JP2007324540A - MOS type semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【目的】トレンチゲート構造を採らなくても、オン電圧とターンオフ損失とのトレードオフ関係をさらに改善し、余剰研磨、過剰研磨を防いでオン電圧のばらつきを抑制し、ゲート特性を良好にするトップゲート構造を有するMOS型半導体装置を提供すること。
【構成】一導電型半導体基板表面に第一開口部を有する第一絶縁膜と、この第一開口部内に設けられ、前記第一絶縁膜より薄膜である基板絶縁膜と、該基板絶縁膜に設けられる第二開口部と、該基板絶縁膜上であって前記第一開口部内に前記第一絶縁膜と同程度の厚さに積層される一導電型堆積半導体層とを備えるトップゲート構造を備えるMOS型半導体装置において、前記第一開口部を挟む第一絶縁膜の間隔が25μm以下であるMOS型半導体装置とする。
【選択図】 図1[Objective] Even without adopting a trench gate structure, the trade-off relationship between on-state voltage and turn-off loss is further improved, and excessive polishing and over-polishing are prevented to suppress variation in on-voltage and to improve gate characteristics. To provide a MOS type semiconductor device having a gate structure.
[Structure] A first insulating film having a first opening on a surface of a one-conductivity type semiconductor substrate, a substrate insulating film provided in the first opening and being thinner than the first insulating film, and a substrate insulating film A top gate structure comprising: a second opening provided; and a one-conductivity-type deposited semiconductor layer stacked on the substrate insulating film and having a thickness similar to that of the first insulating film in the first opening. The MOS type semiconductor device is a MOS type semiconductor device in which the interval between the first insulating films sandwiching the first opening is 25 μm or less.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、MOS型半導体装置およびその製造方法に関し、特にはIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を構成するパワーMOS型半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a MOS type semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a power MOS type semiconductor device constituting an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a manufacturing method thereof.
本発明にかかるMOS型半導体装置の一種であるIGBTについては、これまで数多くの改良によって、その性能の向上が図られてきている。ここで、IGBTの性能とは、オフ時には、電圧を保持して電流を完全に遮断し、オン時には、できる限り小さい電圧降下、すなわち、小さいオン抵抗で電流を流すことができ、パワー損失の少ないスイッチングデバイスとしての性能のことである。なお、IGBTの動作の本質に鑑みて、本明細書では、コレクタを「アノード」と表記し、エミッタを「カソード」と表記することもある。以下に、IGBTの特性等について説明する。 With respect to an IGBT which is a kind of MOS type semiconductor device according to the present invention, the performance has been improved by many improvements so far. Here, the performance of the IGBT means that the voltage is maintained and the current is completely cut off at the time of off, and the current can flow with the smallest possible voltage drop, that is, a small on resistance at the time of on, and the power loss is small. It is the performance as a switching device. In view of the essence of the operation of the IGBT, in this specification, the collector may be referred to as “anode” and the emitter may be referred to as “cathode”. Below, the characteristic etc. of IGBT are demonstrated.
(IGBT性能のトレードオフについて)
IGBTの保持可能な最大電圧、すなわち耐圧の大きさと、オン時の電圧降下との間には、二律背反の関係(いわゆるトレードオフ関係)が存在し、高耐圧のIGBTほどオン電圧が高くなる。最終的には、このトレードオフ関係の限界値は、シリコンの物性で決まる。しかし、このトレードオフ関係の範囲内でIGBTの性能をシリコンの物性で決まる限界まで向上させるためには、IGBTへの電圧印加時に内部での局所的な電界集中を防ぐなど、デバイスの構造設計面での工夫が必要である。
(About IGBT performance trade-off)
There is a trade-off relationship (so-called trade-off relationship) between the maximum voltage that can be held by the IGBT, that is, the magnitude of the withstand voltage and the voltage drop at the time of ON, and the higher the withstand voltage IGBT, the higher the on-voltage. Ultimately, the limit value of this trade-off relationship is determined by the physical properties of silicon. However, in order to improve the performance of the IGBT to the limit determined by the physical properties of the silicon within the range of this trade-off relationship, it is necessary to prevent the local electric field concentration inside the device when applying the voltage to the IGBT. Ingenuity is necessary.
また、IGBTの性能を表すもう一つの重要な指標として、オン電圧とスイッチング損失(特に、ターンオフ損失)のトレードオフ関係がある。IGBTは、スイッチングデバイスであるため、オンからオフまたはオフからオンの動作を行う。このスイッチング動作の過渡期に、単位時間当たり大きな損失が発生する。一般的には、オン電圧の低いIGBTほどターンオフが遅いので、ターンオフ損失が大きくなる。このターンオフ損失を小さくしようとすると、オン電圧が高くなる。これらもトレードオフ関係である。このようなトレードオフ関係を改善することによって、IGBTの性能をさらに向上させることができる。 As another important index representing the performance of the IGBT, there is a trade-off relationship between on-voltage and switching loss (particularly, turn-off loss). Since the IGBT is a switching device, it operates from on to off or off to on. A large loss per unit time occurs during the transition period of the switching operation. In general, an IGBT having a lower on-voltage has a slower turn-off, and therefore a turn-off loss increases. If the turn-off loss is reduced, the ON voltage increases. These are also trade-off relationships. By improving such a trade-off relationship, the performance of the IGBT can be further improved.
(卜レードオフの改善について)
前述のオン電圧とターンオフ損失とのトレードオフ関係を最適化するには、IGBTのオン状態における過剰キャリア分布を最適化することが有効である。オン電圧を下げるには、ドリフト層における過剰キャリア量を増やしてドリフト層の抵抗値を下げればよい。しかし、ターンオフを完了させるにはは、この過剰キャリアをすべてデバイスの外に掃き出すか、または、電子−ホールの再結合により消滅させる必要がある。故に、過剰キャリアが多いことはターンオフ損失を増加させることになる。従って、このトレードオフ関係を最適化するには、同じオン電圧でターンオフ損失を最小にすればよい。
(Improvement of raid-off)
In order to optimize the trade-off relationship between the on-state voltage and the turn-off loss, it is effective to optimize the excess carrier distribution in the on state of the IGBT. In order to lower the on-voltage, the resistance value of the drift layer may be decreased by increasing the excess carrier amount in the drift layer. However, in order to complete the turn-off, all of the excess carriers must be swept out of the device or annihilated by electron-hole recombination. Therefore, a large number of excess carriers increases the turn-off loss. Therefore, in order to optimize this trade-off relationship, the turn-off loss may be minimized with the same on-voltage.
最適なトレードオフ関係を実現するには、先に結論を言うと、ドリフト層中のアノード側のキャリア濃度を下げるとともに、カソード側のキャリア濃度を上げることによって、アノード側とカソード側のキャリア濃度の比率が1:5程度になるようにすればよい。さらに、ドリフト層でのキャリアライフタイムをできるだけ大きく保つことによって、ドリフト層内の平均キャリア濃度が高くなるようにすればよい。 To achieve the optimal trade-off relationship, the conclusion is that the carrier concentration on the anode side and the cathode side is reduced by lowering the carrier concentration on the anode side in the drift layer and increasing the carrier concentration on the cathode side. The ratio may be about 1: 5. Furthermore, the average carrier concentration in the drift layer may be increased by keeping the carrier lifetime in the drift layer as large as possible.
その理由を説明する。IGBTのターンオフ時には、空乏層は、カソード側のpn接合からn型ドリフト層内部に拡がり、裏面のアノード層へ向かって進展する。その際、n型ドリフト層内の過剰キャリアのうち、ホールは、電界によって空乏層端から引き抜かれる。このようにして電子過剰状態となり、余った電子は、中性領域を抜けてp型のアノード層に注入される。そして、アノード側pn接合がやや順バイアスされることになるので、注入された電子に応じてホールが逆注入される。この逆注入されたホールは、上述した電界によって引き抜かれるホールと合流して、空乏層に入っていく。 The reason will be explained. When the IGBT is turned off, the depletion layer extends from the cathode-side pn junction into the n-type drift layer and progresses toward the anode layer on the back surface. At that time, of the excess carriers in the n-type drift layer, holes are extracted from the end of the depletion layer by the electric field. In this way, an electron excess state occurs, and surplus electrons pass through the neutral region and are injected into the p-type anode layer. Then, since the anode side pn junction is slightly forward-biased, holes are reversely injected according to the injected electrons. The reversely injected holes merge with the holes extracted by the electric field described above and enter the depletion layer.
電荷の担い手であるキャリア(ここでは、ホール)が電界領域を通過してカソード側に抜けるため、電界はキャリアに対して仕事をすることになる。キャリアが電界から受ける仕事は、最終的には、シリコンなどの結晶格子との衝突による格子振動となり、熱として散逸する。この散逸するエネルギーがターンオフ損失となる。ところで、空乏層が伸びきらないうちに引き抜かれるキャリアによって散逸するエネルギーは、空乏層が伸びきったときに引き抜かれるキャリアによって散逸するエネルギーよりも小さい。これは、空乏層が伸びきっていないと、キャリアが空乏層を通過する際の電位差が小さいため、空乏層の電界から受ける仕事が少ないからである。 Since carriers (here, holes) that are charge carriers pass through the electric field region and escape to the cathode side, the electric field works on the carriers. The work that the carriers receive from the electric field eventually becomes lattice vibration due to collision with a crystal lattice such as silicon and dissipates as heat. This dissipating energy becomes a turn-off loss. By the way, the energy dissipated by the carriers extracted before the depletion layer is fully extended is smaller than the energy dissipated by the carriers extracted when the depletion layer is fully extended. This is because if the depletion layer is not fully extended, the potential difference when carriers pass through the depletion layer is small, so that the work received from the electric field of the depletion layer is small.
デバイス内のキャリアの移動というミクロの観点で説明すると以上のようになる。これを、デバイスの端子電圧というマクロの観点で見ると、アノード−カソード間電圧が上がりきる前、すなわち上昇中に流れる電流の方が、上がりきった後に流れる電流よりも、電圧と電流の積(電圧×電流)で表される損失に対する寄与が少ないということを意味する。以上のことから、後述するIE効果によりカソード側に偏重したキャリア分布は、低電圧で引き抜かれるキャリアの割合が多く、オン電圧が同じであるという条件下では、アノード側偏重のキャリア分布よりもターンオフ損失が小さいということがわかる。 This can be explained from the micro viewpoint of carrier movement in the device. From a macro viewpoint of the terminal voltage of the device, the current that flows before the anode-cathode voltage rises, that is, the current that flows during the rise, is the product of the voltage and current ( This means that the contribution to the loss expressed by (voltage × current) is small. From the above, the carrier distribution biased to the cathode side due to the IE effect described later turns off more than the carrier distribution of anode side bias under the condition that the proportion of carriers extracted at a low voltage is large and the on-voltage is the same. It can be seen that the loss is small.
アノード側のキャリア濃度を下げる方法としては、アノード層の総不純物量を下げることが実際的な方法である。ただし、アノード層の総不純物量を下げるためには高不純物濃度の厚い基板を用いることができないので、600Vなどのように定格耐圧の低いIGBTでは、製造工程中に100μm程度またはそれ以下の厚さのウエハを扱わなければならない場合があり、生産技術上、困難という問題が存在する。一方、カソード側のキャリア濃度を上げるメカニズムは、IE効果と呼ばれている。これについては以下説明する。 As a method of reducing the carrier concentration on the anode side, it is a practical method to reduce the total impurity amount of the anode layer. However, since a substrate with a high impurity concentration cannot be used to reduce the total amount of impurities in the anode layer, an IGBT with a low rated breakdown voltage such as 600 V has a thickness of about 100 μm or less during the manufacturing process. However, there is a problem that it is difficult in terms of production technology. On the other hand, the mechanism for increasing the carrier concentration on the cathode side is called the IE effect. This will be described below.
IE効果の大きいカソード構造として、プレーナ構造のpベースを囲むように高濃度n層を挿入したHiGT構造などが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。また、トレンチゲート構造において、隣り合うトレンチ間のメサ部に、ドリフト層よりも高濃度のn層を挿入したCSTBT構造や、IEGT(インジェクション エンハンスメント ゲート トランジスタ)構造などが提案されている(例えば、特許文献3、非特許文献1参照。)。一般に、トレンチ型におけるIE効果の方がプレーナ型におけるIE効果よりも大きい。
As a cathode structure having a large IE effect, a HiGT structure in which a high-concentration n layer is inserted so as to surround a p base of a planar structure has been proposed (see, for example,
(IE効果について)
IE効果については、その本質が議論され、既に報告されている(例えば、非特許文献2参照)。よく描かれるIGBTの等価回路は、MOSFET(金属−酸化膜−半導体構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)とバイポーラトランジスタの組み合わせである。しかし、実際のデバイス動作を考えると、図12に示す等価回路のように、MOSFET100とpnpバイポーラトランジスタ200とpinダイオード300の組み合わせであると考えられる。
(IE effect)
The essence of the IE effect has been discussed and has already been reported (for example, see Non-Patent Document 2). An IGBT equivalent circuit that is often drawn is a combination of a MOSFET (insulated gate field effect transistor having a metal-oxide-semiconductor structure) and a bipolar transistor. However, considering the actual device operation, it is considered to be a combination of
図13は、プレーナ型IGBTの要部の構成を示す半導体基板の断面図である。図13において、符号50はpinダイオード領域であり、符号60はpnpバイポーラトランジスタ領域(以下、pnp−BJT領域とする)である。また、図13において、実線の矢印は電子電流の流れを表し、鎖線の矢印はホール電流の流れを表す。
図13に示すように、電子は、pnp−BJT領域60内の表面のpベース領域内に形成されているn++エミッタ領域46から、基板表面に沿ってn−ドリフト層48の表面との間に挟まれるpベース領域47の表面にゲート閾値電圧の印加時に形成されるn反転層45を通ってn−ドリフト層48の表面に入り、そこに形成されるn+電子蓄積層42を経由して、実線矢印に示すように裏面のpアノード層49に向かって流れる。この電子電流の一部は、基板面に平行に記された実線矢印に示すように流れてpnp−BJT領域60のベース電流となる。pnp−BJT領域60では、pアノード層49から拡散またはドリフトにより移動してきたホールがpベース層47にコレクトされるだけであり、そのpn接合44は、若干逆バイアスされている。従って、そのpn接合44付近のn−ドリフト層48中の少数キャリアすなわちホールの濃度は極めて低い。
FIG. 13 is a cross-sectional view of the semiconductor substrate showing the configuration of the main part of the planar IGBT. In FIG. 13,
As shown in FIG. 13, electrons are transferred from the n ++ emitter region 46 formed in the p base region on the surface in the pnp-
一方、pinダイオード領域50のカソードは、n−ドリフト層48の表面のn+電子蓄積層42である。このn+電子蓄積層42とn−ドリフト層48の間の接合(以下、n+/n−接合と略す)43は、若干順バイアスされているので、n−ドリフト層48中に電子が注入される。大電流時には、電子濃度は、n−ドリフト層48のドーピング濃度よりも遥かに高くなる(高注入状態)。そして、電荷中性条件を満たすため、電子と同じ濃度のホールも存在する。従って、前記n+/n−接合43付近のn−ドリフト層48中の少数キャリアすなわちホールの濃度は極めて高い。
On the other hand, the cathode of the
IGBTにおいて、カソード側偏重の最適キャリア分布を実現するためには、pnp−BJT領域60を減らして、pinダイオード領域50を増やすことが重要である。また、前記n+/n−接合43の順バイアス量を増やして、電子注入を促進することが非常に重要である。これまで提案されたIE効果を有する構造は、pinダイオード領域の比率を増やすと同時に、n+/n−接合43の順バイアスの増加も実現されている。
In the IGBT, it is important to reduce the pnp-
ところで、プレーナ構造のIGBTにおいて、セルピッチに占めるpベースの比率を小さくすると、オン電圧が低減する。その理由は、pinダイオード領域の比率が大きくなったことに加えて、表面付近での横方向電流密度が高くなり、電圧降下が大きくなったことによって、前記n+/n−接合の順バイアスが大きくなる効果が大きいためと説明される。観点を変えると、前記n+/n−接合の順バイアスが大きくなるのは、n+電子蓄積層は低抵抗であるため、その電位はカソード電位にほぼ等しいが、n−ドリフト層は高抵抗であるため、その電位が大電流による電圧降下により持ち上がるからとも言える。 By the way, in the planar structure IGBT, when the ratio of the p base in the cell pitch is reduced, the on-voltage is reduced. The reason is that the forward bias of the n + / n − junction is increased by increasing the lateral current density near the surface and increasing the voltage drop in addition to the increased ratio of the pin diode region. It is explained that the effect of increasing is great. From a different viewpoint, the forward bias of the n + / n − junction increases because the n + electron storage layer has a low resistance, so that its potential is almost equal to the cathode potential, but the n − drift layer has a high resistance. Therefore, it can be said that the potential is lifted by a voltage drop due to a large current.
同様に、トレンチ構造のIGBTにおいて、pnp−BJT領域の比率を減らすことによって、IE効果を高めることができる。pnp−BJT領域の比率を減らすには、例えば一部のメサ部(両トレンチ間の半導体領域)において、p型ベース領域を電位に関してフローティング状態とすればよい。また、トレンチを深くして、トレンチ底部をpn接合から離すことによっても、IE効果が大きくなる。さらに、メサ部の幅を狭くすることによっても、IE効果が大きくなる。これらは、いずれの場合も、メサ部を流れるホール電流密度が大きくなり、電圧降下によるn+/n−接合の順バイアスが強くなるためと考えられる。 Similarly, in a trench structure IGBT, the IE effect can be enhanced by reducing the ratio of the pnp-BJT region. In order to reduce the ratio of the pnp-BJT region, for example, in some mesa portions (semiconductor region between both trenches), the p-type base region may be in a floating state with respect to the potential. The IE effect can also be increased by deepening the trench and separating the bottom of the trench from the pn junction. Further, the IE effect is increased by reducing the width of the mesa portion. In any case, it is considered that the density of the hole current flowing through the mesa portion is increased, and the forward bias of the n + / n − junction due to the voltage drop is increased.
ここで、ドリフト層のドーピング濃度をNdとし、n+/n−接合にかかる順バイアスをVnとすると、n+/n−接合のn−層側の電子濃度nは、次式で表される。ただし、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温度である。 Here, when the doping concentration of the drift layer is Nd and the forward bias applied to the n + / n − junction is Vn, the electron concentration n on the n − layer side of the n + / n − junction is expressed by the following equation: . However, k is a Boltzmann constant and T is an absolute temperature.
[数1]
n=Nd exp(Vn/kT)
上記式より明らかなように、n+/n−接合に印加される順バイアスに応じて、カソード側の電子濃度nは、指数関数的に増大する。順バイアス量を増やす手段として、上述したように、大電流による電圧降下を利用するものがある。また、上記特許文献1〜3に記載されているように、n型不純物濃度を増やすことによっても、順バイアス量を増やすことができる。ただし、特許文献1に記載されているHiGT構造は、プレーナ構造であるため、表面側のn+バッファ層のn型不純物濃度が高すぎると、順耐圧が大きく低下するという問題がある。
[Equation 1]
n = Nd exp (Vn / kT)
As is apparent from the above equation, the electron concentration n on the cathode side increases exponentially according to the forward bias applied to the n + / n − junction. As means for increasing the forward bias amount, there is one that uses a voltage drop due to a large current as described above. Further, as described in
一方、特許文献3に記載されているCSTBT構造では、表面側のn+バッファ層は、トレンチゲート酸化膜により挟まれており、そのゲート酸化膜を介してポリシリコン電位へと続いている。そのため、順電圧保持時、すなわちブロッキングモード時には、表面側のn+バッファ層は、pn接合だけでなく、両側のトレンチゲート酸化膜との境界からも空乏化するので、低い順バイアスで完全に空乏化する。従って、表面側のn+バッファ層は高濃度であるにもかかわらず、その内部の電界は緩和されている。順バイアスをさらに上げても、トレンチ間のメサ部の電界が緩和されていることによって、局所的なピーク電界が現れにくい。
On the other hand, in the CSTBT structure described in
これは、一様、かつ単一の導電型の層よりなるドリフト層の代わりに、不純物濃度を高めた縦形層状のn型領域と縦形層状のp型領域を交互に繰り返し接合した縦形並列pn構造をドリフト部に備える超接合構造のMOSFETの原理にも通ずるものである(前記縦形とは基板主面に対して垂直の方向)。
このように、CSTBT構造は、IE効果を高めつつも、順耐圧が低下しにくいという特性を有する。その理由は、表面側のn+バッファ層は、n−ドリフト層との間に拡散電位を作り、ホールにとっての電位障壁となるので、ドリフト層中のホール濃度が上昇するからである(第一の説明)。もう一つの説明(第二の説明)として、表面側のn+バッファ層とn−層との間が順バイアスされるので、n+バッファ層から電子が注入されるからであるということができる。
This is a vertical parallel pn structure in which a vertical layered n-type region and a vertical layered p-type region with increased impurity concentration are alternately and repeatedly joined instead of a drift layer composed of a uniform and single conductivity type layer. This is also in accordance with the principle of a MOSFET having a super junction structure provided with a drift portion (the vertical shape is a direction perpendicular to the main surface of the substrate).
As described above, the CSTBT structure has a characteristic that the forward breakdown voltage is hardly lowered while enhancing the IE effect. The reason is that the n + buffer layer on the surface side creates a diffusion potential with the n − drift layer and becomes a potential barrier for the holes, so that the hole concentration in the drift layer increases (first Description). Another explanation (second explanation) is that electrons are injected from the n + buffer layer because the n + buffer layer and the n − layer on the surface side are forward-biased. .
つまり、第二の説明では、n+/n−接合において、n+バッファ層が高濃度であれば、電子注入効率が向上するので、n+バッファ層に入るホール電流に対して、n−層に注入される電子電流の比率が大きくなる。ホールがn+バッファ層中を少数キャリアとして拡散して流れるためには、n+/n−接合が順バイアスされる必要がある。n+バッファ層濃度が高いほど、熱平衡状態における少数キャリアとしてのホール濃度が小さいため、同じホール電流を流すためには、より高い順バイアス量が必要となる。順バイアス量が大きいと、n−層に流れ込む電子電流が増えるので、電子濃度が増えるのである。この第二の説明は、物理的には、先の第一の説明を言い換えたものである。 That is, in the second description, in the n + / n − junction, if the n + buffer layer has a high concentration, the electron injection efficiency is improved, so that the n − layer with respect to the hole current entering the n + buffer layer is improved. The ratio of the electron current injected into is increased. In order for holes to diffuse and flow as minority carriers in the n + buffer layer, the n + / n − junction needs to be forward biased. The higher the n + buffer layer concentration, the smaller the hole concentration as minority carriers in the thermal equilibrium state. Therefore, a higher forward bias amount is required to flow the same hole current. If the forward bias amount is large, the electron current flowing into the n − layer increases, so that the electron concentration increases. This second explanation is physically a paraphrase of the first explanation.
以上説明したように、従来のIGBTでも、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフを最適化するためにIE効果によるカソード側に偏重したキャリア分布となるようなデバイス構造とすることが好ましいということに基づく種々の構造が発表されている。
しかしながら、前述した公知の構造によるオン電圧−ターンオフ損失のトレードオフ関係の最適化は、必ずしもまだ、充分とは言えず、オン状態におけるカソード側のキャリア濃度をさらに高くすることができると考えられる。つまり、従来のIGBTのようなMOSゲート型半導体装置では、前記IE効果がまだ充分に発揮されているとは思えないのである。たとえば、前述のCSTBT構造やIEGT構造のように、トレンチゲート構造を採用したものでも、それ以前のものよりはトレードオフ特性が向上しているが、それでもなお、さらに特性を改善することができる余地があるということである。 However, optimization of the trade-off relationship between the on-voltage and the turn-off loss by the above-described known structure is not necessarily sufficient, and it is considered that the cathode carrier concentration in the on-state can be further increased. In other words, it cannot be said that the IE effect is still sufficiently exerted in a conventional MOS gate type semiconductor device such as an IGBT. For example, even if a trench gate structure such as the above-mentioned CSTBT structure or IEGT structure is used, the trade-off characteristic is improved as compared with the previous one, but there is still room for further improvement of the characteristic. Is that there is.
一方、トレンチゲート構造のMOS型半導体装置の製造プロセスは、前述のように一定のトレードオフ改善効果を示すものの、プレーナ構造の製造プロセスに比べてトレンチ形成工程があるため長く複雑であり、セルパターンも微細化されている。そのため、ただでさえ良品率は低く製品コストも高くなり易いにもかかわらず、特性の向上のためとは言え、さらに特性改善を進めようすると、セルパターンはさらに微細化し、製造コストもさらに高くなる。従って、製造プロセスの複雑化、セルパターンの微細化を究極にまで進めなくとも、あるいはトレンチゲート構造を採らなくても、前記トレードオフの改善が図れることがMOS型半導体装置にとって、良品率の観点、製品コストの観点から最も好ましい。なお、トレンチゲート構造のMOS型半導体装置では、以上の問題に加えてトレンチ底部に電界が集中しやすく、耐圧低下を起こし易くてオン電圧−耐圧のトレードオフが特に悪化し易いという問題もある。またさらに、構造上、ゲートをカソードに対して負電位にした場合に、トレンチ底部の電界強度が増し、さらに耐圧が低下し易いという問題も抱えている。 On the other hand, the manufacturing process of the trench gate structure MOS type semiconductor device shows a certain trade-off improvement effect as described above, but is longer and complicated because of the trench formation process than the planar structure manufacturing process. Are also miniaturized. Therefore, even though the yield rate is low and the product cost tends to be high, the cell pattern is further miniaturized and the manufacturing cost is further increased if the characteristics are further improved, even if the characteristics are improved. . Therefore, it is possible for the MOS type semiconductor device to improve the trade-off even if the manufacturing process is not complicated and the cell pattern is not miniaturized or the trench gate structure is not adopted. The most preferable from the viewpoint of product cost. In addition to the above problems, the MOS type semiconductor device having a trench gate structure has a problem that an electric field is likely to be concentrated on the bottom of the trench, a breakdown voltage is liable to be lowered, and a trade-off between on-voltage and breakdown voltage is particularly likely to be deteriorated. Furthermore, the structure has a problem that when the gate is set to a negative potential with respect to the cathode, the electric field strength at the bottom of the trench increases and the breakdown voltage tends to decrease.
この発明は、以上述べた問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、トレンチゲート構造を採らなくても、オン電圧とターンオフ損失とのトレードオフ関係をさらに改善するトップゲート構造を有するMOS型半導体装置とするために、トップゲート構造を構成するエピタキシャルシリコン層の形成時に余剰研磨、過剰研磨を防いでオン電圧のばらつきを抑制し、研磨後のエピタキシャルシリコン層の表面粗さを小さくしてゲート特性を良好にするトップゲート構造を有するMOS型半導体装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is a top gate structure that further improves the trade-off relationship between on-voltage and turn-off loss without adopting a trench gate structure. In order to obtain a MOS type semiconductor device having a top gate structure, it is possible to prevent excessive polishing and excessive polishing during formation of the epitaxial silicon layer constituting the top gate structure, thereby suppressing on-voltage variations, and to reduce the surface roughness of the polished epitaxial silicon layer. An object of the present invention is to provide a MOS semiconductor device having a top gate structure that is small and has good gate characteristics.
特許請求の範囲の請求項1記載の本発明によれば、一導電型半導体基板表面に第一開口部を有する第一絶縁膜と、この第一開口部内に設けられ、前記第一絶縁膜より薄膜である基板絶縁膜と、該基板絶縁膜に設けられる第二開口部と、該基板絶縁膜上であって前記第一開口部内に前記第一絶縁膜と同程度の厚さに積層される一導電型堆積半導体層を備え、
前記堆積半導体層が前記第二開口部で前記半導体基板表面に接触する一導電型バッファ領域と、前記基板絶縁膜上にあって前記一導電型バッファ領域に隣接する他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内であって、前記一導電型バッファ領域とにより前記他導電型ベース領域表面を挟む位置にある一導電型エミッタ領域とを有し、
前記他導電型ベース領域表面にゲート絶縁膜を介して積層される多結晶半導体ゲート電極を備えるMOSゲート構造を有するMOS型半導体装置において、前記第一開口部を挟む第一絶縁膜の間隔が25μm以下であるMOS型半導体装置とすることにより、前記目的は達成される。
According to the first aspect of the present invention, the first insulating film having the first opening on the surface of the one-conductivity-type semiconductor substrate, and the first insulating film provided in the first opening, A substrate insulating film that is a thin film, a second opening provided in the substrate insulating film, and a layer on the substrate insulating film that is approximately the same thickness as the first insulating film in the first opening. Comprising one conductive type deposited semiconductor layer;
A first conductivity type buffer region in which the deposited semiconductor layer is in contact with the surface of the semiconductor substrate through the second opening; a second conductivity type base region on the substrate insulating film and adjacent to the first conductivity type buffer region; A one-conductivity-type emitter region located within the other-conductivity-type base region and sandwiching the surface of the other-conductivity-type base region with the one-conductivity-type buffer region;
In a MOS type semiconductor device having a MOS gate structure having a polycrystalline semiconductor gate electrode laminated on the surface of the other conductivity type base region via a gate insulating film, the interval between the first insulating films sandwiching the first opening is 25 μm The object is achieved by using the following MOS type semiconductor device.
特許請求の範囲の請求項2記載の本発明によれば、前記堆積半導体層がエピタキシャルシリコン層である特許請求の範囲の請求項1記載のMOS型半導体層とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項3記載の本発明によれば、前記第一開口部を挟む第一絶縁膜の基板表面方向の幅が1μm乃至5μmである特許請求の範囲の請求項1または2記載のMOS型半導体装置とすることが望ましい。
According to the second aspect of the present invention, the deposited semiconductor layer is preferably an MOS type semiconductor layer according to the first aspect of the present invention which is an epitaxial silicon layer.
According to the present invention as set forth in
特許請求の範囲の請求項4記載の本発明によれば、前記第一開口部を挟む第一絶縁膜が線状の平面パターンを有している特許請求の範囲の請求項1乃至3のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置とすることがより好ましい。
特許請求の範囲の請求項5記載の本発明によれば、前記第一絶縁膜が所定の間隔で非連続の線状に並べられる平面パターンを有している特許請求の範囲の請求項1乃至4のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置とすることが望ましい。
According to the present invention as set forth in claim 4, the first insulating film sandwiching the first opening has a linear plane pattern. More preferably, the MOS type semiconductor device according to any one of the above is used.
According to the present invention as set forth in
特許請求の範囲の請求項6記載の本発明によれば、前記第一絶縁膜が、所定の間隔で非連続の線状に並べられる四角柱または円柱状を有している特許請求の範囲の請求項5記載のMOS型半導体装置とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項7記載の本発明によれば、一導電型半導体基板表面に設けた第一絶縁膜に第一開口部を形成し、この第一開口部内に前記第一絶縁膜より薄膜の基板絶縁膜を形成し、続いて該基板絶縁膜内に第二開口部を設け、前記第一開口部内にエピタキシャル半導体層を前記第一絶縁膜の厚さ以上の厚さに形成後、該エピタキシャル半導体層を表面研磨して前記第一絶縁膜の厚さと同程度の厚さにした後、前記エピタキシャル半導体層上にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成する工程を有するMOS型半導体装置の製造方法において、前記エピタキシャル半導体層を表面研磨して前記第一絶縁膜の厚さと同程度の厚さにした後、犠牲酸化膜を0.05μm乃至0.1μmの厚さに形成し、その後、除去してから前記エピタキシャル半導体層上にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成するMOS型半導体装置の製造方法とすることにより前記目的は達成できる。
According to the present invention of
According to the seventh aspect of the present invention, the first opening is formed in the first insulating film provided on the surface of the one-conductivity type semiconductor substrate, and the first opening is formed in the first opening. After forming a thin substrate insulating film, subsequently providing a second opening in the substrate insulating film, and after forming an epitaxial semiconductor layer in the first opening to a thickness greater than the thickness of the first insulating film, A MOS type semiconductor device comprising a step of polishing the surface of the epitaxial semiconductor layer so as to have the same thickness as the first insulating film, and then forming a gate electrode on the epitaxial semiconductor layer via a gate oxide film In the manufacturing method, after the surface of the epitaxial semiconductor layer is polished to the same thickness as the first insulating film, a sacrificial oxide film is formed to a thickness of 0.05 μm to 0.1 μm, and thereafter Remove the epitaxy The object can be achieved by a method for manufacturing a MOS type semiconductor device in which a gate electrode is formed on a semiconductor layer via a gate oxide film.
本発明によれば、トレンチゲート構造を採らなくても、オン電圧とターンオフ損失とのトレードオフ関係をさらに改善するトップゲート構造を有するMOS型半導体装置とするために、トップゲート構造を構成するエピタキシャルシリコン層の形成時に余剰研磨、過剰研磨を防いでオン電圧のばらつきを抑制し、研磨後のエピタキシャルシリコン層の表面粗さを小さくしてゲート特性を良好にするトップゲート構造を有するMOS型半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, even if a trench gate structure is not employed, the epitaxial structure constituting the top gate structure is obtained in order to obtain a MOS type semiconductor device having a top gate structure that further improves the trade-off relationship between the on-voltage and the turn-off loss. MOS type semiconductor device having a top gate structure that prevents excessive polishing and excessive polishing during the formation of a silicon layer, suppresses variations in on-voltage, reduces the surface roughness of the polished epitaxial silicon layer, and improves gate characteristics. Can be provided.
以下、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
図1は本発明にかかる表面カソード側高注入構造を有するIGBTに関し、(a)はIGBTの半導体基板の要部断面図であり、(b)は図1の本発明にかかるIGBTの半導体基板の要部斜視図である。図2は過剰研磨と余剰研磨の状態を示す半導体基板の断面図で、(a)はエピタキシャルシリコン層の成長直後の半導体基板の要部断面図、(b)はエピタキシャルシリコン層成長後の余剰研磨状態を示す半導体基板の要部断面図、(c)はエピタキシャルシリコン層成長後の過剰研磨状態を示す半導体基板の要部断面図である。図3は本発明にかかるIGBTの製造方法に関する第一開口部幅と過剰研磨量との関係図である。図4は本発明にかかるIGBTのエピタキシャルシリコン層厚ばらつきとオン電圧との関係図である。図5は本発明にかかるIGBTの第一絶縁膜の平面パターンを示す平面図(a)と断面図(b)である。図6は本発明にかかるIGBTの第一絶縁膜の異なる平面パターンを示す平面図(a)と断面図(b)である。図7〜図9は本発明の実施例1、2にかかるIGBTの主な製造工程を示す半導体基板の要部断面図である。図10は犠牲酸化膜と表面粗さの間の関係図である。図11は犠牲酸化膜とゲート耐圧の間の関係図である。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the description of the examples described below unless it exceeds the gist.
1A and 1B relate to an IGBT having a surface cathode side high injection structure according to the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view of a main part of an IGBT semiconductor substrate, and FIG. It is a principal part perspective view. 2A and 2B are cross-sectional views of the semiconductor substrate showing the states of overpolishing and excessive polishing. FIG. 2A is a cross-sectional view of the main part of the semiconductor substrate immediately after the growth of the epitaxial silicon layer, and FIG. The principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows a state, (c) is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the excessive polishing state after epitaxial silicon layer growth. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the first opening width and the excessive polishing amount related to the IGBT manufacturing method according to the present invention. FIG. 4 is a relationship diagram between the epitaxial silicon layer thickness variation of the IGBT and the on-voltage according to the present invention. FIG. 5 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing a plane pattern of the first insulating film of the IGBT according to the present invention. FIG. 6 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing different plane patterns of the first insulating film of the IGBT according to the present invention. 7-9 is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the main manufacturing processes of IGBT concerning Example 1, 2 of this invention. FIG. 10 is a relationship diagram between the sacrificial oxide film and the surface roughness. FIG. 11 is a relationship diagram between the sacrificial oxide film and the gate breakdown voltage.
図7〜図9は本発明の実施例1にかかる、トップゲート型表面高注入構造を有するIGBTの構造および製造方法について、主要な製造工程における半導体基板の要部断面図を示したものである。
図7(a)に示すように、半導体基板としては、n型FZ−シリコン基板1のミラー研磨仕上げを用いる。基板の比抵抗は、30〜200Ωcmの範囲が好ましく、IGBTに求められる耐圧によって選択する。例えば80Ωcmの基板1を用いて作製すれば、耐圧1200VのIGBTとすることができる。この基板1に熱酸化またはCVD成長による膜厚範囲0.3μm〜1μmから選ばれるいずれかの基準酸化膜2を形成する。次にその膜上にフォトレジストによるパターニングを施して、基準酸化膜2をストライプ状の平面パターンとなるように選択的にドライエッチングして大きな第一開口部3を形成する(図7(b))。このとき、開口されずに残った端部の基準酸化膜2間の第一開口部3の幅は5〜25μm、ストライプ状平面パターンからなる基準酸化膜2の基板面方向の幅は0.5μm〜2μmの範囲のいずれかがそれぞれ望ましい。ここでは、基準酸化膜2の幅を1μm、第一開口部3幅を20μmとした。続いて、図7(c)に示すように、熱酸化またはCVDにより基板酸化膜4を厚さ0.05μm〜0.2μmの範囲でいずれかの厚さに全面形成した後、フォトリソグラフィーによって基板酸化膜4の中央に径1μmの第二開口部5を形成する。基準酸化膜2の突出量(膜厚)は前述のように0.3μm〜1μmの範囲が好ましいが、ここでは、基板酸化膜4の厚さを0.1μm、基準酸化膜2の突出量(膜厚)を0.7μm、合わせて0.8μmとした。
7 to 9 are cross-sectional views of the main part of the semiconductor substrate in the main manufacturing process regarding the structure and manufacturing method of the IGBT having the top gate type high surface injection structure according to the first embodiment of the present invention. .
As shown in FIG. 7A, the mirror polishing finish of the n-type FZ-
その後、図7(d)に示すように、第二開口部5によって露出したシリコン基板1表面をシード層としてエピタキシャルシリコン層6を成長させる。その代表的なプロセスガスとして、主ガスをジクロロシランあるいはトリクロロシランとし、水素ガスをキャリアガスとし、ドーピングガスとしてアルシンまたはホスフィンを添加したものを用いる。また、反応圧力は100〜760Torr(1Torr=133.3Pa)、シリコン基板(ウエハ)温度1000℃程度が好ましい。ここでは、ドーピングガスとしてホスフィンを用い、膜中リン濃度が1×1016cm−3になるように条件を制御した。n型エピタキシャルシリコン層6の成長が第二開口部5で始まってから成長面が基板酸化膜4の厚みを超えて上面の位置よりも高くなると成長は基板酸化膜4上を横方向にも進む。その後、端部の基準酸化膜2の突出部(膜厚部)を乗り越えて全面を被覆した時点でガスの供給を停止して成長をストップさせる。
Thereafter, as shown in FIG. 7D, an
次に、n型エピタキシャルシリコン層6が形成されたシリコン基板1をCMP装置に搬入し、基準酸化膜2をストッパー膜として図8(e)に示すようにn型エピタキシャル半導体層(単結晶シリコン層)6表面が平坦な断面形状になるまで研磨を行う。このとき重要なことは、選択比((Si研磨レート/酸化膜研磨レート)を50倍以上、好ましくは100倍以上と高くして基準酸化膜(ストッパー膜)2の上面を基準として確実に研磨を停止させることである。そのためには、たとえば、(株)フジミインコーポレーテッド製の高純度コロイダルシリカスラリーplanerlite−6103などを用いることが有効である。代表的な研磨条件はトップリング圧力300〜600hPa,テーブル回転数50〜100rpmとした。このときの前記選択比は約100倍である。なお、研磨時間は一定としてもよいが、余剰研磨(基準となる基準酸化膜2上にエピタキシャルシリコン層の研磨残渣が残っている研磨不足状態−図2(b))や研磨過剰(ディッシング−基準となる基準酸化膜の上面よりエピタキシャルシリコン層の厚さが薄い状態に研磨されること−図2(c))の発生を抑えるには何らかの終点検出を行うことが有効である。そのための方法としては、モータートルクの検出、反射光測定等が考えられる。ここでは、モータートルク検出を用いることにより、研磨不良を抑え、n型エピタキシャルシリコン層6の厚みがほぼ一定になるようにした。
Next, the
ところが、基準酸化膜(ストッパー膜)2の領域がシリコン領域に比べて相対的に少ない、言い換えるとストッパー酸化膜2の間隔(第一開口部の幅)が大きいと、研磨時、終点検出用の基準酸化膜2が露出した時点で、図2(c)のように第一開口部3の上方の中心付近でディッシング(過剰研磨)が発生し易くなる。また、中心部での前記ディッシングによる凹みを無くすために研磨時間を短くすると、図2(b)のように、基準酸化膜2の厚さよりエピタキシャルシリコン層の厚さが厚い余剰研磨となるので、要注意である。
However, if the area of the reference oxide film (stopper film) 2 is relatively smaller than that of the silicon area, in other words, if the distance between the stopper oxide films 2 (the width of the first opening) is large, an end point detection is performed during polishing. When the
図3に第一開口部3幅と過剰研磨量の関係を示した。第一開口部3幅を短くすると過剰研磨量は減少して行く。その減少の途中、25μmに変曲点があり、第一開口部3幅を25μm以下とすることで、過剰研磨量を大きく減少させ得ることがわかる。また、終点検出用の基準酸化膜2の幅(基板面方向の幅)に関しては、1μm以上で、5μm以下とすることが望ましい。1μm未満とすると研磨時での検出が困難になり、適切に研磨ストップができずに過剰研磨となり、5μm以上とすると、電流の流れる有効な活性面積に対して、非活性領域が増えるからである。
FIG. 3 shows the relationship between the width of the
図4に研磨後のエピタキシャルシリコン層厚のばらつき(過剰研磨、余剰研磨)とオン電圧の関係を示した。0.2μm余剰研磨となった場合は、オン電圧は、0.07V高くなる。また、0.2μm過剰研磨となった場合は、0.09V低くなる。エピタキシャルシリコン層厚のばらつきは、オン電圧のばらつきに影響を与えるため、できるかぎり小さいことが望ましい。 FIG. 4 shows the relationship between the variation in the thickness of the epitaxial silicon layer after polishing (excessive polishing and excessive polishing) and the on-voltage. In the case of 0.2 μm surplus polishing, the ON voltage increases by 0.07V. Moreover, when it becomes 0.2 micrometer excessive polishing, it becomes 0.09V lower. Since the variation in the thickness of the epitaxial silicon layer affects the variation in the ON voltage, it is desirable that the variation is as small as possible.
また、図5(a)に示すように、基準酸化膜(酸化膜ストッパー)2を四角形セル状の非連続の線状平面パターンに形成することにより、通常の線状平面パターンの場合より有効電流の流れる活性領域を多くすることができる。酸化膜ストッパー2の四角柱セル間の距離eは、第一開口部3幅aよりも短いことが望ましい。図6(a)に示すように、酸化膜ストッパー2の形状を円柱状としてもよい。
Further, as shown in FIG. 5A, by forming the reference oxide film (oxide film stopper) 2 in a rectangular cell-like discontinuous linear plane pattern, an effective current is improved as compared with the case of a normal linear plane pattern. It is possible to increase the active region through which the gas flows. The distance e between the square column cells of the
本発明にかかるトップゲート構造を有するMOS型半導体装置によれば、前述の図5、6に示すような第一開口部3幅およびストッパー酸化膜2の平面パターンと、所定の寸法範囲とすることにより、エピタキシャル成長のシリコン層の余剰研磨および過剰研磨を防ぐことができ、オン電圧のばらつきを大幅に抑制することができる。
次に、エピタキシャルシリコン層6の研磨後の表面に、厚さ0.08μmの犠牲酸化膜を形成し、続いてふっ酸でその犠牲酸化膜を除去することにより、表面状態を改善する。
According to the MOS type semiconductor device having the top gate structure according to the present invention, the
Next, a sacrificial oxide film having a thickness of 0.08 μm is formed on the polished surface of the
続いて、図8(f)に示すように、エピタキシャルシリコン層6の上に熱酸化あるいはCVDによりゲート酸化膜7を全面に形成する。ここでは、熱酸化膜を厚さ0.1μmで形成する。次に図8(g)のようにゲート電極となるポリシリコン層8を0.5μm程度の厚さで、CVDにより全面に形成し、その後、図8(h)のように、フォトリソグラフィーによりポリシリコン層8を部分的に除去する。続いて、残ったポリシリコン層8をマスクにしてドーズ量5×1014cm−2のボロンイオンを行い、窒素雰囲気で1150℃×2時間のドライブ拡散を行い、さらに、ドーズ量1×1015cm−2の砒素イオンをイオン注入し、1000℃、で30分のドライブ拡散を行ってp型ベース領域9とn++型カソード領域10を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 8F, a
その後、図9(i)のように厚さ約1μmのBPSG膜11を全面に形成して層間絶縁膜とする。続いて、金属電極とのコンタクトのためのコンタクト開口部12を形成する。次に、図9(j)のように膜厚5μmのアルミニウム電極(カソード電極)13を形成し、図示しない基板裏面のアノード側にアノード電極を形成することにより、本発明の実施例にかかるIGBTの半導体基板が完成する。
Thereafter, as shown in FIG. 9I, a
この実施例にかかるIGBTには、以下の利点がある。
1、チャネル領域(p型ベース領域)9をエピタキシャルシリコン層6で形成することにより、移動度が大きくなり、抵抗ロスが減少する。
2、チャネル領域9をエピタキシャルシリコン層で形成することにより、順方向ブロッキング時のもれ電流が小さくなる。
The IGBT according to this embodiment has the following advantages.
1. By forming the channel region (p-type base region) 9 with the
2. By forming the
3、所定の寸法を有する基準酸化膜2をストッパーとしたCMP(Chemical Mecanical Polisher)によりエピタキシャルシリコン層6の薄膜化および均一化が可能になる。これは、IGBTの耐圧向上、オン電圧特性のバラツキ低減につながる。
4、ゲート耐圧が向上し、安定化する。
3. The
4. The gate breakdown voltage is improved and stabilized.
次に、この実施例1で作成したIGBTについて、その作用および効果について説明する。
(定常オン状態について)
図9(j)の拡大図である図1(a)に示すように、ゲート電極(ゲートポリシリコン層8)に、カソード(エミッタ)電極13に対して正の電位を印加すると、p型ベース領域9表面の、ゲート酸化膜7との界面付近の領域がn型に反転し、n型反転層(チャネル)ができる。この状態でコレクタ(図示せず)−エミッタ(アノードーカソード間)間に順バイアスを加えると、電子は、前記チャネルおよび電子蓄積層(n+バッファ領域15のゲート酸化膜7に沿った領域)14を経由して、ドリフト層(n−単結晶シリコン基板)1に流れ込み、図示しない裏面のp+アノード層に達する。それによって、p+アノード層とドリフト層とのpn接合(図示せず)は順バイアスされるので、p+アノード層からドリフト層にホールが注入される。
Next, the operation and effect of the IGBT created in Example 1 will be described.
(Regarding steady ON state)
When a positive potential is applied to the gate electrode (gate polysilicon layer 8) with respect to the cathode (emitter)
注入されたホールは、ドリフト層1の上層に来ると、第二開口部5からn+バッファ領域15に入る。n+バッファ領域15に入ったホールの一部は、n+バッファ領域15内で電子と再結合して消滅する。残りのホールは、n+バッファ領域15を通過してp型ベース領域9にコレクトされる。ホール電流は、n+バッファ領域15とp型ベース領域9を形成する層である狭くて長いエピタキシャルシリコン層6を流れるため、電圧降下が発生する。従って、電子蓄積層14である、n+バッファ領域15のゲート酸化膜7に沿った表面n+領域14とn−ドリフト層1とからなるn+/n−接合が順バイアスされる。これにより、電子が注入されて、カソード側の電子濃度が上昇し、それに応じて、電荷中性条件を満たすために同濃度のホールが蓄積される。
The injected holes enter the n + buffer region 15 from the
また、ホールがn+バッファ領域15に注入されると、このn+/n−接合はさらに順バイアスされることになり、電子が注入される。なお、エピタキシャルシリコン層6とn−単結晶シリコン基板1とは、第二開口部5を除くほとんどの部分において基板酸化膜4により絶縁分離されている。従って、pnp−BJT領域は、デバイス全体の僅かな部分であり、大部分は、pinダイオード領域である。また、基板表面の面積を十分に使ってチャネルを形成することができ、チャネル周辺長も自在に大きくすることができる。ただし、周辺長が大きすぎると、伝達特性が高くなりすぎて、短絡時の制限電流が増大し、短絡耐量が低下してしまうので、この点を考慮して周辺長を決定する必要がある。
When holes are injected into the n + buffer region 15, the n + / n − junction is further forward-biased, and electrons are injected. The
(順方向ブロッキング状態について)
次に、ゲート電位をエミッタ(カソード)電位に比べて同等か負にして、コレクタ−エミッタ間に順バイアスを印加するブロッキングモード時の動作について説明する。p型ベース領域9とn+バッファ領域15からなるpn接合から空乏層が広がると同時に、ゲート酸化膜7からも空乏層が広がる。これは、ゲート電極8がエミッタ電位以下であるのに対して、n+バッファ領域15が正にバイアスされるからである。n+バッファ領域15は、エピタキシャルシリコン層6の厚さ分のみであるので、僅かな順バイアスで完全に空乏化する。n+バッファ領域15の総不純物量を一定値以下に設定しておけば、n+バッファ領域15中の最大電界強度を抑えることができる。
(For forward blocking state)
Next, the operation in the blocking mode in which a forward bias is applied between the collector and the emitter with the gate potential equal or negative compared to the emitter (cathode) potential will be described. A depletion layer spreads from the pn junction composed of the p-
順バイアスをさらに増やしていくと、空乏層は、n−ドリフト層1中に伸びる。印加した順バイアスの大部分は、n−ドリフト層1によって担われるので、n+バッファ領域15中の電界強度の局所的なピークを抑えることができ、局所的な電界集中によるアバランシェ降伏が起こりにくい。従って、十分な順耐圧を確保することができる。この結果として、順耐圧を高くしてもオン電圧が悪化することはない。これは、従来のプレーナ型またはトレンチ型のIGBTと比べて、大変に優れている点である。 As the forward bias is further increased, the depletion layer extends into the n − drift layer 1. Since most of the applied forward bias is carried by the n − drift layer 1, the local peak of the electric field intensity in the n + buffer region 15 can be suppressed, and avalanche breakdown due to local electric field concentration hardly occurs. . Therefore, a sufficient forward breakdown voltage can be ensured. As a result, the on-voltage does not deteriorate even when the forward breakdown voltage is increased. This is a great advantage compared to conventional planar type or trench type IGBTs.
(トレードオフ特性について)
前記n+エピタキシャルシリコン層6を高不純物濃度にした構成であるn++型カソード領域10内では、ドーピング濃度が非常に高いため、キャリア移動度が低くても抵抗が低いので、電圧降下はほとんどない。また、本実施例では、前記n+エピタキシャルシリコン層6をp型変換した構成であるp型チャネル領域(p型ベース領域9)の周辺長をパターン設計により比較的自在に設定することができるため、移動度劣化分を補うように周辺長を長くすることによって、電圧降下を従来のIGBTと同じ程度にすることができる。また前記n+エピタキシャルシリコン層6で構成されているn+バッファ領域15内では低キャリア移動度であるため、電圧降下がやや増加するが、全オン電圧への寄与は小さい。逆に、n+バッファ領域15内での電圧降下により、n−ドリフト層1の電位がカソード電位に対して上昇するメリットが得られる。
(About trade-off characteristics)
In the n ++
一方、n+バッファ領域15内でゲート酸化膜7に沿った領域と第二開口部5のところで基板酸化膜4に沿った領域からなるn+電子蓄積層14では、電子濃度が非常に高く(〜1×1019cm−3)、電気抵抗が低いので、電圧降下が少ない。このため、n+電子蓄積層14とn−ドリフト層1とからなるn+/n−接合がより順バイアスされるので、電子が注入され易くなる。つまり、n+バッファ領域15において電圧降下が生じることにより、n−ドリフト層1中のキャリア分布が表面偏重型になることが本発明の大きい特徴である。これによって、オン電圧−ターンオフ損失のトレードオフが最適化される本発明の効果が発揮されるのである。これは、特に高耐圧IGBTにおけるオン電圧分担の大部分を占めるn−ドリフト層中の電圧降下を、ある一定のターンオフ損失に対して最小化することを意味する。
On the other hand, the n + n +
(ラッチアップ耐量について)
n+バッファ領域15中のキャリア寿命およびキャリア移動度が低いと、少数キャリアであるホールの拡散長が短くなり、n+バッファ領域15中でのキャリアの再結合が増える。その結果、p型ベース領域9を通り抜けてエミッタ電極13にコレクトされるホール電流が減少する。このため、ラッチアップに寄与するホール電流が減少し、ラッチアップ耐量が向上する。
(Latch-up tolerance)
When the carrier lifetime and carrier mobility in the n + buffer region 15 are low, the diffusion length of holes that are minority carriers is shortened, and the recombination of carriers in the n + buffer region 15 is increased. As a result, the hole current that passes through the p-
(微細プロセスについて)
以上説明したIGBTの構造には、表面パターンの極端な微細化が不要であるという設計上の長所がある。カソード(エミッタ)コンタクト領域は12、図9(j)に示すように、基板酸化膜4によりドリフト層1と電気的に分離されており、基板酸化膜4の無い部分、すなわち基板酸化膜4の第二開口部5においてのみドリフト層1に接続している。そのため、カソード(エミッタ)コンタクト領域の設計寸法は、ドリフト層1の特性には直接は寄与しない。これは、従来のプレーナ型またはトレンチ型のIGBTとは対称的である。従来のIGBTでは、カソード(エミッタ)コンタクト領域のすべてが直接的にドリフト層に接続しており、その設計寸法が直接的に特性に結びついている。従って、本実施例1では、前述のように、n++型エミッタ(カソード)領域10を特に微細化しなくても、トレードオフ特性は不変であるという特徴を有するのである。
(About micro processes)
The IGBT structure described above has an advantage in design that it is not necessary to make the surface pattern extremely fine. The cathode (emitter)
本発明にかかる実施例2は、実施例1で説明した図7乃至図9に示すトップゲート型表面高注入構造を有するIGBTと同一構造を有しているが、その製造方法を異にする。ここでは、同一の製造方法の部分については、繰り返し説明を避けるために省略して、異なる製造方法のみについて説明する。
実施例1と同一仕様のn型FZ−シリコン基板1のミラー研磨仕上げを用いる。基準酸化膜のパターンを形成し、その後にエピタキシャルシリコン成長を行い、基準酸化膜をストッパーとして研磨を行い、基準酸化膜と同一の厚さに平坦にする工程までは、実施例1と同じにする。以下の工程は実施例1とは異なる工程であるので、詳細に説明する。基準酸化膜と同一の厚さに平坦に研磨されたエピタキシャルシリコン層の表面に、0.08μmの犠牲酸化膜を熱酸化膜法により形成し、その後、ふっ酸で犠牲酸化膜を除去することにより、表面状態を良くする。次に、ゲート酸化膜を形成する。その後の工程は実施例1と同様の工程を経て、本発明の実施例2にかかるMOS半導体装置を完成する。
The second embodiment according to the present invention has the same structure as the IGBT having the top gate type high surface injection structure shown in FIGS. 7 to 9 described in the first embodiment, but the manufacturing method is different. Here, portions of the same manufacturing method are omitted to avoid repeated description, and only different manufacturing methods will be described.
The mirror polishing finish of the n-type FZ-
ここで、実施例2の製造方法の特徴である犠牲酸化膜の好ましい形成条件について説明する。図3に本発明の実施例2にかかる製造方法を用いた場合の、エピタキシャルシリコン層の表面粗さ(縦軸)と犠牲酸化膜の厚さ(横軸)との関係を示す。図3によれば、犠牲酸化膜の膜厚が0.05μmより厚い場合に、従来品と比べて表面粗さが半分になっていることが分かる。実施例2で、表面粗さの大きさが従来のものに比べて半減したのは、犠牲酸化膜形成/除去の工程に伴い、研磨終了直後の粗い表面粗さ部分に酸化膜が成長し、粗い部分を除去した結果と考えられる。犠牲酸化膜の厚さを厚くしすぎると、カソード層のエピタキシャルシリコン層の厚さが0.7μmであるので、0.1μmいじょうにするとカソード層の膜減りが大きくなり、特性に影響を与えるので、0.1μm以下とすることが好ましい。従って、犠牲酸化膜厚の好ましい範囲は、0.05μm以上で0.1μm以下である。 Here, a preferable formation condition of the sacrificial oxide film, which is a feature of the manufacturing method of Example 2, will be described. FIG. 3 shows the relationship between the surface roughness (vertical axis) of the epitaxial silicon layer and the thickness (horizontal axis) of the sacrificial oxide film when the manufacturing method according to Example 2 of the present invention is used. According to FIG. 3, it can be seen that when the thickness of the sacrificial oxide film is greater than 0.05 μm, the surface roughness is halved compared to the conventional product. In Example 2, the size of the surface roughness was halved compared to the conventional one, with the sacrificial oxide film formation / removal step, an oxide film grew on the rough surface roughness portion immediately after the polishing, This is considered to be the result of removing the rough portion. If the thickness of the sacrificial oxide film is too large, the thickness of the epitaxial silicon layer of the cathode layer is 0.7 μm. Therefore, if the thickness is 0.1 μm, the film thickness of the cathode layer increases, which affects the characteristics. Therefore, the thickness is preferably 0.1 μm or less. Therefore, the preferable range of the sacrificial oxide film thickness is 0.05 μm or more and 0.1 μm or less.
図4には横軸に犠牲酸化膜の膜厚をとり縦軸にゲート耐圧を採って、それらの間の関係を示した。実施例2によれば、ゲート耐圧は60V以上が安定して得られることが分かる。
本発明の実施例2によれば、トップゲート型のIGBTについて、エピタキシャルシリコン層研磨直後に、犠牲酸化膜形成/除去を行う製造方法とすることにより、エピタキシャルシリコン層の表面粗さを小さくし、ゲート特性をいっそう良好にすることができる。
FIG. 4 shows the relationship between the sacrificial oxide film thickness on the horizontal axis and the gate breakdown voltage on the vertical axis. According to Example 2, it can be seen that a gate breakdown voltage of 60 V or more can be stably obtained.
According to the second embodiment of the present invention, the top gate type IGBT is made a manufacturing method for forming / removing a sacrificial oxide film immediately after polishing the epitaxial silicon layer, thereby reducing the surface roughness of the epitaxial silicon layer, Gate characteristics can be further improved.
1 一導電型半導体基板、FZ−シリコン基板(ドリフト層)
2 第一絶縁膜、基準酸化膜
3 第一開口部
4 基板絶縁膜、基板酸化膜
5 第二開口部
6 一導電型堆積半導体層(エピタキシャルシリコン層)
7 ゲート絶縁膜、ゲート酸化膜
8 多結晶ゲート電極、ポリシリコンゲート電極
9 他導電型ベース領域、p型ベース領域(チャネル領域)
10 一導電型エミッタ領域、n++型エミッタ領域、n++型カソード領域
11 層間絶縁膜、BPSG膜
12 エミッタコンタクト領域
13 エミッタ電極(カソード電極)
14 n+蓄積層
15 一導電型バッファ領域、n+バッファ層。
1 One conductivity type semiconductor substrate, FZ-silicon substrate (drift layer)
2 First insulating film,
7 Gate insulating film,
10 emitter region of one conductivity type, n ++ type emitter region, n ++
14 n + accumulation layer 15 one conductivity type buffer region, n + buffer layer.
Claims (6)
前記堆積半導体層が前記第二開口部で前記半導体基板表面に接触する一導電型バッファ領域と、前記基板絶縁膜上にあって前記一導電型バッファ領域に隣接する他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内であって、前記一導電型バッファ領域とにより前記他導電型ベース領域表面を挟む位置にある一導電型エミッタ領域とを有し、
前記他導電型ベース領域表面にゲート絶縁膜を介して積層される多結晶半導体ゲート電極を備えるMOSゲート構造を有するMOS型半導体装置において、前記第一開口部を挟む第一絶縁膜の間隔が25μm以下であることを特徴とするMOS型半導体装置。 A first insulating film having a first opening on the surface of the one-conductivity-type semiconductor substrate, a substrate insulating film provided in the first opening and being thinner than the first insulating film, and a first insulating film provided on the substrate insulating film A two-opening and a one-conductivity-type deposited semiconductor layer that is stacked on the substrate insulating film and in the first opening with a thickness similar to the first insulating film;
A first conductivity type buffer region in which the deposited semiconductor layer is in contact with the surface of the semiconductor substrate through the second opening; a second conductivity type base region on the substrate insulating film and adjacent to the first conductivity type buffer region; A one-conductivity-type emitter region located within the other-conductivity-type base region and sandwiching the surface of the other-conductivity-type base region with the one-conductivity-type buffer region;
In a MOS type semiconductor device having a MOS gate structure having a polycrystalline semiconductor gate electrode laminated on the surface of the other conductivity type base region via a gate insulating film, the interval between the first insulating films sandwiching the first opening is 25 μm A MOS semiconductor device characterized by the following.
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