JP2004006598A - Insulated gate semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力制御に用いられる絶縁ゲート型半導体装置に関するもので、特に、スイッチング用パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのMOSゲート素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
スイッチング電源などの電源回路の小型化には、スイッチング周波数を上げることが有効である。つまり、電源回路内のインダクタンスやキャパシタンスなどの受動素子を小さくすることが有効である。ところが、スイッチング周波数を上げると、MOSFETやIGBTなどのスイッチング素子のスイッチング損失が増加する。スイッチング損失の増加は、電源効率の低下を招く。このため、電源回路の小型化には、スイッチング素子の高速化によるスイッチング損失の低減が不可欠である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
現在、スイッチング素子として用いられているMOSFETやIGBTなどのMOSゲート素子においては、ゲート長を短くすることなどが行われている。これにより、ゲート電極とドレイン電極との対向面積を小さくする。こうして、ゲート・ドレイン間容量を低減することで、MOSゲート素子の高速化が図られている。
【0004】
しかしながら、高速化のためにゲート・ドレイン間容量を小さくすると、配線に含まれる寄生インダクタンスとスイッチング素子容量との間に共振が起こる。これは、スイッチング時に高周波ノイズ(スイッチングノイズ)を発生させる要因となる。このようなスイッチングノイズを抑制するためには、ソフトスイッチングを行わなければならない。もしくは、フィルタ回路を設けるか、ゲート駆動回路に工夫を凝らす必要がある。このように、スイッチングノイズの抑制は、コストの増加が伴うものとなっていた。
【0005】
上記したように、従来においては、ゲート・ドレイン間容量の低減により高速化が図れるものの、スイッチングノイズを抑制する必要があり、そのためには、ソフトスイッチングを行ったり、フィルタ回路などの外部回路を用いたりしなければならないといった問題があった。
【0006】
そこで、この発明は、高速で、しかも、外部回路を用いることなしにスイッチングノイズを抑制することが可能な絶縁ゲート型半導体装置を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層とを具備したことを特徴とする。
【0008】
また、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層とを具備し、前記第2の主電極に電圧を印加したときの、前記制御電極と前記第2の主電極との間の容量が、低電圧では減少し、高電圧では一定もしくは増加するように構成されていることを特徴とする。
【0009】
また、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層とを具備し、前記第2の主電極に印加される電圧が定格電圧の1/3から2/3のとき、前記制御電極と前記第2の主電極との間の容量が増加し始めるように構成されていることを特徴とする。
【0010】
また、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層とを具備し、前記第2の主電極に印加される電圧が定格電圧の1/3から2/3のとき、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層が完全に空乏化するように構成されていることを特徴とする。
【0011】
また、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層に接続された複数の第1の主電極とを少なくとも含む第1のセルと、前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層間に設けられた、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第5の半導体層とを少なくとも含む第2のセルとを具備したことを特徴とする。
【0012】
また、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層に接続された複数の第1の主電極とを少なくとも含む第1のセルと、前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層間に設けられた、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第5の半導体層とを少なくとも含む第2のセルとを具備し、前記第1導電型の第1の半導体層には、前記第1導電型の第1の半導体層よりも高不純物濃度を有する第1導電型の低抵抗層が設けられ、前記第1のセルの、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層間には、前記第1導電型の低抵抗層よりも低い不純物濃度を有する第1導電型の第7の半導体層が設けられていることを特徴とする。
【0013】
また、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1導電型の第1の半導体層に設けられた、前記第1導電型の第1の半導体層よりも高不純物濃度を有する第1導電型の低抵抗層と、前記第1導電型の低抵抗層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の低抵抗層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第1導電型の低抵抗層に設けられ、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層にそれぞれ接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する複数の第2導電型の第5の半導体層とを具備し、前記複数の第2導電型の第5の半導体層間には、前記第1導電型の低抵抗層よりも低い不純物濃度を有する第1導電型の第7の半導体層が設けられていることを特徴とする。
【0014】
さらに、この発明の絶縁ゲート型半導体装置にあっては、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1導電型の第1の半導体層に設けられた、前記第1導電型の第1の半導体層よりも高不純物濃度を有する第1導電型の低抵抗層と、前記第1導電型の低抵抗層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の低抵抗層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第1導電型の低抵抗層に設けられ、隣接する前記複数の第2導電型の第2の半導体層にそれぞれ接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する複数の第2導電型の第5の半導体層とを具備したことを特徴とする。
【0015】
この発明の絶縁ゲート型半導体装置によれば、ある程度の高電圧の印加によって、ターンオフ時に、第2導電型の第5の半導体層を空乏化できるようになる。これにより、高速性を損うことなしに、ターンオフ時の電圧のはね上がりを抑えることが可能となるものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態においては、第1導電型をn型、第2導電型をp型とした場合について説明する。
【0017】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる縦型パワーMOSFETの構成例を示すものである。
【0018】
図1において、第1の半導体層としてのn−ドリフト層11は、その一方の面(表面)に、拡散によりn低抵抗層11aが設けられている。n低抵抗層11aの表面部には、選択的に、第2の半導体層としての複数のpベース層12が拡散により形成されている。各pベース層12は、素子の正面に直交する第1の方向にストライプ状に配置されている。各pベース層12の表面部には、それぞれ選択的に、第3の半導体層としての複数のn+ソース層13が拡散により形成されている。
【0019】
また、隣り合う2つのpベース層12間の、上記n低抵抗層11aの表面部には、選択的に、第5の半導体層としてのp層14が拡散により形成されている。本実施形態の場合、p層14は、上記pベース層12に沿う第1の方向にストライプ状に配置されている。そして、隣り合う2つのpベース層12のうちの、いずれか一方のpベース層12に接続されている。また、このp層14は、上記pベース層12よりも低い不純物濃度を有して形成されている。
【0020】
上記n−ドリフト層11の他方の面(裏面)には、第4の半導体層であるn+ドレイン層15が形成されている。このn+ドレイン層15には、その全面に、第2の主電極としてのドレイン電極21が接続されている。
【0021】
一方、上記各pベース層12上には、上記n+ソース層13の一部をそれぞれ含んで、第1の主電極としてのソース電極22が形成されている。各ソース電極22は、第1の方向にストライプ状に配置されている。また、上記ソース電極22間には、ゲート絶縁膜(たとえば、シリコン(Si)酸化膜)23を介して、制御電極としてのゲート電極24が形成されている。つまり、プレナー型構造のゲート電極24は、一方の上記pベース層12内の上記n+ソース層13から、上記n低抵抗層11aおよび上記p層14を経て、他方の上記pベース層12内の上記n+ソース層13に至る領域上に形成されている。上記ゲート絶縁膜23は、その膜厚が約0.1μmとされている。
【0022】
ここで、上記n−ドリフト層11および上記n+ドレイン層15の形成に用いられる基板としては、たとえば、低抵抗Si基板上にエピタキシャル成長によってn−層の形成を行った基板が用いられる。もしくは、Si基板上に拡散によりn+層の形成を行った基板を用いることもできる。
【0023】
上記したように、隣り合う上記pベース層12間の、上記ゲート電極24下における、上記n低抵抗層11aの表面部に、p層(以下、ゲート下p層ともいう)14を配置する。そして、このp層14を、上記pベース層12よりも低い不純物濃度を有して形成する。このp層14は、高電圧印加時に空乏化される。これにより、MOSFETにおける、高速で、かつ、低ノイズなスイッチング特性が実現される。
【0024】
すなわち、本実施形態にかかる構造(以下、単に本実施形態構造という)のMOSFETは、ドレイン電圧に応じて、ゲート・ドレイン間容量が増加するという特性を利用して、高速・低ノイズのスイッチング特性を実現する。
【0025】
図2は、本実施形態構造のMOSFETにおけるゲート・ドレイン間容量のソース・ドレイン間電圧に対する依存性を、従来構造のMOSFET(図示していない)と対比して示すものである。
【0026】
図2に破線で示すように、従来構造のMOSFET(B)の場合、ゲート・ドレイン間容量は、ソース・ドレイン間電圧に比例して減少し続ける。
【0027】
これに対し、図2に実線で示すように、本実施形態構造のMOSFET(A)のゲート・ドレイン間容量は、ソース・ドレイン間電圧が高電圧になると増加する。
【0028】
すなわち、ソース・ドレイン間電圧が低電圧ならば、ゲート・ドレイン間容量は徐々に減少する。そして、ソース・ドレイン間電圧が高電圧になるにつれて、ゲート・ドレイン間容量は増加する。これは、ソース・ドレイン間電圧の高電圧化(高ドレイン電圧)によってゲート下p層14が空乏化し、これにより、見かけ上のゲート長が長くなったのと同様に、見かけ上のゲート電極24とドレイン電極21との対向面積が増えたことによる。
【0029】
ここで、MOSFETのスイッチング速度は、ゲート・ドレイン間容量が小さいほど高速となる。しかし、MOSFETは、完全にオフとなる時点の容量が小さいと、ターンオフ時のはね上がり電圧が大きくなる。MOSFETとしては、オフし始める時点、つまり、ドレイン電圧が低い状態での容量は小さく、オフし終える時点、つまり、ドレイン電圧が高い状態での容量は大きいことが望ましい。
【0030】
従来構造のMOSFET(B)の場合、pベース層の間隔が狭いほど、ゲート電極とドレイン電極との対向面積が小さくなる。つまり、ゲート・ドレイン間容量は小さくなる。そして、ドレイン電圧が加わると、pベース層からの空乏層が延びる。このため、ゲート・ドレイン間容量はますます減少する。したがって、高速・低ノイズのスイッチングを実現するためには、ゲート駆動回路が必要であった。しかも、徐々にゲート電流を小さくしていくなどの複雑な制御が要求される。
【0031】
このように、本実施形態構造のMOSFET(A)は、ドレイン電圧に応じて、ゲート・ドレイン間容量が増加するという特性を利用する。つまり、MOSFETがオフし始める時点では、低ドレイン電圧によるゲート下p層14の非空乏化により、pベース層12間が狭くなるようにする。こうして、ゲート電極24とドレイン電極21との対向面積が小さくなるようにして、ゲート・ドレイン間容量を小さくする。これにより、スイッチング特性の高速性を確保する。一方、オフし終える時点では、高ドレイン電圧によるゲート下p層14の空乏化により、見かけ上のpベース層12間が広くなるようにする。こうして、ゲート電極24とドレイン電極21との対向面積が大きくなるようにして、ゲート・ドレイン間容量を大きくする。これにより、ドレイン電圧のはね上がりを抑えて、スイッチングノイズを減少させる。こうして、外部回路や複雑な制御を必要とせずとも、高速・低ノイズのスイッチング特性を実現する。
【0032】
図3は、本実施形態構造のMOSFETにおけるターンオフ時のドレイン電圧(Vds)波形およびドレイン電流(Id)波形を、それぞれ、従来構造のMOSFETと対比して示すものである。
【0033】
従来構造のMOSFET(B)の場合、先に説明したように、ゲート長を短くすることによって、スイッチング特性は高速化される。また、図3に破線で示すように、それに比例して、オフ時のはね上がり電圧(ドレイン電圧Vds)が増加する。ドレイン電圧Vdsは、その後も大きく振動し、なかなか安定しない。
【0034】
これに対し、本実施形態構造のMOSFET(A)は、低ドレイン電圧時のゲート・ドレイン間容量を小さく、かつ、高ドレイン電圧時のゲート・ドレイン間容量を大きくする。これにより、高速性を保ちつつ、たとえば図3に実線で示すように、はね上がり電圧は従来の場合の半分以下となり、ドレイン電圧Vdsの振動も抑制されたスイッチング特性となる。
【0035】
上記した本実施形態構造のMOSFETの場合、たとえば図1に示したように、ゲート下p層14を隣り合う2つのpベース層12のうちのいずれか一方にのみ設ける構成とした。これに限らず、たとえば図4に示すように、隣り合う2つのpベース層12の両方にそれぞれゲート下p層14を設ける構成とすることもできる。
【0036】
また、ゲート下p層14としては、pベース層12よりも浅く形成する場合に限らない。すなわち、ゲート下p層14は、動作上、高ドレイン電圧で空乏化すればよい。したがって、ゲート下p層14の接合深さは、pベース層12と同じか、もしくは、pベース層12より深くてもよい。しかし、ゲート下p層14が浅く形成されていると、完全に空乏化した際の、実効的なゲート電極24とドレイン電極21との対向面積の増え方が大きくなる。そのため、ドレイン電圧の増加に対するゲート・ドレイン間容量の変化が大きくなり、低ノイズ化に大きな効果が得られる。このことから、ゲート下p層14は、pベース層12よりも浅いことが望ましい。
【0037】
また、図1に示した本実施形態構造のMOSFETにおいて、n低抵抗層11aは、隣り合うpベース層12間の抵抗を低減するために設けられる。すなわち、n低抵抗層11aは、pベース層12よりも深く形成される。これにより、pベース層12によって挟まれた狭いJFET(Junction FET)領域から、広いn−ドリフト層11への広がり抵抗を抑制できる。オン抵抗を下げる意味では、n低抵抗層11aはpベース層12より浅くてもよい。
【0038】
このように、n低抵抗層11aは、高速・低ノイズのスイッチング特性に直接的に影響しない。このため、たとえば図5に示すように、n低抵抗層の形成を省略することも可能である(図4に示した本実施形態構造のMOSFETの場合も同様)。
【0039】
高速性のみでなく、オン抵抗にも注目すると、通常、高速性を表すゲート容量は面積に比例し、オン抵抗は面積に反比例する。このため、高速化と低オン抵抗化とはトレードオフの関係となる。しかし、本実施形態構造のMOSFETでは、チャネル抵抗やJFET領域の抵抗が微増するだけで、大きく高速化することが可能である。このため、高速化と低オン抵抗化とのトレードオフの関係が改善される。これにより、スイッチング速度はそのままで、より低オン抵抗とすることも容易に可能である。
【0040】
通常、スイッチング素子の定格電圧(素子耐圧)は、電源電圧の1.5倍から3倍のものが選定される。したがって、電源電圧程度の電圧に対する、ゲート・ドレイン間容量が大きいことが望ましい。すなわち、スイッチング素子としては、そのゲート・ドレイン間容量が、定格電圧の1/3から2/3の電圧で増加し始めるような特性を有することが望ましい。
【0041】
ゲート下p層14が完全に空乏化すれば、ゲート電極24とドレイン電極21との対向面積が大きく増え、ゲート・ドレイン間容量は増加する。したがって、ゲート下p層14としては、定格電圧の1/3から2/3の電圧によって完全に空乏化することが望ましい。
【0042】
なお、ゲート下p層14が完全に空乏化するようにした場合、ゲート・ドレイン間容量は増加する(図2参照)。しかしながら、ゲート・ドレイン間容量が増加しない場合、つまり、容量の減少がなくなって一定の容量となった場合、もしくは、容量の減少が小さく抑えられた場合であっても、従来構造のMOSFETよりもオフ時の容量は大きくなる。よって、スイッチングノイズは抑制されるので、ゲート下p層14としては完全に空乏化せずに、部分的に空乏化するものであってもよい。
【0043】
図6は、本実施形態構造のMOSFET(A)のターンオフ波形を、従来構造のMOSFET(B)のそれと対比して示すものである。
【0044】
低ドレイン電圧の状態では、p層14により、ゲート・ドレイン間容量が小さくなる。そのため、高速スイッチング特性となる。一方、高ドレイン電圧の状態では、p層14が空乏化する。これにより、見かけ上のゲート長が長くなって、ゲート・ドレイン間容量が大きくなる。そのため、はね上がり電圧を抑制できる。
【0045】
図6からも明らかなように、ゲート電極24下のpベース層12間の、空乏化するp層14の面積を増やすほど、スイッチング特性は高速化する。
【0046】
図7は、本実施形態構造のMOSFETにおいて、ゲート下p層14の面積を変化させた場合の、ターンオフ損失(Eoff)の変化を示すものである。なお、横軸は、ゲート電極24下のpベース層12間の面積に対して空乏化するp層14の占める割合としている。縦軸は、誘導性負荷でのターンオフ損失である。
【0047】
図7に示すように、面積比の値を30%以上とすると、高速化にとって有効となり、ターンオフ損失も従来構造のMOSFET(約1.35mJ)に比べて小さくなると見積もられる。これより、面積比は、この値(30%)よりも大きい値とすることが望ましい。
【0048】
図8は、本実施形態構造のMOSFETにおける、ゲート下p層14のネットドーズ量(有効ドーズ量)を変化させた場合のターンオフ損失の変化を示すものである。
【0049】
ネットドーズ量とは、実際にイオン注入する不純物量ではない。p層14の部分に存在するキャリア数に相当する不純物量(濃度)であり、p型不純物量からpベース層12間に存在するn型不純物量を差し引いた不純物量である。
【0050】
ネットドーズ量が小さいと、低い電圧でp層14が完全に空乏化してしまうため、高速化への効果が小さい。ある程度以上のネットドーズ量となると、p層14が高電圧印加時に空乏化せず、容量が増えない。この場合、高速化できるものの、ターンオフ損失は一定となるため、通常の高速化を行ったのと同様に、スイッチングノイズが大きくなってしまう。これより、p層14のネットドーズ量は、1〜3.2×1012cm−2程度以下とすることが望ましい。
【0051】
実際にMOSFETを製造するにあたり、n低抵抗層11aおよびゲート下p層14のそれぞれのドーパントをリン(P),ボロン(B)とする。この場合、拡散定数の違いから、n低抵抗層11aおよびゲート下p層14は、同時拡散による形成も可能である。
【0052】
高濃度なn低抵抗層11aとp層14とが重なるため、ネットドーズ量と実際にイオン注入する不純物量とは異なる。図8に示したように、ネットドーズ量が最適な不純物量となるように、イオン注入する不純物量を調整すればよい。
【0053】
図9は、本実施形態構造のMOSFETにおける、隣り合うpベース層12間の距離Ljと低ノイズ化に有効なゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0との関係を示すものである。なお、ここでは、pベース層12の深さXjを4μmとした場合について示している。
【0054】
最大ネットドーズ量Np0は、高電圧印加時にゲート下p層14が空乏化する最大のネットドーズ量である。これよりも大きくすると、ゲート下p層14が空乏化されず、ゲート容量が増加しない。そのため、ノイズが増大してしまう。これより、ゲート下p層14のネットドーズ量は、最大ネットドーズ量Np0以下に抑えることが望ましい。
【0055】
図9に示すように、最大ネットドーズ量Np0は、pベース層12間の距離Ljにほぼ比例する。これより、最大ネットドーズ量Np0とpベース層12間距離Ljとの比(Np0/Lj)は、2×1015cm−3以下とすることが望ましい。
【0056】
また、pベース層12の深さが深くなると、ゲート下p層14へドレイン電圧が加わり難くなり、空乏化され難い。このため、最大ネットドーズ量Np0は、pベース層12の深さXjに反比例する。
【0057】
図9に示すように、pベース層12の深さXjを4μmとした場合、最大ネットドーズ量Np0とpベース層12の深さXjおよび間隔Ljの積との比(Np0/(Lj・Xj))は、5×1018cm−4以下とすることが望ましい。
【0058】
(第2の実施形態)
図10は、本発明の第2の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図10は、n低抵抗層の形成を省略した場合を例に示している。
【0059】
図10において、第5の半導体層としてのp層14Aは、それぞれ、n−ドリフト層11内に埋め込まれた構造となっている。すなわち、本実施形態の場合、2つの上記p層14Aは、上記各pベース層12の下方に配置されている。そして、その2つの上記p層14Aは、隣り合う2つのpベース層12にそれぞれ接続されている。なお、各p層14Aは、上記pベース層12にそれぞれ沿う第1の方向にストライプ状に配置されている。また、このp層14Aは、それぞれ、上記各pベース層12よりも低い不純物濃度を有して形成されている。
【0060】
本実施形態構造のMOSFETは、たとえば図1に示した構造のMOSFETと同様に、高ドレイン電圧を印加することによってp層14Aが空乏化される。そして、ゲート電極24とドレイン電極21との対向面積が増えることにより、ゲート・ドレイン間容量が増加される。これにより、高速・低ノイズのスイッチング特性を実現することができる。
【0061】
このように、ゲート電極24とドレイン電極21との間にp層14Aが存在すれば、上述した第1の実施形態の場合とほぼ同様の効果が得られる。したがって、高ドレイン電圧により空乏化するp層は、必ずしも、n−ドリフト層(もしくは、n低抵抗層)の表面に形成されていなくともよい。
【0062】
本実施形態構造のMOSFETの場合、図1に示した構造のMOSFETに比べ、多少、製造工程が複雑になる。つまり、p層14Aがn−ドリフト層11の内部に形成される分、製造工程は複雑になる。しかし、高電圧印加時の電界の集中するポイントが、pベース層12の底部に近くなる。その分、図1に示した構造のMOSFETよりも、破壊耐量は向上する。
【0063】
(第3の実施形態)
図11は、本発明の第3の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図11は、n低抵抗層の形成を省略した場合を例に示している。
【0064】
図11において、制御電極としてのゲート電極24aは、ゲート絶縁膜23aを介して、n−ドリフト層11の表面部に埋め込まれている。すなわち、本実施形態の場合、トレンチ型構造のゲート電極(トレンチゲート)24aは、隣り合う2つのpベース層12の相互間にストライプ状に設けられている。また、そのトレンチゲート24aの周囲には、第5の半導体層としてのp層14Bが形成されている。そして、このp層14Bは、少なくともpベース層12の一方に接続されている。このp層14Bは、上記各pベース層12よりも低い不純物濃度を有して形成されている。
【0065】
このようなトレンチゲート24aを有する本実施形態構造のMOSFETにおいて、p層14Bは、低ドレイン電圧では空乏化せずに残る。そのため、ゲート・ドレイン間容量は小さく、高速スイッチングが可能となる。一方、高ドレイン電圧が印加されると、p層14Bが空乏化される。これにより、見かけ上のゲート面積が増え、ゲート・ドレイン間容量が増加する。したがって、低ノイズとなり、図1に示したプレナー型構造のゲート電極を有するMOSFETの場合とほぼ同様な効果、つまり、高速・低ノイズのスイッチング特性を実現できる。
【0066】
また、本実施形態構造のMOSFETの場合、p層14Bに囲まれたトレンチゲート24aの本数の割合や、トレンチゲート24aに対するp層14Bの面積比を変えることができる。これにより、図1に示した構成のMOSFETにおいて、p層の面積比を変えた場合と同様な効果が得られる。
【0067】
また、たとえば図12に示すように、トレンチゲート24aの片側の側壁と底部とを取り囲むように、p層14B’を形成するようにしてもよい。すなわち、トレンチゲート24aの側壁の一部を除いて、p層14B’を形成するようにすることもできる。この場合、完全に電流の流れないチャネルを作ることがないため、低オン抵抗化も可能となる。
【0068】
(第4の実施形態)
図13は、本発明の第4の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図13は、n低抵抗層を形成するようにした場合を例に示している。
【0069】
図13において、制御電極としてのゲート電極24bは、スプリットゲート構造を有して形成されている。本実施形態の場合、n低抵抗層11aの表面部に、第5の半導体層としての2つのゲート下p層14が形成されている。この2つのゲート下p層14は、隣り合う上記pベース層12のそれぞれに接続されている。そして、このp層14は、上記各pベース層12よりも低い不純物濃度を有して形成されている。
【0070】
通常、ゲート構造をスプリットゲート構造とすることによって、ゲート容量の低減による、スイッチング特性の高速化が図られる。したがって、ゲート下p層14を形成するようにした場合には、さらに、高速のスイッチング特性を実現することが可能である。
【0071】
なお、本実施形態構造のMOSFETを製造する際のプロセスとしては、ゲート下p層14を形成した後に、ゲート電極24bを形成(分割)するようにしてもよい。または、n低抵抗層11aの全面にゲート下p層14を形成した後、ゲート電極24bの形成を行う。そして、そのゲート電極24bをマスクにして、n低抵抗層11aを形成(p層14を分割)するようにしてもよい。
【0072】
また、ゲート構造としては、上記スプリットゲート構造のゲート電極24bに限らない。たとえば図14に示すように、テラスゲート構造のゲート電極(制御電極)24cを用いることもできる。この場合においても、上記したスプリットゲート構造とした場合とほぼ同様な結果が得られる。
【0073】
(第5の実施形態)
図15は、本発明の第5の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図15は、n低抵抗層を形成するようにした場合を例に示している。
【0074】
図15において、第2の半導体層としての複数のpベース層12は、素子の正面と直交する第1の方向にストライプ状に形成されている。一方、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14は、上記各pベース層12と直交する第2の方向にストライプ状に形成されている。
【0075】
このような本実施形態構造のMOSFETによれば、単に、図1に示した構成のMOSFETとほぼ同様な効果が得られるだけでなく、さらに別の効果が期待できる。たとえば、位置合わせずれの影響なく、空乏化するp層14を形成することが可能である。
【0076】
(第6の実施形態)
図16は、本発明の第6の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図16は、n低抵抗層を形成するようにした場合を例に示している。
【0077】
図16において、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14aは、それぞれ、隣り合う4つのpベース層12a間に矩形状を有して配置されている。
【0078】
また、第3の半導体層としての複数のn+ソース層13aは、上記各pベース層12aの表面部にリング状に形成されている。そして、上記pベース層12aおよび上記n+ソース層13aにそれぞれ対応する部位には、第1の主電極としての矩形状のソース電極22aが設けられている。また、制御電極としてのゲート電極24dは、上記各ソース電極22aを除く部位に、ゲート絶縁膜23dを介して設けられている。
【0079】
このような本実施形態構造のMOSFETによっても、図1に示した構成のMOSFETとほぼ同様な効果が得られる。しかも、各pベース層12aの角部での電界がより緩和されるため、耐圧低下を抑えることが可能である。
【0080】
また、たとえば図16に示すように、隣り合うゲート下p層14aの間隔Wpを、隣り合うpベース層12aの間隔Wjよりも狭くする。こうすることで、pベース層12aの面積を狭くしたのと結果的に等価となる。これにより、pベース層12aとn低抵抗層11aとの接合の電界が緩和される。そのため、耐圧低下を抑えることが可能となる。このような効果は、たとえば図15に示したように、各pベース層12をストライプ状に形成した構造においても、同様に得られる。
【0081】
図17は、図16に示した構成のパワーMOSFETにおいて、上記ゲート下p層14aおよび上記n低抵抗層11aの配置を逆にした場合の例である。
【0082】
すなわち、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14aは、それぞれ、隣り合う2つのpベース層12a間に矩形状を有して配置されている。
【0083】
このような構成とした場合にも、図16に示したMOSFETとほぼ同様な効果が得られる。
【0084】
図18は、図16に示した構成のパワーMOSFETにおいて、ゲート下p層をストライプ状に配置するようにした場合の例である。
【0085】
すなわち、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14bは、それぞれ、隣り合うpベース層12a間にストライプ状を有して配置されている。
【0086】
このような構成とした場合にも、図16に示したMOSFETとほぼ同様な効果が得られる。
【0087】
図19〜図21は、第6の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、さらに他の構成例をそれぞれ示すものである。
【0088】
図19は、pベース層を格子状(もしくは、千鳥状)に配置した場合の、ゲート下p層の配置パターンの一例を示すものである。この場合、第2の半導体層としてのpベース層12aのいくつかを囲むように、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14cを千鳥状に配設することも可能である。
【0089】
図20は、pベース層を格子状(もしくは、千鳥状)に配置した場合の、ゲート下p層の配置パターンの他の一例を示すものである。この場合、第2の半導体層としてのpベース層12aのいくつかを囲むように、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14cを一方向のストライプ状に配設することも可能である。
【0090】
図21は、pベース層を格子状(もしくは、千鳥状)に配置した場合の、ゲート下p層の配置パターンのさらに別の一例を示すものである。この場合、第2の半導体層としてのpベース層12aのいくつかを囲むように、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14cを二方向のストライプ状に配設することも可能である。
【0091】
図19〜図21にそれぞれ示したように、いずれの構成とした場合にも、本実施形態構造のMOSFETは容易に実現することが可能である。
【0092】
(第7の実施形態)
図22は、本発明の第7の実施形態にかかり、IGBTに適用した場合の例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図22は、n低抵抗層の形成を省略した場合を例に示している。
【0093】
図22において、本実施形態構造のIGBT(ノンパンチスルー型構造)は、図5に示したn低抵抗層の形成を省略した場合のMOSFETとほぼ同一構造を有して構成されている。
【0094】
すなわち、第1の半導体層としてのn−ドリフト層11は、その一方の面(表面)に、選択的に、第2の半導体層としての複数のpベース層12が拡散により形成されている。各pベース層12は、図面の手前から奥に向かう第1の方向にストライプ状に配置されている。各pベース層12の表面部には、それぞれ選択的に、第3の半導体層としての少なくとも1つのn+ソース層13が拡散により形成されている。
【0095】
また、隣り合う2つのpベース層12間の、上記n−ドリフト層11の表面部には、選択的に、第5の半導体層としてのp層14が拡散により形成されている。本実施形態の場合、p層14は、上記pベース層12に沿う第1の方向にストライプ状に配置されている。そして、隣り合う2つのpベース層12のうちのいずれか一方のpベース層12に接続されている。また、このp層14は、上記pベース層12よりも低い不純物濃度を有して形成されている。
【0096】
上記n−ドリフト層11の他方の面(裏面)には、第4の半導体層であるp+ドレイン層31が形成されている。このp+ドレイン層31には、その全面に、第2の主電極としてのドレイン電極21が接続されている。
【0097】
一方、上記各pベース層12上には、上記n+ソース層13の一部をそれぞれ含んで、第1の主電極としてのソース電極22が形成されている。各ソース電極22は、第1の方向にストライプ状に配置されている。また、上記ソース電極22間には、ゲート絶縁膜23を介して、制御電極としてのゲート電極24が形成されている。つまり、プレナー型構造のゲート電極24は、一方のpベース層12内の上記n+ソース層13から、上記n−ドリフト層11および上記p層14を経て、他方の上記pベース層12内の上記n+ソース層13に至る領域上に形成されている。上記ゲート絶縁膜23は、その膜厚が約0.1μmとされている。
【0098】
このように、本実施形態構造のIGBTは、MOSFETにおけるn+ドレイン層15の部分が、p+ドレイン層31によって構成されている。これにより、IGBTとして動作するように構成されている。
【0099】
一般に、MOSゲート素子であれば、MOSゲート構造で決まる容量により、スイッチング特性はほぼ一意的に定められる。よって、IGBTにとっても、本実施形態のMOSゲート構造は有効である。
【0100】
なお、IGBTとしては、ノンパンチスルー型構造に限らず、たとえば図23に示すように、パンチスルー型構造のIGBTにも同様に適用可能である。パンチスルー型構造のIGBTの場合、n−ドリフト層11とp+ドレイン層31との間に、第6の半導体層としてのn+バッファー層32が設けられる。
【0101】
図24は、本発明の第7の実施形態にかかるIGBTのさらに別の構成例を示すものである。なお、図23に示したIGBTと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図24は、n低抵抗層を形成するようにした場合を例に示している。さらに、これは、パンチスルー型構造のIGBTに適用した場合の例である。
【0102】
図24に示すように、IGBTには、ソースコンタクトの一部(ソース電極22A)を間引いたダミーセル(第2のセル)41を有するものがある。ソースコンタクトを間引くことにより、n−ドリフト層11の伝導度変調を強めることができる。
【0103】
このような構成のIGBTにおいて、上記ダミーセル41では、第5の半導体層としてのゲート下p層14dを形成する。その際、p層14dは、n低抵抗層11aの表面部を完全に覆うようにして形成される。一方、通常通りにソースコンタクト(ソース電極22)が両サイドに形成されているノーマルセル(第1のセル)42には、ゲート下p層14dを形成しないようにする。これにより、低ドレイン電圧時には、ゲート・ドレイン容量が小さくなって高速スイッチングが可能となり、高ドレイン電圧時には、ゲート・ドレイン間容量が増加して低スイッチングノイズとすることができる。
【0104】
なお、本実施形態構造のIGBTとしては、図22〜図24に示したように、プレナー型のMOSゲート構造のものに限らず、トレンチ型のMOSゲート構造のものにも同様に実施することが可能である。
【0105】
(第8の実施形態)
図25は、本発明の第8の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図24に示したIGBTと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。また、図25は、n低抵抗層を形成するようにした場合を例に示している。
【0106】
図25に示すように、このMOSFETは、第5の半導体層としてのゲート下p層14dが形成されたMOSセル(第2のセル)51と、ゲート下p層14dが形成されていないMOSセル(第1のセル)52とが混在したセル構造となっている。上記ゲート下p層14dは、たとえば、n低抵抗層11aの表面部を完全に覆うようにして形成される。
【0107】
本実施形態構造のMOSFETの場合、ゲート下p層14dを備えるMOSセル51の密度(数)を変化させる。こうすることで、ゲート下p層14dの面積比を変化させたのと同様な効果が得られる。つまり、素子全体のセル51,52の個数に対するセル51の個数の割合が、図7に示した、ゲート下p層14の面積比に相当する。
【0108】
また、上記したソースコンタクトを間引くようにしたIGBT(図24参照)に比べ、製造プロセスの簡素化が図れ、製造上においても有利である。
【0109】
ここで、ゲート下p層が挿入されていないMOSセル52におけるゲート電極24をスプリットゲート構造とし、ゲート下p層14dが挿入されているMOSセル51におけるゲート電極24を通常の構造とする。すると、低電圧時は、MOSセル52のゲート面積により容量が決まるため、ゲート・ドレイン間容量が小さく、高速化となる。一方、高電圧時には、MOSセル51のゲート電極24の面積が大きく、低ノイズとすることが可能となる。
【0110】
なお、ゲート下p層14dは、必づしも、n低抵抗層11aの表面部を完全に覆うようにして形成する必要はない。n低抵抗層11aの表面部を、ゲート下p層14dが部分的に覆う構成とした場合にも、同様な効果が得られる。この場合も、素子全体のゲート面積とゲート下面積(たとえば、n低抵抗層11aの表面積)との割合で、素子を設計することが重要である。また、ネットドーズ量に関しても、図8に示したような値であることが望ましい。
【0111】
さらには、MOSFETに限らず、たとえば図26に示すように、パンチスルー型構造のIGBT(または、図示していないノンパンチスルー型構造のIGBT)にも同様に適用することが可能である。
【0112】
(第9の実施形態)
図27は、本発明の第9の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図25に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0113】
本実施形態構造のMOSFETの場合、たとえば図27に示すように、第5の半導体層としてのゲート下p層14dをそれぞれ備えるMOSセル(第1のセル)51aは、第3の半導体層としてのn+ソース層13を有さない構成とされている。
【0114】
このような構造のMOSFETにおいては、破壊耐量を上げることが可能となる。すなわち、ゲート下p層14dを備えるMOSセル51aは、ゲート電極24に電圧が加わっても、電子の流れる経路がないので動作しない。つまり、MOSセル51aは、高ドレイン電圧時に、ゲート・ドレイン間容量を上げる役目しかもたない。そのため、n+ソース層13を取り除いても、オン抵抗には影響しない。
【0115】
また、n+ソース層13がないため、MOSセル51aには、寄生バイポーラトランジスタが存在しない。したがって、たとえ高電圧印加時にアバランシェ降伏が起きたとしても、発生したホールを速やかに排出することが可能となる。これにより、高速・低ノイズのスイッチング特性を実現できるとともに、アバランシェ耐量が向上する。
【0116】
また、図27に示すMOSFETでは、MOSセル52とMOSセル51aのゲート長を同じ長さとしている。これに対し、たとえば図28に示すように、MOSセル51bのゲート電極24Bのゲート長を長く、MOSセル52aのゲート電極24Aのゲート長を短くする。こうすることで、高速・低スイッチングノイズに対する効果が強くなる。
【0117】
すなわち、低電圧時では、MOSセル52aのゲート容量のみが素子全体のゲート容量となる。そのため、MOSセル52aのゲート長を短くすることにより、高速化が可能である。また、高電圧時では、ゲート下p層14dが空乏化する。そのため、MOSセル52aのゲート容量にMOSセル51bのゲート容量が加わる。こうして、MOSセル51bのゲート長を大きくすることで、ゲート容量の増加量を大きくすることが可能となり、その結果、スイッチングノイズを大きく低減できる。
【0118】
(第10の実施形態)
ここで、上記したゲート下p層の不純物量について、さらに詳細に説明する。なお、ここでは図1に示した構成のMOSFETを例に説明する。
【0119】
第1の実施形態におけるMOSFETは、ゲート下p層14が空乏化することにより、ゲート・ドレイン間容量が変化する。これが、MOSFETの高速化および低ノイズ化にとって有効となる。このため、ゲート下p層14は、高ドレイン電圧の印加時に空乏化する程度の不純物量とする必要がある。また、不純物量をある程度以上とした場合、ゲート下p層14は空乏化されず、高速化および低ノイズ化に対する効果が得られなくなる。このように、ゲート下p層14の不純物量には、空乏化する限界である最大値が存在する。
【0120】
ゲート下p層14の最大不純物量は、ゲート下p層14の空乏化の度合いによって決まる。空乏化の度合いは、ゲート下p層14に加わる電界の大きさに左右される。つまり、ゲート下p層14の最大不純物量は、MOSFETの各部の寸法や各部の濃度に依存する。具体的には、ゲート下p層14の寸法、pベース層12の間隔(距離)、n低抵抗層11aの濃度、pベース層12の深さなどに依存する。したがって、ゲート下p層14の不純物量の設計は、MOSFETの各部の寸法および各部の濃度を考慮することが重要となる。なお、上記n低抵抗層11aは、n−ドリフト層11よりも高不純物濃度を有して形成されるものである。
【0121】
図1に示したMOSFETの場合、ゲート下p層14は、n低抵抗層11aと同一表面に形成される。そのため、ゲート下p層14の不純物量は、ネットドーズ量で論議する必要がある。ネットドーズ量とは、正孔の量に相当するp型不純物量からn型不純物量を差し引いた量である。
【0122】
以下の説明において、ゲート下p層14の不純物量は、ゲート下p層14のネットドーズ量を示す。また、不純物量の単位として、不純物濃度を深さ方向に積分した面積当りの濃度(cm−2)を用いる。
【0123】
図29は、第1の実施形態構造のMOSFETにおける、ゲート下p層14の寸法(面積比Ap)とゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0との関係を示すものである。ただし、ここでは、n低抵抗層11aのドーズ量(Nn)を4×1012cm−2、pベース層12の間隔(Lj)を6μmとした場合について示している。
【0124】
ゲート下p層14の面積比Ap(=Ap1/(Ap1+Ap2))とは、pベース層12間の面積(Ap1+Ap2)に対するゲート下p層14の面積(Ap1)の割合である。図1に示したように、ゲート電極24、pベース層12、n+ソース層13、および、ゲート下p層14を、それぞれストライプ状に形成した場合、pベース層12間の面積は、pベース層12の間隔Ljにほぼ比例する。同様に、ゲート下p層14の面積は、ゲート下p層14の長さLgpにほぼ比例する。これにより、ゲート下p層14の面積比Apは、pベース層12の間隔Ljとゲート下p層14の長さLgpとの比(Ap=Lgp/Lj)で表わすことができる。
【0125】
図29に示すように、ゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0は、ゲート下p層14の面積比Apの逆数にほぼ比例する。ゲート下p層14の面積が変化しても、空乏化することが可能なゲート下p層14の全ネットドーズ量Npはあまり変化しない。ネットドーズ量Npは面積当りの不純物量である。そのため、ゲート下p層14の面積が大きくなると、そのネットドーズ量Npは小さくなる。
【0126】
ゲート下p層14の面積比Apの逆数(1/Ap)と最大ネットドーズ量Np0との関係を一次近似式で示すと、下記式(1)のようになる。
【0127】
Np0=9×1011/Ap+1.2×1012cm−2 … (1)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最大ネットドーズ量Np0よりも小さくすることが望ましい。
【0128】
ゲート下p層14のネットドーズ量Npとpベース層12の間隔Ljとの関係は、たとえば図9に示したように、ほぼ比例する。これは、pベース層12の間隔Ljが狭くなると、ドレインからの電気力線がpベース層12によって遮断される。これにより、ゲート下p層14が空乏化し難くなり、最大ネットドーズ量Np0が小さくなるためである。
【0129】
この比例関係により、上記式(1)を変形すると、下記式(2)のようになる。
【0130】
Np0/Lj=1.7×1015/Ap+2×1015cm−3 … (2)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最大ネットドーズ量Np0よりも小さくすることが望ましい。
【0131】
図30は、第1の実施形態構造のMOSFETにおける、pベース層12の深さXjとゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0との関係を示すものである。ただし、ここでは、n低抵抗層11aのドーズ量(Nn)を4×1012cm−2、ゲート下p層14の面積比(Ap)を50%、pベース層12の間隔(Lj)を2μmとした場合について示している。
【0132】
図30に示すように、ゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0は、pベース層12の深さXjにほぼ反比例する。つまり、pベース層12の深さXjの逆数に対し、ゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0はほぼ比例する。これは、pベース層12の深さXjが深くなると、ドレインからの電気力線がpベース層12によって遮断される。これにより、ゲート下p層14が空乏化し難くなり、最大ネットドーズ量Np0が小さくなるためである。
【0133】
この反比例関係により、上記式(1)を変形すると、下記式(3)のようになる。
【0134】
Np0・Xj=3.6×10 8/Ap+4.8×10 8cm−1 … (3)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最大ネットドーズ量Np0よりも小さくすることが望ましい。
【0135】
図9に示したように、ゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0は、pベース層12の間隔Ljにほぼ比例する。そこで、この比例関係により、上記式(3)を変形すると、下記式(4)のようになる。
【0136】
Np0・Xj/Lj=6×1011/Ap+8×1011cm−2 … (4)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最大ネットドーズ量Np0よりも小さくすることが望ましい。
【0137】
図31は、第1の実施形態構造のMOSFETにおける、n低抵抗層11aのドーズ量Nnとゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0との関係を示すものである。ただし、ここでは、ゲート下p層14の面積比(Ap)を50%、pベース層12の間隔(Lj)を6μmとした場合について示している。
【0138】
図31に示すように、ゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0は、n低抵抗層11aのドーズ量Nnにほぼ比例する。n低抵抗層11aが高濃度化する。すると、ゲート下p層14は空乏化し易くなるため、その最大ネットドーズ量Np0は増加する。
【0139】
n低抵抗層11aのドーズ量Nnと最大ネットドーズ量Np0との関係を一次近似式で示すと、下記式(5)のようになる。
【0140】
Np0=0.37Nn+1.6×1012cm−2 … (5)
この式(5)を、さらに上記式(1)と合わせて、ゲート下p層14の面積比Apを含んだ形に変形すると、下記式(6)のようになる。
【0141】
Np0=8.4×1011/Ap+0.34Nn+0.015Nn/Ap−1.2×1011cm−2 … (6)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最大ネットドーズ量Np0よりも小さくすることが望ましい。
【0142】
図9に示したように、ゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0は、pベース層12の間隔Ljにほぼ比例する。この関係により、上記式(6)を変形すると、下記式(7)のようになる。
【0143】
Np/Lj=1.4×1015/Ap+570Nn+25Nn/Ap−2×1014cm−3 … (7)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最大ネットドーズ量Np0よりも小さくすることが望ましい。
【0144】
図30に示したように、ゲート下p層14の最大ネットドーズ量Np0は、pベース層12の深さXjにほぼ反比例する。この関係により、上記式(7)を変形すると、下記式(8)のようになる。
【0145】
Np・Xj/Lj=5.6×1011/Ap+0.228Nn+0.01Nn/Ap−8×1010cm−2 … (8)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最大ネットドーズ量Np0よりも小さくすることが望ましい。
【0146】
一方、ゲート下p層14のネットドーズ量Npが小さくて、ゲート下p層14が低いドレイン電圧により完全に空乏化してしまう場合、ゲート下p層14を挿入した効果が得られない。つまり、ゲート下p層14のネットドーズ量Npが小さすぎると、図8に示したように、従来のMOSFETと同等なスイッチング損失となる。このため、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、ある程度の高ドレイン電圧の印加時に空乏化する不純物量とする必要がある。このように、ゲート下p層14の不純物量には、空乏化に好適な最小値が存在する。
【0147】
ゲート下p層14の最小ネットドーズ量を、従来のMOSFETと同等なスイッチング損失となる不純物量とした場合、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量は最大ネットドーズ量の1/4〜1/3程度となる(たとえば、図8参照)。
【0148】
ゲート下p層14の最小ネットドーズ量は、最大ネットドーズ量の場合と同様に、ゲート下p層14の空乏化の度合いにより決まる。つまり、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量は、MOSFETの各部の寸法や各部の濃度に依存する。このことからも、ゲート下p層14の不純物量の設計は、MOSFETの各部の寸法および各部の濃度を考慮することが重要である。
【0149】
図32は、第1の実施形態構造のMOSFETにおける、ゲート下p層14の寸法(面積比Ap)とゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minとの関係を示すものである。ただし、ここでは、n低抵抗層11aのドーズ量(Nn)を4×1012cm−2、pベース層12の間隔(Lj)を6μmとした場合について示している。
【0150】
図32に示すように、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minは、ゲート下p層14の面積比Apの逆数にほぼ比例する。最大ネットドーズ量Np0の場合と同様に、ゲート下p層14の面積比Apの逆数(1/Ap)に対する最小ネットドーズ量Np_minの関係を一次近似式で示すと、下記式(9)のようになる。
【0151】
Np_min=2.5×1011/Ap+5.3×1011cm−2 … (9)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最小ネットドーズ量Np_minよりも大きくすることが望ましい。
【0152】
図33は、第1の実施形態構造のMOSFETにおける、pベース層12の間隔Ljとゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minとの関係を示すものである。ただし、ここでは、n低抵抗層11aのドーズ量(Nn)を4×1012cm−2、ゲート下p層14の面積比Apを50%とした場合について示している。
【0153】
上記した最大ネットドーズ量Np0の場合と同様に、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minは、pベース層12の間隔Ljにほぼ比例する。この比例関係により、上記式(9)を変形すると、下記式(10)のようになる。
【0154】
Np_min/Lj=4.2×1014/Ap+8.8×1014cm−3 … (10)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最小ネットドーズ量Np_minよりも大きくすることが望ましい。
【0155】
図34は、第1の実施形態構造のMOSFETにおける、pベース層12の深さXjとゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minとの関係を示すものである。ただし、ここでは、n低抵抗層11aのドーズ量(Nn)を4×1012cm−2、ゲート下p層14の面積比Apを50%、pベース層12の間隔Ljを2μmとした場合について示している。
【0156】
上記した最大ネットドーズ量Np0の場合と同様に、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minは、pベース層12の深さXjにほぼ反比例する(pベース層12の深さXjの逆数にほぼ比例する)。この反比例関係により、上記式(9)を変形すると、下記式(11)のようになる。
【0157】
Np_min・Xj=1×10 8/Ap+2.1×10 8cm−1 … (11)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最小ネットドーズ量Np_minよりも大きくすることが望ましい。
【0158】
図33に示したように、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minは、pベース層12の間隔Ljにほぼ比例する。この関係により、上記式(11)を変形すると、下記式(12)のようになる。
【0159】
Np_min・Xj/Lj=1.7×1011/Ap+3.5×1011cm−2 …(12)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最小ネットドーズ量Np0よりも大きくすることが望ましい。
【0160】
図35は、第1の実施形態構造のMOSFETにおける、n低抵抗層11aのドーズ量Nnとゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minとの関係を示すものである。ただし、ここでは、pベース層12の深さXjを4μm、ゲート下p層14の面積比Apを50%、pベース層12の間隔Ljを6μmとした場合について示している。
【0161】
図35に示すように、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minは、n低抵抗層11aのドーズ量Nnにほぼ比例する。n低抵抗層11aが高濃度化する。すると、ゲート下p層14は空乏化し易くなるため、その最小ネットドーズ量Np_minは増加する。
【0162】
n低抵抗層11aのドーズ量Nnと最小ネットドーズ量Np_minとの関係を一次近似式で示すと、下記式(13)のようになる。
【0163】
Np_min=0.2Nn+3.4×1011cm−2 … (13)
この式(13)を、さらに上記式(9)と合わせて、ゲート下p層14の面積比Apを含んだ形に変形すると、下記式(14)のようになる。
【0164】
Np_min=−4×1010/Ap+0.0375Nn+0.075Nn/Ap+4×1011cm−2 … (14)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最小ネットドーズ量Np_minよりも大きくすることが望ましい。
【0165】
図33に示したように、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minは、pベース層12の間隔Ljにほぼ比例する。この関係により、上記式(14)を変形すると、下記式(15)のようになる。
【0166】
Np/Lj=−6.7×1013/Ap+62.5Nn+125Nn/Ap+6.7×1014cm−3 … (15)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最小ネットドーズ量Np_minよりも大きくすることが望ましい。
【0167】
図34に示したように、ゲート下p層14の最小ネットドーズ量Np_minは、pベース層12の深さXjにほぼ反比例する。この関係により、上記式(15)を変形すると、下記式(16)のようになる。
【0168】
Np・Xj/Lj=−2.7×1010/Ap+0.025Nn+0.05Nn/Ap+2.7×1011cm−2 … (16)
これより、ゲート下p層14のネットドーズ量Npは、最小ネットドーズ量Np_minよりも大きくすることが望ましい。
【0169】
(第11の実施形態)
図36は、本発明の第11の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図18に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0170】
図36は、図18に示した構成のパワーMOSFETにおいて、ゲート電極24dを、ゲート長の異なる第1のゲート電極24Aおよび第2のゲート電極24Bを用いて構成するようにした場合の例である。
【0171】
すなわち、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。制御電極としてのゲート電極24dは、格子状に配置された、少なくとも1つの第1のゲート電極(第2の制御電極)24Aと少なくとも1つの第2のゲート電極(第1の制御電極)24Bとを有して構成されている。第1のゲート電極24Aは、たとえば第1のゲート長(第2の電極長)Lg2を有している。第2のゲート電極24Bは、たとえば上記第1のゲート電極24Aの第1のゲート長Lg2よりも長い、第2のゲート長(第1の電極長)Lg1を有している。そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14bは、それぞれ、隣り合うpベース層12a間の、上記第2のゲート電極24Bに対応する部位にのみ、ストライプ状を有して配置されている。
【0172】
低いドレイン電圧が印加される際のゲート・ドレイン間容量は、ゲート長が短い部分の容量で決まる。この場合、ゲート・ドレイン間容量は小さく、高速化が可能となる。
【0173】
これに対し、高いドレイン電圧が印加される際のゲート・ドレイン間容量は、大きく増加する。これは、ゲート長が長い部分のゲート下p層14bが空乏化するためであり、これにより低ノイズ化が図られる。
【0174】
図36に示した構成のパワーMOSFETにおいては、ゲート下p層の面積を変えて形成することが可能である。
【0175】
図37に示すように、たとえば、隣り合うpベース層12a間の、上記第2のゲート電極24Bに対応する部位に対し、いくつかのゲート下p層14b−1が選択的に形成されるようにする。こうして、ゲート下p層14b−1の面積を変えることによって、ゲート・ドレイン間容量の変化を容易に調整することが可能である。
【0176】
その際に、隣り合うゲート下p層14b−1の間隔Ljpを、上記第1のゲート電極24Aに対応する、pベース層12aの間隔Ljと同程度(Ljp〜Lj)とする。こうすることで、上記第2のゲート電極24Bに対応する、pベース層12aの間隔Ljxが長くなることによる耐圧の低下を抑えることが可能となる。
【0177】
図38は、図36に示した構成のパワーMOSFETにおいて、ゲート電極24dの一部を、スプリットゲート構造を有して構成するようにした場合の例を示すものである。
【0178】
すなわち、制御電極としてのゲート電極24dのうち、ゲート長の短い第1のゲート電極24A−1をスプリットゲート構造とする。これにより、ゲート長が短い部分の容量で決まる、低いドレイン電圧が印加される際のゲート・ドレイン間容量をさらに低容量化でき、より高速化が可能となる。
【0179】
なお、スプリットゲート構造に限らず、たとえば図14に示したようなテラスゲート構造を採用することもできる。ゲート長の短い第1のゲート電極をテラスゲート構造とした場合にも、スプリットゲート構造とした場合と同様の効果が得られる。
【0180】
図39は、図36に示した構成のパワーMOSFETにおいて、n+ソース層13aを選択的に形成するようにした場合の例を示すものである。
【0181】
すなわち、第3の半導体層としてのn+ソース層13aは、ゲート長の短い第1のゲート電極24Aに対応する、第2の半導体層としてのpベース層12aの表面部にのみ形成されている。つまり、制御電極としてのゲート電極24dのうちの、ゲート長の長い第2のゲート電極24Bに対応する、pベース層12aの表面部には、n+ソース層13aが形成されないようにしている。
【0182】
ゲート長の長い部分では、ゲート電極24dに電圧が加えられ、反転チャネルが形成されても、電流がほとんど流れない。これは、ゲート長の長い部分のチャネル経路が長く、抵抗が高いためである。したがって、第2のゲート電極24Bに対応する、pベース層12aの表面部にn+ソース層13aがなくても、素子のオン抵抗は増加しない。
【0183】
加えて、n+ソース層13aの面積を小さくすることが可能となる。こうすることで、寄生バイポーラトランジスタの動作を抑えることが可能となり、素子の安全動作領域を大きくできるようになるものである。
【0184】
なお、この構成のMOSFETにおいても、ゲート長の短い第1のゲート電極24Aに対し、図38に示したようなスプリットゲート構造もしくは図14に示したようなテラスゲート構造を採用することにより、高速化が可能である。
【0185】
(第12の実施形態)
図40は、本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、同図(a)は平面図であり、同図(b)は断面図である。また、図28に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0186】
図40は、図28に示した構成のパワーMOSFETにおいて、ゲート長Lg2を有する第1のゲート電極24A下のゲート下p層14dを、自己整合的に形成できるようにした場合の例である。ここでは、第1,第2のゲート電極24A,24Bをストライプ状に形成した場合を示している。
【0187】
すなわち、第1のセルとしてのMOSセル52a’は、ゲート長Lg1を有する第2のゲート電極(第1の制御電極)24Bを備えている。また、このMOSセル52a’は、第2の半導体層としてのpベース層12の表面部に、第3の半導体層としてのn+ソース層13が形成されている。そして、pベース層12間には、第7の半導体層としての低濃度n層11bが設けられている。この低濃度n層11bは、n低抵抗層11aよりも低い不純物濃度を有して設けられる。
【0188】
一方、第2のセルとしてのMOSセル51bは、上記第2のゲート電極24Bよりもゲート長が短い、ゲート長Lg2を有する第1のゲート電極(第2の制御電極)24Aを備えている。また、このMOSセル51bは、pベース層12の表面部に、n+ソース層13が形成されている。そして、pベース層12間には、第5の半導体層としてのゲート下p層14dが設けられている。
【0189】
このように、ゲート長Lg2,Lg1が異なるゲート電極24A,24Bをそれぞれに持つ二種類のMOSセル51b,52a’が混在するMOSFETにおいては、セルフアラインによるゲート下p層14dの形成が可能である。
【0190】
図41は、図40に示した構成のMOSFETの製造プロセスを示すものである。
【0191】
まず、n−ドリフト層11およびn+ドレイン層15を有する基板(同図(a)参照)に対し、イオン注入と拡散とを行う。そして、n−ドリフト層11の表面部にn低抵抗層11aを形成する(同図(b)参照)。
【0192】
次いで、n低抵抗層11aの表面に、ボロンなどのp型ドーパントをイオン注入し、アニールする。これにより、n低抵抗層11aの表面部に、低濃度n層11bを形成する(同図(c)参照)。
【0193】
次いで、低濃度n層11bの表面上に、ゲート絶縁膜23を介して、第1,第2のゲート電極24A,24Bをパターニングする(同図(d)参照)。この後、イオン注入および拡散により、pベース層12を形成する(同図(e)参照)。
【0194】
その際、第1,第2のゲート電極24A,24Bの直下には、低濃度n層11bが存在する。このため、pベース層12のドーパントの横方向拡散が大きくなったのと同様の効果が得られる。すなわち、pベース層12のドーパントは、n低抵抗層11aの表面付近でのみ、横方向に延びる。pベース層12のドーパントは、各ゲート電極24A,24Bの両側から、ほぼ均等に延びる。したがって、ゲート長が短いと、pベース層12のドーパントによってpベース層12間が完全にp層化される。これにより、ゲート長が短い第1のゲート電極24A下にだけ、選択的にゲート下p層14dを形成できる。
【0195】
ゲート長が長いと、pベース層12間が完全にはp層化されない。つまり、ゲート下p層14dは、ゲート長が長い第2のゲート電極24B下には十分に形成されない。このように、第1のゲート電極24A下にだけ、ゲート下p層14dをセルフアラインにより形成でき、ゲート下p層14dを形成するためのリソグラフィ工程を削減することが可能である。
【0196】
ゲート下p層14dをpベース層12からの横方向拡散により形成する場合において、pベース層12間を完全にp層化させるためには、MOSセル51bのpベース層12の間隔は狭い方が望ましい。逆に、MOSセル52a’は、pベース層12の間隔が広いほうが望ましい。このようなパターンの異なる2つのMOSセル51b,52a’を確実に形成できるようにするためには、pベース層12の間隔を2倍以上変化させることが望ましい。
【0197】
このような工程により形成されるMOSFETの場合、低ドレイン電圧印加時のゲート・ドレイン間容量は、低濃度n層11bを有するMOSセル52a’の容量によって決まる。また、高ドレイン電圧印加時のゲート・ドレイン間容量は、MOSセル52a’の容量に、ゲート下p層14dを有するMOSセル51bの容量が加わり、増加する。これにより、低ノイズ化が実現される。
【0198】
また、このような構成のMOSFETにおいて、素子全体のセル数に対するMOSセル51bの割合、もしくは、素子全体のゲート下面積(たとえば、低濃度n層11bの表面積)に対するゲート下p層14dの面積の割合を大きくする。こうすることで、高ドレイン電圧印加時のゲート・ドレイン間容量の増加を大きくできる。その結果、低ノイズ化の効果をより向上できる。因みに、上記MOSセル51bの割合、もしくは、上記ゲート下p層14dの面積の割合は、30%以上とすることが望ましい。
【0199】
なお、MOSセル51bに設けられるゲート下p層14dとしては、ゲート電極24A下を完全に覆うようにして設ける必要はない。空乏化するp層が形成されていれさえすれば、ドレイン電圧の上昇により、ゲート・ドレイン間容量が増加する。よって、pベース層12間を完全にp層化させた場合とほぼ同様の効果つまり、低ノイズ化の効果が得られる。
【0200】
また、ゲート下p層14dのネットドーズ量に関しても、すでに述べたような値とすることが望ましい。
【0201】
さらには、図40に示した構成のパワーMOSFETにおいて、n+ソース層13を選択的に形成することも可能である。
【0202】
すなわち、図42(a),(b)に示すパワーMOSFETの場合、第3の半導体層としてのn+ソース層13は、たとえばゲート長の長い第2のゲート電極24Bに対応する、第2の半導体層としてのpベース層12の表面部にのみ形成されている。つまり、ゲート長の短い第1のゲート電極24Aに対応する、pベース層12の表面部には、n+ソース層13が形成されないようにしている。なお、同図(a)は平面図であり、同図(b)は断面図である。
【0203】
MOSセル51bは、第1のゲート電極24A下が、ゲート下p層14dによって完全に覆われている。そのため、このMOSセル51bは電流を流さない。したがって、第1のゲート電極24Aに対応する、pベース層12の表面部にn+ソース層13がなくても、素子のオン抵抗に影響はない。
【0204】
加えて、寄生バイポーラトランジスタの動作を抑えることが可能であり、よって、素子の安全動作領域を大きくできる。
【0205】
図43は、本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETの、他の構成例を示すものである。ここでは、ゲート下p層を自己整合的に形成できるようにしたパワーMOSFETにおいて、ゲート長の異なる第1,第2のゲート電極24A,24Bを格子状に形成した場合を例に示している。
【0206】
すなわち、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。また、pベース層12aの表面部には、第3の半導体層としてのn+ソース層13aが形成されている。制御電極としてのゲート電極24dは、格子状に配置された、少なくとも1つの第1のゲート電極(第2の制御電極)24Aと少なくとも1つの第2のゲート電極(第1の制御電極)24Bとを有して構成されている。第1のゲート電極24Aは、たとえば第1のゲート長(第2の電極長)Lg2を有している。第2のゲート電極24Bは、たとえば上記第1のゲート電極24Aの第1のゲート長Lg2よりも長い、第2のゲート長(第1の電極長)Lg1を有している。
【0207】
そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14dは、それぞれ、隣り合うpベース層12a間の、上記第1のゲート電極24Aに対応する部位にのみ、セルフアラインにより形成されている。また、隣り合うpベース層12a間の、上記第2のゲート電極24Bに対応する部位には、第7の半導体層としての低濃度n層11bが形成されている。
【0208】
このような構成とした場合にも、ゲート下p層14dをセルフアラインにより形成できる。そのため、低コスト化が可能である。
【0209】
図44は、図43に示した構成のパワーMOSFETにおいて、n+ソース層13aを選択的に形成するようにした場合の例を示すものである。
【0210】
すなわち、第3の半導体層としてのn+ソース層13aは、ゲート長の長い第2のゲート電極24Bに対応する、第2の半導体層としてのpベース層12aの表面部にのみ形成されている。つまり、制御電極としてのゲート電極24dのうちの、ゲート長の短い第1のゲート電極24Aに対応する、pベース層12aの表面部には、n+ソース層13aが形成されないようにしている。
【0211】
第1のゲート電極24Aの部分は、pベース層12a間が、ゲート下p層14dによって完全に覆われている。そのため、この部分は電流を流さない。したがって、第1のゲート電極24Aに対応する、pベース層12aの表面部にn+ソース層13aがなくても、素子のオン抵抗に影響はない。
【0212】
加えて、寄生バイポーラトランジスタの動作を抑えることが可能であり、よって、素子の安全動作領域を大きくできる。
【0213】
図45は、第12の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート電極をストライプ状に配置した場合の他の例を示すものである。なお、同図(a)はゲートパターンを示す平面図であり、同図(b)は、同図(a)の45B−45B線に沿う断面図、同図(c)は同図(a)の45C−45C線に沿う断面図である。
【0214】
この例の場合、制御電極としての複数のゲート電極24eは、それぞれ、ストライプ状に設けられている。そして、複数のゲート電極24eは、それぞれ、第1のゲート長(第2の電極長)Lg2を有する少なくとも1つの第1のゲート電極部(第2の制御電極部)24A’、および、上記第1のゲート長Lg2よりも長い、第2のゲート長(第1の電極長)Lg1を有する少なくとも1つの第2のゲート電極部(第1の制御電極部)24B’を含んで構成されている。
【0215】
図46は、第12の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート電極を格子状に配置した場合の他の例を示すものである。なお、同図(a)はゲートパターンを示す平面図であり、同図(b)は、同図(a)の46B−46B線に沿う断面図、同図(c)は同図(a)の46C−46C線に沿う断面図である。
【0216】
この例の場合、制御電極としての複数のゲート電極24fは、それぞれ、第1のゲート長(第2の電極長)Lg2を有する少なくとも1つの第1のゲート電極部(第2の制御電極部)24A’、および、上記第1のゲート長Lg2よりも長い、第2のゲート長(第1の電極長)Lg1を有する少なくとも1つの第2のゲート電極部(第1の制御電極部)24B’を含でいる。そして、複数のゲート電極24fは、それぞれ、上記第1のゲート電極部24A’の相互を格子状に組んでなる構成とされている。
【0217】
図47は、第12の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート電極を格子状に配置した場合のさらに別の例を示すものである。なお、同図(a)はゲートパターンを示す平面図であり、同図(b)は、同図(a)の47B−47B線に沿う断面図、同図(c)は同図(a)の47C−47C線に沿う断面図である。
【0218】
この例の場合、制御電極としての複数のゲート電極24gは、それぞれ、第1のゲート長(第2の電極長)Lg2を有する少なくとも1つの第1のゲート電極部(第2の制御電極部)24A’、および、上記第1のゲート長Lg2よりも長い、第2のゲート長(第1の電極長)Lg1を有する少なくとも1つの第2のゲート電極部(第1の制御電極部)24B’を含でいる。そして、複数のゲート電極24gは、それぞれ、上記第1のゲート電極部24A’の相互を格子状に組んでなる構成とされている。
【0219】
図45〜図47に示したように、各ゲート電極24e,24f,24gのゲート長を局部的に変化させるようにしている。こうした場合においては、ゲート長の短い第1のゲート電極部24A’の、ゲート幅の割合を変化させることにより、いずれの場合においても、ゲート下p層14dの面積を自由に変化させることが可能である。
【0220】
なお、図45〜図47に示した各パワーMOSFETにおいては、図42および図44に示したパワーMOSFETの場合と同様に、ゲート長の短い第1のゲート電極部24A’に対応する、pベース層12の表面部でのn+ソース層13の形成を省略することも可能である。
【0221】
(第13の実施形態)
図48は、本発明の第13の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図40に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0222】
図48は、ゲート下p層を自己整合的に形成できるようにしたパワーMOSFETにおいて、ゲート長がある程度長い第2のゲート電極24B下に、ゲート下p層14dを形成するようにした場合を例に示している。
【0223】
すなわち、第2の半導体層としての複数のpベース層12は、n低抵抗層11aの表面部に選択的に配置されている。また、pベース層12の表面部には、第3の半導体層としてのn+ソース層13が形成されている。さらに、隣り合うpベース層12間の、上記n低抵抗層11aの表面部には、第7の半導体層としての低濃度n層11bが設けられている。
【0224】
制御電極のうち、たとえばゲート電極24Bは、ある程度長いゲート長(たとえば、Lg1)を有している。
【0225】
この例の場合、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14dは、それぞれ、隣り合うpベース層12間にセルフアライン(p型ドーパントの横方向拡散)により形成されている。ゲート下p層14dのそれぞれは、各pベース層12にそれぞれ接続されている。また、ゲート下p層14dのそれぞれは、隣り合うpベース層12間を完全に覆わないようにして形成されている。
【0226】
上記したように、ゲート下p層をセルフアラインにより形成することが可能なMOSFETにおいては、たとえば図48に示すように、ゲート長がある程度長いゲート電極24B下に、pベース層12間を完全に覆わないようなp層14dを形成することが可能である。このゲート下p層14dは、結果的に、ドレイン電圧の上昇により、ゲート・ドレイン間容量を増加させる。このため、pベース層12間を完全にp層化させた場合とほぼ同様の効果、つまり、低ノイズ化の効果が得られる。
【0227】
p型ドーパントのドーズ量を多くすると、ゲート下p層14dを形成し易くなる。しかし、その場合、低濃度n層11bの比抵抗を増大させ、オン抵抗を増加させる。
【0228】
そこで、ゲート下p層14dおよび低濃度n層11bを形成するドーパントのドーズ量と、ゲート電極24Bのゲート長(pベース層12間の間隔)とを、最適に設計する必要がある。つまり、オン抵抗の増加を抑制するために、pベース層12の間隔を、pベース層12の深さ程度の広さとする。また、ゲート下p層14dの間隔を、その半分程度とすることが望ましい。
【0229】
なお、本実施形態に示したような、ゲート長がある程度長いゲート電極24B下に、pベース層12間を完全に覆わないようなp層14dを形成することが可能なMOSFETとしては、図40に示したMOSFET以外のMOSFETにも適用できる。たとえば、図42に示した、ゲート長の短い第1のゲート電極24Aに対応する、pベース層12の表面部でのn+ソース層13の形成を省略するようにしたMOSFETにも同様に適用できる。
【0230】
また、図43や図44に示したように、pベース層12aを格子状に配置してなる構成のMOSFETにおいて、たとえばp層14dを、ゲート長が短いゲート電極24A下のpベース層12a間は完全に覆い、ゲート長が長いゲート電極24B下のpベース層12a間は完全に覆わないように形成することも可能である。
【0231】
さらに、第12の実施形態において、それぞれ示したような、ゲート電極のゲート長が異なる二種類のMOSセルが混在するMOSFETに限らず、たとえば、ゲート長がある程度長い一種類のMOSセルのみを備えるMOSFETにも適用可能である。
【0232】
(第14の実施形態)
図49は、本発明の第14の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0233】
図49において、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14aは、それぞれ、隣り合う4つのpベース層12a間に配置されている。
【0234】
また、第3の半導体層としての複数のn+ソース層13aは、上記各pベース層12aの表面部にリング状に形成されている。そして、上記pベース層12aおよび上記n+ソース層13aにそれぞれ対応する部位には、第1の主電極としての矩形状のソース電極22aが設けられている。
【0235】
制御電極としてのゲート電極24hは、上記各ソース電極22aを除く部位に格子状に設けられている。このゲート電極24hは、上記ゲート下p層14aと対応しない部位、つまり、ゲート下p層14a間の、n低抵抗層11aに対応する部位にそれぞれ開口24haが設けられた、スプリットゲート構造を有して構成されている。
【0236】
このような本実施形態構造のMOSFETによれば、低ドレイン電圧の印加時の、ゲート・ドレイン間容量を小さくすることが可能である。これにより、高速化が図れる。
【0237】
なお、この構成のMOSFETにおいては、スプリットゲート構造に限らず、たとえば図14に示したような、ゲート電極にテラスゲート構造を採用することによっても同様の効果が期待できる。
【0238】
(第15の実施形態)
図50は、本発明の第15の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図1に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0239】
図50において、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14aは、それぞれ、隣り合う4つのpベース層12a間に配置されている。
【0240】
また、第3の半導体層としての複数のn+ソース層13aは、上記各pベース層12aの表面部に選択的に形成されている。たとえば、このn+ソース層13aは、ゲート下p層14aがそれぞれ対応する部位を除く、上記pベース層12aの表面部にのみ設けられている。つまり、pベース層12aの表面の、ゲート下p層14aが対応する部位にはn+ソース層13aは形成されていない。
【0241】
そして、上記pベース層12aおよび上記n+ソース層13aにそれぞれ対応する部位には、第1の主電極としての矩形状のソース電極22aが設けられている。また、制御電極としてのゲート電極24iは、上記各ソース電極22aを除く部位に格子状に設けられている。
【0242】
このような本実施形態構造のMOSFETによれば、オン抵抗を変化させることなく、寄生バイポーラトランジスタの動作を抑えることが可能となる。これにより、素子の安全動作領域を大きくできる。
【0243】
なお、この構成のMOSFETにおいては、ゲート電極24iに、図49に示したようなスプリットゲート構造(もしくは、図14に示したようなテラスゲート構造)を採用することが可能である。その場合、高速で、しかも、素子の安全動作領域が大きなMOSFETを実現できる。
【0244】
(第16の実施形態)
図51は、本発明の第16の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示すものである。なお、図49に示したMOSFETと同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は割愛する。そして、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0245】
図51は、図49に示した構成のMOSFETにおいて、ゲート下p層の相互を接続するようにした場合の例を示すものである。
【0246】
すなわち、第2の半導体層としての複数のpベース層12aは、n低抵抗層11aの表面部に格子状(もしくは、千鳥状)に配置されている。そして、第5の半導体層としての複数のゲート下p層14a’は、それぞれ、隣り合う4つのpベース層12a間に配置されている。また、隣り合う2つのpベース層12a間にそれぞれ配置されて、複数のゲート下p層14a’の相互が局部的に接続されている。また、第3の半導体層としての複数のn+ソース層13aは、上記各pベース層12aの表面部にリング状に形成されている。
【0247】
そして、上記pベース層12aおよび上記n+ソース層13aにそれぞれ対応する部位には、第1の主電極としての矩形状のソース電極22aが設けられている。また、制御電極としてのゲート電極24iは、上記各ソース電極22aを除く部位に格子状に設けられている。
【0248】
このような構成とすることにより、本実施形態構造のMOSFETは、MOSチャネルを潰すことなく、ゲート下p層14a’を形成し得る。その結果、オン抵抗の増加を抑えることが可能である。
【0249】
なお、この構成のMOSFETとしては、たとえば図52に示すように、ゲート電極がストライプ状に配置されてなる構造のMOSFETにも同様に適用できる。
【0250】
すなわち、第2の半導体層としての複数のpベース層12は、n低抵抗層11aの表面部にストライプ状に配置されている。そして、第5の半導体層としてのゲート下p層14’は、それぞれ、隣り合う2つのpベース層12間に配置されている。また、隣り合う2つのpベース層12間にそれぞれ配置されるゲート下p層14’は、隣り合う2つのpベース層12のそれぞれと局部的に接続されている。また、第3の半導体層としての少なくとも1つのn+ソース層13は、上記各pベース層12の表面部にストライプ状に形成されている。
【0251】
そして、上記pベース層12および上記n+ソース層13にそれぞれ対応する部位には、第1の主電極としてのストライプ状のソース電極22が設けられている。また、制御電極としてのゲート電極24は、上記各ソース電極22を除く部位に、ゲート絶縁膜23を介して、ストライプ状に設けられている。
【0252】
このような構造のMOSFETにおいても、MOSチャネルに接続されるゲート下p層14’の面積を小さくし、MOSチャネルの有効ゲート幅が減少するのを抑制できるようなる。その結果、オン抵抗の増加を抑えることが可能となるものである。
【0253】
なお、上記した本実施形態にかかる構成のMOSFETとしては、たとえば第11および第12の各実施形態に示したように、ゲート長が異なるゲート電極をそれぞれ備える構造のMOSFETにも同様に適用できる。
【0254】
なお、上述の各実施形態においては、第1導電型をn型、第2導電型をp型とした場合について説明した。これに限らず、いずれの実施形態の場合も、第1導電型をp型、第2導電型をn型とすることが可能である。
【0255】
また、各実施形態においては、いずれも、Siを用いた場合について説明した。これに限らず、たとえばシリコンカーバイト(SiC)や窒化ガリウム(GaN)または窒化アルミニウム(AlN)などの化合物半導体や、ダイアモンドを用いる素子にも適用可能である。
【0256】
さらに、各実施形態としては、スーパージャンクション構造を有するMOSFETや、縦型のスイッチング素子に適用する場合に限らない。たとえば、横型MOSFETやIGBTなど、MOSもしくはMISゲート素子であれば、同様に実施することが可能である。
【0257】
その他、本発明は、上記(各)実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記(各)実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、(各)実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題(の少なくとも1つ)が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果(の少なくとも1つ)が得られる場合には、その構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【0258】
【発明の効果】
以上、詳述したようにこの発明によれば、高速で、しかも、外部回路を用いることなしにスイッチングノイズを抑制することが可能な絶縁ゲート型半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態にかかる縦型パワーMOSFETの構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【図2】図1に示したMOSFETにおけるゲート・ドレイン間容量のソース・ドレイン間電圧依存性を、従来構造のMOSFETと対比して示す特性図。
【図3】図1に示したMOSFETにおけるターンオフ時のドレイン電圧波形およびドレイン電流波形を、それぞれ、従来構造のMOSFETと対比して示す特性図。
【図4】本発明の第1の実施形態にかかる縦型パワーMOSFETの他の構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【図5】本発明の第1の実施形態にかかる縦型パワーMOSFETのさらに別の構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【図6】本発明の第1の実施形態にかかるMOSFETのターンオフ波形を、従来構造のMOSFETと対比して示す特性図。
【図7】本発明の第1の実施形態にかかるMOSFETにおいて、ゲート下p層の面積を変化させた場合の、ターンオフ損失の変化を示す特性図。
【図8】本発明の第1の実施形態にかかるMOSFETにおいて、ゲート下p層のネットドーズ量を変化させた場合の、ターンオフ損失の変化を示す特性図。
【図9】本発明の第1の実施形態にかかるMOSFETにおいて、pベース層の間隔とゲート下p層の最大ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図10】本発明の第2の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示す要部の断面図。
【図11】本発明の第3の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示す要部の断面図。
【図12】本発明の第3の実施形態にかかるパワーMOSFETの他の構成例を示す要部の断面図。
【図13】本発明の第4の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示す要部の断面図。
【図14】本発明の第4の実施形態にかかるパワーMOSFETの他の構成例を示す要部の断面図。
【図15】本発明の第5の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【図16】本発明の第6の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【図17】本発明の第6の実施形態にかかるパワーMOSFETの他の構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【図18】本発明の第6の実施形態にかかるパワーMOSFETのさらに別の構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【図19】本発明の第6の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート下p層の配置パターンの一例を示す平面図。
【図20】本発明の第6の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート下p層の配置パターンの他の例を示す平面図。
【図21】本発明の第6の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート下p層の配置パターンのさらに別の例を示す平面図。
【図22】本発明の第7の実施形態にかかり、IGBTに適用した場合の例を示す要部の断面図。
【図23】本発明の第7の実施形態にかかるIGBTの他の構成例を示す要部の断面図。
【図24】本発明の第7の実施形態にかかるIGBTのさらに別の構成例を示す要部の断面図。
【図25】本発明の第8の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示す要部の断面図。
【図26】本発明の第8の実施形態にかかり、IGBTに適用した場合を例に示す要部の断面図。
【図27】本発明の第9の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示す要部の断面図。
【図28】本発明の第9の実施形態にかかるパワーMOSFETの他の構成例を示す要部の断面図。
【図29】本発明の第10の実施形態にかかり、図1に示した構成のMOSFETにおいて、ゲート下p層の面積比とゲート下p層の最大ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図30】図1に示した構成のMOSFETにおいて、pベース層の深さとゲート下p層の最大ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図31】図1に示した構成のMOSFETにおいて、n低抵抗層のドーズ量とゲート下p層の最大ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図32】図1に示した構成のMOSFETにおいて、ゲート下p層の面積比とゲート下p層の最小ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図33】図1に示した構成のMOSFETにおいて、pベース層の間隔とゲート下p層の最小ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図34】図1に示した構成のMOSFETにおいて、pベース層の深さとゲート下p層の最小ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図35】図1に示した構成のMOSFETにおいて、n低抵抗層のドーズ量とゲート下p層の最小ネットドーズ量との関係を示す特性図。
【図36】本発明の第11の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図37】本発明の第11の実施形態にかかるパワーMOSFETの他の構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図38】本発明の第11の実施形態にかかるパワーMOSFETのさらに別の構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図39】本発明の第11の実施形態にかかるパワーMOSFETのさらに別の構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図40】本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETの一例を示す構成図。
【図41】図40に示したパワーMOSFETの製造プロセスを説明するために示す工程断面図。
【図42】本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETの他の例を示す構成図。
【図43】本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETのさらに別の構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図44】本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETのさらに別の構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図45】本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート電極をストライプ状に配置した場合の他の例を示す構成図。
【図46】本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート電極を格子状に配置した場合の他の例を示す構成図。
【図47】本発明の第12の実施形態にかかるパワーMOSFETにおいて、ゲート電極を格子状に配置した場合のさらに別の例を示す構成図。
【図48】本発明の第13の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を示す断面図。
【図49】本発明の第14の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図50】本発明の第15の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図51】本発明の第16の実施形態にかかるパワーMOSFETの構成例を、ゲート電極の一部を切り欠いて示す平面図。
【図52】本発明の第16の実施形態にかかるパワーMOSFETの他の構成例を、その一部を切り欠いて示す斜視図。
【符号の説明】
11…n−ドリフト層
11a…n低抵抗層
11b…低濃度n層
12,12a…pベース層
13,13a…n+ソース層
14,14’,14a,14a’,14b,14b−1,14c,14d…p層(ゲート下p層)
14A,14B,14B’…p層
15…n+ドレイン層
21…ドレイン電極
22,22a,22A…ソース電極
23,23a,23d…ゲート絶縁膜
24,24d,24e,24f,24g,24h,24i,24A,24A−1,24B…ゲート電極(プレナーゲート構造)
24ha…開口
24A’…第1のゲート電極部
24B’…第2のゲート電極部
24a…ゲート電極(トレンチゲート構造)
24b…ゲート電極(スプリットゲート構造)
24c…ゲート電極(テラスゲート構造)
31…p+ドレイン層
32…n+バッファー層
41…ダミーセル
42…ノーマルセル
51,51a,51b…MOSセル(p層あり)
52,52a,52a’…MOSセル(p層なし)
Id…ドレイン電流
Vds…ドレイン電圧
Eoff…ターンオフ損失
Lg1…第2のゲート長
Lg2…第1のゲート長[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an insulated gate semiconductor device used for power control, and more particularly to a MOS gate element such as a switching power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
[0002]
[Prior art]
To reduce the size of a power supply circuit such as a switching power supply, it is effective to increase the switching frequency. That is, it is effective to reduce passive elements such as inductance and capacitance in the power supply circuit. However, when the switching frequency is increased, switching loss of a switching element such as a MOSFET or an IGBT increases. An increase in switching loss causes a decrease in power supply efficiency. Therefore, in order to reduce the size of the power supply circuit, it is essential to reduce the switching loss by increasing the speed of the switching element.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
At present, in MOS gate elements such as MOSFETs and IGBTs used as switching elements, the gate length is reduced. Thereby, the facing area between the gate electrode and the drain electrode is reduced. Thus, the speed of the MOS gate element is increased by reducing the gate-drain capacitance.
[0004]
However, if the capacitance between the gate and the drain is reduced for speeding up, resonance occurs between the parasitic inductance included in the wiring and the switching element capacitance. This causes high-frequency noise (switching noise) during switching. In order to suppress such switching noise, soft switching must be performed. Alternatively, it is necessary to provide a filter circuit or devise a gate drive circuit. Thus, the suppression of the switching noise has been accompanied by an increase in cost.
[0005]
As described above, in the related art, although higher speed can be achieved by reducing the gate-drain capacitance, it is necessary to suppress switching noise.For this purpose, soft switching is performed or an external circuit such as a filter circuit is used. There was a problem that must be done.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide an insulated gate semiconductor device that can suppress switching noise at a high speed without using an external circuit.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, a first semiconductor layer of the first conductivity type and a surface portion of the first semiconductor layer of the first conductivity type are selected. A plurality of second conductive type second semiconductor layers, and at least one first conductive type second semiconductor layer formed on a surface of the plurality of second conductive type second semiconductor layers, respectively. A third semiconductor layer; a plurality of first main electrodes respectively connected to the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type and the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type; A fourth semiconductor layer formed on the back surface side of the first semiconductor layer of one conductivity type; a second main electrode connected to the fourth semiconductor layer; Semiconductor layer, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed on each surface of the semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween; and a control electrode provided on the first semiconductor layer of the first conductivity type, wherein the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are provided. At least one of the plurality of second conductive type fifth semiconductor layers having an impurity concentration lower than that of the plurality of second conductive type second semiconductor layers is provided.
[0008]
Further, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, the first semiconductor layer of the first conductivity type and the plurality of semiconductor layers selectively formed on the surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type are provided. A second semiconductor layer of a second conductivity type, at least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type; A plurality of first main electrodes respectively connected to a plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer; and a first conductive type first semiconductor electrode. A fourth semiconductor layer formed on the back side of the semiconductor layer, a second main electrode connected to the fourth semiconductor layer, the plurality of second conductive second semiconductor layers, Three third semiconductor layers of the first conductivity type, and on each surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed via a gate insulating film, and the control electrode provided on the first semiconductor layer of the first conductivity type and connected to at least one of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type. And at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type having an impurity concentration lower than that of the second semiconductor layers of the second conductivity type, when a voltage is applied to the second main electrode. The capacitance between the control electrode and the second main electrode is configured to decrease at a low voltage and to be constant or increase at a high voltage.
[0009]
Further, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, the first semiconductor layer of the first conductivity type and the plurality of semiconductor layers selectively formed on the surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type are provided. A second semiconductor layer of a second conductivity type, at least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type; A plurality of first main electrodes respectively connected to a plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer; and a first conductive type first semiconductor electrode. A fourth semiconductor layer formed on the back side of the semiconductor layer, a second main electrode connected to the fourth semiconductor layer, the plurality of second conductive second semiconductor layers, Three third semiconductor layers of the first conductivity type, and on each surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed via a gate insulating film, and the control electrode provided on the first semiconductor layer of the first conductivity type and connected to at least one of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type. At least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type having an impurity concentration lower than that of the second semiconductor layers of the second conductivity type, and a voltage applied to the second main electrode is rated. When the voltage is 1 / to / of the voltage, the capacitance between the control electrode and the second main electrode starts increasing.
[0010]
Further, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, the first semiconductor layer of the first conductivity type and the plurality of semiconductor layers selectively formed on the surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type are provided. A second semiconductor layer of a second conductivity type, at least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type; A plurality of first main electrodes respectively connected to a plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer; and a first conductive type first semiconductor electrode. A fourth semiconductor layer formed on the back side of the semiconductor layer, a second main electrode connected to the fourth semiconductor layer, the plurality of second conductive second semiconductor layers, Three third semiconductor layers of the first conductivity type, and on each surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed via a gate insulating film, and the control electrode provided on the first semiconductor layer of the first conductivity type and connected to at least one of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type. At least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type having an impurity concentration lower than that of the second semiconductor layers of the second conductivity type, and a voltage applied to the second main electrode is rated. When the voltage is 3 to / of the voltage, the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is configured to be completely depleted.
[0011]
Further, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, a plurality of second conductive type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductive type first semiconductor layer; At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on the surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, and A first cell including at least a plurality of first main electrodes connected to at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and a surface portion of the first semiconductor layer of the first conductivity type. A plurality of second conductive type second semiconductor layers, and the plurality of second conductive type second semiconductor layers provided between adjacent second conductive type second semiconductor layers. Cell including at least a fifth semiconductor layer of a second conductivity type having a lower impurity concentration than Characterized by comprising a.
[0012]
Further, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, a plurality of second conductive type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductive type first semiconductor layer; At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on the surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, and A first cell including at least a plurality of first main electrodes connected to at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and a surface portion of the first semiconductor layer of the first conductivity type. A plurality of second conductive type second semiconductor layers, and the plurality of second conductive type second semiconductor layers provided between adjacent second conductive type second semiconductor layers. Cell including at least a fifth semiconductor layer of a second conductivity type having a lower impurity concentration than Wherein the first semiconductor layer of the first conductivity type is provided with a low-resistance layer of the first conductivity type having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer of the first conductivity type; A seventh semiconductor layer of the first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the low resistance layer of the first conductivity type is provided between adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type in one cell. It is characterized by having.
[0013]
Further, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, a first semiconductor layer of a first conductivity type and a first semiconductor layer of the first conductivity type provided on the first semiconductor layer of the first conductivity type are provided. A first conductivity type low resistance layer having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer; and a plurality of second conductivity type second resistance layers selectively formed on the surface of the first conductivity type low resistance layer. A semiconductor layer, at least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second conductivity type second semiconductor layers, and a plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type; A plurality of first main electrodes respectively connected to the second semiconductor layer and the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type; and a plurality of first main electrodes formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type. A fourth semiconductor layer, a second main electrode connected to the fourth semiconductor layer, and the plurality of second conductive layers. A control electrode formed on each surface of the second semiconductor layer, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the low resistance layer of the first conductivity type via a gate insulating film And lower than the plurality of second conductive type second semiconductor layers provided on the first conductive type low resistance layer and connected to the adjacent second conductive type second semiconductor layers, respectively. A plurality of fifth semiconductor layers of the second conductivity type having an impurity concentration, and an impurity lower than the low resistance layer of the first conductivity type between the plurality of fifth semiconductor layers of the second conductivity type. A seventh semiconductor layer of a first conductivity type having a concentration is provided.
[0014]
Further, in the insulated gate semiconductor device of the present invention, the first semiconductor layer of the first conductivity type and the first semiconductor layer of the first conductivity type provided on the first semiconductor layer of the first conductivity type are provided. A first conductivity type low resistance layer having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer; and a plurality of second conductivity type second resistance layers selectively formed on the surface of the first conductivity type low resistance layer. A semiconductor layer, at least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second conductivity type second semiconductor layers, and a plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type; A plurality of first main electrodes respectively connected to the second semiconductor layer and the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type; and a plurality of first main electrodes formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type. A fourth semiconductor layer, a second main electrode connected to the fourth semiconductor layer, and the plurality of second conductive layers. A control formed on each surface of the second semiconductor layer of the first type, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the low-resistance layer of the first conductivity type via a gate insulating film An electrode and the plurality of second conductivity type second semiconductor layers provided on the first conductivity type low resistance layer and connected to the plurality of adjacent second conductivity type second semiconductor layers, respectively; And a plurality of fifth semiconductor layers of the second conductivity type having lower impurity concentrations.
[0015]
According to the insulated gate semiconductor device of the present invention, the fifth semiconductor layer of the second conductivity type can be depleted at the time of turn-off by applying a high voltage to some extent. As a result, it is possible to suppress the voltage jump at the time of turn-off without deteriorating the high-speed operation.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, the case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type will be described.
[0017]
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a configuration example of a vertical power MOSFET according to the first embodiment of the present invention.
[0018]
In FIG. 1, an n-
[0019]
A p-
[0020]
On the other surface (back surface) of the n-
[0021]
On the other hand, a
[0022]
Here, as a substrate used for forming the n −
[0023]
As described above, the p layer (hereinafter, also referred to as a gate lower p layer) 14 is disposed between the adjacent p base layers 12 and below the
[0024]
That is, the MOSFET of the structure according to the present embodiment (hereinafter, simply referred to as the structure of the present embodiment) utilizes the characteristic that the capacitance between the gate and the drain is increased in accordance with the drain voltage, and the switching characteristic of high speed and low noise To achieve.
[0025]
FIG. 2 shows the dependence of the gate-drain capacitance on the source-drain voltage in the MOSFET of the present embodiment in comparison with a MOSFET (not shown) of a conventional structure.
[0026]
As shown by the broken line in FIG. 2, in the case of the MOSFET (B) having the conventional structure, the gate-drain capacitance continues to decrease in proportion to the source-drain voltage.
[0027]
On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 2, the gate-drain capacitance of the MOSFET (A) of the present embodiment increases as the source-drain voltage increases.
[0028]
That is, if the source-drain voltage is low, the gate-drain capacitance gradually decreases. As the source-drain voltage increases, the gate-drain capacitance increases. This is because the lower gate p-
[0029]
Here, the switching speed of the MOSFET increases as the gate-drain capacitance decreases. However, if the MOSFET has a small capacitance at the time when it is completely turned off, the jump-up voltage at the time of turn-off becomes large. It is desirable that the MOSFET has a small capacitance at the time of starting to turn off, that is, a low capacitance when the drain voltage is low, and has a large capacitance at the time of ending the turning off, that is, a high drain voltage.
[0030]
In the case of the MOSFET (B) having the conventional structure, the smaller the distance between the p base layers, the smaller the facing area between the gate electrode and the drain electrode. That is, the gate-drain capacitance is reduced. When a drain voltage is applied, a depletion layer from the p base layer extends. For this reason, the gate-drain capacitance is further reduced. Therefore, in order to realize high-speed and low-noise switching, a gate drive circuit is required. In addition, complicated control such as gradually reducing the gate current is required.
[0031]
As described above, the MOSFET (A) having the structure of the present embodiment utilizes the characteristic that the gate-drain capacitance increases in accordance with the drain voltage. That is, at the time when the MOSFET starts to be turned off, the space between the p base layers 12 is narrowed by the non-depletion of the
[0032]
FIG. 3 shows a waveform of a drain voltage (Vds) and a waveform of a drain current (Id) at the time of turn-off in the MOSFET having the structure of the present embodiment, respectively, in comparison with a MOSFET having a conventional structure.
[0033]
In the case of the MOSFET (B) having the conventional structure, as described above, the switching characteristics are speeded up by shortening the gate length. In addition, as shown by a broken line in FIG. 3, the jump-up voltage (drain voltage Vds) at the time of OFF increases in proportion thereto. The drain voltage Vds oscillates greatly thereafter, and is not easily stabilized.
[0034]
On the other hand, the MOSFET (A) of the present embodiment structure has a small gate-drain capacitance at a low drain voltage and a large gate-drain capacitance at a high drain voltage. As a result, while maintaining the high-speed operation, for example, as shown by a solid line in FIG. 3, the jumping voltage is less than half of the conventional case, and the switching characteristics are such that the oscillation of the drain voltage Vds is suppressed.
[0035]
In the case of the MOSFET having the structure of the present embodiment described above, for example, as shown in FIG. 1, the p-
[0036]
Further, the p-
[0037]
Further, in the MOSFET having the structure of this embodiment shown in FIG. 1, the n
[0038]
Thus, the n
[0039]
When attention is paid not only to the high speed but also to the on-resistance, the gate capacitance representing the high speed is usually proportional to the area, and the on-resistance is inversely proportional to the area. For this reason, there is a trade-off between high speed and low on-resistance. However, in the MOSFET having the structure of the present embodiment, it is possible to greatly increase the speed simply by slightly increasing the channel resistance and the resistance of the JFET region. For this reason, the trade-off relationship between high speed and low on-resistance is improved. Thus, it is possible to easily lower the on-resistance while maintaining the switching speed.
[0040]
Normally, a switching element whose rated voltage (element breakdown voltage) is 1.5 to 3 times the power supply voltage is selected. Therefore, it is desirable that the capacitance between the gate and the drain be large with respect to a voltage about the power supply voltage. That is, the switching element desirably has such characteristics that its gate-drain capacitance starts to increase at a voltage of 1/3 to 2/3 of the rated voltage.
[0041]
If the gate lower p-
[0042]
When the gate lower p-
[0043]
FIG. 6 shows a turn-off waveform of the MOSFET (A) having the structure of the present embodiment in comparison with that of the MOSFET (B) having the conventional structure.
[0044]
In a state of a low drain voltage, the capacitance between the gate and the drain is reduced by the
[0045]
As is clear from FIG. 6, the switching characteristic becomes faster as the area of the depleted
[0046]
FIG. 7 shows a change in the turn-off loss (Eoff) when the area of the p-
[0047]
As shown in FIG. 7, it is estimated that setting the value of the area ratio to 30% or more is effective for increasing the speed, and that the turn-off loss becomes smaller than that of a MOSFET having a conventional structure (about 1.35 mJ). Accordingly, it is desirable that the area ratio be a value larger than this value (30%).
[0048]
FIG. 8 shows a change in the turn-off loss when the net dose (effective dose) of the p-
[0049]
The net dose is not the amount of impurities actually implanted. It is an impurity amount (concentration) corresponding to the number of carriers present in the portion of the
[0050]
If the net dose is small, the p-
[0051]
When actually manufacturing the MOSFET, the dopants of the n
[0052]
Since the high-concentration n
[0053]
FIG. 9 shows the relationship between the distance Lj between the adjacent p base layers 12 and the maximum net dose Np0 of the gate
[0054]
The maximum net dose Np0 is the maximum net dose at which the gate lower p-
[0055]
As shown in FIG. 9, the maximum net dose Np0 is substantially proportional to the distance Lj between the p base layers 12. Thus, the ratio (Np0 / Lj) between the maximum net dose Np0 and the distance Lj between the p base layers 12 is 2 × 10 Fifteen cm -3 It is desirable to make the following.
[0056]
In addition, when the depth of the
[0057]
As shown in FIG. 9, when the depth Xj of the
[0058]
(Second embodiment)
FIG. 10 shows a configuration example of a power MOSFET according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 10 shows an example in which the formation of the n low resistance layer is omitted.
[0059]
In FIG. 10, the p-
[0060]
In the MOSFET of the present embodiment, for example, similarly to the MOSFET of the structure shown in FIG. 1, the p-
[0061]
As described above, if the p-
[0062]
In the case of the MOSFET having the structure of the present embodiment, the manufacturing process is slightly more complicated than that of the MOSFET having the structure shown in FIG. In other words, the manufacturing process is complicated because the p-
[0063]
(Third embodiment)
FIG. 11 shows a configuration example of a power MOSFET according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 11 shows an example in which the formation of the n low resistance layer is omitted.
[0064]
In FIG. 11, a
[0065]
In the MOSFET of this embodiment having such a
[0066]
Further, in the case of the MOSFET having the structure of the present embodiment, the ratio of the number of
[0067]
Further, for example, as shown in FIG. 12,
[0068]
(Fourth embodiment)
FIG. 13 shows a configuration example of a power MOSFET according to the fourth embodiment of the present invention. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 13 shows an example in which an n low resistance layer is formed.
[0069]
In FIG. 13, a gate electrode 24b as a control electrode has a split gate structure. In the case of the present embodiment, two p-
[0070]
Normally, by using a split gate structure as the gate structure, the switching characteristics can be speeded up by reducing the gate capacitance. Therefore, when the p-
[0071]
In the process of manufacturing the MOSFET having the structure of the present embodiment, the gate electrode 24b may be formed (divided) after the formation of the p-
[0072]
Further, the gate structure is not limited to the gate electrode 24b having the split gate structure. For example, as shown in FIG. 14, a gate electrode (control electrode) 24c having a terrace gate structure can be used. In this case, substantially the same result as in the case of the split gate structure described above can be obtained.
[0073]
(Fifth embodiment)
FIG. 15 shows a configuration example of a power MOSFET according to the fifth embodiment of the present invention. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 15 shows an example in which an n low resistance layer is formed.
[0074]
In FIG. 15, a plurality of p base layers 12 as second semiconductor layers are formed in a stripe shape in a first direction orthogonal to the front of the device. On the other hand, the plurality of gate lower p-
[0075]
According to the MOSFET having the structure according to the present embodiment, not only effects similar to those of the MOSFET having the structure shown in FIG. 1 can be obtained, but also other effects can be expected. For example, the depleted p-
[0076]
(Sixth embodiment)
FIG. 16 shows a configuration example of a power MOSFET according to the sixth embodiment of the present invention. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 16 shows an example in which an n low resistance layer is formed.
[0077]
In FIG. 16, a plurality of p base layers 12a as second semiconductor layers are arranged in a lattice shape (or staggered shape) on the surface of the n
[0078]
The plurality of n + source layers 13a as the third semiconductor layers are formed in a ring shape on the surface of each of the p base layers 12a. A
[0079]
With the MOSFET having the structure according to the present embodiment, substantially the same effects as those of the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1 can be obtained. Moreover, since the electric field at the corners of each
[0080]
Further, as shown in FIG. 16, for example, the interval Wp between the adjacent gate
[0081]
FIG. 17 shows an example in which the arrangement of the gate lower p-
[0082]
That is, the plurality of p base layers 12a as the second semiconductor layers are arranged in a lattice shape (or a staggered shape) on the surface of the n
[0083]
With such a configuration, substantially the same effects as those of the MOSFET shown in FIG. 16 can be obtained.
[0084]
FIG. 18 shows an example in which the p-layer under the gate is arranged in a stripe pattern in the power MOSFET having the configuration shown in FIG.
[0085]
That is, the plurality of p base layers 12a as the second semiconductor layers are arranged in a lattice shape (or a staggered shape) on the surface of the n
[0086]
With such a configuration, substantially the same effects as those of the MOSFET shown in FIG. 16 can be obtained.
[0087]
FIGS. 19 to 21 show still another configuration example of the power MOSFET according to the sixth embodiment.
[0088]
FIG. 19 shows an example of an arrangement pattern of the p-layer under the gate when the p-base layers are arranged in a lattice shape (or a staggered shape). In this case, a plurality of gate lower p-
[0089]
FIG. 20 shows another example of the arrangement pattern of the p-layer under the gate when the p-base layers are arranged in a lattice (or staggered). In this case, a plurality of gate lower p-
[0090]
FIG. 21 shows still another example of the arrangement pattern of the p-layer under the gate when the p-base layers are arranged in a lattice shape (or staggered shape). In this case, a plurality of gate-underlying p-
[0091]
As shown in FIGS. 19 to 21, the MOSFET having the structure of the present embodiment can be easily realized regardless of the configuration.
[0092]
(Seventh embodiment)
FIG. 22 shows an example in which the seventh embodiment of the present invention is applied to an IGBT. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 22 shows an example in which the formation of the n low resistance layer is omitted.
[0093]
In FIG. 22, the IGBT (non-punch-through type structure) of the structure of this embodiment has substantially the same structure as the MOSFET in which the formation of the n low resistance layer shown in FIG. 5 is omitted.
[0094]
That is, in the n-
[0095]
A p-
[0096]
On the other surface (back surface) of the n-
[0097]
On the other hand, a
[0098]
As described above, in the IGBT having the structure of the present embodiment, the portion of the n +
[0099]
Generally, in the case of a MOS gate element, the switching characteristics are almost uniquely determined by the capacitance determined by the MOS gate structure. Therefore, the MOS gate structure of the present embodiment is also effective for the IGBT.
[0100]
The IGBT is not limited to the non-punch-through type structure, but can be similarly applied to a punch-through type IGBT as shown in FIG. 23, for example. In the case of a punch-through type IGBT, an n +
[0101]
FIG. 24 shows still another configuration example of the IGBT according to the seventh embodiment of the present invention. Note that the same portions as those of the IGBT shown in FIG. 23 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 24 shows an example in which an n low resistance layer is formed. Further, this is an example of a case where the present invention is applied to an IGBT having a punch-through structure.
[0102]
As shown in FIG. 24, some IGBTs have dummy cells (second cells) 41 in which part of the source contact (
[0103]
In the IGBT having such a configuration, in the dummy cell 41, a p-
[0104]
The IGBT of the present embodiment structure is not limited to the planar type MOS gate structure as shown in FIGS. 22 to 24, and may be similarly applied to a trench type MOS gate structure. It is possible.
[0105]
(Eighth embodiment)
FIG. 25 shows a configuration example of a power MOSFET according to the eighth embodiment of the present invention. The same parts as those of the IGBT shown in FIG. 24 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described. FIG. 25 shows an example in which an n low resistance layer is formed.
[0106]
As shown in FIG. 25, this MOSFET has a MOS cell (second cell) 51 having a gate lower p-
[0107]
In the case of the MOSFET having the structure of the present embodiment, the density (number) of the
[0108]
Further, as compared with the IGBT in which the source contacts are thinned out (see FIG. 24), the manufacturing process can be simplified, which is advantageous in manufacturing.
[0109]
Here, the
[0110]
It is not necessary to form the p-
[0111]
Furthermore, the present invention is not limited to MOSFETs, but can be similarly applied to an IGBT having a punch-through structure (or an IGBT having a non-punch-through structure (not shown)) as shown in FIG.
[0112]
(Ninth embodiment)
FIG. 27 shows a configuration example of a power MOSFET according to the ninth embodiment of the present invention. The same portions as those of the MOSFET shown in FIG. 25 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described.
[0113]
In the case of the MOSFET having the structure of the present embodiment, for example, as shown in FIG. 27, a MOS cell (first cell) 51a having a p-
[0114]
In the MOSFET having such a structure, the breakdown strength can be increased. That is, even when a voltage is applied to the
[0115]
Also, since there is no n +
[0116]
In the MOSFET shown in FIG. 27, the gate lengths of the
[0117]
That is, at a low voltage, only the gate capacitance of the
[0118]
(Tenth embodiment)
Here, the impurity amount of the p-layer under the gate will be described in more detail. Here, the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1 will be described as an example.
[0119]
In the MOSFET according to the first embodiment, the gate-drain capacitance changes due to the depletion of the p-
[0120]
The maximum impurity amount of the p-
[0121]
In the case of the MOSFET shown in FIG. 1, the
[0122]
In the following description, the impurity amount of the gate
[0123]
FIG. 29 shows the relationship between the dimension (area ratio Ap) of the p-
[0124]
The area ratio Ap (= Ap1 / (Ap1 + Ap2)) of the gate
[0125]
As shown in FIG. 29, the maximum net dose Np0 of the p-
[0126]
The relationship between the reciprocal (1 / Ap) of the area ratio Ap of the gate lower p-
[0127]
Np0 = 9 × 10 11 /Ap+1.2×10 12 cm -2 … (1)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0128]
The relationship between the net dose Np of the gate
[0129]
When the above equation (1) is modified by this proportional relation, the following equation (2) is obtained.
[0130]
Np0 / Lj = 1.7 × 10 Fifteen / Ap + 2 × 10 Fifteen cm -3 … (2)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0131]
FIG. 30 shows the relationship between the depth Xj of the
[0132]
As shown in FIG. 30, the maximum net dose Np0 of the
[0133]
When the above equation (1) is modified by the inverse proportional relation, the following equation (3) is obtained.
[0134]
Np0 · Xj = 3.6 × 10 8 /Ap+4.8×10 8 cm -1 … (3)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0135]
As shown in FIG. 9, the maximum net dose Np0 of the
[0136]
Np0 · Xj / Lj = 6 × 10 11 / Ap + 8 × 10 11 cm -2 … (4)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0137]
FIG. 31 shows the relationship between the dose Nn of the n-
[0138]
As shown in FIG. 31, the maximum net dose Np0 of the
[0139]
The relationship between the dose Nn of the n-
[0140]
Np0 = 0.37Nn + 1.6 × 10 12 cm -2 … (5)
When this equation (5) is further transformed into a form including the area ratio Ap of the p-
[0141]
Np0 = 8.4 × 10 11 /Ap+0.34Nn+0.015Nn/Ap-1.2×10 11 cm -2 … (6)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0142]
As shown in FIG. 9, the maximum net dose Np0 of the
[0143]
Np / Lj = 1.4 × 10 Fifteen / Ap + 570Nn + 25Nn / Ap-2 × 10 14 cm -3 … (7)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0144]
As shown in FIG. 30, the maximum net dose Np0 of the
[0145]
Np · Xj / Lj = 5.6 × 10 11 /Ap+0.228Nn+0.01Nn/Ap-8×10 10 cm -2 … (8)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0146]
On the other hand, if the net dose Np of the gate
[0147]
Assuming that the minimum net dose of the gate lower p-
[0148]
The minimum net dose of the p-
[0149]
FIG. 32 shows the relationship between the dimension (area ratio Ap) of the p-
[0150]
As shown in FIG. 32, the minimum net dose Np_min of the p-
[0151]
Np_min = 2.5 × 10 11 /Ap+5.3×10 11 cm -2 … (9)
Therefore, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0152]
FIG. 33 shows the relationship between the distance Lj between the p base layers 12 and the minimum net dose Np_min of the p-
[0153]
As in the case of the maximum net dose Np0 described above, the minimum net dose Np_min of the p-
[0154]
Np_min / Lj = 4.2 × 10 14 /Ap+8.8×10 14 cm -3 … (10)
Therefore, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0155]
FIG. 34 shows the relationship between the depth Xj of the
[0156]
As in the case of the maximum net dose Np0 described above, the minimum net dose Np_min of the
[0157]
Np_min · Xj = 1 × 10 8 /Ap+2.1×10 8 cm -1 … (11)
Therefore, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0158]
As shown in FIG. 33, the minimum net dose Np_min of the p-
[0159]
Np_min · Xj / Lj = 1.7 × 10 11 /Ap+3.5×10 11 cm -2 … (12)
Accordingly, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0160]
FIG. 35 shows the relationship between the dose Nn of the n-
[0161]
As shown in FIG. 35, the minimum net dose Np_min of the
[0162]
When the relationship between the dose Nn of the n-
[0163]
Np_min = 0.2Nn + 3.4 × 10 11 cm -2 … (13)
When this equation (13) is further transformed into a form including the area ratio Ap of the p-
[0164]
Np_min = -4 × 10 10 /Ap+0.0375Nn+0.075Nn/Ap+4×10 11 cm -2 … (14)
Therefore, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0165]
As shown in FIG. 33, the minimum net dose Np_min of the p-
[0166]
Np / Lj = -6.7 × 10 13 /Ap+62.5Nn+125Nn/Ap+6.7×10 14 cm -3 … (15)
Therefore, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0167]
As shown in FIG. 34, the minimum net dose Np_min of the
[0168]
Np · Xj / Lj = −2.7 × 10 10 /Ap+0.025Nn+0.05Nn/Ap+2.7×10 11 cm -2 … (16)
Therefore, it is desirable that the net dose Np of the p-
[0169]
(Eleventh embodiment)
FIG. 36 shows a configuration example of a power MOSFET according to an eleventh embodiment of the present invention. The same portions as those of the MOSFET shown in FIG. 18 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described.
[0170]
FIG. 36 shows an example in which, in the power MOSFET having the configuration shown in FIG. 18, the
[0171]
That is, the plurality of p base layers 12a as the second semiconductor layers are arranged in a lattice shape (or a staggered shape) on the surface of the n
[0172]
The gate-drain capacitance when a low drain voltage is applied is determined by the capacitance of the portion where the gate length is short. In this case, the capacitance between the gate and the drain is small, and high-speed operation is possible.
[0173]
On the other hand, the gate-drain capacitance when a high drain voltage is applied greatly increases. This is because the p-
[0174]
The power MOSFET having the configuration shown in FIG. 36 can be formed by changing the area of the p-layer under the gate.
[0175]
As shown in FIG. 37, for example, some of the gate lower p-
[0176]
At this time, the distance Ljp between the adjacent gate lower p-
[0177]
FIG. 38 shows an example in which a part of the
[0178]
That is, among the
[0179]
In addition, not limited to the split gate structure, for example, a terrace gate structure as shown in FIG. 14 can be adopted. Even when the first gate electrode having a short gate length has the terrace gate structure, the same effect as in the case of the split gate structure can be obtained.
[0180]
FIG. 39 shows an example in which the n +
[0181]
That is, the n +
[0182]
In a portion where the gate length is long, even when a voltage is applied to the
[0183]
In addition, the area of the n +
[0184]
Also in the MOSFET having this configuration, a high speed operation is achieved by adopting a split gate structure as shown in FIG. 38 or a terrace gate structure as shown in FIG. 14 for the
[0185]
(Twelfth embodiment)
FIG. 40 shows a configuration example of a power MOSFET according to a twelfth embodiment of the present invention. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view. Further, the same portions as those of the MOSFET shown in FIG. 28 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described.
[0186]
FIG. 40 shows an example of the power MOSFET having the configuration shown in FIG. 28, in which the p-
[0187]
That is, the
[0188]
On the other hand, the
[0189]
As described above, in a MOSFET in which two types of
[0190]
FIG. 41 shows a manufacturing process of the MOSFET having the configuration shown in FIG.
[0191]
First, ion implantation and diffusion are performed on a substrate having an n−
[0192]
Next, a p-type dopant such as boron is ion-implanted into the surface of the n low-
[0193]
Next, the first and
[0194]
At this time, the low-concentration n-
[0195]
If the gate length is long, the space between the p base layers 12 is not completely formed into a p layer. That is, the gate lower p-
[0196]
In the case where the gate
[0197]
In the case of a MOSFET formed by such a process, the gate-drain capacitance when a low drain voltage is applied is determined by the capacitance of the
[0198]
Further, in the MOSFET having such a configuration, the ratio of the
[0199]
It is not necessary to provide the lower
[0200]
The net dose of the p-
[0201]
Further, in the power MOSFET having the configuration shown in FIG. 40, it is also possible to selectively form n +
[0202]
That is, in the case of the power MOSFETs shown in FIGS. 42A and 42B, the n +
[0203]
In the
[0204]
In addition, the operation of the parasitic bipolar transistor can be suppressed, so that the safe operation area of the element can be increased.
[0205]
FIG. 43 shows another configuration example of the power MOSFET according to the twelfth embodiment of the present invention. Here, an example is shown in which, in a power MOSFET in which the p-layer under the gate can be formed in a self-aligned manner, first and
[0206]
That is, the plurality of p base layers 12a as the second semiconductor layers are arranged in a lattice shape (or a staggered shape) on the surface of the n
[0207]
The plurality of gate lower p-
[0208]
Even in such a configuration, the p-
[0209]
FIG. 44 shows an example in which the n +
[0210]
That is, the n +
[0211]
In the portion of the
[0212]
In addition, the operation of the parasitic bipolar transistor can be suppressed, so that the safe operation area of the element can be increased.
[0213]
FIG. 45 shows another example of the power MOSFET according to the twelfth embodiment in which gate electrodes are arranged in stripes. 2A is a plan view showing a gate pattern, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along
[0214]
In the case of this example, the plurality of gate electrodes 24e as control electrodes are each provided in a stripe shape. The plurality of gate electrodes 24e each include at least one first gate electrode unit (second control electrode unit) 24A ′ having a first gate length (second electrode length) Lg2, and It is configured to include at least one second gate electrode portion (first control electrode portion) 24B 'having a second gate length (first electrode length) Lg1 longer than one gate length Lg2. .
[0215]
FIG. 46 shows another example of the power MOSFET according to the twelfth embodiment in which gate electrodes are arranged in a lattice. 2A is a plan view showing a gate pattern, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along
[0216]
In the case of this example, the plurality of
[0219]
FIG. 47 shows still another example in which the gate electrodes are arranged in a grid in the power MOSFET according to the twelfth embodiment. 2A is a plan view showing a gate pattern, FIG. 2B is a cross-sectional view taken along
[0218]
In the case of this example, the plurality of
[0219]
As shown in FIGS. 45 to 47, the gate length of each of the
[0220]
In each of the power MOSFETs shown in FIGS. 45 to 47, as in the case of the power MOSFETs shown in FIGS. 42 and 44, the p-base corresponding to the first
[0221]
(Thirteenth embodiment)
FIG. 48 shows a configuration example of a power MOSFET according to the thirteenth embodiment of the present invention. The same portions as those of the MOSFET shown in FIG. 40 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described.
[0222]
FIG. 48 shows an example of a power MOSFET in which the gate lower p layer can be formed in a self-aligned manner, in which the gate
[0223]
That is, the plurality of p base layers 12 as the second semiconductor layers are selectively arranged on the surface of the n
[0224]
Among the control electrodes, for example, the
[0225]
In the case of this example, the plurality of p-
[0226]
As described above, in a MOSFET in which the p-layer under the gate can be formed by self-alignment, for example, as shown in FIG. It is possible to form the
[0227]
When the dose of the p-type dopant is increased, it becomes easier to form the p-
[0228]
Therefore, it is necessary to optimally design the dose of the dopant for forming the p-
[0229]
Note that, as shown in the present embodiment, a MOSFET which can form a p-
[0230]
As shown in FIGS. 43 and 44, in a MOSFET having a configuration in which the p base layers 12a are arranged in a lattice pattern, for example, the
[0231]
Furthermore, the twelfth embodiment is not limited to the MOSFET in which two types of MOS cells having different gate lengths of the gate electrodes are mixed, as shown, but includes, for example, only one type of MOS cell having a somewhat longer gate length. It is also applicable to MOSFETs.
[0232]
(14th embodiment)
FIG. 49 shows a configuration example of a power MOSFET according to a fourteenth embodiment of the present invention. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described.
[0233]
In FIG. 49, a plurality of p base layers 12a as second semiconductor layers are arranged in a lattice shape (or a staggered shape) on the surface of the n
[0234]
The plurality of n + source layers 13a as the third semiconductor layers are formed in a ring shape on the surface of each of the p base layers 12a. A
[0235]
The gate electrode 24h as a control electrode is provided in a lattice shape at a portion other than the
[0236]
According to the MOSFET having the structure of the present embodiment, it is possible to reduce the gate-drain capacitance when a low drain voltage is applied. Thereby, the speed can be increased.
[0237]
In the MOSFET having this configuration, a similar effect can be expected by adopting not only the split gate structure but also a terrace gate structure for the gate electrode as shown in FIG. 14, for example.
[0238]
(Fifteenth embodiment)
FIG. 50 shows a configuration example of a power MOSFET according to a fifteenth embodiment of the present invention. The same parts as those of the MOSFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described.
[0239]
In FIG. 50, a plurality of p base layers 12a as second semiconductor layers are arranged in a lattice (or staggered) on the surface of n
[0240]
Further, a plurality of n + source layers 13a as third semiconductor layers are selectively formed on the surface of each of the p base layers 12a. For example, the n +
[0241]
A
[0242]
According to such a MOSFET having the structure of the present embodiment, it is possible to suppress the operation of the parasitic bipolar transistor without changing the on-resistance. Thereby, the safe operation area of the element can be increased.
[0243]
In the MOSFET having this configuration, a split gate structure as shown in FIG. 49 (or a terrace gate structure as shown in FIG. 14) can be employed for the gate electrode 24i. In that case, it is possible to realize a MOSFET which is high speed and has a large safe operation area of the element.
[0244]
(Sixteenth embodiment)
FIG. 51 shows a configuration example of a power MOSFET according to a sixteenth embodiment of the present invention. The same portions as those of the MOSFET shown in FIG. 49 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Here, only different portions will be described.
[0245]
FIG. 51 shows an example in which the p-layer under the gate is connected to each other in the MOSFET having the configuration shown in FIG.
[0246]
That is, the plurality of p base layers 12a as the second semiconductor layers are arranged in a lattice shape (or a staggered shape) on the surface of the n
[0247]
A
[0248]
With such a configuration, the MOSFET of the present embodiment can form the p-
[0249]
As a MOSFET having this configuration, for example, as shown in FIG. 52, a MOSFET having a structure in which gate electrodes are arranged in a stripe shape can be similarly applied.
[0250]
That is, the plurality of p base layers 12 as the second semiconductor layers are arranged in a stripe shape on the surface of the n
[0251]
A stripe-shaped
[0252]
Also in the MOSFET having such a structure, the area of the p-layer 14 'under the gate connected to the MOS channel can be reduced, and the decrease in the effective gate width of the MOS channel can be suppressed. As a result, an increase in on-resistance can be suppressed.
[0253]
In addition, as the MOSFET having the configuration according to the present embodiment described above, for example, as described in the eleventh and twelfth embodiments, the present invention can be similarly applied to MOSFETs each having a gate electrode having a different gate length.
[0254]
In each of the above embodiments, the case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described. The present invention is not limited to this, and in any of the embodiments, the first conductivity type can be p-type and the second conductivity type can be n-type.
[0255]
In each embodiment, the case where Si is used has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to a compound semiconductor such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or aluminum nitride (AlN), or an element using diamond.
[0256]
Furthermore, each embodiment is not limited to the case where the present invention is applied to a MOSFET having a super junction structure or a vertical switching element. For example, the present invention can be similarly applied to a MOS or MIS gate element such as a lateral MOSFET or IGBT.
[0257]
In addition, the present invention is not limited to the above (each) embodiment, and can be variously modified in an implementation stage without departing from the gist thereof. Furthermore, the (each) embodiment includes various stages of the invention, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some components are deleted from all the components shown in the (each) embodiment, at least one of the problems described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and When (at least one of) the effects described in the effect column is obtained, a configuration from which the constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.
[0258]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an insulated gate semiconductor device capable of suppressing switching noise at high speed without using an external circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a vertical power MOSFET according to a first embodiment of the present invention, with a part thereof cut away.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the dependency of the gate-drain capacitance on the source-drain voltage in the MOSFET shown in FIG. 1 in comparison with a MOSFET having a conventional structure.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a drain voltage waveform and a drain current waveform at the time of turn-off in the MOSFET shown in FIG. 1 in comparison with a MOSFET having a conventional structure.
FIG. 4 is a perspective view showing another configuration example of the vertical power MOSFET according to the first embodiment of the present invention, with a part thereof being cut away;
FIG. 5 is an exemplary perspective view showing a further configuration example of the vertical power MOSFET according to the first embodiment of the present invention, with a part thereof cut away;
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a turn-off waveform of the MOSFET according to the first embodiment of the present invention in comparison with a MOSFET having a conventional structure.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a change in turn-off loss when the area of the p-layer under the gate is changed in the MOSFET according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a change in turn-off loss when the net dose of the p-layer under the gate is changed in the MOSFET according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a relationship between an interval between p base layers and a maximum net dose of a p layer under a gate in the MOSFET according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view of a main part showing a configuration example of a power MOSFET according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a sectional view of a main part showing a configuration example of a power MOSFET according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view of a main part showing another configuration example of the power MOSFET according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view of a main part showing a configuration example of a power MOSFET according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view of a main part showing another configuration example of the power MOSFET according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an exemplary perspective view of a configuration example of a power MOSFET according to a fifth embodiment of the present invention, with a part thereof cut away;
FIG. 16 is a perspective view showing a configuration example of a power MOSFET according to a sixth embodiment of the present invention, with a part thereof cut away.
FIG. 17 is a perspective view showing another configuration example of the power MOSFET according to the sixth embodiment of the present invention, with a part thereof cut away.
FIG. 18 is a perspective view showing still another configuration example of the power MOSFET according to the sixth embodiment of the present invention, with a part thereof being cut away.
FIG. 19 is a plan view showing an example of an arrangement pattern of a p-layer under a gate in a power MOSFET according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a plan view showing another example of the arrangement pattern of the p-layer below the gate in the power MOSFET according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a plan view showing still another example of the arrangement pattern of the p-layer under the gate in the power MOSFET according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a cross-sectional view of a main part showing an example when applied to an IGBT according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a sectional view of a main part showing another configuration example of the IGBT according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 24 is a sectional view of a main part showing still another configuration example of the IGBT according to the seventh embodiment of the present invention;
FIG. 25 is a sectional view of a main part showing a configuration example of a power MOSFET according to an eighth embodiment of the present invention;
FIG. 26 is a cross-sectional view of a main part showing an example in which the invention is applied to an IGBT according to the eighth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a sectional view of a main part showing a configuration example of a power MOSFET according to a ninth embodiment of the present invention;
FIG. 28 is a sectional view of a main part showing another configuration example of the power MOSFET according to the ninth embodiment of the present invention;
FIG. 29 is a characteristic diagram showing a relationship between the area ratio of the p-layer under the gate and the maximum net dose of the p-layer under the gate in the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1 according to the tenth embodiment of the present invention;
30 is a characteristic diagram showing a relationship between the depth of a p base layer and the maximum net dose of a p layer under a gate in the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1;
FIG. 31 is a characteristic diagram showing a relationship between a dose of an n low resistance layer and a maximum net dose of a p layer under a gate in the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1;
FIG. 32 is a characteristic diagram showing the relationship between the area ratio of the p-layer under the gate and the minimum net dose of the p-layer under the gate in the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1;
FIG. 33 is a characteristic diagram showing the relationship between the distance between the p base layers and the minimum net dose of the p layer under the gate in the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1;
FIG. 34 is a characteristic diagram showing a relationship between the depth of the p base layer and the minimum net dose of the p layer under the gate in the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1;
FIG. 35 is a characteristic diagram showing a relationship between a dose of an n low resistance layer and a minimum net dose of a p layer under a gate in the MOSFET having the configuration shown in FIG. 1;
FIG. 36 is a plan view showing a configuration example of a power MOSFET according to an eleventh embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away.
FIG. 37 is a plan view showing another configuration example of the power MOSFET according to the eleventh embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away.
FIG. 38 is a plan view showing still another configuration example of the power MOSFET according to the eleventh embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away.
FIG. 39 is a plan view showing still another configuration example of the power MOSFET according to the eleventh embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away.
FIG. 40 is a configuration diagram showing an example of a power MOSFET according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 41 is a process cross-sectional view shown for explaining the manufacturing process of the power MOSFET shown in FIG. 40;
FIG. 42 is a configuration diagram showing another example of the power MOSFET according to the twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 43 is a plan view showing still another configuration example of the power MOSFET according to the twelfth embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away.
FIG. 44 is a plan view showing still another configuration example of the power MOSFET according to the twelfth embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away.
FIG. 45 is a configuration diagram showing another example of the power MOSFET according to the twelfth embodiment of the present invention in which gate electrodes are arranged in a stripe shape.
FIG. 46 is a configuration diagram showing another example in the case where gate electrodes are arranged in a grid in the power MOSFET according to the twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 47 is a configuration diagram showing still another example in the case where gate electrodes are arranged in a lattice in the power MOSFET according to the twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 48 is a sectional view showing a configuration example of a power MOSFET according to a thirteenth embodiment of the present invention;
FIG. 49 is a plan view showing a configuration example of a power MOSFET according to a fourteenth embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away.
FIG. 50 is a plan view showing a configuration example of a power MOSFET according to a fifteenth embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode cut away.
FIG. 51 is a plan view showing a configuration example of a power MOSFET according to a sixteenth embodiment of the present invention, with a part of a gate electrode being cut away;
FIG. 52 is a perspective view showing another configuration example of the power MOSFET according to the sixteenth embodiment of the present invention, with a part thereof cut away;
[Explanation of symbols]
11 ... n-drift layer
11a ... n low resistance layer
11b: Low concentration n-layer
12, 12a ... p base layer
13, 13a... N + source layer
14, 14 ', 14a, 14a', 14b, 14b-1, 14c, 14d ... p layer (p layer under gate)
14A, 14B, 14B '... p layer
15 ... n + drain layer
21 ... Drain electrode
22, 22a, 22A ... source electrode
23, 23a, 23d ... gate insulating film
24, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h, 24i, 24A, 24A-1, 24B ... gate electrode (planar gate structure)
24ha ... opening
24A ': First gate electrode portion
24B ': second gate electrode portion
24a: Gate electrode (trench gate structure)
24b gate electrode (split gate structure)
24c gate electrode (terrace gate structure)
31 ... p + drain layer
32 ... n + buffer layer
41 ... Dummy cell
42 ... Normal cell
51, 51a, 51b ... MOS cell (with p-layer)
52, 52a, 52a '... MOS cell (without p layer)
Id: drain current
Vds: drain voltage
Eoff: Turn-off loss
Lg1... Second gate length
Lg2: First gate length
Claims (75)
前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、
前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層と
を具備したことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer;
At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type;
A plurality of first main electrodes respectively connected to the plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type;
A second main electrode connected to the fourth semiconductor layer;
Gate insulation is provided on each of the surfaces of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed through the membrane,
A plurality of second conductive type second semiconductor layers provided on the first conductive type first semiconductor layer and connected to at least one of the plurality of second conductive type second semiconductor layers; And at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type having a low impurity concentration.
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層は、その第2導電型の第2の半導体層に沿う第1の方向に沿って設けられることを特徴とする請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a stripe shape,
The insulation according to claim 2, wherein the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is provided along a first direction along the second semiconductor layer of the second conductivity type. Gate type semiconductor device.
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層は、その第2導電型の第2の半導体層に沿う第1の方向に直交する第2の方向に沿って設けられることを特徴とする請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a stripe shape,
The at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is provided along a second direction orthogonal to a first direction along the second semiconductor layer of the second conductivity type. The insulated gate semiconductor device according to claim 2.
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層は、その制御電極の底面および少なくとも一方の側面に沿って設けられることを特徴とする請求項9に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The control electrode has a trench type structure,
The insulated gate semiconductor device according to claim 9, wherein the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is provided along a bottom surface and at least one side surface of the control electrode.
前記少なくとの1つの第2導電型の第5の半導体層は、その第2導電型の第2の半導体層間にそれぞれ矩形状に設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a lattice,
The insulated gate type according to claim 1, wherein the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is provided in a rectangular shape between the second semiconductor layers of the second conductivity type. Semiconductor device.
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層は、その第2導電型の第2の半導体層間にそれぞれストライプ状に設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a lattice,
The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is provided in a stripe shape between the second semiconductor layers of the second conductivity type. .
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層は、その第2導電型の第2の半導体層のいくつかの周囲を囲むようにして設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a lattice,
The insulated gate according to claim 1, wherein the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is provided so as to surround some of the second semiconductor layers of the second conductivity type. Type semiconductor device.
1×1012から3.2×1012cm−2
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type has an effective impurity amount of:
1 × 10 12 to 3.2 × 10 12 cm −2
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np/Lj<2×1015cm−3
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The ratio of the effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type to the distance (Lj) between adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type is:
Np / Lj <2 × 10 15 cm −3
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np/(Lj・Xj)<5×1018cm−4
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The product of the effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type, the distance (Lj) between adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type, and the junction depth (Xj) thereof. And the ratio
Np / (Lj · Xj) <5 × 10 18 cm −4
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、
前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層と
を具備し、
前記第2の主電極に電圧を印加したときの、前記制御電極と前記第2の主電極との間の容量が、低電圧では減少し、高電圧では一定もしくは増加するように構成されていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer;
At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type;
A plurality of first main electrodes respectively connected to the plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type;
A second main electrode connected to the fourth semiconductor layer;
Gate insulation is provided on each of the surfaces of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed through the membrane,
A plurality of second conductive type second semiconductor layers provided on the first conductive type first semiconductor layer and connected to at least one of the plurality of second conductive type second semiconductor layers; At least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type having a low impurity concentration,
When a voltage is applied to the second main electrode, the capacitance between the control electrode and the second main electrode is configured to decrease at a low voltage and to be constant or increase at a high voltage. An insulated gate semiconductor device comprising:
前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、
前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層と
を具備し、
前記第2の主電極に印加される電圧が定格電圧の1/3から2/3のとき、前記制御電極と前記第2の主電極との間の容量が増加し始めるように構成されていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer;
At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type;
A plurality of first main electrodes respectively connected to the plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type;
A second main electrode connected to the fourth semiconductor layer;
Gate insulation is provided on each of the surfaces of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed through the membrane,
A plurality of second conductive type second semiconductor layers provided on the first conductive type first semiconductor layer and connected to at least one of the plurality of second conductive type second semiconductor layers; At least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type having a low impurity concentration,
When the voltage applied to the second main electrode is 1/3 to 2/3 of the rated voltage, the capacity between the control electrode and the second main electrode starts to increase. An insulated gate semiconductor device, characterized in that:
前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、
前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の第1の半導体層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層に設けられ、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の少なくとも一方に接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層と
を具備し、
前記第2の主電極に印加される電圧が定格電圧の1/3から2/3のとき、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層が完全に空乏化するように構成されていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer;
At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type;
A plurality of first main electrodes respectively connected to the plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type;
A second main electrode connected to the fourth semiconductor layer;
Gate insulation is provided on each of the surfaces of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the first semiconductor layer of the first conductivity type. A control electrode formed through the membrane,
A plurality of second conductive type second semiconductor layers provided on the first conductive type first semiconductor layer and connected to at least one of the plurality of second conductive type second semiconductor layers; At least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type having a low impurity concentration,
When the voltage applied to the second main electrode is 1/3 to 2/3 of the rated voltage, the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is completely depleted. An insulated gate semiconductor device.
前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層間に設けられた、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第5の半導体層とを少なくとも含む第2のセルと
を具備したことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer, and a plurality of second conductivity type second semiconductor layers; Connected to at least one third semiconductor layer of the first conductivity type respectively formed on the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type and the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type. A first cell including at least a plurality of first main electrodes,
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer, and a plurality of second conductivity type second semiconductor layers provided between adjacent second conductivity type second semiconductor layers. A second cell including at least a plurality of second conductive type fifth semiconductor layers having a lower impurity concentration than the plurality of second conductive type second semiconductor layers. Insulated gate semiconductor device.
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の有効不純物量(Np)と、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)と前記第1導電型の低抵抗層の表面積(Ap2)および前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)の和(Ap1+Ap2)との比(Ap=Ap1/(Ap1+Ap2))との関係が、
0<Np<9×1011/Ap+1.2×1012cm−2
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The relationship between the surface area (Ap2) of the resistive layer and the ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) to the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is as follows:
0 <Np <9 × 10 11 /Ap+1.2×10 12 cm −2
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np>2.5×1011/Ap+5.3×1011cm−2
であることを特徴とする請求項35に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The relationship between the surface area (Ap2) of the resistive layer and the ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) to the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type is as follows:
Np> 2.5 × 10 11 /Ap+5.3×10 11 cm −2
36. The insulated gate semiconductor device according to claim 35, wherein:
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の有効不純物量(Np)と、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)と前記第1導電型の低抵抗層の表面積(Ap2)および前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)の和(Ap1+Ap2)との比(Ap=Ap1/(Ap1+Ap2))と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層の間隔(Lj)との関係が、
0<Np<Np/Lj<1.7×1015/Ap+2×1015cm−3
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) between the surface area (Ap2) of the resistance layer and the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer of the at least one second conductivity type, and The relationship with the distance (Lj) between the two conductive type second semiconductor layers is as follows:
0 <Np <Np / Lj <1.7 × 10 15 / Ap + 2 × 10 15 cm −3
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np/Lj>4.2×1014/Ap+8.8×1014cm−3
であることを特徴とする請求項37に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) between the surface area (Ap2) of the resistance layer and the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer of the at least one second conductivity type, and The relationship with the distance (Lj) between the two conductive type second semiconductor layers is as follows:
Np / Lj> 4.2 × 10 14 /Ap+8.8×10 14 cm −3
The insulated gate semiconductor device according to claim 37, wherein:
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の有効不純物量(Np)と、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)と前記第1導電型の低抵抗層の表面積(Ap2)および前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)の和(Ap1+Ap2)との比(Ap=Ap1/(Ap1+Ap2))と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層の接合深さ(Xj)との関係が、
0<Np<Np・Xj<3.6×10 8/Ap+4.8×10 8cm−1
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) between the surface area (Ap2) of the resistance layer and the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer of the at least one second conductivity type, and The relationship with the junction depth (Xj) of the two-conductivity-type second semiconductor layer is as follows:
0 <Np <Np.Xj <3.6 × 10 8 /Ap+4.8×10 8 cm −1
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np・Xj>1×10 8/Ap+2.1×10 8cm−1
であることを特徴とする請求項39に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) between the surface area (Ap2) of the resistance layer and the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer of the at least one second conductivity type, and The relationship with the junction depth (Xj) of the two-conductivity-type second semiconductor layer is as follows:
Np · Xj> 1 × 10 8 /Ap+2.1×10 8 cm −1
40. The insulated gate semiconductor device according to claim 39, wherein:
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の有効不純物量(Np)と、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)と前記第1導電型の低抵抗層の表面積(Ap2)および前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)の和(Ap1+Ap2)との比(Ap=Ap1/(Ap1+Ap2))と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層の間隔(Lj)と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層の接合深さ(Xj)との関係が、
0<Np<Np・Xj/Lj<6×1011/Ap+8×1011cm−2
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) between the surface area (Ap2) of the resistance layer and the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer of the at least one second conductivity type, and The relationship between the distance (Lj) between the two semiconductor layers of the two conductivity type and the junction depth (Xj) between the adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type is as follows:
0 <Np <Np.Xj / Lj <6 × 10 11 / Ap + 8 × 10 11 cm −2
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np・Xj/Lj>1.7×1011/Ap+3.5×1011cm−2
であることを特徴とする請求項41に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; The ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) between the surface area (Ap2) of the resistance layer and the sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer of the at least one second conductivity type, and The relationship between the distance (Lj) between the two semiconductor layers of the two conductivity type and the junction depth (Xj) between the adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type is as follows:
Np.Xj / Lj> 1.7 × 10 11 /Ap+3.5×10 11 cm −2
42. The insulated gate semiconductor device according to claim 41, wherein:
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の有効不純物量(Np)と、前記第1導電型の低抵抗層の有効不純物量(Nn)と、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)と前記第1導電型の低抵抗層の表面積(Ap2)および前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)の和(Ap1+Ap2)との比(Ap=Ap1/(Ap1+Ap2))との関係が、
0<Np<Np<8.4×1011/Ap+0.34Nn+0.015Nn/Ap−1.2×1011cm−2
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the effective impurity amount (Nn) of the low resistance layer of the first conductivity type; The sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer, the surface area (Ap2) of the low resistance layer of the first conductivity type, and the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type. With the ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2))
0 <Np <Np <8.4 × 10 11 /Ap+0.34 Nn + 0.015 Nn / Ap−1.2 × 10 11 cm −2
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np>−4×1010/Ap+0.0375Nn+0.075Nn/Ap+4×1011cm−2
であることを特徴とする請求項43に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the effective impurity amount (Nn) of the low resistance layer of the first conductivity type; The sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer, the surface area (Ap2) of the low resistance layer of the first conductivity type, and the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type. With the ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2))
Np> −4 × 10 10 /Ap+0.0375 Nn + 0.075 Nn / Ap + 4 × 10 11 cm −2
44. The insulated gate semiconductor device according to claim 43, wherein:
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の有効不純物量(Np)と、前記第1導電型の低抵抗層の有効不純物量(Nn)と、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)と前記第1導電型の低抵抗層の表面積(Ap2)および前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)の和(Ap1+Ap2)との比(Ap=Ap1/(Ap1+Ap2))と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層の間隔(Lj)との関係が、
0<Np<Np/Lj<1.4×1015/Ap+570Nn+25Nn/Ap−2×1014cm−3
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the effective impurity amount (Nn) of the low resistance layer of the first conductivity type; The sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer, the surface area (Ap2) of the low resistance layer of the first conductivity type, and the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type. The relationship between the ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) and the distance (Lj) between adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type is as follows:
0 <Np <Np / Lj <1.4 × 10 15 / Ap + 570 Nn + 25 Nn / Ap−2 × 10 14 cm −3
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np/Lj>−6.7×1013/Ap+62.5Nn+125Nn/Ap+6.7×1014cm−3
であることを特徴とする請求項45に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the effective impurity amount (Nn) of the low resistance layer of the first conductivity type; The sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer, the surface area (Ap2) of the low resistance layer of the first conductivity type, and the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type. The relationship between the ratio (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)) and the distance (Lj) between adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type is as follows:
Np / Lj> −6.7 × 10 13 /Ap+62.5 Nn + 125 Nn / Ap + 6.7 × 10 14 cm −3
The insulated gate semiconductor device according to claim 45, wherein:
前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の有効不純物量(Np)と、前記第1導電型の低抵抗層の有効不純物量(Nn)と、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)と前記第1導電型の低抵抗層の表面積(Ap2)および前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層の表面積(Ap1)の和(Ap1+Ap2)との比(Ap=Ap1/(Ap1+Ap2))と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層の間隔(Lj)と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層の接合深さ(Xj)との関係が、
0<Np<Np・Xj/Lj<5.6×1011/Ap+0.228Nn+0.01Nn/Ap−8×1010cm−2
であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the effective impurity amount (Nn) of the low resistance layer of the first conductivity type; The sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer, the surface area (Ap2) of the low resistance layer of the first conductivity type, and the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type. (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)), the distance (Lj) between adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type, and the junction depth of adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type. The relationship with (Xj) is
0 <Np <Np.Xj / Lj <5.6 × 10 11 /Ap+0.228 Nn + 0.01 Nn / Ap− 8 × 10 10 cm −2
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein
Np・Xj/Lj>−2.7×1010/Ap+0.025Nn+0.05Nn/Ap+2.7×1011cm−2
であることを特徴とする請求項47に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The effective impurity amount (Np) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type; the effective impurity amount (Nn) of the low resistance layer of the first conductivity type; The sum (Ap1 + Ap2) of the surface area (Ap1) of the fifth semiconductor layer, the surface area (Ap2) of the low resistance layer of the first conductivity type, and the surface area (Ap1) of the at least one fifth semiconductor layer of the second conductivity type. (Ap = Ap1 / (Ap1 + Ap2)), the distance (Lj) between adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type, and the junction depth of adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type. The relationship with (Xj) is
Np · Xj / Lj> −2.7 × 10 10 /Ap+0.025Nn+0.05Nn/Ap+2.7×10 11 cm −2
48. The insulated gate semiconductor device according to claim 47, wherein:
前記複数の第2導電型の第2の半導体層の相互間に対応して、前記制御電極が設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a lattice,
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the control electrode is provided between the plurality of second conductivity type second semiconductor layers. 3.
前記第1の電極長を有する少なくとも1つの第1の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の相互間にのみ、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層が設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The control electrode includes at least one first control electrode having a first electrode length, and at least one second control electrode having a second electrode length;
Only between the plurality of second conductive type second semiconductor layers corresponding to at least one first control electrode having the first electrode length, the at least one second conductive type fifth semiconductor layer is provided. 2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein a semiconductor layer is provided.
前記第1の電極長を有する少なくとも1つの第1の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の相互間にのみ、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層が設けられ、
前記第2の電極長を有する少なくとも1つの第2の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にのみ、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層が設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The control electrode includes at least one first control electrode having a first electrode length, and at least one second control electrode having a second electrode length;
The at least one second conductive type fifth semiconductor layer is provided only between the plurality of second conductive type second semiconductor layers corresponding to at least one first control electrode having the first electrode length. A semiconductor layer of
The at least one third conductive type third semiconductor layer is provided only on surface portions of the plurality of second conductive type second semiconductor layers corresponding to at least one second control electrode having the second electrode length. 2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein a semiconductor layer is provided.
前記第2の電極長を有する少なくとも1つの第2の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の相互間にのみ、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層が設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The control electrode includes at least one first control electrode having a first electrode length, and at least one second control electrode having a second electrode length;
The at least one fifth conductive type fifth semiconductor layer is provided only between the plurality of second conductive type second semiconductor layers corresponding to at least one second control electrode having the second electrode length. 2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein a semiconductor layer is provided.
前記制御電極は、第1の電極長を有する少なくとも1つの第1の制御電極、および、第2の電極長を有する少なくとも1つの第2の制御電極を含み、
前記第2の電極長を有する少なくとも1つの第2の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の相互間にのみ、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層が設けられ、
前記第1の電極長を有する少なくとも1つの第1の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の相互間には、前記第1導電型の低抵抗層よりも低い不純物濃度を有する第1導電型の第7の半導体層が設けられることを特徴とする請求項55に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The semiconductor device further includes a first conductive type low resistance layer provided between the adjacent second conductive type second semiconductor layers with a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer. ,
The control electrode includes at least one first control electrode having a first electrode length, and at least one second control electrode having a second electrode length;
The at least one fifth conductive type fifth semiconductor layer is provided only between the plurality of second conductive type second semiconductor layers corresponding to at least one second control electrode having the second electrode length. A semiconductor layer of
Between the plurality of second-conductivity-type second semiconductor layers corresponding to at least one first control electrode having the first electrode length, a distance between the plurality of second-conductivity-type second semiconductor layers is lower than that of the first-conductivity-type low-resistance layer. 56. The insulated gate semiconductor device according to claim 55, wherein a seventh semiconductor layer of a first conductivity type having a low impurity concentration is provided.
前記第2の電極長を有する少なくとも1つの第2の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の相互間にのみ、前記少なくとも1つの第2導電型の第5の半導体層が設けられ、
前記第1の電極長を有する少なくとも1つの第1の制御電極に対応する、前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にのみ、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層が設けられることを特徴とする請求項55に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The control electrode includes at least one first control electrode having a first electrode length, and at least one second control electrode having a second electrode length;
The at least one fifth conductive type fifth semiconductor layer is provided only between the plurality of second conductive type second semiconductor layers corresponding to at least one second control electrode having the second electrode length. A semiconductor layer of
The at least one third conductive type third semiconductor layer is provided only on surface portions of the plurality of second conductive type second semiconductor layers corresponding to at least one first control electrode having the first electrode length. 56. The insulated gate semiconductor device according to claim 55, wherein a semiconductor layer is provided.
前記第2の電極長を有する少なくとも1つの第2の制御電極部の相互を格子状に組んでなることを特徴とする請求項63に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of control electrodes include at least one first control electrode unit having a first electrode length, and at least one second control electrode unit having a second electrode length,
64. The insulated gate semiconductor device according to claim 63, wherein at least one second control electrode unit having the second electrode length is assembled in a lattice shape.
前記第1導電型の第1の半導体層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層間に設けられた、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第5の半導体層とを少なくとも含む第2のセルと
を具備し、
前記第1導電型の第1の半導体層には、前記第1導電型の第1の半導体層よりも高不純物濃度を有する第1導電型の低抵抗層が設けられ、
前記第1のセルの、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層間には、前記第1導電型の低抵抗層よりも低い不純物濃度を有する第1導電型の第7の半導体層が設けられていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer, and a plurality of second conductivity type second semiconductor layers; Connected to at least one third semiconductor layer of the first conductivity type respectively formed on the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type and the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type. A first cell including at least a plurality of first main electrodes,
A plurality of second conductivity type second semiconductor layers selectively formed on a surface portion of the first conductivity type first semiconductor layer, and a plurality of second conductivity type second semiconductor layers provided between adjacent second conductivity type second semiconductor layers. A second cell including at least a second conductive type fifth semiconductor layer having a lower impurity concentration than the plurality of second conductive type second semiconductor layers.
The first conductive type first semiconductor layer is provided with a first conductive type low resistance layer having a higher impurity concentration than the first conductive type first semiconductor layer,
Between the adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type of the first cell, a seventh semiconductor layer of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the low resistance layer of the first conductivity type is provided. An insulated gate semiconductor device, which is provided.
前記第1導電型の第1の半導体層に設けられた、前記第1導電型の第1の半導体層よりも高不純物濃度を有する第1導電型の低抵抗層と、
前記第1導電型の低抵抗層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、
前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の低抵抗層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第1導電型の低抵抗層に設けられ、隣り合う前記第2導電型の第2の半導体層にそれぞれ接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する複数の第2導電型の第5の半導体層と
を具備し、
前記複数の第2導電型の第5の半導体層間には、前記第1導電型の低抵抗層よりも低い不純物濃度を有する第1導電型の第7の半導体層が設けられていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A first conductivity type low-resistance layer provided on the first conductivity type first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first conductivity type first semiconductor layer;
A plurality of second conductive type second semiconductor layers selectively formed on the surface of the first conductive type low resistance layer;
At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type;
A plurality of first main electrodes respectively connected to the plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type;
A second main electrode connected to the fourth semiconductor layer;
A gate insulating film is formed on each surface of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the surface of the low resistance layer of the first conductivity type. A control electrode formed through
A lower impurity concentration than the plurality of second conductive type second semiconductor layers, which is provided on the first conductive type low resistance layer and is connected to the adjacent second conductive type second semiconductor layers, respectively. And a plurality of fifth semiconductor layers of the second conductivity type having:
A seventh semiconductor layer of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the low resistance layer of the first conductivity type is provided between the plurality of fifth semiconductor layers of the second conductivity type. Insulated gate type semiconductor device.
前記第1導電型の第1の半導体層に設けられた、前記第1導電型の第1の半導体層よりも高不純物濃度を有する第1導電型の低抵抗層と、
前記第1導電型の低抵抗層の表面部に選択的に形成された複数の第2導電型の第2の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層の表面部にそれぞれ形成された、少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層および前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層にそれぞれ接続された複数の第1の主電極と、
前記第1導電型の第1の半導体層の裏面側に形成された第4の半導体層と、
前記第4の半導体層に接続された第2の主電極と、
前記複数の第2導電型の第2の半導体層、前記少なくとも1つの第1導電型の第3の半導体層、および、前記第1導電型の低抵抗層の各表面上に、ゲート絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第1導電型の低抵抗層に設けられ、隣接する前記複数の第2導電型の第2の半導体層にそれぞれ接続された、前記複数の第2導電型の第2の半導体層よりも低い不純物濃度を有する複数の第2導電型の第5の半導体層と
を具備したことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A first conductivity type low-resistance layer provided on the first conductivity type first semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the first conductivity type first semiconductor layer;
A plurality of second conductive type second semiconductor layers selectively formed on the surface of the first conductive type low resistance layer;
At least one third semiconductor layer of the first conductivity type formed on a surface portion of each of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type;
A plurality of first main electrodes respectively connected to the plurality of second conductive type second semiconductor layers and the at least one first conductive type third semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the back surface side of the first semiconductor layer of the first conductivity type;
A second main electrode connected to the fourth semiconductor layer;
A gate insulating film is formed on each surface of the plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type, the at least one third semiconductor layer of the first conductivity type, and the surface of the low resistance layer of the first conductivity type. A control electrode formed through
Lower than the plurality of second conductive type second semiconductor layers provided on the first conductive type low resistance layer and connected to the plurality of adjacent second conductive type second semiconductor layers, respectively. An insulated gate semiconductor device, comprising: a plurality of second conductivity type fifth semiconductor layers having an impurity concentration.
前記複数の第2導電型の第5の半導体層は、それぞれ、隣接する4つの前記第2導電型の第2の半導体層間に設けられることを特徴とする請求項70に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a lattice,
71. The insulated gate semiconductor according to claim 70, wherein the plurality of fifth semiconductor layers of the second conductivity type are respectively provided between four adjacent second semiconductor layers of the second conductivity type. apparatus.
前記複数の第2導電型の第5の半導体層は、局部的に前記複数の第2導電型の第2の半導体層と接続されていることを特徴とする請求項70に記載の絶縁ゲート型半導体装置。The plurality of second semiconductor layers of the second conductivity type are arranged in a stripe shape,
71. The insulated gate type according to claim 70, wherein the plurality of second conductive type fifth semiconductor layers are locally connected to the plurality of second conductive type second semiconductor layers. Semiconductor device.
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