JP5384878B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、IGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)を含む半導体装置およびその製造に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technology thereof, and more particularly to a semiconductor device including an IGBT (Insulated Gate Bipolor Transistor) and a technology effective when applied to the manufacturing thereof.

特開2008−85050号公報(特許文献1)には、高耐圧で、かつ、スイッチング特性の優れたIGBTを実現することのできる技術が記載されている。具体的には、フィールドストップ層(n型半導体領域)を形成するためにイオン注入されたn型不純物イオンの活性化アニールと、コレクタ領域(p型半導体領域)を形成するためにイオン注入されたp型不純物イオンの活性化アニールとを別工程で行い、フィールドストップ層のn型不純物イオンの活性化率を60%以上とし、コレクタ領域のp型不純物イオンの活性化率を1〜15%とすることにより、高耐圧で、かつ、高速なスイッチング特性を有するIGBTを形成することができるとしている。さらに、コレクタ電極にニッケルシリサイド膜、チタン膜、ニッケル膜および金膜からなる積層膜を用いることにより、コレクタ領域とオーミック接合が可能となり、また、コレクタ電極の水分等による腐食を防止することができるとしている。
特開2008−85050号公報
Japanese Patent Laying-Open No. 2008-85050 (Patent Document 1) describes a technique capable of realizing an IGBT having a high breakdown voltage and excellent switching characteristics. Specifically, activation annealing of n-type impurity ions implanted to form a field stop layer (n + type semiconductor region) and ion implantation to form a collector region (p + type semiconductor region). The activation annealing of the p-type impurity ions is performed in a separate process, the activation rate of the n-type impurity ions in the field stop layer is set to 60% or more, and the activation rate of the p-type impurity ions in the collector region is 1 to 15 %, An IGBT having a high breakdown voltage and high-speed switching characteristics can be formed. Furthermore, by using a laminated film made of a nickel silicide film, a titanium film, a nickel film and a gold film for the collector electrode, ohmic contact with the collector region becomes possible, and corrosion due to moisture or the like of the collector electrode can be prevented. It is said.
JP 2008-85050 A

IGBTとは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の高速スイッチング特性や電圧駆動特性と、バイポーラトランジスタの低オン電圧特性を兼ね備える半導体素子である。このような特徴を有するIGBTは、主にパワーエレクトロニクスの分野で使用されている。パワーエレクトロニクス分野とは、電気回路において、大電流や高電圧(高耐圧)を制御することにより、電力の変換や制御を行なう分野である。具体的にIGBTは、汎用インバータ、ACサーボや無停電電源、スイッチング電源などの産業分野をはじめ、電子レンジ、炊飯器などの民生機器分野へも応用されてきている。モータを制御する電子応用機器の汎用インバータは、ベルトコンベア、ファン制御、ポンプなどの制御に使用され、ACサーボは、ロボット、半導体製造装置などのモータ制御に使用される。   An IGBT is a semiconductor element that combines high-speed switching characteristics and voltage drive characteristics of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and low on-voltage characteristics of a bipolar transistor. The IGBT having such characteristics is mainly used in the field of power electronics. The power electronics field is a field in which electric power is converted and controlled by controlling a large current and a high voltage (high withstand voltage) in an electric circuit. Specifically, IGBTs have been applied to industrial fields such as general-purpose inverters, AC servos, uninterruptible power supplies, and switching power supplies, as well as consumer devices such as microwave ovens and rice cookers. A general-purpose inverter of an electronic application device that controls a motor is used to control a belt conveyor, a fan control, a pump, and the like, and an AC servo is used to control a motor of a robot, a semiconductor manufacturing apparatus, and the like.

IGBTは、上述したようにパワーエレクトロニクスの分野で使用されることから高耐圧性が要求される。このため、IGBTは、高耐圧化のために必要なn型ベース層を有している。そして、IGBTの動作時には、このn型ベース層に電子と正孔(キャリア)を蓄積することにより、低いオン電圧を確保している。したがって、IGBTでは、n型ベース層に蓄積される電子と正孔(キャリア)の蓄積量を多くすればするほど動作時のオン電圧を低くすることができる。ところが、n型ベース層に蓄積されたキャリアは、IGBTのターンオフ下降時間を長くする(以下、このことをターンオフ損失という)現象を引き起こす。このことから、IGBTの動作時におけるオン電圧を下げるために、n型ベース層に多量のキャリアを蓄積すると、IGBTのターンオフ損失が大きくなることになる。すなわち、IGBTにおいて、オン電圧の低減とターンオフ損失とは、トレードオフの関係にある。このトレードオフの関係にあるオン電圧の低減とターンオフ損失を改善することがIGBTの高性能化に必要である。 Since IGBT is used in the field of power electronics as described above, high voltage resistance is required. For this reason, the IGBT has an n type base layer necessary for increasing the breakdown voltage. During the operation of the IGBT, a low on-voltage is secured by accumulating electrons and holes (carriers) in this n -type base layer. Therefore, in the IGBT, the on-voltage during operation can be lowered as the accumulation amount of electrons and holes (carriers) accumulated in the n type base layer is increased. However, the carriers accumulated in the n -type base layer cause a phenomenon that the IGBT turn-off fall time is lengthened (hereinafter referred to as “turn-off loss”). Therefore, if a large amount of carriers are accumulated in the n -type base layer in order to reduce the on-voltage during the operation of the IGBT, the turn-off loss of the IGBT increases. That is, in the IGBT, the reduction of the on-voltage and the turn-off loss are in a trade-off relationship. It is necessary to improve the performance of the IGBT to reduce the on-voltage and improve the turn-off loss, which are in a trade-off relationship.

本発明の目的は、トレードオフの関係にあるオン電圧の低減とターンオフ損失を改善することにより、IGBTの高性能化を実現する技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique for realizing high performance of an IGBT by reducing the on-voltage and the turn-off loss which are in a trade-off relationship.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

代表的な実施の形態における半導体装置は、IGBTを含み、前記IGBTは、(a)p型コレクタ層と、(b)前記p型コレクタ層上に形成されたn型フィールドストップ層と、(c)前記n型フィールドストップ層上に形成されたn型ベース層と、(d)前記n型ベース層上に形成されたn型ホールバリア層とを有する。そして、IGBTは、(e)前記n型ホールバリア層上に形成されたp型チャネル形成層と、(f)前記p型チャネル形成層上に形成されたn型エミッタ層と、(g)前記n型エミッタ層と前記p型チャネル形成層を貫通し、n型ホールバリア層に達するゲートトレンチとを有する。さらに、IGBTは、(h)前記ゲートトレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、(i)前記ゲートトレンチ内の前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、(j)前記ゲート電極および前記n型エミッタ層上に形成された層間絶縁膜とを有する。その上、IGBTは、(k)前記層間絶縁膜および前記n型エミッタ層を貫通して前記p型チャネル形成層に達するコンタクトホールと、(l)前記コンタクトホール内に形成され、前記n型エミッタ層と前記p型チャネル形成層を電気的に接続するエミッタ電極とを有する。さらに、IGBTは、(m)前記p型チャネル形成層内に形成され、前記コンタクトホールと接するように形成されたp型コンタクト層と、(n)前記p型コレクタ層の裏面に形成され、前記p型コレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極とを有する。このとき、代表的な実施の形態におけるIGBTは、前記p型コレクタ層のキャリア量をQp、前記n型フィールドストップ層のキャリア量をQnとした場合、4≦(Qp/Qn)≦16を満たすことを特徴とするものである。   A semiconductor device in a representative embodiment includes an IGBT, and the IGBT includes (a) a p-type collector layer, (b) an n-type field stop layer formed on the p-type collector layer, and (c) ) An n-type base layer formed on the n-type field stop layer; and (d) an n-type hole barrier layer formed on the n-type base layer. The IGBT includes (e) a p-type channel forming layer formed on the n-type hole barrier layer, (f) an n-type emitter layer formed on the p-type channel forming layer, and (g) the above-described An n-type emitter layer and a gate trench that penetrates the p-type channel formation layer and reaches the n-type hole barrier layer are provided. The IGBT further includes: (h) a gate insulating film formed on the inner wall of the gate trench; (i) a gate electrode formed on the gate insulating film in the gate trench; and (j) the gate electrode and And an interlayer insulating film formed on the n-type emitter layer. In addition, the IGBT includes (k) a contact hole that passes through the interlayer insulating film and the n-type emitter layer and reaches the p-type channel formation layer, and (l) is formed in the contact hole. And an emitter electrode for electrically connecting the p-type channel formation layer. Further, the IGBT is formed in (m) a p-type contact layer formed in the p-type channel formation layer and in contact with the contact hole, and (n) formed on a back surface of the p-type collector layer, a collector electrode electrically connected to the p-type collector layer; At this time, the IGBT according to the representative embodiment satisfies 4 ≦ (Qp / Qn) ≦ 16, where Qp is the carrier amount of the p-type collector layer and Qn is the carrier amount of the n-type field stop layer. It is characterized by this.

また、代表的な実施の形態における半導体装置の製造方法は、(a)n型ベース層からなる半導体基板を用意する工程と、(b)前記半導体基板に素子分離領域を形成する工程と、(c)前記(b)工程後、IGBT形成領域の前記n型ベース層上にn型ホールバリア層を形成する工程とを有する。そして、(d)前記(c)工程後、前記半導体基板の主面から前記n型ホールバリア層に達するゲートトレンチを形成する工程と、(e)前記(d)工程後、前記ゲートトレンチの内壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、(f)前記(e)工程後、前記ゲートトレンチ内の前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有する。次に、(g)前記(f)工程後、前記半導体基板の内部にp型チャネル形成層を形成することにより、前記n型ホールバリア層上に前記p型チャネル形成層を形成する工程と、(h)前記(g)工程後、前記半導体基板の主面にn型エミッタ層を形成することにより、前記p型チャネル形成層上に前記n型エミッタ層を形成する工程とを有する。続いて、(i)前記(h)工程後、前記半導体基板の主面上に層間絶縁膜を形成する工程と、(j)前記(i)工程後、前記層間絶縁膜および前記n型エミッタ層を貫通して前記p型チャネル形成層に達するコンタクトホールを形成する工程とを有する。その後、(k)前記(j)工程後、前記p型チャネル形成層内に前記コンタクトホールと接するようにp型コンタクト層を形成する工程と、(l)前記(k)工程後、前記コンタクトホール内を含む前記層間絶縁膜上にエミッタ電極を形成することにより、前記n型エミッタ層と前記p型チャネル形成層を電気的に接続する工程とを有する。さらに、(m)前記(l)工程後、前記n型ベース層の裏面にn型フィールドストップ層を形成する工程と、(n)前記(m)工程後、前記n型フィールドストップ層の裏面にp型コレクタ層を形成する工程と、(o)前記(n)工程後、前記p型コレクタ層の裏面にコレクタ電極を形成する工程とを有する。このとき、代表的な実施の形態における半導体装置の製造方法は、前記p型コレクタ層のキャリア量をQp、前記n型フィールドストップ層のキャリア量をQnとした場合、4≦(Qp/Qn)≦16を満たすように前記p型コレクタ層と前記n型フィールドストップ層を形成することを特徴とするものである。   Further, a method for manufacturing a semiconductor device in a representative embodiment includes (a) a step of preparing a semiconductor substrate made of an n-type base layer, (b) a step of forming an element isolation region in the semiconductor substrate, c) After the step (b), forming an n-type hole barrier layer on the n-type base layer in the IGBT formation region. And (d) a step of forming a gate trench reaching the n-type hole barrier layer from the main surface of the semiconductor substrate after the step (c), and (e) an inner wall of the gate trench after the step (d). And (f) a step of forming a gate electrode on the gate insulating film in the gate trench after the step (e). Next, (g) after the step (f), forming a p-type channel formation layer on the n-type hole barrier layer by forming a p-type channel formation layer inside the semiconductor substrate; (H) After the step (g), forming an n-type emitter layer on the p-type channel formation layer by forming an n-type emitter layer on the main surface of the semiconductor substrate. Subsequently, (i) after the step (h), a step of forming an interlayer insulating film on the main surface of the semiconductor substrate; (j) after the step (i), the interlayer insulating film and the n-type emitter layer Forming a contact hole that reaches the p-type channel formation layer. Then, (k) after the step (j), a step of forming a p-type contact layer in contact with the contact hole in the p-type channel formation layer, and (l) after the step (k), the contact hole Forming an emitter electrode on the interlayer insulating film including the inside, thereby electrically connecting the n-type emitter layer and the p-type channel forming layer. And (m) after the step (l), forming a n-type field stop layer on the back surface of the n-type base layer; and (n) after the step (m), on the back surface of the n-type field stop layer. a step of forming a p-type collector layer; and (o) a step of forming a collector electrode on the back surface of the p-type collector layer after the step (n). At this time, in the method of manufacturing a semiconductor device in a typical embodiment, when the carrier amount of the p-type collector layer is Qp and the carrier amount of the n-type field stop layer is Qn, 4 ≦ (Qp / Qn) The p-type collector layer and the n-type field stop layer are formed so as to satisfy ≦ 16.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

トレードオフの関係にあるオン電圧の低減とターンオフ損失を改善することができる結果、IGBTの高性能化を実現することができる。   As a result of the reduction of the on-voltage and the turn-off loss that are in a trade-off relationship, the performance of the IGBT can be improved.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc., of components, etc., unless otherwise specified, and in principle, it is considered that this is not clearly the case, it is substantially the same. Including those that are approximate or similar to the shape. The same applies to the above numerical values and ranges.

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。   In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. In order to make the drawings easy to understand, even a plan view may be hatched.

(実施の形態1)
本実施の形態1における半導体装置は、例えば、ハイブリッド車などに使用される3相モータの駆動回路に使用されるものである。図1は、本実施の形態1における3相モータの回路図を示す図である。図1において、3相モータ回路は、3相モータ1、パワー半導体装置2、制御回路3を有している。3相モータ1は、位相の異なる3相の電圧により駆動するように構成されている。パワー半導体装置2には、3相に対応してIGBT4とダイオード(フリーホイールダイオード)5が設けられている。すなわち、各単相において、電源電位(Vcc)と3相モータの入力電位との間にIGBT4とダイオード5が逆並列に接続されており、3相モータの入力電位と接地電位(GND)との間にもIGBT4とダイオード5が逆並列に接続されている。すなわち、単相ごとに2つのIGBT4と2つのダイオード5が設けられており、3相で6つのIGBT4と6つのダイオード5が設けられている。そして、個々のIGBT4のゲート電極には、制御回路3が接続されており、この制御回路3によって、IGBT4が制御されるようになっている。このように構成された3相モータの駆動回路において、制御回路3でパワー半導体装置2を構成するIGBT4を流れる電流を制御することにより、3相モータ1を回転させるようになっている。すなわち、制御回路3によってIGBT4のオン/オフを制御することにより、3相モータ1を駆動することができる。このように3相モータ1を駆動させる場合には、IGBT4をオン/オフする必要があるが、3相モータ1にはインダクタンスが含まれている。したがって、IGBT4をオフすると、3相モータ1に含まれるインダクタンスによって、IGBT4の電流が流れる方向と逆方向の逆方向電流が発生する。IGBT4では、この逆方向電流を流す機能を有していないので、IGBT4と逆並列にダイオード5を設けることにより、逆方向電流を還流させてインダクタンスに蓄積されるエネルギーを開放している。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the first embodiment is used, for example, in a drive circuit for a three-phase motor used in a hybrid vehicle or the like. FIG. 1 is a diagram showing a circuit diagram of the three-phase motor in the first embodiment. In FIG. 1, the three-phase motor circuit includes a three-phase motor 1, a power semiconductor device 2, and a control circuit 3. The three-phase motor 1 is configured to be driven by three-phase voltages having different phases. The power semiconductor device 2 is provided with an IGBT 4 and a diode (free wheel diode) 5 corresponding to three phases. That is, in each single phase, the IGBT 4 and the diode 5 are connected in antiparallel between the power supply potential (Vcc) and the input potential of the three-phase motor, and the input potential of the three-phase motor and the ground potential (GND) The IGBT 4 and the diode 5 are also connected in antiparallel between them. That is, two IGBTs 4 and two diodes 5 are provided for each single phase, and six IGBTs 4 and six diodes 5 are provided for three phases. A control circuit 3 is connected to the gate electrode of each IGBT 4, and the IGBT 4 is controlled by the control circuit 3. In the three-phase motor drive circuit configured as described above, the control circuit 3 controls the current flowing through the IGBT 4 constituting the power semiconductor device 2 to rotate the three-phase motor 1. That is, the three-phase motor 1 can be driven by controlling on / off of the IGBT 4 by the control circuit 3. When driving the three-phase motor 1 in this way, the IGBT 4 needs to be turned on / off, but the three-phase motor 1 includes an inductance. Therefore, when the IGBT 4 is turned off, a reverse current in a direction opposite to the direction in which the current of the IGBT 4 flows is generated by the inductance included in the three-phase motor 1. Since the IGBT 4 does not have the function of flowing the reverse current, the diode 5 is provided in reverse parallel to the IGBT 4 to recirculate the reverse current and release the energy accumulated in the inductance.

上述した3相モータ回路に使用されるIGBTは、例えば、半導体チップに形成される。以下では、IGBTを形成した半導体チップの構成について説明する。図2は、IGBTを形成した半導体チップCHPの上面を示す平面図である。図2に示すように、半導体チップCHPは矩形形状をしており、半導体チップCHP内の周辺部を囲むようにガードリングGRが形成されている。このガードリングGRは、IGBTの周辺部における耐圧劣化を防止するために設けられたリング状の接合構造である。そして、このガードリングGRで囲まれた半導体チップCHPの内部に素子形成領域が形成されており、この素子形成領域に複数のIGBTが形成されている。具体的には、図2に示すように、紙面の上下方向に沿ってストライプ状にゲート電極Gが形成されている。このゲート電極G上に層間絶縁膜(図示せず)を介してエミッタ電極(エミッタパッド)EEが形成されている。ストライプ状に形成されたゲート電極Gは、ゲート配線GLを介してゲートパッドGPに接続されている。このように半導体チップCHPの上面には、ゲートパッドGPとエミッタ電極EEが形成されている。一方、図2では示されないが、半導体チップCHPの裏面には、コレクタ電極が形成されている。したがって、半導体チップCHPには、外部接続端子として、ゲートパッドGP、エミッタ電極EEおよびコレクタ電極が形成されており、これらの外部接続端子に電圧を印加することによりIGBTが駆動される。すなわち、本実施の形態1におけるIGBTは、半導体チップCHPの厚さ方向に形成されており、半導体チップCHPの上面にエミッタ電極EEとゲートパッドGPが形成され、半導体チップCHPの裏面にコレクタ電極が形成された構造をしている。   The IGBT used in the above-described three-phase motor circuit is formed on a semiconductor chip, for example. Below, the structure of the semiconductor chip which formed IGBT is demonstrated. FIG. 2 is a plan view showing an upper surface of the semiconductor chip CHP on which the IGBT is formed. As shown in FIG. 2, the semiconductor chip CHP has a rectangular shape, and a guard ring GR is formed so as to surround a peripheral portion in the semiconductor chip CHP. This guard ring GR is a ring-shaped joint structure provided in order to prevent breakdown voltage deterioration in the peripheral part of the IGBT. An element formation region is formed inside the semiconductor chip CHP surrounded by the guard ring GR, and a plurality of IGBTs are formed in the element formation region. Specifically, as shown in FIG. 2, the gate electrodes G are formed in stripes along the vertical direction of the drawing. An emitter electrode (emitter pad) EE is formed on the gate electrode G via an interlayer insulating film (not shown). The gate electrode G formed in a stripe shape is connected to the gate pad GP via the gate wiring GL. Thus, the gate pad GP and the emitter electrode EE are formed on the upper surface of the semiconductor chip CHP. On the other hand, although not shown in FIG. 2, a collector electrode is formed on the back surface of the semiconductor chip CHP. Accordingly, the gate pad GP, the emitter electrode EE, and the collector electrode are formed as external connection terminals in the semiconductor chip CHP, and the IGBT is driven by applying a voltage to these external connection terminals. That is, the IGBT in the first embodiment is formed in the thickness direction of the semiconductor chip CHP, the emitter electrode EE and the gate pad GP are formed on the upper surface of the semiconductor chip CHP, and the collector electrode is formed on the back surface of the semiconductor chip CHP. It has a formed structure.

図3は図2のA−A線で切断した断面図である。図3に示すように、半導体チップCHPの外周部側が図3の左側であり、半導体チップCHPの内周部側が図3の右側である。したがって、図3に示すように、最外周から内側領域に沿って、順次、ターミネーション領域、温度検知ダイオード形成領域、ゲート配線引き出し領域、セル領域が形成されている。このようなターミネーション領域、温度検知ダイオード形成領域、ゲート配線引き出し領域およびセル領域にわたる半導体チップCHPの裏面には、例えば、金属膜からなるコレクタ電極CLEが形成されており、このコレクタ電極CLE上にニッケルシリサイド膜NSが形成されている。そして、ニッケルシリサイド膜NS上にp型半導体層からなるp型コレクタ層PCLが形成され、このp型コレクタ層PCL上にn型半導体層からなるn型フィールドストップ層NFが形成されている。このn型フィールドストップ層NF上にn型半導体層からなるn型ベース層NBが形成されている。このn型ベース層NBよりも上層の構成が各領域で異なっているので、それぞれの領域についての構成について説明する。 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 3, the outer peripheral side of the semiconductor chip CHP is the left side of FIG. 3, and the inner peripheral side of the semiconductor chip CHP is the right side of FIG. Therefore, as shown in FIG. 3, a termination region, a temperature detection diode formation region, a gate wiring drawing region, and a cell region are sequentially formed from the outermost periphery to the inner region. A collector electrode CLE made of, for example, a metal film is formed on the back surface of the semiconductor chip CHP over the termination region, the temperature detection diode formation region, the gate wiring lead region, and the cell region. A nickel electrode is formed on the collector electrode CLE. A silicide film NS is formed. A p + type collector layer PCL made of a p + type semiconductor layer is formed on the nickel silicide film NS, and an n + type field stop layer NF made of an n + type semiconductor layer is formed on the p + type collector layer PCL. Has been. An n type base layer NB made of an n type semiconductor layer is formed on the n + type field stop layer NF. Since the structure of the upper layer than the n type base layer NB is different in each region, the structure of each region will be described.

まず、ターミネーション領域における構成について説明する。図3に示すように、ターミネーション領域においては、n型ベース層NBの表面に素子分離領域LOが形成されている。この素子分離領域LOで分離された半導体チップCHPの最外周には、n型半導体層NRが形成されている。そして、素子分離領域LOで分離された最外周より内側のn型ベース層NBには、p型半導体層からなるp型ウェルPWLが形成されている。素子分離領域LOおよびこの素子分離領域LOで分離された領域に形成されているn型半導体層NRとp型ウェルPWL上には層間絶縁膜IL1が形成されている。この層間絶縁膜IL1には、層間絶縁膜IL1を貫通するように複数のコンタクトホールC4が形成されており、複数のコンタクトホールC4には、n型半導体層NRに達するものと、p型ウェルPWLに達するものがある。これらのコンタクトホールC4を埋め込んで、かつ、層間絶縁膜IL1上に配置されるように金属膜からなるガードリングGRが形成されている。そして、ガードリングGRを覆うように表面保護膜(パッシベーション膜)PVが形成されている。このようにターミネーション領域には、ガードリングGRが何重にもわたって形成されており、半導体チップCHPの周辺部における耐圧低下を抑制している。例えば、p型ウェルPWLは、ある一定レベルの耐圧を確保する観点から、不純物濃度が決定されている。 First, the configuration in the termination area will be described. As shown in FIG. 3, in the termination region, an element isolation region LO is formed on the surface of the n type base layer NB. An n + type semiconductor layer NR is formed on the outermost periphery of the semiconductor chip CHP separated by the element isolation region LO. A p-type well PWL made of a p-type semiconductor layer is formed in the n -type base layer NB inside the outermost periphery separated by the element isolation region LO. An interlayer insulating film IL1 is formed on the element isolation region LO and the n + type semiconductor layer NR and the p-type well PWL formed in the region isolated by the element isolation region LO. A plurality of contact holes C4 are formed in the interlayer insulating film IL1 so as to penetrate the interlayer insulating film IL1, and the plurality of contact holes C4 include those reaching the n + type semiconductor layer NR and p-type wells. Some reach PWL. A guard ring GR made of a metal film is formed so as to fill these contact holes C4 and to be disposed on the interlayer insulating film IL1. A surface protective film (passivation film) PV is formed so as to cover the guard ring GR. As described above, the guard ring GR is formed over and over in the termination region to suppress a decrease in breakdown voltage in the peripheral portion of the semiconductor chip CHP. For example, the impurity concentration of the p-type well PWL is determined from the viewpoint of ensuring a certain level of breakdown voltage.

次に、温度検知ダイオード形成領域における構成について説明する。この温度検知ダイオード形成領域は、図2に示す半導体チップCHPの平面図では図示を省略している。図3に示すように、温度検知ダイオード形成領域では、n型ベース層NBにp型半導体層からなるp型ウェルPWLが形成されており、このp型ウェルPWL上にゲート絶縁膜GOXを介して温度検知ダイオードが形成されている。この温度検知ダイオードは、直列にn型半導体層N1、p型半導体層P1、n型半導体層N2およびp型半導体層P2を接続した構造となっており、pn接合ダイオードで形成されている。これらのn型半導体層N1、p型半導体層P1、n型半導体層N2およびp型半導体層P2を覆うように層間絶縁膜IL1が形成されており、この層間絶縁膜IL1に複数のコンタクトホールC3が形成されている。複数のコンタクトホールC3のうち1つのコンタクトホールC3は、層間絶縁膜IL1を貫通してn型半導体層N1に達しており、別のコンタクトホールC3は、層間絶縁膜IL1を貫通してp型半導体層P2に達している。n型半導体層N1に達しているコンタクトホールC3を埋め込み、かつ、層間絶縁膜IL1上に配置されるようにカソード電極CEが形成されている。同様に、p型半導体層P2に達しているコンタクトホールC3を埋め込み、かつ、層間絶縁膜IL1上に配置されるようにアノード電極AEが形成されている。このカソード電極CEとアノード電極AEを覆うように表面保護膜PVが形成されているが、この表面保護膜PVに開口部が形成されてカソード電極CEとアノード電極AEが露出している。 Next, the configuration in the temperature detection diode formation region will be described. This temperature detection diode formation region is not shown in the plan view of the semiconductor chip CHP shown in FIG. As shown in FIG. 3, in the temperature detection diode formation region, a p-type well PWL made of a p-type semiconductor layer is formed in an n -type base layer NB, and a gate insulating film GOX is interposed on the p-type well PWL. Thus, a temperature detection diode is formed. This temperature detection diode has a structure in which an n-type semiconductor layer N1, a p-type semiconductor layer P1, an n-type semiconductor layer N2, and a p-type semiconductor layer P2 are connected in series, and is formed of a pn junction diode. An interlayer insulating film IL1 is formed so as to cover the n-type semiconductor layer N1, the p-type semiconductor layer P1, the n-type semiconductor layer N2, and the p-type semiconductor layer P2, and a plurality of contact holes C3 are formed in the interlayer insulating film IL1. Is formed. Of the plurality of contact holes C3, one contact hole C3 penetrates the interlayer insulating film IL1 and reaches the n-type semiconductor layer N1, and another contact hole C3 penetrates the interlayer insulating film IL1 and forms a p-type semiconductor. Layer P2 has been reached. A cathode electrode CE is formed so as to fill the contact hole C3 reaching the n-type semiconductor layer N1 and to be disposed on the interlayer insulating film IL1. Similarly, an anode electrode AE is formed so as to fill the contact hole C3 reaching the p-type semiconductor layer P2 and to be disposed on the interlayer insulating film IL1. A surface protective film PV is formed so as to cover the cathode electrode CE and the anode electrode AE, and an opening is formed in the surface protective film PV so that the cathode electrode CE and the anode electrode AE are exposed.

このように構成されている温度検知ダイオードは、セル領域に形成されているIGBTの温度を検知するために設けられている。すなわち、IGBTの温度によって温度検知ダイオードの順方向電流電圧特性が変化することによりIGBTの温度を検知するようになっている。この温度検知ダイオードは、ポリシリコンに異なる導電型の不純物を導入することによりpn接合が形成されており、カソード電極CEとアノード電極AEとを有している。このカソード電極CEとアノード電極AEは、半導体チップCHPの外部に設けられる温度検知回路に接続される。この温度検知回路は、温度検知用ダイオードのカソード電極およびアノード電極間の出力に基づいて間接的にIGBTの温度を検知し、検知した温度がある一定温度以上になったとき、IGBTのゲート電極に印加されるゲート信号を遮断し、IGBTを保護するようになっている。   The temperature detection diode configured as described above is provided to detect the temperature of the IGBT formed in the cell region. That is, the temperature of the IGBT is detected by changing the forward current voltage characteristics of the temperature detection diode according to the temperature of the IGBT. This temperature detection diode has a pn junction formed by introducing impurities of different conductivity types into polysilicon, and has a cathode electrode CE and an anode electrode AE. The cathode electrode CE and the anode electrode AE are connected to a temperature detection circuit provided outside the semiconductor chip CHP. This temperature detection circuit indirectly detects the temperature of the IGBT based on the output between the cathode electrode and the anode electrode of the temperature detection diode, and when the detected temperature becomes equal to or higher than a certain temperature, it is applied to the gate electrode of the IGBT. The applied gate signal is cut off to protect the IGBT.

続いて、ゲート配線引き出し領域における構成について説明する。ゲート配線引き出し領域は、セル領域に形成されるゲート電極をゲートパッドと接続するための領域である。図3に示すように、ゲート配線引き出し領域では、n型ベース層NBにp型ウェルPWLが形成されており、このp型ウェルPWLの表面から内部に達するようにトレンチTRが形成されている。トレンチTRの内壁にはゲート絶縁膜GOXを介してゲート引き出し線GHが形成されている。すなわち、トレンチTRの内部を埋め込み、かつ、ゲート絶縁膜GOXを介したp型ウェルPWL上に延在するようにゲート引き出し線GHが形成されている。このゲート引き出し線GHは、セル領域に形成されているゲート電極と電気的に接続されている。そして、ゲート引き出し線GHを覆うように層間絶縁膜IL1が形成されており、この層間絶縁膜IL1を貫通してゲート引き出し線GHに達するコンタクトホールC2が形成されている。このコンタクトホールC2を埋め込み、かつ、層間絶縁膜IL1上に延在するようにゲート配線GLが形成されている。このゲート配線GLは、ゲートパッドと電気的に接続されている。したがって、セル領域に形成されているゲート電極は、ゲート配線引き出し領域に形成されているゲート引き出し線GHとゲート配線GLによってゲートパッドと接続されていることになる。これにより、ゲートパッドに印加された電圧がゲート配線引き出し領域を介してセル領域に形成されているゲート電極に供給されることになる。ゲート配線引き出し領域に形成されているゲート配線GLを覆うように表面保護膜PVが形成されており、ゲート配線GLと接続するゲートパッドでは、この表面保護膜PVに開口部が形成されている。すなわち、ゲートパッドは、表面保護膜PVから露出するように構成されていることになる。これにより、半導体チップCHPの外部からゲートパッドに電圧を供給することができるようになっている。 Next, the configuration in the gate wiring drawing region will be described. The gate wiring extraction region is a region for connecting a gate electrode formed in the cell region to the gate pad. As shown in FIG. 3, in the gate wiring lead region, a p-type well PWL is formed in the n -type base layer NB, and a trench TR is formed so as to reach the inside from the surface of the p-type well PWL. . A gate lead-out line GH is formed on the inner wall of the trench TR via a gate insulating film GOX. That is, the gate lead-out line GH is formed so as to fill the inside of the trench TR and extend over the p-type well PWL via the gate insulating film GOX. This gate lead-out line GH is electrically connected to the gate electrode formed in the cell region. An interlayer insulating film IL1 is formed so as to cover the gate lead line GH, and a contact hole C2 that penetrates the interlayer insulating film IL1 and reaches the gate lead line GH is formed. A gate wiring GL is formed so as to fill the contact hole C2 and extend over the interlayer insulating film IL1. The gate wiring GL is electrically connected to the gate pad. Therefore, the gate electrode formed in the cell region is connected to the gate pad by the gate lead line GH and the gate line GL formed in the gate line lead region. As a result, the voltage applied to the gate pad is supplied to the gate electrode formed in the cell region via the gate wiring drawing region. A surface protective film PV is formed so as to cover the gate wiring GL formed in the gate wiring drawing region, and an opening is formed in the surface protective film PV in the gate pad connected to the gate wiring GL. That is, the gate pad is configured to be exposed from the surface protective film PV. Thereby, a voltage can be supplied to the gate pad from the outside of the semiconductor chip CHP.

次に、セル領域に形成されているIGBTの構成について説明する。ここで、セル領域に形成されているIGBTの構成は、図3のセル領域を拡大した図4を用いて説明する。図4は、セル領域の一部を拡大して示す断面図である。図4に示すように、IGBTには、p型半導体層からなるp型コレクタ層PCL上にn型半導体層からなるn型フィールドストップ層NFが形成されている。そして、n型フィールドストップ層NF上にn型半導体層からなるn型ベース層NBが形成され、このn型ベース層NB上にn型半導体層からなるn型ホールバリア層NHBが形成されている。このn型ホールバリア層NHB上には、p型半導体層からなるp型チャネル形成層PCHが形成され、p型チャネル形成層PCH上にn型半導体層からなるn型エミッタ層NEが形成されている。 Next, the configuration of the IGBT formed in the cell region will be described. Here, the configuration of the IGBT formed in the cell region will be described with reference to FIG. 4 in which the cell region in FIG. 3 is enlarged. FIG. 4 is an enlarged sectional view showing a part of the cell region. As shown in FIG. 4, in the IGBT, an n + type field stop layer NF made of an n + type semiconductor layer is formed on a p + type collector layer PCL made of a p + type semiconductor layer. An n type base layer NB made of an n type semiconductor layer is formed on the n + type field stop layer NF, and an n type hole barrier layer NHB made of an n type semiconductor layer is formed on the n type base layer NB. Is formed. A p-type channel forming layer PCH made of a p-type semiconductor layer is formed on the n-type hole barrier layer NHB, and an n + -type emitter layer NE made of an n + -type semiconductor layer is formed on the p-type channel forming layer PCH. Has been.

このn型エミッタ層NEの表面からn型エミッタ層NEとp型チャネル形成層PCHを貫通してn型ホールバリア層NHBに達するようにトレンチTRが形成されている。トレンチTRの内壁にはゲート絶縁膜GOXが形成され、このゲート絶縁膜GOX上で、かつ、トレンチTRを埋め込むようにゲート電極Gが形成されている。ゲート電極G上を含むn型エミッタ層NE上には層間絶縁膜IL1が形成されており、複数のトレンチTRの間には、層間絶縁膜IL1とn型エミッタ層NEとを貫通してp型チャネル形成層PCHに達するコンタクトホールC1が形成され、このコンタクトホールC1の底部に接するようにp型チャネル形成層PCH内にp型半導体層からなるp型コンタクト層PCが形成されている。そして、p型コンタクト層PCとn型ホールバリア層NHBに接するようにp型半導体層からなるp型ラッチアップ防止層PLが形成されている。 Trench TR is formed as the surface of the n + -type emitter layer NE through the n + -type emitter layer NE and the p-type channel forming layer PCH reaches the n-type hole barrier layer NHB. A gate insulating film GOX is formed on the inner wall of the trench TR, and a gate electrode G is formed on the gate insulating film GOX so as to fill the trench TR. An interlayer insulating film IL1 is formed on the n + -type emitter layer NE including the gate electrode G, and the interlayer insulating film IL1 and the n + -type emitter layer NE penetrate between the plurality of trenches TR. A contact hole C1 reaching the p-type channel formation layer PCH is formed, and a p + -type contact layer PC made of a p + -type semiconductor layer is formed in the p-type channel formation layer PCH so as to be in contact with the bottom of the contact hole C1. Yes. A p-type latch-up prevention layer PL made of a p-type semiconductor layer is formed so as to be in contact with the p + -type contact layer PC and the n-type hole barrier layer NHB.

コンタクトホールC1内を含む層間絶縁膜IL1上にはバリア導体膜であるチタンタングステン膜12とアルミニウム膜13の積層膜が形成されている。このチタンタングステン膜12とアルミニウム膜13よりなる積層膜はエミッタ電極EEとなるものである。   A laminated film of a titanium tungsten film 12 and an aluminum film 13 as a barrier conductor film is formed on the interlayer insulating film IL1 including the inside of the contact hole C1. The laminated film made of the titanium tungsten film 12 and the aluminum film 13 becomes the emitter electrode EE.

このように構成されているIGBTについて、回路構成とデバイス構造を対比して説明する。図5は、セル領域に形成されているIGBTについて、回路構成とデバイス構造を対応させた図である。まず、IGBTの回路構成について、図5を参照しながら説明する。図5に示すように、セル領域に形成されているIGBTは、pnpバイポーラトランジスタTr1と、npnバイポーラトランジスタTr2と、電界効果トランジスタTr3を有している。このとき、pnpバイポーラトランジスタTr1と電界効果トランジスタTr3により、IGBTが構成されており、npnバイポーラトランジスタTr2は、デバイス構造上寄生的に形成される寄生トランジスタである。すなわち、IGBTの主要構成は、pnpバイポーラトランジスタTr1と電界効果トランジスタTr3であり、npnバイポーラトランジスタTr2は寄生的な構成要素である。   The IGBT configured as described above will be described by comparing the circuit configuration with the device structure. FIG. 5 is a diagram in which the circuit configuration and the device structure are associated with each other in the IGBT formed in the cell region. First, the circuit configuration of the IGBT will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, the IGBT formed in the cell region has a pnp bipolar transistor Tr1, an npn bipolar transistor Tr2, and a field effect transistor Tr3. At this time, the pnp bipolar transistor Tr1 and the field effect transistor Tr3 constitute an IGBT, and the npn bipolar transistor Tr2 is a parasitic transistor formed parasitically in terms of the device structure. That is, the main configuration of the IGBT is a pnp bipolar transistor Tr1 and a field effect transistor Tr3, and the npn bipolar transistor Tr2 is a parasitic component.

pnpバイポーラトランジスタTr1は、p型コレクタ層PCLと、n型ベース層(n型フィールドストップ層NFおよびn型ホールバリア層NHBを含む)と、p型チャネル形成層PCH(p型コンタクト層PCおよびp型ラッチアップ防止層PLを含む)により構成されている。 The pnp bipolar transistor Tr1 includes a p + type collector layer PCL, an n type base layer (including an n + type field stop layer NF and an n type hole barrier layer NHB), and a p type channel formation layer PCH (p + type contact). Layer PC and p-type latch-up prevention layer PL).

一方、寄生的な構成要素であるnpnバイポーラトランジスタTr2は、n型ベース層(n型フィールドストップ層NFおよびn型ホールバリア層NHBを含む)と、p型チャネル形成層PCH(p型コンタクト層PCおよびp型ラッチアップ防止層PLを含む)と、n型エミッタ層NEにより構成されている。 On the other hand, the npn bipolar transistor Tr2 which is a parasitic component includes an n type base layer (including an n + type field stop layer NF and an n type hole barrier layer NHB) and a p type channel formation layer PCH (p + type). A contact layer PC and a p-type latch-up prevention layer PL) and an n + -type emitter layer NE.

さらに、電界効果トランジスタTr3は、ソース領域となるn型エミッタ層NEと、ドレイン領域となるn型ベース層(n型フィールドストップ層NFおよびn型ホールバリア層NHBを含む)と、このn型エミッタ層NEとn型ベース層NBとの間に設けられているp型チャネル形成層PCHとを有している。そして、トレンチTRの内壁に形成されたゲート絶縁膜GOXと、トレンチTRを埋め込むゲート電極Gから構成されている。 Further, the field effect transistor Tr3 includes an n + -type emitter layer NE serving as a source region, an n -type base layer serving as a drain region (including an n + -type field stop layer NF and an n-type hole barrier layer NHB), a p-type channel formation layer PCH provided between the n + -type emitter layer NE and the n -type base layer NB. The gate insulating film GOX is formed on the inner wall of the trench TR, and the gate electrode G is embedded in the trench TR.

続いて、pnpバイポーラトランジスタTr1、npnバイポーラトランジスタTr2および電界効果トランジスタTr3の接続関係について説明する。IGBTのコレクタ電極CLEとIGBTのエミッタ電極EEの間にpnpバイポーラトランジスタTr1が接続されている。そして、pnpバイポーラトランジスタTr1のベースが電界効果トランジスタTr3のドレイン領域(n型ベース層NB)に接続され、電界効果トランジスタTr3のソース領域(n型エミッタ層NE)がIGBTのエミッタ電極EEに接続されている。このとき、寄生的に形成されるnpnバイポーラトランジスタTr2のコレクタがpnpバイポーラトランジスタTr1のベースに接続され、npnバイポーラトランジスタTr2のエミッタがIGBTのエミッタ電極EEに接続されている。そして、寄生的に形成されるnpnバイポーラトランジスタTr2のベースがIGBTのエミッタ電極EEに接続されている。 Next, the connection relationship between the pnp bipolar transistor Tr1, the npn bipolar transistor Tr2, and the field effect transistor Tr3 will be described. A pnp bipolar transistor Tr1 is connected between the collector electrode CLE of the IGBT and the emitter electrode EE of the IGBT. The base of the pnp bipolar transistor Tr1 is connected to the drain region (n type base layer NB) of the field effect transistor Tr3, and the source region (n + type emitter layer NE) of the field effect transistor Tr3 is connected to the emitter electrode EE of the IGBT. It is connected. At this time, the collector of the npn bipolar transistor Tr2 formed parasitically is connected to the base of the pnp bipolar transistor Tr1, and the emitter of the npn bipolar transistor Tr2 is connected to the emitter electrode EE of the IGBT. The base of the npn bipolar transistor Tr2 formed in a parasitic manner is connected to the emitter electrode EE of the IGBT.

セル領域に形成されているIGBTは上記のように構成されており、以下に、その動作について図5を参照しながら説明する。まず、回路動作を説明し、その後、デバイス構造での動作を説明する。   The IGBT formed in the cell region is configured as described above, and the operation thereof will be described below with reference to FIG. First, the circuit operation will be described, and then the operation in the device structure will be described.

IGBTのコレクタ電極CLEに高電位を印加し、IGBTのエミッタ電極EEに低電位を印加した状態で、ゲート配線GLを介して電界効果トランジスタTr3のゲート電極Gにしきい値以上のゲート電圧を印加する。すると、電界効果トランジスタTr3がオンして、pnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流が流れる。この結果、pnpバイポーラトランジスタTr1が接続されているIGBTのコレクタ電極CLEとIGBTのエミッタ電極EEの間に電流が流れる。このようにして、IGBTがオンする。続いて、電界効果トランジスタTr3のゲート電極Gにしきい値電圧以下の電圧を印加する。すると、電界効果トランジスタTr3がオフして、pnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流が流れなくなる。このため、ベース電流に基づいてIGBTのコレクタ電極CLEとIGBTのエミッタ電極EE間に流れている電流が流れなくなる。すなわち、pnpバイポーラトランジスタTr1がオフする結果、IGBTがオフする。このようにIGBTでは、電界効果トランジスタTr3のオン/オフを制御することによって、pnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流の通電および遮断を制御している。このpnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流の通電および遮断によって、結果的に、pnpバイポーラトランジスタTr1のコレクタ電流の通電および遮断が制御され、IGBTのオン/オフが制御されることになる。したがって、IGBTは、電界効果トランジスタTr3の高速スイッチング特性や電圧駆動特性と、pnpバイポーラトランジスタTr1の低オン電圧特性を兼ね備える半導体素子であることがわかる。なお、上述した回路動作は、IGBTが正常に動作することを前提として説明したものであり、寄生的に形成されているnpnバイポーラトランジスタTr2は動作しないものとして説明している。   With a high potential applied to the collector electrode CLE of the IGBT and a low potential applied to the emitter electrode EE of the IGBT, a gate voltage higher than the threshold is applied to the gate electrode G of the field effect transistor Tr3 via the gate wiring GL. . Then, the field effect transistor Tr3 is turned on, and the base current of the pnp bipolar transistor Tr1 flows. As a result, a current flows between the collector electrode CLE of the IGBT to which the pnp bipolar transistor Tr1 is connected and the emitter electrode EE of the IGBT. In this way, the IGBT is turned on. Subsequently, a voltage equal to or lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode G of the field effect transistor Tr3. Then, the field effect transistor Tr3 is turned off, and the base current of the pnp bipolar transistor Tr1 does not flow. For this reason, the current flowing between the collector electrode CLE of the IGBT and the emitter electrode EE of the IGBT does not flow based on the base current. That is, as a result of turning off the pnp bipolar transistor Tr1, the IGBT is turned off. In this way, in the IGBT, the ON / OFF of the field effect transistor Tr3 is controlled to control the energization and cutoff of the base current of the pnp bipolar transistor Tr1. By energizing and interrupting the base current of the pnp bipolar transistor Tr1, the energization and interruption of the collector current of the pnp bipolar transistor Tr1 is controlled, and the on / off of the IGBT is controlled. Therefore, it can be seen that the IGBT is a semiconductor element that combines the high-speed switching characteristics and voltage driving characteristics of the field effect transistor Tr3 with the low on-voltage characteristics of the pnp bipolar transistor Tr1. The circuit operation described above is described on the assumption that the IGBT operates normally, and the parasitic npn bipolar transistor Tr2 is described as not operating.

続いて、デバイス構造での動作について説明する。IGBTのコレクタ電極CLEに高電位を印加し、IGBTのエミッタ電極EEに低電位を印加する。この状態で、ゲート電極Gにしきい値以上の電圧を印加する。すると、トレンチTRの側面に接触しているp型チャネル形成層にn型半導体層からなる反転層(チャネル)が形成される。したがって、n型エミッタ層NEとn型ホールバリア層NHBは反転層で電気的に接続されることとなり、n型エミッタ層NEから反転層およびn型ホールバリア層NHBを介してn型ベース層NBに電子eが流れる。一方、n型ベース層NB(n型フィールドストップ層NF)とp型コレクタ層PCLの間が順バイアスされるので、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBに正孔hが注入される。このため、n型ベース層NBには正孔hが蓄積される。この蓄積された正孔hによる正電荷によって電子eが引き寄せられる結果、n型ベース層NBに多量の電子eが流入する。これにより、n型ベース層NBの抵抗が低下する。この現象がいわゆる伝導度変調であり、この伝導度変調によりIGBTのオン電圧が低くなる。そして、n型ベース層NBに流入した正孔hは、n型ホールバリア層NHB、p型ラッチアップ防止層PLおよびp型コンタクト層PCを介してエミッタ電極EEに流出する。このようにして、コレクタ電極CLEからエミッタ電極EEに電流が流れることによりIGBTがターンオンする。このとき、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBに注入された正孔hは、n型ベース層NBに存在する電子と再結合することが考えられる。しかし、シリコンを主体とする半導体材料では、化合物半導体を主体とする半導体材料に比べて、電子と正孔の再結合が起こりにくい性質がある。したがって、n型ベース層NBに注入された正孔hの大部分は、n型ベース層NBにある電子eと再結合せず蓄積される。その結果、n型ベース層NBに正孔hが蓄積され、この蓄積された正孔hに引き寄せられるように、n型エミッタ層NEから流入した電子eがn型ベース層NBに蓄積されて伝導度変調が生じるのである。以上のことから、IGBTでは伝導度変調によりオン電圧が低くなる特徴がある。 Subsequently, the operation in the device structure will be described. A high potential is applied to the collector electrode CLE of the IGBT, and a low potential is applied to the emitter electrode EE of the IGBT. In this state, a voltage higher than the threshold is applied to the gate electrode G. Then, an inversion layer (channel) made of an n-type semiconductor layer is formed in the p-type channel formation layer in contact with the side surface of the trench TR. Therefore, the n + -type emitter layer NE and the n-type hole barrier layer NHB are electrically connected by the inversion layer, and the n + -type emitter layer NE is connected to the n -type via the inversion layer and the n-type hole barrier layer NHB. Electrons e flow through the base layer NB. On the other hand, since a forward bias is applied between the n type base layer NB (n + type field stop layer NF) and the p + type collector layer PCL, holes h are transferred from the p + type collector layer PCL to the n type base layer NB. Is injected. For this reason, holes h are accumulated in the n -type base layer NB. As a result of the electrons e being attracted by the positive charges due to the accumulated holes h, a large amount of electrons e flows into the n -type base layer NB. As a result, the resistance of the n type base layer NB decreases. This phenomenon is so-called conductivity modulation, and the on-voltage of the IGBT is lowered by this conductivity modulation. Then, the holes h flowing into the n type base layer NB flow out to the emitter electrode EE through the n type hole barrier layer NHB, the p type latch-up prevention layer PL, and the p + type contact layer PC. Thus, the IGBT is turned on when a current flows from the collector electrode CLE to the emitter electrode EE. At this time, it is considered that the holes h injected from the p + type collector layer PCL into the n type base layer NB recombine with electrons existing in the n type base layer NB. However, a semiconductor material mainly composed of silicon has a property that recombination of electrons and holes is less likely to occur than a semiconductor material mainly composed of a compound semiconductor. Thus, n - most of the holes h injected into the mold base layer NB is, n - are accumulated without recombining with electrons e in type base layer NB. As a result, holes h are accumulated in the n -type base layer NB, and electrons e flowing from the n + -type emitter layer NE are accumulated in the n -type base layer NB so as to be attracted to the accumulated holes h. As a result, conductivity modulation occurs. From the above, the IGBT has a feature that the on-voltage is lowered by conductivity modulation.

次に、IGBTをターンオフする動作について説明する。すなわち、ゲート電極Gにしきい値以下の電圧を印加する。これにより、トレンチTRの側面に形成されている反転層が消滅して、n型エミッタ層NEとn型ホールバリア層NHB(n型ベース層NB)が電気的に切断される。すなわち、n型エミッタ層NEからn型ベース層NBへの電子eの供給が停止される。これにより、IGBTはオフすると考えられるが、実際には、ゲート電極Gにしきい値以下の電圧を印加して反転層を消滅させても、IGBTは直ちにターンオフするわけではない。つまり、IGBTでは、ゲート電極Gにオフ電圧を印加した直後でも完全に電流が遮断されるのではなく、IGBTが完全にターンオフするまで一定の時間がかかる。このことを本明細書ではターンオフ損失と呼んでいる。以下に、このターンオフ損失が生じる原因について説明する。 Next, an operation for turning off the IGBT will be described. That is, a voltage lower than the threshold value is applied to the gate electrode G. As a result, the inversion layer formed on the side surface of the trench TR disappears, and the n + -type emitter layer NE and the n-type hole barrier layer NHB (n -type base layer NB) are electrically disconnected. That is, the supply of electrons e from the n + type emitter layer NE to the n type base layer NB is stopped. As a result, the IGBT is considered to be turned off, but actually, even if a voltage equal to or lower than the threshold value is applied to the gate electrode G to extinguish the inversion layer, the IGBT does not immediately turn off. That is, in the IGBT, even after the off voltage is applied to the gate electrode G, the current is not completely cut off, but it takes a certain time until the IGBT is completely turned off. This is referred to herein as turn-off loss. The cause of this turn-off loss will be described below.

IGBTがオンしているときはオン電圧が低くなっているが、IGBTがオフすると、コレクタ電極CLEとエミッタ電極EEの間に電源電圧に相当する電位が印加されることになる。このため、p型チャネル形成層PCH(p型ラッチアップ防止層PL)とn型ベース層NB(n型ホールバリア層NHB)との間のpn接合に印加される逆バイアスも電源電位程度に大きくなり、pn接合の境界からn型ベース層NBの内部に向って空乏層が延びる。IGBTをターンオフしたとき、n型ベース層NBの内部には、正孔hが蓄積されている。この蓄積されている正孔hのうち、n型ベース層NBの内部に向って延びている空乏層内に入るものは、空乏層内の電界によってすぐにn型ベース層NBから外部に掃き出される。一方、蓄積されている正孔hのうち、n型ベース層NBの内部に向って延びている空乏層内に入らないものは、n型ベース層NBの外部に流出しにくく徐々にテイル電流として流出する。したがって、ゲート電極Gをしきい値以下の電圧にしてもIGBTが直ぐにターンオフするのではなく、n型ベース層NBに蓄積された正孔hがIGBTの外部に流出する時間だけ遅れることになる。これがIGBTにおけるターンオフ損失のメカニズムであり、n型ベース層NBに蓄積された正孔hがIGBTの外部に掃き出される時間がターンオフ損失となるのである。 The on-voltage is low when the IGBT is on, but when the IGBT is off, a potential corresponding to the power supply voltage is applied between the collector electrode CLE and the emitter electrode EE. Therefore, the reverse bias applied to the pn junction between the p-type channel formation layer PCH (p-type latch-up prevention layer PL) and the n -type base layer NB (n-type hole barrier layer NHB) is also about the power supply potential. The depletion layer extends from the boundary of the pn junction toward the inside of the n -type base layer NB. When the IGBT is turned off, holes h are accumulated in the n -type base layer NB. Of the holes h which are the accumulation, n - intended to be within the depletion layer extending toward the inside of the mold base layer NB as soon by the electric field in the depletion layer n - -type base layer NB outside Swept out. On the other hand, among the holes h are accumulated, n - -type base layer NB which do not fall within the depletion layer extending toward the inside of, n - gradually difficult to flow out of the mold base layer NB tail It flows out as current. Therefore, even if the gate electrode G is set to a voltage equal to or lower than the threshold value, the IGBT does not turn off immediately, but is delayed by the time for the holes h accumulated in the n -type base layer NB to flow out of the IGBT. . This is the mechanism of the turn-off loss in the IGBT, and the time during which the holes h accumulated in the n -type base layer NB are swept out of the IGBT becomes the turn-off loss.

以上のようにIGBTでは、オン動作時のオン電圧が低くなるという特徴を有するとともに、ターンオフ時にターンオフ損失と呼ばれる現象が生じることがわかる。IGBTにおいて、オン動作時のオン電圧を低くする観点からは、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBに注入される正孔hの量を多くすることが望ましい。なぜなら、n型ベース層NBに注入される正孔hが多ければ、n型ベース層NBに蓄積される正孔hの量が多くなりn型ベース層NBでの伝導度変調が高まるからである。一方、IGBTのターンオフ時におけるターンオフ損失を低減する観点からは、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBに注入される正孔hの量を制限することが望ましい。なぜなら、n型ベース層NBに注入される正孔hが多ければ、n型ベース層NBに蓄積される正孔hの量が多くなり、n型ベース層NBに蓄積された正孔hをIGBTの外部に流出させる時間が長くなるからである。したがって、IGBTのオン電圧を低減することと、IGBTのターンオフ損失を低減することは、n型ベース層NBに蓄積される正孔hの量の観点で考えるとトレードオフの関係にあることがわかる。このトレードオフの関係にあるオン電圧の低減とターンオフ損失の低減を如何に調和させることができるかがIGBTの高性能化の鍵となる。 As described above, the IGBT has a feature that the on-voltage during the on-operation is lowered, and it is understood that a phenomenon called turn-off loss occurs at the time of turn-off. In the IGBT, it is desirable to increase the amount of holes h injected from the p + type collector layer PCL into the n type base layer NB from the viewpoint of lowering the on voltage during the on operation. This is because, n - the more holes h are injected into the mold base layer NB, n - amount of holes h accumulate in the mold base layer NB is increased n - increased conductivity modulation in type base layer NB Because. On the other hand, from the viewpoint of reducing the turn-off loss when the IGBT is turned off, it is desirable to limit the amount of holes h injected from the p + -type collector layer PCL into the n -type base layer NB. This is because, n - -type if the base layer holes h injected into the NB is greater, n - -type amount of holes h are accumulated in the base layer NB is increased, n - holes stored in type base layer NB This is because it takes a long time for h to flow out of the IGBT. Therefore, reducing the on-voltage of the IGBT and reducing the turn-off loss of the IGBT may be in a trade-off relationship in terms of the amount of holes h accumulated in the n -type base layer NB. Recognize. The key to the high performance of the IGBT is how to balance the reduction of the on-voltage and the reduction of the turn-off loss in the trade-off relationship.

ここで、IGBTのターンオフ損失を低減するには、上述したIGBTのターンオフ時の動作で説明したように、n型ベース層NBに延びる空乏層の幅を大きくすればよいと考えられる。つまり、n型ベース層NBに蓄積された正孔hは空乏層内に入れば空乏層内の電界により加速されてp型チャネル形成層PCHに掃き出されるからである。したがって、IGBTのオフ時動作に、n型ベース層NBの全体が空乏化するように設定すれば、IGBTのターンオフ損失を低減できると考えられる。このようにn型ベース層NBの全体が空乏化するIGBTをパンチスルー型IGBTという。このパンチスルー型IGBTでは、n型ベース層NBの全体を空乏化するように構成されるが、空乏層が延びすぎてn型ベース層NBの下層に形成されているp型コレクタ層PCLにまで空乏層が達すると、p型チャネル形成層PCHとp型コレクタ層PCLが空乏層でつながることになり、パンチスルーが生じてしまう。このため、n型ベース層NBとp型コレクタ層PCLの間にn型ベース層NBよりも不純物濃度の高いn型フィールドストップ層NFを設けている。このn型フィールドストップ層NFを設けることにより、n型ベース層NBから延びる空乏層がp型コレクタ層PCLに達することなくn型フィールドストップ層NFで止まることになる。つまり、n型フィールドストップ層NFは、n型ベース層NBから延びる空乏層がp型コレクタ層PCLに達することを防止する機能を有しているのである。以上のように、IGBTのターンオフ時に、n型ベース層NBの全体が空乏化するパンチスルー型IGBTとすれば、ターンオフ損失を低減できると考えられる。しかし、このパンチスルー型IGBTであっても、n型ベース層NBに蓄積される正孔量が多ければ、蓄積された正孔hをすべてIGBTの外部に掃き出すために時間がかかることになり、ターンオフ損失が大きくなってしまう。このことから、パンチスルー型IGBTであっても、n型ベース層NBに流入する正孔量を制限する必要があるのである。IGBTの高性能化には、トレードオフの関係にあるオン電圧の低減とターンオフ損失の低減とを両立させる必要があり、n型ベース層NBに注入する正孔の注入効率を最適化する必要があることがわかる。 Here, in order to reduce the turn-off loss of the IGBT, it is considered that the width of the depletion layer extending to the n -type base layer NB should be increased as described in the operation at the turn-off of the IGBT. That is, if the holes h accumulated in the n type base layer NB enter the depletion layer, they are accelerated by the electric field in the depletion layer and swept out to the p-type channel formation layer PCH. Therefore, it is considered that the turn-off loss of the IGBT can be reduced if the entire n -type base layer NB is set to be depleted during the off-time operation of the IGBT. An IGBT in which the entire n type base layer NB is depleted in this way is referred to as a punch-through type IGBT. In this punch-through IGBT, the entire n type base layer NB is configured to be depleted, but the p + type collector layer is formed below the n type base layer NB because the depletion layer extends too much. When the depletion layer reaches the PCL, the p-type channel formation layer PCH and the p + -type collector layer PCL are connected by the depletion layer, and punch-through occurs. Therefore, an n + type field stop layer NF having an impurity concentration higher than that of the n type base layer NB is provided between the n type base layer NB and the p + type collector layer PCL. By providing the n + type field stop layer NF, the depletion layer extending from the n type base layer NB stops at the n + type field stop layer NF without reaching the p + type collector layer PCL. That is, the n + type field stop layer NF has a function of preventing the depletion layer extending from the n type base layer NB from reaching the p + type collector layer PCL. As described above, it is considered that the turn-off loss can be reduced by using a punch-through IGBT in which the entire n -type base layer NB is depleted when the IGBT is turned off. However, even with this punch-through type IGBT, if the amount of holes accumulated in the n type base layer NB is large, it takes time to sweep out all the accumulated holes h to the outside of the IGBT. , Turn-off loss will increase. For this reason, even in the punch-through type IGBT, it is necessary to limit the amount of holes flowing into the n type base layer NB. In order to improve the performance of the IGBT, it is necessary to achieve both a reduction in on-voltage and a reduction in turn-off loss that are in a trade-off relationship, and it is necessary to optimize the injection efficiency of holes injected into the n -type base layer NB I understand that there is.

以下では、n型ベース層NBに注入する正孔の注入効率を最適化する構成について説明する。まず、正孔の注入効率を定量化するにあたって、注入効率を以下に示す量で近似する。すなわち、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入効率を(Qp/Qn)に比例すると仮定するのである。このとき、Qpはp型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)を示しており、Qnはn型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)を示している。 Hereinafter, a configuration for optimizing the injection efficiency of holes injected into the n type base layer NB will be described. First, in quantifying the hole injection efficiency, the injection efficiency is approximated by the following amounts. That is, it is assumed that the efficiency of hole injection from the p + type collector layer PCL to the n type base layer NB is proportional to (Qp / Qn). At this time, Qp represents the amount of carriers (hole amount) existing in the p + -type collector layer PCL, and Qn represents the amount of carriers (electron amount) present in the n + -type field stop layer NF. .

このとき、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)Qpが大きくなると、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入効率が高まる。一方、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)Qnが大きくなると、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入効率が低くなる。これは、n型フィールドストップ層NFがp型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入を制限する機能を有しているといえる。この正孔の注入を制限する機能は、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)が多いほど高まることが分かっている。n型フィールドストップ層NFは、n型ベース層NBから延びる空乏層がp型コレクタ層PCLに達することを防止する機能を有しているとともに、その他の別の機能として、p型コレクタ層PCLからの正孔の注入を制限する機能も有しているということがわかる。以上のことから、正孔の注入効率を(Qp/Qn)に比例するという近似が妥当であることがわかる。 At this time, the amount of carriers existing in the p + -type collector layer PCL (Seianaryou) Qp increases from the p + -type collector layer PCL n - -type base layer hole injection efficiency into the NB is increased. On the other hand, when the carrier amount (electron amount) Qn existing in the n + -type field stop layer NF increases, the efficiency of hole injection from the p + -type collector layer PCL to the n -type base layer NB decreases. This can be said that the n + type field stop layer NF has a function of limiting the injection of holes from the p + type collector layer PCL to the n type base layer NB. It has been found that this function of limiting hole injection increases as the amount of carriers (electron amount) present in the n + -type field stop layer NF increases. The n + -type field stop layer NF has a function of preventing a depletion layer extending from the n -type base layer NB from reaching the p + -type collector layer PCL, and, as another function, the p + -type It can be seen that it also has a function of limiting the injection of holes from the collector layer PCL. From the above, it can be seen that the approximation that the hole injection efficiency is proportional to (Qp / Qn) is appropriate.

次に、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)Qpと、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)Qnがどのように定量化されるかについて説明する。図6は、p型コレクタ層PCLとn型フィールドストップ層NFとn型ベース層NBにおけるキャリア濃度Nと半導体チップの裏面からの深さとの関係を示すグラフである。図6において、縦軸はキャリア濃度(個/cm)を示しており、横軸は深さ(μm)を示している。図6に示すように、半導体チップの裏面から深さaまでの領域にp型コレクタ層PCLが形成されており、深さaから深さbまでの領域にn型フィールドストップ層NFが形成されている。そして、深さbよりも深い領域にn型ベース層NBが形成されている。このとき、まず、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)Qpは、図6の式(1)で示されるように定量化される。式(1)は、p型コレクタ層PCLのキャリア濃度(正孔の濃度)Nを深さ0から深さaまで積分することを示しており、この積分値をp型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)Qp(個/cm)と定義している。これにより、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)Qp(個/cm)は、p型コレクタ層PCLの単位面積あたりの(キャリア量)正孔量を示していることがわかる。同様に、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)Qnは、図6の式(2)で示されるように定量化される。式(2)は、n型フィールドストップ層NFのキャリア濃度(電子の濃度)Nを深さaから深さbまで積分することを示しており、この積分値をn型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)Qn(個/cm)と定義している。これにより、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)Qn(個/cm)は、n型フィールドストップ層NFの単位面積あたりの(キャリア量)電子量を示していることがわかる。 Next, how the carrier amount (hole amount) Qp present in the p + -type collector layer PCL and the carrier amount (electron amount) Qn present in the n + -type field stop layer NF are quantified. Will be described. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the carrier concentration N in the p + -type collector layer PCL, the n + -type field stop layer NF, and the n -type base layer NB and the depth from the back surface of the semiconductor chip. In FIG. 6, the vertical axis represents the carrier concentration (pieces / cm 3 ), and the horizontal axis represents the depth (μm). As shown in FIG. 6, a p + type collector layer PCL is formed in a region from the back surface of the semiconductor chip to the depth a, and an n + type field stop layer NF is formed in a region from the depth a to the depth b. Is formed. An n type base layer NB is formed in a region deeper than the depth b. At this time, first, the amount of carriers (amount of holes) Qp existing in the p + -type collector layer PCL is quantified as shown by the equation (1) in FIG. Equation (1) is, p + -type carrier concentration of the collector layer PCL shows that integrating the (hole concentration) N depth 0 to a depth a, the integrated value p + -type collector layer PCL Is defined as the amount of carriers (amount of holes) Qp (number / cm 2 ). Thus, the amount of carriers existing in the p + -type collector layer PCL (Seianaryou) Qp (pieces / cm 2) is shown (the amount carrier) holes per unit area of the p + -type collector layer PCL I understand that. Similarly, the carrier amount (electron amount) Qn existing in the n + -type field stop layer NF is quantified as shown by the equation (2) in FIG. Equation (2) shows that integrating the n + carrier concentration (concentration of the electron) type field stop layer NF N depth from a depth b, and the integrated value n + -type field stop layer NF It is defined as the amount of carriers (amount of electrons) Qn (pieces / cm 2 ) existing in the inside. Thus, the amount of carriers existing in the n + -type field stop layer NF (electron amount) Qn (pieces / cm 2) is, n + -type field stop layer NF per unit area (the carrier amount) shows an electron amount I understand that.

続いて、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)とIGBTのオン電圧との関係について説明する。図7は、(Qp/Qn)とIGBTのオン電圧との関係を示すグラフである。図7において、縦軸はIGBTのオン電圧(V)を示しており、横軸は正孔の注入効率を表す(Qp/Qn)を示している。図7に示すように、(Qp/Qn)が大きくなるにつれて、IGBTのオン電圧が低くなっていることがわかる。したがって、オン電圧を低減する観点からは、(Qp/Qn)を大きくすることが望ましいことがわかる。(Qp/Qn)を大きくするということは、Qpの値を大きくすることを意味しており、正孔の注入効率が大きくなることに対応している。正孔の注入効率が大きくなるということは、n型ベース層に蓄積される正孔量が大きくなり、伝導度変調の効果が高まってn型ベース層の抵抗が下がることを意味している。このため、(Qp/Qn)を大きくすると、IGBTのオン電圧が低下することがわかる。 Next, the relationship between (Qp / Qn) indicating the hole injection efficiency and the on-voltage of the IGBT will be described. FIG. 7 is a graph showing the relationship between (Qp / Qn) and the on-voltage of the IGBT. In FIG. 7, the vertical axis represents the on-voltage (V) of the IGBT, and the horizontal axis represents the hole injection efficiency (Qp / Qn). As shown in FIG. 7, it can be seen that the on-voltage of the IGBT decreases as (Qp / Qn) increases. Therefore, it can be seen that it is desirable to increase (Qp / Qn) from the viewpoint of reducing the on-voltage. Increasing (Qp / Qn) means increasing the value of Qp, which corresponds to an increase in hole injection efficiency. The increase in the hole injection efficiency means that the amount of holes accumulated in the n type base layer increases, the conductivity modulation effect increases, and the resistance of the n type base layer decreases. Yes. For this reason, it can be seen that increasing (Qp / Qn) decreases the on-voltage of the IGBT.

次に、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)とIGBTのターンオフ下降時間(ターンオフ損失)との関係について説明する。図8は、(Qp/Qn)とIGBTのターンオフ下降時間との関係を示すグラフである。図8において、縦軸はIGBTのターンオフ下降時間(ns)を示しており、横軸は正孔の注入効率を表す(Qp/Qn)を示している。図8に示すように、(Qp/Qn)が大きくなると、ターンオフ下降時間も上昇することがわかる。(Qp/Qn)が大きくなることは、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入効率が大きくなることを意味し、この結果、n型ベース層NBに蓄積されている正孔量が大きくなるので、n型ベース層NBに蓄積されている正孔をIGBTの外部に掃き出すのに必要な時間(ターンオフ下降時間)が長くなることを示している。そして、(Qp/Qn)が小さくなると、ターンオフ下降時間も短くなる傾向が示されている。これは、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入効率が小さくなる結果、n型ベース層NBに蓄積されている正孔量が小さくなり、正孔をIGBTの外部に掃き出す時間が短くなることによるものと推察される。さらに、(Qp/Qn)を小さくすると、逆に、ターンオフ下降時間が急上昇することがわかる。この現象は、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入効率が小さくなることから、n型ベース層NBに蓄積されている正孔量が小さくなり、正孔をIGBTの外部に掃き出す時間が短くなるとの推察に反する結果である。この現象を説明するメカニズムとしては以下に示すものが考えられる。すなわち、(Qp/Qn)が小さくなるということは、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)Qnが大きくなることを意味している。IGBTがオンしているときには、p型コレクタ層PCLとn型フィールドストップ層NFとの間に順バイアスが印加されているので、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBに正孔が流入すると同時に、n型フィールドストップ層NFからp型コレクタ層PCLに電子が流入すると考えられる。いまの場合、n型フィールドストップ層NFのキャリア量(電子量)が大きいので、n型フィールドストップ層NFからp型コレクタ層PCLに流入するキャリア量(電子量)も大きいと考えられる。この状態で、IGBTがターンオフすると、p型コレクタ層PCLに流入している電子がIGBTの外部に掃き出されるが、p型コレクタ層PCLに流入している電子量が大きいため、この電子をIGBTの外部に掃き出す時間が長くなりIGBTのターンオフ下降時間が長くなると考えることができる。つまり、(Qp/Qn)が非常に小さい領域では、n型ベース層NBに蓄積されている正孔の掃き出し時間よりも、p型コレクタ層PCLに流入している電子の掃き出し時間が顕在化してくるものと推察されるのである。このようにして図8に示すグラフの特徴を説明することができる。 Next, the relationship between (Qp / Qn) indicating the hole injection efficiency and the IGBT turn-off fall time (turn-off loss) will be described. FIG. 8 is a graph showing the relationship between (Qp / Qn) and the turn-off falling time of the IGBT. In FIG. 8, the vertical axis represents the IGBT turn-off fall time (ns), and the horizontal axis represents the hole injection efficiency (Qp / Qn). As shown in FIG. 8, it can be seen that as (Qp / Qn) increases, the turn-off fall time also increases. An increase in (Qp / Qn) means an increase in the efficiency of hole injection from the p + type collector layer PCL to the n type base layer NB, and as a result, accumulation in the n type base layer NB. This shows that the amount of holes that are generated increases, so that the time (turn-off falling time) required to sweep out the holes accumulated in the n -type base layer NB to the outside of the IGBT becomes longer. Then, as (Qp / Qn) becomes smaller, the turn-off falling time tends to become shorter. This is because the hole injection efficiency from the p + -type collector layer PCL to the n -type base layer NB is reduced, and as a result, the amount of holes accumulated in the n -type base layer NB is reduced and the holes are removed from the IGBT. This is presumably due to the shortening of the time for sweeping outside. Further, it can be seen that when (Qp / Qn) is decreased, the turn-off fall time increases rapidly. This phenomenon is because the hole injection efficiency from the p + -type collector layer PCL to the n -type base layer NB decreases, so the amount of holes accumulated in the n -type base layer NB decreases, and the holes This is a result contrary to the assumption that the time for sweeping out to the outside of the IGBT is shortened. The following mechanisms can be considered to explain this phenomenon. That is, that (Qp / Qn) becomes smaller means that the amount of carriers (electron amount) Qn existing in the n + -type field stop layer NF becomes larger. When the IGBT is on, a forward bias is applied between the p + -type collector layer PCL and the n + -type field stop layer NF, so that a positive bias is applied from the p + -type collector layer PCL to the n -type base layer NB. It is considered that electrons flow from the n + type field stop layer NF to the p + type collector layer PCL at the same time as the holes flow. In the present case, the carrier of the n + -type field stop layer NF (electron amount) is large, the amount of carriers flowing from the n + -type field stop layer NF to the p + -type collector layer PCL (electron amount) is also considered to be greater . In this state, when the IGBT is turned off, electrons flowing into the p + type collector layer PCL are swept out of the IGBT, but since the amount of electrons flowing into the p + type collector layer PCL is large, It can be considered that the time for sweeping out the outside of the IGBT becomes longer and the turn-off fall time of the IGBT becomes longer. That is, in the region where (Qp / Qn) is very small, the sweep time of electrons flowing into the p + -type collector layer PCL is more apparent than the sweep time of holes accumulated in the n -type base layer NB. It is presumed that it will be transformed. In this way, the characteristics of the graph shown in FIG. 8 can be described.

図7に示す(Qp/Qn)とオン電圧の関係と図8に示す(Qp/Qn)とターンオフ下降時間(ターンオフ損失)との関係から、オン電圧を低減し、かつ、ターンオフ下降時間を短くできる最適な(Qp/Qn)の値が存在することを本発明者らは見出した。以下に(Qp/Qn)の範囲の求め方を説明する。図8に示す関係から、ターンオフ下降時間を短くするためには(Qp/Qn)の値を5〜8程度にすることが望ましいことが分かる。一方、図7からは(Qp/Qn)が大きいほどオン電圧が小さいことが分かる。これらの関係から、ターンオフ下降時間を短くし、かつオン電圧を低減するためには、(Qp/Qn)の値を8程度に設定すればよいことを本発明者らは見出した。ただし、(Qp/Qn)の値を8程度に設定するようにしても実際には以下に示す理由からばらつきが生じるので、実際には(Qp/Qn)の値に幅をもたせる必要がある。本実施の形態1では、その範囲を4≦(Qp/Qn)≦16とした。(Qp/Qn)がこの範囲にあれば、充分にオン電圧を低減し、かつ、ターンオフ下降時間を短くできる。   From the relationship between (Qp / Qn) and on-voltage shown in FIG. 7 and (Qp / Qn) and turn-off fall time (turn-off loss) shown in FIG. 8, the on-voltage is reduced and the turn-off fall time is shortened. The inventors have found that there is an optimal (Qp / Qn) value that can be achieved. The method for obtaining the range of (Qp / Qn) will be described below. From the relationship shown in FIG. 8, it can be seen that the value of (Qp / Qn) is desirably about 5 to 8 in order to shorten the turn-off fall time. On the other hand, FIG. 7 shows that the on-voltage is smaller as (Qp / Qn) is larger. From these relationships, the present inventors have found that the value of (Qp / Qn) may be set to about 8 in order to shorten the turn-off fall time and reduce the on-voltage. However, even if the value of (Qp / Qn) is set to about 8, in actuality, variation occurs for the following reason. Therefore, it is actually necessary to give a width to the value of (Qp / Qn). In the first embodiment, the range is 4 ≦ (Qp / Qn) ≦ 16. If (Qp / Qn) is within this range, the on-voltage can be sufficiently reduced and the turn-off fall time can be shortened.

以下に、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)の範囲を4以上16以下のように幅をもたせている理由について説明する。Qpは、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)であり、Qnはn型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)である。このとき、p型コレクタ層PCLやn型フィールドストップ層NFは、半導体基板にイオン注入法を用いて不純物を導入した後、活性化アニールを施すことにより形成される。例えば、n型フィールドストップ層NFを形成するには、半導体基板にリンなどのn型不純物を導入し、その後、レーザアニールでn型不純物を活性化することにより形成される。ここで、活性化したn型不純物が多くなれば、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア(電子)量も多くなる。言い換えれば、n型不純物を多く導入してもn型不純物の活性化量が少なければ、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア(電子)量は少なくなる。 Hereinafter, the reason why the range of (Qp / Qn) indicating the hole injection efficiency is set to 4 or more and 16 or less will be described. Qp is the amount of carriers (amount of holes) present in the p + type collector layer PCL, and Qn is the amount of carriers (amount of electrons) present in the n + type field stop layer NF. At this time, the p + -type collector layer PCL and the n + -type field stop layer NF are formed by introducing an impurity into the semiconductor substrate using an ion implantation method and then performing activation annealing. For example, the n + -type field stop layer NF is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus into the semiconductor substrate and then activating the n-type impurity by laser annealing. Here, when the activated n-type impurity increases, the amount of carriers (electrons) existing in the n + -type field stop layer NF also increases. In other words, even if a large amount of n-type impurity is introduced, the amount of carriers (electrons) existing in the n + -type field stop layer NF decreases if the activation amount of the n-type impurity is small.

図9は、n型フィールドストップ層NFを形成する場合におけるリンドーズ量とキャリア量Qnとの関係を示すグラフである。図9において、縦軸がキャリア量(個/cm)を示しており、横軸がリンドーズ量(個/cm)を示している。図9に示すように、リンドーズ量が多くなればなるほどキャリア量Qnも大きくなっていることがわかる。図9中には複数種類のプロット(例えば、三角印、丸印、×印)が存在するが、これらはレーザアニール条件を変えていることに対応している。図9からわかることは、レーザアニール条件を変えても、リンの活性化率はばらつきが少ないことである。つまり、n型フィールドストップ層NFを形成する場合、キャリア量Qnは、ほぼリンドーズ量が決定されれば、レーザアニール条件によらないと考えることができる。したがって、所望のキャリア量Qnを得るには、リンドーズ量を正確に制御すれば実現できることになる。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the dose amount and the carrier amount Qn when forming the n + -type field stop layer NF. In FIG. 9, the vertical axis represents the carrier amount (pieces / cm 2 ), and the horizontal axis represents the Lindose amount (pieces / cm 2 ). As shown in FIG. 9, it can be seen that the carrier amount Qn increases as the Lindose amount increases. In FIG. 9, there are a plurality of types of plots (for example, triangle mark, circle mark, and x mark), which correspond to changing the laser annealing conditions. As can be seen from FIG. 9, even when the laser annealing conditions are changed, the activation rate of phosphorus is small. That is, when the n + -type field stop layer NF is formed, it can be considered that the carrier amount Qn does not depend on the laser annealing conditions if the Lindose amount is almost determined. Therefore, the desired carrier amount Qn can be obtained by accurately controlling the Lindose amount.

一方、p型コレクタ層PCLを形成するには、半導体基板にボロン(ホウ素)などのp型不純物を導入し、その後、レーザアニールでp型不純物を活性化することにより形成される。ここで、活性化したp型不純物が多くなれば、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア(正孔)量も多くなる。言い換えれば、p型不純物を多く導入してもp型不純物の活性化量が少なければ、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア(正孔)量は少なくなる。 On the other hand, the p + -type collector layer PCL is formed by introducing a p-type impurity such as boron into the semiconductor substrate and then activating the p-type impurity by laser annealing. Here, as the number of activated p-type impurities increases, the amount of carriers (holes) present in the p + -type collector layer PCL also increases. In other words, even if a large amount of p-type impurity is introduced, the amount of carriers (holes) present in the p + -type collector layer PCL is small if the activation amount of the p-type impurity is small.

図10は、p型コレクタ層PCLを形成する場合におけるボロンドーズ量とキャリア量Qpとの関係を示すグラフである。図10において、縦軸がキャリア量(個/cm)を示しており、横軸がボロンドーズ量(個/cm)を示している。図10に示すように、ボロンドーズ量が多くなればなるほどキャリア量Qpも大きくなっていることがわかる。図10中には複数種類のプロット(例えば、三角印、丸印、×印)が存在するが、これらはレーザアニール条件を変えていることに対応している。図10からわかることは、レーザアニール条件を変えると、ボロンの活性化率がばらつくことである。つまり、p型コレクタ層PCLを形成する場合、キャリア量Qpは、ボロンドーズ量が決定されても、レーザアニール条件を変えるとばらつくと考えることができる。したがって、p型コレクタ層PCLを形成する場合、所望のキャリア量Qpを得ようとして、ボロンドーズ量を正確に制御しても、活性化アニールの条件によってばらつくことがわかる。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the boron dose and the carrier amount Qp when the p + -type collector layer PCL is formed. In FIG. 10, the vertical axis represents the carrier amount (pieces / cm 2 ), and the horizontal axis represents the boron dose amount (pieces / cm 2 ). As shown in FIG. 10, it can be seen that the carrier amount Qp increases as the borondose amount increases. In FIG. 10, there are a plurality of types of plots (for example, triangle mark, circle mark, and x mark), which correspond to changing the laser annealing conditions. It can be seen from FIG. 10 that the activation rate of boron varies when the laser annealing conditions are changed. That is, when the p + -type collector layer PCL is formed, the carrier amount Qp can be considered to vary if the laser annealing conditions are changed even if the boron dose is determined. Therefore, it can be seen that when the p + -type collector layer PCL is formed, even if the boron dose is accurately controlled to obtain a desired carrier amount Qp, it varies depending on the activation annealing conditions.

以上より、(Qp/Qn)を所望の値に設定するように、QpとQnを制御する場合、Qnはドーズ量で正確に制御できる一方、Qpはドーズ量だけでは正確に制御することができず、ばらつきが大きくなる。したがって、図7および図8から(Qp/Qn)が8になるように設定することが、オン電圧の低減とターンオフ損失の低減を両立する観点から望ましいが、図10に示すように、Qpは同じボロンドーズ量であっても、キャリア量Qpが半分から倍程度ばらつくことを考慮すると、(Qp/Qn)の範囲を4以上16以下のように幅をもたせる必要があることがわかる。この場合、(Qp/Qn)の範囲を4以上16以下としても、充分にオン電圧の低減とターンオフ損失を低減することができ、IGBTの高性能化を実現できる。言い換えれば、トレードオフの関係にあるオン電圧の低減とターンオフ損失の低減を同時に改善するには、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)の範囲を4以上16以下に最適化することが必要であることがわかる。このように本実施の形態1における第1特徴点は、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)の範囲を4以上16以下にすることにある。この第1特徴点により、トレードオフの関係にあるIGBTのオン電圧の低減とターンオフ損失を改善できる結果、高性能なIGBTを実現することができるのである。   From the above, when Qp and Qn are controlled so that (Qp / Qn) is set to a desired value, Qn can be accurately controlled by the dose amount, while Qp can be accurately controlled only by the dose amount. However, the variation becomes large. Therefore, it is desirable to set (Qp / Qn) to 8 from FIG. 7 and FIG. 8 from the viewpoint of achieving both a reduction in on-voltage and a reduction in turn-off loss, but as shown in FIG. Considering that the carrier amount Qp varies from half to double even with the same borondose amount, it can be seen that the range of (Qp / Qn) needs to be widened to be 4 or more and 16 or less. In this case, even if the range of (Qp / Qn) is 4 or more and 16 or less, the ON voltage can be sufficiently reduced and the turn-off loss can be reduced, and the performance of the IGBT can be improved. In other words, in order to improve simultaneously the reduction of the on-voltage and the reduction of the turn-off loss that are in a trade-off relationship, the range of (Qp / Qn) indicating the hole injection efficiency should be optimized to 4 or more and 16 or less. It turns out that it is necessary. As described above, the first feature point in the first embodiment is that the range of (Qp / Qn) indicating the hole injection efficiency is set to 4 or more and 16 or less. With this first feature point, it is possible to realize a high-performance IGBT as a result of reducing the turn-on loss and reducing the on-voltage of the IGBT in a trade-off relationship.

以上の理由から、本実施の形態1では、(Qp/Qn)の範囲を4以上16以下としている。具体的に、(Qp/Qn)の値の範囲を4以上16以下とする場合、例えば、p型コレクタ層PCLのキャリア量Qpは、4.0×1013〜8.0×1013(個/cm)であり、n型フィールドストップ層NFのキャリア領域Qnは、5×1012〜1.0×1013(個/cm)である。 For the above reasons, in the first embodiment, the range of (Qp / Qn) is 4 or more and 16 or less. Specifically, when the value range of (Qp / Qn) is 4 or more and 16 or less, for example, the carrier amount Qp of the p-type collector layer PCL is 4.0 × 10 13 to 8.0 × 10 13 (pieces). / Cm 2 ), and the carrier region Qn of the n-type field stop layer NF is 5 × 10 12 to 1.0 × 10 13 (pieces / cm 2 ).

本実施の形態1の第1特徴点は、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)の範囲を4以上16以下にすることにあるが、実際に(Qp/Qn)の値を測定する方法について説明する。まず、第1の測定方法は、SPRである。SPR(Spreading Resistance Profiling method)とは、広がり抵抗測定と呼ばれる測定方法である。この広がり抵抗測定法は、試料を斜めに研磨し、研磨面の探針(プローブ)を接触させ、その電気的に測定した抵抗からキャリア濃度を求める分析方法である。本実施の形態1では、広がり抵抗測定法によってp型コレクタ層PCLとn型フィールドストップ層NFの深さ方向のキャリア濃度分布を求めることができる。そして、求めたキャリア濃度分布を深さで積分することにより、p型コレクタ層PCLのキャリア量Qpとn型フィールドストップ層NFのキャリア量Qnとを求めることができる。最後に、p型コレクタ層PCLのキャリア量Qpとn型フィールドストップ層NFのキャリア量Qnとの比をとることにより、正孔の注入効率を求めることができる。 The first characteristic point of the first embodiment is that the range of (Qp / Qn) indicating the hole injection efficiency is set to 4 or more and 16 or less, but the value of (Qp / Qn) is actually measured. A method will be described. First, the first measurement method is SPR. SPR (Spreading Resistance Profiling method) is a measurement method called spread resistance measurement. This spreading resistance measurement method is an analysis method in which a sample is polished obliquely, a probe (probe) on the polished surface is brought into contact, and the carrier concentration is obtained from the electrically measured resistance. In the first embodiment, the carrier concentration distribution in the depth direction of the p + -type collector layer PCL and the n + -type field stop layer NF can be obtained by the spreading resistance measurement method. Then, the carrier amount Qp of the p + -type collector layer PCL and the carrier amount Qn of the n + -type field stop layer NF can be obtained by integrating the obtained carrier concentration distribution with the depth. Finally, the hole injection efficiency can be obtained by taking the ratio of the carrier amount Qp of the p + -type collector layer PCL and the carrier amount Qn of the n + -type field stop layer NF.

続いて、第2の測定方法は、広がり抵抗顕微鏡を用いた測定方法である。広がり抵抗顕微鏡による測定方法は、SSRM(Scanning Spread Resistance Microscope)と呼ばれる。図11は、広がり抵抗顕微鏡による測定原理を説明する図である。図11に示すように、試料Sに電源Eによりバイアス電圧を印加し、カンチレバーKLに形成されている導電性探針Pを試料Sに接触させる。そして、導電性探針Pを通して流れる電流をワイドレンジ対数アンプAMPによって計測することにより抵抗分布を得ることができる。そして、この抵抗分布からキャリア濃度を求める分析方法である。   Subsequently, the second measurement method is a measurement method using a spreading resistance microscope. A measuring method using a spreading resistance microscope is called SSRM (Scanning Spread Resistance Microscope). FIG. 11 is a diagram for explaining the measurement principle using a spreading resistance microscope. As shown in FIG. 11, a bias voltage is applied to the sample S by the power source E, and the conductive probe P formed on the cantilever KL is brought into contact with the sample S. The resistance distribution can be obtained by measuring the current flowing through the conductive probe P by the wide range logarithmic amplifier AMP. And it is the analysis method which calculates | requires carrier concentration from this resistance distribution.

広がり抵抗顕微鏡を用いた測定方法によれば、印加電圧が導電性探針Pの直下に集中するため、探針直下での不純物濃度が支配的な電流(広がり抵抗)を検出することができる。そして、計測範囲が10pA〜0.1mAのワイドレンジ対数アンプAMPを使用しているので、幅広いキャリア濃度を測定することができる。さらに、導電性探針Pの接触抵抗を減らすため、バネ定数の大きなカンチレバーKLで高い荷重をかけて測定するので、キャリア濃度に依存した抵抗値を測定することができる利点がある。   According to the measuring method using the spreading resistance microscope, the applied voltage is concentrated immediately below the conductive probe P, and therefore a current (spreading resistance) in which the impurity concentration just below the probe is dominant can be detected. Since a wide range logarithmic amplifier AMP having a measurement range of 10 pA to 0.1 mA is used, a wide carrier concentration can be measured. Furthermore, in order to reduce the contact resistance of the conductive probe P, measurement is performed with a high load with the cantilever KL having a large spring constant, so that there is an advantage that a resistance value depending on the carrier concentration can be measured.

次に、本実施の形態1における第2特徴点について説明する。本実施の形態1における第1特徴点は、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)をQpと、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)をQnとした場合、正孔の注入効率を(Qp/Qn)と仮定し、この(Qp/Qn)の値を4以上16以下にすることに特徴がある。このように正孔の注入効率を調整することで、トレードオフの関係にあるオン電圧の低減とターンオフ損失の低減をバランスよく改善することができる。 Next, the second feature point in the first embodiment will be described. The first feature point in the first embodiment is that the carrier amount (hole amount) existing in the p + -type collector layer PCL is Qp and the carrier amount (electron amount) present in the n + -type field stop layer NF. Is assumed that the hole injection efficiency is (Qp / Qn), and the value of (Qp / Qn) is 4 or more and 16 or less. By adjusting the hole injection efficiency in this way, it is possible to improve the balance between the reduction of the on-voltage and the reduction of the turn-off loss that are in a trade-off relationship.

ただし、オン電圧の低減だけの観点から考えると、図7に示すように、正孔の注入効率である(Qp/Qn)を大きくすればするほどオン電圧の低減を図ることができる。このメカニズムは、p型コレクタ層PCLからn型ベース層NBへの正孔の注入効率を大きくすれば、n型ベース層NBに蓄積される正孔の量が増加し、この正孔の正電荷に引き寄せられるように電子がn型ベース層NBに集まる伝導度変調により、オン電圧が低減するというものである。したがって、オン電圧を低減するためのポイントは、n型ベース層NBに蓄積される正孔の量を増やせばよいのである。このため、正孔の注入効率を高める他にも、n型ベース層NBからの正孔の流出を抑制することで、オン電圧の低減を実現することができると考えられる。 However, considering only the reduction of the on-voltage, as shown in FIG. 7, the on-voltage can be reduced as the hole injection efficiency (Qp / Qn) is increased. In this mechanism, if the efficiency of hole injection from the p + -type collector layer PCL to the n -type base layer NB is increased, the amount of holes accumulated in the n -type base layer NB increases. The on-voltage is reduced by conductivity modulation in which electrons gather in the n -type base layer NB so as to be attracted to the positive charge. Therefore, the point for reducing the on-voltage is to increase the amount of holes accumulated in the n -type base layer NB. For this reason, in addition to increasing the hole injection efficiency, it is considered that the ON voltage can be reduced by suppressing the outflow of holes from the n -type base layer NB.

そこで、本実施の形態1の第2特徴点は、n型ベース層NBからの正孔の流出を抑制することに着目して実現されるものである。具体的に本実施の形態1における第2特徴点は、図4および図5に示すように、n型ベース層NBとp型チャネル形成層PCHの間にn型半導体層からなるn型ホールバリア層NHBを設けることにある。このn型ホールバリア層NHBは、n型ベース層NBよりもn型不純物の不純物濃度が高い領域として形成されている。したがって、n型ベース層NBに蓄積された正孔がp型チャネル形成層PCHへ流出することを抑制できるのである。この結果、n型ベース層NBには、正孔が多く蓄積されることになり、IGBTのオン動作時における伝導度変調を高めることができる。このことから、n型ベース層NBとp型チャネル形成層PCHの間に、n型ベース層NBよりも不純物濃度の高いn型ホールバリア層NHBを設けるという本実施の形態1の第2特徴点により、IGBTのオン電圧をさらに低減することができる。 Therefore, the second feature point of the first embodiment is realized by paying attention to suppressing the outflow of holes from the n type base layer NB. Specifically, the second feature of the first embodiment is that, as shown in FIGS. 4 and 5, an n-type hole made of an n-type semiconductor layer is provided between the n -type base layer NB and the p-type channel formation layer PCH. The barrier layer NHB is provided. The n-type hole barrier layer NHB is formed as a region where the n-type impurity concentration is higher than that of the n -type base layer NB. Accordingly, it is possible to suppress the holes accumulated in the n type base layer NB from flowing out to the p type channel formation layer PCH. As a result, many holes are accumulated in the n -type base layer NB, and the conductivity modulation during the ON operation of the IGBT can be enhanced. Therefore, the second embodiment of the first embodiment in which an n-type hole barrier layer NHB having a higher impurity concentration than the n -type base layer NB is provided between the n -type base layer NB and the p-type channel formation layer PCH. The on-voltage of the IGBT can be further reduced due to the feature point.

ここで、n型ベース層NBよりも不純物濃度の高いn型ホールバリア層NHBを設けることにより、n型ベース層NBに蓄積された正孔がp型チャネル形成層PCHへ流出することを抑制できることは、n型フィールドストップ層NFの機能から類推することができる。すなわち、n型フィールドストップ層NFのキャリア量Qnを大きくすると、p型コレクタ層PCLからの正孔の注入効率を制限できるということから、n型半導体領域の不純物濃度を高めると、正孔の通過を抑制できることがわかる。このため、n型ベース層NBとp型チャネル形成層PCHの間に、n型ベース層NBよりも不純物濃度の高いn型ホールバリア層NHBを設けると、n型ベース層NBからp型チャネル形成層PCHに流出する正孔の量を制限できると考えられるのである。すなわち、本実施の形態1の第2特徴点は、n型ベース層NBから流出する正孔の量を低減する観点からなされたものであり、n型ベース層NBよりもn型不純物の不純物濃度の高いn型ホールバリア層NHBを設ける点にある。 Here, n - by providing a high n-type hole barrier layer NHB impurity concentration than type base layer NB, n - holes stored in type base layer NB is the flow out to the p-type channel forming layer PCH What can be suppressed can be inferred from the function of the n + -type field stop layer NF. That is, if the carrier amount Qn of the n + -type field stop layer NF is increased, the efficiency of hole injection from the p + -type collector layer PCL can be limited. It can be seen that the passage of can be suppressed. Thus, n - between the mold base layer NB and p-type channel forming layer PCH, n - the type base layer NB providing high n-type hole barrier layer NHB impurity concentration than, n - p -type base layer NB It is considered that the amount of holes flowing out to the mold channel forming layer PCH can be limited. That is, the second aspect of the present embodiment 1, n - has been made in view of reducing the amount of holes flowing out of the mold base layer NB, n - -type base layer NB of n-type impurity than An n-type hole barrier layer NHB having a high impurity concentration is provided.

続いて、本実施の形態1の第3特徴点について説明する。上述したように、本実施の形態1の第2特徴点は、n型ベース層NBとp型チャネル形成層PCHの間に、n型ベース層NBよりも不純物濃度の高いn型ホールバリア層NHBを設ける点にあるが、このn型ホールバリア層NHBを設ける副作用としてIGBTでラッチアップ現象が生じやすくなることが挙げられる。 Next, the third feature point of the first embodiment will be described. As described above, the second feature of the first embodiment is that the n-type hole barrier having an impurity concentration higher than that of the n -type base layer NB is between the n -type base layer NB and the p-type channel formation layer PCH. The layer NHB is provided, but a side effect of providing the n-type hole barrier layer NHB is that a latch-up phenomenon is likely to occur in the IGBT.

まず、IGBTのラッチアップ現象について図5を参照しながら説明する。図5において、コレクタ電極CLEに高電位を印加し、IGBTのエミッタ電極EEに低電位を印加した状態で、ゲート配線GLを介して電界効果トランジスタTr3のゲート電極Gにしきい値以上のゲート電圧を印加する。すると、電界効果トランジスタTr3がオンして、pnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流が流れる。この結果、pnpバイポーラトランジスタTr1が接続されているIGBTのコレクタ電極CLEとIGBTのエミッタ電極EEの間に電流が流れる。このようにして、IGBTがオンする。   First, the latch-up phenomenon of the IGBT will be described with reference to FIG. In FIG. 5, with a high potential applied to the collector electrode CLE and a low potential applied to the emitter electrode EE of the IGBT, a gate voltage higher than the threshold value is applied to the gate electrode G of the field effect transistor Tr3 via the gate wiring GL. Apply. Then, the field effect transistor Tr3 is turned on, and the base current of the pnp bipolar transistor Tr1 flows. As a result, a current flows between the collector electrode CLE of the IGBT to which the pnp bipolar transistor Tr1 is connected and the emitter electrode EE of the IGBT. In this way, the IGBT is turned on.

このとき、IGBTのコレクタ電極CLEからIGBTのエミッタ電極EEに流れる電流は、コレクタ電極CLEからp型チャネル形成層PCHを通って、コンタクトホールC1に埋め込まれるように形成されているエミッタ電極EEへ流れる。したがって、IGBTのコレクタ電極CLEからIGBTのエミッタ電極EEに流れる電流は、p型チャネル形成層PCHの抵抗を通過することになる。このp型チャネル形成層PCHは、n型エミッタ層NE、p型チャネル形成層PCHおよびn型ベース層NB(n型ホールバリア層NHBを含む)から寄生的に形成されるnpnバイポーラトランジスタTr2のベースとして機能する。このため、p型チャネル形成層PCHの抵抗(npnバイポーラトランジスタTr2のベース抵抗)が大きくなると、この抵抗を流れる電流による電圧降下が大きくなり、npnバイポーラトランジスタTr2のベース(p型チャネル形成層PCH)−エミッタ(n型エミッタ層NE)間が順バイアスされてnpnバイポーラトランジスタTr2がオンする。すると、n型ベース層NB(n型ホールバリア層NHB)からp型チャネル形成層PCHを介してn型エミッタ層NEにnpnバイポーラトランジスタTr2のコレクタ電流が流れる。そして、npnバイポーラトランジスタTr2のコレクタ電流は、pnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流となることから、さらに、IGBTのコレクタ電極CLEからIGBTのエミッタ電極EEに流れる電流が大きくなる。 At this time, the current flowing from the collector electrode CLE of the IGBT to the emitter electrode EE of the IGBT flows from the collector electrode CLE through the p-type channel formation layer PCH to the emitter electrode EE formed so as to be embedded in the contact hole C1. . Therefore, the current that flows from the collector electrode CLE of the IGBT to the emitter electrode EE of the IGBT passes through the resistance of the p-type channel formation layer PCH. The p-type channel formation layer PCH is an npn bipolar transistor Tr2 formed parasitically from the n + -type emitter layer NE, the p-type channel formation layer PCH, and the n -type base layer NB (including the n-type hole barrier layer NHB). To serve as a base for Therefore, when the resistance of the p-type channel formation layer PCH (base resistance of the npn bipolar transistor Tr2) increases, the voltage drop due to the current flowing through this resistance increases, and the base of the npn bipolar transistor Tr2 (p-type channel formation layer PCH) The emitter (n + -type emitter layer NE) is forward-biased and the npn bipolar transistor Tr2 is turned on. Then, the collector current of the npn bipolar transistor Tr2 flows from the n type base layer NB (n type hole barrier layer NHB) to the n + type emitter layer NE through the p type channel formation layer PCH. Since the collector current of the npn bipolar transistor Tr2 becomes the base current of the pnp bipolar transistor Tr1, the current flowing from the collector electrode CLE of the IGBT to the emitter electrode EE of the IGBT is further increased.

そして、npnバイポーラトランジスタTr2のコレクタ電流は、pnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流となり、このpnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流は、電界効果トランジスタTr3をオフしても流れ続けることになる。すなわち、寄生的なnpnバイポーラトランジスタTr2がオンすることにより、電界効果トランジスタTr3では制御できない電流がpnpバイポーラトランジスタTr1のベース電流として流れることになる。その結果、電界効果トランジスタTr3をオフしても、IGBTのコレクタ電極CLEとIGBTのエミッタ電極EE間にIGBTが破壊に至るまで、電流が流れ続ける。この現象がラッチアップ現象である。   The collector current of the npn bipolar transistor Tr2 becomes the base current of the pnp bipolar transistor Tr1, and the base current of the pnp bipolar transistor Tr1 continues to flow even when the field effect transistor Tr3 is turned off. That is, when the parasitic npn bipolar transistor Tr2 is turned on, a current that cannot be controlled by the field effect transistor Tr3 flows as a base current of the pnp bipolar transistor Tr1. As a result, even if the field effect transistor Tr3 is turned off, current continues to flow between the IGBT collector electrode CLE and the IGBT emitter electrode EE until the IGBT is destroyed. This phenomenon is a latch-up phenomenon.

ラッチアップ現象の原因は、寄生的なnpnバイポーラトランジスタTr2がオンすることにあり、この寄生的なnpnバイポーラトランジスタTr2がオンしやすくなるのは、p型チャネル形成層PCHの抵抗(npnバイポーラトランジスタTr2のベース抵抗)が大きくなる場合である。したがって、ラッチアップ現象を防止するため、IGBTでは、p型チャネル形成層PCHの抵抗を小さくして、npnバイポーラトランジスタTr2がオンしにくくする必要がある。このことから、p型チャネル形成層PCHに達するコンタクトホールC1とp型チャネル形成層PCHの間でオーミック接続をとり、抵抗を小さくするため、コンタクトホールC1の底部下のp型チャネル形成層PCH内にp型コンタクト層PCを設けている。つまり、p型コンタクト層PCは、ラッチアップ現象を防止するようにp型チャネル形成層PCHの抵抗を小さくする機能を有しており、p型チャネル形成層PCHよりもp型不純物の不純物濃度が大きくなるように形成されている。 The cause of the latch-up phenomenon is that the parasitic npn bipolar transistor Tr2 is turned on. The parasitic npn bipolar transistor Tr2 is easily turned on because the resistance of the p-type channel formation layer PCH (npn bipolar transistor Tr2). This is a case where the base resistance of the Therefore, in order to prevent the latch-up phenomenon, in the IGBT, it is necessary to reduce the resistance of the p-type channel formation layer PCH to make it difficult for the npn bipolar transistor Tr2 to be turned on. From this, in order to make ohmic connection between the contact hole C1 reaching the p-type channel formation layer PCH and the p-type channel formation layer PCH and reduce the resistance, the inside of the p-type channel formation layer PCH below the bottom of the contact hole C1 Is provided with a p + -type contact layer PC. That is, the p + -type contact layer PC has a function of reducing the resistance of the p-type channel formation layer PCH so as to prevent the latch-up phenomenon, and the impurity concentration of the p-type impurity is higher than that of the p-type channel formation layer PCH. Is formed to be large.

この場合でも、p型コンタクト層PCとn型ホールバリア層NHBの間には、p型チャネル形成層PCHが存在している。このとき、n型不純物の不純物濃度がn型ベース層NBよりも高いn型ホールバリア層NHBを形成すると、このn型ホールバリア層NHBと接触するp型チャネル形成層PCHの抵抗が上昇するのである。このメカニズムについて説明する。p型チャネル形成層PCHはp型半導体層であり、n型ホールバリア層NHBはn型半導体層であることから、p型チャネル形成層PCHとn型ホールバリア層NHBの境界にはpn接合が形成される。このpn接合において、n型ホールバリア層NHBを形成すると、n型ベース層NBとp型チャネル形成層PCHとのpn接合よりもn型半導体層の電子濃度が大きくなる。pn接合では、例えば、pn接合を形成するn型半導体層の電子濃度(多数キャリア)とp型半導体層の電子濃度(少数キャリア)の濃度差による拡散が起ころうとする。つまり、n型半導体層の電子濃度とp型半導体層の電子濃度差を緩和しようとする方向に拡散が起ころうとする。一方、pn接合では、空乏層が生じ、この空乏層による電界も発生する。pn接合では濃度差による拡散と空乏層による電界が反対方向に働き、濃度差による拡散と空乏層による電界が均衡している。この均衡状態を実現するように空乏層の幅が決定されている。このことから、n型ホールバリア層NHBを形成するということは、pn接合におけるn型半導体層の電子濃度が高くなることを意味し、濃度差による拡散傾向が強くなる。したがって、この濃度差による拡散と均衡するための空乏層電界は大きくなる。空乏層内の電界を大きくすることは、空乏層の幅が大きくなることを意味する。すなわち、p型チャネル形成層PCHに形成される空乏層が延びることになる。空乏層は電気的に絶縁領域として機能することから、空乏層の幅が大きくなるということは、p型チャネル形成層PCHの抵抗が大きくなることを意味する。したがって、n型ホールバリア層NHBを形成すると、p型チャネル形成層PCHの抵抗が上昇し、寄生的に存在するnpnバイポーラトランジスタTr2がオンしやすくなるのである。 Even in this case, the p-type channel formation layer PCH exists between the p + -type contact layer PC and the n-type hole barrier layer NHB. At this time, if an n-type hole barrier layer NHB having an n-type impurity concentration higher than that of the n -type base layer NB is formed, the resistance of the p-type channel formation layer PCH in contact with the n-type hole barrier layer NHB increases. It is. This mechanism will be described. Since the p-type channel formation layer PCH is a p-type semiconductor layer and the n-type hole barrier layer NHB is an n-type semiconductor layer, a pn junction is formed at the boundary between the p-type channel formation layer PCH and the n-type hole barrier layer NHB. It is formed. When the n-type hole barrier layer NHB is formed in this pn junction, the electron concentration of the n-type semiconductor layer becomes higher than that of the pn junction between the n -type base layer NB and the p-type channel formation layer PCH. In the pn junction, for example, diffusion due to a concentration difference between the electron concentration (majority carrier) of the n-type semiconductor layer forming the pn junction and the electron concentration (minority carrier) of the p-type semiconductor layer tends to occur. That is, diffusion tends to occur in a direction in which the difference in electron concentration between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer is to be relaxed. On the other hand, in the pn junction, a depletion layer is generated, and an electric field is also generated by this depletion layer. In the pn junction, the diffusion due to the concentration difference and the electric field due to the depletion layer work in opposite directions, and the diffusion due to the concentration difference and the electric field due to the depletion layer are balanced. The width of the depletion layer is determined so as to realize this equilibrium state. From this, the formation of the n-type hole barrier layer NHB means that the electron concentration of the n-type semiconductor layer in the pn junction becomes high, and the diffusion tendency due to the concentration difference becomes strong. Therefore, the depletion layer electric field for balancing with the diffusion due to the concentration difference is increased. Increasing the electric field in the depletion layer means increasing the width of the depletion layer. That is, the depletion layer formed in the p-type channel formation layer PCH extends. Since the depletion layer functions as an electrically insulating region, an increase in the width of the depletion layer means an increase in the resistance of the p-type channel formation layer PCH. Therefore, when the n-type hole barrier layer NHB is formed, the resistance of the p-type channel formation layer PCH is increased, and the parasitic npn bipolar transistor Tr2 is easily turned on.

そこで、本実施の形態1では、図5に示すように、p型コンタクト層PCとn型ホールバリア層NHBの間にp型ラッチアップ防止層PLを設けている。このp型ラッチアップ防止層PLを設ける点が本実施の形態1の第3特徴点である。つまり、本実施の形態1では、p型コンタクト層PCとn型ホールバリア層NHBとの間に、p型チャネル形成層PCHよりもp型不純物の不純物濃度の高いp型ラッチアップ防止層PLを設けているのである。このようにp型チャネル形成層PCHよりも不純物濃度の高いp型ラッチアップ防止層PLを設けることにより、寄生的なnpnバイポーラトランジスタTr2のベース抵抗を低減することができる。すなわち、p型ラッチアップ防止層PLは、IGBTに生じるラッチアップ現象を抑制する機能を有し、特に、n型ホールバリア層NHBを設けても、IGBTにラッチアップが生じないようにすることができる。このp型ラッチアップ防止層PLの不純物濃度は、p型チャネル形成層PCHよりも高く、かつ、p型コンタクト層PCよりも低くなるように設定されている。 Therefore, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, a p-type latch-up prevention layer PL is provided between the p + -type contact layer PC and the n-type hole barrier layer NHB. The provision of the p-type latch-up prevention layer PL is a third feature point of the first embodiment. That is, in the first embodiment, the p-type latch-up prevention layer PL having a higher p-type impurity concentration than the p-type channel formation layer PCH between the p + -type contact layer PC and the n-type hole barrier layer NHB. Is provided. Thus, by providing the p-type latch-up prevention layer PL having an impurity concentration higher than that of the p-type channel formation layer PCH, the base resistance of the parasitic npn bipolar transistor Tr2 can be reduced. That is, the p-type latch-up prevention layer PL has a function of suppressing the latch-up phenomenon that occurs in the IGBT, and in particular, even if the n-type hole barrier layer NHB is provided, the latch-up does not occur in the IGBT. it can. The impurity concentration of the p-type latch-up prevention layer PL is set to be higher than that of the p-type channel formation layer PCH and lower than that of the p + -type contact layer PC.

次に、本実施の形態1の第4特徴点について説明する。図12は、本実施の形態1における第4特徴点を示す図である。図12に示すように、本実施の形態1における第4特徴点は、ゲート電極Gを埋め込んでいるトレンチTRを、n型ホールバリア層NHBを貫通してn型ベース層NBに達するように深く形成している点である。具体的には、例えば、トレンチTRの底部がp型チャネル形成層PCHの深さの2倍以上深い位置に存在するように形成されている。今までの説明では、第4特徴点を有さないIGBTの構成について説明したが、ここでは、本実施の形態1の第4特徴点を有するようにIGBTを構成することにより、さらなる利点を有することを説明する。 Next, the fourth feature point of the first embodiment will be described. FIG. 12 is a diagram illustrating the fourth feature point in the first embodiment. As shown in FIG. 12, the fourth feature point of the first embodiment is that the trench TR in which the gate electrode G is embedded passes through the n-type hole barrier layer NHB and reaches the n -type base layer NB. It is a point that is deeply formed. Specifically, for example, the trench TR is formed so that the bottom thereof exists at a position deeper than twice the depth of the p-type channel formation layer PCH. In the description so far, the configuration of the IGBT not having the fourth feature point has been described, but here, by configuring the IGBT to have the fourth feature point of the first embodiment, there is a further advantage. Explain that.

以下に、本実施の形態1における第4特徴点の利点について説明する。まず、上述したように、n型ベース層NBとp型チャネル形成層PCHの間にn型ホールバリア層NHBを設けている。このn型ホールバリア層NHBは、n型ベース層NBからの正孔の流出を抑制する機能を有しており、正孔の流出を抑制する観点からは、n型ホールバリア層NHBの不純物濃度は高いことが望ましい。 Below, the advantage of the 4th feature point in this Embodiment 1 is explained. First, as described above, the n-type hole barrier layer NHB is provided between the n -type base layer NB and the p-type channel formation layer PCH. This n-type hole barrier layer NHB has a function of suppressing the outflow of holes from the n type base layer NB. From the viewpoint of suppressing the outflow of holes, the impurities of the n-type hole barrier layer NHB It is desirable that the concentration be high.

しかし、n型ホールバリア層NHBの不純物濃度を高くしすぎると、ラッチアップ現象が生じやすくなるとともに、IGBTをオフした際、n型ホールバリア層NHBとp型チャネル形成層PCH(p型ラッチアップ防止層PL)との境界に形成されるpn接合からn型ベース層NBに延びる空乏層の幅が小さくなってしまう。すなわち、n型ホールバリア層NHBの不純物濃度が高濃度になると空乏層の延びが抑制される結果、n型ホールバリア層NHBを通過してn型ベース層に延びる空乏層の幅が小さくなる。このことは、n型ベース層NB全体が空乏化しなくなることを意味し、n型ベース層NBに残存する正孔のうち空乏層外に残存する正孔の量が多くなり、この正孔がIGBTの外部に掃き出されるまでの時間が長くなってしまうのである。つまり、n型ホールバリア層NHBの不純物濃度を高くしすぎると、ターンオフ損失が大きくなる副作用が存在する。以上のことから、n型ホールバリア層NHBの不純物濃度を高くしすぎることはできない。 However, if the impurity concentration of the n-type hole barrier layer NHB is too high, a latch-up phenomenon is likely to occur, and when the IGBT is turned off, the n-type hole barrier layer NHB and the p-type channel formation layer PCH (p-type latch-up) The width of the depletion layer extending from the pn junction formed at the boundary with the prevention layer PL) to the n type base layer NB is reduced. That is, when the impurity concentration of the n-type hole barrier layer NHB becomes high, the extension of the depletion layer is suppressed. As a result, the width of the depletion layer that passes through the n-type hole barrier layer NHB and extends to the n -type base layer becomes small. . This means that the entire n -type base layer NB is not depleted, and among the holes remaining in the n -type base layer NB, the amount of holes remaining outside the depletion layer is increased. It takes a long time to be swept out of the IGBT. That is, if the impurity concentration of the n-type hole barrier layer NHB is too high, there is a side effect of increasing turn-off loss. From the above, the impurity concentration of the n-type hole barrier layer NHB cannot be made too high.

そこで、本実施の形態1では、さらに、n型ベース層NBからの正孔の流出を抑制する構造を採用している。この構造が本実施の形態1の第4特徴点であり、ゲート電極Gを埋め込んでいるトレンチTRを、n型ホールバリア層NHBを貫通してn型ベース層NBに達するように深く形成するようにするものである。図12は、本実施の形態1における第4特徴点を示す図である。まず、ゲート電極Gに正電圧を印加してIGBTをターンオンする。この場合、図12に示すように、ゲート電極Gに正電圧を印加していることから、トレンチTRの底部で接触しているn型ベース層NBから、トレンチTRの底部の周辺領域に電子が集まり蓄積領域が形成される。この蓄積領域はn型不純物濃度が高くなるので、n型ベース層NBからの正孔の流出を抑制する機能を有することになる。特に、蓄積領域のn型不純物濃度がn型ホールバリア層NHBの不純物濃度よりも高くなると、n型ホールバリア層NHBよりも正孔の流出を抑制する機能が大きくなる。このことは、n型ベース層NBに蓄積される正孔の量が多くなることを意味し、その結果、IGBTのオン電圧を低減することができるのである。 Therefore, the first embodiment further employs a structure that suppresses the outflow of holes from the n -type base layer NB. This structure is the fourth characteristic point of the first embodiment, and the trench TR in which the gate electrode G is embedded is formed deeply so as to penetrate the n-type hole barrier layer NHB and reach the n -type base layer NB. It is what you want to do. FIG. 12 is a diagram illustrating the fourth feature point in the first embodiment. First, a positive voltage is applied to the gate electrode G to turn on the IGBT. In this case, as shown in FIG. 12, since a positive voltage is applied to the gate electrode G, electrons are transferred from the n type base layer NB in contact with the bottom of the trench TR to the peripheral region at the bottom of the trench TR. Accumulate to form a storage region. Since this accumulation region has a high n-type impurity concentration, it has a function of suppressing the outflow of holes from the n -type base layer NB. In particular, when the n-type impurity concentration of the accumulation region is higher than the impurity concentration of the n-type hole barrier layer NHB, the function of suppressing the outflow of holes becomes larger than that of the n-type hole barrier layer NHB. This means that the amount of holes accumulated in the n -type base layer NB increases, and as a result, the on-voltage of the IGBT can be reduced.

さらに、IGBTをターンオフした場合を考えると、ゲート電極Gに例えばGND電圧が印加される。したがって、ゲート電極Gは正電圧となっていないことから、IGBTのオン時に形成されていた蓄積領域は消滅する。つまり、IGBTのターンオフ時には、トレンチTRの底部の周辺領域に形成されている蓄積領域が消滅するのである。このことは、IGBTのターンオフ時、n型ベース層NBに形成される空乏層の延びを不純物濃度の高い蓄積領域によって阻害されないことを意味する。このため、IGBTをターンオフした場合、n型ベース層NB全体に空乏層が延びる結果、ターンオフ損失を低減できるのである。以上のことから、ゲート電極Gを埋め込んでいるトレンチTRを、n型ホールバリア層NHBを貫通してn型ベース層NBに達するように深く形成する第4特徴点によれば、さらなるターンオフ損失を増大させることなく、IGBTのオン電圧を低減することができる。 Further, considering the case where the IGBT is turned off, for example, a GND voltage is applied to the gate electrode G. Therefore, since the gate electrode G is not at a positive voltage, the accumulation region formed when the IGBT is turned on disappears. That is, when the IGBT is turned off, the accumulation region formed in the peripheral region at the bottom of the trench TR disappears. This means that when the IGBT is turned off, the extension of the depletion layer formed in the n -type base layer NB is not inhibited by the accumulation region having a high impurity concentration. For this reason, when the IGBT is turned off, the depletion layer extends over the entire n -type base layer NB, so that the turn-off loss can be reduced. From the above, according to the fourth feature point, the trench TR in which the gate electrode G is buried is formed deeply so as to penetrate the n-type hole barrier layer NHB and reach the n -type base layer NB. The on-voltage of the IGBT can be reduced without increasing.

本実施の形態1では、上述したように第1特徴点から第4特徴点を有しているが、第1特徴点から第4特徴点のすべてを有する必要はない。ただし、第1特徴点から第4特徴点のすべてを備えるIGBTによれば、最もオン電圧の低減とターンオフ損失の低減とを両立することができ、最も高性能なIGBTを提供することができる。以下では、第1特徴点から第4特徴点をすべて備えるIGBTが最も高性能であることについて説明する。   In the first embodiment, as described above, the first feature point to the fourth feature point are provided, but it is not necessary to have all of the first feature point to the fourth feature point. However, according to the IGBT including all of the first to fourth feature points, it is possible to achieve both the reduction of the on-voltage and the reduction of the turn-off loss, and to provide the highest performance IGBT. Hereinafter, it will be described that an IGBT including all of the first to fourth feature points has the highest performance.

図13は、IGBTの構造を変えて、オン電圧とターンオフ下降時間(ターンオフ損失)との関係をプロットした図である。図13において、縦軸はオン電圧(V)を示しており、横軸はターンオフ下降時間(ns)を示している。このとき、オン電圧が小さく、かつ、ターンオフ下降時間の短いIGBTが高性能であることから、図13の原点に近い領域の方がIGBTの高性能化を実現できることを意味している。   FIG. 13 is a graph plotting the relationship between the ON voltage and the turn-off fall time (turn-off loss) by changing the structure of the IGBT. In FIG. 13, the vertical axis indicates the on-voltage (V), and the horizontal axis indicates the turn-off fall time (ns). At this time, since the IGBT having a low ON voltage and a short turn-off fall time has high performance, the region closer to the origin in FIG. 13 means that higher performance of the IGBT can be realized.

図13において、まず、条件A〜条件Dについて説明する。条件Aは、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)を(Qp/Qn)≒1とする条件を示しており、条件Bは、正孔の注入効率を(Qp/Qn)≒2とする条件を示している。同様に、条件Cは、正孔の注入効率を示す(Qp/Qn)を(Qp/Qn)≒20とする条件を示しており、条件Dは、正孔の注入効率を(Qp/Qn)≒10とする条件を示している。この条件A〜条件Dのうち、図13に示すように、条件Dが最もグラフの原点に近くなっていることがわかる。つまり、条件Dである(Qp/Qn)≒10とすると、オン電圧の低減とターンオフ下降時間の低減を最も両立することができるのである。このことは、まず、本実施の形態1の第1特徴点である4≦(Qp/Qn)≦16とすることにより、IGBTの高性能化を実現することができることがわかる。   In FIG. 13, first, the conditions A to D will be described. Condition A shows the condition that (Qp / Qn) indicating the hole injection efficiency is (Qp / Qn) ≈1, and Condition B is that the hole injection efficiency is (Qp / Qn) ≈2. It shows the condition to do. Similarly, Condition C shows a condition in which (Qp / Qn) indicating hole injection efficiency is (Qp / Qn) ≈20, and Condition D is a hole injection efficiency (Qp / Qn). The condition of ≈10 is shown. Of these conditions A to D, it can be seen that condition D is closest to the origin of the graph as shown in FIG. In other words, if the condition D is (Qp / Qn) ≈10, the reduction of the ON voltage and the reduction of the turn-off fall time can be most compatible. First, it can be seen that by setting 4 ≦ (Qp / Qn) ≦ 16, which is the first feature point of the first embodiment, high performance of the IGBT can be realized.

続いて、条件(1)〜条件(4)について説明する。条件(1)は、IGBTの構造において、第2特徴点であるn型ホールバリア層NHBを形成し(HB有)、かつ、第4特徴点であるトレンチTRの深さをn型ベース層NBに達するように深く形成する場合を示している。条件(2)は、IGBTの構造において、第2特徴点であるn型ホールバリア層NHBを形成するが(HB有)、トレンチTRの深さは通常の深さとするものである。条件(3)は、IGBTの構造において、n型ホールバリア層NHBを形成せず(HB無)、かつ、トレンチTRの深さを通常の深さにし、かつ、間引き構造とするものである。条件(4)は、IGBTの構造において、n型ホールバリア層NHBを形成せず(HB無)、かつ、トレンチTRの深さも通常とする場合を示している。 Subsequently, the conditions (1) to (4) will be described. Condition (1) is that, in the IGBT structure, the n-type hole barrier layer NHB, which is the second feature point, is formed (with HB), and the depth of the trench TR, which is the fourth feature point, is the n -type base layer The case where it forms deeply so that NB may be reached is shown. Condition (2) is that the n-type hole barrier layer NHB, which is the second feature point, is formed in the IGBT structure (with HB), but the depth of the trench TR is a normal depth. Condition (3) is that the n-type hole barrier layer NHB is not formed (no HB) in the IGBT structure, the depth of the trench TR is set to a normal depth, and a thinned-out structure is provided. Condition (4) shows a case where the n-type hole barrier layer NHB is not formed (no HB) and the depth of the trench TR is also normal in the IGBT structure.

ここで、条件(3)に示す間引き構造とは、図14に示す構造である。すなわち、複数のトレンチTRの間に間引くように、エミッタ電極EEと接続するコンタクトホールC1、p型コンタクト層PCおよびn型エミッタ層NEを形成しないのである。つまり、IGBTを構成するセルを間引く構造である。この構造によれば、正孔がn型ベース層NBからエミッタ電極EEに抜ける経路が少なくなるので、IGBTのオン動作時に、n型ベース層NBに蓄積される正孔の量が増加し、伝導度変調によるオン電圧の低減を図ることができる。つまり、IGBTの間引き構造とは、オン電圧の低減を実現するための1つの構造である。 Here, the thinning structure shown in the condition (3) is a structure shown in FIG. That is, the contact hole C1, the p + -type contact layer PC and the n + -type emitter layer NE connected to the emitter electrode EE are not formed so as to be thinned between the plurality of trenches TR. That is, this is a structure in which cells constituting the IGBT are thinned out. According to this structure, since the path through which holes pass from the n type base layer NB to the emitter electrode EE is reduced, the amount of holes accumulated in the n type base layer NB increases when the IGBT is turned on. In addition, the ON voltage can be reduced by conductivity modulation. That is, the IGBT thinning-out structure is one structure for realizing a reduction in on-voltage.

図13に示すように、条件A〜条件Dのうち、IGBTを最も高性能化することができる条件Dについて考えてみる。条件Dを満たすIGBTの構造のうち、さらに、条件(1)〜条件(3)を付加する場合を考える。すると、図13に示すように、条件(1)が最もグラフの原点に近い位置にプロットされ、IGBTを高性能することができることがわかる。つまり、IGBTの構造を条件Dで、かつ、条件(1)を満たすように形成すると、最もIGBTを高性能化することができる。すなわち、IGBTの構造を本実施の形態1における第1特徴点、第2特徴点および第4特徴点を備える構造とすることにより、オン電圧の低減とターンオフ下降時間の短縮を実現できる高性能なIGBTを提供できるのである。このとき、本実施の形態1における第3特徴点を備えることにより、ラッチアップを防止できる信頼性の高いIGBTを提供することができる。   As shown in FIG. 13, let us consider a condition D that can achieve the highest performance of the IGBT among the conditions A to D. Consider a case where conditions (1) to (3) are further added in the structure of the IGBT satisfying the condition D. Then, as shown in FIG. 13, the condition (1) is plotted at a position closest to the origin of the graph, and it can be seen that the IGBT can have high performance. That is, when the structure of the IGBT is formed so as to satisfy the condition D and the condition (1), the performance of the IGBT can be enhanced most. That is, the IGBT structure having the first feature point, the second feature point, and the fourth feature point in the first embodiment can achieve a high performance that can reduce the on-voltage and the turn-off fall time. An IGBT can be provided. At this time, by providing the third feature point in the first embodiment, it is possible to provide a highly reliable IGBT that can prevent latch-up.

なお、上記はオン電圧の低減とターンオフ下降時間の短縮を優先した場合について述べたが、さらに負荷短絡耐量を確保したい場合は、条件(3)のような間引き構造も併用することが望ましい。間引き構造は、IGBT導通時に負荷が短絡した時のMOSFET(図5の電界効果トランジスタTr3に相当)の飽和電流によって決まる大電流(飽和電流)を小さくする効果がある。そのため、飽和電流に達したIGBTが破壊するまでの時間(短絡耐量)を長くすることができるからである。   In the above, the case where priority is given to the reduction of the ON voltage and the reduction of the turn-off fall time has been described. However, when it is desired to further secure the load short-circuit withstand capability, it is desirable to use a thinning structure as in the condition (3). The thinning structure has an effect of reducing the large current (saturation current) determined by the saturation current of the MOSFET (corresponding to the field effect transistor Tr3 in FIG. 5) when the load is short-circuited when the IGBT is turned on. For this reason, it is possible to lengthen the time (short-circuit resistance) until the IGBT that has reached the saturation current is destroyed.

本実施の形態1における半導体装置は上記のように構成されており、以下に、その製造方法について図面を参照しながら説明する。   The semiconductor device according to the first embodiment is configured as described above, and the manufacturing method thereof will be described below with reference to the drawings.

まず、n型ベース層NBからなる半導体基板を用意する。n型ベース層NBからなる半導体基板は、例えば、FZ法(Floating zone method)で形成することができる。FZ法とは、シリコン単結晶を成長させる手法の一種である。具体的には、アルゴンガス雰囲気中で、多結晶シリコンインゴッドの一方を種結晶(単結晶片)に接触させ、高周波電圧を加えたコイルで多結晶シリコンインゴッドを帯状に加熱溶融、帯状領域を種結晶領域から移動させてインゴッド全体を徐々に単結晶化する方法である。 First, a semiconductor substrate made of an n type base layer NB is prepared. The semiconductor substrate made of the n type base layer NB can be formed by, for example, the FZ method (Floating zone method). The FZ method is a kind of method for growing a silicon single crystal. Specifically, in an argon gas atmosphere, one of the polycrystalline silicon ingots is brought into contact with a seed crystal (single crystal piece), and the polycrystalline silicon ingot is heated and melted in a strip shape with a coil to which a high frequency voltage is applied, and the strip region is seeded. In this method, the entire ingot is gradually single-crystallized by moving from the crystal region.

次に、図15に示すように、n型ベース層NB(半導体基板)の主面(表面)に酸化シリコン膜10を形成し、その後、酸化シリコン膜10上に窒化シリコン膜11を形成する。酸化シリコン膜10は、例えば、熱酸化法を使用することにより形成することができ、窒化シリコン膜11は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成することができる。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、窒化シリコン膜11をパターニングする。窒化シリコン膜11のパターニングは、素子分離領域を形成する領域を開口するように行なわれる。 Next, as shown in FIG. 15, the silicon oxide film 10 is formed on the main surface (front surface) of the n -type base layer NB (semiconductor substrate), and then the silicon nitride film 11 is formed on the silicon oxide film 10. . The silicon oxide film 10 can be formed by using, for example, a thermal oxidation method, and the silicon nitride film 11 can be formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Then, the silicon nitride film 11 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique. The patterning of the silicon nitride film 11 is performed so as to open a region for forming an element isolation region.

続いて、パターニングした窒化シリコン膜11上にレジスト膜R1を塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、このレジスト膜R1をパターニングする。レジスト膜R1のパターニングは、n型ホールバリア層NHBを形成する領域を開口するように行なわれる。その後、パターニングしたレジスト膜R1をマスクにしたイオン注入法により、セル領域にn型ホールバリア層NHBを形成する。n型ホールバリア層NHBは、リンなどのn型不純物をイオン注入法でn型ベース層NBに導入することにより行なわれる。このn型ホールバリア層NHBは、n型ベース層NBよりもn型不純物の不純物濃度が高い領域として形成される。 Subsequently, a resist film R1 is applied on the patterned silicon nitride film 11. Then, the resist film R1 is patterned by a photolithography technique. The patterning of the resist film R1 is performed so as to open a region for forming the n-type hole barrier layer NHB. Thereafter, an n-type hole barrier layer NHB is formed in the cell region by ion implantation using the patterned resist film R1 as a mask. The n-type hole barrier layer NHB is performed by introducing an n-type impurity such as phosphorus into the n -type base layer NB by an ion implantation method. The n-type hole barrier layer NHB is formed as a region having a higher impurity concentration of n-type impurities than the n -type base layer NB.

次に、図16に示すように、パターニングしたレジスト膜R1を除去した後、さらに、半導体基板上にレジスト膜R2を塗布する。そして、このレジスト膜R2に対して、露光・現像を施すことにより、レジスト膜R2をパターニングする。レジスト膜R2のパターニングは、p型ウェルを形成する領域を開口するように行なわれる。その後、パターニングしたレジスト膜R2をマスクにしたイオン注入法により、p型ウェルPWLを形成する。p型ウェルPWLは、ボロンなどのp型不純物をn型ベース層NBに導入することにより行なわれる。 Next, as shown in FIG. 16, after removing the patterned resist film R1, a resist film R2 is further applied on the semiconductor substrate. Then, the resist film R2 is patterned by exposing and developing the resist film R2. The patterning of the resist film R2 is performed so as to open a region for forming a p-type well. Thereafter, a p-type well PWL is formed by ion implantation using the patterned resist film R2 as a mask. The p-type well PWL is performed by introducing a p-type impurity such as boron into the n -type base layer NB.

続いて、図17に示すように、パターンニングしたレジスト膜R2を除去した後、酸化シリコン膜10とパターニングした窒化シリコン膜11を使用して素子分離領域LOを形成する。素子分離領域LOは、例えば、選択酸化法により形成されるが、その他の方法として、STI法を用いて形成することもできる。   Subsequently, as shown in FIG. 17, after removing the patterned resist film R2, an element isolation region LO is formed using the silicon oxide film 10 and the patterned silicon nitride film 11. The element isolation region LO is formed by, for example, a selective oxidation method, but may be formed by using an STI method as another method.

次に、図18に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、トレンチ(ゲートトレンチ)TRを形成する。このとき、トレンチTRの底部がn型ホールバリア層NHB内に存在するように形成してもよいし、本実施の形態1における第4特徴点を実現するために、トレンチTRは、n型ホールバリア層NHBを貫通してn型ベース層NBに達するように形成してもよい。以下の説明では、トレンチTRの底部がn型ホールバリア層NHB内に存在するように形成することを前提として説明する。 Next, as shown in FIG. 18, a trench (gate trench) TR is formed by using a photolithography technique and an etching technique. At this time, the bottom of the trench TR may be formed so as to exist in the n-type hole barrier layer NHB, and in order to realize the fourth feature point in the first embodiment, the trench TR has an n-type hole. The barrier layer NHB may be formed so as to reach the n type base layer NB. The following description will be made on the assumption that the bottom of the trench TR is formed so as to exist in the n-type hole barrier layer NHB.

その後、図19に示すように、トレンチTRを形成した半導体基板の表面にゲート絶縁膜GOXを形成する。ゲート絶縁膜GOXは、例えば、酸化シリコン膜から形成され、例えば熱酸化法を使用して形成することができる。ただし、ゲート絶縁膜GOXは、酸化シリコン膜に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば、ゲート絶縁膜GOXを酸窒化シリコン膜(SiON)としてもよい。すなわち、ゲート絶縁膜GOXと半導体基板との界面に窒素を偏析させる構造としてもよい。酸窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜に比べて膜中における界面準位の発生を抑制したり、電子トラップを低減する効果が高い。したがって、ゲート絶縁膜GOXのホットキャリア耐性を向上でき、絶縁耐性を向上させることができる。また、酸窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜に比べて不純物が貫通しにくい。このため、ゲート絶縁膜GOXに酸窒化シリコン膜を用いることにより、ゲート電極中の不純物が半導体基板側に拡散することに起因するしきい値電圧の変動を抑制することができる。酸窒化シリコン膜を形成するのは、例えば、半導体基板をNO、NOまたはNHといった窒素を含む雰囲気中で熱処理すればよい。また、半導体基板の表面に酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜GOXを形成した後、窒素を含む雰囲気中で半導体基板を熱処理し、ゲート絶縁膜GOXと半導体基板との界面に窒素を偏析させることによっても同様の効果を得ることができる。 Thereafter, as shown in FIG. 19, a gate insulating film GOX is formed on the surface of the semiconductor substrate in which the trench TR is formed. The gate insulating film GOX is formed of, for example, a silicon oxide film, and can be formed using, for example, a thermal oxidation method. However, the gate insulating film GOX is not limited to the silicon oxide film and can be variously changed. For example, the gate insulating film GOX may be a silicon oxynitride film (SiON). That is, a structure in which nitrogen is segregated at the interface between the gate insulating film GOX and the semiconductor substrate may be employed. The silicon oxynitride film has a higher effect of suppressing generation of interface states in the film and reducing electron traps than the silicon oxide film. Therefore, the hot carrier resistance of the gate insulating film GOX can be improved, and the insulation resistance can be improved. In addition, the silicon oxynitride film is less likely to penetrate impurities than the silicon oxide film. For this reason, by using a silicon oxynitride film for the gate insulating film GOX, it is possible to suppress fluctuations in the threshold voltage caused by diffusion of impurities in the gate electrode toward the semiconductor substrate. For example, the silicon oxynitride film may be formed by heat-treating the semiconductor substrate in an atmosphere containing nitrogen such as NO, NO 2, or NH 3 . Further, after forming a gate insulating film GOX made of a silicon oxide film on the surface of the semiconductor substrate, the semiconductor substrate is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen, and nitrogen is segregated at the interface between the gate insulating film GOX and the semiconductor substrate. The same effect can be obtained.

また、ゲート絶縁膜GOXは、例えば酸化シリコン膜より誘電率の高い高誘電率膜から形成してもよい。従来、絶縁耐性が高い、シリコン−酸化シリコン界面の電気的・物性的安定性などが優れているとの観点から、ゲート絶縁膜GOXとして酸化シリコン膜が使用されている。しかし、素子の微細化に伴い、ゲート絶縁膜GOXの膜厚について、極薄化が要求されるようになってきている。このように薄い酸化シリコン膜をゲート絶縁膜GOXとして使用すると、IGBTのチャネルを流れる電子が酸化シリコン膜によって形成される障壁をトンネルしてゲート電極に流れる、いわゆるトンネル電流が発生してしまう。   Further, the gate insulating film GOX may be formed of a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of a silicon oxide film, for example. Conventionally, a silicon oxide film has been used as the gate insulating film GOX from the viewpoint of high insulation resistance and excellent electrical and physical stability at the silicon-silicon oxide interface. However, with the miniaturization of elements, the thickness of the gate insulating film GOX is required to be extremely thin. When such a thin silicon oxide film is used as the gate insulating film GOX, a so-called tunnel current is generated in which electrons flowing through the IGBT channel tunnel through the barrier formed by the silicon oxide film and flow to the gate electrode.

そこで、酸化シリコン膜より誘電率の高い材料を使用することにより、容量が同じでも物理的膜厚を増加させることができる高誘電率膜が使用されるようになってきている。高誘電率膜によれば、容量を同じにしても物理的膜厚を増加させることができるので、リーク電流を低減することができる。特に、窒化シリコン膜も酸化シリコン膜よりも誘電率の高い膜であるが、本実施の形態1では、この窒化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜を使用することが望ましい。   Therefore, by using a material having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film, a high dielectric constant film capable of increasing the physical film thickness even when the capacitance is the same has been used. According to the high dielectric constant film, since the physical film thickness can be increased even if the capacitance is the same, the leakage current can be reduced. In particular, the silicon nitride film is also a film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film, but in the first embodiment, it is desirable to use a high dielectric constant film having a higher dielectric constant than the silicon nitride film.

例えば、窒化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜として、ハフニウム酸化物の一つである酸化ハフニウム膜(HfO膜)が使用されるが、酸化ハフニウム膜に変えて、ハフニウムアルミネート膜、HfON膜(ハフニウムオキシナイトライド膜)、HfSiO膜(ハフニウムシリケート膜)、HfSiON膜(ハフニウムシリコンオキシナイトライド膜)、HfAlO膜のような他のハフニウム系絶縁膜を使用することもできる。さらに、これらのハフニウム系絶縁膜に酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化イットリウムなどの酸化物を導入したハフニウム系絶縁膜を使用することもできる。ハフニウム系絶縁膜は、酸化ハフニウム膜と同様、酸化シリコン膜や酸窒化シリコン膜より誘電率が高いので、酸化ハフニウム膜を用いた場合と同様の効果が得られる。 For example, a hafnium oxide film (HfO 2 film), which is one of hafnium oxides, is used as a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of a silicon nitride film, but instead of a hafnium oxide film, a hafnium aluminate film is used. Other hafnium-based insulating films such as HfON film (hafnium oxynitride film), HfSiO film (hafnium silicate film), HfSiON film (hafnium silicon oxynitride film), and HfAlO film can also be used. Further, a hafnium-based insulating film in which an oxide such as tantalum oxide, niobium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, or yttrium oxide is introduced into these hafnium-based insulating films can also be used. Since the hafnium-based insulating film has a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film or the silicon oxynitride film, like the hafnium oxide film, the same effect as that obtained when the hafnium oxide film is used can be obtained.

続いて、図20に示すように、トレンチTRの内部を含む半導体基板上にポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜にはリンなどのn型不純物が導入されており、例えば、CVD法で形成することができる。このリンを導入したポリシリコン膜は、トレンチTRを埋め込んで、かつ、半導体基板上に形成される。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、リンを導入したポリシリコン膜をパターニングする。このパターニングにより、セル領域に形成されているトレンチTRを埋め込むようにゲート電極Gが形成され、ゲート配線引き出し領域にトレンチTRから半導体基板上に延在するゲート引き出し線GHが形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 20, a polysilicon film is formed on the semiconductor substrate including the inside of the trench TR. An n-type impurity such as phosphorus is introduced into the polysilicon film, and can be formed by, for example, a CVD method. The polysilicon film into which this phosphorus has been introduced fills the trench TR and is formed on the semiconductor substrate. Thereafter, the polysilicon film into which phosphorus is introduced is patterned by using a photolithography technique and an etching technique. By this patterning, the gate electrode G is formed so as to fill the trench TR formed in the cell region, and the gate lead line GH extending from the trench TR onto the semiconductor substrate is formed in the gate wiring lead region.

次に、図21に示すように、ゲート電極Gを形成した半導体基板上にポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜には導電型不純物は導入されない。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、ポリシリコン膜をパターニングする。これにより、温度検知ダイオード形成領域に導体膜CFを形成することができる。   Next, as shown in FIG. 21, a polysilicon film is formed on the semiconductor substrate on which the gate electrode G is formed. Conductive impurities are not introduced into this polysilicon film. Then, the polysilicon film is patterned by using a photolithography technique and an etching technique. Thereby, the conductor film CF can be formed in the temperature detection diode formation region.

続いて、図22に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、セル領域にp型チャネル形成層PCHを形成する。p型チャネル形成層PCHは、ボロンなどのp型不純物をn型ホールバリア層NHBに導入することにより形成することができる。その後、再び、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、セル領域にn型エミッタ層NEを形成し、ターミネーション領域にn型半導体層NRを形成する。すなわち、セル領域において、p型チャネル形成層PCHの上層にある半導体基板の表面にリンなどのn型不純物を導入することにより、n型エミッタ層NEを形成する。同様に、温度検知ダイオード形成領域においては、導体膜にn型不純物を導入することにより、n型半導体層N1およびn型半導体層N2を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 22, a p-type channel formation layer PCH is formed in the cell region by using a photolithography technique and an ion implantation method. The p-type channel formation layer PCH can be formed by introducing a p-type impurity such as boron into the n-type hole barrier layer NHB. After that, by using again the photolithography technique and the ion implantation method, the n + type emitter layer NE is formed in the cell region, and the n + type semiconductor layer NR is formed in the termination region. That is, in the cell region, an n + -type emitter layer NE is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus into the surface of the semiconductor substrate above the p-type channel formation layer PCH. Similarly, in the temperature detection diode formation region, the n-type semiconductor layer N1 and the n-type semiconductor layer N2 are formed by introducing an n-type impurity into the conductor film.

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、温度検知ダイオード形成領域にp型半導体層P1およびp型半導体層P2を形成する。具体的に、導体膜にボロンなどのp型不純物を導入することにより、p型半導体層P1およびp型半導体層P2が形成される。これにより、温度検知ダイオード形成領域には、温度検知ダイオードとなるpn接合ダイオードが形成される。   Next, the p-type semiconductor layer P1 and the p-type semiconductor layer P2 are formed in the temperature detection diode formation region by using a photolithography technique and an ion implantation method. Specifically, the p-type semiconductor layer P1 and the p-type semiconductor layer P2 are formed by introducing a p-type impurity such as boron into the conductor film. As a result, a pn junction diode serving as a temperature detection diode is formed in the temperature detection diode formation region.

そして、図23に示すように、半導体基板の表面上に層間絶縁膜IL1を形成する。層間絶縁膜IL1は、例えば、PSG(phospho silicate glass)膜とSOG(spin on glass)膜の積層膜から形成される。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜IL1を貫通する溝をセル領域に形成する。そして、この溝から露出する半導体基板をエッチングすることによりトレンチTR間にコンタクトホールC1を形成する。このコンタクトホールC1は、層間絶縁膜IL1を貫通し、かつ、p型チャネル形成層PCHに達するように形成される。   Then, as shown in FIG. 23, an interlayer insulating film IL1 is formed on the surface of the semiconductor substrate. The interlayer insulating film IL1 is formed of, for example, a laminated film of a PSG (phospho silicate glass) film and an SOG (spin on glass) film. Thereafter, a trench penetrating the interlayer insulating film IL1 is formed in the cell region by using a photolithography technique and an etching technique. Then, the contact hole C1 is formed between the trenches TR by etching the semiconductor substrate exposed from the groove. The contact hole C1 is formed so as to penetrate the interlayer insulating film IL1 and reach the p-type channel formation layer PCH.

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、コンタクトホールC1の底部直下のp型チャネル形成層PCH内にp型コンタクト層PCを形成する。このp型コンタクト層PCは、ボロンなどのp型不純物をp型チャネル形成層に導入することにより形成され、p型コンタクト層PCの不純物濃度は、p型チャネル形成層の不純物濃度よりも高くなっている。 Next, by using a photolithography technique and an ion implantation method, a p + type contact layer PC is formed in the p type channel formation layer PCH immediately below the bottom of the contact hole C1. The p + -type contact layer PC is formed by introducing a p-type impurity such as boron into the p-type channel formation layer, and the impurity concentration of the p + -type contact layer PC is higher than the impurity concentration of the p-type channel formation layer. It is high.

その後、図24に示すように、再び、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、p型コンタクト層PCの下層にp型ラッチアップ防止層PLを形成する。このp型ラッチアップ防止層PLは、p型チャネル形成層PCH内にボロンなどのp型不純物を導入することにより形成され、p型ラッチアップ防止層PLの不純物濃度がp型チャネル形成層PCHの不純物濃度よりも高く、p型コンタクト層PCの不純物濃度よりも低くなるように形成されている。このp型ラッチアップ防止層PLは、p型コンタクト層PCとn型ホールバリア層NHBとの間に形成される。そして、p型ラッチアップ防止層PLは、p型コンタクト層PCに接触し、かつ、n型ホールバリア層NHBにも接触するように形成される。 Thereafter, as shown in FIG. 24, the p-type latch-up prevention layer PL is formed below the p + -type contact layer PC by using the photolithography technique and the ion implantation method again. The p-type latch-up prevention layer PL is formed by introducing a p-type impurity such as boron into the p-type channel formation layer PCH, and the impurity concentration of the p-type latch-up prevention layer PL is that of the p-type channel formation layer PCH. The impurity concentration is higher than the impurity concentration and lower than the impurity concentration of the p + -type contact layer PC. This p-type latch-up prevention layer PL is formed between the p + -type contact layer PC and the n-type hole barrier layer NHB. The p-type latch-up prevention layer PL is formed so as to be in contact with the p + -type contact layer PC and also in contact with the n-type hole barrier layer NHB.

続いて、図25に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜IL1にコンタクトホールC2〜C4を形成する。具体的には、ゲート配線引き出し領域にコンタクトホールC2を形成し、このコンタクトホールC2の底部にゲート引き出し線GHが露出するようにする。同様に、温度検知ダイオード形成領域にコンタクトホールC3を形成し、このコンタクトホールC3の底部にn型半導体層N1が露出するものと、コンタクトホールC3の底部にp型半導体層P2が露出するものを形成する。さらに、ターミネーション領域にコンタクトホールC4を形成し、このコンタクトホールC4の底部にp型ウェルPWLが露出するものや、コンタクトホールC4の底部にn型半導体層NRが露出するものを形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 25, contact holes C2 to C4 are formed in the interlayer insulating film IL1 by using a photolithography technique and an etching technique. Specifically, a contact hole C2 is formed in the gate wiring lead region, and the gate lead line GH is exposed at the bottom of the contact hole C2. Similarly, a contact hole C3 is formed in the temperature detection diode formation region, the n-type semiconductor layer N1 is exposed at the bottom of the contact hole C3, and the p-type semiconductor layer P2 is exposed at the bottom of the contact hole C3. Form. Further, a contact hole C4 in the termination region, and that p-type well PWL in the bottom of the contact hole C4 is exposed, to form what n + -type semiconductor layer NR is exposed at the bottom of the contact hole C4.

その後、コンタクトホールC1〜C4内を含む層間絶縁膜IL1上にチタンタングステン膜12を形成する。チタンタングステン膜12はバリア導体膜として機能する膜であり、例えば、スパッタリング法を使用することにより形成することができる。そして、チタンタングステン膜12上にアルミニウム膜13を形成する。アルミニウム膜13は、例えば、スパッタリング法を使用して形成することができ、アルミニウム膜13に代えてアルミニウムシリコン(AlSi)膜から形成してもよい。なお、バリア導体膜は、チタンタングステン膜に限定されるものではなく、チタン膜やモリブデンシリサイド膜から形成してもよい。   Thereafter, a titanium tungsten film 12 is formed on the interlayer insulating film IL1 including the insides of the contact holes C1 to C4. The titanium tungsten film 12 is a film that functions as a barrier conductor film, and can be formed by using, for example, a sputtering method. Then, an aluminum film 13 is formed on the titanium tungsten film 12. The aluminum film 13 can be formed using, for example, a sputtering method, and may be formed from an aluminum silicon (AlSi) film instead of the aluminum film 13. The barrier conductor film is not limited to the titanium tungsten film, and may be formed from a titanium film or a molybdenum silicide film.

次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、チタンタングステン膜12とアルミニウム膜13との積層膜をパターニングする。これにより、セル領域では、チタンタングステン膜12とアルミニウム膜13の積層膜からなるエミッタ電極EEが形成される。ゲート配線引き出し領域においては、チタンタングステン膜12とアルミニウム膜13からなるゲート配線GLが形成され、温度検知ダイオード形成領域においては、チタンタングステン膜12とアルミニウム膜13からなるカソード電極CEおよびアノード電極AEが形成される。同様に、ターミネーション領域においては、チタンタングステン膜12とアルミニウム膜13からなるガードリングGRが形成される。   Next, the laminated film of the titanium tungsten film 12 and the aluminum film 13 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique. Thereby, in the cell region, an emitter electrode EE composed of a laminated film of the titanium tungsten film 12 and the aluminum film 13 is formed. A gate wiring GL made of a titanium tungsten film 12 and an aluminum film 13 is formed in the gate wiring drawing region, and a cathode electrode CE and an anode electrode AE made of the titanium tungsten film 12 and the aluminum film 13 are formed in the temperature detection diode forming region. It is formed. Similarly, a guard ring GR composed of a titanium tungsten film 12 and an aluminum film 13 is formed in the termination region.

続いて、図26に示すように、半導体基板上に表面保護膜(パッシベーション膜)PVを形成する。この表面保護膜は、例えば、ポリイミド樹脂から形成することができる。そして、表面保護膜PVに開口部を設ける。具体的に、セル領域ではエミッタ電極EEの一部が露出され、ゲート配線引き出し領域では、ゲート配線(ゲートパッドを含む)GLの一部が露出される。同様に、温度検知ダイオード形成領域においては、アノード電極AEおよびカソード電極CEが露出される。   Subsequently, as shown in FIG. 26, a surface protective film (passivation film) PV is formed on the semiconductor substrate. This surface protective film can be formed from a polyimide resin, for example. Then, an opening is provided in the surface protective film PV. Specifically, a part of the emitter electrode EE is exposed in the cell region, and a part of the gate wiring (including the gate pad) GL is exposed in the gate wiring drawing region. Similarly, the anode electrode AE and the cathode electrode CE are exposed in the temperature detection diode formation region.

次に、図27に示すように、半導体基板上に形成された表面保護膜PV上に補強板SHを貼り付ける。この補強板SHは、例えば、ガラス基板から構成されている。そして、半導体基板の裏面(n型ベース層NBが露出する面)を研削する。その後、図28に示すように、半導体基板の裏面にn型フィールドストップ層NFを形成する。n型フィールドストップ層NFは、半導体基板の裏面にイオン注入法を用いてリンなどのn型不純物を導入することにより形成される。その後、導入したn型不純物を活性化させるため、レーザアニールを実施する。レーザアニールによれば、局所的に加熱することができるので、半導体基板の表面(主面)に形成されている構造に熱処理によるダメージを与えることなく、n型フィールドストップ層NFに導入されているn型不純物を活性化することができる。 Next, as shown in FIG. 27, a reinforcing plate SH is affixed on the surface protective film PV formed on the semiconductor substrate. This reinforcement board SH is comprised from the glass substrate, for example. Then, the back surface of the semiconductor substrate (the surface on which the n type base layer NB is exposed) is ground. Thereafter, as shown in FIG. 28, an n + -type field stop layer NF is formed on the back surface of the semiconductor substrate. The n + type field stop layer NF is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus into the back surface of the semiconductor substrate using an ion implantation method. Thereafter, laser annealing is performed to activate the introduced n-type impurity. According to laser annealing, since it can be locally heated, the structure formed on the surface (main surface) of the semiconductor substrate is introduced into the n + -type field stop layer NF without causing damage due to heat treatment. N-type impurities can be activated.

続いて、図29に示すように、半導体基板の裏面にp型コレクタ層PCLを形成する。p型コレクタ層PCLは、半導体基板の裏面にイオン注入法を用いてボロンなどのp型不純物を導入することにより形成される。その後、導入したp型不純物を活性化させるため、レーザアニールを実施する。レーザアニールによれば、局所的に加熱することができるので、半導体基板の表面(主面)に形成されている構造に熱処理によるダメージを与えることなく、p型コレクタ層PCLに導入されているp型不純物を活性化することができる。 Subsequently, as shown in FIG. 29, a p + -type collector layer PCL is formed on the back surface of the semiconductor substrate. The p + -type collector layer PCL is formed by introducing a p-type impurity such as boron into the back surface of the semiconductor substrate using an ion implantation method. Thereafter, laser annealing is performed to activate the introduced p-type impurity. Since laser annealing can be locally heated, the structure formed on the surface (main surface) of the semiconductor substrate is introduced into the p + -type collector layer PCL without causing damage due to heat treatment. The p-type impurity can be activated.

本実施の形態1では、n型フィールドストップ層NFを形成するためのn型不純物の導入およびレーザアニールと、p型コレクタ層PCLを形成するためのp型不純物の導入およびレーザアニールを調整する。これにより、p型コレクタ層PCL内に存在するキャリア量(正孔量)Qpと、n型フィールドストップ層NF内に存在するキャリア量(電子量)Qnの比である(Qp/Qn)の値を4以上16以下になるように形成する。 In the first embodiment, the introduction of n-type impurities and laser annealing for forming the n + -type field stop layer NF and the introduction of p-type impurities and laser annealing for forming the p + -type collector layer PCL are adjusted. To do. Thus, the ratio of the carrier amount (hole amount) Qp present in the p + -type collector layer PCL and the carrier amount (electron amount) Qn present in the n + -type field stop layer NF (Qp / Qn) Is formed to be 4 or more and 16 or less.

次に、図30に示すように、半導体基板の裏面にニッケルシリサイド膜NSを形成する。ニッケルシリサイド膜NSは、半導体基板の裏面に、例えば、スパッタリング法により、ニッケル膜を形成した後、このニッケル膜に対してレーザアニールを実施することにより形成される。ニッケルシリサイド膜NSは耐湿性向上のために形成される。本実施の形態1では、ニッケルシリサイド膜NSを形成しているが、ニッケルシリサイド膜NSを形成しなくてもよい。   Next, as shown in FIG. 30, a nickel silicide film NS is formed on the back surface of the semiconductor substrate. The nickel silicide film NS is formed by forming a nickel film on the back surface of the semiconductor substrate, for example, by sputtering, and then performing laser annealing on the nickel film. The nickel silicide film NS is formed for improving moisture resistance. In the first embodiment, the nickel silicide film NS is formed, but the nickel silicide film NS may not be formed.

続いて、図31に示すように、半導体基板の裏面にコレクタ電極CLEを形成する。このコレクタ電極CLEは、例えば、チタン(Ti)膜/ニッケル(Ni)膜/金(Au)膜の積層膜や、アルミニウム(Al)膜/チタン(Ti)膜/ニッケル(Ni)膜/金(Au)膜の積層膜から形成される。そして、最後に補強板SHを剥がすことにより、本実施の形態1における半導体装置を製造することができる。   Subsequently, as shown in FIG. 31, a collector electrode CLE is formed on the back surface of the semiconductor substrate. The collector electrode CLE is, for example, a laminated film of titanium (Ti) film / nickel (Ni) film / gold (Au) film, aluminum (Al) film / titanium (Ti) film / nickel (Ni) film / gold ( (Au) film. Then, the semiconductor device according to the first embodiment can be manufactured by finally removing the reinforcing plate SH.

(実施の形態2)
前記実施の形態1では、p型コレクタ層PCLとn型フィールドストップ層NFとをイオン注入法で半導体基板内に導電型不純物を導入した後、導入した導電型不純物をレーザアニールで活性化して形成する例について説明した。本実施の形態2では、p型コレクタ層PCLを半導体基板として形成し、かつ、n型フィールドストップ層NFを半導体基板上にエピタキシャル層として形成する例について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the p + -type collector layer PCL and the n + -type field stop layer NF are introduced into the semiconductor substrate by ion implantation, and then the introduced conductive impurities are activated by laser annealing. The example to be formed has been described. In the second embodiment, an example will be described in which the p + type collector layer PCL is formed as a semiconductor substrate, and the n + type field stop layer NF is formed as an epitaxial layer on the semiconductor substrate.

図32は、本実施の形態2におけるIGBTの構成を示す断面図である。本実施の形態2におけるIGBTの構成は、例えば、図4に示す前記実施の形態1におけるIGBTの構成とほぼ同様である。図32において、本実施の形態2におけるIGBTは、p型半導体層からなるp型コレクタ層PCL上にn型半導体層からなるn型フィールドストップ層NFが形成されている。そして、n型フィールドストップ層NF上にn型半導体層からなるn型ベース層NBが形成され、このn型ベース層NB上にn型半導体層からなるn型ホールバリア層NHBが形成されている。このn型ホールバリア層NHB上には、p型半導体層からなるp型チャネル形成層PCHが形成され、p型チャネル形成層PCH上にn型半導体層からなるn型エミッタ層NEが形成されている。 FIG. 32 is a cross-sectional view showing the configuration of the IGBT according to the second embodiment. The configuration of the IGBT in the second embodiment is, for example, substantially the same as the configuration of the IGBT in the first embodiment shown in FIG. 32, in the IGBT according to the second embodiment, an n + type field stop layer NF made of an n + type semiconductor layer is formed on a p + type collector layer PCL made of a p + type semiconductor layer. An n type base layer NB made of an n type semiconductor layer is formed on the n + type field stop layer NF, and an n type hole barrier layer NHB made of an n type semiconductor layer is formed on the n type base layer NB. Is formed. A p-type channel forming layer PCH made of a p-type semiconductor layer is formed on the n-type hole barrier layer NHB, and an n + -type emitter layer NE made of an n + -type semiconductor layer is formed on the p-type channel forming layer PCH. Has been.

このn型エミッタ層NEの表面からn型エミッタ層NEとp型チャネル形成層PCHを貫通してn型ホールバリア層NHBに達するようにトレンチTRが形成されている。トレンチTRの内壁にはゲート絶縁膜GOXが形成され、このゲート絶縁膜GOX上で、かつ、トレンチTRを埋め込むようにゲート電極Gが形成されている。ゲート電極G上を含むn型エミッタ層NE上には層間絶縁膜IL1が形成されており、複数のトレンチTRの間には、層間絶縁膜IL1とn型エミッタ層NEとを貫通してp型チャネル形成層PCHに達するコンタクトホールC1が形成され、このコンタクトホールC1の底部に接するようにp型チャネル形成層PCH内にp型半導体層からなるp型コンタクト層PCが形成されている。そして、p型コンタクト層PCとn型ホールバリア層NHBに接するようにp型半導体層からなるp型ラッチアップ防止層PLが形成されている。 Trench TR is formed as the surface of the n + -type emitter layer NE through the n + -type emitter layer NE and the p-type channel forming layer PCH reaches the n-type hole barrier layer NHB. A gate insulating film GOX is formed on the inner wall of the trench TR, and a gate electrode G is formed on the gate insulating film GOX so as to fill the trench TR. An interlayer insulating film IL1 is formed on the n + -type emitter layer NE including the gate electrode G, and the interlayer insulating film IL1 and the n + -type emitter layer NE penetrate between the plurality of trenches TR. A contact hole C1 reaching the p-type channel formation layer PCH is formed, and a p + -type contact layer PC made of a p + -type semiconductor layer is formed in the p-type channel formation layer PCH so as to be in contact with the bottom of the contact hole C1. Yes. A p-type latch-up prevention layer PL made of a p-type semiconductor layer is formed so as to be in contact with the p + -type contact layer PC and the n-type hole barrier layer NHB.

コンタクトホールC1内を含む層間絶縁膜IL1上にはバリア導体膜であるチタンタングステン膜12とアルミニウム膜13の積層膜が形成されている。このチタンタングステン膜12とアルミニウム膜13よりなる積層膜はエミッタ電極EEとなるものである。   A laminated film of a titanium tungsten film 12 and an aluminum film 13 as a barrier conductor film is formed on the interlayer insulating film IL1 including the inside of the contact hole C1. The laminated film made of the titanium tungsten film 12 and the aluminum film 13 becomes the emitter electrode EE.

このように構成されている本実施の形態2におけるIGBTと前記実施の形態1におけるIGBTとの相違点は、p型コレクタ層PCLの形成方法である。前記実施の形態1では、p型コレクタ層PCLは、イオン注入法で半導体基板内に導電型不純物を導入した後、導入した導電型不純物をレーザアニールで活性化して形成している。これに対し、本実施の形態2では、p型コレクタ層PCLを半導体基板として形成している。すなわち、p型コレクタ層PCLは、p型半導体基板として形成されている。したがって、本実施の形態2におけるp型コレクタ層PCLは、前記実施の形態1におけるp型コレクタ層PCLに比べて厚さが厚くなっている。さらに、前記実施の形態1では、n型フィールドストップ層NFを、イオン注入法で半導体基板内に導電型不純物を導入した後、導入した導電型不純物をレーザアニールで活性化することにより形成している。これに対し、本実施の形態2では、n型フィールドストップ層NFを半導体基板上にエピタキシャル層として形成している。 The difference between the IGBT according to the second embodiment configured as described above and the IGBT according to the first embodiment is the method for forming the p + -type collector layer PCL. In the first embodiment, the p + type collector layer PCL is formed by introducing conductive impurities into the semiconductor substrate by ion implantation and then activating the introduced conductive impurities by laser annealing. On the other hand, in the second embodiment, the p + type collector layer PCL is formed as a semiconductor substrate. That is, the p + type collector layer PCL is formed as a p + type semiconductor substrate. Therefore, the p + -type collector layer PCL in the second embodiment is thicker than the p + -type collector layer PCL in the first embodiment. Further, in the first embodiment, the n + type field stop layer NF is formed by introducing conductive impurities into the semiconductor substrate by ion implantation and then activating the introduced conductive impurities by laser annealing. ing. In contrast, in the second embodiment, the n + type field stop layer NF is formed as an epitaxial layer on the semiconductor substrate.

本実施の形態2でも、前記実施の形態1で説明した第2特徴点と第3特徴点を有するように構成することができる。つまり、n型ベース層NBからの正孔の流出を抑制するn型ホールバリア層NHBを形成することにより、n型ベース層NBにおける伝導度変調を高めることができ、IGBTのオン電圧を低減することができる。そして、p型ラッチアップ防止層PLを設けることにより、寄生的に形成されているnpnバイポーラトランジスタのオンを抑制してIGBTのラッチアップ破壊を抑制できる。さらに、本実施の形態2におけるIGBTは、前記実施の形態1で説明した第4特徴点を有することもできる。つまり、ゲート電極Gを埋め込んでいるトレンチTRを、n型ホールバリア層NHBを貫通してn型ベース層NBに達するように深く形成することにより、さらなるターンオフ損失を増大させることなく、IGBTのオン電圧を低減することができる。以上のことから、本実施の形態2におけるIGBTにおいても、IGBTの高性能化を実現することができる。 The second embodiment can also be configured to have the second feature point and the third feature point described in the first embodiment. That, n - by forming the n-type hole barrier layer NHB suppressing outflow of holes from the mold base layer NB, n - -type base layer can increase the conductivity modulation in the NB, the on-voltage of the IGBT Can be reduced. By providing the p-type latch-up prevention layer PL, the parasitic npn bipolar transistor can be prevented from being turned on and the IGBT latch-up breakdown can be suppressed. Furthermore, the IGBT according to the second embodiment can have the fourth feature point described in the first embodiment. In other words, the trench TR in which the gate electrode G is buried is formed deeply so as to penetrate the n-type hole barrier layer NHB and reach the n -type base layer NB, thereby further increasing the turn-off loss. The on-voltage can be reduced. From the above, even in the IGBT according to the second embodiment, high performance of the IGBT can be realized.

本実施の形態2におけるIGBTは上記のように構成されており、その製造方法は前記実施の形態1におけるIGBTの製造方法とほぼ同様である。まず、p型コレクタ層PCLとなるp型半導体基板を用意し、このp型半導体基板上にエピタキシャル成長技術を使用してn型フィールドストップ層NFを形成する。そして、さらにエピタキシャル成長技術を用いて、n型フィールドストップ層NF上にn型ベース層NBを形成する。その後の工程は、前記実施の形態1と同様である。ただし、前記実施の形態1では、半導体基板の裏面からイオン注入法により、p型コレクタ層PCLとn型フィールドストップ層NFを形成したが、本実施の形態2では上述したようにエピタキシャル成長技術で既に形成されているので、p型コレクタ層PCLとn型フィールドストップ層NFを形成するイオン注入工程は実施されない。このようにして、本実施の形態2における半導体装置を形成することができる。 The IGBT in the second embodiment is configured as described above, and the manufacturing method thereof is substantially the same as the manufacturing method of the IGBT in the first embodiment. First, a p-type semiconductor substrate to be a p + -type collector layer PCL is prepared, and an n + -type field stop layer NF is formed on the p-type semiconductor substrate by using an epitaxial growth technique. Then, an n type base layer NB is formed on the n + type field stop layer NF using an epitaxial growth technique. Subsequent steps are the same as those in the first embodiment. However, in the first embodiment, the p + -type collector layer PCL and the n + -type field stop layer NF are formed by ion implantation from the back surface of the semiconductor substrate. However, in the second embodiment, as described above, the epitaxial growth technique is used. Therefore, the ion implantation process for forming the p + type collector layer PCL and the n + type field stop layer NF is not performed. In this manner, the semiconductor device according to the second embodiment can be formed.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

前記実施の形態では、トレンチ型IGBTに本発明の技術的思想を適用する場合について説明したが、これに限らず、例えば、プレーナ型IGBTにも本発明の技術的思想を適用することができる。   In the above-described embodiment, the case where the technical idea of the present invention is applied to a trench IGBT has been described. However, the present invention is not limited to this, and the technical idea of the present invention can also be applied to, for example, a planar IGBT.

本発明は、半導体装置を製造する製造業に幅広く利用することができる。   The present invention can be widely used in the manufacturing industry for manufacturing semiconductor devices.

本発明の実施の形態1における3相モータの回路図を示す図である。It is a figure which shows the circuit diagram of the three-phase motor in Embodiment 1 of this invention. IGBTを形成した半導体チップの上面図である。It is a top view of the semiconductor chip which formed IGBT. 図2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. IGBTを形成しているセル領域を拡大した図である。It is the figure which expanded the cell area | region which forms IGBT. セル領域に形成されているIGBTについて、回路構成とデバイス構造を対応させた図である。It is the figure which matched the circuit structure and device structure about IGBT currently formed in the cell area | region. 半導体チップの裏面からの深さとキャリア濃度との関係を示した図を用いて、p型コレクタ層のキャリア量とn型フィールドストップ層のキャリア量とを定義したものである。The figure showing the relationship between the depth from the back surface of the semiconductor chip and the carrier concentration defines the carrier amount of the p + -type collector layer and the carrier amount of the n + -type field stop layer. (Qp/Qn)とオン電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between (Qp / Qn) and ON voltage. (Qp/Qn)とターンオフ下降時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between (Qp / Qn) and turn-off fall time. リンドーズ量とn型フィールドストップ層のキャリア量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of Lindos and the amount of carriers of an n + type field stop layer. ボロンドーズ量とp型コレクタ層のキャリア量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of borondes and the amount of carriers of a p + type collector layer. 広がり抵抗顕微鏡によるキャリア濃度分布の測定原理を説明する図である。It is a figure explaining the measurement principle of carrier concentration distribution by a spreading resistance microscope. 実施の形態1における特徴点の1つを説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining one of feature points in the first embodiment. ターンオフ下降時間とオン電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between turn-off fall time and ON voltage. IGBTの間引き構造を説明する図である。It is a figure explaining the thinning-out structure of IGBT. 実施の形態1における半導体装置の製造工程を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device in the first embodiment. FIG. 図15に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 15; 図16に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 16; 図17に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 17; 図18に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 18; 図19に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 19; 図20に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 20; 図21に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 21; 図22に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 23 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 22; 図23に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 23; 図24に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 24; 図25に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 26 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 25; 図26に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 27 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 26; 図27に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 28 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 27; 図28に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 29 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 28; 図29に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 30 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 29; 図30に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 31 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 30; 実施の形態2におけるIGBTの構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of an IGBT in a second embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 3相モータ
2 パワー半導体装置
3 制御回路
4 IGBT
5 ダイオード
10 酸化シリコン膜
11 窒化シリコン膜
12 チタンタングステン膜
13 アルミニウム膜
AE アノード電極
AMP ワイドレンジ対数アンプ
C1 コンタクトホール
C2 コンタクトホール
C3 コンタクトホール
C4 コンタクトホール
CE カソード電極
CF 導体膜
CHP 半導体チップ
CLE コレクタ電極
E 電源
EE エミッタ電極
e 電子
G ゲート電極
GH ゲート引き出し線
GL ゲート配線
GOX ゲート絶縁膜
GP ゲートパッド
GR ガードリング
h 正孔
IL1 層間絶縁膜
KL カンチレバー
LO 素子分離領域
N1 n型半導体層
N2 n型半導体層
NB n型ベース層
NE n型エミッタ層
NF n型フィールドストップ層
NHB n型ホールバリア層
NR n型半導体層
NS ニッケルシリサイド膜
P 導電性探針
P1 p型半導体層
P2 p型半導体層
PC p型コンタクト層
PCH p型チャネル形成層
PCL p型コレクタ層
PL p型ラッチアップ防止層
PV 表面保護膜
PWL p型ウェル
Qp キャリア量
Qn キャリア量
R1 レジスト膜
R2 レジスト膜
S 試料
SH 補強板
TR トレンチ
Tr1 pnpバイポーラトランジスタ
Tr2 npnバイポーラトランジスタ
Tr3 電界効果トランジスタ
1 Three-phase motor 2 Power semiconductor device 3 Control circuit 4 IGBT
5 Diode 10 Silicon oxide film 11 Silicon nitride film 12 Titanium tungsten film 13 Aluminum film AE Anode electrode AMP Wide range logarithmic amplifier C1 Contact hole C2 Contact hole C3 Contact hole C4 Contact hole CE Cathode electrode CF Conductor film CHP Semiconductor chip CLE Collector electrode E Power supply EE Emitter electrode e Electron G Gate electrode GH Gate lead line GL Gate wiring GOX Gate insulating film GP Gate pad GR Guard ring h Hole IL1 Interlayer insulating film KL Cantilever LO Element isolation region N1 n-type semiconductor layer N2 n-type semiconductor layer NB n - -type base layer NE n + -type emitter layer NF n + -type field stop layer NHB n-type hole barrier layer NR n + -type semiconductor layer NS nickel Siri Sai Film P conductive probe P1 p-type semiconductor layer P2 p-type semiconductor layer PC p + -type contact layer PCH p-type channel forming layer PCL p + -type collector layer protective PL p-type latch-up prevention layer PV surface membrane PWL p-type well Qp Carrier amount Qn Carrier amount R1 Resist film R2 Resist film S Sample SH Reinforcing plate TR Trench Tr1 pnp bipolar transistor Tr2 npn bipolar transistor Tr3 Field effect transistor

Claims (20)

IGBTを含む半導体装置であって、
前記IGBTは、
(a)p型コレクタ層と、
(b)前記p型コレクタ層上に形成されたn型フィールドストップ層と、
(c)前記n型フィールドストップ層上に形成されたn型ベース層と、
(d)前記n型ベース層上に形成されたn型ホールバリア層と、
(e)前記n型ホールバリア層上に形成されたp型チャネル形成層と、
(f)前記p型チャネル形成層上に形成されたn型エミッタ層と、
(g)前記n型エミッタ層と前記p型チャネル形成層を貫通し、前記n型ホールバリア層に達するゲートトレンチと、
(h)前記ゲートトレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、
(i)前記ゲートトレンチ内の前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
(j)前記ゲート電極および前記n型エミッタ層上に形成された層間絶縁膜と、
(k)前記層間絶縁膜および前記n型エミッタ層を貫通して前記p型チャネル形成層に達するコンタクトホールと、
(l)前記コンタクトホール内に形成され、前記n型エミッタ層と前記p型チャネル形成層を電気的に接続するエミッタ電極と、
(m)前記p型チャネル形成層内に形成され、前記コンタクトホールと接するように形成されたp型コンタクト層と、
(n)前記p型コレクタ層の裏面に形成され、前記p型コレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極とを備え、
前記p型コレクタ層のキャリア量をQp、前記n型フィールドストップ層のキャリア量をQnとした場合、4≦(Qp/Qn)≦16を満たし、
前記ゲートトレンチの底部は、前記n型ホールバリア層を貫通して前記n型ベース層に達していることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device including an IGBT,
The IGBT is
(A) a p-type collector layer;
(B) an n-type field stop layer formed on the p-type collector layer;
(C) an n-type base layer formed on the n-type field stop layer;
(D) an n-type hole barrier layer formed on the n-type base layer;
(E) a p-type channel forming layer formed on the n-type hole barrier layer;
(F) an n-type emitter layer formed on the p-type channel forming layer;
(G) through the n-type emitter layer and the p-type channel forming layer, a gate trench reaching the n-type hole barrier layer,
(H) a gate insulating film formed on the inner wall of the gate trench;
(I) a gate electrode formed on the gate insulating film in the gate trench;
(J) an interlayer insulating film formed on the gate electrode and the n-type emitter layer;
(K) a contact hole reaching the p-type channel formation layer through the interlayer insulating film and the n-type emitter layer;
(L) an emitter electrode formed in the contact hole and electrically connecting the n-type emitter layer and the p-type channel forming layer;
(M) a p-type contact layer formed in the p-type channel formation layer and in contact with the contact hole;
(N) a collector electrode formed on the back surface of the p-type collector layer and electrically connected to the p-type collector layer;
The carrier amount of the p-type collector layer Qp, when the carrier amount Qn of the n-type field stop layer, meets the 4 ≦ (Qp / Qn) ≦ 16,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a bottom portion of the gate trench penetrates the n-type hole barrier layer and reaches the n-type base layer .
請求項1記載の半導体装置であって、
さらに、前記p型コンタクト層と前記n型ホールバリア層に接するように形成されたp型ラッチアップ防止層を有することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
And a p-type latch-up preventing layer formed in contact with the p-type contact layer and the n-type hole barrier layer.
請求項2記載の半導体装置であって、
前記p型コンタクト層は、前記p型チャネル形成層よりも不純物濃度が高いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The p-type contact layer has a higher impurity concentration than the p-type channel formation layer.
請求項3記載の半導体装置であって、
前記p型ラッチアップ防止層は、前記p型チャネル形成層よりも不純物濃度が高く、かつ、前記p型コンタクト層よりも不純物濃度が低いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3,
The p-type latch-up prevention layer has a higher impurity concentration than the p-type channel formation layer and a lower impurity concentration than the p-type contact layer.
請求項1記載の半導体装置であって、
前記n型ホールバリア層は、前記n型ベース層よりも不純物濃度が高いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The n-type hole barrier layer has a higher impurity concentration than the n-type base layer.
請求項5記載の半導体装置であって、
前記n型フィールドストップ層は、前記n型ベース層よりも不純物濃度が高いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 5,
The n-type field stop layer has a higher impurity concentration than the n-type base layer.
請求項記載の半導体装置であって、
前記ゲートトレンチの底部は、前記p型チャネル形成層の深さの2倍以上深い位置に存在することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the bottom of the gate trench is present at a position deeper than twice the depth of the p-type channel formation layer.
請求項1記載の半導体装置であって、
前記p型コレクタ層のキャリア量Qpは、4.0×1013〜8.0×1013(個/cm)であり、前記n型フィールドストップ層のキャリア領域Qnは、5×1012〜1.0×1013(個/cm)であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The carrier amount Qp of the p-type collector layer is 4.0 × 10 13 to 8.0 × 10 13 (pieces / cm 2 ), and the carrier region Qn of the n-type field stop layer is 5 × 10 12 to 1.0 × 10 13 (pieces / cm 2 )
請求項1記載の半導体装置であって、
前記エミッタ電極は、バリア導体膜と金属膜の積層膜から形成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the emitter electrode is formed of a laminated film of a barrier conductor film and a metal film.
請求項記載の半導体装置であって、
前記バリア導体膜は、チタン膜、チタンタングステン膜、あるいは、モリブデンシリサイド膜のいずれかから形成され、前記金属膜はアルミニウムを主体とする膜から形成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9 ,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier conductor film is formed of any one of a titanium film, a titanium tungsten film, and a molybdenum silicide film, and the metal film is formed of a film mainly composed of aluminum.
請求項10記載の半導体装置であって、
前記コレクタ電極は、チタン膜/ニッケル膜/金膜の積層膜、あるいは、アルミニウム膜/チタン膜/ニッケル膜/金膜の積層膜のいずれかを含むことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 10 ,
The collector device includes a laminated film of titanium film / nickel film / gold film or a laminated film of aluminum film / titanium film / nickel film / gold film.
IGBTを含む半導体装置の製造方法であって、
前記IGBTを形成する工程は、
(a)n型ベース層からなる半導体基板を用意する工程と、
(b)前記半導体基板に素子分離領域を形成する工程と、
(c)前記(b)工程後、IGBT形成領域の前記n型ベース層上にn型ホールバリア層を形成する工程と、
(d)前記(c)工程後、前記半導体基板の主面から前記n型ホールバリア層に達するゲートトレンチを形成する工程と、
(e)前記(d)工程後、前記ゲートトレンチの内壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記(e)工程後、前記ゲートトレンチ内の前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(g)前記(f)工程後、前記半導体基板の内部にp型チャネル形成層を形成することにより、前記n型ホールバリア層上に前記p型チャネル形成層を形成する工程と、
(h)前記(g)工程後、前記半導体基板の主面にn型エミッタ層を形成することにより、前記p型チャネル形成層上に前記n型エミッタ層を形成する工程と、
(i)前記(h)工程後、前記半導体基板の主面上に層間絶縁膜を形成する工程と、
(j)前記(i)工程後、前記層間絶縁膜および前記n型エミッタ層を貫通して前記p型チャネル形成層に達するコンタクトホールを形成する工程と、
(k)前記(j)工程後、前記p型チャネル形成層内に前記コンタクトホールと接するようにp型コンタクト層を形成する工程と、
(l)前記(k)工程後、前記コンタクトホール内を含む前記層間絶縁膜上にエミッタ電極を形成することにより、前記n型エミッタ層と前記p型チャネル形成層を電気的に接続する工程と、
(m)前記(l)工程後、前記n型ベース層の裏面にn型フィールドストップ層を形成する工程と、
(n)前記(m)工程後、前記n型フィールドストップ層の裏面にp型コレクタ層を形成する工程と、
(o)前記(n)工程後、前記p型コレクタ層の裏面にコレクタ電極を形成する工程とを備え、
前記p型コレクタ層のキャリア量をQp、前記n型フィールドストップ層のキャリア量をQnとした場合、4≦(Qp/Qn)≦16を満たすように前記p型コレクタ層と前記n型フィールドストップ層を形成し、
前記(d)工程で形成される前記ゲートトレンチは、前記n型ホールバリア層を貫通して前記n型ベース層に達するように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device including an IGBT, comprising:
The step of forming the IGBT includes:
(A) preparing a semiconductor substrate comprising an n-type base layer;
(B) forming an element isolation region in the semiconductor substrate;
(C) After the step (b), forming an n-type hole barrier layer on the n-type base layer in the IGBT formation region;
(D) after the step (c), forming a gate trench reaching the n-type hole barrier layer from the main surface of the semiconductor substrate;
(E) after the step (d), forming a gate insulating film on the inner wall of the gate trench;
(F) after the step (e), forming a gate electrode on the gate insulating film in the gate trench;
(G) after the step (f), forming a p-type channel formation layer on the n-type hole barrier layer by forming a p-type channel formation layer inside the semiconductor substrate;
(H) after the step (g), forming an n-type emitter layer on the p-type channel formation layer by forming an n-type emitter layer on the main surface of the semiconductor substrate;
(I) After the step (h), forming an interlayer insulating film on the main surface of the semiconductor substrate;
(J) after the step (i), forming a contact hole that reaches the p-type channel formation layer through the interlayer insulating film and the n-type emitter layer;
(K) after the step (j), forming a p-type contact layer in contact with the contact hole in the p-type channel formation layer;
(L) a step of electrically connecting the n-type emitter layer and the p-type channel forming layer by forming an emitter electrode on the interlayer insulating film including the inside of the contact hole after the step (k); ,
(M) After the step (l), forming an n-type field stop layer on the back surface of the n-type base layer;
(N) After the step (m), forming a p-type collector layer on the back surface of the n-type field stop layer;
(O) after the step (n), forming a collector electrode on the back surface of the p-type collector layer,
When the carrier amount of the p-type collector layer is Qp and the carrier amount of the n-type field stop layer is Qn, the p-type collector layer and the n-type field stop are set so as to satisfy 4 ≦ (Qp / Qn) ≦ 16. Forming a layer ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the gate trench formed in the step (d) is formed so as to penetrate the n-type hole barrier layer and reach the n-type base layer .
請求項12記載の半導体装置の製造方法であって、
前記(k)工程後、前記p型コンタクト層と前記n型ホールバリア層に接するようにp型ラッチアップ防止層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12 ,
After the step (k), a p-type latch-up prevention layer is formed so as to be in contact with the p-type contact layer and the n-type hole barrier layer.
請求項13記載の半導体装置の製造方法であって、
前記p型ラッチアップ防止層の不純物濃度を、前記p型コンタクト層の不純物濃度よりも低く、かつ、前記p型チャネル形成層の不純物濃度よりも高くなるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13 , comprising:
A semiconductor device, wherein the impurity concentration of the p-type latch-up prevention layer is formed to be lower than the impurity concentration of the p-type contact layer and higher than the impurity concentration of the p-type channel formation layer. Manufacturing method.
請求項14記載の半導体装置の製造方法であって、
前記n型ホールバリア層の不純物濃度を、前記n型ベース層の不純物濃度よりも高くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14 , comprising:
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an impurity concentration of the n-type hole barrier layer is higher than an impurity concentration of the n-type base layer.
請求項12記載の半導体装置の製造方法であって、
前記n型フィールドストップ層は、イオン注入法によりn型不純物を前記半導体基板に注入した後、レーザアニールすることにより、導入した前記n型不純物を活性化することにより形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12 ,
The n-type field stop layer is formed by activating the introduced n-type impurities by laser annealing after injecting n-type impurities into the semiconductor substrate by ion implantation. Device manufacturing method.
請求項16記載の半導体装置の製造方法であって、
前記n型不純物は、リンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the n-type impurity is phosphorus.
請求項12記載の半導体装置の製造方法であって、
前記p型コレクタ層は、イオン注入法によりp型不純物を前記半導体基板に注入した後、レーザアニールすることにより、導入した前記p型不純物を活性化することにより形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12 ,
The p-type collector layer is formed by activating the introduced p-type impurity by laser annealing after injecting a p-type impurity into the semiconductor substrate by an ion implantation method. Manufacturing method.
請求項18記載の半導体装置の製造方法であって、
前記p型不純物は、ボロンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the p-type impurity is boron.
請求項12記載の半導体装置の製造方法であって、
前記ゲートトレンチの底部は、前記p型チャネル形成層の深さの2倍以上深い位置に存在することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein a bottom portion of the gate trench exists at a position deeper than twice the depth of the p-type channel formation layer.
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