JP2013069871A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが一体化された半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device in which an insulated gate bipolar transistor and a diode are integrated.
一般に、IH調理器やインバータシステム等において、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と称する)と、これに並列に接続するダイオードと、を具備する半導体装置が用いられる。 In general, in an IH cooker, an inverter system, or the like, a semiconductor device including an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)) and a diode connected in parallel thereto is used.
近年、この種の装置のチップコストを抑えるために、IGBTにダイオードを内蔵した逆導通IGBT(以下、RC−IGBTと称する)が注目されている。RC−IGBTとは、下面側のP+型不純物層を部分的に形成し、Pベース層/Nドリフト層/Nバッファ層をダイオードとして積極的に用いるものである。これにより、IGBTに並列に接続されたダイオードを省略することができるため、低コスト化が可能となる。 In recent years, in order to reduce the chip cost of this type of device, attention has been focused on a reverse conducting IGBT (hereinafter referred to as RC-IGBT) in which a diode is incorporated in the IGBT. In the RC-IGBT, a P + type impurity layer on the lower surface side is partially formed, and the P base layer / N drift layer / N buffer layer is actively used as a diode. As a result, the diode connected in parallel to the IGBT can be omitted, and the cost can be reduced.
しかしながら、一般にIGBTは、ゲート閾値電圧を所望の値に保つために、Pベース層の不純物濃度を高濃度(例えば1017cm−3オーダー)にする必要がある。このようにPベース層が高濃度である場合、Pベース上に設けられたエミッタ電極からPベース層に供給すべき正孔の量が多いため、RC−IGBTに内蔵されたダイオードのスイッチング速度が遅くなる問題がある。この結果、RC−IGBTを、例えばHEV用インバータ等のハードスイッチング素子として使用することが困難になる。 However, in general, in the IGBT, in order to keep the gate threshold voltage at a desired value, the impurity concentration of the P base layer needs to be high (for example, on the order of 10 17 cm −3 ). When the P base layer has a high concentration as described above, the amount of holes to be supplied from the emitter electrode provided on the P base to the P base layer is large, and therefore the switching speed of the diode built in the RC-IGBT is high. There is a problem that slows down. As a result, it becomes difficult to use the RC-IGBT as a hard switching element such as an HEV inverter.
実施形態は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとが一体化された半導体装置において、スイッチング速度を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the embodiment is to provide a semiconductor device capable of improving a switching speed in a semiconductor device in which an insulated gate bipolar transistor and a diode are integrated.
実施形態に係る半導体装置は、第1の半導体層、第2の半導体層、複数の第1のトレンチ、第1の電極、複数の第3の半導体層、第2のトレンチ、第2の電極、第4の不純物層、複数の第5の不純物層、および第3の電極、を具備する。前記第1の半導体層は、第1導電型の半導体基板からなる。前記第2の半導体層は、第2の導電型であって、前記第1の半導体層の上面に形成される。前記複数の第1のトレンチは、互いに平行かつ離間するように配置され、前記第2の半導体層を貫通するように形成される。前記第1の電極は、前記複数の第1のトレンチの内部のそれぞれに、第1の絶縁膜を介して形成される。前記複数の第3の半導体層は、それぞれ第1導電型であって、複数の前記第1の電極のそれぞれに、前記第1の絶縁膜を介して接するように配置され、前記第2の半導体層の上面に形成される。前記第2のトレンチは、前記複数の第1のトレンチの間にそれぞれ配置されるように複数有し、それぞれが、前記第2の半導体層を貫通しないように形成される。前記第2の電極は、複数の前記第2のトレンチの内部を含む前記第2の半導体層の上面上に、前記第1の電極と絶縁されるように形成される。前記第4の不純物層は、第1導電型であって、前記第1の半導体層の下面に形成される。前記複数の第5の不純物層は、第2の導電型であって、前記第4の不純物層の下面に選択的に形成される。前記第3の電極は、前記複数の第5の不純物層を含む前記第4の不純物層の下面上に形成される。 The semiconductor device according to the embodiment includes a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, a plurality of first trenches, a first electrode, a plurality of third semiconductor layers, a second trench, a second electrode, A fourth impurity layer; a plurality of fifth impurity layers; and a third electrode. The first semiconductor layer is made of a first conductivity type semiconductor substrate. The second semiconductor layer is of a second conductivity type and is formed on the upper surface of the first semiconductor layer. The plurality of first trenches are arranged so as to be parallel and spaced apart from each other, and are formed so as to penetrate the second semiconductor layer. The first electrode is formed in each of the plurality of first trenches via a first insulating film. The plurality of third semiconductor layers are each of a first conductivity type, are disposed so as to be in contact with each of the plurality of first electrodes via the first insulating film, and the second semiconductor layer Formed on the top surface of the layer. A plurality of the second trenches are provided so as to be respectively disposed between the plurality of first trenches, and each of the second trenches is formed so as not to penetrate the second semiconductor layer. The second electrode is formed on the upper surface of the second semiconductor layer including the plurality of second trenches so as to be insulated from the first electrode. The fourth impurity layer is of a first conductivity type and is formed on the lower surface of the first semiconductor layer. The plurality of fifth impurity layers are of a second conductivity type and are selectively formed on the lower surface of the fourth impurity layer. The third electrode is formed on a lower surface of the fourth impurity layer including the plurality of fifth impurity layers.
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する半導体装置は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と称する)とダイオードとが一体的に形成された逆導通IGBT(以下、RC−IGBTと称する)である。 Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that a semiconductor device described below includes a reverse-conducting IGBT (hereinafter referred to as RC-IGBT) in which an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)) and a diode are integrally formed. It is.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置を示す概略上面図である。図1は、図面の煩雑化を避けるため、エミッタ電極、およびゲート電極を覆うゲート絶縁膜は省略している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic top view showing the semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 1, an emitter electrode and a gate insulating film covering the gate electrode are omitted in order to avoid complication of the drawing.
図1に示す半導体装置10において、第1の半導体層である例えばシリコンからなるn−型の半導体基板11には、複数の第1のトレンチ12が形成されている。複数の第1のトレンチ12は、半導体基板11の上面においてそれぞれ帯状のパターンであって、互いに平行かつ互いに離間するように形成されている。
In the
また、半導体基板11には、複数の第2のトレンチ13が形成されている。複数の第2のトレンチ13は、半導体基板11の上面においてそれぞれ帯状のパターンであって、互いに平行かつ互いに離間するように形成されている。第2のトレンチ13は、半導体基板11の上面における第2のトレンチ13のパターンが、半導体基板11の上面における第1のトレンチ12のパターンの間に、これらのパターンに接しないように形成されている。
A plurality of
なお、第2のトレンチ13は、図示するように第1のトレンチ12間の全てに形成されることが好ましいが、任意の第1のトレンチ12間に選択的に形成されてもよい。
The
図2は、図1の一点鎖線X−X´に沿った装置中央部の断面図である。また、図3は、図1の一点鎖線Y−Y´に沿った装置終端部の断面図である。図2、図3に示すn−型の半導体基板11は、いわゆるドリフト層11である。このドリフト層11の上面の所定領域には、第2の半導体層として、p型の不純物層であるベース層17が形成されている。ベース層17は、図3に示すように、後述するガードリング層16の内側に、ガードリング層16より浅く形成されている。
2 is a cross-sectional view of the central portion of the apparatus along the one-dot chain line XX ′ in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the terminal portion of the apparatus along the one-dot chain line YY ′ of FIG. The n −
ここで、上述の第1のトレンチ12は、その深さ方向においてベース層17を貫通し、ドリフト層11に達するように形成されている。また、第2のトレンチ13は、その深さ方向においてベース層17を貫通しないように形成されている。
Here, the
第2のトレンチ13の底部と、ベース層17およびドリフト層11の接合面Sと、の間におけるベース層17の不純物総量Qbは、Qb>εsEc/q=1.31E12cm−2とすることが好ましい。εsはSiの誘電率、Ecは臨界電界、qは素電荷である。不純物総量Qbを1.31E12cm−2より多くすることにより、IGBTのオフ時に、ベース層17が完全空乏化することを抑制することができる。従って、半導体装置10の耐圧の低下を抑制することができる。この理由については、後述する。
The total impurity amount Qb of the
各第1のトレンチ12内には、第1の絶縁膜であるゲート絶縁膜18を介して、第1の電極であるゲート電極14が形成されている。このゲート電極14は、例えばポリシリコンからなる。なお、ゲート絶縁膜18はゲート電極14の上面も覆っており、第1のトレンチ12内は、ゲート絶縁膜18を含むゲート電極14によって満たされている。
In each
ベース層17の上面には、複数の第3の半導体層として、複数のn+型のエミッタ層19が形成されている。複数のエミッタ層19は、ゲート絶縁膜18を介してゲート電極14を挟むように配置される。
On the upper surface of the
図1に示すように、エミッタ層19は、ゲート電極14に沿って、ゲート電極14の側面にゲート絶縁膜18を介して接するように形成されている。各エミッタ層19は、それぞれのエミッタ層19の上面が、ベース層17の上面において、ゲート電極14の帯状パターンにゲート絶縁膜18を介して接する帯状パターンとなるように形成されている。
As shown in FIG. 1, the
なお、図示は省略するが、エミッタ層19は、ゲート電極14に沿って、選択的に形成されていてもよい。すなわち、エミッタ層19は、ゲート電極14に沿って、複数に分割形成されていてもよい。
Although not shown, the
また、ドリフト層11の下面には、第4の半導体層として、n+型の高濃度不純物層であるバッファ層21が一様に形成されている。さらに、このバッファ層21の下面には、第5の半導体層として、p型の高濃度不純物層であるコレクタ層22が選択的に形成されている。コレクタ層22は、バッファ層21の下面において、第1のトレンチ12間の下方、および第1のトレンチ12と後述するガードリング層16との間を含むガードリング層16の下方に形成されている。従って、バッファ層21の下面において露出するコレクタ層22は、第1、第2のトレンチ11、12、ゲート電極14、若しくはエミッタ層19に対して平行になるように形成された帯状パターンとなる。
In addition, a
なお、コレクタ層22は、バッファ層21の下面に選択的に形成されていればよく、必ずしも上述した位置に、上述のように帯状パターンとなるように形成される必要はない。
The
また、図3に示すように、ドリフト層11の上面には、第6の半導体層として、p+型の不純物層であるガードリング層16が形成されている。図1に示すように、ガードリング層16は、複数の第1のトレンチ12および複数の第2のトレンチ13を囲うように、環状に形成されている。
As shown in FIG. 3, a
図2に示すように、ベース層17およびガードリング層16(図3)が形成されたドリフト層11の上面上には、複数の第2のトレンチ13内を埋めるように、第2の電極であるエミッタ電極15が形成されている。このエミッタ電極15は例えば金属製であって、ゲート電極14の上面に形成されたゲート絶縁膜18によって、ゲート電極14と絶縁されるように形成されている。なお、図3に示すように、エミッタ電極15の端部は、ガードリング層16の外部にはみ出すように、ドリフト層11の上面上に形成されている。
As shown in FIG. 2, on the upper surface of the
ベース層17の上面上のうち、ガードリング層16の外部には絶縁膜20が形成されており、エミッタ電極15の端部は、この絶縁膜20を介してドリフト層11の上面上に形成されている。
An insulating
コレクタ層22を含むバッファ層21の下面上には、第3の電極として、厚みが一様な板状のコレクタ電極23が形成されている。このコレクタ電極23は例えば金属製である。
A plate-
以下に、この半導体装置10の動作について、装置がIGBTとして動作する場合と、ダイオードとして動作する場合と、に分けて説明する。
Hereinafter, the operation of the
図4および図5は、IGBTのオン時における正孔および電子の動きを説明するための説明図である。図4は装置中央部における正孔および電子の動きを示し、図5は、装置終端部における正孔および電子の動きを示す。 4 and 5 are explanatory diagrams for explaining the movement of holes and electrons when the IGBT is turned on. 4 shows the movement of holes and electrons in the central part of the device, and FIG. 5 shows the movement of holes and electrons in the terminal part of the device.
図4に示すように、半導体装置10の中央部において、コレクタ電極23−エミッタ電極15間にバイアスVを印加した状態でゲート電極14に電圧を印加すると、ゲート電極14の側面の周囲のベース層17にチャネルが形成され、エミッタ層19からドリフト層11に電子eが流入する。これと同時に、コレクタ層22からは正孔hが、ドリフト層11に流入する。すなわち、コレクタ電極23からエミッタ電極15方向に電流が流れ、IGBTとして動作する。
As shown in FIG. 4, when a voltage is applied to the
この半導体装置10の動作は、図5に示すように、半導体装置10の終端部においても同様に、エミッタ層19からドリフト層11に電子eが流入し、コレクタ層22からドリフト層11に正孔hが流入する。すなわち、コレクタ電極23からエミッタ電極15方向に電流が流れ、IGBTとして動作する。
As shown in FIG. 5, the operation of the
図6および図7は、IGBTのオフ時における正孔および電子の動きを説明するための説明図である。図6は装置中央部における正孔および電子の動きを示し、図7は、装置終端部における正孔および電子の動きを示す。 6 and 7 are explanatory diagrams for explaining the movement of holes and electrons when the IGBT is off. FIG. 6 shows the movement of holes and electrons in the central part of the device, and FIG. 7 shows the movement of holes and electrons in the terminal part of the device.
IGBTがオンの状態からゲート電極14に電圧を印加しない状態にすると、図6に示すように、半導体装置10に接続されたモーター等(図示せず)の起電力によりコレクタ電極23−エミッタ電極15間にバイアス−V´が印加される。これにより、ベース層17からドリフト層11に正孔hが流入し、バッファ層21からドリフト層11に電子eが流入する。すなわち、エミッタ電極15からコレクタ電極23方向に電流が流れ、逆導通用ダイオードとして動作する。
When the IGBT is turned on and no voltage is applied to the
この半導体装置10の動作は、図7に示すように、半導体装置10の終端部においても同様に、ガードリング層16からドリフト層11に正孔hが流入し、バッファ層21からドリフト層11に電子eが流入する。すなわち、エミッタ電極15からコレクタ電極23方向に電流が流れ、逆導通用ダイオードとして動作する。
As shown in FIG. 7, the operation of the
半導体装置10は、以上に示すように、ゲート電圧14を操作することにより、IGBTまたは逆導通用ダイオードとして動作させることができる。
As described above, the
以上に説明した第1の実施形態に係る半導体装置10によれば、第2のトレンチ13を設け、このトレンチ13の内部にエミッタ電極15を形成している。従って、エミッタ電極15からベース層17およびドリフト層11の接合面Sまでの距離を部分的に短くすることができる。従って、ベース層17の不純物濃度を所望の高濃度に保ったまま、エミッタ電極15と接合面Sとの間のベース層17に含まれる不純物総量を少なくすることができる。この結果、エミッタ電極15からベース層17に供給する必要がある正孔の量を低減することができるため、ゲート閾値電圧を所望の値に保ったまま、スイッチング速度が速い半導体装置を提供することができる。
According to the
また、第1の実施形態に係る半導体装置10によれば、エミッタ電極15から接合面Sまでの距離が従来の半導体装置より部分的に短いため、ベース層17の抵抗を小さくすることができる。従って、IGBTのターンオフ時において、ラッチアップしにくく、ラッチアップ耐量が高い半導体装置を提供することができる。
Further, according to the
すなわち、半導体装置10は、p+型のコレクタ層22、n+型のバッファ層21およびn−型のドリフト層11、p型のベース層17、n−型のエミッタ層19によってサイリスタを構成する。コレクタ電極23−エミッタ電極15間にサージ電圧等の高電圧が印加されると、その高電圧のほとんどは、n−型のドリフト層11とp型のベース層17との境界部分に形成される空乏層に印加される。空乏層に高電圧が印加されると、空乏層内において電子雪崩が生じる。この電子雪崩に起因してコレクタ電極23からエミッタ電極15方向に向かって大電流が流れ続け、半導体装置10はラッチアップ状態になる。ラッチアップは、上述のようにn−型のドリフト層11とp型のベース層17との境界部分に形成される空乏層において発生する電子雪崩に起因するが、この電子雪崩は、空乏層幅が広いほど生じやすい。空乏層幅は、p型のベース層17若しくはn−型のドリフト層の不純物濃度が低いほど、すなわち、p型のベース層17若しくはn−型のドリフト層11の抵抗が高いほど、広がりやすい。本実施形態に係る半導体装置10によれば、p型のベース層17の抵抗を小さくすることができるため、n−型のドリフト層とp型のベース層17との境界部分に形成される空乏層において電子雪崩が発生し難い。従って、ラッチアップは生じにくく、ラッチアップ耐量は高くなる。
That is, in the
なお、本実施形態に係る半導体装置10において、上述したように、第2のトレンチ13の底部と、ベース層17およびドリフト層11の接合面Sと、の間におけるベース層17の不純物総量QbをQb>εsEc/q=1.31E12cm−2とすることにより、IGBTのオフ時に、ベース層17が完全空乏化することを抑制することができ、半導体装置10の耐圧の低下を抑制することができる。この理由について、図8および図9を参照して説明する。図8は、第2のトレンチ13の底部と、ベース層17およびドリフト層11の接合面Sと、の間におけるベース層17の不純物総量Qbを低下させた半導体装置10であって、IGBTのオフ時における半導体装置10を示す断面図である。また、図9は、第2のトレンチ13の底部と、ベース層17およびドリフト層11の接合面Sと、の間におけるベース層17の不純物総量Qbを増加させた半導体装置10であって、IGBTのオフ時における半導体装置10を示す断面図である。
In the
仮に第2のトレンチ13の底部と、ベース層17およびドリフト層11の接合面Sと、の間におけるベース層17の不純物総量Qbを低下させると、これに伴ってベース層17の不純物濃度が低下するため、IGBTのオフ時にエミッタ層19とベース層17との境界部分に形成される空乏層は、広がりやすくなる。図8に示すように、空乏層D´が広がりベース層17が完全空乏化した場合、すなわち、エミッタ層19とベース層17との境界部分に形成される空乏層D´がベース層17全体に広がった場合、空乏層D´の幅W´が広いため、この空乏層D´に小さな電圧を印加しただけであっても電子雪崩が生じ、エミッタ層19とベース層17とが常に導通状態になる。従って、ベース層17の不純物総量Qbを低下させ、ベース層17を完全空乏化させると、エミッタ電極15とコレクタ電極23との間に印加することができる電圧値は低くなる。すなわち、半導体装置10の耐圧は低くなる。
If the total impurity amount Qb of the
これに対して、第2のトレンチ13の底部と、ベース層17およびドリフト層11の接合面Sと、の間におけるベース層17の不純物総量Qbを増加させると、これに伴ってベース層17の不純物濃度が増加するため、IGBTのオフ時にエミッタ層19とベース層17との境界部分に形成される空乏層は、広がり難くなる。図9に示すように、空乏層Dが広がらずベース層17が完全空乏化しなかった場合、すなわち、空乏層Dの幅Wは狭いため、この空乏層Dにおいて電子雪崩は生じにくく、エミッタ層19とベース層17との境界部分に形成される空乏層Dに大きな電圧を印加しても、電子雪崩は生じにくい。従って、ベース層17の不純物総量Qbを増加させ、ベース層17が完全空乏化することを抑制すると、エミッタ電極15とコレクタ電極23との間に印加することができる電圧値の低下は抑制される。すなわち、半導体装置10の耐圧の低下は抑制される。
On the other hand, when the total impurity amount Qb of the
(第2の実施形態)
図10は、第2の実施形態に係る半導体装置の終端部の一部を拡大して示す断面図である。第2の実施形態に係る半導体装置30の終端部は、ガードリング層16に第3のトレンチ31が形成されている点において、第1の実施形態に係る半導体装置10と異なる。以下に、第1の実施形態に係る半導体装置10と異なる点について説明する。なお、第2の実施形態に係る半導体装置30の中央部は、図2に示される第1の実施形態に係る半導体装置10と同様の構成である。
(Second Embodiment)
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view illustrating a part of the terminal portion of the semiconductor device according to the second embodiment. The terminal portion of the
図10に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置30の終端部において、ガードリング層16には、第3のトレンチ31が形成されている。この第3のトレンチ31は、ガードリング層16の上面において帯状パターンとなるように形成されており、この帯状パターンが、第2のトレンチ13の帯状パターンに対して平行になるように形成されている。さらに第3のトレンチ31は、その深さ方向においてガードリング層16を貫通しないように形成されている。
As shown in FIG. 10, a
また、エミッタ電極32は、第2のトレンチ13の内部、および第3のトレンチ31の内部を埋めるように、ドリフト層11の上面上に形成されている。
The
このように構成した半導体装置30は、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様にダイオードあるいはIGBTとして動作する。
The
以上に説明した第2の実施形態に係る半導体装置30であっても、中央部の構成は第1の実施形態に係る半導体装置10と同様の構成であるため、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様に、ゲート閾値電圧を所望の値に保ったままスイッチング速度が速い半導体装置であり、かつIGBTのターンオフ時において、ラッチアップしにくく、ラッチアップ耐量が高い半導体装置を提供することができる。
Even in the
さらに、第2の実施形態に係る半導体装置30によれば、ガードリング層16に第3のトレンチ31が形成されており、このトレンチ31の内部にエミッタ電極32が形成されているため、エミッタ電極32から、ガードリング層16およびドリフト層11の接合面S´までの距離を短くすることができる。この結果、エミッタ電極15からガードリング層16に供給する必要がある正孔の量を低減することができるため、さらにスイッチング速度が速い半導体装置を提供することができる。
Furthermore, according to the
(第3の実施形態)
図11は、第3の実施形態に係る半導体装置の中央部の一部を拡大して示す断面図である。第3の実施形態に係る半導体装置40の中央部は、第2のトレンチ13の内側面に第2の絶縁膜41が形成されている点において、第1の実施形態に係る半導体装置10と異なる。以下に、第1の実施形態に係る半導体装置10と異なる点について説明する。なお、第3の実施形態に係る半導体装置40の終端部は、図3に示される第1の実施形態に係る半導体装置10と同様の構成である。
(Third embodiment)
FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view illustrating a part of the central portion of the semiconductor device according to the third embodiment. The central portion of the
図11に示すように、第3の実施形態に係る半導体装置30において、第1のトレンチ12の間に形成された第2のトレンチ13の内側面には、第2の絶縁膜41が形成されている。なお、第2の絶縁膜41は、第2のトレンチ13の底面には形成されない。
As shown in FIG. 11, in the
また、エミッタ電極42は、第2の絶縁膜41が形成された第2のトレンチ13の内部に形成されている。
The
このように構成した半導体装置40は、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様にダイオードあるいはIGBTとして動作する。
The
以上に説明した第3の実施形態に係る半導体装置40であっても、ベース層17に第2のトレンチ13が形成されており、このトレンチ13内にエミッタ電極42が形成されているため、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様に、ゲート閾値電圧を所望の値に保ったままスイッチング速度が速い半導体装置であり、かつIGBTのターンオフ時において、ラッチアップしにくく、ラッチアップ耐量が高い半導体装置を提供することができる。
Even in the
さらに、第3の実施形態に係る半導体装置40によれば、第2のトレンチ13の内側面に第2の絶縁膜41が形成されているため、エミッタ電極42が、正孔を、第2のトレンチ13の側面からベース層17に供給することを抑制することができる。従って、第3の実施形態に係る半導体装置40は、第1の実施形態に係る半導体装置10と比較して、エミッタ電極42から、エミッタ電極42と、ベース層17およびドリフト層11の接合面Sと、の間のベース層17に、効率良く正孔を供給することができる。従って、よりスイッチング速度が速い半導体装置を提供することができる。
Furthermore, according to the
(第4の実施形態)
図12は、第4の実施形態に係る半導体装置の終端部の一部を拡大して示す断面図である。第4の実施形態に係る半導体装置50の終端部は、ガードリング層16に第3のトレンチ31が形成されており、この第3のトレンチ31の内側面に、第3の絶縁膜51が形成されている点において、第1の実施形態に係る半導体装置10と異なる。以下に、第1の実施形態に係る半導体装置10と異なる点について説明する。なお、第4の実施形態に係る半導体装置50の中央部は、図2に示される第1の実施形態に係る半導体装置10と同様の構成である。
(Fourth embodiment)
FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the terminal portion of the semiconductor device according to the fourth embodiment. In the terminal portion of the
図12に示すように、第4の実施形態に係る半導体装置50において、ガードリング層16には、第3のトレンチ31が形成されている。この第3のトレンチ31は、ガードリング層16の上面において帯状パターンとなるように形成されており、この帯状パターンが、第2のトレンチ13の帯状パターンに対して平行になるように形成されている。さらに第3のトレンチ31は、その深さ方向においてガードリング層16を貫通しないように形成されている。
As shown in FIG. 12, in the
そして、第3のトレンチ31の内側面には、第3の絶縁膜51が形成されている。なお、第3の絶縁膜51は、第3のトレンチ31の底面には形成されない。
A third insulating
また、エミッタ電極52は、第3の絶縁膜51が形成された第3のトレンチ31の内部を埋めるように、ドリフト層11の上面上に形成されている。
The
このように構成した半導体装置50は、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様にダイオードあるいはIGBTとして動作する。
The
以上に説明した第4の実施形態に係る半導体装置50であっても、中央部の構成は第1の実施形態に係る半導体装置10と同様の構成であるため、第1の実施形態に係る半導体装置10と同様に、ゲート閾値電圧を所望の値に保ったままスイッチング速度が速い半導体装置であり、かつIGBTのターンオフ時において、ラッチアップしにくく、ラッチアップ耐量が高い半導体装置を提供することができる。
Even in the
また、第4の実施形態に係る半導体装置50であっても、ガードリング層16に第3のトレンチ31が形成されており、このトレンチ31内を埋めるようにエミッタ電極52が形成されているため、第2の実施形態に係る半導体装置30と同様に、よりスイッチング速度が速い半導体装置を提供することができる。
Even in the
さらに、第4の実施形態に係る半導体装置50によれば、第3のトレンチ31の内側面に第3の絶縁膜51が形成されているため、エミッタ電極52が、正孔を、第3のトレンチ31の側面からガードリング層16に供給することを抑制することができる。従って、第4の実施形態に係る半導体装置50は、第2の実施形態に係る半導体装置30と比較して、エミッタ電極52から、エミッタ電極52と、ガードリング層16およびドリフト層11の接合面S´と、の間のガードリング層16に、効率良く正孔を供給することができる。従って、よりスイッチング速度が速い半導体装置を提供することができる。
Furthermore, according to the
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
例えば、第4の実施形態に係る半導体装置50に形成した第3のトレンチ31、および第3の絶縁膜51を、第3の実施形態に係る半導体装置40に対して適用してもよい。この場合、第3の実施形態に係る半導体装置40よりさらにスイッチング速度が速い半導体装置を提供することができる。
For example, the
10、30、40、50・・・半導体装置
11・・・半導体基板(ドリフト層)
12・・・第1のトレンチ
13、31・・・第2のトレンチ
14・・・ゲート電極
15、32、42、52・・・エミッタ電極
16・・・ガードリング層
17・・・ベース層
18・・・ゲート絶縁膜(第1の絶縁膜)
19・・・エミッタ層
20・・・絶縁膜
21・・・n+高濃度不純物層(バッファ層)
22・・・p+高濃度不純物層(コレクタ層)
23・・・コレクタ電極
31・・・第3のトレンチ
41・・・第2の絶縁膜
51・・・第3の絶縁膜
10, 30, 40, 50 ...
12 ...
19 ...
22 ... p + high concentration impurity layer (collector layer)
23 ...
Claims (7)
前記第1の半導体層の上面に形成された第2の導電型の第2の半導体層と、
互いに平行かつ離間するように配置され、前記第2の半導体層を貫通するように形成された複数の第1のトレンチと、
前記複数の第1のトレンチの内部のそれぞれに、第1の絶縁膜を介して形成された第1の電極と、
複数の前記第1の電極のそれぞれに、前記第1の絶縁膜を介して接するように配置され、前記第2の半導体層の上面に形成された複数の第1導電型の第3の半導体層と、
前記複数の第1のトレンチの間にそれぞれ配置され、前記第2の半導体層を貫通しないように形成された第2のトレンチと、
複数の前記第2のトレンチの内部を含む前記第2の半導体層の上面上に、前記第1の電極と絶縁されるように形成された第2の電極と、
前記第1の半導体層の下面に形成された第1導電型の第4の不純物層と、
前記第4の不純物層の下面に選択的に形成された、複数の第2の導電型の第5の不純物層と、
前記複数の第5の不純物層を含む前記第4の不純物層の下面上に形成された第3の電極と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer comprising a semiconductor substrate of a first conductivity type;
A second semiconductor layer of a second conductivity type formed on the top surface of the first semiconductor layer;
A plurality of first trenches disposed so as to be parallel and spaced apart from each other and formed so as to penetrate the second semiconductor layer;
A first electrode formed in each of the plurality of first trenches via a first insulating film;
A plurality of first conductivity type third semiconductor layers disposed on and in contact with each of the plurality of first electrodes via the first insulating film and formed on the top surface of the second semiconductor layer When,
A second trench disposed between each of the plurality of first trenches and formed so as not to penetrate the second semiconductor layer;
A second electrode formed on an upper surface of the second semiconductor layer including the inside of the plurality of second trenches so as to be insulated from the first electrode;
A fourth impurity layer of the first conductivity type formed on the lower surface of the first semiconductor layer;
A plurality of second conductivity type fifth impurity layers selectively formed on a lower surface of the fourth impurity layer;
A third electrode formed on a lower surface of the fourth impurity layer including the plurality of fifth impurity layers;
A semiconductor device comprising:
前記第6の半導体層を貫通しないように形成された第3のトレンチと、
をさらに具備し、
前記第2の電極は、前記第3のトレンチの内部を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 A sixth semiconductor layer of a second conductivity type formed on an upper surface of the first semiconductor layer so as to surround the plurality of first trenches and the plurality of second trenches;
A third trench formed so as not to penetrate the sixth semiconductor layer;
Further comprising
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second electrode is formed so as to fill the inside of the third trench.
前記第2の電極は、前記第2の絶縁膜を介して前記第2のトレンチの内部を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 A second insulating film formed on the inner surface of the second trench;
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second electrode is formed so as to fill the inside of the second trench through the second insulating film.
前記第2の電極は、前記第3の絶縁膜を介して前記第3のトレンチの内部を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。 A third insulating film formed on the inner surface of the third trench;
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the second electrode is formed so as to fill the inside of the third trench through the third insulating film. 5.
前記複数の第2のトレンチは、前記第2の半導体層の上面において複数の帯状パターンとなるように配置されるとともに、これらの帯状パターンのそれぞれが前記第1のトレンチの帯状パターンの間に配置されたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置。 The plurality of first trenches are arranged to form a plurality of strip-like patterns that are parallel and spaced apart from each other on the upper surface of the second semiconductor layer,
The plurality of second trenches are arranged to form a plurality of strip patterns on the upper surface of the second semiconductor layer, and each of the strip patterns is disposed between the strip patterns of the first trench. 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is formed.
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DE102015204636B4 (en) | 2014-03-19 | 2018-11-22 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device and method for its production |
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