JP2009231453A - Semiconductor device - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that although an IGBT using a conventional SOI substrate has a mainstream structure provided with a horizontal type bipolar structure and it is easy to adopt a high withstand voltage and large currents by making a main current flow in parallel with a semiconductor substrate surface, the current drive capability cannot be increased. <P>SOLUTION: In the semiconductor device, a bipolar transistor configuring the IGBT is constituted of two bipolar transistors of a vertical type and a horizontal type. Since the current drive capability of the vertical type bipolar transistor is added as well in addition to the current drive capability of the horizontal type bipolar transistor, high current drive capability is provided even under the demand of thinning a semiconductor substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板上に埋め込み絶縁膜と半導体薄膜層とを積層してなるSOI基板に設けるMOS型トランジスタおよびバイポーラトランジスタによる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する半導体装置である。   The present invention is a semiconductor device having an MOS-type transistor and an insulated gate bipolar transistor by a bipolar transistor provided on an SOI substrate in which a buried insulating film and a semiconductor thin film layer are laminated on a semiconductor substrate.

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)は、入力段にMOS型トランジスタを、出力段にバイポーラトランジスタを有し、これらを1つのトランジスタ素子として構成したものである。MOS型トランジスタの絶縁ゲート構成による高い入力インピーダンスとバイポーラトランジスタの高い電流駆動能力とを複合した素子である。なお、以下の説明においては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタをIGBTと表記する。   An insulated gate bipolar transistor (IGBT) has a MOS transistor in an input stage and a bipolar transistor in an output stage, which are configured as one transistor element. It is an element that combines a high input impedance due to an insulated gate configuration of a MOS transistor and a high current drive capability of a bipolar transistor. In the following description, the insulated gate bipolar transistor is denoted as IGBT.

一般に、IGBTは、MOS型トランジスタのチャネル領域をエミッタとすると、ドレイン領域にコレクタを追加したような形状を有している(この場合、ドレイン領域がベースとなる)。
MOS型トランジスタのゲート電極およびコレクタに所定の電圧信号をそれぞれ印加すると、MOS型トランジスタがオンすると共に、コレクタからのベースにキャリア注入が起き、バイポーラトランジスタもオンする。このとき、このキャリア注入によりベース部分(ドレイン領域)の抵抗が低下することから、IGBTは、スイッチング素子としてより低いオン抵抗を有することになり、このため高い電流駆動能力を有することができる。
In general, an IGBT has a shape in which a collector is added to a drain region when a channel region of a MOS transistor is used as an emitter (in this case, the drain region serves as a base).
When predetermined voltage signals are applied to the gate electrode and collector of the MOS transistor, the MOS transistor is turned on, carrier injection from the collector to the base occurs, and the bipolar transistor is also turned on. At this time, since the resistance of the base portion (drain region) is reduced by this carrier injection, the IGBT has a lower on-resistance as a switching element, and thus can have a high current driving capability.

また、IGBTは、MOS型トランジスタが入力段であるから、電圧信号で大きな駆動電流を扱えるため、スイッチング素子として駆動が容易である。このため、高耐圧半導体素子としてパワーエレクトロニクスの分野で利用されている。
IGBTをディスクリート素子として構成した場合は、半導体チップに縦方向に電流を流すバーチカル構造(縦型)が採用されることが多く、大電流,大電力のトランジスタ素子として知られている。
Further, since the IGBT is an input stage, the IGBT can be driven as a switching element because a large drive current can be handled by a voltage signal. For this reason, it is utilized in the field of power electronics as a high voltage semiconductor element.
When the IGBT is configured as a discrete element, a vertical structure (vertical type) in which a current flows in the vertical direction in the semiconductor chip is often adopted, and it is known as a transistor element having a large current and a large power.

ところで、すでに知られているように、単結晶基板を用いた半導体装置は、半導体基板の寄生ダイオードや浮遊容量などの影響から、信号遅延やリーク電流が発生することがあり、そのような問題を解決するためにSOI(Silicon On Insulator)基板を用いた半導体装置が提案されている。
SOI基板は、半導体基板の上部に埋め込み絶縁膜と半導体薄膜層とを順次積層してなる構造を有していることから単結晶基板より高価であり、普及が進まないこともあった。しかし、近年それが解消しつつあり、ロジック回路用やアナログ回路用など、種類を問わずSOI基板を用いた半導体装置が広く使われ始めた。
By the way, as already known, a semiconductor device using a single crystal substrate may generate a signal delay or a leakage current due to the influence of a parasitic diode or a stray capacitance of the semiconductor substrate. In order to solve this problem, a semiconductor device using an SOI (Silicon On Insulator) substrate has been proposed.
An SOI substrate has a structure in which a buried insulating film and a semiconductor thin film layer are sequentially stacked on a semiconductor substrate, so that it is more expensive than a single crystal substrate and may not be widely used. However, in recent years, this has been solved, and semiconductor devices using an SOI substrate have begun to be widely used for logic circuits and analog circuits.

SOI基板の普及に伴って、IGBTもSOI基板で構成する例も出てきた。また、SOI基板にMOS型トランジスタやバイポーラトランジスタなどのトランジスタ素子とIGBTとを混載して構成する例も出てきた。それらのトランジスタ素子は、SOI基板を構成する埋め込み絶縁膜上の半導体薄膜層に設ける。そのような場合は、半導体薄膜層の横方向に電流を流すホリゾンタル構造(横型)のIGBTが提案されている。   With the widespread use of SOI substrates, there have been cases where IGBTs are also composed of SOI substrates. There has also been an example in which a transistor element such as a MOS transistor or a bipolar transistor and an IGBT are mixedly mounted on an SOI substrate. These transistor elements are provided in a semiconductor thin film layer on a buried insulating film constituting an SOI substrate. In such a case, a lateral structure (horizontal type) IGBT in which a current flows in the lateral direction of the semiconductor thin film layer has been proposed.

[一般的なIGBTの説明:図8]
ここで、一般的なSOI基板を用いたホリゾンタル構造のIGBTを図8を用いて説明する。図8において、901は半導体基板、902は埋め込み絶縁膜、903はゲート絶
縁膜、904はゲート電極、905はソース領域、907はチャネル領域およびエミッタ、908はコレクタ、910はベース、911は半導体薄膜層、913はベースドリフト領域およびドレイン領域、915は高濃度不純物領域である。912,914は電極である。
[Description of general IGBT: FIG. 8]
Here, a horizontal IGBT using a general SOI substrate will be described with reference to FIG. In FIG. 8, 901 is a semiconductor substrate, 902 is a buried insulating film, 903 is a gate insulating film, 904 is a gate electrode, 905 is a source region, 907 is a channel region and an emitter, 908 is a collector, 910 is a base, and 911 is a semiconductor thin film. A layer 913 is a base drift region and a drain region, and 915 is a high concentration impurity region. Reference numerals 912 and 914 denote electrodes.

図8において、半導体の導電型を説明する表記にあっては、P型またはN型を単に「P」または「N」の記号で記載している。なお、「P+」または「N+」の表記は、同じ導電型であっても不純物濃度が高い状態を示し、「N−」の表記は、同じ導電型であっても不純物濃度が低い状態を示している。   In FIG. 8, in the notation for explaining the conductivity type of a semiconductor, P type or N type is simply indicated by a symbol “P” or “N”. Note that the notation “P +” or “N +” indicates that the impurity concentration is high even for the same conductivity type, and the notation “N−” indicates that the impurity concentration is low even for the same conductivity type. ing.

ドレイン領域913、チャネル領域907、ソース領域905、ゲート絶縁膜903およびゲート電極904でMOS型トランジスタを構成し、ゲート電極904に所定の電圧を印加することにより、ゲート絶縁膜903下のチャネル領域907表面に反転チャネル層が形成され、MOS型トランジスタが導通状態となる。
これにより、電極914に正電圧を印加すると、コレクタ908からベース910、ドレイン領域913を経て誘起チャネルが通過し、ソース領域905へと電流が流れる。
The drain region 913, the channel region 907, the source region 905, the gate insulating film 903, and the gate electrode 904 form a MOS transistor, and a predetermined voltage is applied to the gate electrode 904, whereby the channel region 907 below the gate insulating film 903 is formed. An inversion channel layer is formed on the surface, and the MOS transistor becomes conductive.
Thus, when a positive voltage is applied to the electrode 914, the induced channel passes from the collector 908 through the base 910 and the drain region 913, and a current flows to the source region 905.

さらに、MOS型トランジスタがオンすることで、少数キャリア(ホール)がチャネルを通じて、ベースドリフト領域であるドレイン領域913に注入され、またコレクタ908からもホールが流れ込み、ベースドリフト領域の抵抗は小さくなる。   Further, when the MOS transistor is turned on, minority carriers (holes) are injected into the drain region 913 which is the base drift region through the channel, and holes also flow from the collector 908, so that the resistance of the base drift region is reduced.

少数キャリアの注入により、チャネル領域907(エミッタ)、コレクタ908、ベース910とするバイポーラトランジスタがオンし、チャネル領域907とコレクタ908との間に電流が流れる。   By injecting minority carriers, bipolar transistors including a channel region 907 (emitter), a collector 908, and a base 910 are turned on, and a current flows between the channel region 907 and the collector 908.

このように、MOS型トランジスタのゲート電極904への印加電圧を変化させることにより、バイポーラトランジスタのオン,オフが制御され、合わせて流れる電流を制御することができる。   In this way, by changing the voltage applied to the gate electrode 904 of the MOS transistor, the on / off state of the bipolar transistor is controlled, and the current flowing together can be controlled.

IGBTは、高耐圧半導体素子という特徴を有しているため、その耐圧値をさらに向上するため、ドレイン領域(ベース)913にドリフト領域910を設けたり、半導体薄膜層911には、埋め込み絶縁膜902と接して高濃度領域915が設けられている。このように半導体薄膜層911に多重の拡散層を形成することから、結果として半導体基板全体の膜厚が厚くなる傾向がある。   Since the IGBT has a characteristic of a high breakdown voltage semiconductor element, a drift region 910 is provided in the drain region (base) 913 or a buried insulating film 902 is formed in the semiconductor thin film layer 911 in order to further improve the breakdown voltage value. A high-concentration region 915 is provided in contact with. Since multiple diffusion layers are formed in the semiconductor thin film layer 911 in this way, the overall film thickness of the semiconductor substrate tends to increase as a result.

近年の半導体装置の小型化,薄膜化の流れに伴い、SOI基板を用いた半導体装置もそれに準じる傾向がある。その場合は、半導体薄膜層を薄膜化することが多く、ホリゾンタル構造のIGBTであっても、半導体薄膜層の薄膜化の要求は高い。そこで、ホリゾンタル構造のIGBTであっても薄膜化できる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   Along with the recent trend of downsizing and thinning of semiconductor devices, semiconductor devices using SOI substrates tend to follow that. In that case, the semiconductor thin film layer is often thinned, and there is a high demand for thinning the semiconductor thin film layer even for a IGBT having a horizontal structure. In view of this, there has been proposed a technique capable of reducing the thickness of even an IGBT having a horizontal structure (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1に示す従来技術を図9を用いて説明する。図9において、10は半導体基板、11はベース、12は埋め込み絶縁膜、13はゲート絶縁膜、14はゲート電極、15はソース領域、16はドレイン領域およびベースドリフト領域、17はチャネル領域およびエミッタ、18はコレクタ、19は半導体薄膜層、20,22は電極である。   The prior art shown in Patent Document 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 9, 10 is a semiconductor substrate, 11 is a base, 12 is a buried insulating film, 13 is a gate insulating film, 14 is a gate electrode, 15 is a source region, 16 is a drain region and a base drift region, 17 is a channel region and an emitter. , 18 is a collector, 19 is a semiconductor thin film layer, and 20 and 22 are electrodes.

チャネル領域17およびベース11は、埋め込み絶縁膜12に到達するように構成している。電極20は、コレクタ電極である。電極22は、エミッタ電極であり、チャネル領域(エミッタ)17とソース領域15との共通電極としている。   The channel region 17 and the base 11 are configured to reach the buried insulating film 12. The electrode 20 is a collector electrode. The electrode 22 is an emitter electrode, and is a common electrode for the channel region (emitter) 17 and the source region 15.

ドレイン領域16、チャネル領域17、ソース領域15、ゲート絶縁膜13およびゲート電極14でMOS型トランジスタを構成し、ゲート電極14に所定の電圧を印加することにより、このMOS型トランジスタをオンさせる。
チャネル領域17をエミッタとし、ベース11、コレクタ18、ベースドリフト領域16でバイポーラトランジスタを構成する。
ゲート電極14への電圧印加で、ゲート絶縁膜13下のチャネル領域17表面に反転チャネル層が形成され、MOS型トランジスタが導通状態となると、MOS型トランジスタのドレイン領域16と兼用するベースドリフト領域に少数キャリアが注入され、バイポーラトランジスタがオンし電流が流れる。ゲート電極14へ印加する電圧を変化することにより、この電流を制御することでき、IGBTとしての動作をすることになる。
The drain region 16, the channel region 17, the source region 15, the gate insulating film 13 and the gate electrode 14 constitute a MOS transistor, and a predetermined voltage is applied to the gate electrode 14 to turn on the MOS transistor.
The channel region 17 is used as an emitter, and the base 11, the collector 18, and the base drift region 16 constitute a bipolar transistor.
When a voltage is applied to the gate electrode 14, an inversion channel layer is formed on the surface of the channel region 17 under the gate insulating film 13, and when the MOS transistor becomes conductive, a base drift region that also serves as the drain region 16 of the MOS transistor is formed. Minority carriers are injected, the bipolar transistor is turned on, and a current flows. By changing the voltage applied to the gate electrode 14, this current can be controlled, and the IGBT operates.

特許文献1に示した従来技術は、埋め込み絶縁膜12のトランジスタ素子側との界面に面するベース11あるいはベースドリフト領域16に反転チャネル層ができ、IGBTがターンオフ不可能となることを防ぐために、コレクタ18をベース11の内部に取り込む構造としている。
そして、コレクタ18が深く拡散して埋め込み絶縁膜12に達しないように、コレクタ18とベース11とを設ける部分のみ半導体薄膜層19の膜厚を厚くしている。
In the prior art shown in Patent Document 1, an inversion channel layer is formed in the base 11 or the base drift region 16 facing the interface between the buried insulating film 12 and the transistor element side, so that the IGBT cannot be turned off. The collector 18 is taken into the base 11.
Then, the thickness of the semiconductor thin film layer 19 is increased only in the portion where the collector 18 and the base 11 are provided so that the collector 18 does not diffuse deeply and reach the buried insulating film 12.

特許文献1に示した従来技術は、SOI基板の半導体薄膜層19の膜厚断面をベース11の断面としてチャネル領域(エミッタ)17とコレクタ領域18との間に電流が流れるようにしたものである。
一部の半導体薄膜層19の膜厚は厚くせざるを得ないものの、ベースドリフト領域16の膜厚は薄くすることができる。
The prior art disclosed in Patent Document 1 is such that a current flows between the channel region (emitter) 17 and the collector region 18 with the film thickness cross section of the semiconductor thin film layer 19 of the SOI substrate as the cross section of the base 11. .
Although the thickness of some of the semiconductor thin film layers 19 must be increased, the thickness of the base drift region 16 can be decreased.

特開平7−58319号公報(第3〜4頁、図1〜図8)JP-A-7-58319 (pages 3 to 4, FIGS. 1 to 8)

しかしながら、特許文献1に示した従来技術は、バイポーラトランジスタとして大きな電流を流す部分であるエミッタ−コレクタ間電流が、半導体薄膜層19の横方向にのみ流れるため、ベースドリフト領域16の膜厚(半導体薄膜層19の膜厚断面)でその通電量の制約を受けてしまう。
図9に示したように、ベースドリフト領域16の膜厚を厚くしようとすれば、より多くの電流を流すことができるが、半導体薄膜層19が全体的に厚膜化してしまい、先の半導体基板の薄膜化の要求に逆行してしまう。
したがって、特許文献1に示した従来技術は、ホリゾンタル構造のIGBTを構成できることから、他のトランジスタ素子との混載が容易であり、電圧信号で電流を駆動できるスイッチング素子を搭載したシステムに適用できる半導体装置であるものの、小型化したシステムに搭載する半導体装置としては、その電流駆動能力を高くすることができず、使用する用途が狭い半導体装置となっていた。
However, in the prior art disclosed in Patent Document 1, since the emitter-collector current, which is a portion through which a large current flows as a bipolar transistor, flows only in the lateral direction of the semiconductor thin film layer 19, the thickness of the base drift region 16 (semiconductor The energization amount is limited by the thickness cross section of the thin film layer 19.
As shown in FIG. 9, if the thickness of the base drift region 16 is increased, more current can flow, but the semiconductor thin film layer 19 becomes thicker as a whole, and the previous semiconductor It goes against the demand for thinning the substrate.
Therefore, since the prior art disclosed in Patent Document 1 can constitute a IGBT having a horizontal structure, it can be easily mounted with other transistor elements, and can be applied to a system equipped with a switching element that can drive a current with a voltage signal. Although it is a device, as a semiconductor device to be mounted in a miniaturized system, its current drive capability cannot be increased, and it has become a semiconductor device that is narrowly used.

本発明の半導体装置は、そのような問題を解決するためになされたものであって、ホリゾンタル構造のIGBTを採用し、他のトランジスタ素子との混載を容易にするとともに、半導体基板の薄膜化の要求と大きな駆動電流を有するIGBTの搭載とを両立した半導体装置を提供するものである。   The semiconductor device of the present invention has been made in order to solve such a problem, and adopts a IGBT having a horizontal structure, facilitates mixed mounting with other transistor elements, and reduces the thickness of the semiconductor substrate. The present invention provides a semiconductor device that satisfies both requirements and mounting of an IGBT having a large driving current.

上記目的を実現するため、本発明の半導体装置は、以下の構造を採用するものである。   In order to achieve the above object, the semiconductor device of the present invention employs the following structure.

半導体基板上に埋め込み絶縁膜と半導体薄膜層とを積層してなるSOI基板を用いる半
導体装置であって、半導体薄膜層にソース領域,ドレイン領域,チャネル領域を有し、半導体薄膜層の上部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を有するMOS型トランジスタと、半導体薄膜層にベース,エミッタ,コレクタを有するバイポーラトランジスタと、を備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する半導体装置において、
半導体薄膜層にドレイン領域と接すると共にチャネル領域と離間する共通領域を設け、ドレイン領域の内部またはその上部に共通領域と離間して独立領域を設け、ドレイン領域をベース,共通領域をコレクタ,チャネル領域をエミッタとする第1バイポーラトランジスタと、ドレイン領域をベース,共通領域をエミッタまたはコレクタ,独立領域をコレクタまたはエミッタとする第2バイポーラトランジスタと、を有し、MOS型トランジスタと第1バイポーラトランジスタおよび第2バイポーラトランジスタとで絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成することを特徴とする。
A semiconductor device using an SOI substrate in which a buried insulating film and a semiconductor thin film layer are stacked on a semiconductor substrate, the semiconductor thin film layer having a source region, a drain region, and a channel region, and a gate above the semiconductor thin film layer. In a semiconductor device having an insulated gate bipolar transistor comprising a MOS transistor having a gate electrode through an insulating film, and a bipolar transistor having a base, an emitter, and a collector in a semiconductor thin film layer,
A semiconductor thin film layer is provided with a common region in contact with the drain region and spaced apart from the channel region, and an independent region is provided in the drain region or separated from the common region, with the drain region serving as a base, the common region serving as a collector, and a channel region. A first bipolar transistor having an emitter as a base, a second bipolar transistor having a drain region as a base, a common region as an emitter or collector, and an independent region as a collector or emitter, a MOS transistor, a first bipolar transistor, and a second bipolar transistor An insulated gate bipolar transistor is constituted by two bipolar transistors.

ドレイン領域,ソース領域,チャネル領域は、その深さ方向の端部が埋め込み絶縁膜まで達し、共通領域は、その深さ方向の端部が埋め込み絶縁膜まで達するように設ける第1ブロックと、埋め込み絶縁膜と平行すると共にその端部がチャネル領域と離間するように設ける第2ブロックと、からなり、独立領域は、第1ブロックと離間すると共に、第2ブロックと対向して設けることを特徴とする。   The drain region, the source region, and the channel region have a first block provided such that an end portion in the depth direction reaches the buried insulating film, and a common region has a first block provided so that the end portion in the depth direction reaches the buried insulating film. A second block provided parallel to the insulating film and having an end portion spaced apart from the channel region, and the independent region is provided spaced apart from the first block and facing the second block. To do.

第1ブロックは、第2ブロックより不純物濃度が高いことを特徴とする。   The first block has a higher impurity concentration than the second block.

ドレイン領域は、第2ブロックと対向する部分の不純物濃度が高いことを特徴とする。   The drain region is characterized by a high impurity concentration in a portion facing the second block.

ゲート絶縁膜およびゲート電極は、ドレイン領域の不純物濃度が高い部分の上部を覆うように設けることを特徴とする。   The gate insulating film and the gate electrode are provided so as to cover an upper portion of a portion having a high impurity concentration in the drain region.

本発明の半導体装置は、搭載するIGBTのバイポーラトランジスタ部分を、第1バイポーラトランジスタと第2バイポーラトランジスタとの2つのバイポーラトランジスタで構成し、電流経路を増やしている。このようにすることによって、IGBTの電流駆動能力の向上を行うことができる。
2つのバイポーラトランジスタがそれぞれ電流を流すため、半導体基板の薄膜化の要求下にあっても電流駆動能力を低下させることがないIGBTを搭載した半導体装置とすることができる。
In the semiconductor device of the present invention, the bipolar transistor portion of the IGBT to be mounted is composed of two bipolar transistors, a first bipolar transistor and a second bipolar transistor, and the current path is increased. By doing so, the current drive capability of the IGBT can be improved.
Since each of the two bipolar transistors allows a current to flow, it is possible to provide a semiconductor device equipped with an IGBT that does not reduce the current driving capability even under the demand for thinning the semiconductor substrate.

また、第1および第2の2つのバイポーラトランジスタの電流駆動能力に違いを設けることもできる。このため、回路使用目的に応じた特性を得ることが可能となり、汎用性のある半導体装置を提供することができる。   Also, a difference can be provided in the current drive capability of the first and second bipolar transistors. For this reason, it is possible to obtain characteristics according to the purpose of circuit use, and to provide a versatile semiconductor device.

本発明の半導体装置は、SOI基板を用いるIGBTを例にして説明する。SOI基板は、一導電型の半導体基板の上部に埋め込み絶縁膜を介してP型の半導体薄膜層を設けるものとして説明する。IGBTは、この半導体薄膜層にN型のソース領域とドレイン領域とを設け、P型のチャネル領域を有するNチャネルMOS型トランジスタと、その半導体薄膜層にP型のエミッタ,N型のベース,P型のコレクタを設けるPNP型バイポーラトランジスタとで構成する例を用いて説明する。   The semiconductor device of the present invention will be described using an IGBT using an SOI substrate as an example. The SOI substrate will be described on the assumption that a P-type semiconductor thin film layer is provided above a one-conductivity-type semiconductor substrate via a buried insulating film. In the IGBT, an N-type source region and a drain region are provided in the semiconductor thin film layer, an N-channel MOS transistor having a P-type channel region, a P-type emitter, an N-type base, P A description will be given using an example of a PNP type bipolar transistor provided with a type collector.

このバイポーラトランジスタは、第1バイポーラトランジスタと第2バイポーラトランジスタとの2つで構成し、第1バイポーラトランジスタをホリゾンタル型(横型)とし、第2バイポーラトランジスタをバーチカル型(縦型)とする。
IGBTを構成するMOS型トランジスタのチャネル領域をホリゾンタル型バイポーラ
トランジスタのエミッタ、ドレイン領域をバーチカル型およびホリゾンタル型バイポーラトランジスタのベースとし、後述する共通領域をバーチカル型およびホリゾンタル型バイポーラトランジスタのコレクタ、同じく後述する独立領域をバーチカル型バイポーラトランジスタのエミッタとする例を用いて説明する。
This bipolar transistor is composed of two transistors, a first bipolar transistor and a second bipolar transistor. The first bipolar transistor is a horizontal type (horizontal type), and the second bipolar transistor is a vertical type (vertical type).
The channel region of the MOS transistor constituting the IGBT is the emitter of the horizontal bipolar transistor, the drain region is the base of the vertical and horizontal bipolar transistors, the common region described later is the collector of the vertical and horizontal bipolar transistors, and also described later. A description will be given using an example in which the independent region is an emitter of a vertical bipolar transistor.

なお、説明で使用する図面は、IGBTの構成または動作に関する説明をしやすいように、説明に不要な部分を省略すると共に模式的に示すものとする。
また、図において、半導体の導電型を説明する表記にあっては、P型またはN型を単に「P」または「N」の記号で記載し、不純物濃度の高低は、「P+」または「N+」のように記号表記している。
In the drawings used in the description, portions unnecessary for the description are omitted and schematically shown so as to facilitate the description of the configuration or operation of the IGBT.
In the drawing, in the notation for explaining the conductivity type of a semiconductor, P type or N type is simply indicated by a symbol “P” or “N”, and the level of impurity concentration is “P +” or “N +”. ".

[本発明の半導体装置の構造の説明1:図1、図2]
本発明のIGBTを有する半導体装置の第1の実施形態の構造を、図1を用いて説明する。図1(a)は、IGBTの構造を説明するために模式的に示した平面図であり、図1(b)は、図1(a)の切断線A−A´で切断した様子を模式的に示す断面図である。また、その等価回路図を図2に示す。
図1または図2において、101は半導体基板、102は埋め込み絶縁膜、103はMOS型トランジスタのゲート絶縁膜、104は同じくゲート電極、105は同じくソース領域、106はMOS型トランジスタのドレイン領域であると共にバーチカル型,ホリゾンタル型の両バイポーラトランジスタのベース、107はMOS型トランジスタのチャネル領域であると共にホリゾンタル型バイポーラトランジスタのエミッタである。以後、このエミッタを第1エミッタと称する。
108,109で共通領域を構成し、108は共通領域の第1ブロックであり、109は共通領域の第2ブロックである。この2つのブロックがバーチカル型およびホリゾンタル型バイポーラトランジスタのコレクタである。
110は独立領域であり、バーチカル型バイポーラトランジスタのエミッタである。以後、このエミッタを第2エミッタと称する。
[Description of Structure of Semiconductor Device of the Present Invention 1: FIGS. 1 and 2]
The structure of the first embodiment of the semiconductor device having the IGBT of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a plan view schematically showing the structure of the IGBT, and FIG. 1B is a schematic view showing a state cut along a cutting line AA ′ in FIG. FIG. The equivalent circuit diagram is shown in FIG.
In FIG. 1 or 2, reference numeral 101 denotes a semiconductor substrate, 102 denotes a buried insulating film, 103 denotes a gate insulating film of a MOS transistor, 104 denotes a gate electrode, 105 denotes a source region, and 106 denotes a drain region of the MOS transistor. In addition, the bases of both the vertical and horizontal bipolar transistors 107 are a channel region of the MOS transistor and the emitter of the horizontal bipolar transistor. Hereinafter, this emitter is referred to as a first emitter.
108 and 109 constitute a common area, 108 is a first block of the common area, and 109 is a second block of the common area. These two blocks are the collectors of the vertical and horizontal bipolar transistors.
Reference numeral 110 denotes an independent region, which is an emitter of a vertical bipolar transistor. Hereinafter, this emitter is referred to as a second emitter.

111aは、ドレイン領域106のうち、ホリゾンタル型バイポーラトランジスタのベースとなる部分を説明しやすいように示した部分である。同様に、111bは、ドレイン領域106のうち、バーチカル型バイポーラトランジスタのベースとなる部分を説明しやすいように示した部分である。   111a is a portion of the drain region 106 that is shown for easy explanation of the portion that becomes the base of the horizontal bipolar transistor. Similarly, 111b is a portion of the drain region 106 that is shown for easy explanation of the portion that becomes the base of the vertical bipolar transistor.

130は半導体薄膜層である。MOS型トランジスタおよびバイポーラトランジスタの拡散領域は、この半導体薄膜層130に不純物を導入して後述する所定の形状になるよう構成している。   130 is a semiconductor thin film layer. The diffusion regions of the MOS transistor and the bipolar transistor are configured to have a predetermined shape to be described later by introducing impurities into the semiconductor thin film layer 130.

112はMOS型トランジスタのソース領域105と接続するソース電極である。例えば、アルミニウムや銅などの金属で構成し、ソース領域105と電気的に接続している。113はバーチカル型バイポーラトランジスタの第2エミッタ110と接続する第2エミッタ電極である。114はバーチカル型およびホリゾンタル型バイポーラトランジスタのコレクタと接続するコレクタ電極である。
117はMOS型トランジスタのチャネル領域107(第1エミッタ)と接続する第1エミッタ電極である。第1エミッタ電極117は、図1(a)に示すように、第1エミッタに電圧を印加するためのものであるから、チャネル領域107とゲート電極104とが平面的に重なっている部分から引き出された部分に設けており、双方の電極が接触しないようにしている。
Reference numeral 112 denotes a source electrode connected to the source region 105 of the MOS transistor. For example, it is made of a metal such as aluminum or copper and is electrically connected to the source region 105. Reference numeral 113 denotes a second emitter electrode connected to the second emitter 110 of the vertical bipolar transistor. Reference numeral 114 denotes a collector electrode connected to the collectors of vertical and horizontal bipolar transistors.
Reference numeral 117 denotes a first emitter electrode connected to the channel region 107 (first emitter) of the MOS transistor. As shown in FIG. 1A, the first emitter electrode 117 is used to apply a voltage to the first emitter, so that the channel region 107 and the gate electrode 104 are drawn out from a portion where they overlap in a plane. It is provided in the part where both electrodes are not in contact.

第1エミッタ電極117,第2エミッタ電極113,コレクタ電極114は、例えば、
ソース電極112と同様に金属で構成し、それぞれの半導体領域と電気的に接続している。
半導体薄膜層130に設けるMOS型トランジスタやバイポーラトランジスタの各拡散領域と上述の電極とは、半導体薄膜層130の上部に設ける図示しない層間絶縁膜を介して接続している。例えば、図1(b)では、半導体薄膜層130の上部に層間絶縁膜を設け、その上部に上述の電極を設ける。電極と半導体薄膜層130内の領域との接続は、層間絶縁膜にコンタクトホールを開口して行う。図1は本発明の構成を説明するために模式的に示す図であるから、このような半導体層と電極との接続は省略して図示している。
The first emitter electrode 117, the second emitter electrode 113, and the collector electrode 114 are, for example,
Like the source electrode 112, it is made of metal and is electrically connected to each semiconductor region.
Each diffusion region of the MOS transistor or bipolar transistor provided in the semiconductor thin film layer 130 and the above-described electrode are connected via an interlayer insulating film (not shown) provided on the semiconductor thin film layer 130. For example, in FIG. 1B, an interlayer insulating film is provided on the semiconductor thin film layer 130 and the above-described electrode is provided on the interlayer insulating film. The connection between the electrode and the region in the semiconductor thin film layer 130 is performed by opening a contact hole in the interlayer insulating film. Since FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the configuration of the present invention, such a connection between the semiconductor layer and the electrode is omitted.

図1(b)に示すように、MOS型トランジスタを構成する、ソース領域105,チャネル領域107(第1エミッタ),ドレイン領域106(ベース)は、埋め込み絶縁膜102に到達するように構成している。
同じく、バイポーラトランジスタを構成する共通領域の第1ブロック108も埋め込み絶縁層102に到達するように構成している。
As shown in FIG. 1B, the source region 105, the channel region 107 (first emitter), and the drain region 106 (base) constituting the MOS transistor are configured to reach the buried insulating film 102. Yes.
Similarly, the first block 108 in the common region constituting the bipolar transistor is also configured to reach the buried insulating layer 102.

共通領域の第2ブロック109は、半導体薄膜層130のうち埋め込み絶縁膜102側にそれと接するように配置している。第2エミッタ110は、半導体薄膜層130のうち表面側に配置している。
これらが対向する部分の間には、バーチカル型,ホリゾンタル型の両バイポーラトランジスタのベースとなるドレイン領域106がある。このようにすることによって、第2エミッタ110と第2のブロック109とは、面状に対向する部分ができる(部分111b)。この部分111bを介して均一に電流を流すことができるため、バーチカル型バイポーラトランジスタとして大きな電流を流すことができるのである。
The second block 109 in the common region is disposed on the buried insulating film 102 side of the semiconductor thin film layer 130 so as to be in contact therewith. The second emitter 110 is disposed on the surface side of the semiconductor thin film layer 130.
Between these opposing portions, there is a drain region 106 which becomes the base of both the vertical and horizontal bipolar transistors. By doing in this way, the 2nd emitter 110 and the 2nd block 109 have the part which planarly opposes (part 111b). Since a current can be made to flow uniformly through this portion 111b, a large current can be made to flow as a vertical bipolar transistor.

第2ブロック109は、埋め込み絶縁膜102と平行するように設けると共にその端部がチャネル領域107(第1エミッタ)と離間するように設けている。これらに挟まれている部分であるドレイン領域106がホリゾンタル型バイポーラトランジスタのベース部分となる。このようにすることによって、チャネル領域107(第1エミッタ)と第2のブロック109とは、埋め込み絶縁膜102の直近で対向する部分ができる(部分111a)。この部分111aを介して電流を流すことができるため、ホリゾンタル型バイポーラトランジスタとして電流を流すことができるのである。   The second block 109 is provided so as to be parallel to the buried insulating film 102 and its end is provided so as to be separated from the channel region 107 (first emitter). The drain region 106 that is sandwiched between these becomes the base portion of the horizontal bipolar transistor. By doing so, the channel region 107 (first emitter) and the second block 109 form a portion facing the buried insulating film 102 in the immediate vicinity (portion 111a). Since current can flow through this portion 111a, current can flow as a horizontal bipolar transistor.

[本発明の半導体装置の特徴の説明:図1、図2]
本発明の半導体装置の特徴は、上述のようにIGBTを構成するバイポーラトランジスタをバーチカル型とホリゾンタル型との2つのトランジスタで構成した点にある。
これら2つのバイポーラトランジスタは、図2に示す等価回路図では2つ並列に並ぶように記載され、ベースを共通にするように記載されているが、ドレイン領域106において、ベースとなる部分は、それぞれのバイポーラトランジスタで異なるのである。
共通領域となる第1のブロック108と第2のブロック109とを共通のコレクタとし、ベースとなるドレイン領域106の部分111aを挟み、チャネル領域107を第1エミッタとするのがホリゾンタル型バイポーラトランジスタである。同じく、共通領域を共通のコレクタとし、ベースとなるドレイン領域106の部分111bを挟み、独立領域である第2エミッタ110をエミッタとするのがバーチカル型バイポーラトランジスタである。
[Description of Features of Semiconductor Device of the Present Invention: FIGS. 1 and 2]
The semiconductor device of the present invention is characterized in that the bipolar transistor constituting the IGBT is composed of two transistors of a vertical type and a horizontal type as described above.
In the equivalent circuit diagram shown in FIG. 2, these two bipolar transistors are described so as to be arranged in parallel and have a common base, but in the drain region 106, the base portion is This is different in bipolar transistors.
A horizontal bipolar transistor has the first block 108 and the second block 109, which are common regions, as a common collector, the portion 111a of the drain region 106 as a base, and the channel region 107 as a first emitter. is there. Similarly, a vertical bipolar transistor has a common region as a common collector, a portion 111b of the drain region 106 as a base, and a second emitter 110 as an independent region as an emitter.

これら2つのバイポーラトランジスタは、それぞれ独立したエミッタと共通のコレクタとの間で電流を流すことができるから、IGBTを構成するバイポーラトランジスタが1つしかない従来知られている構成に比べ、より大きな電流駆動能力を有することになる。   Since these two bipolar transistors can pass a current between an independent emitter and a common collector, a larger current than that of a conventionally known configuration in which only one bipolar transistor is included in the IGBT. It will have driving ability.

[IGBTの構成パラメータの例示]
バーチカル型バイポーラトランジスタもホリゾンタル型バイポーラトランジスタも、エミッタとコレクタとに挟まれたベースとなる部分の物理的な距離がトランジスタ素子としての電流駆動能力に影響を及ぼす。バイポーラトランジスタのベースとなるドレイン領域106におけるベース距離(エミッタとコレクタとの間の距離)は、バーチカル型バイポーラトランジスタとホリゾンタル型バイポーラトランジスタとで、同じにしても変更してもよい。
[Example of IGBT configuration parameters]
In both the vertical bipolar transistor and the horizontal bipolar transistor, the physical distance of the base portion sandwiched between the emitter and the collector affects the current driving capability as a transistor element. The base distance (the distance between the emitter and the collector) in the drain region 106 serving as the base of the bipolar transistor may be the same or may be changed between the vertical bipolar transistor and the horizontal bipolar transistor.

このベース距離を変えることによりバイポーラトランジスタのオン抵抗(IGBTのオン抵抗でもある)や立ち上がり特性などの電気特性を変えることができる。したがって、このベース距離は、IGBTの設計時点で自由に選択することができる。もちろん、IGBTを設ける半導体装置が搭載されるシステム側の要求に合わせて、設計することもある。   By changing the base distance, it is possible to change the electrical characteristics such as the on-resistance of the bipolar transistor (also the on-resistance of the IGBT) and the rising characteristics. Therefore, this base distance can be freely selected at the time of designing the IGBT. Of course, it may be designed in accordance with the requirements of the system side on which the semiconductor device provided with the IGBT is mounted.

IGBTの電気特性を決定する要因は、上述のベース距離だけではなく、構成するMOS型トランジスタやバイポーラトランジスタの各構成要素が深く関係していることは言うまでもない。例えば、ゲート絶縁膜103の膜厚、ソース領域105,チャネル領域107,ベースとなるドレイン領域106,共通領域の第1ブロック108および第2ブロック109の不純物濃度などである。   It goes without saying that the factors that determine the electrical characteristics of the IGBT are not only based on the above-mentioned base distance, but are also closely related to the constituent elements of the MOS transistors and bipolar transistors that constitute the IGBT. For example, the thickness of the gate insulating film 103, the source region 105, the channel region 107, the drain region 106 serving as a base, the impurity concentration of the first block 108 and the second block 109 in the common region, and the like.

ここで、IGBTを構成する各要素を実施するための好ましい寸法を例示しておく。
半導体薄膜層130の膜厚は、本発明の半導体装置を駆動する電源電圧や信号電圧の値にもよるが、例えば、1.0〜1.6μmが好ましい。
バーチカル型バイポーラトランジスタのベースとなるドレイン領域106の部分111bのベース距離は、少なくとも0.2μm以上が好ましい。ホリゾンタル型バイポーラトランジスタのベースとなるドレイン領域106の部分111aのベース距離は、少なくとも0.2μm以上が好ましい。もちろんこれら2つのベース距離は同じ値にしなくてもよい。
第2エミッタ110の拡散深さは、0.3μmが好ましい。共通領域であり共通のコレクタとなる第2ブロック109の拡散深さは、0.5μmが好ましい。MOS型トランジスタのゲート絶縁膜103の膜厚は、200Å〜500Åとする。
Here, the preferable dimension for implementing each element which comprises IGBT is illustrated.
The film thickness of the semiconductor thin film layer 130 is preferably 1.0 to 1.6 μm, for example, although it depends on the value of the power supply voltage or signal voltage for driving the semiconductor device of the present invention.
The base distance of the portion 111b of the drain region 106 serving as the base of the vertical bipolar transistor is preferably at least 0.2 μm or more. The base distance of the portion 111a of the drain region 106 serving as the base of the horizontal bipolar transistor is preferably at least 0.2 μm or more. Of course, these two base distances do not have to be the same value.
The diffusion depth of the second emitter 110 is preferably 0.3 μm. The diffusion depth of the second block 109 serving as a common region and a common collector is preferably 0.5 μm. The thickness of the gate insulating film 103 of the MOS transistor is 200 to 500 mm.

さらに、IGBTを構成する各要素の不純物濃度も例示しておく。2つのバイポーラトランジスタのベースとなるドレイン領域106は、1E17〜1E18cm−3、チャネル領域107(第1エミッタ)は1E15cm−3、第2エミッタ110は、1E20cm−3程度が好ましい。
各部の膜厚さと不純物濃度とにより構成できる構造は決まるが、それにより2つのバイポーラトランジスタの耐圧と増幅率も決まる。
Furthermore, the impurity concentration of each element constituting the IGBT is also exemplified. The drain region 106 serving as the base of the two bipolar transistors is preferably about 1E17 to 1E18 cm −3 , the channel region 107 (first emitter) is about 1E15 cm −3 , and the second emitter 110 is preferably about 1E20 cm −3 .
The structure that can be configured is determined by the film thickness and impurity concentration of each part, but the breakdown voltage and amplification factor of the two bipolar transistors are also determined thereby.

IGBTの動作を制御するのはMOS型トランジスタであり、MOS型トランジスタのオンまたはオフは、そのゲート電極104に印加するゲート電圧値で決まる。オンまたはオフ動作するゲート閾値電圧は、チャネル領域107(第1エミッタ)の表面(ゲート絶縁膜103の直下)の不純物濃度をイオン打ち込みで調整する。   The operation of the IGBT is controlled by a MOS transistor, and whether the MOS transistor is turned on or off is determined by a gate voltage value applied to the gate electrode 104. The gate threshold voltage for the on / off operation is adjusted by ion implantation of the impurity concentration on the surface of the channel region 107 (first emitter) (just below the gate insulating film 103).

[本発明の半導体装置の動作の説明:図3]
次に、本発明のIGBTを有する半導体装置の動作を図3を用いて説明する。図3は、図1(b)の模式的に示す断面図に電圧信号が印加される様子を加味して表した模式図である。なお、電圧信号は説明しやすいように電池で示している。図3において、Vecはエミッタ−コレクタ間電圧、Vbeはエミッタ−ベース間電圧である。
第2エミッタ110,ソース領域105,チャネル領域107(第1エミッタ)は、第2エミッタ電極113,ソース電極112,第1エミッタ電極117(図3に図示せず)
をそれぞれ介して共通に接続するとともに、VecおよびVbeの負電位側に接続している。Vecの正電位側は、コレクタ電極114を介して第1ブロック108および第2ブロック109に接続している。Vbeの正電位側は、第2エミッタ電極113を介して第2エミッタ110に接続している。
[Description of Operation of Semiconductor Device of the Present Invention: FIG. 3]
Next, the operation of the semiconductor device having the IGBT of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which a voltage signal is applied to the cross-sectional view schematically shown in FIG. The voltage signal is shown as a battery for easy explanation. In FIG. 3, Vec is an emitter-collector voltage, and Vbe is an emitter-base voltage.
The second emitter 110, the source region 105, and the channel region 107 (first emitter) are a second emitter electrode 113, a source electrode 112, and a first emitter electrode 117 (not shown in FIG. 3).
And are connected to the negative potential side of Vec and Vbe. The positive potential side of Vec is connected to the first block 108 and the second block 109 via the collector electrode 114. The positive potential side of Vbe is connected to the second emitter 110 via the second emitter electrode 113.

これにより、チャネル領域107およびソース領域105を基準として共通のコレクタである第1ブロック108および第2ブロック109が正電位となるように電圧Vecが印加される。
この状態では、ホリゾンタル型バイポーラトランジスタもバーチカル型バイポーラトランジスタもオフの状態となっており、電流は流れない。
次に、ゲート電極104が正電位になるように電圧Vbeを印加する。この電圧VbeがMOS型トランジスタの閾値以上の電圧となると、チャネル領域107にチャネルが形成され、このMOS型トランジスタはオン状態となる。
Thus, the voltage Vec is applied so that the first block 108 and the second block 109, which are common collectors, have a positive potential with reference to the channel region 107 and the source region 105.
In this state, both the horizontal bipolar transistor and the vertical bipolar transistor are in an off state, and no current flows.
Next, the voltage Vbe is applied so that the gate electrode 104 has a positive potential. When this voltage Vbe becomes equal to or higher than the threshold value of the MOS transistor, a channel is formed in the channel region 107, and the MOS transistor is turned on.

このチャネル形成によって、ソース領域105とドレイン領域106とが導通し、共通のコレクタである第1ブロック108および第2ブロック109,ドレイン領域106(ベース),チャネル領域107(第1エミッタ)は、PNダイオード構成となりダイオード順方向電流が流れる。   By this channel formation, the source region 105 and the drain region 106 become conductive, and the first block 108 and the second block 109, the drain region 106 (base) and the channel region 107 (first emitter), which are common collectors, It becomes a diode configuration and a diode forward current flows.

これにより、MOS型トランジスタのソース領域105から電子がドレイン領域106(ベース)に注入され、共通のコレクタである第1ブロック108および第2ブロック109からホールがドレイン領域106(ベース)に注入され、ドレイン領域106(ベース)には相応の電流が流れる。
このベースへの少数キャリア注入により、ホリゾンタル型およびバーチカル型のバイポーラトランジスタがオン状態になり、共通のコレクタである第1ブロック108および第2ブロック109とチャネル領域107(第1エミッタ)と第2エミッタ110との間でそれぞれ電流が流れ、IGBTとしての動作をする。
Thereby, electrons are injected into the drain region 106 (base) from the source region 105 of the MOS transistor, and holes are injected into the drain region 106 (base) from the first block 108 and the second block 109 which are common collectors. A corresponding current flows through the drain region 106 (base).
By this minority carrier injection into the base, the horizontal and vertical bipolar transistors are turned on, and the first and second blocks 108 and 109, the channel region 107 (first emitter) and the second emitter, which are common collectors, are turned on. A current flows between each of them 110 and operates as an IGBT.

[本発明の半導体装置の構造の説明2:図4]
次に、本発明のIGBTを有する半導体装置の第2の実施形態の構造を、図4を用いて説明する。図1に示す第1の実施形態との違いは、第2エミッタの構造である。図4において410は第2のエミッタである。なお、すでに説明している構成には同じ番号を付与している。
図4に示す第2の実施形態は、第2のエミッタ410を半導体薄膜層130の上部に設けている。
[Description of Structure of Semiconductor Device of the Present Invention 2: FIG. 4]
Next, the structure of the second embodiment of the semiconductor device having the IGBT of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the first embodiment shown in FIG. 1 is the structure of the second emitter. In FIG. 4, reference numeral 410 denotes a second emitter. The same numbers are assigned to the configurations already described.
In the second embodiment shown in FIG. 4, the second emitter 410 is provided on the semiconductor thin film layer 130.

第2エミッタ410は、半導体薄膜層130の上部に知られているエピタキシャル成長技術を用いてなる半導体層であり、所定の形状に加工してなる。図1に示す第1の実施形態では、ベースとなるドレイン領域106に第2のエミッタ110を設けているが、図4に示す例では、第2のエミッタはそこになく、半導体薄膜層130の上部に設けている。これに合わせて、第2のブロック109の膜厚を厚くしている。   The second emitter 410 is a semiconductor layer using an epitaxial growth technique known above the semiconductor thin film layer 130, and is processed into a predetermined shape. In the first embodiment shown in FIG. 1, the second emitter 110 is provided in the drain region 106 serving as a base. However, in the example shown in FIG. It is provided at the top. In accordance with this, the thickness of the second block 109 is increased.

このような構成にすることによって、ホリゾンタル型,バーチカル型双方のバイポーラトランジスタの電流駆動能力を向上させることができる。
すなわち、第2ブロック109の断面積が大きくなるため、この部分の抵抗(コレクタ抵抗)が低減するからである。バイポーラトランジスタが電流を流すとき、エミッタとコレクタとの間に流れる電流は、いわゆるエミッタ抵抗,コレクタ抵抗と呼ばれる抵抗成分が損失となるので、これらはできるだけ小さい方が好ましい。半導体装置の小型化,薄膜化の要求により、半導体薄膜層130の膜厚を薄くしたいときであっても、図4に示すよ
うな構成にすることによって、電流駆動能力が低下することはないのである。
By adopting such a configuration, the current drive capability of both the horizontal type and vertical type bipolar transistors can be improved.
That is, since the cross-sectional area of the second block 109 is increased, the resistance (collector resistance) of this portion is reduced. When a current flows through the bipolar transistor, the current flowing between the emitter and the collector loses a resistance component called a so-called emitter resistance and collector resistance, so these are preferably as small as possible. Even when it is desired to reduce the thickness of the semiconductor thin film layer 130 due to demands for miniaturization and thinning of the semiconductor device, the current driving capability is not lowered by the configuration shown in FIG. is there.

例えば、半導体薄膜層130の膜厚を1μm程度とし、IGBTとは異なる半導体素子をその半導体薄膜層130に形成したとしても、第2の実施形態の構成であれば、第2エミッタ310をこの半導体薄膜層130の上部に設けることができるため、ホリゾンタル型,バーチカル型双方のバイポーラトランジスタの電流駆動能力を低下させることなく、それら半導体素子との混載が可能である。   For example, even if the semiconductor thin film layer 130 has a thickness of about 1 μm and a semiconductor element different from the IGBT is formed in the semiconductor thin film layer 130, the second emitter 310 is formed in the semiconductor according to the configuration of the second embodiment. Since it can be provided on the thin film layer 130, it can be mounted together with these semiconductor elements without deteriorating the current drive capability of both the horizontal and vertical bipolar transistors.

[本発明の半導体装置の構造の説明3:図5]
次に、本発明のIGBTを有する半導体装置の第3の実施形態の構造を、図5を用いて説明する。図1に示す第1の実施形態との違いは、ゲート絶縁膜とゲート電極の形状である。図5において、111cはドレイン領域106の表面部分である。503はゲート絶縁膜、504はゲート電極である。なお、すでに説明している構成には同じ番号を付与している。
図5に示す第3の実施形態は、ゲート絶縁膜503およびゲート電極504を第2エミッタ110の方向に延長し、ドレイン領域106の上部を覆っている。
[Description 3 of Structure of Semiconductor Device of the Present Invention: FIG. 5]
Next, the structure of the third embodiment of the semiconductor device having the IGBT of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the first embodiment shown in FIG. 1 is the shapes of the gate insulating film and the gate electrode. In FIG. 5, 111 c is a surface portion of the drain region 106. Reference numeral 503 denotes a gate insulating film, and reference numeral 504 denotes a gate electrode. The same numbers are assigned to the configurations already described.
In the third embodiment shown in FIG. 5, the gate insulating film 503 and the gate electrode 504 extend in the direction of the second emitter 110 and cover the upper portion of the drain region 106.

このような構成にすることによって、IGBTがオンするときの時間である立ち上がり時間の短縮と、IGBTのオン抵抗を低減することができる。
すなわち、第2エミッタ110の方向に延長されたゲート絶縁膜503およびゲート電極504にMOS型トランジスタに電圧信号である所定の電圧を印加すると、この印加電圧によりドレイン領域106の表面部分である部分111cにはキャリアの蓄積が起きる。このキャリア蓄積により部分111aの抵抗が下がる。これにより、第2ブロック109からチャネル領域107までの抵抗が下がることから、111bのバーチカル型バイポーラトランジスタのベースへの少数キャリアの注入が速くなり、ホリゾンタル型バイポーラトランジスタとの動作との遅れがなくなり円滑なIGBT動作が得られる。
少数キャリアは、部分111cに起きたキャリアの蓄積層を介して注入されるが、さらにコレクタ109からのホールも流れ込む。
By adopting such a configuration, it is possible to shorten the rise time, which is the time when the IGBT is turned on, and to reduce the on-resistance of the IGBT.
That is, when a predetermined voltage, which is a voltage signal, is applied to the MOS transistor on the gate insulating film 503 and the gate electrode 504 extending in the direction of the second emitter 110, the portion 111c which is the surface portion of the drain region 106 is applied by the applied voltage. Will accumulate careers. This carrier accumulation reduces the resistance of the portion 111a. As a result, the resistance from the second block 109 to the channel region 107 is lowered, so that the injection of minority carriers into the base of the 111b vertical bipolar transistor is accelerated, and there is no delay in operation with the horizontal bipolar transistor. IGBT operation can be obtained.
Minority carriers are injected through the accumulation layer of carriers generated in the portion 111c, but holes from the collector 109 also flow.

[本発明の半導体装置の構造の説明4:図6]
次に、本発明のIGBTを有する半導体装置の第4の実施形態の構造を図6を用いて説明する。図1に示す第1の実施形態との違いは、ドレイン領域106に同一導電型で不純物濃度の高い領域を設けた点である。606は高濃度ドレイン領域である。なお、すでに説明している構成には同じ番号を付与している。
図6に示す第4の実施形態は、ドレイン領域106とチャネル領域107との間に高濃度ドレイン領域606を設けている。
[Description of Structure of Semiconductor Device of the Present Invention 4: FIG. 6]
Next, the structure of the fourth embodiment of the semiconductor device having the IGBT of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the first embodiment shown in FIG. 1 is that a drain region 106 is provided with a region having the same conductivity type and a high impurity concentration. Reference numeral 606 denotes a high concentration drain region. The same numbers are assigned to the configurations already described.
In the fourth embodiment shown in FIG. 6, a high concentration drain region 606 is provided between the drain region 106 and the channel region 107.

このような構成にすることによって、IGBTがターンオフしなくなるという問題を解決することができる。
ところで、IGBTは、バイポーラトランジスタの高耐圧動作得る理由からバイポーラトランジスタのベースの不純物濃度を低くし、高抵抗化して耐圧を確保する。
図4に示す例では、ドレイン領域106とバーチカル型のバイポーラのベース部分111bの不純物濃度を低くする。
バイポーラトランジスタのベースとなる領域の不純物濃度を低くしたとき、ホリゾンタル型バイポーラトランジスタがオンし、コレクタである第2のブロック109と第1エミッタであるチャネル領域107との間で電流が流れると、IGBTの入力電圧信号をMOS型トランジスタのゲート電極104から除いても、ホリゾンタル型バイポーラトランジスタがオンしたままになることがある。これをバイポーラトランジスタがターンオフしな
くなるという。
With such a configuration, the problem that the IGBT does not turn off can be solved.
By the way, the IGBT reduces the impurity concentration of the base of the bipolar transistor to increase the resistance to ensure the breakdown voltage because the bipolar transistor can obtain a high breakdown voltage operation.
In the example shown in FIG. 4, the impurity concentration of the drain region 106 and the vertical bipolar base portion 111b is lowered.
When the impurity concentration in the region serving as the base of the bipolar transistor is lowered, the horizontal bipolar transistor is turned on, and a current flows between the second block 109 serving as a collector and the channel region 107 serving as a first emitter. Even if the input voltage signal is removed from the gate electrode 104 of the MOS transistor, the horizontal bipolar transistor may remain on. This is said to prevent the bipolar transistor from turning off.

この現象の原因は、埋め込み絶縁膜102と接するドレイン領域106の部分111aに寄生チャネルが形成されることによるものである。
埋め込み絶縁膜102と部分111aとの界面には、酸化膜と半導体層との界面準位が存在し、ほかに埋め込み絶縁膜102の膜中のイオンなどの影響で、キャリアをトラップしやすい状態となりやすい。MOS型トランジタからの少数キャリアの注入があり、ホリゾンタル型バイポーラトランジスタのコレクタからもホールが注入されるが、このトラップにホールが捕獲されてしまう。
The cause of this phenomenon is that a parasitic channel is formed in the portion 111 a of the drain region 106 that is in contact with the buried insulating film 102.
There is an interface state between the oxide film and the semiconductor layer at the interface between the buried insulating film 102 and the portion 111a, and carriers are easily trapped by the influence of ions in the buried insulating film 102. Cheap. Minority carriers are injected from the MOS transistor, and holes are also injected from the collector of the horizontal bipolar transistor. However, holes are trapped in this trap.

制御用のMOS型トランジスタがオフしたあと、ベース領域のキャリアは、コレクタ,エミツタのそれぞれに吸収されていくが、その一部が部分111aの界面付近に残り、寄生チャネルを形成するとIGBTに電流が流れつづけることがある。
高濃度ドレイン領域606を設けておくと、不純物濃度が高いので、界面近傍の半導体層も反転しにくいためチャネルができにくくなる。
After the control MOS transistor is turned off, carriers in the base region are absorbed by the collector and the emitter, but a part of the carriers remains near the interface of the portion 111a, and when a parasitic channel is formed, current flows in the IGBT. It may continue to flow.
When the high-concentration drain region 606 is provided, since the impurity concentration is high, the semiconductor layer in the vicinity of the interface is not easily inverted, so that it is difficult to form a channel.

高濃度ドレイン領域606は、このような寄生チャネルの形成を防止するために設けるものであって、不純物濃度が高いことにより反転層の形成を抑制することで、IGBTがターンオフしなくなるという問題を解決するのである。   The high concentration drain region 606 is provided to prevent the formation of such a parasitic channel, and solves the problem that the IGBT does not turn off by suppressing the formation of the inversion layer due to the high impurity concentration. To do.

[本発明の半導体装置の構造の応用例:図7]
次に、本発明のIGBTを有する半導体装置の第5の実施形態として、すでに説明した構成を応用した構造を図7を用いて説明する。図7に示す構成は、図4〜図6を用いて説明した第1〜第4の実施形態を組み合わせた構成に、さらに改良を加えた構成である。
図4に示す第2エミッタ410に接するようにすると共にドレイン領域106との間に追加ベース層を設ける。追加ベース層は、例えば、エピタキシャル成長技術を用いてなる半導体層であり、ドレイン領域106と同一導電型である。図5に示すゲート絶縁膜503とゲート電極504との構成を応用し、図6に示す高濃度ドレイン領域606を設けたものである。
図7において、603はゲート絶縁膜、604はゲート電極、701は追加ベース層である。なお、すでに説明している構成には同じ番号を付与している。
[Application Example of Structure of Semiconductor Device of the Present Invention: FIG. 7]
Next, as a fifth embodiment of the semiconductor device having the IGBT of the present invention, a structure to which the configuration described above is applied will be described with reference to FIG. The configuration shown in FIG. 7 is a configuration obtained by further improving the configuration obtained by combining the first to fourth embodiments described with reference to FIGS. 4 to 6.
An additional base layer is provided so as to be in contact with the second emitter 410 shown in FIG. The additional base layer is, for example, a semiconductor layer using an epitaxial growth technique and has the same conductivity type as the drain region 106. The structure of the gate insulating film 503 and the gate electrode 504 shown in FIG. 5 is applied, and the high concentration drain region 606 shown in FIG. 6 is provided.
In FIG. 7, 603 is a gate insulating film, 604 is a gate electrode, and 701 is an additional base layer. The same numbers are assigned to the configurations already described.

第2エミッタ410と追加ベース層701は、すでに説明しているように半導体薄膜層130の上部に知られているエピタキシャル成長技術を用いて半導体層を所定の形に形成する。   As described above, the second emitter 410 and the additional base layer 701 form a semiconductor layer in a predetermined shape by using the known epitaxial growth technique on the semiconductor thin film layer 130.

ホリゾンタル型バイポーラトランジスタの方は、高濃度ドレイン領域606と第2のブロック109と間にあるドレイン領域106(部分111a)の不純物濃度を変えたり、その長さ(ベース幅)を変化させることで耐圧を変えることができるが、バーチカル型バイポーラトランジスタの耐圧は、使用するSOI基板の半導体層130の膜厚により制約があった。   In the case of a horizontal bipolar transistor, the withstand voltage is changed by changing the impurity concentration of the drain region 106 (part 111a) between the high-concentration drain region 606 and the second block 109 or by changing the length (base width) thereof. However, the breakdown voltage of the vertical bipolar transistor is limited by the film thickness of the semiconductor layer 130 of the SOI substrate to be used.

このような構成にすることによって、バーチカル型バイポーラトランジスタのベース部分(追加ベース層701および部分111b)の不純物濃度や膜厚を容易に制御できる。例えば、その膜厚の制御にあっては、必要な部分のみエピタキシャル成長技術を用いて膜を積層することができる。このように、素子耐圧の変更を他の部分の構造に影響を与えることなく行うことができるのである。   With this configuration, the impurity concentration and film thickness of the base portion (additional base layer 701 and portion 111b) of the vertical bipolar transistor can be easily controlled. For example, in controlling the film thickness, only a necessary portion can be laminated using an epitaxial growth technique. In this way, the device breakdown voltage can be changed without affecting the structure of other parts.

以上説明した実施の形態では、半導体薄膜層130にN型のソース領域とドレイン領域
とを設け、P型のチャネル領域を有するNチャネルMOS型トランジスタと、その半導体薄膜層130にP型のエミッタ,N型のベース,P型のコレクタを設けるPNP型バイポーラトランジスタとで構成する例を用いて説明した。このような構成は、本発明の一実施例に過ぎず、PチャネルMOS型トランジスタやNPN型バイポーラトランジスタとしたりするなどのトランジスタの極性の変更や、トランジスタ構造の変形が可能であることは言うまでもない。
例えば、共通領域の第1のブロック108と第2のブロック109とを共通のコレクタとして説明したが、これを共通のエミッタとしてもよい。そのとき、チャネル領域107は第1エミッタとしたが、第1コレクタとなり、独立領域である第2エミッタ110は第2コレクタとなるのである。
In the embodiment described above, an N-type source region and a drain region are provided in the semiconductor thin film layer 130, an N-channel MOS transistor having a P-type channel region, a P-type emitter in the semiconductor thin-film layer 130, The description has been given using an example in which an N-type base and a PNP-type bipolar transistor having a P-type collector are provided. Such a configuration is only one embodiment of the present invention, and it goes without saying that the polarity of the transistor such as a P-channel MOS transistor or an NPN bipolar transistor can be changed and the transistor structure can be modified. .
For example, although the first block 108 and the second block 109 in the common region have been described as a common collector, this may be used as a common emitter. At that time, although the channel region 107 is the first emitter, it becomes the first collector, and the second emitter 110 which is an independent region becomes the second collector.

このように領域を定義しても、またMOS型トランジスタやバイポーラトランジスタの極性を変えても、本発明の半導体装置が用いるIGBTの特徴である、第1バイポーラトランジスタと第2バイポーラトランジスタとの2つでバイポーラトランジスタを構成するという主旨を逸脱しないかぎり、変形が可能である。   Even if the region is defined as described above and the polarity of the MOS transistor or bipolar transistor is changed, two characteristics of the IGBT used by the semiconductor device of the present invention are the first bipolar transistor and the second bipolar transistor. However, modifications can be made without departing from the gist of forming a bipolar transistor.

本発明の半導体装置は、使用する半導体基板を薄膜化しても電流駆動能力が低下することはない。このため、小型,軽量化が要求されるシステムに搭載する半導体装置に好適である。   In the semiconductor device of the present invention, even if the semiconductor substrate to be used is thinned, the current driving capability does not decrease. Therefore, it is suitable for a semiconductor device mounted on a system that is required to be small and light.

本発明の半導体装置の第1の実施形態を説明する平面図および断面図である。It is the top view and sectional drawing explaining 1st Embodiment of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置に用いるIGBTを説明する等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram explaining IGBT used for the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置に用いるIGBTの動作を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining operation | movement of IGBT used for the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の第2の実施形態を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining 2nd Embodiment of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の第3の実施形態を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining 3rd Embodiment of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の第4の実施形態を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining 4th Embodiment of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の第5の実施形態を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining 5th Embodiment of the semiconductor device of this invention. SOI基板を用いた従来知られている半導体装置を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the semiconductor device conventionally known using the SOI substrate. 特許文献1に示した従来技術を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the prior art shown in patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 半導体基板
102 埋め込み絶縁膜
103 ゲート絶縁膜
104 ゲート電極
105 ソース領域
106 ドレイン領域
107 チャネル領域
108 共通領域の第1ブロック
109 共通領域の第2ブロック
110 独立領域であり第2エミッタ
111a ドレイン領域106のホリゾンタル型バイポーラトランジスタのベースとなる部分
111b ドレイン領域106のバーチカル型バイポーラトランジスタのベースとなる部分
111c ドレイン領域106の表面部分
130 半導体薄膜層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Semiconductor substrate 102 Embedded insulating film 103 Gate insulating film 104 Gate electrode 105 Source region 106 Drain region 107 Channel region 108 First block of common region 109 Second block of common region 110 Independent region and second emitter 111a of drain region 106 Part 111b serving as the base of the horizontal bipolar transistor 111b Part serving as the base of the vertical bipolar transistor 111c Surface portion of the drain region 106 130 Semiconductor thin film layer

Claims (5)

半導体基板上に埋め込み絶縁膜と半導体薄膜層とを積層してなるSOI基板を用いる半導体装置であって、
前記半導体薄膜層にソース領域,ドレイン領域,チャネル領域を有し、前記半導体薄膜層の上部にゲート絶縁膜を介してゲート電極を有するMOS型トランジスタと、
前記半導体薄膜層にベース,エミッタ,コレクタを有するバイポーラトランジスタと、
を備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する半導体装置において、
前記半導体薄膜層に前記ドレイン領域と接すると共に前記チャネル領域と離間する共通領域を設け、前記ドレイン領域の内部またはその上部に前記共通領域と離間して独立領域を設け、
前記ドレイン領域をベース,前記共通領域をコレクタ,前記チャネル領域をエミッタとする第1バイポーラトランジスタと、
前記ドレイン領域をベース,前記共通領域をエミッタまたはコレクタ,前記独立領域をコレクタまたはエミッタとする第2バイポーラトランジスタと、
を有し、
前記MOS型トランジスタと前記第1バイポーラトランジスタおよび前記第2バイポーラトランジスタとで絶縁ゲートバイポーラトランジスタを構成することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device using an SOI substrate in which a buried insulating film and a semiconductor thin film layer are stacked on a semiconductor substrate,
A MOS transistor having a source region, a drain region, and a channel region in the semiconductor thin film layer, and having a gate electrode over the semiconductor thin film layer via a gate insulating film;
A bipolar transistor having a base, an emitter, and a collector in the semiconductor thin film layer;
In a semiconductor device having an insulated gate bipolar transistor comprising:
Providing a common region in contact with the drain region and spaced apart from the channel region in the semiconductor thin film layer, and providing an independent region separated from the common region in or on the drain region;
A first bipolar transistor having the drain region as a base, the common region as a collector, and the channel region as an emitter;
A second bipolar transistor having the drain region as a base, the common region as an emitter or collector, and the independent region as a collector or emitter;
Have
A semiconductor device, wherein the MOS transistor, the first bipolar transistor, and the second bipolar transistor constitute an insulated gate bipolar transistor.
前記ドレイン領域,前記ソース領域,前記チャネル領域は、その深さ方向の端部が前記埋め込み絶縁膜まで達し、前記共通領域は、その深さ方向の端部が前記埋め込み絶縁膜まで達するように設ける第1ブロックと、前記埋め込み絶縁膜と平行すると共にその端部が前記チャネル領域と離間するように設ける第2ブロックと、からなり、前記独立領域は、前記第1ブロックと離間すると共に、前記第2ブロックと対向して設けることを特徴とすると請求項1に記載の半導体装置。   The drain region, the source region, and the channel region are provided so that the end in the depth direction reaches the buried insulating film, and the common region is provided so that the end in the depth direction reaches the buried insulating film. A first block; and a second block provided in parallel with the buried insulating film and having an end portion spaced apart from the channel region. The independent region is separated from the first block, and The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is provided to face two blocks. 前記第1ブロックは、前記第2ブロックより不純物濃度が高いことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the first block has an impurity concentration higher than that of the second block. 前記ドレイン領域は、前記第2ブロックと対向する部分の不純物濃度が高いことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the drain region has a high impurity concentration in a portion facing the second block. 前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極は、前記ドレイン領域の前記不純物濃度が高い部分の上部を覆うように設けることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the gate insulating film and the gate electrode are provided so as to cover an upper portion of the portion of the drain region where the impurity concentration is high.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016522994A (en) * 2013-05-16 2016-08-04 ケー.エクランド イノベーション Insulated gate bipolar transistor amplifier circuit

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