JP2012134542A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電力機器に用いられる電力用半導体装置に関し、特に同一チップ上に逆並列接合したダイオードを有する電力用半導体装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device used for a power device, and more particularly to a power semiconductor device having a diode antiparallelly connected on the same chip.
300V程度以上の耐圧を有する電力用半導体素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が広く用いられている。このIGBTは、電源回路やインバーター回路内でスイッチング素子として使用されることが多い。この場合、これら回路内あるいはこれら回路に接続された負荷内のインダクターによる持続電流を流すためにIGBTと逆並列接続された環流ダイオードが必要となる。電力用半導体装置の小型化が求められており、環流ダイオードとIGBT素子を同一チップ内に内蔵する電力用半導体装置が求められている。 An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is widely used as a power semiconductor element having a withstand voltage of about 300 V or higher. This IGBT is often used as a switching element in a power supply circuit or an inverter circuit. In this case, a free-wheeling diode connected in reverse parallel to the IGBT is required in order to pass a continuous current by an inductor in these circuits or in a load connected to these circuits. There is a demand for miniaturization of a power semiconductor device, and there is a need for a power semiconductor device in which a freewheeling diode and an IGBT element are built in the same chip.
既にIGBTと環流ダイオードを同一チップ内に内蔵した電力用半導体装置が発明提案されている(特許文献1)。この電力用半導体装置では、チップのダイシングラインに空乏層が伸びることを防止するため、IGBTのチップの終端部表面にn型のチャネルストッパ層が設けられている。これがカソード層としてIGBTのコレクタ電極に電気的に接続している。また、IGBT素子領域の外周に形成されたp型拡散層がアノード層としてIGBT素子のエミッタ電極に接続している。このp型拡散層をアノード層として、チャネルストッパ層をカソード層とした環流ダイオードがIGBT領域と逆並列接続するように一体形成されている。 A power semiconductor device in which an IGBT and a freewheeling diode are built in the same chip has already been proposed (Patent Document 1). In this power semiconductor device, an n-type channel stopper layer is provided on the end surface of the IGBT chip in order to prevent the depletion layer from extending on the dicing line of the chip. This is electrically connected to the collector electrode of the IGBT as a cathode layer. Further, a p-type diffusion layer formed on the outer periphery of the IGBT element region is connected to the emitter electrode of the IGBT element as an anode layer. A freewheeling diode having the p-type diffusion layer as an anode layer and a channel stopper layer as a cathode layer is integrally formed so as to be connected in reverse parallel to the IGBT region.
この従来の電力半導体装置では、IGBTのコレクタ電極に対してエミッタ電極に正の電圧が印加されたときに、エミッタ電極、p型半導体層、n型エピタキシャル層、チャネルストッパ層、コレクタ電極を経路とする電流が流れる。しかしながら、この環流ダイオードでは、nエピタキシャル層の表面近傍に電流が集中するため、環流ダイオードのオン抵抗は比較的高い。 In this conventional power semiconductor device, when a positive voltage is applied to the emitter electrode with respect to the collector electrode of the IGBT, the emitter electrode, the p-type semiconductor layer, the n-type epitaxial layer, the channel stopper layer, and the collector electrode are routed. Current flows. However, in this free-wheeling diode, the current concentrates near the surface of the n epitaxial layer, so the on-resistance of the free-wheeling diode is relatively high.
同一チップ内でIGBT領域に逆並列接続した環流ダイオードが形成された電力用半導体装置において、環流ダイオードのオン抵抗が低い電力用半導体装置を提供する。 Provided is a power semiconductor device in which a free-wheeling diode connected in reverse parallel to an IGBT region in the same chip is formed.
本発明の一態様による電力用半導体装置は、第1の表面及び前記第1の表面に対向する第2の表面を有する第1導電型ベース層と、前記第1導電型ベース層の前記第1の表面上に選択的に形成された第2導電型ベース層と、前記第2導電型ベース層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第1導電型エミッタ層と、前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ベース層及び前記第1導電型エミッタ層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型ベース層の第2の表面上に形成された前記第1導電型ベース層よりも不純物濃度が高い第1導電型第1半導体層と、前記第1導電型第1半導体層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第2導電型コレクタ層と、を具備するIGBTユニットを複数有するIGBT領域と、前記IGBT領域を囲むように前記第1導電型ベース層の第1の表面に形成された第2導電型第1ガードリング層と、前記第2導電型コレクタ層の前記第1導電型第1半導体層と反対側の表面に形成された第1の主電極と、前記第1導電型エミッタ層と前記第2導電型ベース層上及び前記第2導電型第1ガードリング層上に電気的に接続し、層間絶縁膜により前記ゲート電極と絶縁された第2の主電極と、前記IGBT領域及び前記第2導電型第1ガードリング層の周囲に前記第1導電型ベース層の第1の表面から前記第1導電型第1半導体層へ到達し、且つ前記第1の主電極と電気的に接続している第1導電型第2半導体層と、を具備したことを特徴とする。 A power semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a first conductivity type base layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and the first conductivity type base layer. A second conductivity type base layer selectively formed on the surface of the first conductivity type; a first conductivity type emitter layer formed on a surface of the second conductivity type base layer opposite to the first conductivity type base layer; A gate electrode formed on the first conductivity type base layer, the second conductivity type base layer, and the first conductivity type emitter layer via a gate insulating film; and a second surface of the first conductivity type base layer A first conductive type first semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first conductive type base layer formed thereon, and a surface of the first conductive type first semiconductor layer opposite to the first conductive type base layer; And a second conductivity type collector layer formed on the substrate. An IGBT region, a second conductivity type first guard ring layer formed on a first surface of the first conductivity type base layer so as to surround the IGBT region, and the first conductivity type collector layer. A first main electrode formed on a surface opposite to the conductive first semiconductor layer; the first conductive emitter layer; the second conductive base layer; and the second conductive first guard ring layer. A second main electrode electrically connected to the gate electrode and insulated from the gate electrode by an interlayer insulating film; and the first conductive type base layer around the IGBT region and the second conductive type first guard ring layer. A first conductivity type second semiconductor layer that reaches the first conductivity type first semiconductor layer from a first surface and is electrically connected to the first main electrode; To do.
また本発明の別態様の電力用半導体装置は、第1の表面及び前記第1の表面に対向する第2の表面を有する第1導電型ベース層と、前記第1導電型ベース層の前記第1の表面上に選択的に形成された第2導電型ベース層と、前記第2導電型ベース層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第1導電型エミッタ層と、前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ベース層及び前記第1導電型エミッタ層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型ベース層の第2の表面上に形成された前記第1導電型のベース層よりも不純物濃度が高い第1導電型第1半導体層と、前記第1導電型第1半導体層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第2導電型コレクタ層と、を具備するIGBTユニットを複数有する複数のIGBT領域と、前記複数のIGBT領域の各々を囲むように前記第1導電型ベース層の第1の表面に形成された複数の第2導電型第1ガードリング層と、前記第2導電型コレクタ層の前記第1導電型第1半導体層と反対側の表面に形成された第1の主電極と、前記第1導電型エミッタ層と前記第2導電型ベース層上及び前記第2導電型第1ガードリング層上に電気的に接続し、層間絶縁膜により前記ゲート電極と絶縁された第2の主電極と、前記複数のIGBT領域及び前記複数の第2導電型第1ガードリング層を個々に囲んで前記第1導電型ベース層の第1の表面から前記第1の半導体層へ到達し、且つ前記第1の電極と電気的に接続している第1導電型第2半導体層と、を具備したことを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a power semiconductor device including a first conductivity type base layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and the first conductivity type base layer. A second conductivity type base layer selectively formed on the surface of the first conductivity type; a first conductivity type emitter layer formed on a surface of the second conductivity type base layer opposite to the first conductivity type base layer; A gate electrode formed on the first conductive type base layer, the second conductive type base layer and the first conductive type emitter layer with a gate insulating film interposed therebetween; and a second of the first conductive type base layer. A first conductivity type first semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first conductivity type base layer formed on the surface; and a side of the first conductivity type first semiconductor layer opposite to the first conductivity type base layer. An IGBT unit having a second conductivity type collector layer formed on the surface of A plurality of IGBT regions, a plurality of second conductivity type first guard ring layers formed on a first surface of the first conductivity type base layer so as to surround each of the plurality of IGBT regions, A first main electrode formed on a surface of the two-conductivity-type collector layer opposite to the first-conductivity-type first semiconductor layer; the first-conductivity-type emitter layer; the second-conductivity-type base layer; A second main electrode electrically connected to the second conductivity type first guard ring layer and insulated from the gate electrode by an interlayer insulating film; the plurality of IGBT regions; and the plurality of second conductivity type first guards. A first conductivity type second that individually surrounds the ring layer, reaches the first semiconductor layer from the first surface of the first conductivity type base layer, and is electrically connected to the first electrode. And a semiconductor layer.
本発明によれば、同一チップ内でIGBT領域に逆並列接続した環流ダイオードが形成された電力用半導体装置において、環流ダイオードのオン抵抗を低減することが可能である。 According to the present invention, it is possible to reduce the on-resistance of the freewheeling diode in the power semiconductor device in which the freewheeling diode connected in reverse parallel to the IGBT region is formed in the same chip.
以下、本発明の実施例について図を参照しながら説明する。なお、実施例中では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とし説明するが、両者を入れ替えて実施することも可能である。n型不純物層として、n(−)、n、n(+)の記号を用いる場合は、その層中のn型不純物濃度は、n(−)<n<n(+)の順に高いものとする。p型不純物層に関しても同様である。さらに、特に断りがない限り不純物濃度とは、それぞれの導電型の補償後の正味の不純物濃度をさすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the embodiments, the first conductivity type is assumed to be n-type and the second conductivity type is assumed to be p-type. When n (−), n, and n (+) symbols are used as the n-type impurity layer, the n-type impurity concentration in the layer increases in the order of n (−) <n <n (+). To do. The same applies to the p-type impurity layer. Furthermore, unless otherwise specified, the impurity concentration refers to the net impurity concentration after compensation of each conductivity type.
また、実施例中の説明で使用する図は、説明を容易にするための模式的なものであり、図中の各要素の形状、寸法、大小関係などは、実際の実施においては必ずしも図に示されたとおりとは限らない。さらに、本発明の効果が得られる範囲内での形状、寸法、大小関係、不純物濃度、材料等の変更は可能である。 In addition, the drawings used in the description in the embodiments are schematic for ease of description, and the shape, dimensions, magnitude relationship, etc. of each element in the drawings are not necessarily shown in the drawings in actual implementation. It is not always the case. Furthermore, it is possible to change the shape, size, magnitude relationship, impurity concentration, material, etc. within the range where the effects of the present invention can be obtained.
また、半導体層(ベース層、コレクタ層、エミッタ層、アノード層、カソード層等含む)とは特に断りがない限りは、一例としてSi(シリコン)からなる半導体層を示すものとするが、その他の例えばSiCなどによる半導体層でも可能である。 Further, unless otherwise specified, the semiconductor layer (including a base layer, a collector layer, an emitter layer, an anode layer, a cathode layer, etc.) indicates a semiconductor layer made of Si (silicon) as an example. For example, a semiconductor layer made of SiC or the like is also possible.
図1は、本発明の実施例1の電力用半導体装置の平面図であり、図2は、図1のA−A断面を矢印の方向に見た図である。なお、図1においては、第1ガードリング層8、n(−)型ベース層1、n型第2半導体層9及び、IGBT領域13の平面図を示しており、IGBT領域13の中の詳細な構造および他の要素は省略している。
FIG. 1 is a plan view of a power semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view of the AA cross section of FIG. FIG. 1 shows a plan view of the first
本実施例の電力用半導体装置100は、第1の表面及び第1の表面に対向する第2の表面を有するn(−)型(第1導電型)ベース層1を有する。n型ベース層1の不純物濃度は例えば1e12〜1e15/cm3程度であり電力用半導体装置100の求められる耐圧に応じて適宜選択する。n(−)型ベース層1の第1の表面には、p型(第2導電型)ベース層2が形成されている。p型ベース層2の不純物濃度は例えば1e16〜1e18/cm3程度である。p型ベース層2の表面には、選択的にn型エミッタ層3が形成されている。n型エミッタ層3の不純物濃度は、後述のエミッタ電極(第2の主電極)11とオーミックコンタクトが形成できるように適宜選択する。n型エミッタ層3の表面からn型エミッタ層3及びp型ベース層2を貫通してn(−)ベース層中に達するトレンチ16を形成し、このトレンチ内にゲート絶縁膜4を介してゲート電極5がトレンチ16を埋め込むように形成されている。ゲート絶縁膜としては、例えばトレンチ16のSi表面を熱酸化した酸化膜が使用される。ゲート電極5としては、例えばポリシリコンなどが使用される。ゲート電極5の上部には、層間絶縁膜14が形成され、ゲート電極5は、n(−)型ベース層1、p型ベース層2、n型エミッタ層3、及び後述のエミッタ電極11から絶縁されている。
The
n(−)型ベース層1の第2表面上にn型第1半導体層6が形成されており、不純物濃度はn(−)型ベース層1よりも高く設定され、例えば1e15〜1e17/cm3に設定されている。n型第1半導体層6のn(−)型ベース層1とは反対側の表面にp(+)型コレクタ層7が形成されている。
An n-type
ゲート電極5を中心として、p(+)型コレクタ層7、n型第1半導体層6、n(−)型ベース層1、pベース層2、ゲート電極5、及びゲート絶縁膜4を介してゲート電極5の両端でゲート電極5と対向するn型エミッタ層3からなる領域は、一つのIGBT素子として機能するIGBTユニット12である。このIGBTユニット12が、n(−)型ベース層1内の面内で繰り返し形成されることによりIGBT領域13が形成されている。なお、図2に示したように、最も外周に位置するIGBTユニット12のうちの外周側には、pベース層2の端部でのアパランシェ電流によるラッチアップを抑制するためにnエミッタ層3が設けられていない構造とすることも可能である。
With the
IGBT領域13を囲むようにp型第1ガードリング層8がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面方向に向かって延伸している。より具体的には、第1ガードリング層8はIGBT領域13を囲む環状構造とすることができる。第1ガードリング層8の深さはp型ベース層2の底部より深く形成されている。第1ガードリング層8の不純物濃度は、1e18〜1e20/cm3程度であり、p型ベース層2の外周端部でp型ベース層2とn(−)型ベース層1の界面から広がる空乏層を、n型第1半導体層6に向かって広げる働きをする。これによりp型ベース層2の外周端部での電界集中による破壊を抑制している。第1ガードリング層8は、例えばボロン等のp型不純物のイオン注入及びその後の熱拡散工程により形成することができる。
The p-type first
IGBT領域13の外側でさらに第1ガードリング層8を囲むように、n(+)型第2半導体層9がn(−)型ベース層1の第1の表面からn型第1半導体層6に到達するように延伸している。図1に示したように、第1ガードリング層8が一例として平面図において矩形型、例えば正方形の場合は、その4辺の全てを囲むように、n(+)型第2半導体層9は矩形型の環状構造としてもよいし、平面図において第1ガードリング層8の1辺を残して3辺が包み込まれるようにコの字型の形状としてもよい(図示せず)。或は、平面図において第1ガードリング層8のいずれか1辺に対向する部分にだけ、n(+)型第2半導体層9が形成されていても良い(図示せず)。ただし、この場合は、カソード層となるn(+)型第2半導体層9の第1ガードリング層8に対向する面積、すなわち環流ダイオードの電流経路の断面積が狭くなるので、n(+)型第2半導体層9が環状構造の場合に比べてオン抵抗が高くなる。
The n (+)-type second semiconductor layer 9 is exposed from the first surface of the n (−)-
また、n型(+)第2半導体層9がn型第1半導体層6に到達して電気的に接合していればよく、n型第1半導体層6のn(−)型ベース層1側の表面で接合、n型の第1半導体層6中に食い込んで接合、あるいは、n型第1半導体層6を貫通してp型コレクタ層7まで達していてもよい。n(+)型第2半導体層9の不純物濃度は、少なくともn型第1半導体層6の不純物濃度と同等、好ましくはそれ以上とすればよい。n(+)型第2半導体層9は、後述の環流ダイオードのカソード層となるため、例えば、環流ダイオードのオン抵抗低減のためには、1e18〜1e20/cm3程度に設定することが望ましいが、これ以下の不純物濃度とした場合でも、環流ダイオードのスイッチング速度が速くなるなどの効果がある。
The n-type (+) second semiconductor layer 9 only has to reach the n-type
n(+)型第2半導体層9の形成は、n(−)型ベース層1の第1の表面からイオン注入及びその後の熱拡散工程により形成可能である。あるいはまた、ドライエッチング等の異方性エッチングもしくはウェットエッチング等の等方性エッチングなどによりトレンチを形成し、そのトレンチ内にSiのエピタキシャル層もしくはポリシリコン層などのn型半導体層を埋め込むことにより形成することもできる。
The n (+) type second semiconductor layer 9 can be formed by ion implantation from the first surface of the n (−)
p(+)型コレクタ層7のn型第1半導体層6とは反対側の表面に第1の主電極10が形成され、第1の主電極10はp(+)型コレクタ層7と電気的に接続している。第2の主電極は、p型ベース層2及びn型エミッタ層3それぞれの上面と電気的に接続し、ゲート電極5とは層間絶縁膜14により絶縁されゲート電極5を跨いで、第1ガードリング層8の上面と電気的に接続している。
A first
n(+)型第2半導体層9の第1の主電極側と反対側の表面上にカソード電極15が形成されており、カソード電極は電気的に第1の主電極と接合している。例えば第1の主電極を介し電力用半導体装置10に電気的に接合しているリードフレームとカソード電極15をボンディングワイヤ等(図示せず)により電気的に接合することにより、そのような接合が可能である。
A
上記電極接続により、IBGT領域13では、第1の主電極はコレクタ電極として、第2の主電極はエミッタ電極として作用し、第1の主電極から第2の主電極に向かって流れる電流をゲート電極で制御するIBGTの構造が形成される。また、p型第1ガードリング層8及びpベース層2がアノード層として、n型第1半導体層6及びn(+)型第2半導体層9がカソード層として機能する環流ダイオードが形成されている。この環流ダイオードは、アノード層であるp型第1ガードリング層8及びpベース層2が第2の主電極11に接続され、カソード層であるn型第1半導体層6及びn(+)型第2の半導体層9がカソード電極15を介して、第1の主電極10に電気的に接続されることにより、IBGT領域13と逆並列接続を構成し、同一の半導体チップ内に形成されている。
With the electrode connection, in the
次に本実施例の電力用半導体装置100の動作について説明する。第2の主電極11に対して第1の主電極10が正電位となるように電圧を印加した状態で、ゲート電極5が第2の主電極11に対して閾値以上の正電位となるように電圧を印加すると、p型ベース層2のゲート電極5に対向する部分には反転分布によるnチャネル層が形成され、第2の主電極から、n型エミッタ層3、及びチャネル層を経由してn(−)型ドリフト層1に電子が注入されると、第1の主電極からp(+)型コレクタ層7及びn型第1半導体層6を経由してn(−)型ドリフト層1に正孔が注入されて伝導度変調を起こしてオン状態となる。正孔は、その後p型ベース層2を経由して第2の主電極へ流れ、電子はn型第1半導体層6、及びp(+)型コレクタ層7を経由して第1の主電極へ流れる。この結果、IGBT領域13では、電流が第1の主電極から第2の主電極へ流れる。また、IGBT領域がオフ状態で、第1の主電極に対して第2の主電極が正電位となるように電圧が印加されると、電流が第2の主電極からp型第1ガードリング層8へ流れ、(1)一部の電流は、p型第1ガードリング層8からn型第2半導体層9に向かってn(−)型ドリフト層1の表面において放射状に広がった電流経路C1を介して第2の半導体層9へ流れこみ、(2)他の一部はp型第1ガードリング層8からn型第1半導体層6に向かってn(−)型ドリフト層1の深さ方向に放射状に広がる電流経路C2を介して第1の半導体層6に流れ込み、第1の半導体層を面内に沿って流れて第2の半導体層9へと流れ込む。(3)さらにまた、電流が第2の主電極からp型ベース層2へながれ、p型ベース層2からn型第1半導体層6に向かってn(−)型ドリフト層1の深さ方向に電流経路C3を介して第1の半導体層6に流れ込み、第1の半導体層6を面内に沿って流れて第2の半導体層9へと流れ込む。この電流経路C1を介した電流と電流経路C2及びC3を介した電流は第2の半導体層9で合流してカソード電極15を介して第1の主電極へと流れる。この結果、第1のガードリング層8及びpベース層2をアノード層とし、第1の半導体層6及び第2の半導体層9をカソード層とする環流ダイオードがオン状態になり、第2の主電極から第1の主電
極に向かって電流が流れる。
Next, the operation of the
本実施例の電力用半導体装置100の環流ダイオードは、カソード層として働くn(+)型第2半導体層9がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1半導体層6に達してn型第1半導体層6と電気的に接続する構造となっているので、n(+)型第2半導体層9だけをカソード層として機能させるのではなく、n型第1半導体層6もカソード層として機能することに特徴がある。この結果、従来の特許文献1に記載の環流ダイオードを内蔵する電力用半導体装置では、環流ダイオードの電流がn(−)型ベース層1の表面近傍だけでしか流れていなかった(表面近傍の電流経路C1しか備えなかった)のに対して、本実施例の環流ダイオードでは、さらにn(−)型ベース層1の深さ方向に向かって流れる電流経路C2及びC3をも備えている点で、環流ダイオードのオン抵抗をさらに低減することができる。ここで、図3に、カソード層をn(−)ドリフト層の表面に環状に形成した従来構造による環流ダイオードと本実施例による環流ダイオードの電圧−電流特性をシミュレーションにより比較した結果を示す。このように本発明によれば、同一のオン電圧において電流密度を30%以上増大することができる。この効果は、本実施例による環流ダイオードのカソードの面積が増大していることの他に一般にp型第1ガードリング層8及びp型ベース層2とn型第1半導体層6の距離の方が、p型第1ガードリング層8とn(+)型第2半導体層9の距離より短縮化されていることによるものであり、本発明の特別の効果である。
In the free-wheeling diode of the
なお、本実施例の環流ダイオードのオン抵抗は、p型第1ガードリング層8及びp型ベース層2と、n型第1半導体層6及びn(+)型第2半導体層9間の距離及びそれぞれの不純物濃度できまる。n型第1半導体層6の不純物濃度を高くするとIGBTの動作においてp(+)型コレクタ層7からの正孔の注入が抑制されるために好ましくなく、1e15〜1e17/cm3程度に抑えることが望ましい。そのため、環流ダイオードのオン抵抗の低減は、n(+)型第2半導体層9の不純物濃度を高くして低減することが望ましい。n(+)型第2半導体層の不純物濃度としては、1e18〜1e20/cm3程度に設定することが望ましいが、n型第1半導体層6と同程度にまで低くすることも可能である。この場合、オン抵抗は犠牲になるが、環流ダイオードの高速応答性が向上する。
The on-resistance of the freewheeling diode of this example is the distance between the p-type first
なお、IGBT領域内のトレンチゲート電極は一方向に延伸するストライプ形状でもよく、格子状、あるいは千鳥格子状などの構造とすることもできる。また、ゲート電極5がストライプ上の場合は、n型エミッタ層3はゲート電極5のストライプ方向に沿って延伸するストライプ形状でもよく、あるいは、n型エミッタ層3とp型ベース層3が交互に配列する構造とすることもできる。さらに、ゲート電極はトレンチゲート構造の場合で説明したが、後述の本実施例の変形例1で説明するプレーナ型のゲート電極とすることも勿論可能である。さらに、公知のIGBTの構造は全て本発明に係る環流ダイオードと組合せることが可能であることは明らかである。
Note that the trench gate electrode in the IGBT region may have a stripe shape extending in one direction, or a lattice shape or a staggered lattice structure. When the
また、第1ガードリング層8は、p型ベース層2とは独立してより深い層として説明したが、実際にはp型ベース層2が、主としてコストダウンのために第1ガードリング層8の働きを兼ねるように形成することもあるが、この場合でも本発明に係る環流ダイオードのアノード層としての機能を有し、本発明の構造に適用できることは明らかである。
Although the first
以後の実施例及び変形例でも、これらの変更は全て可能である。 All of these changes can be made in the following embodiments and modifications.
図4は、本発明の実施例1の変形例1の電力用半導体装置200の主要部の断面図を示す。電力用半導体装置200の平面図は図1とほぼ同様であり、図4は図1のA−A断面を矢印方向にみた断面図に相当する。以下、上記実施例1と同一又は類似の箇所には同一符号を付して説明し、実施例1と違う部分のみを説明する。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the main part of the
本変形例の電力用半導体装置200は、ゲート電極をトレンチ構造ではなく、プレーナ構造としている点で実施例1の電力用半導体装置100と違う。また、p型第1ガードリング層8とn(+)型第2半導体層9の間にp型第2ガードリング層29を具備している点で第1の実施例の電力用半導体装置100と違う。それ以外は第1の実施例と同様である。この相違点に関して以下に説明する。
The
本変形例の電力用半導体装置200は、n(−)型ベース層1の第1の表面上に、p型ベース層22が選択的に形成されている。p型ベース層22の表面には、n型エミッタ層23が選択的に形成されている。n型エミッタ層23、p型ベース層22、及びn(−)型ベース層1の表面上にはゲート絶縁膜24を介してプレーナ型のゲート電極25が形成されている。ゲート電極25を覆うように層間絶縁膜26が形成されている。第2の主電極は、層間絶縁膜26によりゲート電極25と絶縁され、n型エミッタ層3、p型ベース層2及びp型第1ガードリング層8の表面に電気的に接続している。
In the
p型第2ガードリング層29は、p型第1ガードリング層8とn型第2半導体層9との間で、p型第1ガードリング層8を囲んで、より具体的には環状構造で、n(−)型ベース層1の表面から第1の主電極に向かって延伸している。この第2ガードリング層29は、第1ガードリング層と同一の工程で一体形成されたものであり、深さ及び不純物濃度は同一のものである。これらは、p型不純物のイオン注入及びその後の熱拡散により形成することができる。あるいは、トレンチを形成後にSiのエピタキシャル層又はポリシリコン層などにより埋め込み形成されてもよい。なお、図4には、第2ガードリング層29がIGBT領域の中心を同心とする3箇所に環状構造として形成されているが、単一でも複数でも適宜選択すればよい。
The p-type second
3箇所の第2ガードリング層29のそれぞれの表面には電気的に接続したガードリング電極30が形成され、これらは互いに絶縁されており、フローティング状態である。
Electrically connected
本変形例の電力用半導体装置200においても、実施例1の電力用半導体装置100の環流ダイオードと同様に、カソード層として働くn(+)型第2半導体層9がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1半導体層6に達してn型第1半導体層6と電気的に接続する構造となっているので、n(+)型第2の半導体層9だけをカソード層として機能させるのではなく、n型第1半導体層6もカソード層として機能することに特徴がある。この結果、環流ダイオードの電流はn(−)型ベース層1の表面近傍を流れる(表面近傍の電流経路を備える)とともに、さらに深さ方向に向かって流れる電流経路をも備えているので、環流ダイオードのオン抵抗を低減することができる。
Also in the
さらに、第2ガードリング層29を具備することにより、実施例1の電力用半導体装置100に比べて、チップ終端部での耐圧が向上する。
Furthermore, by providing the second
図5は、本発明の実施例1の変形例2の電力用半導体装置300の主要部の断面図を示す。電力用半導体装置300の平面図は図1とほぼ同様であり、図5は図1のA−A断面を矢印方向にみた断面図に相当する。以下、上記実施例1と同一又は類似の箇所には同一符号を付して説明し、実施例1と違う部分のみを説明する。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the main part of the
本変形例の電力用半導体装置300は、n型第1半導体層6がさらにn(+)型第3半導体層42をその平面内に含んでいる点で実施例1の電力用半導体装置100とは違う。すなわち、電力用半導体装置300では、n型第1半導体層6のうち、少なくともp型第1ガードリング層8の直下から、n型(+)第2半導体層9がn型第1半導体層6に到達する部分までの領域が、n型第1半導体層6よりも不純物濃度が高いn(+)型第3半導体層42となっている。それ以外は実施例1と同様である。
The
本変形例の電力用半導体装置300においても、実施例1の電力用半導体装置100の環流ダイオードと同様に、カソード層として働くn(+)型第2半導体層9がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1半導体層6の一部であるn(+)型第3半導体層42に達してn型第1半導体層6及びn(+)型第3半導体層42と電気的に接続する構造となっているので、n(+)型第2半導体層9だけをカソード層として機能させるのではなく、n型第1半導体層6及びn(+)型第3半導体層42もカソード層として機能することに特徴がある。この結果、環流ダイオードの電流はn(−)型ベース層1の表面近傍を流れる(表面近傍の電流経路C1を備える)とともに、さらに深さ方向に向かって流れる電流経路C2及びC3をも備えているので、環流ダイオードのオン抵抗を低減することができる。
Also in the
さらに、少なくともn型第1半導体層6のうち、p型第1ガードリング層8の直下から、n型第2半導体層9がn型第1半導体層6に到達する部分までの領域が、n型第1半導体層6よりも不純物濃度が高いn型第3半導体層となっていることにより、第1のガードリング層からn(−)型ベース層1、n(+)型第3半導体層42を経由して、n型第2半導体層9へ流れる電流経路C2の抵抗を実施例1より低くすることができる。この結果、実施例1よりもさらに環流ダイオードのオン抵抗を低減できる。
Further, in at least the n-type
なお、本変形例では、n型第1半導体層6をすべて不純物濃度が高いn(+)型第3半導体層42としていない。これは、IGBT領域13において、n型第1半導体層6の不純物濃度を高くしてしまうと、IGBTのオン状態におけるIGBT領域13でのp(+)型コレクタ層7からn(−)型ベース層1への正孔の注入が抑えられるため、IGBT領域13でのコレクタ−エミッタ間のオン抵抗が増大するためである。
In this modification, the n-type
なお、n(+)型第3半導体層42の形成方法の一例として、n型第1半導体層6を形成後に、n型第1半導体層6の、p型第1ガードリング層8の直下からn(+)型第2半導体層9がn型第1半導体層6に到達する部分までの領域に、n型不純物をイオン注入しその後n(−)型ベース層1をエピタキシャル成長法により形成する工程により、n(+)型第3半導体層42を形成可能である。
As an example of a method for forming the n (+)-type third semiconductor layer 42, the n-type
図6は、本発明の実施例2の電力用半導体装置400の主要部の断面図である。電力用半導体装置400の平面図は図1とほぼ同様であり、図6は図1のA−A断面を矢印方向にみた断面図に相当する。以下、上記実施例1と同一又は類似の箇所には同一符号を付して説明し、実施例1と違う部分のみを説明する。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of the
本実施例の電力用半導体装置400は、n型第1半導体層6に到達していたn(+)型第2半導体層9に代えて第1の主電極10に到達するn(+)型第2半導体層51としている点で、第1の実施例の電力用半導体装置100と違う。それ以外は第1の実施例と同様である。この相違点に関して以下に説明する。
The
本実施例の電力用半導体装置400のn(+)型第2半導体層51は、第1のガードリング層8を囲む構造、好ましくは、第1のガードリング層8を囲む環状構造であり、n(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1半導体層6及びp(+)型コレクタ層7を貫通して第1の主電極10に到達し、第1の主電極と電気的に接続する。なお、第2半導体層51の環状構造の全ての領域において、n型第1半導体層6及びp(+)型コレクタ層7を貫通して第1の主電極10に到達してもよいが必ずしもその必要はなく、すなわち、環状構造のままn型第1半導体層6及びp(+)型コレクタ層7を貫通して第1の主電極10と接続してもよいが必ずしもその必要はない。例えばn型第2半導体層51は、n(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって環状構造のまま延伸してn型第1半導体層6に接続し、環状構造のうちの一部分は、さらに柱状構造となってn型第1半導体層6及びp(+)型コレクタ層7を貫通し第1の主電極10に到達する構造であってもよい。n(+)型第2半導体層51のn型第1半導体層6及びp(+)型コレクタ層7を貫通している部分は、n型第1半導体層6及びn(+)型第2半導体層51を第1の主電極10と電気的に接続できる構造であればよい。
The n (+)-type second semiconductor layer 51 of the
上記のn(+)型第2半導体層51が直接第1主電極10と接合することにより、p型第1ガードリング層8及びp型ベース層2をアノード層とし、n型第1半導体層6及びn(+)型第2半導体層51をカソード層とする環流ダイオードが、IGBT領域13と逆並列に接続されている。実施例1と異なり、n(+)型第2半導体層51の上面に電気的に接合したカソード電極15を設ける必要がなく、電力用半導体装置400が第1主電極を介してマウントされたリードフレームとカソード電極15とを電気的に接合するワイヤボンディングなどを設ける必要がない。このため、半導体装置の組み立てがさらに簡易になる。
The n (+)-type second semiconductor layer 51 is directly joined to the first
本変形例の電力用半導体装置400においても、実施例1の電力用半導体装置100の環流ダイオードと同様に、カソード層として働くn(+)型第2半導体層51がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1の半導体層6に達してn型第1半導体層6と電気的に接続する構造となっているので、n(+)型第2半導体層51だけをカソード層として機能させるのではなく、n型第1半導体層6もカソード層として機能することに特徴がある。この結果、環流ダイオードの電流はn(−)型ベース層1の表面近傍を流れる(表面近傍の電流経路C1を備える)とともに、さらに深さ方向に向かって流れる電流経路C2及びC3をも備えているので、環流ダイオードのオン抵抗を低減することができる。
Also in the
図7は、本発明の実施例3の電力用半導体装置500の平面図を示し、図8は、図7中のB−B断面を矢印方向に見た断面図である。図7のA−A断面を矢印方向に見た断面図は、図2と同じである。以下、上記実施例1と同一又は類似の箇所には同一符号を付して説明し、実施例1と違う部分のみを説明する。
7 is a plan view of a
本実施例の電力用半導体装置500は、p型第1ガードリング層8を囲むn(+)型第2半導体層9のn(−)型ベース1の第1の表面と平行な断面の一部分をとおり、n(−)型ベース1の第1の表面から第1の主電極10に到達し第1の主電極10と電気的に接続する導電体71をさらに備えている点で、第1の実施例の電力用半導体装置100と違う。すなわち、導電体71は、n(−)型ベース1の第1の表面からn(+)型第2半導体層9及びp(+)型コレクタ層7を貫通し第1の主電極10に到達して、第1の主電極10と電気的に接続することで、n(+)型第2半導体層9が第1の主電極10と電気的に接続する。これにより、p型第1ガードリング層8及びp型ベース層2をアノード層とし、n型第1半導体層6及びn(+)型第2半導体層9をカソード層とする環流ダイオードが、IGBT領域13と逆並列に接続されている。
The
導電体71は、導電性のある材料であればよく、半導体層でも金属でもよい。例えば半導体であればポリシリコンの、金属であればタングステン等の、埋め込み性が良好な導電性材料が好ましい。導電体71の形成は、n(−)型ベース1の第1の表面からn(+)型第2半導体層9及びp(+)型コレクタ層7を貫通し第1の主電極10に到達するビアをエッチング等により形成し、このビアの中に導電体71を埋め込み形成することにより可能である。
The
本実施例の電力用半導体装置500においても、実施例2の電力用半導体装置400と同様に、実施例1の電力用半導体装置100と異なりn(+)型第2半導体層9の上面に電気的に接合したカソード電極15を設ける必要がなく、電力用半導体装置500が第1の主電極を介してマウントされたリードフレームとカソード電極15とを電気的に接合するワイヤボンディングなどを設ける必要がない。このため、半導体装置の組み立てがさらに簡易になる。
In the
本実施例の電力用半導体装置500においても、実施例1の電力用半導体装置100の環流ダイオードと同様に、カソード層として働く第2の半導体層9がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1半導体層6に達してn型第1の半導体層6と電気的に接続する構造となっているので、n(+)型第2半導体層9だけをカソード層として機能させるのではなく、n型第1半導体層6もカソード層として機能することに特徴がある。この結果、環流ダイオードの電流はn(−)型ベース層1の表面近傍を流れる(表面近傍の電流経路C1を備える)とともに、さらに深さ方向に向かって流れる電流経路C2及びC3をも備えているので、環流ダイオードのオン抵抗を低減することができる。
Also in the
なお、本実施例の電力用半導体装置500においては、導電体71を金属材料とすることで、実施例2の電力用半導体装置400よりもさらに環流ダイオードのオン抵抗を低減することが可能である。
In the
また、本実施例においては、n(+)型第2半導体層9に、n(−)型ベース層1の第1の表面から第1の主電極10に達するビアを形成し、このビアの中に導電体71が埋め込まれた構造となっており、導電体71が電力用半導体装置500のチップ端部に露出した構造となっていない。しかしながら、チップをn(+)型第2半導体層9の延在する方向に沿ってダイシングする際に、ダイシングラインが導電体71を分断するようにダイシングしてチップを分離することにより、チップの端部(ダイシングした面)に導電体71が露出した構造とすることも可能である。
In the present embodiment, a via reaching the first
図9は、本発明の実施例4の電力用半導体装置600の主要部の断面図である。電力用半導体装置600の平面図は図1とほぼ同様であり、図9は図1のA−A断面を矢印方向にみた断面図に相当する。以下、上記実施例1と同一又は類似の箇所には同一符号を付して説明し、実施例1と違う部分のみを説明する。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of the
本実施例の電力用半導体装置600は、n(+)型第2半導体層81内に絶縁膜82を介して埋め込み層83が形成されている点で、実施例1の電力用半導体装置100と違う。絶縁膜82は絶縁性を有する材料であればよく、例えば酸化膜や窒化膜でよい。また、埋め込み層83は埋め込むことが目的であるため、導電性の材料でも絶縁性の材料でもかまわない。一例としては、ポリシリコン層などが上げられる。
The
n(+)型第2半導体層81、絶縁膜82、及び埋め込み層83の形成方法の一例としては、例えば、p型第1ガードリング層8を囲んで、好ましくは、環状構造になるように囲んで、n(−)型ベース層の第1の表面から第2の表面に延伸する、トレンチを形成する。そのトレンチの側面及び底部にn型不純物例えばP(燐)又はAs(砒素)などをイオン注入しその後熱拡散させることでn(+)型第2半導体層81を形成することができる。あるいはまた、トレンチを形成後、トレンチの側壁及び底部をPOCl3(オキシ塩化リン)を含んだ雰囲気中に高温でさらすことで、燐がトレンチ側壁及び底部からn(−)型ベース層1に拡散してn(+)型第2半導体層81を形成することができる。
As an example of a method for forming the n (+)-type second semiconductor layer 81, the insulating film 82, and the buried
その後、トレンチ側壁及び底部に形成されたn(+)型第2半導体層81の表面を熱酸化させて絶縁膜82となる酸化膜(SiO2)を形成させる。この絶縁膜82の形成はCVD(Chemical Vapor Deposition)によるSiO2膜もしくは窒化膜(SiN)の堆積により形成してもよい。いずれにしても、絶縁膜82の形成は、トレンチの側壁及び底部に沿って形成され、トレンチ形状をそのまま引き継ぐ。 After that, the surface of the n (+) type second semiconductor layer 81 formed on the trench sidewall and the bottom is thermally oxidized to form an oxide film (SiO 2) that becomes the insulating film 82. The insulating film 82 may be formed by depositing a SiO2 film or a nitride film (SiN) by CVD (Chemical Vapor Deposition). In any case, the insulating film 82 is formed along the sidewall and bottom of the trench, and the trench shape is inherited as it is.
その後、トレンチを埋め込むように埋め込み層83を形成後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)やCDE(Chemical Dry Etching)などの表面を平坦化させる処理により、埋め込み層83の表面がn(−)型ベース層1の第1の表面と同一平面を形成するようにする。なお、埋め込み層83は、平坦に埋め込むことができるものであればよく、導電性材料でも絶縁性材料でもよい。埋め込み性の優れた材料の一例としては、半導体としてはポリシリコンが、金属としてはタングステンなどが可能である。本実施例では、絶縁膜82を介して埋め込み層83を形成しているが、絶縁膜82を介さずに直接埋め込み層83をn(+)型第2半導体層81の表面に形成してトレンチを埋め込むことも可能である。絶縁膜82の表面にCVDでシリコンを形成する場合は、シリコンのエピタキシャル層が形成されずにポリシリコンが堆積される。ポリシリコンは、シリコンのエピタキシャル層よりもトレンチの埋め込み性が高いため、絶縁膜82を介してポリシリコンからなる埋め込み層83を埋め込むことが好ましい。この実施例による構造の特徴は、ダイオードのカソード領域となる深いn型第2半導体層81を容易に形成できることにある。すなわち、実施例1などによる深いn型第2半導体層9を形成するためには、深い拡散又はトレンチ形成後のエピタキシャル形成が必要になるのに対して、ポリシリコンなどにより容易に埋め込みができることが特徴である。
After that, after forming the buried
本実施例の電力用半導体装置600においても、実施例1の電力用半導体装置100の環流ダイオードと同様に、カソード層として働くn(+)型第2半導体層81がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1半導体層6に達してn型第1半導体層6と電気的に接続する構造となっているので、n(+)型第2半導体層81だけをカソード層として機能させるのではなく、n型第1の半導体層6もカソード層として機能することに特徴がある。この結果、環流ダイオードの電流はn(−)型ベース層1の表面近傍を流れる(表面近傍の電流経路C1を備える)とともに、さらに深さ方向に向かって流れる電流経路C2及びC3をも備えているので、環流ダイオードのオン抵抗を低減することができる。
Also in the
なお、本実施例の電力用半導体装置600においては、カソード電極が少なくともn(+)型第2半導体層81に電気的に接続するように、n(+)型第2半導体層81の表面上に形成され、好ましくは、埋め込み層83の表面上にも形成されている。
In the
図10は、本発明の実施例5の電力用半導体装置700の概略図を示し、図10(a)はその平面図を、図10(b)は図10(a)のC−C断面を矢印方向にみた断面の概略図である。なお、図10(a)においては、p型第1ガードリング層8、n(−)型ベース層1、n(+)型第2半導体層91及び、IGBT領域13の平面図を示しており、IGBT領域13の中の詳細な構造および他の要素は省略している。図10(b)においては、IGBT領域13の構造の詳細は図2の断面に示されているとおりなので省略している。
10A and 10B are schematic views of a
本実施例の電力用半導体装置700は、実施例1に示した電力用半導体装置100をユニットとして、図10(a)の平面図に示したように、半導体チップ内の横方向に電力用半導体装置100の構造を3個繰り返して形成している。ここで、IGBT領域13の構造は実施例1で図2に示したIGBT領域の断面構造と同じ断面構造を有するものであり、その詳細は省略してある。また、電力用半導体装置100が連続的に繰り返し形成されることにより、隣り合う電力用半導体装置100は各々のn(+)型第2半導体領域9の隣接する部分を共有するように形成される。この結果、実施例1のn(+)型第2半導体領域9は、梯子状に形成され、その梯子の開口部のなかにIGBT領域13が形成された、n(+)型第2半導体領域91となる。n(+)型第2半導体領域91は、その梯子の開口部において、各々のIGBT領域13を取り囲む平面形状になっている。
The
すなわち、電力用半導体装置700は以下のように構成される。IGBT領域13は、実施例1にて説明した複数のIGBTユニットから構成されている。各々のIGBTユニットは、第1の表面及び前記第1の表面に対向する第2の表面を有するn型(第1導電型)ベース層1を有している。そのn(−)型ベース層の第1の表面上には、p型(第2導電型)ベース層が選択的に形成されている。そのp型ベース層2のn(−)型ベース層1と反対側の表面には、n型エミッタ層3が形成されている。n(−)型ベース層1、p型ベース層2及びn型エミッタ層3上にゲート絶縁膜4を介してゲート電極5が形成されている。n(−)型ベース層1の第2の表面上には、n(−)型のベース層1よりも不純物濃度が高いn型の第1の半導体層6が形成されている。n型第1半導体層6のn(−)型ベース層1と反対側の表面には、p(+)型コレクタ層7が形成されている。
That is, the
上記IGBT領域13は、ユニットとして3周期繰り返すように配置され、各々のIGBT領域13を環状に囲むように、p型第1ガードリング層8がn(−)型ベース1の第1の表面から第2の表面に向かってp型ベース層2よりも深く形成されている。p(+)型コレクタ層7のn型第1半導体層6と反対側の表面には、第1の主電極10が形成されている。n型エミッタ層3とp型ベース層2上及びp型第1ガードリング層8上に電気的に接続し、層間絶縁膜により前記ゲート電極5と絶縁された、第2の主電極11(図示せず)が形成されている。
The
さらに、各々のIGBT領域13及びp型第1ガードリング層8を環状に囲むように、n(+)型第2半導体層91がn(−)型ベース層1の第1の表面からn型第1半導体層6へ到達するように形成されている。すなわち、n(+)型第2半導体層91は、梯子状に形成され、その開口部にp型第1ガードリング層8で囲まれた各々のIGBT領域13が配置されている。
Further, the n (+)-type
n(+)型第2半導体層91は、実施例1と同様に、その表面にカソード電極15が電気的に接続して形成されている(図示せず)。ワイヤボンディング等により、電力用半導体装置700が第1の主電極10を介して電気的に接続してマウントされたリードフレームとカソード電極15とが電気的に接続している(図示せず)。
The n (+) type
上記電極接続により、実施例1同様に、複数のIBGT領域13では、第1の主電極はコレクタ電極として、第2の主電極11はエミッタ電極として作用し、第1の主電極10から第2の主電極11に向かって流れる電流をゲート電極5で制御するIBGTの構造が形成される。また、p型第1ガードリング層8及びp型ベース層2がアノード層として、n型第1半導体層6及びn(+)型第2半導体層91がカソード層として機能する環流ダイオードが形成されている。アノード層であるp型第1ガードリング層8及びp型ベース層2が第2の主電極に接続され、カソード層であるn型第1半導体層6及びn(+)型第2半導体層91がカソード電極15を介して、第1の主電極10に電気的に接続されることにより、この環流ダイオードは、IBGT領域と逆並列接続を構成し、同一の半導体チップ内に形成されている。
Due to the electrode connection, as in the first embodiment, in the plurality of
本変形例の電力用半導体装置700においても、実施例1の電力用半導体装置100の環流ダイオードと同様に、カソード層として働くn(+)型第2半導体層91がn(−)型ベース層1の第1の表面から第2の表面に向かって延伸し、n型第1の半導体層6に達してn型第1半導体層6と電気的に接続する構造となっているので、n(+)型第2半導体層91だけをカソード層として機能させるのではなく、n型第1半導体層6もカソード層として機能することに特徴がある。この結果、環流ダイオードの電流はn(−)型ベース層1の表面近傍を流れる(表面近傍の電流経路C1を備える)とともに、さらに深さ方向に向かって流れる電流経路C2及びC3をも備えているので、環流ダイオードのオン抵抗を低減することができる。さらに、実施例1の電力用半導体装置100に比べて、同一チップ内に占める環流ダイオードの占める面積を大きくすることができるので、環流電流ダイオードの電流容量を大きくすることができる。
Also in the
本実施例では、IGBT領域13を横方向に3回繰り返した構造であるが、これ以上繰り返すことはもちろん可能である。さらに、縦方向及び横方向いずれの方向にも複数回繰り返しマトリックス状に配置されることも可能である。なお、本実施例においても、実施例1の変形例1乃至2の技術的特長を適用することは可能である。すなわち、トレンチゲート構造をプレーナゲート構造に置換可能であり、p型の第2ガードリング層、及びn型第3半導体層を本実施例にも適用することは勿論可能である。
In the present embodiment, the
以上、本発明に係る発明の形態を上記各実施例を用いて説明したが、各実施例に示した構成に限られることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、各構成材料、各層の厚さ及びパターン形状等を変更してもよいことは勿論のことである。また、各層の成膜方法や成膜条件、エッチング方法やエッチング条件、又は、基板表面上を平坦化する方法なども、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で変更することも可能である。 As mentioned above, although the form of the invention which concerns on this invention was demonstrated using said each Example, it is not restricted to the structure shown in each Example, Within the range which does not deviate from the summary of this invention, each component material, each layer Of course, the thickness, pattern shape, etc. may be changed. In addition, the film forming method and film forming conditions of each layer, the etching method and etching conditions, or the method of flattening the surface of the substrate can be changed without departing from the scope of the present invention.
特に実施例2乃至5に記載した実施例1との構造上の違いは、それぞれ実施例1の変形例1乃至2に対して適用することも勿論可能である。 In particular, the structural differences from the first embodiment described in the second to fifth embodiments can be applied to the first and second modifications of the first embodiment, respectively.
1 n型ベース層
2、22 p型ベース層
3、23 n型エミッタ層
4、24 ゲート絶縁膜
5、25 ゲート電極
6 n型第1半導体層
7 p型コレクタ層
8 第1ガードリング層
9、51、81、91 n型第2半導体層
10 第1主電極
11 第2主電極
12、27 IGBTユニット
13、28 IGBT領域
14、26 層間絶縁膜
15 カソード電極
16 トレンチ
29 第2ガードリング層
30 ガードリング電極
42 n型第3半導体層
71 導電体
82 絶縁膜
100、200、300、400、500、600、700 半導体装置
C1、C2、C3 オフ状態の電流経路
1 n-
Claims (8)
前記第1導電型ベース層の前記第1の表面上に選択的に形成された第2導電型ベース層と、前記第2導電型ベース層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第1導電型エミッタ層と、前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ベース層及び前記第1導電型エミッタ層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型ベース層の第2の表面上に形成された前記第1導電型ベース層よりも不純物濃度が高い第1導電型第1半導体層と、前記第1導電型第1半導体層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第2導電型コレクタ層と、を具備するIGBTユニットを複数有するIGBT領域と、
前記IGBT領域を囲むように前記第1導電型ベース層の第1の表面に、前記第2導電型ベース層よりも深く形成された第2導電型第1ガードリング層と、
前記第2導電型コレクタ層の前記第1導電型第1半導体層と反対側の表面に形成された第1の主電極と、
前記第1導電型エミッタ層と前記第2導電型ベース層上及び前記第2導電型第1ガードリング層上に電気的に接続し、層間絶縁膜により前記ゲート電極と絶縁された第2の主電極と、
前記IGBT領域及び前記第2導電型第1ガードリング層の周囲に前記第1導電型ベース層の第1の表面から前記第1の主電極に到達し、且つ前記第1の主電極と電気的に接続している第1導電型第2半導体層と、
前記第2導電型第1ガードリング層と前記第1導電型第2半導体層の間の前記第1導電型ベース層の第1の表面に前記第2導電型第1ガードリング層及び前記第1導電型第2半導体層と離間形成された第2導電型第2ガードリング層、または、前記第2導電型第1ガードリング層と前記第1導電型第2半導体層の間の前記第1導電型ベース層の第1の表面に前記第2導電型第1ガードリング層に接続し前記第2導電型第1ガードリング層より浅く形成された前記第1導電型第2半導体層に向かって延伸する第2導電型リサーフ層と、
を具備し、
前記第1導電型第1半導体層は、少なくとも前記第2導電型第1ガードリング層の直下から前記第1導電型第2半導体層が前記第1導電型第1半導体層に到達する部分までの領域が前記第1導電型第1半導体層よりも不純物濃度が高い第1導電型第3半導体層である
ことを特徴とする電力用半導体装置。 A first conductivity type base layer having a first surface and a second surface facing the first surface;
A second conductivity type base layer selectively formed on the first surface of the first conductivity type base layer; and a surface of the second conductivity type base layer opposite to the first conductivity type base layer. A first conductive type emitter layer formed, a gate electrode formed on the first conductive type base layer, the second conductive type base layer, and the first conductive type emitter layer via a gate insulating film; A first conductivity type first semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first conductivity type base layer formed on the second surface of the first conductivity type base layer; and the first conductivity type first semiconductor layer. An IGBT region having a plurality of IGBT units, the second conductivity type collector layer formed on the surface opposite to the first conductivity type base layer;
A second conductivity type first guard ring layer formed deeper than the second conductivity type base layer on the first surface of the first conductivity type base layer so as to surround the IGBT region;
A first main electrode formed on a surface of the second conductivity type collector layer opposite to the first conductivity type first semiconductor layer;
A second main main body electrically connected to the first conductive type emitter layer, the second conductive type base layer and the second conductive type first guard ring layer and insulated from the gate electrode by an interlayer insulating film. Electrodes,
The first main electrode reaches the first main electrode from the first surface of the first conductive type base layer around the IGBT region and the second conductive type first guard ring layer, and is electrically connected to the first main electrode. A first conductivity type second semiconductor layer connected to
The second conductive type first guard ring layer and the first conductive layer are formed on a first surface of the first conductive type base layer between the second conductive type first guard ring layer and the first conductive type second semiconductor layer. The second conductivity type second guard ring layer formed apart from the conductivity type second semiconductor layer, or the first conductivity between the second conductivity type first guard ring layer and the first conductivity type second semiconductor layer. Extending toward the first conductive type second semiconductor layer connected to the second conductive type first guard ring layer on the first surface of the mold base layer and formed shallower than the second conductive type first guard ring layer A second conductivity type RESURF layer,
Comprising
The first conductivity type first semiconductor layer is at least from a position immediately below the second conductivity type first guard ring layer to a portion where the first conductivity type second semiconductor layer reaches the first conductivity type first semiconductor layer. A power semiconductor device, wherein the region is a first conductivity type third semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first conductivity type first semiconductor layer.
前記第1導電型ベース層の前記第1の表面上に選択的に形成された第2導電型ベース層と、前記第2導電型ベース層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第1導電型エミッタ層と、前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ベース層及び前記第1導電型エミッタ層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1導電型ベース層の第2の表面上に形成された前記第1導電型ベース層よりも不純物濃度が高い第1導電型第1半導体層と、前記第1導電型第1半導体層の前記第1導電型ベース層と反対側の表面に形成された第2導電型コレクタ層と、を具備するIGBTユニットを複数有するIGBT領域と、
前記IGBT領域を囲むように前記第1導電型ベース層の第1の表面に、前記第2導電型ベース層よりも深く形成された第2導電型第1ガードリング層と、
前記第2導電型コレクタ層の前記第1導電型第1半導体層と反対側の表面に形成された第1の主電極と、
前記第1導電型エミッタ層と前記第2導電型ベース層上及び前記第2導電型第1ガードリング層上に電気的に接続し、層間絶縁膜により前記ゲート電極と絶縁された第2の主電極と、
前記IGBT領域及び前記第2導電型第1ガードリング層の周囲に前記第1導電型ベース層の第1の表面から前記第1導電型第1半導体層へ到達し、且つ前記第1の主電極と電気的に接続している第1導電型第2半導体層と、
を具備したことを特徴とする電力用半導体装置。 A first conductivity type base layer having a first surface and a second surface facing the first surface;
A second conductivity type base layer selectively formed on the first surface of the first conductivity type base layer; and a surface of the second conductivity type base layer opposite to the first conductivity type base layer. A first conductive type emitter layer formed, a gate electrode formed on the first conductive type base layer, the second conductive type base layer, and the first conductive type emitter layer via a gate insulating film; A first conductivity type first semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first conductivity type base layer formed on the second surface of the first conductivity type base layer; and the first conductivity type first semiconductor layer. An IGBT region having a plurality of IGBT units, the second conductivity type collector layer formed on the surface opposite to the first conductivity type base layer;
A second conductivity type first guard ring layer formed deeper than the second conductivity type base layer on the first surface of the first conductivity type base layer so as to surround the IGBT region;
A first main electrode formed on a surface of the second conductivity type collector layer opposite to the first conductivity type first semiconductor layer;
A second main main body electrically connected to the first conductive type emitter layer, the second conductive type base layer and the second conductive type first guard ring layer and insulated from the gate electrode by an interlayer insulating film. Electrodes,
The first conductive electrode reaches the first conductive type first semiconductor layer from the first surface of the first conductive type base layer around the IGBT region and the second conductive type first guard ring layer, and the first main electrode. A first conductivity type second semiconductor layer electrically connected to
A power semiconductor device comprising:
前記第2導電型コレクタ層の前記第1導電型第1半導体層と反対側の表面に形成された第1の主電極と、
前記第1導電型エミッタ層と前記第2導電型ベース層上及び前記第2導電型第1ガードリング層上に電気的に接続し、層間絶縁膜により前記ゲート電極と絶縁された第2の主電極と、
前記複数のIGBT領域及び前記複数の第2導電型第1ガードリング層を個々に囲んで前記第1導電型ベース層の第1の表面から前記第1の半導体層へ到達し、且つ前記第1の電極と電気的に接続している第1導電型第2半導体層と、
を具備したことを特徴とする電力用半導体装置。 A first conductivity type base layer having a first surface and a second surface opposite to the first surface; and a second selectively formed on the first surface of the first conductivity type base layer. A conductive type base layer; a first conductive type emitter layer formed on a surface of the second conductive type base layer opposite to the first conductive type base layer; the first conductive type base layer; and the second conductive type. A gate electrode formed on the first base layer and the first conductive type emitter layer via a gate insulating film, and a first conductive type base formed on the second surface of the first conductive type base layer A first conductivity type first semiconductor layer having a higher impurity concentration than the layer; a second conductivity type collector layer formed on a surface of the first conductivity type first semiconductor layer opposite to the first conductivity type base layer; A plurality of IGBT regions having a plurality of IGBT units, and the plurality The first surface of the first conductivity type base layer so as to surround each of the IGBT region, and the second conductivity type base layer a plurality of second conductivity type first guard ring layer which is deeper than,
A first main electrode formed on a surface of the second conductivity type collector layer opposite to the first conductivity type first semiconductor layer;
A second main main body electrically connected to the first conductive type emitter layer, the second conductive type base layer and the second conductive type first guard ring layer and insulated from the gate electrode by an interlayer insulating film. Electrodes,
The plurality of IGBT regions and the plurality of second conductivity type first guard ring layers are individually surrounded to reach the first semiconductor layer from the first surface of the first conductivity type base layer, and the first A first conductivity type second semiconductor layer electrically connected to the electrode of
A power semiconductor device comprising:
ことを特徴とする請求項2乃至7いずれか1項に記載の電力用半導体装置。 The first conductivity type first semiconductor layer is at least from a position immediately below the second conductivity type first guard ring layer to a portion where the first conductivity type second semiconductor layer reaches the first conductivity type first semiconductor layer. 8. The power semiconductor device according to claim 2, wherein the region is a first conductive type third semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first conductive type first semiconductor layer. 9.
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---|---|---|---|---|
JPS6381861A (en) * | 1986-09-25 | 1988-04-12 | Mitsubishi Electric Corp | Conductivity modulation mosfet |
JP2004363328A (en) * | 2003-06-04 | 2004-12-24 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2005175161A (en) * | 2003-12-10 | 2005-06-30 | Toyota Motor Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2006173296A (en) * | 2004-12-15 | 2006-06-29 | Yaskawa Electric Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2008004643A (en) * | 2006-06-20 | 2008-01-10 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
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Patent Citations (5)
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---|---|---|---|---|
JPS6381861A (en) * | 1986-09-25 | 1988-04-12 | Mitsubishi Electric Corp | Conductivity modulation mosfet |
JP2004363328A (en) * | 2003-06-04 | 2004-12-24 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2005175161A (en) * | 2003-12-10 | 2005-06-30 | Toyota Motor Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2006173296A (en) * | 2004-12-15 | 2006-06-29 | Yaskawa Electric Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2008004643A (en) * | 2006-06-20 | 2008-01-10 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
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