JP5332376B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device for achieving a p-type collector layer, an n-type buffer layer, and an n<SP>-</SP>-type drift layer with optimum design values without limitation in a wafer process, reducing an on-voltage in a low current region, obtaining an excellent on-voltage and a good turn-off loss characteristic, and providing excellent productivity, and also to provide a method of manufacturing the semiconductor device. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes: a low-concentration and thin p-type collector layer 1 and a comparatively low-concentration n-type buffer layer 2 arranged on the surface of a high-resistance p-type support substrate 101; and a second trench 11 reaching the p-type collector layer 1 from the backside of the support substrate 101 and a third trench 12 reaching the n-type buffer layer 2. The bottoms and side surfaces of the second and third trenches and the backside of the support substrate are continuously covered with a collector electrode 13. First and second insulating films 105, 106 are respectively and selectively formed on the surfaces of the support substrate 101 and the p-type collector layer 1. The formation places of the insulating films are set only in the neighborhood of a cut line positioned in the periphery of each semiconductor device chip and in the nearest circumference of the wafer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、高耐圧で大電力用の半導体装置とその製造方法に関する。特には、半導体層の表面に絶縁膜を介して形成される制御電極を有するIGBTなどのMOS型の半導体装置とその製造方に関する。   The present invention relates to a semiconductor device for high power and high power and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a MOS type semiconductor device such as an IGBT having a control electrode formed on the surface of a semiconductor layer via an insulating film, and a method for manufacturing the same.

近年のパワーエレクトロニクス分野における電源機器の小型化、高性能化への要求を受けて、電力用半導体装置では、高耐圧化、大電流化と共に、低損失化、高破壊耐量化、高速化に対する性能改善に注力されている。600Vから6500Vクラスまでの中、高耐圧領域では絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)が電力用半導体装置の主流を占め、前記諸特性要求を満たすため、特に600Vから1700Vクラスでの特性改善の進歩には目覚しいものがある。   In response to the recent demand for miniaturization and high performance of power supply equipment in the field of power electronics, power semiconductor devices have high breakdown voltage and large current, as well as low loss, high destruction resistance, and high speed performance. Focus is on improvement. In the 600V to 6500V class, in the high withstand voltage region, insulated gate bipolar transistors (IGBTs) occupy the mainstream of power semiconductor devices. In order to meet the above characteristics requirements, the improvement of characteristics particularly in the 600V to 1700V class There is something remarkable.

このIGBTの特性改善を支える大きな技術の一つが薄ウエハ技術である。以降、ウエハという語句は、プロセスに投入する前の半導体基板または諸々のプロセス加工を加えた後の半導体基板の総称として用いることがある。この薄ウエハ技術は、厚さ500μm程度のFZ―n型シリコン基板を用い、まず、ウエハの一方の主面側にMOSゲートを含む素子構造を作成する。その後、素子作成最終段階においてウエハの裏面から、素子耐圧が確保でき、かつ十分低損失特性が得られる最適の厚さまで薄く削る。ウエハ研磨後の裏面から、リンおよびボロンなどの不純物をイオン注入してn型層(FS層またはバッファ層)およびp型層(コレクタ層)を形成する。このp型層(コレクタ層)の表面にコレクタ電極を形成すると、薄ウエハ技術を用いたFS−IGBTの主要プロセスが終了する。このFS−IGBTによれば、優れたオン電圧―ターンオフ損失特性が得られる(特許文献1)。 One of the major technologies that support the improvement of IGBT characteristics is the thin wafer technology. Hereinafter, the term “wafer” is sometimes used as a generic term for a semiconductor substrate before being put into a process or after being subjected to various processes. In this thin wafer technology, an FZ-n type silicon substrate having a thickness of about 500 μm is used, and first, an element structure including a MOS gate is formed on one main surface side of the wafer. After that, in the final stage of device fabrication, the device is thinned from the back surface of the wafer to an optimum thickness that can ensure device breakdown voltage and obtain sufficiently low loss characteristics. Impurities such as phosphorus and boron are ion-implanted from the back surface after wafer polishing to form an n + -type layer (FS layer or buffer layer) and a p-type layer (collector layer). When the collector electrode is formed on the surface of the p-type layer (collector layer), the main process of FS-IGBT using the thin wafer technique is completed. According to this FS-IGBT, excellent on-voltage-turn-off loss characteristics can be obtained (Patent Document 1).

前記薄ウエハ技術が誕生する前のいわゆるパンチスルー型IGBTのウエハプロセスは、300μmから500μmという厚い低抵抗p型シリコン支持基板上に、事前に最適な厚さ、不純物濃度に設計されたn型低抵抗層(以降、n型バッファ層ともいう)、高抵抗n型層(以降、n型ドリフト層ともいう)等をエピタキシャル成長させた厚いウエハをそのままの厚さで最終プロセスまで維持してIGBTウエハを形成した。このパンチスルー型のウエハプロセスでは、前述のようにn型バッファ層や高抵抗n型ドリフト層の濃度、厚さは事前に最適設計され、かつウエハ全体の厚さも低抵抗p型シリコン支持基板が十分厚いため、ウエハプロセス中に割れるということはほとんど無く生産性には優れている。しかし、低抵抗p型シリコン支持基板(以降p型基板)の不純物濃度が高く、厚すぎるために、IGBT動作時の少数キャリアの注入効率が極めて大きくなる。その結果、前述の薄ウエハ技術によるウエハプロセスで作成したIGBTと比較すると、オン電圧―ターンオフ損失特性などに関しては、たとえ、ライフタイムコントロール技術により電気特性を調整しても、とても及ばないという電気特性面での限界を有することが知られている。 The wafer process of the so-called punch-through IGBT before the thin wafer technology was born was an n + type designed in advance to an optimum thickness and impurity concentration on a low-resistance p-type silicon support substrate having a thickness of 300 μm to 500 μm. A thick wafer obtained by epitaxially growing a low resistance layer (hereinafter also referred to as an n-type buffer layer), a high resistance n type layer (hereinafter also referred to as an n type drift layer), etc. is maintained until the final process with the same thickness. An IGBT wafer was formed. In this punch-through type wafer process, as described above, the concentration and thickness of the n-type buffer layer and the high resistance n type drift layer are optimally designed in advance, and the entire wafer thickness is also low resistance p + type silicon support Since the substrate is sufficiently thick, it hardly breaks during the wafer process and has excellent productivity. However, since the impurity concentration of the low resistance p + type silicon support substrate (hereinafter referred to as p + type substrate) is high and too thick, the efficiency of minority carrier injection during IGBT operation becomes extremely high. As a result, compared to the IGBT made by the wafer process using the thin wafer technology described above, the on-voltage-turn-off loss characteristics, etc., are very poor even if the electrical characteristics are adjusted by the lifetime control technology. It is known to have surface limitations.

このような電気特性上の限界を取り払うために、前記パンチスルー型のウエハプロセスにおいてp型基板をプロセスの最終段階で裏面から削り、p型基板の残りを1μm程度と極めて薄いp型コレクタ層として残して少数キャリアの注入効率を小さくすることにより、前記オン電圧―ターンオフ損失特性の向上を図るという製造方法も提案された。しかしながら、ウエハ研磨の精度が通常±5μm程度であるので、パンチスルー型プロセスに裏面研磨を加えた前述の製造方法では、研磨精度上の問題から、ウエハ研磨後p型コレクタ層が全部研磨されて無くなり、オン電圧が急増することがある。また、それとは反対にp型コレクタ層が設計値よりも厚く残り、その結果ターンオフ損失が増加するなど、発生損失特性のばらつきが極めて大きくなるという欠点がある。さらにまた、この製造方法では、ウエハ厚さを最終のプロセスでウエハを厚さ60〜70μmまで研磨するので前記薄ウエハ技術と同様、p基板研磨後、裏面電極形成時にウエハが割れるという欠点もあり実用化には至っていない。 In order to remove such a limitation on electrical characteristics, the p + type substrate is shaved from the back surface in the final stage of the punch-through type wafer process, and the remainder of the p + type substrate is about 1 μm, which is an extremely thin p type collector. A manufacturing method has also been proposed in which the on-voltage-turn-off loss characteristic is improved by reducing the minority carrier injection efficiency by leaving it as a layer. However, since the accuracy of wafer polishing is usually about ± 5 μm, the above-described manufacturing method in which backside polishing is added to the punch-through process, the p-type collector layer is completely polished after the wafer polishing due to the problem of polishing accuracy. The on-voltage may increase rapidly. On the other hand, the p-type collector layer remains thicker than the design value, and as a result, the turn-off loss increases, resulting in a very large variation in the generated loss characteristics. Furthermore, in this manufacturing method, since the wafer thickness is polished to a thickness of 60 to 70 μm in the final process, as in the thin wafer technique, after the p + substrate polishing, the wafer is broken when the back electrode is formed. There is no practical use.

つまり、前者の薄ウエハ技術を適用した場合、p型コレクタ層、n型バッファ層(FS層)、高抵抗n型ドリフト層の濃度および厚さは最適設計値を実現できるが、生産性が悪く、また、後者のエピタキシャル法を用いたパンチスルー型プロセスの場合、生産性は優れているが、素子の電気特性的に限界があり、さらなる電気特性の向上が難しいという特徴がある。 That is, when the former thin wafer technology is applied, the concentration and thickness of the p-type collector layer, the n-type buffer layer (FS layer), and the high-resistance n -type drift layer can realize optimum design values, but productivity is improved. In the case of the punch-through process using the latter epitaxial method, the productivity is excellent, but there is a feature that the electric characteristics of the device are limited and it is difficult to further improve the electric characteristics.

また、IGBTの電流−電圧特性を見ると、コレクタ−エミッタ間電圧が0Vから0.7Vの範囲で電流が流れない領域があることが知られている。これは、低抵抗p型コレクタ層と低抵抗n型バッファ層(FS層)および高抵抗n型ドリフト層間にビルトイン電圧があるためであり、このことが低電流領域でのオン電圧が十分低減できない大きな原因となっている。 In addition, looking at the current-voltage characteristics of the IGBT, it is known that there is a region where no current flows when the collector-emitter voltage is in the range of 0V to 0.7V. This is because there is a built-in voltage between the low-resistance p-type collector layer, the low-resistance n-type buffer layer (FS layer), and the high-resistance n -type drift layer, which sufficiently reduces the on-voltage in the low current region. It is a big cause that can not.

図39に示すのはFS−IGBT薄ウエハ技術を用いたRC(Reverse Conducting)−IGBTと呼ばれるデバイスの要部断面図である。このRC−IGBTは、表面側にp型チャネル領域204、n型エミッタ領域205、トレンチ208内に形成されるゲート絶縁膜(図示せず)、ゲート電極206などからなるトレンチMOSゲート構造を備える。裏面側のp型コレクタ層201の一部がn型バッファ層202になり、n型バッファ層(FS層)202とp型コレクタ層201とが裏面側で短絡されている構造である。等価回路的にはIGBTの一部にMOSFETが内蔵された構造と言える。このRC−IGBTはコレクタ−エミッタ間の電圧が0.7V以下の、通常IGBTが動作しない領域においても内蔵MOSFETで電流を流すことができることを特徴とする(特許文献2)。 FIG. 39 is a cross-sectional view of a main part of a device called RC (Reverse Conducting) -IGBT using the FS-IGBT thin wafer technology. The RC-IGBT has a trench MOS gate structure including a p-type channel region 204, an n + -type emitter region 205, a gate insulating film (not shown) formed in the trench 208, a gate electrode 206, and the like on the surface side. . A part of the p-type collector layer 201 on the back surface side becomes the n-type buffer layer 202, and the n-type buffer layer (FS layer) 202 and the p-type collector layer 201 are short-circuited on the back surface side. In terms of an equivalent circuit, it can be said that a MOSFET is built in a part of the IGBT. This RC-IGBT is characterized in that a current can flow through the built-in MOSFET even in a region where the collector-emitter voltage is 0.7 V or less and the normal IGBT does not operate (Patent Document 2).

また、n型バッファ層(FS層)202とp型コレクタ層201とが裏面側で短絡されている構造を有するRC−IGBTであって、さらに、n型ドリフト層203を、半導体基板の主面に垂直なn層とp層がストライプ状平面パターンを有して、前記主面に平行な方向では交互に隣接して配列される集合体とした超接合構造を組み合わせたIGBTが記載された文献が公開されている。この特許文献によれば、特に中低耐圧のIGBTにおいても、低オン電圧と高速スイッチングとを可能にするとある(特許文献3)。
特許第3885598号公報 US2007/0231973(FIG1) 特開2003−303965号公報
Further, the RC-IGBT has a structure in which the n-type buffer layer (FS layer) 202 and the p-type collector layer 201 are short-circuited on the back surface side, and the n -type drift layer 203 is further connected to the main substrate of the semiconductor substrate. An IGBT is described that combines a superjunction structure in which an n layer and a p layer perpendicular to the surface have a stripe-like planar pattern and are alternately arranged adjacent to each other in a direction parallel to the main surface. The literature is open to the public. According to this patent document, a low on-voltage and high-speed switching can be achieved even in an IGBT having a medium to low breakdown voltage (Patent Document 3).
Japanese Patent No. 3885598 US2007 / 0231973 (FIG1) JP 2003-303965 A

しかしながら、前記特許文献1に記載のFS−IGBTについて、素子耐圧を確保し、低損失特性を達成するためには、前記ウエハ研磨後の厚さは、600V耐圧の素子で、およそ60μmから70μm、1200V耐圧の素子では100μm+αという極めて薄い状態にしなければならない。この状況で、たとえば、8インチウエハにてウエハハンドリングし、裏面からのイオン注入、電極形成のプロセスを進めていくと、その途中にウエハが割れるという問題が発生する可能性が極めて高く、その結果、生産性がなかなか向上しないという問題がある。   However, for the FS-IGBT described in Patent Document 1, in order to ensure device breakdown voltage and achieve low loss characteristics, the thickness after polishing the wafer is a device with a breakdown voltage of 600 V, approximately 60 μm to 70 μm, An element with a withstand voltage of 1200 V must be in a very thin state of 100 μm + α. In this situation, for example, if the wafer handling is performed with an 8-inch wafer and the process of ion implantation from the back surface and the electrode formation are advanced, there is a very high possibility that the wafer will break during the process. There is a problem that productivity is not improved easily.

また、前記特許文献2記載のRC−IGBTについては、たとえば600V耐圧のIGBTの場合、コレクタ短絡構造により内蔵されるMOSFETのオン抵抗は、600V耐圧素子では、600VのMOSFETの特性が現れるので、IGBT動作(または伝導度変調)が起きなければ、極めて高くなる。また、前記FS−IGBTには薄ウエハ技術達成のために低抵抗FS層(n型層)が必要となるが、このFS層を導入すると前記RC−IGBTではIGBT動作が起こりにくくなり、順方向の電流−電圧特性にいわゆる“とび“現象(snap−back phenomena)が現れてオン電圧が十分低減できないという問題が発生しやすい。 In the case of the RC-IGBT described in Patent Document 2, for example, in the case of an IGBT with a withstand voltage of 600 V, the on-resistance of the MOSFET built in due to the collector short circuit structure has the characteristics of the MOSFET of 600 V with the 600 V withstand voltage element. If no action (or conductivity modulation) occurs, it becomes very high. Further, the FS-IGBT requires a low resistance FS layer (n + type layer) in order to achieve a thin wafer technology. However, when this FS layer is introduced, the RC-IGBT is less likely to cause an IGBT operation. A so-called “jump” phenomenon appears in the current-voltage characteristics in the direction, and the on-voltage cannot be sufficiently reduced.

一方、高耐圧MOSFETのオン抵抗を下げる構造として、前記特許文献3にも記載されている超接合構造がよく知られている。しかしながら、超接合構造型MOSFET(以下SJ−MOSFETと略す)は通常エピタキシャルウエハまたはエピタキシャル法を適用したウエハで形成されるため、FZウエハを活用した薄ウエハ技術のようにエピタキシャルウエハまたはエピタキシャル法を適用しないで製造されるIGBT内に内蔵することはその製法上極めて難しい。たとえば、その製法はトレンチエッチングやエピタキシャル成長を駆使した基板の作成と、その基板上に作成する超接合構造の設計ならびに基板との位置合せ精度の問題など、そのウエハプロセスは極めて困難である。特に前記特許文献3に記載のIGBTでは、超接合層の各pn層幅をn型バッファ層下のp型コレクタ層まで一定に保つ形をとっているため、IGBTの特性、特にオン電圧が大きく増加する懸念があると考えられる。   On the other hand, a superjunction structure described in Patent Document 3 is well known as a structure for reducing the on-resistance of a high voltage MOSFET. However, super-junction structure type MOSFETs (hereinafter abbreviated as SJ-MOSFETs) are usually formed from epitaxial wafers or wafers to which an epitaxial method is applied, so that epitaxial wafers or epitaxial methods are applied like thin wafer technology utilizing FZ wafers. It is extremely difficult to incorporate it in an IGBT that is manufactured without using it. For example, in the manufacturing method, the wafer process is extremely difficult, such as the creation of a substrate using trench etching and epitaxial growth, the design of a superjunction structure formed on the substrate, and the problem of alignment accuracy with the substrate. In particular, the IGBT described in Patent Document 3 has a shape in which the width of each pn layer of the superjunction layer is kept constant up to the p-type collector layer below the n-type buffer layer. There seems to be an increasing concern.

本発明の目的は、半導体装置の特性に影響を与えるp型コレクタ層、n型バッファ層(またはFS層)、n型ドリフト層の濃度・厚さを素子のウエハプロセスの制約無く最適設計値で実現でき、低電流領域でのオン電圧を低減し、オン電圧−ターンオフ損失特性が良好で、生産性に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to optimize the concentration and thickness of a p-type collector layer, an n-type buffer layer (or FS layer), and an n -type drift layer that affect the characteristics of a semiconductor device without restriction of the wafer process of the device. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same, which can be realized by reducing the on-voltage in a low current region, have good on-voltage-turnoff loss characteristics, and have excellent productivity.

特許請求の範囲の請求項1記載の発明によれば、前記本発明の目的を達成するために、高抵抗p型またはn型シリコン支持基板とこのシリコン支持基板上に形成され、比較的低濃度ではあるが、たとえば、前記高抵抗p型シリコン支持基板よりも高濃度で厚さの薄いp型コレクタ層と、その上に高濃度で比較的厚さの薄いn型バッファ層が形成されている。さらにその上に、ストライプ状平面パターンで前記基板の主面に垂直方向に形成されるn型ドリフト層とp型仕切り層が前記主面に平行な方向では交互に平行に繰り返し接してなる超接合層が形成されている。該超接合層表面に選択的に前記ストライプ状平面パターンに直角方向に形成されるp型チャネル領域と、前記p型チャネル領域の表面に選択的に形成されるn型エミッタ領域とを備える。該n型エミッタ領域の表面から前記p型チャネル領域を貫通する深さで前記超接合層のストライプ状パターンに直交する方向に形成される第一トレンチと、該第一トレンチの内表面にゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記p型チャネル領域表面および前記n型エミッタ領域表面に共通に接するエミッタ電極とを有する。前記高抵抗シリコン支持基板の他方の主面側には前記p型コレクタ層と前記n型バッファ層にそれぞれ達する深さの第二トレンチと第三トレンチとを有する。該第二トレンチと該第三トレンチのそれぞれの底部および側面ならびに前記高抵抗シリコン支持基板の他方の主面にはコレクタ電極が接し、前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜とが高抵抗シリコン支持基板に格子状に複数設けられる半導体チップの最外周辺に位置し、半導体チップ化のために切断する領域である切断領域に設けられている半導体装置とする。 According to the first aspect of the present invention, in order to achieve the object of the present invention, a high-resistance p-type or n-type silicon support substrate and a silicon support substrate formed on the silicon support substrate are formed at a relatively low concentration. However, for example, a p-type collector layer having a higher concentration and thickness than that of the high-resistance p-type silicon support substrate and an n-type buffer layer having a higher concentration and a relatively small thickness are formed thereon. . Furthermore, a superjunction in which an n-type drift layer and a p-type partition layer formed in a stripe-like plane pattern in a direction perpendicular to the main surface of the substrate are alternately and repeatedly in parallel in a direction parallel to the main surface. A layer is formed. A p-type channel region selectively formed on the superjunction layer surface in a direction perpendicular to the stripe-like planar pattern; and an n + -type emitter region selectively formed on the surface of the p-type channel region. A first trench formed in a direction perpendicular to the stripe pattern of the superjunction layer at a depth penetrating the p-type channel region from the surface of the n + -type emitter region, and a gate on the inner surface of the first trench A gate electrode provided through an insulating film; and an emitter electrode in common contact with the surface of the p-type channel region and the surface of the n + -type emitter region. The other main surface side of the high-resistance silicon support substrate has a second trench and a third trench each having a depth reaching the p-type collector layer and the n-type buffer layer, respectively. The bottom of each of said second trenches and said third trench and the collector electrode to contact the side surface and the other main surface of the high resistance silicon support substrate, said first insulating film and said second insulating film is a high-resistance It is assumed that the semiconductor device is provided in a cutting region which is located at the outermost periphery of the semiconductor chips provided in a lattice shape on the silicon support substrate and is a region to be cut for semiconductor chip formation .

特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層の表面から前記第二導電型半導体バッファ層に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成される特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置の製造方法とする。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層内にあって、前記第二導電型半導体バッファ層の近傍に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成される特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置の製造方法とする。
According to the invention of claim 2, wherein in the claims, at a depth where the first-conductivity-type partition layer reaches the second conductivity type semiconductor buffer layer from the surface of the second conductive type drift layer, a stripe-shaped The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is formed by growing an epitaxial semiconductor layer in a trench having a planar pattern.
According to a third aspect of the present invention, the first conductivity type partition layer is in the second conductivity type drift layer and has a depth reaching the vicinity of the second conductivity type semiconductor buffer layer. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the epitaxial semiconductor layer is formed by growing an epitaxial semiconductor layer in a trench having a stripe-like planar pattern.

特許請求の範囲の請求項4記載の発明によれば、前記n型バッファ層が前記n型ドリフト層よりも低抵抗な層である特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が5対1であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, the n-type buffer layer is a layer having a lower resistance than the n-type drift layer.
According to a fifth aspect of the present invention, the ratio of the bottom area of the second trench to the third trench is 5: 1.

特許請求の範囲の請求項6記載の発明によれば、前記n型バッファ層が前記n型ドリフト層よりも高抵抗な層である特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項7記載の発明によれば、前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が36対1である特許請求の範囲の請求項6記載の半導体装置とする。
According to a sixth aspect of the present invention, the semiconductor device according to the first aspect of the present invention is such that the n-type buffer layer is a layer having a higher resistance than the n-type drift layer.
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the sixth aspect, the trench bottom area ratio of the second trench to the third trench is 36: 1.

特許請求の範囲の請求項8記載の発明によれば、前記ストライプ状平面パターンを繰り返し有するp型仕切り層とn型ドリフト層のそれぞれの前記ストライプ状平面パターンの短辺幅が異なる特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置とする。 According to the invention described in claim 8, the short side widths of the stripe-like planar patterns of the p-type partition layer and the n-type drift layer each having the stripe-like planar pattern are different. It shall be the semiconductor device according to claim 1, wherein.

許請求の範囲の請求項記載の発明によれば、前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜をトレンチエッチングの終点検出用絶縁膜として用いて、前記第二トレンチと前記第三トレンチをそれぞれ形成する特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置の製造方法とする。 According to the invention of claim 9, wherein the range of patent claims, wherein the first insulating film and the second insulating film by using as an endpoint detector insulating film of trench etching, the third trench and the second trench A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, which is formed in each of the claims.

特許請求の範囲の請求項10記載の発明によれば、前記高抵抗シリコン支持基板の一方の主面に、それぞれ積層される所定の形状の第一絶縁膜と、前記高抵抗シリコン支持基板よりも低抵抗なp型コレクタ層とを備える。前記第一絶縁膜とは前記主面の上方から見て重ならない位置に設けられる所定の形状の第二絶縁膜と、前記n型バッファ層と、前記主面に垂直な方向であって、該主面に平行な仮想切断面でストライプ状平面パターンを繰り返し有するp型仕切り層とn型ドリフト層からなる超接合層とをこの順に備える。該超接合層の表面層に選択的に、該超接合層のストライプ状平面パターンに直交する方向に形成されるp型のチャネル領域と、該p型チャネル領域の表面層に選択的に形成されるn型エミッタ領域とを備える。該n型エミッタ領域の表面と前記超接合層の前記n型ドリフト層の表面とに挟まれる前記p型のチャネル領域の表面で前記超接合層のストライプ状平面パターンに直交する方向にゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記p型チャネル領域表面と前記n型エミッタ領域表面とに共通に接するエミッタ電極とを有する。前記高抵抗シリコン支持基板の他方の主面に、前記p型コレクタ層と前記n型バッファ層にそれぞれ達する深さの第二トレンチと第三トレンチを有する。該第二トレンチと第三トレンチのそれぞれの底部および側面ならびに前記高抵抗シリコン支持基板の他方の主面に接するコレクタ電極を備え、前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜とが、前記半導体支持基板内に格子状に複数設けられる各半導体装置内の最外周辺に位置し、各半導体装置を切断するための領域である切断領域に設けられている半導体装置とすることにより、前記本発明の目的は達成される。 According to the invention of claim 10 , the first insulating film having a predetermined shape and laminated on one main surface of the high-resistance silicon support substrate, and more than the high-resistance silicon support substrate, respectively. A low-resistance p-type collector layer. The first insulating film is a second insulating film having a predetermined shape provided at a position that does not overlap when viewed from above the main surface, the n-type buffer layer, and a direction perpendicular to the main surface, A p-type partition layer having a striped planar pattern at a virtual cut surface parallel to the main surface and a superjunction layer composed of an n-type drift layer are provided in this order. Selectively formed on the surface layer of the superjunction layer, p-type channel region formed in a direction perpendicular to the striped planar pattern of the superjunction layer, and selectively formed on the surface layer of the p-type channel region. N + -type emitter region. Gate insulation in a direction orthogonal to the stripe-like planar pattern of the super junction layer on the surface of the p type channel region sandwiched between the surface of the n + type emitter region and the surface of the n type drift layer of the super junction layer A gate electrode provided through a film; and an emitter electrode commonly in contact with the surface of the p-type channel region and the surface of the n + -type emitter region. The other main surface of the high-resistance silicon support substrate has a second trench and a third trench each having a depth reaching the p-type collector layer and the n-type buffer layer, respectively. E Bei said second trenches and each of the bottom and side surfaces and the collector electrode in contact with the other main surface of the high resistance silicon support substrate of the third trench, and the said second insulating film and the first insulating film, the semiconductor By providing a semiconductor device provided in a cutting region, which is located in the outermost periphery in each semiconductor device provided in a lattice shape in the support substrate and is a region for cutting each semiconductor device , the present invention The purpose of is achieved.

特許請求の範囲の請求項11記載の発明によれば、前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層の表面から前記第二導電型半導体バッファ層に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成される特許請求の範囲の請求項10記載の半導体装置の製造方法とする。
特許請求の範囲の請求項12記載の発明によれば、前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層内にあって、前記第二導電型半導体バッファ層の近傍に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成される特許請求の範囲の請求項10記載の半導体装置とする。
According to the invention of claim 11 wherein the appended claims, a depth where the first-conductivity-type partition layer reaches the second conductivity type semiconductor buffer layer from the surface of the second conductive type drift layer, a stripe-shaped 11. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10 , wherein the epitaxial semiconductor layer is formed by growing an epitaxial semiconductor layer in a trench having a planar pattern.
According to a twelfth aspect of the present invention, the first conductivity type partition layer is in the second conductivity type drift layer and has a depth reaching the vicinity of the second conductivity type semiconductor buffer layer. The semiconductor device according to claim 10 , which is formed by growing an epitaxial semiconductor layer in a trench having a stripe-like planar pattern.

特許請求の範囲の請求項13記載の発明によれば、前記n型バッファ層が前記n型ドリフト層よりも低抵抗な層である特許請求の範囲の請求項10記載の半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項14記載の発明によれば、前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が5対1であることを特徴とする請求項13記載の半導体装置とする。
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the tenth aspect , the n-type buffer layer is a layer having a lower resistance than the n-type drift layer.
According to the invention described in claim 14 , the ratio of the bottom area of the second trench to the third trench is 5: 1, and the semiconductor device according to claim 13 is provided.

特許請求の範囲の請求項15記載の発明によれば、前記n型バッファ層が前記n型ドリフト層よりも高抵抗な層である特許請求の範囲の請求項10記載の半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項16記載の発明によれば、前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が36対1である特許請求の範囲の請求項15記載の半導体装置とする。
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the tenth aspect , the n-type buffer layer is a layer having a higher resistance than the n-type drift layer.
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the fifteenth aspect, the trench bottom area ratio of the second trench to the third trench is 36: 1.

特許請求の範囲の請求項17記載の発明によれば、前記ストライプ状平面パターンを繰り返し有するp型仕切り層とn型ドリフト層のそれぞれの前記ストライプ状平面パターンの短辺幅が異なる特許請求の範囲の請求項10記載の半導体装置とする。 According to the invention described in claim 17 , the short side widths of the stripe-like planar patterns of the p-type partition layer and the n-type drift layer each having the stripe-like planar pattern are different. It shall be the claims 10 semiconductor device according.

許請求の範囲の請求項18記載の発明によれば、前記第二トレンチと前記第三トレンチを、それぞれ前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜をトレンチエッチングの終点検出用絶縁膜として用いて形成する特許請求の範囲の前記請求項10記載の半導体装置の製造方法とする。 According to the invention of claim 18, wherein the range of patent claims, the third trench and the second trench, using respectively the first insulating film using the second insulating film as an end point detection dielectric film trench etching The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10 , wherein the semiconductor device is formed.

ここで前記p型コレクタ層は少数キャリアの注入効率を抑えるために低濃度で厚さも比較的薄い設計となっている。また、前記n型バッファ層は、IGBT動作しやすくするために比較的低濃度に設計されている。また、前記高抵抗p型シリコン支持基板(以降、高抵抗p型支持基板と略記)の裏面から前記p型コレクタ層に達するまでの第二トレンチと前記n型バッファ層に達するまでの第三トレンチがそれぞれ形成され、これらの第二、第三トレンチの底部、側面から前記高抵抗シリコン支持基板の裏面にいたる面はコレクタ電極となる金属導電体で連続的に覆われている。その際、前記第二、第三トレンチ底部が正確にp型コレクタ層もしくはn型バッファ層に達するように作成するため、あらかじめ高抵抗p型支持基板と前記p型コレクタ層の上にシリコン酸化膜に代表される第一または第二絶縁膜をそれぞれ形成しておく。これらの第一、第二絶縁膜は、前記第二または第三トレンチを形成する際のエッチングストッパーとして、エッチング終点を検出するために用いられる。その際、主電流が流れる領域である活性領域内に前記第一または第二絶縁膜を形成すると、電流導通時の抵抗となるため、形成する場所は主電流の導通に関係のない、たとえば、各半導体装置チップ周辺に位置する切断ライン近傍やウエハの最外周辺に位置する素子が形成されない領域にのみ形成する。このようにして形成された半導体装置チップは、チップ内にSJ−MOSFETとpコレクタ層総不純物量が少ない低注入特性で、n型バッファ層の薄いIGBTが同一素子内に融合された形となる。電気特性は低電流領域ではSJ−MOSFETの低オン抵抗特性、高電流領域ではp型コレクタ層からn型ドリフト層まで最適設計されたIGBTの良好な伝導度変調による低オン電圧特性が得られる。また、ウエハプロセス全体においては厚い支持基板である高抵抗p型シリコンがあるためにプロセス途中で割れることも無く、生産性に優れている。   The p-type collector layer is designed to have a low concentration and a relatively thin thickness in order to suppress minority carrier injection efficiency. The n-type buffer layer is designed to have a relatively low concentration in order to facilitate the IGBT operation. A second trench extending from the back surface of the high-resistance p-type silicon support substrate (hereinafter abbreviated as a high-resistance p-type support substrate) to the p-type collector layer and a third trench reaching the n-type buffer layer. The surfaces from the bottom and side surfaces of these second and third trenches to the back surface of the high resistance silicon support substrate are continuously covered with a metal conductor serving as a collector electrode. At this time, in order to make the bottoms of the second and third trenches accurately reach the p-type collector layer or the n-type buffer layer, a silicon oxide film is previously formed on the high-resistance p-type support substrate and the p-type collector layer. First or second insulating films represented by the above are respectively formed. These first and second insulating films are used for detecting an etching end point as an etching stopper when forming the second or third trench. At that time, if the first or second insulating film is formed in the active region that is a region through which the main current flows, it becomes a resistance at the time of current conduction, and the place to be formed is not related to the conduction of the main current, for example, It is formed only in a region where no element is formed in the vicinity of the cutting line located around each semiconductor device chip or in the outermost periphery of the wafer. The semiconductor device chip thus formed has a low injection characteristic with a small total amount of SJ-MOSFET and p collector layer in the chip, and a thin IGBT with a thin n-type buffer layer is integrated in the same element. . As for the electrical characteristics, the low on-resistance characteristics of the SJ-MOSFET are obtained in the low current region, and the low on-voltage characteristics are obtained by the favorable conductivity modulation of the IGBT optimally designed from the p-type collector layer to the n-type drift layer in the high current region. Further, since the high-resistance p-type silicon which is a thick support substrate is present in the entire wafer process, it is not broken during the process, and the productivity is excellent.

本発明によれば、半導体装置の特性に影響を与えるp型コレクタ層、n型バッファ層(またはFS層)、n型ドリフト層の濃度・厚さを素子のウエハプロセスの制約無く最適設計値で実現でき、低電流領域でのオン電圧を低減し、オン電圧−ターンオフ損失特性が良好で、生産性に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the optimum design values of the concentration and thickness of the p-type collector layer, n-type buffer layer (or FS layer), and n -type drift layer that affect the characteristics of the semiconductor device are not restricted by the wafer process of the device. Thus, it is possible to provide a semiconductor device that can reduce the on-voltage in a low current region, has good on-voltage-turnoff loss characteristics, and has excellent productivity, and a method for manufacturing the same.

以下、本発明のトレンチゲート型およびプレーナゲート型絶縁ゲートバイポーラトランジスタについて、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
図1A、図1Bは実施例1、4の高抵抗p型支持基板の表面およびp型コレクタ層表面に形成した第一、第二酸化膜を含むIGBTの格子状配列を示すウエハの平面図(a)と、この平面図(a)の破線円部の拡大平面図(b)。図2、図3、図21、図22は実施例1、4の、第二トレンチがp型コレクタ層に、第三トレンチがnバッファ層にそれぞれ接することを示すIGBT周辺耐圧構造部と活性領域のそれぞれ断面図。図4、図23は、図3、図22をA−A線またはD−D線でそれぞれ切断したときの活性領域の断面図。図5〜図7A、図24〜図26は実施例1、4のIGBTの、超接合層形成までのプロセスを示す断面図。図7B、図7Cは実施例1、4のIGBTの超接合層形成後の平面図。図8、図9、図27、図28は実施例1、4のIGBTの超接合層形成後のIGBTの周辺耐圧構造部と活性領域の断面図。図10、図11、図29、図30は実施例1、4のIGBTの高抵抗p型支持基板の裏面にトレンチ形成用酸化膜マスク形成後の素子周辺耐圧構造部と活性領域の断面図。図12、図13、図31、図32は実施例1、4のIGBTの高抵抗p型支持基板の裏面に第二トレンチとコレクタ電極形成後の周辺耐圧構造部と活性領域の断面図。図14、図17、図35、図37は実施例1、2と実施例4、5で作成したIGBTと従来型薄ウエハ技術および従来SJ−MOSFETの各I−V特性比較図。図15、図18、図36、図38は実施例1、2と実施例4、5で作成したIGBTと従来型薄ウエハ技術を用いて作成したIGBTのオン電圧―ターンオフ損失トレードオフ特性比較図。図16、図33は実施例2、5のIGBTの活性領域を示す要部断面図。図19、図34は本発明にかかる実施例1、4のIGBTが逆方向に接続されるダイオードを内蔵することを示す活性領域の断面図。図20は本発明のIGBTを適用する三相インバータ回路図である。
Hereinafter, a trench gate type and a planar gate type insulated gate bipolar transistor of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the description of the examples described below unless it exceeds the gist.
1A and 1B are plan views of a wafer showing a lattice arrangement of IGBTs including first and second dioxide films formed on the surface of the high-resistance p-type support substrate and the surface of the p-type collector layer of Examples 1 and 4 (a ) And an enlarged plan view (b) of the broken-line circle part of the plan view (a). 2, 3, 21, and 22 show the IGBT peripheral breakdown voltage structure and the active region in Examples 1 and 4 indicating that the second trench is in contact with the p-type collector layer and the third trench is in contact with the n buffer layer. FIG. 4 and 23 are cross-sectional views of the active region when FIGS. 3 and 22 are cut along the AA line or the DD line, respectively. FIGS. 5 to 7A and FIGS. 24 to 26 are cross-sectional views showing processes up to the formation of a superjunction layer in the IGBTs of Examples 1 and 4. FIGS. 7B and 7C are plan views after the formation of the super junction layer of the IGBTs of Examples 1 and 4. FIG. 8, FIG. 9, FIG. 27, and FIG. 28 are cross-sectional views of the peripheral breakdown voltage structure portion and active region of the IGBT after the formation of the IGBT superjunction layer according to the first and fourth embodiments. 10, FIG. 11, FIG. 29, and FIG. 30 are cross-sectional views of the device peripheral breakdown voltage structure and the active region after the trench forming oxide film mask is formed on the back surface of the IGBT high resistance p-type support substrate of the first and fourth embodiments. 12, 13, 31, and 32 are cross-sectional views of the peripheral breakdown voltage structure portion and the active region after the second trench and the collector electrode are formed on the back surface of the high resistance p-type support substrate of the IGBT according to the first and fourth embodiments. 14, FIG. 17, FIG. 35, and FIG. 37 are diagrams comparing the IV characteristics of the IGBTs produced in Examples 1, 2 and Examples 4, 5, the conventional thin wafer technology, and the conventional SJ-MOSFET. 15, FIG. 18, FIG. 36, and FIG. 38 are comparison diagrams of on-voltage-turn-off loss trade-off characteristics between the IGBTs produced in Examples 1, 2, and 4, 5 and the IGBTs produced using the conventional thin wafer technology. . FIGS. 16 and 33 are cross-sectional views of main parts showing active regions of the IGBTs of Examples 2 and 5. FIGS. 19 and 34 are cross-sectional views of the active region showing that the IGBTs of Examples 1 and 4 according to the present invention incorporate a diode connected in the reverse direction. FIG. 20 is a three-phase inverter circuit diagram to which the IGBT of the present invention is applied.

以下、本発明の実施例1について、図1A−図15を参照して説明する。なお、実施例1では、耐圧600VのトレンチゲートIGBTについて説明する。
図1Aは、実施例1のトレンチゲートIGBTの作成に用いる8インチ径の高抵抗p型支持基板101と、その高抵抗p型支持基板101上に形成されるシリコン酸化膜102パターンの平面図である。チップサイズは図1A(a)の破線円部の拡大図である図1A(b)に示すように6.8mm角であるので、図1A(a)に示す格子状のシリコン酸化膜102のパターンピッチは6.8mmとなる。幅200μmの格子状のシリコン酸化膜102のパターンに囲まれた6.6mm角の中にトレンチゲートIGBTの素子領域103が作り込まれる。幅200μmの格子状のシリコン酸化膜102の中央線がウエハをIGBTチップにダイシングにより分離する際のダイシングライン104となる。
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 15. In the first embodiment, a trench gate IGBT having a breakdown voltage of 600 V will be described.
1A is a plan view of an 8-inch diameter high-resistance p-type support substrate 101 used for forming the trench gate IGBT of Example 1 and a silicon oxide film 102 pattern formed on the high-resistance p-type support substrate 101. FIG. is there. Since the chip size is 6.8 mm square as shown in FIG. 1A (b), which is an enlarged view of the broken-line circle in FIG. 1A (a), the pattern of the lattice-like silicon oxide film 102 shown in FIG. 1A (a). The pitch is 6.8 mm. The element region 103 of the trench gate IGBT is formed in a 6.6 mm square surrounded by the pattern of the lattice-like silicon oxide film 102 having a width of 200 μm. A center line of the lattice-like silicon oxide film 102 having a width of 200 μm becomes a dicing line 104 when the wafer is separated into IGBT chips by dicing.

図2、図3、図4は、実施例1のトレンチゲートIGBTの概略断面図である。図2はトレンチゲートIGBTの周辺部の、図3はトレンチゲートIGBTの活性領域の、それぞれ断面図である。図4は図3に示すA−A線で切断した断面図を示す。これらの図2、図3、図4に示すように、実施例1のトレンチゲートIGBTは高抵抗p型支持基板101表面に部分的にシリコン酸化膜105(図2(a))と、そのシリコン酸化膜105上に厚さ3.0μm、不純物濃度3.0×1017cm−3のp型コレクタ層1とを備える。このp型コレクタ層1上にさらに部分的にシリコン酸化膜106(図2(b))と、その上に厚さ2.0μm、不純物濃度2.0×1016cm−3のn型バッファ層2を有する。その際、前記高抵抗p型支持基板101の表面に形成したシリコン酸化膜105と前記p型コレクタ層上に形成したシリコン酸化膜106は前記高抵抗p型支持基板101の主面上方から見て相互に重ならない位置とする。 2, 3, and 4 are schematic cross-sectional views of the trench gate IGBT according to the first embodiment. 2 is a cross-sectional view of the periphery of the trench gate IGBT, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the active region of the trench gate IGBT. 4 shows a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. As shown in FIGS. 2, 3, and 4, the trench gate IGBT according to the first embodiment is partially formed on the surface of the high resistance p-type support substrate 101 with the silicon oxide film 105 (FIG. 2A) and its silicon. A p-type collector layer 1 having a thickness of 3.0 μm and an impurity concentration of 3.0 × 10 17 cm −3 is provided on the oxide film 105. A silicon oxide film 106 (FIG. 2B) is further partially formed on the p-type collector layer 1 and an n-type buffer layer having a thickness of 2.0 μm and an impurity concentration of 2.0 × 10 16 cm −3 thereon. 2 At this time, the silicon oxide film 105 formed on the surface of the high resistance p-type support substrate 101 and the silicon oxide film 106 formed on the p-type collector layer are viewed from above the main surface of the high resistance p-type support substrate 101. Positions that do not overlap each other.

また、前記n型バッファ層2は、従来のn型バッファ層(FS層)よりは不純物濃度を低く、n型ドリフト層3よりは高い不純物濃度にされる。
型ドリフト層3は、厚さ55μmで、リンを不純物濃度4.0×1015cm−3程度含む(図2)。このn型ドリフト層3は、前記高抵抗p型支持基板101の主面に垂直な方向に形成されるp型仕切り層4とn型ドリフト層3とが前記主面に平行な方向では、交互に接するストライプ状平面パターンの繰り返しからなる超接合層を有するウエハにされている(図4)。図2、図3でも超接合層は形成されているが、切断面の位置の関係でp型仕切り層4が現れていないだけである。
The n-type buffer layer 2 has a lower impurity concentration than the conventional n + -type buffer layer (FS layer) and a higher impurity concentration than the n -type drift layer 3.
The n type drift layer 3 has a thickness of 55 μm and contains phosphorus with an impurity concentration of about 4.0 × 10 15 cm −3 (FIG. 2). The n type drift layer 3 is formed in a direction in which the p type partition layer 4 and the n type drift layer 3 formed in a direction perpendicular to the main surface of the high resistance p type support substrate 101 are parallel to the main surface. The wafer has a super-junction layer composed of repeated stripe-like planar patterns that are alternately in contact with each other (FIG. 4). In FIGS. 2 and 3, the super junction layer is formed, but the p-type partition layer 4 does not appear due to the position of the cut surface.

前記超接合層の表面層に、従来の技術と同様に、トレンチゲート構造を形成するための第一トレンチ6が前記超接合層3、4と直交するよう形成される(図3)。この第一トレンチ6内部をゲート絶縁膜(図示せず)を介してゲート電極5で埋め込むことでトレンチゲートが形成される。p型チャネル領域7とn型エミッタ領域8の形成、ゲート電極5とエミッタ電極9を絶縁するためのBPSGによる層間絶縁膜(図示せず)および前記p型チャネル領域7とn型エミッタ領域8の各表面に共通に接するエミッタ電極9が形成される(図3)。 A first trench 6 for forming a trench gate structure is formed on the surface layer of the super junction layer so as to be orthogonal to the super junction layers 3 and 4 (FIG. 3). A trench gate is formed by burying the inside of the first trench 6 with a gate electrode 5 through a gate insulating film (not shown). Formation of p-type channel region 7 and n + -type emitter region 8, interlayer insulating film (not shown) by BPSG for insulating gate electrode 5 and emitter electrode 9, and p-type channel region 7 and n + -type emitter region An emitter electrode 9 is formed in common contact with each surface of 8 (FIG. 3).

高抵抗p型支持基板101の裏面には、裏面の表面から前記p型コレクタ層1と前記n型バッファ層2とにそれぞれ達する第二トレンチ11、第三トレンチ12と、これらの第二トレンチ11、第三トレンチ12の各内面と、各底部にそれぞれ接するコレクタ電極13を備える。なお、高抵抗支持基板101としてはp型基板でもn型基板であっても差し支えない。この際、本発明のトレンチゲートIGBTを適用する、インバータのキャリア周波数などの動作周波数に対応する最適な素子特性を得るためには、たとえば、モーター駆動用インバータのキャリア周波数10kHzを想定すると、前記p型コレクタ層1に接するコレクタ電極13の面積と前記n型バッファ層2に接するコレクタ電極13の面積比率を5:1に設定することが好ましい。   On the back surface of the high resistance p-type support substrate 101, there are a second trench 11 and a third trench 12 that respectively reach the p-type collector layer 1 and the n-type buffer layer 2 from the front surface, and these second trenches 11. The collector electrode 13 is provided in contact with each inner surface of the third trench 12 and each bottom. The high resistance support substrate 101 may be a p-type substrate or an n-type substrate. At this time, in order to obtain the optimum element characteristics corresponding to the operating frequency such as the carrier frequency of the inverter to which the trench gate IGBT of the present invention is applied, for example, assuming that the carrier frequency of the motor driving inverter is 10 kHz, the p The area ratio of the collector electrode 13 in contact with the type collector layer 1 and the area of the collector electrode 13 in contact with the n-type buffer layer 2 is preferably set to 5: 1.

特に、実施例1のようなトレンチゲートIGBTの場合、前記第二トレンチ11、第三トレンチ12は、厚さの薄いp型コレクタ層1およびn型バッファ層2にそれぞれ正確に達していることが重要である。第二トレンチ11が正確に前記p型コレクタ層1に達していないとオン電圧が急激に劣化し、第三トレンチ12がn型バッファ層2に正確に達してないと、SJ−MOSFETが動作しないなどの不具合を生じるからである。   In particular, in the case of the trench gate IGBT as in the first embodiment, the second trench 11 and the third trench 12 accurately reach the thin p-type collector layer 1 and the n-type buffer layer 2, respectively. is important. If the second trench 11 does not reach the p-type collector layer 1 accurately, the on-voltage deteriorates rapidly, and if the third trench 12 does not reach the n-type buffer layer 2 correctly, the SJ-MOSFET does not operate. This is because such a trouble occurs.

以下、図5から図13を用いて、本発明トレンチゲートIGBTの製造方法を詳しく説明する。図5に示すように、まず、厚さ500μm、直径8インチの高抵抗p型支持基板101を準備し、その上にシリコン酸化膜を0.2μmの厚さに形成する。その後、前記図1A(a)のような、形成するチップサイズに応じたピッチの格子状に酸化膜を残すようにパターニングし、シリコン酸化膜105を形成する。図1A(b)に示すように、実施例1でチップサイズに応じた4辺のうち2辺のダイシングによる切断ライン近傍での酸化膜幅を100μmとした。   Hereinafter, the manufacturing method of the trench gate IGBT according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. As shown in FIG. 5, first, a high resistance p-type support substrate 101 having a thickness of 500 μm and a diameter of 8 inches is prepared, and a silicon oxide film is formed thereon to a thickness of 0.2 μm. Thereafter, the silicon oxide film 105 is formed by patterning so as to leave an oxide film in a lattice pattern with a pitch corresponding to the chip size to be formed as shown in FIG. 1A (a). As shown in FIG. 1A (b), the oxide film width in the vicinity of the cutting line by dicing of two sides out of the four sides according to the chip size in Example 1 was set to 100 μm.

この上に、図6に示すように、周知の技術であるエピタキシャル法を用いて厚さ3.0μm、不純物濃度3.0×1017cm−3のp型コレクタ層1を堆積する。このコレクタ層1はなるべく薄く形成すると正孔の注入効率を小さくすることができ、好ましいが、ウエハ面内の濃度・厚さばらつきを考慮し、3.0μmの厚さに設定した。この際、アクセプタ不純物としてボロンを用いた。その後、前記高抵抗p型支持基板101上に形成したシリコン酸化膜105と同様にダイシングによる切断ライン近傍に幅100μmのシリコン酸化膜106を形成する。その際、前記酸化膜105を形成した2辺とは重ならないように、他の2辺に形成する。その上に厚さ2.0μm、不純物濃度2.0×1016cm−3のn型バッファ層2をエピタキシャル成長により形成する。 On this, as shown in FIG. 6, a p-type collector layer 1 having a thickness of 3.0 μm and an impurity concentration of 3.0 × 10 17 cm −3 is deposited using an epitaxial method which is a well-known technique. When the collector layer 1 is formed as thin as possible, the hole injection efficiency can be reduced. This is preferable, but the thickness is set to 3.0 μm in consideration of variations in the concentration and thickness in the wafer surface. At this time, boron was used as an acceptor impurity. Thereafter, similarly to the silicon oxide film 105 formed on the high resistance p-type support substrate 101, a silicon oxide film 106 having a width of 100 μm is formed in the vicinity of the cutting line by dicing. At this time, it is formed on the other two sides so as not to overlap the two sides on which the oxide film 105 is formed. An n-type buffer layer 2 having a thickness of 2.0 μm and an impurity concentration of 2.0 × 10 16 cm −3 is formed thereon by epitaxial growth.

前記酸化膜105と106とを基板101の上方から見て相互に重ならない位置に形成するための異なる方法を以下に示す。たとえば、図1Bに示すように、ウエハの左半分にある、素子を形成しないウエハ周辺領域に、高抵抗p型支持基板101の表面に1cm程度大きさの前記シリコン酸化膜105Aを形成し、同様に、ウエハの右半分の、素子を形成しないウエハ周辺領域には、p型コレクタ層1の表面にシリコン酸化膜106Aを形成する方法としてもよい。その後、リンを4.0×1015cm−3程度含むn型ドリフト層3を55μm程度の厚さにエピタキシャル成長する(図6)。 Different methods for forming the oxide films 105 and 106 at positions that do not overlap each other when viewed from above the substrate 101 will be described below. For example, as shown in FIG. 1B, the silicon oxide film 105A having a size of about 1 cm 2 is formed on the surface of the high-resistance p-type support substrate 101 in the wafer peripheral region in the left half of the wafer where no element is formed, Similarly, a silicon oxide film 106A may be formed on the surface of the p-type collector layer 1 in the wafer peripheral region on the right half of the wafer where no element is formed. Thereafter, an n type drift layer 3 containing about 4.0 × 10 15 cm −3 of phosphorus is epitaxially grown to a thickness of about 55 μm (FIG. 6).

次に、n型ドリフト層3の表面に厚さ1.6μmの酸化膜(図示せず)を成長させ、フォトリソグラフおよびエッチングにより4μmピッチで、4μm幅のストライプ状パターンの酸化膜マスクを形成する。この酸化膜マスクを用いて、異方性エッチングにより表面からn型バッファ層2に達するトレンチを形成する。その後、このトレンチ内に、ボロンを前記n型ドリフト層3と同程度の濃度で含むp型シリコンをエピタキシャル成長により埋め込み、さらに前記酸化膜マスクより厚くなるように成長させる。 Next, an oxide film (not shown) having a thickness of 1.6 μm is grown on the surface of the n -type drift layer 3, and an oxide film mask having a 4 μm width stripe pattern is formed at a pitch of 4 μm by photolithography and etching. To do. Using this oxide film mask, a trench reaching the n-type buffer layer 2 from the surface is formed by anisotropic etching. Thereafter, p-type silicon containing boron at a concentration similar to that of the n -type drift layer 3 is buried in the trench by epitaxial growth, and further grown to be thicker than the oxide film mask.

その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)および酸化膜エッチングにより前記n型ドリフト層3の表面層を再度露出させると、n型ドリフト層3と、前記トレンチ内にp型シリコンが埋め込まれたp型仕切り層4が前記主面に平行な方向では交互に接するストライプ状平面パターンの繰り返しからなる超接合層となる(図7A)。 Thereafter, CMP (Chemical Mechanical Polishing) and the by oxide etch n - when exposing the surface layer of the type drift layer 3 again, n - -type drift layer 3, p-type p-type silicon is buried in the trench The partition layer 4 becomes a super-junction layer formed by repeating stripe-like planar patterns that are alternately in contact with each other in a direction parallel to the main surface (FIG. 7A).

その後、前記超接合層の表面からトレンチゲート用の第一トレンチ6を幅1.2μm、ピッチ5μmで等間隔で4.5μmの深さに形成する。十分に注意深くトレンチ6を形成することで、トレンチ6底部の曲率半径は0.6μmで形成する。前述したように、実施例1では図7Bの平面図に示すように前記第一トレンチ6と超接合層が直交するような平面パターンに配置した。その後、図9に示すように、第一トレンチ6内部に厚さ100nmのゲート酸化膜(図示せず)の成長後に、ポリシリコンを堆積させて前記第一トレンチ6内に埋め込みゲート電極5を形成する。   Thereafter, first trenches 6 for trench gates are formed from the surface of the super junction layer to a depth of 4.5 μm at equal intervals with a width of 1.2 μm and a pitch of 5 μm. By sufficiently carefully forming the trench 6, the radius of curvature of the bottom of the trench 6 is 0.6 μm. As described above, in Example 1, as shown in the plan view of FIG. 7B, the first trench 6 and the superjunction layer are arranged in a plane pattern orthogonal to each other. Thereafter, as shown in FIG. 9, after a gate oxide film (not shown) having a thickness of 100 nm is grown in the first trench 6, polysilicon is deposited to form a buried gate electrode 5 in the first trench 6. To do.

次に、イオン注入法と熱拡散法を用いて、深さ約2.5μmのp型チャネル領域7を形成する。なお、このときの不純物はボロンを用い、そのドーズ量は8.0×1013cm−2、熱拡散温度と時間は1150℃で2時間とした。さらにその後、n型エミッタ領域8の形成のために砒素をドーズ量5.0×1015cm−2ほどで、深さ0.4μmにイオン注入する。その後、層間絶縁膜(図示せず)としてBPSG(Boro Phospho Silicate Glass)を厚さ1.0μm堆積しパターニング後、熱処理(1000℃)する。エミッタ電極9となるAl−1%Si合金をスパッタ法にて厚さ5μmに形成し、パターニング後熱処理(400℃)をしてそれぞれ形成する。表面保護膜(図示せず)として厚さ10μmのポリイミドを素子表面に形成後、エミッタ電極9ならびにゲート電極パッド部(図示せず)を窓明けするようにパターニングし、熱処理(300℃)して形成する(図8、図9)。なお、図8、図9の活性領域の断面図に超接合層のp型仕切り層4が図示されていないが、これは、トレンチゲートと超接合構造が直交して形成されているからであり、トレンチゲート構造を説明するために、超接合層に平行に切断される図となっているためである。 Next, a p-type channel region 7 having a depth of about 2.5 μm is formed by ion implantation and thermal diffusion. Note that boron was used as the impurity at this time, the dose was 8.0 × 10 13 cm −2 , the thermal diffusion temperature and time were 1150 ° C. for 2 hours. After that, arsenic is ion-implanted to a depth of 0.4 μm in order to form the n + -type emitter region 8 with a dose of about 5.0 × 10 15 cm −2 . Thereafter, BPSG (Boro Phospho Silicate Glass) is deposited as an interlayer insulating film (not shown) to a thickness of 1.0 μm and patterned, followed by heat treatment (1000 ° C.). An Al-1% Si alloy to be the emitter electrode 9 is formed to a thickness of 5 μm by a sputtering method, followed by heat treatment after patterning (400 ° C.). After forming 10 μm-thick polyimide as a surface protective film (not shown) on the element surface, patterning is performed so as to open the emitter electrode 9 and the gate electrode pad portion (not shown), and heat treatment (300 ° C.) is performed. Form (FIGS. 8 and 9). The p-type partition layer 4 of the superjunction layer is not shown in the cross-sectional views of the active region in FIGS. 8 and 9 because the trench gate and the superjunction structure are formed orthogonally. This is because, in order to explain the trench gate structure, the figure is cut parallel to the super-junction layer.

次に、前記ウエハの裏面、すなわち高抵抗p型支持基板101の裏面に厚さ1.6μmの酸化膜10を成長させ、フォトリソグラフおよびエッチングによりトレンチ形成用の酸化膜マスク10aを形成する(図10、図11)。なお、この酸化膜マスクは、図1A(b)に示すチップ4辺のうちの2辺に相当する周辺耐圧構造部の高抵抗p型支持基板101上に酸化膜105が形成された領域では5μm幅、5μm間隔で均等に形成した(図10(a))が、同じ周辺耐圧構造部でも他の2辺に相当するp型コレクタ層1の上に酸化膜106が形成された領域では酸化膜に窓明けをしていない(図10(b))。また、活性領域では一部の酸化膜マスク幅を100μmと広めに残す酸化膜マスク10bを形成する(図11)。   Next, an oxide film 10 having a thickness of 1.6 μm is grown on the back surface of the wafer, that is, the back surface of the high-resistance p-type support substrate 101, and an oxide film mask 10a for forming a trench is formed by photolithography and etching (FIG. 10, FIG. 11). This oxide film mask is 5 μm in the region where the oxide film 105 is formed on the high resistance p-type support substrate 101 of the peripheral voltage withstanding structure portion corresponding to two of the four sides of the chip shown in FIG. 1A (b). Although the width is evenly formed at intervals of 5 μm (FIG. 10A), the oxide film 106 is formed in the region where the oxide film 106 is formed on the p-type collector layer 1 corresponding to the other two sides even in the same peripheral breakdown voltage structure. The window is not opened (FIG. 10B). In the active region, an oxide film mask 10b is formed to leave a part of the oxide film mask width as wide as 100 μm (FIG. 11).

その後RIE法などの異方性エッチングにより前記ウエハの裏面からトレンチエッチングをする。実施例1では、その後のウエハプロセスにてウエハが割れない範囲でトレンチエッチング時間を短縮するため、あらかじめ、厚さ500μm程度の前記ウエハの裏面を研磨して厚さを250μmまで薄くした後に前記エッチングを行った。この際、このエッチングを第二トレンチ底部が前記p型コレクタ層に達したところで正確に止めることが肝要であるが、前述したとおり電気特性向上のためp型コレクタ層の厚さを3.0μmと比較的薄く設定しているため、通常はうまくトレンチエッチングを止めるのが難しい。しかしながら、本発明によれば、高抵抗p型支持基板とp型コレクタ層の間に幅100μmで、またはウエハの最外周辺部の位置で素子が形成されていない領域に、厚さ0.2μmのシリコン酸化膜105、106が配置されているため、前記エッチングを進めて第二トレンチの底部が前記p型コレクタ層に達したと同時にシリコン酸化膜がエッチングし始める。エッチング中に酸素を検出した時点でエッチングを止めれば、正確にトレンチエッチングの先端を前記p型コレクタ層でとめることが可能である(図12)。同様に、図示しないが、裏面酸化膜除去後、レジストを塗布する。そして今度は活性領域内の一部酸化膜幅を100μm残したところに前記同様5μm幅で酸化膜に窓明けし、かつ周辺耐圧構造部で、前記第二トレンチを掘らなかった領域に幅5μmで5μm間隔の酸化膜パターンを形成する。その後、前記同様RIE法にてトレンチエッチングを行い、今度は第三トレンチ(図示せず)の底部がn型バッファ層に達したところでエッチングを止める。次に、n型バッファ層と裏面側コレクタ電極とのオーミックコンタクトを取る目的で、裏面側にリンをイオン注入する。そして裏面酸化膜を除去後、前記第二トレンチ、第三トレンチの各底部、側面ならびにウエハの裏面全体にAl,Ti,NiそしてAuの金属積層膜を真空蒸着にて形成してコレクタ電極13とする(図13)。以上説明した製造方法により、本発明にかかるトレンチゲートIGBTの主要なウエハプロセスが終了する。なお、前記シリコン酸化膜はダイシングによる切断ライン104に沿って幅100μmで形成、または、ウエハの最外周辺部にのみ形成されているため、大部分の第二トレンチ11、第三トレンチ12が、その後のコレクタ電極13の形成では確実にIGBT内のp型コレクタ層1、または、n型バッファ層2と前記金属積層膜(コレクタ電極13)がコンタクトすることができる。そのため前記シリコン酸化膜105、106が電流の導通に影響を与えることはまったく無い。なお、このトレンチゲートIGBTにはスイッチング速度を向上させるためのライフタイムコントロールプロセスは一切適用していないが、素子特性の最適化のためにはライフタイムコントロールプロセスを施しても差し支えない。   Thereafter, trench etching is performed from the back surface of the wafer by anisotropic etching such as RIE. In Example 1, in order to shorten the trench etching time in a range in which the wafer is not broken in the subsequent wafer process, the etching is performed after polishing the back surface of the wafer having a thickness of about 500 μm to reduce the thickness to 250 μm in advance. Went. At this time, it is important to stop the etching accurately when the bottom of the second trench reaches the p-type collector layer. However, as described above, the thickness of the p-type collector layer is set to 3.0 μm to improve the electrical characteristics. Since it is set relatively thin, it is usually difficult to stop trench etching well. However, according to the present invention, the width is 100 μm between the high resistance p-type support substrate and the p-type collector layer, or the thickness is 0.2 μm in the region where no element is formed at the position of the outermost peripheral portion of the wafer. Since the silicon oxide films 105 and 106 are arranged, the silicon oxide film starts to be etched at the same time when the etching is advanced and the bottom of the second trench reaches the p-type collector layer. If the etching is stopped when oxygen is detected during the etching, the tip of the trench etching can be accurately stopped by the p-type collector layer (FIG. 12). Similarly, although not shown, a resist is applied after removing the back surface oxide film. This time, a part of the oxide region in the active region is left 100 μm wide, and a window of 5 μm wide is opened in the same manner as described above, and in the peripheral breakdown voltage structure portion, the region where the second trench is not dug is 5 μm wide. Oxide film patterns with an interval of 5 μm are formed. Thereafter, trench etching is performed by the RIE method in the same manner as described above, and this time etching is stopped when the bottom of the third trench (not shown) reaches the n-type buffer layer. Next, phosphorus is ion-implanted on the back side for the purpose of making an ohmic contact between the n-type buffer layer and the back side collector electrode. After removing the back surface oxide film, a metal laminated film of Al, Ti, Ni and Au is formed by vacuum deposition on the bottom and side surfaces of the second and third trenches and the entire back surface of the wafer. (FIG. 13). The main wafer process of the trench gate IGBT according to the present invention is completed by the manufacturing method described above. Since the silicon oxide film is formed with a width of 100 μm along the cutting line 104 by dicing, or is formed only on the outermost peripheral portion of the wafer, most of the second trench 11 and the third trench 12 are In the subsequent formation of the collector electrode 13, the p-type collector layer 1 or the n-type buffer layer 2 in the IGBT and the metal laminated film (collector electrode 13) can be reliably contacted. Therefore, the silicon oxide films 105 and 106 have no influence on current conduction. The trench gate IGBT is not applied at all with a lifetime control process for improving the switching speed, but may be subjected to a lifetime control process for optimizing device characteristics.

前述の方法にて直径8インチの600V トレンチゲートIGBTウエハ100枚を作成したが、IGBTプロセスが終了するまでのウエハプロセス中で割れたものは一切無く、生産性に非常に優れていることが判明した。比較のためにFZウエハを使った前述の薄ウエハ技術を使って同様に8インチ径のトレンチゲートFS−IGBTを作成したところ、ウエハ厚さが65μmで100枚中約35枚が割れた。これは薄く研磨した後の、ウエハハンドリング中または、裏面への不純物形成工程ならびに電極形成工程の途中にて割れたためである。また、前述の実施例1にてコレクタ電極13の形成を真空蒸着法にて行ったが、別の方法、たとえば、スパッタ法、またはメッキ法にして形成しても、8インチウエハ100枚にてウエハの割れは一切無いことを確認した。   100 pieces of 600V trench gate IGBT wafers with a diameter of 8 inches were created by the above-mentioned method, but it was found that there were no cracks in the wafer process until the end of the IGBT process, and the productivity was extremely excellent. did. For comparison, an 8-inch trench gate FS-IGBT was similarly formed using the above-described thin wafer technology using an FZ wafer. As a result, about 35 out of 100 wafers were cracked at a wafer thickness of 65 μm. This is because the wafer was handled after thin polishing or cracked during the impurity forming process on the back surface and the electrode forming process. In addition, the collector electrode 13 is formed by the vacuum deposition method in the above-described first embodiment. However, even if the collector electrode 13 is formed by another method, for example, a sputtering method or a plating method, 100 sheets of 8-inch wafers are used. It was confirmed that there were no cracks in the wafer.

図14は実施例1にて作成したトレンチゲートIGBT素子の電流−電圧特性を示す。また、比較のために600V SJ−MOFETならびに薄ウエハプロセスを適用した600V トレンチゲートFS−IGBTの特性も併せて示す。実施例1のトレンチゲートIGBTは、コレクタ・エミッタ間の電圧が0Vから0.6Vの間でも従来のSJ−MOSFETに近い十分な電流導通能力を示していることがわかる。また、定格電流近傍の300A/cm2付近では、SJ−MOSFETに対しては明らかに優位性を示し、かつトレンチゲートFS−IGBTにも遜色ない低オン電圧特性を示していることがわかる。このように電流密度が50A/cm以下での低電流領域ではSJ−MOSFET並みの、また、電流密度が300A/cm近傍の高電流領域ではトレンチゲートFS−IGBTと同等の良好な電流−電圧特性を示すことがわかる。なお、本発明素子の6.8mm角、素子定格は600V/100Aで、定格電流密度は300A/cmである。さらに本発明のスイッチング特性についても測定した。その結果、定格電流100Aでのターンオフ損失を測定したところ1.95mJとなった。これは、比較したトレンチゲートFS−IGBTのターンオフ損失2.3mJに対して15%もの低減が図れていることになる。さらに条件を換えた素子を作成し特性比較をしたところ、図15に示すように従来のトレンチゲートFS−IGBTに対して若干ではあるが、低オン電圧でかつ低ターンオフ損失を示すという良好な特性であることがわかった。なお、実施例1のトレンチゲートIGBTにおいて、図15に示したトレードオフ特性は、p型コレクタ層の濃度を変えた素子、すなわち不純物濃度を4.0×1017cm−3、6.0×1017cmとするものを新たに追加作成し評価した結果である。そこで実施例1のトレンチゲートIGBTを用いて図20に示す3相インバータ回路を構成しモーターを駆動することでその発生損失を従来のトレンチゲートFS−IGBTと比較した。なお、インバータ動作条件は次の通りである。 FIG. 14 shows current-voltage characteristics of the trench gate IGBT element prepared in Example 1. For comparison, the characteristics of 600V SJ-MOFET and 600V trench gate FS-IGBT to which a thin wafer process is applied are also shown. It can be seen that the trench gate IGBT of Example 1 exhibits a sufficient current conduction capability close to that of a conventional SJ-MOSFET even when the collector-emitter voltage is between 0V and 0.6V. Further, it can be seen that in the vicinity of 300 A / cm 2 near the rated current, the low on-voltage characteristics are clearly superior to the SJ-MOSFET and comparable to the trench gate FS-IGBT. Thus, in the low current region where the current density is 50 A / cm 2 or less, it is as good as SJ-MOSFET, and in the high current region where the current density is near 300 A / cm 2, a good current equivalent to that of the trench gate FS-IGBT− It can be seen that the voltage characteristics are shown. The element of the present invention is 6.8 mm square, the element rating is 600 V / 100 A, and the rated current density is 300 A / cm 2 . Furthermore, the switching characteristics of the present invention were also measured. As a result, the turn-off loss at a rated current of 100 A was measured and found to be 1.95 mJ. This is a reduction of 15% with respect to the turn-off loss 2.3 mJ of the compared trench gate FS-IGBT. Further, when the elements having different conditions were prepared and the characteristics were compared, as shown in FIG. 15, although it was slightly compared to the conventional trench gate FS-IGBT, it had a good characteristic that it had a low on-voltage and a low turn-off loss. I found out that In the trench gate IGBT of Example 1, the trade-off characteristic shown in FIG. 15 is that the concentration of the p-type collector layer is changed, that is, the impurity concentration is 4.0 × 10 17 cm −3 , 6.0 ×. This is the result of newly creating and evaluating a sample having a thickness of 10 17 cm. Accordingly, the three-phase inverter circuit shown in FIG. 20 is configured using the trench gate IGBT of the first embodiment, and the generated loss is compared with the conventional trench gate FS-IGBT by driving the motor. The inverter operating conditions are as follows.

Vdc=300V、Io=60A(rms)、キャリア周波数fc=10kHz、出力周波数fo=50Hz、cosθ=0.9
その結果、実施例1のトレンチゲートIGBTを用いたインバータの発生損失は47Wとなり、従来のトレンチゲートFS−IGBTを用いたインバータの発生損失62Wに対して約25%の低減が可能となった。これは、図15に示したトレードオフ特性の若干改善もあるが、図14に示したように低電流領域での電流導通能力が従来のトレンチゲートFS−IGBTに対して格段に向上したため、この領域でのオン電圧が十分低減できたところによる。
Vdc = 300 V, Io = 60 A (rms), carrier frequency fc = 10 kHz, output frequency fo = 50 Hz, cos θ = 0.9
As a result, the generated loss of the inverter using the trench gate IGBT of Example 1 was 47 W, which was about 25% lower than the generated loss 62 W of the inverter using the conventional trench gate FS-IGBT. Although this has a slight improvement in the trade-off characteristics shown in FIG. 15, the current conduction capability in the low current region is significantly improved as compared with the conventional trench gate FS-IGBT as shown in FIG. This is because the on-voltage in the region can be sufficiently reduced.

また、実施例1のトレンチゲートIGBTの素子耐圧は730Vと従来薄ウエハプロセスでのトレンチゲートFS−IGBT(素子耐圧726V)と同様、600V素子として十分な特性が得られていることを確認した。さらに、最大ターンオフ電流ならびに負荷短絡耐量についても測定したところ、従来のトレンチゲートFS−IGBTとほとんど同等の特性を示していることも併せて確認した(実施例1のトレンチゲートIGBT:最大ターンオフ電流:425A、負荷短絡耐量18μsec、 従来トレンチゲートFS−IGBT:最大ターンオフ電流:416A、負荷短絡耐量16μsec)。なお、前記測定時の温度は125℃である。   In addition, the device breakdown voltage of the trench gate IGBT of Example 1 was 730 V, and it was confirmed that sufficient characteristics as a 600 V device were obtained, similar to the trench gate FS-IGBT (element breakdown voltage 726 V) in the conventional thin wafer process. Furthermore, when the maximum turn-off current and the load short-circuit withstand capability were also measured, it was confirmed that the characteristics were almost the same as those of the conventional trench gate FS-IGBT (the trench gate IGBT of Example 1: maximum turn-off current: 425 A, load short-circuit tolerance 18 μsec, conventional trench gate FS-IGBT: maximum turn-off current: 416 A, load short-circuit tolerance 16 μsec). The temperature at the time of measurement is 125 ° C.

このことから、実施例1によるトレンチゲートIGBTは高い生産性を有し、かつそれによってできたトレンチゲートIGBTは極めて良好な電気特性を示すことがわかる。   From this, it can be seen that the trench gate IGBT according to Example 1 has high productivity, and the trench gate IGBT formed thereby exhibits extremely good electrical characteristics.

実施例2は、MOSゲート構造が実施例1のトレンチゲート構造に対し、プレーナゲート構造としたこと以外は実施例1と同一の条件で作成したものである。そのため、この実施例2のプレーナゲートIGBTのウエハプロセスは、前述の実施例1記載の内容とほとんど変わらないので、詳細は省略する。図16は、実施例2の600V耐圧のプレーナゲートIGBTの活性領域の要部断面図である(周辺耐圧構造部の断面図は前記実施例1の図2、図3とMOSゲート構造以外は同じなので省略する)。なお、実施例2では高抵抗支持基板として、p型基板を用いたが、n型基板であっても差し支えない。その結果、プレーナゲート構造を有する直径8インチの600V耐圧のIGBTウエハ100枚を作成したが、ウエハプロセスが終了するまでのウエハプロセス中で割れたものは一切無く、前記実施例1同様、生産性に非常に優れていることが判明した。   The second embodiment is formed under the same conditions as the first embodiment except that the MOS gate structure is a planar gate structure with respect to the trench gate structure of the first embodiment. Therefore, the wafer process of the planar gate IGBT of the second embodiment is almost the same as that described in the first embodiment, and the details are omitted. FIG. 16 is a cross-sectional view of the main part of the active region of the 600V breakdown voltage planar gate IGBT according to the second embodiment (the cross-sectional view of the peripheral breakdown voltage structure is the same as that of FIG. 2 and FIG. 3 of the first embodiment except for the MOS gate structure. So I will omit it). In Example 2, a p-type substrate was used as the high-resistance support substrate, but an n-type substrate may be used. As a result, 100 IGBT wafers with a diameter of 8 inches and 600V withstand voltage having a planar gate structure were produced. However, there was no breakage in the wafer process until the wafer process was completed. Turned out to be very good.

図17は、実施例2にて作成したプレーナゲートIGBT素子の電流−電圧特性を示す。また、比較のために実施例1で用いたのと同じ600V SJ−MOFETならびに薄ウエハプロセスを適用したトレンチゲートFS−IGBTの特性も併せて示す。前記実施例1の図14に比べるとトレンチゲート構造をプレーナゲート構造に変えた分だけ特性はやや劣化するが、それでも実施例2のプレーナゲートIGBTは、コレクタ・エミッタ間の電圧が0Vから0.6Vの間でも従来のSJ−MOSFETに近い十分な電流導通能力を示していることがわかる。また、定格電流近傍の300A/cm付近では、トレンチゲートFS−IGBTに遜色ない低オン電圧特性を示していることがわかる。このようにプレーナゲート構造でも電流密度が50A/cm以下での低電流領域ではSJ−MOSFET並みの、また、電流密度が300A/cm近傍の高電流領域ではトレンチゲートFS−IGBTと同等の良好な電流−電圧特性を示すことがわかる。なお、実施例2のプレーナゲートIGBTは6.8mm角、素子定格は600V/100Aで、定格電流密度は300A/cmである。さらに実施例2のプレーナゲートIGBTにおいてもスイッチング特性を測定した。その結果、定格電流100Aでのターンオフ損失を測定したところ1.72mJとなった。これは、比較したトレンチゲートFS−IGBTのターンオフ損失2.0mJに対して28%もの低減が図れていることになる。さらに条件を換えた素子を作成し特性比較をしたところ、図18に示すように従来のトレンチゲートFS−IGBTに対して若干ではあるが、低オン電圧でかつ低ターンオフ損失を示すという良好な特性であることがわかった。なお、実施例2のプレーナゲートIGBTにおいて、図18に示したトレードオフ特性は、p型コレクタ層1の濃度を変えた素子、すなわち不純物濃度を4.0×1017cm、6.0×1017cmとするものを新たに追加作成し評価した結果である。 FIG. 17 shows current-voltage characteristics of the planar gate IGBT element prepared in the second embodiment. For comparison, the characteristics of the same 600V SJ-MOFET as used in Example 1 and the trench gate FS-IGBT using the thin wafer process are also shown. Compared with FIG. 14 of the first embodiment, the characteristics are slightly deteriorated by changing the trench gate structure to the planar gate structure. However, in the planar gate IGBT of the second embodiment, the voltage between the collector and the emitter is 0 V to 0. It can be seen that a sufficient current conduction capability close to that of the conventional SJ-MOSFET is exhibited even at 6V. Further, it can be seen that a low on-voltage characteristic comparable to that of the trench gate FS-IGBT is shown near 300 A / cm 2 near the rated current. Thus, even in the planar gate structure, the current density is equal to that of the SJ-MOSFET in the low current region where the current density is 50 A / cm 2 or less, and the same as the trench gate FS-IGBT in the high current region where the current density is near 300 A / cm 2 . It can be seen that good current-voltage characteristics are exhibited. The planar gate IGBT of Example 2 is 6.8 mm square, the element rating is 600 V / 100 A, and the rated current density is 300 A / cm 2 . Further, the switching characteristics of the planar gate IGBT of Example 2 were also measured. As a result, the turn-off loss at a rated current of 100 A was measured and found to be 1.72 mJ. This is a reduction of 28% with respect to the turn-off loss of 2.0 mJ of the compared trench gate FS-IGBT. Further, when the elements having different conditions were prepared and the characteristics were compared, as shown in FIG. 18, although it was slightly compared to the conventional trench gate FS-IGBT, it had a good characteristic that it had a low on-voltage and a low turn-off loss. I found out that In the planar gate IGBT according to the second embodiment, the trade-off characteristics shown in FIG. 18 are elements in which the concentration of the p-type collector layer 1 is changed, that is, the impurity concentration is 4.0 × 10 17 cm, 6.0 × 10. This is the result of newly creating and evaluating a sample with 17 cm.

そこで実施例2のプレーナゲートIGBTを用いて実施例1と同様、図20に示す3相インバータ回路を構成しモーターを駆動することでその発生損失を従来のトレンチゲートFS−IGBTと比較した。なお、インバータ動作条件は次の通りである。
Vdc=300V、Io=60A(rms)、キャリア周波数fc=10kHz、出力周波数fo=50Hz、cosθ=0.9
その結果、実施例2のプレーナゲートIGBTを用いたインバータの発生損失は55Wとなり、従来トレンチゲートFS−IGBTを用いたインバータの発生損失62Wに対して約12%の低減が可能となった。これは、図18に示したトレードオフ特性の若干の改善もあるが、図17に示したように低電流領域での電流導通能力が従来トレンチゲートFS−IGBTに対して格段に向上したため、この領域でのオン電圧が十分低減できたところによる。
Therefore, similarly to the first embodiment, the planar gate IGBT of the second embodiment is used to construct the three-phase inverter circuit shown in FIG. 20 and drive the motor to compare the generated loss with the conventional trench gate FS-IGBT. The inverter operating conditions are as follows.
Vdc = 300 V, Io = 60 A (rms), carrier frequency fc = 10 kHz, output frequency fo = 50 Hz, cos θ = 0.9
As a result, the loss generated by the inverter using the planar gate IGBT of Example 2 was 55 W, which was about 12% lower than the loss generated by the inverter using the conventional trench gate FS-IGBT, 62 W. Although this has a slight improvement in the trade-off characteristics shown in FIG. 18, the current conduction capability in the low current region is significantly improved as compared with the conventional trench gate FS-IGBT as shown in FIG. This is because the on-voltage in the region can be sufficiently reduced.

また、実施例2のプレーナゲートIGBTの素子耐圧は730Vと従来薄ウエハプロセスでのトレンチゲートFS−IGBT(素子耐圧726V)と同様、600V素子として十分な特性が得られていることを確認した。さらに、最大ターンオフ電流ならびに負荷短絡耐量についても測定したところ、従来のトレンチゲートIGBTとほとんど同等の特性を示していることも併せて確認した(実施例2のプレーナゲートIGBT:最大ターンオフ電流:430A、負荷短絡耐量20μsec、 従来トレンチゲートFS−IGBT:最大ターンオフ電流:416A、負荷短絡耐量16μsec)。なお、前記測定時の温度は125℃である。   Further, the device breakdown voltage of the planar gate IGBT of Example 2 was 730 V, and it was confirmed that sufficient characteristics were obtained as a 600 V device, similar to the trench gate FS-IGBT (element breakdown voltage 726 V) in the conventional thin wafer process. Furthermore, when the maximum turn-off current and the load short-circuit withstand capability were also measured, it was confirmed that the characteristics were almost the same as those of the conventional trench gate IGBT (planar gate IGBT of Example 2: maximum turn-off current: 430A, Load short-circuit tolerance 20 μsec, conventional trench gate FS-IGBT: maximum turn-off current: 416 A, load short-circuit tolerance 16 μsec). The temperature at the time of measurement is 125 ° C.

実施例3は、前述の実施例1で説明したトレンチゲートIGBTに、部分的にライフタイムコントロールを施したものである。ライフタイムキラーとしてヘリウムをウエハ裏面から、IGBTの基板の表面側から60μmの深さの位置に照射した。ライフタイムキラー照射以外のIGBTのウエハプロセス条件は実施例1に記述のものと同じなので省略する。まず、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフ特性であるが、ヘリウムを照射した分オン電圧2.2Vと高くなるが、ターンオフ損失1.8mJと低減し、その結果、実施例1のトレンチゲートIGBTとほとんど変わらなかった。また、ダイオードの逆回復特性を測定したところ、逆回復時間trr=80nsecとライフタイムキラーを入れない場合のtrr=350nsecに対し格段に高速化が可能となった。局所的にライフタイムコントロールをしたことでダイオードの逆回復特性が大きく向上することがわかる。これにより、図20の3相インバータ回路で破線円部で示した素子構成を同時に高性能化することが可能となる。   In the third embodiment, the trench gate IGBT described in the first embodiment is partially subjected to lifetime control. As a lifetime killer, helium was irradiated from the rear surface of the wafer to a position having a depth of 60 μm from the front surface side of the IGBT substrate. Since the wafer process conditions of the IGBT other than the lifetime killer irradiation are the same as those described in the first embodiment, a description thereof will be omitted. First, the on-voltage-turn-off loss trade-off characteristic is as high as an on-voltage of 2.2 V when helium is irradiated, but the turn-off loss is reduced to 1.8 mJ. Almost unchanged. Further, when the reverse recovery characteristic of the diode was measured, the reverse recovery time trr = 80 nsec, and the trr = 350 nsec when the lifetime killer was not included, became significantly faster. It can be seen that the reverse recovery characteristic of the diode is greatly improved by performing the lifetime control locally. This makes it possible to simultaneously improve the performance of the element configuration indicated by the broken-line circle in the three-phase inverter circuit of FIG.

実施例4では、耐圧600VのトレンチゲートIGBTについて説明する。図1A、図1Bは実施例4のトレンチゲートIGBTの作成に用いた8インチ径の高抵抗p型支持基板101とその上に形成されたパターニング後シリコン酸化膜の平面図である。チップサイズを6.8mm角としているため、図に示す寸法で格子状にシリコン酸化膜を形成している。図1A、図1Bについての説明は前述した実施例1と同じであるから、これ以上の説明は省略する。   In Example 4, a trench gate IGBT having a breakdown voltage of 600 V will be described. 1A and 1B are plan views of an 8-inch diameter high resistance p-type support substrate 101 used for forming the trench gate IGBT of Example 4 and a patterned silicon oxide film formed thereon. Since the chip size is 6.8 mm square, the silicon oxide film is formed in a lattice shape with the dimensions shown in the figure. Since the description about FIG. 1A and FIG. 1B is the same as Example 1 mentioned above, the description beyond this is abbreviate | omitted.

図21、図22、図23は、実施例4のトレンチゲートIGBTの概略断面図である。図21はトレンチゲートIGBTの周辺耐圧構造部の、図22はトレンチゲートIGBTの活性領域の、それぞれ断面図である。なお、図23は図22の断面図をD−D線で切断した場合の断面図である。
これらの図21、図22、図23に示すように、実施例4のトレンチゲートIGBTの構造は、高抵抗p型支持基板101表面に部分的にシリコン酸化膜105(図21(a))と、そのシリコン酸化膜105上に厚さ3.0μm、不純物濃度1.0×1017cm−3のp型コレクタ層21とを備える。このp型コレクタ層21上にさらに部分的にシリコン酸化膜106(図21(b))と、その上に厚さ3.0μm、不純物濃度2.0×1013cm−3のように低不純物濃度のn型バッファ層22を有する。実施例4では、n型バッファ層22の不純物濃度が実施例1の場合と異なり、さらにその上に形成されるn型ドリフト層23よりも低不純物濃度にされる。その際、前記高抵抗p型支持基板101の表面に形成したシリコン酸化膜105と前記p型コレクタ層21上に形成したシリコン酸化膜106は前記高抵抗p型支持基板101の主面上方から見て相互に重ならない位置とする。その方法として前記実施例1で説明した図2に示す方法と同じでよい。また、前記酸化膜105と106とを基板101の上方から見て相互に重ならない位置に形成する異なる方法を以下に示す。たとえば、図1Bに示すように、ウエハの左半分にある、素子を形成しないウエハ周辺領域に、高抵抗p型支持基板101の表面に1cm程度大きさの前記シリコン酸化膜105を形成し、同様に、ウエハの右半分の、素子を形成しないウエハ周辺領域には、p型コレクタ層1の表面にシリコン酸化膜106を形成する方法としてもよい。
21, 22, and 23 are schematic cross-sectional views of the trench gate IGBT according to the fourth embodiment. FIG. 21 is a sectional view of the peripheral breakdown voltage structure portion of the trench gate IGBT, and FIG. 22 is a sectional view of the active region of the trench gate IGBT. FIG. 23 is a cross-sectional view of the cross-sectional view of FIG. 22 taken along the line DD.
As shown in FIGS. 21, 22, and 23, the structure of the trench gate IGBT according to the fourth embodiment is such that the silicon oxide film 105 (FIG. 21A) is partially formed on the surface of the high resistance p-type support substrate 101. A p-type collector layer 21 having a thickness of 3.0 μm and an impurity concentration of 1.0 × 10 17 cm −3 is provided on the silicon oxide film 105. A part of the silicon oxide film 106 (FIG. 21B) is further partially formed on the p-type collector layer 21 and a low impurity such as a thickness of 3.0 μm and an impurity concentration of 2.0 × 10 13 cm −3. The n type buffer layer 22 has a concentration. In the fourth embodiment, the impurity concentration of the n type buffer layer 22 is different from that in the first embodiment, and the impurity concentration is lower than that of the n type drift layer 23 formed thereon. At this time, the silicon oxide film 105 formed on the surface of the high-resistance p-type support substrate 101 and the silicon oxide film 106 formed on the p-type collector layer 21 are viewed from above the main surface of the high-resistance p-type support substrate 101. So that they do not overlap each other. The method may be the same as the method shown in FIG. 2 described in the first embodiment. Further, different methods for forming the oxide films 105 and 106 at positions where they do not overlap each other when viewed from above the substrate 101 will be described below. For example, as shown in FIG. 1B, the silicon oxide film 105 having a size of about 1 cm 2 is formed on the surface of the high-resistance p-type support substrate 101 in the wafer peripheral region in the left half of the wafer where no element is formed, Similarly, a silicon oxide film 106 may be formed on the surface of the p-type collector layer 1 in the wafer peripheral region in the right half of the wafer where no element is formed.

型ドリフト層23は、リンを6.0×1014cm−3程度の不純物濃度で含み、厚さは65μm程度である(図21、図22)。このn型ドリフト層23は、前記基板主面に垂直な方向に形成されるp型仕切り層24とn型ドリフト層23が前記主面に平行な方向では、交互に接するストライプ状平面パターンの繰り返しからなる超接合層を有するウエハにされている(図23)。実施例4では、従来の薄ウエハ技術によるトレンチゲートFS−IGBTやRC−IGBTのような比較的濃度の高いn型バッファ層(FS層)ではなく、また、前述の実施例1のトレンチゲートIGBTにおけるn型バッファ層とも異なり、高抵抗n型バッファ層22にされている。これはp型コレクタ層21とn型バッファ層22との裏面側での短絡構造に起因するMOSFET動作からIGBT動作への移行を、たとえば、前述のI−V特性の“とび“を生じさせないでスムースに行なわせオン電圧を十分低減するためである。また前述した従来のトレンチゲートFS−IGBTのようなn型バッファ層(FS層)が無いため、素子耐圧時に空乏層ストッパがなくなり、結果的にn型ドリフト層23が厚くなりオン電圧が高くなるのではとの懸念が生じる。しかし、実施例4のトレンチゲートIGBTは超接合層を備えているためn型ドリフト層23の不純物濃度は通常のIGBTよりも格段に高くすることができる。そのため、従来のような高不純物濃度のn型バッファ層(FS層)がなくても十分な耐圧を保持できるのである。かつn型ドリフト層23を薄くすることができるのである(図23)。 The n type drift layer 23 contains phosphorus at an impurity concentration of about 6.0 × 10 14 cm −3 and has a thickness of about 65 μm (FIGS. 21 and 22). The n type drift layer 23 is a striped planar pattern in which a p type partition layer 24 formed in a direction perpendicular to the main surface of the substrate and an n type drift layer 23 are alternately in contact with each other in a direction parallel to the main surface. (FIG. 23). The fourth embodiment is not a relatively high concentration n + -type buffer layer (FS layer) such as the trench gate FS-IGBT or RC-IGBT according to the conventional thin wafer technology. Unlike the n-type buffer layer in the IGBT, a high-resistance n -type buffer layer 22 is formed. This does not cause the transition from the MOSFET operation to the IGBT operation due to the short-circuit structure on the back surface side of the p-type collector layer 21 and the n -type buffer layer 22, for example, the above-mentioned “jump” of the IV characteristic. This is because the on-voltage is sufficiently reduced by performing the process smoothly. Further, since there is no n + type buffer layer (FS layer) like the above-described conventional trench gate FS-IGBT, there is no depletion layer stopper at the time of device breakdown voltage, and as a result, the n type drift layer 23 becomes thick and the on-voltage is increased. There is concern that it will be higher. However, since the trench gate IGBT according to the fourth embodiment includes the super junction layer, the impurity concentration of the n type drift layer 23 can be significantly higher than that of the normal IGBT. Therefore, a sufficient breakdown voltage can be maintained without the conventional high impurity concentration n + -type buffer layer (FS layer). In addition, the n type drift layer 23 can be thinned (FIG. 23).

前記超接合層の表面には、実施例1と同様に、トレンチゲート構造を形成するための第一トレンチ26が前記超接合層23、24と直交するような平面パターンで配置される。この第一トレンチ26の内部をゲート絶縁膜を介して導電性ポリシリコンで埋め込む方法でトレンチゲートが形成される。トレンチゲートの幅は1.2μmで3.0μmの深さである。第一トレンチ26の内部には、厚さ100nmのゲート酸化膜(図示せず)を介してポリシリコンゲート電極25が埋め込まれる。さらに、p型チャネル領域27やn型エミッタ領域28の形成、ゲート電極上にはBPSGによる層間絶縁膜を介してエミッタ電極29として5μmの厚さのAl−1%Siからなる金属膜を備える。さらに、その上に好ましくは厚さ10μmのポリイミド層を備える。高抵抗p型支持基板101の裏面には、前記p型コレクタ層21ならびに前記n型バッファ層22とコレクタ電極35を備える。なお、実施例4では高抵抗支持基板としてp型基板を用いたが、n型基板であっても差し支えない。この際、実施例4のトレンチゲートIGBTを適用する、たとえば、動作周波数(インバータのキャリア周波数など)によって最適な素子特性を得るために、前記p型コレクタ層21ならびに前記n型バッファ層22に接するコレクタ電極面積の比率を最適化することが重要である。 On the surface of the superjunction layer, as in the first embodiment, the first trenches 26 for forming the trench gate structure are arranged in a plane pattern orthogonal to the superjunction layers 23 and 24. A trench gate is formed by filling the inside of the first trench 26 with conductive polysilicon through a gate insulating film. The width of the trench gate is 1.2 μm and a depth of 3.0 μm. A polysilicon gate electrode 25 is embedded in the first trench 26 via a gate oxide film (not shown) having a thickness of 100 nm. Furthermore, a p-type channel region 27 and an n + -type emitter region 28 are formed, and a metal film made of Al-1% Si having a thickness of 5 μm is provided on the gate electrode as an emitter electrode 29 through an interlayer insulating film made of BPSG. . Furthermore, a polyimide layer with a thickness of preferably 10 μm is provided thereon. The p-type collector layer 21, the n -type buffer layer 22, and the collector electrode 35 are provided on the back surface of the high resistance p-type support substrate 101. In Example 4, a p-type substrate was used as the high-resistance support substrate, but an n-type substrate may be used. At this time, the trench gate IGBT according to the fourth embodiment is applied. For example, in order to obtain optimum device characteristics depending on the operating frequency (carrier frequency of the inverter, etc.), the p-type collector layer 21 and the n -type buffer layer 22 are provided. It is important to optimize the ratio of the collector electrode area in contact.

実施例4では、モーター駆動用インバータのキャリア周波数10kHzを想定し、前記p型コレクタ層21と前記n型バッファ層22に接する面積を36:1に設定した。
特に、実施例4のような構造のトレンチゲートIGBTの場合、p型コレクタ層21に正確に第二トレンチ11の底部が接触しないと、オン電圧が急激に劣化するなどの不具合が生じる。またn型バッファ層22に正確に第三トレンチ12の底部が接触しないと、SJ−MOSFETが動作しないなどの不具合を生じることとなるので、製造プロセスにより、設計どおりの接触構成になっているかが、この製造方法の要注意点である。
In Example 4, assuming that the carrier frequency of the inverter for driving the motor was 10 kHz, the area in contact with the p-type collector layer 21 and the n -type buffer layer 22 was set to 36: 1.
In particular, in the case of the trench gate IGBT having the structure as in the fourth embodiment, if the bottom of the second trench 11 is not in contact with the p-type collector layer 21 accurately, the on-voltage is rapidly deteriorated. Also, if the bottom of the third trench 12 does not contact the n -type buffer layer 22 accurately, problems such as the SJ-MOSFET not operating will occur. However, this is a point to watch out for in this manufacturing method.

この点を含め、図24から図32を用いて実施例4のトレンチゲートIGBTの製造方法を詳しく説明する。まず直径8インチの高抵抗p型支持基板101を準備し、その上にシリコン酸化膜105を厚さ0.2μmに形成する。その後、形成するチップサイズに応じて酸化膜を残すようにパターニングし、シリコン酸化膜105を形成する(図24)。実施例4で実施例1と同様に、チップサイズに応じた4辺のうち2辺のダイシングライン104(図27)近傍での酸化膜幅を100μmとする。この上に、周知の技術であるエピタキシャル法を用いて厚さ3.0μm、不純物濃度1.0×1017cm−3のp型コレクタ層21を形成する。この層21はなるべく薄く形成して正孔の注入効率を小さくすることが好ましい。実際にはウエハ面内の濃度・厚さばらつきを考慮し、厚さを3.0μmに設定した。この際、不純物としてボロンを用いる。その後、前記高抵抗p型支持基板101上に形成したのと同様に、ダイシングライン104近傍に幅100μmのシリコン酸化膜106を形成する。その際、前記酸化膜105を形成した2辺とは重ならない他の2辺に形成する。その上に厚さ3.0μm、不純物濃度2.0×1013cm−3のn型バッファ層22をエピタキシャル法にて形成する。なお実施例4と異なる方法として、図1Bに示すように、ウエハ面内の一部に1cm程度の大きさの酸化膜105Aと酸化膜106Aをそれぞれ残す方法で、p型コレクタ層21とn型バッファ層22を形成しても差し支えない。その後、前述したとおり、リンを6.0×1014cm−3程度含むn型ドリフト層23を65μm程度の厚さにエピタキシャル成長させる(図25)。 Including this point, the manufacturing method of the trench gate IGBT according to the fourth embodiment will be described in detail with reference to FIGS. First, a high resistance p-type support substrate 101 having a diameter of 8 inches is prepared, and a silicon oxide film 105 is formed thereon with a thickness of 0.2 μm. Thereafter, the silicon oxide film 105 is formed by patterning so as to leave an oxide film according to the chip size to be formed (FIG. 24). In the fourth embodiment, as in the first embodiment, the width of the oxide film in the vicinity of the dicing line 104 (FIG. 27) on two sides out of the four sides according to the chip size is set to 100 μm. On this, a p-type collector layer 21 having a thickness of 3.0 μm and an impurity concentration of 1.0 × 10 17 cm −3 is formed by using an epitaxial method which is a well-known technique. This layer 21 is preferably formed as thin as possible to reduce the hole injection efficiency. Actually, the thickness was set to 3.0 μm in consideration of variations in concentration and thickness in the wafer surface. At this time, boron is used as an impurity. Thereafter, a silicon oxide film 106 having a width of 100 μm is formed in the vicinity of the dicing line 104 in the same manner as formed on the high resistance p-type support substrate 101. At this time, it is formed on the other two sides that do not overlap the two sides on which the oxide film 105 is formed. An n type buffer layer 22 having a thickness of 3.0 μm and an impurity concentration of 2.0 × 10 13 cm −3 is formed thereon by an epitaxial method. As a method different from that of the fourth embodiment, as shown in FIG. 1B, the oxide film 105A and the oxide film 106A each having a size of about 1 cm 2 are partially left in the wafer surface. The -type buffer layer 22 may be formed. Thereafter, as described above, the n -type drift layer 23 containing about 6.0 × 10 14 cm −3 of phosphorus is epitaxially grown to a thickness of about 65 μm (FIG. 25).

次にn型ドリフト層23の表面層に厚さ1.6μmの酸化膜(図示せず)を成長させ、フォトリソグラフおよびエッチングにより24μmおきに4μm幅の酸化膜マスクを形成した後、異方性エッチングによりn型ドリフト層23の表面からn型バッファ層22との境界近傍に達するトレンチを形成する。トレンチの深さは50μmとした。その後、不純物としてボロンを前記n型ドリフト層23の約5倍程度の濃度を含むp型シリコンを酸化膜マスクより厚くなるようにエピタキシャル成長させてトレンチを埋める。その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)および酸化膜エッチングにより、前記n型ドリフト層23の表面層を再度露出させると、n型ドリフト層23と、前記トレンチ内にp型シリコンが埋め込まれたp型仕切り層24とが前記主面に平行な方向では交互に接するストライプ状平面パターンの繰り返しからなる超接合層を有する超接合型半導体基板ができる(図26)。通常の超接合型MOSFETの場合、前記p型仕切り層24とn型ドリフト層23は等間隔で形成することが知られているが、この実施例4では、オン電圧を十分低減するために、前述のような不均等間隔とした。その理由は、超接合型IGBTでは、裏面p型コレクタ層21から注入された正孔がp型仕切り層24を通ってエミッタ電極に抜けていく際に、このp型仕切り層24が、たとえば、4μm間隔の等間隔に設計されると、せっかくコレクタから注入された正孔がすぐにエミッタに抜けてしまい十分な伝導度変調を起こさないこととなる。その結果オン電圧が十分低減できなくなるためである。しかしながら、前記p型仕切り層24とn型ドリフト層23は等間隔で形成しないと十分な素子耐圧が得られないと予想されるが、n型ドリフト層23の不純物濃度を最適化することで600V以上の耐圧を得るような設計となっている。その後、トレンチゲートを幅1.2μm深さ3.0μmとし、前記図7Cに示すように前記トレンチゲート用第一トレンチと超接合層が直交するような平面パターンに配置した。実施例4では図7Cに示すような不均等間隔のトレンチゲート構造としたが、図7Bに示すような通常の等間隔のトレンチゲート構造でも差し支えない。また、十分に注意深く第一トレンチを形成することで、第一トレンチの底部の曲率は0.6μmで形成することができる。その後、第一トレンチ内面に厚さ100nmのゲート酸化膜の成長後、ポリシリコンゲート電極を埋め込む。 Next, an oxide film (not shown) having a thickness of 1.6 μm is grown on the surface layer of the n -type drift layer 23, and an oxide film mask having a width of 4 μm is formed every 24 μm by photolithography and etching. A trench reaching the vicinity of the boundary with the n type buffer layer 22 from the surface of the n type drift layer 23 is formed by reactive etching. The depth of the trench was 50 μm. Thereafter, boron is doped as an impurity, and p-type silicon containing about five times the concentration of the n -type drift layer 23 is epitaxially grown to be thicker than the oxide film mask to fill the trench. Then, by CMP (Chemical Mechanical Polishing) and oxide film etching, the n - when exposing the surface layer of the type drift layer 23 again, n - -type drift layer 23, p-type silicon is buried in the trench p A superjunction type semiconductor substrate having a superjunction layer composed of repeated stripe-like plane patterns alternately contacting with the mold partition layer 24 in the direction parallel to the main surface can be obtained (FIG. 26). In the case of a normal super-junction MOSFET, it is known that the p-type partition layer 24 and the n -type drift layer 23 are formed at equal intervals. In this Example 4, in order to sufficiently reduce the on-voltage. The non-uniform spacing was as described above. The reason for this is that in the superjunction IGBT, when holes injected from the back surface p-type collector layer 21 pass through the p-type partition layer 24 to the emitter electrode, the p-type partition layer 24 is, for example, If designed at an equal interval of 4 μm, holes injected from the collector will immediately escape to the emitter, and sufficient conductivity modulation will not occur. As a result, the on-voltage cannot be sufficiently reduced. However, it is expected that a sufficient device breakdown voltage cannot be obtained unless the p-type partition layer 24 and the n -type drift layer 23 are formed at equal intervals. However, by optimizing the impurity concentration of the n-type drift layer 23. It is designed to obtain a breakdown voltage of 600V or higher. After that, the trench gate was 1.2 μm wide and 3.0 μm deep, and was arranged in a planar pattern such that the first trench gate trench and the superjunction layer were orthogonal to each other as shown in FIG. 7C. In the fourth embodiment, the trench gate structure with unequal intervals as shown in FIG. 7C is used, but a normal trench gate structure with regular intervals as shown in FIG. 7B may be used. Further, by sufficiently carefully forming the first trench, the curvature of the bottom of the first trench can be formed with 0.6 μm. Thereafter, after the growth of a gate oxide film having a thickness of 100 nm on the inner surface of the first trench, a polysilicon gate electrode is embedded.

次に、イオン注入法と熱拡散法を用いて、深さ約2.5μmのp型チャネル領域27を形成する。このときの不純物はボロンを用い、そのドーズ量は8.0×1013cm−2、熱拡散温度と時間は1150℃・2時間とする。さらにその後、n型エミッタ領域28の形成のために砒素をドーズ量5.0×1015cm−2ほどイオン注入し、深さ0.4μmの層を形成する。その後、層間絶縁膜(図示せず)としてBPSGを厚さ1.0μm堆積しパターニング後熱処理(1000℃)、そしてエミッタ電極29となるAl−1%Siを厚さ5μmにスパッタ法にて形成、同様にパターニング後熱処理(400℃)をしてそれぞれ形成する。表面保護膜として厚さ10μmのポリイミド(図示せず)を素子表面に形成後、エミッタ電極29ならびにゲート電極パッド部(図示せず)を窓明けするようにパターニングし、熱処理(300℃)して形成する(図28)。また、図28に示す実施例4のトレンチゲートIGBTの活性領域の断面図には超接合層が図示されていないが、これは、実施例1と同様にトレンチゲートと超接合層とが直交して形成されているためである。 Next, a p-type channel region 27 having a depth of about 2.5 μm is formed using an ion implantation method and a thermal diffusion method. Boron is used as an impurity at this time, the dose is 8.0 × 10 13 cm −2 , and the thermal diffusion temperature and time are 1150 ° C. and 2 hours. Thereafter, arsenic is ion-implanted at a dose of 5.0 × 10 15 cm −2 to form an n + -type emitter region 28 to form a 0.4 μm deep layer. Thereafter, BPSG is deposited to a thickness of 1.0 μm as an interlayer insulating film (not shown), heat treatment after patterning (1000 ° C.), and Al-1% Si to be the emitter electrode 29 is formed to a thickness of 5 μm by sputtering. Similarly, post-patterning heat treatment (400 ° C.) is performed to form each. After forming polyimide (not shown) having a thickness of 10 μm as a surface protection film on the element surface, patterning is performed so as to open the emitter electrode 29 and the gate electrode pad portion (not shown), and heat treatment (300 ° C.) is performed. Form (FIG. 28). Further, although the superjunction layer is not shown in the sectional view of the active region of the trench gate IGBT of the fourth embodiment shown in FIG. 28, the trench gate and the superjunction layer are orthogonal to each other as in the first embodiment. This is because it is formed.

次に前記ウエハの裏面、すなわち高抵抗p型支持基板101が露出している面に厚さ1.6μmの酸化膜31を成長させ、フォトリソグラフおよびエッチングによりトレンチ形成用の酸化膜マスク31aを形成する(図29、図30)。なお、この酸化膜マスク31aはチップ4辺のうちの2辺に相当する、周辺耐圧構造部の高抵抗p型支持基板101上に酸化膜105が形成された領域では5μm幅、5μm間隔で均等に形成したが、同じ周辺耐圧構造部でも他の2辺に相当するp型コレクタ層21の上に酸化膜105が形成された領域では酸化膜に窓明けをしていない(図29(b))。また活性領域では一部の酸化膜幅を100μmと広めに残す酸化膜領域31bを形成する(図30)。その後、RIE法などの異方性エッチングにより前記ウエハの裏面からトレンチエッチングをする。実施例4では、その後のウエハプロセスにてウエハが割れない範囲でトレンチエッチング時間を短縮するため、あらかじめ前記ウエハの裏面を研磨して厚さを250μmまで薄くした後に前記エッチングを行った。この際、このトレンチエッチングを前記p型コレクタ層21に達したところで正確に止めるのが肝要であるが、前述したとおり電気特性向上のためp型コレクタ層21の厚さを3.0μmと比較的薄く設定しているため、うまくトレンチエッチングを止めるのが難しい。しかしながら、実施例4によれば、高抵抗p型支持基板101とp型コレクタ層21の間に幅100μm間隔で酸化膜マスク105、または、ウエハの最外周辺部で、IGBTチップが形成されていない領域に厚さ0.2μmのシリコン酸化膜マスク105Aが配置されているため、前記トレンチエッチングを進めてエッチングの先端が前記p型コレクタ層21に達したと同時にシリコン酸化膜105がエッチングし始める。エッチング中に酸素を検出した時点でエッチングを止めれば、正確にトレンチエッチングの先端を前記p型コレクタ層21でとめることが可能である(図31、図32)。裏面酸化膜除去後、レジストを塗布する。次に活性領域内の一部酸化膜幅を100μmと広く残したところに前記同様5μm幅の酸化膜を窓明し、かつ周辺耐圧構造部で、前記第三トレンチ12を掘らなかった領域に幅5μmで5μm間隔の酸化膜パターンを形成する。その後、前記同様RIE法にてトレンチエッチングを行い、今度はn型バッファ層22に達したところでエッチングを止める。ここで、n型バッファ層22と裏面電極とのオーミックコンタクトを取る目的でリンをイオン注入する。そして裏面酸化膜を除去後、前記第三トレンチの底部、側面ならびにウエハの裏面全体にAl,Ti,NiそしてAuの金属積層膜を真空蒸着にて形成してコレクタ電極35とする(図31、図32)。これにより実施例4のトレンチゲートIGBTのウエハプロセスが終了する。なお、前記シリコン酸化膜はダイシングライン104に沿って幅100μmで形成、またはウエハ周辺部にのみ形成されているため、大部分のトレンチが、その後のコレクタ電極35の形成では確実に素子内のp型コレクタ層21表面およびn型バッファ層22表面に対してコレクタ電極35がコンタクトすることができる。そのため前記シリコン酸化膜が電流の導通に影響を与えることはまったく無い。なお、このトレンチゲートIGBTにはスイッチング速度を向上させるためのライフタイムコントロールプロセスは適用していないが、素子特性の最適化のためにはライフタイムコントロールプロセスを施しても差し支えない。 Next, an oxide film 31 having a thickness of 1.6 μm is grown on the back surface of the wafer, that is, the surface where the high-resistance p-type support substrate 101 is exposed, and an oxide film mask 31a for forming a trench is formed by photolithography and etching. (FIGS. 29 and 30). The oxide film mask 31a is equivalent to two of the four sides of the chip. In the region where the oxide film 105 is formed on the high resistance p-type support substrate 101 of the peripheral breakdown voltage structure portion, the oxide film mask 31a is evenly spaced at 5 μm width and 5 μm intervals. In the region where the oxide film 105 is formed on the p-type collector layer 21 corresponding to the other two sides even in the same peripheral breakdown voltage structure portion, no window is formed in the oxide film (FIG. 29B). ). In the active region, an oxide film region 31b is formed to leave a part of the oxide film width as wide as 100 μm (FIG. 30). Thereafter, trench etching is performed from the back surface of the wafer by anisotropic etching such as RIE. In Example 4, in order to shorten the trench etching time in a range where the wafer is not broken in the subsequent wafer process, the etching was performed after the back surface of the wafer was polished in advance to a thickness of 250 μm. At this time, it is important to stop the trench etching accurately when it reaches the p-type collector layer 21. However, as described above, the thickness of the p-type collector layer 21 is relatively as small as 3.0 μm in order to improve electrical characteristics. Since it is set thin, it is difficult to stop the trench etching well. However, according to the fourth embodiment, the IGBT chips are formed between the high-resistance p-type support substrate 101 and the p-type collector layer 21 at an interval of 100 μm in width or at the outermost peripheral portion of the wafer. Since the silicon oxide film mask 105A having a thickness of 0.2 μm is disposed in the non-existing region, the silicon oxide film 105 starts to be etched at the same time when the trench etching is advanced and the tip of the etching reaches the p-type collector layer 21. . If the etching is stopped when oxygen is detected during etching, it is possible to accurately stop the tip of the trench etching with the p-type collector layer 21 (FIGS. 31 and 32). After removing the back oxide film, a resist is applied. Next, an oxide film having a width of 5 μm is opened in the active region where a part of the oxide film width is left as wide as 100 μm, and a width is formed in a region where the third trench 12 is not dug in the peripheral breakdown voltage structure portion. Oxide film patterns are formed at 5 μm intervals of 5 μm. Thereafter, trench etching is performed by the RIE method in the same manner as described above, and this time etching is stopped when the n type buffer layer 22 is reached. Here, phosphorus is ion-implanted for the purpose of making an ohmic contact between the n -type buffer layer 22 and the back electrode. After removing the back surface oxide film, a metal laminated film of Al, Ti, Ni and Au is formed by vacuum deposition on the bottom and side surfaces of the third trench and the entire back surface of the wafer to form the collector electrode 35 (FIG. 31, FIG. 32). Thereby, the wafer process of the trench gate IGBT according to the fourth embodiment is completed. Since the silicon oxide film is formed with a width of 100 μm along the dicing line 104 or only on the peripheral portion of the wafer, most of the trenches are surely formed in the p in the device by forming the collector electrode 35 thereafter. The collector electrode 35 can be in contact with the surface of the type collector layer 21 and the surface of the n type buffer layer 22. Therefore, the silicon oxide film has no influence on current conduction. Note that a lifetime control process for improving the switching speed is not applied to the trench gate IGBT, but a lifetime control process may be performed to optimize the device characteristics.

以上説明した方法により、直径8インチの600V トレンチゲートIGBTウエハ100枚を作成したが、IGBTが完成するまでのウエハプロセス中で割れたものは一切無く、生産性に非常に優れていることが判明した。比較のためにFZウエハを使った前述の薄ウエハ技術を使って同様に8インチIGBTウエハを作成したところ、ウエハ厚さが65μmで100枚中約35枚が割れてしまった。これは薄く研磨した後の、ウエハハンドリング中または裏面への不純物形成工程ならびに電極形成工程の途中にて割れたためである。また前記実施例にてコレクタ電極35の形成を真空蒸着法にて行ったが、別の方法、例えばスパッタ法、またはメッキ法にして形成しても、8インチIGBTウエハ100枚にてウエハの割れは一切無いことを確認した。   By the method described above, 100 600V trench gate IGBT wafers having a diameter of 8 inches were prepared. However, no cracks were found in the wafer process until the IGBT was completed, and it was found that the productivity was excellent. did. For comparison, an 8-inch IGBT wafer was similarly produced using the above-described thin wafer technology using an FZ wafer. When the wafer thickness was 65 μm, about 35 out of 100 wafers were broken. This is because the wafer was broken during the wafer handling or in the middle of the impurity forming process on the back surface and the electrode forming process after thin polishing. In the above embodiment, the collector electrode 35 is formed by a vacuum deposition method. However, even if another method, for example, a sputtering method or a plating method is used, the wafer is cracked by 100 8-inch IGBT wafers. Confirmed that there was no.

図35に、実施例4にて作成したトレンチゲート型IGBTの電流−電圧特性を示す。また比較のために600V SJ−MOFETならびに薄ウエハプロセスを適用した600V トレンチゲートFS−IGBTの特性も併せて示す。実施例4のトレンチゲートIGBTは、コレクタ・エミッタ間の電圧が0Vから0.7Vの間でも従来のSJ−MOSFETに近い十分な電流導通能力を示していることがわかる。また定格電流近傍の300A/cm付近では、SJ−MOSFETに対しては明らかに優位性を示し、かつトレンチゲートFS−IGBTにも遜色ない低オン電圧特性を示していることがわかる。このように電流密度が50A/cm以下での低電流領域ではSJ−MOSFET並みの、また電流密度が300A/cm近傍の高電流領域ではトレンチゲートFS−IGBTと同等の良好な電流−電圧特性を示すことがわかる。なお実施例4のトレンチゲートIGBTは6.8mm角、素子定格は600V/100Aで、定格電流密度は300A/cmである。さらに、実施例4のトレンチゲートIGBTのスイッチング特性についても測定した。その結果、定格電流100Aでのターンオフ損失を測定したところ2.15mJとなった。これは、比較したトレンチゲートFS−IGBTのターンオフ損失2.29mJに対して6%もの低減が図れていることになる。さらにIGBTのプロセス条件を変えた素子を作成し特性比較をしたところ、図36に示すように従来のトレンチゲートFS−IGBTに対して若干ではあるが、低オン電圧でかつ低ターンオフ損失を示すという良好な特性であることがわかる。なお、実施例4のトレンチゲートIGBTにおいて、図36に示したトレードオフ特性は、p型コレクタ層21の不純物濃度を変えた素子、すなわち不純物濃度を2.0×1017cm−3、4.0×1017cm−3とするものを新たに追加作成し評価した結果である。実施例4のトレンチゲートIGBTを用いて図20に示す3相インバータ回路を構成しモーターを駆動することでその発生損失を従来のトレンチゲートFS−IGBTと比較した。なお、インバータ動作条件は次の通りである。Vdc=300V、Io=60A(rms)、キャリア周波数fc=10kHz、出力周波数fo=50Hz、cosθ=0.9
その結果、実施例4のトレンチゲートIGBTを用いたインバータの発生損失は46Wとなり、従来のトレンチゲートIGBTを用いたインバータの発生損失62Wに対して約26%の低減が可能となった。この結果は、図36に示したトレードオフ特性の若干の改善もあるが、図35に示したように低電流領域での電流導通能力が従来トレンチゲートFS−IGBTに対して格段に向上したため、この領域でのオン電圧が十分低減できたところによる。また、実施例4のトレンチゲートIGBT素子耐圧は730Vと従来薄ウエハプロセスでのトレンチゲートFS−IGBT(素子耐圧726V)と同様、600V素子として十分な特性が得られていることを確認した。さらに、最大ターンオフ電流ならびに負荷短絡耐量についても測定したところ、従来のトレンチゲートIGBTとほとんど同等の特性を示していることも併せて確認した(実施例4のトレンチゲートIGBT:最大ターンオフ電流:425A、負荷短絡耐量18μsec、 従来トレンチゲートFS−IGBT:最大ターンオフ電流:416A、負荷短絡耐量16μsec)。なお、前記測定時の温度は125℃である。このことから、実施例4によるトレンチゲートIGBT製造方法は高い生産性を有し、かつそれによってできたトレンチゲートIGBTは極めて良好な電気特性を示すことがわかる。
FIG. 35 shows the current-voltage characteristics of the trench gate type IGBT prepared in Example 4. For comparison, the characteristics of a 600V SJ-MOFET and a 600V trench gate FS-IGBT using a thin wafer process are also shown. It can be seen that the trench gate IGBT of Example 4 exhibits a sufficient current conduction capability close to that of a conventional SJ-MOSFET even when the collector-emitter voltage is between 0V and 0.7V. It can also be seen that in the vicinity of 300 A / cm 2 near the rated current, the low on-voltage characteristics are clearly superior to the SJ-MOSFET and comparable to the trench gate FS-IGBT. Thus, a good current-voltage equivalent to that of the SJ-MOSFET in the low current region where the current density is 50 A / cm 2 or less and equivalent to the trench gate FS-IGBT in the high current region where the current density is near 300 A / cm 2. It can be seen that the characteristics are shown. The trench gate IGBT of Example 4 is 6.8 mm square, the element rating is 600 V / 100 A, and the rated current density is 300 A / cm 2 . Furthermore, the switching characteristics of the trench gate IGBT of Example 4 were also measured. As a result, the turn-off loss at a rated current of 100 A was measured and found to be 2.15 mJ. This means that a 6% reduction can be achieved with respect to the turn-off loss 2.29 mJ of the compared trench gate FS-IGBT. Furthermore, when an element with different IGBT process conditions was prepared and the characteristics were compared, as shown in FIG. 36, the device had a low on-state voltage and a low turn-off loss, although slightly compared to the conventional trench gate FS-IGBT. It turns out that it is a favorable characteristic. In the trench gate IGBT of Example 4, the trade-off characteristics shown in FIG. 36 are elements in which the impurity concentration of the p-type collector layer 21 is changed, that is, the impurity concentration is 2.0 × 10 17 cm −3 . It is the result of newly creating and evaluating what is set to 0 × 10 17 cm −3 . The three-phase inverter circuit shown in FIG. 20 was configured using the trench gate IGBT of Example 4, and the generated loss was compared with the conventional trench gate FS-IGBT by driving the motor. The inverter operating conditions are as follows. Vdc = 300 V, Io = 60 A (rms), carrier frequency fc = 10 kHz, output frequency fo = 50 Hz, cos θ = 0.9
As a result, the generated loss of the inverter using the trench gate IGBT of Example 4 was 46 W, and it was possible to reduce the generated loss 62 W of the inverter using the conventional trench gate IGBT by about 26%. As a result, there is a slight improvement in the trade-off characteristics shown in FIG. 36. However, as shown in FIG. 35, the current conduction ability in the low current region is remarkably improved compared to the conventional trench gate FS-IGBT. This is because the on-voltage in this region can be sufficiently reduced. Further, the trench gate IGBT element withstand voltage of Example 4 was 730 V, and it was confirmed that sufficient characteristics as a 600 V element were obtained, similar to the trench gate FS-IGBT (element withstand voltage 726 V) in the conventional thin wafer process. Furthermore, when the maximum turn-off current and the load short-circuit withstand capability were also measured, it was confirmed that the characteristics were almost the same as those of the conventional trench gate IGBT (the trench gate IGBT of Example 4: maximum turn-off current: 425A, Load short-circuit tolerance 18 μsec, conventional trench gate FS-IGBT: maximum turn-off current: 416 A, load short-circuit tolerance 16 μsec). The temperature at the time of measurement is 125 ° C. From this, it can be seen that the trench gate IGBT manufacturing method according to Example 4 has high productivity, and the trench gate IGBT formed thereby exhibits extremely good electrical characteristics.

実施例5は、ゲート構造がプレーナゲートである以外は実施例4と同一の条件で作成したものである。そのためウエハプロセスは実施例1記載の内容とほとんど変わらないので、詳細は省略する。図33は、実施例5の600V耐圧、プレーナゲートIGBTの活性領域の概略断面図を示す(周辺耐圧構造部断面図は前記実施例4と同じなので省略)。なお、実施例5ではp型の高抵抗支持基板を用いたが、n型の高抵抗支持基板であっても差し支えない。その結果、前記方法にて直径8インチの600V IGBTウエハ100枚を作成したが、IGBTの主要なウエハプロセスが終了するまでの間で、ウエハプロセス中で割れたものは一切無く、前記実施例4同様、生産性に非常に優れていることが判明した。図37は実施例5にて作成したプレーナゲートIGBTの電流−電圧特性である。また比較のために実施例1で用いたのと同じ600V SJ−MOFETならびに薄ウエハプロセスを適用したトレンチゲートFS−IGBTの特性も併せて示す。前記実施例4のトレンチゲートFS−IGBTに比べると実施例5ではプレーナゲート構造の違いの分だけ特性はやや劣化するが、それでも実施例5のプレーナゲートIGBTは、コレクタ・エミッタ間の電圧が0Vから0.7Vの間でも従来のSJ−MOSFETに近い十分な電流導通能力を示していることがわかる。また定格電流近傍の300A/cm付近では、トレンチゲートFS−IGBTに遜色ない低オン電圧特性を示していることがわかる。このようにプレーナゲート構造でも電流密度が50A/cm以下での低電流領域ではSJ−MOSFET並みの、また電流密度が300A/cm近傍の高電流領域ではトレンチゲートFS−IGBTと同等の良好な電流−電圧特性を示すことがわかる。なお、実施例5のプレーナゲートIGBTは6.8mm角、素子定格は600V/100Aで、定格電流密度は300A/cmである。さらに実施例5においてもスイッチング特性を測定した。その結果、図38に示すように、定格電流100Aでのターンオフ損失を測定したところ2.00mJとなった。さらに条件を変えたプレーナゲートIGBTを作成し特性比較をしたところ、図38に示すように従来のトレンチゲートFS−IGBTに対して低オン電圧でかつ低ターンオフ損失を示すという良好な特性であることがわかった。なお実施例5のプレーナゲートIGBTにおいて、図38に示したトレードオフ特性は、p型コレクタ層の濃度を変えた素子、すなわち不純物濃度を2.0×1017cm−3 、4.0×1017cm−3とするものを新たに追加作成し評価した結果である。 Example 5 was created under the same conditions as Example 4 except that the gate structure was a planar gate. Therefore, since the wafer process is almost the same as that described in the first embodiment, details are omitted. FIG. 33 is a schematic cross-sectional view of the active region of the 600V breakdown voltage and planar gate IGBT according to the fifth embodiment (the cross-sectional view of the peripheral breakdown voltage structure is the same as that of the fourth embodiment, and is omitted). In Example 5, a p-type high-resistance support substrate was used, but an n-type high-resistance support substrate may be used. As a result, 100 600V IGBT wafers having a diameter of 8 inches were produced by the method described above, but there were no cracks in the wafer process until the main wafer process of the IGBT was completed. Similarly, it was found that the productivity was very excellent. FIG. 37 shows current-voltage characteristics of the planar gate IGBT produced in the fifth embodiment. For comparison, the characteristics of the same 600V SJ-MOFET as used in Example 1 and the trench gate FS-IGBT using the thin wafer process are also shown. Compared with the trench gate FS-IGBT of the fourth embodiment, the characteristics of the fifth embodiment are slightly deteriorated by the difference in the planar gate structure. However, the voltage between the collector and the emitter of the planar gate IGBT of the fifth embodiment is still 0V. It can be seen that a sufficient current conduction capability close to that of the conventional SJ-MOSFET is shown even between 0.7V and 0.7V. Further, it can be seen that a low on-voltage characteristic comparable to that of the trench gate FS-IGBT is shown near 300 A / cm 2 near the rated current. As described above, even in the planar gate structure, the current density is as good as the SJ-MOSFET in the low current region where the current density is 50 A / cm 2 or less, and the same as the trench gate FS-IGBT in the high current region where the current density is near 300 A / cm 2. It can be seen that the current-voltage characteristics are excellent. The planar gate IGBT of Example 5 is 6.8 mm square, the element rating is 600 V / 100 A, and the rated current density is 300 A / cm 2 . Furthermore, the switching characteristics were also measured in Example 5. As a result, as shown in FIG. 38, the turn-off loss at a rated current of 100 A was measured and found to be 2.00 mJ. Furthermore, when a planar gate IGBT with different conditions was created and the characteristics were compared, it had good characteristics of having a low on-voltage and low turn-off loss as compared with the conventional trench gate FS-IGBT as shown in FIG. I understood. In the planar gate IGBT of the fifth embodiment, the trade-off characteristics shown in FIG. 38 indicate that the concentration of the p-type collector layer is changed, that is, the impurity concentration is 2.0 × 10 17 cm −3 , 4.0 × 10. This is the result of newly creating and evaluating a sample with 17 cm −3 .

そこで実施例5のプレーナゲートIGBTを用いて実施例4と同様、図20に示す3相インバータ回路を構成しモーターを駆動することでその発生損失を従来のトレンチゲートFS−IGBTと比較した。なお、インバータ動作条件は次の通りである。
Vdc=300V、Io=60A(rms)、キャリア周波数fc=10kHz、出力周波数fo=50Hz、cosθ=0.9
その結果、実施例5のプレーナゲートIGBTを用いたインバータの発生損失は53Wとなり、従来トレンチゲートFS−IGBTを用いたインバータの発生損失62Wに対して約15%の低減が可能となった。これは、図38に示したトレードオフ特性の改善もあるが、図37に示したように低電流領域での電流導通能力が従来のトレンチゲートFS−IGBTに対して格段に向上したため、この領域でのオン電圧が十分低減できたところによる。また実施例5のプレーナゲートIGBTの素子耐圧は730Vと従来の薄ウエハプロセスでのトレンチゲートFS−IGBT(素子耐圧726V)と同様、600V素子として十分な特性が得られていることを確認した。さらに、最大ターンオフ電流ならびに負荷短絡耐量についても測定したところ、従来のトレンチゲートFS−IGBTとほとんど同等の特性を示していることも併せて確認した(実施例5のプレーナゲートIGBT:最大ターンオフ電流:430A、負荷短絡耐量20μsec、 従来トレンチゲートFS−IGBT:最大ターンオフ電流:416A、負荷短絡耐量16μsec)。なお、前記測定時の温度は125℃である。
Therefore, similarly to the fourth embodiment, the planar gate IGBT of the fifth embodiment is used to construct the three-phase inverter circuit shown in FIG. 20 and drive the motor to compare the generated loss with the conventional trench gate FS-IGBT. The inverter operating conditions are as follows.
Vdc = 300 V, Io = 60 A (rms), carrier frequency fc = 10 kHz, output frequency fo = 50 Hz, cos θ = 0.9
As a result, the generated loss of the inverter using the planar gate IGBT of the fifth embodiment is 53 W, which can be reduced by about 15% with respect to the generated loss 62 W of the inverter using the conventional trench gate FS-IGBT. This is because the trade-off characteristic shown in FIG. 38 is improved, but the current conduction capability in the low current region is significantly improved as compared with the conventional trench gate FS-IGBT as shown in FIG. This is due to the fact that the on-voltage at the time was sufficiently reduced. In addition, the device breakdown voltage of the planar gate IGBT of Example 5 was 730 V, and it was confirmed that sufficient characteristics were obtained as a 600 V device, similar to the trench gate FS-IGBT (element breakdown voltage 726 V) in the conventional thin wafer process. Furthermore, when the maximum turn-off current and the load short-circuit withstand capability were also measured, it was confirmed that the characteristics were almost the same as those of the conventional trench gate FS-IGBT (planar gate IGBT of Example 5: maximum turn-off current: 430A, load short-circuit tolerance 20 μsec, conventional trench gate FS-IGBT: maximum turn-off current: 416 A, load short-circuit tolerance 16 μsec). The temperature at the time of measurement is 125 ° C.

実施例6は、前記実施例4で示したトレンチゲートIGBTに、部分的にライフタイムコントロールを施したものである。ライフタイムキラーとしてヘリウムをウエハ裏面からちょうど素子表面から60μmの位置に照射した。その他のIGBTの作成プロセス条件は実施例4に記述のものと同じなので省略する。まず、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフ特性であるが、ヘリウムを照射した分オン電圧2.2Vと高くなるが、ターンオフ損失1.8mJと低減し、その結果、実施例4のトレンチゲートIGBTとほとんど変わらなかった。またダイオードの逆回復特性を測定したところ、逆回復時間trr=80nsecとライフタイムキラーを入れない場合のtrr=350nsecに対し格段に高速化が可能となった。局所的にライフタイムコントロールをしたことでダイオードの逆回復特性が大きく向上したことがわかる。これにより、図20の丸印で示した素子構成を同時に高性能化することが可能となった。   In the sixth embodiment, the trench gate IGBT shown in the fourth embodiment is partially subjected to lifetime control. As a lifetime killer, helium was irradiated from the back surface of the wafer to a position 60 μm just from the device surface. The other IGBT creation process conditions are the same as those described in the fourth embodiment, and will be omitted. First, the on-voltage-turn-off loss trade-off characteristic is as high as an on-voltage of 2.2 V when helium is irradiated, but the turn-off loss is reduced to 1.8 mJ. As a result, the trench gate IGBT of the fourth embodiment Almost unchanged. When the reverse recovery characteristics of the diode were measured, it was possible to significantly increase the reverse recovery time trr = 80 nsec and trr = 350 nsec when the lifetime killer was not included. It can be seen that the reverse recovery characteristic of the diode is greatly improved by performing the lifetime control locally. As a result, it is possible to simultaneously improve the performance of the element configuration indicated by the circles in FIG.

以上に説明したような実施例1〜6によれば、従来の薄ウエハ技術で作成したトレンチゲートFS−IGBTと同等の電気特性を保持しつつ、生産性を大きく向上できる。さらに本発明にかかるIGBTは、図19、図34に示すように、通常のIGBTに、ダイオード記号で示す逆方向のダイオードが内蔵されたものと考えることもできる。このことにより、たとえば、図20に示す三相インバータ回路において、図中の破線円部で囲んだ部分で、従来はIGBTと逆方向ダイオードを別々のデバイスとして接続構成していたものを、本発明によれば、両デバイスを1つのデバイスとして一体化することができる。この一体化により、たとえば、従来のIGBTモジュールに対して、必要な素子数が半分で同一機能をもたせることができるためモジュールの大きさを極めて小型化することが可能となる。   According to the first to sixth embodiments as described above, the productivity can be greatly improved while maintaining the same electrical characteristics as those of the trench gate FS-IGBT produced by the conventional thin wafer technology. Further, as shown in FIGS. 19 and 34, the IGBT according to the present invention can be considered to be a normal IGBT having a diode in the reverse direction indicated by a diode symbol. As a result, for example, in the three-phase inverter circuit shown in FIG. 20, what is conventionally configured by connecting the IGBT and the reverse diode as separate devices at the portion surrounded by the broken-line circle in the figure is the present invention. Therefore, both devices can be integrated as one device. By this integration, for example, a conventional IGBT module can be provided with the same function with half the required number of elements, so that the size of the module can be extremely reduced.

本発明にかかる実施例1、4の高抵抗p型支持基板上およびp型コレクタ層上に形成した第一、第二酸化膜を含むIGBTの格子状配列を示すウエハの平面図(a)と破線円部の拡大平面図(b)である。The top view (a) and broken line of a wafer which show the lattice-like arrangement | sequence of IGBT including the 1st, 2nd dioxide film formed on the high resistance p-type support substrate of Example 1, 4 concerning this invention, and a p-type collector layer It is an enlarged plan view (b) of a circle part. 本発明にかかる実施例1、4の高抵抗p型支持基板上およびp型コレクタ層上の異なる位置に形成した第一、第二酸化膜を含むIGBTの格子状配列を示すウエハの平面図(a)と破線円部の拡大平面図(b)である。The top view of the wafer which shows the grid | lattice-like arrangement | sequence of IGBT containing the 1st, 2nd dioxide film formed in the different position on the high resistance p-type support substrate of Example 1, 4 concerning this invention, and a p-type collector layer (a ) And an enlarged plan view (b) of the broken-line circle part. 本発明にかかる実施例1のIGBTの周辺耐圧構造部の断面図である。It is sectional drawing of the periphery pressure | voltage resistant structure part of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの活性領域の断面図である。It is sectional drawing of the active region of IGBT of Example 1 concerning this invention. 図3のA−A線で切断した断面図である。It is sectional drawing cut | disconnected by the AA line of FIG. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す要部断面図(その1)である。It is principal part sectional drawing (the 1) which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す要部断面図(その2)である。It is principal part sectional drawing (the 2) which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す要部断面図(その3)である。It is principal part sectional drawing (the 3) which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す要部断面図(その4)である。It is principal part sectional drawing (the 4) which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4主要な製造工程を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the main manufacturing processes of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す周辺耐圧構造部の断面図(その5)である。It is sectional drawing (the 5) of the periphery pressure | voltage resistant structure part which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す活性領域の断面図(その6)である。It is sectional drawing (the 6) of the active region which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す周辺耐圧構造部の断面図(その6)である。It is sectional drawing (the 6) of the periphery pressure | voltage resistant structure part which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す活性領域の断面図(その7)である。It is sectional drawing (the 7) of the active region which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す周辺耐圧構造部の断面図(その7)である。It is sectional drawing (the 7) of the periphery pressure | voltage resistant structure part which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTの主要な製造工程を示す活性領域の断面図(その8)である。It is sectional drawing (the 8) of the active region which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのI−V特性比較図である。It is IV characteristic comparison figure of IGBT of 1st Example concerning this invention, FS-IGBT, and the conventional SJ-MOSFET. 本発明にかかる実施例1のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのオン電圧―ターンオフ損失間の特性比較図である。FIG. 6 is a characteristic comparison diagram between on-state voltage and turn-off loss of the IGBT, FS-IGBT, and conventional SJ-MOSFET of Example 1 according to the present invention. 本発明にかかる実施例2のIGBT活性領域の断面図である。It is sectional drawing of the IGBT active region of Example 2 concerning this invention. 本発明にかかる実施例2のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのI−V特性比較図である。It is a IV characteristic comparison figure of IGBT of Example 2 concerning this invention, FS-IGBT, and the conventional SJ-MOSFET. 本発明にかかる実施例2のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのオン電圧―ターンオフ損失間の特性比較図である。FIG. 6 is a characteristic comparison diagram between on-state voltage and turn-off loss of the IGBT, FS-IGBT, and conventional SJ-MOSFET of Example 2 according to the present invention. 本発明にかかる実施例1のIGBT構造の逆方向内蔵ダイオードを示す図である。It is a figure which shows the reverse direction built-in diode of IGBT structure of Example 1 concerning this invention. 本発明にかかる実施例1と実施例2のIGBTを適用して損失を測定した三相インバータ回路図である。It is the three-phase inverter circuit diagram which measured the loss by applying IGBT of Example 1 and Example 2 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの周辺耐圧構造部の断面図。Sectional drawing of the periphery pressure | voltage resistant structure part of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの活性領域の断面図。Sectional drawing of the active region of IGBT of Example 4 concerning this invention. 図22の断面図のD−D線で切断した断面図。FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line DD in the cross-sectional view of FIG. 22. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す要部断面図(その1)である。It is principal part sectional drawing (the 1) which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す要部断面図(その2)である。It is principal part sectional drawing (the 2) which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す要部断面図(その3)である。It is principal part sectional drawing (the 3) which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す周辺耐圧構造部の断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) of the periphery pressure | voltage resistant structure part which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す活性領域の断面図(その5)である。It is sectional drawing (the 5) of the active region which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す周辺耐圧構造部の断面図(その5)である。It is sectional drawing (the 5) of the periphery pressure | voltage resistant structure part which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す活性領域の断面図(その6)である。It is sectional drawing (the 6) of the active region which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す周辺耐圧構造部の断面図(その6)である。It is sectional drawing (the 6) of the periphery pressure | voltage resistant structure part which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTの主要な製造工程を示す活性領域の断面図(その7)である。It is sectional drawing (the 7) of the active region which shows the main manufacturing processes of IGBT of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例5のIGBTの活性領域の断面図である。It is sectional drawing of the active region of IGBT of Example 5 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBT構造の逆方向内蔵ダイオードを示す図である。It is a figure which shows the reverse direction built-in diode of IGBT structure of Example 4 concerning this invention. 本発明にかかる実施例4のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのI−V特性比較図である。It is IV characteristic comparison figure of IGBT of Example 4 concerning this invention, FS-IGBT, and the conventional SJ-MOSFET. 本発明にかかる実施例4のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのオン電圧―ターンオフ損失間の特性比較図である。FIG. 10 is a characteristic comparison diagram between on-state voltage and turn-off loss of the IGBT, FS-IGBT, and conventional SJ-MOSFET of Example 4 according to the present invention. 本発明にかかる実施例5のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのI−V特性比較図である。It is IV characteristic comparison figure of IGBT of Example 5 concerning this invention, FS-IGBT, and the conventional SJ-MOSFET. 本発明にかかる実施例5のIGBTとFS−IGBTと従来のSJ−MOSFETのオン電圧―ターンオフ損失間の特性比較図である。FIG. 10 is a characteristic comparison diagram between on-state voltage and turn-off loss of the IGBT, FS-IGBT, and conventional SJ-MOSFET of Example 5 according to the present invention. 従来の薄ウエハ技術を用いたトレンチFS−IGBTのコレクタの一部にn型層を設けたRC−IGBTの概略断面図。The schematic sectional drawing of RC-IGBT which provided the n + type layer in a part of collector of trench FS-IGBT using the conventional thin wafer technique.

符号の説明Explanation of symbols

1、21 p型コレクタ層
2、22 n型バッファ層
3、23 n型ドリフト層
4、24 p型仕切り層
5、25 ゲート電極
6、26 第一トレンチ
7、27 p型チャネル領域
8、28 n型エミッタ領域
9、29 エミッタ電極
10、31 酸化膜マスク
11 第二トレンチ
12 第三トレンチ
13、35 コレクタ電極
101 高抵抗p型支持基板
102 シリコン酸化膜
103 素子領域
104 ダイシングライン
105 第一絶縁膜
106 第二絶縁膜。
1,21 p-type collector layer 2,22 n-type buffer layer 3,23 n - type drift layer 4,24 p-type partition layer 5,25 gate electrode 6,26 first trench 7,27 p-type channel region 8,28 N-type emitter region 9, 29 Emitter electrode 10, 31 Oxide film mask 11 Second trench 12 Third trench 13, 35 Collector electrode 101 High resistance p-type support substrate 102 Silicon oxide film 103 Element region 104 Dicing line 105 First insulating film 106 Second insulating film.

Claims (18)

半導体支持基板の一方の主面に、それぞれ積層される所定の形状の第一絶縁膜と、前記半導体支持基板よりも低抵抗な第一導電型半導体層と、前記第一絶縁膜とは前記主面の上方から見て重ならない位置に設けられる所定の形状の第二絶縁膜と、第二導電型半導体バッファ層と、前記主面に垂直な方向であって、該主面に平行な仮想切断面ではストライプ状平面パターンを繰り返し有する第一導電型仕切り層と第二導電型ドリフト層からなる超接合層とをこの順に備え、該超接合層の表面層に選択的に形成される第一導電型チャネル領域と、該チャネル領域の表面層に選択的に前記超接合層のストライプ状平面パターンに直交する方向に形成される第二導電型エミッタ領域と、該第二導電型エミッタ領域の表面から前記チャネル領域を貫通する深さで前記超接合層のストライプ状平面パターンに直交する方向に形成される第一トレンチと、該第一トレンチの内表面にゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記チャネル領域表面および前記エミッタ領域表面に共通に接するエミッタ電極とを有し、前記半導体支持基板の他方の主面には、前記第一導電型半導体層と前記第二導電型半導体バッファ層にそれぞれ達する深さの第二トレンチと第三トレンチとを有し、該第二トレンチと該第三トレンチのそれぞれの底部および側面ならびに前記半導体支持基板の他方の主面にはコレクタ電極が接し、前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜とが、前記半導体支持基板内に格子状に複数設けられる各半導体装置内の最外周辺に位置し、各半導体装置を切断するための領域である切断領域に設けられていることを特徴とする半導体装置。 A first insulating film having a predetermined shape, laminated on one main surface of the semiconductor support substrate, a first conductive semiconductor layer having a lower resistance than the semiconductor support substrate, and the first insulating film are the main insulating film A second insulating film having a predetermined shape provided at a position that does not overlap when viewed from above the surface, a second conductivity type semiconductor buffer layer, and a virtual cut in a direction perpendicular to the main surface and parallel to the main surface A first conductive type partition layer having a striped planar pattern on the surface and a superjunction layer comprising a second conductive type drift layer in this order, and a first conductive layer selectively formed on the surface layer of the superjunction layer -type channel region, a second conductivity type emitter region formed in a direction which selectively perpendicular to the stripe-shaped planar pattern of the previous SL superjunction layer on the surface layer of the channel region, the surface of the second conductive type emitter region Through the channel region A first trench formed in a direction perpendicular to the stripe-like planar pattern of the superjunction layer, a gate electrode provided on the inner surface of the first trench via a gate insulating film, the surface of the channel region, and An emitter electrode in common contact with the surface of the emitter region, and the other main surface of the semiconductor support substrate has a depth that reaches each of the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor buffer layer. and a two trench and the third trench, the bottom of each of said second trenches and said third trench and the collector electrode to contact the side surface and the other main surface of the semiconductor support substrate, said first insulating film The second insulating film is located at the outermost periphery in each semiconductor device provided in a plurality of lattices in the semiconductor support substrate, and is a cutting region that is a region for cutting each semiconductor device. Wherein a being eclipsed. 前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層の表面から前記第二導電型半導体バッファ層に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 At a depth where the first-conductivity-type partition layer reaches the second conductivity type semiconductor buffer layer from the surface of the second conductive type drift layer is formed by causing the trench stripe planar pattern growing an epitaxial semiconductor layer The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層内にあって、前記第二導電型半導体バッファ層の近傍に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 An epitaxial semiconductor layer is grown in a trench having a stripe-like planar pattern at a depth at which the first conductivity type partition layer is in the second conductivity type drift layer and reaches the vicinity of the second conductivity type semiconductor buffer layer. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the method is formed. 前記第二導電型半導体バッファ層が前記第二導電型ドリフト層よりも低抵抗な層であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductivity type semiconductor buffer layer is a layer having a lower resistance than the second conductivity type drift layer. 前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が5対1であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein a trench bottom area ratio of the second trench to the third trench is 5: 1. 前記第二導電型半導体バッファ層が前記第二導電型ドリフト層よりも高抵抗な層であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductivity type semiconductor buffer layer is a layer having a higher resistance than the second conductivity type drift layer. 前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が36対1であることを特徴とする請求項6記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6, wherein a trench bottom area ratio of the second trench to the third trench is 36: 1. 前記ストライプ状平面パターンを繰り返し有する第一導電型仕切り層と第二導電型ドリフト層のそれぞれの前記ストライプ状平面パターンの短辺幅が異なることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a short side width of each of the stripe-shaped planar patterns of the first conductivity-type partition layer and the second conductivity-type drift layer having the stripe-shaped planar pattern is different. 前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜をトレンチエッチングの終点検出用絶縁膜として用いて、前記第二トレンチと前記第三トレンチをそれぞれ形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second trench and the third trench are formed using the first insulating film and the second insulating film as insulating films for detecting an end point of trench etching, respectively. Production method. 半導体支持基板の一方の主面に、それぞれ積層される所定の形状の第一絶縁膜と、前記半導体支持基板よりも低抵抗な第一導電型半導体層と、前記第一絶縁膜とは前記主面の上方から見て重ならない位置に設けられる所定の形状の第二絶縁膜と、第二導電型半導体バッファ層と、前記主面に垂直な方向であって、該主面に平行な仮想切断面ではストライプ状平面パターンを繰り返し有する第一導電型仕切り層と第二導電型ドリフト層からなる超接合層とをこの順に備え、該超接合層の表面層に選択的に、該超接合層のストライプ状平面パターンに直交する方向に形成される第一導電型のチャネル領域と、該第一導電型チャネル領域の表面層に選択的に形成される第二導電型エミッタ領域と、該第二導電型エミッタ領域の表面と前記超接合層の前記第二導電層の表面とに挟まれる前記第一導電型のチャネル領域の表面で前記超接合層のストライプ状平面パターンに直交する方向にゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と前記チャネル領域表面およびエミッタ領域表面に共通に接するエミッタ電極とを有し、前記半導体支持基板の他方の主面に、前記第一導電型半導体層および前記第二導電型半導体バッファ層にそれぞれ達する深さの第二トレンチと第三トレンチを有し、該第二トレンチおよび第三トレンチの底部および側面ならびに前記半導体支持基板の他方の主面に接するコレクタ電極を備え、前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜とが、前記半導体支持基板内に格子状に複数設けられる各半導体装置内の最外周辺に位置し、各半導体装置を切断するための領域である切断領域に設けられていることを特徴とする半導体装置。 A first insulating film having a predetermined shape, laminated on one main surface of the semiconductor support substrate, a first conductive semiconductor layer having a lower resistance than the semiconductor support substrate, and the first insulating film are the main insulating film A second insulating film having a predetermined shape provided at a position that does not overlap when viewed from above the surface, a second conductivity type semiconductor buffer layer, and a virtual cut in a direction perpendicular to the main surface and parallel to the main surface A superconducting layer composed of a first conductive type partition layer having a striped planar pattern and a second conductive type drift layer in this order, and is selectively provided on the surface layer of the superjunction layer. A first conductivity type channel region formed in a direction orthogonal to the stripe-shaped planar pattern; a second conductivity type emitter region selectively formed in a surface layer of the first conductivity type channel region; and the second conductivity type Of the surface of the emitter region and the superjunction layer A gate electrode provided through a gate insulating film in a direction perpendicular to the stripe-like planar pattern of the superjunction layer on the surface of the channel region of the first conductivity type sandwiched between the surface of the second conductive layer and the channel region; An emitter electrode that is in common contact with the surface and the emitter region surface, and the first main surface of the semiconductor support substrate has a depth that reaches the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor buffer layer, respectively. It has two trenches and third trenches, e Bei said second trench and the third trench bottom and side and the other of the collector electrode in contact with the main surface of the semiconductor support substrate, the second insulated from the first insulating film A film is located at the outermost periphery in each semiconductor device provided in a lattice form in the semiconductor support substrate, and is in a cutting region that is a region for cutting each semiconductor device. Wherein a being eclipsed. 前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層の表面から前記第二導電型半導体バッファ層に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。 At a depth where the first-conductivity-type partition layer reaches the second conductivity type semiconductor buffer layer from the surface of the second conductive type drift layer is formed by causing the trench stripe planar pattern growing an epitaxial semiconductor layer The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10 . 前記第一導電型仕切り層が前記第二導電型ドリフト層内にあって、前記第二導電型半導体バッファ層の近傍に達する深さで、ストライプ状の平面パターンのトレンチにエピタキシャル半導体層を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。 An epitaxial semiconductor layer is grown in a trench having a stripe-like planar pattern at a depth at which the first conductivity type partition layer is in the second conductivity type drift layer and reaches the vicinity of the second conductivity type semiconductor buffer layer. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10 , wherein the method is formed. 前記第二導電型半導体バッファ層が前記第二導電型ドリフト層よりも低抵抗な層であることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the second conductivity type semiconductor buffer layer is a layer having a lower resistance than the second conductivity type drift layer. 前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が5対1であることを特徴とする請求項13記載の半導体装置。 14. The semiconductor device according to claim 13, wherein a trench bottom area ratio of the second trench to the third trench is 5: 1. 前記第二導電型半導体バッファ層が前記第二導電型ドリフト層よりも高抵抗な層であることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the second conductivity type semiconductor buffer layer is a layer having a higher resistance than the second conductivity type drift layer. 前記第二トレンチ対前記第三トレンチのトレンチ底部面積比率が36対1であることを特徴とする請求項15記載の半導体装置。 16. The semiconductor device according to claim 15, wherein a trench bottom area ratio of the second trench to the third trench is 36: 1. 前記ストライプ状平面パターンを繰り返し有する第一導電型仕切り層と第二導電型ドリフト層の前記ストライプ状平面パターンの短辺幅が異なることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 11. The semiconductor device according to claim 10 , wherein the short side widths of the stripe-shaped planar patterns of the first conductivity type partition layer and the second conductivity type drift layer having the stripe-shaped planar pattern are different. 前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜をトレンチエッチングの終点検出用絶縁膜として用いて、前記第二トレンチと前記第三トレンチをそれぞれ形成することを特徴とする前記請求項10記載の半導体装置の製造方法。 11. The semiconductor device according to claim 10 , wherein the second trench and the third trench are formed by using the first insulating film and the second insulating film as insulating films for detecting the end point of trench etching, respectively. Manufacturing method.
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JP3634627B2 (en) * 1998-06-10 2005-03-30 古河電気工業株式会社 Insulated gate bipolar transistor and manufacturing method thereof
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