JP2013251468A - Semiconductor device and method for controlling the same - Google Patents

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学 武井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of reducing gate-collector capacitance and on-voltage and maintaining high withstand voltage, and a method for controlling the same.SOLUTION: A front surface of a semiconductor substrate is provided with a MOS structure of a trench gate type composed of a gate trench 4, a gate insulating film 5, and a gate electrode 6 and a dummy trench gate structure composed of a dummy trench 14, a dummy gate insulating film 15, and a dummy gate electrode 16. A p base region 2 is provided between the gate trench 4 and the dummy trench 14. A p-type region is not provided between adjacent dummy trenches 14. The dummy gate electrode 16 is electrically connected to an emitter electrode 7. When forward voltage is blocked, a trench pitch d is narrow to such an extent that a mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 becomes depleted. For example, the trench pitch is not less than 1.8 μm and not more than 3.6 μm. The mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 has a low impurity concentration which becomes depleted when forward voltage is blocked.

Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の制御方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor device control method.

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、エミッタ電位のダミーゲート電極を備えたトレンチゲート型IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が公知である(例えば、下記特許文献1参照)。図4は、従来の半導体装置の構成を示す断面図である。図4は、下記特許文献1の図42に示す半導体装置である。図4に示す従来の半導体装置には、n-ドリフト領域101となる半導体基板のおもて面側の表面層に、pベース領域102が設けられている。pベース領域102の内部には、n+エミッタ領域103が設けられている。 Conventionally, a trench gate type IGBT (insulated gate type bipolar transistor) having a dummy gate electrode with an emitter potential is known as a power semiconductor device used for a power conversion device or the like (for example, see Patent Document 1 below). FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor device. FIG. 4 shows the semiconductor device shown in FIG. In the conventional semiconductor device shown in FIG. 4, a p base region 102 is provided in the surface layer on the front surface side of the semiconductor substrate to be the n drift region 101. An n + emitter region 103 is provided inside the p base region 102.

pベース領域102およびn+エミッタ領域103を貫通し、n-ドリフト領域101に達する複数のトレンチ(以下、ゲートトレンチとする)104が所定のピッチで設けられている。ゲートトレンチ104の内部には、ゲートトレンチ104の側壁および底面に沿ってゲート絶縁膜105が設けられている。また、ゲートトレンチ104の内部には、ゲート絶縁膜105の内側にゲート電極106が設けられている。エミッタ電極107は、pベース領域102およびn+エミッタ領域103に接する。 A plurality of trenches 104 (hereinafter referred to as gate trenches) 104 penetrating the p base region 102 and the n + emitter region 103 and reaching the n drift region 101 are provided at a predetermined pitch. Inside the gate trench 104, a gate insulating film 105 is provided along the side wall and the bottom surface of the gate trench 104. A gate electrode 106 is provided inside the gate insulating film 105 inside the gate trench 104. Emitter electrode 107 is in contact with p base region 102 and n + emitter region 103.

隣り合うゲートトレンチ104の間には、pベース領域102を貫通してn-ドリフト領域101に達する複数のダミートレンチ114が所定のピッチで設けられている。すなわち、pベース領域102は、ダミートレンチ114により複数の領域に分離され、n+エミッタ領域103が設けられた領域102aと、n+エミッタ領域103が設けられていない領域102bとが形成されている。pベース領域102の、n+エミッタ領域103が設けられていない領域(以下、pフローティング(浮遊)領域とする)102bは、電気的にフローティング(浮遊)状態となっている。 Between adjacent gate trenches 104, a plurality of dummy trenches 114 that penetrates the p base region 102 and reaches the n drift region 101 are provided at a predetermined pitch. Ie, p base region 102, the dummy trench 114 is divided into plural regions, and the region 102a which is n + emitter region 103 is provided, and a region 102b in which the n + emitter region 103 is not provided is formed . A region (hereinafter, referred to as a p-floating (floating) region) 102b in which the n + emitter region 103 is not provided in the p base region 102 is in an electrically floating (floating) state.

ダミートレンチ114の内部には、ダミートレンチ114の側壁および底面に沿ってダミーゲート絶縁膜115が設けられている。また、ダミートレンチ114の内部には、ダミーゲート絶縁膜115の内側にダミーゲート電極116が埋め込まれている。ダミーゲート電極116は、エミッタ電極107に電気的に接続され、エミッタ電位となっている。半導体基板の裏面には、nバッファ領域109、pコレクタ領域110およびコレクタ電極111が設けられている。   A dummy gate insulating film 115 is provided inside the dummy trench 114 along the side wall and the bottom surface of the dummy trench 114. A dummy gate electrode 116 is embedded inside the dummy gate insulating film 115 inside the dummy trench 114. The dummy gate electrode 116 is electrically connected to the emitter electrode 107 and has an emitter potential. An n buffer region 109, a p collector region 110, and a collector electrode 111 are provided on the back surface of the semiconductor substrate.

このようにエミッタ電位のダミーゲート電極を設けることにより、ゲート−コレクタ間の寄生容量(Qgc)(以下、ゲート−コレクタ間容量とする)が低減され、スイッチング動作が高速化される。また、駆動能力の低いゲートドライバでのゲート駆動も可能となる。また、pフローティング領域を設けることにより、ダミートレンチのピッチが広い場合でも耐圧低下を防止することができる。   By providing the dummy gate electrode with the emitter potential in this way, the parasitic capacitance (Qgc) between the gate and the collector (hereinafter referred to as the gate-collector capacitance) is reduced, and the switching operation is speeded up. In addition, gate driving with a gate driver having low driving capability is also possible. Further, by providing the p floating region, it is possible to prevent a decrease in breakdown voltage even when the pitch of the dummy trenches is wide.

このpフローティング領域を完全なフローティング状態にするためには、pフローティング領域と、活性領域外周部に設けられた正孔(ホール)引き抜きのためのエミッタ電位のp型領域(以下、ホール引き抜き用p型領域とする)とを電気的に分離する必要がある(例えば、下記特許文献2参照。)。図5は、従来の半導体装置の構成の別の一例を示す断面図である。図5は、下記特許文献2に示す分離構造部を備えたトレンチゲート型IGBTである。図5に示すように、pベース領域122aの外側(活性領域外周部側)には、ゲートトレンチ124を挟んでpフローティング領域122bが設けられている。   In order to bring the p floating region into a complete floating state, the p floating region and a p-type region having an emitter potential for extracting holes provided in the outer periphery of the active region (hereinafter referred to as hole extracting p). It is necessary to electrically isolate it from the mold region (see, for example, Patent Document 2 below). FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the configuration of a conventional semiconductor device. FIG. 5 shows a trench gate type IGBT having an isolation structure shown in Patent Document 2 below. As shown in FIG. 5, a p floating region 122b is provided outside the p base region 122a (active region outer peripheral portion side) with a gate trench 124 interposed therebetween.

pフローティング領域122bの外側には、分離構造部130を挟んでホール引き抜き用p型領域122cが設けられている。分離構造部130は、2つの分離トレンチ134に挟まれたn-ドリフト領域121からなる。pフローティング領域122bとホール引き抜き用p型領域122cとの間に分離構造部130を設けることにより、pフローティング領域122bとホール引き抜き用p型領域122cとが電気的に分離され、ホール引き抜き用p型領域122cを経由してpフローティング領域122bからエミッタ電極へホール電流が流れることを防いでいる。 A p-type region 122c for extracting a hole is provided outside the p-floating region 122b with the isolation structure 130 interposed therebetween. The isolation structure 130 includes an n drift region 121 sandwiched between two isolation trenches 134. By providing the isolation structure 130 between the p floating region 122b and the hole extracting p-type region 122c, the p floating region 122b and the hole extracting p-type region 122c are electrically separated, and the hole extracting p-type The hole current is prevented from flowing from the p floating region 122b to the emitter electrode via the region 122c.

また、エミッタ電位のダミーゲート電極を備えた従来のトレンチゲート型IGBTの別の一例をとして、複数のpフローティング領域が並ぶ方向に直交する方向にセル端部まで延びるストライプ状のpフローティング領域を備え、pフローティング領域のセル端部をエミッタ電極に接触させてpフローティング領域を実質的に完全なフローティング状態(以下、不完全フローティングとする)とした装置が公知である。定常オン状態においてホール電流密度は数十A/cm2〜数百A/cm2と高く、セル端部のエミッタ電極との接触部に流れ込むホール電流の比率は、セル端部のエミッタ電極との接触部以外に流れ込むホール電流よりも少ない。このため、pフローティング領域のセル端部以外の部分は実質的には完全なフローティング状態となる。 As another example of a conventional trench gate type IGBT having a dummy gate electrode with an emitter potential, a striped p floating region extending to the cell end in a direction orthogonal to the direction in which a plurality of p floating regions are arranged is provided. A device is known in which a cell end of a p floating region is brought into contact with an emitter electrode so that the p floating region is in a substantially complete floating state (hereinafter referred to as incomplete floating). In the steady ON state, the hole current density is as high as several tens A / cm 2 to several hundreds A / cm 2, and the ratio of the hole current flowing into the contact portion with the emitter electrode at the cell end is the same as that of the emitter electrode at the cell end. It is less than the hole current flowing into other than the contact area. For this reason, the portions other than the cell end portion of the p floating region are substantially in a completely floating state.

さらに、エミッタ電位のダミーゲート電極を備えた従来のトレンチゲート型IGBTの別の一例をとして、ゲートトレンチを2個連続して設け、その間に挟まれたpウエルのゲートトレンチに接する部分にn+エミッタ領域を設け、エミッタトレンチの両端部にpウエルを設けない構造を採用した装置が提案されている(例えば、下記特許文献3(第0170段落、第48図)参照。)。 Furthermore, as another example of a conventional trench gate type IGBT having a dummy gate electrode with an emitter potential, two gate trenches are provided in succession, and n.sup . An apparatus that employs a structure in which an emitter region is provided and no p-well is provided at both ends of an emitter trench has been proposed (see, for example, Patent Document 3 (paragraph 0170, FIG. 48) below).

特許第4205128号公報Japanese Patent No. 4205128 米国特許第6815769号明細書US Pat. No. 6,815,769 特開平9−331063号公報JP-A-9-331063

しかしながら、上記特許文献2(図5)に示す分離構造部130を設けた構成では、pフローティング領域122bとホール引き抜き用p型領域122cとの分離距離d130が短い場合、定常オン状態においてpフローティング領域122bからホール引き抜き用p型領域122cへホール電流が流れ込み、表面ホール濃度が減少してオン電圧が上昇してしまう。一方、pフローティング領域122bとホール引き抜き用p型領域122cとの分離距離d130が長い場合、1セルに占める分離構造部130の占有面積が増えてしまう。また、分離トレンチ134底部の電界強度が上昇して耐圧が低下し、かつアバランシェ耐量も低下してしまうという問題がある。   However, in the structure provided with the isolation structure 130 shown in Patent Document 2 (FIG. 5), when the separation distance d130 between the p floating region 122b and the p-type region 122c for hole extraction is short, the p floating region in the steady-on state. The hole current flows from 122b to the hole extraction p-type region 122c, the surface hole concentration decreases, and the on-voltage increases. On the other hand, when the separation distance d130 between the p floating region 122b and the hole extraction p-type region 122c is long, the area occupied by the separation structure 130 occupying one cell increases. Further, there is a problem that the electric field strength at the bottom of the isolation trench 134 is increased, the breakdown voltage is decreased, and the avalanche resistance is also decreased.

また、不完全フローティングのpフローティング領域を備えたトレンチゲート型IGBTでは、セル端部近傍において、ホール電流がpフローティング領域を経由してエミッタ電極に引き抜かれる。これにより、電子注入促進(IE)効果が低下するため、pフローティング領域の表面ホール濃度が減少してオン電圧が上昇する。素子全体としては、オン電圧の高いセル端部近傍の領域とオン電圧の低いセル端部以外の領域とが並列接続されているとみなすことができる。このため、セル端部近傍でのオン電圧上昇の悪影響を受けて、素子全体のオン電圧が上昇するという問題がある。また、上記特許文献3に示すpフローティング領域を設けない構成では、ダミートレンチのピッチが広い場合に、トレンチ底部でアバランシェ降伏が起こり易く耐圧が低下するという問題が生じる。   In a trench gate type IGBT having an incompletely floating p-floating region, a hole current is drawn to the emitter electrode via the p-floating region in the vicinity of the cell end. As a result, the electron injection promotion (IE) effect is reduced, so that the surface hole concentration in the p floating region is reduced and the on-voltage is increased. As a whole element, it can be considered that a region in the vicinity of the cell end portion having a high on-voltage and a region other than the cell end portion having a low on-voltage are connected in parallel. For this reason, there is a problem that the on-voltage of the entire device rises due to the adverse effect of the on-voltage rise near the cell edge. Further, in the configuration in which the p floating region shown in Patent Document 3 is not provided, when the pitch of the dummy trenches is wide, there is a problem that avalanche breakdown is likely to occur at the bottom of the trench and the breakdown voltage is 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、ゲート−コレクタ間容量を低減することができる半導体装置および半導体装置の制御方法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、高い耐圧を維持することができる半導体装置および半導体装置の制御方法を提供することを目的とする。さらに、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および半導体装置の制御方法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 and a semiconductor device control method capable of reducing a gate-collector capacitance 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 maintaining a high breakdown voltage and a method for controlling the semiconductor device in order to eliminate the above-described problems caused by the prior art. Furthermore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor device control method capable of reducing the on-voltage in order to solve the above-described 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導電型半導体基板の第1の主面に所定のピッチで設けられた複数のトレンチと、複数の前記トレンチのうちの第1トレンチの内壁に沿って前記第1トレンチの内部に設けられた第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を介して前記第1トレンチの内部に設けられた第1制御電極と、複数の前記トレンチのうち、前記第1トレンチを除く残りの第2トレンチの内壁に沿って前記第2トレンチの内部に設けられた第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を介して前記第2トレンチの内部に設けられ、前記第1制御電極と電気的に絶縁された第2制御電極と、前記第1導電型半導体基板の、前記第1トレンチと前記第2トレンチとに挟まれた部分のみに、前記第1トレンチに接するように設けられた第2導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域の内部に、前記第1トレンチに接するように形成された第1導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域および前記第1導電型半導体領域に電気的に接続された第1主電極と、前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層に接する第2主電極と、を備え、前記第2制御電極は、前記第1主電極に電気的に接続されており、前記第1導電型半導体基板の、隣り合う前記第2トレンチに挟まれた部分が順電圧阻止時に空乏化する前記所定のピッチで前記トレンチが設けられてい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 plurality of trenches provided at a predetermined pitch on a first main surface of a first conductivity type semiconductor substrate, and a plurality of trenches. A first insulating film provided in the first trench along an inner wall of the first trench, and a first insulating film provided in the first trench through the first insulating film. A control electrode, a second insulating film provided inside the second trench along an inner wall of the remaining second trench excluding the first trench among the plurality of trenches, and via the second insulating film A second control electrode provided in the second trench and electrically insulated from the first control electrode, and sandwiched between the first trench and the second trench of the first conductivity type semiconductor substrate. The first trench only in A second conductive type semiconductor region provided in contact with the first conductive type semiconductor region; a first conductive type semiconductor region formed in contact with the first trench in the second conductive type semiconductor region; and the second conductive type semiconductor. A first main electrode electrically connected to the region and the first conductivity type semiconductor region; a second conductivity type semiconductor layer provided on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate; and the second A second main electrode in contact with the conductive semiconductor layer, wherein the second control electrode is electrically connected to the first main electrode, and the second conductive electrode adjacent to the first conductive semiconductor substrate. The trenches are provided at the predetermined pitch at which a portion sandwiched between the trenches is depleted when forward voltage is blocked.

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導電型半導体領域の深さは、前記トレンチの深さよりも浅く、前記第1導電型半導体基板の、隣り合う前記第2トレンチに挟まれた部分の不純物濃度が2.0×1010cm-2以下であることを特徴とする。 Further, in the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the depth of the second conductive type semiconductor region is shallower than the depth of the trench, and the adjacent second trenches of the first conductive type semiconductor substrate. The impurity concentration of the portion sandwiched between the layers is 2.0 × 10 10 cm −2 or less.

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、前記トレンチの前記ピッチは3.6μm以下であ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 pitch of the trenches is 3.6 μm or less.

また、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の制御方法は、第1導電型半導体基板の第1の主面に所定のピッチで設けられた複数のトレンチと、複数の前記トレンチのうちの第1トレンチの内壁に沿って前記第1トレンチの内部に設けられた第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を介して前記第1トレンチの内部に設けられた第1制御電極と、複数の前記トレンチのうち、前記第1トレンチを除く残りの第2トレンチの内壁に沿って前記第2トレンチの内部に設けられた第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を介して前記第2トレンチの内部に設けられ、前記第1制御電極と電気的に絶縁された第2制御電極と、前記第1導電型半導体基板の、前記第1トレンチと前記第2トレンチとに挟まれた部分のみに、前記第1トレンチに接するように設けられた第2導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域の内部に、前記第1トレンチに接するように形成された第1導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域および前記第1導電型半導体領域に電気的に接続された第1主電極と、前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層に接する第2主電極と、を備え、前記第1導電型半導体基板の、隣り合う前記第2トレンチに挟まれた部分が順電圧阻止時に空乏化する前記ピッチで前記トレンチが設けられた半導体装置の制御方法であって、前記半導体装置の動作時に、前記第2制御電極の電位が前記第1主電極と同電位となるように、前記第2制御電極と前記第1主電極との間に電圧を印加す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 method for controlling a semiconductor device according to the present invention includes a plurality of methods provided at a predetermined pitch on a first main surface of a first conductivity type semiconductor substrate. A plurality of trenches, a first insulating film provided inside the first trench along an inner wall of the first trench among the plurality of trenches, and inside the first trench via the first insulating film A first control electrode provided; a second insulating film provided in the second trench along an inner wall of the remaining second trench excluding the first trench among the plurality of trenches; A second control electrode provided inside the second trench through two insulating films and electrically insulated from the first control electrode; and the first trench and the first of the first conductivity type semiconductor substrate. Only in the part sandwiched between two trenches, A second conductive semiconductor region provided in contact with the first trench; a first conductive semiconductor region formed in contact with the first trench in the second conductive semiconductor region; A second conductive type semiconductor region, a first main electrode electrically connected to the first conductive type semiconductor region, and a second conductive type semiconductor layer provided on a second main surface of the first conductive type semiconductor substrate And a second main electrode in contact with the second conductivity type semiconductor layer, wherein the pitch of the portion of the first conductivity type semiconductor substrate sandwiched between the adjacent second trenches is depleted when blocking forward voltage In the method of controlling a semiconductor device provided with the trench, the second control electrode and the second control electrode are arranged such that a potential of the second control electrode is the same as that of the first main electrode during operation of the semiconductor device. Voltage is applied between the first main electrode And wherein the Rukoto.

上述した発明によれば、第1制御電極を埋め込んだ第1トレンチを挟むように、エミッタ電位の第2制御電極を埋め込んだ第2トレンチを設けることにより、ターンオン時のゲート電位の持ち上がりを防ぎ、コレクタ電流の時間変化率di/dtを低減することができる。   According to the above-described invention, by providing the second trench in which the second control electrode of the emitter potential is embedded so as to sandwich the first trench in which the first control electrode is embedded, the gate potential at the turn-on is prevented from rising, The time change rate di / dt of the collector current can be reduced.

また、上述した発明によれば、第2制御電極を埋め込んだ第2トレンチ間に第2導電型フローティング領域を設けない構成とし、第1導電型半導体基板の、隣り合う第2トレンチに挟まれた部分(メサ領域)が順電圧阻止時に空乏化する程度にトレンチピッチを狭くすることにより、メサ領域の第1導電型半導体基板の第1の主面に平行な方向に積分した単位面積当たりの不純物濃度を低くすることができる。このため、アバランシェ降伏が起こり易いトレンチ底面における電界を緩和することができる。   According to the above-described invention, the second conductivity type floating region is not provided between the second trenches in which the second control electrode is embedded, and the first conductivity type semiconductor substrate is sandwiched between adjacent second trenches. Impurities per unit area integrated in a direction parallel to the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate of the mesa region by narrowing the trench pitch to such an extent that the portion (mesa region) is depleted when blocking forward voltage. The concentration can be lowered. For this reason, the electric field at the bottom of the trench where avalanche breakdown is likely to occur can be relaxed.

また、上述した発明によれば、トレンチピッチを3.6μm以下と狭くする、または、メサ領域の第1導電型半導体基板の第1の主面に平行な方向に積分した単位面積当たりの不純物濃度を2.0×1010cm-2以下とすることにより、活性領域の耐圧を平面接合耐圧の95%以上とし、エッジ領域の耐圧を活性領域の耐圧以上とすることができ、高い耐圧を実現することができる。このため、所望の耐圧を実現するために必要な厚さにまでn-ドリフト領域の厚さを薄くすることができ、オン電圧を低減することができる。 In addition, according to the above-described invention, the impurity concentration per unit area integrated in the direction parallel to the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate in the mesa region, with the trench pitch narrowed to 3.6 μm or less. Is set to 2.0 × 10 10 cm −2 or less, so that the breakdown voltage of the active region can be 95% or more of the flat junction breakdown voltage and the breakdown voltage of the edge region can be equal to or higher than the breakdown voltage of the active region. can do. For this reason, the thickness of the n drift region can be reduced to a thickness necessary for realizing a desired breakdown voltage, and the on-voltage can be reduced.

また、上述した発明によれば、第2制御電極を埋め込んだ第2トレンチ間に第2導電型フローティング領域を設けない構成とすることにより、従来のように第2導電型フローティング領域と活性領域外周部(例えばエッジ構造領域)のホール引き抜き用第2導電型領域とをトレンチ(分離構造部)で分離する必要がない。したがって、順方向電圧のブロッキング時(電流が流れない阻止状態)に、分離構造部における電界集中が起こらず、耐圧低下を防ぐことができる。また、定常オン状態において、第2導電型フローティング領域を経由してホール引き抜き用第2導電型領域からホールが引き抜かれないので、表面ホール濃度が減少してオン電圧が上昇することを防止することができる。   Further, according to the above-described invention, the second conductivity type floating region and the outer periphery of the active region are conventionally provided by not providing the second conductivity type floating region between the second trenches in which the second control electrode is embedded. There is no need to separate the hole extraction second conductivity type region of the portion (for example, the edge structure region) with a trench (separation structure portion). Therefore, when the forward voltage is blocked (in a blocking state where no current flows), the electric field concentration in the separation structure portion does not occur, and a decrease in breakdown voltage can be prevented. Further, in the steady-on state, holes are not extracted from the second conductivity type region for hole extraction via the second conductivity type floating region, so that it is possible to prevent the surface hole concentration from decreasing and the ON voltage from increasing. Can do.

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の制御方法によれば、ゲート−コレクタ間容量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および半導体装置の制御方法によれば、耐圧が高い半導体装置および半導体装置の制御方法を提供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および半導体装置の制御方法によれば、オン電圧が低い半導体装置および半導体装置の制御方法を提供することができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device and the method for controlling the semiconductor device according to the present invention, it is possible to reduce the gate-collector capacitance. In addition, according to the semiconductor device and the semiconductor device control method of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a high breakdown voltage and a method for controlling the semiconductor device. In addition, according to the semiconductor device and the method for controlling the semiconductor device according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a low on-voltage and a method for controlling the semiconductor device.

実施の形態にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device concerning embodiment. 実施の形態にかかる半導体装置のオン電圧特性について示す特性図である。It is a characteristic view shown about the on-voltage characteristic of the semiconductor device concerning an embodiment. 実施の形態にかかる半導体装置の耐圧特性について示す特性図である。It is a characteristic view shown about the pressure resistance characteristic of the semiconductor device concerning an embodiment. 従来の半導体装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional semiconductor device. 従来の半導体装置の構成の別の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of a structure of 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および半導体装置の制御方法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。   Exemplary embodiments of a semiconductor device and a semiconductor device control method according to the present invention will be explained below 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の構成を示す断面図である。実施の形態にかかる半導体装置について、フィールドストップ型IGBT(FS−IGBT)に適用した場合を一例に説明する。図1に示すように、実施の形態1にかかる半導体装置は、n-ドリフト領域1となるn-半導体基板(第1導電型半導体基板)のおもて面(第1の主面)に、pベース領域(第2導電型半導体領域)2、n+エミッタ領域(第1導電型半導体領域)3、第1トレンチ(以下、ゲートトレンチとする)4、ゲート絶縁膜(第1絶縁膜)5およびゲート電極(第1制御電極)6からなるトレンチゲート型のMOS(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造を備える。トレンチゲート型のMOS構造が設けられた領域が、半導体装置のオン時に電流が流れる活性領域である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to an embodiment. A case where the semiconductor device according to the embodiment is applied to a field stop type IGBT (FS-IGBT) will be described as an example. As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment is provided on the front surface (first main surface) of an n semiconductor substrate (first conductivity type semiconductor substrate) to be the n drift region 1. p base region (second conductivity type semiconductor region) 2, n + emitter region (first conductivity type semiconductor region) 3, first trench (hereinafter referred to as gate trench) 4, gate insulating film (first insulating film) 5 And a trench gate type MOS (insulated gate made of metal-oxide film-semiconductor) structure comprising a gate electrode (first control electrode) 6. The region provided with the trench gate type MOS structure is an active region through which a current flows when the semiconductor device is turned on.

また、n-半導体基板のおもて面には、第2トレンチ(以下、ダミートレンチとする)14、ダミーゲート絶縁膜(第2絶縁膜)15およびダミーゲート電極(第2制御電極)16からなるダミートレンチゲート構造が設けられている。n-半導体基板の裏面(第2の主面)の表面層には、p+コレクタ領域(第2導電型半導体層)10が設けられている。n-ドリフト領域1とp+コレクタ領域10との間には、nバッファ領域9が設けられている。コレクタ電極(第2主電極)11は、p+コレクタ領域10に接し、さらにコレクタパッドCに接続されている。ダミートレンチ14が設けられた領域が、n-ドリフト領域1のおもて面側の電界を緩和し耐圧を保持するエッジ構造領域である。 Further, a second trench (hereinafter referred to as a dummy trench) 14, a dummy gate insulating film (second insulating film) 15, and a dummy gate electrode (second control electrode) 16 are formed on the front surface of the n semiconductor substrate. A dummy trench gate structure is provided. A p + collector region (second conductivity type semiconductor layer) 10 is provided on the surface layer of the back surface (second main surface) of the n semiconductor substrate. An n buffer region 9 is provided between the n drift region 1 and the p + collector region 10. The collector electrode (second main electrode) 11 is in contact with the p + collector region 10 and further connected to the collector pad C. The region in which the dummy trench 14 is provided is an edge structure region that relaxes the electric field on the front surface side of the n drift region 1 and maintains a withstand voltage.

ゲートトレンチ4およびダミートレンチ14は、n-半導体基板のおもて面から裏面に達しない深さで設けられ、所定のピッチで並ぶ複数のトレンチによって構成される。複数のトレンチは、トレンチが並ぶ方向(以下、短手方向とする)と直交する方向(図1では紙面奥行き方向、以下、長手方向とする)に延びるストライプ状の平面レイアウトを有する。各トレンチの内部には、それぞれ内壁に沿ってゲート酸化膜が設けられている。そして、また、各トレンチの内部には、ゲート酸化膜を介してそれぞれリン(P)が高不純物濃度にドープされた低抵抗なポリシリコン(poly−Si)からなるゲート電極が設けられている。 Gate trench 4 and dummy trench 14 are provided with a depth that does not reach the back surface from the front surface of the n semiconductor substrate, and are constituted by a plurality of trenches arranged at a predetermined pitch. The plurality of trenches have a striped planar layout extending in a direction (the depth direction in FIG. 1, hereinafter referred to as the longitudinal direction in FIG. 1) orthogonal to the direction in which the trenches are arranged (hereinafter referred to as the lateral direction). A gate oxide film is provided along the inner wall of each trench. Each trench is provided with a gate electrode made of low-resistance polysilicon (poly-Si) doped with phosphorus (P) at a high impurity concentration through a gate oxide film.

トレンチの短手方向の幅(以下、単に幅とする)w1は、1.0μmより大きく、2.0μm以下であるのが好ましい。その理由は、次のとおりである。トレンチの幅w1が1.0μm以下の場合、ゲート抵抗が高くなり、ゲート遅延が大きくなるからである。また、トレンチの幅w1が2.0μmより大きい場合、トレンチの内部にポリシリコンをむらなく埋め込むことが難しいからである。トレンチピッチdは、n-ドリフト領域1の、隣り合うダミートレンチ14に挟まれた部分(メサ領域)12が順電圧阻止時に空乏化する程度に狭いピッチであることが好ましい。隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12は、例えば、所望の耐圧を実現することができる程度に空乏化されることが好ましく、好適には完全に空乏化されるのがよい。より具体的には、トレンチピッチdは、例えば1.8μm以上3.6μm以下であるのが好ましい。その理由は、次のとおりである。 The width (hereinafter simply referred to as width) w1 of the trench in the short direction is preferably larger than 1.0 μm and not larger than 2.0 μm. The reason is as follows. This is because when the trench width w1 is 1.0 μm or less, the gate resistance increases and the gate delay increases. Further, if the width w1 of the trench is larger than 2.0 μm, it is difficult to fill the trench uniformly with polysilicon. The trench pitch d is preferably so narrow that the portion (mesa region) 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 in the n drift region 1 is depleted when blocking forward voltage. The mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 is preferably depleted to such an extent that a desired breakdown voltage can be realized, for example, and preferably completely depleted. More specifically, the trench pitch d is preferably, for example, not less than 1.8 μm and not more than 3.6 μm. The reason is as follows.

トレンチピッチdが1.8μmより小さい場合、隣り合うトレンチに挟まれたメサ領域12の短手方向の幅(以下、単に幅とする)w2が0.8μmより小さくなるため、半導体装置の製造が困難になるからである。また、トレンチピッチdが3.6μmより大きい場合、隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12が順電圧阻止時に空乏化しにくく、耐圧が低下するからである。耐圧が低くなりすぎる場合、所望の耐圧を実現するために最低限必要なn-ドリフト領域の厚さよりもn-ドリフト領域1の厚さを厚くする必要があるため、さらにオン電圧が高くなるという問題も生じる。また、活性領域の耐圧がエッジ構造領域の耐圧よりも高くなり、エッジ構造領域でアバランシェ破壊耐量が低下するからである。 When the trench pitch d is smaller than 1.8 μm, the width (hereinafter simply referred to as width) w2 of the mesa region 12 sandwiched between adjacent trenches is smaller than 0.8 μm, so that the semiconductor device is manufactured. Because it becomes difficult. Further, when the trench pitch d is larger than 3.6 μm, the mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 is not easily depleted when the forward voltage is blocked, and the breakdown voltage is reduced. If the breakdown voltage is too low, the thickness of the n drift region 1 needs to be thicker than the minimum thickness of the n drift region required to achieve the desired breakdown voltage, and the on-voltage is further increased. Problems also arise. Further, the breakdown voltage of the active region is higher than the breakdown voltage of the edge structure region, and the avalanche breakdown resistance decreases in the edge structure region.

これらのトレンチのうち、一部のトレンチの長手方向に平行な両側面に、n+エミッタ領域3が設けられている。n+エミッタ領域3は、ゲートトレンチ4の側壁に沿って設けられたゲート絶縁膜5に接する。n+エミッタ領域3が接するトレンチがゲートトレンチ4であり、このゲートトレンチ4の内部に埋め込まれたゲート電極6に、n+エミッタ領域3とp+コレクタ領域10との間の電流の流れを制御する制御電圧が印加される。ゲート電極6は、ゲートトレンチ4の長手方向の端部においてゲートパッドGに接続されている。 Among these trenches, n + emitter regions 3 are provided on both side surfaces parallel to the longitudinal direction of some of the trenches. The n + emitter region 3 is in contact with the gate insulating film 5 provided along the side wall of the gate trench 4. A trench with which the n + emitter region 3 is in contact is a gate trench 4, and a current flow between the n + emitter region 3 and the p + collector region 10 is controlled by the gate electrode 6 embedded in the gate trench 4. A control voltage is applied. The gate electrode 6 is connected to the gate pad G at the end in the longitudinal direction of the gate trench 4.

+エミッタ領域3は、n-ドリフト領域1よりも高不純物濃度であり、例えば砒素(As)がドープされることにより形成される。また、n+エミッタ領域3は、pベース領域2に囲まれている。pベース領域2は、n-ドリフト領域1の、ゲートトレンチ4とダミートレンチ14とに挟まれた部分のみに設けられている。pベース領域2は、ゲートトレンチ4に隣り合うダミートレンチ14のゲートトレンチ4側の側面に接していてもよい。pベース領域2の、n+エミッタ領域3とn-ドリフト領域1とに挟まれた部分は、ゲートトレンチ4の側壁に沿って設けられたゲート絶縁膜5に接する。pベース領域2の深さは、ゲートトレンチ4の深さよりも浅い。エミッタ電極(第1主電極)7は、pベース領域2およびn+エミッタ領域3に電気的に接続されている。エミッタ電極7は、エミッタパッドEに接続されている。 The n + emitter region 3 has a higher impurity concentration than the n drift region 1 and is formed, for example, by doping with arsenic (As). The n + emitter region 3 is surrounded by the p base region 2. The p base region 2 is provided only in a portion of the n drift region 1 sandwiched between the gate trench 4 and the dummy trench 14. The p base region 2 may be in contact with the side surface of the dummy trench 14 adjacent to the gate trench 4 on the gate trench 4 side. A portion of p base region 2 sandwiched between n + emitter region 3 and n drift region 1 is in contact with gate insulating film 5 provided along the side wall of gate trench 4. The depth of the p base region 2 is shallower than the depth of the gate trench 4. Emitter electrode (first main electrode) 7 is electrically connected to p base region 2 and n + emitter region 3. The emitter electrode 7 is connected to the emitter pad E.

複数のトレンチのうち、ゲートトレンチ4以外のトレンチがダミートレンチ14である。隣り合うゲートトレンチ4(不図示)の間には複数のダミートレンチ14が設けられている。すなわち、1つのゲートトレンチ4の両側はともにダミートレンチ14となっている。ダミートレンチ14の内壁に沿って設けられたゲート絶縁膜がダミーゲート絶縁膜15であり、ダミートレンチ14の内部に埋め込まれたゲート電極がダミーゲート電極16である。ダミーゲート電極16は、層間絶縁膜8によってゲート電極6と電気的に絶縁されている。すべてのダミーゲート電極16は、例えばダミートレンチ14の長手方向の端部においてエミッタパッドEに接続されエミッタ電位となっている。ダミーゲート電極16は、エミッタ電極7と直接接触してもよい。   Among the plurality of trenches, a trench other than the gate trench 4 is a dummy trench 14. A plurality of dummy trenches 14 are provided between adjacent gate trenches 4 (not shown). That is, both sides of one gate trench 4 are dummy trenches 14. The gate insulating film provided along the inner wall of the dummy trench 14 is the dummy gate insulating film 15, and the gate electrode embedded in the dummy trench 14 is the dummy gate electrode 16. The dummy gate electrode 16 is electrically insulated from the gate electrode 6 by the interlayer insulating film 8. All the dummy gate electrodes 16 are connected to the emitter pad E at the end in the longitudinal direction of the dummy trench 14, for example, and have an emitter potential. The dummy gate electrode 16 may be in direct contact with the emitter electrode 7.

隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12には、従来のようにpフローティング領域は設けられていない。すなわち、隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12は、n-ドリフト領域1となっている。隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12の不純物濃度は、1.0×109cm-2以上2.0×1012cm-2以下の範囲内にあることが好ましい。その理由は、次のとおりである。 The mesa region 12 sandwiched between adjacent dummy trenches 14 is not provided with a p-floating region as in the prior art. That is, the mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 is the n drift region 1. The impurity concentration of the mesa region 12 sandwiched between adjacent dummy trenches 14 is preferably in the range of 1.0 × 10 9 cm −2 or more and 2.0 × 10 12 cm −2 or less. The reason is as follows.

-半導体基板(n-ドリフト領域1)の構成材料であるシリコン(Si)は、1.3×1012cm-2のドーズ量で臨界電界に達するという物性を示す。このため、メサ領域12両側のダミートレンチ14側面から当該メサ領域12へ空乏層が延びるとした場合に、隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12の不純物濃度は2.6×1012cm-2以下である必要がある。このため、安全マージンを考慮して、隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12の不純物濃度は、2.0×1012cm-2以下の範囲内にあることが好ましい。 Silicon (Si), which is a constituent material of the n semiconductor substrate (n drift region 1), exhibits a physical property of reaching a critical electric field at a dose of 1.3 × 10 12 cm −2 . Therefore, when the depletion layer extends from the side surfaces of the dummy trenches 14 on both sides of the mesa region 12 to the mesa region 12, the impurity concentration of the mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 is 2.6 × 10 12 cm. Must be less than -2 . Therefore, considering the safety margin, the impurity concentration of the mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 is preferably in the range of 2.0 × 10 12 cm −2 or less.

また、n-半導体基板の不純物濃度を1.0×1013cm-2とし、メサ領域12の幅w2を半導体装置の製造可能限界である0.8μmとした場合、隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12の不純物濃度は1.0×109cm-2程度となる。隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12の不純物濃度が1.0×109cm-2より小さい場合、半導体装置の製造が困難であると同時に、隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12の抵抗が高くなってしまう。したがって、隣り合うダミートレンチ14に挟まれたメサ領域12の不純物濃度は、1.0×109cm-2以上の範囲内にあることが好ましい。 Further, when the impurity concentration of the n semiconductor substrate is 1.0 × 10 13 cm −2 and the width w2 of the mesa region 12 is 0.8 μm, which is the manufacturable limit of the semiconductor device, it is sandwiched between the adjacent dummy trenches 14. The impurity concentration of the mesa region 12 is about 1.0 × 10 9 cm −2 . When the impurity concentration of the mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 is smaller than 1.0 × 10 9 cm −2, it is difficult to manufacture the semiconductor device, and at the same time, the mesa sandwiched between the adjacent dummy trenches 14. The resistance of the region 12 is increased. Therefore, the impurity concentration of the mesa region 12 sandwiched between the adjacent dummy trenches 14 is preferably in the range of 1.0 × 10 9 cm −2 or more.

次に、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。オフ状態において、ゲート電極6をエミッタ電極7に対して同電位にした状態で、コレクタ電極11に数Vの正電圧を印加してコレクタ電極11をエミッタ電極7に対して高電位にする。この状態では、n-ドリフト領域1とpベース領域2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-ドリフト領域1とpベース領域2とのpn接合から空乏層が伸び、IGBTは阻止状態となる。この状態で、ゲート電極6に例えば15V程度の正電圧を印加して、ゲート電極6をエミッタ電極7に対して高電位にする。 Next, the operation of the semiconductor device according to the embodiment will be described. In the off state, with the gate electrode 6 at the same potential with respect to the emitter electrode 7, a positive voltage of several volts is applied to the collector electrode 11 to bring the collector electrode 11 to a high potential with respect to the emitter electrode 7. In this state, n - the reverse-biased junction between the drift region 1 and the p base region 2, below the Gyaku耐voltage the n - depletion layer extends from the pn junction between the drift region 1 and the p base region 2, IGBT Becomes blocked. In this state, a positive voltage of about 15 V, for example, is applied to the gate electrode 6 to bring the gate electrode 6 to a high potential with respect to the emitter electrode 7.

コレクタ電極11はエミッタ電極7に対して高電位となっているため、ゲート電極6に電荷が蓄積され始める。同時に、pベース領域2の、ゲート絶縁膜5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。n+エミッタ領域3とn-ドリフト領域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7からn+エミッタ領域3およびnチャネル領域を通ってn-ドリフト領域1に、電子電流が注入される。 Since the collector electrode 11 is at a higher potential than the emitter electrode 7, charges start to be accumulated in the gate electrode 6. At the same time, an n-channel region (not shown) inverted to the n-type is formed in a region of the p base region 2 that is in contact with the gate insulating film 5. When an n channel region is formed between the n + emitter region 3 and the n drift region 1, the reverse bias junction disappears in the path passing through the n channel region. Accordingly, an electron current is injected from emitter electrode 7 into n drift region 1 through n + emitter region 3 and n channel region.

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ため、p+コレクタ層10からn-ドリフト領域1に少数キャリアである正孔(ホール)が注入され、n-半導体基板おもて面のpベース領域2から引き抜かれる。ホールがn-ドリフト領域1に注入されると、n-ドリフト領域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-ドリフト領域1の電気抵抗が低くなる、いわゆる伝導度変調が起こる。コレクタ電極11とエミッタ電極7の間に流れるコレクタ電流Icによる電圧降下がオン電圧であり、伝導度変調により定常オン状態におけるオン電圧が低減される。 When the injection of the electrons occurs, since the pn junction of the collector side is forward biased, the p + collector layer 10 n - hole which are minority carriers in the drift region 1 (holes) are injected, n - semiconductor substrate Contact It is extracted from the p base region 2 on the front surface. When injected into the drift region 1, n - - hole n the electron concentration are majority carriers increases in order to maintain the neutral condition of the carriers in the drift region 1, n - the electrical resistance of the drift region 1 is lower So-called conductivity modulation occurs. The voltage drop due to the collector current Ic flowing between the collector electrode 11 and the emitter electrode 7 is the on voltage, and the on voltage in the steady on state is reduced by conductivity modulation.

次に、実施の形態にかかる半導体装置のオン電圧について検証した。図2は、実施の形態にかかる半導体装置のオン電圧特性について示す特性図である。まず、実施の形態にしたがい、定格1200V耐圧のトレンチゲート型FS−IGBTを作製(製造)した(以下、実施例とする)。具体的には、n-ドリフト領域1となるn-半導体基板として、比抵抗60Ωcmのn型FZ(Float Zone)ウェハからなるFZ基板を用いた。n-半導体基板の厚さtを120μmとした。n-半導体基板の厚さtとは、n-ドリフト領域1、nバッファ領域9およびp+コレクタ領域10の各厚さの総計である。 Next, the on-voltage of the semiconductor device according to the embodiment was verified. FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating an on-voltage characteristic of the semiconductor device according to the embodiment. First, according to the embodiment, a trench gate type FS-IGBT having a rated voltage of 1200 V was manufactured (manufactured) (hereinafter referred to as an example). Specifically, an FZ substrate made of an n-type FZ (Float Zone) wafer having a specific resistance of 60 Ωcm was used as the n semiconductor substrate to be the n drift region 1. The thickness t of the n semiconductor substrate was 120 μm. The thickness t of the n semiconductor substrate is the total thickness of the n drift region 1, n buffer region 9 and p + collector region 10.

ゲートトレンチ4およびダミートレンチ14となる複数のトレンチは、短手方向に等間隔に配置し、かつ長手方向に延びるストライプ状の平面レイアウトで形成した。トレンチピッチdを3.0μmとし、トレンチの幅w1を1.2μmとした。ゲート酸化膜の厚さを100nmとした。ゲート電極6は、高濃度のリンがドープされたポリシリコンで形成した。n+エミッタ領域3を形成するためのドーパントを砒素とした。ゲート電極6は、ゲートトレンチ4の長手方向の端部においてゲートパッドGに接続した。ダミーゲート電極16は、例えばダミートレンチ14の長手方向の端部においてエミッタパッドEに接続した。 The plurality of trenches to be the gate trenches 4 and the dummy trenches 14 are formed in a striped planar layout that is arranged at equal intervals in the lateral direction and extends in the longitudinal direction. The trench pitch d was set to 3.0 μm, and the width w1 of the trench was set to 1.2 μm. The thickness of the gate oxide film was 100 nm. The gate electrode 6 was formed of polysilicon doped with high concentration phosphorus. The dopant for forming the n + emitter region 3 was arsenic. The gate electrode 6 was connected to the gate pad G at the longitudinal end of the gate trench 4. The dummy gate electrode 16 is connected to the emitter pad E, for example, at the end of the dummy trench 14 in the longitudinal direction.

また、比較として、図5に示す従来の不完全フローティングのpフローティング領域を備えたFS−IGBTを作製した(以下、従来例とする)。従来例では、隣り合うダミートレンチに挟まれた各メサ領域に長手方向にセル端部まで延びるpフローティング領域を設けた。pフローティング領域のセル端部をエミッタ電極に接触させた。従来例のそれ以外の構成は、実施例と同様である。これら実施例および従来例に対して、ゲート電極に15V程度の正電圧を印加すると同時に、コレクタ電極に数Vの正電圧を印加し、コレクタ−エミッタ間電圧Vce(オン電圧)を測定した結果を図2に示す。   For comparison, an FS-IGBT having a conventional incomplete floating p-floating region shown in FIG. 5 was fabricated (hereinafter referred to as a conventional example). In the conventional example, a p-floating region extending in the longitudinal direction to the cell end is provided in each mesa region sandwiched between adjacent dummy trenches. The cell end of the p floating region was brought into contact with the emitter electrode. Other configurations of the conventional example are the same as those of the example. For these examples and the conventional example, a positive voltage of about 15 V was applied to the gate electrode, and simultaneously, a positive voltage of several volts was applied to the collector electrode, and the collector-emitter voltage Vce (ON voltage) was measured. As shown in FIG.

図2に示す結果より、実施例のオン電圧は、従来例のオン電圧よりも0.4V以上低減されることが確認された。その理由は、次のとおりである。従来例では、pコレクタ層からn-ドリフト領域に注入されたホールの一部がpフローティング領域に入り、n-半導体基板の主面に平行な方向(横方向)に流れてセル端部のエミッタ電極との接触部から引き抜かれる。このため、セル端部近傍のホール濃度が減少してしまった。一方、実施例では、隣り合うダミートレンチ14に挟まれた各メサ領域12にpフローティング領域が存在しないため、セル端部のホール濃度は減少しないからである。 From the results shown in FIG. 2, it was confirmed that the on-voltage of the example was reduced by 0.4 V or more than the on-voltage of the conventional example. The reason is as follows. In the conventional example, a part of the holes injected from the p collector layer into the n drift region enters the p floating region and flows in a direction (lateral direction) parallel to the main surface of the n semiconductor substrate to be the emitter at the cell end. It is pulled out from the contact part with the electrode. For this reason, the hole concentration near the cell edge has decreased. On the other hand, in the embodiment, since there is no p floating region in each mesa region 12 sandwiched between adjacent dummy trenches 14, the hole concentration at the cell edge does not decrease.

次に、実施の形態にかかる半導体装置のトレンチピッチdと耐圧との関係について検証した。図3は、実施の形態にかかる半導体装置の耐圧特性について示す特性図である。上述したように、ゲート電極6をエミッタ電極7に対して同電位にした状態で、コレクタ電極11を増加させた場合、電流が流れない阻止状態となる。このとき、活性領域におけるゲートトレンチ4の底面は電界が集中する部分であり、アバランシェ降伏が発生する部分となる。従来例では、ゲートトレンチとダミートレンチとに挟まれた領域にpフローティング領域を設けてゲートトレンチの底面の電界を緩和している。一方、実施例においては、トレンチピッチdが3.0μmと狭いため、pフローティング領域を設けることなく耐圧低下を防ぐことができる。   Next, the relationship between the trench pitch d and the breakdown voltage of the semiconductor device according to the embodiment was verified. FIG. 3 is a characteristic diagram illustrating the breakdown voltage characteristics of the semiconductor device according to the embodiment. As described above, when the collector electrode 11 is increased in a state where the gate electrode 6 is set to the same potential with respect to the emitter electrode 7, a blocking state in which no current flows is obtained. At this time, the bottom surface of the gate trench 4 in the active region is a portion where the electric field concentrates, and a portion where avalanche breakdown occurs. In the conventional example, a p-floating region is provided in a region sandwiched between the gate trench and the dummy trench to reduce the electric field on the bottom surface of the gate trench. On the other hand, in the embodiment, since the trench pitch d is as narrow as 3.0 μm, it is possible to prevent the breakdown voltage from decreasing without providing the p floating region.

また、実施例においては、平面接合(n-ドリフト領域1とpベース領域2とのpn接合)の理想的な1次元的耐圧(以下、平面接合耐圧とする)が例えば1310Vであり、エッジ構造領域の耐圧を平面接合耐圧よりもやや低く、かつ平面接合耐圧の95%またはそれ以上に設計することが好ましい。さらに、活性領域の耐圧は、エッジ構造領域の耐圧よりも低いことが望ましい。活性領域の耐圧をエッジ構造領域の耐圧よりも高くした場合、活性領域よりも先に、エッジ構造領域でアバランシェ電流が発生してアバランシェ破壊に至るからである。活性領域の耐圧をエッジ構造領域の耐圧よりも低くすることで、エッジ構造領域よりも先に、広い面積を有する活性領域でアバランシェ電流が発生する。これにより、アバランシェ電流密度を低減させることができるため、破壊耐量を向上させることができる。 In the embodiment, an ideal one-dimensional breakdown voltage (hereinafter referred to as a planar junction breakdown voltage) of a planar junction (pn junction between the n drift region 1 and the p base region 2) is, for example, 1310 V, and an edge structure The breakdown voltage of the region is preferably designed to be slightly lower than the flat junction breakdown voltage and 95% or more of the flat junction breakdown voltage. Furthermore, the breakdown voltage of the active region is desirably lower than the breakdown voltage of the edge structure region. This is because when the breakdown voltage of the active region is higher than the breakdown voltage of the edge structure region, an avalanche current is generated in the edge structure region before the active region, resulting in avalanche breakdown. By making the breakdown voltage of the active region lower than the breakdown voltage of the edge structure region, an avalanche current is generated in the active region having a large area before the edge structure region. Thereby, since the avalanche current density can be reduced, the breakdown tolerance can be improved.

一方、活性領域の耐圧がエッジ構造領域の耐圧に対して低すぎた場合、耐圧規格を満たすためにn-ドリフト領域1の厚さを厚くする必要があり、オン電圧が上昇してしまう。このため、活性領域の耐圧は、平面接合耐圧の95%以上であることが好ましい。すなわち、活性領域の耐圧を平面接合耐圧の95%以上とし、エッジ領域の耐圧が活性領域の耐圧以上となるように素子設計を行うことが好ましい。図3に示すように、実施例において平面接合耐圧を例えば1310V(破線21で示す)とした場合、活性領域の耐圧の下限値が平面接合耐圧よりも5%低い1244V(破線22で示す)となるように素子設計を行う。具体的には、トレンチピッチdが3.6μm以下であれば、活性領域の耐圧を平面接合耐圧の95%以上とすることができ、非常に高い耐圧を実現することができる。したがって、トレンチピッチdを3.6μm以下とすることが好ましい。また、実施例のようにトレンチピッチdを3.0μmとすることにより、活性領域の耐圧を平面接合耐圧の98%とすることができるため、より好ましい。 On the other hand, when the withstand voltage of the active region is too low with respect to the withstand voltage of the edge structure region, it is necessary to increase the thickness of the n drift region 1 in order to satisfy the withstand voltage standard, and the on-voltage increases. For this reason, the breakdown voltage of the active region is preferably 95% or more of the planar junction breakdown voltage. That is, it is preferable to design the device so that the breakdown voltage of the active region is 95% or more of the planar junction breakdown voltage and the breakdown voltage of the edge region is equal to or higher than the breakdown voltage of the active region. As shown in FIG. 3, when the planar junction breakdown voltage is set to 1310 V (indicated by the broken line 21) in the embodiment, the lower limit value of the breakdown voltage of the active region is 1244 V (indicated by the broken line 22) 5% lower than the planar junction breakdown voltage. The element design is performed as follows. Specifically, when the trench pitch d is 3.6 μm or less, the breakdown voltage of the active region can be 95% or more of the planar junction breakdown voltage, and a very high breakdown voltage can be realized. Accordingly, the trench pitch d is preferably 3.6 μm or less. Further, it is more preferable to set the trench pitch d to 3.0 μm as in the embodiment because the active region can have a breakdown voltage of 98% of the planar junction breakdown voltage.

以上、説明したように、実施の形態によれば、ゲート電極を埋め込んだゲートトレンチを挟むように、エミッタ電位のダミーゲート電極を埋め込んだダミートレンチを設けることにより、ターンオン時のゲート電位の持ち上がりを防ぎ、コレクタ電流の時間変化率di/dtを低減することができる。これにより、ゲート−コレクタ間容量(Qgc)が低減され、スイッチング動作が高速化される。また、駆動能力の低いゲートドライバでのゲート駆動も可能となる。   As described above, according to the embodiment, by providing the dummy trench in which the dummy gate electrode of the emitter potential is embedded so as to sandwich the gate trench in which the gate electrode is embedded, the gate potential is increased at the time of turn-on. It is possible to prevent and reduce the time change rate di / dt of the collector current. As a result, the gate-collector capacitance (Qgc) is reduced, and the switching operation is speeded up. In addition, gate driving with a gate driver having low driving capability is also possible.

また、実施の形態によれば、エミッタ電位のダミーゲート電極を埋め込んだダミートレンチ間にpフローティング領域を設けない構成とし、隣り合うダミートレンチに挟まれたメサ領域が順電圧阻止時に空乏化する程度にトレンチピッチを狭くすることにより、隣り合うダミートレンチに挟まれたメサ領域の不純物濃度を低くすることができる。このため、アバランシェ降伏が起こり易いトレンチ底面における電界を緩和することができる。これにより、耐圧低下を防止することができる。   Further, according to the embodiment, the p floating region is not provided between the dummy trenches in which the dummy gate electrode of the emitter potential is embedded, and the mesa region sandwiched between the adjacent dummy trenches is depleted when the forward voltage is blocked. By narrowing the trench pitch, the impurity concentration of the mesa region sandwiched between adjacent dummy trenches can be lowered. For this reason, the electric field at the bottom of the trench where avalanche breakdown is likely to occur can be relaxed. Thereby, a pressure | voltage resistant fall can be prevented.

また、実施の形態によれば、トレンチピッチを3.6μm以下と狭くする、または、メサ領域の不純物濃度を2.0×1010cm-2以下とすることにより、活性領域の耐圧を平面接合耐圧の95%以上とし、エッジ領域の耐圧を活性領域の耐圧以上とすることができ、高い耐圧を実現することができる。高い耐圧を実現することができるため、所望の耐圧を実現するために必要な厚さにまでn-ドリフト領域の厚さを薄くすることができ、オン電圧を低くすることができる。また、オン電圧を低くすることができるため、インバータなどの回路として用いる場合に電力変換効率を高くすることができる。 In addition, according to the embodiment, the trench pitch is narrowed to 3.6 μm or less, or the impurity concentration of the mesa region is set to 2.0 × 10 10 cm −2 or less, whereby the breakdown voltage of the active region is planar bonded. The breakdown voltage can be 95% or more of the breakdown voltage, the breakdown voltage of the edge region can be higher than the breakdown voltage of the active region, and a high breakdown voltage can be realized. Since a high breakdown voltage can be realized, the thickness of the n drift region can be reduced to a thickness necessary for realizing a desired breakdown voltage, and the on-voltage can be lowered. In addition, since the on-voltage can be reduced, the power conversion efficiency can be increased when used as a circuit such as an inverter.

また、実施の形態によれば、エミッタ電位のダミーゲート電極を埋め込んだダミートレンチ間にpフローティング領域を設けない構成とすることにより、従来のようにpフローティング領域と活性領域外周部(例えばエッジ構造領域)のホール引き抜き用p型領域とをトレンチ(分離構造部)で分離する必要がない。したがって、順方向電圧のブロッキング時(電流が流れない阻止状態)に、分離構造部における電界集中が起こらず、耐圧低下を防ぐことができる。また、定常オン状態において、pフローティング領域を経由してホール引き抜き用p型領域からホールが引き抜かれないので、表面ホール濃度が減少してオン電圧が上昇することを防止することができる。   Further, according to the embodiment, the p floating region is not provided between the dummy trenches in which the dummy gate electrode of the emitter potential is embedded, so that the p floating region and the active region outer peripheral portion (for example, the edge structure) are conventionally provided. It is not necessary to separate the p-type region for hole extraction in the region with a trench (separation structure). Therefore, when the forward voltage is blocked (in a blocking state where no current flows), the electric field concentration in the separation structure portion does not occur, and a decrease in breakdown voltage can be prevented. In the steady-on state, holes are not extracted from the p-type region for hole extraction via the p floating region, so that it is possible to prevent the surface hole concentration from decreasing and the ON voltage from increasing.

以上において本発明では、FS−IGBTを例に説明しているが、上述した実施の形態に限らず、ダミートレンチを設けたさまざまな構成の半導体装置に適用することが可能である。また、各実施の形態では第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。   In the above description, the FS-IGBT is described as an example in the present invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to semiconductor devices having various configurations provided with dummy trenches. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. It holds.

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の制御方法は、電力変換装置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 and the semiconductor device control method according to the present invention are useful for a power semiconductor device used in a power conversion device.

1 n-ドリフト領域
2 pベース領域
3 n+エミッタ領域
4 ゲートトレンチ
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
7 エミッタ電極
8 層間絶縁膜
9 nバッファ領域
10 p+コレクタ領域
11 コレクタ電極
14 ダミートレンチ
15 ダミーゲート絶縁膜
16 ダミーゲート電極
E エミッタパッド
G ゲートパッド
C コレクタパッド
1 n drift region 2 p base region 3 n + emitter region 4 gate trench 5 gate insulating film 6 gate electrode 7 emitter electrode 8 interlayer insulating film 9 n buffer region 10 p + collector region 11 collector electrode 14 dummy trench 15 dummy gate insulating Film 16 Dummy gate electrode E Emitter pad G Gate pad C Collector pad

Claims (4)

第1導電型半導体基板の第1の主面に所定のピッチで設けられた複数のトレンチと、
複数の前記トレンチのうちの第1トレンチの内壁に沿って前記第1トレンチの内部に設けられた第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜を介して前記第1トレンチの内部に設けられた第1制御電極と、
複数の前記トレンチのうち、前記第1トレンチを除く残りの第2トレンチの内壁に沿って前記第2トレンチの内部に設けられた第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記第2トレンチの内部に設けられ、前記第1制御電極と電気的に絶縁された第2制御電極と、
前記第1導電型半導体基板の、前記第1トレンチと前記第2トレンチとに挟まれた部分のみに、前記第1トレンチに接するように設けられた第2導電型半導体領域と、
前記第2導電型半導体領域の内部に、前記第1トレンチに接するように形成された第1導電型半導体領域と、
前記第2導電型半導体領域および前記第1導電型半導体領域に電気的に接続された第1主電極と、
前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型半導体層と、
前記第2導電型半導体層に接する第2主電極と、
を備え、
前記第2制御電極は、前記第1主電極に電気的に接続されており、
前記第1導電型半導体基板の、隣り合う前記第2トレンチに挟まれた部分が順電圧阻止時に空乏化する前記所定のピッチで前記トレンチが設けられていることを特徴とする半導体装置。
A plurality of trenches provided at a predetermined pitch on the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A first insulating film provided inside the first trench along an inner wall of the first trench among the plurality of trenches;
A first control electrode provided inside the first trench via the first insulating film;
A second insulating film provided inside the second trench along an inner wall of the remaining second trench excluding the first trench among the plurality of trenches;
A second control electrode provided inside the second trench via the second insulating film and electrically insulated from the first control electrode;
A second conductivity type semiconductor region provided to be in contact with the first trench only in a portion of the first conductivity type semiconductor substrate sandwiched between the first trench and the second trench;
A first conductivity type semiconductor region formed in contact with the first trench inside the second conductivity type semiconductor region;
A first main electrode electrically connected to the second conductive semiconductor region and the first conductive semiconductor region;
A second conductivity type semiconductor layer provided on a second main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A second main electrode in contact with the second conductivity type semiconductor layer;
With
The second control electrode is electrically connected to the first main electrode;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the trenches are provided at the predetermined pitch at which a portion sandwiched between the adjacent second trenches of the first conductivity type semiconductor substrate is depleted when blocking forward voltage.
前記第2導電型半導体領域の深さは、前記トレンチの深さよりも浅く、
前記第1導電型半導体基板の、隣り合う前記第2トレンチに挟まれた部分の不純物濃度が2.0×1010cm-2以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A depth of the second conductive type semiconductor region is shallower than a depth of the trench;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of a portion sandwiched between the adjacent second trenches of the first conductivity type semiconductor substrate is 2.0 × 10 10 cm −2 or less.
前記トレンチの前記ピッチは3.6μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the pitch of the trench is 3.6 μm or less. 第1導電型半導体基板の第1の主面に所定のピッチで設けられた複数のトレンチと、複数の前記トレンチのうちの第1トレンチの内壁に沿って前記第1トレンチの内部に設けられた第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を介して前記第1トレンチの内部に設けられた第1制御電極と、複数の前記トレンチのうち、前記第1トレンチを除く残りの第2トレンチの内壁に沿って前記第2トレンチの内部に設けられた第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を介して前記第2トレンチの内部に設けられ、前記第1制御電極と電気的に絶縁された第2制御電極と、前記第1導電型半導体基板の、前記第1トレンチと前記第2トレンチとに挟まれた部分のみに、前記第1トレンチに接するように設けられた第2導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域の内部に、前記第1トレンチに接するように形成された第1導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域および前記第1導電型半導体領域に電気的に接続された第1主電極と、前記第1導電型半導体基板の第2の主面に設けられた第2導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層に接する第2主電極と、を備え、前記第1導電型半導体基板の、隣り合う前記第2トレンチに挟まれた部分が順電圧阻止時に空乏化する前記ピッチで前記トレンチが設けられた半導体装置の制御方法であって、
前記半導体装置の動作時に、前記第2制御電極の電位が前記第1主電極と同電位となるように、前記第2制御電極と前記第1主電極との間に電圧を印加することを特徴とする半導体装置の制御方法。
A plurality of trenches provided at a predetermined pitch on the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and provided inside the first trench along an inner wall of the first trench among the plurality of trenches. A first insulating film, a first control electrode provided inside the first trench through the first insulating film, and an inner wall of the remaining second trench excluding the first trench among the plurality of trenches A second insulating film provided in the second trench along the first insulating film, and a second insulating film provided in the second trench through the second insulating film and electrically insulated from the first control electrode. Two control electrodes, and a second conductive semiconductor region provided in contact with the first trench only in a portion of the first conductive semiconductor substrate sandwiched between the first trench and the second trench. , Inside the second conductive type semiconductor region A first conductive type semiconductor region formed in contact with the first trench; a first main electrode electrically connected to the second conductive type semiconductor region and the first conductive type semiconductor region; A second conductive type semiconductor layer provided on the second main surface of the conductive type semiconductor substrate; and a second main electrode in contact with the second conductive type semiconductor layer, adjacent to the first conductive type semiconductor substrate. A method for controlling a semiconductor device in which the trench is provided at the pitch at which a portion sandwiched between the matching second trenches is depleted when blocking forward voltage,
A voltage is applied between the second control electrode and the first main electrode so that the potential of the second control electrode becomes the same as that of the first main electrode during the operation of the semiconductor device. A method for controlling a semiconductor device.
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