JP5587399B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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(a)p型コレクタ層と、
(b)前記p型コレクタ層の上部に形成されたn型バッファ層と、
(c)前記n型バッファ層の上部に形成され、前記n型バッファ層よりも高抵抗のn型ベース層と、
(d)前記n型ベース層の上部に形成され、前記n型ベース層と電気的に接続された表面半導体層と、
(e)前記表面半導体層の一部に形成されたp型チャネル形成層と、
(f)一部がゲート絶縁膜からなり、前記p型チャネル形成層の少なくとも一部を挟み込むように形成された複数層の絶縁膜と、
(g)前記表面半導体層の内部において前記p型チャネル形成層と電気的に接続するように形成され、前記p型チャネル形成層よりも高いp型不純物濃度を有するp型エミッタ層と、
(h)前記表面半導体層の一部に形成され、前記p型チャネル形成層および前記p型エミッタ層の双方に電気的に接続されたn型ソース層と、
(i)前記ゲート絶縁膜の上部に形成されたゲート電極と、
(j)前記p型コレクタ層の下部に形成され、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、
(k)前記p型エミッタ層および前記n型ソース層の上部に形成され、前記p型エミッタ層および前記n型ソース層と電気的に接続されたエミッタ電極と、
を有し、
前記p型チャネル形成層が前記複数層の絶縁膜によって挟み込まれた領域において、前記複数層の絶縁膜同士が最も近接する領域における前記p型チャネル形成層の厚さは、20nm〜100nmである。
図1は、本実施の形態1のIGBTの断面図を示している。本実施の形態1のIGBTは、例えばn−型の単結晶シリコンからなるベース層2の主面上に、埋め込み絶縁膜(薄膜部)3を介して、n−型の単結晶シリコンからなる複数の表面半導体層4が形成され、ベース層2と表面半導体層4とは、埋め込み絶縁膜3に形成された開口部(離間部)5で接続された構造となっている。また、複数の厚いフィールド絶縁膜(埋め込み絶縁膜の厚膜部)6によってベース層2の主面上では複数の活性領域が規定され、それら複数の活性領域の各々に前記表面半導体層4が形成されている。
本実施の形態2では、前記実施の形態1のIGBTの製造方法について、図20〜図41を用いて説明する。これら図20〜図41のうち、図20、図22、図27、図30、図33、図36および図39は、図19中のC−C線に沿った位置での工程中の断面を示し、図21、図23、図24、図25、図26、図28および図29は、図19中のA−A線に沿った位置およびB−B線に沿った位置での工程中の断面を示し、図31、図34、図37および図40は、図19中のA−A線に沿った位置での工程中の断面を示し、図32、図35、図38および図41は、図19中のB−B線に沿った位置での工程中の断面を示している。
次に、本実施の形態3のIGBTの製造方法について、図42を用いて説明する。本実施の形態3の製造方法は、前記実施の形態2で説明したIGBTの製造工程のうち、図20〜図24を用いて説明した工程までが同じである。
次に、本実施の形態4のIGBTの製造方法について、図43および図44を用いて説明する。本実施の形態4の製造方法は、前記実施の形態1で説明したIGBTの製造工程のうち、図20〜図24を用いて説明した工程までが同じである。
次に、本実施の形態5のIGBTの製造方法について、図45〜図53を用いて説明する。
次に、本実施の形態6のIGBTの製造方法について、図54〜図57を用いて説明する。本実施の形態6の製造方法は、前記実施の形態5において説明したp型フィールドリミッティングリング12およびp型ウエル12Aを形成する工程までが前記実施の形態5と同じである。
次に、本実施の形態7のIGBTの製造方法について、図58を用いて説明する。本実施の形態7の製造方法は、前記実施の形態2の製造方法とほぼ同様であるが、図58に示すように、チップ1の外周部において、基板2Aの主面に予めフィールド絶縁膜6の厚さと同程度の段差2Fを設け、チップ1の外周部における基板2Aの主面を他の領域よりも低くしておくものである。
本実施の形態8は、前記実施の形態2〜7で説明したIGBTの適用例であり、後述する図59および図60に示す回路図中のIGBTが前記実施の形態2〜7で説明したIGBTに該当する。
本発明によるエミッタ構造の設計は、横型IGBTにも適用可能である。図65はn−型の単結晶シリコンからなる高抵抗基板30を使用し、横型デバイスとして、p型コレクタ層19、p+型エミッタ層9、ゲート電極11をほぼ同一平面上に形成した横型IGBTの断面図である。また、図示しない領域において、p型コレクタ層19の表面にはコレクタ電極が電気的に接続されており、p+型エミッタ層9およびn+型ソース層8の上部には、p+型エミッタ層9およびn+型ソース層8に電気的に接続されたエミッタ電極が形成されている。
図67、図68は、本発明の実施の形態9である横型IGBTを示す断面図である。本実施の形態10の横型IGBTは、前記実施の形態9の横型IGBTにダブルリサーフ構造を導入した構成になっている。
図69、図70は、本発明の実施の形態11である横型IGBTを示す断面図である。本実施の形態11の横型IGBTは、高抵抗基板としてp−型の単結晶シリコンからなる高抵抗基板33を使用している。また、p型コレクタ層19およびn+型バッファ層18と、n型の表面半導体層4との間には、n+型バッファ層18および表面半導体層4の双方に電気的に接続され、n+型バッファ層18低いn型不純物濃度を有するn型拡散層31が形成されている。このn型拡散層31は、横型IGBTのn型ベース領域として機能する。
前記実施の形態9の横型IGBTは、n型の高抵抗基板30の電位を安定させるために、高抵抗基板30をコレクタ電極に接続する必要がある。また、前記実施の形態11の横型IGBTは、p型の高抵抗基板33の電位を安定させるために、高抵抗基板33をエミッタ電極に接続する必要がある。
Claims (15)
- 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型コレクタ層の上部に形成されたn型バッファ層と、
(c)前記n型バッファ層の上部に形成されたn型ベース層と、
(d)前記n型ベース層内に選択的に形成された複数の埋め込み絶縁膜と、
(e)前記複数の埋め込み絶縁膜の上部の前記n型ベース層内に形成されたp型チャネル形成層と、
(f)前記複数の埋め込み絶縁膜の上部の前記n型ベース層内において、前記p型チャネル形成層と接するように形成され、前記p型チャネル形成層よりも高いp型不純物濃度を有するp型エミッタ層と、
(g)前記複数の埋め込み絶縁膜の上部の前記n型ベース層内に形成されたn型ソース層と、
(h)前記複数の埋め込み絶縁膜の上部の前記n型ベース層の表面の一部、および前記p型チャネル形成層の一部に形成されたゲート絶縁膜と、
(i)前記ゲート絶縁膜の上部に形成されたゲート電極と、
(j)前記p型コレクタ層の下部に形成され、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、
(k)前記p型エミッタ層および前記n型ソース層の上部に形成され、前記p型エミッタ層および前記n型ソース層と電気的に接続されたエミッタ電極と、
を有し、
前記p型チャネル形成層の厚さは、20nm〜100nmであり、
前記複数の埋め込み絶縁膜のそれぞれは、膜厚の厚い厚膜部と、前記厚膜部よりも膜厚の薄い薄膜部とを含み、
前記p型エミッタ層および前記n型ソース層と、前記エミッタ電極との接続部は、前記複数の埋め込み絶縁膜の前記厚膜部上に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記n型ベース層は、単結晶シリコンからなることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記IGBTのオン時における前記エミッタ電極に流れる電流の構成比は、ホール電流が20%以下であり、電子電流が80%以上であることを特徴とする半導体装置。 - IGBTを含む半導体装置の製造方法であって、
(a)前記IGBTのn型ベース層となるn型基板の主面上に、膜厚の厚い厚膜部と前記厚膜部より膜厚の薄い薄膜部とを含む埋め込み絶縁膜を形成する工程、
(b)前記埋め込み絶縁膜の前記薄膜部に前記n型基板に達する離間部を形成する工程、
(c)前記埋め込み絶縁膜の前記薄膜部上に、前記離間部を埋め込む厚さ20nm〜100nmのn型表面半導体層を形成する工程、
(d)前記n型表面半導体層の表面の一部に選択的に前記IGBTのゲート絶縁膜を形成する工程、
(e)前記ゲート絶縁膜上に前記IGBTのゲート電極を形成する工程、
(f)前記n型表面半導体層内に前記IGBTのp型チャネル形成層を形成する工程、
(g)前記n型表面半導体層内にて、前記p型チャネル形成層と接するように、前記p型チャネル形成層よりも高いp型不純物濃度を有する前記IGBTのp型エミッタ層を形成する工程、
(h)前記n型表面半導体層内に前記IGBTのn型ソース層を形成する工程、
(i)前記n型基板をその裏面から薄くすることにより、前記n型基板からなる前記IGBTの前記n型ベース層を形成する工程、
(j)前記n型ベース層の裏面に前記IGBTのn型バッファ層を形成する工程、
(k)前記n型バッファ層の裏面に前記IGBTのp型コレクタ層を形成する工程、
(l)前記p型コレクタ層の裏面に、前記p型コレクタ層と電気的に接続される前記IGBTのコレクタ電極を形成する工程、
(m)前記p型エミッタ層上および前記n型ソース層上に、前記p型エミッタ層および前記n型ソース層と電気的に接続される前記IGBTのエミッタ電極を形成する工程、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記n型表面半導体層は、前記n型基板よりも高いn型不純物濃度を有し、
前記n型表面半導体層の形成は、前記離間部において前記n型基板から結晶が格子レベルで連続するようにエピタキシャル法で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記埋め込み絶縁膜の前記厚膜部の表面は、前記n型表面半導体層の表面と同一平面に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。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記n型基板および前記n型表面半導体層は、単結晶シリコンからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記n型表面半導体層は、p型シリコン膜を前記離間部において前記n型基板から結晶が格子レベルで連続するようにエピタキシャル法で形成した後、前記p型シリコン膜にn型不純物を導入することで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記n型基板は、複数のチップ領域に区画され、
前記複数のチップ領域のそれぞれの主面には、活性領域と、前記活性領域を取り囲む外周部とが規定され、
前記(a)工程は、
(a1)前記複数のチップ領域のそれぞれにおいて、前記外周部が前記活性領域より低くなるように前記複数のチップ領域のそれぞれの前記主面に段差を形成する工程、
を含み、
前記(a1)工程は、前記n型基板の主面上に前記埋め込み絶縁膜を形成する工程の前に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記段差は、前記埋め込み絶縁膜の前記厚膜部の厚さと同程度であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記p型コレクタ層の厚さは、5μm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記(c)工程で、前記埋め込み絶縁膜の前記薄膜部上に形成する前記n型表面半導体層の厚さは、20nm〜40nmであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - IGBTを含む半導体装置の製造方法であって、
(a)前記IGBTのn型ベース層となるn型基板に対し、前記n型基板の主面から酸素イオンを導入することにより、前記n型基板の内部に、膜厚が厚く、かつ離間部を備えた厚膜部と、前記厚膜部より膜厚の薄い薄膜部とを含む埋め込み絶縁膜を選択的に形成する工程、
(b)前記埋め込み絶縁膜が形成された前記n型基板の前記主面の一部に選択的に前記IGBTのゲート絶縁膜を形成する工程、
(c)前記ゲート絶縁膜上に前記IGBTのゲート電極を形成する工程、
(d)前記埋め込み絶縁膜上の前記n型基板に前記IGBTのp型チャネル形成層を形成する工程、
(e)前記埋め込み絶縁膜上の前記n型基板に、前記p型チャネル形成層と接するように、前記p型チャネル形成層よりも高いp型不純物濃度を有する前記IGBTのp型エミッタ層を形成する工程、
(f)前記埋め込み絶縁膜上の前記n型基板に前記IGBTのn型ソース層を形成する工程、
(g)前記n型基板をその裏面から薄くすることにより、前記n型基板からなる前記IGBTの前記n型ベース層を形成する工程、
(h)前記n型ベース層の裏面に前記IGBTのn型バッファ層を形成する工程、
(i)前記n型バッファ層の裏面に前記IGBTのp型コレクタ層を形成する工程、
(j)前記p型コレクタ層の裏面に、前記p型コレクタ層と電気的に接続される前記IGBTのコレクタ電極を形成する工程、
(k)前記p型エミッタ層上および前記n型ソース層上に、前記p型エミッタ層および前記n型ソース層と電気的に接続される前記IGBTのエミッタ電極を形成する工程、
を含み、
前記埋め込み絶縁膜は、前記n型基板の前記主面から前記埋め込み絶縁膜の前記薄膜部までの間隔が20nm〜100nmとなるように形成し、
前記p型エミッタ層および前記n型ソース層と、前記エミッタ電極との接続部は、前記埋め込み絶縁膜の前記厚膜部上に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
前記n型基板は、単結晶シリコンからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
前記埋め込み絶縁膜は、前記n型基板の前記主面から前記埋め込み絶縁膜の前記薄膜部までの間隔が20nm〜40nmと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。
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