JP3260561B2 - Insulated gate semiconductor device - Google Patents

Insulated gate semiconductor device

Info

Publication number
JP3260561B2
JP3260561B2 JP20496894A JP20496894A JP3260561B2 JP 3260561 B2 JP3260561 B2 JP 3260561B2 JP 20496894 A JP20496894 A JP 20496894A JP 20496894 A JP20496894 A JP 20496894A JP 3260561 B2 JP3260561 B2 JP 3260561B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
layer
semiconductor layer
type
igbt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP20496894A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0870121A (en
Inventor
和彦 庭山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP20496894A priority Critical patent/JP3260561B2/en
Publication of JPH0870121A publication Critical patent/JPH0870121A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3260561B2 publication Critical patent/JP3260561B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7802Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors
    • H01L29/7813Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors with trench gate electrode, e.g. UMOS transistors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
    • H01L29/7396Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions
    • H01L29/7397Vertical transistors, e.g. vertical IGBT with a non planar surface, e.g. with a non planar gate or with a trench or recess or pillar in the surface of the emitter, base or collector region for improving current density or short circuiting the emitter and base regions and a gate structure lying on a slanted or vertical surface or formed in a groove, e.g. trench gate IGBT
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • H01L29/0692Surface layout
    • H01L29/0696Surface layout of cellular field-effect devices, e.g. multicellular DMOS transistors or IGBTs
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1095Body region, i.e. base region, of DMOS transistors or IGBTs

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、絶縁ゲート型半導体
装置に関し、特に寄生トランジスタの導通を抑制するた
めの改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated gate semiconductor device, and more particularly to an improvement for suppressing conduction of a parasitic transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】絶縁ゲート型半導体装置は、p型および
n型の半導体層が交互に接合され、両端の半導体層には
主電流が流れる主電極が電気的に接続され、少なくとも
1つの半導体層には、電場を印加することによってチャ
ネルを形成するためのゲート電極が絶縁膜を介して接続
された構造の半導体装置である。この絶縁ゲート型半導
体装置では、ゲート電極に印加される電圧によって、2
つの主電極の間を流れる電流すなわち主電流が制御され
る。MOSトランジスタ、および絶縁ゲート型バイポー
ラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor
:以下、IGBTと略記する)は、その代表例であ
る。
2. Description of the Related Art In an insulated gate semiconductor device, p-type and n-type semiconductor layers are alternately joined, main electrodes through which a main current flows are electrically connected to semiconductor layers at both ends, and at least one semiconductor layer is formed. Is a semiconductor device having a structure in which a gate electrode for forming a channel by applying an electric field is connected via an insulating film. In this insulated gate semiconductor device, the voltage applied to the gate electrode causes
The current flowing between the two main electrodes, that is, the main current, is controlled. MOS transistor and insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate Bipolar Transistor)
: Hereinafter abbreviated as IGBT) is a typical example.

【0003】従来のIGBTの構造は、例えば特開平2
−163974号公報の第2図に示されるように、半導
体基板の一主面上にゲート電極が配設され、この主面に
沿ってチャネルが形成されるいわゆる平面ゲート構造が
主流であった。これに対して、例えば特開平2−328
8号公報の第1図に示されるように、半導体基板の一主
面に溝(トレンチ)が形成され、この溝の中に埋め込ま
れた形式のゲート電極すなわちトレンチゲートを有し、
この溝の側壁に沿ってチャネルが形成されるトレンチゲ
ート構造の絶縁ゲート型半導体装置が、近年に開発され
注目を集めている。
The structure of a conventional IGBT is described in, for example,
As shown in FIG. 2 of 163974, a so-called planar gate structure in which a gate electrode is provided on one main surface of a semiconductor substrate and a channel is formed along the main surface has been the mainstream. On the other hand, for example, JP-A-2-328
As shown in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 8 (1996) -1994, a groove (trench) is formed on one main surface of a semiconductor substrate, and a gate electrode, that is, a trench gate is embedded in the groove.
An insulated gate semiconductor device having a trench gate structure in which a channel is formed along the side wall of the trench has recently been developed and attracts attention.

【0004】この装置は、微細化が容易であるため集積
度を高めることができる、製造工程が簡略であるなどの
他に、飽和電流を高めることができるという優れた特徴
をもっている。同一構造および同一チップサイズのもの
で比較すると、トレンチゲート構造の装置は平面ゲート
構造のものに比べて、10倍以上の飽和電流を得ること
ができる。
This device has excellent features that it can be easily miniaturized to increase the degree of integration, the manufacturing process is simplified, and that the saturation current can be increased. Comparing the devices having the same structure and the same chip size, the device having the trench gate structure can obtain a saturation current ten times or more as compared with the device having the planar gate structure.

【0005】図6は、トレンチゲート構造の従来のNチ
ャネル型IGBTの構造を示す断面斜視図である。IG
BTでは、多数の単位IGBT素子(以下、「単位セ
ル」と呼称する)が並列接続された構造が一般的であ
る。このことはMOSトランジスタにおいても同様であ
る。図6には、IGBTの一つの単位セルが図示されて
いる。
FIG. 6 is a sectional perspective view showing the structure of a conventional N-channel IGBT having a trench gate structure. IG
The BT generally has a structure in which a number of unit IGBT elements (hereinafter, referred to as “unit cells”) are connected in parallel. This is the same for MOS transistors. FIG. 6 illustrates one unit cell of the IGBT.

【0006】図6に示すIGBT100では、P+型ア
ノード層1の上にN+型バッファ層2、N-型ベース層
3、およびP型ベース層4が、順次積層されている。さ
らに、P型ベース層4の上面には、N+型エミッタ層5
が選択的に形成されている。これらの半導体層はシリコ
ンを母材とする半導体基板の中に形成されており、P+
型アノード層1は半導体基板の下主面に露出し、P型ベ
ース層4とN+型エミッタ層5はそれぞれ上主面に選択
的に露出する。P+型アノード層1とN+型バッファ層2
の界面にはPN接合J1が生じており、N-型ベース層3
とP型ベース層4の界面にはもう一つのPN接合J2
生じ、そして、P型ベース層4とN+型エミッタ層5の
界面にはさらに別のPN接合J3が生じている。
In the IGBT 100 shown in FIG. 6, an N + -type buffer layer 2, an N -- type base layer 3, and a P-type base layer 4 are sequentially stacked on a P + -type anode layer 1. Further, an N + -type emitter layer 5 is provided on the upper surface of the P-type base layer 4.
Are selectively formed. These semiconductor layers are formed in a semiconductor substrate whose base material is silicon, and P +
The anode layer 1 is exposed on the lower main surface of the semiconductor substrate, and the P-type base layer 4 and the N + -type emitter layer 5 are selectively exposed on the upper main surface. P + type anode layer 1 and N + type buffer layer 2
A PN junction J 1 is formed at the interface of the N -type base layer 3.
Another PN junction J 2 is formed at the interface between the P-type base layer 4 and the N + -type emitter layer 5, and another PN junction J 3 is formed at the interface between the P-type base layer 4 and the N + -type emitter layer 5.

【0007】なお、N+型バッファ層2およびN+型エミ
ッタ層5は、N-型ベース層3よりもN型不純物を高濃
度で含んでおり、P+型アノード層1はP型ベース層4
よりもP型不純物を高濃度で含んでいる。
The N + -type buffer layer 2 and the N + -type emitter layer 5 contain N-type impurities at a higher concentration than the N -- type base layer 3, and the P + -type anode layer 1 has a P-type base layer. 4
It contains a higher concentration of P-type impurities.

【0008】さらに、半導体基板の上主面からN+型エ
ミッタ層5とP型ベース層4の双方を貫通してN-型ベ
ース層3に達するように溝が食刻されており、その内壁
にはシリコン酸化膜で構成される絶縁膜6が形成されて
いる。そして、絶縁膜6の内側にはポリシリコンで構成
されるゲート電極7が埋設されている。溝の内壁とゲー
ト電極7の間は、絶縁膜6によって電気的に絶縁されて
いる。
Further, a groove is etched from the upper main surface of the semiconductor substrate so as to penetrate both the N + -type emitter layer 5 and the P-type base layer 4 to reach the N -- type base layer 3. Is formed with an insulating film 6 composed of a silicon oxide film. A gate electrode 7 made of polysilicon is buried inside the insulating film 6. The inner wall of the groove and the gate electrode 7 are electrically insulated by the insulating film 6.

【0009】半導体基板の上主面にはP型ベース層4と
+型エミッタ層5の双方に電気的に短絡するように、
アルミニウム等の金属で構成されたエミッタ電極8が設
けられ、下主面にはP+型アノード層1に電気的に短絡
するように、金属で構成されたコレクタ電極9が設けら
れている。絶縁膜6はゲート電極7の上面をも覆ってお
り、このことによってゲート電極7とエミッタ電極8と
の間の電気的な絶縁が保たれている。
On the upper main surface of the semiconductor substrate, both the P-type base layer 4 and the N + -type emitter layer 5 are electrically short-circuited.
An emitter electrode 8 made of a metal such as aluminum is provided, and a collector electrode 9 made of a metal is provided on the lower main surface so as to be electrically short-circuited to the P + type anode layer 1. The insulating film 6 also covers the upper surface of the gate electrode 7, thereby maintaining electrical insulation between the gate electrode 7 and the emitter electrode 8.

【0010】P+型アノード層1、N+型バッファ層2、
-型ベース層3、およびP型ベース層4の各半導体層
は、各単位セルの間で互いに連続している。また、エミ
ッタ電極8およびコレクタ電極9についても同様であ
る。
A P + type anode layer 1, an N + type buffer layer 2,
Each semiconductor layer of the N type base layer 3 and the P type base layer 4 is continuous with each other between the unit cells. The same applies to the emitter electrode 8 and the collector electrode 9.

【0011】つぎに、この従来装置100の動作につい
て説明する。まず、エミッタ電極8を接地し、コレクタ
電極9に所定の大きさの正のコレクタ電圧VCEを印加す
る。このとき、エミッタ電極8とゲート電極7の間に、
装置に固有のゲート閾電圧を超えるゲート電圧VGEを印
加すると、ゲート電極7に対向するP型ベース層4の領
域であるチャネル領域11がN型に反転することによっ
て、チャネル領域11にN型チャネルが形成される。こ
のチャネルを通じて、N+型エミッタ層5よりキャリア
としての電子がN-型ベース層3へ注入される。
Next, the operation of the conventional device 100 will be described. First, the emitter electrode 8 is grounded, and a predetermined positive collector voltage V CE is applied to the collector electrode 9. At this time, between the emitter electrode 8 and the gate electrode 7,
When a gate voltage V GE exceeding the gate threshold voltage inherent to the device is applied, the channel region 11, which is the region of the P-type base layer 4 facing the gate electrode 7, is inverted to N-type. A channel is formed. Through this channel, electrons as carriers are injected into the N type base layer 3 from the N + type emitter layer 5.

【0012】注入された電子により、P+型アノード層
1とN+型バッファ層2の間のPN接合J1に順方向のバ
イアス電圧が印加され、P+型アノード層1からキャリ
アとしてのホールがN-型ベース層3へと注入される。
その結果、N-型ベース層3の抵抗が大幅に下がり、コ
レクタ電極9からエミッタ電極8へ流れるコレクタ電流
Cは高い値に達する。すなわち、装置が導通状態とな
る(オンする)。
By the injected electrons, a forward bias voltage is applied to the PN junction J 1 between the P + type anode layer 1 and the N + type buffer layer 2, and holes as carriers from the P + type anode layer 1 are formed. Is implanted into the N -type base layer 3.
As a result, the resistance of N type base layer 3 is greatly reduced, and collector current I C flowing from collector electrode 9 to emitter electrode 8 reaches a high value. That is, the device becomes conductive (turns on).

【0013】所定の大きさのコレクタ電圧VCEを印加し
たまま、ゲート電圧VGEをゲート閾電圧以下の値、例え
ばゼロあるいは負の値にすると、Nチャネルは消滅し、
チャネル領域11は本来のP型の導電形式に復帰する。
その結果、コレクタ電流ICは阻止される。すなわち、
IGBT100は遮断状態となる(オフする)。
When the gate voltage V GE is set to a value equal to or lower than the gate threshold voltage, for example, zero or a negative value while the collector voltage V CE of a predetermined magnitude is applied, the N channel disappears,
The channel region 11 returns to the original P-type conductivity type.
As a result, the collector current I C is blocked. That is,
The IGBT 100 is turned off (turns off).

【0014】なお、IGBT100に降伏電圧に近い値
までコレクタ電圧VCEを印加したときには、P型ベース
層4から伸びた空乏層が、N+型バッファ層2にまで到
達する。この空乏層がP+型アノード層1にまで達する
と、P+型アノード層1とP型ベース層4の間が導通す
る(「パンチスルー」と称される)。N+型バッファ層
2は、空乏層がP+型アノード層1にまで侵入すること
を阻止することにより、パンチスルーを防止する役割を
担っている。
When the collector voltage V CE is applied to the IGBT 100 to a value close to the breakdown voltage, the depletion layer extending from the P-type base layer 4 reaches the N + -type buffer layer 2. When the depletion layer reaches the P + -type anode layer 1, the conduction between the P + -type anode layer 1 and the P-type base layer 4 (referred to as "punch through"). The N + type buffer layer 2 has a role of preventing punch-through by preventing the depletion layer from penetrating into the P + type anode layer 1.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】ところで、IGBT1
00には、N+型エミッタ層5、P型ベース層4、およ
びN-型ベース層3とによって、NPN型のバイポーラ
トランジスタが寄生的に形成されている。この寄生トラ
ンジスタは、IGBT100の中に存在する本来のトラ
ンジスタ、すなわちP型ベース層4、N-型ベース層3
(N+型バッファ層2を含む)、およびP+型アノード層
1で構成されるPNP型のバイポーラトランジスタと組
合わさって、サイリスタを寄生的に構成する。
The IGBT 1
At N00, an NPN-type bipolar transistor is parasitically formed by the N + -type emitter layer 5, the P-type base layer 4, and the N -type base layer 3. This parasitic transistor is an original transistor existing in the IGBT 100, that is, the P-type base layer 4 and the N -type base layer 3.
A thyristor is parasitically configured in combination with a PNP-type bipolar transistor including the N + -type buffer layer 2 and the P + -type anode layer 1.

【0016】IGBT100が導通状態にあるとき、電
子をキャリアとする電流、すなわち電子電流と、ホール
をキャリアとする電流、すなわちホール電流とがIGB
T100の内部を流れる。電子電流は、N+型エミッタ
層5からチャネル領域11を経由してN-型ベース層3
へと流れ込み、P+型アノード層1から注入されるホー
ルと再結合する。一方、ホール電流は、P+型アノード
層1からN-型ベース層3へと流れ込み、その一部はN-
型ベース層3へと流れてきた電子と再結合するが、残り
はP型ベース層4を経由してエミッタ電極8へと流れ込
む。
When the IGBT 100 is in a conductive state, a current using electrons as carriers, ie, an electron current, and a current using holes as carriers, ie, a hole current, are IGB.
It flows inside T100. The electron current flows from the N + type emitter layer 5 via the channel region 11 to the N type base layer 3.
And recombine with holes injected from the P + type anode layer 1. On the other hand, the hole current flows from P + -type anode layer 1 N - flows into type base layer 3, some of N -
The electrons recombine with the electrons flowing to the mold base layer 3, but the rest flows into the emitter electrode 8 via the P-type base layer 4.

【0017】このエミッタ電極8へ流れ込むホール電流
が十分に小さいときには問題を生じないが、このホール
電流があるレベルを超えて大きくなると、P型ベース層
4の抵抗に起因する電圧降下によって、N+型エミッタ
層5とP型ベース層4の間のPN接合J3に順方向のバ
イアス電圧が印加される。その結果、N+型エミッタ層
5からP型ベース層4へと電子が注入され、寄生NPN
トランジスタの電流増幅率が増大し、寄生サイリスタを
ターンオンさせてしまう。
No problem occurs when the hole current flowing into the emitter electrode 8 is sufficiently small. However, when the hole current exceeds a certain level and becomes large, the voltage drop due to the resistance of the P-type base layer 4 causes N + forward bias voltage is applied to the PN junction J 3 between the type emitter layer 5 and the P-type base layer 4. As a result, electrons are injected from the N + -type emitter layer 5 to the P-type base layer 4 and the parasitic NPN
The current gain of the transistor increases, turning on the parasitic thyristor.

【0018】すなわち、寄生NPNトランジスタが一旦
導通すると、寄生サイリスタがトリガされ、導通に転じ
る(この状態を「ラッチアップ」と称する)。このラッ
チアップの状態に至ると、IGBT100はもはや、ゲ
ート電極7に印加するゲート電圧VGEによって、コレク
タ電流ICを制御することができなくなる。すなわち、
コレクタ電流ICはゲート電圧VGEとは無関係に流れ続
ける。このため、寄生トランジスタを導通させると、I
GBT100を破壊へと至らしめる。このことは、トレ
ンチゲート構造のものに限らずIGBT一般に共通す
る。
That is, once the parasitic NPN transistor becomes conductive, the parasitic thyristor is triggered and turns conductive (this state is called "latch-up"). When the latch-up state is reached, the IGBT 100 can no longer control the collector current I C by the gate voltage V GE applied to the gate electrode 7. That is,
Collector current I C continues to flow independent of gate voltage V GE . Therefore, when the parasitic transistor is turned on, I
Causes GBT 100 to be destroyed. This is common to IGBTs in general, not limited to trench gate structures.

【0019】このため、ラッチアップを抑えることによ
って最大可制御電流、すなわちゲート電圧VGEで制御可
能なコレクタ電流ICの最大値を高めることは、IGB
Tの特性を向上させる上での課題の一つとなっている。
最大可制御電流を高めるには、上述したことから明らか
なように、PN接合J3の順バイアス電圧の発生を抑
え、寄生NPNトランジスタの電流増幅率を抑制し、そ
のことによって寄生NPNトランジスタの導通を抑える
必要がある。
For this reason, increasing the maximum controllable current, that is, the maximum value of the collector current I C that can be controlled by the gate voltage V GE by suppressing the latch-up, is difficult to achieve by IGB.
This is one of the issues in improving the characteristics of T.
To increase the maximum controllable current, as is apparent from the above description, suppressing the generation of the forward bias voltage of the PN junction J 3, parasitic and suppressing the current amplification factor of the NPN transistor, conduction of the parasitic NPN transistor by their Need to be suppressed.

【0020】さらに、MOSトランジスタについても同
様のことが言える。MOSトランジスタにおいても、バ
イポーラトランジスタが寄生的に形成されており、この
寄生トランジスタが導通すると、もはや、ゲート電極に
印加するゲート電圧によってドレイン電流を制御するこ
とができなくなる。このため、寄生トランジスタを導通
させると、MOSトランジスタを破壊へと至らしめる。
Further, the same can be said for MOS transistors. Also in a MOS transistor, a bipolar transistor is formed in a parasitic manner, and when the parasitic transistor becomes conductive, the drain current can no longer be controlled by the gate voltage applied to the gate electrode. Therefore, when the parasitic transistor is turned on, the MOS transistor is destroyed.

【0021】MOSトランジスタを誘導負荷に接続して
使用する場合には、MOSトランジスタがオンからオフ
へ転じるときに、MOSトランジスタにアバランシュ電
圧を超える電圧が印加されることがある。このとき、M
OSトランジスタにはアバランシュ電流が流れ、このア
バランシュ電流によって寄生トランジスタが導通し、そ
の結果MOSトランジスタは破壊へと導かれる。破壊へ
至らないアバランシュ電流の上限値はアバランシュ耐量
と称される。寄生トランジスタが導通し易ければ、この
アバランシュ耐量が低下する。
When a MOS transistor is used by connecting it to an inductive load, a voltage exceeding an avalanche voltage may be applied to the MOS transistor when the MOS transistor turns from on to off. At this time, M
An avalanche current flows through the OS transistor, and the parasitic transistor conducts due to the avalanche current. As a result, the MOS transistor is led to destruction. The upper limit of the avalanche current that does not lead to breakdown is called avalanche withstand capability. If the parasitic transistor is easy to conduct, the avalanche resistance decreases.

【0022】特に、トレンチゲート構造のIGBTやM
OSトランジスタでは、飽和電流が大きくなっているた
めに寄生トランジスタの導通が生じ易い。したがってト
レンチ構造の装置では、寄生トランジスタの導通を抑制
し、そのことによって最大可制御電流あるいはアバラン
シュ耐量を高め、広い安全動作領域を確保することが特
に重要な技術課題となっている。
In particular, an IGBT or M having a trench gate structure
In the OS transistor, since the saturation current is large, conduction of the parasitic transistor easily occurs. Therefore, in a device having a trench structure, it is a particularly important technical subject to suppress conduction of a parasitic transistor, thereby increasing a maximum controllable current or avalanche resistance and securing a wide safe operation area.

【0023】この発明は上記した問題点に鑑みてなされ
たもので、寄生トランジスタの導通を抑制し、その結果
として十分に大きな可制御電流あるいはアバランシュ耐
量が得られ、十分に広い安全動作領域を持つ絶縁ゲート
型半導体装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and suppresses conduction of a parasitic transistor. As a result, a sufficiently large controllable current or avalanche resistance can be obtained, and a sufficiently wide safe operation area can be obtained. An object of the present invention is to provide an insulated gate semiconductor device.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】第1の発明にかかる絶縁
ゲート型半導体装置は、半導体基体を備え、当該半導体
基体は、第1導電形式の第1半導体層と、当該第1半導
体層の上に積層され前記半導体基体の上面に露出する第
2導電形式の第2半導体層と、当該第2半導体層の上面
において略帯状に選択的に形成された第1導電形式の第
3半導体層と、前記第2半導体層の上面において略帯状
に選択的に形成されるとともに、前記第3半導体層より
も深くしかも前記第3半導体層と交差するように形成さ
れ、前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い第2導電
形式の第4半導体層と、を有し、前記半導体基体には、
前記第3および第2半導体層を貫通し前記第1半導体層
にまで達する溝が、略帯状の前記第3半導体層の上面に
沿って形成されており、前記絶縁ゲート型半導体装置
が、前記半導体基体との間に電気絶縁性の絶縁膜を挟ん
で前記溝に埋設された制御電極と、前記半導体基体の上
面に形成され、前記第2、第3、および第4半導体層の
当該上面への露出面のいずれにも電気的に接続された第
1主電極と、前記半導体基体の下面に形成され、当該下
面に電気的に接続された第2主電極と、をさらに備え
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an insulated gate semiconductor device including a semiconductor substrate, the semiconductor substrate comprising a first semiconductor layer of a first conductivity type and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer of a second conductivity type, which is stacked on the semiconductor substrate and is exposed on the upper surface of the semiconductor substrate; a third semiconductor layer of the first conductivity type, which is selectively formed in a substantially band shape on the upper surface of the second semiconductor layer; An upper surface of the second semiconductor layer is selectively formed substantially in a band shape, is formed deeper than the third semiconductor layer and intersects with the third semiconductor layer, and has an impurity concentration lower than that of the second semiconductor layer. And a fourth semiconductor layer of a second conductivity type having a high
A groove penetrating the third and second semiconductor layers and reaching the first semiconductor layer is formed along an upper surface of the substantially band-shaped third semiconductor layer. A control electrode buried in the trench with an electrically insulating insulating film interposed between the base and a base; and a control electrode formed on an upper surface of the semiconductor base, the second, third, and fourth semiconductor layers being formed on the upper surface. The semiconductor device further includes a first main electrode electrically connected to any of the exposed surfaces, and a second main electrode formed on the lower surface of the semiconductor base and electrically connected to the lower surface.

【0025】第2の発明にかかる絶縁ゲート型半導体装
置は、第1の発明の装置において、前記半導体基体の上
面への前記第2半導体層および前記第4半導体層の露出
面の前記第3半導体層に沿った方向の幅をそれぞれLお
よびMとしたときの比率L/Mが、1ないし5の範囲に
設定されている。
An insulated gate semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the device according to the first aspect, wherein the third semiconductor on an exposed surface of the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer on an upper surface of the semiconductor substrate. The ratio L / M when the width in the direction along the layer is L and M is set in the range of 1 to 5.

【0026】第3の発明にかかる絶縁ゲート型半導体装
置は、第1の発明の装置において、前記半導体基体が、
前記第1半導体層の下面に形成された第2導電形式の第
5半導体層を、さらに有し、当該第5半導体層は前記半
導体基体の下面に露出し、前記第2主電極は前記第5半
導体層に電気的に接続されている。
According to a third aspect of the present invention, there is provided an insulated gate semiconductor device according to the first aspect, wherein the semiconductor substrate is
A second conductive type fifth semiconductor layer formed on a lower surface of the first semiconductor layer; the fifth semiconductor layer being exposed on a lower surface of the semiconductor substrate; It is electrically connected to the semiconductor layer.

【0027】[0027]

【作用】第1の発明の装置では、第2半導体層よりも不
純物濃度が高く抵抗の低い第4半導体層が、第2半導体
層の上面において3半導体層よりも深く、しかも第3半
導体層に交差するように形成されている。このため、第
1、第2、および第3半導体層で構成される寄生トラン
ジスタのベース電流が第4半導体層をバイパスして流れ
る。その結果、第2半導体層と第3半導体層の間のPN
接合部に印加されるバイアス電圧が低く抑えられるの
で、寄生トランジスタの導通が抑えられる。
In the device according to the first aspect of the invention, the fourth semiconductor layer having a higher impurity concentration and lower resistance than the second semiconductor layer is deeper than the third semiconductor layer on the upper surface of the second semiconductor layer, and is provided in the third semiconductor layer. It is formed so as to intersect. Therefore, the base current of the parasitic transistor composed of the first, second, and third semiconductor layers flows while bypassing the fourth semiconductor layer. As a result, the PN between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer
Since the bias voltage applied to the junction is suppressed low, conduction of the parasitic transistor is suppressed.

【0028】さらに、第2半導体層と第3半導体層の間
のPN接合部に加えて、第4半導体層と第3半導体層の
間のPN接合部が存在するので、これらのPN接合部に
おける電子の注入効率が低減される。このことも、寄生
トランジスタの導通の抑制に寄与する。
Further, in addition to the PN junction between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, there is a PN junction between the fourth semiconductor layer and the third semiconductor layer. The electron injection efficiency is reduced. This also contributes to suppressing conduction of the parasitic transistor.

【0029】また、第4半導体層は略帯状に形成される
ので、ゲート閾電圧の高いチャネルはチャネル全体の一
部を占めるに過ぎない。このため、飽和電流を大きく低
下させることなく、寄生トランジスタの導通が抑えられ
る。
Further, since the fourth semiconductor layer is formed in a substantially strip shape, a channel having a high gate threshold voltage occupies only a part of the entire channel. Therefore, conduction of the parasitic transistor can be suppressed without greatly reducing the saturation current.

【0030】第2の発明の装置では、半導体基体の上面
への第2半導体層および第4半導体層の露出面の第3半
導体層に沿った方向の幅の比率が1〜5の範囲に最適化
されている。幅の比率がこの範囲であれば、従来の装置
に比べて2倍以上の最大可制御電流が得られ、しかも、
飽和電流の低下は1/2以下に抑えられる。
In the device according to the second aspect of the invention, the ratio of the width of the exposed surface of the second semiconductor layer and the exposed surface of the fourth semiconductor layer to the upper surface of the semiconductor substrate in the direction along the third semiconductor layer is optimally in the range of 1 to 5. Has been If the width ratio is within this range, the maximum controllable current is twice or more as compared with the conventional device, and moreover,
The decrease in the saturation current can be suppressed to 以下 or less.

【0031】第3の発明の装置は、第2主電極に接続さ
れた第5半導体層が備わるので、IGBTとして機能す
る。
The device according to the third aspect of the present invention has a fifth semiconductor layer connected to the second main electrode, and thus functions as an IGBT.

【0032】[0032]

【実施例】【Example】

<第1実施例>図1は、第1実施例のIGBTの構造を
示す断面斜視図である。このIGBT101は、トレン
チゲート構造のNチャネル型IGBTである。また、図
2は図1におけるA−A’切断線に沿った断面図であ
り、図3はエミッタ電極8を除去して描いた上面図であ
る。IGBT101は、多数のIGBT単位セルが並列
に接続された構造を有しており、図1〜図3には一つの
単位セルが図示されている。
<First Embodiment> FIG. 1 is a sectional perspective view showing the structure of an IGBT according to a first embodiment. The IGBT 101 is an N-channel IGBT having a trench gate structure. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 1, and FIG. 3 is a top view illustrating the emitter electrode 8 removed. The IGBT 101 has a structure in which a number of IGBT unit cells are connected in parallel, and FIG. 1 to FIG. 3 show one unit cell.

【0033】以下にこれらの図1〜図3を参照しつつI
GBT101の構造と動作について説明する。なお図1
以下の各図において、図6に示した従来装置100と同
一部分には同一符号を付して、その詳細な説明を略す
る。
Hereinafter, I will be described with reference to FIGS.
The structure and operation of the GBT 101 will be described. FIG. 1
In the following drawings, the same parts as those of the conventional apparatus 100 shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0034】IGBT101は、半導体基板の上主面
に、高濃度にP型不純物を含んだ半導体領域10が形成
されている点が、従来のIGBT100とは特徴的に異
なっている。このP+半導体領域10の不純物濃度は、
P型ベース層4におけるよりも高く設定されており、好
ましくはさらに、N+型エミッタ層5におけるN型不純
物の濃度よりは低く設定される。P型ベース層4の上面
に選択的に形成されているN+型エミッタ層5は、溝の
両側に隣接し、しかも溝に沿ってストライプ状(帯状)
に形成されている。これに対してP+半導体領域10
は、同じくP型ベース層4の上面にストライプ状に選択
的に形成されていながら、N+型エミッタ層5とは直交
し(図1、図3)、しかも、N+型エミッタ層5よりも
深く形成されている(図2)。
The IGBT 101 is characteristically different from the conventional IGBT 100 in that a semiconductor region 10 containing a high concentration of P-type impurities is formed on an upper main surface of a semiconductor substrate. The impurity concentration of this P + semiconductor region 10 is:
It is set higher than in the P-type base layer 4, and more preferably, lower than the concentration of N-type impurities in the N + -type emitter layer 5. The N + -type emitter layer 5 selectively formed on the upper surface of the P-type base layer 4 is adjacent to both sides of the groove, and is striped (strip-like) along the groove.
Is formed. On the other hand, the P + semiconductor region 10
Are also formed selectively in the form of stripes on the upper surface of the P-type base layer 4, are orthogonal to the N + -type emitter layer 5 (FIGS. 1 and 3), and moreover than the N + -type emitter layer 5. It is formed deep (FIG. 2).

【0035】N+型エミッタ層5とP+半導体領域10と
が交差する部分では、N+型エミッタ層5がP+半導体領
域10の上面に選択的に形成された構造となっている。
したがってPN接合J3は、ストライプ状のN+型エミッ
タ層5に沿って、互いに並列に配列されたP型ベース層
4との界面とP+半導体領域10との界面とで構成され
ている。
In a portion where the N + -type emitter layer 5 and the P + semiconductor region 10 intersect, the structure is such that the N + -type emitter layer 5 is selectively formed on the upper surface of the P + semiconductor region 10.
Therefore, the PN junction J 3 is constituted by an interface with the P-type base layer 4 and an interface with the P + semiconductor region 10 arranged in parallel with each other along the striped N + -type emitter layer 5.

【0036】P+半導体領域10はP型ベース層4の上
面に露出しており、このためエミッタ電極8はN+型エ
ミッタ層5、P型ベース層4とともに、P+半導体領域
10にも電気的に短絡している。また、図3に示すよう
に、P+半導体領域10は、好ましくは複数本が互いに
等間隔で配設されている。
The P + semiconductor region 10 is exposed on the upper surface of the P-type base layer 4. Therefore, the emitter electrode 8 is electrically connected to the P + semiconductor region 10 together with the N + -type emitter layer 5 and the P-type base layer 4. Is short circuited. Further, as shown in FIG. 3, a plurality of P + semiconductor regions 10 are preferably arranged at equal intervals from each other.

【0037】IGBT101は、以上のように構成され
るので、従来装置であるIGBT100と同様に、所定
の大きさのコレクタ電圧VCEを印加した状態で、ゲート
電極7にゲート閾電圧を超えるゲート電圧VGEを印加す
るとIGBT101は導通し、ゲート電圧VGEをゲート
閾電圧以下にすると遮断する。
Since the IGBT 101 is constructed as described above, the gate voltage exceeding the gate threshold voltage is applied to the gate electrode 7 with the collector voltage V CE of a predetermined magnitude applied, similarly to the conventional IGBT 100. The IGBT 101 conducts when V GE is applied, and shuts off when the gate voltage V GE falls below the gate threshold voltage.

【0038】しかしながら、IGBT101では、P+
半導体領域10の存在によって、つぎの点でIGBT1
00とは異なる特徴的な動作が現れる。まず第1に、P
+半導体領域10が低抵抗であることにより、N-型ベー
ス層3、P型ベース層4、N+型エミッタ層5の3層か
らなる寄生NPNトランジスタのベース電流となる正孔
電流を速やかにエミッタ電極8へとバイパスするため、
PN接合J3に印加されるバイアス電圧が小さくなる。
その結果、寄生NPNトランジスタの導通が抑制される
ので、ラッチアップが生じ難くなる。
However, in the IGBT 101, P +
Due to the presence of the semiconductor region 10, the IGBT 1
A characteristic operation different from 00 appears. First, P
Since the + semiconductor region 10 has a low resistance, the hole current serving as the base current of the parasitic NPN transistor including the three layers of the N -type base layer 3, the P-type base layer 4, and the N + -type emitter layer 5 can be quickly increased. To bypass to the emitter electrode 8,
Bias voltage applied to the PN junction J 3 is reduced.
As a result, conduction of the parasitic NPN transistor is suppressed, so that latch-up hardly occurs.

【0039】第2に、PN接合J3の一部が、N+型エミ
ッタ層5とP+半導体領域10との界面で構成されてい
るために、PN接合J3のこの部分において電子の注入
効率が低減される。このため、寄生NPNトランジスタ
の電流増幅率が高くならない。このことも、寄生NPN
トランジスタの導通を抑え、ラッチアップの抑制に寄与
する。
Second, since part of the PN junction J 3 is formed at the interface between the N + -type emitter layer 5 and the P + semiconductor region 10, the injection of electrons at this part of the PN junction J 3 is performed. Efficiency is reduced. For this reason, the current amplification factor of the parasitic NPN transistor does not increase. This also means that the parasitic NPN
It suppresses transistor conduction and contributes to suppression of latch-up.

【0040】第3に、P+半導体領域10はストライプ
状に形成され、チャネル領域11の一部を占めるのみで
ある。チャネル領域11は、溝に沿って並列に配列され
たゲート閾電圧が低いP型ベース層4で構成される部分
と、ゲート閾電圧が高いP+半導体領域10で構成され
る部分とで構成される。コレクタ電流ICは、ゲート閾
電圧が高いチャネルの部分では、ゲート閾電圧が低い部
分に比べて低いか、あるいはゼロであるので、P+半導
体領域10が存在する分だけ飽和電流は低下する。しか
しながら、P+半導体領域10はチャネル領域11の一
部を占めるだけであるために、飽和電流への影響は劇的
ではない。
Third, the P + semiconductor region 10 is formed in a stripe shape and occupies only a part of the channel region 11. The channel region 11 is composed of a portion composed of a P-type base layer 4 having a low gate threshold voltage and a portion composed of a P + semiconductor region 10 having a high gate threshold voltage arranged in parallel along the trench. You. Since the collector current I C is lower or zero in the channel portion where the gate threshold voltage is high as compared with the portion where the gate threshold voltage is low, the saturation current is reduced by the amount of the P + semiconductor region 10. However, since the P + semiconductor region 10 occupies only a part of the channel region 11, the effect on the saturation current is not dramatic.

【0041】以上の第1〜第3の特徴から、飽和電流を
余り低下させることなく高く維持したままで、ラッチア
ップが抑制される。すなわち、最大可制御電流が高ま
り、安全動作領域が拡大する。
From the above-mentioned first to third features, latch-up is suppressed while the saturation current is maintained at a high level without being significantly reduced. That is, the maximum controllable current increases, and the safe operation area expands.

【0042】ストライプ状のP+半導体領域10の幅
は、最適な範囲に設定するのが望ましい。P+半導体領
域10の最適な幅は、飽和電流を過度に低下させない程
度に小さく、十分なラッチアップ抑制効果が得られる程
度に大きく設定するのが望ましい。
It is desirable to set the width of the stripe-shaped P + semiconductor region 10 in an optimum range. The optimum width of the P + semiconductor region 10 is desirably set small enough not to excessively reduce the saturation current and large enough to obtain a sufficient latch-up suppressing effect.

【0043】図3に示すように、P+半導体領域10の
幅M、および、P+半導体領域10を除くP型ベース層
4の上面露出部分の幅Lを定義する。P+半導体領域1
0は複数本が等間隔で配列しており、したがって、幅M
に相当するP+半導体領域10と幅Lに相当するP型ベ
ース層4の露出面とが、溝に沿って交互に反復的に配列
している。
As shown in FIG. 3, the width M of the P + semiconductor region 10, and defines the width L of the upper surface exposed portion of the P-type base layer 4 except for the P + semiconductor region 10. P + semiconductor region 1
0 means that a plurality of lines are arranged at equal intervals, and
And the exposed surface of the corresponding P + semiconductor region 10 and the P-type base layer 4 corresponding to the width L to have to repeatedly arranged alternately along the groove.

【0044】幅Lと幅Mの比率L/Mを、例えば5に設
定すると、従来のIGBT100に比べて、最大可制御
電流は約2倍となり、一方、飽和電流の低下は8割程度
にとどまる。また、比率L/Mを1に設定すると、飽和
電流はIGBT100の半分程度になるが、最大可制御
電流は約5倍となる。この場合、飽和電流の低下は大き
いが、平面ゲート構造のIGBTに比べると、5倍以上
の飽和電流が得られており十分な大きさである。比率L
/Mは装置の要求仕様によって適正に選ばれるものであ
るが、一般的には1以上5以下に設定することが望まし
い。この範囲では従来のIGBT100に比べて、2倍
以上の最大可制御電流、および1/2以上の飽和電流が
得られ、平面ゲート構造のIGBTに比べて5倍以上の
飽和電流が得られる。
When the ratio L / M between the width L and the width M is set to, for example, 5, the maximum controllable current is about twice as large as that of the conventional IGBT 100, while the reduction of the saturation current is only about 80%. . When the ratio L / M is set to 1, the saturation current is about half that of the IGBT 100, but the maximum controllable current is about five times. In this case, the saturation current is largely reduced, but the saturation current is at least five times as large as that of the IGBT having the planar gate structure, which is sufficient. Ratio L
Although / M is appropriately selected depending on the required specifications of the apparatus, it is generally desirable to set it to 1 or more and 5 or less. In this range, the maximum controllable current and the saturation current more than twice as large as those of the conventional IGBT 100 are obtained, and the saturation current more than five times as large as the IGBT with the planar gate structure is obtained.

【0045】IGBT101は、つぎに説明するよう
に、従来周知のウェハプロセス技術を利用することによ
って容易に製造可能である。IGBT101を製造する
には、まず、P型の不純物がドープされたP+型アノー
ド層1の上にエピタキシャル成長により順次形成された
+型バッファ層2とN-型ベース層3とを有するシリコ
ン半導体基板を用意する。
As will be described below, the IGBT 101 can be easily manufactured by utilizing a conventionally known wafer processing technique. In order to manufacture the IGBT 101, first, a silicon semiconductor having an N + type buffer layer 2 and an N type base layer 3 sequentially formed by epitaxial growth on a P + type anode layer 1 doped with a P type impurity. Prepare a substrate.

【0046】つぎに、N-型ベース層3の上面にイオン
注入等を用いてP型の不純物を導入することによって、
所定の深さのP型ベース層4を形成する。
Next, a P-type impurity is introduced into the upper surface of the N -type base layer 3 by ion implantation or the like, whereby
A P-type base layer 4 having a predetermined depth is formed.

【0047】さらに、P型ベース層4の上面にストライ
プ状の開口部を持つ酸化膜を形成し、これをマスクとし
てイオン注入等を行うことによりP型の不純物を導入す
る。それによって、P型ベース層4の不純物濃度より高
い不純物濃度を有するストライプ状のP+半導体領域1
0を、P型ベース層4の底面よりも浅く形成する。
Further, an oxide film having a stripe-shaped opening is formed on the upper surface of the P-type base layer 4, and P-type impurities are introduced by ion implantation or the like using this as a mask. Thereby, stripe-shaped P + semiconductor region 1 having an impurity concentration higher than the impurity concentration of P-type base layer 4.
0 is formed shallower than the bottom surface of the P-type base layer 4.

【0048】つぎに、酸化膜を除去した後、P型ベース
層4の上面に先の酸化膜の開口部とは直交するストライ
プ状の開口部を持つ新たな酸化膜を形成し、これをマス
クとして用いてイオン注入等を行うことによりN型の不
純物を選択的に導入する。それによって、P+半導体領
域10よりも高い不純物濃度を有するストライプ状のN
+型エミッタ層5を、P+半導体領域10よりも浅く形成
する。形成されたN+型エミッタ層5はP+半導体領域1
0とは互いに直交する。
Next, after removing the oxide film, a new oxide film having a stripe-shaped opening orthogonal to the opening of the previous oxide film is formed on the upper surface of the P-type base layer 4, and this is used as a mask. Is used to selectively introduce an N-type impurity. Thereby, a stripe-shaped N having a higher impurity concentration than P + semiconductor region 10 is formed.
The + type emitter layer 5 is formed shallower than the P + semiconductor region 10. The formed N + -type emitter layer 5 is a P + semiconductor region 1
0 is orthogonal to each other.

【0049】つぎに、半導体基板の上主面に開口する溝
を、ストライプ状のN+型エミッタ層5の中心線に沿っ
たストライプ状に形成する。この溝は、エッチングを選
択的に施すことによって、N+型エミッタ層5およびP
型ベース層4を貫通し、N-型ベース層3に達するよう
に形成される。
Next, a groove opening in the upper main surface of the semiconductor substrate is formed in a stripe shape along the center line of the stripe-shaped N + -type emitter layer 5. The trench is formed by selectively performing etching so that the N + -type emitter layer 5 and the P +
It is formed so as to penetrate the mold base layer 4 and reach the N type base layer 3.

【0050】つぎに、シリコン酸化膜で構成される絶縁
膜6を、少なくとも溝部の内壁に所定の厚みで形成した
後、この絶縁膜6の内側にポリシリコンで構成されるゲ
ート電極7を形成する。また、ゲート電極7の上面にも
絶縁膜6を形成する。
Next, after an insulating film 6 made of a silicon oxide film is formed with a predetermined thickness on at least the inner wall of the groove, a gate electrode 7 made of polysilicon is formed inside the insulating film 6. . The insulating film 6 is also formed on the upper surface of the gate electrode 7.

【0051】さらに、半導体基板の上主面に金属で構成
されるエミッタ電極8を形成し、下主面に同じく金属で
構成されるコレクタ電極9を形成することによってIG
BT101が完成する。
Further, an emitter electrode 8 made of a metal is formed on the upper main surface of the semiconductor substrate, and a collector electrode 9 also made of the same metal is formed on the lower main surface.
BT101 is completed.

【0052】以上のように、IGBT101を製造する
のに、特別な新たな製造技術は要しない。従来周知のウ
ェハプロセス技術を組み合わせることによって容易に製
造可能である。特に、IGBT101の特徴部分をなす
+半導体領域10を形成する過程で、P+半導体領域1
0とN+型エミッタ層5とが互いに直交するために、P+
半導体領域10とN+型エミッタ層5との間でマスク合
わせを必要としない。このことは、従来のIGBT10
0と殆ど変わらない容易さで、可制御電流において優れ
た特性を有するIGBT101が実現することを意味す
る。
As described above, no special new manufacturing technology is required to manufacture the IGBT 101. It can be easily manufactured by combining conventionally known wafer processing techniques. In particular, in the process of forming the P + semiconductor region 10 which is a characteristic part of the IGBT 101, the P + semiconductor region 1
0 and the N + -type emitter layer 5 are orthogonal to each other, so that P +
No mask alignment is required between the semiconductor region 10 and the N + -type emitter layer 5. This is because the conventional IGBT 10
This means that the IGBT 101 having excellent characteristics in controllable current can be realized as easily as 0.

【0053】<第2実施例>第1実施例では、IGBT
の例について説明したが、トレンチゲート構造のMOS
トランジスタについても同様の構成が可能である。図4
および図5にその例を示す。図4は、Nチャネル型MO
Sトランジスタの断面斜視図である。また、図5は図4
におけるB−B’切断線に沿った断面図である。このM
OSトランジスタ102も、IGBT101と同様に多
数の単位セルが並列に接続された構造を有しており、図
4および図5には一つの単位セルが図示されている。
<Second Embodiment> In the first embodiment, the IGBT
Has been described, but a MOS having a trench gate structure is described.
A similar structure can be applied to a transistor. FIG.
FIG. 5 shows an example. FIG. 4 shows an N-channel type MO.
FIG. 3 is a cross-sectional perspective view of an S transistor. FIG. 5 is FIG.
3 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. This M
Similarly to the IGBT 101, the OS transistor 102 has a structure in which a number of unit cells are connected in parallel, and FIG. 4 and FIG. 5 show one unit cell.

【0054】これらの図4、図5に示すように、N-
ベース層3より上方部分の構成はIGBT101と同様
であり、P+型アノード層1がなくN+型バッファ層2が
ドレイン電極9へ直接に結合している点がIGBT10
1とは特徴的に異なる。なお、MOSトランジスタで
は、N型半導体層5はN型ソース層と称され、2つの主
電極8、9はそれぞれソース電極、ドレイン電極と呼ば
れる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the structure above the N type base layer 3 is the same as that of the IGBT 101, and there is no P + type anode layer 1 and the N + type buffer layer 2 has a drain electrode. 9 is directly connected to IGBT 10
Characteristically different from 1. In the MOS transistor, the N-type semiconductor layer 5 is called an N-type source layer, and the two main electrodes 8 and 9 are called a source electrode and a drain electrode, respectively.

【0055】ドレイン電極9とソース電極8の間に所定
の大きさのドレイン電圧VDSを、ドレイン電極9が正電
圧となるように印加した状態で、ゲート電極7にゲート
閾電圧を超えるゲート電圧VGEを印加するとMOSトラ
ンジスタ102は導通する。すなわち、ドレイン電極9
からソース電極8へとドレイン電流が流れる。逆に、ゲ
ート電圧VGEをゲート閾電圧以下にすると、MOSトラ
ンジスタ102は遮断する。
When a predetermined magnitude of the drain voltage V DS is applied between the drain electrode 9 and the source electrode 8 so that the drain electrode 9 has a positive voltage, the gate voltage exceeding the gate threshold voltage is applied to the gate electrode 7. When VGE is applied, the MOS transistor 102 conducts. That is, the drain electrode 9
, A drain current flows to the source electrode 8. Conversely, when the gate voltage V GE is set to be equal to or lower than the gate threshold voltage, the MOS transistor 102 is cut off.

【0056】MOSトランジスタ102においても、P
+半導体領域10の存在によってIGBT101と同様
の特徴的な動作が実現する。すなわち、飽和電流を余り
低下させることなく寄生トランジスタの導通が抑制され
る。このため、アバランシュ耐量が向上し、最大可制御
電流が高まるとともに、安全動作領域が拡大する。
In the MOS transistor 102, P
+ The presence of semiconductor region 10 realizes a characteristic operation similar to that of IGBT 101. That is, conduction of the parasitic transistor is suppressed without significantly lowering the saturation current. Therefore, the avalanche resistance is improved, the maximum controllable current is increased, and the safe operation area is expanded.

【0057】また、第1実施例と同様の理由により、比
率L/Mは1ないし5の範囲に設定することが望まし
い。
For the same reason as in the first embodiment, it is desirable to set the ratio L / M in the range of 1 to 5.

【0058】<その他の実施例>以上の実施例では、P
+半導体領域10はN+型エミッタ層5と互いに直交する
ように形成されていた。しかしながら、直角に限らず任
意の角度で交差するように形成しても、これらの実施例
と同様の効果が得られる。すなわち、マスク合わせを要
せず容易に製造が可能であるとともに、飽和電流を余り
低下することなく可制御電流を高めることができる。
<Other Embodiments> In the above embodiments, P
The + semiconductor region 10 was formed so as to be orthogonal to the N + -type emitter layer 5. However, the same effects as those of these embodiments can be obtained even if they are formed so as to intersect not only at right angles but also at arbitrary angles. That is, it is possible to easily manufacture without requiring mask alignment, and to increase the controllable current without significantly lowering the saturation current.

【0059】[0059]

【発明の効果】第1の発明の装置では、第2半導体層よ
りも不純物濃度が高く抵抗の低い第4半導体層が、第2
半導体層の上面において3半導体層よりも深く、しかも
第3半導体層に交差するように形成されているので、飽
和電流をそれほど低下させることなく高く保ったまま
で、寄生トランジスタの導通が抑えられる。すなわち、
最大可制御電流が大きく、安全動作領域の広い絶縁ゲー
ト型半導体装置が得られる。
According to the device of the first invention, the fourth semiconductor layer having a higher impurity concentration and a lower resistance than the second semiconductor layer is formed by the second semiconductor layer.
Since the upper surface of the semiconductor layer is formed to be deeper than the three semiconductor layers and to intersect the third semiconductor layer, conduction of the parasitic transistor is suppressed while the saturation current is kept high without being significantly reduced. That is,
An insulated gate semiconductor device having a large maximum controllable current and a wide safe operation area can be obtained.

【0060】また、第3半導体層と第4半導体層とがと
もに略帯状であるとともに互いに交差するので、これら
の半導体層を形成する過程で用いられるマスクパターン
を互いに位置合わせする必要がない。すなわち、従来の
装置に比べて何等困難な工程を要することなく、容易に
製造可能である。
Further, since the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer are both substantially band-shaped and cross each other, it is not necessary to align mask patterns used in the process of forming these semiconductor layers. That is, it can be easily manufactured without requiring any difficult steps as compared with the conventional apparatus.

【0061】第2の発明の装置では、半導体基体の上面
への第2半導体層および第4半導体層の露出面の第3半
導体層に沿った方向の幅の比率が1〜5の範囲に最適化
されているので、従来の装置に比べて2倍以上の最大可
制御電流が得られ、しかも、飽和電流の低下は1/2以
下に抑えられる。すなわち、実用的に最も好ましい範囲
の特性が実現する。
In the device according to the second aspect of the present invention, the ratio of the width of the exposed surface of the second semiconductor layer to the upper surface of the semiconductor substrate in the direction along the third semiconductor layer is optimally in the range of 1 to 5. As a result, the maximum controllable current more than twice as large as that of the conventional device can be obtained, and the reduction of the saturation current can be suppressed to 以下 or less. That is, a characteristic in the most preferable range for practical use is realized.

【0062】第3の発明の装置は、第2主電極に接続さ
れた第5半導体層が備わるので、IGBTとして機能す
る。すなわち、寄生トランジスタの導通が特に重大であ
るIGBTにおいて、飽和電流を高く保ったままでラッ
チアップの発生を抑制することができる。
The device of the third invention functions as an IGBT because it has the fifth semiconductor layer connected to the second main electrode. That is, in an IGBT in which conduction of a parasitic transistor is particularly important, occurrence of latch-up can be suppressed while maintaining a high saturation current.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 第1実施例のIGBTの断面斜視図である。FIG. 1 is a sectional perspective view of an IGBT of a first embodiment.

【図2】 図1の装置のA−A’切断線に沿った断面図
である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the device of FIG. 1 taken along the line AA ′.

【図3】 図1の装置のエミッタ電極8を除去した上面
図である。
FIG. 3 is a top view of the device of FIG. 1 with the emitter electrode 8 removed.

【図4】 第2実施例のIGBTの断面斜視図である。FIG. 4 is a sectional perspective view of an IGBT of a second embodiment.

【図5】 図4の装置のB−B’切断線に沿った断面図
である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the device of FIG. 4 taken along section line BB ′.

【図6】 従来のIGBTの断面斜視図である。FIG. 6 is a sectional perspective view of a conventional IGBT.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 P+型アノード層(第5半導体層)、2 N+型バッ
ファ層(第1半導体層)、3 N-型ベース層(第1半
導体層)、4 P型ベース層(第2半導体層)、5 N
+型エミッタ層(第3半導体層)、6 絶縁膜、7 ゲ
ート電極(制御電極)、8 エミッタ電極(第1主電
極)、9 コレクタ電極(第2主電極)、10 P+
導体領域(第4半導体層)、11 チャネル。
1 P + type anode layer (fifth semiconductor layer), 2 N + type buffer layer (first semiconductor layer), 3 N type base layer (first semiconductor layer), 4 P type base layer (second semiconductor layer) , 5 N
+ Type emitter layer (third semiconductor layer), 6 insulating film, 7 gate electrode (control electrode), 8 emitter electrode (first main electrode), 9 collector electrode (second main electrode), 10 P + semiconductor region (first 4 semiconductor layers), 11 channels.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/78

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 絶縁ゲート型半導体装置であって、半導
体基体を備え、当該半導体基体は、第1導電形式の第1
半導体層と、当該第1半導体層の上に積層され前記半導
体基体の上面に露出する第2導電形式の第2半導体層
と、当該第2半導体層の上面において略帯状に選択的に
形成された第1導電形式の第3半導体層と、前記第2半
導体層の上面において略帯状に選択的に形成されるとと
もに、前記第3半導体層よりも深くしかも前記第3半導
体層と交差するように形成され、前記第2半導体層より
も不純物濃度が高い第2導電形式の第4半導体層と、を
有し、前記半導体基体には、前記第3および第2半導体
層を貫通し前記第1半導体層にまで達する溝が、略帯状
の前記第3半導体層の上面に沿って形成されており、前
記絶縁ゲート型半導体装置が、前記半導体基体との間に
電気絶縁性の絶縁膜を挟んで前記溝に埋設された制御電
極と、前記半導体基体の上面に形成され、前記第2、第
3、および第4半導体層の当該上面への露出面のいずれ
にも電気的に接続された第1主電極と、前記半導体基体
の下面に形成され、当該下面に電気的に接続された第2
主電極と、をさらに備える絶縁ゲート型半導体装置。
1. An insulated gate semiconductor device comprising a semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate has a first conductivity type.
A semiconductor layer, a second semiconductor layer of a second conductivity type laminated on the first semiconductor layer and exposed on an upper surface of the semiconductor substrate, and selectively formed in a substantially band shape on the upper surface of the second semiconductor layer. A third semiconductor layer of the first conductivity type and selectively formed in a substantially band shape on the upper surface of the second semiconductor layer, and formed so as to be deeper than the third semiconductor layer and to intersect with the third semiconductor layer. And a fourth semiconductor layer of a second conductivity type having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer, wherein the first semiconductor layer penetrates the third and second semiconductor layers in the semiconductor substrate. Are formed along the upper surface of the substantially band-shaped third semiconductor layer, and the insulated gate semiconductor device is provided with an electrically insulating insulating film between the semiconductor substrate and the groove. A control electrode embedded in the semiconductor substrate; A first main electrode formed on the upper surface of the semiconductor substrate and electrically connected to any of the exposed surfaces of the second, third, and fourth semiconductor layers on the upper surface, and formed on the lower surface of the semiconductor base; The second electrically connected to the lower surface
And a main electrode.
【請求項2】 前記半導体基体の上面への前記第2半導
体層および前記第4半導体層の露出面の前記第3半導体
層に沿った方向の幅をそれぞれLおよびMとしたときの
比率L/Mが、1ないし5の範囲に設定されている請求
項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
2. A ratio L / M where widths of the exposed surfaces of the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer on the upper surface of the semiconductor substrate in the direction along the third semiconductor layer are L and M, respectively. 2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein M is set in a range of 1 to 5.
【請求項3】 前記半導体基体が、前記第1半導体層の
下面に形成された第2導電形式の第5半導体層を、さら
に有し、当該第5半導体層は前記半導体基体の下面に露
出し、前記第2主電極は前記第5半導体層に電気的に接
続されている請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装
置。
3. The semiconductor substrate further includes a fifth semiconductor layer of a second conductivity type formed on a lower surface of the first semiconductor layer, wherein the fifth semiconductor layer is exposed on a lower surface of the semiconductor substrate. 2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein said second main electrode is electrically connected to said fifth semiconductor layer.
JP20496894A 1994-08-30 1994-08-30 Insulated gate semiconductor device Expired - Fee Related JP3260561B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP20496894A JP3260561B2 (en) 1994-08-30 1994-08-30 Insulated gate semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP20496894A JP3260561B2 (en) 1994-08-30 1994-08-30 Insulated gate semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0870121A JPH0870121A (en) 1996-03-12
JP3260561B2 true JP3260561B2 (en) 2002-02-25

Family

ID=16499285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP20496894A Expired - Fee Related JP3260561B2 (en) 1994-08-30 1994-08-30 Insulated gate semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3260561B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1139134C (en) * 1998-01-22 2004-02-18 三菱电机株式会社 Insulating gate type bipolar semiconductor device
JP4085781B2 (en) * 2002-11-01 2008-05-14 トヨタ自動車株式会社 Field effect semiconductor device
JP2007115943A (en) * 2005-10-21 2007-05-10 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Semiconductor device
JP2012124522A (en) * 2012-02-20 2012-06-28 Toshiba Corp Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0870121A (en) 1996-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101745776B1 (en) Power Semiconductor Device
US5998836A (en) Trench-gated power MOSFET with protective diode
JP4351745B2 (en) Semiconductor device
JP3410286B2 (en) Insulated gate semiconductor device
US7572683B2 (en) Semiconductor device, the method of manufacturing the same, and two-way switching device using the semiconductor devices
JP3417013B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
JPH09139510A (en) Semiconductor device and its manufacture
JP2002026320A (en) Bidirectional super-junction semiconductor element and manufacturing method thereof
JP3120389B2 (en) Semiconductor device
JP2005285913A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US9634131B2 (en) Insulated gate bipolar device
JPH0817233B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
JP2018156996A (en) Semiconductor device
KR100397882B1 (en) Field effect controllable semiconductor component
JP3934613B2 (en) Semiconductor device
JP2987040B2 (en) Insulated gate semiconductor device
JP3405649B2 (en) Semiconductor device
WO2022004084A1 (en) Semiconductor device
JPS5914897B2 (en) semiconductor equipment
JP3260561B2 (en) Insulated gate semiconductor device
JP3189576B2 (en) Semiconductor device
US7741655B2 (en) Semiconductor device
JP2005136092A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP3333299B2 (en) Power semiconductor device
KR100555444B1 (en) Trench gate-type power semiconductor device and method of fabricating the same

Legal Events

Date Code Title Description
S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071214

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081214

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091214

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101214

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101214

Year of fee payment: 9

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101214

Year of fee payment: 9

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101214

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111214

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121214

Year of fee payment: 11

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees