JP6391863B2 - トレンチmos型半導体装置 - Google Patents
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Description
Enhanced Gate Transistor)がある。IEGTは、ドリフト層におけるエミッタ側でのホールの蓄積密度を高めてオン電圧を低減するIE効果(Injection Enhancement効果)を有するトレンチMOSゲート構造を備えたIGBTである(例えば、特許文献7)。IEGTの具体的な例は、例えば、図10に示すように、IE効果を奏するために、エミッタ電極107に対して、絶縁膜108で隔てられ主面に平行な方向ではトレンチ104で電気的に絶縁され主電流の流れないフローティング領域102−2を設けた構造のトレンチゲート型IGBTがある。このIEGT300はトレンチゲート型IGBTのオン電圧をさらに低減するための構造として知られている。
メイン半導体素子部とセンス半導体素子部とを有するトレンチMOS型半導体装置であって、
前記メイン半導体素子部と前記センス半導体素子部とは、それぞれ、半導体基板の一面側にトレンチよりも浅く形成された第2導電型のチャネル領域と、該チャネル領域の表層に設けられた第1導電型のエミッタ領域と、エミッタ電極と、を有し、
前記メイン半導体素子部のうち最もセンス半導体素子部側のトレンチと前記センス半導体素子部のうち最もメイン半導体素子部側のトレンチとの間に、該トレンチよりも深い第2導電型のウェル領域を含む分離構造が設けられていて、
前記分離構造は、前記ウェル領域の上側に第1絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、前記メイン半導体素子部のエミッタ電極と前記センス半導体素子部のエミッタ電極との間に介在する第2絶縁膜とを含み、
前記メイン半導体素子部のうち最もセンス半導体素子部側のトレンチと前記ゲート電極との間および前記センス半導体素子部のうち最もメイン半導体素子部側のトレンチと前記ゲート電極との間に前記エミッタ電極を前記ウェル領域内に接続するコンタクトが設けられていて、該ウェル領域は前記ゲート電極に隣接する前記コンタクトの該ゲート電極から離間した側の端部を越えて前記メイン半導体素子部側及び前記センス半導体素子部側まで延びている
トレンチMOS型半導体装置とする。
以上の説明により、本発明にかかるメインIGBT21とセンスIGBT22を有するIGBT20は、IGBT20のターンオン時に、センスIGBT22が、メインIGBT21よりも先にターンオンするよう、帰還容量を低減した構造を有することが特徴である。その具体的な構造としては、ゲート電極7がゲート絶縁膜6を介して半導体基板に接する面積を低減するため、センスIGBT22にのみ、並列トレンチ5間の半導体基板の全てp型チャネル領域3aを設ける。このような構造にすることで、センスIGBT22にのみ帰還容量を低減することができる。ただし、IE効果も減ってしまうので、センスIGBT22のみ、オン電圧が上昇してしまうが、センスIGBT22の活性領域面積がメインIGBT21の活性領域面積に比べて数百〜1万分の1と小さいので、実質的な影響はない。
本発明は、前記課題を解消してその目的を達成するために、
同一の第1導電型半導体基板と、
該半導体基板に形成されたメイン半導体素子部と、
該メイン半導体素子部に並列接続され、相対的に面積比の小さい電流検出用センス半導体素子部と、を備え、
前記両半導体素子部が、
前記半導体基板の一面側に形成された第2導電型チャネル領域と、
該チャネル領域の表層に設けられる第1導電型エミッタ領域と、
半導体基板の一面側に並列ストライプ状の平面パターンを有し、前記半導体基板の一面から該エミッタ領域に接して前記チャネル領域の下層の前記半導体基板に達する深さのトレンチと、
該トレンチの内面に絶縁膜を介して充填される導電体と、
該導電体上を覆う層間絶縁膜と、
前記チャネル領域と前記エミッタ領域の表面に共通に接触する主電極とを含むMOSゲート構造と、をそれぞれ備え、
前記メイン半導体素子部では、前記並列ストライプ状トレンチ間の前記半導体基板の表層に、複数の前記ユニットセルが、前記トレンチ間の長手方向には前記半導体基板表面を挟んで交互に繰り返すとともに、前記トレンチの幅方向では該トレンチを挟んで対角上に配置される市松模様状に平面配置され、
前記電流検出用のセンス半導体素子部では、前記並列ストライプ状トレンチ間の前記半導体基板の全面に設けられる第2導電型の第2のチャネル領域を有し、
該第2のチャネル領域を挟んで複数の前記ユニットセルが交互に繰り返す構造を有していることを特徴とするトレンチMOS型半導体装置とする。
センス半導体素子部のユニットセルの密度をメイン半導体素子部のユニットセルの密度より高くした構造を有することが好ましい。
メイン半導体素子部とセンス半導体素子部の活性領域面積比が100〜10000であることが好適である。
センス半導体素子部領域を取り囲むように、
メイン半導体素子部のエミッタ電極に接続される第2導電型ウェル領域と、
センス半導体素子部のエミッタ電極に接続される第2導電型ウェル領域と、を備えることが望ましい。
前記メイン半導体素子部と前記センス半導体素子部が離間する離間部を有し、
該離間部の前記半導体基板の一面側は前記半導体基板が露出することが好ましい。
前記離間部の長さが25μm以上30μm以下であることが好ましい。
トレンチMOS型半導体装置を絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたは電界効果型トランジスタとすることができる。
前述の構成とすることにより、IGBTのターンオン時に、センスIGBTの帰還容量が小さくなるので、センスIGBTがメインIGBTよりも先にターンオンする。また、構造上、ゲート電極と酸化膜を介して半導体基板が接する面積を低減するため、センスIGBT部のみ、並列ストライプ状トレンチ間の半導体基板全面にp型チャネル領域を設ける。このような構成とすることにより、センスIGBT部のみ帰還容量を低減することができる。
本発明によれば、オン電圧を大きくすることなく、過電流保護回路の誤動作を防ぐと共に、短絡耐量を抑えることができ、スイッチング損失をより低減することのできるトレンチMOS型半導体装置を提供することができる。
1a n+フィールドストップ層
2 p型コレクタ層
3a p型チャネル領域
4 n+型エミッタ領域
5 並列トレンチ
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 層間絶縁膜
9、9a、9b エミッタ電極
10 コレクタ電極
11 等電位面
12 p+コンタクト領域
13 等電位面
14 開口部
15 ユニットセル
20 IGBT
21 メインIGBT
22 センスIGBT
23 センス抵抗
24 ツェナーダイオード
25 MOSFET
30 過電流保護回路
31、32 pウェル領域
50 IGBT
60 プレーナー状のゲート電極
61 絶縁膜
62 分離構造
100 IGBT
102−2 フローティング領域
110 トレンチMOSゲート領域
200 トレンチゲート型IGBT
300 IEGT
Im メイン電流
Is センス電流
Igs 変位電流
Claims (8)
- メイン半導体素子部とセンス半導体素子部とを有するトレンチMOS型半導体装置であって、
前記メイン半導体素子部と前記センス半導体素子部とは、それぞれ、半導体基板の一面側にトレンチよりも浅く形成された第2導電型のチャネル領域と、該チャネル領域の表層に設けられた第1導電型のエミッタ領域と、エミッタ電極と、を有し、
前記メイン半導体素子部のうち最もセンス半導体素子部側のトレンチと前記センス半導体素子部のうち最もメイン半導体素子部側のトレンチとの間に、該トレンチよりも深い第2導電型のウェル領域を含む分離構造が設けられていて、
前記分離構造は、前記ウェル領域の上側に第1絶縁膜を挟んで設けられたゲート電極と、前記メイン半導体素子部のエミッタ電極と前記センス半導体素子部のエミッタ電極との間に介在する第2絶縁膜とを含み、
前記メイン半導体素子部のうち最もセンス半導体素子部側のトレンチと前記ゲート電極との間および前記センス半導体素子部のうち最もメイン半導体素子部側のトレンチと前記ゲート電極との間に前記エミッタ電極を前記ウェル領域内に接続するコンタクトが設けられていて、該ウェル領域は前記ゲート電極に隣接する前記コンタクトの該ゲート電極から離間した側の端部を越えて前記メイン半導体素子部側及び前記センス半導体素子部側まで延びている
トレンチMOS型半導体装置。 - 前記センス半導体素子部は、前記ウェル領域によって取り囲まれている
請求項1に記載のトレンチMOS型半導体装置。 - 前記メイン半導体素子部のうち最もセンス半導体素子部側のトレンチおよび前記センス半導体素子部のうち最もメイン半導体素子部側のトレンチは、前記ウェル領域の内側に位置する
請求項1または2に記載のトレンチMOS型半導体装置。 - 前記メイン半導体素子部の前記エミッタ領域と前記センス半導体素子部の前記エミッタ領域とが、同じ平面配置である
請求項1から3のいずれか1項に記載のトレンチMOS型半導体装置。 - 前記センス半導体素子部では、前記トレンチの長手方向における並列ストライプ状のトレンチ間にわたって前記チャネル領域が設けられている
請求項1から4のいずれか1項に記載のトレンチMOS型半導体装置。 - 前記メイン半導体素子部と前記センス半導体素子部とは、前記トレンチの長手方向における並列ストライプ状のトレンチ間の表面パターンに差異を有する
請求項1から5のいずれか1項に記載のトレンチMOS型半導体装置。 - 前記センス半導体素子部の帰還容量が、前記メイン半導体素子部の帰還容量よりも小さい
請求項1から6のいずれか1項に記載のトレンチMOS型半導体装置。 - 前記メイン半導体素子部と前記センス半導体素子部の活性領域の面積比が100〜10000である
請求項1から7のいずれか1項に記載のトレンチMOS型半導体装置。
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