JP2014063961A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下では、単にIGBTという)素子を備えた半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including an insulated gate bipolar transistor (hereinafter simply referred to as IGBT) element.
従来より、例えば、特許文献1には、インバータ等に使用されるスイッチング素子としてのIGBT素子を備えた半導体装置が提案されている。
Conventionally, for example,
具体的には、この半導体装置では、N−型のドリフト層を構成する半導体基板の表層部に、エミッタ領域が形成されたチャネル領域およびエミッタ領域が形成されていない間引き領域が半導体基板の一面に平行な面方向に所定の配置順で繰り返し配置されている。つまり、間引き型の半導体装置とされている。 Specifically, in this semiconductor device, a channel region in which an emitter region is formed and a thinned region in which no emitter region is formed are formed on one surface of the semiconductor substrate in a surface layer portion of a semiconductor substrate constituting an N − type drift layer. They are repeatedly arranged in a predetermined arrangement order in parallel plane directions. That is, it is a thinning-type semiconductor device.
そして、間引き領域には、間引き領域を深さ方向に分割するホールストッパー層(以下では、単にHS層という)が形成されている。つまり、間引き領域は、半導体基板の一面側の第1領域と、底部側の第2領域とにHS層とによって分割されている。 In the thinning region, a hole stopper layer (hereinafter simply referred to as an HS layer) that divides the thinning region in the depth direction is formed. In other words, the thinning region is divided into the first region on one side of the semiconductor substrate and the second region on the bottom side by the HS layer.
このような半導体装置では、間引き領域にHS層が形成されているため、間引き領域からエミッタ電極にホールを抜け難くすることができる。このため、ドリフト層に多量のホールを蓄積させることができ、オン電圧の低減を図ることができる。 In such a semiconductor device, since the HS layer is formed in the thinning region, it is difficult to remove holes from the thinning region to the emitter electrode. For this reason, a large amount of holes can be accumulated in the drift layer, and the on-voltage can be reduced.
しかしながら、上記半導体装置においても、チャネル領域からエミッタ電極にホールが抜け出てしまうため、間引き領域にHS層を形成するのみではオン電圧の低減を図るのに限界がある。 However, even in the semiconductor device described above, since holes are extracted from the channel region to the emitter electrode, there is a limit to reducing the on-voltage only by forming the HS layer in the thinning region.
本発明は上記点に鑑みて、オン電圧を低減できる半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing on-voltage.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、一面(11a)を有し、第1導電型のドリフト層(10)を構成する半導体基板(11)と、半導体基板の一面側に形成された第2導電型の複数のチャネル領域(14)と、チャネル領域の表層部に形成された第1導電型のエミッタ領域(15)と、半導体基板の一面側にチャネル領域と分離して形成された第2導電型の複数の間引き領域(19)と、間引き領域に形成され、間引き領域を半導体基板の一面側の第1領域(19a)と間引き領域の底部側の第2領域(19b)とに電位的に分離する第1導電型のHS層(20)と、エミッタ領域および第1領域と電気的に接続されるエミッタ電極(23)と、半導体基板のうちチャネル領域および間引き領域と離間した位置に形成された第2導電型のコレクタ層(25)と、コレクタ層と電気的に接続されるコレクタ電極(26)と、を備え、チャネル領域の間にエミッタ領域が形成されていない間引き領域が配置された間引き型の半導体装置であって、以下の点を特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate (11) having one surface (11a) and constituting a first conductivity type drift layer (10), on one surface side of the semiconductor substrate. A plurality of channel regions (14) of the second conductivity type formed, a first conductivity type emitter region (15) formed in the surface layer portion of the channel region, and a channel region separated from the one surface side of the semiconductor substrate A plurality of thinned regions (19) of the second conductivity type formed, a thinned region formed in the thinned region, a first region (19a) on one surface side of the semiconductor substrate, and a second region (19b) on the bottom side of the thinned region. A first conductivity type HS layer (20) that is electrically separated from each other), an emitter electrode (23) electrically connected to the emitter region and the first region, and a channel region and a thinning region of the semiconductor substrate; Formed in spaced positions A thinning layer comprising a collector layer (25) of the second conductivity type and a collector electrode (26) electrically connected to the collector layer, and a thinning region in which no emitter region is formed between the channel regions. This type of semiconductor device is characterized by the following points.
すなわち、チャネル領域とドリフト層との間には、ドリフト層より不純物濃度が高くされた第1導電型のキャリアストレージ層(21)が形成されていることを特徴としている。 That is, the first conductivity type carrier storage layer (21) having an impurity concentration higher than that of the drift layer is formed between the channel region and the drift layer.
これによれば、間引き領域にはHS層が形成されており、ドリフト層とチャネル領域との間にはドリフト層よりも不純物濃度が高くされたキャリアストレージ層が形成されているため、ドリフト層に供給されたホールは、チャネル領域からもエミッタ電極に抜け難くなる。このため、ドリフト層にさらに多量のホールを蓄積させることができ、オン電圧の低減を図ることができる。 According to this, the HS layer is formed in the thinned region, and the carrier storage layer having an impurity concentration higher than that of the drift layer is formed between the drift layer and the channel region. The supplied holes are difficult to escape from the channel region to the emitter electrode. Therefore, a larger amount of holes can be accumulated in the drift layer, and the on-voltage can be reduced.
例えば、請求項2に記載の発明のように、半導体基板には、一面側に第2導電型のベース層(12)が形成されていると共に当該ベース層を貫通してドリフト層に達する複数のトレンチ(13)が所定方向に延設されており、ベース層は、トレンチによって複数に分離され、分離されたベース層によってチャネル領域と間引き領域とを構成し、トレンチは、壁面にゲート絶縁膜(17)が形成されていると共にゲート絶縁膜上にゲート電極(18)が配置されているものとすることができる。 For example, as in the second aspect of the present invention, the semiconductor substrate has a second conductivity type base layer (12) formed on one side and a plurality of layers reaching the drift layer through the base layer. A trench (13) is extended in a predetermined direction, the base layer is separated into a plurality by the trench, and the separated base layer constitutes a channel region and a thinned region, and the trench has a gate insulating film ( 17) and a gate electrode (18) may be disposed on the gate insulating film.
この場合、請求項3に記載の発明のように、チャネル領域は、トレンチと接する部分のうちの少なくとも一部がドリフト層と繋がっているものとすることができる。
In this case, as in the invention described in
具体的には、請求項4に記載の発明のように、キャリアストレージ層をトレンチの側面から離間して形成することができる。また、請求項5に記載の発明のように、キャリアストレージ層をトレンチの延設方向において複数に分離して形成することができる。
Specifically, the carrier storage layer can be formed away from the side surface of the trench as in the invention described in
これら請求項3ないし5に記載の発明によれば、キャリアストレージ層がトレンチと接していないため、トレンチの底部に電界が集中することを抑制でき、コレクタ耐圧を向上させることができる。 According to the third to fifth aspects of the present invention, since the carrier storage layer is not in contact with the trench, it is possible to suppress the concentration of the electric field at the bottom of the trench and to improve the collector breakdown voltage.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。なお、本実施形態の半導体装置は、例えば、インバータ、DC/DCコンバータ等の電源回路に使用されるパワースイッチング素子として利用されると好適である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. Note that the semiconductor device of this embodiment is preferably used as a power switching element used in a power supply circuit such as an inverter or a DC / DC converter.
図1に示されるように、半導体装置1は、セルエリア2と、このセルエリア2の外周に位置するガードリング部3と、複数のパッド4とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the
セルエリア2は、図2に示されるようにIGBT素子が形成された領域であり、図3に示される構造を最小単位とし、この構造が繰り返しミラー反転されることで構成されている。
The
具体的には、図2および図3に示されるように、IGBT素子は、ドリフト層10として機能するN−型の半導体基板11を用いて構成されており、この半導体基板11のうちの一面11a側に所定厚さのP型のベース層12が形成されている。そして、ベース層12を貫通してドリフト層10に達するように複数個のトレンチ13が形成されており、このトレンチ13によってベース層12が複数個に分離されている。なお、本実施形態では、半導体基板11としてシリコン基板が用いられる。
Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the IGBT element is configured using an N −
トレンチ13は、半導体基板11の一面11aの面方向のうちの一方向(図2中紙面奥行き方向)を長手方向とし、この長手方向に平行に延設されている。本実施形態では、各トレンチ13は、先端部が引き回されることで環状構造とされている。なお、以下では、トレンチ13が環状構造とされているものについて説明するが、トレンチ13は先端部が引き回されていないストライプ構造とされていてもよい。
The
隣接するトレンチ13同士の間に配置されているベース層12(すなわち、環状のトレンチ13に囲まれていないベース層12)は、P型のチャネル領域14とされている。そして、チャネル領域14の表層部には、N+型のエミッタ領域15と、エミッタ領域15に挟まれるようにP+型のボディ領域16とが形成されている。
The
エミッタ領域15は、ドリフト層10よりも高不純物濃度で構成され、ベース層12内において終端しており、かつ、トレンチ13の側面に接するように配置されている。一方、ボディ領域16は、チャネル領域14よりも高不純物濃度で構成され、エミッタ領域15と同様に、ベース層12内において終端している。また、ボディ領域16は、半導体基板11の一面11aを基準としてエミッタ領域15よりも深く形成されている。
The
より詳しくは、エミッタ領域15は、トレンチ13間の領域において、トレンチ13の長手方向に沿ってトレンチ13の側面に接するように棒状に延設され、トレンチ13の先端よりも内側で終端した構造とされている。また、ボディ領域16は、2つのエミッタ領域15に挟まれてトレンチ13の長手方向(つまりエミッタ領域15)に沿って棒状に延設されている。
More specifically, the
各トレンチ13内は、各トレンチ13の内壁表面を覆うように形成されたゲート絶縁膜17と、このゲート絶縁膜17の上に形成されたP型のポリシリコン等により構成されるゲート電極18とにより埋め込まれている。これにより、トレンチゲート構造が構成されている。
Each
なお、ゲート電極18は、図2および図3とは別断面において、半導体基板11の一面11a上に形成されたゲート配線と電気的に接続されており、このゲート配線を介して図1に示されるパッド4のうちゲート用のものに接続されている。
The
また、環状構造を構成するトレンチ13に囲まれたベース層12、すなわちエミッタ領域15が形成されていないベース層12によって間引き領域19が構成されている。
Further, the thinning
このように、ベース層12はトレンチ13により分割され、分割されたベース層12のうち、エミッタ領域15が形成されたものがチャネル領域14とされていると共に、エミッタ領域15が形成されていないものが間引き領域19とされている。そして、複数に分割されたベース層12に交互にエミッタ領域15が形成されることで、チャネル領域14と間引き領域19とが半導体基板11の一面11aに平行な面方向に一定の配置順で繰り返し配置されている。すなわち、セルエリア2には、IGBTセルといわゆるダミーセルとが交互に配置されている。このため、本実施形態のセルエリア2には、間引き型のIGBT素子が形成されているといえる。なお、ここでの半導体基板11の一面11aに平行な面方向とは、トレンチ13の側面に対する法線方向のことである。
As described above, the
そして、ベース層12のうちの間引き領域19には、トレンチ13の深さ方向に当該間引き領域19をトレンチ13の開口側の第1領域19aとトレンチ13の底部側の第2領域19bとに分割するN型のHS層20が形成されており、このHS層20により、第1領域19aと第2領域19bとが電位的に完全に分離されている。
In the thinned
なお、このHS層20はベース層12のうち間引き領域19のみに形成され、ベース層12のうちチャネル領域14には形成されていない。すなわち、HS層20は、IGBTセルには無く、ダミーセルのみに存在している。
The
また、HS層20は、コレクタ耐圧の低下を抑制するために、トレンチ13の深さ方向においては間引き領域19の表層部側(つまり半導体基板11の一面11a側)であって、チャネル領域14に設けられたボディ領域16の底部よりも浅い位置に形成されることが好ましい。特に限定されるものではないが、本実施形態のHS層20は、不純物濃度が1×1016〜1×1017cm−3とされ、半導体基板11の一面11aから0.5μmの深さに0.2μmの厚さで形成されている。
In addition, the
ドリフト層10とチャネル領域14との間には、N型のキャリアストレージ層(以下では、単にCS層という)21が形成されており、CS層21によってドリフト層10とチャネル領域14とが電位的に完全に分離されている。
An N-type carrier storage layer (hereinafter simply referred to as a CS layer) 21 is formed between the
このCS層21は、IGBTセルのみに存在しており、チャネル領域14が形成されないダミーセルには存在していない。つまり、IGBTセルにおいては、ドリフト層10、CS層21、チャネル領域14が順に積層されているといえる。
The
特に限定されるものではないが、本実施形態のCS層21は、不純物濃度が1×1016〜1×1017cm−3とされ、半導体基板11の一面11aから3μmの深さに2μmの厚さで形成されている。
Although not particularly limited, the
また、ベース層12の上にはBPSG等の層間絶縁膜22が形成されている。そして、層間絶縁膜22にはコンタクトホール22aが形成されており、エミッタ領域15の一部、ボディ領域16、および間引き領域19のうちの第1領域19aの一部が層間絶縁膜22から露出している。
An interlayer insulating
層間絶縁膜22の上にはエミッタ電極23が形成されており、このエミッタ電極23は、コンタクトホール22aを通じてエミッタ領域15、ボディ領域16、および第1領域19aに電気的に接続されている。
An
なお、第1領域19aをエミッタ電極23に接続するのは、後述するコレクタ電極26から間引き領域19を介してゲート電極18に到達する経路に形成されるミラー容量を低減することでスイッチング損失の低減を図るためである。
The
また、半導体基板11のうち、一面11aとは反対側の他面11b側にはN型のフィールドストップ層(以下では、単にFS層という)24が形成されている。このFS層24は、必ずしも必要なものではないが、空乏層の広がりを防ぐことで耐圧と定常損失の性能向上を図ると共に、基板裏面側から注入されるホールの注入量を制御するために備えてある。
Further, an N-type field stop layer (hereinafter simply referred to as an FS layer) 24 is formed on the
そして、このFS層24を挟んでドリフト層10と反対側にP型のコレクタ層25が形成され、コレクタ層25上(半導体基板11の他面11b)にコレクタ電極26が形成されている。
A P-
以上が本実施形態におけるセルエリア2の構成である。セルエリア2の周囲に形成されたガードリング部3は、図4に示されるように、半導体基板11の表層部にセルエリア2を囲むように環状のP型のウェル領域12aや複数のP型のガードリング12bが多重リング構造として形成された構造になっている。
The above is the configuration of the
また、ガードリング12bの上に酸化膜22bが設けられ、酸化膜22bのうちのガードリング12bに対応する部分に開口部が設けられている。そして、この酸化膜22bの開口部を介してガードリング12bに外周電極23aが電気的に接続されている。さらに、外周電極23aはパッシベーション膜23bで覆われている。
An
なお、図4では、トレンチゲート構造を簡略化して図示し、トレンチ13のみを図示している。
In FIG. 4, the trench gate structure is simplified and only the
図1に示される複数のパッド4の一部は、IGBT素子と外部回路とを電気的に接続するための接続部であり、上述のように、ゲート電極18が半導体基板11の一面11a上に形成されたゲート配線を介してパッド4に接続されている。また、パッド4の残部は、温度センス用等に用いられるものである。
A part of the plurality of
以上説明したように、本実施形態の半導体装置1が構成されている。なお、本実施形態では、N型、N−型、N+型が本発明の第1導電型に相当し、P型、P+型が本発明の第2導電型に相当している。
As described above, the
次に、上記半導体装置1の製造方法について説明する。まず、N−型のウェハを用意し、ウェハの表面にP型のベース層12を熱拡散で形成する。そして、ウェハの各チップ形成領域それぞれにトレンチゲート構造を形成する。トレンチゲート構造の具体的な製造工程に関しては、周知なものと同様であり、詳しく説明しないが、トレンチ13を形成し、このトレンチ13の内壁表面にゲート絶縁膜17とゲート電極18となるポリシリコンとを形成すればよい。
Next, a method for manufacturing the
次に、CS層21の形成予定領域が開口しているマスクをウェハの上に配置し、このマスクを用いてN型不純物のイオン注入を行う。イオン注入は、CS層21を深く形成するため、1MeV程度の高加速インプラ、若しくは600KeV程度のチャネリングインプラで行う。なお、ドーズ量は、いずれの場合も約1×1011〜1×1013cm−2である。
Next, a mask in which a region where the
続いて、エミッタ領域15の形成予定領域が開口しているマスクをウェハの上に配置し、このマスクを用いてN型不純物のイオン注入を行う。また、先程使用したマスクを除去した後、新たにボディ領域16の形成予定領域が開口しているマスクをウェハの上に配置し、さらにそのマスクを用いてP型不純物のイオン注入を行う。そして、再びマスクを除去した後、熱処理にて注入された不純物を活性化させることにより、エミッタ領域15およびボディ領域16を形成する。
Subsequently, a mask in which a region where the
次に、HS層20の形成予定領域が開口しているマスクをウェハの上に配置し、このマスクを用いてN型不純物のイオン注入を行って熱処理する。例えば、イオン注入は、加速電圧を500KeV、ドーズ量を1×1012〜1×1014cm−2としてP(リン)をイオン注入すればよい。また、P(リン)をイオン注入して熱処理した後、B(ボロン)をイオン注入して第1領域19aの不純物濃度を調整するようにしてもよい。
Next, a mask in which a region where the
なお、不純物を活性化させる熱処理は、例えば、CS層21を構成する不純物、エミッタ領域15を構成する不純物、ボディ領域16を構成する不純物、HS層20を構成する不純物を全てイオン注入した後に同時に行ってもよい。
The heat treatment for activating the impurities is performed simultaneously after, for example, ion implantation of all of the impurities constituting the
その後、ベース層12の上に層間絶縁膜22を形成し、この層間絶縁膜22にエミッタ領域15の一部、ボディ領域16、および間引き領域19のうちの第1領域19aの一部が露出するようにコンタクトホール22aを形成する。続いて、層間絶縁膜22の上にエミッタ電極23を形成し、コンタクトホール22aを介してエミッタ電極23と間引き領域19のうちの第1領域19aとを電気的に接続する。なお、エミッタ電極23の形成と同時に、パッド4等も形成する。
Thereafter, an
さらに、ウェハの裏面側にFS層24を形成し、FS層24を挟んでドリフト層10と反対側にコレクタ層25を形成する。そして、コレクタ層25の上(ウェハの裏面)にコレクタ電極26を形成し、ウェハを個々にダイシングカットすることにより、半導体装置1が製造される。なお、ガードリング部3等は上記の工程内で、もしくは、専用の工程で形成される。
Further, the
次に、上記半導体装置1におけるIGBT素子の作動について説明する。
Next, the operation of the IGBT element in the
まず、オン状態について説明する。IGBT素子は、ゲート電極18にMOSゲートの閾値電圧以上となる電圧が印加されることにより、チャネル領域14のうちトレンチ13と接する部分に反転層が形成される。そして、エミッタ領域15から反転層を介して電子がドリフト層10に供給されると共に、コレクタ層25からホールがドリフト層10に供給され、伝導度変調によりドリフト層10の抵抗値が低下してオン状態となる。
First, the on state will be described. In the IGBT element, when a voltage equal to or higher than the threshold voltage of the MOS gate is applied to the
このとき、本実施形態では、ドリフト層10に供給されたホールは、ダミーセルではHS層20によってエミッタ電極23に抜け難くなり、IGBTセルではCS層21によってエミッタ電極23に抜け難くなる。このため、オン電圧の低減を図ることができる。
At this time, in the present embodiment, holes supplied to the
次に、オフ状態について説明する。ゲート電極18にMOSゲートの閾値電圧未満となる電圧が印加されると、チャネル領域14に形成されていた反転層が消滅し、エミッタ領域15から電子が供給されなくなると共にコレクタ層25からホールが供給されなくなる。その後、ドリフト層10に蓄積されている電子およびホールは、互いに再結合して消滅するか、エミッタ電極23、またはコレクタ電極26を介して排出される。
Next, the off state will be described. When a voltage lower than the threshold voltage of the MOS gate is applied to the
以上説明したように、本実施形態では、間引き領域19にはHS層20が形成されており、ドリフト層10とチャネル領域14との間にはCS層21が形成されている。このため、ドリフト層10に供給されたホールは、チャネル領域14からもエミッタ電極23に抜け難くなり、ドリフト層10にさらに多量のホールを蓄積させることができる。したがって、さらにオン電圧の低減を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, the
また、CS層21の不純物濃度は適宜変更可能であり、図5に示されるように、CS層21の不純物濃度を高くするほどCS層21が電位の壁となるため、ホールをエミッタ電極23に抜け難くすることができる。具体的には、CS層21の不純物濃度を7.0×1016cm−3とした場合、オン電圧を約2.83Vまで低減することができ、コレクタ耐圧を1320V程度にすることができる。なお、図5は、CS層なしのプロットから7.0×1016cm−3のプロットまでCS層21の不純物濃度を順に高くしたときのオン電圧とコレクタ耐圧との関係を示す図である。
Further, the impurity concentration of the
また、本発明者らは、オン電圧を低減できる半導体装置として、間引き領域19が形成されておらず、ドリフト層10とチャネル領域14との間にCS層21が形成されている半導体装置についても検討を行った。なお、間引き領域19が形成されていない半導体装置とは、言い換えると、ダミーセルが形成されておらず、ベース層12が全てチャネル領域14として機能する半導体装置のことである。また、図5では、このような半導体装置を全面CS構造として示してある。
Further, the present inventors have also proposed a semiconductor device in which the thinning
図5に示されるように、全面CS構造の半導体装置では、CS層21の不純物濃度を7.0×1016cm−3とした場合、オン電圧を約2.7Vまで低下させることができるが、コレクタ耐圧が約880Vまで低下してしまう。
As shown in FIG. 5, in the semiconductor device having the entire surface CS structure, when the impurity concentration of the
すなわち、本実施形態のように、間引き領域19にHS層20を形成し、チャネル領域14とドリフト層10との間にCS層21を形成してなる半導体装置1では、コレクタ耐圧の低下を抑制しつつ、オン電圧の低減を図ることができる。
That is, in the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、CS層21の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the
図6および図7に示されるように、本実施形態では、CS層21がトレンチ13から離間して形成されている。つまり、チャネル領域14は、トレンチ13の側面と接する部分ではドリフト層10と繋がっている。なお、図6では、トレンチ13内のゲート絶縁膜17およびゲート電極18は省略して示してある。
As shown in FIGS. 6 and 7, in the present embodiment, the
これによれば、CS層21がトレンチ13と接していないため、トレンチ13の底部に電界が集中することを抑制でき、コレクタ耐圧を向上させることができる。
According to this, since the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、CS層21の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the
図8〜図10に示されるように、本実施形態では、CS層21がトレンチ13の延設方向に複数に離間して形成されている。言い換えると、CS層21は、トレンチ13の延設方向において部分的に間引かれている。なお、図8では、トレンチ13内のゲート絶縁膜17およびゲート電極18は省略して示してある。
As shown in FIGS. 8 to 10, in the present embodiment, the
このような半導体装置1としても、CS層21がトレンチ13と接しない部分が存在するため、上記第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
Even in such a
なお、本実施形態を第2実施形態と組み合わせることもできる。すなわち、図11に示されるように、CS層21をトレンチ13の側面から離間して形成しつつ、CS層21をトレンチ13の延設方向に間引いてもよい。これによれば、さらにトレンチ13の底部に電界が集中することをさらに抑制できる。
Note that this embodiment can be combined with the second embodiment. That is, as shown in FIG. 11, the
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、セルエリア2にIGBT素子と共にダイオード素子が形成されたいわゆるRC−IGBT素子が形成されたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a so-called RC-IGBT element in which a diode element is formed together with an IGBT element is formed in the
図12に示されるように、本実施形態では、セルエリア2には、RC−IGBT素子が形成されている。具体的には、図3に示される構造を最小単位としてこの構造が繰り返しミラー反転されてIGBT領域27が形成され、図13に示される構造を最小単位としてこの構造が繰り返しミラー反転されてダイオード領域28が構成されている。
As shown in FIG. 12, in the present embodiment, an RC-IGBT element is formed in the
IGBT領域27では、図3および図12に示されるように、FS層24を挟んでドリフト層10と反対側にコレクタ層25が形成されている。これにより、IGBT領域27では、コレクタ層25からホールが供給される構造となる。
In the
一方、ダイオード領域28では、図12および図13に示されるように、FS層24を挟んでドリフト層10と反対側にN型のカソード層29が形成されている。これにより、ダイオード領域28では、エミッタ−コレクタ間にダイオード素子が形成された構造となる。すなわち、半導体基板11の他面11b側において、FS層24の上に形成される層がコレクタ層25であるかまたはカソード層29であるかにより、IGBT領域27とダイオード領域28とが区画されている。また、ダイオード領域28には、IGBT領域27に形成されているトレンチゲート構造のみが形成されており、エミッタ領域15、ボディ領域16、HS層20は形成されていない。
On the other hand, in the
そして、半導体基板11の一面11aの面方向において、コレクタ層25が形成されたIGBT領域27がIGBT素子として動作し、カソード層29が形成されたダイオード領域28がダイオード素子として動作する。すなわち、本実施形態のコレクタ電極26はカソード電極としての役割も果すようになっている。
In the surface direction of the one
なお、本実施形態では、図14に示されるように、セルエリア2には、IGBT領域27およびダイオード領域28が交互に形成されており、図12は図14中のXII−XII線に沿った断面図である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 14,
以上説明したように、本実施形態における半導体装置1が構成されている。このように、セルエリア2にRC−IGBT素子が形成された半導体装置1においても本発明を適用することができる。
As described above, the
なお、ダイオード領域28におけるベース層12は、アノード層として機能する部分であり、IGBT領域27におけるベース層12と同じ不純物濃度とされていてもよく、IGBT領域27におけるベース層12より低不純物濃度とされていてもよい。
Note that the
ダイオード領域28におけるベース層12がIGBT領域27におけるベース層12より低不純物濃度とされている場合には、ダイオード動作時のホール注入量を低減することができ、リカバリ損失の低減を図ることができる。このような半導体装置1は、例えば、IGBT領域27におけるベース層12と、ダイオード領域28におけるベース層(アノード層)12とを別工程で形成すればよい。
When the
また、上記では、ダイオード領域28にエミッタ領域15、ボディ領域16、HS層20等が構成されていないものを説明したが、ダイオード領域28にエミッタ領域15、ボディ領域16、HS層20が形成されていてもよい。すなわち、図2に示されるセルエリア2において、コレクタ層25の一部がカソード層29とされた半導体装置1であってもよい。
In the above description, the
さらに、本実施形態において、ダイオード領域28には、トレンチゲート構造が形成されていなくてもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、セルエリア2にプレーナ型のIGBT素子が形成されたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that planar type IGBT elements are formed in the
図15に示されるように、N−型の半導体基板11のうちの一面11a側に複数のP型の領域が形成されている。このP型の各領域は上述のチャネル領域14と間引き領域19とにそれぞれ対応する領域であり、本実施形態では、図16に示されるように、チャネル領域14と間引き領域19とが半導体基板11の一面11aの面方向に交互に千鳥状に形成されている。なお、図15および図16では、エミッタ電極23を省略して示してある。
As shown in FIG. 15, a plurality of P-type regions are formed on the one
チャネル領域14の表層部にはエミッタ領域15が離間して形成されている。そして、離間したエミッタ領域15の間にP+型のボディ領域16が形成されている。また、ドリフト層10とチャネル領域14との間には、チャネル領域14に沿ってCS層21が形成されている。具体的には、CS層21は、間引き領域19側の端部が半導体基板11の一面11aに達するように形成されている。
一方、間引き領域19には、当該間引き領域19を半導体基板11の一面11a側の第1領域19aと他面11b側の第2領域19bとに分割するN型のHS層20が形成されている。具体的には、HS層20は、チャネル領域14側の端部が半導体基板11の一面11aに達するように形成されている。また、HS層20は、本実施形態においても、コレクタ耐圧の低下を抑制するために、ボディ領域16の底部よりも浅く形成されている。
On the other hand, the thinning
半導体基板11の一面11aにはゲート絶縁膜17が形成されており、このゲート絶縁膜17には、チャネル領域14のうちのボディ領域16、エミッタ領域15の一部、間引き領域19のうちの第1領域19aの一部が露出するようにコンタクト17aが形成されている。そして、ゲート絶縁膜17の上にゲート電極18が形成されていると共に、このゲート電極18がゲート絶縁膜17で覆われている。また、ゲート絶縁膜17から露出したボディ領域16、エミッタ領域15、および第1領域19aに接触するように図示しないエミッタ電極23が設けられている。
A
半導体基板11のうちの他面11b側には、FS層24、コレクタ層25が形成されており、コレクタ層25の上(半導体基板11の他面11b)にコレクタ電極26が形成されている。
An
以上説明したように、本実施形態における半導体装置1が構成されている。このように、セルエリア2にプレーナ型のIGBT素子が形成された半導体装置1に本発明を適用することもできる。
As described above, the
(他の実施形態)
上記各実施形態で示された構造は一例であり、上記で示した構造に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構造とすることもできる。
(Other embodiments)
The structures shown in the above embodiments are examples, and the present invention is not limited to the structures shown above, and other structures including the characteristics of the present invention can be used.
例えば、ゲート電極18をP型のポリシリコンとしたが、外部の回路で電圧を制御できれば、ゲート電極18をN+型のポリシリコンとしてもよい。
For example, although the
そして、上記各実施形態では、エミッタ領域15およびボディ領域16は第1領域19aにおいてトレンチ13の長手方向に沿って設けられていたが、トレンチ13の長手方向に沿ってエミッタ領域15とボディ領域16とが交互に配置されていてもよい。
In each of the embodiments described above, the
また、上記第1〜第4実施形態では、チャネル領域14と間引き領域19とが交互に配置された例を説明したが、例えば、隣接するチャネル領域14の間に2つの間引き領域19が配置されていてもよい。つまり、チャネル領域14と間引き領域19との配置の順番は適宜変更可能である。同様に、上記第5実施形態において、チャネル領域14と間引き領域19とが千鳥状に形成されていなくてもよい。
In the first to fourth embodiments, the example in which the
さらに、上記各実施形態では、半導体基板11の厚さ方向に電流を流す縦型の半導体装置1について説明したが、半導体基板11の平面方向に電流を流す横型の半導体装置1に本発明を適用することもできる。すなわち、半導体基板11の一面11a側のベース層12(チャネル領域14および間引き領域19)と離間した位置にコレクタ層25を形成してなる半導体装置1としてもよい。この場合、上記第4実施形態においては、半導体基板11の一面11a側のベース層12(チャネル領域14および間引き領域19)と離間した位置にコレクタ層25と共にカソード層29を形成してなる半導体装置1とすればよい。
Further, in each of the above embodiments, the
そして、上記第3実施形態では、CS層21のうち間引かれる部分が1つの領域であってもよい。つまり、CS層21がトレンチ13と接しない部分が僅かでも存在すれば、その領域におけるトレンチ13の底部に電界が集中することを抑制でき、コレクタ耐圧を向上させることができる。
And in the said 3rd Embodiment, the part thinned out among the CS layers 21 may be one area | region. That is, if there is even a portion where the
1 半導体装置
10 ドリフト層
11 半導体基板
11a 一面
11b 他面
12 ベース層
13 トレンチ
14 チャネル領域
15 エミッタ領域
17 ゲート絶縁膜
18 ゲート電極
19 間引き領域
19a 第1領域
19b 第2領域
20 HS層
21 CS層
23 エミッタ電極
25 コレクタ層
26 コレクタ電極
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記一面側に形成された第2導電型の複数のチャネル領域(14)と、
前記チャネル領域の表層部に形成された第1導電型のエミッタ領域(15)と、
前記一面側に前記チャネル領域と分離して形成された第2導電型の複数の間引き領域(19)と、
前記間引き領域に形成され、前記間引き領域を前記一面側の第1領域(19a)と前記間引き領域の底部側の第2領域(19b)とに電位的に分離する第1導電型のホールストッパー層(20)と、
前記エミッタ領域および前記第1領域と電気的に接続されるエミッタ電極(23)と、
前記半導体基板のうち前記チャネル領域および前記間引き領域と離間した位置に形成された第2導電型のコレクタ層(25)と、
前記コレクタ層と電気的に接続されるコレクタ電極(26)と、を備え、
前記チャネル領域の間に前記エミッタ領域が形成されていない前記間引き領域が配置された間引き型の半導体装置であって、
前記チャネル領域と前記ドリフト層との間には、前記ドリフト層より不純物濃度が高くされた第1導電型のキャリアストレージ層(21)が形成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate (11) having one surface (11a) and constituting a first conductivity type drift layer (10);
A plurality of second conductivity type channel regions (14) formed on the one surface side;
A first conductivity type emitter region (15) formed in a surface layer portion of the channel region;
A plurality of thinning regions (19) of the second conductivity type formed on the one surface side separately from the channel region;
A hole stopper layer of a first conductivity type that is formed in the thinning region and is potential-separated into a first region (19a) on the one surface side and a second region (19b) on the bottom side of the thinning region. (20) and
An emitter electrode (23) electrically connected to the emitter region and the first region;
A collector layer (25) of a second conductivity type formed at a position spaced apart from the channel region and the thinning region of the semiconductor substrate;
A collector electrode (26) electrically connected to the collector layer,
A thinning-type semiconductor device in which the thinning region in which the emitter region is not formed between the channel regions is disposed,
A semiconductor device, wherein a first conductivity type carrier storage layer (21) having an impurity concentration higher than that of the drift layer is formed between the channel region and the drift layer.
前記ベース層は、前記トレンチによって複数に分離され、分離された前記ベース層によって前記チャネル領域と前記間引き領域とを構成し、
前記トレンチは、壁面にゲート絶縁膜(17)が形成されていると共に前記ゲート絶縁膜上にゲート電極(18)が配置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。 In the semiconductor substrate, a second conductivity type base layer (12) is formed on the one surface side, and a plurality of trenches (13) penetrating the base layer and reaching the drift layer extend in a predetermined direction. Has been
The base layer is separated into a plurality by the trench, and the channel region and the thinning region are constituted by the separated base layer,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a gate insulating film (17) is formed on a wall surface of the trench and a gate electrode (18) is disposed on the gate insulating film.
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein a part of the collector layer is a first conductivity type cathode layer (27).
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