JP5013436B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Description
第1にターンオンについて説明する。ゲート−エミッタ間に十分な正の電圧(たとえば+15V)が印加されることにより、IGBTの表面側に位置するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)がターンオンする。するとコレクタp+層と、n-ドリフト層との間が順バイアスされ、p+層からn-層へ正孔の注入が起こる。すると注入された正孔の電荷量に対応する量の電子がn-ドリフト層に集中し、n-ドリフト層の抵抗低下(電導度変調)が起こる。これによりIGBTはオン状態になる。
なお一部の図においてXYZ座標系の座標軸が示されている。X方向はゲート電極の延在方向であり、Y方向はトランジスタのストライプセルにおける各ストライプの延在方向であり、Z方向は厚さ方向である。またZ軸のゼロ点は第3の層(n+ソース領域およびp+コンタクト領域)とエミッタ電極11との界面の位置であり、Z軸の正方向はゼロ点から半導体層の方へ向かう方向である。
図1〜図5を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT101の構成について説明する。なお図1はIGBT101のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図1においては図を見やすくするために、後述されるエミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
またn+ソース領域2およびp+コンタクト領域3の各々の厚さが約1μm、pベース層14の厚さが約3μmとされる。
図1を参照して、まず半導体層が準備され、この半導体層上にトレンチ5Vの平面パターンに対応する開口部を有するエッチングマスクが形成される。次にこのエッチングマスクを用いて半導体層のエッチングが、たとえばドライエッチング法によって行なわれる。このエッチングの際、マイクロローディング効果によって、開口部の幅が広い部分の方が狭い部分に比して深くエッチングされる。すなわちトレンチ5Vの幅W1の部分に比して、トレンチ5Vの幅W2の部分の方が、より深くエッチングされる。具体的には、トレンチ5Vは、たとえば、幅W1=1μmの部分の深さが6μmとなり、幅W2=1.4μmの部分の深さが7μmとなり、マイクロローディング効果によって1μmの深さの差が発生する。
まずIGBT101のオン状態について説明する。オン状態においては、コレクタ電極12側からエミッタ電極11側へ、矢印15(図3)で示すように電流が流れる。
図11を参照して、比較例のIGBT100の半導体層にはトレンチ5Sが形成されている。トレンチ5Sの全体は幅W1を有する。すなわちトレンチ5Sは均一な幅を有する。
図17〜図20を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT102の構成について説明する。なお図17はIGBT102のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図17においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
上記の半導体層のコレクタ電極12に面する面と反対の面(図17で示されている面)上に、幅W1を有するトレンチ5Sが形成されている。ゲート絶縁膜9は、トレンチ5Sの内壁を被覆している。ゲート電極ESはゲート絶縁膜9を介してトレンチ5Sに埋め込まれている。
図25〜図28を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT103の構成について説明する。なお図25はIGBT103のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図25においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
(実施の形態4)
図29〜図34を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT104の構成について説明する。なお図29はIGBT104のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図29においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
ゲート電極ESは、n+ソース領域2およびpベース層14を貫通してドリフト層8Wに侵入する第1の部分(図31で示される部分)と、p+コンタクト領域3およびpベース層14を貫通してドリフト層8Wに侵入する第2の部分(図32で示される部分)とを含む。これら第1および第2の部分は一体に形成されている。すなわちゲート電極ESは、平面視において、n+ソース領域2およびp+コンタクト領域3によるストライプ状の配列を横切るように設けられている。これによりn+ソース領域2およびp+コンタクト領域3は、互いに同電位となるように構成されている。
図35〜図38を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT105の構成について説明する。なお図35はIGBT105のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図35においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
図43〜図46を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT106の構成について説明する。なお図43はIGBT106のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図43においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
図47〜図50を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT107の構成について説明する。なお図47はIGBT107のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図47においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
主に図53を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT108は、実施の形態5の高濃度ベース領域14p(図38)の代わりに高濃度ベース領域14dを有している。高濃度ベース領域14dは、高濃度ベース領域14pと異なり、ゲート電極ESよりも深く形成されている。
図54〜図58を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT109の構成について説明する。なお図54はIGBT109のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図54においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
図61〜図65を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT110の構成について説明する。なお図61はIGBT110のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図61においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
図68〜図72を参照して、本実施の形態の電力用半導体装置としてのIGBT111の構成について説明する。なお図68はIGBT111のトランジスタセルをエミッタ側から示す図であり、また図68においては図を見やすくするために、エミッタ電極11、層間絶縁膜10、およびゲート絶縁膜9が図示されていない。
Claims (13)
- 第1の電極と、
前記第1の電極上に設けられた半導体層とを備え、
前記半導体層の前記第1の電極に面する面と反対の面上にトレンチが形成されており、
前記半導体層は、
前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の層と、
前記第1の層上に設けられた第2導電型の第2の層と、
前記第2の層上に設けられ、かつ前記第1導電型の第1の領域および前記第2導電型の第2の領域を有する第3の層とを含み、さらに
前記第1および第2の領域の各々と接触する第2の電極と、
前記トレンチの内壁を被覆するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記トレンチに埋め込まれたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極は、前記第1の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第1の部分と、前記第2の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第2の部分とを含み、
前記第1の部分が前記第1の層に侵入する深さに比して、前記第2の部分が前記第1の層に深く侵入している、電力用半導体装置。 - 前記トレンチのうち前記ゲート電極の前記第2の部分を埋め込む部分は、前記トレンチのうち前記ゲート電極の前記第1の部分を埋め込む部分に比して幅が広い、請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 前記半導体層は、前記第1の電極および前記第1の層の間に、前記第2導電型の第4の層を含む、請求項1または2に記載の電力用半導体装置。
- 第1の電極と、
前記第1の電極上に設けられた半導体層とを備え、
前記半導体層の前記第1の電極に面する面と反対の面上にトレンチが形成されており、
前記半導体層は、
前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の層と、
前記第1の層上に設けられた第2導電型の第2の層と、
前記第2の層上に設けられ、かつ前記第1導電型の第1の領域および前記第2導電型の第2の領域を有する第3の層とを含み、さらに
前記第1および第2の領域の各々と接触する第2の電極と、
前記トレンチの内壁を被覆するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記トレンチに埋め込まれたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極は、前記第1の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第1の部分と、前記第2の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第2の部分とを含み、
前記第1の層は、
第1の低濃度領域と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極の前記第1および第2の部分のうち前記第2の部分のみを覆い、かつ前記第1の低濃度領域の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する第1の高濃度領域とを含む、電力用半導体装置。 - 前記半導体層は、前記第1の電極および前記第1の層の間に、前記第2導電型の第4の層を含む、請求項4に記載の電力用半導体装置。
- 前記第1の部分が前記第1の層に侵入する深さに比して、前記第2の部分が前記第1の層に深く侵入している、請求項4または5に記載の電力用半導体装置。
- 前記第2の層は、
ベース領域と、
平面視において前記第3の層の前記第1および第2の領域のうち前記第2の領域が位置する領域のみに設けられ、かつ前記半導体層の前記第2の電極側から前記ベース領域中にレトログレード構造で形成されたレトログレード領域とを含む、請求項4または5に記載の電力用半導体装置。 - 前記第2の層は、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第1の部分を覆う通常濃度領域と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第2の部分を覆い、かつ前記通常濃度領域の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する第2の高濃度領域とを含む、請求項4または5に記載の電力用半導体装置。 - 前記第1の部分が前記第1の層に侵入する深さに比して、前記第2の部分が前記第1の層に深く侵入している、請求項8に記載の電力用半導体装置。
- 第1の電極と、
前記第1の電極上に設けられた半導体層とを備え、
前記半導体層の前記第1の電極に面する面と反対の面上にトレンチが形成されており、
前記半導体層は、
前記第1の電極上に設けられた第1の層と、
前記第1の層上に設けられた第2導電型の第2の層と、
前記第2の層上に設けられ、かつ前記第1導電型の第1の領域および前記第2導電型の第2の領域を有する第3の層とを含み、さらに
前記第1および第2の領域の各々と接触する第2の電極と、
前記トレンチの内壁を被覆するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記トレンチに埋め込まれたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極は、前記第1の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第1の部分と、前記第2の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第2の部分とを含み、
前記第1の層は、
前記第1導電型の第1の低濃度領域と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第2の部分を覆い、かつ前記第1の低濃度領域の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する前記第1導電型の第1の高濃度領域と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第1の部分を覆い、かつ前記第2の層の不純物濃度に比して低い不純物濃度を有する前記第2導電型の第2の低濃度領域とを含む、電力用半導体装置。 - 前記半導体層は、前記第1の電極および前記第1の層の間に、前記第2導電型の第4の層を含む、請求項10に記載の電力用半導体装置。
- 第1の電極と、
前記第1の電極上に設けられた半導体層とを備え、
前記半導体層の前記第1の電極に面する面と反対の面上にトレンチが形成されており、
前記半導体層は、
前記第1の電極上に設けられた第1導電型の第1の層と、
前記第1の層上に設けられた第2導電型の第2の層と、
前記第2の層上に設けられ、かつ前記第1導電型の第1の領域および前記第2導電型の第2の領域を有する第3の層とを含み、さらに
前記第1および第2の領域の各々と接触する第2の電極と、
前記トレンチの内壁を被覆するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記トレンチに埋め込まれたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極は、前記第1の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第1の部分と、前記第2の領域および前記第2の層を貫通して前記第1の層に侵入する第2の部分とを含み、
前記第2の層は、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第1の部分を覆う通常濃度領域と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第2の部分を覆い、かつ前記通常濃度領域の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する第2の高濃度領域とを含み、
前記第1の部分が前記第1の層に侵入する深さに比して、前記第2の部分が前記第1の層に深く侵入している、電力用半導体装置。 - 前記半導体層は、前記第1の電極および前記第1の層の間に、前記第2導電型の第4の層を含む、請求項12に記載の電力用半導体装置。
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