JP4696327B2 - Insulated gate type semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート電極に電圧を与える事によって他の両極間を流れる電流を制御する半導体素子に関する。特に、高ラッチアップ耐量化および低オン電圧化を目的とした絶縁ゲート形半導体素子の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
絶縁ゲート形トランジスタは、ゲート電圧による電界効果によって、半導体の電気伝導度を変化させ、ゲート領域の両端に設けられた他の領域間を流れる電流を制御するものである。例えば、電力用としてはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が知られている。IGBTは、十数ボルトの制御電圧で数十アンペアの電流を制御するものである。しかしながら、大電流を流すと内部構造上、後述する寄生トランジスタが作動しラッチアップ状態となる。そのため、従来から高ラッチアップ耐量と低オン電圧が要求されている。例えば、高ラッチ耐量化および低オン電圧化を考慮した半導体素子としては、縦形IGBTがある。また、ほぼ同等の構造を持ちトレンチ構造のゲート電極を特徴とした半導体装置(特開平1−198076)がある。
【0003】
従来の縦型IGBTの構造を図14に示す。その等価回路は図3と同一である。縦型IGBTは、p+ 形不純物がドープされたシリコン基板をコレクタ領域70とし、その上にエピタキシャル成長技術、リソグラフィ技術、イオン注入技術、拡散技術、エッチング技術等の所謂プレーナー技術によって順次形成された、n+ 形バッファ領域71、n- 形ベース領域72、p形ベース領域73、n+ 形エミッタ領域74、p+ 形エミッタ領域80、絶縁ゲート膜76およびCVD(Chemical Vapor Deposition )等によって形成されたゲート電極75、エミッタ電極77、コレクタ電極78から構成される。尚、n形バッファ領域71は形成しなくてもよい場合もある。
【0004】
図14と図3を参照すれば、この素子においてはn+ 形エミッタ領域74,p形ベース領域73,n- 形ベース領域72で電界効果形トランジスタ(Tr1)が形成され、p形ベース領域73,n- 形ベース領域72,p+ 形コレクタ領域70でバイポーラトランジスタ(Tr2)が形成される。
Tr1を制御することによって、Tr2に流れる電流を制御する構造であるが、n+ 形エミッタ領域74,p形ベース領域73,n- 形ベース領域72とで形成されるバイポーラトタンジスタ(Tr3)が寄生する構造ともなっている。
【0005】
エミッタ電極77を接地とし、コレクタ電極78に例えば数百Vの正電圧を、ゲート電極75に数V〜十数Vの正電圧を印可すると、まず図3に示す電界効果形トランジスタ(Tr1)がONし、n- 形ベース領域72に電子が流れ込む。 これにより、p+ 形コレクタ領域からn- 形ベース領域72へホールが注入され、高比抵抗のn- 形ベース領域72の電子濃度とホール濃度を等しく増大させる伝導度変調効果が発生する。
IGBTは、この伝導度変調効果により、オン電圧の低減を可能とした素子である。そのスイッチング速度は、パワートランジスタより1桁早く、その電流容量は、MOSトランジスタより1桁〜2桁大きいことを特徴とする。そして、そのスイッチング速度が速いことから、近年ますますその電流の大容量化が求められている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、IGBTには上述したように、n+ エミッタ領域74,p形ベース領域73,n- 形ベース領域72からなるnpn形寄生トランジスタTr3が存在する。Tr2に大電流を流すと、即ちn- 形ベース領域72からp+ エミッタ領域80に大電流を流すと、p+ エミッタ領域80に抵抗Rpがあるため、エミッタ電極77とp形ベース領域73にΔV(=I・Rp)の電位差が発生することになる。このΔVが閾値電圧(約0.7V)を越えるとTr3がON状態となる。すなわち、図3で示すTr2とTr3からなる寄生サイリスタがON状態となり常時電流が流れ、ゲート電圧では、このIGBTを制御できなくなるという問題があった(ラッチアップ状態)。
【0007】
そこで従来例では、不純物濃度をさらに高くしたp+エミッタ領域80を設けて抵抗値Rpを下げたり、場合によってはp+ エミッタ領域80を取り除き、代わりにトレンチ構造の電極とし(例えば、特開平1−198076)、直接p形ベース領域73に電極を接合させて、ラッチアップを回避する工夫がなされていた。
しかしながら、従来例のようにp形ベース領域73とn+ エミッタ領域74によるpn接合面にホール電流が注入されやすい構造をとっている以上、より大きい電流が流れるとp形ベース領域73の電位が上昇して以前と同様に寄生サイリスタがON状態となり、さらなる高ラッチアップ耐量化は実現されるものではなかった。
【0008】
また、ゲート電極75間を狭めれば、p+ 形コレクタ領域70から注入されたホールをn- 形ベース領域72に蓄積して伝導度変調効果を向上させ、その結果オン電圧を低減させることができる。しかしながら、上記n+ エミッタ領域74,p形ベース領域73、p+ エミッタ領域80を上記ゲート電極間に形成する従来の構成では、その狭間隙化にも限界がある。即ち、低オン電圧化にも限界があった。
【0009】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものでありその目的は、絶縁ゲート形半導体素子とくにIGBTにおいて、n+ エミッタ領域とゲート電極およびp形ベース領域の位置関係によって、およびn+ エミッタ領域とp形ベース領域の接合形状によって、ホール電流の流れ方を抑制して高ラッチアップ耐量、低オン電圧および高耐圧に優れた絶縁ゲート形半導体素子を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項1に記載の絶縁ゲート形半導体素子は、絶縁ゲート形半導体素子であって、第1伝導形キャリアおよび第2伝導形キャリアの流路側面に電気的絶縁膜を伴ったゲート電極を設け、ゲート電圧によって、エミッタ電極、第1伝導形エミッタ領域、電気絶縁膜上の第2伝導形ベース領域、第1伝導形ベース領域の経路で第1伝導形キャリアが流れ、ゲート電圧によって、コレクタ電極から第2伝導形コレクタ領域、第1伝導形ベース領域、第2伝導形ベース領域、エミッタ電極の経路で流れる電流を制御する絶縁ゲート形半導体素子において、電気的絶縁膜を伴ったゲート電極は、その上面が第2伝導形ベース領域の下面に接合し、コレクタ電極からエミッタ電極に向けて、コレクタ電極の主面に垂直方向に流れる電流路を、主面に平行な面の中央部において狭めるように、水平方向に一定の厚さを有して、絶縁ゲート形半導体素子の周辺部から伸長して形成され、エミッタ電極は、狭められた電流路の上部を含み、第1伝導形エミッタ領域、2伝導形ベース領域の上面の全面に接合され、コレクタ電極は、第2伝導形コレクタ領域の下面の全面に形成され、第2伝導形ベース領域とエミッタ電極との接合面において、第2伝導形ベース領域は、その中央部側が厚く第1伝導形エミッタ領域側が薄くなる段差を有し、第1伝導形エミッタ領域は、エミッタ電極と対面するゲート電極の電気的絶縁膜上であって、電気的絶縁膜上に反転層が形成される位置において、エミッタ電極と第2伝導形ベース領域に接合して形成されているとともに、第1伝導形エミッタ領域の厚さは、段差により、第2伝導形ベース領域の中央部における厚さよりも薄いことを特徴とする。
【0011】
【0012】
また、請求項2に記載の絶縁ゲート形半導体素子は、第1伝導形ベース領域の第2伝導形ベース領域との接合付近に、コレクタ領域から注入された第2伝導形キャリアの第2伝導形ベース領域へ至る電流路を狭くするよう電気的絶縁領域を形成したことを特徴とする。
【0013】
【作用および発明の効果】
請求項1に記載の絶縁ゲート形半導体素子は、電気的絶縁膜を伴ったゲート電極が、エミッタ電極に近い領域において第1伝導形キャリアおよび第2伝導形キャリアの流路を狭めるように所定の形状で所定の深さに形成されている。
そして、第2伝導形コレクタ領域から第1伝導形ベース領域へ注入された第2伝導形キャリアが第2伝導形ベース領域への拡散時に、第1伝導形エミッタ領域への到達が困難となり、エミッタ電極への到達が容易になるように、第1伝導形エミッタ領域をエミッタ電極と対面するゲート電極の電気的絶縁膜上にエミッタ電極と第2伝導形ベース領域に接合して形成されている。
また、その第1伝導形エミッタ領域の電流方向への厚さが第2伝導形ベース領域の厚さ以下に設定されている。
【0014】
上記ゲート電極に電圧を印可すると、まず第1伝導形エミッタ領域、第2伝導形ベース領域、第1伝導形ベース領域から構成される電界効果形トランジスタがONされ、第1伝導形エミッタ領域から第1伝導形キャリヤが第2伝導形ベース領域に注入される。それに伴って、上記第2伝導形コレクタ領域から第1伝導形ベース領域に第2伝導形キャリアが注入され、この第1伝導形ベース領域内に拡散する。拡散した第2伝導形キャリアは電気的絶縁膜を伴った上記ゲート電極によって狭められた流路を通過し、拡散の位置および方向が制限される。
【0015】
一方、第1伝導形エミッタ領域、第2伝導形ベース領域および第1伝導形ベース領域は寄生トランジスタを構成する。この寄生トランジスタのエミッタともなる第1伝導形エミッタ領域は、この拡散流から離れた箇所、すなわちエミッタ電極側と対面するゲート電極の電気的絶縁膜上に形成されている。
従って、この制限を受けた少数キャリヤは、第1伝導形エミッタ領域にはほとんど流れず、大多数は直接エミッタ電極へ流入する。即ち、寄生トランジスタのベースである第2伝導形ベース領域の電位は上昇することはない。即ち、所定の最大電流値内では寄生トランジスタはONすることはない。よって、高ラッチアップ化が実現される。
【0016】
さらにこの時、第1伝導形エミッタ領域の電流方向への厚さは上記第2伝導形ベース領域の厚さ以下に設定するのが望ましい。第1伝導形エミッタ領域の電流方向への厚さを薄くすればその抵抗成分も小さくなり、第1伝導形キャリアによる第2伝導形ベース領域の電位上昇が抑制される。よって、より大電流化が可能となる。換言すれば、オン電圧をより低減することができる。
【0017】
また、電気的絶縁膜を伴ったゲート電極により流路を狭められることにより、第1伝導形ベース領域におけるこの流路内の第2伝導形キャリアの密度が高まるので、第1伝導形ベース領域内のエミッタ電極に近い領域の伝導度変調効果も高まり、実質的にオン電圧を低減することができる。
【0018】
また、第2伝導形ベース領域がその端部において段差形状に形成され第1伝導形エミッタ領域と等しい厚さで接合されている。
第1伝導形ベース領域から第2伝導形ベース領域に拡散した第2伝導形キャリアは、大部分はエミッタ電極に向かうが一部は、第1伝導形エミッタ領域に向かう。
この時、第2伝導形ベース領域の厚さは一様ではなく、その端部において段差形状に形成されている。即ち、エミッタ電極が第2伝導形キャリアの経路を狭めるように形成されている。従って、第1伝導形エミッタ領域に向かう上記キャリアは途中でそのエミッタ電極に吸収される。換言すれば、第2伝導形ベース領域と第1伝導形エミッタ領域間の抵抗が低減される。即ち、第2伝導形キャリアによる第2伝導形ベース領域の電位上昇が抑制される。よって、同上の理由によりラッチアップ耐量が向上せられ、さらに大電流化が可能となる。
また、第2伝導形ベース領域を厚くすることができるので、高耐圧とすることができる。これにより、高耐圧で高ラッチアップ耐量を実現する絶縁ゲート形半導体素子となる。
【0019】
また、請求項2に記載の絶縁ゲート形半導体素子は、第1伝導形ベース領域の第2伝導形ベース領域との接合付近に、コレクタ領域から注入された第2伝導形キャリアが第2伝導形ベース領域へ至る電流路を狭くする電気的絶縁領域を形成している。
電気的絶縁領域が、ゲート電極によって狭められた第1伝導形ベース領域の第2伝導形キャリアの流路内に形成されているので、コレクタ領域から注入された少数キャリアである第2伝導形キャリアは第1伝導形ベース領域である高抵抗ベース領域内に蓄積され、その濃度が向上する。エミッタ領域に近い領域の高抵抗ベース領域内において、少数キャリアの濃度が向上する結果、伝導度変調度が高くなり、結果的にオン電圧が低下される。
従って、請求項1記載の絶縁ゲート形半導体素子と同様、ラッチアップ耐量の高度化が保持されるとともに、さらなる低オン電圧化が実現できる。
尚、上記の説明において、第1伝導形をn形とすれば第1伝導形キャリアは電子、第2伝導形はp形、第2伝導形キャリアはホールである。逆に、第1伝導形をp形とすれば、第1伝導形キャリアはホール、第2伝導形はn形、第2伝導形キャリアは電子である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。尚、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
第1実施例
以下の説明では、第1伝導形はn形、第1伝導形キャリアは電子、第2伝導形はp形、第2伝導形キャリアはホールである。
図1に、本発明によるIGBTの第1実施例を示す。図は、セル構造を示す断面図である。本実施例の絶縁ゲート形半導体素子は、p+ 形コレクタ領域10の上にn+ 形バッファ領域11を、そのn+ 形バッファ領域11の上に高抵抗領域であるn- ベース領域12を有している。また、そのセルピッチwは、約4μmである。
【0021】
更に、n- ベース領域12の上部両側面には電気的絶縁膜14a,14bを伴ったゲート電極13a,13bを有し、両電極はキャリアの流路を狭めるようにn- ベース領域12中に電極間距離Lを伴って形成されている。
また、電気的絶縁膜14a、14bの一部とn- 形ベース領域12上に密着してp形ベース領域16を有し、その両側の電気的絶縁膜14a,14b上にn+形エミッタ領域15a、15bを有している。この時、p形ベース領域16の端部は、段差を有してn+形エミッタ領域15a、15bに接合されている。
さらに、そのn+ 形エミッタ領域15a、15bおよび隣接したp形ベース領域16上にはエミッタ電極18が、p+ コレクタ領域10にはコレクタ電極19が形成されている。本実施例の絶縁ゲート形半導体素子は、このような構造となっている。
【0022】
図2に上記絶縁ゲート形半導体素子の製造方法を示す。上記構造は、リソグラフィ技術、固相エピタキシャル技術を中心としたプレーナー技術によって作製される。本実施例では、以下の(a)〜(d)の4工程に分けられる。尚、図2は製造工程の主要部分を示したものであり、図示されない箇所は図1と同様である。
工程(a)では、先ず図1に示すp+ シリコン基板のp+ コレクタ領域10上に、例えば厚さ15μmのn + エピタキシャル層11を形成する。次に、このn + エピタキシャル層11上に例えば厚さ60μmのn - エピタキシャル層を形成し、n- 形ベース領域12を形成する(図2)。この時のn- 形ベース領域12の不純物濃度は1×1014 /cm3 である。
次いで、この状態で熱処理をする。これにより、n- 形ベース領域12の表面に例えば厚さ100nmのシリコン酸化膜が形成される。シリコン酸化膜は後述する電気的絶縁膜14bの一部となる。
その後、厚さ例えば200nmのリンドープの多結晶Si,及び100nmのシリコン酸化膜を順次堆積させ、パターニング技術およびエッチング技術により中央部を削除する。これにより、上下が電気的絶縁膜14a,14bに挟まれたゲート電極13a、13bが形成される(図2(a) ) 。
【0023】
次に、工程(b)ではこの基板上にシリコン酸化膜等を50〜200nm堆積させる。次いで、RIE(Reactive lon Etching)によりゲート電極13a,13bの側壁にシリコン酸化膜を形成し、電気的絶縁膜としてのサイドウォール14cを形成する( 図2(b) ) 。
次いで、工程(c)に移る。尚、電気的絶縁膜14a、14b、14cの厚さは、共に約約0.1μmである。
【0024】
工程(c)では、この後、例えば厚さ1μmのアモルファスSiをCVD等により形成し、SPE(Solid Phase Epitaxy) 技術等により単結晶Si層16Aを形成する。その後、この単結晶Si層16Aを例えばRIEにより厚さ0 .5 μmまで薄くする( 図2(c) ) 。次いで、工程(d)に移る。
【0025】
工程(d)では、レジストパターン技術とイオン注入技術等により、中央部に例えばボロンをイオン注入しpベース領域16を形成する。さらに、両側端部に例えばリンをイオン注入してn+ エミッタ領域15a、15bを形成する。そして、熱拡散等により所望の不純物プロファイルが得られるようにする。
その後、上述のRIE技術等によりn+ 形エミッタ領域15a、15b領域を所定の厚さ、例えば厚さ約0.3μmまでエッチングする。この時の、n+ 形エミッタ領域15a、15bの不純物表面濃度は1×1020/cm3 である。このようにして絶縁ゲート形半導体素子の基本構造を作製する。( 図2(d) ) 。
尚、工程(d)のエッチングは、p形ベース領域16とn+ 形エミッタ領域15a,15bの境界に跨って行ってもよい。詳細は後述するが、このような構造にすれば高耐圧化と、高ラッチアップ耐量化が実現される。
尚、このエッチングは上記pベース領域16及びn+ エミッタ領域15a、15bの形成前に行なっても良い。以上が、本実施例の絶縁ゲート形半導体素子の製造方法である。
【0026】
次に、図1,図3を用いて上記絶縁ゲート形半導体素子の動作を説明する。図3は、上記構成の絶縁ゲート形半導体素子の等価回路である。本素子は、耐圧600V、カットオフ電圧4Vに設計されている。エミッタ電極18を接地とし、コレクタ電極19に例えば数百Vの正電圧を、ゲート電極13a,13bにカットオフ電圧よりも十分に高い数V〜十数Vの正電圧を印可する。この時、まずp形ベース領域16と電気的絶縁膜14a,14bの境界面に、電界効果により反転層17a、17bができる(図1)。電子はその反転層17a、17bを通してそれぞれn+ エミッタ領域15a,15bからn- 形ベース領域12へ流れ込み(即ち図3に示す等価回路のTr1がONし)、強い電界によってコレクタ領域10の方向へ拡散される。
【0027】
一方、電子の拡散が十分進むと、n- 形ベース領域12の電位が低下する。n- 形ベース領域12の電位が低下すると、pn接合が順方向にバイアスされるため、p+ 形のコレクタ領域10からホールがn- 形ベース領域12に注入される。注入されたホールは、n- 形ベース領域12をエミッタ電極18の方向へ拡散され、ゲート電極13a,13bで狭められたキャリア蓄積領域12Aに集められる。その結果、その領域においてキャリア濃度が高くなり、伝導度変調によりn- 形ベース領域12の抵抗値を下げることになる。これにより、大電流がエミッタ領域15a、15bに流れ込み、またn- 形ベース領域12のホールも大電流としてp形ベース領域16に流れ込む。即ち、Tr2がON状態となる。
【0028】
この際、通常、p形ベース領域16には、エミッタ電極18方向への抵抗Rpが存在する。キャリアの通過経路は、直接エミッタ電極18に向かう経路とn+ 形エミッタ領域15a,15bを経由する経路の2経路がある。即ち、上記抵抗Rpはこの2経路の抵抗値の合成抵抗である。
これにより、大電流が流れるとp形ベース領域16の電位が上昇し、n+ 形エミッタ領域15a,15b、p形ベース領域16、およびn- 形ベース領域12からなる寄生Tr3がON状態となる。即ち、Tr1からは制御できず電流が流れ続けるラッチアップ状態となる。
【0029】
大電流を確保しつつ、この電位差を発生させないようにするためには、このRpをできる限り小さくする必要がある。そこで、本発明では、抵抗値Rpを極力小さくするため、p形ベース領域16とエミッタ電極18との接合面積を従来の縦型ゲート構造に比較して3倍以上とする構造とした。抵抗値は、面積に逆比例するので従来よりRpが低減され、ラッチアップが発生し難くなる。即ち、ラッチアップ耐量が向上される。
【0030】
また、p形べース領域16の厚さを耐圧限界まで薄く(約0.5μm)している。抵抗値は、抵抗長さに比例するので、p形べース領域16の厚さを耐圧限界まで薄くすると従来よりRpが低減される。
また、n+ 形エミッタ領域15a,15bを電気的絶縁膜14a、14b上の両端に設け、キャリア流路より遠ざける構造をとっている。ホールの一部はn+ 形エミッタ領域15a,15bに流れるが、その厚さは0.3μmと加工限界に近い薄さで構成されている。よって、それによる抵抗成分は限界まで低減されることになる。よって、高耐圧性能を保持するとともに、ラッチアップ耐量をより向上させることができる。
【0031】
さらに、p形べース領域16はその端部で段差構造を有し、0.3μmの厚さでn+ 形エミッタ領域15a,15bと接合している。従って、n+ 形エミッタ領域15a,15bに向かうホールの一部は、この段差部で吸収される。即ち、p形べース領域16の電位上昇が抑えられる。即ち、この構造によってもラッチアップ耐量が向上される。
【0032】
この結果、コレクタ電流密度200A/cm2 、フォールタイム300nsecで、ラッチアップ耐量が従来と比較して10%以上向上させることができた。
尚、上記例ではRIEによりp形べース領域16を段差形状にしてn+ 形エミッタ領域15a,15bと接合したが、図4に示すようにその接合部分をテーパ形状としてもよい。このテーパ形状は、LOCOS酸化およびその酸化膜除去によって形成できる。この場合は、エミッタ電極18の埋め込み不良が低減されるいう効果がある。
【0033】
また、本実施例における絶縁ゲート形半導体素子の構成は、よりオン電圧を低減することができる。それは、上記n+ 形エミッタ領域15a,15bの構成と並んで電極間距離L(キャリア蓄積領域12A)も加工限界まで狭くすることができるからである。
キャリア蓄積領域12Aを狭めると、ホールの蓄積が十分に行われる。即ち、伝導度変調がより十分に行われ、素子のオン電圧が大幅に低減される。電極間距離Lとオン電圧の関係を図5に示す。横軸が電極間距離Lであり、縦軸がオン電圧である。
図5から分かるように、電極間距離Lが約0.2μmの時、オン電圧は1.15Vとなる。これにより、従来より20%近くオン電圧が低減された。
従って、上述の様に絶縁ゲート形半導体素子を構成すれば、高耐圧、高ラッチアップ耐量、低オン電圧が同時に実現される優れた半導体素子となる。
【0034】
第2実施例
図6に本発明の絶縁ゲート形半導体素子の第2実施例を示す。図は、構成断面図である。本実施例の特徴は、第1実施例の複数のゲート電極13a、13bによって狭められたn- 形ベース領域12のキャリア流路内12Aに、電気的絶縁物20を埋設して、キャリア流路を狭めたことである。このような構造にすると、p+ コレクタ領域10から拡散されたホールが、さらに狭められた流路に蓄積されるため、伝導度変調効果がさらに高まる。従って、第1実施例よりオン電圧を低減することができる。尚、この場合もp形べース領域16とn+ 形エミッタ領域15a,15bとの接合部はテーパ形状であってもよい。上記接合形状に係わらず、電気的絶縁物20をキャリア流路中に埋設にすれば、オン電圧を低減することができる。
【0035】
第3実施例
図7に、本発明の絶縁ゲート形半導体素子の第3実施例を示す。図は、構成断面図である。本実施例は、第1実施例の複数のゲート電極13a、13bを図の様な楔形状に形成し、エミッタ領域15a,15bをそれぞれ電気的絶縁膜14a、14b上の両端部に形成したことが特徴である。このような構成にしても、エミッタ領域15a,15bはホールの流路から離れた箇所に位置されるので、Rpを低減することができる。また、pベース領域を厚く設定することができるので、高ラッチアップ耐量化とともに高耐圧化が実現される。
また、第1実施例と同様、狭められたキャリア蓄積領域12Aに少数キャリアのホールが蓄積されるため、伝導度変調効果が高まりオン電圧を低減することができる。
絶縁ゲート形半導体素子に特に高耐圧を要求する場合は、このような構成が有効である。
【0036】
第4実施例
図8に、本発明の絶縁ゲート形半導体素子の第4実施例を示す。図は、構成断面図である。本実施例の特徴は、図のように、第1実施例のp形ベース領域16をゲート電極13a、13bによって狭められたキャリア蓄積領域12Aまで拡張し、作動時には流路側の電気的絶縁膜14a、14b上に反転層17a,17bを形成させるようにしたことである。また、n+ 形エミッタ領域15a、15bは同様にエミッタ電極18側の電気的絶縁膜14a、14b上に形成されている。
このような構成にしても、pベース領域16のn+ エミッタ領域15a、15bと接している部分の厚さを加工限界まで薄くできることから、Rpを小さくすることができる。よって、同様に高ラッチアップ耐量が得られる。
また実施例1と同様、狭められたキャリア蓄積領域12Aに少数キャリアのホールが蓄積される。よって、オン電圧の低減効果は第1実施例と同等である。
【0037】
第5実施例
図9に、本発明の絶縁ゲート形半導体素子の第5実施例を示す。図は、構成断面図である。本実施例の特徴は、図示するように、第1実施例のn+ バッファ領域11を取り除き、p+ コレクタ領域10の代わりに、n+ 形ドレイン領域50を形成し、n- 形ベース領域12をn- 形ドレイン領域51とし、エミッタ電極18をソース電極180に、コレクタ電極19をドレイン電極190とし、素子全体を電界効果トランジスタ(MOSFET)としたものである。
【0038】
MOSFETでは、インダクタンス負荷の駆動において、寄生バイポーラトランジスタの動作に伴って発生するアバランシェ破壊が大きな問題であり、これに対する耐量を向上させることが非常に重要である。このアバランシェ耐量向上のための一手法として、n+ 形ソース領域55a、55bとp形ベース領域56とn- 形ドレイン領域51とで構成される寄生のバイポーラnpnトランジスタをオンさせ難くする方法が上げられる。
本実施例のMOSFETでは、第1実施例のように、p形ベース領域56の抵抗Rpを非常に小さくできることから、従来に比べて寄生のバイポーラnpnトランジスタがオンし難く、素子破壊を防止することができる。
よって、従来のMOSFETに比べて高アバランシェ耐量、かつ低オン電圧化が実現できる。同様に、図6、図7、図8に示した実施例をソース、ゲート、チャネル構造のMOSFETとしてもよい。
尚、この場合もp形べース領域56はその端部において、テーパ形状でn+ 形エミッタ領域55a,55bと接合してもよい。上記接合形状に係わらず、高アバランシェ耐量、かつ低オン電圧化が実現できる。
【0039】
変形例
また、本発明は、その他いろいろな変形が可能である。例えば、第1実施例においては、p+ コレクタ領域10の上部にn+ バッファ領域11を設けたが、これを取り除いて図10に示す様な絶縁ゲート形半導体素子に対しても本構成は同等の作用をし、高耐圧化、高ラッチアップ大量化、低オン電圧化を実現することができる。n+ バッファ領域11を取り除いた第2実施例〜第4実施例の絶縁ゲート形半導体素子に対しても同様の効果がある。
【0040】
また、第1実施例、第2実施例、第5実施例においては、高耐圧化と高ラッチアップ耐量化を図るため、p形ベース領域の端部を段差形状あるいはテーパー形状としn+ エミッタ領域と接合させた。しかしながら、高耐圧化が要求されない場合は、図11,図12,図13に示すようにp形ベース領域16(或いは56)の厚さをn+ エミッタ領域15a、15b(或いは55a、55b)と同等の厚さとしてもよい。この場合、RIEによるエッチング工程が簡略化され、低コスト化される。
【0041】
また、実施例1乃至実施例5までは、複数のゲート電極と複数のエミッタ領域を形成し左右対称の構造としたが、大電流を得る必要がない場合、片側だけの構造としてもよい。
【0042】
また、本実施例では、n形電界効果トランジスタTr1およびpnp形バイポーラトランジスタTr2からなるIGBTおよびMOSFETを例にとって説明したが、これらの極性を逆にし、p形電界効果トランジスタTr1およびnpn形バイポーラトランジスタTr2からなるIGBTおよびMOSFETとしてもよい。
【0043】
さらに、本実施例では、縦型のIGBTについて説明したが、本発明の主張する特徴的な動作原理が同じであれば、縦型に限定するものではなく、横形IGBTなど、その他様々な形態を持つ絶縁ゲート形半導体素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図2】 本発明の第1実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の製造工程図。
【図3】 本発明の第1実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の等価回路図。
【図4】 第1実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の変形例を示す構成断面図。
【図5】 第1実施例の絶縁ゲート形半導体素子における、電極間距離とオン電圧の関係を表す特性図。
【図6】 本発明の第2実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図7】 本発明の第3実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図8】 本発明の第4実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図9】 本発明の第5実施例に係る絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図10】 第1実施例の変形例に係わり、n+ バッファ層を除いた絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図11】 第1実施例の変形例に係わり、pベース領域とn+ エミッタ領域の厚さを等しくした絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図12】 第2実施例の変形例に係わり、pベース領域とn+ エミッタ領域の厚さを等しくした絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図13】 第5実施例の変形例に係わり、pベース領域とn+ エミッタ領域の厚さを等しくした絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【図14】従来の絶縁ゲート形半導体素子の構成断面図。
【符号の説明】
10 p+ 形コレクタ領域
11 n+ 形バッファ領域
12 n- 形ベース領域
12A キャリア蓄積領域
13a ゲート電極
13b ゲート電極
14a 電気的絶縁膜
14b 電気的絶縁膜
15a n+ エミッタ領域
15b n+ エミッタ領域
16 p形ベース領域
17a 反転層
17b 反転層
18 エミッタ電極
19 コレクタ電極
20 電気的絶縁物
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element that controls a current flowing between other electrodes by applying a voltage to a gate electrode. In particular, the present invention relates to a structure of an insulated gate semiconductor device aiming at high latch-up resistance and low on-voltage.
[0002]
[Prior art]
An insulated gate transistor changes the electrical conductivity of a semiconductor by the electric field effect by a gate voltage, and controls the electric current which flows between the other area | regions provided in the both ends of the gate area | region. For example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is known for power. The IGBT controls a current of several tens of amperes with a control voltage of several tens of volts. However, when a large current is applied, a parasitic transistor described later operates due to the internal structure, and a latch-up state is established. For this reason, high latch-up resistance and low on-voltage have been conventionally required. For example, there is a vertical IGBT as a semiconductor element considering high latch tolerance and low on-voltage. Further, there is a semiconductor device (Japanese Patent Laid-Open No. 1-198076) having a substantially equivalent structure and characterized by a gate electrode having a trench structure.
[0003]
FIG. 14 shows the structure of a conventional vertical IGBT. The equivalent circuit is the same as FIG. Vertical IGBT is p + The n-type impurity doped silicon substrate is used as the collector region 70, and is formed on the collector region 70 successively by so-called planar technology such as epitaxial growth technology, lithography technology, ion implantation technology, diffusion technology, etching technology, etc. + Buffer area 71, n - Type base region 72, p-type base region 73, n + Emitter region 74, p + The gate electrode 75, the emitter electrode 77, and the collector electrode 78 are formed by a shaped emitter region 80, an insulating gate film 76, a CVD (Chemical Vapor Deposition), and the like. The n-type buffer region 71 may not be formed.
[0004]
Referring to FIGS. 14 and 3, in this device, n + Emitter region 74, p-type base region 73, n - The field effect transistor (Tr1) is formed in the base region 72, and the p-type base region 73, n - Shape base region 72, p + In the collector region 70, a bipolar transistor (Tr2) is formed.
The structure is such that the current flowing in Tr2 is controlled by controlling Tr1, but n + Emitter region 74, p-type base region 73, n - A bipolar transistor (Tr3) formed with the shaped base region 72 is also parasitic.
[0005]
When the emitter electrode 77 is grounded, a positive voltage of, for example, several hundred volts is applied to the collector electrode 78, and a positive voltage of several volts to several tens of volts is applied to the gate electrode 75, the field effect transistor (Tr1) shown in FIG. ON, n - Electrons flow into the shape base region 72. As a result, p + N from the collector region - Holes are injected into the shaped base region 72, and the high resistivity n - A conductivity modulation effect that increases the electron concentration and hole concentration of the shaped base region 72 equally occurs.
The IGBT is an element that can reduce the on-voltage by the conductivity modulation effect. The switching speed is one digit faster than the power transistor, and the current capacity is one to two orders of magnitude greater than that of the MOS transistor. And since the switching speed is high, the capacity | capacitance of the electric current is increasingly demanded in recent years.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, the IGBT has n + Emitter region 74, p-type base region 73, n - There is an npn-type parasitic transistor Tr3 composed of the base region 72. When a large current is passed through Tr2, that is, n - Shape base region 72 to p + When a large current is passed through the emitter region 80, p + Since the emitter region 80 has the resistance Rp, a potential difference of ΔV (= I · Rp) is generated between the emitter electrode 77 and the p-type base region 73. When this ΔV exceeds a threshold voltage (about 0.7V), Tr3 is turned on. That is, there is a problem that the parasitic thyristor composed of Tr2 and Tr3 shown in FIG. 3 is in an ON state and a current always flows, and this IGBT cannot be controlled by the gate voltage (latch-up state).
[0007]
Therefore, in the conventional example, the p + emitter region 80 having a higher impurity concentration is provided to lower the resistance value Rp, or in some cases p + Instead of removing the emitter region 80, an electrode having a trench structure is used instead (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-198076), and an electrode is directly joined to the p-type base region 73 to avoid latch-up.
However, as in the conventional example, the p-type base region 73 and n + Since the structure is such that a hole current is easily injected into the pn junction surface by the emitter region 74, if a larger current flows, the potential of the p-type base region 73 rises and the parasitic thyristor is turned on as before, and further High latch-up tolerance has not been realized.
[0008]
If the gap between the gate electrodes 75 is narrowed, p + The holes injected from the collector region 70 are n - Accumulation in the shape base region 72 improves the conductivity modulation effect, and as a result, the on-voltage can be reduced. However, n + Emitter region 74, p-type base region 73, p + In the conventional configuration in which the emitter region 80 is formed between the gate electrodes, there is a limit to narrowing the gap. That is, there is a limit to lowering the on-voltage.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an n-type semiconductor device, particularly an IGBT, n + Depending on the positional relationship between the emitter region and the gate electrode and the p-type base region, and n + It is an object to provide an insulated gate semiconductor device excellent in high latch-up resistance, low on-voltage and high withstand voltage by suppressing the flow of hole current by the junction shape of the emitter region and the p-type base region.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the insulated gate semiconductor device according to claim 1 is an insulated gate semiconductor device, wherein an electrically insulating film is formed on the side surfaces of the first conduction type carrier and the second conduction type carrier. The gate electrode is provided with an emitter electrode, a first conductivity type emitter region, Target Second conductivity type on insulating film base Region, first conductivity type base The first conduction type carriers flow in the region path, and the current flowing from the collector electrode to the second conduction type collector region, the first conduction type base region, the second conduction type base region, and the emitter electrode is controlled by the gate voltage. In an insulated gate semiconductor device, the gate electrode with an electrically insulating film has an upper surface bonded to the lower surface of the second conductivity type base region, and is perpendicular to the main surface of the collector electrode from the collector electrode toward the emitter electrode. Flowing into Current path Is formed to extend from the peripheral portion of the insulated gate semiconductor element with a certain thickness in the horizontal direction so as to be narrowed at the center of the plane parallel to the main surface, and the emitter electrode is narrowed Current path The collector electrode is formed on the entire lower surface of the second conductivity type collector region, and is connected to the entire upper surface of the first conductivity type emitter region and the second conductivity type base region. At the junction surface with the emitter electrode, the second conductivity type base region is: That The first conductivity type emitter region is on the electrical insulating film of the gate electrode facing the emitter electrode, and is inverted on the electrical insulating film. At the position where the layer is formed, the emitter electrode and the second conductivity type base region are joined to each other, and the thickness of the first conductivity type emitter region depends on the level difference between the central portion of the second conductivity type base region. It is characterized by being thinner than the thickness at.
[0011]
[0012]
The insulated gate semiconductor device according to claim 2, wherein the second conductivity type of the second conductivity type carrier injected from the collector region near the junction of the first conductivity type base region with the second conductivity type base region. To the base area Current path An electrically insulating region is formed so as to narrow the width.
[0013]
[Operation and effect of the invention]
The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode with the electrically insulating film has a predetermined flow path so as to narrow a flow path of the first conduction type carrier and the second conduction type carrier in a region close to the emitter electrode. The shape is formed to a predetermined depth.
When the second conductivity type carriers injected from the second conductivity type collector region into the first conductivity type base region diffuse into the second conductivity type base region, it becomes difficult to reach the first conductivity type emitter region, and the emitter The first conductivity type emitter region is formed on the electrical insulating film of the gate electrode facing the emitter electrode and joined to the emitter electrode and the second conductivity type base region so that the electrode can be easily reached.
The thickness of the first conductivity type emitter region in the current direction is set to be equal to or less than the thickness of the second conductivity type base region.
[0014]
When a voltage is applied to the gate electrode, first, a field effect transistor composed of a first conduction type emitter region, a second conduction type base region, and a first conduction type base region is turned on. One conductivity type carrier is injected into the second conductivity type base region. Along with this, the second conductivity type carriers are injected from the second conductivity type collector region into the first conductivity type base region, and diffused into the first conductivity type base region. The diffused second conductivity type carrier passes through the channel narrowed by the gate electrode with the electrical insulating film, and the position and direction of diffusion are limited.
[0015]
On the other hand, the first conductivity type emitter region, the second conductivity type base region, and the first conductivity type base region constitute a parasitic transistor. The first-conductivity-type emitter region that also serves as the emitter of this parasitic transistor is formed at a location away from this diffusion flow, that is, on the electrically insulating film of the gate electrode facing the emitter electrode side.
Therefore, the minority carriers subjected to this restriction hardly flow into the first conduction type emitter region, and the majority flows directly into the emitter electrode. That is, the potential of the second conductivity type base region that is the base of the parasitic transistor does not rise. That is, the parasitic transistor does not turn on within a predetermined maximum current value. Therefore, high latch-up is realized.
[0016]
Further, at this time, the thickness of the first conductivity type emitter region in the current direction is preferably set to be equal to or less than the thickness of the second conductivity type base region. If the thickness of the first conduction type emitter region in the current direction is reduced, the resistance component is also reduced, and the potential increase in the second conduction type base region due to the first conduction type carrier is suppressed. Therefore, a larger current can be achieved. In other words, the on-voltage can be further reduced.
[0017]
In addition, since the flow path is narrowed by the gate electrode with the electrical insulating film, the density of the second conductive carriers in the flow path in the first conductive type base region is increased. The conductivity modulation effect in the region close to the emitter electrode is also increased, and the on-voltage can be substantially reduced.
[0018]
In addition, the second conductivity type base region is formed in a step shape at the end thereof, and is joined with the same thickness as the first conductivity type emitter region.
Most of the second conductivity type carriers diffused from the first conductivity type base region to the second conductivity type base region go to the emitter electrode, but a part goes to the first conductivity type emitter region.
At this time, the thickness of the second conductivity type base region is not uniform and is formed in a stepped shape at the end thereof. That is, the emitter electrode is formed so as to narrow the path of the second conductivity type carrier. Therefore, the carrier toward the first conductivity type emitter region is absorbed by the emitter electrode on the way. In other words, the resistance between the second conductivity type base region and the first conductivity type emitter region is reduced. That is, the potential increase of the second conductivity type base region due to the second conductivity type carrier is suppressed. Therefore, the latch-up resistance can be improved for the same reason as described above, and the current can be increased.
In addition, since the second conductivity type base region can be thickened, a high breakdown voltage can be achieved. As a result, an insulated gate semiconductor device that achieves a high breakdown voltage and a high latch-up resistance is obtained.
[0019]
The insulated gate semiconductor device according to claim 2, wherein the second conductivity type carrier injected from the collector region is in the second conductivity type near the junction of the first conductivity type base region with the second conductivity type base region. To the base area Current path An electrically insulating region that narrows the width is formed.
Since the electrically insulating region is formed in the channel of the second conductivity type carrier of the first conductivity type base region narrowed by the gate electrode, the second conductivity type carrier which is a minority carrier injected from the collector region Is accumulated in the high resistance base region, which is the first conductivity type base region, and its concentration is improved. In the high-resistance base region close to the emitter region, the minority carrier concentration is improved. As a result, the conductivity modulation is increased, and as a result, the on-voltage is lowered.
Therefore, as in the insulated gate semiconductor device according to the first aspect, the advancement of the latch-up resistance can be maintained and a further lower on-voltage can be realized.
In the above description, if the first conductivity type is n-type, the first conductivity type carrier is an electron, the second conductivity type is a p-type, and the second conductivity type carrier is a hole. Conversely, if the first conductivity type is p-type, the first conductivity type carrier is a hole, the second conductivity type is an n-type, and the second conductivity type carrier is an electron.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.
First embodiment
In the following description, the first conductivity type is n-type, the first conductivity type carrier is electron, the second conductivity type is p-type, and the second conductivity type carrier is hole.
FIG. 1 shows a first embodiment of an IGBT according to the present invention. The figure is a sectional view showing a cell structure. The insulated gate semiconductor device of this example is p + N on the collector region 10 + Shape buffer area 11 + N which is a high resistance region on the buffer region 11 - A base region 12 is provided. The cell pitch w is about 4 μm.
[0021]
Furthermore, n - Both upper side surfaces of the base region 12 have gate electrodes 13a and 13b with electrical insulating films 14a and 14b, and both electrodes n so as to narrow the carrier flow path. - It is formed in the base region 12 with an interelectrode distance L.
Further, a part of the electrical insulating films 14a and 14b and n - The p-type base region 16 is in close contact with the p-type base region 12, and the n + -type emitter regions 15a and 15b are provided on the electrical insulating films 14a and 14b on both sides thereof. At this time, the end of the p-type base region 16 is joined to the n + -type emitter regions 15a and 15b with a step.
Furthermore, the n + Emitter electrodes 18 are formed on the p-type emitter regions 15a and 15b and the adjacent p-type base region 16, respectively. + A collector electrode 19 is formed in the collector region 10. The insulated gate semiconductor device of this example has such a structure.
[0022]
FIG. 2 shows a method for manufacturing the insulated gate semiconductor device. The above structure is manufactured by a planar technique centered on a lithography technique and a solid phase epitaxial technique. In this embodiment, the process is divided into the following four steps (a) to (d). FIG. 2 shows the main part of the manufacturing process, and the parts not shown are the same as those in FIG.
In step (a), first, p shown in FIG. + P of silicon substrate + On the collector region 10, for example, n having a thickness of 15 μm + Epitaxial layer 11 is formed. Then this n + On the epitaxial layer 11, for example, n having a thickness of 60 μm - Forming an epitaxial layer, n - A shaped base region 12 is formed (FIG. 2). N at this time - The impurity concentration of the shaped base region 12 is 1 × 10 14 / Cm Three It is.
Next, heat treatment is performed in this state. As a result, n - For example, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm is formed on the surface of the shaped base region 12. The silicon oxide film becomes a part of an electrical insulating film 14b described later.
Thereafter, phosphorous-doped polycrystalline Si having a thickness of, for example, 200 nm and a silicon oxide film having a thickness of 100 nm are sequentially deposited, and the central portion is deleted by a patterning technique and an etching technique. As a result, gate electrodes 13a and 13b whose upper and lower sides are sandwiched between the electrical insulating films 14a and 14b are formed (FIG. 2A).
[0023]
Next, in step (b), a silicon oxide film or the like is deposited on the substrate in a thickness of 50 to 200 nm. Next, a silicon oxide film is formed on the side walls of the gate electrodes 13a and 13b by RIE (Reactive lon Etching) to form a side wall 14c as an electrical insulating film (FIG. 2 (b)).
Next, the process proceeds to step (c). The thicknesses of the electrical insulating films 14a, 14b, and 14c are all about 0.1 μm.
[0024]
In the step (c), thereafter, for example, amorphous Si having a thickness of 1 μm is formed by CVD or the like, and the single crystal Si layer 16A is formed by SPE (Solid Phase Epitaxy) technique or the like. After that, the single crystal Si layer 16A is formed with a thickness of 0. Reduce the thickness to 5 μm (Figure 2 (c)). Next, the process proceeds to step (d).
[0025]
In the step (d), for example, boron is ion-implanted in the central portion by a resist pattern technique and an ion implantation technique to form the p base region 16. Further, for example, phosphorus is ion-implanted into both end portions to make n + Emitter regions 15a and 15b are formed. Then, a desired impurity profile is obtained by thermal diffusion or the like.
After that, n by the above RIE technology etc. + The emitter regions 15a and 15b are etched to a predetermined thickness, for example, about 0.3 μm. N at this time + The impurity surface concentration of the emitter regions 15a and 15b is 1 × 10 20 / Cm Three It is. In this way, the basic structure of the insulated gate semiconductor device is produced. (Figure 2 (d)).
Note that the etching in the step (d) is performed by using the p-type base region 16 and n. + You may carry out across the boundary of the shape | mold emitter area | regions 15a and 15b. Although details will be described later, with such a structure, a high breakdown voltage and a high latch-up resistance can be realized.
This etching is performed in the p base region 16 and n. + It may be performed before the formation of the emitter regions 15a and 15b. The above is the method for manufacturing the insulated gate semiconductor device of this example.
[0026]
Next, the operation of the insulated gate semiconductor device will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an equivalent circuit of the insulated gate semiconductor device having the above configuration. This element is designed with a withstand voltage of 600V and a cut-off voltage of 4V. The emitter electrode 18 is grounded, a positive voltage of several hundred volts, for example, is applied to the collector electrode 19, and a positive voltage of several volts to several tens of volts, which is sufficiently higher than the cutoff voltage, is applied to the gate electrodes 13a and 13b. At this time, first, inversion layers 17a and 17b are formed on the boundary surface between the p-type base region 16 and the electrical insulating films 14a and 14b by the electric field effect (FIG. 1). The electrons pass through the inversion layers 17a and 17b, respectively. + N from emitter regions 15a, 15b - It flows into the shaped base region 12 (that is, Tr1 in the equivalent circuit shown in FIG. 3 is turned on) and diffuses toward the collector region 10 by a strong electric field.
[0027]
On the other hand, when the diffusion of electrons proceeds sufficiently, n - The potential of the shape base region 12 is lowered. n - When the potential of the shaped base region 12 decreases, the pn junction is biased in the forward direction. + Holes from the collector region 10 of the shape - Implanted into the shaped base region 12. The injected holes are n - The shaped base region 12 is diffused in the direction of the emitter electrode 18 and collected in the carrier accumulation region 12A narrowed by the gate electrodes 13a and 13b. As a result, the carrier concentration increases in that region, and n is reduced by conductivity modulation. - The resistance value of the shape base region 12 is lowered. As a result, a large current flows into the emitter regions 15a and 15b, and n - The holes in the base region 12 also flow into the p-type base region 16 as a large current. That is, Tr2 is turned on.
[0028]
At this time, a resistance Rp in the direction of the emitter electrode 18 usually exists in the p-type base region 16. The carrier passage route is directly connected to the emitter electrode 18 and n + There are two routes through the emitter regions 15a and 15b. That is, the resistance Rp is a combined resistance of the resistance values of the two paths.
Thereby, when a large current flows, the potential of the p-type base region 16 increases, and n + Emitter regions 15a and 15b, p-type base region 16, and n - The parasitic Tr3 composed of the shape base region 12 is turned on. That is, it becomes a latch-up state in which current cannot flow from Tr1 and current continues to flow.
[0029]
In order not to generate this potential difference while securing a large current, it is necessary to make this Rp as small as possible. Therefore, in the present invention, in order to reduce the resistance value Rp as much as possible, the junction area between the p-type base region 16 and the emitter electrode 18 is set to be three times or more that of the conventional vertical gate structure. Since the resistance value is inversely proportional to the area, Rp is reduced compared to the prior art, and latch-up is less likely to occur. That is, the latch-up resistance is improved.
[0030]
In addition, the thickness of the p-type base region 16 is reduced to the breakdown voltage limit (about 0.5 μm). Since the resistance value is proportional to the resistance length, if the thickness of the p-type base region 16 is reduced to the withstand voltage limit, Rp is reduced as compared with the prior art.
N + The emitter regions 15a and 15b are provided at both ends on the electrical insulating films 14a and 14b so as to be away from the carrier flow path. Part of the hall is n + The emitter regions 15a and 15b flow into the emitter regions 15a and 15b, and the thickness is 0.3 μm, which is close to the processing limit. Therefore, the resistance component thereby is reduced to the limit. Therefore, high breakdown voltage performance can be maintained, and the latch-up resistance can be further improved.
[0031]
Further, the p-type base region 16 has a step structure at its end, and has a thickness of 0.3 μm and n + It is joined to the emitter regions 15a and 15b. Therefore, n + Part of the holes toward the emitter regions 15a and 15b are absorbed by this stepped portion. That is, the potential increase in the p-type base region 16 is suppressed. That is, this structure also improves the latch-up resistance.
[0032]
As a result, the collector current density is 200 A / cm. 2 With a fall time of 300 nsec, the latch-up resistance could be improved by 10% or more compared to the conventional case.
In the above example, the p-type base region 16 is stepped by RIE. + Although bonded to the shaped emitter regions 15a and 15b, the bonded portion may be tapered as shown in FIG. This tapered shape can be formed by LOCOS oxidation and removal of the oxide film. In this case, there is an effect that defective filling of the emitter electrode 18 is reduced.
[0033]
Further, the configuration of the insulated gate semiconductor element in this embodiment can further reduce the on-voltage. It is n above + This is because the interelectrode distance L (carrier accumulation region 12A) can be reduced to the processing limit along with the configuration of the shape emitter regions 15a and 15b.
When the carrier accumulation region 12A is narrowed, holes are sufficiently accumulated. That is, the conductivity modulation is more sufficiently performed, and the on-voltage of the element is greatly reduced. FIG. 5 shows the relationship between the interelectrode distance L and the on-voltage. The horizontal axis is the interelectrode distance L, and the vertical axis is the ON voltage.
As can be seen from FIG. 5, when the interelectrode distance L is about 0.2 μm, the on-state voltage is 1.15V. As a result, the on-voltage was reduced by nearly 20% compared to the prior art.
Therefore, if an insulated gate semiconductor device is configured as described above, an excellent semiconductor device that can simultaneously achieve a high breakdown voltage, a high latch-up resistance, and a low on-voltage.
[0034]
Second embodiment
FIG. 6 shows a second embodiment of the insulated gate semiconductor device of the present invention. The figure is a structural sectional view. The feature of this embodiment is n narrowed by the plurality of gate electrodes 13a and 13b of the first embodiment. - That is, the carrier channel is narrowed by burying an electrical insulator 20 in the carrier channel 12A of the shaped base region 12. With this structure, p + Since the holes diffused from the collector region 10 are accumulated in the further narrowed flow path, the conductivity modulation effect is further enhanced. Therefore, the on-voltage can be reduced as compared with the first embodiment. In this case also, the p-type base region 16 and n + The junction with the shaped emitter regions 15a and 15b may be tapered. Regardless of the joint shape, if the electrical insulator 20 is embedded in the carrier flow path, the on-voltage can be reduced.
[0035]
Third embodiment
FIG. 7 shows a third embodiment of the insulated gate semiconductor device of the present invention. The figure is a structural sectional view. In this embodiment, the plurality of gate electrodes 13a and 13b of the first embodiment are formed in a wedge shape as shown in the figure, and the emitter regions 15a and 15b are formed at both ends on the electrical insulating films 14a and 14b, respectively. Is a feature. Even in such a configuration, the emitter regions 15a and 15b are located at locations away from the hole flow path, so that Rp can be reduced. Moreover, since the p base region can be set thick, a high breakdown voltage can be achieved as well as a high latch-up resistance.
Further, since holes of minority carriers are accumulated in the narrowed carrier accumulation region 12A as in the first embodiment, the conductivity modulation effect is enhanced and the on-voltage can be reduced.
Such a configuration is effective when a particularly high breakdown voltage is required for the insulated gate semiconductor device.
[0036]
Fourth embodiment
FIG. 8 shows a fourth embodiment of the insulated gate semiconductor device of the present invention. The figure is a structural sectional view. As shown in the figure, the feature of this embodiment is that the p-type base region 16 of the first embodiment is expanded to the carrier storage region 12A narrowed by the gate electrodes 13a and 13b, and the electric insulating film 14a on the flow path side is activated during operation. 14b, inversion layers 17a and 17b are formed. N + Similarly, the emitter regions 15a and 15b are formed on the electrical insulating films 14a and 14b on the emitter electrode 18 side.
Even in such a configuration, the n of the p base region 16 is increased. + Since the thickness of the portion in contact with the emitter regions 15a and 15b can be reduced to the processing limit, Rp can be reduced. Therefore, high latch-up withstand capability can be obtained similarly.
Similarly to the first embodiment, holes of minority carriers are accumulated in the narrowed carrier accumulation region 12A. Therefore, the ON voltage reduction effect is equivalent to that of the first embodiment.
[0037]
Example 5
FIG. 9 shows a fifth embodiment of the insulated gate semiconductor device of the present invention. The figure is a structural sectional view. As shown in the figure, the feature of this embodiment is n of the first embodiment. + Remove buffer area 11, p + N instead of the collector region 10 + A drain region 50 is formed and n - The shape base region 12 is n - The drain region 51 is formed, the emitter electrode 18 is a source electrode 180, the collector electrode 19 is a drain electrode 190, and the entire device is a field effect transistor (MOSFET).
[0038]
In MOSFETs, avalanche breakdown that occurs with the operation of a parasitic bipolar transistor is a major problem in driving an inductance load, and it is very important to improve resistance to this. As a technique for improving the avalanche resistance, n + Source regions 55a and 55b, p-type base region 56 and n - A method for making it difficult to turn on a parasitic bipolar npn transistor constituted by the drain region 51 is raised.
In the MOSFET of the present embodiment, since the resistance Rp of the p-type base region 56 can be made very small as in the first embodiment, the parasitic bipolar npn transistor is less likely to be turned on than in the prior art, and element breakdown is prevented. Can do.
Therefore, a higher avalanche resistance and a lower on-voltage can be realized as compared with the conventional MOSFET. Similarly, the embodiments shown in FIGS. 6, 7, and 8 may be MOSFETs having a source, gate, and channel structure.
In this case as well, the p-type base region 56 has a tapered shape at its end, and n + The emitter regions 55a and 55b may be joined. Regardless of the junction shape, a high avalanche resistance and a low on-voltage can be realized.
[0039]
Modified example
The present invention can be modified in various ways. For example, in the first embodiment, p + N above the collector region 10 + Although the buffer region 11 is provided, the present configuration works equally well for an insulated gate semiconductor device as shown in FIG. 10 by removing this, and a higher breakdown voltage, a higher latch-up volume, and a lower on-voltage. Can be realized. n + The same effect is obtained for the insulated gate semiconductor devices of the second to fourth embodiments from which the buffer region 11 is removed.
[0040]
In the first, second, and fifth embodiments, the end of the p-type base region has a stepped shape or a tapered shape in order to increase the breakdown voltage and increase the latch-up resistance. + Bonded to the emitter region. However, when high breakdown voltage is not required, the thickness of the p-type base region 16 (or 56) is set to n as shown in FIGS. + The thickness may be the same as that of the emitter regions 15a and 15b (or 55a and 55b). In this case, the etching process by RIE is simplified and the cost is reduced.
[0041]
In the first to fifth embodiments, a plurality of gate electrodes and a plurality of emitter regions are formed to form a bilaterally symmetric structure. However, when it is not necessary to obtain a large current, a structure on only one side may be used.
[0042]
In the present embodiment, the IGBT and MOSFET comprising the n-type field effect transistor Tr1 and the pnp-type bipolar transistor Tr2 have been described as examples. However, these polarities are reversed, and the p-type field-effect transistor Tr1 and the npn-type bipolar transistor Tr2 are reversed. It is good also as IGBT and MOSFET which consist of.
[0043]
Furthermore, in the present embodiment, the vertical IGBT has been described. However, as long as the characteristic operation principle claimed by the present invention is the same, the present invention is not limited to the vertical type, and various other forms such as a horizontal IGBT can be used. The present invention can be applied to an insulated gate semiconductor device having the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of an insulated gate semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of an insulated gate semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of an insulated gate semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a structural cross-sectional view showing a modified example of the insulated gate semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the interelectrode distance and the on-voltage in the insulated gate semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an insulated gate semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a structural cross-sectional view of an insulated gate semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a structural sectional view of an insulated gate semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a structural sectional view of an insulated gate semiconductor device according to a fifth embodiment of the invention.
FIG. 10 relates to a modification of the first embodiment, and n + FIG. 5 is a cross-sectional view of the configuration of an insulated gate semiconductor element excluding a buffer layer.
FIG. 11 relates to a modification of the first embodiment and relates to a p base region and n + FIG. 5 is a cross-sectional view of a configuration of an insulated gate semiconductor device in which the thickness of the emitter region is made equal.
FIG. 12 relates to a modification of the second embodiment and relates to a p base region and n + FIG. 5 is a cross-sectional view of a configuration of an insulated gate semiconductor device in which the thickness of the emitter region is made equal.
FIG. 13 relates to a modification of the fifth embodiment and relates to a p base region and n + FIG. 5 is a cross-sectional view of a configuration of an insulated gate semiconductor device in which the thickness of the emitter region is made equal.
FIG. 14 is a structural cross-sectional view of a conventional insulated gate semiconductor device.
[Explanation of symbols]
10 p + Collector area
11 n + Buffer area
12 n - Shape base area
12A Carrier accumulation area
13a Gate electrode
13b Gate electrode
14a Electrical insulation film
14b Electrical insulation film
15an + Emitter area
15b n + Emitter area
16 p-type base region
17a Inversion layer
17b Inversion layer
18 Emitter electrode
19 Collector electrode
20 Electrical insulation

Claims (2)

絶縁ゲート形半導体素子であって、第1伝導形キャリアおよび第2伝導形キャリアの流路側面に電気的絶縁膜を伴ったゲート電極を設け、ゲート電圧によって、エミッタ電極、第1伝導形エミッタ領域、前記電気絶縁膜上の第2伝導形ベース領域、第1伝導形ベース領域の経路で前記第1伝導形キャリアが流れ、ゲート電圧によって、コレクタ電極から第2伝導形コレクタ領域、前記第1伝導形ベース領域、前記第2伝導形ベース領域、前記エミッタ電極の経路で流れる電流を制御する絶縁ゲート形半導体素子において、
前記電気的絶縁膜を伴った前記ゲート電極は、その上面が前記第2伝導形ベース領域の下面に接合し、前記コレクタ電極から前記エミッタ電極に向けて、前記コレクタ電極の主面に垂直方向に流れる電流路を、前記主面に平行な面の中央部において狭めるように、水平方向に一定の厚さを有して、前記絶縁ゲート形半導体素子の周辺部から伸長して形成され、
前記エミッタ電極は、狭められた前記電流路の上部を含み、前記第1伝導形エミッタ領域、前記2伝導形ベース領域の上面の全面に接合され、
前記コレクタ電極は、前記第2伝導形コレクタ領域の下面の全面に形成され、
前記第2伝導形ベース領域と前記エミッタ電極との接合面において、前記第2伝導形ベース領域は、その中央部側が厚く前記第1伝導形エミッタ領域側が薄くなる段差を有し、
前記第1伝導形エミッタ領域は、前記エミッタ電極と対面する前記ゲート電極の前記電気的絶縁膜上であって、前記電気的絶縁膜上に反転層が形成される位置において、前記エミッタ電極と前記第2伝導形ベース領域に接合して形成されているとともに、
前記第1伝導形エミッタ領域の厚さは、前記段差により、前記第2伝導形ベース領域の中央部における厚さよりも薄いことを特徴とする絶縁ゲート形半導体素子。
An insulated gate semiconductor device, wherein a gate electrode with an electrical insulating film is provided on a side surface of a flow path of a first conduction type carrier and a second conduction type carrier, and an emitter electrode and a first conduction type emitter region are formed by a gate voltage. the second conductivity type base region on the electrically insulating layer, the first conductivity type carriers flows through a path of the first conductivity type base region, the gate voltage, a second conductivity type collector region from the collector electrode, the first conductivity-type base region, said second conductivity type base region, the insulated gate semiconductor element for controlling the current flowing in the path of the emitter electrode,
It said gate electrode with said electrical insulating film, the upper surface is joined to the lower surface of the second conductive type base region, toward the emitter electrode from the collector electrode, in the direction perpendicular to the main surface of the collector electrode a current path that flows, said to narrow in the central portion of the surface parallel to the main surface, has a constant thickness in the horizontal direction, are formed extending from the periphery of the insulated gate semiconductor device,
The emitter electrode includes an upper part of the narrowed current path , and is bonded to the entire upper surface of the first conduction type emitter region and the second conduction type base region,
The collector electrode is formed on the entire surface of the lower surface of the second conductivity type collector region,
In the junction surface between the second conductivity type base region and the emitter electrode, the second conductivity type base region has a step where the central portion side is thick and the first conductivity type emitter region side is thin,
The first conductivity type emitter region is on the electrically insulating film of the gate electrode facing the emitter electrode, and at the position where an inversion layer is formed on the electrically insulating film, Formed to be joined to the second conductivity type base region;
The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the first conductivity type emitter region is smaller than a thickness at a central portion of the second conductivity type base region due to the step.
前記第1伝導形ベース領域の前記第2伝導形ベース領域との接合付近に、前記コレクタ領域から注入された前記第2伝導形キャリアの前記第2伝導形ベース領域へ至る前記電流路を狭くするよう電気的絶縁領域を形成したことを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート形半導体素子。The vicinity of the junction between the second conductivity-type base region of the first conductivity type base region, narrowing the current path leading to said second conductivity type base region of the second conductivity type carriers injected from the collector region 2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein an electrically insulating region is formed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP5135668B2 (en) * 2004-09-02 2013-02-06 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH098304A (en) * 1995-06-19 1997-01-10 Siemens Ag Mos semiconductor element with good continuity characteristic
JPH0992828A (en) * 1995-09-27 1997-04-04 Hitachi Ltd Insulated bipolar transistor and its manufacture
JPH10294461A (en) * 1997-04-21 1998-11-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Insulation gate type semiconductor element

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH098304A (en) * 1995-06-19 1997-01-10 Siemens Ag Mos semiconductor element with good continuity characteristic
JPH0992828A (en) * 1995-09-27 1997-04-04 Hitachi Ltd Insulated bipolar transistor and its manufacture
JPH10294461A (en) * 1997-04-21 1998-11-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Insulation gate type semiconductor element

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