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JP6513168B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP6513168B2
JP6513168B2 JP2017229258A JP2017229258A JP6513168B2 JP 6513168 B2 JP6513168 B2 JP 6513168B2 JP 2017229258 A JP2017229258 A JP 2017229258A JP 2017229258 A JP2017229258 A JP 2017229258A JP 6513168 B2 JP6513168 B2 JP 6513168B2
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

本発明は半導体装置に関し、より特定的には、高耐圧半導体装置であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を備える半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device provided with an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) which is a high breakdown voltage semiconductor device.

数百Vを超える電圧を制御する高耐圧半導体装置(パワーデバイス)の分野では、その取扱う電流も大きなことから、発熱、すなわち損失を抑えた素子特性が要求される。また、それらの電圧・電流を制御するゲートの駆動方式としては、駆動回路が小さく、そこでの損失の小さな電圧駆動素子が望ましい。   In the field of high breakdown voltage semiconductor devices (power devices) which control voltages exceeding several hundreds of volts, the current to be handled is also large, and therefore, device characteristics with suppressed heat generation, that is, loss are required. Moreover, as a drive system of the gate which controls those voltage * electric currents, a drive circuit is small and the voltage drive element with a small loss there is desirable.

近年、上記のような理由で、この分野では電圧駆動が可能で、損失の少ない素子として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、すなわちIGBTが主流となってきている。このIGBTの構造は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのドレインの不純物濃度を低くして耐圧を保たせるとともに、ドレイン抵抗を低くするためにドレイン側をダイオードとしたものとみなすことができる構造である。   In recent years, for the reasons as described above, an insulated gate bipolar transistor, that is, an IGBT has become mainstream as an element capable of voltage drive and having a small loss in this field. The structure of this IGBT is a structure that can be regarded as a diode whose drain side is a diode in order to keep the breakdown voltage by lowering the impurity concentration of the drain of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor and to lower the drain resistance. .

このようなIGBTにおいてはダイオードがバイポーラ動作をするため、本願においては、IGBTのMOSトランジスタのソース側をエミッタ側と呼び、ドレイン側をコレクタ側と呼ぶ。   In such an IGBT, since the diode performs bipolar operation, in the present application, the source side of the MOS transistor of the IGBT is called the emitter side, and the drain side is called the collector side.

電圧駆動素子であるIGBTでは一般に、コレクタとエミッタ間に数百Vの電圧が印加され、その電圧が±数V〜数十Vのゲート電圧によって制御される。また、IGBTはインバータとして用いられることが多く、ゲートがオン状態にある場合にはコレクタ・エミッタ間の電圧は低いが、大電流が流れ、ゲートがオフ状態にある場合には電流は流れないがコレクタ・エミッタ間の電圧は高くなっている。   In the IGBT which is a voltage driving element, generally, a voltage of several hundreds of volts is applied between the collector and the emitter, and the voltage is controlled by a gate voltage of several to several tens of volts. Also, IGBTs are often used as inverters, and although the voltage between the collector and the emitter is low when the gate is in the ON state, a large current flows, but no current flows when the gate is in the OFF state. The voltage between the collector and the emitter is high.

通常は、上記のようなモードでIGBTの動作が行なわれるため、損失はオン状態での電流・電圧積である定常損失と、オン状態とオフ状態とが切替わる過渡時のスイッチング損失とに分けられる。オフ状態でのリーク電流・電圧積は非常に小さいため無視することができる。   Usually, since the IGBT operates in the mode as described above, the loss is divided into a steady loss which is a current-voltage product in the on state and a switching loss in the transition where the on state and the off state are switched. Be The leakage current-voltage product in the off state is so small that it can be ignored.

一方、たとえば負荷が短絡した場合など異常な状態にあっても、素子の破壊を防ぐことも重要である。この場合は、コレクタ・エミッタ間に数百Vの電源電圧が印加されたまま、ゲートがオンし、大電流が流れることになる。   On the other hand, it is also important to prevent destruction of the element even in an abnormal state, for example, when a load is shorted. In this case, while the power supply voltage of several hundred volts is applied between the collector and the emitter, the gate is turned on and a large current flows.

MOSトランジスタとダイオードとを直列に接続した構造を持つIGBTでは、MOSトランジスタの飽和電流で最大電流が制限される。このため、上記のような短絡時にも電流制限が働き、一定の時間発熱することによる素子の破壊を防ぐことができる。   In an IGBT having a structure in which a MOS transistor and a diode are connected in series, the maximum current is limited by the saturation current of the MOS transistor. For this reason, the current limitation works even at the time of the short circuit as described above, and it is possible to prevent the destruction of the element due to the heat generation for a fixed time.

従来のIGBTの構造は、たとえば特開2004−247593号公報(特許文献1)に開示されている。特許文献1のIGBTは、ゲート電極と、ソース(エミッタ)電極と、ドレイン(コレクタ)電極と、n型基板とを主に備えている。n型基板の上面にはトレンチが形成されており、ゲート電極はこのトレンチの内部に埋め込まれている。n型基板内の上部にはp型ベース層が形成されており、p型ベース層の内部にはn+型ソース層とp+型ドレイン層とが形成されている。n+型ソース層とp+型ドレイン層とはn型基板の表面において互いに隣接している。そしてゲート電極と、n+型ソース層およびp型ベース層とは、n型基板の内部においてゲート絶縁膜を挟んで対向している。エミッタ電極はn+型ソース層およびp+型ドレイン層と電気的に接触している。n型基板の下面にはp+型ドレイン層が形成されており、コレクタ電極はn型基板の下面側においてp+型ドレイン層に接触している。n型基板の内部におけるp型ベース層とp+型ドレイン層との間には、n-型エピタキシャル層およびn型バッファ層が埋め込まれている。n-型エピタキシャル層はp型ベース層およびn型バッファ層と接触しており、n型バッファ層はp+型ドレイン層と接触している。 The structure of the conventional IGBT is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-247593 (Patent Document 1). The IGBT of Patent Document 1 mainly includes a gate electrode, a source (emitter) electrode, a drain (collector) electrode, and an n-type substrate. A trench is formed on the upper surface of the n-type substrate, and the gate electrode is embedded inside the trench. A p-type base layer is formed in the upper part in the n-type substrate, and an n + -type source layer and a p + -type drain layer are formed inside the p-type base layer. The n + -type source layer and the p + -type drain layer are adjacent to each other on the surface of the n-type substrate. The gate electrode and the n + -type source layer and the p-type base layer are opposed to each other across the gate insulating film in the n-type substrate. The emitter electrode is in electrical contact with the n + -type source layer and the p + -type drain layer. A p + -type drain layer is formed on the lower surface of the n-type substrate, and the collector electrode is in contact with the p + -type drain layer on the lower surface side of the n-type substrate. An n -- type epitaxial layer and an n-type buffer layer are embedded between the p-type base layer and the p + -type drain layer inside the n-type substrate. The n epitaxial layer is in contact with the p base layer and the n buffer layer, and the n buffer layer is in contact with the p + drain layer.

また、特許文献1と同様の構造を有するIGBTは、たとえば特開2006−49933号公報(特許文献2)、特開2002−359373号公報(特許文献3)、特開平9−260662号公報(特許文献4)、米国特許第6,815,767号明細書(特許文献5)、米国特許第6,953,968号明細書(特許文献6)、および米国特許第6,781,199号明細書(特許文献7)にも開示されている。   In addition, IGBTs having a structure similar to that of Patent Document 1 are, for example, disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2006-49933 (Patent Document 2), 2002-359373 (Patent Document 3), and Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 9-260662 (Patents) Reference 4), U.S. Pat. No. 6,815,767 (U.S. Pat. No. 5,953,968), U.S. Pat. No. 6,953,968 (U.S. Pat. (Patent Document 7).

特開2004−247593号公報JP 2004-247593 A 特開2006−49933号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-49933 特開2002−359373号公報JP 2002-359373 A 特開平9−260662号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 9-260662 米国特許第6,815,767号明細書U.S. Patent No. 6,815,767 米国特許第6,953,968号明細書U.S. Patent No. 6,953,968 米国特許第6,781,199号明細書U.S. Patent No. 6,781,199

パワーデバイスにおいては、1つのパッケージモジュール中に複数のIGBTおよびダイオードのチップを有しており、複数のIGBTは互いに並列に接続されている。パワーデバイスに使用されるIGBTの特性として重要なのが、オン電圧VCE(sat)の温度依存性である。ここでオン電圧VCE(sat)とは、任意の定格電流(密度)JCを得るために必要なコレクタ・エミッタ間の電圧である。オン電圧VCE(sat)の温度依存性が正、つまりIGBTの温度上昇とともにオン電圧VCE(sat)が大きくなることが、互いに並列に接続された複数のIGBTを動作させる(つまり、IGBTを並列的に動作させる)ことに適している。仮にオン電圧VCE(sat)の温度依存性が負であると、IGBTを並列的に動作させる場合に、オン電圧VCE(sat)の低いIGBTに電流が集中する。その結果、パッケージモジュールが誤作動を発生しやすくなり、破壊などの問題が起きやすくなる。 In a power device, chips of a plurality of IGBTs and diodes are included in one package module, and the plurality of IGBTs are connected in parallel to one another. An important characteristic of the IGBT used for the power device is the temperature dependency of the on voltage V CE (sat). Here, the on voltage V CE (sat) is a voltage between the collector and the emitter required to obtain an arbitrary rated current (density) J C. The fact that the temperature dependency of the on voltage V CE (sat) is positive, that is, the on voltage V CE (sat) increases with the temperature rise of the IGBT operates a plurality of IGBTs connected in parallel with one another (that is, the IGBTs Suitable for parallel operation). If the temperature dependency of the on voltage V CE (sat) is negative, current is concentrated on the IGBT having a low on voltage V CE (sat) when the IGBTs are operated in parallel. As a result, the package module is prone to malfunction and problems such as destruction are likely to occur.

従って、本発明の目的は、並列的な動作に適した半導体装置を得ることである。   Therefore, an object of the present invention is to obtain a semiconductor device suitable for parallel operation.

本発明の一の局面に従う半導体装置は、半導体基板と素子とを備えている。半導体基板は、互いに対向する第1主面および第2主面を有している。素子は、第1主面側に形成されたゲート電極と、第1主面側に形成された第1電極と、第2主面に接触して形成された第2電極とを有している。素子は、ゲート電極に加えられる電圧によりチャネルに電界を発生させ、かつチャネルの電界によって第1電極と第2電極との間の電流を制御する。半導体基板と第2電極との界面におけるスパイクの密度は0以上3×108個/cm2以下である。 A semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a semiconductor substrate and an element. The semiconductor substrate has a first main surface and a second main surface facing each other. The element has a gate electrode formed on the first main surface side, a first electrode formed on the first main surface side, and a second electrode formed in contact with the second main surface. . The device generates an electric field in the channel by the voltage applied to the gate electrode, and controls the current between the first electrode and the second electrode by the electric field of the channel. The density of spikes at the interface between the semiconductor substrate and the second electrode is 0 or more and 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less.

本発明の他の局面に従う半導体装置は、半導体基板と素子とを備えている。半導体基板は、互いに対向する第1主面および第2主面を有している。素子は、第1主面側に形成されたゲート電極と、第1主面側に形成された第1電極と、第2主面に接触して形成された第2電極とを有している。素子は、ゲート電極に加えられる電圧によりチャネルに電界を発生させ、かつチャネルの電界によって第1電極と第2電極との間の電流を制御する。半導体装置は第2主面に形成されたコレクタ領域をさらに備えている。コレクタ領域は、第2電極と接触する第1導電型のコレクタ拡散層と、コレクタ拡散層よりも第1主面側に形成された第2導電型のバッファ拡散層と、第2導電型のドリフト拡散層とを有している。ドリフト拡散層はバッファ拡散層よりも低い不純物濃度を有しており、かつバッファ拡散層と隣接してバッファ拡散層よりも第1主面側に形成されている。ドリフト拡散層を構成する不純物の単位面積あたりの原子数に対する前記バッファ拡散層を構成する不純物の単位面積あたりの原子数の比は0.05以上100以下である。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a semiconductor substrate and an element. The semiconductor substrate has a first main surface and a second main surface facing each other. The element has a gate electrode formed on the first main surface side, a first electrode formed on the first main surface side, and a second electrode formed in contact with the second main surface. . The device generates an electric field in the channel by the voltage applied to the gate electrode, and controls the current between the first electrode and the second electrode by the electric field of the channel. The semiconductor device further includes a collector region formed on the second main surface. The collector region includes a collector diffusion layer of the first conductivity type in contact with the second electrode, a buffer diffusion layer of the second conductivity type formed closer to the first main surface than the collector diffusion layer, and a drift of the second conductivity type. And a diffusion layer. The drift diffusion layer has an impurity concentration lower than that of the buffer diffusion layer, and is formed adjacent to the buffer diffusion layer and closer to the first main surface than the buffer diffusion layer. The ratio of the number of atoms per unit area of the impurities constituting the buffer diffusion layer to the number of atoms per unit area of the impurities constituting the drift diffusion layer is 0.05 or more and 100 or less.

本発明によれば、並列的な動作に適した半導体装置が得られる。   According to the present invention, semiconductor devices suitable for parallel operation can be obtained.

本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device in a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross sectional view showing the first step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a second step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a third step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第4工程を示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a fourth step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第5工程を示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a fifth step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第6工程を示す概略断面図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a sixth step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第7工程を示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a seventh step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第8工程を示す概略断面図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing an eighth step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第9工程を示す概略断面図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a ninth step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第10工程を示す概略断面図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a tenth step of the method of manufacturing a semiconductor device in the first embodiment of the present invention. スパイクが形成されたp型コレクタ領域とコレクタ電極との界面の状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the state of the interface of the p-type collector area | region in which the spike was formed, and a collector electrode. スパイクが形成されたp型コレクタ領域とコレクタ電極との界面の状態を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the state of the interface of the p-type collector area | region in which the spike was formed, and a collector electrode. 本発明の実施の形態1におけるコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)と電流密度JCとの関係の温度依存性を示す図である。Is a graph showing the temperature dependence of the relationship between the collector-emitter voltage V CE (sat) and the current density J C of the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1におけるスパイク密度とオン電圧の変化量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the spike density in Embodiment 1 of this invention, and the variation | change_quantity of on voltage. 本発明の実施の形態1におけるデバイスのオペレーション温度とVCE(sat)との関係のスパイク密度依存性を示す図である。It is a figure which shows the spike density dependence of the relationship between the operation temperature of the device in Embodiment 1 of this invention, and VCE (sat). 本発明の実施の形態1におけるコレクタ電極の膜厚とスパイク密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of a collector electrode and spike density in Embodiment 1 of this invention. 図1のXVIII−XVIII線に沿った濃度分布である。It is concentration distribution along the XVIII-XVIII line of FIG. 図1のXIX−XIX線に沿った濃度分布である。It is concentration distribution along the XIX-XIX line of FIG. 本発明の実施の形態2におけるCP,P/CP,Nと、VCE(sat)およびエネルギロスEOffとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between CP , P / CP, N , VCE (sat), and the energy loss E Off in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における1200Vクラスの耐圧を有するIGBTにおけるCP,P/CP,Nと、VCE(sat)およびリーク電流密度JCESとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between CP , P / CP, N , VCE (sat), and leak current density J CES in IGBT which has a withstand voltage of 1200 V class in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるVCE(sat)とJCとの関係のCP,P/CP,N依存性を示す図である。C P, P / C P relationship V CE in a second embodiment of the present invention and (sat) and J C, illustrates the N dependence. 本発明の実施の形態2におけるSN/SN-と、VCE(sat)および降伏電圧BVCESとの関係を示す図である。And S N / S N-in a second embodiment of the present invention and showing a relationship between V CE (sat) and the breakdown voltage BV CES. 本発明の実施の形態2におけるCS,PおよびCP,Pと、VCE(sat)との関係の温度依存性を示す図である。C S, P and C P in the second embodiment of the present invention, a P, a diagram showing the temperature dependence of the relationship between V CE (sat). 本発明の実施の形態2におけるデバイスのオペレーション温度とVCE(sat)との関係のCS,PおよびCP,P依存性を示す図である。It is a figure which shows the CS , P and CP dependence dependence of the relationship of the operation temperature of a device and VCE (sat) in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における、5×1015≦CS,P、1×1016≦CP,Pの場合のJC−VCE特性の温度依存性を示す図である。In a second embodiment of the present invention, showing 5 × 10 15 ≦ C S, P, 1 × 10 16 ≦ C P, the temperature dependence of J C -V CE characteristics when P. 本発明の実施の形態2における、5×1015>CS,P、1×1016>CP,Pの場合のJC−VCE特性の温度依存性を示す図である。In a second embodiment of the present invention, showing a 5 × 10 15> C S, P, 1 × 10 16> C P, temperature dependence of J C -V CE characteristics when P. 本発明の実施の形態2におけるDP,NまたはDN-と、VCE(sat)およびBVCESとの関係を示す図である。D P according to the second embodiment of the present invention, the N or D N-, is a diagram showing a relationship between V CE (sat) and BV CES. 図1のXVIII−XVIII線に沿った濃度分布の他の例である。It is another example of concentration distribution along the XVIII-XVIII line of FIG. 本発明の実施の形態2におけるSN*/SNとVCE(sat)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between SN * / SN and VCE (sat) in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における第2主面からの深さxとVCE(sat)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between depth x from a 2nd main surface in Embodiment 2 of this invention, and VCE (sat). 本発明の実施の形態2におけるτx/τN-とVCE(sat)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between (tau) x / (tau) N- and VCE (sat) in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における第2主面からの深さxとキャリアライフタイムとの関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship of the depth x from a 2nd main surface in Embodiment 2 of this invention, and carrier lifetime. 本発明の実施の形態2におけるレーザアニールの出力および拡散炉の温度と、キャリアライフタイムとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output of the laser annealing and the temperature of a diffusion furnace in Embodiment 2 of this invention, and carrier lifetime. 本発明の実施の形態2におけるイオン注入量と、キャリア活性化率、VCE(sat)およびBVCESとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ion implantation amount in Embodiment 2 of this invention, a carrier activation rate, VCE (sat), and BV CES . 本発明の実施の形態3における半導体基板の第2主面を模式的に示す拡大断面図である。FIG. 21 is an enlarged cross sectional view schematically showing a second main surface of a semiconductor substrate in a third embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態3における中心線平均粗さRaおよび最大高さRmaxと、破壊強度およびキャリアライフタイムとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between centerline average roughness Ra and largest height Rmax , and breaking strength and carrier lifetime in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3におけるRaおよびRmaxと、JCESおよびVCE(sat)との関係を示す図である。And R a and R max of the third embodiment of the present invention, is a diagram showing the relationship between J CES and V CE (sat). 本発明の実施の形態4における半導体装置のMOSトランジスタ部分の構成を示す断面図である。FIG. 21 is a cross sectional view showing a configuration of a MOS transistor portion of a semiconductor device in a fourth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態4における半導体装置の第1の変形例の構成を示す断面図である。FIG. 35 is a cross sectional view showing a configuration of a first modified example of the semiconductor device in the fourth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態4における半導体装置の第2の変形例の構成を示す断面図である。FIG. 35 is a cross sectional view showing a configuration of a second modified example of the semiconductor device in the fourth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態4における半導体装置の第3の変形例の構成を示す断面図である。FIG. 35 is a cross sectional view showing a configuration of a third modification of the semiconductor device in the fourth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態5におけるMOSトランジスタ構造の派生構造を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross sectional view showing the derivative structure of the MOS transistor structure according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態6における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the various structures of planar gate type | mold IGBT in Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態6における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the various structures of planar gate type | mold IGBT in Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態6における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the various structures of planar gate type | mold IGBT in Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態6における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the various structures of planar gate type | mold IGBT in Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態6における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the various structures of planar gate type | mold IGBT in Embodiment 6 of this invention. 図79〜図83に示す構成におけるゲート電極5aの真下のキャリア(n型不純物)の濃度分布を模式的に示す図である。FIG. 80 is a view schematically showing a concentration distribution of carriers (n-type impurities) immediately below the gate electrode 5a in the configuration shown in FIGS. 79 to 83. n型不純物拡散領域を形成した場合と形成しない場合とにおける、VCEとJCとの関係を示す図である。in the case of not forming the case of forming the n-type impurity diffusion region is a diagram showing a relationship between V CE and J C. 本発明の実施の形態6におけるSN14a/SN-と、VCE(sat)、JC,BreakおよびVG,Breakとの関係とを示す図である。And S N14a / S N- according to the sixth embodiment of the present invention, V CE (sat), illustrates J C, Break and V G, and the relationship between the Break. 本発明の実施の形態7における半導体装置のレイアウトを示す平面図である。It is a top view which shows the layout of the semiconductor device in Embodiment 7 of this invention. 図87のLXXXVIII−LXVIII線に沿った断面図である。FIG. 90 is a cross sectional view taken along line LXXXVIII-LXVIII of FIG. 87. 図87のLXXXIX−LXXXIX線に沿った断面図である。FIG. 90 is a cross sectional view taken along line LXXXIX-LXXXIX of FIG. 87. 図88のXC−XC線に沿った不純物濃度分布である。It is impurity concentration distribution along the XC-XC line of FIG. 本発明の実施の形態7におけるY/XとBVCESとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Y / X and BV CES in Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態7におけるDTとBVCESとの関係、およびDTとEP/CSまたはEP/N-との関係を示す図である。Is a diagram illustrating relationship, and D T and E the relationship P / CS or E P / N-and the D T and BV CES according to the seventh embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態7におけるDT,PwellとBVCESおよびΔBVCESとの関係を示す図である。D T according to the seventh embodiment of the present invention and showing a relationship between the Pwell and BV CES and .DELTA.BV CES. 本発明の実施の形態7における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the various structures of planar gate type IGBT in Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態7における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the various structures of planar gate type IGBT in Embodiment 7 of this invention. CSおよびXCSとVCEおよびESCとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between W CS and X CS, and V CE and E SC . 本発明の実施の形態7における半導体装置におけるn型エミッタ領域3およびp+不純物拡散領域6のレイアウトを示す平面図である。FIG. 35 is a plan view showing a layout of n-type emitter region 3 and p + impurity diffusion region 6 in the semiconductor device in the seventh embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態7における半導体装置におけるn型エミッタ領域3およびp+不純物拡散領域6のレイアウトの変形例を示す平面図である。FIG. 35 is a plan view showing a modification of the layout of n-type emitter region 3 and p + impurity diffusion region 6 in the semiconductor device in the seventh embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態7におけるαとVCE(sat)およびESCとの関係を示す図である。Is a diagram showing the relationship between α and V CE (sat) and E SC according to a seventh embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態8におけるゲートパッドのレイアウトを模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the layout of the gate pad in Embodiment 8 of this invention. ゲート電圧の発振現象を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the oscillation phenomenon of gate voltage. ゲート電圧の発振現象を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the oscillation phenomenon of gate voltage. 本発明の実施の形態9におけるIGBTの主接合にブレークダウン電圧よりもわずかに低い逆バイアスを印加した時の図1のXIX−XIX線に沿った電界強度分布を模式的に示す図である。FIG. 21 schematically shows an electric field intensity distribution along the line XIX-XIX of FIG. 1 when a reverse bias slightly lower than the breakdown voltage is applied to the main junction of the IGBT in the ninth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態9における接合面の電界強度と降伏電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the electric field strength of the junction plane in the Embodiment 9 of this invention, and a breakdown voltage.

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を示す概略断面図である。図1を参照して、本実施の形態の半導体装置は、たとえば600〜6500Vの耐圧を有する半導体装置を想定すると、50〜800μmの厚みt1を有する半導体基板に形成されたトレンチ型IGBTである。半導体基板は互いに対向する第1主面(上面)および第2主面(下面)を有している。n-ドリフト層(ドリフト拡散層)1は、たとえば600〜6500Vの耐圧を有する半導体装置を想定すると、1×1012〜1×1015cm-3の濃度を有している。この半導体基板の第1主面側に、たとえば濃度が約1×1015〜1×1018cm-3で第1主面からの拡散深さが約1.0〜4.0μmのp型半導体よりなるp型ボディ領域2が形成されている。p型ボディ領域2(ボディ拡散層)内の第1主面には、たとえば濃度が1×1018〜1×1020cm-3で、第1主面からの拡散深さが約0.3〜2.0μmのn型半導体よりなるn型エミッタ領域3が形成されている。このn型エミッタ領域3(第2エミッタ拡散層)と隣り合うように第1主面には、p型ボディ領域2への低抵抗コンタクトをとるためのp+不純物拡散領域6(第1エミッタ拡散層)が、たとえば1×1018〜1×1020cm-3程度の濃度で、第1主面からの拡散深さがn型エミッタ領域3の深さ以下で形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 1, a semiconductor device of this embodiment, for example, assuming a semiconductor device having a breakdown voltage of 600~6500V, are trench IGBT formed on a semiconductor substrate having a thickness t 1 of 50~800μm . The semiconductor substrate has a first main surface (upper surface) and a second main surface (lower surface) opposed to each other. The n drift layer (drift diffusion layer) 1 has a concentration of 1 × 10 12 to 1 × 10 15 cm −3 , for example, assuming a semiconductor device having a withstand voltage of 600 to 6500 V. For example, a p-type semiconductor having a concentration of about 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3 and a diffusion depth of about 1.0 to 4.0 μm from the first main surface on the first main surface side of the semiconductor substrate A p-type body region 2 is formed. For example, the first main surface in p type body region 2 (body diffusion layer) has a concentration of 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 and a diffusion depth of about 0.3 from the first main surface. An n-type emitter region 3 made of an n-type semiconductor of ̃2.0 μm is formed. In the first main surface adjacent to n-type emitter region 3 (second emitter diffusion layer), p + impurity diffusion region 6 (first emitter diffusion) for providing a low resistance contact to p-type body region 2 Layer) is formed at a concentration of, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 and the diffusion depth from the first main surface is equal to or less than the depth of n-type emitter region 3.

第1主面には、n型エミッタ領域3とp型ボディ領域2とを突き抜けてn-ドリフト層1に達するゲート用溝1aが形成されている。このゲート用溝1aは、第1主面からたとえば3〜10μmの深さを有しており、ゲート用溝1aのピッチは、たとえば2.0μm〜6.0μmである。このゲート用溝1aの内表面には、ゲート絶縁膜4aが形成されている。このゲート絶縁膜4aは、たとえばゲート絶縁膜の特性、信頼性およびデバイス歩留りを向上させる目的で、CVD法により形成されたシリコン酸化膜と熱酸化法により形成されたシリコン酸化膜もしくは窒素がSi/SiO2界面に偏析しているシリコン窒化酸化膜との積層構造を有している。 In the first main surface, a gate groove 1a which penetrates n-type emitter region 3 and p-type body region 2 to reach n - drift layer 1 is formed. The gate groove 1a has a depth of, for example, 3 to 10 μm from the first main surface, and the pitch of the gate groove 1a is, for example, 2.0 μm to 6.0 μm. A gate insulating film 4a is formed on the inner surface of the gate groove 1a. The gate insulating film 4a is formed of, for example, a silicon oxide film formed by a CVD method and a silicon oxide film or nitrogen formed by a thermal oxidation method in order to improve the characteristics, reliability and device yield of the gate insulating film. It has a laminated structure with a silicon oxynitride film segregated at the SiO 2 interface.

ゲート用溝1a内を埋め込むように、たとえばリンが高濃度に導入された多結晶シリコンや、W/TiSi2などのメタル材料よりなるゲート電極5aが形成されている。なお、ゲート電極5aの低抵抗化のためにゲート電極5aの表面にシリサイド層(たとえばTiSi2、CoSiなど)が形成されていてもよい。このゲート電極5aの上面には、たとえばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜22Aが形成されている。またゲート電極5aは、ゲート電位Gを与える制御電極に電気的に接続されている。なお、ゲート電極5aは第1主面側に形成されていればよい。 A gate electrode 5a made of, for example, polycrystalline silicon in which phosphorus is introduced at a high concentration, or a metal material such as W / TiSi 2 is formed so as to fill the inside of the gate groove 1a. A silicide layer (for example, TiSi 2 , CoSi, etc.) may be formed on the surface of the gate electrode 5 a in order to reduce the resistance of the gate electrode 5 a. An insulating film 22A made of, for example, a silicon oxide film is formed on the upper surface of gate electrode 5a. The gate electrode 5a is electrically connected to a control electrode for applying a gate potential G. The gate electrode 5a may be formed on the first main surface side.

このようにゲート用溝1aとゲート絶縁膜4aとゲート電極5aとからゲートトレンチが構成されている。またn-ドリフト層1とn型エミッタ領域3とゲート電極5aとから、n-ドリフト層1をドレインとし、n型エミッタ領域3をソースとし、ゲート絶縁膜4aを挟んでゲート電極5aと対向するp型ボディ領域2の部分をチャネルとする絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部(ここでは、MOSトランジスタ)が構成されている。すなわち、このMOSトランジスタは、ゲート電極5aに加えられる電圧によりチャネルに電界を発生させ、かつチャネルの電界によってエミッタ電極11とコレクタ電極12との間の電流を制御する。このMOSトランジスタが第1主面には複数個配置されている。 Thus, a gate trench is formed of the gate groove 1a, the gate insulating film 4a and the gate electrode 5a. In addition, n - drift layer 1, n-type emitter region 3 and gate electrode 5a, n - drift layer 1 is a drain, n-type emitter region 3 is a source, and opposed to gate electrode 5a with gate insulating film 4a interposed therebetween. An insulated gate field effect transistor portion (here, a MOS transistor) having a portion of p type body region 2 as a channel is formed. That is, this MOS transistor generates an electric field in the channel by the voltage applied to gate electrode 5a, and controls the current between emitter electrode 11 and collector electrode 12 by the electric field of the channel. A plurality of these MOS transistors are arranged on the first main surface.

第1主面上には、たとえばシリケートガラスよりなる絶縁膜9と、CVD法により形成されたシリコン酸化膜よりなる絶縁膜22Bとが形成されており、これらの絶縁膜9、22Bには第1主面に達するコンタクトホール9aが設けられている。コンタクトホール9aの内表面および絶縁膜9、22Bの上面に沿うようにバリアメタル層10が形成されている。このバリアメタル層10と半導体基板との接する部分にはシリサイド層21aが形成されている。このバリアメタル層10およびシリサイド層21aを介して、n型エミッタ領域3およびp+不純物拡散領域6には、エミッタ電位Eを与えるエミッタ電極11(第1電極)が電気的に接続されている。なお、エミッタ電極11は第1主面側に形成されていればよい。 Over the first main surface, an insulating film 9 made of, for example, silicate glass and an insulating film 22B made of a silicon oxide film formed by a CVD method are formed. A contact hole 9a reaching the main surface is provided. A barrier metal layer 10 is formed along the inner surface of contact hole 9a and the upper surfaces of insulating films 9 and 22B. A silicide layer 21a is formed in a portion where the barrier metal layer 10 and the semiconductor substrate are in contact with each other. An emitter electrode 11 (first electrode) for giving an emitter potential E is electrically connected to the n-type emitter region 3 and the p + impurity diffusion region 6 through the barrier metal layer 10 and the silicide layer 21 a. The emitter electrode 11 may be formed on the first main surface side.

また、半導体基板の第2主面側にはp型コレクタ領域8(コレクタ拡散層)と、n型バッファ領域7(バッファ拡散層)とが形成されている。p型コレクタ領域8にはコレクタ電位Cを与えるコレクタ電極12(第2電極)が電気的に接続されている。コレクタ電極12は半導体基板の第2主面側に形成されており、コレクタ電位Cを与える。このコレクタ電極12の材質は、たとえばアルミニウム化合物である。n型バッファ領域7は、p型コレクタ領域8よりも第1主面側に形成されている。n-ドリフト層1はn型バッファ領域7よりも低い不純物濃度を有しており、かつn型バッファ領域7と隣接してn型バッファ領域7よりも第1主面側に位置している。p型コレクタ領域8と、n型バッファ領域7と、n-ドリフト層1とによりコレクタ領域が構成されている。 Further, a p-type collector region 8 (collector diffusion layer) and an n-type buffer region 7 (buffer diffusion layer) are formed on the second main surface side of the semiconductor substrate. A collector electrode 12 (second electrode) for giving a collector potential C is electrically connected to the p-type collector region 8. The collector electrode 12 is formed on the second main surface side of the semiconductor substrate, and applies a collector potential C. The material of the collector electrode 12 is, for example, an aluminum compound. The n-type buffer region 7 is formed closer to the first major surface than the p-type collector region 8. The n drift layer 1 has an impurity concentration lower than that of the n-type buffer region 7 and is adjacent to the n-type buffer region 7 and located closer to the first major surface than the n-type buffer region 7. The p-type collector region 8, the n-type buffer region 7 and the n drift layer 1 constitute a collector region.

特にn型バッファ領域7を設けることにより、n型バッファ領域7がない場合に比べて、主接合リーク特性が減少し、耐圧が上昇する。また、ターンオフ時のICの波形でテール電流が少なくなり、その結果、スイッチングロス(EOFF)が低減する。 In particular, the provision of the n-type buffer region 7 reduces the main junction leak characteristics and increases the withstand voltage as compared with the case where the n-type buffer region 7 is not provided. Also, the tail current is reduced in the I C waveform at turn-off, and as a result, the switching loss (E OFF ) is reduced.

また、n型バッファ領域7の拡散深さが浅くなるのは、MOSトランジスタ側の不純物拡散領域が形成された後にn型バッファ領域7を形成するためである。すなわち、MOSトランジスタ側の不純物拡散領域への高温熱処理による悪影響を抑止するために、n型バッファ領域7を形成する際に、低温アニール技術、もしくはレーザアニールのように局所的に高温化するアニーリング技術を用いるためである。   Further, the diffusion depth of the n-type buffer region 7 becomes shallow because the n-type buffer region 7 is formed after the impurity diffusion region on the MOS transistor side is formed. That is, in order to suppress the adverse effect of the high temperature heat treatment on the impurity diffusion region on the MOS transistor side, when forming the n-type buffer region 7, an annealing technique in which the temperature is locally raised as in the low temperature annealing technique or laser annealing. In order to use

本実施の形態の半導体装置においては、たとえばインバータ接続時には、エミッタ電位を基準に、制御電極のゲート電位Gはオフ状態では−15Vに、オン状態では+15Vに設定されたパルス状の制御信号であり、コレクタ電極12のコレクタ電位Cはゲート電位Gに従って概ね電源電圧と飽和電圧との間の電圧とされる。   In the semiconductor device of the present embodiment, for example, at the time of inverter connection, it is a pulse-like control signal which is set to -15 V in the off state and to +15 V in the on state. The collector potential C of the collector electrode 12 is set to a voltage between the power supply voltage and the saturation voltage according to the gate potential G.

次に、本実施の形態の製造方法について説明する。
図2〜図11は、本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず図2を参照して、n-ドリフト層1を含む半導体基板の第1主面に、たとえばピーク濃度が1×1015〜1×1018cm-3、第1主面からの拡散深さが1.0〜4.0μmのp型ボディ領域2が形成される。次に、第1主面上に、マスク層31が形成される。
Next, the manufacturing method of the present embodiment will be described.
2 to 11 are schematic cross sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device in the first embodiment of the present invention in the order of steps. First, referring to FIG. 2, for example, the peak concentration is 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3 and the diffusion depth from the first main surface on the first main surface of the semiconductor substrate including n drift layer 1. A p-type body region 2 of 1.0 to 4.0 μm is formed. Next, mask layer 31 is formed on the first major surface.

図3を参照して、マスク層31がパターニングされる。このパターニングされたマスク層31をマスクとして、たとえばイオン注入などが施されることにより、p型ボディ領域2内の第1主面に表面濃度が1.0×1018〜1.0×1020cm-3、第1主面からの拡散深さが0.3〜2.0μmのn型エミッタ領域3が形成される。この後、マスク層31が除去される。 Referring to FIG. 3, mask layer 31 is patterned. Using the patterned mask layer 31 as a mask, ion implantation, for example, is performed to provide a surface concentration of 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 20 on the first major surface in p-type body region 2. An n-type emitter region 3 is formed with a cm -3 and a diffusion depth of 0.3 to 2.0 μm from the first major surface. Thereafter, the mask layer 31 is removed.

図4を参照して、第1主面上に、たとえば熱酸化により形成されたシリコン酸化膜32と、CVD法により形成されたシリコン酸化膜33とが順に形成される。このシリコン酸化膜32、33が、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりパターニングされる。このパターニングされたシリコン酸化膜32、33をマスクとして半導体基板に異方性エッチングが施される。これにより、n型エミッタ領域3とp型ボディ領域2とを突き抜けてn-ドリフト層1に達するゲート用溝1aが形成される。 Referring to FIG. 4, a silicon oxide film 32 formed by thermal oxidation, for example, and a silicon oxide film 33 formed by CVD are sequentially formed on the first main surface. The silicon oxide films 32 and 33 are patterned by ordinary photolithography and etching techniques. The semiconductor substrate is anisotropically etched using the patterned silicon oxide films 32 and 33 as a mask. As a result, a gate groove 1a which penetrates the n-type emitter region 3 and the p-type body region 2 and reaches the n - drift layer 1 is formed.

図5を参照して、等方性プラズマエッチングおよび犠牲酸化などの処理を行なうことにより、ゲート用溝1aの開口部と底部とが丸くなり、かつゲート用溝1aの側壁の凹凸が平坦化される。また上記の犠牲酸化により、ゲート用溝1aの内表面に犠牲酸化膜32aが熱酸化膜32と一体化するように形成される。このように等方性プラズマエッチングおよび犠牲酸化を施すことにより、ゲート用溝1aの内表面に形成されるゲート絶縁膜の特性を向上させることが可能となる。この後、酸化膜32、32a、33が除去される。   Referring to FIG. 5, by performing processing such as isotropic plasma etching and sacrificial oxidation, the opening and the bottom of gate groove 1a are rounded, and the unevenness of the side wall of gate groove 1a is flattened. Ru. Further, the sacrificial oxide film 32a is formed on the inner surface of the gate groove 1a so as to be integrated with the thermal oxide film 32 by the above-described sacrificial oxidation. By performing isotropic plasma etching and sacrificial oxidation in this manner, it becomes possible to improve the characteristics of the gate insulating film formed on the inner surface of the gate groove 1a. Thereafter, oxide films 32, 32a, 33 are removed.

図6を参照して、上記酸化膜の除去により、半導体基板の第1主面およびゲート用溝1aの内表面が露出する。   Referring to FIG. 6, the removal of the oxide film exposes the first main surface of the semiconductor substrate and the inner surface of gate groove 1a.

図7を参照して、ゲート用溝1aの内表面および第1主面に沿うように、たとえばシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜4aが形成される。ゲート用溝1a内を埋め込むように、たとえばリンが高濃度に導入された多結晶シリコンもしくは不純物の導入されていない多結晶シリコンにリンがイオン注入により導入された材料や、W(タングステン)/TiSi2(チタンシリサイド)などのメタル材料からなる導電層5が表面全面に形成される。 Referring to FIG. 7, a gate insulating film 4a made of, for example, a silicon oxide film is formed along the inner surface and the first main surface of gate groove 1a. For example, a material in which phosphorus is introduced by ion implantation into polycrystalline silicon in which phosphorus is introduced at a high concentration or polycrystalline silicon in which no impurity is introduced, or W (tungsten) / TiSi so as to fill the inside of gate groove 1a. A conductive layer 5 made of a metal material such as 2 (titanium silicide) is formed on the entire surface.

なおゲート絶縁膜4aとしては、ゲート絶縁膜としての特性、信頼性およびデバイス歩留まりを向上させる目的で、CVD法により形成したシリコン酸化膜と熱酸化により形成したシリコン酸化膜もしくは窒素がシリコンと酸化シリコンとの界面に偏析した窒化酸化膜とからなる積層構造が用いられることが好ましい。   The gate insulating film 4a may be a silicon oxide film formed by a CVD method and a silicon oxide film formed by thermal oxidation or nitrogen, silicon and silicon oxide, for the purpose of improving the characteristics, reliability and device yield as a gate insulating film. It is preferable to use a laminated structure composed of a nitrided oxide film segregated at the interface with the above.

この後、通常の写真製版技術およびエッチング技術により、導電層5がパターニングされる。   Thereafter, conductive layer 5 is patterned by the usual photolithography and etching techniques.

図8を参照して、このパターニングにより、導電層がゲート用溝1a内に残存されてゲート電極5aが形成される。ここで、ゲート電極5aの低抵抗化のためにゲート電極5aの表面にシリサイド層(たとえばTiSi2、COSiなど)が形成されてもよい。この後、ゲート電極5aの上面が酸化されることにより、たとえばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜22Aが形成される。この後、たとえば第1主面における表面濃度が1.0×1018〜1.0×1020cm-3、第1主面からの拡散深さがn型エミッタ領域3よりも浅いp+不純物拡散領域6が形成される。 Referring to FIG. 8, by this patterning, the conductive layer is left in gate groove 1a to form gate electrode 5a. Here, a silicide layer (for example, TiSi 2 , COSi or the like) may be formed on the surface of the gate electrode 5 a in order to reduce the resistance of the gate electrode 5 a. Thereafter, the upper surface of gate electrode 5a is oxidized to form insulating film 22A made of, for example, a silicon oxide film. After this, for example, the surface concentration of the first main surface is 1.0 × 10 18 to 1.0 × 10 20 cm −3 , and the diffusion depth from the first main surface is p + impurity shallower than n-type emitter region 3. Diffusion region 6 is formed.

図9を参照して、第1主面上にたとえばシリケートガラスよりなる絶縁膜9と、CVD法により形成したシリコン酸化膜よりなる絶縁膜22Bとが順に形成される。この絶縁膜9、22Bに、通常の写真製版技術およびエッチング技術によりコンタクトホール9aが形成される。   Referring to FIG. 9, an insulating film 9 made of, for example, silicate glass and an insulating film 22B made of a silicon oxide film formed by the CVD method are sequentially formed on the first main surface. In the insulating films 9 and 22B, contact holes 9a are formed by ordinary photolithography and etching techniques.

図10を参照して、たとえば金属層よりなるバリアメタル層10がスパッタリング法により形成される。この後、ランプアニールが施されてバリアメタル層10と半導体基板との接触部にシリサイド層21aが形成される。この後、エミッタ電極11が形成される。   Referring to FIG. 10, barrier metal layer 10 made of, for example, a metal layer is formed by sputtering. Thereafter, lamp annealing is performed to form a silicide layer 21a at the contact portion between the barrier metal layer 10 and the semiconductor substrate. Thereafter, emitter electrode 11 is formed.

図11を参照して、半導体基板の第2主面側のn-ドリフト層1が研磨される。この研磨により、半導体基板の厚みt1は、MOSトランジスタの必要な耐圧に応じて調整される。たとえば600V〜6500Vの耐圧を有するIGBTを製造するには、n-ドリフト層1の厚みt3(図1)は50〜800μmとなる。研磨後は、研磨された面の結晶性を回復するために、半導体基板の第2主面のエッチングなどが行なわれる。 Referring to FIG. 11, n - drift layer 1 on the second main surface side of the semiconductor substrate is polished. The polishing, the thickness t 1 of the semiconductor substrate is adjusted according to the required withstand voltage of the MOS transistor. For example, to manufacture an IGBT having a withstand voltage of 600 V to 6500 V, the thickness t 3 (FIG. 1) of the n drift layer 1 is 50 to 800 μm. After polishing, etching or the like of the second main surface of the semiconductor substrate is performed to recover the crystallinity of the polished surface.

その後、半導体基板の第2主面にたとえばイオン注入法によりn型不純物およびp型不純物を注入した後に、不純物を拡散させる。もしくは、n型不純物およびp型不純物を注入した直後に、それぞれの不純物の注入深さに応じた熱処理を行なう。その結果、n型バッファ領域7およびp型コレクタ領域8が形成される。さらにコレクタ電極12が形成されて図1に示す半導体装置が完成する。コレクタ電極12は、たとえばアルミニウムその他の、p型コレクタ領域8とのオーミック接触性が得られるメタル材料からなる。   Thereafter, n-type impurities and p-type impurities are implanted into the second main surface of the semiconductor substrate, for example, by ion implantation, and then the impurities are diffused. Alternatively, immediately after the n-type impurity and the p-type impurity are implanted, heat treatment is performed according to the implantation depth of each impurity. As a result, n-type buffer region 7 and p-type collector region 8 are formed. Further, a collector electrode 12 is formed to complete the semiconductor device shown in FIG. Collector electrode 12 is made of, for example, aluminum or other metal material capable of obtaining ohmic contact with p-type collector region 8.

なお、本実施の形態においては、図11に示すようにエミッタ電極11を形成した後にn-ドリフト層1の第2主面を研磨し、n型バッファ領域7およびp型コレクタ領域8を形成してもよい。また、図2に示すようにp型ボディ領域2を形成する前に第2主面を研磨してもよい。また、図9に示すようにコンタクトホール9aの開口後もしくは開口前に第2主面を研磨し、n型バッファ領域7およびp型コレクタ領域8を形成してもよい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 11, after the emitter electrode 11 is formed, the second main surface of the n drift layer 1 is polished to form the n type buffer region 7 and the p type collector region 8. May be In addition, as shown in FIG. 2, the second main surface may be polished before the p-type body region 2 is formed. Alternatively, as shown in FIG. 9, the second main surface may be polished after or before the opening of contact hole 9a to form n-type buffer region 7 and p-type collector region 8.

本実施の形態において、半導体基板とコレクタ電極12との界面におけるスパイク密度(p型コレクタ領域8を形成する半導体材料とコレクタ電極12中のp型コレクタ領域8側のメタル材料との反応により形成される合金からなるスパイクの密度)は0以上3×108個/cm2以下である。 In the present embodiment, the spike density at the interface between the semiconductor substrate and the collector electrode 12 (formed by the reaction between the semiconductor material forming the p-type collector region 8 and the metal material on the p-type collector region 8 side in the collector electrode 12). The density of the spikes made of an alloy is 0 or more and 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less.

図12および図13は、スパイクが形成されたp型コレクタ領域とコレクタ電極との界面の状態を模式的に示す図である。図12は断面図、図13は平面図である。図12および図13を参照して、p型コレクタ領域8とコレクタ電極12との界面には、通常、複数のスパイクが形成されている。スパイクとは、コレクタ電極12を構成する材料とp型コレクタ領域8を構成する材料との合金よりなる、たとえば四角錐や八角錐の形状を有する突起(または凹部)である。ここで、コレクタ電極12が多層膜で形成されている場合には、スパイクは、p型コレクタ領域8に直接接触する層12aを構成する材料とp型コレクタ領域8を構成する材料との合金より形成される。   12 and 13 schematically show the state of the interface between the p-type collector region where the spikes are formed and the collector electrode. FIG. 12 is a cross-sectional view, and FIG. 13 is a plan view. Referring to FIGS. 12 and 13, at the interface between p type collector region 8 and collector electrode 12, a plurality of spikes are generally formed. The spike is, for example, a protrusion (or a recess) made of an alloy of a material forming the collector electrode 12 and a material forming the p-type collector region 8 and having, for example, a quadrangular pyramid shape or an octagonal pyramid shape. Here, when the collector electrode 12 is formed of a multilayer film, the spike is formed of an alloy of a material forming the layer 12 a in direct contact with the p-type collector region 8 and a material forming the p-type collector region 8. It is formed.

スパイク密度は、たとえば以下の方法によって測定される。始めに、薬液を用いてコレクタ電極12を溶解し、半導体基板から除去する。そして、露出された半導体基板の第2主面を顕微鏡で観察し、第2主面に存在する四角錐や八角錐などの凹部の個数を数える。その結果、得られた個数を観察した面積で割った値をスパイク密度と定義する。   The spike density is measured, for example, by the following method. First, the collector electrode 12 is dissolved using a chemical solution and removed from the semiconductor substrate. Then, the second main surface of the exposed semiconductor substrate is observed with a microscope, and the number of concave portions, such as square pyramids and octagonal pyramids, present on the second main surface is counted. As a result, the value obtained by dividing the obtained number by the observed area is defined as the spike density.

スパイク密度が大きくなると、低温(298K以下)でのp型コレクタ領域8の不純物のイオン化率が低下し、p型コレクタ領域8からn型バッファ領域7へのキャリア(ホール)の実効的な注入効率が低下する。このため、IGBTのJc−VCE特性はスパイク密度に依存する。 As the spike density increases, the ionization rate of impurities in the p-type collector region 8 at low temperature (less than 298 K) decreases, and the effective injection efficiency of carriers (holes) from the p-type collector region 8 to the n-type buffer region 7 Decreases. Therefore, the J c -V CE characteristics of the IGBT depend on the spike density.

スパイク密度を0以上3×108個/cm2以下とすることによって、以下の効果を得ることができる。図14は、本発明の実施の形態1におけるコレクタ・エミッタ間電圧と電流密度との関係の温度依存性を示す図である。図14を参照して、VCE(sat)は、任意の定格電流密度に対応するエミッタ・コレクタ間電圧である。298Kおよび398Kの温度では、スパイク密度が3×108個/cm2以上の場合であっても3×108個/cm2以下の場合であってもほぼ同じ曲線となっている。一方、233Kの温度では、スパイク密度が3×108個/cm2以下の場合のエミッタ・コレクタ間電圧が著しく増加している。 The following effects can be obtained by setting the spike density to 0 or more and 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less. FIG. 14 is a diagram showing the temperature dependency of the relationship between collector-emitter voltage and current density in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 14, V CE (sat) is an emitter-collector voltage corresponding to any rated current density. At temperatures of 298 K and 398 K, substantially the same curve is obtained regardless of whether the spike density is 3 × 10 8 pieces / cm 2 or more or 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less. On the other hand, at a temperature of 233 K, the emitter-collector voltage is significantly increased when the spike density is 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less.

図15は、本発明の実施の形態1におけるスパイク密度とオン電圧の変化量との関係を示す図である。図15は、p型コレクタ領域8およびn型バッファ領域7の条件(濃度、深さ)を一定にした場合の結果である。また、図15におけるオン電圧の変化量ΔVonは、298Kにおけるコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)(298K)から233Kにおけるコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)(233K)を引いた値である。図15を参照して、スパイク密度Dspikeが3×108個/cm2以下の場合には、298Kにおけるコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)は、233Kにおけるコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)以上の値である。一方、スパイク密度Dspikeが3×108個/cm2を超える場合には、298Kにおけるコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)は、233Kにおけるコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)未満の値となる。 FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the spike density and the amount of change in the on voltage in the first embodiment of the present invention. FIG. 15 shows the results when the conditions (concentration, depth) of the p-type collector region 8 and the n-type buffer region 7 are constant. Further, the variation ΔV on of the on voltage in FIG. 15 is a value obtained by subtracting the collector-emitter voltage V CE (sat) (233 K) at 233 K from the collector-emitter voltage V CE (sat) at 298 K (298 K). is there. Referring to FIG. 15, when the spike density D spike is 3 × 10 8 / cm 2 or less, the collector-emitter voltage V CE at 298K (sat) is the collector-emitter of 233K voltage V CE ( sat) or higher. On the other hand, if the spike density D spike exceeds 3 × 10 8 pieces / cm 2, the collector-emitter voltage V CE at 298K (sat) is the collector-emitter voltage V CE (sat) than the value at 233K It becomes.

図16は、本発明の実施の形態1におけるデバイスのオペレーション温度とコレクタ・エミッタ間電圧との関係のスパイク密度依存性を示す図である。図16を参照して、スパイク密度Dspikeが3×108個/cm2以下の場合には、電圧VCE(sat)の温度依存性が正であるのに対して、スパイク密度Dspikeが3×108個/cm2以上の場合には、298K未満の領域で電圧VCE(sat)の温度依存性が負である。 FIG. 16 is a graph showing the spike density dependency of the relationship between the operating temperature of the device and the voltage between the collector and the emitter in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 16, when the spike density D spike is 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less, the temperature dependency of the voltage V CE (sat) is positive, whereas the spike density D spike is In the case of 3 × 10 8 cells / cm 2 or more, the temperature dependence of the voltage V CE (sat) is negative in the region of less than 298K.

以上より、本実施の形態のように半導体基板とコレクタ電極12との界面におけるスパイク密度を0以上3×108個/cm2以下とすることにより、コレクタ・エミッタ間電圧VCEの温度依存性を正にすることができる。その結果、IGBTを並列的に動作させる場合に、電圧VCEの低いIGBTへの電流の集中がなくなり、並列的な動作に適した半導体装置を得ることができる。 As described above, by setting the spike density at the interface between the semiconductor substrate and the collector electrode 12 to 0 or more and 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less as in the present embodiment, the temperature dependency of the collector-emitter voltage V CE Can be positive. As a result, when the IGBTs are operated in parallel, the concentration of the current to the IGBT having a low voltage V CE is eliminated, and a semiconductor device suitable for the parallel operation can be obtained.

スパイク密度は、たとえばコレクタ電極の材質、熱処理条件、またはコレクタ電極の膜厚によって制御することができる。コレクタ電極の材質としては、Al、AlSi、Ti、および金属を含むシリサイドが適している。金属を含むシリサイドとしては、Tiを含むシリサイド、Niを含むシリサイド、またはCoを含むシリサイドが挙げられる。また、コレクタ電極の材質としては、たとえばAlやAlSiなどの、接触する半導体層(図1ではp型コレクタ領域8)との間でオーミック抵抗性を示す材料が好ましい。半導体基板の材質としては、Si、SiC、GaN、またはGeが適している。特にコレクタ電極としてシリサイドを使用した場合には、半導体基板とコレクタ電極との界面にスパイクが存在しなくなる。シリサイドよりなるコレクタ電極は、Si、SiC、GaN、またはGeなどよりなる半導体基板の第2主面にTi、Co、またはNiなどよりなる金属を形成し、熱処理を施すことにより形成される。   The spike density can be controlled, for example, by the material of the collector electrode, the heat treatment condition, or the film thickness of the collector electrode. As a material of the collector electrode, a silicide containing Al, AlSi, Ti, and a metal is suitable. Examples of the metal-containing silicide include Ti-containing silicide, Ni-containing silicide, and Co-containing silicide. Further, as a material of the collector electrode, a material showing ohmic resistance to the contacting semiconductor layer (p-type collector region 8 in FIG. 1) such as Al or AlSi is preferable. As a material of the semiconductor substrate, Si, SiC, GaN or Ge is suitable. In particular, when silicide is used as the collector electrode, no spike exists at the interface between the semiconductor substrate and the collector electrode. The collector electrode made of silicide is formed by forming a metal made of Ti, Co, Ni or the like on the second main surface of the semiconductor substrate made of Si, SiC, GaN, Ge or the like, and performing heat treatment.

また、コレクタ電極の膜厚は200nm以上であることが好ましい。図17は、本発明の実施の形態1におけるコレクタ電極の膜厚とスパイク密度との関係を示す図である。図17を参照して、コレクタ電極の膜厚が200nm以上である場合には、スパイク密度が3×108個/cm2以下となっている。一方、製造限界の観点から、コレクタ電極の膜厚は10000nm以下であることが好ましい。 The film thickness of the collector electrode is preferably 200 nm or more. FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the collector electrode and the spike density in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 17, when the film thickness of the collector electrode is 200 nm or more, the spike density is 3 × 10 8 / cm 2 or less. On the other hand, the thickness of the collector electrode is preferably 10000 nm or less from the viewpoint of the production limit.

上記のような、コレクタ電極の材質、熱処理条件、またはコレクタ電極の膜厚を適宜組み合わせることにより、スパイク密度を0以上3×108個/cm2以下とすることができる。 The spike density can be set to 0 or more and 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less by appropriately combining the material of the collector electrode, the heat treatment condition, or the film thickness of the collector electrode as described above.

なお、本実施の形態においては図1に示す構成を有するIGBTである場合について示した。しかし、本発明の半導体装置は、図1の構成のものに限定されず、互いに対向する第1主面および第2主面を有する半導体基板と、素子とを備えるものであればよい。この素子は、第1主面側に形成されたゲート電極と、第1主面側に形成された第1電極と、前記第2主面に接触して形成された第2電極とを有している。この素子は、ゲート電極に加えられる電圧によりチャネルに電界を発生させ、かつチャネルの電界によって第1電極と前記第2電極との間の電流を制御する。さらに、ダイオードのようなデバイス構造でもよい。   In the present embodiment, the case of an IGBT having the configuration shown in FIG. 1 is shown. However, the semiconductor device of the present invention is not limited to the configuration of FIG. 1, and may be any device including a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface facing each other, and an element. This element has a gate electrode formed on the first main surface side, a first electrode formed on the first main surface side, and a second electrode formed in contact with the second main surface. ing. The element generates an electric field in the channel by the voltage applied to the gate electrode, and controls the current between the first electrode and the second electrode by the electric field of the channel. Furthermore, a device structure such as a diode may be used.

(実施の形態2)
図18は、図1のXVIII−XVIII線に沿った濃度分布である。図19は、図1のXIX−XIX線に沿った濃度分布である。なお、図18には、従来におけるp型不純物またはn型不純物の濃度分布もあわせて示されている。
Second Embodiment
FIG. 18 is a concentration distribution along line XVIII-XVIII in FIG. FIG. 19 is a concentration distribution along line XIX-XIX in FIG. FIG. 18 also shows the conventional concentration distribution of p-type impurities or n-type impurities.

図18および図19を参照して、濃度CS,Pは、コレクタ電極12とp型コレクタ領域8との界面(半導体基板の第2主面)におけるp型コレクタ領域8の不純物濃度であり、濃度CP,Pは、p型コレクタ領域8の不純物濃度の最大値である。濃度CP,Nは、n型バッファ領域7の不純物濃度の最大値である。濃度Csubは、n-ドリフト層1の不純物濃度である。深さDpは、p型コレクタ領域8とn型バッファ領域7との接合面までの第2主面からの深さである。深さDP,Nは、n型バッファ領域7における濃度CP,Nとなる位置までの第2主面からの深さである。深さDN-は、n型バッファ領域7とn-ドリフト層1との接合面までの第2主面からの深さである。なお、後述の図29で示すようにn型中間層7aが形成されている場合には、深さDNは、n型バッファ領域7とn型中間層7aとの接合面の第2主面からの深さである。τPはp型コレクタ領域8のキャリアライフタイムであり、τNはn型バッファ領域7のキャリアライフタイムであり、τN-はn-ドリフト層1のキャリアライフタイムである。τXは第2主面からxの深さにある位置のキャリアライフタイムである。SNはn型バッファ領域7を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)であり、SN-はn-ドリフト層1を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)である。所望の領域における不純物の単位面積あたりの原子数は、その領域における不純物濃度プロファイルを深さ方向全体にわたって積分することによって求められる。 Referring to FIGS. 18 and 19, concentration C S, P is the impurity concentration of p-type collector region 8 at the interface between collector electrode 12 and p-type collector region 8 (the second main surface of the semiconductor substrate), The concentration C P, P is the maximum value of the impurity concentration of the p-type collector region 8. The concentration C P, N is the maximum value of the impurity concentration of the n-type buffer region 7. The concentration C sub is the impurity concentration of the n drift layer 1. The depth D p is the depth from the second major surface to the junction surface between the p-type collector region 8 and the n-type buffer region 7. The depth D P, N is the depth from the second main surface up to the position of the concentration C P, N in the n-type buffer region 7. The depth D N− is the depth from the second main surface to the junction surface between the n-type buffer region 7 and the n drift layer 1. When n-type intermediate layer 7a is formed as shown in FIG. 29 described later, depth DN is equal to the second main surface of the junction surface between n-type buffer region 7 and n-type intermediate layer 7a. It is the depth from τ P is the carrier lifetime of the p-type collector region 8, τ N is the carrier lifetime of the n-type buffer region 7, and τ N− is the carrier lifetime of the n drift layer 1. τ X is a carrier lifetime of a position at a depth of x from the second major surface. SN is the number of atoms per unit area of the impurities constituting the n-type buffer region 7 (atom / cm 2 ), and S N− is the number of atoms per unit area of the impurities constituting the n drift layer 1 (atom / Cm 2 ). The number of atoms per unit area of impurities in the desired region is determined by integrating the impurity concentration profile in that region over the entire depth direction.

本願発明者は、p型コレクタ領域8とn型バッファ領域7とn-ドリフト層1との関係を以下の条件とすることによって、IGBTの異常動作を抑止できることを見出した。ここで、IGBTの異常動作を抑止するとは、以下のことを意味している。 The inventor of the present application has found that the abnormal operation of the IGBT can be suppressed by setting the relationship between the p-type collector region 8, the n-type buffer region 7 and the n drift layer 1 under the following conditions. Here, the suppression of the abnormal operation of the IGBT means the following.

a.298K以下の温度でJc−VCE特性にスナップバック(snap back)特性が発生しないこと。 a. No snap back characteristics occur in the J c -V CE characteristics at temperatures below 298 K.

b.298K以下の低温でもIGBTがオンすること。
c.所望の耐圧を有する、または398K以上においてIGBTが熱暴走しないこと。
b. IGBT should turn on even at low temperatures below 298 K.
c. Have a desired breakdown voltage, or that the IGBT does not run out of heat at 398 K or more.

図20は、本発明の実施の形態2におけるCP,P/CP,Nと、VCE(sat)およびターンオフ時のエネルギロスEOffとの関係を示す図である。EOffとは、スイッチングデバイスがターンオフする際のエネルギロスである。Vsnap-backとは、スナップバック特性が生じた場合の図22中に示すポイントAでのコレクタ・エミッタ間電圧である。図21は、本発明の実施の形態2におけるIGBTにおけるCP,P/CP,Nと、VCE(sat)およびリーク電流密度JCESとの関係を示す図である。リーク電流密度JCESとは、ゲート・エミッタ間をショートした状態でのコレクタ・エミッタ間のリーク電流密度である。図20および図21を参照して、n型バッファ領域7の不純物濃度の最大値に対するp型コレクタ領域8の不純物濃度の最大値の比CP,P/CP,NがCP,P/CP,N<1の場合には、スナップバック特性が発生し、それに伴なうスナップバック電圧Vsnap-backが発生する。その結果、図22に示すように、CP,P/CP,N<1の場合には、任意の電流密度に対するVCE(sat)が増加する。また、CP,P/CP,N>1×103の場合には、JCESが増加し、IGBTの熱暴走が発生する。以上より、IGBTの異常動作を抑止するためには、1≦CP,P/CP,N≦1×103であることが好ましい。 FIG. 20 is a diagram showing a relationship between C P, P / C P, N and V CE (sat) and energy loss E Off at turn-off in the second embodiment of the present invention. E Off is an energy loss when the switching device is turned off. V snap-back is the collector-emitter voltage at point A shown in FIG. 22 when the snap back characteristic occurs. FIG. 21 is a diagram showing the relationship between C P, P / C P, N and V CE (sat) and leakage current density J CES in the IGBT according to the second embodiment of the present invention. The leak current density J CES is the leak current density between the collector and the emitter in the state where the gate and the emitter are shorted. Referring to FIGS. 20 and 21, ratio of the maximum value of the impurity concentration of p-type collector region 8 to the maximum value of the impurity concentration of n-type buffer region 7 is C P, P / C P, N is C P, P / In the case of C P, N <1, a snapback characteristic occurs, and a snapback voltage V snap-back occurs accordingly. As a result, as shown in FIG. 22, when C P, P / C P, N <1, V CE (sat) for any current density increases. In addition, in the case of C P, P / C P, N > 1 × 10 3 , J CES increases and thermal runaway of the IGBT occurs. From the above, in order to suppress the abnormal operation of the IGBT, it is preferable that 1 ≦ CP, P / CP, N ≦ 1 × 10 3 .

図23は、本発明の実施の形態2におけるSN/SN-と、VCE(sat)および降伏電圧BVCESとの関係を示す図である。降伏電圧BVCESとは、コレクタ・エミッタ間をショートさせた状態でのコレクタ・エミッタ間の降伏電圧である。図23を参照して、n-ドリフト層1を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)に対するn型バッファ領域7を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)の比SN/SN-が0.05≦SN/SN-の場合には、高い降伏電圧BVCESが得られている。また、SN/SN-がSN/SN-≦100の場合には、スナップバック特性が抑制されており、かつエミッタ・コレクタ間電圧VCE(sat)も低く抑えられている。以上より、IGBTの異常動作を抑止し、並列動作を可能とするためには、0.05≦SN/SN-≦100であることが好ましい。 FIG. 23 is a diagram showing the relationship between S N / S N- , V CE (sat) and breakdown voltage BV CES according to the second embodiment of the present invention. The breakdown voltage BV CES is the breakdown voltage between the collector and the emitter in the state where the collector and the emitter are shorted. Referring to FIG. 23, the number of atoms per unit area of impurity constituting n-type buffer region 7 relative to the number of atoms per unit area of impurity constituting n - drift layer 1 (atom / cm 2 ) 2 ) When the ratio S N / S N- is 0.05 ≦ S N / S N- , a high breakdown voltage BV CES is obtained. Further, S N / S N-is the case of the S N / S N- ≦ 100 is snapback characteristic is suppressed, and is suppressed emitter-collector voltage V CE (sat) is also low. From the above, it is preferable that 0.05 ≦ S N / S N − ≦ 100 in order to suppress the abnormal operation of the IGBT and to enable the parallel operation.

図24は、本発明の実施の形態2におけるCS,PおよびCP,Pと、VCE(sat)との関係の温度依存性を示す図である。図24を参照して、233K、298K、および398Kいずれの温度の場合でも、5×1015≦CS,P、1×1016≦CP,Pとすることで、エミッタ・コレクタ間電圧VCE(sat)が大きく低下している。また、製造限界を考慮すると、CS,P≦1.0×1022cm-3、CP,P≦1.0×1022cm-3であることが好ましい。 Figure 24 is a diagram showing C S, P and C P in the second embodiment of the present invention, and P, and the temperature dependence of the relationship between V CE (sat). Referring to FIG. 24, the emitter-collector voltage V can be obtained by setting 5 × 10 15 ≦ C S, P and 1 × 10 16 ≦ C P, P for all temperatures of 233 K, 298 K, and 398 K. CE (sat) is greatly reduced. Further, in consideration of the production limit, it is preferable that Cs , P 1.0 1.0 x 10 22 cm -3 and C p, P 1.0 1.0 x 10 22 cm -3 .

図25は、本発明の実施の形態2におけるデバイスのオペレーション温度とVCE(sat)との関係のCS,PおよびCP,P依存性を示す図である。図26および図27は、本発明の実施の形態2におけるJC−VCE特性の温度依存性を示す図である。図24〜図27を参照して、5×1015≦CS,P、1×1016≦CP,Pの場合にはVCE(sat)の温度依存性が正になることが分かる。 FIG. 25 is a diagram showing CS , P and CP, P dependencies of the relationship between the operating temperature of the device and V CE (sat) in the second embodiment of the present invention. FIGS. 26 and 27 are diagrams showing the temperature dependency of the J C -V CE characteristic in the second embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 24 to 27, it can be seen that the temperature dependence of V CE (sat) is positive in the case of 5 × 10 15 ≦ C S, P and 1 × 10 16 ≦ C P, P.

以上より、IGBTの異常動作を抑止するためには、5×1015≦CS,P、1×1016≦CP,Pであることが好ましい。 From the above, in order to suppress the abnormal operation of the IGBT, it is preferable that 5 × 10 15 ≦ C S, P and 1 × 10 16 ≦ C P, P.

図28は、本発明の実施の形態2におけるDP,NまたはDN-と、VCE(sat)およびBVCESとの関係を示す図である。図28を参照して、n型バッファ領域7における濃度CP,Nとなる位置までの第2主面からの深さDP,Nが0.4μm≦DP,Nの場合、またはn型バッファ領域7とn-ドリフト層1との接合面の第2主面からの深さDN-が0.4μm≦DN-の場合には、高い降伏電圧BVCESおよび低いエミッタ・コレクタ間電圧VCE(sat)が得られている。一方、DP,N>50μmの場合またはDN->50μmの場合には、スナップバック特性が発生している。 Figure 28 is, D P according to the second embodiment of the present invention, the N or D N-, is a diagram showing a relationship between V CE (sat) and BV CES. Referring to FIG. 28, depth D P, N from the second main surface to the position to be concentration C P, N in n-type buffer region 7 is 0.4 μm ≦ D P, N , or n-type High breakdown voltage BV CES and low emitter-collector voltage when the depth D N− from the second main surface of the junction surface between buffer region 7 and n drift layer 1 is 0.4 μm ≦ D N − V CE (sat) is obtained. On the other hand, when D P, N > 50 μm or D N− > 50 μm, snapback characteristics occur.

以上より、IGBTの異常動作を抑止するためには、0.4μm≦DP,N≦50μm、0.4μm≦DN-≦50μmであることが好ましい。 From the above, in order to suppress the abnormal operation of the IGBT, it is preferable that 0.4 μm ≦ DP , N ≦ 50 μm, and 0.4 μm ≦ DN− ≦ 50 μm.

図29は、図1のXVIII−XVIII線に沿った濃度分布の他の例である。図29を参照して、コレクタ領域はn型中間層7aをさらに有していてもよい。n型中間層7aの不純物濃度の最大値CP,N*は、n型バッファ領域7の不純物濃度の最大値CP,Nよりも低く、n-ドリフト層1の不純物濃度Csubよりも高い。またn型中間層7aは、n型バッファ領域7およびn-ドリフト層1の両方に接触している。深さDNは、n型バッファ領域7とn型中間層7aとの接合面の第2主面からの深さである。深さDN*は、n型中間層7aとn-ドリフト層1との接合面の第2主面からの深さである。SN*はn型中間層7aを構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)である。n型中間層7aは、n型バッファ領域7の一部へ不純物イオンを注入することによって形成されてもよい。また、プロトンの照射などの方法で、ライフタイムキラーとなる結晶欠陥を生成するイオンをn型バッファ領域7の一部へ注入することによって形成されてもよい。 FIG. 29 is another example of the concentration distribution along line XVIII-XVIII in FIG. Referring to FIG. 29, the collector region may further include an n-type intermediate layer 7a. The maximum value CP, N * of the impurity concentration of n-type intermediate layer 7a is lower than the maximum value CP, N of the impurity concentration of n-type buffer region 7, and higher than the impurity concentration Csub of n - drift layer 1 . The n-type intermediate layer 7 a is in contact with both the n-type buffer region 7 and the n drift layer 1. The depth DN is the depth from the second main surface of the junction surface between the n-type buffer region 7 and the n-type intermediate layer 7a. The depth D N * is the depth from the second main surface of the junction surface between the n-type intermediate layer 7 a and the n drift layer 1. SN * is the number of atoms per unit area of the impurity constituting the n-type intermediate layer 7a (atom / cm 2 ). The n-type intermediate layer 7 a may be formed by implanting impurity ions into a part of the n-type buffer region 7. Alternatively, it may be formed by implanting ions that generate crystal defects that become lifetime killers into a part of the n-type buffer region 7 by a method such as proton irradiation.

図30は、本発明の実施の形態2におけるSN*/SNとVCE(sat)との関係を示す図である。図30を参照して、n型バッファ領域7を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)に対するn型中間層7aを構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)の比SN*/SNが0.5<SN*/SNの場合に、スナップバック特性が発生している。 FIG. 30 is a diagram showing the relationship between SN * / SN and V CE (sat) in the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 30, the number of atoms per unit area of impurity constituting n-type intermediate layer 7a relative to the number of atoms per unit area of impurity constituting n-type buffer region 7 (atom / cm 2 ) 2 ) The snapback characteristic occurs when the ratio S N * / S N is 0.5 <S N * / S N.

以上より、IGBTの異常動作を抑止するためには、0<SN*/SN≦0.5であることが好ましい。 From the above, in order to suppress the abnormal operation of the IGBT, it is preferable that 0 <S N * / S N ≦ 0.5.

図31は、本発明の実施の形態2における第2主面からの深さxとVCE(sat)との関係を示す図である。図32は、本発明の実施の形態2におけるτx/τN-とVCE(sat)との関係を示す図である。図33は、本発明の実施の形態2における第2主面からの深さxとキャリアライフタイムとの関係の一例を示す図である。特に図33を参照して、第2主面近傍の半導体基板内には、p型コレクタ領域8およびn型バッファ領域7を形成するためのイオン注入の際に欠陥が導入される。n型バッファ領域7を形成する際にはp型コレクタ領域8を形成する際よりも深く不純物を注入する必要があるため、n型バッファ領域7はp型コレクタ領域8よりも高温でアニールする必要がある。その結果、n型バッファ領域7にアニールによる熱ストレスが発生し、n型バッファ領域7のキャリアライフタイムτNはp型コレクタ領域8のキャリアライフタイムτPよりも低くなる。また、n型バッファ領域7およびp型コレクタ領域8のキャリアライフタイムは、n-ドリフト層1のキャリアライフタイムτN-よりも低くなる。 FIG. 31 is a diagram showing the relationship between the depth x from the second main surface and V CE (sat) in the second embodiment of the present invention. FIG. 32 is a diagram showing the relationship between τ x / τ N − and V CE (sat) in the second embodiment of the present invention. FIG. 33 is a diagram showing an example of the relationship between the depth x from the second main surface and the carrier lifetime according to the second embodiment of the present invention. Referring particularly to FIG. 33, a defect is introduced into the semiconductor substrate in the vicinity of the second main surface in ion implantation for forming p type collector region 8 and n type buffer region 7. The n-type buffer region 7 needs to be annealed at a temperature higher than that of the p-type collector region 8 because the n-type buffer region 7 needs to be implanted deeper than when the p-type collector region 8 is formed. There is. As a result, thermal stress due to annealing occurs in the n-type buffer region 7, and the carrier lifetime τ N of the n-type buffer region 7 is lower than the carrier lifetime τ P of the p-type collector region 8. The carrier lifetimes of the n-type buffer region 7 and the p-type collector region 8 are lower than the carrier lifetime τ N of the n drift layer 1.

そこで、特に第2主面からの深さxが0.50μm≦x≦60.0μmである領域において、n-ドリフト層1のキャリアライフタイムτN-に対する第2主面から深さxの位置のキャリアライフタイムτxの比τx/τN-を、1×10-6≦τx/τN-≦1とすることにより、特に図31および図32に示すように、コレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)が著しく低減される。 Therefore, particularly in a region where the depth x from the second main surface is 0.50 μm ≦ x ≦ 60.0 μm, the position of the depth x from the second main surface to the carrier lifetime τ N− of the n drift layer 1 By setting the ratio τ x / τ N− of the carrier lifetime τ x of 1 × 10 −6 ≦ τ x / τ N − ≦ 1, in particular, as shown in FIG. 31 and FIG. The voltage V CE (sat) is significantly reduced.

ここで、キャリアライフタイムが低下する原因は、p型コレクタ領域8およびn型バッファ領域7を形成する際のイオン注入の際に、p型コレクタ領域8およびn型バッファ領域7に欠陥が導入されることにある。キャリアライフタイムを向上するためには、欠陥が導入された部分をアニールする方法が有効である。次に、アニール技術とキャリアライフタイムとの関係を示す。   Here, the cause of the decrease in carrier lifetime is that defects are introduced into p-type collector region 8 and n-type buffer region 7 during ion implantation for forming p-type collector region 8 and n-type buffer region 7. It is to In order to improve the carrier lifetime, it is effective to anneal the portion where the defect is introduced. Next, the relationship between the annealing technique and the carrier lifetime is shown.

図34は、本発明の実施の形態2におけるレーザアニールの出力および拡散炉の温度と、キャリアライフタイムとの関係を示す図である。図34を参照して、拡散炉でアニールを行なう場合には、拡散炉の温度を高くしすぎるとキャリアライフタイムが低下する。また、レーザアニール技術において高出力エネルギでレーザアニールを行なう場合には、キャリアライフタイムの低下が起きる。また、レーザは半導体基板の内部で減衰する性質を有しているので、半導体基板の第2主面からp型コレクタ領域8とn型バッファ領域7との接合面までの深さが深すぎると、レーザアニールの出力を高くする必要があり、レーザアニールによってキャリアライフタイムを向上することが難しくなる。このことを考慮して、半導体基板の第2主面からp型コレクタ領域8とn型バッファ領域7との接合面までの深さは0より大きく1.0μm以下であることが好ましい。   FIG. 34 is a diagram showing the relationship between the output of laser annealing and the temperature of the diffusion furnace and the carrier lifetime in the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 34, when annealing is performed in the diffusion furnace, the carrier lifetime decreases if the temperature of the diffusion furnace is too high. In addition, in the case of performing laser annealing at high output energy in the laser annealing technology, a decrease in carrier lifetime occurs. Further, since the laser has the property of being attenuated inside the semiconductor substrate, if the depth from the second main surface of the semiconductor substrate to the junction surface between p type collector region 8 and n type buffer region 7 is too deep It is necessary to increase the output of the laser annealing, and it becomes difficult to improve the carrier lifetime by the laser annealing. Taking this into consideration, the depth from the second main surface of the semiconductor substrate to the junction surface between the p-type collector region 8 and the n-type buffer region 7 is preferably more than 0 and not more than 1.0 μm.

図35は、本発明の実施の形態2におけるイオン注入量と、キャリア活性化率、VCE(sat)およびBVCESとの関係を示す図である。図35を参照して、n型バッファ領域7およびp型コレクタ領域8の各々の活性化率は、n型バッファ領域7およびp型コレクタ領域8のイオン注入量、またはイオンの種類などに依存する。図35では、p型コレクタ領域8における活性化率とn型バッファ領域7における活性化率とが互いに異なっており、p型コレクタ領域8における活性化率はn型バッファ領域7における活性化率よりも低くなっている。これにより、IGBTが正常に動作し、降伏電圧BVCESを高くすることができる。特に、p型コレクタ領域8における活性化率が0より大きく90%以下である場合に、コレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)が大きく低減されている。 FIG. 35 is a diagram showing the relationship between the ion implantation amount and the carrier activation rate, V CE (sat) and BV CES in the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 35, the activation rate of each of n-type buffer region 7 and p-type collector region 8 depends on the ion implantation amount of n-type buffer region 7 and p-type collector region 8 or the type of ions. . In FIG. 35, the activation rate in p-type collector region 8 and the activation rate in n-type buffer region 7 are different from each other, and the activation rate in p-type collector region 8 is higher than the activation rate in n-type buffer region 7 Is also lower. As a result, the IGBT can operate normally, and the breakdown voltage BV CES can be increased. In particular, when the activation rate in p type collector region 8 is more than 0 and 90% or less, collector-emitter voltage V CE (sat) is greatly reduced.

なお、活性化率は、以下の式(1)にて算出される。
活性化率:{(SR(spreading-resistance)測定などの方法で算出される抵抗値より得られる不純物濃度(cm-3))/(SIMS(Secondary Ionization Mass Spectrometer)を用いて測定される不純物濃度(cm-3))}×100 ・・・(1)
上記コレクタ構造を用いることで、正常なIGBTの動作を保障することができ、高い耐圧を保持することができ、IGBTの熱暴走を抑制することができる。また、デバイス特性を改善する際にN-ドリフト層を薄厚化した上で、VCE(sat)−EOFFのトレードオフ特性の自由度(制御性)を得ることができる。
The activation rate is calculated by the following equation (1).
Activation rate: {(impurity concentration obtained from resistance value calculated by a method such as SR (spreading-resistance) measurement (cm -3 )) / (impurity concentration measured using SIMS (Secondary Ionization Mass Spectrometer) (Cm -3 ))} × 100 (1)
By using the above-described collector structure, it is possible to ensure normal operation of the IGBT, maintain high withstand voltage, and suppress thermal runaway of the IGBT. Further, in improving the device characteristics N - on the drift layer was thinned, it is possible to obtain flexibility for trade-off characteristics of the V CE (sat) -E OFF (control of).

(実施の形態3)
IGBTの重要なデバイス特性であるVCE(sat)−Eoff特性を改善するためには、n-ドリフト層1の薄膜化を行なうことが有効である。しかし、図11に示すように半導体基板の第2主面を研磨する場合には、研磨面の表面粗さが、IGBTの種々の特性に影響を与えることを本願発明者は見出した。
Third Embodiment
In order to improve the V CE (sat) -E off characteristic which is an important device characteristic of the IGBT, it is effective to thin the n - drift layer 1. However, when the second main surface of the semiconductor substrate is polished as shown in FIG. 11, the inventor of the present invention has found that the surface roughness of the polished surface affects various characteristics of the IGBT.

図36は、本発明の実施の形態3における半導体基板の第2主面を模式的に示す拡大断面図である。図36を参照して、本実施の形態において規定される中心線平均粗さとは、JIS(Japanese Industrial Standard)に規定される中心線平均粗さRaであり、平均線からの絶対値偏差の平均値である。また、最大高さとは、JISに規定される最大高さRmaxであり、基準長さにおける最低の谷底から(高さHmin)と最大の山頂(高さHmax)までの高さ(Rmax=Hmax−Hmin)である。 FIG. 36 is an enlarged cross sectional view schematically showing a second main surface of the semiconductor substrate in the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 36, the center line average roughness defined in the present embodiment, JIS (Japanese Industrial Standard) to a defined by the center line average roughness R a, of the absolute value deviation from the mean line It is an average value. Further, the maximum height is the maximum height R max defined in JIS, and the height (R) from the lowest valley bottom in the reference length (height H min ) to the maximum peak (height H max ) max = is H max -H min).

図37は、本発明の実施の形態3における中心線平均粗さおよび最大高さと、破壊強度およびキャリアライフタイムとの関係を示す図である。図37を参照して、0<Ra≦200nm、0<Rmax≦2000nmの場合には、高い破壊強度およびキャリアライフタイムを得ることができる。また、図38は、本発明の実施の形態3における中心線平均粗さおよび最大高さと、JCESおよびVCE(sat)との関係を示す図である。図38を参照して、0<Ra≦200nm、0<Rmax≦2000nmの場合には、低いコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)および低いリーク電流密度JCESを得ることができる。 FIG. 37 is a diagram showing a relationship between center line average roughness and maximum height, breaking strength and carrier lifetime in the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 37, when 0 <R a ≦ 200 nm and 0 <R max ≦ 2000 nm, high breaking strength and carrier lifetime can be obtained. FIG. 38 is a diagram showing the relationship between center line average roughness and maximum height, and J CES and V CE (sat) in the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 38, in the case of 0 <R a ≦ 200 nm and 0 <R max ≦ 2000 nm, low collector-emitter voltage V CE (sat) and low leak current density J CES can be obtained.

以上により、0<Ra≦200nmまたは0<Rmax≦2000nmとすることによって、IGBTの種々の特性を向上することができる。 As described above, various characteristics of the IGBT can be improved by setting 0 <R a ≦ 200 nm or 0 <R max ≦ 2000 nm.

(実施の形態4)
本実施の形態においては、実施の形態1〜3の構成により得られる効果と同様の効果の得られるMOSトランジスタの構成を示す。
Embodiment 4
In the present embodiment, the configuration of a MOS transistor which provides the same effects as the effects obtained by the configurations of the first to third embodiments will be described.

図39は、本発明の実施の形態4における半導体装置のMOSトランジスタ部分の構成を示す断面図である。図39を参照して、本実施の形態のMOSトランジスタ部分の構造Dにおいては、n-ドリフト層1がp型ボディ領域2とpn接合を構成する領域付近に比較的高濃度のn型不純物拡散領域14(埋込拡散層)が設けられている点において、図1に示す構造Cと異なっている。n型不純物拡散領域14は、p型ボディ領域2とn-ドリフト層1との間に形成されている。なお、図示しないが、図39の構造Dの下部には、図1の構造Aが形成されている。 FIG. 39 is a cross sectional view showing a configuration of a MOS transistor portion of the semiconductor device in the fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 39, in structure D of the MOS transistor portion of the present embodiment, relatively high concentration n-type impurity diffusion occurs in the vicinity of a region where n - drift layer 1 and p-type body region 2 form a pn junction. This is different from the structure C shown in FIG. 1 in that the region 14 (buried diffusion layer) is provided. The n-type impurity diffusion region 14 is formed between the p-type body region 2 and the n drift layer 1. Although not shown, the structure A of FIG. 1 is formed under the structure D of FIG.

なお、これ以外の構成については、図1に示す構造Cの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   The remaining structure is substantially the same as that of the structure C shown in FIG. 1, and therefore the same members are denoted by the same reference characters and description thereof is not repeated.

n型不純物拡散領域14を設けた構成は、図39の構成に限定されず、たとえば図40および図41に示す構成であってもよい。つまり、エミッタトレンチが設けられた構成にn型不純物拡散領域14が設けられてもよい。   The configuration in which n-type impurity diffusion region 14 is provided is not limited to the configuration of FIG. 39, and may be, for example, the configurations shown in FIGS. 40 and 41. That is, the n-type impurity diffusion region 14 may be provided in the configuration in which the emitter trench is provided.

図40は、本発明の実施の形態4における半導体装置の変形例の構成を示す断面図である。図40を参照して、この構造Eにおいては、2つのMOSトランジスタに挟まれる領域にエミッタトレンチが設けられている。エミッタトレンチは、エミッタ用溝1bと、エミッタ用絶縁膜4bと、エミッタ用導電層5bとから構成されている。エミッタ用溝1bは、p型ボディ領域2およびn型不純物拡散領域14を突き抜けてn-ドリフト層1に達している。エミッタ用絶縁膜4bは、このエミッタ用溝1bの内表面に沿うように形成されている。エミッタ用導電層5bは、エミッタ用溝1b内を埋め込むように形成されており、その上層のエミッタ電極11と電気的に接続されている。エミッタトレンチは何本形成されてもよく、複数の溝のうち少なくとも1つの溝にゲートトレンチが形成されればよい。 FIG. 40 is a cross sectional view showing a configuration of a modification of the semiconductor device in the fourth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 40, in this structure E, an emitter trench is provided in a region sandwiched between two MOS transistors. The emitter trench is composed of an emitter groove 1b, an emitter insulating film 4b, and an emitter conductive layer 5b. Emitter groove 1 b penetrates p-type body region 2 and n-type impurity diffusion region 14 to reach n drift layer 1. Emitter insulating film 4b is formed along the inner surface of emitter groove 1b. Emitter conductive layer 5b is formed to be embedded in emitter groove 1b, and is electrically connected to emitter electrode 11 in the upper layer. Any number of emitter trenches may be formed, and a gate trench may be formed in at least one of the plurality of trenches.

エミッタ電極11の下層にはバリアメタル層10が形成されており、このバリアメタル層10とエミッタ用導電層5bとの間にはシリサイド層21bが形成されている。   A barrier metal layer 10 is formed under the emitter electrode 11, and a silicide layer 21b is formed between the barrier metal layer 10 and the emitter conductive layer 5b.

2つのエミッタトレンチに挟まれる第1主面にはp型ボディ領域2への低抵抗コンタクトを取るためのp+不純物拡散領域6が形成されており、その上にはシリサイド層21aが形成されている。 A p + impurity diffusion region 6 for forming a low resistance contact to p type body region 2 is formed on the first main surface sandwiched between two emitter trenches, and silicide layer 21a is formed thereon. There is.

このような構成において、n-ドリフト層1がp型ボディ領域2とpn接合を構成する領域付近に比較的高濃度のn型不純物拡散領域14が設けられている。 In such a configuration, a relatively high concentration n-type impurity diffusion region 14 is provided in the vicinity of the region where the n - drift layer 1 and the p-type body region 2 form a pn junction.

なお、これ以外の構成については、図39に示す構造Dの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   The remaining structure is substantially the same as that of the structure D shown in FIG. 39, so the same members are denoted by the same reference characters and description thereof is not repeated.

また図41に示す構造Fは、図40に示す構造Eと比較して、エミッタトレンチの側壁であって、第1主面にn型不純物拡散領域3を追加した点において異なる。   Structure F shown in FIG. 41 is different from structure E shown in FIG. 40 in that n-type impurity diffusion region 3 is added to the side of the emitter trench and on the first main surface.

なおこれ以外の構成については図39に示す構造Eの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付しその説明を省略する。   The remaining structure is substantially the same as that of the structure E shown in FIG. 39, so the same members are denoted by the same reference characters and description thereof is not repeated.

図40および図41においては、エミッタ用溝1b内を埋め込むエミッタ用導電層5bがエミッタ電位となる場合について説明したが、このエミッタ用導電層5bはフローティング電位を有していてもよい。その構成を以下に説明する。   In FIG. 40 and FIG. 41, the case where emitter conductive layer 5b embedded in emitter groove 1b is at the emitter potential has been described, but emitter conductive layer 5b may have a floating potential. The configuration is described below.

図42を参照して、エミッタ用溝1b内を埋め込むエミッタ用導電層5bがエミッタ電極11と電気的に分離されており、フローティングな電位を有している。この場合、エミッタ用溝1b内を埋め込むエミッタ用導電層5b上にはたとえばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜22Aと、たとえばシリケートガラスよりなる絶縁膜9と、たとえばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜22Bとが形成されている。   Referring to FIG. 42, emitter conductive layer 5b embedded in emitter groove 1b is electrically separated from emitter electrode 11 and has a floating potential. In this case, an insulating film 22A made of, for example, a silicon oxide film, an insulating film 9 made of, for example, a silicate glass, and an insulating film 22B made of, for example, a silicon oxide film are formed on the emitter conductive layer 5b filling the emitter groove 1b. It is formed.

なおこれ以外の構成については、図40に示す構造Eの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   The remaining structure is substantially the same as that of the structure E shown in FIG. 40, and therefore the same members are denoted by the same reference characters and description thereof is not repeated.

本実施の形態で設けられるn型不純物拡散領域14は、p型ボディ領域2が形成される前にイオン注入および拡散により形成される。この後、p型ボディ領域2が形成され、さらに実施の形態1と同様の後工程を経ることにより本実施の形態の各種の半導体装置(図39〜図42)が製造される。   The n-type impurity diffusion region 14 provided in the present embodiment is formed by ion implantation and diffusion before the p-type body region 2 is formed. Thereafter, p-type body region 2 is formed, and the same post-process as in the first embodiment is performed to manufacture various semiconductor devices (FIGS. 39 to 42) of the present embodiment.

また、MOSトランジスタ構造E(図40)、F(図41)、G(図42)の各々は、エミッタ電位もしくはフローティング電位のトレンチを有することにより、MOSトランジスタ構造C(図1)、D(図39)よりも実効的なゲート幅が少なくなっている。その結果、構造E、F、Gは、構造C、Dよりも流れる電流が少なく飽和電流を抑制する効果を有する。   Also, each of the MOS transistor structures E (FIG. 40), F (FIG. 41), and G (FIG. 42) has a trench with an emitter potential or a floating potential, thereby forming the MOS transistor structures C (FIG. 1) and D (FIG. 39) The effective gate width is smaller than that of 39). As a result, the structures E, F, and G have a smaller current flow than the structures C and D, and have the effect of suppressing the saturation current.

さらに構造E、F、Gは、構造Dよりも低電圧/低電流密度のところでON電圧が大きくなる。またMOSトランジスタ構造DにおいてON電圧が低下するのは、コレクタ構造Aでn-ドリフト層1が厚くても、USP6,040,599に記載されたn型不純物拡散領域14によるキャリア蓄積効果があるからである。MOSトランジスタ構造Dでは、従来構造よりn-ドリフト層1が厚くても、ON電圧を低下させる効果がある。 Furthermore, in the structures E, F, and G, the ON voltage becomes larger at a lower voltage / lower current density than the structure D. In the MOS transistor structure D, the ON voltage is lowered because the n-type impurity diffusion region 14 described in US Pat. No. 6,040,599 has a carrier accumulation effect even if the n - drift layer 1 is thick in the collector structure A It is. In the MOS transistor structure D, even if the n - drift layer 1 is thicker than the conventional structure, the ON voltage can be reduced.

MOSトランジスタ構造E、F、Gでは、飽和電流が低くなる効果により、デバイスが無負荷状態でスイッチングしたときに、従来構造やMOSトランジスタ構造C、Dよりも長い時間任意の電流を保持することができる。つまり、MOSトランジスタ構造E、F、Gでは、デバイスの飽和電流を抑え、かつ破壊耐量を向上させる効果がある。   In the MOS transistor structures E, F, and G, when the device is switched in a no-load state, an arbitrary current can be maintained for a longer time than the conventional structure or the MOS transistor structures C and D due to the effect of lowering the saturation current. it can. That is, the MOS transistor structures E, F, and G have the effect of suppressing the saturation current of the device and improving the breakdown tolerance.

さらに、ON電圧を下げる効果があるMOSトランジスタ構造Dでは、無負荷状態でのスイッチング時に発振現象が発生する。しかし、MOSトランジスタ構造E、F、Gでは、n型不純物拡散領域14が存在してもエミッタ電位もしくはフローティング電位になるエミッタ用導電層5bが存在することにより発振現象を防止する効果がある。   Furthermore, in the MOS transistor structure D having the effect of lowering the ON voltage, an oscillation phenomenon occurs at the time of switching in a no-load state. However, in the MOS transistor structures E, F, and G, even if the n-type impurity diffusion region 14 exists, the emitter conductive layer 5b which is at the emitter potential or the floating potential is effective in preventing the oscillation phenomenon.

(実施の形態5)
図43〜図78は、実施の形態4と同じ効果が得られるMOSトランジスタ構造の各種の派生構造を示す概略断面図である。図43〜図78に示すどの構造でも、実施の形態4に示すMOSトランジスタ構造による効果を得ることができる。
Fifth Embodiment
43 to 78 are schematic cross sectional views showing various derived structures of the MOS transistor structure which can obtain the same effect as the fourth embodiment. With any of the structures shown in FIGS. 43 to 78, the effect of the MOS transistor structure shown in the fourth embodiment can be obtained.

以下に、図43〜図78に示す各MOSトランジスタ構造について説明する。
図43に示す構成は、2つのMOSトランジスタ部に挟まれる領域にエミッタ電位となる1つのエミッタトレンチが設けられている点およびゲート用溝1aの一方側面にのみn型エミッタ領域3が形成されている点において図40に示す構造Eの構成と異なる。
Each MOS transistor structure shown in FIGS. 43 to 78 will be described below.
In the configuration shown in FIG. 43, an n-type emitter region 3 is formed only on one side of a point where one emitter trench serving as an emitter potential is provided in a region sandwiched between two MOS transistor portions and one side of gate groove 1a. 40 differs from the configuration of the structure E shown in FIG.

図44に示す構成は、複数のエミッタ用溝1b内が、一体化された単一の層よりなるエミッタ用導電層5bによって埋め込まれている。またエミッタ用導電層5bは、シリサイド層21bを介して、バリアメタル層10とエミッタ電極11とに電気的に接続されている。このシリサイド層21bは各エミッタ用溝1b間を繋ぐブリッジ上に形成されている。またシリサイド層21bが形成された領域以外のエミッタ用導電層5b上には、絶縁膜22A、9、22Bが形成されている。   In the configuration shown in FIG. 44, a plurality of emitter grooves 1b are embedded with an emitter conductive layer 5b consisting of a single integrated layer. The emitter conductive layer 5b is electrically connected to the barrier metal layer 10 and the emitter electrode 11 through the silicide layer 21b. The silicide layer 21b is formed on a bridge connecting the emitter grooves 1b. In addition, insulating films 22A, 9, 22B are formed on the emitter conductive layer 5b other than the region where the silicide layer 21b is formed.

これ以外の構成については、上述した図40に示す構造Eの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   The configuration other than this is substantially the same as the configuration of the structure E shown in FIG. 40 described above, so the same members are denoted with the same reference numerals and description thereof is omitted.

図45に示す構成は、エミッタ用溝1bの両側壁であって第1主面にn型不純物拡散領域3が追加されている点において図44に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 45 is different from the configuration shown in FIG. 44 in that n-type impurity diffusion region 3 is added to both side walls of emitter groove 1b and to the first main surface.

図46に示す構成は、エミッタ用溝1b内を埋め込むエミッタ用導電層5bがフローティング電位となっている点において図44の構成と異なる。この場合、エミッタ用導電層5bの全面上に絶縁膜22A、9、22Bが形成されており、エミッタ用導電層5bはエミッタ電極11と電気的に絶縁されている。   The structure shown in FIG. 46 is different from the structure shown in FIG. 44 in that the emitter conductive layer 5b filling the emitter groove 1b has a floating potential. In this case, the insulating films 22A, 9, 22B are formed on the entire surface of the emitter conductive layer 5b, and the emitter conductive layer 5b is electrically insulated from the emitter electrode 11.

図47に示す構成は、エミッタ用溝1bの両側壁であって第1主面にn型不純物拡散領域3が追加されている点において図43に示す構成と異なる。   The structure shown in FIG. 47 is different from the structure shown in FIG. 43 in that n-type impurity diffusion region 3 is added to both side walls of emitter groove 1b and to the first main surface.

図48に示す構成は、エミッタ用導電層5bの上面がエミッタ用溝1bよりも上方に突出している点において図43に示す構成と異なる。この場合、エミッタ用導電層5bは、その一部表面上に形成されたシリサイド層21bを介して、バリアメタル層10およびエミッタ電極11と電気的に接続されている。またシリサイド層21bが形成された領域以外のエミッタ用導電層5b上には、絶縁膜22A、9、22Bが形成されている。   The configuration shown in FIG. 48 is different from the configuration shown in FIG. 43 in that the upper surface of emitter conductive layer 5b protrudes above emitter groove 1b. In this case, the emitter conductive layer 5b is electrically connected to the barrier metal layer 10 and the emitter electrode 11 through the silicide layer 21b formed on a part of the surface. In addition, insulating films 22A, 9, 22B are formed on the emitter conductive layer 5b other than the region where the silicide layer 21b is formed.

図49に示す構成は、エミッタ用溝1bの両側面であって第1主面にn型不純物拡散領域3が追加されている点において図48に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 49 is different from the configuration shown in FIG. 48 in that n-type impurity diffusion region 3 is added to both sides of emitter groove 1b and to the first main surface.

図50に示す構成は、p型ボディ領域2がゲート用溝1aの側壁付近にのみ形成されている点において図40に示す構造Eの構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 50 is different from the configuration of structure E shown in FIG. 40 in that p-type body region 2 is formed only in the vicinity of the side wall of gate groove 1a.

図51に示す構成は、p型ボディ領域2がゲート用溝1aの側壁付近にのみ形成されている点において図41に示す構造Fの構成と異なる。   The structure shown in FIG. 51 differs from the structure of structure F shown in FIG. 41 in that p-type body region 2 is formed only in the vicinity of the side wall of gate groove 1a.

図52に示す構成は、エミッタ用溝1b内を埋め込むエミッタ用導電層5bがフローティング電位となっている点において図50に示す構成と異なる。この場合、エミッタ用導電層5b上には、絶縁膜22A、9、22Bが形成されている。   The structure shown in FIG. 52 is different from the structure shown in FIG. 50 in that the emitter conductive layer 5b filling the emitter groove 1b has a floating potential. In this case, the insulating films 22A, 9, 22B are formed on the emitter conductive layer 5b.

図53に示す構成は、2つのゲートトレンチに挟まれる領域にのみp型ボディ領域2が形成されている点において図43に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 53 is different from the configuration shown in FIG. 43 in that p-type body region 2 is formed only in a region sandwiched by two gate trenches.

図54に示す構成は、p型ボディ領域2がゲート用溝1aの側壁付近にのみ形成されている点において図44に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 54 is different from the configuration shown in FIG. 44 in that p-type body region 2 is formed only in the vicinity of the sidewall of gate groove 1a.

図55に示す構成は、p型ボディ領域2がゲート用溝1aの側壁付近にのみ形成されている点において図45に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 55 is different from the configuration shown in FIG. 45 in that p type body region 2 is formed only in the vicinity of the side wall of gate groove 1a.

図56に示す構成は、p型ボディ領域2がゲート用溝1aの側壁付近にのみ形成されている点において図46に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 56 is different from the configuration shown in FIG. 46 in that p type body region 2 is formed only in the vicinity of the sidewall of gate groove 1a.

図57に示す構成は、エミッタ用溝1bの両側壁であって第1主面にn型不純物拡散領域3が追加されている点において図53に示す構成と異なる。   The structure shown in FIG. 57 is different from the structure shown in FIG. 53 in that n-type impurity diffusion region 3 is added to both side walls of emitter groove 1b and to the first main surface.

図58に示す構成は、2つのゲートトレンチに挟まれる領域にのみp型ボディ領域2が形成されている点において図48に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 58 differs from the configuration shown in FIG. 48 in that p-type body region 2 is formed only in the region sandwiched by two gate trenches.

図59に示す構成は、2つのゲートトレンチに挟まれる領域にのみp型ボディ領域2が形成されている点において図49に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 59 is different from the configuration shown in FIG. 49 in that p-type body region 2 is formed only in a region sandwiched by two gate trenches.

図60に示す構成は、図40に示す構造Eにおいてエミッタトレンチが存在した領域にトレンチを形成せずに、上記のMOSトランジスタ構造E〜Gとゲート幅(W)が同じになるようにゲートトレンチを形成した構成、つまりゲートトレンチの間をエミッタ電位となるように任意の寸法まで広げた構成である。   The structure shown in FIG. 60 is a gate trench so that the gate width (W) becomes the same as that of MOS transistor structures E to G described above without forming a trench in the region where the emitter trench exists in structure E shown in FIG. Is formed, that is, a configuration in which the space between the gate trenches is expanded to an arbitrary size so as to be an emitter potential.

この場合、2つのゲートトレンチに挟まれる第1主面にはp型ボディ領域との低抵抗コンタクトを取るためのp+不純物拡散領域6が延在している。このp+不純物拡散領域6およびn型エミッタ領域3と接するようにシリサイド層21aが形成されている。p+不純物拡散領域6およびn型エミッタ領域3は、このシリサイド層21aとバリアメタル層10とを介してエミッタ電極11に電気的に接続されている。 In this case, ap + impurity diffusion region 6 for taking a low resistance contact with the p-type body region extends on the first main surface sandwiched between the two gate trenches. Silicide layer 21 a is formed in contact with p + impurity diffusion region 6 and n-type emitter region 3. The p + impurity diffusion region 6 and the n-type emitter region 3 are electrically connected to the emitter electrode 11 via the silicide layer 21 a and the barrier metal layer 10.

なお、これ以外の構成については、上述した図40の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   The configuration other than this is substantially the same as the configuration of FIG. 40 described above, so the same members are denoted with the same reference numerals and description thereof is omitted.

図61に示す構成は、図43においてエミッタトレンチが存在した領域にトレンチを形成せずに、上記のMOSトランジスタ構造E〜Gとゲート幅が同じになるようにゲートトレンチを形成した構成、つまりゲートトレンチの間をエミッタ電位となるように任意の寸法まで広げた構成である。   The structure shown in FIG. 61 is a structure in which the gate trench is formed so that the gate width becomes equal to that of MOS transistor structures E to G described above without forming the trench in the region where the emitter trench exists in FIG. It is the structure expanded to arbitrary dimensions so that it may become an emitter electric potential between trenches.

この構成においてもゲートトレンチに挟まれる第1主面にp型ボディ領域への低抵抗コンタクトを取るためにp+不純物拡散領域6が延在している。このp+不純物拡散領域6およびn型エミッタ領域3と接するようにシリサイド層21aが形成されている。p+不純物拡散領域6およびn型エミッタ領域3は、このシリサイド層21aとバリアメタル層10とを介してエミッタ電極11に電気的に接続されている。 Also in this configuration, the p + impurity diffusion region 6 extends on the first main surface sandwiched by the gate trenches in order to have a low resistance contact to the p-type body region. Silicide layer 21 a is formed in contact with p + impurity diffusion region 6 and n-type emitter region 3. The p + impurity diffusion region 6 and the n-type emitter region 3 are electrically connected to the emitter electrode 11 via the silicide layer 21 a and the barrier metal layer 10.

なお、これ以外の構成については、上述した図43の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   The configuration other than this is substantially the same as the configuration of FIG. 43 described above, so the same members are denoted with the same reference numerals and description thereof is omitted.

図62は、p型ボディ領域2がゲート用溝1aの側壁付近にのみ形成されている点において図60に示す構成と異なる。   62 differs from the configuration shown in FIG. 60 in that p-type body region 2 is formed only in the vicinity of the side wall of gate groove 1a.

図63に示す構成は、2つのゲートトレンチに挟まれる領域にのみp型ボディ領域2が形成されている点において図61に示す構成と異なる。   The configuration shown in FIG. 63 is different from the configuration shown in FIG. 61 in that p-type body region 2 is formed only in a region sandwiched by two gate trenches.

上記においては、ゲート電極5aの上面がゲート用溝1a内に位置する場合について説明したが、ゲート用溝1a上に突出していてもよい。ゲート電極5aの上面がゲート用溝1aの上面に突出した構成を図64〜図74に示す。   In the above, although the case where the upper surface of gate electrode 5a was located in gate groove 1a was explained, it may project on gate groove 1a. The configuration in which the upper surface of the gate electrode 5a protrudes on the upper surface of the gate groove 1a is shown in FIGS.

図64は図40に示す構造Eの構成、図65は図41に示す構成、図66は図42に示す構成、図67は図43に示す構成、図68は図44に示す構成、図69は図45に示す構成、図70は図46に示す構成、図71は図47に示す構成、図72は図48に示す構成、図73は図49に示す構成、図74は図50に示す構成において、ゲート電極5aの上面がゲート用溝1a上に突出した構成に対応している。なお、図66に示す構成は、エミッタ用溝1b内を埋め込むエミッタ用導電層5bの上面もエミッタ用溝1b上に突出している。   64 shows the configuration of the structure E shown in FIG. 40, FIG. 65 shows the configuration shown in FIG. 41, FIG. 66 shows the configuration shown in FIG. 42, FIG. 67 shows the configuration shown in FIG. 45 shows the configuration shown in FIG. 46, FIG. 71 shows the configuration shown in FIG. 47, FIG. 72 shows the configuration shown in FIG. 48, FIG. 73 shows the configuration shown in FIG. In the configuration, the upper surface of the gate electrode 5a corresponds to a configuration in which it protrudes above the gate groove 1a. In the structure shown in FIG. 66, the upper surface of emitter conductive layer 5b filling the emitter groove 1b also protrudes above the emitter groove 1b.

なお、上記においてはトレンチ型ゲート構造について説明したが、平面ゲート型のIGBTにおいても実施の形態1〜4の構成を適用することができる。図75〜図78は平面ゲート型IGBTの構成を示す概略断面図である。   Although the trench type gate structure has been described above, the configurations of the first to fourth embodiments can be applied to a planar gate type IGBT. 75 to 78 are schematic cross-sectional views showing the configuration of a planar gate type IGBT.

図75を参照して、平面ゲート型IGBTは、たとえば厚さが約50μm以上250μmの半導体基板に形成されている。たとえば濃度が1×1014cm-3のn-ドリフト層1の第1主面側には、p型半導体よりなるp型ボディ領域2が選択的に形成されている。p型ボディ領域2は、たとえば1×1015〜1×1018cm-3の濃度を有し、第1主面から約1.0〜4.0μmの拡散深さを有している。p型ボディ領域2内の第1主面には、たとえば濃度が1×1018〜1×1020cm-3以上で、第1主面からの拡散深さが約0.3〜2.0μmのn型半導体よりなるn型エミッタ領域3が形成されている。このn型エミッタ領域3の隣には、p型ボディ領域2への低抵抗コンタクトを取るためのp+不純物拡散領域6がたとえば1×1018〜1×1020cm-3程度で、第1主面からの拡散深さがn型エミッタ領域3の深さ以下で形成されている。 Referring to FIG. 75, the planar gate type IGBT is formed, for example, on a semiconductor substrate having a thickness of about 50 μm to 250 μm. For example, a p-type body region 2 made of a p-type semiconductor is selectively formed on the first principal surface side of n - drift layer 1 having a concentration of 1 × 10 14 cm -3 . For example, p type body region 2 has a concentration of 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3 and a diffusion depth of about 1.0 to 4.0 μm from the first major surface. The first main surface in p-type body region 2 has a concentration of, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 or more, and a diffusion depth of about 0.3 to 2.0 μm from the first main surface. An n-type emitter region 3 made of an n-type semiconductor is formed. Next to the n-type emitter region 3, the p + impurity diffusion region 6 for providing a low resistance contact to the p-type body region 2 is, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 . The diffusion depth from the main surface is equal to or less than the depth of n-type emitter region 3.

-ドリフト層1とn型エミッタ領域3とに挟まれるp型ボディ領域2と対向するように第1主面上にゲート絶縁膜4を介してゲート電極5aが形成されている。 A gate electrode 5a is formed on the first main surface via a gate insulating film 4 so as to face the p-type body region 2 sandwiched between the n - drift layer 1 and the n-type emitter region 3.

このn-ドリフト層1とn型エミッタ領域3とゲート電極5aにより、n-ドリフト層1をドレインとし、n型エミッタ領域3をソースし、ゲート絶縁膜4を挟んでゲート電極5aと対向するp型ボディ領域2の部分をチャネルとする絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部(ここではMOSトランジスタ部)が構成されている。 The drift layer 1 and the n-type emitter region 3 and the gate electrode 5a, n - - the n drift layer 1 and the drain, the n-type emitter region 3 and the source, facing the gate electrode 5a through the gate insulating film 4 p An insulated gate field effect transistor portion (here, a MOS transistor portion) in which a portion of the mold body region 2 is a channel is formed.

2つのMOSトランジスタ部に挟まれる第1主面上には、エミッタ電位となるエミッタ用導電層5bが形成されている。このエミッタ用導電層5bとゲート電極5aとの材質には、たとえばリンを高濃度に導入した多結晶シリコン、高融点金属材料、高融点金属シリサイドまたはそれらの複合膜が用いられる。   An emitter conductive layer 5b serving as an emitter potential is formed on the first main surface sandwiched between the two MOS transistor portions. As a material of the conductive layer 5b for the emitter and the gate electrode 5a, for example, polycrystalline silicon in which phosphorus is introduced at a high concentration, high melting point metal material, high melting point metal silicide, or a composite film of them is used.

第1主面上には絶縁膜9が形成されており、この絶縁膜9には第1主面の一部表面に達するコンタクトホール9aが形成されている。このコンタクトホール9aの底部にはバリアメタル層10が形成されている。このバリアメタル層10を介してエミッタ用導電層5b、p+不純物拡散領域6およびn型エミッタ領域3とに、エミッタ電位Eを与えるエミッタ電極11が電気的に接続されている。 An insulating film 9 is formed on the first main surface, and a contact hole 9 a reaching a part of the surface of the first main surface is formed in the insulating film 9. A barrier metal layer 10 is formed at the bottom of the contact hole 9a. Emitter electrode 11 giving emitter potential E is electrically connected to emitter conductive layer 5b, p + impurity diffusion region 6 and n-type emitter region 3 through barrier metal layer 10.

またn-ドリフト層1の第2主面側には、n型バッファ領域7とp型コレクタ領域8とが順に形成されている。p型コレクタ領域8には、コレクタ電位Cを与えるコレクタ電極12が電気的に接続されている。このコレクタ電極12の材質は、たとえばアルミニウム化合物である。 Further, an n-type buffer region 7 and a p-type collector region 8 are formed in order on the second main surface side of the n drift layer 1. A collector electrode 12 for giving a collector potential C is electrically connected to the p-type collector region 8. The material of the collector electrode 12 is, for example, an aluminum compound.

本実施の形態において、半導体基板とコレクタ電極12との界面(つまり、p型コレクタ領域8とコレクタ電極12との界面)におけるスパイク密度は0以上3×108個/cm2以下である。 In the present embodiment, the spike density at the interface between the semiconductor substrate and the collector electrode 12 (that is, the interface between the p-type collector region 8 and the collector electrode 12) is 0 or more and 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less.

なお、図75の構成に対して、図76に示すようにn型不純物拡散領域14が追加されてもよく、また図77に示すようにn型バッファ領域7が省略されてもよく、また図78に示すようにn型不純物拡散領域14が追加されかつn型バッファ領域7が省略されてもよい。   It is to be noted that n-type impurity diffusion region 14 may be added as shown in FIG. 76 to the configuration of FIG. 75, and n-type buffer region 7 may be omitted as shown in FIG. As shown at 78, an n-type impurity diffusion region 14 may be added and the n-type buffer region 7 may be omitted.

(実施の形態6)
本実施の形態においては、図75〜図78に示す平面ゲート型IGBTの他の構成について説明する。図79〜図83は、本発明の実施の形態6における平面ゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。
Sixth Embodiment
In the present embodiment, another configuration of the planar gate type IGBT shown in FIGS. 75 to 78 will be described. 79 to 83 are schematic cross sectional views showing various configurations of the planar gate IGBT in the sixth embodiment of the present invention.

図79を参照して、平面ゲート型IGBTは、たとえば厚さが約50μm以上800μmの半導体基板に形成されている。n-ドリフト層1の図中左側の第1主面には、p型半導体よりなるp型ボディ領域2が選択的に形成されている。p型ボディ領域2は、たとえば1×1015〜1×1018cm-3の濃度を有し、第1主面から約1.0〜4.0μmの拡散深さを有している。p型ボディ領域2内の第1主面には、たとえば濃度が1×1018〜1×1020cm-3以上で、第1主面からの拡散深さが約0.3〜2.0μmのn型半導体よりなるn型エミッタ領域3が形成されている。このn型エミッタ領域3の図中左側には、n型エミッタ領域3と間隔をおいて、p型ボディ領域2への低抵抗コンタクトを取るためのp+不純物拡散領域6が形成されている。p+不純物拡散領域6は、たとえば1×1018〜1×1020cm-3程度で、第1主面からの拡散深さがn型エミッタ領域3の深さ以下で形成されている。 Referring to FIG. 79, the planar gate type IGBT is formed on, for example, a semiconductor substrate having a thickness of about 50 μm to 800 μm. A p-type body region 2 made of a p-type semiconductor is selectively formed on the first main surface on the left side in the drawing of the n drift layer 1. For example, p type body region 2 has a concentration of 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3 and a diffusion depth of about 1.0 to 4.0 μm from the first major surface. The first main surface in p-type body region 2 has a concentration of, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 or more, and a diffusion depth of about 0.3 to 2.0 μm from the first main surface. An n-type emitter region 3 made of an n-type semiconductor is formed. On the left side of the n-type emitter region 3 in the drawing, ap + impurity diffusion region 6 for forming a low resistance contact to the p-type body region 2 is formed at a distance from the n-type emitter region 3. The p + impurity diffusion region 6 is formed, for example, at about 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 and the diffusion depth from the first main surface is equal to or less than the depth of the n-type emitter region 3.

-ドリフト層1とn型エミッタ領域3とに挟まれるp型ボディ領域2と対向するように第1主面上にゲート絶縁膜4を介してゲート電極5aが形成されている。ゲート電極5aは図中右端まで延在しており、図中右側ではゲート絶縁膜4を介してn-ドリフト層1と対向している。 A gate electrode 5a is formed on the first main surface via a gate insulating film 4 so as to face the p-type body region 2 sandwiched between the n - drift layer 1 and the n-type emitter region 3. The gate electrode 5a extends to the right end in the drawing, and is opposed to the n drift layer 1 via the gate insulating film 4 on the right side in the drawing.

このn-ドリフト層1とn型エミッタ領域3とゲート電極5aにより、n-ドリフト層1をドレインとし、n型エミッタ領域3をソースとし、ゲート絶縁膜4を挟んでゲート電極5aと対向するp型ボディ領域2の部分をチャネルとする絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部(ここでは、MOSトランジスタ)が構成されている。 The n - drift layer 1, the n-type emitter region 3 and the gate electrode 5 a make the n - drift layer 1 the drain, the n-type emitter region 3 the source, and p facing the gate electrode 5 a with the gate insulating film 4 interposed therebetween. An insulated gate field effect transistor portion (here, a MOS transistor) having a portion of the mold body region 2 as a channel is formed.

第1主面上には絶縁膜9およびエミッタ電極11が形成されている。絶縁膜9は第1主面におけるn型エミッタ領域3およびp型ボディ領域2と、ゲート電極5aとを覆っている。エミッタ電極11はp+不純物拡散領域6と絶縁膜9とを覆っており、p+不純物拡散領域6およびn型エミッタ領域3にエミッタ電位Eを与える。 Insulating film 9 and emitter electrode 11 are formed on the first main surface. Insulating film 9 covers n-type emitter region 3 and p-type body region 2 on the first main surface and gate electrode 5a. Emitter electrode 11 covers p + impurity diffusion region 6 and insulating film 9, and applies emitter potential E to p + impurity diffusion region 6 and n-type emitter region 3.

またn-ドリフト層1の第2主面側には、n型バッファ領域7とp型コレクタ領域8とが順に形成されている。p型コレクタ領域8には、コレクタ電位Cを与えるコレクタ電極12が電気的に接続されている。 Further, an n-type buffer region 7 and a p-type collector region 8 are formed in order on the second main surface side of the n drift layer 1. A collector electrode 12 for giving a collector potential C is electrically connected to the p-type collector region 8.

本実施の形態において、半導体基板とコレクタ電極12との界面(つまり、p型コレクタ領域8とコレクタ電極12との界面)におけるスパイク密度は0以上3×108個/cm2以下である。 In the present embodiment, the spike density at the interface between the semiconductor substrate and the collector electrode 12 (that is, the interface between the p-type collector region 8 and the collector electrode 12) is 0 or more and 3 × 10 8 pieces / cm 2 or less.

図80に示す構成は、平面的に見て絶縁膜9が形成されていない領域において、p型ボディ領域2がさらに深く(さらに第2主面側に近く)形成されている点において、図79の構成とは異なっている。このようなp型ボディ領域2は、絶縁膜9をマスクとしてp型不純物を第1主面に注入する工程を加えることにより形成される。   The configuration shown in FIG. 80 is that p type body region 2 is formed deeper (further closer to the second main surface side) in a region where insulating film 9 is not formed in plan view. It is different from the composition of Such a p-type body region 2 is formed by adding a step of implanting a p-type impurity into the first major surface using the insulating film 9 as a mask.

図81に示す構成は、p型ボディ領域2の側面に隣接するようにn-ドリフト層1内にn型不純物拡散領域14aが形成されている点において、図79の構成とは異なっている。 Configuration shown in FIG. 81, n so as to be adjacent to the side surface of the p-type body region 2 - in that the n-type impurity diffusion region 14a in the drift layer 1 is formed, it is different from the configuration of FIG. 79.

図82に示す構成は、平面的に見て絶縁膜9が形成されていない領域において、p型ボディ領域2がさらに深く(さらに第2主面側に近く)形成されている点において、図81の構成とは異なっている。   In the configuration shown in FIG. 82, p region body region 2 is formed deeper (further closer to the second main surface side) in a region where insulating film 9 is not formed in plan view. It is different from the composition of

図83に示す構成は、p型ボディ領域2の底面に隣接するようにn-ドリフト層1内にn型不純物拡散領域14aがさらに形成されている点において、図81の構成とは異なっている。 The configuration shown in FIG. 83 is different from the configuration of FIG. 81 in that n-type impurity diffusion region 14a is further formed in n - drift layer 1 so as to be adjacent to the bottom surface of p-type body region 2. .

図81〜図83に示す構造のように、p型ボディ領域2に隣接してn型不純物拡散領域14aを形成することにより、図84に示すように、IGBTがオン状態の場合のエミッタ側(第1主面側)のキャリア濃度が増加する。その結果、IGBTの特性を向上することができる。図85は、n型不純物拡散領域を形成した場合と形成しない場合とにおける、VCEとJCとの関係を示す図である。図85を参照して、n型不純物拡散領域14aを形成した場合には、電流密度JCに対するエミッタ・コレクタ間電圧VCEが低減されている。 By forming n-type impurity diffusion region 14a adjacent to p-type body region 2 as in the structure shown in FIGS. 81 to 83, as shown in FIG. 84, the emitter side (when IGBT is in the on state) The carrier concentration on the first main surface side increases. As a result, the characteristics of the IGBT can be improved. FIG. 85 is a diagram showing the relationship between V CE and J C in the case where the n-type impurity diffusion region is formed and in the case where it is not formed. Referring to FIG. 85, in the case of forming the n-type impurity diffusion region 14a, the emitter-collector voltage V CE is reduced relative to the current density J C.

図86は、本発明の実施の形態6におけるSN14a/SN-と、VCE(sat)、JC,BreakおよびVG,Breakとの関係とを示す図である。ここで、SN14a/SN-とは、n-ドリフト層1を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)SN-に対するn型不純物拡散領域14aを構成する不純物の単位面積あたりの原子数(atom/cm2)SN14aの比である。JC,Breakとは、RBSOA(Reverse Bias Safety Operation Area)モードでデバイスが遮断可能な電流密度であり、VG,Breakとは、SCSOA(Short Circuit Safe Operation Area)モードでデバイスが遮断可能なゲート電圧である。図86を参照して、0<SN14a/SN-≦20である場合には、高い遮断性能が得られており、かつ低いコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)が得られている。したがって、RBSOAおよびSCSOAを確保した上でオン電圧を低減するためには、n型不純物拡散領域14aが0<SN14a/SN-≦20を満たすことが好ましい。 Figure 86 is a diagram illustrating the S N14a / S N- according to the sixth embodiment of the present invention, V CE (sat), J C, Break and V G, and the relationship between the Break. Here, S N14a / S N- A, n - the number of atoms per unit area of the impurity constituting the drift layer 1 (atom / cm 2) units of impurities constituting the n-type impurity diffusion region 14a with respect to S N- It is a ratio of the number of atoms per area (atom / cm 2 ) SN14a . J C, Break is a current density that allows the device to shut off in RBSOA (Reverse Bias Safety Operation Area) mode, and VG , Break is a gate that can shut off the device in SCOA (Short Circuit Safe Operation Area) mode It is a voltage. Referring to FIG. 86, in the case of 0 <S N14a / S N− ≦ 20, high blocking performance is obtained, and low collector-emitter voltage V CE (sat) is obtained. Therefore, in order to reduce the on-voltage while ensuring the RBSOA and SCSOA are preferably n-type impurity diffusion region 14a satisfies 0 <S N14a / S N- ≦ 20.

(実施の形態7)
図87は、本発明の実施の形態7における半導体装置のレイアウトを示す平面図である。図88は、図87のLXXXVIII−LXVIII線に沿った断面図であり、図89は、図87のLXXXIX−LXXXIX線に沿った断面図である。図90は、図88のXC−XC線に沿った不純物濃度分布である。なお、図87において斜線で示す部分は、p型不純物拡散領域41が形成されている領域である。また、図87においては、1つのゲート電極配線11aに沿って形成されたゲート用溝1a(図中点線)のみを示しているが、実際には、それぞれのゲート電極配線11aに沿って複数のゲート用溝1a(あるいはエミッタ用溝1b)が形成されている。図87〜図90を参照して、本実施の形態におけるIGBTの構成について説明する。
Seventh Embodiment
FIG. 87 is a plan view showing the layout of the semiconductor device in the seventh embodiment of the present invention. FIG. 88 is a cross-sectional view taken along line LXXXVIII-LXVIII of FIG. 87, and FIG. 89 is a cross-sectional view taken along line LXXXIX-LXXXIX of FIG. FIG. 90 is an impurity concentration distribution along the XC-XC line in FIG. The hatched portion in FIG. 87 is a region where p-type impurity diffusion region 41 is formed. Further, in FIG. 87, only the gate groove 1a (dotted line in the figure) formed along one gate electrode wiring 11a is shown, but in practice, a plurality of gate grooves are formed along each gate electrode wiring 11a. A gate groove 1a (or an emitter groove 1b) is formed. The configuration of the IGBT according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

特に図87を参照して、エミッタ電極11とゲート電極配線11aとは図中横方向に交互に配置されており、かつ図中縦方向に延在している。チップ中央部にあるゲート電極配線11aの図中下方端部には、他の配線と電気的に接続するためのゲートパッド28が設けられている。また、複数のゲート用溝1aの各々は、ゲート電極配線11aの真下において、ゲート電極配線11aの延在方向に沿って図中縦方向に配列している。複数のゲート用溝1aの各々は、その長方形の平面形状の短辺の延在方向(図中縦方向)に沿って配列している。図中縦方向で隣接するゲート用溝1a同士の間には、p型ボディ領域2およびn型不純物拡散領域14が形成されている。また、図中横方向で隣接するエミッタ電極11同士の間(すなわち、ゲート用溝1aの端部)には、p型不純物拡散領域41(ウェル層)が形成されている。p型不純物拡散領域41は、ゲート電極配線11aの真下において、エミッタ電極11に沿って図中縦方向に延在している。   Referring particularly to FIG. 87, emitter electrodes 11 and gate electrode interconnections 11a are alternately arranged in the lateral direction in the drawing and extend in the longitudinal direction in the drawing. At the lower end portion of the gate electrode wiring 11 a in the center of the chip in the drawing, a gate pad 28 for electrically connecting to another wiring is provided. Further, each of the plurality of gate grooves 1a is arranged in the vertical direction in the drawing along the extending direction of the gate electrode wiring 11a immediately below the gate electrode wiring 11a. Each of the plurality of gate grooves 1a is arranged along the extending direction (longitudinal direction in the drawing) of the short side of the rectangular planar shape. A p-type body region 2 and an n-type impurity diffusion region 14 are formed between gate grooves 1a adjacent in the vertical direction in the drawing. Further, p-type impurity diffusion regions 41 (well layers) are formed between the emitter electrodes 11 adjacent to each other in the lateral direction in the drawing (that is, the end of the gate groove 1a). The p-type impurity diffusion region 41 extends in the longitudinal direction in the drawing along the emitter electrode 11 directly below the gate electrode wiring 11 a.

特に図88を参照して、n型不純物拡散領域14は、p型ボディ領域2とn-ドリフト層1との間に形成されている。n型不純物拡散領域14は、図90に示すように、n-ドリフト層1の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。n型不純物拡散領域14が存在している場合、ゲート用溝1aおよびエミッタ用溝1b(たとえば図40)のうち少なくともいずれか一方を、n型不純物拡散領域14における不純物濃度が1×1016cm-3となる位置よりも第2主面側に突出させることで、高い耐圧(BVCES)を保持可能になる。図88に示す構成は、図39に示す構造Dの構成と実質的に同じである。 Referring particularly to FIG. 88, n-type impurity diffusion region 14 is formed between p-type body region 2 and n drift layer 1. As shown in FIG. 90, n-type impurity diffusion region 14 has an impurity concentration higher than the impurity concentration of n drift layer 1. When n-type impurity diffusion region 14 is present, at least one of gate groove 1a and emitter groove 1b (for example, FIG. 40) is doped with an impurity concentration of 1 × 10 16 cm in n-type impurity diffusion region 14. By projecting the second main surface side from the position of -3 , a high withstand voltage (BV CES ) can be held. The configuration shown in FIG. 88 is substantially the same as the configuration of structure D shown in FIG.

特に図89を参照して、ゲート用溝1a内を埋め込むゲート電極5aは、ゲート用溝1a外部の第1主面上にも延びており、その延びた部分においてゲート電極配線11aと電気的に接続されている。ゲート電極配線11aの下層にはバリアメタル層10が位置し、バリアメタル層10とゲート電極5aとが接する領域にシリサイド層21aが形成されている。ゲート電極配線11aおよびエミッタ電極11上にパッシベーション膜15が形成されている。p型不純物拡散領域41は、ゲート用溝1aよりも深い位置に(第2主面側に)達している。   Particularly referring to FIG. 89, gate electrode 5a filling the inside of gate groove 1a extends also on the first main surface outside gate groove 1a, and electrically extends from gate electrode interconnection 11a in the extended portion. It is connected. The barrier metal layer 10 is located under the gate electrode interconnection 11a, and the silicide layer 21a is formed in a region where the barrier metal layer 10 and the gate electrode 5a are in contact with each other. A passivation film 15 is formed on the gate electrode wiring 11 a and the emitter electrode 11. The p-type impurity diffusion region 41 reaches a deeper position (to the second main surface side) than the gate groove 1a.

なお、図87で示されている溝は全てゲート電極5aが埋め込まれたゲート用溝1aであるが、これらの溝のうち少なくとも1つがゲート用溝であればよく、その他の溝はたとえばエミッタ用溝であってもよい。   Although all the grooves shown in FIG. 87 are gate grooves 1a in which the gate electrode 5a is embedded, at least one of these grooves may be a gate groove, and the other grooves are for example for an emitter. It may be a groove.

ここで、図88を参照して、ゲート用溝1aと隣接する他の溝(図では右側のゲート用溝1a)とのピッチをピッチXと規定する。また、半導体基板の第1主面からゲートトレンチを構成するゲート用溝1aの底部までの深さを深さYと規定する。また、p型ボディ領域2とn型不純物拡散領域14との接合面(n型不純物拡散領域14が形成されていない場合には、p型ボディ領域2とn-ドリフト層1との接合面)からのゲート用溝1aの突出量を突出量DTと規定する。さらに図89を参照して、p型不純物拡散領域41とn-ドリフト層1との接合面からゲート用溝1aの底部までの距離(深さ)を深さDT,Pwellと規定する。 Here, referring to FIG. 88, a pitch between the gate groove 1a and another groove adjacent to the groove (the gate groove 1a on the right side in the drawing) is defined as a pitch X. Further, the depth from the first main surface of the semiconductor substrate to the bottom of the gate groove 1a constituting the gate trench is defined as depth Y. Further, the junction surface between p type body region 2 and n type impurity diffusion region 14 (junction surface between p type body region 2 and n - drift layer 1 when n type impurity diffusion region 14 is not formed) The protrusion amount of the gate groove 1a from the above is defined as a protrusion amount DT . Further, referring to FIG. 89, the distance (depth) from the junction surface of p type impurity diffusion region 41 and n - drift layer 1 to the bottom of gate groove 1a is defined as depth DT, Pwell .

本願発明者は、トレンチ型ゲート構造のIGBTにおいて、ゲート用トレンチを以下の条件で設計することによって、IGBTの耐圧(降伏電圧)を向上できることを見出した。   The inventors of the present application have found that, in an IGBT having a trench gate structure, the breakdown voltage (breakdown voltage) of the IGBT can be improved by designing the gate trench under the following conditions.

図91は、本発明の実施の形態7におけるY/XとBVCESとの関係を示す図である。図91を参照して、半導体基板の第1主面からゲートトレンチを構成するゲート用溝1aの底部までの深さYがゲート用溝1aと隣接する他の溝とのピッチよりも大きい場合(つまり1.0≦Y/Xの場合)には、高い降伏電圧BVCESが得られている。 FIG. 91 is a diagram showing the relationship between Y / X and BV CES in the seventh embodiment of the present invention. Referring to FIG. 91, when depth Y from the first main surface of the semiconductor substrate to the bottom of gate groove 1a forming the gate trench is larger than the pitch between gate groove 1a and another groove adjacent thereto ( In other words, in the case of 1.0 ≦ Y / X), a high breakdown voltage BV CES is obtained.

図92は、本発明の実施の形態7におけるDTとBVCESとの関係、およびDTとEP/CSまたはEP/N-との関係を示す図である。ここでEP/CSとは、p型ボディ領域2とn型不純物拡散領域14との接合面における電界強度を意味しており、EP/N-とは、n型不純物拡散領域14が形成されていない場合のp型ボディ領域2とn-ドリフト層1との接合面における電界強度を意味している。図92を参照して、p型ボディ領域2とn型不純物拡散領域14との接合面からのゲート用溝1aの突出量DTが1.0μm≦DTである場合には、電界強度EP/CSまたはEP/N-が低減されており、かつ高い降伏電圧BVCESが得られている。 Figure 92 is a diagram showing the relationship of relationships, and D T and E P / CS or E P / N-and the D T and BV CES according to the seventh embodiment of the present invention. Here, E P / CS means the electric field strength at the junction surface between p-type body region 2 and n-type impurity diffusion region 14, and E P / N- means that n-type impurity diffusion region 14 is formed. It means the electric field strength at the junction surface between the p-type body region 2 and the n drift layer 1 when it is not. Referring to FIG. 92, electric field strength E when protrusion amount DT of gate groove 1a from the junction surface between p type body region 2 and n type impurity diffusion region 14 is 1.0 μm ≦ DT. P / CS or E P / N- is reduced, and a high breakdown voltage BV CES is obtained.

図93は、本発明の実施の形態7におけるDT,PwellとBVCESおよびΔBVCESとの関係を示す図である。ここでΔBVCESとは、ゲート電位を0V(エミッタ電位と同電位)とした場合のBVCESからゲート電位を−20Vとした場合のBVCESを引いた値を意味している。図93を参照して、ゲート用溝1aの底面からp型不純物拡散領域41の底面(p型不純物拡散領域41とn-ドリフト層1との接合面)までの深さDT,PwellがDT,Pwell≦1.0μmの場合には、高い降伏電圧BVCESが得られており、降伏電圧の変動量ΔBVCESも低く抑えられている。 FIG. 93 is a diagram showing the relationship between DT, Pwell and BV CES and ΔBV CES in the seventh embodiment of the present invention. Here, ΔBV CES means a value obtained by subtracting BV CES when the gate potential is -20 V from BV CES when the gate potential is 0 V (the same potential as the emitter potential). Referring to FIG. 93, the depth DT, Pwell from the bottom of gate groove 1a to the bottom of p-type impurity diffusion region 41 (the junction surface between p-type impurity diffusion region 41 and n - drift layer 1) is D In the case of T, Pwell ≦ 1.0 μm, a high breakdown voltage BV CES is obtained, and the variation amount ΔBV CES of the breakdown voltage is also suppressed low.

以上により、1.0≦Y/X、1.0μm≦DT、または0<DT,Pwell≦1.0μmの条件を満たすようにゲート用溝1a、エミッタ用溝1bを製造することによって、IGBTの耐圧を向上できる。 As described above, by manufacturing the groove 1a for the gate and the groove 1b for the emitter so as to satisfy the condition of 1.0 ≦ Y / X, 1.0 μm ≦ D T , or 0 <D T, Pwell ≦ 1.0 μm, The breakdown voltage of the IGBT can be improved.

なお、図88においては、n型不純物拡散領域14がゲート用溝1a同士の間全体にわたって形成されている構成について説明したが、n型不純物拡散領域14は、以下の図94および図95に示すように、複数の溝同士の間の一部にのみ形成されていてもよい。   In FIG. 88, the configuration in which n-type impurity diffusion region 14 is formed over the entire space between gate grooves 1a is described. However, n-type impurity diffusion region 14 is shown in FIGS. 94 and 95 below. As such, it may be formed only in a part between the plurality of grooves.

図94および図95は、本発明の実施の形態7におけるトレンチゲート型IGBTの各種の構成を示す概略断面図である。図94に示す構成においては、n型不純物拡散領域14がゲートトレンチの周囲にのみ形成されている。n型不純物拡散領域14は、ゲート用溝1aに接触し、かつエミッタ用溝1bに接触しないように形成されている。一方、図95に示す構成では、n型不純物拡散領域14がエミッタトレンチの周囲にのみ形成されている。n型不純物拡散領域14は、2つのエミッタ用溝1bの各々に接触し、かつゲート用溝1aに接触しないように形成されている。   94 and 95 are schematic cross sectional views showing various configurations of the trench gate type IGBT in the seventh embodiment of the present invention. In the structure shown in FIG. 94, n-type impurity diffusion region 14 is formed only around the gate trench. The n-type impurity diffusion region 14 is formed so as to be in contact with the gate groove 1a and not to be in contact with the emitter groove 1b. On the other hand, in the configuration shown in FIG. 95, n-type impurity diffusion region 14 is formed only around the emitter trench. The n-type impurity diffusion region 14 is formed to be in contact with each of the two emitter grooves 1 b and not to be in contact with the gate groove 1 a.

なお、これ以外の構成については、図40に示す構造Eの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   The remaining configuration is substantially the same as the configuration of the structure E shown in FIG. 40, so the same members are denoted by the same reference characters and description thereof is not repeated.

本願発明者は、n型不純物拡散領域14の幅およびエミッタ用溝1bからの距離を制御することによって、コレクタ・エミッタ間電圧を低減でき、破壊エネルギを向上できることを見出した。   The inventor of the present application has found that the voltage between the collector and the emitter can be reduced and the breakdown energy can be improved by controlling the width of the n-type impurity diffusion region 14 and the distance from the emitter groove 1b.

図96は、WCSおよびXCSとVCEおよびESCとの関係を示す図である。ここで、WCSは平面的に見た場合の、エミッタ用溝1bの周囲に存在する領域におけるn型不純物拡散領域14の幅であり、XCSはエミッタ用溝1bからn型不純物拡散領域14の端部までの距離である。図96を参照して、n型不純物拡散領域14の幅WCSが6μm≦WCS≦9μmの場合、またはエミッタ用溝1bからn型不純物拡散領域14の端部までの距離XCSが0.5μm≦XCS≦2μmの場合には、コレクタ・エミッタ間電圧VCEが低減され、かつ高い短絡時の破壊エネルギESCが得られる。 FIG. 96 is a diagram showing the relationship between W CS and X CS and V CE and E SC . Here, W CS is the width of the n-type impurity diffusion region 14 in the region existing around the emitter groove 1 b in plan view, and X CS is the width of the n-type impurity diffusion region 14 from the emitter groove 1 b. The distance to the end of the Referring to FIG. 96, when width W CS of n-type impurity diffusion region 14 is 6 μm ≦ W CS ≦ 9 μm, or distance X CS from emitter groove 1b to the end of n-type impurity diffusion region 14 is 0. In the case of 5 μm ≦ X CS ≦ 2 μm, the collector-emitter voltage V CE is reduced and a high short-circuit breakdown energy ESC can be obtained.

図97は、本発明の実施の形態7における半導体装置におけるn型エミッタ領域3およびp+不純物拡散領域6の平面レイアウトを示す図である。図97を参照して、ゲート電極5aおよびエミッタ用導電層5bの各々が図中縦方向に延在しており、ゲート電極5aとエミッタ用導電層5bとの間、およびエミッタ用導電層5b同士の間にn型エミッタ領域3が形成されている。そして、n型エミッタ領域3は図中縦方向に延在しているおり、n型エミッタ領域3に挟まれた領域にp+不純物拡散領域6が周期的に形成されている。また、図98に示すように、n型エミッタ領域3とp+不純物拡散領域6とがゲート電極5aまたはエミッタ用導電層5bの延在方向(図中縦方向)に沿って交互に形成されていてもよい。 FIG. 97 shows a planar layout of n-type emitter region 3 and p + impurity diffusion region 6 in the semiconductor device in the seventh embodiment of the present invention. Referring to FIG. 97, each of gate electrode 5a and emitter conductive layer 5b extends in the vertical direction in the drawing, and between gate electrode 5a and emitter conductive layer 5b and between emitter conductive layers 5b. The n-type emitter region 3 is formed between them. The n-type emitter region 3 extends in the vertical direction in the figure, and p + impurity diffusion regions 6 are periodically formed in a region sandwiched by the n-type emitter regions 3. Further, as shown in FIG. 98, n-type emitter regions 3 and p + impurity diffusion regions 6 are alternately formed along the extending direction (vertical direction in the figure) of gate electrode 5a or emitter conductive layer 5b. May be

ここで、図97および図98に示すように、ゲート電極5aの延在方向に沿ったn型エミッタ領域3の幅をWSOと規定し、ゲート電極5aの延在方向に沿ったp+不純物拡散領域6の幅をWPCと規定する。本願発明者は、WSOとWPCとの関係を制御することによって、コレクタ・エミッタ間電圧を低減でき、破壊エネルギを向上できることを見出した。 Here, as shown in FIGS. 97 and 98, the width of n-type emitter region 3 along the extending direction of gate electrode 5a is defined as W 2 SO, and p + impurity along the extending direction of gate electrode 5a. The width of the diffusion region 6 is defined as W PC . The present inventors have discovered that by controlling the relation between the W SO and W PC, possible to reduce the collector-emitter voltage was found to be able to improve the fracture energy.

図99は、本発明の実施の形態7におけるαとVCE(sat)およびESCとの関係を示す図である。α(%)は、α=(WSO/WSO+WPC)×100で定義される値である。図99を参照して、αが8.0%≦α≦20.0%の範囲である場合には、低いコレクタ・エミッタ間電圧VCE(sat)が得られ、高い破壊エネルギESCが得られる。 FIG. 99 is a diagram showing the relationship between α and V CE (sat) and E SC in the seventh embodiment of the present invention. α (%) is a value defined by α = (W SO / W SO + W PC ) × 100. Referring to FIG. 99, when α is in the range of 8.0% ≦ α ≦ 20.0%, a low collector-emitter voltage V CE (sat) is obtained, and a high breakdown energy E SC is obtained. Be

(実施の形態8)
図100は、本発明の実施の形態8におけるゲートパッドの平面レイアウトを模式的に示す図である。図100を参照して、本実施の形態においては、ゲート電極配線11a(図87)の電流経路の一部が、局所的に高い抵抗を有する抵抗体28aによって形成されている。図100では、配線(表面ゲート配線)とゲート電極配線11aとを電気的に接続するためのゲートパッド28の一部が抵抗体28aによって形成されている。抵抗体28aの各々は、ゲートパッド28の中央部に設けられた開口部において、互いに対向するように突き出ている。抵抗体28aはたとえば図1または図75に示すゲート電極5aと同一の構造を有していてもよい。
Eighth Embodiment
FIG. 100 schematically shows a planar layout of a gate pad in the eighth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 100, in the present embodiment, a part of the current path of gate electrode interconnection 11a (FIG. 87) is formed of resistor 28a locally having high resistance. In FIG. 100, a part of the gate pad 28 for electrically connecting the wiring (surface gate wiring) and the gate electrode wiring 11a is formed by the resistor 28a. Each of the resistors 28 a protrudes so as to face each other at an opening provided at a central portion of the gate pad 28. Resistor 28a may have the same structure as, for example, gate electrode 5a shown in FIG. 1 or FIG.

図101および図102は、ゲート電圧の発振現象を説明するための図である。トレンチゲート構造のIGBTやMOSトランジスタなどでは、スイッチング速度が速くなると、図101に示すような電流Icの変動時に、コレクタ・エミッタ間電圧VCEが発振する。この原因は、デバイスが発振してしまうようなLCR回路定数になることにある。そこで、抵抗体28aを設けることにより、デバイスが発振しにくいLCR回路定数となる。その結果、図102に示すように、ゲート電圧Vgeの発振現象を抑制することができる。 FIGS. 101 and 102 are diagrams for explaining the oscillation phenomenon of the gate voltage. In such IGBT and MOS transistors of the trench gate structure, the switching speed increases, the time variation of the current I c as shown in FIG. 101, the collector-emitter voltage V CE oscillates. The cause of this is that the LCR circuit constant causes the device to oscillate. Therefore, by providing the resistor 28a, it becomes an LCR circuit constant which makes the device difficult to oscillate. As a result, as shown in FIG. 102, the oscillation phenomenon of the gate voltage V.sub.ge can be suppressed.

(実施の形態9)
IGBTにおけるVCE(sat)−EOFF特性を向上するためには、n-ドリフト層1の厚みを薄くすることが効果的であるが、n-ドリフト層1の厚みを薄くすると、高耐圧を実現することが難しくなる。そこで本願発明者は、p型ボディ領域2とn型不純物拡散領域14との接合面の電界強度EP/CS(n型不純物拡散領域14が形成されていない場合にはp型ボディ領域2とn-ドリフト層1との接合面の電界強度EP/N-)と、n型バッファ領域7とn-ドリフト層1との接合面の電界強度EN/N-との関係に着目することで、IGBTの耐圧を向上できることを見出した。
(Embodiment 9)
In order to improve the V CE (sat) -E OFF characteristics in the IGBT, n - although it is effective to reduce the thickness of the drift layer 1, n - when the thickness of the drift layer 1, a high breakdown voltage It will be difficult to realize. Therefore, the inventor of the present application has determined the electric field intensity EP / CS of the junction surface between the p-type body region 2 and the n-type impurity diffusion region 14 (if the n-type impurity diffusion region 14 is not formed, n - the electric field strength E P / N-) of the junction surface between the drift layer 1, n type buffer region 7 and n - noting the joint surface field strength E n / n-and the relationship between the drift layer 1 It has been found that the withstand voltage of the IGBT can be improved.

図103は、本発明の実施の形態9におけるIGBTの主接合にブレークダウン電圧よりもわずかに低い逆バイアスを印加した時の図1のXIX−XIX線に沿った電界強度分布を模式的に示す図である。図104は、本発明の実施の形態9における接合面の電界強度と降伏電圧との関係を示す図である。   FIG. 103 schematically shows an electric field strength distribution along line XIX-XIX in FIG. 1 when a reverse bias slightly lower than the breakdown voltage is applied to the main junction of the IGBT in the ninth embodiment of the present invention FIG. FIG. 104 is a diagram showing the relation between the electric field strength of the junction and the breakdown voltage in the ninth embodiment of the present invention.

図103を参照して、IGBTの主接合にブレークダウン電圧よりもわずかに低い逆バイアスを印加した時の半導体内の電界は、半導体基板の第1主面からp型ボディ領域2とn-ドリフト層1との接合面までの領域において急激に増加し、その後、n-ドリフト層1内では緩やかに減少し、n-ドリフト層1とn型バッファ領域7において急激に減少している。また、p型ボディ領域2およびn型バッファ領域7内で電界が0となっている。図104を参照して、n-ドリフト層1とp型ボディ領域2との接合面の電界強度EP/N-が0<EP/N-≦3.0×1015(V/cm)の場合に、高い降伏電圧BVCESが得られる。また、n型バッファ領域7とn-ドリフト層1との接合面の電界強度EN/N-が2.0×1014≦EN/N-(V/cm)の場合に、高い降伏電圧BVCESが得られる。EN/N-はEP/N-以下であることが好ましい。 Referring to FIG. 103, when a reverse bias slightly lower than the breakdown voltage is applied to the main junction of the IGBT, the electric field in the semiconductor is p-type body region 2 and n - drift from the first main surface of the semiconductor substrate. rapidly increases in the region up to the junction surface of the layer 1, then, n - slowly decreased in the drift layer within 1, n - has decreased sharply in the drift layer 1 and the n-type buffer region 7. In addition, the electric field is 0 in the p-type body region 2 and the n-type buffer region 7. Referring to FIG. 104, the electric field strength E P / N- of the junction surface between n - drift layer 1 and p-type body region 2 is 0 <E P / N- ≦ 3.0 × 10 15 (V / cm) In the case of, a high breakdown voltage BV CES is obtained. In addition, when the electric field strength E N / N- of the junction surface between the n-type buffer region 7 and the n - drift layer 1 is 2.0 × 10 14 ≦ E N / N- (V / cm), a high breakdown voltage BV CES is obtained. E N / N- is preferably E P / N- or less.

なお、実施の形態1〜8で説明した構造または数値範囲は、適宜組み合わせることができる。   The structures or numerical ranges described in the first to eighth embodiments can be combined as appropriate.

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。   The embodiments disclosed above should be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

本発明は、並列的な動作に適した高耐圧半導体装置、特にIGBTを備える半導体装置として適している。   The present invention is suitable as a high voltage semiconductor device suitable for parallel operation, in particular as a semiconductor device comprising an IGBT.

1 n-ドリフト層、1a ゲート用溝、1b エミッタ用溝、2 p型ボディ領域、3 n型エミッタ領域またはn型不純物拡散領域、4,4a ゲート絶縁膜、4b エミッタ用絶縁膜、5 導電層、5a ゲート電極、5b エミッタ用導電層、6 p+不純物拡散領域、7 n型バッファ領域、7a n型中間層、8 p型コレクタ領域、9,22A,22B 絶縁膜、9a コンタクトホール、10 バリアメタル層、11 エミッタ電極、11a ゲート電極配線、12,12a コレクタ電極、14,14a n型不純物拡散領域、15 パッシベーション膜、21a,21b シリサイド層、28 ゲートパッド、28a 抵抗体、31 マスク層、32,33 シリコン酸化膜、32a 犠牲酸化膜、41 p型不純物拡散領域。
1 n - drift layer, 1 a gate groove, 1 b emitter groove, 2 p type body region, 3 n type emitter region or n type impurity diffusion region, 4, 4 a gate insulating film, 4 b emitter insulating film, 5 conductive layer , 5a gate electrode, 5b emitter conductive layer, 6 p + impurity diffusion region, 7 n type buffer region, 7 an n type intermediate layer, 8 p type collector region, 9, 22A, 22B insulating film, 9a contact hole, 10 barrier Metal layer, 11 emitter electrode, 11a gate electrode wiring, 12, 12a collector electrode, 14, 14a n-type impurity diffusion region, 15 passivation film, 21a, 21b silicide layer, 28 gate pad, 28a resistor, 31 mask layer, 32 , 33 silicon oxide film, 32a sacrificial oxide film, 41 p-type impurity diffusion region.

Claims (3)

互いに対向する第1主面および第2主面を有する半導体基板と、
前記第1主面側に形成されたゲート電極(5a)と、前記第1主面側に形成された第1電極(11)と、前記第2主面に接触して形成された第2電極(12)とを有する素子とを備え、
前記素子は、前記ゲート電極に加えられる電圧によりチャネルに電界を発生させ、かつ前記チャネルの電界によって前記第1電極と前記第2電極との間の電流を制御し、
前記第1主面に形成され、かつ前記第1電極(11)と接触する第1導電型の第1エミッタ拡散層(6)と、
前記第1主面に形成され、かつ前記第1電極および前記第1エミッタ拡散層と接触する第2導電型の第2エミッタ拡散層(3)とをさらに備え、
前記第2主面に形成されたコレクタ領域をさらに備え、
前記コレクタ領域は、前記第2電極(12)と接触する第1導電型のコレクタ拡散層(8)と、前記コレクタ拡散層よりも前記第1主面側に形成された第2導電型のバッファ拡散層(7)と、第2導電型のドリフト拡散層(1)とを有し、前記ドリフト拡散層は前記バッファ拡散層よりも低い不純物濃度を有し、かつ前記バッファ拡散層と隣接して前記バッファ拡散層よりも第1主面側に形成され、
前記チャネルとなる第1導電型のボディ拡散層(2)と、
前記ボディ拡散層と前記ドリフト拡散層(1)との間に形成された第2導電型の埋込拡散層(14、14a)とをさらに備え、
前記半導体基板の前記第1主面にはゲート用溝(1a)およびエミッタ用溝(1b)が形成されており、前記ゲート用溝(1a)内には前記ゲート電極(5a)が埋め込まれており、かつ前記エミッタ用溝(1b)内にはエミッタ電位となる導電層(5b)が埋め込まれており、
前記埋込拡散層(14)は前記ゲート用溝に接触し、かつ前記エミッタ用溝に接触しないように形成され、
前記ゲート電極(5a)の延在方向に沿った前記第1エミッタ拡散層の幅(WPC)と前記ゲート電極の延在方向に沿った前記第2エミッタ拡散層の幅(WSO)との和に対する前記第2エミッタ拡散層の幅(WSO)の比(WSO/WSO+WPC)は、0.08以上0.20以下である、半導体装置。
A semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface facing each other;
A gate electrode (5a) formed on the first main surface side, a first electrode (11) formed on the first main surface side, and a second electrode formed in contact with the second main surface And an element having (12)
The device generates an electric field in a channel by a voltage applied to the gate electrode, and controls a current between the first electrode and the second electrode by the electric field of the channel;
A first emitter diffusion layer (6) of the first conductivity type formed on the first main surface and in contact with the first electrode (11);
And a second emitter diffusion layer (3) of a second conductivity type formed on the first main surface and in contact with the first electrode and the first emitter diffusion layer.
And a collector region formed on the second main surface,
The collector region is a collector diffusion layer (8) of a first conductivity type in contact with the second electrode (12), and a buffer of a second conductivity type formed closer to the first main surface than the collector diffusion layer A diffusion layer (7) and a drift diffusion layer (1) of the second conductivity type, the drift diffusion layer having an impurity concentration lower than that of the buffer diffusion layer, and adjacent to the buffer diffusion layer It is formed closer to the first major surface than the buffer diffusion layer,
A first diffusion type body diffusion layer (2) to be the channel;
And a buried diffusion layer (14, 14a) of the second conductivity type formed between the body diffusion layer and the drift diffusion layer (1).
A gate groove (1a) and an emitter groove (1b) are formed in the first main surface of the semiconductor substrate, and the gate electrode (5a) is embedded in the gate groove (1a). And a conductive layer (5b) serving as an emitter potential is embedded in the emitter groove (1b),
The buried diffusion layer (14) is formed in contact with the gate groove and not in contact with the emitter groove.
The width of said first emitter diffusion layer along the extending direction of the gate electrode (5a) (W PC) and the second width of the emitter diffusion layer along the extending direction of the gate electrode (W SO) and the The semiconductor device, wherein the ratio (W SO / W SO + W PC ) of the width (W SO ) of the second emitter diffusion layer to the sum is 0.08 or more and 0.20 or less.
記ドリフト拡散層を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(SN-)に対する前記バッファ拡散層を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(SN)の比は0.05以上100以下である、請求項1記載の半導体装置。 Before Kido atoms per unit area of the impurity constituting the lift diffusion layers (S N-) atoms per unit area of the impurity constituting the buffer diffusion layer to (S N) ratio of 0.05 over 100 The semiconductor device according to claim 1, which is the following. 互いに対向する第1主面および第2主面を有する半導体基板と、
前記第1主面側に形成されたゲート電極(5a)と、前記第1主面側に形成された第1電極(11)と、前記第2主面に接触して形成された第2電極(12)とを有する素子とを備え、
前記素子は、前記ゲート電極に加えられる電圧によりチャネルに電界を発生させ、かつ前記チャネルの電界によって前記第1電極と前記第2電極との間の電流を制御し、
前記第2主面に形成されたコレクタ領域をさらに備え、
前記コレクタ領域は、前記第2電極(12)と接触する第1導電型のコレクタ拡散層(8)と、前記コレクタ拡散層よりも前記第1主面側に形成された第2導電型のバッファ拡散層(7)と、第2導電型のドリフト拡散層(1)とを有し、前記ドリフト拡散層は前記バッファ拡散層よりも低い不純物濃度を有し、かつ前記バッファ拡散層と隣接して前記バッファ拡散層よりも第1主面側に形成され、
前記ドリフト拡散層を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(SN-)に対する前記バッファ拡散層を構成する不純物の単位面積あたりの原子数(SN)の比は0.05以上100以下であり、
前記チャネルとなる第1導電型のボディ拡散層(2)と
前記ボディ拡散層と前記ドリフト拡散層(1)との間に形成された第2導電型の埋込拡散層(14、14a)とをさらに備え、
前記半導体基板の前記第1主面にはゲート用溝(1a)およびエミッタ用溝(1b)が形成されており、前記ゲート用溝(1a)内には前記ゲート電極(5a)が埋め込まれており、かつ前記エミッタ用溝(1b)内にはエミッタ電位となる導電層(5b)が埋め込まれており、
前記埋込拡散層(14)は前記ゲート用溝に接触し、かつ前記エミッタ用溝に接触しないように形成され、
前記ボディ拡散層の底部からの前記ゲート用溝の突出量(DT)は1.0μm以上前記第2主面に達する深さ以下である、半導体装置。
A semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface facing each other;
A gate electrode (5a) formed on the first main surface side, a first electrode (11) formed on the first main surface side, and a second electrode formed in contact with the second main surface And an element having (12)
The device generates an electric field in a channel by a voltage applied to the gate electrode, and controls a current between the first electrode and the second electrode by the electric field of the channel;
And a collector region formed on the second main surface,
The collector region is a collector diffusion layer (8) of a first conductivity type in contact with the second electrode (12), and a buffer of a second conductivity type formed closer to the first main surface than the collector diffusion layer A diffusion layer (7) and a drift diffusion layer (1) of the second conductivity type, the drift diffusion layer having an impurity concentration lower than that of the buffer diffusion layer, and adjacent to the buffer diffusion layer It is formed closer to the first major surface than the buffer diffusion layer,
The ratio of the number of atoms per unit area (S N ) of the impurities constituting the buffer diffusion layer to the number of atoms per unit area (S N− ) of the impurities constituting the drift diffusion layer is 0.05 or more and 100 or less Yes,
A first diffusion type body diffusion layer (2) to be the channel ;
And a buried diffusion layer (14, 14a) of the second conductivity type formed between the body diffusion layer and the drift diffusion layer (1) .
A gate groove (1a) and an emitter groove (1b) are formed in the first main surface of the semiconductor substrate, and the gate electrode (5a) is embedded in the gate groove (1a). And a conductive layer (5b) serving as an emitter potential is embedded in the emitter groove (1b),
The buried diffusion layer (14) is formed in contact with the gate groove and not in contact with the emitter groove.
The semiconductor device according to claim 1, wherein a protrusion amount (D T ) of the gate groove from the bottom of the body diffusion layer is 1.0 μm or more and a depth reaching the second main surface.
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