JP2005236229A - 高逆耐圧ｉｇｂｔの構造とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】逆耐圧の高いＩＧＢＴが安価に生産できるような製造方法と，ＩＧＢＴの構造。
【解決手段】エミッタとｐ型領域のコレクタ及び，制御電極とによって機能を発揮させているＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子における，制御電極とエミッタからなるセル部を取り囲むように環状に形成されるｎ型半導体ＥＱＲ（等電位リング）を形成し，さらに，単位素子毎の周辺部位の全厚みに亘って不純物拡散法などによって，ｐ型分離領域を形成した。
【選択図】 図１。

Description

本発明は，ＩＧＢＴの構造に関し，逆耐圧を改善したＩＧＢＴが安価に製造出来るようにしたＩＧＢＴの構造と製造方法に関する。

ＩＧＢＴ素子の耐圧向上に関する技術が開示された文献として特許文献１，２がある。

「特開平０７−１１５１８９」公報。「発明の名称：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ」の（段落０００９）に「Ｂ領域の最外周に位置するガードリングの第五半導体層から特定の距離，即ち第三半導体層の濃度によって決まる距離であって，空乏層形成時の雪崩崩壊の臨界電圧に至る前に前記空乏層が前記第六半導体層に到達する距離ＬＰだけ離れた位置に第六半導体層が設けられ，さらに第六半導体層と接触部を有する金属電極が設けられ，この金属電極とドレイン電極が電気的に接続されているので，ドレイン電圧が上昇して第五半導体層近傍でアバランシェブレークダウンの発生が抑制され，アバランシェ耐量が向上する。」と記述されている。但し，ここでＢ領域とは，セル領域（主機能の作用部位）の終端から第二半導体層に終端に至る領域を言う。

「特開平６−５８６６」公報。「発明の名称：半導体デバイス及びその製造法」の（段落０００８）に製造法が次のように開示されている。「１．単結晶シリコンＰ＋＋基板の上に固有抵抗がこれより遥かに高い薄層をエピタキシャル成長させる。２．シリコンを熱酸化処理でSiO2層を形成する。３．この酸化処理された層の側部全周囲をホトエッチング法で除去する。４．サイドフレームに２×１０の14乗原子/cm2乗の量のホウ素を80KeVのエネルギーで注入する。５．このホウ素を拡散させて領域５を形成する。６．ついで表面酸化物層３を除去する。７．リンをドープしたシリコン層（Ｎ−）を新たにエピタキシャル成長させ形成する，この層の厚みで降伏電圧が決まる。８．シリコン酸化物層７を熱酸化処理で形成する。この工程終了時には，前記ホウ素注入個所が拡散し頂部-底部隔離する。９．以上の工程にプラスして図４ｄから出発し図４ｃの場合と同じ新規のホトエッチング処理を行い。ついで１０．サイドフレームにホウ素を注入し，１１．非酸化拡散し，酸化物層を除去し，１２．新規にエピタキシャル層を成長させ，１３．酸化処理する。」以上の工程で逆耐圧１，２００Ｖまでの高い特性が得られると記載されている。以上の工程のフローを図３に示した。

しかし、特許文献１のような従来の構造では，交流電圧が掛からない使用条件での半導体装置には用いられるが，用途が商用交流の電力回路のスイッチとして用いるような過酷な使用に充分耐える，正逆両方向とも耐電圧１０００Ｖオーダーの，ＩＧＢＴは製作することが出来なかった。一方，特許文献２の製造法によれば耐電圧１２００Ｖ（正逆方向）のＩＧＢＴを製作できることが開示された。特許文献２の製造法をフローに要約して図３に示したが，製造法が複雑で工数が多いからコストが高くなって大量生産に向かない難点があった。商業ベースに合うＩＧＢＴ応用機器の製造の際に，従来の逆耐圧の低い（０．７ボルト程度）ＩＧＢＴを交流回路のスイッチとして使用する場合には，図５に示すようにＩＧＢＴに直列にダイオードを接続して逆電圧をダイオードに荷担させていた。特許文献１のＩＧＢＴ素子の断面構造は図４に示したが，正方向の耐圧は改善されたが逆方向の耐圧は交流回路にそのままで使用できるように高耐圧にはならなかった。

逆耐圧の高いＩＧＢＴが，安価に生産できるような方法で完成させる事が出来て，量産に適した製品構造にすることがこの発明の目的である。製造の工程としては出来るだけ少ない工程で，高逆耐圧ＩＧＢＴが製造できる製造方法を提供することもこの発明の目的である。

量産性に富み，品質ばらつきが少なくて，良品率が高くて安価に製作できる構造の，高逆耐圧のＩＧＢＴの構造及び製造方法を提供することが課題である。

請求項１に関しては，上記課題を解決するために第１導電型（ｐ型）半導体基板と，該基板上にエピタキシャル成長させた反対導電型の第２層と，第２層に接続されたエミッタ電極と該基板に設けたコレクタ電極の二つの主電極及び制御電極を備え，エミッタ電極と制御電極とから形成されるセル部を有し，該制御電極に入力される電圧に応じて該二つの主電極に流れる電流が制御されるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子において，エミッタ電極を有する第二層表面から素子の厚さ方向に伸びてセル部を囲むリング状に形成したｎ型半導体ＥＯＲ（等電位リング）を形成し，該半導体基板のＩＧＢＴ単位素子の外周面全域に亘ってＰ型分離領域を設けたＩＧＢＴの構造とした。

請求項２に関しては，
ｐ型半導体基板（第一層）上面にエピタキシャル成長によりｎ層（第二層）を形成する工程Ａ，エミッタ側平面上に所望の形状にゲート酸化膜（第一絶縁層）を形成する工程Ｂ，第一絶縁層の上に該形状にゲートを形成する工程Ｃ，ゲート電極を覆う絶縁層（第二絶縁層）を堆積させて形成する工程Ｄ，第二層に所定の形状にｐ層（第三層）を不純物拡散により形成する工程Ｅ，第三層にｎ層（第四層）を不純物拡散により形成する工程Ｆ，第三層，第四層を短絡させつつ両層に接続してエミッタ電極を形成する工程Ｇ，第二絶縁層に孔を設けてゲート電極を導出するよう形成する工程Ｈ．ｐ型半導体基板（第一層）の下面にコレクタ電極を形成する工程Ｉ，以上の工程からなるＩＧＢＴの製造工程において，工程Ａの後に，特徴的な工程として，ＩＧＢＴ単位素子の外周領域に第１導電型半導体（ｐ型）分離領域を形成する為に，ダイシングの後にＩＧＢＴ単位素子の外周となる部位に対して，工程Ａに続けて，第一層と第２層とを含む主平面の上下からホウ素を注入，拡散させる工程を設けたＩＧＢＴの製造方法とした。

本発明による製造方法とＩＧＢＴの構造によれば，従来の０.７ボルト程度であった逆方向耐圧が１，０００ボルトの性能で安定的に量産できた。しかも開示された特許文献２による工程に比べて格段に少ない工程で完成できたので安価に提供できる。

逆耐圧を大幅に改善できたので，このＩＧＢＴを組み込んだ電気機器が従来は（図５のように）必要であった直列ダイオードが不要となった。さらに従来，直列に接続していたダイオードの正方向降下電圧が約１．５ボルトであったからダイオードの内部消費される電力損失が，例えば，使用電流１００アンペアのときでは，１５０ワットだけ余分に消費して発熱していたので，この為に必要な放熱器の体積が大きくなる欠点があった，前記電気機器の電力効率がその分だけ余計に低下していた。これらの欠点が排除できた。

本発明による実施の形態を図１に構造図で示して説明する。１は半導体基板であり，これにエミッタ電極２及びコレクタ電極３からなる二つの主電極と，制御電極４とエミッタからなるセル部３０とによって機能を発揮するＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子が形成される。セル部３０を取り囲むように環状に形成されるｎ型半導体ＥＱＲ（等電位リング）５とｐ型半導体ＦＬＲ（フィールドリミティングリング）６で逆耐圧を荷担していたところを，接合端部１１に耐電圧を荷担させるためのｐ型分離領域９を不純物拡散法などによって形成した。

次にセル部を形成するｐ型接合部にｎ型接合部を形成してメタル電極材でエミッタ電極２を形成する。エミッタ電極２の周囲は絶縁物である酸化膜１０を形成して耐電圧の荷担に寄与させる。半導体基板１の，他方の平面のｐ型コレクタ３０にメタル電極のコレクタ電極３を形成する。以上でＩＧＢＴ素子が完成し，素子の厚み方向の断面で示した構造図が図１であり，同様に示した従来例が図４である。共通の部分については同じ呼号を付与した。従来例の図４において第二層に設けたｐ型半導体ＦＬＲ（フィールドリミティングリング）６で逆耐圧を荷担するのを，更に効果を高める例としては第二層外周にｎ型半導体によるＥＱＲ（等電位リング）５を形成して後，該ＥＱＲ５の表面に金属層を形成してコレクタ金属電極に金属で接続する構造が，前記特許文献１で提案されている。このような金属で接続する困難を伴う余分な工程は，本発明のＩＧＢＴでは不要である。

本発明による実施の形態の工程をフローで図２に示し，以下に説明する。第１導電型（ｐ型）の半導体基板（第一層）上面にエピタキシャル成長により（第２導電型半導体）ｎ層（第二層）を形成し陽極接合を構成する工程Ａ，セル部を形成する為に，エミッタ側平面上に所望の形状にゲート酸化膜（第一絶縁層）を形成する工程Ｂ，第一絶縁層の上に該形状にゲートを形成する工程Ｃ，ゲート電極を覆う絶縁層（第二絶縁層）を堆積させて形成する工程Ｄ，第二層に所定の形状に（第１導電型半導体）ｐ層（第三層）を不純物拡散により形成する工程Ｅ，第三層に（第２導電型半導体）ｎ層（第四層）を不純物拡散により形成する工程Ｆ，第三層，第四層を短絡させつつ両層に接続してエミッタ電極を形成する工程Ｇ，第二絶縁層に孔を設けてゲート電極を導出するよう形成する工程Ｈ．（第１導電型半導体）ｐ型半導体基板（第一層）の下面にコレクタ電極を形成する工程Ｉ，以上の工程からなるＩＧＢＴの製造工程において，特徴的な工程は次に述べる。

ダイシングして完成した時のＩＧＢＴ素子外周となる部位に対して，第１導電型半導体（ｐ型）分離領域を形成する為に，この部位に対して，ダイシング前の工程Ａに続けて基板と第二層を含む両面（主平面）の上下からホウ素を注入，拡散させる工程を具備する事を特徴としたＩＧＢＴ素子の製造方法とした。

「特開平６−５８６６」公報に開示されている従来の工程である図３と，本発明による実施の形態の工程である図２とを比較してみると，大幅に工程が短縮されたので，それだけ製造コストが安価になった。

この発明によるＩＧＢＴを組み込んだ最終製品（前記電気機器）の小型化に寄与し，稼動中の電力損失が不要になった直列ダイオードの分だけ削減でき，省エネルギーと省資源に貢献し，製品コストが削減できたので産業上の貢献度が高い。

本発明による一実施形態の構造図 本発明による製造工程図 従来技術による製造工程図 従来のＩＧＢＴの構造図 従来のＩＧＢＴを使用した回路図

符号の説明

１ 半導体基板（第一層）
２ エミッタ電極
３ コレクタ電極
３０ セル部
５ ｎ型ＥＱＲ
６ ｐ型ＦＬＲ
８ ｎ層（第二層）
９ ｐ型分離領域
１０ 酸化膜
１１ 陽極接合
Ｑ１，Ｑ２ 従来のＩＧＢＴ
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード

Claims (2)

1. 第１導電型（ｐ型）の半導体基板と，該基板上にエピタキシャル成長させた反対導電型の第２層と，第２層に接続されたエミッタ電極と該基板に設けたコレクタ電極，及び第２層上に絶縁層を介して接続された制御電極を備え，エミッタ電極と制御電極とで形成されるセル部を有し，該制御電極に入力される電圧に応じてコレクタ電極に流れる電流が制御されるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）素子において，前記エミッタ電極を有する第２層表面から素子の厚さ方向に伸びて，セル部を囲むリング状に形成されたｎ型半導体ＥＯＲ（等電位リング）を有する前記半導体素子がダイシングされた後に単位素子の外周となる部位全体に亘ってＰ型分離領域が設けられたことを特徴とするＩＧＢＴの構造。
   
2. 第１導電型（ｐ型）の半導体基板（第一層）上面にエピタキシャル成長により（第２導電型半導体）ｎ層（第二層）を形成し陽極接合を構成する工程Ａ，セル部を形成する為に，エミッタ側平面上に所望の形状にゲート酸化膜（第一絶縁層）を形成する工程Ｂ，第一絶縁層の上に該形状にゲートを形成する工程Ｃ，ゲート電極を覆う絶縁層（第二絶縁層）を堆積させて形成する工程Ｄ，第二層に所定の形状に（第１導電型半導体）ｐ層（第三層）を不純物拡散により形成する工程Ｅ，第三層に（第２導電型半導体）ｎ層（第四層）を不純物拡散により形成する工程Ｆ，第三層，第四層を短絡させつつ両層に接続してエミッタ電極を形成する工程Ｇ，第二絶縁層に孔を設けてゲート電極を導出するよう形成する工程Ｈ．（第１導電型半導体）ｐ型半導体基板（第一層）の下面にコレクタ電極を形成する工程Ｉ，以上の工程からなるＩＧＢＴの製造工程において，特徴的な工程として単位素子の外周領域に第１導電型（ｐ型）分離領域を形成する為に，単位素子の外周となる位置に対して，ダイシングの前に工程Ａに続けて第一層と第二層を含む主平面の上下からホウ素を注入，拡散させる工程Ａ２を具備する事を特徴としたＩＧＢＴ素子の製造方法。

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