JP3444061B2 - 高耐圧横型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ - Google Patents
高耐圧横型絶縁ゲートバイポーラトランジスタInfo
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- H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
Description
の主面に二つの主電極を有する横型の絶縁ゲートバイポ
ーラトランジスタ、特にその高耐圧化のための構造に関
する。
技術の進歩により、横型のダイオードや絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタ(以下IGBTと略記する)、MO
SFETなどの高耐圧デバイスとその駆動、制御、保護
回路を一つのシリコン基板上に集積した高耐圧パワーI
Cの開発が盛んになっている。特に、酸化膜を介して二
枚の半導体基板を張り合わせた形の貼り合わせ基板(以
下SOI基板と略す)を用い、トレンチ技術を組み合わ
せた誘電体分離技術の進歩は、複数の高耐圧バイポーラ
デバイスの集積を可能とし、パワーICの適用分野を大
幅に拡げた。例えば、IGBTを適用したトーテムポー
ル回路の一チップ化や、ディスプレイ駆動用ICなどの
マルチ出力を持った集積回路へIGBTが適用されつつ
ある。
成した最も一般的な場合の断面図を示す。なお、図9に
示したのは、IGBTのスイッチングを行う単位の部分
である。また、n、pを冠した半導体層や領域はそれぞ
れ電子、正孔を多数キャリアとする層、領域を意味する
ものとする。支持基板1に埋め込み酸化膜2を介して貼
り合わされた形のn型半導体層をnベース層3とする。
このnベース層3の表面層に、その表面上に電極を設け
た横型半導体素子が形成される。SOI基板のnベース
層3は図示されないトレンチ等で他の半導体素子領域と
分離絶縁することができるので、複数の高耐圧半導体素
子の集積に適する。
域4が形成され、そのpベース領域4の表面層にnエミ
ッタ領域6とp+ コンタクト領域5とが、重なるように
形成されている。nベース層3の表面層のpベース領域
4から離れた部分にnベース層3より不純物濃度の高い
n+ バッファ領域7が形成され、そのn+ バッファ領域
7の表面層にpコレクタ領域8が形成されている。nエ
ミッタ領域6とnベース層3の表面露出部に挟まれたp
ベース領域4の上にゲート酸化膜9を介して多結晶シリ
コンのゲート電極10が設けられている。nエミッタ領
域6とp+ コンタクト領域5との表面上には共通に接触
するエミッタ電極11が、またpコレクタ領域8の表面
上にはコレクタ電極12が設けられている。pベース領
域4とその上下の拡散領域およびエミッタ電極11、ゲ
ート電極10をエミッタ・ゲート部分13と呼び、n+
バッファ領域7とその上下の拡散領域およびコレクタ電
極12をコレクタ部分14と呼ぶことにする。
の電圧印加によって、ゲート電極10直下のpベース領
域4の表面層にチャネル15が誘起され、コレクタ電極
12とエミッタ電極11間が導通する。またゲート電極
10への上記電圧を取り除くことによって、ゲート電極
10直下のチャネル15が消滅し、コレクタ電極12と
エミッタ電極11間が遮断される。このようにして、こ
の横型IGBTの動作は電流の高速スイッチングを行う
ものである。
は、エミッタ・ゲート・コレクタなどの全ての領域が同
一表面上に形成される。また、SOI基板上のデバイス
では埋め込み酸化膜2によって支持基板1と絶縁されて
いる。図7に、図9の構造を有する横型IGBTのエミ
ッタ・ゲート部分13とコレクタ部分14のパターンの
平面図を示す。横型IGBTでは、ゲート電極10直下
のチャネル15の幅を長くするため、pベース領域4の
周辺長を長くすることが望ましく、櫛形のエミッタ・ゲ
ート部分13とコレクタ部分14とが配置された図7の
ようなパターンが一般的に実施されている。
・ゲート部分13とコレクタ部分14との組合せをユニ
ットセルと呼ぶ。一つの素子を構成するユニットセルの
数は、素子に要求される電流の大きさで決まる。また、
エミッタ・ゲート部分13とコレクタ部分14との間
隔、すなわちドリフト長17は、素子に要求される耐圧
で決まる。
成されている。第一はエミッタ・ゲート部分13とコレ
クタ部分14が平行に配置された直線部分19である。
第二はコレクタ部分14の端が凸となり、その外周がエ
ミッタ・ゲート部分13で囲まれたコレクタコーナ20
である。そして第三がエミッタ・ゲート部分13の端が
凸となり、その外周がコレクタ部分14で囲まれたエミ
ッタコーナ21である。
クタコーナ20に関係する。図10に、そのコレクタコ
ーナ20の拡大図を示す。なお、図10は、電極等を除
去した状態のシリコン表面の平面図である。コレクタコ
ーナ20では、pベース領域4の凹部に対向してn+ バ
ッファ領域7の凸部がある。n+ バッファ領域7内には
ほぼ相似形のpコレクタ領域8がある。pベース領域4
内にはnエミッタ領域6とp+ コンタクト領域5が見ら
れる。この図のA−A’線、B−B’線に沿った断面図
はいずれも図9のようになる。
のエミッタ・ゲート部分13とコレクタ部分14との組
み合わされたユニットセルの別のパターンを示す。この
場合は、島状のコレクタ部分14を囲んで周囲がエミッ
タ・ゲート部分13となっている。ゲート電極直下のチ
ャネルの幅を長くするため、pベース領域4の周辺長は
長くなっている。このように、多数のユニットセルによ
って素子を構成する場合、一つの領域が他の領域によっ
て完全に囲まれたユニットセルを組み合わせて一つの素
子が構成される場合もある。
ッタ・ゲート領域13が配置されているので、このパタ
ーンにはエミッタコーナが存在しない。
では、素子の高耐圧化が大前提となる。一般に横型デバ
イスでは基板の表面横方向および厚さ方向でも耐圧を確
保しなければならない。特にSOI基板上のデバイスで
は埋め込み酸化膜2に如何に電圧を維持させるかが高耐
圧化の鍵になる。
IGBTにおいては、n+ バッファ領域7直下のnベー
ス層3と埋め込み酸化膜2との間でアバランシェを発生
させることが理想とされる。しかしながら、通常の横型
IGBTでは、エミッタ・ゲート部分13とコレクタ部
分14とが櫛形パターンに配置される。このセルパター
ンにおいて、コレクタ部分14が凸となるコレクタコー
ナー20ではn+ バッファ領域7(およびpコレクタ領
域8)の端部が凸となり、この曲率による電界集中がn
+ バッファ領域7の端部で発生する。この電界集中のた
め、素子耐圧が理想耐圧よりも低くなる問題がある。
リフト領域を有する横型IGBTに高耐圧を印加した場
合の素子内部の電位分布のシミュレーション結果を示
す。SOI基板上の横型IGBTでは、素子内部の等電
位線22はn+ バッファ領域7近傍で集中している。従
って素子耐圧を左右するアバランシェの発生はn+ バッ
ファ領域7直下のnベース層3と埋め込み酸化膜2の界
面およびnバッファ領域7とnベース層3の界面で起き
ることが確かめられた。
横型IGBTにおいて、セル内部に配置された領域から
の配線を、外周を構成する領域の配線金属と同一の金属
膜で形成した場合、内部の領域から引き出された金属配
線の直下には当然金属膜がなく、その部分の半導体領域
は引き出し配線の電位の影響を受けることになる。そし
てこの引き出し配線直下およびこの引き出し配線と外周
領域が交差する領域での電界集中による耐圧低下や、配
線ショートを起こし易い。これらの事故を防ぐ目的か
ら、この引き出し配線と外周領域が交差する領域で複雑
な処理を施さなければならない。この処理は素子の設計
を複雑にし、且つ設計通りの耐圧確保を困難にする。
圧維持に関して以上のような問題を有している。以上の
問題に鑑み本発明の目的は、上記の電界の集中問題およ
び引き出し配線問題を解決した高耐圧のIGBTを提供
することにある。
め本発明は、半導体基板上に酸化膜を介して形成された
第一導電型ベース層の表面層に選択的に形成された第二
導電型ベース領域と、その第二導電型ベース領域の表面
層に選択的に形成された第一導電型エミッタ領域および
第二導電型コンタクト領域と、その第一導電型エミッタ
領域と第一導電型ベース層の表面露出部とに挟まれた第
二導電型ベース領域の表面上にゲート酸化膜を介して設
けられたゲート電極と、第一導電型エミッタ領域と第二
導電型コンタクト領域との表面に共通に接触するエミッ
タ電極と、第二導電型ベース領域から離れた第一導電型
ベース層の表面層に選択的に形成された第一導電型バッ
ファ領域と、その第一導電型バッファ領域の表面層に形
成された第二導電型コレクタ領域と、その第二導電型コ
レクタ領域の表面に接触するコレクタ電極とを有する横
型絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、第二導
電型コレクタ領域は平面形状が凸部の領域を有し、該凸
部を囲むように第二導電型ベース領域の平面形状が凹部
に形成され、第二導電型コレクタ領域の凸部先端に第一
導電型ショート領域が形成され、該ショート領域とコレ
クタ電極とが接触するものとする。
の凹部に対向していて電界集中が発生する第二導電型コ
レクタ領域の凸部先端での注入効率が零となり、この箇
所でのアバランシェ発生キャリアを低く抑えることがで
きる。その結果、コレクタコーナでの耐圧低下を防ぐこ
とができ、素子耐圧を理想耐圧に近づけることが可能と
なる。
に第二導電型ベース領域が形成されている絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタにおいても第二導電型コレクタ領
域の凸部先端に第一導電型ショート領域を形成するもの
とすれば、第二導電型コレクタ領域の凸部先端での注入
効率が零となり、この箇所でのアバランシェ発生キャリ
アを低く抑えることができる。
エミッタ電極上に絶縁膜を介して配置されているものと
する。そのようにすれば、エミッタ電極の下部の半導体
領域がコレクタ電極のの引き出し配線の影響を受けるこ
とがない。これにより、配線が一層金属だけで構成され
た時に必要となった複雑な処理を省くことができる。ま
た、配線の引き出しにより耐圧低下などの問題も回避で
きる。
第二導電型コレクタ領域が形成され、第二導電型ベース
領域の凹部に対向する第二導電型コレクタ領域の凸部が
ないものとする。そのようにすれば、電界集中が発生す
るような第二導電型ベース領域の凹部に対向する第二導
電型コレクタ領域の凸部がないので、電界集中が発生し
ない。その結果、素子耐圧を理想耐圧に近づけることが
可能となる。
コレクタ電極上に絶縁膜を介して配置されているものと
する。そのようにすれば、コレクタ電極の下部の半導体
領域がエミッタ電極の引き出し配線の影響を受けること
がない。これにより、配線が一層金属だけで構成された
時に必要となった複雑な処理を省くことができる。ま
た、配線の引き出しにより耐圧低下などの問題も回避で
きる。
実施例について説明する。 〔実施例1〕図1は、本発明の第一の実施例(以後実施
例1と記す。以下同様)の横型IGBTの電極等を除去
した状態のシリコン表面の部分平面図であり、櫛形のエ
ミッタ・ゲート部分とコレクタ部分とが組み合わされた
パターンのコレクタコーナを示している。pベース領域
4の内部には、nエミッタ領域6とp+ コンタクト領域
5とが形成されている。pベース領域4に対向してn+
バッファ領域7があり、その内部にpコレクタ領域8が
形成されている。図9の従来例との違いは、コレクタコ
ーナ20のpベース領域4の凹部に対向するpコレクタ
領域8の先端部に、n+ ショート領域18が形成されて
いる点である。
が、このn+ ショート領域18およびpコレクタ領域8
の表面に共通に接触している。また、このn+ ショート
領域18はnエミッタ領域6と同じ表面不純物濃度、拡
散深さでよく、同時に形成できる。図2(a)は、図1
のC−C’線に沿った断面図である。支持基板1上のn
ベース層3の表面層に形成されたpベース領域4内にn
エミッタ領域6とp+ コンタクト領域5とが、一部が重
なるように形成されている。nベース層3の表面層のp
ベース領域4から離れた部分にnベース層3より不純物
濃度の高いn+ バッファ領域7が形成されている。nエ
ミッタ領域6とnベース層3の表面露出部に挟まれたp
ベース領域4の上にゲート酸化膜9を介して多結晶シリ
コンのゲート電極10が設けられている。nエミッタ領
域6とp+ コンタクト領域5との表面上には共通に接触
するエミッタ電極11が設けられている。これらは、図
9の従来の横型IGBTと同じである。n+ バッファ領
域7の表面層にはpコレクタ領域8の他に、n+ ショー
ト領域18が形成されている様子がよくわかる。コレク
タ電極12はpコレクタ領域8とn+ ショート領域18
の表面に接触して設けられている。図2(b)は、図1
のD−D’線に沿った断面図であり、図9の断面とほぼ
同じである。各部の概寸の例を挙げると、pベース領域
4の幅は20μm、拡散深さ4μm、n+ バッファ領域
7の幅が20μm拡散深さ5μmである。
領域18を設けたことによって変わることはなく、従来
の横型IGBTと同じであり説明を省略する。図3
(a)、(b)に試作した実施例1の横型IGBTおよ
び比較のための従来の横型IGBTの耐圧波形をそれぞ
れ示す。横軸は電圧、縦軸は電流である。実施例1の横
型IGBTはドリフト長17が30μm、nベース層3
となるエピタキシャル層の厚さが10μm、比抵抗がn
型の5Ω・cmである。埋め込み酸化膜2の厚さは2μ
mである。ゲート酸化膜9、フィールド酸化膜16の厚
さはそれぞれ0.25μm、と0.8μmである。
の実施例1の横型IGBTは耐圧が約320Vであり、
図3(b)の従来素子の耐圧280Vと比較して40V
も向上している。実施例1で得られた320Vの耐圧は
シミュレーションから得られる理想耐圧とほぼ一致して
いる。実施例1の素子と従来素子との違いはコレクタコ
ーナ部のコレクタショート領域の有無だけであり、コレ
クタコーナ部にコレクタショート層を導入するだけで素
子耐圧を大きく改善することができた。
いて電界集中が発生するpコレクタ領域8の凸部先端で
の注入効率が零となり、この箇所でのアバランシェ発生
キャリアを低く抑えることができるためである。その結
果、コレクタコーナ20部での耐圧低下を防ぐことがで
き、素子耐圧を理想耐圧に近づけることが可能となる。
150℃における耐圧結果を図4(a)、(b)に示
す。図4(a)が実施例1の横型IGBTの耐圧波形で
あり、同図(b)は従来素子の耐圧波形である。高温に
おける特性差は顕著であり、実施例1の横型IGBTは
リーク電流がほとんどなく、耐圧も350Vと室温時よ
りも30V上昇している。一方、従来の素子の図4
(b)では大きなリーク電流が発生し、耐圧特性が室温
時に比べ劣化していることがわかる。本発明が高温時に
おいても効果が現れたのは、高温時に空乏層中に発生し
たキャリアがコレクタショート領域によって引き抜かれ
るためと考えられる。 〔実施例2〕図5(a)は、本発明の第二の実施例の横
型IGBTの電極等を除去した状態のシリコン表面の部
分平面図である。島状のn+ バッファ領域7とこれを囲
むpベース領域4とが組み合わされ、両端にコレクタコ
ーナ20があるユニットセルである。n+ バッファ領域
7の内部にpコレクタ領域8が形成されている。pベー
ス領域4の凹部に対向するpコレクタ領域8の先端部
に、n+ ショート領域18が形成されている。もちろん
pベース領域4の内部には、nエミッタ領域6とp+ コ
ンタクト領域5とが形成されている。
設けたコレクタ電極12とエミッタ電極11とを示して
いる。コレクタ電極12は、n+ コレクタショート領域
18およびpコレクタ領域8の表面に共通に接触してい
る。エミッタ電極11はnエミッタ領域6とp+ コンタ
クト領域5の表面に共通に接触して設けられている。こ
こで、エミッタ電極11とコレクタ電極12とはともに
スパッタリングによって堆積されたAl合金の薄膜であ
るが、同時に堆積されたものではない。エミッタ電極1
1は先に堆積された一層目金属膜であり、コレクタ電極
12は後から堆積された二層目金属膜である。そして、
コレクタ電極12の引き出し部分23は、絶縁膜を介し
てエミッタ電極11上に延びた二層目金属膜である。す
なわち、引き出し部分23は二層の金属配線となってい
る。一層目金属と二層目金属は1μm以上の厚みを持っ
た絶縁膜によって絶縁されているため、図5のように二
層目金属が一層目金属と交差しても、300V程度の電
圧下では両者間の相互作用がない。これによって、一層
金属のみを使用した場合の複雑な処理が省かれ、しかも
配線交差による耐圧低下も起こらない。この実施例2の
IGBTにおいても、実施例1と同様の優れた耐圧特性
を示した。
目金属膜と二層であってもよい。また、コレクタ電極1
2の引き出し部分23の下の部分を除くエミッタ電極1
1も一層目金属膜と二層目金属膜と二層にすることもで
きる。 〔実施例3〕図6(a)は、本発明の第三の実施例の横
型IGBTの電極のパターンを削除したシリコン表面の
部分平面図である。島状のエミッタ・ゲート部分13と
これを囲むコレクタ部分14とが組み合わされ、両端に
エミッタコーナ21があるユニットセルである。すなわ
ち島状のpベース領域4の内部には、nエミッタ領域6
とp+ コンタクト領域5とが形成されている。そしてこ
れを囲むn+ バッファ領域7があり、その内部にpコレ
クタ領域8が形成されている。この場合は、pベース領
域4の凹部に対向するpコレクタ領域8はないので、n
+ ショート領域18が形成されることはない。
設けたコレクタ電極12とエミッタ電極11とを示して
いる。コレクタ電極12は、pコレクタ領域8の表面に
接触している。エミッタ電極11はnエミッタ領域6と
p+ コンタクト領域5の表面に共通に接触して設けられ
ている。ここで、コレクタ電極12は先に堆積された一
層目金属膜であり、エミッタ電極11は後から堆積され
た二層目金属膜である。そして、エミッタ電極11の引
き出し部分24は、絶縁膜を介してコレクタ電極12上
に延びた二層目金属膜である。すなわち、引き出し部分
24は二層の金属配線となっている。この場合も一層目
金属と二層目金属は1μm以上の厚みを持った絶縁膜に
よって絶縁されているため、300V程度の電圧下では
両者間の相互作用がない。これによって、一層金属のみ
を使用した場合の複雑な処理が省かれ、しかも配線交差
による耐圧低下もおこらない。この実施例3のIGBT
においても、実施例1と同様の優れた耐圧特性を示し
た。
目金属膜と二層であってもよい。また、エミッタ電極1
1の引き出し部分24の下の部分を除くコレクタ電極1
2も一層目金属膜と二層目金属膜と二層にすることもで
きる。
OI基板上に形成した横型IGBTにおいて、第二導電
型コレクタ領域が凸となるコレクタコーナの第二導電型
コレクタ領域の先端部に第一導電型ショート領域を設け
ることにより、素子耐圧に顕著な改善が見られる。この
第一導電型ショート領域の導入の効果は高温状態になる
ほど大きく、高温時のリーク電流防止にも効果大であ
る。
分との一方が他方を完全に囲んで形成されるパターンを
有する横型IGBTにおいて、内側の部分からの引き出
し配線を、絶縁膜を介して外側の部分の電極上に配置す
ることにより、引き出し配線の電位の影響等を防止で
き、金属配線が一層だけで構成された時に必要となった
複雑な処理を省くことができる。また、配線の引き出し
による耐圧低下などの問題も回避できる。
(b)はD−D’線における断面図
GBTおよび従来素子の室温における耐圧波形図
GBTおよび従来素子の150℃における耐圧波形図
面の部分平面図、(b)は電極形成後の部分平面図
面の部分平面図、(b)は電極形成後の部分平面図
パターン図
セルパターン図
圧を印加した場合の素子内部における電位分布図
Claims (3)
- 【請求項1】半導体基板上に酸化膜を介して形成された
第一導電型ベース層の表面層に選択的に形成された第二
導電型ベース領域と、その第二導電型ベース領域の表面
層に選択的に形成された第一導電型エミッタ領域および
第二導電型コンタクト領域と、その第一導電型エミッタ
領域と第一導電型ベース層の表面露出部とに挟まれた第
二導電型ベース領域の表面上にゲート酸化膜を介して設
けられたゲート電極と、第一導電型エミッタ領域と第二
導電型コンタクト領域との表面に共通に接触するエミッ
タ電極と、第二導電型ベース領域から離れた第一導電型
ベース層の表面層に選択的に形成された第一導電型バッ
ファ領域と、その第一導電型バッファ領域の表面層に形
成された第二導電型コレクタ領域と、その第二導電型コ
レクタ領域の表面に接触するコレクタ電極とを有する横
型絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、第二導
電型コレクタ領域は平面形状が凸部の領域を有し、該凸
部を囲むように第二導電型ベース領域の平面形状が凹部
に形成され、第二導電型コレクタ領域の凸部先端に第一
導電型ショート領域が形成され、該ショート領域とコレ
クタ電極とが接触することを特徴とする高耐圧横型絶縁
ゲートバイポーラトランジスタ。 - 【請求項2】第二導電型コレクタ領域を囲むように第二
導電型ベース領域が形成され、コレクタ電極の引き出し
配線が、エミッタ電極上に絶縁膜を介して配置されてい
ることを特徴とする請求項1に記載の高耐圧横型絶縁ゲ
ートバイポーラトランジスタ。 - 【請求項3】半導体基板上に酸化膜を介して形成された
第一導電型ベース層の表面層に選択的に形成された第二
導電型ベース領域と、その第二導電型ベース領域の表面
層に選択的に形成された第一導電型エミッタ領域および
第二導電型コンタクト領域と、その第一導電型エミッタ
領域と第一導電型ベース層の表面露出部とに挟まれた第
二導電型ベース領域の表面上にゲート酸化膜を介して設
けられたゲート電極と、第一導電型エミッタ領域と第二
導電型コンタクト領域との表面に共通に接触するエミッ
タ電極と、第二導電型ベース領域から離れた第一導電型
ベース層の表面層に選択的に形成された第一導電型バッ
ファ領域と、その第一導電型バッファ領域の表面層に形
成された第二導電型コレクタ領域と、その第二導電型コ
レクタ領域の表面に接触するコレクタ電極とを有する横
型絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、第二導
電型ベース領域を囲むように第二導電型コレクタ領域が
形成され、エミッタ電極の引き出し配線が、コレクタ電
極上に絶縁膜を介して配置されていることを特徴とする
高耐圧横型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP30553595A JP3444061B2 (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 高耐圧横型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ |
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JPH09148574A JPH09148574A (ja) | 1997-06-06 |
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