JP2009021374A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁ゲートトレンチを有するトレンチゲート型IGBTが半導体基板にセルの集合体として形成されてなる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a trench gate type IGBT having an insulated gate trench is formed as an assembly of cells on a semiconductor substrate.
モータ等の負荷を駆動するためのインバータ回路等に用いられるIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、Insulated Gate BipolarTransistor)は、いわゆるパンチスルー(PT)型IGBT、ノンパンチスルー(NPT)型IGBT、および両者の中間的存在で特開2004−103982号公報(特許文献1)に開示されているフィールドストップ(FS)型IGBTに大別できる。PT型IGBTは、P導電型(P+)の厚い基板をコレクタ層とし、N導電型(N−)のドリフト層との間にN導電型(N+)のバッファ層を挿入した構造となっている。NPT型IGBTは、ドリフト層として機能する薄いN導電型(N−)の基板(ボディ層)の裏面にP導電型(P+)のコレクタ層が形成された構造となっている。また、FS型IGBTは、NPT型IGBTのドリフト層とコレクタ層の間にフィールドストップ(FS)層と呼ぶN導電型(N)のバッファ層を挿入して、ドリフト層であるN導電型(N−)の基板(ボディ層)をさらに薄くした構造となっている。 An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) used in an inverter circuit for driving a load such as a motor is a so-called punch-through (PT) type IGBT, non-punch-through (NPT) type IGBT, and an intermediate between them. The field stop (FS) type IGBT disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-103982 (Patent Document 1) can be roughly classified. The PT type IGBT has a structure in which a thick substrate of P conductivity type (P +) is used as a collector layer and an N conductivity type (N +) buffer layer is inserted between the N conductivity type (N−) drift layer. . The NPT type IGBT has a structure in which a P conductivity type (P +) collector layer is formed on the back surface of a thin N conductivity type (N−) substrate (body layer) functioning as a drift layer. The FS type IGBT has an N conductivity type (N) which is a drift layer by inserting an N conductivity type (N) buffer layer called a field stop (FS) layer between the drift layer and the collector layer of the NPT IGBT. The substrate (body layer) of −) is further thinned.
また、IGBTは、ゲート構造の違いによっても、平面ゲート型IGBTとトレンチゲート型IGBTに大別される。平面ゲート型IGBTでは、半導体基板上に形成された酸化膜をゲート絶縁膜とし、該酸化膜上に形成された多結晶シリコン膜をゲート電極としている。トレンチゲート型IGBTでは、半導体基板の表層部に形成されたトレンチの側壁酸化膜をゲート絶縁膜とし、該トレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコンをゲート電極としている。トレンチゲート型IGBTは、平面ゲート型IGBTに較べて集積密度を高めることができるため、近年ではIGBTにおける主流の絶縁ゲート構造となっている。 The IGBT is roughly classified into a planar gate type IGBT and a trench gate type IGBT depending on the difference in gate structure. In the planar gate type IGBT, an oxide film formed on a semiconductor substrate is used as a gate insulating film, and a polycrystalline silicon film formed on the oxide film is used as a gate electrode. In a trench gate type IGBT, a sidewall oxide film of a trench formed in a surface layer portion of a semiconductor substrate is used as a gate insulating film, and polycrystalline silicon embedded in the trench is used as a gate electrode. Since the trench gate type IGBT can increase the integration density as compared with the planar gate type IGBT, it has a mainstream insulated gate structure in the IGBT in recent years.
図7は、上記したFS型IGBTで、絶縁ゲートトレンチを有するトレンチゲート型IGBT10が形成された半導体装置90の模式的な断面を示した図である。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic cross section of a
図7に示す半導体装置90は、絶縁ゲートトレンチZTを有するトレンチゲート型IGBT10が、半導体基板1に、セルの集合体(IGBTセル領域TR)として形成されてなる半導体装置である。半導体基板1は、主面側におけるN導電型(N−)の第1半導体層1aと、裏面側におけるP導電型(P)の第2半導体層1bと、第1半導体層1aと第2半導体層1bの間に配設され、N導電型(N)で第1半導体層1aより不純物濃度が高い第3半導体層1cとからなる。第1半導体層1a、第2半導体層1bおよび第3半導体層1cは、それぞれ、IGBT10のキャリアドリフト層、コレクタ層およびフィールドストップ(FS)層となっている。尚、半導体基板1の主面側に形成された符号4の部分は、フィールド酸化膜であり、符号5の部分は、アルミニウム等からなる配線層である。また、半導体基板1の裏面側に形成された符号6の部分は、アルミニウム等からなる電極層で、IGBT10のコレクタ電極となっている。
A
図7の半導体装置90では、第1半導体層1aの表層部に、P導電型(P)の第1半導体領域2aが形成されている。IGBT10の絶縁ゲートトレンチZTは、第1半導体領域2aを貫通するようにして形成されている。これによって、第1半導体領域2aが、符号2abで示したチャネル形成領域と、符号2afで示したフローティング領域に分断されている。チャネル形成領域2abには、N導電型(N)のエミッタ領域3が絶縁ゲートトレンチZTに隣接して形成されており、エミッタ領域3とチャネル形成領域2abが、配線層5で形成されたエミッタ電極5aに接続されている。一方、フローティング領域2afは、エミッタ電極5aが接続されておらず、電気的に浮いた状態でキャリアを蓄積する領域となっている。このように、図7の半導体装置90におけるIGBT10は、エミッタ電極5aに接続されるチャネル形成領域2abとエミッタ電極5aに接続されないフローティング領域2afとが構成されてなる、間引きチャネル型IGBTでもある。上記半導体装置90と同様の間引きチャネル型IGBTについては、例えば、特開2001−308327号公報(特許文献2)に開示がある。特許文献2によれば、チャネル形成領域とフローティング領域の幅の比が1:2〜1:7である場合に、オン電圧だけでなくスイッチング損失も低くして、IGBTのトータルの発生損失を低減することができる。
図7に示すIGBT10は、高耐圧のIGBTとすることができ、例えば、耐圧600〜1200V、電流30〜300A程度の定格を持たせることができる。IGBTの耐圧評価にはいくつかのモードがあり、例えば、直流(DC)耐圧、通電していない状態で急激な電圧変化(dV/dtサージ)が印加され時の耐圧、通電時(オン状態)のいわゆるUIS(Unclamped Inductive Switching)のRBSOA(Reverse BiasSafe Operating Area)試験に相当する耐圧等が代表的なものである。
The
図8は、図7のIGBT10に関するDC耐圧測定時の動作モード1とdV/dtサージ耐圧測定時の動作モード2について、コレクタ・エミッタ間電圧−コレクタ電流(Vce−Ic)特性上に模式的に示した図である。
FIG. 8 schematically shows the collector-emitter voltage-collector current (Vce-Ic) characteristics of the
DC耐圧試験の動作モード1では、コレクタ・エミッタ間電圧を上げていくと、電圧BVcesの点P1Bでアバランシェ・ブレークダウンが開始し、図の点線で示した負性抵抗が発生する点P1Dで、素子破壊が起きる。素子破壊に至るまでの電流は、μA〜mAの範囲で、このような微小電流であっても素子破壊が起きる。dV/dtサージ耐圧試験の動作モード2では、コレクタ・エミッタ間電圧を上げていくと、モード1の電圧BVcesより低い電圧Vce(sus2)の点P2Bでアバランシェ・ブレークダウンが開始し、負性抵抗が発生する点P2Dで、素子破壊が起きる。素子破壊に至るまでの電流は、mA〜Aの範囲で、動作モード1の場合より大きいものの、定格電流と較べると小さな電流で素子破壊が起きる。
In the
動作モード1と動作モード2のいずれの場合であっても、IGBT10が一旦破壊されてしまうと、再び使用することはできない。従って、IGBT10に高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合には、アバランシェ・ブレークダウンが開始しても素子破壊にまでは至らず、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧から開放された時点で、初期状態に戻ることが望ましい。
In either case of the
そこで本発明は、絶縁ゲートトレンチを有するトレンチゲート型IGBTが半導体基板にセルの集合体として形成されてなる半導体装置であって、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合であっても素子破壊を防止することができ、素子破壊に対する耐性の高い半導体装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention is a semiconductor device in which a trench gate type IGBT having an insulated gate trench is formed as an assembly of cells on a semiconductor substrate, where a high DC voltage or a dV / dt surge voltage is applied. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that can prevent element destruction and has high resistance to element destruction.
請求項1に記載の半導体装置は、絶縁ゲートトレンチを有するトレンチゲート型IGBTが、半導体基板に、セルの集合体として形成されてなる半導体装置であって、前記半導体基板が、主面側における第1導電型の第1半導体層と、裏面側における第2導電型の第2半導体層と、前記第1半導体層と第2半導体層の間に配設され、第1導電型で前記第1半導体層より不純物濃度が高い第3半導体層とからなり、前記第1半導体層の表層部に、第2導電型の第1半導体領域が形成され、前記第1半導体領域を貫通するようにして、前記絶縁ゲートトレンチが形成されてなり、前記トレンチゲート型IGBTのオフ時において前記絶縁ゲートトレンチの先端付近に電荷を供給する電荷供給手段が配設されてなることを特徴としている。
The semiconductor device according to
上記半導体装置におけるIGBTは、トレンチゲート型IGBTであると共に、キャリアドリフト層である第1半導体層とコレクタ層である第2半導体層の間に配設された第3半導体層がいわゆるフィールドストップ(FS)層として機能する、FS型IGBTでもある。 The IGBT in the semiconductor device is a trench gate type IGBT, and a third semiconductor layer disposed between the first semiconductor layer which is a carrier drift layer and the second semiconductor layer which is a collector layer is a so-called field stop (FS). ) IGBT that functions as a layer.
トレンチゲート型IGBTは、一般的に、平面ゲート型IGBTに較べて集積密度を高めることができる反面、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合には、絶縁ゲートトレンチの先端付近で電界強度が最大となるため、アバランシェ・ブレークダウンが開始するとわずかな電流でも素子破壊に至る。しかしながら、上記半導体装置のトレンチゲート型IGBTにおいては、該IGBTのオフ時において絶縁ゲートトレンチの先端付近に電荷を供給する電荷供給手段が配設されている。従って、該IGBTにおいては、上記電荷供給手段を利用して、アバランシェ・ブレークダウンが開始する直前に、空乏層内に極少量のキャリア(電荷)を導入することができる。これによって、アバランシェ・ブレークダウンが開始した時には、空乏層に導入された極少量のキャリア(電荷)によって絶縁ゲートトレンチの先端付近における衝撃イオン化率が低下し、ブレークダウン電流の局所集中を緩和して、サージ破壊耐量を向上することができる。尚、電荷供給手段によるキャリア(電荷)の導入は、極少量でよいため、該IGBTのDC耐圧劣化もほとんど起きないようにすることが可能である。 In general, the trench gate type IGBT can increase the integration density as compared with the planar gate type IGBT, but when a high DC voltage or a dV / dt surge voltage is applied, the trench gate type IGBT is near the tip of the insulated gate trench. Since the electric field strength becomes maximum, the device can be destroyed even with a small current when avalanche breakdown starts. However, in the trench gate type IGBT of the semiconductor device, charge supply means for supplying charge is provided near the tip of the insulated gate trench when the IGBT is off. Therefore, in the IGBT, it is possible to introduce a very small amount of carriers (charges) into the depletion layer immediately before the start of avalanche breakdown using the charge supply means. As a result, when avalanche breakdown starts, the impact ionization rate near the tip of the insulated gate trench decreases due to a very small amount of carriers (charges) introduced into the depletion layer, and local concentration of breakdown current is alleviated. , Surge breakdown resistance can be improved. Incidentally, since the introduction of carriers (charges) by the charge supply means may be extremely small, it is possible to hardly cause the DC breakdown voltage deterioration of the IGBT.
以上のようにして、上記半導体装置は、絶縁ゲートトレンチを有するトレンチゲート型IGBTが半導体基板にセルの集合体として形成されてなる半導体装置であって、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合であっても素子破壊を防止することができ、素子破壊に対する耐性の高い半導体装置とすることができる。 As described above, the semiconductor device is a semiconductor device in which a trench gate type IGBT having an insulated gate trench is formed as a collection of cells on a semiconductor substrate, and a high DC voltage or a dV / dt surge voltage is applied. Even in such a case, element destruction can be prevented and a semiconductor device having high resistance against element destruction can be obtained.
上記半導体装置における電荷供給手段は、例えば請求項2に記載のように、前記第3半導体層を貫通し、前記第1半導体層が前記第2半導体層に達するように形成された第3半導体層貫通穴とすることができる。 The charge supply means in the semiconductor device includes, for example, a third semiconductor layer formed so as to penetrate the third semiconductor layer and the first semiconductor layer reaches the second semiconductor layer. It can be a through hole.
この場合、IGBTのオフ時のコレクタ電極に印加されるDC電圧やdV/dtサージ電圧により、上記第3半導体層貫通穴を介して、裏面側のコレクタ層である第2半導体層から第1半導体層に突き出た絶縁ゲートトレンチの先端付近に、極少量のキャリア(電荷)を供給することが可能である。従って、これにより、ブレークダウン電流の局所集中を緩和して、サージ破壊耐量を向上することができる。 In this case, the DC voltage or dV / dt surge voltage applied to the collector electrode when the IGBT is off causes the first semiconductor from the second semiconductor layer, which is the collector layer on the back surface side, through the third semiconductor layer through hole. A very small amount of carriers (charges) can be supplied near the tip of the insulated gate trench protruding into the layer. Therefore, this can alleviate local concentration of breakdown current and improve surge breakdown resistance.
請求項3に記載のように、前記第3半導体層貫通穴は、第1半導体層との間で空乏層が平坦に形成される、前記第1半導体領域の平坦な底面の直下に配設されてなることが好ましい。これによれば、該第3半導体層貫通穴を介して、空乏層へのキャリア(電荷)の供給を深さ方向において均一にすることができる。 According to a third aspect of the present invention, the third semiconductor layer through hole is disposed immediately below a flat bottom surface of the first semiconductor region where a depletion layer is formed flat with the first semiconductor layer. It is preferable that According to this, the supply of carriers (charges) to the depletion layer can be made uniform in the depth direction through the third semiconductor layer through hole.
さらには、請求項4に記載のように、前記第3半導体層貫通穴は、前記セルの集合体の直下に配設されてなることがより好ましい。これによれば、該第3半導体層貫通穴を介して、キャリア(電荷)を絶縁ゲートトレンチの先端付近に最短距離で供給することができる。
Furthermore, as described in
前記第3半導体層貫通穴は、基板面内においては、例えば請求項5に記載のように、等間隔に配置されたストライプ形状の貫通穴の集合体からなるように構成することができる。また、請求項6に記載のように、格子縞形状の貫通穴からなるように構成してもよい。さらには、請求項7に記載のように、格子点に配置された貫通穴の集合体からなるように構成してもよい。これらによれば、該第3半導体層貫通穴を介して、空乏層へのキャリア(電荷)の供給を、基板面内において均一にすることができる。
The third semiconductor layer through-hole can be configured to be an aggregate of stripe-shaped through-holes arranged at regular intervals within the substrate surface, for example, as described in
尚、上記第3半導体層貫通穴の構成や大きさは、キャリア(電荷)の供給量とDC耐圧許容範囲を考慮して、適宜選択することができる。 The configuration and size of the third semiconductor layer through hole can be appropriately selected in consideration of the supply amount of carriers (charges) and the allowable range of DC withstand voltage.
上記半導体装置における電荷供給手段は、請求項8に記載のように、前記第1半導体領域を貫通し、前記第1半導体層が主面側表面に達するように形成された第1半導体領域貫通穴であってもよい。 The charge supply means in the semiconductor device according to claim 8, wherein the first semiconductor region through hole is formed so as to penetrate the first semiconductor region and the first semiconductor layer reaches the main surface side surface. It may be.
この場合、該第1半導体領域貫通穴と該穴の表面に露出する第1半導体層に接続する電極を介して、IGBTのオフ時に該電極に印加されるDC電圧やdV/dtサージ電圧により、半導体基板の主面側から第1半導体層に突き出た絶縁ゲートトレンチの先端付近に、極少量のキャリア(電荷)を供給することが可能である。従って、これによっても、ブレークダウン電流の局所集中を緩和して、サージ破壊耐量を向上することができる。 In this case, through the first semiconductor region through hole and the electrode connected to the first semiconductor layer exposed on the surface of the hole, a DC voltage or a dV / dt surge voltage applied to the electrode when the IGBT is turned off, It is possible to supply a very small amount of carriers (charges) near the tip of the insulated gate trench protruding from the main surface side of the semiconductor substrate to the first semiconductor layer. Therefore, this also can alleviate local concentration of breakdown current and improve surge breakdown tolerance.
請求項9に記載のように、前記トレンチゲート型IGBTが、前記絶縁ゲートトレンチにより分断された前記第1半導体領域における特定の領域で、エミッタ電極に接続されないフローティング領域が配設されてなる間引きチャネル型IGBTである場合には、前記第1半導体領域貫通穴が、前記フローティング領域に配設されてなるように構成することができる。 The thinned channel according to claim 9, wherein the trench gate type IGBT is a specific region in the first semiconductor region divided by the insulated gate trench, and a floating region not connected to the emitter electrode is provided. In the case of a type IGBT, the first semiconductor region through hole can be configured to be disposed in the floating region.
この場合には、前記第1半導体領域貫通穴は、基板面内においては、請求項10に記載のように、等間隔に配置されたストライプ形状の貫通穴の集合体からなるように構成することができる。また、請求項11に記載のように、格子点に配置された貫通穴の集合体からなるように構成してもよい。これらによれば、該第1半導体領域貫通穴を介して、空乏層へのキャリア(電荷)の供給を、基板面内において均一にすることができる。
In this case, the first semiconductor region through-holes are configured to be formed of a collection of stripe-shaped through-holes arranged at equal intervals as described in
また、請求項12に記載のように、前記第1半導体領域貫通穴が、前記セルの集合体に隣接するフィールド酸化膜の下に配設されてなる構成とすることも可能である。 In addition, as described in claim 12, the first semiconductor region through hole may be configured to be disposed under a field oxide film adjacent to the cell assembly.
この場合には、該第1半導体領域貫通穴と該穴の表面に露出する第1半導体層に接続する電極を介して、IGBTのオフ時に該電極に印加されるDC電圧やdV/dtサージ電圧により、主面側におけるIGBTのセルの周囲から、第1半導体層に突き出た絶縁ゲートトレンチの先端付近に、極少量のキャリア(電荷)を供給することが可能である。 In this case, a DC voltage or a dV / dt surge voltage applied to the electrode when the IGBT is turned off via the electrode connected to the first semiconductor region through hole and the first semiconductor layer exposed on the surface of the hole. Thus, it is possible to supply a very small amount of carriers (charges) from the periphery of the IGBT cell on the main surface side to the vicinity of the tip of the insulated gate trench protruding into the first semiconductor layer.
上記半導体装置における電荷供給手段は、請求項13に記載のように、前記絶縁ゲートトレンチの先端付近に主面側から光を照射するようにした光照射手段であってもよい。 According to a thirteenth aspect of the present invention, the charge supply unit in the semiconductor device may be a light irradiation unit configured to irradiate light from the main surface side near the tip of the insulated gate trench.
この場合、LED(Light Emitting Diode)等の光照射手段を介して、IGBTのオフ時に、半導体基板の主面側から光照射し、第1半導体層に突き出た絶縁ゲートトレンチの先端付近で、極少量のキャリア(電荷)を発生させることが可能である。従って、これによっても、ブレークダウン電流の局所集中を緩和して、サージ破壊耐量を向上することができる。 In this case, light is irradiated from the main surface side of the semiconductor substrate through a light irradiation means such as an LED (Light Emitting Diode) when the IGBT is turned off, in the vicinity of the tip of the insulated gate trench protruding to the first semiconductor layer. A small amount of carriers (charges) can be generated. Therefore, this also can alleviate local concentration of breakdown current and improve surge breakdown tolerance.
以上のようにして、上記半導体装置は、絶縁ゲートトレンチを有するトレンチゲート型IGBTが半導体基板にセルの集合体として形成されてなる半導体装置であって、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合であっても素子破壊を防止することができ、素子破壊に対する耐性の高い半導体装置とすることができる。 As described above, the semiconductor device is a semiconductor device in which a trench gate type IGBT having an insulated gate trench is formed as a collection of cells on a semiconductor substrate, and a high DC voltage or a dV / dt surge voltage is applied. Even in such a case, element destruction can be prevented and a semiconductor device having high resistance against element destruction can be obtained.
従って、上記半導体装置は、特に請求項14に記載のように、高い電圧サージが印加され易い車載用の半導体装置として好適である。 Therefore, the semiconductor device is particularly suitable as an in-vehicle semiconductor device to which a high voltage surge is easily applied as described in claim 14.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
最初に、本発明の半導体装置の基本的な考え方について説明する。 First, the basic concept of the semiconductor device of the present invention will be described.
図1は、図7のIGBT10に関するRBSOA耐圧測定時の動作モード3と太い点線で示した本発明の理想とするサージ印加時の動作モードについて、コレクタ・エミッタ間電圧−コレクタ電流(Vce−Ic)特性上に模式的に示した図である。尚、図1では、図8に示したDC耐圧測定時の動作モード1とdV/dtサージ耐圧測定時の動作モード2についても、要部を重ねて図中に示した。
FIG. 1 shows the collector-emitter voltage-collector current (Vce-Ic) for the
RBSOA耐圧試験の動作モード3では、トレンチゲート型IGBTのオン状態においてコレクタ・エミッタ間電圧を上げていくと、電圧BVce(sus3)の点P3Bでアバランシェ・ブレークダウンが開始し、コレクタ電流が低下する。しかしながら、この通電中の耐圧試験である動作モード3では、アバランシェ・ブレークダウンが発生しても素子破壊には至らずに、点P3CでIGBTの通電をオフすると、微小電流経路を辿って初期状態のゼロに戻る。
In
IGBTの通電時(オン状態)の耐圧試験における動作モード3では素子破壊が起きずに、IGBTの非通電時(オフ状態)の耐圧試験における動作モード1,2で素子破壊が起きる原因を分析すると、以下のように考えられる。
Analyzing the cause of element breakdown in
動作モード1,2では、アバランシェ・ブレークダウン開始直前のIGBTの空乏層内は、キャリア密度が非常に低い状態になっている。また、トレンチゲート型IGBTにおいては絶縁ゲートトレンチの先端付近で電界強度が極めて高くなっており、アバランシェ・ブレークダウンが開始すると、絶縁ゲートトレンチの下部で衝撃イオン化率が非常に高くなる。このため、例えばわずかな製造ばらつきがあっても、ブレークダウン電流の局部集中が起きる。アバランシェにより発生したキャリアによるブレークダウン電流が集中したセルにおいては、寄生トランジスタが動作してラッチアップを誘発し、最終的には素子破壊に至る。一方、動作モード3では、アバランシェ・ブレークダウン開始直前のIGBTは、キャリア密度が非常に高い状態になっている。このような状態でアバランシェ・ブレークダウンが開始しても、ブレークダウン電流の局部集中が起きることはなく、従って素子破壊に至ることもない。
In
以上の耐圧試験における2つの動作モードを考慮すると、IGBTのオフ状態において空乏層内に僅かなキャリア(電荷)を導入しておけば、この導入されたキャリア(電荷)は、高いDC電圧やサージ電圧の印加時に、素子破壊に対する抑制効果をもたらすものと考えられる。 Considering the above two operation modes in the withstand voltage test, if a small number of carriers (charges) are introduced into the depletion layer in the off state of the IGBT, the introduced carriers (charges) can be generated by a high DC voltage or surge. It is considered that when a voltage is applied, an effect of suppressing element destruction is brought about.
上記考え方に基づいて、理想とする動作モードを図示したものが、図1の太い点線で示した動作経路である。この理想動作モードは、非通電時(オフ状態)の動作モード1と通電時(オン状態)の動作モード3の長所を両立させるもので、図のように動作モード1と動作モード3の中間の経路を辿らせるものである。このため、何らかの電荷供給手段によって、アバランシェ・ブレークダウン開始直前の空乏層内のキャリア(電荷)密度を増加しておく。これによって、理想動作モードでは、コレクタ・エミッタ間電圧を上げていくと、電圧Vcex付近でアバランシェ・ブレークダウンが開始しても初期破壊を回避することができ、動作モード3に近い経路を逆方向に動作して、定格電流(例えば300A)でも破壊せずに、正常にオフすることができる。
Based on the above concept, an ideal operation mode is illustrated as an operation path indicated by a thick dotted line in FIG. This ideal operation mode achieves both the advantages of the
次に、上記本発明の半導体装置の具体的な構造について説明する。 Next, a specific structure of the semiconductor device of the present invention will be described.
図2は、本発明の半導体装置の一例で、半導体装置100の模式的な断面を示した図である。尚、図2の半導体装置100において、図7に示した半導体装置90と同様の部分については、同じ符号を付した。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
図2に示す半導体装置100は、基本的に図7に示した半導体装置90と同様の構造を有している。すなわち、図2の半導体装置100は、絶縁ゲートトレンチZTを有するトレンチゲート型IGBT20が、半導体基板1に、セルの集合体(IGBTセル領域TR)として形成されてなる半導体装置である。半導体基板1は、主面側におけるN導電型(N−)の第1半導体層1aと、裏面側におけるP導電型(P)の第2半導体層1bと、第1半導体層1aと第2半導体層1bの間に配設され、N導電型(N)で第1半導体層1aより不純物濃度が高い第3半導体層1cとからなる。第1半導体層1a、第2半導体層1bおよび第3半導体層1cは、それぞれ、IGBT10のキャリアドリフト層、コレクタ層およびフィールドストップ(FS)層となっている。このように、半導体装置100におけるIGBT20は、トレンチゲート型IGBTであると共に、キャリアドリフト層である第1半導体層1aとコレクタ層である第2半導体層1bの間に配設された第3半導体層1cがいわゆるフィールドストップ(FS)層として機能する、FS型IGBTでもある。尚、半導体基板1の主面側に形成された符号4の部分は、フィールド酸化膜であり、符号5の部分は、アルミニウム等からなる配線層である。また、半導体基板1の裏面側に形成された符号6の部分は、アルミニウム等からなる電極層で、IGBT10のコレクタ電極となっている。
A
また、図7に示した半導体装置90と同様に、図2の半導体装置100では、第1半導体層1aの表層部に、P導電型(P)の第1半導体領域2aが形成されている。IGBT20の絶縁ゲートトレンチZTは、第1半導体領域2aを貫通するようにして形成されている。これによって、第1半導体領域2aが、符号2abで示したチャネル形成領域と、符号2afで示したフローティング領域に分断されている。チャネル形成領域2abには、N導電型(N)のエミッタ領域3が絶縁ゲートトレンチZTに隣接して形成されており、エミッタ領域3とチャネル形成領域2abが、配線層5で形成されたエミッタ電極5aに接続されている。一方、フローティング領域2afは、エミッタ電極5aが接続されておらず、電気的に浮いた状態でキャリアを蓄積する領域となっている。従って、図2の半導体装置100におけるIGBT20は、エミッタ電極5aに接続されるチャネル形成領域2abとエミッタ電極5aに接続されないフローティング領域2afとが構成されてなる、間引きチャネル型IGBTでもある。
Similarly to the
一方、図2の半導体装置100においては、図7に示した半導体装置90と異なり、第3半導体層1cを貫通し、第1半導体層1aが第2半導体層1bに達するように、第3半導体層貫通穴1chが形成されている。この第3半導体層貫通穴1chの形成により、図2の半導体装置100においては、IGBT20のオフ時のコレクタ電極6に印加されるDC電圧やdV/dtサージ電圧により、第3半導体層貫通穴1chを介して、裏面側のコレクタ層である第2半導体層1bから第1半導体層1aに突き出た絶縁ゲートトレンチZTの先端付近に、極少量のキャリア(ホール)を供給することが可能である。従って、
第3半導体層貫通穴1chは、トレンチゲート型IGBT20のオフ時において絶縁ゲートトレンチZTの先端付近に電荷を供給する電荷供給手段として機能することとなる。
On the other hand, unlike the
The third semiconductor layer through hole 1ch functions as a charge supply means for supplying charges to the vicinity of the tip of the insulated gate trench ZT when the trench
トレンチゲート型IGBTは、前述したように、一般的に平面ゲート型IGBTに較べて集積密度を高めることができる反面、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合には、絶縁ゲートトレンチの先端付近で電界強度が最大となるため、アバランシェ・ブレークダウンが開始するとわずかな電流でも素子破壊に至る。しかしながら、図2に示す半導体装置100のトレンチゲート型IGBT20においては、該IGBT20のオフ時において絶縁ゲートトレンチZTの先端付近に電荷を供給する電荷供給手段(第3半導体層貫通穴1ch)が配設されている。従って、該IGBT20においては、上記電荷供給手段を利用して、空乏層内に極少量のキャリア(ホール)を導入することができ、アバランシェ・ブレークダウンが開始する直前に、図2中に塗りつぶして示したキャリア導入領域CRが形成される。これによって、半導体装置100においては前述した図1の太い点線で示す理想動作モードを実現することができ、アバランシェ・ブレークダウンが開始した時には、絶縁ゲートトレンチZTの先端付近における衝撃イオン化率が低下し、ブレークダウン電流の局所集中を緩和して、サージ破壊耐量を向上することができる。尚、電荷供給手段によるキャリア(電荷)の導入は、極少量でよいため、該IGBT20のDC耐圧劣化もほとんど起きないようにすることが可能である。
As described above, the trench gate type IGBT can generally increase the integration density as compared with the planar gate type IGBT. However, when a high DC voltage or a dV / dt surge voltage is applied, the trench gate type IGBT is insulated. Since the electric field strength becomes maximum near the tip of the semiconductor device, even if a slight current is applied, the device is destroyed when the avalanche breakdown starts. However, in the trench
図3は、第3半導体層1cに貫通穴が形成されていない図7の半導体装置90(試料1)と第3半導体層貫通穴1chが形成され図2の半導体装置100(試料2)について、DC耐圧測定によりコレクタ・エミッタ間電圧−コレクタ電流(Vce−Ic)特性を評価した結果である。
3 shows the semiconductor device 90 (sample 1) of FIG. 7 in which no through hole is formed in the
図3に示すように、第3半導体層1cに貫通穴が形成されていない図7の半導体装置90(試料1)では、コレクタ・エミッタ間電圧Vceが約1300Vになるとアバランシェ・ブレークダウンが発生し、その発生直後にコレクタ電流Icが0.2mAになった時点で、素子破壊が起きた。これに対して、第3半導体層1cに第3半導体層貫通穴1chが形成され図2の半導体装置100(試料2)では、コレクタ・エミッタ間電圧Vceが1000V付近になると第2半導体層1bからホールの供給が顕著になってコレクタ電流Icが徐々に増大していき、コレクタ電流Icが10mAになっても素子破壊に至ることはなかった。
As shown in FIG. 3, in the semiconductor device 90 (sample 1) of FIG. 7 in which the through hole is not formed in the
半導体装置100における第3半導体層貫通穴1chは、図2に示すように、第1半導体層1aとの間で空乏層が平坦に形成される第1半導体領域2aの平坦な底面2asの直下に配設されてなることが好ましい。これによれば、第3半導体層貫通穴1chを介して、空乏層へのキャリア(電荷)の供給を深さ方向において均一にすることができる。
As shown in FIG. 2, the third semiconductor layer through hole 1ch in the
さらには、第3半導体層貫通穴1chは、図2に示すように、セルの集合体(IGBTセル領域TR)の直下に配設されてなることがより好ましい。これによれば、該第3半導体層貫通穴1chを介して、キャリア(電荷)を絶縁ゲートトレンチの先端付近に最短距離で供給することができる。 Furthermore, as shown in FIG. 2, the third semiconductor layer through hole 1ch is more preferably disposed immediately below the cell aggregate (IGBT cell region TR). According to this, carriers (charges) can be supplied to the vicinity of the tip of the insulated gate trench through the third semiconductor layer through hole 1ch at the shortest distance.
図4(a)〜(c)は、それぞれ、図2の半導体装置100における第3半導体層貫通穴1chについて、基板面内における好適な構成例を示した模式的な平面図である。図中に一点鎖線で囲った領域2asは、図2の第1半導体領域2aにおける平坦な底面2asの範囲を示している。
4A to 4C are schematic plan views each showing a preferred configuration example in the substrate plane for the third semiconductor layer through-hole 1ch in the
図4(a)に示す第3半導体層貫通穴1chaは、基板面内において、等間隔に配置されたストライプ形状の貫通穴の集合体からなるように構成されている。図4(b)に示す第3半導体層貫通穴1chbは、格子縞形状の貫通穴からなるように構成されている。また、図4(c)に示す第3半導体層貫通穴1chcは、格子点に配置された貫通穴の集合体からなるように構成されている。図4(a)〜(c)のいずれの場合であっても、それぞれ、第3半導体層貫通穴1cha〜1chcを介して、キャリア(電荷)を空乏層へ基板面内において均一に供給することができる。尚、上記第3半導体層貫通穴1cha〜1chcの構成や大きさは、キャリア(電荷)の供給量とDC耐圧許容範囲を考慮して、適宜選択することができる。 The third semiconductor layer through-hole 1cha shown in FIG. 4A is configured to be an assembly of stripe-shaped through-holes arranged at equal intervals in the substrate surface. The third semiconductor layer through-hole 1chb shown in FIG. 4B is configured to have a checkered through-hole. Further, the third semiconductor layer through-hole 1chc shown in FIG. 4C is configured to be an assembly of through-holes arranged at lattice points. 4A to 4C, carriers (charges) are uniformly supplied to the depletion layer in the substrate plane via the third semiconductor layer through-holes 1cha to 1chc, respectively. Can do. The configuration and size of the third semiconductor layer through holes 1cha to 1chc can be appropriately selected in consideration of the supply amount of carriers (charges) and the allowable range of DC withstand voltage.
以上示したように、図2に示す半導体装置100は、絶縁ゲートトレンチZTを有するトレンチゲート型IGBT20が半導体基板1にセルの集合体として形成されてなる半導体装置であって、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合であっても素子破壊を防止することができ、素子破壊に対する耐性の高い半導体装置とすることができる。
As described above, the
図5(a),(b)は、本発明における別の半導体装置の例で、それぞれ、半導体装置101,102の模式的な断面を示した図である。尚、図5(a),(b)の半導体装置101,102において、図2に示した半導体装置100と同様の部分については、同じ符号を付した。
FIGS. 5A and 5B are examples of another semiconductor device according to the present invention and are schematic cross-sectional views of the
図2に示す半導体装置100においては、トレンチゲート型IGBT20のオフ時において絶縁ゲートトレンチZTの先端付の空乏層に電荷を供給する電荷供給手段として、第3半導体層1cを貫通し、第1半導体層1aが第2半導体層1bに達するように、第3半導体層貫通穴1chが形成されていた。これに対して、図5(a),(b)に示す半導体装置101,102においては、上記電荷供給手段として、それぞれ、第1半導体領域2aを貫通し、第1半導体層1aが半導体基板1の主面側表面に達するように形成された、第1半導体領域貫通穴2aha,2ahbがそれぞれ形成されている。図5(a)の半導体装置101における第1半導体領域貫通穴2ahaは、トレンチゲート型IGBT(間引きチャネル型IGBT)21におけるフローティング領域2afに配設されている。図5(b)の半導体装置102における第1半導体領域貫通穴2ahbは、トレンチゲート型IGBT22のセルの集合体(IGBTセル領域TR)に隣接するフィールド酸化膜4の下に配設されている。
In the
図5(a),(b)の半導体装置101,102のいずれにおいても、それぞれ、第1半導体領域貫通穴2aha,2ahbと該穴の表面に露出する第1半導体層1aに接続する電極5b,5cを介して、IGBT21,22のオフ時に該電極5b,5cに印加されるDC電圧やdV/dtサージ電圧により、半導体基板1の主面側から第1半導体層1aに突き出た絶縁ゲートトレンチZTの先端付近に、極少量のキャリア(電荷)を供給することが可能である。従って、図5(a),(b)の半導体装置101,102においても、ブレークダウン電流の局所集中を緩和して、サージ破壊耐量を向上することができる。
In both of the
尚、図5(a)の半導体装置101における第1半導体領域貫通穴2ahaは、図4(a)または図4(c)に示した第3半導体層貫通穴1cha,1chcの場合と同様で、基板面内において、等間隔に配置されたストライプ形状の貫通穴の集合体、または格子点に配置された貫通穴の集合体からなるように構成することが好ましい。これらによれば、第1半導体領域貫通穴2ahaを介して、空乏層へのキャリア(電荷)の供給を基板面内において均一にすることができる。一方、図5(b)の半導体装置102においては、第1半導体領域貫通穴2ahbと該穴の表面に露出する第1半導体層1aに接続する電極5cを介して、IGBTのセル(IGBTセル領域TR)の周囲から、極少量のキャリア(電荷)を供給することが可能である。
Note that the first semiconductor region through-hole 2aha in the
図6も、本発明における別の半導体装置の例で、半導体装置103の模式的な断面を示した図である。尚、図6の半導体装置103においても、図2に示した半導体装置100と同様の部分については、同じ符号を付した。
FIG. 6 is also a diagram illustrating a schematic cross section of the
図6に示す半導体装置103においては、上記電荷供給手段が、絶縁ゲートトレンチZTの先端付近に半導体基板1の主面側から光を照射するようにした、LED(Light Emitting Diode)等の光照射手段(図示省略)となっている。半導体装置103においては、該光照射手段を介して、IGBT23のオフ時に、半導体基板1の主面側から光照射し、第1半導体層1aに突き出た絶縁ゲートトレンチZTの先端付近で、極少量のキャリア(電荷)を発生させることが可能である。従って、図6に示す半導体装置103においても、ブレークダウン電流の局所集中を緩和して、サージ破壊耐量を向上することができる。
In the
以上のようにして、上記した半導体装置100〜103は、いずれも、絶縁ゲートトレンチを有するトレンチゲート型IGBTが半導体基板にセルの集合体として形成されてなる半導体装置であって、高いDC電圧やdV/dtサージ電圧が印加された場合であっても素子破壊を防止することができ、素子破壊に対する耐性の高い半導体装置とすることができる。
As described above, each of the
従って、上記半導体装置は、特に、高い電圧サージが印加され易い車載用の半導体装置として好適である。 Therefore, the semiconductor device is particularly suitable as a vehicle-mounted semiconductor device to which a high voltage surge is easily applied.
90,100〜103 半導体装置
10,20〜23 (トレンチゲート型IGBT)IGBT
ZT 絶縁ゲートトレンチ
CR キャリア導入領域
TR IGBTセル領域
1 半導体基板
1a 第1半導体層(キャリアドリフト層)
1b 第2半導体層(コレクタ層)
1c 第3半導体層(FS層)
1ch,1cha〜1chc 第3半導体層貫通穴(電荷供給手段)
2a 第1半導体領域
2ab チャネル形成領域
2af フローティング領域
2aha,2ahb 第1半導体領域貫通穴(電荷供給手段)
3 エミッタ領域
4 フィールド酸化膜
5 配線層
5a エミッタ電極
5b,5c 電極
6 (コレクタ)電極層
90, 100 to 103
ZT Insulated gate trench CR carrier introduction region TR
1b Second semiconductor layer (collector layer)
1c Third semiconductor layer (FS layer)
1ch, 1cha-1chc Third semiconductor layer through hole (charge supply means)
2a First semiconductor region 2ab Channel formation region 2af Floating region 2aha, 2ahb First semiconductor region through hole (charge supply means)
3
Claims (14)
前記半導体基板が、
主面側における第1導電型の第1半導体層と、裏面側における第2導電型の第2半導体層と、前記第1半導体層と第2半導体層の間に配設され、第1導電型で前記第1半導体層より不純物濃度が高い第3半導体層とからなり、
前記第1半導体層の表層部に、第2導電型の第1半導体領域が形成され、
前記第1半導体領域を貫通するようにして、前記絶縁ゲートトレンチが形成されてなり、
前記トレンチゲート型IGBTのオフ時において前記絶縁ゲートトレンチの先端付近に電荷を供給する電荷供給手段が配設されてなることを特徴とする半導体装置。 A trench gate type IGBT having an insulated gate trench is a semiconductor device formed on a semiconductor substrate as an assembly of cells,
The semiconductor substrate is
The first conductivity type first semiconductor layer on the main surface side, the second conductivity type second semiconductor layer on the back surface side, and the first conductivity type disposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. And a third semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer.
A first semiconductor region of a second conductivity type is formed on a surface layer portion of the first semiconductor layer;
The insulated gate trench is formed so as to penetrate the first semiconductor region,
A semiconductor device comprising charge supply means for supplying charge near the tip of the insulated gate trench when the trench gate type IGBT is off.
前記第3半導体層を貫通し、前記第1半導体層が前記第2半導体層に達するように形成された第3半導体層貫通穴であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The charge supply means;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a third semiconductor layer through-hole formed so as to penetrate the third semiconductor layer and the first semiconductor layer reaches the second semiconductor layer.
前記第1半導体領域の平坦な底面の直下に配設されてなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The third semiconductor layer through-hole is
The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is disposed immediately below a flat bottom surface of the first semiconductor region.
前記セルの集合体の直下に配設されてなることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The third semiconductor layer through-hole is
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device is disposed immediately below the cell assembly.
基板面内において、等間隔に配置されたストライプ形状の貫通穴の集合体からなることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The third semiconductor layer through-hole is
5. The semiconductor device according to claim 2, comprising a collection of stripe-shaped through-holes arranged at equal intervals in a substrate plane.
基板面内において、格子縞形状の貫通穴からなることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The third semiconductor layer through-hole is
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device includes a checkered through-hole in a substrate surface.
基板面内において、格子点に配置された貫通穴の集合体からなることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The third semiconductor layer through-hole is
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device includes an assembly of through holes arranged at lattice points in a substrate plane.
前記第1半導体領域を貫通し、前記第1半導体層が主面側表面に達するように形成された第1半導体領域貫通穴であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The charge supply means;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a first semiconductor region through-hole formed so as to penetrate the first semiconductor region and the first semiconductor layer reaches a main surface side surface.
前記絶縁ゲートトレンチにより分断された前記第1半導体領域における特定の領域で、エミッタ電極に接続されないフローティング領域が配設されてなる間引きチャネル型IGBTであり、
前記第1半導体領域貫通穴が、
前記フローティング領域に配設されてなることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。 The trench gate type IGBT is
A thinned channel IGBT in which a floating region that is not connected to an emitter electrode is provided in a specific region in the first semiconductor region divided by the insulated gate trench,
The first semiconductor region through-hole is
The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is disposed in the floating region.
基板面内において、等間隔に配置されたストライプ形状の貫通穴の集合体からなることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。 The first semiconductor region through-hole is
10. The semiconductor device according to claim 9, comprising a collection of stripe-shaped through holes arranged at equal intervals in a substrate plane.
基板面内において、格子点に配置された貫通穴の集合体からなることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。 The first semiconductor region through-hole is
The semiconductor device according to claim 9, wherein the semiconductor device is formed of an assembly of through holes arranged at lattice points in a substrate plane.
前記セルの集合体に隣接するフィールド酸化膜の下に配設されてなることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first semiconductor region through-hole is
12. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is disposed under a field oxide film adjacent to the cell assembly.
前記絶縁ゲートトレンチの先端付近に主面側から光を照射するようにした光照射手段であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The charge supply means;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a light irradiation unit configured to irradiate light from a main surface side near a tip of the insulated gate trench.
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JPH04217368A (en) * | 1990-12-18 | 1992-08-07 | Mitsubishi Electric Corp | Bipolar semiconductor switching device |
JP2002043573A (en) * | 2000-07-28 | 2002-02-08 | Toyota Motor Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
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