JP2002299622A - 電力用半導体素子 - Google Patents

電力用半導体素子

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JP2002299622A
JP2002299622A JP2001098211A JP2001098211A JP2002299622A JP 2002299622 A JP2002299622 A JP 2002299622A JP 2001098211 A JP2001098211 A JP 2001098211A JP 2001098211 A JP2001098211 A JP 2001098211A JP 2002299622 A JP2002299622 A JP 2002299622A
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layer
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conductivity type
main electrode
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Wataru Saito
渉 齋藤
Ichiro Omura
一郎 大村
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高耐圧で、且つ、低オン抵抗、高速動作が可
能でスイッチング損失が小さい電力用半導体素子を提供
する。 【解決手段】 n-型ドリフト層1中にp+型埋め込み層
9を有するパワーMOSFETにおいて、p型ベース層
4と同一表面にp+型引出し層10を形成し、第3の電
極11を形成し、p+型埋め込み層9に電流を流すこと
を可能とするか、p-型リサーフ層15を形成してp型
ベース層4からホールを注入することにより、p+型埋
め込み層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、高速動作を可能にすると共に、
スイッチング損失を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大電力の制御に用
いられる電力用半導体素子に関し、特にパワーMOSF
ETに関する。
【0002】
【従来の技術】最近、電力制御用の電力半導体素子とし
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MOSF
ETの一例として、例えば特開平9−191109号公
報に開示されたものが知られている。
【0003】図6は、この種のMOSFETの構成を模
式的に示す断面図である。このMOSFETは、n-
ドリフト層101の一方の表面にn+型ドレイン層10
2が形成され、このn+型ドレイン層102上にはドレ
イン電極103が形成されている。また、そのn-型ド
リフト層101の他方の表面には複数のp型ベース層1
04が選択的に形成され、この各p型ベース層104表
面にはn+型ソース層105が選択的に形成されてい
る。また、一方の前記p型ベース層104及び前記n+
型ソース層105から前記n-型ドリフト層101を介
して他方の前記p型ベース層104および前記n+型ソ
ース層105に至る領域上には、ゲート絶縁膜であるS
i酸化膜106を介してゲート電極107が形成されて
いる。
【0004】また、このゲート電極107を挟むよう
に、前記p型ベース層104及びn+型ソース層105
上には、各々ソース電極108が形成されている。そし
て、前記p型ベース層104と前記ドレイン電極103
との間の前記n-型ドリフト層101中には、2層のp+
型埋め込み層109a,109bが、互いに間隔をおい
て選択的に埋め込み形成されている。また、このp+
埋め込み層109a,109bは、いずれも電気的に浮
遊状態にされている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このようなMOSFE
Tでは、オフ状態の際には、n-型ドリフト層101内
の電界を、p+型埋め込み層109a,109bにより
分割されたn-型ドリフト層101の分割数に応じて分
割することができる。例えば、p+型埋め込み層109
a,109bが2層の場合には、n-型ドリフト層10
1の電界は3分割され、耐圧600Vの素子を仮定する
と、p+型埋め込み層109a,109b間に必要な耐
圧は200V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101の不純物濃度は、p+
埋め込み層109a,109bがない場合に比べて3倍
にでき、n-型ドリフト層101中の電気抵抗を低減す
ることが可能となり、そのために素子のオン抵抗を1/
3程度まで低減されることが可能となる。
【0006】しかし、このような構造のMOSFETで
は、オフ状態においてp+型埋め込み層109a,10
9bが一旦空乏化すると、ターンオン時にp+型埋め込
み層109a,109bの空乏化が解消されるまで正常
なオン状態にならず、ターンオン時間が約100μs以
上と時間が長い。
【0007】また、ターンオン直後、p+型埋め込み層
109a,109bから周辺に空乏層が延び、実効的に
キャリアが伝導できる面積が減るため、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。
【0008】本発明は、このような課題に鑑みなされた
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電力用半導体素子を提供する
ことを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明による電力用半
導体素子は、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
間に選択的に埋め込まれた少なくとも1つ以上の第2導
電型の埋め込み層と、前記埋め込み層と前記第1の主電
極と異なる半導体表面を結ぶ第2導電型の第4の半導体
層と、前記第4の半導体層の表面に形成された第3の電
極とを有する事を特徴とする。
【0010】そして、前記第1の主電極と前記第3の電
極および前記第2の主電極が、抵抗を介して電気的に接
続されていることを特徴とする。
【0011】また、この発明による電力用半導体素子
は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1半導体層
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
に埋め込まれた少なくとも1つ以上の第2導電型の埋め
込み層と、前記埋め込み層と前記第1の主電極と異なる
半導体表面を結ぶ第2導電型の第4の半導体層と、前記
第2の半導体層と前記第4の半導体層とを電気的に接続
し、高電圧印可時に完全に空乏化する第2導電型の第5
の半導体層とを有する事を特徴とする。
【0012】また、この発明による電力用半導体素子
は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1半導体層
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
に埋め込まれた少なくとも1つ以上の第2導電型の埋め
込み層と、前記埋め込み層と前記第1の主電極と異なる
半導体表面を結ぶ第2導電型の第4の半導体層と、前記
第2の半導体層と前記第4の半導体層と前記第1の主電
極とを電気的に接続する高抵抗層とを有する事を特徴と
する。
【0013】また、この発明による電力用半導体素子
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3の半導
体層の表面に形成された第2の主電極と、前記第1の半
導体層の表面に選択的に形成され、前記第2の半導体層
に接続された第2導電型の第4の半導体層と、前記第4
の半導体層の表面に形成された第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め込まれた少なくとも
1つ以上の第2導電型の埋め込み層と、前記埋め込み層
と前記第1の主電極と異なる半導体表面を結ぶ第2導電
型の第5の半導体層と、前記第5の半導体層の表面に形
成された第3の電極とを有する事を特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形
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符号を付してい
る。 (第1の実施の形態)図1は、第1の実施の形態に係る
パワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図であ
る。
【0015】このMOSFETは、第1の半導体層とし
て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、7.5×1014cm-3の不純物濃度で、約60μ
m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200μm
の厚さに形成されている。
【0016】また、前記n-型ドリフト層1の他方の表
面には、第2の半導体層として複数の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p型ベース層4表面には、第
3の半導体層として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
p型ベース層4は、一例として、約3×1017cm-3
不純物濃度で、約2.0μmの深さに形成され、前記n
+型ソース層5は、一例として、約1×1020cm- 3
不純物濃度で、約0.2μmの深さに形成されている。
【0017】また、一方の前記p型ベース層4及び前記
+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p型ベース層4および前記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p型
ベース層4及び前記n +型ソース層5上と、他方の前記
p型ベース層4及び前記n+型ソース層5上には、第2
の主電極としてソース電極8がストライプ形状に形成さ
れている。
【0018】そして、前記ドレイン電極3と前記p型ベ
ース層4との間に前記n-型ドリフト層1中には、スト
ライプ形状をもつ、例えば、2層のp+型埋め込み層9
a,9bが、選択的に埋め込み形成されている。このp
+型埋め込み層9a,9b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1×1018
-3のピーク濃度で、約3.0μmの長軸、横方向の間
隔を約6μmに形成されている。
【0019】また、このp+型埋め込み層9a,9b
は、全てのストライプ形状の素子終端部において接続さ
れ、同じ電位となる。
【0020】また、前記n-型ドリフト層1中に埋め込
まれたp+型引出し層10a,10bが、前記p+型埋め
込み層9a,9bと接続されて、前記p+型引出し層1
0a,10bの表面に第3の電極11a,11bが形成
されている。前記第3の電極11a,11bにより前記
+型埋め込み層9a,9bの電位をそれぞれ独立に制
御することが可能となり、且つ、空乏化した場合は、第
3の電極11a,11bから電流を流すことにより充電
することが可能となり、高速のターンオンが実現可能と
なる。
【0021】前記p+型引出し層10a,10bは、前
記p+型埋め込み層9a,9bと同様に、縦方向に繋が
ったp+層を埋め込み成長により形成するか、トレンチ
溝を形成した後、斜めイオン注入もしくはp型ポリシリ
コンを埋め込むことにより形成可能である。 (第2の実施の形態)図2は、このパワーMOSFET
の構成を模式的に示す断面図であり、図1と同一部分に
は同一符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。
【0022】この実施の形態では、第2の主電極である
ソース電極8と同じ表面にドレイン電極3と同じ電位と
なる表面n+型半導体層12が形成され、前記表面n+
導体層12の表面に第4の電極である表面ドレイン電極
13が形成されている。
【0023】そして、ソース電極8と第3の電極11
a,11bと表面ドレイン電極13は、抵抗14a,1
4b,14cを介して電気的に接続されている。ターン
オン時には、前記表面ドレイン電極13から前記抵抗1
4a,14b,14cを介して流れる電流により、p+
型埋め込み層9a,9bに充電電流が流れる為、高速タ
ーンオンとなる。
【0024】また、オフ時のリーク電流は、前記抵抗1
4a,14b,14cを介して流れる電流で決まり、例
えば、チップサイズを1cm2、各抵抗を200kΩと
すると、リーク電流は1mAとなる。 (第3の実施の形態)図3は、このパワーMOSFET
の構成を模式的に示す断面図であり、図1と同一部分に
は同一符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。
【0025】この実施の形態では、p型ベース層4と同
一表面にp-型リサーフ層15a,15bを形成してい
る。一例として、約1.5×1016cm-3の不純物濃度
で、深さ約1μmで形成されている。そして、前記p-
型リサーフ層15a,15bは、前記p型ベース層4と
+型埋め込み層9a,9bとを、p+型引出し層10
a,10bを介して電気的に接続している。前記p-
リサーフ層15a,15bは、高電圧印可時には空乏化
する為、前記p型ベース層4と前記p+型埋め込み層9
a,9bの間にも電圧が加わり耐圧は保持される。ター
ンオン時には、ソース電極8から前記p型ベース層4及
び前記p-型リサーフ層15a,15bとp+型引出し層
10a,10bを介して、前記p+型埋め込み層9a,
9bにホールが供給され、高速にターンオンする。 (第4の実施の形態)図4は、このパワーMOSFET
の構成を模式的に示す断面図であり、図1と同一部分に
は同一符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。
【0026】この実施の形態では、ソース電極8と同じ
表面にある表面ドレイン電極13を電気的に接続する高
抵抗層16が形成されている。一例として、半絶縁性ポ
リシリコン膜により形成されている。そして、前記高抵
抗層16はp+型引出し電極10a,10bにも接続さ
れている。このため、前記ソース電極8及び前記表面ド
レイン電極13とp+型埋め込み層9a,9bは電気的
に接続されている。ターンオン時には、前記表面ドレイ
ン電極13より前記p+型埋め込み層9a,9bに電流
が流れて、空乏化が解消される。オフ時のリーク電流
は、前記第2の実施例と同様に前記高抵抗層16を介し
て流れる電流となる。 (第5の実施の形態)図5は、SITの構成を模式的に
示す断面図であり、図1と同一部分には同一符号を付し
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。
【0027】この実施の形態では、ドレイン電極と異な
る表面に第2の半導体層としてp+型ゲート層17が、
互いに間隔をおいて選択的に形成されている。このp+
型ゲート層17は、一例として、約1×1019cm-3
ピーク濃度で、約2μmの深さに形成されている。また
前記p+型ゲート層17の表面には第1の制御電極とな
るゲート電極18が形成されている。
【0028】また、前記p+型ゲート層17に接続され
るようにp-型チャネル層19が選択的に形成されてい
る。そして、前記p-型チャネル層19の表面にはn+
ソース層20が選択的に形成されており、前記n+型ソ
ース層20の表面にはソース電極21が形成されてい
る。
【0029】そして、前記第1の実施の形態と同様に前
記p+型埋め込み層9a,9bの電位を第3の電極11
a,11bにより制御することが可能であり、且つ、空
乏化した前記p+型埋め込み層9a,9bを充電するこ
とが可能である。
【0030】以上、本発明を第1乃至第5の実施の形態
により説明したが、この発明は、第1乃至第5の実施の
形態に限定されるものではない。
【0031】例えば、第1乃至第5の実施の形態では、
+型埋め込み層を2層として説明を行ったが、p+型埋
め込み層は一層以上有する構造であれば、同様な効果を
得ることができる。
【0032】また、各層の複数のp+型埋め込み層は、
ストライプ状に限らず、メッシュ状に形成してもよい。
【0033】また、p型ベース層及びn+型ソース層
は、ストライプ状に形成したが、ドット状に形成しても
よい。
【0034】また、半導体としてシリコン(Si)を用
いたMOSFETを説明したが、半導体としては、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。
【0035】また、第1乃至第4の実施の形態では、プ
レーナ型のパワーMOSFETを例示したが、本発明で
はトレンチ構造のパワーMOSFETにも適用可能であ
る。
【0036】更に、電位が浮遊した埋め込み層を有する
MOSFETとSITで説明したが、本発明の構造は、
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。
【0037】その他、この発明の要旨を変えない範囲に
おいて、種々変形実施可能なことは勿論である。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低オン抵抗、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
い電力用半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態におけるパワーMOSFET
の構成を模式的に示す断面図。
【図2】第2の実施の形態におけるパワーMOSFET
の構成を模式的に示す断面図。
【図3】第3の実施の形態におけるパワーMOSFET
の構成を模式的に示す断面図。
【図4】第4の実施の形態におけるパワーMOSFET
の構成を模式的に示す断面図。
【図5】第5の実施の形態におけるSITの構成を模式
的に示す断面図。
【図6】従来におけるMOSFETの構成を模式的に示
す断面図。
【符号の説明】
1、101…n-型ドリフト層 2、102…n+型ドレイン層 3、103…ドレイン電極 4、104…p型ベース層 5、105…n+型ソース層 6、106…Si酸化膜 7、107…ゲート電極 8、108…ソース電極 9a、9b、109a、109b…p+型埋め込み層 10a、10b…p+型引出し層 11a、11b…第3の電極 12…表面n+型ドレイン層 13…表面ドレイン電極 14a、14b、14c…抵抗 15a、15b…p-型リサーフ層 16…高抵抗層 17…p+型ゲート層 18…ゲート電極 19…p-型チャネル層 20…n+型ソース層 21…ソース電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大村 一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 Fターム(参考) 5F102 FB01 GB06 GC07 GC08 GD04 GJ02 GJ03 GL02 GL03

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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め込まれた少なく
    とも1つ以上の第2導電型の埋め込み層と、 前記埋め込み層と前記第1の主電極と異なる半導体表面
    を結ぶ第2導電型の第4の半導体層と、 前記第4の半導体層の表面に形成された第3の電極とを
    有する事を特徴とする電力用半導体素子。
  2. 【請求項2】前記第1の主電極と前記第3の電極および
    前記第2の主電極が、抵抗を介して電気的に接続されて
    いることを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体素
    子。
  3. 【請求項3】第1導電型の第1の半導体層と、 前記第1半導体層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め込まれた少なく
    とも1つ以上の第2導電型の埋め込み層と、 前記埋め込み層と前記第1の主電極と異なる半導体表面
    を結ぶ第2導電型の第4の半導体層と、 前記第2の半導体層と前記第4の半導体層とを電気的に
    接続し、高電圧印可時に完全に空乏化する第2導電型の
    第5の半導体層とを有する事を特徴とする電力用半導体
    素子。
  4. 【請求項4】第1導電型の第1の半導体層と、 前記第1半導体層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め込まれた少なく
    とも1つ以上の第2導電型の埋め込み層と、 前記埋め込み層と前記第1の主電極と異なる半導体表面
    を結ぶ第2導電型の第4の半導体層と、 前記第2の半導体層と前記第4の半導体層と前記第1の
    主電極とを電気的に接続する高抵抗層とを有する事を特
    徴とする電力用半導体素子。
  5. 【請求項5】第1導電型の第1の半導体層と、 前記第1の半導体層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3の半導体層の表面に形成された第2の主電極
    と、 前記第1の半導体層の表面に選択的に形成され、前記第
    2の半導体層に接続された第2導電型の第4の半導体層
    と、 前記第4の半導体層の表面に形成された第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め込まれた少なく
    とも1つ以上の第2導電型の埋め込み層と、 前記埋め込み層と前記第1の主電極と異なる半導体表面
    を結ぶ第2導電型の第5の半導体層と、 前記第5の半導体層の表面に形成された第3の電極とを
    有する事を特徴とする電力用半導体素子。
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