JP2004273921A - 絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トレンチゲートを有する絶縁ゲート型半導体装置において、トレンチゲートに近接してダミートレンチを形成し、その底部よりボロン等を拡散し、トレンチゲートの最深部を含むようにP+拡散領域112 を形成した。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法に係り、特にトレンチゲートを有する電力用半導体素子の構造および製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
パワーIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor ;絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の1つであるトレンチIGBTは、半導体基板のトレンチ内に埋め込んだMOSゲートのトレンチ側壁をチャネル領域とするトレンチIGBTセルを半導体基板上に多数並設したトレンチゲート構造を有するものであり、チャネル抵抗の低減により性能を向上(低損失化)させ易い。
【0003】
トレンチIGBTを改良するために、本願出願人は、トレンチゲート構造およびエミッタ側のキャリア蓄積効果を利用した電子注入量増加型の素子(Injection Enhanced Gate Transistor、以下、IEGTと記す)を提案している。
【0004】
図16は、従来のIEGTの構造を概略的に示す断面図である。
【0005】
図17は、図16中の一部を取り出して拡大して示す断面図である。
【0006】
図16および図17に示すIEGTにおいて、高抵抗のN−ベース層101 の表面側にはP−ベース(base)層107 が形成され、このP−ベース(base)層107 の表層部には横方向に一定ピッチで選択的にP+ベース(base)層107aが形成されている。そして、P−ベース(base)層107 の表面からN−ベース層101 に達する深さの複数のゲートトレンチが一定ピッチで選択的に形成されている。このように併設された各トレンチの内部には、ゲート絶縁膜105 を介してトレンチゲート電極106 が埋め込み形成されている。
【0007】
前記一定ピッチで形成されている複数のP+ベース層107aのうち、一定数の間隔毎に選択された一部のP+ベース層107aの表面およびそれに隣接するP−ベース(base)層107 の表面には、隣り合うトレンチの側面に接するように選択的に高不純物濃度のN+エミッタ層108 が形成されており、選択されなかった残りのP+ベース層107aの表面およびそれに隣接するP−ベース(base)層107 の表面にはN+エミッタ層108 が形成されていない。
【0008】
そして、上記N+エミッタ層108 およびそれに接するP+ベース層107a上には、その両方に接するようにエミッタ電極109 が設けられており、このエミッタ電極109 によってN+エミッタ層108 とP+ベース層107aは短絡している。この場合、前記トレンチゲート電極106 、前記N+エミッタ層108 が形成されていないP+ベース層107aおよびP−ベース(base)層107 からエミッタ電極109 を電気的に分離するように層間絶縁膜111 が設けられている。各トレンチゲート電極106 は、ポリシリコンゲート配線パターン115 を介してゲートパッド116 まで引き出されている。前記層間絶縁膜111 は、ゲートパッド116 とエミッタ電極109 とを電気的に分離するように設けられている。
【0009】
一方、N−ベース層101 の裏面側には、高不純物濃度のN+バッファ(buffer)層102 を介して高不純物濃度のP+型コレクタ層103 が形成され、P+型コレクタ層103上にはコレクタ電極110 が設けられている。
【0010】
なお、図16中、16はガードリング(GR)、13はフィールドプレート、14はフィールドストッパN+層、117 は絶縁膜(パッシベーション膜)である。
【0011】
上記構成において、N−ベース層101 、P+ベース層107 、N+エミッタ層108 、ゲート絶縁膜105 およびトレンチゲート電極106 は、P+ベース層107 のトレンチに接する表面部分に形成されるチャネル領域を通じてN+エミッタ層108 からN−ベース層101 に電子を注入するMOSFETを構成している。
【0012】
次に、図16および図17に示したIEGTの動作について説明する。
【0013】
IEGTをターンオンさせる時には、コレクタ電極110 とエミッタ電極109 との間に正のコレクタ電圧が印加された状態で、トレンチゲート電極106 とエミッタ電極109 との間に所定の正のゲート電圧を印加する。これにより、P−ベース層107 のゲート絶縁膜105 に接した表面がn型に反転して反転層(n型チャネル)が形成されるので、この反転層を通じてエミッタ電極109 から電子がN−ベース層101 に注入され、p型コレクタ層103 に達する。この際、p型コレクタ層103 とN−ベース層101 との間がN+バッファ層102 を介して順バイアスされ、p型コレクタ層103 より正孔がN+バッファ層102 を経由してN−ベース層101 に注入される。このように、N−ベース層101 に電子と正孔の両方が注入される結果、N−ベース層101 領域で伝導度変調が起こり、N−ベース層101 の抵抗が大幅に低減する。
【0014】
上記動作において、隣り合うトレンチで挟まれた複数のP−ベース層107 領域のうちで、N+エミッタ層108 が形成されていない部分(ダミーベース領域)の直下にキャリアが蓄積されることにより、伝導度変調効果が強くなり、オン抵抗を低減し、最大遮断電流密度を大きくすることができる。
【0015】
一方、IEGTをターンオフさせる時には、エミッタ電極109 に対して負の電圧または等しい電圧をトレンチゲート電極106 に印加することによって、前記反転層が消失して、電子注入が停止する。これに伴い、P−ベース層107 への正孔の注入も停止し、N−ベース層101 の抵抗が高くなり、IEGTがターンオフする。
【0016】
しかし、上記従来例の構造のIEGTは、ターンオンする際に、前記ダミーベース領域の直下に蓄積されるキャリアとトレンチゲート電極106 との間に生ずる容量(図17中、符号Aの部分)の作用により、ゲート電圧が振動して必要以上に上昇し、スイッチング速度(dV/dt )が異常に大きくなり、素子の破壊を引き起こすことがある。
【0017】
図18は、IEGTのゲート近傍にキャリアが蓄積されることによって発生するゲート電圧の振動の一例を示す波形図である。
【0018】
また、一般に、IGBTのスイッチング速度(dV/dt )の制御は、外部接続されるゲート抵抗(図示せず)の値でゲート電流を制御することにより行われるが、従来例の構造のIEGTでは、蓄積キャリアによりゲート電圧が変化するので、外部ゲート抵抗によるゲート電流の制御が困難である。
【0019】
【特許文献1】
特開2002−164542号公報
【0020】
【特許文献2】
特開2002−217514号公報
【0021】
【特許文献3】
特表2000−509559号公報
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来のIEGTは、IEGTのゲート近傍にキャリアが蓄積されることによってターンオン時のゲート電圧が振動して必要以上に上昇し、スイッチング速度が異常に大きくなり、素子の破壊を引き起こすことがあるという問題があった。
【0023】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、IEGTのゲート近傍にキャリアが蓄積されることによって引き起こされるターンオン時のゲート電圧の振動を防止し、スイッチング速度をゲート電流により制御することが可能となる絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様に係る絶縁ゲート型半導体装置は、第1導電型の第1のベース層と、前記第1のベース層の一方の表面に形成された第2導電型の第2のベース層と、前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように形成された複数のゲートトレンチの内部にそれぞれゲート絶縁膜を介して埋め込まれた複数のトレンチゲート電極と、前記第2のベース層において前記複数のゲートトレンチ相互間に位置する複数のベース領域のうちで間欠的に選択された所定のベース領域の表面に前記ゲートトレンチに接するように形成された第1導電型のエミッタ層と、前記第1のベース層の他方の表面上に形成された第2導電型のコレクタ層と、前記エミッタ層および前記所定のベース領域にそれぞれコンタクトするように形成された第1の主電極と、前記コレクタ層に電気的に接続された第2の主電極と、前記複数のベース領域のうちで前記エミッタ層が形成されていないベース領域において、前記エミッタ層に接して形成された前記ゲートトレンチに近接する位置で前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように形成されたダミートレンチと、前記ゲートトレンチの前記ダミートレンチ側の側面部および底面に接するように形成された第2導電型の拡散領域とを具備することを特徴とする。
【0025】
本発明の第2の態様に係る絶縁ゲート型半導体装置は、第1導電型の第1のベース層と、前記第1のベース層の一方の表面に形成された第2導電型の第2のベース層と、前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように形成された複数のゲートトレンチの内部にそれぞれゲート絶縁膜を介して埋め込まれた複数のトレンチゲート電極と、前記第2のベース層において前記複数のゲートトレンチ相互間に位置する複数のベース領域のうちで間欠的に選択された所定のベース領域の表面に前記ゲートトレンチに接して形成された第1導電型のエミッタ層と、前記第1のベース層の他方の表面上に形成された第2導電型のコレクタ層と、前記エミッタ層および前記所定のベース領域にコンタクトするように設けられた第1の主電極と、前記コレクタ層に電気的に接続された第2の主電極と、前記エミッタ層に接して形成された前記ゲートトレンチの前記エミッタ層側とは反対側の側面部および底面に接するように形成された第2導電型の拡散領域とを具備することを特徴とする。
【0026】
本発明の絶縁ゲート型半導体装置の第1の態様に係る製造方法は、第2導電型のコレクタ層上に形成された第1導電型の第1のベース層の一方の表面に選択的に第2導電型の第2のベース層を形成する工程と、前記第2のベース層の表面で間欠的に選択した位置に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように複数のゲートトレンチを形成すると同時に、前記複数のゲートトレンチのうちの前記エミッタ層に接するゲートトレンチに近接して前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するようにダミートレンチを形成する工程と、前記ダミートレンチの底面部に不純物イオンを打ち込む工程と、前記ゲートトレンチとダミートレンチの内面にそれぞれゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲートトレンチとダミートレンチの内部にそれぞれトレンチゲート電極材を埋め込む工程とを具備することを特徴とする。
【0027】
本発明の絶縁ゲート型半導体装置の第2の態様に係る製造方法は、第2導電型のコレクタ層上に形成された第1導電型の第1のベース層の一方の表面に選択的に第2導電型の第2のベース層を形成する工程と、前記第2のベース層の表面で間欠的に選択した位置に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように複数のゲートトレンチを形成すると同時に、前記複数のゲートトレンチのうちの前記エミッタ層に接するゲートトレンチに近接して前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するようにダミートレンチを形成する工程と、前記ゲートトレンチの内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲートトレンチの内部にトレンチゲート電極材を埋め込む工程と、前記ダミートレンチの底面部に不純物イオンを打ち込む工程と、前記ダミートレンチの内部に絶縁膜を埋め込む工程とを具備することを特徴とする。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0029】
<第1の実施形態の構造>
図1は、本発明の第1の実施形態に係るIEGTの主要部を取り出して構造を概略的に示す断面図である。
【0030】
図2は、図1に対応するパターンレイアウトの一例を概略的に示す平面図である。なお、図2中、コンタクト領域以外は、表面が酸化膜により覆われている。
【0031】
このIEGTの構造は、図16および図17を参照して前述した従来例のIEGTの構造と比べて、図2中に丸印Bで囲んで示す部分のように、次の点(1)、(2)が異なり、その他はほぼ同じであるので同一符号を付している。
【0032】
(1)トレンチ(Trench)ゲート電極106 のうちでN+エミッタ(Emitter) 層108の側方に位置するMOSゲートとして作用するトレンチゲート電極106aの底部周辺には、N+エミッタ層108 側とは反対側の側面部から底面部の少なくとも一部にかけて(望ましくは、底面部の全てを覆うように)P+拡散領域112 が形成されている。
【0033】
(2)MOSゲートとして作用するトレンチゲート電極106aに近接して、ダミーベース領域におけるP−ベース層107 の表面からP−ベース層107 を貫通してN−ベース層に達する深さ(トレンチゲート電極106aとほぼ同じ深さ)にダミートレンチが形成されている。このダミートレンチの内部は、トレンチゲート電極106aとは電気的に絶縁されており、本例では、トレンチゲート絶縁膜105 を介してポリシリコンが埋め込まれている。
【0034】
即ち、図1および図2において、高抵抗の第1導電型(本例ではn型)のN−ベース層101 の表面側には、第1導電型(本例ではp型)のP−ベース(base)層107が形成され、このP−ベース(base)層107 の表層部には横方向に一定ピッチで選択的にP+ベース(base)層107aが形成されている。上記P−ベース(base)層107 の表面からP−ベース(base)層107 を貫通してN−ベース層101 に達する深さの複数のゲートトレンチが一定ピッチで選択的に、かつ、平面パターンが例えばストライプ状に形成されている。
【0035】
そして、各ゲートトレンチの内部に、ゲート絶縁膜105 を介してトレンチゲート電極106 が埋め込み形成されている。
【0036】
前記各ゲートトレンチで挟まれた複数のベース領域のうち、間欠的に(通常、一定数の間隔で)選択された一部のベース領域におけるP+ベース層107aおよびP−ベース層107 の表面には、選択的に高不純物濃度のN+エミッタ層108 が側方のゲートトレンチの側面に接するように形成されている。
【0037】
このN+エミッタ層108 は、本例では、図2に示すように、ゲートトレンチ相互間でゲートトレンチの長手方向の両側に沿う部分と、ゲートトレンチの長手方向に沿って一定間隔でP+ベース層107aを横切る部分とからなる梯子状の平面パターンを有するように形成されている。これにより、ゲートトレンチ相互間では、ゲートトレンチの長手方向の両側に沿うエミッタ層部分の相互間で、ゲートトレンチの長手方向に沿って帯状のN+エミッタ層108 とP+ベース層107aの露出部が交互に存在する。
【0038】
なお、N+エミッタ層108 は、上記例に限らず、ゲートトレンチ相互間でゲートトレンチの長手方向に沿って一定間隔でP+ベース層107aを横切る縞状の平面パターンを有するように形成されていてもよい。この場合、ゲートトレンチ相互間で、ゲートトレンチの長手方向に沿ってN+エミッタ層108 とP+ベース層107aの露出部が交互に存在する。
【0039】
なお、前記各ゲートトレンチで挟まれた複数のベース領域のうち、間欠的に選択されなかった残りのベース領域(ダミーベース領域)の表面にはN+エミッタ層108 が形成されておらず、このダミーベース領域は平面パターンがゲートトレンチと同様のストライプ状である。
【0040】
したがって、複数のトレンチゲート電極106 のうちの一部のトレンチゲート電極106aは、N+エミッタ層108 が形成されているベース領域に隣接し、N+エミッタ層108 の側方に位置してMOSゲートとして作用する。残りのトレンチゲート電極106 は、N+エミッタ層108 が形成されているベース領域に隣接せずに、N+エミッタ層108 が形成されていないダミーベース領域の相互間に位置する。
【0041】
そして、基板上に堆積された層間絶縁膜111 に開口されたエミッタ・ベース引出し用のコンタクトホールを通じて、N+エミッタ層108 が形成されているベース領域におけるP+ベース層107aおよび上記N+エミッタ層108 に共通にコンタクトして両者を短絡させるようにエミッタ電極109 が設けられている。図2中、20はP+ベース層107aおよびN+エミッタ層108 にエミッタ電極109 が共通にコンタクトする領域である。
【0042】
これに対して、N+エミッタ層108 が形成されていないベース領域においては、P−ベース層107 上にゲート絶縁膜(酸化膜)105 が延在しており、このゲート絶縁膜105 上に層間絶縁膜111 が形成されている。これにより、P−ベース層107 およびトレンチゲート電極106 は、エミッタ電極109 と電気的に絶縁されている。
【0043】
各トレンチゲート電極106 は、図16に示したように、ポリシリコンゲート配線パターン115 を介してゲートパッド116 まで引き出されている。前記層間絶縁膜111 は、ゲートパッド116 とエミッタ電極109 とを電気的に分離するように設けられている。
【0044】
さらに、本実施例においては、MOSゲートとして作用するトレンチゲート電極106aの底部周辺で片側(後述するダミートレンチ側)の側面部から底面部にかけてP+拡散領域112 が形成されている。
【0045】
このP+拡散領域112 は、ダミートレンチの底部付近からゲートトレンチの底部付近まで連なっており、N−ベース層101 の領域内で上部のP−ベース層107 に接するように形成されている。なお、上記P+拡散領域112 は、ゲートトレンチの底部付近においてダミートレンチ側の側面部とその反対面側とで拡散分布状態が非対称である。
【0046】
一方、前記P+拡散領域112 をトレンチゲート電極106aの底部周辺に高精度で容易に形成するために、ダミートレンチが形成されている。このダミートレンチは、MOSゲートとして作用するトレンチゲート電極106aに近接して、ダミーベース領域におけるP−ベース層107 の表面からP−ベース層107 を貫通してN−ベース層101 に達する深さ(トレンチゲート電極106aとほぼ同じ深さ)に形成されている。この場合、後述する理由により、ゲートトレンチとダミートレンチとの間隔が1.0um 以下であるように形成されている。
【0047】
前記ダミートレンチには、ゲート絶縁膜を介してダミートレンチゲート113 が埋め込まれている。上記したようなダミートレンチをゲートトレンチと同時に形成し、それぞれのゲート絶縁膜を同時に形成することで、プロセスの増加を抑制することが可能である。
【0048】
一方、N−ベース層101 の裏面側には、高不純物濃度のN+バッファ(buffer)層102 を介して高不純物濃度のP+型コレクタ層103 が形成され、P+型コレクタ層103上にはコレクタ電極110 が設けられている。なお、上記N+バッファ層102 は、必要とする耐圧が別の方法で満たされる場合には省略される。
【0049】
前記N−ベース層101 、N+バッファ層102 およびP+コレクタ層103 の一例として、P+基板にエビタキシヤル成長によってN+バッファ層102 を形成し、さらにエピタキシヤル成長によって比較的高抵抗のN−ベース層101 を形成することによって得たN−/N+/P+基板(ウエハー)100 を用いることが可能である。また、他の例として、N+基板上にN−ベース層を形成し、N+基板の裏面にP+コレクタ層を形成したウエハーを用いることが可能である。また、N+バッファ層102 を省略する場合には、P+基板上にN−ベース層を形成したウエハーを用いることが可能である。さらには、N−基板を用い、それをN−ベース層として使用し、裏面にP+コレクタ層を形成したウエハーを用いることが可能である。
【0050】
さらに、半導体基板の素子形成領域の外周部の表面にガードリング(図16中16)が形成されており、半導体基板の最外周領域には、空乏化を止めるフィールドストッパN+層(図16中14)が形成されている。そして、素子終端部は、上記フィールドストッパN+層に接触してフィールドプレート(図16中13)が形成され、絶縁膜(パッシベーション膜)(図16中117 )で覆われている。
【0051】
上記構造のIEGTの動作は、図16および図17を参照して前述した従来例のIEGTの動作と基本的に同様である。この場合、MOSゲートとして作用するトレンチゲート電極106aの底部周辺近傍へのキャリアの蓄積がP+拡散領域1112の存在によって抑制され、ダミーベース領域の直下に蓄積されたキャリアとトレンチゲート電極106aとの間での負性容量(図17中に示す符号Aの部分)の発生を抑制することが可能になる。
【0052】
図3は、図1のIEGTのターンオン時の動作波形の一例を示している。
【0053】
この動作波形によれば、ターンオン時におけるゲート電圧の振動や必要以上の上昇が抑制され、スイッチング速度(dV/dt )が異常に大きくなることが防止されている様子が分かる。
【0054】
したがって、図1のIEGTによれば、ターンオン時において、負性容量に起因するゲート電圧の振動や必要以上の上昇を抑制することが可能になり、ターンオン時にスイッチング速度(dV/dt )が異常に大きくなって素子の破壊を引き起こすという従来例の問題を防止することができる。
【0055】
上記したように第1の実施形態のIEGTによれば、ゲートトレンチ周辺にP+拡散領域112 を設けることによって、P+拡散領域112 のある部分にはキャリアが蓄積せず、トレンチゲート電極106aと蓄積キャリアとの間の負性容量が発生しないので、ゲート電位の異常振動が発生せず、また、ゲート抵抗によるスイッチングdV/dt の制御が容易となる。なお、P+拡散領域112 を設ける範囲が小さいので、キャリア蓄積効果への影響は軽微である。
【0056】
<第1の実施形態のIEGTの製造工程の一例>
図4乃至図8は、第1の実施形態のIEGTの製造工程の一例を概略的に示す断面図である。
【0057】
まず、図4(a)に示すように、N−/N+/P+基板(ウエハー)100 を用意し、図4(b)に示すように、N−ベース層101 上にSiO2膜31を形成し、N−ベース層101 の外周部の表面にガードリング(GR)16を形成する。そして、上記SiO2膜31をパターニングし、このSiO2膜パターンをマスクとして拡散を行い、N−ベース層101 表面のガードリング16で囲まれた素子形成領域にP−ベース層107 を形成する。
【0058】
次に、図5(a)に示すように、P−ベース層107 の表面に選択的に複数のP+ベース層107aをそれぞれストライプ状の平面パターンを有するように形成する。そして、図5(b)に示すように、複数のP+ベース層107aのうちで間欠的に選択したP+ベース層の表面に、梯子状または縞状の平面パターンを有するように選択的にN+エミッタ層108 を形成すると同時に、N−ベース層101 の最外周領域にフィールドストッパN+層14を形成する。そして、図5(c)に示すように、素子形成領域のP−ベース層107 に選択的にそれぞれストライプ状の平面パターンを有し、N−ベース層101 中に達する複数のゲートトレンチ104aおよびダミートレンチ104bを形成する。
【0059】
次に、図6(a)に示すように、犠牲酸化を行ってゲートトレンチとダミートレンチの内面に犠牲酸化膜(SiO2膜)51を形成する。そして、図6(b)に示すように、全面をレジスト53で覆い、ダミートレンチに対応してレジスト53およびSiO2膜51を開口し、ダミートレンチの底面部に不純物(本例ではボロン)イオンを打ち込む。
【0060】
次に、図7(a)に示すように、レジスト53および犠牲酸化膜51を除去する。この後、全面を酸化し、P−ベース層107 、P+ベース層107a、N+エミッタ層108 の表面にゲート酸化膜(SiO2膜)を形成すると同時に、ゲートトレンチとダミートレンチの各内面にトレンチゲート絶縁膜(SiO2膜)105 を形成する。この間の熱処理により、前記ゲートトレンチの底部近傍にP+拡散領域112 が形成される。そして、図7(b)に示すように、例えばP(リン)を含有させたポリシリコンをCVD(化学気相成長)法により全面に堆積するとともにゲートトレンチとダミートレンチの内部に埋め込み、基板上面に露出しているポリシリコン(ダミートレンチ内部のポリシリコン以外)のパターニングを行うことにより、ポリシリコンゲート配線パターン115 を形成する。
【0061】
次に、図8(a)に示すように、層間絶縁膜111 を全面に堆積し、層間絶縁膜111 とその下のゲート酸化膜61に対して、N+エミッタ層が形成されているベース領域のN+エミッタ層108 およびP+ベース層107aの一部に対応するエミッタ・ベース引出し用の開口部を形成すると同時に、ポリシリコンゲート配線パターン115の一部に対応する開口部を形成する。そして、図8(b)に示すように、金属配線層(例えばアルミ配線層)をスパッタ法により全面に堆積し、所要のパターニングを行うことにより、エミッタ電極109 と、ゲートパッド116 と、素子終端部のフィールドストッパN+層14に接触するフィールドプレート13を形成する。
【0062】
次に、図9に示すように、パッシベーション膜117 を表面全面に堆積してパターニングを行うことによりエミッタ電極109 等を露呈させる工程、さらに、裏面にコレクタ電極110 を形成する工程を行う。
【0063】
上記した製造工程を要約すると、ゲートトレンチを形成する前までの工程は従来例のIEGTの製造工程と同じである。そして、ゲートトレンチの形成と同時に、それに近接した位置にダミートレンチを作成する。その後、犠牲酸化を行ってゲートトレンチとダミートレンチの内面に犠牲酸化膜51を形成し、レジスト53で表面を覆い、ダミートレンチとなる部分のレジスト53と犠牲酸化膜51を開口する。そして、この開口部分よりダミートレンチ底部にボロンイオンを注入する。その後、前記レジスト53および犠牲酸化膜51を除去する。その後におけるゲート絶縁膜105 の形成、ゲート電極材(ポリシリコン)の形成以降の工程(コレクタ電極110 の形成まで含む)は、従来の製造工程と同じである。
【0064】
上記したボロンイオン注入後の熱工程により、ボロンを拡散させてトレンチゲート電極106aの底部付近にP+拡散領域が形成される。この熱工程によるボロンの拡散深さは、熱処理条件に依存するが、通常、1μm 以下であるので、トレンチゲート電極106a用のゲートトレンチとダミートレンチとの間隔を1μm 以下に設計することが望ましい。
【0065】
以上説明したようなIEGTの製造工程によれば、第1の実施形態に係るIEGTを容易に製造することが可能となる。しかも、トレンチゲート電極106a用のゲートトレンチとダミートレンチとの間隔を、熱工程によるボロンの拡散深さ(通常、1μm )以下に限定することにより、P+拡散領域112 がトレンチゲート電極106aの底部付近まで高い精度で達するように形成することが可能になる。
【0066】
なお、図1および図2に示した構造のIEGTにおいて、N+エミッタ層8 を梯子状あるいは縞状の平面パターンを有するように、つまり、N+エミッタ層8 とP+ベース層107aの露出部が交互に存在するように形成しておくことにより、セルピッチを縮小していくにつれてコンタクト開口幅が小さくなっても、N+エミッタ層108 とP+ベース層107aを十分にエミッタ電極109 により短絡できる。但し、トレンチゲート電極106aの間隔(セルピッチ)が比較的広く、コンタクト開口幅が加工精度に比べてある程度広い場合には、N+エミッタ層108 の平面パターンをストライプ状に形成しても、N+エミッタ層108 とP+ベース層107Aとをトレンチに平行な方向の全面でエミッタ電極109 により短絡することが可能である。
【0067】
なお、前記ゲートトレンチの平面パターンは、前記ストライプ状に限らず、格子状や千鳥状に形成してもよい。
【0068】
<第1の実施形態のIEGTの製造工程の他の例>
図10乃至図12は、第1の実施形態のIEGTの製造工程の他の例を概略的に示す断面図である。
【0069】
まず、図4乃至図5を参照して前述した工程と同じ工程を実施する。
【0070】
次に、図10(a)に示すように、全面を酸化し、P−ベース層107 、P+ベース層107a、N+エミッタ層108 の表面にゲート酸化膜(SiO2膜)91を形成すると同時に、ゲートトレンチとダミートレンチの各内面にトレンチゲート絶縁膜(SiO2膜)105 を形成する。そして、図10(b)に示すように、例えばP(リン)を含有させたポリシリコン92をCVD(化学気相成長)法により全面に堆積するとともにゲートトレンチとダミートレンチの内部に埋め込み、さらに、全面をレジスト93で覆い、ダミートレンチに対応して開口するようにパターニングする。さらに、このレジストパターンを用いてダミートレンチ内部のポリシリコン92を除去する。そして、ダミートレンチの底面部に例えばボロンイオンを打ち込む。
【0071】
次に、図11(a)に示すように、レジスト93を除去した後、基板上面に露出しているポリシリコン92のパターニングを行うことにより、ポリシリコンゲート配線パターン115 を形成する。そして、図11(b)に示すように、層間絶縁膜111 を全面に堆積するとともにダミートレンチの内部に埋め込む。この間の熱処理により、前記ゲートトレンチの底部近傍にP+拡散領域112 が形成される。
【0072】
そして、層間絶縁膜111 とその下のゲート酸化膜91に対して、N+エミッタ層108 が形成されているベース領域のN+エミッタ層108 およびP+ベース層107aの一部に対応するエミッタ・ベース引出し用の開口部を形成すると同時に、ポリシリコンゲート配線パターン115 の一部に対応する開口部を形成する。
【0073】
その後の工程(コレクタ電極110 の形成まで含む)は、第1の実施形態の工程と同じである。即ち、図12(a)に示すように、金属配線層(例えばアルミ配線層)をスパッタ法により全面に堆積し、所要のパターニングを行うことにより、エミッタ電極109 と、ゲートパッド116 と、素子終端部のフィールドストッパN+層14に接触するフィールドプレート13を形成する。そして、図12(b)に示すように、裏面にコレクタ電極110 を形成する工程、パッシベーション膜117 を全面に堆積してパターニングを行うことによりエミッタ電極109 等を露呈させる工程を行う。
【0074】
上記した製造工程を要約すると、ゲートトレンチを形成する前までの工程は従来例のIEGTの製造工程と同じである。そして、ゲートトレンチの形成と同時に、それに近接した位置にダミートレンチを作成する。そして、ゲート絶縁膜105 を形成し、ゲートトレンチとダミートレンチの内部にゲート電極材(ポリシリコン)を生成した後、全面をレジスト92で覆い、ダミートレンチに対応して開口し、ダミートレンチ内部のゲートポリシリコンを除去する。そして、ダミートレンチの底部にボロンイオンを注入し、その後、ダミートレンチ内部に層間絶縁膜111 を埋め込む。それ以降の工程は従来例の製造工程と同じである。
【0075】
<第1の実施形態のIEGTの変形例1>
前述した第1の実施形態では、複数のベース領域のうちで一定数(2つ以上)毎の間隔で選択された領域にN+エミッタ層108 が形成されており、N+エミッタ層108 が形成されていないベース領域としては、ダミートレンチが形成されているベース領域だけでなく、ダミートレンチが形成されていないベース領域も存在し得る例を示した。このIEGTの変形例1として、複数のベース領域のうちで1つおきに選択された領域にN+エミッタ層108 を形成することによって、N+エミッタ層108 が形成されていないベース領域には必ずダミートレンチが存在するように変更してもよい。
【0076】
図13は、第1の実施形態のIEGTの変形例1を示す断面図である。
【0077】
このIEGTは、図1を参照して前述したIEGTの構造と比べて、複数のベース領域のうちで1つおきに選択された領域にN+エミッタ層108 が形成されている点が異なり、その他は同じであるので図1中と同一符号を付している。
【0078】
このような構造のIEGTでも、前述した第1の実施形態のIEGTと同様の動作によって同様の効果が得られる。
【0079】
<第1の実施形態のIEGTの変形例2>
前述した第1の実施形態では、複数のベース領域のそれぞれにおいてP−ベース層107 の表面にP+ベース層107aが形成されており、N+エミッタ層108 が形成されている所定のベース領域においてはP+ベース層107aがN+エミッタ層108 と接続されたベースコンタクト領域になっている例を示した。このIEGTの変形例2として、複数のベース領域のうちの所定のベース領域にのみP+ベース層107aを形成し、他のベース領域にはP+ベース層107aを形成しないように変更してもよい。
【0080】
図14は、第1の実施形態のIEGTの変形例2を示す断面図である。
【0081】
このIEGTは、図1を参照して前述したIEGTの構造と比べて、N+エミッタ層108 が形成されていないベース領域においてはP+ベース層107aが省略されている点が異なり、その他は同じであるので図1中と同一符号を付している。
【0082】
このような構造のIEGTでも、前述した第1の実施形態のIEGTと同様の動作によって同様の効果が得られる。
【0083】
<第2の実施形態の構造および製造工程>
図15は、本発明の第2の実施形態に係るIEGTの主要部の構造を概略的に示す断面図である。
【0084】
このIEGTの構造は、図1および図2を参照して前述したIEGTの構造と比べて、ダミートレンチ部が省略されている点が異なり、その他は同じであるので図1中と同一符号を付している。
【0085】
上記構造のIEGTを製造する際、IEGTのMOSゲートとして作用するトレンチゲート電極106a用のゲートトレンチの底部およびN+エミッタ層108 側とは反対側の側面部に対して、例えば斜めイオン、あるいはその他の方法によってボロンイオンを打ち込み、その後の熱工程によるボロンの拡散を行う。これにより、N+エミッタ層108 が形成されたベース領域に隣接するゲートトレンチの底部周辺でN+エミッタ層108 側とは反対側の側面部および底面下部の少なくとも一部に接するようにP+拡散領域112aが形成される。したがって、第1の実施形態で必要としたダミートレンチを形成することなく、P+拡散領域112aを形成することが可能になる。
【0086】
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、各種の変形実施が可能である。即ち、第1の導電型をp型、第2の導電型をn型としても実施することも可能である。また、コレクタ電極は、コレクタ層上に直接に設けることなく、コレクタ層を別の部所(例えば表面側)に引き出した上でコレクタ電極を設けるようにしてもよい。
【0087】
【発明の効果】
上述したように本発明の絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法によれば、IEGTのゲート近傍にキャリアが蓄積されることによって引き起こされるターンオン時のゲート電圧の振動を防止し、スイッチング速度をゲート電流により制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るIEGTの主要部を取り出して構造を概略的に示す断面図。
【図2】図1に対応するパターンレイアウトの一例を示す平面図。
【図3】図1のIEGTのターンオン時の動作例を示す波形図。
【図4】第1の実施形態のIEGTの製造工程の一例における一部を概略的に示す断面図。
【図5】図4の工程に続く工程を概略的に示す断面図。
【図6】図5の工程に続く工程を概略的に示す断面図。
【図7】図6の工程に続く工程を概略的に示す断面図。
【図8】図7の工程に続く工程を概略的に示す断面図。
【図9】図8の工程に続く工程を概略的に示す断面図。
【図10】第1の実施形態のIEGTの製造工程の他の例における一部を概略的に示す断面図。
【図11】図10の工程に続く工程を概略的に示す断面図。
【図12】図11の工程に続く工程を概略的に示す断面図。
【図13】第1の実施形態のIEGTの変形例1を示す断面図。
【図14】第1の実施形態のIEGTの変形例2を示す断面図。
【図15】本発明の第2の実施形態に係るIEGTの主要部の構造を概略的に示す断面図。
【図16】従来のIEGTの構造を概略的に示す断面図。
【図17】図16中の一部を取り出して概略的に示す拡大断面図。
【図18】IEGTのゲート近傍にキャリアが蓄積されることによって引き起こされるゲート電圧の振動の一例を示す波形図。
【符号の説明】
100 …N−/N+/P+基板、101 …N−ベース層、102 …N+バッファ(buffer)層、103…P+型コレクタ層、105 …ゲート絶縁膜、106,106a…トレンチゲート電極、107…P−ベース(base)層、107a…P+ベース(base)層、108 …N+エミッタ層、109 …エミッタ電極、110 …コレクタ電極、111 …層間絶縁膜、112 …P+拡散領域、113…ダミートレンチゲート、115 …ポリシリコンゲート配線パターン、116 …ゲートパッド、117 …パッシベーション膜、13…フィールドプレート、14…フィールドストッパN+層。
Claims (19)
- 第1導電型の第1のベース層と、
前記第1のベース層の一方の表面に形成された第2導電型の第2のベース層と、
前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように形成された複数のゲートトレンチの内部にそれぞれゲート絶縁膜を介して埋め込まれた複数のトレンチゲート電極と、
前記第2のベース層において前記複数のゲートトレンチ相互間に位置する複数のベース領域のうちで間欠的に選択された所定のベース領域の表面に前記ゲートトレンチに接するように形成された第1導電型のエミッタ層と、
前記第1のベース層の他方の表面上に形成された第2導電型のコレクタ層と、
前記エミッタ層および前記所定のベース領域にそれぞれコンタクトするように形成された第1の主電極と、
前記コレクタ層に電気的に接続された第2の主電極と、
前記複数のベース領域のうちで前記エミッタ層が形成されていないベース領域において、前記エミッタ層に接して形成された前記ゲートトレンチに近接する位置で前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように形成されたダミートレンチと、
前記ゲートトレンチの前記ダミートレンチ側の側面部および底面に接するように形成された第2導電型の拡散領域
とを具備することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。 - 前記拡散領域は、前記ダミートレンチの底部から前記ゲートトレンチの底部まで連なっていることを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記拡散領域は、前記ゲートトレンチの底部を挟んで前記ダミートレンチ側の側面部とその反対面側とで拡散分布状態が非対称であることを特徴とする請求項1または2記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記拡散領域は、前記第1のベース層の領域内で前記第2のベース層に接するように形成されていることを特徴とする請求項2または3記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記ゲートトレンチと前記ダミートレンチとの間隔が1.0μm以下であることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記ゲートトレンチと前記ダミートレンチとはほぼ同じ深さを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記第2のベース層の表面に形成され、前記第2のベース層よりも高不純物濃度を有する高不純物領域をさらに具備し、前記所定のベース領域においては前記高不純物領域に前記エミッタ電極がコンタクトしていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記複数のベース領域のうち所定のベース領域にのみ形成され、前記第2のベース層よりも高不純物濃度を有し、前記エミッタ電極がコンタクトした高不純物領域をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記所定のベース領域は、前記複数のベース領域のうちで2つ以上の一定間隔で選択された領域であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記所定のベース領域は、前記複数のベース領域のうちで1つおきに選択された領域であり、前記エミッタ層が形成されていないベース領域には前記ゲートトレンチが存在しないことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記ダミートレンチの内部は前記ゲートトレンチ電極と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記ダミートレンチの内部は、絶縁膜が埋め込まれていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記ダミートレンチの内部は、ダミーゲート絶縁膜を介してポリシリコンが埋め込まれていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記第2の主電極は、前記コレクタ層上に設けられていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 第1導電型の第1のベース層と、
前記第1のベース層の一方の表面に形成された第2導電型の第2のベース層と、
前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように形成された複数のゲートトレンチの内部にそれぞれゲート絶縁膜を介して埋め込まれた複数のトレンチゲート電極と、
前記第2のベース層において前記複数のゲートトレンチ相互間に位置する複数のベース領域のうちで間欠的に選択された所定のベース領域の表面に前記ゲートトレンチに接して形成された第1導電型のエミッタ層と、
前記第1のベース層の他方の表面上に形成された第2導電型のコレクタ層と、前記エミッタ層および前記所定のベース領域にコンタクトするように設けられた第1の主電極と、
前記コレクタ層に電気的に接続された第2の主電極と、
前記エミッタ層に接して形成された前記ゲートトレンチの前記エミッタ層側とは反対側の側面部および底面に接するように形成された第2導電型の拡散領域
とを具備することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。 - 前記拡散領域は、前記ゲートトレンチの底部を挟んで前記ダミートレンチ側の側面部とその反対面側とで拡散分布状態が非対称であることを特徴とする請求項15記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記拡散領域は、前記第1のベース層の領域内で前記第2のベース層に接するように形成されていることを特徴とする請求項15または16記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 第2導電型のコレクタ層上に形成された第1導電型の第1のベース層の一方の表面に選択的に第2導電型の第2のベース層を形成する工程と、
前記第2のベース層の表面で間欠的に選択した位置に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、
前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように複数のゲートトレンチを形成すると同時に、前記複数のゲートトレンチのうちの前記エミッタ層に接するゲートトレンチに近接して前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するようにダミートレンチを形成する工程と、
前記ダミートレンチの底面部に不純物イオンを打ち込む工程と、
前記ゲートトレンチとダミートレンチの内面にそれぞれゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲートトレンチとダミートレンチの内部にそれぞれトレンチゲート電極材を埋め込む工程
とを具備することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 - 第2導電型のコレクタ層上に形成された第1導電型の第1のベース層の一方の表面に選択的に第2導電型の第2のベース層を形成する工程と、
前記第2のベース層の表面で間欠的に選択した位置に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、
前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するように複数のゲートトレンチを形成すると同時に、前記複数のゲートトレンチのうちの前記エミッタ層に接するゲートトレンチに近接して前記第2のベース層の表面から前記第1のベース層まで達するようにダミートレンチを形成する工程と、
前記ゲートトレンチの内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲートトレンチの内部にトレンチゲート電極材を埋め込む工程と、
前記ダミートレンチの底面部に不純物イオンを打ち込む工程と、
前記ダミートレンチの内部に絶縁膜を埋め込む工程
とを具備することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
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