JP5028749B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
IGBTの保持可能な最大電圧、すなわち耐圧の大きさと、オン時の電圧降下との間には、二律背反の関係(いわゆるトレードオフ関係)が存在し、高耐圧のIGBTほどオン電圧が高くなる。最終的には、このトレードオフ関係の限界値は、シリコンの物性で決まる。このトレードオフを限界まで向上させるためには、電圧保持時に局所的な電界集中が生じるのを防ぐなど、設計面での工夫が必要である。
オン電圧とターンオフ損失のトレードオフ関係(以下、オン電圧−ターンオフ損失の関係とする)を最適化するには、IGBTがオン状態のときの内部の過剰キャリア分布を最適化することが有効である。オン電圧を下げるには、過剰キャリア量を増やしてドリフト層の抵抗値を下げればよい。しかし、ターンオフ時には、この過剰キャリアをすべてデバイスの外に掃き出すか、または、電子−ホール再結合により消滅させる必要がある。そのため、ターンオフ損失が増加してしまう。従って、このトレードオフ関係を最適化するには、同じオン電圧でターンオフ損失を最小にすればよい。
IE効果については、その本質が議論され、報告されている(例えば、非特許文献2参照。)。よく描かれるIGBTの等価回路は、MOSFET(金属−酸化膜−半導体構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)とバイポーラトランジスタの組み合わせである。しかし、実際のデバイス動作を考えると、図1に示す等価回路のように、MOSFET1とpnpバイポーラトランジスタ2とpinダイオード3の組み合わせであると考えられる。
n=Nd*exp(Vn/kT)
、物理的には、先の第1の説明を言い換えたものである。
図3は、実施の形態1のIGBTの構成を示す断面図である。図3に示すように、ドリフト層となるn-SiC基板29の第1の主面上に、例えば酸化膜(第1の絶縁膜)21が選択的に形成されている。そして、この酸化膜21の上に、ゲート電極となるポリシリコン(以下、ゲートポリシリコンとする)22が堆積されている。ゲートポリシリコン22の表面は、ゲート酸化膜(第2の絶縁膜)23で覆われている。
ゲート電極(ゲートポリシリコン22)にエミッタに対して正の電位を印加すると、pベース領域27の、ゲート酸化膜23との界面付近の領域がn型に反転し、チャネルができる。コレクタ−エミッタ間に順バイアスを加えると、電子は、チャネルおよび電子蓄積層(n+バッファ領域25)を経由して、ドリフト層(n-SiC基板29)に流れ込み、裏面(第2の主面)のp+アノード層31に達する。それによって、裏面のpn接合、すなわちp+アノード層31とドリフト層との接合は順バイアスされるので、p+アノード層31からドリフト層にホールが注入される。
次に、ゲート電位をエミッタ電位に比べて同じか負にして、コレクタ−エミッタ間に順バイアスを印加するブロッキングモード時の動作について説明する。pベース領域27とn+バッファ領域25からなるpn接合から空乏層が広がると同時に、ゲート酸化膜23からも空乏層が広がる。これは、ゲート電極がエミッタ電位以下であるのに対して、n+バッファ領域25が正にバイアスされるからである。n+バッファ領域25は、カソード膜24となるポリシリコンの厚さ分のみであるので、僅かな順バイアスで完全に空乏化する。n+バッファ領域25の総不純物量を一定値以下に設定しておけば、n+バッファ領域25中の最大電界強度を抑えることができる。
ポリシリコンは、単結晶シリコンに比べて移動度およびキャリア寿命の点で劣る。しかし、1000℃以上の高温でアニールすることによって、ポリシリコンの移動度およびキャリア寿命は、相当程度、回復する。レーザーアニールによって結晶粒径を制御しつつ移動度を回復する技術も開発されている。このような技術を用いれば、閾値や伝達特性などの特性バラツキを低減することが可能であると考えられる。
n+バッファ領域25中のキャリア寿命および移動度が低いと、少数キャリアであるホールの拡散長が短くなり、n+バッファ領域25中でのキャリアの再結合が増える。その結果、pベース領域27を通り抜けてエミッタ電極30にコレクトされるホール電流が減少する。このため、ラッチアップに寄与するホール電流が減少し、ラッチアップ耐量が向上する。
上述したIGBTの構造には、極端な微細化が不要であるという設計上の長所がある。カソード領域は、酸化膜21によりドリフト層と電気的に分離されており、酸化膜21のない部分、すなわち酸化膜21の窓部においてのみドリフト層に接続している。そのため、カソード領域の設計寸法は、ドリフト層の特性には直接は寄与しない。これは、従来のプレーナ型またはトレンチ型のIGBTとは対称的である。従来のIGBTでは、カソード領域のすべてが直接的にドリフト層に接続しており、その設計寸法が直接的に特性に結びついている。従って、本実施の形態では、n+ソース領域26を特に微細化しなくても
、トレードオフ特性は不変である。
図4は、実施の形態2のノンパンチスルー型IGBTの構成を示す断面図である。図4に示すように、アノード層となる低濃度のp-SiC基板51の第1の主面上に、ドリフト層となる低濃度のn-SiCエピタキシャル層49が形成されている。このn-SiCエピタキシャル層49の上に酸化膜21が選択的に形成されている。酸化膜21の表面、およびn-SiCエピタキシャル層49の、酸化膜21で覆われていない部分は、ポリシリコンでできたカソード膜24で覆われている。
図12は、実施の形態3のパンチスルー型IGBTの構成を示す断面図である。図12に示すように、実施の形態3は、アノード層となる低濃度のp-SiC基板51の第1の主面上に、バッファ層となる高濃度のn+SiCエピタキシャル層53が積層され、さらにその上にドリフト層となる低濃度のn-SiCエピタキシャル層49が積層されており、このn-SiCエピタキシャル層49の上に、実施の形態1と同様の構成のゲート構造とエミッタ構造が形成されたものである。ゲート構造とエミッタ構造については、説明を省略する。p-SiC基板51の第2の主面には、アルミニウム層よりなるアノード電極32が形成されている。
図20は、実施の形態4のノンパンチスルー型IGBTの構成を示す断面図である。図20に示すように、実施の形態4は、ドリフト層となる低濃度のn-SiC基板59の第1の主面上に、実施の形態1と同様の構成のゲート構造とエミッタ構造が形成されたものである。ただし、n+バッファ領域25は、pベース領域27に隔てられており、層間絶縁膜28に接していない。
図28は、実施の形態5のパンチスルー型IGBTの構成を示す断面図である。図28に示すように、ドリフト層となる低濃度のn-SiC基板59の第1の主面から所定の深さの所に、埋め込み酸化膜層41が選択的に形成されている。n-SiC基板59の第1の主面と埋め込み酸化膜層41の間のSiC層は、pベース領域27となっている。pベース領域27の、SiC部分から離れた表面領域には、高濃度のn+ソース領域26が形成されている。
22 多結晶半導体領域(ゲートポリシリコン)
23 第2の絶縁膜(ゲート酸化膜)
24 第1導電型半導体膜(カソード膜)
25 第1の第1導電型半導体領域(n+バッファ領域)
26 第2の第1導電型半導体領域(n+ソース領域)
27 第1の第2導電型半導体領域(pベース領域)
28 第3の絶縁膜(層間絶縁膜)
29 第1導電型SiC基板(n-SiC基板)
30 第1の電極(エミッタ電極)
31 第2の第2導電型半導体領域(p+アノード層)
32 第2の電極(アノード電極)
33 第3の第1導電型半導体領域(n+バッファ層)
49 n-SiCエピタキシャル層
51,59 SiC基板
Claims (11)
- 第1導電型SiC基板の第1の主面上に第1の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成する第1の工程と、
前記多結晶半導体膜の一部を除去して窓部を形成する第2の工程と、
前記多結晶半導体膜の露出部分を覆う第2の絶縁膜を形成した後、前記窓部において前記SiC基板の一部を露出させる第3の工程と、
前記SiC基板の、前記窓部において露出した部分、および前記第2の絶縁膜の上に第1導電型半導体膜を積層する第4の工程と、
前記第1導電型半導体膜の、前記SiC基板と接触する第1の第1導電型半導体領域の隣に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域を挟んで前記第1の第1導電型半導体領域の反対側に第2の第1導電型半導体領域を形成する第5の工程と、
前記第1の第1導電型半導体領域、前記第1の第2導電型半導体領域および前記第2の第1導電型半導体領域の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させる第6の工程と、
前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成した後に、前記SiC基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第7の工程と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第8の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第4の工程において、前記第1導電型半導体膜を、前記SiC基板よりも高濃度の第1導電型にドープすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第7の工程において、前記SiC基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記SiC基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成す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の製造方法。
- 前記第1導電型半導体膜を多結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電型半導体膜の一部または全部を単結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 第1導電型SiC基板の第1の主面上に第1の絶縁膜を形成する第1の工程と、
前記第1の絶縁膜の一部を除去して窓部を形成する第2の工程と、
前記第1の絶縁膜および前記SiC基板の、前記窓部において露出した部分の上に第1導電型半導体膜を積層する第3の工程と、
前記第1導電型半導体膜の上に第2の絶縁膜および多結晶半導体膜を順次形成する第4の工程と、
前記多結晶半導体膜の一部を除去して、前記第1導電型半導体膜の、前記SiC基板と接触する第1の第1導電型半導体領域の上の部分に前記多結晶半導体膜を残し、前記第1導電型半導体膜の、前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜との間に第1の第2導電型半導体領域を形成し、さらに該第1の第2導電型半導体領域内の前記第2の絶縁膜側に第2の第1導電型半導体領域を形成する第5の工程と、
前記多結晶半導体膜の上に第3の絶縁膜を積層し、該第3の絶縁膜にコンタクトホールを開口して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部を露出させ、前記第3の絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記第2の第1導電型半導体領域および前記第1の第2導電型半導体領域の一部に接触する第1の電極を形成する第6の工程と、
前記SiC基板の第2の主面を研削し、その研削面に沿って第2の第2導電型半導体領域を形成する第7の工程と、
前記第2の第2導電型半導体領域に接触する第2の電極を形成する第8の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第3の工程において、前記第1導電型半導体膜を、前記SiC基板よりも高濃度の第1導電型にドープすることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第7の工程において、前記SiC基板の第2の主面を研削した後に、その研削面に沿って前記SiC基板よりも高不純物濃度の第3の第1導電型半導体領域を前記第2の第2導電型半導体領域よりも深く形成することを特徴とする請求項6または7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電型半導体膜を多結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項6〜8のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電型半導体膜の一部または全部を単結晶シリコンで形成することを特徴とする請求項6〜8のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電型半導体膜をエピタキシャル成長法により形成することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
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