JP6026528B2 - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体デバイスの分野に関する。本発明は、請求項1のプリアンブルによる絶縁ゲート型バイポーラと、請求項16による製造方法とに関する。
図1は、プレーナ型ゲート電極を有する先行技術のIGBT120を示している。IGBT120は、4層構造を有するデバイスであり、それらの層は、エミッタ側11のエミッタ電極2とコレクタ側15のコレクタ電極25との間に配置されており、コレクタ側15は、エミッタ側11の反対側に配置されている。(n−)型にドープされたドリフト層8が、エミッタ側11とコレクタ側15との間に配置されている。p型にドープされたベース層5が、ドリフト層8とエミッタ電極2との間に配置されており、ベース層5は、エミッタ電極2に直接的に電気的接触する。n−型にドープされたソース領域7が、エミッタ側11に配置され、プレーナ型ベース層5内に埋め込まれ、エミッタ電極2に接触する。
プレーナ型ゲート電極31が、エミッタ側11の上部に配置されている。プレーナ型ゲート電極31は、第1の絶縁層34によって、ベース層5と、第1のソース領域7と、ドリフト層8とから電気的に絶縁されている。プレーナ型ゲート電極31とエミッタ電極2との間に配置された第3の絶縁層38が存在している。コレクタ側において、コレクタ層9が、ドリフト層8とコレクタ電極25との間に配置されている。
そのようなプレーナ型MOSセル設計は、BiMOSタイプスイッチ概念に適用されるときに、多数の欠点を示す。このデバイスは、複数の効果により、高いオン状態(on-state)損失を有する。プレーナ型設計は、横型MOSチャネルを提供し、横型MOSチャネルは、セルの近くのキャリアの拡がり(JFET効果とも称される)に悩まされている。したがって、プレーナ型セルは、低いキャリアエンハンスメント(carrier enhancement)を示す。そのうえ、横型のチャネル設計により、プレーナ型設計も、MOSチャネルから出ていく横方向の電子の拡がりに起因するホールドレイン効果(hole drain effect)(PNP効果)に悩まされている。セル間の領域は、PiNダイオード部のための強い電荷エンハンスメント(charge enhancement)をもたらす。しかし、このPiN効果は、セル実装密度が低い(ある面積内のセルが少ない)高電圧デバイスでプラスの影響を示すことが可能であるにすぎない。低減したチャネル抵抗を実現するために、プレーナ型デバイスは、より小さいセル実装密度で作製され、このことは、幅の狭いピッチ(2つのセルの間の距離)によってのみ補償され、それによって、PiN効果を低減させることが可能である。
高い損失は、n型にドープされたエンハンスメント層の導入によって低減されており、n型にドープされたエンハンスメント層は、プレーナ型ベース層を取り囲んでいる。
遮断機能に関して、プレーナ型設計は、セル内およびセル間の低いピーク電界(peak fields)により、良好な遮断機能を提供する。
プレーナ型設計は、ゲート電極の下方の大きいMOS蓄積領域と、関連する大きいキャパシタンスとを有することが可能である。それにもかかわらず、このデバイスは、ミラーキャパシタンス低減のために、セル間のフィールド酸化物タイプの層の適用により、良好な制御可能性を示す。したがって、良好な制御可能性、および低いスイッチング損失が、プレーナ型設計に関して実現されることが可能である。
そのうえ、プレーナ型設計内のセル密度は、要求される短絡電流に対して、容易に調節されることが可能である。
結果として、すべての上述の効果を考慮に入れると、先行技術のプレーナ型セルは、フィールド酸化物層を有する非常に幅の狭いセルと幅の広いピッチとを適用する。
プレーナ型設計の代替として、図2に示されているようなトレンチMOSセル設計を有する先行技術のIGBT130が導入されており、IGBT130では、トレンチゲート電極3が、第1の絶縁層34によって、ベース層5と、第1のソース領域7と、ドリフト層8とから電気的に絶縁されている。トレンチゲート電極3は、ベース層5と同じ平面に、および、ベース層5の横方向に配置されており、ベース層5よりも深くドリフト層8内へ延在している。
そのようなトレンチゲート電極設計であれば、オン状態損失がより低くなる。何故なら、トレンチ設計が、垂直型のMOSチャネルを提供し、垂直方向の強化された電子の注入をもたらし、セルの近くの電荷の拡がり(いわゆるJFET効果)に悩まされないからである。したがって、トレンチセルは、より低い損失のために、非常に改善されたキャリアエンハンスメントを示す。また、垂直型のチャネル設計により、トレンチは、MOSチャネルから出ていく改善された電子の拡がりに起因する、より小さいホールドレイン効果(PNP効果)ももたらす。トレンチの底部では、蓄積層が存在し、蓄積層は、PINダイオード部のための強い電荷エンハンスメントをもたらす。したがって、幅の広いおよび/または深いトレンチが、最適な性能を示す。トレンチ設計は、低減されたチャネル抵抗に対して、大きいセル実装密度を提供する。しかし、トレンチ設計は、高いピーク電界により、トレンチの底部角部の近くにおいて、より低い遮断機能に悩まされる。トレンチ設計は、大きいMOS蓄積領域と、関連のキャパシタンスとを有し、ミラーキャパシタンス低減のためにトレンチ内にフィールド酸化物タイプの層を適用するという困難を伴う。したがって、デバイスは、不十分な制御可能性と、高いスイッチング損失とを結果として生じる。そのうえ、トレンチ設計における高いセル密度は、高い短絡電流を結果として生じることになる。
上述の効果を低減させるために、トレンチゲート電極は、幅を広く、および、深くされており、一方で、セルは、幅を狭くされなければならず、損失が低減され、かつ、短絡電流が低く維持され得るようになっている。しかし、そのようなトレンチは、加工するのが難しく、依然として、不十分な制御可能性に悩まされることになる。
図3に示されているさらなる先行技術の概念では、ピッチ型(pitched)トレンチゲート電極300設計を有するIGBT140が適用されており、IGBT140では、MOS範囲が、セル間に挿入されている。2つのトレンチゲート電極3は、トレンチゲート電極と同じ材料から作製された層によって接続されており、それによって、ベース層の一部が配置される範囲を下方に形成するが、ソース領域、または、エミッタ電極へのベース層の接触は、このMOS範囲では利用可能でない。しかし、そのようなデバイスは、スイッチングの間にピッチ型範囲から広がる遅い電界(slow field)により、不十分な遮断特性と高いスイッチング損失とを結果として生じる(図3)。
図4に示されている別のアプローチでは、ダミートレンチセル110が、別の先行技術のIGBT150内へ導入されており、IGBT150では、アクティブセル100およびダミーセル110が、交互の様式で配置されている。ベース層5および第1のソース領域7は、ダミーセル110内のエミッタ電極2への接点を有していないが、ピッチ型トレンチ設計に関して述べられている問題と同様の問題が当てはまる。この設計に関して、オン状態損失を低減させるために、n型にドープされたエンハンスメント層が、ドリフト層8とベース層5との間に導入されることが可能である。
特開(JP)第2011−40586号では、トレンチゲート電極を有する別の先行技術のIGBT160が、説明されている。2つのアクティブトレンチ3の間には、上側に存在する同じ導電性のポリシリコン材料から作製されたプレーナ型層を有する浅いピッチ型トレンチ300が、配置されており、トレンチ300は、(図3に示されている)先行技術のIGBT140と同様のエミッタ電極2への接点を有していない。しかし、1つのベース層5が、アクティブセルに、および、浅いピッチ型トレンチ300の下方のピッチ型ゲート範囲に適用されるとき、ピッチ型ゲート電極300がベース層5内に埋め込まれているので、このベース層5は、さらに深くならなければならず、一方で、アクティブトレンチ3は、ベース層5よりも深い。異なる深さを有するそのようなトレンチ3、300と、深いp型ベース層5との製造は、アクティブトレンチ3とピッチ型トレンチとが別々に製造されなければならないので、非常に難しい。そのうえ、深いp型ベース層5は、アクティブトレンチ3に接続されており、それは、制御可能性の観点から、デバイスターンオン挙動に悪影響を有する。
本発明の目的は、オン状態損失およびスイッチング損失と、改善された遮断機能と、良好な制御可能性とを有し、先行技術のデバイスよりも製造が容易なパワー半導体デバイスを提供することである。
課題は、請求項1の特徴を有する半導体デバイスと、請求項16による製造方法とによって解決される。
本発明の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)は、エミッタ側のエミッタ電極と、エミッタ側の反対側のコレクタ側のコレクタ電極と、の間に層を有し、
− 第1の導電型のドリフト層と、
− 第1の導電型とは異なる第2の導電型のコレクタ層であって、ドリフト層とコレクタ電極との間に配置されており、コレクタ電極に電気的に接触する、コレクタ層と、
− ドリフト層とエミッタ電極との間に配置されており、エミッタ電極に電気的に接触しており、ドリフト層から完全に分離されている、第2の導電型のベース層と、
− 第1の導電型の第1のソース領域であって、ベース層の上にエミッタ側に向かって配置され、エミッタ電極に電気的に接触しており、ドリフト層よりも高いドーピング濃度を有している、第1のソース領域と、
− ベース層の横方向に配置されており、ベース層よりも深く、ドリフト層内へ延在しており、第1の絶縁層によって、ベース層と、第1のソース領域と、ドリフト層とから分離されている、第1のトレンチゲート電極であって、チャネルが、エミッタ電極と、第1のソース領域と、ベース層と、ドリフト層との間に形成可能である、第1のトレンチゲート電極と、
− エミッタ側において、第1のトレンチゲート電極の上部に配置されており、エミッタ電極から第1のトレンチゲート電極を電気的に絶縁する、第2の絶縁層と、
− 第1の導電型のエンハンスメント層であって、ベース層とドリフト層との間に配置されており、少なくともエミッタ側に平行な平面で、ドリフト層からベース層を分離する、エンハンスメント層と、
− 第2のトレンチゲート電極と、導電層とを備えるゲート電極であって、第2のトレンチゲート電極と導電層の両方が、接地されており、すなわち、エミッタ電極に電気的に接続されており、第2のトレンチゲート電極は、ベース層の横方向に配置されており、ベース層よりも深く、ドリフト層内へ延在しており、第2のトレンチゲート電極は、第3の絶縁層によって、取り囲む任意の層または領域(ベース層、エンハンスメント層、およびドリフト層)から分離されている。エンハンスメント層は、ベース層がドリフト層と第3の絶縁層とから分離されるように、ベース層を取り囲んでいる。導電層は、第2のトレンチゲート電極の外側に、少なくともベース層の上方の領域まで、カバーして横方向に延在している。導電層は、第4の電気的絶縁層によってベース層から分離されており、第4の電気的絶縁層は、エミッタ側に平行に、および、エミッタ側の上部に配置されている。導電層は、第2のトレンチゲート電極に接触する、ゲート電極と、
− エミッタ側において、第2のトレンチゲート電極の上部に配置されており、導電層がエミッタ電極に電気的に接触するように凹部を有している、第5の絶縁層と、
を備える。
本発明のIGBTは、静特性と動特性の両方に関して、良好な電気的特性を有する。
本発明は、エミッタ電極の電位を有するゲート電極を導入し、制御可能なトレンチを、設計されたアクティブチャネル領域に制限する。T−トレンチ形状を利用することによって、エミッタへの短絡が、かなりより容易になされ、より良好な平坦化(planarization)(電界)が、2つのアクティブセルの間に提供される。
また、エンハンスメント層自身も、オン状態損失が低減するという利点を有する。導電層は、「接地されて」いるので、すなわち、エミッタ電極に電気的に接続されているので、それは、ゲート回路内に容量効果を加えることによって、負の役割を果たすことはなく、したがって、改善されたスイッチングが、より低い損失と良好な制御可能性とともに得られる。
また、本発明のエミッタ側の構造も、多数の可能な組み合わせで、逆導通型設計のような他のIGBTデバイスタイプに適用されることが可能である。本発明の設計は、完全なまたは部分的なストライプに適切であるが、セル式の設計で実施することも可能である。
本発明のIGBTの作製に関して、異なる深さを有するトレンチのような複雑なステップは使用しない。
そのうえ、デバイスは、製造することが非常に容易である。何故なら、本発明の設計は、余分なマスクを導入する必要なく、ベース層と、エンハンスメント層と、ソース領域とのための自己整合されるプロセスに基づいて製造されることが可能であるからである。
本発明によるさらなる利点は、従属請求項から明らかになることになる。
本発明の主題は、添付の図面を参照して、より詳細に、以下の本文で説明されることになる。
先行技術によるプレーナ型ゲート電極を有するIGBTを示す図。 先行技術によるトレンチゲート電極を有するIGBTを示す図。 先行技術によるピッチ型トレンチゲート電極を有する別のIGBTを示す図。 先行技術によるダミーセルを有する別のIGBTを示す図。 先行技術によるピッチ型トレンチゲート電極を有する別のIGBTを示す図。 本発明によるIGBTの第1の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。 本発明によるIGBTの他の例示的な実施形態を示す図。
図において使用されている参照符号と、それらの意味とは、参照符号のリストにまとめられている。全体的に、同様の、または、同様に機能する部分には、同じ参照符号が与えられている。説明されている実施形態は、例を意味しており、本発明を限定するべきではない。
図6は、4層構造(pnpn)を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)1の形式の本発明のパワー半導体デバイスの第1の実施形態を示している。層が、エミッタ側11のエミッタ電極2とコレクタ側15のコレクタ電極25との間に配置されており、コレクタ側15は、エミッタ側11の反対側に配置されている。IGBT1は、以下の層を備える。
− (n−)型に低濃度ドープされたドリフト層8が、エミッタ側11とコレクタ側15との間に配置されている。例示的に、ドリフト層8は、一定の均一な低いドーピング濃度を有している。
− p型にドープされたコレクタ層9が、ドリフト層8とコレクタ電極25との間に配置されている。コレクタ層9は、コレクタ電極25に隣接して配置されており、コレクタ電極25に電気的に接触する。
− p型にドープされたベース層5が、ドリフト層8とエミッタ電極2との間に配置されている。ベース層5は、エミッタ電極2に直接的に電気的接触する。ベース層5は、ドリフト層8から完全に分離されている。そのことは、少なくとも1つの他のp型にドープされていない層が、中間に配置されているということを意味している。
− n型にドープされた第1のソース領域7が、ベース層5の上にエミッタ側11に向かって配置されており、エミッタ電極2に電気的に接触する。第1のソース領域7は、リフト層8よりも高いドーピング濃度を有している。第1のソース領域7がベース層5の上部に配置されているので、そのことは、第1のソース領域7が、エミッタ側11における表面に配置されているということを意味している。第1のソース領域7は、ベース層5内に埋め込まれ、両方の層が、エミッタ側11において共通の表面を有するようになっていることが可能である。
− 第1のトレンチゲート電極3、または、複数の、すなわち、少なくとも2つのトレンチゲート電極3が、ベース層5の横方向に配置されており、ベース層5よりも深く、エミッタ側11からドリフト層8内へ延在している。第1のトレンチゲート電極3は、第3の絶縁層(43)によって、取り囲む任意の層または領域(ベース層5、エンハンスメント層6、およびドリフト層8)から分離されており、エンハンスメント層(8)は、ベース層(5)がドリフト層(8)と第3の絶縁層(43)とから分離されるように、ベース層(5)を取り囲んでいる。チャネルが、エミッタ電極2と、第1のソース領域7と、ベース層5と、ドリフト層8との間に形成可能である。トレンチゲート電極は、セル式の設計、完全なまたは部分的なストライプのような、専門家に周知の任意の設計を有することが可能である。
− 第2の絶縁層32が、エミッタ側11において、第1のトレンチゲート電極3の上部に配置されている。第2の絶縁層32は、エミッタ電極2から第1のトレンチゲート電極3を絶縁する。
− n型にドープされたエンハンスメント層6(エンハンスメント層6は、ドリフト層8よりも高濃度ドープされている)が、ベース層5とドリフト層8との間に配置されている。エンハンスメント層6は、少なくとも、エミッタ側11に平行な平面で、ドリフト層8からベース層5を分離する。エンハンスメント層により、損失が低下させられる。
− 「接地された」ゲート電極4が、第2のトレンチゲート電極41と、導電層42とを備えており、第2のトレンチゲート電極41と導電層42の両方が接地されており、すなわち、エミッタ電極2の電位にある。第2のトレンチゲート電極41は、ベース層5の横方向に配置されており、ベース層5よりも深く、ドリフト層8内へ延在している。第2のトレンチゲート電極41は、それを取り囲む任意のドープされた層、すなわち、ベース層5と、エンハンスメント層6と、ドリフト層8とから、第3の絶縁層43によって分離されている。
導電層42が、第2のトレンチゲート電極41の外側に、少なくともベース層5の上方の領域まで、カバーして横方向に延在している。第2のトレンチゲート電極41は、導電層42に、機械的におよび電気的に接続されている。導電層42は、第2のトレンチゲート電極41に接触し、それによって、接地されている。第2のトレンチゲート電極41および導電層42は、任意の適切な導電性の材料から、典型的には、ポリシリコンまたは金属から、作製することが可能である。典型的には、それらは、同じ材料から作製されている。
例示的な実施形態では、第1のトレンチゲート電極3が、ドリフト層8内で第2のトレンチゲート電極41と同じ深さまで、エミッタ側11から延在している。
− 導電層42が、第4の電気的絶縁層44によってベース層5から分離されており、第4の電気的絶縁層44は、エミッタ側11の上部に、および、エミッタ側11に平行に配置されている。この第4の絶縁層44は、50nmから150nmと同じ程度に薄く選ばれることが可能であり、図3および図4に示されているデバイスのような先行技術のデバイスで使用される第2の絶縁層32よりも非常に薄くなっており、図3および図4に示されているデバイスは、500nmから1500nmの厚さを有する酸化ケイ素層の形式の第2の絶縁層32を有している。そのような薄い第4の絶縁層44を有することによって、キャパシタンスは、積極的に低減させられ、それによって、スイッチング機能が改善させられる。ドリフト層8は、第1および第2のトレンチゲート電極3、41の間の範囲において、第4の電気的絶縁層44に対して横方向に延在することが可能であり、エンハンスメント層8が、ドリフト層8によって、第3の絶縁層43から分離されるようになっている。
− 第5の絶縁層45が、エミッタ側11において、導電層42の上部に配置されている。第5の絶縁層45は、第4の絶縁層44の反対側に位置する層42の側に凹部47を有しており、導電層42が、エミッタ電極2に電気的に接触するようになっている。第5の絶縁層45は、第2の絶縁層32まで延在することが可能であり、すなわち、連続的な層が、第1のトレンチ電極3、第1のトレンチ電極3と第2のトレンチゲート電極4との間の領域をカバーすることが可能であり、かつ、凹部47を除いて第2のトレンチゲート電極4をカバーすることが可能である。
「横方向の」は、本明細書では、2つの層が同じ平面に配置されており、平面が、エミッタ側11に平行に位置しているということを意味するべきである。その平面内において、層は、互いに隣接して、または、ちょうど横方向に(近隣に、左右に)配置されており、一方、層は、互いに距離を有することが可能であり、すなわち、別の層が、2つの層の間に配置されることが可能であるが、それらは、直接的に互いに隣接して、すなわち、互いに触れていることも可能である。
また、図6には、第2のソース領域75も示されており、第2のソース領域75は、エミッタ側11において、第1のトレンチゲート電極3と第2のトレンチゲート電極41との間のベース層5の上に配置されている。例示的には、第2のソース領域75は、エミッタ電極2へのベース層5の接触領域から、ゲート電極4の下方の領域へ、横方向に延在している。例示的には、第2のソース領域75は、第1のソース領域7とともに作り出されており、したがって、製造の間のマスキングステップを低減させる。第2のソース領域75は、ドリフト層8よりも高いドーピング濃度を有しており、例示的には、第1のソース領域7と同じである。第2のソース領域は、いくつかの図において、点線によって示されている。何故なら、所望であれば、デバイスは、そのような第2のソース領域なしで作製することが可能であるからである。したがって、デバイスは、第1のトレンチゲート電極3の両側、すなわち、別の第1のトレンチゲート電極3に向かう側と、第2のトレンチゲート電極4の側に向かう側とにおいて、アクティブチャネルを有している。第2のトレンチゲート電極へ向かう側において、ベース層は、もう一方の側における場合と同様に、エミッタ電極2に接触しており、すなわち、第5の絶縁層45および第2の絶縁層32は、エミッタ電極2への接触のために、ベース層の接触開口部によって、互いに分離されている。
また、第2のソース領域75は、任意の他の本発明のデバイスにおいて、存在するか、または、存在しないことが可能である。このことは、特に、図7から図14に示されている任意のさらなる本発明のデバイスに当てはまる。デバイスがそのような第2のソース領域75を備えない場合には、ラッチアップ効果が低減する。
図6によるデバイスは、第1のトレンチゲート電極3の両側の(1つまたは複数の)第1のソース領域と、両側の(1つまたは複数の)第1のソース領域7と、両側の接触範囲とにより、トレンチゲート電極の両側において2つのアクティブチャネルを有しており、両側の接触範囲において、層5、7は、エミッタ電極2に電気的に接続されている(図では、トレンチゲート電極3において、矢印付きの線によって示されている)。これらのチャネルのうちの一方は、第1のトレンチゲート電極3と第2のトレンチゲート電極41との間に配置されており(図6では、2つの外側の矢印によって示されている)、したがって、デバイスが、低減されたオン状態損失およびスイッチング損失と、改善された遮断機能と、良好な制御可能性との利点を有しながら、コンパクトな設計を有することを可能にする。もう一方のチャネルが、2つの第1のトレンチゲート電極3間に配置されている(図6では、2つの外側の矢印によって示されている)。そのような設計に関して、製造プロセスの間に、絶縁層45が、第1および第2のゲート電極の間で部分的に除去され、ソース領域のための第3の粒子が、第1および第2のトレンチゲート電極の間に導入されることが可能であるようになっている。また、当然ながら、この設計に関して、第2の絶縁層45が、単に除去され、それが、依然として第1のトレンチゲート電極3をカバーし、したがって、第1のトレンチゲート電極3を、エミッタ電極2と、また、エミッタ電極2への導電層42の接触のための凹部47を除く導電層42とから、完全に分離するようになっている。したがって、横方向の側(エミッタ側11に垂直な導電層の側)において、導電層42は、エミッタ電極2から分離されている。そのような製造方法によって、エンハンスメント層6、およびベース層5、ならびにソース領域もが、自己整合され、すなわち、特別なマスクが適用される必要がなく、しかし、層(導電層)(すでにデバイスの一部である)は、これらの層の生成のためのマスクとして使用することが可能である。しかし、この設計は、ホールドレイン効果により、図7に開示されている設計よりも高いオン状態損失を有する。また、図6には、点線も示されており、点線において、図に示されている構造が、2つの点線の間に示されている構造を反映することによって、継続されることが可能である。同様に、図に示されているすべての構造を反映することが可能である。すべての他の図では、図に示されている構造は、示されている構造の複製によって継続されることが可能である。
図7から図14では、図6に示されているものと同様のIGBTが、開示されているが、これらのIGBTは、より詳細に以下に説明されているような顕著な特徴を備える。
図7に示されている本発明のIGBT、本発明のIGBT1では、第1のトレンチゲート電極3とゲート電極4との間の範囲は、第2および第5の絶縁層32、45によってカバーされている。この絶縁により、第1および第2のトレンチゲート電極3、41の間のベース層は、フローティングしており、このデバイス内のそれぞれの第1のゲート電極3において、1つのアクティブチャネルだけが存在している。ピッチ型領域内のホールの改善された蓄積と、エミッタセル領域内のより少ないホールドレインとにより、損失は、より低くなっている。
図7では、n型にドープされた第2のソース領域75が、エミッタ側11において、ベース層5の上に、および、第1のトレンチゲート電極3と第2のトレンチゲート電極41との間に横方向に配置されている。例示的には、任意選択の第2のソース領域75が、第1の電気的絶縁層31から、導電層42の下方の(および、ベース層5の上方の)領域へ、横方向に延在している。例示的には、第2のソース領域75は、第1のソース領域7とともに生成されており、したがって、製造の間に、マスキングステップを低減させる。第2のソース領域75は、ドリフト層8よりも高いドーピング濃度を有する。
図8は、n型にドープされたバッファ層85を備える別の本発明のIGBTを示しており、バッファ層85は、ドリフト層8よりも高いドーピング濃度を有しており、バッファ層85は、ドリフト層8とコレクタ層9との間に配置されている。
また、本発明のエミッタ側を有する設計は、逆導通型IGBTに適用することも可能であり、逆導通型IGBTでは、コレクタ層9と同じ平面において(すなわち、コレクタ側15において、および、コレクタ層9の横方向に)、n型にドープされた第1の領域95が、図9に示されているように配置されている。したがって、第1の領域95は、コレクタ層9と交互に配置されている。第1の領域95は、ドリフト層8よりも高いドーピング濃度を有している。
導電層42は、トレンチゲート電極41と同じ材料から作製することが可能である。エミッタ電極2と第2のトレンチゲート電極41とへのその接触によって、導電層42および第2のトレンチゲート電極41は、エミッタ電極2と同じ電位にある。したがって、層41、42は、第1のトレンチゲート電極3のように制御可能ではない。したがって、それらは、ゲートの上の増大された容量効果により、スイッチング性能に関して悪影響を有さない。
図6に示されているように、エンハンスメント層8は、第3の電気的絶縁層43まで横方向に延在しており、それは、ベース層5を完全に取り囲み、それによって、ドリフト層8と第3の絶縁層43とに向かって、ベース層5を完全に分離している。また、ベース層5のフローティング部分は、より低いキャパシタンス値のために、全体ピッチ領域を横切って延在はしない。
第2のトレンチゲート電極41に向かってベース層5を取り囲むエンハンスメント層6により、コレクタ−エミッタオン電圧Vceが、さらに低減させられ、その利点は、図10および図11の代替的な実施形態においても存在している。ベース層を取り囲むエンハンスメント層の製造は、導電層42が、エンハンスメント層とベース層との生成のためのマスクとして使用されることによってのみ、可能である。導電層42は、これらの層の自己整合された生成を可能にし、すなわち、特別なマスクが適用される必要はなく、それは、デバイスの構造に整合させられることが必要である。
別の代替例では、図10および図11に示されているように、ドリフト層8は、第1および第2のトレンチゲート電極3、41の間の範囲において、第4の電気的絶縁層44まで延在することが可能である。エンハンスメント層8は、ドリフト層8と第3の絶縁層43とに向かってベース層5を完全に取り囲んでいる。この実施形態では、ドリフト層8は、ウェーハの表面まで、すなわち、第4の絶縁層44まで延在しており、エンハンスメント層6および第3の絶縁層43が、ドリフト層8によって互いに分離されるようになっている。オン状態損失は、そのような配置によって低減させられることが可能である。図10は、第1のトレンチゲート電極3の両側にアクティブチャネルを有するデバイスを示しており(図6と同様)、一方、図11は、第1のトレンチゲート電極3において、1つのアクティブチャネルだけを示している(図7と同様)。
この実施形態のための例示的な製造方法では、第4の絶縁層44および導電層42が、ベース層5とエンハンスメント層6との生成のためのマスクとして使用される。幅の広い導電層44および幅の狭い第2のトレンチゲート電極41の場合では、エンハンスメント層6および第2のトレンチゲート電極41が、互いに離れて配設されることになる。
さらなる例示的な実施形態では、本発明のIGBT1は、ベース層5よりも高い最大ドーピング濃度を有する、p型にドープされたバーを備える。バーは、エミッタ側11において、図6から図14に示されている視点に垂直の平面に配置されている。バーにおいて、ソース領域7、75、ベース層5、第1および第2のトレンチゲート電極3、41が、終端している。バーは、ウェーハの表面まで延在している。バーは、エミッタ側に平行な平面において、第1のソース領域7が第1のトレンチゲート電極3を取り付ける方向、または、エンハンスメント層6が第2のトレンチゲート電極41からベース層5を分離させる方向に対して垂直に延在している。バーは、ウェーハの表面まで延在している。バーは、エミッタ側に平行な平面において、第1のソース領域7が第1のトレンチゲート電極3を取り付ける方向に対して垂直に延在している。
2つの接地されたトレンチゲート電極41、410の間の距離、または、アクティブトレンチゲート電極3に対する第2のトレンチゲート電極41、410の間の距離は、トレンチ厚さ(エミッタ側11から、および、エミッタ側11に垂直の方向に測定される)と等しいか、または、それよりも小であるべきである。トレンチ3、41、410の間のそのような小さな距離は、良好な遮断特性を確実にする。距離が大きくなり過ぎた場合には、遮断は、減少することになる。
導電層42は、第2のトレンチゲート電極が有する厚さにおよそ対応する値だけ、(エミッタ側11に垂直の方向に、)第2のトレンチゲート電極41の外側に延在することが可能であり、とりわけ、層42は、トレンチゲート電極の半分の厚さだけ延在する。第2のトレンチゲート電極41の厚さは、エミッタ側11から測定されるべきである。例示的な実施形態では、そのことは、導電層42が、それぞれの側において、2μmから10μmだけ、例示的には、2μmから5μmだけ、および、別の例示的な実施形態では、それぞれの側において5μmから10μmだけ、第2のトレンチゲート電極41の外側に、横方向に延在するということを意味する。
別の例示的な実施形態では、本発明のIGBTは、さらなる第2のトレンチゲート電極40を備え、さらなる第2のトレンチゲート電極40は、最初の第2のトレンチゲート電極4に隣接して配置される。
さらなる第2のゲート電極40は、さらなる第2のトレンチゲート電極410と、さらなる導電層420とを備え、その両方は、ゲート電極4に関して上述されているように、接地されている。さらなる第2のトレンチゲート電極410は、ベース層5の横方向に配置されており、ベース層5よりも深く、ドリフト層8内へ延在している。さらなる第2のトレンチゲート電極410は、さらなる第3の絶縁層430によって、ベース層5と、エンハンスメント層6と、ドリフト層8とから分離されている。
さらなる導電層420が、さらなる第2のトレンチゲート電極410の外側に、少なくともベース層5の上方の領域まで、カバーして横方向に延在している。さらなる第2のトレンチゲート電極410は、さらなる導電層420に、機械的におよび電気的に接続されている。さらなる導電層420は、さらなる第2のトレンチゲート電極410に接触し、それによって、接地されており、すなわち、エミッタ電極の電位にある。さらなる第2のトレンチゲート電極410、およびさらなる導電層420は、任意の適切な導電性の材料から、例示的には、ポリシリコンまたは金属から作製することが可能である。典型的には、それらは、同じ材料から作製されており、かつ、ゲート電極4と同じ製造ステップで作製される。例示的な実施形態では、第1のトレンチゲート電極3および第2のトレンチゲート電極41が、エミッタ側11から、ドリフト層8内に、さらなる第2のトレンチゲート電極41と同じ深さまで延在している。
図12および図13では、そのようなさらなるゲート電極40を有する本発明のIGBTが示されている。さらなる導電層420、およびさらなる第2のトレンチゲート電極410は、互いに触れており、すなわち、直接的に互いに隣接して配置されており、他の層が、中間に配置されないようになっている。第2のトレンチゲート電極41とさらなる第2のトレンチゲート電極410との間の範囲には、ドリフト層8だけが、配置されている。この範囲に配置される他のn型またはp型にドープされた層は、存在していない。
また、図14に示されている別の例示的な実施形態でも、本発明のIGBTが、さらなるゲート電極40を備える。それは、ゲート電極4に隣接して配置されている。しかし、さらなる導電層420、およびさらなる第2のトレンチゲート電極410は、第6の絶縁層46によって互いに分離されている。ドリフト層8は、第2のトレンチゲート電極4とさらなる第2のトレンチゲート電極40との範囲において、第4の絶縁層44とさらなる第4の絶縁層440とまで、横方向に延在している。接続層57が、第6の絶縁層46の下方に配置されており、第6の絶縁層46は、導電層42とさらなる導電層420との下方の領域まで、横方向に延在している。接続層57は、nドーピングタイプ(ドリフト層8よりも高いドーピング濃度を有する)か、または、pタイプ(ベース層と同じドーピング濃度か、または、異なるドーピング濃度のいずれかを有する)のいずれかであることが可能である。
接続層により、遮断が改善され、損失が低減させられる。セル(アクティブセルと接地されたセル)間の距離、すなわち、2つのトレンチの間の距離は、トレンチ厚さとほぼ同じ程度であり、とりわけ、最大で、トレンチゲート電極厚さと等しいか、または、さらにより小さい。そのことは、任意の2つのトレンチが、最大でトレンチゲート電極3、41、410の厚さ(その厚さは、エミッタ側11の垂直の方向に測定される)だけ離れて配設されているということを意味している。
さらなる第2のトレンチが、改善された遮断と、より低いキャパシタンスとのために利用されており、ゲート電極4、40の接続されたチェーン(chain)として導入され、セルピッチを拡大することが可能である。本発明のデバイスは、上記に開示されているのと同じ様式に配置される複数のそのようなさらなる第2のトレンチゲート電極を備えることが可能である(この実施形態では、接続された導電層を有することによって、2つのさらなるゲート電極に接続されるゲート電極4を備えるIGBTに関して、図13に例示的に示されている)。また、図14に示されているような本発明のデバイスは、さらなるゲート電極とともに、すなわち、中間の第6の絶縁層46と、その下の接続層57との存在によって、互いに間隔をおいて配置されている導電層42、420とともに、拡張させられることが可能である。
専門家に周知の任意の適当な製造方法が、本発明のIGBTを作製するために使用されることが可能である。
別の実施形態では、導電型が、切り替えられ、すなわち、第1の導電型のすべての層は、pタイプであり(例えば、ドリフト層8、第1および第2のソース領域7、75)、かつ第2の導電型のすべての層は、nタイプである(例えば、ベース層5、コレクタ層9)。
本発明のIGBT1は、以下の方法によって製造される。エミッタ側11(最終的なデバイスのエミッタ側11に、エミッタ電極2が配置される)と、コレクタ側15(最終的なデバイスのコレクタ側15に、コレクタ電極25が配置される)とを有する、(n−)型に低濃度ドープされたウェーハが、提供される。ウェーハは、均一な、一定のドーピング濃度を有する。ウェーハは、シリコンまたはGaNまたはSiCウェーハに基づいて作製することが可能である。最終的な絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ1において、修正されていない(unamended)低いドーピングを有するウェーハの一部が、ドリフト層8を形成する。
トレンチ凹部が、エミッタ側11のウェーハに導入され、ウェーハ内に、第1および第3の絶縁層31、43が適用され、トレンチ凹部が、第1および第3の絶縁層31、43でコーティングされるようになっている。次いで、コーティングされるトレンチ凹部は、高濃度にドープされたポリシリコンのような導電性の材料、または、アルミニウムのような金属によって充填される。このステップによって、第1および第2のトレンチゲート電極3、41が生成される。
第4の絶縁層44が生成され、第4の絶縁層44は、エミッタ側11の第2のトレンチゲート電極41を横方向に取り囲む。
導電層42が、第2のトレンチゲート電極41の上部に生成され、導電層42は、第2のトレンチゲート電極41の外側をカバーして横方向に延在する。ゲート電極は、第2のトレンチゲート電極41と導電層42とを備える。
この導電層42は、第2のトレンチゲート電極41と同じ材料から形成されることが可能であるが、また、他の導電性の材料を使用することも可能である。導電層42は、第2のトレンチゲート電極41をカバーし、第2のトレンチゲート電極41を越えて横方向に(すなわち、エミッタ側11に平行な平面で)延在し、第2のトレンチゲート電極41が、導電層42によってカバーされるようになっている。例示的には、導電層42は、2μmから10μmだけ、別の例示的な実施形態では、2μmから5μmだけ、または、5μmから10μmだけ、ウェル5の外側に延在することが可能である。第4の絶縁層44は、第2のトレンチゲート電極41の横方向の側に配置され、ウェーハの表面まで延在する層から、導電層42を絶縁するので、第4の絶縁層44は、少なくとも導電層42の横方向の側まで、または、その横方向の側をさらに越えて、横方向に延在する。
次いで、エミッタ側11にn型の第1のドーパントを導入することによって、エンハンスメント層6が形成され、それは、マスクとして導電層42を使用してウェーハ内へ拡散される。
n型の第1のドーパントの導入の後に、マスクとして導電層42を使用して、エミッタ側11にp型の第2のドーパントを導入することによって、ベース層5が形成される。p型の第2のドーパントは、ベース層5がエンハンスメント層6内に埋め込まれるように第1のドーパントが拡散された深さよりも低い深さまで、エミッタ側11からウェーハ内へ拡散される。導電層42が第2のトレンチゲート電極41を越えて延在する距離に応じて、および、第1および第2のドーパントの拡散深さ/長さに応じて、図6(エンハンスメント層6が第2のトレンチゲート電極41まで延在しているが、ベース層5から第2のトレンチゲート電極41を分離する)に、または、図12(図12では、エンハンスメント層6は、依然として、ドリフト層8からベース層5を分離するが、ドリフト層8によって、第2のトレンチゲート電極41から分離されている)に、実施形態が示される。そのようなデバイスでは、第1のドーパントは、第2のトレンチゲート電極41に到達するほどには横方向に拡散されていない。
次いで、n型の第3のドーパントが、第1のソース領域7を形成するために導入され、第1のソース領域7は、低濃度ドープされたウェーハ/ドリフト層8よりも高いドーピング濃度を有する。典型的には、第3のドーパントは、その後に活性化される。
この場合には、導電層42は、n型の第3のドーパントを導入するためのマスクとして使用される。2つの第1のトレンチゲート電極3間の第1のソース領域、および第1のトレンチゲート電極3と第2のトレンチゲート電極41との間の第2のソース領域75が、生成される。次いで、第5の絶縁層45が、ソース領域7、75の生成の後に適用されることが可能である。第5の絶縁層45は、第2のソース領域75、凹部47を除いて導電層42をカバーし、かつ、2つの第1のトレンチゲート電極3の間に接触開口部を開けたままにする。また、第1のトレンチゲート電極3は、第5の絶縁層45でカバーされ、エミッタ電極2から第1のトレンチゲート電極3を絶縁するようになっている。例示的には、エッチングステップが実施され、エミッタ電極2へのベース層5の接触のために、第1のソース領域7を通してエッチングするようになっている(図には示されていない。この方法によって、エミッタ電極2へのベース層5の接触開口部が、エミッタ側11の下方の平面に配置される)。ウェーハのエミッタ側11は、最も外側の平面であるべきであり、その平面で、層または領域が、エミッタ電極2が配置されている側において、ウェーハ内で平行に配置される。また、エッチングステップは、エミッタ電極2へのベース層5の別の接触のために、第2のソース領域7を通してエッチングするために、実施されることも可能である(図6参照)。
代替として、ソース領域は、マスクによって生成され、エミッタ電極3へのベース層5の接触のために、2つの第1のトレンチゲート電極3間の中央範囲を(任意選択で、第1および第2のトレンチゲート電極3、4の間の中央範囲も)カバーする。代替として、第5の絶縁層45が、導電層42の上部に適用され、第1のトレンチゲート電極3まで横方向に延在する(したがって、第1のトレンチゲート電極3の上方に第2の絶縁層32を形成する)。第5の絶縁層45は、エミッタ電極2への導電層42の接触のために、導電層42の上の凹部47とともに、および、ベース層5へのエミッタ電極2の接触開口部とともに(任意選択で、第1および第2のトレンチゲート電極の間の別の接触開口部とともに)作製される。例示的には、凹部47と接触開口部とは、ベース層6と導電層42との上部における第5の絶縁層45の部分的な除去によって、それぞれ作製される。接触開口部では、第1のソース領域7を形成するために、マスクとして、第5の絶縁層45と導電層42とを使用して、n型の第3のドーパントが導入される。例示的には、第3のドーパントが、その後に活性化される。
例示的には、次いで、p型のコレクタ層9が、コレクタ側15にp型の第4のドーパントを導入することによって形成され、p型の第4のドーパントが、ウェーハ内へ拡散される。また、コレクタ層9は、別の製造ステップにおいて、作製することが可能である。
バッファ層85が生成される場合には(図8参照)、バッファ層85は、コレクタ層9の前に生成されなければならない。例示的には、バッファ層85は、コレクタ側15にn型のドーパントを導入することによって生成される。バッファ層85は、常に、ドリフト層8よりも高いドーピング濃度を有する。
次いで、2つの第1のトレンチゲート電極3の間(および、任意選択で、第1および第2のトレンチゲート電極3、4の間)において、エミッタ電極3へのベース層5の接触開口部が、生成される(このステップにおいて、「生成される」は、エミッタ電極へのベース層の接触開口部を備えて生成されるソース領域7、75を有することによって、すなわち、2つの第1のトレンチゲート電極3の間の(または、第1および第2のトレンチゲート電極3、4の間の)中央部分をカバーするマスクを備えて生成されるソース領域を有することによって、(1つまたは複数の)接触開口部がすでに設けられている場合もカバーするべきである)。典型的には、エッチングステップが、例示的に実施され、エミッタ電極2へのベース層5の接触開口部のために、第5の絶縁層45と第1のソース領域7とを通してエッチングするようになっている(図には示されていない。この方法によって、エミッタ電極2へのベース層5の接触開口部が、エミッタ側11の下方の平面に配置される)。ウェーハのエミッタ側11は、最も外側の平面であるべきであり、その平面で、層または領域が、エミッタ電極2が配置されている側において、ウェーハ内で平行に配置される。
最後に、エミッタ電極2とコレクタ電極25とは、同時に、または、順々に、のいずれかで作製される。
ドーパントは、注入(implantation)または堆積(deposition)のような任意の適当な方法によって導入することが可能である。拡散ステップは、対応するドーパントを導入する直後に行われることが可能であるが、例えば、ベース層5のために、後の段階において、実施されることも可能である。拡散される層のドーピングプロファイルは、ドーパントの最大拡散深さにおいて、最大値からゼロへ着実に減少する(ドーパント種類と拡散時間および温度のような拡散条件とに依存する)。
用語「備える」は、他のエレメントまたはステップを排除せず、かつ不定冠詞「1つの(a)」または「1つの(an)」は、複数を排除しないということが留意されるべきである。また、異なる実施形態に関連付けて説明されているエレメントが、組み合わせられることも可能である。また、特許請求の範囲の参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないということも留意されるべきである。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]エミッタ側(11)のエミッタ電極(2)と、前記エミッタ側(11)の反対側のコレクタ側(15)のコレクタ電極(25)との間に、層を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)であって、
第1の導電型の、低濃度ドープされたドリフト層(8)と、
前記第1の導電型とは異なる第2の導電型のコレクタ層(9)であって、前記ドリフト層(8)と前記コレクタ電極(25)との間に配置されており、前記コレクタ電極(25)に電気的に接触する、コレクタ層(9)と、
前記ドリフト層(8)と前記エミッタ電極(2)との間に配置されており、前記エミッタ電極(2)に電気的に接触しており、前記ドリフト層(8)から完全に分離されている、第2の導電型のベース層(5)と、
前記第1の導電型の、第1のソース領域(7)であって、前記ベース層(5)の上に前記エミッタ側(11)に向かって配置され、前記エミッタ電極(2)に電気的に接触しており、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有している、第1のソース領域(7)と、
前記ベース層(5)の横方向に配置されており、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、第1の絶縁層(31)によって、前記ベース層(5)と、前記第1のソース領域(7)と、前記ドリフト層(8)とから分離されている、第1のトレンチゲート電極(3)であって、チャネルが、前記エミッタ電極(2)と、前記第1のソース領域(7)と、前記ベース層(5)と、前記ドリフト層(8)との間に形成可能である、第1のトレンチゲート電極(3)と、
前記エミッタ側(11)において、前記第1のトレンチゲート電極(3)の上部に配置されている、第2の絶縁層(32)と、
前記第1の導電型の、エンハンスメント層(6)であって、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有しており、前記ベース層(5)と前記ドリフト層(8)との間に配置されており、少なくとも前記エミッタ側(11)に平行な平面で、前記ドリフト層(8)から前記ベース層(5)を分離する、エンハンスメント層(6)と、
第2のトレンチゲート電極(41)と、導電層(42)とを備えるゲート電極(4)であって、前記第2のトレンチゲート電極(41)と導電層(42)との両方が、前記エミッタ電極(2)に電気的に接続されており、前記第2のトレンチゲート電極(41)は、前記ベース層(5)の横方向に配置されており、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、前記第2のトレンチゲート電極(41)は、第3の絶縁層(43)によって、取り囲む任意の層または領域から分離されており、前記エンハンスメント層(8)は、前記ベース層(5)が前記ドリフト層(8)と前記第3の絶縁層(43)とから分離されるように、前記ベース層(5)を取り囲んでおり、前記導電層(42)は、前記第2のトレンチゲート電極(41)の外側に、少なくとも前記ベース層(5)の上方の領域まで、カバーして横方向に延在しており、前記導電層(42)は、第4の電気的絶縁層(44)によって前記ベース層(5)から分離されており、前記導電層(42)は、前記第2のトレンチゲート電極(41)に接触する、ゲート電極(4)と、
前記エミッタ側(11)において、前記導電層(42)の上部に配置されている第5の絶縁層(45)であって、前記導電層(42)が前記エミッタ電極(2)に電気的に接触するように凹部(47)を有している、第5の絶縁層(45)と、
を備える、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[2]前記エンハンスメント層(8)が、前記第3の絶縁層(43)まで横方向に延在していること、または、前記エンハンスメント層(8)が、前記ドリフト層(8)によって前記第3の絶縁層(43)から分離されていることを特徴とする、前記[1]に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[3]前記第1の導電型の、第2のソース領域(75)が、前記エミッタ側(11)において、前記第1のトレンチゲート電極(3)と前記第2のトレンチゲート電極(41)との間の前記ベース層(5)の上に配置されており、前記第2のソース領域(75)が、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有することを特徴とする、前記[1]または[2]に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[4]前記第1のトレンチゲート電極(3)が、前記ドリフト層(8)内に、前記第2のトレンチゲート電極(41)と同じ深さまで延在していることを特徴とする、前記[1]から[3]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[5]前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)が、前記第1の導電型の、第1の領域(95)をさらに備え、前記第1の領域(95)が、前記コレクタ側(15)の上に、前記コレクタ層(9)の横方向に配置されており、前記第1の領域(95)が、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有していることを特徴とする、前記[1]から[4]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[6]前記導電層(42)が、前記第2のトレンチゲート電極(41)と同じ材料から作製されていることを特徴とする、前記[1]から[5]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[7]前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)が、前記ベース層(5)よりも高いドーピング濃度を有する、前記第2の導電型の、バーをさらに備え、
前記バーが、前記エミッタ側(11)において、
前記エミッタ側(11)に平行な平面に配置されており、
前記第1のソース領域(7)が前記第1のトレンチゲート電極(3)を取り付ける方向に対して垂直に配置されており、
前記バーにおいて、前記第1のソース領域(7)と、前記ベース層(5)と、前記第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)とが終端していることを特徴とする、前記[1]から[6]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[8]前記ベース層(5)が、前記第3の絶縁層(43)まで横方向に延在していることを特徴とする、前記[1]から[7]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[9]前記ドリフト層(8)が、第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)の間の範囲において、前記第4の電気的絶縁層(44)まで横方向に延在しており、前記エンハンスメント層(8)が、前記ドリフト層(8)と前記第3の絶縁層(43)とに向かって前記ベース層(5)を完全に取り囲んでいることを特徴とする、前記[1]から[8]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[10]前記第4の電気的絶縁層(44)が、50nmから150nmの間の厚さを有することを特徴とする、前記[1]から[9]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[11]前記導電層(42)が、それぞれの側において、2μmから10μmだけ、前記第2のトレンチゲート電極(41)の外側に延在していることを特徴とする、前記[1]から[10]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[12]さらなるゲート電極(40)が、さらなる第2のトレンチゲート電極(410)とさらなる導電層(420)とを備え、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と前記さらなる導電層(420)との両方が、前記エミッタ電極(2)に電気的に接続されており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、前記ベース層(5)の横方向に配置され、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、さらなる第3の絶縁層(430)によって、前記ベース層(5)と、前記エンハンスメント層(6)と、前記ドリフト層(8)とから分離されており、
前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(41)の外側に、少なくとも前記ベース層(5)の上方の領域まで、カバーして横方向に延在しており、前記さらなる導電層(420)が、さらなる第4の電気的絶縁層(440)によって、前記ベース層(5)から分離されており、前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と接触しており、
前記さらなるゲート電極(40)が、前記ゲート電極(4)に隣接して配置されており、前記さらなる導電層(420)と、前記さらに接地されたトレンチゲート電極(410)とが、直接的に互いに隣接して配置されており、前記第2のトレンチゲート電極(41)と前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)との間の範囲には、前記ドリフト層(8)だけが、配置されていることを特徴とする、前記[1]から[11]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[13]さらなるゲート電極(40)が、前記ゲート電極(4)に隣接して配置されており、前記さらなるゲート電極(40)が、さらなる第2のトレンチゲート電極(410)とさらなる導電層(420)とを備え、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と前記さらなる導電層(420)との両方が、前記エミッタ電極(2)に電気的に接続されており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、前記ベース層(5)の横方向に配置され、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、さらなる第3の絶縁層(430)によって、前記ベース層(5)と、前記エンハンスメント層(6)と、前記ドリフト層(8)とから分離されており、
前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(41)の外側に、少なくとも前記ベース層(5)の上方の領域まで、カバーして横方向に延在しており、前記さらなる導電層(420)が、さらなる第4の電気的絶縁層(440)によって、前記ベース層(5)から分離されており、前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と接触しており、
前記導電層(42)と前記さらなる導電層(420)とが、第6の絶縁層(46)によって互いに分離されており、前記ドリフト層(8)が、前記第4の電気的絶縁層(44)と前記さらなる第4の電気的絶縁層(440)とまで延在しており、接続層(57)が、前記第6の絶縁層(46)の下方に配置されており、前記第6の絶縁層(46)が、前記導電層(42)と前記さらなる導電層(420)との下方の領域まで延在していることを特徴とする、前記[1]から[11]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[14]前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)が、少なくとも2つのさらに接地されたトレンチゲート電極(40)を備えることを特徴とする、前記[12]または[13]に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[15]任意の2つのトレンチゲート電極(3、41、410)の間の距離が、トレンチ電極厚さと等しいか、または、それより小さいことを特徴とする、前記[1]から前記[14]のいずれか一つに記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
[16]エミッタ側(11)のエミッタ電極(2)と、前記エミッタ側(11)の反対側のコレクタ側(15)のコレクタ電極(25)との間に、層を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)を製造するための方法であって、以下の製造ステップ、すなわち、
第1の導電型の、低濃度ドープされたウェーハを提供するステップであって、最終的な絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)において、修正されていないドーピング濃度を有する前記ウェーハの一部が、ドリフト層(8)を形成する、ステップと、
第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)を生成するステップであって、前記第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)のために、トレンチ凹部が、前記エミッタ側(11)において、前記ウェーハ内に生成され、第1および第3の絶縁層(31、43)が、前記トレンチ凹部内に適用され、導電性の材料によって充填される、ステップと、
第4の絶縁層(44)を生成するステップであって、前記第4の絶縁層(44)は、前記エミッタ側(11)の前記第2のトレンチゲート電極(41)を横方向に取り囲む、ステップと、
次いで、前記第2のトレンチゲート電極(41)の上部に導電層(42)を生成するステップであって、前記導電層(42)は、前記第2のトレンチゲート電極(41)の外側をカバーして横方向に延在し、ゲート電極が、前記第2のトレンチゲート電極(41)と前記導電層(42)とを備える、ステップと、
次いで、マスクとして前記導電層(42)を使用して、前記エミッタ側(11)の前記ウェーハ中へ、前記第1の導電型の、第1のドーパントを導入することによって、および、前記ウェーハ内へ第1の粒子を拡散させることによって、エンハンスメント層(6)を生成するステップと、
次いで、マスクとして前記導電層(42)を使用して、前記エミッタ側(11)の前記ウェーハ内へ、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の第2のドーパントを導入することによって、および、前記第2のドーパントを前記ウェーハ内へ拡散させることによって、ベース層(5)を生成するステップであって、前記ベース層(5)が、前記エンハンスメント層(6)によって、残りの低濃度ドープされたウェーハと前記第3の絶縁層(43)とから完全に分離されるようになっている、ステップと、
次いで、前記第1の導電型の、第3のドーパントを適用することによって、前記低濃度ドープされたウェーハよりも高いドーピング濃度を有する第1のソース領域(7)を生成するステップと、
前記エミッタ電極(2)への前記導電層(42)の接触のために、凹部を除いて第2の絶縁層(45)によって前記導電層(42)をカバーし、前記第2の絶縁層(45)によって前記第1のトレンチゲート電極(3)をカバーするステップと、
前記コレクタ側(15)の前記ウェーハ内へ前記第2の導電型の、第4のドーパントを導入することによって、および、前記ウェーハ内へ前記第4のドーパントを拡散させることによって、前記コレクタ側(15)において、前記第2の導電型の、コレクタ層(9)を生成するステップと、
2つの第1のトレンチゲート電極(3)の間において、前記エミッタ電極(3)への前記ベース層(5)の接触開口部を生成するステップと、
前記エミッタ側(11)の前記エミッタ電極(2)と、前記コレクタ側(15)の前記コレクタ電極(25)とを生成するステップと、
を備える、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)を製造するための方法。
[17]前記第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)の間で、前記第1の導電型の、第3の粒子を適用することによって、前記低濃度ドープされたウェーハよりも高いドーピング濃度を有する第2のソース領域(7)を生成するステップと、
第1および第2のトレンチゲート電極(3、4)の間において、前記エミッタ電極(3)への前記ベース層(5)の接触開口部を生成するステップと、
を特徴とする、前記[16]に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)を製造するための方法。
1 IGBT
11 エミッタ側
15 コレクタ側
100 アクティブセル
110 ダミーセル
120、130、140、150、160 先行技術のIGBT
2 エミッタ電極
25 コレクタ電極
3 第1のトレンチゲート電極
31 プレーナ型ゲート
300 ピッチ型トレンチゲート
31 第1の絶縁層
32 第2の絶縁層
4 ゲート電極
41 第2のトレンチゲート電極
42 導電層
43 第3の絶縁層
44 第4の絶縁層
45 第5の絶縁層
46 第6の絶縁層
47 凹部
40 さらなるゲート電極
410 さらなる第2のトレンチゲート電極
420 さらなる導電層
430 さらなる第3の絶縁層
440 さらなる第4の絶縁層
450 さらなる第5の絶縁層
470 さらなる凹部
5 ベース層
57 接続層
6 エンハンスメント層
7 第1のソース領域
75 第2のソース領域
8 ドリフト層
85 バッファ層
9 コレクタ層
95 第1の領域

Claims (15)

  1. エミッタ側(11)のエミッタ電極(2)と、前記エミッタ側(11)の反対側のコレクタ側(15)のコレクタ電極(25)との間に、層を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)であって、
    第1の導電型の、低濃度ドープされたドリフト層(8)と、
    前記第1の導電型とは異なる第2の導電型のコレクタ層(9)であって、前記ドリフト層(8)と前記コレクタ電極(25)との間に配置されており、前記コレクタ電極(25)に電気的に接触する、コレクタ層(9)と、
    前記ドリフト層(8)と前記エミッタ電極(2)との間に配置されており、前記エミッタ電極(2)に電気的に接触しており、前記ドリフト層(8)から完全に分離されている、第2の導電型のベース層(5)と、
    前記第1の導電型の、第1のソース領域(7)であって、前記ベース層(5)の上に前記エミッタ側(11)に向かって配置され、前記エミッタ電極(2)に電気的に接触しており、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有している、第1のソース領域(7)と、
    前記ベース層(5)の横方向に配置されており、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、第1の絶縁層(31)によって、前記ベース層(5)と、前記第1のソース領域(7)と、前記ドリフト層(8)とから分離されている、第1のトレンチゲート電極(3)であって、チャネルが、前記エミッタ電極(2)と、前記第1のソース領域(7)と、前記ベース層(5)と、前記ドリフト層(8)との間に形成可能である、第1のトレンチゲート電極(3)と、
    前記エミッタ側(11)において、前記第1のトレンチゲート電極(3)の上部に配置されている、第2の絶縁層(32)と、
    前記第1の導電型の、エンハンスメント層(6)であって、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有しており、前記ベース層(5)と前記ドリフト層(8)との間に配置されており、少なくとも前記エミッタ側(11)に平行な平面で、前記ドリフト層(8)から前記ベース層(5)を分離する、エンハンスメント層(6)と、
    第2のトレンチゲート電極(41)と、導電層(42)とを備えるゲート電極(4)であって、前記第2のトレンチゲート電極(41)と前記導電層(42)との両方が、前記エミッタ電極(2)に電気的に接続されており、前記第2のトレンチゲート電極(41)は、前記ベース層(5)の横方向に配置されており、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、前記第2のトレンチゲート電極(41)は、第3の絶縁層(43)によって、取り囲む任意の層または領域から分離されており、前記エンハンスメント層(6)は、前記ベース層(5)が前記ドリフト層(8)と前記第3の絶縁層(43)とから分離されるように、前記ベース層(5)を取り囲んでおり、前記導電層(42)は、前記第2のトレンチゲート電極(41)の外側に、少なくとも前記ベース層(5)の上方の領域まで、カバーして横方向に延在しており、前記導電層(42)は、第4の電気的絶縁層(44)によって前記ベース層(5)から分離されており、前記導電層(42)は、前記第2のトレンチゲート電極(41)に接触する、ゲート電極(4)と、
    前記エミッタ側(11)において、前記導電層(42)の上部に配置されている第5の絶縁層(45)であって、前記導電層(42)が前記エミッタ電極(2)に電気的に接触するように凹部(47)を有している、第5の絶縁層(45)と、
    前記エミッタ側(11)において、前記第1のトレンチゲート電極(3)と前記第2のトレンチゲート電極(41)との間の前記ベース層(5)の上に配置されている、前記第1の導電型の、第2のソース領域(75)であって、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有する、第2のソース領域(75)と、
    を備える、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  2. 前記エンハンスメント層(6)が、前記第3の絶縁層(43)まで横方向に延在していること、または、前記エンハンスメント層(6)が、前記ドリフト層(8)によって前記第3の絶縁層(43)から分離されていることを特徴とする、請求項1に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  3. 前記第1のトレンチゲート電極(3)が、前記ドリフト層(8)内に、前記第2のトレンチゲート電極(41)と同じ深さまで延在していることを特徴とする、請求項1または2に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  4. 前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)が、前記第1の導電型の、第1の領域(95)をさらに備え、前記第1の領域(95)が、前記コレクタ側(15)の上に、前記コレクタ層(9)の横方向に配置されており、前記第1の領域(95)が、前記ドリフト層(8)よりも高いドーピング濃度を有していることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  5. 前記導電層(42)が、前記第2のトレンチゲート電極(41)と同じ材料から作製されていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  6. 前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)が、前記ベース層(5)よりも高いドーピング濃度を有する、前記第2の導電型の、バーをさらに備え、
    前記バーが、前記エミッタ側(11)において、
    前記エミッタ側(11)に平行な平面に配置されており、
    前記第1のソース領域(7)が前記第1のトレンチゲート電極(3)を取り付ける方向に対して垂直に配置されており、
    前記バーにおいて、前記第1のソース領域(7)と、前記ベース層(5)と、前記第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)とが終端していることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  7. 前記ドリフト層(8)が、第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)の間の範囲において、前記第4の電気的絶縁層(44)まで方向に延在しており、前記エンハンスメント層(6)が、前記ドリフト層(8)と前記第3の絶縁層(43)とに向かって前記ベース層(5)を完全に取り囲んでいることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  8. 前記第4の電気的絶縁層(44)が、50nmから150nmの間の厚さを有することを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  9. 前記導電層(42)が、それぞれの側において、2μmから10μmだけ、前記第2のトレンチゲート電極(41)の外側に延在していることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  10. さらなるゲート電極(40)が、さらなる第2のトレンチゲート電極(410)とさらなる導電層(420)とを備え、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と前記さらなる導電層(420)との両方が、前記エミッタ電極(2)に電気的に接続されており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、前記ベース層(5)の横方向に配置され、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、さらなる第3の絶縁層(430)によって、前記ベース層(5)と、前記エンハンスメント層(6)と、前記ドリフト層(8)とから分離されており、
    前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)の外側に、少なくとも前記ベース層(5)の上方の領域まで、カバーして横方向に延在しており、前記さらなる導電層(420)が、さらなる第4の電気的絶縁層(440)によって、前記ベース層(5)から分離されており、前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と接触しており、
    前記さらなるゲート電極(40)が、前記ゲート電極(4)に隣接して配置されており、前記さらなる導電層(420)と、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)とが、直接的に互いに隣接して配置されており、前記第2のトレンチゲート電極(41)と前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)との間の範囲には、前記ドリフト層(8)だけが、配置されていることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  11. さらなるゲート電極(40)が、前記ゲート電極(4)に隣接して配置されており、前記さらなるゲート電極(40)が、さらなる第2のトレンチゲート電極(410)とさらなる導電層(420)とを備え、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と前記さらなる導電層(420)との両方が、前記エミッタ電極(2)に電気的に接続されており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、前記ベース層(5)の横方向に配置され、前記ベース層(5)よりも深く、前記ドリフト層(8)内へ延在しており、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)が、さらなる第3の絶縁層(430)によって、前記ベース層(5)と、前記エンハンスメント層(6)と、前記ドリフト層(8)とから分離されており、
    前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(41)の外側に、少なくとも前記ベース層(5)の上方の領域まで、カバーして横方向に延在しており、前記さらなる導電層(420)が、さらなる第4の電気的絶縁層(440)によって、前記ベース層(5)から分離されており、前記さらなる導電層(420)が、前記さらなる第2のトレンチゲート電極(410)と接触しており、
    前記導電層(42)と前記さらなる導電層(420)とが、第6の絶縁層(46)によって互いに分離されており、前記ドリフト層(8)が、前記第4の電気的絶縁層(44)と前記さらなる第4の電気的絶縁層(440)とまで延在しており、接続層(57)が、前記第6の絶縁層(46)の下方に配置されており、前記第6の絶縁層(46)が、前記導電層(42)と前記さらなる導電層(420)との下方の領域まで延在していることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  12. 前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)が、少なくとも2つのさらなる第2のトレンチゲート電極(410)を備えることを特徴とする、請求項10または11に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  13. 任意の2つのトレンチゲート電極(3、41、410)の間の距離が、トレンチ電極厚さと等しいか、または、それより小さいことを特徴とする、請求項1から12のいずれか一項に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)。
  14. エミッタ側(11)のエミッタ電極(2)と、前記エミッタ側(11)の反対側のコレクタ側(15)のコレクタ電極(25)との間に、層を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)を製造するための方法であって、以下の製造ステップ、すなわち、
    第1の導電型の、低濃度ドープされたウェーハを提供するステップであって、最終的な絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)において、修正されていないドーピング濃度を有する前記ウェーハの一部が、ドリフト層(8)を形成する、ステップと、
    第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)を生成するステップであって、前記第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)のために、トレンチ凹部が、前記エミッタ側(11)において、前記ウェーハ内に生成され、第1および第3の絶縁層(31、43)が、前記トレンチ凹部内に適用され、導電性の材料によって充填される、ステップと、
    第4の絶縁層(44)を生成するステップであって、前記第4の絶縁層(44)は、前記エミッタ側(11)の前記第2のトレンチゲート電極(41)を横方向に取り囲む、ステップと、
    次いで、前記第2のトレンチゲート電極(41)の上部に導電層(42)を生成するステップであって、前記導電層(42)は、前記第2のトレンチゲート電極(41)の外側をカバーして横方向に延在し、ゲート電極が、前記第2のトレンチゲート電極(41)と前記導電層(42)とを備える、ステップと、
    次いで、マスクとして前記導電層(42)を使用して、前記エミッタ側(11)の前記ウェーハ中へ、前記第1の導電型の、第1のドーパントを導入することによって、および、前記ウェーハ内へ第1の粒子を拡散させることによって、エンハンスメント層(6)を生成するステップと、
    次いで、マスクとして前記導電層(42)を使用して、前記エミッタ側(11)の前記ウェーハ内へ、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の第2のドーパントを導入することによって、および、前記第2のドーパントを前記ウェーハ内へ拡散させることによって、ベース層(5)を生成するステップであって、前記ベース層(5)が、前記エンハンスメント層(6)によって、残りの低濃度ドープされたウェーハと前記第3の絶縁層(43)とから完全に分離されるようになっている、ステップと、
    次いで、前記第1の導電型の、第3のドーパントを適用することによって、前記低濃度ドープされたウェーハよりも高いドーピング濃度を有する第1のソース領域(7)を生成するステップと、
    前記エミッタ電極(2)への前記導電層(42)の接触のために、凹部を除いて第2の絶縁層(45)によって前記導電層(42)をカバーし、前記第2の絶縁層(45)によって前記第1のトレンチゲート電極(3)をカバーするステップと、
    前記コレクタ側(15)の前記ウェーハ内へ前記第2の導電型の、第4のドーパントを導入することによって、および、前記ウェーハ内へ前記第4のドーパントを拡散させることによって、前記コレクタ側(15)において、前記第2の導電型の、コレクタ層(9)を生成するステップと、
    2つの第1のトレンチゲート電極(3)の間において、前記エミッタ電極(2)への前記ベース層(5)の接触開口部を生成するステップと、
    前記エミッタ側(11)の前記エミッタ電極(2)と、前記コレクタ側(15)の前記コレクタ電極(25)とを生成するステップと、
    を備える、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)を製造するための方法。
  15. 前記第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)の間で、前記第1の導電型の、第3の粒子を適用することによって、前記低濃度ドープされたウェーハよりも高いドーピング濃度を有する第2のソース領域(7)を生成するステップと、
    第1および第2のトレンチゲート電極(3、41)の間において、前記エミッタ電極(2)への前記ベース層(5)の接触開口部を生成するステップと、
    を特徴とする、請求項14に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(1)を製造するための方法。
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