JP2013251464A - Semiconductor device - Google Patents

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学 武井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which can reduce on-state voltage and reduce a time change rate di/dt of a collector current in an on-state.SOLUTION: A semiconductor device comprises: projected semiconductor regions 2 provided on a first principal surface of a semiconductor substrate which is to become an ntype drift layer 1; p type base layers 3 and ntype emitter layers 4 which are provided inside the projected semiconductor regions 2, in which the p type base layers 3 are sandwiched by the ntype emitter layers 4 and the ntype drift layer 1 at lateral faces of the projected semiconductor regions 2; a first gate electrode 7-1 is opposite to a part of the p type base layer 3, which is sandwiched by the ntype emitter layers 4 and the ntype drift layer 1 via a gate insulation film 6; a second gate electrode 7-2 which is provided at a distance from the first gate electrode 7-1 and which is opposite to the ntype drift layer 1 via the gate insulation film 6; and a gate (G) terminal to which the first gate electrode 7-1 is directly connected and the second gate electrode 7-2 is connected via an internal resistance R.

Description

この発明は、半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

従来、電力変換装置などに使用されるパワー半導体装置として、半導体基板の主面から突起した半導体領域(以下、突起状半導体領域とする)に1つのMOS(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造が形成された凸状の断面構造(以下、凸型セル構造とする)を有するIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が公知である。このような凸型セル構造を備えた半導体装置として、半導体基板における素子周辺部において、ガードリング部と連接部の境界部には段差が設けられ、素子部に対し周辺部は段差を境にしてウエハ基準面より一段低くなっている装置が提案されている(例えば、下記特許文献1参照。)。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a power semiconductor device used for a power conversion device or the like, one MOS (metal-oxide-semiconductor-insulated gate) is provided in a semiconductor region protruding from a main surface of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a protruding semiconductor region). An IGBT (insulated gate bipolar transistor) having a convex cross-sectional structure (hereinafter referred to as a convex cell structure) in which a structure is formed is known. As a semiconductor device having such a convex cell structure, a step is provided at the boundary between the guard ring portion and the connecting portion in the peripheral portion of the element in the semiconductor substrate, and the peripheral portion is separated from the element portion by the step. An apparatus that is one step lower than the wafer reference surface has been proposed (see, for example, Patent Document 1 below).

このような凸型セル構造のIGBTとして、1つの突起状半導体領域に1つのMOS構造のエミッタの層構造のみを設けた構造(以下、凸型エミッタ構造とする)を設けたIGBTが公知である。図13は、従来の半導体装置を示す断面図である。図13に示す従来の凸型エミッタ構造のIGBTでは、n-型ドリフト層1となる半導体基板の第1主面から突起した半導体領域(突起状半導体領域)2の内部に、p型ベース層3、n++型エミッタ層4およびp+型コンタクト層5のみが互いに接するように設けられている。 As such a convex cell structure IGBT, an IGBT having a structure in which only one MOS layer emitter layer structure is provided in one protruding semiconductor region (hereinafter referred to as a convex emitter structure) is known. . FIG. 13 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor device. In the IGBT having the conventional convex emitter structure shown in FIG. 13, the p-type base layer 3 is formed inside the semiconductor region (projected semiconductor region) 2 protruding from the first main surface of the semiconductor substrate to be the n -type drift layer 1. , N ++ type emitter layer 4 and p + type contact layer 5 are provided so as to be in contact with each other.

突起状半導体領域2の側面において、p型ベース層3は、n++型エミッタ層4とn-型ドリフト層1とに挟まれている。突起状半導体領域2の側面から当該側面に連続する半導体基板の第1主面にわたって、p型ベース層3の、n++型エミッタ層4とn-型ドリフト層1とに挟まれた部分を覆うようにデバイス表面の大部分に、ゲート絶縁膜106を介してゲート電極107が設けられている。エミッタ電極8は、n++型エミッタ層4およびp+型コンタクト層5に接し、かつ層間絶縁膜9によってゲート電極107と電気的に絶縁されている。半導体基板の第2主面(不図示)には、コレクタ層およびコレクタ電極が設けられている。 On the side surface of the protruding semiconductor region 2, the p-type base layer 3 is sandwiched between the n ++ -type emitter layer 4 and the n -type drift layer 1. A portion of the p-type base layer 3 sandwiched between the n ++ -type emitter layer 4 and the n -type drift layer 1 is formed from the side surface of the protruding semiconductor region 2 to the first main surface of the semiconductor substrate continuous to the side surface. A gate electrode 107 is provided on the most part of the device surface so as to cover the gate insulating film 106. Emitter electrode 8 is in contact with n ++ -type emitter layer 4 and p + -type contact layer 5 and is electrically insulated from gate electrode 107 by interlayer insulating film 9. A collector layer and a collector electrode are provided on a second main surface (not shown) of the semiconductor substrate.

凸型エミッタ構造とすることにより、エミッタ側の表面積に対するp型ベース層3の面積比率が小さくなるため、IE(Injection Enhancement:注入促進)効果が向上し、オン電圧が低減する。また、p型ベース層3の面積比率が小さくなるため、p型ベース層3の面積比率を低く維持したままセルピッチが縮小される。これにより、チップ内に組み込まれるセル数を増やすことができるため、1セルあたりで負担すべき電流値が減少する。また、セルピッチが縮小されることにより、n-型ドリフト層1の、ゲート電極107に対向する電子が蓄積される領域(以下、電子蓄積層とする)の幅が減少する。したがって、電子蓄積層内における電圧降下が減少し、電子蓄積層から電子が注入されやすくなる。 By adopting the convex emitter structure, since the area ratio of the p-type base layer 3 to the surface area on the emitter side is reduced, the IE (Injection Enhancement) effect is improved and the on-voltage is reduced. Further, since the area ratio of the p-type base layer 3 is reduced, the cell pitch is reduced while keeping the area ratio of the p-type base layer 3 low. Thereby, since the number of cells incorporated in the chip can be increased, the current value to be borne per cell is reduced. Further, by reducing the cell pitch, the width of the region (hereinafter referred to as an electron storage layer) in which the electrons facing the gate electrode 107 of the n type drift layer 1 are stored is reduced. Therefore, the voltage drop in the electron storage layer is reduced, and electrons are easily injected from the electron storage layer.

このような凸型エミッタ構造の半導体装置として、n型半導体基板の表面に、複数の並行トレンチと、該並行トレンチ間に前記トレンチより幅の狭い突起状半導体領域を有し、該突起状半導体領域に、p型ベース層と該p型ベース層の表面側のn++領域を備え、前記突起状半導体領域の側壁にはゲート絶縁膜を介してゲート電極を有する装置が提案されている(例えば、下記特許文献2参照。)。 As a semiconductor device having such a convex emitter structure, a surface of an n-type semiconductor substrate has a plurality of parallel trenches and a protruding semiconductor region narrower than the trench between the parallel trenches, and the protruding semiconductor region In addition, a device having a p-type base layer and an n ++ region on the surface side of the p-type base layer and having a gate electrode on the side wall of the protruding semiconductor region via a gate insulating film has been proposed (for example, , See Patent Document 2 below).

さらに、別の半導体装置として、半導体基板と、この半導体基板の主表面上に形成された高抵抗な第1導電型の半導体層と、前記半導体層の表層部に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表層部に、該ベース領域よりも接合深さが浅く形成された第1導電型のソース領域と、前記ソース領域および前記半導体層に挟まれた前記ベース領域の上に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を備えた装置が提案されている(例えば、下記特許文献3参照。)。   Further, as another semiconductor device, a semiconductor substrate, a high-resistance first-conductivity-type semiconductor layer formed on the main surface of the semiconductor substrate, and a second-conductivity-type semiconductor layer formed on the surface layer portion of the semiconductor layer A base region; a source region of a first conductivity type formed at a surface layer portion of the base region with a junction depth shallower than the base region; and an upper portion of the base region sandwiched between the source region and the semiconductor layer. In addition, a device including a gate electrode formed through a gate insulating film has been proposed (for example, see Patent Document 3 below).

特開2002−164541号公報JP 2002-164541 A 特開2010−141310号公報JP 2010-141310 A 特許3985358号公報Japanese Patent No. 3985358

しかしながら、上述した特許文献1〜3では、IE効果を向上させるためにデバイス表面の大部分がゲート電極107で覆われている。このため、オン時にn-型ドリフト層1へキャリアが注入され、n-型ドリフト層1の、ゲート電極107に対向する部分の電位が上昇したときに、n-型ドリフト層1内の空間電荷分布がゲート電極107による電界の影響を受けて変化する。そして、ゲート電極107の、n-型ドリフト層1に対向する部分に変位電流が流れ込む。この変位電流は放電電流としてゲート駆動回路(不図示)へと流れるため、ゲート端子からゲート電極107までの直流抵抗であるゲート抵抗(不図示)に電圧降下が生じ、ゲート電圧が上昇する。 However, in Patent Documents 1 to 3 described above, most of the device surface is covered with the gate electrode 107 in order to improve the IE effect. Therefore, n during on - the carrier to type drift layer 1 is implanted, n - -type drift layer 1, when the potential of the portion facing the gate electrode 107 is increased, n - type space charge in the drift layer 1 The distribution changes under the influence of the electric field generated by the gate electrode 107. Then, a displacement current flows into a portion of the gate electrode 107 facing the n type drift layer 1. Since this displacement current flows as a discharge current to a gate drive circuit (not shown), a voltage drop occurs in a gate resistance (not shown), which is a DC resistance from the gate terminal to the gate electrode 107, and the gate voltage rises.

ゲート電圧が上昇することによりコレクタ電流が急上昇するため、コレクタ電流の時間変化率di/dtが増大する。それによって、例えばIGBTをブリッジ接続して構成したインバータ回路(不図示)において、対向アームに逆並列に接続され負荷電流を還流させる還流ダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)の電流減少率が大きくなり、還流ダイオードの逆回復ピーク電流が増大する。これにより、逆回復ピーク電流の時間変化率di/dtが増大し、還流ダイオードにかかるサージ電圧が上昇する。このため、還流ダイオードの逆回復波形の振動によりノイズが増大したり、過電圧により還流ダイオードが破壊に至るという問題がある。   As the gate voltage rises, the collector current suddenly rises, so that the time change rate di / dt of the collector current increases. As a result, for example, in an inverter circuit (not shown) configured by bridging IGBTs, a current reduction rate of a free wheel diode (FWD) that is connected in reverse parallel to the opposite arm and returns a load current increases. The reverse recovery peak current of the freewheeling diode increases. As a result, the time change rate di / dt of the reverse recovery peak current increases, and the surge voltage applied to the freewheeling diode increases. For this reason, there is a problem that noise increases due to vibration of the reverse recovery waveform of the freewheeling diode, or the freewheeling diode is destroyed by overvoltage.

ゲート抵抗を大きくしてIGBTのターンオン動作を遅くすることにより、n-型ドリフト層1からゲート電極107を介してゲート駆動回路へと流れこむ変位電流を減少させることができる。しかしながら、変位電流が減少したとしても、ゲート抵抗が大きくなるため、変位電流によって生じるゲート抵抗の両端部間の電位差はあまり変化しない。したがって、ゲート抵抗を大きくしたとしても、ゲート抵抗に生じる電圧降下によるゲート電圧の上昇を防止することができず、コレクタ電流の時間変化率di/dtを減少させることはできない。 By increasing the gate resistance and slowing down the turn-on operation of the IGBT, the displacement current flowing from the n type drift layer 1 to the gate drive circuit via the gate electrode 107 can be reduced. However, even if the displacement current decreases, the gate resistance increases, so the potential difference between both ends of the gate resistance caused by the displacement current does not change much. Therefore, even if the gate resistance is increased, an increase in the gate voltage due to a voltage drop generated in the gate resistance cannot be prevented, and the time change rate di / dt of the collector current cannot be reduced.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、オン電圧を低減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。また、この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、オン時におけるコレクタ電流の時間変化率を低減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。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing an on-voltage in order to solve the above-described problems caused by the prior art. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the rate of time change of collector current at the time of on-state in order to eliminate the above-mentioned problems caused by the prior art.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の第1主面に設けられた突起状の第2導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の内部に前記半導体基板の第1主面から離れて設けられた第1導電型の第2半導体領域と、前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体基板とに挟まれた部分に絶縁膜を介して設けられ、制御信号が供給される第1制御電極と、前記第1制御電極から離れて、前記半導体基板の第1主面に絶縁膜を介して設けられた、前記第1制御電極と同電位の第2制御電極と、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接する第1主電極と、前記半導体基板の第2主面に設けられた第2導電型の第3半導体領域と、前記第3半導体領域に接する第2主電極と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, and a projecting second provided on a first main surface of the semiconductor substrate. A first semiconductor region of a conductive type, a second semiconductor region of a first conductive type provided in the first semiconductor region away from the first main surface of the semiconductor substrate, and the first semiconductor region, A first control electrode provided via a dielectric film in a portion sandwiched between the second semiconductor region and the semiconductor substrate, to which a control signal is supplied; and apart from the first control electrode, the first control electrode of the semiconductor substrate A second control electrode having the same potential as that of the first control electrode, a first main electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region, and a first main electrode in contact with the first semiconductor electrode; A third semiconductor region of the second conductivity type provided on the second main surface; A second main electrode in contact with the serial third semiconductor region, characterized in that it comprises a.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2制御電極は、抵抗を介して前記第1制御電極に電気的に接続されていることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second control electrode is electrically connected to the first control electrode via a resistor.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、活性領域を囲み、前記活性領域の周辺にまで延びるように設けられた前記第1制御電極に接する第1金属層と、前記第1金属層を囲み、前記活性領域の周辺にまで延びるように設けられた前記第2制御電極の端部に接し、かつ金属膜でできた前記抵抗を介して前記第1金属層と電気的に接続された第2金属層と、をさらに備えることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the first metal layer surrounding the active region and in contact with the first control electrode provided so as to extend to the periphery of the active region in the above-described invention, and the first metal Surrounding the layer, is in contact with an end of the second control electrode provided so as to extend to the periphery of the active region, and is electrically connected to the first metal layer through the resistor made of a metal film. And a second metal layer.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1制御電極の、前記半導体基板の第1主面と対向する部分の面積は、前記第2制御電極の、前記半導体基板の第1主面と対向する部分の面積よりも小さいことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the area of the portion of the first control electrode facing the first main surface of the semiconductor substrate is the second control electrode of the semiconductor substrate. It is smaller than the area of the part facing 1 main surface.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2制御電極は、前記第1半導体領域から離れて設けられていることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second control electrode is provided apart from the first semiconductor region.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体領域は、前記半導体基板の第1主面に複数設けられており、前記第1制御電極および前記第2制御電極は、隣り合う前記第1半導体領域に挟まれていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the first semiconductor region is provided in plural on the first main surface of the semiconductor substrate, and the first control electrode and the second control electrode are It is characterized by being sandwiched between the adjacent first semiconductor regions.

上述した発明によれば、第1,2制御電極を互いに離して設けることにより、オン時にn-型ドリフト層の電位上昇により生じる変位電流を、主にn-型ドリフト層に対向する第2制御電極へと流すことができる。第1制御電極のn-型ドリフト層との対向面積が第2制御電極のn-型ドリフト層との対向面積よりも小さいため、変位電流は第1制御電極へはほぼ流れ込まない。これにより、ゲート端子から第1制御電極までの直流抵抗であるゲート抵抗に電圧降下が生じることを回避することができる。 According to the above-described invention, by providing the first and second control electrodes apart from each other, the displacement control generated due to the potential rise of the n type drift layer at the time of on-state is mainly controlled by the second control facing the n type drift layer. It can flow to the electrode. N of the first control electrode - opposing area between -type drift layer n of the second control electrode - smaller than the facing area between the type drift layer, the displacement current does not substantially flow into the first control electrode. Thereby, it is possible to avoid a voltage drop from occurring in the gate resistance, which is a direct current resistance from the gate terminal to the first control electrode.

さらに、上述した発明によれば、第2制御電極は抵抗を介してゲート端子に接続されているため、第2制御電極からゲート駆動回路へ向かう電流は流れにくい。これにより、オン時に第2制御電極からゲート駆動回路へ流れ込む変位電流を低減することができ、変位電流によって生じるゲート抵抗の両端部間の電位差を小さくすることができる。それによって、ゲート電圧の上昇が抑制され、コレクタ電流が上昇することを抑制することができる。   Furthermore, according to the above-described invention, since the second control electrode is connected to the gate terminal via the resistor, the current from the second control electrode to the gate drive circuit hardly flows. Thereby, the displacement current flowing from the second control electrode to the gate drive circuit at the time of ON can be reduced, and the potential difference between both ends of the gate resistance caused by the displacement current can be reduced. As a result, an increase in the gate voltage is suppressed, and an increase in the collector current can be suppressed.

また、実施の形態によれば、1つの突起状半導体領域に1つのMOS構造のエミッタの層構造のみを設けた構造(凸型エミッタ構造)とすることにより、第1,2制御電極にそれぞれ対向する半導体領域に電子蓄積層が形成されるため、一般的なIGBTよりも電子蓄積層を大きくすることができる。これにより、IE効果を向上させることができる。   Further, according to the embodiment, a structure (convex emitter structure) in which only one MOS structure emitter layer structure is provided in one projecting semiconductor region is opposed to the first and second control electrodes, respectively. Since the electron storage layer is formed in the semiconductor region to be processed, the electron storage layer can be made larger than a general IGBT. Thereby, the IE effect can be improved.

本発明にかかる半導体装置によれば、オン電圧を低減することができるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置によれば、オン時におけるコレクタ電流の時間変化率を低減することができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device of the present invention, the on-voltage can be reduced. Further, according to the semiconductor device of the present invention, it is possible to reduce the time change rate of the collector current at the on time.

実施の形態にかかる半導体装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment. 図1の半導体装置のゲート配線構造を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a gate wiring structure of the semiconductor device of FIG. 1. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device in the middle of manufacture concerning embodiment. 実施の形態にかかる半導体装置のコレクタ電流の時間変化率を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the time change rate of the collector current of the semiconductor device concerning embodiment. 従来の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional semiconductor device.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.

(実施の形態)
図1は、実施の形態にかかる半導体装置を示す断面図である。図1に示す実施の形態にかかる半導体装置は、n-型ドリフト層1となる半導体基板の第1主面から突起した半導体領域(突起状半導体領域)2に1つのMOS構造のエミッタの層構造(凸型エミッタ構造)を設けたIGBTである。図1に示す実施の形態にかかる凸型エミッタ構造のIGBTにおいて、n-型ドリフト層1となるn型の半導体基板の第1主面には、複数の突起状半導体領域2が互いに離れて設けられている。複数の突起状半導体領域2は、例えば、突起状半導体領域2が並ぶ方向と直交する方向に延びるストライプ状に配置されるのが好ましい。図1では、1つの突起状半導体領域2近傍の断面構造のみを示す。
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment. The semiconductor device according to the embodiment shown in FIG. 1 has a layer structure of an emitter having one MOS structure in a semiconductor region (projected semiconductor region) 2 protruding from a first main surface of a semiconductor substrate to be an n type drift layer 1. This is an IGBT provided with a (convex emitter structure). In the IGBT having the convex emitter structure according to the embodiment shown in FIG. 1, a plurality of protruding semiconductor regions 2 are provided on the first main surface of the n-type semiconductor substrate to be the n -type drift layer 1 apart from each other. It has been. For example, the plurality of protruding semiconductor regions 2 are preferably arranged in a stripe shape extending in a direction orthogonal to the direction in which the protruding semiconductor regions 2 are arranged. In FIG. 1, only the cross-sectional structure near one protruding semiconductor region 2 is shown.

突起状半導体領域2の頂点部は、平坦面となっている。突起状半導体領域2の側面は、隣り合う突起状半導体領域2の間における半導体基板の第1主面に対して斜度を有していてもよい。具体的には、例えば、突起状半導体領域2は、頂点部側から半導体基板側に向かって広がった台形状の断面形状を有していてもよい。突起状半導体領域2の側面と、隣り合う突起状半導体領域2の間における半導体基板の第1主面とのなす角度(劣角)θは、例えば150度以下が好ましく、さらに好適には90度に近いほどよい。その理由は、次の通りである。   The apex portion of the protruding semiconductor region 2 is a flat surface. The side surface of the protruding semiconductor region 2 may have an inclination with respect to the first main surface of the semiconductor substrate between the adjacent protruding semiconductor regions 2. Specifically, for example, the protruding semiconductor region 2 may have a trapezoidal cross-sectional shape that widens from the apex side toward the semiconductor substrate side. An angle (recess angle) θ between the side surface of the protruding semiconductor region 2 and the first main surface of the semiconductor substrate between the adjacent protruding semiconductor regions 2 is preferably 150 degrees or less, and more preferably 90 degrees. The closer it is to the better. The reason is as follows.

突起状半導体領域2の側面と、隣り合う突起状半導体領域2の間における半導体基板の第1主面とのなす角度θが180度に近づくほど、突起状半導体領域2の側面の頂点部平坦面に対する勾配が緩やかになるため、突起状半導体領域2の頂点部側に対する半導体基板側の面積比率が大きくなる。したがって、突起状半導体領域2の頂点部平坦面(エミッタ側)の面積が小さい場合でも、エミッタ側の表面積に対する後述するp型ベース層3の面積比率が大きくなる。これにより、コレクタ側(半導体基板の第2主面側)に比べてエミッタ側の平均キャリア濃度が減少し、IE効果が低減してしまうからである。   As the angle θ between the side surface of the protruding semiconductor region 2 and the first main surface of the semiconductor substrate between the adjacent protruding semiconductor regions 2 approaches 180 degrees, the flat surface of the apex portion on the side surface of the protruding semiconductor region 2 Therefore, the area ratio of the semiconductor substrate side to the apex side of the protruding semiconductor region 2 is increased. Therefore, even when the area of the flat top surface (emitter side) of the protruding semiconductor region 2 is small, the area ratio of the p-type base layer 3 described later with respect to the surface area on the emitter side increases. This is because the average carrier concentration on the emitter side is reduced compared to the collector side (the second main surface side of the semiconductor substrate), and the IE effect is reduced.

各突起状半導体領域2には、それぞれ1つのMOS構造のエミッタの層構造のみが設けられている。隣り合う突起状半導体領域2の間に1つのMOS構造(以下、単位セルとする)が構成される。具体的には、突起状半導体領域2の内部には、頂点部側の表面層にp型ベース層(第1半導体領域)3が設けられている。p型ベース層3は、突起状半導体領域2のほぼ全体に、突起状半導体領域2の一方の側面から他方の側面にわたって設けられている。すなわち、突起状半導体領域2は、n-型ドリフト層1に接する突起状のp型ベース層3で構成されている。 Each protruding semiconductor region 2 is provided with only one emitter layer structure of MOS structure. One MOS structure (hereinafter referred to as a unit cell) is formed between adjacent protruding semiconductor regions 2. Specifically, a p-type base layer (first semiconductor region) 3 is provided in the surface layer on the apex side inside the protruding semiconductor region 2. The p-type base layer 3 is provided over almost the entire protruding semiconductor region 2 from one side surface to the other side surface of the protruding semiconductor region 2. In other words, the protruding semiconductor region 2 is constituted by a protruding p-type base layer 3 in contact with the n -type drift layer 1.

p型ベース層3の内部には、突起状半導体領域2の頂点部側の表面層にn++型エミッタ層(第2半導体領域)4が設けられている。n++型エミッタ層4の不純物濃度は、n-型ドリフト層1の不純物濃度よりも高い。また、p型ベース層3の内部には、n++型エミッタ層4に接し、p型ベース層3を貫通してn-型ドリフト層1に達するp+型コンタクト層5が設けられている。p+型コンタクト層5の不純物濃度は、p型ベース層3の不純物濃度よりも高い。 Inside the p-type base layer 3, an n ++ -type emitter layer (second semiconductor region) 4 is provided on the surface layer on the apex side of the protruding semiconductor region 2. The impurity concentration of the n ++ type emitter layer 4 is higher than the impurity concentration of the n type drift layer 1. Inside the p-type base layer 3 is provided a p + -type contact layer 5 that contacts the n ++ -type emitter layer 4 and penetrates the p-type base layer 3 to reach the n -type drift layer 1. . The impurity concentration of the p + -type contact layer 5 is higher than the impurity concentration of the p-type base layer 3.

+型コンタクト層5は、p型ベース層3と後述するエミッタ電極8とのコンタクト抵抗を低減する。また、p+型コンタクト層5は、寄生サイリスタの動作によるラッチアップを防止する。各突起状半導体領域2の内部に設けられたp型ベース層3、n++型エミッタ層4およびp+型コンタクト層5は、それぞれ、例えば突起状半導体領域2が並ぶ方向と直交する方向に延びるストライプ状に配置されるのが好ましい。 The p + type contact layer 5 reduces the contact resistance between the p type base layer 3 and an emitter electrode 8 described later. The p + -type contact layer 5 prevents latch-up due to the operation of the parasitic thyristor. The p-type base layer 3, the n ++ -type emitter layer 4, and the p + -type contact layer 5 provided inside each protruding semiconductor region 2 are, for example, in a direction orthogonal to the direction in which the protruding semiconductor regions 2 are arranged. It is preferable to arrange in an extending stripe shape.

p型ベース層3の、n++型エミッタ層4とn-型ドリフト層1とに挟まれた部分には、ゲート絶縁膜6を介して第1ゲート電極7−1(第1制御電極)が設けられている。第1ゲート電極7−1は、突起状半導体領域2の側面から、隣り合う他の突起状半導体領域2との間における半導体基板の第1主面に跨って設けられている。そして、第1ゲート電極7−1は、ゲート(G)端子に直接接続されている。 A portion of the p-type base layer 3 sandwiched between the n ++ -type emitter layer 4 and the n -type drift layer 1 is provided with a first gate electrode 7-1 (first control electrode) via a gate insulating film 6. Is provided. The first gate electrode 7-1 is provided across the first main surface of the semiconductor substrate between the side surface of the protruding semiconductor region 2 and another adjacent protruding semiconductor region 2. The first gate electrode 7-1 is directly connected to the gate (G) terminal.

隣り合う突起状半導体領域2の間において、半導体基板の第1主面には、ゲート絶縁膜6を介して第2ゲート電極7−2(第2制御電極)が設けられている。すなわち、第2ゲート電極7−2は、ゲート絶縁膜6を介してn-型ドリフト層1と対向する。第2ゲート電極7−2は、第1ゲート電極7−1と離れて設けられている。また、第2ゲート電極7−2は、p型ベース層3と対向しないように、p型ベース層3から離れて設けられている。第2ゲート電極7−2は、例えばポリシリコンでできた内部抵抗Rを介してゲート(G)端子に接続されており、第1ゲート電極7−1と同電位となっている。図1では、内部抵抗Rをエミッタ電極8に重なるように図示しているが、内部抵抗Rは例えば層間絶縁膜9によってエミッタ電極8と電気的に絶縁されている。第1,2ゲート電極7−1,7−2と内部抵抗Rとの配線構造については後述する。 Between the adjacent protruding semiconductor regions 2, a second gate electrode 7-2 (second control electrode) is provided on the first main surface of the semiconductor substrate via the gate insulating film 6. That is, the second gate electrode 7-2 is opposed to the n -type drift layer 1 through the gate insulating film 6. The second gate electrode 7-2 is provided apart from the first gate electrode 7-1. The second gate electrode 7-2 is provided away from the p-type base layer 3 so as not to face the p-type base layer 3. The second gate electrode 7-2 is connected to the gate (G) terminal via an internal resistance R made of, for example, polysilicon, and has the same potential as the first gate electrode 7-1. In FIG. 1, the internal resistance R is illustrated so as to overlap the emitter electrode 8, but the internal resistance R is electrically insulated from the emitter electrode 8 by an interlayer insulating film 9, for example. The wiring structure between the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 and the internal resistance R will be described later.

第1ゲート電極7−1の、n-型ドリフト層1と対向する部分の面積(以下、第1ゲート電極7−1のn-型ドリフト層1との対向面積とする)は、第2ゲート電極7−2の、n-型ドリフト層1と対向する部分の面積(以下、第2ゲート電極7−2のn-型ドリフト層1との対向面積とする)よりも小さい。第1,2ゲート電極7−1,7−2は、例えば、突起状半導体領域2が並ぶ方向と直交する方向に延びるストライプ状に配置されるのが好ましい。 The area of the portion of the first gate electrode 7-1 facing the n type drift layer 1 (hereinafter referred to as the area of the first gate electrode 7-1 facing the n type drift layer 1) is the second gate. electrodes 7-2, n - area type drift layer 1 and the opposing portions (hereinafter, n of the second gate electrode 7-2 - the opposing area between -type drift layer 1) is smaller than. The first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 are preferably arranged in stripes extending in a direction orthogonal to the direction in which the protruding semiconductor regions 2 are arranged, for example.

突起状半導体領域2の頂点部には、n++型エミッタ層4を貫通してp+型コンタクト層5に達する溝10が設けられている。溝10の底面には、p+型コンタクト層5が露出されている。エミッタ電極(第1主電極)8は、溝10を介してn++型エミッタ層4およびp+型コンタクト層5に接し、p+型コンタクト層5を介してp型ベース層3に電気的に接続されている。エミッタ電極8は、層間絶縁膜9によって第1,2ゲート電極7−1,7−2と電気的に絶縁されている。 At the apex of the protruding semiconductor region 2, a groove 10 that penetrates the n ++ type emitter layer 4 and reaches the p + type contact layer 5 is provided. The p + -type contact layer 5 is exposed on the bottom surface of the groove 10. The emitter electrode (first main electrode) 8 is in contact with the n ++ type emitter layer 4 and the p + type contact layer 5 through the groove 10, and is electrically connected to the p type base layer 3 through the p + type contact layer 5. It is connected to the. The emitter electrode 8 is electrically insulated from the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 by the interlayer insulating film 9.

-型ドリフト層1となる半導体基板の第2主面には、p型コレクタ層(第3半導体領域)12が設けられている。n-型ドリフト層1とp型コレクタ層12との間には、n型バッファ層11が設けられている。n型バッファ層11は、n-型ドリフト層1およびp型コレクタ層12に接する。n型バッファ層11の不純物濃度は、n-型ドリフト層1の不純物濃度よりも高い。コレクタ電極(第2主電極)13は、p型コレクタ層12に接する。 A p-type collector layer (third semiconductor region) 12 is provided on the second main surface of the semiconductor substrate to be the n -type drift layer 1. An n-type buffer layer 11 is provided between the n -type drift layer 1 and the p-type collector layer 12. N-type buffer layer 11 is in contact with n -type drift layer 1 and p-type collector layer 12. The impurity concentration of the n-type buffer layer 11 is higher than the impurity concentration of the n -type drift layer 1. The collector electrode (second main electrode) 13 is in contact with the p-type collector layer 12.

次に、第1,2ゲート電極7−1,7−2と内部抵抗Rとの配線構造について説明する。図2は、図1の半導体装置のゲート配線構造を示す平面図である。図2に示すように、IGBTのMOS構造が形成される活性領域の周辺には、ゲート電極にゲート信号を供給するためのリング状の金属配線(以下、第1ゲートリングとする)14−1が設けられている。すなわち、第1ゲートリング14−1は、ゲート端子(不図示)に接続されたゲートパッドである。第1ゲートリング14−1は、活性領域を囲む。活性領域とは、半導体装置のオン時に電流が流れる領域であり、単位セルごとに形成された各第1,2ゲート電極7−1,7−2がストライプ状に配置された領域である。第1ゲートリング14−1を囲むように、リング状の金属配線(以下、第2ゲートリングとする)14−2が設けられている。第1ゲートリング14−1および第2ゲートリング14−2は、例えば、アルミニウムシリコン(AlSi)でできている。   Next, the wiring structure between the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 and the internal resistance R will be described. FIG. 2 is a plan view showing a gate wiring structure of the semiconductor device of FIG. As shown in FIG. 2, a ring-shaped metal wiring (hereinafter referred to as a first gate ring) 14-1 for supplying a gate signal to the gate electrode is provided around the active region where the IGBT MOS structure is formed. Is provided. That is, the first gate ring 14-1 is a gate pad connected to a gate terminal (not shown). The first gate ring 14-1 surrounds the active region. The active region is a region through which a current flows when the semiconductor device is turned on, and is a region where the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 formed for each unit cell are arranged in a stripe shape. A ring-shaped metal wiring (hereinafter referred to as a second gate ring) 14-2 is provided so as to surround the first gate ring 14-1. The first gate ring 14-1 and the second gate ring 14-2 are made of, for example, aluminum silicon (AlSi).

第1,2ゲート電極7−1,7−2となるポリシリコンでできている。そして、単位セルごとに形成された第1ゲート電極7−1の長手方向の各端部は、それぞれコンタクトホール15−1を介して、第1ゲートリング14−1に接続されている。単位セルごとに形成された第2ゲート電極7−2の長手方向の各端部は、それぞれコンタクトホール15−2を介して、第2ゲートリング14−2に接続されている。第1ゲートリング14−1および第2ゲートリング14−2には、コンタクトホール15−3を介して、ポリシリコン(poly−Si)でできた内部抵抗Rが接続されている。すなわち、第1ゲートリング14−1および第2ゲートリング14−2は、内部抵抗Rにより互いに連結されている。このため、第2ゲート電極7−2は、内部抵抗Rを介して第1ゲートリング14−1に電気的に接続されている。   The first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 are made of polysilicon. And each edge part of the longitudinal direction of the 1st gate electrode 7-1 formed for every unit cell is each connected to the 1st gate ring 14-1 via the contact hole 15-1. Each end in the longitudinal direction of the second gate electrode 7-2 formed for each unit cell is connected to the second gate ring 14-2 through a contact hole 15-2. An internal resistance R made of polysilicon (poly-Si) is connected to the first gate ring 14-1 and the second gate ring 14-2 through a contact hole 15-3. That is, the first gate ring 14-1 and the second gate ring 14-2 are connected to each other by the internal resistance R. For this reason, the second gate electrode 7-2 is electrically connected to the first gate ring 14-1 via the internal resistance R.

次に、図1に示す実施の形態にかかる半導体装置の動作について説明する。IGBTのターンオン動作は、次の通りである。オフ状態において、第1ゲート電極7−1をエミッタ電極8に対して同電位にした状態で、コレクタ電極13をエミッタ電極8に対して高電位にする。この状態では、n-型ドリフト層1とp型ベース層3との間の逆バイアス接合により、その逆耐電圧以下ではn-型ドリフト層1とp型ベース層3とのpn接合から空乏層が伸び、IGBTは阻止状態となる。そして、この状態で、第1ゲート電極7−1をエミッタ電極8に対して高電位にすることにより、第1ゲート電極7−1に電荷が蓄積され始める。同時に、p型ベース層3の、ゲート絶縁膜6に接する領域に、n型に反転したnチャネル領域(図示せず)が形成される。 Next, the operation of the semiconductor device according to the embodiment shown in FIG. 1 will be described. The turn-on operation of the IGBT is as follows. In the off state, the collector electrode 13 is set to a high potential with respect to the emitter electrode 8 while the first gate electrode 7-1 is set to the same potential with respect to the emitter electrode 8. In this state, n - the reverse-biased junction between the type drift layer 1 and the p-type base layer 3, below its Gyaku耐voltage the n - depletion from the pn junction between the type drift layer 1 and the p-type base layer 3 And the IGBT is in a blocking state. In this state, when the first gate electrode 7-1 is set to a high potential with respect to the emitter electrode 8, charges start to be accumulated in the first gate electrode 7-1. At the same time, an n-channel region (not shown) inverted to the n-type is formed in a region of the p-type base layer 3 in contact with the gate insulating film 6.

++型エミッタ層4とn-型ドリフト層1の間にnチャネル領域が形成されると、このnチャネル領域を通る通路では、逆バイアス接合が消える。したがって、エミッタ電極8からn++型エミッタ層4およびnチャネル領域を通ってn-型ドリフト層1に、電子が注入される。この電子の注入が起こると、コレクタ側のpn接合が順バイアスされるので、p型コレクタ層12からn-型ドリフト層1に、少数キャリアである正孔が注入される。正孔がn-型ドリフト層1に注入されると、n-型ドリフト層1においてキャリアについての中性条件を保つために多数キャリアである電子濃度が高くなり、n-型ドリフト層1の抵抗が低くなる。いわゆる伝導度変調が起こる。このときにコレクタ電極13とエミッタ電極8の間に流れる電流による電圧降下が、オン電圧である。 When the n channel region is formed between the n ++ type emitter layer 4 and the n type drift layer 1, the reverse bias junction disappears in the path passing through the n channel region. Therefore, electrons are injected from emitter electrode 8 into n type drift layer 1 through n ++ type emitter layer 4 and the n channel region. When this electron injection occurs, the collector-side pn junction is forward-biased, so that holes, which are minority carriers, are injected from the p-type collector layer 12 into the n -type drift layer 1. Holes the n - when injected into the mold drift layer 1, n - number electron density that is a carrier to keep the neutral conditions for carriers in type drift layer 1 is increased, n - -type drift layer 1 of the resistor Becomes lower. So-called conductivity modulation occurs. At this time, the voltage drop due to the current flowing between the collector electrode 13 and the emitter electrode 8 is the ON voltage.

第2ゲート電極7−2は第1ゲート電極7−1と同電位となっているため、ターンオン時、第1ゲート電極7−1と第2ゲート電極7−2とはともにゲート電位となる。これにより、p型ベース層3の第1ゲート電極7−1に対向する部分と、n-型ドリフト層1の第2ゲート電極7−2に対向する部分とにそれぞれ電子蓄積層が形成され、オン電圧が低減される(IE効果)。 Since the second gate electrode 7-2 has the same potential as the first gate electrode 7-1, both the first gate electrode 7-1 and the second gate electrode 7-2 are at the gate potential when turned on. As a result, an electron storage layer is formed on the portion of the p-type base layer 3 facing the first gate electrode 7-1 and the portion of the n -type drift layer 1 facing the second gate electrode 7-2, The on-voltage is reduced (IE effect).

また、ターンオン時、n-型ドリフト層1の第1主面側の電位の上昇により生じる変位電流は、主にn-型ドリフト層1と対向する第2ゲート電極7−2を介してゲート駆動回路(不図示)に流れ込む。その理由は、第1ゲート電極7−1のn-型ドリフト層1との対向面積が第2ゲート電極7−2のn-型ドリフト層1との対向面積よりも小さいからである。第2ゲート電極7−2は内部抵抗Rを介してゲート端子に接続されているため、第2ゲート電極7−2からゲート駆動回路へと流れ込む変位電流は、内部抵抗Rを通過することにより小さくなる。これにより、ゲート端子から第1ゲート電極7−1までの直流抵抗であるゲート抵抗の両端部間の電位差を小さくすることができ、ゲート電圧の上昇を抑制することができる。 Also, turn-on, n - displacement current caused by the rise of the first main surface side of the potential of the type drift layer 1 is mainly the n - via -type drift layer 1 and the second gate electrode 7-2 facing gate drive It flows into a circuit (not shown). The reason is, n of the first gate electrode 7-1 - because smaller than the facing area between the type drift layer 1 - opposing area between -type drift layer 1 is n of the second gate electrode 7-2. Since the second gate electrode 7-2 is connected to the gate terminal via the internal resistance R, the displacement current flowing from the second gate electrode 7-2 to the gate drive circuit is reduced by passing through the internal resistance R. Become. Thereby, the potential difference between both ends of the gate resistance which is a direct current resistance from the gate terminal to the first gate electrode 7-1 can be reduced, and an increase in the gate voltage can be suppressed.

一方、IGBTのターンオフ動作は、次の通りである。オン状態において、エミッタ電極8と第1,2ゲート電極7−1,7−2の間の電圧が閾値以下になると、第1,2ゲート電極7−1,7−2に蓄積されていた電荷がゲート抵抗を介してゲート駆動回路へ放電される。それによって、p型ベース層3においてn型に反転していたチャネル領域がp型に戻り、nチャネル領域がなくなる。したがって、エミッタ電極8からn-型ドリフト層1への電子の供給がなくなる。しかし、n-型ドリフト層1内に蓄積されている電子および正孔がそれぞれコレクタ電極13およびエミッタ電極8へ掃き出されるか、または、再結合して消滅するまで、電流が流れ続ける。そして、n-型ドリフト層1内の電子と正孔が消滅した後に電流が流れなくなり、IGBTがオフ状態となる。 On the other hand, the turn-off operation of the IGBT is as follows. In the ON state, when the voltage between the emitter electrode 8 and the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 is equal to or lower than the threshold value, the charge accumulated in the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 Is discharged to the gate drive circuit through the gate resistor. Thereby, the channel region that has been inverted to the n-type in the p-type base layer 3 returns to the p-type, and the n-channel region disappears. Therefore, the supply of electrons from the emitter electrode 8 to the n type drift layer 1 is eliminated. However, current continues to flow until the electrons and holes accumulated in the n -type drift layer 1 are swept out to the collector electrode 13 and the emitter electrode 8, respectively, or recombine and disappear. Then, after electrons and holes in the n -type drift layer 1 disappear, current does not flow, and the IGBT is turned off.

次に、図1に示す実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図3〜11は、実施の形態にかかる製造途中の半導体装置を示す断面図である。例えば、1200V耐圧クラスのフィールドストップ(FS)型IGBTを作製(製造)する場合を例に説明する。まず、例えば、(100)面を第1主面とし、比抵抗60Ωcm程度のn-型のFZシリコン(FZ−Si)基板1−1を用意する。次に、図3に示すように、FZシリコン基板1−1の第1主面に、例えば熱酸化法により熱酸化膜21を350Å程度の厚さで成長させる。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment shown in FIG. 1 will be described. 3 to 11 are cross-sectional views illustrating the semiconductor device in the middle of manufacture according to the embodiment. For example, a case of manufacturing (manufacturing) a field stop (FS) type IGBT having a 1200 V breakdown voltage class will be described as an example. First, for example, an n type FZ silicon (FZ-Si) substrate 1-1 having a (100) plane as a first main surface and a specific resistance of about 60 Ωcm is prepared. Next, as shown in FIG. 3, a thermal oxide film 21 is grown on the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1 to a thickness of about 350 mm by, for example, a thermal oxidation method.

次に、熱酸化膜21を介して、FZシリコン基板1−1の第1主面に例えばリン(P)イオンを注入する。このときのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量1.0×1013cm-2とし、加速エネルギー100KeVとしてもよい。次に、熱処理によりFZシリコン基板1−1の第1主面に添加したリンを熱拡散(ドライブ・イン)させ、FZシリコン基板1−1の第1主面の表面層に、FZシリコン基板1−1よりも不純物濃度が高い表面n層1−2を形成する。 Next, for example, phosphorus (P) ions are implanted into the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1 through the thermal oxide film 21. The ion implantation conditions at this time may be, for example, a dose amount of 1.0 × 10 13 cm −2 and an acceleration energy of 100 KeV. Next, phosphorus added to the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1 by heat treatment is thermally diffused (drive-in), and the FZ silicon substrate 1 is formed on the surface layer of the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1. Surface n layer 1-2 having an impurity concentration higher than −1 is formed.

次に、図4に示すように、熱酸化膜21を介して、FZシリコン基板1−1の第1主面に例えば砒素(As)イオンを注入する。このときのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量4.0×1015cm-2とし、加速エネルギー120KeVとしてもよい。次に、熱アニール処理によりFZシリコン基板1−1の第1主面に導入した砒素を活性化し、表面n層1−2の熱酸化膜21側の表面層に、表面n層1−2よりも不純物濃度が高いn++型エミッタ層4を0.2μm程度の厚さで形成する。 Next, as shown in FIG. 4, for example, arsenic (As) ions are implanted into the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1 through the thermal oxide film 21. The ion implantation conditions at this time may be, for example, a dose amount of 4.0 × 10 15 cm −2 and an acceleration energy of 120 KeV. Next, arsenic introduced into the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1 by thermal annealing is activated, and the surface n layer 1-2 has a surface layer closer to the thermal oxide film 21 than the surface n layer 1-2. Also, the n ++ type emitter layer 4 having a high impurity concentration is formed with a thickness of about 0.2 μm.

次に、図5に示すように、熱酸化膜21を介して、FZシリコン基板1−1の第1主面に例えばボロン(B)イオンを注入する。このときのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量9.0×1013cm-2とし、加速エネルギー150KeVとしてもよい。次に、熱アニール処理によりFZシリコン基板1−1の第1主面に導入したボロンを活性化し、表面n層1−2とn++型エミッタ層4との間にp型ベース層3を形成する。FZシリコン基板1−1の、p型ベース層3およびn++型エミッタ層4を除く部分、すなわちFZシリコン基板1−1のn-層として残る部分および表面n層1−2はn-型ドリフト層1である。 Next, as shown in FIG. 5, for example, boron (B) ions are implanted into the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1 through the thermal oxide film 21. The ion implantation conditions at this time may be, for example, a dose amount of 9.0 × 10 13 cm −2 and an acceleration energy of 150 KeV. Next, boron introduced into the first main surface of the FZ silicon substrate 1-1 by thermal annealing is activated, and a p-type base layer 3 is formed between the surface n layer 1-2 and the n ++ type emitter layer 4. Form. The portion of the FZ silicon substrate 1-1 excluding the p-type base layer 3 and the n ++ type emitter layer 4, that is, the portion remaining as the n layer of the FZ silicon substrate 1-1 and the surface n layer 1-2 are n type. This is the drift layer 1.

次に、図6に示すように、熱酸化膜21の表面に、例えばストライプ状に開口する開口部22を有するレジストマスク23を形成する。レジストマスク23の開口部22には、p+型コンタクト層5の形成領域上の熱酸化膜21が露出する。次に、レジストマスク23をマスクとして例えばドライエッチングにより熱酸化膜21を選択的に除去し、n++型エミッタ層4を選択的に露出させる。 Next, as shown in FIG. 6, a resist mask 23 having openings 22 opened in a stripe shape, for example, is formed on the surface of the thermal oxide film 21. In the opening 22 of the resist mask 23, the thermal oxide film 21 on the formation region of the p + -type contact layer 5 is exposed. Next, using the resist mask 23 as a mask, the thermal oxide film 21 is selectively removed by dry etching, for example, and the n ++ type emitter layer 4 is selectively exposed.

さらに、レジストマスク23および熱酸化膜21をマスクとしてエッチングを行い、開口部22に露出するシリコン半導体を0.3μm程度の深さt1まで除去する。上述したようにn++型エミッタ層4は0.2μm程度の厚さで形成されているため、n++型エミッタ層4の、レジストマスク23の開口部22に露出されている部分は完全に除去される。これにより、n++型エミッタ層4を貫通しp型ベース層3に達する溝(以下、第1溝とする)10が形成される。第1溝10の深さt1は、第1溝10の底面にp型ベース層3が露出される深さであればよい。 Further, etching is performed using the resist mask 23 and the thermal oxide film 21 as a mask, and the silicon semiconductor exposed in the opening 22 is removed to a depth t1 of about 0.3 μm. As described above, since the n ++ type emitter layer 4 is formed with a thickness of about 0.2 μm, the portion of the n ++ type emitter layer 4 exposed to the opening 22 of the resist mask 23 is completely. Removed. As a result, a groove (hereinafter referred to as a first groove) 10 that penetrates the n ++ type emitter layer 4 and reaches the p type base layer 3 is formed. The depth t1 of the first groove 10 may be a depth at which the p-type base layer 3 is exposed on the bottom surface of the first groove 10.

次に、図7に示すように、残っているレジストマスク23をマスクとして、第1溝10の少なくとも底面にボロン(B)イオンを注入する。このときのイオン注入条件は、例えば、ドーズ量1.0×1015cm-2とし、加速エネルギー80KeVとしてもよい。次に、熱アニール処理により第1溝10内に露出するシリコン半導体に導入したボロンを活性化し、p型ベース層3を貫通し表面n層1−2に達するp+型コンタクト層5を形成する。 Next, as shown in FIG. 7, boron (B) ions are implanted into at least the bottom surface of the first groove 10 using the remaining resist mask 23 as a mask. The ion implantation conditions at this time may be, for example, a dose amount of 1.0 × 10 15 cm −2 and an acceleration energy of 80 KeV. Next, boron introduced into the silicon semiconductor exposed in the first groove 10 by thermal annealing is activated, and a p + type contact layer 5 that penetrates the p type base layer 3 and reaches the surface n layer 1-2 is formed. .

+型コンタクト層5は、レジストマスク23の開口部22の平面形状と同様に、p+型コンタクト層5が並ぶ方向と直交する方向に延びるストライプ状に配置される。図7では、p+型コンタクト層5は、第1溝10の側壁上端付近の部分がn++型エミッタ層4の端部に重なって形成されているが、n++型エミッタ層4の、p+型コンタクト層5が重なる部分の導電型はn型に維持される。その後、レジストマスク23および熱酸化膜21を完全に除去する。 The p + -type contact layer 5 is arranged in a stripe shape extending in a direction orthogonal to the direction in which the p + -type contact layers 5 are arranged, similarly to the planar shape of the opening 22 of the resist mask 23. In Figure 7, p + -type contact layer 5 is the side wall upper end portion in the vicinity of the first groove 10 is formed to overlap the end of the n ++ type emitter layer 4, the n ++ type emitter layer 4 The conductivity type of the portion where the p + -type contact layer 5 overlaps is maintained at the n-type. Thereafter, the resist mask 23 and the thermal oxide film 21 are completely removed.

次に、例えば等方性プラズマエッチャーを用いたエッチングにより、FZシリコン基板1−1の第1主面側のシリコン半導体を選択的に例えば1.5μmの深さt2まで除去し、ストライプ状に並ぶ複数の第2溝24を形成する。図8に示すように、隣り合う第2溝24の間に残るシリコン半導体が突起状半導体領域2となる。この第2溝24を形成するためのエッチングにより、隣り合う突起状半導体領域2の間(第2溝24部分)のn++型エミッタ層4およびp型ベース層3は完全に除去される。 Next, the silicon semiconductor on the first main surface side of the FZ silicon substrate 1-1 is selectively removed to a depth t2 of 1.5 μm, for example, by etching using, for example, an isotropic plasma etcher, and arranged in stripes. A plurality of second grooves 24 are formed. As shown in FIG. 8, the silicon semiconductor remaining between the adjacent second grooves 24 becomes the protruding semiconductor region 2. By the etching for forming the second groove 24, the n ++ type emitter layer 4 and the p type base layer 3 between the adjacent protruding semiconductor regions 2 (second groove 24 portion) are completely removed.

エッチングにより除去されるシリコン半導体の深さ(第2溝24の深さ)t2は2μm以下であるのが好ましい。その理由は、エッチングにより除去されるシリコン半導体の深さが2μmより大きくなった場合、その後のパターニング工程においてレジストむらが発生したり、パターニング精度が悪くなったりするからである。等方性エッチングによって第2溝24を形成することにより、第2溝24の側壁と、第2溝24の底面とのなす角度(劣角)θは鈍角となる。第2溝24の側壁と、第2溝24の底面とのなす角度θは、p型ベース層3を形成するためのボロンのドーズ量、このボロンを活性化させるためのアニール条件、および第2溝24を形成するためのエッチング条件によって制御することができる。   The depth of the silicon semiconductor removed by etching (the depth of the second groove 24) t2 is preferably 2 μm or less. The reason is that, when the depth of the silicon semiconductor removed by etching becomes larger than 2 μm, resist unevenness occurs in the subsequent patterning process, and the patterning accuracy deteriorates. By forming the second groove 24 by isotropic etching, the angle (recess angle) θ formed between the side wall of the second groove 24 and the bottom surface of the second groove 24 becomes an obtuse angle. The angle θ formed between the side wall of the second groove 24 and the bottom surface of the second groove 24 depends on the dose amount of boron for forming the p-type base layer 3, the annealing conditions for activating this boron, and the second It can be controlled by etching conditions for forming the groove 24.

次に、熱酸化処理により、FZシリコン基板1−1の第1主面側全面、すなわち突起状半導体領域2の頂点部、突起状半導体領域2の側面(第2溝24の側壁)および第2溝24の底面に犠牲酸化膜として熱酸化膜(不図示)を1000Åの厚さで成長させる。次に、犠牲酸化膜を除去し、エッチングによるシリコン半導体表面の加工ダメージを除去して平坦化する。次に、図9に示すように、例えば900℃の熱酸化処理により、FZシリコン基板1−1の第1主面側全面にゲート絶縁膜6を800Åの厚さで成長させる。次に、ゲート絶縁膜6上に第1,2ゲート電極7−1,7−2となるポリシリコン膜を0.5μm程度の厚さで成長させる。   Next, the entire surface of the FZ silicon substrate 1-1 on the first main surface side, that is, the apex portion of the protruding semiconductor region 2, the side surface of the protruding semiconductor region 2 (side wall of the second groove 24), and the second are subjected to thermal oxidation treatment. A thermal oxide film (not shown) is grown on the bottom surface of the trench 24 as a sacrificial oxide film with a thickness of 1000 mm. Next, the sacrificial oxide film is removed, and processing damage on the surface of the silicon semiconductor due to etching is removed and planarized. Next, as shown in FIG. 9, the gate insulating film 6 is grown to a thickness of 800 mm on the entire first main surface side of the FZ silicon substrate 1-1 by, for example, thermal oxidation at 900.degree. Next, a polysilicon film to be the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 is grown on the gate insulating film 6 to a thickness of about 0.5 μm.

次に、フォトリソグラフィによりポリシリコン膜を選択的に除去し、第1,2ゲート電極7−1,7−2を形成する。ポリシリコン膜の除去は、例えば等方性プラズマエッチャーを用いたエッチングにより行ってもよい。これにより、単位セル内に互いに離れて第1,2ゲート電極7−1,7−2が形成される。このとき、ゲート絶縁膜6および第1,2ゲート電極7−1,7−2を形成するための熱処理により、例えば、突起状半導体領域2の内部に形成されたp型ベース層3、n++型エミッタ層4およびp+型コンタクト層5は拡散され、その拡散深さが深くなる。 Next, the polysilicon film is selectively removed by photolithography to form first and second gate electrodes 7-1 and 7-2. The removal of the polysilicon film may be performed, for example, by etching using an isotropic plasma etcher. As a result, the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2 are formed apart from each other in the unit cell. At this time, for example, the p-type base layer 3, n + formed inside the protruding semiconductor region 2 by heat treatment for forming the gate insulating film 6 and the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2. The + type emitter layer 4 and the p + type contact layer 5 are diffused to increase the diffusion depth.

次に、図10に示すように、第1,2ゲート電極7−1,7−2を覆うように、層間絶縁膜9としてHTO(High Temperature Oxide)膜およびBPSG(Boron Phosphor Silicate Glass)膜を順次堆積させる。そして、層間絶縁膜9およびゲート絶縁膜6を選択的に除去してコンタクトホールを形成し、n++型エミッタ層4およびp+型コンタクト層5を選択的に露出させる。 Next, as shown in FIG. 10, an HTO (High Temperature Oxide) film and a BPSG (Boron Phosphorate Silicate Glass) film are formed as an interlayer insulating film 9 so as to cover the first and second gate electrodes 7-1 and 7-2. Deposit sequentially. Then, the interlayer insulating film 9 and the gate insulating film 6 are selectively removed to form contact holes, and the n ++ type emitter layer 4 and the p + type contact layer 5 are selectively exposed.

次に、図11に示すように、スパッタリングなどの物理気相成長(PVD:Physical Vapor Deposition)法により、FZシリコン基板1−1の第1主面側にエミッタ電極8としてアルミニウムシリコン電極膜を堆積する。そして、フォトリソグラフィによりエミッタ電極8をパターニングし、所望のエミッタ配線構造を形成する。   Next, as shown in FIG. 11, an aluminum silicon electrode film is deposited as the emitter electrode 8 on the first main surface side of the FZ silicon substrate 1-1 by a physical vapor deposition (PVD) method such as sputtering. To do. Then, the emitter electrode 8 is patterned by photolithography to form a desired emitter wiring structure.

また、図2に示すように、活性領域の周辺に、MOS構造が形成された領域を囲むように、アルミニウムシリコンでできた第1,2ゲートリング14−1,14−2を形成する。第1,2ゲートリング14−1,14−2は、例えば、エミッタ電極8と同時に形成されてもよい。第1ゲートリング14−1(ゲート端子)は、例えば層間絶縁膜9に形成された複数のコンタクトホール15−1を介して、ストライプ状に配置された各第1ゲート電極7−1の長手方向の端部に直接接続される。   As shown in FIG. 2, first and second gate rings 14-1 and 14-2 made of aluminum silicon are formed around the active region so as to surround the region where the MOS structure is formed. The first and second gate rings 14-1 and 14-2 may be formed simultaneously with the emitter electrode 8, for example. The first gate ring 14-1 (gate terminal) is, for example, in the longitudinal direction of the first gate electrodes 7-1 arranged in a stripe shape via a plurality of contact holes 15-1 formed in the interlayer insulating film 9. Connected directly to the end of the.

第2ゲートリング14−2は、例えば層間絶縁膜9に形成された複数のコンタクトホール15−2を介して、ストライプ状に配置された各第2ゲート電極7−2の長手方向の端部に接続される。そして、第1,2ゲートリング14−1,14−2をポリシリコンでできた内部抵抗Rを介して連結する。これにより、各第2ゲート電極7−2は、内部抵抗Rを介して第1ゲートリング14−1(ゲート端子)に電気的に接続される。   The second gate ring 14-2 is, for example, at the end in the longitudinal direction of each of the second gate electrodes 7-2 arranged in a stripe shape via a plurality of contact holes 15-2 formed in the interlayer insulating film 9. Connected. The first and second gate rings 14-1 and 14-2 are connected via an internal resistor R made of polysilicon. Accordingly, each second gate electrode 7-2 is electrically connected to the first gate ring 14-1 (gate terminal) via the internal resistance R.

次に、スピンコーターを用いて、FZシリコン基板1−1の第1主面側に表面保護膜としてポリイミド膜(不図示)を堆積しエミッタ電極8を覆う。そして、フォトリソグラフィによりポリイミド膜をパターニングし、FZシリコン基板1−1の第1主面側の電極パッド構造を形成する。次に、FZシリコン基板1−1の第2主面を研削し、FZシリコン基板1−1の厚さを例えば120μmまで薄くする。次に、FZシリコン基板1−1の研削された第2主面に、例えばプロトン(H+)およびボロンイオンを順次注入する。 Next, using a spin coater, a polyimide film (not shown) is deposited as a surface protection film on the first main surface side of the FZ silicon substrate 1-1 to cover the emitter electrode 8. Then, the polyimide film is patterned by photolithography to form an electrode pad structure on the first main surface side of the FZ silicon substrate 1-1. Next, the second main surface of the FZ silicon substrate 1-1 is ground to reduce the thickness of the FZ silicon substrate 1-1 to, for example, 120 μm. Next, for example, protons (H + ) and boron ions are sequentially implanted into the ground second main surface of the FZ silicon substrate 1-1.

次に、400℃の温度で熱アニール処理を行い、FZシリコン基板1−1の第2主面に注入した不純物を活性化させる。これにより、図1に示すように、FZシリコン基板1−1の第2主面の表面層にn型バッファ層11が形成される。また、FZシリコン基板1−1の第2主面の表面層のn型バッファ層11よりも浅い部分に、n型バッファ層11に接するp型コレクタ層12が形成される。その後、スパッタリングなどの物理気相成長法により、例えばアルミニウム−チタン(Ti)−ニッケル(Ni)−金(Au)の4層積層構造からなるコレクタ電極13を形成する。FZシリコン基板1−1をダイシングしチップ化することにより、図1に示す凸型セル構造を有する半導体装置が完成する。   Next, thermal annealing is performed at a temperature of 400 ° C. to activate the impurities implanted into the second main surface of the FZ silicon substrate 1-1. Thereby, as shown in FIG. 1, the n-type buffer layer 11 is formed on the surface layer of the second main surface of the FZ silicon substrate 1-1. A p-type collector layer 12 in contact with the n-type buffer layer 11 is formed in a portion shallower than the n-type buffer layer 11 on the surface layer of the second main surface of the FZ silicon substrate 1-1. Thereafter, the collector electrode 13 having a four-layer structure of, for example, aluminum-titanium (Ti) -nickel (Ni) -gold (Au) is formed by a physical vapor deposition method such as sputtering. By dicing the FZ silicon substrate 1-1 into a chip, the semiconductor device having the convex cell structure shown in FIG. 1 is completed.

次に、上述した図1に示す半導体装置において、コレクタ電流の時間変化率di/dtとゲート抵抗との関係について検証した。図12は、実施の形態にかかる半導体装置のコレクタ電流の時間変化率を示す説明図である。まず、実施の形態に従い、図1に示すような、ゲート端子に直接接続された第1ゲート電極7−1と、内部抵抗Rを介してゲート端子に接続された第2ゲート電極7−2とを備えたIGBTを作製した(以下、実施例とする)。比較として、図13に示すような、デバイス表面の大部分を覆う1つのゲート電極107を備えた従来のIGBTを作製した(以下、従来例とする)。   Next, in the above-described semiconductor device shown in FIG. 1, the relationship between the collector current time change rate di / dt and the gate resistance was verified. FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a time change rate of the collector current of the semiconductor device according to the embodiment. First, according to the embodiment, as shown in FIG. 1, a first gate electrode 7-1 directly connected to the gate terminal, and a second gate electrode 7-2 connected to the gate terminal via the internal resistance R (Hereinafter referred to as “Example”). As a comparison, a conventional IGBT having one gate electrode 107 covering most of the device surface as shown in FIG. 13 was fabricated (hereinafter referred to as a conventional example).

実施例および従来例ともに、ゲート抵抗の抵抗値を自由に変更できるように構成されている。そして、実施例および従来例のそれぞれにおいて、ゲート抵抗の抵抗値を種々変更し、オン時のコレクタ電流の時間変化率di/dtを測定した。コレクタ電流の時間変化率di/dtを測定する際の条件は、次の通りである。IGBTの接合温度Tjを150℃とした。IGBTのコレクタ電流密度Jcを150A/cm2とした。IGBTの飽和電流Isatを800A/cm2とした。 Both the embodiment and the conventional example are configured so that the resistance value of the gate resistance can be freely changed. In each of the example and the conventional example, the resistance value of the gate resistance was variously changed, and the time change rate di / dt of the collector current at the time of ON was measured. Conditions for measuring the time change rate di / dt of the collector current are as follows. The junction temperature Tj of the IGBT was set to 150 ° C. The collector current density Jc of IGBT was set to 150 A / cm 2 . The saturation current Isat of the IGBT was set to 800 A / cm 2 .

図12に示す結果より、実施例は、従来例よりもオン時のコレクタ電流の時間変化率di/dtが小さいことが確認された。また、実施例は、従来例と同様に、ゲート抵抗の抵抗値を大きくすることにより、コレクタ電流の時間変化率di/dtをさらに小さくすることができることが確認された。したがって、第1ゲート電極7−1と第2ゲート電極7−2とを内部抵抗Rを介して接続することにより、コレクタ電流の時間変化率di/dtが小さくなることが確認された。   From the results shown in FIG. 12, it was confirmed that the example has a smaller time change rate di / dt of the collector current at the time of ON than the conventional example. In addition, as in the conventional example, it was confirmed that the time change rate di / dt of the collector current can be further reduced by increasing the resistance value of the gate resistance in the example. Therefore, it was confirmed that when the first gate electrode 7-1 and the second gate electrode 7-2 are connected via the internal resistance R, the time change rate di / dt of the collector current is reduced.

以上、説明したように、実施の形態によれば、第1,2ゲート電極を互いに離して設けることにより、オン時にn-型ドリフト層の電位上昇により生じる変位電流を、主にn-型ドリフト層に対向する第2ゲート電極へと流すことができる。第1ゲート電極のn-型ドリフト層との対向面積が第2ゲート電極のn-型ドリフト層との対向面積よりも小さいため、変位電流は第1ゲート電極へはほぼ流れ込まない。これにより、ゲート抵抗に電圧降下が生じることを回避することができる。これにより、コレクタ電流の時間変化率di/dtを小さくすることができる。 As described above, according to the embodiment, by disposing the first and second gate electrodes apart from each other, the displacement current generated by the potential rise of the n type drift layer at the time of ON is mainly used for the n type drift. It can flow to the second gate electrode facing the layer. N of the first gate electrode - opposing area between -type drift layer n of the second gate electrode - smaller than the facing area between the type drift layer, the displacement current does not substantially flow into the first gate electrode. Thereby, it is possible to avoid a voltage drop in the gate resistance. Thereby, the time change rate di / dt of the collector current can be reduced.

さらに、実施の形態によれば、第2ゲート電極は内部抵抗を介してゲート端子に接続されているため、第2ゲート電極からゲート駆動回路へ向かう電流は流れにくい。これにより、オン時に、第2ゲート電極を介してゲート駆動回路へ流れ込む変位電流を低減することができる。これにより、変位電流によって生じるゲート抵抗の両端部間の電位差を小さくすることができ、ゲート電圧の上昇を抑制することができる。したがって、コレクタ電流が上昇することを抑制することができ、コレクタ電流の時間変化率di/dtを小さくすることができる。また、ゲート抵抗両端部間の電位差を小さくすることによりコレクタ電流が上昇することを抑制することができるため、ゲート抵抗の抵抗値を変更することによりコレクタ電流の上昇率を制御することができる。   Furthermore, according to the embodiment, since the second gate electrode is connected to the gate terminal via the internal resistance, the current from the second gate electrode to the gate drive circuit hardly flows. Thereby, the displacement current flowing into the gate drive circuit via the second gate electrode at the time of ON can be reduced. Thereby, the potential difference between the both ends of the gate resistance caused by the displacement current can be reduced, and the increase in the gate voltage can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the collector current from increasing, and it is possible to reduce the time change rate di / dt of the collector current. Further, since the increase in collector current can be suppressed by reducing the potential difference between both ends of the gate resistance, the rate of increase in collector current can be controlled by changing the resistance value of the gate resistance.

また、実施の形態によれば、コレクタ電流の時間変化率di/dtを小さくすることができるため、例えばIGBTをブリッジ接続して構成したインバータ回路(不図示)において、対向アームに逆並列に接続され負荷電流を還流させる還流ダイオードの逆回復動作を緩やかにすることができ、逆回復ピーク電流を減少させることができる。これにより、逆回復ピーク電流の時間変化率di/dtが減少し、還流ダイオードにかかるサージ電圧の上昇を抑制することができるため、還流ダイオードの逆回復時におけるノイズの発生を低減し、素子破壊を回避することができる。   In addition, according to the embodiment, since the collector current time change rate di / dt can be reduced, for example, in an inverter circuit (not shown) configured by bridging IGBTs, it is connected in antiparallel to the opposite arm. Thus, the reverse recovery operation of the freewheeling diode that circulates the load current can be moderated, and the reverse recovery peak current can be reduced. As a result, the rate of time change di / dt of the reverse recovery peak current is reduced, and the surge voltage applied to the freewheeling diode can be suppressed, so that the generation of noise during reverse recovery of the freewheeling diode is reduced and the element is destroyed. Can be avoided.

また、実施の形態によれば、凸型エミッタ構造とすることにより第1,2ゲート電極にそれぞれ対向する半導体領域に電子蓄積層が形成されるため、一般的なIGBTよりも電子蓄積層を大きくすることができ、オン電圧を低減させることができる。したがって、オン電圧を低減させるとともに、第2ゲート電極とゲート端子との間に設けた内部抵抗により、コレクタ電流の時間変化率di/dtが小さくなるように制御することができる。   Further, according to the embodiment, since the electron emitter layer is formed in the semiconductor regions facing the first and second gate electrodes by adopting the convex emitter structure, the electron emitter layer is made larger than a general IGBT. The on-voltage can be reduced. Therefore, it is possible to control the ON voltage to be reduced and the time rate of change di / dt of the collector current to be reduced by the internal resistance provided between the second gate electrode and the gate terminal.

以上において本発明では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。この場合、p-型ドリフト層の第2ゲート電極に対向する部分には、多数キャリアである正孔が蓄積される。また、本発明では、半導体基板の主面に設けた溝によって半導体基板の主面から突起した半導体領域(突起状半導体領域)を備えたIGBTを例に説明しているが、突起状半導体領域を備えないプレーナ構造のIGBTにも適用可能である。また、FS型IGBTを例に説明しているが、ノンパンチスルー(NPT)型やパンチスルー(PT)型のIGBTにも適用可能である。 As described above, in the present invention, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the present invention is similarly established when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. . In this case, holes that are majority carriers are accumulated in the portion of the p -type drift layer facing the second gate electrode. In the present invention, an IGBT including a semiconductor region (protruded semiconductor region) protruding from the main surface of the semiconductor substrate by a groove provided in the main surface of the semiconductor substrate is described as an example. The present invention can also be applied to a planar structure IGBT which is not provided. Further, although an FS type IGBT is described as an example, the present invention can also be applied to a non-punch through (NPT) type or punch through (PT) type IGBT.

以上のように、本発明にかかる半導体装置は、インバータなどの電力変換装置などに使用されるパワー半導体装置に有用である。   As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for a power semiconductor device used for a power conversion device such as an inverter.

1 n-型ドリフト層(半導体基板)
2 突起状半導体領域
3 p型ベース層(第1半導体領域)
4 n++型エミッタ層(第2半導体領域)
5 p+型コンタクト層
6 ゲート絶縁膜
7−1 第1ゲート電極(第1制御電極)
7−2 第2ゲート電極(第2制御電極)
8 エミッタ電極(第1主電極)
9 層間絶縁膜
10 溝
11 n型バッファ層
12 p型コレクタ層(第3半導体領域)
13 コレクタ電極(第2主電極)
G ゲート端子
R 内部抵抗
1 n type drift layer (semiconductor substrate)
2 protruding semiconductor region 3 p-type base layer (first semiconductor region)
4 n ++ type emitter layer (second semiconductor region)
5 p + type contact layer 6 gate insulating film 7-1 first gate electrode (first control electrode)
7-2 Second gate electrode (second control electrode)
8 Emitter electrode (first main electrode)
9 Interlayer insulating film 10 Groove 11 N-type buffer layer 12 p-type collector layer (third semiconductor region)
13 Collector electrode (second main electrode)
G Gate terminal R Internal resistance

Claims (6)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の第1主面に設けられた突起状の第2導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の内部に前記半導体基板の第1主面から離れて設けられた第1導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体基板とに挟まれた部分に絶縁膜を介して設けられ、制御信号が供給される第1制御電極と、
前記第1制御電極から離れて、前記半導体基板の第1主面に絶縁膜を介して設けられた、前記第1制御電極と同電位の第2制御電極と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接する第1主電極と、
前記半導体基板の第2主面に設けられた第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域に接する第2主電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first semiconductor region of a projecting second conductivity type provided on the first main surface of the semiconductor substrate;
A second semiconductor region of a first conductivity type provided inside the first semiconductor region and spaced apart from the first main surface of the semiconductor substrate;
A first control electrode provided via a dielectric film on a portion of the first semiconductor region sandwiched between the second semiconductor region and the semiconductor substrate, to which a control signal is supplied;
A second control electrode having the same potential as the first control electrode, provided on the first main surface of the semiconductor substrate via an insulating film apart from the first control electrode;
A first main electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region;
A third semiconductor region of a second conductivity type provided on the second main surface of the semiconductor substrate;
A second main electrode in contact with the third semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
前記第2制御電極は、抵抗を介して前記第1制御電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second control electrode is electrically connected to the first control electrode via a resistor. 活性領域を囲み、前記活性領域の周辺にまで延びるように設けられた前記第1制御電極に接する第1金属層と、
前記第1金属層を囲み、前記活性領域の周辺にまで延びるように設けられた前記第2制御電極の端部に接し、かつ金属膜でできた前記抵抗を介して前記第1金属層と電気的に接続された第2金属層と、
をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
A first metal layer surrounding the active region and in contact with the first control electrode provided to extend to the periphery of the active region;
The first metal layer is electrically connected to the end of the second control electrode provided so as to surround the first metal layer and extend to the periphery of the active region and through the resistor made of a metal film. Connected second metal layers,
The semiconductor device according to claim 2, further comprising:
前記第1制御電極の、前記半導体基板の第1主面と対向する部分の面積は、前記第2制御電極の、前記半導体基板の第1主面と対向する部分の面積よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。   The area of the portion of the first control electrode facing the first main surface of the semiconductor substrate is smaller than the area of the portion of the second control electrode facing the first main surface of the semiconductor substrate. The semiconductor device according to claim 1. 前記第2制御電極は、前記第1半導体領域から離れて設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second control electrode is provided apart from the first semiconductor region. 前記第1半導体領域は、前記半導体基板の第1主面に複数設けられており、
前記第1制御電極および前記第2制御電極は、隣り合う前記第1半導体領域に挟まれていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。
A plurality of the first semiconductor regions are provided on a first main surface of the semiconductor substrate;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first control electrode and the second control electrode are sandwiched between the adjacent first semiconductor regions.
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