JP2008218812A

JP2008218812A - Igbt

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Publication number: JP2008218812A
Application number: JP2007055917A
Authority: JP
Inventors: Takahide Sugiyama; 隆英杉山; Satoru Kameyama; 悟亀山
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP5745735B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an IGBT in which the switching time from a current on state to a current off state can be shortened by suppressing appearance of a negative resistance component under current on state. <P>SOLUTION: A conductor region 16 penetrating a p-type collector layer 12 and intruding into an n-type base layer 10 is formed on the backside of an IGBT 100. The conductor region 16 is formed in a range not opposing a p-type body region 24. Appearance of a negative resistance component under current on state is thereby suppressed and residual carriers are discharged efficiently to a collector electrode 14 via the conductor region 16 at turning-off. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、コレクタ層を貫通する導電体領域によって、コレクタ電極とベース層が短絡しているＩＧＢＴに関する。 The present invention relates to an IGBT in which a collector electrode and a base layer are short-circuited by a conductor region penetrating the collector layer.

電力制御用の縦型半導体装置の開発が進められている。特に、伝導度変調現象を利用することによって低いオン電圧を実現するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が注目されている。
ＩＧＢＴでは、エミッタ電極からベース層に電子が注入され、コレクタ電極からベース層に正孔が注入される。これによってベース層で伝導度変調現象が生じるために、低いオン電圧を実現できる。その一方において、キャリアの消失に時間がかかるため、ターンオフ時間が長くなる。
ＩＧＢＴでは、オンしている間は、ベース層にキャリアを蓄積して低いオン電圧を実現することと、ターンオフした時には、ベース層からキャリアが速やかに排除されることが
求められている。 Development of vertical semiconductor devices for power control is underway. In particular, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that realizes a low on-voltage by utilizing the conductivity modulation phenomenon has attracted attention.
In the IGBT, electrons are injected from the emitter electrode into the base layer, and holes are injected from the collector electrode into the base layer. As a result, a conductivity modulation phenomenon occurs in the base layer, so that a low on-voltage can be realized. On the other hand, since it takes time to disappear the carrier, the turn-off time becomes long.
The IGBT is required to accumulate carriers in the base layer to achieve a low on-voltage while it is on, and to quickly remove carriers from the base layer when it is turned off.

コレクタ層を貫通してベース層に侵入している導電体領域を設けることによって、ベース層をコレクタ電極に短絡させておく構造が開発されており、特許文献１に開示されている。図１２にその構造を示す。
ＩＧＢＴ２００は、ｎ型のベース層１０と、ベース層の表面の一部分に形成されているｐ型のボディ領域２４と、ボディ領域２４の表面の一部分に形成されているｎ型のエミッタ領域２８と、エミッタ領域２８とベース層１０を分離しているボディ領域２４にゲート絶縁膜３０を介して対向しているゲート電極３２と、エミッタ領域２８に接しているとともに層間絶縁膜２６によってゲート電極３２から絶縁されているエミッタ電極２２と、ベース層１０の裏面に接しているｐ型のコレクタ層１２と、コレクタ層１２の裏面に接しているコレクタ電極１４を備えている。
ＩＧＢＴ２００は、コレクタ層１２を貫通してベース層１０に侵入しているとともに、コレクタ電極１４に接している導電体領域３１６を備えており、ベース層１０とコレクタ電極１４が短絡している。導電体領域３１６は、半導体基板５２を矢印Ａ方向から平面視したときに、ボディ領域２４が形成されている範囲内に形成されている。 A structure in which the base layer is short-circuited to the collector electrode by providing a conductor region penetrating the collector layer and penetrating into the base layer has been developed, and is disclosed in Patent Document 1. FIG. 12 shows the structure.
The IGBT 200 includes an n-type base layer 10, a p-type body region 24 formed on a part of the surface of the base layer, an n-type emitter region 28 formed on a part of the surface of the body region 24, A gate electrode 32 facing the body region 24 separating the emitter region 28 and the base layer 10 via a gate insulating film 30 and in contact with the emitter region 28 and insulated from the gate electrode 32 by the interlayer insulating film 26 An emitter electrode 22, a p-type collector layer 12 in contact with the back surface of the base layer 10, and a collector electrode 14 in contact with the back surface of the collector layer 12.
The IGBT 200 penetrates through the collector layer 12 and penetrates into the base layer 10 and includes a conductor region 316 in contact with the collector electrode 14, and the base layer 10 and the collector electrode 14 are short-circuited. The conductor region 316 is formed in a range where the body region 24 is formed when the semiconductor substrate 52 is viewed in a plan view from the arrow A direction.

コレクタ層１２を貫通してベース層１０とコレクタ電極１４を短絡させておく導電体領域３１６を設けておくと、ＩＧＢＴ２００のターンオフ時に、ベース層１０に蓄積されていた電子が導電体領域３１６を介してコレクタ電極１４にスムースに排除されるために、ターンオフ時間を短くすることができる。 By providing a conductor region 316 that penetrates the collector layer 12 and short-circuits the base layer 10 and the collector electrode 14, electrons accumulated in the base layer 10 pass through the conductor region 316 when the IGBT 200 is turned off. Since the collector electrode 14 is smoothly removed, the turn-off time can be shortened.

特開平５−３２０５号公報JP-A-5-3205

しかしながらＩＧＢＴ２００の場合、ターンオフ時に、ベース層１０からコレクタ電極１４に電子が排除されすぎるという問題を備えている。
図１３に、ＩＧＢＴ２００の等価回路を示す。オン時にベース層１０で伝導度変調現象を生じさせるためには、コレクタ層１２からベース層１０に正孔を注入する必要がある。
そのためには、図１３の等価回路に示されているｐｎｐ型トランジスタ３８をオン動作させる必要があり、そのためには、ベース層１０とコレクタ層１２の間に電圧差を生じさせる必要がある。
仮に導電体領域３１６がなければ、エミッタ電極からベース層に注入された電子によってベース層１０とコレクタ層１２の間にｐｎｐ型トランジスタ３８をオン動作させるのに必要な電圧差が迅速に得られる。
しかしながら、導電体領域３１６が形成されていると、導電体領域３１６で生じる電圧降下がｐｎｐ型トランジスタ３８をオン動作させるのに必要な電圧となるまでの間はｐｎｐ型トランジスタ３８がオンしない。導電体領域３１６を流れる電流が大きくなって導電体領域３１６で生じる電圧降下がｐｎｐ型トランジスタ３８をオン動作させるのに必要な電圧となった時に初めてｐｎｐ型トランジスタ３８がオンする。
トランジスタ３８がオフしている間は、図１３の等価回路は高い抵抗（ベース層１０と導電体領域３１６の抵抗）が直列に接続されたＭＯＳに等しく、エミッタ・コレクタ間の電圧が上昇してもコレクタ電流はわずかしか増加しない。図２に示すカーブＣは、横軸にエミッタ・コレクタ間の電圧を取り、縦軸にコレクタ電流をとった場合のＩＧＢＴ２００の特性を示している。そのうちのＣ１の部分は、トランジスタ３８がオフしている間の特性を示し、エミッタ・コレクタ間の電圧が上昇してもコレクタ電流はわずかしか増加しない。
導電体領域３１６を流れる電流が大きくなって電圧降下が大きくなると、トランジスタ３８がオンする。すると、ベース層１０で電導度変調現象が発生し、ベース層１０の抵抗が低下し、コレクタ電流が急激に上昇する。図２のカーブＣ３は、トランジスタ３８がオンした後のＩＧＢＴ２００の特性を示しており、エミッタ・コレクタ間の電圧上昇に対してコレクタ電流は敏感に増加する。
図２のカーブＣ２は、トランジスタ３８がオフからオンに変化する際の過渡的特性を示しており、エミッタ・コレクタ間の電圧が下降しながらコレクタ電流が増大するという負性抵抗が発生することを示している。
ＩＧＢＴをスイッチング素子に用いる場合、負性抵抗成分が現れると、予期せぬ発振現象を引き起こすことがある。 However, the IGBT 200 has a problem that electrons are excessively removed from the base layer 10 to the collector electrode 14 at the time of turn-off.
FIG. 13 shows an equivalent circuit of the IGBT 200. In order to cause the conductivity modulation phenomenon in the base layer 10 at the time of ON, it is necessary to inject holes from the collector layer 12 into the base layer 10.
For this purpose, it is necessary to turn on the pnp transistor 38 shown in the equivalent circuit of FIG. 13. For this purpose, a voltage difference needs to be generated between the base layer 10 and the collector layer 12.
If the conductor region 316 is not provided, a voltage difference required to turn on the pnp transistor 38 between the base layer 10 and the collector layer 12 by electrons injected from the emitter electrode into the base layer can be quickly obtained.
However, when the conductor region 316 is formed, the pnp transistor 38 is not turned on until the voltage drop generated in the conductor region 316 reaches a voltage necessary for turning on the pnp transistor 38. The pnp transistor 38 is turned on only when the current flowing through the conductor region 316 increases and the voltage drop generated in the conductor region 316 becomes a voltage necessary to turn on the pnp transistor 38.
While the transistor 38 is off, the equivalent circuit of FIG. 13 is equivalent to a MOS in which a high resistance (the resistance of the base layer 10 and the conductor region 316) is connected in series, and the voltage between the emitter and the collector increases. However, the collector current increases only slightly. A curve C shown in FIG. 2 shows the characteristics of the IGBT 200 when the voltage between the emitter and the collector is taken on the horizontal axis and the collector current is taken on the vertical axis. The portion of C1 shows the characteristic while the transistor 38 is off, and the collector current increases only slightly even when the emitter-collector voltage rises.
When the current flowing through the conductor region 316 increases and the voltage drop increases, the transistor 38 is turned on. Then, a conductivity modulation phenomenon occurs in the base layer 10, the resistance of the base layer 10 decreases, and the collector current increases rapidly. A curve C3 in FIG. 2 shows the characteristics of the IGBT 200 after the transistor 38 is turned on, and the collector current increases sensitively to the voltage increase between the emitter and the collector.
A curve C2 in FIG. 2 shows a transient characteristic when the transistor 38 changes from off to on, and the negative resistance that the collector current increases while the voltage between the emitter and the collector decreases is generated. Show.
When an IGBT is used for a switching element, if a negative resistance component appears, an unexpected oscillation phenomenon may be caused.

従来の技術では、コレクタ層を貫通してベース層とコレクタ電極を短絡させる導電体領域を設けることによって、ターンオフ時間を短くすることに成功しているものの、負性抵抗成分が現れるという新たな問題に遭遇している。本発明では、ターンオフ時間が短く、しかもターンオン時に負性抵抗成分が生じないＩＧＢＴを実現する。 The conventional technology has succeeded in shortening the turn-off time by providing a conductor region that penetrates the collector layer and short-circuits the base layer and the collector electrode, but a new problem that a negative resistance component appears. Have come across. In the present invention, an IGBT is realized in which the turn-off time is short and a negative resistance component does not occur at turn-on.

本発明者らは、コレクタ層を貫通してベース層とコレクタ電極を短絡させる導電体領域の位置が問題であることを見出した。従来の技術では、導電体領域が、半導体基板を平面視したときにボディ領域が存在している範囲内に形成されている。この場合、コレクタ層とベース層等で形成されるトランジスタがオンするのに時間を要するために、ターンオン時に負性抵抗成分が現れてしまう。本発明者らの研究によって、コレクタ層を貫通してベース層とコレクタ電極を短絡させる導電体領域を、半導体基板を平面視したときにボディ領域が存在している範囲の外側に形成すれば、ＩＧＢＴのターンオン直後にベース層に伝導度変調現象が現れ、負性抵抗成分が現れないことを見出した。本発明者らの研究によって、前記導電体領域をボディ領域の外側に形成しても、ターンオフ時には電子がベース層から速やかに排除されることを確認した。 The present inventors have found that the position of the conductor region that penetrates the collector layer and short-circuits the base layer and the collector electrode is a problem. In the conventional technique, the conductor region is formed in a range where the body region exists when the semiconductor substrate is viewed in plan. In this case, since it takes time to turn on the transistor formed of the collector layer and the base layer, a negative resistance component appears when the transistor is turned on. According to the inventors' research, if the conductor region that penetrates the collector layer and short-circuits the base layer and the collector electrode is formed outside the range in which the body region exists when the semiconductor substrate is viewed in plan view, It has been found that a conductivity modulation phenomenon appears in the base layer immediately after the IGBT is turned on, and no negative resistance component appears. The inventors' research has confirmed that even when the conductor region is formed outside the body region, electrons are quickly eliminated from the base layer at the time of turn-off.

本発明は、半導体基板内に形成されている第１導電型のベース層と、ベース層の表面の少なくとも一部分に形成されている第２導電型のボディ領域と、ボディ領域の表面の少なくとも一部分に形成されている第１導電型のエミッタ領域と、ベース層とエミッタ領域を分離しているボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、エミッタ領域に接しているとともにゲート電極から絶縁されているエミッタ電極と、ベース層の裏面に接している第２導電型のコレクタ層と、コレクタ層の裏面に接しているコレクタ電極を備えているＩＧＢＴに関する。
本発明のＩＧＢＴは、コレクタ層を貫通してベース層に侵入しているとともにコレクタ電極に接している導電体領域を備えており、その導電体領域が、半導体基板を平面視したときにボディ領域の外側に形成されていることを特徴とする。導電体領域は、コレクタ層から絶縁されていてもよいし、導通していてもよい。 The present invention provides a first conductivity type base layer formed in a semiconductor substrate, a second conductivity type body region formed on at least a portion of the surface of the base layer, and at least a portion of the surface of the body region. An emitter region of the first conductivity type formed, a gate electrode facing a body region separating the base layer and the emitter region via a gate insulating film, and in contact with the emitter region and from the gate electrode The present invention relates to an IGBT including an insulated emitter electrode, a collector layer of a second conductivity type in contact with the back surface of the base layer, and a collector electrode in contact with the back surface of the collector layer.
The IGBT of the present invention includes a conductor region penetrating the collector layer and penetrating into the base layer and in contact with the collector electrode. The conductor region is a body region when the semiconductor substrate is viewed in plan view. It is formed in the outer side of. The conductor region may be insulated from the collector layer or may be conductive.

本発明のＩＧＢＴによると、ボディ領域と対向する範囲には導電体領域が形成されていない。この結果、ＩＧＢＴのターンオン時に、ボディ領域と対向する範囲ではベース層とコレクタ層の間に電圧差が生じやすく、ＩＧＢＴのターンオン直後にコレクタ層からベース層に正孔が注入され始める。ＩＧＢＴのターンオン直後からベース層に伝導度変調現象が生じることから負性抵抗成分が現れることがない。
また、ＩＧＢＴのターンオフ時には、ベース層に蓄積されていた電子が、導電体領域を経由してコレクタ電極に迅速に排出される。導電体領域がボディ領域から離れた範囲内に形成されていても、ターンオフ時のキャリアの引き抜き経路としては有効に働き、ターンオフ時間を高速化させることができる。 According to the IGBT of the present invention, no conductor region is formed in a range facing the body region. As a result, when the IGBT is turned on, a voltage difference is likely to be generated between the base layer and the collector layer in a range facing the body region, and holes begin to be injected from the collector layer into the base layer immediately after the IGBT is turned on. Since a conductivity modulation phenomenon occurs in the base layer immediately after the IGBT is turned on, no negative resistance component appears.
Further, when the IGBT is turned off, electrons accumulated in the base layer are quickly discharged to the collector electrode via the conductor region. Even if the conductor region is formed within a range away from the body region, it effectively works as a carrier extraction path at the time of turn-off, and the turn-off time can be increased.

導電体領域は、ボディ領域と対向する範囲の外側のみに形成されていればよい。本発明の導電体領域は、様々な構造をとることが出来る。例えば、コレクタ層の裏面において閉ループを形成するように伸びていてもよい。あるいは、コレクタ層の裏面に断続的に現れるように形成することもできる。導電体領域が、半導体チップのダイシング端面まで伸びていてもよい。 The conductor region only needs to be formed outside the range facing the body region. The conductor region of the present invention can have various structures. For example, the back surface of the collector layer may extend so as to form a closed loop. Alternatively, it can be formed so as to appear intermittently on the back surface of the collector layer. The conductor region may extend to the dicing end surface of the semiconductor chip.

半導体基板を平面視したときに、ボディ領域の外側の輪郭と、導電体領域の内側の輪郭との間の距離が、０μｍ〜２００μｍの範囲内であることが好ましい。
上記間隔が２００μｍ以上あると、導電体領域がターンオフ時にキャリアを引き抜く経路として働かなくなる。２００μｍ以下であることが好ましい。上記間隔がマイナスの場合、すなわち、半導体基板を平面視したときにボディ領域と導電体領域が重複する場合、ＩＧＢＴのターンオン時に負性抵抗が表れやすくなる。上記間隔は、ゼロ又は正の値であることが好ましい。 When the semiconductor substrate is viewed in plan, the distance between the outer contour of the body region and the inner contour of the conductor region is preferably in the range of 0 μm to 200 μm.
When the interval is 200 μm or more, the conductor region does not work as a path for extracting carriers when turned off. It is preferable that it is 200 micrometers or less. When the interval is negative, that is, when the body region and the conductor region overlap when the semiconductor substrate is viewed in plan, negative resistance is likely to appear when the IGBT is turned on. The interval is preferably zero or a positive value.

本発明のＩＧＢＴは、ベース層内又はベース層に接する位置に、第１導電型の不純物をベース層よりも高濃度に含む高濃度層が形成されていてもよい。
例えば、その高濃度層が、ベース層とコレクタ層の間に形成されていてもよい。この場合、導電体領域は、コレクタ層と高濃度層を貫通してベース層に侵入していてもよいし、高濃度層の中に留まっていてもよい。高濃度層はベース層と同一導電型であり、ベース層の一部と考えることもできる。高濃度層の中に留まっていても、ベース層とコレクタ電極を短絡させることができる。
ベース層とコレクタ層の間に高濃度層が形成されていると、その高濃度層は電界ストップ層として作動する。すなわち、ＩＧＢＴのオフ時にボディ領域とベース層の界面からベース層内を伸びる空乏層が高濃度層を超えて伸びることを禁止する層として作動する。電界ストップ層を設けると、必要な耐圧を確保しながらベース層を薄くすることができ、オン電圧を低下させることができる。またターンオフ時に生じるサージ電圧のピーク値を下げることが出来る。 In the IGBT of the present invention, a high concentration layer containing a first conductivity type impurity at a higher concentration than the base layer may be formed in the base layer or at a position in contact with the base layer.
For example, the high concentration layer may be formed between the base layer and the collector layer. In this case, the conductor region may penetrate the base layer through the collector layer and the high concentration layer, or may remain in the high concentration layer. The high concentration layer has the same conductivity type as that of the base layer, and can be considered as a part of the base layer. Even if it stays in the high concentration layer, the base layer and the collector electrode can be short-circuited.
When a high concentration layer is formed between the base layer and the collector layer, the high concentration layer operates as an electric field stop layer. That is, when the IGBT is turned off, the depletion layer extending in the base layer from the interface between the body region and the base layer operates as a layer that prohibits extending beyond the high concentration layer. When the electric field stop layer is provided, the base layer can be thinned while ensuring a necessary breakdown voltage, and the on-voltage can be reduced. Moreover, the peak value of the surge voltage generated at turn-off can be lowered.

あるいは、ベース層とボディ領域の間に、高濃度層を形成してもよい。この場合は、高濃度層がベース層に正孔を蓄積するキャリア蓄積層として作動する。キャリア蓄積層を設けると、ＩＧＢＴのオン電圧をさらに低下させることができる。 Alternatively, a high concentration layer may be formed between the base layer and the body region. In this case, the high concentration layer operates as a carrier accumulation layer that accumulates holes in the base layer. When the carrier accumulation layer is provided, the on-voltage of the IGBT can be further reduced.

ベース層内に、導電体領域に接する高濃度層を形成してもよい。その高濃度層は、ベース層の全面に亘って伸びていてもよい。
ベース層内に導電体領域に接する高濃度層を設けると、その高濃度層がターンオフ時のキャリアの排出をスムースにする。高濃度層がベース層の全面に亘って伸びていれば、電界ストップ層を兼ねることもできる。 A high concentration layer in contact with the conductor region may be formed in the base layer. The high concentration layer may extend over the entire surface of the base layer.
When a high-concentration layer in contact with the conductor region is provided in the base layer, the high-concentration layer smoothly discharges carriers when turned off. If the high concentration layer extends over the entire surface of the base layer, it can also serve as an electric field stop layer.

本発明によると、裏面側にコレクタショート構造が形成されているＩＧＢＴにおいて、負性抵抗成分の発現が抑制されるとともに、ターンオフ時間を高速化することができる。 According to the present invention, in the IGBT in which the collector short structure is formed on the back surface side, the expression of the negative resistance component is suppressed and the turn-off time can be increased.

下記に説明する実施例の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴）断面積が０．２ｍｍ^２以上となるように導電体領域を形成する。 Preferred features of the embodiments described below are listed.
(First Feature) The conductor region is formed so that the cross-sectional area is 0.2 mm ² or more.

図１に、本発明の実施例であるＩＧＢＴ１００のダイシング端面１８付近の断面図を模式的に示す。図１２に示した従来のＩＧＢＴ２００と同等の領域には、同じ参照番号を用いる。
ＩＧＢＴ１００は、ｎ型のベース層１０と、ベース層１０の表面の一部分に形成されているｐ型のボディ領域２４と、ボディ領域２４の表面の一部分に形成されているｎ⁺型のエミッタ領域２８と、ベース層１０とエミッタ領域２８を分離している領域のボディ領域２４にゲート絶縁膜３０を介して対向しているゲート電極３２と、エミッタ領域２８に接しているとともに層間絶縁膜２６によってゲート電極３２から絶縁されているエミッタ電極２２と、ｎ型ベース層１０の裏面に接しているｐ型コレクタ層１２と、ｐ型コレクタ層の裏面に接しているコレクタ電極１４を備えている。ＩＧＢＴ１００は、ｐ型コレクタ層１２を貫通してコレクタ電極１４とベース層１０を短絡させている導電体領域１６が形成されている。導電体領域１６の材料はｎ型の不純物を含む多結晶シリコンであり、その断面積は０．２ｍｍ^２である。導電体領域１６は、半導体基板５０を矢印Ａ方向から平面視したときに、ボディ領域２４が存在する範囲Ｘ内には形成されておらず、前記範囲Ｘの外側の範囲Ｙ内のみに形成されている。 FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view in the vicinity of a dicing end face 18 of an IGBT 100 that is an embodiment of the present invention. The same reference numbers are used for regions equivalent to the conventional IGBT 200 shown in FIG.
The IGBT 100 includes an n-type base layer 10, a p-type body region 24 formed on a part of the surface of the base layer 10, and an n ⁺ -type emitter region 28 formed on a part of the surface of the body region 24. A gate electrode 32 facing the body region 24 in a region separating the base layer 10 and the emitter region 28 via a gate insulating film 30, and contacting the emitter region 28 and gated by the interlayer insulating film 26. The emitter electrode 22 insulated from the electrode 32, the p-type collector layer 12 in contact with the back surface of the n-type base layer 10, and the collector electrode 14 in contact with the back surface of the p-type collector layer are provided. In the IGBT 100, a conductor region 16 that penetrates the p-type collector layer 12 and short-circuits the collector electrode 14 and the base layer 10 is formed. The material of the conductor region 16 is polycrystalline silicon containing n-type impurities, and its cross-sectional area is 0.2 mm ² . The conductor region 16 is not formed within the range X in which the body region 24 exists when the semiconductor substrate 50 is viewed in plan from the direction of arrow A, and is formed only within the range Y outside the range X. ing.

図２に、ＩＧＢＴの特性を示す。横軸は、コレクタ−エミッタ間の電圧であり、縦軸はコレクタ電流を示している。カーブａは、本実施例のＩＧＢＴ１００の特性を示し、カーブｂは、導電体領域を持たないＩＧＢＴの特性を示し、カーブｃは、図１２に示した導電体領域３１６を備えている従来のＩＧＢＴ２００の特性を示す。図２からわかるように、本実施例のＩＧＢＴ１００の特性は、導電体領域を持たないＩＧＢＴの特性とほぼ同程度である。ターンオフ時間を短縮化するためにコレクタ電極１４とベース層１０を短絡させている導電体領域１６を形成しているにもかかわらず、負性抵抗成分が現れないことがわかる。 FIG. 2 shows the characteristics of the IGBT. The horizontal axis represents the collector-emitter voltage, and the vertical axis represents the collector current. Curve a shows the characteristics of the IGBT 100 of the present embodiment, curve b shows the characteristics of the IGBT having no conductor region, and curve c shows the conventional IGBT 200 including the conductor region 316 shown in FIG. The characteristics are shown. As can be seen from FIG. 2, the characteristics of the IGBT 100 of the present embodiment are substantially the same as the characteristics of the IGBT having no conductor region. It can be seen that the negative resistance component does not appear despite the formation of the conductor region 16 in which the collector electrode 14 and the base layer 10 are short-circuited in order to shorten the turn-off time.

図３に、ＩＧＢＴ１００のターンオフ時に過渡的に生じる現象を断面図で示す。図中の３４は、空乏領域を示している。図中の３６は、ベース層１０内にキャリアが残留している範囲を示している。ＩＧＢＴ１００がターンオフすると、ｎ型ベース層１０とｐ型ボディ領域２４の界面からベース層１０内を空乏領域３４が伸びていき、その外側にキャリア残留範囲３６が形成される。空乏領域３４が伸びるにしたがってキャリア残留範囲３６は外側に移動し、半導体基板５０を平面視したときにボディ領域２４が存在しない範囲Ｙ内に達する。キャリア残留範囲３６は、空乏層３４が広がる過程で導電体領域１６に接触する。キャリア残留範囲３６が導電体領域１６に接触すると、キャリア残留範囲３６内の電子はコレクタ電極１４に排出される。導電体領域１６は、半導体基板５０を平面視したときにボディ領域２４が存在しない範囲Ｙ内に形成されていても、有効なキャリア排出路として作動する。導電体領域１６によってベース層１０とコレクタ電極１４を短絡させておけば、その短絡位置がボディ領域２４に対向しない範囲Ｙ内であっても、ターンオフ時間を短縮させるのに寄与する。
なお、導電体領域１６の断面積が小さいと電子が排出されにくくなるため、断面積は０．２ｍｍ^２以上が好ましい。また導電体領域１６の抵抗は１Ω〜５Ωの範囲にあることが好ましい。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a phenomenon that occurs transiently when the IGBT 100 is turned off. 34 in the figure indicates a depletion region. Reference numeral 36 in the drawing indicates a range in which carriers remain in the base layer 10. When the IGBT 100 is turned off, the depletion region 34 extends in the base layer 10 from the interface between the n-type base layer 10 and the p-type body region 24, and a carrier residual region 36 is formed outside thereof. As the depletion region 34 extends, the carrier residual range 36 moves outward, and reaches the range Y where the body region 24 does not exist when the semiconductor substrate 50 is viewed in plan. The carrier remaining area 36 contacts the conductor region 16 in the process of expanding the depletion layer 34. When the carrier residual area 36 contacts the conductor region 16, electrons in the carrier residual area 36 are discharged to the collector electrode 14. The conductor region 16 operates as an effective carrier discharge path even if it is formed in the range Y where the body region 24 does not exist when the semiconductor substrate 50 is viewed in plan. If the base layer 10 and the collector electrode 14 are short-circuited by the conductor region 16, it contributes to shortening the turn-off time even if the short-circuit position is within the range Y not facing the body region 24.
In addition, since it becomes difficult for electrons to be discharged when the cross-sectional area of the conductor region 16 is small, the cross-sectional area is preferably 0.2 mm ² or more. The resistance of the conductor region 16 is preferably in the range of 1Ω to 5Ω.

図４に、ターンオフ時のコレクタ電流の変化パターンを示す。縦軸はコレクタ電流を示し、横軸は時間を示している。カーブｂは、導電体領域を持たないＩＧＢＴの特性を示し、カーブａは、本実施例のＩＧＢＴ１００の特性を示し、カーブｃは、従来の導電体領域１１６を有するＩＧＢＴ２００を示している。この図からわかるように、本実施例のＩＧＢＴ１００は、導電体領域を持たないＩＧＢＴに比べ、ターンオフ時のスイッチング時間を短縮することが出来る。
図１〜４に示したように、本実施例によって、ターンオン時に負性抵抗成分が現れるのを抑制するとともに、ターンオフ時のスイッチング時間を高速化することができる。 FIG. 4 shows a change pattern of the collector current at the time of turn-off. The vertical axis indicates the collector current, and the horizontal axis indicates time. A curve b shows the characteristics of the IGBT having no conductor region, a curve a shows the characteristics of the IGBT 100 of this embodiment, and a curve c shows the IGBT 200 having the conventional conductor region 116. As can be seen from this figure, the IGBT 100 of this embodiment can shorten the switching time at the time of turn-off as compared with the IGBT having no conductor region.
As shown in FIGS. 1 to 4, according to this embodiment, it is possible to suppress the appearance of a negative resistance component at the time of turn-on and to increase the switching time at the time of turn-off.

図５に、ＩＧＢＴ１００の裏面から斜視した図を示す。ただしコレクタ電極１４を除去している。図５は、コレクタ層１２の裏面を斜視した図に相当する。ＩＧＢＴ１００では、導電体領域１６が、コレクタ層１２の裏面においてコレクタ層１２をほぼ取り囲む閉ループを形成している。導電体領域１６は、ひと繋ぎで形成されていてもよい。 FIG. 5 shows a perspective view of the IGBT 100 from the back side. However, the collector electrode 14 is removed. FIG. 5 corresponds to a perspective view of the back surface of the collector layer 12. In the IGBT 100, the conductor region 16 forms a closed loop that substantially surrounds the collector layer 12 on the back surface of the collector layer 12. The conductor region 16 may be formed as a single piece.

図６に、第２実施例のＩＧＢＴ１２０を示す。図６は、図５に対応する図である。第２実施例のＩＧＢＴ１２０では、導電体領域１１６が、コレクタ層１２の外周部に沿って断続的に形成されている。導電体領域１１６は、ボディ領域２４と対向していない範囲に形成されていればよく、複数個に分割されて点在していてもよい。 FIG. 6 shows the IGBT 120 of the second embodiment. FIG. 6 corresponds to FIG. In the IGBT 120 of the second embodiment, the conductor region 116 is intermittently formed along the outer peripheral portion of the collector layer 12. The conductor region 116 only needs to be formed in a range not facing the body region 24, and may be divided into a plurality of portions and scattered.

図７に、第３実施例のＩＧＢＴ１３０の断面図を示す。以下では、第１実施例のＩＧＢＴ１００と相違する部分のみを説明する。
第３実施例のＩＧＢＴ１３０では、ｎ型のベース層１０とｐ型のコレクタ層１２の間に、ｎ⁺型の電界ストップ層４０が全面的に形成されている。ｎ⁺型の電界ストップ層４０はｎ型のベース層１０よりもｎ型不純物を高濃度に含んでいる。ｎ⁺型電界ストップ層４０を設けると、ＩＧＢＴのオフ時にボディ領域２４とベース層１０の界面からベース層１０内を伸びる空乏層がｎ⁺型の電界ストップ層４０内に留まり、コレクタ層１２に達することを防止する。必要な耐圧を確保しながらベース層１０を薄くすることができる。ＩＧＢＴ１３０のオン電圧を低下させることができる。またＩＧＢＴ１３０のターンオフ時に生じるサージ電圧のピーク値を下げることも出来る。 FIG. 7 shows a cross-sectional view of the IGBT 130 of the third embodiment. Below, only the part which is different from IGBT100 of 1st Example is demonstrated.
In the IGBT 130 of the third embodiment, an n ⁺ -type electric field stop layer 40 is entirely formed between the n-type base layer 10 and the p-type collector layer 12. The n ⁺ -type electric field stop layer 40 contains n-type impurities at a higher concentration than the n-type base layer 10. The provision of n ⁺ -type field stop layer 40, the depletion layer extending to the base layer 10 from the interface between the body region 24 and the base layer 10 when the IGBT off remains in the n ⁺ -type field stop layer 40, the collector layer 12 To prevent reaching. The base layer 10 can be made thin while ensuring the necessary breakdown voltage. The on-voltage of the IGBT 130 can be reduced. In addition, the peak value of the surge voltage generated when the IGBT 130 is turned off can be lowered.

図８に、第４実施例のＩＧＢＴ１４０の断面図を示す。第４実施例のＩＧＢＴ１４０は、第３実施例のＩＧＢＴ１３０に対して、ｐ型ボディ領域２４とｎ型ベース層１０の間にｎ⁺型のキャリア蓄積層５０が付加されている。ｎ⁺型のキャリア蓄積層５０は、ｎ型ベース層１０よりもｎ型不純物を高濃度に含んでいる。ｎ⁺型キャリア蓄積層５０は、オン状態の間にｐ型コレクト層１２からｎ型ベース層１０に注入された正孔が、ｐ型ボディ領域２４を通過してエミッタ電極２２に流れ込むことを防ぐ働きがある。そのため、オン状態の間にｎ型ベース層１０に蓄積されるキャリア総数を増やすことができ、オン電圧をさらに低減することができる。オン状態でベース層１０に蓄積するキャリア総数を高める場合には、ターンオフ時にキャリアを引き抜く作用が重要となり、導電体領域１６を設けることによってスイッチング時間を高速化する効果が顕著に得られる。 FIG. 8 shows a cross-sectional view of the IGBT 140 of the fourth embodiment. In the IGBT 140 of the fourth embodiment, an n ⁺ -type carrier storage layer 50 is added between the p-type body region 24 and the n-type base layer 10 with respect to the IGBT 130 of the third embodiment. The n ⁺ -type carrier storage layer 50 contains n-type impurities at a higher concentration than the n-type base layer 10. The n ⁺ -type carrier storage layer 50 prevents holes injected from the p-type collect layer 12 into the n-type base layer 10 during the ON state from flowing into the emitter electrode 22 through the p-type body region 24. There is work. Therefore, the total number of carriers accumulated in the n-type base layer 10 during the on state can be increased, and the on voltage can be further reduced. In the case of increasing the total number of carriers accumulated in the base layer 10 in the on state, the action of extracting carriers at the time of turn-off becomes important, and the effect of increasing the switching time by providing the conductor region 16 is remarkably obtained.

図９に、第５実施例のＩＧＢＴ１５０の断面図を示す。第５実施例のＩＧＢＴ１５０は、第１実施例のＩＧＢＴ１００に、ｎ⁺型のキャリア誘導層５５が付加された構造をとっている。ｎ⁺型キャリア誘導層５５は、ｎ型ベース層１０よりもｎ型不純物を高濃度に含んでいる。導電体領域１６とｎ⁺型キャリア誘導層５５は電気的に接続されている。キャリア誘導層５５が付加されていると、ベース層１０内に残留しているキャリアをターンオフ時にｎ⁺型キャリア誘導層５５と導電体領域１６によってコレクタ電極１４に効率的に排出することができ、結果的にスイッチング速度の高速化を実現できる。 FIG. 9 shows a cross-sectional view of the IGBT 150 of the fifth embodiment. The IGBT 150 of the fifth embodiment has a structure in which an n ⁺ -type carrier induction layer 55 is added to the IGBT 100 of the first embodiment. The n ⁺ type carrier inducing layer 55 contains an n type impurity at a higher concentration than the n type base layer 10. Conductor region 16 and n ⁺ type carrier inducing layer 55 are electrically connected. When the carrier induction layer 55 is added, carriers remaining in the base layer 10 can be efficiently discharged to the collector electrode 14 by the n ⁺ type carrier induction layer 55 and the conductor region 16 at the time of turn-off. As a result, the switching speed can be increased.

図１０に、本発明の第６実施例のＩＧＢＴ１６０の断面図を示す。第６実施例のＩＧＢＴ１６０は、第５実施例のＩＧＢＴ１５０におけるキャリア誘導層５５が、半導体基板５０の全面に形成されている構造をとっている。この場合、キャリア誘導層１５５は、電界ストップ層を兼ねている。第６実施例のＩＧＢＴ１６０は、第３実施例のＩＧＢＴ１３０と第５実施例のＩＧＢＴ１５０の長所を併せ持っている。 FIG. 10 is a sectional view of an IGBT 160 according to the sixth embodiment of the present invention. The IGBT 160 of the sixth embodiment has a structure in which the carrier induction layer 55 in the IGBT 150 of the fifth embodiment is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50. In this case, the carrier induction layer 155 also serves as an electric field stop layer. The IGBT 160 of the sixth embodiment has the advantages of the IGBT 130 of the third embodiment and the IGBT 150 of the fifth embodiment.

図１１に、第７実施例のＩＧＢＴ１７０の断面図を示す。第７実施例のＩＧＢＴ１７０は、第１実施例のＩＧＢＴ１００の導電体領域１６が、ＩＧＢＴ１７０のダイシング端面１８まで伸びている構造をとっている。ダイシング端面１８は荒れているためにリーク電流が流れやすいが、本実施例の場合、ダイシング端面１８にｐｎ接合が存在しないため、エミッタ−コレクタ間に通常とは逆のバイアスが印加されていても、異常なリーク電流が流れるのを抑制できる利点がある。 FIG. 11 shows a cross-sectional view of the IGBT 170 of the seventh embodiment. The IGBT 170 of the seventh embodiment has a structure in which the conductor region 16 of the IGBT 100 of the first embodiment extends to the dicing end face 18 of the IGBT 170. Since the dicing end face 18 is rough, leakage current tends to flow. However, in the case of this embodiment, there is no pn junction on the dicing end face 18, so even if a reverse bias is applied between the emitter and the collector. There is an advantage that an abnormal leakage current can be suppressed.

本発明のＩＧＢＴでは、図１に示すように、半導体基板５０を矢印Ａ方向から平面視したときに、ｐ型ボディ領域２４の外側の輪郭と、導電体領域１６の外側の輪郭との間の間隔Ｗが、０μｍ〜２００μｍの範囲内であることが極めて好ましい。間隔Ｗが２００μｍ以上ある場合には、ターンオフ時のキャリアの排出効果が充分に働かず、ターンオフ時の高速化が難しい。一方、導電体領域１６がｐ型ボディ領域２４に対向する範囲内に位置していると、ターンオン時に負性抵抗成分が現れやすくなる。その結果、ＩＧＢＴ２００の特性に近づいてしまう。 In the IGBT of the present invention, as shown in FIG. 1, when the semiconductor substrate 50 is viewed in a plan view from the direction of arrow A, it is between the outer contour of the p-type body region 24 and the outer contour of the conductor region 16. It is extremely preferable that the interval W is in the range of 0 μm to 200 μm. When the interval W is 200 μm or more, the carrier discharging effect at the time of turn-off does not work sufficiently, and it is difficult to increase the speed at the time of turn-off. On the other hand, if the conductor region 16 is located within the range facing the p-type body region 24, a negative resistance component tends to appear at the time of turn-on. As a result, the characteristics of the IGBT 200 are approached.

前記した間隔Ｗは、本発明にとって重要な因子である。間隔Ｗがゼロの時であるときに、負性抵抗成分の発現を抑制し、ターンオフ時間を短縮化する効果が最大に得られる。しかしながら、間隔Ｗがゼロから増減しても、その増減幅が所定範囲内にあれば、本発明の利点は得られる。間隔Ｗが２００μｍ以下であれば、ターンオフ時にｐ型ボディ領域２４とｎ型ベース層１０の接合界面からｎ型ベース層１０側へ伸びる空乏層によって、キャリア残存領域が外側に移動することから、導電体領域１６によってキャリアを排出する能力は保たれる。 The above-described interval W is an important factor for the present invention. When the interval W is zero, the maximum effect of suppressing the expression of the negative resistance component and shortening the turn-off time can be obtained. However, even if the interval W increases or decreases from zero, the advantage of the present invention can be obtained if the increase / decrease width is within a predetermined range. If the interval W is 200 μm or less, the carrier remaining region moves outward by the depletion layer extending from the junction interface between the p-type body region 24 and the n-type base layer 10 toward the n-type base layer 10 at the time of turn-off. The ability to eject carriers by the body region 16 is maintained.

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

第１実施例のＩＧＢＴ１００の断面図を示す。A sectional view of IGBT100 of the 1st example is shown. コレクタ電流とコレクタ−エミッタ間の電圧の特性を比較した図を示す。The figure which compared the characteristic of the collector current and the voltage between collector-emitters is shown. ターンオフ時にＩＧＢＴ１００に生じする事象を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the phenomenon which arises in IGBT100 at the time of turn-off. コレクタ電流のターンオフ時の特性を比較した図を示す。The figure which compared the characteristic at the time of turn-off of collector current is shown. 第１実施例のＩＧＢＴ１００の裏面から斜視した図を示す。The figure seen from the back of IGBT100 of the 1st example is shown. 第２実施例のＩＧＢＴ１２０の裏面から斜視した図を示す。The figure seen from the back surface of IGBT120 of 2nd Example is shown. 第３実施例のＩＧＢＴ１３０の断面図を示す。Sectional drawing of IGBT130 of 3rd Example is shown. 第４実施例のＩＧＢＴ１４０の断面図を示す。Sectional drawing of IGBT140 of 4th Example is shown. 第５実施例のＩＧＢＴ１５０の断面図を示す。Sectional drawing of IGBT150 of 5th Example is shown. 第６実施例のＩＧＢＴ１６０の断面図を示す。Sectional drawing of IGBT160 of 6th Example is shown. 第７実施例のＩＧＢＴ１７０の断面図を示す。Sectional drawing of IGBT170 of 7th Example is shown. 従来のＩＧＢＴ２００の断面図を示す。A cross-sectional view of a conventional IGBT 200 is shown. ＩＧＢＴ２００の等価回路を示す。The equivalent circuit of IGBT200 is shown.

Explanation of symbols

１０：ｎ型ベース層
１２：ｐ型コレクタ層
１４：コレクタ電極
１６、１１６、２１６、３１６：導電体領域
１８：ダイシング端面
２０、２６：層間絶縁膜
２２：エミッタ電極
２４：ｐ型ボディ領域
２８：ｎ⁺型エミッタ領域
３０：ゲート絶縁膜
３２：ゲート電極
３４：空乏領域
３６：キャリア残留範囲
３８：ｐｎｐ型トランジスタ
４０：ｎ⁺型電界ストップ層
５０：ｎ⁺型キャリア蓄積層
５２：半導体基板
５５：ｎ⁺型キャリア誘導層
１００：第１実施例のＩＧＢＴ
１５５：ｎ⁺型キャリア誘導層兼電界ストップ層
２００：従来のＩＧＢＴ
Ａ：平面視する方向
ａ：ＩＧＢＴ１００の特性カーブ
ｂ：導電体領域を持たないＩＧＢＴの特性カーブ
ｃ：従来のＩＧＢＴ２００の特性カーブ
Ｗ：ボディ領域の外側の輪郭と導電体領域の内側の輪郭との間の間隔
Ｘ：平面視したときにボディ領域と対向している範囲
Ｙ：平面視したときにボディ領域と対向していない範囲 10: n-type base layer 12: p-type collector layer 14: collector electrodes 16, 116, 216, 316: conductor region 18: dicing end face 20, 26: interlayer insulating film 22: emitter electrode 24: p-type body region 28: n ⁺ -type emitter region 30: gate insulating film 32: gate electrode 34: depletion region 36: carrier residual range 38: pnp-type transistor 40: n ⁺ -type electric field stop layer 50: n ⁺ -type carrier storage layer 52: semiconductor substrate 55: n ⁺ type carrier inducing layer 100: IGBT of the first embodiment
155: n ⁺ -type carrier induction layer / electric field stop layer 200: conventional IGBT
A: Direction in plan view a: Characteristic curve b of the IGBT 100 b: Characteristic curve of the IGBT having no conductor region c: Characteristic curve of the conventional IGBT 200 W: Between the outer contour of the body region and the inner contour of the conductor region Interval X: Range facing the body region when viewed in plan Y: Range not facing the body region when viewed in plan

Claims

A first conductivity type base layer formed in a semiconductor substrate;
A body region of a second conductivity type formed on at least a portion of the surface of the base layer;
An emitter region of a first conductivity type formed on at least a portion of the surface of the body region;
A gate electrode facing the body region separating the base layer and the emitter region through a gate insulating film;
An emitter electrode in contact with the emitter region and insulated from the gate electrode;
A collector layer of a second conductivity type in contact with the back surface of the base layer;
A collector electrode in contact with the back surface of the collector layer;
It has a conductor region that penetrates the collector layer and penetrates into the base layer, and is in contact with the collector electrode.
The IGBT, wherein the conductor region is formed outside the body region when the semiconductor substrate is viewed in plan.

The IGBT according to claim 1, wherein the conductor region forms a closed loop on a back surface of the collector layer.

The IGBT according to claim 1, wherein the conductor region is intermittently formed on a back surface of the collector layer.

4. The IGBT according to claim 1, wherein a high-concentration layer containing a first conductivity type impurity at a higher concentration than the base layer is formed between the base layer and the collector layer. 5.

5. The IGBT according to claim 1, wherein a high concentration layer containing a first conductivity type impurity at a higher concentration than the base layer is formed between the base layer and the body region.

6. The high-concentration layer containing the first conductivity type impurity in a higher concentration than the base layer and in contact with the conductor region is formed in the base layer. IGBT.

The IGBT according to claim 6, wherein the high-concentration layer extends over the entire surface of the base layer.

The IGBT according to claim 1, wherein the conductor region extends to a dicing end face.

The space between the outer contour of the body region and the inner contour of the conductor region when the semiconductor substrate is viewed in plane is in the range of 0 μm to 300 μm. Any of 8 IGBTs.