiconductor device
WO2020075248A1 (en) * 2018-10-10 2020-04-16 サンケン電気株式会社 Semiconductor device, and manufacturing method for same
JP2020102540A (en) * 2018-12-21 2020-07-02 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device
WO2020240728A1 (en) * 2019-05-29 2020-12-03 三菱電機株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
CN113964197B (en) * 2021-10-28 2023-06-02 湖南大学 IGBT device with low leakage current and preparation method thereof

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07123166B2 (en) * 1986-11-17 1995-12-25 日産自動車株式会社 Conductivity modulation type MOSFET
JPS6445173A (en) * 1987-08-13 1989-02-17 Fuji Electric Co Ltd Conductive modulation type mosfet
EP0405200A1 (en) * 1989-06-30 1991-01-02 Asea Brown Boveri Ag MOS-gated bipolar power semiconductor device
JPH03261179A (en) * 1990-03-09 1991-11-21 Fuji Electric Co Ltd Insulated gate type bipolar transistor
JPH0410640A (en) * 1990-04-27 1992-01-14 Mitsubishi Electric Corp Manufacture of semiconductor device
JP3081739B2 (en) * 1992-10-20 2000-08-28 三菱電機株式会社 Insulated gate semiconductor device and method of manufacturing the same
JP3325752B2 (en) * 1995-12-11 2002-09-17 三菱電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JPH09139353A (en) * 1995-11-10 1997-05-27 Sony Corp Manufacture of field-effect-type semiconductor device
US5872028A (en) * 1996-09-05 1999-02-16 Harris Corporation Method of forming power semiconductor devices with controllable integrated buffer
JPH10154755A (en) * 1996-11-25 1998-06-09 Sony Corp Manufacture of semiconductor device
JP3906076B2 (en) * 2001-01-31 2007-04-18 株式会社東芝 Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002246597A (en) 2002-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8872264B2 (en) Semiconductor device having a floating semiconductor zone
US7572683B2 (en) Semiconductor device, the method of manufacturing the same, and two-way switching device using the semiconductor devices
JP5787853B2 (en) Power semiconductor device
JP4904625B2 (en) Semiconductor device
JP5348276B2 (en) Semiconductor device
US20150014742A1 (en) Semiconductor device and production method for semiconductor device
US20150187877A1 (en) Power semiconductor device
KR20110094066A (en) Bipolar punch-through semiconductor device and method for manufacturing such a semiconductor device
US7262478B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20200105874A1 (en) Back side dopant activation in field stop igbt
JP4108762B2 (en) Semiconductor devices that can be controlled by field effects
US11239352B2 (en) Self-aligned and robust IGBT devices
JP2019514215A (en) Insulated gate power semiconductor device and method of manufacturing the same
US11699744B2 (en) Semiconductor device and semiconductor apparatus
JP2002299623A (en) High breakdown voltage semiconductor device
JP2004247593A (en) Semiconductor device, and manufacturing method thereof
JP4096722B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2020072137A (en) Semiconductor device
JP3885616B2 (en) Semiconductor device
JP2003218354A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP4904635B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20190115423A1 (en) Insulated gate power devices with reduced carrier injection in termination area
JPH10335630A (en) Semiconductor device and its manufacture
KR101928395B1 (en) Power semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2020115550A (en) Semiconductor device and manufacturing method semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20060703

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20060704

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070717

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20081216

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20090219

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20091112

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110422

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110512

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110524

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110722

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110906

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111102

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111213

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111226

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150120

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees