JP2011082585A - Insulated gate semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は絶縁ゲート型半導体装置に係り、特にトレンチゲートを有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)およびその素子構造に関するものである。 The present invention relates to an insulated gate semiconductor device, and more particularly to an insulated gate bipolar transistor (IGBT) having a trench gate and an element structure thereof.
絶縁ゲート型トランジスタとしては、従来IGBTが広く用いられているが、その改良されたものとしてゲート下に電子を蓄積できる注入促進型ゲートトランジスタ’(Injection Enhanced Gate Transistor: IEGT)が開発され、より大電力が実現できるため、最近は広く使用されるようになっている。 Conventionally, IGBTs have been widely used as insulated gate transistors, but as an improved version of them, an injection enhanced gate transistor (IEGT) that can store electrons under the gate has been developed. Since power can be realized, it has been widely used recently.
従来の絶縁ゲート型半導体装置においては、外周部のリング状拡散領域やゲート配線部下の拡散層領域は、セル領域のベース拡散層と接続して形成される。 In the conventional insulated gate semiconductor device, the ring-shaped diffusion region in the outer peripheral portion and the diffusion layer region under the gate wiring portion are formed in connection with the base diffusion layer in the cell region.
ところが、特に耐圧の高いIEGTのような半導体素子は、セル領域に蓄積キャリア増加させ、かつ負性容量を低減するために、ゲート電極としてはトレンチゲートを用い、トレンチゲート間のベース領域にエミッタ電極とコンタクトしていない、いわゆるフローティング状態のダミーベース領域を設けている。 However, a semiconductor device such as IEGT having a particularly high breakdown voltage uses a trench gate as a gate electrode and an emitter electrode in a base region between the trench gates in order to increase accumulated carriers in the cell region and reduce negative capacitance. In other words, a dummy base region in a so-called floating state that is not in contact with is provided.
この負性容量に関しては、ダミーセル領域におけるp型ダミーベース層の電位が完全にはフローティング化していないと、ゲート・エミッタ間電圧Vgeのオーバーシュートを招く点で問題となっている。より具体的には、p型ダミーベース層の電位がフローティングするように設計しても、寄生構造(例えば、セル端や接合終端部との部分的接続)による寄生抵抗を介してオフ時の電位がゼロ電位近傍で固定されると、ターンオンに際してゲート・エミッタ間電圧Vgeが閾値電圧Vthに達した後、正孔の注入に伴ってp型ダミーベース層の電位が急上昇し、ゲート・エミッタ間電圧Vgeがオーバーシュートしてしまう現象が見られる。 This negative capacitance is problematic in that if the potential of the p-type dummy base layer in the dummy cell region is not completely floating, an overshoot of the gate-emitter voltage Vge is caused. More specifically, even if the potential of the p-type dummy base layer is designed to be floating, the potential at the OFF time via a parasitic resistance due to a parasitic structure (for example, partial connection with a cell end or a junction termination). Is fixed in the vicinity of zero potential, the gate-emitter voltage Vge reaches the threshold voltage Vth at the time of turn-on, and then the potential of the p-type dummy base layer rapidly rises with the injection of holes. There is a phenomenon that Vge overshoots.
また、エミッタ層と接続されていないダミーベース領域を設けることにより、キャリアの注入を促し、オン電圧の低減が可能となるが、半導体装置のスイッチング時にはこのダミーベース領域にキャリアが残留し破壊耐量の低下を招くという問題がある。 In addition, by providing a dummy base region that is not connected to the emitter layer, it is possible to promote the injection of carriers and reduce the on-voltage. However, when the semiconductor device is switched, carriers remain in the dummy base region and the breakdown tolerance is reduced. There is a problem of causing a decrease.
さらに、電流遮断時には、素子中に存在するキャリアを排出する必要があり、このため、セル領域のキャリアはエミッタ電極から、素子の周辺部に存在するキャリアは上述の外周部のリング状拡散領域からセル領域のベース拡散層を介して排出される。ところが外周部のリング状拡散領域やゲート配線部下の拡散層領域とセル領域のベース拡散層とを完全に分離すると、電流遮断時に外周部領域のキャリアが排出される経路がなくなるため、遮断耐量の低下を招く虞れがある。
本発明は、絶縁ゲート型半導体装置において、オン電圧の低減を可能としつつ、スイッチング時の残留キャリアによる破壊を防止することが可能な素子構造を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an element structure capable of preventing breakdown due to residual carriers at the time of switching in an insulated gate semiconductor device while enabling a reduction in on-voltage.
また、本発明は、絶縁ゲート型半導体装置において、特にターンオフ時におけるチップ周辺領域での残留キャリアの排出を促し、遮断耐量を高めることのできる素子構造を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide an element structure capable of enhancing the shutoff resistance by promoting the discharge of residual carriers in the peripheral region of the chip particularly in an insulated gate semiconductor device during turn-off.
本発明の一態様は、半導体基板周辺部に周回状に形成され、内部の素子領域を画定する分離構造と、
前記半導体基板であって前記分離構造の外側に形成された周辺拡散領域と、
前記素子領域内に形成され、絶縁されたトレンチゲートで分割され、表面部にエミッタ領域を有するベース領域と、コレクタ領域と、前記エミッタ領域および前記ベース領域と接続されるエミッタ電極とを備えた複数のセル構造と、
前記セル構造に隣接し、表面部に前記エミッタ電極と接続されたエミッタ領域を有しないベース領域であるダミーベース領域と、
前記周辺拡散領域を前記エミッタ電極と電気的に接続する接続部と、を備え、
前記ベース領域および前記ダミーベース領域は、それぞれ前記トレンチゲートを挟んで、交互に配置されることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置を提供する。
One aspect of the present invention is an isolation structure that is formed in a circular shape around a semiconductor substrate and defines an internal element region;
A peripheral diffusion region formed outside the isolation structure in the semiconductor substrate;
A plurality of base regions formed in the element region and divided by insulated trench gates, having a base region having an emitter region on the surface, a collector region, and an emitter electrode connected to the emitter region and the base region Cell structure of
A dummy base region that is adjacent to the cell structure and has no emitter region connected to the emitter electrode on a surface portion;
A connection portion for electrically connecting the peripheral diffusion region to the emitter electrode,
The base region and the dummy base region are provided alternately with the trench gate interposed therebetween, providing an insulated gate semiconductor device.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明が適用される絶縁ゲート型半導体装置を示す平面図、図2はそのA−A’線に沿った拡大断面図である。 FIG. 1 is a plan view showing an insulated gate semiconductor device to which the present invention is applied, and FIG. 2 is an enlarged sectional view taken along the line A-A '.
これらの図に示されるように、N型基板10の周辺部を分離用トレンチ8が周回することにより外周リング部と素子部が分離され、この分離用トレンチ8の外側にP型拡散領域の最内周終端部9、内側にフローティング構成のP型拡散領域であるダミーベース領域7が設けられている。
As shown in these drawings, the outer peripheral ring portion and the element portion are separated by the
図2の断面図においては、素子部の構成も示されており、ダミーベース7の内周側には絶縁膜4で覆われたトレンチゲート電極3により画定されたP型のベース領域6とダミーベース領域7が交互に形成されている。ベース領域の上端部でゲート電極3に隣接してN型のエミッタ領域5が形成されている。なお、ダミーベース領域とは、表面部に前記エミッタ電極と接続されたエミッタ領域を有しないベース領域であるダミーベース領域という意味である。ダミーベース領域7およびゲート電極3の上には層間絶縁膜2が形成され、全体の上にはエミッタ電極1が形成されている。
In the cross-sectional view of FIG. 2, the configuration of the element portion is also shown. On the inner peripheral side of the
以下、本発明にかかる絶縁ゲート型半導体装置の第1の実施の形態を説明する。この形態は外周部拡散領域のキャリアを排出するのに適したものである。 A first embodiment of an insulated gate semiconductor device according to the present invention will be described below. This form is suitable for discharging the carrier in the outer peripheral diffusion region.
図3は本発明の第1の実施の形態の第一の実施例を示す模式的な平面図であり、半導体素子を上から見た平面図である。この半導体素子は例えば1辺約15mm程度の大きさの高出力型IGBTである。 FIG. 3 is a schematic plan view showing a first example of the first embodiment of the present invention, and is a plan view of a semiconductor element as viewed from above. This semiconductor element is, for example, a high-power IGBT having a size of about 15 mm on a side.
同図によれば、外周部にリング状電極11が形成され、その内部にエミッタ電極12、ゲート電極13が形成されている。図3の例では、エミッタ電極が4列に形成され、右から2番目の列の図中下側がゲート電極となっている。また、図中の太線は低抵抗化のためにゲート配線上に設けられる金属配線14を示している。また、この実施例では各エミッタ電極12の図中上側で外周リング状電極11とを接続し、これらと同一工程で一体的に形成された金属配線15が設けられている。
According to the figure, a ring-
図4から図6は、エミッタ電極と外周リング電極とを接続した様子を示す。 4 to 6 show a state in which the emitter electrode and the outer ring electrode are connected.
図4は配線箇所15でゲート電極が分断される配線構造を示す断面図、図5はこの配線構造の斜視図である。図4に示されるように、分離用トレンチ8の外側にはリング状拡散領域の最内周終端部9が位置しており、その一部の上方には絶縁膜2を介してゲート電極19が形成されている。このゲート電極19は、図5に示されるように、配線箇所では分断され、この部分には金属配線15が設けられ、分離用トレンチの内側のエミッタ電極1と分離用トレンチの外側に位置する外周リング状電極11間を連結している。
4 is a cross-sectional view showing a wiring structure in which the gate electrode is divided at the
リング状拡散領域9と分離用トレンチ8の外側に位置する外周リング状電極11とは絶縁膜2に設けられたスルーホール18を介して接続される。
The ring-shaped
このような構成では、素子の周辺部に存在するキャリアを外周リング状電極11、金属配線15およびエミッタ配線を介して排出することができ、遮断耐量を向上させることができる。
In such a configuration, carriers existing in the peripheral portion of the element can be discharged through the outer
図6はエミッタ電極と外周リング電極との接続構造の他の例を示す断面図である。この例では図4と比較することにより明らかなように、ゲート電極19は絶縁膜17により覆われているので、このゲート電極19は分断される必要はなく、全体がエミッタ電極1で覆われた状態となっている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the connection structure between the emitter electrode and the outer ring electrode. In this example, as apparent from comparison with FIG. 4, since the
この例ではエッチング処理などが少なくて済む。 In this example, the etching process or the like is small.
図7は本発明の第1の実施の形態の第2の実施例として、エミッタ電極12が5列設けられ、各列はそれぞれ上下に分割されているものを示す。なお、最も右側の列では上下のエミッタ電極間にゲート電極13が設けられた構成となっている。
FIG. 7 shows a second example of the first embodiment of the present invention in which five
そして、この実施例でも、総てのエミッタ電極12と外周部のリング状電極11との間に金属配線15が設けられており、実施例1と同様に外周部領域のキャリアを電流遮断時に排出できるが、実施例1と比べて導通箇所が多くなっているため、特に大電流を扱う大面積の半導体素子に適している。
Also in this embodiment, the
図8は本発明の第1の実施の形態の第3の実施例を示す平面図であり、4列に形成されたエミッタ領域12が上下に分割された点では図4と類似するが、最右列の下端のコーナ部にゲート電極13が設けられ、その上側のエミッタ電極との間に外周リング電極11の一部11aが延びて位置している。この延びた部分11aとエミッタ電極12aとの間にも接続用の金属配線15aが設けられる。
FIG. 8 is a plan view showing a third example of the first embodiment of the present invention, which is similar to FIG. 4 in that the
この実施例では、ゲート電極13がコーナ部に位置しており、ゲート電極の配置がそのように設計がされた素子に最適である。
In this embodiment, the
図9は本発明の第1の実施の形態の第4の実施例を示す平面図であり、エミッタ電極12は7列に形成され、そのうち中央の4列目の下側はゲート電極13となっている。これらのエミッタ電極12とその周囲に配置された外周リング状電極11とは最左端と最右端のエミッタ電極では側面に、偶数列のエミッタ電極では上側に、最左端と最右端を除く奇数列では下側にそれぞれ接続用の金属配線が設けられている。
FIG. 9 is a plan view showing a fourth example of the first embodiment of the present invention, in which the
この実施例では接続用の金属配線が設けられるのは上側と下側が交互になっているので、配線領域を余裕を持って製作することができる。 In this embodiment, the metal wiring for connection is provided alternately on the upper side and the lower side, so that the wiring region can be manufactured with a margin.
以上説明した第1の実施の形態は外周部拡散領域のキャリアを排出するのに適したものであったが、以下に示す第2の実施の形態は素子内部の領域からのキャリア排出に適したものである。 The first embodiment described above is suitable for discharging carriers in the outer peripheral diffusion region, but the second embodiment described below is suitable for discharging carriers from the region inside the element. Is.
図10は以下に示す本発明の第2の実施の形態に共通なIGBT構造の平面図であり、基板50の外周部51と内周部を分離する周回状のトレンチ形状の分離領域52を有しているのは従来と同様であるが、このトレンチ状分離領域をエミッタセル外周部だけではなくエミッタセル内部にも設けるようにし、複数の列状に形成されたエミッタ領域53間を分離する直線状のトレンチ形状の分離領域54が設けられている。また、図1で説明したのと同様に、分離領域のすぐ外側には最内周終端部55が設けられ、内側にはダミーベース領域56が形成されている。このダミーベース領域56はエミッタ領域間の各分離領域に沿っても形成されている。なお、エミッタセル外周部は耐圧を保持するための最内周終端部でエミッタ電極と同電位となっている。
FIG. 10 is a plan view of an IGBT structure common to the second embodiment of the present invention described below, and has a circular trench-shaped
図11は本発明の第2の実施の形態における第1の実施例にかかるIGBTの構造を示す図11におけるB−B’線に沿った断面図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line B-B ′ in FIG. 11 showing the structure of the IGBT according to the first example of the second embodiment of the present invention.
多数のトレンチが形成されているが、分離用トレンチ52・54とトレンチゲート電極59とがある。これらのトレンチ上の基板表面上には層間絶縁膜58が形成されている。トレンチ間の領域の上部に層間絶縁膜がなく、エミッタ電極61が形成されている場合は、当該トレンチはトレンチゲート電極59となっており、このトレンチゲート間の領域はベース領域57であり、その表面にはエミッタ領域60がN型不純物拡散領域として形成されている。
A large number of trenches are formed, but there are
また、トレンチゲート間の領域でその上部に層間絶縁膜が形成された領域はP型のダミーベース領域56となっている。また、層間絶縁膜58の下方領域で、トレンチゲート電極59と分離用トレンチ54との間の領域もダミーベース領域56となっている。さらに、分離用トレンチ54間の領域は例えばP型のキャリア排出用拡散層62となっている。
図12は図11におけるC−C’線に沿って奥行き方向の様子を表した一部切り欠き斜視図である。この図においては、右側の4つのトレンチの上に形成される層間絶縁膜58とエミッタ電極の大部分を省略して表してある。これは、キャリア排出用拡散層62の上の層間絶縁膜には図12中に破線で示されたコンタクト領域63において層間絶縁膜58に形成されたコンタクトホールおよび配線(いずれも図示せず)を介してエミッタ電極と接続され、同一電位とされる。この様子は図13に簡略的に構造が示される。
A region between the trench gates, on which an interlayer insulating film is formed, is a P-type
FIG. 12 is a partially cutaway perspective view showing a state in the depth direction along the line CC ′ in FIG. 11. In this figure, most of the
このような構成によれば、スイッチング時には残留キャリアがエミッタセル内部のP型拡散層62を通りエミッタに排出されるため、キャリアの蓄積がなく、破壊耐量の改善になる。
According to such a configuration, at the time of switching, residual carriers are discharged to the emitter through the P-
図13ではキャリア排出用拡散層62はエミッタ電極61とつながる配線64と接続されているが、同様に簡略的な構造を示す図14に示すように、エミッタ電極61とは分離されたゲート電極65と接続するようにしても良い。これはゲート電極直下にはアクティブ層を形成することはできず、かつゲート電極は一般に100μm程度の広い幅を有しているため、キャリアを集めるキャリア排出用拡散層62を設けることに適しているためである。
In FIG. 13, the carrier
図15は素子内部の領域からのキャリア排出を行う第2の実施例を示す素子断面図であり、図11の場合と同様に図11のB−B’断面を示すものである。また、図16は図15におけるD−D’断面を示す。これらの図において図11および図12における構成要素と同じものについては同じ参照番号を付すこととする。 FIG. 15 is a device cross-sectional view showing a second embodiment for discharging carriers from the region inside the device, and shows the B-B ′ cross section of FIG. 11 as in the case of FIG. 11. FIG. 16 shows a D-D ′ cross section in FIG. 15. In these drawings, the same components as those in FIGS. 11 and 12 are denoted by the same reference numerals.
この実施例では、図11および図12に示した実施例では設けられていた分離領域52および54が設けられておらず、代わりに拡散層66、例えばn型不純物拡散層で分離したものである。
In this embodiment, the
この実施例は分離領域の構成が異なるのみであるので、実施例1の場合と作用・効果は全く同じで、スイッチング時には残留キャリアがエミッタセル内部のp型拡散層を通りエミッタに排出されるため、キャリアの蓄積がなく、破壊耐量の改善になる。
Since this embodiment is different only in the structure of the isolation region, the operation and effect are exactly the same as in the case of
図17は本発明の第2の実施の形態の第3の実施例の構成を示す、図11におけるB−B’断面図である。 FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. 11, showing the configuration of the third example of the second embodiment of the present invention.
上述した第1および第2の実施例ではp型拡散層および配線を介して残留キャリアをエミッタに排出していたが、この実施例ではキャリア排出用P型拡散層62に直接コンタクトするエミッタ電極67を設けたものである。
In the first and second embodiments described above, residual carriers are discharged to the emitter via the p-type diffusion layer and wiring. In this embodiment, an
この実施例の場合も残留キャリアを効率的に排出することができるが、実施例1および2の場合とは異なって、配線を介さずにキャリア排出用p型拡散層から直接エミッタ電極に残留キャリアを排出することができるため、排出能力は実施例1および2の場合よりも高い。 Even in this embodiment, residual carriers can be efficiently discharged. However, unlike the first and second embodiments, the residual carriers are directly supplied from the carrier discharge p-type diffusion layer to the emitter electrode without using a wiring. Can be discharged, the discharge capacity is higher than those in Examples 1 and 2.
以上説明した第1の実施の形態と第2の実施の形態は単独で適用しても良いが、両者を共に適用することも可能である。 The first embodiment and the second embodiment described above may be applied alone, but both may be applied together.
11 外周部リング状電極
1,12 エミッタ電極
15 金属配線
18 スルーホール
11
Claims (3)
前記半導体基板であって前記分離構造の外側に形成された周辺拡散領域と、
前記素子領域内に形成され、絶縁されたトレンチゲートで分割され、表面部にエミッタ領域を有するベース領域と、コレクタ領域と、前記エミッタ領域および前記ベース領域と接続されるエミッタ電極とを備えた複数のセル構造と、
前記セル構造に隣接し、表面部に前記エミッタ電極と接続されたエミッタ領域を有しないベース領域であるダミーベース領域と、
前記周辺拡散領域を前記エミッタ電極と電気的に接続する接続部と、を備え、
前記ベース領域および前記ダミーベース領域は、それぞれ前記トレンチゲートを挟んで、交互に配置されることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。 An isolation structure that is formed in a circular shape around the semiconductor substrate and demarcates the internal element region;
A peripheral diffusion region formed outside the isolation structure in the semiconductor substrate;
A plurality of base regions formed in the element region and divided by insulated trench gates, having a base region having an emitter region on the surface, a collector region, and an emitter electrode connected to the emitter region and the base region Cell structure of
A dummy base region that is adjacent to the cell structure and has no emitter region connected to the emitter electrode on a surface portion;
A connection portion for electrically connecting the peripheral diffusion region to the emitter electrode,
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the base region and the dummy base region are alternately arranged with the trench gate interposed therebetween.
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