JP2005136092A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】 全体セル面積が大きくならずにラッチアップ対策を設けた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】 第1導電型の高抵抗層11とその下部に位置する第1導電型のバッファ層12と、第1導電型の高抵抗層11の上部に形成された第2導電型のベース層13と、第2導電型のベース層13の上面に形成された第1導電型のエミッタ領域15と、エミッタ領域15に接続されるエミッタ電極16と、第2導電型のベース層13のチャネル領域17上に絶縁して形成されたゲート電極18と、セル領域周囲の拡散を深くしたガードリング部19と、第1導電型のバッファ層12の下面に形成され、ガードリング部19が設けられた領域の直下では、他の領域よりも不純物濃度を小さくした第2導電型のコレクタ層20,21と、コレクタ層20,21に接続されるコレクタ電極22とを備えた。
【選択図】 図1 PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an insulated gate bipolar transistor device provided with a countermeasure against latch-up without increasing the total cell area and a manufacturing method thereof.
A first conductivity type high resistance layer, a first conductivity type buffer layer located under the first conductivity type high resistance layer, and a second conductivity type base formed on the first conductivity type high resistance layer. Layer 13, first conductivity type emitter region 15 formed on the upper surface of second conductivity type base layer 13, emitter electrode 16 connected to emitter region 15, and channel of second conductivity type base layer 13 A gate electrode 18 formed insulatively on the region 17, a guard ring portion 19 in which diffusion around the cell region is deepened, and a lower surface of the first conductivity type buffer layer 12, and the guard ring portion 19 is provided. The second conductivity type collector layers 20 and 21 having a lower impurity concentration than the other regions and the collector electrode 22 connected to the collector layers 20 and 21 are provided immediately below the other regions.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、ラッチアップ耐性を向上させた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)装置等の半導体装置とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) device having improved latch-up resistance and a manufacturing method thereof.
比較的大電流を制御するスイッチング半導体素子としてパワーデバイスが知られている。パワーデバイスにはパワートランジスタやパワーMOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等があり、このうちIGBTは、電圧駆動による駆動の容易性と伝導度変調効果による低損失性の長所を持つデバイスとして電動車両のインバータ等に用いられている。 A power device is known as a switching semiconductor element that controls a relatively large current. Power devices include power transistors, power MOSFETs, and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Among these, IGBTs are electric vehicles as devices that have the advantages of ease of voltage drive and low loss due to conductivity modulation effects. It is used for inverters.
図10は、特許文献1に記載される従来のIGBTのセル領域およびその外側に配置される高耐圧化手段としてのガードリング部の断面積である。従来のIGBT100は、P+型半導体層101(コレクタ層)上に高抵抗のn−型半導体層102が形成されており、1〜6ミクロンの深さにP型半導体層103(ベース層)、P型半導体層104およびP型半導体層105(ガードリング部)が形成されている。そして、また、N+型半導体層106(エミッタ層)が形成されている。N−型半導体層102の表面を酸化して形成されたゲート絶縁膜としてのゲート酸化膜107の上に形成されたゲート電極108が形成されている。また、層間絶縁膜109を形成して、P型半導体層103およびN+型半導体層106およびP型半導体層104にオーミック接触が形成されたエミッタ電極110、ゲート電極引き回し線111、エミッタ電極引き回し線110aが形成されている。また、P+型半導体層101の裏面に金属膜が蒸着されたコレクタ電極112が形成されている。
FIG. 10 is a cross-sectional area of a conventional IGBT cell region described in Patent Document 1 and a guard ring portion serving as a high withstand voltage means disposed outside the cell region. In the conventional IGBT 100, a high resistance n −
従来のIGBTは、その特性上、ラッチアップによる破壊が問題となっている。上記のように素子の耐圧向上のためにガードリング部を備えたIGBTにおいては、ガードリング部直下のコレクタ層より、大量の正孔が注入され、それに伴う大量の電流が最外周のセルに集中し、ラッチアップによる破壊を起こす。 Conventional IGBTs have a problem of destruction due to latch-up due to their characteristics. As described above, in the IGBT having a guard ring portion for improving the breakdown voltage of the element, a large amount of holes are injected from the collector layer immediately below the guard ring portion, and a large amount of current is concentrated in the outermost cell. Cause destruction by latch-up.
このラッチアップのメカニズムは、特許文献1によると次のようなものである。すなわち、上記構成において、ゲート電極108への電圧印加によるチャネルの形成にてコレクタ電極112とエミッタ電極110の間に電流路が形成される。このような通常の動作に対し、コレクタ電極112とエミッタ電極110の間に通常使用電圧以上のサージ電圧が印加されることがある。このような場合、高抵抗のn−型半導体層102に空乏層が広がる。ここでA領域においては隣り合うベース領域103およびその間に位置するN−型半導体層102に空乏層が伸び互いに重なることにより電界の緩和が達成される。そしてベース領域103の底部のpn接合部で最大の電界値EAをとる。
According to Patent Document 1, the latch-up mechanism is as follows. That is, in the above configuration, a current path is formed between the collector electrode 112 and the
一方、ベース領域103の終端部より外側には、P型半導体層104が形成され、このP型半導体層104の終端部よりN−型半導体層102の終端部に至る領域(B領域)では上記電界緩和効果がなくなり、P型半導体層104の外周部ないしその近傍のN−半導体層102表面で最大電界値EBをとる。EB値を減少させ、EA値に近づけB領域の耐圧を向上するために、繰り返し配置されたガードリング部105を設け、B領域の最大電界EBを小さくし、素子の耐圧を向上させるようにしている。
On the other hand, a P-type semiconductor layer 104 is formed outside the end portion of the base region 103, and the region (B region) from the end portion of the P-type semiconductor layer 104 to the end portion of the N − -
このガードリング領域での電界値ECは、コレクタ電極112にサージ電圧が印加された場合上昇し、衝突イオン化による電子−正孔対がガードリング領域内における最外周に位置するガードリング部の外側で大量に発生する。この時ガードリング領域での電界値ECは、ガードリング部105の平面パターンにおいて、直線パターン部よりも、ある曲率半径で曲がっているコーナーパターン部でより大きくなる。上記発生したキャリアのうち正孔は近傍のエミッタ電極110あるいはエミッタ電極引き回し線110aに流れ出し、電子はP+型半導体層基板101に流れ、新たな正孔が注入される。この時電流は図8中の矢印で示される流れを発生する。このうち正孔電流aは、P型半導体層104に沿って引き回される細いエミッタ電極引き回し線110aを介してエミッタ電極パッドまで至るため、その配線により抵抗が大きく、エミッタ電極110に直接流れる電流bに比べ量が少ない。これによりガードリング部の曲線パターン部近傍のセル領域に、より多くの電流が集中する。
The electric field value EC in the guard ring region increases when a surge voltage is applied to the collector electrode 112, and the electron-hole pair due to collision ionization is outside the guard ring portion located at the outermost periphery in the guard ring region. It occurs in large quantities. At this time, the electric field value EC in the guard ring region is larger in the corner pattern portion bent at a certain radius of curvature than in the linear pattern portion in the planar pattern of the
この結果、ガードリング曲線パターン部近傍のセル領域のP型半導体層103を大電流aが流れ、電圧降下の発生によりN+半導体層106−p型半導体層103間のpn接合が順バイアスされ、寄生トランジスタの動作を誘発し電流集中により破壊し易い。 As a result, a large current a flows through the P-type semiconductor layer 103 in the cell region near the guard ring curve pattern portion, and a pn junction between the N + semiconductor layer 106 and the p-type semiconductor layer 103 is forward-biased due to the occurrence of a voltage drop. The operation of the parasitic transistor is induced and is easily destroyed due to current concentration.
そのため、このラッチアップによる破壊を回避するために、セル領域とガードリング部との間のN−半導体層表面にp型半導体層を形成し、セル領域におけるエミッタ電極を外周に延在させてP型半導体層103に接触させるようにし、サージ電圧が印加されたときにガードリング部近傍に発生する電流集中をP型半導体層103に接触したエミッタ電極110にバイパスする技術が開発されている(例えば、特許文献1参照)。
Therefore, in order to avoid the breakdown due to the latch-up, a p-type semiconductor layer is formed on the surface of the N − semiconductor layer between the cell region and the guard ring portion, and the emitter electrode in the cell region is extended to the outer periphery. A technique has been developed in which the current concentration generated in the vicinity of the guard ring portion when the surge voltage is applied is bypassed to the
しかしながら、IGBTにおいてラッチアップ耐性を持たせるため、特許文献1記載の技術を用いた場合、ガードリング部とセル領域との間に幅の広いP型半導体層を設けるため、全体のセル面積が大きくなる問題があった。 However, in order to provide the latch-up resistance in the IGBT, when the technique described in Patent Document 1 is used, a wide P-type semiconductor layer is provided between the guard ring portion and the cell region, so that the entire cell area is large. There was a problem.
また、ラッチアップ耐性についても、まだ十分ではなく、より効果的なラッチアップ対策が求められていた。
本発明の課題は、IGBTにおいて、ラッチアップ耐性を持たせるために問題となる全体のセル面積が大きくなるということを解消させた効果的なラッチアップ対策を行うことにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to perform an effective latch-up countermeasure that eliminates an increase in the total cell area which is a problem in order to provide latch-up resistance in an IGBT.
本発明の目的は、上記の課題を鑑み、全体セル面積が大きくならずにラッチアップ対策を設けた半導体装置とその製造方法を提供することにある。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device provided with a countermeasure against latch-up without increasing the total cell area and a manufacturing method thereof.
本発明に係る半導体装置とその製造方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。 In order to achieve the above object, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention are configured as follows.
第1の半導体装置(請求項1に対応)は、第1導電型の高抵抗層とその下部に位置する第1導電型のバッファ層と、第1導電型の高抵抗層の上部に形成された第2導電型のベース層と、第2導電型のベース層の上面に形成された第1導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域及びベース領域に接続されるエミッタ電極と、第2導電型のベース層のチャネル領域上にシリコン酸化物を介して形成されたゲート電極と、ガードリング部と、第1導電型のバッファ層の下面に形成され、ガードリング部が設けられた領域の直下では、他の領域よりも不純物濃度を小さくした第2導電型のコレクタ層と、コレクタ層に接続されるコレクタ電極とを備えたことで特徴づけられる。 A first semiconductor device (corresponding to claim 1) is formed on a first conductive type high resistance layer, a first conductive type buffer layer located under the first conductive type high resistance layer, and an upper portion of the first conductive type high resistance layer. A second conductivity type base layer, a first conductivity type emitter region formed on the upper surface of the second conductivity type base layer, an emitter electrode connected to the emitter region and the base region, a second conductivity type A gate electrode formed on the channel region of the base layer via silicon oxide, a guard ring portion, and a lower surface of the first conductivity type buffer layer, immediately below the region where the guard ring portion is provided, It is characterized by comprising a collector layer of a second conductivity type having a lower impurity concentration than other regions and a collector electrode connected to the collector layer.
第2の半導体装置(請求項2に対応)は、上記の装置において、好ましくはガードリング部の直下の第2導電型のコレクタ層の不純物濃度は、他の領域での第2導電型のコレクタ層の不純物濃度に比べて1桁小さいことで特徴づけられる。 In the second semiconductor device (corresponding to claim 2), the impurity concentration of the second conductivity type collector layer immediately below the guard ring portion in the above device is preferably the second conductivity type collector in the other region. It is characterized by being an order of magnitude smaller than the impurity concentration of the layer.
第1の半導体装置の製造方法(請求項3に対応)は、バッファ層となる第1導電型の半導体基板の上面に第1導電型の高抵抗層を形成する工程と、第2導電型ベース層と第2導電型のガードリング部を形成する工程と、第2導電型のベース層の上面に第1導電型のエミッタ領域を形成する工程と、エミッタ領域に接合されるエミッタ電極を形成する工程と、第2導電型のベース層のチャネル領域上にシリコン酸化膜を介してゲート電極を形成する工程と、第1導電型の半導体基板の下面側からガードリング部が設けられた領域の直下での不純物濃度が他の領域での不純物濃度よりも小さい濃度で第2導電型不純物の添加を行うコレクタ層形成工程と、コレクタ層にコレクタ電極を接合する工程を備えたことで特徴づけられる。 A first semiconductor device manufacturing method (corresponding to claim 3) includes a step of forming a first conductivity type high resistance layer on an upper surface of a first conductivity type semiconductor substrate to be a buffer layer, and a second conductivity type base. Forming a layer and a second conductivity type guard ring, forming a first conductivity type emitter region on the upper surface of the second conductivity type base layer, and forming an emitter electrode joined to the emitter region A step of forming a gate electrode through a silicon oxide film on the channel region of the second conductivity type base layer, and a region immediately below the region where the guard ring portion is provided from the lower surface side of the first conductivity type semiconductor substrate. And the collector layer forming step of adding the second conductivity type impurity at a concentration lower than the impurity concentration in the other region, and the step of joining the collector electrode to the collector layer.
第2の半導体装置の製造方法(請求項4に対応)は、上記の方法において、好ましくはコレクタ層形成工程は、第1導電型の半導体基板の下面全面に第2導電型となる不純物を均一にイオン注入する工程と、ガードリング部が設けられた領域の直下の半導体基板の裏面にマスクをして他の領域の直下の半導体基板の裏面のみにイオン注入する工程から成ることで特徴づけられる。 According to a second method for manufacturing a semiconductor device (corresponding to claim 4), in the above method, preferably, the collector layer forming step uniformly distributes impurities of the second conductivity type over the entire lower surface of the first conductivity type semiconductor substrate. And a step of performing ion implantation only on the back surface of the semiconductor substrate immediately below the other region by masking the back surface of the semiconductor substrate immediately below the region where the guard ring portion is provided. .
第3の半導体装置の製造方法(請求項5に対応)は、上記の方法において、好ましくはコレクタ層形成工程は、ガードリング部が設けられた領域の直下の方が他の領域の直下よりも厚さを厚くしたマスクを半導体基板の下面に形成するマスク形成工程と、第1導電型の半導体基板の下面全面に第2導電型となる不純物をイオン注入する工程と、から成ることで特徴づけられる。 According to a third method of manufacturing a semiconductor device (corresponding to claim 5), in the above method, preferably the collector layer forming step is performed immediately below the region where the guard ring portion is provided than below the other region. A mask forming step of forming a thickened mask on the lower surface of the semiconductor substrate, and a step of ion-implanting impurities of the second conductivity type over the entire lower surface of the first conductivity type semiconductor substrate. It is done.
第1導電型の高抵抗層とその下部に位置する第1導電型のバッファ層と、第1導電型の高抵抗層の上部に形成された第2導電型のベース層と、第2導電型のベース層の上面に形成された第1導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域に接続されるエミッタ電極と、第2導電型のベース層のチャネル領域上にシリコン酸化膜を介して形成されたゲート電極と、セル領域周囲の拡散を深くしたガードリング部と、第1導電型のバッファ層の下面に形成され、ガードリング部が設けられた領域の直下では、他の領域よりも不純物濃度を小さくした第2導電型のコレクタ層と、コレクタ層に接続されるコレクタ電極とを備えたため、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの弱点であるラッチアップ耐性がデバイス面積の拡大を行うことなく向上させることが可能となる。 A first conductivity type high resistance layer, a first conductivity type buffer layer located therebelow, a second conductivity type base layer formed on top of the first conductivity type high resistance layer, and a second conductivity type A first conductivity type emitter region formed on the upper surface of the base layer, an emitter electrode connected to the emitter region, and a gate formed on the channel region of the second conductivity type base layer via a silicon oxide film Impurity concentration is lower in the region immediately below the electrode, the guard ring portion with deep diffusion around the cell region, and the lower surface of the first conductivity type buffer layer provided with the guard ring portion. Since the second conductivity type collector layer and the collector electrode connected to the collector layer are provided, the latch-up resistance, which is a weak point of the insulated gate bipolar transistor, can be improved without increasing the device area. It is possible.
以下、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments (examples) of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施形態に係るIGBTの一部の断面図である。IGBT10は第1導電型の高抵抗層(N−型半導体層)11とその下部に位置する第1導電型のバッファ層(N+型半導体層)12と、第1導電型の高抵抗層の上部に形成された第2導電型のベース層(P型半導体層)13とP型半導体層14と、第2導電型のベース層の上面に形成された第1導電型のエミッタ領域(N+型半導体層)15と、エミッタ領域15に接続されるエミッタ電極16と、第2導電型のベース層13のチャネル領域17上に絶縁して形成されたゲート電極18と、エミッタ領域周囲の拡散を深くしたガードリング部19と、第1導電型のバッファ層12の下面に形成され、ガードリング部が設けられた領域の直下では、他の領域よりも不純物濃度を小さくした第2導電型のコレクタ層(P+型半導体層)20,21と、コレクタ層20,21に接続されるコレクタ電極22とを備えた。好ましくはガードリング部の直下の第2導電型のコレクタ層21の不純物濃度は、他の領域での第2導電型のコレクタ層20の不純物濃度に比べて1桁小さい。すなわち、コレクタ層の濃度について、ガードリング直下をその他の領域より低濃度としている。具体的には、ガードリング直下を1.0×1018(cm−3)以上1.0×1019(cm−3)以下の範囲で、その他の領域を1.0×1019(cm−3)以上1.0×1020(cm−3)以下の範囲で形成することが望ましい。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of an IGBT according to this embodiment. The IGBT 10 includes a first conductivity type high resistance layer (N − type semiconductor layer) 11, a first conductivity type buffer layer (N + type semiconductor layer) 12 located therebelow, and a first conductivity type high resistance layer. The second conductivity type base layer (P type semiconductor layer) 13 and P type semiconductor layer 14 formed on the top, and the first conductivity type emitter region (N +) formed on the upper surface of the second conductivity type base layer. Type semiconductor layer) 15, an
上記構成において、ゲート電極18への電圧印加によるチャネルの形成にてコレクタ電極22とエミッタ電極16の間に電流路が形成される。このような通常の動作に対し、コレクタ電極22とエミッタ電極16の間に通常使用電圧以上のサージ電圧が印加されると、高抵抗のN−型半導体層11に空乏層が広がる。ここでA領域においては隣り合うベース領域13およびその間に位置するN−型半導体層11に空乏層が伸び互いに重なることにより電界の緩和が達成される。そしてベース領域13の底部のpn接合部で最大の電界値EAをとる。
In the above configuration, a current path is formed between the
一方、ベース領域13の終端部より外側には、P型半導体層14が形成され、このP型半導体層14の終端部よりN−型半導体層11の終端部に至る領域(B領域)では上記電界緩和効果がなくなり、P型半導体層14の外周部ないしその近傍のN−型半導体層11表面で最大電界値EBをとる。ここで一般にEA<EBとなる。EB値を減少させ、EA値に近づけB領域の耐圧を向上するために、繰り返し配置されたガードリング部19を設け、B領域の最大電界EBを小さくし、素子の耐圧を向上させるようにしている。
On the other hand, a P-type semiconductor layer 14 is formed outside the end portion of the
このガードリング領域での電界値ECは、コレクタ電極22にサージ電圧が印加された場合上昇し、衝突イオン化による電子−正孔対がガードリング領域内における最外周に位置するガードリング部19の外側で大量に発生する。この時ガードリング領域での電界値ECは、ガードリング部19の平面パターンにおいて、直線パターン部よりも、ある曲率半径で曲がっているコーナーパターン部でより大きくなる。上記発生したキャリアのうち正孔は近傍のエミッタ電極16あるいはエミッタ電極引き回し線16aに流れ出し、電子はP+型半導体層基板21に流れ、新たな正孔が注入される。しかしながら、このとき、ガードリング部直下のP型半導体層21の不純物濃度はその他の領域20に比べて低いので、正孔の注入が少なくなる。その結果、電流集中が緩和され、ラッチアップ破壊を防止する。
The electric field value EC in the guard ring region increases when a surge voltage is applied to the
図2は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法により絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)を製造する工程を示すフローチャートである。本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板上に第1導電型の高抵抗層を形成する工程(ステップS10)と、第2導電型のベース層と第2導電型のガードリング部を形成する工程(ステップS11)と、第2導電型のベース層の上面に第1導電型のエミッタ領域を形成する工程(ステップS12)と、エミッタ領域に接合されるエミッタ電極を形成する工程(ステップS13)と、第2導電型のベース層のチャネル領域上に絶縁してゲート電極を形成する工程(ステップS14)と、第1導電型の半導体基板を研削する工程(ステップS15)と、第2導電型の半導体基板の下面からガードリング部が設けられた領域の直下での不純物濃度が他の領域での不純物濃度よりも小さい濃度で不純物添加を行うコレクタ層形成工程(ステップS16)と、コレクタ層にコレクタ電極を接合する工程(ステップS17)を備えている。 FIG. 2 is a flowchart showing a process of manufacturing an insulated gate bipolar transistor (IGBT) by the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention. The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first conductive type high-resistance layer on a first conductive type semiconductor substrate (step S10), a second conductive type base layer, and a second conductive type. Forming a guard ring portion (step S11), forming a first conductivity type emitter region on the upper surface of the second conductivity type base layer (step S12), and forming an emitter electrode joined to the emitter region. A step of forming (step S13), a step of forming an insulating gate electrode on the channel region of the base layer of the second conductivity type (step S14), and a step of grinding the semiconductor substrate of the first conductivity type (step S15). And collector layer formation in which the impurity concentration is just below the region where the guard ring portion is provided from the lower surface of the second conductivity type semiconductor substrate at a concentration lower than the impurity concentration in other regions. Extent and (step S16), and includes a step (step S17) of bonding the collector electrode to the collector layer.
第1導電型の半導体基板上に第1導電型の高抵抗層を形成する工程(ステップS10)では、まず、比較的低抵抗のN+型シリコン基板(第1導電型の半導体基板)12Aを準備する(図3(a))。このN+型シリコン基板12A上に比較的高抵抗のN−型半導体層(第1導電型の高抵抗層)11をエピタキシャル成長させる(図3(b))。
In the step of forming the first conductivity type high resistance layer on the first conductivity type semiconductor substrate (step S10), first, a relatively low resistance N + type silicon substrate (first conductivity type semiconductor substrate) 12A is formed. Prepare (FIG. 3A). A relatively high resistance N − type semiconductor layer (first resistance type high resistance layer) 11 is epitaxially grown on the N +
第2導電型のベース層と第2導電型のガードリング部を形成する工程(ステップS11)では、まず、エピタキシャル成長させたN−型半導体層11の表面にP型の不純物を選択的に添加してP型ベース領域(第2導電型のベース層)13とP型半導体層14とガードリング部19を形成する(図4(a))。第2導電型のベース層の上面に第1導電型のエミッタ領域を形成する工程(ステップS12)では、P型ベース領域13の表面にN型の不純物を選択的に添加してN+型エミッタ領域(第1導電型のエミッタ領域)15を形成する(図4(b))。N+型エミッタ領域15とN−型半導体層11とによって挟まれるP型ベース領域13の表面部分がチャネル領域17となる。
In the step of forming the second conductivity type base layer and the second conductivity type guard ring portion (step S11), first, a P type impurity is selectively added to the surface of the epitaxially grown N −
次に、第2導電型のベース層のチャネル領域上に絶縁してゲート電極を形成する工程(ステップS14)では、各チャネル領域17上にゲート酸化膜23を介してゲート電極18を形成し、また、エミッタ領域に接合されるエミッタ電極を形成する工程(ステップS13)では、各N+型エミッタ領域15とP型ベース領域13との一部にかけてエミッタ電極16を形成する(図4(c))。
Next, in the step of forming an insulating gate electrode on the channel region of the second conductivity type base layer (step S14), the
次に、第1導電型の半導体基板を研削する工程(ステップS15)では、第1導電型の半導体基板であるN+型シリコン基板12Aを所定の厚さまで研削する。
Next, in the step of grinding the first conductivity type semiconductor substrate (step S15), the N +
第1導電型の半導体基板の下面からガードリング部が設けられた領域の直下での不純物濃度が他の領域での不純物濃度よりも小さい濃度で不純物添加を行うコレクタ層形成工程(ステップS16)では、ステップS15で研削された第1導電型の半導体基板12Aの下面全面に第2導電型となる不純物を均一にイオン注入する工程(図5(a))と、ガードリング部が設けられた領域の直下の半導体基板の裏面にマスク(例えば、酸化膜や窒化膜)24をして他の領域の直下の半導体基板の裏面のみにイオン注入する工程(図5(b))から成る。これにより、ガードリング部が設けられた領域の直下のコレクタ層21での不純物濃度が他の領域20での不純物濃度よりも小さくすることができる。
In the collector layer forming step (step S16) in which the impurity concentration is just below the region where the guard ring portion is provided from the lower surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type at a concentration lower than the impurity concentration in other regions. The step of uniformly ion-implanting impurities of the second conductivity type over the entire lower surface of the first conductivity
コレクタ層にコレクタ電極を接合する工程(ステップS17)では、コレクタ層21と他の領域20の下面にコレクタ電極22を形成する(図5(c))。
In the step of joining the collector electrode to the collector layer (step S17), the
なお、第2導電型の半導体基板の第1導電型のバッファ層とは反対側の面からガードリング部が設けられた領域の直下での不純物濃度が他の領域での不純物濃度よりも小さい濃度で不純物添加を行うコレクタ層形成工程(ステップS16)では、図6に示すように、ガードリング部が設けられた領域の直下の方が他の領域の直下よりも厚さを厚くしたマスク(例えば、酸化膜や窒化膜)を半導体基板12Aの裏面に形成するマスク形成工程(図6(a))と、第1導電型の半導体基板の下面全面に第2導電型となる不純物をイオン注入する工程(図6(b))と、から成るように工程を行っても良い。これにより、ガードリング部が設けられた領域の直下のコレクタ層21での不純物濃度が他の領域20での不純物濃度よりも小さくすることができる。
Note that the impurity concentration immediately below the region where the guard ring portion is provided from the surface opposite to the first conductivity type buffer layer of the second conductivity type semiconductor substrate is smaller than the impurity concentration in other regions. In the collector layer forming step (step S16) in which the impurity is added in FIG. 6, as shown in FIG. 6, a mask immediately below the region where the guard ring portion is provided is thicker than the region directly below the other region (for example, And a mask forming step (FIG. 6A) for forming an oxide film or a nitride film on the back surface of the
図7は、以上のようにして作製されたIGBTのIGBT部とガードリング部におけるP+型半導体層の不純物濃度分布を示すグラフである。曲線C10はIGBT部の不純物濃度の深さ分布を示し、曲線C11はガードリング部の不純物濃度の深さ分布を示す。不純物濃度がガードリング部の方がIGBT部よりも小さいことが分かる。 FIG. 7 is a graph showing the impurity concentration distribution of the P + type semiconductor layer in the IGBT part and the guard ring part of the IGBT manufactured as described above. A curve C10 shows the depth distribution of the impurity concentration in the IGBT portion, and a curve C11 shows the depth distribution of the impurity concentration in the guard ring portion. It can be seen that the impurity concentration is lower in the guard ring part than in the IGBT part.
図8は、オン動作時のカットライン1における正孔電流密度を示すグラフである。曲線C12は従来構造での正孔電流密度であり、曲線C13は新構造での正孔電流密度である。新構造での方が正孔電流密度が小さくなっていることが分かる。 FIG. 8 is a graph showing the hole current density in the cut line 1 during the ON operation. Curve C12 is the hole current density in the conventional structure, and curve C13 is the hole current density in the new structure. It can be seen that the hole current density is smaller in the new structure.
図9は、デバイスシミュレーションドリフト拡散モデルによるラッチアップ特性を示すグラフである。横軸はコレクタ−エミッタ電圧であり、縦軸は、コレクタ電流を示す。曲線C14は従来構造を示し、曲線C15は新構造を示す。ラッチアップ耐量が増加していることが分かる。 FIG. 9 is a graph showing latch-up characteristics according to a device simulation drift diffusion model. The horizontal axis represents the collector-emitter voltage, and the vertical axis represents the collector current. A curve C14 shows a conventional structure, and a curve C15 shows a new structure. It can be seen that the latch-up tolerance has increased.
以上のように、本発明によれば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの弱点であるラッチアップ耐性がデバイス面積の拡大を行うことなく向上させることが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to improve the latch-up resistance, which is a weak point of the insulated gate bipolar transistor, without increasing the device area.
本発明は、ラッチアップ耐性を増加させた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを製造するために利用することができる。 The present invention can be used to manufacture an insulated gate bipolar transistor with increased latch-up resistance.
10 IGBT
11 N−型半導体層
12 N+型半導体層
13 P型半導体層(ベース領域)
15 エミッタ領域
17 チャネル領域
18 ゲート電極
19 ガードリング部
20 コレクタ層
21 コレクタ層
22 コレクタ電極
10 IGBT
11 N − type semiconductor layer 12 N + type semiconductor layer 13 P type semiconductor layer (base region)
15
Claims (5)
前記第1導電型の高抵抗層の上部に形成された第2導電型のベース層と、
前記第2導電型のベース層の上面に形成された第1導電型のエミッタ領域と、
前記エミッタ領域に接続されるエミッタ電極と、
前記第2導電型のベース層のチャネル領域上にシリコン酸化膜を介して形成されたゲート電極と、
セル領域周囲の拡散を深くしたガードリング部と、
前記第1導電型のバッファ層の下面に形成され、ガードリング部が設けられた領域の直下では、他の領域よりも不純物濃度を小さくした第2導電型のコレクタ層と、
前記コレクタ層に接続されるコレクタ電極とを備えたことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type high-resistance layer and a first conductivity type buffer layer located therebelow;
A second conductivity type base layer formed on top of the first conductivity type high resistance layer;
A first conductivity type emitter region formed on an upper surface of the second conductivity type base layer;
An emitter electrode connected to the emitter region;
A gate electrode formed on the channel region of the base layer of the second conductivity type via a silicon oxide film;
A guard ring that deepens the diffusion around the cell area;
A collector layer of a second conductivity type formed on the lower surface of the buffer layer of the first conductivity type and having a lower impurity concentration than the other region immediately below the region where the guard ring portion is provided;
A semiconductor device comprising a collector electrode connected to the collector layer.
第2導電型ベース層と第2導電型のガードリング部を形成する工程と、
前記第2導電型のベース層の上面に第1導電型のエミッタ領域を形成する工程と、
前記エミッタ領域に接合されるエミッタ電極を形成する工程と、
前記第2導電型のベース層のチャネル領域上にシリコン酸化膜を介してゲート電極を形成する工程と、
第1導電型の半導体基板の下面側からガードリング部が設けられた領域の直下での不純物濃度が他の領域での不純物濃度よりも小さい濃度で第2導電型不純物の添加を行うコレクタ層形成工程と、
前記コレクタ層にコレクタ電極を接合する工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first conductivity type high resistance layer on the upper surface of the first conductivity type semiconductor substrate to be a buffer layer;
Forming a second conductivity type base layer and a second conductivity type guard ring portion;
Forming a first conductivity type emitter region on an upper surface of the second conductivity type base layer;
Forming an emitter electrode bonded to the emitter region;
Forming a gate electrode on the channel region of the base layer of the second conductivity type via a silicon oxide film;
Collector layer formation in which the impurity concentration of the second conductivity type is added at a concentration lower than the impurity concentration in the other region, immediately below the region where the guard ring portion is provided from the lower surface side of the first conductivity type semiconductor substrate Process,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of bonding a collector electrode to the collector layer.
前記ガードリング部が設けられた領域の直下の前記半導体基板の裏面にマスクをして前記他の領域の直下の前記半導体基板の裏面のみにイオン注入する工程から成ることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。 The collector layer forming step includes a step of uniformly ion-implanting impurities of a second conductivity type over the entire lower surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
4. The method according to claim 3, further comprising a step of masking a back surface of the semiconductor substrate immediately below the region where the guard ring portion is provided and implanting ions only to the back surface of the semiconductor substrate immediately below the other region. The manufacturing method of the semiconductor device of description.
前記第1導電型の半導体基板の下面全面に第2導電型となる不純物をイオン注入する工程と、から成ることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。 The collector layer forming step includes forming a mask on the lower surface of the semiconductor substrate in which the thickness immediately below the region where the guard ring portion is provided is thicker than directly below the other region;
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, further comprising the step of ion-implanting impurities of a second conductivity type over the entire lower surface of the first conductivity type semiconductor substrate.
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