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JP2009111304A - 過電圧保護機能内蔵型mos型半導体装置とその製造方法。 - Google Patents

過電圧保護機能内蔵型mos型半導体装置とその製造方法。 Download PDF

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JP2009111304A JP2007284688A JP2007284688A JP2009111304A JP 2009111304 A JP2009111304 A JP 2009111304A JP 2007284688 A JP2007284688 A JP 2007284688A JP 2007284688 A JP2007284688 A JP 2007284688A JP 2009111304 A JP2009111304 A JP 2009111304A
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Katsunori Ueno
勝典 上野
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Abstract

【課題】ドレイン−ゲート間に、過電圧保護用のツエナーダイオードを有するMOS型半導体装置において、過電圧による破壊耐量をさらに向上させる過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置を提供すること。
【解決手段】ツエナーダイオード16に電気的に接続されたドレイン領域16表面に、主IGBTもしくはMOSFETのウェル4よりも深いn型領域17を形成する過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ゲート駆動型縦型パワーMOS型半導体装置であるIGBTもしくはパワーMOSFETに過電圧が印加された場合に、その過電圧による半導体装置の破壊を防止する構造を内蔵するMOS型半導体装置の改良に関する。
従来技術では、IGBTやMOSFETなどのMOS型半導体装置単体の過電圧保護として、コレクタ(またはドレイン)・ゲート間に複数のツエナーダイオードまたは双方向ツエナーダイオードを直列に接続する構成が公知として広く知られている。図9に、そのような双方向ツエナーダイオードを内蔵するMOS型半導体装置の要部断面図を、また図10には前記双方向ツエナーダイオードを含む過電圧保護デバイスを備えるMOS型半導体装置の等価回路図を、それぞれ示す。図10の等価回路に示すように、メインのMOS型半導体装置30の耐圧よりもより低い耐圧でブレークダウンするように設計されたツエナーダイオード33をドレイン−ゲート間に設ける。その結果、メインのMOS型半導体装置30の耐圧より高い電圧のサージ電圧が印加された場合、ツエナーダイオード33がブレークダウンして電流が流れる。その際、MOS型半導体装置30のゲート電極がバイアスされてオン状態になり、コレクタ(またはドレイン)にオン電流が流れることにより、大きなサージエネルギーをMOS型半導体装置全体で吸収しようとするものである。前記ツエナーダイオードは図9の符号16で示すように、MOS型半導体装置の単体チップの上のコレクタ(ドレイン)−ゲート間に絶縁膜を介してポリシリコンなどによってモノリシックに形成されている。
このようなMOS型半導体装置として、メインのドレイン電極に過電圧が印加された場合、第二(サブ)のMOS型半導体装置のオン電流を介して、ドレインーゲート間に逆向き直列接続されたツエナーダイオードを通してメインのMOS型半導体装置をオンさせることにより、過電圧からメインのMOS型半導体装置を保護する構造が知られている(特許文献1)。
また、IGBTのコレクタ−ゲート間に、IGBTの耐圧より100V以上低く、10〜20mAの電流値での動作抵抗が5kΩ以下であるツエナーダイオードを接続させる構造が知られている(特許文献2)。
IGBTの逆方向サージ耐量を向上させるために設けられる逆導通ダイオードを備えるIGBTの公知の構造が、電源電圧をコレクタ−エミッタ間に逆方向に誤接続した場合、IGBTが破壊されるという問題点を解決するために、逆導通ダイオードとコレクタ間に抵抗を接続することが知られている(特許文献3)。
アップドレイン型のMOSFETとすることによるオン抵抗の増大を防ぐために、表面に設けられる深くて高濃度のn+層を、トレンチを用いて面積を増大させずに形成する方法が記載されている(特許文献4、5)。
特開平10−321857号公報(0011段落、図1) 特開2001−153011号公報(要約、図1) 特開2006−332182号公報(0011段落、要約) 特開2001−127294号公報(要約) 特開2004−363302号公報(0007〜0009段落)
しかしながら、前述の図10の等価回路に示すように、メインのMOS型半導体装置30の耐圧よりもより低い耐圧でブレークダウンするように設計されたツエナーダイオード33をドレイン−ゲート間に設ける構造を有するIGBTでは、高いサージ耐量を得ることができるが、以下のような不都合が発生する場合のあることが分かった。
まず、図9に示すように、このIGBTには、ツエナーダイオード16と直列に導電接続されているドレイン領域7が設けられている半導体基板の表面層の下方に、主として高抵抗のドリフト層3からなる抵抗体13が等価的に挿入されていることになる。ツエナーダイオード16はpn拡散層の抵抗率、断面積、長さを変えることにより、その抵抗を予め設計することができるが、主としてドリフト層(半導体基板)3からなる前記抵抗体13は、半導体装置単体チップのダイシング切断面を含んでおり、その切断面状態によって抵抗値が一定しない。また、半導体基板自体の抵抗率は設計耐圧値と密接な関係があってその制約を受けるので、設計耐圧と無関係に、任意の抵抗値を設定する目的で前記抵抗率を選択することは難しいという不都合がある。このことは、1μs以下の非常に早いサージが入った場合に、この抵抗体13への充電時間によって、表面側ドレイン電極8の電位がそれに追随できずに、電圧上昇が遅れる場合が発生する。この場合、ツエナーダイオード16と、その直下の半導体表面との間に高い電圧が瞬間的に印加されることになり、酸化膜20の絶縁破壊を招くことになる。また、この酸化膜20の表面は、特に外部から保護されていないために、さまざまな外部からのイオンなどの影響によって表面状態が変化して、その表面抵抗値も変化することが予想され、信頼性の点からも問題が発生する可能性がある。というのは、図9では酸化膜20の上にツエナーダイオード16が載置された状態の断面を示しているが、酸化膜20上にツエナーダイオード16が載置される部分は酸化膜20の表面のごく一部にすぎないからである。
さらに、特に、IGBTの場合において、半導体の単体チップの裏面側にp領域からなるコレクタ層1があるが、このp領域によって順方向のpnダイオード14が形成されている。このため、サージ電圧が入ってツエナーダイオード16に電流が流れ始めると、この半導体基板側に存在する符号1、2、3、7からなるpnダイオード14に順電流が流れることから、pnダイオード14のアノード側すなわちコレクタC側から、正孔が注入され、半導体基板の中を経路12でIGBTの活性領域(主電流の流れる領域)側へも流れる。このIGBTにも電流が流れることは、ゲートGーコレクタC間の抵抗を下げるという意味で、一方では良い効果を示すが、他方、バイポーラ動作であるが故に、正孔の注入から、半導体基板(ドリフト層3)中の伝導度変調が完了するまでの数μs程度の時間を要し、かつ電流の流れる経路を制御することが難しいという問題がある。このことは、IGBTがアバランシェ降伏状態に入ってアバランシェ電流が流れるときに、IGBTの周辺の部分により多くの電流が集中する可能性があり、破壊耐量の低下につながる。
本発明は、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、ドレイン−ゲート間に、過電圧保護用のツエナーダイオードを有するMOS型半導体装置において、過電圧による破壊耐量をさらに向上させるMOS型半導体装置を提供することである。
特許請求の範囲の請求項1記載の発明によれば、一導電型半導体基板の一方の主面に、他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内の表面層に選択的に形成されるソース領域と、該ソース領域表面と前記一導電型半導体基板表面とに挟まれる前記他導電型ベース領域表面にゲート絶縁膜を介して載置されるゲート電極を備えるMOSゲート構造を有し、さらに、前記一方の主面に、該MOSゲート構造を取り囲む耐圧構造部と該耐圧構造部を取り囲む一導電型ドレイン領域とを備え、該ドレイン領域表面と前記ゲート電極との間にツエナーダイオードが電気的に接続され、前記一方の主面と他方の主面間に主電流が流れる構造を有する過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置において、前記一導電型ドレイン領域は、前記MOSゲート構造を構成する前記他導電型ベース領域よりも前記一方の主面からの深さが深い領域として形成されている過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記一導電型ドレイン領域の深さが、前記他方の主面に形成される拡散領域に到達している特許請求の範囲の請求項1記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、前記一導電型ドレイン領域と前記他方の主面に形成される拡散領域とが切断面に沿って形成される一導電型低抵抗層により連結されている特許請求の範囲の請求項1記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項4記載の発明によれば、前記切断面に沿って形成される一導電型低抵抗層は、リン雰囲気で行われるレーザーダイシングにより形成される特許請求の範囲の請求項3記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置の製造方法とする。
特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、前記切断面に沿って形成される一導電型低抵抗層は、ダイシングした後にイオン注入とそれに続く熱処理によって形成される特許請求の範囲の請求項3記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置の製造方法とする。
特許請求の範囲の請求項6記載の発明によれば、一導電型半導体基板の一方の主面に、他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内の表面層に選択的に形成されるソース領域と、該ソース領域表面と前記一導電型半導体基板表面とに挟まれる前記他導電型ベース領域表面にゲート絶縁膜を介して載置されるゲート電極を備えるMOSゲート構造を有し、さらに、前記一方の主面に、該MOSゲート構造を取り囲む耐圧構造部と該耐圧構造部を取り囲む一導電型ドレイン領域とを備え、該ドレイン領域表面と前記ゲート電極との間にツエナーダイオードが電気的に接続され、前記一方の主面と他方の主面間に主電流が流れる構造を有する過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置において、前記一導電型半導体基板の一方の主面に形成される前記ドレイン領域内表面に形成されるトレンチと、該トレンチの内表面に形成される一導電型拡散層を備える過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項7記載の発明によれば、半導体装置がMOSFETである特許請求の範囲の請求項1乃至6のいずれか一項に記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置またはその製造方法とする。
特許請求の範囲の請求項8記載の発明によれば、半導体装置がIGBTである特許請求の範囲の請求項1乃至6のいずれか一項に記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置またはその製造方法とする。
本発明では、要するに、前記発明の目的を達成するために、(1)ツエナーダイオードに電気的に接続されたドレイン側表面に、主IGBTもしくはMOSFETのウェル拡散よりも深いn型領域を形成する。特許請求の範囲の請求項1、2、7、8に関連する。図1、2、3、4に関連する。(2)ツエナーダイオードに電気的に接続された半導体チップ端面に高濃度のn型不純物の拡散領域を形成する。特許請求の範囲の請求項3、4、5、7、8に関連する。図5、6に関連する。(3)ツエナーダイオードに電気的に接続されたドレイン側表面から、トレンチ溝を形成して、その底と側面に高濃度のn型領域を形成する。特許請求の範囲の請求項6、7、8に関連する。図7に関連する。本発明は前記(1)、(2)、(3)のいずれかを特徴とする構成を備える過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置またはその製造方法とするものである。
本発明によれば、ドレイン−ゲート間に、過電圧保護用のツエナーダイオードを有するMOS型半導体装置において、過電圧による破壊耐量をさらに向上させるMOS型半導体装置を提供することができる
以下、添付図面を参照して、この発明にかかる過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下、実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、できるかぎり重複する説明を避けるようにした。また、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〜図3は、本発明の実施例1にかかるIGBTの要部断面図である。図4〜図6は本発明の実施例2にかかるIGBTの要部断面図である。図7、図8は本発明の実施例3にかかるIGBTの要部断面図である。
図1は、本発明の実施例1にかかるIGBTの基本構造を示す要部断面図である。IGBTを用いた実施例1における説明では、IGBT自体の基本的な構造および製造方法は、周知の構造、製造方法と同じであるので、詳細な説明を省き、本発明の特徴部分に関係の深い部分を中心に説明する。実施例1では、ゲートG−コレクタC間にアノ−ドをゲート、カソードをコレクタ(ドレイン)側とする方向に接続されるツエナーダイオード16を備えるIGBTであって、ツエナーダイオード16のコレクタ側端部に接触するドレイン電極8とコレクタCとの間にあって、電気的にはツエナーダイオード16に対して直列接続となる半導体基板3部分の内部抵抗を下げるために、高濃度n型の拡散領域17が、ドレイン電極8が接触する半導体基板表面からの深い不純物拡散によって形成されている。以下、述べる説明におけるツエナーダイオードは、ポリシリコンで形成される双方向ツエナーダイオードとすることが好ましい。また、説明文中、濃度という語句は不純物濃度のことを言うものとする。この高濃度n型拡散領域17は、表面濃度が1×1019cm-3以上で、その深さは、主たるIGBTの主電流の流れる活性領域内のMOSゲート構造を形成するpベース領域4(pウェル領域ともいう)の深さよりも深くする必要があり、実質的に5μm以上が必要である。実際にはドリフト層3の厚さと同程度近くまで深くされることが好ましく、たとえば600V 耐圧のIGBTの場合、ドリフト層3の厚さは50μm程度となることから、できれば、20μm以上とすることが好ましい。図1のIGBTでは、この高濃度n型拡散領域17の深さがバッファ層2にまで到達した場合を示している。図2では、バッファ層2に達していない場合を示している。図3は図1よりもさらに深く、裏面側のコレクタ層にまで達している場合を示す。図1の符号1はコレクタ層、2はバッファ層、3はドリフト層、4はpベース領域、5はゲート酸化膜、5−1はゲート電極、6はエミッタ電極、、8はドレイン電極、9はゲート抵抗、10はG−K間容量である。IGBTにかかるこれらの符号は他の図番にも共通である。
本発明の実施例1にかかるIGBTの製造方法について、本発明の特徴部分の製造方法について、図4を参照して説明する。半導体基板表面に酸化膜21を拡散マスクとして形成する(図4(a))。フォトリソグラフィ工程によって開口部22を形成する(図4(b))。この開口窓によって、イオン注入や気相拡散あるいは固相拡散法によって、n型不純物であるリンを用いて、選択的に高濃度の深いn型拡散領域17を形成する(図4(c))。酸化膜21を除去する(図4(d))。これ以降の工程は通常のIGBTやMOSFETの製造方法に準じる。このとき、拡散時間や拡散温度によってn型拡散領域17の拡散深さ、および表面濃度を制御することが可能である。拡散深さはできるかぎり深く、高い濃度であることが好ましいが、そのためには拡散温度が高くなり、また拡散時間も長くなってしまうため、プロセス設計との整合をとって決める必要がある。なお、深さが深くなると、n型拡散領域17は横方向にも同程度に広がることから、デバイスの周辺領域が大きくなるため、デバイスサイズの点で不利になることも考慮すべきである。
図5は、本発明の実施例2にかかるIGBTの基本構造を示す要部断面図である。このIGBTは、ゲートG−コレクタC間にアノ−ドをゲート、カソードをコレクタ(ドレイン)側とする方向に接続されるツエナーダイオード16を備えるIGBTであって、ツエナーダイオード16のコレクタ側端部に接触するドレイン電極8とコレクタCとの間にあって、ドレイン電極8が接触する半導体基板表面に、この表面からの拡散による高濃度n型の拡散領域を有する点は、前記実施例1のIGBTと同じであるが、実施例2ではこの表面からの拡散による高濃度n型の拡散領域7の深さは実施例1より浅くてよく、その代わり、実施例2では半導体基板端部の切断端面に、直接、不純物を導入して形成されるn型領域18を有する点が異なる。
その製造方法を図6のIGBTの要部断面図に示す。主たるIGBTもしくはMOSFETのウエハの製造工程がほぼ終了して、ウエハを切断してチップを取り出すために、ウエハのダイシングを行う際に、リンを含むような雰囲気中でレーザーダイシングを行う。このとき、レーザーで大きなエネルギーが半導体基板に注入され、局部的に高温となって半導体基板が液体状なるかまたは蒸発して除去されるが、その際、雰囲気中のリンが不純物として高温の半導体基板の切断面に取り込まれて形成されるn型領域18がダイシング切断面に形成される。あるいは、通常のダイアモンドブレードを用いたダイサーによって機械的にダイシングを施した後、エクスパンダーでバラバラにチップ化する前に、切断面にリンのイオン注入を行って、400℃程度の熱処理を行うこともできる。これらの方法では、簡易的に低い抵抗のn型導電層を半導体基板の切断面に形成できるため、その点では本発明の実施例1の製造方法よりは簡便である。ただし、前述の図6に示す方法では、実際に半導体に導入される不純物量の制御が困難であることから、抵抗のばらつきが大きくなるというデメリットがある。
図7は、本発明の実施例3にかかるIGBTの基本構造を示す要部断面図である。このIGBTは、ゲートG−コレクタC間にアノ−ドをゲート、カソードをコレクタ(ドレイン)側とする方向に接続されるツエナーダイオード16を備えるIGBTであって、ツエナーダイオード16のコレクタ側端部に接触するドレイン電極8とコレクタCとの間にあって、ドレイン電極8が接触する半導体基板表面に、この拡散領域7を貫通する深さのトレンチ50を形成し、このトレンチ50を利用して、トレンチ50の内表面に比較的浅いn型の拡散層18−1を形成して、前記実施例1の高濃度の深いn型拡散領域17および実施例2のn型領域18の代わりとする構造であり、製造方法である。
この構造またはその製造方法によれば、本発明の実施例1のような深い拡散領域17が不要になることから、生産のスループットが向上するという利点がある。トレンチ50の深さが深いほど、深くまでn型領域18−1が形成できる。図7では、トレンチ50の深さはバッファ層2には達していない図を示しているが、バッファ層2、あるいはコレクタ層1に達するような深さにしたほうが好ましい。ただし、その場合には、たとえば600Vのデバイスであれば、ドリフト層3が50μm程度あるため、50μm以上の深いトレンチ50を形成する必要がある。図8に、実施例3のIGBTの製造方法の特徴部分を示した。ほぼ、IGBTもしくはMOSFETの製造工程が終了した段階のウエハに対して(図8(a))、ドレイン領域7内の表面に、エッチングマスク26を用いてトレンチ27を形成する(図8(b))。トレンチ27内面にイオン注入28(図8(c))、もしくは気相拡散などによってn型領域29を形成する(図8(d))。このとき、形成されたn型領域29は高濃度1×1019cm-3以上であることが好ましい。
なお、以上の実施例1、2、3では、IGBTを例にして説明したが、MOSFETにおいても同様の構造が可能であり、同様の効果を得ることができる。特にMOSFETの場合には、裏面側からの少数キャリアの注入が無いため、伝導度変調が起きず、ツエナーダイオードに電流が流れても、MOSFET基板内の抵抗は減少しない。このため、GC間の抵抗を半導体基板の抵抗を低減することによる効果が特に大きい。
以上説明した実施例1、2、3によれば、ツエナーダイオードに直列に接続される半導体基板側の抵抗を効果的に小さくすることが可能で、早いサージに対しても十分に保護が可能となる。また、IGBTの場合には、ツエナーダイオードに流れる電流を、新たに追加したn型領域内に制限できるため、不要な電流の拡散を防止でき、電流の集中を防止して、破壊耐量の低下を防止できる。
以上のように、本発明にかかる過電圧保護機能付きのMOSFETまたはIGBTは、サージが頻繁に発生する自動車のイグナイタやリレー代替用のスイッチなど、さまざまなパワースイッチとして使用され有用である。
本発明の実施例1にかかるIGBTの要部断面図である。 本発明の実施例1にかかるIGBTの変異例の要部断面図である。 本発明の実施例1にかかるIGBTの変異例の要部断面図である。 本発明の実施例1の製造方法を説明するための主要な製造工程ごとの断面図である。 本発明の実施例2にかかるIGBTの要部断面図である。 本発明の実施例2の製造方法を説明するための主要な製造工程ごとの断面図である。 本発明の実施例3にかかるIGBTの要部断面図である。 本発明の実施例3の製造方法を説明するための主要な製造工程ごとの断面図である。 従来の過電圧保護構造を有するIGBTの要部断面図である。 従来の過電圧保護構造を有するIGBTの等価回路である。
符号の説明
1 コレクタ層
2 バッファ層
3 ドリフト層
4 pベース領域
5 ゲート絶縁膜
5−1 ゲート電極
6 エミッタ電極
7 ドレイン領域
8 ドレイン電極
9 ゲート抵抗
10 G−K間容量
12 経路
13 抵抗体
16 ツエナーダイオード
17 深いn型拡散層
18 n型拡散層
20、21 酸化膜
22 開口部
26 ドライエッチングマスク
27 トレンチ
28 リンイオン注入
29 n型拡散層。

Claims (8)

  1. 一導電型半導体基板の一方の主面に、他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内の表面層に選択的に形成されるソース領域と、該ソース領域表面と前記一導電型半導体基板表面とに挟まれる前記他導電型ベース領域表面にゲート絶縁膜を介して載置されるゲート電極を備えるMOSゲート構造を有し、さらに、前記一方の主面に、該MOSゲート構造を取り囲む耐圧構造部と該耐圧構造部を取り囲む一導電型ドレイン領域とを備え、該ドレイン領域表面と前記ゲート電極との間にツエナーダイオードが電気的に接続され、前記一方の主面と他方の主面間に主電流が流れる構造を有する過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置において、前記一導電型ドレイン領域は、前記MOSゲート構造を構成する前記他導電型ベース領域よりも前記一方の主面からの深さが深い領域として形成されていることを特徴とする過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置。
  2. 前記一導電型ドレイン領域の深さが、前記他方の主面に形成される拡散領域に到達していることを特徴とする請求項1記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置。
  3. 前記一導電型ドレイン領域と前記他方の主面に形成される拡散領域とが切断面に沿って形成される一導電型低抵抗層により連結されていることを特徴とする請求項1記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置。
  4. 前記切断面に沿って形成される一導電型低抵抗層は、リン雰囲気で行われるレーザーダイシングにより形成されることを特徴とする請求項3記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置の製造方法。
  5. 前記切断面に沿って形成される一導電型低抵抗層は、ダイシングした後にイオン注入とそれに続く熱処理によって形成されることを特徴とする請求項3記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置の製造方法。
  6. 一導電型半導体基板の一方の主面に、他導電型ベース領域と、該他導電型ベース領域内の表面層に選択的に形成されるソース領域と、該ソース領域表面と前記一導電型半導体基板表面とに挟まれる前記他導電型ベース領域表面にゲート絶縁膜を介して載置されるゲート電極を備えるMOSゲート構造を有し、さらに、前記一方の主面に、該MOSゲート構造を取り囲む耐圧構造部と該耐圧構造部を取り囲む一導電型ドレイン領域とを備え、該ドレイン領域表面と前記ゲート電極との間にツエナーダイオードが電気的に接続され、前記一方の主面と他方の主面間に主電流が流れる構造を有する過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置において、前記一導電型半導体基板の一方の主面に形成される前記一導電型ドレイン領域内表面に形成されるトレンチと、該トレンチの内表面に形成される一導電型拡散層を備えることを特徴とする過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置。
  7. 半導体装置がMOSFETであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置またはその製造方法。
  8. 半導体装置がIGBTであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の過電圧保護機能内蔵型MOS型半導体装置またはその製造方法。
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