DE102009008714B4 - Semiconductor device of the trench gate type - Google Patents
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Abstract
Halbleiterbauteil vom Trench-Gate-Typ umfassend: eine erste Halbleiterschicht (101), die einen ersten Leitfähigkeitstyp hat und die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; eine zweite Halbleiterschicht (102, 103), die einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat und die angrenzend an die erste Halbleiterschicht (101) angeordnet ist; eine dritte Halbleiterschicht (104), die den ersten Leitfähigkeitstyp hat und die angrenzend an die zweite Halbleiterschicht (103) angeordnet ist; eine Vielzahl von isolierten Gates (105), die sich von einer ersten hauptsächlichen Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (104) in die zweite Halbleiterschicht (103) erstreckt, wobei sie die dritte Halbleiterschicht (104) durchdringen; einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich (115) der dritten Halbleiterschicht (104), die jeweils zwischen den nebeneinander liegenden, isolierten Gates (105) definiert sind; eine vierte Halbleiterschicht (111), die den zweiten Leitfähigkeitstyp hat und die in Kontakt mit den isolierten Gates (105) in dem ersten Bereich der dritten Halbleiterschicht (104) steht; eine erste Hauptelektrode (109) in elektrischem Kontakt mit dem ersten Bereich der dritten Halbleiterschicht (104) und der vierten Halbleiterschicht (111); und eine zweite Hauptelektrode (100) in elektrischem Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht (101), wobei die dritte Halbleiterschicht in dem zweiten Bereich (115) eine floatende Schicht ist, und die floatende Schicht elektrisch mit der ersten Hauptelektrode (109) über eine Kapazität (206) verbunden ist, die eine Isolationsschicht (121) aus Siliziumoxid ist, die zwischen den zweiten Bereichen der dritten Halbleiterschicht (104) und einer polykristallinen Siliziumschicht (122) in Kontakt mit der ersten Hauptelektrode (109) angeordnet ist, und wobei ein Kurzschluss-Widerstand 207) parallel zu der Kapazität geschaltet ist.A trench-gate type semiconductor device comprising: a first semiconductor layer (101) having a first conductivity type and formed on a semiconductor substrate; a second semiconductor layer (102, 103) having a second conductivity type and disposed adjacent to the first semiconductor layer (101); a third semiconductor layer (104) having the first conductivity type and disposed adjacent to the second semiconductor layer (103); a plurality of insulated gates (105) extending from a first main surface of the third semiconductor layer (104) into the second semiconductor layer (103), penetrating the third semiconductor layer (104); a first region and a second region (115) of the third semiconductor layer (104) each defined between the adjacent isolated gates (105); a fourth semiconductor layer (111) having the second conductivity type and in contact with the insulated gates (105) in the first region of the third semiconductor layer (104); a first main electrode (109) in electrical contact with the first region of the third semiconductor layer (104) and the fourth semiconductor layer (111); and a second main electrode (100) in electrical contact with the first semiconductor layer (101), wherein the third semiconductor layer in the second region (115) is a floating layer, and the floating layer is electrically connected to the first main electrode (109) via a capacitance ( 206) which is an insulating layer (121) of silicon oxide interposed between the second regions of the third semiconductor layer (104) and a polycrystalline silicon layer (122) in contact with the first main electrode (109), and wherein a short-circuit Resistor 207) is connected in parallel with the capacitance.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Struktur eines Halbleiterbauteils mit Trench-Gates.The invention relates to the structure of a semiconductor device with trench gates.
Ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate (im folgenden als IGBT bezeichnet) ist ein Schaltelement, in dem der Strom, der zwischen den Kollektor- und Emitter-Elektroden fließt, durch eine Spannung gesteuert wird, die an eine Gate-Elektrode angelegt wird.An insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) is a switching element in which the current flowing between the collector and emitter electrodes is controlled by a voltage applied to a gate electrode.
Dieses Schaltelement kann Leistung von mehreren Zehn bis mehreren 100.000 Watt und eine Schaltfrequenz von mehreren Zehntel Hz bis mehrere 100 kHz steuern. Da es zu einem sehr kalten Steuerungsbereich in der Lage ist, findet es eine Vielzahl von Anwendungen von Hausgeräten mit niedriger Leistung, beispielsweise Klimageräte und Mikrowellenöfen, bis zu Einrichtungen mit großer Leistung, beispielsweise Inverter zur Verwendung in Schienenfahrzeugen und Stahlwerken.This switching element can control power of several tens to several 100,000 watts and a switching frequency of several tenths of Hz to several 100 kHz. Being capable of a very cold control range, it finds a variety of applications from low power domestic appliances such as air conditioners and microwave ovens to high power facilities such as inverters for use in rail vehicles and steel mills.
Der Leistungsverlust ist eine der wichtigsten Betriebsfaktoren des IGBT's. Neuerdings sind IGBT's vom Trench-Gate-Typ hervorgetreten, da ihr Leistungsverlust verhältnismäßig klein ist. Das Merkmal der IGBT-Struktur ist es, dass die Gate-Elektrode in einem Silizium-Substrat eingebettet ist.The power loss is one of the most important operating factors of the IGBT. Recently, trench-gate type IGBTs have emerged because their power loss is relatively small. The feature of the IGBT structure is that the gate electrode is embedded in a silicon substrate.
In der grundlegenden Konfiguration werden ein p-Typ-Kollektorschicht, eine n-Typ-Pufferschicht mit einem niedrigen spezifischen Widerstand und eine n-Typ-Driftschicht mit einem hohen spezifischen Widerstand auf dem Silizium-Substrat in der genannten Reihenfolge ausgebildet, und eine p-Typ-Basis-Schicht wird auf der freiliegenden Oberfläche der Driftschicht ausgebildet.In the basic configuration, a p-type collector layer, an n-type low resistivity buffer layer, and a high resistivity n-type drift layer are formed on the silicon substrate in the order named, and a p-type collector layer. Type-base layer is formed on the exposed surface of the drift layer.
Eine Vielzahl von Nuten, die die gleiche planare Form eines Streifens haben, werden in die p-Typ-Basisschicht eingegraben. In den Nuten werden Trench-Gate-Elektroden vorgesehen, die aus polykristallinem Silizium hergestellt sind, wobei die Trench-Gate-Elektroden von dem Siliziumsubstrat mit Hilfe von Isolationsfilmen isoliert sind. Folglich dienen die Seitenwände der Trench-Gate-Elektroden als MOS-Kanäle.A plurality of grooves having the same planar shape of a strip are buried in the p-type base layer. In the grooves, trench gate electrodes made of polycrystalline silicon are provided, the trench gate electrodes being isolated from the silicon substrate by means of insulating films. Consequently, the side walls of the trench gate electrodes serve as MOS channels.
Der IGTB vom Trench-Gate-Typ hat mehr Gate-Elektroden pro Flächeneinheit als ein Planar-Gate-Typ-IGBT vom, bei dem die Gate-Elektroden auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgebildet werden. Folglich kann der IGBT vom Trench-Gate-Typ mit mehr Kanälen versehen werden als der Planar-Gate-Typ-IGBT, so dass der Kanalwiderstand niedrig gemacht werden kann, wodurch sich ein geringer Leistungsverlust ergibt. Er hat auch eine geringere EIN-Spannung, d. h., eine niedrigere Spannung, die zwischen dem Kollektor und dem Emitter während des Leitungszustandes erzeugt wird, als der Planar-Gate-Typ-IGBT.The trench-gate type IGTB has more gate electrodes per unit area than a planar gate-type IGBT of which the gate electrodes are formed on the surface of the silicon substrate. Consequently, the trench gate type IGBT can be provided with more channels than the planar gate type IGBT, so that the channel resistance can be made low, resulting in a small power loss. He also has a lower ON-voltage, d. That is, a lower voltage generated between the collector and the emitter during the conduction state than the planar gate type IGBT.
Die
Mit dieser Konfiguration kann der Durchbruch des Schaltelements aufgrund eines übermäßigen Stroms verhindert werden, Leitungsverluste können verringert werden und die EIN-Spannung kann abgesenkt werden.With this configuration, the breakdown of the switching element due to excessive current can be prevented, line losses can be reduced, and the ON voltage can be lowered.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration wird die FP-Schicht in dem floatenden Zustand gehalten, und daher wird die Kollektor-Gate-Kapazität groß.With the configuration described above, the FP layer is kept in the floating state, and therefore, the collector-gate capacitance becomes large.
Um dieses Problem zu lösen, offenbart die
Diese herkömmliche Technik ermöglicht es, dass die Kollektor-Gate-Kapazität reduziert wird und dass der Löcher-Strom, der in die Emitter-Elektrode fließt, durch den Widerstand begrenzt wird, so dass die FP-Schicht in dem quasi-floatenden Zustand gehalten wird.This conventional technique enables the collector-gate capacitance to be reduced, and the hole current flowing into the emitter electrode to be limited by the resistor, so that the FP layer is kept in the quasi-floating state ,
Entsprechend der oben beschriebenen Konfiguration ist die FP-Schicht elektrisch mit der Emitter-Elektrode über einen Widerstand verbunden, der einen elektrischen Widerstand von wenigstens 100 Ω hat. Die gegenwärtigen Erfinder haben jedoch gefunden, dass die EIN-Spannung in diesem Fall höher ist als in dem Fall, wo die FP-Schicht von der Emitter-Elektrode isoliert ist.According to the configuration described above, the FP layer is electrically connected to the emitter electrode through a resistor having an electrical resistance of at least 100 Ω. However, the present inventors have found that the ON voltage is higher in this case than in the case where the FP layer is isolated from the emitter electrode.
Die
Die
Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung, ein Halbleiterbauteil vom Trench-Gate-Typ bereitzustellen, das eine niedrige EIN-Spannung und eine kleine parasitäre Kapazität hat, wobei verhindert werden soll, dass der IGBT in Fehlfunktion eingeschaltet wird.It is therefore an object of this invention to provide a trench-gate type semiconductor device having a low ON voltage and a small parasitic capacitance while preventing the IGBT from malfunctioning.
Zu diesem Zweck wird ein Halbleiterbauteil vom Trench-Gate-Typ bereitgestellt, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Der Anspruch 2 charakterisiert eine vorteilhafte Ausgestaltung von Anspruch 1.For this purpose, a trench-gate type semiconductor device having the features of claim 1 is provided. The
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Die Kollektor-Elektrode
Jede der Vielzahl der Gate-Elektroden
Der Isolationsfilm
Der Gate-Isolationsfilm
Der Isolationsfilm
Die Dicke des Gate-Isolationsfilms
Die Arbeitsweise dieser Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
Elektronen werden von der Emitterschicht
Ein Teil des Löcherstroms tritt durch die FP-Schicht
In dem stationären Zustand, d. h., in dem Zustand, wo die Kapazität vollständig aufgeladen ist, sind jedoch die FP-Schicht
Wie oben beschrieben wurde, wird bei dem EIN/AUS-Übergangszustand des IGBT eine geringe Impedanz zwischen der FP-Schicht
Andererseits wird in dem stabilen Zustand, wo die Kapazität zwischen der FP-Schicht
Die
Die Äquivalentschaltung, die in
In der Äquivalentschaltung in
Wenn eine FP-Schicht vorhanden ist, trägt die Kapazität Cgf zwischen dem Gate und der FP-Schicht und die Kapazität Cfd zwischen der FP-Schicht und der Driftschicht zusätzlich zu einer Rückkopplungskapazität bei, so dass die Kollektor-Gate-Kapazität ansteigt. Der Anstieg in der Kollektor-Gate-Kapazität Ccg bewirkt eine Erhöhung in dem parasitären Strom, der durch die Kollektor-Gate-Kapazität Ccg fliesst, aufgrund der plötzlichen Kollektor-Spannungsänderung (dv/dt), die auftritt, wenn der IGBT ausschaltet. Als Resultat tritt eine Möglichkeit auf, dass der parasitäre Strom, der in den Gate-Anschluss fließt, bewirkt, dass der IGBT in Fehlfunktion eingeschaltet wird.In addition, when an FP layer is present, the capacitance Cgf between the gate and the FP layer and the capacitance Cfd between the FP layer and the drift layer contribute to a feedback capacitance, so that the collector-gate capacitance increases. The rise in the collector-gate capacitance Ccg causes an increase in the parasitic current flowing through the collector-gate capacitance Ccg due to the sudden collector voltage change (dv / dt) occurring when the IGBT turns off. As a result, there occurs a possibility that the parasitic current flowing into the gate terminal causes the IGBT to be turned on in a malfunction.
Um diese Fehlfunktion des IGBT zu verhindern, müssen die Gate-Widerstände, die mit den Gate-Anschlüssen in dem Inverter verbunden sind, der IGBT's verwendet, einen niedrigen Widerstandswert haben. Eine Verminderung in dem Widerstandswert des Gate-Widerstandes bewirkt jedoch eine Erhöhung in dem Gate-Strom. Dies erfordert die Verwendung einer Gate-Treiber-Schaltung, die eine große Stromkapazität hat, und folglich wird der gesamte Inverter groß in Bezug auf Baugröße und Gewicht.In order to prevent this malfunction of the IGBT, the gate resistors connected to the gate terminals in the inverter using the IGBTs must have a low resistance value. However, a decrease in the resistance of the gate resistor causes an increase in the gate current. This requires the use of a gate driver circuit having a large current capacity, and hence the entire inverter becomes large in size and weight.
Wenn ein großer Rauscheinfluss ferner zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT's stattfindet, fließt ein parasitärer Strom in das Gate durch die Kollektor-Gate-Kapazität Ccg, so dass bewirkt wird, dass der IGBT eine Fehlfunktion hat. Um diese Fehlfunktion zu verhindern, gibt es einen Bedarf für zusätzliche Komponenten für die Rauschunterdrückung, beispielsweise Rauschfilter. Diese zusätzlichen Komponenten führen zu einer Erhöhung der Größe, des Gewichts und der Produktionskosten des Inverters.Further, when a large noise influence takes place between the collector and the emitter of the IGBT, a parasitic current flows into the gate through the collector-gate capacitance Ccg, causing the IGBT to malfunction. To prevent this malfunction, there is a need for additional components for noise reduction, such as noise filters. These additional components increase the size, weight, and cost of production of the inverter.
Ein Elektrofahrzeugsystem, das einen solchen groß bauenden Inverter verwendet, kann des Weiteren nicht nur unter den Bauumfang und dem schweren Gewicht leiden, woraus sich eine kurze Reichweite von ununterbrochener Fahrt ergibt, sondern auch unter der Erhöhung der Herstellungskosten des gesamten Systems.Further, an electric vehicle system using such a large-sized inverter can suffer not only from the size of the construction and the heavy weight, resulting in a short range of uninterrupted driving, but also by increasing the manufacturing cost of the entire system.
Andererseits hat das herkömmliche Halbleiterbauteil vom Trench-Gate-Typ, das in
Da jedoch der Löcher-Strom durch den Kurzschlusswiderstand
Das herkömmliche Bauteil hat, wie in
Ausführungsbeispiel 2
In
Da die FP-Schicht
Die Äquivalentschaltung dieses Ausführungsbeispiels ist in
Andererseits ist in dem stabilen Zustand, da der Kurzschlusswiderstand
Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3
Die IGBT's, die in dem dritten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet werden, haben eine kleine Kollektor-Gate-Kapazität, so dass eine Leitung als Fehlfunktion aufgrund eines steilen Übergangs dv/dt selten stattfindet. Entsprechend gibt es einen Vorteil, dass der Gate-Strom vermindert werden kann, und dass die Gate-Treiberschaltungen, die jeweils eine kleine Kapazität haben, eingesetzt werden können. Da jede Gate-Treiberschaltung in ihrer Größe klein bauend gemacht werden kann, kann ferner ein zusätzlicher Vorteil erhalten werden, in dem die Gesamtgröße und daher die Produktionskosten des Inverters vermindert werden können.The IGBTs used in the third embodiment of this invention have a small collector-gate capacitance, so that conduction as a malfunction due to steep transition dv / dt rarely takes place. Accordingly, there is an advantage that the gate current can be reduced, and the gate drive circuits each having a small capacitance can be employed. Further, since each gate driver circuit can be made small in size, an additional advantage can be obtained in which the overall size, and hence the production cost of the inverter, can be reduced.
Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4
Die Arbeitsweise des Systems, das in
Es gibt einen weiteren Vorteil, dass die Verminderung des Gewichts des Elektroautos die Reichweite vergrößert und auch den Stromverbrauch ökonomisch macht. Es gibt noch den weiteren Vorteil, dass, da die Baugrößen des Rauschfilters und des Gate-Treibers kleiner gemacht werden können, die Produktionskosten des Inverters und daher die des Elektroautos niedriger gemacht werden können.There is another advantage that reducing the weight of the electric car increases range and also makes power consumption economical. There is the further advantage that, since the sizes of the noise filter and the gate driver can be made smaller, the production cost of the inverter and therefore that of the electric car can be made lower.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Vorteile in dem Fall beschrieben, bei dem das Halbleiterbauteil vom Trench-Gate-Typ gemäß dieser Erfindung bei einem Elektroauto angewendet wird. Die Erfindung kann jedoch nicht nur auf Elektroautos sondern auch auf jegliche anderen Einrichtungen angewendet werden, die wenigstens einen Inverter enthalten.In this embodiment, the advantages will be described in the case where the trench gate type semiconductor device according to this invention is applied to an electric car. However, the invention can be applied not only to electric cars but also to any other devices including at least one inverter.
Beispielsweise, wenn das Halbleiterbauteil vom Trench-Gate-Typ gemäß dieser Erfindung in einem Hybrid-Automobil angewendet wird, bei dem eine Brennkraftmaschine und ein Motor/Inverter-System kombiniert sind, können derartige Vorteile als Verbesserung auf Seiten des Kraftstoffverbrauches und für die Reduktion der Produktionskosten erzielt werden aufgrund der Verminderung von Größe und Gewicht wie in dem oben beschriebenen Fall eines Elektroautomobils. Des Weiteren können ähnliche Vorteile erhalten werden, wenn die Erfindung auf Schienenfahrzeuge angewendet wird.For example, when the trench gate type semiconductor device according to this invention is applied to a hybrid automobile in which an internal combustion engine and an engine / inverter system are combined, such advantages can be improved as fuel consumption and reduction of fuel consumption Production costs are achieved due to the reduction in size and weight as in the case of an electric automobile described above. Furthermore, similar advantages can be obtained when the invention is applied to railway vehicles.
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