JP2013251395A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチゲート型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、単にIGBTという)が形成された半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device in which a trench gate type insulated gate bipolar transistor (hereinafter simply referred to as IGBT) is formed.
従来より、電力変換用半導体装置の1つとして、産業用モータ等の電子機器に使用されるIGBTが形成された半導体装置が知られており、一般的なIGBTが形成された半導体装置は次のように構成されている。 Conventionally, as one of power conversion semiconductor devices, a semiconductor device in which an IGBT used in an electronic device such as an industrial motor is formed is known. A semiconductor device in which a general IGBT is formed is as follows. It is configured as follows.
すなわち、P+型のコレクタ層上にN−型のドリフト層が形成されており、ドリフト層の表層部にP型のベース層が形成され、ベース層の表層部にN+型のエミッタ層が形成されている。また、ベース層およびエミッタ層を貫通してドリフト層に達する複数のトレンチがストライプ状に延設されている。そして、各トレンチの壁面にはゲート絶縁膜とゲート電極とが順に形成されている。 That is, an N − type drift layer is formed on the P + type collector layer, a P type base layer is formed on the surface layer portion of the drift layer, and an N + type emitter layer is formed on the surface layer portion of the base layer. Is formed. In addition, a plurality of trenches that penetrate the base layer and the emitter layer and reach the drift layer are extended in a stripe shape. A gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on the wall surface of each trench.
また、ベース層およびエミッタ層上には、層間絶縁膜を介してエミッタ電極が備えられており、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して、ベース層およびエミッタ層とエミッタ電極とが電気的に接続されている。さらに、コレクタ層の裏面には、当該コレクタ層と電気的に接続されるコレクタ電極が備えられている。 Further, an emitter electrode is provided on the base layer and the emitter layer via an interlayer insulating film, and the base layer, the emitter layer, and the emitter electrode are electrically connected via a contact hole formed in the interlayer insulating film. It is connected to the. Further, a collector electrode electrically connected to the collector layer is provided on the back surface of the collector layer.
このような半導体装置では、ゲート電極に対して所定のゲート電圧が印加されると、ベース層のうちトレンチに配置されたゲート絶縁膜と接する部分に反転層が形成されると共に、ドリフト層のうちトレンチに配置されたゲート絶縁膜と接する部分に電子の蓄積層が形成される。そして、エミッタ層から反転層および蓄積層を介して電子がドリフト層内に流れ込むと共に、コレクタ層から正孔がドリフト層に流れ込み、伝導度変調によってドリフト層の抵抗値が低下してオン状態となる。 In such a semiconductor device, when a predetermined gate voltage is applied to the gate electrode, an inversion layer is formed in a portion of the base layer in contact with the gate insulating film disposed in the trench, and the drift layer An electron accumulation layer is formed in a portion in contact with the gate insulating film disposed in the trench. Then, electrons flow from the emitter layer into the drift layer through the inversion layer and the accumulation layer, and holes flow from the collector layer to the drift layer, and the resistance value of the drift layer is lowered by the conductivity modulation and turned on. .
このようなIGBTが形成された半導体装置では、MOSFETが形成された半導体装置より低いオン電圧を実現することができる。しかしながら、近年では、さらにオン電圧を低減させることが望まれている。 A semiconductor device in which such an IGBT is formed can achieve a lower on-voltage than a semiconductor device in which a MOSFET is formed. However, in recent years, it has been desired to further reduce the on-voltage.
このため、例えば、特許文献1には、隣接するゲート電極の幅を0.55nm〜0.3μmと極めて狭くすることが開示されている。
For this reason, for example,
しかしながら、上記特許文献1の半導体装置では、導通時にドリフト層に多量の正孔が蓄積されるため、ターンオフ時のスイッチング速度が遅くなるという問題がある。
However, the semiconductor device disclosed in
なお、上記問題は、Nチャネル型のIGBTが形成された半導体装置だけでなく、Pチャネル型のIGBTが形成された半導体装置においても同様に発生する。 The above problem occurs not only in a semiconductor device in which an N-channel IGBT is formed but also in a semiconductor device in which a P-channel IGBT is formed.
本発明は上記点に鑑みて、ターンオフ時のスイッチング速度を速くす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 present invention is to provide a semiconductor device capable of increasing the switching speed at turn-off in view of the above points.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、第1導電型のドリフト層(3)と、ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のベース層(4)と、ドリフト層のうちベース層と離間した位置に形成された第2導電型のコレクタ層(1)と、ベース層を貫通してドリフト層に達し、所定方向に延設された複数のトレンチ(5)と、トレンチの壁面にそれぞれ形成されたゲート絶縁膜(6)と、ゲート絶縁膜上にそれぞれ形成されたゲート電極(7)と、ベース層の表層部であって、トレンチの側部に形成された第1導電型のエミッタ層(9)と、エミッタ層と電気的に接続されるエミッタ電極(12)と、コレクタ層と電気的に接続されるコレクタ電極(13)と、を備える半導体装置において、以下の点を特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the drift layer (3) of the first conductivity type, the base layer (4) of the second conductivity type formed in the surface layer portion of the drift layer, and the drift A second conductivity type collector layer (1) formed at a position separated from the base layer, and a plurality of trenches (5) extending through the base layer to reach the drift layer and extending in a predetermined direction; The gate insulating film (6) formed on the wall surface of the trench, the gate electrode (7) respectively formed on the gate insulating film, and the surface layer portion of the base layer, formed on the side portion of the trench In a semiconductor device comprising a first conductivity type emitter layer (9), an emitter electrode (12) electrically connected to the emitter layer, and a collector electrode (13) electrically connected to the collector layer, It has the following features.
すなわち、トレンチ内には、ゲート電極を、トレンチの開口部側に位置する第1ゲート電極(7a)とトレンチの底部側に位置する第2ゲート電極(7b)とにトレンチの深さ方向に分割する分離絶縁膜(8)が配置され、第1、第2ゲート電極が互いに独立した制御が可能とされている。そして、導通している際には、第1ゲート電極にベース層のうち第1ゲート電極下のゲート絶縁膜と接する部分に反転層(14)が形成される電圧が印加されると共に、第2ゲート電極にドリフト層のうち第2ゲート電極下のゲート絶縁膜と接する部分に蓄積層(15)が形成される電圧が印加され、ターンオフされる際には、第2ゲート電極に蓄積層が消滅する電圧が印加された後、所定期間経過後に第1ゲート電極に反転層が消滅する電圧が印加されることを特徴としている。 That is, in the trench, the gate electrode is divided in the depth direction of the trench into a first gate electrode (7a) located on the opening side of the trench and a second gate electrode (7b) located on the bottom side of the trench. An isolation insulating film (8) is arranged, and the first and second gate electrodes can be controlled independently of each other. When conducting, a voltage is applied to the first gate electrode to form an inversion layer (14) in a portion of the base layer in contact with the gate insulating film below the first gate electrode, and the second layer When the gate electrode is applied with a voltage for forming the storage layer (15) in a portion of the drift layer in contact with the gate insulating film under the second gate electrode, the storage layer disappears in the second gate electrode when turned off. The voltage at which the inversion layer disappears is applied to the first gate electrode after a predetermined period has elapsed after the voltage to be applied is applied.
これによれば、第2ゲート電極に蓄積層が消滅する電圧が印加された後に、半導体装置をターンオフするために第1ゲート電極に反転層が消滅する電圧が印加される。すなわち、半導体装置が導通しているときにドリフト層に蓄積されているキャリア(正孔または電子)の一部が予め引き抜かれ、その後半導体装置がターンオフされる。このため、半導体装置がターンオフされた際、つまり第1ゲート電極に反転層が消滅する電圧が印加された際、ドリフト層に蓄積されているキャリア(正孔または電子)の引き抜き期間を短くすることができ、スイッチング速度を速くすることができる。言い換えると、スイッチング損失を低減することができる。 According to this, after a voltage at which the storage layer disappears is applied to the second gate electrode, a voltage at which the inversion layer disappears is applied to the first gate electrode in order to turn off the semiconductor device. That is, a part of carriers (holes or electrons) accumulated in the drift layer is extracted in advance when the semiconductor device is conducting, and then the semiconductor device is turned off. Therefore, when the semiconductor device is turned off, that is, when a voltage at which the inversion layer disappears is applied to the first gate electrode, the extraction period of carriers (holes or electrons) accumulated in the drift layer is shortened. The switching speed can be increased. In other words, switching loss can be reduced.
また、請求項2に記載の発明のように、複数のトレンチに配置されたそれぞれの分離絶縁膜の少なくとも一部は、ベース層とドリフト層との境界よりもドリフト層側に位置するものとすることができる。
Further, as in the invention described in
これによれば、第1ゲート電極のうち第2ゲート電極側の先端部は、トレンチの側壁に配置されたゲート絶縁膜を介してドリフト層と対向している。このため、第2ゲート電極に蓄積層が消滅する電圧が印加されてから第1ゲート電極に反転層が消滅する電圧が印加されるまでの期間においても、ベース層にはエミッタ層からドリフト層に達する反転層が形成された状態となる。このため、この期間においてもエミッタ層からキャリア(正孔または電子)がドリフト層に流れ込み易くなり、オン電圧が上昇することを抑制することができる。 According to this, the front-end | tip part by the side of the 2nd gate electrode among 1st gate electrodes is facing the drift layer through the gate insulating film arrange | positioned at the side wall of a trench. For this reason, even in the period from when the voltage at which the storage layer disappears is applied to the second gate electrode to when the voltage at which the inversion layer disappears is applied to the first gate electrode, the base layer changes from the emitter layer to the drift layer. A reaching inversion layer is formed. For this reason, even during this period, carriers (holes or electrons) easily flow from the emitter layer into the drift layer, and an increase in on-voltage can be suppressed.
この場合、請求項3に記載の発明のように、複数のトレンチに配置されたそれぞれの分離絶縁膜の残部は、ベース層とドリフト層との境界よりもベース層側であって、かつベース層の不純物濃度が最大となる部分よりもドリフト層側に位置するものとすることができる。 In this case, as in the third aspect of the invention, the remaining portions of the isolation insulating films disposed in the plurality of trenches are on the base layer side with respect to the boundary between the base layer and the drift layer, and the base layer It can be located on the drift layer side with respect to the portion where the impurity concentration is maximum.
また、請求項4に記載の発明のように、複数のトレンチに配置されたそれぞれの分離絶縁膜の少なくとも一部は、ベース層とドリフト層との境界よりもベース層側であって、かつベース層の不純物濃度が最大となる部分よりもドリフト層側に位置するものとすることができる。 According to a fourth aspect of the present invention, at least a part of each of the isolation insulating films arranged in the plurality of trenches is closer to the base layer than the boundary between the base layer and the drift layer, and the base It can be located closer to the drift layer than the portion where the impurity concentration of the layer is maximum.
これら請求項3および4に記載の発明によれば、第1ゲート電極のうち第2ゲート電極側の先端部は、トレンチの側壁に配置されたゲート絶縁膜を介してベース層と対向している。このため、第2ゲート電極に蓄積層が消滅する電圧が印加されてから第1ゲート電極に反転層が消滅する電圧が印加されるまでの期間において、ベース層にはエミッタ層からドリフト層に達しない反転層が形成された状態となる。このため、ドリフト層に蓄積されているキャリア(正孔または電子)がベース層に流れ込み易くなり、この期間にキャリア(正孔または電子)を多量に引き抜くことができる。このため、さらにスイッチング速度を速くすることができる。 According to the third and fourth aspects of the present invention, the tip of the first gate electrode on the second gate electrode side faces the base layer via the gate insulating film disposed on the sidewall of the trench. . Therefore, the base layer reaches the drift layer from the emitter layer during the period from when the voltage at which the accumulation layer disappears is applied to the second gate electrode to when the voltage at which the inversion layer disappears is applied to the first gate electrode. An inversion layer that is not formed is formed. For this reason, carriers (holes or electrons) accumulated in the drift layer easily flow into the base layer, and a large amount of carriers (holes or electrons) can be extracted during this period. For this reason, the switching speed can be further increased.
また、請求項5に記載の発明のように、第2ゲート電極に蓄積層が消滅する電圧が印加される際には、ドリフト層のうち第2ゲート電極下のゲート絶縁膜と接する部分に反転層(16)が形成される電圧が印加されるものとすることができる。 When the voltage at which the storage layer disappears is applied to the second gate electrode as in the fifth aspect of the invention, the drift layer is inverted to a portion in contact with the gate insulating film below the second gate electrode. The voltage at which the layer (16) is formed can be applied.
これによれば、蓄積層によってドリフト層に蓄積されているキャリア(正孔または電子)がベース層に流れ込み易くなり、キャリア(正孔または電子)を多量に引き抜くことができる。このため、さらにスイッチング速度を速くすることができる。 According to this, carriers (holes or electrons) accumulated in the drift layer by the accumulation layer can easily flow into the base layer, and a large amount of carriers (holes or electrons) can be extracted. For this reason, the switching speed can be further increased.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1に示されるように、P+型のコレクタ層1の上には、N型のフィールドストップ層(以下、FS層という)2が形成されており、FS層2の上にはN−型のドリフト層3が形成されている。FS層2は、必ずしも必要なものではないが、空乏層の広がりを防ぐことで耐圧と定常損失の性能向上を図るために備えられている。また、ドリフト層3の表層部にはP型のベース層4が形成されている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, on the
そして、ベース層4を貫通してドリフト層3に達する複数のトレンチ5が形成されている。これら複数のトレンチ5は、本実施形態では、所定の間隔(ピッチ)で形成されており、所定方向(図1では紙面垂直方向)において平行に延設されたストライプ構造とされている。なお、ここでは複数のトレンチ5がストライプ構造とされているものについて説明するが、トレンチ5は平行に延設された後、その先端部において引き回されることで環状構造とされたものであってもよい。
A plurality of
各トレンチ5内には、各トレンチ5の内壁表面を覆うように形成された熱酸化膜等からなるゲート絶縁膜6と、ポリシリコン等からなるゲート電極7とが順に配置されており、さらに、ゲート電極7をトレンチ5の深さ方向に分割する分離絶縁膜8が配置されている。すなわち、ゲート電極7は、トレンチ5の開口部側に配置された第1ゲート電極7aおよびトレンチ5の底部側に配置された第2ゲート電極7bに分離絶縁膜8によって分離されている。
In each
そして、第1ゲート電極7aは、図1とは別断面においてベース層4上に引き出され、図示しないゲート配線を介して第1ゲートパッドと電気的に接続されている。また、第2ゲート電極7bも同様に、図1とは別断面においてベース層4上に引き出され、図示しないゲート配線を介して第2ゲートパッドと電気的に接続されている。つまり、第1、第2ゲート電極7a、7bは、それぞれ独立して制御されるようになっている。
The
また、分離絶縁膜8は、トレンチ5のうち、ドリフト層3とベース層4との境界よりもドリフト層3側に配置されている。つまり、第1ゲート電極7aのうち第2ゲート電極7b側の先端部はトレンチ5の側壁に配置されたゲート絶縁膜6を介してドリフト層3と対向している。
In addition, the
ベース層4の表層部には、トレンチ5の側面に接するようにN+型のエミッタ層9が形成されていると共に、トレンチ5の側面から離間した位置にP+型のボディ層10が形成されている。具体的には、エミッタ層9は、トレンチ5の長手方向に沿ってトレンチ5の側面に接するように棒状に延設され、トレンチ5の先端よりも内側で終端する構造とされている。また、ボディ層10は、2つのエミッタ層9に挟まれてトレンチ5の長手方向(つまりエミッタ層9)に沿って棒状に延設されており、トレンチ5の先端よりも内側で終端する構造とされている。これらエミッタ層9とボディ層10は、十分にベース層4よりも高濃度とされており、ベース層4内で終端する構造とされている。
An N +
そして、ベース層4の上にはBPSG等で構成される層間絶縁膜11が形成されている。この層間絶縁膜11にはコンタクトホール11aが形成されており、エミッタ層9の一部およびボディ層10が層間絶縁膜11から露出している。そして、層間絶縁膜11の上にはエミッタ電極12が形成されており、このエミッタ電極12はコンタクトホール11aを介してエミッタ層9およびボディ層10に電気的に接続されている。
An interlayer insulating
また、コレクタ層1の裏面側には、当該コレクタ層1と電気的に接続されるコレクタ電極13が形成されている。
A
以上が本実施形態における半導体装置の構成である。なお、本実施形態では、N型、N−型、N+型が本発明の第1導電型に相当し、P型、P+型が本発明の第2導電型に相当している。 The above is the configuration of the semiconductor device in this embodiment. In the present embodiment, the N type, N − type, and N + type correspond to the first conductivity type of the present invention, and the P type and P + type correspond to the second conductivity type of the present invention.
次に半導体装置の作動について図2および図3を参照しつつ説明する。なお、図2ではエミッタ層9、ボディ層10、層間絶縁膜11を省略して示してある。また、図2および図3中の電圧Vthとは、ベース層4のうち第1ゲート電極7a下のゲート絶縁膜6と接する部分に反転層14を形成するための閾値電圧のことである。
Next, the operation of the semiconductor device will be described with reference to FIGS. In FIG. 2, the
まず、半導体装置が導通(ターンオン)している状態について説明する。図2(a)に示されるように、第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより高い電圧が印加されるとベース層4のうち第1ゲート電極7a下のゲート絶縁膜6と接する部分にN型の反転層14が形成され、第2ゲート電極7bに正電圧が印加されるとドリフト層3のうち第1、第2ゲート電極7a、7b下のゲート絶縁膜6と接する部分に蓄積層15が形成される。
First, a state where the semiconductor device is conductive (turned on) will be described. As shown in FIG. 2A, when a voltage higher than the threshold voltage Vth is applied to the
そして、エミッタ層9から反転層14および蓄積層15を介して電子がドリフト層3内に流れ込むと共に、コレクタ層1から正孔がドリフト層3に流れ込み、伝導度変調によりドリフト層3の抵抗値が低下してオン状態となる。
Electrons flow from the
このとき、第2ゲート電極7bに正電圧が印加されて蓄積層15が形成されているため、ドリフト層3に蓄積されている正孔がベース層4に抜けるための流通経路が隣り合う蓄積層15の間の領域となって狭くなっている。このため、オン電圧の低減を図ることができる。
At this time, since a positive voltage is applied to the
なお、本実施形態では、第2ゲート電極7bに正電圧が印加されることが本発明の第2ゲート電極に蓄積層が形成される電圧が印加されることに相当している。また、第1、第2ゲート電極7a、7bは、上記のように互いに独立した制御が可能であるが、半導体装置が導通している際は第1、第2ゲート電極7a、7bに同じ電圧を印加するようにしてもよい。つまり、第2ゲート電極7bに第1ゲート電極7aと同じ電圧を印加するようにしてもよく、この場合は従来の半導体装置と同様のオン電圧を得ることができる。
In the present embodiment, applying a positive voltage to the
次に、半導体装置がターンオフされる際の状態について説明する。図3に示されるように、半導体装置がターンオフされる際には、時点T1にて第2ゲート電極7bに0Vが印加された後、時点T2にて第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより低い電圧が印加されてターンオフされる。
Next, a state when the semiconductor device is turned off will be described. As shown in FIG. 3, when the semiconductor device is turned off, 0 V is applied to the
つまり、時点T1から時点T2の期間は、第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより高い電圧が印加され、第2ゲート電極7bに0Vの電圧が印加される期間である。このとき、図2(b)に示されるように、第2ゲート電極7b下のゲート絶縁膜6と接する部分に形成された蓄積層15が消滅し、ドリフト層3における正孔の流通経路が広がる。このため、時点T1以前と比較して、ドリフト層3に蓄積されている正孔がベース層4に流れ込み易くなる。すなわち、時点T1から時点T2の期間は、ドリフト層3のキャリア濃度を低減する期間となる。なお、この期間は、オン電圧が若干上昇するものの半導体装置としては導通している期間である。
That is, the period from time T1 to time T2 is a period in which a voltage higher than the threshold voltage Vth is applied to the
そして、図3に示されるように、時点T2にて半導体装置をターンオフするために第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより低い電圧が印加されると、コレクタ−エミッタ間の電圧Vceの上昇に伴ってコレクタ電流Icが減少し、半導体装置がターンオフされる。このとき、時点T1から時点T2の期間において、ドリフト層3に蓄積されている正孔の一部が予め引き抜かれているため、ターンオフされた際のスイッチング速度を速くすることができる。
As shown in FIG. 3, when a voltage lower than the threshold voltage Vth is applied to the
また、時点T1にて第2ゲート電極7bに印加される電圧としては、図2(c)に示されるように、負電圧が印加されるようにしてもよい。第2ゲート電極7bに負電圧を印加した場合には、ドリフト層3のうち第2ゲート電極7b下のゲート絶縁膜6と接する部分に形成されていた蓄積層15が消滅した後、この蓄積層15が形成されていた領域にP型の反転層16が形成される。つまり、時点T1から時点T2の期間において、ドリフト層3に蓄積されている正孔がトレンチ5近傍に引き寄せられると共にベース層4内に流れ込み易くなる。このため、半導体装置を導通しつつ、さらにドリフト層3に蓄積されている正孔を予め引き抜くことができる。したがって、ターンオフされた際のスイッチング速度をさらに速くすることができる。
Further, as the voltage applied to the
なお、図3および図4に示されるように、半導体装置としては、第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより高い電圧が印加されている期間(時点T2までの期間)は導通している期間となり、時点T2からターンオフが開始される。すなわち、本実施形態の半導体装置では、第1ゲート電極7aはスイッチング(ターンオンまたはターンオフ)を制御する機能を発揮し、第2ゲート電極7bは、スイッチング(ターンオンまたはターンオフ)を制御するものではなく、ドリフト層3のキャリア濃度を制御するためのいわゆるコントロールゲート電極としての機能を発揮する。
As shown in FIGS. 3 and 4, in the semiconductor device, a period during which a voltage higher than the threshold voltage Vth is applied to the
また、図3中の時点T1と時点T2との期間は、長くするほどドリフト層3中の正孔が引き抜かれるため、ターンオフ時のスイッチング速度を速くすることができる。しかしながら、時点T1と時点T2との期間を長くするほどドリフト層3から多量の正孔が引き抜かれるためにオン電圧が高くなってしまう。このため、時点T1と時点T2との期間を一概に決定することはできないが、例えば、1〜10μsとすることにより、オン電圧が高くなりすぎることを抑制しつつ、スイッチング速度を速くすることができる。
Further, since the holes in the
以上説明したように、本実施形態の半導体装置では、ゲート電極7は、トレンチ5の開口部側に位置する第1ゲート電極7aと、トレンチ5の底部側に位置する第2ゲート電極7bとに分離絶縁膜8にて分離され、第1、第2ゲート電極7a、7bが独立して制御されるようになっている。
As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the
そして、第2ゲート電極7bに0Vまたは負電圧が印加された後に、半導体装置をターンオフするために第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより低い電圧が印加される。すなわち、半導体装置が導通しているときにドリフト層3に蓄積されている正孔の一部が予め引き抜かれ、その後半導体装置がターンオフされる。このため、半導体装置がターンオフされた際、つまり第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより低い電圧が印加された際、ドリフト層3に蓄積されている正孔の引き抜き期間を短くすることができ、スイッチング速度を速くすることができる。言い換えると、スイッチング損失を低減することができる。
Then, after 0V or a negative voltage is applied to the
なお、上記半導体装置は、トレンチゲート型IGBTであれば効果を奏するが、特に、導通しているときにドリフト層3に正孔が多量に蓄積されるものに適用されると好ましい。すなわち、オン電圧の低減を図るために各トレンチ5の間が極小とされたいわゆる狭メサ型のトレンチゲート型IGBTに適用されると好ましい。
The semiconductor device is effective if it is a trench gate type IGBT, but is particularly preferably applied to a device in which a large amount of holes are accumulated in the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、分離絶縁膜8の配置場所を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the arrangement location of the
図5に示されるように、本実施形態では、分離絶縁膜8は、ドリフト層3とベース層4との境界よりもベース層4側に位置している。言い換えると、第1ゲート電極7aのうち第2ゲート電極7b側の先端部はゲート絶縁膜6を介してベース層4と対向している。そそして、第1ゲート電極7aのうち第2ゲート電極7b側の先端部は、ベース層4のうち不純物濃度が最大となる領域よりドリフト層3側まで形成されている。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, the
すなわち、上記のように第1ゲート電極7aは半導体装置のスイッチングを制御するものであり、MOSゲートの閾値電圧Vthはベース層4の不純物濃度の最大値に依存する。そして、第1ゲート電極7aに閾値電圧Vthより高い電圧が印加された際、第1ゲート電極7aのうち第2ゲート電極7b側の先端部がベース層4のうち不純物濃度が最大となる領域よりドリフト層3側まで形成されていればコレクタ−エミッタ間に電流が流れる。このため、第1ゲート電極7aは、ベース層4のうち不純物濃度が最大となる領域よりドリフト層3側まで形成され、かつベース層4内で終端している。
That is, as described above, the
このような半導体装置では、図3中の時点T1にて第2ゲート電極7bに0Vが印加されると、図6に示されるように、ベース層4のうち第2ゲート電極7b下のゲート絶縁膜6と接する部分の反転層14も消滅する。つまり、時点T1から時点T2の期間では、半導体装置が導通しているものの、エミッタ層9からドリフト層3に達しない反転層14が形成された状態となり、ドリフト層3に蓄積されている正孔の一部がベース層4内に流れ込み易くなる。このため、時点T1から時点T2の期間において、さらに正孔を引き抜くことができ、ターンオフされた際のスイッチング速度をさらに速くすることができる。
In such a semiconductor device, when 0 V is applied to the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態を組み合わせたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is a combination of the first and second embodiments, and the other aspects are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here.
図7に示されるように、本実施形態では、ベース層4は、深さが一定とされておらず、隣り合うトレンチ5の一方のトレンチ5近傍では深くされ、他方のトレンチ5近傍では浅くされている。そして、隣り合うトレンチ5に配置されるゲート電極7において、一方のトレンチ5に配置される第1ゲート電極7aは、第2ゲート電極7b側の先端部がトレンチ5の側壁に配置されたゲート絶縁膜6を介してドリフト層3と対向し、他方のトレンチ5に配置される第1ゲート電極7aは、第2ゲート電極7b側の先端部がトレンチ5の側壁に配置されたゲート絶縁膜6を介してベース層4と対向している。
As shown in FIG. 7, in this embodiment, the
このような半導体装置では、図3中の時点T1にて第2ゲート電極7bに0Vが印加されると、一方のトレンチ5の側部にはエミッタ層9からドリフト層3に達する反転層14が形成され(図2(b)参照)、他方のトレンチ5の側部にはエミッタ層9からドリフト層3に達しない反転層14が形成された状態となる(図6参照)。つまり、時点T1から時点T2の期間では、一方のトレンチ5の側部では電子がドリフト層3に流れ込み易く、他方のトレンチ5の側部では正孔がベース層4に流れ込み易くなる。このため、オン電圧の低減を図りつつ、スイッチング速度を向上させることができる。
In such a semiconductor device, when 0 V is applied to the
なお、このような半導体装置は、例えば、ドリフト層3に不純物をイオン注入等してベース層4を形成する際、加速電圧やマスクを部分的に変更したりしてベース層4の深さを部分的に異ならせることにより製造される。
In such a semiconductor device, for example, when the
(他の実施形態)
上記各実施形態では、第1導電型をN型とし、第2導電型をP型とした例について説明したが、第1導電型をP型とし、第2導電型をN型とすることもできる。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the first conductivity type is N type and the second conductivity type is P type. However, the first conductivity type may be P type and the second conductivity type may be N type. it can.
上記第3実施形態において、例えば、図8に示されるように、隣り合うトレンチ5を組としたとき、ベース層4は、隣り合う組の一方の組のトレンチ5近傍では深くされ、他方の組のトレンチ5近傍では浅くされていてもよい。つまり、隣り合う組の一方の組のトレンチ5に配置される第1ゲート電極7aは、第2ゲート電極7b側の先端部がトレンチ5の側壁に配置されたゲート絶縁膜6を介してドリフト層3と対向し、他方の組のトレンチ5に配置される第1ゲート電極7aは、第2ゲート電極7b側の先端部がトレンチ5の側壁に配置されたゲート絶縁膜6を介してベース層4と対向するようにしてもよい。
In the third embodiment, for example, as shown in FIG. 8, when
また、図9に示されるように、ベース層4は、トレンチ5の延設方向と垂直方向において、一方側(図8中紙面左側)に形成されたトレンチ5近傍では深くされ、他方側(図8中紙面右側)に形成されたトレンチ5近傍では浅くされていてもよい。つまり、一方側に形成されたトレンチ5に配置される第1ゲート電極7aは、第2ゲート電極7b側の先端部がトレンチ5の側壁に配置されたゲート絶縁膜6を介してドリフト層3と対向し、他方側に形成されたトレンチ5に配置される第1ゲート電極7aは、第2ゲート電極7b側の先端部がトレンチ5の側壁に配置されたゲート絶縁膜6を介してベース層4と対向するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 9, the
さらに、上記各実施形態において、図10に示されるように、コレクタ層1に隣接するN+型のカソード層17を備え、コレクタ層1およびカソード層17上にドリフト層3が形成されてなる半導体装置としてもよい。つまり、コレクタ層1が形成された領域がIGBT領域とされ、カソード層17が形成された領域がダイオード領域とされたいわゆるRC(Reverse−Conducting)−IGBTが形成された半導体装置に本発明を適用することもできる。なお、この場合は、コレクタ層1とカソード層17とは格子状に形成されていてもよい。
Further, in each of the above embodiments, as shown in FIG. 10, a semiconductor including an N +
また、上記各実施形態では、ドリフト層3の厚さ方向に電流が流れる縦型の半導体装置について説明したが、ドリフト層3の表層部のうちベース層4と離間した位置にコレクタ層1を形成し、ドリフト層3の平面方向に電流が流れる横型の半導体装置とすることもできる。
In each of the above embodiments, the vertical semiconductor device in which current flows in the thickness direction of the
1 コレクタ層
2 FS層
3 ドリフト層
4 ベース層
5 トレンチ
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
7a 第1ゲート電極
7b 第2ゲート電極
8 分離絶縁膜
9 エミッタ層
10 ボディ層
11 層間絶縁膜
12 エミッタ電極
13 コレクタ電極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ドリフト層の表層部に形成された第2導電型のベース層(4)と、
前記ドリフト層のうち前記ベース層と離間した位置に形成された第2導電型のコレクタ層(1)と、
前記ベース層を貫通して前記ドリフト層に達し、所定方向に延設された複数のトレンチ(5)と、
前記トレンチの壁面にそれぞれ形成されたゲート絶縁膜(6)と、
前記ゲート絶縁膜上にそれぞれ形成されたゲート電極(7)と、
前記ベース層の表層部であって、前記トレンチの側部に形成された第1導電型のエミッタ層(9)と、
前記エミッタ層と電気的に接続されるエミッタ電極(12)と、
前記コレクタ層と電気的に接続されるコレクタ電極(13)と、を備え、
前記トレンチ内には、前記ゲート電極を、前記トレンチの開口部側に位置する第1ゲート電極(7a)と、前記トレンチの底部側に位置する第2ゲート電極(7b)とに前記トレンチの深さ方向に分割する分離絶縁膜(8)が配置され、前記第1、第2ゲート電極が互いに独立した制御が可能とされており、
導通している際には、前記第1ゲート電極に前記ベース層のうち前記第1ゲート電極下のゲート絶縁膜と接する部分に反転層(14)が形成される電圧が印加されると共に、前記第2ゲート電極に前記ドリフト層のうち前記第2ゲート電極下のゲート絶縁膜と接する部分に蓄積層(15)が形成される電圧が印加され、
ターンオフされる際には、前記第2ゲート電極に前記蓄積層が消滅する電圧が印加された後、所定期間経過後に前記第1ゲート電極に前記反転層が消滅する電圧が印加されることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type drift layer (3);
A second conductivity type base layer (4) formed on the surface layer of the drift layer;
A collector layer (1) of a second conductivity type formed at a position separated from the base layer in the drift layer;
A plurality of trenches (5) extending through the base layer and reaching the drift layer in a predetermined direction;
Gate insulating films (6) respectively formed on the wall surfaces of the trenches;
Gate electrodes (7) respectively formed on the gate insulating film;
A first conductive type emitter layer (9) formed on a surface of the base layer and on a side of the trench;
An emitter electrode (12) electrically connected to the emitter layer;
A collector electrode (13) electrically connected to the collector layer,
In the trench, the gate electrode is divided into a first gate electrode (7a) located on the opening side of the trench and a second gate electrode (7b) located on the bottom side of the trench. An isolation insulating film (8) divided in the vertical direction is disposed, and the first and second gate electrodes can be controlled independently of each other,
When conducting, a voltage is applied to the first gate electrode to form an inversion layer (14) in a portion of the base layer in contact with the gate insulating film below the first gate electrode, and A voltage is applied to the second gate electrode to form a storage layer (15) in a portion of the drift layer in contact with the gate insulating film under the second gate electrode,
When turning off, a voltage at which the storage layer disappears is applied to the second gate electrode, and then a voltage at which the inversion layer disappears is applied to the first gate electrode after a predetermined period. A semiconductor device.
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