JPH09260648A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JPH09260648A
JPH09260648A JP6285096A JP6285096A JPH09260648A JP H09260648 A JPH09260648 A JP H09260648A JP 6285096 A JP6285096 A JP 6285096A JP 6285096 A JP6285096 A JP 6285096A JP H09260648 A JPH09260648 A JP H09260648A
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JP
Japan
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region
drift region
insulating film
forming
drift
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Application number
JP6285096A
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Japanese (ja)
Inventor
Masashi Kuwabara
正志 桑原
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vertical IGBT(insulated gate bipolar transistor) for power use of a trench gate structure, which can be reduced its on-voltage, without causing a reduction in its breakdown voltage and breakdown strength. SOLUTION: A low-concentration drift region 21 is formed on a drift region 12, base regions 13 are formed in this region 21 and emitter regions 14 are respectively formed in each of these regions 13. Trench gate regions 15 are formed to a depth, which penetrates the regions 14 and 13 to reach the region 21 and does not reach the region 12. Depletion layers in the vicinities of the regions 15 are easily spread by the region 21, and even if the regions 15 are deeply formed, a field concentration can be relaxed. Therefore, as a reduction in the breakdown strength of an insulated gate bipolar transistor is hardly caused and the regions 15 can be deeply formed, the storage effect and conductivity modulation effect of carriers in the vicinities of the base regions 13 can be increased, and the on-state voltage of the insulated gate bipolar transistor can be reduced, without causing a reduction in the breakdown voltage and breakdown strength of the transistor.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は半導体装置及びそ
の製造方法に関するもので、特に、トレンチゲート構造
を有する電力用縦型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
(IGBT)に係る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a power vertical insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a trench gate structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】電力用縦型MOSFETにあっては、オ
ン電圧を低減するために、ゲート長(LG)を縮小でき
るトレンチゲート構造が採用されている。図6は、この
ようなトレンチゲート構造を採用した電力用縦型MOS
FETの断面構成図である。図6において、1はN型高
濃度ドレイン領域、2はN型ドリフト領域、3はP型ベ
ース領域、4はN型ソース領域、5はトレンチゲート領
域、6はゲート絶縁膜、7はゲート電極、8はソース金
属電極、9はゲート金属電極、10はドレイン金属電極
である。
2. Description of the Related Art A vertical MOSFET for electric power employs a trench gate structure capable of reducing a gate length (LG) in order to reduce an on-voltage. FIG. 6 shows a vertical power MOS using such a trench gate structure.
It is a cross-sectional block diagram of FET. In FIG. 6, 1 is an N-type high-concentration drain region, 2 is an N-type drift region, 3 is a P-type base region, 4 is an N-type source region, 5 is a trench gate region, 6 is a gate insulating film, and 7 is a gate electrode. , 8 is a source metal electrode, 9 is a gate metal electrode, and 10 is a drain metal electrode.

【0003】このような構造では、ソース領域4とベー
ス領域3を貫通して形成された溝内にゲート電極7を埋
め込んで形成するため、Nチャネル型の場合には、オン
状態でのキャリア(エレクトロン)は、ソース領域4か
らベース領域3のゲート電極7に対向する溝の側壁に沿
って形成されたチャネルを通り、ドレイン領域1へと縦
方向に流れて行く。
In such a structure, since the gate electrode 7 is embedded in the groove formed through the source region 4 and the base region 3, in the case of the N-channel type, carriers in the ON state ( Electrons) flow vertically from the source region 4 to the drain region 1 through the channel formed along the sidewall of the groove facing the gate electrode 7 in the base region 3.

【0004】このため、図7に示すプレーナ型MOSF
ETのようなベース領域3でのキャリアの蓄積は起こり
難い。ところで、電力用縦型絶縁ゲートバイポーラトラ
ンジスタ(IGBT)は、縦型MOSFETとサイリス
タの複合構造となっているため、MOSFETの特性改
善がIGBTの特性改善になると考えられている。そこ
で、図8に示すように、電力用縦型MOSFETと同様
な微細化されたトレンチゲート構造が採用されている。
図8において、11はP型コレクタ領域(P型半導体基
板)、12はN型ドリフト領域、13はP型ベース領
域、14はN型エミッタ領域、15はトレンチゲート領
域、16はゲート絶縁膜、17は埋め込みゲート電極、
18はエミッタ金属電極、19はゲート金属電極、20
はコレクタ金属電極である。
Therefore, the planar type MOSF shown in FIG.
Accumulation of carriers in the base region 3 like ET hardly occurs. By the way, since a power vertical insulated gate bipolar transistor (IGBT) has a composite structure of a vertical MOSFET and a thyristor, it is considered that improvement of the characteristics of the MOSFET will improve the characteristics of the IGBT. Therefore, as shown in FIG. 8, a miniaturized trench gate structure similar to that of the vertical power MOSFET is adopted.
In FIG. 8, 11 is a P-type collector region (P-type semiconductor substrate), 12 is an N-type drift region, 13 is a P-type base region, 14 is an N-type emitter region, 15 is a trench gate region, 16 is a gate insulating film, 17 is a buried gate electrode,
18 is an emitter metal electrode, 19 is a gate metal electrode, 20
Is a collector metal electrode.

【0005】前述したように、MOSFETではオン電
圧に関係するキャリアが1つであるため、そのキャリア
に対する抵抗を低減するとオン電圧が低減できる。よっ
て、トレンチゲート化によってゲート面積を縮小し、チ
ャネル幅を増やすことでオン電圧を低減できる。しかし
ながら、IGBTはバイポーラ素子であり、オン電圧を
低減するには2つのキャリアの分布を適正化する必要が
ある。図8に示したような微細化されたトレンチゲート
構造では、プレーナ型で問題となったベース領域13で
の第1導電型キャリアの蓄積が少ないため、当然、第2
導電型キャリアの蓄積も少なくなる。このことはベース
領域13近傍での伝導度変調効果の減少につながり、特
にスイッチング速度を高速化するためにキャリアライフ
タイムを短くした場合にはオン電圧の上昇を招く。
As described above, since the number of carriers related to the on-voltage is one in the MOSFET, the on-voltage can be reduced by reducing the resistance to the carrier. Therefore, the on-voltage can be reduced by reducing the gate area by increasing the trench gate and increasing the channel width. However, the IGBT is a bipolar element, and it is necessary to optimize the distribution of two carriers in order to reduce the ON voltage. In the miniaturized trench gate structure as shown in FIG. 8, the accumulation of the first-conductivity type carriers in the base region 13 which is a problem in the planar type is small.
The accumulation of conductive carriers is also reduced. This leads to a decrease in the conductivity modulation effect in the vicinity of the base region 13, and especially when the carrier lifetime is shortened to increase the switching speed, the on-voltage rises.

【0006】この問題を改善するには、トレンチゲート
幅を広げる、ベース領域13からのトレンチゲート領域
15の突出量を増やす(トレンチゲート領域15を深く
する)等が考えられるが、両者とも降伏電圧を低下させ
てしまうという問題がある。この降伏電圧の低下はドリ
フト領域12の不純物濃度によって異なるため、ドリフ
ト領域12の不純物濃度が高い低耐圧系の品種では降伏
電圧の低下が顕著に現れる。また、ドリフト領域12全
体の不純物濃度を低くしてしまうと空乏層が伸び易くな
ってしまい、低電圧でリーチスルーしてしまうためサス
テニング電圧が低下する。この結果、逆バイアス印加時
の破壊耐量が低下し、安全動作領域が狭くなってしまう
という問題がある。
In order to solve this problem, the width of the trench gate may be widened, the amount of protrusion of the trench gate region 15 from the base region 13 may be increased (the trench gate region 15 may be deepened), but both of them have a breakdown voltage. There is a problem that it lowers. Since the decrease of the breakdown voltage depends on the impurity concentration of the drift region 12, the decrease of the breakdown voltage is remarkable in the low breakdown voltage type product in which the impurity concentration of the drift region 12 is high. Further, if the impurity concentration of the drift region 12 as a whole is lowered, the depletion layer is likely to expand, and reach through is performed at a low voltage, so that the sustaining voltage is lowered. As a result, there is a problem that the breakdown withstand voltage at the time of applying a reverse bias is reduced and the safe operation area is narrowed.

【0007】また、上述したトレンチゲート構造のIG
BTを製造する際には、耐圧に応じてベース領域13の
不純物濃度や拡散条件を調整する必要があり、設備の使
用効率が低下し、製造コストが上昇するという問題があ
る。
Further, the above-mentioned IG having the trench gate structure.
When manufacturing a BT, it is necessary to adjust the impurity concentration and diffusion conditions of the base region 13 according to the breakdown voltage, which causes a problem that the use efficiency of the equipment is reduced and the manufacturing cost is increased.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のト
レンチゲート構造のIGBTは、オン電圧を低減させよ
うとすると、降伏電圧の低下や破壊耐量の低下を招くと
いう問題があった。また、従来のトレンチゲート構造の
IGBTを製造する際には、耐圧に応じてベース領域の
不純物濃度や拡散条件を調整する必要があり、設備の使
用効率が低下し、製造コストが上昇するという問題があ
った。
As described above, the conventional IGBT having the trench gate structure has a problem that when the ON voltage is reduced, the breakdown voltage and the breakdown resistance are reduced. Further, when manufacturing a conventional IGBT having a trench gate structure, it is necessary to adjust the impurity concentration and diffusion conditions of the base region according to the breakdown voltage, which reduces the efficiency of use of equipment and raises the manufacturing cost. was there.

【0009】この発明は上記のような事情に鑑みてなさ
れたもので、その目的とするところは、降伏電圧の低下
や破壊耐量の低下を招くことなくオン電圧を低減できる
半導体装置を提供することにある。また、この発明の他
の目的は、製造工程を簡単化でき、高い量産性と製造コ
ストの低減が図れる半導体装置の製造方法を提供するこ
とにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the on-voltage without lowering the breakdown voltage or the breakdown resistance. It is in. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device, which can simplify the manufacturing process, achieve high mass productivity and reduce manufacturing cost.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に記
載した半導体装置は、第1導電型のコレクタ領域と、前
記コレクタ領域上に形成される第2導電型の第1のドリ
フト領域と、前記第1のドリフト領域上に形成され、第
2導電型で前記第1のドリフト領域よりも不純物濃度が
低い第2のドリフト領域と、前記第2のドリフト領域の
表面領域中に形成される第1導電型のベース領域と、前
記ベース領域中に選択的に形成される第2導電型のエミ
ッタ領域と、前記エミッタ領域と前記ベース領域を貫通
して前記第2のドリフト領域に達し、且つ前記第1のド
リフト領域には到達しない深さの溝と、前記溝の内壁に
形成されるゲート絶縁膜と、前記溝内に埋め込まれるゲ
ート電極と、前記第2のドリフト領域上に設けられる絶
縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、この絶縁膜に形成さ
れた第1の開口部を介して前記ベース領域と前記ソース
領域を短絡するソース金属電極と、前記絶縁膜上に形成
され、この絶縁膜に形成された第2の開口部を介して前
記溝内に埋め込まれたゲート電極と電気的に接続される
ゲート金属電極と、前記コレクタ領域の裏面側に形成さ
れるコレクタ金属電極とを具備することを特徴としてい
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a first conductivity type collector region and a second conductivity type first drift region formed on the collector region. , A second drift region formed on the first drift region and having a second conductivity type and an impurity concentration lower than that of the first drift region, and a surface region of the second drift region. A first conductivity type base region, a second conductivity type emitter region selectively formed in the base region, a second conductivity type emitter region penetrating the emitter region and the base region, and reaching the second drift region, and A groove having a depth that does not reach the first drift region, a gate insulating film formed on the inner wall of the groove, a gate electrode embedded in the groove, and an insulation provided on the second drift region. Membrane and insulation A source metal electrode formed on the insulating film, the source metal electrode short-circuiting the base region and the source region through the first opening formed on the insulating film; and the source metal electrode formed on the insulating film and formed on the insulating film. A gate metal electrode electrically connected to the gate electrode embedded in the groove through the second opening, and a collector metal electrode formed on the back surface side of the collector region. There is.

【0011】また、請求項2に示すように、前記コレク
タ領域と前記第1のドリフト領域との間に設けられる第
2導電型の高濃度バッファ層を更に具備することを特徴
とする。
According to a second aspect of the present invention, the semiconductor device further comprises a high-concentration buffer layer of the second conductivity type provided between the collector region and the first drift region.

【0012】上記のような構成によれば、第1のドリフ
ト領域上に不純物濃度が低い第2のドリフト領域を設け
たことによってトレンチゲート領域近傍の空乏層が伸び
易くなり、トレンチゲート領域を深く形成しても電界集
中を緩和できる。よって、耐圧低下が起こり難くなり、
トレンチゲート領域を深くできるので、ベース領域近傍
でのキャリアの蓄積効果を増大することができ伝導度変
調効果を増大できる。また、降伏電圧は第1のドリフト
領域で確保できるので、降伏電圧や破壊耐量の低下を招
くことなくオン電圧を低減できる。
According to the above structure, the depletion layer in the vicinity of the trench gate region is easily extended by providing the second drift region having a low impurity concentration on the first drift region, and the trench gate region is deepened. Even if formed, the electric field concentration can be relaxed. Therefore, the breakdown voltage is less likely to occur,
Since the trench gate region can be deepened, the effect of accumulating carriers near the base region can be increased and the effect of conductivity modulation can be increased. Further, since the breakdown voltage can be secured in the first drift region, the on-voltage can be reduced without lowering the breakdown voltage or the breakdown withstand voltage.

【0013】この発明の請求項3に記載した半導体装置
の製造方法は、第1導電型でコレクタ領域として働く半
導体基板上に、気相成長法により第2導電型の第1のド
リフト領域を形成する工程と、前記第1のドリフト領域
上に気相成長法により第2導電型で前記第1のドリフト
領域よりも不純物濃度が低い第2のドリフト領域を形成
する工程と、前記第2のドリフト領域の表面領域中に第
1導電型のベース領域を形成する工程と、前記ベース領
域中に第2導電型のエミッタ領域を選択的に形成する工
程と、異方性エッチングにより、前記エミッタ領域及び
前記ベース領域を貫通して前記第2のドリフト領域に達
し、且つ前記第1のドリフト領域には到達しない深さの
溝を形成する工程と、前記溝の内壁にゲート酸化膜を形
成する工程と、前記溝内をゲート電極となる導電層で埋
め込む工程と、前記第2のドリフト領域上に絶縁膜を形
成する工程と、前記絶縁膜に第1,第2の開口部を形成
する工程と、前記絶縁膜上及び前記第1,第2の開口部
内に金属層を形成する工程と、前記金属層をパターニン
グし、前記絶縁膜に形成された第1の開口部を介して前
記ベース領域と前記ソース領域を短絡するソース金属電
極、及び前記絶縁膜に形成された第2の開口部を介して
前記溝内に埋め込まれたゲート電極と電気的に接続され
るゲート金属電極をそれぞれ形成する工程と、前記コレ
クタ領域の裏面側にコレクタ金属電極を形成する工程と
を具備することを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, wherein a first drift region of the second conductivity type is formed on a semiconductor substrate of the first conductivity type serving as a collector region by a vapor phase growth method. And a step of forming a second drift region of a second conductivity type having an impurity concentration lower than that of the first drift region on the first drift region by a vapor phase growth method, and the second drift Forming a base region of the first conductivity type in the surface region of the region, selectively forming an emitter region of the second conductivity type in the base region, and anisotropically etching the emitter region and Forming a groove having a depth penetrating the base region to reach the second drift region and not reaching the first drift region; and forming a gate oxide film on an inner wall of the trench. ,Before Filling the trench with a conductive layer to be a gate electrode; forming an insulating film on the second drift region; forming first and second openings in the insulating film; Forming a metal layer on the film and in the first and second openings, patterning the metal layer, and through the first opening formed in the insulating film, the base region and the source region Forming a source metal electrode short-circuiting the gate electrode and a gate metal electrode electrically connected to the gate electrode embedded in the groove through a second opening formed in the insulating film; And a step of forming a collector metal electrode on the back surface side of the collector region.

【0014】また、請求項4に示すように、前記半導体
基板上に、気相成長法により第2導電型の高濃度バッフ
ァ層を形成する工程を更に備え、前記高濃度バッファ層
上に気相成長法により前記第1のドリフト領域を形成す
ることを特徴とする。
Further, as described in claim 4, the method further comprises the step of forming a second conductivity type high concentration buffer layer on the semiconductor substrate by a vapor phase growth method, and the vapor phase is formed on the high concentration buffer layer. It is characterized in that the first drift region is formed by a growth method.

【0015】上記のような製造方法によれば、第1のド
リフト領域上に低不純物濃度の第2のドリフト領域を設
けたことによって、従来は耐圧に応じて調整が必要であ
ったベース領域の濃度や拡散条件が統一可能になる。こ
れによって、耐圧の異なる製品であっても同一の不純物
拡散プロセスで形成可能であり、製造工程を簡単化でき
るので、高い量産性と製造コストの低減が図れる。
According to the manufacturing method as described above, since the second drift region having a low impurity concentration is provided on the first drift region, the base region of the base region which has conventionally been required to be adjusted according to the breakdown voltage. Concentration and diffusion conditions can be unified. As a result, even products with different withstand voltages can be formed by the same impurity diffusion process, and the manufacturing process can be simplified, so that high mass productivity and manufacturing cost reduction can be achieved.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。図1は、この発明の第1
の実施の形態に係る半導体装置の断面構成図であり、ト
レンチゲート構造を有するNチャネル型の電力用縦型絶
縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を示して
いる。図1において、11はP型コレクタ領域(P型半
導体基板)、12はN型ドリフト領域(第1のドリフト
領域)、13はP型ベース領域、14はN型エミッタ領
域、15はトレンチゲート領域、16はゲート絶縁膜、
17は埋め込みゲート電極、18はエミッタ金属電極、
19はゲート金属電極、20はコレクタ金属電極、21
はN型低濃度ドリフト領域(第2のドリフト領域)であ
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional configuration diagram of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, showing an N-channel power vertical insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a trench gate structure. In FIG. 1, 11 is a P-type collector region (P-type semiconductor substrate), 12 is an N-type drift region (first drift region), 13 is a P-type base region, 14 is an N-type emitter region, and 15 is a trench gate region. , 16 is a gate insulating film,
17 is a buried gate electrode, 18 is an emitter metal electrode,
19 is a gate metal electrode, 20 is a collector metal electrode, 21
Is an N-type low concentration drift region (second drift region).

【0017】P型コレクタ領域として働くP型半導体基
板11上には、耐圧に応じた濃度と厚さでN型ドリフト
領域12が形成され、この基板11の裏面側にはコレク
タ金属電極20が形成されている。上記ドリフト領域1
2上には、所定の濃度と厚さでN型低濃度ドリフト領域
21が形成され、この低濃度ドリフト領域21の表面領
域中に所定の深さでP型ベース領域13が形成される。
上記ベース領域13の表面領域中には、N型エミッタ領
域14が選択的に形成される。このエミッタ領域14と
ベース領域13を貫通して低濃度ドリフト領域21に達
し、且つドリフト領域12には到達しない深さにトレン
チゲート領域15が形成されている。上記低濃度ドリフ
ト領域21上には絶縁膜23が形成され、この絶縁膜2
3のエミッタ金属電極18のコンタクト部、及びゲート
金属電極19のコンタクト部にそれぞれ開口部が形成さ
れている。エミッタ金属電極18は、上記絶縁膜23に
形成された開口部を介して上記N型エミッタ領域14と
P型ベース領域13を短絡するように形成され、ゲート
金属電極19は、上記絶縁膜23に形成された開口部を
介してゲート電極17と電気的に接続されている。
An N-type drift region 12 is formed on the P-type semiconductor substrate 11 serving as a P-type collector region with a concentration and thickness according to the breakdown voltage, and a collector metal electrode 20 is formed on the back surface side of the substrate 11. Has been done. The drift region 1
An N-type low-concentration drift region 21 is formed on the surface 2 with a predetermined concentration and a thickness, and a P-type base region 13 is formed with a predetermined depth in the surface region of the low-concentration drift region 21.
An N-type emitter region 14 is selectively formed in the surface region of the base region 13. A trench gate region 15 is formed at a depth penetrating the emitter region 14 and the base region 13 to reach the low concentration drift region 21 and not to reach the drift region 12. An insulating film 23 is formed on the low concentration drift region 21, and the insulating film 2
Opening portions are formed in the contact portion of the emitter metal electrode 18 and the contact portion of the gate metal electrode 19, respectively. The emitter metal electrode 18 is formed so as to short-circuit the N-type emitter region 14 and the P-type base region 13 through the opening formed in the insulating film 23, and the gate metal electrode 19 is formed in the insulating film 23. It is electrically connected to the gate electrode 17 through the formed opening.

【0018】上記のような構成にあっては、N型ドリフ
ト領域12上にN型低濃度ドリフト領域21を設けたの
で、トレンチゲート領域15近傍の空乏層が伸び易くな
り、電界集中を緩和できるので、N型ドリフト領域12
の不純物濃度が高い低耐圧の品種においてもトレンチゲ
ート領域15を深く形成することが可能になる。よっ
て、耐圧低下が起こり難くなり、トレンチゲート領域1
5を深くできるので、ベース領域13近傍でのキャリア
の蓄積効果を増大することができ伝導度変調効果を増大
できる。また、降伏電圧は不純物濃度が高いN型ドリフ
ト領域12で確保できる。従って、降伏電圧や破壊耐量
の低下を招くことなくオン電圧を低減できる。
In the above structure, since the N type low concentration drift region 21 is provided on the N type drift region 12, the depletion layer in the vicinity of the trench gate region 15 is easily extended and the electric field concentration can be relaxed. Therefore, the N-type drift region 12
It is possible to form the trench gate region 15 deep even in a low breakdown voltage product having a high impurity concentration. Therefore, the breakdown voltage is less likely to occur, and the trench gate region 1
Since 5 can be made deeper, the effect of accumulating carriers near the base region 13 can be increased, and the effect of conductivity modulation can be increased. Further, the breakdown voltage can be secured in the N-type drift region 12 having a high impurity concentration. Therefore, the on-voltage can be reduced without lowering the breakdown voltage and the breakdown resistance.

【0019】図2は、この発明の第2の実施の形態に係
る半導体装置について説明するためのもので、トレンチ
ゲート構造を有するNチャネル型の電力用縦型IGBT
の断面図である。図2において、図1と同一構成部には
同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわ
ち、図1におけるP型コレクタ領域11とN型ドリフト
領域12の間にN型高濃度バッファ層22を形成したも
のである。このような構造のIGBTであっても、N型
低濃度ドリフト領域21による作用は上記第1の実施の
形態と実質的に同様であり、同じ効果が得られる。
FIG. 2 is a view for explaining a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, which is an N-channel vertical power IGBT having a trench gate structure.
FIG. 2, the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. That is, the N-type high concentration buffer layer 22 is formed between the P-type collector region 11 and the N-type drift region 12 in FIG. Even in the IGBT having such a structure, the action of the N-type low concentration drift region 21 is substantially the same as that of the first embodiment, and the same effect can be obtained.

【0020】次に、図3(a)ないし(f)を参照して
図2に示したIGBTの製造方法を説明する。ここで
は、耐圧が600VのIGBTを例にとっている。ま
ず、図3(a)に示すように、コレクタ領域として働く
P型半導体基板11上にリン濃度1×1017〜1×10
18atoms/cm3 、厚さ10μm程度のN型高濃度
バッファ層22を気相成長法で形成し、このバッファ層
22上にリン濃度1×1014〜5×1014atoms/
cm3 、厚さ40μm程度の耐圧(ここでは600V)
に応じた濃度と厚さのN型ドレイン領域12を気相成長
法によって形成する。続いて、上記N型ドレイン領域1
2上にリン濃度8×1013atoms/cm3 以下、厚
さ20μm程度のトレンチゲート領域15の深さより厚
いN型低濃度ドリフト領域21を気相成長法によって形
成する。この低濃度ドリフト領域21の不純物濃度と厚
さはトレンチゲート領域15の幅と深さによって決定す
る。
Next, a method of manufacturing the IGBT shown in FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (f). Here, an IGBT having a breakdown voltage of 600 V is taken as an example. First, as shown in FIG. 3A, the phosphorus concentration is 1 × 10 17 to 1 × 10 on the P-type semiconductor substrate 11 serving as a collector region.
An N-type high-concentration buffer layer 22 having a thickness of 18 atoms / cm 3 and a thickness of about 10 μm is formed by a vapor phase growth method, and a phosphorus concentration of 1 × 10 14 to 5 × 10 14 atoms / is formed on the buffer layer 22.
Withstand voltage of cm 3 and thickness of about 40 μm (600 V here)
The N-type drain region 12 having a concentration and a thickness corresponding to is formed by the vapor phase epitaxy method. Then, the N-type drain region 1
An N-type low-concentration drift region 21 having a phosphorus concentration of 8 × 10 13 atoms / cm 3 or less and a thickness of about 20 μm, which is thicker than the depth of the trench gate region 15, is formed on the second layer 2 by vapor phase epitaxy. The impurity concentration and thickness of the low concentration drift region 21 are determined by the width and depth of the trench gate region 15.

【0021】このようにして、N型高濃度バッファ層2
2、N型ドリフト領域12、及びN型低濃度ドリフト領
域21を順次積層形成した半導体ウェーハにおけるN型
低濃度ドリフト領域21の表面領域中に、図3(b)に
示すように、イオン注入法等により選択的にボロン等の
不純物を拡散してP型ベース領域13を形成する。続い
て、上記ベース領域13中にイオン注入法等により、選
択的に砒素等の不純物を拡散してN型エミッタ領域14
を形成する。
In this way, the N-type high-concentration buffer layer 2
2, the N-type drift region 12 and the N-type low-concentration drift region 21 are sequentially stacked in the surface region of the N-type low-concentration drift region 21 in the semiconductor wafer, as shown in FIG. Etc., the impurities such as boron are selectively diffused to form the P-type base region 13. Then, an impurity such as arsenic is selectively diffused into the base region 13 by an ion implantation method or the like to form an N-type emitter region 14
To form

【0022】その後、図3(c)に示す如く、酸化膜等
をマスク材にしてRIE等の異方性エッチングを行い、
エミッタ領域14とベース領域13を貫通してN型低濃
度ドリフト領域21に達し、且つN型ドリフト領域12
に到達しない深さまで溝(トレンチ)を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 3C, anisotropic etching such as RIE is performed using an oxide film or the like as a mask material,
The emitter region 14 and the base region 13 are penetrated to reach the N-type low concentration drift region 21, and the N-type drift region 12
A trench is formed to a depth that does not reach.

【0023】続いて、この溝の内壁を熱酸化して厚さが
100nm程度のゲート酸化膜16を形成し、溝内をゲ
ート電極17となるポリシリコン層(導電層)で埋め込
むことにより、トレンチゲート領域15を形成する(図
3(d)参照)。
Subsequently, the inner wall of the groove is thermally oxidized to form a gate oxide film 16 having a thickness of about 100 nm, and the inside of the groove is filled with a polysilicon layer (conductive layer) to be a gate electrode 17, thereby forming a trench. The gate region 15 is formed (see FIG. 3D).

【0024】その後、図3(e)に示すように、ドリフ
ト領域21上の全面に絶縁膜23をCVD法等で形成
し、エミッタ、ゲートそれぞれの金属電極と接続される
部分を選択的にエッチングして除去しすることにより開
口部を形成する。続いて、上記絶縁膜23上にAl等の
金属をスパッタ法等で形成し、パターニングしてエミッ
タ金属電極18及びゲート金属電極19をそれぞれ形成
する。次に、P型コレクタ領域11の表面(半導体基板
の裏面)にAu等の金属をスパッタ法等で形成し、コレ
クタ金属電極20を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 3E, an insulating film 23 is formed on the entire surface of the drift region 21 by the CVD method or the like, and the portions connected to the metal electrodes of the emitter and the gate are selectively etched. And removed to form an opening. Subsequently, a metal such as Al is formed on the insulating film 23 by a sputtering method or the like and patterned to form an emitter metal electrode 18 and a gate metal electrode 19, respectively. Next, a metal such as Au is formed on the front surface of the P-type collector region 11 (back surface of the semiconductor substrate) by a sputtering method or the like to form the collector metal electrode 20.

【0025】そして、上記のようにしてIGBT素子を
形成した半導体ウェーハを所定の大きさにカットして分
離し、IGBTチップを完成する。上記のような製造方
法によれば、N型ドリフト領域12上にN型低濃度ドリ
フト層21を形成することで、従来は耐圧によって調整
が必要であったベース領域13の不純物濃度や拡散条件
が統一可能になる。この結果、耐圧の異なる製品であっ
ても同一の不純物拡散プロセスで形成可能であり、設備
の使用効率が向上するため、製造コストの低減が可能で
ある。
Then, the semiconductor wafer on which the IGBT element is formed as described above is cut into a predetermined size and separated to complete an IGBT chip. According to the manufacturing method as described above, by forming the N-type low-concentration drift layer 21 on the N-type drift region 12, the impurity concentration and diffusion conditions of the base region 13 which have conventionally been required to be adjusted by the breakdown voltage can be improved. Can be unified. As a result, even products with different withstand voltages can be formed by the same impurity diffusion process, and the use efficiency of the equipment is improved, so that the manufacturing cost can be reduced.

【0026】図4は、トレンチの深さによるオン電圧と
スイッチング時間の関係を示している。横軸はスイッチ
ング時間、縦軸はオン電圧であり、トレンチの深さが4
μm、6μm、及び8μmの時の関係である。図4から
明らかなように、トレンチの深さ、すなわちトレンチゲ
ート領域15を深くするほどオン電圧を低くできる。
FIG. 4 shows the relationship between the ON voltage and the switching time depending on the depth of the trench. The horizontal axis is the switching time, the vertical axis is the on-voltage, and the trench depth is 4
The relationship is for μm, 6 μm, and 8 μm. As is clear from FIG. 4, the deeper the trench, that is, the trench gate region 15, is, the lower the on-voltage can be.

【0027】また、図5は、この発明のIGBTと従来
のIGBT(図8におけるN型ドリフト領域12を低不
純物濃度に形成した場合)との逆バイアス電圧の印加に
対する安全動作領域を比較して示している。図5におい
て、横軸はコレクタ−エミッタ間電圧、縦軸はコレクタ
電流であり、安全動作領域(保証範囲)は、破線の外側
の領域である。従来の製品は保証範囲の限界に近く、い
くつかが保証範囲を外れているが、この発明の製品は全
て保証範囲内であり、安全動作領域はN型ドリフト領域
12を低不純物濃度に形成した場合に比べて大幅に広が
ることがわかる。
Further, FIG. 5 compares the safe operating area for application of a reverse bias voltage between the IGBT of the present invention and the conventional IGBT (when the N type drift region 12 in FIG. 8 is formed to have a low impurity concentration). Shows. In FIG. 5, the horizontal axis is the collector-emitter voltage, the vertical axis is the collector current, and the safe operation area (guaranteed range) is the area outside the broken line. Although the conventional products are close to the limit of the guarantee range and some are out of the guarantee range, all the products of the present invention are within the guarantee range, and the safe operation region is formed by forming the N-type drift region 12 in a low impurity concentration. It can be seen that it spreads significantly compared to the case.

【0028】なお、上記第1及び第2の実施の形態で
は、Nチャネル型のIGBTを例にとって説明したが、
各活性領域の導電型を逆にすることでPチャネル型にも
適用できるのは勿論である。
In the first and second embodiments, the N-channel type IGBT has been described as an example.
It is needless to say that the conductivity type of each active region is reversed to be applicable to the P channel type.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、降伏電圧の低下や破壊耐量の低下を招くことなくオ
ン電圧を低減できる半導体装置が得られる。また、製造
工程を簡単化でき、高い量産性と製造コストの低減が図
れる半導体装置の製造方法が得られる。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device capable of reducing the on-voltage without lowering the breakdown voltage and the breakdown withstand voltage. Further, it is possible to obtain a method for manufacturing a semiconductor device, which can simplify the manufacturing process, achieve high mass productivity, and reduce manufacturing cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
について説明するためのもので、トレンチゲート構造を
有する電力用縦型IGBTの断面構成図。
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a power vertical IGBT having a trench gate structure for explaining a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】この発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
について説明するためのもので、トレンチゲート構造を
有する電力用縦型IGBTの断面構成図。
FIG. 2 is a cross-sectional configuration diagram of a vertical power IGBT having a trench gate structure for explaining a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】図2に示したIGBTの製造工程を順次示す断
面図。
3A to 3D are cross-sectional views sequentially showing manufacturing steps of the IGBT shown in FIG.

【図4】トレンチゲート領域の深さによるオン電圧とス
イッチング時間との関係を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an on-voltage and a switching time depending on a depth of a trench gate region.

【図5】この発明のIGBTと従来のIGBTの逆バイ
アス電圧の印加に対する安全動作領域について説明する
ための図。
FIG. 5 is a diagram for explaining a safe operation region for application of a reverse bias voltage of the IGBT of the present invention and the conventional IGBT.

【図6】従来の半導体装置について説明するためのもの
で、トレンチゲート縦型MOSFETの断面構成図。
FIG. 6 is a cross-sectional configuration diagram of a trench gate vertical MOSFET for explaining a conventional semiconductor device.

【図7】従来の半導体装置について説明するためのもの
で、プレーナ型MOSFETの断面構成図。
FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram of a planar MOSFET for explaining a conventional semiconductor device.

【図8】従来の半導体装置について説明するためのもの
で、トレンチゲート縦型IGBTの断面構成図。
FIG. 8 is a cross-sectional configuration diagram of a trench gate vertical IGBT for explaining a conventional semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…P型コレクタ領域(P型半導体基板)、12…N
型ドリフト領域、13…P型ベース領域、14…N型エ
ミッタ領域、15…トレンチゲート領域、16…ゲート
絶縁膜、17…埋め込みゲート電極、18…エミッタ金
属電極、19…ゲート金属電極、20…コレクタ金属電
極、21…N型低濃度ドリフト領域、22…N型高濃度
バッファ層、23…絶縁膜。
11 ... P-type collector region (P-type semiconductor substrate), 12 ... N
Type drift region, 13 ... P type base region, 14 ... N type emitter region, 15 ... Trench gate region, 16 ... Gate insulating film, 17 ... Embedded gate electrode, 18 ... Emitter metal electrode, 19 ... Gate metal electrode, 20 ... Collector metal electrode, 21 ... N type low concentration drift region, 22 ... N type high concentration buffer layer, 23 ... Insulating film.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1導電型のコレクタ領域と、前記コレ
クタ領域上に形成される第2導電型の第1のドリフト領
域と、前記第1のドリフト領域上に形成され、第2導電
型で前記第1のドリフト領域よりも不純物濃度が低い第
2のドリフト領域と、前記第2のドリフト領域の表面領
域中に形成される第1導電型のベース領域と、前記ベー
ス領域中に選択的に形成される第2導電型のエミッタ領
域と、前記エミッタ領域と前記ベース領域を貫通して前
記第2のドリフト領域に達し、且つ前記第1のドリフト
領域には到達しない深さの溝と、前記溝の内壁に形成さ
れるゲート絶縁膜と、前記溝内に埋め込まれるゲート電
極と、前記第2のドリフト領域上に設けられる絶縁膜
と、前記絶縁膜上に形成され、この絶縁膜に形成された
第1の開口部を介して前記ベース領域と前記ソース領域
を短絡するソース金属電極と、前記絶縁膜上に形成さ
れ、この絶縁膜に形成された第2の開口部を介して前記
溝内に埋め込まれたゲート電極と電気的に接続されるゲ
ート金属電極と、前記コレクタ領域の裏面側に形成され
るコレクタ金属電極とを具備することを特徴とする半導
体装置。
1. A collector region of a first conductivity type, a first drift region of a second conductivity type formed on the collector region, and a collector region of a second conductivity type formed on the first drift region. A second drift region having an impurity concentration lower than that of the first drift region, a first conductivity type base region formed in a surface region of the second drift region, and selectively in the base region. A second conductive type emitter region to be formed, a groove penetrating the emitter region and the base region to reach the second drift region and not to reach the first drift region, A gate insulating film formed on the inner wall of the groove, a gate electrode embedded in the groove, an insulating film provided on the second drift region, and an insulating film formed on the insulating film and formed on the insulating film. Through the first opening A source metal electrode that short-circuits the base region and the source region, and a gate electrode that is formed on the insulating film and is embedded in the groove through a second opening formed in the insulating film. And a collector metal electrode formed on the back surface side of the collector region.
【請求項2】 前記コレクタ領域と前記第1のドリフト
領域との間に設けられる第2導電型の高濃度バッファ層
を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の半導
体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second-conductivity-type high-concentration buffer layer provided between the collector region and the first drift region.
【請求項3】 第1導電型でコレクタ領域として働く半
導体基板上に、気相成長法により第2導電型の第1のド
リフト領域を形成する工程と、前記第1のドリフト領域
上に気相成長法により第2導電型で前記第1のドリフト
領域よりも不純物濃度が低い第2のドリフト領域を形成
する工程と、前記第2のドリフト領域の表面領域中に第
1導電型のベース領域を形成する工程と、前記ベース領
域中に第2導電型のエミッタ領域を選択的に形成する工
程と、異方性エッチングにより、前記エミッタ領域及び
前記ベース領域を貫通して前記第2のドリフト領域に達
し、且つ前記第1のドリフト領域には到達しない深さの
溝を形成する工程と、前記溝の内壁にゲート酸化膜を形
成する工程と、前記溝内をゲート電極となる導電層で埋
め込む工程と、前記第2のドリフト領域上に絶縁膜を形
成する工程と、前記絶縁膜に第1,第2の開口部を形成
する工程と、前記絶縁膜上及び前記第1,第2の開口部
内に金属層を形成する工程と、前記金属層をパターニン
グし、前記絶縁膜に形成された第1の開口部を介して前
記ベース領域と前記ソース領域を短絡するソース金属電
極、及び前記絶縁膜に形成された第2の開口部を介して
前記溝内に埋め込まれたゲート電極と電気的に接続され
るゲート金属電極をそれぞれ形成する工程と、前記コレ
クタ領域の裏面側にコレクタ金属電極を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. A step of forming a first drift region of a second conductivity type on a semiconductor substrate of the first conductivity type, which acts as a collector region, by a vapor phase epitaxy method, and a vapor phase on the first drift region. Forming a second drift region of the second conductivity type having a lower impurity concentration than that of the first drift region by a growth method; and forming a base region of the first conductivity type in a surface region of the second drift region. Forming, a step of selectively forming a second conductivity type emitter region in the base region, and anisotropic etching to penetrate the emitter region and the base region to form the second drift region. Forming a groove having a depth that reaches the first drift region and does not reach the first drift region, forming a gate oxide film on the inner wall of the groove, and filling the inside of the groove with a conductive layer serving as a gate electrode. And the above Forming an insulating film on the second drift region; forming first and second openings in the insulating film; and forming a metal layer on the insulating film and in the first and second openings. And a source metal electrode that short-circuits the base region and the source region through the first opening formed in the insulating film by patterning the metal layer, and the insulating film. Forming a gate metal electrode electrically connected to the gate electrode embedded in the groove through the second opening, and forming a collector metal electrode on the back surface side of the collector region. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項4】 前記半導体基板上に、気相成長法により
第2導電型の高濃度バッファ層を形成する工程を更に備
え、前記高濃度バッファ層上に気相成長法により前記第
1のドリフト領域を形成することを特徴とする請求項3
に記載の半導体装置の製造方法。
4. The method further comprises the step of forming a second conductivity type high concentration buffer layer on the semiconductor substrate by a vapor phase growth method, wherein the first drift is formed on the high concentration buffer layer by a vapor phase growth method. A region is formed to form a region.
A method of manufacturing a semiconductor device according to item 1.
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