JP4791704B2 - 逆導通型半導体素子とその製造方法 - Google Patents
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Description
また、リカバリー動作時において、チップの外周領域にある接合終端領域に蓄積されたキャリアがセル部分との境界領域において電流集中を引き起こして、チップが破壊してしまうという問題があった。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードとが第1導電型半導体からなる基板に一体で形成された逆導通型半導体素子であって、
上記転流ダイオードは、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成するために上記基板の一方の面に第2導電型の不純物をドープすることにより形成された第2導電型ベース層と上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成する上記第1導電型半導体からなる第1導電型ベース層とを含み、上記基板の一方の面において上記第2導電型ベース層の一部に形成された第1導電型エミッタ層と上記第2導電型ベース層とを覆うように形成されたエミッタ電極をアノード電極とし、上記基板の他方の面において上記第1導電型ベース層とその第1導電型ベース層の一部に形成された第2導電型コレクタ層を覆うように形成されたコレクタ電極をカソード電極として構成され、上記第1導電型ベース層の一部に、その一部を除く他の第1導電型ベース層に比較してキャリアのライフタイムが短い低ライフタイム領域が上記第1導電型ベース層の中央部より上記一方の主面寄りに形成されかつ上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと上記転流ダイオードとが形成された動作領域の周りに電界緩和領域が形成されており、その電界緩和領域に位置する上記第1導電型半導体は上記動作領域における上記低ライフタイム領域を除く第1導電型半導体に比較してキャリアのライフタイムが短い領域であることを特徴とする。
実施の形態1.
本発明に係る実施の形態1の逆導通型半導体素子は、N型半導体(例えば、N型シリコン)からなる基板1に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードとが一体で形成された逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、以下のように構成される(図1)。
(1)P型ベース層2、(2)そのP型ベース層2の一部にN型不純物をドープすることにより形成されたN+型エミッタ層8、(3)P型ベース層2においてN+型エミッタ層8の間にさらにP型不純物をドープすることにより形成したP+型コンタクト層9、(4)P型ベース層2、N+型エミッタ層8及び基板1のN型半導体に接するように形成されたゲート絶縁膜10、(5)ゲート絶縁膜10を介してP型ベース層2、N+型エミッタ層8及び基板1のN型半導体に対向するように形成されたゲート電極11、(6)ゲート電極11とは層間絶縁膜12により絶縁されN+型エミッタ層8とP+型コンタクト層9とに接するように形成されたエミッタ電極7と、
基板1の他方の面に形成された、(7)P型コレクタ層3、(8)そのP型コレクタ層3に接するように形成されたコレクタ電極6とを含み、
基板1のN型半導体をN型ベース層1aとすることによって構成されている。
尚、基板1の一方の面側におけるゲート電極構造等の詳細については、製造方法の説明により明らかにする。
また、N+型エミッタ層8における「N+型」は、基板1のN型半導体よりN型不純物の濃度が高いことを示し、P+型コンタクト層9における「P+型」は、P型ベース層2よりP型不純物濃度が高いことを示している。
図1の逆導通型半導体素子において、ゲート11にしきい値以上の正バイアスを印加して、エミッタ電極7と裏面コレクタ電極6間に所定の電圧(エミッタ電極<裏面コレクタ電極)を印加すると、絶縁ゲートバイポーラトランジスタがON状態となり、N型ベース層1a、P型ベース層2及びN+型エミッタ層8を経由して導通する。この時、転流ダイオードは逆バイアスとなるので、オフ状態にある。
本実施の形態1では、P型ベース層2の直下から基板の中央にかけて、ライフタイムの低い低ライフタイム領域5があるため、ライフタイム制御を行わない場合に比べ逆方向への導通状態でのキャリア密度が減少している。したがって、リカバリー動作において掃き出されるキャリアの量を少なくでき、逆回復電流の絶対値を抑えることが出来る。
尚、ヘリウム照射の複数の点は、ヘリウム照射の条件を変えたものである。また、ヘリウム照射の深さはN型ベース層の中央よりも表面側(P型ベース層2より)としている。ヘリウム照射を行うと、VFが増加するもののリカバリーピーク電流(Irr)は小さくなることが判る。
第1工程.
第1工程では、N型シリコンからなる基板1を準備し、その基板1の一方の主表面からP型不純物を注入、拡散することでP型ベース層2を形成する(図5)。
第2工程.
第2工程では、P型ベース層2の表面からN型不純物を選択的に注入、拡散することで、N+型エミッタ層8を形成する(図6)。
第3工程.
第3工程では、N+型エミッタ層8とP型ベース層2を貫通し基板1のN型半導体層まで達する溝を形成し、その溝の表面に絶縁ゲート膜10(トレンチ型絶縁膜)を形成する(図7)。
第4工程.
第4工程では、トレンチ形状の絶縁ゲート膜10上に導電体であるポリシリコンからなるゲート電極11を形成する(図8)。
第5工程では、N+型エミッタ層8の間のP型ベース層2の表面にP型不純物を選択的に注入又は拡散させてP+型コンタクト層9を形成し、さらにゲート電極11を覆うように層間絶縁膜12を形成した後、N+型エミッタ層8とP+型コンタクト層9とに接するようにエミッタ電極7を形成する(図9)。
第6工程.
第6工程では、基板1の他方の主表面にP型不純物を選択的に注入又は拡散させ、基板1の他方の主表面にP型コレクタ層3を形成する(図10)。
第7工程.
第7工程では、基板1の他方の主表面において、P型コレクタ層3の間の領域にN型不純物を選択的に注入又は拡散させ、基板1の他方の主表面にN型不純物の濃度がN型ベース層より高いN+型半導体からなるカソード層4を形成する(図11)。
尚、N+型半導体からなるカソード層4は、コレクタ電極6とのオーミック接触抵抗を下げるために形成されるものである。
第8工程では、基板1の他方の主表面に、P型コレクタ層3及びカソード層4とにオーミック接触するコレクタ電極6を形成する(図12)。
第9工程.
第9工程では、基板1の一方の主表面側からヘリウムを照射して、N型ベース層1aの内部に局所的にライフタイムの短い低ライフタイム領域(ヘリウム照射領域)5を形成する(ライフタイム制御)。
尚、このライフタイム制御工程において、ヘリウムの飛程は、低ライフタイム領域5がN型ベース層1aの中央部より一方の主表面寄りに形成されるように調整することが好ましく、ヘリウムの照射量は、Vfの上昇をより効果的に抑えつつ所望の回復特性が得られるように設定される。
本実施の形態1では、ヘリウム照射により低ライフタイム領域5を形成しているので、所望の位置に確実に低ライフタイム領域5を形成することができる。
以上の工程により実施の形態1の逆導通型半導体素子を作製できる。
尚、実施の形態1では、n型を第1導電型としp型を第2導電型としたが、本発明はこれに限られるものではなく導電型を逆にしてもよい。
以下、図14を参照しながら、本発明に係る実施の形態2の逆導通型半導体素子について説明する。
この実施の形態2の逆導通型半導体素子は、N型半導体からなる基板1に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードとが一体で形成された逆導通型半導体素子であって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードが一体で形成されている動作領域100の周りに、動作時における周辺部の電界を緩和する接合部終端構造を有する電界緩和領域200を形成したものである。
尚、実施の形態2の逆導通型半導体素子において、動作領域100は、低ライフタイム領域5が形成されていない点を除いて、実施の形態1と同様に構成されているので、動作領域100の詳細の説明は省略する。また、図14において、図1と同様のものには同様の符号を付して示す。
また、各P型ウェル層13の上にはそれぞれ互いに分離された電極15が形成され、それら複数のP型ウェル層13及び電極15を覆うように保護膜16が形成されている。このように、複数のP型ウェル層13を用いて構成された接合部終端構造からなる電界緩和領域200は、動作領域100の端部に集中するであろう電界を、外側に向かって徐々に減少させて動作領域100の端部における破壊を防止している。
尚、電界緩和領域200の接合部終端構造は、複数のP型ウェル層を形成した構造に限られるものではなく、中間的な濃度のP型層を形成したリサーフ構造などの他の電界緩和構造を用いてもよい。
すなわち、転流ダイオードが導通している逆方向導通動作時に電界緩和領域200のN型半導体(基板のN型半導体)に蓄積されたキャリアが、順方向阻止動作に切り替わったときに(転流ダイオードの回復動作時)P型ベース層2に流れ込むことによる動作領域100の端部の破壊は防止することはできない。
尚、動作領域100における絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードによる逆導通半導体素子の動作は、実施の形態1と同様であるから基本動作説明は省略する。
まず、逆導通型半導体素子が逆方向にオン(すなわち、転流ダイオードがオン)しているときにはN型半導体層にキャリアが多く蓄積される。キャリアが多くたまった状態で切り換え(リカバリー動作)を行なうと、キャリアが多くたまった状態で逆バイアスがかかることになるので、N型半導体層に蓄積されたキャリアは、ホールが動作領域100の端部のPベース領域2に、電子がコレクタ領域4に引き出されて、大きな逆回復電流(リカバリー電流)が流れる。このリカバリー動作の際、図14のように構成された逆導通型半導体素子では、P型ベース層2の接してエミッタ領域8が形成されているので、寄生サイリスタが構成されており、その寄生サイリスタのラッチアップ動作による破壊が起こる場合がある。
これにより、実施の形態2では、転流ダイオードのリカバリー動作時における破壊を抑制することが出来る。
第1工程.
第1工程では、N型シリコンからなる基板1を準備し、Pウェル層13を形成する部分に開口部を有するマスク14を形成して、マスク14の開口部を介してP型不純物を選択的に注入して、Pウェル層13を形成する。尚、P型不純物を選択的に拡散させることによりPウェル層13を形成してもよい(図17)。
第2工程では、動作領域100上に位置するマスク14を除去して、その除去した部分にP型不純物を、選択的に注入又は拡散させることにより、P型ベース層2を形成する(図18)。
第3工程.
第3工程では、P型ベース層2の表面からN型不純物を選択的に注入、拡散することで、N+型エミッタ層8を形成する(図19)。
第4工程.
N+型エミッタ層8とP型ベース層2を貫通し基板1のN型半導体層まで達する溝を形成し、その溝の表面に絶縁ゲート膜10(トレンチ型絶縁膜)を形成する(図20)。
第5工程.
トレンチ形状の絶縁ゲート膜10上に導電体であるポリシリコンからなるゲート電極11を形成する(図21)。
第6工程では、N+型エミッタ層8の間のP型ベース層2の表面にP型不純物を選択的に注入又は拡散させてP+型コンタクト層9を形成し、さらにゲート電極11を覆うように層間絶縁膜12を形成した後、N+型エミッタ層8とP+型コンタクト層9とに接するようにエミッタ電極7を形成し、Pウェル層13の上にそれぞれ電極15を形成する(図22)。
第7工程.
第7工程では、電界緩和領域200の基板1の表面に、Pウェル層13と電極15等を覆うように保護膜16を形成する(図23)。
第8工程.
第8工程では、基板1の他方の主表面にP型不純物を選択的に注入又は拡散させ、基板1の他方の主表面にP型コレクタ層3を形成する(図24)。
第9工程.
第9工程では、基板1の他方の主表面において、P型コレクタ層3の間の領域にN型不純物を選択的に注入又は拡散させ、基板1の他方の主表面にN型不純物の濃度が高いN型層からなるカソード層4を形成し、基板1の他方の主表面に、P型コレクタ層3及びカソード層4とにオーミック接触するコレクタ電極6を形成する(図25)。
第10工程では、第1の主表面側から動作領域100を除く電界緩和領域200に電子線を照射して、電界緩和領域200に対して選択的にライフタイム制御を行なうことで、低ライフタイム領域17を形成する(図26)。
第10工程では、電子線を照射することにより、低ライフタイム領域17を形成しているので、所望のライフタイムに制御された低ライフタイム領域17を形成することができる。
以上の工程により図14の実施の形態2の逆導通型半導体素子が作製される。
尚、実施の形態2では、n型を第1導電型としp型を第2導電型としたが、本発明はこれに限られるものではなく導電型を逆にしてもよい。
本発明に係る実施の形態3の逆導通型半導体素子は、実施の形態2の逆導通型半導体素子においてさらに、ヘリウムを照射して実施の形態1と同様の低ライフタイム領域5を形成した以外は、実施の形態2と同様に構成される(図27)。
すなわち、P型ベース層2とN型ベース層1aとを共通要素として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードを一体で構成してN型ベース層1aの一部に低ライフタイム領域5を形成したことにより、転流ダイオードの回復特性を良好にできる。
また、電界緩和領域200にあるN型半導体層を低ライフタイム領域17とすることにより、リカバリー動作時における動作領域100の端部の逆回復電流(リカバリー電流)を小さくでき、寄生サイリスタのラッチアップ動作による破壊を防止できる。
Claims (6)
- 絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードとが第1導電型半導体からなる基板に一体で形成された逆導通型半導体素子であって、
上記転流ダイオードは、
上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成するために上記基板の一方の面に第2導電型の不純物をドープすることにより形成された第2導電型ベース層と上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成する上記第1導電型半導体からなる第1導電型ベース層とを含み、
上記基板の一方の面において上記第2導電型ベース層の一部に形成された第1導電型エミッタ層と上記第2導電型ベース層とを覆うように形成されたエミッタ電極をアノード電極とし、
上記基板の他方の面において上記第1導電型ベース層とその第1導電型ベース層の一部に形成された第2導電型コレクタ層を覆うように形成されたコレクタ電極をカソード電極として構成され、
上記第1導電型ベース層の一部に、その一部を除く他の第1導電型ベース層に比較してキャリアのライフタイムが短い低ライフタイム領域が上記第1導電型ベース層の中央部より上記一方の主面寄りに形成されかつ、
上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと上記転流ダイオードとが形成された動作領域の周りに電界緩和領域が形成されており、その電界緩和領域に位置する上記第1導電型半導体は上記動作領域における上記低ライフタイム領域を除く第1導電型半導体に比較してキャリアのライフタイムが短い領域であることを特徴とする逆導通型半導体素子。 - 上記コレクタ電極は、上記第1導電型ベース層より第1導電型の不純物が多くドープされたカソード層を介して上記第1導電型ベース層に接続されている請求項1記載の逆導通型半導体素子。
- 上記第1導電型エミッタ層は、上記第2導電型ベース層の一部に第1導電型の不純物をドープすることにより形成されており、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのゲート電極は、上記第1導電型エミッタ層と上記第2導電型ベース層を貫通して形成された溝の内部に絶縁ゲート膜を介して形成されている請求項1又は2記載の逆導通型半導体素子。
- 上記低ライフタイム領域は、ヘリウム照射により形成された請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の逆導通型半導体素子。
- 上記ライフタイムが短い領域は、電子線照射により形成された請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の逆導通型半導体素子。
- 絶縁ゲートバイポーラトランジスタと転流ダイオードとが第1導電型半導体からなる基板の動作領域に一体で形成された逆導通型半導体素子の製造方法であって、
上記基板の動作領域における一方の面に第2導電型の不純物をドープすることにより第2導電型ベース層を形成する工程と、
上記第2導電型ベース層の一部に第1導電型不純物をドープすることにより第1導電型エミッタ層を形成する工程と、
上記第2導電型ベース層上と第1導電型エミッタ層上にエミッタ電極を形成する工程と、
上記基板の少なくとも動作領域における他方の面の一部に第2導電型の不純物を選択的にドープすることにより第2導電型コレクタ層を形成する工程と、
上記基板の少なくとも動作領域における他方の面の上記一部を除く部分に第1導電型の不純物を選択的にドープすることによりカソード層を形成する工程と、
上記第2導電型ベース層を越える飛程でヘリウムを基板内部に照射して、上記第1導電型半導体からなる第1導電型ベース層の一部に、その一部を除く他の第1導電型ベース層に比較してキャリアのライフタイムが短い低ライフタイム領域を上記第1導電型ベース層の中央部より上記一方の主面寄りに形成するする工程と、
上記基板の動作領域の周囲に位置する上記第1導電型半導体に、電子線を照射する工程とを含むことを特徴とする逆導通型半導体素子の製造方法。
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