JP2007266570A - Insulated gate bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチゲート型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTと呼ぶ)に関するものである。 The present invention relates to a trench gate type insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT).
電力変換装置の低消費電力化が進む中で、その中心的な役割を果たすパワーデバイスへの低消費電力化に対する期待は大きい。とりわけ、伝導度変調効果により、パワーMOSFETより低オン電圧が達成でき、ゲート駆動が可能である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下IGBTという)の低消費電力化への貢献度は大きく、その使用が定着してきている。また、半導体基板の表面上にゲート電極を設ける、通常の、いわゆるプレーナ型IGBTに比べ、基板表面からストライプ状のトレンチを掘り下げ、このトレンチ内にゲート電極を埋設するトレンチ型IGBTは、前記基板表面にほぼ垂直であって、かつ電流の流れる方向に平行に並ぶチャネルが多数形成されることになるので、近年普及しつつある。 Along with the progress of lower power consumption of power converters, there are great expectations for lower power consumption of power devices that play a central role. In particular, due to the conductivity modulation effect, an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT), which can achieve a lower on-voltage than a power MOSFET and can be driven by a gate, greatly contributes to lower power consumption, and its use has become established. Have been doing. Further, compared with a normal so-called planar type IGBT in which a gate electrode is provided on the surface of a semiconductor substrate, a trench type IGBT in which a stripe-shaped trench is dug from the surface of the substrate and a gate electrode is embedded in the trench is provided on the surface of the substrate. In recent years, a large number of channels are formed that are substantially perpendicular to each other and parallel to the direction of current flow.
トレンチ型IGBTにとって重要な特性の一つとして、オン電圧が挙げられ、小さいほうが好ましい。これを実現するためにいわゆる間引き構造のIGBTが提案されている。図20に従来のフルトレンチ型IGBT、図21に間引き型IGBTのトレンチを横切るように切断したときの断面図を示す。間引き構造IGBTは、オン電圧の低減を図るため、素子として機能するセル領域を連続して複数配置した構造のIGBTに対して、複数の連続したセル領域から周期的にセル領域を間引いた構造である。この素子ではフルトレンチ型IGBTと同じであるが、間引いた領域はエミッタ電極とコンタクトしていないために、Pベース層下の正孔は、エミッタ電極に吐き出されにくいためにここに蓄積し、n型ドリフト層のキャリア濃度分布はダイオードのそれに近くまでになるので、このIE通常のトレンチ型IGBTのオン電圧よりも低くなる(例えば、特許文献1参照)。この効果を一般にIE効果と呼ぶ。 One of the important characteristics for the trench IGBT is an on-voltage, and a smaller one is preferable. In order to realize this, a so-called thinned-out IGBT has been proposed. FIG. 20 is a cross-sectional view of the conventional full trench IGBT, and FIG. 21 is a cross-sectional view of the thinned IGBT that is cut across the trench. The thinned-out IGBT has a structure in which cell regions are periodically thinned out from a plurality of continuous cell regions in contrast to an IGBT having a structure in which a plurality of cell regions functioning as elements are continuously arranged in order to reduce the on-voltage. is there. This element is the same as the full trench type IGBT, but since the thinned region is not in contact with the emitter electrode, the holes under the P base layer are not easily discharged to the emitter electrode, and are accumulated here. Since the carrier concentration distribution of the type drift layer is close to that of the diode, it becomes lower than the ON voltage of the IE normal trench type IGBT (see, for example, Patent Document 1). This effect is generally called the IE effect.
具体的には、このIGBTは、P+型エミッタ層1と、N−型ドリフト層3と、N−型ドリフト層3の表面上のP型ベース領域4と、P型ベース領域4の内部表面側に位置するN+型エミッタ領域5と、P型ベース領域4の表面から、N+型エミッタ領域5およびP型ベース領域4を貫通して、N−型ドリフト層3に到達する深さのトレンチ7と、トレンチ7の内壁上に形成されたゲート酸化膜6と、トレンチ7の内部であって、ゲート酸化膜6上に形成されたゲート電極8と、P型ベース領域4の表面上に配置され、P型ベース領域4の一部およびN+型エミッタ領域5と電気的に接続されたエミッタ電極9と、P+型エミッタ層1の裏面に接して配置され、P+型エミッタ層1と電気的に接続されたコレクタ電極10とを備えている。
Specifically, the IGBT includes a P +
P型ベース領域4は、トレンチ7によって電気的に分断された2つの領域4a、4bを有し、この2つの領域4a、4bのうち、トレンチ7の図20および図21左側の領域4aのみに、N+型エミッタ領域5とP型ボディ領域11とが形成されている。また、左側の領域4aは、P型ボディ領域11を介して、エミッタ電極9と電気的に接続されている。N+型エミッタ領域5は、左側の領域4aのうち、トレンチ7の近傍の領域に部分的に配置されている。また、左側の領域4aのトレンチ7に接する部分にチャネルが形成される。この左側の領域4aが、上記したセル領域である。
The P-
一方、2つの領域4a、4bのうち、トレンチ7の図21中右側の領域4bは、絶縁膜12により、エミッタ電極9や他の電極と電気的に絶縁されており、フローティング状態となっている。この左側の領域4bが、複数の連続したセル領域からセル領域を間引いた領域である。
On the other hand, of the two
以下、このトレンチ型IGBTをオン状態にする動作について説明する。 Hereinafter, an operation for turning on the trench IGBT will be described.
オフ状態のエミッタ電極9とコレクタ電極10間において、エミッタ電極9をアースに接続し、これよりも高い電圧をコレクタ電極10に印加した場合、N−型ドリフト層2、P型ベース層3間の逆バイアス接合により、その逆耐電圧以下では阻止状態となるが、この状態でゲート電極7に閾値電圧より高い電圧を印加すると、ゲート駆動回路(図示せず)よりゲート抵抗を介してゲート電極7には電荷が蓄積され始める。同時に第一トレンチ7a内壁のN+エミッタ領域4とn型ドリフト層2との間にあって、ゲート酸化膜6を介してゲート電極7に接するPベース層3の表面領域にはn型に反転したチャネル領域(図示せず)が形成される。このチャネル領域が形成されると、このチャネル領域を通る通路では前記逆バイアス接合が消えるので、電子がエミッタ電極9から、N+エミッタ領域4、Pベース層4のN+チャネル領域を通り、N−型ドリフト層3に注入される。N−型ドリフト層3に電子が注入されると、P+型コレクタ層のシリコン基板(コレクタ層)1とN−型ドリフト層3とのPN接合は順バイアスされて、P型コレクタ層のシリコン基板(コレクタ層)1からN型バッファー層2、N−型ドリフト層へ少数キャリアである正孔が注入される。N−ドリフト層3に正孔が注入されると、ドリフト層においてキャリアについての中性条件を保つために多数キャリアである電子濃度が高くなるといういわゆる伝導度変調がおきてドリフト層の抵抗が低くなる。この時のIGBTのコレクタ電極10とエミッタ電極9間に流れる電流による電圧降下は、P+型コレクタ層1とN−ドリフト層2よりなるダイオードのオン電圧と同程度になることが理想的なIGBTのオン電圧である。
When the
次にIGBTをオン状態からオフ状態にすることは、エミッタ電極9とゲート電極8間の電圧を閾値以下にすることによりなされる。すると、ゲート電極8に蓄積されていた電荷はゲート抵抗を介してゲート駆動回路へ放電され、N型に反転していたチャネル領域がP型に戻り、チャネル領域が無くなるので、電子の供給が止まり、同時にコレクタ電極10からの正孔の注入も無くなる。しかし、電流としては、N−型ドリフト層3内に蓄積されていた電子と正孔がそれぞれコレクタ電極10とエミッタ電極9に吐き出されるか、互いに再結合することにより消滅するまで流れ、前記蓄積電子と正孔の消滅後に電流はオフ状態となる。
従来素子ではDC動作での飽和電流を抑え且つオン電圧を小さくするために、チャネル動作するトレンチ部の寸法は、たとえば4〔μm〕であるのに対し、IE効果によるホール濃度の蓄積を増進するために、間引き部寸法は20〔μm〕と大きくする必要があった。しかし、間引き寸法と素子耐圧との関係をシミュレーションにより求めると、間引き寸法を大きくすると素子耐圧が低下することが明らかとなった。この関係を図22(b)に示した。間引き寸法を4〔μm〕に対し20〔μm〕にすると耐圧が約350〔V〕低下することがわかった。耐圧低下を防ぐためにまびき寸法を4〔μm〕と小さくすればよいが、このまびき寸法ではチャネル幅が大きいため、飽和電流が大きくなり、たとえば負荷短絡時に大電流が流れるため、瞬時にエネルギを消費し破壊に至るという問題がある。そこで、チャネル部を間引いて飽和電流を抑え、且つIE効果により低Vonにするためにまびき間隔を20〔μm〕として、飽和電流とVonのトレードオフから最適設計を行っている。そこで、間引き寸法を20〔μm〕に広げることにより低下した耐圧分を、素子厚さを厚くすることにより補償している。その結果、せっかく間引きによりオン電圧を低減しても、素子厚を厚くするためにオン電圧が増加して、全体としてオン電圧低減効果が目減りし、充分にオン電圧を低下させることができなかった。 In the conventional device, in order to suppress the saturation current in the DC operation and reduce the on-voltage, the size of the trench portion for channel operation is, for example, 4 [μm], whereas the accumulation of hole concentration by the IE effect is promoted. Therefore, it is necessary to increase the thinning portion size to 20 [μm]. However, when the relationship between the thinning dimension and the element breakdown voltage is obtained by simulation, it is clear that the element breakdown voltage decreases when the thinning dimension is increased. This relationship is shown in FIG. It was found that when the thinning dimension is 20 [μm] with respect to 4 [μm], the breakdown voltage is reduced by about 350 [V]. In order to prevent a decrease in withstand voltage, the size of the screen should be as small as 4 [μm]. However, since the channel size is large in this size, the saturation current increases, for example, a large current flows when the load is short-circuited. There is a problem that leads to destruction. Therefore, the channel portion is thinned out to suppress the saturation current, and in order to achieve a low Von due to the IE effect, the blinking interval is set to 20 [μm], and the optimum design is performed from the tradeoff between the saturation current and Von. In view of this, the breakdown voltage reduced by increasing the thinning dimension to 20 [μm] is compensated by increasing the element thickness. As a result, even if the on-voltage was reduced by thinning out, the on-voltage increased to increase the element thickness, the on-voltage reduction effect was reduced as a whole, and the on-voltage could not be lowered sufficiently. .
本発明では間引き部による耐圧低下がなく、しかも従来と同等のIE効果が得られ、低電圧が可能なIGBT素子構造を提案するものである。 The present invention proposes an IGBT element structure in which the withstand voltage is not reduced by the thinning-out portion, and an IE effect equivalent to that of the conventional one is obtained and a low voltage is possible.
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表面に形成された第1導電型の第3半導体層と、前記第3半導体層の表面から前記第2半導体層に到達するように前記第3半導体層を貫通し、前記第2半導体層に突出するように形成されたゲートトレンチと、前記ゲートトレンチと隣のゲートトレンチとの間の前記第3半導体層に形成されるチャネル領域と、前記チャネル領域の内部表面における一部の領域に形成された第2導電型の第4半導体層と、前記チャネル領域と、別のチャネル領域との間において、前記第3半導体層から前記第2半導体層への方向に、前記第2半導体層へ突出するように形成されたダミートレンチと、前記ゲートトレンチおよび前記ダミートレンチの内壁表面に形成されたゲート酸化膜と、前記ゲートトレンチの内部における前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極と、前記チャネル領域と電気的に接続された第1電極と、前記第1半導体層と電気的に接続された第2電極とを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
このように、ゲートトレンチとゲートトレンチの間に、少なくとも第2半導体層へ突出するダミートレンチを設けることで、トランジスタの耐圧を低下させることなく、オン電圧を低減することが可能である。 In this manner, by providing the dummy trench protruding at least to the second semiconductor layer between the gate trench and the gate trench, the on-voltage can be reduced without lowering the breakdown voltage of the transistor.
請求項2に記載の発明は、前記ダミートレンチは、エミッタ接地されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the dummy trench is grounded at the emitter.
ダミートレンチをエミッタ接地することによって、スイッチングオフ、オン時におけるスイッチング特性への悪影響が抑制できる。 By grounding the dummy trenches at the emitter, adverse effects on the switching characteristics when switching off and on can be suppressed.
請求項3に記載の発明は、前記ダミートレンチの電位は、フローティングとなっていることを特徴とする。
The invention according to
ダミートレンチの電位をフローティングにすることで、スッチング状態がオンからオフに切り替わった際のサージ電圧を低減することができる。 By making the potential of the dummy trench floating, the surge voltage when the switching state is switched from on to off can be reduced.
請求項4に記載の発明は、前記第3半導体層は、ダミートレンチにより分断されることを特徴とする。
The invention according to
請求項5に記載の発明は、前記ダミートレンチで分断された領域には、前記第3半導体層が形成されておらず、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの端部に存在する前記ゲートトレンチの先端部は第3半導体層に包まれていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the region divided by the dummy trench, the third semiconductor layer is not formed, and the tip end portion of the gate trench exists at the end portion of the insulated gate bipolar transistor. Is encased in a third semiconductor layer.
ゲートトレンチの底部を第3半導体層で包むことにより、トランジスタ端部の第3半導体層と端部近傍のゲートトレンチとが接触する箇所の電界が緩和され耐圧低下を防ぐことができる。 By wrapping the bottom portion of the gate trench with the third semiconductor layer, the electric field at the portion where the third semiconductor layer at the end of the transistor is in contact with the gate trench in the vicinity of the end can be relaxed, and a decrease in breakdown voltage can be prevented.
請求項6に記載の発明は、前記ゲートトレンチ及び前記ダミートレンチのゲート酸化膜厚さ、トレンチ深さ、幅、埋め込み電極の種類の少なくとも何れか1つ同一であるとともに、トレンチ間隔も同一であることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, at least one of the gate oxide film thickness, the trench depth, the width, and the buried electrode type of the gate trench and the dummy trench is the same, and the trench interval is also the same. It is characterized by that.
請求項7に記載の発明は、前記ダミートレンチと最も近くに存在する別の前記ダミートレンチとの間の間隔は、前記ゲートトレンチと前記チャネル領域を挟んで対向する別の前記ゲートトレンチとの間の間隔以下であることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, an interval between the dummy trench and another dummy trench that is closest to the dummy trench is between the gate trench and another gate trench facing each other across the channel region. Or less.
耐圧は、ゲートトレンチとダミートレンチ、または、ダミートレンチとダミートレンチ、または、ゲートトレンチとゲートトレンチとの間の間隔が広い場合に低下する。このため、ダミートレンチとダミートレンチとの間の距離を、チャネル部を挟んだゲートトレンチとゲートトレンチとの間の距離と同等もしくは狭くすることで、耐圧の低下を防ぐことができる。 The breakdown voltage decreases when the distance between the gate trench and the dummy trench, or between the dummy trench and the dummy trench, or between the gate trench and the gate trench is wide. For this reason, it is possible to prevent a decrease in breakdown voltage by making the distance between the dummy trench and the dummy trench equal to or narrower than the distance between the gate trench and the gate trench sandwiching the channel portion.
請求項8に記載の発明は、前記ダミートレンチは、前記第1半導体層の延設方向に対して、環状の形状であることを特徴とする。
The invention according to
ダミートレンチを終端の無い環状形状にすることによって、第1半導体層の延設方向に直交する方向についても電界緩和効果が得られ、高い耐圧が得られる。 By making the dummy trench into an annular shape without termination, an electric field relaxation effect is obtained also in a direction orthogonal to the extending direction of the first semiconductor layer, and a high breakdown voltage is obtained.
請求項9に記載の発明は、前記ダミートレンチは、前記チャネル領域の並ぶ方向に平行な板状形状であることを特徴とする。
The invention according to
請求項10に記載の発明は、まびき領域にまびきPが拡散された構造で、チャネル部トレンチに対して外周P拡散終端が接触する位置に拡散することを特徴とする。
The invention described in
以下、第1実施形態から第5実施形態を用いて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail using the first to fifth embodiments.
(第1実施形態)
図1、図2を用いて、第1実施形態について説明する。
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図2に、本実施形態におけるIGBTを示す。なお、この図2は、図1に示す平面図のA−A’線の断面図である。 FIG. 2 shows the IGBT in the present embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A 'of the plan view shown in FIG.
本実施形態と本発明の対応関係は、以下の通りである。P型が第1導電型に相当し、N型が第2導電型に相当する。P+型エミッタ層1が第1半導体層に相当し、N−型ドリフト層3が第2半導体層に相当し、P型ベース領域4が第3半導体層に相当し、N+型エミッタ領域5が第4半導体層に相当する。また、エミッタ電極9が第1電極に相当し、コレクタ電極10が第2電極に相当する。
The correspondence between this embodiment and the present invention is as follows. The P type corresponds to the first conductivity type, and the N type corresponds to the second conductivity type. The P +
本実施形態のIGBTでは、例えばP+型エミッタ層1として、シリコン(Si)基板が用いられ、このP+型コレクタ層1の上にはN型バッファー層2、N型バッファー層2にN−型ドリフト層3が、さらにN−型ドリフト層3にP型ベース領域4が積層されている。また、ゲート酸化膜6として、シリコン酸化膜(SiO2膜)が用いられる。また、ゲートトレンチ7aにはゲート電極8として、高濃度にリン(P)がドーピングされ低抵抗化されたポリシリコン(Poly−Si)が埋め込まれる。また、ゲートトレンチ7aは、ゲート電極8に接続され、電気的にはフローティングとなっている。
In the IGBT of this embodiment, for example, a silicon (Si) substrate is used as the P +
また、セル領域は、4〔μm〕のMOS構造のチャネル領域を隔てて隣接する2つのゲートトレンチ7aにより構成されている。チャネル領域は、チャネルP4aにN+エミッタ領域5が拡散されることで形成される。このチャネル領域の深さ、すなわちP型ベース領域4の厚みは4〔μm〕である。また、チャネルP4aとエミッタ電極9との間には、エミッタ電極9に接触するようにボディP11が形成される。また、ゲートトレンチ7aがエミッタ電極9に接触しないように、ゲートトレンチ7aとエミッタ電極9との間には、層間絶縁膜12が設けられている。
The cell region is constituted by two
本実施形態では、図21のセル領域間の距離を広げた構造のダミーP4b領域に、ダミートレンチ7bを設ける。このダミートレンチ7bは、ゲートトレンチ7aと同一の形状、寸法、構造であり、ゲートトレンチ7aと同様の高濃度にリン(P)がドーピングされ低抵抗化されたポリシリコン(Poly−Si)が埋め込まれる。そして、このダミートレンチ7bに埋め込まれたポリシリコン電極は、エミッタに接地され、ダミートレンチ7bの表面には1000〔Å〕のゲート酸化膜が設けられている。また、隣り合わせのダミートレンチ7b同士の間隔は4〔μm〕である。
In this embodiment, the
一方、ダミーP4bは、ゲートトレンチ7aにより、チャネルP4aと電気的に絶縁されており、電位としてはフローティングとなっている。
On the other hand, the dummy P4b is electrically insulated from the channel P4a by the
このように、ゲートトレンチ7aをフローティングとし、ダミートレンチ7bをエミッタ接地にすることによって、スイッチングオフ、オン時におけるスイッチング特性への悪影響が抑制できる。このため、スイッチング特性の制御性に優れる。なお、スイッチング速度は、ゲート抵抗値を変えることにより制御可能である。
In this way, by setting the
ここで、図2を用いて、ダミートレンチ7bおよびゲートトレンチ7aの奥行き方向(チャネルP4aの延設方向)の構成について説明する。なお、この図2は、図1のA−A’線における断面図である。この図2に示すように、IGBTは、一方の最端に位置するゲートトレンチ7aと、他方の最端に位置するゲートトレンチ7aとの間の素子部と、最端に位置するゲートトレンチ7aの外側の素子外周部とからなる。
Here, the configuration of the
本実施形態のゲートトレンチ7aは、図1に示すように環状形状となっている。そして、環状形状のゲートトレンチ7aが、ダミートレンチ7bを内包するように設けられ、ゲートトレンチ7aの内周各辺がダミートレンチ7bの外周各辺に略平行に対向している。そして、ゲートトレンチ7aの内周辺と、この内周辺に対向するダミートレンチ7bの外周辺との間の距離、およびゲートトレンチ7aチの外周辺と、この外周辺に対向する隣のゲートトレンチ7aの外周辺との間の距離は、4〔μm〕と同じ距離になっている。さらに、ゲートトレンチ7aの角部、および、ダミートレンチ7bの角部の角度は、約90〔度〕となっている。
The
図1に示すように、ダミートレンチ7bを終端の無い環状形状にして、ダミートレンチ7bの外周辺と、ゲートトレンチ7aの内周辺とを等間隔に配置することによって、奥行き方向(図1の場合上下方向)についても電界緩和効果が得られ、図22(b)の点Sと同等の耐圧が得られる。
As shown in FIG. 1, the
以下、本実施形態の効果について図2で説明する。本実施形態では、ダミートレンチ7bを、ゲートトレンチ7a間の間隔(セル領域の幅)と同等の間隔で、ダミーP4bに形成した。その結果、ダミーP4bの耐圧を向上させることができる。
Hereinafter, the effect of this embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the
さらに、フローティング間引き部をダミートレンチ7bによって分断しても、図21の単にセル領域間の距離を広げただけの構造のゲートトレンチ7a直下に蓄積したホール濃度に差がなく、図20の従来まびき構造と同等のIE効果を得ることができる。
Furthermore, even if the floating thinned-out portion is divided by the
次に、図3〜5を用いて、本実施形態のIGBTと、図21に示した従来のセル領域間の距離を広げた構造のIGBTのスイッチング特性について説明する。この図3は、IGBTをスイッチング動作に用いる場合の模擬回路であり、図4は従来構造(単にセル領域間の距離を広げた構造)のスイッチング特性、図5は本実施形態の構造のスイッチング特性を表す。 Next, switching characteristics of the IGBT of the present embodiment and the IGBT having a structure in which the distance between the conventional cell regions shown in FIG. 21 is increased will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a simulation circuit when the IGBT is used for the switching operation, FIG. 4 is a switching characteristic of the conventional structure (a structure in which the distance between the cell regions is simply increased), and FIG. 5 is a switching characteristic of the structure of the present embodiment. Represents.
また、図4および図5に示すように、スイッチがオンからオフに切り替わった際のサージ電圧Vpeakは、本実施形態の構造が1100〔V〕であるのに対して、従来構造は1020〔V〕であった。 Further, as shown in FIGS. 4 and 5, the surge voltage Vpeak when the switch is switched from on to off is 1100 [V] in the structure of the present embodiment, whereas 1020 [V in the conventional structure. 〕Met.
さらに、図6に、本実施形態の構造および従来構造がスイッチオン/オフ状態で発生させる熱量、およびサージ電圧Vpeakを示す。図6に示すように、本実施形態の構造は、同一ゲート抵抗でスイッチオンさせ発生する損失EONを低減することができる。また、スイッチがオフ時の損失は本実施形態の構造は0.102〔J〕の発熱が発生するが、従来構造は0.108〔J〕となり、本実施形態の構造の方が、損失が少ない。 Further, FIG. 6 shows the amount of heat generated in the switch on / off state by the structure of this embodiment and the conventional structure, and the surge voltage Vpeak. As shown in FIG. 6, the structure of this embodiment can reduce the loss EON generated by switching on with the same gate resistance. In addition, the loss when the switch is off generates 0.102 [J] in the structure of the present embodiment, but the conventional structure is 0.108 [J], and the structure of the present embodiment has a loss. Few.
以上のように、従来の単にセル領域間の距離を広げた構造のダミーP4bに、ゲートトレンチ7aと同等の間隔でダミートレンチ7bを1つあるいは複数個形成することにより素子耐圧を向上できるため、その分チップ厚を薄くでき、かつ従来のフルトレンチ構造と同様のIE効果を得ることができるのでオン電圧低減が可能である。
As described above, the device withstand voltage can be improved by forming one or a plurality of
なお、本実施形態ではダミートレンチ7bの本数は2本であるが、本数に制限はなくIE効果を考慮して選択すればよい。素子耐圧は、ゲートトレンチ7aとダミートレンチ7b、またはゲートトレンチ7aとゲートトレンチ7a、またはダミートレンチ7bとダミートレンチ7bとの間隔で決まるため、ダミーP4bの幅(セル領域間の距離)を広げてもダミートレンチ7bを増やせば耐圧低下を抑制することが可能である。また、ゲートトレンチ7aとダミートレンチ7b、およびゲートトレンチ7aとゲートトレンチ7a、およびダミートレンチ7bとダミートレンチ7bとの間隔を、例えば4〔μm〕に決めれば、要求のIE効果が得られるまでダミーP4bの幅(セル領域間の距離)を増やすとともに、ダミートレンチ7bの本数も増やすことで、耐圧の低下を抑制可能である。
In this embodiment, the number of
また、図示しないが、セル領域間にP型ベース領域4がある場合(すなわちダミーP4bが存在する場合)と、P型ベース領域4が無い場合におけるゲートトレンチ7a直下のホール濃度をシミュレーションにより推定した結果、ホール濃度には差が無いことが分かった。すなわち、P型ベース領域4が無い場合であっても、ダミートレンチ7bを設けることで、IE効果を得ることができる。
Although not shown, the hole concentration directly under the
〔第1実施形態の変形例〕
本変形例の特徴的な構造は、ダミートレンチ7bの形状が環状形状でない点である。図7に示すように、ダミートレンチ7bは、ゲートトレンチ7aの内側に存在するものの、間引き部の並列方向側が切れており、奥行き方向(図7の上下方向)側が存在する。すなわち、ゲートトレンチ7aの内側のダミーP4bに、線状形状のダミートレンチ7bが、ボディP11の並列方向に複数設けられている。このように、ダミートレンチ7bを環状形状にしなかった場合であっても、ゲートトレンチ7aとダミートレンチ7bとの間隔、およびダミートレンチ7bとダミートレンチ7bとの間隔、およびゲートトレンチ7aとゲートトレンチ7aとの間隔を横方向と同一の間隔にしておけば、すべての箇所において同様の電界緩和効果が得られるため、前述の第1実施形態と同様に、耐圧を向上することができる。
[Modification of First Embodiment]
The characteristic structure of this modification is that the shape of the
(第2実施形態)
図8〜図10を用いて、第2実施形態について説明する。この第2実施形態は、ダミートレンチ7bがフローティングとなっている点で、第1実施形態と異なる。なお、前述の第1実施形態と同等の構成については、第1実施形態と同様の符号を付し、第2実施形態における説明を省略する。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described with reference to FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment in that the
図8は、第2実施形態におけるIGBTを示す断面図であって、第1実施形態における図2に相当する。この図8に示すように、ダミートレンチ7bは、フローティングとなっている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the IGBT in the second embodiment and corresponds to FIG. 2 in the first embodiment. As shown in FIG. 8, the
図9に、このフローティング状態のダミートレンチ7bを有するIGBTのスイッチング特性を示し、図10に、スイッチオン/オフ状態で発生させる損失、およびサージ電圧Vpeakを示す。図9から、本実施形態の構造は、Eoff、Eonとも約2倍に大きくなっており、従来セル構造に比べ性能が悪化していることがわかる。
FIG. 9 shows the switching characteristics of the IGBT having the
しかしながら、スイッチオフ時のサージ電圧Vpeakは、従来構造は1020〔V〕であるのに対して、本実施形態の構造は770〔V〕であり、サージ電圧を大幅に低減することができる。 However, the surge voltage Vpeak at the time of switch-off is 1020 [V] in the conventional structure, whereas the structure of this embodiment is 770 [V], and the surge voltage can be greatly reduced.
(第3実施形態)
図11から図14を用いて、第3実施形態について説明する。この第3実施形態は、ダミートレンチ7bがP型ベース領域4に接していない点で、第1実施形態と異なる。なお、前述の第1実施形態と同等の構成については、第1実施形態と同様の符号を付し、第3実施形態における説明を省略する。
(Third embodiment)
The third embodiment will be described with reference to FIGS. The third embodiment is different from the first embodiment in that the
図12は、第3実施形態におけるIGBTを示す断面図であって、第1実施形態における図2に相当する。そして、図11は、IGBTを示す断面図であって図1に相当し、図13は図11の線C−C’における断面図である。 FIG. 12 is a cross-sectional view showing the IGBT in the third embodiment, and corresponds to FIG. 2 in the first embodiment. 11 is a cross-sectional view showing the IGBT and corresponds to FIG. 1, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line C-C ′ of FIG.
図12および図13に示すように、本実施形態のIGBTには、ダミートレンチ7bとゲートトレンチ7aの間、およびダミートレンチ7bとダミートレンチ7bの間に、外周P領域13が存在しない。すなわち、前述の各実施形態で説明したダミーP4bが存在しない。また、図11に示すように、素子の奥行き方向(図11の上下方向)において、ゲートトレンチ7aを含むチャネルP4aは、ダミートレンチ7bの手前までしか存在していない。すなわち、ダミートレンチ7bはいかようなP型領域にも接していない。
As shown in FIGS. 12 and 13, the IGBT of this embodiment does not have the outer
このように、ダミーP4bが無い場合、セル領域と素子外周部との境界付近において、以下のような利点がある。 Thus, when there is no dummy P4b, there are the following advantages in the vicinity of the boundary between the cell region and the element outer periphery.
前述の第1実施形態のように、ダミーP4bがあるIGBT素子では、エミッタ接地となっている素子外周部の外周P領域13が、最外周のゲートトレンチ7aを越えてフローティングであるダミーP4bに短絡することはできない。従ってこの場合、最外周のゲートトレンチ7aはN−型ドリフト層3につきだしている構造となる。このため、第1実施形態の構造は素子外周部のP型ベース領域4とゲートトレンチ7aとが接触する部分で、電界集中を起こして耐圧が低下するおそれがある。しかし、本実施形態のようにダミーP4bがなく、セル領域と他のセル領域との間がN−型ドリフト層3である構造では、外周部P領域13が最外周のゲートトレンチ7aの底部を包み込むことができる。換言すると、エミッタ接地されたダミーP4bが存在しないため、素子外周部のP型ベース領域4がゲートトレンチ7aをこえてもエミッタにショートする虞がない。このためダミートレンチ7bを設けることによってIE効果が妨げられる虞がない。また、このようにダミーP4bが存在しない構造では、外周P領域13の深さが最外周のゲートトレンチ7a深さよりも深くすることができ、ゲートトレンチ7aの底部を外周P領域13の中に含むことができるので、素子外周部のP型ベース領域4と最外周のゲートトレンチ7aとが接触する箇所の電界が緩和され耐圧低下を防ぐことができる。たとえ、本発明のように、ダミートレンチ7bを設けて素子の耐圧を向上させている場合であっても、外周P領域13と最外周のゲートトレンチ7aとが接触する箇所の耐圧が低いと、素子全体の耐圧が低下してしまう。このため、本実施形態のように、外周P領域13と最外周のゲートトレンチ7aとが接触する箇所の耐圧も向上しておくことが望ましい。
As in the first embodiment described above, in an IGBT element having a dummy P4b, the outer
図14に、1つのセル領域を形成するゲートトレンチ7a間の距離を4μmとした場合の、トレンチ同士の距離(ゲートトレンチ7aとダミートレンチ7b間の距離と、ダミートレンチ7bとダミートレンチ7b間の距離とが等しいと仮定)と、耐圧の関係を示す。なお、「ダミーP4b有り」と引き出し線が添えられているグラフが第1実施形態の構造(ダミーP4b有り)、「ダミーP4bなし」と引き出し線が添えられているグラフが本実施形態の構造(ダミーP4b無し)の耐圧とトレンチ距離との関係を示している。この図14に示されるように、ダミーP4bが存在しなかった場合でも、セル領域を形成するゲートトレンチ7a同士の距離(4〔μm〕)と、ダミートレンチ7bとゲートトレンチ7aの距離とが等しい場合(ダミートレンチ7bとゲートトレンチ7aとの距離=4〔μm〕)には、ダミーP4bが存在する場合と同等の耐圧を得ることができる。
FIG. 14 shows the distance between the trenches (the distance between the
なお、図示しないが、ダミーP4bがある場合と、無い場合におけるゲートトレンチ7a直下のホール濃度をシミュレーションにより推定した結果、差が無いことが分かった、すなわちダミーP4bの有無に影響されることなくIE効果を得ることができる。
Although not shown, as a result of estimating the hole concentration immediately below the
(第4実施形態)
図15から図17を用いて、第4実施形態について説明する。この第4実施形態は、ダミートレンチ7bがP型ベース領域4に接している構造で、第1実施形態と同一である。図15は、第4実施形態におけるIGBTを示す平面図であって、第1実施形態における図1に相当する。そして、図16は、図15の線D−D’における断面図であって図2に相当する。ここで、図16に示すように、エミッタ電極9において、外周P領域13と接触する箇所の中央部を拡散窓端とする。そして、最外郭に位置するゲートトレンチ7aの側面と、拡散窓端との間の距離をオーバラップ量とする。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 15 to 17. The fourth embodiment has a structure in which the
図17は、外周P領域13の拡散深さが8〔μm〕とした場合における拡散窓端とトレンチとのオーバラップ量と素子耐圧との関係を示す図である。この図17では、オーバラップ量=0〔μm〕の状態が拡散窓端の直下にゲートトレンチ7aの側面が位置する状態であり、オーバラップ量がマイナス(図17の横軸右方向)になるに従って、拡散窓端とゲートトレンチ7a側面との距離が遠くなる。この図17に示すように、外周P領域13の拡散深さが8〔μm〕で拡散窓端からトレンチ7aまでの距離、すなわちオーバラップ量が5〔μm〕以下(図17においては−5〜10〔μm〕の範囲)であれば、コレクタ・エミッタ間の耐圧が安定して高い値が得られる。これは外周P領域13の拡散層がゲートトレンチ7aに接触するまで接近すると、外周P領域の空乏層がトレンチ7aの底部まで広がりトレンチ底部での電界を緩和するために、この箇所での耐圧が向上するためにコレクタ・エミッタ間の耐圧が安定して高い値が得られる。しかし、外周P拡散層13がチャネルトレンチを乗り越えないように接近させ必要がある。これはダミーPが外周Pとショートし、IE効果が得られなくなるためである。
図23に示すように外周Pの拡散層13がチャネルトレンチを乗りこえても、チャネル部トレンチに対して外周P拡散まどが接触しない範囲で接近し、外周P拡散層がチャネル部トレンチを乗りこえてダミーPとショートしても、チャネルトレンチ下の外周P拡散層濃度は低濃度となるために、ダミーPと外周P間の抵抗はIE効果が得られる範囲で充分に高抵抗となるので、IE効果の妨げとならない。実施例ではトレンチ深さ5.0μm、トレンチ幅1.0μm、チャネル拡散深さ4.0μm、外周P拡散表面濃度3e18cm、拡散深さ9.0μm、トレンチから外周拡散層窓までの距離2.0μmの場合である。試作品でこの構造と外周Pの拡散層窓とトレンチ間の距離を十分にとり外周P拡散がトレンチPを乗りこえない構造とでオン電圧を比較したが、Vonに差はなく、IE効果は充分得られていた。
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the overlap amount between the diffusion window end and the trench and the element breakdown voltage when the diffusion depth of the outer
As shown in FIG. 23, even if the
(第5実施形態)
図18、図19を用いて第5実施形態を説明する。図18はIGBTの平面図であり、図19は図18のB−B’線における断面図である。この図19に示すように、ゲートトレンチ7aは、トレンチ深さを5〔μm〕とし、ダミートレンチ7aのチャネル深さ4.0〔μm〕よりも深く、且つゲートトレンチよりも浅く形成される。トレンチ底部の耐圧は深いゲートトレンチに比べ浅いダミートレンチの方が高くなるため、耐圧は必ずゲートトレンチ底部で決まる。その結果、ダミートレンチに影響されずに、ゲートトレンチできまる安定したセル耐圧を得ることができるメリットがある。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 18 and 19. 18 is a plan view of the IGBT, and FIG. 19 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. As shown in FIG. 19, the
1 P+型エミッタ層
2 N型バッファー層
3 N−型ドリフト層
4 P型ベース領域
4a チャネルP
4b ダミーP
5 N+エミッタ領域
6 ゲート酸化膜
7a ゲートトレンチ
7b ダミートレンチ
8 ゲート電極
9 エミッタ電極
10 コレクタ電極
11 ボディP
12 層間絶縁膜
13 外周P領域
1 P + type emitter layer 2 N type buffer layer 3 N− type drift layer 4 P
4b Dummy P
5 N +
12
Claims (12)
前記第1半導体層(1)の表面に形成された第2導電型の第2半導体層(2,3)と、
前記第2半導体層(3)の表面に形成された第1導電型の第3半導体層(4)と、
前記第3半導体層(4)の表面から前記第2半導体層(3)に到達するように前記第3半導体層(4)を貫通し、前記第2半導体層(3)に突出するように形成されたゲートトレンチ(7a)と、
前記ゲートトレンチ(7a)と隣のゲートトレンチ(7a)との間の前記第3半導体層(4)に形成されるチャネル領域(4a)と、
前記チャネル領域(4a)の内部表面における一部の領域に形成された第2導電型の第4半導体層(5)と、
前記チャネル領域と、別のチャネル領域との間において、前記第3半導体層(4)から前記第2半導体層(3)への方向に、前記第2半導体層(3)へ突出するように形成されたダミートレンチ(7b)と、
前記ゲートトレンチ(7a)および前記ダミートレンチ(7b)の内壁表面に形成されたゲート絶縁膜(6)と、
前記ゲートトレンチ(7a)の内部における前記ゲート絶縁膜(6)上に形成されたゲート電極(8)と、
前記チャネル領域(4a)と電気的に接続された第1電極(9)と、
前記第1半導体層(1)と電気的に接続された第2電極(10)とを有することを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。 A first conductivity type first semiconductor layer (1);
A second conductivity type second semiconductor layer (2, 3) formed on the surface of the first semiconductor layer (1);
A third semiconductor layer (4) of the first conductivity type formed on the surface of the second semiconductor layer (3);
Formed so as to penetrate the third semiconductor layer (4) so as to reach the second semiconductor layer (3) from the surface of the third semiconductor layer (4) and to protrude to the second semiconductor layer (3) Gate trench (7a),
A channel region (4a) formed in the third semiconductor layer (4) between the gate trench (7a) and the adjacent gate trench (7a);
A fourth semiconductor layer (5) of the second conductivity type formed in a partial region on the inner surface of the channel region (4a);
Formed between the channel region and another channel region so as to protrude from the third semiconductor layer (4) to the second semiconductor layer (3) in the direction from the third semiconductor layer (4). Dummy trench (7b) made,
A gate insulating film (6) formed on inner wall surfaces of the gate trench (7a) and the dummy trench (7b);
A gate electrode (8) formed on the gate insulating film (6) inside the gate trench (7a);
A first electrode (9) electrically connected to the channel region (4a);
An insulated gate bipolar transistor comprising a second electrode (10) electrically connected to the first semiconductor layer (1).
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