JP5412717B2 - Trench type insulated gate semiconductor device - Google Patents

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この発明は、トレンチ型絶縁ゲート半導体装置に関する。   The present invention relates to a trench type insulated gate semiconductor device.

近年、電力変換装置などに用いられるパワーデバイス分野では、半導体基板に形成されたトレンチ内に絶縁ゲート構造を作製したトレンチ絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、トレンチIGBTとする)が注目されている。トレンチIGBTは、チャネル密度を大きくするとオン状態での電圧降下Vce(sat)を小さくでき、定常損失を低減することができるという利点を持っている。その反面、チャネル密度が大きくなるほど、ゲート電極とエミッタ電極との間の容量や、ゲート電極とコレクタ電極との間の容量(以下、ゲート−コレクタ間容量とする)も大きくなるため、ターンオン時やターンオフ時のスイッチング損失が増大するという欠点がある。
ところで、トレンチIGBTにおいて、エミッタ電極と電気的に接触していないpウェル領域(pベース領域)を新たに設けることによって、エミッタ電極側の蓄積キャリアの濃度が増加し、トレンチIGBTの飽和電圧−ターンオフ損失間のトレードオフ特性が改善されるとの報告がある(たとえば、特許文献1参照。)。また、そのようなエミッタ電極と電気的に接触していないpウェル領域を有するトレンチIGBTについては、多数の特許出願が、本発明者によるものも含めて、なされている(特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5など)。
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of power devices used for power conversion devices and the like, attention has been focused on trench insulated gate bipolar transistors (hereinafter referred to as trench IGBTs) in which an insulated gate structure is formed in a trench formed in a semiconductor substrate. The trench IGBT has an advantage that when the channel density is increased, the voltage drop Vce (sat) in the ON state can be reduced, and the steady loss can be reduced. On the other hand, as the channel density increases, the capacitance between the gate electrode and the emitter electrode and the capacitance between the gate electrode and the collector electrode (hereinafter referred to as the gate-collector capacitance) also increase. There is a disadvantage that switching loss at turn-off increases.
By the way, in the trench IGBT, by newly providing a p-well region (p base region) that is not in electrical contact with the emitter electrode, the concentration of accumulated carriers on the emitter electrode side increases, and the saturation voltage-turn-off of the trench IGBT. There is a report that the trade-off characteristic between losses is improved (for example, refer to Patent Document 1). A number of patent applications have been filed for such trench IGBTs having a p-well region that is not in electrical contact with the emitter electrode, including those by the present inventors (Patent Document 2, Patent Document 2). 3, Patent Document 4, Patent Document 5, etc.).

図6、図7は、それぞれ、そのようなpウエル領域(p型ベース領域)の構造を有するトレンチIGBTを模式的に示す平面図および断面図である。図6の平面図では、そのようなトレンチIGBTの活性領域における幅の狭いp型ベース領域9、幅の広いp型ベース領域10、n型ソース領域3、トレンチ21内に埋設されたゲート電極5、ゲートランナー13、14のみが示されている。ゲート絶縁膜4、層間絶縁膜6、エミッタ電極7は図の複雑化を避けるために省略されている。図7は、図6に示すA−A'線での断面図である。図7には図6で省略されたゲート絶縁膜4、層間絶縁膜6、エミッタ電極7を含めて示されている。
図7では、p型コレクタ層1の上にn型ドリフト層2が設けられ、さらにその上にpウェル領域20が設けられている。pウェル領域20は、トレンチ21によって幅の狭いp型ベース領域9と幅の広いp型ベース領域10に、それぞれ複数個づつに分割されている。n型ソース領域3は、狭い幅のp型ベース領域9の表面において、トレンチ21の側部に設けられている。広い幅のp型ベース領域10には、n型ソース領域3が設けられていない構成にされている。
エミッタ電極7は、n型ソース領域3を有する幅の狭いp型ベース領域9では、n型ソース領域3とp型ベース領域9の両方の表面に共通に接触している。n型ソース領域3のない幅の広いp型ベース領域10では、層間絶縁膜6を介在させることによりエミッタ電極7から絶縁されている。トレンチ21は、ゲート絶縁膜4を介して、低抵抗ポリシリコンなどの導電層からなるゲート電極5で埋められている。
6 and 7 are a plan view and a cross-sectional view schematically showing a trench IGBT having such a p-well region (p-type base region) structure, respectively. In the plan view of FIG. 6, the narrow p-type base region 9, the wide p-type base region 10, the n-type source region 3, and the gate electrode 5 embedded in the trench 21 in the active region of such a trench IGBT. Only the gate runners 13 and 14 are shown. The gate insulating film 4, the interlayer insulating film 6, and the emitter electrode 7 are omitted in order to avoid complication of the drawing. 7 is a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG. FIG. 7 shows the gate insulating film 4, the interlayer insulating film 6, and the emitter electrode 7 omitted in FIG.
In FIG. 7, the n-type drift layer 2 is provided on the p-type collector layer 1, and the p-well region 20 is further provided thereon. The p-well region 20 is divided into a plurality of narrow p-type base regions 9 and a wide p-type base region 10 by a trench 21. The n-type source region 3 is provided on the side of the trench 21 on the surface of the narrow p-type base region 9. The wide p-type base region 10 is not provided with the n-type source region 3.
In the narrow p-type base region 9 having the n-type source region 3, the emitter electrode 7 is in common contact with the surfaces of both the n-type source region 3 and the p-type base region 9. The wide p-type base region 10 without the n-type source region 3 is insulated from the emitter electrode 7 by interposing the interlayer insulating film 6. The trench 21 is filled with a gate electrode 5 made of a conductive layer such as low-resistance polysilicon via the gate insulating film 4.

コレクタ電極8は、エミッタ電極とは反対側(裏面側)のp型コレクタ層1の表面に接するように設けられている。一方、トレンチを埋めるゲート電極5は、そのストライプ状の平面形状の両端部で複数のトレンチ21を相互に連結するように活性領域の外周に沿って表面に配置される金属膜などのゲートランナー13によって導電的に接続され、図示しないゲートパッドに接続されるパターンを有する。
さらに、前述のトレンチIGBTの構成において、チップサイズが大きくなると、ストライプ状平面形状のトレンチ21の前記両端部にゲートランナーを設けただけでは、ゲートランナーから半導体装置として主電流を流す領域である活性領域の中心部までの距離が長くなり、ゲート電極の抵抗が大きくなってしまう。そこで、ゲート抵抗が大きくなることを避けるために、図6のように活性領域内にも、ゲートランナー14が2〜4mm程度の間隔で設けられることがある。なお、図示はしないが、活性領域の外周のゲートランナーのさらに外側のチップの最外周には、ガードリング等からなる耐圧構造部が設けられる。
以上説明した従来のトレンチIGBTでは、トレンチ21、すなわち、その内部に埋設されたゲート電極5を含む表面構造を最適に設定することによって、低い定常損失(すなわち低オン電圧)と低いスイッチング損失(高速スイッチング)の両立が可能である。しかし、近年、パワーデバイス分野では、低定常損失と低スイッチング損失に加えて、さらにスイッチング時に発生する放射ノイズについても低減することを要求されている。
特開2000−228519号公報(第4頁左欄下から第一行目) 特開2001−308327号公報(図1、図7) 特開平9−331063号公報(図42) 特開2002−100770号公報(図22) 特開2002−16252号公報(図1)
The collector electrode 8 is provided so as to be in contact with the surface of the p-type collector layer 1 on the opposite side (back side) from the emitter electrode. On the other hand, the gate electrode 5 filling the trench has a gate runner 13 such as a metal film disposed on the surface along the outer periphery of the active region so as to interconnect the plurality of trenches 21 at both ends of the stripe-like planar shape. And a pattern connected to a gate pad (not shown).
Further, in the configuration of the trench IGBT described above, when the chip size is increased, an active region that is a region where a main current flows from the gate runner as a semiconductor device only by providing gate runners at both ends of the stripe-shaped planar trench 21. The distance to the center of the region becomes long, and the resistance of the gate electrode increases. Therefore, in order to avoid an increase in gate resistance, gate runners 14 may be provided in the active region at intervals of about 2 to 4 mm as shown in FIG. Although not shown, a pressure-resistant structure made of a guard ring or the like is provided on the outermost periphery of the chip outside the gate runner on the outer periphery of the active region.
In the conventional trench IGBT described above, the trench 21, that is, the surface structure including the gate electrode 5 embedded in the trench 21 is optimally set, so that a low steady loss (that is, a low on-state voltage) and a low switching loss (a high speed). Switching) is possible. However, in recent years, in the power device field, in addition to low steady-state loss and low switching loss, it is required to further reduce radiation noise generated during switching.
JP 2000-228519 A (the first line from the lower left column on page 4) JP 2001-308327 A (FIGS. 1 and 7) Japanese Patent Laid-Open No. 9-331063 (FIG. 42) Japanese Patent Laid-Open No. 2002-100770 (FIG. 22) Japanese Patent Laid-Open No. 2002-16252 (FIG. 1)

しかしながら、前記放射ノイズを低減するには、ターンオン時の電圧低下速度(dV/dt)および電流増加速度(di/dt)を小さくする必要があるが、そうすると、ターンオン損失が増大する。このように、一般的には、ターンオン損失と放射ノイズの大きさについてもトレードオフ関係にある。そのため、放射ノイズの低減と低スイッチング損失との両立は、今後の課題である。
ところで、IGBTのスイッチング時の放射ノイズに関しては、定格電流の1/10程度の低電流ターンオン時の素子特性が放射ノイズに大きな影響を与えるということが報告されている(S.Momota, M.Otsuki, K.Ishii, H.Takubo, and Y.Seki, "Analysis on the Low Cu
rrent Turn−On behavior of IGBT Modules,"
However, in order to reduce the radiation noise, it is necessary to reduce the voltage drop rate (dV / dt) and the current increase rate (di / dt) at the time of turn-on, and this increases the turn-on loss. Thus, generally, there is a trade-off relationship between the turn-on loss and the magnitude of radiation noise. Therefore, the reduction of radiation noise and low switching loss are future issues.
By the way, regarding the radiation noise at the time of switching of the IGBT, it has been reported that the element characteristic at the time of low current turn-on, which is about 1/10 of the rated current, greatly affects the radiation noise (S. Momota, M. Otsuki). , K. Ishii, H. Takubo, and Y. Seki, "Analysis on the Low Cu
rent Turn-On behavior of IGBT Modules, "

in Proc.ISPSD2000, pp.359−362 (2000))。
また、特に、30MHz以上の周波数帯における放射ノイズを基準値以下に納めるには、多大な努力を要することが知られている。この周波数帯における放射ノイズを発生させる原因は、高周波成分を含んだ高いdV/dtであるといわれている。そこで、インバータのスイッチング時のdV/dtを目標値以下に納めるために、ゲート抵抗などの値を制御して、ターンオン時の主電流の立ち上がり速度、すなわち、電流の立ち上がり波形における傾き(dIc/dt)を低く抑えるようにしている。
しかし、ゲート抵抗を大きくすると、前述のように、放射ノイズの点では好ましいが、電圧テールの増大を招くため、IGBTのターンオン損失が増大してしまう。従って、トレンチIGBTの特性としては、ゲート抵抗をできるだけ大きくしないで、低いdi/dtおよび目標値以下のdV/dtを実現することが望まれる。
また、IGBTの帰還容量が大きいとスイッチング損失が大きくなるだけでなく、不安定動作の原因ともなる。このように、帰還容量は、素子のスイッチング特性に大きな影響を与えることが知られている。これらIGBTの帰還容量を小さくしつつ、ゲート抵抗を抑えて低いdi/dtを得ることによりターンオン損失を抑えながら、放射ノイズを低減する方法について、既にいくつか知られている。たとえば、幅の広いフローティングメサ領域の電位を制御することで動作の安定化を測る方法(前者の方法とする)や、ゲート電極とゲート酸化膜の間に等価的にシールド層として動作するエミッタ電極に接続された電極を設けるなどの方法(後者の方法とする)である。どちらも容量低減と安定動作に効果がある。しかしながら、前者の方法は発明者らの実験によれば、たとえば、1200V耐圧のIGBTで約0.2Vのオン電圧の上昇を招くなどの好ましくない現象を伴う。一方で後者の方法は、シールド電極の形成方法が非常に複雑で生産性に乏しく、高いゲート耐圧が得られにくいという問題がある。
in Proc. ISPSD2000, pp. 359-362 (2000)).
In particular, it is known that a great deal of effort is required to keep radiation noise in a frequency band of 30 MHz or higher below a reference value. The cause of radiation noise in this frequency band is said to be high dV / dt containing high frequency components. Therefore, in order to keep dV / dt at the time of switching of the inverter below the target value, the value of the gate resistance or the like is controlled, and the rising speed of the main current at turn-on, that is, the slope (dIc / dt in the rising waveform of the current) ) Is kept low.
However, increasing the gate resistance is preferable in terms of radiation noise, as described above, but increases the voltage tail, and thus increases the turn-on loss of the IGBT. Therefore, it is desired that the trench IGBT has a low di / dt and a dV / dt below the target value without increasing the gate resistance as much as possible.
Moreover, if the feedback capacity of the IGBT is large, not only the switching loss increases, but also causes unstable operation. Thus, it is known that the feedback capacitance has a great influence on the switching characteristics of the element. Several methods have already been known for reducing radiation noise while reducing turn-on loss by reducing gate feedback and obtaining low di / dt while reducing the feedback capacitance of these IGBTs. For example, a method of measuring the stabilization of the operation by controlling the potential of the wide floating mesa region (the former method), or an emitter electrode that operates equivalently as a shield layer between the gate electrode and the gate oxide film A method of providing an electrode connected to the electrode (referred to as the latter method). Both are effective in capacity reduction and stable operation. However, according to the inventors' experiment, the former method is accompanied by an undesirable phenomenon such as an ON voltage increase of about 0.2V in an IGBT with a breakdown voltage of 1200V. On the other hand, the latter method has a problem that the method of forming the shield electrode is very complicated, the productivity is poor, and it is difficult to obtain a high gate breakdown voltage.

この発明は、以上説明した点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ターンオン損失と放射ノイズの両方を低減しても、オン電圧の上昇を抑制でき、ゲート耐圧にも問題の無い絶縁ゲート型半導体装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to suppress an increase in on-voltage even when both turn-on loss and radiation noise are reduced, and there is a problem in gate breakdown voltage. It is an object to provide an insulated gate semiconductor device that does not exist.

特許請求の範囲の請求項1記載の発明によれば、第一導電型ドリフト層と、このドリフト層の一方の表面内に形成される第二導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面から形成され前記ドリフト層に達する深さであって内部にゲート酸化膜を介して埋設された導電層を有する複数のトレンチを備えるトレンチ型絶縁ゲート半導体装置において、前記複数のトレンチが、該複数のトレンチ間に挟まれる幅の異なる三種類の第二導電型のベース領域を有し、幅の大きい順に第二ベース領域>第一ベース領域>第三ベース領域なる関係を有し、このうち前記第二ベース領域を挟むトレンチを第二トレンチ、前記第一ベース領域を挟むトレンチを第一トレンチ、前記第三ベース領域を挟むトレンチは前記第一トレンチと前記第二トレンチとすると、前記第一ベース領域のみ表面から前記第一トレンチの内壁面に沿って選択的に形成される第一導電型のソース領域を備え、エミッタ電極が前記第一ベース領域と前記ソース領域との両表面に共通に接触し、前記第一トレンチに埋設された導電層はゲート電極に接続され、前記第二トレンチに埋設された導電層は前記エミッタ電極と同電位に接続され、前記第二ベース領域と前記第三ベース領域の表面は絶縁膜で覆われているトレンチ型絶縁ゲート構造を有するトレンチ型絶縁ゲート半導体装置とする。
特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、前記第三のベース領域の幅が2.4μm以下である特許請求の範囲の請求項1記載のトレンチ型絶縁ゲート半導体装置とする。
According to the first aspect of the present invention, the first conductivity type drift layer, the second conductivity type base region formed in one surface of the drift layer, and the surface of the base region A trench-type insulated gate semiconductor device comprising a plurality of trenches having a conductive layer embedded in a gate oxide film and having a depth that reaches the drift layer and is embedded through the gate oxide film. have three different kinds of the base region of a second conductivity type having a width that is sandwiched between, has a second base region> the first base region> third base region becomes relationship in descending order of the width, the among second second trenches trenches sandwiching the base region, the first base region trenches sandwiching the first trench, a trench sandwiching the third base region when said second trench and said first trench With said first base region only the first conductivity-type source region that are selectively formed from the surface along the inner wall surface of the first trench, both surfaces of the emitter electrode and the first base region and the source region The conductive layer embedded in the first trench is connected to the gate electrode, the conductive layer embedded in the second trench is connected to the same potential as the emitter electrode, and the second base region surface of the third base region and trench-type insulated gate semiconductor device having a trench-type insulated gate structure that is covered with an insulating film.
According to a second aspect of the present invention, the trench type insulated gate semiconductor device according to the first aspect of the present invention is such that the width of the third base region is 2.4 μm or less.

特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、前記第二のベース領域の深さが前記トレンチの深さよりも深く、前記第一ベース領域の深さは前記トレンチの深さよりも浅い特許請求の範囲の請求項1または2に記載のトレンチ型絶縁ゲート半導体装置とする。 According to the invention of claim 3, wherein the appended claims, the depth of the second base region deeper than the depth of the trench, the depth of the first base region is shallower patent than the depth of the trench A trench-type insulated gate semiconductor device according to claim 1 or 2.

本発明によれば、ターンオン損失と放射ノイズの両方を低減しても、オン電圧の上昇を抑制でき、ゲート耐圧にも問題の無いトレンチ型絶縁ゲート半導体装置を提供することである。   According to the present invention, it is an object to provide a trench type insulated gate semiconductor device that can suppress an increase in on-voltage and has no problem in gate breakdown voltage even when both turn-on loss and radiation noise are reduced.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる絶縁ゲート型半導体装置の最良の実施例について、詳細に説明する。以下の説明では、第一導電型をn型とし、第二導電型をp型として説明するが、本発明はその逆の場合にも成り立つ。なお、すべての添付図面において同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Exemplary embodiments of an insulated gate semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the first conductivity type is assumed to be n-type, and the second conductivity type is assumed to be p-type. Note that the same reference numerals are given to the same components in all the attached drawings, and redundant description is omitted.

図1は本発明の実施例1にかかる絶縁ゲート型半導体装置(IGBT)を模式的に示す断面図である。
図1に示す絶縁ゲート型半導体装置は、前記図7に示す従来の半導体装置と同様に、n型ドリフト層2はp型コレクタ層1の上に設けられ、p型コレクタ層1の表面(裏面)にはコレクタ電極8が形成されている。pウエル領域20は、n型ドリフト層2の表面からボロンなどのイオン注入により形成される。このpウエル領域20は、半導体基板の表面からpウエル領域20を貫通してn型ドリフト層2に達する深さに形成されるトレンチ21、22により、幅の異なる複数のp型ベース領域9、10、12に分割されている。トレンチ21、22は、トレンチ自体の形状に特に違いは無く、内部にゲート酸化膜を介して導電層が埋設された場合の機能が異なる。
これらp型ベース領域9、10、12のうち、第一のp型ベース領域10はn型ソース領域3を有する。n型ソース領域3は、第一のp型ベース領域10の表面層において、第一トレンチ21の側部に設けられている。第一トレンチ21内にゲート酸化膜4を介して埋め込まれる低抵抗ポリシリコンゲート電極5は表面で、図示しないアルミニウムなどの金属膜からなるゲートランナーに接続される。第二のp型ベース領域9および第三のp型ベース領域12には、n型ソース領域3は設けられていない。
1 is a cross-sectional view schematically showing an insulated gate semiconductor device (IGBT) according to Example 1 of the present invention.
In the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 1, the n-type drift layer 2 is provided on the p-type collector layer 1 in the same manner as the conventional semiconductor device shown in FIG. ) Is formed with a collector electrode 8. The p-well region 20 is formed by ion implantation of boron or the like from the surface of the n-type drift layer 2. The p-well region 20 includes a plurality of p-type base regions 9 having different widths by trenches 21 and 22 formed at a depth reaching the n-type drift layer 2 from the surface of the semiconductor substrate through the p-well region 20. It is divided into 10 and 12. The trenches 21 and 22 have no particular difference in the shape of the trenches themselves, and have different functions when a conductive layer is buried inside through a gate oxide film.
Of these p-type base regions 9, 10, and 12, the first p-type base region 10 has an n-type source region 3. The n-type source region 3 is provided on the side of the first trench 21 in the surface layer of the first p-type base region 10. The low resistance polysilicon gate electrode 5 embedded in the first trench 21 via the gate oxide film 4 is connected to a gate runner made of a metal film such as aluminum (not shown) on the surface. The n-type source region 3 is not provided in the second p-type base region 9 and the third p-type base region 12.

エミッタ電極7は、第一のp型ベース領域10の表面では第一のp型ベース領域10とn型ソース領域3の両表面に共通に接触している。また、エミッタ電極7は、第二トレンチ22にゲート酸化膜を介して埋め込まれる低抵抗ポリシリコン層11の表面にも接触している。第二のp型ベース領域9および第三のp型ベース領域12の表面上では、エミッタ電極7は、間に挟まれる層間絶縁膜により絶縁されている。一方、コレクタ電極8は、トレンチ型絶縁ゲート構造とは反対側に設けられるp型コレクタ層1の表面(裏面)に接している。
次に、第一のp型ベース領域10の幅a、第三のp型ベース領域12の幅bの関係について説明する。図3は、誘導負荷におけるIGBTのターンオン電流波形を、前記図1に示す本発明のIGBTと前記図6、図7に示す従来のIGBTとで比較して示す図である。この図3は、それぞれのIGBTについて、第一のp型ベース領域10の幅a=3.0μm、第三のp型ベース領域12の幅bを1.0μmとし、12Ωと64Ωの2種類のゲート抵抗を用いた場合の、ゲート抵抗Rgによる小電流ターンオンの電流上昇の傾き(di/dt)やピーク電流の制御性を示している。この図3からわかるように、ゲート抵抗Rg=12Ωにおいては、従来のトレンチ型絶縁ゲート構造を有するIGBTも本発明のIGBTも比較的似たようなターンオン電流波形で、ピーク電流は51Aである。しかし、ゲート抵抗Rg=64Ωにおいては、大きな変化が見られる。従来のIGBTではディレイ時間は伸びるものの、電流上昇の傾きdi/dtはあまり変化せずにピーク電流も43Aで電流の減少分は15.9%である。一方で、本発明のIGBTでは、電流上昇の傾き(di/dt)が明らかに低下し、ピーク電流も36Aと、電流減少分は28.0%と、従来IGBTと比較して約1.9倍に制御できることがわかる。
The emitter electrode 7 is in common contact with both surfaces of the first p-type base region 10 and the n-type source region 3 on the surface of the first p-type base region 10. The emitter electrode 7 is also in contact with the surface of the low resistance polysilicon layer 11 embedded in the second trench 22 via a gate oxide film. On the surfaces of the second p-type base region 9 and the third p-type base region 12, the emitter electrode 7 is insulated by an interlayer insulating film sandwiched therebetween. On the other hand, the collector electrode 8 is in contact with the front surface (back surface) of the p-type collector layer 1 provided on the side opposite to the trench type insulated gate structure.
Next, the relationship between the width a of the first p-type base region 10 and the width b of the third p-type base region 12 will be described. FIG. 3 is a diagram showing the IGBT turn-on current waveform in an inductive load in comparison with the IGBT of the present invention shown in FIG. 1 and the conventional IGBT shown in FIGS. This FIG. 3 shows that for each IGBT, the width a of the first p-type base region 10 is 3.0 μm, the width b of the third p-type base region 12 is 1.0 μm, and two types of 12Ω and 64Ω. When the gate resistance is used, the slope of the small current turn-on (di / dt) and the controllability of the peak current due to the gate resistance Rg are shown. As can be seen from FIG. 3, at the gate resistance Rg = 12Ω, the IGBT having the conventional trench type insulated gate structure and the IGBT of the present invention have a relatively similar turn-on current waveform, and the peak current is 51A. However, a large change is seen at the gate resistance Rg = 64Ω. In the conventional IGBT, the delay time increases, but the slope di / dt of the current rise does not change much, the peak current is 43 A, and the current decrease is 15.9%. On the other hand, in the IGBT of the present invention, the slope of increase in current (di / dt) is clearly reduced, the peak current is 36 A, and the current decrease is 28.0%, which is about 1.9 compared with the conventional IGBT. It can be seen that the control can be doubled.

図4は、本発明にかかるIGBTについて、ゲート抵抗Rg64Ωにおける、ターンオンピーク電流と第三のp型ベース領域12の幅bとの関係についてシミュレーションで予測した結果である。横軸に示す第三のp型ベース領域12の幅b<2.4μmで、前述した従来のIGBTのターンオンピーク電流43A(縦軸)よりもターンオンピーク電流が低くなるので、本発明のIGBTの優位性が見られる。幅bの下限は特に定めないが、図4ではMesa−b widthと表示されている横軸に示す第三のp型ベース領域12の幅bが1μm以下の場合、ターンオンピーク電流は36A程度に落ち着くことから、第三のp型ベース領域12の幅bを1μm以下にするような極端な微細化は同幅bの1μmの場合に比べて格別の効果が生じることが無いという限界を示している。
この結果、実施例1にかかるIGBTでは、オン抵抗が増加することなく、また、ゲート耐圧については従来と同様の耐圧を保ちつつ、ターンオン損失と放射ノイズを減少させることができる。
FIG. 4 is a result of predicting by simulation the relationship between the turn-on peak current and the width b of the third p-type base region 12 at the gate resistance Rg of 64Ω for the IGBT according to the present invention. When the width p <2.4 μm of the third p-type base region 12 shown on the horizontal axis, the turn-on peak current is lower than the turn-on peak current 43A (vertical axis) of the conventional IGBT described above. An advantage is seen. The lower limit of the width b is not particularly defined, but when the width b of the third p-type base region 12 shown on the horizontal axis indicated as Mesa-b width in FIG. 4 is 1 μm or less, the turn-on peak current is about 36 A. As a result, the extreme miniaturization in which the width b of the third p-type base region 12 is set to 1 μm or less shows a limit that no particular effect is produced as compared with the case where the width b is 1 μm. Yes.
As a result, in the IGBT according to the first embodiment, the on-resistance does not increase, and the turn-on loss and the radiation noise can be reduced while maintaining the same gate breakdown voltage as the conventional one.

図2は本発明の実施例2にかかる絶縁ゲート型半導体装置(IGBT)を模式的に示す断面図である。
前述の実施例1にかかる図1と実施例2にかかる図2とに示す絶縁ゲート型半導体装置の異なる点は、図2では第二のp型ベース領域9の深さのみをトレンチ22よりも深くしたことである。このように、第二のp型ベース領域9の深さのみをトレンチ22よりも深くすることにより、実施例2で示すIGBTは、実施例1で説明したターンオン特性を失うことなく、さらに高い耐圧が得られる。たとえば、図1のIGBTと図2のIGBTの耐圧を比較した図5に示すように、実施例2にかかる図2のIGBTは実施例1にかかる図1のIGBTよりも耐圧値が約120V高くなっている。前記第二のp型ベース領域9の深さについて、具体的な例としては、図1のIGBTではトレンチ22に対して第二のp型ベース領域9を含む第一p型ベース領域10、第三p型ベース領域12の深さを1.0μm浅くし、図2のIGBTでは、逆にトレンチ22に対して第二のp型ベース領域9のみを1.0μm深く、第一p型ベース領域10、第三p型ベース領域12の深さは従来と同様に1.0μm浅く設定したものを比較した。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an insulated gate semiconductor device (IGBT) according to Example 2 of the present invention.
The difference between the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 1 according to the first embodiment and FIG. 2 according to the second embodiment is that only the depth of the second p-type base region 9 in FIG. It ’s deep. Thus, by making only the depth of the second p-type base region 9 deeper than the trench 22, the IGBT shown in the second embodiment has a higher breakdown voltage without losing the turn-on characteristics described in the first embodiment. Is obtained. For example, as shown in FIG. 5 which compares the breakdown voltage of the IGBT of FIG. 1 and the IGBT of FIG. 2, the IGBT of FIG. 2 according to the second embodiment has a breakdown voltage higher by about 120V than the IGBT of FIG. It has become. As a specific example of the depth of the second p-type base region 9, the first p-type base region 10 including the second p-type base region 9 with respect to the trench 22 in the IGBT of FIG. The depth of the three p-type base region 12 is reduced by 1.0 μm, and in the IGBT of FIG. 2, conversely, only the second p-type base region 9 is deeper by 1.0 μm than the trench 22. 10. The depth of the third p-type base region 12 was compared with the depth of 1.0 μm as in the conventional case.

以上のように、本発明にかかる絶縁ゲート型半導体装置は、電力変換装置などに用いられるパワーデバイス分野に有用である。   As described above, the insulated gate semiconductor device according to the present invention is useful in the field of power devices used in power converters and the like.

本発明の実施例1にかかるトレンチIGBTを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically trench IGBT concerning Example 1 of this invention. 本発明の実施例2にかかるトレンチIGBTを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically trench IGBT concerning Example 2 of this invention. 本発明と従来のトレンチIGBTのターンオン波形図である。It is a turn-on waveform diagram of the present invention and a conventional trench IGBT. 本発明にかかるターンオンピーク電流と第三ベース領域幅との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between a turn-on peak current and a third base region width according to the present invention. 本発明にかかるトレンチIGBTの電流/電圧波形図である。FIG. 4 is a current / voltage waveform diagram of a trench IGBT according to the present invention. 従来のトレンチIGBTを模式的に示す平面図である。It is a top view which shows the conventional trench IGBT typically. 図6のA−A'線における断面図である。It is sectional drawing in the AA 'line of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 p型コレクタ層
2 第一導電型ドリフト層、n型ドリフト層
3 第一導電型ソース領域、n型ソース領域
4 ゲート絶縁膜
5 導電層
6 層間絶縁膜
7 エミッタ電極
8 コレクタ電極
9 第二のp型ベース領域
10 第一のp型ベース領域
11 導電層
12 第三のp型ベース領域
13、14 ゲートランナー
21 第一トレンチ
22 第二トレンチ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 p-type collector layer 2 1st conductivity type drift layer, n-type drift layer 3 1st conductivity type source region, n-type source region 4 Gate insulating film 5 Conductive layer 6 Interlayer insulating film 7 Emitter electrode 8 Collector electrode 9 Second p-type base region 10 first p-type base region 11 conductive layer 12 third p-type base region 13, 14 gate runner 21 first trench 22 second trench.

Claims (3)

第一導電型ドリフト層と、このドリフト層の一方の表面内に形成される第二導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面から形成され前記ドリフト層に達する深さであって内部にゲート酸化膜を介して埋設された導電層を有する複数のトレンチを備えるトレンチ型絶縁ゲート半導体装置において、前記複数のトレンチが、該複数のトレンチ間に挟まれる幅の異なる三種類の第二導電型のベース領域を有し、幅の大きい順に第二ベース領域>第一ベース領域>第三ベース領域なる関係を有し、このうち前記第二ベース領域を挟むトレンチを第二トレンチ、前記第一ベース領域を挟むトレンチを第一トレンチ、前記第三ベース領域を挟むトレンチは前記第一トレンチと前記第二トレンチとすると、前記第一ベース領域のみ表面から前記第一トレンチの内壁面に沿って選択的に形成される第一導電型のソース領域を備え、エミッタ電極が前記第一ベース領域と前記ソース領域との両表面に共通に接触し、前記第一トレンチに埋設された導電層はゲート電極に接続され、前記第二トレンチに埋設された導電層は前記エミッタ電極と同電位に接続され、前記第二ベース領域と前記第三ベース領域の表面は絶縁膜で覆われているトレンチ型絶縁ゲート構造を有することを特徴とするトレンチ型絶縁ゲート半導体装置。 A first conductivity type drift layer; a second conductivity type base region formed in one surface of the drift layer; and a depth formed from the surface of the base region and reaching the drift layer, with a gate inside In a trench-type insulated gate semiconductor device comprising a plurality of trenches having a conductive layer embedded via an oxide film, the plurality of trenches are of three types of second conductivity types having different widths sandwiched between the plurality of trenches. has a base region having a second base region> the first base region> third base region becomes relationship in order of width, these trenches sandwiching the second base region second trench, said first base region first trench trenches sandwiching, the third the trenches sandwiching the base region and the second trench and the first trench, the first tray from the first base region only surface A source region of a first conductivity type selectively formed along the inner wall surface of the first electrode, and an emitter electrode is in common contact with both surfaces of the first base region and the source region, and is in contact with the first trench. The buried conductive layer is connected to the gate electrode, the conductive layer buried in the second trench is connected to the same potential as the emitter electrode, and the surfaces of the second base region and the third base region are insulating films. trench-type insulated gate semiconductor device characterized by having a covered have that trench type insulated gate structure. 前記第三ベース領域の幅が2.4μm以下であることを特徴とする請求項1記載のトレンチ型絶縁ゲート半導体装置。 2. The trench type insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the width of the third base region is 2.4 [mu] m or less. 前記第二ベース領域の深さが前記トレンチの深さよりも深く、前記第一ベース領域の深さは前記トレンチの深さよりも浅いことを特徴とする請求項1または2に記載のトレンチ型絶縁ゲート半導体装置。 The depth of the second base region is deeper than the depth of the trench, the depth of the first base region is a trench-type insulated gate according to claim 1 or 2, characterized in that shallower than the depth of the trench Semiconductor device.
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