JP2000311998A - Insulated gate turn-off thyristor - Google Patents

Insulated gate turn-off thyristor

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JP2000311998A
JP2000311998A JP2000103319A JP2000103319A JP2000311998A JP 2000311998 A JP2000311998 A JP 2000311998A JP 2000103319 A JP2000103319 A JP 2000103319A JP 2000103319 A JP2000103319 A JP 2000103319A JP 2000311998 A JP2000311998 A JP 2000311998A
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Hsueh-Rong Chang
シュウェイ−ロン・チャン
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a high power switching device possessing sufficient reverse- blocking characteristics. SOLUTION: An insulated gate turn-off thyristor is formed by combining a thyristor with an IGBT in a following manner. An IGBT composed of a P-base 24, a P+ 27, an upper angular N+ 26, and a cathode 28 and a thyristor composed of a P-base 32, a P+ 34, and an oxide film 36 are each provided on a device base composed of an anode electrode 30, a P+ layer 22, and an N-drift 20 sandwiching a deep trench gate 40 inbetween. When a sufficient voltage is applied to the gate electrode 44, a current is made to flow from a cathode to an anode passing through the IGBT and a shallowly doped channel P 80 located under the trench gate to turn on the thyristor, and when a gate voltage drops, a channel resistance increases, the thyristor is turned off, and only an IGBT current flows. When a gate voltage drops, furthermore, the IGBT is stopped, and a device is prevented from being abruptly turned on or off.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の背景】BACKGROUND OF THE INVENTION

【発明の分野】本発明は半導体スイッチングデバイスの
分野に関し、特にハイパワースイッチング回路に用いら
れるスイッチングデバイスに関する。
The present invention relates to the field of semiconductor switching devices, and more particularly to switching devices used in high power switching circuits.

【0002】[0002]

【関連技術の説明】半導体装置は間違いなく高い電流お
よび/または高い電圧に対応するという必要がますます
高まっている。多くの用途では、たとえばパルス幅変調
モータコントロール回路では、ハイパワーのスイッチン
グデバイスが必要である。ハイパワースイッチに必要な
高い電流および逆阻止特性を与えるために多くのデバイ
スが開発された。利用可能なデバイスは対象の主要パラ
メータについて多様な性能レベル、たとえば順電圧降
下、逆阻止電圧、および最大制御可能電流密度を与える
が、各々は同様にいくつかの欠点を有する。
2. Description of the Related Art There is an ever increasing need for semiconductor devices to withstand high currents and / or high voltages. In many applications, for example, pulse width modulated motor control circuits require high power switching devices. Many devices have been developed to provide the high current and reverse blocking characteristics required for high power switches. While available devices provide various performance levels for the key parameters of interest, such as forward voltage drop, reverse blocking voltage, and maximum controllable current density, each has some drawbacks as well.

【0003】このようなデバイスの1つとして、絶縁ゲ
ートバイポーラトランジスタ(IGBT)がある。トレ
ンチゲート構造を有するIGBTは標準のIGBTの性
能より優れた性能を示しており、このような構造の1つ
が図1に示されている。P++、NバッファおよびN−
ドリフト層がコレクタ端子C上に積み上げられている。
各IGBT構造は、N−ドリフト層上にP−ベースおよ
びP+領域ならびにP+およびP−ベース領域に接触す
るN+領域を加えることにより、これらの共通の基部層
上に組立てられている。エミッタ端子EはP+およびN
+領域の双方に接触する。類似した構造はデバイスにわ
たって定期的に間隔があけられており、各構造はトレン
チゲート10によって分離されている。トレンチゲート
は酸化物層12からなり、N−ドリフト層に窪み、隣接
する構造のN+およびP−ベース領域に接触する。トレ
ンチは典型的に導電材料で充填され、電極は導電材料に
接触してゲート接続Gを与える。このデバイスはH.-R.
ChangおよびB.Baligaの「トレンチゲート構造を有する
500−V nチャネル絶縁ゲートバイポーラトランジ
スタ」、エレクトロンデバイスのIEEE学会誌、第3
6巻、第9号、1989年9月、頁1824−1828
に詳細に記載されている。
One of such devices is an insulated gate bipolar transistor (IGBT). An IGBT having a trench gate structure has outperformed the performance of a standard IGBT, and one such structure is shown in FIG. P ++, N buffer and N-
A drift layer is stacked on the collector terminal C.
Each IGBT structure is assembled on these common base layers by adding P-base and P + regions on the N- drift layer and N + regions in contact with the P + and P-base regions. The emitter terminals E are P + and N
+ Both sides are touched. Similar structures are regularly spaced across the device, with each structure separated by a trench gate 10. The trench gate consists of an oxide layer 12, recessed into the N- drift layer, and contacts the N + and P- base regions of the adjacent structure. The trench is typically filled with a conductive material and the electrodes contact the conductive material to provide a gate connection G. This device is H.-R.
Chang and B. Baliga, "500-V n-channel insulated gate bipolar transistor with trench gate structure", IEEE Journal of Electron Devices, No. 3.
6, No. 9, September 1989, pp. 1824-1828
In more detail.

【0004】動作において、正電圧がゲート端子に印加
される。これによりP−ベース領域にわたるN型反転層
が形成され、電子がチャネルを通してN+領域からN−
ドリフト層に流れることができる。これらの電子はコレ
クタCおよびエミッタE間に形成されるPNPトランジ
スタをオンにするのに必要なベース駆動を与える。P+
+層は正孔をN−ドリフト層に注入することによって応
答し、それにより電流はCからEに流れることができ
る。ゲート電圧の増加は反転チャネル移動度を大きく
し、それによりN−ドリフト層への電子および正孔の注
入を増やし、その「オン」抵抗を下げる。IGBTをオ
フにするには、ゲート電圧をゼロまたは負にし、反転チ
ャネルを取除き、それによりトランジスタのベース駆動
を除くことによってなされる。
[0004] In operation, a positive voltage is applied to the gate terminal. This forms an N-type inversion layer over the P- base region, allowing electrons to pass from the N + region to the N-
It can flow to the drift layer. These electrons provide the necessary base drive to turn on the PNP transistor formed between collector C and emitter E. P +
The + layer responds by injecting holes into the N- drift layer, so that current can flow from C to E. Increasing the gate voltage increases the inversion channel mobility, thereby increasing the injection of electrons and holes into the N-drift layer and lowering its "on" resistance. To turn off the IGBT, the gate voltage is made zero or negative, and the inversion channel is removed, thereby removing the base drive of the transistor.

【0005】IGBTは基本バイポーラトランジスタ構
造を含んでいるので、その電圧対電流曲線は電流飽和領
域を含む、すなわち、デバイスを通る電流はそれにかか
る電圧に関わらず特定の最大値に限定される領域を含
む。この領域があるので、短絡の際デバイスの破壊を防
ぐことができる。この機能はサイリスタのような他のハ
イパワースイッチングデバイスに欠けており、それらは
短絡の際には電流を限定するためのスナバ回路を必要と
する。
Since the IGBT includes a basic bipolar transistor structure, its voltage versus current curve includes a current saturation region, ie, the region through which the current through the device is limited to a particular maximum regardless of the voltage applied thereto. Including. Because of this region, the device can be prevented from being destroyed in the event of a short circuit. This feature is lacking in other high power switching devices such as thyristors, which require a snubber circuit to limit the current in case of a short circuit.

【0006】しかし、IGBTはいくつかの短所を有
し、それにより一部の用途には適さない。構造は基本的
には利得を有するトランジスタであるので、N−ドリフ
ト領域においてある程度の再結合があり、それによりデ
バイスは高い順電圧降下(VFD)を示すようになる。I
GBTの別の短所は「ラッチアップ」することであり、
その時点ではもはやゲート電圧の制御下にはない。これ
はP−ベース領域を通る電流が高すぎる場合に起こり、
デバイスのN+/P−ベース接合は順方向バイアスとな
り、それによりデバイスがサイリスタとして動作するよ
うになる。このモードでは、デバイスの導通はゲート電
圧では制御できなくなってしまう。
[0006] However, IGBTs have several disadvantages, which make them unsuitable for some applications. Since the structure is essentially a gain transistor, there is some recombination in the N-drift region, which causes the device to exhibit a high forward voltage drop (V FD ). I
Another disadvantage of GBTs is that they "latch up"
At that point, it is no longer under control of the gate voltage. This occurs when the current through the P-base region is too high,
The N + / P- base junction of the device becomes forward biased, thereby causing the device to operate as a thyristor. In this mode, device conduction cannot be controlled by the gate voltage.

【0007】ハイパワースイッチングデバイスの別の種
類としてMOS制御サイリスタ(MCT)があり、これ
はたとえばV.Templeの「MOS制御サイリスタ−パワー
デバイスの新しいクラス」、エレクトロンデバイスのI
EEE学会誌、第ED−33巻、第10号、1986年
10月、頁1609−1618に記載されている。この
デバイスはP−ベース領域内に横方向のMOSFETを
形成することにより、サイリスタのN+エミッタおよび
P−ベース領域間にMOS制御短絡を導入することによ
り形成される。MOSFETのゲートに正電圧を印加す
ると、サイリスタはオンとなる。ゲートに負電圧を印加
すると、N+エミッタとP−ベース領域との間に導通経
路を形成する。この電流経路はN+エミッタ/P−ベー
ス接合を通るものより低い抵抗を有するので、サイリス
タに流れていた電流は導通経路を流れるようになり、つ
いにはサイリスタをオフにする。
Another type of high-power switching device is the MOS-controlled thyristor (MCT), which is described, for example, by V. Temple in "A New Class of MOS-Controlled Thyristors-Power Devices", the I.I.
It is described in EEE Society Journal, ED-33, No. 10, October 1986, pp. 1609-1618. This device is formed by forming a lateral MOSFET in the P-base region, thereby introducing a MOS controlled short between the N + emitter of the thyristor and the P-base region. When a positive voltage is applied to the gate of the MOSFET, the thyristor turns on. When a negative voltage is applied to the gate, a conduction path is formed between the N + emitter and the P- base region. Since this current path has a lower resistance than that through the N + emitter / P-base junction, the current flowing through the thyristor will flow through the conduction path, eventually turning off the thyristor.

【0008】サイリスタとして、MCTは上記のIGB
Tよりも低いVFDを有するが、このデバイスはいくつか
の短所を有する。マルチセルデバイス(たとえば、J.Ba
ligaの「パワー半導体装置」、PWSパブリシング社
(1996年)、頁519−523に記載)は典型的に
は前述の種類の構造を複数個含み、これはP−ベース領
域をゲート電極下の表面に到達させることにより形成さ
れる「ターンオンセル」に隣接している。大きい「最大
制御可能電流密度」、すなわちゲート電圧を印加するこ
とによりターンオフできる最も高い電流密度を得るため
には、ターンオフチャネルは低い抵抗を有しなければな
らない。しかし、ターンオフチャネルは広い面積を必要
とし、それによりターンオンセルのために用いることが
できる領域を制限し、MCTのターンオンおよびターン
オフ性能の兼ね合いが求められる。
[0008] As a thyristor, MCT is the above-mentioned IGB.
Although having a lower V FD than T, this device has several disadvantages. Multi-cell devices (for example, J.Ba
liga's "Power Semiconductor Devices", PWS Publishing (1996), pp. 519-523) typically include a plurality of structures of the type described above, which provide a P-base region with a surface under the gate electrode. Next to the "turn-on cell" formed by the To obtain a large "maximum controllable current density", ie, the highest current density that can be turned off by applying a gate voltage, the turn-off channel must have a low resistance. However, the turn-off channel requires a large area, thereby limiting the area that can be used for the turn-on cell, and demanding a balance between the turn-on and turn-off performance of the MCT.

【0009】MCTの他の短所はターンオンゲートの局
所的な性質により起こり、MCTがオン状態で動作して
いる際に均一でない分布を電流密度にもたらす。これは
不均一なターンオン特性を引き起こす。その上、オンの
場合サイリスタとして動作するので、MCTには電流飽
和領域がない。さらに、不均一なP−ベース領域によ
り、MCTの製造は難しい。
Another disadvantage of the MCT is caused by the local nature of the turn-on gate, which results in a non-uniform distribution in current density when the MCT is operating in the on state. This causes non-uniform turn-on characteristics. In addition, since it operates as a thyristor when turned on, the MCT has no current saturation region. In addition, non-uniform P-base regions make MCT fabrication difficult.

【0010】さらに別のハイパワースイッチングデバイ
スとしてベース抵抗制御サイリスタ(BRT)があり、
これはたとえばBaligaの前述の文献の頁526−530
に記載されている。P+「ダイバータ」領域がPNPN
サイリスタ構造のP−ベース領域に隣接して形成され、
MOSゲート電極はデバイスのP−ベース、N−ドリフ
トおよびP+ダイバータ領域にまたがる。正のゲート電
圧が印加されると、N+およびN−ドリフト領域間に反
転チャネルが形成され、サイリスタはオンとなる。負の
ゲート電圧を印加するとP−ベースおよびP+ダイバー
タ領域間にチャネルが形成され、サイリスタのPNPト
ランジスタからの電流を転換させ、サイリスタをオフに
する。
[0010] Yet another high power switching device is a base resistance controlled thyristor (BRT).
This is described, for example, in pages 526-530 of the aforementioned document of Baliga.
It is described in. P + "Diverter" area is PNPN
Formed adjacent to the P-base region of the thyristor structure;
The MOS gate electrode spans the P-base, N-drift and P + diverter regions of the device. When a positive gate voltage is applied, an inversion channel is formed between the N + and N- drift regions, turning on the thyristor. When a negative gate voltage is applied, a channel is formed between the P-base and P + diverter regions, turning off the current from the PNP transistor of the thyristor and turning off the thyristor.

【0011】しかし、BRTはいくつかの欠点を有す
る。デバイスはターンオン領域およびターンオフ領域の
両方を含まなければならないので、セルの幅は非常に大
きくなる。チャネル幅を減らすためには、ターンオフチ
ャネルの電流密度は制限され、それによりデバイスのタ
ーンオフ機能が限定される。さらに、デバイスはオンの
時には単純なサイリスタとして動作するので、電流飽和
領域はなく、短絡の際の損傷を防ぐために外部の限定回
路を用いなければならない。
However, BRT has several disadvantages. Since the device must include both turn-on and turn-off regions, the width of the cell is very large. To reduce the channel width, the current density of the turn-off channel is limited, thereby limiting the turn-off function of the device. Furthermore, since the device operates as a simple thyristor when on, there is no current saturation region and an external limiting circuit must be used to prevent damage in the event of a short circuit.

【0012】[0012]

【発明の概要】上記の問題を克服する「絶縁ゲートター
ンオフサイリスタ」(IGTO)が提供される。IGT
Oは特にハイパワースイッチングの用途に適し、切換の
簡単なゲート電圧制御、低いVFD、高い最大制御電流密
度、および大きい安全動作領域(SOA)を与える。
SUMMARY OF THE INVENTION An "insulated gate turn-off thyristor" (IGTO) is provided which overcomes the above problems. IGT
O is particularly suitable for high power switching applications, providing easy gate voltage control of switching, low V FD , high maximum control current density, and large safe operating area (SOA).

【0013】新規の構造は主に2つの変形を有する。一
方は電流飽和能力を有し、他方は電流飽和能力を有しな
い。電流飽和能力を有するIGTOはP+層上のN−ド
リフト層で始まる。IGBT構造はこの基部の上に形成
される。具体的には、N−ドリフト層上にP−ベース領
域(P−ベースへのオーム接触を与える浅いP+領域を
含む)とP−ベース領域にN+領域とを加える。一方の
電極はP+層に接触してアノードを形成し、他方の電極
はP+オーム接触およびN+領域に接触してカソードを
形成する。サイリスタ構造もP+/N−ドリフト基部上
に形成される。具体的には、N−ドリフト層上にP−ベ
ースおよびN+領域を加える。サイリスタのN+領域上
の酸化物層によりカソードから分離されている。トレン
チゲート構造はIGBT構造およびサイリスタ構造間の
N−ドリフト層にくぼみ、IGBTのP−ベースおよび
N+領域をサイリスタのP−ベースおよびN+領域から
分離する。トレンチは導電材料で充填され、その接続は
ゲート端子を与える。
The new structure has two main variants. One has current saturation capability and the other has no current saturation capability. IGTOs with current saturation capability begin with an N- drift layer on a P + layer. The IGBT structure is formed on this base. Specifically, a P- base region (including a shallow P + region that provides ohmic contact to the P- base) on the N- drift layer and an N + region on the P- base region are added. One electrode contacts the P + layer to form the anode, and the other electrode contacts the P + ohmic contact and the N + region to form the cathode. A thyristor structure is also formed on the P + / N- drift base. Specifically, a P- base and an N + region are added on the N- drift layer. It is separated from the cathode by an oxide layer on the N + region of the thyristor. The trench gate structure is recessed in the N- drift layer between the IGBT structure and the thyristor structure and separates the IGBT P- base and N + regions from the thyristor P- base and N + regions. The trench is filled with a conductive material, the connection of which provides a gate terminal.

【0014】正のゲート電圧が十分であれば反転および
蓄積チャネルが形成され、それにより電子がN−ドリフ
ト層に流れ、かつIGBTおよびサイリスタのそれぞれ
のN+領域を短絡させ、両方のデバイスがオンとなる。
オン状態の際、電流の大部分はサイリスタ構造に流れ、
IGBT単独でのものよりも低いVFDを与える。デバイ
スにかかる電圧がゲート電圧に匹敵するものになると、
蓄積チャネルは取除かれてサイリスタの動作は終わる。
代替的にサイリスタの動作はゲート電圧を下げることに
よって終わらすことができ、それにより蓄積チャネルお
よび反転チャネルの抵抗が増加する。チャネル抵抗が優
位を占めると、アノード電流はIGBTの低い抵抗の経
路のみを流れ、サイリスタの動作は止まる。しかし、I
GBTの導通は続き、これは電流飽和能力を与える。ト
レンチゲートによって各々が分離されている複数個のI
GBT構造およびサイリスタ構造は互い違いにあって高
い電流を流すことができるデバイスを形成する。
If the positive gate voltage is sufficient, an inversion and accumulation channel is formed, whereby electrons flow to the N- drift layer and short the respective N + regions of the IGBT and thyristor, turning both devices on and off. Become.
During the on state, most of the current flows through the thyristor structure,
Gives a lower V FD than that of the IGBT alone. When the voltage across the device is comparable to the gate voltage,
The storage channel is removed and the operation of the thyristor ends.
Alternatively, the operation of the thyristor can be terminated by lowering the gate voltage, thereby increasing the resistance of the storage and inversion channels. When the channel resistance is dominant, the anode current flows only through the low resistance path of the IGBT, and the operation of the thyristor stops. But I
The GBT conduction continues, which provides current saturation capability. A plurality of I's, each separated by a trench gate
The GBT structure and the thyristor structure alternate to form a device capable of carrying a high current.

【0015】電流飽和能力を有しないIGTOは同じP
+/N−ドリフト基部を用いる。P−ベース領域はN−
ドリフト層上に加えられて(P−ベースにオーム接触を
与える浅いP+領域を有する)PNPトランジスタ構造
を形成し、P−ベースおよびN+領域を加えることによ
りサイリスタ構造が形成される。電極はサイリスタのN
+領域とトランジスタのP+オーム接触との両方に接触
してカソードを形成する。P+層との接触はアノードを
形成する。上に記載しているトレンチゲート構造はトラ
ンジスタ構造およびサイリスタ構造を分離し、ゲート接
続を与える。
IGTOs without current saturation capability have the same P
+ / N- drift base is used. The P-base region is N-
A thyristor structure is formed on top of the drift layer by forming a PNP transistor structure (having a shallow P + region that provides ohmic contact to the P- base) and adding a P- base and an N + region. The electrode is N of the thyristor
The cathode is formed in contact with both the + region and the P + ohmic contact of the transistor. Contact with the P + layer forms the anode. The trench gate structure described above separates the transistor and thyristor structures and provides a gate connection.

【0016】正のゲート電圧がデバイスに印加される
と、サイリスタのP−ベース領域にわたる反転チャネル
が形成され、ベース駆動を与えてサイリスタ構造および
トランジスタ構造の双方の導通を可能にする。負のゲー
ト電圧を印加するとサイリスタおよびトランジスタのそ
れぞれのP−ベース領域を短絡させるチャネルが形成さ
れ、これによりサイリスタ動作が終了してデバイスをオ
フにスイッチングする。サイリスタ構造がデバイスにお
いて主要となり、そのVFDはIGBTまたは前述の電流
飽和能力を有するIGTOよりはるかに低い。しかし、
この主要であるという結果、デバイスには電流飽和能力
がない。各々がトレンチゲートによって分離される複数
個のトランジスタ構造およびサイリスタ構造は互い違い
にあって、高い電流を流すことができるデバイスを形成
する。
When a positive gate voltage is applied to the device, an inversion channel is formed across the P-base region of the thyristor, providing base drive to allow conduction of both the thyristor and transistor structures. Applying a negative gate voltage creates a channel that shorts the respective P-base regions of the thyristor and transistor, thereby terminating thyristor operation and switching off the device. The thyristor structure is dominant in the device, and its V FD is much lower than IGBT or IGTO with current saturation capability as described above. But,
As a result of this primary, the device has no current saturation capability. A plurality of transistor structures and thyristor structures, each separated by a trench gate, are staggered to form a device capable of carrying high current.

【0017】上に記載しているデバイスの双方は従来の
技術を用いて簡単に製造することができる。本発明のさ
らなる特徴および利点は添付の図面とともに以下の詳細
な説明により当業者にとって明らかとなる。
Both of the devices described above can be easily manufactured using conventional techniques. Further features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】ここでは絶縁ゲートターンオフサ
イリスタ(IGTO)と呼ぶハイパワースイッチングデ
バイスの2つの変形が記載され、電流飽和能力について
一方は有し、他方は有しない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Two variations of a high power switching device, referred to herein as an insulated gate turn-off thyristor (IGTO), are described, one with current saturation capability and the other without.

【0019】電流飽和能力を有する絶縁ゲートターンオ
フサイリスタ(IGTO)の一実施例は図2に示され
る。デバイスの基部はP+層22上のN−ドリフト層2
0からなる。この基部上に2種類の構造が組立てられ
る。すなわち絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IG
BT)およびサイリスタが作成される。IGBT構造は
N−ドリフト層上にP−ベース領域24を加えることに
より形成され、P−ベース領域の上側角をN+領域26
が占めている。P−ベース領域24上の浅いP+領域2
7はP−ベースへのオーム接触を与える。電極28はI
GBTのP+オーム接触およびN+領域の双方に接触す
る。電極30はP+層に接触する。電極28および電極
30はデバイスのカソードKおよびアノードAとしてそ
れぞれ働く。ここでは、「+」(すなわち、P+または
N+)は1×1018/cm3以上のキャリア濃度を示
し、「−」は5×1016/cm3未満のキャリア濃度を
示す。
One embodiment of an insulated gate turn-off thyristor (IGTO) having current saturation capability is shown in FIG. The base of the device is the N- drift layer 2 on the P + layer 22.
Consists of zero. Two types of structures are assembled on this base. That is, an insulated gate bipolar transistor (IG
BT) and a thyristor are created. The IGBT structure is formed by adding a P- base region 24 on the N- drift layer, and the upper corner of the P- base region is set to an N + region 26.
Is occupied. Shallow P + region 2 on P- base region 24
7 provides ohmic contact to the P-base. The electrode 28 is I
Contact both the P + ohmic contact and the N + region of the GBT. Electrode 30 contacts the P + layer. Electrodes 28 and 30 serve as the cathode K and anode A, respectively, of the device. Here, “+” (that is, P + or N +) indicates a carrier concentration of 1 × 10 18 / cm 3 or more, and “−” indicates a carrier concentration of less than 5 × 10 16 / cm 3 .

【0020】サイリスタ構造は、N−ドリフト層上にP
−ベース領域32およびN+領域34を積層することに
よりP+/N−ドリフト基部上に形成される。サイリス
タのN+領域上に酸化物層36が形成されて、カソード
から分離する。
The thyristor structure has a P-type
-Formed on the P + / N- drift base by stacking the base region 32 and the N + region 34; An oxide layer 36 is formed over the N + region of the thyristor and separates from the cathode.

【0021】トレンチゲート構造はIGBTおよびサイ
リスタ構造間のN−ドリフト層20に窪み、IGBTの
P−ベースおよびN+領域をサイリスタのP−ベースお
よびN+領域から分離する。トレンチゲート構造は1対
の酸化物壁38および酸化物底面40を含み、導電材料
42が充填されて平坦なデバイス表面を与える。電極4
4は導電材料に接触してゲート端子Gを与える。トレン
チを容易に充填するという理由により、導電材料42は
ドナーが大量にドープされたポリシリコンである。しか
し、トレンチを充填することができかつ優れた導電性を
与える材料なら他を使用することができる。
The trench gate structure is recessed in the N- drift layer 20 between the IGBT and the thyristor structure, separating the IGBT P-base and N + regions from the thyristor P-base and N + regions. The trench gate structure includes a pair of oxide walls 38 and an oxide bottom surface 40 and is filled with a conductive material 42 to provide a planar device surface. Electrode 4
4 provides a gate terminal G in contact with the conductive material. Conductive material 42 is heavily doped donor polysilicon because it easily fills the trench. However, any other material that can fill the trench and provide excellent conductivity can be used.

【0022】デバイスがスイッチオンされるメカニズム
は図3に示されている。正電圧がゲート端子Gに印加さ
れる。これにより、IGBT構造およびサイリスタ構造
のそれぞれのP−ベース領域にわたる反転チャネル50
および52が形成される。ゲート電圧がデバイスのアノ
ードおよびカソードにかかる電圧(VAC)より大きいの
なら、蓄積チャネル54も形成され、これはP−ベース
領域24および32間のN−ドリフト層にわたる。
The mechanism by which the device is switched on is shown in FIG. A positive voltage is applied to the gate terminal G. Thereby, the inversion channel 50 over the P-base regions of the IGBT structure and the thyristor structure, respectively.
And 52 are formed. If the gate voltage is greater than the voltage across the device anode and cathode ( VAC ), a storage channel 54 is also formed, which spans the N-drift layer between P-base regions 24 and 32.

【0023】反転チャネル50により電子がIGBTの
N+領域からN−ドリフト層(矢印56によって示され
る)に流れ、IGBT構造およびサイリスタ構造のPN
Pトランジスタ部分の双方にベース駆動を与える。これ
に応答して、正孔がアノードからN−ドリフト層に注入
される(矢印57)。注入された正孔がN−ドリフト層
を横切りカソードで集められ(矢印58によって示され
る)、電流がデバイスに流れる。
The inversion channel 50 causes electrons to flow from the N + region of the IGBT to the N− drift layer (indicated by the arrow 56), and the IGBT and thyristor PN
Base drive is provided to both P transistor portions. In response, holes are injected from the anode into the N- drift layer (arrow 57). The injected holes are collected at the cathode across the N-drift layer (indicated by arrow 58) and current flows through the device.

【0024】蓄積チャネル54がある場合、反転チャネ
ル50および52ならびに蓄積チャネル54を介して導
通経路が提供され、それにより電子がIGBTのN+領
域とサイリスタ構造のフローティングN+層との間に流
れる(矢印60によって示される)。これにより、IG
BTのN+領域26の電位がサイリスタのN+領域34
に入る。チャネル50を介するベース駆動が十分大きく
なってサイリスタのN+/P−ベース接合を順方向にバ
イアスすると、サイリスタはオンとなる。これにより電
流はサイリスタ構造を介してアノードからカソードに流
れ、サイリスタのP−ベースおよびN+層を通って流
れ、次に反転チャネル52、蓄積チャネル54、反転チ
ャネル50およびN+領域26を通ってカソードKに達
する(矢印62によって示される)。
With storage channel 54, a conduction path is provided through inversion channels 50 and 52 and storage channel 54 so that electrons flow between the N + region of the IGBT and the floating N + layer of the thyristor structure (arrows). 60). Thereby, IG
The potential of the N + region 26 of the BT is changed to the N + region 34 of the thyristor.
to go into. When the base drive through channel 50 is large enough to forward bias the N + / P-base junction of the thyristor, the thyristor turns on. This allows current to flow from the anode to the cathode through the thyristor structure, through the thyristor's P-base and N + layers, and then through the inversion channel 52, storage channel 54, inversion channel 50 and N + region 26 to the cathode K. (Indicated by arrow 62).

【0025】サイリスタ構造を通る導通経路の抵抗はI
GBTのものよりも小さいので、デバイスの順電圧降下
FDは単独のサイリスタのものよりも高いが、典型的に
はIGBTのものより約1ボルト低い(〜4.5ボルト
対〜5.5ボルト)。
The resistance of the conduction path through the thyristor structure is I
Because it is smaller than that of the GBT, the device forward voltage drop V FD is higher than that of the thyristor alone, but is typically about 1 volt lower than that of the IGBT (B4.5 volts to 55.5 volts). ).

【0026】デバイスは電流飽和能力を有し、これは2
つの方法によって実現することができる。1つの方法は
ゲート電圧を下げることであり、これにより蓄積および
反転チャネルの抵抗が増加する。チャネルの抵抗が優位
を占めると、アノード電流は主にIGBTのより低い抵
抗の経路を流れ、サイリスタの動作は止まる。しかし、
IGBTの導通は続き、VACが十分に高くなれば、IG
BTは電流飽和領域に入る。
The device has current saturation capability, which is 2
This can be achieved in two ways. One approach is to lower the gate voltage, which increases the resistance of the storage and inversion channels. When the resistance of the channel predominates, the anodic current mainly flows through the lower resistance path of the IGBT and the thyristor stops operating. But,
Conduction of the IGBT continued, if V AC is accustomed sufficiently high, IG
BT enters the current saturation region.

【0027】デバイスがその電流飽和領域に入るもう1
つの方法は図4に示されている。アノード電圧が増加す
ると、蓄積チャネル54の領域内にあるN−ドリフト層
の電位は増加する。VACがゲート電圧VGに匹敵するよ
うになると、蓄積チャネル54は取除かれ、空乏領域7
0ができるようになり、これはP−ベース領域24から
P−ベース領域32に延在する。これはサイリスタ構造
をカソードに接続していた導通経路60を消滅させるの
で、サイリスタの動作は止まる。しかし、ゲート電圧V
GがVTより大きい限り、電子は反転チャネル50を介し
てN−ドリフト領域20に与えられ続け、電流はIGB
Tを介してアノードからカソードに流れ続ける。VAC
たとえば短絡によって非常に高くなると、IGBTは電
流飽和領域に入り、デバイスの電流を限定してその故障
を防ぐ。
Another time the device enters its current saturation region
One method is illustrated in FIG. As the anode voltage increases, the potential of the N- drift layer in the region of the storage channel 54 increases. When V AC becomes comparable to the gate voltage V G, accumulation channel 54 is removed, the depletion region 7
0 is created, which extends from the P-base region 24 to the P-base region 32. This extinguishes the conduction path 60 that connected the thyristor structure to the cathode, and the operation of the thyristor stops. However, the gate voltage V
G as long as greater than V T, the electrons continue given through the inversion channel 50 N-drift region 20, current IGB
Continue to flow from the anode to the cathode via T. When V AC becomes very high by the short-circuit for example, IGBT enters the current saturation region, preventing the failure by limiting the device current.

【0028】デバイスはゲート電圧VGを0以下にする
ことによりスイッチオフされる。これにより反転チャネ
ル50が消滅しかつIGBTのベース駆動もなくなり、
それによりIGBTはオフとなり、デバイスの導通をゼ
ロにする。デバイスは好ましくはゲート電圧を負にする
ことによりオフにし、デバイスがノイズによって間違っ
てオンとなる可能性を減らす。
The device is switched off by bringing the gate voltage V G below zero. As a result, the inversion channel 50 disappears and the base drive of the IGBT is also eliminated,
This turns off the IGBT, bringing the device conduction to zero. The device is preferably turned off by making the gate voltage negative, reducing the possibility of the device being accidentally turned on by noise.

【0029】パワースイッチングデバイスが破壊的不良
なしで動作することができる電流電圧境界は安全な動作
領域(SOA)として定義される。図2を再度参照し
て、電流飽和能力を有するIGTOのSOAは、トレン
チ底面の反対側にN−ドリフト層に浅い僅かにドープさ
れたP領域80を加えることによって向上させることが
できる。このP領域はトレンチの角(トレンチの縦壁が
その水平底面とつながるところ)にかかるほど十分に広
く、しかし横方向の拡散を避けるために十分に浅くする
(好ましくは<1μmの厚さ)。P領域に注入される電
荷は、ピークの電界が酸化物ではなく、P領域80にあ
るよう十分でなければならない。典型的には3×1012
/cm2以上の電荷が適切である。このようなP領域を
用いることにより、デバイスが阻止モードの際に受ける
高いピークの電界からトレンチ酸化物を保護する。これ
らの高い電界はデバイスを早期に破壊させ得る。酸化物
の角は特に早期の耐圧を受けやすいので、十分な保護が
必要な場合P領域80はトレンチの両方の角にまたがる
べきである。
The current-voltage boundary at which a power switching device can operate without catastrophic failure is defined as a safe operating area (SOA). Referring again to FIG. 2, the SOA of the IGTO with current saturation capability can be improved by adding a shallow, slightly doped P region 80 to the N-drift layer opposite the bottom of the trench. This P region is wide enough to cover the corners of the trench (where the vertical walls of the trench connect to its horizontal bottom), but shallow enough (preferably <1 μm thick) to avoid lateral diffusion. The charge injected into the P region must be sufficient so that the peak electric field is in the P region 80, not the oxide. Typically 3 × 10 12
/ Cm 2 or more is suitable. The use of such a P region protects the trench oxide from the high peak electric fields that the device experiences during blocking mode. These high electric fields can cause premature destruction of the device. Since oxide corners are particularly susceptible to premature breakdown voltage, P region 80 should span both corners of the trench if sufficient protection is needed.

【0030】図2−4に示されている電流飽和能力を有
するIGTOは、PNP IGBT構造およびPNPN
サイリスタ構造を含むよう示されているが、デバイスは
同様に逆の極性の構造をも容易に用いることができる。
このような装置は図5に示されている。ここでは、基部
はN+層102上のP−ドリフト層100を含み、その
接触はデバイスのカソードKを形成する。IGBT構造
はP−ドリフト層上にN−ベース領域104を加えるこ
とにより形成され、N−ベースにP+領域106を有す
る。N−ベース領域104上の浅いN+領域107はN
−ベースに対してオーム接触を提供する。N+オーム接
触およびP+領域の双方にアノード電極Aが接触する。
サイリスタ構造はP−ドリフト層上にN−ベース領域1
08およびP+領域110を加えることにより形成され
る。トレンチゲートおよびゲート接続Gは前述と同様で
あるが、トレンチを充填する導電材料は好ましくはアク
セプタで大量にドープされたポリシリコンである。デバ
イスは図2のデバイスと本質的に同様に機能するが、デ
バイスをオンにスイッチするのに必要なチャネルを形成
するのには負のゲート電圧が必要である。
The IGTO having the current saturation capability shown in FIGS. 2-4 has a PNP IGBT structure and a PNPN.
Although shown to include a thyristor structure, the device can easily use a structure of the opposite polarity as well.
Such a device is shown in FIG. Here, the base includes the P- drift layer 100 on the N + layer 102, the contact of which forms the cathode K of the device. The IGBT structure is formed by adding an N- base region 104 on the P- drift layer and has a P + region 106 on the N- base. The shallow N + region 107 on the N- base region 104 is N
-Providing ohmic contact to the base. The anode electrode A contacts both the N + ohmic contact and the P + region.
The thyristor structure has an N-base region 1 on a P-drift layer.
08 and the P + region 110. The trench gate and gate connection G are as described above, but the conductive material filling the trench is preferably polysilicon heavily doped with acceptors. The device functions essentially the same as the device of FIG. 2, but requires a negative gate voltage to form the necessary channel to switch the device on.

【0031】高電流を運ぶことができる実際のデバイス
を作成するためには、上に記載したIGBT構造、サイ
リスタ構造および絶縁ゲート構造の複数個がP+/N−
ドリフト基部にわたって互い違いに形成される。このよ
うなマルチセルデバイスの一実施例が図6に示されてい
る。ここでは、トレンチ型IGBT(120)およびサ
イリスタ(122)構造は、P+層124上のN−ドリ
フト層126からなる基部内において定期的に間隔があ
けられている。絶縁トレンチゲート構造128はIGB
Tおよび/またはサイリスタ構造のそれぞれの対の間に
設けられている。
In order to create an actual device capable of carrying high currents, a plurality of the IGBT, thyristor and insulated gate structures described above require P + / N−
Staggered over the drift base. One embodiment of such a multi-cell device is shown in FIG. Here, the trench IGBT (120) and thyristor (122) structures are regularly spaced within the base consisting of the N- drift layer 126 on the P + layer 124. Insulated trench gate structure 128 is IGB
It is provided between each pair of T and / or thyristor structures.

【0032】各サイリスタ構造のフローティングN+層
は図6のデバイスが優れたSOAを備えるのに役立つ。
各トレンチゲートの幅はデバイスのSOAおよびその導
電性に影響する。広いトレンチゲート幅は低いピークフ
ィールドをもたらし、これは高いSOAを提供する。し
かし、広いトレンチが用いられると導電性は一般的に犠
牲にされる。各サイリスタ構造のフローティングN+層
により、本発明は高いSOAおよび優れた導電性の双方
を達成できるようにする。なぜなら、各サイリスタのN
+層は酸化物層によって被覆されているのでフローティ
ング状態をなし、酸化物層は各IGBT構造間の距離を
本質的にまたがり、特別に広い有効トレンチ幅に役立
ち、高いSOAをもたらすからである。
The floating N + layer of each thyristor structure helps the device of FIG. 6 to provide excellent SOA.
The width of each trench gate affects the device's SOA and its conductivity. A wide trench gate width results in a low peak field, which provides a high SOA. However, conductivity is generally sacrificed when wide trenches are used. With the floating N + layer of each thyristor structure, the present invention enables both high SOA and excellent conductivity to be achieved. Because the N of each thyristor
The + layer is floating because it is covered by an oxide layer, which essentially spans the distance between each IGBT structure, serves a particularly large effective trench width, and results in a high SOA.

【0033】図6に示されているように、サイリスタ構
造122上の酸化物層は構造の後ろまでずっと延在しな
い。構造のそれぞれのP−ベース領域は酸化物層を越え
た領域において表面に達し、共通カソードに接続され
る。この配置は優れたSOAを提供するが、十分に機能
するデバイスは代替的に図7に示されるように構成する
ことができる。ここでは、サイリスタ構造122a上の
酸化物層は構造の後ろまで延在し、P−ベース領域は表
面に達せず、サイリスタ構造への接続はされない。
As shown in FIG. 6, the oxide layer on thyristor structure 122 does not extend all the way back to the structure. Each P-base region of the structure reaches the surface in a region beyond the oxide layer and is connected to a common cathode. While this arrangement provides excellent SOA, a fully functioning device can alternatively be configured as shown in FIG. Here, the oxide layer on thyristor structure 122a extends to the back of the structure, the P-base region does not reach the surface, and no connection to the thyristor structure is made.

【0034】IGBTおよびサイリスタ構造は、特定の
用途のためにデバイスの性能を調整するために所望の態
様で互い違いに設けることができる。たとえば、2つの
サイリスタ構造は各IGBT構造間に作成することがで
きる。これによりデバイスが同じ2つの数の構造を有す
るよりも低い順電圧降下を与えるが、電流飽和機能の有
効性は減少する。同様に、各サイリスタ間に2つのIG
BTを作成してデバイスの電流飽和能力を上げることが
できる。ただし、VFDはいささか高くなる。
[0034] The IGBT and thyristor structures can be staggered in any desired manner to tailor the performance of the device for a particular application. For example, two thyristor structures can be created between each IGBT structure. This gives a lower forward voltage drop than the device has the same two number structure, but reduces the effectiveness of the current saturation function. Similarly, two IGs between each thyristor
A BT can be created to increase the current saturation capability of the device. However, VFD is somewhat higher.

【0035】互い違いの構造の形は限定されていない。
図6および図7に示されているように、構造はトレンチ
形であってもよい。1つの可能な代替の実施例は図8の
平面図に示されている(アノード、カソードおよびゲー
ト電極は簡潔のため図示されていない)。ここでは柱状
のIGBT構造130は柱状のサイリスタ構造132と
互い違いにされ各IGBT構造対の間に2つのサイリス
タ構造がある。各IGBT構造は上で記載したとおりで
ある。P−ベース領域(図示されていない)へのオーム
接触を提供する浅いP+領域134がP+/N−ドリフ
ト基部136上に形成され、P−ベース領域内にN+領
域138が設けられている。各サイリスタ構造も上で記
載したとおりである。P−ベース領域140およびN+
領域142がP+/N−ドリフト基部136上に設けら
れている。絶縁トレンチゲート構造は各柱状IGBTお
よびサイリスタ構造を酸化物壁144で囲み、かつ酸化
物壁間の領域を横切る水平な酸化物底面(図示されてい
ない)によって形成される。
The shape of the staggered structure is not limited.
As shown in FIGS. 6 and 7, the structure may be trench-shaped. One possible alternative embodiment is shown in the plan view of FIG. 8 (the anode, cathode and gate electrodes are not shown for brevity). Here, the columnar IGBT structure 130 is staggered with the columnar thyristor structure 132 and there are two thyristor structures between each IGBT structure pair. Each IGBT structure is as described above. A shallow P + region 134 that provides ohmic contact to a P− base region (not shown) is formed on the P + / N− drift base 136 with an N + region 138 in the P− base region. Each thyristor structure is also as described above. P-base region 140 and N +
Region 142 is provided on P + / N− drift base 136. The insulated trench gate structure is formed by a horizontal oxide bottom (not shown) surrounding each pillar IGBT and thyristor structure with oxide walls 144 and crossing the region between the oxide walls.

【0036】図8に示されている構造は単なる一例であ
り、機能的デバイスを提供するために他の構造形状およ
び構造比率(IGBT構造の数/サイリスタ構造の数)
を用いることができる。図6および図7のトレンチ形の
構造が好ましい。なぜなら、その製造は容易でありなが
ら優れた性能を提供するからである。図示されていない
が、マルチセルデバイスは反対の極性(たとえば図5)
の構造体でもって、かつトレンチ底面下に僅かにドープ
された浅いN領域でもって実現でき、デバイスのSOA
を向上させる。
The structure shown in FIG. 8 is merely an example, and other structural shapes and ratios (number of IGBT structures / number of thyristor structures) may be used to provide a functional device.
Can be used. 6 and 7 are preferred. Because it is easy to manufacture, it offers excellent performance. Although not shown, the multi-cell device has the opposite polarity (eg, FIG. 5)
And a lightly doped shallow N region below the bottom of the trench.
Improve.

【0037】電流飽和能力を有しないIGTOは図9に
示されている。このデバイスの構造は上で記載した電流
飽和能力を有するIGTOの構造と類似しているが、い
くつかの顕著な違いがある。上記で示したように、デバ
イスはP+層202上のN−ドリフト層200からなる
基部上に作成される。P+層に接触する電極はデバイス
のアノードAとして働く。PNPバイポーラトランジス
タ構造はN−ドリフト層200上にP−ベース領域20
4を加えることにより形成され、P−ベース領域204
上に浅いP+領域205が形成されてP−ベースへのオ
ーム接触を提供する。サイリスタ構造はP−ベース領域
206およびN+領域208をN−ドリフト層上に加え
ることにより形成される。電極はトランジスタのP+オ
ーム接触205およびサイリスタのN+層208の双方
に接触する。これらの電極は互いに接続されて共通カソ
ード接続Kを形成する。トレンチゲートはトランジスタ
構造のP−ベース領域ならびにサイリスタ構造のP−ベ
ースおよびN+領域間のN−ドリフト層に窪んでいる。
トレンチゲートは1対の酸化物壁210および酸化物底
面212からなり、導電性材料214(好ましくはドナ
ーが大量にドープされたポリシリコン)で充填され、導
電材料に接触するゲート電極Gを含む。電流飽和能力を
有するIGTOと関連して上で記載したように、トレン
チ底面と反対側に浅い僅かにドープされたP領域216
をN−ドリフト層に加えて、トレンチ酸化物をデバイス
が阻止モードの際に受ける高いピーク電界から保護する
ことができる。領域216はトレンチの角にかかるほど
十分に広く、しかし横方向の拡散を避けるために好まし
くは十分浅くするべきである。
An IGTO without current saturation capability is shown in FIG. The structure of this device is similar to that of IGTO with current saturation capability described above, but with some notable differences. As indicated above, the device is created on a base consisting of the N− drift layer 200 on the P + layer 202. The electrode in contact with the P + layer serves as the anode A of the device. The PNP bipolar transistor structure has a P-base region 20 on the N-drift layer 200.
4 and the P-base region 204
A shallow P + region 205 is formed thereon to provide ohmic contact to the P- base. The thyristor structure is formed by adding a P- base region 206 and an N + region 208 on the N- drift layer. The electrode contacts both the P + ohmic contact 205 of the transistor and the N + layer 208 of the thyristor. These electrodes are connected together to form a common cathode connection K. The trench gate is recessed in the P- base region of the transistor structure and in the N- drift layer between the P- base and N + regions of the thyristor structure.
The trench gate comprises a pair of oxide walls 210 and an oxide bottom surface 212 and is filled with a conductive material 214 (preferably heavily doped polysilicon) and includes a gate electrode G in contact with the conductive material. As described above in connection with the IGTO having current saturation capability, a shallow slightly doped P region 216 opposite the bottom of the trench.
Can be added to the N-drift layer to protect the trench oxide from the high peak electric fields that the device experiences during blocking mode. Region 216 should be wide enough to cover the corners of the trench, but preferably shallow enough to avoid lateral diffusion.

【0038】デバイスがスイッチオンされるメカニズム
は図10に示される。正電圧がゲート端子Gに印加され
る。これによりトレンチ壁に隣接するサイリスタのP−
ベース層206にわたる反転N−チャネル220が形成
される。反転N−チャネル220により電子はサイリス
タのN+領域からN−ドリフト層に流れ(矢印222で
示される)、ベース駆動をトランジスタ構造およびサイ
リスタ構造の双方に提供する。これに応答して、正孔は
アノードからN−ドリフト層に注入される(矢印22
4)。アノードがカソードに対して十分に正であるとし
て、サイリスタおよびトランジスタ構造はオンとなり、
サイリスタ構造を介して(矢印226で図示)およびト
ランジスタ構造を介して(矢印228で図示)、アノー
ドからカソードへの導通を可能にする。サイリスタ動作
によりN−ドリフト層が電子および正孔で溢れるように
なり、その抵抗を下げ、さらにトランジスタおよびサイ
リスタ構造の双方の導通を向上させる。
The mechanism by which the device is switched on is shown in FIG. A positive voltage is applied to the gate terminal G. As a result, the thyristor P-
An inverted N-channel 220 over the base layer 206 is formed. The inverted N-channel 220 causes electrons to flow from the N + region of the thyristor to the N- drift layer (indicated by arrow 222), providing base drive to both the transistor and thyristor structures. In response, holes are injected from the anode into the N-drift layer (arrow 22).
4). Assuming that the anode is sufficiently positive with respect to the cathode, the thyristor and transistor structure is turned on,
Through the thyristor structure (shown by arrow 226) and through the transistor structure (shown by arrow 228), conduction from the anode to the cathode is enabled. The thyristor operation causes the N-drift layer to overflow with electrons and holes, lowering its resistance and improving the conduction of both the transistor and the thyristor structure.

【0039】デバイスがオンのときに電流はPNPトラ
ンジスタ構造およびサイリスタ構造の双方を流れるが、
サイリスタ側の抵抗はトランジスタ側のものよりはるか
に小さいので、デバイスが導通している場合にはサイリ
スタ構造の方が優位を占める。その結果、デバイスのV
FDはサイリスタ単独のものと類似している。サイリスタ
構造が優位であることにより、デバイスのマルチセルの
実施(以下で記載)はより高い電流密度および均一なタ
ーンオン特性を有するようになる。
When the device is on, current flows through both the PNP transistor structure and the thyristor structure.
Since the resistance on the thyristor side is much smaller than that on the transistor side, the thyristor structure dominate when the device is conducting. As a result, the V
FD is similar to thyristor alone. The superiority of the thyristor structure allows multi-cell implementations of the device (described below) to have higher current densities and uniform turn-on characteristics.

【0040】オン状態の場合、デバイスのトランジスタ
構造はデバイスの電流の僅かな部分しか運ばない。しか
し、トランジスタはターンオフの際大きな役割を果た
す。ターンオフメカニズムは図11に示されている。負
電圧がゲート電極に印加され、これによりP−ベース領
域206にわたる反転N−チャネル220が取除かれ、
ゲート酸化物に隣接したN−ドリフト領域にわたる反転
P−チャネル232が形成される。反転チャネル220
の除去によりデバイスのPNPトランジスタのベース駆
動がなくなり、経路228を通るデバイスの導通は停止
する。チャネル232は(矢印234によって示され
る)導通経路を与え、サイリスタのP−ベース層206
からの電流をトランジスタのP−ベース層204に分岐
させ、サイリスタのNPNトランジスタのベース駆動を
減少させる。電流が十分に分岐されてベース駆動が十分
に枯渇されると、サイリスタ動作は停止する。したがっ
て、デバイスはサイリスタの低いVFDを与えかつ有効な
ターンオフメカニズムを提供する。従来の手段によって
製造でき、そのMOSトレンチ構造は高いチャネル密度
を可能にし、それによりデバイスは高いターンオフ電流
能力を有することができる。しかし、サイリスタ構造は
デバイスで優位を占めるので、電流飽和能力を備えな
い。
In the on state, the transistor structure of the device carries only a small portion of the device current. However, transistors play a major role in turning off. The turn-off mechanism is shown in FIG. A negative voltage is applied to the gate electrode, which removes the inverted N-channel 220 across the P-base region 206,
An inverted P-channel 232 is formed over the N-drift region adjacent to the gate oxide. Inversion channel 220
Removes the base drive of the PNP transistor of the device and stops conduction of the device through path 228. Channel 232 provides a conductive path (indicated by arrow 234) and the thyristor P-base layer 206
From the P-base layer 204 of the transistor to reduce the base drive of the thyristor NPN transistor. When the current is sufficiently branched and the base drive is sufficiently depleted, the thyristor operation stops. Thus, the device provides a given and effective turn-off mechanism with low V FD of the thyristor. Manufactured by conventional means, the MOS trench structure allows for a high channel density, so that the device can have a high turn-off current capability. However, thyristor structures do not have current saturation capability because they dominate the device.

【0041】IGTOは図12に示されるように反対の
極性の構造で実現できる。ここでは、N+層240およ
びP−ドリフト層242が基部をなし、P−ドリフト層
上のN−ベース領域244がNPNトランジスタ(N−
ベースへのオーム接触を提供する浅いN+領域245を
有する)を形成し、P−ドリフト層上のN−ベース(2
46)およびP+(248)領域はサイリスタ構造を形
成する。N−ベース領域244およびP+領域248へ
の接続はデバイスのアノードAを形成する。そのN+層
に接触する電極はカソードKとして働く。トレンチゲー
ト構造の導電材料および酸化物壁および底面は上記と同
様である。ただしトレンチを充填する導電材料は好まし
くはアクセプタが大量にドープされたポリシリコンであ
る。この構造により、負ゲート電圧がデバイスをオンに
し、正電圧はスイッチオフするために用いられる。
The IGTO can be realized with a structure of opposite polarity as shown in FIG. Here, the N + layer 240 and the P− drift layer 242 form a base, and the N− base region 244 on the P− drift layer forms an NPN transistor (N−
Form a N-base (2 with a shallow N + region 245 to provide ohmic contact to the base) on the P- drift layer.
46) and P + (248) regions form a thyristor structure. The connection to N-base region 244 and P + region 248 forms the anode A of the device. The electrode in contact with the N + layer serves as cathode K. The conductive material and the oxide walls and bottom of the trench gate structure are the same as described above. However, the conductive material filling the trench is preferably polysilicon heavily doped with acceptors. With this structure, a negative gate voltage is used to turn on the device and a positive voltage is used to switch off.

【0042】電流飽和能力を有するIGTOに関連して
記載したように、大きい電流を運ぶことができる実際の
IGTOデバイスはマルチセルの実施を要し、トランジ
スタおよびサイリスタ構造はデバイスのP+/N−ドリ
フト基部にわたって互いに入り込んで形成される。1つ
の可能なマルチセルの実現化例は図13に示される。こ
こではトレンチ形トランジスタ(250)およびサイリ
スタ(252)構造は、P+層254上のN−ドリフト
層256からなる基部内に定期的に間隔があけられて設
けられている。絶縁トレンチゲート構造258は各トラ
ンジスタおよび/またはサイリスタ構造対の間に設けら
れる。
As described in connection with IGTOs having current saturation capability, actual IGTO devices capable of carrying large currents require multi-cell implementations, and transistor and thyristor structures require the P + / N- drift base of the device. Over each other. One possible multi-cell implementation is shown in FIG. Here, the trench transistor (250) and thyristor (252) structures are periodically spaced within the base of the N− drift layer 256 on the P + layer 254. An insulating trench gate structure 258 is provided between each transistor and / or thyristor structure pair.

【0043】電流飽和能力を備えないマルチセルIGT
Oの代替の実施例は図14に示される。ここでは、サイ
リスタ構造252aのP−ベース領域はデバイスの表面
に達し、共通カソードは各サイリスタのN+およびP−
ベース領域の両方に接続される。この構造により、図1
3のデバイスより幾分良いSOAが提供される。
Multi-cell IGT without current saturation capability
An alternative embodiment of O is shown in FIG. Here, the P- base region of thyristor structure 252a reaches the surface of the device, and the common cathode is the N + and P- of each thyristor.
Connected to both base areas. With this structure, FIG.
A somewhat better SOA is provided than the third device.

【0044】上で記載した電流飽和能力を有するIGT
Oと同様に、トランジスタおよびサイリスタ構造はデバ
イスの性能が特定の用途に合うよう所望の態様で互い違
いに設けることができる。さらに、互い違い構造の形は
限定されていない。図13および図14に示されている
ように、構造はトレンチ形であってもよい。1つの可能
な代替の実施例は図15の平面図に示される(アノー
ド、カソードおよびゲート電極はわかりやすくするため
に図示されていない)。ここで、方形棒状トランジスタ
構造260は方形棒状サイリスタ構造262と互い違い
に設けられ、一方のサイリスタ構造は各トランジスタ構
造対間に位置づけられる。各トランジスタ構造は上で記
載したとおりであり、P−ベース領域(示されていな
い)へのオーム接触を与える浅いP+領域264がP+
/N−ドリフト基部266上に形成されている。各サイ
リスタ構造も前に記載したとおりであり、P−ベース領
域(示されていない)およびN+領域268がP+/N
−ドリフト基部266上に形成されている。絶縁トレン
チゲート構造は、各方形棒状トランジスタおよびサイリ
スタ構造を酸化物壁270で囲み、酸化物壁間の領域に
わたる水平酸化物底面(示されていない)によって形成
されている。
IGT having current saturation capability as described above
Like O, the transistor and thyristor structures can be staggered in any desired manner so that device performance is tailored to a particular application. Further, the shape of the staggered structure is not limited. As shown in FIGS. 13 and 14, the structure may be trench-shaped. One possible alternative embodiment is shown in the plan view of FIG. 15 (the anode, cathode and gate electrodes are not shown for clarity). Here, square bar transistor structures 260 are staggered with square bar thyristor structures 262, with one thyristor structure positioned between each pair of transistor structures. Each transistor structure is as described above, with a shallow P + region 264 providing ohmic contact to a P- base region (not shown)
/ N- formed on the drift base 266. Each thyristor structure is also as described above, with the P-base region (not shown) and the N + region 268 being P + / N
-Formed on the drift base 266; The insulated trench gate structure is formed by a horizontal oxide bottom surface (not shown) surrounding each square rod transistor and thyristor structure with oxide walls 270 and spanning the area between the oxide walls.

【0045】図15に示されている構造は単なる一例で
あり、機能的デバイスを提供するために他の多くの構造
形状および構造比率(トランジスタ構造の数/サイリス
タ構造の数)を用いることができる。図13および図1
4のトレンチ形構造が好ましい。なぜなら、製造は簡単
でありながら優れた性能を提供するからである。図示さ
れていないが、マルチセルデバイスは(図12につい
て)反対の極性の構造で実現することができ、トレンチ
底面下に僅かにドープされた浅いN領域によってデバイ
スのSOAを向上させる。
The structure shown in FIG. 15 is merely an example, and many other structural shapes and ratios (number of transistor structures / number of thyristor structures) can be used to provide a functional device. . FIG. 13 and FIG.
4 are preferred. Because it is simple to manufacture, it offers excellent performance. Although not shown, the multi-cell device (with respect to FIG. 12) can be implemented with an opposite polarity structure, enhancing the device's SOA with a lightly doped shallow N region below the trench bottom.

【0046】記載されているデバイスはパンチスルーウ
ェハ(EPI)上に製造することができ、ドリフト層は
バルクサブストレート材上に正しいドーピングレベルを
備えて所望の厚さに生成される2つのエピタキシャル層
を含む。これは図5に示されており、ドリフト層100
は少量のドープされたP−ドリフト層およびより大量に
ドープされたP−バッファ層を含む。デバイスはノンパ
ンチスルー(NPT)ウェハ上にも製造することがで
き、ドリフト領域、たとえば図12の層242のような
P−ドリフト層はバルクサブストレート材料であり、N
+領域(この例ではN+層240)は裏面から注入され
たリンまたはヒ素でドープされた材料からなる非常に薄
い層(好ましくは0.5μm未満)である。どのウェハ
タイプを用いるべきかを定める際にいくつかの要因を考
慮するべきである。EPIウェハはNPTウェハよりも
高価であるが、エピタキシャル層は制御された厚さおよ
びドーピング濃度を有するのでより低い順電圧降下を与
える。NPTベースデバイスは(図5または12によっ
て構成されるのなら)より低い電子注入効率を有し、
(図2または図9によって構成されたのなら)EPIに
基づくデバイスより低い正孔注入効率を有し、この特性
を用いてストアされた電荷を操作してより良い切換特性
を提供することができる。それに対して、EPIに基づ
くデバイスにおけるストアされた電荷を調整するために
寿命的制御が用いられる。デバイスの阻止電圧はドリフ
ト層のドーピングレベルおよび厚さに影響される。60
0ボルト以上の阻止電圧を提供するのに十分なドーピン
グレベルおよび厚さが好ましい。
The described device can be manufactured on a punch-through wafer (EPI), and the drift layer is formed on the bulk substrate material with two doping layers with the correct doping level and the desired thickness. including. This is shown in FIG.
Includes a lightly doped P-drift layer and a heavily doped P-buffer layer. Devices can also be fabricated on non-punch-through (NPT) wafers, where the drift region, eg, a P-drift layer such as layer 242 in FIG. 12, is a bulk substrate material and
The + region (N + layer 240 in this example) is a very thin layer (preferably less than 0.5 μm) of phosphorous or arsenic doped material implanted from the back. Several factors should be considered in determining which wafer type to use. EPI wafers are more expensive than NPT wafers, but provide a lower forward voltage drop because the epitaxial layer has a controlled thickness and doping concentration. NPT-based devices have lower electron injection efficiencies (if configured according to FIG. 5 or 12),
It has a lower hole injection efficiency than an EPI-based device (if configured according to FIG. 2 or FIG. 9) and can be used to manipulate the stored charge to provide better switching characteristics. . In contrast, lifetime control is used to adjust the stored charge in EPI-based devices. The blocking voltage of the device is affected by the doping level and thickness of the drift layer. 60
Doping levels and thicknesses sufficient to provide a blocking voltage of 0 volts or more are preferred.

【0047】IGTOの性能は、電流飽和能力があって
もなくても、トレンチゲートの幅および深さによって、
さらにトランジスタ構造およびサイリスタ構造のメサ幅
によって影響される。約2−3μmのトレンチ幅、約3
−4μmのメサ幅、および約4−5μmのトレンチ深さ
が好ましく、これらにより製造するのに実用的でありな
がら優れた性能を提供する。
The performance of the IGTO depends on the width and depth of the trench gate, with or without current saturation capability.
Further, it is affected by the mesa width of the transistor structure and the thyristor structure. About 2-3 μm trench width, about 3
A mesa width of -4 [mu] m and a trench depth of about 4-5 [mu] m are preferred, as they provide practical but excellent performance for manufacturing.

【0048】電流飽和能力を備えないIGTOでは、タ
ーンオフの際、すなわち負ゲート電圧が印加された場
合、トランジスタ構造およびサイリスタ構造のそれぞれ
のP−ベース領域間に形成される反転チャネルはできる
だけ短い方が良い。チャネルが短ければそれぞれのP−
ベース領域間の経路の抵抗は小さなものとなり、電流タ
ーンオフ能力を向上させ、デバイスの最大制御可能電流
を増加させる。
In an IGTO having no current saturation capability, when the transistor is turned off, that is, when a negative gate voltage is applied, the inversion channel formed between the P-base regions of the transistor structure and the thyristor structure should be as short as possible. good. If the channel is short, each P-
The resistance of the path between the base regions will be lower, improving the current turn-off capability and increasing the maximum controllable current of the device.

【0049】本発明の特定の実施例が示されて記載され
たが、当業者にとって種々の変形および代替の実施例が
可能となる。したがって、本発明は前掲の請求の範囲に
よってのみ限定されるものである。
While a particular embodiment of the present invention has been shown and described, various modifications and alternative embodiments will occur to those skilled in the art. Accordingly, the invention is not limited except as by the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 先行技術で知られるIGBT構造の断面図で
ある。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an IGBT structure known in the prior art.

【図2】 本発明に係る、電流飽和能力を有するIGT
Oの断面図である。
FIG. 2 shows an IGT having current saturation capability according to the present invention.
It is sectional drawing of O.

【図3】 スイッチオンされるメカニズムを示す、図2
のデバイスの断面図である。
FIG. 3 shows the mechanism switched on, FIG.
3 is a sectional view of the device of FIG.

【図4】 デバイスの電流飽和能力を示す、図2のデバ
イスの断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the device of FIG. 2, showing the current saturation capability of the device.

【図5】 電流飽和能力を有するIGTOの代替の実施
例の断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an alternative embodiment of an IGTO having current saturation capability.

【図6】 電流飽和能力を有するIGTOの複数セル実
現化例の一実施例の斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view of an embodiment of a multiple cell implementation of an IGTO having a current saturation capability.

【図7】 電流飽和能力を有するIGTOの複数セル実
現化例の代替の実施例の斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view of an alternative embodiment of a multiple cell implementation of an IGTO having current saturation capability.

【図8】 電流飽和能力を有するIGTOの複数セル実
現化例の一実施例の平面図である。
FIG. 8 is a plan view of an embodiment of a multiple cell implementation of an IGTO having current saturation capability.

【図9】 本発明に係る、電流飽和能力を備えないIG
TOの断面図である。
FIG. 9 shows an IG without current saturation capability according to the present invention.
It is sectional drawing of TO.

【図10】 スイッチオンされるメカニズムを示す、図
9のデバイスの断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the device of FIG. 9, showing the mechanism switched on.

【図11】 スイッチオフされるメカニズムを示す、図
9のデバイスの断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the device of FIG. 9, showing the mechanism switched off.

【図12】 電流飽和能力を備えないIGTOの代替実
施例の断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view of an alternative embodiment of an IGTO without current saturation capability.

【図13】 電流飽和能力を備えないIGTOの複数セ
ル実現化例の一実施例の斜視図である。
FIG. 13 is a perspective view of an embodiment of a multiple cell implementation of an IGTO without current saturation capability.

【図14】 電流飽和能力を備えないIGTOの複数セ
ル実現化例の代替実施例の斜視図である。
FIG. 14 is a perspective view of an alternative embodiment of a multiple cell implementation of an IGTO without current saturation capability.

【図15】 電流飽和能力を備えないIGTOの複数セ
ル実現化例の一実施例の平面図である。
FIG. 15 is a plan view of an embodiment of a multiple cell implementation of an IGTO without current saturation capability.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 N−ドリフト層、22 P+層、24 P−ベー
ス領域、26 N+領域、27 浅いP+領域、28
電極、30 電極、32 P−ベース領域、34 N+
領域、36 酸化物層、38 酸化物壁、40 酸化物
底面、42 導電材料、44 電極、80 浅いP領
域。
20 N− drift layer, 22 P + layer, 24 P− base region, 26 N + region, 27 shallow P + region, 28
Electrodes, 30 electrodes, 32 P-base region, 34 N +
Region, 36 oxide layer, 38 oxide wall, 40 oxide bottom surface, 42 conductive material, 44 electrode, 80 shallow P region.

Claims (34)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電流飽和能力を有する絶縁ゲートターン
オフサイリスタ(IGTO)であって、 デバイス基部を備え、前記デバイス基部はP+層と、 前記P+層上のN−ドリフト層と、 前記P+層に接触し前記デバイスのアノードを与える第
1の電極とを含み、 前記基部のP+層およびN−ドリフト層を含む前記基部
上の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)構
造と、 前記IGBT構造に接触しかつ前記デバイスのカソード
を与える第2の電極と、 前記基部のP+層およびN−ドリフト層を含む前記基部
上のサイリスタ構造と、 前記サイリスタ構造を前記カソードから分離する、前記
サイリスタ構造上の酸化物層と、 前記IGBT構造および前記サイリスタ構造間の前記基
部に窪むトレンチ形状に配置される絶縁ゲートとをさら
に備え、前記絶縁ゲートの壁は前記IGBT構造および
前記サイリスタ構造に接触し、さらに前記トレンチの上
面に印加された電圧を前記壁に伝える、前記トレンチ内
の導電材料と、 前記導電材料に接触し、前記デバイスのゲート接続を与
える第3の電極とを備え、 正電圧は前記ゲート接続に印加されてチャネルを形成し
て前記IGBTおよび前記サイリスタ構造の間に導通経
路を与え、前記アノードおよびカソード接続間の電圧が
十分に高い場合、前記チャネルの1つにより前記IGB
T構造がオンになり、前記導通経路により前記サイリス
タ構造がオンになることを可能にし、それにより電流が
前記アノードおよびカソード接続間に流れ、前記導通経
路の抵抗が増加されそれにより前記サイリスタ構造がオ
フとなり、ゲート電圧が低下した場合または前記ゲート
電圧と前記アノードおよびカソード接続間の電圧との差
が十分小さい場合、前記アノードおよびカソード接続間
の電流は前記IGBT構造のみを流れ、ゼロまたは負の
ゲート電圧は前記トランジスタ構造をオフにしてデバイ
スの導通を終わらせる、絶縁ゲートターンオフサイリス
タ。
An insulated gate turn-off thyristor (IGTO) having current saturation capability, comprising a device base, wherein the device base contacts a P + layer, an N- drift layer on the P + layer, and the P + layer. A first electrode providing an anode of the device; an insulated gate bipolar transistor (IGBT) structure on the base including a P + layer and an N- drift layer on the base; and contacting the IGBT structure and the device A second electrode that provides a cathode of: a thyristor structure on the base including the base P + layer and an N− drift layer; an oxide layer on the thyristor structure separating the thyristor structure from the cathode; And an insulated gate disposed in a trench shape in the base between the IGBT structure and the thyristor structure. Wherein the insulated gate wall contacts the IGBT structure and the thyristor structure, and further transmits a voltage applied to the upper surface of the trench to the wall, wherein the conductive material in the trench is in contact with the conductive material. A third electrode providing a gate connection of the device, wherein a positive voltage is applied to the gate connection to form a channel to provide a conduction path between the IGBT and the thyristor structure; If the voltage between them is high enough, one of the
The T structure is turned on, and the conduction path allows the thyristor structure to be turned on, so that current flows between the anode and cathode connections and the resistance of the conduction path is increased, thereby increasing the thyristor structure Off, and if the gate voltage drops or if the difference between the gate voltage and the voltage between the anode and cathode connections is small enough, the current between the anode and cathode connections will only flow through the IGBT structure and will be zero or negative. An insulated gate turn-off thyristor, wherein a gate voltage turns off the transistor structure and terminates device conduction.
【請求項2】 電流飽和能力を有する絶縁ゲートターン
オフサイリスタ(IGTO)であって、 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)構造を
備え、前記IGBT構造はP+層と、 前記P+層上のN−ドリフト層と、 前記N−ドリフト層上の第1のP−ベース領域と、 前記第1のP−ベース領域へのオーム接触を与えるため
の、前記第1のP−ベース領域上の浅いP+領域と、 前記第1のP−ベース領域上の第1のN+領域と、 前記浅いP+領域および前記第1のP−ベース領域の両
方に接触し、前記デバイスのためのカソード接続を与え
る第1の電極とを含み、さらにサイリスタ構造を備え、
前記サイリスタ構造は前記P+層と、 前記P+層上の前記N−ドリフト層と、 前記N−ドリフト層上の第2のP−ベース領域と、 前記第2のP−ベース領域上の第2のN+領域と、 前記第2のN+領域を前記カソード接続から分離する、
前記第2のN+領域上の第1の酸化物層とを含み、さら
に前記IGBT構造のN+領域およびP−ベース領域な
らびに前記サイリスタ構造のN+およびP−ベース領域
間の前記N−ドリフト層に窪むトレンチ形状に配置され
る絶縁ゲートを備え、前記絶縁ゲートは前記第1のN+
領域、前記第1のP−ベース領域、前記N−ドリフト
層、前記第2のP−ベース領域、および前記第2のN+
領域に接触する第2の酸化物層を含み、前記第2の酸化
物層は前記トレンチの壁および底面を形成し、 前記トレンチの上面に印加される電圧を前記第2の酸化
物層に与える、前記トレンチ内の導電材料と、 前記導電材料に接触し、前記デバイスのためのゲート接
続を与える第2の電極と、 前記N−ドリフト領域と反対側で前記P+層に接触し、
前記デバイスのためのアノード接続を与える第3の電極
とを含み、 正電圧は前記ゲート接続に印加されてそれぞれ前記第1
および第2のP−ベース領域にわたる第1および第2の
反転チャネルならびに前記反転チャネル間の前記N−ド
リフト層にわたる蓄積チャネルを形成し、前記反転チャ
ネルおよび蓄積チャネルは前記第1および第2のN+領
域間に導通経路を与え、前記アノードおよびカソード接
続間の電圧が十分に高い場合、前記第1の反転チャネル
により前記IGBT構造がオンになり、前記導通経路に
より前記サイリスタ構造がオンとなることを可能にし、
それにより電流が前記アノードおよびカソード接続間に
流れ、前記導通経路の抵抗が増加され、それにより前記
サイリスタ構造がオフにされ、ゲート電圧が減じられた
場合または前記ゲート電圧と前記アノードおよびカソー
ド接続間の電圧との差が十分に小さい場合に前記アノー
ドおよびカソード接続間の電流は前記IGBT構造のみ
を流れ、ゼロまたは負のゲート電圧は前記トランジスタ
構造をオフにしてデバイスの導通を終わらせる、絶縁ゲ
ートターンオフサイリスタ。
2. An insulated gate turn-off thyristor (IGTO) having current saturation capability, comprising an insulated gate bipolar transistor (IGBT) structure, wherein said IGBT structure has a P + layer, an N- drift layer on said P + layer, A first P- base region on the N- drift layer; a shallow P + region on the first P- base region for providing ohmic contact to the first P- base region; A first N + region on a first P- base region; and a first electrode contacting both the shallow P + region and the first P- base region to provide a cathode connection for the device. Including a thyristor structure,
The thyristor structure includes the P + layer, the N- drift layer on the P + layer, a second P- base region on the N- drift layer, and a second P- base region on the second P- base region. Isolating the N + region from the second N + region from the cathode connection;
A first oxide layer on the second N + region; and a recess in the N- drift layer between the N + and P- base regions of the IGBT structure and the N + and P- base regions of the thyristor structure. An insulated gate disposed in a trench shape, wherein the insulated gate is the first N +
Region, the first P- base region, the N- drift layer, the second P- base region, and the second N +
A second oxide layer in contact with a region, the second oxide layer forming a wall and a bottom surface of the trench, and applying a voltage applied to a top surface of the trench to the second oxide layer A conductive material in the trench; a second electrode in contact with the conductive material to provide a gate connection for the device; and contacting the P + layer opposite the N- drift region;
A third electrode providing an anode connection for the device, wherein a positive voltage is applied to the gate connection to each of the first and second electrodes.
And a first and second inversion channel over the second P- base region and a storage channel over the N- drift layer between the inversion channels, wherein the inversion channel and the storage channel are the first and second N + Providing a conduction path between the regions, wherein if the voltage between the anode and cathode connections is sufficiently high, the first inversion channel turns on the IGBT structure and the conduction path turns on the thyristor structure. Make it possible
This causes a current to flow between the anode and cathode connections, increasing the resistance of the conduction path, thereby turning off the thyristor structure and reducing the gate voltage or between the gate voltage and the anode and cathode connections. The current between the anode and cathode connections flows only through the IGBT structure when the difference between them is small enough, and a zero or negative gate voltage turns off the transistor structure and terminates device conduction; Turn-off thyristor.
【請求項3】 前記絶縁ゲートは前記IGBT構造およ
び前記サイリスタ構造にそれぞれ接触する第1および第
2のほぼ縦の壁と、前記N−ドリフト領域に接触し前記
縦壁間のほぼ水平な底面とを有し、前記トレンチ内の前
記導電材料と反対側で前記水平底面に接触しかつ前記縦
壁および前記底面の接合に形成される角に跨って、前記
デバイスが阻止モードの際前記角を高いピークの電界か
ら保護する浅いP領域をさらに含む、請求項2に記載の
絶縁ゲートターンオフサイリスタ。
3. The insulated gate has first and second substantially vertical walls contacting the IGBT structure and the thyristor structure, respectively, and a substantially horizontal bottom surface between the vertical walls contacting the N-drift region. The device contacts the horizontal bottom surface on the opposite side of the conductive material in the trench and straddles the corner formed at the junction of the vertical wall and the bottom surface, and raises the corner when the device is in the blocking mode. 3. The insulated gate turn-off thyristor of claim 2, further comprising a shallow P region that protects from a peak electric field.
【請求項4】 前記浅いP領域の厚さは1μm未満であ
る、請求項3に記載の絶縁ゲートターンオフサイリス
タ。
4. The insulated gate turn-off thyristor according to claim 3, wherein said shallow P region has a thickness of less than 1 μm.
【請求項5】 前記浅いP領域は、ピーク電界が前記第
2の酸化物層に達するのを防ぐのに十分な電荷で注入さ
れる、請求項3に記載の絶縁ゲートターンオフサイリス
タ。
5. The insulated gate turn-off thyristor of claim 3, wherein the shallow P region is injected with a charge sufficient to prevent a peak electric field from reaching the second oxide layer.
【請求項6】 前記電荷は少なくとも3×1012/cm
2である、請求項4に記載の絶縁ゲートターンオフサイ
リスタ。
6. The charge is at least 3 × 10 12 / cm
It is 2, the insulated gate turn-off thyristor according to claim 4.
【請求項7】 前記絶縁ゲートターンオフサイリスタは
複数個の前記IGBT構造、複数個の前記サイリスタ構
造、および前記N−ドリフト層に互いに入り込む複数個
の前記絶縁ゲート構造を含み、前記絶縁ゲート構造の各
々は前記IGBT構造のそれぞれの対、前記サイリスタ
構造のそれぞれの対、または前記IGBT構造および前
記サイリスタ構造のそれぞれの対の間に位置付けられ、
前記分離N+領域を有する前記サイリスタ構造はIGB
T構造間により大きい有効トレンチ幅をもたらし、それ
により前記絶縁ゲートターンオフサイリスタの安全動作
領域(SOA)を向上させる、請求項2に記載の絶縁ゲ
ートターンオフサイリスタ。
7. The insulated gate turn-off thyristor includes a plurality of the IGBT structures, a plurality of the thyristor structures, and a plurality of the insulated gate structures penetrating into the N-drift layer, each of the insulated gate structures. Is positioned between each pair of said IGBT structures, each pair of said thyristor structures, or each pair of said IGBT structure and said thyristor structure;
The thyristor structure having the isolation N + region is an IGB
3. The insulated gate turn-off thyristor of claim 2, wherein the insulated gate turn-off thyristor provides a greater effective trench width between the T structures, thereby improving the safe operating area (SOA) of the insulated gate turn-off thyristor.
【請求項8】 前記導電材料はドナーが大量にドープさ
れたポリシリコンである、請求項2に記載の絶縁ゲート
ターンオフサイリスタ。
8. The insulated gate turn-off thyristor according to claim 2, wherein said conductive material is heavily doped donor polysilicon.
【請求項9】 前記N−ドリフト層はバルクサブストレ
ート材料であり、前記P+層は前記N−ドリフト層の裏
側に注入され、かつ0.5μm未満の厚さを有する、請
求項2に記載の絶縁ゲートターンオフサイリスタ。
9. The N- drift layer of claim 2, wherein the N- drift layer is a bulk substrate material, and the P + layer is implanted on the back side of the N- drift layer and has a thickness of less than 0.5 µm. Insulated gate turn-off thyristor.
【請求項10】 前記N−ドリフト層の厚さは、600
ボルト以上の前記デバイスに阻止電圧を与えるのに十分
である、請求項2に記載の絶縁ゲートターンオフサイリ
スタ。
10. The N-drift layer has a thickness of 600.
3. The insulated gate turn-off thyristor of claim 2, wherein said thyristor is sufficient to provide a blocking voltage to said device above volts.
【請求項11】 電流飽和能力を有する絶縁ゲートター
ンオフサイリスタ(IGTO)であって、絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ(IGBT)構造を備え、前記絶
縁ゲートバイポーラトランジスタはN+層と、 前記N+層上のP−ドリフト層と、 前記P−ドリフト層上の第1のN−ベース領域と、 前記第1のN−ベース領域へのオーム接触を与えるため
の、前記第1のN−ベース領域上の浅いN+領域と、 前記第1のN−ベース領域上の第1のP+領域と、 前記浅いN+領域および前記第1のN−ベース領域の両
方に接触し、前記デバイスのためのアノード接続を与え
る第1の電極とを含み、さらにサイリスタ構造を備え、
前記サイリスタ構造は前記N+層と、 前記N+層上の前記P−ドリフト層と、 前記P−ドリフト層上の第2のN−ベース領域と、 前記第2のN−ベース領域上の第2のP+領域と、 前記第2のP+領域を前記アノード接続から分離する、
前記第2のP+領域上の第1の酸化物層とを含み、さら
に前記IGBT構造のP+およびN−ベース領域および
前記サイリスタ構造のP+およびN−ベース領域間の前
記P−ドリフト層に窪む、トレンチ形状に配置されてい
る絶縁ゲートを備え、前記絶縁ゲートは前記第1のP+
領域、前記第1のN−ベース領域、前記P−ドリフト
層、前記第2のN−ベース領域および前記第2のP+領
域に接触する第2の酸化物層を含み、前記第2の酸化物
層は前記トレンチの壁および底面を形成し、さらに前記
トレンチの上面に印加される電圧を前記第2の酸化物層
に伝える、前記トレンチ内の導電材料と、 前記導電材料に接触し、前記デバイスのためのゲート接
続を与える第2の電極とを含み、さらに 前記P−ドリフト領域の反対側で前記N+層に接触して
前記デバイスのためのカソード接続を与える第3の電極
を備え、 負電圧は前記ゲート接続に印加されてそれぞれ前記第1
および第2のN−ベース領域にわたる第1および第2の
反転チャネルならびに前記反転チャネル間の前記P−ド
リフト層にわたる蓄積チャネルを形成し、前記反転およ
び蓄積チャネルは前記第1および前記第2のP+領域間
に導通経路を与え、前記アノードおよびカソード接続間
の電圧が十分に高い場合、前記第1の反転チャネルによ
り前記IGBT構造がオンになり前記導通経路により前
記サイリスタ構造がオンになることを可能にし、それに
より電流が前記アノードおよびカソード接続間に流れ、
前記導通経路の抵抗は増加され、それにより前記サイリ
スタ構造はオフとなり、ゲート電極が減少した場合また
は前記ゲート電極と前記アノードおよびカソード接続間
の電圧との差が十分に小さい場合、前記アノードおよび
カソード接続間の電流は前記IGBT構造のみを流れ、
ゼロまたは正ゲート電圧は前記トランジスタ構造をオフ
にしてデバイスの導通を終わらせる、絶縁ゲートターン
オフサイリスタ。
11. An insulated gate turn-off thyristor (IGTO) having current saturation capability, comprising an insulated gate bipolar transistor (IGBT) structure, wherein the insulated gate bipolar transistor has an N + layer, and a P− drift on the N + layer. A first N- base region on the P- drift layer; a shallow N + region on the first N- base region for providing ohmic contact to the first N- base region. A first P + region on the first N- base region; and a first electrode contacting both the shallow N + region and the first N- base region to provide an anode connection for the device. And further comprising a thyristor structure,
The thyristor structure includes the N + layer, the P- drift layer on the N + layer, a second N- base region on the P- drift layer, and a second N- base region on the second N- base region. Separating a P + region and the second P + region from the anode connection;
A first oxide layer on the second P + region and further recessed in the P- drift layer between the P + and N- base regions of the IGBT structure and the P + and N- base regions of the thyristor structure. , An insulated gate arranged in a trench shape, wherein the insulated gate is the first P +
A second oxide layer in contact with a region, the first N- base region, the P- drift layer, the second N- base region, and the second P + region. A layer forming walls and a bottom surface of the trench, and further conducting a voltage applied to a top surface of the trench to the second oxide layer; a conductive material in the trench; contacting the conductive material; A second electrode that provides a gate connection for the device, and a third electrode that contacts the N + layer on the opposite side of the P- drift region to provide a cathode connection for the device. Are applied to the gate connections, respectively.
And a first and second inversion channel over the second N-base region and a storage channel over the P-drift layer between the inversion channels, wherein the inversion and storage channel are the first and second P + Providing a conduction path between the regions, if the voltage between the anode and cathode connections is sufficiently high, the first inversion channel allows the IGBT structure to turn on and the conduction path allows the thyristor structure to turn on Whereby current flows between the anode and cathode connections,
The resistance of the conduction path is increased, thereby turning off the thyristor structure, and if the gate electrode decreases or if the difference between the gate electrode and the voltage between the anode and cathode connections is small enough, the anode and cathode The current between the connections flows only through the IGBT structure,
An insulated gate turn-off thyristor, wherein a zero or positive gate voltage turns off the transistor structure and terminates device conduction.
【請求項12】 前記導電材料は、アクセプタが大量に
ドープされたポリシリコンである、請求項11に記載の
絶縁ゲートターンオフサイリスタ。
12. The insulated gate turn-off thyristor of claim 11, wherein said conductive material is polysilicon heavily doped with acceptors.
【請求項13】 電流飽和能力を有する絶縁ゲートター
ンオフサイリスタ(IGTO)であって、P+層と、 前記P+層上のN−ドリフト層と、 複数個の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGB
T)構造とを備え、前記IGBT構造の各々は前記N−
ドリフト層上の第1のP−ベース領域と、 前記第1のP−ベース領域にオーム接触を与えるため
の、前記第1のP−ベース領域上の浅いP+領域と、 前記第1のP−ベース領域上の第1のN+領域と、 前記浅いP+領域および前記第1のP−ベース領域の両
方に接触し、前記デバイスのためのカソード接続を与え
る第1の電極とを含み、 前記カソード接続の各々は互いに接続されて共通のカソ
ード接続を形成し、さらに複数個のサイリスタ構造を備
え、前記サイリスタ構造の各々は前記N−ドリフト層上
の第2のP−ベース領域と、 前記第2のP−ベース領域上の第2のN+領域と、 前記第2のN+領域を前記共通のカソード接続から分離
する、前記第2のN+領域上の第1の酸化物層とを含
み、 前記複数個のIGBT構造および前記複数個のサイリス
タ構造は前記N−ドリフト層に互いに入り込み、さらに
複数個の絶縁ゲートを備え、前記絶縁ゲートの各々は、
前記N−ドリフト層に窪むトレンチ形状に配置され、前
記IGBT構造のN+およびP−ベース領域ならびに前
記サイリスタ構造のN+およびP−ベース領域を、前記
IGBT構造のN+およびP−ベース領域ならびに前記
サイリスタ構造のN+およびP−ベース領域の他方のも
のから分離し、前記絶縁ゲートの各々は前記ゲートが分
離している構造のN+およびP−ベース領域ならびに前
記N−ドリフト層に接触する第2の酸化物層を含み、前
記第2の酸化物層は前記トレンチの壁および底面を形成
し、 前記トレンチの上面に印加された電圧を前記第2の酸化
物層に伝える、前記トレンチ内の導電材料と、 前記導電材料に接触して前記デバイスのゲート接続を与
える第2の電極とを含み、 前記ゲート接続の各々は互いに接続されて共通のゲート
接続を形成し、さらに前記N−ドリフト領域と反対側で
前記P+層に接触し前記デバイスのためのアノード接続
を与える第3の電極を備え、 正電圧は前記共通ゲート接続に与えられて前記第1およ
び第2のP−ベース領域の各々にわたる反転チャネルな
らびに前記反転チャネル間の前記N−ドリフト層にわた
る蓄積チャネルを形成し、前記反転および蓄積チャネル
は前記第1および前記第2のN+領域の各々間に導通経
路を与え、前記アノードおよび共通のカソード接続間の
電圧が十分に高い場合、前記反転チャネルにより前記I
GBT構造がオンになり、前記導通経路により前記サイ
リスタ構造がオンになることを可能にし、それにより前
記アノードおよび共通カソード接続間に電流が流れ、前
記導通経路の抵抗は増加されそれにより前記サイリスタ
構造はオフとなり、ゲート電圧が減少した場合または前
記ゲート電圧と前記アノードおよびカソード接続間の電
圧との差が十分に小さい場合に、前記アノードおよび前
記共通カソード間の電流は前記IGBT構造にのみ流
れ、ゼロまたは負のゲート電圧は前記トランジスタ構造
をオフにし、デバイスの導通を終了させる、絶縁ゲート
ターンオフサイリスタ。
13. An insulated gate turn-off thyristor (IGTO) having a current saturation capability, comprising: a P + layer; an N− drift layer on the P + layer; and a plurality of insulated gate bipolar transistors (IGB).
T) structure, wherein each of the IGBT structures is
A first P- base region on the drift layer; a shallow P + region on the first P- base region for providing ohmic contact to the first P- base region; A first N + region on a base region; and a first electrode contacting both the shallow P + region and the first P- base region to provide a cathode connection for the device; Are connected to each other to form a common cathode connection, and further include a plurality of thyristor structures, each of the thyristor structures including a second P-base region on the N-drift layer; A second N + region on a P- base region; and a first oxide layer on the second N + region separating the second N + region from the common cathode connection; IGBT structure and said compound Several thyristor structures penetrate each other into the N-drift layer and further comprise a plurality of insulated gates, each of the insulated gates
The N + and P− base regions of the IGBT structure and the N + and P− base regions of the IGBT structure, the N + and P− base regions of the IGBT structure, and the N + and P− base regions of the IGBT structure and the thyristor are arranged in a trench shape recessed in the N− drift layer. Isolated from the other of the N + and P- base regions of the structure, each of the insulated gates is a second oxide contacting the N + and P- base regions of the structure separated by the gate and the N- drift layer. A conductive material in the trench, the second oxide layer forming a wall and a bottom surface of the trench, and transmitting a voltage applied to a top surface of the trench to the second oxide layer. A second electrode that contacts the conductive material to provide a gate connection for the device, wherein each of the gate connections is connected to A third electrode that forms a gate connection and further contacts the P + layer opposite the N-drift region to provide an anode connection for the device, wherein a positive voltage is applied to the common gate connection. Forming an inversion channel over each of the first and second P- base regions and a storage channel over the N- drift layer between the inversion channels, wherein the inversion and storage channel is the first and second N + regions. , And if the voltage between the anode and the common cathode connection is high enough,
A GBT structure is turned on, and the conduction path allows the thyristor structure to be turned on, thereby causing current to flow between the anode and common cathode connection and increasing the resistance of the conduction path, thereby increasing the thyristor structure. Is off, and if the gate voltage decreases or if the difference between the gate voltage and the voltage between the anode and cathode connections is sufficiently small, the current between the anode and the common cathode flows only through the IGBT structure; An insulated gate turn-off thyristor, wherein a zero or negative gate voltage turns off the transistor structure and terminates device conduction.
【請求項14】 前記デバイスはダイ上にあり、前記P
+層および前記N−ドリフト層は前記ダイの長さおよび
幅を走る、請求項13に記載の絶縁ゲートターンオフサ
イリスタ。
14. The device according to claim 14, wherein the device is on a die and the P
14. The insulated gate turn-off thyristor of claim 13, wherein a + layer and said N- drift layer run the length and width of said die.
【請求項15】 前記IGBT構造および前記サイリス
タ構造はトレンチ形であり、前記ダイの長さにわたり、
前記ダイの幅にわたって定期的に間隔があけられてい
る、請求項14に記載の絶縁ゲートターンオフサイリス
タ。
15. The IGBT structure and the thyristor structure are trench-shaped and extend the length of the die.
15. The insulated gate turn-off thyristor of claim 14, wherein the thyristor is regularly spaced across the width of the die.
【請求項16】 各前記第2のP−ベース領域の部分は
デバイス表面に達しかつ前記共通カソード接続に接続さ
れて前記絶縁ゲートターンオフサイリスタの安全動作領
域を向上させる、請求項13に記載の絶縁ゲートターン
オフサイリスタ。
16. The insulation of claim 13, wherein a portion of each said second P-base region reaches a device surface and is connected to said common cathode connection to enhance a safe operating area of said insulated gate turn-off thyristor. Gate turn-off thyristor.
【請求項17】 すべての前記第2のP−ベース領域の
どの部分もデバイス表面に達しない、または前記共通カ
ソード接続に接続されない、請求項13に記載の絶縁ゲ
ートターンオフサイリスタ。
17. The insulated gate turn-off thyristor of claim 13, wherein no portion of all of the second P-base regions reach the device surface or are not connected to the common cathode connection.
【請求項18】 絶縁ゲートターンオフサイリスタ(I
GTO)であって、デバイス基部を備え、前記デバイス
基部はP+層と、 前記P+層上のN−ドリフト層と、 前記P+層に接触しかつ前記デバイスのアノードを与え
る第1の電極とを含み、さらに前記基部の層を含む、前
記基部上のPNPトランジスタ構造と、 前記基部の層を含む、前記基部上のサイリスタ構造と、 前記トランジスタおよび前記サイリスタ構造に接触し、
前記デバイスのカソードを与える第2の電極と、 前記トランジスタ構造および前記サイリスタ構造間の前
記基部に窪むトレンチ形状に配置される絶縁ゲートとを
備え、前記絶縁ゲートの壁は前記トランジスタ構造およ
び前記サイリスタ構造に接触し、さらに前記トレンチの
上面に印加される電圧を前記壁に伝える、前記トレンチ
内にある導電材料と、 前記導電材料に接触し、前記デバイスのゲート接続を与
える第3の電極とを備え、 正電圧は前記ゲート接続に印加されて反転Nチャネルを
形成し、前記アノードおよびカソード接続間の電圧が十
分高い場合に前記サイリスタおよび前記PNPトランジ
スタ構造がオンになることを可能にし、それにより前記
サイリスタおよび前記PNPトランジスタ構造を介して
電流が前記アノードおよびカソード接続間に流れること
を可能にし、負電圧は前記ゲート接続に印加されて前記
反転Nチャネルを取除き反転Pチャネルを形成して、電
流を前記サイリスタ構造から前記トランジスタ構造に分
岐して、それにより前記サイリスタおよび前記PNPト
ランジスタ構造をオフにしてデバイスの導通を終わらせ
る、絶縁ゲートターンオフサイリスタ。
18. An insulated gate turn-off thyristor (I)
GTO), comprising a device base, the device base including a P + layer, an N- drift layer on the P + layer, and a first electrode contacting the P + layer and providing an anode of the device. Contacting the transistor and the thyristor structure, further comprising: a PNP transistor structure on the base, including the base layer; a thyristor structure on the base, including the base layer;
A second electrode providing a cathode of the device; and an insulated gate disposed in a trench shape recessed in the base between the transistor structure and the thyristor structure, wherein the walls of the insulated gate comprise the transistor structure and the thyristor. A conductive material in the trench that contacts the structure and further transmits a voltage applied to the top surface of the trench to the wall; and a third electrode that contacts the conductive material and provides a gate connection of the device. A positive voltage is applied to said gate connection to form an inverted N-channel, enabling said thyristor and said PNP transistor structure to be turned on when the voltage between said anode and cathode connections is high enough; Current flows through the thyristor and the PNP transistor structure to the anode and the capacitor. A negative voltage is applied to the gate connection to remove the N-channel and form an P-channel to diverge current from the thyristor structure to the transistor structure; An insulated gate turn-off thyristor, thereby turning off the thyristor and the PNP transistor structure to terminate device conduction.
【請求項19】 絶縁ゲートターンオフサイリスタ(I
GTO)であって、PNPバイポーラトランジスタ構造
を備え、前記PNPバイポーラトランジスタ構造はP+
層と、 前記P+層上のN−ドリフト層と、 前記N−ドリフト層上の第1のP−ベース領域と、 前記第1のP−ベース領域へのオーム接触を与えるため
の、前記第1のP−ベース領域上の浅いP+領域とを含
み、さらにサイリスタ構造を備え、前記サイリスタ構造
は前記P+層と、 前記P+層上の前記N−ドリフト層と、 前記N−ドリフト層上の第2のP−ベース領域と、 前記第2のP−ベース領域上のN+領域とを含み、さら
に前記浅いP+領域および前記N+領域に接触し、前記
デバイスのためのカソード接続を与える第1の電極と、 前記PNPトランジスタ構造の浅いP+およびP−ベー
ス領域ならびに前記サイリスタ構造のN+領域およびP
−ベース領域間の前記N−ドリフト層に窪むトレント形
状に配置される絶縁ゲートとを備え、前記絶縁ゲートは
前記浅いP+領域、前記第1のP−ベース領域、前記N
−ドリフト層、前記第2のP−ベース領域および前記N
+領域に接触する第2の酸化物層と、 前記トレンチの上面に印加される電圧を前記第2の酸化
物層に伝える、前記トレンチ内の導電材料と、 前記導電材料に接触し、前記デバイスのゲート接続を与
える第2の電極とを含み、さらに前記N−ドリフト領域
と反対側の前記P+層に接触し、前記デバイスのための
アノード接続を与える第3の電極を備え、 正電圧は前記ゲート接続に印加されて前記第2のP−ベ
ース領域にわたる反転N−チャネルを形成し、それによ
り前記アノードおよびカソード接続にかかる電圧が十分
高い場合に前記サイリスタおよび前記PNPトランジス
タ構造がオンになり、それにより前記サイリスタおよび
前記PNPトランジスタ構造を介して電流が前記アノー
ドおよびカソード接続間の流れることを可能にし、負電
圧は前記ゲート接続に印加されて前記第1および前記第
2のP−ベース領域間の前記N−ドリフト領域にわたる
反転Pチャネルを形成し、前記第2のP−ベース領域か
らの電流を前記第1のP−ベース領域に分岐し、それに
より前記サイリスタ構造および前記PNPトランジスタ
構造をオフにしてデバイスの導通を終わらせる、絶縁ゲ
ートターンオフサイリスタ。
19. An insulated gate turn-off thyristor (I)
GTO), comprising a PNP bipolar transistor structure, wherein the PNP bipolar transistor structure is P +
A N- drift layer on the P + layer; a first P- base region on the N- drift layer; and a first P- base region for providing ohmic contact to the first P- base region. A shallow P + region on the P- base region, further comprising a thyristor structure, wherein the thyristor structure comprises: the P + layer; the N- drift layer on the P + layer; A first electrode comprising: a P- base region; and an N + region on the second P- base region, further contacting the shallow P + region and the N + region to provide a cathode connection for the device. The shallow P + and P- base regions of the PNP transistor structure and the N + regions and P of the thyristor structure.
An insulating gate disposed in a torrent shape recessed in the N- drift layer between the base regions, wherein the insulating gate is the shallow P + region, the first P- base region,
The drift layer, the second P- base region and the N
A second oxide layer in contact with the positive region, a conductive material in the trench for transmitting a voltage applied to the top surface of the trench to the second oxide layer, the device in contact with the conductive material, A second electrode that provides a gate connection for the device, and a third electrode that contacts the P + layer opposite the N- drift region and provides an anode connection for the device. Applied to a gate connection to form an inverted N-channel across the second P-base region, thereby turning on the thyristor and the PNP transistor structure when the voltage across the anode and cathode connections is high enough; This allows current to flow between the anode and cathode connections through the thyristor and the PNP transistor structure, Forms an inverted P-channel applied to the gate connection across the N-drift region between the first and second P-base regions, and directs current from the second P-base region to the first P-base region. An insulated gate turn-off thyristor that branches to the P-base region of the thyristor structure and thereby turns off the thyristor structure and the PNP transistor structure to terminate device conduction.
【請求項20】 前記絶縁ゲートは前記PNPトランジ
スタ構造および前記サイリスタ構造にそれぞれ接触する
第1および第2のほぼ縦の壁と、前記N−ドリフト領域
に接触する前記縦壁間のほぼ水平な底面とを有し、さら
に前記トレンチの前記導電材料と反対側で前記水平底面
に接触し、前記縦壁および前記底面の接合に形成される
角に跨って、前記デバイスが阻止モードの際に前記角を
高いピークの電界から保護するための浅いP領域を含
む、請求項19に記載の絶縁ゲートターンオフサイリス
タ。
20. A substantially horizontal bottom surface between first and second substantially vertical walls contacting the PNP transistor structure and the thyristor structure, respectively, and the vertical wall contacting the N-drift region. And contacting the horizontal bottom surface on the opposite side of the trench from the conductive material and straddling a corner formed at the junction of the vertical wall and the bottom surface, the device having the corner in the blocking mode. 20. The insulated gate turn-off thyristor of claim 19, including a shallow P region to protect the thyristor from high peak electric fields.
【請求項21】 前記浅いP領域の厚さは1μm未満で
ある、請求項20に記載の絶縁ゲートターンオフサイリ
スタ。
21. The insulated gate turn-off thyristor of claim 20, wherein said shallow P region has a thickness of less than 1 μm.
【請求項22】 前記浅いP領域は、ピーク電界が前記
第2の酸化物層に達するのを防ぐのに十分な電荷が注入
される、請求項20に記載の絶縁ゲートターンオフサイ
リスタ。
22. The insulated gate turn-off thyristor of claim 20, wherein said shallow P region is injected with a charge sufficient to prevent a peak electric field from reaching said second oxide layer.
【請求項23】 前記電荷は少なくとも3×1012/c
2である、請求項22に記載の絶縁ゲートターンオフ
サイリスタ。
23. The charge is at least 3 × 10 12 / c
It is m 2, and insulated gate turn-off thyristor according to claim 22.
【請求項24】 前記導電材料はドナーによって大量に
ドープされたポリシリコンである、請求項19に記載の
絶縁ゲートターンオフサイリスタ。
24. The insulated gate turn-off thyristor of claim 19, wherein said conductive material is polysilicon heavily doped with a donor.
【請求項25】 前記絶縁ゲートターンオフサイリスタ
は複数個の前記PNPトランジスタ構造、複数個の前記
サイリスタ構造、および前記N−ドリフト層に互いに入
り込む複数個の前記絶縁ゲート構造を含み、各前記絶縁
ゲート構造は前記PNPトランジスタ構造のそれぞれの
対、前記サイリスタ構造のそれぞれの対、または前記P
NPトランジスタ構造および前記サイリスタ構造のそれ
ぞれの対の間に位置づけられる、請求項19に記載の絶
縁ゲートターンオフサイリスタ。
25. The insulated gate turn-off thyristor includes a plurality of the PNP transistor structures, a plurality of the thyristor structures, and a plurality of the insulated gate structures penetrating into the N-drift layer. Are each pair of the PNP transistor structures, each pair of the thyristor structures, or
20. The insulated gate turn-off thyristor of claim 19, located between respective pairs of an NP transistor structure and said thyristor structure.
【請求項26】 前記N−ドリフト層はバルクサブスト
レート材料であり、前記P+層は前記N−ドリフト層の
裏面に注入されかつその厚さは0.5μm未満である、
請求項19に記載の絶縁ゲートターンオフサイリスタ。
26. The N- drift layer is a bulk substrate material, the P + layer is implanted on the back of the N- drift layer and has a thickness of less than 0.5 μm.
20. The insulated gate turn-off thyristor according to claim 19.
【請求項27】 前記N−ドリフト層の厚さは600ボ
ルト以上の前記デバイスに阻止電圧を与えるのに十分で
ある、請求項19に記載の絶縁ゲートターンオフサイリ
スタ。
27. The insulated gate turn-off thyristor according to claim 19, wherein the thickness of the N-drift layer is sufficient to provide a blocking voltage to the device at or above 600 volts.
【請求項28】 絶縁ゲートターンオフサイリスタ(I
GTO)であって、NPNバイポーラトランジスタ構造
を備え、前記NPNバイポーラトランジスタ構造は、 N+層と、 前記N+層上のP−ドリフト層と、 前記P−ドリフト層上の第1のN−ベース領域と、 前記第1のN−ベース領域へのオーム接触を与えるため
の、前記第1のN−ベース領域上の浅いN+領域とを含
み、さらにサイリスタ構造を備え、前記サイリスタ構造
は前記N+層と、 前記N+層上の前記P−ドリフト層と、 前記P−ドリフト層上の第2のN−ベース領域と、 前記第2のN−ベース領域上のP+領域とを含み、さら
に前記浅いN+領域およびP+領域に接触し、前記デバ
イスのアノード接続を与える第1の電極と、 前記NPNトランジスタ構造の浅いN+およびN−ベー
ス領域ならびに前記サイリスタ構造のP+およびN−ベ
ース領域間の前記P−ドリフト層に窪むトレンチ形状に
配置される絶縁ゲートとを備え、前記絶縁ゲートは浅い
N+領域、前記第1のN−ベース領域、前記P−ドリフ
ト層、前記第2のN−ベース領域および前記P+領域に
接触する第2の酸化物層と、 前記トレンチの上面に印加される電圧を前記第2の酸化
物層に伝える、前記トレンチ内の導電材料と、 前記導電材料に接触し、前記デバイスのゲート接続を与
える第2の電極とを含み、さらに前記P−ドリフト領域
の反対側で前記N+層に接触し、前記デバイスのカソー
ド接続を与える第3の電極を備え、 負電圧は前記ゲート接続に印加されて前記第2のN−ベ
ース領域にわたる反転Pチャネルを形成し、前記アノー
ドおよびカソード接続にかかる電圧が十分に高い場合に
前記サイリスタおよび前記NPNトランジスタ構造がオ
ンになることを可能にし、それにより前記サイリスタお
よび前記NPNトランジスタ構造を介して電流が前記ア
ノードおよびカソード接続間に流れることができ、正電
圧は前記ゲート接続に印加されて前記第1および前記第
2のN−ベース領域間の前記P−ドリフト領域にわたる
反転N−チャネルを形成し、前記第2のN−ベース領域
からの電流を前記第1のP−ベース領域に分岐し、それ
により前記サイリスタおよび前記NPNトランジスタ構
造をオフにして、デバイスの導通を終わらせる、絶縁ゲ
ートターンオフサイリスタ。
28. An insulated gate turn-off thyristor (I)
GTO), comprising an NPN bipolar transistor structure, wherein the NPN bipolar transistor structure comprises: an N + layer; a P− drift layer on the N + layer; a first N− base region on the P− drift layer; A shallow N + region on the first N- base region for providing ohmic contact to the first N- base region, further comprising a thyristor structure, wherein the thyristor structure comprises the N + layer; The P- drift layer on the N + layer; a second N- base region on the P- drift layer; and a P + region on the second N- base region. A first electrode that contacts a P + region and provides an anode connection of the device; a shallow N + and N− base region of the NPN transistor structure; and a P electrode of the thyristor structure. And an insulated gate disposed in a trench shape in the P- drift layer between the N- base region and the N- base region, wherein the insulated gate is a shallow N + region, the first N- base region, the P- drift layer, A second oxide layer in contact with the second N- base region and the P + region; and a conductive material in the trench for transmitting a voltage applied to an upper surface of the trench to the second oxide layer. A second electrode contacting the conductive material and providing a gate connection of the device; and a third electrode contacting the N + layer opposite the P- drift region to provide a cathode connection of the device. An electrode, wherein a negative voltage is applied to the gate connection to form an inverted P-channel across the second N-base region, and a negative voltage is applied if the voltage across the anode and cathode connections is sufficiently high. Allowing the thyristor and the NPN transistor structure to be turned on, so that current can flow between the anode and cathode connections through the thyristor and the NPN transistor structure, and a positive voltage is applied to the gate connection Forming an inversion N-channel across the P-drift region between the first and second N-base regions, and passing current from the second N-base region to the first P-base region. An insulated gate turn-off thyristor, which turns off the thyristor and the NPN transistor structure, thereby terminating device conduction.
【請求項29】 前記導電材料はアクセプタが大量にド
ープされたポリシリコンである、請求項28に記載の絶
縁ゲートターンオフサイリスタ。
29. The insulated gate turn-off thyristor of claim 28, wherein said conductive material is polysilicon heavily doped with acceptors.
【請求項30】 絶縁ゲートターンオフサイリスタ(I
GTO)であって、 P+層と、 前記P+層上のN−ドリフト層と、 複数個のPNPトランジスタ構造とを備え、各前記トラ
ンジスタ構造は前記N−ドリフト層上の第1のP−ベー
ス領域と前記第1のP−ベース領域へのオーム接触を与
える、前記第1のP−ベース領域上の浅いP+領域とを
含み、さらに複数個のサイリスタ構造を備え、各前記サ
イリスタ構造は前記N−ドリフト層上の第2のP−ベー
ス領域と、 前記第2のP−ベース領域上の第2のN+領域とを含
み、さらに前記浅いP+領域および前記第2のN+領域
に接触し、前記デバイスの共通カソード接続を与える第
1の電極を備え、 前記複数個のPNPトランジスタ構造および前記複数個
のサイリスタ構造は前記N−ドリフト層に互いに入り込
み、さらに複数個の絶縁ゲートを備え、各前記絶縁ゲー
トは前記N−ドリフト層に窪むトレンチ形状に配置さ
れ、かつ前記PNPトランジスタ構造の浅いP+および
P−ベース領域ならびに前記サイリスタ構造のN+およ
びP−ベース領域を、前記PNPトランジスタ構造の浅
いP+およびP−ベース領域ならびに前記サイリスタ構
造のN+およびP−ベース領域の他方のものから分離
し、各前記絶縁ゲートは前記ゲートが分離している構造
の浅いP+、N+およびP−ベース領域ならびに前記N
−ドリフト層に接触する酸化物層を含み、前記酸化物層
は前記トレンチの壁および底面を形成し、さらに前記ト
レンチの上面に印加される電圧を前記酸化物層に伝え
る、前記トレンチ内の導電材料と、 前記導電材料に接触し、前記デバイスのゲート接続を与
える第2の電極とを含み、 各前記ゲート接続は互いに接続されて共通のゲート接続
を形成し、さらに前記N−ドリフト領域の反対側で前記
P+層に接触し、前記デバイスのアノード接続を与える
第3の電極を備え、 正電圧は前記共通ゲート接続に印加されて前記第2のP
−ベース領域のそれぞれのものにわたる反転Nチャネル
を形成し、前記アノードおよび共通カソード接続の電圧
が十分に高い場合に前記サイリスタおよび前記PNPト
ランジスタ構造がオンになることを可能にし、それによ
り前記サイリスタおよび前記PNPトランジスタ構造を
介して前記アノードおよび共通カソード接続間に電流が
流れることができ、負電圧は前記共通ゲート接続に印加
されて前記第1および前記第2のP−ベース領域のそれ
ぞれのものの間の前記N−ドリフト領域にわたる反転P
チャネルを形成し、電流を前記第2のP−ベース領域か
ら前記第1のP−ベース領域に分岐し、それにより前記
サイリスタおよび前記PNPトランジスタ構造をオフに
してデバイスの導通を終わらせる、絶縁ゲートターンオ
フサイリスタ。
30. An insulated gate turn-off thyristor (I)
GTO), comprising: a P + layer; an N- drift layer on the P + layer; and a plurality of PNP transistor structures, each transistor structure including a first P- base region on the N- drift layer. And a shallow P + region on the first P- base region for providing ohmic contact to the first P- base region, further comprising a plurality of thyristor structures, each of the thyristor structures being a N-type thyristor structure. A device comprising: a second P- base region on the drift layer; and a second N + region on the second P- base region, further contacting the shallow P + region and the second N + region; A plurality of PNP transistor structures and a plurality of thyristor structures penetrate into the N-drift layer, and further include a plurality of insulated gates. Wherein each of the insulated gates is arranged in a trench shape recessed in the N- drift layer, and the shallow P + and P- base regions of the PNP transistor structure and the N + and P- base regions of the thyristor structure are connected to the PNP transistor. Separated from shallow P + and P- base regions and the other of the N + and P- base regions of the thyristor structure, each of the insulated gates has a shallow P +, N + and P- base of the structure from which the gate is separated. Region and the N
A conductive layer in the trench, comprising an oxide layer in contact with the drift layer, said oxide layer forming a wall and a bottom surface of said trench, and further transmitting a voltage applied to a top surface of said trench to said oxide layer; A second electrode in contact with the conductive material and providing a gate connection for the device, wherein each of the gate connections is connected to each other to form a common gate connection, and further opposite the N-drift region. A third electrode contacting the P + layer on the side and providing an anode connection of the device, wherein a positive voltage is applied to the common gate connection and the second P
Forming an inverted N-channel across each of the base regions, allowing the thyristor and the PNP transistor structure to be turned on when the voltage of the anode and common cathode connection is sufficiently high, whereby the thyristor and A current can flow between the anode and the common cathode connection via the PNP transistor structure, and a negative voltage is applied to the common gate connection between the respective ones of the first and second P-base regions. P over the N-drift region of
An insulated gate forming a channel and branching current from the second P-base region to the first P-base region, thereby turning off the thyristor and the PNP transistor structure and terminating device conduction; Turn-off thyristor.
【請求項31】 前記デバイスはダイ上にあり、前記P
+層およびN−ドリフト層は前記ダイの長さおよび幅を
走る、請求項30に記載の絶縁ゲートターンオフサイリ
スタ。
31. The device according to claim 31, wherein the device is on a die and the P
31. The insulated gate turn-off thyristor of claim 30, wherein a + layer and an N- drift layer run the length and width of the die.
【請求項32】 前記PNPトランジスタ構造および前
記サイリスタ構造はトレンチ形であり、前記ダイの長さ
にわたり、前記ダイの幅にわたって定期的に間隔があけ
られている、請求項31に記載の絶縁ゲートターンオフ
サイリスタ。
32. The insulated gate turn-off of claim 31, wherein the PNP transistor structure and the thyristor structure are trench-shaped and are regularly spaced across the length of the die and across the width of the die. Thyristor.
【請求項33】 各前記第2のP−ベース領域の部分は
デバイス表面に達し、前記共通カソード接続に接続され
て前記絶縁ゲートターンオフサイリスタの安全動作領域
を向上させる、請求項30に記載の絶縁ゲートターンオ
フサイリスタ。
33. The insulation of claim 30, wherein a portion of each said second P-base region reaches a device surface and is connected to said common cathode connection to enhance a safe operating area of said insulated gate turn-off thyristor. Gate turn-off thyristor.
【請求項34】 すべての前記第2のP−ベース領域の
どの部分もデバイス表面に達せずまたは前記共通カソー
ド接続に接続されない、請求項30に記載の絶縁ゲート
ターンオフサイリスタ。
34. The insulated gate turn-off thyristor of claim 30, wherein no portion of all of the second P-base regions reach the device surface or are not connected to the common cathode connection.
JP2000103319A 1999-04-08 2000-04-05 Insulated gate turn-off thyristor Withdrawn JP2000311998A (en)

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