JP4746169B2 - Power semiconductor device and driving method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電力の制御に用いられる電力用半導体装置及びその素子の駆動方式に関し、特にパワーMOSFET及びその駆動方式に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、電力制御用の電力用半導体装置としてユニポーラ動作のパワーMOSFETが広く用いられているが、MOSFETは、高速動作が期待できるが、バイポーラ動作のIGBTに比べて耐圧が高くなるにしたがって、オン状態でので電圧降下が高くなり、通電損失が大きくなる問題がある。この問題を解決するMOSFETの一例として、例えば特開平9−191109号公報に開示されたものが知られている。
【0003】
図10は、この種のMOSFETの構成を模式的に示す断面図である。
【0004】
このMOSFETは、n−型ドリフト層111の一方の表面にn+型ドレイン層112が形成され、このn+型ドレイン層112上にはドレイン電極113が形成されている。またそのn−型ドリフト層111の他方の表面には複数のp型ベース層114が選択的に形成され、この各p型ベース層114表面にはn+型ソース層115が選択的に形成されている。また前記p型ベース層114及び前記n+型ソース層115から前記n−型ドリフト層111を介して他方の前記p型ベース層114及び前記n+型ソース層115に至る領域上には、ゲート絶縁膜116を介してゲート電極117が形成されている。またこのゲート電極117を挟むように、一方の前記p型ベース層114及びn+型ソース層115上と、他方の前記p型ベース層114及びn+型ソース層115上には、各々ソース電極118が形成されている。そして、前記p型ベース層114と前記ドレイン電極112との間の前記n−型ドリフト層111中には、3層のp+型埋込み層119a,119b,119cが、互いに間隔をおいて選択的に埋込み形成されている。またこのp+型埋込み層119a,119b,119cは、いずれも電気的に浮遊状態にされている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このようなMOSFETでは、オフ状態の際には、n−型ドリフト層111内の電界を、p+型埋込み層119a,119b,119cにより分割されたn−型ドリフト層111の分割数に応じて分割することができる。例えば、p+型埋込み層119a,119b,119cが3層の場合には、n−型ドリフト層111の電界は4分割され、耐圧600Vの素子と仮定すると、p+型埋込み層119a,119b,119c間に必要な耐圧は150Vとなる。このように耐圧が低くなったことにより、n−型ドリフト層111の不純物濃度は、p+型埋込み層119a,119b,119cがない場合に比べて4倍にでき、n−型ドリフト層111中の電気抵抗を低減することが可能となり、そのため素子のオン抵抗を1/4程度まで低減させることが可能となる。
【0006】
しかし、このような構造のMOSFETでは、オフ状態においてp+型埋込み層が一旦空乏化すると、ターンオン時にp+型埋込み層の空乏化が解消されるまで正常なオン状態にならなず、ターンオン時間が約100μs以上と時間が長い。
【0007】
また、ターンオン直後、p+型埋込み層から周辺に空乏層が延び、実効的にキャリアが伝導する面積が減るため、素子自体は高抵抗となってスイッチング損失が大きくなる。
【0008】
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、ターンオン時間を短縮し高速動作が可能で、スイッチング損失の少ない大電力用半導体素子及びその素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、請求項1に対応する発明の電力用半導体装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層に一方の表面に電気的に接続された第1の主電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第3の半導体層と、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに電気的に接続された第2の主電極と、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表面上に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、前記第1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と前記第1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくとも1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋込み層と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第5の半導体層と、前記第5の半導体層に電気的に接続された第2の制御電極と、前記第1の半導体層の一方の表面と前記第1の主電極との間に、前記第1の半導体層よりも高不純物濃度をもつ第1導電型の高濃度半導体層が形成され、前記第5の半導体層は、前記高濃度半導体層に選択的に形成され、且つ前記第1の主電極側の一端が前記高濃度半導体層と同一平面をなし、他端が前記高濃度半導体層を貫通して前記第1の半導体層中に達する形状に形成されてなることを特徴としている。
【0010】
また、請求項2に対応する発明の電力用半導体装置は、前記第1の主電極と前記第2の制御電極とが電気的に共通接続されてなることを特徴としている。
【0011】
さらにまた、請求項3に対応する発明の電力用半導体装置は、前記第1の主電極と前記第2の制御電極とが電気的に独立に形成されてなることを特徴としている。
【0012】
さらにまた、請求項4に対応する発明の電力用半導体装置は、前記第5の半導体層は、前記第1の半導体層の一方の表面、または前記第1の主電極側の前記高濃度半導体層表面において、前記第5の半導体層の表面積とこの層に隣接する前記1の半導体層部分部、または隣接する前記高濃度半導体層部分の表面積とが同一面積であることを特徴としている。
【0013】
さらにまた、請求項5に対応する発明の電力用半導体装置は、前記第5の半導体層は、前記第1の半導体層の一方の表面、または前記第1の主電極側の前記高濃度半導体層表面において、前記第5の半導体層の表面積がこの層に隣接する前記1の半導体層部分部、または隣接する前記高濃度半導体層部分の表面積より広面積であることを特徴としている。
【0014】
さらにまた、請求項6に対応する発明の電力用半導体装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された第1の主電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体表面に選択的に形成された第1導電型の第3の半導体層と、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表面に電気的に接続された第2の主電極と、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記3の半導体層上に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に前記第2の半導体層と離間して選択的に形成された第2導電型の第6の半導体層と、前記第6の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第7の半導体層と、前記第6の半導体層と前記第7の半導体層とに電気的に接続された電位の浮遊したフローティング電極と、前記第1の半導体層と前記第6の半導体層と前記第7の半導体層上に絶縁膜を介して形成された第2の制御電極と、前記第1の半導体層中に選択的に埋込み形成された少なくとも1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層とを有することを特徴としている。
【0015】
さらにまた、請求項7に体操する発明の電力用半導体装置は、前記第1の半導体層の素子形成領域の周辺部における不純物濃度が、素子形成領域の不純物濃度より低濃度に形成れていることを特徴としている。
【0016】
さらにまた、請求項8に対応する発明の電力用半導体装置は、前記第5の半導体層は、前記第1の半導体層の一方の表面、または前記第1の主電極側の前記高濃度半導体層表面において、前記第5の半導体層の表面積がこの層に隣接する前記1の半導体層部分部、または隣接する前記高濃度半導体層部分の表面積より広面積であることを特徴としている。
【0017】
さらにまた、請求項9に対応する発明の電力用半導体装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された第1の主電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体表面に選択的に形成された第1導電型の第3の半導体層と、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表面に電気的に接続された第2の主電極と、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記3の半導体層上に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に前記第2の半導体層と離間して選択的に形成された第2導電型の第6の半導体層と、前記第6の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第7の半導体層と、前記第6の半導体層と前記第7の半導体層とに電気的に接続された電位の浮遊したフローティング電極と、前記第1の半導体層と前記第6の半導体層と前記第7の半導体層上に絶縁膜を介して形成された第2の制御電極と、前記第1の半導体層中に選択的に埋込み形成された少なくとも1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層とを有することを特徴としている。
【0018】
さらにまた、請求項10に対応する発明の電力用半導体装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された第1の主電極と、前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第3の半導体層と、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに電気的に接続された第2の主電極と、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表面上に絶縁膜を介して形成された制御電極と、前記第1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と前記第1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくとも1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層と、前記第2導電型埋込み層より低不純物濃度に形成され、且つ前記第2の半導体層と前記第2導電型埋込み層とを接続する接続層とを有することを特徴としている。
【0019】
さらにまた、請求項11に対応する発明の電力用半導体装置は、前記第1の半導体層の素子形成領域の周辺部における不純物濃度が、素子形成領域の不純物濃度より低濃度に形成れていることを特徴としている。
【0020】
さらにまた、請求項12に対応する発明の駆動方式は、電力用半導体半導体装置を駆動する駆動方法であって、前記第2の制御電極に流す電流を、ターンオン時のみ定常時より大きくすることを特徴としている。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では第1導電型をn型、第2導電型をp型としている。また、図面中の同一部分には同一番号を付している。
【0022】
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係わるパワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図である。
【0023】
このMOSFETは、第1の半導体層としてのn−型ドリフト層1の一方の表面に高濃度半導体層、例えばn+型ドレイン層2が形成され、このn+型ドレイン層2上には、第1の主電極としてのドレイン電極3が形成されている。このn−型ドリフト層1は、一例として、約1×1015cm-3の不純物濃度で、約60μmの厚さに形成され、n+型ドレイン層2は、一例として、約6×1018cm-3の不純物濃度で、約180μmの厚さに形成されている。なお、前記n+型ドレイン層2は、必要に応じて形成すれば良い。
【0024】
また前記n−型ドリフト層1の他方の表面には、第2の半導体層としての複数の第1のp型ベース層4が、互いに間隔をおいて選択的に、且つストライプ形状に拡散形成され、この各第1のp型ベース層4表面には、第3の半導体層としてのn+型ソース層5が、各々選択的に、且つストライプ形状に拡散形成されている。この第1のp型ベース層4は、一例として、約3×1017cm-3の不純物濃度で、約2.0μmの深さに形成され、また前記n+型ソース層5は、一例として、約1×1020cm-3の不純物濃度で、約0.2μmの深さに形成されている。
【0025】
また前記第1のp型ベース層4及び前記n+型ソース層5から前記n−型ドリフト層1を介して他方の前記第1のp型ベース層4及び前記n+型ソース層5に至る領域上には、膜厚約0.1μmのゲート絶縁膜、例えばSi酸化膜6を介して第1の制御電極としての第1のゲート電極7がストライプ形状に形成されている。この第1のゲート電極7を挟むように、一方の前記第1のp型ベース層4及びn+型ソース層5上と、他方の前記第1のp型ベース層4及びn+型ソース層5上には、第2の主電極としてのソース電極8がストライプ形状に形成されている。そして、前記ドレイン電極3と前記p型ベース層4との間の前記n−型ドリフト層1中には、ストライプ形状をもつ例えば3層のp+型埋込み層9a,9b,9cが、選択的に埋込み形成されている。このp+型埋込み層9a,9b,9cは、例えば、横方向に長軸をもつ楕円形状に形成され、一例として、約1×1018cm-3のピーク濃度で、約3.0μmの長軸、約2.5μmの短軸を持つ楕円形に形成され、縦方向の間隔を15.5μm、横方向の間隔を約6.0μmに形成されている。
【0026】
またこのp+型埋込み層9a,9b,9cは、いずれも電気的に浮遊状態にされている。
【0027】
そして、この実施形態に係わるMOSFETでは、さらに、前記第1のp型ベース層周辺部の前記n−型ドリフト層1表面には、ストライプ形状をもつ第6の半導体層として第2のp+型ベース層10(p+型キャリア注入層)が形成され、このp+型キャリア注入層10上には、第2の制御電極、例えば第2のゲート電極11が形成されている。このp+型キャリア注入層10は、一例として、深さが約2.0μm、不純物濃度のピーク値が3×1019cm-3に形成されている。
【0028】
上記第1の実施形態のMOSFETでは、第1のp型ベース層4周辺部のn−型ドリフト層1中にp+型キャリア注入層10を形成し、このp+型キャリア注入層10上に第2のゲート電極11を設けて制御電圧を印加できるようにしている。このため、ターンオン時に、この第2のゲート電極11に正バイアス電圧を加えることにより、p+型キャリア注入層10とn−型ドリフト層1が形成するダイオードがオンとなり、p+型キャリア注入層10からホールがn−型ドリフト層1中に注入される。このホール注入により、p+型埋込み層9a,9b,9cの空乏化が速やかに解消され、直ちにMOSFETはオン状態となる。そのためターンオン時間は約50nsと短く、高速動作が可能となり、しかもスイッチング損失は極めて小さい。
【0029】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明する。
【0030】
図2は、このパワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図であり、図1と同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0031】
この実施形態では、ドレイン電極側のn−型ドリフト層表面にp+型キャリア注入層を設け、ドレイン電極側よりホールの注入をおこなうようにしたものである。すなわち、このMOSFETは、n−型ドリフト層1の一方の表面にn+型ドレイン層2が形成され、このn+型ドレイン層2上には、ドレイン電極3が形成され、また前記n−型ドリフト層1の他方の表面には、複数のp型ベース層4が選択的に形成され、この各p型ベース層4表面には、n+型ソース層5が選択的に形成されている。
【0032】
また前記p型ベース層4及び前記n+型ソース層5から前記n−型ドリフト層1を介して他方の前記p型ベース層4及び前記n+型ソース層5に至る領域上には、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が形成され、このゲート電極7を挟むように、一方の前記p型ベース層4及びn+型ソース層5上と他方の前記p型ベース層4及びn+型ソース層5上とには、ソース電極8が形成されている。
【0033】
また前記ドレイン電極3と前記p型ベース層4との間の前記n−型ドリフト層1中には、3層のp+型埋込み層9a,9b,9cが、選択的に埋込み形成され、且ついずれも電気的に浮遊状態にされている。
【0034】
そして、この実施形態に係わるMOSFETでは、さらに、第5の半導体層としてのストライプ状のp+型キャリア注入層20が、前記n+型ドレイン層2中に選択的に形成されている。このp+型キャリア注入層20は、最下層のp+型埋込み層9cとドレイン電極3との間に設けられ、且つこのp+型キャリア注入層20は、一端が前記ドレイン電極3に接続され、他端がn+型ドレイン層2を貫通して前記n−型ドリフト層1中に達するように形成されている。
【0035】
このp+型キャリア注入層20は、一例として、前記n−型ドリフト層1中に約5.0μmくいこむように約185μmの深さで、約1×1019cm-3の不純物濃度に形成されている。また、このp+型キャリア注入層20と隣接するn+型ドレイン層2部分とは、いずれも約3.0μmの幅で、表面積が同一に形成されている。
【0036】
上記第2の実施形態のMOSFETでは、ドレイン電流が流れることにより、前記n−型ドリフト層1と前記p+型キャリア注入層20とで形成するpn接合に電圧が加わり前記p+型キャリア注入層20から前記n−型ドリフト層1にホールが注入される。このホール注入により、p+型埋込み層9a,9b,9cの空乏化が速やかに解消され、直ちにMOSFETはオン状態となる。しかも前記p+型キャリア注入層20をp+型埋込み層の直下で、且つ近接させて配置しているため、ターンオン時間が約70nsと短く、高速動作が可能となり、しかもスイッチング損失は極めて小さい。また、前記p+型キャリア注入層20を第1のp型ベース層の下方に形成されるので、第1の実施形態のMOSFETに比べて、装置を小型化できる。
【0037】
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明する。
【0038】
図3は、このパワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図であり、図2と同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0039】
すなわち、このパワーMOSFETは、本発明の第2の実施形態の変形構成であり、図3に示すように、第5の半導体層としてのストライプ状のp+型キャリア注入層30は、最下層のp+型埋込み層9cとドレイン電極3との間に位置する前記n+型ドレイン層2部分に選択的に、且つ前記n+型ドレイン層2と同じ層厚に設けられ、一端が前記ドレイン電極側のn+型ドレイン層2表面と同一平面をなし、且つ他端が前記n−型ドリフト層1に接触するように形成された構成となっている。しかもこのp+型キャリア注入層30及びこれに隣接するn+型ドレイン層2部分は、一例として、それぞれ幅約5.0μm及び幅約1.0μmに形成され、前記n+型ドレイン層2表面におけるp+型キャリア注入層30の表面積が隣接するn+型ドレイン層2部分より広面積に形成されている。
【0040】
上記第3の実施形態のMOSFETでは、p+型キャリア注入層30の表面積が広く形成されており、そのためp+型キャリア注入層30と前記n−型ドリフト層1とで形成するpn接合に印加される電圧が大きくなり、p+型キャリア注入層30から前記n−型ドリフト層1へのホール注入が促進され、上記第2の実施形態と同様に、高速動作が可能となり、またスイッチング損失も小さい。
【0041】
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明する。
【0042】
図4はこのパワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図である。
【0043】
このMOSFETは、第1の半導体層としてのn−型ドリフト層1の一方の表面に高濃度半導体層、例えばn+型ドレイン層2が形成され、このn+型ドレイン層2上には、第1の主電極としてのドレイン電極3が形成されている。
【0044】
また前記n−型ドリフト層1の他方の表面には、第2の半導体層としての第1のp型ベース層4が選択的に形成され、この第1のp型ベース層4表面には、第3の半導体層としてのn+型ソース層5が選択的に形成されている。
【0045】
また前記n−型ドリフト層1、前記第1のp型ベース層4及び前記n+型ソース層5上には、ゲート絶縁膜、例えばSi酸化膜6を介して第1の制御電極としての第1のゲート電極7が形成され、この第1のゲート電極7の外側で、前記第1のp型ベース層4及びn+型ソース層5に第2の主電極としてのソース電極8が形成されている。
【0046】
さらに前記n−型ドリフト層1の他方の表面には、前記第6の半導体層としての第2のp型ベース層44が、前記第1のp型ベース層4と離間して選択的に拡散形成され、この第2のp型ベース層44表面には、第7の半導体層としての第2のn+型ソース層45が選択的に形成されている。
【0047】
また前記n−型ドリフト層1、前記第2のp型ベース層44及び前記第2のn+型ソース層45上には、ゲート絶縁膜、例えばSi酸化膜46を介して第2の制御電極としての第2のゲート電極47が形成され、この第2ゲートd電極47は、ここでは、前記第1のゲート電極7と電気的に接続されている。またこの第2のゲート電極47の内側、即ち前記第1のゲート電極7側で、前記第2のp型ベース層44及び第2のn+型ソース層45上に電位の浮遊したフローティング電極としてのソース電極48が形成されている。
【0048】
そして、また前記ドレイン電極3と前記p型ベース層4、44との間の前記n−型ドリフト層1中には、例えば3層のp+型埋込み層9a,9b,9cが、選択的に埋込み形成されている。またこのp+型埋込み層9a,9b,9cは、いずれも電気的に浮遊状態にされている。
【0049】
上記第4の実施形態のMOSFETでは、フローティング電極は、第2のゲート電極に閾値電圧以上の電圧が印加されると、第2のゲート電極下にチャンネルができ、第2のn+型ソース層45から前記n−型ドリフト層1中に電子が注入される。このため、フローティング電極の電位が上昇し、フローティング電極に接続された前記第2のp型ベース層44と前記n−型ドリフト層1とにより形成されるpn接合に正バイアス電圧が加わり、前記第2のp型ベース層44から前記n−型ドリフト層1にホールが注入される。その結果、p+型埋込み層9a,9b,9cの空乏化が速やかに解消され、直ちにMOSFETがオン状態となる。そのため高速動作が可能となり、しかもスイッチング損失も小さくなる。
【0050】
また第1及び第2のp型ベース層4及び44、第1及び第2のソース層5及び45、ゲート絶縁膜6,46、第1及び第2のゲート電極7及び47、並びにソース電極7及びフローティング電極47は、それぞれ同一工程で形成できるため、MOSFETの製造が容易である。
【0051】
(第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施の形態に係わるパワーMOSFETについて説明する。
【0052】
図5は、このパワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図であり、図1と同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0053】
すなわち、このパワーMOSFETは、本発明に係わる第1の実施形態の変形構成であり、図5に示すように、p型ベース層4と最上層の前記p+型埋め込み層9a間、この最上層のp+型埋め込み層9aと中間層の前記p+型埋め込み層9b間、この中間層のp+型埋め込み層9bと最下層の前記p+型埋め込み層9c間をp−型の接続層50a、50b、50cによって順次接続した構成となっている。このp−型の接続層50a、50b、50cは、いずれも、一例として、約1×1015cm-3の不純物濃度で、約2.0μmの幅に形成されている。またn−型ドリフト層1の不純物濃度は約2×1015cm-3 である。
【0054】
この第5の実施形態のMOSFETでは、前記p−型の接続層50a、50b、50cは、高電圧が印加されると完全に空乏化し、前記n−型ドリフト層1内の電界は、p+型埋め込み層9a、9b、9cが接続されていない場合と同様に各p+型埋め込み層毎に分割されるので、第1の実施形態と同様な耐圧が保持される。それに加え、ターンオン時には前記p−型の接続層50a、50b、50cを通じて直接p+型埋め込み層9a,9b,9cにソース電極よりキャリアが効率よく、しかも即座に供給されて各p+型埋め込み層は充電される。その結果、上記各実施形態のMOSFETに比べて、p+型埋め込み層9a、9b、9cの空乏化の解消が速く、MOFETのオン状態も早く、そのためターンオン時間は約400nsと極めて短く、より高速動作が可能となる。
【0055】
(第6の実施形態)
次に、本発明の第5の実施の形態に係わるパワーMOSFETの製造方法について説明する。
【0056】
図6は、このMOSFETの製造工程を示す模式的な工程図である。
【0057】
まず、図6(a)に示すように、ドレイン層としてのn+型基板2上に第1の半導体層としてのn−型ドリフト層1をエピタキシャル成長させる。
【0058】
続いて図6(b)に示すように、前記n−型ドリフト層1上にマスクを介してp型不純物としてのボロン並びにn型不純物としてのリンを順次イオン注入する。
【0059】
イオン注入後、図6(c)に示すように、イオン注入されたn−型ドリフト層1上に最終的にp−型接続層となるp−型層50をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程において、ボロン及びリンが再拡散され最下層のp+型埋め込み層9cが形成されると同時に、このp+型埋め込み層9c、9c間に所定濃度のn−型ドリフト層1部分が形成される。
【0060】
次に図6(d)に示すように、このp+型埋め込み層9c、9c間上に位置するp−型層50部分の表面にリンをイオン注入する。
【0061】
イオン注入後、図6(e)に示すように、イオン注入されたp−型層50上に、更にp−型層50をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程において、リンが再拡散されて最初のp−型層50が分断され、最下層のp+型埋め込み層9c上に延在するp−型接続層50cが形成される。
【0062】
続いて図6(f)に示すように、p+型埋め込み層9c及びn−型ドリフト層1部分に対応する前記p−型層50部分表面に、それぞれマスクを介してボロン並びにリンを順次イオン注入する。
【0063】
イオン注入後、図6(g)に示すように、イオン注入されたp−型層50上に、更にp−型層50をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程において、ボロン及びリンが再拡散され、p−型接続層50c上に中間層のp+型埋め込み層9bが形成されると同時に、このp+型埋め込み層9b、9b間に所定濃度のn−型ドリフト層1部分が形成され、また最下層のp+型埋め込み層9cと中間層のp+型埋め込み層9bとの間に両層を接続するp−型接続層50cが形成される。
【0064】
以下同様に、図6(d)乃至図6(g)工程を繰り返すことにより、図6(h)に示すような、p−型接続層50b上に最上層のp+型埋め込み層9aが形成され、このp+型埋め込み層9a、9a間に所定濃度のn−型ドリフト層1部分が形成され、また最上層のp+型埋め込み層9a及びn−型ドリフト層1部分上にエピタキシャル成長されたp−型層50を有する構造が形成される。
【0065】
次に図6(i)に示すように、このp+型埋め込み層9a、9a間上に位置するp−型層50部分の表面にリンをイオン注入する。
【0066】
次に、図6(j)に示すように、このp−型の接続層50aとn−型ドリフト層1との表面上に、さらにn−型ドリフト層1をエピタキシャル成長させる。このn−型ドリフト層1のエピタキシャル成長工程において、リンが再拡散され、p+型埋め込み層9a、9b、9cがp−型の接続層50a、50bにより接続され、且つ最上層のp+型埋め込み層9a上にp−型の接続層50aが縦方向に延在し、縦方向にn−型ドリフト層1が伸びる構造が形成される。
【0067】
その後、図5に示すように、このn−型ドリフト層1表面に選択的に、p型ベース層4を拡散形成し、続いてこのp型ベース層4表面に、n+型ソース層5を選択的に形成する。
【0068】
最後に、ゲート絶縁膜6を形成した後、ゲート電極7、ソース電極8、ドレイン電極2をそれぞれ形成することにより、MOSFETが完成される。
【0069】
(第7の実施形態)
次に本発明の第7の実施形態に係わるパワーMOSFETについて説明する。
【0070】
図7はこのパワ−MOSFETの構成を模式的に示す断面図であり、図1と同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【0071】
すなわち、このMOSFETは、各実施形態の変形構成であり、素子終端部での耐圧劣化の阻止を図るものであって、具体的には図7に示すように、素子形成領域周辺部のドリフト層1’は、素子形成領域部分のn型ドリフト層1より低不純物濃度を有するn−型に形成された構成となっている。この実施形態のMOSFETでは、耐圧600Vと仮定して、素子形成領域部分のn型ドリフト層1は、一例として1×1015cm-3の不純物濃度に形成し、且つ素子形成領域周辺部のドリフト層1’は、一例として、p+型埋め込み層を有しない構造のMOSFETにおけるドリフト層の不純物濃度と同様の2×1014cm-3の不純物濃度に形成している。
【0072】
従って、上記第7の実施形態のMOSFETでは、素子形成領域周辺部のドリフト層が低不純物濃度に形成されているため、この部分における電界分布は、通常のp+型埋め込み層を有しない構造のMOSFETと同様となり、この通常のMOSFETによる耐圧と同様の素子周辺部の耐圧が得られる。
【0073】
(第8の実施形態)
次に、本発明の第7の実施の形態に係わるパワーMOSFETの製造方法について説明する。
【0074】
図8は、このMOSFETの製造工程を示す模式的な工程図である。
【0075】
まず、図8(a)に示すように、ドレイン層としてのn+型基板2上にn−型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させる。
【0076】
続いて図8(b)に示すように、前記n−型ドリフト層1’上にマスクを介して素子形成領域部分にn型不純物としてのリンをイオン注入する。
【0077】
イオン注入後、図8(c)に示すように、イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程において、リンが再拡散され素子形成領域上のn−型ドリフト層1’部分が所定不純物濃度のn型ドリフト層1に変換される。
【0078】
続いて図8(d)に示すように、前記n−型ドリフト層1’上にマスクを介して素子形成領域部分にp型不純物としてのボロン並びにn型不純物としてのリンを順次イオン注入する。
【0079】
イオン注入後、図8(e)に示すように、イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程において、ボロン並びにリンが再拡散され、最下層のp+型埋め込み層9cが形成され、このp+型埋め込み層9c,9c間のn−型ドリフト層1部分はn型ドリフト層1に変換される。
【0080】
次に図8(f)に示すように、n−型ドリフト層1’の素子形成領域部分上にリンをイオン注入する。
【0081】
続いて図8(g)に示すように、イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−型ドリフト層1をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程において、リンが再拡散され、p+型埋め込み層9c及びn型ドリフト層1部分上のn−型ドリフト層1’部分がn型ドリフト層1に変換される。
【0082】
次に図8(h)に示すように、前記n−型ドリフト層1’上にマスクを介して素子形成領域部分にボロン並びにリンを順次イオン注入する。
【0083】
イオン注入後、図8(i)に示すように、イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させると共に、中間層のp+型埋め込み層9b及びこの埋め込み層9b間にn型ドリフト層1を形成する。
【0084】
以下同様に、図8(f)乃至図8(i)工程を繰り返すことにより、図8(j)に示すように、素子形成領域部分において、3層のp+型埋め込み層9a、9b、9c及び各層間にn型ドリフト層1が、また最上層がエピタキシャル成長されたn−型ドリフト層1’からなる構造が形成される。
【0085】
次に図8(k)に示すように、前記n−型ドリフト層1’上の素子形成領域部分にリンをイオン注入する。
【0086】
イオン注入後、図8(L)に示すように、イオン注入されたn−型ドリフト層1’上に、更にn−型ドリフト層1’をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長工程において、リンを再拡散させて素子形成領域部分における前記n−型ドリフト層1’部分をn型ドリフト層1に変換する。
【0087】
その後、図7に示すように、素子形成領域部分のn型ドリフト層1表面に選択的に、p型ベース層4を拡散形成し、続いてこのp型ベース層4表面に、n+型ソース層5を選択的に形成する。
【0088】
最後に、ゲート酸化膜6を形成した後、ゲート電極7、ソース電極8、ドレイン電極2をそれぞれ形成することにより、MOSFETが完成される。
【0089】
(第9の実施形態)
次に、パワーMOSFETにおいて、ターンオン時のp型埋込み層の充電に関する例を、第9の実施形態として説明する。
【0090】
図9(a)は本発明の第9の実施の形態に係わるパワーMOSFETの駆動方法を説明するための回路図、図9(b)はゲート電流と時間との関係を示す図である。この実施形態におけるパワーMOSFETは、例えば、図1に示す第1実施形態のパワーMOSFETである。
【0091】
図9(a)に示すように、第9の実施形態に係わるMOSFETの駆動回路は、MOSFETの第1のゲート電極G1が、入力信号Vin1が印可される第1の入力端子91に直接接続されている。また、第2のゲート電極G2が、キャパシタCと抵抗rg2とを並列接続したゲート入力回路95とこのゲート入力回路95に直接接続された抵抗rg1を介して入力信号Vin2が印可される第2の入力端子92に接続されている。そしてドレイン電極DがVdd電源端子93に負荷抵抗RLを介して接続され、且つソース電極Sが接地(Vgnd)電源端子94にそれぞれ接続されている。
【0092】
次にこの駆動回路によるターンオン動作を説明する。
【0093】
まず、図9(b)に示すように、第1の入力端子91に振幅15Vの入力信号Vin1を印加し、第2の入力端子92に振幅5Vの入力信号Vin2を印加すると、第1のゲート電極7直下のp型ベース層4にチャンネルができ、n+型ソース層5よりn−型ドリフト層1中に電子が注入され、n−型ドリフト層1中の空乏化が解消される。これと同時に、第2の入力端子92に入力信号Vin2が入力された瞬間に、キャパシタCを通じて変位電流が流れるため、第2のゲート電極G2に、より大きなゲート電流Ig2が流れ、p+型埋込み層9a、9b、9cにホールがより多く供給されて、p+型埋込み層9a、9b、9cの空乏化が速やかに解消される。この結果、速やかにターンオンさせることができる。そして上記第2のゲート電極G2に流れるゲート電流Ig2は、キャパシタCが充電された後は、極めて小さい値を示す。
【0094】
上記の駆動回路によれば、純粋にユニポーラモードで動作するMOSFETでは、p+型埋込み層にホールが供給することが無く、p+型埋込み層が空乏化は解消できなく、ターンオン時間が長くなってしまうが、本発明の実施形態に係わるMOSFETでは、ターンオン時にゲート電流を大きく流して、バイポーラモードで動作させることが可能であり、p+型埋込み層にホールを供給することができる。そのため、より高速なターンオンが実現できる。
【0095】
以上、本発明を第1乃至第9の実施形態により説明したが、この発明は、第1乃至第9の実施形態に限定されるものではない。
【0096】
例えば、第1乃至第8の実施形態では、p+型埋込み層を三層として説明を行ったが、p+型埋込み層は一層以上有する構造であれば、同様の効果を得ることができる。
【0097】
また各層の複数のp+型埋込み層は、それぞれ、独立したストライプ状に形成したが、ストライプの終端で互いに接続した構造にしてもよい。
【0098】
また各層のp+型埋込み層は、ストライプ状に限らず、メッシュ状、またはドット状に形成してもよい。
【0099】
またp型ベース層及びn+型ソース層は、ストライプ状に形成したが、ドット状に形成してもよい。
【0100】
また半導体としてシリコン(Si)を用いたMOSFETを説明したが、半導体としとは、例えばシリコンカーバイト(SiC)等の化合物半導体を用いることができる。
【0101】
また第1の実施形態では、p+型キャリア層を複数のp型ベース層のうち、片側のp+型キャリア層の側方にみ配置したが、両方のp+型キャリア層の側方にそれぞれ配置してもよく、複数のp型ベース層を取り囲むように環状構造に形成してよい。
【0102】
また第2及び第3の実施形態では、p+型キャリア層をストライプ状に形成したが、環状、格子状、またはドット状に形成してもよい。
【0103】
また第2及び第3の実施形態では、p+型キャリア層は、ドレイン電極に接続されているが、ドレイン電極と電気的に分離し、ドレイン電極と独立した電位を印可するようにしてもよい。
【0104】
また第2の実施形態では、p+型キャリア層とこれと隣接するn+型ドレイン層を同一表面積を有するように形成したが、p+型キャリア層の表面積が広面積に形成してもよい。
【0105】
また第3の実施形態では、p+型キャリア層の表面積を、これと隣接するn+型ドレイン層の表面積より広く形成したが、p+型キャリア層とn+型ドレイン層の表面積を同一面積に形成してもよい。
【0106】
また第9の実施形態では、第1及び第2の入力端子を別個に設けたが、第1及び第2の入力端子を共通にし、同一の入力信号を印加するようにすれば、駆動回路が簡単にできる。
【0107】
また第1乃至第9の実施形態では、プレナー型のパワーMOSFETを例示したが、本発明は、トレンチ構造のパワーMOSFETにも適用可能である。
【0108】
更には電位が浮遊した埋込層を有するMOSFETのみで説明したが、本発明の構造及び駆動方法は、電位が浮遊した層を有する素子であれば、適用可能である。
【0109】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高耐圧を維持しつつ、ターンオン時間が短く、高速動作が可能で、しかもスイッチング損失が少ない電力用半導体装置と、この電力用半導体装置のターンオン時間の短縮に有効な駆動方法とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るパワ-MOSFETの構成を模式的に示す断面図。
【図2】本発明の第2の実施形態に係るパワ-MOSFETの構成を模式的に示す断面図。
【図3】本発明の第3の実施形態に係るパワ-MOSFETの構成を模式的に示す断面図。
【図4】本発明の第4の実施形態に係るパワ-MOSFETの構成を模式的に示す断面図。
【図5】本発明の第5の実施形態に係るパワ-MOSFETの構成を模式的に示す断面図。
【図6】本発明の第6の実施形態に係るパワ-MOSFETの製造工程を示す模式的な工程図。
【図7】本発明の第7の実施形態に係るパワ-MOSFETの構成を模式的に示す断面図。
【図8】本発明の第8の実施形態に係るパワ-MOSFETの製造工程を示す模式的な工程図。
【図9】図9(a)は本発明の第9の実施形態に係るパワーMOSFETの駆動回路を示す回路図、図9(b)は入力電流と時間の関係を示す図。
【図10】従来のパワ-MOSFETの構成を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
1、111…n−型ドリフト層(第1の半導体層)、
2、112…n+型ドレイン層(高濃度半導体層)、
3、113…ドレイン電極D(第1の主電極)、
4、114…第1のp型ベース層(第2の半導体層)、
5、115…n+型ソース層(第3の半導体層)、
6,116…Si酸化膜(ゲート絶縁膜)、
7、117…第1のゲート電極G1(第1の制御電極)、
8,118…ソース電極S(第2の主電極)、
9a、9b、9c、119a、119b、119c…p+埋込み層、
10…p+型 キャリア注入層(第4の半導体層)、
11…第2のゲート電極(第2の制御電極)
20,30…p+型 キャリア注入層(第5の半導体層)、
44…第2のp型ベース層(第6の半導体層)、
45…n+型ソース層(第7の半導体層)、
46…Si酸化膜(ゲート絶縁膜)、
47…ソース電極(フローティング電極)、
50a、50b、50c…p−型接続層、
91…第1の入力端子、
92…第2の入力端子、
93…Vdd電源端子、
94…接地(Vgnd)電源端子、
95…ゲート入力回路、
rg1,rg2…抵抗、
RL…負荷抵抗、
C…キャパシタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor device used for high power control and a driving method of the element, and more particularly to a power MOSFET and a driving method thereof.
[0002]
[Prior art]
Recently, power MOSFETs for unipolar operation are widely used as power semiconductor devices for power control, but MOSFETs can be expected to operate at high speed, but the on-state is increased as the withstand voltage becomes higher than bipolar operation IGBTs. Therefore, there is a problem that the voltage drop becomes high and the conduction loss becomes large. As an example of a MOSFET that solves this problem, for example, one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-191109 is known.
[0003]
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of this type of MOSFET.
[0004]
In this MOSFET, an n + -type drain layer 112 is formed on one surface of an n − -type drift layer 111, and a drain electrode 113 is formed on the n + -type drain layer 112. A plurality of p-
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In such a MOSFET, in the off state, the electric field in the n − type drift layer 111 is divided according to the number of divisions of the n − type drift layer 111 divided by the p + type buried
[0006]
However, in the MOSFET having such a structure, once the p + type buried layer is depleted in the off state, the p + type buried layer is not normally turned on at the time of turn-on until the depletion of the p + type buried layer is eliminated. Long time of 100 μs or longer.
[0007]
Further, immediately after the turn-on, a depletion layer extends from the p + type buried layer to the periphery, and an area where carriers are effectively conducted is reduced. Therefore, the element itself has a high resistance and a switching loss is increased.
[0008]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a high-power semiconductor device that can shorten the turn-on time, operate at high speed, and has low switching loss, and a method for driving the device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a power semiconductor device according to a first aspect of the present invention is electrically connected to a first semiconductor layer of a first conductivity type and one surface of the first semiconductor layer. A first main electrode, a second semiconductor layer of a second conductivity type selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer, and a surface selectively formed on the surface of the second semiconductor layer. A first semiconductor layer of the first conductivity type, a second main electrode electrically connected to the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, the first semiconductor layer, A first control electrode formed on the surfaces of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer with an insulating film interposed therebetween; and in the first semiconductor layer, the second semiconductor layer and the At least one second conductive type buried layer having a potential floating and selectively buried between the first main electrode and the first semiconductor; A fifth semiconductor layer of a second conductivity type selectively formed on the other surface of the layer, and a second control electrode which is electrically connected to the semiconductor layer of the fifth, A first conductivity type high concentration semiconductor layer having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is formed between one surface of the first semiconductor layer and the first main electrode, and The
[0010]
A power semiconductor device according to a second aspect of the present invention is characterized in that the first main electrode and the second control electrode are electrically connected in common.
[0011]
Furthermore, the power semiconductor device of the invention corresponding to
[0012]
Furthermore, in the power semiconductor device of the invention corresponding to
[0013]
Furthermore, in the power semiconductor device of the invention corresponding to claim 5, the fifth semiconductor layer is one surface of the first semiconductor layer or the high-concentration semiconductor layer on the first main electrode side. On the surface, the surface area of the fifth semiconductor layer is wider than the surface area of the first semiconductor layer portion adjacent to this layer or the adjacent high concentration semiconductor layer portion.
[0014]
Furthermore, the power semiconductor device of the invention corresponding to
[0015]
Furthermore, in the power semiconductor device according to the seventh aspect of the present invention, the impurity concentration in the periphery of the element formation region of the first semiconductor layer is lower than the impurity concentration of the element formation region. It is characterized by.
[0016]
Furthermore, in the power semiconductor device of the invention corresponding to claim 8, the fifth semiconductor layer is one surface of the first semiconductor layer, or the high-concentration semiconductor layer on the first main electrode side. On the surface, the surface area of the fifth semiconductor layer is wider than the surface area of the first semiconductor layer portion adjacent to this layer or the adjacent high concentration semiconductor layer portion.
[0017]
Furthermore, the power semiconductor device of the invention corresponding to claim 9 is a first main layer electrically connected to the first semiconductor layer of the first conductivity type and one surface of the first semiconductor layer. An electrode, a second conductivity type second semiconductor layer selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer, and a first conductivity type selectively formed on the second semiconductor surface. A third semiconductor layer; a second main electrode electrically connected to surfaces of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer; the first semiconductor layer and the second semiconductor layer; A first control electrode formed on the third semiconductor layer via an insulating film, and a first control electrode selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer, spaced from the second semiconductor layer; A second conductive type sixth semiconductor layer; a first conductive type seventh semiconductor layer selectively formed on a surface of the sixth semiconductor layer; and the sixth semiconductor layer A floating electrode having a potential floating electrically connected to the first semiconductor layer and the seventh semiconductor layer, and an insulating film on the first semiconductor layer, the sixth semiconductor layer, and the seventh semiconductor layer. And a second conductivity type buried layer having a potential floating at least one or more selectively buried in the first semiconductor layer. .
[0018]
Furthermore, a power semiconductor device according to a tenth aspect of the invention includes a first conductive type first semiconductor layer and a first main electrically connected to one surface of the first semiconductor layer. An electrode; a second semiconductor layer of a second conductivity type selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer; and a first conductor selectively formed on the surface of the second semiconductor layer. A third semiconductor layer of the mold, a second main electrode electrically connected to the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer And a control electrode formed on the surface of the third semiconductor layer via an insulating film, and in the first semiconductor layer, between the second semiconductor layer and the first main electrode. And at least one second conductivity type buried layer floating in potential selectively embedded in the semiconductor layer and having a lower impurity concentration than the second conductivity type buried layer. It is, is characterized by and having a connecting layer for connecting the second semiconductor layer and the second conductivity type buried layer.
[0019]
Furthermore, in the power semiconductor device according to the invention corresponding to claim 11, the impurity concentration in the periphery of the element formation region of the first semiconductor layer is lower than the impurity concentration of the element formation region. It is characterized by.
[0020]
Furthermore, the drive system of the invention corresponding to claim 12 is a drive method for driving a power semiconductor semiconductor device, wherein the current flowing through the second control electrode is set larger than the steady state only at the time of turn-on. It is a feature.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. Moreover, the same number is attached | subjected to the same part in drawing.
[0022]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a power MOSFET according to the first embodiment of the present invention.
[0023]
In this MOSFET, a high-concentration semiconductor layer, for example, an n + -
[0024]
Also, a plurality of first p-type base layers 4 as second semiconductor layers are selectively formed on the other surface of the n − -
[0025]
Further, on the region from the first p-
[0026]
The p + type buried
[0027]
In the MOSFET according to this embodiment, the surface of the n −
[0028]
In the MOSFET of the first embodiment, the p + type
[0029]
(Second embodiment)
Next, a power MOSFET according to a second embodiment of the present invention will be described.
[0030]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the power MOSFET. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different parts will be described here.
[0031]
In this embodiment, a p + type carrier injection layer is provided on the surface of the n − type drift layer on the drain electrode side, and holes are injected from the drain electrode side. That is, in this MOSFET, an n +
[0032]
Further, a gate insulating film is formed on a region from the p-
[0033]
In the n −
[0034]
In the MOSFET according to this embodiment, a striped p + type
[0035]
As an example, the p + type
[0036]
In the MOSFET of the second embodiment, when a drain current flows, a voltage is applied to the pn junction formed by the n −
[0037]
(Third embodiment)
Next, a power MOSFET according to a third embodiment of the present invention will be described.
[0038]
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the power MOSFET. The same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Only different parts will be described here.
[0039]
That is, this power MOSFET is a modified configuration of the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the striped p + -type
[0040]
In the MOSFET of the third embodiment, the surface area of the p + type
[0041]
(Fourth embodiment)
Next, a power MOSFET according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0042]
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of this power MOSFET.
[0043]
In this MOSFET, a high-concentration semiconductor layer, for example, an n + -
[0044]
Further, a first p-
[0045]
On the n −
[0046]
Further, a second p-
[0047]
On the n −
[0048]
In the n −
[0049]
In the MOSFET of the fourth embodiment, the floating electrode forms a channel under the second gate electrode when a voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the second gate electrode, and the second n + -type source layer 45 is formed. Then, electrons are injected into the n −
[0050]
The first and second p-type base layers 4 and 44, the first and second source layers 5 and 45, the
[0051]
(Fifth embodiment)
Next, a power MOSFET according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
[0052]
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the power MOSFET. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Only different parts will be described here.
[0053]
That is, this power MOSFET is a modified configuration of the first embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 5, the uppermost layer is formed between the p-
[0054]
In the MOSFET of the fifth embodiment, the p−
[0055]
(Sixth embodiment)
Next, a method for manufacturing a power MOSFET according to the fifth embodiment of the present invention will be described.
[0056]
FIG. 6 is a schematic process diagram showing the manufacturing process of this MOSFET.
[0057]
First, as shown in FIG. 6A, an n −
[0058]
Subsequently, as shown in FIG. 6B, boron as a p-type impurity and phosphorus as an n-type impurity are sequentially ion-implanted onto the n − -
[0059]
After the ion implantation, as shown in FIG. 6C, a p − type layer 50 which finally becomes a p − type connection layer is epitaxially grown on the ion implanted n −
[0060]
Next, as shown in FIG. 6D, phosphorus is ion-implanted into the surface of the p − type layer 50 portion located between the p + type buried
[0061]
After the ion implantation, as shown in FIG. 6E, the p − type layer 50 is further epitaxially grown on the ion implanted p − type layer 50. In this epitaxial growth step, phosphorus is re-diffused to divide the first p-type layer 50, and a p-
[0062]
Subsequently, as shown in FIG. 6 (f), boron and phosphorus are sequentially ion implanted into the surface of the p + type layer 50 corresponding to the p + type buried
[0063]
After the ion implantation, as shown in FIG. 6G, the p − type layer 50 is further epitaxially grown on the ion implanted p − type layer 50. In this epitaxial growth step, boron and phosphorus are re-diffused to form a p + type buried
[0064]
Similarly, by repeating the steps of FIGS. 6D to 6G, the uppermost p + type buried
[0065]
Next, as shown in FIG. 6 (i), phosphorus is ion-implanted into the surface of the p− type layer 50 portion located between the p + type buried
[0066]
Next, as shown in FIG. 6J, the n −
[0067]
Thereafter, as shown in FIG. 5, a p-
[0068]
Finally, after forming the
[0069]
(Seventh embodiment)
Next, a power MOSFET according to a seventh embodiment of the present invention will be described.
[0070]
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of this power MOSFET. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Only different parts will be described here.
[0071]
That is, this MOSFET is a modified configuration of each embodiment, and is intended to prevent breakdown resistance degradation at the element termination portion. Specifically, as shown in FIG. 7, the drift layer around the
[0072]
Therefore, in the MOSFET of the seventh embodiment, since the drift layer around the element formation region is formed with a low impurity concentration, the electric field distribution in this portion is a MOSFET having a structure without a normal p + type buried layer. Thus, the breakdown voltage of the peripheral portion of the element similar to the breakdown voltage of this normal MOSFET can be obtained.
[0073]
(Eighth embodiment)
Next, a method for manufacturing a power MOSFET according to the seventh embodiment of the present invention will be described.
[0074]
FIG. 8 is a schematic process diagram showing the manufacturing process of this MOSFET.
[0075]
First, as shown in FIG. 8A, an n −
[0076]
Subsequently, as shown in FIG. 8B, phosphorus as an n-type impurity is ion-implanted into the element formation region portion through the mask on the n − -
[0077]
After the ion implantation, as shown in FIG. 8C, an n −
[0078]
Subsequently, as shown in FIG. 8D, boron as a p-type impurity and phosphorus as an n-type impurity are sequentially ion-implanted into the element formation region through the mask on the n − -
[0079]
After the ion implantation, as shown in FIG. 8E, an n −
[0080]
Next, as shown in FIG. 8F, phosphorus is ion-implanted onto the element formation region of the n −
[0081]
Subsequently, as shown in FIG. 8G, the n −
[0082]
Next, as shown in FIG. 8H, boron and phosphorus are sequentially ion-implanted into the element formation region through the mask on the n −
[0083]
After the ion implantation, as shown in FIG. 8 (i), an n −
[0084]
Similarly, by repeating the steps of FIGS. 8 (f) to 8 (i), as shown in FIG. 8 (j), three p + type buried
[0085]
Next, as shown in FIG. 8K, phosphorus is ion-implanted into the element formation region on the n −
[0086]
After the ion implantation, as shown in FIG. 8L, an n −
[0087]
Thereafter, as shown in FIG. 7, a p-
[0088]
Finally, after the
[0089]
(Ninth embodiment)
Next, an example relating to charging of the p-type buried layer at turn-on in the power MOSFET will be described as a ninth embodiment.
[0090]
FIG. 9A is a circuit diagram for explaining a power MOSFET driving method according to the ninth embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a diagram showing the relationship between the gate current and time. The power MOSFET in this embodiment is, for example, the power MOSFET of the first embodiment shown in FIG.
[0091]
As shown in FIG. 9A, in the MOSFET drive circuit according to the ninth embodiment, the first gate electrode G1 of the MOSFET is directly connected to the first input terminal 91 to which the input signal Vin1 is applied. ing. The second gate electrode G2 is applied with the input signal Vin2 via the
[0092]
Next, the turn-on operation by this drive circuit will be described.
[0093]
First, as shown in FIG. 9B, when an input signal Vin1 having an amplitude of 15V is applied to the first input terminal 91 and an input signal Vin2 having an amplitude of 5V is applied to the second input terminal 92, the first gate is applied. A channel is formed in the p-
[0094]
According to the drive circuit described above, in a MOSFET that operates purely in the unipolar mode, holes are not supplied to the p + type buried layer, and the depletion of the p + type buried layer cannot be eliminated, and the turn-on time becomes long. However, the MOSFET according to the embodiment of the present invention can be operated in the bipolar mode by flowing a large gate current at the time of turn-on, and holes can be supplied to the p + type buried layer. Therefore, faster turn-on can be realized.
[0095]
Although the present invention has been described with reference to the first to ninth embodiments, the present invention is not limited to the first to ninth embodiments.
[0096]
For example, in the first to eighth embodiments, the p + type buried layer is described as three layers, but the same effect can be obtained if the structure has one or more p + type buried layers.
[0097]
The plurality of p + type buried layers in each layer are formed in independent stripes, but may be connected to each other at the end of the stripe.
[0098]
Further, the p + type buried layer of each layer is not limited to a stripe shape, and may be formed in a mesh shape or a dot shape.
[0099]
The p-type base layer and the n + -type source layer are formed in a stripe shape, but may be formed in a dot shape.
[0100]
Further, although a MOSFET using silicon (Si) as a semiconductor has been described, a compound semiconductor such as silicon carbide (SiC) can be used as the semiconductor.
[0101]
In the first embodiment, the p + type carrier layer is arranged only on the side of the p + type carrier layer on one side of the plurality of p type base layers, but is arranged on the side of both p + type carrier layers. It may be formed in an annular structure so as to surround a plurality of p-type base layers.
[0102]
In the second and third embodiments, the p + type carrier layer is formed in a stripe shape, but may be formed in a ring shape, a lattice shape, or a dot shape.
[0103]
In the second and third embodiments, the p + type carrier layer is connected to the drain electrode, but may be electrically separated from the drain electrode and applied with a potential independent of the drain electrode.
[0104]
In the second embodiment, the p + type carrier layer and the adjacent n + type drain layer are formed to have the same surface area. However, the p + type carrier layer may be formed to have a large surface area.
[0105]
In the third embodiment, the surface area of the p + type carrier layer is larger than the surface area of the n + type drain layer adjacent to the p + type carrier layer, but the surface area of the p + type carrier layer and the n + type drain layer is formed to the same area. Also good.
[0106]
In the ninth embodiment, the first and second input terminals are provided separately. However, if the first and second input terminals are made common and the same input signal is applied, the drive circuit is provided. Easy to do.
[0107]
In the first to ninth embodiments, the planar type power MOSFET is exemplified, but the present invention is also applicable to a trench type power MOSFET.
[0108]
Further, although only a MOSFET having a buried layer with a floating potential has been described, the structure and driving method of the present invention can be applied to any element having a layer with a floating potential.
[0109]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a power semiconductor device capable of high-speed operation with a short turn-on time while maintaining a high breakdown voltage, and a low switching loss, and the turn-on time of the power semiconductor device can be reduced. It is possible to provide a driving method effective for shortening.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a power MOSFET according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a power MOSFET according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a power MOSFET according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a power MOSFET according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a power MOSFET according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic process diagram showing a manufacturing process of a power MOSFET according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view schematically showing a configuration of a power MOSFET according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic process diagram showing a manufacturing process of a power MOSFET according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9A is a circuit diagram showing a drive circuit for a power MOSFET according to a ninth embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a diagram showing the relationship between input current and time.
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional power MOSFET.
[Explanation of symbols]
1, 111... N-type drift layer (first semiconductor layer),
2, 112... N + type drain layer (high concentration semiconductor layer),
3, 113 ... drain electrode D (first main electrode),
4, 114 ... first p-type base layer (second semiconductor layer),
5, 115... N + type source layer (third semiconductor layer),
6, 116 ... Si oxide film (gate insulating film),
7, 117 ... 1st gate electrode G1 (1st control electrode),
8, 118 ... source electrode S (second main electrode),
9a, 9b, 9c, 119a, 119b, 119c ... p + buried layer,
10 ... p + type carrier injection layer (fourth semiconductor layer),
11: Second gate electrode (second control electrode)
20, 30... P + type carrier injection layer (fifth semiconductor layer),
44. Second p-type base layer (sixth semiconductor layer),
45... N + type source layer (seventh semiconductor layer),
46: Si oxide film (gate insulating film),
47 ... Source electrode (floating electrode),
50a, 50b, 50c ... p-type connection layer,
91: First input terminal,
92 ... second input terminal,
93 ... Vdd power supply terminal,
94: Ground (Vgnd) power supply terminal,
95: Gate input circuit,
rg1, rg2 ... resistance,
RL: Load resistance,
C ... Capacitor
Claims (7)
前記第1の半導体層に一方の表面に電気的に接続された第1の主電極と、
前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第3の半導体層と、
前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とに電気的に接続された第2の主電極と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表面上に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、
前記第1の半導体層中であって、前記第2の半導体層と前記第1の主電極との間に選択的に埋込まれた少なくとも1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋込み層と、
前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第5の半導体層と、
前記第5の半導体層に電気的に接続された第2の制御電極と、
前記第1の半導体層の一方の表面と前記第1の主電極との間に、前記第1の半導体層よりも高不純物濃度をもつ第1導電型の高濃度半導体層が形成され、前記第5の半導体層は、前記高濃度半導体層に選択的に形成され、且つ前記第1の主電極側の一端が前記高濃度半導体層と同一平面をなし、他端が前記高濃度半導体層を貫通して前記第1の半導体層中に達する形状に形成されてなることを特徴とする電力用半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A first main electrode electrically connected to the first semiconductor layer on one surface;
A second semiconductor layer of a second conductivity type selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a first conductivity type selectively formed on the surface of the second semiconductor layer;
A second main electrode electrically connected to the second semiconductor layer and the third semiconductor layer;
A first control electrode formed on the surfaces of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer via an insulating film;
In the first semiconductor layer, at least one potential-filled second conductivity type buried layer selectively buried between the second semiconductor layer and the first main electrode. When,
A second conductivity type fifth semiconductor layer selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer;
A second control electrode electrically connected to the fifth semiconductor layer;
A first conductivity type high concentration semiconductor layer having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is formed between one surface of the first semiconductor layer and the first main electrode, and The semiconductor layer 5 is selectively formed on the high-concentration semiconductor layer, and one end on the first main electrode side is flush with the high-concentration semiconductor layer, and the other end penetrates the high-concentration semiconductor layer. Then , the power semiconductor device is formed in a shape reaching the first semiconductor layer .
であることを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体装置。The fifth semiconductor layer is adjacent to the surface area of the fifth semiconductor layer and this layer on one surface of the first semiconductor layer or on the surface of the high-concentration semiconductor layer on the first main electrode side. 2. The power semiconductor device according to claim 1 , wherein a surface area of the one semiconductor layer portion or the adjacent high-concentration semiconductor layer portion is the same area.
前記第1の半導体層の一方の表面に電気的に接続された第1の主電極と、
前記第1の半導体層の他方の表面に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体層と、
前記第2の半導体表面に選択的に形成された第1導電型の第3の半導体層と、
前記第2の半導体層と前記第3の半導体層の表面に電気的に接続された第2の主電極と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記3の半導体層上に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、
前記第1の半導体層の他方の表面に前記第2の半導体層と離間して選択的に形成された第2導電型の第6の半導体層と、
前記第6の半導体層の表面に選択的に形成された第1導電型の第7の半導体層と、
前記第6の半導体層と前記第7の半導体層とに電気的に接続された電位の浮遊したフローティング電極と、
前記第1の半導体層と前記第6の半導体層と前記第7の半導体層上に絶縁膜を介して形成された第2の制御電極と、
前記第1の半導体層中に選択的に埋込み形成された少なくとも1つ以上の電位の浮いた第2導電型埋め込層とを有することを特徴とする電力用半導体装置。A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A first main electrode electrically connected to one surface of the first semiconductor layer;
A second semiconductor layer of a second conductivity type selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a first conductivity type selectively formed on the second semiconductor surface;
A second main electrode electrically connected to surfaces of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer;
A first control electrode formed on the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer via an insulating film;
A sixth semiconductor layer of a second conductivity type selectively formed on the other surface of the first semiconductor layer so as to be separated from the second semiconductor layer;
A seventh semiconductor layer of a first conductivity type selectively formed on the surface of the sixth semiconductor layer;
A floating electrode having a floating potential electrically connected to the sixth semiconductor layer and the seventh semiconductor layer;
A second control electrode formed on the first semiconductor layer, the sixth semiconductor layer, and the seventh semiconductor layer via an insulating film;
A power semiconductor device comprising: at least one second-conductivity-type buried layer with a floating potential selectively embedded in the first semiconductor layer.
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