JP2004158844A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ガードリングの幅を縮小して、耐圧構造部の面積を低減すること。制御電極用ボンディングパッドの下に能動素子を形成して、高耐圧小電流素子においても活性領域の割合を高くすること。
【解決手段】基板表面に初期酸化膜11a〜11eを形成し、その初期酸化膜11a〜11eの、ガードリングの形成領域上の開口幅をレジストにより狭めた後、イオン注入および活性化熱処理によってガードリング5a〜5dを形成する。そして、アノード電極4、フィールドプレート6a〜6dおよびストッパー電極8を、同一の導電性薄膜により形成するとともに、アノード電極4に、導電性厚膜をパターニングして形成した厚膜電極10を接触させた構成とすることによって、ガードリング5a,5b,5c,5dの幅を狭くする。IGBT等では、ゲート電極およびゲートパッドを導電性厚膜で形成し、それらの下に、絶縁膜を介してIGBT等のセルを配置する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、活性領域の外周に、ガードリングと呼ばれる深い不純物拡散層よりなる耐圧構造を備えた高耐圧の半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
一般に、ガードリングを備えた高耐圧半導体装置では、pn接合部から広がった空乏層がガードリングにパンチスルーすると、ガードリング側からpn接合部側に向かってホールが流れる。そして、このホールの流れによって失われた正電荷を補うため、空乏層がガードリングの外側に伸びる。ガードリングがn本設けられていれば、上述したプロセスがn回繰り返される。このようにして、空乏層が広がることによって、pn接合部の曲面形状部分への電界集中が緩和されるので、耐圧が向上する。
また、ガードリング構造は、表面電荷や界面電荷などの外乱の影響を非常に受けやすいので、各ガードリングに、フィールドプレートと呼ばれる導電性の金属膜を接続し、ガードリング間の領域の一部をシールドする構造が一般的である。さらに、空乏層がチップ端に到達するのを防ぐため、ガードリング領域の外側に、ガードリングとは反対の導電型のチャネルストッパーと呼ばれる不純物拡散層が設けられることもある。
図34は、従来のダイオードにおける耐圧構造の要部を示す断面図である。図34に示すように、n型半導体基板101の表面層に、活性領域となるp型半導体領域102と、その活性領域の外側を囲むように複数本、たとえば4本のp型のガードリング103a,103b,103c,103dが配置されている。p型半導体領域102のすぐ外側に設けられた第1のガードリング103aには、第1のフィールドプレート104aがオーミック接触している。第1のフィールドプレート104aの端部は、p型半導体領域102と第1のガードリング103aとの間のn型半導体部分の上に位置している。
第1のガードリング103aのすぐ外側に設けられた第2のガードリング103b、その外側に設けられた第3のガードリング103c、さらにその外側に設けられた第4のガードリング103dには、それぞれそのすぐ内側のガードリングとの間のn型半導体部分の上に端部が位置する第2のフィールドプレート104b、第3のフィールドプレート104c、第4のフィールドプレート104dがオーミック接触している。
また、空乏層が、図示しないダイシングラインに到達するのを防ぐため、最も外側のガードリング103dの外側には、n型のチャネルストッパー105が配置されている。このチャネルストッパー105には、ストッパー電極106がオーミック接触している。
上述した構成のダイオードでは、アノード電極107はp型半導体領域102にオーミック接触し、図示しないワイヤボンディング位置などの電極引き出し部まで続いている。したがって、活性部を流れる電流は、電極の引き出し部まではアノード電極107中を流れるので、アノード電極107を厚くして抵抗を下げるのが望ましい。また、超音波振動によるワイヤボンディングにより電極の引き出しをおこなう場合、アノード電極107が厚いほどボンディング時のパワーを上げることができるので、電極引き出し部の信頼性(パワーサイクルや引っ張り強度等)が向上する。これらの理由により、一般に、アノード電極107の厚さは3〜7μmである。
ところで、半導体チップ表面を直接外部電極に加圧して接合する圧接型タイプの半導体装置に適したゲート構造を有し、かつチップ面積に占めるガードリング領域の割合が小さい半導体装置として、半導体能動領域に接合する主電極をバリアメタル層とアルミニウム電極で構成し、ガードリングに接合する電極をバリアメタル層で構成したものが公知である(たとえば、特許文献1参照。)。
特開2001−44414号公報
上述した従来の耐圧構造では、アノード電極107およびフィールドプレート104a,104b,104c,104dは、同一電極膜のパターニングにより形成されているため、フィールドプレート104a,104b,104c,104dもアノード電極107と同じ3〜7μmの厚さとなる。たとえば、アノード電極107およびフィールドプレート104a,104b,104c,104dの厚さを5μmとし、ウェットエッチングによるアノード電極107およびフィールドプレート104a,104b,104c,104dのサイドエッチング量を7μmと仮定する。
その場合、サイドエッチング量や、フィールドプレート104a,104b,104c,104dをガードリング103a,103b,103c,103dに接触させることや、フィールドプレート104a,104b,104c,104dの端部をn型半導体部分の上に位置させることや、マスクずれおよびエッチングばらつきなどのプロセスマージンを考慮すると、各ガードリングの幅は30μm程度となる。
実際には、各ガードリング間の空乏化したn型半導体領域で電圧を分担するので、ガードリング自体は、電流の導通に寄与しない不活性領域、すなわちデッドスペースとなる。また、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の場合、制御電極であるゲート電極は、エミッタ電極と同じ電極膜のパターニングにより形成されるため、ゲート電極の下にIGBTセルを配置することができない。したがって、ゲート電極を外部に引き出すためにメタルワイヤがボンディングされるボンディングパッド部も不活性領域であり、デッドスペースとなる。
図35は、電流密度100A/cm2のデバイスにおいて、長さ635μmの耐圧構造部と、2mm×1mmの大きさの制御電極用のボンディングパッドを形成した場合の、チップに占める活性領域の割合の電流定格依存性を示す特性図である。図35から明らかなように、電流定格が小さくなると、ボンディングパッド部と耐圧構造部の面積の割合が大きくなるため、チップに占める活性領域の割合は低下する。したがって、近時、トレンチゲート構造の採用などにより活性部の性能が著しく向上しているにもかかわらず、高耐圧小電流デバイスでは、不活性領域の割合が大幅に増加するため、チップサイズを十分に小さくすることができないという問題点がある。
また、従来は、ガードリング103a,103b,103c,103dを形成する際のマスクとして、フィールドプレート104a,104b,104c,104dとドリフト領域(半導体基板)とを絶縁するために製造プロセスの最初に基板表面に形成された初期酸化膜108を用いるため、ガードリング103a,103b,103c,103dの幅を十分に小さくすることができないという問題点がある。また、初期酸化膜108のエッチングばらつきによって、ガードリング103a,103b,103c,103dの幅が変化してしまうという問題点がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ガードリングの幅を縮小することにより、耐圧構造部の面積を低減することにより、また制御電極用ボンディングパッドの下に能動素子を形成することにより、高耐圧小電流素子においても活性領域の割合が高い半導体装置およびその半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、活性領域の外周にガードリングよりなる耐圧構造を備えたダイオードにおいて、活性領域に接触する電極、ガードリングに接触するフィールドプレート、およびガードリングの外周にチャネルストッパーが存在する場合にはそのチャネルストッパーに接触するストッパー電極を、同一の導電性薄膜により形成するとともに、活性領域に接触する電極には、導電性厚膜をパターニングして形成するか、またはめっきして形成した厚膜電極を接触させたことを特徴とする。
すなわち、請求項1の発明にかかる半導体装置は、第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記第2の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第2の電極と、前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、を具備し、前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、前記第2の電極および前記フィールドプレートは、多層膜であることを特徴とする。
また、請求項2の発明にかかる半導体装置は、第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記ガードリングから離れ、かつ前記ガードリングを囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第1導電型のチャネルストッパーと、前記第2の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第2の電極と、前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、前記チャネルストッパーに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うストッパー電極と、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極よりも厚く形成された厚膜電極と、を具備し、前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、前記第2の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極は、多層膜であることを特徴とする。
請求項1または2の発明によれば、活性領域に接触する電極は厚くなるが、フィールドプレートは薄くなるため、フィールドプレートをパターニングする際のサイドエッチング量が小さくなり、ガードリングの幅を狭めることができる。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、活性領域の外周にガードリングよりなる耐圧構造を備えたIGBTにおいて、活性領域に接触する電極、ゲート領域に接続されたゲートランナーに接触するランナー電極、ガードリングに接触するフィールドプレート、およびガードリングの外周にチャネルストッパーが存在する場合にはそのチャネルストッパーに接触するストッパー電極を、同一の導電性薄膜により形成するとともに、活性領域に接触する電極およびランナー電極には、同一の導電性厚膜をパターニングして形成した厚膜電極をそれぞれ接触させるか、あるいは活性領域に接触する電極にめっきにより形成した厚膜電極を接触させたことを特徴とし、また、ランナー電極に接触する厚膜電極をゲート電極、およびワイヤボンディングをおこなうゲートパッドとし、ゲート電極およびゲートパッドの下に、絶縁膜を介して活性領域およびこれに接触する電極を配置したことを特徴とする。
すなわち、請求項3の発明にかかる半導体装置は、第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面上に絶縁膜を介して形成された第1導電型の第3の半導体領域と、前記第3の半導体領域から離れ、かつ前記第3の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記第2の半導体領域に接触する第2の電極と、前記第3の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第3の電極と、前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、前記第3の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された第2の厚膜電極と、を具備し、前記第2の厚膜電極の下に、絶縁膜を介して前記第2の電極および前記第2の半導体領域が形成されており、前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、前記第2の電極、前記第3の電極および前記フィールドプレートは、多層膜であることを特徴とする。
また、請求項4の発明にかかる半導体装置は、第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面上に絶縁膜を介して形成された第1導電型の第3の半導体領域と、前記第3の半導体領域から離れ、かつ前記第3の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記ガードリングから離れ、かつ前記ガードリングを囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第1導電型のチャネルストッパーと、前記第2の半導体領域に接触する第2の電極と、前記第3の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第3の電極と、前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、前記チャネルストッパーに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うストッパー電極と、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極よりも厚く形成された厚膜電極と、前記第3の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極よりも厚く形成された第2の厚膜電極と、を具備し、前記第2の厚膜電極の下に、絶縁膜を介して前記第2の電極および前記第2の半導体領域が形成されており、前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、前記第2の電極、前記第3の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極は、多層膜であることを特徴とする。
請求項3または4の発明によれば、活性領域に接触する電極およびゲート電極は厚くなるが、フィールドプレートは薄くなるため、フィールドプレートをパターニングする際のサイドエッチング量が小さくなり、ガードリングの幅を狭めることができる。また、ゲート電極およびゲートパッドの下にIGBTセルが配置される。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、活性領域の外周にガードリングよりなる耐圧構造を備えた半導体装置を製造するにあたって、基板表面に、ガードリングの形成領域上の部分を除いて初期酸化膜を形成し、その初期酸化膜の、ガードリングの形成領域上の開口幅をレジストにより狭めた後、イオン注入および活性化熱処理によってガードリングを形成することを特徴とする。
すなわち、請求項5の発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記第2の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第2の電極と、前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、を具備する半導体装置を製造するにあたって、前記第1の半導体領域の表面層に初期酸化膜を形成し、当該初期酸化膜の、前記ガードリングの形成領域上の部分を除去する工程と、前記第1の半導体領域の表面層にレジストを塗布し、当該レジストをパターニングして、前記初期酸化膜の、前記ガードリングの形成領域上の開口幅を狭める工程と、前記レジストをマスクとして前記ガードリングの形成領域に第2導電型の不純物をイオン注入する工程と、前記レジストを除去した後、熱処理をおこない、前記ガードリングの形成領域に注入された第2導電型の不純物を拡散させ、活性化させて、前記ガードリングを形成する工程と、を含むことを特徴とする。
請求項5の発明によれば、基板表面の初期酸化膜をマスクとして、ガードリング形成のためのイオン注入をおこなう場合に比べて、ガードリングの幅が狭くなる。
また、請求項6の発明にかかる半導体装置の製造方法は、第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記第2の半導体領域に接触する第2の電極と、前記ガードリングに接触するフィールドプレートと、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、を具備する半導体装置を製造するにあたって、前記第1の半導体領域に前記ガードリングと前記第2の半導体領域を形成する工程と、前記第2の半導体領域および前記ガードリングのそれぞれに接触する前記第2の電極および前記フィールドプレートを形成する工程と、前記第2の電極の一部および前記フィールドプレートを絶縁膜で覆う工程と、前記絶縁膜で覆われていない前記第2の電極の露出部分に導電性厚膜をめっき法により形成し、前記第2の電極に接触する前記厚膜電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
請求項6の発明によれば、絶縁膜で覆われていない第2の電極の露出部分に導電性厚膜がめっきされるので、第2の電極に接触する厚膜電極が選択的に形成される。したがって、第2の電極上に導電性厚膜を積層し、これをフォトリソグラフィーによってパターニングする必要がなくなるので、製造プロセスを簡略化することができる。
本発明によれば、活性領域に接触する電極や、制御用電極およびボンディングパッドは厚くなるが、フィールドプレートは薄くなるため、フィールドプレートをパターニングする際のサイドエッチング量が小さくなり、ガードリングの幅を狭めることができる。また、ガードリング形成のためのイオン注入マスクをレジストで形成することによって、従来よりも狭い開口幅のレジストマスクを用いてイオン注入をおこなうことができるので、ガードリングの幅を狭めることができる。
また、制御用電極およびボンディングパッドの下に絶縁膜を介して半導体装置のセルが配置される。したがって、耐圧構造部の面積を縮小することができるとともに、不活性領域が減るので、高耐圧小電流素子においても活性領域の割合を高くすることができる。
以下に添付図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明するが、その逆でも同様である。
実施の形態1.
実施の形態1は、本発明をダイオードに適用した例である。図1は、実施の形態1にかかるダイオードの平面構成の要部を示す平面図であり、図2は、図1のA−A’における断面構成を示す縦断面図である。図1および図2に示すように、n+型Si基板1上に第1の半導体領域であるn-型のドリフト領域2が形成されている。ドリフト領域2の、装置中央の表面層には、第2の半導体領域であるp型のアノード領域3が形成されている。アノード領域3は、第2の電極であるアノード電極4に接触している。
ドリフト領域2の、アノード領域3の外周部分の表面層には、アノード領域3を囲むように、アノード領域3と同じ導電型、すなわちp型のガードリング5a,5b,5c,5dがたとえば4本形成されている。ガードリング5a,5b,5c,5dの深さは、アノード領域3と同じか、またはそれよりも深い。各ガードリング5a,5b,5c,5dは、それぞれ独立した電極であるフィールドプレート6a,6b,6c,6dに接触している。
アノード領域3のすぐ外側に位置する第1のガードリング5aに接触する第1のフィールドプレート6aの内側の端部は、当該第1のガードリング5aとアノード領域3との間に存在するドリフト領域2の上方に位置する。第1のガードリング5aのすぐ外側に位置する第2のガードリング5bに接触する第2のフィールドプレート6bの内側の端部は、当該第2のガードリング5bとそのすぐ内側の第1のガードリング5aとの間に存在するドリフト領域2の上方に位置する。第3のガードリング5cに接触する第3のフィールドプレート6cの内側の端部、および第4のガードリング5dに接触する第4のフィールドプレート6dの内側の端部についても同様である。
ドリフト領域2の、装置の外周端部の表面層には、ガードリング5a,5b,5c,5dを囲むように、アノード領域3と反対の導電型、すなわちn型のチャネルストッパー7が形成されている。チャネルストッパー7は、ストッパー電極8に接触している。ストッパー電極8、各フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびアノード電極4は、たとえば厚さが1μmの同一の導電性薄膜のパターニングにより形成されている。この導電性薄膜の上には、アノード電極4の上を除いて、絶縁膜である窒化膜9が形成されている。そして、アノード電極4上にのみ、たとえば厚さが5μmの導電性厚膜のパターニングにより形成された厚膜電極10が積層されており、この厚膜電極10はアノード電極4に接触している。この厚膜電極10は、ワイヤボンディングをおこなう際のアノードパッドとなる。
ここで、ドリフト領域2の、アノード領域3と第1のガードリング5aとの間の表面、第1のガードリング5aと第2のガードリング5bとの間の表面、第2のガードリング5bと第3のガードリング5cとの間の表面、第3のガードリング5cと第4のガードリング5dとの間の表面、および第4のガードリング5dとチャネルストッパー7との間の表面は、各フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8と、ドリフト領域2とを絶縁するために、それぞれ絶縁膜である第1の初期酸化膜11a、第2の初期酸化膜11b、第3の初期酸化膜11c、第4の初期酸化膜11dおよび第5の初期酸化膜11eにより覆われている。各初期酸化膜11a,11b,11c,11d,11eは、同一の酸化膜のパターニングにより形成されている。
各初期酸化膜11a,11b,11c,11d,11eは、絶縁膜であるPSG(燐ガラス)膜12により被覆されている。また、窒化膜9およびアノードパッド部分を除く厚膜電極10はパッシベーション膜13により被覆されており、基板裏面には、第1の電極であるカソード電極14が設けられている。
つぎに、図1および図2に示す構成のダイオードの製造プロセスについて説明する。図3〜図12は、このダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。まず、n+型Si基板1上のn-型ドリフト領域2の表面に、厚さがたとえば約1μmの酸化膜を熱酸化により形成する。そして、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、この熱酸化膜の、アノード領域、ガードリングおよびチャネルストッパーの各形成領域上の部分を除去し、基板表面に初期酸化膜11a,11b,11c,11d,11eを形成する。つづいて、厚さがたとえば50nmのスクリーン酸化膜(図示省略)を形成して、先のエッチングにより露出した基板表面を覆う(図3)。
ついで、基板表面にレジストを塗布し、これをパターニングしてレジストマスク21を形成する。このレジストマスク21は、第1の初期酸化膜11aと第2の初期酸化膜11bとの間、第2の初期酸化膜11bと第3の初期酸化膜11cとの間、第3の初期酸化膜11cと第4の初期酸化膜11dとの間、および第4の初期酸化膜11dと第5の初期酸化膜11eとの間に、それぞれ初期酸化膜による開口幅よりも狭い幅の開口部を有する。そして、たとえばドーズ量を1×1015cm-2とし、加速電圧を45keVとして、レジストマスク21の開口部を介して、ドリフト領域2中にボロン(B)をイオン注入し、ボロンのイオン注入層22を形成する(図4)。
レジストマスク21を除去した後、再び基板表面にレジストを塗布し、これをパターニングして、チャネルストッパー形成領域上に開口部を有するレジストマスク23を形成する。そして、たとえばドーズ量を1×1015cm-2とし、加速電圧を100keVとして、レジストマスク23の開口部を介して、ドリフト領域2中にリン(P)をイオン注入し、リンのイオン注入層24を形成する(図5)。
レジストマスク23を除去した後、窒素雰囲気において1150℃で約5時間のアニールをおこなう。このアニールによって、イオン注入時にできた欠陥が回復するとともに、注入された不純物が拡散し、活性化して、ガードリング5a,5b,5c,5dおよびチャネルストッパー7が形成される(図6)。
ついで、再び基板表面にレジストを塗布し、これをパターニングして、アノード領域の形成領域上に開口部を有するレジストマスク25を形成する。そして、たとえばドーズ量を7×1013cm-2とし、加速電圧を100keVとして、レジストマスク25の開口部を介して、ドリフト領域2中にボロン(B)をイオン注入し、ボロンのイオン注入層26を形成する(図7)。ここで、通常のPiNダイオードの場合には、アノード領域の形成領域全面にボロンがイオン注入される。一方、MPSダイオードの場合には、アノード領域の形成領域上に部分的にレジストを残すことによりボロンが注入されない領域を作り、この部分をショットキー接合とする。
レジストマスク25を除去した後、イオン注入による重金属汚染防止のため、図示しないスクリーン酸化膜を除去する。そして、再び50nmのスクリーン酸化膜(図示省略)を形成し、連続して窒素雰囲気において1150℃で約3時間のアニールをおこなう。このアニールによって、イオン注入時にできた欠陥が回復するとともに、注入された不純物が拡散し、活性化して、アノード領域3が形成される(図8)。この場合、アノード領域3はガードリング5a,5b,5c,5dよりも浅い拡散となる。
ついで、気相堆積法により、基板表面にPSG膜12を約1μm成長させる。そして、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、PSG膜12および図示しないスクリーン酸化膜の、アノード領域3、ガードリング5a,5b,5c,5dおよびチャネルストッパー7の上の部分をそれぞれ一部除去し、各領域のシリコン表面を露出させる(図9)。
ついで、スパッタリング法により、基板表面に厚さ1μm程度のAl−Siよりなる導電性薄膜を成長させる。あるいは、Al−Siの代わりに、Alとバリアメタルの多層膜としてもよい。この導電性薄膜をフォトリソグラフィーによりパターニングし、アノード電極4、フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8を形成する(図10)。あるいは、アノード電極4、フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8を異方性エッチングにより形成してもよい。アノード電極4、フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8は、それぞれPSG膜12のパターニングにより露出したシリコン表面にオーミック接触する。
ついで、気相堆積法により、基板表面に厚さ1μm程度の窒化膜9を成長させる。そして、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、窒化膜9の、アノード領域3の上の部分を一部除去して、アノード電極4を露出させる(図11)。なお、窒化膜9の代わりに酸化膜でもよい。
ついで、スパッタリング法により、基板表面に厚さ5μm程度のAl−Siよりなる導電性厚膜を形成する。そして、フォトリソグラフィーにより導電性厚膜をパターニングし、アノード電極4上にのみ厚膜電極10を形成する(図12)。この厚膜電極10は、窒化膜9のパターニングにより露出したアノード電極4に接触する。また、フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8は、その上に積層された窒化膜9によって保護されるので、エッチングされずに残る。
ついで、基板表面にポリイミドを10μmの厚さで塗布し、これをフォトリソグラフィーによりパターニングしてボンディングエリアのみ除去した後、キュアによって安定化させ、パッシベーション膜13とする。パッシベーション膜13として、ポリイミドの代わりに窒化膜を用いてもよい。そして、基板裏面にカソード電極14を形成し、図2に示す構成のダイオードが完成する。
上述した実施の形態1によれば、フィールドプレート6a,6b,6c,6dが薄いため、フィールドプレート6a,6b,6c,6dのサイドエッチング量が減少するので、ガードリング5a,5b,5c,5dの一本あたりの幅を狭くすることができる。また、大電流が流れ、ワイヤボンディングによるストレスがかかるアノード電極4に対しては、厚膜電極10により、十分に厚くすることができる。
また、レジストマスク21を用いてガードリング5a,5b,5c,5dを形成するため、露光装置の限界までガードリング5a,5b,5c,5dの窓幅を縮小することができるとともに、初期酸化膜11a,11b,11c,11d,11eのエッチングばらつきの影響を受けずに済む。したがって、耐圧構造部の面積を縮小することができるとともに、不活性領域が減るので、活性領域の割合が高い高耐圧小電流素子が得られる。
なお、上述したダイオードでは、ガードリング5a,5b,5c,5dとチャネルストッパー7を異なる導電型としているが、ストッパー電極8を十分に長くすることによって、ガードリング5a,5b,5c,5dとチャネルストッパー7を同じ導電型とすることもできる。この場合には、チャネルストッパー7を形成するためのリンのイオン注入工程は不要となり、さらにPiNダイオードの場合には、アノード形成用のマスクも不要となる。また、第1導電型がp型で、第2導電型のn型の場合には、上述した実施の形態1の説明において、アノードをカソードと読み替え、カソードをアノードと読み替えるものとする。
実施の形態2.
実施の形態2は、本発明をIGBTに適用した例である。図13は、実施の形態2にかかるIGBTの平面構成の要部を示す平面図であり、図14および図15は、それぞれ図13のゲートパッドを横切らないB−B’、およびゲートパッドを横切るC−C’における断面構成を示す縦断面図である。図13〜図15に示すように、n-型Si基板に第1の半導体領域であるn-型のドリフト領域52が形成されている。
装置中央には、複数のIGBTセルが形成された活性領域がある。IGBTセルは、ドリフト領域52の表面上に絶縁膜であるゲート酸化膜(図示省略)を介して形成されたゲート領域71、ドリフト領域52の、ゲート領域71を挟んだ両側の表面層に選択的に形成された第2の半導体領域であるp型のベース領域53、およびベース領域53の表面層に選択的に形成されたn型のエミッタ領域72を有している。ベース領域53およびエミッタ領域72は、第2の電極であるエミッタ電極54に接触している。また、ゲート領域71とエミッタ電極54は、層間絶縁膜であるPSG膜62によって絶縁されている。
ドリフト領域52の、活性領域外周の表面上には、図示省略したゲート酸化膜を介して第3の半導体領域であるn型のゲートランナー73が形成されている。このゲートランナー73は、ゲート領域71と同様に、層間絶縁膜であるPSG膜62によって、エミッタ電極54から絶縁されている。ゲートランナー73は、低抵抗化を図るため、第3の電極である金属のランナー電極74に接続されている。
また、ドリフト領域52の、ゲートランナー73の下の表面層には、後述するガードリング55a,55b,55cと同じ導電型で同じ不純物濃度のウェル(以下、ゲートランナー下ウェルとする)75が形成されている。なお、ゲート容量を低減するため、図示省略したゲート酸化膜のうち、ゲートランナー下ウェル75とゲートランナー73との間の部分の酸化膜を、ゲート領域71の酸化膜よりも厚くすることもある。
ドリフト領域52の、ゲートランナー下ウェル75の外周部分、すなわちゲートランナー73の外側部分の表面層には、ゲートランナー下ウェル75を囲むように、ベース領域53と同じ導電型のガードリング55a,55b,55cがたとえば3本形成されている。ここで、ベース領域53はp型であるため、ガードリング55a,55b,55cはp型であり、したがって前記ゲートランナー下ウェル75もp型である。ガードリング55a,55b,55cの深さは、ベース領域53と同じか、またはそれよりも深い。各ガードリング55a,55b,55cは、それぞれ独立した電極であるフィールドプレート56a,56b,56cに接触している。
ゲートランナー下ウェル75のすぐ外側に位置する第1のガードリング55aに接触する第1のフィールドプレート56aの内側の端部は、当該第1のガードリング55aとゲートランナー下ウェル75との間に存在するドリフト領域52の上方に位置する。第1のガードリング55aのすぐ外側に位置する第2のガードリング55bに接触する第2のフィールドプレート56bの内側の端部は、当該第2のガードリング55bとそのすぐ内側の第1のガードリング55aとの間に存在するドリフト領域52の上方に位置する。第3のガードリング55cに接触する第3のフィールドプレート56cの内側の端部についても同様である。
ドリフト領域52の、装置の外周端部の表面層には、ガードリング55a,55b,55cを囲むように、ベース領域53と反対の導電型、すなわちn型のチャネルストッパー57が形成されている。チャネルストッパー57は、ストッパー電極58に接触している。ストッパー電極58、各フィールドプレート56a,56b,56c、ランナー電極74およびエミッタ電極54は、たとえば厚さが1μmの同一の導電性薄膜のパターニングにより形成されている。この導電性薄膜の上には、エミッタ電極54とランナー電極74の上を除いて、絶縁膜である窒化膜59が形成されている。
そして、エミッタ電極54上にのみ、たとえば厚さが5μmの第1の厚膜電極60が積層されている。この第1の厚膜電極60は、エミッタ電極54に接触しており、ワイヤボンディングをおこなう際のエミッタパッドとなる。また、ランナー電極74にのみ、たとえば厚さが5μmの第2の厚膜電極76が積層されている。この第2の厚膜電極76は、ランナー電極74に接触しており、ゲート電極となり、その一部は、ワイヤボンディングをおこなう際のゲートパッド77となる。第1の厚膜電極60および第2の厚膜電極76は、たとえば厚さが5μmの同一の導電性厚膜のパターニングにより形成されている。
図15に示すように、第2の厚膜電極76は、窒化膜59によりエミッタ電極54から絶縁されている。そのため、本実施の形態では、第2の厚膜電極76、すなわちゲート電極およびゲートパッド77の下に、エミッタ電極54を設け、さらにこれに接触するエミッタ領域72およびベース領域53を設けることができる。つまり、ゲート電極およびゲートパッド77の下に、IGBTセルが配置されている。したがって、本実施の形態では、ゲート電極およびゲートパッド77が設けられている領域は、不活性領域ではなく、活性領域となる。
ここで、図14に示すように、ドリフト領域52の、ゲートランナー下ウェル75と第1のガードリング55aとの間の表面、第1のガードリング55aと第2のガードリング55bとの間の表面、第2のガードリング55bと第3のガードリング55cとの間の表面、および第3のガードリング55cとチャネルストッパー57との間の表面は、各フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58と、ドリフト領域52とを絶縁するために、それぞれ絶縁膜である第1の初期酸化膜61a、第2の初期酸化膜61b、第3の初期酸化膜61cおよび第4の初期酸化膜61dにより覆われている。
各初期酸化膜61a,61b,61c,61dは、同一の酸化膜のパターニングにより形成されている。各初期酸化膜61a,61b,61c,61dは、絶縁膜であるPSG膜62により被覆されている。また、窒化膜59、エミッタパッド部分を除く第1の厚膜電極60、およびゲートパッド77を除く第2の厚膜電極76は、パッシベーション膜63により被覆されている。基板裏面には、n+型のコレクタ層78が設けられており、その表面に第1の電極であるコレクタ電極64が設けられている。
つぎに、図13〜図15に示す構成のIGBTの製造プロセスについて説明する。図16〜図27は、このIGBTの製造途中の状態を示す縦断面図である。まず、n-型Si基板のドリフト領域52の表面に、厚さがたとえば約1μmの酸化膜を熱酸化により形成する。そして、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、この熱酸化膜の、活性領域、ゲートランナー下ウェル、ガードリングおよびチャネルストッパーの各形成領域上の部分を除去し、基板表面に初期酸化膜61a,61b,61c,61dを形成する。つづいて、厚さがたとえば50nmのスクリーン酸化膜(図示省略)を形成して、先のエッチングにより露出した基板表面を覆う(図16)。
ついで、基板表面にレジストを塗布し、これをパターニングしてレジストマスク81を形成する。このレジストマスク81は、第1の初期酸化膜61aと第2の初期酸化膜61bとの間、第2の初期酸化膜61bと第3の初期酸化膜61cとの間、および第3の初期酸化膜61cと第4の初期酸化膜61dとの間に、それぞれ初期酸化膜による開口幅よりも狭い幅の開口部と、ゲートランナー下ウェル形成領域上に開口部を有する。そして、たとえばドーズ量を1×1015cm-2とし、加速電圧を45keVとして、レジストマスク81の開口部を介して、ドリフト領域52中にボロン(B)をイオン注入し、ボロンのイオン注入層82を形成する(図17)。
レジストマスク81を除去した後、再び基板表面にレジストを塗布し、これをパターニングして、チャネルストッパー形成領域上に開口部を有するレジストマスク83を形成する。そして、たとえばドーズ量を1×1015cm-2とし、加速電圧を100keVとして、レジストマスク83の開口部を介して、ドリフト領域52中にリン(P)をイオン注入し、リンのイオン注入層84を形成する(図18)。
レジストマスク83を除去した後、窒素雰囲気において1150℃で約5時間のアニールをおこなう。このアニールによって、イオン注入時にできた欠陥が回復するとともに、注入された不純物が拡散し、活性化して、ゲートランナー下ウェル75、ガードリング55a,55b,55cおよびチャネルストッパー57が形成される(図19)。
図示しないスクリーン酸化膜を除去した後、基板表面にゲート酸化膜(図示省略)を形成する。つづいて、気相堆積法により、基板表面にポリシリコンを積層する。このポリシリコンにPH3をドープして低抵抗化した後、フォトリソグラフィーによりパターニングして、ゲート領域71およびゲートランナー73を形成する(図20)。
ついで、再び基板表面にレジストを塗布し、これをパターニングして、ベース領域の形成領域上に開口部を有するレジストマスク85を形成する。そして、たとえばドーズ量を1×1014cm-2とし、加速電圧を45keVとして、レジストマスク85の開口部を介して、ドリフト領域52中にボロン(B)をイオン注入し、ボロンのイオン注入層86を形成する(図21)。
レジストマスク85を除去した後、ポリシリコンが除去された部分のゲート酸化膜を除去する。そして、再び50nmのスクリーン酸化膜(図示省略)を形成し、連続して窒素雰囲気において1150℃で約2時間のアニールをおこなう。このアニールによって、イオン注入時にできた欠陥が回復するとともに、注入された不純物が拡散し、活性化して、ベース領域53が形成される(図22)。この場合、ベース領域53はガードリング55a,55b,55cよりも浅い拡散となる。
ついで、再び基板表面にレジストを塗布し、これをパターニングして、エミッタ領域の形成領域上に開口部を有するレジストマスク87を形成する。そして、たとえばドーズ量を5×1015cm-2とし、加速電圧を120keVとして、レジストマスク87の開口部を介して、ドリフト領域52中に砒素(As)をイオン注入し、砒素のイオン注入層88を形成する(図23)。
レジストマスク87を除去した後、気相堆積法により、基板表面にPSG膜62を約1μm成長させる。つづいて、窒素雰囲気において970℃で20分間のアニールをおこなう。このアニールによって、PSG膜62が安定化するとともに、イオン注入時にできた欠陥が回復する。また、注入された不純物が拡散し、活性化して、エミッタ領域72が形成される。つづいて、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、PSG膜62および図示しないスクリーン酸化膜の、ベース領域53、エミッタ領域72、ゲートランナー73、ガードリング55a,55b,55cおよびチャネルストッパー57の上の部分をそれぞれ一部除去し、各領域のシリコン表面を露出させる(図24)。
ついで、スパッタリング法により、基板表面に厚さ1μm程度のAl−Siよりなる導電性薄膜を成長させる。あるいは、Al−Siの代わりに、Alとバリアメタルの多層膜としてもよい。この導電性薄膜をフォトリソグラフィーによりパターニングし、エミッタ電極54、ランナー電極74、フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58を形成する(図25)。あるいは、エミッタ電極54、ランナー電極74、フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58を異方性エッチングにより形成してもよい。エミッタ電極54、ランナー電極74、フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58は、それぞれPSG膜62のパターニングにより露出したシリコン表面にオーミック接触する。
ついで、気相堆積法により、基板表面に厚さ1μm程度の窒化膜59を成長させる。そして、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、窒化膜59の、エミッタ電極54およびランナー電極74の上の部分をそれぞれ一部除去して、エミッタ電極54およびランナー電極74を露出させる(図26)。なお、窒化膜59の代わりに酸化膜でもよい。
ついで、スパッタリング法により、基板表面に厚さ5μm程度のAl−Siよりなる導電性厚膜を形成する。そして、フォトリソグラフィーにより導電性厚膜をパターニングし、ベース領域53の一部の領域上に第1の厚膜電極60を形成し、またゲートランナー73上に第2の厚膜電極76を形成する(図27)。第1の厚膜電極60は、窒化膜59のパターニングにより露出したエミッタ電極54に接触する。第2の厚膜電極76は、窒化膜59のパターニングにより露出したランナー電極74に接触し、さらに活性領域に広げられ、ゲート電極となる。このとき、フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58は、その上に積層された窒化膜59によって保護されるので、エッチングされずに残る。
ついで、基板表面にポリイミドを10μmの厚さで塗布し、これをフォトリソグラフィーによりパターニングしてボンディングエリアのみ除去した後、キュアによって安定化させ、パッシベーション膜63とする。パッシベーション膜63として、ポリイミドの代わりに窒化膜を用いてもよい。そして、基板裏面にコレクタ層78およびコレクタ電極64を形成し、図14に示す構成のIGBTが完成する。
上述した実施の形態2によれば、導電性厚膜により構成されたゲート電極およびゲートパッド77の下に、窒化膜59を介して、導電性薄膜により構成されたエミッタ電極54を配置することができるので、ゲート電極およびゲートパッド77の下にIGBTセルを配置することができる。また、フィールドプレート56a,56b,56cが薄いため、フィールドプレート56a,56b,56cのサイドエッチング量が減少するので、ガードリング55a,55b,55cの一本あたりの幅を狭くすることができる。また、大電流が流れ、ワイヤボンディングによるストレスがかかるエミッタ電極54およびゲート電極に対しては、第1および第2の厚膜電極60,76により、十分に厚くすることができる。
また、レジストマスク81を用いてガードリング55a,55b,55cを形成するため、露光装置の限界までガードリング55a,55b,55cの窓幅を縮小することができるとともに、初期酸化膜61a,61b,61c,61dのエッチングばらつきの影響を受けずに済む。したがって、耐圧構造部の面積を縮小することができるとともに、不活性領域が減るので、活性領域の割合が高い高耐圧小電流素子が得られる。
なお、上述したIGBTにおいて、ガードリング55a,55b,55cとチャネルストッパー57を同じ導電型にしてもよく、その場合には、ベース領域53を形成する際のマスクが不要となる。また、チャネルストッパー57をエミッタ領域72と同時に形成してもよく、その場合には、チャネルストッパー57を形成するための工程が不要となる。また、第2の厚膜電極76よりなるゲート電極下に、導電性薄膜よりなるランナー電極74を配置してもよい。
また、必ずしもランナー電極74上に第2の厚膜電極76を設けなくてもよい。また、ゲートランナー73を活性領域内部に形成してもよく、その場合には、ランナー電極74はエミッタ電極54の内側に形成される。また、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型とすることもできる。
実施の形態3.
実施の形態3は、本発明をダイオードに適用した他の例である。図28は、実施の形態3にかかるダイオードの平面構成の要部を示す平面図であり、図29は、図28のD−D’における断面構成を示す縦断面図である。図28および図29に示すように、実施の形態3のダイオードでは、パッシベーション膜13は、第2の電極であるアノード電極4の一部、具体的には平面形状が略方形状のアノード電極4の周縁部と、フィールドプレート6a,6b,6c,6dとストッパー電極8の上を覆っている。
そして、アノード電極4の、パッシベーション膜13に覆われていない露出部分、すなわちアノード電極4の、周縁部を除く略全面の上にのみ、たとえば厚さが5μmの厚膜電極10がめっき法により選択的に形成されている。実施の形態3では、アノード電極4、フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8の上には、窒化膜は設けられていない。実施の形態3のダイオードのその他の構成は、実施の形態1のダイオードと同じである。実施の形態1と同様の構成については、同一の符号を付して、説明を省略する。
つぎに、図28および図29に示す構成のダイオードの製造プロセスについて、図3〜図10および図30を用いて説明する。図30は、このダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。まず、n-型ドリフト領域2の表面に初期酸化膜11a,11b,11c,11d,11eを形成した後、図示しないスクリーン酸化膜を形成する(図3)。ついで、隣り合う初期酸化膜11a,11b,11c,11d,11e間の開口幅よりも狭い幅の開口部を有するレジストマスク21を用いてイオン注入をおこない、ドリフト領域2中にボロンのイオン注入層22を形成する(図4)。イオン注入条件は、実施の形態1と同じである。
レジストマスク21を除去した後、チャネルストッパーを形成するためのレジストマスク23を用いて、実施の形態1と同じ条件でイオン注入をおこない、ドリフト領域2中にリンのイオン注入層24を形成する(図5)。レジストマスク23を除去した後、実施の形態1と同じ条件でアニールをおこない、ガードリング5a,5b,5c,5dおよびチャネルストッパー7を形成する(図6)。
ついで、アノード領域を形成するためのレジストマスク25を用いて、実施の形態1と同じ条件でイオン注入をおこない、ドリフト領域2中にボロンのイオン注入層26を形成する(図7)。ここで、通常のPiNダイオードの場合には、アノード領域の形成領域全面にボロンをイオン注入する。一方、MPSダイオードの場合には、アノード領域の形成領域上に部分的にレジストを残すことによりボロンが注入されない領域を作り、この部分をショットキー接合とする。
レジストマスク25を除去した後、図示しないスクリーン酸化膜を除去する。再び図示しないスクリーン酸化膜を形成した後、連続して実施の形態1と同じ条件でアニールをおこない、アノード領域3を形成する(図8)。この場合、アノード領域3はガードリング5a,5b,5c,5dよりも浅い拡散となる。ついで、基板表面にPSG膜12を成長させた後、PSG膜12および図示しないスクリーン酸化膜の一部を除去して、アノード領域3、ガードリング5a,5b,5c,5dおよびチャネルストッパー7のシリコン表面を露出させる(図9)。
ついで、厚さ1μm程度のAl−Siなどよりなる導電性薄膜を成長させ、これをパターニングしてアノード電極4、フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8を形成する(図10)。Al−Siの代わりに、Alとバリアメタルの多層膜としてもよい。また、アノード電極4、フィールドプレート6a,6b,6c,6dおよびストッパー電極8を異方性エッチングにより形成することもできる。ついで、基板表面にポリイミドを10μmの厚さで塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングしてアノード電極4の略全面の上のポリイミドを除去する。その後、キュアによってポリイミドを安定化させ、パッシベーション膜13とする(図30)。パッシベーション膜13を窒化膜で形成してもよい。
ついで、めっき法により、たとえば基板表面に厚さ5μm程度のTi/Ni/Auの3層構造よりなる金属厚膜を形成する。この金属厚膜は、導電性を有する露出部分に選択的に成長し、パッシベーション膜13の上には成長しない。したがって、金属厚膜よりなる厚膜電極10は、パッシベーション膜13により覆われていないアノード電極4上にのみ選択的に形成される。そして、基板裏面にカソード電極14を形成し、図29に示す構成のダイオードが完成する。
上述した実施の形態3によれば、厚膜電極10が、パッシベーション膜13により覆われていないアノード電極4上にのみ選択的に形成されるので、アノード電極4とフィールドプレート6a,6b,6c,6dとストッパー電極8を絶縁膜で覆う工程、この絶縁膜をパターニングしてアノード電極4の一部を露出させる工程、および厚膜電極10を形成するために導電性厚膜をパターニングする工程が不要となる。したがって、実施の形態1よりも簡略化した製造プロセスでもって実施の形態1と同様の効果を有する高耐圧小電流素子を製造することができる。
なお、実施の形態1と同様に、ストッパー電極8を十分に長くすることによって、ガードリング5a,5b,5c,5dとチャネルストッパー7を同じ導電型とすることもできる。この場合には、チャネルストッパー7を形成するためのリンのイオン注入工程は不要となり、さらにPiNダイオードの場合には、アノード形成用のマスクも不要となる。また、第1導電型がp型で、第2導電型のn型の場合には、上述した実施の形態3の説明において、アノードをカソードと読み替え、カソードをアノードと読み替えるものとする。
実施の形態4.
実施の形態4は、本発明をIGBTに適用した他の例である。図31は、実施の形態4にかかるIGBTの平面構成の要部を示す平面図であり、図32は、図31のゲートパッドを横切らないE−E’における断面構成を示す縦断面図である。図31および図32に示すように、実施の形態4のIGBTでは、パッシベーション膜63は、第2の電極であるエミッタ電極54の一部、具体的には平面形状が略方形状のエミッタ電極54の周縁部と、ランナー電極74とフィールドプレート56a,56b,56cとストッパー電極58の上を覆っている。
そして、エミッタ電極54の、パッシベーション膜63に覆われていない露出部分、すなわちエミッタ電極54の、周縁部を除く略全面の上にのみ、たとえば厚さが5μmの厚膜電極60がめっき法により選択的に形成されている。実施の形態4では、エミッタ電極54、ランナー電極74、フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58の上には、窒化膜は設けられていない。実施の形態4のIGBTのその他の構成は、実施の形態2のIGBTと同じである。実施の形態2と同様の構成については、同一の符号を付して、説明を省略する。
つぎに、図31および図32に示す構成のIGBTの製造プロセスについて、図16〜図25および図33を用いて説明する。図33は、このIGBTの製造途中の状態を示す縦断面図である。まず、n-型のドリフト領域52の表面に初期酸化膜61a,61b,61c,61dを形成した後、図示しないスクリーン酸化膜を形成する(図16)。ついで、隣り合う初期酸化膜61a,61b,61c,61d間の開口幅よりも狭い幅の開口部と、ゲートランナー下ウェル形成領域上に開口部を有するレジストマスク81を用いてイオン注入をおこない、ドリフト領域52中にボロンのイオン注入層82を形成する(図17)。イオン注入条件は、実施の形態2と同じである。
レジストマスク81を除去した後、チャネルストッパーを形成するためのレジストマスク83を用いて、実施の形態2と同じ条件でイオン注入をおこない、ドリフト領域52中にリンのイオン注入層84を形成する(図18)。レジストマスク83を除去した後、実施の形態2と同じ条件でアニールをおこない、ゲートランナー下ウェル75、ガードリング55a,55b,55cおよびチャネルストッパー57を形成する(図19)。
図示しないスクリーン酸化膜を除去した後、基板表面に図示しないゲート酸化膜を形成し、その上にポリシリコンを積層する。このポリシリコンをPH3のドーピングにより低抵抗化した後、パターニングしてゲート領域71およびゲートランナー73を形成する(図20)。ついで、ベース領域を形成するためのレジストマスク85を用いて、実施の形態2と同じ条件でイオン注入をおこない、ドリフト領域52中にボロンのイオン注入層86を形成する(図21)。
レジストマスク85およびポリシリコンが除去された部分のゲート酸化膜を除去した後、再び図示しないスクリーン酸化膜を形成し、連続して実施の形態2と同じ条件でアニールをおこない、ベース領域53を形成する(図22)。この場合、ベース領域53はガードリング55a,55b,55cよりも浅い拡散となる。ついで、エミッタ領域を形成するためのレジストマスク87を用いて、実施の形態2と同じ条件でイオン注入をおこない、ドリフト領域52中に砒素のイオン注入層88を形成する(図23)。
レジストマスク87を除去し、基板表面にPSG膜62を成長させた後、実施の形態2と同じ条件でアニールをおこない、PSG膜62を安定化させるとともに、エミッタ領域72を形成する。ついで、PSG膜62および図示しないスクリーン酸化膜の一部を除去して、ベース領域53、エミッタ領域72、ゲートランナー73、ガードリング55a,55b,55cおよびチャネルストッパー57のシリコン表面を露出させる(図24)。
ついで、厚さ1μm程度のAl−Siなどよりなる導電性薄膜を成長させ、これをパターニングしてエミッタ電極54、ランナー電極74、フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58を形成する(図25)。Al−Siの代わりに、Alとバリアメタルの多層膜としてもよい。また、エミッタ電極54、ランナー電極74、フィールドプレート56a,56b,56cおよびストッパー電極58を異方性エッチングにより形成することもできる。
ついで、基板表面にポリイミドを10μmの厚さで塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングしてエミッタ電極54の略全面の上のポリイミドを除去する。その後、キュアによってポリイミドを安定化させ、パッシベーション膜63とする(図33)。パッシベーション膜63を窒化膜で形成してもよい。
ついで、めっき法により、たとえば基板表面に厚さ5μm程度のTi/Ni/Auの3層構造よりなる金属厚膜を形成する。この金属厚膜は、導電性を有する露出部分に選択的に成長し、パッシベーション膜63の上には成長しない。したがって、金属厚膜よりなる厚膜電極60は、パッシベーション膜63により覆われていないエミッタ電極54上にのみ選択的に形成される。そして、基板裏面にコレクタ層78およびコレクタ電極64を形成し、図32に示す構成のIGBTが完成する。
上述した実施の形態4によれば、厚膜電極60が、パッシベーション膜63により覆われていないエミッタ電極54上にのみ選択的に形成されるので、エミッタ電極54とランナー電極74とフィールドプレート56a,56b,56cとストッパー電極58を絶縁膜で覆う工程、この絶縁膜をパターニングしてエミッタ電極54の一部を露出させる工程、および厚膜電極60を形成するために導電性厚膜をパターニングする工程が不要となる。したがって、実施の形態2よりも簡略化した製造プロセスでもって実施の形態2と同様の効果を有する高耐圧小電流素子を製造することができる。
なお、実施の形態2と同様に、ガードリング55a,55b,55cとチャネルストッパー57を同じ導電型とすることもできる。この場合には、ベース領域53を形成する際のマスクが不要となる。また、チャネルストッパー57をエミッタ領域72と同時に形成してもよく、その場合には、チャネルストッパー57を形成するための工程が不要となる。また、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型とすることもできる。
以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、活性領域の外周に、ガードリングと呼ばれる深い不純物拡散層よりなる耐圧構造を備えた高耐圧の半導体装置に有用であり、特に、高耐圧のダイオードやIGBTに適している。
本発明の実施の形態1にかかるダイオードの平面構成の要部を示す平面図である。 図1のA−A’における断面構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの平面構成の要部を示す平面図である。 図13のB−B’(ゲートパッドが設けられていない領域)における断面構成を示す縦断面図である。 図13のC−C’(ゲートパッドが設けられている領域)における断面構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2にかかるIGBTの図13のB−B’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態3にかかるダイオードの平面構成の要部を示す平面図である。 図28のD−D’における断面構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態3にかかるダイオードの製造途中の状態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態4にかかるIGBTの平面構成の要部を示す平面図である。 図31のE−E’(ゲートパッドが設けられていない領域)における断面構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態4にかかるIGBTの図31のE−E’における製造途中の状態を示す縦断面図である。 従来のダイオードにおける耐圧構造の要部を示す断面図である。 チップに占める活性領域の割合の電流定格依存性を示す特性図である。
符号の説明
2,52 第1の半導体領域(n-型ドリフト領域)
3 第2の半導体領域(p型アノード領域)
4 第2の電極(アノード電極)
5a〜5d,55a〜55c p型ガードリング
6a〜6d,56a〜56c フィールドプレート
7,57 n型チャネルストッパー
8,58 ストッパー電極
9,59 絶縁膜(窒化膜)
10 厚膜電極
11a〜11e,61a〜61d 絶縁膜(初期酸化膜)
12,62 絶縁膜(PSG膜)
14 第1の電極(カソード電極)
21,81 ガードリング形成用レジストマスク
53 第2の半導体領域(p型ベース領域)
54 第2の電極(エミッタ電極)
60 第1の厚膜電極
64 第1の電極(コレクタ電極)
73 第3の半導体領域(ゲートランナー)
74 第3の電極(ランナー電極)
76 第2の厚膜電極

Claims (6)

  1. 第1の電極と、
    前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、
    前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、
    前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、
    前記第2の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第2の電極と、
    前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、
    前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、
    を具備し、
    前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、
    前記第2の電極および前記フィールドプレートは、多層膜であることを特徴とする半導体装置。
  2. 第1の電極と、
    前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、
    前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、
    前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、
    前記ガードリングから離れ、かつ前記ガードリングを囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第1導電型のチャネルストッパーと、
    前記第2の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第2の電極と、
    前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、
    前記チャネルストッパーに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うストッパー電極と、
    前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極よりも厚く形成された厚膜電極と、
    を具備し、
    前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、
    前記第2の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極は、多層膜であることを特徴とする半導体装置。
  3. 第1の電極と、
    前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、
    前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、
    前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面上に絶縁膜を介して形成された第1導電型の第3の半導体領域と、
    前記第3の半導体領域から離れ、かつ前記第3の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、
    前記第2の半導体領域に接触する第2の電極と、
    前記第3の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第3の電極と、
    前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、
    前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、
    前記第3の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された第2の厚膜電極と、
    を具備し、
    前記第2の厚膜電極の下に、絶縁膜を介して前記第2の電極および前記第2の半導体領域が形成されており、
    前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、
    前記第2の電極、前記第3の電極および前記フィールドプレートは、多層膜であることを特徴とする半導体装置。
  4. 第1の電極と、
    前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、
    前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、
    前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面上に絶縁膜を介して形成された第1導電型の第3の半導体領域と、
    前記第3の半導体領域から離れ、かつ前記第3の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、
    前記ガードリングから離れ、かつ前記ガードリングを囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第1導電型のチャネルストッパーと、
    前記第2の半導体領域に接触する第2の電極と、
    前記第3の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第3の電極と、
    前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、
    前記チャネルストッパーに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うストッパー電極と、
    前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極よりも厚く形成された厚膜電極と、
    前記第3の電極に接触し、かつ前記第2の電極、前記第3の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極よりも厚く形成された第2の厚膜電極と、
    を具備し、
    前記第2の厚膜電極の下に、絶縁膜を介して前記第2の電極および前記第2の半導体領域が形成されており、
    前記ガードリングは、互いに離れた状態で複数形成されており、各ガードリングにそれぞれ個別にフィールドプレートが接触しており、
    前記第2の電極、前記第3の電極、前記フィールドプレートおよび前記ストッパー電極は、多層膜であることを特徴とする半導体装置。
  5. 第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記第2の半導体領域に接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆う第2の電極と、前記ガードリングに接触し、かつ絶縁膜を介して前記第1の半導体領域の表面の一部を覆うフィールドプレートと、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、を具備する半導体装置を製造するにあたって、
    前記第1の半導体領域の表面層に初期酸化膜を形成し、当該初期酸化膜の、前記ガードリングの形成領域上の部分を除去する工程と、
    前記第1の半導体領域の表面層にレジストを塗布し、当該レジストをパターニングして、前記初期酸化膜の、前記ガードリングの形成領域上の開口幅を狭める工程と、
    前記レジストをマスクとして前記ガードリングの形成領域に第2導電型の不純物をイオン注入する工程と、
    前記レジストを除去した後、熱処理をおこない、前記ガードリングの形成領域に注入された第2導電型の不純物を拡散させ、活性化させて、前記ガードリングを形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 第1の電極と、前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域から離れ、かつ前記第2の半導体領域を囲むように、前記第1の半導体領域の表面層に選択的に形成された第2導電型のガードリングと、前記第2の半導体領域に接触する第2の電極と、前記ガードリングに接触するフィールドプレートと、前記第2の電極に接触し、かつ前記第2の電極および前記フィールドプレートよりも厚く形成された厚膜電極と、を具備する半導体装置を製造するにあたって、
    前記第1の半導体領域に前記ガードリングと前記第2の半導体領域を形成する工程と、
    前記第2の半導体領域および前記ガードリングのそれぞれに接触する前記第2の電極および前記フィールドプレートを形成する工程と、
    前記第2の電極の一部および前記フィールドプレートを絶縁膜で覆う工程と、
    前記絶縁膜で覆われていない前記第2の電極の露出部分に導電性厚膜をめっき法により形成し、前記第2の電極に接触する前記厚膜電極を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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