JP6245087B2 - Reverse blocking IGBT and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、順逆高耐圧および高アバランシェ耐量を有する逆阻止IGBTとその製造方法に関する。 The present invention relates to a reverse blocking IGBT having a forward reverse high breakdown voltage and a high avalanche resistance and a method for manufacturing the reverse blocking IGBT.
パワーデバイスは、その主要な機能を担うデバイスとして電力変換装置に搭載される。そのようなパワーデバイスには、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)や金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)などが知られている。そのなかでもバイポーラ形デバイスであるIGBTは、導電度変調によって、高耐圧デバイスでも低オン電圧が得られ易く通電損失が小さいので、高電圧の電力変換回路で多用される。 The power device is mounted on the power conversion device as a device having the main function. As such a power device, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) and the like are known. Among these, IGBTs, which are bipolar devices, are frequently used in high-voltage power conversion circuits because they can easily obtain a low on-voltage even in a high breakdown voltage device due to conductivity modulation and have a small conduction loss.
この電力変換回路の中で、最近AC−AC直接変換器が着目されている。代表的なAC−AC直接変換器であるマトリクスコンバータでは、順逆方向に電流制御可能な複数の双方向スイッチングデバイスを必要とする。この双方向スイッチングデバイスとして通常のIGBTを用いる場合、IGBTにシリーズ接続された逆方向電圧阻止用のダイオードを必要とする。しかし、図25の逆阻止IGBTを2つ用いた双方向スイッチングデバイスの等価回路図に示すように、逆阻止IGBT(Reverse Blocking IGBT)を用いることによりシリーズ接続ダイオードを省くことができる、というメリットがある。さらに、搭載した回路の小型化、軽量化、高効率化および低コスト化等に繋がるメリットも得られる。 Among these power conversion circuits, an AC-AC direct converter has recently attracted attention. A matrix converter that is a typical AC-AC direct converter requires a plurality of bidirectional switching devices capable of current control in forward and reverse directions. When a normal IGBT is used as the bidirectional switching device, a reverse voltage blocking diode connected in series with the IGBT is required. However, as shown in the equivalent circuit diagram of the bidirectional switching device using two reverse blocking IGBTs in FIG. 25, there is an advantage that the series connection diode can be omitted by using the reverse blocking IGBT (Reverse Blocking IGBT). is there. Furthermore, there are also merits that lead to a reduction in the size, weight, efficiency and cost of the mounted circuit.
そのような従来の逆阻止IGBTの構造について、図13、図14を参照しながら以下説明する。図14は図13の破線枠内の拡大断面図である。 The structure of such a conventional reverse blocking IGBT will be described below with reference to FIGS. FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view inside the broken line frame of FIG.
逆阻止IGBTである半導体チップ200はn型シリコン半導体基板をドリフト層1として用いる。その一方の主面を表面300、他方の主面を裏面400とする。ドリフト層1の表面300側には主電流の流れる活性領域21とこの領域を取り囲む終端領域22とp型分離領域7を備える。このp型分離領域7は、半導体チップ200の切断面に沿って表面300側からドリフト層1を貫き、裏面400側のコレクタ層13に達する領域である。活性領域21の表面にはエミッタ電極10とゲートランナ8aと図示しないゲートパッド電極などを有し、終端領域22には高電界を緩和するフィールドリミッティングリング(FLR)25、フィールドプレート11などが設けられる。裏面400側の全面にはp型のコレクタ層13を備え、その主面にコレクタ電極14がコレクタ層13と接するように被着される。前記活性領域21の表面300側には、選択的にp型ベース領域3と、このp型ベース領域3表層に設けられるn+型エミッタ領域4と、このエミッタ領域4と前記ドリフト層1表面とに挟まれるp型ベース領域3の表面上にゲート絶縁膜9を介して堆積されるポリシリコンゲート電極8bとを有する、MOS構造が設けられる。前記p型ベース領域3表層には、前記n+型エミッタ領域4に沿面方向で隣接するp+型コンタクト領域5を有することが好ましい。エミッタ電極10はn+型エミッタ領域4とp+型コンタクト領域5の表面を短絡するように接触する。 The semiconductor chip 200 that is a reverse blocking IGBT uses an n-type silicon semiconductor substrate as the drift layer 1. One main surface is a front surface 300 and the other main surface is a back surface 400. On the surface 300 side of the drift layer 1, an active region 21 through which a main current flows, a termination region 22 surrounding this region, and a p-type isolation region 7 are provided. The p-type isolation region 7 is a region that penetrates the drift layer 1 from the surface 300 side along the cut surface of the semiconductor chip 200 and reaches the collector layer 13 on the back surface 400 side. The surface of the active region 21 has an emitter electrode 10, a gate runner 8a, a gate pad electrode (not shown), and the like, and the termination region 22 is provided with a field limiting ring (FLR) 25 that relaxes a high electric field, a field plate 11, and the like. It is done. A p-type collector layer 13 is provided on the entire surface on the back surface 400 side, and a collector electrode 14 is deposited on the main surface so as to be in contact with the collector layer 13. On the surface 300 side of the active region 21, a p-type base region 3, an n + -type emitter region 4 provided on the surface layer of the p-type base region 3, the emitter region 4, the surface of the drift layer 1, A MOS structure having a polysilicon gate electrode 8b deposited via a gate insulating film 9 on the surface of the p-type base region 3 sandwiched between them is provided. Preferably, the surface layer of the p-type base region 3 has a p + -type contact region 5 adjacent to the n + -type emitter region 4 in the creeping direction. The emitter electrode 10 is in contact so as to short-circuit the surfaces of the n + -type emitter region 4 and the p + -type contact region 5.
ポリシリコンゲート電極8bとポリシリコンゲートランナ8aとは図外で繋がり、ゲート信号を外部と入出力するための図示しないゲートパッド電極に接続される。ポリシリコンゲートランナ8aは活性領域21と終端領域22の間に配置され、ポリシリコンゲート電極8bとゲートパッド電極間でゲート電気信号を伝達するための領域である。ポリシリコンゲートランナ8aおよびゲートパッド電極の下の基板表層には、それぞれ、p型領域6(図示せず)が設けられる。 The polysilicon gate electrode 8b and the polysilicon gate runner 8a are connected outside the figure and are connected to a gate pad electrode (not shown) for inputting / outputting a gate signal to / from the outside. The polysilicon gate runner 8a is disposed between the active region 21 and the termination region 22, and is a region for transmitting a gate electric signal between the polysilicon gate electrode 8b and the gate pad electrode. A p-type region 6 (not shown) is provided in each of the substrate surface layers under the polysilicon gate runner 8a and the gate pad electrode.
図18に、特許文献1における、ゲートランナ直下とゲートパッド電極直下のp型領域6の平面パターンを示す。ここで、特許文献1は逆導通IGBTの例であるが、前述の逆阻止IGBTでもゲートランナ直下とゲートパッド電極直下のp型領域6は同様な平面配置となっている。これらのp型領域6は、MOSFETの高いアバランシェ降伏耐量や従来のIGBTの広い逆バイアス安全動作領域(Reverse−biased Safe Operating Area RBSOA)のために必要となる。 FIG. 18 shows a planar pattern of the p-type region 6 directly under the gate runner and directly under the gate pad electrode in Patent Document 1. Here, Patent Document 1 is an example of a reverse conducting IGBT, but the p-type region 6 immediately below the gate runner and the gate pad electrode has the same planar arrangement in the above-described reverse blocking IGBT. These p-type regions 6 are necessary for the high avalanche breakdown resistance of the MOSFET and the wide reverse-bias safe operating area (RBSOA) of the conventional IGBT.
逆導通IGBTは、IGBTとFWD(フリーホイーリングダイオード)とを同一半導体基板内に一体化させたデバイスであり、この場合、p型領域6はダイオードのアノード領域となる。この逆導通IGBTでは、活性領域21の外周を囲むように配置されるp型の低抵抗(高不純物濃度)p型領域6は、同一半導体基板に形成されるダイオードの逆回復損失を増大させてしまう欠点がある。さらにゲートパッド電極直下のp型領域6部分については、図19の平面図に示すようにスリット状またはストライプ状の選択的領域にイオン注入し熱拡散させることによりゲートランナ直下のp型領域6部分と繋げる構造としている。図20に、前記図19のA1−A2線断面図を示す。図20には、p型領域6部分の基板表面上に形成されることになる、前記図19では省略されているゲートパッド電極50およびアノード電極60なども追加して示されている。図19に示すストライプ状のp型領域6部分の不純物濃度は、選択的に設けられたイオン注入領域からの熱拡散により領域を広げて形成されるので、図18に示す領域全面にイオン注入されて形成されるp型領域6よりもドーズ量が少なく不純物濃度も低い。その理由は、図19のストライプ状のp型領域6のドーズ量および不純物濃度が図18の従来の全面p型領域6部分のドーズ量および不純物濃度より低減すると、ダイオード動作時にp型ベース領域52の外周のストライプ状のp型領域6からなるアノードからのキャリアー注入が減少するので、ダイオードの逆回復電流が低減し、好ましいからである。符号51はドリフト層、符号53はn型バッファ層、符号54はp+コレクタ層、符号55はn+カソード領域、符号56は絶縁膜をそれぞれ示す。 The reverse conducting IGBT is a device in which an IGBT and a FWD (free wheeling diode) are integrated in the same semiconductor substrate. In this case, the p-type region 6 is an anode region of the diode. In this reverse conducting IGBT, the p-type low resistance (high impurity concentration) p-type region 6 arranged so as to surround the outer periphery of the active region 21 increases the reverse recovery loss of the diode formed on the same semiconductor substrate. There is a drawback. Further, with respect to the p-type region 6 portion immediately below the gate pad electrode, as shown in the plan view of FIG. 19, the p-type region 6 portion immediately below the gate runner is ion-implanted and thermally diffused into a slit-shaped or stripe-shaped selective region. The structure is connected to FIG. 20 is a sectional view taken along line A1-A2 of FIG. FIG. 20 additionally shows a gate pad electrode 50 and an anode electrode 60 which are formed on the substrate surface in the p-type region 6 and are omitted in FIG. The impurity concentration of the striped p-type region 6 shown in FIG. 19 is formed by expanding the region by thermal diffusion from the selectively provided ion implantation region. Therefore, ions are implanted into the entire region shown in FIG. The dose amount is smaller and the impurity concentration is lower than that of the p-type region 6 formed in this manner. The reason for this is that if the dose and impurity concentration of the striped p-type region 6 in FIG. 19 are lower than the dose and impurity concentration of the conventional entire p-type region 6 portion of FIG. This is because the carrier injection from the anode formed of the striped p-type region 6 on the outer periphery of the diode is reduced, and the reverse recovery current of the diode is reduced, which is preferable. Reference numeral 51 denotes a drift layer, reference numeral 53 denotes an n-type buffer layer, reference numeral 54 denotes a p + collector layer, reference numeral 55 denotes an n + cathode region, and reference numeral 56 denotes an insulating film.
MOSFETやIGBTに関する特許文献2には、MOSFETのゲートパッド電極80直下にある高不純物濃度のp型領域5aの活性領域21へのはみ出しを抑制する構造が開示されている。図21とそのB1−B2線断面図である図22に示すように、特許文献2では、p型領域53および高不純物濃度のp型領域5aを、活性領域21内のp型ベース領域43の表面に設けられるp型コンタクト領域5bと同時に形成する構造を示している。その場合、前記ゲートパッド電極80直下にあるp型領域53および高不純物濃度のp型領域5aをセルフアラインで形成するために、活性領域内のポリシリコンゲート電極8bと同様にポリシリコン電極8aはゲートパッド電極直下の領域全体を覆うことなく分断されるように形成される必要がある。図22の符号41はn型ドリフト層、符号42はn+ソース領域、符号43はp型ベース領域、符号8bはポリシリコンゲート電極、符号9はゲート絶縁膜、符号14はドレイン電極、符号16はドレイン領域、符号17は層間絶縁膜、符号25はフィールドリミッティングリングである。 Patent Document 2 relating to a MOSFET or IGBT discloses a structure that suppresses the protrusion of the high impurity concentration p-type region 5a immediately below the gate pad electrode 80 of the MOSFET into the active region 21. As shown in FIG. 21 and FIG. 22, which is a cross-sectional view taken along line B 1 -B 2, in Patent Document 2, the p-type region 53 and the p-type region 5 a having a high impurity concentration are replaced with the p-type base region 43 in the active region 21. This shows a structure formed simultaneously with the p-type contact region 5b provided on the surface. In that case, in order to form the p-type region 53 immediately below the gate pad electrode 80 and the p-type region 5a having a high impurity concentration by self-alignment, the polysilicon electrode 8a is formed like the polysilicon gate electrode 8b in the active region. It needs to be formed so as to be divided without covering the entire region directly under the gate pad electrode. 22, reference numeral 41 denotes an n-type drift layer, reference numeral 42 denotes an n + source region, reference numeral 43 denotes a p-type base region, reference numeral 8b denotes a polysilicon gate electrode, reference numeral 9 denotes a gate insulating film, reference numeral 14 denotes a drain electrode, reference numeral 16 Is a drain region, numeral 17 is an interlayer insulating film, and numeral 25 is a field limiting ring.
特許文献3に記載の低耐圧MOSFET(図示せず)では、その製造工程の簡略化のため、前記低抵抗(高不純物濃度)p型領域5aは形成されない。この低耐圧MOSFETについて、図22を用いて説明する。p型ベース領域43と、この領域43上にゲート絶縁膜9を介して堆積されるポリシリコンゲート電極8bとを櫛歯状に形成する構造とすることにより、ゲート信号の引出部(ゲートパッド電極)とすることができるから、前記高不純物濃度のp型領域5aは形成されないのである。ここで、特許文献3では前述のように分離されたp型ベース領域43がFLR25とゲートランナ8a直下のp型領域6を兼ねることができるように、同時に形成(同じ深さに)される。 In the low breakdown voltage MOSFET (not shown) described in Patent Document 3, the low resistance (high impurity concentration) p-type region 5a is not formed in order to simplify the manufacturing process. This low breakdown voltage MOSFET will be described with reference to FIG. By adopting a structure in which the p-type base region 43 and the polysilicon gate electrode 8b deposited on the region 43 through the gate insulating film 9 are formed in a comb shape, a gate signal extraction portion (gate pad electrode) Therefore, the high impurity concentration p-type region 5a is not formed. Here, in Patent Document 3, the p-type base region 43 separated as described above is formed (at the same depth) at the same time so that it can serve as both the FLR 25 and the p-type region 6 immediately below the gate runner 8a.
前記図13に示す逆阻止IGBT200では、その活性領域21内のIGBTユニットセルはプレナーゲート構造で形成されている。破線枠内のゲートランナ8a近傍の拡大図を図14に示す。ゲートランナ8aの下方のpウェル6は、終端領域22にあるフィールドリミッティングリング25(以降、FLR25と略記)と同じ不純物プロファイルを有する。つまり、同時に形成される。図13には示されないが、ゲートパッド電極直下のpウェル6についても前述と同様の不純物プロファイルを有する。 In the reverse blocking IGBT 200 shown in FIG. 13, the IGBT unit cell in the active region 21 is formed with a planar gate structure. An enlarged view of the vicinity of the gate runner 8a within the broken line frame is shown in FIG. The p-well 6 below the gate runner 8a has the same impurity profile as the field limiting ring 25 (hereinafter abbreviated as FLR 25) in the termination region 22. That is, they are formed simultaneously. Although not shown in FIG. 13, the p-well 6 immediately below the gate pad electrode also has the same impurity profile as described above.
しかしながら、逆阻止IGBTの逆方向の耐圧(逆耐圧)は、単純に逆バイアスされるコレクタ接合13aの耐圧だけでは決まらない。図23に示すように、表面側のp型ベース領域3またはp型領域6をエミッタ、n-型ドリフト層1をベース、p型コレクタ層13をコレクタとするpnpトランジスタのオープンベース(open base)の耐圧の影響を受ける。すなわち、逆阻止IGBTの逆耐圧は、前記pnpトランジスタの増幅作用の影響を受けて、コレクタ接合13aの降伏耐圧より小さくなる。例えば、図13に示す逆阻止IGBTでは、その終端構造22内の電界緩和構造が適切に設計される場合であっても、前記ゲートランナ8aとゲートパッドとの各直下のp型領域6を有する部分が活性領域21内のp型ベースを有する部分よりも逆降伏しやすく、逆耐圧を決める。その理由はゲートランナ8a直下のpウェル6のドーズ量が、活性領域21のp型ベース領域3のドーズ量より、10倍以上大きく、さらにその接合が深いため、その分、n-型ドリフト層1の厚さが薄くなり、前述のように寄生pnpトランジスタの増幅率が高くなるからである。 However, the reverse breakdown voltage (reverse breakdown voltage) of the reverse blocking IGBT is not determined simply by the breakdown voltage of the reverse-biased collector junction 13a. As shown in FIG. 23, an open base of a pnp transistor having the p-type base region 3 or p-type region 6 on the surface side as an emitter, the n − -type drift layer 1 as a base, and the p-type collector layer 13 as a collector. Influenced by the withstand pressure. That is, the reverse breakdown voltage of the reverse blocking IGBT is smaller than the breakdown breakdown voltage of the collector junction 13a due to the influence of the amplification action of the pnp transistor. For example, the reverse blocking IGBT shown in FIG. 13 has the p-type region 6 immediately below each of the gate runner 8a and the gate pad even when the electric field relaxation structure in the termination structure 22 is appropriately designed. The portion is more easily reverse breakdown than the portion having the p-type base in the active region 21, and determines the reverse breakdown voltage. The reason is the dose of the p-well 6 immediately below the gate runner 8a is than the dose of the p-type base region 3 in the active region 21, 10 times or more greater, since further the junction is deep, correspondingly, n - -type drift layer This is because the thickness of 1 is reduced and the amplification factor of the parasitic pnp transistor is increased as described above.
一般的な逆阻止IGBTでは、ゲートランナ8aとゲートパッド直下のpウェル6の合計面積は活性領域21の面積より狭いため、逆方向電圧印加時のエネルギーがその狭い領域に集中する場合、アバランシェ耐量と逆回複耐量が小さくなるという問題がある。 In a general reverse blocking IGBT, the total area of the gate runner 8a and the p-well 6 immediately below the gate pad is narrower than the area of the active region 21, so that when the energy at the time of reverse voltage application is concentrated in the narrow region, the avalanche resistance There is a problem that the reverse double resistance is reduced.
本発明は以上のことを鑑みてなされたものであり、従来の逆阻止IGBTより高い逆耐圧と高いアバランシェ耐量および逆回復耐量が得られる逆阻止IGBTおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a reverse blocking IGBT capable of obtaining a higher reverse breakdown voltage and higher avalanche resistance and reverse recovery resistance than a conventional reverse blocking IGBT and a manufacturing method thereof. .
本発明は前記目的を達成するために、ドリフト層となる第一導電型半導体基板の一面側に、第二導電型ベース領域、該第二導電型ベース領域の表層に選択的に設けられる第一導電型エミッタ領域、該エミッタ領域と前記ドリフト層の表面に挟まれる前記第二導電型ベース領域表面上にゲート酸化膜を介して接触するゲート電極からなるMOSゲート構造を主領域とする活性領域と、該活性領域の外周を取り囲むフィールドリミッティングリングを含む電界緩和構造を有する終端領域と、他面側に第二導電型コレクタ層と、前記終端領域の外周にあって前記一面側から前記ドリフト層を貫き第二導電型コレクタ層に接する第二導電型分離領域と、前記一面側の前記活性領域と前記終端領域の間に第二導電型ウェルと、を備え、該第二導電型ウェルの前記一面側表面からの深さおよび不純物量が、第二導電型ベース領域の深さおよび不純物量以上であり、かつ前記フィールドリミッティングリングの深さおよび不純物量未満である逆阻止型IGBTとする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a second conductivity type base region and a first layer selectively provided on the surface layer of the second conductivity type base region on one surface side of the first conductivity type semiconductor substrate serving as a drift layer. A conductive type emitter region, an active region mainly comprising a MOS gate structure comprising a gate electrode in contact with a surface of the second conductive type base region sandwiched between the emitter region and the surface of the drift layer via a gate oxide film; A termination region having an electric field relaxation structure including a field limiting ring surrounding the outer periphery of the active region, a second conductivity type collector layer on the other surface side, and the drift layer from the one surface side on the outer periphery of the termination region A second conductivity type isolation region that is in contact with the second conductivity type collector layer, and a second conductivity type well between the active region and the termination region on the one surface side. A reverse blocking IGBT in which the depth and the amount of impurities from the surface of the one surface are equal to or greater than the depth and the amount of impurities of the second conductivity type base region and less than the depth and the amount of impurities of the field limiting ring; To do.
また、本発明は、ドリフト層となる第一導電型半導体基板の一面側に、第二導電型ベース領域、該第二導電型ベース領域を貫きドリフト領域に達するトレンチ、該トレンチ内部にゲート酸化膜を介して接触するゲート電極、前記ベース領域の表面に選択的に形成され、前記トレンチゲート酸化膜と接する第1導電型エミッタ領域からなるMOSゲート構造を主領域とする活性領域と、該活性領域の外周を取り囲むフィールドリミッティングリングを含む電界緩和構造を有する終端領域と、他面側に第二導電型コレクタ層と、前記終端領域の外周にあって前記一面側から前記ドリフト層を貫き第二導電型コレクタ層に接する第二導電型分離領域と、前記一面側の前記活性領域と前記終端領域の間に第二導電型ウェルと、を備え、該第二導電型ウェルの前記一面側表面からの深さおよび不純物量が、第二導電型ベース領域の深さおよび不純物量以上であり、かつ前記フィールドリミッティングリングの深さおよび不純物量未満である逆阻止型IGBTとする。 Further, the present invention provides a second conductivity type base region on one surface side of the first conductivity type semiconductor substrate serving as a drift layer, a trench reaching the drift region through the second conductivity type base region, and a gate oxide film in the trench An active region having a MOS gate structure as a main region selectively formed on the surface of the base region and having a first conductivity type emitter region in contact with the trench gate oxide film, and the active region A termination region having an electric field relaxation structure including a field limiting ring that surrounds the outer periphery of the second region, a second conductivity type collector layer on the other surface side, and a second outer periphery of the termination region that penetrates the drift layer from the one surface side. A second conductivity type isolation region in contact with the conductivity type collector layer; and a second conductivity type well between the active region and the termination region on the one surface side. The reverse blocking IGBT in which the depth and the amount of impurities from the surface on the one surface side are equal to or greater than the depth and the amount of impurities of the second conductivity type base region and less than the depth and the amount of impurities of the field limiting ring And
前記第二導電型ウェルが前記フィールドリミッティングリングの不純物量の1/10以下であることが好ましい。 The second conductivity type well is preferably 1/10 or less of the impurity amount of the field limiting ring.
前記第二導電型ウェルの表面上に酸化膜を介してゲートランナを有することも好ましい。 It is also preferable to have a gate runner on the surface of the second conductivity type well via an oxide film.
前記ゲートランナがポリシリコン層であることが望ましい。 The gate runner is preferably a polysilicon layer.
前記ポリシリコン層がドープドポリシリコン層であることもより望ましい。 More preferably, the polysilicon layer is a doped polysilicon layer.
前記第二導電型ウェル内に複数のイオン注入領域を均等配置し、イオン注入後の熱拡散により該複数のイオン注入領域が相互に重なって前記第二導電型ウェルを形成する逆阻止IGBTの製造方法とすることが望ましい。 Manufacturing of reverse blocking IGBT in which a plurality of ion implantation regions are evenly arranged in the second conductivity type well, and the plurality of ion implantation regions are overlapped with each other by thermal diffusion after ion implantation. A method is desirable.
前記イオン注入が前記フィールドリミッティングリングを形成するためのイオン注入と同時に行われる逆阻止IGBTの製造方法とすることがより好適である。 It is more preferable to use a reverse blocking IGBT manufacturing method in which the ion implantation is performed simultaneously with ion implantation for forming the field limiting ring.
本発明の要点は、活性領域と終端領域を連結する、ゲートランナ直下およびゲートパッド直下のpウェルのドーズ量を終端領域のFRLのドーズ量の1/10以下、活性領域内のIGBTのユニットセルのp型ベース領域のドーズ量と同等以上にし、またその深さをFLR以下、p型ベース領域以上の逆阻止IGBTとすることである。 The gist of the present invention is that the dose amount of the p-well just below the gate runner and the gate pad connecting the active region and the termination region is 1/10 or less of the dose amount of the FRL in the termination region, and the IGBT unit cell in the active region In other words, the dose is equal to or greater than the dose of the p-type base region, and the depth thereof is FLR or less and the reverse blocking IGBT is greater than the p-type base region.
本発明によれば、従来の逆阻止IGBTより高い逆耐圧と高いアバランシェ耐量および逆回復耐量が得られる逆阻止IGBTおよびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a reverse blocking IGBT and a method for manufacturing the same that can provide a higher reverse breakdown voltage and higher avalanche resistance and reverse recovery resistance than conventional reverse blocking IGBTs.
以下、本発明の逆阻止IGBTとその製造方法にかかる実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明をできるだけ省略する。また、以下の説明に用いられる添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。また、本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施形態の記載に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the reverse blocking IGBT of the present invention and the manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and overlapping descriptions are omitted as much as possible. In addition, the accompanying drawings used in the following description are not drawn with an accurate scale and dimensional ratio for easy understanding and understanding. Moreover, this invention is not limited to description of embodiment described below, unless the summary is exceeded.
本発明の逆阻止IGBTからなる半導体チップ100は、図1の要部断面図に示すように、n型シリコン半導体基板からなるドリフト層1を中心に、エミッタ側の表面30とコレクタ側の裏面40を有する。表面30側は主電流の流れる活性領域21とこの領域を取り囲む終端領域22とp型分離領域7とを備える。活性領域21の表面にはエミッタ電極10とゲートパッド電極(図示せず)が被覆され、終端領域22には高電界を緩和するFLR25、フィールドプレート11などが設けられる。p型分離領域7は表面30側から半導体チップ100の切断面に沿って、ドリフト層1を貫き、裏面40側のコレクタ層13に達する領域である。裏面40側には全面にp型のコレクタ層13を備えコレクタ電極14が接する。 A semiconductor chip 100 made of a reverse blocking IGBT according to the present invention has a emitter-side surface 30 and a collector-side back surface 40 with a drift layer 1 made of an n-type silicon semiconductor substrate as the center, as shown in the cross-sectional view of the main part of FIG. Have The surface 30 side includes an active region 21 through which a main current flows, a termination region 22 surrounding this region, and a p-type isolation region 7. The surface of the active region 21 is covered with an emitter electrode 10 and a gate pad electrode (not shown), and the termination region 22 is provided with an FLR 25 that relaxes a high electric field, a field plate 11 and the like. The p-type isolation region 7 is a region that penetrates the drift layer 1 and reaches the collector layer 13 on the back surface 40 side along the cut surface of the semiconductor chip 100 from the front surface 30 side. A p-type collector layer 13 is provided on the entire back surface 40 side, and a collector electrode 14 is in contact therewith.
前記FLR25と活性領域21の間に本発明で特徴とするpウェル18(p型領域)が設けられる。本発明の逆阻止IGBTはこのpウェル18の拡散プロファイルに後述する特徴を有するように形成されている。また、前記活性領域21の表面30側には、選択的にp型ベース領域3と、この領域3表層内に設けられるn+型エミッタ領域4と、このエミッタ領域4と前記ドリフト層1の表面とに挟まれるp型ベース領域3の表面上にゲート絶縁膜9を介して堆積されるポリシリコンゲート電極8bと、からなるMOS構造が設けられる。前記p型ベース領域3表面には、前記n+型エミッタ領域4に沿面方向で隣接するp+型コンタクト領域5を有することが好ましい。エミッタ電極10がn+型エミッタ領域4とp+型コンタクト領域5の表面を短絡するように共通に接触し、さらに前記ポリシリコンゲート電極8b上を層間絶縁膜17を介して覆っている。活性領域21の最外周のp型ベース領域3はpウェル18と一部で重なっている。pウェル18の上に酸化膜を介してゲート電極配線となるゲートランナ8aとこのゲートランナ8aに図外で繋がるゲート電極8bとが同時にポリシリコンにより形成される。前記pウェル18はp型ベース領域3と同等またはそれ以上の深さを有し、前記FLR25より浅く、不純物量が従来のpウェル(p型領域6)より低減されていることが本発明の逆阻止IGBTの特徴である。 A p-well 18 (p-type region), which is a feature of the present invention, is provided between the FLR 25 and the active region 21. The reverse blocking IGBT of the present invention is formed so that the diffusion profile of the p-well 18 has the characteristics described later. Further, on the surface 30 side of the active region 21, a p-type base region 3, an n + -type emitter region 4 provided in the surface layer of the region 3 and the surfaces of the emitter region 4 and the drift layer 1 are selectively provided. A MOS structure comprising a polysilicon gate electrode 8b deposited via a gate insulating film 9 is provided on the surface of the p-type base region 3 sandwiched between the two. It is preferable that the surface of the p-type base region 3 has a p + -type contact region 5 adjacent to the n + -type emitter region 4 in the creeping direction. An emitter electrode 10 is in common contact so as to short-circuit the surfaces of the n + -type emitter region 4 and the p + -type contact region 5, and further covers the polysilicon gate electrode 8 b via an interlayer insulating film 17. The p-type base region 3 at the outermost periphery of the active region 21 partially overlaps with the p-well 18. A gate runner 8a serving as a gate electrode wiring via an oxide film and a gate electrode 8b connected to the gate runner 8a outside the figure are simultaneously formed on the p-well 18 by polysilicon. The p-well 18 has a depth equal to or greater than that of the p-type base region 3, is shallower than the FLR 25, and has an impurity amount reduced from that of the conventional p-well (p-type region 6). This is a feature of reverse blocking IGBT.
pウェル18のドーズ量はp型ベース領域3と同等またはそれ以上であって、前記FLR25のドーズ量の1/10以下である。このように前記FLR25のドーズ量の1/10以下とするために、前記Pウェル18を形成するためのイオン注入領域を従来のpウェル(p型領域6)のイオン注入領域の1/10以下の面積となるように選択された領域とする。ただし、選択的イオン注入領域を熱処理して熱拡散により連続的となったpウェル領域18が従来のpウェル(p型領域6)と同等の平面面積となるように、前述の1/10以下の面積のイオン注入領域を均等に分散配置することが本発明の逆阻止IGBTの製造方法の特徴である。ちなみに、イオン注入領域を均等に分散配置することは、前述の特許文献1にも記載されているが、ゲートパッド電極下のP型領域のみである。本発明の逆阻止IGBTでは、逆耐圧を低下させないために、前記特許文献1とは異なり、ゲートパッド電極下およびゲートランナ下のP型領域の両方で、イオン注入領域を均等に分散配置して、この領域のドーズ量を従来のようにP型領域より少なくし不純物濃度を低減し、深さを浅くしたプロファイルとする。 The dose amount of the p well 18 is equal to or more than that of the p-type base region 3 and is 1/10 or less of the dose amount of the FLR 25. Thus, in order to make the dose amount of the FLR 25 1/10 or less, the ion implantation region for forming the P well 18 is 1/10 or less of the ion implantation region of the conventional p well (p-type region 6). It is assumed that the area is selected so as to have an area of. However, the above-mentioned 1/10 or less so that the p-well region 18 which is made continuous by thermal diffusion by heat-treating the selective ion implantation region has the same planar area as the conventional p-well (p-type region 6). It is a feature of the manufacturing method of the reverse blocking IGBT of the present invention that the ion-implanted regions having the same area are uniformly distributed. Incidentally, evenly distributing and arranging the ion implantation regions is described in Patent Document 1 described above, but only the P-type region under the gate pad electrode. In the reverse blocking IGBT of the present invention, in order not to reduce the reverse breakdown voltage, unlike the above-mentioned Patent Document 1, ion implantation regions are distributed evenly in both the P-type region under the gate pad electrode and under the gate runner. The dose amount in this region is made smaller than that in the conventional P-type region, the impurity concentration is reduced, and the depth is made shallower.
図2に、本発明にかかる逆阻止IGBT(図1)の破線枠内にあるゲートランナ近傍の拡大断面図を示す。図2の活性領域21内のユニットセルはプレナーゲート構造で示されているが、図24に示すようなトレンチゲート構造とすることもできる。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the gate runner in the broken line frame of the reverse blocking IGBT according to the present invention (FIG. 1). Although the unit cell in the active region 21 in FIG. 2 is shown as a planar gate structure, it may be a trench gate structure as shown in FIG.
本願発明の逆阻止IGBT(図1)とそのゲートランナ近傍の拡大断面図である図2について、pウェル18(p型領域6)のドーズ量をパラメータとして、室温逆耐圧とドリフト層の厚さの関係を調べた結果を図3に示す。ドリフト層1の不純物濃度nはn=1.22×1014cm-3である。キャリアーライフタイム(τ)は電子線照射などで空間的に均一に調整し、電子のライフタイムは0.35μsとし、ホールのライフタイムはその1/3とする。pウェル18の幅を48μmとし、pウェル18と連結するハーフセルの幅は12.5μmとする。p型ベース領域3のドーズ量を2.5×1013cm-2、FLR25(図14のp型領域6)のドーズ量を2.5×1015cm-2とする。 The reverse blocking IGBT of the present invention (FIG. 1) and FIG. 2 which is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the gate runner, the room temperature reverse breakdown voltage and the thickness of the drift layer using the dose amount of the p well 18 (p type region 6) as parameters. The result of examining the relationship is shown in FIG. The impurity concentration n of the drift layer 1 is n = 1.22 × 10 14 cm −3 . The carrier lifetime (τ) is adjusted spatially and uniformly by electron beam irradiation, the electron lifetime is 0.35 μs, and the hole lifetime is 1/3 thereof. The width of the p well 18 is 48 μm, and the width of the half cell connected to the p well 18 is 12.5 μm. The dose amount of the p-type base region 3 is 2.5 × 10 13 cm −2 , and the dose amount of the FLR 25 (p-type region 6 in FIG. 14) is 2.5 × 10 15 cm −2 .
図3には、pウェル18のドーズ量が、p型ベース領域3と同等(すなわち2.5×1013cm-2)である場合と、FLR25(図14のp型領域6)のドーズ量(2.5×1015cm-2)の1%と、10%と、100%の場合の4つをパラメータとする場合の室温逆耐圧とドリフト層1厚さの関係図を示す。図3からpウェル18のドーズ量がFLR25のドーズ量と同じ100%の場合(図14のp型領域6の場合)、絶対値で前記ゲートランナ部やゲートパッド部の逆耐圧は活性領域の逆耐圧(pウェル18のドーズ量がp型ベース領域3と同等の場合の逆耐圧)より約50V低くなっていることがわかる。その場合、逆耐圧は耐圧の低い前記ゲートパッド部やゲートランナ部で決まることになる。一般的に、これらの高電界強度部(ゲートパッド部やゲートランナ部)の面積は活性領域の面積より格段に小さい。このため、高電界による電界集中が狭い面積に局部的に生じ易くなる結果、素子の逆耐圧が低くなるほか、逆方向のアバランシェエネルギーや逆阻止IGBTのダイオードモードでの逆回復エネルギーが局在する(集中する)ことで全体の耐量が弱くなる。 3 shows a case where the dose of the p-well 18 is equivalent to that of the p-type base region 3 (that is, 2.5 × 10 13 cm −2 ), and a dose of FLR 25 (p-type region 6 in FIG. 14). The relationship diagram of room temperature reverse withstand voltage and drift layer 1 thickness in the case where four parameters of 1% (2.5 × 10 15 cm −2 ), 10%, and 100% are used is shown. From FIG. 3, when the dose amount of the p-well 18 is 100% which is the same as the dose amount of the FLR 25 (in the case of the p-type region 6 in FIG. 14), the reverse breakdown voltage of the gate runner portion and the gate pad portion is It can be seen that the reverse breakdown voltage (reverse breakdown voltage when the dose of the p-well 18 is equivalent to that of the p-type base region 3) is about 50V lower. In that case, the reverse withstand voltage is determined by the gate pad part or the gate runner part having a low withstand voltage. Generally, the area of these high electric field strength portions (gate pad portion and gate runner portion) is much smaller than the area of the active region. For this reason, electric field concentration due to a high electric field is likely to occur locally in a narrow area. As a result, the reverse breakdown voltage of the element is lowered, and reverse avalanche energy and reverse recovery energy in the diode mode of the reverse blocking IGBT are localized. (Concentrate) weakens the overall tolerance.
本発明の逆阻止IGBTのpウェル18では、pウェル18の形成のためのイオン注入領域面積を小さくすることにより、そのドーズ量(総不純物量)を、従来のpウェル(p型領域6)のドーズ量より低減させたので、前記図23で説明したように逆耐圧を決めるバイポーラ―トランジスタの増幅係数が小さくなり、その結果、逆耐圧が向上する。たとえば、pウェル18のドーズ量(総不純物量)をFLR25の1/10以下にすれば、図3から前記ゲートランナ・ゲートパッド直下のpウェル接合と活性領域のp型ベース領域接合とにおける逆耐圧の差を40V程度以下に抑制することができる。その結果、逆方向降伏がゲートランナやゲートパッド直下で先に発生しても、温度上昇などでそれら部分の耐圧が向上し、やがて活性領域全体で降伏するようになる。従って、逆方向のアバランシェ耐量やダイオードモードでの逆回復耐量も向上できる。 In the p-well 18 of the reverse blocking IGBT of the present invention, by reducing the area of the ion implantation region for forming the p-well 18, the dose amount (total impurity amount) is reduced to the conventional p-well (p-type region 6). Therefore, as described with reference to FIG. 23, the amplification factor of the bipolar transistor that determines the reverse breakdown voltage is reduced, and as a result, the reverse breakdown voltage is improved. For example, if the dose amount (total impurity amount) of the p-well 18 is set to 1/10 or less of the FLR 25, the reverse of the p-well junction immediately below the gate runner / gate pad and the p-type base region junction of the active region from FIG. The difference in breakdown voltage can be suppressed to about 40 V or less. As a result, even if a reverse breakdown occurs immediately under the gate runner or gate pad, the breakdown voltage of those portions is improved due to a temperature rise or the like, and eventually the entire active region is broken. Therefore, the reverse avalanche resistance and the reverse recovery resistance in the diode mode can be improved.
前記図2に示すpウェル18は前記図14に示す従来のpウェル(p型領域6)と同様の製造工程において、イオン注入パターンの面積を小さくするように変えてドーズ量(総不純物量)を低減することにより形成することができる。 The p-well 18 shown in FIG. 2 has a dose (total amount of impurities) in the same manufacturing process as the conventional p-well (p-type region 6) shown in FIG. It can form by reducing.
まずFLR25の形成までの製造工程は、従来の逆阻止IGBT(図13)のFLR25の形成と同様の製造工程であるので、図13を参照して以下説明する。 First, the manufacturing process up to the formation of FLR 25 is the same as the manufacturing process of FLR 25 of the conventional reverse blocking IGBT (FIG. 13), and will be described below with reference to FIG.
抵抗率が28〜35Ωcmのn型FZ−Siウェハの表面に熱酸化で酸化膜を形成する。フォトリソグラフィ工程を経て、酸化膜をパターンエッチングにより分離領域用開口部を形成する。その後、フォトレジストを除去し、ウェハを洗浄する。前記分離領域用開口部に薄いスクリーン酸化膜を熱酸化により形成する。酸化膜をマスクとして、前記分離領域用開口部に5×1015cm-2のボロンイオンを45KeVのイオン注入エネルギーで注入する。酸化膜の厚さは開口部以外へのボロンイオンのSiウェハへの注入がマスクされる厚さとする必要がある。イオン注入されたボロンイオンに対して、従来と同様の熱拡散工程を加え、p型分離領域7を形成する。熱拡散の雰囲気は酸素を含むArまたN2とする。拡散の温度は1250〜1350℃とする。拡散時間は設計耐圧に必要なウェハ厚さ、すなわち、p型分離領域7の最終深さに依存する。耐圧700Vクラス素子の場合は140時間程度が必要となる。その時、p型分離領域7の深さは120μm以上となる。その後、マスクとして用いたウェハ面の酸化膜およびスクリーン酸化膜を除去する。 An oxide film is formed by thermal oxidation on the surface of an n-type FZ-Si wafer having a resistivity of 28 to 35 Ωcm. An isolation region opening is formed by pattern etching of the oxide film through a photolithography process. Thereafter, the photoresist is removed and the wafer is washed. A thin screen oxide film is formed in the isolation region opening by thermal oxidation. Using the oxide film as a mask, boron ions of 5 × 10 15 cm −2 are implanted into the isolation region opening with an ion implantation energy of 45 KeV. The thickness of the oxide film needs to be a thickness that masks implantation of boron ions other than the opening into the Si wafer. A p-type isolation region 7 is formed by adding a thermal diffusion process similar to the conventional one to the boron ions implanted. The atmosphere for thermal diffusion is Ar or N 2 containing oxygen. The diffusion temperature is 1250 to 1350 ° C. The diffusion time depends on the wafer thickness necessary for the design breakdown voltage, that is, the final depth of the p-type isolation region 7. In the case of a withstand voltage 700V class element, about 140 hours are required. At that time, the depth of the p-type isolation region 7 is 120 μm or more. Thereafter, the oxide film and screen oxide film on the wafer surface used as a mask are removed.
図15に示すように、従来の逆阻止IGBTの製造工程では、熱酸化により再度厚さ約0.8μmの初期熱酸化膜19をウェハの表面に形成し、フォトリソグラフィ工程で初期酸化膜19をパターニングし、FLR25用開口部20a、pウェル(p型領域6)形成用開口部20bを形成する。フォトレジストマスク20を除去した後、スクリーン酸化膜を約30〜80nmの厚さで熱酸化により形成する。図16に示すように、ウェハ全面にボロンイオンを注入する。注入エネルギーが30〜60KeV、ドーズ量が1〜2.5×1015cm-2とする。 As shown in FIG. 15, in the conventional reverse blocking IGBT manufacturing process, an initial thermal oxide film 19 having a thickness of about 0.8 μm is formed again on the wafer surface by thermal oxidation, and the initial oxide film 19 is formed by a photolithography process. Patterning is performed to form an opening 20a for FLR 25 and an opening 20b for forming a p-well (p-type region 6). After removing the photoresist mask 20, a screen oxide film is formed by thermal oxidation with a thickness of about 30 to 80 nm. As shown in FIG. 16, boron ions are implanted into the entire surface of the wafer. The implantation energy is 30 to 60 KeV, and the dose is 1 to 2.5 × 10 15 cm −2 .
図17に示すように、温度を1050〜1150℃で、熱拡散時間を200〜250分とし、不活性雰囲気においてドライブインして、接合深さ8〜9μmのFLR25およびpウェル(p型領域6)を形成した。 As shown in FIG. 17, the temperature is 1050 to 1150 ° C., the thermal diffusion time is 200 to 250 minutes, the drive-in is performed in an inert atmosphere, and the FLR 25 and the p well (p-type region 6) with a junction depth of 8 to 9 μm are used. ) Was formed.
これに対し、本発明の逆阻止IGBTでは、図15の右端に示す従来のpウェル用開口部20b内のパターンを、前記図4の平面図示すように、複数の均等に配置されたスリット状開口部20cとする。従来のように全部開口する場合は、前記イオン注入ドーズ量のすべてがその開口部に注入される。その場合、工程完了時は従来のようにFLR25(開口部は20aとする)と同プロファイルのpウェル(p型領域6)(開口部20b)が形成される。しかし、本発明にかかる実施例1のように、従来のpウェル用開口部20b内のパターンを図4のような複数の均等に配置されたスリット状開口部20cとする場合、具体的には、図4示すように、A=2μmのスリット開口部を直交方向でB=8μm間隔に配置すれば、このスリット状開口部には等価的に従来のpウェル(p型領域6)の開口部20aの約8%の面積になる。つまり、従来例と同様にFLR25と同じドーズ量であれば、本発明のpウェル18のドーズ量は従来のpウェル(p型領域6)の8%のドーズ量が注入される。 On the other hand, in the reverse blocking IGBT of the present invention, the pattern in the conventional p-well opening 20b shown at the right end of FIG. 15 is formed into a plurality of evenly arranged slits as shown in the plan view of FIG. Let it be the opening 20c. When all the openings are opened as in the prior art, all of the ion implantation dose is implanted into the opening. In that case, when the process is completed, a p-well (p-type region 6) (opening 20b) having the same profile as that of FLR 25 (opening 20a) is formed as in the prior art. However, when the pattern in the conventional p-well opening 20b is a plurality of evenly arranged slit-like openings 20c as shown in FIG. 4 as in the first embodiment according to the present invention, specifically, 4, if slit openings of A = 2 μm are arranged at an interval of B = 8 μm in the orthogonal direction, this slit-like opening is equivalent to the opening of a conventional p-well (p-type region 6). The area is about 8% of 20a. That is, if the dose is the same as that of the FLR 25 as in the conventional example, the dose of the p-well 18 of the present invention is 8% of that of the conventional p-well (p-type region 6).
従来の逆阻止IGBTのゲートランナ直下のpウェル(p型領域6)の幅は数十μm以上ある。例えば、図14ではpウェル(p型領域6)の幅は48μmであるので、前述のような48μm幅のpウェル6内に、2μm×2μm角のスリット開口部20cを前記図4のような配置で複数形成するフォトレジストパターンにすると、本発明の逆阻止IGBTのpウェル18にすることができる。このように本発明にかかるスリット状開口部20cはゲートランナおよびゲートパッドの直下のpウェル領域に形成されイオン注入されpウェル領域18が形成される。 The width of the p-well (p-type region 6) immediately below the gate runner of the conventional reverse blocking IGBT is several tens of μm or more. For example, in FIG. 14, since the width of the p-well (p-type region 6) is 48 μm, a slit opening 20c of 2 μm × 2 μm square is formed in the p-well 6 having the width of 48 μm as shown in FIG. If a plurality of photoresist patterns are formed in the arrangement, the p-well 18 of the reverse blocking IGBT of the present invention can be obtained. As described above, the slit-like opening 20c according to the present invention is formed in the p-well region immediately below the gate runner and the gate pad, and is ion-implanted to form the p-well region 18.
また逆阻止IGBTとしての大電流ターンオフ能力を持たせるためには、複数のスリット状開口部から注入したボロンイオンが熱拡散により相互に繋がって連続した領域となるように、前記開口部面積および開口部間隔を設定する必要がある。図5に図4のC1−C2線における熱拡散後の断面図を示す。このようにすれば、選択的に分離して配置されたイオン注入領域は連結した領域、すなわち、連続的なpウェル18の領域となり、かつ、その接合深さも従来のpウェル(p型領域6)より浅くなる。 Further, in order to provide a large current turn-off capability as a reverse blocking IGBT, the opening area and the opening are set so that boron ions implanted from a plurality of slit-like openings are connected to each other by thermal diffusion and become a continuous region. It is necessary to set the interval. FIG. 5 shows a cross-sectional view after thermal diffusion along the line C1-C2 in FIG. In this way, the selectively implanted ion implantation regions become connected regions, that is, continuous p-well 18 regions, and the junction depth is also the conventional p-well (p-type region 6). ) It becomes shallower.
pウェル18の深さが浅くなることで、大電流、高電圧でターンオフする際、ゲートランナ部へのキャリアー集中で素子のRBSOAが損なわれる場合は、図2に示すように、図14よりもp型ベース領域3及びp+コンタクト領域5の沿面寸法を長くすればよい。これにより終端部下のターンオフ電流が流れ込む面積が増大するので電流の集中が緩和され、ダイナミックアバランシュと局部過熱を抑制することができ、RBSOAを回復することができる。 When the depth of the p-well 18 is shallow, when the RBSOA of the element is damaged due to carrier concentration on the gate runner when turning off with a large current and high voltage, as shown in FIG. The creeping dimensions of the p-type base region 3 and the p + contact region 5 may be increased. As a result, the area into which the turn-off current flows under the termination increases, so that current concentration is mitigated, dynamic avalanche and local overheating can be suppressed, and RBSOA can be recovered.
実施例2では、実施例1で説明したpウェル18の不純物プロファイルを形成するための異なる製造方法について説明する。 In Example 2, a different manufacturing method for forming the impurity profile of the p-well 18 described in Example 1 will be described.
前記図15、図16と同様に、0.8μmの初期熱酸化膜19をウェハの表面に形成し、フォトリソグラフィ工程で初期酸化膜19をパターニングし、FLR25用開口部20a、pウェル(p型領域6)形成用開口部20bを形成する。フォトレジストマスク20を除去した後、スクリーン酸化膜を厚さ約30〜80nmの厚さで熱酸化により形成する。ウェハ全面にボロンイオンを注入する。注入エネルギーが45〜75KeV、ドーズ量は従来のpウェル(p型領域6)のドーズ量の1/10の1〜2.5×1014cm-2とする(図6)。 Similarly to FIGS. 15 and 16, an initial thermal oxide film 19 of 0.8 μm is formed on the surface of the wafer, and the initial oxide film 19 is patterned by a photolithography process, and an opening 20a for FLR 25, a p-well (p-type) Region 6) A forming opening 20b is formed. After removing the photoresist mask 20, a screen oxide film is formed by thermal oxidation with a thickness of about 30 to 80 nm. Boron ions are implanted into the entire wafer surface. The implantation energy is 45 to 75 KeV, and the dose is 1 to 2.5 × 10 14 cm −2, which is 1/10 of the dose of the conventional p-well (p-type region 6) (FIG. 6).
図7に示すように、フォトリソグラフィ工程を行い、これから形成するpウェル18上をレジストマスク20cで覆ってマスクする。その後、ボロンイオンを注入する。注入条件は、エネルギーが45〜75KeV、ドーズ量が1〜2.5×1015cm-2とする。 As shown in FIG. 7, a photolithography process is performed, and a p-well 18 to be formed is covered with a resist mask 20c and masked. Thereafter, boron ions are implanted. The implantation conditions are an energy of 45 to 75 KeV and a dose of 1 to 2.5 × 10 15 cm −2 .
図8に示すように、前記図17と同様の工程でFLR25とpウェル18を同時に形成する。すなわち、温度1050〜1150℃で、熱拡散時間200〜250分とし、不活性雰囲気においてドライブインし、FLR25およびpウェル18を形成する。 As shown in FIG. 8, FLR 25 and p-well 18 are formed at the same time in the same process as in FIG. That is, at a temperature of 1050 to 1150 ° C., a thermal diffusion time of 200 to 250 minutes, drive-in in an inert atmosphere, and FLR 25 and p-well 18 are formed.
このようにpウェル18の領域にレジストマスク20cを設けることでも、pウェル18のドーズ量だけを選択的に低減することができる。この場合も、従来のpウェル(p型領域6)より浅い、連続的なpウェル18を作製できるので、実施例1と同様に逆耐圧を改善するとともに、逆方向のアバランシェ耐量やダイオードモードでの逆回復耐量を改善できる。 By providing the resist mask 20c in the region of the p well 18 as described above, only the dose amount of the p well 18 can be selectively reduced. Also in this case, since the continuous p-well 18 shallower than the conventional p-well (p-type region 6) can be produced, the reverse breakdown voltage is improved as in the first embodiment, and the reverse avalanche resistance or diode mode is used. Can improve reverse recovery tolerance.
本発明にかかる実施例3では、実施例1で説明したpウェル18のプロファイルを形成するための、さらに異なる製造方法について説明する。 In Example 3 according to the present invention, a further different manufacturing method for forming the profile of the p-well 18 described in Example 1 will be described.
図9に示すように、実施例1で説明した図15と同様の工程を行う。ただし、フォトリソグラフィ工程のレジストマスク20は後程形成されるpウェル18を覆うように形成する。 As shown in FIG. 9, the same steps as those in FIG. 15 described in the first embodiment are performed. However, the resist mask 20 in the photolithography process is formed so as to cover the p well 18 to be formed later.
図16、図17の工程を経てpウェル18を形成する。 A p-well 18 is formed through the steps of FIGS.
図10に示すように、活性領域21の酸化膜19を除去するため、活性領域21を覆うレジストマスク20を用いてフォトリソグラフィ工程を行う。後程、形成されるpウェル18形成用開口部20bを形成する。ウェトエッチングで酸化膜19を除去する。その後、レジストマスク20を灰化処理により除去する。ウェハを洗浄する。 As shown in FIG. 10, in order to remove the oxide film 19 in the active region 21, a photolithography process is performed using a resist mask 20 that covers the active region 21. A p well 18 forming opening 20b to be formed later is formed. The oxide film 19 is removed by wet etching. Thereafter, the resist mask 20 is removed by ashing. Clean the wafer.
図11に示すように、スクリーン酸化膜を約30〜80nm熱酸化する。レジストマスク20でフォトリソグラフィを行い。後程、形成されるpウェル18形成用開口部20bを形成する。ウェハ全面にボロンイオンを注入する。注入条件は、エネルギーが45〜75KeV、ドーズ量をFLR25のドーズ量の1/10の1〜2.5×1014cm-2以下とする。 As shown in FIG. 11, the screen oxide film is thermally oxidized by about 30 to 80 nm. Photolithography is performed with the resist mask 20. A p well 18 forming opening 20b to be formed later is formed. Boron ions are implanted into the entire wafer surface. The implantation conditions are such that the energy is 45 to 75 KeV, and the dose is 1 to 2.5 × 10 14 cm −2 or less, which is 1/10 of the dose of FLR25.
図12に示すように、従来の逆阻止IGBTの後続製造工程と同じ熱履歴でドライブインし、pウェル18を形成する。 As shown in FIG. 12, drive-in is performed with the same thermal history as in the subsequent manufacturing process of the conventional reverse blocking IGBT, and the p-well 18 is formed.
本発明の実施例3の逆阻止IGBTによれば、活性領域21に対して面積の小さいゲートランナとゲートパッド直下のp型領域(pウェル18)のドーズ量が低減され、逆耐圧に関係するpnpトランジスタの電流増幅率が小さくなるので、逆耐圧が向上する。前記ゲートランナおよびゲートパッド直下のpウェルの接合と活性領域内のp型ベース領域接合による逆耐圧差が小さくなり、逆方向降伏がゲートランナの下方で先に発生しても、温度上昇などで活性領域全体の降伏になり易くなる。さらに、逆方向のアバランシェ耐量やダイオードモードでの逆回復耐量が向上する。 According to the reverse blocking IGBT of the third embodiment of the present invention, the dose amount of the gate runner having a small area with respect to the active region 21 and the p-type region (p well 18) immediately below the gate pad is reduced, which is related to the reverse breakdown voltage. Since the current amplification factor of the pnp transistor is reduced, the reverse breakdown voltage is improved. The reverse breakdown voltage difference between the junction of the p-well just below the gate runner and the gate pad and the p-type base region junction in the active region is reduced, and even if reverse breakdown occurs first below the gate runner, It tends to yield the entire active region. Further, the reverse avalanche resistance and the reverse recovery resistance in the diode mode are improved.
1: ドリフト層
3: p型ベース領域
4: n+エミッタ領域
5: p+ベースコンタクト層
6: ゲートランナ・ゲートパッド下p型領域
7: p型分離領域
8a: ゲートランナポリシリコン電極
8b: ポリシリコンゲート電極
9: ゲート酸化膜
10: エミッタ電極
11: ポリシリコンフィールドプレート
12: メタルフィールドプレート
13: コレクタ層
13a: コレクタ接合
13b: コレクタ接合端部
14: コレクタ電極
17: 層間絶縁膜
18: ゲートランナ・ゲートパッド下pウェル
19: 初期酸化膜
20: フォトレジスト
20a: FLR用開口部
20b: pウェル用開口部
20c: pウェル用開口部上のフォトレジスト
21: 活性領域
22: 終端領域
23: ゲートランナおよびゲートパッド下酸化膜
25: フィールドリミッティングリング
30: 表面
40: 裏面
100:逆阻止IGBT
1: Drift layer 3: p-type base region 4: n + emitter region 5: p + base contact layer 6: gate runner and gate pad p-type region 7: p-type isolation region 8a: gate runner polysilicon electrode 8b: poly Silicon gate electrode 9: Gate oxide film 10: Emitter electrode 11: Polysilicon field plate 12: Metal field plate 13: Collector layer 13a: Collector junction 13b: Collector junction end 14: Collector electrode 17: Interlayer insulating film 18: Gate runner P-well 19 under the gate pad: initial oxide film 20: photoresist 20a: FLR opening 20b: p-well opening 20c: photoresist on the p-well opening 21: active region 22: termination region 23: gate Runner and gate pad oxide film 25: field limit Ting ring 30: Front side 40: Back side 100: Reverse blocking IGBT
Claims (8)
該活性領域の外周を取り囲むフィールドリミッティングリングを含む電界緩和構造を有する終端領域と、
他面側に第二導電型コレクタ層と、
前記終端領域の外周にあって前記一面側から前記ドリフト層を貫き第二導電型コレクタ層に接する第二導電型分離領域と、
前記一面側の前記活性領域と前記終端領域の間に第二導電型ウェルと、を備え、
該第二導電型ウェルの前記一面側表面からの深さおよび不純物量が、第二導電型ベース領域の深さおよび不純物量以上であり、かつ前記フィールドリミッティングリングの深さおよび不純物量未満であることを特徴とする逆阻止型IGBT。 A second conductivity type base region, a first conductivity type emitter region selectively provided on a surface layer of the second conductivity type base region on one surface side of the first conductivity type semiconductor substrate serving as a drift layer, the emitter region and the drift An active region having a MOS gate structure as a main region, the gate electrode being in contact with the surface of the second conductivity type base region sandwiched by the surface of the layer via a gate oxide film;
A termination region having an electric field relaxation structure including a field limiting ring surrounding the outer periphery of the active region;
A second conductivity type collector layer on the other side,
A second conductivity type isolation region that is on the outer periphery of the termination region and is in contact with the second conductivity type collector layer through the drift layer from the one surface side;
A second conductivity type well between the active region on the one surface side and the termination region,
The depth and the amount of impurities from the one surface side surface of the second conductivity type well are not less than the depth and the amount of impurities of the second conductivity type base region, and less than the depth and the amount of impurities of the field limiting ring. A reverse-blocking IGBT characterized by being.
該活性領域の外周を取り囲むフィールドリミッティングリングを含む電界緩和構造を有する終端領域と、
他面側に第二導電型コレクタ層と、
前記終端領域の外周にあって前記一面側から前記ドリフト層を貫き第二導電型コレクタ層に接する第二導電型分離領域と、
前記一面側の前記活性領域と前記終端領域の間に第二導電型ウェルと、を備え、
該第二導電型ウェルの前記一面側表面からの深さおよび不純物量が、第二導電型ベース領域の深さおよび不純物量以上であり、かつ前記フィールドリミッティングリングの深さおよび不純物量未満であることを特徴とする逆阻止型IGBT。 A first conductive type semiconductor substrate serving as a drift layer has a second conductive type base region, a trench penetrating the second conductive type base region and reaching the drift region, and a gate in contact with the inside of the trench through a gate oxide film An active region mainly composed of a MOS gate structure comprising a first conductivity type emitter region selectively formed on the surface of the electrode and the base region and in contact with the trench gate oxide film;
A termination region having an electric field relaxation structure including a field limiting ring surrounding the outer periphery of the active region;
A second conductivity type collector layer on the other side,
A second conductivity type isolation region that is on the outer periphery of the termination region and is in contact with the second conductivity type collector layer through the drift layer from the one surface side;
A second conductivity type well between the active region on the one surface side and the termination region,
The depth and the amount of impurities from the one surface side surface of the second conductivity type well are not less than the depth and the amount of impurities of the second conductivity type base region, and less than the depth and the amount of impurities of the field limiting ring. A reverse-blocking IGBT characterized by being.
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