JP5488691B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態1にかかる半導体装置について、図1を用いて説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の要部を示す斜視図である。n型ドリフト層1となる基板の一方の主面(紙面では上方の面に相当、以下、単に上面とする)に、ストライプ状の平面形状を有するゲートトレンチ7が形成されている。ゲートトレンチ7の内壁にはゲート酸化膜10が形成され、さらにゲート酸化膜10の内側には導電性のゲートポリシリコン11aが形成されている。
次に、具体的な半導体装置の製造方法について、以下の実施例を例に説明する。実施の形態1に従い、600VクラスのIGBTを実現する(図1,2参照)。まず、比抵抗が例えば20Ωcm以上35Ωcm以下程度のシリコンウェハー(基板)を用意する。実施例1では、30Ωcmとした。ここで本発明の半導体装置は、その他の耐圧クラスでも適用できることは勿論である。例えば比抵抗は、1200Vクラスでは40Ωcm以上60Ωcm以下程度、1700Vクラスでは60Ωcm以上90Ωcm以下程度、3500Vクラスでは100Ωcm以上250Ωcm以下程度、それ以上の耐圧クラスもそれに応じて比抵抗を高くすればよい。特に高耐圧であるほど、ウェハーの比抵抗を高くする必要があるため、ビルトイン空乏層は一層広くなり、その結果ミラー容量低減効果は強くなる。
実施の形態1の効果について検証する。ここでは、図32に示した従来例のIGBTと比較しながら説明をする。まず、実施の形態1に従い、隣り合うゲートトレンチ7の間に1本のダミートレンチ8を設けたIGBTを作製した(以下、第1実施例とする)。IGBTの製造方法および設計条件は、実施例1と同様である。比較として、隣り合うゲートトレンチ7の間にダミートレンチ8を設けていないIGBTを作製した(従来例、図32参照)。従来例については、実施例1と同様のパラメータで形成し、ゲートトレンチ7の長手方向におけるp型ベース層4の長さは実施例1と同じ8μmとした。また、同じくゲートトレンチ7の長手方向において、隣り合うp型ベース層4の間隔についても、実施例1と同じとした。さらに、ゲートトレンチ7の長手方向に垂直な向きの、p型ベース層4とゲートトレンチ7の周期構造における単位周期も、実施例1と同様である。そして、第1実施例および比較例のそれぞれについて、静電容量Cxおよびコレクタ−エミッタ間電圧VCEを測定し、IGBTの電気的特性について検証した。
実施の形態2にかかる半導体装置について、図4を用いて説明する。図4は、実施の形態2にかかる半導体装置の要部を示す斜視図である。実施の形態2における実施の形態1との相違点は、メサ領域18におけるダミートレンチ8の本数である。実施の形態2では、隣り合うゲートトレンチ7の間に、例えば2本のダミートレンチ8をストライプ状の平面レイアウトで設けている。それぞれのメサ領域18における2本のダミートレンチ8の長手方向の端部は、互いに接続されている。
実施の形態2の効果について検証する。図7は、実施例3にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図7は、実施の形態2のIGBTと、従来例のIGBTとの入力容量Ciesおよび帰還容量Cresにおけるコレクタ−エミッタ間電圧VCEの依存性(C−V特性)を比較したグラフである。まず、実施の形態2に従い、隣り合うゲートトレンチ7の間に2本のダミートレンチ8を設けたIGBTを作製した(以下、第2実施例とする)。第2実施例のその他の設計条件は、第1実施例と同様である。比較として、実施例2と同様に、従来例のIGBTを作製した。そして、第2実施例および比較例のそれぞれについて、静電容量CxおよびCE間電圧VCEを測定し、IGBTの電気的特性について検証した。測定方法および算出方法は、実施例2と同様である。
図8は、実施例4にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図8は、実施の形態1,2のIGBT、および従来例のIGBTのオン時における電流−電圧(I−V)特性を比較した図である。なお、曲線上の丸印は、各曲線がどのIGBTに対応しているかが分かるように示したものに過ぎない。定格電流密度を225A/cm2と定義し、図8横軸に平行な実線にて示す。まず、実施例2と同様に、第1実施例および比較例を作製した。また、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。そして、第1,2実施例および比較例のそれぞれについて、コレクタ電流ICおよびCE間電圧VCEを測定し、IGBTの電気的特性について検証した。測定方法は、実施例2と同様である。
図9は、実施例5にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図9は、実施の形態1,2のIGBT、および従来例のIGBTそれぞれのオン状態において、コレクタ電流ICが飽和したときの飽和電流値と、図8に示したオン電圧の相関を比較したグラフである。ここで、飽和電流値とは、ゲート電圧VGEを一定とし、オン電圧が100V以上に十分大きくなるまでコレクタ電流ICを流すと、周知のMOSゲートにおける電流飽和の効果のためにコレクタ電流ICが一定値に飽和したときの、電流値のことである。
図10は、実施例6にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図10は、実施の形態2と従来例のIGBTそれぞれについてのターンオフ波形を比較した図である。まず、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。実施例2と同様に、比較例を作製した。そして、第2実施例および比較例のそれぞれについて、後述するスイッチング評価回路を用いて、コレクタ電流IC、CE間電圧VCEおよびゲート電圧VGEを測定し、IGBTの電気的特性について検証した。次に、スイッチング評価回路について説明する。
図11は、実施例7にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図11は、実施の形態1,2および従来例のそれぞれのIGBTにおいて、図10で示したターンオフ波形と同じスイッチング条件における、ターンオフ電流とターンオフ損失の関係を示した図である。まず、実施例2と同様に、第1実施例および比較例を作製した。また、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。そして、第1,2実施例および比較例のそれぞれについて、ターンオフ損失およびコレクタ電流ICを測定し、IGBTの電気的特性について検証した。
図12は、実施例8にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図12は、実施の形態1,2と、従来例の各々のIGBTにおいて、オン電圧とターンオフ損失の関係を示したグラフである。まず、実施例2と同様に、第1実施例および比較例を作製した。また、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。そして、第1,2実施例および比較例のそれぞれについて、ターンオフ損失およびオン電圧を測定し、IGBTの電気的特性について検証した。
図13は、実施例9にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図13は、実施の形態1,2と、従来例の各々のIGBTにおいて、ターンオフ時のゲート抵抗と同じくターンオフ時のサージ電圧との関係を示したグラフである。まず、実施例2と同様に、第1実施例および比較例を作製した。また、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。そして、第1,2実施例および比較例のそれぞれについて、ターンオフサージ電圧およびゲート抵抗を測定し、IGBTの電気的特性について検証した。
図14は、実施例10にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図14は、実施の形態1,2と、従来例の各々のIGBTにおいて、ターンオン波形を比較した図である。まず、実施例2と同様に、第1実施例および比較例を作製した。また、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。そして、第1,2実施例および比較例のそれぞれについて、コレクタ電流IC、CE間電圧VCEおよびゲート電圧VGEを測定し、IGBTの電気的特性について検証した。測定方法は、実施例6と同様である。
図15は、実施例11にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図15は、従来例(図15(a))と実施の形態2(図15(b))の各々のIGBTにおいて、短絡時の波形を比較した図である。まず、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。実施例2と同様に、比較例を作製した。そして、第2実施例および比較例のそれぞれについて、コレクタ電流IC、CE間電圧VCEおよびゲート電圧VGEを測定し、IGBTの電気的特性について検証した。測定方法は、実施例6と同様である。
図16は、実施例12にかかる半導体装置の電気的特性を示す特性図である。図16は、本発明の実施の形態1,2と従来例の各々のIGBTにおいて、ターンオフ時のゲート抵抗と短絡時のターンオフスパイク電圧(CE間のサージ電圧の最大値)波形を比較したグラフである。まず、実施例2と同様に、第1実施例および比較例を作製した。また、実施例3と同様に、第2実施例を作製した。そして、第1,2実施例および比較例のそれぞれについて、短絡時におけるターンオフスパイク電圧およびゲート抵抗を測定し、IGBTの電気的特性について検証した。
本発明の実施の形態3にかかる半導体装置について、図17を用いて説明する。図17は、実施の形態3にかかる半導体装置の要部を示す断面図である。実施の形態3における実施の形態1との相違点は、メサ領域18におけるダミートレンチ8の幅が広いことである。実施の形態3では、ダミートレンチ8の本数を1本に減らしつつ、ダミートレンチ8が2本のときと同様のミラー容量低減効果を得ることが可能である。さらにエミッタ電極12とコンタクトをとって同電位とする場合、エミッタ電極12とダミーポリシリコン11bが接触する面積が広くなるので、エミッタ電極12とダミーポリシリコン11b間の接触抵抗を十分小さくすることが可能となる。
本発明の実施の形態4にかかる半導体装置について、図18を用いて説明する。図18は、実施の形態4にかかる半導体装置の要部を示す平面図である。実施の形態4における実施の形態2との相違点は、以下の通りである。メサ領域18の内部に形成された2本のダミートレンチ8について、隣接する2本のダミートレンチ8をその長手方向における端部だけでなく中間部分28でも相互に接続している。その結果、ダミーポリシリコン11bも中間部分28においてつながっている。
本発明の実施の形態5にかかる半導体装置について、図19,20を用いて説明する。図19は、実施の形態5にかかる半導体装置の要部を示す断面図である。また、図20は、図19のIGBTの要部を示す平面図である。実施の形態5における実施の形態2との相違点は、隣り合う2本のダミートレンチ8の上面までダミーポリシリコン11bを形成してブリッジ部分29を設けることで、メサ領域18を挟んでダミーポリシリコン11bを相互にブリッジ状に接続させることである。そして、ダミーポリシリコン11bのブリッジ部分29上面に、ダミーポリシリコン11bとエミッタ電極12とのコンタクトをとるための開口部であるポリシリコンパッド17(図20)を設けている。
本発明の実施の形態6にかかる半導体装置について、図21を用いて説明する。図21は、実施の形態6にかかる半導体装置の要部を示す斜視図である。実施の形態6における実施の形態1との相違点は、p型ベース層4の上面に設けたコンタクト開口部14について、ゲートトレンチ7の長手方向に沿った開口部の長さを短くし、コンタクト開口部14がダミートレンチ8の長手方向端部にかからないようにしたことである。つまり、ダミーポリシリコン11bがエミッタ電極と接触しないようにすることで、ダミーポリシリコン11bの電位を浮遊(フローティング)としている。ダミーポリシリコン11bの電位を浮遊とした場合、エミッタ電極と接続した場合ほどではないものの、従来例に比べて、その75%の値までミラー容量は低減された。
本発明の実施の形態7にかかる半導体装置について、図22を用いて説明する。図22は、実施の形態7にかかる半導体装置の要部を示す断面図である。実施の形態7における実施の形態2との相違点は、メサ領域18におけるダミートレンチ8の本数を、さらに3本としたことである。つまり、メサ領域18におけるダミートレンチ8の本数は、3本に限らず複数本あっても好ましい。
本発明の実施の形態8にかかる半導体装置について、図23,24を用いて説明する。図23は、実施の形態8にかかる半導体装置の要部を示す斜視図である。また、図24は、図23の切断線C−C’における断面図である。実施の形態8における実施の形態2との相違点は、メサ領域18において、ゲートトレンチ7とダミートレンチ8を隣接させる、または十分近接させたことである。図24のように、ダミーポリシリコン11bをエミッタ電極と同電位とすることがなお好ましい。ここで、ゲートトレンチ7とダミートレンチ8を十分近接させるとは、ゲートトレンチ7とダミートレンチ8との間のメサ領域18の幅が、例えばゲート酸化膜10の厚さ(例えば0.1μm)程度にまで近いことを意味している。あるいは、ゲート酸化膜10を熱酸化にて形成する場合において、ゲートトレンチ7とダミートレンチ8の間が、熱酸化のパイルアップにより狭まり、熱酸化膜の厚さよりも薄くなる程度であってもよい。
本発明の実施の形態9にかかる半導体装置について、図25を用いて説明する。図25は、実施の形態9にかかる半導体装置の要部を示す断面図である。実施の形態9における実施の形態8との相違点は、2本のダミートレンチ8が隣接または十分近接していて、隣り合うゲートトレンチ7とは離間していることである。このようにすれば、前述のようにゲートポリシリコン11aとダミーポリシリコン11bがショートする危険性を避けることができ、かつミラー容量を低減することが可能となる。ここで、ダミートレンチ8の本数は、2本に限らず種々変更可能であり、3本あるいはそれ以上でもよい。また、ダミーポリシリコン11bをエミッタ電極12に接続することで、前述のようにミラー容量が十分低減できるので、なお好ましい。
本発明の実施の形態10にかかる半導体装置について、図26,27を用いて説明する。図26は、実施の形態10にかかる半導体装置の要部を示す斜視図である。また、図27は、図26の切断線D−D’における断面図である。実施の形態10の特徴は、以下の通りである。ゲートトレンチ7に挟まれるメサ領域18において、ゲートトレンチ7の長手方向にて隣り合うp型ベース層4の間の全てにダミートレンチ8を設けている。そして、隣り合うゲートトレンチ7またはダミートレンチ8は、互いに接するかまたは十分近接するように配置している。それ以外の構成は、実施の形態1と同様である。
本発明の実施の形態11にかかる半導体装置について、図28を用いて説明する。図28は、実施の形態11にかかる半導体装置の要部を示す平面図である。実施の形態11の特徴は、p型ベース層4の配置を、これまでの市松模様ではなく、図28のようにゲートトレンチ7の長手方向に直行する方向に一列に並べたことである。それ以外の構成は、実施の形態1と同様である。このようにp型ベース層4を配置しても、ミラー容量の低減効果を奏することは可能である。
2 n型フィールドストップ層
3 p型コレクタ層
4 p型ベース層
5 n型エミッタ層
6 p型コンタクト層
7 ゲートトレンチ
8 ダミートレンチ
9 層間絶縁膜
10 ゲート酸化膜
11a ゲートポリシリコン
11b ダミーポリシリコン
12 エミッタ電極
13 コレクタ電極
14 コンタクト開口部
15 ゲート電極
16 空乏層端
17 ポリシリコンパッド
18 メサ領域
19 pn接合
20 直流電源
21 コンデンサ
22 ゲート駆動用電源
23 ゲート抵抗
24 IGBT
25 FWD
26 誘導負荷
27 浮遊インダクタンス
28 中間部分
29 ブリッジ部分
30 浮遊p層
Claims (11)
- 第1導電型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に設けられた第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複数形成されたストライプ状の第1の溝と、
前記第1の溝内に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記第1の溝間の長手方向に選択的に形成された複数の第1導電型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の第4の半導体層と、
前記第3の半導体層と前記第4の半導体層に接するエミッタ電極と、
前記第1の半導体層に接するコレクタ電極と、を有する絶縁ゲート型半導体装置において、
隣り合う前記第1の溝の間に当該第1の溝と平行に設けられ、かつ2つの前記第3の半導体層の間に挟まれた第2の溝が1つ以上形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記第2の溝内には絶縁膜を介して第1の導電体が埋め込まれており、
前記第1の導電体は前記ゲート電極とは離間していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1の導電体は、前記エミッタ電極と接続していることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1の導電体は、前記第2の溝の長手方向の端部にて前記エミッタ電極と接続していることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 隣り合う前記第1の溝の間に形成された前記第2の溝が2つ以上形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 2またはそれ以上形成された前記第2の溝の内部に形成されている前記第1の導電体は、互いに同一の電位となるように電気的に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 互いに隣り合う前記第2の溝は、当該第2の溝の長手方向の端部にて相互に接続され、
前記第2の溝の内部に形成された前記第1の導電体は、前記端部にて相互に接続されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 - 隣り合う前記第2の溝の上面には、前記隣り合う第2の溝の内部に形成された前記第1の導電体を互いに接続するように前記第1の導電体に接する第2の導電体が形成されており、
前記第2の導電体は、当該第2の導電体の一部にて前記エミッタ電極と接続していることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 - 前記第1の導電体が浮遊の電位となるように、前記エミッタ電極およびコレクタ電極および前記ゲート電極と前記第1の導電体は離間していることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1の溝と前記第2の溝とが、前記第1の溝の長手方向の側壁または第2の溝の長手方向の側壁にて互いに隣接していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1の溝と前記第2の溝との間隔は、熱平衡状態において前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とからなるpn接合から前記第2の半導体層に広がるビルトイン空乏層幅よりも小さいことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の半導体装置。
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