JP2004214701A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an embedded insulated gate-structured power semiconductor device capable of obtaining a big current breaking capacity and capable of realizing a low on-resistance as in almost a thyristor while preventing the latch up of a parasitic thyristor. <P>SOLUTION: A plurality of striped grooves 5 are formed on the side of an n-type base layer 4 having a p-type emitter layer 3, an n-type base layer 1 and a p-type base layer 4, and an insulated gate electrode 7 is embedded and formed in the grooves 5. In the p-type base layer 4, a n-type turn-off channel layer 8 contacting the sides of the grooves 5 is formed, and a p-type drain layer 9 is formed on the surface thereof. In the p-type base layer 4, a shallow diffusion-formed n-type source layer 10 is provided to prevent the thyristor from latching up, and the p-type drain layer 9 and the n-type source layer 10 are simultaneously contacted to form a cathode electrode 11. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、埋込み絶縁ゲート構造を有する電力用の半導体素子に関する。   The present invention relates to a power semiconductor device having a buried insulated gate structure.

GTO等の各種サイリスタは、良く知られているようにオン状態でラッチアップするために低いオン抵抗(したがって小さいオン電圧)が実現できる反面、最大遮断電流密度は小さい。特に絶縁ゲート構造を利用してターンオフを行う絶縁ゲート付きサイリスタでは、通常のGTOサイリスタに比べて電流遮断能力が低くなる。これと逆にIGBT等は、サイリスタ構造を内蔵するがこれがラッチアップしない条件で使用するように設計されるため、最大遮断電流密度は比較的大きいが、ラッチアップしないためにオン抵抗が高い。   As is well known, various thyristors such as GTO can realize a low on-resistance (and thus a small on-voltage) because of latch-up in an on-state, but have a small maximum breaking current density. In particular, a thyristor with an insulated gate that performs turn-off using an insulated gate structure has a lower current interrupting capability than a normal GTO thyristor. Conversely, IGBTs and the like have a built-in thyristor structure, but are designed to be used under conditions where they do not latch up. Therefore, the maximum breaking current density is relatively large, but the on-resistance is high because they do not latch up.

以上のように従来の電力用半導体素子は、低いオン抵抗を得るためにはpnpnサイリスタをラッチアップさせることが必要であり、サイリスタをラッチアップさせると電流を遮断しにくくなる、という問題があった。   As described above, the conventional power semiconductor device has a problem that it is necessary to latch up the pnpn thyristor in order to obtain a low on-resistance, and it is difficult to interrupt the current when the thyristor is latched up. .

本発明は、ラッチアップさせることなく十分に低いオン抵抗を実現することができ、またラッチアップさせないために大きな最大遮断電流密度を持たせることを可能とした埋込み絶縁ゲート型の電力用半導体素子を提供することを目的とする。   The present invention provides a buried insulated gate type power semiconductor device which can realize a sufficiently low on-resistance without causing latch-up and which can have a large maximum breaking current density in order to prevent latch-up. The purpose is to provide.

本発明に係る電力用半導体素子は、第1導電型エミッタ領域と、この第1導電型エミッタ領域からの第1導電型キャリアの注入が実質的にチャネルを介して行われ、オン状態で導電変調を起こす高抵抗ベース領域と、この高抵抗ベース領域に第2導電型キャリアを注入する第2導電型エミッタ領域と、前記高抵抗ベース領域中の第2導電型キャリアを排出する第2導電型ドレイン領域とを備え、オン状態での前記高抵抗ベース領域内のキャリア濃度が、この高抵抗ベース領域の中心部での濃度より前記第1導電型エミッタ領域側で高濃度となる部分を有することを特徴とする。   In the power semiconductor device according to the present invention, the first conductive type emitter region and the injection of the first conductive type carrier from the first conductive type emitter region are substantially performed through the channel, and the conductive modulation is performed in the ON state. , A second conductivity type emitter region for injecting a second conductivity type carrier into the high resistance base region, and a second conductivity type drain for discharging the second conductivity type carrier in the high resistance base region. A region where the carrier concentration in the high-resistance base region in the on state is higher on the first conductivity type emitter region side than the concentration at the center of the high-resistance base region. Features.

また本発明に係る電力用半導体素子は、高抵抗ベース層と、この高抵抗ベース層表面に所定の間隔をもって埋め込まれた絶縁ゲートと、この絶縁ゲートで挟まれた領域内に形成された第1導電型エミッタ層と、前記絶縁ゲートにより誘起され、前記第1導電型エミッタ層から高抵抗ベース層に第1導電型キャリアを注入するチャネル領域と、前記高抵抗ベース層に第2導電型キャリアを注入する第2導電型エミッタ層と、前記絶縁ゲートにより挟まれた領域に形成され前記高抵抗ベース層から第2導電型キャリアを排出する第2導電型ドレイン層とを備え、前記第2導電型ドレイン層間の距離を2C,前記絶縁ゲートで挟まれた領域の幅を2W,前記第2導電型ドレインと高抵抗ベース層の界面から絶縁ゲート先端までの距離をDとしたとき、
X={(C−W)+D}/W
なる式で表されるパラメータXが、X≧5を満足することを特徴とする。
Further, the power semiconductor device according to the present invention includes a high-resistance base layer, an insulating gate buried at a predetermined interval on the surface of the high-resistance base layer, and a first insulating layer formed in a region interposed between the insulating gates. A conductive type emitter layer; a channel region induced by the insulated gate to inject the first conductive type carrier from the first conductive type emitter layer to the high resistance base layer; and a second conductive type carrier to the high resistance base layer. A second conductivity type emitter layer to be implanted; and a second conductivity type drain layer formed in a region sandwiched by the insulated gate and discharging the second conductivity type carrier from the high resistance base layer. When the distance between the drain layers is 2C, the width of the region sandwiched by the insulating gates is 2W, and the distance from the interface between the second conductivity type drain and the high resistance base layer to the tip of the insulating gate is D.
X = {(C−W) + D} / W
The parameter X represented by the following formula satisfies X ≧ 5.

[作用]
本発明によれば、注入効率を低く最適設計したエミッタ層と、微細寸法をもって配列形成される埋込み絶縁ゲート部の溝の深さと幅と間隔を最適設計することによって、寄生サイリスタ構造をラッチアップさせることなく、サイリスタ並みの低いオン抵抗が得られる。その理由は、後に詳細に説明するが、本発明の構造では、埋込みゲート電極部とこれに隣接する第2導電型ドレイン層および第1導電型エミッタ層を含めて広義のエミッタ領域と定義した時に、このエミッタ領域内での第2導電型キャリアの抵抗Rp と、溝側面に形成されるターンオンチャネルの第1導電型キャリアに対する抵抗Rn の比Rp /Rn を4以上とすることによって、十分に大きなエミッタ注入効率が得られることになるからである。
[Action]
According to the present invention, the parasitic thyristor structure is latched up by optimizing the depth, width and spacing of the buried insulated gate portion formed and arranged with a fine dimension by optimizing the design of the emitter layer with low injection efficiency. Thus, a low on-resistance equivalent to that of a thyristor can be obtained. The reason for this will be described in detail later. However, in the structure of the present invention, the buried gate electrode portion and the emitter region in a broad sense including the second conductivity type drain layer and the first conductivity type emitter layer adjacent thereto are defined. By setting the ratio Rp / Rn of the resistance Rp of the second conductivity type carrier in the emitter region to the resistance Rn of the first conductivity type carrier of the turn-on channel formed on the groove side surface to be 4 or more, a sufficiently large value can be obtained. This is because emitter injection efficiency can be obtained.

パラメータXは、第1導電型エミッタ層側の第2導電型キャリアのバイパスまたはドレイン層が互いにどれだけ離れているかを表す量であり、第1導電型エミッタ層側の高抵抗ベース層短絡抵抗が隣り合う埋込みゲート部を跨ぐ距離2D+2(C−W)に比例し、エミッタ幅2Wに反比例する事から導入されたものである。このパラメータXは、小さければ小さい程、第1導電型エミッタ層側の第2導電型キャリアの排出抵抗が小さいことを意味する。そしてX≧5を満たすように各部の寸法を最適化することによって、サイリスタ動作することなく十分低いオン電圧を得ることができる。   The parameter X is a quantity indicating how far the bypass or drain layer of the second conductivity type carrier on the first conductivity type emitter layer is apart from each other, and the high resistance base layer short-circuit resistance of the first conductivity type emitter layer is This is introduced because it is proportional to the distance 2D + 2 (C−W) straddling the adjacent buried gate portion and is inversely proportional to the emitter width 2W. The smaller this parameter X is, the smaller the discharge resistance of the second conductivity type carrier on the first conductivity type emitter layer side is. By optimizing the dimensions of each part so as to satisfy X ≧ 5, it is possible to obtain a sufficiently low on-state voltage without performing a thyristor operation.

本発明の素子での埋込みゲートを含む広義のエミッタ注入効率γは次のように求まる。まず溝間に流れる電流を、オンMOSチャネルを流れる電子電流Ich [A]とそれ以外の電流密度JT [A/cm2 ]に分けて考える。ただし電流密度は、素子断面からの単位奥行1cmで考える。単位セルに流れる電流密度はJ[A/cm2 ]であり、溝間隔2W[cm],単位セルサイズ2C[cm]とし、溝内の仮想的な注入効率をγT とすると、
γ=(Ich+γT ×JT ×W×1)/(Ich+JT ×W×1) … (1)
ここで、
C・J=JT ×W×1+Ich … (2)
Ich=Δψ/Rch … (3)
RchはオンMOSチャネルの抵抗である。ΔψはオンMOSチャネルの両端のポテンシャル差(深さDの両端のポテンシャル差)であり、溝内の電流連続の式
Jp =(1−γT )JT
=−kTμp (dn/dx)−qμp ・n(dψ/dx) … (4)
Jn =γT JT
=kTμn (dn/dx)−qμn ・n(dψ/dx) … (5)
から求まり、
Δψ=(kT/q)×
{μn (1−γT)+μp γT}/{μn (1−γT)−μp γT}
×[log (n)−log {n−(dn/dx)D}] … (6)
dn/dx=−(JT/2kT){(1−γT)/μp −γT/μn} … (7)
となる。これら (2)〜(7) 式から、(1) 式の注入効率を求める求めることができる。そして、W,D,Cを最適化することにより、カソード側のエミッタ(またはソース)層の注入効率を上げなくても、広義のエミッタ領域の注入効率を上げることができる。この結果、オン時に高抵抗ベース層中に蓄積されるキャリアを増大させることができ、本来サイリスタに比べてオン状態のキャリアの蓄積の小さな(伝導変調の小さい)バイポーラトランジスタやIGBTに本発明の上述した“キャリア注入コンセプト”を適用することによって、これらの素子のオン電圧をサイリスタ並みに低くすることができる。
In the device of the present invention, the emitter injection efficiency γ in a broad sense including the buried gate is obtained as follows. First, the current flowing between the trenches is divided into an electron current Ich [A] flowing through the ON MOS channel and a current density JT [A / cm 2 ] other than that. However, the current density is considered as a unit depth of 1 cm from the element cross section. The current density flowing in the unit cell is J [A / cm 2 ], the groove interval is 2 W [cm], the unit cell size is 2 C [cm], and the virtual injection efficiency in the groove is γT.
γ = (Ich + γT × JT × W × 1) / (Ich + JT × W × 1) (1)
here,
C · J = JT × W × 1 + Ich (2)
Ich = Δψ / Rch (3)
Rch is the resistance of the ON MOS channel. Δψ is a potential difference between both ends of the ON MOS channel (a potential difference between both ends of the depth D), and the equation of current continuity in the groove Jp = (1−γT) JT
= −kTμp (dn / dx) −qμp · n (dψ / dx) (4)
Jn = γT JT
= KTμn (dn / dx) -qμn · n (dψ / dx) (5)
From
Δψ = (kT / q) ×
{Μn (1-γT) + μpγT} / {μn (1-γT) -μpγT}
× [log (n) -log {n- (dn / dx) D}] (6)
dn / dx =-(JT / 2kT) {(1-γT) / μp-γT / μn} (7)
It becomes. From these equations (2) to (7), the injection efficiency of equation (1) can be obtained. By optimizing W, D, and C, the injection efficiency of the emitter region in a broad sense can be increased without increasing the injection efficiency of the emitter (or source) layer on the cathode side. As a result, carriers accumulated in the high-resistance base layer at the time of turning on can be increased, and bipolar transistors and IGBTs, which inherently have a small accumulation of carriers in the on state (small conduction modulation) as compared to thyristors, can be used in IGBTs. By applying the "carrier injection concept" described above, the on-voltage of these devices can be reduced to the level of a thyristor.

以上述べたように本発明によれば、埋込み絶縁ゲートを持つ微細セル構造で大きい電流遮断能力を実現し、しかも埋込み絶縁ゲート部の幅と間隔の設計によって寄生サイリスタをラッチアップさせることなくサイリスタ並のオン抵抗を実現した絶縁ゲート型電力用半導体素子を得ることができる。   As described above, according to the present invention, a large current interruption capability is realized by a fine cell structure having a buried insulated gate, and the thyristor is not latched up by the design of the width and the interval of the buried insulated gate part without latching up the thyristor. Can be obtained.

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施例に係る埋込み絶縁ゲート型電力用半導体素子のレイアウトであり、図2,図3,図4および図5はそれぞれ、図1のA−A′,B−B′,C−C′およびD−D′断面図である。   FIG. 1 is a layout of a buried insulated gate power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2, 3, 4 and 5 are AA 'and B of FIG. 1, respectively. -B ', CC' and DD 'sectional drawing.

この絶縁ゲート型半導体素子は、高抵抗のn型ベース層1の一方の面にn型バッファ層2を介してp型エミッタ層3が形成されている。n型ベース層1の他方の面にはp型ベース層4が拡散形成されている。   In this insulated gate semiconductor device, a p-type emitter layer 3 is formed on one surface of a high-resistance n-type base layer 1 via an n-type buffer layer 2. On the other surface of the n-type base layer 1, a p-type base layer 4 is formed by diffusion.

p型ベース層1には、ストライプ状をなす複数本の溝5が微小間隔をもって形成されている。これらの溝5の内部には、ゲート酸化膜6を介してゲート電極7が埋込み形成されている。各溝5の間のストライプ状領域には、一本おきにn型ターンオフチャネル層8が形成され、このターンオフチャネル層8の表面にはp型ドレイン層9が形成されている。これにより、n型ターンオフチャネル層8の側面が埋込みゲート電極7により制御される縦型のpチャネルMOSFETが構成されている。残りのストライプ状領域には、表面部にn型ソース層10が拡散形成されている。ここで、n型ソース層10,p型ベース層4,n型ベース層1およびp型エミッタ層3により構成される寄生サイリスタ構造はラッチアップしないように、n型ソース層10は浅く拡散形成されている。   In the p-type base layer 1, a plurality of stripe-shaped grooves 5 are formed at minute intervals. A gate electrode 7 is buried in these trenches 5 via a gate oxide film 6. An n-type turn-off channel layer 8 is formed every other line in the striped region between the grooves 5, and a p-type drain layer 9 is formed on the surface of the turn-off channel layer 8. Thus, a vertical p-channel MOSFET in which the side surface of the n-type turn-off channel layer 8 is controlled by the buried gate electrode 7 is formed. An n-type source layer 10 is diffused on the surface of the remaining stripe region. Here, the n-type source layer 10 is shallowly diffused so that the parasitic thyristor structure constituted by the n-type source layer 10, the p-type base layer 4, the n-type base layer 1 and the p-type emitter layer 3 does not latch up. ing.

従ってカソード側レイアウトは、埋込みゲート電極7−p型ドレイン層9−埋込みゲート電極7−n型ソース層10という配列が繰り返されたパターンとなっている。   Therefore, the layout on the cathode side has a pattern in which the arrangement of the buried gate electrode 7-p-type drain layer 9-buried gate electrode 7-n-type source layer 10 is repeated.

第1の主電極であるカソード電極11は、n型ソース層10,p型ドレイン層9に同時にコンタクトして配設されている。p型エミッタ層3には第2の主電極であるアノード電極12が形成されている。   The cathode electrode 11, which is the first main electrode, is provided so as to contact the n-type source layer 10 and the p-type drain layer 9 at the same time. On the p-type emitter layer 3, an anode electrode 12 as a second main electrode is formed.

具体的な素子寸法は、例えば次の通りである。n型ベース層1となる高抵抗はn型ウェハの厚みを450μm とし、これに両側からn型バッファ層2を15μm 、p型ベース層4を2μm の深さで形成する。p型ベース層4に形成する溝5は、幅,間隔共に1μm 、深さ5μm とする。ゲート酸化膜6は0.1μm 以下の熱酸化膜またはONO膜(酸化膜/窒化膜/酸化膜)とする。n型ターンオフチャネル層8は、表面にp型ドレイン層9が形成されて実質0.5μm のチャネル長となる。n型ソース層10は1μm 以下、p型エミッタ層3は、約4μm の深さに拡散形成する。   Specific element dimensions are, for example, as follows. The high resistance to be the n-type base layer 1 is such that the thickness of the n-type wafer is 450 μm, the n-type buffer layer 2 is formed from both sides with a depth of 15 μm, and the p-type base layer 4 is formed with a depth of 2 μm. The groove 5 formed in the p-type base layer 4 has a width and an interval of 1 μm and a depth of 5 μm. The gate oxide film 6 is a thermal oxide film or an ONO film (oxide film / nitride film / oxide film) of 0.1 μm or less. The n-type turn-off channel layer 8 has a channel length of substantially 0.5 μm with the p-type drain layer 9 formed on the surface. The n-type source layer 10 is formed to a depth of 1 μm or less, and the p-type emitter layer 3 is formed to a depth of about 4 μm.

このように構成された絶縁ゲート型半導体素子の動作は、次の通りである。ゲート電極7にカソードに対して正の電圧を与えると、p型ベース層4周辺部のターンオンチャネルが導通してn型ソース層10から電子がn型ベース層1に注入され、IGBT動作によってターンオンする。ゲート電極7に負の電圧を与えると、埋込みゲート部のn型ターンオフチャネル層8の溝側面部が反転して、pチャネルMOSトランジスタ動作によってp型ベース層4のキャリアがp型ドレイン層9を介してカソード電極11に吸い出され、ターンオフする。   The operation of the insulated gate semiconductor device thus configured is as follows. When a positive voltage is applied to the gate electrode 7 with respect to the cathode, the turn-on channel around the p-type base layer 4 conducts, electrons are injected from the n-type source layer 10 into the n-type base layer 1, and turned on by the IGBT operation. I do. When a negative voltage is applied to the gate electrode 7, the side surface of the trench of the n-type turn-off channel layer 8 in the buried gate portion is inverted, and the carrier of the p-type base layer 4 causes the p-type drain layer 9 to move by the p-channel MOS transistor operation. It is sucked out to the cathode electrode 11 and turned off.

この実施例の場合、素子がオン状態でも、n型ソース層10−p型ベース層4−n型ベース層1−p型エミッタ層3により構成される寄生サイリスタはラッチアップしないように設計されており、オンチャネルが閉じれば、n型ソース層10からの電子注入は止まる。   In the case of this embodiment, the parasitic thyristor constituted by the n-type source layer 10-p-type base layer 4-n-type base layer 1-p-type emitter layer 3 is designed so as not to latch up even when the element is on. When the on-channel is closed, the injection of electrons from the n-type source layer 10 stops.

この実施例によれば、単位セルサイズ4μm (すなわち、埋込みゲート1μm −p型ドレイン層1μm −埋込みゲート部1μm −n型ソース層1μm )という微細寸法として、埋込みゲート部の深さと密度を十分な大きさに設計することにより、サイリスタ動作させないにもかかわらず、十分に小さいオン抵抗が得られる。素子のオン状態でターンオフチャネルが閉じていることも、小さいオン抵抗が得られる理由になっている。またオン状態で寄生サイリスタがラッチアップせず、オフ時にはターンオフチャネルが開いて正孔のバイパスがなされるため、一旦ラッチアップさせた後にターンオフするGTOサイリスタ等に比べて、最大電流遮断能力は大きい。   According to this embodiment, the depth and density of the buried gate portion are sufficiently small as the unit cell size of 4 μm (that is, buried gate 1 μm-p-type drain layer 1 μm-buried gate portion 1 μm-n-type source layer 1 μm). By designing the size, a sufficiently small on-resistance can be obtained even though the thyristor is not operated. The fact that the turn-off channel is closed when the device is on is another reason why a small on-resistance is obtained. Also, since the parasitic thyristor does not latch up in the on state, and the turn-off channel opens to bypass the holes when the thyristor is off, the maximum current interrupting capability is greater than that of a GTO thyristor or the like which is turned off after latching up.

図6は、本発明の第2の実施例の埋込み絶縁ゲート型電力用半導体素子のレイアウトであり、図7,図8および図9はそれぞれ図6のA−A′,B−B′およびC−C′断面図である。先の実施例と対応する部分には先の実施例と同一符号を付して詳細な説明は省略する。   FIG. 6 is a layout of a buried insulated gate power semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 7, 8 and 9 are AA ', BB' and C of FIG. 6, respectively. It is -C 'sectional drawing. Parts corresponding to those in the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as in the previous embodiment, and detailed description is omitted.

この実施例では、周期的に配列形成される溝5がp型ベース層4を深く突き抜ける状態に形成されている。たとえば、p型ベース層が3μm として、溝5は6μm 程度とする。溝5にゲート酸化膜6を介してゲート電極7が埋込み形成される事は先の実施例と同じである。   In this embodiment, the grooves 5 periodically formed are formed so as to penetrate the p-type base layer 4 deeply. For example, the p-type base layer is 3 μm, and the groove 5 is about 6 μm. The gate electrode 7 is buried in the trench 5 via the gate oxide film 6 as in the previous embodiment.

またこの実施例では、溝5の間隔が先の実施例より広く、たとえば2μm としている。そして各溝5間のストライプ領域のすべてにn型ターンオフチャネル層8とp型ドレイン層9が溝5に接して形成され、溝5から離れた位置にn型ソース層10が形成されている。ここで、n型ソース層10が、これとp型ベース層4,n型ベース層1およびp型エミッタ層3との間で構成される寄生サイリスタがラッチアップしないように形成されることは、先の実施例と同様である。ただしn型ソース層10とn型ターンオフチャネル層8とは連続している。   In this embodiment, the interval between the grooves 5 is wider than that in the previous embodiment, for example, 2 μm. An n-type turn-off channel layer 8 and a p-type drain layer 9 are formed in all the stripe regions between the grooves 5 in contact with the grooves 5, and an n-type source layer 10 is formed at a position away from the grooves 5. Here, the fact that the n-type source layer 10 is formed such that the parasitic thyristor formed between it and the p-type base layer 4, the n-type base layer 1 and the p-type emitter layer 3 does not latch up is This is the same as the previous embodiment. However, the n-type source layer 10 and the n-type turn-off channel layer 8 are continuous.

この実施例では、n型ターンオフチャネル層8の下にあるp型ベース層4の溝5の側面部がターンオンチャネルとなっている。すなわち溝5に埋込み形成されたゲート電極7は、ターンオン用とターンオフ用を兼用しており、ターンオフ用pチャネルMOSFETとターンオン用nチャネルMOSFETが縦積みされた状態に形成されている。   In this embodiment, the side surface of the groove 5 of the p-type base layer 4 below the n-type turn-off channel layer 8 is a turn-on channel. That is, the gate electrode 7 buried in the groove 5 serves both for turn-on and for turn-off, and is formed in a state where a turn-off p-channel MOSFET and a turn-on n-channel MOSFET are vertically stacked.

この実施例の素子は、ゲート電極7に正電圧を印加して、p型ベース層4の溝5側面にn型チャネルを形成することにより、ターンオンする。このときn型ソース層10からn型ターンオフチャネル層8を介し、反転n型チャネルを介してn型ベース層1に電子が注入される。ゲート電極7に負電圧または零電圧を与えて、先の実施例と同様にターンオフする。   The device of this embodiment is turned on by applying a positive voltage to the gate electrode 7 and forming an n-type channel on the side surface of the groove 5 of the p-type base layer 4. At this time, electrons are injected from the n-type source layer 10 to the n-type base layer 1 via the n-type turn-off channel layer 8 and the inverted n-type channel. A negative voltage or zero voltage is applied to the gate electrode 7, and the gate electrode 7 is turned off as in the previous embodiment.

この実施例によっても、先の実施例と同様の効果が得られる。   According to this embodiment, the same effect as that of the previous embodiment can be obtained.

図10は、本発明の第3の実施例の埋込み絶縁ゲート型電力半導体素子のレイアウトであり、図11,図12および図13はそれぞれ図10のA−A′,B−B′およびC−C′断面図である。この実施例は、第2の実施例の構成を基本として、埋込みゲート電極部の幅とこれに挟まれる領域の幅の比をより大きくしたものである。   FIG. 10 is a layout of a buried insulated gate power semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. FIGS. 11, 12 and 13 show AA ', BB' and C- of FIG. It is C 'sectional drawing. In this embodiment, based on the configuration of the second embodiment, the ratio of the width of the buried gate electrode portion to the width of the region sandwiched by the buried gate electrode portion is further increased.

具体的な素子寸法は、n型ベース層1となる高抵抗はn型ウェハの厚みを450μm とし、これに両側からn型バッファ層2を15μm 、p型ベース層4を2μm の深さで形成する。p型ベース層4に形成する溝5は、幅5μm ,間隔1μm 、深さ5μm とする。ゲート酸化膜6は0.1μm 以下のの熱酸化膜又はONO膜とする。n型ターンオフチャネル層8は、表面にp型ドレイン層9が形成されて実質0.5μm のチャネル長となる。n型ソース層10は1μm 以下、p型エミッタ層3は、約4μm の深さに拡散形成する。   The specific dimensions of the element are as follows. The high resistance to be the n-type base layer 1 is such that the thickness of the n-type wafer is 450 μm, the n-type buffer layer 2 is 15 μm from both sides, and the p-type base layer 4 is 2 μm deep. I do. The groove 5 formed in the p-type base layer 4 has a width of 5 μm, an interval of 1 μm, and a depth of 5 μm. The gate oxide film 6 is a thermal oxide film or ONO film of 0.1 μm or less. The n-type turn-off channel layer 8 has a channel length of substantially 0.5 μm with the p-type drain layer 9 formed on the surface. The n-type source layer 10 is formed to a depth of 1 μm or less, and the p-type emitter layer 3 is formed to a depth of about 4 μm.

この実施例の素子も第2の実施例と同様の動作となる。この実施例では、素子内で埋込みゲート電極部の占める面積を、これに挟まれる領域の面積より十分大きくしている。この結果、埋込みゲート電極部を含む広義のエミッタ領域内での正孔に対する抵抗が大きくなり、その結果としてこの広義のエミッタ領域の電子注入効率が上がる。つまり、n型ソース層10領域の面積に比べて埋込みゲート電極領域の面積が大きいにも拘らず、電子電流に対する抵抗と正孔電流に対する抵抗の差によって等価的に大きな電子注入効率が得られ、低いオン抵抗が実現される。そしてn型ソース層10そのものの実際の電子注入効率は低いため、ターンオフ能力はIGBT並みに高いものとなる。   The device of this embodiment operates in the same manner as the second embodiment. In this embodiment, the area occupied by the buried gate electrode portion in the device is made sufficiently larger than the area of the region sandwiched by the buried gate electrode portion. As a result, the resistance to holes in the broadly defined emitter region including the buried gate electrode portion increases, and as a result, the electron injection efficiency of the broadly defined emitter region increases. In other words, despite the area of the buried gate electrode region being larger than the area of the n-type source layer 10 region, an equivalently large electron injection efficiency is obtained by the difference between the resistance to the electron current and the resistance to the hole current, Low on-resistance is realized. Since the actual electron injection efficiency of the n-type source layer 10 itself is low, the turn-off capability is as high as that of an IGBT.

図14は、第3の実施例を変形した実施例のレイアウトであり、図15,図16および図17はそれぞれ、図14のA−A′,B−B′およびC−C′断面図である。この実施例では、先の実施例と異なり、溝5がp型ベース層4内に止まっている。   FIG. 14 shows a layout of an embodiment obtained by modifying the third embodiment. FIGS. 15, 16 and 17 are sectional views taken along lines AA ', BB' and CC 'of FIG. 14, respectively. is there. In this embodiment, unlike the previous embodiment, the groove 5 stops in the p-type base layer 4.

この実施例でも、各部の素子寸法を最適設計することによって、先の実施例と同様に、低いオン抵抗と高い電流遮断能力の両立を図ることができる。   In this embodiment as well, by optimizing the element dimensions of each part, it is possible to achieve both low on-resistance and high current interrupting capability, as in the previous embodiment.

図18は、第2の実施例の素子を基本として、アノード側にも同様の埋込みゲート構造を適用した実施例の単位セル部の断面構造を示している。すなわちn型ベース層のカソード側の面に第2の実施例で説明したように、埋込みゲート電極7が形成され、その埋込み溝4に挟まれてp型ベース層,n型ソース層が形成され、溝4の側面にはn型ターンオフチャネル層およびp型ドレイン層が形成されている。このカソード側と対照的に、アノード側にも溝20が形成されてここにゲート電極21が埋込み形成され、溝20の間には、カソード側とは各部の導電型が逆になった拡散層が形成されている。   FIG. 18 shows a sectional structure of a unit cell portion of an embodiment in which a similar buried gate structure is applied to the anode side on the basis of the device of the second embodiment. That is, as described in the second embodiment, the buried gate electrode 7 is formed on the surface of the n-type base layer on the cathode side, and the p-type base layer and the n-type source layer are formed between the buried grooves 4. On the side surface of the groove 4, an n-type turn-off channel layer and a p-type drain layer are formed. In contrast to the cathode side, a groove 20 is also formed on the anode side, in which a gate electrode 21 is buried, and a diffusion layer having a conductivity type opposite to that of the cathode side is provided between the grooves 20. Is formed.

図18には、具体的な素子寸法が示されている。またカソード側のA−A′部分およびB−B′部分の不純物濃度分布を示すと、それぞれ図19(a) (b) のようになっている。   FIG. 18 shows specific element dimensions. 19 (a) and 19 (b) show the impurity concentration distributions of the AA 'portion and the BB' portion on the cathode side, respectively.

この実施例の素子では、ターンオン時、アノード側の埋込みゲート電極21にもアノード電極に対して負の電圧が印加される。ターンオフ時はアノード側の埋込みゲート電極21にはアノード電極に対して零または正の電圧が印加される。 この実施例の素子によっても、先の実施例と同様の効果が得られる。   In the device of this embodiment, at the time of turn-on, a negative voltage is applied to the buried gate electrode 21 on the anode side with respect to the anode electrode. At the time of turn-off, zero or positive voltage is applied to the buried gate electrode 21 on the anode side with respect to the anode electrode. According to the element of this embodiment, the same effect as that of the previous embodiment can be obtained.

ここで、本発明の埋込み絶縁ゲート型素子が大電流領域でもサイリスタ動作しないpnpn構造を採用しながら、サイリスタ並みの低いオン抵抗が得られる理由について、シミュレーションデータを参照しながら詳細に説明する。   Here, the reason why the buried insulated gate element of the present invention employs a pnpn structure in which a thyristor does not operate even in a large current region and obtains an ON resistance as low as a thyristor will be described in detail with reference to simulation data.

図20は、計算に使用したモデルの1/2セルの断面図であり、図21はその新型エミッタ構造の原理説明図である。図20の基本はIGBTであるので、通常のサイリスタにおけるn型エミッタは存在しない。カソード側の電子注入はMOSチャネルにより行われて、このMOSFETを構成するn型ドレイン層がn型エミッタとして寄生サイリスタがラッチアップしないように、正孔電流のバイパス抵抗を十分小さく設計する。しかし正孔電流のバイパス抵抗を小さくすることは、図20の構造をサイリスタ(またはダイオード)と比較した場合のn型エミッタの注入効率を低下させることと等価であり、素子のオン電圧の上昇という結果を招く。   FIG. 20 is a cross-sectional view of a half cell of the model used for the calculation, and FIG. 21 is a diagram illustrating the principle of the new emitter structure. Since an IGBT is the basis of FIG. 20, there is no n-type emitter in a normal thyristor. Electron injection on the cathode side is performed by the MOS channel, and the bypass resistance of the hole current is designed to be sufficiently small so that the parasitic thyristor does not latch up with the n-type drain layer constituting the MOSFET as the n-type emitter. However, reducing the bypass resistance of the hole current is equivalent to lowering the injection efficiency of the n-type emitter when the structure of FIG. 20 is compared with a thyristor (or a diode). Results.

この事をわかりやすく示したのが図21である。MOSのソース層と埋込みゲートを微細寸法で配列した本発明の素子では、MOSのソース層と埋込みゲート部を含めた領域全体をエミッタ領域として考えて、その注入効率を考える方が分かり易い。即ち、図中の破線で囲んだ領域を広義のエミッタ領域と定義すると、この広義のエミッタ領域の注入効率γは、正孔電流抵抗Rp と電子電流抵抗Rn によって次のように表すことができる。   FIG. 21 shows this fact clearly. In the device of the present invention in which the MOS source layer and the buried gate are arranged in fine dimensions, it is easier to understand the injection efficiency by considering the entire region including the MOS source layer and the buried gate as the emitter region. That is, if the region surrounded by the broken line in the drawing is defined as a broadly defined emitter region, the injection efficiency γ of the broadly defined emitter region can be expressed as follows by the hole current resistance Rp and the electron current resistance Rn.

γ=Jn /(Jn +Jp )
=(Rp /Rn )/{1+(Rp /Rn )} … (8)
但し、広義のエミッタ領域端での横方向の電位分布はないものと仮定している。 ここで、Rp /Rn =3とすると、γ=0.75であり、Rp /Rn =4とすると、γ=0.8である。
γ = Jn / (Jn + Jp)
= (Rp / Rn) / {1+ (Rp / Rn)} (8)
However, it is assumed that there is no lateral potential distribution at the end of the emitter region in a broad sense. Here, if Rp / Rn = 3, γ = 0.75, and if Rp / Rn = 4, γ = 0.8.

通常のサイリスタまたはダイオードのエミッタ注入効率が0.7以上であることを考えると、図20の埋込み絶縁ゲート構造のIGBTでも、広義のエミッタの注入効率を0.8以上にすれば、すなわちRp /Rn >4とすれば、サイリスタ並みのオン電圧が得られることを意味している。   Considering that the emitter injection efficiency of a normal thyristor or diode is 0.7 or more, even in the IGBT having the buried insulated gate structure in FIG. 20, if the emitter injection efficiency in a broad sense is 0.8 or more, that is, Rp / If Rn> 4, it means that an on-voltage equivalent to that of a thyristor can be obtained.

現在の平面ゲート構造のIGBTでは、Rp /Rn がほぼ3程度であり、Rp /Rn >4にするとラッチアップ耐量が低下する。その理由は幾つかあるが、例えば、平面ゲート構造のIGBTではその構造上、横方向の電子電流抵抗と正孔電流抵抗の差をつけにくいことがある。オン状態での横方向抵抗が低く(100A/cm2 の電流密度通電時で、約3×1016/cm3 のキャリアがあり、p型ベース層による正孔横方向抵抗が減少している)、この横方向の抵抗で正孔電流抵抗を稼ごうとしても、単位面積当りのMOSオンチャネル数の減少を招き、逆に電子電流抵抗を増大させる結果となり、したがって広義のエミッタの注入効率が低下してしまう。ESTなどの場合、正孔電流抵抗を稼ぐためにセルサイズを大きくするが、この方法は単位面積当りのオンチャネル数を減らすことになり、正孔電流抵抗が十分増える前に電子電流抵抗が増加してしまうので、結局広義のエミッタ領域の注入効率が上がらず、素子のオン抵抗を小さくすることが難しい。また単純に正孔電流の短絡率を下げて正孔電流抵抗を上げようとすると、ラッチアップ耐量が下がってしまう。 In the current IGBT having a planar gate structure, Rp / Rn is about 3, and when Rp / Rn> 4, the latch-up resistance decreases. For several reasons, for example, in a IGBT having a planar gate structure, it may be difficult to make a difference between the electron current resistance and the hole current resistance in the lateral direction due to the structure. Low lateral resistance in the ON state (at a current density of 100 A / cm 2 , there are about 3 × 10 16 / cm 3 carriers, and the lateral resistance of holes due to the p-type base layer is reduced) However, even if an attempt is made to increase the hole current resistance with this lateral resistance, the number of MOS on-channels per unit area is reduced, and consequently the electron current resistance is increased, thus lowering the emitter injection efficiency in a broad sense. Resulting in. In the case of EST or the like, the cell size is increased in order to increase the hole current resistance. However, this method reduces the number of on-channels per unit area, and increases the electron current resistance before the hole current resistance increases sufficiently. As a result, the injection efficiency of the emitter region in a broad sense is not improved, and it is difficult to reduce the on-resistance of the device. In addition, simply trying to increase the hole current resistance by lowering the short-circuit rate of the hole current decreases the latch-up resistance.

そこで、単位面積当りのMOSチャネル数を増やしながら、正孔電流の短絡抵抗を下げずに、正孔電流抵抗を電子電流抵抗の4倍以上とする構造が必要になる。本発明者等の検討結果によれば、埋込みゲート構造の幅と深さ,間隔等を最適化することによって、この様な条件が実現できることが明らかになった。   Therefore, a structure is required in which the hole current resistance is four times or more the electron current resistance without increasing the short-circuit resistance of the hole current while increasing the number of MOS channels per unit area. According to the examination results of the present inventors, it has become clear that such conditions can be realized by optimizing the width, depth, interval, and the like of the buried gate structure.

以下に具体的なシュレーションデータを示す。先ず、計算に使用した図20のIGBT構造は、順阻止耐圧4500Vのものであって、その素子パラメータは次の通りである。不純物濃度1×1013/cm3 ,厚さ450μm のn型高抵抗シリコン基板を用いて、アノード側には、深さ15μm 、表面濃度1×1016/cm3 のn型バッファ層と、深さ4μm ,表面濃度1×1019/cm3 のp型エミッタ層を形成している。カソード側には、深さ2μm ,表面濃度1×1017/cm3 のp型ベース層と、深さ0.2μm ,表面濃度1×1019/cm3 のp型ソース層を形成している。カソード側の埋込みゲート部のゲート電極は厚さ0.05μm のシリコン酸化膜またはONO膜等により分離されている。 The following shows specific schlation data. First, the IGBT structure of FIG. 20 used for the calculation has a forward blocking voltage of 4500 V, and the device parameters are as follows. Using an n-type high-resistance silicon substrate having an impurity concentration of 1 × 10 13 / cm 3 and a thickness of 450 μm, an n-type buffer layer having a depth of 15 μm and a surface concentration of 1 × 10 16 / cm 3 is provided on the anode side. A p-type emitter layer having a thickness of 4 μm and a surface concentration of 1 × 10 19 / cm 3 is formed. The cathode side, depth 2 [mu] m, are formed with p-type base layer of the surface concentration 1 × 10 17 / cm 3, the depth 0.2 [mu] m, the p-type source layer on the surface concentration of 1 × 10 19 / cm 3 . The gate electrode of the buried gate on the cathode side is separated by a silicon oxide film or ONO film having a thickness of 0.05 μm.

図20に示すように、埋込みゲート部の深さはD(p型ベース層からn型ベース層内に突き出た部分)であり、セルサイズは2C、エミッタ幅は2Wであり、したがって埋込みゲート部の幅とエミッタ幅の比率は、W/(C−W)である。これらの寸法C,W,Dと、正孔ライフタイムτp をパラメータとして、素子のオン電圧に与える埋込みゲート電極構造の効果を調べた。その結果が、図22〜図27である。   As shown in FIG. 20, the depth of the buried gate portion is D (a portion protruding from the p-type base layer into the n-type base layer), the cell size is 2C, and the emitter width is 2W. Is the ratio of W / (C−W). Using these dimensions C, W, and D and the hole lifetime τp as parameters, the effect of the buried gate electrode structure on the ON voltage of the device was examined. The results are shown in FIGS.

図22は、セルサイズが2C=6μm 、エミッタ幅が2W=1μm 、したがって埋込みゲート部の幅が2(C−W)=5μm 、正孔ライフタイムがτp =τn=2.0μsec のモデルで、埋込みゲート部の深さDを変化させた時のアノード・カソード間電圧2.6Vでの素子電流密度を求めた結果である。ゲート印加電圧は+15V(すべてのオン電圧の計算で共通)である。   FIG. 22 shows a model in which the cell size is 2C = 6 μm, the emitter width is 2W = 1 μm, the width of the buried gate is 2 (C−W) = 5 μm, and the hole lifetime is τp = τn = 2.0 μsec. This is a result of obtaining a device current density at an anode-cathode voltage of 2.6 V when the depth D of the buried gate portion is changed. The gate applied voltage is +15 V (common for all on-voltage calculations).

図23は、エミッタ幅2W=1μm 、埋込みゲート部の深さD=5μm 、正孔ライフタイムτp =30μsec のモデルで、埋込みゲート部の幅C−Wを変化させた時の、アノード・カソード間電圧2.6Vでの素子電流密度を求めた結果である。   FIG. 23 shows a model in which the emitter width is 2 W = 1 μm, the depth of the buried gate is D = 5 μm, and the hole lifetime is τp = 30 μsec. It is a result of obtaining the element current density at a voltage of 2.6 V.

図23に示すように、埋込みゲート部の幅が1μm から5μm 程度までは埋込みゲート部の幅が増加するにしたがって素子電流は急激に増加するが、10μm 程度で電流は頭打ちとなり、15μm になると素子電流は逆に減り始める。この現象は、次のように説明できる。埋込みゲート部の幅がエミッタ幅に比べて広くなると、エミッタ直下の埋込み溝側面近くの正孔電流密度が高くなり、その結果埋込み溝下部側面で電位が上昇する。この結果MOSチャネルが飽和していない状態では電子電流に対する正孔電流の比率が増加し、結果として広義のエミッタ領域の注入効率が高くなって、素子電流密度が増加する。しかし、埋込みゲート部の幅が更に広くなると、MOSチャネルが飽和すると共に、単位面積当りのMOSチャネル数が減少することによって、電子電流のMOSチャネル抵抗が大きくなり、素子に流れる電子電流が制限されて、エミッタ注入効率が低下し、素子電流が減少することになる。   As shown in FIG. 23, when the width of the buried gate is from about 1 μm to about 5 μm, the device current sharply increases as the width of the buried gate increases. However, when the width of the buried gate is about 10 μm, the current reaches a plateau. The current starts to decrease in reverse. This phenomenon can be explained as follows. When the width of the buried gate is wider than the width of the emitter, the hole current density near the side of the buried groove immediately below the emitter increases, and as a result, the potential rises on the lower side of the buried groove. As a result, when the MOS channel is not saturated, the ratio of the hole current to the electron current increases, and as a result, the injection efficiency of the emitter region in a broad sense increases, and the element current density increases. However, when the width of the buried gate portion is further widened, the MOS channel is saturated and the number of MOS channels per unit area is reduced, so that the MOS channel resistance of the electron current is increased and the electron current flowing through the element is limited. As a result, the emitter injection efficiency decreases and the device current decreases.

また、p型ベース層とn型エミッタ層のコンタクトをカソード短絡と考えると、埋込みゲート部の幅が広くなるとこのカソード短絡の横方向抵抗を増やすのと同じ効果(注入効率に関しては、広義のエミッタ領域内のカソード短絡率を減らしたと等価)があり、この結果注入効率が増加してオン電圧が下がる。しかし、埋込みゲート部の幅が広くなり過ぎると、単位面積当りのオンチャネル数が減少する結果、電子電流抵抗が増加するので、注入効率が低下してオン電圧が上がる。   Further, when the contact between the p-type base layer and the n-type emitter layer is considered as a cathode short circuit, when the width of the buried gate portion is increased, the same effect as increasing the lateral resistance of the cathode short circuit is obtained (in terms of injection efficiency, the emitter is broadly defined). This is equivalent to reducing the cathode short-circuit rate in the region), and as a result, the injection efficiency increases and the on-voltage decreases. However, if the width of the buried gate portion becomes too wide, the number of on-channels per unit area decreases, and as a result, the electron current resistance increases, so that the injection efficiency decreases and the on-voltage increases.

図24は、エミッタ幅2W=1μm 、埋込みゲート部の深さD=5μm 、正孔ライフタイムτp =2.0μsec のモデルで、埋込みゲート部の幅C−Wを変化させた時のアノード・カソード間電圧2.6Vでの素子電流密度を求めた結果である。埋込みゲート部の幅が1μm から5μm 程度までは急激に電流が増えるが、10μm から15μm で頭打ちとなる。τp =30μsec の場合に比べて、電流が飽和する埋込みゲート部幅が広いのは、素子に流れる電流の絶対値が小さい(1/10程度)からである。   FIG. 24 shows a model having an emitter width of 2 W = 1 μm, a buried gate depth D of 5 μm, and a hole lifetime τp = 2.0 μsec. The anode / cathode when the width CW of the buried gate is changed It is the result of obtaining the element current density at an inter-voltage of 2.6 V. The current increases sharply when the width of the buried gate portion is about 1 μm to 5 μm, but reaches a plateau at 10 μm to 15 μm. The reason why the width of the buried gate where the current is saturated is wider than in the case of τp = 30 μsec is that the absolute value of the current flowing through the element is small (about 1/10).

図25は、エミッタ幅2W=1μm 、埋込みゲート部の深さD=5μm 、正孔ライフタイムτp =2μsec のモデルで、埋込みゲート部の幅2(C−W)が1μm の場合(A)と15μm の場合(B)の、アノード・カソード間順方向電圧を変化させた時の電流特性をプロットしたものである。   FIG. 25 shows a model in which the emitter width 2W = 1 μm, the depth D of the buried gate portion is 5 μm, and the hole lifetime τp = 2 μsec, and the case where the width 2 (C−W) of the buried gate portion is 1 μm is (A). It is a plot of the current characteristics when the forward voltage between the anode and the cathode is changed in the case of 15 μm (B).

図に示すように、アノード・カソード間電圧が13Vの点で電流がクロスしている。13V以下では、埋込みゲート部の幅15μm のモデルの方が電流値が大きく、特に2V以下では1桁電流値が大きい。13V以上では電流値の大きさが逆転する。   As shown in the figure, the current crosses at a point where the anode-cathode voltage is 13V. At 13 V or less, the current value is larger in the buried gate portion having a width of 15 μm, and especially at 2 V or less, the single digit current value is larger. Above 13V, the magnitude of the current value is reversed.

図26は、図20のIGBT素子モデルを、先の第2の実施例の素子構造に変更した図30の素子モデルについて、エミッタ幅2W=3μm 、埋込みゲート部の幅2(C−W)=13μm 、埋込みゲート部の深さD=12.5μm 、p型ベース層深さ2.5μm 、n型ソース層の深さ1μm 、p型ドレイン層の深さ0.5μm 、正孔ライフタイムτp =1.85μsec としたときの電流−電圧特性である。アノード・カソード間電圧が2.6Vの時に素子電流が100A/cm2 となるように、τp が設定されている。 FIG. 26 shows the device model of FIG. 30 in which the IGBT device model of FIG. 20 is changed to the device structure of the second embodiment, with an emitter width 2W = 3 μm and a buried gate portion width 2 (C−W) = 13 μm, buried gate depth D = 12.5 μm, p-type base layer depth 2.5 μm, n-type source layer depth 1 μm, p-type drain layer depth 0.5 μm, hole lifetime τp = This is a current-voltage characteristic when 1.85 μsec is set. Τp is set so that the device current becomes 100 A / cm 2 when the anode-cathode voltage is 2.6 V.

図27は同様に、図30のモデルでの電流密度Iak=5223[A/cm2 ],Vak=25Vからの抵抗負荷でのターンオフ波形である。ゲート電圧上昇率dVG /dt=−30[V/μsec ]で、+15Vから−15Vまでゲート電圧を変化させてある。 Similarly, FIG. 27 shows a turn-off waveform in the model of FIG. 30 with a current density Iak = 5223 [A / cm 2 ] and a resistance load from Vak = 25 V. The gate voltage is changed from +15 V to -15 V at a gate voltage rise rate dVG / dt = -30 [V / .mu.sec].

ちなみに、100A/cm2 の時のエミッタ領域直下のキャリア濃度を1×1016/cm3 と仮定すると、エミッタ幅W=1.5μm 、埋込みゲート部の深さD=12.5μm での正孔電流抵抗は、
Rp =0.5×12.5×10-4÷1.5×10-4 =4.2Ω … (9)
であり、電子電流抵抗をRn =1Ωとすると、注入効率はγ=0.81である。
Incidentally, assuming that the carrier concentration immediately below the emitter region at 100 A / cm 2 is 1 × 10 16 / cm 3 , holes at an emitter width W of 1.5 μm and a buried gate depth D of 12.5 μm are obtained. The current resistance is
Rp = 0.5 × 12.5 × 10 −4 ÷ 1.5 × 10 −4 = 4.2Ω (9)
When the electron current resistance is Rn = 1Ω, the injection efficiency is γ = 0.81.

以上のデーから明らかなように、埋込み絶縁ゲート部を含む広義のエミッタ領域の形状寸法を最適化することによって、サイリスタ動作をさせることなく、サイリスタと同程度の低いオン抵抗を実現できることが分かる。   As is clear from the above data, it is understood that by optimizing the shape and size of the emitter region in a broad sense including the buried insulated gate portion, it is possible to realize an on-resistance as low as that of the thyristor without operating the thyristor.

従来の方法ではエミッタ層は単一の高濃度不純物拡散層からなり、このエミッタ拡散層から高抵抗ベース層にキャリアを注入していた。本発明は、従来の単一の高濃度不純物拡散層の代わりに高抵抗ベースへのキャリア注入と排出にMOSチャネルとキャリア排出の流れをコントロールする構造(即ち、キャリア排出抵抗又は拡散電流を局所的に変化させる)を使うことによって従来の高濃度不純物拡散層を使わなくとも高い注入効率を得る構造に関するものである。   In the conventional method, the emitter layer is composed of a single high-concentration impurity diffusion layer, and carriers are injected from the emitter diffusion layer into the high-resistance base layer. The present invention provides a structure for controlling the flow of MOS channel and carrier discharge for carrier injection and discharge to the high resistance base instead of the conventional single high concentration impurity diffusion layer (ie, the carrier discharge resistance or diffusion current is locally controlled). The present invention relates to a structure for obtaining high injection efficiency without using a conventional high-concentration impurity diffusion layer.

本発明において、カソード側のpベース短絡抵抗は、隣り合う埋込みゲート部を跨ぐ距離2D+2(C−W)に比例し、エミッタ幅2Wに反比例する傾向がある。そこで、次のパラメータXを導入する。   In the present invention, the p-base short-circuit resistance on the cathode side tends to be proportional to the distance 2D + 2 (C−W) straddling the adjacent buried gate portion and inversely proportional to the emitter width 2W. Therefore, the following parameter X is introduced.

X={2D+2(C−W)}/2W
={D+(C−W)}/W …(10)
このパラメータXは、カソード側の正孔バイパスまたはドレイン層が互いにどれだけ離れているかを表す量で、小さければ小さいほどカソード側の正孔の排出抵抗(短絡抵抗)が小さいことを意味する。
X = {2D + 2 (C−W)} / 2W
= {D + (C−W)} / W (10)
The parameter X is an amount indicating how far the hole bypass or drain layer on the cathode side is apart from each other. The smaller the parameter X, the smaller the discharge resistance (short-circuit resistance) of the hole on the cathode side.

図28は、このパラメータXを横軸にとって、素子のライフタイムτp と前述のD,C,Wを変化させた時の素子に流れる電流密度を表したものである。白丸は、τp =30μsec ,W=0.5μm ,D=5μm でCを変化させた時のもの、黒丸はτp =2μsec ,W=0.5μm ,C=1μm でDを変化させた時のもの、二重丸はτp =2μsec ,W=1.5μm ,C=8μm ,D=15μm の時のもの、×印はτp =2μsec ,W=0.4μmec ,C=1 μm でDを変化させたものである。   FIG. 28 shows the life time τp of the element and the current density flowing through the element when D, C, and W are changed with the parameter X as the horizontal axis. Open circles are when τp = 30 μsec, W = 0.5 μm, D = 5 μm and C is changed, and black circles are when τp = 2 μsec, W = 0.5 μm and C = 1 μm and D is changed. , Double circles are for τp = 2 μsec, W = 1.5 μm, C = 8 μm, D = 15 μm, and x marks are D for τp = 2 μsec, W = 0.4 μmec, C = 1 μm. Things.

順方向耐圧4500Vの素子で100A/cm2 の電流容量を確保するためには例えば、W=0.5μm 、D=2μm 、C=1μm として、
X≧5
とすることが必要である。さらに図22〜図28のデータより、W=0.5μm 、D=5μm 、C=1μm のとき、X=11であり、W=1.5μm 、D=13.5μm 、C=8μm のとき、X〜13である。すなわち、X>8或いはX>10、さらに好ましくは、X>13とすることによって、著しく特性が向上することがわかる。
In order to secure a current capacity of 100 A / cm 2 with an element having a forward breakdown voltage of 4500 V, for example, W = 0.5 μm, D = 2 μm, and C = 1 μm.
X ≧ 5
It is necessary to Further, from the data of FIGS. 22 to 28, when W = 0.5 μm, D = 5 μm, and C = 1 μm, X = 11, and when W = 1.5 μm, D = 13.5 μm, and C = 8 μm, X to 13. That is, it is understood that the characteristics are remarkably improved by setting X> 8 or X> 10, and more preferably X> 13.

なおこの場合のオン状態でのキャリア濃度分布を対応する断面と共に示したのが、図29である。右側のグラフ中、実線は本発明、破線は従来例である。IGBT構造の場合と比べて、n- 型ベース層のカソード側にキャリア濃度分布のピークを持つことに本発明の特徴が見られる。オン状態でのn- 型ベース層のキャリア濃度は、1011〜1018/cm3 、より好ましくは1×1015〜1×1018/cm3 程度となるように設計される。 FIG. 29 shows the carrier concentration distribution in the ON state in this case together with the corresponding cross section. In the graph on the right side, the solid line is the present invention, and the broken line is the conventional example. The feature of the present invention is that the carrier concentration distribution peaks on the cathode side of the n -type base layer as compared with the case of the IGBT structure. The carrier concentration of the n − -type base layer in the ON state is designed to be 10 11 to 10 18 / cm 3 , more preferably about 1 × 10 15 to 1 × 10 18 / cm 3 .

また、寸法W,D,CのうちWが小さければ小さいほど、Xは大きくなり、実際の素子特性は向上する。しかし、Dは大きくなると正孔抵抗が増すだけでなく、オンチャネルを通って高抵抗ベースに注入されるキャリアの抵抗も増大する。例えば、D=500μm になると、注入キャリアの抵抗による電圧降下と排出正孔の抵抗による電圧降下が等しくなり、素子のトータルのオン電圧が高くなる。   In addition, the smaller W among the dimensions W, D, and C, the larger X becomes, and the actual element characteristics are improved. However, as D increases, not only does the hole resistance increase, but also the resistance of carriers injected into the high-resistance base through the on-channel increases. For example, when D = 500 μm, the voltage drop due to the resistance of the injected carriers and the voltage drop due to the resistance of the discharged holes become equal, and the total on-voltage of the element increases.

また、Cを大きくすると、Wの範囲の電流密度が上り、広義のエミッタ注入効率は上るが、Cを大きくすることは単位面積当りのオンチャネル数を減らすことになり、Cを余り大きくすると実質的なオンチャネル抵抗が増大してしまう。図28にも見られるように、X>30μm 以上でその傾向が現れるから、Cは500μm 以下に設計するのが好ましい。   Also, when C is increased, the current density in the range of W is increased and the emitter injection efficiency in a broad sense is increased. However, increasing C decreases the number of on-channels per unit area, and increasing C too much increases The actual on-channel resistance increases. As can be seen from FIG. 28, the tendency appears when X> 30 μm or more, so that C is preferably designed to be 500 μm or less.

図31は、本発明の他の実施例の埋込み絶縁ゲート型電力半導体素子のレイアウトであり、図32および図33はそれぞれ図31のA−A′およびB−B′断面図である。   FIG. 31 is a layout of a buried insulated gate power semiconductor device according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 32 and 33 are sectional views taken along lines AA 'and BB' of FIG. 31, respectively.

この実施例では、溝5がn型ベース層1に達する深さをもってp型ベース層4を矩形に取り囲むように形成され、さらにその中に複数本のストライプ状の溝5が周辺の溝5と連続して形成されている。溝5内にはゲート酸化膜6を介して埋込みゲート電極7が形成されている。   In this embodiment, the groove 5 is formed so as to surround the p-type base layer 4 in a rectangular shape with a depth reaching the n-type base layer 1, and a plurality of stripe-shaped grooves 5 are formed therein with the peripheral groove 5. It is formed continuously. A buried gate electrode 7 is formed in the trench 5 via a gate oxide film 6.

溝5の間のストライプ状領域のp型ベース層4内には、n型ターンオフチャネル層8が形成されている。そしてこのn型ターンオフチャネル層8に、溝5の長手方向に沿って交互に、p型ドレイン層9とn型ソース層10が分散配置されて形成されている。p型ドレイン層9はn型ターンオフチャネル層8の表面部に形成され、n型ソース層10とn型ターンオフチャネル層8は実際には同じ拡散層である。   An n-type turn-off channel layer 8 is formed in the p-type base layer 4 in the stripe region between the grooves 5. A p-type drain layer 9 and an n-type source layer 10 are formed in the n-type turn-off channel layer 8 alternately along the longitudinal direction of the trench 5. The p-type drain layer 9 is formed on the surface of the n-type turn-off channel layer 8, and the n-type source layer 10 and the n-type turn-off channel layer 8 are actually the same diffusion layer.

この実施例の素子は、n型エミッタ層10の下にあるp型ベース層4の溝5の側面部がターンオンチャネルとなっている。またp型ドレイン層9下のn型ターンオフチャネル層8の溝5側面部がターンオフチャネルとなる。したがって先の実施例と同様に、溝5に埋込み形成されたゲート電極7がターンオン用とターンオフ用を兼ねている。   In the device of this embodiment, the side surface of the groove 5 of the p-type base layer 4 below the n-type emitter layer 10 is a turn-on channel. The side surface of the groove 5 of the n-type turn-off channel layer 8 below the p-type drain layer 9 becomes a turn-off channel. Therefore, similarly to the previous embodiment, the gate electrode 7 buried in the groove 5 serves both for turning on and for turning off.

この実施例の素子は、埋込みゲート電極7に正電圧を印加して、p型ベース層4の溝側面にn型チャネルを形成することにより、ターンオンする。埋込みゲート電極7に負電圧を印加すると、n型ターンオフチャネル層8の溝側面部にp型チャネルが形成されて、先の各実施例と同様にしてターンオフする。   The device of this embodiment is turned on by applying a positive voltage to the buried gate electrode 7 to form an n-type channel on the groove side surface of the p-type base layer 4. When a negative voltage is applied to the buried gate electrode 7, a p-type channel is formed on the side surface of the groove of the n-type turn-off channel layer 8, and the p-type channel is turned off in the same manner as in the above embodiments.

この実施例によっても、先の各実施例と同様の効果が得られる。またこの実施例の素子は、先の実施例と同様に埋込みゲート部で耐圧を担うため、p型ベース層4の不純物濃度を低いものとする事ができる。たとえば、p型ベース層4のピーク不純物濃度を1×1016/cm3 程度とすることができ、これに伴ってn型ターンオフチャネル層8のピーク不純物濃度を1×1017/cm3 程度とすることができる。その結果、n型ターンオフチャネル層8の溝側面にp型チャネルを形成するに必要なしきい値はたとえば5V程度の小さいものとすることができ、小さいゲート電圧でオフ制御ができる。 According to this embodiment, the same effects as those of the previous embodiments can be obtained. Further, in the device of this embodiment, since the buried gate portion bears the breakdown voltage as in the previous embodiment, the impurity concentration of the p-type base layer 4 can be reduced. For example, the peak impurity concentration of the p-type base layer 4 can be set to about 1 × 10 16 / cm 3 , and accordingly, the peak impurity concentration of the n-type turn-off channel layer 8 is set to about 1 × 10 17 / cm 3. can do. As a result, the threshold necessary for forming a p-type channel on the trench side surface of the n-type turn-off channel layer 8 can be made as small as, for example, about 5 V, and off-control can be performed with a small gate voltage.

第34図は、本発明の別の実施例の埋込み絶縁ゲート型半導体素子のレイアウトであり、図35および図36はそれぞれ、図34のA−A′およびB−B′断面図である。   FIG. 34 is a layout of a buried insulated gate semiconductor device according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 35 and 36 are sectional views taken along AA 'and BB' of FIG. 34, respectively.

この実施例の素子は、図31〜図33の実施例の素子のp型ベース層4を省略したもので、所謂静電誘導サイリスタとなっている。n型ベース層1の不純物濃度と、溝5の幅(図35の断面に示される溝5に挟まれたn型ベース層1の幅)を適当な値に設定すれば、溝5に挟まれたn型ベース層1の部分全体の電位を埋込みゲート電極7により制御する事ができる。   The device of this embodiment is a device in which the p-type base layer 4 of the embodiment of FIGS. 31 to 33 is omitted, and is a so-called electrostatic induction thyristor. By setting the impurity concentration of the n-type base layer 1 and the width of the groove 5 (the width of the n-type base layer 1 sandwiched between the grooves 5 shown in the cross section of FIG. 35) to appropriate values, The entire potential of the n-type base layer 1 can be controlled by the buried gate electrode 7.

ゲート電極7に正の電圧を印加して、溝5に挟まれたn型ベース層1の電位を上げると、n型ソース層10から電子が注入されて、素子はターンオンする。ゲート電極7に負の電圧を印加すると、n型ターンオフチャネル層8の溝側面にp型チャネルが形成されて、n型ベース層1のキャリアがp型ドレイン層9を介してカソード電極13に排出されるようになり、素子はターンオフする。   When a positive voltage is applied to the gate electrode 7 to increase the potential of the n-type base layer 1 sandwiched between the trenches 5, electrons are injected from the n-type source layer 10 and the device turns on. When a negative voltage is applied to the gate electrode 7, a p-type channel is formed on the groove side surface of the n-type turn-off channel layer 8, and carriers of the n-type base layer 1 are discharged to the cathode electrode 13 via the p-type drain layer 9. And the device turns off.

図37は、さらに別の実施例の埋込み絶縁ゲート型半導体素子のレイアウトであり、図38および図39はそれぞれ図37のA−A′およびB−B′断面図である。   FIG. 37 is a layout of a buried insulated gate type semiconductor device of still another embodiment, and FIGS. 38 and 39 are sectional views taken along lines AA 'and BB' of FIG. 37, respectively.

この実施例は、図31〜図33の実施例の素子を僅かに変形したものである。複数本のストライプ状の溝5は、互いに独立しており、これらの周囲は深いp型ベース層4′により囲まれている。埋込みゲート部の間のp型ベース層4に形成されるn型ターンオフチャネル層8、p型ドレイン層9、n型ソース層10の分布や深さ等は先の実施例と同様である。   This embodiment is a slightly modified element of the embodiment shown in FIGS. The plurality of stripe-shaped grooves 5 are independent of each other, and the periphery thereof is surrounded by a deep p-type base layer 4 '. The distribution, depth, and the like of the n-type turn-off channel layer 8, p-type drain layer 9, and n-type source layer 10 formed in the p-type base layer 4 between the buried gate portions are the same as those in the previous embodiment.

図40は、さらに別の実施例の埋込み絶縁ゲート型半導体素子のレイアウトであり、図41および図42はそれぞれ図40のA−A′およびB−B′断面図である。   FIG. 40 is a layout of a buried insulated gate semiconductor device of still another embodiment, and FIGS. 41 and 42 are cross-sectional views taken along AA 'and BB' of FIG. 40, respectively.

この実施例は、図34〜図35の実施例の素子を、図37〜図39の実施例と同様に変形したものである。   This embodiment is a modification of the element of the embodiment of FIGS. 34 to 35 in the same manner as the embodiment of FIGS. 37 to 39.

これらの実施例によっても、先の各実施例と同様の効果が得られる。   According to these embodiments, effects similar to those of the preceding embodiments can be obtained.

図42〜図44は、図31〜図33の実施例を変形して、p型ベース層4を埋込みゲート部より深くした実施例である。   42 to 44 show an embodiment in which the embodiment of FIGS. 31 to 33 is modified to make the p-type base layer 4 deeper than the buried gate portion.

図46〜図48は、さらに図43〜図45の実施例を変形して、n型ターンオフチャネル層8を省略した実施例である。   FIGS. 46 to 48 show an embodiment in which the n-type turn-off channel layer 8 is omitted from the embodiment shown in FIGS. 43 to 45.

図49〜図51はさらに、図46〜図48の構造においてp型べー層を省略した実施例である。   FIGS. 49 to 51 show an embodiment in which the p-type base layer is omitted from the structures of FIGS. 46 to 48.

これらの実施例によっても、前述したように各部の形状寸法、特に埋込みゲート部の幅と間隔を最適設計して、広義のエミッタ領域の注入効率を十分に大きくして低いオン抵抗を実現することができる。   Also according to these embodiments, as described above, the shape and dimensions of each part, particularly the width and the interval of the buried gate part, are optimally designed, and the injection efficiency of the emitter region in a broad sense is sufficiently increased to realize a low on-resistance. Can be.

図52〜図55は、図11〜図14の実施例と同様の構造をIGBTに適用した実施例であ。溝5の側面に接してn型ソース層10が形成され、カソード電極1はこのn型ソース層10とこれらの間に露出するp型ベース層4に同時にコンタクトする。   FIGS. 52 to 55 show an embodiment in which the same structure as the embodiment of FIGS. 11 to 14 is applied to an IGBT. An n-type source layer 10 is formed in contact with the side surface of groove 5, and cathode electrode 1 simultaneously contacts n-type source layer 10 and p-type base layer 4 exposed therebetween.

図56〜図58は、同様に図37〜図39の構造をIGBTに適用した実施例である。   FIGS. 56 to 58 are examples in which the structures of FIGS. 37 to 39 are similarly applied to IGBTs.

図59は、図53の変形例である。エミッタ幅2Wに対して埋込みゲート部の幅2(C−W)が余り広いと、溝加工の信頼性が低下する。この様な場合に本来一つでよい溝を複数個に分けて形成することにより、歩留まり向上が図られる。幅2(C−W)の中に露出するn型ベース層部分にはp型ベースやn型ソースは形成されない。   FIG. 59 is a modification of FIG. If the width 2 (CW) of the buried gate portion is too large with respect to the emitter width 2W, the reliability of the groove processing is reduced. In such a case, the yield can be improved by forming a single groove, which is originally required, into a plurality of grooves. No p-type base or n-type source is formed in the n-type base layer exposed in the width 2 (C-W).

図60〜図62は、本発明を横型のIGBTに適用した実施例の単位セル部のレイアウトとそのA−A′,B−B′断面図である。第1のシリコン基板20と第2のシリコン基板22を間に酸化膜21を挟んで直接接着して得られたウェハの第2のシリコン基板22側を素子領域として、これを所定厚みに加工してn型ベース層1とする。このn型ベース層1に底部酸化膜21に達する深さの溝5が形成されここにゲート電極71 が埋込み形成される。埋込みゲートの間にp型ベース層4およびn型ソース層10が形成され、これらの上にはゲート酸化膜6を介して埋込みゲート電極7と連続する表面ゲート電極72 が形成される。埋込みゲート部から所定処理離れた位置にp型エミッタ層3が形成されている。p型エミッタ層3と埋込みゲート部の間には、p- 型リサーフ層23が形成されている。 60 to 62 are a layout of a unit cell portion of an embodiment in which the present invention is applied to a horizontal IGBT and sectional views taken along the lines AA 'and BB'. A wafer obtained by directly bonding the first silicon substrate 20 and the second silicon substrate 22 with the oxide film 21 interposed therebetween is used as a device region on the side of the second silicon substrate 22, and is processed to a predetermined thickness. To form an n-type base layer 1. A groove 5 having a depth reaching the bottom oxide film 21 is formed in the n-type base layer 1, and a gate electrode 71 is buried therein. A p-type base layer 4 and an n-type source layer 10 are formed between the buried gates, and a surface gate electrode 72 continuous with the buried gate electrode 7 via a gate oxide film 6 is formed thereon. A p-type emitter layer 3 is formed at a position away from the buried gate portion by a predetermined process. A p -type RESURF layer 23 is formed between the p-type emitter layer 3 and the buried gate portion.

図63〜図65は、上の実施例を変形してアノード側に埋込みゲートを設けた横型のIGBTの実施例のレイアウトとそのA−A′およびB−B′断面図である。素子形成側の第2の基板22をp- 型ベース層24として、上の実施例と同様に溝5が形成され、これに埋込みゲート電極71 が形成される。溝の間にn型ベース層1′、その中にp型ドレイン層3′が形成され、これらの上に上の実施例と同様に表面ゲート電極72 が形成される。そしてドレイン領域から所定距離離れてn型ソース層10′が形成される。 FIG. 63 to FIG. 65 are a layout of an embodiment of a lateral IGBT in which a buried gate is provided on the anode side by modifying the above embodiment, and its AA ′ and BB ′ sectional views. Using the second substrate 22 on the element formation side as the p type base layer 24, a groove 5 is formed in the same manner as in the above embodiment, and a buried gate electrode 71 is formed therein. An n-type base layer 1 'is formed between the grooves, and a p-type drain layer 3' is formed therein. A surface gate electrode 72 is formed thereon similarly to the above embodiment. Then, an n-type source layer 10 'is formed at a predetermined distance from the drain region.

図66〜図68は、図1〜図5の実施例と同様の素子を横型素子として実現した実施例のレイアウトとそのA−A′およびB−B′断面図である。先の実施例と対応する部分には先の実施例と同一符号を付して詳細な説明は省略する。   66 to 68 are a layout of an embodiment in which elements similar to the embodiment of FIGS. 1 to 5 are realized as horizontal elements, and sectional views taken along the lines AA 'and BB'. Parts corresponding to those in the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as in the previous embodiment, and detailed description is omitted.

図69〜図71は、上の実施例の各部の導電型を逆にした実施例の素子のレイアウトとそのA−A′およびB−B′断面図である。   FIGS. 69 to 71 are a layout of the device of the embodiment in which the conductivity type of each part of the above embodiment is reversed, and sectional views taken along AA 'and BB' thereof.

図31の実施例において、n型ソース層の幅dN+とp型ドレイン層の幅dP+が略等しい状態で示されているが、dN+>dP+とすればオン特性が改善され、dN+<dP+とすればオフ特性が改善される。したがってこれらの幅の関係を最適設計することにより、所望の特性が得られる。このことは、図34,図37,図40,図43,図46,図49,図56の素子においても同様である。   In the embodiment of FIG. 31, the width dN + of the n-type source layer and the width dP + of the p-type drain layer are shown to be substantially equal. However, if dN +> dP +, the ON characteristics are improved, and dN + <dP +. In this case, the off characteristic is improved. Therefore, a desired characteristic can be obtained by optimally designing the relationship between these widths. This applies to the elements shown in FIGS. 34, 37, 40, 43, 46, 49, and 56.

可制御最大電流を増すためには、dN+をキャリア拡散長程度かそれ以下に形成することが望ましく、オン電圧を下げたいときには最小の可制御最大電流を保証できる範囲でこれを大きく形成することが望ましい。   In order to increase the maximum controllable current, it is desirable to form dN + to be equal to or less than the carrier diffusion length, and when it is desired to reduce the on-voltage, it is necessary to form dN + as large as possible so that the minimum controllable maximum current can be guaranteed. desirable.

以上のように本発明によれば、深い埋込み絶縁ゲート構造と、この埋込み絶縁ゲートに挟まれた幅の狭い正孔電流通路を広い間隔で形成した構造、および注入効率を小さく抑えたカソードエミッタ構造の組合わせによって、電圧駆動型の素子であってラッチアップさせることなくGTOサイリスタ並の特性を実現することができる。   As described above, according to the present invention, a deep buried insulated gate structure, a structure in which narrow hole current paths sandwiched between the buried insulated gates are formed at wide intervals, and a cathode emitter structure in which the injection efficiency is suppressed to be small By combining these, it is possible to realize characteristics similar to those of a GTO thyristor without causing a latch-up due to a voltage-driven element.

横型素子の実施例をさらにいくつか説明する。   Some further examples of the lateral element will be described.

図72〜図74は、図66〜図68の実施例の素子を変形した実施例である。この実施例では、p型ドレイン層9が埋込みゲート72 により挟まれた領域のみならず、埋込みゲート72 のカソード側端部側壁にまで延在させて設けられている。   FIGS. 72 to 74 show embodiments in which the elements of the embodiments of FIGS. 66 to 68 are modified. In this embodiment, the p-type drain layer 9 is provided so as to extend not only to the region sandwiched by the buried gates 72, but also to the side wall on the cathode side of the buried gates 72.

図75〜図77は、図72〜図74の構造を変形した実施例で、n型エミッタ層8を素子底部に達しない深さに拡散形成している。   75 to 77 show an embodiment in which the structure of FIGS. 72 to 74 is modified, in which the n-type emitter layer 8 is diffused to a depth that does not reach the bottom of the element.

図78〜80の実施例は、第2の基板22として、底部にp+ 型層25を持つp- 型基板を用いて、その表面にn- 型ベース層1を形成した他、図76〜図77の実施例と同様である。 The embodiment of FIGS. 78 to 80 uses a p type substrate having ap + type layer 25 at the bottom as the second substrate 22 and forms the n type base layer 1 on the surface thereof. This is similar to the embodiment of FIG.

図81〜図83は、図78〜図80の実施例を変形したもので、埋込みゲート電極71 の幅に比べて表面ゲート電極72 の幅を大きく選び、埋込みゲート電極71 により挟まれた領域から所定距離離れたカソード側に、表面ゲート電極72 で制御されるターンオンチャネル領域およびターンオフチャネル領域を形成した実施例である。   FIGS. 81 to 83 show modifications of the embodiment shown in FIGS. 78 to 80. The width of the surface gate electrode 72 is selected to be larger than that of the buried gate electrode 71, and the region between the buried gate electrodes 71 is selected. In this embodiment, a turn-on channel region and a turn-off channel region controlled by a surface gate electrode 72 are formed on the cathode side at a predetermined distance.

図84以下は縦型素子の他の実施例の1/2セル断面構造を示している。   FIG. 84 et seq. Show a half-cell sectional structure of another embodiment of the vertical element.

図84は、長い電子注入チャネルが形成される領域(幅Wで示す)の間の領域(幅Lで示す)には、図59のような埋込みゲートを設けないようにした実施例である。   FIG. 84 shows an embodiment in which a buried gate as shown in FIG. 59 is not provided in a region (represented by width L) between regions (represented by width W) in which a long electron injection channel is formed.

図85は、図84の素子において電子注入チャネルが形成されない領域にも埋込み絶縁ゲート構造を形成した実施例である。ゲート電極7は溝5を完全には埋め込まず複数の溝5に沿って連続的に形成されている。そしてゲート電極7が形成された素子表面に溝5を埋めて表面を平坦化するようにCVD酸化膜31が形成されている。   FIG. 85 shows an embodiment in which a buried insulated gate structure is formed also in a region where an electron injection channel is not formed in the device of FIG. The gate electrode 7 is formed continuously along the plurality of trenches 5 without completely filling the trenches 5. Then, a CVD oxide film 31 is formed on the element surface on which the gate electrode 7 is formed so as to fill the groove 5 and flatten the surface.

図86は、図84の素子の電子注入チャネルが形成されない溝間にp型層32を形成した実施例である。このp型層32を設けることによって、チャネルが形成されない領域でのカソード電極11とn型ベース層1間の耐圧を十分なものとすることができる。   FIG. 86 shows an embodiment in which the p-type layer 32 is formed between the grooves where the electron injection channel is not formed in the device of FIG. 84. By providing the p-type layer 32, the withstand voltage between the cathode electrode 11 and the n-type base layer 1 in a region where a channel is not formed can be made sufficient.

図87は、図86の素子構造において、ゲート電極7を多結晶シリコン膜により溝5を完全には埋めないように形成して、チャネルが形成されない領域でこれに重ねてAl ,Ti,Mo等の低抵抗金属ゲート33を形成したものである。低抵抗金属ゲート33上はポリイミド等の有機絶縁膜34で覆っている。   FIG. 87 shows that, in the device structure of FIG. 86, the gate electrode 7 is formed by a polycrystalline silicon film so as not to completely fill the groove 5, and is overlapped with Al, Ti, Mo, etc. in a region where a channel is not formed. In which the low resistance metal gate 33 is formed. The low resistance metal gate 33 is covered with an organic insulating film 34 such as polyimide.

図88は更に、チャネルが形成されない領域全体に溝5を形成して、この溝5に沿って多結晶シリコン・ゲート電極7を形成すると共に、溝5の底部に低抵抗金属ゲート33を埋込み形成した実施例である。   FIG. 88 further shows that a groove 5 is formed in the entire region where a channel is not formed, a polysilicon gate electrode 7 is formed along the groove 5, and a low-resistance metal gate 33 is buried at the bottom of the groove 5. This is a working example.

以上に説明した各実施例において、埋込みゲートで挟まれたチャネル領域に、正孔電流バイパス抵抗を大きくするために、イオン注入等による低キャリアライフタイム層、或いはn型ベース層より高濃度のn型層等を設けることも有効である。   In each of the embodiments described above, in the channel region sandwiched between the buried gates, in order to increase the hole current bypass resistance, a low carrier lifetime layer by ion implantation or the like or a higher concentration of n than the n-type base layer. It is also effective to provide a mold layer and the like.

例えば図89は、図86の素子において、p型ベース層4下にn型ベース層1より高濃度のn型層35を設けた実施例である。また図90は、p型ベース層4の下に低キャリアライフタイム層36を形成した実施例である。   For example, FIG. 89 shows an embodiment in which an n-type layer 35 having a higher concentration than the n-type base layer 1 is provided under the p-type base layer 4 in the device of FIG. FIG. 90 shows an embodiment in which the low carrier lifetime layer 36 is formed under the p-type base layer 4.

図91は、図87の構造を変形した実施例で、p型層32の上部にフローティングのn+ 型エミッタ層36を形成したものである。電子注入部はp型ドレインがなく、IGBT構造となっており、ゲート電極7に正電圧を印加した時に溝5の側壁に沿ってn型ソース層10からn+ 型エミッタ層36の間にチャネルが形成されて、n+ 型エミッタ層36がカソード電極11に繋がる。 FIG. 91 shows an embodiment in which the structure shown in FIG. 87 is modified, in which a floating n + -type emitter layer 36 is formed on the p-type layer 32. The electron injection portion has no p-type drain and has an IGBT structure. When a positive voltage is applied to the gate electrode 7, a channel is formed between the n-type source layer 10 and the n + -type emitter layer 36 along the side wall of the groove 5. Is formed, and the n + -type emitter layer 36 is connected to the cathode electrode 11.

図92は、同様に図86の素子に対して、図91と同様の変形を施した実施例である。   FIG. 92 shows an embodiment in which the same modification as that of FIG. 91 is applied to the element of FIG.

図93は、図85の実施例の素子において、電子注入チャネル領域の外側の溝間に、p型ベース層4と同時に形成されるp型層32を設けた実施例である。更に図94は、図93のp型層32をp型ベース層4とは別にこれより深く形成して、その上部にフローティングのn型エミッタ層36を形成した実施例である。   FIG. 93 shows an embodiment in which the p-type layer 32 formed simultaneously with the p-type base layer 4 is provided between the grooves outside the electron injection channel region in the device of the embodiment shown in FIG. FIG. 94 shows an embodiment in which the p-type layer 32 of FIG. 93 is formed deeper than the p-type base layer 4 and a floating n-type emitter layer 36 is formed thereon.

図95は、図91のp型層32およびn+ 型エミッタ層36をより深く形成して、埋込みゲート27により制御されるターンオン・チャネルを短くした実施例である。 FIG. 95 shows an embodiment in which the p-type layer 32 and the n + -type emitter layer 36 of FIG. 91 are formed deeper to shorten the turn-on channel controlled by the buried gate 27.

前述した各実施例は、“独特にアレンジされたトレンチゲート電極構造による正孔バイパス抵抗を増加させ、以て電子注入効率を改善し半導体デバイスのオン抵抗を低下させる”という概念に基づいている。ここで注目すべき重要な事実は、本発明によれば、低下されたオン抵抗の達成は、本来、“正孔パイパス抵抗の増加”にこだわらなくてもよいという点である。なぜなら、キャリア注入の強化は、“正孔バイパス抵抗の増加”という思想を包含している“正孔の拡散電流と電子電流の比率を大きくする”という原理に基づいているからである。   Each of the embodiments described above is based on the concept of "increase the hole bypass resistance due to the uniquely arranged trench gate electrode structure, thereby improving the electron injection efficiency and reducing the on-resistance of the semiconductor device". An important fact to note here is that according to the present invention, achieving a reduced on-resistance does not have to be inherently "increasing the hole bypass resistance". This is because the enhancement of carrier injection is based on the principle of "increase the ratio of hole diffusion current to electron current" which includes the concept of "increase in hole bypass resistance".

図96は本発明の更なる実施例に係るIEGT(injection-Enhanced Gate Bipolar Transistor)のレイアウトであり、図97,図98,図99および図100はそれぞれ、図96のA−A′,B−B′,C−C′およびD−D′断面図である。このトランジスタ構造において、図6〜図9の実施例と同様な部分には同様な参照符号が付されている。   FIG. 96 is a layout of an IEGT (Injection-Enhanced Gate Bipolar Transistor) according to a further embodiment of the present invention, and FIGS. 97, 98, 99 and 100 are respectively AA ′ and B− of FIG. It is B ', CC' and DD 'sectional drawing. In this transistor structure, the same parts as those in the embodiment of FIGS. 6 to 9 are denoted by the same reference numerals.

n型ソース層はn+ 型半導体層10により構成される。これらのソース領域10は、p型ドレイン層4の表面部において、図96に示すようにトレンチゲート電極7に直角に伸びている。これらのソース領域10のトレンチゲート電極7と関連する断面は図97に示す。隣合う二個のトレンチゲート電極7の各対の間に位置するn+ 型層10は、表面絶縁層202 によって第一の主電極層11から電気的に絶縁されている。 The n-type source layer is constituted by the n + -type semiconductor layer 10. These source regions 10 extend at right angles to the trench gate electrode 7 on the surface of the p-type drain layer 4, as shown in FIG. Cross sections of these source regions 10 associated with the trench gate electrode 7 are shown in FIG. The n + -type layer 10 located between each pair of two adjacent trench gate electrodes 7 is electrically insulated from the first main electrode layer 11 by the surface insulating layer 202.

図98に示されているように、隣接するトレンチゲート電極7間では、n+ 型層10はp型ドレインとして機能するp+ 型層9と交互配列されている。図99に示されている各トレンチゲート電極7の断面図は、図9のそれと同一である。p+ 型ドレイン領域9のトレンチゲート電極7に直角な方向での断面図は、図100に示されている。ここにおいて、図97の場合と同様なマナーで、隣合う二個のトレンチゲート電極7の各対の間に位置するp型ドレイン層9は、上記表面絶縁層202 によって第一の主電極層11から電気的に絶縁されている。このトランジスタ構造の具体的寸法は、図1〜図5のデバイスでのそれと同様でよい。 As shown in FIG. 98, between adjacent trench gate electrodes 7, n + -type layers 10 are alternately arranged with p + -type layers 9 functioning as p-type drains. The sectional view of each trench gate electrode 7 shown in FIG. 99 is the same as that of FIG. A cross-sectional view of the p + -type drain region 9 in a direction perpendicular to the trench gate electrode 7 is shown in FIG. Here, with the same manner as in the case of FIG. 97, the p-type drain layer 9 located between each pair of two adjacent trench gate electrodes 7 is separated from the first main electrode layer 11 by the surface insulating layer 202. Is electrically insulated from The specific dimensions of this transistor structure may be similar to those of the device of FIGS.

本実施例におけるIEGTの動作は次の通りである。ゲート電極7にカソード電極11に対して正極性の電圧が印加されると、p型ベース層4の周辺部に位置するターンオンチャネルが導通する。電子は、n型ソース層10からn型ベース層1に注入され、n型ベース層1に導電変調を起こす。これによりIEGTはIGBT動作によってターンオンする。   The operation of the IEGT in the present embodiment is as follows. When a positive voltage is applied to the gate electrode 7 with respect to the cathode electrode 11, the turn-on channel located in the peripheral portion of the p-type base layer 4 conducts. Electrons are injected from the n-type source layer 10 into the n-type base layer 1, causing conductivity modulation in the n-type base layer 1. As a result, the IEGT is turned on by the IGBT operation.

ゲート電極7にカソード電極11に対して負極性の電圧が印加されると、上記ターンオンチャネル領域からの電子の注入は止まる。トレンチゲート部のトレンチ5に面している側面部分(溝側側面部)に、反転層が形成される。公知のpチャネルMOSトランジスタ動作によって、p型ベース層4内のキャリアがp型ドレイン層9を介して、カソード電極11に排出される。半導体デバイスはターンオフする。この実施例の場合、このデバイスがターンオン状態でも、n型ソース層10、p型ベース層4、n型ベース層1及びp型エミッタ層3によって構成される寄生サイリスタは、ラッチアップしないように前述の説明のように特にアレンジされている。オンチャネルが閉じれば、n型ソース層10からの電子注入は直ちに停止する。   When a negative voltage is applied to the gate electrode 7 with respect to the cathode electrode 11, the injection of electrons from the turn-on channel region stops. An inversion layer is formed on a side surface portion (groove side surface portion) of the trench gate portion facing the trench 5. By the well-known p-channel MOS transistor operation, carriers in the p-type base layer 4 are discharged to the cathode electrode 11 via the p-type drain layer 9. The semiconductor device turns off. In the case of this embodiment, even when the device is turned on, the parasitic thyristor constituted by the n-type source layer 10, the p-type base layer 4, the n-type base layer 1, and the p-type emitter layer 3 is so described as to prevent latch-up. It is especially arranged as described in When the on-channel is closed, the injection of electrons from the n-type source layer 10 stops immediately.

IEBTによれば、ある一対のトレンチゲート7と、該一対のトレンチゲート電極の間に位置し且つ電極11から絶縁されているP+ 型ドレイン層9と、この絶縁されたP+ 型ドレイン層と対応するトレンチゲート電極7を挟んで隣合い且つ電極11とコンタクトしている他のP+ 型ドレイン層9とによって、“単位セル”が規定される。 According to the IEBT, a certain pair of trench gates 7, a P + -type drain layer 9 located between the pair of trench gate electrodes and insulated from the electrode 11, and the insulated P + -type drain layer A “unit cell” is defined by another P + -type drain layer 9 adjacent to and sandwiching the corresponding trench gate electrode 7 and in contact with the electrode 11.

電極11とコンタクトするp+ ドレイン層との間に、比較的幅の狭いトレンチ溝に囲まれ、電極11と絶縁された領域を形成することで、幅の広いトレンチ溝(2C−2W)を形成するという技術的な困難を回避し、幅の広いトレンチ溝と同等の効果を上げることが可能である。 A wide trench groove (2C-2W) is formed by forming a region surrounded by a relatively narrow trench groove and insulated from the electrode 11 between the p + drain layer in contact with the electrode 11. Therefore, it is possible to avoid the technical difficulty of performing such a process, and to achieve the same effect as a wide trench.

複数のトレンチゲート電極7の深さと間隔,数を適切にアレンジすることにより(具体例は既に提示した)、デバイスをサイリスタ動作させないようにしつつ充分に低いオン抵抗を得ることができる。IEGTの主電極11のp型ドレイン層9への“間引かれた”コンタクトは、正孔のバイパス電流の減少、即ち減少されたオン抵抗の実現に貢献している。また、この実施例では、オン状態で寄生サイリスタがラッチアップせず、ターンオフに際してはターンオフチャネルが開いて正孔の流れのバイパス路が形成される。従って、一旦ラッチアップされた後にターンオフするように構成された現行のGTOサイリスタ比べて、最大遮断電流能力は強化されている。   By appropriately arranging the depth, interval, and number of the plurality of trench gate electrodes 7 (specific examples have already been given), it is possible to obtain a sufficiently low on-resistance while preventing the device from operating as a thyristor. The “thinned-out” contact of the IEGT main electrode 11 to the p-type drain layer 9 contributes to a reduction in hole bypass current, that is, a reduced on-resistance. Further, in this embodiment, the parasitic thyristor does not latch up in the ON state, and the turn-off channel is opened at the time of turn-off, thereby forming a bypass for the flow of holes. Thus, the maximum breaking current capability is enhanced compared to current GTO thyristors configured to turn off once latched up.

ここで、正孔拡散電流の全電流に対する比率をアレンジすることにより大きな電子注入効率が得られる点について、説明を加える。   Here, the fact that a large electron injection efficiency can be obtained by arranging the ratio of the hole diffusion current to the total current will be described.

広義のエミッタ領域(一例を図21中に破線で囲んだ部分に示している)の不純物濃度が比較的低い場合、例えば広義のエミッタ領域の中でn〜pの伝導変調を生じる部分がある場合など、正孔の拡散電流Ip、特に縦方向(素子のアノード−カソード方向に平行に流れる拡散電流)と電子電流In(=I−Ip,I:全電流)の比を大きくするような構造を広義のエミッタ領域中に設けることで、広義のエミッタ領域の注入効率を増加し、素子のオン抵抗を減少させることができる。   When the impurity concentration of the emitter region in a broad sense (an example is shown in a portion surrounded by a broken line in FIG. 21) is relatively low, for example, when there is a portion in the emitter region in a broad sense that causes n to p conduction modulation. Such a structure as to increase the hole diffusion current Ip, particularly the ratio between the vertical direction (diffusion current flowing parallel to the anode-cathode direction of the device) and the electron current In (= I-Ip, I: total current). The provision in the broadly-defined emitter region can increase the injection efficiency of the broadly-defined emitter region and reduce the on-resistance of the device.

広義のエミッタ領域に流れる正孔電流Jp(A/cm2 )、n−ベースの広義のエミッタ側キャリア濃度n(cm-3)(図29中のn)とする。 The hole current Jp (A / cm 2 ) flowing through the emitter region in a broad sense, and the carrier concentration n (cm −3 ) in the broad sense of the n-base emitter (n in FIG. 29).

広義のエミッタ領域に流れる正孔電流が縦方向(A−K方向)のキャリアの拡散電流のみとすると、
Jp=2・μp・k・T・W・n/(C・D) …(12)
と表わすことができる。ここで、μpはホール易動度、kはボルツマン係数、Tは温度である。
If the hole current flowing through the emitter region in a broad sense is only the diffusion current of carriers in the vertical direction (AK direction),
Jp = 2 · μp · k · T · W · n / (C · D) (12)
Can be expressed as Here, μp is Hall mobility, k is Boltzmann coefficient, and T is temperature.

広義のエミッタ領域の正孔の注入効率γpは
γp=Jp/J=Jp/(Jn+Jp)
=2μp・k・T・W・n/(C・D・J) …(13)
Y=W/(C・D)とすると、
γp=2(μp・k・T・n/J)・Y
γpの値は、μp=500,k・T=4.14×10-21 、J=100A/cm2 とすると、
γp=2×(500×4.14×10-21 /100)×1×1016×Y
=4.14×10-4・Y …(16)
γpは注入効率が十分低い時には
γp=Jp/(Jn+Jp)=μp/(μn+μp)=0.3 …(17)
程度であろう。つまり、広義のエミッタ領域の注入効率が大きいとは、
γp<0.3 …(18)
ということであり、この条件を満たすYは、
4.14×10-4・Y<0.3
Y<0.3/4.14×10-4
Y<7.25×102 (cm-1) …(19)
比較的オン電圧の高い場合でn=7×1015の時は、
Y<1.0×103 (cm-1) …(20)
である。
The hole injection efficiency γp of the emitter region in a broad sense is γp = Jp / J = Jp / (Jn + Jp)
= 2μp ・ k ・ T ・ W ・ n / (C ・ D ・ J) (13)
If Y = W / (C · D),
γp = 2 (μp ・ k ・ T ・ n / J) ・ Y
Assuming that μp = 500, k · T = 4.14 × 10 −21 and J = 100 A / cm 2 ,
γp = 2 × (500 × 4.14 × 10 −21 / 100) × 1 × 10 16 × Y
= 4.14 × 10 -4 · Y (16)
When the injection efficiency is sufficiently low, γp = Jp / (Jn + Jp) = μp / (μn + μp) = 0.3 (17)
Will be about. In other words, the high injection efficiency of the emitter region in a broad sense means that
γp <0.3 (18)
That is, Y satisfying this condition is
4.14 × 10 -4 · Y <0.3
Y <0.3 / 4.14 × 10 −4
Y <7.25 × 10 2 (cm −1 ) (19)
When n = 7 × 10 15 when the on-voltage is relatively high,
Y <1.0 × 10 3 (cm −1 ) (20)
It is.

つまり、パラメータYを上記の範囲に設計することによって、カソード電極にコンタクトしている不純物拡散層の注入効率が低くても、広義のエミッタ領域の注入効率を増加できる。即ち、高抵抗ベース層のオン状態におけるキャリアの蓄積を増加させることができ、素子のオン抵抗を減少させることが可能である。   That is, by designing the parameter Y in the above range, the injection efficiency of the emitter region in a broad sense can be increased even if the injection efficiency of the impurity diffusion layer in contact with the cathode electrode is low. That is, the accumulation of carriers in the ON state of the high resistance base layer can be increased, and the ON resistance of the element can be reduced.

このように素子をアレンジした場合、注入効率の低いカソード拡散層は高い電流制御能力、高速のスイッチングを保証し、かつ本発明の効果である広義のエミッタ領域の注入効率の増加により、低い素子オン抵抗をも同時に実現することができる。   When the devices are arranged in this manner, the cathode diffusion layer having a low injection efficiency guarantees high current control capability and high-speed switching, and the effect of the present invention is to increase the injection efficiency of the emitter region in a broad sense. Resistance can also be realized at the same time.

広義のエミッタ領域が図20のようなトレンチ構造の場合、Yの値は前述のように図20のD,C,Wによって決まる。   When the emitter region in a broad sense has a trench structure as shown in FIG. 20, the value of Y is determined by D, C and W in FIG.

また、広義のエミッタ領域内に、不純物濃度の高いところ(抵抗でJpが流れる)と、不純物濃度の低いところが共存する場合、広義のエミッタ領域の注入効率は、前述のパラメータXとYの両方を考慮する必要がある。   Further, when a high impurity concentration portion (Jp flows through a resistor) and a low impurity concentration portion coexist in the broadly defined emitter region, the injection efficiency of the broadly defined emitter region depends on both the aforementioned parameters X and Y. It needs to be considered.

図100の断面構造は、図101に示すように変形される。ここで、n+ 型ソース層10は、トレンチゲート電極7が埋め込まれた各トレンチ5の両側端面に接合するように延びている。 The sectional structure in FIG. 100 is modified as shown in FIG. Here, the n + type source layer 10 extends so as to be bonded to both side end surfaces of each trench 5 in which the trench gate electrode 7 is embedded.

図102〜図106に示されたIEGTは、基本的に、図96〜図100のデバイスと図6〜図9のデバイスとの組み合わせである。言い換えれば、このIEGTは、各p+ 型ドレイン層9は“梯子型平面形状”を持っている点で、図96〜図100とは特徴的に異なっている。特に、図7で説明されたn型ソース層10が、p+ 型ベース層4の表面部に形成されている。n型ソース層10中において、各トレンチ5の両上方サイド端部に接合するようにp型ドレイン層9はアレンジされている。p型ドレイン層9は、n型ソース層10より浅い。p型ドレイン層9の底部とp型ドレイン層4とによりサンドウィッチされたn型ソース層10の部分は、図7で説明されたn型ターンオフチャネル層10として機能する。2つの隣接するトレンチゲート電極7間のn型ソース層10の中央部分は図2のn型ソース層10に相当している。基板表面上を見ると、2つの隣接するトレンチゲート電極7間において、p型ドレイン層9は、n型ソース層10を平面的に囲み、これにより梯子型の平面形状を呈する。 The IEGT shown in FIGS. 102 to 106 is basically a combination of the devices in FIGS. 96 to 100 and the devices in FIGS. 6 to 9. In other words, this IEGT is characteristically different from FIGS. 96 to 100 in that each p + -type drain layer 9 has a “ladder-shaped planar shape”. In particular, the n-type source layer 10 described in FIG. 7 is formed on the surface of the p + -type base layer 4. In the n-type source layer 10, the p-type drain layer 9 is arranged so as to be joined to both upper side ends of each trench 5. The p-type drain layer 9 is shallower than the n-type source layer 10. The portion of the n-type source layer 10 sandwiched by the bottom of the p-type drain layer 9 and the p-type drain layer 4 functions as the n-type turn-off channel layer 10 described with reference to FIG. The central portion of the n-type source layer 10 between two adjacent trench gate electrodes 7 corresponds to the n-type source layer 10 in FIG. When viewed from above the substrate surface, between two adjacent trench gate electrodes 7, the p-type drain layer 9 planarly surrounds the n-type source layer 10, thereby exhibiting a ladder-shaped planar shape.

図104に示されているように、n型ソース層10はp+ 型ドレイン層9より深く、従って、ここに示された断面構造に付いて見れば、n型ソース層10はp+ 型ドレイン層9を囲っている。図105に示された各トレンチゲート電極7の断面構造は、図99のそれと同一である。図106に示されているように、p+ 型ドレイン層9は、表面絶縁層202 によって“間引きされて”電極11にコンタクトされている。 As shown in FIG. 104, n-type source layer 10 is deeper than the p + -type drain layer 9, therefore, when viewed with the sectional structure shown here, n-type source layer 10 is p + -type drain Surrounds layer 9. The cross-sectional structure of each trench gate electrode 7 shown in FIG. 105 is the same as that of FIG. As shown in FIG. 106, the p + -type drain layer 9 is “decimated” by the surface insulating layer 202 and is in contact with the electrode 11.

本実施例のIEGTによれば、n型ターンオフチャネル層の直下に位置するp型ベース層4のトレンチ接合側面部がターンオンチャネルとして機能する。従って、複数のトレンチゲート電極7の双方が、ターンオン駆動電極及びターンオフ駆動電極とを兼用していると言える。即ち、ターンオフ用pチャネルMOSFETと、ターンオン用nチャネルMOSFETとがデバイス内部で縦積みされた構造である。トレンチゲート電極7に正極性電圧が印加されると、p型ベース層4の各トレンチ接合側面部にn型チャネルが形成され、以てデバイスをターンオンさせる。このとき、各n型ソース層10からn型ターンオフチャネル及び反転層形成により現われるn型チャネルを介してn型ベース層1に電子が注入される。ターンオフ動作は、トレンチゲート電極7に負極性電圧を与えることにより、図96〜図100の実施例200 と同様なマナーで行われる。本実施例のIEGTによっても、図96〜図100の実施例と同様な効果が得られる。   According to the IEGT of this embodiment, the trench junction side surface of the p-type base layer 4 located immediately below the n-type turn-off channel layer functions as a turn-on channel. Therefore, it can be said that both of the plurality of trench gate electrodes 7 also serve as the turn-on drive electrode and the turn-off drive electrode. That is, it has a structure in which a turn-off p-channel MOSFET and a turn-on n-channel MOSFET are vertically stacked inside the device. When a positive voltage is applied to the trench gate electrode 7, an n-type channel is formed on each trench junction side surface of the p-type base layer 4, thereby turning on the device. At this time, electrons are injected from each of the n-type source layers 10 into the n-type base layer 1 via the n-type turn-off channel and the n-type channel appearing when the inversion layer is formed. The turn-off operation is performed in a manner similar to that of the embodiment 200 shown in FIGS. 96 to 100 by applying a negative voltage to the trench gate electrode 7. According to the IEGT of this embodiment, the same effects as those of the embodiments of FIGS. 96 to 100 can be obtained.

最後に、図60〜図83に開示された横型IGBTの2つの変形例を、図107〜図202に提示する。図107〜図109の横型IGBT及び図110〜図112のIGBTの先の例との特徴的違いは、セル構造パラメータ“C”及び“W”の異なりが基板の厚さ方向に沿って設定された点にある。   Finally, two modifications of the horizontal IGBT disclosed in FIGS. 60 to 83 are presented in FIGS. 107 to 202. The characteristic difference between the horizontal IGBT of FIGS. 107 to 109 and the previous example of the IGBT of FIGS. 110 to 112 is that the difference of the cell structure parameters “C” and “W” is set along the thickness direction of the substrate. It is in the point.

図108および図109に示されているように、中間絶縁層21上のn- 型上方基板の表面に、全体的に均一の矩形断面形状をもつトレンチ222 が形成されている。導電層224 はトレンチ222 内に絶縁的に埋め込まれている。導電層224 の厚さはトレンチ222 の深さより大きく、従って、導電層224 の上半分は上方基板の表面からはみ出ている。導電層224 は、トレンチゲート電極として機能する。上方基板の厚さはCである。情報基板のトレンチ部の厚さ、即ちトレンチ222 の底部と中間絶縁層21とにサンドウイッチされた活性層の厚さは、図108に示されているように、Wである。このトレンチゲート電極224 の底部に接する部分に、電子注入用またはターンオフ用のチャネル領域が形成される。 As shown in FIGS. 108 and 109, a trench 222 having a generally uniform rectangular cross-sectional shape is formed on the surface of the n -type upper substrate on the intermediate insulating layer 21. The conductive layer 224 is buried insulatively in the trench 222. The thickness of the conductive layer 224 is greater than the depth of the trench 222, so that the upper half of the conductive layer 224 protrudes from the surface of the upper substrate. The conductive layer 224 functions as a trench gate electrode. The thickness of the upper substrate is C. The thickness of the trench portion of the information substrate, that is, the thickness of the active layer sandwiched between the bottom of the trench 222 and the intermediate insulating layer 21 is W, as shown in FIG. A channel region for electron injection or turn-off is formed at a portion in contact with the bottom of trench gate electrode 224.

このような横型IGBTでは、ターンオフ制御電極がMOSコントロールサイリスタ(MCT)構造となっている。図31〜図33の実施例でのように、p型ドレイン層幅Dp及びn型ソース層幅Dnを、もしDp<Dnとすればオン特性が強化され、Dp>Dnとすればターンオフ特性が強化される。これらの層の幅関係を最適にアレンジすれば、望まれるIGBTオン/オフ特性が容易に実現できる。このIGBTの可能制御最大電流を増すためには、幅Dnをキャリア拡散長程度もしくはそれ以下に形成することが望ましい。オン電圧を下げるには、可能制御最大電流の最小要求レベルを保証できる範囲で幅Dnを大きくすることが望ましい。   In such a lateral IGBT, the turn-off control electrode has a MOS control thyristor (MCT) structure. As in the embodiment of FIGS. 31 to 33, if the p-type drain layer width Dp and the n-type source layer width Dn satisfy Dp <Dn, the ON characteristics are enhanced, and if Dp> Dn, the turn-off characteristics are improved. Be strengthened. By appropriately arranging the width relationship between these layers, desired IGBT on / off characteristics can be easily realized. In order to increase the maximum controllable current of the IGBT, the width Dn is desirably formed to be equal to or less than the carrier diffusion length. In order to reduce the ON voltage, it is desirable to increase the width Dn within a range in which the minimum required level of the maximum controllable current can be guaranteed.

このIGBTによれば、トレンチゲート電極構造224 と中間絶縁膜21とによって挟まれた幅狭な(W)正孔電流通路を広げられた間隔で形成された構造、及び注入効率が低く抑制されたカソードエミッタ構造の組み合わせによって、抑制されたラッチアップを達成しつつ現行のGTOサイリスタ並にオン電圧が低められた電圧駆動型パワースイッチデバイスを実現することができる。   According to the IGBT, a structure in which a narrow (W) hole current path sandwiched between the trench gate electrode structure 224 and the intermediate insulating film 21 is formed at an extended interval, and the injection efficiency is suppressed to be low. By the combination of the cathode emitter structure, it is possible to realize a voltage-driven power switch device in which the on-voltage is reduced like a current GTO thyristor while achieving suppressed latch-up.

図110〜図112の横型IGBTは、n型ホールバイパス抵抗層226 が追加されている点を除いて図107〜図109のそれと似ている。ホールバイパス抵抗層226 は、トレンチゲート電極224 の底部に形成されており、図112に示されているように、n+ 型層10と接している。ホールバイパス抵抗層226 の不純物濃度が(例えば1016〜1021cm-3程度に)高ければ、IGBTのオン特性は改善される。もしホールバイパス抵抗層226 の不純物濃度が(例えば1013〜1018cm-3程度に)低ければ、IGBTのオフ特性を高く維持しつつオン特性の中程度の改善が期待できる。 The horizontal IGBTs of FIGS. 110 to 112 are similar to those of FIGS. 107 to 109 except that an n-type hole bypass resistance layer 226 is added. The hole bypass resistance layer 226 is formed at the bottom of the trench gate electrode 224, and is in contact with the n + -type layer 10, as shown in FIG. If the impurity concentration of the hole bypass resistance layer 226 is high (for example, about 10 16 to 10 21 cm −3 ), the ON characteristics of the IGBT are improved. If the impurity concentration of the hole bypass resistance layer 226 is low (for example, about 10 13 to 10 18 cm −3 ), a moderate improvement in the ON characteristics while maintaining the OFF characteristics of the IGBT high can be expected.

その他本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。   In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the spirit thereof.

本発明の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。1 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図1のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図1のB−B′断面図。BB 'sectional drawing of FIG. 図1のC−C′断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 1. 図1のD−D′断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line DD ′ of FIG. 1. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図6のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図6のB−B′断面図。FIG. 7 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 6. 図6のC−C′断面図。FIG. 7 is a sectional view taken along line CC ′ of FIG. 6. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図10のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図10のB−B′断面図。BB 'sectional drawing of FIG. 図10のC−C′断面図。FIG. 11 is a sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 10. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図14のA−A′断面図。FIG. 15 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 14. 図14のB−B′断面図。FIG. 15 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 14. 図14のC−C′断面図。FIG. 15 is a sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 14. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子の単位セル構造を示す断面図。FIG. 11 is a sectional view showing a unit cell structure of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図18の素子のA−A′およびB−B′一の不純物濃度分布を示す図。FIG. 19 is a diagram showing one of AA ′ and BB ′ impurity concentration distributions of the device of FIG. 18. シミュレーションモデルの埋込み絶縁ゲート型IBGTの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of a buried insulated gate IBGT of a simulation model. 図20のモデルの動作原理を説明するための図、Diagram for explaining the operation principle of the model of FIG. 20, 同モデルの埋込みゲート部の深さと電流密度の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the depth of a buried gate part and the current density of the same model. 同モデルの埋込みゲート部の幅と電流密度の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the width | variety of an embedded gate part and the current density of the same model. 同モデルの他の条件での埋込みゲート部の幅と電流密度の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the width | variety of a buried gate part and current density on the other conditions of the model. 同モデルの電流−電圧特性を示す図。The figure which shows the current-voltage characteristic of the same model. 同モデルの他の条件での電流−電圧特性を示す図。The figure which shows the current-voltage characteristic under other conditions of the same model. 同モデルの電流,電圧変化特性を示す図。The figure which shows the current and voltage change characteristic of the same model. パラメータX(D,W,C)およびキャリアライフタイムτp と素子の電流密度の関係を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between parameters X (D, W, C) and carrier lifetime τp and current density of the element. 素子のオン状態でのキャリア濃度分布を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a carrier concentration distribution in an ON state of the element. 同モデルを図6の実施例の素子に適用した構造を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a structure in which the same model is applied to the device of the embodiment in FIG. 6. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図31のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図31のB−B′断面図。FIG. 32 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 31. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図34のA−A′断面図。FIG. 35 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 34. 図34のB−B′断面図。FIG. 35 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 34. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図37のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図37のB−B′断面図。FIG. 38 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 37. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図40のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図40のB−B′断面図。FIG. 41 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 40. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図43のA−A′断面図。FIG. 44 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 43. 図43のB−B′断面図。FIG. 44 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 43. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図46のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図46のB−B′断面図。FIG. 47 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 46. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図49のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図49のB−B′断面図。FIG. 50 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 49. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図52のA−A′断面図。FIG. 53 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 52. 図52のB−B′断面図。FIG. 53 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 52. 図52のC−C′断面図。FIG. 53 is a sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 52. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図56のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 56. 図56のB−B′断面図。FIG. 57 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 56. 図53の変形例を示す図。The figure which shows the modification of FIG. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図60のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図60のB−B′断面図。FIG. 61 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 60. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図63のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 63. 図63のB−B′断面図。FIG. 63 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 63; 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図66のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図66のB−B′断面図。FIG. 67 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 66. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図69のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 69. 図69のB−B′断面図。FIG. 69 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 69. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図72のA−A′断面図。FIG. 72 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 72. 図72のB−B′断面図。FIG. 72 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 72. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図75のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図75のB−B′断面図。FIG. 76 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 75. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図78のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 78. 図78のB−B′断面図。FIG. 78 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 78. 他の実施例の絶縁ゲート型半導体素子のレイアウト図。FIG. 10 is a layout diagram of an insulated gate semiconductor device of another embodiment. 図81のA−A′断面図。FIG. 82 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 81. 図81のB−B′断面図。FIG. 83 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 81. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例の1/2セル断面構造を示す図。The figure which shows the 1/2 cell sectional structure of another Example. 他の実施例のIEGTのレイアウト図。FIG. 13 is a layout diagram of an IEGT according to another embodiment. 図96のA−A′断面図。FIG. 96 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 96. 図96のB−B′断面図。FIG. 96 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 96. 図96のC−C′断面図。FIG. 96 is a sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 96. 図96のD−D′断面図。FIG. 96 is a sectional view taken along the line DD ′ of FIG. 96. 図100の変形例を示す断面図。Sectional drawing which shows the modification of FIG. 他の実施例のIEGTのレイアウト図。FIG. 13 is a layout diagram of an IEGT according to another embodiment. 図102のA−A′断面図。AA 'sectional drawing of FIG. 図102のB−B′断面図。FIG. 103 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 102. 図102のC−C′断面図。FIG. 103 is a sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 102. 図102のD−D′断面図。FIG. 103 is a sectional view taken along the line DD ′ of FIG. 102. 図60〜図83の横型IGBTの変形例を示す図。FIG. 84 is a view showing a modification of the horizontal IGBT of FIGS. 60 to 83. 図60〜図83の横型IGBTの変形例を示す図。FIG. 84 is a view showing a modification of the horizontal IGBT of FIGS. 60 to 83. 図60〜図83の横型IGBTの変形例を示す図。FIG. 84 is a view showing a modification of the horizontal IGBT of FIGS. 60 to 83. 図60〜図83の横型IGBTの変形例を示す図。FIG. 84 is a view showing a modification of the horizontal IGBT of FIGS. 60 to 83. 図60〜図83の横型IGBTの変形例を示す図。FIG. 84 is a view showing a modification of the horizontal IGBT of FIGS. 60 to 83. 図60〜図83の横型IGBTの変形例を示す図。FIG. 84 is a view showing a modification of the horizontal IGBT of FIGS. 60 to 83.

符号の説明Explanation of reference numerals

1…n型ベース層、
2…n型バッファ層、
3…p型エミッタ層、
4…p型ベース層、
5…溝、
6…ゲート酸化膜、
7…ゲート電極、
8…n型ターンオフチャネル層、
9…p型ドレイン層、
10…n型ソース層、
11…カソード電極、
12…アノード電極。
1 ... n-type base layer,
2 ... n-type buffer layer,
3 ... p-type emitter layer,
4: p-type base layer,
5 ... groove,
6 ... gate oxide film,
7 ... gate electrode,
8 ... n-type turn-off channel layer,
9 ... p-type drain layer,
10 ... n-type source layer,
11 ... cathode electrode,
12 ... Anode electrode.

Claims (1)

第2導電型エミッタ層と、
前記第2導電型エミッタ層に接して形成された第1導電型ベース層と、
前記第1導電型ベース層内に形成された複数の溝にゲート絶縁膜を介して埋込み形成されたゲート電極と、
前記第1導電型ベース層表面部に前記溝の側面に接して形成された第1導電型のターンオフ用チャネル層と、
前記溝の側面に接して前記ターンオフ用チャネル層表面に形成された第2導電型ドレイン層と、
前記第1導電型ベース層の表面部に前記ターンオフ用チャネル層を越えない深さに拡散形成された第1導電型ソース層と、
前記第2導電型ドレイン層および第1導電型ソース層に同時にコンタクトして形成された第1の主電極と、
前記第2導電型エミッタ層に形成された第2の主電極と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体素子。
A second conductivity type emitter layer;
A first conductivity type base layer formed in contact with the second conductivity type emitter layer;
A gate electrode buried in a plurality of trenches formed in the first conductivity type base layer via a gate insulating film;
A first conductivity type turn-off channel layer formed on a surface of the first conductivity type base layer in contact with a side surface of the groove;
A second conductivity type drain layer formed on the surface of the turn-off channel layer in contact with a side surface of the groove;
A first conductivity type source layer diffused and formed to a depth not exceeding the turn-off channel layer on a surface portion of the first conductivity type base layer;
A first main electrode formed by simultaneously contacting the second conductivity type drain layer and the first conductivity type source layer;
A second main electrode formed on the second conductivity type emitter layer;
A power semiconductor device comprising:
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