JPH10200104A - 電圧駆動型半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
電圧駆動型半導体装置及びその製造方法Info
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Abstract
で、ゲート電極形成時の多結晶シリコンのエッチバック
の制御性が良く、しかも寄生サイリスタがラッチアップ
しにくい素子を提供すること、及びそのような素子の製
造方法を提供する。 【解決手段】シリコン基板1の表面上に、ゲート絶縁膜
6よりも厚い絶縁膜7及び、絶縁膜7上及びゲート電極
5上に絶縁膜8を設ける。
Description
ートを有する半導体装置に係り、特にパワーMOSFETやI
GBTなどに関する。
の絶縁ゲートを有するIGBT(Insulated Gate Bipol
ar Transistor )のアクティブ領域の断面図及び平面図
を示す(以下、この素子をトレンチIGBTと呼ぶ)。
なお、断面図(a)は平面図(b)のX−X′に対応し
ている。トレンチIGBTはp+基板1上にn-ドリフト
層2が形成される。n- ドリフト層2の表面にpベース
層3が形成され、さらに、pベース層3の表面に選択的
にn+ エミッタ層4が形成される。さらに、pベース層
3及びn+ エミッタ層4を貫通して、連続的にトレンチ
10が形成され、トレンチ表面には、ゲート絶縁膜6及
びゲート電極5が形成される。さらに、ゲート電極表面
に酸化膜12及び層間絶縁膜8が形成される。さらに、
p+基板1の裏面上にコレクタ電極11が形成され、n
- ドリフト層2上にエミッタ電極9が形成される。
BTのゲート電極をゲートパッドに引き出す領域の断面
図及び平面図を示す。なお、断面図(a)は平面図
(b)のY−Y′に対応している。p+ 基板1上にn-
ドリフト層2が形成される。n-ドリフト層2の表面に
pウェル層及びpベース層3が形成され、さらに、pベ
ース層3の表面に選択的にn+ エミッタ層4が形成され
る。さらに、pベース層3及びn+ エミッタ層4を貫通
して、連続的にトレンチ10が形成され、トレンチ表面
には、ゲート絶縁膜6及びゲート電極5,ゲート配電部
5Aが形成される。さらに、ゲート電極表面に酸化膜1
2及び層間絶縁膜8が形成される。さらに、p+ 基板1
の裏面上にコレクタ電極11が形成され、層間絶縁膜8
上にエミッタ電極9が、ゲート配電部5A上にゲート電
極用配線9Aが形成される。
ッタ電極9を接地し、コレクタ電極11にある一定の正
電圧を印加する。この状態で、ゲート電極5にしきい値
電圧以上の電圧を加えることにより、ゲート電極5に沿
って、縦方向にチャネルが形成され、コレクタ電極1
1,エミッタ電極9間に電流が流れ、トレンチIGBT
はオン状態となる。
レーナ)にあるため、プレーナIGBTと呼ばれている。プ
レーナIGBTは微細化し、Pベース層間に設けられた
MOSゲートの長さを短くすると、空乏層により電流通
路が狭められるJFET効果により、オン電圧が上昇し
てしまう。このためIGBTはLSIとは異なり微細化
には限界がある。一方、トレンチIGBTは、プレーナ
IGBTに比べ、JFET効果による抵抗成分が存在せず、
さらに、微細化が可能であることから、オン電圧が低減
できることが特徴である。
トを有する半導体装置はその特徴であるゲート電極を形
成するために、一般的に、ドライエッチング技術を利用
してシリコン基板にトレンチを形成後、ゲート酸化を
し、さらに不純物を含んだ多結晶シリコンを埋め込み、
その後、ゲート配電部を除き多結晶シリコンをエッチバ
ックする。この時、多結晶シリコンの表面はシリコン基
板の表面からn+ エミッタ層の下面との間に存在しなけ
ればならない。なぜなら、多結晶シリコンの表面がシリ
コン基板表面よりも上にある場合、ゲート電極がエミッ
タ電極と短絡し、多結晶シリコンの表面がn+ エミッタ
層の下面よりも下にある場合、チャネルが形成されない
領域が生じ、素子がMOS動作をしないためである。し
たがって、エッチバックの面内均一性を考慮すると、ウ
エハ全面でこの制御を行うにはn+ エミッタ層の接合深
さを深くする必要がある。しかし、n+ エミッタ層の接
合深さを深くすると、制御範囲が広くなり、制御性は良
くなるものの、n+ エミッタ層横のpベース層の抵抗成
分が増加することにより、n+pn-p+ の寄生サイリス
タがラッチアップし易くなり、素子が破壊し易くなると
いう問題があった。
を有する半導体装置において、前記従来技術の問題点を
解決することにある。すなわち、ゲート電極形成時の多
結晶シリコンのエッチバックの制御性が良く、しかも寄
生サイリスタがラッチアップしにくい素子を提供するこ
と、及びそのような素子の製造方法を提供することにあ
る。
板表面上に、ゲート絶縁膜よりも厚い第1の絶縁膜及
び、第1の絶縁膜上及びゲート電極上に第2の絶縁膜を
設けることによって達成される。
いて説明する。
領域の図であり、断面図(a)は平面図(b)のX−
X′に対応している。p+ 基板1上にn- ドリフト層2
が形成される。そして、n- ドリフト層2の表面にpベ
ース層3が形成され、pベース層3の表面に選択的にn
+ エミッタ層4が形成される。さらに、絶縁膜7を形成
後、これをマスクとし、ドライエッチング技術を使っ
て、pベース層3及びn+エミッタ層4を貫通して、連
続的にトレンチ10が形成され、トレンチ表面にゲート
絶縁膜6及び不純物を含んだ多結晶シリコンで形成され
たゲート電極5及びゲート配電部5Aが形成される。こ
の時、ゲート電極5の表面は絶縁膜7の表面からn+ エ
ミッタ層4の下面の間に存在している。そして、層間絶
縁膜8が形成された後、絶縁膜7及び層間絶縁膜8が同
時にエッチングされ、コンタクト領域が形成される。そ
して、n- ドリフト層2上にpベース層3及びn+ エミ
ッタ層4に接するようにエミッタ電極9が形成され、p
+ 基板1の裏面上にコレクタ電極11が形成される。
縁膜7の高さ分だけ、多結晶シリコンで形成されたゲー
ト電極5のエッチバックの制御範囲が広くなり、制御性
が向上する。これにより、n+ エミッタ層4の接合深さ
を浅くできるので、寄生サイリスタがラッチアップしに
くくできる。また、n+ エミッタ層4の接合深さは素子
のしきい値電圧に大きく影響する。本発明の場合、n+
エミッタ層4が浅く形成できるため、拡散時間が短くな
り、安定した接合深さが得られ、チップ内のしきい値電
圧が安定する。
造方法を示す断面図である。製造方法は以下の通りであ
る。
リコンエピタキシャル層2が形成され、n- シリコンエ
ピタキシャル層2の上にpベース拡散層3が形成され、
pベース拡散層3の表面中にn+エミッタ拡散層4が形
成される。
にトレンチゲートのマスクとなる絶縁膜7、例えばCV
Dによる酸化膜を1〜2μm堆積し、トレンチゲートの
パターンにエッチングする。なお、絶縁膜7の厚さはシ
リコンエッチ後に0.3〜0.7μmの膜厚になる程度に堆積
するのが好ましい。
タ層4及びpベース層3を貫通するようにドライエッチ
ングし、トレンチ10を形成する。この時、トレンチ底
部を丸く加工することにより、高電圧印加時の電界集中
を緩和できる。
陥を除去した後、ゲート絶縁膜6を形成する。
レンチ10に埋め込むように堆積する。
ことにより、ゲート電極5を形成する。この時、多結晶
シリコンの表面は絶縁膜7の表面とn+ エミッタ層4の
下面の間に存在する。
3μm をCVDにより形成する。なお、膜厚は所望の
ゲート耐圧に耐え得る厚さにすれば良い。
エッチングし、コンタクト領域を形成する。
びn+ エミッタ層4に接するようにエミッタ電極9を形
成し、p+ 基板1の裏面上にコレクタ電極11を形成す
る。図3は図1で説明した実施例のゲート電極をゲート
パッドに引き出す領域における一実施例を示す図であ
り、断面図(a)は平面図(b)のY−Y′に対応して
いる。p+ 基板1上にn- ドリフト層2が形成される。
そして、n- ドリフト層2の表面にpウェル層31及び
それよりも接合深さが浅く、不純物濃度の高いpベース
層3が形成され、pベース層3の表面に選択的にn+ エ
ミッタ層4が形成される。さらに、絶縁膜7を形成後、
これをマスクとし、ドライエッチング技術を使って、p
ウェル層31は貫通せず、pベース層3及びn+ エミッ
タ層4を貫通して、連続的にトレンチ10が形成され
る。さらに、トレンチ10表面にゲート絶縁膜6及び不
純物を含んだ多結晶シリコンで形成されたゲート電極5
及びゲート配電部5Aが形成される。この時、ゲート電
極5の表面は絶縁膜7の表面からn+ エミッタ層4の下
面の間に存在している。そして、層間絶縁膜8が形成さ
れた後、層間絶縁膜8上にエミッタ電極9が、ゲート配
電部5A上にゲート電極用配線9Aが形成され、p+ 基
板1の裏面上にコレクタ電極11が形成される。
0でゲート絶縁膜6が局所的に薄くなることにより、ゲ
ート耐圧の劣化を生じるのに対し、本発明では、その上
部にトレンチエッチのマスクに使用した絶縁膜7が存在
することにより、ゲート絶縁膜6が局所的に薄くなるの
を防げるため、所望のゲート耐圧を確保できる。
領域の図であり、断面図(a)は平面図(b)のX−
X′に対応している。また、図5は図4のゲート電極を
ゲートパッドに引き出す領域における一実施例を示す図
であり、断面図(a)は平面図(b)のY−Y′に対応
している。図1に示した実施例と異なる点は、ゲート電
極5と層間絶縁膜8の間に酸化膜12が形成されている
ことにある。
多結晶シリコンで形成されたゲート電極の表面が多少後
退するものの、ゲート電極とエミッタ電極の絶縁が確実
にとれるためゲート耐圧が向上する。
方法を示す断面構造図である。図2に示す製造方法と異
なる点は工程(f)の後に酸化工程が追加されることに
ある。
構成したモータ駆動用インバータ回路の例である。トレ
ンチIGBT100 には逆並列にダイオード101が接続され
ており、トレンチIGBTが2個直列に接続され、1相
が形成されている。トレンチIGBTが接続された中点
から出力され、モータ106と接続されている。上アー
ム側のトレンチIGBT100a,b,cのコレクタは共通であ
り、整流回路の高電位側と接続されている。また、下ア
ーム側のトレンチIGBT100d,e,fのエミッタは共通で
あり、整流回路のアース側と接続されている。整流回路
103は、交流電源102を直流に変換する。トレンチ
IGBT100 は、この直流を受電し、再度交流に変換してモ
ータを駆動する。上下の駆動回路104,105は、ト
レンチIGBTのゲートに駆動信号を伝え、所定の周期
でトレンチIGBTをオン・オフさせる。本実施例で
は、トレンチIGBTのトレンチ形成のマスクに用いる
絶縁膜を残すことにより、多結晶シリコンのエッチバッ
クの制御範囲が広くなり、n+ エミッタを浅接合化でき
るので、寄生サイリスタがラッチアップしにくく、さら
に、チップ内のしきい値電圧が安定するため、従来のト
レンチIGBTを使用した場合よりも、信頼性の高いイ
ンバータを提供できる。
IGBTのみについて述べたが、絶縁ゲートを持つ他の
素子、例えば、パワーMOSFETなどでも同様の効果がある
のは明らかである。
有する半導体装置の場合、トレンチ形成時にマスクとし
て使用した絶縁膜を残すことにより、以下に示す効果が
得られる。多結晶シリコンのエッチバックの制御範囲が
広がり、制御性が向上するため、n+ エミッタ層の接合
深さを浅くできるので、寄生サイリスタがラッチアップ
しにくくなる。また、n+ エミッタ層形成の拡散時間が
短くできるため、チップ内のしきい値電圧が安定する。
さらに、トレンチ端部のゲート絶縁膜が局所的に薄くな
るのを防げるため、所望のゲート耐圧を確保できる。
図。
に引き出す領域での説明図。
図。
に引き出す領域での説明図。
バータ装置の一実施例の回路図。
Tの説明図。
Tの異なる断面での説明図。
4…n+ エミッタ層、5…ゲート電極、5A…ゲート配
電部、6…ゲート絶縁膜、7…トレンチ形成のマスクと
なる絶縁膜、8…層間絶縁膜、9…エミッタ電極、10
…トレンチ、11…コレクタ電極、31…pウェル層。
Claims (5)
- 【請求項1】第1半導体領域と、前記第1半導体領域に
隣接する第1導電型の第2半導体領域と、前記第2半導
体領域に隣接する第2導電型の第3半導体領域と、前記
第3半導体領域内に設けられる第1導電型の第4半導体
領域とを有する半導体チップを備え、前記第1半導体領
域に接触する第1主電極と、前記第4半導体領域に接触
する第2主電極と、前記第3半導体領域を貫通する複数
のトレンチ内に設けられる絶縁ゲート電極とを具備し、
前記第3半導体領域に隣接する絶縁ゲート電極の絶縁膜
よりも厚い第1の絶縁膜と、前記絶縁ゲート電極及び前
記第1の絶縁膜に隣接する第2の絶縁膜を具備すること
を特徴とする電圧駆動型半導体装置。 - 【請求項2】請求項1において、前記絶縁ゲート電極と
前記第2の絶縁膜の間に酸化膜を具備する電圧駆動型半
導体装置。 - 【請求項3】シリコン基板を準備する工程と、前記シリ
コン基板の表面に第1絶縁膜を堆積する工程と、前記第
1絶縁膜をパターニングし、次に、パターニングされた
第1絶縁膜をマスクにして、前記シリコン基板の表面中
にトレンチを形成する工程と、前記第1絶縁膜を残した
まま、前記トレンチ内に酸化膜を形成し、さらに、多結
晶シリコンを、前記トレンチ内及び前記第1絶縁膜上に
堆積する工程と、前記多結晶シリコンをゲート配電部を
残して、エッチバックする工程と、前記多結晶シリコン
の表面及び前記第1絶縁膜の表面上に、第2絶縁膜を堆
積する工程と、前記第2絶縁膜及び前記第1絶縁膜をパ
ターニングし、前記シリコン基板表面を露出することに
より、コンタクト領域を形成する工程と、前記シリコン
基板表面及び裏面に電極を形成する工程とからなること
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】シリコン基板を準備する工程と、前記シリ
コン基板の表面に第1絶縁膜を堆積する工程と、前記第
1絶縁膜をパターニングし、次に、パターニングされた
第1絶縁膜をマスクにして、前記シリコン基板の表面中
にトレンチを形成する工程と、前記第1絶縁膜を残した
まま、前記トレンチ内に酸化膜を形成し、さらに、多結
晶シリコンを、前記トレンチ内及び前記第1絶縁膜上に
堆積する工程と、前記多結晶シリコンをゲート配電部を
残して、エッチバックする工程と、前記多結晶シリコン
の表面に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜及び前記
第1絶縁膜の表面上に、第2絶縁膜を堆積する工程と、
前記第2絶縁膜及び前記第1絶縁膜をパターニングし、
前記シリコン基板表面を露出することにより、コンタク
ト領域を形成する工程と、前記シリコン基板表面及び裏
面に電極を形成する工程とからなることを特徴とする半
導体装置の製造方法。 - 【請求項5】請求項1に記載の前記電圧駆動型半導体装
置をスイッチング素子に使用したインバータ装置。
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JP00358897A JP3924829B2 (ja) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | 電圧駆動型半導体装置及びその製造方法 |
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JPH10200104A true JPH10200104A (ja) | 1998-07-31 |
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