JP2016225583A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new arrangement constitution with an SJ-MOSFET part and an IGBT part in one semiconductor chip, in addition to mounting of the SJ-MOSFET part and an IGBT part on one semiconductor chip.SOLUTION: The semiconductor device includes: a semiconductor substrate; at least two super-junction transistor regions mounted on the semiconductor substrate; and at least one IGBT region provided in a region sandwiched between at least two of the super-junction transistor regions in a cross section cut within a plane perpendicular to the semiconductor substrate.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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

従来、超接合型MOSFETを有する半導体チップと、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する半導体チップとを並列に接続していた(例えば、特許文献1参照)。なお、超接合(Super Junction)は、以下においてSJと略記する。また、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor)は、以下においてIGBTと略記する。また、従来、p+コレクタ層を有するSJ‐MOSFET構造が知られている(例えば、特許文献2参照)。さらに、従来、IGBTとSJ‐MOSFETとを並列接続していた(例えば、特許文献3参照)。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2014−130909号公報
[特許文献2] 特開2013−102111号公報
[特許文献3] 特開2012−142537号公報
Conventionally, a semiconductor chip having a super-junction MOSFET and a semiconductor chip having an insulated gate bipolar transistor have been connected in parallel (for example, see Patent Document 1). Note that super junction is abbreviated as SJ below. The insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate Bipolar Transistor) is abbreviated as IGBT below. Conventionally, an SJ-MOSFET structure having a p + collector layer is known (see, for example, Patent Document 2). Furthermore, conventionally, an IGBT and an SJ-MOSFET are connected in parallel (for example, see Patent Document 3).
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] JP 2014-130909 [Patent Document 2] JP 2013-102111 [Patent Document 3] JP 2012-142537

しかしながら、特許文献1では、SJ‐MOSFETを有する半導体チップとIGBTを有する半導体チップとを配線により接続してモジュール化する。それゆえ、SJ‐MOSFETおよびIGBTを1つの半導体チップに形成する場合と比較して、モジュールを小型化することができない。また、特許文献2では、p+コレクタ層を含むSJ‐MOSFETのセルが平面視上において千鳥格子状またはストライプ状に配置される。つまり、半導体チップにおいてp+コレクタ層を含むSJ‐MOSFETのセルが、半導体チップ全体に渡って一様に配置される。本明細書においては、SJ‐MOSFETおよびIGBTを有する1つの半導体チップにおいて、SJ‐MOSFETとIGBTとの新規な構成を提供する。   However, in Patent Document 1, a semiconductor chip having an SJ-MOSFET and a semiconductor chip having an IGBT are connected by wiring to form a module. Therefore, the module cannot be reduced in size compared with the case where the SJ-MOSFET and the IGBT are formed on one semiconductor chip. Further, in Patent Document 2, SJ-MOSFET cells including a p + collector layer are arranged in a staggered pattern or a stripe pattern in plan view. That is, the SJ-MOSFET cells including the p + collector layer in the semiconductor chip are uniformly arranged over the entire semiconductor chip. In the present specification, a novel configuration of an SJ-MOSFET and an IGBT is provided in one semiconductor chip having an SJ-MOSFET and an IGBT.

本発明の第1の態様においては、半導体基板と、半導体基板に設けられた2以上の超接合型トランジスタ領域と、半導体基板に垂直な面で切断した断面において、2以上の超接合型トランジスタ領域が挟む領域に設けられた1以上のIGBT領域とを備える半導体装置を提供する。   In the first aspect of the present invention, a semiconductor substrate, two or more superjunction transistor regions provided on the semiconductor substrate, and two or more superjunction transistor regions in a cross section cut along a plane perpendicular to the semiconductor substrate. A semiconductor device is provided that includes one or more IGBT regions provided in a region sandwiched between the two.

IGBT領域は、超接合型トランジスタ領域が囲む領域に設けられてよい。また、超接合型トランジスタ領域のうち、最も外側の超接合型トランジスタ領域の外側に設けた耐圧構造部を更に備えてよい。   The IGBT region may be provided in a region surrounded by the superjunction transistor region. Moreover, you may further provide the pressure | voltage resistant structure part provided in the outer side of the outermost super junction type transistor area | region among super junction type transistor areas.

超接合型トランジスタ領域は、第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有し、耐圧構造部は、内周部に設けられる第1耐圧部と外周部に設けられる第2耐圧部とを有し、耐圧構造部の第2耐圧部は、第1導電型領域および第2導電型カラムを有してよい。耐圧構造部の第2耐圧部における第2導電型カラムの端部の深さは、超接合型トランジスタ領域の第2導電型カラムの端部の深さよりも浅くてよい。   The superjunction transistor region has a first conductivity type column and a second conductivity type column, and the breakdown voltage structure portion has a first breakdown voltage portion provided in the inner peripheral portion and a second breakdown voltage portion provided in the outer peripheral portion. The second breakdown voltage portion of the breakdown voltage structure section may include a first conductivity type region and a second conductivity type column. The depth of the end portion of the second conductivity type column in the second withstand voltage portion of the breakdown voltage structure portion may be shallower than the depth of the end portion of the second conductivity type column in the superjunction transistor region.

IGBT領域の耐圧が、超接合型トランジスタ領域の耐圧より高くてよい。超接合型トランジスタ領域が挟む領域に、2以上のIGBT領域を有するIGBT部を設けてよい。また、IGBT部の両側に、2以上の超接合型トランジスタ領域を含むSJ‐MOSFET部をそれぞれ設けてもよい。   The breakdown voltage of the IGBT region may be higher than the breakdown voltage of the super junction transistor region. An IGBT portion having two or more IGBT regions may be provided in a region sandwiched between superjunction transistor regions. Further, an SJ-MOSFET portion including two or more superjunction transistor regions may be provided on both sides of the IGBT portion.

IGBT領域と超接合型トランジスタ領域との境界部におけるドリフト領域に、ライフタイムキラーが注入されていてもよい。これに代えて、IGBT領域は第1導電型のドリフト領域を有し、IGBT領域と超接合型トランジスタ領域との境界部には、ドリフト領域の表面側から裏面側まで第2導電型カラムが設けられてもよい。さらにこれに代えて、IGBT領域と超接合型トランジスタ領域との境界部におけるドリフト領域の半導体基板の表面側に、ダミーのゲート電極を有してもよい。   A lifetime killer may be injected into the drift region at the boundary between the IGBT region and the superjunction transistor region. Instead, the IGBT region has a drift region of the first conductivity type, and a second conductivity type column is provided at the boundary between the IGBT region and the superjunction transistor region from the front surface side to the back surface side of the drift region. May be. In place of this, a dummy gate electrode may be provided on the surface side of the semiconductor substrate in the drift region at the boundary between the IGBT region and the superjunction transistor region.

または、IGBT領域と超接合型トランジスタ領域との境界部には、半導体基板の表面と平行な方向に拡張された第2導電型ウエルが設けられてもよい。これに代えて、超接合型トランジスタ領域は、第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有し、IGBT領域と超接合型トランジスタ領域との境界部において、超接合型トランジスタ領域の第2導電型カラムの端部の深さよりも浅い端部深さの第2導電型カラムを有してもよい。さらにこれに代えて、IGBT領域と超接合型トランジスタ領域との境界部には、2つのゲート電極と、2つのゲート電極の間に設けられた第1導電型領域と、第1導電型領域に接して第1導電型領域の裏面側に、超接合型トランジスタ領域の第2導電型カラムの深さの1/2である第2導電型領域とが設けられてもよい。   Alternatively, a second conductivity type well extended in a direction parallel to the surface of the semiconductor substrate may be provided at the boundary between the IGBT region and the superjunction transistor region. Instead, the superjunction transistor region has a first conductivity type column and a second conductivity type column, and the second conductivity of the superjunction transistor region at the boundary between the IGBT region and the superjunction transistor region. You may have the 2nd conductivity type column of the edge part depth shallower than the depth of the edge part of a type | mold column. Furthermore, instead of this, at the boundary between the IGBT region and the super junction transistor region, there are two gate electrodes, a first conductivity type region provided between the two gate electrodes, and a first conductivity type region. A second conductivity type region that is ½ the depth of the second conductivity type column of the superjunction transistor region may be provided on the back side of the first conductivity type region.

半導体装置は、2以上のIGBT領域を有するIGBT部と2以上の超接合型トランジスタ領域を含むSJ‐MOSFET部との境界部は、還流ダイオード部を有してよい。SJ‐MOSFET部に、ライフタイムキラーが注入されていてよい。   In the semiconductor device, the boundary portion between the IGBT portion having two or more IGBT regions and the SJ-MOSFET portion including two or more superjunction transistor regions may have a free-wheeling diode portion. A lifetime killer may be injected into the SJ-MOSFET section.

SJ‐MOSFET部は、第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有し、SJ‐MOSFET部における第1導電型カラムおよび第2導電型カラムの表面側と、SJ‐MOSFET部におけるフィールドストップ層との少なくともいずれかには、ライフタイムキラーが注入されていてよい。   The SJ-MOSFET section has a first conductivity type column and a second conductivity type column, the surface side of the first conductivity type column and the second conductivity type column in the SJ-MOSFET section, and a field stop layer in the SJ-MOSFET section A lifetime killer may be injected into at least one of the above.

SJ‐MOSFET部における第1導電型カラムおよび第2導電型カラムの表面側から、SJ‐MOSFET部におけるフィールドストップ層までの全体に渡って、ライフタイムキラーが注入されていてよい。   A lifetime killer may be injected from the surface side of the first conductivity type column and the second conductivity type column in the SJ-MOSFET portion to the field stop layer in the SJ-MOSFET portion.

還流ダイオード部とSJ‐MOSFET部との境界には、ライフタイムキラーが注入されていてよい。還流ダイオード部に、ライフタイムキラーが注入されていてよい。還流ダイオード部のドリフト領域におけるアノード側とフィールドストップ層との少なくともいずれかには、ライフタイムキラーが注入されていてよい。   A lifetime killer may be injected at the boundary between the freewheeling diode portion and the SJ-MOSFET portion. A lifetime killer may be injected into the freewheeling diode section. A lifetime killer may be injected into at least one of the anode side and the field stop layer in the drift region of the free-wheeling diode portion.

半導体装置は、還流ダイオード部とSJ‐MOSFET部とを周期的に設けた繰り返し構造部をさらに備えてよい。繰り返し構造部が、IGBT部を挟んで設けられてよい。   The semiconductor device may further include a repetitive structure portion in which a freewheeling diode portion and an SJ-MOSFET portion are periodically provided. A repetitive structure portion may be provided across the IGBT portion.

IGBT部と繰り返し構造部との間と、IGBT部におけるフィールドストップ層との少なくともいずれにはライフタイムキラーが注入されていてよい。   A lifetime killer may be injected between at least one of the IGBT part and the repetitive structure part and the field stop layer in the IGBT part.

IGBT部は、IGBT領域が超接合型トランジスタで構成されたSJ‐IGBT部であってよい。   The IGBT portion may be an SJ-IGBT portion in which the IGBT region is configured by a super junction transistor.

SJ‐IGBT部は、それぞれ1E15cm−3以上1E16cm−3以下の不純物濃度を有する第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有してよい。 The SJ-IGBT section may include a first conductivity type column and a second conductivity type column each having an impurity concentration of 1E15 cm −3 or more and 1E16 cm −3 or less.

SJ‐IGBT部の裏面側に設けられた第2導電型の半導体層と還流ダイオード部およびSJ‐MOSFET部の裏面側に設けられた第1導電型の半導体層とのピッチは、SJ‐IGBT部における、第1導電型カラムと第2導電型カラムとのピッチの5倍から1000倍であってよい。   The pitch between the second conductive type semiconductor layer provided on the back side of the SJ-IGBT part and the first conductive type semiconductor layer provided on the back side of the free wheel diode part and the SJ-MOSFET part is SJ-IGBT part. The pitch may be 5 to 1000 times the pitch between the first conductivity type column and the second conductivity type column.

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。   It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

半導体装置200を半導体基板100の表面から見た平面図である。1 is a plan view of a semiconductor device 200 as viewed from the surface of a semiconductor substrate 100. FIG. 半導体装置200をx‐z面に平行に図1のA1‐A2で切断した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device 200 cut along A1-A2 in FIG. 1 in parallel with the xz plane. 図1の領域Bにおいて半導体装置200の端部をx‐z面に平行にC1‐C2で切断した平面図である。2 is a plan view in which an end portion of a semiconductor device 200 is cut along C1-C2 in parallel with an xz plane in a region B of FIG. 図1の領域Bにおいてx‐y面に平行に図3のD1‐D2で切断した平面図(a)、および、図1の領域Bにおいてx‐y面に平行に図3のE1‐E2で切断した平面図(b)を示す。A plan view (a) cut along D1-D2 in FIG. 3 parallel to the xy plane in region B of FIG. 1, and E1-E2 in FIG. 3 parallel to the xy plane in region B of FIG. A cut plan view (b) is shown. 半導体装置300を半導体基板100の表面から見た平面図である。1 is a plan view of a semiconductor device 300 as viewed from the surface of a semiconductor substrate 100. FIG. 半導体装置400を半導体基板100の表面から見た平面図である。1 is a plan view of a semiconductor device 400 as viewed from the surface of a semiconductor substrate 100. FIG. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第1変形例である。This is a first modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第2変形例である。This is a second modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第3変形例である。This is a third modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第4変形例である。This is a fourth modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第5変形例である。This is a fifth modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間にFWD部13を設けた第1の例を示す図である。5 is a diagram illustrating a first example in which an FWD unit 13 is provided between an SJ-MOSFET unit 10 and an IGBT unit 20. FIG. FWD部13とIGBT部20とを設けた比較例1である。It is the comparative example 1 which provided the FWD part 13 and the IGBT part 20. FIG. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20とを設けた比較例2である。It is the comparative example 2 which provided the SJ-MOSFET part 10 and the IGBT part 20. FIG. 図12〜図14におけるゲートオフ時の電圧‐電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the voltage-current characteristic at the time of the gate-off in FIGS. SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間にFWD部13を設けた第2の例を示す図である。5 is a diagram illustrating a second example in which an FWD unit 13 is provided between an SJ-MOSFET unit 10 and an IGBT unit 20. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第1の例を示す図である。2 is a diagram illustrating a first example of an SJ-MOSFET section 10 and an FWD section 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第2の例を示す図である。5 is a diagram illustrating a second example of an SJ-MOSFET section 10 and an FWD section 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第3の例を示す図である。6 is a diagram illustrating a third example of an SJ-MOSFET section 10 and an FWD section 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第4の例を示す図である。7 is a diagram illustrating a fourth example of an SJ-MOSFET section 10 and an FWD section 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第5の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a fifth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第6の例を示す図である。It is a figure which shows the 6th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第7の例を示す図である。It is a figure which shows the 7th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第8の例を示す図である。It is a figure which shows the 8th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第9の例を示す図である。It is a figure which shows the 9th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第10の例を示す図である。It is a figure which shows the 10th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第11の例を示す図である。It is a figure which shows the 11th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第12の例を示す図である。It is a figure which shows the 12th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第13の例を示す図である。It is a figure which shows the 13th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第14の例を示す図である。It is a figure which shows the 14th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第15の例を示す図である。It is a figure which shows the 15th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第16の例を示す図である。It is a figure which shows the 16th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第17の例を示す図である。It is a figure which shows the 17th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第18の例を示す図である。It is a figure which shows the 18th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第19の例を示す図である。It is a figure which shows the 19th example of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第1の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a first example having a repetitive structure portion 120 of an SJ-MOSFET portion 10 and an FWD portion 13. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第2の例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example which has the repeating structure part 120 of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第3の例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd example which has the repeating structure part 120 of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第4の例を示す図である。It is a figure which shows the 4th example which has the repeating structure part 120 of the SJ-MOSFET part 10 and the FWD part 13. FIG. 図12のIGBT部20に代えて、SJ‐IGBT部22を設けた例を示す図である。It is a figure which shows the example which replaced with the IGBT part 20 of FIG. 12, and provided the SJ-IGBT part 22. FIG. シミュレーションにおける、電荷不均衡の割合(%)と耐圧(V)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ratio (%) of electric charge imbalance, and a proof pressure (V) in simulation. シミュレーションにおける、ドーピング濃度(cm−3)と耐圧(V)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between doping concentration (cm <-3 >) and pressure | voltage resistance (V) in simulation. シミュレーションにおける、ゲートオン時の表面102からの距離(μm)と電界の強さ(V/cm)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distance (micrometer) from the surface 102 at the time of gate-on, and the strength of an electric field (V / cm) in simulation. シミュレーションにおける、ドーピング濃度(cm−3)とオン電圧(V)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between doping concentration (cm <-3 >) and ON voltage (V) in simulation. シミュレーションにおける、オン電圧(V)と電流密度(A/cm)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between ON voltage (V) and current density (A / cm < 2 >) in simulation. シミュレーションにおける、時間(μs)とコレクタ‐エミッタ間電圧(V)およびコレクタ電流(A)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between time (microsecond), collector-emitter voltage (V), and collector current (A) in simulation. 図46の時間0(μs)以上1.0(μs)以下の部分を拡大した図である。It is the figure which expanded the part of time 0 (microsecond) or more and 1.0 (microsecond) or less of FIG.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

(第1実施形態)
図1は、半導体装置200を半導体基板100の表面から見た平面図である。半導体装置200は、半導体基板100を備える。半導体基板100には、SJ‐MOSFET部10およびIGBT部20が設けられる。半導体基板100には、SJ‐MOSFET部10およびIGBT部20をx‐y平面において囲むように耐圧構造部30が設けられる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device 200 as viewed from the surface of the semiconductor substrate 100. The semiconductor device 200 includes a semiconductor substrate 100. The semiconductor substrate 100 is provided with an SJ-MOSFET portion 10 and an IGBT portion 20. The semiconductor substrate 100 is provided with a breakdown voltage structure 30 so as to surround the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 in the xy plane.

本明細書において、x方向はy方向に垂直な方向である。z方向は、x方向およびy方向により規定される平面に垂直な方向である。z方向は、必ずしも重力の方向と平行でなくてよい。半導体基板100のx方向およびy方向の長さは、そのz方向の長さよりも十分に大きい。本明細書においては便宜的に、半導体基板100の+z側の面を表(おもて)面と称し、その反対側の面を裏面と称する。x‐y平面は半導体基板100の表面および裏面に平行な面である。   In this specification, the x direction is a direction perpendicular to the y direction. The z direction is a direction perpendicular to a plane defined by the x direction and the y direction. The z direction is not necessarily parallel to the direction of gravity. The lengths of the semiconductor substrate 100 in the x direction and the y direction are sufficiently larger than the lengths in the z direction. In the present specification, for convenience, the + z side surface of the semiconductor substrate 100 is referred to as a front surface, and the opposite surface is referred to as a back surface. The xy plane is a plane parallel to the front surface and the back surface of the semiconductor substrate 100.

本例の半導体装置200は、それぞれx方向よりもy方向が長いSJ‐MOSFET部10およびIGBT部20を有する。つまり、SJ‐MOSFET部10およびIGBT部20は、y方向に長いストライプ形状を有する。半導体装置200は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間に境界部12を有する。   The semiconductor device 200 of this example includes an SJ-MOSFET portion 10 and an IGBT portion 20 that are each longer in the y direction than in the x direction. That is, the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 have a stripe shape that is long in the y direction. The semiconductor device 200 has a boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20.

半導体装置200は、x方向の端部にSJ‐MOSFET部10を有する。半導体装置200はx方向に沿って、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との繰り返し構造を有する。また半導体装置200は、x方向の反対側の端部に、SJ‐MOSFET部10を有する。つまり、半導体装置200は、x方向におけるSJ‐MOSFET部10およびIGBT部20の繰り返し構造において、x方向の両端部にはSJ‐MOSFET部10を有する。   The semiconductor device 200 has the SJ-MOSFET portion 10 at the end in the x direction. The semiconductor device 200 has a repeated structure of the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 along the x direction. In addition, the semiconductor device 200 includes the SJ-MOSFET portion 10 at the end on the opposite side in the x direction. That is, the semiconductor device 200 has the SJ-MOSFET portion 10 at both ends in the x direction in the repeating structure of the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 in the x direction.

半導体装置200は、x方向に沿ってSJ‐MOSFET部10とIGBT部20とを繰り返し有するので、半導体基板100の表面に垂直なx‐z面で半導体装置200を切断した断面において、SJ‐MOSFET部10が挟む領域に、IGBT部20を有する。なお、SJ‐MOSFET部10が挟む領域とは、2つのSJ‐MOSFET部10によりx方向の両側が挟まれたIGBT部20が設けられる領域を意味する。   Since the semiconductor device 200 repeatedly includes the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 along the x direction, the SJ-MOSFET is cut in a cross section obtained by cutting the semiconductor device 200 along the xz plane perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 100. An IGBT unit 20 is provided in a region sandwiched by the unit 10. The region sandwiched between the SJ-MOSFET portions 10 means a region where the IGBT portions 20 sandwiched between the two SJ-MOSFET portions 10 on both sides in the x direction are provided.

SJ‐MOSFET部10は、1以上の超接合型トランジスタ領域を有する。また、IGBT部20は、1以上のIGBT領域を有する。ただし、SJ‐MOSFET部10は、超接合型トランジスタ領域のみを有しIGBT領域は有しない。また、IGBT部20は、IGBT領域のみを有し超接合型トランジスタ領域は有しない。   The SJ-MOSFET portion 10 has one or more superjunction transistor regions. The IGBT unit 20 has one or more IGBT regions. However, the SJ-MOSFET portion 10 has only a superjunction transistor region and does not have an IGBT region. The IGBT unit 20 has only an IGBT region and does not have a super junction transistor region.

本明細書において、超接合型トランジスタ領域は、超接合型トランジスタを構成する最小単位の領域を意味する。また、IGBT領域は、IGBTを構成する最小単位の領域を意味する。IGBT領域の耐圧は、超接合型トランジスタ領域の耐圧より高い。例えば、IGBT領域の耐圧は約700Vであり、超接合型トランジスタ領域の耐圧は約650Vである。なお、超接合型トランジスタ領域およびIGBT領域の詳細な構成については次図の説明において述べる。   In this specification, the superjunction transistor region means a minimum unit region constituting the superjunction transistor. The IGBT region means a minimum unit region constituting the IGBT. The breakdown voltage of the IGBT region is higher than the breakdown voltage of the super junction transistor region. For example, the breakdown voltage of the IGBT region is about 700V, and the breakdown voltage of the super junction transistor region is about 650V. The detailed configuration of the super junction transistor region and the IGBT region will be described in the description of the next figure.

本明細書において、2以上の超接合型トランジスタ領域を有する超接合型トランジスタ領域の群をSJ‐MOSFET部10とする。同様に、2以上のIGBT領域を有するIGBT領域の群をIGBT部20とする。   In this specification, a group of superjunction transistor regions having two or more superjunction transistor regions is referred to as an SJ-MOSFET portion 10. Similarly, a group of IGBT regions having two or more IGBT regions is defined as an IGBT unit 20.

本例の半導体装置200は、x方向に沿ってSJ‐MOSFET部10とIGBT部20とを繰り返し有するので、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とはそれぞれ、半導体基板100の異なる場所に設けられる。具体的には、1以上のIGBT領域は、2以上の超接合型トランジスタ領域が挟む領域に設けられる。また、半導体基板100のx方向の両端部には超接合型トランジスタ領域が設けられる。   Since the semiconductor device 200 of this example repeatedly includes the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 along the x direction, the superjunction transistor region and the IGBT region are provided at different locations on the semiconductor substrate 100, respectively. Specifically, one or more IGBT regions are provided in a region sandwiched by two or more superjunction transistor regions. Super junction transistor regions are provided at both ends of the semiconductor substrate 100 in the x direction.

半導体装置200の電源をオンにして、超接合型トランジスタ領域のドレイン‐ソース間電圧(VDS)およびIGBT領域のコレクタ‐エミッタ間電圧(VCE)を徐々に上昇させると、所定の電圧値を境にして、IGBT領域を流れる電流(ICE)が超接合型トランジスタ領域を流れる電流(IDS)よりも多くなる。超接合型トランジスタ領域およびIGBT領域への負荷は、電流(ICEまたはIDS)と電圧(VDSまたはVCE)との積で決まる。それゆえ、当該所定の電圧値よりも高い電圧をかける場合、超接合型トランジスタ領域の負荷はIGBT領域の負荷よりも小さくなる。 When the power supply of the semiconductor device 200 is turned on and the drain-source voltage (V DS ) in the superjunction transistor region and the collector-emitter voltage (V CE ) in the IGBT region are gradually increased, a predetermined voltage value is obtained. At the boundary, the current (I CE ) flowing through the IGBT region becomes larger than the current (I DS ) flowing through the super junction transistor region. The load on the super junction transistor region and the IGBT region is determined by the product of the current (I CE or I DS ) and the voltage (V DS or V CE ). Therefore, when a voltage higher than the predetermined voltage value is applied, the load in the superjunction transistor region becomes smaller than the load in the IGBT region.

半導体装置200の電源をオフすると超接合型トランジスタ領域およびIGBT領域は逆バイアス状態となる。逆バイアス時において、オン状態での負荷が小さい方が破壊耐量は高くなる。所定の電圧値よりも高い電圧をかけたオン状態では、超接合型トランジスタ領域の負荷はIGBT領域の負荷よりも小さい。それゆえ、逆バイアス時において、超接合型トランジスタ領域の破壊耐量はIGBT領域の破壊耐量よりも高い。   When the power supply of the semiconductor device 200 is turned off, the superjunction transistor region and the IGBT region are in a reverse bias state. In reverse bias, the smaller the load in the on state, the higher the breakdown resistance. In an ON state in which a voltage higher than a predetermined voltage value is applied, the load in the superjunction transistor region is smaller than the load in the IGBT region. Therefore, at the time of reverse bias, the breakdown tolerance of the super junction transistor region is higher than the breakdown tolerance of the IGBT region.

半導体基板100において、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とは電気的に並列に接続されている。超接合型トランジスタ領域は、逆回復時にダイオードとして機能する。超接合型トランジスタ領域が少な過ぎると、半導体装置200は逆回復時にハードリカバリー特性となる。そこで、ある程度のソフトリカバリー特性を得るべく、一定数の超接合型トランジスタ領域が必要となる。また、超接合型トランジスタ領域の数がIGBT領域の数よりも多すぎると、半導体装置200においてIGBTの特性が失われる。それゆえ、両者のバランスが求められる。   In the semiconductor substrate 100, the superjunction transistor region and the IGBT region are electrically connected in parallel. The superjunction transistor region functions as a diode during reverse recovery. If there are too few superjunction transistor regions, the semiconductor device 200 has hard recovery characteristics during reverse recovery. Therefore, a certain number of superjunction transistor regions are required to obtain a certain degree of soft recovery characteristics. Further, if the number of super junction transistor regions is more than the number of IGBT regions, the characteristics of the IGBT in the semiconductor device 200 are lost. Therefore, a balance between the two is required.

半導体装置200は、超接合型トランジスタ領域が挟む領域に、2以上のIGBT領域を有するIGBT部20を有する。例えば、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20とにおいて、2つの超接合型トランジスタ領域と2つのIGBT領域とをそれぞれ設けてよい。なお、IGBT部20におけるIGBT領域の数とSJ‐MOSFET部10における超接合型トランジスタ領域の数との比は、製品の用途によって異なるが、1:1から3:1となることが好ましい。   The semiconductor device 200 includes an IGBT unit 20 having two or more IGBT regions in a region sandwiched between superjunction transistor regions. For example, in the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20, two super junction transistor regions and two IGBT regions may be provided, respectively. The ratio of the number of IGBT regions in the IGBT unit 20 and the number of superjunction transistor regions in the SJ-MOSFET unit 10 varies depending on the application of the product, but is preferably 1: 1 to 3: 1.

本例では、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とを1つおきではなく、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とを複数個おきに設ける。これにより、両者を1つおきに設ける場合と比較して境界部12の割合を減らすことができる。   In this example, instead of every other super junction transistor region and IGBT region, a plurality of super junction transistor regions and IGBT regions are provided. Thereby, the ratio of the boundary part 12 can be reduced compared with the case where both are provided every other.

半導体基板100に超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とを有する半導体装置200では、低電圧領域では超接合型トランジスタ領域の出力特性が得られ、かつ、高電圧ではIGBT領域の出力特性が得られることが好ましい。しかし、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とを1つおきに交互に設ける構成では、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とが干渉し合うことにより異常な電圧‐電流特性(つまり、特性のとび)が発生し得る。それゆえ、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とを1つおきに交互に設ける構成は望ましくない。本例では、2以上の超接合型トランジスタ領域を有するSJ‐MOSFET部10と2以上のIGBT領域を有するIGBT部20とを有するので、超接合型トランジスタ領域とIGBT領域とを1つおきに交互に設ける構成と比較して、異常な電圧‐電流特性(特性のとび)を抑えることができる。   In the semiconductor device 200 having the superjunction transistor region and the IGBT region on the semiconductor substrate 100, the output characteristics of the superjunction transistor region can be obtained in the low voltage region, and the output characteristics of the IGBT region can be obtained in the high voltage region. Is preferred. However, in a configuration in which every other superjunction transistor region and IGBT region are alternately provided, abnormal voltage-current characteristics (that is, jumping in characteristics) occur due to interference between the superjunction transistor region and the IGBT region. Can occur. Therefore, a configuration in which every other super junction transistor region and IGBT region are alternately provided is not desirable. In this example, since the SJ-MOSFET portion 10 having two or more superjunction transistor regions and the IGBT portion 20 having two or more IGBT regions are provided, every other superjunction transistor region and IGBT region are alternately arranged. Compared with the configuration provided in the circuit, abnormal voltage-current characteristics (characteristic skip) can be suppressed.

図2は、半導体装置200をx‐z面に平行に図1のA1‐A2で切断した断面図である。当該断面図における半導体装置200は、SJ‐MOSFET部10と、IGBT部20と、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間にある境界部12と、耐圧構造部30とを有する。なお本例では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として記載する。しかし他の例においては、これを反転させて第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としてもよい。特に元素および作成手法を明示しない限り、半導体基板100のn型およびp型は、周知の元素および周知の作成手法により形成することができる。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device 200 cut along A1-A2 in FIG. 1 parallel to the xz plane. The semiconductor device 200 in the cross-sectional view includes an SJ-MOSFET portion 10, an IGBT portion 20, a boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20, and a breakdown voltage structure portion 30. In this example, the first conductivity type is described as n-type, and the second conductivity type is described as p-type. However, in another example, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type by inverting it. Unless an element and a production method are particularly specified, the n-type and the p-type of the semiconductor substrate 100 can be formed using a known element and a known production method.

SJ‐MOSFET部10は、2以上の超接合型トランジスタ領域14を有する。本例では、SJ‐MOSFET部10は5つの超接合型トランジスタ領域14を有する。ただし、図の見やすさを考慮して2つの超接合型トランジスタ領域14‐1および14‐2だけに符号を付している。超接合型トランジスタ領域14は、p型ベース層42、コンタクト領域44、ソース領域45、ゲート電極50、ゲート絶縁膜52、および、x方向に隣接するn型カラム54とp型カラム56とを含む。   The SJ-MOSFET portion 10 has two or more superjunction transistor regions 14. In this example, the SJ-MOSFET section 10 has five superjunction transistor regions 14. However, only the two superjunction transistor regions 14-1 and 14-2 are denoted by reference numerals in consideration of the visibility of the figure. Superjunction transistor region 14 includes a p-type base layer 42, a contact region 44, a source region 45, a gate electrode 50, a gate insulating film 52, and an n-type column 54 and a p-type column 56 that are adjacent in the x direction. .

本例では、p型ベース層42はp−型不純物を有し、コンタクト領域44はp+型不純物を有し、ソース領域45はn+型不純物を有する。また、x方向に隣接するn型カラム54はn−型不純物を有し、p型カラム56はp−型不純物を有する。   In this example, the p-type base layer 42 has a p− type impurity, the contact region 44 has a p + type impurity, and the source region 45 has an n + type impurity. Further, the n-type column 54 adjacent in the x direction has an n-type impurity, and the p-type column 56 has a p-type impurity.

2つの隣接する超接合型トランジスタ領域14‐1および14‐2は、1つのn型カラム54または1つのp型カラム56を共有する。本例では、超接合型トランジスタ領域14‐1と14‐2とは、1つのn型カラム54を共有する。また、2つの隣接する超接合型トランジスタ領域14‐1および14‐2は、1つのゲート電極50およびゲート絶縁膜52を共有する。   Two adjacent superjunction transistor regions 14-1 and 14-2 share one n-type column 54 or one p-type column 56. In this example, the superjunction transistor regions 14-1 and 14-2 share one n-type column 54. Two adjacent superjunction transistor regions 14-1 and 14-2 share one gate electrode 50 and gate insulating film 52.

IGBT部20は、2以上のIGBT領域24を有する。図2に示す部分においては、IGBT部20は6つのIGBT領域24を有する。ただし、図の見やすさを考慮して2つのIGBT領域24‐1および24‐2だけに符号を付している。IGBT領域24は、p型ベース層42、コンタクト領域44、エミッタ領域46、ゲート電極50、ゲート絶縁膜52、および、n型ドリフト層40を含む。なお、エミッタ領域46はn+型不純物を有する。   The IGBT unit 20 has two or more IGBT regions 24. In the portion shown in FIG. 2, the IGBT unit 20 has six IGBT regions 24. However, only the two IGBT regions 24-1 and 24-2 are denoted by reference numerals in consideration of the visibility of the figure. The IGBT region 24 includes a p-type base layer 42, a contact region 44, an emitter region 46, a gate electrode 50, a gate insulating film 52, and an n-type drift layer 40. The emitter region 46 has an n + type impurity.

隣接する2つのIGBT領域24‐1および24‐2はn型ドリフト層40を共有する。また、隣接する2つのIGBT領域24‐1および24‐2は、1つのゲート電極50およびゲート絶縁膜52を共有する。   Two adjacent IGBT regions 24-1 and 24-2 share the n-type drift layer 40. Two adjacent IGBT regions 24-1 and 24-2 share one gate electrode 50 and gate insulating film 52.

なお、逆バイアス時において、超接合型トランジスタ領域の耐圧をIGBT領域の耐圧よりも低くするには、必要に応じて隣接するIGBT領域のゲート電極50間の間隔を隣接する超接合型トランジスタ領域のゲート電極50間の間隔より広くすることにより調整できる。また、IGBT領域のn型ドリフト層40の不純物濃度を低くすることでもIGBT領域の耐圧を高くすることができる。   In order to make the breakdown voltage of the superjunction transistor region lower than the breakdown voltage of the IGBT region at the time of reverse bias, the interval between the gate electrodes 50 of the adjacent IGBT regions is set as necessary between the adjacent superjunction transistor regions. Adjustment can be made by making the distance between the gate electrodes 50 wider. Also, the breakdown voltage of the IGBT region can be increased by reducing the impurity concentration of the n-type drift layer 40 in the IGBT region.

(境界部12)本例の境界部12のn型ドリフト層40は、半導体装置200に順電圧を印加してオンさせる場合、SJ‐MOSFET部10のn型カラム54よりもキャリア量が多く、IGBT部20のn型ドリフト層40よりもキャリア量が少ない領域である。IGBT領域24のキャリアは正孔および電子であり、超接合型トランジスタ領域14のキャリアは電子のみである。それゆえ半導体装置200を順電圧で動作させる場合、IGBT領域24のキャリアの量は、超接合型トランジスタ領域14のキャリア量よりも多い。例えば、IGBT領域24のキャリア量は、超接合型トランジスタ領域14のキャリア量よりも一桁多い。   (Boundary part 12) The n-type drift layer 40 of the boundary part 12 of this example has a larger amount of carriers than the n-type column 54 of the SJ-MOSFET part 10 when a forward voltage is applied to the semiconductor device 200 to turn it on. This is a region having a smaller amount of carriers than the n-type drift layer 40 of the IGBT unit 20. The carriers in the IGBT region 24 are holes and electrons, and the carriers in the superjunction transistor region 14 are only electrons. Therefore, when the semiconductor device 200 is operated at a forward voltage, the amount of carriers in the IGBT region 24 is larger than the amount of carriers in the superjunction transistor region 14. For example, the amount of carriers in the IGBT region 24 is an order of magnitude greater than the amount of carriers in the superjunction transistor region 14.

逆バイアス時において、仮に境界部12が無くSJ‐MOSFET部10とIGBT部20とが接合して連続している場合には、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部分のn型ドリフト層40は、キャリア量が急峻に変化する部分となる。この場合、境界部分のn型ドリフト層40には電界が強くかかるので、半導体装置200はブレークダウンして破壊される可能性がある。   At the time of reverse bias, if there is no boundary 12 and the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 are joined and continuous, the n-type drift at the boundary portion between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 The layer 40 is a portion where the carrier amount changes abruptly. In this case, since the electric field is strongly applied to the n-type drift layer 40 in the boundary portion, the semiconductor device 200 may be broken down and destroyed.

そこで、境界部12のn型ドリフト層40に、順電圧印加時においてn型カラム54のキャリア量とn型ドリフト層40のキャリア量との中間のキャリア量を有する領域を設ける。本例では、IGBT領域24と超接合型トランジスタ領域14との境界部12におけるドリフト領域としてのn型ドリフト層40に、ライフタイムキラーが注入されている欠陥領域58を有する。ライフタイムキラーが注入されているとは、製造段階において半導体基板100の表面側および/または裏面側から電子線、プロトンまたはヘリウムを注入することにより、n型ドリフト層40に格子欠陥を有する欠陥領域58が形成されることを意味してよい。   Therefore, a region having an intermediate carrier amount between the carrier amount of the n-type column 54 and the carrier amount of the n-type drift layer 40 when a forward voltage is applied is provided in the n-type drift layer 40 of the boundary portion 12. In this example, the n-type drift layer 40 as a drift region in the boundary portion 12 between the IGBT region 24 and the superjunction transistor region 14 has a defect region 58 in which a lifetime killer is implanted. The lifetime killer is implanted means that a defect region having lattice defects in the n-type drift layer 40 by injecting an electron beam, proton or helium from the front surface side and / or the back surface side of the semiconductor substrate 100 in the manufacturing stage. 58 may be formed.

境界部12は、欠陥領域58を有するので、半導体装置200の逆バイアス時に、n型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、逆バイアス時に境界部12のn型ドリフト層40での電界集中を防ぎ、半導体装置200が破壊されることを防ぐことができる。   Since the boundary portion 12 has the defect region 58, the change in the amount of carriers between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be smoothed when the semiconductor device 200 is reverse-biased. Therefore, it is possible to prevent electric field concentration in the n-type drift layer 40 in the boundary portion 12 during reverse bias and to prevent the semiconductor device 200 from being destroyed.

(表面構造)半導体基板100の表面側の構造は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20とで同じである。本例のゲート電極50は、トレンチ型のゲート電極である。ゲート電極50は、ゲート絶縁膜52により半導体基板100から電気的に絶縁される。p型ベース層42およびコンタクト領域44は2つのゲート電極50の間に設けられる。   (Surface Structure) The structure on the surface side of the semiconductor substrate 100 is the same between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The gate electrode 50 of this example is a trench type gate electrode. The gate electrode 50 is electrically insulated from the semiconductor substrate 100 by the gate insulating film 52. The p-type base layer 42 and the contact region 44 are provided between the two gate electrodes 50.

超接合型トランジスタ領域14では、コンタクト領域44とゲート電極50との間にソース領域45が設けられる。IGBT領域24では、コンタクト領域44とゲート電極50との間にエミッタ領域46が設けられる。   In the super junction transistor region 14, a source region 45 is provided between the contact region 44 and the gate electrode 50. In the IGBT region 24, an emitter region 46 is provided between the contact region 44 and the gate electrode 50.

絶縁層60はゲート電極50よりも表面側に設けられる。表面電極62は、絶縁層60よりも表面側に設けられる。表面電極62は、コンタクト領域44、ソース領域45およびエミッタ領域46のうち、少なくともコンタクト領域44に接する。   The insulating layer 60 is provided on the surface side of the gate electrode 50. The surface electrode 62 is provided on the surface side of the insulating layer 60. The surface electrode 62 is in contact with at least the contact region 44 among the contact region 44, the source region 45, and the emitter region 46.

境界部12の表面側の構造は、SJ‐MOSFET部10およびIGBT部20とほぼ同じである。ただし、境界部12とIGBT部20との間には、エミッタ領域46を設けない。これにより、境界部12がIGBT領域24として動作することを防止する。   The structure on the surface side of the boundary portion 12 is substantially the same as that of the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. However, the emitter region 46 is not provided between the boundary portion 12 and the IGBT portion 20. This prevents the boundary portion 12 from operating as the IGBT region 24.

(裏面構造)FS層70は、フィールドストップ(Field Stop)層である。FS層70は、プロトン(H)またはセレン(Se)をドーズして熱処理することにより形成されてよい。本例のFS層70は、n+領域である。FS層70は、半導体装置200に逆バイアス時に、空乏層がコレクタ層80に到達するのを防ぐ。なお、FS層70には、欠陥領域58の一部が形成される。 (Back Structure) The FS layer 70 is a field stop layer. The FS layer 70 may be formed by performing heat treatment by dosing protons (H + ) or selenium (Se). The FS layer 70 in this example is an n + region. The FS layer 70 prevents the depletion layer from reaching the collector layer 80 when the semiconductor device 200 is reverse-biased. A part of the defect region 58 is formed in the FS layer 70.

コレクタ層80は、FS層70よりも裏面側に設けられる。つまり、コレクタ層80は、FS層70よりも裏面側に設けられる。コレクタ層80は、IGBT部20のコレクタ層として機能する。本例のコレクタ層80は、p+型不純物を有する層である。   The collector layer 80 is provided on the back side of the FS layer 70. That is, the collector layer 80 is provided on the back surface side of the FS layer 70. The collector layer 80 functions as the collector layer of the IGBT unit 20. The collector layer 80 in this example is a layer having p + type impurities.

ドレイン層82は、FS層70よりも裏面側に設けられる。ドレイン層82は、SJ‐MOSFET部10のドレイン層として機能する。本例のドレイン層82は、n+層である。   The drain layer 82 is provided on the back side of the FS layer 70. The drain layer 82 functions as a drain layer of the SJ-MOSFET portion 10. The drain layer 82 in this example is an n + layer.

(SJ‐MOSFET部10の動作)SJ‐MOSFET部10の動作を簡単に説明する。SJ‐MOSFET部10のゲート電極50に所定の電圧が印加されると、ゲート絶縁膜52とp型ベース層42との境界近傍に反転層が形成される。また、半導体装置200に順電圧が印加されている場合、ソース領域45には、ドレイン層82よりも高い所定の電圧が印加される。これにより、コンタクト領域44、ソース領域45、p型ベース層42に形成された反転層、n型カラム54、FS層70およびドレイン層82を順に通って、電子が表面電極62から裏面電極90へ流れる。   (Operation of SJ-MOSFET section 10) The operation of the SJ-MOSFET section 10 will be briefly described. When a predetermined voltage is applied to the gate electrode 50 of the SJ-MOSFET portion 10, an inversion layer is formed in the vicinity of the boundary between the gate insulating film 52 and the p-type base layer 42. In addition, when a forward voltage is applied to the semiconductor device 200, a predetermined voltage higher than that of the drain layer 82 is applied to the source region 45. Thus, electrons pass from the front electrode 62 to the back electrode 90 through the contact region 44, the source region 45, the inversion layer formed in the p-type base layer 42, the n-type column 54, the FS layer 70, and the drain layer 82 in this order. Flowing.

(IGBT部20の動作)IGBT部20の動作を簡単に説明する。IGBT部20のゲート電極50に所定の電圧が印加される場合、ゲート絶縁膜52とp型ベース層42との境界近傍に反転層が形成される。また、半導体装置200に順電圧が印加されている場合、エミッタ領域46には、コレクタ層80よりも高い所定の電圧が印加される。これにより、エミッタ領域46からn型ドリフト層40に電子が供給され、コレクタ層80からn型ドリフト層40に正孔が供給される。これにより、裏面電極90から表面電極62へ電流が流れる。   (Operation of IGBT Unit 20) The operation of the IGBT unit 20 will be briefly described. When a predetermined voltage is applied to the gate electrode 50 of the IGBT unit 20, an inversion layer is formed in the vicinity of the boundary between the gate insulating film 52 and the p-type base layer 42. In addition, when a forward voltage is applied to the semiconductor device 200, a predetermined voltage higher than that of the collector layer 80 is applied to the emitter region 46. As a result, electrons are supplied from the emitter region 46 to the n-type drift layer 40, and holes are supplied from the collector layer 80 to the n-type drift layer 40. As a result, a current flows from the back electrode 90 to the front electrode 62.

(耐圧構造部30)半導体装置200は、超接合型トランジスタ領域14のうち、最も外側の超接合型トランジスタ領域14の外側に設けた耐圧構造部30を備える。耐圧構造部30は、x‐y平面における内周部に設けられる第1耐圧部32と、x‐y平面における外周部に設けられる第2耐圧部34とを有する。第1耐圧部32は、ガードリング47を有する。本例のガードリング47はp+型不純物を有する。ガードリング47は、n型領域48の表面側に設けられる。第1耐圧部32は、絶縁層60に設けられたスリットまたは穴を通じてガードリング47に接続するフィールドプレート64を有する。フィールドプレート64およびガードリング47は、x‐y平面においてSJ‐MOSFET部10およびIGBT部20を囲んでリング状に設けられる。   (Withstand Voltage Structure 30) The semiconductor device 200 includes a withstand voltage structure 30 provided outside the outermost superjunction transistor region 14 in the superjunction transistor region 14. The breakdown voltage structure 30 includes a first breakdown voltage portion 32 provided on the inner periphery in the xy plane and a second breakdown voltage portion 34 provided on the outer periphery in the xy plane. The first pressure resistant portion 32 has a guard ring 47. The guard ring 47 of this example has p + type impurities. Guard ring 47 is provided on the surface side of n-type region 48. The first pressure-resistant part 32 has a field plate 64 connected to the guard ring 47 through a slit or hole provided in the insulating layer 60. The field plate 64 and the guard ring 47 are provided in a ring shape so as to surround the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 in the xy plane.

第1耐圧部32は、SJ‐MOSFET部10と同様に、n型カラム54およびp型カラム56の繰り返し構造を有する。n型カラム54およびp型カラム56は、n型領域48の裏面側端部からFS層70の表面側端部までに渡って存在する。n型カラム54およびp型カラム56の繰り返し構造により、半導体装置200の逆バイアス時、x‐y平面方向への空乏層の広がりを防ぐことができる。また、フィールドプレート64は、半導体基板100の表面に集まってきた表面電荷を収集するので、表面電荷に起因して半導体装置200の耐圧が変化することを防ぐことができる。   Similar to the SJ-MOSFET section 10, the first breakdown voltage section 32 has a repeating structure of an n-type column 54 and a p-type column 56. The n-type column 54 and the p-type column 56 exist from the back surface side end portion of the n type region 48 to the front surface side end portion of the FS layer 70. The repeated structure of the n-type column 54 and the p-type column 56 can prevent the depletion layer from spreading in the xy plane direction when the semiconductor device 200 is reverse-biased. Further, since the field plate 64 collects the surface charges collected on the surface of the semiconductor substrate 100, it is possible to prevent the breakdown voltage of the semiconductor device 200 from changing due to the surface charges.

第2耐圧部34は、第1導電型領域としてのn型領域48を有する。また第2耐圧部34は、第2導電型カラムとしてのp型領域49を有する。第2耐圧部34のn型領域48からFS層70までの間には、n型ドリフト層40が存在する。p型領域49は、n型ドリフト層40中に間隔を置いて設けられる。p型領域49の端部の深さは、超接合型トランジスタ領域14のp型カラム56の端部の深さよりも浅く設けられる。   The second withstand voltage portion 34 has an n-type region 48 as a first conductivity type region. The second breakdown voltage unit 34 has a p-type region 49 as a second conductivity type column. An n-type drift layer 40 exists between the n-type region 48 of the second breakdown voltage unit 34 and the FS layer 70. The p-type region 49 is provided in the n-type drift layer 40 at an interval. The depth of the end portion of the p-type region 49 is provided shallower than the depth of the end portion of the p-type column 56 in the superjunction transistor region 14.

なお、p型カラム56の端部の深さとは、p型カラム56のFS層70近傍の端部におけるz座標を意味する。p型領域49の端部の深さとは、p型領域49の裏面側の端部におけるz座標を意味する。端部の深さが浅いとは、FS層70側に位置する端部のz座標を比較した場合に、より半導体基板100の表面側に位置することを意味する。   Note that the depth of the end of the p-type column 56 means the z coordinate at the end of the p-type column 56 near the FS layer 70. The depth of the end portion of the p-type region 49 means the z coordinate at the end portion on the back surface side of the p-type region 49. The shallow depth of the end means that the end is located closer to the surface of the semiconductor substrate 100 when the z coordinates of the end located on the FS layer 70 side are compared.

第1耐圧部32におけるp型カラム56のピッチ幅P1と第2耐圧部34におけるp型領域49のピッチ幅P1とは、同じピッチ幅である。当該ピッチ幅P1は、SJ‐MOSFET部10におけるp型カラム56のピッチ幅P2よりも小さい。これにより、耐圧構造部30のピッチ幅P1をSJ‐MOSFET部10のピッチ幅P2と同じにする場合よりも、逆バイアス時において半導体基板100の端部へ空乏層を広げることができるので、半導体装置200を高耐圧化することができる。   The pitch width P1 of the p-type column 56 in the first breakdown voltage portion 32 and the pitch width P1 of the p-type region 49 in the second breakdown voltage portion 34 are the same pitch width. The pitch width P1 is smaller than the pitch width P2 of the p-type column 56 in the SJ-MOSFET section 10. As a result, the depletion layer can be extended to the end of the semiconductor substrate 100 at the time of reverse bias, compared with the case where the pitch width P1 of the breakdown voltage structure portion 30 is made equal to the pitch width P2 of the SJ-MOSFET portion 10. The device 200 can have a high breakdown voltage.

また、p型領域49の端部の深さをp型カラム56の端部の深さよりも浅くすることにより、第2耐圧部34にはp型の領域に比べてn型の領域が大きくなる。それゆえ、半導体装置200の逆バイアス時の空乏層が第1耐圧部32から第2耐圧部34に広がってきた場合に、当該空乏層にはn型ドリフト層40から電子を主とするキャリアが供給される。これにより、空乏層が半導体基板100のx方向端部に達するのを防ぐことができる。   Further, by making the depth of the end portion of the p-type region 49 shallower than the depth of the end portion of the p-type column 56, the n-type region in the second breakdown voltage portion 34 becomes larger than the p-type region. . Therefore, when a depletion layer at the time of reverse bias of the semiconductor device 200 spreads from the first withstand voltage portion 32 to the second withstand voltage portion 34, carriers mainly composed of electrons from the n-type drift layer 40 are present in the depletion layer. Supplied. This can prevent the depletion layer from reaching the end of the semiconductor substrate 100 in the x direction.

図3は、図1の領域Bにおいて半導体装置200の端部をx‐z面に平行にC1‐C2で切断した平面図である。図3では耐圧構造部30を特に示す。コンタクト領域44から半導体基板100の+x方向の端部まで、x‐y面に平行に切断する領域をD1‐D2とする。また、p型カラム56からp型領域49を通り半導体基板100の+x方向の端部まで、x‐y面に平行に切断する領域をE1‐E2とする。   FIG. 3 is a plan view in which the end portion of the semiconductor device 200 is cut along C1-C2 in parallel with the xz plane in the region B of FIG. In FIG. 3, the breakdown voltage structure 30 is particularly shown. A region that is cut in parallel to the xy plane from the contact region 44 to the end portion in the + x direction of the semiconductor substrate 100 is defined as D1-D2. Further, a region that is cut in parallel to the xy plane from the p-type column 56 to the end in the + x direction of the semiconductor substrate 100 through the p-type region 49 is defined as E1-E2.

図4は、図1の領域Bにおいてx‐y面に平行に図3のD1‐D2で切断した平面図(a)、および、図1の領域Bにおいてx‐y面に平行に図3のE1‐E2で切断した平面図(b)を示す。平面図(a)で示す様に、ガードリング47はx‐y平面においてSJ‐MOSFET部10およびIGBT部20を囲むリング状に設けられる。なお、平面図(a)では平面図(b)との比較のためにp型領域49を点線で示すが、D1‐D2断面においてp型領域49は存在しない。平面図(b)で示す様に、p型領域49は、n型ドリフト層40中において格子状に間隔を置いて設けられる。   4 is a plan view (a) cut along D1-D2 in FIG. 3 parallel to the xy plane in region B of FIG. 1, and FIG. 3 is parallel to the xy plane in region B of FIG. The top view (b) cut | disconnected by E1-E2 is shown. As shown in the plan view (a), the guard ring 47 is provided in a ring shape surrounding the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 in the xy plane. In the plan view (a), the p-type region 49 is indicated by a dotted line for comparison with the plan view (b), but the p-type region 49 does not exist in the D1-D2 cross section. As shown in the plan view (b), the p-type region 49 is provided in the n-type drift layer 40 at intervals in a lattice pattern.

(第2実施形態)
図5は、半導体装置300を半導体基板100の表面から見た平面図である。半導体装置300は、SJ‐MOSFET部10がIGBT部20を囲むように設けられる点で第1実施形態と異なる。つまり、IGBT領域24は、超接合型トランジスタ領域14が囲む領域に設けられている。なお、本明細書において、SJ‐MOSFET部10がIGBT部20を囲むとは、SJ‐MOSFET部10がx‐y平面におけるIGBT部20の四方全てまたは全ての周囲を囲むことを意味する。その他の点は、第1実施形態と同じである。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a plan view of the semiconductor device 300 as viewed from the surface of the semiconductor substrate 100. The semiconductor device 300 is different from the first embodiment in that the SJ-MOSFET portion 10 is provided so as to surround the IGBT portion 20. That is, the IGBT region 24 is provided in a region surrounded by the superjunction transistor region 14. In this specification, the SJ-MOSFET portion 10 surrounding the IGBT portion 20 means that the SJ-MOSFET portion 10 surrounds all or all of the four sides of the IGBT portion 20 in the xy plane. Other points are the same as in the first embodiment.

本例の半導体装置300は、x‐y平面において矩形のSJ‐MOSFET部10およびIGBT部20を有する。なお、半導体基板100のx‐y平面の形に応じて、SJ‐MOSFET部10およびIGBT部20は長方形としてよく、正方形としてもよい。   The semiconductor device 300 of this example includes a rectangular SJ-MOSFET portion 10 and an IGBT portion 20 in the xy plane. Note that the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 may be rectangular or square depending on the shape of the xy plane of the semiconductor substrate 100.

半導体装置300は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間に境界部12を有する。境界部12は、第1実施形態と同じ欠陥領域58であってよい。これにより、逆バイアス時に、n型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、境界部12のn型ドリフト層40での電界集中を防ぐことができる。   The semiconductor device 300 includes a boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The boundary portion 12 may be the same defect region 58 as in the first embodiment. Thereby, the change in the amount of carriers between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be made gentle during reverse bias. Therefore, electric field concentration in the n-type drift layer 40 in the boundary portion 12 can be prevented.

半導体装置300は、第1実施形態と同様に、SJ‐MOSFET部10に設けられた超接合型トランジスタ領域14のうち、最も外側の超接合型トランジスタ領域14の外側に設けた耐圧構造部30を備える。耐圧構造部30は逆バイアス時における半導体基板100の端部への空乏層の広がりを抑えるので、半導体装置300を高耐圧化することができる。   As in the first embodiment, the semiconductor device 300 includes the breakdown voltage structure 30 provided outside the outermost superjunction transistor region 14 among the superjunction transistor regions 14 provided in the SJ-MOSFET portion 10. Prepare. Since the breakdown voltage structure portion 30 suppresses the spread of the depletion layer to the end portion of the semiconductor substrate 100 at the time of reverse bias, the semiconductor device 300 can have a high breakdown voltage.

(第3実施形態)
図6は、半導体装置400を半導体基板100の表面から見た平面図である。半導体装置400は、SJ‐MOSFET部10が複数のIGBT部20を囲むように設けられる点で第1および第2実施形態と異なる。その他の点は、第1および第2実施形態と同じである。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a plan view of the semiconductor device 400 as viewed from the surface of the semiconductor substrate 100. The semiconductor device 400 is different from the first and second embodiments in that the SJ-MOSFET portion 10 is provided so as to surround the plurality of IGBT portions 20. Other points are the same as those in the first and second embodiments.

本例にいて複数の格子状に設けられたIGBT部20は、SJ‐MOSFET部10に囲まれる。つまり、IGBT部20のx方向およびy方向の両側に、2以上の超接合型トランジスタ領域を含むSJ‐MOSFET部10がそれぞれ設けられる。なお、図では4つのみのIGBT部20を示すが、IGBT部20の数は4よりも多い数であってよい。つまり、2以上のSJ‐MOSFET部10およびIGBT部20の組がx方向およびy方向に交互に設けられてよい。   In this example, the IGBT sections 20 provided in a plurality of lattice shapes are surrounded by the SJ-MOSFET section 10. That is, the SJ-MOSFET portion 10 including two or more superjunction transistor regions is provided on both sides of the IGBT portion 20 in the x direction and the y direction, respectively. Although only four IGBT units 20 are shown in the figure, the number of IGBT units 20 may be greater than four. That is, a set of two or more SJ-MOSFET sections 10 and IGBT sections 20 may be provided alternately in the x direction and the y direction.

本例の半導体装置400は、x‐y平面において矩形のSJ‐MOSFET部10およびIGBT部20を有する。なお、半導体基板100のx‐y平面の形に応じて、SJ‐MOSFET部10およびIGBT部20は長方形としてよく、正方形としてもよい。   The semiconductor device 400 of this example includes a rectangular SJ-MOSFET portion 10 and an IGBT portion 20 in the xy plane. Note that the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20 may be rectangular or square depending on the shape of the xy plane of the semiconductor substrate 100.

半導体装置400は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間に境界部12を有する。境界部12は、第1実施形態と同じ欠陥領域58であってよい。これにより、逆バイアス時に、n型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、境界部12のn型ドリフト層40での電界集中を防ぐことができる。   The semiconductor device 400 includes a boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The boundary portion 12 may be the same defect region 58 as in the first embodiment. Thereby, the change in the amount of carriers between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be made gentle during reverse bias. Therefore, electric field concentration in the n-type drift layer 40 in the boundary portion 12 can be prevented.

半導体装置400は、第1実施形態と同様に、SJ‐MOSFET部10に設けられた超接合型トランジスタ領域14のうち、最も外側の超接合型トランジスタ領域14の外側に設けた耐圧構造部30を備える。耐圧構造部30は逆バイアス時における半導体基板100の端部への空乏層の広がりを抑えるので、半導体装置400を高耐圧化することができる。   Similar to the first embodiment, the semiconductor device 400 includes the breakdown voltage structure 30 provided outside the outermost superjunction transistor region 14 among the superjunction transistor regions 14 provided in the SJ-MOSFET portion 10. Prepare. Since the breakdown voltage structure portion 30 suppresses the spread of the depletion layer to the end portion of the semiconductor substrate 100 at the time of reverse bias, the semiconductor device 400 can have a high breakdown voltage.

(第1変形例)
図7は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第1変形例である。本例の境界部12の構成は、第1から第3実施形態に適用することができる。本例において、IGBT領域24と超接合型トランジスタ領域14との境界部12には、ドリフト領域としてのn型ドリフト層40の表面側から裏面側まで第2導電型カラムが設けられる。当該第2導電型カラムは、SJ‐MOSFET部10のp型カラム56と同じであってよい。また、コレクタ層80は、境界部12のp型カラム56の裏面側にも設けられる。
(First modification)
FIG. 7 shows a first modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The configuration of the boundary portion 12 in this example can be applied to the first to third embodiments. In this example, the second conductivity type column is provided from the front surface side to the back surface side of the n-type drift layer 40 as a drift region at the boundary portion 12 between the IGBT region 24 and the superjunction transistor region 14. The second conductivity type column may be the same as the p-type column 56 of the SJ-MOSFET section 10. The collector layer 80 is also provided on the back side of the p-type column 56 in the boundary portion 12.

本例では、順電圧印加時に境界部12のp型カラム56は、超接合型トランジスタ領域14としてもIGBT領域24としても機能しない。それゆえ、電子はp型カラム56に入らない。しかし、コレクタ層80は境界部12のp型カラム56の裏面側にも設けられるので、正孔はp型カラム56に入る可能性がある。これにより、IGBT領域24のn型ドリフト層40のキャリア量、境界部12のp型カラム56のキャリア量、および、超接合型トランジスタ領域14のn型カラム54のキャリア量の順に、キャリア量を少なくすることができる。したがって、n型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、境界部12での電界集中を防ぐことができる。   In this example, the p-type column 56 at the boundary 12 does not function as the superjunction transistor region 14 or the IGBT region 24 when the forward voltage is applied. Therefore, electrons do not enter the p-type column 56. However, since the collector layer 80 is also provided on the back side of the p-type column 56 at the boundary portion 12, holes may enter the p-type column 56. As a result, the carrier amount in the order of the carrier amount of the n-type drift layer 40 in the IGBT region 24, the carrier amount of the p-type column 56 in the boundary portion 12, and the carrier amount of the n-type column 54 in the superjunction transistor region 14 is reduced. Can be reduced. Therefore, the change in the amount of carriers between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be made gentle. Therefore, electric field concentration at the boundary portion 12 can be prevented.

(第2変形例)
図8は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第2変形例である。本例の境界部12の構成も、第1から第3実施形態に適用することができる。本例において、IGBT領域24と超接合型トランジスタ領域14との境界部12におけるドリフト領域としてのn型ドリフト層40の半導体基板100の表面側に、ダミーのゲート電極51が設けられる。また、コレクタ層80とドレイン層82との境界が、境界部12におけるダミーのゲート電極51の裏面側に設けられる。
(Second modification)
FIG. 8 is a second modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The configuration of the boundary portion 12 of this example can also be applied to the first to third embodiments. In this example, a dummy gate electrode 51 is provided on the surface side of the semiconductor substrate 100 of the n-type drift layer 40 as a drift region at the boundary 12 between the IGBT region 24 and the superjunction transistor region 14. The boundary between the collector layer 80 and the drain layer 82 is provided on the back surface side of the dummy gate electrode 51 in the boundary portion 12.

ダミーのゲート電極51とは、超接合型トランジスタ領域14およびIGBT領域24のゲート電極50と同じ構造であるが、トランジスタとして機能しないダミーのゲート電極51である。本例では、境界部12におけるダミーのゲート電極51のx方向近傍には、コンタクト領域44、ソース領域45またはエミッタ領域46は設けられない。これにより、順電圧印加時に電子は境界部12のゲート近傍からドレイン層82に入らない。   The dummy gate electrode 51 is a dummy gate electrode 51 that has the same structure as the gate electrode 50 of the superjunction transistor region 14 and the IGBT region 24 but does not function as a transistor. In this example, the contact region 44, the source region 45, or the emitter region 46 is not provided in the vicinity of the dummy gate electrode 51 in the x direction in the boundary portion 12. Thus, electrons do not enter the drain layer 82 from the vicinity of the gate of the boundary portion 12 when a forward voltage is applied.

境界部12に最も近いIGBT領域24では、順電圧印加時に正孔がコレクタ層80からエミッタ領域46に入る。特に、順電圧印加時には、コレクタ層80とドレイン層82との境界付近のコレクタ層80から、境界部12に最も近いIGBT領域24のエミッタ領域46に正孔が入る。これにより、IGBT領域24のn型ドリフト層40のキャリア量、境界部12のn型ドリフト層40のキャリア量、および、超接合型トランジスタ領域14のn型カラム54のキャリア量の順に、キャリア量を少なくすることができる。これにより、n型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、境界部12での電界集中を防ぐことができる。   In the IGBT region 24 closest to the boundary portion 12, holes enter the emitter region 46 from the collector layer 80 when a forward voltage is applied. In particular, when a forward voltage is applied, holes enter the emitter region 46 of the IGBT region 24 closest to the boundary portion 12 from the collector layer 80 near the boundary between the collector layer 80 and the drain layer 82. Thereby, the carrier amount in the order of the carrier amount of the n-type drift layer 40 in the IGBT region 24, the carrier amount of the n-type drift layer 40 in the boundary portion 12, and the carrier amount in the n-type column 54 in the superjunction transistor region 14. Can be reduced. Thereby, the change of the carrier amount between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be made smooth. Therefore, electric field concentration at the boundary portion 12 can be prevented.

(第3変形例)
図9は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第3変形例である。本例の境界部12の構成は、第1から第3実施形態に適用することができる。本例において、IGBT領域24と超接合型トランジスタ領域14との境界部12には、半導体基板100の表面と平行な方向に拡張された第2導電型ウエルとしての拡張p型ウエル104が設けられる。
(Third Modification)
FIG. 9 is a third modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The configuration of the boundary portion 12 in this example can be applied to the first to third embodiments. In this example, an extended p-type well 104 as a second conductivity type well extended in a direction parallel to the surface of the semiconductor substrate 100 is provided at the boundary 12 between the IGBT region 24 and the superjunction transistor region 14. .

本例では、コレクタ層80とドレイン層82との境界が、境界部12とSJ‐MOSFET部10との境界の裏面側に設けられる。また、境界部12とIGBT部20との境界における境界部12の側には、エミッタ領域46を設けない。   In this example, the boundary between the collector layer 80 and the drain layer 82 is provided on the back side of the boundary between the boundary portion 12 and the SJ-MOSFET portion 10. Further, the emitter region 46 is not provided on the boundary 12 side at the boundary between the boundary 12 and the IGBT unit 20.

順方向電圧印加時において、境界部12の裏面側におけるコレクタ層80から拡張p型ウエル104の方向にむかって、正孔がn型ドリフト層40に入る。これにより当該構成によっても、第2変形例と同様にn型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、境界部12での電界集中を防ぐことができる。   When the forward voltage is applied, holes enter the n-type drift layer 40 from the collector layer 80 on the back side of the boundary portion 12 toward the extended p-type well 104. Thereby, also by the said structure, the change of the carrier amount between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be made smooth like the 2nd modification. Therefore, electric field concentration at the boundary portion 12 can be prevented.

(第4変形例)
図10は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第4変形例である。本例の境界部12の構成は、第1から第3実施形態に適用することができる。本例において、IGBT領域24と超接合型トランジスタ領域14との境界部12には、超接合型トランジスタ領域14の第2導電型カラムの端部の深さよりも浅い端部深さの第2導電型カラムを有する。なお、本例の境界部12は、図2および図3の例で記載したn型領域48およびp型領域49を有する。本例では、コレクタ層80とドレイン層82との境界が、境界部12とIGBT部20との境界の裏面側に設けられる。
(Fourth modification)
FIG. 10 shows a fourth modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The configuration of the boundary portion 12 in this example can be applied to the first to third embodiments. In this example, the boundary portion 12 between the IGBT region 24 and the superjunction transistor region 14 has a second conductivity having an end depth shallower than the depth of the end portion of the second conductivity type column of the superjunction transistor region 14. Has a mold column. The boundary portion 12 of this example has the n-type region 48 and the p-type region 49 described in the examples of FIGS. In this example, the boundary between the collector layer 80 and the drain layer 82 is provided on the back side of the boundary between the boundary portion 12 and the IGBT portion 20.

順方向電圧印加時において、境界部12におけるn型領域48からドレイン層82の方向にむかって、電子がn型ドリフト層40に入る。これにより当該構成によっても、第2変形例と同様にn型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、境界部12での電界集中を防ぐことができる。   When a forward voltage is applied, electrons enter the n-type drift layer 40 from the n-type region 48 in the boundary portion 12 toward the drain layer 82. Thereby, also by the said structure, the change of the carrier amount between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be made smooth like the 2nd modification. Therefore, electric field concentration at the boundary portion 12 can be prevented.

(第5変形例)
図11は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との境界部12の第5変形例である。本例の境界部12の構成は、第1から第3実施形態に適用することができる。本例において、IGBT領域24と超接合型トランジスタ領域14との境界部12には、超接合型トランジスタ領域14の第2導電型カラムであるp型カラム56の端部の深さよりも1/2程度浅い端部深さを有する第2導電型領域としてのp型領域59を設ける。なお、境界部12の隣り合うゲート電極50の間には、表面側にコンタクト領域44を設けて、裏面側に第1導電型領域としてのn型領域48を設ける。p型領域59は、n型領域48の裏面側においてn型領域48に接して設けられてよい。コンタクト領域44と隣り合う2つのゲート電極50との間の表面側には、ソース領域45を設ける。ただし、境界部12とIGBT部20との境界、および、境界部12とSJ‐MOSFET部10との境界には、ソース領域45またはエミッタ領域46は設けない。また、コレクタ層80とドレイン層82との境界が、境界部12とIGBT部20との境界に設けられても、境界部12とSJ‐MOSFET部10との境界に設けられてもよい。
(5th modification)
FIG. 11 shows a fifth modification of the boundary portion 12 between the SJ-MOSFET portion 10 and the IGBT portion 20. The configuration of the boundary portion 12 in this example can be applied to the first to third embodiments. In this example, the boundary 12 between the IGBT region 24 and the superjunction transistor region 14 is ½ the depth of the end of the p-type column 56 that is the second conductivity type column of the superjunction transistor region 14. A p-type region 59 is provided as a second conductivity type region having a moderately shallow end depth. Note that a contact region 44 is provided on the front surface side between adjacent gate electrodes 50 of the boundary portion 12, and an n-type region 48 as a first conductivity type region is provided on the back surface side. The p-type region 59 may be provided in contact with the n-type region 48 on the back side of the n-type region 48. A source region 45 is provided on the surface side between the contact region 44 and two adjacent gate electrodes 50. However, the source region 45 or the emitter region 46 is not provided at the boundary between the boundary portion 12 and the IGBT portion 20 and at the boundary between the boundary portion 12 and the SJ-MOSFET portion 10. Further, the boundary between the collector layer 80 and the drain layer 82 may be provided at the boundary between the boundary portion 12 and the IGBT portion 20 or may be provided at the boundary between the boundary portion 12 and the SJ-MOSFET portion 10.

順方向電圧印加時において、境界部12におけるn型領域48からドレイン層82の方向にむかって、電子がn型ドリフト層40に入る。これにより当該構成によっても、第2変形例と同様にn型カラム54とn型ドリフト層40との間におけるキャリア量の変化をなだらかにすることができる。よって、境界部12での電界集中を防ぐことができる。   When a forward voltage is applied, electrons enter the n-type drift layer 40 from the n-type region 48 in the boundary portion 12 toward the drain layer 82. Thereby, also by the said structure, the change of the carrier amount between the n-type column 54 and the n-type drift layer 40 can be made smooth like the 2nd modification. Therefore, electric field concentration at the boundary portion 12 can be prevented.

図12は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間にFWD部13を設けた第1の例を示す図である。本例の半導体装置は、IGBT部20とSJ‐MOSFET部10との境界部に、FWD部13を有する。n+型のドレイン層82は、SJ‐MOSFET部10からFWD部13とIGBT部20との間まで設けられている。p型ベース層42と、n型ドリフト層40、FS層70およびコレクタ層80とが、pn接合を構成する。本例の半導体装置は、低電流時にはSJ‐MOSFET部10を利用した低Von特性を得ることができる。また、高電流時にはIGBT部20を利用した大電流特性を得ることができる。さらに、SJ‐MOSFET部10、IGBT部20およびFWD部13を1つの半導体チップに集積することで、半導体モジュールを小型化することができる。   FIG. 12 is a diagram illustrating a first example in which the FWD unit 13 is provided between the SJ-MOSFET unit 10 and the IGBT unit 20. The semiconductor device of this example includes an FWD unit 13 at the boundary between the IGBT unit 20 and the SJ-MOSFET unit 10. The n + -type drain layer 82 is provided from the SJ-MOSFET portion 10 to between the FWD portion 13 and the IGBT portion 20. The p-type base layer 42, the n-type drift layer 40, the FS layer 70, and the collector layer 80 constitute a pn junction. The semiconductor device of this example can obtain a low Von characteristic using the SJ-MOSFET portion 10 when the current is low. In addition, a large current characteristic using the IGBT unit 20 can be obtained at a high current. Furthermore, by integrating the SJ-MOSFET portion 10, the IGBT portion 20, and the FWD portion 13 on one semiconductor chip, the semiconductor module can be reduced in size.

図13は、FWD部13とIGBT部20とを設けた比較例1である。比較例1の半導体装置は、SJ‐MOSFET部10を有さない例である。図14は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20とを設けた比較例2である。比較例2の半導体装置は、IGBT部20を有さない例である。   FIG. 13 shows a first comparative example in which the FWD unit 13 and the IGBT unit 20 are provided. The semiconductor device of Comparative Example 1 is an example that does not have the SJ-MOSFET portion 10. FIG. 14 is a comparative example 2 in which an SJ-MOSFET portion 10 and an IGBT portion 20 are provided. The semiconductor device of Comparative Example 2 is an example that does not have the IGBT unit 20.

図15は、図12〜図14におけるゲートオフ時の電圧‐電流特性を示すグラフである。横軸は、時間(sec)である。縦軸の左側は、表面電極62と裏面電極90との間に流れる電流(A)である。縦軸の右側は、表面電極62と裏面電極90との間の電圧(V)である。   FIG. 15 is a graph showing the voltage-current characteristics when the gate is turned off in FIGS. The horizontal axis is time (sec). The left side of the vertical axis is the current (A) flowing between the front electrode 62 and the back electrode 90. The right side of the vertical axis is the voltage (V) between the front electrode 62 and the back electrode 90.

図15において、第1の例は図12の例を示し、比較例1は図13の例を示し、比較例2は図14の例を示す。図15から明らかなように、2.0E−07(sec)頃にゲートオフされ、それぞれの半導体装置を流れる電流が減少し始める。なお、Eは10の冪を表す。E−07は10のマイナス7乗を意味する。図15における電流(A)の値から明らかなように、第1の例は、比較例1よりも逆回復電流(Irp)が少なくなった。つまり、第1の例は、比較例1よりも良好なソフトリカバリー特性を得ることができた。また、図15における電圧(V)の値から明らかなように、第1の例は、比較例1および比較例2よりもサージ電圧を小さくすることができた。このように、図12の第1の例では、ソフトリカバリー特性および低サージ電圧特性を得ることができる。   In FIG. 15, the first example shows the example of FIG. 12, the comparative example 1 shows the example of FIG. 13, and the comparative example 2 shows the example of FIG. As is apparent from FIG. 15, the gate is turned off around 2.0E-07 (sec), and the current flowing through each semiconductor device starts to decrease. Note that E represents 10 folds. E-07 means 10 to the seventh power. As apparent from the value of current (A) in FIG. 15, the reverse recovery current (Irp) in the first example was smaller than that in Comparative Example 1. That is, the first example was able to obtain better soft recovery characteristics than Comparative Example 1. Further, as apparent from the value of the voltage (V) in FIG. 15, the first example was able to make the surge voltage smaller than those of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Thus, in the first example of FIG. 12, soft recovery characteristics and low surge voltage characteristics can be obtained.

図16は、SJ‐MOSFET部10とIGBT部20との間にFWD部13を設けた第2の例を示す図である。本例の半導体装置は、IGBT部20が、SJ構造を有する。係る点において図12の例と異なる。他の点は、図12の例と同じである。本例の半導体装置も、図12の例と同様の効果を有する。   FIG. 16 is a diagram illustrating a second example in which the FWD unit 13 is provided between the SJ-MOSFET unit 10 and the IGBT unit 20. In the semiconductor device of this example, the IGBT unit 20 has an SJ structure. This is different from the example of FIG. Other points are the same as the example of FIG. The semiconductor device of this example also has the same effect as the example of FIG.

図12および図16の例は、半導体装置200または半導体装置300に適用することができる。この場合に、p+型のコレクタ層80とn+型のドレイン層82とのピッチは、200μm以上であってよい。また、p+型のコレクタ層80とn+型のドレイン層82とのピッチは、SJ‐MOSFET部10におけるn型カラム54とp型カラム56とのピッチの5〜1,000倍であってよい。   The examples of FIGS. 12 and 16 can be applied to the semiconductor device 200 or the semiconductor device 300. In this case, the pitch between the p + -type collector layer 80 and the n + -type drain layer 82 may be 200 μm or more. The pitch between the p + -type collector layer 80 and the n + -type drain layer 82 may be 5 to 1,000 times the pitch between the n-type column 54 and the p-type column 56 in the SJ-MOSFET section 10.

図17〜図35は、IGBT部20を省略して、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の構成例を示す。なお、IGBT部20とSJ‐MOSFET部10およびFWD部13とを組み合わせた例は、図36〜図39に示す。   17 to 35 show configuration examples of the SJ-MOSFET unit 10 and the FWD unit 13 with the IGBT unit 20 omitted. An example in which the IGBT unit 20, the SJ-MOSFET unit 10, and the FWD unit 13 are combined is shown in FIGS.

図17〜図35の例は、SJ‐MOSFET部10と、FWD部13と、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界とのうち、少なくとも1以上にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110を形成した例である。   The examples of FIGS. 17 to 35 show defects by injecting a lifetime killer into at least one of the SJ-MOSFET portion 10, the FWD portion 13, and the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is an example in which the region 110 is formed.

図17は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第1の例を示す図である。本例のSJ‐MOSFET部10におけるFS層70には、ライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。これにより、ライフタイムキラーを注入しない場合と比較して、SJ‐MOSFET部10のソフトリカバリー特性を向上させることができる。   FIG. 17 is a diagram illustrating a first example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In the FS layer 70 in the SJ-MOSFET portion 10 of this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer. Thereby, compared with the case where a lifetime killer is not inject | poured, the soft recovery characteristic of the SJ-MOSFET part 10 can be improved.

なお、本例では、FWD部13のFS層70にもライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。これにより、ライフタイムキラーを注入しない場合と比較して、FWD部13のソフトリカバリー特性を向上させることができる。なお、欠陥領域58と同様に、欠陥領域110が形成されている位置を複数の×により示す。本例では、FS層70の裏面側における所定の深さ位置において、FS層70の層内全体に欠陥領域が設けられている。他の図面においても、層または領域において紙面垂直方向に一様に欠陥領域110が形成されていることを複数の×により示す。   In this example, the defect region 110 is formed by implanting a lifetime killer also in the FS layer 70 of the FWD portion 13. Thereby, compared with the case where a lifetime killer is not inject | poured, the soft recovery characteristic of the FWD part 13 can be improved. As with the defect region 58, the position where the defect region 110 is formed is indicated by a plurality of crosses. In this example, a defect region is provided in the entire FS layer 70 at a predetermined depth position on the back surface side of the FS layer 70. In other drawings, a plurality of crosses indicate that the defect region 110 is uniformly formed in the layer or region in the direction perpendicular to the paper surface.

図18は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第2の例を示す図である。本例では、FWD部13のFS層70に欠陥領域110が形成されていない。係る点で、図17の例と異なる。   FIG. 18 is a diagram illustrating a second example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, the defect region 110 is not formed in the FS layer 70 of the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図19は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第3の例を示す図である。本例のSJ‐MOSFET部10において、n型カラム54およびp型カラム56の表面側と、FS層70との両方に、ライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。これにより、図17の例と比較して、SJ‐MOSFET部10のソフトリカバリー特性をさらに向上させることができる。   FIG. 19 is a diagram illustrating a third example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In the SJ-MOSFET portion 10 of this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer into both the surface side of the n-type column 54 and the p-type column 56 and the FS layer 70. Thereby, compared with the example of FIG. 17, the soft recovery characteristic of the SJ-MOSFET part 10 can further be improved.

また、本例では、FWD部13のドリフト領域におけるアノード側とFS層70との両方に、ライフタイムキラーを注入ることにより欠陥領域110が形成されている。なお、FWD部13のドリフト領域におけるアノード側とは、FWD部13のn型ドリフト層40において、n型ドリフト層40とp型ベース層42との境界近傍を指す。本例では、図17の例と比較して、FWD部13のソフトリカバリー特性をさらに向上させることができる。   In this example, the defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer into both the anode side and the FS layer 70 in the drift region of the FWD portion 13. The anode side in the drift region of the FWD portion 13 refers to the vicinity of the boundary between the n-type drift layer 40 and the p-type base layer 42 in the n-type drift layer 40 of the FWD portion 13. In this example, compared with the example of FIG. 17, the soft recovery characteristic of the FWD part 13 can further be improved.

図20は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第4の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10において、n型カラム54およびp型カラム56の表面側と、FWD部13のFS層70とに欠陥領域110が形成されていない。係る点で、図19の例と異なる。   FIG. 20 is a diagram illustrating a fourth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, in the SJ-MOSFET portion 10, the defect region 110 is not formed on the surface side of the n-type column 54 and the p-type column 56 and the FS layer 70 of the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図21は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第5の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13のFS層70に欠陥領域110が形成されていない。係る点で、図17の例と異なる。ただし、ライフタイムキラーを注入しない場合と比較して、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13のソフトリカバリー特性を向上させることができる。   FIG. 21 is a diagram illustrating a fifth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, the defect region 110 is not formed in the FS layer 70 of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG. However, the soft recovery characteristics of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13 can be improved as compared with the case where no lifetime killer is injected.

図22は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第6の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10におけるn型カラム54およびp型カラム56の表面側に、ライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。これにより、ライフタイムキラーを注入しない場合と比較して、SJ‐MOSFET部10のソフトリカバリー特性を向上させることができる。   FIG. 22 is a diagram illustrating a sixth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, a defect region 110 is formed by implanting a lifetime killer on the surface side of the n-type column 54 and the p-type column 56 in the SJ-MOSFET section 10. Thereby, compared with the case where a lifetime killer is not inject | poured, the soft recovery characteristic of the SJ-MOSFET part 10 can be improved.

図23は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第7の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図21の例と異なる。SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界に欠陥領域110を有するので、逆回復時の破壊を抑制できる。   FIG. 23 is a diagram illustrating a seventh example of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG. Since the defect region 110 is provided at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13, destruction during reverse recovery can be suppressed.

図24は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第8の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図22の例と異なる。   FIG. 24 is a diagram illustrating an eighth example of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図25は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第9の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図17の例と異なる。   FIG. 25 is a diagram illustrating a ninth example of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図26は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第10の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図18の例と異なる。   FIG. 26 is a diagram illustrating a tenth example of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図27は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第11の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図18の例と異なる。   FIG. 27 is a diagram illustrating an eleventh example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図28は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第12の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図19の例と異なる。   FIG. 28 is a diagram illustrating a twelfth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図29は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第13の例を示す図である。本例では、FWD部13のFS層70に欠陥領域110が形成されていない。係る点で、図19の例と異なる。   FIG. 29 is a diagram illustrating a thirteenth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, the defect region 110 is not formed in the FS layer 70 of the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図30は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第14の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10とFWD部13との境界にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図29の例と異なる。   FIG. 30 is a diagram illustrating a fourteenth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer at the boundary between the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図31は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第15の例を示す図である。本例では、n型カラム54およびp型カラム56の表面側に設けられた欠陥領域110は、図19の例と比較して裏面側まで設けられている。さらに本例では、SJ‐MOSFET部10のFS層70に設けられた欠陥領域110は、図19の例と比較して表面側まで設けられている。これにより、SJ‐MOSFET部10のソフトリカバリー特性を図19の例と比較してさらに向上させることができる。   FIG. 31 is a diagram illustrating a fifteenth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, the defect region 110 provided on the front surface side of the n-type column 54 and the p-type column 56 is provided to the back surface side as compared with the example of FIG. Furthermore, in this example, the defect region 110 provided in the FS layer 70 of the SJ-MOSFET portion 10 is provided to the surface side as compared with the example of FIG. Thereby, the soft recovery characteristics of the SJ-MOSFET section 10 can be further improved as compared with the example of FIG.

図32は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第16の例を示す図である。本例では、SJ‐MOSFET部10におけるn型カラム54およびp型カラム56の表面側から、SJ‐MOSFET部10におけるFS層70までの全体に渡って、ライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において図31の例と異なる。これにより、SJ‐MOSFET部10のソフトリカバリー特性を図31の例と比較してさらに向上させることができる。   FIG. 32 is a diagram illustrating a sixteenth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, a defect region is formed by injecting a lifetime killer from the surface side of the n-type column 54 and the p-type column 56 in the SJ-MOSFET portion 10 to the entire FS layer 70 in the SJ-MOSFET portion 10. 110 is formed. This is different from the example of FIG. Thereby, the soft recovery characteristic of the SJ-MOSFET section 10 can be further improved as compared with the example of FIG.

図33は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第17の例を示す図である。本例では、FWD部13のドリフト領域におけるアノード側に欠陥領域110が形成されていない。係る点で、図32の例と異なる。   FIG. 33 is a diagram illustrating a seventeenth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, the defect region 110 is not formed on the anode side in the drift region of the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図34は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第18の例を示す図である。本例では、FWD部13のFS層70に欠陥領域110が形成されていない。係る点で、図32の例と異なる。   FIG. 34 is a diagram illustrating an eighteenth example of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, the defect region 110 is not formed in the FS layer 70 of the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図35は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の第19の例を示す図である。本例では、FWD部13のドリフト領域におけるアノード側にも、FWD部13のFS層70にも欠陥領域110が形成されていない。係る点で、図32の例と異なる。   FIG. 35 is a diagram illustrating a nineteenth example of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. In this example, the defect region 110 is not formed on the anode side in the drift region of the FWD portion 13 or in the FS layer 70 of the FWD portion 13. This is different from the example of FIG.

図36は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第1の例を示す図である。繰り返し構造部120には、図17〜図35におけるFWD部13とSJ‐MOSFET部10とが周期的に設けられる。繰り返し構造部120は、IGBT部20を挟んで設けられてよい。また、繰り返し構造部120は、IGBT部20を囲んで設けられてもよい。本例においても、SJ‐MOSFET部10を利用した低Von特性、および、IGBT部20を利用した大電流特性を売ることができる。また、SJ‐MOSFET部10、IGBT部20およびFWD部13を1つの半導体チップに集積することで、半導体モジュールを小型化することができる。   FIG. 36 is a diagram illustrating a first example having the repetitive structure 120 of the SJ-MOSFET section 10 and the FWD section 13. The repetitive structure unit 120 is periodically provided with the FWD unit 13 and the SJ-MOSFET unit 10 in FIGS. 17 to 35. The repetitive structure 120 may be provided with the IGBT unit 20 interposed therebetween. Further, the repeating structure 120 may be provided so as to surround the IGBT part 20. Also in this example, a low Von characteristic using the SJ-MOSFET part 10 and a large current characteristic using the IGBT part 20 can be sold. Further, by integrating the SJ-MOSFET portion 10, the IGBT portion 20, and the FWD portion 13 on one semiconductor chip, the semiconductor module can be reduced in size.

図37は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第2の例を示す図である。本例では、IGBT部20のFS層70にライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図36の例と異なる。本例では、IGBT部20のFS層70に欠陥領域110を有するので、裏面からのキャリア注入を抑制できるので、スイッチングの高速化ができる。   FIG. 37 is a diagram showing a second example having the repetitive structure portion 120 of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, the defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer into the FS layer 70 of the IGBT unit 20. This is different from the example of FIG. In this example, since the defect region 110 is included in the FS layer 70 of the IGBT unit 20, carrier injection from the back surface can be suppressed, so that switching speed can be increased.

図38は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第3の例を示す図である。本例では、IGBT部20と繰り返し構造部120との間にはライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図36の例と異なる。本例では、IGBT部20と繰り返し構造部120との間に欠陥領域110を有するので、ターンオフ時のアバランシェ破壊を抑制できる。   FIG. 38 is a diagram illustrating a third example having the repetitive structure portion 120 of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, a defect region 110 is formed between the IGBT part 20 and the repetitive structure part 120 by injecting a lifetime killer. This is different from the example of FIG. In this example, since the defect region 110 is provided between the IGBT part 20 and the repetitive structure part 120, avalanche breakdown during turn-off can be suppressed.

図39は、SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の繰り返し構造部120を有する第4の例を示す図である。本例では、IGBT部20と繰り返し構造部120との間と、IGBT部20におけるFS層70との両方に、ライフタイムキラーを注入することにより欠陥領域110が形成されている。係る点において、図36の例と異なる。本例では、IGBT部20と繰り返し構造部120との間に欠陥領域110を有するので、スイッチング速度の高速化とアバランシェ破壊を抑制できる。   FIG. 39 is a diagram illustrating a fourth example including the repetitive structure portion 120 of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13. In this example, a defect region 110 is formed by injecting a lifetime killer between both the IGBT portion 20 and the repetitive structure portion 120 and in the FS layer 70 in the IGBT portion 20. This is different from the example of FIG. In this example, since the defect region 110 is provided between the IGBT part 20 and the repetitive structure part 120, the switching speed can be increased and the avalanche breakdown can be suppressed.

図36〜図39の例は、半導体装置200または半導体装置300に適用することができる。この場合において、p+型のコレクタ層80とn+型のドレイン層82とのピッチは、200μm以上であってよい。また、p+型のコレクタ層80とn+型のドレイン層82とのピッチは、SJ‐MOSFET部10におけるn型カラム54とp型カラム56とのピッチの5〜1,000倍であってよい。   The examples in FIGS. 36 to 39 can be applied to the semiconductor device 200 or the semiconductor device 300. In this case, the pitch between the p + -type collector layer 80 and the n + -type drain layer 82 may be 200 μm or more. The pitch between the p + -type collector layer 80 and the n + -type drain layer 82 may be 5 to 1,000 times the pitch between the n-type column 54 and the p-type column 56 in the SJ-MOSFET section 10.

図40は、図12のIGBT部20に代えて、SJ‐IGBT部22を設けた例を示す図である。他の構成は図12の例と同様であってよい。SJ‐MOSFET部10およびFWD部13の少なくとも一方にライフタイムキラーを注入した構成(図17〜図35の例)、ならびに、繰り返し構造部120の構成(図36〜図39の例)を本例に適用してもよい。   FIG. 40 is a diagram showing an example in which an SJ-IGBT unit 22 is provided instead of the IGBT unit 20 of FIG. Other configurations may be the same as the example of FIG. A configuration in which a lifetime killer is injected into at least one of the SJ-MOSFET portion 10 and the FWD portion 13 (an example shown in FIGS. 17 to 35) and a configuration of the repetitive structure portion 120 (an example shown in FIGS. 36 to 39) You may apply to.

SJ‐IGBT部22は、超接合型トランジスタである超接合型トランジスタ領域25で構成されたIGBT領域を有する。SJ‐IGBT部22は、第1導電型カラムとしてのn型カラム54および第2導電型カラムとしてのp型カラム56を有する。   The SJ-IGBT section 22 has an IGBT region constituted by a superjunction transistor region 25 that is a superjunction transistor. The SJ-IGBT unit 22 includes an n-type column 54 as a first conductivity type column and a p-type column 56 as a second conductivity type column.

本例のn型カラム54はn−型不純物を有し、p型カラム56はp−型不純物を有する。本例では、図面の見やすさを優先して、SJ‐IGBT部22において2つの超接合型トランジスタ領域25‐1および25‐2のみに符号を付す。SJ‐IGBT部22において、2つの隣接する超接合型トランジスタ領域25は、1つのn型カラム54または1つのp型カラム56を共有する。本例では、超接合型トランジスタ領域25‐1と25‐2とは、1つのn型カラム54を共有する。また、2つの隣接する超接合型トランジスタ領域25‐1および25‐2は、1つのゲート電極50およびゲート絶縁膜52を共有する。   The n-type column 54 of this example has n-type impurities, and the p-type column 56 has p-type impurities. In this example, the two superjunction transistor regions 25-1 and 25-2 are denoted by reference numerals in the SJ-IGBT portion 22 with priority given to the visibility of the drawing. In the SJ-IGBT section 22, two adjacent superjunction transistor regions 25 share one n-type column 54 or one p-type column 56. In this example, the superjunction transistor regions 25-1 and 25-2 share one n-type column 54. Also, two adjacent superjunction transistor regions 25-1 and 25-2 share one gate electrode 50 and gate insulating film 52.

本例において、n型カラム54およびp型カラム56の不純物濃度は、1E15(cm−3)以上1E16(cm−3)以下としてよい。n型カラム54のn型不純物濃度とp型カラム56のp型不純物濃度とは等しいとしてよい。ただし、各カラムの不純物濃度は、後述する耐圧(BV)、オン電圧(Von)およびオフ損失(Eoff)について所望の値を得るべく、n型およびp型の不純物濃度を共に1E14(cm−3)以上1E16(cm−3)以下の範囲で適宜変更してよい。本例では、n型カラム54のn型不純物濃度を5E15(cm−3)とし、p型カラム56のp型不純物濃度を5E15(cm−3)とする。なお、Eは10の冪を意味する。例えば、1E14は、1×1014を意味する。 In this example, the impurity concentration of the n-type column 54 and the p-type column 56 may be 1E15 (cm −3 ) or more and 1E16 (cm −3 ) or less. The n-type impurity concentration of the n-type column 54 and the p-type impurity concentration of the p-type column 56 may be equal. However, the impurity concentration of each column is 1E14 (cm −3) for both n-type and p-type impurity concentrations in order to obtain desired values for breakdown voltage (BV), on-voltage (Von), and off-loss (Eoff) described later. ) May be appropriately changed within the range of 1E16 (cm −3 ) or less. In this example, the n-type impurity concentration of the n-type column 54 is 5E15 (cm −3 ), and the p-type impurity concentration of the p-type column 56 is 5E15 (cm −3 ). Note that E means 10 tiles. For example, 1E14 means 1 × 10 14 .

上述の様に、半導体基板100は、+z側の面である表(おもて)面102とその反対側の面である裏面103とを有する。SJ‐IGBT部22の裏面103側には、第2導電型の半導体層としてのコレクタ層80が設けられる。本例のコレクタ層80はp+型不純物を有する。また、FWD部13およびSJ‐MOSFET部10の裏面103側には、第1導電型の半導体層としてのドレイン層82が共通して設けられる。ドレイン層82はn+型不純物を有する。なお、FWD部13において、ドレイン層82はpn接合を構成するn型層として機能する。   As described above, the semiconductor substrate 100 has the front (front) surface 102 which is the + z side surface and the back surface 103 which is the opposite surface. On the back surface 103 side of the SJ-IGBT portion 22, a collector layer 80 as a second conductivity type semiconductor layer is provided. The collector layer 80 of this example has p + type impurities. A drain layer 82 as a first conductivity type semiconductor layer is provided in common on the back surface 103 side of the FWD portion 13 and the SJ-MOSFET portion 10. The drain layer 82 has an n + type impurity. In the FWD portion 13, the drain layer 82 functions as an n-type layer constituting a pn junction.

p+型のコレクタ層80とn+型のドレイン層とのピッチは、SJ‐IGBT部22における、n型カラム54とp型カラム56とのピッチの5倍から1000倍であってよい。本例において、p+型のコレクタ層80とn+型のドレイン層とのピッチは200μm以上であり、n型カラム54とp型カラム56とのピッチは3μmである。   The pitch between the p + -type collector layer 80 and the n + -type drain layer may be 5 to 1000 times the pitch between the n-type column 54 and the p-type column 56 in the SJ-IGBT unit 22. In this example, the pitch between the p + -type collector layer 80 and the n + -type drain layer is 200 μm or more, and the pitch between the n-type column 54 and the p-type column 56 is 3 μm.

図41は、シミュレーションにおける、電荷不均衡の割合(%)と耐圧(V)との関係を示す図である。横軸の電荷不均衡の割合(%)は、n型カラム54とp型カラム56との電荷不均衡の割合を示す。電荷不均衡がゼロ(%)である場合、n型カラム54の電荷量とp型カラム56の電荷量とが釣り合っている。この場合、n型カラム54のn型不純物濃度とp型カラム56のp型不純物濃度とが等しい。電荷不均衡が負(%)である場合、n型カラム54の電荷量がp型カラム56の電荷量よりも多い。また、電荷不均衡が正(%)である場合、n型カラム54の電荷量がp型カラム56の電荷量よりも少ない。   FIG. 41 is a diagram showing the relationship between the charge imbalance ratio (%) and the withstand voltage (V) in the simulation. The ratio (%) of charge imbalance on the horizontal axis indicates the ratio of charge imbalance between the n-type column 54 and the p-type column 56. When the charge imbalance is zero (%), the charge amount of the n-type column 54 and the charge amount of the p-type column 56 are balanced. In this case, the n-type impurity concentration of the n-type column 54 and the p-type impurity concentration of the p-type column 56 are equal. When the charge imbalance is negative (%), the charge amount of the n-type column 54 is larger than the charge amount of the p-type column 56. When the charge imbalance is positive (%), the charge amount of the n-type column 54 is smaller than the charge amount of the p-type column 56.

縦軸の耐圧(V)は、半導体装置200、300または400の耐圧である。本例において非SJ‐IGBT部の結果は一点のみであり、電荷不均衡の割合がゼロ(%)において耐圧が1160(V)である。なお、非SJ‐IGBT部とは、IGBT領域24が超接合型トランジスタではない図12の場合のIGBT部20に相当する。n型カラム54におけるn型不純物のドープ濃度(Nd)をパラメータとして、電荷不均衡の割合を正負に数点プロットしたSJ‐IGBT部22の耐圧の曲線を複数示す。なお、以降の各例において、n型カラム54のn型不純物濃度とp型カラム56のp型不純物濃度とは等しいとした。   The breakdown voltage (V) on the vertical axis is the breakdown voltage of the semiconductor device 200, 300, or 400. In this example, the result of the non-SJ-IGBT part is only one point, and the breakdown voltage is 1160 (V) when the charge imbalance ratio is zero (%). Note that the non-SJ-IGBT portion corresponds to the IGBT portion 20 in the case of FIG. 12 where the IGBT region 24 is not a superjunction transistor. A plurality of withstand voltage curves of the SJ-IGBT section 22 in which several percentages of the charge imbalance are plotted positive and negative with the n-type impurity doping concentration (Nd) in the n-type column 54 as a parameter are shown. In the following examples, the n-type impurity concentration of the n-type column 54 and the p-type impurity concentration of the p-type column 56 are assumed to be equal.

図41から明らかなように、SJ‐IGBT部22の耐圧の曲線は、電荷不均衡の割合がゼロ(%)において最大である。これは、電荷不均衡の割合がゼロ(%)の場合にn型カラム54とp型カラム56との間の空乏層が最も広がりやすいためである。また、ドープ濃度(Nd)が低いほど、耐圧は大きくなる。これは、ドープ濃度(Nd)が低いほど、空乏層は広がりやすいためである。なお、非SJ‐IGBT部は、n型不純物がドープされたn型ドリフト層40を有するがp型カラム56を有しない。それゆえ、電荷不均衡の割合がゼロ(%)の位置に非SJ‐IGBT部をプロットした。   As is clear from FIG. 41, the withstand voltage curve of the SJ-IGBT section 22 is maximum when the charge imbalance ratio is zero (%). This is because the depletion layer between the n-type column 54 and the p-type column 56 is most easily spread when the rate of charge imbalance is zero (%). Also, the lower the doping concentration (Nd), the higher the breakdown voltage. This is because the depletion layer easily spreads as the doping concentration (Nd) is lower. The non-SJ-IGBT part has the n-type drift layer 40 doped with n-type impurities, but does not have the p-type column 56. Therefore, the non-SJ-IGBT part was plotted at the position where the rate of charge imbalance was zero (%).

本例において、非SJ‐IGBT部の耐圧は1160(V)である。また、電荷不均衡の割合がゼロ(%)におけるNd=8E15(cm−3)の耐圧は1260(V)である。このように、非SJ‐IGBT部を有する場合と、SJ‐IGBT部22を有する場合とでは、100(V)の耐圧の差が存在する。 In this example, the withstand voltage of the non-SJ-IGBT part is 1160 (V). Further, the breakdown voltage of Nd = 8E15 (cm −3 ) when the charge imbalance ratio is zero (%) is 1260 (V). Thus, there is a difference in breakdown voltage of 100 (V) between the case where the non-SJ-IGBT part is provided and the case where the SJ-IGBT part 22 is provided.

図42は、シミュレーションにおける、ドーピング濃度(cm−3)と耐圧(V)との関係を示す図である。横軸のNd(cm−3)は、ドーピング濃度(cm−3)を示す。縦軸の耐圧(V)は、半導体装置200、300または400の耐圧である。 FIG. 42 is a diagram showing the relationship between the doping concentration (cm −3 ) and the breakdown voltage (V) in the simulation. Nd (cm −3 ) on the horizontal axis represents the doping concentration (cm −3 ). The breakdown voltage (V) on the vertical axis is the breakdown voltage of the semiconductor device 200, 300, or 400.

本例の非SJ‐IGBT部のn型ドリフト層40は、1.0E14のn型の不純物濃度を有する。SJ‐IGBT部22のn型カラム54およびp型カラム56は、1.0E14〜1.0E16までの間に14点プロットした。図41および図42から明らかなように、SJ‐IGBT部22を採用することにより、IGBT部20を非SJ‐IGBT部とする場合と比較して、半導体装置の耐圧を向上させることができる。   The n-type drift layer 40 of the non-SJ-IGBT portion of this example has an n-type impurity concentration of 1.0E14. The n-type column 54 and the p-type column 56 of the SJ-IGBT section 22 were plotted at 14 points between 1.0E14 and 1.0E16. As is apparent from FIGS. 41 and 42, the use of the SJ-IGBT unit 22 can improve the breakdown voltage of the semiconductor device compared to the case where the IGBT unit 20 is a non-SJ-IGBT unit.

図43は、シミュレーションにおける、ゲートオン時の表面102からの距離(μm)と電界の強さ(V/cm)との関係を示す図である。横軸の表面102からの距離(μm)は、半導体基板100の表面102をゼロ(μm)とし、裏面103を100(μm)として示す。つまり、本例の半導体基板100の厚みは100(μm)である。縦軸は、電愛の強さ(V/cm)を示す。   FIG. 43 is a diagram showing the relationship between the distance (μm) from the surface 102 when the gate is turned on and the electric field strength (V / cm) in the simulation. The distance (μm) from the surface 102 on the horizontal axis indicates that the surface 102 of the semiconductor substrate 100 is zero (μm) and the back surface 103 is 100 (μm). That is, the thickness of the semiconductor substrate 100 of this example is 100 (μm). The vertical axis shows the strength of electric love (V / cm).

なお、SJ‐IGBT部22の超接合型トランジスタ領域25において、Xはn型カラム54またはp型カラム56のピッチを示す。X=1.5(μm)の場合、超接合型トランジスタ領域25のピッチは1.5×2=3.0(μm)であり、X=3.0(μm)の場合、超接合型トランジスタ領域25のピッチは3.0×2=6.0(μm)である。非SJ‐IGBT部においてカラムのピッチは存在しない。そこで、n型ドリフト層40のx方向の幅を、X=3.0(μm)またはX=6.0(μm)とした。なお、ゲート電極50のトレンチ深さは、SJ‐IGBT部22および非SJ‐IGBT部において共に3.5(μm)とした。   In the superjunction transistor region 25 of the SJ-IGBT portion 22, X indicates the pitch of the n-type column 54 or the p-type column 56. When X = 1.5 (μm), the pitch of the superjunction transistor region 25 is 1.5 × 2 = 3.0 (μm), and when X = 3.0 (μm), the superjunction transistor The pitch of the region 25 is 3.0 × 2 = 6.0 (μm). There is no column pitch in the non-SJ-IGBT part. Therefore, the width of the n-type drift layer 40 in the x direction is set to X = 3.0 (μm) or X = 6.0 (μm). The trench depth of the gate electrode 50 is 3.5 (μm) in both the SJ-IGBT part 22 and the non-SJ-IGBT part.

非SJ‐IGBT部の例では、ゲート電極50の底部(3.5(μm)付近)が最も電界が強く、ゲート電極50の底部から裏面103へ電界の強さが線形に減少する。つまり、非SJ‐IGBT部においては、ゲート電極50の底部が電界集中により破壊される可能性が有る。これに対して、SJ‐IGBT部22の例では、ゲート電極50の底部から裏面103にかけて電界の強さがほぼ一定である。この結果からも、SJ‐IGBT部22を採用することにより、IGBT部20を非SJ‐IGBT部とする場合と比較して、半導体装置の耐圧を向上させることができる。なお、n型カラム54およびp型カラム56のピッチが小さいほどpn接合が密に形成されるので、空乏層が広がりやすい。それゆえ、SJ‐IGBT部22において、X=1.5(μm)の方がX=3.0(μm)よりも電界を強くすることができる。   In the example of the non-SJ-IGBT part, the electric field is strongest at the bottom (near 3.5 (μm)) of the gate electrode 50, and the electric field strength decreases linearly from the bottom of the gate electrode 50 to the back surface 103. That is, in the non-SJ-IGBT portion, the bottom of the gate electrode 50 may be destroyed due to electric field concentration. On the other hand, in the example of the SJ-IGBT portion 22, the electric field strength is substantially constant from the bottom portion of the gate electrode 50 to the back surface 103. Also from this result, the withstand voltage of the semiconductor device can be improved by adopting the SJ-IGBT part 22 as compared with the case where the IGBT part 20 is a non-SJ-IGBT part. Note that the smaller the pitch between the n-type column 54 and the p-type column 56, the denser the pn junctions are formed, and thus the depletion layer tends to spread. Therefore, in the SJ-IGBT portion 22, the electric field can be made stronger when X = 1.5 (μm) than when X = 3.0 (μm).

図44は、シミュレーションにおける、ドーピング濃度(cm−3)とオン電圧(V)との関係を示す図である。横軸のドープ濃度(Nd)は、図41および図42の例と同じである。縦軸のオン電圧(Von)は、半導体装置の裏面電極90から表面電極62に100(A/cm−2)の電流を流す場合に必要な、ゲート電極50への印加電圧(V)である。 FIG. 44 is a diagram showing the relationship between the doping concentration (cm −3 ) and the on-voltage (V) in the simulation. The dope concentration (Nd) on the horizontal axis is the same as in the examples of FIGS. The on-voltage (Von) on the vertical axis is an applied voltage (V) to the gate electrode 50 that is necessary when a current of 100 (A / cm −2 ) flows from the back electrode 90 to the front electrode 62 of the semiconductor device. .

本例において、非SJ‐IGBT部は一点のみであり、Ndが1.0E14(cm−3)であり、Vonが約1.2(V)である。SJ‐IGBT部22において、Ndが1.0E14(cm−3)以上1.0E15(cm−3)以下の範囲では、Vonは上昇する傾向を示す。また、Ndが1.0E15(cm−3)以上1.0E16(cm−3)以下の範囲では、Vonは減少する傾向を示す。 In this example, there is only one non-SJ-IGBT part, Nd is 1.0E14 (cm −3 ), and Von is about 1.2 (V). In the SJ-IGBT part 22, Von tends to increase in the range where Nd is 1.0E14 (cm −3 ) or more and 1.0E15 (cm −3 ) or less. Moreover, in the range where Nd is 1.0E15 (cm −3 ) or more and 1.0E16 (cm −3 ) or less, Von tends to decrease.

SJ‐IGBT部22において、Ndが1.0E15(cm−3)から1.0E14(cm−3)にかけて減少するのは、隣接するカラムが低濃度化するにつれて電子注入促進(Injection Enhanced:IE)効果が顕著になるためである。また、Ndが1.0E15(cm−3)から1.0E16(cm−3)にかけて減少するのは、n型カラム54におけるドリフト抵抗低減効果が顕著となるためである。一般に高耐圧であるほどVonは高くなるが、図44から明らかなように、SJ‐IGBT部22を採用しても、非SJ‐IGBT部を有する半導体装置と同程度にVonを維持することができる。本例において、SJ‐IGBT部22の最大のVon(Nd=1.0E15)でも約2.1(V)であり、非SJ‐IGBT部のVonの2倍以下である。 In the SJ-IGBT section 22, Nd decreases from 1.0E15 (cm −3 ) to 1.0E14 (cm −3 ) because the electron injection is promoted (IE) as the concentration of the adjacent column decreases. This is because the effect becomes remarkable. The reason why Nd decreases from 1.0E15 (cm −3 ) to 1.0E16 (cm −3 ) is that the drift resistance reduction effect in the n-type column 54 becomes significant. In general, the higher the breakdown voltage, the higher the Von, but as is apparent from FIG. 44, even if the SJ-IGBT part 22 is adopted, Von can be maintained to the same extent as a semiconductor device having a non-SJ-IGBT part. it can. In this example, the maximum Von (Nd = 1.0E15) of the SJ-IGBT part 22 is about 2.1 (V), which is less than twice the Von of the non-SJ-IGBT part.

図45は、シミュレーションにおける、オン電圧(V)と電流密度(A/cm)との関係を示す図である。横軸のオン電圧(Von)は、図45の例と同じである。縦軸の電流密度(A/cm)は、図44の例と同じである。本例では、非SJ‐IGBT部のn型ドリフト層40の濃度Ndは、6.6E13(cm−3)とした。 FIG. 45 is a diagram illustrating the relationship between the on-voltage (V) and the current density (A / cm 2 ) in the simulation. The on-voltage (Von) on the horizontal axis is the same as in the example of FIG. The current density (A / cm 2 ) on the vertical axis is the same as in the example of FIG. In this example, the concentration Nd of the n-type drift layer 40 in the non-SJ-IGBT part is 6.6E13 (cm −3 ).

図45から明らかなように、SJ‐IGBT部22と非SJ‐IGBT部とは、0.6(V)付近で電流が流れ始めている。つまり、SJ‐IGBT部22と非SJ‐IGBT部とは、ほぼ同程度のVonを得ることができる。なお、J=20(A/cm)におけるNd=1E16と非SJ‐IGBT部とを比較するとVonを0.2V改善できている。なお、図44の例と同様のIE効果およびドリフト抵抗低減効果も確認される。 As is clear from FIG. 45, the SJ-IGBT part 22 and the non-SJ-IGBT part start to flow near 0.6 (V). That is, the SJ-IGBT part 22 and the non-SJ-IGBT part can obtain approximately the same Von. When Nd = 1E16 at J = 20 (A / cm 2 ) is compared with the non-SJ-IGBT part, Von can be improved by 0.2V. Note that the same IE effect and drift resistance reduction effect as in the example of FIG. 44 are also confirmed.

図46は、シミュレーションにおける、時間(μs)とコレクタ‐エミッタ間電圧(V)およびコレクタ電流(A)との関係を示す図である。横軸は時間(μs)であり、縦軸左はコレクタ‐エミッタ間電圧:Vce(V)であり、縦軸右はコレクタ電流:Ic(A)である。本例は、Nd=1E16(cm−3)であるSJ‐IGBT部22を有する半導体装置と、Nd=6.6E13(cm−3)である非SJ‐IGBT部を有する半導体装置とを0(μs)で同時にターンオフした場合を比較した結果である。 FIG. 46 is a diagram showing the relationship between time (μs), collector-emitter voltage (V), and collector current (A) in the simulation. The horizontal axis is time (μs), the left vertical axis is the collector-emitter voltage: Vce (V), and the right vertical axis is the collector current: Ic (A). In this example, a semiconductor device having an SJ-IGBT portion 22 with Nd = 1E16 (cm −3 ) and a semiconductor device having a non-SJ-IGBT portion with Nd = 6.6E13 (cm −3 ) are set to 0 ( It is the result of comparing the cases of simultaneous turn-off at μs).

図46から明らかなように、同時にオフしたにも関わらず、SJ‐IGBT部22のIcの方が非SJ‐IGBT部のIcよりも早く減少する。これにより、SJ‐IGBT部22の方が非SJ‐IGBT部よりもオフ損失(Eoff)が小さくなる。本例では、SJ‐IGBT部22のオフ損失が8.1(mJ)となり、非SJ‐IGBT部のオフ損失が29.2(mJ)となった。つまり、SJ‐IGBT部22のオフ損失は、非SJ‐IGBT部のオフ損失の約1/4となった。このように、SJ‐IGBT部22は、非SJ‐IGBT部よりもオフ損失を低くすることができる。なお、dV/dtについは、SJ‐IGBT部22が8.7(kV/μs)となり、非SJ‐IGBT部が1.9(kV/μs)となった。つまり、SJ‐IGBT部22のdV/dtを非SJ‐IGBT部の約4倍とすることができた。dV/dtが高くなることで、キャリアの掃出しを速くすることができる。これにより、ターンオフ損失を小さくすることができるという効果を有する。   As is clear from FIG. 46, the Ic of the SJ-IGBT part 22 decreases faster than the Ic of the non-SJ-IGBT part, despite being simultaneously turned off. Thereby, the off loss (Eoff) of the SJ-IGBT part 22 is smaller than that of the non-SJ-IGBT part. In this example, the off loss of the SJ-IGBT part 22 was 8.1 (mJ), and the off loss of the non-SJ-IGBT part was 29.2 (mJ). That is, the off loss of the SJ-IGBT part 22 is about ¼ of the off loss of the non-SJ-IGBT part. In this way, the SJ-IGBT unit 22 can reduce the off loss more than the non-SJ-IGBT unit. Regarding dV / dt, the SJ-IGBT part 22 was 8.7 (kV / μs), and the non-SJ-IGBT part was 1.9 (kV / μs). That is, the dV / dt of the SJ-IGBT part 22 can be about four times that of the non-SJ-IGBT part. By increasing dV / dt, the carrier can be swept out faster. As a result, the turn-off loss can be reduced.

図47は、図46の時間0(μs)以上1.0(μs)以下の部分を拡大した図である。なお、図47においては、1E15(cm−3)以上9E15(cm−3)以下の9つについて、Vce曲線およびIc曲線を合わせて示す。横軸および縦軸は、図46と同じである。 FIG. 47 is an enlarged view of the portion of time 0 (μs) to 1.0 (μs) in FIG. Note that in FIG. 47, the Vce curve and the Ic curve are shown for nine of 1E15 (cm −3 ) to 9E15 (cm −3 ). The horizontal and vertical axes are the same as in FIG.

Icについて、減少し始めるタイミングが遅いものから早いものの順に、SJ‐IGBT部22のn型カラム54のn型不純物濃度Nd(cm−3)が、1E16、9E15、8E15‥5E15である。しかしながら、4E15から1E15は、この順で遅いものから早いものの順とはならなかった。ただし、1E16から1E15のいずれも、非SJ‐IGBT部よりは、Icが減少し始めるタイミングが遅かった。それゆえ、1E16から1E15のいずれの例も、非SJ‐IGBT部よりはオフ損失を小さくすることができると言える。 Regarding Ic, the n-type impurity concentration Nd (cm −3 ) of the n-type column 54 of the SJ-IGBT section 22 is 1E16, 9E15, 8E15. However, 4E15 to 1E15 were not in this order from slow to fast. However, in all of 1E16 to 1E15, the timing at which Ic starts to decrease is later than that in the non-SJ-IGBT part. Therefore, it can be said that any example of 1E16 to 1E15 can reduce the off-loss as compared with the non-SJ-IGBT part.

なお、Vceについて、立ち上がるタイミングが早いものから遅いものの順に、非SJ‐IGBT部、SJ‐IGBT部22の1E15、2E15‥9E15および1E16となった。特に、1E15から5E15においては、dV/dtの急峻な変化が見られた。   Regarding Vce, the non-SJ-IGBT part and the SJ-IGBT part 22 are 1E15, 2E15. In particular, from 1E15 to 5E15, a steep change in dV / dt was observed.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above embodiment. It is apparent from the description of the scope of claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the operation flow in the claims, the description, and the drawings is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

10 SJ‐MOSFET部、12 境界部、13 FWD部、14 超接合型トランジスタ領域、20 IGBT部、22 SJ‐IGBT部、24 IGBT領域、25 超接合型トランジスタ領域、30 耐圧構造部、32 第1耐圧部、34 第2耐圧部、40 n型ドリフト層、42 p型ベース層、44 コンタクト領域、45 ソース領域、46 エミッタ領域、47 ガードリング、48 n型領域、49 p型領域、50 ゲート電極、51 ダミーのゲート電極、52 ゲート絶縁膜、54 n型カラム、56 p型カラム、58 欠陥領域、59 p型領域、60 絶縁層、62 表面電極、64 フィールドプレート、70 FS層、80 コレクタ層、82 ドレイン層、90 裏面電極、100 半導体基板、102 表面、103 裏面、104 拡張p型ウエル、110 欠陥領域、120 繰り返し構造部、200 半導体装置、300 半導体装置、400 半導体装置 10 SJ-MOSFET section, 12 boundary section, 13 FWD section, 14 superjunction transistor region, 20 IGBT section, 22 SJ-IGBT section, 24 IGBT area, 25 superjunction transistor area, 30 breakdown voltage structure section, 32 1st Withstand voltage section, 34 second breakdown voltage section, 40 n-type drift layer, 42 p-type base layer, 44 contact region, 45 source region, 46 emitter region, 47 guard ring, 48 n-type region, 49 p-type region, 50 gate electrode 51 dummy gate electrode, 52 gate insulating film, 54 n-type column, 56 p-type column, 58 defect region, 59 p-type region, 60 insulating layer, 62 surface electrode, 64 field plate, 70 FS layer, 80 collector layer , 82 Drain layer, 90 Back electrode, 100 Semiconductor substrate, 102 Surface, 103 Back , 104 extended p-type well, 110 defective area 120 repeating structural unit, 200 a semiconductor device, 300 a semiconductor device, 400 a semiconductor device

Claims (25)

半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた2以上の超接合型トランジスタ領域と、
前記半導体基板に垂直な面で切断した断面において、2以上の前記超接合型トランジスタ領域が挟む領域に設けられた1以上のIGBT領域と
を備える半導体装置。
A semiconductor substrate;
Two or more superjunction transistor regions provided on the semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising: one or more IGBT regions provided in a region sandwiched by two or more of the superjunction transistor regions in a cross section cut along a plane perpendicular to the semiconductor substrate.
前記IGBT領域は、前記超接合型トランジスタ領域が囲む領域に設けられている
請求項1に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the IGBT region is provided in a region surrounded by the superjunction transistor region.
前記超接合型トランジスタ領域のうち、最も外側の前記超接合型トランジスタ領域の外側に設けた耐圧構造部を更に備える
請求項1または2に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a breakdown voltage structure portion provided outside the outermost superjunction transistor region in the superjunction transistor region.
前記超接合型トランジスタ領域は、第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有し、
前記耐圧構造部は、内周部に設けられる第1耐圧部と外周部に設けられる第2耐圧部とを有し、
前記耐圧構造部の前記第2耐圧部は、第1導電型領域および第2導電型カラムを有し、
前記耐圧構造部の前記第2耐圧部における第2導電型カラムの端部の深さは、前記超接合型トランジスタ領域の前記第2導電型カラムの端部の深さよりも浅い
請求項3に記載の半導体装置。
The superjunction transistor region has a first conductivity type column and a second conductivity type column,
The pressure-resistant structure portion includes a first pressure-resistant portion provided on the inner peripheral portion and a second pressure-resistant portion provided on the outer peripheral portion,
The second breakdown voltage portion of the breakdown voltage structure has a first conductivity type region and a second conductivity type column,
The depth of the edge part of the 2nd conductivity type column in the said 2nd pressure | voltage resistant part of the said proof pressure structure part is shallower than the depth of the edge part of the said 2nd conductivity type column of the said super junction type transistor area. Semiconductor device.
前記IGBT領域の耐圧が、前記超接合型トランジスタ領域の耐圧より高い
請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein a breakdown voltage of the IGBT region is higher than a breakdown voltage of the superjunction transistor region.
前記超接合型トランジスタ領域が挟む領域に、2以上の前記IGBT領域を有するIGBT部を設けた
請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein an IGBT portion having two or more IGBT regions is provided in a region sandwiched between the super junction transistor regions.
前記IGBT部の両側に、2以上の前記超接合型トランジスタ領域を含むSJ‐MOSFET部をそれぞれ設けた
請求項6に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6, wherein SJ-MOSFET portions including two or more superjunction transistor regions are respectively provided on both sides of the IGBT portion.
前記IGBT領域と前記超接合型トランジスタ領域との境界部におけるドリフト領域に、ライフタイムキラーが注入されている
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein a lifetime killer is injected into a drift region at a boundary portion between the IGBT region and the superjunction transistor region.
前記IGBT領域は第1導電型のドリフト領域を有し、
前記IGBT領域と前記超接合型トランジスタ領域との境界部には、前記ドリフト領域の表面側から裏面側まで第2導電型カラムが設けられる
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
The IGBT region has a drift region of a first conductivity type,
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a second conductivity type column is provided at a boundary portion between the IGBT region and the superjunction transistor region from the front surface side to the back surface side of the drift region. .
前記IGBT領域と前記超接合型トランジスタ領域との境界部におけるドリフト領域の前記半導体基板の表面側に、ダミーのゲート電極を有する
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a dummy gate electrode on a surface side of the semiconductor substrate in a drift region at a boundary portion between the IGBT region and the superjunction transistor region.
前記IGBT領域と前記超接合型トランジスタ領域との境界部には、前記半導体基板の表面と平行な方向に拡張された第2導電型ウエルが設けられる
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. The second conductivity type well extended in a direction parallel to the surface of the semiconductor substrate is provided at a boundary portion between the IGBT region and the superjunction transistor region. Semiconductor device.
前記超接合型トランジスタ領域は、第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有し、
前記IGBT領域と前記超接合型トランジスタ領域との境界部において、前記超接合型トランジスタ領域の前記第2導電型カラムの端部の深さよりも浅い端部深さの第2導電型カラムを有する
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
The superjunction transistor region has a first conductivity type column and a second conductivity type column,
And a second conductivity type column having an end depth shallower than an end depth of the second conductivity type column of the super junction type transistor region at a boundary portion between the IGBT region and the super junction type transistor region. Item 8. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 7.
前記IGBT領域と前記超接合型トランジスタ領域との境界部には、
2つのゲート電極と、
2つの前記ゲート電極の間に設けられた第1導電型領域と、
前記第1導電型領域に接して前記第1導電型領域の裏面側に、前記超接合型トランジスタ領域の第2導電型カラムの深さの1/2である第2導電型領域と
を有する
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
At the boundary between the IGBT region and the superjunction transistor region,
Two gate electrodes;
A first conductivity type region provided between the two gate electrodes;
A second conductivity type region which is in contact with the first conductivity type region and on the back side of the first conductivity type region is ½ the depth of the second conductivity type column of the super junction transistor region. Item 8. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 7.
2以上の前記IGBT領域を有するIGBT部と2以上の前記超接合型トランジスタ領域を含むSJ‐MOSFET部との境界部は、還流ダイオード部を有する
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
The boundary part of the IGBT part which has two or more said IGBT area | regions, and the SJ-MOSFET part containing the two or more said super junction type transistor area | regions has a free-wheeling diode part. Semiconductor device.
前記SJ‐MOSFET部に、ライフタイムキラーが注入されている
請求項14に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 14, wherein a lifetime killer is injected into the SJ-MOSFET portion.
前記SJ‐MOSFET部は、第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有し、
前記SJ‐MOSFET部における前記第1導電型カラムおよび前記第2導電型カラムの表面側と、前記SJ‐MOSFET部におけるフィールドストップ層との少なくともいずれかには、ライフタイムキラーが注入されている
請求項15に記載の半導体装置。
The SJ-MOSFET part has a first conductivity type column and a second conductivity type column,
A lifetime killer is injected into at least one of the surface side of the first conductivity type column and the second conductivity type column in the SJ-MOSFET portion and the field stop layer in the SJ-MOSFET portion. Item 16. The semiconductor device according to Item 15.
前記SJ‐MOSFET部における前記第1導電型カラムおよび前記第2導電型カラムの前記表面側から、前記SJ‐MOSFET部におけるフィールドストップ層までの全体に渡って、ライフタイムキラーが注入されている
請求項16に記載の半導体装置。
A lifetime killer is injected from the surface side of the first conductivity type column and the second conductivity type column in the SJ-MOSFET portion to the field stop layer in the SJ-MOSFET portion. Item 17. The semiconductor device according to Item 16.
前記還流ダイオード部と前記SJ‐MOSFET部との境界には、ライフタイムキラーが注入されている
請求項14から17のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 14 to 17, wherein a lifetime killer is injected into a boundary between the freewheeling diode portion and the SJ-MOSFET portion.
前記還流ダイオード部に、ライフタイムキラーが注入されている
請求項14から18のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 14 to 18, wherein a lifetime killer is injected into the reflux diode portion.
前記還流ダイオード部のドリフト領域におけるアノード側とフィールドストップ層との少なくともいずれかには、ライフタイムキラーが注入されている
請求項19に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 19, wherein a lifetime killer is injected into at least one of the anode side and the field stop layer in the drift region of the free-wheeling diode portion.
前記還流ダイオード部と前記SJ‐MOSFET部とを周期的に設けた繰り返し構造部をさらに備え、
前記繰り返し構造部が、前記IGBT部を挟んで設けられる
請求項14から20のいずれか一項に記載の半導体装置。
It further comprises a repetitive structure part in which the freewheeling diode part and the SJ-MOSFET part are provided periodically,
The semiconductor device according to claim 14, wherein the repetitive structure portion is provided with the IGBT portion interposed therebetween.
前記IGBT部と前記繰り返し構造部との間と、前記IGBT部におけるフィールドストップ層との少なくともいずれにはライフタイムキラーが注入されている
請求項21に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 21, wherein a lifetime killer is injected into at least any of the space between the IGBT portion and the repetitive structure portion and the field stop layer in the IGBT portion.
前記IGBT部は、前記IGBT領域が超接合型トランジスタで構成されたSJ‐IGBT部である
請求項14から22のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 14 to 22, wherein the IGBT unit is an SJ-IGBT unit in which the IGBT region is configured by a super junction transistor.
前記SJ‐IGBT部は、それぞれ1E15cm−3以上1E16cm−3以下の不純物濃度を有する第1導電型カラムおよび第2導電型カラムを有する
請求項23に記載の半導体装置。
24. The semiconductor device according to claim 23, wherein the SJ-IGBT section includes a first conductivity type column and a second conductivity type column each having an impurity concentration of 1E15 cm −3 or more and 1E16 cm −3 or less.
前記SJ‐IGBT部の裏面側に設けられた第2導電型の半導体層と前記還流ダイオード部および前記SJ‐MOSFET部の裏面側に設けられた第1導電型の半導体層とのピッチは、前記SJ‐IGBT部における、前記第1導電型カラムと前記第2導電型カラムとのピッチの5倍から1000倍である
請求項24に記載の半導体装置。
The pitch between the second conductive type semiconductor layer provided on the back side of the SJ-IGBT part and the first conductive type semiconductor layer provided on the back side of the free wheel diode part and the SJ-MOSFET part is The semiconductor device according to claim 24, wherein the pitch is 5 to 1000 times the pitch between the first conductivity type column and the second conductivity type column in an SJ-IGBT section.
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