JP2001313393A - 電力用半導体装置及びその駆動方法 - Google Patents
電力用半導体装置及びその駆動方法Info
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Abstract
動作が可能で、スイチング損失が小さい電力用半導体装
置を提供する。 【解決手段】 n−型ドリフト層1中にp+型埋込み層
9を有するパワーMOSFETにおいて、p型ベース層
4の側方に第2のゲート電極11に接続されたp+型キ
ャリア注入層10を設け、ターンオン動作時にp+型キ
ャリア注入層10からホール(正孔)をn−型ドリフト
層1中に注入する。このp+型キャリア注入層10から
ホールの注入により、p+型埋込み層9の空乏化を速や
かに解消することにより、ターンオン時間を短縮し、高
速動作を可能ににすると共に、スイッチング損失を小さ
くする。
Description
いられる電力用半導体装置及びその素子の駆動方式に関
し、特にパワーMOSFET及びその駆動方式に関す
る。
してユニポーラ動作のパワーMOSFETが広く用いら
れているが、MOSFETは、高速動作が期待できる
が、バイポーラ動作のIGBTに比べて耐圧が高くなる
にしたがって、オン状態でので電圧降下が高くなり、通
電損失が大きくなる問題がある。この問題を解決するM
OSFETの一例として、例えば特開平9−19110
9号公報に開示されたものが知られている。
模式的に示す断面図である。
11の一方の表面にn+型ドレイン層112が形成さ
れ、このn+型ドレイン層112上にはドレイン電極1
13が形成されている。またそのn−型ドリフト層11
1の他方の表面には複数のp型ベース層114が選択的
に形成され、この各p型ベース層114表面にはn+型
ソース層115が選択的に形成されている。また前記p
型ベース層114及び前記n+型ソース層115から前
記n−型ドリフト層111を介して他方の前記p型ベー
ス層114及び前記n+型ソース層115に至る領域上
には、ゲート絶縁膜116を介してゲート電極117が
形成されている。またこのゲート電極117を挟むよう
に、一方の前記p型ベース層114及びn+型ソース層
115上と、他方の前記p型ベース層114及びn+型
ソース層115上には、各々ソース電極118が形成さ
れている。そして、前記p型ベース層114と前記ドレ
イン電極112との間の前記n−型ドリフト層111中
には、3層のp+型埋込み層119a,119b,11
9cが、互いに間隔をおいて選択的に埋込み形成されて
いる。またこのp+型埋込み層119a,119b,1
19cは、いずれも電気的に浮遊状態にされている。
Tでは、オフ状態の際には、n−型ドリフト層111内
の電界を、p+型埋込み層119a,119b,119
cにより分割されたn−型ドリフト層111の分割数に
応じて分割することができる。例えば、p+型埋込み層
119a,119b,119cが3層の場合には、n−
型ドリフト層111の電界は4分割され、耐圧600V
の素子と仮定すると、p+型埋込み層119a,119
b,119c間に必要な耐圧は150Vとなる。このよ
うに耐圧が低くなったことにより、n−型ドリフト層1
11の不純物濃度は、p+型埋込み層119a,119
b,119cがない場合に比べて4倍にでき、n−型ド
リフト層111中の電気抵抗を低減することが可能とな
り、そのため素子のオン抵抗を1/4程度まで低減させ
ることが可能となる。
は、オフ状態においてp+型埋込み層が一旦空乏化する
と、ターンオン時にp+型埋込み層の空乏化が解消され
るまで正常なオン状態にならなず、ターンオン時間が約
100μs以上と時間が長い。
ら周辺に空乏層が延び、実効的にキャリアが伝導する面
積が減るため、素子自体は高抵抗となってスイッチング
損失が大きくなる。
もので、ターンオン時間を短縮し高速動作が可能で、ス
イッチング損失の少ない大電力用半導体素子及びその素
子の駆動方法を提供することを目的とする。
に、請求項1に対応する発明の電力用半導体装置は、第
1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の一方
の表面に電気的に接続された第1の主電極と、前記第1
の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電
型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表面に選
択的に形成された第1導電型の第3の半導体層と、前記第
2の半導体層と前記第3の半導体層とに電気的に接続さ
れた第2の主電極と前記第1の半導体層と前記第2の半
導体層と前記第3の半導体層の表面上に絶縁膜を介して
形成された第1の制御電極と、前記第1の半導体層中であ
って、前記第2の半導体層と前記第1の主電極との間に
選択的に埋込まれた少なくとも1つ以上の電位の浮いた
第2導電型埋め込層と、前記第1の半導体層の表面に前
記第2の半導体層と離間して選択的に形成された第2導
電型の第4の半導体層と、前記第4の半導体層と電気的
に接続された第2の制御電極とを有することを特徴とし
ている。
導体装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1
の半導体層に一方の表面に電気的に接続された第1の主
電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形
成された第2導電型の第2の半導体層と、前記第2の半
導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第3の
半導体層と、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層
とに電気的に接続された第2の主電極と、前記第1の半
導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表
面上に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、前
記第1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と前
記第1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくとも
1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋込み層と、前記第
1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導
電型の第5の半導体層と、前記第5の半導体層に電気的
に接続された第2の制御電極とを有することを特徴とし
ている。
半導体装置は、前記第1の半導体層の一方の表面と前記
第1の主電極との間に、前記第1の半導体層よりも高不
純物濃度をもつ第1導電型の高濃度半導体層が形成さ
れ、前記第5の半導体層は、前記高濃度半導体層に選択
的に形成され、且つ前記第1の主電極側の一端が前記高
濃度半導体層と同一平面をなし、他端が前記高濃度半導
体層を貫通して前記第1の半導体層中に達する形状に形
成されてなることを特徴としている。
力用半導体装置は、前記第1の半導体層の一方の表面と
前記第1の主電極との間に、前記第1の半導体層よりも
高不純物濃度をもつ第1導電型の高濃度半導体層が形成
され、前記第5の半導体層は、前記高濃度半導体層に選
択的に、且つ同一層厚に形成され、第1の主電極側の一
端が前記高濃度半導体層と同一平面をなし、他端が前記
第1の半導体層の一方の表面と接触した形状に形成され
たことを特徴としている。
力用半導体装置は、前記第1の主電極と前記第2の制御
電極とが電気的に共通接続されてなることを特徴として
いる。
力用半導体装置は、前記第1の主電極と前記第2の制御
電極とが電気的に独立に形成されてなることを特徴とし
ている。
力用半導体装置は、前記第5の半導体層は、前記第1の
半導体層の一方の表面、または前記第1の主電極側の前
記高濃度半導体層表面において、前記第5の半導体層の
表面積とこの層に隣接する前記1の半導体層部分部、ま
たは隣接する前記高濃度半導体層部分の表面積とが同一
面積であることを特徴としている。
力用半導体装置は、前記第5の半導体層は、前記第1の
半導体層の一方の表面、または前記第1の主電極側の前
記高濃度半導体層表面において、前記第5の半導体層の
表面積がこの層に隣接する前記1の半導体層部分部、ま
たは隣接する前記高濃度半導体層部分の表面積より広面
積であることを特徴としている。
力用半導体装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前記
第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された第1
の主電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択的
に形成された第2導電型の第2の半導体層と、前記第2
の半導体表面に選択的に形成された第1導電型の第3の半
導体層と、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の
表面に電気的に接続された第2の主電極と、前記第1の
半導体層と前記第2の半導体層と前記3の半導体層上に
絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、前記第1の
半導体層の他方の表面に前記第2の半導体層と離間して
選択的に形成された第2導電型の第6の半導体層と、前
記第6の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電
型の第7の半導体層と、前記第6の半導体層と前記第7
の半導体層とに電気的に接続された電位の浮遊したフロ
ーティング電極と、前記第1の半導体層と前記第6の半
導体層と前記第7の半導体層上に絶縁膜を介して形成さ
れた第2の制御電極と、前記第1の半導体層中に選択的に
埋込み形成された少なくとも1つ以上の電位の浮いた第
2導電型埋め込層とを有することを特徴としている。
電力用半導体装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前
記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された第
1の主電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択
的に形成された第2導電型の第2の半導体層と、前記第2
の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第3
の半導体層と、前記第2の半導体層と前記第3の半導体
層とに電気的に接続された第2の主電極と、前記第1の
半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の
表面上に絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第
1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と前記第
1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくとも1つ
以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層と、前記第2導
電型埋込み層より低不純物濃度に形成され、且つ前記第
2の半導体層と前記第2導電型埋込み層とを接続する接
続層とを有することを特徴としている。
電力用半導体装置は、前記第1の半導体層の素子形成領
域の周辺部における不純物濃度が、素子形成領域の不純
物濃度より低濃度に形成れていることを特徴としてい
る。
駆動方式は、電力用半導体半導体装置を駆動する駆動方
法であって、前記第2の制御電極に流す電流を、ターン
オン時のみ定常時より大きくすることを特徴としてい
る。
て図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態
では第1導電型をn型、第2導電型をp型としている。ま
た、図面中の同一部分には同一番号を付している。
施の形態に係わるパワーMOSFETの構成を模式的に
示す断面図である。
てのn−型ドリフト層1の一方の表面に高濃度半導体
層、例えばn+型ドレイン層2が形成され、このn+型
ドレイン層2上には、第1の主電極としてのドレイン電
極3が形成されている。このn−型ドリフト層1は、一
例として、約1×1015cm-3の不純物濃度で、約60
μmの厚さに形成され、n+型ドレイン層2は、一例と
して、約6×1018cm-3の不純物濃度で、約180μ
mの厚さに形成されている。なお、前記n+型ドレイン
層2は、必要に応じて形成すれば良い。
には、第2の半導体層としての複数の第1のp型ベース
層4が、互いに間隔をおいて選択的に、且つストライプ
形状に拡散形成され、この各第1のp型ベース層4表面
には、第3の半導体層としてのn+型ソース層5が、各
々選択的に、且つストライプ形状に拡散形成されてい
る。この第1のp型ベース層4は、一例として、約3×
1017cm-3の不純物濃度で、約2.0μmの深さに形
成され、また前記n+型ソース層5は、一例として、約
1×1020cm-3の不純物濃度で、約0.2μmの深さに
形成されている。
+型ソース層5から前記n−型ドリフト層1を介して他
方の前記第1のp型ベース層4及び前記n+型ソース層
5に至る領域上には、膜厚約0.1μmのゲート絶縁
膜、例えばSi酸化膜6を介して第1の制御電極として
の第1のゲート電極7がストライプ形状に形成されてい
る。この第1のゲート電極7を挟むように、一方の前記
第1のp型ベース層4及びn+型ソース層5上と、他方
の前記第1のp型ベース層4及びn+型ソース層5上に
は、第2の主電極としてのソース電極8がストライプ形
状に形成されている。そして、前記ドレイン電極3と前
記p型ベース層4との間の前記n−型ドリフト層1中に
は、ストライプ形状をもつ例えば3層のp+型埋込み層
9a,9b,9cが、選択的に埋込み形成されている。
このp+型埋込み層9a,9b,9cは、例えば、横方
向に長軸をもつ楕円形状に形成され、一例として、約1
×1018cm-3のピーク濃度で、約3.0μmの長軸、
約2.5μmの短軸を持つ楕円形に形成され、縦方向の
間隔を15.5μm、横方向の間隔を約6.0μmに形
成されている。
は、いずれも電気的に浮遊状態にされている。
Tでは、さらに、前記第1のp型ベース層周辺部の前記
n−型ドリフト層1表面には、ストライプ形状をもつ第
6の半導体層として第2のp+型ベース層10(p+型
キャリア注入層)が形成され、このp+型キャリア注入
層10上には、第2の制御電極、例えば第2のゲート電
極11が形成されている。このp+型キャリア注入層1
0は、一例として、深さが約2.0μm、不純物濃度の
ピーク値が3×1019cm-3に形成されている。
第1のp型ベース層4周辺部のn−型ドリフト層1中に
p+型キャリア注入層10を形成し、このp+型キャリ
ア注入層10上に第2のゲート電極11を設けて制御電
圧を印加できるようにしている。このため、ターンオン
時に、この第2のゲート電極11に正バイアス電圧を加
えることにより、p+型キャリア注入層10とn−型ド
リフト層1が形成するダイオードがオンとなり、p+型
キャリア注入層10からホールがn−型ドリフト層1中
に注入される。このホール注入により、p+型埋込み層
9a,9b,9cの空乏化が速やかに解消され、直ちに
MOSFETはオン状態となる。そのためターンオン時
間は約50nsと短く、高速動作が可能となり、しかも
スイッチング損失は極めて小さい。
実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明す
る。
模式的に示す断面図であり、図1と同一部分には同一番
号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部
分についてのみ説明する。
型ドリフト層表面にp+型キャリア注入層を設け、ドレ
イン電極側よりホールの注入をおこなうようにしたもの
である。すなわち、このMOSFETは、n−型ドリフ
ト層1の一方の表面にn+型ドレイン層2が形成され、
このn+型ドレイン層2上には、ドレイン電極3が形成
され、また前記n−型ドリフト層1の他方の表面には、
複数のp型ベース層4が選択的に形成され、この各p型
ベース層4表面には、n+型ソース層5が選択的に形成
されている。
ース層5から前記n−型ドリフト層1を介して他方の前
記p型ベース層4及び前記n+型ソース層5に至る領域
上には、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が形成さ
れ、このゲート電極7を挟むように、一方の前記p型ベ
ース層4及びn+型ソース層5上と他方の前記p型ベー
ス層4及びn+型ソース層5上とには、ソース電極8が
形成されている。
層4との間の前記n−型ドリフト層1中には、3層のp
+型埋込み層9a,9b,9cが、選択的に埋込み形成
され、且ついずれも電気的に浮遊状態にされている。
Tでは、さらに、第5の半導体層としてのストライプ状
のp+型キャリア注入層20が、前記n+型ドレイン層
2中に選択的に形成されている。このp+型キャリア注
入層20は、最下層のp+型埋込み層9cとドレイン電
極3との間に設けられ、且つこのp+型キャリア注入層
20は、一端が前記ドレイン電極3に接続され、他端が
n+型ドレイン層2を貫通して前記n−型ドリフト層1
中に達するように形成されている。
して、前記n−型ドリフト層1中に約5.0μmくいこ
むように約185μmの深さで、約1×1019cm-3の
不純物濃度に形成されている。また、このp+型キャリ
ア注入層20と隣接するn+型ドレイン層2部分とは、
いずれも約3.0μmの幅で、表面積が同一に形成され
ている。
ドレイン電流が流れることにより、前記n−型ドリフト
層1と前記p+型キャリア注入層20とで形成するpn
接合に電圧が加わり前記p+型キャリア注入層20から
前記n−型ドリフト層1にホールが注入される。このホ
ール注入により、p+型埋込み層9a,9b,9cの空
乏化が速やかに解消され、直ちにMOSFETはオン状
態となる。しかも前記p+型キャリア注入層20をp+
型埋込み層の直下で、且つ近接させて配置しているた
め、ターンオン時間が約70nsと短く、高速動作が可
能となり、しかもスイッチング損失は極めて小さい。ま
た、前記p+型キャリア注入層20を第1のp型ベース
層の下方に形成されるので、第1の実施形態のMOSF
ETに比べて、装置を小型化できる。
実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明す
る。
模式的に示す断面図であり、図2と同一部分には同一番
号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部
分についてのみ説明する。
発明の第2の実施形態の変形構成であり、図3に示すよ
うに、第5の半導体層としてのストライプ状のp+型キ
ャリア注入層30は、最下層のp+型埋込み層9cとド
レイン電極3との間に位置する前記n+型ドレイン層2
部分に選択的に、且つ前記n+型ドレイン層2と同じ層
厚に設けられ、一端が前記ドレイン電極側のn+型ドレ
イン層2表面と同一平面をなし、且つ他端が前記n−型
ドリフト層1に接触するように形成された構成となって
いる。しかもこのp+型キャリア注入層30及びこれに
隣接するn+型ドレイン層2部分は、一例として、それ
ぞれ幅約5.0μm及び幅約1.0μmに形成され、前
記n+型ドレイン層2表面におけるp+型キャリア注入
層30の表面積が隣接するn+型ドレイン層2部分より
広面積に形成されている。
p+型キャリア注入層30の表面積が広く形成されてお
り、そのためp+型キャリア注入層30と前記n−型ド
リフト層1とで形成するpn接合に印加される電圧が大
きくなり、p+型キャリア注入層30から前記n−型ド
リフト層1へのホール注入が促進され、上記第2の実施
形態と同様に、高速動作が可能となり、またスイッチン
グ損失も小さい。
実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明す
る。
式的に示す断面図である。
てのn−型ドリフト層1の一方の表面に高濃度半導体
層、例えばn+型ドレイン層2が形成され、このn+型
ドレイン層2上には、第1の主電極としてのドレイン電
極3が形成されている。
には、第2の半導体層としての第1のp型ベース層4が
選択的に形成され、この第1のp型ベース層4表面に
は、第3の半導体層としてのn+型ソース層5が選択的
に形成されている。
p型ベース層4及び前記n+型ソース層5上には、ゲー
ト絶縁膜、例えばSi酸化膜6を介して第1の制御電極
としての第1のゲート電極7が形成され、この第1のゲ
ート電極7の外側で、前記第1のp型ベース層4及びn
+型ソース層5に第2の主電極としてのソース電極8が
形成されている。
面には、前記第6の半導体層としての第2のp型ベース
層44が、前記第1のp型ベース層4と離間して選択的
に拡散形成され、この第2のp型ベース層44表面に
は、第7の半導体層としての第2のn+型ソース層45
が選択的に形成されている。
p型ベース層44及び前記第2のn+型ソース層45上
には、ゲート絶縁膜、例えばSi酸化膜46を介して第
2の制御電極としての第2のゲート電極47が形成さ
れ、この第2ゲートd電極47は、ここでは、前記第1
のゲート電極7と電気的に接続されている。またこの第
2のゲート電極47の内側、即ち前記第1のゲート電極
7側で、前記第2のp型ベース層44及び第2のn+型
ソース層45上に電位の浮遊したフローティング電極と
してのソース電極48が形成されている。
型ベース層4、44との間の前記n−型ドリフト層1中
には、例えば3層のp+型埋込み層9a,9b,9c
が、選択的に埋込み形成されている。またこのp+型埋
込み層9a,9b,9cは、いずれも電気的に浮遊状態
にされている。
フローティング電極は、第2のゲート電極に閾値電圧以
上の電圧が印加されると、第2のゲート電極下にチャン
ネルができ、第2のn+型ソース層45から前記n−型
ドリフト層1中に電子が注入される。このため、フロー
ティング電極の電位が上昇し、フローティング電極に接
続された前記第2のp型ベース層44と前記n−型ドリ
フト層1とにより形成されるpn接合に正バイアス電圧
が加わり、前記第2のp型ベース層44から前記n−型
ドリフト層1にホールが注入される。その結果、p+型
埋込み層9a,9b,9cの空乏化が速やかに解消さ
れ、直ちにMOSFETがオン状態となる。そのため高
速動作が可能となり、しかもスイッチング損失も小さく
なる。
4、第1及び第2のソース層5及び45、ゲート絶縁膜
6,46、第1及び第2のゲート電極7及び47、並び
にソース電極7及びフローティング電極47は、それぞ
れ同一工程で形成できるため、MOSFETの製造が容
易である。
実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明す
る。
模式的に示す断面図であり、図1と同一部分には同一番
号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部
分についてのみ説明する。
発明に係わる第1の実施形態の変形構成であり、図5に
示すように、p型ベース層4と最上層の前記p+型埋め
込み層9a間、この最上層のp+型埋め込み層9aと中
間層の前記p+型埋め込み層9b間、この中間層のp+
型埋め込み層9bと最下層の前記p+型埋め込み層9c
間をp−型の接続層50a、50b、50cによって順
次接続した構成となっている。このp−型の接続層50
a、50b、50cは、いずれも、一例として、約1×
1015cm-3の不純物濃度で、約2.0μmの幅に形成
されている。またn−型ドリフト層1の不純物濃度は約
2×1015cm-3 である。
前記p−型の接続層50a、50b、50cは、高電圧
が印加されると完全に空乏化し、前記n−型ドリフト層
1内の電界は、p+型埋め込み層9a、9b、9cが接
続されていない場合と同様に各p+型埋め込み層毎に分
割されるので、第1の実施形態と同様な耐圧が保持され
る。それに加え、ターンオン時には前記p−型の接続層
50a、50b、50cを通じて直接p+型埋め込み層
9a,9b,9cにソース電極よりキャリアが効率よ
く、しかも即座に供給されて各p+型埋め込み層は充電
される。その結果、上記各実施形態のMOSFETに比
べて、p+型埋め込み層9a、9b、9cの空乏化の解
消が速く、MOFETのオン状態も早く、そのためター
ンオン時間は約400nsと極めて短く、より高速動作
が可能となる。
実施の形態に係わるパワーMOSFETの製造方法につ
いて説明する。
す模式的な工程図である。
層としてのn+型基板2上に第1の半導体層としてのn
−型ドリフト層1をエピタキシャル成長させる。
型ドリフト層1上にマスクを介してp型不純物としての
ボロン並びにn型不純物としてのリンを順次イオン注入
する。
イオン注入されたn−型ドリフト層1上に最終的にp−
型接続層となるp−型層50をエピタキシャル成長させ
る。このエピタキシャル成長工程において、ボロン及び
リンが再拡散され最下層のp+型埋め込み層9cが形成
されると同時に、このp+型埋め込み層9c、9c間に
所定濃度のn−型ドリフト層1部分が形成される。
埋め込み層9c、9c間上に位置するp−型層50部分
の表面にリンをイオン注入する。
イオン注入されたp−型層50上に、更にp−型層50
をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長
工程において、リンが再拡散されて最初のp−型層50
が分断され、最下層のp+型埋め込み層9c上に延在す
るp−型接続層50cが形成される。
め込み層9c及びn−型ドリフト層1部分に対応する前
記p−型層50部分表面に、それぞれマスクを介してボ
ロン並びにリンを順次イオン注入する。
イオン注入されたp−型層50上に、更にp−型層50
をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長
工程において、ボロン及びリンが再拡散され、p−型接
続層50c上に中間層のp+型埋め込み層9bが形成さ
れると同時に、このp+型埋め込み層9b、9b間に所
定濃度のn−型ドリフト層1部分が形成され、また最下
層のp+型埋め込み層9cと中間層のp+型埋め込み層
9bとの間に両層を接続するp−型接続層50cが形成
される。
程を繰り返すことにより、図6(h)に示すような、p
−型接続層50b上に最上層のp+型埋め込み層9aが
形成され、このp+型埋め込み層9a、9a間に所定濃
度のn−型ドリフト層1部分が形成され、また最上層の
p+型埋め込み層9a及びn−型ドリフト層1部分上に
エピタキシャル成長されたp−型層50を有する構造が
形成される。
埋め込み層9a、9a間上に位置するp−型層50部分
の表面にリンをイオン注入する。
型の接続層50aとn−型ドリフト層1との表面上に、
さらにn−型ドリフト層1をエピタキシャル成長させ
る。このn−型ドリフト層1のエピタキシャル成長工程
において、リンが再拡散され、p+型埋め込み層9a、
9b、9cがp−型の接続層50a、50bにより接続
され、且つ最上層のp+型埋め込み層9a上にp−型の
接続層50aが縦方向に延在し、縦方向にn−型ドリフ
ト層1が伸びる構造が形成される。
リフト層1表面に選択的に、p型ベース層4を拡散形成
し、続いてこのp型ベース層4表面に、n+型ソース層
5を選択的に形成する。
ート電極7、ソース電極8、ドレイン電極2をそれぞれ
形成することにより、MOSFETが完成される。
施形態に係わるパワーMOSFETについて説明する。
式的に示す断面図であり、図1と同一部分には同一番号
を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分
についてのみ説明する。
態の変形構成であり、素子終端部での耐圧劣化の阻止を
図るものであって、具体的には図7に示すように、素子
形成領域周辺部のドリフト層1’は、素子形成領域部分
のn型ドリフト層1より低不純物濃度を有するn−型に
形成された構成となっている。この実施形態のMOSF
ETでは、耐圧600Vと仮定して、素子形成領域部分
のn型ドリフト層1は、一例として1×1015cm-3の
不純物濃度に形成し、且つ素子形成領域周辺部のドリフ
ト層1’は、一例として、p+型埋め込み層を有しない
構造のMOSFETにおけるドリフト層の不純物濃度と
同様の2×1014cm-3の不純物濃度に形成している。
Tでは、素子形成領域周辺部のドリフト層が低不純物濃
度に形成されているため、この部分における電界分布
は、通常のp+型埋め込み層を有しない構造のMOSF
ETと同様となり、この通常のMOSFETによる耐圧
と同様の素子周辺部の耐圧が得られる。
実施の形態に係わるパワーMOSFETの製造方法につ
いて説明する。
す模式的な工程図である。
層としてのn+型基板2上にn−型ドリフト層1’をエ
ピタキシャル成長させる。
型ドリフト層1’上にマスクを介して素子形成領域部分
にn型不純物としてのリンをイオン注入する。
イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−
型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させる。このエ
ピタキシャル成長工程において、リンが再拡散され素子
形成領域上のn−型ドリフト層1’部分が所定不純物濃
度のn型ドリフト層1に変換される。
型ドリフト層1’上にマスクを介して素子形成領域部分
にp型不純物としてのボロン並びにn型不純物としての
リンを順次イオン注入する。
イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−
型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させる。このエ
ピタキシャル成長工程において、ボロン並びにリンが再
拡散され、最下層のp+型埋め込み層9cが形成され、
このp+型埋め込み層9c,9c間のn−型ドリフト層
1部分はn型ドリフト層1に変換される。
フト層1’の素子形成領域部分上にリンをイオン注入す
る。
入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−型ドリフ
ト層1をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャ
ル成長工程において、リンが再拡散され、p+型埋め込
み層9c及びn型ドリフト層1部分上のn−型ドリフト
層1’部分がn型ドリフト層1に変換される。
ドリフト層1’上にマスクを介して素子形成領域部分に
ボロン並びにリンを順次イオン注入する。
イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−
型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させると共に、
中間層のp+型埋め込み層9b及びこの埋め込み層9b
間にn型ドリフト層1を形成する。
程を繰り返すことにより、図8(j)に示すように、素
子形成領域部分において、3層のp+型埋め込み層9
a、9b、9c及び各層間にn型ドリフト層1が、また
最上層がエピタキシャル成長されたn−型ドリフト層
1’からなる構造が形成される。
ドリフト層1’上の素子形成領域部分にリンをイオン注
入する。
イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−
型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させる。このエ
ピタキシャル成長工程において、リンを再拡散させて素
子形成領域部分における前記n−型ドリフト層1’部分
をn型ドリフト層1に変換する。
部分のn型ドリフト層1表面に選択的に、p型ベース層
4を拡散形成し、続いてこのp型ベース層4表面に、n
+型ソース層5を選択的に形成する。
ート電極7、ソース電極8、ドレイン電極2をそれぞれ
形成することにより、MOSFETが完成される。
ETにおいて、ターンオン時のp型埋込み層の充電に関
する例を、第9の実施形態として説明する。
係わるパワーMOSFETの駆動方法を説明するための
回路図、図9(b)はゲート電流と時間との関係を示す
図である。この実施形態におけるパワーMOSFET
は、例えば、図1に示す第1実施形態のパワーMOSF
ETである。
に係わるMOSFETの駆動回路は、MOSFETの第
1のゲート電極G1が、入力信号Vin1が印可される
第1の入力端子91に直接接続されている。また、第2
のゲート電極G2が、キャパシタCと抵抗rg2とを並
列接続したゲート入力回路95とこのゲート入力回路9
5に直接接続された抵抗rg1を介して入力信号Vin
2が印可される第2の入力端子92に接続されている。
そしてドレイン電極DがVdd電源端子93に負荷抵抗
RLを介して接続され、且つソース電極Sが接地(Vg
nd)電源端子94にそれぞれ接続されている。
説明する。
力端子91に振幅15Vの入力信号Vin1を印加し、
第2の入力端子92に振幅5Vの入力信号Vin2を印
加すると、第1のゲート電極7直下のp型ベース層4に
チャンネルができ、n+型ソース層5よりn−型ドリフ
ト層1中に電子が注入され、n−型ドリフト層1中の空
乏化が解消される。これと同時に、第2の入力端子92
に入力信号Vin2が入力された瞬間に、キャパシタC
を通じて変位電流が流れるため、第2のゲート電極G2
に、より大きなゲート電流Ig2が流れ、p+型埋込み
層9a、9b、9cにホールがより多く供給されて、p
+型埋込み層9a、9b、9cの空乏化が速やかに解消
される。この結果、速やかにターンオンさせることがで
きる。そして上記第2のゲート電極G2に流れるゲート
電流Ig2は、キャパシタCが充電された後は、極めて
小さい値を示す。
ラモードで動作するMOSFETでは、p+型埋込み層
にホールが供給することが無く、p+型埋込み層が空乏
化は解消できなく、ターンオン時間が長くなってしまう
が、本発明の実施形態に係わるMOSFETでは、ター
ンオン時にゲート電流を大きく流して、バイポーラモー
ドで動作させることが可能であり、p+型埋込み層にホ
ールを供給することができる。そのため、より高速なタ
ーンオンが実現できる。
より説明したが、この発明は、第1乃至第9の実施形態
に限定されるものではない。
+型埋込み層を三層として説明を行ったが、p+型埋込
み層は一層以上有する構造であれば、同様の効果を得る
ことができる。
ぞれ、独立したストライプ状に形成したが、ストライプ
の終端で互いに接続した構造にしてもよい。
状に限らず、メッシュ状、またはドット状に形成しても
よい。
ストライプ状に形成したが、ドット状に形成してもよ
い。
たMOSFETを説明したが、半導体としとは、例えば
シリコンカーバイト(SiC)等の化合物半導体を用い
ることができる。
層を複数のp型ベース層のうち、片側のp+型キャリア
層の側方にみ配置したが、両方のp+型キャリア層の側
方にそれぞれ配置してもよく、複数のp型ベース層を取
り囲むように環状構造に形成してよい。
キャリア層をストライプ状に形成したが、環状、格子
状、またはドット状に形成してもよい。
キャリア層は、ドレイン電極に接続されているが、ドレ
イン電極と電気的に分離し、ドレイン電極と独立した電
位を印可するようにしてもよい。
層とこれと隣接するn+型ドレイン層を同一表面積を有
するように形成したが、p+型キャリア層の表面積が広
面積に形成してもよい。
層の表面積を、これと隣接するn+型ドレイン層の表面
積より広く形成したが、p+型キャリア層とn+型ドレ
イン層の表面積を同一面積に形成してもよい。
入力端子を別個に設けたが、第1及び第2の入力端子を
共通にし、同一の入力信号を印加するようにすれば、駆
動回路が簡単にできる。
ー型のパワーMOSFETを例示したが、本発明は、ト
レンチ構造のパワーMOSFETにも適用可能である。
SFETのみで説明したが、本発明の構造及び駆動方法
は、電位が浮遊した層を有する素子であれば、適用可能
である。
高耐圧を維持しつつ、ターンオン時間が短く、高速動作
が可能で、しかもスイッチング損失が少ない電力用半導
体装置と、この電力用半導体装置のターンオン時間の短
縮に有効な駆動方法とを提供することができる。
ETの構成を模式的に示す断面図。
ETの構成を模式的に示す断面図。
ETの構成を模式的に示す断面図。
ETの構成を模式的に示す断面図。
ETの構成を模式的に示す断面図。
ETの製造工程を示す模式的な工程図。
ETの構成を模式的に示す断面図。
ETの製造工程を示す模式的な工程図。
ワーMOSFETの駆動回路を示す回路図、図9(b)
は入力電流と時間の関係を示す図。
示す断面図。
極)、 8,118…ソース電極S(第2の主電極)、 9a、9b、9c、119a、119b、119c…p
+埋込み層、 10…p+型 キャリア注入層(第4の半導体層)、 11…第2のゲート電極(第2の制御電極) 20,30…p+型 キャリア注入層(第5の半導体
層)、 44…第2のp型ベース層(第6の半導体層)、 45…n+型ソース層(第7の半導体層)、 46…Si酸化膜(ゲート絶縁膜)、 47…ソース電極(フローティング電極)、 50a、50b、50c…p−型接続層、 91…第1の入力端子、 92…第2の入力端子、 93…Vdd電源端子、 94…接地(Vgnd)電源端子、 95…ゲート入力回路、 rg1,rg2…抵抗、 RL…負荷抵抗、 C…キャパシタ
Claims (12)
- 【請求項1】第1導電型の第1の半導体層と、 前記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された
第1の主電極と、 前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された
第2導電型の第2の半導体層と、 前記第2の半導体層の表面に選択的に形成された第1導
電型の第3の半導体層と、 前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに電気的に
接続された第2の主電極と、 前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の
半導体層の表面上に絶縁膜を介して形成された第1の制
御電極と、 前記第1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と
前記第1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくと
も1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層と、 前記第1の半導体層の表面に前記第2の半導体層と離間
して選択的に形成された第2導電型の第4の半導体層
と、 前記第4の半導体層と電気的に接続された第2の制御電
極とを有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 【請求項2】 第1導電型の第1の半導体層と、 前記第1の半導体層に一方の表面に電気的に接続された
第1の主電極と、 前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された
第2導電型の第2の半導体層と、 前記第2の半導体層の表面に選択的に形成された第1導
電型の第3の半導体層と、 前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに電気的に
接続された第2の主電極と、 前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の
半導体層の表面上に絶縁膜を介して形成された第1の制
御電極と、 前記第1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と
前記第1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくと
も1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋込み層と、 前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された
第2導電型の第5の半導体層と、 前記第5の半導体層に電気的に接続された第2の制御電
極とを有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 【請求項3】 前記第1の半導体層の一方の表面と前記
第1の主電極との間に、前記第1の半導体層よりも高不
純物濃度をもつ第1導電型の高濃度半導体層が形成さ
れ、前記第5の半導体層は、前記高濃度半導体層に選択
的に形成され、且つ前記第1の主電極側の一端が前記高
濃度半導体層と同一平面をなし、他端が前記高濃度半導
体層を貫通して前記第1の半導体層中に達する形状に形
成されてなることを特徴とする請求項2に記載の電力用
半導体装置。 - 【請求項4】 前記第1の半導体層の一方の表面と前記
第1の主電極との間に、前記第1の半導体層よりも高不
純物濃度をもつ第1導電型の高濃度半導体層が形成さ
れ、前記第5の半導体層は、前記高濃度半導体層に選択
的に、且つ同一層厚に形成され、第1の主電極側の一端
が前記高濃度半導体層と同一平面をなし、他端が前記第
1の半導体層の一方の表面と接触した形状に形成された
ことを特徴とする請求項2に記載の電力用半導体装置。 - 【請求項5】 前記第1の主電極と前記第2の制御電極
とが電気的に共通接続されてなることを特徴とする請求
項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の電力用半導体
装置。 - 【請求項6】 前記第1の主電極と前記第2の制御電極
とが電気的に独立に形成されてなることを特徴とする請
求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の電力用半導
体装置。 - 【請求項7】 前記第5の半導体層は、前記第1の半導
体層の一方の表面、または前記第1の主電極側の前記高
濃度半導体層表面において、前記第5の半導体層の表面
積とこの層に隣接する前記1の半導体層部分部、または
隣接する前記高濃度半導体層部分の表面積とが同一面積
であることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれ
か1項に記載の電力用半導体装置。 - 【請求項8】 前記第5の半導体層は、前記第1の半導
体層の一方の表面、または前記第1の主電極側の前記高
濃度半導体層表面において、前記第5の半導体層の表面
積がこの層に隣接する前記1の半導体層部分部、または
隣接する前記高濃度半導体層部分の表面積より広面積で
あることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか
1項に記載の電力用半導体装置。 - 【請求項9】 第1導電型の第1の半導体層と、 前記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された
第1の主電極と、 前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された
第2導電型の第2の半導体層と、 前記第2の半導体表面に選択的に形成された第1導電型
の第3の半導体層と、 前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表面に電気
的に接続された第2の主電極と、 前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記3の半
導体層上に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極
と、 前記第1の半導体層の他方の表面に前記第2の半導体層と
離間して選択的に形成された第2導電型の第6の半導体
層と、 前記第6の半導体層の表面に選択的に形成された第1導
電型の第7の半導体層と、 前記第6の半導体層と前記第7の半導体層とに電気的に
接続された電位の浮遊したフローティング電極と、 前記第1の半導体層と前記第6の半導体層と前記第7の
半導体層上に絶縁膜を介して形成された第2の制御電極
と、 前記第1の半導体層中に選択的に埋込み形成された少な
くとも1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層とを
有することを特徴とする電力用半導体装置。 - 【請求項10】 第1導電型の第1の半導体層と、 前記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された
第1の主電極と、 前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された
第2導電型の第2の半導体層と、 前記第2の半導体層の表面に選択的に形成された第1導
電型の第3の半導体層と、 前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに電気的に
接続された第2の主電極と前記第1の半導体層と前記第
2の半導体層と前記第3の半導体層の表面上に絶縁膜を
介して形成された制御電極と、 前記第1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と
前記第1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくと
も1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層と、 前記第2導電型埋込み層より低不純物濃度に形成され、
且つ前記第2の半導体層と前記第2導電型埋込み層とを
接続する接続層とを有することを特徴とする電力用半導
体装置。 - 【請求項11】 前記第1の半導体層の素子形成領域の
周辺部における不純物濃度が、素子形成領域の不純物濃
度より低濃度に形成れていることを特徴とする請求項
1、2、9または請求項10に記載の電力用半導体装
置。 - 【請求項12】 請求項1の電力用半導体半導体装置を
駆動する駆動方法であって、前記第2の制御電極に流す
電流を、ターンオン時のみ定常時より大きくすることを
特徴とする駆動方式。
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