JPH04214674A - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法 - Google Patents
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法Info
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Abstract
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Description
ラトランジスタ(Insulated Gate
Bipolar Transistor;以下、IG
BTと称す)に関し、特にライフタイム制御に伴うター
ンオフ時間とオン抵抗とのトレードオフ関係の改善及び
スイッチング損失の低減に関するものである。
力インピーダンスであるが、入力インピーダンスも低い
問題がある。一方、電界効果トランジスタ(以下、MO
SFETと称す)は高入力インピーダンスであるが、出
力インピーダンスも高い問題がある。これらに対し、I
GBTはこれら各種トランジスタのもつ欠点を補うよう
に一体化し、高入力インピーダンスであり、かつ、低出
力インピーダンスを実現しようとするものである。
基板の裏面に、基板と異なる導電型の高濃度不純物拡散
層をつくりこむことによって、バイポーラトランジスタ
とMOSFETを一体化し、かつMOSFETがオンす
ることにより生じる電流をバイポーラトランジスタのベ
ース領域に注入して、注入電流によりバイポーラトラン
ジスタを制御するものである。
子(以下、IGBTセルと称す)が並列接続された構造
を有している。図7は従来のnチャンネル型のIGBT
セルの構造を示す断面図であり、図8はその等価回路を
示す回路図である。
り、その一方主面上にはN− エピタキシャル層2が形
成されている。N−エピタキシャル層2の表面の一部領
域には、P形不純物を選択的に拡散することによりPウ
ェル領域3が形成され、さらにこのPウェル領域3の表
面の一部領域には、高濃度のN形不純物を選択的に拡散
することによりN+ エミッタ領域4が形成されている
。N− エピタキシャル層2の表面とN+ エミッタ領
域4の表面とで挟まれたPウェル領域3の表面上にはゲ
ート絶縁膜5が形成され、このゲート絶縁膜5は隣接す
るIGBTセル間で一体となるようN− エピタキシャ
ル層2の表面上にも形成されている。ゲート絶縁膜5上
には、例えばポリシリコンから成るゲート電極6が形成
され、またPウェル領域3およびN+ エミッタ領域4
の両方に電気的に接続するように、例えばアルミニウム
などの金属のエミッタ電極7が形成されている。なお、
ゲート電極6およびエミッタ電極7は、絶縁膜8を介し
た多層構造とすることにより、全IGBTセルに対して
それぞれ共通に電気的につながった構造となっている。 P+ コレクタ層1の裏面には金属のコレクタ電極9が
全IGBTセルに対し一体に形成されている。
タ領域4とで挟まれたPウェル領域3の表面近傍はnチ
ャネルのMOS構造となっており、ゲート端子Gを通じ
てゲート電極6に正電圧を印加することにより、ゲート
電極6の直下のPウェル領域3の表面近傍に形成された
チャネルを通じて、電子がN+ エミッタ領域4よりN
− エピタキシャル層2へと流れる。図示のIe はこ
の様にして流れる電子電流を示す。一方、P+ コレク
タ層1からは少数キャリアである正孔がN−エピタキシ
ャル層2に注入され、その一部は上記電子と再結合して
消滅し、残りは図示の正孔電流IhとしてPウェル領域
3を流れる。 この様にIGBTは、基本的にバイポーラ的な動作をし
、N− エピタキシャル層2では、電導度変調の効果か
ら電導度が増大することにより、従来のパワーMOSに
比べて低いオン電圧、大きい電流容量を実現できる利点
がある。
した回路図であり、10はN− エピタキシャル層2、
Pウェル領域3およびN+ エミッタ領域4より成る寄
生NPNトランジスタ、11はP+ コレクタ層1、N
− エピタキシャル層2およびPウェル領域3よりなる
PNPトランジスタ、12はゲート電極6下のPウェル
領域3表面をチャネル領域としたNMOSトランジスタ
、RB はPウェル領域3の拡散抵抗、RLCはPNP
トランジスタ11のオン抵抗を示している。
ターンオフ時には正孔電流Ihの減少がMOSFET等
に比べて時間的にゆっくりしているため、動作周波数を
上げられない嫌いがある。これは、PNPトランジスタ
11がオン状態のとき、そのベース領域となるN− エ
ピタキシャル層2内には電子と正孔とが充満しており、
MOSトランジスタ12をオフさせて、N− エピタキ
シャル層2への電子の注入を遮断しても、正孔はその移
動度の小ささから急には減少しないことに起因している
。
来から大別して二つの手段が知られている。その一つは
金や白金などの重金属原子を、所謂ライフタイムキラー
として、PNPトランジスタ11のベース領域であるN
− エピタキシャル層2内に導入する手段であり、この
ライフタイムキラーがN− エピタキシャル層2内の電
子と正孔の再結合中心となってこれらのキャリアを短時
間内に消滅させる。
イオン線等の放射線を照射する手段であり、これらの放
射線はN− エピタキシャル層2内に深いトラップ準位
を導入することから、このトラップ準位がキャリアに対
する再結合中心となるため、ターンオフ時には、キャリ
アを短時間内に消滅させることができる。これらの技術
はライフタイム制御技術と呼ばれ、サイリスタや電子用
ダイオード等種々の素子に適用されている。
技術は制御性や再現性の点から重金属拡散に比較して良
い結果が得られている。しかしながら、放射線照射の中
で、電子線、γ線、中性子線を用いた方法では、照射に
よりN− エピタキシャル層2内でのトラップ準位が発
生するとともに、同時にゲート酸化膜5の膜質を変化さ
せてしまい、結果として閾値までも変化させ、その動作
信頼性を低下させる問題がある。この問題はプロトン等
の各種イオン線をコレクタ電極9側から照射する方法に
より解決される。すなわち、図7に示したようにプロト
ン等の各種軽イオン線50をコレクタ電極9の形成され
ている側から照射し、その飛程位置をN− エピタキシ
ャル層2の中に設定されるように(図7中破線で示す)
、その加速エネルギーを調整することによりゲート絶縁
膜5及びその他、エミッタ側形成各層3,4になんら影
響を与えることなくライフタイム制御を行なうことがで
きる。更に、プロトン等の各種イオン照射による結晶欠
陥(主に空孔)は図9に示すように、その飛程Dを中心
として、欠陥分布ピーク半値幅W中に集中的に発生し、
それ以外の場所にはあまり影響を与えない特質をもって
いる。この特質を利用することにより、制御性の高いラ
イフタイム制御を実行することが可能である。例えば、
特開昭64−19771に示されたように、P+ コレ
クタ領域(図7のP+ コレクタ層1に相当)に近いN
− ベース領域(図7のN− エピタキシャル層2に相
当)内に飛程Dを設定することにより効果的なライフタ
イム制御を行なうことができる。これは、MOSFET
に近いベース領域はMOSFETのチャネルから注入さ
れるキャリアが引き金となって伝導度変調を生じる上で
重要な役割を果たすから、この部分に結晶欠陥を発生さ
せるとオン抵抗を増大させることになるため、MOSF
ETのチャネル領域から最も離れている、P+ コレク
タ領域に近いN− ベース領域にイオン線の飛程が来る
ようにするのが望ましいからである。また、オフ動作時
の初期まで引き続いて注入されている正孔を早く捕捉す
るためにも、P+ コレクタ領域に近いN− ベース領
域で結晶欠陥を集中的に発生させるのは有効である。
たライフタイム制御は全て、結晶欠陥をIGBT素子全
面に渡って生じさせていることには変わりがないため、
この結晶欠陥の発生に伴い、N− エピタキシャル層2
の抵抗値が必然的に上昇し、図8におけるIGBTのオ
ン抵抗RLCが増加してしまう。つまり、IGBTのオ
ン抵抗とターンオフ時間とはトレードオフの関係にあり
、現状においてそのトレードオフ関係が最適とはいえな
い問題点があった。
ためになされたもので、イオン線などの電離放射線照射
を用いたライフタイム制御による、オン抵抗とターンオ
フ時間とのトレードオフ関係を最善にした構造のIGB
Tを得ることを目的とする。
ート型バイポーラトランジスタは、第1の導電形の第1
の半導体層の表面に形成された第2の導電形の第2の半
導体層と、前記第2の半導体層の表面に選択的に形成さ
れた第1の導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半
導体領域の表面に選択的に形成された第2の導電形の第
2の半導体領域と、前記第2の半導体層と前記第2の半
導体領域とで挟まれた前記第1の半導体領域の表面上に
形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された制御電
極と、前記第1および第2の半導体領域にまたがって形
成された第1の主電極と、前記第1の半導体層の裏面上
に形成された第2の主電極とを備え、前記第2の半導体
層の前記第1の半導体層との接合部寄りに部分的に結晶
欠陥を有しており、かつ前記結晶欠陥領域中の主面に対
向した面上において、前記結晶欠陥領域が全面に占める
割合が30%かそれ以下であることを特徴としたもので
ある。
ポーラトランジスタの製造方法は、上記構成を有するト
ランジスタの製造方法であって、該トランジスタの第1
の半導体層の裏面上に微細孔を多数設けた金属厚膜を設
ける工程と、前記金属厚膜の微細孔を通して軽イオンを
、その飛程位置が前記トランジスタの第2の半導体層の
第1の半導体層との接合部寄りに設定されるように照射
する工程とを備え、前記微細孔の総面積の全面積に占め
る割合が30%かそれ以下であることを特徴としたもの
である。
ンジスタ、あるいはこの発明における方法で製造された
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタにおいては、その
構成要素である等価回路上のバイポーラトランジスタは
、第1の半導体領域、結晶欠陥を有さない第2の半導体
層及び第1の半導体層から成る第1のバイポーラトラン
ジスタと、第1の半導体領域、結晶欠陥を有する第2の
半導体層及び第1の半導体層から成る第2のバイポーラ
トランジスタとの並列接続により構成されると等価的に
みなすことができる。
半導体層に結晶欠陥を有さないため、長所としてオン抵
抗は低く、短所としてターンオフ時間は長い。一方、第
2のバイポーラトランジスタは、第2の半導体層に結晶
欠陥を有するため、短所としてオン抵抗は高く、長所と
してターンオフ時間は短い。
列に接続れていることにより、オン状態では第1のバイ
ポーラトランジスタが、又ターンオフ時には第2のバイ
ポーラトランジスタが支配的に働くので、低オン電圧、
高速スイッチングを実現できる。
る。なお、従来の技術の説明と重複する部分は、適宜そ
の説明を省略する。
造を示す断面図である。図において、1〜9は従来と同
じである。
タ電極9の表面にアルミニウム等の金属のアブゾーバ6
0、更にその表面に微細な開口を形成したステンレス等
のマスク61を設け、これらを介してヘリウム等の軽イ
オン線50を照射して形成させるものである。ここで、
マスク61の微細開口を通過した部分の軽イオン線50
はN− ベース層2内に飛程位置が設定されるよう加速
エネルギーとアブゾーバ60との厚さが調整される。ま
た、マスク61の微細開口を除く領域を通過した軽イオ
ン線50はP+ コレクタ層1内に飛程位置が設定され
るようマスク61の厚さが調整される。これにより、微
細開口のパターンをほぼ反映した領域を部分的なライフ
タイム制御が行なわれるものとすることができる。図2
は図1に示すものの等価回路を示す回路図である。図に
おいて、10,12は従来のものと同じもの、13はラ
イフタイム制御されない領域に形成された内蔵PNPト
ランジスタ、14は部分的にライフタイム制御された領
域を有する内蔵PNPトランジスタである。
たIGBTと、軽イオン線50が全面照射されたIGB
Tとのトレードオフ特性について比較した図である。こ
の場合、軽イオン線50には2価のヘリウムイオン(H
e2+)を用い、その加速エネルギーは20MeVであ
る。また、アブゾーバ60は厚さが30μmのアルミニ
ウムで構成し、マスク61は厚さが50μmのステンレ
スで構成したものである。マスク61に形成した微細開
口は2種類あり、「マスク1」は半径rが140μmの
円形窓を、窓間ピッチ200μmで形成したものであり
、「マスク2」は半径rが160μmの円形窓を、窓間
ピッチ200μmで形成したものである。
照射したものが、全面照射したものに比べて改善された
トレードオフ曲線を有することがわかる。
のIGBTの試料について、全面照射、部分照射したも
ののターンオフ波形特性を比較した図である。全面照射
したものに対してマスク2による部分照射したものでは
、テイル電流が減少しているのがわかる。
比較した図である。マスク61の開口が微細化されるに
つれて、ターンオフ損失は低減しており、マスク2によ
る部分照射では高温状態(図示TA =125℃)にお
いても全面照射の43%までターンオフ損失を低減でき
るものとなっている。
為に、「マスク3」として、半径rが140μmの円形
窓を窓間ピッチXC が175μmで形成したものと、
「マスク4」として半径rが140μmの円形窓を窓間
ピッチXC が230μmで形成したもの、そして前記
のマスク1(半径rが140μmの円形窓を窓間ピッチ
XC が200μmで形成したもの)について各々トレ
ードオフ関係を評価し、同曲線の変化を調べる。ちなみ
にこれらのマスクは円形窓の半径が140μmで共通で
あり、マスク3→1→4となるに従って窓間ピッチが広
くなり、同時に円形窓の面積が全体に対し占める割合(
RW =(π/4)×(r/XC )2 ×100(%
))が低下している。
イム制御されたIGBTと全面照射によってライフタイ
ム制御されたIGBTのトレードオフ曲線を示す。3種
類の部分照射全てが全面照射に対して改善されたトレー
ドオフ関係を示している。VONが3V以下の領域につ
いて見ると、RW の低下に伴ってtoff los
s(ターンオフ損失)も低下しており、より望ましいト
レードオフ関係が得られていることがわかる。
ossとRW の間の関係を評価したものが図11であ
る。RW が50%以下になると改善の効果が著しくな
り、30%又はそれ以下で最も低損失化されるマスク寸
法の最適条件が存在するのがわかる。
構造を示す断面図である。このものが図1に示すものと
異なる点は、アブゾーバ60、マスク61をIGBT装
置の一主面側におけるエミッタ電極7上に設置し、それ
を介して軽イオン線50を照射して形成させたところで
ある。この場合にも、アブゾーバ60をアルミニウム等
の金属で形成し、マスク61をステンレス等で形成した
ものを用いている。マスク61には微細開口が設けられ
ており、このマスク61を介して2価のヘリウムイオン
(He2+)等の軽イオン線50を照射する。このとき
、マスク61の微細開口を除く領域を通過した軽イオン
線50は、N− ベース層2内のP+ コレクタ層1と
の接合部寄りの領域に飛程位置が設定されるように、軽
イオンの加速エネルギー条件、アブゾーバ60、マスク
61の厚さが調整される。また、マスク61の微細開口
を通過した軽イオン線50は、P+ コレクタ層1内に
飛程位置が設定されるようアブゾーバ60の厚さが調整
される。 このようにして製造されたIGBTの等価回路は前述し
た図2に示すものと同等になる。従って、このものにお
いてもトレードオフ関係、損失等の改善効果は図1に示
すものと同程度に期待できる。
てヘリウムを用いた場合について示したが、他の軽イオ
ン、例えばプロトン等を用いても上記実施例と同様の効
果を奏する。
バイポーラトランジスタおよびその製造方法によれば、
コレクタ層である第1の導電型の第1の半導体層上に形
成された第2の導電形の第2の半導体層内の前記第1の
半導体層との接合部寄りに部分的に結晶欠陥を形成し、
かつ、この結晶欠陥の領域の面積の占める割合を全体の
30%以下に設定したので、スイッチング速度を向上さ
せ、かつ同時に損失が低減された絶縁ゲート型バイポー
ラトランシズスタおよびその製造方法が容易に得られる
効果がある。
図である。
。
面に照射されたIGBTとのトレードオフ特性について
比較した図である。
IGBTのターンオフ波形特性について比較した図であ
る。
である。
断面図である。
晶欠陥分布の関係を示す図である。
射についてのターンオフ損失toff lossとオ
ン電圧VONのトレードオフ関係を示す図である。
フ損失toff lossとマスクの窓面接割合RW
の関係を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 第1の導電形の第1の半導体層の表面
に形成された第2の導電形の第2の半導体層と、前記第
2の半導体層の表面に選択的に形成された第1の導電型
の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面に
選択的に形成された第2の導電形の第2の半導体領域と
、前記第2の半導体層と前記第2の半導体領域とで挟ま
れた前記第1の半導体領域の表面上に形成された絶縁膜
と、前記絶縁膜上に形成された制御電極と、前記第1お
よび第2の半導体領域にまたがって形成された第1の主
電極と、前記第1の半導体層の裏面上に形成された第2
の主電極とを備え、前記第2の半導体層の前記第1の半
導体層との接合部寄りに部分的に結晶欠陥を有しており
、かつ前記結晶欠陥領域中の主面に対向した面上におい
て、前記結晶欠陥領域が全面に占める割合が30%かそ
れ以下であることを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラ
トランジスタ。 - 【請求項2】 請求項1記載の絶縁ゲート型バイポー
ラトランジスタを製造する方法であって、該トランジス
タの第1の半導体層の裏面上に微細孔を多数設けた金属
厚膜を設ける工程と、前記金属厚膜の微細孔を通して軽
イオンを、その飛程位置が前記トランジスタの第2の半
導体層の第1の半導体層との接合部寄りに設定されるよ
うに照射する工程とを備え、前記微細孔の総面積の全面
積に占める割合が30%かそれ以下であることを特徴と
する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。
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JP2401691A JP2963204B2 (ja) | 1990-12-12 | 1990-12-12 | 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法 |
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JPH04214674A true JPH04214674A (ja) | 1992-08-05 |
JP2963204B2 JP2963204B2 (ja) | 1999-10-18 |
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JP2401691A Expired - Lifetime JP2963204B2 (ja) | 1990-12-12 | 1990-12-12 | 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法 |
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JP (1) | JP2963204B2 (ja) |
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