JP5963385B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置に関し、特に交流回路に流れる電流を制御する磁気エネルギー回生回路に用いる半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device used for a magnetic energy regeneration circuit that controls a current flowing in an AC circuit.

複数の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御することにより電力の変換を行う電力変換装置は公知な技術である。例えば、PWM(Pulse Width Modulation)制御を行うための電力変換装置では、交流電源からの電源電圧を、4個の逆導通半導体スイッチで構成されるブリッジ回路によって制御している。逆導通半導体スイッチには、それぞれ逆並列に接続されたフリーホイールダイオード(FWD:Free Wheeling Diode)を備えており、逆方向に電流を導通させる構成となっている。ブリッジ回路は、負荷回路に指定の大きさで電源供給を行うハードスイッチング回路となっている。   A power conversion device that performs power conversion by controlling on / off of a plurality of semiconductor switching elements is a known technique. For example, in a power converter for performing PWM (Pulse Width Modulation) control, a power supply voltage from an AC power supply is controlled by a bridge circuit composed of four reverse conducting semiconductor switches. Each reverse conducting semiconductor switch includes a free wheeling diode (FWD) connected in antiparallel, and is configured to conduct current in the reverse direction. The bridge circuit is a hard switching circuit that supplies power to the load circuit with a specified size.

このような電力変換装置では、逆導通半導体スイッチがオンになっている間は、電源から逆導通半導体スイッチを介して負荷回路へと電流が流れる。一方、逆導通半導体スイッチがオフになると、負荷回路が例えばコイルなどの誘導性の負荷回路である場合、誘導起電力が発生し、負荷回路から逆導通半導体スイッチへと逆方向に電流が流れてしまう。このとき、逆導通半導体スイッチにFWDが設けられていることで、誘導起電力によって流れた逆方向の電流を、FWDから誘導性負荷へと流すことができる。   In such a power converter, while the reverse conducting semiconductor switch is on, a current flows from the power source to the load circuit via the reverse conducting semiconductor switch. On the other hand, when the reverse conducting semiconductor switch is turned off, if the load circuit is an inductive load circuit such as a coil, an induced electromotive force is generated, and a current flows in the reverse direction from the load circuit to the reverse conducting semiconductor switch. End up. At this time, by providing the FWD in the reverse conducting semiconductor switch, the reverse current that has flowed by the induced electromotive force can flow from the FWD to the inductive load.

このような交流回路では、負荷回路内に発生する擬似的な電気抵抗(リアクタンス)や、配線および交流発電機のインダクタンス成分などにより、リアクタンス電圧が発生する。リアクタンス電圧が発生することにより、負荷回路に供給される電流の減少や、負荷回路に流れる電流波形の位相遅れなどが生じ、交流回路における力率が低下する。   In such an AC circuit, a reactance voltage is generated by a pseudo electric resistance (reactance) generated in the load circuit, an inductance component of the wiring and the AC generator, and the like. When the reactance voltage is generated, the current supplied to the load circuit is reduced, the phase of the current waveform flowing through the load circuit is delayed, and the power factor in the AC circuit is lowered.

上述した問題を回避するため、低力率の交流回路では磁気エネルギー回生回路が備えられている。磁気エネルギー回生回路では、インダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを回生することでリアクタンス電圧の発生による導通損失を低減させ、電力変換装置の変換効率を向上させている(例えば、下記特許文献1参照。)。   In order to avoid the above-described problems, a low power factor AC circuit is provided with a magnetic energy regeneration circuit. In the magnetic energy regenerative circuit, the magnetic energy stored in the inductance is regenerated to reduce the conduction loss due to the generation of the reactance voltage and improve the conversion efficiency of the power converter (see, for example, Patent Document 1 below). .

特許文献1では、負荷回路に流れる電流を遮断した場合、回路内に残留する磁気エネルギーをブリッジ回路内に設けられた蓄積コンデンサに蓄積し、次回のオン時に、蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーを負荷回路に放電することで、交流回路に回生させる電流順逆両方向スナバーエネルギー回生方式スイッチの発明について開示されている。   In Patent Document 1, when the current flowing through the load circuit is interrupted, the magnetic energy remaining in the circuit is stored in a storage capacitor provided in the bridge circuit, and the energy stored in the storage capacitor is loaded at the next turn-on. An invention of a current forward / reverse bidirectional snubber energy regenerative switch that is regenerated in an AC circuit by discharging to the circuit is disclosed.

このような磁気エネルギー回生回路では、低オン電圧特性、高速スイッチング特性および負荷短絡耐量という、それぞれがトレードオフ関係にある特性を同時に実現するように開発されたスイッチング素子が用いられている。このようなスイッチング素子として、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)において、コレクタ領域からの少数キャリアの注入を低くすることで、低オン電圧特性を向上させるとともに、高速スイッチング特性および負荷短絡耐量を向上させる技術が提案されている(例えば、下記非特許文献1および下記非特許文献2参照。)。   In such a magnetic energy regenerative circuit, a switching element developed so as to simultaneously realize the characteristics of low on-voltage characteristics, high-speed switching characteristics, and load short-circuit tolerance, each having a trade-off relationship is used. As such a switching element, for example, in an insulated gate bipolar transistor (IGBT), by reducing minority carrier injection from the collector region, low on-voltage characteristics are improved and high-speed switching characteristics are improved. And the technique which improves load short circuit tolerance is proposed (for example, refer to the following nonpatent literature 1 and the following nonpatent literature 2).

しかしながら、従来のスイッチング素子を用いた磁気エネルギー回生回路では、低オン電圧特性を犠牲にして、高速スイッチング特性を得ているため、磁気エネルギー回生回路のエネルギー変換効率を十分に向上させることができない。   However, since the conventional magnetic energy regeneration circuit using a switching element obtains high-speed switching characteristics at the expense of low on-voltage characteristics, the energy conversion efficiency of the magnetic energy regeneration circuit cannot be sufficiently improved.

また、スイッチング素子の低オン電圧特性を改善するための方法として、スイッチング素子を構成するIGBTおよびFWDのそれぞれの低オン電圧特性を改善することでスイッチング素子全体の低オン電圧化を図り、電力変換装置の変換効率を向上させる技術が提案されている(例えば、下記特許文献2および下記非特許文献3参照。)。   In addition, as a method for improving the low on-voltage characteristics of the switching element, the low on-voltage characteristics of the IGBT and FWD constituting the switching element are improved to reduce the overall on-voltage of the switching element, thereby converting the power. Techniques for improving the conversion efficiency of the apparatus have been proposed (see, for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 below).

しかしながら、IGBTとFWDとを別々の半導体装置として構成しているため、半導体装置の数が多くなることで実装面積が大きくなり、半導体装置の小型化の障害となっている。さらに、磁気エネルギー回生回路では、スイッチング素子を直列に接続した構成となっているため、すべてのスイッチング素子に同じ大きさの電流が流れ、磁気エネルギー回生回路全体での導通損失が増加してしまうという問題がある。   However, since the IGBT and the FWD are configured as separate semiconductor devices, an increase in the number of semiconductor devices increases a mounting area, which is an obstacle to miniaturization of the semiconductor device. Furthermore, since the magnetic energy regeneration circuit has a configuration in which switching elements are connected in series, the same magnitude of current flows through all the switching elements, which increases conduction loss in the entire magnetic energy regeneration circuit. There's a problem.

上述した問題を解決するために、IGBTおよびFWDを同一の半導体基板に一体的に形成した逆導通IGBT(RC−IGBT)が提案されている(例えば、下記特許文献3、下記非特許文献4および下記非特許文献5参照。)。非特許文献4および非特許文献5の技術では、IGBT構造が形成された半導体素子裏面のpコレクタ層の一部にn領域を設けることで、IGBT内にPNダイオードを内蔵している。そのため、磁気エネルギー回生回路のスイッチング素子としてRC−IGBTを用いることで、磁気エネルギー回生回路の構成に必要な半導体素子の数を減らすことができ、実装面積を小さくすることができる。   In order to solve the above-described problem, a reverse conducting IGBT (RC-IGBT) in which an IGBT and an FWD are integrally formed on the same semiconductor substrate has been proposed (for example, Patent Document 3 below, Non-Patent Document 4 below and (See Non-Patent Document 5 below.) In the techniques of Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5, a PN diode is built in the IGBT by providing an n region in a part of the p collector layer on the back surface of the semiconductor element on which the IGBT structure is formed. Therefore, by using RC-IGBT as a switching element of the magnetic energy regeneration circuit, the number of semiconductor elements necessary for the configuration of the magnetic energy regeneration circuit can be reduced, and the mounting area can be reduced.

ところで、トレンチ構造のIGBTの低オン電圧特性を改善する方法として、トレンチ構造とpチャネルの上のエミッタコンタクト部の間引き構造により、キャリアの流れを制限し半導体素子内に蓄積させることでキャリア濃度を増加させる方法が提案されている(例えば、下記非特許文献6参照。)。また、別の方法として、pチャネル層とn-層の間に高濃度のn層を設けて、下向きの弱い電界を発生させることにより、正孔を半導体素子内に蓄積することでキャリア濃度を増加させる方法が提案されている(例えば、下記非特許文献7参照。)。 By the way, as a method for improving the low on-voltage characteristics of the IGBT having the trench structure, the carrier concentration is reduced by limiting the carrier flow and accumulating it in the semiconductor element by the thinning structure of the emitter contact portion on the trench structure and the p channel. A method of increasing the number has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 6 below). As another method, a high concentration n layer is provided between the p channel layer and the n layer to generate a weak downward electric field, thereby accumulating holes in the semiconductor element to reduce the carrier concentration. A method of increasing the number has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 7 below).

特開2000−358359号公報JP 2000-358359 A 特開2008−171294号公報JP 2008-171294 A 特開2008−4867号公報JP 2008-4867 A ワイ・オノザワ(Y.Onozawa)、外5名、ディベロップメント オブ ザ ネクスト ジェネレーション 1200V トレンチ−ゲート FS−IGBT フィーチャリング ローアー EMI ノイズ アンド ローアー スイッチング ロス(Development of the next generation 1200V trench−gate FS−IGBT featuring lower EMI noise and lower switching loss)、(韓国)、第19回パワー半導体デバイス国際シンポジウム2007(ISPSD’07:Proceedings of the 19th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2007)、2007年5月27−30日、p.13−16Y. Onozawa, 5 others, Development of the Next Generation 1200V Trench-Gate FS-IGBT Featuring Lower EMI Noise and Lower Switching Loss noise and lower switching loss (Korea), 19th International Symposium on Power Semiconductor Devices 2007 (ISPSD'07: Proceedings of the 19th International Symposium on Power Semiconductor Device) s and ICs 2007), 5 May 27-30, 2007, p. 13-16 エッチ・ルースィング(H.Ruthing)、外4名、600V−IGBT3:トレンチ フィールド ストップ テクノロジー イン 70μm ウルトラ−スィン ウェハー テクノロジー(600V−IGBT3:Trench Field Stop Technology in 70μm Ultra−Thin Wafer Technology)、(英国)、第15回パワー半導体デバイス国際シンポジウム2003(ISPSD’03:Proceedings of the 15th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2003)、2003年4月、p.66−69H. Ruthing, 4 others, 600V-IGBT3: Trench Field Stop Technology in 70 μm Ultra-Thin Wafer Technology (600V-IGBT3: Trench Field Stop Technology in 70 μm Ultra-ThinTwin UK) 15th International Symposium on Power Semiconductor Devices 2003 (ISPSD'03: Proceedings of the 15th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2003), April 2003, p. 66-69 アール・シマダ(R.Shimada)、外7名、ア ニュー AC カレント スイッチ コールド MERS ウィズ ロー オン−ステイト ボルテージ IGBTズ(1.54V) フォア リニューアブル エナジー アンド パワー セイビング アプリケーションズ(A New AC Current Switch Called MERS with Low On−State Voltage IGBTs(1.54V) for Renewable Energy and Power Saving Applications)、(米国)、第20回パワー半導体デバイス国際シンポジウム2008(ISPSD’08:Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2008)、2008年5月18−22日、p.4−11R. Shimada, 7 others, A New AC Current Switch Cold MERS With Low On-State Voltage IGBTs (1.54V) For Renewable Energy and Power Saving Applications (A New AC Current Switch Called MERSw On-State Voltage IGBTs (1.54V) for Renewable Energy and Power Saving Applications, (USA), 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices 2008 (ISPSD'08: Proceedings of the 20th International Phenomenon) wer Semiconductor Devices and ICs 2008), 5 May 18-22, 2008, p. 4-11 エッチ・ルースィング(H.Ruthing)、外4名、600V リバース コンダクティング (RC−)IGBT フォア ドライバーズ アプリケーションズ イン ウルトラ−スィン ウェハー テクノロジー(600V Reverse Conducting (RC−)IGBT for Drives Applications in Ultra−Thin Wafer Technology)、(韓国)、第19回パワー半導体デバイス国際シンポジウム2007(ISPSD’07:Proceedings of the 19th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2007)、2007年5月27−30日、p.89−92H. Ruthing, 4 others, 600V Reverse Conducting (RC-) IGBT For Drivers Applications in Ultra-Sin Wafer Technology (600V Reverse Conducting Applications in Tl.) (Technology), (Korea), 19th International Symposium on Power Semiconductor Devices 2007 (ISPSD'07: Proceedings of the 19th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2007), May 27, 2007. 89-92 エム・ラヒモ(M.Rahimo)、外5名、ア ハイ カレント3300V モデル エンプロイイング リバース コンダクティング IGBTズ セッティング ア ニュー ベンチマーク イン アウトプット パワー ケイパビリティー(A High Current 3300V Module Employing Reverse Conducting IGBTs Setting a New Benchmark in Output Power Capability)、(米国)、第20回パワー半導体デバイス国際シンポジウム2008(ISPSD’08:Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2008)、2008年5月18−22日、p.68−71M. Rahimo, 5 others, A High Current 3300V Model Employing Reverse Conducting IGBTs Setting A New Benchmark In Output Power Capability (A High Current 3300V Module Developing Output Power Capability (USA), 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices 2008 (ISPSD'08: Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices) and ICs 2008), May 18-22, 2008, p. 68-71 エム・キタガワ(M.Kitagawa)、外4名、ア 4500V インジェクション エンハンスト インスレイテッド ゲート バイポーラ トランジスタ(IEGT) オペレーティング イン ア モード シミラー トゥー ア サイリスタ(A 4500V Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor(IEGT) Operating in a Mode Similar to a Thyristor)、(米国)、1993年国際電子デバイス会議 テクニカル ダイジェスト(IEDM’93 Technical Digest:International Electron Devices Meeting 1993 Technical Digest)、1993年12月、p.679−681M. Kitagawa, 4 others, 4500V Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor (IEGT) Operating In A Mode Mirror To A Thyristor (A 4500V Injected Enhanced Insulated Gated Bipolar Transistor Bipolar Transistor (IEGT) (Similar to a Thyristor), (USA), 1993 International Electronic Device Conference Technical Digest (IEDM '93 Technical Digest: International Electronic Devices Meeting 1993 Technical Digest) 12 May 1993, p. 679-681 エッチ・タカハシ(H.Takahashi)、外3名、キャリア ストアード トレンチ−ゲート バイポーラ トランジスタ −ア ノベル パワー デバイス フォア ハイ ボルテージ アプリケーション−(Carrier Stored Trench−Gate Bipolar Transistor −A Novel Power Device for High Voltage Application−)、(米国)、第8回パワー半導体デバイス国際シンポジウム2003(ISPSD’96:Proceedings of the 15th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 1996)、1996年5月20−23日、p.349−352H. Takahashi, 3 others, Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor-Anovel Power Device For High Voltage Application- (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor-A Novell Powerp (USA), 8th International Symposium on Power Semiconductor Devices 2003 (ISPSD '96: Proceedings of the 15th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 1996), May 20-23, 1996, p.349-352

しかしながら、上述した非特許文献4および非特許文献5の技術では、ライフタイムコントロールプロセスを適用してダイオードの逆回復特性の高速化を図っている。また、上述した非特許文献2および非特許文献4の技術では、pコレクタ層の濃度を低くすることで少数キャリアの注入効率を低くし、IGBT動作の高速スイッチング特性を実現している。このように、従来のRC−IGBTでは、IGBT動作時の高速スイッチング特性および内蔵PNダイオードの逆回復特性の高速化を実現するために、これらの特性とトレードオフ関係にある低オン電圧特性が十分に改善されていない。   However, in the technologies of Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 described above, the lifetime control process is applied to increase the reverse recovery characteristics of the diode. In the techniques of Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 4 described above, the concentration of the p collector layer is lowered to lower the minority carrier injection efficiency, and the high-speed switching characteristics of the IGBT operation are realized. As described above, the conventional RC-IGBT has sufficient low on-voltage characteristics that are in a trade-off relationship with these characteristics in order to realize high-speed switching characteristics during IGBT operation and high speed reverse recovery characteristics of the built-in PN diode. It has not been improved.

また、上述した非特許文献6および非特許文献7の技術をRC−IGBTに適用した場合、FWD動作時に、IGBTに内蔵したFWDのオン電圧が高くなってしまう。非特許文献6では、エミッタコンタクト部の間引き構造が、内蔵FWDのアノード電極の一部を排除することに相当し、電流導通能力が劣化しオン電圧を増大させてしまう。また、非特許文献7では、pチャネル層とn-層の間に高濃度のn層を設けることで、FWD動作時のpチャネル層からの正孔注入効率が劣化し、オン電圧が増大してしまう。つまり、低オン電圧特性を十分に改善させたフィールドストップ領域(以下、FS領域とする)を有するトレンチ構造のFS−IGBT(以下、トレンチFS−IGBTとする)にFWDを内蔵することでRC−IGBTを作製したとしても、トレンチFS−IGBTで得られた低オン電圧特性を得ることができない。このように、従来の技術では、低オン電圧特性が十分でないため、十分な電力変換効率が得られないという問題点がある。 Further, when the technologies of Non-Patent Document 6 and Non-Patent Document 7 described above are applied to the RC-IGBT, the ON voltage of the FWD built in the IGBT becomes high during the FWD operation. In Non-Patent Document 6, the thinning-out structure of the emitter contact portion corresponds to eliminating a part of the anode electrode of the built-in FWD, which deteriorates the current conduction capability and increases the on-voltage. Further, in Non-Patent Document 7, by providing a high-concentration n layer between the p-channel layer and the n layer, the hole injection efficiency from the p-channel layer during the FWD operation deteriorates, and the on-voltage increases. End up. In other words, RC- by incorporating FWD in a FS-IGBT (hereinafter referred to as trench FS-IGBT) having a trench structure having a field stop region (hereinafter referred to as FS region) with sufficiently improved low on-voltage characteristics. Even if the IGBT is manufactured, the low on-voltage characteristics obtained by the trench FS-IGBT cannot be obtained. As described above, the conventional technology has a problem in that sufficient power conversion efficiency cannot be obtained because the low on-voltage characteristics are not sufficient.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、磁気エネルギー回生回路において、電力変換効率を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving power conversion efficiency in a magnetic energy regenerative circuit in order to eliminate the above-described problems caused by the prior art.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、交流電源と誘導性負荷の間に直列に接続され、前記誘導性負荷に供給される電力を制御する電力変換装置を構成する半導体装置において、前記電力変換装置は、複数の逆導通半導体スイッチで構成されたブリッジ回路、および前記ブリッジ回路の直流端子間に接続されたコンデンサを有する磁気エネルギー回生回路を有し、前記磁気エネルギー回生回路を構成する前記逆導通半導体スイッチの少なくとも1つが、ダイオードを一体的に内蔵する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、かつ前記ダイオードの順方向と前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの順方向が逆向きになるように接続されており、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板のおもて面の表面層に設けられた第2導電型のチャネル領域と、前記チャネル領域を貫通し前記半導体基板に達するように設けられたトレンチと、前記トレンチの内部に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記チャネル領域の表面層の一部に、前記トレンチに接して設けられた第1導電型のエミッタ領域と、前記エミッタ領域に接するエミッタ電極と、前記半導体基板の裏面側に設けられた、前記半導体基板よりも低抵抗の第1導電型のフィールドストップ領域と、前記半導体基板の裏面側の、前記フィールドストップ領域よりも浅い位置に設けられた第2導電型のコレクタ領域と、を有し、前記ダイオードは、前記チャネル領域と、前記フィールドストップ領域と、前記コレクタ領域の一部に、前記コレクタ領域を深さ方向に貫通するように設けられた、前記フィールドストップ領域よりも不純物濃度の高い第1導電型の高濃度領域と、を有し、前記高濃度領域は、前記第2のチャネル領域の中央部と対向する領域に形成され、前記半導体基板の裏面における前記高濃度領域の表面積は、前記半導体基板の電流が流れる活性領域の面積の2%以上40%以下であり、
前記チャネル領域は、前記トレンチによって、第1のチャネル領域と、前記エミッタ領域および前記エミッタ電極と接する第2のチャネル領域とに分けられ、前記半導体基板のおもて面における前記第1のチャネル領域の表面積は、前記半導体基板のおもて面における前記第2のチャネル領域の表面積よりも広く形成され、前記第1のチャネル領域の表面の一部には、前記第1のチャネル領域と前記エミッタ電極とが接する面積を制御するエミッタコンタクト部を複数箇所有することを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the present invention is connected in series between an AC power supply and an inductive load, and controls a power supplied to the inductive load. The power conversion device includes a bridge circuit configured by a plurality of reverse conducting semiconductor switches, and a magnetic energy regeneration circuit having a capacitor connected between DC terminals of the bridge circuit, At least one of the reverse conducting semiconductor switches constituting the magnetic energy regeneration circuit is an insulated gate bipolar transistor having a diode integrated therein, and the forward direction of the diode and the forward direction of the insulated gate bipolar transistor are reversed. The insulated gate bipolar transistor is connected in the direction A conductive type semiconductor substrate, a second conductive type channel region provided in a surface layer of the front surface of the semiconductor substrate, a trench provided so as to penetrate the channel region and reach the semiconductor substrate, A gate electrode provided inside the trench via a gate insulating film; a first conductivity type emitter region provided in part of a surface layer of the channel region in contact with the trench; and the emitter region An emitter electrode in contact with the semiconductor substrate, a first conductivity type field stop region having a lower resistance than the semiconductor substrate, provided on the back side of the semiconductor substrate, and shallower than the field stop region on the back side of the semiconductor substrate A collector region of a second conductivity type provided at a position, and the diode includes the channel region, the field stop region, and the collector region. Some of the collector region is provided so as to penetrate in the depth direction, anda high-concentration region of high impurity concentration first conductivity type than said field stop region, the high concentration region The surface area of the high-concentration region on the back surface of the semiconductor substrate is formed in a region facing the central portion of the second channel region, and is 2% or more and 40% or less of the area of the active region through which the current flows in the semiconductor substrate. And
The channel region is divided by the trench into a first channel region and a second channel region in contact with the emitter region and the emitter electrode, and the first channel region on the front surface of the semiconductor substrate. Is formed wider than the surface area of the second channel region on the front surface of the semiconductor substrate, and part of the surface of the first channel region includes the first channel region and the emitter. A plurality of emitter contact portions for controlling the area in contact with the electrode are provided.

上述した発明によれば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタにダイオードを内蔵した半導体装置において、第1のチャネル領域の表面積を、第2のチャネル領域の表面積よりも広く形成し、かつ、エミッタコンタクト部によって第1のチャネル領域とエミッタ電極とが接する面積を制御している。そのため、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの動作時に、第1のチャネル領域からエミッタ電極へとキャリアが流れ出すことを防止することができる。また、半導体基板のおもて面の表面層で、第1のチャネル領域と第2のチャネル領域を分離することにより、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの動作時に、半導体基板の内部において、第1のチャネル領域が第2のチャネル領域を介してエミッタ電極に接続されるのを防止することができる。また、半導体基板の裏面において、高濃度領域の表面積および形成位置を制御することにより、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの動作時に、コレクタ領域から高濃度領域に少数キャリアが注入されるのを防止することができる。これにより、ダイオードを内蔵する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの低オン電圧特性を、従来の逆導通半導体スイッチの低オン電圧特性よりも向上させることができる。また、ダイオードの動作時に、第1のチャネル領域から少数キャリアが注入されるので、ダイオードの低オン電圧特性を、従来の逆導通半導体スイッチの低オン電圧特性よりも向上させることができる。   According to the above-described invention, in the semiconductor device in which the diode is incorporated in the insulated gate bipolar transistor, the surface area of the first channel region is formed larger than the surface area of the second channel region, and the first contact area is formed by the emitter contact portion. The area where one channel region and the emitter electrode are in contact is controlled. Therefore, carriers can be prevented from flowing from the first channel region to the emitter electrode during the operation of the insulated gate bipolar transistor. Further, the first channel region and the second channel region are separated by the surface layer of the front surface of the semiconductor substrate, so that the first channel is formed inside the semiconductor substrate during the operation of the insulated gate bipolar transistor. It is possible to prevent the region from being connected to the emitter electrode through the second channel region. Further, by controlling the surface area and formation position of the high concentration region on the back surface of the semiconductor substrate, it is possible to prevent minority carriers from being injected from the collector region into the high concentration region during the operation of the insulated gate bipolar transistor. it can. Thereby, the low on-voltage characteristic of the insulated gate bipolar transistor incorporating the diode can be improved over the low on-voltage characteristic of the conventional reverse conducting semiconductor switch. Further, since minority carriers are injected from the first channel region during the operation of the diode, the low on-voltage characteristics of the diode can be improved over the low on-voltage characteristics of the conventional reverse conducting semiconductor switch.

本発明にかかる半導体装置によれば、半導体素子を設けた磁気エネルギー回生回路において、電力変換効率を向上させることができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device of the present invention, there is an effect that the power conversion efficiency can be improved in the magnetic energy regeneration circuit provided with the semiconductor element.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、各実施の形態の説明および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。   Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the description of each embodiment and all the attached drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる半導体装置を用いた回路図である。図1に示す回路では、誘導性の負荷回路112と交流電源113の間に直列に接続された磁気エネルギー回生回路111と、制御回路114とで構成されている。磁気エネルギー回生回路111は、IGBT101およびダイオード102を有する第1の逆導通半導体スイッチと、IGBT103およびダイオード104を有する第2の逆導通半導体スイッチと、IGBT105およびダイオード106を有する第3の逆導通半導体スイッチと、IGBT107およびダイオード108を有する第4の逆導通半導体スイッチとで構成されたブリッジ回路、およびブリッジ回路の直流端子間に接続されたコンデンサ125で構成されている。それぞれの逆導通半導体スイッチには、各逆導通半導体スイッチを駆動するゲート駆動回路が設けられている。各逆導通半導体スイッチの内の少なくとも一つ、例えば第1の逆導通半導体スイッチを構成するIGBT101およびダイオード102は、同一の半導体装置100に一体的に形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram using the semiconductor device according to the first embodiment. The circuit shown in FIG. 1 includes a magnetic energy regeneration circuit 111 connected in series between an inductive load circuit 112 and an AC power supply 113, and a control circuit 114. The magnetic energy regeneration circuit 111 includes a first reverse conducting semiconductor switch having the IGBT 101 and the diode 102, a second reverse conducting semiconductor switch having the IGBT 103 and the diode 104, and a third reverse conducting semiconductor switch having the IGBT 105 and the diode 106. And a fourth reverse conducting semiconductor switch having the IGBT 107 and the diode 108, and a capacitor 125 connected between the DC terminals of the bridge circuit. Each reverse conducting semiconductor switch is provided with a gate drive circuit for driving each reverse conducting semiconductor switch. At least one of the reverse conducting semiconductor switches, for example, the IGBT 101 and the diode 102 constituting the first reverse conducting semiconductor switch are integrally formed in the same semiconductor device 100.

制御回路114は、ゲート駆動回路121〜124を制御するためのスイッチング信号を出力することにより、負荷回路112または交流電源113に同期する周波数で、磁気エネルギー回生回路111のオン・オフ制御を行っている。制御回路114では、対角線上に位置するペアの第1の逆導通半導体スイッチおよび第4の逆導通半導体スイッチと、第2の逆導通半導体スイッチおよび第3の逆導通半導体スイッチを、交流電源113の電圧波形と同一周期でそれぞれ交互にオンするように、スイッチング信号をそれぞれのゲート駆動回路に供給している。   The control circuit 114 performs on / off control of the magnetic energy regeneration circuit 111 at a frequency synchronized with the load circuit 112 or the AC power supply 113 by outputting a switching signal for controlling the gate drive circuits 121 to 124. Yes. In the control circuit 114, a pair of the first reverse conducting semiconductor switch and the fourth reverse conducting semiconductor switch, the second reverse conducting semiconductor switch, and the third reverse conducting semiconductor switch located on the diagonal line are connected to the AC power supply 113. Switching signals are supplied to the respective gate drive circuits so that they are alternately turned on at the same period as the voltage waveform.

交流電源113の電圧が正の場合、IGBT103とIGBT105をオンさせることで、ダイオード102とIGBT105の経路とIGBT103とダイオード108の経路の2経路に同時に電流が流れる。交流電源113の電圧が正から負に反転する直前にIGBT103とIGBT105をオフにし、IGBT101とIGBT107をオンにすると、負荷回路112のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーがダイオード102、コンデンサ125、ダイオード108の経路でコンデンサ125に充電される。充電が終わり、交流電源113の電圧が正から負に反転するとIGBT107,コンデンサ125、IGBT101の経路でコンデンサ125の放電が行われる。この時、ダイオード106とIGBT101の経路とIGBT107とダイオード104の経路の2経路に同時に電流が流れる。次に、交流電源113の電圧が負から正に反転する直前にIGBT103とIGBT105をオンにし、IGBT101とIGBT107をオフにすると、負荷回路112のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーがダイオード106、コンデンサ125、ダイオード104の経路でコンデンサ125に充電される。充電が終わり、交流電源113の電圧が負から正に反転するとIGBT103,コンデンサ125、IGBT105の経路でコンデンサ125の放電が行われる。この時、ダイオード102とIGBT105の経路とIGBT103とダイオード108の経路の2経路に同時に電流が流れる。以降これらが繰り返される。このように、磁気エネルギーをコンデンサ125に蓄え、交流電源113の電圧が正負と反転するたびに負荷回路112にこの磁気エネルギーを放電することで回生を図り、回路における力率を向上させる。   When the voltage of the AC power supply 113 is positive, by turning on the IGBT 103 and the IGBT 105, a current flows simultaneously through two paths of the diode 102 and the IGBT 105 and the IGBT 103 and the diode 108. When the IGBT 103 and the IGBT 105 are turned off and the IGBT 101 and the IGBT 107 are turned on immediately before the voltage of the AC power supply 113 is inverted from positive to negative, the magnetic energy stored in the inductance of the load circuit 112 is changed to the diode 102, the capacitor 125, and the diode 108. The capacitor 125 is charged along the path. When charging is completed and the voltage of the AC power supply 113 is inverted from positive to negative, the capacitor 125 is discharged through the path of the IGBT 107, the capacitor 125, and the IGBT 101. At this time, a current flows through two paths of the diode 106 and the IGBT 101 and the IGBT 107 and the diode 104 simultaneously. Next, when the IGBT 103 and the IGBT 105 are turned on and the IGBT 101 and the IGBT 107 are turned off immediately before the voltage of the AC power supply 113 is inverted from negative to positive, the magnetic energy stored in the inductance of the load circuit 112 is converted to the diode 106, the capacitor 125, The capacitor 125 is charged through the path of the diode 104. When charging is completed and the voltage of the AC power supply 113 is inverted from negative to positive, the capacitor 125 is discharged through the path of the IGBT 103, the capacitor 125, and the IGBT 105. At this time, a current flows through two paths of the diode 102 and the IGBT 105 and the IGBT 103 and the diode 108 simultaneously. These are repeated thereafter. In this way, magnetic energy is stored in the capacitor 125, and the magnetic circuit is regenerated by discharging the magnetic energy to the load circuit 112 each time the voltage of the AC power supply 113 is reversed between positive and negative, thereby improving the power factor in the circuit.

図2は、実施の形態1にかかる半導体装置を示す断面図である。また、図3は、実施の形態1にかかる半導体装置を示す平面図である。図2に示すように、半導体装置100では、n型のシリコン基板としてn-支持基板1が用いられている。半導体装置100は、例えば、n-支持基板1のおもて面側に設けられたトレンチ構造のゲート電極と、n-支持基板1の裏面側に設けられたフィールドストップ領域(FS領域)を有するトレンチ構造のFS−IGBT(トレンチFS−IGBT)である。また、半導体装置100は、IGBT101に、例えばPiNダイオード102が内蔵された構成の逆導通IGBT(RC−IGBT)である。なお、図1に示す回路では、第1〜第4の逆導通半導体スイッチとして、図2に示すような半導体装置100を4つ必要とする。 FIG. 2 is a sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 3 is a plan view showing the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, in the semiconductor device 100, an n support substrate 1 is used as an n-type silicon substrate. The semiconductor device 100 includes, for example, n - having field stop region provided on the rear surface side of the supporting substrate 1 (FS region) - a gate electrode of trench structure provided on the front surface side of the supporting substrate 1, n This is an FS-IGBT having a trench structure (trench FS-IGBT). The semiconductor device 100 is a reverse conducting IGBT (RC-IGBT) having a configuration in which, for example, a PiN diode 102 is built in the IGBT 101. In the circuit shown in FIG. 1, four semiconductor devices 100 as shown in FIG. 2 are required as the first to fourth reverse conducting semiconductor switches.

図2に示すように、半導体装置100のおもて面には、n-支持基板1のおもて面の表面層に、pチャネル領域4が設けられている。pチャネル領域4を貫通しn-支持基板1に達するように、トレンチ11が設けられている。トレンチ11により分離されたpチャネル領域4は、第1のチャネル領域2と第2のチャネル領域3とが交互に繰り返し形成された構成となっている。このとき、第1のチャネル領域2と接するトレンチの側面間の幅(以下、第1のチャネル領域2の幅とする)は、第2のチャネル領域3と接するトレンチの側面間の幅(以下、第2のチャネル領域3の幅とする)よりも広くなっている。 As shown in FIG. 2, a p-channel region 4 is provided on the surface layer of the front surface of the n support substrate 1 on the front surface of the semiconductor device 100. A trench 11 is provided so as to penetrate the p-channel region 4 and reach the n support substrate 1. The p channel region 4 separated by the trench 11 has a configuration in which the first channel region 2 and the second channel region 3 are alternately and repeatedly formed. At this time, the width between the side surfaces of the trench in contact with the first channel region 2 (hereinafter referred to as the width of the first channel region 2) is the width between the side surfaces of the trench in contact with the second channel region 3 (hereinafter referred to as the width of the first channel region 2). The width of the second channel region 3).

第2のチャネル領域3の表面層の一部には、トレンチ11に接して、n+エミッタ領域6が互いに離れて設けられている。トレンチ11内には、ゲート絶縁膜12を介してゲート電極5が設けられている。n-支持基板1のおもて面には、n+エミッタ領域6および第2のチャネル領域3に接するエミッタ電極7が設けられている。 A part of the surface layer of the second channel region 3 is provided with n + emitter regions 6 in contact with the trench 11 and spaced apart from each other. A gate electrode 5 is provided in the trench 11 via a gate insulating film 12. On the front surface of the n support substrate 1, an emitter electrode 7 in contact with the n + emitter region 6 and the second channel region 3 is provided.

また、図3に示すように、トレンチ11、第1のチャネル領域2、第1のチャネル領域2間の第2のチャネル領域3、ゲート電極5およびn+エミッタ領域6は、pチャネル領域4の表面層においてストライプ形状で設けられている。第1のチャネル領域2はトレンチ11により囲まれており、第1のチャネル領域2と第2のチャネル領域3とは、トレンチ11により分離されている。pチャネル領域4を囲むように、耐圧構造領域14が設けられている。全てのトレンチ11を端部同士で連結してもよい。 As shown in FIG. 3, the trench 11, the first channel region 2, the second channel region 3 between the first channel region 2, the gate electrode 5, and the n + emitter region 6 are connected to the p channel region 4. The surface layer is provided in a stripe shape. The first channel region 2 is surrounded by the trench 11, and the first channel region 2 and the second channel region 3 are separated by the trench 11. A breakdown voltage structure region 14 is provided so as to surround the p-channel region 4. All the trenches 11 may be connected at the ends.

-支持基板1のおもて面上には、図示省略する層間絶縁膜が設けられており、エミッタ電極7と第1のチャネル領域2とを電気的に接続させる第1のコンタクト部21および第2のコンタクト部22が設けられている。第1のコンタクト部21が、エミッタコンタクト部に相当する。 An interlayer insulating film (not shown) is provided on the front surface of the n support substrate 1, and a first contact portion 21 for electrically connecting the emitter electrode 7 and the first channel region 2 and A second contact portion 22 is provided. The first contact portion 21 corresponds to an emitter contact portion.

第1のコンタクト部21は、第1のチャネル領域2の表面に、第1のチャネル領域2の表面積よりも十分に小さい例えば正方形の形状で設けられている。第2のコンタクト部22は、エミッタ電極7の表面にストライプ形状で設けられている。例えば1辺9.6mmの正方形形状を有する半導体装置100の電流が流れる領域(以下、活性領域とする)の面積が6mm2のとき、例えば第1のチャネル領域2の幅を16μmとし、第2のチャネル領域3の幅を4μmとし、トレンチ11の幅を1μmとして設けた場合、第1のコンタクト部21の大きさは、例えば1辺5μmの正方形の形状とするのが好ましい。 The first contact portion 21 is provided on the surface of the first channel region 2 in, for example, a square shape that is sufficiently smaller than the surface area of the first channel region 2. The second contact portion 22 is provided in a stripe shape on the surface of the emitter electrode 7. For example, when the area of a current flowing region (hereinafter referred to as an active region) of the semiconductor device 100 having a square shape with a side of 9.6 mm is 6 mm 2 , for example, the width of the first channel region 2 is set to 16 μm, and the second In the case where the width of the channel region 3 is 4 μm and the width of the trench 11 is 1 μm, the size of the first contact portion 21 is preferably a square shape having a side of 5 μm, for example.

一方、図2に示すように、半導体装置100の裏面では、n-支持基板1の裏面の表面層に、n-支持基板1よりも低抵抗のn型のFS領域8が設けられている。FS領域8の表面層には、pコレクタ領域9が設けられている。pコレクタ領域9の表面層の一部には、FS領域8よりも高濃度を有するn+高濃度領域10が設けられている。n+高濃度領域10は、第2のチャネル領域3の中央部とほぼ対向する領域に形成されている。また、n-支持基板1の裏面におけるn+高濃度領域10の表面積は、活性領域の面積の2%以上40%以下となるように設けられている。pコレクタ領域9およびn+高濃度領域10の表面には、コレクタ電極13が設けられている。 On the other hand, as shown in FIG. 2, the back surface of the semiconductor device 100, n - the surface layer of the back surface of the supporting substrate 1, n - n-type FS region 8 of low resistance is provided than the support substrate 1. A p collector region 9 is provided on the surface layer of the FS region 8. A part of the surface layer of the p collector region 9 is provided with an n + high concentration region 10 having a higher concentration than the FS region 8. The n + high concentration region 10 is formed in a region substantially opposite to the central portion of the second channel region 3. Further, the surface area of the n + high concentration region 10 on the back surface of the n support substrate 1 is provided to be 2% or more and 40% or less of the area of the active region. A collector electrode 13 is provided on the surfaces of the p collector region 9 and the n + high concentration region 10.

このように、半導体装置100内にIGBT101と一体化して、第2のチャネル領域3と、n-支持基板1およびFS領域8と、n+高濃度領域10とで構成されるPiNダイオード102を形成することができる。 As described above, the PiN diode 102 formed of the second channel region 3, the n support substrate 1 and the FS region 8, and the n + high concentration region 10 is formed integrally with the IGBT 101 in the semiconductor device 100. can do.

また、n-支持基板1のおもて面において、第1のチャネル領域2と第2のチャネル領域3とをトレンチ11によって分離することにより、IGBT101の動作時において、第1のチャネル領域2とエミッタ電極7とがn-支持基板1の内部を介して接続されることを防止することができる。 Further, the first channel region 2 and the second channel region 3 are separated from each other by the trench 11 on the front surface of the n support substrate 1. It is possible to prevent the emitter electrode 7 from being connected via the inside of the n support substrate 1.

また、第1のチャネル領域2の幅を、第2のチャネル領域3の幅よりも広く設けることで、第1のチャネル領域2の表面積を第2のチャネル領域3の表面積よりも大きくすることができる。また、第1のコンタクト部21を第1のチャネル領域2の表面積よりも十分に小さく設けることで、第1のチャネル領域2とエミッタ電極7とが接続する面積を制御することができる。これにより、IGBT101の動作時において、第1のチャネル領域2からエミッタ電極7にキャリアが流れ出すことを防止することができ、表面キャリアが十分に蓄積されるため、IGBT101の低オン電圧特性を向上させることができる。また、PiNダイオード102の動作時において、第2のチャネル領域3からの少数キャリアの注入が十分に生じるため、PiNダイオード102の低オン電圧特性を向上させることができる。その理由は、後述する。   Further, the surface area of the first channel region 2 can be made larger than the surface area of the second channel region 3 by providing the width of the first channel region 2 wider than the width of the second channel region 3. it can. In addition, by providing the first contact portion 21 sufficiently smaller than the surface area of the first channel region 2, the area where the first channel region 2 and the emitter electrode 7 are connected can be controlled. As a result, carriers can be prevented from flowing out from the first channel region 2 to the emitter electrode 7 during operation of the IGBT 101, and surface carriers are sufficiently accumulated, so that the low on-voltage characteristics of the IGBT 101 are improved. be able to. In addition, since minority carriers are sufficiently injected from the second channel region 3 during the operation of the PiN diode 102, the low on-voltage characteristics of the PiN diode 102 can be improved. The reason will be described later.

また、n-支持基板1の裏面において、n+高濃度領域10の形成位置および形成面積を制御することにより、IGBT領域101の動作時において、pコレクタ領域9からn+高濃度領域10に少数キャリアが注入されるのを防止することができる。その理由は、後述する。 Further, by controlling the formation position and formation area of the n + high concentration region 10 on the back surface of the n support substrate 1, a small number is changed from the p collector region 9 to the n + high concentration region 10 during the operation of the IGBT region 101. Carriers can be prevented from being injected. The reason will be described later.

図4〜図8は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、図4に示すように、n型シリコン基板のn-支持基板1となるウェハを準備し、n-支持基板1の表面層に、トレンチ11を、ストライプ形状でかつ第1のチャネル領域2となる領域を囲むように形成する。このとき、トレンチ11は、第1のチャネル領域2の幅となる間隔を開けた領域と、第1のチャネル領域2の幅よりも狭い第2のチャネル領域3となる間隔を開けた領域とが、交互に繰り返し形成されるような間隔を開けて形成される。トレンチ11の形成において、トレンチ11の底面を、約0.5μmの曲率半径で形成することができる。次いで、トレンチ11にゲート絶縁膜12を成長させ、例えばポリシリコンなどの酸化膜で埋め込み、ゲート電極5を形成する。 4 to 8 are cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. First, as shown in FIG. 4, a wafer to be an n support substrate 1 of an n-type silicon substrate is prepared, and a trench 11 is formed in a stripe shape and a first channel region 2 on the surface layer of the n support substrate 1. It is formed so as to surround the region to be. At this time, the trench 11 has a region having an interval corresponding to the width of the first channel region 2 and a region having an interval corresponding to the second channel region 3 narrower than the width of the first channel region 2. These are formed at intervals such that they are alternately and repeatedly formed. In forming the trench 11, the bottom surface of the trench 11 can be formed with a radius of curvature of about 0.5 μm. Next, a gate insulating film 12 is grown in the trench 11 and filled with an oxide film such as polysilicon to form the gate electrode 5.

次いで、イオン注入法および熱拡散法により、n-支持基板1のおもて面に、トレンチ11の深さよりも浅いpチャネル領域4を形成する。このとき、pチャネル領域4は、トレンチ11により、第1のチャネル領域2と第2のチャネル領域3に分離される。 Next, a p-channel region 4 shallower than the depth of the trench 11 is formed on the front surface of the n support substrate 1 by ion implantation and thermal diffusion. At this time, the p-channel region 4 is separated into the first channel region 2 and the second channel region 3 by the trench 11.

次いで、イオン注入法および熱拡散法により、第2のチャネル領域3の表面層の一部に、n+エミッタ領域6を形成する。次いで、n-支持基板1のおもて面に、図示省略する例えばBPSG(Boro−Phospho Silicate Glass)などの層間絶縁膜を形成する。次いで、パターニング処理および熱処理により、層間絶縁膜に、第1のコンタクト部21および第2のコンタクト部22を開口する。第1のコンタクト部21は、第1のチャネル領域2の表面に1箇所、例えば正方形形状に形成する。第2のコンタクト部22は、n+エミッタ領域6に沿って、ストライプ形状に形成する。 Next, an n + emitter region 6 is formed in part of the surface layer of the second channel region 3 by ion implantation and thermal diffusion. Next, an interlayer insulating film such as BPSG (Boro-Phospho Silicate Glass) (not shown) is formed on the front surface of the n support substrate 1. Next, the first contact portion 21 and the second contact portion 22 are opened in the interlayer insulating film by patterning treatment and heat treatment. The first contact portion 21 is formed at one location on the surface of the first channel region 2, for example, in a square shape. The second contact portion 22 is formed in a stripe shape along the n + emitter region 6.

次いで、スパッタリング法により、層間絶縁膜の表面に、エミッタ電極7となる例えばアルミニウム(Al)膜を堆積する。次いで、フォトリソグラフィにより、アルミニウム膜を加工して配線パターンを形成した後に熱処理を行う。次いで、半導体基板100の表面に、例えばポリイミドなどによる図示省略する表面保護膜を形成し、パターニング処理および熱処理により、エミッタ電極7およびゲート電極5のパッド部の電極引き出し用のコンタクトホールを開口し、接続のための電極表面を露出する。   Next, for example, an aluminum (Al) film to be the emitter electrode 7 is deposited on the surface of the interlayer insulating film by sputtering. Next, heat treatment is performed after the aluminum film is processed by photolithography to form a wiring pattern. Next, a surface protection film (not shown) made of, for example, polyimide is formed on the surface of the semiconductor substrate 100, and contact holes for extracting electrodes of the pad portions of the emitter electrode 7 and the gate electrode 5 are opened by patterning and heat treatment, The electrode surface for connection is exposed.

次いで、図5に示すように、n-支持基板1の裏面を100μm前後の所望の厚さになるまで研磨する。次いで、図6に示すように、イオン注入によりn-支持基板1の裏面の表面層にFS領域8を形成した後、アニール処理によりFS領域8を活性化する。次いで、イオン注入によりFS領域8の表面層にpコレクタ領域9を形成する。次いで、pコレクタ領域9の表面に、図示省略するフォトレジストを塗布してベーク処理を行う。その後、フォトレジストにパターニングを行い、各チップとなる領域において、n+エミッタ領域6を有する第2のチャネル領域3の中央部とほぼ対向する位置に、活性領域の面積の2%以上40%以下の大きさの穴(以下、レジスト穴とする)を開口する。 Then, as shown in FIG. 5, n - polishing the back surface of the supporting substrate 1 to a desired thickness of about 100 [mu] m. Next, as shown in FIG. 6, after forming the FS region 8 in the surface layer on the back surface of the n support substrate 1 by ion implantation, the FS region 8 is activated by annealing treatment. Next, a p collector region 9 is formed in the surface layer of the FS region 8 by ion implantation. Next, a photoresist (not shown) is applied to the surface of the p collector region 9 and a baking process is performed. Thereafter, the photoresist is patterned, and in the region to be each chip, 2% or more and 40% or less of the area of the active region at a position almost opposite to the central portion of the second channel region 3 having the n + emitter region 6. A hole of the size (hereinafter referred to as a resist hole) is opened.

次いで、レジスト穴からpコレクタ領域9の表面層に、例えばリンをイオン注入し、図7に示すように、pコレクタ領域9の表面層の一部に、n+高濃度領域10を形成する。次いで、図8に示すように、pコレクタ領域9およびn+高濃度領域10の表面に、例えば半導体レーザー15などを照射してレーザーアニールを行い、pコレクタ領域9およびn+高濃度領域10を活性化させる。次いで、フォトレジストを除去する。 Next, for example, phosphorus is ion-implanted from the resist hole into the surface layer of the p collector region 9 to form an n + high concentration region 10 in a part of the surface layer of the p collector region 9 as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 8, the surface of the p collector region 9 and the n + high concentration region 10 is irradiated with, for example, a semiconductor laser 15 to perform laser annealing, and the p collector region 9 and the n + high concentration region 10 are formed. Activate. Next, the photoresist is removed.

次いで、半導体装置100の裏面に、例えば真空蒸着法により、コレクタ電極13としてチタン(Ti)膜、ニッケル(Ni)膜および金(Au)膜をこの順に積層する。次いで、ダイシングラインに沿って個々のチップ状にウェハを切断することにより、半導体装置100が完成する。   Next, a titanium (Ti) film, a nickel (Ni) film, and a gold (Au) film are stacked in this order on the back surface of the semiconductor device 100 as the collector electrode 13 by, for example, a vacuum deposition method. Next, the semiconductor device 100 is completed by cutting the wafer into individual chips along the dicing line.

なお、レジスト穴の形状は、角部分を持たず曲線部を有する略円形状で、望ましくは円形状であることが好ましい。その理由は、多角形状のレジスト穴を開口した場合、縦型のPiNダイオード102において、断面形状が多角形状となってしまい、角部分に電界集中が起きてしまう可能性があるからである。   The shape of the resist hole is a substantially circular shape having a curved portion without a corner portion, and preferably a circular shape. The reason is that when a polygonal resist hole is opened, the cross-sectional shape of the vertical PiN diode 102 becomes a polygonal shape, and electric field concentration may occur at the corners.

以上、説明したように、実施の形態1によれば、IGBT101にPiNダイオード102を内蔵した半導体装置100において、第1のチャネル領域2の表面積を、第2のチャネル領域3の表面積よりも広く形成し、かつ、第1のコンタクト部21によって第1のチャネル領域2とエミッタ電極7とが接続される面積を制御している。そのため、IGBT101の動作時に、第1のチャネル領域2からエミッタ電極7へとキャリアが流れ出すことを防止することができる。また、トレンチ11によって、第1のチャネル領域2と第2のチャネル領域3とが分離されていることにより、IGBT101の動作時に、半導体基板100の内部において、第1のチャネル領域2が第2のチャネル領域3を介してエミッタ電極7に接続されるのを防止することができる。また、半導体基板100の裏面において、n+高濃度領域10の表面積および形成位置を制御することにより、IGBT101の動作時に、pコレクタ領域9からn+高濃度領域10に少数キャリアが注入されるのを防止することができる。これにより、半導体装置100の低オン電圧特性を、従来の逆導通半導体スイッチの低オン電圧特性よりも向上させることができる。また、PiNダイオード102の動作時に、第1のチャネル領域2から少数キャリアが注入されるので、PiNダイオード102の低オン電圧特性を、従来の逆導通半導体スイッチの低オン電圧特性よりも向上させることができる。また、磁気エネルギー回生回路では、商用電源周波数である50〜60Hz程度のスイッチング周波数を用いるため、高速スイッチング特性を必要としない。従って、従来のように、pコレクタ領域9を低濃度化することや、ライフタイム制御を行う必要がないので、IGBT101のオン電圧やPiNダイオード102のオン電圧が高くなることを防止することができる。また、半導体装置100に、IGBT101およびPiNダイオード102を一体化させて作製することにより、IGBTおよびPiNダイオードを別々の半導体基板に作製した従来の逆導通半導体スイッチよりも小型化を図ることができる。 As described above, according to the first embodiment, in the semiconductor device 100 in which the PiN diode 102 is built in the IGBT 101, the surface area of the first channel region 2 is formed wider than the surface area of the second channel region 3. In addition, the area where the first channel region 2 and the emitter electrode 7 are connected is controlled by the first contact portion 21. Therefore, it is possible to prevent carriers from flowing out from the first channel region 2 to the emitter electrode 7 during the operation of the IGBT 101. In addition, since the first channel region 2 and the second channel region 3 are separated by the trench 11, the first channel region 2 is the second channel in the semiconductor substrate 100 during the operation of the IGBT 101. Connection to the emitter electrode 7 through the channel region 3 can be prevented. Further, by controlling the surface area and formation position of the n + high concentration region 10 on the back surface of the semiconductor substrate 100, minority carriers are injected from the p collector region 9 into the n + high concentration region 10 during the operation of the IGBT 101. Can be prevented. Thereby, the low on-voltage characteristic of the semiconductor device 100 can be improved over the low on-voltage characteristic of the conventional reverse conducting semiconductor switch. Further, since minority carriers are injected from the first channel region 2 during the operation of the PiN diode 102, the low on-voltage characteristics of the PiN diode 102 are improved more than the low on-voltage characteristics of the conventional reverse conducting semiconductor switch. Can do. Moreover, since the magnetic energy regeneration circuit uses a switching frequency of about 50 to 60 Hz, which is a commercial power supply frequency, high-speed switching characteristics are not required. Therefore, since it is not necessary to reduce the concentration of the p collector region 9 or perform lifetime control as in the conventional case, it is possible to prevent the on-voltage of the IGBT 101 and the on-voltage of the PiN diode 102 from increasing. . Further, by fabricating the semiconductor device 100 by integrating the IGBT 101 and the PiN diode 102, it is possible to reduce the size compared to the conventional reverse conducting semiconductor switch in which the IGBT and the PiN diode are fabricated on separate semiconductor substrates.

(実施の形態2)
実施の形態1において、トレンチ11に囲まれた第1のチャネル領域2に第1のコンタクト部21を複数箇所設けても良い。それ以外の半導体装置の構成は、実施の形態1と同様である。また、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態1とほぼ同様である。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, a plurality of first contact portions 21 may be provided in the first channel region 2 surrounded by the trench 11. Other configurations of the semiconductor device are the same as those in the first embodiment. The method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment is substantially the same as that of the first embodiment.

以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。   As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

(実施例1)
実施の形態1に従い、半導体装置100を作製した(以下、実施例1とする)。実施例1において、n-支持基板1として、直径6インチ、厚さ500μmおよび不純物濃度8.0×1013cm-3のn型シリコン基板を準備した。裏面研削後のn-支持基板1の厚さは135μmとした。1つの半導体素子の形成領域を、1辺9.6mmの正方形形状とした。活性領域の面積を6mm2とした。第1のチャネル領域2の幅を16μmとした。第2のチャネル領域3の幅を4μmとした。トレンチ11の幅および深さは、それぞれ1μmおよび5μmとした。ゲート酸化膜の厚さを100nmとした。ゲート電極7として、ポリシリコンを用いた。pチャネル領域4の深さを2.5μmとした。pチャネル領域4の形成には、ドーパントとしてボロン(B)を用い、ドーズ量8.0×1013cm-2とし、熱処理温度および時間を1150℃および2時間とした。n+エミッタ領域6の深さを0.4μmとした。n+エミッタ領域6の形成には、ドーパントとして砒素(As)を用い、ドーズ量5.0×1015cm-2とした。
Example 1
A semiconductor device 100 was manufactured in accordance with Embodiment 1 (hereinafter referred to as Example 1). In Example 1, n - as the supporting substrate 1, was prepared n-type silicon substrate having a diameter of 6 inches and a thickness of 500μm and an impurity concentration of 8.0 × 10 13 cm -3. N after backside grinding - the thickness of the support substrate 1 was 135 .mu.m. A formation region of one semiconductor element was a square shape having a side of 9.6 mm. The area of the active region was 6 mm 2 . The width of the first channel region 2 was 16 μm. The width of the second channel region 3 was 4 μm. The width and depth of the trench 11 were 1 μm and 5 μm, respectively. The thickness of the gate oxide film was 100 nm. Polysilicon was used as the gate electrode 7. The depth of the p-channel region 4 was 2.5 μm. In forming the p-channel region 4, boron (B) was used as a dopant, the dose amount was 8.0 × 10 13 cm −2 , and the heat treatment temperature and time were 1150 ° C. and 2 hours. The depth of the n + emitter region 6 was set to 0.4 μm. In forming the n + emitter region 6, arsenic (As) was used as a dopant, and the dose amount was 5.0 × 10 15 cm −2 .

層間絶縁膜としてBPSGを用い、その厚さを1.0μmとした。第1のコンタクト部21を、1辺が5μmの正方形の形状とした。トレンチ11に囲まれた第1のチャネル領域2において、第1のコンタクト部21の形成は1箇所とした。エミッタ電極7として、シリコン(Si)を1%含有するアルミニウムを用いた。エミッタ電極7のパターニング後の熱処理温度を400℃とした。表面保護膜の厚さを10μmとした。表面保護膜のパターニング後の熱処理温度を300℃とした。FS層8の形成には、ドーパントとしてリン(P)を用い、ドーズ量5.0×1013cm-2とした。pコレクタ領域9の形成には、ドーパントとしてボロンを用い、ドーズ量3.0×1013cm-2、加速電圧40keVとした。n+高濃度領域10の形成には、ドーパントとしてリンを用い、ドーズ量5.0×1015cm-2、加速電圧80keVとした。レジスト穴の形状を円形形状とし、その面積を活性領域の面積の2%である1.2mm2とした。pコレクタ領域9およびn+高濃度領域10に行うレーザーアニールの照射エネルギー密度を2J/cm2とした。コレクタ電極13として、チタン膜、ニッケル膜および金膜をこの順に積層した。 BPSG was used as an interlayer insulating film, and its thickness was 1.0 μm. The first contact portion 21 has a square shape with one side of 5 μm. In the first channel region 2 surrounded by the trench 11, the first contact portion 21 is formed at one location. As the emitter electrode 7, aluminum containing 1% of silicon (Si) was used. The heat treatment temperature after patterning of the emitter electrode 7 was set to 400 ° C. The thickness of the surface protective film was 10 μm. The heat treatment temperature after patterning the surface protective film was set to 300 ° C. For the formation of the FS layer 8, phosphorus (P) was used as the dopant, and the dose amount was 5.0 × 10 13 cm −2 . The p collector region 9 was formed using boron as a dopant, with a dose of 3.0 × 10 13 cm −2 and an acceleration voltage of 40 keV. For the formation of the n + high concentration region 10, phosphorus was used as a dopant, the dose amount was 5.0 × 10 15 cm −2 , and the acceleration voltage was 80 keV. The shape of the resist hole was circular, and its area was 1.2 mm 2 which is 2% of the area of the active region. The irradiation energy density of laser annealing performed on the p collector region 9 and the n + high concentration region 10 was 2 J / cm 2 . As the collector electrode 13, a titanium film, a nickel film, and a gold film were laminated in this order.

上述した実施例1(RC−IGBT)と、トレンチFS−IGBTとPiNダイオードとを別々の半導体基板に作製した従来の半導体装置の電流−電圧特性を比較した。図9は、実施の形態1にかかる半導体装置のIGBT動作時の電流−電圧特性を示す特性図である。また、図10は、実施の形態1にかかる半導体装置のFWD動作時の電流−電圧特性を示す特性図である。図9に示す実施例1の結果は、実施例1においてIGBT101の動作時のオン電圧を測定している。図10に示す実施例1の結果は、実施例1においてPiNダイオード102の動作時のオン電圧を測定している。実施例1の定格電圧および定格電流は、それぞれ1200Vおよび75Aである。なお、従来のトレンチFS−IGBTは、低オン電圧特性および高速スイッチング特性を同時に実現させた設計とした。従来のPiNダイオードは、低オン電圧特性および高速スイッチング特性を同時に実現させた設計とした。   The current-voltage characteristics of the above-described conventional semiconductor device in which the first embodiment (RC-IGBT), the trench FS-IGBT, and the PiN diode were formed on different semiconductor substrates were compared. FIG. 9 is a characteristic diagram showing a current-voltage characteristic during the IGBT operation of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 10 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics during the FWD operation of the semiconductor device according to the first embodiment. As a result of Example 1 shown in FIG. 9, the on-voltage during operation of the IGBT 101 in Example 1 is measured. As a result of Example 1 shown in FIG. 10, the on-voltage during operation of the PiN diode 102 in Example 1 is measured. The rated voltage and rated current of Example 1 are 1200 V and 75 A, respectively. Note that the conventional trench FS-IGBT was designed to simultaneously realize low on-voltage characteristics and high-speed switching characteristics. The conventional PiN diode is designed to realize low on-voltage characteristics and high-speed switching characteristics at the same time.

図9および図10に示す結果より、75Aの電流が流れた時の、実施例1のIGBT101動作時およびPiNダイオード102動作時のオン電圧は、それぞれ1.55Vおよび1.47Vであることがわかる。それに対して、従来のトレンチFS−IGBTおよび従来のPiNダイオードのオン電圧は、それぞれ1.96Vおよび1.80Vであることがわかる。これにより、実施例1では、従来のトレンチFS−IGBTおよび従来のPiNダイオードに比べて、オン電圧を低減できることがわかった。なお、このときの実施例1の電流密度は125A/cm2となる。 From the results shown in FIGS. 9 and 10, it can be seen that the on-state voltages when the IGBT 101 and the PiN diode 102 of Example 1 are operating when a current of 75 A flows are 1.55 V and 1.47 V, respectively. . In contrast, it can be seen that the on-voltages of the conventional trench FS-IGBT and the conventional PiN diode are 1.96V and 1.80V, respectively. Thereby, in Example 1, it turned out that ON voltage can be reduced compared with the conventional trench FS-IGBT and the conventional PiN diode. At this time, the current density of Example 1 is 125 A / cm 2 .

さらに、上述した従来のトレンチFS−IGBTおよびPiNダイオードを低オン電圧特性のみを実現させた設計とし、図9および図10に示す測定と同様に、電流−電圧特性を測定した。その結果、トレンチFS−IGBTおよびPiNダイオードのオン電圧は、それぞれ1.52Vおよび1.41Vとなった。つまり、実施例1は、低オン電圧特性のみを実現させた設計のトレンチFS−IGBTおよびPiNダイオードとほぼ同様のオン電圧を得ることができることがわかった。これにより、実施例1では、低オン電圧特性のみを特化した従来のスイッチング素子とほぼ同様の低オン電圧特性を実現することができることがわかった。また、実施例1では、IGBT101およびPiNダイオード102を同一の半導体基板に作製することで、別の半導体基板に作製された従来のスイッチング素子よりも小型化を図ることができる。   Further, the conventional trench FS-IGBT and PiN diode described above were designed to realize only the low on-voltage characteristics, and the current-voltage characteristics were measured in the same manner as the measurements shown in FIGS. As a result, the on-voltages of the trench FS-IGBT and the PiN diode were 1.52V and 1.41V, respectively. In other words, it was found that Example 1 can obtain substantially the same on-voltage as the trench FS-IGBT and PiN diode designed to realize only the low on-voltage characteristics. As a result, it was found that in Example 1, the low on-voltage characteristics almost the same as those of the conventional switching element specialized only in the low on-voltage characteristics can be realized. Further, in the first embodiment, the IGBT 101 and the PiN diode 102 are manufactured on the same semiconductor substrate, so that the size can be reduced as compared with the conventional switching element manufactured on another semiconductor substrate.

また、実施例1においてn+高濃度領域10の形成位置のみを変更した半導体装置(以下、実施例1の比較例とする)の電流−電圧特性を測定した。実施例1の比較例は、n+高濃度領域10を形成するに際し、レジスト穴の位置を、n+エミッタ領域6を有する第2のチャネル領域3の中央部に対応する位置からIGBT101の形成領域側に2mm程ずらしている。その結果、実施例1の比較例では、IGBT101動作時のオン電圧が2.01Vとなった。PiNダイオード102動作時のオン電圧は、実施例1とほぼ同様の結果となった。この結果より、実施例1では、n+高濃度領域10をPiNダイオード102の形成領域の中央部に設けることで、IGBT101動作時のオン電圧を従来の半導体スイッチと同様に維持することができることがわかった。その理由は、IGBT101動作時において、半導体装置表面から供給される電子電流がn+高濃度領域10に集中し、pコレクタ領域9からの少数キャリアの注入が容易に生じるからであると推測される。 In addition, the current-voltage characteristics of a semiconductor device (hereinafter, referred to as a comparative example of Example 1) in which only the formation position of the n + high concentration region 10 was changed in Example 1 were measured. In the comparative example of Example 1, in forming the n + high concentration region 10, the position of the resist hole is changed from the position corresponding to the central portion of the second channel region 3 having the n + emitter region 6. It is shifted about 2mm to the side. As a result, in the comparative example of Example 1, the on-voltage during the operation of the IGBT 101 was 2.01V. The on-state voltage during the operation of the PiN diode 102 was almost the same as in Example 1. From this result, in Example 1, by providing the n + high concentration region 10 in the central portion of the formation region of the PiN diode 102, the on-voltage during the operation of the IGBT 101 can be maintained as in the conventional semiconductor switch. all right. The reason is presumed that the electron current supplied from the surface of the semiconductor device is concentrated in the n + high concentration region 10 during the operation of the IGBT 101 and minority carrier injection from the p collector region 9 easily occurs. .

さらに、実施例1においてn+高濃度領域10の面積を変化させて電流−電圧特性を測定した。図11は、実施の形態1にかかる半導体装置のFWDのカソード領域の面積変化に対する電流−電圧特性を示す特性図である。図11では、活性領域の面積に対するn+高濃度領域10の面積の比率の変化による、IGBT101動作時のオン電圧およびPiNダイオード102動作時のオン電圧を示している。図11に示す結果より、n+高濃度領域10の面積が増えるほど、IGBT101動作時のオン電圧が増大し、PiNダイオード102動作時のオン電圧は低減していることがわかる。また、活性領域の面積に対するn+高濃度領域10の面積の比率が2%以上40%以下の範囲Aにおいて、実施例1のIGBT101動作時およびPiNダイオード102動作時ともに、低オン電圧特性を維持していることがわかる。 Furthermore, the current-voltage characteristics were measured by changing the area of the n + high concentration region 10 in Example 1. FIG. 11 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics with respect to changes in the area of the cathode region of the FWD of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 11 shows the on-voltage during operation of the IGBT 101 and the on-voltage during operation of the PiN diode 102 due to a change in the ratio of the area of the n + high concentration region 10 to the area of the active region. From the results shown in FIG. 11, it can be seen that as the area of the n + high concentration region 10 increases, the on-voltage during the operation of the IGBT 101 increases and the on-voltage during the operation of the PiN diode 102 decreases. Further, in the range A where the ratio of the area of the n + high concentration region 10 to the area of the active region is 2% or more and 40% or less, the low on-voltage characteristics are maintained during both the IGBT 101 operation and the PiN diode 102 operation of the first embodiment. You can see that

(実施例2)
また、実施例1において、トレンチ11に囲まれた各第1のチャネル領域2に第1のコンタクト部21を複数箇所形成した半導体装置(以下、実施例2とする)における電流−電圧特性を測定した。図12は、実施の形態2にかかる半導体装置の電流−電圧特性を示す特性図である。図12では、第1のコンタクト部21の形成個数の変化による、IGBT101動作時のオン電圧およびPiNダイオード102動作時のオン電圧を示している。図12に示す結果より、第1のコンタクト部21を設けていない、すなわち第1のチャネル領域2が電気的に浮いている場合、PiNダイオード102動作時のオン電圧が2.25Vとなることがわかった。このとき、IGBT101動作時のオン電圧は、従来のスイッチング素子と同様の低オン抵抗特性を維持している。これにより、第1のコンタクト部21を少なくとも1箇所設け、第1のチャネル領域2とエミッタ電極7とを電気的に接続させる必要があることがわかった。
(Example 2)
In Example 1, the current-voltage characteristics of a semiconductor device (hereinafter referred to as Example 2) in which a plurality of first contact portions 21 are formed in each first channel region 2 surrounded by the trench 11 are measured. did. FIG. 12 is a characteristic diagram illustrating current-voltage characteristics of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 12 shows the on-voltage during the operation of the IGBT 101 and the on-voltage during the operation of the PiN diode 102 due to a change in the number of formed first contact portions 21. From the results shown in FIG. 12, when the first contact portion 21 is not provided, that is, when the first channel region 2 is electrically floating, the ON voltage when the PiN diode 102 is operated may be 2.25V. all right. At this time, the on-voltage during operation of the IGBT 101 maintains the same low on-resistance characteristics as the conventional switching element. Accordingly, it has been found that it is necessary to provide at least one first contact portion 21 and to electrically connect the first channel region 2 and the emitter electrode 7.

また、第1のコンタクト部21を5箇所以上設けた場合、IGBT101動作時のオン電圧が2.32V以上になることがわかった。その理由は、次に示すとおりである。例えば、実施例2において第1のチャネル領域2と第2のチャネル領域3が分離されていない場合の半導体装置(以下、実施例2の比較例とする)を例にして説明する。図13は、実施の形態2にかかる半導体装置の比較例の一例を示す平面図である。実施例2の比較例では、第1のコンタクト部21を設けていない場合においても、IGBT動作時のオン電圧が2.2Vとなってしまう。これは、半導体装置内部において、第1のチャネル領域2が、第2のチャネル領域3を介してエミッタ電極7の全面と接続されてしまうことにより、第1のチャネル領域2に表面キャリアを留めることができなくなるからである。これにより、第1のチャネル領域2とエミッタ電極7との接続面積を大きくし過ぎると、IGBT動作時のオン電圧が増大してしまうことがわかった。   Further, it was found that when the first contact portion 21 is provided at five or more locations, the on-voltage during the operation of the IGBT 101 is 2.32 V or more. The reason is as follows. For example, a semiconductor device when the first channel region 2 and the second channel region 3 are not separated in the second embodiment (hereinafter referred to as a comparative example of the second embodiment) will be described as an example. FIG. 13 is a plan view illustrating an example of a comparative example of the semiconductor device according to the second embodiment. In the comparative example of Example 2, even when the first contact portion 21 is not provided, the on-voltage during the IGBT operation becomes 2.2V. This is because the first channel region 2 is connected to the entire surface of the emitter electrode 7 through the second channel region 3 in the semiconductor device, thereby retaining surface carriers in the first channel region 2. It is because it becomes impossible. Accordingly, it has been found that if the connection area between the first channel region 2 and the emitter electrode 7 is excessively increased, the on-voltage during the IGBT operation increases.

なお、本発明では、第1のチャネル領域2の幅および第2のチャネル領域3の幅をそれぞれ16μmおよび4μmとした半導体装置について記載しているが、第1のチャネル領域2の幅および第2のチャネル領域3の幅を、それぞれ20μmおよび4μmとした半導体装置、もしくは、それぞれ25μmおよび5μmとした半導体装置としても同様の効果を得ることができる。つまり、第1のチャネル領域2の幅が第2のチャネル領域3の幅よりも広ければ、同様の効果が得られる。   Although the present invention describes a semiconductor device in which the width of the first channel region 2 and the width of the second channel region 3 are 16 μm and 4 μm, respectively, the width of the first channel region 2 and the second channel region 2 are described. The same effect can be obtained also in a semiconductor device in which the width of the channel region 3 is 20 μm and 4 μm, respectively, or a semiconductor device in which the width is 25 μm and 5 μm, respectively. That is, the same effect can be obtained if the width of the first channel region 2 is wider than the width of the second channel region 3.

以上において本発明では、磁気エネルギー回生回路を例に説明しているが、上述した実施の形態に限らず、さまざまな構成の回路に適用することが可能である。   In the above description, the magnetic energy regeneration circuit has been described as an example in the present invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to circuits having various configurations.

以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力変換装置に使用されるパワー半導体装置に有用である。   As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for a power semiconductor device used in a power conversion device.

実施の形態1にかかる半導体装置を用いた回路図である。1 is a circuit diagram using a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置を示す平面図である。1 is a plan view showing a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置のIGBT動作時の電流−電圧特性を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics during the IGBT operation of the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置のFWD動作時の電流−電圧特性を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics during FWD operation of the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置のFWDのカソード領域の面積変化に対する電流−電圧特性を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics with respect to an area change of the cathode region of the FWD of the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態2にかかる半導体装置の電流−電圧特性を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics of a semiconductor device according to a second embodiment; 実施の形態2にかかる半導体装置の比較例の一例を示す平面図である。7 is a plan view illustrating an example of a comparative example of a semiconductor device according to a second embodiment; FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 n-支持基板
2 チャネル領域(第1)
3 チャネル領域(第2)
4 pチャネル領域
5 ゲート電極
6 n+エミッタ領域
7 エミッタ電極
8 フィールドストップ領域
9 pコレクタ領域
10 n+高濃度領域
11 トレンチ
12 ゲート絶縁膜
13 コレクタ電極
100 半導体装置
101 IGBT
102 PiNダイオード
1 n - supporting board 2 channel region (first)
3 channel region (second)
4 p channel region 5 gate electrode 6 n + emitter region 7 emitter electrode 8 field stop region 9 p collector region 10 n + high concentration region 11 trench 12 gate insulating film 13 collector electrode 100 semiconductor device 101 IGBT
102 PiN diode

Claims (1)

交流電源と誘導性負荷の間に直列に接続され、前記誘導性負荷に供給される電力を制御する電力変換装置を構成する半導体装置において、
前記電力変換装置は、複数の逆導通半導体スイッチで構成されたブリッジ回路、および前記ブリッジ回路の直流端子間に接続されたコンデンサを有する磁気エネルギー回生回路を有し、
前記磁気エネルギー回生回路を構成する前記逆導通半導体スイッチの少なくとも1つが、ダイオードを一体的に内蔵する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであり、かつ前記ダイオードの順方向と前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの順方向が逆向きになるように接続されており、
前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、
第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板のおもて面の表面層に設けられた第2導電型のチャネル領域と、
前記チャネル領域を貫通し前記半導体基板に達するように設けられたトレンチと、
前記トレンチの内部に、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記チャネル領域の表面層の一部に、前記トレンチに接して設けられた第1導電型のエミッタ領域と、
前記エミッタ領域に接するエミッタ電極と、
前記半導体基板の裏面側に設けられた、前記半導体基板よりも低抵抗の第1導電型のフィールドストップ領域と、
前記半導体基板の裏面側の、前記フィールドストップ領域よりも浅い位置に設けられた第2導電型のコレクタ領域と、を有し、
前記ダイオードは、
前記チャネル領域と、
前記フィールドストップ領域と、
前記コレクタ領域の一部に、前記コレクタ領域を深さ方向に貫通するように設けられた、前記フィールドストップ領域よりも不純物濃度の高い第1導電型の高濃度領域と、を有し、
前記高濃度領域は、前記第2のチャネル領域の中央部と対向する領域に形成され、前記半導体基板の裏面における前記高濃度領域の表面積は、前記半導体基板の電流が流れる活性領域の面積の2%以上40%以下であり、
前記チャネル領域は、前記トレンチによって、第1のチャネル領域と、前記エミッタ領域および前記エミッタ電極と接する第2のチャネル領域とに分けられ、
前記半導体基板のおもて面における前記第1のチャネル領域の表面積は、前記半導体基板のおもて面における前記第2のチャネル領域の表面積よりも広く形成され、
前記第1のチャネル領域の表面の一部には、前記第1のチャネル領域と前記エミッタ電極とが接する面積を制御するエミッタコンタクト部を複数箇所有することを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device that constitutes a power conversion device that is connected in series between an AC power supply and an inductive load and controls the power supplied to the inductive load,
The power conversion device has a magnetic energy regeneration circuit having a bridge circuit composed of a plurality of reverse conducting semiconductor switches, and a capacitor connected between DC terminals of the bridge circuit,
At least one of the reverse conducting semiconductor switches constituting the magnetic energy regeneration circuit is an insulated gate bipolar transistor having a diode integrated therein, and the forward direction of the diode and the forward direction of the insulated gate bipolar transistor are Connected in the opposite direction,
The insulated gate bipolar transistor is:
A first conductivity type semiconductor substrate;
A channel region of a second conductivity type provided in the surface layer of the front surface of the semiconductor substrate;
A trench provided so as to penetrate the channel region and reach the semiconductor substrate;
A gate electrode provided inside the trench via a gate insulating film;
A first conductivity type emitter region provided in contact with the trench in a part of a surface layer of the channel region;
An emitter electrode in contact with the emitter region;
A first conductivity type field stop region having a lower resistance than the semiconductor substrate, provided on the back side of the semiconductor substrate;
A second conductivity type collector region provided at a position shallower than the field stop region on the back surface side of the semiconductor substrate;
The diode is
The channel region;
The field stop region;
A high concentration region of a first conductivity type having a higher impurity concentration than the field stop region provided in a part of the collector region so as to penetrate the collector region in the depth direction;
The high concentration region is formed in a region facing the central portion of the second channel region, and the surface area of the high concentration region on the back surface of the semiconductor substrate is 2 times the area of the active region through which the current of the semiconductor substrate flows. % To 40%,
The channel region is divided by the trench into a first channel region and a second channel region in contact with the emitter region and the emitter electrode,
The surface area of the first channel region on the front surface of the semiconductor substrate is formed wider than the surface area of the second channel region on the front surface of the semiconductor substrate,
A semiconductor device comprising a plurality of emitter contact portions for controlling an area where the first channel region and the emitter electrode are in contact with each other on a part of the surface of the first channel region.
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