JP5070668B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特にトレンチゲート構造を有するパワーMOSFETやIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を構成する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電力変換装置に用いられるパワーMOSFETやIGBT、またサイリスタやダイオードなどにおいて、チャネル密度の飛躍的な向上という利点を有するトレンチゲート構造が実用化されている。特に、IGBTなどのバイポーラデバイスでは、トレンチゲート構造の採用によりキャリアの蓄積効果が向上するため、チャネル抵抗成分の寄与が小さい高耐圧デバイスにおいて低損失化を図ることができる。
【0003】
図5は、従来のトレンチゲート構造のノンパンチスルー型IGBTの構成を示す断面図である。図5に示すように、このIGBTでは、ドリフト層11となるFZウェハ1の表面に均一な厚さのチャネル層12が形成されている。エミッタ領域13はチャネル層12の表面層に選択的に形成されている。ポリシリコンよりなるゲート電極14は、エミッタ領域13の表面からチャネル層12を貫通してドリフト層11に達するトレンチの内部にゲート酸化膜15を介して設けられている。エミッタ電極16は、層間絶縁膜17を介して、エミッタ領域13およびチャネル層12の一部(近接する2つのエミッタ領域13に挟まれる部分)に共通に接触して形成されている。一方、FZウェハ1の裏面にはコレクタ層18が形成されており、さらにコレクタ電極19が形成されている。
【0004】
図5に示す構成のIGBTでは、チャネル層12からのトレンチの張り出し量aが大きいほど、また近接する2つのトレンチの間隔、すなわち2つの対向するエミッタ領域13,13を挟む2つのトレンチの間隔bが狭いほど、コレクタ層18から注入された正孔はエミッタ電極16へ抜け難くなる。そのため、ドリフト層11にキャリアが蓄積されることになり、ドリフト層11における電圧降下が低減する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近接するトレンチの間隔にはプロセス上の限界がある。また、チャネル層からのトレンチの張り出しを大きくすると、トレンチのボトム部分での電界集中が大きくなるため、コレクタ−エミッタ間の耐圧が低下するという問題点がある。
【0006】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、コレクタ−エミッタ間の耐圧を低下させることなく、キャリアの蓄積効果を高め、ドリフト層における電圧降下を低減させることができるトレンチゲート構造の半導体装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置は、トレンチゲート構造を有する半導体装置において、チャネル層の、トレンチにより仕切られた複数の領域のうち、エミッタ電極に接触する第1の領域をトレンチよりも浅く該第1の領域からのトレンチの張り出しが大きく、一方、エミッタ電極に接触しない第2の領域は相対的に深く該第2の領域からのトレンチの張り出しを小さく形成したことを特徴とする。
【0008】
この発明によれば、チャネル層の第1の領域ではチャネル層からのトレンチの張り出しが大きいため、コレクタ層から注入された正孔がエミッタ電極へ抜け難くなってキャリアの蓄積効果が高まり、一方、チャネル層の第2の領域ではチャネル層からのトレンチの張り出しが小さいため、トレンチボトムでの電界集中が抑制される。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明するが、ここでは本発明をトレンチゲート構造のIGBTに適用した例を挙げて説明する。
【0010】
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1であるトレンチゲート構造のノンパンチスルー型IGBTの構成を示す断面図である。図1に示すように、このIGBTは、第1の半導体領域であるドリフト層21となるN型のFZウェハ2の表面に、第2の半導体領域であるP型のチャネル層を構成する第1の領域22aと第2の領域22bを有する。第1の領域22aは、第2の領域22bよりも拡散深さが浅い。チャネル層に、このように異なる拡散深さの領域22a,22bを形成するには、対応するパターンを有するマスクを用い、たとえばそれぞれの拡散深さに応じてイオン注入エネルギーを変えてイオンの打ち込みをおこなえばよく、領域22bをトレンチとほぼ同じ深さとすることができる。このように、領域22bを深くすることで、トレンチボトムの電界が緩和されて、コレクタ・エミッタ間の耐圧を上げることができる。また、イオン注入エネルギーを変える手段のほかに、トレンチ形成後に拡散の温度・時間を変えて領域22a、22bを形成してもよい。
【0011】
第3の半導体領域であるN型のエミッタ領域23はチャネル層の第1の領域22aの表面層の中央部分を除いて選択的に形成される。そして、チャネル層の第1の領域22aと第2の領域22bとの境界部分にトレンチがエミッタ領域23を挟むように形成される。このトレンチはチャネル層の第1の領域22aよりも深く、第2の領域22bとほぼ同じ深さである。このトレンチの内面には絶縁膜であるゲート酸化膜25が形成され、さらにその内側にゲートポリシリコンが充填されて第1の電極であるゲート電極24が設けられる。
【0012】
ゲート電極24、エミッタ領域23、チャネル層の第1の領域22aおよび第2の領域22b上には、層間絶縁膜27を介して第2の電極であるエミッタ電極26が積層される。エミッタ電極26は、エミッタ領域23の一部と、チャネル層の第1の領域22aにおいて、対向するエミッタ領域23,23の間の部分に接触する。FZウェハ2の裏面には第4の半導体領域であるP型のコレクタ層28が形成され、さらに第3の電極であるコレクタ電極29が形成される。
【0013】
上述した実施の形態1によれば、ノンパンチスルー型IGBTにおいて、チャネル層の第1の領域22aではチャネル層からのトレンチの張り出しが大きいため、コレクタ層28から注入された正孔がエミッタ電極26へ抜け難くなるので、キャリアの蓄積効果が高まり、ドリフト層21における電圧降下を低減させることができる。また、チャネル層の第2の領域22bではチャネル層からのトレンチの張り出しが小さいため、トレンチボトムでの電界集中が抑制されるので、コレクタ−エミッタ間の耐圧低下を避けることができる。また、第2の領域22bでは正孔がエミッタ電極26へ抜けないので、トレンチの張り出しが小さくてもキャリアの蓄積効果が損なわれることはない。
【0014】
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2であるトレンチゲート構造のフィールドストップ型IGBTの構成を示す断面図である。フィールドストップ型IGBTについては、ISPSD’00,P.355−358,(2000)においてLaskaらにより報告されている。図2に示すように、実施の形態2のIGBTは、図1に示す構成のノンパンチスルー型IGBTの、ドリフト層21とコレクタ層28との間にフィールドストップ層として第5の半導体領域であるN型のバッファ層20を設けた構成となっている。その他の構成は基本的に実施の形態1と同じである。したがって、実施の形態1と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【0015】
この実施の形態2によれば、フィールドストップ型IGBTにおいて実施の形態1と同様の効果、すなわちコレクタ−エミッタ間の耐圧を低下させることなく、キャリアの蓄積効果を高め、ドリフト層における電圧降下を低減させることができるという効果が得られる。
【0016】
実施の形態3.
図3は、本発明の実施の形態3であるトレンチゲート構造のノンパンチスルー型IGBTの構成を示す断面図である。図3に示すように、実施の形態3のIGBTは、図1に示す構成のIGBTにおいて、チャネル層の第2の領域22bを1個または2個以上、図示例では4個のトレンチにより細かく分けた構成となっている。その他の構成は基本的に実施の形態1と同じである。したがって、実施の形態1と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【0017】
この実施の形態3によれば、実施の形態1と同様の効果、すなわちコレクタ−エミッタ間の耐圧を低下させることなく、キャリアの蓄積効果を高め、ドリフト層における電圧降下を低減させることができるという効果が得られる。
【0018】
実施の形態4.
図4は、本発明の実施の形態4であるトレンチゲート構造のフィールドストップ型IGBTの構成を示す断面図である。図4に示すように、実施の形態4のIGBTは、図2に示す構成のIGBT(実施の形態2)において、チャネル層の第2の領域22bを1個または2個以上、図示例では4個のトレンチにより細かく分けた構成となっている。その他の構成は基本的に実施の形態2と同じである。したがって、実施の形態2と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【0019】
この実施の形態4によれば、実施の形態2と同様の効果、すなわちフィールドストップ型IGBTにおいてコレクタ−エミッタ間の耐圧を低下させることなく、キャリアの蓄積効果を高め、ドリフト層における電圧降下を低減させることができるという効果が得られる。
【0020】
以上において本発明は、上述した実施の形態1〜4に限らず種々変更可能である。たとえば、上述した各実施の形態ではチャネル層の第2の領域22bは層間絶縁膜27によりエミッタ電極26に接触していないとしたが、第2の領域22bとエミッタ電極26との間に抵抗が設けられていてもよく、本発明ではそのような構成も第2の領域22bとエミッタ電極26とが接触しないという構成に含まれる。また、上述した各実施の形態では第1導電型をN型とし、第2導電型をP型としたが、その逆でもよい。また、上述した各実施の形態ではIGBTを例にして説明したが、本発明はトレンチゲート構造を有するパワーMOSFETにも適用できる。
【0021】
【発明の効果】
本発明によれば、チャネル層の、トレンチにより仕切られた複数の領域のうち、エミッタ電極に接触する第1の領域をトレンチよりも浅くしたため、チャネル層からのトレンチの張り出しが大きくなり、コレクタ層から注入された正孔はエミッタ電極へ抜け難くなる。したがって、キャリアの蓄積効果が高まり、ドリフト層における電圧降下を低減させることができる。また、チャネル層の前記複数の領域のうち、エミッタ電極に接触しない第2の領域を第1の領域よりも深くしたため、この領域ではトレンチの張り出しが小さいので、トレンチボトムでの電界集中を抑制することができる。したがって、コレクタ−エミッタ間の耐圧低下を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる半導体装置の実施の形態1の構成を示す断面図である。
【図2】本発明にかかる半導体装置の実施の形態2の構成を示す断面図である。
【図3】本発明にかかる半導体装置の実施の形態3の構成を示す断面図である。
【図4】本発明にかかる半導体装置の実施の形態4の構成を示す断面図である。
【図5】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
20 バッファ層(第5の半導体領域)
21 ドリフト層(第1の半導体領域)
22a チャネル層中の第1の領域(第2の半導体領域)
22b チャネル層中の第2の領域(第2の半導体領域)
23 エミッタ領域(第3の半導体領域)
24 ゲート電極(第1の電極)
25 ゲート酸化膜(絶縁膜)
26 エミッタ電極(第2の電極)
28 コレクタ層(第4の半導体領域)
29 コレクタ電極(第3の電極)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device constituting a power MOSFET or IGBT (insulated gate bipolar transistor) having a trench gate structure.
[0002]
[Prior art]
In recent years, trench gate structures having the advantage of a dramatic improvement in channel density have been put to practical use in power MOSFETs and IGBTs, thyristors and diodes used in power converters. In particular, in a bipolar device such as an IGBT, the effect of carrier accumulation is improved by adopting a trench gate structure, so that a loss can be reduced in a high breakdown voltage device with a small contribution of a channel resistance component.
[0003]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional non-punch-through IGBT having a trench gate structure. As shown in FIG. 5, in this IGBT, a
[0004]
In the IGBT having the configuration shown in FIG. 5, the larger the protruding amount “a” of the trench from the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a process limit to the distance between adjacent trenches. Further, when the extension of the trench from the channel layer is increased, the electric field concentration at the bottom portion of the trench increases, so that the breakdown voltage between the collector and the emitter is lowered.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and can improve the carrier accumulation effect and reduce the voltage drop in the drift layer without reducing the collector-emitter breakdown voltage. An object of the present invention is to provide a semiconductor device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a trench gate structure in which a first region in contact with an emitter electrode is trenched in a plurality of regions of a channel layer partitioned by a trench. greatly overhang trench from shallow first region than while the second region not in contact with the emitter electrode characterized in that projecting a rather small trench formation from relatively deep second region And
[0008]
According to the present invention, since the extension of the trench from the channel layer is large in the first region of the channel layer, it is difficult for holes injected from the collector layer to escape to the emitter electrode, and the carrier accumulation effect is enhanced. In the second region of the channel layer, since the extension of the trench from the channel layer is small, electric field concentration at the trench bottom is suppressed.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, an example in which the present invention is applied to an IGBT having a trench gate structure will be described.
[0010]
Embodiment 1 FIG.
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a non-punch-through IGBT having a trench gate structure according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the IGBT includes a first channel layer that forms a P-type channel layer that is a second semiconductor region on the surface of an N-
[0011]
The N-
[0012]
On the
[0013]
According to the first embodiment described above, in the non-punch through type IGBT, since the protrusion of the trench from the channel layer is large in the
[0014]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a field stop IGBT having a trench gate structure according to the second embodiment of the present invention. For the field stop type IGBT, ISPSD'00, P.I. 355-358, (2000), reported by Laska et al. As shown in FIG. 2, the IGBT of the second embodiment is a fifth semiconductor region as a field stop layer between the
[0015]
According to the second embodiment, in the field stop type IGBT, the same effect as in the first embodiment, that is, without increasing the breakdown voltage between the collector and the emitter, the carrier accumulation effect is enhanced and the voltage drop in the drift layer is reduced. The effect that it can be made is acquired.
[0016]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a non-punch through IGBT having a trench gate structure according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the IGBT of the third embodiment is divided into one or more, or two trenches in the example shown in FIG. It becomes the composition. Other configurations are basically the same as those in the first embodiment. Therefore, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0017]
According to the third embodiment, the same effect as in the first embodiment, that is, without increasing the collector-emitter breakdown voltage, the carrier accumulation effect can be enhanced and the voltage drop in the drift layer can be reduced. An effect is obtained.
[0018]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a field stop IGBT having a trench gate structure according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the IGBT according to the fourth embodiment has one or more channel region
[0019]
According to the fourth embodiment, the same effect as in the second embodiment, that is, without increasing the collector-emitter breakdown voltage in the field stop IGBT, the carrier accumulation effect is enhanced and the voltage drop in the drift layer is reduced. The effect that it can be made is acquired.
[0020]
In the above, this invention is not restricted to Embodiment 1-4 mentioned above, A various change is possible. For example, in each of the above-described embodiments, the
[0021]
【Effect of the invention】
According to the present invention, the first region in contact with the emitter electrode among the plurality of regions partitioned by the trench in the channel layer is shallower than the trench, so that the extension of the trench from the channel layer is increased, and the collector layer Holes injected from the hole are difficult to escape to the emitter electrode. Accordingly, the carrier accumulation effect is enhanced, and the voltage drop in the drift layer can be reduced. In addition, since the second region that does not contact the emitter electrode is deeper than the first region among the plurality of regions of the channel layer, the overhang of the trench is small in this region, so that the electric field concentration at the trench bottom is suppressed. be able to. Therefore, a decrease in breakdown voltage between the collector and the emitter can be avoided.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
20 Buffer layer (fifth semiconductor region)
21 Drift layer (first semiconductor region)
22a First region (second semiconductor region) in channel layer
22b Second region in the channel layer (second semiconductor region)
23 Emitter region (third semiconductor region)
24 Gate electrode (first electrode)
25 Gate oxide film (insulating film)
26 Emitter electrode (second electrode)
28 Collector layer (fourth semiconductor region)
29 Collector electrode (third electrode)
Claims (3)
前記第1の半導体領域の表面部分に選択的に形成された第2導電型の第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域の表面部分に選択的に形成された第1導電型の第3の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の裏面に形成された第2導電型の第4の半導体領域と、
前記第3の半導体領域の表面から前記第2の半導体領域を貫通して前記第1の半導体領域に達する複数のトレンチ内に絶縁膜を介して設けられた第1の電極と、
前記第2の半導体領域の一部および前記第3の半導体領域に共通に接触した第2の電極と、
前記第4の半導体領域に接触した第3の電極と、
を具備し、
前記第2の半導体領域の、前記トレンチにより仕切られた複数の領域のうち、前記第2の電極に接触する第1の領域は相対的に浅く該第1の領域からのトレンチの張り出しが大きく、一方、前記第2の電極に接触しない第2の領域は相対的に深く該第2の領域からのトレンチの張り出しが小さく、
前記第2の半導体領域において、隣り合う前記第1の領域の間に少なくとも3つのトレンチが設けられ、当該トレンチの間のすべてにそれぞれ前記第2の領域が設けられていることを特徴とする半導体装置。A first semiconductor region of a first conductivity type;
A second semiconductor region of a second conductivity type selectively formed on a surface portion of the first semiconductor region;
A third semiconductor region of a first conductivity type selectively formed on a surface portion of the second semiconductor region;
A fourth semiconductor region of the second conductivity type formed on the back surface of the first semiconductor region;
A first electrode provided through an insulating film in a plurality of trenches that reach the first semiconductor region from the surface of the third semiconductor region through the second semiconductor region;
A second electrode in common contact with a part of the second semiconductor region and the third semiconductor region;
A third electrode in contact with the fourth semiconductor region;
Comprising
Of the plurality of regions of the second semiconductor region partitioned by the trench, the first region in contact with the second electrode is relatively shallow and the protrusion of the trench from the first region is large. On the other hand, the second region not in contact with the second electrode is relatively deep and the protrusion of the trench from the second region is small,
In the second semiconductor region, wherein at least three trenches provided between the adjacent first regions, each of the second region in all between those 該To wrench is provided A semiconductor device.
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