JP3293603B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力用半導体装置
に関し、詳しくは、半導体基板に形成された一導電型の
ボディ領域を表面側から貫通して略平行に配置された複
数の線状のトレンチゲートを有する電力用半導体装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の電力用半導体装置として
は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に
おいて、トレンチゲートに接して形成されたＮ型エミッ
タ間をＮ型半導体領域で梯子状に接続するものが提案さ
れている（例えば、特開平９−２７０５１２号公報な
ど）。この装置では、梯子状のＮ型半導体領域を形成す
ることにより、エミッタコンタクトの幅の縮小化を図っ
ている。なお、この装置におけるＮ型エミッタとＮ型半
導体領域は、単一の拡散層で形成されているから、その
深さは略同一である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】電力用であるか否かを
問わず、半導体装置では、装置における損失を小さくす
るために、そのオン抵抗をできる限り小さくすることが
従来から大きな課題として取り扱われ、その課題を解決
する手法が種々提案されている。前述の従来例の装置に
おいても、直接あるいは間接的に、この課題の解決を図
ろうとしている。
【０００４】本発明の電力用半導体装置は、そのオン抵
抗を小さくして装置における損失を少なくすることを目
的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の電力用半導体装置は、上述の目的を達成するため
に以下の手段を採った。
【０００６】本発明の電力用半導体装置は、半導体基板
に形成された一導電型のボディ領域を表面側から貫通し
て略平行に配置された複数の線状のトレンチゲートを有
する電力用半導体装置であって、該ボディ領域表面に前
記トレンチゲートに絶縁膜を介して接し、第１の深さに
形成された複数の第１の他導電型半導体領域と、隣り合
う前記第１の他導電型半導体領域を接続するよう前記ボ
ディ領域表面に前記第１の深さより実質的に浅い第２の
深さに形成された第２の他導電型半導体領域とを備える
ことを要旨とする。
【０００７】この本発明の電力用半導体装置では、ボデ
ィ領域表面にトレンチゲートに絶縁膜を介して接し、第
１の深さに形成された隣り合う第１の他導電型半導体領
域を、この第１の深さより実質的に浅い第２の深さに形
成された第２の他導電型半導体領域で接続する。通常、
ボディ領域は、半導体基板の表面から不純物の熱拡散を
行なって形成するから、表面からの深さが深くなるほど
不純物濃度は低下する。本発明の電力用半導体装置で
は、第２の他導電型半導体領域を浅く形成するから、第
２の他導電型半導体領域近傍のボディ領域の不純物濃度
は、第１の他導電型半導体領域の深さと同程度の深さに
第２の他導電型半導体領域を形成した場合に比して高く
なる。この結果、第２の他導電型半導体領域近傍のボデ
ィ領域における抵抗は小さくなるから、電力用半導体装
置におけるオン抵抗を小さくすることができ、装置にお
ける損失を小さくすることができる。
【０００８】こうした本発明の電力用半導体装置におい
て、前記トレンチゲートは、該トレンチゲートの上端が
実質的に前記半導体基板表面より内側となるよう形成さ
れてなり、前記第１の他導電型半導体領域は、前記トレ
ンチゲートの上端の深さより深く形成されてなるものと
することもできる。
【０００９】また、本発明の電力用半導体装置におい
て、前記第１の他導電型半導体領域は、前記トレンチゲ
ートに沿って形成されてなり、前記第２の他導電型半導
体領域は、隣り合うトレンチゲートに対向して形成され
た前記第１の他導電型半導体領域を梯子状に接続するよ
う形成されてなるものとすることもできる。
【００１０】さらに、本発明の電力用半導体装置におい
て、前記トレンチゲートの上端の少なくとも一部に接続
された第１の配線用導体を備えるものとすることもでき
る。
【００１１】あるいは、本発明の電力用半導体装置にお
いて、前記ボディ領域および前記第２の他導電型半導体
領域に接続された第２の配線用導体を備えるものとする
こともできる。この態様の本発明の電力用半導体装置に
おいて、前記第２の配線用導体は、前記第１の他導電型
半導体領域に実質的に接しないよう配置されてなるもの
とすることもできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は本発明の一実施例である電
力用半導体装置２０の構成の概略を例示する構成図であ
り、図２は実施例の電力用半導体装置２０の表面から見
た際の構成の概略を例示する説明図である。なお、図１
に例示する電力用半導体装置２０の図中左正面は図２の
Ａ−Ａ断面の構造を例示しており、同じく電力用半導体
装置２０の図１中中央正面は図２のＢ−Ｂ断面の構造を
例示しており、電力用半導体装置２０の図１中右側面は
図２のＣ−Ｃ断面の構造を示している。
【００１３】実施例の電力用半導体装置２０は、図示す
るように、Ｐ型またはＮ型半導体からなる基板２１上に
形成された不純物濃度の低いＮ型のエピタキシャル層２
２の表面に形成された不純物濃度の低いＰ型半導体領域
のボディ２４と、半導体基板２０ａの表面からボディ２
４を貫通してエピタキシャル層２２まで至るよう平行に
配置された複数のトレンチゲート２６と、トレンチゲー
ト２６の両側にトレンチゲート２６にシリコン酸化膜等
のゲート絶縁膜２７を介して接するように形成された不
純物濃度の高いＮ型半導体領域であるトレンチＮ領域２
８と、向かい合うトレンチＮ領域２８を梯子状に接続す
るよう形成された不純物濃度の高いＮ型半導体領域であ
るエミッタＮ領域３０と、梯子状に形成されたエミッタ
Ｎ領域３０間のボディ２４上に形成された不純物濃度の
高いＰ型半導体領域であるコンタクトＰ領域３２とを備
える。この実施例の電力用半導体装置２０の素子として
は、主電流が基板の上下方向に流れるいわゆる縦形構造
の素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧ
ＢＴ）（基板２１がＰ型）やパワーＭＯＳＦＥＴ（基板
２１がＮ型）が含まれる他、これらの構造を部分的に有
する複合素子も含まれる。
【００１４】各トレンチゲート２６は、図１に示すよう
に、その上端が半導体基板２０ａの表面から内側に入り
込むように、即ち窪みを形成するように形成されてお
り、更に図２に示すように、その端部は、配線用導体３
６によって接続されている。したがって、配線用導体３
６に電圧を印加することにより、各トレンチゲート２６
に電圧を作用させることができるようになっている。な
お、トレンチゲート２６の上端は、半導体基板２０ａの
表面と同一とするのが好ましいが、加工の均一性を図る
ことなどにより、実際には半導体基板２０ａの表面より
０．数μｍ程度下がる。したがって、実施例の各トレン
チゲート２６は、こうしたことを考慮し、実際的にその
上端が半導体基板２０ａの表面から下がっていることを
意味しているのである。
【００１５】トレンチＮ領域２８は、その一部がシリコ
ン酸化膜等のゲート絶縁膜２７を介してトレンチゲート
２６に接するようにトレンチゲート２６の上端よりも深
く形成されている。実際的には、トレンチゲート２６の
上端が半導体基板２０ａの表面より０．数μｍ程度下が
っているから、トレンチＮ領域２８は１μｍ程度の深さ
を要する。
【００１６】エミッタＮ領域３０は、トレンチＮ領域２
８の深さよりも浅くなるよう形成されており、その表面
の一部は、図２に示すように、コンタクトＰ領域３２の
表面と共に配線用導体３８により覆われている。エミッ
タＮ領域３０は、トレンチＮ領域２８からの電子電流を
配線用導体３８から引き抜くために形成されたものであ
り、エミッタＮ領域３０に要求されるものとしては、抵
抗値が低いことと、配線用導体３８とのコンタクト抵抗
が充分低減できる不純物濃度が確保されていることであ
り、その深さは重要視されない。
【００１７】次に、こうして構成された実施例の電力用
半導体装置２０のオン抵抗について説明する。図３は、
ボディ２４やトレンチＮ領域２８，エミッタＮ領域３０
の表面からの深さと不純物濃度との関係の一例を示すグ
ラフである。ボディ２４やトレンチＮ領域２８，エミッ
タＮ領域３０は、通常、半導体基板２０ａの表面側から
熱拡散により形成されるから、半導体基板２０ａの表面
からの深さが深くなるにしたがって不純物濃度は低くな
る。したがって、エミッタＮ領域３０下部近傍のボディ
２４の不純物濃度は、エミッタＮ領域３０が深く形成さ
れるほど低くなる。一方、ボディ２４における抵抗は、
その不純物濃度が高いほど小さくなるから、エミッタＮ
領域３０下部近傍のボディ２４の抵抗は、エミッタＮ領
域３０が深く形成されるほど高くなる。図４にエミッタ
Ｎ領域３０を浅く形成した際の様子（図４（ａ））とエ
ミッタＮ領域３０を深く形成した際の様子（図４
（ｂ））とを例示する。図中、破線の部分は素子内部に
存在する寄生ＮＰＮトランジスタである。いま、図の矢
印に示すように、エピタキシャル層２２からエミッタＮ
領域３０の下部近傍を通ってコンタクトＰ領域３２に電
流が流れる場合を考える。エミッタＮ領域３０下部近傍
の抵抗は、エミッタＮ領域３０が深く形成されるほど高
くなるから、深く形成されるほど下部近傍に発生する電
位も高くなる。この電位は、寄生ＮＰＮトランジスタの
ベースに順バイアスをかけることになるから、寄生ＮＰ
Ｎトランジスタが動作してしまうときが生じ、この動作
によっては電力用半導体装置２０を破損させる場合もあ
る。一方、エミッタＮ領域３０を浅く形成すれば、エミ
ッタＮ領域３０下部近傍の抵抗は小さくなるから、この
寄生ＮＰＮトランジスタの動作を抑制することができ、
電子なだれ降伏に対する耐量としてのアバランシェ耐量
や過大な電流に対する耐量としてのラッチアップ耐量を
向上させることができる。前述したように、エミッタＮ
領域３０に要求されるものとしては、その深さは重要視
されないから、エミッタＮ領域３０を浅く形成すること
が可能で、実施例の電力用半導体装置２０では、このた
めにエミッタＮ領域３０を浅く形成しているのである。
【００１８】以上説明した実施例の電力用半導体装置２
０によれば、エミッタＮ領域３０を浅く形成することに
より、オン抵抗を小さくすることができる。この結果、
損失の少ないものとすることができると共にアバランシ
ェ耐量やラッチアップ耐量を向上させることができる。
【００１９】実施例の電力用半導体装置２０では、ボデ
ィ２４をＰ型半導体領域として形成したが、ボディ２４
をＮ型半導体領域として形成し、エピタキシャル層２２
やトレンチＮ領域２８，エミッタＮ領域３０，コンタク
トＰ領域３２をそれぞれ異なる導電型半導体領域により
形成するものとしてもよい。
【００２０】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である電力用半導体装置２
０の構成の概略を例示する構成図である。
【図２】 実施例の電力用半導体装置２０の表面から見
た際の構成の概略を例示する説明図である。
【図３】 ボディ２４やトレンチＮ領域２８，エミッタ
Ｎ領域３０の表面からの深さと不純物濃度との関係の一
例を示すグラフである。
【図４】 エミッタＮ領域３０を浅く形成した際の様子
とエミッタＮ領域３０を深く形成した際の様子とを例示
する説明図である。
【符号の説明】
２０ 電力用半導体装置、２０ａ 半導体基板、２１
基板、２２ エピタキシャル層、２４ ボディ、２６
トレンチゲート、２７ ゲート絶縁膜、２８トレンチＮ
領域、３０ エミッタＮ領域、３２ コンタクトＰ領
域、３６，３８配線用導体。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板に形成された一導電型のボデ
    ィ領域を表面側から貫通して略平行に配置された複数の
    線状のトレンチゲートを有する電力用半導体装置であっ
    て、 該ボディ領域表面に前記トレンチゲートに絶縁膜を介し
    て接し、第１の深さに形成された複数の第１の他導電型
    半導体領域と、 隣り合う前記第１の他導電型半導体領域を接続するよう
    前記ボディ領域表面に前記第１の深さより実質的に浅い
    第２の深さに形成された第２の他導電型半導体領域とを
    備える電力用半導体装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の電力用半導体装置であっ
    て、 前記トレンチゲートは、該トレンチゲートの上端が実質
    的に前記半導体基板表面より内側となるよう形成されて
    なり、 前記第１の他導電型半導体領域は、前記トレンチゲート
    の上端の深さより深く形成されてなる電力用半導体装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項１または２記載の電力用半導体装
    置であって、 前記第１の他導電型半導体領域は、前記トレンチゲート
    に沿って形成されてなり、 前記第２の他導電型半導体領域は、隣り合うトレンチゲ
    ートに対向して形成された前記第１の他導電型半導体領
    域を梯子状に接続するよう形成されてなる電力用半導体
    装置。
  4. 【請求項４】 前記トレンチゲートの上端の少なくとも
    一部に接続された第１の配線用導体を備える請求項１な
    いし３いずれか記載の電力用半導体装置。
  5. 【請求項５】 前記ボディ領域および前記第２の他導電
    型半導体領域に接続された第２の配線用導体を備える請
    求項１ないし４いずれか記載の電力用半導体装置。
  6. 【請求項６】 前記第２の配線用導体は、前記第１の他
    導電型半導体領域に実質的に接しないよう配置されてな
    る請求項５記載の電力用半導体装置。
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