JP6412617B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオード等のパワー系半導体装置(または半導体集積回路装置)のデバイス構造および製造技術に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a technology effective when applied to a device structure and a manufacturing technology of a power semiconductor device (or semiconductor integrated circuit device) such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a diode.
日本特開2004−193212号公報(特許文献1)には、パンチスルー型IGBT等において、ターンオフ時の電圧電流波形の振動を抑制するために、n−型ドリフト領域の途中にn+型領域を設ける技術が開示されている。 In Japanese Patent Laid-Open No. 2004-193212 (Patent Document 1), in a punch-through IGBT or the like, an n + type region is provided in the middle of an n− type drift region in order to suppress oscillation of a voltage / current waveform at turn-off. Technology is disclosed.
日本特開2001−77357号公報(特許文献2)には、パンチスルー型IGBT等において、低テール電流特性等を実現するために、p+型コレクタ領域とn+型フィールドストップ領域間に、n−型中間領域およびその一部をなす低ライフタイム領域を設ける技術が開示されている。 In Japanese Patent Laid-Open No. 2001-77357 (Patent Document 2), in order to realize a low tail current characteristic or the like in a punch-through IGBT or the like, an n − type is provided between a p + type collector region and an n + type field stop region. A technique for providing an intermediate region and a low lifetime region forming a part of the intermediate region is disclosed.
日本特開2008−85050号公報(特許文献3)または、これに対応する米国特許第7776660号公報(特許文献4)には、フィールドストップ領域を有し、FZ(Floating Zone)法によるシリコン単結晶ウエハを用いたIGBT等において、裏面からのコレクタ形成用イオン注入等の後のアニールに於いて、イオン注入に起因する結晶欠陥を残してライフタイムキラーとして利用する技術が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-85050 (Patent Document 3) or US Pat. No. 7777660 (Patent Document 4) corresponding thereto discloses a silicon single crystal having a field stop region and FZ (Floating Zone) method. In an IGBT or the like using a wafer, a technique is disclosed in which a crystal defect caused by ion implantation is left and used as a lifetime killer in annealing after ion implantation for collector formation from the back surface.
裏面側のP型コレクタ領域に接して、N−型ドリフト領域(またはN−型ベース領域)よりも高濃度のN型バッファ(Buffer)領域を有するIGBT等において、N型バッファ領域近傍のN−型ドリフト領域に、P型コレクタ領域やN型バッファ領域の導入のためのイオン注入等による欠陥を残留させることにより、スイッチングスピードを改善するデバイス構成手法が知られている。このような「イオン注入欠陥残留型IGBT」は、残留結晶欠陥が再結合中心として作用することで、オフ時のスイッチングスピードを改善する一方で、オフ時に空乏層が結晶欠陥に接触することで、リーク電流が増加するという副作用をもたらすおそれがある。これらの点は、IGBT等に逆並列接続されるフライバックダイオード(Fly−back Diode)についても当てはまる。 In an IGBT or the like having an N-type buffer (Buffer) region in contact with the P-type collector region on the back surface side and having a higher concentration than the N-type drift region (or N-type base region), the N- There is known a device configuration method for improving the switching speed by leaving defects due to ion implantation or the like for introducing a P-type collector region or an N-type buffer region in the type drift region. Such an “ion implantation defect residual IGBT” improves the switching speed at the time of off by the residual crystal defect acting as a recombination center, while the depletion layer contacts the crystal defect at the time of off, There is a possibility of causing a side effect that leakage current increases. These points also apply to a flyback diode connected in reverse parallel to an IGBT or the like.
本願発明は、これらの課題を解決するためになされたものである。 The present invention has been made to solve these problems.
本発明の目的は、信頼性の高いIGBT又は、これと対となって使用されるダイオードを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly reliable IGBT or a diode used in combination with the IGBT.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及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下記の通りである。 The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
すなわち、本願の一つの発明は、裏面側のP型コレクタ領域に接して設けられN−型ドリフト領域よりも高濃度のN型バッファ領域、および、このN型バッファ領域と前記N−型ドリフト領域の境界近傍から前記N−型ドリフト領域の近接する部分に設けられた欠陥残留領域(結晶欠陥領域)を有するIGBTにおいて、この欠陥残留領域よりも表面側の前記N−型ドリフト領域には、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域が設けられている。 That is, according to one aspect of the present invention, there is provided an N-type buffer region that is provided in contact with the P-type collector region on the back surface side and has a higher concentration than the N-type drift region, and the N-type buffer region and the N-type drift region. In an IGBT having a defect residual region (crystal defect region) provided in the vicinity of the boundary of the N − type drift region from the vicinity of the boundary of the N − type drift region, A higher concentration N-type field stop region is provided.
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下記のとおりである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、裏面側のP型コレクタ領域に接して設けられN−型ドリフト領域よりも高濃度のN型バッファ領域、および、このN型バッファ領域と前記N−型ドリフト領域の境界近傍から前記N−型ドリフト領域の近接する部分に設けられた欠陥残留領域を有するIGBTにおいて、この欠陥残留領域よりも表面側の前記N−型ドリフト領域には、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域が設けられているので、オフ状態で空乏層が前記欠陥残留領域に到達することがない。 That is, the N-type buffer region having a higher concentration than the N-type drift region provided in contact with the P-type collector region on the back surface side, and the N-type drift region from the vicinity of the boundary between the N-type buffer region and the N-type drift region. In an IGBT having a defect residual region provided in a portion adjacent to the type drift region, an N-type field stop region having a higher concentration is provided in the N− type drift region on the surface side of the defect residual region. Therefore, the depletion layer does not reach the defect residual region in the off state.
〔実施の形態の概要〕
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。
[Outline of Embodiment]
First, an outline of a typical embodiment of the invention disclosed in the present application will be described.
1.以下を含むIGBT:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記ドリフト領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第1導電型と反対導電型の第2導電型のチャネル領域;
(d)前記チャネル領域の前記第1の主面側表面領域に設けられた前記第1導電型のエミッタ領域;
(e)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられた前記第2導電型のコレクタ領域;
(f)前記コレクタ領域に接するように、その内側の前記ドリフト領域に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のバッファ領域;
(g)前記バッファ領域に沿って、その境界近傍から前記ドリフト領域の近接する部分に設けられた結晶欠陥領域;
(h)前記結晶欠陥領域に沿って、これよりも前記第1の主面側の前記ドリフト領域内に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のフィールドストップ領域。
1. IGBT including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type occupying a main part of the semiconductor substrate;
(C) a channel region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type provided in the first main surface side surface region of the drift region;
(D) the emitter region of the first conductivity type provided in the first principal surface side surface region of the channel region;
(E) the collector region of the second conductivity type provided in the surface region on the second main surface side of the drift region;
(F) the buffer region of the first conductivity type provided in the drift region inside thereof so as to be in contact with the collector region and having a higher concentration than this;
(G) a crystal defect region provided along the buffer region in a portion adjacent to the drift region from the vicinity of the boundary;
(H) A field stop region of the first conductivity type provided in the drift region closer to the first main surface along the crystal defect region and having a higher concentration than the drift region.
2.前記1項のIGBTにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
2. In the IGBT of
3.前記2項のIGBTにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。
3. In the IGBT of
4.前記3項のIGBTにおいて、前記フィールドストップ領域は、水素イオン又はヘリウムイオン注入によって形成されたものである。
4). In the IGBT of
5.前記1から4項のいずれか一つのIGBTにおいて、前記IGBTは、トレンチゲート型である。
5. In the IGBT according to any one of
6.前記1から5項のいずれか一つのIGBTにおいて、前記IGBTは、IE型トレンチゲートIGBTである。
6). In the IGBT according to any one of
7.前記1から6項のいずれか一つのIGBTにおいて、更に以下を含む:
(i)前記半導体基板の前記第2の主面上に設けられたメタルコレクタ電極;
(j)前記コレクタ領域の前記メタルコレクタ電極側に設けられ、前記コレクタ領域と同一導電型を有し、不純物濃度がより高い高濃度コレクタコンタクト領域、
ここで、前記高濃度コレクタコンタクト領域は、アルミニウムがドープされた領域である。
7). The IGBT according to any one of 1 to 6 further includes:
(I) a metal collector electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate;
(J) a high concentration collector contact region provided on the metal collector electrode side of the collector region, having the same conductivity type as the collector region, and having a higher impurity concentration;
Here, the high concentration collector contact region is a region doped with aluminum.
8.前記7項のIGBTにおいて、前記メタルコレクタ電極の内、前記高濃度コレクタコンタクト領域に接する部分は、アルミニウムを主要な成分とするメタル膜である。
8). In the IGBT of
9.以下を含むダイオード:
(a)第1の主面、第2の主面を有する半導体基板;
(b)前記半導体基板の主要部を占有する第1導電型のドリフト領域;
(c)前記半導体基板の前記第1の主面上に設けられたアノードメタル電極;
(d)前記ドリフト領域の前記第2の主面側表面領域に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のカソード領域;
(e)前記カソード領域に沿って、その境界近傍から前記ドリフト領域の近接する部分に設けられた結晶欠陥領域;
(f)前記結晶欠陥領域に沿って、これよりも前記第1の主面側の前記ドリフト領域内に設けられ、これよりも濃度が高い前記第1導電型のフィールドストップ領域。
9. Diode including:
(A) a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface;
(B) a drift region of a first conductivity type occupying a main part of the semiconductor substrate;
(C) an anode metal electrode provided on the first main surface of the semiconductor substrate;
(D) the cathode region of the first conductivity type provided in the surface region on the second main surface side of the drift region and having a concentration higher than that;
(E) a crystal defect region provided along the cathode region in a portion adjacent to the drift region from the vicinity of the boundary;
(F) The field stop region of the first conductivity type provided in the drift region on the first main surface side along the crystal defect region and having a higher concentration than the drift region.
10.前記9項のダイオードにおいて、前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である。
10. In the diode of
11.前記10項のダイオードにおいて、単結晶シリコン基板は、FZ法によるものである。 11. In the diode described in 10 above, the single crystal silicon substrate is formed by an FZ method.
12.前記11項のダイオードにおいて、前記フィールドストップ領域は、水素イオン又はヘリウムイオン注入によって形成されたものである。
12 12. In the diode of
〔本願における記載形式、基本的用語、用法の説明〕
1.本願において、実施の態様の記載は、必要に応じて、便宜上複数のセクションに分けて記載する場合もあるが、特にそうでない旨明示した場合を除き、これらは相互に独立別個のものではなく、単一の例の各部分、一方が他方の一部詳細または一部または全部の変形例等である。また、原則として、同様の部分は繰り返しを省略する。また、実施の態様における各構成要素は、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、必須のものではない。
[Description format, basic terms, usage in this application]
1. In the present application, the description of the embodiment may be divided into a plurality of sections for convenience, if necessary, but these are not independent from each other unless otherwise specified. Each part of a single example, one part is the other part of the details, or part or all of the modifications. Moreover, as a general rule, the same part is not repeated. In addition, each component in the embodiment is not indispensable unless specifically stated otherwise, unless it is theoretically limited to the number, and obviously not in context.
更に、本願において、「半導体装置」というときは、主に、各種トランジスタ、ダイオード(能動素子)単体、またはそれらを中心に、抵抗、コンデンサ等を半導体チップ等(たとえば単結晶シリコン基板、回路基板等)上に集積したものをいう。ここで、各種トランジスタの代表的なものとしては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代表されるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を例示することができる。このとき、各種単体トランジスタの代表的なものとしては、パワーMOSFETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を例示することができる。これらは、一本にパワー系半導体デバイスに分類され、その中には、パワーMOSFET、IGBTの外、バイポーラパワートランジスタ、サイリスタ(Thyristor)、パワーダイオード等を含む。 Further, in the present application, the term “semiconductor device” mainly refers to various types of transistors, diodes (active elements) alone, or resistors, capacitors, etc., such as semiconductor chips (for example, single crystal silicon substrates, circuit boards, etc.). ) Collected above. Here, as a representative of various transistors, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Effect Transistor) typified by a MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) can be exemplified. At this time, typical examples of various single transistors include power MOSFETs and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). These are categorized into power semiconductor devices, and include power MOSFETs, IGBTs, bipolar power transistors, thyristors, power diodes, and the like.
パワーMOSFETの代表的な形態は、表面にソース電極があり、裏面にドレイン電極がある2重拡散型縦型パワーMOSFET(Double Duffused Vertical Power MOSFET)であるが、この2重拡散型縦型パワーMOSFETには、主に2種類に分類でき、第1は実施形態において主に説明するプレーナゲート(Planar Gate)型であり、第2はU−MOSFET等のトレンチゲート(Trench Gate)型である。 A typical form of the power MOSFET is a double diffused vertical power MOSFET having a source electrode on the front surface and a drain electrode on the back surface. The double diffused vertical power MOSFET is a double diffused vertical power MOSFET. The first type is a planar gate type which will be mainly described in the embodiment, and the second type is a trench gate type such as a U-MOSFET.
パワーMOSFETには、その他に、LD−MOSFET(Lateral−Diffused MOSFET)がある。 Other power MOSFETs include LD-MOSFETs (Lateral-Diffused MOSFETs).
2.同様に実施の態様等の記載において、材料、組成等について、「AからなるX」等といっても、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかに、そうでない場合を除き、A以外の要素を主要な構成要素のひとつとするものを排除するものではない。たとえば、成分についていえば、「Aを主要な成分として含むX」等の意味である。たとえば、「シリコン部材」等といっても、純粋なシリコンに限定されるものではなく、SiGe合金やその他シリコンを主要な成分とする多元合金、その他の添加物等を含む部材も含むものであることはいうまでもない。同様に、「酸化シリコン膜」、「酸化シリコン系絶縁膜」等と言っても、比較的純粋な非ドープ酸化シリコン(Undoped Silicon Dioxide)だけでなく、FSG(Fluorosilicate Glass)、TEOSベース酸化シリコン(TEOS-based silicon oxide)、SiOC(Silicon Oxicarbide)またはカーボンドープ酸化シリコン(Carbon-doped Silicon oxide)またはOSG(Organosilicate glass)、PSG(Phosphorus Silicate Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)等の熱酸化膜、CVD酸化膜、SOG(Spin ON Glass)、ナノクラスタリングシリカ(Nano-Clustering Silica:NCS)等の塗布系酸化シリコン、これらと同様な部材に空孔を導入したシリカ系Low-k絶縁膜(ポーラス系絶縁膜)、およびこれらを主要な構成要素とする他のシリコン系絶縁膜との複合膜等を含むことは言うまでもない。 2. Similarly, in the description of the embodiment and the like, the material, composition, etc. may be referred to as “X consisting of A”, etc., except when clearly stated otherwise and clearly from the context, except for A It does not exclude what makes an element one of the main components. For example, as for the component, it means “X containing A as a main component”. For example, “silicon member” is not limited to pure silicon, but also includes SiGe alloys, other multi-component alloys containing silicon as a main component, and members containing other additives. Needless to say. Similarly, “silicon oxide film”, “silicon oxide insulating film”, etc. are not only relatively pure undoped silicon oxide (FS), but also FSG (Fluorosilicate Glass), TEOS-based silicon oxide ( Thermal oxide films such as TEOS-based silicon oxide), SiOC (Silicon Oxicarbide) or Carbon-doped Silicon oxide or OSG (Organosilicate glass), PSG (Phosphorus Silicate Glass), BPSG (Borophosphosilicate Glass), CVD Oxide film, SOG (Spin ON Glass), nano-clustering silica (Nano-Clustering Silica: NCS) and other coating-type silicon oxide, silica-based low-k insulating film (porous insulating) Needless to say, a film) and a composite film with other silicon-based insulating films including these as main constituent elements are included.
また、酸化シリコン系絶縁膜と並んで、半導体分野で常用されているシリコン系絶縁膜としては、窒化シリコン系絶縁膜がある。この系統の属する材料としては、SiN,SiCN,SiNH,SiCNH等がある。ここで、「窒化シリコン」というときは、特にそうでない旨明示したときを除き、SiNおよびSiNHの両方を含む。同様に、「SiCN」というときは、特にそうでない旨明示したときを除き、SiCNおよびSiCNHの両方を含む。 In addition to silicon oxide insulating films, silicon nitride insulating films that are commonly used in the semiconductor field include silicon nitride insulating films. Materials belonging to this system include SiN, SiCN, SiNH, SiCNH, and the like. Here, “silicon nitride” includes both SiN and SiNH unless otherwise specified. Similarly, “SiCN” includes both SiCN and SiCNH, unless otherwise specified.
3.同様に、図形、位置、属性等に関して、好適な例示をするが、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、厳密にそれに限定されるものではないことは言うまでもない。 3. Similarly, suitable examples of graphics, positions, attributes, and the like are given, but it is needless to say that the present invention is not strictly limited to those cases unless explicitly stated otherwise, and unless otherwise apparent from the context.
4.さらに、特定の数値、数量に言及したときも、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、その特定の数値を超える数値であってもよいし、その特定の数値未満の数値でもよい。 4). In addition, when a specific number or quantity is mentioned, a numerical value exceeding that specific number will be used unless specifically stated otherwise, unless theoretically limited to that number, or unless otherwise clearly indicated by the context. There may be a numerical value less than the specific numerical value.
5.「ウエハ」というときは、通常は半導体装置(半導体集積回路装置、電子装置も同じ)をその上に形成する単結晶シリコンウエハ等を指すが、エピタキシャルウエハ、SOI基板、LCDガラス基板等の絶縁基板と半導体層等の複合ウエハ等も含むことは言うまでもない。なお、ウエハ材料はシリコンに限らず、SiGe,SiC,GaN,GaAs,InP等であっても良い。 5. "Wafer" usually refers to a single crystal silicon wafer or the like on which a semiconductor device (same as a semiconductor integrated circuit device and an electronic device) is formed, but an insulating substrate such as an epitaxial wafer, an SOI substrate, or an LCD glass substrate. Needless to say, a composite wafer such as a semiconductor layer is also included. The wafer material is not limited to silicon, but may be SiGe, SiC, GaN, GaAs, InP, or the like.
6.先に、パワーMOSFETについて説明したのと同様に、IGBTは、一般にプレーナゲート(Planar Gate)型とトレンチゲート(Trench Gate)型に大別される。このトレンチゲート型IGBTは、比較的オン抵抗が低いが、伝導度変調を更に促進してオン抵抗を更に低くするために、IE(Injection Enhancement)効果を利用した「IE型トレンチゲートIGBT」(または、「アクティブセル間引き型トレンチゲートIGBT」)が開発されている。IE型トレンチゲートIGBTは、セル領域に於いて、実際にエミッタ電極に接続されたアクティブセル(Active Cell)と、フローティングPボディ領域を有するインアクティブセル(Inactive Cell)を交互に、または、櫛の歯状に配置することにより、半導体基板のデバイス主面側(エミッタ側)にホール(正孔)が蓄積しやすい構造としたものである。 6). As described above for power MOSFETs, IGBTs are generally roughly classified into a planar gate type and a trench gate type. Although this trench gate type IGBT has a relatively low on-resistance, in order to further promote conductivity modulation and further lower the on-resistance, an “IE-type trench gate IGBT” using the IE (Injection Enhancement) effect (or "Active cell thinning-out type trench gate IGBT") has been developed. In the IE trench gate IGBT, an active cell (Active Cell) actually connected to the emitter electrode and an inactive cell (Inactive Cell) having a floating P body region are alternately or comb-shaped in the cell region. By arranging in a tooth shape, the structure is such that holes are easily accumulated on the device main surface side (emitter side) of the semiconductor substrate.
なお、本願に於いては、IE型トレンチゲートIGBTではない従来型トレンチゲートIGBT、すなわち、アクティブセル間引き型ではにものを特にIE型トレンチゲートIGBTと区別する必要があるときは、「フルアクティブ型トレンチゲートIGBT(または非IE型トレンチゲートIGBT)」と呼ぶ。なお、「フルアクティブ」といっても、周辺部のダミーセルや周辺構造としてのインアクティブセル等を排除するものではない。 In the present application, when it is necessary to distinguish a conventional trench gate IGBT that is not an IE trench gate IGBT, that is, an active cell thinning type, particularly from an IE trench gate IGBT, a “full active type” is described. This is referred to as “trench gate IGBT (or non-IE trench gate IGBT)”. Note that “full active” does not exclude peripheral dummy cells, inactive cells as peripheral structures, and the like.
7.本願においては、IE型トレンチゲートIGBTの内、主要なアクティブセルの幅が、主要なインアクティブセルの幅よりも狭いものを「狭アクティブセルIE型トレンチゲートIGBT」と呼ぶ。 7). In the present application, among the IE-type trench gate IGBTs, a main active cell whose width is narrower than a main inactive cell is referred to as a “narrow active cell IE-type trench gate IGBT”.
また、トレンチゲートを横切る方向を「セルの幅方向」とし、これと直交するトレンチゲート(リニアゲート部分)の延在方向(長手方向)を「セルの長さ方向」とする。 The direction crossing the trench gate is defined as “cell width direction”, and the extending direction (longitudinal direction) of the trench gate (linear gate portion) orthogonal thereto is defined as “cell length direction”.
本願に於いては、主に「線状単位セル領域」(線状アクティブセル領域と線状インアクティブセル領域から構成される)を主に扱うが、この線状単位セル領域が周期的に繰り返して、半導体チップの内部領域に配列されて、「セル領域」を構成している。 In this application, mainly “linear unit cell region” (consisting of a linear active cell region and a linear inactive cell region) is mainly handled, but this linear unit cell region is periodically repeated. Thus, they are arranged in the internal area of the semiconductor chip to constitute a “cell area”.
このセル領域の周りには、通常、セル周辺接合領域が設けられており、更にその周りには、フローティングフィールドリング(Floating Field Ring)またはフィールドリミッティングリング(Field Limiting Ring)等が設けられ、終端構造を構成している。ここで、フローティングフィールドリングまたはフィールドリミッティングリングとは、ドリフト領域の表面(デバイス面)にP型ボディ領域(P型ウエル領域)とは分離して設けられ、それと同一導電形を有するとともに類似した濃度(主接合に逆方向電圧が印加されたときに完全空乏化しない程度の濃度である)を有し、リング状にセル領域を1重又は多重に取り巻く不純物領域または不純物領域群を言う。 A cell peripheral junction region is usually provided around the cell region, and a floating field ring or a field limiting ring is provided around the cell region. Make up structure. Here, the floating field ring or the field limiting ring is provided on the surface (device surface) of the drift region separately from the P-type body region (P-type well region) and has the same conductivity type as that of the floating field ring or field limiting ring. An impurity region or a group of impurity regions having a concentration (concentration that does not cause complete depletion when a reverse voltage is applied to the main junction) and surrounding the cell region in a ring shape in a single or multiple manner.
また、これらのフローティングフィールドリングには、フィールドプレート(Field Plate)が設けられることがある。このフィールドプレートとは、フローティングフィールドリングに接続された導電体膜パターンであって、絶縁膜を介してドリフト領域の表面(デバイス面)の上方に延在し、リング状にセル領域を取り巻く部分を言う。 These floating field rings may be provided with a field plate. This field plate is a conductor film pattern connected to the floating field ring, and extends above the surface (device surface) of the drift region via the insulating film, and the portion surrounding the cell region in a ring shape. say.
セル領域を構成する周期要素としての線状単位セル領域は、線状アクティブセル領域を中心に両側に半幅の線状インアクティブセル領域を配置したものをセットとして扱いうが合理的であるが、具体的に個別に線状インアクティブセル領域を説明する場合には、両側に分離しているため不便であるので、その場合には、具体的な一体の部分を線状インアクティブセル領域という。 Although it is reasonable to treat the linear unit cell area as a periodic element constituting the cell area as a set of linear inactive cell areas arranged on both sides centering on the linear active cell area, Specifically, when the linear inactive cell region is individually described, it is inconvenient because it is separated on both sides. In this case, a specific integral part is referred to as a linear inactive cell region.
8.本願では、ダイオードについて説明するときは、必要に応じて、IGBTに関する説明を援用する。ダイオードは、IGBTのゲートがない2極構造と見ると、ダイオードのアノードは、IGBTのエミッタに対応しており、ダイオードのカソードは、IGBTのコレクタに対応していることとなる。 8). In this application, when describing a diode, the description regarding IGBT is used as needed. When the diode is viewed as a bipolar structure without the gate of the IGBT, the anode of the diode corresponds to the emitter of the IGBT and the cathode of the diode corresponds to the collector of the IGBT.
フライバックダイオード(Fly−Back Diode)として用いられるダイオードは、PINダイオード(Pin Diode)およびショットキダイオード(Schottky Diode)に分類される。また、複合的なものとして、MPS(Merged Pin−Schottky)ダイオード、SSD(Static−Shielding−Diode)等がある。 Diodes used as fly-back diodes are classified into PIN diodes (Pin Diodes) and Schottky diodes (Schottky Diodes). Further, as a composite device, there are an MPS (Merged Pin-Schottky) diode, an SSD (Static-Shielding-Diode) and the like.
〔実施の形態の詳細〕
実施の形態について更に詳述する。各図中において、同一または同様の部分は同一または類似の記号または参照番号で示し、説明は原則として繰り返さない。
[Details of the embodiment]
The embodiment will be further described in detail. In the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar symbols or reference numerals, and description thereof will not be repeated in principle.
また、添付図面においては、却って、煩雑になる場合または空隙との区別が明確である場合には、断面であってもハッチング等を省略する場合がある。これに関連して、説明等から明らかである場合等には、平面的に閉じた孔であっても、背景の輪郭線を省略する場合がある。更に、断面でなくとも、空隙でないことを明示するために、ハッチングを付すことがある。 In the accompanying drawings, hatching or the like may be omitted even in a cross section when it becomes complicated or when the distinction from the gap is clear. In relation to this, when it is clear from the description etc., the contour line of the background may be omitted even if the hole is planarly closed. Furthermore, even if it is not a cross section, it may be hatched to clearly indicate that it is not a void.
1.本願の各実施の形態の半導体装置(IGBT、ダイオード)等の主要な応用分野等の説明(主に図1および図2)
以下では、モータドライブ回路を応用例として具体的に説明するが、本願の各実施の形態の半導体装置(IGBT、ダイオード)等の応用分野は、これに限定されないことはいうまでもない。
1. Description of main application fields such as semiconductor device (IGBT, diode) of each embodiment of the present application (mainly FIG. 1 and FIG. 2)
Hereinafter, the motor drive circuit will be specifically described as an application example, but it is needless to say that the application field of the semiconductor device (IGBT, diode) and the like of each embodiment of the present application is not limited to this.
図1は本願の各実施形態の半導体装置(IGBTおよびダイオード)の使用形態を示すIGBTおよびダイオードペアの相互接続図である。図2は図1に示すIGBTおよびダイオードペアを三相モータの駆動に適用したモータ駆動回路の回路図である。これらに基づいて、本願の各実施の形態の半導体装置(IGBT、ダイオード)等の主要な応用分野等を説明する。 FIG. 1 is an interconnection diagram of an IGBT and a diode pair showing how the semiconductor device (IGBT and diode) of each embodiment of the present application is used. FIG. 2 is a circuit diagram of a motor drive circuit in which the IGBT and the diode pair shown in FIG. 1 are applied to drive a three-phase motor. Based on these, main application fields such as the semiconductor device (IGBT, diode) of each embodiment of the present application will be described.
本願の実施の形態を構成するIGBTおよびダイオードは、図1に示すようなペア接続状態(たとえば、ペアモジュールとして)で使用される。すなわち、IGBT(Q)のコレクタ端子CとフライバックダイオードDのカソード端子Kが接続され、IGBT(Q)のエミッタ端子EとフライバックダイオードDのアノード端子Aが接続されており、ペアモジュールとしては、外部から見ると、ゲート端子Gを含めて3端子となる。 The IGBT and the diode constituting the embodiment of the present application are used in a pair connection state (for example, as a pair module) as shown in FIG. That is, the collector terminal C of the IGBT (Q) and the cathode terminal K of the flyback diode D are connected, and the emitter terminal E of the IGBT (Q) and the anode terminal A of the flyback diode D are connected. When viewed from the outside, there are three terminals including the gate terminal G.
次に、IGBT&ダイオードペアPa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pfの具体的適用回路の一例(3相モータ駆動回路)を図2に示す。図2に示すように、この3相モータ駆動回路は、IGBT&ダイオードペアPa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pfを用いて、直流電源31からの出力を高速スイッチングすることで、3相モータ30を駆動している。各IGBT&ダイオードペアPa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pfは、IGBT素子Qa,Qb,Qc,Qd,Qe,Qfとパワーダイオード素子Da,Db,Dc,Dd,De,Dfの組み合わせで構成されている。
Next, FIG. 2 shows an example of a specific application circuit (three-phase motor drive circuit) of the IGBT & diode pair Pa, Pb, Pc, Pd, Pe, Pf. As shown in FIG. 2, this three-phase motor drive circuit uses the IGBT & diode pairs Pa, Pb, Pc, Pd, Pe, and Pf to switch the output from the
尚、本願発明に係るパワーダイオード素子は、上記IGBTに限らず、MOSトランジスタやバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子に用いても良く、また、3相モータに限らず2相モータやソレノイド駆動等の回路等に広く用いることができる。 The power diode element according to the present invention is not limited to the IGBT, but may be used as a switching element such as a MOS transistor or a bipolar transistor. The power diode element is not limited to a three-phase motor, and is a circuit such as a two-phase motor or a solenoid drive. Can be widely used.
2.本願の一実施の形態のIGBTデバイスチップの全体構造等の説明(主に図3から図5)
このセクションでは、具体的な例を示して、先の定義等を補足するとともに、本願の代表的具体例を抜き出して、その概要を説明するとともに、全体の予備的な説明を行う。
2. Description of the overall structure of the IGBT device chip according to an embodiment of the present application (mainly FIGS. 3 to 5)
In this section, specific examples are shown, the above definitions are supplemented, representative specific examples of the present application are extracted, their outlines are explained, and overall preliminary explanations are given.
以下では、主にIE型トレンチゲートIGBTを例に取り具体的に説明するが、後に説明するように、フルアクティブ型トレンチゲートIGBTにもそのまま適用できることは言うまでもない。 In the following description, the IE type trench gate IGBT will be specifically described as an example. However, as will be described later, it goes without saying that the present invention can also be applied to a full active type trench gate IGBT as it is.
図3は本願の主要な実施の形態のアウトラインを説明するためのIE型トレンチゲートIGBTデバイスチップのセル領域およびその周辺の上面模式レイアウト図である。図4は図3のセル領域端部切り出し領域R1のA−A’断面に対応するデバイス模式断面図である。図5は本願の前記一実施の形態(1次元アクティブセル間引き構造:図6から図8に対応)に関する図3の線状単位セル領域およびその周辺R5の拡大上面図である。これらに基づいて、本願の一実施の形態のIGBTデバイスチップの全体構造等を説明する。 FIG. 3 is a schematic layout diagram of the upper surface of the cell region of the IE trench gate IGBT device chip and its periphery for explaining the outline of the main embodiment of the present application. FIG. 4 is a device schematic cross-sectional view corresponding to the A-A ′ cross section of the cell region end cutout region R <b> 1 of FIG. 3. FIG. 5 is an enlarged top view of the linear unit cell region of FIG. 3 and its periphery R5 relating to the one embodiment of the present application (one-dimensional active cell thinning structure: corresponding to FIGS. 6 to 8). Based on these, the entire structure and the like of the IGBT device chip according to the embodiment of the present application will be described.
(1)セル領域およびその周辺の平面構造の説明(主に図3):
まず、本セクションにおける説明の主な対象であるIE型トレンチゲートIGBTのデバイスチップ2の内部領域(終端構造の最外部であるガードリング等の内側の部分、すなわち、チップ2の主要部)の上面図を図3に示す。図3に示すように、チップ2(半導体基板)の内部領域の主要部は、セル領域10によって占有されている。セル領域10には、外周部には、これを取り巻くように、環状を呈し、P型のセル周辺接合領域35が設けられている。このセル周辺接合領域35の外側には、間隔を置いて、単数又は複数の環状を呈し、P型のフローティングフィールドリング36(すなわちフィールドリミッティングリング)が設けられており、セル周辺接合領域35、ガードリング4(図6参照)等とともに、セル領域10に対する終端構造を構成している。
(1) Description of the planar structure of the cell region and its periphery (mainly FIG. 3):
First, the upper surface of the inner region of the
セル領域10には、この例では、多数の線状単位セル領域40が敷き詰められており、これらの端部領域には、一対又はそれ以上(片方についていえば、1列又は数列程度)のダミーセル領域34(線状ダミーセル領域)が配置されている。
In this example, a large number of linear
(2)中間フィールドストップ領域、狭アクティブセル型単位セルおよび交互配列方式の説明(主に図4):
次に、図3のセル領域端部切り出し領域R1のA−A’断面を図4に示す。図4に示すように、チップ2の裏面1b(半導体基板の裏側主面または第2の主面)の半導体領域(この例では、シリコン単結晶領域)には、P+型コレクタ領域18が設けられており、その表面にはメタルコレクタ電極17が設けられている。半導体基板2の主要部を構成するN−型ドリフト領域20(第1導電型のドリフト領域)とP+型コレクタ領域18(第2導電型のコレクタ領域)との間には、N−型ドリフト領域20よりも高濃度のN型バッファ領域19(第1導電型のバッファ領域)が設けられている。すなわち、N型バッファ領域19は、P+型コレクタ領域18に接するように、その内側のN−型ドリフト領域20に設けられている。また、このN型バッファ領域19に沿って、その境界(N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界)近傍からN−型ドリフト領域20の近接する部分に、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、N−型ドリフト領域20よりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
(2) Description of intermediate field stop region, narrow active cell type unit cells and alternate arrangement method (mainly FIG. 4):
Next, FIG. 4 shows an AA ′ cross section of the cell region end cutout region R1 of FIG. As shown in FIG. 4, a P +
ここで、結晶欠陥領域41は、ホールの寿命を制限することにより、スイッチング特性を改善するためのものであり、たとえば、N型バッファ領域19およびP+型コレクタ領域18の導入後の活性化アニールの際に残留する結晶欠陥を利用する。N型フィールドストップ領域42(中間フィールドストップ領域)は、オフ状態のときに、空乏層が結晶欠陥領域41に達することを防止し、リーク電流が増加することを防ぐ効果を有する。また、N型バッファ領域19との間にN−型ドリフト領域20を挟んで、独立してN型フィールドストップ領域42(中間フィールドストップ領域)があるので、ホールの注入効率を決めるP+型コレクタ領域18とN型バッファ領域19とのPN接合の濃度関係と、N型フィールドストップ領域42の濃度を独立に設定できるメリットがある。
Here, the
一方、N−型ドリフト領域20の表面側1a(半導体基板の表側主面または第1の主面)の半導体領域には、多数のトレンチ21が設けられており、その中には、ゲート絶縁膜22を介して、トレンチゲート電極14が埋め込まれている。これらのトレンチゲート電極14は、メタルゲート電極5に接続されている。
On the other hand, a large number of
また、これらのトレンチ21は、各領域を区画する働きをしており、たとえば、ダミーセル領域34は、一対のトレンチ21によって両側から区画されており、その内の一つのトレンチ21によって、セル領域10とセル周辺接合領域35が区画されている。このセル周辺接合領域35は、P+型ボディコンタクト領域25pを介して、メタルエミッタ電極8と接続されている。なお、本願に於いては、特に断らない限り、トレンチのどの部分のゲート絶縁膜22の厚さもほぼ同じとしている(しかし、必要により、ある部分の厚さを他の部分と比較して、異ならせることを排除するものではない)。このように、セル周辺接合領域35およびダミーセル領域34に於いて、エミッタコンタクトを取ることによって、ダミーセル領域34等の幅がプロセス的に変化した場合に於いても、耐圧の低下を防止することができる。
Further, these
セル周辺接合領域35の外側のN−型ドリフト領域20の表面側1aの半導体領域には、P型のフローティングフィールドリング36が設けられており、この表面1a上には、フィールドプレート4が設けられ、P+型ボディコンタクト領域25rを介して、フローティングフィールドリング36に接続されている。
A P-type floating
次に、セル領域10を更に説明する。ダミーセル領域34は、N+型エミッタ領域12を有さない以外は、構造およびサイズとも、基本的に線状アクティブセル領域40aと同じであり、P型ボディ領域15の表面に設けられたP+型ボディコンタクト領域25dは、メタルエミッタ電極8と接続されている。セル領域10の内部領域の大部分は、基本的に、線状単位セル領域40を単位格子とする並進対象の繰り返し構造(なお、厳密な意味での対象性を要求するものではない。以下同じ)をしている。単位格子としての線状単位セル領域40は、線状アクティブセル領域40aとその両側の半幅の線状インアクティブセル領域40iから構成されているが、具体的には、隣接する線状アクティブセル領域40aの間に全幅の線状インアクティブセル領域40iが配置されていると見ることができる(図5参照)。
Next, the
線状アクティブセル領域40aの半導体基板の表側主面1a(第1の主面)側半導体表面領域には、P型ボディ領域15(第2導電型のチャネル領域)が設けられており、その表面には、N+型エミッタ領域12(第1導電型エミッタ領域)およびP+型ボディコンタクト領域25が設けられている。このP+型ボディコンタクト領域25は、メタルエミッタ電極8と接続されている。線状アクティブセル領域40aにおいては、このP型ボディ領域15の下部のN−型ドリフト領域20に、N型ホールバリア領域24が設けられている。
A P-type body region 15 (second-conductivity-type channel region) is provided in a semiconductor surface region on the front-side
一方、線状インアクティブセル領域40iの半導体基板の表側主面1a(第1の主面)側半導体表面領域には、同様に、P型ボディ領域15が設けられており、その下部のN−型ドリフト領域20には、両側のトレンチ21の下端部をカバーし、それよりも深いP型フローティング領域16(第2導電型フローティング領域)が設けられている。このようなP型フローティング領域16を設けることによって、耐圧の急激な低下を招くことなく、線状インアクティブセル領域の幅Wiを広くすることができる。これによって、ホール蓄積効果を有効に増強することが可能となる。なお、P型フローティング領域16は、IE型トレンチゲートIGBTにおいては、そこにホールを蓄積することによって、線状アクティブセル領域40aの下部のN−型ドリフト領域20(Nベース領域)のホール濃度を増加させ、その結果、IGBT内のMOSFETからNベース領域へ注入される電子濃度を向上させることによって、オン抵抗を下げようとするものである。
On the other hand, a P-
この例では、線状アクティブセル領域40aの幅Waは、線状インアクティブセル領域40iの幅Wiよりも狭くされており、本願では、これを「狭アクティブセル型単位セル」と呼ぶ。以下では、主に、この狭アクティブセル型単位セルを有するデバイスについて、具体的に説明するが、本願の発明は、それに限定されるものではなく、「非狭アクティブセル型単位セル」を有するデバイスにも適用できることは言うまでもない。
In this example, the width Wa of the linear
図4の例では、線状アクティブセル領域40aと線状インアクティブセル領域40iを交互に配列して、線状単位セル領域40を構成しているが、この構成を、本願においては、「交互配列方式」と呼ぶ。以下では、特に断らない限り、交互配列方式を前提に説明するが、「非交互配列方式」でもよいことはいうまでもない。
In the example of FIG. 4, the linear
図4では、本願の各種の実施の形態の各部分を例示的に包含する主要部を説明したが、以下の説明では、これらをセル部(断面、平面構造)、セル周辺部等の構成要素に分けて説明するが、これらは、個々ばらばらのものではなく、図4に示したように、各種の変形例が各構成要素と置換して、主要部を構成するものである。 In FIG. 4, the main part that illustratively includes each part of various embodiments of the present application has been described. However, in the following description, these are constituent elements such as a cell part (cross section, planar structure), a cell peripheral part, and the like. Although these are described separately, they are not individually separated, but as shown in FIG. 4, various modified examples are replaced with the respective constituent elements to constitute the main part.
(3)アクティブセル1次元間引き構造の説明(主に図5)
図3の線状単位セル領域主要部およびその周辺切り出し領域R5の詳細平面構造の一例を図5に示す。図5に示すように、線状アクティブセル領域40aの長さ方向の全域にN+型エミッタ領域12が設けられている。すなわち、線状アクティブセル領域40aの長さ方向の全域が、アクティブセクション40aaとなっている。ここで、アクティブセクション40aaとは、N+型エミッタ領域12が設けられている線状アクティブセル領域40aの長さ方向の区画をいう。
(3) Description of active cell one-dimensional thinning structure (mainly FIG. 5)
An example of the detailed planar structure of the main part of the linear unit cell region of FIG. 3 and the surrounding cutout region R5 is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the N +
この構造を本願では、「アクティブセル1次元間引き構造」と呼ぶ。 In the present application, this structure is referred to as an “active cell one-dimensional thinning structure”.
3.本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造等の説明(主に図6から図8)
このセクションでは、セクション1および2の説明を踏まえて、前記一実施の形態に対応する具体的チップ上面レイアウトおよび単位セル構造の一例(セクション2の図3から図5に対応するアクティブセル1次元間引き構造を例に取る)を説明する。このセクションで説明するセル構造は、交互配列方式の狭アクティブセル型単位セルである。
3. Description of the cell structure of the IGBT according to the embodiment of the present application (mainly FIGS. 6 to 8)
In this section, based on the description of
なお、通常、耐圧600ボルトのIGBT素子2を例にとると、チップサイズは、3から6ミリメートル角が平均的である。ここでは、説明の都合上、縦4ミリメートル、横5.2ミリメートルのチップを例にとり説明する。ここでは、デバイスの耐圧をたとえば、600ボルト程度として説明する。
In general, when the
図6は本願の前記一実施の形態(他の実施形態にも共通する)のIE型トレンチゲートIGBTデバイスチップの全体上面図(図3にほぼ対応するが、より具体的な形状に近い)である。図7は図6のセル領域内部切り出し領域R3の拡大上面図(P型ディープフローティング&ホールバリア線状単位セル構造)である。図8は図7のD−D’断面に対応するデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態におけるIE型トレンチゲートIGBTのデバイス構造を説明する。 FIG. 6 is an overall top view (almost corresponding to FIG. 3 but close to a more specific shape) of the IE-type trench gate IGBT device chip according to the one embodiment of the present application (common to other embodiments). is there. FIG. 7 is an enlarged top view (P-type deep floating & hole barrier linear unit cell structure) of the cell region internal cutout region R3 of FIG. FIG. 8 is a device cross-sectional view corresponding to the D-D ′ cross section of FIG. 7. Based on these, the device structure of the IE-type trench gate IGBT in the one embodiment of the present application will be described.
図6に示すように、IGBTデバイスチップ2の上面1aの外周部には、たとえば、アルミニウム系配線層等から構成された環状のガードリング3が設けられており、その内側には、環状のフローティングフィールドリング等と接続された数本(単数又は複数)の環状のフィールドプレート4(たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されている)が設けられている。フィールドプレート4(フローティングフィールドリング36)の内側であって、チップ2の上面1aの内部領域の主要部には、セル領域10が設けられており、セル領域10上は、その外部近傍まで、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルエミッタ電極8に覆われている。メタルエミッタ電極8の中央部は、ボンディングワイヤ等を接続するためのメタルエミッタパッド9となっており、メタルエミッタ電極8とフィールドプレート4の間には、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルゲート配線7が配置されている。このメタルゲート配線7は、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルゲート電極5に接続されており、メタルゲート電極5の中心部は、ボンディングワイヤ等を接続するためのゲートパッド6となっている。
As shown in FIG. 6, an
次に、図6のセル領域内部切り出し領域R3の拡大上面図を図7に示す。図7に示すように、セル領域10は、横方向に交互に配置された線状アクティブセル領域40aおよび線状インアクティブセル領域40iから構成されている。線状アクティブセル領域40aおよび線状インアクティブセル領域40iの間には、トレンチゲート電極14が配置されており、線状アクティブセル領域40aの中央部には、線状のコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が配置されている。このコンタクト溝11の両側の線状アクティブセル領域40aには、線状のN+型エミッタ領域12が設けられている。一方、線状インアクティブセル領域40iには、ほぼその全面にP型ボディ領域15およびP型フローティング領域16が上下(図4又は図8参照)に設けられている。
Next, an enlarged top view of the cell region internal cutout region R3 of FIG. 6 is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the
次に、図7のD−D’断面を図8に示す。図8に示すように、半導体チップ2の裏面1bの半導体領域には、上下に接するようにP+型コレクタ領域18およびN型バッファ領域19等が形成されており、半導体チップ2の裏面1b上には、メタルコレクタ電極17が形成されている。すなわち、先に説明したように、N型バッファ領域19は、P+型コレクタ領域18に接するように、その内側のN−型ドリフト領域20に設けられている。また、このN型バッファ領域19に沿って、その境界(N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界)近傍からN−型ドリフト領域20の近接する部分に、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
Next, FIG. 8 shows a D-D ′ cross section of FIG. 7. As shown in FIG. 8, a P +
線状アクティブセル領域40aにおける半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、下から順に、N型ホールバリア領域24(第1導電型ホールバリア領域)、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12が設けられている。また、半導体チップ2の表面1a上には、層間絶縁膜26が形成されており、線状アクティブセル領域40aにおける層間絶縁膜26部分には、半導体基板内部に及ぶコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が形成されており、このコンタクト溝11等の底の半導体領域には、上からP+型ボディコンタクト領域25およびP+型ラッチアップ防止領域23が設けられている。このコンタクト溝11等を介して、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12は、層間絶縁膜26上に設けられたメタルエミッタ電極8に接続されている。
An N-type
ここで、N型ホールバリア領域24は、N−型ドリフト領域20からN+型エミッタ領域12への通路にホールが流れ込むのを阻止するためのバリア領域であり、その不純物濃度は、N+型エミッタ領域12よりも低く、N−型ドリフト領域20よりも高い。このN型ホールバリア領域24の存在により、線状インアクティブセル領域40iに蓄積されたホールが、線状アクティブセル領域40aのエミッタ通路(N−型ドリフト領域20からP+型ボディコンタクト領域25へ向かう通路)へ入り込むのを有効に阻止することができる。
Here, the N-type
これに対して、線状インアクティブセル領域40iにおける半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、下から順に、P型フローティング領域16およびP型ボディ領域15が設けられており、P型フローティング領域16の深さは、トレンチ21の深さよりも深くされており、トレンチ21の下端部をカバーするように分布している。
In contrast, in the linear
ここで、デバイス構造をより具体的に例示するために、デバイス各部(図8および図4参照)の主要寸法の一例を示す。すなわち、線状アクティブセル領域の幅Waは、2.3マイクロメートル程度、線状インアクティブセル領域の幅Wiは、6マイクロメートル程度(線状アクティブセル領域の幅Waは、線状インアクティブセル領域の幅Wiよりも狭いことが望ましく、Wi/Waの値は、たとえば2から3の範囲が特に好適である)、コンタクト幅は、0.5マイクロメートル程度、トレンチ幅は、0.7マイクロメートル程度(0.8マイクロメートル以下が特に好適である)、トレンチ深さは、3マイクロメートル程度、N+型エミッタ領域12の深さは、250nm程度、P型ボディ領域15(チャネル領域)の深さは、0.8マイクロメートル程度、P+型ラッチアップ防止領域23の深さは、1.4マイクロメートル程度、P型フローティング領域16の深さは、4.5マイクロメートル程度、N型バッファ領域19の厚さは、1.5マイクロメートル程度、P+型コレクタ領域の厚さは、0.5マイクロメートル程度、N型フィールドストップ領域42の厚さは、10マイクロメートル程度でその位置は、基板表面から50マイクロメートル程度、半導体基板2の厚さは、70マイクロメートル程度(ここでは、耐圧600ボルト程度の例を示す)である。なお、半導体基板2の厚さは求められる耐圧に強く依存する。従って、耐圧1200ボルトでは、たとえば120マイクロメートル程度であり、耐圧400ボルトでは、たとえば40マイクロメートル程度である。
Here, in order to illustrate the device structure more specifically, an example of main dimensions of each part of the device (see FIGS. 8 and 4) is shown. That is, the width Wa of the linear active cell region is about 2.3 micrometers, and the width Wi of the linear inactive cell region is about 6 micrometers (the width Wa of the linear active cell region is the linear inactive cell). It is desirable that the width is smaller than the width Wi of the region, and the value of Wi / Wa is particularly preferably in the range of 2 to 3, for example.) The contact width is about 0.5 micrometers, and the trench width is 0.7 micrometers. The depth of the trench is about 3 micrometers, the depth of the N + -
なお、以下の例、および、セクション2の例に於いても、対応する部分の寸法は、ここに示したものとほぼ同じであるので、説明は繰り返さない。
In the following example and the example in
4.本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセス等の説明(主に図9から図25)
このセクションでは、セクション3で説明したデバイス構造に対する製造方法の一例を示す。以下では、セル領域10を中心に説明するが、周辺部等については、必要に応じて図3から図5等を参照する。
4). Description of surface device formation process and the like related to the IGBT according to the embodiment of the present application (mainly FIGS. 9 to 25)
In this section, an example of a manufacturing method for the device structure described in
図9は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ホールバリア領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図10は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P型フローティング領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図11は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチ加工用ハードマスク成膜工程)におけるデバイス断面図である。図12は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチハードマスク加工工程)におけるデバイス断面図である。図13は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチハードマスク加工用レジスト除去工程)におけるデバイス断面図である。図14は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチ加工工程)におけるデバイス断面図である。図15は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(トレンチ加工用ハードマスク除去工程)におけるデバイス断面図である。図16は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(引き伸ばし拡散およびゲート酸化工程)におけるデバイス断面図である。図17は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ゲートポリシリコン成膜工程)におけるデバイス断面図である。図18は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ゲートポリシリコンエッチバック工程)におけるデバイス断面図である。図19は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(ゲート酸化膜エッチバック工程)におけるデバイス断面図である。図20は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P型ボディ領域およびN+型エミッタ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図21は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(層間絶縁膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図22は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(コンタクトホール形成工程)におけるデバイス断面図である。図23は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(基板エッチング工程)におけるデバイス断面図である。図24は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P+型ボディコンタクト領域およびP+型ラッチアップ防止領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図25は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(表面メタル成膜工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセス等を説明する。 FIG. 9 is a device sectional view in the manufacturing process (hole barrier region introducing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 10 is a device sectional view in the manufacturing process (P-type floating region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 11 is a device sectional view in the manufacturing process (trench processing hard mask film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 12 is a device sectional view in the manufacturing process (trench hard mask processing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 13 is a device sectional view in the manufacturing process (trench hard mask processing resist removal step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the embodiment of the present application. FIG. 14 is a device sectional view in the manufacturing process (trench processing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 15 is a device sectional view in the manufacturing process (trench processing hard mask removal step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 16 is a device sectional view in the manufacturing process (stretch diffusion and gate oxidation step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 17 is a device sectional view in the manufacturing process (gate polysilicon film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 18 is a device sectional view in the manufacturing process (gate polysilicon etch-back step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 19 is a device sectional view in the manufacturing process (gate oxide film etchback step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 20 is a device sectional view in the manufacturing process (P-type body region and N + type emitter region introducing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the embodiment of the present application. . 21 is a device sectional view in the manufacturing process (interlayer insulating film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 22 is a device sectional view in the manufacturing process (contact hole forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 23 is a device sectional view in the manufacturing process (substrate etching step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 24 is a device cross section during the manufacturing process (P + type body contact region and P + type latch-up prevention region introducing step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. FIG. 25 is a device sectional view in the manufacturing process (surface metal film forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. Based on these, the surface device formation process and the like related to the IGBT according to the embodiment of the present application will be described.
まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、抵抗率22Ωcmから30Ωcm)の200φウエハ(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、FZ(Floating Zone)法によるウエハが最も好適であるが、CZ(Czochralski)法によるウエハでもよい。 First, an N− type silicon single crystal (for example, wafers of various diameters such as 150φ, 100φ, 300φ, 450φ, etc.) with a phosphorus concentration of about 2 × 10 14 / cm 3 and a resistivity of 22 Ωcm to 30 Ωcm may be prepared. Here, for example, a wafer by FZ (Floating Zone) method is most suitable, but a wafer by CZ (Czochralski) method may be used.
次に、図9に示すように、半導体ウエハ1の表面1a(第1の主面)上のほぼ全面に、N型ホールバリア領域導入用レジスト膜31を塗布等により形成し、通常のリソグラフィにより、パターニングする。パターニングされたN型ホールバリア領域導入用レジスト膜31をマスクとして、たとえば、イオン注入により、半導体ウエハ1の表面1a(第1の主面)側の半導体基板1s(N−型単結晶シリコン基板)内に、N型不純物を導入することにより、N型ホールバリア領域24を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、ドーズ量:6x1012/cm2程度、注入エネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったレジスト膜31を除去する。
Next, as shown in FIG. 9, an N-type hole barrier region introduction resist
次に、図10に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、P型フローティング領域導入用レジスト膜37を塗布等により形成し、通常のリソグラフィにより、パターニングする。パターニングされたP型フローティング領域導入用レジスト膜37をマスクとして、たとえば、イオン注入により、半導体ウエハ1の表面1a(第1の主面)側の半導体基板1s内に、P型不純物を導入することにより、P型フローティング領域16を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、ドーズ量:3.5x1013/cm2程度、注入エネルギ:75KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったレジスト膜37を除去する。なお、P型フローティング領域16の導入の際に、図2のセル周辺接合領域35、フローティングフィールドリング36も同時に導入する。
Next, as shown in FIG. 10, a P-type floating region introducing resist film 37 is formed on almost the
次に、図11に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition)等により、酸化シリコン系絶縁膜等のトレンチ形成用ハードマスク膜32(例えば、厚さ450nm程度)を成膜する。
Next, as shown in FIG. 11, a
次に、図12に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、トレンチハードマスク膜加工用レジスト膜33を塗布等により形成し、通常のリソグラフィにより、パターニングする。パターニングされたトレンチハードマスク膜加工用レジスト膜33をマスクとして、たとえば、ドライエッチングにより、トレンチ形成用ハードマスク膜32をパターニングする。
Next, as shown in FIG. 12, a resist
その後、図13に示すように、アッシング等により、不要になったレジスト膜33を除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 13, the resist
次に、図14に示すように、パターニングされたトレンチ形成用ハードマスク膜32を用いて、たとえば、異方性ドライエッチングにより、トレンチ21を形成する。この異方性ドライエッチングのガス系としては、たとえば、Cl2/O2系ガスを好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 14, the
その後、図15に示すように、たとえば、弗酸系酸化シリコン膜エッチング液等を用いたウエットエッチングにより、不要になったトレンチ形成用ハードマスク膜32を除去する。
After that, as shown in FIG. 15, the trench forming
次に、図16に示すように、P型フローティング領域16およびN型ホールバリア領域24に対する引き延ばし拡散(たとえば、摂氏1200度、30分程度)を実行する。続いて、たとえば、熱酸化等により、半導体ウエハ1の表面1a上およびトレンチ21の内面のほぼ全面に、ゲート絶縁膜22(例えば、厚さ120nm程度)を形成する。
Next, as shown in FIG. 16, extended diffusion (for example, about 1200 degrees Celsius and about 30 minutes) is performed on the P-
次に、図17に示すように、トレンチ21を埋め込むように、ゲート絶縁膜22上の半導体ウエハ1の表面1a上およびトレンチ21の内面のほぼ全面に、たとえばCVD等により、燐がドープされたドープトポリシリコン(Doped Poly−Silicon)膜27を成膜する(例えば、厚さ600nm程度)。
Next, as shown in FIG. 17, phosphorus is doped on the
次に、図18に示すように、たとえば、ドライエチング等(たとえば、ガス系はSF6等)により、ポリシリコン膜27をエッチバックすることにより、トレンチ21内にトレンチゲート電極14を形成する。
Next, as shown in FIG. 18, the
次に、図19に示すように、たとえば、弗酸系酸化シリコン膜エッチング液等を用いたウエットエッチングにより、トレンチ21外のゲート絶縁膜22を除去する。
Next, as shown in FIG. 19, the
次に、図20に示すように、たとえば、熱酸化またはCVDにより、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、後続のイオン注入用の比較的薄い酸化シリコン膜(たとえば、ゲート絶縁膜と同程度)を形成する。続いて、半導体ウエハ1の表面1a上に通常のリソグラフィにより、P型ボディ領域導入用レジスト膜を形成する。このP型ボディ領域導入用レジスト膜をマスクとして、例えば、イオン注入により、セル領域10のほぼ全面およびその他必要な部分に、P型不純物を導入することにより、P型ボディ領域15を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、ドーズ量:3x1013/cm2程度、注入エネルギ:75KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったP型ボディ領域導入用レジスト膜を除去する。
Next, as shown in FIG. 20, a relatively thin silicon oxide film (for example, the same as the gate insulating film) for subsequent ion implantation is formed on almost the
更に、半導体ウエハ1の表面1a上に通常のリソグラフィにより、N+型エミッタ領域導入用レジスト膜を形成する。このN+型エミッタ領域導入用レジスト膜をマスクとして、例えば、イオン注入により、線状アクティブセル領域40aのP型ボディ領域15の上部表面のほぼ全面に、N型不純物を導入することにより、N+型エミッタ領域12を形成する。このときのイオン注入条件としては、たとえば、イオン種:砒素、ドーズ量:5x1015/cm2程度、注入エネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。その後、アッシング等により、不要になったN+型エミッタ領域導入用レジスト膜を除去する。
Further, an N + type emitter region introduction resist film is formed on the
次に、図21に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面に、たとえば、CVD等により、層間絶縁膜26として、たとえば、PSG(Phosphsilicate Glass)膜を成膜する(厚さは、たとえば、600nm程度)。この層間絶縁膜26の材料としては、PSG膜のほか、BPSG(Borophosphsilicate Glass)膜、NSG(Non−doped Silicate Glass)膜、SOG(Spin−On−Glass)膜または、これらの複合膜等を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 21, a PSG (Phosphosilicate Glass) film, for example, is formed as the
次に、図22に示すように、層間絶縁膜26上の半導体ウエハ1の表面1a上に、通常のリソグラフィにより、コンタクト溝形成用レジスト膜28を形成する。続いて、たとえば、異方性ドライエッチング等(ガス系は、たとえば、Ar/CHF3/CF4等)により、コンタクト溝11(またはコンタクトホール)を形成する。
Next, as shown in FIG. 22, a contact groove forming resist
その後、図23に示すように、アッシング等により、不要になったレジスト膜28を除去する。続いて、たとえば、異方性ドライエッチングにより、コンタクト溝11(またはコンタクトホール)を半導体基板内に延長する。このときのガス系としては、たとえば、Cl2/O2系ガスを好適なものとして例示することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 23, the resist
次に、図24に示すように、たとえば、コンタクト溝11を通して、P型不純物をイオン注入することにより、P+型ボディコンタクト領域25を形成する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:BF2、ドーズ量:5x1015/cm2程度、打ち込みエネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 24, for example, a P + type
同様に、たとえば、コンタクト溝11を通して、P型不純物をイオン注入することにより、P+型ラッチアップ防止領域23を形成する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、ドーズ量:5x1015/cm2程度、打ち込みエネルギ:80KeV程度を好適なものとして例示することができる。
Similarly, for example, a P + type latch-up
次に、図25に示すように、スパッタリング等により、たとえば、アルミニウム系電極膜8(メタルエミッタ電極8となる)を形成する。具体的には、たとえば、以下のような手順で実行する。まず、たとえばスパッタリング成膜より、半導体ウエハ1の表面1a上のほぼ全面にバリアメタル膜として、TiW膜を(たとえば、厚さ200nm程度)を形成する(TiW膜中のチタンの多くの部分は、後の熱処理によって、シリコン界面に移動してシリサイドを形成して、コンタクト特性の改善に寄与するが、これらの過程は煩雑であるので図面には表示しない)。
Next, as shown in FIG. 25, for example, an aluminum-based electrode film 8 (which becomes the metal emitter electrode 8) is formed by sputtering or the like. Specifically, for example, the following procedure is executed. First, a TiW film (for example, a thickness of about 200 nm) is formed as a barrier metal film on almost the
続いて、たとえば、窒素雰囲気、摂氏600度程度で、10分程度のシリサイドアニールを実行する。続いて、バリアメタル膜上のほぼ全面に、コンタクト溝11を埋め込むように、たとえばスパッタリング成膜より、アルミニウムを主要な成分とする(たとえば、数%シリコン添加、残りはアルミニウム)アルミニウム系メタル膜(たとえば、厚さ5マイクロメートル程度)を形成する。続いて、通常のリソグラフィによって、アルミニウム系メタル膜およびバリアメタル膜からなるメタルエミッタ電極8をパターニングする(ドライエッチングのガス系としては、たとえば、Cl2/BCl3等)。更に、ファイナルパッシベーション膜として、たとえば、ポリイミドを主要な成分とする有機膜(たとえば、厚さ2.5マイクロメートル程度)等をウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に塗布し、通常のリソグラフィによって、図6のエミッタパッド9、ゲートパッド6等を開口する。
Subsequently, for example, silicide annealing is performed for about 10 minutes in a nitrogen atmosphere at about 600 degrees Celsius. Subsequently, aluminum is used as a main component (for example, several percent of silicon is added, and the rest is aluminum) by sputtering, for example, so as to fill the
これにより、表面デバイス形成プロセスが終了し、裏面等のプロセスに移行する。 As a result, the front surface device forming process ends, and the process proceeds to the back surface process or the like.
5.本願の前記一実施の形態のIGBTに関する裏面デバイス形成プロセス等の説明(主に図26から図30)
このセクションでは、セクション4に続き、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する裏面デバイス形成プロセス等について説明する。
5. Description of backside device formation process and the like related to the IGBT of the embodiment of the present application (mainly FIGS. 26 to 30)
In this section, following the section 4, a back surface device formation process and the like related to the IGBT according to the embodiment of the present application will be described.
図26は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(N型フィールドストップ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図27は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(バックグラインド工程)におけるデバイス断面図である。図28は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(N型バッファ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図29は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(P+型コレクタ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図30は本願の前記一実施の形態のデバイス構造に対応する製造方法を説明するための図8に対応する製造工程中(メタルコレクタ電極形成工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する裏面デバイス形成プロセス等を説明する。 FIG. 26 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type field stop region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 27 is a device sectional view in the manufacturing process (back grinding step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 28 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type buffer region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. FIG. 29 is a device sectional view in the manufacturing process (P + type collector region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. 30 is a device sectional view in the manufacturing process (metal collector electrode formation step) corresponding to FIG. 8 for describing the manufacturing method corresponding to the device structure of the one embodiment of the present application. Based on these, the back surface device formation process regarding the IGBT of the one embodiment of the present application will be described.
図26に示すように、たとえばウエハ1の表面1a側からプロトン(水素イオン)を打ち込むことにより、たとえば、基板表面から50マイクロメートル程度の位置のN−型ドリフト領域20のほぼ全面に10マイクロメートル程度の厚さを有するN型フィールドストップ領域42を導入する。ここで、照射条件としては、たとえば、イオン種(打ち込み粒子):プロトン(水素イオン)、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:4.3MeV程度、1回のドーズ量:1x1013/cm2程度、打ち込み回数:2回程度を好適なものとして例示することができる。なお、打ち込み装置としては、たとえば、工業用サイクロトロン等が利用可能である。また、打ち込み粒子としては、水素イオンのほか、ヘリウムイオン等でも良い。
As shown in FIG. 26, for example, by implanting protons (hydrogen ions) from the
続いて、たとえば、摂氏400度から500度程度で、プロトンの活性化アニールを実行する。 Subsequently, for example, proton activation annealing is performed at about 400 to 500 degrees Celsius.
次に、図27に示すように、ウエハ1の裏面1bに対して、バックグラインディング処理(必要に応じて、裏面のダメージ除去のためのケミカルエッチング等も実施)を施すことにより、図中に破線で示すバックグラインド位置43まで研削等により薄膜化する。ここで、最終的なウエハ1の厚さは、たとえば、もともとの800マイクロメータ程度(好適な範囲としては、1000から450マイクロメータ程度)のウエハ厚を必要に応じて、たとえば200から30マイクロメータ程度に薄膜化する。たとえば、耐圧が600ボルト程度とすると、最終厚さは、70マイクロメートル程度(下限値は、必要な耐圧によって規定される)である。
Next, as shown in FIG. 27, a back grinding process (chemical etching or the like for removing damage on the back surface is also performed if necessary) is performed on the
次に、図28に示すように、薄膜化されたウエハ1の裏面1b側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の裏面1bの表面領域(導入前は、N−型ドリフト領域20)にN型バッファ領域19を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:350KeV程度、1回のドーズ量:7x1012/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 28, for example, ion implantation is performed on almost the entire surface of the thinned
次に、図29に示すように、ウエハ1の裏面1b側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の裏面1bの表面領域(N型バッファ領域19の導入前は、N−型ドリフト領域20)に、P+型コレクタ領域18を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:40KeV程度、1回のドーズ量:3x1013/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 29, for example, ion implantation is performed on the substantially entire surface from the
続いて、ウエハ1の裏面1bのほぼ全面のP+型コレクタ領域18に対する活性化アニール(活性化率は、たとえば40%程度、好適な範囲としては30%から64%程度)を実行する。ここで、アニール条件(レーザ照射条件)としては、たとえば、アニール方法:ウエハ1の裏面1b側からレーザを照射、波長:527nm、パルス幅:100ns程度、エネルギ密度:1.8J/cm2程度、照射方式:2パルス方式、両パルスの遅延時間:500ns程度、パルスの重ね率:50%程度を好適なものとして例示することができる。
Subsequently, activation annealing is performed on the P +
これらの処理により、N型バッファ領域19に沿って、その境界(N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界)近傍からN型フィールドストップ領域42とN型バッファ領域19の間のN−型ドリフト領域20の前記境界に近接する部分に、裏面イオン注入による結晶欠陥が残留して、結晶欠陥領域41が形成されることとなる。
By these processes, N between the N-type
次に、図30に示すように、たとえば、スパッタリング成膜により、半導体ウエハ1の裏面1bのほぼ全面に、メタルコレクタ電極17を形成する(具体的な詳細については、図33およびその説明を参照)。その後、ダイシング等により、半導体ウエハ1のチップ領域に分割し、必要に応じて、パッケージに封止すると、デバイスが完成する。
Next, as shown in FIG. 30, the
6.本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造の変形例(フルアクティブ型セル領域)の説明(主に図31および図32)
セクション2から5の説明では、主にIE型トレンチゲートIGBTを例にとり、具体的に説明したが、本願の各実施の形態は、その他の単位セル構造、たとえば、フルアクティブ型トレンチゲートIGBTの単位セル構造にも適用できることは言うまでもない。従って、このセクションでは、フルアクティブ型トレンチゲートIGBTの単位セル構造を説明する。
6). Description of Modification (Full Active Cell Region) of IGBT Cell Structure of One Embodiment of the Present Application (Mainly FIGS. 31 and 32)
In the description of the
図31は本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造の変形例(フルアクティブ型セル領域)に関する図6のセル領域内部切り出し領域R3の拡大上面図(セクション3の図7に対応)である。図32は図31のD−D’断面に対応するデバイス断面図(セクション3の図8に対応)である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTのセル構造の変形例(フルアクティブ型セル領域)を説明する。 FIG. 31 is an enlarged top view (corresponding to FIG. 7 in section 3) of the cell region internal cutout region R3 of FIG. 6 regarding a modification (full active cell region) of the IGBT cell structure of the one embodiment of the present application. . 32 is a device cross-sectional view (corresponding to FIG. 8 of section 3) corresponding to the D-D ′ cross section of FIG. 31. Based on these, a modified example (full active cell region) of the cell structure of the IGBT according to the embodiment of the present application will be described.
図31に示すように、セル領域10は、主に横方向に繰り返し配置された線状アクティブセル領域40a(線状単位セル領域40の全領域が線状アクティブセル領域40a)から構成されている。線状単位セル領域40の間には、トレンチゲート電極14が配置されており、線状単位セル領域40の中央部には、線状のコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が配置されている。このコンタクト溝11の両側の線状単位セル領域40には、線状のN+型エミッタ領域12が設けられている。
As shown in FIG. 31, the
次に、図31のD−D’断面を図32に示す。図32に示すように、半導体チップ2の裏面1bの半導体領域には、上下に接するようにP+型コレクタ領域18およびN型バッファ領域19等が形成されており、半導体チップ2の裏面1b上には、メタルコレクタ電極17が形成されている。すなわち、先に説明したように、N型バッファ領域19は、P+型コレクタ領域18に接するように、その内側のN−型ドリフト領域20に設けられている。また、このN型バッファ領域19に沿って、その外部近傍のN−型ドリフト領域20に亘って、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
Next, FIG. 32 shows a D-D ′ cross section of FIG. 31. As shown in FIG. 32, in the semiconductor region of the
線状単位セル領域40における半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、下から順に、N型ホールバリア領域24、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12が設けられている。また、半導体チップ2の表面1a上には、層間絶縁膜26が形成されており、線状単位セル領域40における層間絶縁膜26部分には、半導体基板内部に及ぶコンタクト溝11(またはコンタクトホール)が形成されており、このコンタクト溝11等の底の半導体領域には、上からP+型ボディコンタクト領域25およびP+型ラッチアップ防止領域23が設けられている。このコンタクト溝11等を介して、P型ボディ領域15およびN+型エミッタ領域12は、層間絶縁膜26上に設けられたメタルエミッタ電極8に接続されている。
In the linear
ここで、N型ホールバリア領域24は、N−型ドリフト領域20からN+型エミッタ領域12への通路にホールが流れ込むのを阻止するためのバリア領域であり、その不純物濃度は、N+型エミッタ領域12よりも低く、N−型ドリフト領域20よりも高い。このN型ホールバリア領域24の存在により、N−型ドリフト領域20に蓄積されたホールが、エミッタ通路(N−型ドリフト領域20からP+型ボディコンタクト領域25へ向かう通路)へ入り込むのを有効に阻止することができる。なお、N型ホールバリア領域24は、必須のものではないことはいうまでもない。
Here, the N-type
以上説明したように、フルアクティブ型セル領域10においては、図4における線状インアクティブセル領域40iがない構造となっており、図3の線状単位セル領域40の全体が線状アクティブセル領域40aとなっている。
As described above, the full
7.本願の前記一実施の形態のIGBTの裏面詳細構造の変形例(アルミニウムドープコンタクト)の説明(主に図33)
このセクションの例は、このセクション以外の他の全ての例に適用できる。また、そのほかの一般的な表面側構造を有するIGBT等にも適用できることは言うまでもない。
7). Description of Modified Example (Aluminum Doped Contact) of Backside Detailed Structure of IGBT of One Embodiment of the Present Application (Mainly FIG. 33)
The examples in this section are applicable to all other examples except this section. Needless to say, the present invention can also be applied to IGBTs having other general surface-side structures.
このセクションでは、説明の便宜上、セクション3の例に従って、デバイス構造を説明し、プロセスについては、セクション5を参照して、簡単に説明する。
In this section, for convenience of explanation, the device structure will be described according to the example in
なお、以下では、IE型トレンチゲートIGBTについて、具体的に説明するが、この裏面構造は、IE型IGBTやトレンチゲートIGBT(フルアクティブ型トレンチゲートIGBT)に限定されるものではなく、その他の形態のIGBT(たとえばプレーナ型IGBT)等にも適用できることは言うまでもない。 In the following, the IE-type trench gate IGBT will be described in detail. However, the back surface structure is not limited to the IE-type IGBT or the trench gate IGBT (full active trench gate IGBT), but other forms. Needless to say, the present invention can also be applied to other IGBTs (for example, planar IGBTs).
図33は本願の前記一実施の形態のIGBTの裏面詳細構造の変形例(アルミニウムドープコンタクト)のデバイス構造およびその製法を説明するためのデバイス裏面の局所詳細断面図である。 FIG. 33 is a local detailed cross-sectional view of a device back surface for explaining a device structure of a modified example (aluminum doped contact) of the back surface detailed structure of the IGBT according to the embodiment of the present application and a manufacturing method thereof.
図8の半導体チップ2の裏側およびその近傍の断面拡大図(チップの厚さ方向に裏面近傍の構造を拡大して模式的に示したもの)を図33に示す。図33に示すように、半導体基板2の裏面側のP+型コレクタ領域18の下端部の半導体領域には、比較的薄いP型半導体領域(たとえば厚さ0.04から0.1マイクロメートル程度)、すなわちアルミニウムドープ領域30(第2導電型高濃度コレクタコンタクト領域)が設けられており、この不純物濃度(たとえば、1x1019/cm3程度)は、P+型コレクタ領域18の不純物濃度よりも高い。アルミニウムドープ領域30に接して、半導体基板2の裏面1b上に、メタルコレクタ電極17が形成されており、その一例を示せば、半導体基板2に近い方から以下のような構成となっている。すなわち、アルミニウムドープ領域30の不純物ソースであるアルミニウム裏面メタル膜17a(たとえば、厚さ600nm程度)、チタン裏面メタル膜17b(たとえば、厚さ100nm程度)、ニッケル裏面メタル膜17c(たとえば、厚さ600nm程度)および金裏面メタル膜17d(たとえば、厚さ100nm程度)である。
FIG. 33 shows an enlarged cross-sectional view of the back side and its vicinity of the
次に、製法を簡単に説明する。セクション5における図30のプロセス、すなわち、スパッタリング成膜の際に、前記のアルミニウム裏面メタル膜17a、チタン裏面メタル膜17b、ニッケル裏面メタル膜17c、および金裏面メタル膜17dを順次、スパッタリング成膜し、この際に発生する熱により、アルミニウムがシリコン基板中に導入され、アルミニウムドープ領域30が形成される。その後、ダイシング等により、半導体ウエハ1のチップ領域に分割すると、図8のようになる(図8には詳細構造は明示していない)。
Next, the production method will be briefly described. In the process of FIG. 30 in
本願の各実施の形態では、オン状態でエミッタ側にホールを蓄積して、電子の注入を促進する構造としている。一方で、裏面コレクタ側のPNダイオードは、逆に低注入効率となるダイオードにして、低スイッチング損失化を図っている。ここで、低注入効率の裏面ダイオードを形成するためには、P+型コレクタ領域18のキャリア濃度QpとN型フィールドストップ領域19のキャリア濃度Qnの比(以下「キャリア濃度比」という)、すなわち(Qp/Qn)を小さくすることが有効である。しかし、そのために、P+型コレクタ領域18のキャリア濃度Qpを下げ過ぎると、裏面メタルコンタクトの特性が劣化する。そこで、この例では、裏面のアルミニウム膜から導入されるP+型コレクタ領域18の不純物濃度よりも高いアルミニウムドープ領域30を設けている。キャリア濃度比としては、たとえば、1.5程度(範囲としては、たとえば、1.1から4程度)を好適なものとして例示することができる。
In each of the embodiments of the present application, holes are accumulated on the emitter side in the on state to promote electron injection. On the other hand, the PN diode on the back collector side is a diode having low injection efficiency to reduce switching loss. Here, in order to form a backside diode with low injection efficiency, the ratio of the carrier concentration Qp of the P +
なお、このセクションでは、裏面コレクタ側のPNダイオードを特に低注入効率としたい場合に適合した裏面メタル構造等(コンタクト領域を含む)を例示したが、裏面メタル構造等としては、アルミニウムドープ領域30やアルミニウム裏面メタル膜17aがないものであっても、その他のメタル膜の組み合わせからなるものであってもよいことはいうまでもない。
In this section, the back surface metal structure and the like (including the contact region) suitable for the case where the PN diode on the back surface collector side is particularly desired to have a low injection efficiency are exemplified. However, as the back surface metal structure and the like, the aluminum doped
8.本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)の説明(主に図34および図35)
セクション4および5では、エピタキシプロセスを使用しない非エピタキシプロセスを説明したが、本願に説明する各種デバイスは、エピタキシプロセスを使用する各種のエピタキシプロセスによっても製造することができる。このセクションでは、セクション4および5に対応するエピタキシプロセスの一例を説明する。
8). Description of Modification (Epitaxial Process) of Surface Device Formation Process Related to IGBT of One Embodiment of the Present Application (Mainly FIGS. 34 and 35)
While
図34は本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)を説明するための図8に対応する製造工程中(N型フィールドストップ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図35は本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)を説明するための図8に対応する製造工程中(N−型シリコンエピタキシャル領域形成工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のIGBTに関する表面デバイス形成プロセスの変形例(エピタキシャルプロセス)を説明する。 FIG. 34 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type field stop region introduction step) corresponding to FIG. 8 for describing the modification (epitaxial process) of the surface device formation process related to the IGBT according to the embodiment of the present invention. It is. FIG. 35 is a device cross section in the manufacturing process (N-type silicon epitaxial region forming step) corresponding to FIG. 8 for describing the modification (epitaxial process) of the surface device forming process related to the IGBT according to the embodiment of the present invention. FIG. Based on these, a modification (epitaxial process) of the surface device formation process related to the IGBT of the one embodiment of the present application will be described.
まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、抵抗率22Ωcmから30Ωcm)の200φウエハ(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、CZ(Czochralski)法によるウエハが最も好適であるが、FZ(Floating Zone)法によるウエハでもよい。 First, an N− type silicon single crystal (for example, wafers of various diameters such as 150φ, 100φ, 300φ, 450φ, etc.) with a phosphorus concentration of about 2 × 10 14 / cm 3 and a resistivity of 22 Ωcm to 30 Ωcm may be prepared. Here, for example, a wafer by the CZ (Czochralski) method is most suitable, but a wafer by the FZ (Floating Zone) method may be used.
次に、図34に示すように、ウエハ1の表面1a側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の表面1aの半導体表面領域(N−型ドリフト領域20となるべきN−型単結晶シリコン基板1s内)にN型フィールドストップ領域42を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:75KeV程度、1回のドーズ量:5x1011/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 34, for example, ion implantation is performed on almost the entire surface from the
続いて、必要に応じて、N型フィールドストップ領域42に対する活性化アニール(たとえば、摂氏1200度、30分程度)を実行する。
Subsequently, activation annealing (for example, 1200 degrees Celsius, about 30 minutes) is performed on the N-type
次に、図35に示すように、ウエハ1の表面1a側にエピタキシャル成長により、N−型シリコンエピタキシャル領域1e(耐圧600ボルト程度とすると、厚さは、たとえば、50マイクロメートル程度、抵抗率は、たとえば、22Ωcm程度)を形成する。
Next, as shown in FIG. 35, by epitaxial growth on the
その後、セクション4で説明した図9から図25のプロセスを実行して、更にセクション5で説明した図27から図30のプロセスを実行する。
Thereafter, the processes of FIGS. 9 to 25 described in the section 4 are executed, and the processes of FIGS. 27 to 30 described in the
9.本願の一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)の説明(主に図36および図37)
セクション2から8に於いては、本願発明の基本的考え方をIGBTに適用した場合を主に説明したが、本セクション9からセクション13までにおいては、それをダイオードに適用した場合を主に説明する。
9. Description of a basic example of a power diode according to an embodiment of the present application (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) (mainly FIG. 36 and FIG. 37)
In
このセクションでは、結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオードのチップ全体構造と主要デバイス領域の構造を説明する。これは、PINダイオードの場合は、繰り返し構造がなく、主PN接合には、主要部(中央部)と端部のみが存在するからである。従って、ここでは、主PN接合の主要部であってセル構造の場合のセル領域の単位セル部にあたる部分を抽出して説明する。なお、セクション11および12で説明するデバイス構造に於いては、IGBTと同様に周囲構造が存在するので、IGBTと同様に単位セル部を抽出して説明する。
In this section, the overall structure of a PIN diode chip having a crystal defect region and an intermediate field stop region and the structure of a main device region are described. This is because the PIN diode does not have a repetitive structure, and the main PN junction has only a main part (center part) and an end part. Therefore, here, a description will be given by extracting a portion that is a main portion of the main PN junction and corresponds to a unit cell portion of the cell region in the case of the cell structure. In the device structure described in
なお、周辺構造に関しては、図36等で説明するように、ダミーセルに当たるものがない以外、図3および図4に説明したところとほぼ同じである。 The peripheral structure is almost the same as that described in FIGS. 3 and 4 except that there is no dummy cell as described in FIG.
図36は本願の一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)に関する図6に対応するダイオードチップの全体上面図(セクション3の図6に対応)である。図37は図36のF−F’断面に対応する主要デバイス領域のデバイス断面図(セクション3の図8に対応)である。これらに基づいて、本願の一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)を説明する。 36 is an overall top view of the diode chip corresponding to FIG. 6 (corresponding to FIG. 6 in section 3) relating to a basic example (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of a power diode according to an embodiment of the present application. ). FIG. 37 is a device sectional view of the main device region corresponding to the F-F ′ section of FIG. 36 (corresponding to FIG. 8 of section 3). Based on these, a basic example of a power diode according to an embodiment of the present application (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) will be described.
図36に示すように、PINダイオードデバイスチップ2の上面1aの外周部には、たとえば、アルミニウム系配線層等から構成された環状のガードリング3が設けられており、その内側には、環状のフローティングフィールドリング等と接続された数本(単数又は複数)の環状のフィールドプレート4(たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されている)が設けられている。フィールドプレート4(図4のフローティングフィールドリング36)の内側であって、チップ2の上面1aの内部領域の主要部には、主PN接合領域10が設けられており、主PN接合領域10上は、その外部近傍まで、たとえば、先と同じアルミニウム系配線層等から構成されたメタルアノード電極44に覆われている。メタルアノード電極44の中央部は、ボンディングワイヤ等を接続するためのアノードパッド45となっている。
As shown in FIG. 36, an
次に、図36のセル領域内部切り出し領域R3のF−F’断面を図37に示す。図37に示すように、半導体チップ2の裏面1bの半導体領域(N−型ドリフト領域20)には、N−型ドリフト領域20よりも高濃度のN型カソード領域47が形成されており、半導体チップ2の裏面1b上には、メタルカソード電極17が形成されている。また、このN型カソード領域47に沿って、その外部近傍のN−型ドリフト領域20に亘って、結晶欠陥領域41が設けられており、更に、この結晶欠陥領域41に沿うように、これよりも第1の主面側のN−型ドリフト領域20に、これよりも高濃度のN型フィールドストップ領域42が設けられている。
Next, FIG. 37 shows an F-F ′ cross section of the cell region internal cutout region R <b> 3 of FIG. 36. As shown in FIG. 37, an N-
主PN接合領域10における半導体チップ2の表面1a(第1の主面)側のN−型ドリフト領域20(半導体基板の表面側半導体領域)には、P型アノード領域46が設けられている。また、半導体チップ2の表面1a上には、アノードメタル電極44が形成されており、アノードメタル電極44は、P型アノード領域46に接続されている(オーミックコンタクト)。
In the main
10.本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)に関する基本的製造プロセスの説明(主に図38から図43)
このセクションでは、IGBTの製造方法に関してセクション4および5で説明したものに対応するダイオード製造プロセス(非エピタキシプロセス)を説明する。
10. Description of a basic manufacturing process regarding a basic example (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode of the embodiment of the present application (mainly FIGS. 38 to 43)
This section describes a diode manufacturing process (non-epitaxy process) that corresponds to that described in
図38は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(P型アノード領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図39は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(メタルアノード電極形成工程)におけるデバイス断面図である。図40は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(N型フィールドストップ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図41は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(バックグラインド工程)におけるデバイス断面図である。図42は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(N型カソード領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図43は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例に関する製造プロセスを説明するための図37に対応する製造工程中(メタルカソード電極形成工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの基本例(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するPINダイオード)に関する基本的製造プロセスを説明する。 FIG. 38 is a device sectional view in the manufacturing process (P-type anode region introduction step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 39 is a device sectional view in the manufacturing process (metal anode electrode formation step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 40 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type field stop region introduction step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 41 is a device cross-sectional view during the manufacturing process (back grinding process) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 42 is a device sectional view in the manufacturing process (N-type cathode region introduction step) corresponding to FIG. 37 for describing the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. 43 is a device sectional view in the manufacturing process (metal cathode electrode formation step) corresponding to FIG. 37 for illustrating the manufacturing process regarding the basic example of the power diode of the one embodiment of the present application. Based on these, a basic manufacturing process relating to a basic example (a PIN diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode of the one embodiment of the present application will be described.
まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、抵抗率22Ωcmから30Ωcm)の200φウエハ1(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、FZ(Floating Zone)法によるウエハが最も好適であるが、CZ(Czochralski)法によるウエハでもよい。 First, an N-type silicon single crystal (for example, a wafer having various diameters such as 150φ, 100φ, 300φ, 450φ, etc.) having a phosphor concentration of about 2 × 10 14 / cm 3 and having a resistivity of 22 Ωcm to 30 Ωcm is prepared. Here, for example, a wafer by FZ (Floating Zone) method is most suitable, but a wafer by CZ (Czochralski) method may be used.
次に、図38に示すように、ウエハ1の表面1a側から、主PN接合領域10の全面に対して、たとえばボロン等のP型不純物をイオン注入することにより、ウエハ1の表面1aの半導体表面領域(N−型ドリフト領域20となるべきN−型単結晶シリコン基板1s内)にP型アノード領域46を導入する。
Next, as shown in FIG. 38, the semiconductor on the
次に、図39に示すように、先のセクション4のメタルエミッタ電極8と同様に、P型アノード領域46上のウエハ1の表面1aに、アノードメタル電極44を形成する。
Next, as shown in FIG. 39, the
次に、図40に示すように、先のセクション5の図26と同様に、N−型ドリフト領域20内にN型フィールドストップ領域42を形成する。
Next, as shown in FIG. 40, an N-type
次に、図41に示すように、先のセクション5の図27と同様に、バックグラインディングを実行して、ウエハを薄膜化する。
Next, as shown in FIG. 41, as in FIG. 27 in the
次に、図42に示すように、先のセクション5の図28のN型バッファ領域19と同様に、N−型ドリフト領域20の第2の主面側表面領域に、N型カソード領域47を形成する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:125KeV程度、1回のドーズ量:1x1015/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 42, an N-
なお、ここで、活性化アニール条件(レーザ照射条件)としては、たとえば、アニール方法:ウエハ1の裏面1b側からレーザを照射、波長:527nm、パルス幅:100ns程度、エネルギ密度:1.8J/cm2程度、照射方式:2パルス方式、両パルスの遅延時間:500ns程度、パルスの重ね率:50%〜66%程度を好適なものとして例示することができる。
Here, as the activation annealing conditions (laser irradiation conditions), for example, annealing method: laser irradiation from the
次に、図43に示すように、先のセクション5の図30と同様に、ウエハ1の裏面1bにメタルカソード電極17等を形成する。なお、メタルカソード電極17等は、図33のようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 43, the
その後、ダイシング等により、半導体ウエハ1のチップ領域に分割し、必要に応じて、パッケージに封止すると、デバイスが完成する。
Thereafter, it is divided into chip regions of the
11.本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するMPSダイオード)の説明(主に図44)
このセクションでは、セクション9で説明したダイオード構造に対する変形例1を説明する。製法に関しては、セクション10で説明したところと本質的な違いはないので、ここでは原則として説明を繰り返さない。
11. Description of Modification 1 (MPS Diode Having a Crystal Defect Region and an Intermediate Field Stop Region) of the Power System Diode According to the One Embodiment of the Present Application (Mainly FIG. 44)
In this section,
図44は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するMPSダイオード)に関する図36のF−F’断面に対応する単位セル部のデバイス断面図である。これに基づいて、本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するMPSダイオード)を説明する。 44 is a device cross section of a unit cell portion corresponding to the FF ′ cross section of FIG. 36 relating to Modification 1 (MPS diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode of the one embodiment of the present application. FIG. Based on this, Modification 1 (MPS diode having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present invention will be described.
この例におけるセル領域10(図36)の単位セル領域は、一般にIGBTと異なり、円形状のP型アノード領域46がN−型ドリフト領域20の半導体基板2の表面1aに、格子状(例えば、2次元六方最密格子状)に分散配置されている。従って、P型アノード領域46とアノードメタル電極44は、オーミックコンタクトとなっているが、P型アノード領域46がない部分は、ショットキ接合となっている。なお、その他の構造は、図37と全く同一である。
The unit cell region of the cell region 10 (FIG. 36) in this example generally has a circular P-
12.本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するSSD)の説明(主に図45)
このセクションでは、セクション9で説明したダイオード構造に対する変形例2を説明する。製法に関しては、セクション10で説明したところと本質的な違いはないので、ここでは原則として説明を繰り返さない。
12 Description of Modification 1 (SSD having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present invention (mainly FIG. 45)
In this section,
図45は本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するSSD)に関する図36のF−F’断面に対応する単位セル部のデバイス断面図である。これに基づいて、本願の前記一実施の形態のパワー系ダイオードの変形例1(結晶欠陥領域および中間フィールドストップ領域を有するSSD)を説明する。 FIG. 45 is a device cross-sectional view of a unit cell portion corresponding to the FF ′ cross section of FIG. 36 regarding Modification 1 (SSD having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present application. It is. Based on this, Modification 1 (SSD having a crystal defect region and an intermediate field stop region) of the power diode according to the embodiment of the present invention will be described.
この例は、セクション11で説明したMPSダイオードのショットキ接合近傍での電界集中を緩和するためのP型アノード領域46と比較して浅く薄い不純物領域(最大耐圧時に完全空乏化しない程度、たとえば、P型不純物としてアルミニウム等をドープ)、すなわち、P−型表面領域48を付加したものである。
This example is a shallower and thinner impurity region compared to the P-
13.ダイオード製造プロセスの変形例の説明(主に図34および図35を参照)
このセクションでは、IGBTに対する製造プロセス(セクション8)を参照しながら、ダイオードに対するエピタキシプロセスを説明する。
13. Description of modification of diode manufacturing process (refer mainly to FIG. 34 and FIG. 35)
In this section, the epitaxy process for the diode is described with reference to the manufacturing process for the IGBT (Section 8).
セクション8と同様に、まず、N−型シリコン単結晶(たとえばリン濃度2x1014/cm3程度、抵抗率22Ωcmから30Ωcm)の200φウエハ(150φ、100φ、300φ、450φ等の各種径のウエハでもよい)を準備する。ここでは、たとえば、CZ(Czochralski)法によるウエハが最も好適であるが、FZ(Floating Zone)法によるウエハでもよい。
As in
次に、図34に示すように、ウエハ1の表面1a側から、そのほぼ全面に対して、たとえばイオン注入を実行することにより、ウエハ1の表面1aの半導体表面領域(N−型ドリフト領域20となるべきN−型単結晶シリコン基板1s内)にN型フィールドストップ領域42を導入する。ここで、イオン注入条件としては、たとえば、イオン種:リン、打ち込み方法:ほぼ垂直打ち込み、打ち込みエネルギ:75KeV程度、1回のドーズ量:5x1011/cm2程度、打ち込み回数:1回を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 34, for example, ion implantation is performed on almost the entire surface from the
続いて、必要に応じて、N型フィールドストップ領域42に対する活性化アニール(たとえば、摂氏1200度、30分程度)を実行する。
Subsequently, activation annealing (for example, 1200 degrees Celsius, about 30 minutes) is performed on the N-type
次に、図35に示すように、ウエハ1の表面1a側にエピタキシャル成長により、N−型シリコンエピタキシャル領域1e(耐圧600ボルト程度とすると、厚さは、たとえば、50マイクロメートル程度、抵抗率は、たとえば、22Ωcm程度)を形成する。
Next, as shown in FIG. 35, by epitaxial growth on the
その後、セクション10で説明した図38および図39のプロセスを実行して、更に同セクションで説明した図41から図43のプロセスを実行する。
Thereafter, the processes of FIGS. 38 and 39 described in the
14.本願の全般に関する考察並びに各実施の形態に関する補足的説明
このセクションでは、本願の全般に関する考察並びに本願の各実施の形態(変形例を含む)等に対する補足的説明を行う。なお、ここでは、主にIGBTを例に取り具体的に説明するが、ここで述べることは、ほぼそのままダイオードについても当てはまる。
14 General Considerations of the Present Application and Supplementary Explanations for Each Embodiment In this section, the general considerations of the present application and supplementary explanations for the embodiments of the present application (including modifications) are provided. Although the specific description will be given mainly by taking the IGBT as an example here, what is described here also applies to the diode as it is.
始めに説明したように、裏面側のP型コレクタ領域に接して、N−型ドリフト領域(またはN−型ベース領域)よりも高濃度のN型バッファ(Buffer)領域を有するIGBT等(ダイオードの場合は、N型高濃度領域またはN型コンタクト領域ともいう)において、N型バッファ領域近傍のN−型ドリフト領域に、P型コレクタ領域やN型バッファ領域の導入のためのイオン注入等による欠陥を残留させることにより、スイッチングスピードを改善するデバイス構成手法が知られている。このような「イオン注入欠陥残留型IGBT」は、残留結晶欠陥が再結合中心として作用することで、オフ時のスイッチングスピードを改善する一方で、オフ時に空乏層が結晶欠陥に接触することで、リーク電流が増加するという副作用をもたらすおそれがある。 As described in the beginning, an IGBT or the like having a higher concentration N-type buffer (Buffer) region than the N-type drift region (or N-type base region) in contact with the P-type collector region on the back side (diode of the diode). (In some cases, also referred to as an N-type high concentration region or an N-type contact region), defects due to ion implantation or the like for introducing a P-type collector region or an N-type buffer region into an N-type drift region near the N-type buffer region There is known a device configuration method for improving the switching speed by remaining the signal. Such an “ion implantation defect residual IGBT” improves the switching speed at the time of off by the residual crystal defect acting as a recombination center, while the depletion layer contacts the crystal defect at the time of off, There is a possibility of causing a side effect that leakage current increases.
そこで、前記各実施の形態では、ホールの注入効率を決める裏面側PN接合を形成するN型バッファ領域19とは別に、独立したN型フィールドストップ領域42を設けている。このため、オフ状態に於いて、空乏層は、せいぜいN型バッファ領域19とN型フィールドストップ領域42の間のN−型ドリフト領域20の結晶欠陥領域41よりも上方部分(N型フィールドストップ領域42よりの部分)までしか到達しないので、リーク電流が増加するおそれはない。これは、結晶欠陥領域41は、N型バッファ領域19の不純物分布のN型フィールドストップ領域42側の裾野近傍(すなわち、N型バッファ領域19とN−型ドリフト領域20の境界近傍)から、N型フィールドストップ領域42とN型バッファ領域19の間のN−型ドリフト領域20の内の前記境界に近接した部分に分布しているからである。
Therefore, in each of the embodiments described above, an independent N-type
以上のことは、ダイオードについても当てはまる。すなわち、ダイオードでは、裏面側の不純物構造は、IGBTからP+型コレクタ領域18を取り去ったものとなっている。ここで、ダイオードにおいて、IGBTのN型バッファ領域19に当たるものは、N型カソード領域47である。
The above also applies to diodes. That is, in the diode, the impurity structure on the back surface side is obtained by removing the P +
15.サマリ
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
15. Summary The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the scope of the invention.
例えば、前記実施の形態では、主にアルミニウム系表面電極を使用したデバイスを説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、それ以外のメタルを使用したものにも適用できることは言うまでもない。 For example, in the above-described embodiment, a device using mainly an aluminum-based surface electrode has been described. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the present invention can also be applied to devices using other metals.
また、前記実施の形態では、主にシリコン系基板を用いたIGBTおよびダイオードを具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、SiC系基板、GaN基板、GaAs基板、InP基板等を用いたものにも適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the IGBT and the diode mainly using the silicon substrate have been specifically described. However, the present invention is not limited thereto, and the SiC substrate, the GaN substrate, the GaAs substrate, and the InP substrate. Needless to say, the present invention can also be applied to those using the above.
なお、前記の実施の形態では、主にドリフト領域がN型のデバイスについて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、ドリフト領域がP型のデバイスにも適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the device mainly having an N-type drift region has been specifically described. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the device can also be applied to a device having a drift region of P-type. Yes.
また、前記の実施の形態では、ダイオードについては、主にフライバックダイオードについて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その他の用途のダイオードにも適用できることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the flyback diode is specifically described mainly for the diode. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the diode can be applied to other purposes.
なお、前記の実施の形態では、結晶欠陥領域は、イオン打ち込みによる欠陥をアニール処理時に残留させているが、本発明はそれに限定されるものではなく、水素イオンやヘリウムイオンその他のイオンや粒子の打ち込みによって、新たに形成してもよいことはいうまでもない。 In the above-described embodiment, the defect caused by the ion implantation remains in the crystal defect region during the annealing process, but the present invention is not limited to this, and the ions of hydrogen ions, helium ions, other ions and particles are not limited thereto. It goes without saying that a new one may be formed by driving.
1 半導体ウエハ
1a ウエハ又はチップの表面(第1の主面)
1b ウエハ又はチップの裏面(第2の主面)
1e N−型シリコンエピタキシャル領域
1s N−型単結晶シリコン基板
2 半導体チップ(半導体基板)
3 ガードリング
4 フィールドプレート
5 メタルゲート電極
6 ゲートパッド
7 メタルゲート配線
8 メタルエミッタ電極
9 メタルエミッタパッド
10 セル領域(ダイオードの主PN接合領域)
11 コンタクト溝(またはコンタクトホール)
12 N+型エミッタ領域
14 トレンチゲート電極
15 P型ボディ領域(P型チャネル領域)
16 P型フローティング領域
17 メタルコレクタ電極(またはメタルカソード電極)
17a アルミニウム裏面メタル膜
17b チタン裏面メタル膜
17c ニッケル裏面メタル膜
17d 金裏面メタル膜
18 P+型コレクタ領域
19 N型バッファ領域
20 N−型ドリフト領域
21 トレンチ
22 ゲート絶縁膜
23 P+型ラッチアップ防止領域
24 N型ホールバリア領域
25 P+型ボディコンタクト領域
25d ダミーセルのP+型ボディコンタクト領域
25p セル周辺接合領域のP+型ボディコンタクト領域
25r フローティングフィールドリングのP+型ボディコンタクト領域
26 層間絶縁膜
27 ポリシリコン膜
28 コンタクト溝形成用レジスト膜
30 アルミニウムドープ領域(高濃度コレクタコンタクト領域または高濃度裏面コンタクト領域)
31 N型ホールバリア領域導入用レジスト膜
32 トレンチ形成用ハードマスク膜
33 トレンチハードマスク膜加工用レジスト膜
34 ダミーセル領域(線状ダミーセル領域)
35 セル周辺接合領域
36 フローティングフィールドリング(フィールドリミッティングリング)
38 イオン注入用の薄い酸化シリコン膜
40 線状単位セル領域
40a 線状アクティブセル領域
40aa アクティブセクション
40i 線状インアクティブセル領域
41 結晶欠陥領域
42 N型フィールドストップ領域
43 バックグラインド位置
44 アノードメタル電極
45 アノード開口
46 P型アノード領域
47 N型カソード領域
48 P−型表面領域
A アノード端子
C コレクタ端子
D,Da,Db,Dc,Dd,De,Df フライバックダイオード
E エミッタ端子
G ゲート端子
K カソード端子
M モータ
Pa,Pb,Pc,Pd,Pe,Pf IGBTおよびダイオードペア
Q,Qa,Qb,Qc,Qd,Qe,Qf IGBT
R1 セル領域端部切り出し領域
R3 セル領域内部切り出し領域
R5 線状単位セル領域主要部およびその周辺切り出し領域
Vs 直流電源
Wa 線状アクティブセル領域の幅
Wi 線状インアクティブセル領域の幅
1b Back surface of wafer or chip (second main surface)
1e N-type
3 Guard ring 4
11 Contact groove (or contact hole)
12 N +
16 P-
17a Aluminum back
31 Resist film for introducing N-type
35 Cell
38 Thin silicon oxide film for
R1 Cell region edge cutout region R3 Cell region internal cutout region R5 Linear unit cell region main part and its peripheral cutout region Vs DC power supply Wa Width of linear active cell region Wi Width of linear inactive cell region
Claims (12)
(b)前記第1の主面側であって、前記ドリフト領域に設けられた前記第1導電型と反対導電型の第2導電型のチャネル領域と、
(c)前記第1の主面側であって、前記チャネル領域に設けられた前記第1導電型のエミッタ領域と、
(d)前記第2の主面側であって、前記ドリフト領域に設けられた前記第2導電型のコレクタ領域と、
(e)前記コレクタ領域に対して前記第1の主面側に位置し、前記ドリフト領域に設けられた前記第1導電型のバッファ領域と、
(f)前記バッファ領域に対して前記第1の主面側に位置し、前記ドリフト領域に設けられた結晶欠陥領域と、
(g)前記結晶欠陥領域に対して前記第1の主面側に位置し、前記ドリフト領域内に設けられた前記第1導電型のフィールドストップ領域と、
(h)前記半導体基板の前記第2の主面上に設けられ、前記コレクタ領域に接続されたメタルコレクタ電極と、
を有し、
前記フィールドストップ領域は、前記ドリフト領域内であって、前記フィールドストップ領域と前記チャネル領域との間に位置する第1領域よりも濃度が高く、
前記バッファ領域は、前記第1領域よりも濃度が高く、
前記バッファ領域は、前記フィールドストップ領域よりも濃度が高い、半導体装置。 (A) a semiconductor substrate having a first main surface, a second main surface, and having a first conductivity type drift region therein;
(B) a channel region of a second conductivity type on the first main surface side and opposite to the first conductivity type provided in the drift region;
(C) on the first main surface side, the first conductivity type emitter region provided in the channel region;
(D) on the second main surface side, the second conductivity type collector region provided in the drift region;
(E) a buffer region of the first conductivity type located on the first main surface side with respect to the collector region and provided in the drift region;
(F) a crystal defect region located on the first main surface side with respect to the buffer region and provided in the drift region;
(G) a field stop region of the first conductivity type located in the first main surface side with respect to the crystal defect region and provided in the drift region;
(H) a metal collector electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate and connected to the collector region;
Have
The field stop region has a higher concentration than the first region located in the drift region and between the field stop region and the channel region,
The buffer area has a higher concentration than the first area,
The buffer device is a semiconductor device having a concentration higher than that of the field stop region.
前記コレクタ領域のキャリア濃度は、前記バッファ領域のキャリア濃度よりも高い、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein a carrier concentration in the collector region is higher than a carrier concentration in the buffer region.
前記コレクタ領域と前記バッファ領域間のキャリア濃度比は、1.1から4である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein a carrier concentration ratio between the collector region and the buffer region is 1.1 to 4.
前記フィールドストップ領域は、前記バッファ領域よりも膜厚が厚い、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The field stop region is a semiconductor device having a film thickness larger than that of the buffer region.
前記フィールドストップ領域に、水素又はヘリウムが含まれる、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein the field stop region contains hydrogen or helium.
(i)前記コレクタ領域の前記メタルコレクタ電極側に設けられ、前記コレクタ領域と同一導電型を有し、不純物濃度がより高い高濃度コレクタコンタクト領域を有する、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
(I) A semiconductor device having a high concentration collector contact region which is provided on the metal collector electrode side of the collector region, has the same conductivity type as the collector region, and has a higher impurity concentration.
前記高濃度コレクタコンタクト領域は、アルミニウムがドープされた領域である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6, wherein the high concentration collector contact region is a region doped with aluminum.
前記メタルコレクタ電極の内、前記高濃度コレクタコンタクト領域に接する部分は、アルミニウムを主要な成分とするメタル膜である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6,
A portion of the metal collector electrode that is in contact with the high-concentration collector contact region is a semiconductor device that is a metal film containing aluminum as a main component.
前記半導体基板は、FZ法による単結晶シリコン基板である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is a single crystal silicon substrate by an FZ method.
(j)前記第1の主面から前記第2の主面に向かう前記半導体基板にある第1溝と、
(k)前記第1溝上にゲート酸化膜と、
(l)前記ゲート酸化膜上にゲート電極と、
を有し、
前記エミッタ領域は、前記第1溝と接し、
前記チャネル領域は、前記第1溝と接する、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
(J) a first groove in the semiconductor substrate from the first main surface toward the second main surface;
(K) a gate oxide film on the first groove;
(L) a gate electrode on the gate oxide film;
Have
The emitter region is in contact with the first groove;
The semiconductor device, wherein the channel region is in contact with the first groove.
IE型トレンチゲートIGBTである、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device which is an IE-type trench gate IGBT.
前記第1領域はホールバリア領域である、半導体装置。The semiconductor device, wherein the first region is a hole barrier region.
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