JPWO2014030457A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明にかかる半導体装置の断面構造について、逆阻止IGBTを例に説明する。図1は、本発明にかかる逆阻止IGBTの要部を示す断面図である。図1に示すように、本発明の実施の形態にかかる逆阻止IGBTは、チップの中央近辺に設けられた活性領域110と、この活性領域110を取り巻く外周側に設けられた耐圧構造部120と、耐圧構造部120の外側を取り囲む分離領域130と、を備える。活性領域110において、n-型ドリフト領域1となるn-型半導体基板のおもて面側には、p型ベース領域2、p+型ベースコンタクト領域、n+型エミッタ領域3、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5、層間絶縁膜6およびエミッタ電極9などからなる表面構造が設けられている。活性領域110は、主電流の経路となる領域である。耐圧構造部120は、n-型ドリフト領域1の基板おもて面側の電界を緩和し耐圧を保持する領域である。分離領域130は、n-型半導体基板の一方の主面と他方の主面とをp型領域で連結させるためのp+型分離層31を主たる領域として有する。
次に、n型低ライフタイム調整領域1bおよびn-型ドリフト領域1のドーピング濃度プロファイルおよびライフタイムプロファイルについて、本発明の逆阻止IGBTの主な実施の形態を従来の逆阻止IGBTと比較しながら説明する。図2は、図1の逆阻止IGBTのドーピング濃度プロファイルおよびライフタイムプロファイルを示す特性図である。ここで、比較の対象となる従来の逆阻止IGBTは、本発明の逆阻止IGBTの特徴部分であるn型低ライフタイム調整領域1bを備えていない逆阻止IGBTである。即ち、以下の説明で用いられる従来の逆阻止IGBTは、図12に示すように、n型低ライフタイム調整領域以外の構造については本発明の逆阻止IGBTと実質的に同じ構造を有する。
次に、実施例2の逆阻止IGBTについて説明する。図2において、従来の逆阻止IGBTとドーピングプロファイルが同じで、ライフタイムプロファイルだけが異なる逆阻止IGBT、即ち、n-型ドリフト領域1に対するn型低ライフタイム調整領域1bのドーピング濃度比n1/n2=1の逆阻止IGBTを実施例2とする。比較のための従来の逆阻止IGBTは、ターンオフ損失Eoffおよびオン電圧Vonを(Eoff,Von)=(0.275mJ/A/pulse,3.61V)、n-型ドリフト領域1全体のドーピング濃度をt3=1.74μsとする。
1a n型高濃度領域
1b n型低ライフタイム調整領域
2 p型ベース領域
2a p+型コンタクト領域
2−1 終端pベース領域
3 n+型エミッタ領域
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 層間絶縁膜
7 p型ガードリング
8 フィールドプレート
9 エミッタ電極
10 p型コレクタ領域
11 コレクタ電極
12 チップ側端面
13 基板表面
14 絶縁膜
31 p+型分離層
110 活性領域
110a 活性領域の終端部
120 耐圧構造部
130 分離領域
t1 n型低ライフタイム調整領域のキャリアのライフタイム
t2 n-型ドリフト領域のキャリアのライフタイム
本発明にかかる半導体装置の断面構造について、逆阻止IGBTを例に説明する。図1は、本発明にかかる逆阻止IGBTの要部を示す断面図である。図1に示すように、本発明の実施の形態にかかる逆阻止IGBTは、チップの中央近辺に設けられた活性領域110と、この活性領域110を取り巻く外周側に設けられた耐圧構造部120と、耐圧構造部120の外側を取り囲む分離領域130と、を備える。活性領域110において、n-型ドリフト領域1となるn-型半導体基板のおもて面側には、p型ベース領域2、p+型ベースコンタクト領域、n+型エミッタ領域3、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5、層間絶縁膜6およびエミッタ電極9などからなる表面構造が設けられている。活性領域110は、主電流の経路となる領域である。耐圧構造部120は、n-型ドリフト領域1の基板おもて面側の電界を緩和し耐圧を保持する領域である。分離領域130は、n-型半導体基板の一方の主面と他方の主面とをp型領域で連結させるためのp+型分離層31を主たる領域として有する。
次に、n型低ライフタイム調整領域1bおよびn-型ドリフト領域1のドーピング濃度プロファイルおよびライフタイムプロファイルについて、本発明の逆阻止IGBTの主な実施の形態を従来の逆阻止IGBTと比較しながら説明する。図2は、図1の逆阻止IGBTのドーピング濃度プロファイルおよびライフタイムプロファイルを示す特性図である。ここで、比較の対象となる従来の逆阻止IGBTは、本発明の逆阻止IGBTの特徴部分であるn型低ライフタイム調整領域1bを備えていない逆阻止IGBTである。即ち、以下の説明で用いられる従来の逆阻止IGBTは、図12に示すように、n型低ライフタイム調整領域以外の構造については本発明の逆阻止IGBTと実質的に同じ構造を有する。
次に、実施例2の逆阻止IGBTについて説明する。図2において、従来の逆阻止IGBTとドーピングプロファイルが同じで、ライフタイムプロファイルだけが異なる逆阻止IGBT、即ち、n-型ドリフト領域1に対するn型低ライフタイム調整領域1bのドーピング濃度比n1/n2=1の逆阻止IGBTを実施例2とする。比較のための従来の逆阻止IGBTは、ターンオフ損失Eoffおよびオン電圧Vonを(Eoff,Von)=(0.275mJ/A/pulse,3.61V)、n-型ドリフト領域1全体のライフタイムをt3=1.74μsとする。
1a n型高濃度領域
1b n型低ライフタイム調整領域
2 p型ベース領域
2a p+型コンタクト領域
2−1 終端pベース領域
3 n+型エミッタ領域
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 層間絶縁膜
7 p型ガードリング
8 フィールドプレート
9 エミッタ電極
10 p型コレクタ領域
11 コレクタ電極
12 チップ側端面
13 基板表面
14 絶縁膜
31 p+型分離層
110 活性領域
110a 活性領域の終端部
120 耐圧構造部
130 分離領域
t1 n型低ライフタイム調整領域のキャリアのライフタイム
t2 n-型ドリフト領域のキャリアのライフタイム
Claims (14)
- 第1導電型半導体基板の一方の主面側に選択的に設けられた第2導電型ベース領域と、前記第2導電型ベース領域の内部に選択的に設けられた第1導電型エミッタ領域と、前記第2導電型ベース領域の、前記第1導電型半導体基板からなるドリフト領域と前記第1導電型エミッタ領域とに挟まれた部分の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、を有する絶縁ゲート構造を備える活性領域と、
前記活性領域の外周を取り巻く耐圧構造部と、
前記第1導電型半導体基板の他方の主面側に設けられた第2導電型コレクタ層と、
前記耐圧構造部の外周部に、前記第1導電型半導体基板の一方の主面と他方の主面とを繋ぐように設けられ、前記第2導電型コレクタ層に電気的に接続された第2導電型分離層と、
前記ドリフト領域の内部の、前記第2導電型ベース領域の底面よりも前記第1導電型半導体基板の一方の主面から深い位置に、前記第2導電型ベース領域から離れて設けられた第1導電型低ライフタイム調整領域と、
を具備し、
前記第1導電型低ライフタイム調整領域は、前記活性領域から前記第2導電型分離層にわたって設けられており、
前記第1導電型低ライフタイム調整領域のキャリアのライフタイムt1は、前記ドリフト領域のキャリアのライフタイムt2よりも低く、t2>t1の関係を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記活性領域内の最外周の前記第2導電型ベース領域の深さは、当該第2導電型ベース領域よりも内側に位置する前記第2導電型ベース領域の深さより深いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記活性領域内の最外周の前記第2導電型ベース領域の深さは、前記耐圧構造部を構成する第2導電型ガードリングの深さと等しいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ドリフト領域の、隣り合う前記第2導電型ベース領域間に挟まれた部分に、前記活性領域内の最外周の前記第2導電型ベース領域よりも内側に位置する前記第2導電型ベース領域と前記第1導電型低ライフタイム調整領域との間に底面が位置する深さで設けられた、前記ドリフト領域より不純物濃度の高い第1導電型領域をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1導電型低ライフタイム調整領域のキャリアのライフタイムt1は、前記ドリフト領域のキャリアのライフタイムt2を0.2μs〜3.0μsの範囲とし、t2/t1を2〜8とする関係を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1導電型低ライフタイム調整領域のドーピング濃度のピーク濃度n1は、前記ドリフト領域のドーピング濃度n2よりも高く、n1>n2の関係を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1導電型低ライフタイム調整領域のドーピング濃度のピーク濃度n1は、前記ドリフト領域のドーピング濃度n2の4倍よりも小さく、n1<4n2の関係を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1導電型低ライフタイム調整領域の深さ方向の中心は、前記活性領域内の最外周の前記第2導電型ベース領域の底面から前記第2導電型コレクタ層側に20μm以内の深さの範囲に位置することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1導電型半導体基板の一方の主面側に前記絶縁ゲート構造と所要の金属電極膜とを形成した後、前記第1導電型半導体基板の他方の主面側からプロトンを注入し、熱アニール処理を行うことにより、前記第1導電型低ライフタイム調整領域を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 5.0×1013cm-2〜5.0×1014cm-2のエネルギー範囲の前記プロトンを注入し、温度330℃〜380℃の水素雰囲気で前記熱アニール処理を行うことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電型半導体基板の一方の主面側に前記絶縁ゲート構造と所要の金属電極膜とを形成した後、前記第1導電型半導体基板の他方の主面側からヘリウムをイオン注入し、熱アニール処理を行うことにより、前記第1導電型低ライフタイム調整領域を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 2.0MeV〜5.5MeVのエネルギー範囲の前記ヘリウムをイオン注入し、温度380℃以下の水素雰囲気で前記熱アニール処理を行うことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- さらに、電子線照射により前記第1導電型低ライフタイム調整領域のライフタイムを調整することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電型低ライフタイム調整領域のドーピング濃度のピーク濃度を、前記ドリフト領域のドーピング濃度の4倍以内に調整することを特徴とする請求項10または12に記載の半導体装置の製造方法。
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