JP2004006602A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、プレーナゲート型IGBTにおいて、相互に隣接する二つのベース層間の半導体層(第二半導体層)の表面に形成された複数の補助ベース層を備えているものである。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に係り、特に、プレーナゲート型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力用半導体素子における低損失化の市場要求は強く、電圧駆動により大電力を制御することができるIGBTのさらなる低オン電圧化が求められている。
【0003】
図7は、従来の典型的なプレーナゲート型IGBTの断面構造図である。
【0004】
従来の典型的なプレーナゲート型IGBTは、p+型シリコン基板11と、p+型シリコン基板11上に形成された低不純物濃度の高抵抗n−型層12と、n−型層12の表面近傍部に所定間隔ごとに形成された複数のp型ベース層13と、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にそれぞれ形成されたn+型エミッタ層14と、各p型ベース層13の両端部に形成されたチャネル領域15と、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域上に形成されたゲート絶縁膜16と、ゲート絶縁膜16上に形成されたゲート電極17と、ゲート電極17を被覆してゲート絶縁膜16上の領域に形成された絶縁膜21と、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトして形成されたエミッタ電極18と、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトして形成されたコレクタ電極19とを備えている。
【0005】
図7に示した従来の典型的なプレーナゲート型IGBTの製造方法は、以下の通りである。
【0006】
最初に、p+型シリコン基板11上に、低不純物濃度の高抵抗n−型層12をエピタキシャル成長により形成する。
【0007】
n−型層12の形成後、n−型層12の表面近傍部に、所定間隔ごとに複数のp型ベース層13を、DSA(Diffusion Self Align)法による不純物拡散によって形成する。さらに、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にn+型エミッタ層14を、同じくDSA法による不純物拡散によってそれぞれ形成する。即ち、p型ベース層13を拡散形成するために使用した拡散開口を、そのままn+型エミッタ層14を拡散形成するための拡散開口の一部として使用して二重拡散することにより、各p型ベース層13の両端部にチャネル領域15を自己整合的に残存させた状態でn+型エミッタ層14が形成される。
【0008】
p型ベース層13及びn+型エミッタ層14、チャネル領域15の形成後、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15上にゲート絶縁膜16を形成し、ゲート絶縁膜16上にポリシリコン又はアルミニウムによりゲート電極17を形成する。さらに、ゲート電極17を被覆する絶縁膜21を、ゲート絶縁膜16上の領域に形成する。
【0009】
ゲート絶縁膜16及びゲート電極17、絶縁膜21の形成後、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトするエミッタ電極18を、アルミニウム等の金属の蒸着又はスパッタリングにより形成する。
【0010】
さらに、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトするコレクタ電極19をバナジウム−ニッケル−金(V−Ni−Au)等の金属の蒸着又はスパッタリングにより形成すると、図7に示した従来の典型的なプレーナゲート型IGBTが完成する。
【0011】
IGBTについては、従来より種々のタイプのものが開発されてきているが、例えば、順方向電圧を低減させることを目的として、陰極側の少数キャリア密度を高めるために、ベース領域の周りに遮蔽領域を導入したIGBTが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0012】
【特許文献1】
特表2000−509916号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
IGBTの低オン電圧化は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と同様に、主として、微細加工技術によりユニットセルを縮小してチャネル抵抗を低減することにより達成されてきた。
【0014】
しかし、少数キャリア素子であるIGBTにおいては、ゲート電極17の幅を拡大した方が、単位面積当りのエミッタコンタクト面積が縮小し、p+型シリコン基板11からn−型層12中に注入されたホールが必要以上に排出されず、且つ、ゲート電極17下部に発生する電子蓄積層を電荷中性条件に従って補うように正孔のキャリア密度を高められて、この領域での抵抗が低減され、結果的により低オン電圧化が図られることが知られている。
【0015】
図8は、ゲート電極幅を拡大したプレーナゲート型IGBTの断面構造図である。このプレーナゲート型IGBTは、ゲート電極幅が拡大されている点を除くと、その構造及び製造方法は、図7に示したプレーナゲート型IGBTの構造及び製造方法と全く同様である。
【0016】
図9(a)、(b)は、それぞれ、図7及び図8に示した従来のプレーナゲート型IGBTの断面構造図中の線YY’に沿ったキャリア分布を示したグラフである。
【0017】
上述のように、プレーナゲート型IGBTのゲート電極17の幅を広くとると、低オン電圧化を図ることができる。
【0018】
しかしながら、ゲート電極17の幅を広くしすぎると、阻止状態においてp型ベース層13とn−型層12とのpn接合に発生する空乏層が、n−型層12を介して隣接するp型ベース層13とp型ベース層13との間でピンチオフすることができず、電界強度が高まってしまう。この現象は、図9(b)のグラフにおけるY側のキャリア密度が図9(a)のグラフに比較して高くなっている点に現れている。そして、その結果、耐圧の低下を招くこととなるので、ゲート電極の幅を極端に広くすることはできない。ゲート電極幅の拡大は、例えば、600Vの耐圧を得るために36μm程度、1200Vの耐圧を得るために56μm程度にするのが限界である。
【0019】
また、ゲート電極幅を広くすると、入力容量Cies、帰還容量Cresが増加し、その結果、スイッチング時間が増大したり、負荷短絡時におけるコレクタ電流、コレクタ電圧及びゲート電圧が発振しやすくなって場合によっては発振破壊に至ったりするという問題も発生しうる。
【0020】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、耐圧の低下、入力容量Cies及び帰還容量Cresの増加、負荷短絡時における発振の発生を回避しながら、容易且つ効果的に低オン電圧及び高速スイッチング特性を実現できる構成のプレーナゲート型IGBTを提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置の第一の観点によれば、
第一導電型の第一半導体層と、
上記第一半導体層上に形成され、実質的に均一な不純物濃度を有する第二導電型の第二半導体層と、
上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
上記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
上記各ベース層の表面であって、上記エミッタ層と上記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの上記ベース層間の上記第二半導体層の表面に形成された第一導電型の補助ベース層と、
上記補助ベース層と上記二つのベース層との間の上記第二半導体層及び上記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
上記ベース層及び上記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
上記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする。
【0022】
本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置の第二の観点によれば、
第一導電型の第一半導体層と、
上記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
上記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
上記各ベース層の表面であって、上記エミッタ層と上記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの上記ベース層間の上記第二半導体層の表面に形成され、上記第二半導体層の表面からの深さが上記ベース層とほぼ同じである第一導電型の補助ベース層と、
上記補助ベース層と上記二つのベース層との間の上記第二半導体層及び上記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
上記ベース層及び上記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
上記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする。
【0023】
本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置によれば、
第一導電型の第一半導体層と、
上記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
上記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
上記各ベース層の表面であって、上記エミッタ層と上記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの上記ベース層間の上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
上記補助ベース層と上記二つのベース層との間の上記第二半導体層及び上記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
上記ベース層及び上記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
上記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする。
【0024】
本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置によれば、
第一導電型の第一半導体層と、
上記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
上記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
上記各ベース層の表面であって、上記エミッタ層と上記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの上記ベース層間の上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
上記補助ベース層と上記二つのベース層との間の上記第二半導体層及び上記チャネル領域上、並びに、相互に隣接する二つの上記補助ベース層間の上記第二半導体層上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
上記ベース層及び上記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
上記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする。
【0025】
本発明の第四の実施の形態に係る半導体装置によれば、
第一導電型の第一半導体層と、
上記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
上記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
上記各ベース層の表面であって、上記エミッタ層と上記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの上記ベース層間の上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
上記補助ベース層と上記二つのベース層との間の上記第二半導体層及び上記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
上記ベース層及び上記エミッタ層上に接続され、かつ、相互に隣接する二つの上記補助ベース層間の上記第二半導体層上に上記ゲート絶縁膜を介して形成されたエミッタ電極と、
上記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする。
【0026】
本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置によれば、
第一導電型の第一半導体層と、
上記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
上記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
上記各ベース層の表面であって、上記エミッタ層と上記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの上記ベース層間の上記第二半導体層の表面に形成された第一導電型の補助ベース層と、
上記補助ベース層と上記二つのベース層との間の二つの上記チャネル領域の一方から他方までの領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記ベース層及び上記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
上記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする。
【0027】
本発明の第六の実施の形態に係る半導体装置によれば、
第一導電型の第一半導体層と、
上記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
上記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
上記各ベース層の表面であって、上記エミッタ層と上記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの上記ベース層間の上記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
上記補助ベース層と上記二つのベース層との間の二つの上記チャネル領域の一方から他方までの領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記ベース層及び上記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
上記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0029】
図1は、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。
【0030】
本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置は、p+型シリコン基板11と、p+型シリコン基板11上に形成された低不純物濃度の高抵抗n−型層12と、n−型層12の表面近傍部に所定間隔ごとに形成された複数のp型ベース層13と、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にそれぞれ形成されたn+型エミッタ層14と、各p型ベース層13の両端部に形成されたチャネル領域15と、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の間のn−型層12の表面近傍部に、上記二つのチャネル領域15から離隔して形成されたp型補助ベース層20と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域上に形成されたゲート絶縁膜16と、上記二つのチャネル領域15の一方からp型補助ベース層20の一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上、及び、p型補助ベース層20の他端から上記二つのチャネル領域15の他方までの領域におけるゲート絶縁膜16上にそれぞれ形成されたゲート電極17と、各ゲート電極17を被覆してゲート絶縁膜16上の領域に形成された絶縁膜21と、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトして形成されたエミッタ電極18と、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトして形成されたコレクタ電極19とを備えている。
【0031】
本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置は、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の間のn−型層12の表面近傍部に、上記二つのチャネル領域15から離隔してp型補助ベース層20を形成し、且つ、上記二つのチャネル領域15の一方からp型補助ベース層20の一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上、及び、p型補助ベース層20の他端から上記二つのチャネル領域15の他方までの領域におけるゲート絶縁膜16上にそれぞれゲート電極17を形成した点に特徴があるものである。
【0032】
p型補助ベース層20は、n−型層12の表面からの深さが、p型ベース層13とほぼ同じになるように形成されている。また、p型補助ベース層20は、電位的に浮遊電位となるようにするか、又は、大きな拡散抵抗を持つようにする。即ち、p型補助ベース層20に対していかなる電極もコンタクトしないようにするか、又は、p型補助ベース層20とp型ベース層13とを部分的に拡散層により繋げるようにする。尚、n−型層12は、実質的に均一な不純物濃度を有している。
【0033】
本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置においては、上述のようなp型補助ベース層20を形成することにより、ゲート電極17の幅を拡大することなく、単位面積あたりのエミッタコンタクト面積を縮小することができ、p+型シリコン基板11からn−型層12へ注入されたホールが必要以上に排出されなくなり、p型補助ベース層20直下の正孔のキャリア密度を高めることができる。その結果、プレーナゲート型IGBTにおいて、耐圧の低下、入力容量Cies及び帰還容量Cresの増加、負荷短絡時における発振の発生を回避しながら、容易且つ効果的に低オン電圧及び高速スイッチング特性を実現することができる。
【0034】
上記本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について、1200V系素子の場合を例として説明する。
【0035】
最初に、p+型シリコン基板11上に、低不純物濃度の高抵抗n−型層12をエピタキシャル成長により厚さ200μm程度に形成する。尚、前述のように、n−型層12の不純物濃度は、実質的に均一になるようにする。
【0036】
n−型層12の形成後、n−型層12表面にゲート絶縁膜16を厚さ0.1μm程度に形成し、さらに、ゲート絶縁膜16上にポリシリコンゲート電極17を厚さ0.5μm程度に堆積する。
【0037】
ポリシリコンゲート電極17の堆積後、ポリシリコンゲート電極17を部分的に開口除去し、開口されたポリシリコンゲート電極17をマスク材としてホウ素(B)イオン注入を行い、熱拡散によりp型ベース層13及びp型補助ベース層20を深さ4μm程度に形成する。p型補助ベース層20に対しては、いかなる電極もコンタクトしないようにするか、又は、p型補助ベース層20とp型ベース層13とを部分的に拡散層により繋げるようにする。これにより、p型補助ベース層20が、電位的に浮遊電位となるか、又は、大きな拡散抵抗を持つこととなる。p型ベース層13及びp型補助ベース層20は、同一工程により同時に形成されているので、n−型層12の表面からの深さは、ほぼ同じになる。
【0038】
p型ベース層13及びp型補助ベース層20の形成後、p型ベース層13の両端部近傍にのみn+型エミッタ層14が形成されるようにレジストコート及びパターニングを行い、砒素(As)イオン注入を行った後、熱拡散によってn+型エミッタ層14を深さ0.3μm程度に形成する。即ち、p型ベース層13の端部にのみ自己整合的にチャネル領域15を残存させた状態でn+型エミッタ層14が形成される。
【0039】
n+型エミッタ層14及びチャネル領域15の形成後、p型補助ベース層20の一端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上、及び、p型補助ベース層20の他端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該他端までの領域におけるゲート絶縁膜16上に、ポリシリコン又はアルミニウムによりゲート電極17をそれぞれ形成する。
【0040】
尚、1200V系素子の場合、ゲート電極17、p型ベース層13及びp型補助ベース層20の幅の一例を挙げると、例えば、ゲート電極17の幅は6μm程度、p型ベース層13の幅は6μm程度、p型補助ベース層20の幅は70μm程度である。
【0041】
ゲート電極17の形成後、ゲート絶縁膜16上の領域に、各ゲート電極17を被覆する絶縁膜21を形成する。
【0042】
絶縁膜21の形成後、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトするエミッタ電極18を、アルミニウム等の金属の蒸着又はスパッタリングにより形成する。
【0043】
さらに、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトするコレクタ電極19をバナジウム−ニッケル−金(V−Ni−Au)等の金属の蒸着又はスパッタリングにより形成すると、図1に示す本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置、即ち、プレーナゲート型IGBTが完成する。
【0044】
以上のように、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置は、パターン設計により容易且つ効果的に、プレーナゲート型IGBTにおいて、耐圧の低下、入力容量Cies及び帰還容量Cresの増加、負荷短絡時における発振の発生を回避しながら、低オン電圧及び高速スイッチング特性を実現することができる。
【0045】
図2は、本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。
【0046】
本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置は、p+型シリコン基板11と、p+型シリコン基板11上に形成された低不純物濃度の高抵抗n−型層12と、n−型層12の表面近傍部に所定間隔ごとに形成された複数のp型ベース層13と、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にそれぞれ形成されたn+型エミッタ層14と、各p型ベース層13の両端部に形成されたチャネル領域15と、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の間のn−型層12の表面近傍部に、上記二つのチャネル領域15から離隔し且つ複数に分割されて形成されたp型補助ベース層20と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域上に形成されたゲート絶縁膜16と、複数のp型補助ベース層20のうち両端のp型補助ベース層20の一方の一端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該一方の当該一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上、及び、複数のp型補助ベース層20のうち両端のp型補助ベース層20の他方の一端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該他方の当該一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上にそれぞれ形成されたゲート電極17と、各ゲート電極17を被覆してゲート絶縁膜16上の領域に形成された絶縁膜21と、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトして形成されたエミッタ電極18と、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトして形成されたコレクタ電極19とを備えている。
【0047】
本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置は、p型補助ベース層20が複数に分割されて形成されている点のみ、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と異なっているが、その他の構成は総て本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【0048】
本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置によっても、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果を得ることができる。
【0049】
図3は、本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。
【0050】
本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置は、p+型シリコン基板11と、p+型シリコン基板11上に形成された低不純物濃度の高抵抗n−型層12と、n−型層12の表面近傍部に所定間隔ごとに形成された複数のp型ベース層13と、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にそれぞれ形成されたn+型エミッタ層14と、各p型ベース層13の両端部に形成されたチャネル領域15と、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の間のn−型層12の表面近傍部に、上記二つのチャネル領域15から離隔し且つ複数に分割されて形成されたp型補助ベース層20と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域上に形成されたゲート絶縁膜16と、複数のp型補助ベース層20のうち両端のp型補助ベース層20の一方の一端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該一方の当該一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上、及び、複数のp型補助ベース層20のうち両端のp型補助ベース層20の他方の一端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該他方の当該一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上、並びに、複数のp型補助ベース層20の分割箇所に端部が位置する二つのp型補助ベース層20の一方の当該端部から他方の当該端部までの領域におけるゲート絶縁膜16上にそれぞれ形成されたゲート電極17と、各ゲート電極17を被覆してゲート絶縁膜16上の領域に形成された絶縁膜21と、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトして形成されたエミッタ電極18と、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトして形成されたコレクタ電極19とを備えている。
【0051】
本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置は、複数のp型補助ベース層20の分割箇所に端部が位置する二つのp型補助ベース層20の一方の当該端部から他方の当該端部までの領域におけるゲート絶縁膜16上にもゲート電極17が形成されている点のみ、本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置と異なっているが、その他の構成は総て本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【0052】
本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置によっても、本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果、即ち、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果を得ることができる。
【0053】
図4は、本発明の第四の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。
【0054】
本発明の第四の実施の形態に係る半導体装置は、p+型シリコン基板11と、p+型シリコン基板11上に形成された低不純物濃度の高抵抗n−型層12と、n−型層12の表面近傍部に所定間隔ごとに形成された複数のp型ベース層13と、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にそれぞれ形成されたn+型エミッタ層14と、各p型ベース層13の両端部に形成されたチャネル領域15と、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の間のn−型層12の表面近傍部に、上記二つのチャネル領域15から離隔し且つ複数に分割されて形成されたp型補助ベース層20と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域上に形成されたゲート絶縁膜16と、複数のp型補助ベース層20のうち両端のp型補助ベース層20の一方の一端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該一方の当該一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上、及び、複数のp型補助ベース層20のうち両端のp型補助ベース層20の他方の一端に対しn−型層12の表面近傍部を介して隣接するチャネル領域15からp型補助ベース層20の当該他方の当該一端までの領域におけるゲート絶縁膜16上にそれぞれ形成されたゲート電極17と、各ゲート電極17を被覆してゲート絶縁膜16上の領域に形成された絶縁膜21と、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトして形成され、且つ、複数のp型補助ベース層20の分割箇所に端部が位置する二つのp型補助ベース層20の一方の当該端部から他方の当該端部までの領域におけるゲート絶縁膜16上に形成されたエミッタ電極18と、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトして形成されたコレクタ電極19とを備えている。
【0055】
本発明の第四の実施の形態に係る半導体装置は、複数のp型補助ベース層20の分割箇所に端部が位置する二つのp型補助ベース層20の一方の当該端部から他方の当該端部までの領域におけるゲート絶縁膜16上に、ゲート電極17ではなくエミッタ電極18が形成されている点のみ、本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置と異なっているが、その他の構成は総て本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【0056】
本発明の第四の実施の形態に係る半導体装置によっても、本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果、即ち、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果を得ることができる。
【0057】
図5は、本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。
【0058】
本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置は、p+型シリコン基板11と、p+型シリコン基板11上に形成された低不純物濃度の高抵抗n−型層12と、n−型層12の表面近傍部に所定間隔ごとに形成された複数のp型ベース層13と、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にそれぞれ形成されたn+型エミッタ層14と、各p型ベース層13の両端部に形成されたチャネル領域15と、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の間のn−型層12の表面近傍部に、上記二つのチャネル領域15から離隔して形成されたp型補助ベース層20と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域上に形成されたゲート絶縁膜16と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域におけるゲート絶縁膜16上に形成されたゲート電極17と、各ゲート電極17を被覆してゲート絶縁膜16上の領域に形成された絶縁膜21と、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトして形成されたエミッタ電極18と、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトして形成されたコレクタ電極19とを備えている。
【0059】
本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置は、ゲート電極17が二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域におけるゲート絶縁膜16上に連続的に形成されている点のみ、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と異なっているが、その他の構成は総て本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【0060】
本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置によっても、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果を得ることができるとともに、本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置の構造においては、素子内のゲート抵抗が低減され、より高速のスイッチング動作を実現することができる。
【0061】
図6は、本発明の第六の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。
【0062】
本発明の第六の実施の形態に係る半導体装置は、p+型シリコン基板11と、p+型シリコン基板11上に形成された低不純物濃度の高抵抗n−型層12と、n−型層12の表面近傍部に所定間隔ごとに形成された複数のp型ベース層13と、各p型ベース層13の両端部近傍の表面近傍部にそれぞれ形成されたn+型エミッタ層14と、各p型ベース層13の両端部に形成されたチャネル領域15と、n−型層12の表面近傍部を介して隣接する二つのチャネル領域15の間のn−型層12の表面近傍部に、上記二つのチャネル領域15から離隔し且つ複数に分割されて形成されたp型補助ベース層20と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域上に形成されたゲート絶縁膜16と、上記二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域におけるゲート絶縁膜16上に形成されたゲート電極17と、各ゲート電極17を被覆してゲート絶縁膜16上の領域に形成された絶縁膜21と、ゲート絶縁膜16により被覆された部分以外のp型ベース層13及びn+型エミッタ層14の表面にオーミックコンタクトして形成されたエミッタ電極18と、p+型シリコン基板11の裏面にオーミックコンタクトして形成されたコレクタ電極19とを備えている。
【0063】
本発明の第六の実施の形態に係る半導体装置は、ゲート電極17が二つのチャネル領域15の一方から他方までの領域におけるゲート絶縁膜16上に連続的に形成されている点のみ、本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置と異なっているが、その他の構成は総て本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
【0064】
本発明の第六の実施の形態に係る半導体装置によっても、本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果、即ち、本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置と同様の効果を得ることができるとともに、本発明の第六の実施の形態に係る半導体装置の構造においては、本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置と同様に、素子内のゲート抵抗が低減され、より高速のスイッチング動作を実現することができる。
【0065】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置によれば、プレーナゲート型IGBTにおいて、相互に隣接する二つのベース層間の半導体層(第二半導体層)の表面に形成された複数の補助ベース層を形成したので、ゲート電極の幅を拡大することなく、単位面積あたりのエミッタコンタクト面積を縮小することができ、第一導電型シリコン基板から第二導電型高抵抗層へ注入されたホールが必要以上に排出されなくなり、第一導電型補助ベース層直下の正孔のキャリア密度を高めることができる。その結果、耐圧の低下、入力容量Cies及び帰還容量Cresの増加、負荷短絡時における発振の発生を回避しながら、容易且つ効果的に低オン電圧及び高速スイッチング特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図。
【図2】本発明の第二の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図。
【図3】本発明の第三の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図。
【図4】本発明の第四の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図。
【図5】本発明の第五の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図。
【図6】本発明の第六の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図。
【図7】従来の典型的なプレーナゲート型IGBTの断面構造図。
【図8】ゲート電極幅を拡大したプレーナゲート型IGBTの断面構造図。
【図9】図7及び図8に示した従来のプレーナゲート型IGBTの断面構造図中の線YY’に沿ったキャリア分布を示したグラフ。
【符号の説明】
11 p+型シリコン基板
12 n−型層
13 p型ベース層
14 n+型エミッタ層
15 チャネル領域
16 ゲート絶縁膜
17 ゲート電極
18 エミッタ電極
19 コレクタ電極
20 p型補助ベース層
21 絶縁膜
Claims (13)
- 第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層上に形成され、実質的に均一な不純物濃度を有する第二導電型の第二半導体層と、
前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
前記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
前記各ベース層の表面であって、前記エミッタ層と前記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの前記ベース層間の前記第二半導体層の表面に形成された第一導電型の補助ベース層と、
前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の前記第二半導体層及び前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
前記ベース層及び前記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
前記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
前記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
前記各ベース層の表面であって、前記エミッタ層と前記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの前記ベース層間の前記第二半導体層の表面に形成され、前記第二半導体層の表面からの深さが前記ベース層とほぼ同じである第一導電型の補助ベース層と、
前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の前記第二半導体層及び前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
前記ベース層及び前記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
前記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
前記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
前記各ベース層の表面であって、前記エミッタ層と前記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの前記ベース層間の前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の前記第二半導体層及び前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
前記ベース層及び前記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
前記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
前記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
前記各ベース層の表面であって、前記エミッタ層と前記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの前記ベース層間の前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の前記第二半導体層及び前記チャネル領域上、並びに、相互に隣接する二つの前記補助ベース層間の前記第二半導体層上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
前記ベース層及び前記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
前記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
前記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
前記各ベース層の表面であって、前記エミッタ層と前記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの前記ベース層間の前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の前記第二半導体層及び前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されたゲート電極と、
前記ベース層及び前記エミッタ層上に接続され、かつ、相互に隣接する二つの前記補助ベース層間の前記第二半導体層上に前記ゲート絶縁膜を介して形成されたエミッタ電極と、
前記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
前記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
前記各ベース層の表面であって、前記エミッタ層と前記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの前記ベース層間の前記第二半導体層の表面に形成された第一導電型の補助ベース層と、
前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の二つの前記チャネル領域の一方から他方までの領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ベース層及び前記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
前記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 第一導電型の第一半導体層と、
前記第一半導体層上に形成された第二導電型の第二半導体層と、
前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型のベース層と、
前記各ベース層の表面にそれぞれ形成された複数の第二導電型のエミッタ層と、
前記各ベース層の表面であって、前記エミッタ層と前記第二半導体層との間に形成されるチャネル領域と、
相互に隣接する二つの前記ベース層間の前記第二半導体層の表面に形成された複数の第一導電型の補助ベース層と、
前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の二つの前記チャネル領域の一方から他方までの領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ベース層及び前記エミッタ層上に接続されたエミッタ電極と、
前記第一半導体層に接続されたコレクタ電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 - 前記第二半導体層は、実質的に均一な不純物濃度を有するものであることを特徴とする請求項3乃至7のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記補助ベース層は、前記第二半導体層の表面からの深さが前記ベース層とほぼ同じであることを特徴とする請求項3乃至8のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜は、前記補助ベース層と前記二つのベース層との間の二つの前記チャネル領域の一方から他方までの領域上に形成されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記エミッタ電極は前記ベース層及び前記エミッタ層に、前記コレクタ電極は前記第一半導体層に、それぞれオーミックコンタクトして形成されていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記補助ベース層の電位は、浮遊電位であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記補助ベース層と前記ベース層とは、拡散層により部分的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体装置。
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