JP5568904B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

この発明は、トレンチゲート構造を有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下、IGBTと略記する)の構造に関する。   The present invention relates to a structure of an insulated gate bipolar transistor (hereinafter abbreviated as IGBT) having a trench gate structure.

パワーデバイスは、インバータやコンバータ等の電力変換装置のスイッチング素子として、中心的な役割を果たしている。パワーデバイスの中でも特にIGBTは、ゲート制御性が良く且つ伝導度変調効果による低オン電圧が達成できるため、様々な電圧領域で広く使用されている。3300V以上の耐圧クラスでは、ゲート電極が半導体基板の表面に具備されるプレーナーゲートIGBTが主に用いられている。一方1700V以下の耐圧クラスでは、半導体基板表面に溝(トレンチ)を形成して、その溝内に酸化膜を形成したうえで導電性ポリシリコン等のゲート電極を埋め込んだ、トレンチゲート構造のIGBTの適用が主流となっている。トレンチゲート構造は、プレーナーゲート構造よりも微細なセル構造にすることができ、かつプレーナーゲート構造に特有であるJFET領域(隣接したpベース領域に挟まれている領域で、電流が集中する部分)がトレンチゲート構造にはないため、オン電圧をより低くすることができる。また、IGBTはバイポーラデバイスであり、オン状態のときの導通損失となるオン電圧降下は、その構成成分の大半がドリフト領域での電圧降下である。そのため、キャリア(電子、ホール)をできるだけドリフト領域に閉じ込める、いわゆるInjection Enhancement(IE)効果を強くすることも、低オン電圧につながる。このIE効果を持つ表面構造には、例えば、反転層チャネルの一部を不活性にし、チャネル部近傍のドリフト領域にホールを溜め込む、IEGT構造がある(特許文献1)。他にも、トレンチ側壁に挟まれたシリコンメサ部に、部分的にPベース層を形成するマイクロセル構造のIGBTがある(特許文献2)。図13に、特許文献2に記載のマイクロセル構造IGBTの断面図を示す。図13では、ストライプのトレンチが複数設けられ、このトレンチの間にpベース層5が分散して島状に配置される。島状のpベース層5にはn+エミッタ層6が選択的に形成されている。この図13の構造でIE効果を増強するには、例えば図14の断面図に基づいて説明すると、トレンチ間のシリコンメサ幅(pベース層5の幅)を短縮し、pベース層5下端からn-ドリフト層1へ突き出しているトレンチゲート12の深さを深くする。このようにすると、ターンオフ時のホールは、pベース層5の中のチャネル以外の部分を通ってエミッタ電極11に到着する割合が、減少する。またゲートがオンの状態で、ゲート電極12のn-ドリフト層1の内部にある側壁部分のゲート酸化膜3との界面に電子の蓄積層ができる。そのためゲート電極12の底部周辺には、クーロン力によりホールが引き寄せられて、蓄積する。以上から、n-ドリフト層1における電導度変調が一層進み、ドリフト領域の抵抗が低減される。このようにIE効果が増強すると、非特許文献1に開示されているように、一定の電流密度(たとえば 100A/cm2)におけるオン電圧とターンオフ損失のトレードオフ特性が改善される。図14構造のメサ幅の最小幅は、n+エミッタ層6とトレンチゲート4の間、p+コンタクト層7とn+エミッタ層6の間、およびコンタクト領域(エミッタ電極)11とp+コンタクト層7あるいはn+エミッタ層6間との合わせ精度、及び各領域の寸法誤差により制限される。例えば図14に示した各部分の寸法は、最小加工能力が0.6μmである製造プロセスにおいて形成可能な値である。その場合、メサ幅は4.2μmになる。このように、メサ幅をできるだけ小さくすることが、IE効果の増強につながり、低いオン電圧を達成することができる。 Power devices play a central role as switching elements in power conversion devices such as inverters and converters. Among power devices, IGBTs are widely used in various voltage regions because they have good gate controllability and can achieve a low on-voltage due to the conductivity modulation effect. In the breakdown voltage class of 3300 V or higher, a planar gate IGBT having a gate electrode provided on the surface of a semiconductor substrate is mainly used. On the other hand, in a breakdown voltage class of 1700 V or less, a trench gate structure IGBT in which a trench (trench) is formed on the surface of a semiconductor substrate, an oxide film is formed in the trench, and a gate electrode such as conductive polysilicon is buried. Application has become mainstream. The trench gate structure can have a finer cell structure than the planar gate structure and is a characteristic of the planar gate structure JFET region (a portion where current is concentrated in a region sandwiched between adjacent p base regions) Is not in the trench gate structure, the on-voltage can be further reduced. The IGBT is a bipolar device, and the on-voltage drop, which is a conduction loss in the on state, is mostly a voltage drop in the drift region. Therefore, strengthening the so-called injection enhancement (IE) effect that confines carriers (electrons, holes) in the drift region as much as possible also leads to a low on-voltage. As a surface structure having the IE effect, for example, there is an IEGT structure in which a part of the inversion layer channel is inactivated and holes are accumulated in a drift region near the channel portion (Patent Document 1). In addition, there is an IGBT having a microcell structure in which a P base layer is partially formed in a silicon mesa portion sandwiched between trench sidewalls (Patent Document 2). FIG. 13 shows a cross-sectional view of the microcell structure IGBT described in Patent Document 2. In FIG. 13, a plurality of stripe trenches are provided, and the p base layer 5 is dispersed between the trenches and arranged in an island shape. An n + emitter layer 6 is selectively formed on the island-shaped p base layer 5. In order to enhance the IE effect with the structure of FIG. 13, for example, based on the cross-sectional view of FIG. 14, the silicon mesa width between trenches (the width of the p base layer 5) is shortened and - to deepen the depth of the trench gate 12, which protrudes into the drift layer 1. In this way, the rate at which the turn-off holes arrive at the emitter electrode 11 through portions other than the channel in the p base layer 5 decreases. Further, when the gate is turned on, an electron accumulation layer is formed at the interface between the gate electrode 12 and the gate oxide film 3 on the side wall portion inside the n drift layer 1. Therefore, holes are attracted and accumulated around the bottom of the gate electrode 12 by Coulomb force. From the above, the conductivity modulation in the n drift layer 1 further proceeds and the resistance of the drift region is reduced. When the IE effect is enhanced in this manner, as disclosed in Non-Patent Document 1, the trade-off characteristics between the on-voltage and the turn-off loss at a constant current density (for example, 100 A / cm 2 ) are improved. 14 has a minimum mesa width between the n + emitter layer 6 and the trench gate 4, between the p + contact layer 7 and the n + emitter layer 6, and between the contact region (emitter electrode) 11 and the p + contact layer. 7 or the accuracy of alignment with the n + emitter layer 6 and the size error of each region. For example, the dimensions of the respective parts shown in FIG. 14 are values that can be formed in a manufacturing process in which the minimum processing capability is 0.6 μm. In that case, the mesa width is 4.2 μm. Thus, reducing the mesa width as much as possible leads to enhancement of the IE effect, and a low on-voltage can be achieved.

上述のようにオン電圧を低くする目的でメサ幅をさらに削減するためには、エミッタショート部分について、図14内で紙面に平行な方向で選択的に設けているn+エミッタ層7を、図15に示すように、紙面に平行な方向には一様で、紙面に垂直の(奥行き)方向で選択的に設けるようにすればよい。なぜなら、トレンチ側壁に形成される反転層のすべてをチャネルとして利用する必要がないからである。これについての基本的な構成は、非特許文献1における図9.218に開示されている。具体的にp+コンタクト層7とコンタクト開口部16は明記されていないが、その位置は容易に思いつくものである。たとえば、前記表主面のn+エミッタ層6を除くpベース層5の表面にp+コンタクト層7を設置してもよい。図15におけるA−A'に沿った断面図の異なる例を、図16に示す。 In order to further reduce the mesa width for the purpose of lowering the ON voltage as described above, the n + emitter layer 7 which is selectively provided in the direction parallel to the paper surface in FIG. As shown in FIG. 15, it may be selectively provided in a (depth) direction that is uniform in the direction parallel to the paper surface and perpendicular to the paper surface. This is because it is not necessary to use all of the inversion layers formed on the trench sidewalls as channels. A basic configuration for this is disclosed in FIG. 9.218 in Non-Patent Document 1. Specifically, the p + contact layer 7 and the contact opening 16 are not specified, but their positions are easily conceivable. For example, the p + contact layer 7 may be provided on the surface of the p base layer 5 excluding the n + emitter layer 6 on the front main surface. FIG. 16 shows a different example of the cross-sectional view along AA ′ in FIG.

一方IGBTの場合、素子が短絡した時に、できるだけ非破壊で素子をターンオフできるように、素子の飽和電流を抑制する必要がある。このため、トレンチ側面に実際に形成されるチャネルの密度が、理論的に形成できるチャネル密度よりも低くなるような設計にしなければならない。さらに、トレンチゲート製造の場合、ポリシリコン平坦化(エッチバック)、あるいはソース・エミッタ層とゲート電極間のオーバーラップ量の制御など、プレーナーゲートIGBTよりも製造工程が複雑になるため、チップコストが高くなるという問題がある。そのため、更に高付加価値で低コストなスイッチングデバイスを提供するために、IGBTの性能を維持しながら、より簡素な製造方法とそれに適するデバイス構造の検討も、必要になりつつある。その一例として、特許文献3に、プレーナーゲートとトレンチゲートの双方を具備するIGBTの構造が開示されている。その代表図を、図17に示す。pベース層5のトレンチ側壁部分15aとプレーナーゲート部の基板表面15bにそれぞれ反転層が形成されている。     On the other hand, in the case of an IGBT, it is necessary to suppress the saturation current of the element so that the element can be turned off as nondestructively as possible when the element is short-circuited. For this reason, the design must be such that the density of the channel actually formed on the side surface of the trench is lower than the channel density that can be theoretically formed. Furthermore, in the case of trench gate manufacturing, the chip cost is reduced because the manufacturing process is more complicated than planar gate IGBT, such as polysilicon planarization (etchback) or control of the overlap amount between the source / emitter layer and the gate electrode. There is a problem of becoming higher. Therefore, in order to provide a switching device with higher added value and lower cost, it is also necessary to study a simpler manufacturing method and a suitable device structure while maintaining the performance of the IGBT. As an example, Patent Document 3 discloses an IGBT structure including both a planar gate and a trench gate. A representative diagram thereof is shown in FIG. Inversion layers are respectively formed on the trench side wall portion 15a of the p base layer 5 and the substrate surface 15b of the planar gate portion.

さらに、特許文献4、特許文献5には、プレーナーゲートとトレンチゲートを交差させる構造が開示されている。その代表図をそれぞれ、図18および図19に示す。図18では、トレンチ37に埋め込まれたゲート電極40とプレーナー部分の補助ゲート電極43が直交している。図19においても、トレンチ57の内部に充填されている電極と、トレンチ57に直交して配置されている第2ゲート引き出し電極62が接続している。     Further, Patent Documents 4 and 5 disclose a structure in which a planar gate and a trench gate intersect each other. The representative figures are shown in FIGS. 18 and 19, respectively. In FIG. 18, the gate electrode 40 embedded in the trench 37 and the auxiliary gate electrode 43 in the planar portion are orthogonal to each other. Also in FIG. 19, the electrode filled in the trench 57 and the second gate extraction electrode 62 arranged orthogonal to the trench 57 are connected.

特開平5−243561号公報JP-A-5-243561 特開2006−210547号公報JP 2006-210547 A 米国特許第6303410号明細書US Pat. No. 6,303,410 特開2000−228519号公報JP 2000-228519 A 特開2004−31386号公報JP 2004-31386 A

ビー・ジャイアント・バリガ(B. Jayant Baliga)著、「ファンダメンタルズ・オブ・パワー・セミコンダクター・デバイセズ(Fundamentals of Power Semiconductor Devices)」、(米国)、第1版、シュープリンガー・サイエンス+ビジネス・メディア(Springer Sicence+Business Media)、2008年、p.1004B. Jayant Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices” (USA), 1st edition, Schuplinger Science + Business Media Springer Science + Business Media), 2008, p. 1004

上記のようにIE効果を強くしてホールの蓄積量を増やすと、ターンオフ時に寄生サイリスタのラッチアップが生じる可能性があるので、IE効果を増強してもラッチアップが生じにくいような構造にする必要がある。そのためには、図14に示す素子において、ホールがn+エミッタ層6下のチャネル領域から、p+コンタクト層7に至る経路の電気抵抗が小さければよい。p+コンタクト層7は、該層がIGBTのゲート閾値に影響しないようにするために、極力n+エミッタ層6の下端程度まで拡散するように形成されている。例えば図14における前述のホール経路の長さ(L)を、0.2μmとする。図15のデバイス構造で、図14デバイス構造と同等のラッチアップ耐量を得るためには、図16において、n+エミッタ層6の中心部からp+コンタクト層7までの最短距離LCがLと同等である必要がある。その場合図16において、p+コンタクト層7と交互に形成されるn+エミッタ層6の長さLAは、 As described above, if the IE effect is strengthened and the amount of accumulated holes is increased, the parasitic thyristor may be latched up at the time of turn-off. There is a need. For this purpose, in the element shown in FIG. 14, it is only necessary that the electrical resistance of the route from the channel region under the n + emitter layer 6 to the p + contact layer 7 is small. The p + contact layer 7 is formed to diffuse as much as possible to the lower end of the n + emitter layer 6 so that the layer does not affect the gate threshold value of the IGBT. For example, the length (L) of the above-described hole path in FIG. 14 is 0.2 μm. In order to obtain the latch-up resistance equivalent to that of the device structure of FIG. 14 in the device structure of FIG. 15, the shortest distance L C from the center of the n + emitter layer 6 to the p + contact layer 7 in FIG. Must be equivalent. In that case, in FIG. 16, the length L A of the n + emitter layer 6 formed alternately with the p + contact layer 7 is

となる。 It becomes.

最小寸法0.6μmを持つプロセスで0.6μm長さのp+コンタクト層7を形成する場合でも、チャネル比率は、n+エミッタ層6とp+コンタクト層7の繰り返しピッチの40%になる。ここでチャネル比率とは、トレンチ側壁に形成されるトレンチチャネルの面積に対する、電子もしくはホールの有効的な電流経路の面積の割合である。また製造上の寸法ずれや合わせ精度やロット間拡散のばらつきなどを考慮すると、n+エミッタ層6の長さはさらに短くなり、チャネル幅の比率の上限が制限されてしまう。また、オン状態等における表面側の熱生成も、前述の40%のチャネル領域に局在するため、チャネル領域に熱の発生が集中し、素子の短絡耐量にも影響を及ぼし好ましくない。 Even when the p + contact layer 7 having a length of 0.6 μm is formed by a process having a minimum dimension of 0.6 μm, the channel ratio is 40% of the repetition pitch of the n + emitter layer 6 and the p + contact layer 7. Here, the channel ratio is the ratio of the area of the effective current path of electrons or holes to the area of the trench channel formed on the trench sidewall. In consideration of dimensional deviation in manufacturing, alignment accuracy, and variation in lot-to-lot diffusion, the length of the n + emitter layer 6 is further shortened, and the upper limit of the channel width ratio is limited. Also, heat generation on the surface side in the on state or the like is localized in the 40% channel region described above, and heat generation is concentrated in the channel region, which affects the short-circuit withstand capability of the element, which is not preferable.

さらに、図16のトレンチ側壁19に形成された反転層チャネルに流れる電子電流は、n+エミッタ層6の下に集中する。ここで大多数のホールは、クーロン力により電子に引き寄せられて、n+エミッタ層6の下からp+コンタクト層7にあるコンタクト開口部16へ流れる。そのため、前記の経路LDでホール電流(密度)が大きくなれば、経路LDの電圧降下が、n+エミッタ層6とpベース層5の間に形成されているpn接合のビルトイン電圧を超えやすくなり、素子のラッチアップ耐性が損なわれる。 Further, the electron current flowing in the inversion layer channel formed in the trench sidewall 19 in FIG. 16 is concentrated under the n + emitter layer 6. Here, the majority of holes are attracted to electrons by Coulomb force and flow from below the n + emitter layer 6 to the contact opening 16 in the p + contact layer 7. Therefore, the larger the hole current (density) in the path L D, exceed the built-in voltage of the voltage drop in the path L D is, n + pn junction formed between the emitter layer 6 and the p base layer 5 It becomes easy and the latch-up tolerance of the element is impaired.

本発明は以上の事情を鑑みてなされるもので、極微細なシリコンメサにより低いオン電圧を示しつつ、高いラッチアップ耐量および短絡耐量を有する半導体装置を提供する。     The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a semiconductor device having a high latch-up resistance and a short-circuit resistance while exhibiting a low on-voltage due to an extremely fine silicon mesa.

前記の目的を達成するため、本発明では、
1導電型ドリフト層
該ドリフト層の表面に形成された複数のトレンチと、
トレンチ内に絶縁膜を介して形成されたトレンチゲートと、
隣り合う2本の前記トレンチに挟まれたメサ領域と、
前記隣り合う2本のそれぞれのトレンチの外側に隣接する2つの隣接メサ領域と、
前記メサ領域の表面に形成され、拡散深さが前記トレンチの深さよりも浅く、前記ドリフト層よりも高不純物濃度の第2導電型ベース層と、
前記隣接メサ領域は第1導電型もしくは第2導電型の半導体領域であり、
前記ベース層上で前記絶縁膜を介して前記2本のトレンチを跨ぐとともに前記トレンチゲートに接し、前記2本のトレンチから前記2つの隣接メサ領域表面にそれぞれ外延するとともに該記隣接メサ領域上部で終端し、かつ前記トレンチの長手方向に複数形成されたプレーナーゲート
前記ベース層よりも高不純物濃度で、該ベース層上に前記プレーナーゲートから離間して形成された第2導電型コンタクト層と、
前記トレンチの長手方向に沿って前記2本のトレンチに接するように前記メサ領域に形成されるとともに、隣り合う前記プレーナーゲートの端部下部からそれぞれ前記コンタクト層を挟むように該コンタクト層に達する第1導電型エミッタ層と、を有することとする。
また、前記半導体領域が第2導電型であって、該半導体領域が前記ベース層と同一の拡散層であってもよい。
また、前記半導体領域が第1導電型であって、前記ベース層が前記トレンチの長手方向に分散して島状に複数設けられ、前記ベース層の平面配置が市松模様状であってもよい。
さらに、前記半導体基板の第二の主面に第2導電型のコレクタ層を有してもよい。
さらに、前記トレンチゲートおよびプレーナーゲートへの閾値以上の電圧印加に応じて、前記絶縁膜を介して前記プレーナーゲートと対向する前記ベース層の表面に前記エミッタ層と同じ導電型の反転層チャネルが形成され、
前記プレーナーゲート下部のベース層表面を挟んで対向する2つの前記エミッタ層が、前記反転層チャネルでつながってもよい。
In order to achieve the above object, in the present invention,
A first conductivity type drift layer,
A plurality of trenches formed in the surface of the drift layer ;
A trench gate formed through an insulating film in the trench,
A mesa region sandwiched between two adjacent trenches;
Two adjacent mesa regions adjacent to the outside of each of the two adjacent trenches;
A second conductivity type base layer formed on the surface of the mesa region and having a diffusion depth shallower than the trench and having a higher impurity concentration than the drift layer;
The adjacent mesa region is a semiconductor region of a first conductivity type or a second conductivity type,
Crossing the two trenches via the insulating film on the base layer and in contact with the trench gate, extending from the two trenches to the surface of the two adjacent mesa regions, and at the upper part of the adjacent mesa region a planar gate formed in plurality in the longitudinal direction of the terminated, and the trench,
A second conductivity type contact layer formed at a higher impurity concentration than the base layer and spaced apart from the planar gate on the base layer;
The contact layer is formed in the mesa region so as to contact the two trenches along the longitudinal direction of the trench, and reaches the contact layer so as to sandwich the contact layer from a lower end portion of the adjacent planar gate . a first conductivity type emitter layer, and having a.
The semiconductor region may be a second conductivity type, and the semiconductor region may be the same diffusion layer as the base layer.
The semiconductor region may be a first conductivity type, the base layer may be provided in a plurality of island shapes dispersed in the longitudinal direction of the trench, and the planar arrangement of the base layer may be a checkered pattern.
It may further have a second conductivity type collector layer of the second main surface of the semiconductor substrate.
Further, an inversion layer channel having the same conductivity type as that of the emitter layer is formed on the surface of the base layer facing the planar gate through the insulating film in response to voltage application to the trench gate and planar gate exceeding a threshold value. And
The two emitter layers facing each other across the surface of the base layer below the planar gate may be connected by the inversion layer channel.

(作用)本発明の構成によれば、トレンチゲートの側壁のpベース層にできる反転層チャネルは、n+エミッタ層6の近傍だけでなく、プレーナーゲートとトレンチゲートが接する部分も反転層チャネルとなる。そのため、前記プレーナーゲートに直交して設けられている前記トレンチゲートの側壁部分の反転層チャネルのほぼ全体が、電子の注入経路となり、チャネル幅が従来の構造よりも格段に広くなる。一方で、プレーナーゲートの部分を設けていることで、反転層チャネルの実効的なチャネル長さが長くなる。 (Operation) According to the configuration of the present invention, the inversion layer channel formed in the p base layer on the side wall of the trench gate is not only in the vicinity of the n + emitter layer 6, but also the portion where the planar gate and the trench gate are in contact with the inversion layer channel. Become. Therefore, almost the entire inversion layer channel on the side wall portion of the trench gate provided orthogonal to the planar gate becomes an electron injection path, and the channel width is significantly wider than the conventional structure. On the other hand, the provision of the planar gate portion increases the effective channel length of the inversion layer channel.

前述のようにチャネル幅が広くなることで、n+エミッタ層6の下を流れるホールはトレンチゲート側壁およびプレーナーゲートの表面チャネルに分散され、ホール電流密度が格段に低くなる。その結果、メサ幅をプロセス技術で許容できる最小幅にしてトレンチ密度が増加しても、ラッチアップ耐量を大きく向上できる。またメサ幅の最小化によりIE効果も増強され、ターンオフ損失と導通損失間のトレードオフ特性が改善される。一方、プレーナーゲートの表面チャネルの効果で実効的なチャネル長さが長くなることで、飽和電流密度は相対的に小さく抑えることができる。さらにチャネル近傍に局在していた発熱密度も緩和され、短絡耐量が向上する。 As described above, by increasing the channel width, holes flowing under the n + emitter layer 6 are dispersed on the trench gate sidewall and the planar channel of the planar gate, and the hole current density is remarkably reduced. As a result, even if the trench density is increased by setting the mesa width to the minimum width acceptable by the process technology, the latch-up resistance can be greatly improved. Further, the IE effect is enhanced by minimizing the mesa width, and the trade-off characteristic between the turn-off loss and the conduction loss is improved. On the other hand, since the effective channel length is increased by the effect of the surface channel of the planar gate, the saturation current density can be kept relatively small. Furthermore, the heat generation density localized in the vicinity of the channel is relaxed, and the short-circuit resistance is improved.

この発明の実施の形態にかかる半導体装置の要部斜視断面図である。It is a principal part perspective sectional view of the semiconductor device concerning an embodiment of this invention. この発明の実施の形態にかかる半導体装置の要部斜視断面図である。It is a principal part perspective sectional view of the semiconductor device concerning an embodiment of this invention. この発明の実施の形態にかかる半導体装置の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device concerning embodiment of this invention. この発明の実施の形態にかかる半導体装置の図2A−A'線に沿った要部断面図である。2 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, taken along line AA ′ in FIG. 図3−1の反転層チャネル部分を拡大した断面図である。It is sectional drawing to which the inversion layer channel part of FIGS. 3-1 was expanded. この発明の実施の形態にかかる半導体装置の図2B−B'線に沿った要部断面図である。It is principal part sectional drawing along line 2B 'of a semiconductor device concerning an embodiment of this invention. この発明の実施の形態にかかる半導体装置の図2C−C'線に沿った要部断面図である。FIG. 3 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, taken along the line 2C-C 'in FIG. 図3−1に相当する別の実施の形態にかかる半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device concerning another embodiment corresponded to FIGS. 図4に相当する別の実施の形態にかかる半導体装置の要部断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of main parts of a semiconductor device according to another embodiment corresponding to FIG. 4. 図5に相当する別の実施の形態にかかる半導体装置の要部断面図である。FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment corresponding to FIG. 5; この発明の別の実施の形態にかかる半導体装置の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device concerning another embodiment of this invention. この発明の別の実施の形態にかかる半導体装置の図9A−A'線に沿った要部断面図である。It is principal part sectional drawing along the FIG. 9AA 'line of the semiconductor device concerning another embodiment of this invention. この発明の別の実施の形態にかかる半導体装置の図9B−B'線に沿った要部断面図である。It is principal part sectional drawing along line BB 'of FIG. 9B of the semiconductor device concerning another embodiment of this invention. この発明の別の実施の形態にかかる半導体装置の図9C−C'線に沿った要部断面図である。It is principal part sectional drawing along CC FIG. 9C 'of the semiconductor device concerning another embodiment of this invention. 従来例の半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device of a prior art example. 従来例の半導体装置の要部斜視断面図である。It is principal part perspective sectional drawing of the semiconductor device of a prior art example. 従来例の半導体装置の要部斜視断面図である。It is principal part perspective sectional drawing of the semiconductor device of a prior art example. 従来例の半導体装置の要部斜視断面図である。It is principal part perspective sectional drawing of the semiconductor device of a prior art example. 従来例の半導体装置の要部斜視断面図である。It is principal part perspective sectional drawing of the semiconductor device of a prior art example. 従来例の半導体装置の要部斜視断面図である。It is principal part perspective sectional drawing of the semiconductor device of a prior art example. 従来例の半導体装置の要部斜視断面図である。It is principal part perspective sectional drawing of the semiconductor device of a prior art example.

発明の実施の形態を以下の実施例で説明する。以下、第1導電型をn型、第2導電型をp型とするが、n型とp型を入れ替えても本発明は同様に実現できる。また、以下では第1導電型の第1および第2の反転層チャネルを、第1および第2のトレンチチャネルとし、第3の反転層チャネルをプレーナーチャネルと呼ぶことにする。   Embodiments of the invention will be described in the following examples. Hereinafter, although the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, the present invention can be similarly realized even if the n-type and p-type are interchanged. In the following description, the first and second inversion layer channels of the first conductivity type are referred to as first and second trench channels, and the third inversion layer channel is referred to as a planar channel.

図1−1は、本発明の第1の実施例について、要部を切り出したときの斜視断面図である。ここで該図1−1手前のトレンチゲートを構成する溝の部分を第1のトレンチとすると、該第1のトレンチ内に形成されるトレンチゲートは、図面が煩雑になることを防ぐために描画を省略しており、メサ部分側壁の酸化膜との界面のみを描画している。n-ドリフト層1を有する半導体基板の表面に複数のストライプ状トレンチが設けられている。トレンチの各内側の側壁全て、及びトレンチ間の前記半導体基板の表面の一部にゲート酸化膜3が設けられている。前記半導体基板の表面の一部に設けられたゲート酸化膜3上にプレーナーゲート12aが設けられ、トレンチの内側のゲート酸化膜3上にトレンチゲート12bが設けられ、プレーナーゲート12aとトレンチゲート12bとからなるゲート構造が配置されている。n-ドリフト層1の表面にはpベース層5が備えられている。前記プレーナーゲートが備わっているメサ部分の前記プレーナーゲートの間には、n+エミッタ層6とp+コンタクト層7がプレーナーゲートの長手方向と平行に配置されている。一方トレンチゲートを介して隣接するメサ部分には、pベース層のみが形成されている。これらの2つのメサ部分がトレンチゲート間毎に周期的に設けられているが、プレーナーゲートが備わっているメサ部分のみとしてもよい。 FIG. 1-1 is a perspective cross-sectional view of the first embodiment of the present invention when a main part is cut out. Here, if the groove portion constituting the trench gate in front of FIG. 1-1 is a first trench, the trench gate formed in the first trench is drawn to prevent the drawing from becoming complicated. Only the interface with the oxide film on the side wall of the mesa is drawn. A plurality of stripe-shaped trenches are provided on the surface of the semiconductor substrate having the n drift layer 1. A gate oxide film 3 is provided on all inner sidewalls of the trench and part of the surface of the semiconductor substrate between the trenches. A planar gate 12a is provided on the gate oxide film 3 provided on a part of the surface of the semiconductor substrate, a trench gate 12b is provided on the gate oxide film 3 inside the trench, and the planar gate 12a, the trench gate 12b, A gate structure consisting of A p base layer 5 is provided on the surface of the n drift layer 1. Between the planar gates of the mesa portion provided with the planar gate, an n + emitter layer 6 and a p + contact layer 7 are arranged in parallel to the longitudinal direction of the planar gate. On the other hand, only the p base layer is formed in the mesa portion adjacent via the trench gate. These two mesa portions are periodically provided between the trench gates, but only the mesa portion provided with the planar gate may be used.

図1−2は、図1−1のセル部分をさらに拡大した斜視断面図である。セルとは、メサ部分において2つのプレーナーゲートに挟まれた領域のことで、2つのn+エミッタ層6と1つのp+コンタクト層7が形成されており、図示していない層間絶縁膜が開口してエミッタ電極と半導体基板の表面が接している部分である。ここで、該図1−2手前のトレンチゲートを構成する溝の部分を第1のトレンチとすると、該第1のトレンチ内に形成されるトレンチゲートは、図面が煩雑になることを防ぐために描画を省略しており、メサ部分側壁の酸化膜との界面のみを描画している。またメサ部分を介して第1トレンチと隣接する次のトレンチの酸化膜と前記pベース層5との界面に形成される第2反転層チャネルは、その位置が紙面の奥行き側となるので、図面が煩雑にならないように図示しないが、第1反転層チャネルと同様に第2反転層チャネルが形成されていることを述べておく。さらに図内で最も手前側となる部分のプレーナーゲートは、やはり煩雑にならないよう描画を省略している。前記プレーナーゲート12aおよびトレンチゲート12bからなるゲート電極に閾値電圧(例えば5.0〜6.0V)よりも大きい電圧(例えば15V)を印加したときに、pベース層5が複数のプレーナーゲート12aに渡って連続的に設けられているので、第1および第2反転層チャネルも同様にトレンチ側壁界面に連続的に形成される。そのため、第1反転層チャネル15aは広いチャネル幅を持つことがわかる。さらにプレーナーゲート部分下の表面にもプレーナーチャネルが形成されるため、第1および第2反転層チャネルはこの第3反転層チャネル15bを介してすべて接続される。したがってチャネルの実効的な長さ(実効チャネル長さ)は、トレンチの長手方向におけるプレーナーゲート長さに依存するので、自由に設定可能である。 FIG. 1-2 is a perspective sectional view further enlarging the cell portion of FIG. 1-1. A cell is a region sandwiched between two planar gates in a mesa portion. Two n + emitter layers 6 and one p + contact layer 7 are formed, and an interlayer insulating film (not shown) is opened. Thus, the emitter electrode is in contact with the surface of the semiconductor substrate. Here, if the groove portion constituting the trench gate in front of FIG. 1-2 is a first trench, the trench gate formed in the first trench is drawn to prevent the drawing from becoming complicated. Is omitted, and only the interface with the oxide film on the side wall of the mesa is drawn. In addition, the second inversion layer channel formed at the interface between the oxide film of the next trench adjacent to the first trench and the p base layer 5 through the mesa portion is located on the depth side of the drawing. Although not shown in order not to be complicated, it is described that the second inversion layer channel is formed in the same manner as the first inversion layer channel. Further, the drawing of the planar gate at the most front side in the drawing is omitted so as not to be complicated. When a voltage (for example, 15 V) larger than a threshold voltage (for example, 5.0 to 6.0 V) is applied to the gate electrode composed of the planar gate 12 a and the trench gate 12 b, the p base layer 5 is applied to the plurality of planar gates 12 a. Since the first and second inversion layer channels are provided continuously across the trench, the first and second inversion layer channels are also formed continuously at the trench sidewall interface. Therefore, it can be seen that the first inversion layer channel 15a has a wide channel width. Further, since a planar channel is also formed on the surface below the planar gate portion, the first and second inversion layer channels are all connected through the third inversion layer channel 15b. Therefore, the effective length of the channel (effective channel length) depends on the planar gate length in the longitudinal direction of the trench, and can be set freely.

オン状態では、電子はn+エミッタ層6から第1および第2反転層チャネルを経由してn-ドリフト層1に注入される。第1および第2反転層チャネルはトレンチ側壁の広い領域に形成されるから、電子がn+エミッタ層6の近傍だけでなく、反転層内で広がってn-ドリフト層1に達することができるので、反転層における電子電流密度は相対的に低くすることができる。またプレーナー(第3反転層)チャネル15bがトレンチ(第1反転層)チャネル15aと接続しているから、電子はn+エミッタ層から表面のプレーナーチャネル及びトレンチチャネルを経由してn-ドリフト層1に注入される。 In the on state, electrons are injected from the n + emitter layer 6 into the n drift layer 1 via the first and second inversion layer channels. Since the first and second inversion layer channels are formed in a wide region of the trench sidewall, electrons can spread not only in the vicinity of the n + emitter layer 6 but also in the inversion layer and reach the n drift layer 1. The electron current density in the inversion layer can be made relatively low. Further, since the planar (third inversion layer) channel 15b is connected to the trench (first inversion layer) channel 15a, electrons pass from the n + emitter layer through the planar channel and trench channel on the surface to the n drift layer 1. Injected into.

図2は、本発明の半導体装置の活性領域における要部平面図である。図1−1を半導体基板の表面側から見た構造に相当する。図2では、pベース層5が表面に一様に設けられている。前記pベース層5を紙面に垂直な向きに貫通してn-ドリフト層1(図2では見えない)に達するように、直線状のトレンチが複数個平行に形成されている。メサ部分については、トレンチ間にプレーナーゲート12aがトレンチゲート12bと直交するように設けられている。前記プレーナーゲート12aは、前記トレンチを挟んで隣接するメサ部分の内部で終端しており、前記隣接するメサ部分には前記pベース層5のみが存在する。メサ幅が極端に狭く、トレンチ直交する方向で切断できない場合は、前記隣接するメサ部分のpベース層5の表面にプレーナーゲート膜とポリシリコンゲートを設け、トレンチ直行方向でのプレーナーゲート12aを表面で連結してもよい。前記2つのトレンチゲート12bおよび前記トレンチゲートと交差するプレーナーゲート12aに囲まれた領域に、プレーナーゲートによって自己整合で形成されるn+エミッタ層6が設けられている。さらに前記n+エミッタ層6に挟まれた領域に、p+コンタクト層7が設けられている。そして前記2つのn+エミッタ層6と前記p+コンタクト層7が露出して前記プレーナーゲート12aおよびトレンチゲート12bから離間するように、層間絶縁膜8(図2には記載していない)のエミッタ電極11(図2には記載していない)とのコンタクト開口部16が形成されている。 FIG. 2 is a plan view of an essential part in the active region of the semiconductor device of the present invention. FIG. 1-1 corresponds to the structure seen from the surface side of the semiconductor substrate. In FIG. 2, the p base layer 5 is uniformly provided on the surface. A plurality of linear trenches are formed in parallel so as to penetrate the p base layer 5 in a direction perpendicular to the paper surface and reach the n drift layer 1 (not visible in FIG. 2). As for the mesa portion, a planar gate 12a is provided between the trenches so as to be orthogonal to the trench gate 12b. The planar gate 12a terminates inside an adjacent mesa portion with the trench interposed therebetween, and only the p base layer 5 exists in the adjacent mesa portion. When the mesa width is extremely narrow and cannot be cut in the direction perpendicular to the trench, a planar gate film and a polysilicon gate are provided on the surface of the p base layer 5 in the adjacent mesa portion, and the planar gate 12a in the direction perpendicular to the trench is provided on the surface. You may connect with. In a region surrounded by the two trench gates 12b and the planar gate 12a intersecting with the trench gate, an n + emitter layer 6 formed by self-alignment by the planar gate is provided. Further, a p + contact layer 7 is provided in a region sandwiched between the n + emitter layers 6. Then, the emitter of the interlayer insulating film 8 (not shown in FIG. 2) so that the two n + emitter layers 6 and the p + contact layer 7 are exposed and separated from the planar gate 12a and the trench gate 12b. A contact opening 16 with the electrode 11 (not shown in FIG. 2) is formed.

図3−1に、図2中のA−A'線に沿った要部断面図を記載する。A−A'線は、トレンチの内側の側壁に沿ったラインにあたる。n-ドリフト層1の一方の主面上にプレーナーゲート12aが設けられており、他方の主面に前記n-ドリフト層1に接してnフィールドストップ層9とさらにnフィールドストップ層9と接してpコレクタ層10がコレクタ電極14と接続して設けられている。トレンチ側壁19はpベース層5を貫通して前記n-ドリフト層に達しており、トレンチゲートの底部18となる。また前記トレンチ側壁19の領域のうち、pベース層5の部分ではゲート電極がオンのときは反転層チャネルとなる。 FIG. 3A is a cross-sectional view of the main part along the line AA ′ in FIG. The AA ′ line corresponds to a line along the inner sidewall of the trench. n - and planar gate 12a is provided on one main surface of the drift layer 1, the n on the other principal surface - further contact with n field stop layer 9 and the n field stop layer 9 in contact with the drift layer 1 A p collector layer 10 is provided in connection with the collector electrode 14. The trench sidewall 19 passes through the p base layer 5 and reaches the n drift layer, and becomes the bottom portion 18 of the trench gate. Further, in the region of the trench side wall 19, the p base layer 5 portion becomes an inversion layer channel when the gate electrode is on.

図3−2に、反転層チャネルの部分を拡大した、電子の流れの模式図を示す。図中の矢印は、電子の流れを示す流線である。ゲート電極がオンの状態では、電子は主に2種類の箇所からトレンチ側壁の第一反転層チャネル15aに流入する。一つはよく知られているn+エミッタ層6からであり、もう一つは本発明の特徴であるプレーナーゲート12aの下部表面に形成される第3反転層チャネル15bからである。この第3反転層チャネル15bからの電子の注入により、前記トレンチゲート側壁部分19の第1反転層チャネル15aのほぼ全体が電子の注入経路となり、チャネル幅が従来の構造よりも格段に広くなる。このため、オン状態でn+エミッタ層6の下を流れるホールはトレンチゲート側壁およびプレーナーゲートの表面チャネルに分散され、ホール電流密度が格段に低くなる。その結果、メサ幅をプロセス技術で許容できる最小幅にしてトレンチ密度が増加しても、ラッチアップ耐量を大きく向上できる。またメサ幅の最小化によりIE効果も増強され、ターンオフ損失と導通損失間のトレードオフ特性が改善される。 FIG. 3-2 shows a schematic diagram of an electron flow in which the inversion layer channel portion is enlarged. The arrows in the figure are streamlines indicating the flow of electrons. When the gate electrode is on, electrons mainly flow into the first inversion layer channel 15a on the trench side wall from two kinds of locations. One is from the well-known n + emitter layer 6 and the other is from the third inversion layer channel 15b formed on the lower surface of the planar gate 12a, which is a feature of the present invention. By the injection of electrons from the third inversion layer channel 15b, almost the entire first inversion layer channel 15a of the trench gate side wall portion 19 becomes an electron injection path, and the channel width becomes much wider than that of the conventional structure. For this reason, the holes flowing under the n + emitter layer 6 in the ON state are dispersed in the trench gate sidewall and the surface channel of the planar gate, and the hole current density is remarkably reduced. As a result, even if the trench density is increased by setting the mesa width to the minimum width acceptable by the process technology, the latch-up resistance can be greatly improved. Further, the IE effect is enhanced by minimizing the mesa width, and the trade-off characteristic between the turn-off loss and the conduction loss is improved.

また、プレーナーゲート12aを設けていることで、図1−2でも示すようにプレーナーゲート下部の表面に第3反転層チャネル15bが形成されるので、トレンチ側壁部の第1反転層チャネル15aを含めた実効的なチャネル長さが長くなる。このため、飽和電流密度は相対的に小さく抑えることができる。加えて前述のようにチャネル近傍の電子およびホール電流密度が低減されたことで、反転層チャネル近傍に局在していた発熱密度も緩和され、短絡耐量が向上する。   Further, since the planar gate 12a is provided, the third inversion layer channel 15b is formed on the surface below the planar gate as shown in FIG. 1-2, so that the first inversion layer channel 15a on the trench sidewall is included. The effective channel length becomes longer. For this reason, the saturation current density can be kept relatively small. In addition, since the electron and hole current densities in the vicinity of the channel are reduced as described above, the heat generation density localized in the vicinity of the inversion layer channel is also reduced, and the short circuit resistance is improved.

図4は、図2中のB−B'線に沿った要部断面図である。B−B'線は、トレンチ交差するプレーナーゲート12aに平行なラインであり、同プレーナーゲート12aの中心部を通る線である。ゲート電極がオンのとき、プレーナーゲート12aの下部表面に第3反転層チャネルが形成される。またトレンチゲート12bの内側側壁にも第1反転層チャネルが形成される。   FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part along the line BB ′ in FIG. The BB ′ line is a line parallel to the planar gate 12a intersecting the trench, and is a line passing through the center of the planar gate 12a. When the gate electrode is on, a third inversion layer channel is formed on the lower surface of the planar gate 12a. A first inversion layer channel is also formed on the inner side wall of the trench gate 12b.

図5は、図2中のC−C'線に沿った要部断面図である。C−C'線は、トレンチに平行でありプレーナーゲート12aの真ん中とセルを通るラインである。エミッタ電極11は、C−C'線上のセルに渡って設けられており、p+コンタクト層7とn+エミッタ層6に接続している。また、ポリイミドあるいはシリコン窒化膜等によるパッシベーション膜13が設けられている。 FIG. 5 is a cross-sectional view of an essential part along the line CC ′ in FIG. The CC ′ line is parallel to the trench and passes through the middle of the planar gate 12a and the cell. The emitter electrode 11 is provided over the cell on the CC ′ line and is connected to the p + contact layer 7 and the n + emitter layer 6. Further, a passivation film 13 made of polyimide or silicon nitride film is provided.

図3−2に示すように、n+エミッタ層6間に挟まれているプレーナーゲート12aの長さLaの部分を調整することで、チャネル比率が大きく設定できる。例えば最小加工能力(最小線幅)の寸法が0.6μmであるプロセスにて、p+コンタクト層7の幅を最小線幅0.6μmとする。このときプレーナーゲート12aの端部と前記p+コンタクト層7との間に形成されるn+エミッタ層6の幅は0.2μmにすることができる。前記Laの値は1.6μmとする。図2のA−A'線に沿ったセルの周期構造の単位長さは、0.2+0.6+0.2+1.6=2.6μmとなる。一方この周期長さに対して、第1反転層チャネル15aにおける電子もしくはホールの電流経路の実効的な幅は、p+コンタクト層7の下部を除いた部分であるから、0.2+0.2+1.6=2.0μmとなり、チャネル比率は、2.0/2.6=77%となる。一方従来例の場合、電流経路はn+エミッタ層6の下部のみとなるから、その実効的な幅は0.4μmであり、比率は40%となる。したがって本発明の実施例の場合、チャネル比率は従来例のちょうど5倍にすることができる。この結果、本発明の実施例にて電流通電時にトレンチチャネルの電流経路の近傍で発生した熱は、従来例の半分程度まで緩和することが可能となり、短絡耐量も改善できる。 As shown in FIG. 3B, the channel ratio can be set large by adjusting the length La of the planar gate 12a sandwiched between the n + emitter layers 6. For example, in a process where the minimum processing capability (minimum line width) is 0.6 μm, the width of the p + contact layer 7 is set to a minimum line width of 0.6 μm. At this time, the width of the n + emitter layer 6 formed between the end portion of the planar gate 12a and the p + contact layer 7 can be 0.2 μm. The value of La is 1.6 μm. The unit length of the periodic structure of the cell along the line AA ′ in FIG. 2 is 0.2 + 0.6 + 0.2 + 1.6 = 2.6 μm. On the other hand, since the effective width of the current path of electrons or holes in the first inversion layer channel 15a is a portion excluding the lower portion of the p + contact layer 7 with respect to this periodic length, 0.2 + 0.2 + 1. 6 = 2.0 μm, and the channel ratio is 2.0 / 2.6 = 77%. On the other hand, in the case of the conventional example, since the current path is only under the n + emitter layer 6, the effective width is 0.4 μm and the ratio is 40%. Therefore, in the embodiment of the present invention, the channel ratio can be exactly five times that of the conventional example. As a result, in the embodiment of the present invention, the heat generated near the current path of the trench channel when current is applied can be reduced to about half that of the conventional example, and the short-circuit tolerance can be improved.

またオン状態におけるn+エミッタ層6からの電子電流が、第1反転層チャネル15aと第3反転層チャネル15bに分散しており、同じ電流容量の従来例と比較してn+エミッタ層6下のホール電流密度を小さくできる。その結果ラッチアップ耐量は、従来構造よりも高くできる。 In addition, the electron current from the n + emitter layer 6 in the ON state is dispersed in the first inversion layer channel 15a and the third inversion layer channel 15b, and is below the n + emitter layer 6 as compared with the conventional example having the same current capacity. The hole current density can be reduced. As a result, the latch-up resistance can be higher than that of the conventional structure.

さらにプロセスの最小加工能力(最小線幅)低減によるメサ幅減少効果のインパクトも大きい。例えば最小線幅が0.6μmのとき、図2のメサ部分上のセルにおいて、コンタクト開口部17とトレンチ側壁との幅を最小線幅とし、コンタクト開口部17の幅を1.2μmとするとメサ幅は0.6+1.2+0.6=2.4μmとなる。一方最小線幅を0.6から0.25μmに減らすことができると、コンタクト開口部17とトレンチ側壁との幅が0.25μm、コンタクト開口部17の幅が0.5μmにすることができるので、メサ幅は1.0μmとなり、約42%にすることができる。このようなメサ幅の低減は、オン電圧Vonとターンオフ損失Eoff間のトレードオフ特性を大きく向上させることができる。   Furthermore, the impact of the mesa width reduction effect by reducing the minimum processing capability (minimum line width) of the process is also great. For example, when the minimum line width is 0.6 μm, in the cell on the mesa portion of FIG. 2, the width of the contact opening 17 and the trench sidewall is the minimum line width, and the width of the contact opening 17 is 1.2 μm. The width is 0.6 + 1.2 + 0.6 = 2.4 μm. On the other hand, if the minimum line width can be reduced from 0.6 to 0.25 μm, the width of the contact opening 17 and the trench sidewall can be 0.25 μm, and the width of the contact opening 17 can be 0.5 μm. The mesa width is 1.0 μm and can be about 42%. Such reduction in the mesa width can greatly improve the trade-off characteristics between the on-voltage Von and the turn-off loss Eoff.

本実施例1では、pベース層5の深さは全面で均一である。これはpベース層5の形成が、ゲート酸化膜3、ゲート電極用ポリシリコン堆積およびパターニングによるゲートスタック形成工程の前に形成するからである。ゲートスタック形成前にpベース層5を形成することで、逆にゲートスタック形成後にpベース層5を形成する場合に比べて、pベース層5形成用のボロンイオン注入等によるゲート酸化膜へのダメージ導入が回避され、ゲート信頼性が格段に向上できる。   In Example 1, the depth of the p base layer 5 is uniform over the entire surface. This is because the p base layer 5 is formed before the gate stack formation process by the gate oxide film 3, gate electrode polysilicon deposition and patterning. By forming the p base layer 5 before forming the gate stack, conversely, compared to the case where the p base layer 5 is formed after forming the gate stack, the gate oxide film is formed by boron ion implantation for forming the p base layer 5. Damage introduction is avoided, and gate reliability can be greatly improved.

図6は、本発明第2の実施例であり、図3に相当する要部断面図である。第1の実施例と比べて、pベース層5をセルの内部のみに導入して拡散させており、プレーナーゲート12aの下の部分では、pベース層5は横方向拡散部分となっている。よって図7では、プレーナーゲート12aの形成されていないメサ部分の接合深さが、pベース層5の深さである。また、図8についても同様である。図7は図4に相当する要部断面図であり、図8は図5に相当する要部断面図である。   FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention and is a cross-sectional view of relevant parts corresponding to FIG. Compared with the first embodiment, the p base layer 5 is introduced and diffused only inside the cell, and the p base layer 5 is a lateral diffusion portion under the planar gate 12a. Therefore, in FIG. 7, the junction depth of the mesa portion where the planar gate 12 a is not formed is the depth of the p base layer 5. The same applies to FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part corresponding to FIG. 4, and FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part corresponding to FIG.

図9は、本発明の第3の実施例における要部平面図である。第3の実施例の特徴は、セルの内部のみに導入されたpベース層5を含み、かつプレーナーゲート12aを挟んで隣接する複数のセルについて、例えば図9のように4つのセルを一つのユニットとし、前記ユニットを市松模様状に配置したことである。このように前記ユニットを市松模様状に配置することで、トレンチで挟まれるメサ領域がエミッタ電極に接続され、フローティング電位とならずにメサ領域の電位を固定することができる。さらに、ゲート電極がエミッタ構造に面している領域が減る為、ゲート・エミッタ間容量が低減できる。   FIG. 9 is a plan view of an essential part in the third embodiment of the present invention. The feature of the third embodiment is that the p base layer 5 introduced only inside the cell is included and a plurality of cells adjacent to each other with the planar gate 12a interposed therebetween, for example, four cells as shown in FIG. The unit is arranged in a checkered pattern. By arranging the units in a checkered pattern in this manner, the mesa region sandwiched between the trenches is connected to the emitter electrode, and the potential of the mesa region can be fixed without becoming a floating potential. Furthermore, since the region where the gate electrode faces the emitter structure is reduced, the gate-emitter capacitance can be reduced.

図10は、図9中のA−A'線に沿った要部断面図である。n-ドリフト層1の一方の主面上にプレーナーゲート12aが設けられており、他方の主面に前記n-ドリフト層1に接してnフィールドストップ層9とさらにnフィールドストップ層9と接してpコレクタ層10がコレクタ電極14と接続して設けられている。トレンチ側壁19はpベース層5を貫通して前記n-ドリフト層に達しており、トレンチゲートの底部18となる。また前記トレンチ側壁19の領域のうち、pベース層5の部分ではゲート電極がオンのときは反転層チャネルとなる。 FIG. 10 is a cross-sectional view of main parts along the line AA ′ in FIG. 9. n - and planar gate 12a is provided on one main surface of the drift layer 1, the n on the other principal surface - further contact with n field stop layer 9 and the n field stop layer 9 in contact with the drift layer 1 A p collector layer 10 is provided in connection with the collector electrode 14. The trench sidewall 19 passes through the p base layer 5 and reaches the n drift layer, and becomes the bottom portion 18 of the trench gate. Further, in the region of the trench side wall 19, the p base layer 5 portion becomes an inversion layer channel when the gate electrode is on.

図11は、図9中のB−B'線に沿った要部断面図である。B−B'線は、トレンチ交差するプレーナーゲート12aに平行なラインであり、同プレーナーゲート12aの中心部を通る線である。ゲート電極がオンのとき、プレーナーゲート12aの下部表面に第3反転層チャネルが形成される。またトレンチゲート12bの内側側壁にも第1反転層チャネルが形成される。第3の実施例では、プレーナーゲートの形成された2つのメサの間に挟まれたメサ部分には、pベース層5が形成されず、n-ドリフト層1となっている。これは、前述の実施例2と同様に、セル部分にのみ導入されたpベース層5が市松模様状に配置されたためである。 FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part along the line BB ′ in FIG. The BB ′ line is a line parallel to the planar gate 12a intersecting the trench, and is a line passing through the center of the planar gate 12a. When the gate electrode is on, a third inversion layer channel is formed on the lower surface of the planar gate 12a. A first inversion layer channel is also formed on the inner side wall of the trench gate 12b. In the third embodiment, the p base layer 5 is not formed in the mesa portion sandwiched between the two mesas where the planar gate is formed, and the n drift layer 1 is formed. This is because the p base layer 5 introduced only in the cell portion is arranged in a checkered pattern as in the second embodiment.

図12は、図9中のC−C'線に沿った要部断面図である。C−C'線は、トレンチに平行でありプレーナーゲート12aの真ん中とセルを通るラインである。エミッタ電極11は、C−C'線上のセルに渡って設けられており、p+コンタクト層7とn+エミッタ層6に接続している。また、ポリイミドあるいはシリコン窒化膜等によるパッシベーション膜13が設けられている。エミッタ電極11が、前記4つのセルを跨いで形成されており、p+コンタクト層7とn+エミッタ層6に接続している。 FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part along the line CC ′ in FIG. 9. The CC ′ line is parallel to the trench and passes through the middle of the planar gate 12a and the cell. The emitter electrode 11 is provided over the cell on the CC ′ line and is connected to the p + contact layer 7 and the n + emitter layer 6. Further, a passivation film 13 made of polyimide or silicon nitride film is provided. An emitter electrode 11 is formed across the four cells and is connected to the p + contact layer 7 and the n + emitter layer 6.

1 n-ドリフト層
3 ゲート酸化膜
5 pベース層
6 n+エミッタ層
7 p+コンタクト層
8 層間絶縁膜
11 エミッタ電極
12 ゲート電極
13 パッシベーション膜
14 コレクタ電極

1 n drift layer 3 gate oxide film 5 p base layer 6 n + emitter layer 7 p + contact layer 8 interlayer insulating film 11 emitter electrode 12 gate electrode 13 passivation film 14 collector electrode

Claims (5)

1導電型ドリフト層
該ドリフト層の表面にストライプ状に形成された複数のトレンチと、
トレンチ内に絶縁膜を介して形成されたトレンチゲートと、
隣り合う2本の前記トレンチに挟まれたメサ領域と、
前記隣り合う2本のそれぞれのトレンチの外側に隣接する2つの隣接メサ領域と、
前記メサ領域の表面に形成され、拡散深さが前記トレンチの深さよりも浅く、前記ドリフト層よりも高不純物濃度の第2導電型ベース層と、
前記隣接メサ領域は第1導電型もしくは第2導電型の半導体領域であり、
前記ベース層上で前記絶縁膜を介して前記2本のトレンチを跨ぐとともに前記トレンチゲートに接し、前記2本のトレンチから前記2つの隣接メサ領域表面にそれぞれ外延するとともに該隣接メサ領域上部で終端し、かつ前記トレンチの長手方向に複数形成されたプレーナーゲート
前記ベース層よりも高不純物濃度で、該ベース層上に前記プレーナーゲートから離間して形成された第2導電型コンタクト層と、
前記トレンチの長手方向に沿って前記2本のトレンチに接するように前記メサ領域に形成されるとともに、隣り合う前記プレーナーゲートの端部下部からそれぞれ前記コンタクト層を挟むように該コンタクト層に達する第1導電型エミッタ層と、を有することを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type drift layer,
A plurality of trenches formed in stripes on the surface of the drift layer ;
A trench gate formed through an insulating film in the trench,
A mesa region sandwiched between two adjacent trenches;
Two adjacent mesa regions adjacent to the outside of each of the two adjacent trenches;
A second conductivity type base layer formed on the surface of the mesa region and having a diffusion depth shallower than the trench and having a higher impurity concentration than the drift layer;
The adjacent mesa region is a semiconductor region of a first conductivity type or a second conductivity type,
Crossing the two trenches via the insulating film on the base layer, contacting the trench gate, extending from the two trenches to the surface of the two adjacent mesa regions, and terminating at the upper portion of the adjacent mesa region a planar gate having a plurality formed and the longitudinal direction of the trench,
A second conductivity type contact layer formed at a higher impurity concentration than the base layer and spaced apart from the planar gate on the base layer;
The contact layer is formed in the mesa region so as to contact the two trenches along the longitudinal direction of the trench, and reaches the contact layer so as to sandwich the contact layer from a lower end portion of the adjacent planar gate . wherein a has a first conductivity type emitter layer.
前記半導体領域が第2導電型であって、該半導体領域が前記ベース層と同一の拡散層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor region is of a second conductivity type, and the semiconductor region is the same diffusion layer as the base layer. 前記半導体領域が第1導電型であって、前記ベース層が前記トレンチの長手方向に分散して島状に複数設けられ、前記ベース層の平面配置が市松模様状であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor region is of a first conductivity type, the base layer is dispersed in the longitudinal direction of the trench and provided in a plurality of island shapes, and the planar arrangement of the base layer is a checkered pattern. Item 14. The semiconductor device according to Item 1. 前記半導体基板の第二の主面に第2導電型のコレクタ層を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second conductivity type collector layer on a second main surface of the semiconductor substrate. 前記トレンチゲートおよびプレーナーゲートへの閾値以上の電圧印加に応じて、前記絶縁膜を介して前記プレーナーゲートと対向する前記ベース層の表面に前記エミッタ層と同じ導電型の反転層チャネルが形成され、An inversion layer channel of the same conductivity type as that of the emitter layer is formed on the surface of the base layer facing the planar gate through the insulating film in response to voltage application to the trench gate and the planar gate above a threshold value.
前記プレーナーゲート下部のベース層表面を挟んで対向する2つの前記エミッタ層が、前記反転層チャネルでつながることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein two emitter layers facing each other across a base layer surface under the planar gate are connected by the inversion layer channel.
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