JP5686507B2 - Trench gate type semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明はトレンチゲート型半導体装置に係り、例えばエアコン,電気自動車等のインバータに採用されるものに好適なトレンチゲート型半導体装置に関する。 The present invention relates to a trench gate type semiconductor device, and more particularly to a trench gate type semiconductor device suitable for use in an inverter such as an air conditioner or an electric vehicle.
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下IGBTと略する)は、コレクタ電極とエミッタ電極の間に流す電流を、ゲート電極に加える電圧によって制御するスイッチング素子である。IGBTで制御できる電力は、数十ワットから数十万ワットであり、スイッチング周波数の幅も数十ヘルツから百キロヘルツに及ぶ。 An insulated gate bipolar transistor (hereinafter abbreviated as IGBT) is a switching element that controls a current flowing between a collector electrode and an emitter electrode by a voltage applied to the gate electrode. The power that can be controlled by the IGBT is several tens of watts to several hundred thousand watts, and the width of the switching frequency ranges from several tens of hertz to one hundred kilohertz.
この特徴を生かしたIGBTは、エアコンや電子レンジなどのような家庭用の小電力機器から、鉄道や製鉄所用のインバータなどのような大電力機器まで広く使われている。 IGBTs that make use of this feature are widely used from small household appliances such as air conditioners and microwave ovens to large electric appliances such as inverters for railways and steelworks.
近年、IGBTのオン電圧及び導通損失を低減する構造としてトレンチゲート型IGBTが注目されている。 In recent years, a trench gate type IGBT has attracted attention as a structure for reducing the on-voltage and conduction loss of the IGBT.
トレンチゲート型IGBTは、ゲート電極が半導体内に埋め込まれた構造をしている。トレンチゲート型IGBTの基本的構成は、高抵抗のn型ドリフト層の一方の面に、低抵抗のn型バッファ層を挟んでp型コレクタ層が形成されている。n型ドリフト層の他方の面にはp型ベース層が形成されている。このp型ベース層には、平面形状がストライプ形状の複数本の同じ形状をしたトレンチ(溝)が掘られている。このトレンチの中には、多結晶シリコンで形成されたゲート電極が、絶縁膜によりn型ドリフト層及びp型ベース層と絶縁された状態で設けられている。したがって、トレンチゲート電極の側壁が、MOSのチャネルとなる構造をしている。 The trench gate type IGBT has a structure in which a gate electrode is embedded in a semiconductor. The basic structure of the trench gate type IGBT is that a p-type collector layer is formed on one surface of a high-resistance n-type drift layer with a low-resistance n-type buffer layer interposed therebetween. A p-type base layer is formed on the other surface of the n-type drift layer. In this p-type base layer, a plurality of trenches (grooves) having the same shape and having a stripe shape are dug. In this trench, a gate electrode formed of polycrystalline silicon is provided in a state of being insulated from the n-type drift layer and the p-type base layer by an insulating film. Therefore, the sidewall of the trench gate electrode has a structure serving as a MOS channel.
このため、ゲート電極をシリコン基板表面に形成するプレーナーゲート型IGBTに比して同じ面積により多くのゲート電極を形成することができ、チャネルの数を多くすることができるので、チャネル抵抗が低く損失が小さい。また、従来のプレーナー型IGBTに比べて、オン電圧、即ち導通時のコレクタ−エミッタ間に発生する電圧が低い。 Therefore, more gate electrodes can be formed in the same area than the planar gate type IGBT in which the gate electrode is formed on the silicon substrate surface, and the number of channels can be increased, resulting in low channel resistance and loss. Is small. In addition, the on-voltage, that is, the voltage generated between the collector and the emitter during conduction is lower than that of a conventional planar IGBT.
トレンチゲート電極の配列に関して、従来はトレンチゲート電極の配列ピッチを等間隔に配列する構造が示されているが、トレンチゲート電極を多く形成することにより、ゲート歩留の低下,耐圧の低下という課題があった。 With respect to the arrangement of the trench gate electrodes, a structure in which the arrangement pitch of the trench gate electrodes is arranged at equal intervals has been shown in the past. was there.
この課題に対して、特開2000−307116号公報では、トレンチゲート電極の配列ピッチを変える構造が開示されている。この従来技術には、ゲート間のピッチの広い箇所にはチャネルを形成せず、p層だけをフローティング状態、即ちゲート電極,エミッタ電極,コレクタ電極のいずれの電極にも電気的に接触しない状態に形成し、ピッチの狭い箇所にだけチャネルを形成した構造が開示されている。 In response to this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-307116 discloses a structure for changing the arrangement pitch of the trench gate electrodes. In this prior art, a channel is not formed at a portion where the pitch between the gates is wide, and only the p layer is in a floating state, that is, in a state where it is not in electrical contact with any of the gate electrode, emitter electrode, and collector electrode. A structure in which a channel is formed only at a narrow pitch is disclosed.
このような構成によれば、過電流による素子の破壊を防止するとともに、導通損失及びオン電圧を低減できる。 According to such a configuration, it is possible to prevent element destruction due to overcurrent and reduce conduction loss and on-voltage.
上述の従来構造では、フローティング状態のフローティングp層(以下FP層と略する)を設けているが、コレクタ−ゲート間容量が大きくなり、ゲートにノイズが入りやすくなる。 In the above-described conventional structure, a floating p layer (hereinafter abbreviated as FP layer) in a floating state is provided, but the capacitance between the collector and the gate increases, and noise easily enters the gate.
この課題に対しては、特開2004−39838号公報に、FP層を少なくとも100Ω以上の抵抗を介してエミッタ電極に電気的に接続する構造が開示されている。この従来技術によれば、コレクタ−ゲート間容量を低減できるとともに、抵抗によりエミッタ電極に流れるホール電流は制限されるため、FP層がフローティング状態に近くなるが、本発明者らの調査の結果、FP層をエミッタ電極と絶縁している場合と比較してオン電圧が大きくなる。 For this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-39838 discloses a structure in which the FP layer is electrically connected to the emitter electrode through a resistance of at least 100Ω or more. According to this prior art, the collector-gate capacitance can be reduced, and the hole current flowing through the emitter electrode is limited by the resistance. Therefore, the FP layer becomes close to a floating state. The on-voltage is increased as compared with the case where the FP layer is insulated from the emitter electrode.
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、FP層とエミッタ電極を容量の大きい絶縁体を設けることにより、オン電圧が小さく、ゲートのノイズを低減したトレンチゲート型半導体装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described points. The object of the present invention is to provide a trench gate type in which an on-voltage is reduced and gate noise is reduced by providing an insulator having a large capacity for the FP layer and the emitter electrode. A semiconductor device is provided.
上記目的を達成するために、本発明のトレンチゲート型半導体装置は、半導体基板上に形成された第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層と隣接する第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層と隣接する第1導電型の第3半導体層と、前記第3半導体層の一主表面から前記第3半導体層を貫き、前記第2半導体層に達する複数の絶縁ゲートと、隣り合う前記絶縁ゲートの間に形成された領域であって、互いに隣接する第1領域及び第2領域と、前記第1領域における前記第3半導体層内において、前記絶縁ゲートに接する第2導電型の第4半導体層と、前記第1領域において、前記第3半導体層及び前記第4半導体層に電気的に接続する第1主電極と、前記第1半導体層に電気的に接続する第2主電極とを備えることを特徴とするトレンチ半導体装置において、前記第2領域における前記第3半導体層が、大きな電気的容量を持つ絶縁体を介して前記第1主電極に電気的に接続されていることを特徴とする。 To achieve the above object, a trench gate type semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type first semiconductor layer formed on a semiconductor substrate, and a second conductivity type second semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A plurality of semiconductor layers, a third semiconductor layer of the first conductivity type adjacent to the second semiconductor layer, and a plurality of semiconductor layers that penetrate the third semiconductor layer from one main surface of the third semiconductor layer and reach the second semiconductor layer The first and second regions adjacent to each other and in the third semiconductor layer in the first region, the region formed between the adjacent insulating gates and the adjacent insulating gates. A fourth semiconductor layer of a second conductivity type in contact; a first main electrode electrically connected to the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer in the first region; and electrically connected to the first semiconductor layer. And a second main electrode to be connected In that trench semiconductor device, the third semiconductor layer in said second region, characterized in that it is electrically connected to the first main electrode through an insulator having a large electrical capacitance.
本発明では、FP層とエミッタ電極を電気的容量の大きな絶縁体で電気的に接続することにより、オン電圧が小さく、かつ、ゲートのノイズを低減したトレンチゲート型半導体装置を提供できる。 In the present invention, it is possible to provide a trench gate type semiconductor device in which the ON voltage is small and the gate noise is reduced by electrically connecting the FP layer and the emitter electrode with an insulator having a large electric capacity.
(実施例1)
図1及び図2に本発明のトレンチゲート型半導体装置の第一の実施例を示す。該図において、トレンチゲート型半導体装置の表面に、ターミネーション領域124内とゲート端子112と複数のエミッタ端子114が配置されている。エミッタ端子114の境界にはゲート配線125が形成され、裏面にはコレクタ端子116が配置されている。ゲート端子112にかけられた電圧は、ゲート配線125を通じてトレンチゲート電極に伝えられる。
(Example 1)
1 and 2 show a first embodiment of a trench gate type semiconductor device of the present invention. In this figure, a
図2に示すコレクタ電極116は、半導体基板の一端部に形成される第1導電型の第1半導体層、例えばp導電型のコレクタ層101に電気的に接続している。このp導電型のコレクタ層101に隣接して第2導電型の第2半導体層、例えばn導電型の半導体層が設けられている。
The
本実施例では、n導電型半導体層は、n+導電型のバッファ層102とn+導電型のバッファ層102に隣接し、前記n+導電型のバッファ層102よりも不純物濃度が低いn-導電型のドリフト層103から成っている。ドリフト層103に隣接して第1導電型の第3の半導体層、例えばp導電型のベース層104が設けられている。
In this embodiment, n conductivity type semiconductor layer is adjacent to the n + conductivity
p導電型のベース層104の一主表面からp導電型のベース層104を貫いて、n導電型のドリフト層103に達する複数のゲート電極105が設けられている。前記ゲート電極105の外周は、ゲート絶縁膜106により覆われ、前記p導電型のベース層104の主表面上には、絶縁膜107が設けられている。
A plurality of
p導電型のベース層104は、複数の前記ゲート電極105により第1の領域と第2の領域に区分される。第1領域に属するp導電型のベース層104内には、絶縁ゲート105に接する第2導電型の第4半導体層、例えばn導電型のエミッタ層111が形成されている。エミッタ電極109は、n導電型のエミッタ層111に接続するとともに、p導電型のコンタクト層110を介してp導電型のベース層104に接続する。これによって、二つのゲート電極105の間にチャネルが形成される。
The p conductivity
一方、第2領域に属するp導電型ベース層104は、いずれの電極にも直接接続しないFP層115であり、絶縁膜121からなる容量と多結晶シリコン122を介してエミッタ電極109へ接続する。ゲート電極105,エミッタ電極109,コレクタ電極100は、それぞれゲート端子112,エミッタ端子114,コレクタ端子116を備えている。
On the other hand, the p-conductivity
本実施例の特徴は、FP層115に複数個のトレンチを形成し、トレンチの表面にも絶縁膜121が形成する点である。
A feature of this embodiment is that a plurality of trenches are formed in the
トレンチの効果により、トレンチが無い場合と比較して絶縁膜121の表面積が広くなる。絶縁膜の面積が広くなるほど絶縁体の容量は大きくなるため、絶縁膜121の容量が従来技術と比較して大きくなり、FP層115とエミッタ電極109間をより大きな絶縁体の容量で短絡することができる。
Due to the effect of the trench, the surface area of the
したがって、大きなノイズがIGBTのコレクタ−エミッタ間に入力された際に、ノイズの原因になる寄生電流が、絶縁体の容量121を通ってエミッタ電極109にバイパスされる効果が大きくなるため、ノイズ低減効果が大きい。
Therefore, when a large noise is input between the collector and the emitter of the IGBT, the parasitic current that causes the noise is effectively bypassed to the
FP層115に形成される複数個のトレンチは、ゲート絶縁膜106を構成するトレンチと幅が異なってもよい。また、FP層115に形成される複数個のトレンチは、ゲート絶縁膜106を構成するトレンチに垂直に形成してもよい。
The plurality of trenches formed in the
次に、図2に基づいて本実施例の動作を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
始めにコレクタ端子116とエミッタ端子114の間に数十ボルトから数千ボルト程度の電圧を加え、次にゲート端子112とエミッタ端子114の間に15ボルト程度の電圧を加える。ゲート端子112に加えられた15ボルトはゲート電極105に伝わり、ベース層104及びFP層115とゲート絶縁膜106との境界部分に反転層を形成する。ベース層104に形成される反転層はエミッタ層111とドリフト層103を電気的に接続し、チャネルが形成される。
First, a voltage of about several tens to several thousand volts is applied between the
このチャネルを通って、電子がエミッタ層111からドリフト層103に注入され、この電子がコレクタ層101からのホールの注入を促す。コレクタ層101から注入されたホールはドリフト層103を通り、ベース層104を抜けてエミッタ電極109に流れ込む。
Through this channel, electrons are injected from the
定常状態では、FP層115とエミッタ電極109の間の絶縁体の容量121が高インピーダンスになり、FP115とエミッタ層109が絶縁されて、特開2000−307116号公報の従来技術と同様にして、FP層115がフローティング状態に近くなり、オン電圧が低くなる。
In the steady state, the insulating
一方、IGBTのオン/オフの遷移状態では、FP層115とエミッタ電極109の間のインピーダンスが低くなる。このため、ホール電流の一部がFP層115を抜けてFP層115とエミッタ電極109の間の容量に流れ込み、コレクタ−ゲート間の容量が低減でき、ゲートにノイズが入ることを防ぐことができる。
On the other hand, in the on / off transition state of the IGBT, the impedance between the
本実施例により、オン電圧が小さく、かつ、ゲートにノイズが入りにくいトレンチ半導体装置が実現できる。 According to this embodiment, it is possible to realize a trench semiconductor device having a low on-voltage and hardly entering noise at the gate.
(実施例2)
図3に本発明のトレンチゲート型半導体装置の第二の実施例を示す。本実施例では、FP層115とエミッタ電極109を短絡する絶縁体121が窒化シリコンであることが特徴である。窒化シリコンは低温CVDにより堆積することが望ましい。ゲート絶縁膜106は500Åから1500Åの膜厚で形成される。絶縁体121は容量を大きくするためには薄い方が良いが、耐圧確保のためには均一な膜質が必要なため100Å以上であることが望ましい。また、絶縁体121は、ゲート絶縁膜106より薄く形成するので1500Å以下であることが必要である。また、窒化シリコンを50Åから100Åのシリコン酸化膜で挟む構造にしても良い。窒化シリコンの誘電率はシリコン酸化膜の約2倍であり、シリコン酸化膜と同等の耐圧を半分の厚みで得ることができる。
(Example 2)
FIG. 3 shows a second embodiment of the trench gate type semiconductor device of the present invention. This embodiment is characterized in that the
したがって、絶縁体121の容量をシリコン酸化膜で形成する場合より4倍以上大きくすることができる。これにより、FP層とエミッタ電極を短絡する絶縁体の容量を大きくすることができ、ゲートに高周波ノイズが入ることによるゲートの誤動作を防ぐことができる。
Therefore, the capacity of the
本実施例によりオン電圧が低く、かつ、ゲートのノイズが低減されたトレンチゲート型半導体装置が実現できる。 According to this embodiment, it is possible to realize a trench gate type semiconductor device having a low on-voltage and a reduced gate noise.
(実施例3)
図4に本発明のトレンチゲート型半導体装置の第三の実施例の断面図を示す。本実施例は、FP層105とエミッタ電極109を短絡する絶縁体121がゲート絶縁膜106より薄いことを特徴とする。
Example 3
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a third embodiment of the trench gate type semiconductor device of the present invention. This embodiment is characterized in that the
これにより、絶縁体121をゲート絶縁膜106と同時形成する場合と比較して、絶縁体121の容量を大きくすることができる。
Accordingly, the capacity of the
図5(a)〜(d)に絶縁体121を形成するプロセスフローを示す。まず、図5(a)にてシリコンウェハ201をドライエッチによりトレンチ形成する。このトレンチ形成により、トレンチ幅が狭いゲートを構成する領域と、トレンチ幅が狭いFP層を構成する領域に分けられる。次に、図5(b)にてトレンチを酸化してゲート絶縁膜202を形成する。ゲート絶縁膜202は、500Åから1500Åのシリコン酸化膜から形成される。
5A to 5D show a process flow for forming the
次に、図5(c)にてFP層を構成する領域の中央部のゲート酸化膜202をウェットエッチによりエッチングし、ライト酸化により絶縁膜203を形成する。絶縁膜203はシリコン酸化膜で形成する。この絶縁体203は、容量を大きくするためには薄い方が良いが、耐圧確保のためには均一な膜質である必要であるため100Å以上であることが好ましい。また、絶縁膜203は、ゲート酸化膜202よりも薄く形成する必要があるため1500Å以下であることが望ましい。
Next, in FIG. 5C, the
次に、図5(d)にて多結晶シリコン204をCVDにより堆積し、ゲートを構成する領域と、FP層を構成する領域のうち絶縁膜203がゲート絶縁膜202と同等の領域の多結晶シリコン204をエッチングする。
Next, in FIG. 5D,
以上のプロセスにより、FP層とエミッタをゲート酸化膜202より薄い絶縁体203で短絡することができる。
Through the above process, the FP layer and the emitter can be short-circuited by the
本実施例によりオン電圧が小さく、かつ、ノイズの小さいトレンチゲート半導体装置を実現できる。 According to this embodiment, it is possible to realize a trench gate semiconductor device with low on-voltage and low noise.
本発明のトレンチゲート型半導体装置は、エアコン,電気自動車に採用されるものに好適なインバータ等の電力変換素子に利用できる。 The trench gate type semiconductor device of the present invention can be used for a power conversion element such as an inverter suitable for an air conditioner or an electric vehicle.
100 コレクタ電極
101 p導電型のコレクタ層
102 n導電型のバッファ層
103 n導電型のドリフト層
104 p導電型のベース層
105 ゲート電極
106 ゲート絶縁膜
107,203 絶縁膜
109 エミッタ電極
110 p導電型のコンタクト層
111 n導電型のエミッタ層
112 ゲート端子
114 エミッタ端子
115 フローティングp層
116 コレクタ端子
121 絶縁層
122,204 多結晶シリコン
124 ターミネーション領域
125 ゲート配線
126,127 コンタクト
201 シリコンウェハ
202 ゲート酸化膜
100 collector electrode 101 p conductivity type collector layer 102 n conductivity type buffer layer 103 n conductivity type drift layer 104 p conductivity
Claims (2)
前記第2領域における前記第3半導体層が、絶縁体の容量を介して前記第1主電極に電気的に接続され、
前記ゲート絶縁膜は、膜厚が500Å以上1500Å以下であり、
前記絶縁体の容量が、前記第2領域における前記第3半導体層と前記第1主電極に接する多結晶シリコン層とに挟まれた、膜厚が100Å以上1500Å以下でありかつ前記ゲート絶縁膜より薄い酸化シリコン膜からなる
ことを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 A first conductivity type first semiconductor layer formed on a semiconductor substrate, a second conductivity type second semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer, and a first conductivity type adjacent to the second semiconductor layer. A third semiconductor layer, and a plurality of insulated gates that pass through the third semiconductor layer from one main surface of the third semiconductor layer, reach the second semiconductor layer, and have an outer periphery covered with a gate insulating film; A region formed between the insulated gates, the first and second regions adjacent to each other, and a second conductivity type fourth semiconductor in contact with the insulated gate in the third semiconductor layer in the first region A first main electrode electrically connected to the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer in the first region; and a second main electrode electrically connected to the first semiconductor layer. In the trench gate type semiconductor device,
The third semiconductor layer in the second region is electrically connected to the first main electrode through a capacitor of an insulator;
The gate insulating film has a thickness of 500 to 1500 mm,
The capacitance of the insulator is 100 to 1500 mm between the third semiconductor layer and the polycrystalline silicon layer in contact with the first main electrode in the second region, and more than the gate insulating film A trench gate type semiconductor device comprising a thin silicon oxide film.
前記第2領域における前記第3半導体層が、絶縁体の容量を介して前記第1主電極に電気的に接続され、
前記ゲート絶縁膜は、膜厚が500Å以上1500Å以下であり、
前記絶縁体の容量が、前記第2領域における前記第3半導体層と前記第1主電極に接する多結晶シリコン層に挟まれた、膜厚が100Å以上1500Å以下でありかつ前記ゲート絶縁膜より薄い窒化シリコン膜からなる
ことを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 A first conductivity type first semiconductor layer formed on a semiconductor substrate, a second conductivity type second semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer, and a first conductivity type adjacent to the second semiconductor layer. A third semiconductor layer, and a plurality of insulated gates that pass through the third semiconductor layer from one main surface of the third semiconductor layer, reach the second semiconductor layer, and have an outer periphery covered with a gate insulating film; A region formed between the insulated gates, the first and second regions adjacent to each other, and a second conductivity type fourth semiconductor in contact with the insulated gate in the third semiconductor layer in the first region A first main electrode electrically connected to the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer in the first region; and a second main electrode electrically connected to the first semiconductor layer. In the trench gate type semiconductor device,
The third semiconductor layer in the second region is electrically connected to the first main electrode through a capacitor of an insulator;
The gate insulating film has a thickness of 500 to 1500 mm,
The capacitance of the insulator is between 100 and 1500 mm in thickness between the third semiconductor layer and the first main electrode in the second region , and is thinner than the gate insulating film A trench gate type semiconductor device comprising a silicon nitride film.
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