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JP2008218651A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2008218651A
JP2008218651A JP2007052995A JP2007052995A JP2008218651A JP 2008218651 A JP2008218651 A JP 2008218651A JP 2007052995 A JP2007052995 A JP 2007052995A JP 2007052995 A JP2007052995 A JP 2007052995A JP 2008218651 A JP2008218651 A JP 2008218651A
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Japan
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region
layer
collector
electrode
collector layer
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Withdrawn
Application number
JP2007052995A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahide Sugiyama
隆英 杉山
Masanori Saito
正典 斉藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007052995A priority Critical patent/JP2008218651A/en
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

【課題】 半導体基板の裏面側に形成されたpn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥密度等を正確に評価することが可能となる半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置100は、裏面にトレンチ120が形成されている。トレンチ120は、p型コレクタ層32の裏面から表面側に向けて伸び、p型コレクタ層32の表面を通過してベース領域110に侵入している。トレンチ120は、p型コレクタ層32を貫通してベース領域110に侵入している。トレンチ120のp型コレクタ層32に接する壁面と裏面側ベース層80に接する壁面は、トレンチ絶縁膜44a,44bで覆われている。その内側に、導電性材料10が埋め込まれている。トレンチ120のn+型のバッファ層30と接する壁面には絶縁膜が形成されておらず、導電性材料10はn+型のバッファ層30と導通している。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of accurately evaluating a crystal defect density and the like existing in the vicinity of a pn junction interface formed on a back surface side of a semiconductor substrate.
A semiconductor device has a trench formed on the back surface. The trench 120 extends from the rear surface of the p-type collector layer 32 toward the front surface side, passes through the surface of the p-type collector layer 32, and enters the base region 110. The trench 120 penetrates the base region 110 through the p-type collector layer 32. The wall surface in contact with the p-type collector layer 32 and the wall surface in contact with the back-side base layer 80 of the trench 120 are covered with trench insulating films 44a and 44b. A conductive material 10 is embedded inside thereof. An insulating film is not formed on the wall surface of the trench 120 in contact with the n + -type buffer layer 30, and the conductive material 10 is electrically connected to the n + -type buffer layer 30.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体基板の裏面近傍にpn接合界面が形成されており、そのpn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥を評価することができる半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a pn junction interface is formed in the vicinity of the back surface of a semiconductor substrate and crystal defects existing in the vicinity of the pn junction interface can be evaluated.

電力制御用の縦型半導体装置の開発が進められている。特に、伝導度変調現象を利用することによって低いオン電圧を実現するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が注目されている。
縦型のIGBTは、半導体基板の裏面近傍に、例えばn型のベース層とp型のコレクタ層が接するpn接合界面を備えている。この接合界面の近傍に存在する結晶欠陥の密度等はIGBTの特性に大きな影響を与える。半導体基板の裏面近傍に形成されているpn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥の密度等を測定することができる半導体装置が必要とされている。
Development of vertical semiconductor devices for power control is underway. In particular, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that realizes a low on-voltage by utilizing the conductivity modulation phenomenon has attracted attention.
The vertical IGBT includes a pn junction interface in the vicinity of the back surface of the semiconductor substrate, for example, where an n-type base layer and a p-type collector layer are in contact with each other. The density of crystal defects existing in the vicinity of the bonding interface greatly affects the characteristics of the IGBT. There is a need for a semiconductor device that can measure the density of crystal defects existing in the vicinity of the pn junction interface formed in the vicinity of the back surface of the semiconductor substrate.

pn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥の密度等を測定するために、非特許文献1に開示されているDLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)法が開発されている。この方法では、pn接合で構成されるダイオードにパルス電圧を印加したときに生じる容量の過渡応答速度を測定する。   In order to measure the density of crystal defects existing in the vicinity of the pn junction interface, a DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) method disclosed in Non-Patent Document 1 has been developed. In this method, a transient response speed of a capacitance generated when a pulse voltage is applied to a diode composed of a pn junction is measured.

図9は、pn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥の密度等を測定できるように改善されたIGBTの一例を示す。これは、特許文献1に開示されている。IGBTは、n型のベース層28と、ベース層28の表面の一部に接しているp型のボディ領域18と、ボディ領域18の表面の一部に接しているn型のエミッタ領域24と、エミッタ領域24とベース層28を分離しているボディ領域18にゲート絶縁膜26を介して対向しているゲート電極42と、エミッタ領域24に接しているとともに酸化絶縁膜86によってゲート電極42から絶縁されているエミッタ電極20と、ベース層28の裏面に接しているp型のコレクタ32層と、コレクタ層32の裏面に接しているコレクタ電極34を備えている。   FIG. 9 shows an example of an IGBT improved so that the density of crystal defects existing in the vicinity of the pn junction interface can be measured. This is disclosed in Patent Document 1. The IGBT includes an n-type base layer 28, a p-type body region 18 in contact with a part of the surface of the base layer 28, and an n-type emitter region 24 in contact with a part of the surface of the body region 18. A gate electrode 42 facing the body region 18 separating the emitter region 24 and the base layer 28 via the gate insulating film 26, and in contact with the emitter region 24 and from the gate electrode 42 by the oxide insulating film 86. An insulated emitter electrode 20, a p-type collector 32 layer in contact with the back surface of the base layer 28, and a collector electrode 34 in contact with the back surface of the collector layer 32 are provided.

n型ベース層28とp型コレクタ層32の間に存在するpn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥の密度等をDLTS法によって測定可能とするために、n型ベース層28の表面に接する測定用電極14が形成されている。測定用電極14を付加すると、測定用電極14とコレクタ電極34の間にダイオード構造が得られる。すなわち、測定用電極14がカソード電極となり、コレクタ電極34がアノード電極となるダイオード構造が得られる。そこで、測定用電極14とコレクタ電極34の間にパルス電圧を印加したときに生じる容量の過渡応答速度をDLTS法によって測定することによって、n型ベース層28とp型コレクタ32層の間に存在するpn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥の密度等を測定することができる。   Measurement in contact with the surface of the n-type base layer 28 in order to make it possible to measure the density of crystal defects existing in the vicinity of the pn junction interface existing between the n-type base layer 28 and the p-type collector layer 32 by the DLTS method. A working electrode 14 is formed. When the measurement electrode 14 is added, a diode structure is obtained between the measurement electrode 14 and the collector electrode 34. That is, a diode structure is obtained in which the measurement electrode 14 becomes a cathode electrode and the collector electrode 34 becomes an anode electrode. Therefore, the transient response speed of the capacitance generated when a pulse voltage is applied between the measuring electrode 14 and the collector electrode 34 is measured by the DLTS method, so that it exists between the n-type base layer 28 and the p-type collector 32 layer. The density of crystal defects existing in the vicinity of the pn junction interface to be measured can be measured.

図10にDLTS法の概要を示す。pn接合界面を有する測定用のダイオード94をクライオスタット92に収容し、測定用電極14とコレクタ電極34の間にパルス電圧90を印加する。パルス電圧を印加すると、pn接合界面から空乏層が成長したり消失したりし、寄生容量が時間的に変化する。高精度容量検出器96によって容量の過渡的応答速度を計測することによって、pn接合界面近傍に存在する結晶欠陥密度等を評価することができる。測定用ダイオード94の温度を変えながら計測することもできる。   FIG. 10 shows an outline of the DLTS method. A measurement diode 94 having a pn junction interface is accommodated in a cryostat 92, and a pulse voltage 90 is applied between the measurement electrode 14 and the collector electrode 34. When a pulse voltage is applied, a depletion layer grows or disappears from the pn junction interface, and the parasitic capacitance changes with time. By measuring the transient response speed of the capacitance with the high-accuracy capacitance detector 96, the density of crystal defects existing near the pn junction interface can be evaluated. It is also possible to measure while changing the temperature of the measuring diode 94.

特開平5−3205号公報JP-A-5-3205 D.V.Lang “Deep-level transient spectroscopy : A new method to characterize traps in semiconductors”, J. Appl. Phys., vol.45, No.7, July 1974D.V.Lang “Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors”, J. Appl. Phys., Vol. 45, No. 7, July 1974

図9に示した従来構造のIGBTの測定用電極14とコレクタ電極34の間にパルス電圧90を印加してDLTS法を実施する場合、pn接合の容量を精度良く測定することができない。
通常のIGBTは、n型ベース層28のキャリア濃度を低くすることによって高耐圧化を図っており、n型ベース層28の抵抗が高い。測定用電極14とコレクタ電極34の間にパルス電圧90を印加する方式であると、抵抗が高いn型ベース層28の存在によって電流が分担され、pn接合の容量を精度よく測定することが困難となる。
When the pulse voltage 90 is applied between the measurement electrode 14 and the collector electrode 34 of the IGBT having the conventional structure shown in FIG. 9, the capacitance of the pn junction cannot be accurately measured.
In a normal IGBT, the breakdown voltage is increased by lowering the carrier concentration of the n-type base layer 28, and the resistance of the n-type base layer 28 is high. When the pulse voltage 90 is applied between the measurement electrode 14 and the collector electrode 34, current is shared by the presence of the n-type base layer 28 having high resistance, and it is difficult to accurately measure the capacitance of the pn junction. It becomes.

また、pn接合界面の近傍に存在する少数キャリアに関連した結晶欠陥を評価するためには、pn接合界面に順バイアスを印加してn型ベース層28に少数キャリアである正孔を注入し、その後にpn接合界面に逆バイアスを印加し、逆バイアスを印加したときの容量過渡応答を測定する必要がある。
この際に、測定用電極14とコレクタ電極34の間にパルス電圧90を印加する方式では、逆バイアスを印加したときの容量過渡応答を測定することができない。
図9に示すように、IGBTの側面はダイシングされており、荒れている。すなわち、ダイシング端面38には結晶欠陥が高濃度に存在し、リーク電流が流れやすい。このリーク電流の存在によって、pn接合の容量を正確に測定することが難しい。測定用電極14とコレクタ電極34の間に電圧を印加する方式では、ダイシング端面38に沿って流れるリーク電流によって、容量過渡応答を正確に測定することができない。
In order to evaluate crystal defects related to minority carriers existing in the vicinity of the pn junction interface, a forward bias is applied to the pn junction interface to inject holes that are minority carriers into the n-type base layer 28. After that, it is necessary to apply a reverse bias to the pn junction interface and measure the capacitance transient response when the reverse bias is applied.
At this time, in the method in which the pulse voltage 90 is applied between the measurement electrode 14 and the collector electrode 34, the transient transient response when a reverse bias is applied cannot be measured.
As shown in FIG. 9, the side surface of the IGBT is diced and rough. That is, crystal defects exist at a high concentration on the dicing end face 38, and a leak current tends to flow. Due to the presence of this leakage current, it is difficult to accurately measure the capacitance of the pn junction. In the system in which a voltage is applied between the measurement electrode 14 and the collector electrode 34, the capacitive transient response cannot be accurately measured due to the leak current flowing along the dicing end face 38.

本発明では、IGBTの裏面側にカソード電極を露出させる。このために、コレクタ層を貫通してベース層に接している導電体領域を設ける。本発明によると、ベース層の高い抵抗によって測定電流が低下してしまうことや、ダイシング端面に沿ってリーク電流が流れること等による影響を抑制し、pn接合の容量を正確に測定することが可能となる。   In the present invention, the cathode electrode is exposed on the back side of the IGBT. For this purpose, a conductor region passing through the collector layer and in contact with the base layer is provided. According to the present invention, it is possible to accurately measure the capacitance of the pn junction by suppressing the influence of the measurement current being lowered due to the high resistance of the base layer and the leakage current flowing along the dicing end face. It becomes.

本発明の半導体装置は、第1導電型のベース層と、ベース層の裏面に接している第2導電型のコレクタ層と、コレクタ層の裏面に形成されているコレクタ電極を備えている。すなわち、IGBTの裏面側構造と同一の構造を備えている。ただし、この半導体装置は、同一ウエハ内に形成するベース層とコレクタ層のpn接合の容量を正確に測定するものであれば足りることから、IGBTとして機能する必要は必ずしもなく、表面側の半導体構造はIGBT用のものから相違していてもよい。
本発明の半導体装置は、コレクタ層を貫通してベース層に接している導電体領域を備えており、さらに下記の特徴を備えている。コレクタ電極は、相互に絶縁されている少なくとも2領域に分離されている。導電体領域は、コレクタ電極の一方の領域に接するコレクタ層から絶縁されている。コレクタ電極の他方の領域は、コレクタ電極の一方の領域に接するコレクタ層から絶縁されているとともに、導電体領域に導通している。
The semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type base layer, a second conductivity type collector layer in contact with the back surface of the base layer, and a collector electrode formed on the back surface of the collector layer. That is, it has the same structure as the back side structure of the IGBT. However, this semiconductor device only needs to accurately measure the capacitance of the pn junction between the base layer and the collector layer formed in the same wafer. May differ from those for IGBTs.
The semiconductor device of the present invention includes a conductor region passing through the collector layer and in contact with the base layer, and further includes the following features. The collector electrode is separated into at least two regions that are insulated from each other. The conductor region is insulated from the collector layer in contact with one region of the collector electrode. The other region of the collector electrode is insulated from the collector layer in contact with the one region of the collector electrode and is electrically connected to the conductor region.

本発明の半導体装置によると、コレクタ層の裏面に形成されている一対の電極(一対の領域)の間に、ベース層とコレクタ層の接合界面に形成されるpn接合を利用したダイオードが形成される。すなわち、電極の一方の領域側と他方の領域の間に、コレクタ層とベース層と導電体領域が直列に接続されている構造が得られる。電極の一方の領域に接するコレクタ層から、電極の他方の領域と導電体領域の双方が絶縁されていることから、ダイオード構造の実現を妨げる短絡路が形成されることがない。
本発明の半導体装置によると、コレクタ層の裏面に形成されている一対の電極の間を流れる変位電流を観測することによって、ベース層とコレクタ層の接合によって形成されるダイオードの容量過渡応答を測定することができる。ベース層の高い抵抗によって測定電流が低下してしまうことや、ダイシング端面に沿ってリーク電流が流れること等による影響を抑制することができる。ベース層とコレクタ層の間に形成されるpn接合の容量過渡応答を正確に測定することができ、pn接合界面の近傍に存在している結晶欠陥密度等を正確に評価することができる。
According to the semiconductor device of the present invention, a diode using a pn junction formed at the junction interface between the base layer and the collector layer is formed between a pair of electrodes (a pair of regions) formed on the back surface of the collector layer. The That is, a structure is obtained in which the collector layer, the base layer, and the conductor region are connected in series between one region side of the electrode and the other region. Since both the other region of the electrode and the conductor region are insulated from the collector layer in contact with one region of the electrode, a short circuit that prevents the realization of the diode structure is not formed.
According to the semiconductor device of the present invention, the capacitance transient response of the diode formed by the junction of the base layer and the collector layer is measured by observing the displacement current flowing between the pair of electrodes formed on the back surface of the collector layer. can do. It is possible to suppress the influence of the measurement current being lowered due to the high resistance of the base layer, the leakage current flowing along the dicing end face, and the like. The capacitance transient response of the pn junction formed between the base layer and the collector layer can be accurately measured, and the crystal defect density and the like existing in the vicinity of the pn junction interface can be accurately evaluated.

コレクタ層を貫通してベース層に侵入しているとともに、コレクタ層の裏面を平面視したときに閉ループを形成している絶縁体領域を備えていることが好ましい。この場合、コレクタ層は、閉ループを形成している絶縁体領域によって、相互に絶縁されている2つの領域に分割される。この場合、コレクタ電極の一方の領域は、閉ループの内側のコレクタ層に接する範囲に形成する。また、導電体領域は、閉ループの外側に配置する。この場合、コレクタ電極の他方の領域は、閉ループの外側のコレクタ層に接していてもよいし、接していなくてもよい。他方の領域が、少なくとも導電体領域に接触していればよい。閉ループを形成している絶縁体領域によってコレクタ層が分割されているために、コレクタ電極の他方の領域が閉ループの外側のコレクタ層に接していても、コレクタ電極の一方の領域が接しているコレクタ層(閉ループの内側)とコレクタ電極の他方の領域の間は絶縁されており、ダイオード構造を実現することができる。   It is preferable to have an insulator region that penetrates the collector layer and penetrates into the base layer and forms a closed loop when the back surface of the collector layer is viewed in plan. In this case, the collector layer is divided into two regions that are insulated from each other by an insulator region forming a closed loop. In this case, one region of the collector electrode is formed in a range in contact with the collector layer inside the closed loop. The conductor region is disposed outside the closed loop. In this case, the other region of the collector electrode may or may not be in contact with the collector layer outside the closed loop. It is only necessary that the other region is in contact with at least the conductor region. Since the collector layer is divided by the insulator region forming the closed loop, even if the other region of the collector electrode is in contact with the collector layer outside the closed loop, the collector region in which one region of the collector electrode is in contact The layer (inside the closed loop) and the other region of the collector electrode are insulated so that a diode structure can be realized.

コレクタ層を貫通してベース層に侵入しているとともにコレクタ層の裏面を平面視したときに閉ループを形成しているトレンチを備えていることが好ましい。この場合、少なくとも閉ループの内側のコレクタ層に接するトレンチの壁面は絶縁体領域で覆われており、トレンチの内部に導電体が充填されていることが好ましい。
この場合、閉ループの内側のコレクタ層に接するトレンチの壁面は絶縁体領域で覆われており、トレンチの内部に充填されている導電体は、閉ループの内側のコレクタ層から絶縁されている。これによっても、ダイオード構造を実現することができる。
It is preferable to provide a trench that penetrates the collector layer and penetrates into the base layer and forms a closed loop when the back surface of the collector layer is viewed in plan. In this case, it is preferable that at least the wall surface of the trench in contact with the collector layer inside the closed loop is covered with an insulator region, and the conductor is filled in the trench.
In this case, the wall surface of the trench in contact with the collector layer inside the closed loop is covered with the insulator region, and the conductor filled in the trench is insulated from the collector layer inside the closed loop. Also by this, a diode structure can be realized.

コレクタ層を貫通してベース層に侵入しているとともにコレクタ層の裏面を平面視したときに閉ループを形成している絶縁体領域を備えている場合、コレクタ層の裏面にも閉ループに沿って伸びる絶縁膜が形成されており、その絶縁膜によってコレクタ電極が2領域に分離されていることが好ましい。この場合、閉ループの内側の電極と外側の電極との間にダイオード構造を実現することができる。   When an insulator region that penetrates through the collector layer and penetrates into the base layer and forms a closed loop when the back surface of the collector layer is viewed in plan view, the back surface of the collector layer also extends along the closed loop. An insulating film is formed, and the collector electrode is preferably separated into two regions by the insulating film. In this case, a diode structure can be realized between the inner electrode and the outer electrode of the closed loop.

導電体領域とコレクタ層の界面にあって両者を絶縁する絶縁体領域が形成されていてもよい。この場合、コレクタ層を分割する必要がない。コレクタ電極の他方の領域が、コレクタ層から絶縁されていれば、電極の1対の領域の間にダイオード構造を実現することができる。   An insulator region may be formed at the interface between the conductor region and the collector layer to insulate them. In this case, there is no need to divide the collector layer. If the other region of the collector electrode is insulated from the collector layer, a diode structure can be realized between the pair of regions of the electrode.

通常は1枚のウエハ内に複数の半導体装置が作り込まれている。この場合、複数の半導体装置のうちの少なくとも1つの半導体装置が、請求項1〜6のいずれかの半導体装置であればよい。
他の半導体装置がベース層とコレクタ層を備えている場合、ウエハ単位で加工することことから、他の半導体装置のベース層とコレクタ層は、本発明の半導体装置のベース層とコレクタ層とほぼ同様の特性を備えているとすることができる。本発明の半導体装置を利用してpn接合界面に近傍に存在している結晶欠陥密度等を評価すれば、同一ウエハ内の他の半導体装置のpn接合界面の近傍に存在している結晶欠陥密度等を評価することが出きる。
Usually, a plurality of semiconductor devices are built in one wafer. In this case, at least one semiconductor device of the plurality of semiconductor devices may be the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6.
When another semiconductor device includes a base layer and a collector layer, since processing is performed on a wafer basis, the base layer and the collector layer of the other semiconductor device are almost the same as the base layer and the collector layer of the semiconductor device of the present invention. It can be assumed that it has the same characteristics. If the crystal defect density etc. existing in the vicinity of the pn junction interface is evaluated using the semiconductor device of the present invention, the crystal defect density existing in the vicinity of the pn junction interface of another semiconductor device in the same wafer is evaluated. Etc. can be evaluated.

同一ウエハ内の他の半導体装置は、IGBTであることが好ましい。この場合、他の半導体装置は、第1導電型のベース層と、ベース層の表面の少なくとも一部に接している第2導電型のボディ領域と、ボディ領域の表面の少なくとも一部に接している第1導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域とベース層を分離しているボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、エミッタ領域に接しているとともにゲート電極から絶縁されているエミッタ電極と、ベース層の裏面に接している第2導電型のコレクタ層と、コレクタ層の裏面に接しているコレクタ電極を備えている。他の半導体装置は、IGBTとして作動する。
この場合、本発明の半導体装置は、専ら測定用であって、IGBTとして作動しなくてもよい。本発明でいうベース層あるいはコレクタ層は、同一ウエハ内の他の半導体装置であってIGBTとして作動する半導体装置のベース層あるいはコレクタ層と同一工程で形成された層をいい、必ずしもベース層あるいはコレクタ層として作動しないものであってもよい。ダイオードとして特性を測定する場合、ベース層はカソード領域となり、コレクタ層はアノード領域となる。
The other semiconductor device in the same wafer is preferably an IGBT. In this case, the other semiconductor device is in contact with the first conductivity type base layer, the second conductivity type body region in contact with at least part of the surface of the base layer, and at least part of the surface of the body region. An emitter region of the first conductivity type, a gate electrode facing the body region separating the emitter region and the base layer through a gate insulating film, and being in contact with the emitter region and insulated from the gate electrode An emitter electrode, a collector layer of a second conductivity type in contact with the back surface of the base layer, and a collector electrode in contact with the back surface of the collector layer. Other semiconductor devices operate as IGBTs.
In this case, the semiconductor device of the present invention is exclusively for measurement and does not have to operate as an IGBT. The base layer or collector layer referred to in the present invention refers to a layer formed in the same process as the base layer or collector layer of another semiconductor device in the same wafer and operating as an IGBT, and is not necessarily the base layer or collector. It may not operate as a layer. When measuring characteristics as a diode, the base layer becomes the cathode region and the collector layer becomes the anode region.

本発明によると、半導体基板の裏面側に形成されたpn接合界面による接合容量をDLTS法を用いて精度良く測定することが可能となり、pn接合界面の近傍に存在する結晶欠陥密度等を正確に評価することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to accurately measure the junction capacitance at the pn junction interface formed on the back side of the semiconductor substrate using the DLTS method, and accurately determine the crystal defect density and the like existing in the vicinity of the pn junction interface. It becomes possible to evaluate.

下記に説明する実施例の好ましい特徴を列記する。
(第1特徴) ベース層の中に、ベース層に侵入しているトレンチの底部と電気的に導通している第1導電型カソード層を形成する。
Preferred features of the embodiments described below are listed.
(First Feature) In the base layer, a first conductivity type cathode layer that is electrically connected to the bottom of the trench penetrating the base layer is formed.

図1に、本発明の実施例である半導体装置100のダイシング端面38付近の断面図を模式的に示す。半導体装置100は、n型ベース領域110と、その裏面に接しているp型コレクタ層32と、その裏面に形成されている1対の電極34a,34bを備えている。n型ベース領域110とp型コレクタ層32はIGBTを構成する半導体構造の一部である。1対の電極34a,34bは、n型ベース領域110とp型コレクタ層32の接合界面の近傍に存在する結晶欠陥密度を測定するためのものであり、IGBTとして作動する他の半導体装置(半導体装置100と同一ウエハ内に形成される他の半導体装置)では、1対の電極34a,34bに分割されておらず、両者が一体となってコレクタ電極として作動する。   FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view in the vicinity of a dicing end face 38 of a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. The semiconductor device 100 includes an n-type base region 110, a p-type collector layer 32 in contact with the back surface thereof, and a pair of electrodes 34a and 34b formed on the back surface. The n-type base region 110 and the p-type collector layer 32 are part of the semiconductor structure that constitutes the IGBT. The pair of electrodes 34a and 34b is for measuring the density of crystal defects existing in the vicinity of the junction interface between the n-type base region 110 and the p-type collector layer 32, and is another semiconductor device (semiconductor that operates as an IGBT). In the other semiconductor device formed in the same wafer as the device 100), the pair of electrodes 34a and 34b are not divided, and both operate as a collector electrode.

半導体装置100のn型ベース領域110は、n+型のキャリア蓄積層12、n型のベース層28、n+型のバッファ層30、n型の裏面側ベース層80が積層されて構成されている。
半導体装置100の表面には、p型ボディ領域18が形成されている。p型ボディ領域18は、n型のベース層28とn+型のキャリア蓄積層12に接している。
p型ボディ領域18の表面の一部に、n+型エミッタ領域24が形成されている。p型ボディ領域18の表面の他の一部に、p+型コンタクト領域22が形成されている。p型コンタクト領域22にはp型不純物が、p型ボディ領域18よりも多く含まれている。
エミッタ領域24とベース領域110を分離しているボディ領域18を貫通し、エミッタ領域24と接する位置からベース領域110に接する位置まで伸びているゲート電極用トレンチ36が形成されている。ゲート電極用トレンチ36の壁面は、ゲート絶縁膜26で覆われ、その内部にポリシリコンが充填されている。ポリシリコンは導電体であり、ゲート電極42を形成している。
図示20は、エミッタ電極であり、エミッタ領域24とp+型コンタクト領域22に接している。エミッタ電極20は、酸化絶縁膜86によってゲート電極42から絶縁されている。
n型ベース領域110の裏面にp型コレクタ層32が接しており、その裏面に1対の電極34a,34bが形成されている。IGBTとして作動する他の半導体装置(半導体装置100と同一ウエハ内に形成される他の半導体装置)では、1対の電極34a,34bに分割されておらず、両者が一体となってコレクタ電極として作動する。
The n-type base region 110 of the semiconductor device 100 is formed by stacking an n + -type carrier storage layer 12, an n-type base layer 28, an n + -type buffer layer 30, and an n-type back side base layer 80. Yes.
A p-type body region 18 is formed on the surface of the semiconductor device 100. The p-type body region 18 is in contact with the n-type base layer 28 and the n + -type carrier storage layer 12.
An n + -type emitter region 24 is formed on a part of the surface of the p-type body region 18. A p + -type contact region 22 is formed on another part of the surface of p-type body region 18. The p-type contact region 22 contains more p-type impurities than the p-type body region 18.
A gate electrode trench 36 extending from a position in contact with the emitter region 24 to a position in contact with the base region 110 is formed through the body region 18 separating the emitter region 24 and the base region 110. The wall surface of the gate electrode trench 36 is covered with a gate insulating film 26 and filled with polysilicon. Polysilicon is a conductor and forms the gate electrode 42.
20 shown in the figure is an emitter electrode, which is in contact with the emitter region 24 and the p + -type contact region 22. The emitter electrode 20 is insulated from the gate electrode 42 by the oxide insulating film 86.
The p-type collector layer 32 is in contact with the back surface of the n-type base region 110, and a pair of electrodes 34a and 34b are formed on the back surface. In other semiconductor devices that operate as IGBTs (other semiconductor devices formed in the same wafer as the semiconductor device 100), they are not divided into a pair of electrodes 34a and 34b, and they are integrated as collector electrodes. Operate.

半導体装置100の裏面に、トレンチ120が形成されている。トレンチ120は、p型コレクタ層32の裏面から表面側に向けて伸び、p型コレクタ層32の表面を通過してベース領域110に侵入している。トレンチ120は、p型コレクタ層32を貫通してベース領域110に侵入している。
トレンチ120のp型コレクタ層32に接する壁面と裏面側ベース層80に接する壁面は、絶縁膜44a,44bで覆われている。その内側に、導電性材料10が埋め込まれている。トレンチ120のn+型のバッファ層30と接する壁面には絶縁膜が形成されておらず、導電性材料10はn+型のバッファ層30と導通している。導電性材料10の材料は第1導電型のポリシリコンである。
A trench 120 is formed on the back surface of the semiconductor device 100. The trench 120 extends from the rear surface of the p-type collector layer 32 toward the front surface side, passes through the surface of the p-type collector layer 32, and enters the base region 110. The trench 120 penetrates the base region 110 through the p-type collector layer 32.
The wall surface in contact with the p-type collector layer 32 and the wall surface in contact with the back-side base layer 80 of the trench 120 are covered with insulating films 44a and 44b. A conductive material 10 is embedded inside thereof. An insulating film is not formed on the wall surface of the trench 120 in contact with the n + -type buffer layer 30, and the conductive material 10 is electrically connected to the n + -type buffer layer 30. The material of the conductive material 10 is first conductivity type polysilicon.

図2に、半導体装置100を裏面側から斜視した図を示す。ただし、図示の明瞭化のために、1対の電極34a,34bの図示を省略している。トレンチ120は、半導体装置100の裏面の外周近傍を一巡している。閉ループを形成しているトレンチ120の内側のトレンチ絶縁膜44aによって、導電性材料10は閉ループの内側のコレクタ層32aから絶縁されている。導電性材料10は閉ループの内側のコレクタ層32aから絶縁されていればよく、閉ループの外側のコレクタ層32bに接していてもよい。閉ループを形成しているトレンチ120の外側のトレンチ絶縁膜44bは省略することができる。   FIG. 2 shows a perspective view of the semiconductor device 100 from the back side. However, for clarity of illustration, the pair of electrodes 34a and 34b is not shown. The trench 120 makes a round around the periphery of the back surface of the semiconductor device 100. The conductive material 10 is insulated from the collector layer 32a inside the closed loop by the trench insulating film 44a inside the trench 120 forming the closed loop. The conductive material 10 only needs to be insulated from the collector layer 32a inside the closed loop, and may be in contact with the collector layer 32b outside the closed loop. The trench insulating film 44b outside the trench 120 forming the closed loop can be omitted.

図1に示すように、半導体装置100のコレクタ層32の裏面のトレンチ120に沿った位置に絶縁膜16が形成されている。コレクタ電極は、閉ループを形成している絶縁膜によって、内側に位置する電極34aと、外側に位置する電極34bに分割されている。内側に位置する電極34aは、閉ループを形成しているトレンチ120の内側のコレクタ層32aに接しており、外側に位置する電極34bはトレンチ120の外側のコレクタ層32bと導電性材料10に接している。絶縁膜16は絶縁膜44aに連続しており、内側電極34aと外側コレクタ層32bの間を絶縁し、外側電極34bと内側コレクタ層32aの間を絶縁している。
この場合、内側の電極34aと外側の電極34bの間に、p型のコレクタ層32aとn+型のバッファ層30と導電性材料10が直列に接続された構造が実現され、内側電極34aをアノードとし、外側電極34bをカソード電極とするダイオード構造が得られる。
As shown in FIG. 1, the insulating film 16 is formed at a position along the trench 120 on the back surface of the collector layer 32 of the semiconductor device 100. The collector electrode is divided into an electrode 34a positioned inside and an electrode 34b positioned outside by an insulating film forming a closed loop. The inner electrode 34 a is in contact with the collector layer 32 a inside the trench 120 forming a closed loop, and the outer electrode 34 b is in contact with the collector layer 32 b outside the trench 120 and the conductive material 10. Yes. The insulating film 16 is continuous with the insulating film 44a, and insulates between the inner electrode 34a and the outer collector layer 32b, and insulates between the outer electrode 34b and the inner collector layer 32a.
In this case, a structure in which the p-type collector layer 32a, the n + -type buffer layer 30, and the conductive material 10 are connected in series between the inner electrode 34a and the outer electrode 34b is realized. A diode structure having the anode and the outer electrode 34b as the cathode electrode is obtained.

内側電極34aに接する内側コレクタ層32aと外側電極34bに接する外側コレクタ層32bは、内側トレンチ絶縁膜44aによって絶縁されており、内側電極34aと外側電極34bの間がp型のコレクタ層32によって短絡することはない。導電性材料10は、絶縁膜44aによって、内側電極34aに接する内側コレクタ層32aから絶縁されており、内側電極34に接する内側コレクタ層32aと導電性材料10が短絡することもない。
なおIGBTとして作動する他の半導体装置(半導体装置100と同一ウエハ内に形成される他の半導体装置)では、1対の電極34a,34bに分割されておらず、両者が一体となってコレクタ電極として作動する。この場合、絶縁膜16も存在しない。
図8に、この半導体装置200の断面図を示す。半導体装置200の表面側の構造は、図1に示した半導体装置100の表面と同一である。半導体装置200では、p型コレクタ層32の全面にコレクタ電極35が形成されている。半導体装置200はIGBTとして動作する。
実際には、1枚のウエハ内に、多数の半導体装置200と少数の半導体装置100が混在した状態で製造する。ダイシングすることによって、多数の半導体装置200と少数の半導体装置100が製造される。
The inner collector layer 32a in contact with the inner electrode 34a and the outer collector layer 32b in contact with the outer electrode 34b are insulated by the inner trench insulating film 44a, and the inner electrode 34a and the outer electrode 34b are short-circuited by the p-type collector layer 32. Never do. The conductive material 10 is insulated from the inner collector layer 32a in contact with the inner electrode 34a by the insulating film 44a, and the inner collector layer 32a in contact with the inner electrode 34 and the conductive material 10 are not short-circuited.
In other semiconductor devices operating as IGBTs (other semiconductor devices formed in the same wafer as the semiconductor device 100), they are not divided into a pair of electrodes 34a and 34b, and they are integrated into a collector electrode. Operates as In this case, the insulating film 16 does not exist.
FIG. 8 shows a cross-sectional view of the semiconductor device 200. The structure of the surface side of the semiconductor device 200 is the same as the surface of the semiconductor device 100 shown in FIG. In the semiconductor device 200, the collector electrode 35 is formed on the entire surface of the p-type collector layer 32. The semiconductor device 200 operates as an IGBT.
Actually, a large number of semiconductor devices 200 and a small number of semiconductor devices 100 are mixed in one wafer. A large number of semiconductor devices 200 and a small number of semiconductor devices 100 are manufactured by dicing.

1対の電極34a,34bに分割されておらず、両者が一体となってコレクタ電極として作動する半導体装置の場合、IGBTとして作動する。コレクタ電極34に正の電圧を印加し、エミッタ電極20を接地した状態で、ゲート電極42に正の電圧を印加すると、エミッタ領域24とベース領域110を分離している部分(ゲート絶縁膜26を介してゲート電極42に対向している部分)のボディ領域18が反転し、エミッタ領域24からベース領域110に電子が注入される。その結果、コレクタ層32からベース領域110に正孔が注入され、ベース領域110で伝導度変調現象が生じる。この結果、コレクタ電極34とエミッタ電極20間を電流が流れる。n+型のキャリア蓄積層12は、正孔がベース領域110からエミッタ電極20へ排除されることを防止し、ベース領域110での正孔密度を高め、コレクタ電極34とエミッタ電極20間の電圧差を低下させる。
ゲート電極42に正の電圧を印加するのを停止すると、ボディ領域18に形成されていた反転層が消失し、コレクタ電極34とエミッタ電極20間を電流が流れなくなる。n+型のバッファ層30は、IGBTのオフ時にボディ領域18とベース領域110の界面からベース領域110に向けて伸びる空乏層がバッファ層30を超えて伸びるのを阻止する。このタイプのIGBTは、パンチスルー形のIGBTとして作動する。導電性材料10は、IGBTのターンオフ時に、ベース領域110に蓄積されていた電子がコレクタ電極34に向けて排出される作動を促進する。導電性材料10は、IGBTのターンオフ速度を早めてスイッチング損失の低下を防止する。
In the case of a semiconductor device that is not divided into a pair of electrodes 34a and 34b and that operates as a collector electrode together, it operates as an IGBT. When a positive voltage is applied to the collector electrode 34 and a positive voltage is applied to the gate electrode 42 with the emitter electrode 20 grounded, a portion separating the emitter region 24 and the base region 110 (the gate insulating film 26 is removed). The portion of the body region 18 facing the gate electrode 42 is inverted, and electrons are injected from the emitter region 24 into the base region 110. As a result, holes are injected from the collector layer 32 into the base region 110, and a conductivity modulation phenomenon occurs in the base region 110. As a result, a current flows between the collector electrode 34 and the emitter electrode 20. The n + -type carrier storage layer 12 prevents holes from being excluded from the base region 110 to the emitter electrode 20, increases the hole density in the base region 110, and increases the voltage between the collector electrode 34 and the emitter electrode 20. Reduce the difference.
When the application of a positive voltage to the gate electrode 42 is stopped, the inversion layer formed in the body region 18 disappears and no current flows between the collector electrode 34 and the emitter electrode 20. The n + -type buffer layer 30 prevents a depletion layer extending from the interface between the body region 18 and the base region 110 toward the base region 110 from extending beyond the buffer layer 30 when the IGBT is turned off. This type of IGBT operates as a punch-through IGBT. The conductive material 10 facilitates an operation in which electrons accumulated in the base region 110 are discharged toward the collector electrode 34 when the IGBT is turned off. The conductive material 10 prevents the switching loss from decreasing by increasing the turn-off speed of the IGBT.

IGBTのスイッチング特性は、ベース領域110とコレクタ層32の界面近傍に存在する結晶欠陥の量等によって大きく変化する。結晶欠陥が少なすぎると、IGBTをオフしたときのスイッチング損失が大きくなる。結晶欠陥が多すぎると、ON電圧がオフ時の耐圧が低下する。ベース領域110とコレクタ層32の界面近傍に存在する結晶欠陥の量等を測定する必要が存在している。
そのために、半導体装置100では、内側電極34aと外側電極34bに分割されている。
The switching characteristics of the IGBT vary greatly depending on the amount of crystal defects present in the vicinity of the interface between the base region 110 and the collector layer 32. If there are too few crystal defects, the switching loss when the IGBT is turned off increases. When there are too many crystal defects, the withstand voltage when the ON voltage is off decreases. There is a need to measure the amount of crystal defects present in the vicinity of the interface between the base region 110 and the collector layer 32.
For this purpose, the semiconductor device 100 is divided into an inner electrode 34a and an outer electrode 34b.

図3に、半導体装置100の立体模式図を示す。図示の明瞭化のために、1対の電極34a,34bの図示を省略している。
本実施例では、導電性材料10が埋め込まれているトレンチ120によって、内側のp型コレクタ層32aが完全に囲まれている。そのため、内側電極34aをアノード電極とし、外側電極34bをカソード電極とするダイオード構造を構成しているp型コレクタ層32aとn型ベース領域110の接合面積を正確に算出することができ、測定される容量と電圧の特性から結晶欠陥密度等を評価することができる。また、ダイオードの内側電極34a(アノード電極)と外側電極34b(カソード電極)の間を流れる電流は、ダイシング端面38を流れない。ダイシング端面38を流れるリーク電流が、pn接合の容量の測定精度を低下させることもない。
さらに、ダイオードの内側電極34a(アノード電極)と外側電極34b(カソード電極)の間を流れる電流は、n型ベース層28等の高抵抗領域を流れないことから、n型ベース層28等の高抵抗が、pn接合の容量の測定精度を低下させることもない。
FIG. 3 shows a three-dimensional schematic diagram of the semiconductor device 100. For clarity of illustration, the pair of electrodes 34a and 34b are not shown.
In the present embodiment, the inner p-type collector layer 32a is completely surrounded by the trench 120 in which the conductive material 10 is embedded. Therefore, the junction area between the p-type collector layer 32a and the n-type base region 110 constituting the diode structure in which the inner electrode 34a is an anode electrode and the outer electrode 34b is a cathode electrode can be accurately calculated and measured. The crystal defect density and the like can be evaluated from the capacity and voltage characteristics. Further, the current flowing between the inner electrode 34a (anode electrode) and the outer electrode 34b (cathode electrode) of the diode does not flow on the dicing end face 38. The leak current flowing through the dicing end face 38 does not deteriorate the measurement accuracy of the capacitance of the pn junction.
Further, since the current flowing between the inner electrode 34a (anode electrode) and the outer electrode 34b (cathode electrode) of the diode does not flow through the high resistance region such as the n-type base layer 28, a high current such as the n-type base layer 28 is obtained. The resistance does not reduce the measurement accuracy of the capacitance of the pn junction.

図5に、半導体装置100の裏面側のpn接合部について、内側内側コレクタ層(アノード領域)32aと導電性材料10の間の等価回路を示す。74は、内側コレクタ層(アノード領域)32aとn型の裏面側ベース層80で形成される接合ダイオードを示し、接合容量を持っている。76はn型の裏面側ベース層80,n+型のバッファ層30の抵抗成分を示し、接合ダイオード74に対して直列に接続されている。70は導電性材料10と内側コレクタ層(アノード領域)32a間の寄生容量を示し、接合ダイオード74に対して並列に接続されている。78は導電性材料10とn型の裏面側ベース層80,n+型のバッファ層30間の寄生容量を示し、n型の裏面側ベース層80,n+型のバッファ層30の抵抗成分に対して並列に接続されている。
n型の裏面側ベース層80,n+型のバッファ層30の抵抗成分76は、有効な抵抗路が非常に短いために極めて小さく、実質的には無視できる。これが図6の(a)に示されている。図6の(a)から明らかに、抵抗成分76が無視できるほど小さければ、コンデンサ78の両端電圧は等しくなり、コンデンサ78の存在を無視することができる。これが図6の(b)に示されている。
図6(b)に示すように、内側コレクタ層(アノード領域)32aと導電性材料10の間の容量を測定すると、内側コレクタ層(アノード領域)32aとn型の裏面側ベース層80で形成される接合容量と、導電性材料10と内側コレクタ層(アノード領域)32a間の寄生容量を並列に接合した回路の容量を測定することになる。後記するように、導電性材料10と内側コレクタ層(アノード領域)32a間の寄生容量は小さく、実質的には内側コレクタ層(アノード領域)32aとn型の裏面側ベース層80で形成される接合容量を測定することができる。
FIG. 5 shows an equivalent circuit between the inner inner collector layer (anode region) 32a and the conductive material 10 for the pn junction on the back surface side of the semiconductor device 100. Reference numeral 74 denotes a junction diode formed by the inner collector layer (anode region) 32a and the n-type back surface base layer 80, and has a junction capacitance. Reference numeral 76 denotes a resistance component of the n-type backside base layer 80 and the n + -type buffer layer 30, and is connected in series to the junction diode 74. Reference numeral 70 denotes a parasitic capacitance between the conductive material 10 and the inner collector layer (anode region) 32a, which is connected in parallel to the junction diode 74. 78 shows a parasitic capacitance between the back surface side base layer 80, n + -type buffer layer 30 of conductive material 10 and the n-type, the resistance component of the back-side base layer 80, n + -type buffer layer 30 of n-type Are connected in parallel.
The resistance component 76 of the n-type back side base layer 80 and the n + -type buffer layer 30 is extremely small because the effective resistance path is very short, and can be substantially ignored. This is shown in FIG. As apparent from FIG. 6A, if the resistance component 76 is small enough to be ignored, the voltage across the capacitor 78 becomes equal, and the presence of the capacitor 78 can be ignored. This is shown in FIG. 6 (b).
As shown in FIG. 6B, when the capacitance between the inner collector layer (anode region) 32a and the conductive material 10 is measured, the inner collector layer (anode region) 32a and the n-type back side base layer 80 are formed. The capacitance of the circuit in which the junction capacitance and the parasitic capacitance between the conductive material 10 and the inner collector layer (anode region) 32a are joined in parallel is measured. As will be described later, the parasitic capacitance between the conductive material 10 and the inner collector layer (anode region) 32a is small, and is substantially formed by the inner collector layer (anode region) 32a and the n-type back side base layer 80. Junction capacitance can be measured.

図4に、半導体装置100の裏面pn接合部を拡大した断面模式図を示す。各パラメータは、以下を示す。
ox:トレンチ絶縁膜44aの膜厚、
:内側コレクタ層(アノード領域)32のアクセプタ濃度、
:内側コレクタ層(アノード領域)32の接合深さ
:n型の裏面側ベース層80のキャリア濃度、
n :n型の裏面側ベース層80のドナー濃度、
dep:空乏層の幅
trench:トレンチの深さ
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view in which the back surface pn junction portion of the semiconductor device 100 is enlarged. Each parameter indicates the following.
t ox : film thickness of the trench insulating film 44a,
N A : acceptor concentration of the inner collector layer (anode region) 32,
x j : junction depth of the inner collector layer (anode region) 32 N D : carrier concentration of the n-type back side base layer 80,
n: donor concentration of the n-type backside base layer 80,
W dep : Depletion layer width d trench : Trench depth

図4に示したパラメータを用いると、内側コレクタ層(アノード領域)32aとn型の裏面側ベース層(カソード領域)80の接合容量(図6(b)の74に示すコンデンサの容量)、および内側コレクタ層(アノード領域)32aと導電性材料10間の寄生容量(図6(b)の70に示すコンデンサの容量)を、図7に示す式により求めることができる。
(1)式は、内側コレクタ層(アノード領域)32aと導電性材料10で構成されるコンデンサ70の寄生容量を示している。式において、aは導電性材料10で囲まれた領域の一辺の長さを示し、xはアノード領域32aの接合深さを示し、εは真空誘電率を示し、εは半導体材料の比誘電率を示し、toxはトレンチ絶縁膜の膜厚を示している。
(2)式は、p型コレクタ層アノード領域32aとn型の裏面側ベース層(カソード領域)80で構成されるコンデンサ74の接合容量を表している。wdepは空乏層の幅を示している。
(3)式は空乏層の幅を求める式を表している。φbiは拡散電位を示し、Vは逆バイアス電圧を示し、qは電子電荷を示している。
(4)式は拡散電位を求める式を表している。kはボルツマン定数を示し、Tは熱力学温度を示し、Nはアノード領域32aのアクセプタ濃度を示し、Nはn型裏面側ベース層80のドナー濃度を示し、nは半導体材料の真性キャリア濃度を示している。
ここで、代表的な値として、トレンチ120によって囲まれた領域の一辺の長さaを1cmとし、ゲート絶縁膜の厚みtoxを100nmとし、アノード領域32aの接合深さを0.2μmとし、n型裏面側ベース層80のキャリア濃度1.0×e14cm-3として、それぞれの容量を算出する。その結果は、Cj=2160pF、Cac=8.3pFとなる。Cacは、Cjと比べると極めて小さい。図6(b)において、アノード領域32aと導電性材料10で構成されるコンデンサ70の寄生容量は極めて小さく、アノード領域32aと導電性材料10間の容量を測定すれば、アノード領域32aとn型裏面側ベース層80で構成されるコンデンサ74の接合容量を正確に測定できることがわかる。
When the parameters shown in FIG. 4 are used, the junction capacitance between the inner collector layer (anode region) 32a and the n-type back side base layer (cathode region) 80 (capacitor capacity indicated by 74 in FIG. 6B), and The parasitic capacitance between the inner collector layer (anode region) 32a and the conductive material 10 (capacitance of the capacitor indicated by 70 in FIG. 6B) can be obtained by the equation shown in FIG.
Equation (1) indicates the parasitic capacitance of the capacitor 70 constituted by the inner collector layer (anode region) 32 a and the conductive material 10. In the formula, a indicates the length of one side of the region surrounded by the conductive material 10, x j indicates the junction depth of the anode region 32a, ε 0 indicates the vacuum dielectric constant, and ε s indicates the semiconductor material. The relative dielectric constant is indicated, and t ox indicates the film thickness of the trench insulating film.
Expression (2) represents the junction capacitance of the capacitor 74 configured by the p-type collector layer anode region 32a and the n-type back side base layer (cathode region) 80. w dep indicates the width of the depletion layer.
Equation (3) represents an equation for obtaining the width of the depletion layer. phi bi represents a diffusion potential, V R represents the reverse bias voltage, q denotes the electron charge.
Expression (4) represents an expression for obtaining the diffusion potential. k represents Boltzmann's constant, T represents the thermodynamic temperature, N A denotes an acceptor concentration in the anode region 32a, N D represents a donor concentration of the n-type rear surface side base layer 80, n i is the intrinsic semiconductor material The carrier concentration is shown.
Here, as representative values, the length a of one side of the region surrounded by the trench 120 is 1 cm, the thickness tox of the gate insulating film is 100 nm, the junction depth of the anode region 32a is 0.2 μm, and n The respective capacities are calculated assuming that the carrier concentration of the mold back side base layer 80 is 1.0 × e 14 cm −3 . As a result, C j = 2160 pF and C ac = 8.3 pF. C ac is extremely small compared to C j . In FIG. 6B, the parasitic capacitance of the capacitor 70 composed of the anode region 32a and the conductive material 10 is extremely small. If the capacitance between the anode region 32a and the conductive material 10 is measured, the anode region 32a and the n-type are measured. It can be seen that the junction capacitance of the capacitor 74 composed of the back side base layer 80 can be accurately measured.

実施例では、閉ループを形成している内側トレンチ絶縁膜44aによって、コレクタ層32が内側領域32aと外側領域32bに分離されている。導電性材料10が絶縁膜44aでコレクタ層32から絶縁されている場合、コレクタ層32を2分する必要はない。カソード電極34bが導電性材料10に導通してコレクタ層32から絶縁されている限り、コレクタ層32を2分しなくてもダイオード構造を形成することができる。
閉ループを形成している内側トレンチ絶縁膜44aによって、コレクタ層32が2分されており、導電性材料10が外側のコレクタ層32bに配置されている場合、導電性材料10を絶縁する必要はない。カソード電極34bが導電性材料10に導通して内側のコレクタ層32aから絶縁されている限り、導電性材料10を絶縁しなくてもダイオード構造を形成することができる。
In the embodiment, the collector layer 32 is separated into the inner region 32a and the outer region 32b by the inner trench insulating film 44a forming a closed loop. When the conductive material 10 is insulated from the collector layer 32 by the insulating film 44a, it is not necessary to divide the collector layer 32 into two. As long as the cathode electrode 34b is electrically connected to the conductive material 10 and insulated from the collector layer 32, a diode structure can be formed without dividing the collector layer 32 into two.
When the collector layer 32 is divided into two by the inner trench insulating film 44a forming the closed loop, and the conductive material 10 is disposed on the outer collector layer 32b, it is not necessary to insulate the conductive material 10. . As long as the cathode electrode 34b is electrically connected to the conductive material 10 and insulated from the inner collector layer 32a, a diode structure can be formed without insulating the conductive material 10.

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

半導体装置100の断面図を示す。A cross-sectional view of the semiconductor device 100 is shown. 半導体装置100の裏面を斜視した図を示す。The figure which looked at the back surface of the semiconductor device 100 is shown. 半導体装置100の裏面から斜視した立体的な様子を示す。The three-dimensional state seen from the back surface of the semiconductor device 100 is shown. 半導体装置100の裏面pn接合部の拡大断面図を示す。FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional view of a back surface pn junction portion of the semiconductor device 100. FIG. 半導体装置100のpn接合部分の等価回路を示す。2 shows an equivalent circuit of a pn junction portion of the semiconductor device 100. (a)(b)は、半導体装置100のpn接合部分の近似的等価回路を示す。(A) and (b) show the approximate equivalent circuit of the pn junction part of the semiconductor device 100. FIG. 半導体装置100のpn接合部分の寄生容量と接合容量の計算式を示す。A calculation formula of the parasitic capacitance and the junction capacitance of the pn junction portion of the semiconductor device 100 is shown. 半導体装置200の断面図を示す。A cross-sectional view of the semiconductor device 200 is shown. 従来技術のIGBTの断面図を示す。1 shows a cross-sectional view of a prior art IGBT. DLTS法を用いた計測方法を示す。A measurement method using the DLTS method is shown.

符号の説明Explanation of symbols

10:導電性材料
12:n+型キャリア蓄積層
14:n型ベース領域用電極
16:絶縁膜
18:p型ボディ領域
20:エミッタ電極
22:p型コンタクト領域
24:n+型エミッタ領域
26:ゲート絶縁膜
28:n型ベース層
30:n+型バッファ層
32:コレクタ層
32a:内側コレクタ層(アノード領域)
32b:外側コレクタ層(カソード領域)
34:コレクタ電極
34a:内側電極(アノード電極)
34b:外側電極(カソード電極)
36:ゲート電極用トレンチ
38:ダイシング端面
40:p型アノード領域
42:ゲート電極
44a:内側トレンチ絶縁膜
44b:外側トレンチ絶縁膜
70:導電性材料とp型コレクタ(アノード)間の寄生容量
74:pn接合ダイオード
76:n型カソード層の抵抗成分
78:導電性材料とn型ベース層間の寄生容量
80:n型裏面側ベース層
86:酸化絶縁膜
90:パルス電圧
92:クライオスタット
94:結晶欠陥評価用素子
96:高精度容量検出器
100:半導体装置
110:n型ベース領域
120:トレンチ
200:半導体装置
10: Conductive material 12: n + type carrier storage layer 14: n type base region electrode 16: insulating film 18: p type body region 20: emitter electrode 22: p type contact region 24: n + type emitter region 26: Gate insulating film 28: n-type base layer 30: n + -type buffer layer 32: collector layer 32a: inner collector layer (anode region)
32b: outer collector layer (cathode region)
34: Collector electrode 34a: Inner electrode (anode electrode)
34b: outer electrode (cathode electrode)
36: trench 38 for gate electrode: dicing end face 40: p-type anode region 42: gate electrode 44a: inner trench insulating film 44b: outer trench insulating film 70: parasitic capacitance 74 between conductive material and p-type collector (anode): pn junction diode 76: resistance component 78 of n-type cathode layer 78: parasitic capacitance between conductive material and n-type base layer 80: n-type back side base layer 86: oxide insulating film 90: pulse voltage 92: cryostat 94: crystal defect evaluation Element 96: high-precision capacitance detector 100: semiconductor device 110: n-type base region 120: trench 200: semiconductor device

Claims (8)

第1導電型のベース層と、
ベース層の裏面に接している第2導電型のコレクタ層と、
コレクタ層の裏面に形成されているコレクタ電極と、
コレクタ層を貫通してベース層に接している第1導電型の導電体領域を備えており、
コレクタ電極は、相互に絶縁されている少なくとも2領域に分離されており、
導電体領域は、コレクタ電極の一方の領域に接するコレクタ層から絶縁されており、
コレクタ電極の他方の領域は、コレクタ電極の一方の領域に接するコレクタ層から絶縁されているとともに、導電体領域に導通していることを特徴とする半導体装置。
A base layer of a first conductivity type;
A collector layer of a second conductivity type in contact with the back surface of the base layer;
A collector electrode formed on the back surface of the collector layer;
A first conductivity type conductor region penetrating the collector layer and contacting the base layer;
The collector electrode is separated into at least two regions that are insulated from each other;
The conductor region is insulated from the collector layer in contact with one region of the collector electrode,
A semiconductor device characterized in that the other region of the collector electrode is insulated from the collector layer in contact with the one region of the collector electrode and is electrically connected to the conductor region.
コレクタ層を貫通してベース層に侵入しているとともに、コレクタ層の裏面を平面視したときに閉ループを形成している絶縁体領域を備えており、
コレクタ電極の一方の領域は、閉ループの内側のコレクタ層に接しており、
導電体領域は、閉ループの外側に配置されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。
It has an insulator region that penetrates through the collector layer and penetrates into the base layer, and forms a closed loop when the back surface of the collector layer is viewed in plan,
One region of the collector electrode is in contact with the collector layer inside the closed loop,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductor region is disposed outside the closed loop.
コレクタ電極の他方の領域は、閉ループの外側コレクタ層と導電体領域に接触していることを特徴とする請求項2の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the other region of the collector electrode is in contact with the outer collector layer of the closed loop and the conductor region. コレクタ層を貫通してベース層に侵入しているとともに、コレクタ層の裏面を平面視したときに閉ループを形成しているトレンチを備えており、
少なくとも閉ループの内側のコレクタ層に接するトレンチの壁面は絶縁体領域で覆われており、
トレンチの内部に導電体が充填されていることを特徴とする請求項2又は3の半導体装置。
It has a trench that penetrates the collector layer and penetrates into the base layer, and forms a closed loop when the back surface of the collector layer is viewed in plan,
At least the walls of the trench in contact with the collector layer inside the closed loop are covered with an insulator region,
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein a conductor is filled in the trench.
コレクタ層の裏面に閉ループに沿って伸びる絶縁膜が形成されており、その絶縁膜によってコレクタ電極が2領域に分離されていることを特徴とする請求項4の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 4, wherein an insulating film extending along a closed loop is formed on the back surface of the collector layer, and the collector electrode is separated into two regions by the insulating film. 導電体領域とコレクタ層の界面にあって両者を絶縁する絶縁体領域が形成されており、
コレクタ電極の他方の領域は、コレクタ層から絶縁されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。
An insulator region is formed at the interface between the conductor region and the collector layer to insulate the two.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the other region of the collector electrode is insulated from the collector layer.
複数の半導体装置が作り込まれているウエハであり、
少なくとも1つの半導体装置が、請求項1〜6のいずれかの半導体装置であることを特徴とするウエハ。
A wafer on which a plurality of semiconductor devices are built,
A wafer, wherein the at least one semiconductor device is the semiconductor device according to claim 1.
請求項1〜6のいずれかの半導体装置と、下記の縦型半導体装置が混在していることを特徴とする請求項7のウエハであり、
その縦型半導体装置が、
第1導電型のベース層と、
ベース層の表面の少なくとも一部に接している第2導電型のボディ領域と、
ボディ領域の表面の少なくとも一部に接している第1導電型のエミッタ領域と、
エミッタ領域とベース層を分離しているボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、
エミッタ領域に接しているとともにゲート電極から絶縁されているエミッタ電極と、
ベース層の裏面に接している第2導電型のコレクタ層と、
コレクタ層の裏面に接しているコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とするウエハ。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 and the following vertical semiconductor device are mixed,
The vertical semiconductor device
A base layer of a first conductivity type;
A body region of a second conductivity type in contact with at least a part of the surface of the base layer;
An emitter region of a first conductivity type in contact with at least a part of the surface of the body region;
A gate electrode facing the body region separating the emitter region and the base layer through a gate insulating film;
An emitter electrode in contact with the emitter region and insulated from the gate electrode;
A collector layer of a second conductivity type in contact with the back surface of the base layer;
A collector electrode in contact with the back surface of the collector layer;
A wafer characterized by comprising:
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