JP6557925B2 - Semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element Download PDF

Info

Publication number
JP6557925B2
JP6557925B2 JP2016078190A JP2016078190A JP6557925B2 JP 6557925 B2 JP6557925 B2 JP 6557925B2 JP 2016078190 A JP2016078190 A JP 2016078190A JP 2016078190 A JP2016078190 A JP 2016078190A JP 6557925 B2 JP6557925 B2 JP 6557925B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
layer
region
collector
conductivity type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016078190A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017108097A (en
Inventor
良孝 菅原
良孝 菅原
Original Assignee
良孝 菅原
良孝 菅原
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 良孝 菅原, 良孝 菅原 filed Critical 良孝 菅原
Publication of JP2017108097A publication Critical patent/JP2017108097A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6557925B2 publication Critical patent/JP6557925B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Thyristors (AREA)

Description

本発明は、パワー半導体素子に係わり、特にバイポーラ特性と逆導通特性を有する高性能の半導体素子に関する。   The present invention relates to a power semiconductor element, and more particularly to a high-performance semiconductor element having bipolar characteristics and reverse conduction characteristics.

現在、電力変換装置用途にはパワー半導体素子として、小電力用途ではもっぱらシリコン(Si)を材料としたSi−MOSFETやSi−BJT(バイポーラトランジスタ)が、中電力から大電力用途ではもっぱらSi−IGBTやSi−GTO(ゲートターンオフサイリスタ)が用いられている。また近年、半導体材料としては、炭化珪素(SiC)やガリウムナイトライド(GaN)などのSiよりもバンドギャップ゜の広いワイドギャップ半導体材料がSiよりも高耐圧低損失用途に適した半導体材料として注目されている。例えば、SiCは、Siに比べて絶縁破壊電界強度が約10倍高いという優れた特性を有しており、この結果、構造がほぼ同じ場合、Si−MOSFETに比べて原理的に約10倍の高耐圧もしくは約1/1000の超低損失を有するSiC−MOSFETを実現できると期待されている。この結果、中電力および大電力用途においてSi−IGBTに代わってSiC−MOSFETやSiC−BJT、SiC−JFET(ジャンクションFET)を用いて大幅な省電力化を図る動向にある。更に、電力事業用の超大電力用途において大幅な省電力化を図る点から超高耐圧・大電流SiC−IGBTやSiC−GTOも検討が進められている。 At present, Si-MOSFETs and Si-BJTs (bipolar transistors) made of silicon (Si) are mainly used as power semiconductor elements for power converters, and Si-IGBTs for medium to high power applications. Si-GTO (gate turn-off thyristor) is used. In recent years, wide-gap semiconductor materials having a wider band gap than Si, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), have attracted attention as semiconductor materials suitable for high voltage and low loss applications. Has been. For example, SiC has an excellent characteristic that the dielectric breakdown electric field strength is about 10 times higher than that of Si. As a result, when the structure is almost the same, in principle, about 10 times that of Si-MOSFET. It is expected that a SiC-MOSFET having a high breakdown voltage or an ultra-low loss of about 1/1000 can be realized. As a result, in medium power and high power applications, SiC-MOSFETs, SiC-BJTs, SiC-JFETs (junction FETs) are used instead of Si-IGBTs, and there is a trend to achieve significant power savings. Furthermore, ultra-high withstand voltage and large current SiC-IGBT and SiC-GTO are also being studied from the viewpoint of achieving significant power saving in ultra-high power applications for the power business.

一般にオン状態では、MOSFETやBJT、JFETは順方向電圧印加時に零ボルト付近から順方向電流を流すことができるが、GTO等のサイリスタ類やIGBTはコレクタやアノード電圧がビルトイン電圧(Siでは約0.7V、SiCでは約2.7V)以上にならないと順方向電流を流すことができないので、ビルトイン電圧付近の低電圧領域ではMOSFET等の方が著しくオン損失が小さく且つスイッチング速度も速いのでスイッチング損失も小さく、従ってトータル損失が小さい。しかし、線形領域でのオン抵抗がほぼ一定であるため電力変換装置の過負荷動作時に大電流を流すとオン電圧が大きくなり発熱が著しく増大し素子が損傷するので、過負荷耐量が低いという欠点がある。
一方、IGBTやサイリスタ類はビルトイン電圧を超えると導電率変調効果によりオン抵抗が激減するので、順方向電圧が3〜5V以上ではMOSFET等よりも損失が大幅に小さくなる。従って、電力変換装置の過負荷動作時に同等の大電流を流しても損失を小さくできるので、過負荷耐量を高くできる。しかし、MOSFET等に比べてスイッチング速度は遅いので、スイッチング損失が大きいという欠点も免れられないので、低オン電圧例えば5V付近以下ではトータル損失が大きいという欠点がある。
In general, MOSFETs, BJTs, and JFETs can flow forward current from around zero volts when forward voltage is applied, but thyristors such as GTO and IGBTs have built-in voltages (about 0 for Si and collector and anode voltages). Since forward current cannot flow unless the voltage is about 2.7 V or more for .7V and SiC, MOSFETs have significantly lower on-loss and faster switching speed in the low-voltage region near the built-in voltage. Therefore, the total loss is small. However, since the on-resistance in the linear region is almost constant, if a large current is passed during overload operation of the power converter, the on-voltage increases, the heat generation increases significantly, and the element is damaged. There is.
On the other hand, when the IGBT or thyristor exceeds the built-in voltage, the on-resistance is drastically reduced due to the conductivity modulation effect. Therefore, when the forward voltage is 3 to 5 V or more, the loss is significantly smaller than that of the MOSFET or the like. Accordingly, the loss can be reduced even when an equivalent large current is passed during the overload operation of the power conversion device, so that the overload capability can be increased. However, since the switching speed is slower than that of a MOSFET or the like, the disadvantage that the switching loss is large is unavoidable. Therefore, there is a disadvantage that the total loss is large at a low on-voltage, for example, below 5V.

これらの素子特性の改善を図るために、近年、バイポーラ特性と逆電圧に対する阻止能力がないいわゆる逆導通特性とをもつ半導体素子による改善検討が進められている。以下ではこれらの半導体素子を総称してバイポーラ逆導通半導体素子と記述する。バイポーラ逆導通半導体素子の改善検討例としては、例えばバイポーラ特性を有するSi−IGBTを逆導通素子構造にしてターンオフ速度を短くしてスイッチング損失を低減しトータル損失を低減する改善例がある。その代表的な例として、図8に示す従来例1や図9に示す従来例2のSi逆導通IGBTの開発例があり、各々非特許文献1や2に開示されている。類似した試みはGTOにおいてもなされており、種々の逆導通GTOが開発されている。 In order to improve these device characteristics, in recent years, improvement studies using semiconductor devices having bipolar characteristics and so-called reverse conduction characteristics that do not have a blocking ability against reverse voltage have been promoted. Hereinafter, these semiconductor elements are collectively referred to as bipolar reverse conducting semiconductor elements. As an example of studying improvement of a bipolar reverse conducting semiconductor element, there is an improvement example in which, for example, a Si-IGBT having a bipolar characteristic is made into a reverse conducting element structure, the turn-off speed is shortened, the switching loss is reduced, and the total loss is reduced. As typical examples, there are development examples of the Si reverse conducting IGBT of Conventional Example 1 shown in FIG. 8 and Conventional Example 2 shown in FIG. 9, which are disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2, respectively. Similar attempts have been made in the GTO, and various reverse conducting GTOs have been developed.

従来例1の短絡コレクタSi−IGBTではnドリフト層がpコレクタ層に設けたn短絡部によりコレクタ電極に短絡されており、ターンオフ時にnドリフト層内のキャリアをこのn短絡部を介して排除することによりターンオフ時間を短くし損失の低減を図っている。
従来例2のSi逆導通IGBTは、逆導通Si−IGBT領域とパイロットIGBT領域とから構成されている。Si逆導通IGBT領域には従来例1と同様にnドリフト層がpコレクタ層に設けたn短絡部によりコレクタ電極に短絡されており、ターンオフ時にnドリフト層内のキャリアをこのn短絡部を介して排除することによりターンオフ時間を短くし損失の低減を図っている。しかし従来の逆導通IGBTにはオンする際に負性抵抗が出現するスナップバック現象が生じ、この素子を適用した回路動作の擾乱をおこし、場合によっては素子や回路の損傷や破壊に至るという問題があった。従来例2ではパイロットIGBT領域を設け、このコレクタの幅を逆導通IGBT領域のコレクタの幅よりも大幅に大きくし、パイロットIGBT領域が逆導通IGBT領域に先駆けてオンするようにしてスナップバック現象を抑制している。
In the short-circuit collector Si-IGBT of the conventional example 1, the n drift layer is short-circuited to the collector electrode by the n + short circuit provided in the p collector layer, and the carrier in the n drift layer is connected to the n + short circuit at the time of turn-off. Therefore, the turn-off time is shortened and the loss is reduced.
The Si reverse conducting IGBT of Conventional Example 2 is composed of a reverse conducting Si-IGBT region and a pilot IGBT region. In the Si reverse conducting IGBT region, the n drift layer is short-circuited to the collector electrode by the n + short-circuit portion provided in the p collector layer as in the conventional example 1, and the carriers in the n drift layer at the time of turn-off are the n + short-circuit portion. By eliminating this, the turn-off time is shortened and loss is reduced. However, a conventional reverse conducting IGBT has a snapback phenomenon in which a negative resistance appears when it is turned on. This causes a disturbance in circuit operation to which this element is applied, possibly leading to damage or destruction of the element or circuit. was there. In Conventional Example 2, a pilot IGBT region is provided, and the width of this collector is made larger than the width of the collector of the reverse conducting IGBT region, so that the pilot IGBT region is turned on prior to the reverse conducting IGBT region, and the snapback phenomenon is caused. Suppressed.

なお、これらの開示されているIGBTは各々特有の名称で呼称されているが、いずれもnドリフト層がn短絡部によりコレクタ電極に短絡されているので逆電圧に対する阻止能力がない素子であり、以下ではいずれも単に逆導通IGBTと記述する。


Each of these disclosed IGBTs is named with a unique name, but any of them is an element that does not have a blocking capability against a reverse voltage because the n drift layer is short-circuited to the collector electrode by the n + short-circuit portion. In the following, both are simply referred to as reverse conducting IGBTs.


ハジメ・アキヤマ (Hajime AKIYAMA)、他5名、イヘクト オブ ショーテドコレクタ オン キャラクタリスティックス オブ IGBTS (EFECTS OF SHORTED COLLECTOR ON CHARACTERISTICS OF IGBTS)、プロシーディングス オブ ザ セカンド インターナショナル シンポジューム オン パワー セミコンダクタ デバイシズ アンド ICs (Proceedings of The 2nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs),1990年4月、p.131−136Hajime AKIYAMA, 5 others, Ict of Shorted Collector on Characters of IGBTS of The 2nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs), April 1990, p. 131-136 リウタウラス ストラスタ (Litauras Storasta),他2名、ア コンパリソン オブ チャージ ダイナミックス イン ザ レヴァースーコンダクテング RCIGBT アンド バイモード インシュレイテド ゲイト トランジスタ BiGT)(A Comparison of charge dynamics in the Reverse−Conducting RCIGBT and Bi−mode Insulated Gate Transistor BiGT)、プロシーディングス オブ ザ トエンテイセカンド インターナショナル シンポジューム オン パワー セミコンダクタ デバイシズ アンド ICs (Proceedings of The 22nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs),2010年6月、p.391−394Liutauras Strasta, 2 others, A Comparison of Charge Dynamics in the Leverth Conducting RCIGBT and Bimode Insulated Gate Transistor (BIG) Insulated Gate Transistor BiGT), Proceedings of the Twenty Second International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (Proceedings of The 22nd International Symposium) ium on Power Semiconductor Devices & ICs), 6 May 2010, p. 391-394

バイポーラ逆導通半導体素子には、典型例として逆導通IGBT、逆導通GTO、逆導通静電誘導サイリスタ、逆導通MCT(MOSコントロールサイリスタ)、逆導通EST(エミッタースイッチサイリスタ)などが含まれる。これらのバイポーラ逆導通半導体素子は、逆導通IGBTのように飽和領域でバイポーラ動作をする第1機能素子部と線形領域でユニポーラ動作をする第2機能素子部から構成される素子と、逆導通GTOのようにバイポーラスイッチング動作をする第1機能素子部と飽和領域でのバイポーラ動作をする第2機能素子部とから構成され且つ融合されている素子に大別される。ここでの融合とは両機能素子部が素子を構成している複数の半導体層や半導体領域、電極等を共有していることを意味する。   Typical examples of the bipolar reverse conducting semiconductor element include a reverse conducting IGBT, a reverse conducting GTO, a reverse conducting electrostatic induction thyristor, a reverse conducting MCT (MOS control thyristor), a reverse conducting EST (emitter switch thyristor), and the like. These bipolar reverse conducting semiconductor elements are composed of a first functional element unit that performs a bipolar operation in a saturation region and a second functional element unit that performs a unipolar operation in a linear region, such as a reverse conducting IGBT, and a reverse conducting GTO. As described above, the first functional element unit that performs a bipolar switching operation and the second functional element unit that performs a bipolar operation in a saturation region are roughly divided into elements that are merged. Here, the fusion means that both functional element portions share a plurality of semiconductor layers, semiconductor regions, electrodes, and the like constituting the element.

ところで、これらの従来のバイポーラ逆導通半導体素子は低オン抵抗と高い機械強度の両立が困難であった。バイポーラ逆導通半導体素子は、一般に素子の一方の主表面のコレクタ電極(またはアノード電極)にコレクタ領域(またはアノード領域)と短絡領域の両方が接続して形成され、また素子の他方の主表面のエミッタ電極(またはカソード電極)にエミッタ領域(またはカソード領域)が接して形成されるので、そのオン抵抗を小さくするためには素子製作用のウエーハの厚さや素子自体の厚さを薄くする必要あり、この結果機械強度が低くなってしまい製作時や実装時の各種応力により損傷してしまう。
一方、製作時の各種応力に耐えるようにウエーハや素子自体の機械強度を高くするには、素子製作用のウエーハの厚さや素子自体の厚さを厚くする必要がある。もちろんこの厚さは製作及び実装プロセスによって異なるが、コスト上昇を伴う特別な対策を施さない場合、通常おおよそ300μm程度以上である。バイポーラ逆導通半導体素子の場合は、上記の従来例の逆導通IGBT素子のように、おもて面にエミッタを、また裏面にコレクタと短絡領域を形成するので、機械強度の点から必要とされるウエーハおよび素子の厚さにするとドリフト層が厚くなってしまう。エミッタとコレクタの厚さは通常10μm以下なので、例えば、残りの約280μm以上がドリフト層となる。約3kV以上の高耐圧素子では電界緩和のためにドリフト層の厚さを280μm程度以上に厚くする必要がある。従って280μm以上のドリフト厚さの場合は、高い機械強度を確保しつつ耐圧に見合う適正なオン抵抗を得ることができる。しかし、例えば自動車や家電機器などのような最も大量の需要がある半導体市場では素子耐圧が中小耐圧、例えば約1.7kV以下であり、耐圧の点から妥当なドリフト厚さは170μm程度以下である。機械強度の点から必要な厚さすなわち約300μmの厚さにすると、差分の120μmのドリフト厚さは無駄にオン抵抗を増大してしまう。
By the way, it is difficult for these conventional bipolar reverse conducting semiconductor elements to achieve both low on-resistance and high mechanical strength. A bipolar reverse conducting semiconductor element is generally formed by connecting both a collector region (or an anode region) and a short-circuit region to a collector electrode (or an anode electrode) on one main surface of the element, and also on the other main surface of the element. Since the emitter region (or cathode region) is formed in contact with the emitter electrode (or cathode electrode), it is necessary to reduce the thickness of the device manufacturing wafer and the device itself in order to reduce the on-resistance. As a result, the mechanical strength is lowered, and it is damaged by various stresses during manufacture and mounting.
On the other hand, in order to increase the mechanical strength of the wafer and the element itself so as to withstand various stresses during manufacture, it is necessary to increase the thickness of the wafer for manufacturing the element and the thickness of the element itself. Of course, this thickness varies depending on the manufacturing and mounting processes, but is usually about 300 μm or more unless special measures are taken with an increase in cost. In the case of a bipolar reverse conducting semiconductor device, an emitter is formed on the front surface and a collector and a short-circuit region are formed on the back surface as in the conventional reverse conducting IGBT device described above. When the thickness of the wafer and the device is increased, the drift layer becomes thicker. Since the thickness of the emitter and the collector is usually 10 μm or less, for example, the remaining approximately 280 μm or more becomes the drift layer. In a high breakdown voltage element of about 3 kV or more, the thickness of the drift layer needs to be increased to about 280 μm or more in order to relax the electric field. Therefore, in the case of the drift thickness of 280 μm or more, it is possible to obtain an appropriate on-resistance corresponding to the withstand voltage while ensuring high mechanical strength. However, in the semiconductor market with the most demand such as automobiles and home appliances, the element withstand voltage is medium to small withstand voltage, for example, about 1.7 kV or less, and a reasonable drift thickness is about 170 μm or less in terms of withstand voltage. . If the thickness is necessary from the viewpoint of mechanical strength, that is, a thickness of about 300 μm, the drift thickness of 120 μm as a difference unnecessarily increases the on-resistance.

SiC−IGBTの場合はSiに比べて絶縁破壊電界強度が約10倍高いので、耐圧に見合うドレイン厚さはSiの場合の約1/10程度となる。一方、機械強度の点から製作時のウエーハの厚さや素子自体の厚さはやはりおおよそ300μm以上が必要とされるので、例えば12kV程度の超高耐圧素子でもドリフト厚さが約120μm程度である。エミッタ領域やコレクタ領域の厚さは通常数μm以下なので、これらを除いた残りの約170μm程度は無駄にオン抵抗を増大してしまう。耐圧が例えば3kV以下と低いSiC素子の場合は、適正なドリフト厚さは約30μm程度以下であり、更に無駄にオン抵抗を増大する半導体部分が約260μm以上と厚くなってしまう。
このように従来技術では、重要の大きい中小耐圧のバイポーラ逆導通半導体素子の低オン抵抗と素子自体もしくは素子製作用ウエーハの高い機械強度との両立が困難であるという第1の課題がある。
In the case of SiC-IGBT, the dielectric breakdown electric field strength is about 10 times higher than that of Si. Therefore, the drain thickness corresponding to the withstand voltage is about 1/10 that of Si. On the other hand, from the viewpoint of mechanical strength, the thickness of the wafer at the time of manufacture and the thickness of the element itself are required to be approximately 300 μm or more. Since the thickness of the emitter region and the collector region is usually several μm or less, the remaining about 170 μm excluding these will unnecessarily increase the on-resistance. In the case of an SiC element having a low withstand voltage of, for example, 3 kV or less, the appropriate drift thickness is about 30 μm or less, and the semiconductor portion that increases the on-resistance unnecessarily becomes thick at about 260 μm or more.
As described above, the prior art has a first problem that it is difficult to achieve both the low on-resistance of the large and small withstand voltage bipolar reverse conducting semiconductor element and the high mechanical strength of the element itself or the element manufacturing wafer.

ところで、電力変換装置に好適なパワー半導体素子において、以下では電力変換装置の定常動作に必要な電流を定常動作電流と定義し、最大の定常動作電流を定格出力電流と定義し、過負荷動作に必要な電流を過負荷電流と定義する。過負荷電流は素子の熱破壊を避けるために素子の絶対最大定格電流以下にする必要があるので、最大過負荷電流はパワー半導体素子の絶対最大定格電流と同義とみなせ、同じ電流値となる。この定格出力電流に対する絶対最大定格電流の倍率を過負荷率と定義しNと表記すると、定格出力電流は(絶対最大定格電流/N)である。
一般にインバータ等の電力変換装置においては、定格出力電流の125%(1.25倍)もしくは150%(1.5倍)の過負荷電流に60秒間耐えることができる過負荷耐量が要求される。このため、そのパワー半導体素子には定格出力電流の1.25倍から1.5倍の絶対最大定格電流を有することが、すなわち、Nが1〜1.5であることが要求されている。現状では1.25〜1.5のNの過負荷に対応するために、単体素子では容易でなく多数の素子やモジュールを並列接続して対応する場合が多く装置が大型化し重くなっている。
しかし、現在社会や今後を展望するとパワー半導体素子には厳しい各種のニーズが多々存在する。例えば、電気自動車などは通常の定速運転中は数十A以下で良いが、障害物を乗越える時やダッシュ時等には格段に大きな出力が必要とされる。同様に風力発電設備でも通常時に比べて強風や突風時に、また将来の作業用自走大型ロボット等でも移動時に比べて作業時には格段に大きな出力が必要とされる。更に大・中容量の無停電電源は通常動作時に比べて瞬低時には短時間、停電時には変電所での系統切り替えが終了するまでの数分間は格段に大きな出力が必要とされる。これらは極力小さい空間に設置され軽量であることが必要とされる。従って、これらのニーズに対応すべきパワー半導体素子には、上記の従来ニーズもカバーする点からNが1〜4程度、好ましくはNが1.5〜4程度必要であり、しかも素子単体か極力少ない素子数のモジュールであることが必須である。最も発熱の多い最大過負荷時すなわち絶対最大定格電流通電時には、冷却能力の制約や限界を考慮すると、熱破壊等を避けるために数V以下の比較的低いオン電圧で速度も速くNが1〜1.5対応の現状素子に比べて1/2.7程度の低損失である必要があり、従って定常運転時には現状以上に低い1/1.5以下の低損失であり、最大1/4程度の格段に低損失であることが必要とされる。
By the way, in a power semiconductor element suitable for a power converter, in the following, the current required for steady operation of the power converter is defined as steady operating current, the maximum steady operating current is defined as rated output current, and overload operation is performed. The required current is defined as overload current. Since the overload current needs to be equal to or lower than the absolute maximum rated current of the element in order to avoid thermal destruction of the element, the maximum overload current can be regarded as synonymous with the absolute maximum rated current of the power semiconductor element, and has the same current value. When the magnification of the absolute maximum rated current with respect to the rated output current is defined as an overload factor and expressed as N, the rated output current is (absolute maximum rated current / N).
In general, power converters such as inverters are required to have an overload capability capable of withstanding an overload current of 125% (1.25 times) or 150% (1.5 times) of the rated output current for 60 seconds. For this reason, the power semiconductor element is required to have an absolute maximum rated current that is 1.25 to 1.5 times the rated output current, that is, N is 1 to 1.5. At present, in order to cope with an N overload of 1.25 to 1.5, it is not easy with a single element, and many devices and modules are often connected in parallel to increase the size and weight of the apparatus.
However, there are many strict various needs for power semiconductor devices in view of the current society and the future. For example, an electric vehicle or the like may be several tens of A or less during normal constant speed operation, but a remarkably large output is required when overcoming an obstacle or during a dash. Similarly, a wind power generation facility requires a significantly larger output during work than when moving in a strong wind or a gust of wind compared to the normal time, and a self-propelled large robot for work in the future compared to when moving. Furthermore, a large / medium capacity uninterruptible power supply requires a much larger output for a short period of time compared to the normal operation, and for a few minutes until the system switching at the substation is completed in the event of a power failure. These are required to be installed in a space as small as possible and to be lightweight. Therefore, in order to cover the above conventional needs, N is required to be about 1 to 4, and preferably about 1.5 to 4 for power semiconductor elements that should meet these needs. It is essential that the module has a small number of elements. At maximum overload with most heat generation, that is, when the absolute maximum rated current is applied, considering the restrictions and limitations of cooling capacity, N is 1 to 1 with a relatively low on-voltage of several volts or less to avoid thermal destruction. It is necessary to have a low loss of about 1 / 2.7 compared with the current device corresponding to 1.5, and therefore, the low loss of 1 / 1.5 or less, which is lower than the current level during steady operation, is about 1/4 at maximum. It is necessary to have a very low loss.

しかし、先に列挙したバイポーラ逆導通半導体素子は、上記のニーズに対応する潜在能力を有すると推察されるが実現されていない。すなわち、従来のバイポーラ逆導通半導体素子は、ビルトイン電圧以上で導電率変調効果により著しい低抵抗を期待できるが、バイポーラ動作機能部で定常動作と過負荷動作のいづれも実施しており、素子の短絡領域はオフ時にpコレクタ領域から正孔の注入をいつまでも促すことのないようにドリフト内の残存電子を速く素子から排出させるためのものであった。このため、短絡領域の幅は小さく且つ抵抗も低くはなく、ビルトイン電圧以下で定常動作電流レベルの大きな電流は流すことができなかった。このように従来のバイポーラ逆導通半導体素子は、過負荷動作には好適でもビルトイン電圧以下では定常電流レベルの大きな電流を低損失で流し定常動作をさせるべき素子としては極めて不適当であり、これは解決すべき第2の課題である。 However, although it is surmised that the bipolar reverse conducting semiconductor elements listed above have the potential to meet the above needs, they have not been realized. In other words, the conventional bipolar reverse conducting semiconductor element can be expected to have a remarkably low resistance due to the conductivity modulation effect above the built-in voltage, but both the normal operation and the overload operation are performed in the bipolar operation function unit, and the element is short-circuited. The region was for quickly discharging the remaining electrons in the drift from the device so as not to urge the injection of holes from the p collector region indefinitely. For this reason, the width of the short-circuit region is small and the resistance is not low, and a current having a steady operation current level that is less than the built-in voltage cannot flow. As described above, the conventional bipolar reverse conducting semiconductor element is suitable for overload operation, but is extremely unsuitable as an element to be operated at a constant current level with a low loss at a built-in voltage or less, which is not suitable. This is the second problem to be solved.

また、従来のバイポーラ逆導通半導体素子では出力特性にスナップバック現象が存在し、オンする際に負性抵抗が生じる。これは前記のバイポーラ動作第1機能素子部のオン直前における第2機能素子部の主電極間電圧が第1機能素子部のオン直後の主電極間電圧よりも大きいことに起因する現象である。以下では、オン直前の主電極間電圧をスナップバック電圧と呼び、Vsbと記述する。また、このVsbにおける主電極間電流をスナップバック電流と呼びIsbと記述する。ところで、これらのバイポーラ逆導通半導体素子ではオン直前からオン直後に推移するまでの時間すなわちターンオン時間(正確にはターンオン上昇時間)が短いので、スナップバック現象が存在するとこのターンオン時に急峻な電圧変化(以下dVsb/dtと表記)や急峻な電流変化(以下dIsb/dtと表記)を生じる。この結果、回路内に存在する寄生容量を含む各種容量により急峻な跳ね上がり電流(C・dVsb/dt)が、また寄生リアクトル含む各種リアクトルにより急峻な跳ね上がり電圧(L・dIsb/dt)が生じ、これらに起因して大きな過度現象が誘発される。このため、このバイポーラ逆導通半導体素子を用いた回路に大きな擾乱を招いてしまい誤動作を生じたり、場合によっては素子や回路の損傷や破壊に至るという問題を有している。   Further, the conventional bipolar reverse conducting semiconductor element has a snapback phenomenon in the output characteristics, and a negative resistance is generated when it is turned on. This is a phenomenon caused by the fact that the voltage between the main electrodes of the second functional element portion immediately before turning on the first functional element portion is higher than the voltage between the main electrodes immediately after turning on the first functional element portion. Hereinafter, the voltage between the main electrodes immediately before turning on is referred to as a snapback voltage and is described as Vsb. Further, the current between the main electrodes at Vsb is called a snapback current and is described as Isb. By the way, these bipolar reverse conducting semiconductor elements have a short time from immediately before turning on to immediately after turning on, that is, turn-on time (more precisely, turn-on rise time). Therefore, if there is a snapback phenomenon, a sudden voltage change ( (Hereinafter referred to as dVsb / dt) and a steep current change (hereinafter referred to as dIsb / dt) occur. As a result, steep jump currents (C · dVsb / dt) are generated by various capacitors including parasitic capacitors existing in the circuit, and steep jump voltages (L · dIsb / dt) are generated by various reactors including parasitic reactors. Due to this, a large transient phenomenon is induced. For this reason, there is a problem in that a circuit using this bipolar reverse conducting semiconductor element is greatly disturbed to cause a malfunction, and in some cases, the element or circuit is damaged or destroyed.

従来例2ではこれを抑制するために素子内にスナップバック現象を有しないパイロットIGBT領域を設けてスナップバック現象を抑制している。以下ではこれをパイロットIGBT効果と呼ぶ。しかし、スナップバック現象を十分抑制するためには、パイロットIGBT領域の面積を大きくしなければならないため、IGBTチップ面積に占めるパイロットIGBT領域の面積がかなり大きくなってしまう。例えば従来例2の場合、前記文献のデータから読み取ると、3.3kVのSi逆導通IGBTセルのpコレクタ幅が180μmの場合に発生するスナップバック現象におけるVsbが21Vであり、dVsb/dtは280V/μsと試算され適用回路に大きな擾乱と誤動作を招いてしまう。これに対し、パイロットIGBTを設けそのpコレクタ幅を約4倍以上の720μm以上に大きくすることにより、Vsbをビルトイン電圧の0.7V以下に低減できスナップバック現象の発生を阻止できている。しかしスナップバック現象は大幅に抑制できるが、パイロットIGBTの専有面積が大きくなり逆導通IGBT領域の面積が少なくなるので、ターンオフ時に残存するキャリアを排除するという本来の逆導通IGBTの機能がかなり損ねられてしまう。上記の従来例2の場合これは歩留まりなどの経済性の点から素子のチップサイズが通常15mmx15mm以下程度の小さい面積に設定されている現状では、重要なバイポーラ逆導通半導体素子の解決すべき第3の課題である。 In the conventional example 2, in order to suppress this, a pilot IGBT region having no snapback phenomenon is provided in the element to suppress the snapback phenomenon. Hereinafter, this is referred to as a pilot IGBT effect. However, in order to sufficiently suppress the snapback phenomenon, the area of the pilot IGBT region must be increased, so that the area of the pilot IGBT region in the IGBT chip area is considerably increased. For example, in the case of Conventional Example 2, when read from the data of the above literature, Vsb in the snapback phenomenon that occurs when the p collector width of the 3.3 kV Si reverse conducting IGBT cell is 180 μm is 21 V, and dVsb / dt is 280 V. / Μs is calculated, which causes a large disturbance and malfunction in the applied circuit. On the other hand, by providing a pilot IGBT and increasing its p collector width to about 720 μm or more, which is about four times or more, Vsb can be reduced to 0.7 V or less of the built-in voltage, thereby preventing the occurrence of the snapback phenomenon. However, although the snapback phenomenon can be largely suppressed, the area occupied by the pilot IGBT is increased and the area of the reverse conducting IGBT region is reduced, so that the function of the original reverse conducting IGBT that eliminates the remaining carriers at turn-off is considerably impaired. End up. In the case of the above-described conventional example 2, this is the third problem to be solved for an important bipolar reverse conducting semiconductor element in the present situation where the chip size of the element is normally set to a small area of about 15 mm × 15 mm or less from the viewpoint of economy such as yield. It is a problem.

本発明は、前記の従来技術の課題を解決し、低オン抵抗と高い機械強度を両立できるバイポーラ逆導通半導体素子を提供することを目的とする。また、過負荷動作時には絶対最大定格電流までの大きな過負荷電流を低損失で流すことができ、定常動作時にはビルトイン電圧以下の範囲で定常動作電流を極低損失で流すことができるバイポーラ逆導通半導体素子を提供することを目的とする。また、小面積でスナップバック現象を抑制できるバイポーラ逆導通半導体素子を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a bipolar reverse conducting semiconductor element that can achieve both low on-resistance and high mechanical strength. Also, a bipolar reverse conducting semiconductor that can flow a large overload current up to the absolute maximum rated current with low loss during overload operation, and can flow a steady operation current with extremely low loss within the range below the built-in voltage during steady operation. An object is to provide an element. It is another object of the present invention to provide a bipolar reverse conducting semiconductor element that can suppress the snapback phenomenon with a small area.

以下では理解を容易にするために、手段の特徴の記載に当たっては各半導体層や半導体領域が機能的に何に相当するかを括弧内に付記して説明する。
上記した課題を解決し本発明の目的を達成するため、この発明に係る半導体素子は、
バイポーラ動作をする第1機能素子部(IGBT)と線形領域でのユニポーラ動作もしくは飽和領域でのバイポーラ動作をする第2機能素子部(MOSFET)とを有するバイポーラ逆導通半導体素子において、第1のバイポーラ動作機能素子部(IGBT)のビルトイン電圧以下の電圧では、電力変換装置の定常動作に必要な定格出力電流を逆導通半導体素子の第2機能素子部(MOSFET)が出力し、ビルトイン電圧を超える電圧では、前記電力変換装置の過負荷動作に必要な過負荷電流を第1機能素子部(IGBT)が出力することを特徴とする。
また、この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、バイポーラ逆導通半導体装置が、前記定格出力電流に対する最大過負荷電流すなわち絶対最大定格電流の倍率を過負荷率Nとするとき、Nは1〜4の値であることを特徴とする。
In the following, for easy understanding, in describing the features of the means, what each semiconductor layer or semiconductor region is functionally equivalent to will be described in parentheses.
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention includes:
In a bipolar reverse conducting semiconductor element having a first functional element portion (IGBT) that performs a bipolar operation and a second functional element portion (MOSFET) that performs a unipolar operation in a linear region or a bipolar operation in a saturation region, When the voltage is less than the built-in voltage of the operation function element (IGBT), the second function element (MOSFET) of the reverse conducting semiconductor element outputs the rated output current necessary for steady operation of the power converter, and exceeds the built-in voltage. Then, a 1st functional element part (IGBT) outputs the overload current required for the overload operation | movement of the said power converter device, It is characterized by the above-mentioned.
In the semiconductor element according to the present invention, in the above-described invention, when the bipolar reverse conducting semiconductor device sets the overload factor N as the ratio of the maximum overload current, that is, the absolute maximum rated current, to the rated output current, It is a value of ˜4.

この発明に係る半導体素子は、The semiconductor element according to the present invention is
第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)と前記第1導電型の第1半導体層(ドレインThe first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) and the first conductivity type first semiconductor layer (drain) 層)のおもて面に設けられた第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と、前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)を貫通する複数の第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)を備え、更に前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)とのおもて面には第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)を設け、前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)のおもて面には第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)を設け、A second semiconductor layer of the second conductivity type (p buried collector layer) provided on the front surface of the second layer and a plurality of layers penetrating the second semiconductor layer of the second conductivity type (p buried collector layer). The second conductivity type second semiconductor region (second short-circuit region), the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer), and the first conductivity type second semiconductor region (second semiconductor region). 2 short circuit region) is provided with a first conductive type third semiconductor layer (n buffer layer) on the front surface of the first conductive type third semiconductor layer (n buffer layer). Provides a second semiconductor layer (drift layer) of the first conductivity type,
一部の前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)のおもて面には、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)とを貫通する第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)と第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)を、前記第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)が前記第1導電型の第2半導体層(nドリフト層)と前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の間にそれぞれに接するように設け、A part of the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer) has a first conductive type second semiconductor layer (drift layer) and the first conductive type second semiconductor layer on the front surface. A third semiconductor region (p trench collector) of the second conductivity type penetrating through the three semiconductor layers (n buffer layer) and a fourth semiconductor region of the first conductivity type (n trench buffer region) of the first conductivity type The fourth semiconductor region (n trench buffer region) is in contact with the first conductivity type second semiconductor layer (n drift layer) and the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector), respectively. Provided,
更に、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)のおもて面には、複数の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)が選択的に設けられ、前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)の各々のおもて面には第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)が選択的に設けられており、Further, a plurality of second conductive type first semiconductor regions (p body regions) are selectively provided on the front surface of the first conductive type second semiconductor layer (drift layer), and the second conductive type second semiconductor layer (drift layer) is selectively provided. A first conductivity type third semiconductor region (emitter region) is selectively provided on the front surface of each of the conductivity type first semiconductor regions (p body regions),
前記各々の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)の、前記各々の第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた部分の表面には絶縁膜を介して制御電極が設けられ、  Each first conductivity type third semiconductor region (emitter region) and each first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) of each second conductivity type first semiconductor region (p body region). A control electrode is provided on the surface of the portion sandwiched between the two via an insulating film,
更に、前記各々の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)と前記第1導電型の第3半導体領域(エミッタ層)とに接して第3の主電極(エミッタ電極)が設けられ、    Further, a third main electrode (emitter electrode) is provided in contact with each of the second conductivity type first semiconductor region (p body region) and the first conductivity type third semiconductor region (emitter layer). ,
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)の裏面に接して第2の主電極(コレクタ電極)が設けられ、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の表面に接して第1の主電極が設けられ、前記第2の主電極(コレクタ電極)と前記第1の主電極とが電気的に接続されているバイポーラ逆導通半導体素子であり、A second main electrode (collector electrode) is provided in contact with the back surface of the first conductivity type first semiconductor layer (drain layer), and is formed on the surface of the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector). A bipolar reverse conducting semiconductor element provided with a first main electrode in contact therewith, wherein the second main electrode (collector electrode) and the first main electrode are electrically connected;
各半導体層と各半導体領域がワイドギャップ半導体から形成されていることを特徴とする。  Each semiconductor layer and each semiconductor region are formed of a wide gap semiconductor.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)と、前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)および前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)を貫通する複The first conductive type first semiconductor layer (drain layer), the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer), and the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer). ) 数の前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)との間に、A number of the first-conductivity-type second semiconductor regions (second short-circuit regions),
第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)と前記第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)を貫通する複数の第1導電型の第1半導体領域(第1短絡領域)とを設け、A plurality of first conductivity type first semiconductor regions penetrating the second conductivity type first semiconductor layer (p buried collector conductive layer) and the second conductivity type first semiconductor layer (p buried collector conductive layer). (First short-circuit region)
前記第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)は前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と、また前記第1導電型の第1半導体領域(第1短絡領域)は前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)とほぼ同じ平面形状であり且つ対向して接して設けられていることを特徴とする。The second conductivity type first semiconductor layer (p buried collector conductive layer) is the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer) and the first conductivity type first semiconductor region ( The first short-circuit region has substantially the same planar shape as the first conductivity type second semiconductor region (second short-circuit region) and is provided so as to face and face each other.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、
第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の全部もしくは一部が削除され、前記第1機能素子部の第1の主電極が直接もしくは残された第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)を介して、前記第2導電型の第2半導体層(埋込コレクタ層)または前記第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)のおもて面に電気的に接して設けられていることを特徴とする。
The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
A second conductive type third semiconductor region in which the first conductive electrode of the first functional element unit is left directly or left after all or part of the second conductive type third semiconductor region (p trench collector) is deleted. The second conductive type second semiconductor layer (buried collector layer) or the second conductive type first semiconductor layer (p buried collector conductive layer) via the (p trench collector) It is provided in electrical contact.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)と前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)のおもて面に設けられた第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と、前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)を貫通する複数の第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)を備え、更に前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)とのおもて面には第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)を設け、前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)のおもて面には第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)を設け、A first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) and a second conductivity type second semiconductor layer (p-buried) provided on the front surfaces of the first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) And a plurality of first conductivity type second semiconductor regions (second short circuit regions) penetrating the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer), and further comprising the second conductivity type. The first conductive type third semiconductor layer (n buffer) is formed on the front surfaces of the second semiconductor layer (p buried collector layer) of the type and the second semiconductor region (second short circuit region) of the first conductive type. A first conductive type second semiconductor layer (drift layer) on the front surface of the first conductive type third semiconductor layer (n buffer layer),
一部の前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)のおもて面には、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)とを貫通する第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)と第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)を、前記第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)が前記第1導電型の第2半導体層(nドリフト層)と前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の間にそれぞれに接するように設け、A part of the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer) has a first conductive type second semiconductor layer (drift layer) and the first conductive type second semiconductor layer on the front surface. A third semiconductor region (p trench collector) of the second conductivity type penetrating through the three semiconductor layers (n buffer layer) and a fourth semiconductor region of the first conductivity type (n trench buffer region) of the first conductivity type The fourth semiconductor region (n trench buffer region) is in contact with the first conductivity type second semiconductor layer (n drift layer) and the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector), respectively. Provided,
更に、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)のおもて面には、複数の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)と複数のトレンチゲートが交互に選択的に設けられ、前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)の各々のおもて面には第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)がその端面が前記トレンチゲートに接して選択的に設けられており、In addition, a plurality of second conductivity type first semiconductor regions (p body regions) and a plurality of trench gates are alternately selected on the front surface of the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer). The first conductive type third semiconductor region (emitter region) is in contact with the trench gate at the front surface of each of the second conductive type first semiconductor regions (p body regions). Are provided selectively.
前記トレンチゲートはトレンチ側面に延在する絶縁膜と前記絶縁膜に接する制御電極を有しており、前記第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)のThe trench gate has an insulating film extending on a side surface of the trench and a control electrode in contact with the insulating film, and the first conductive type third semiconductor region (emitter region) and the first conductive type second semiconductor. Of the first semiconductor region (p body region) of the second conductivity type sandwiched between layers (drift layer) 端面には前記絶縁膜を介して前記制御電極が設けられており、The control electrode is provided on the end face through the insulating film,
更に、前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)と前記第1導電型の第3半導体領域(エミッタ層)とに接して第3の主電極(エミッタ電極)が設けられ、    Furthermore, a third main electrode (emitter electrode) is provided in contact with the second conductive type first semiconductor region (p body region) and the first conductive type third semiconductor region (emitter layer),
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)の裏面に接して第2の主電極(コレクタ電極)が設けられ、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)のおもて面に接して第1の主電極が設けられ、前記第2の主電極(コレクタ電極)と前記第1の主電極とが電気的に接続されているバイポーラ逆導通半導体素子であり、A second main electrode (collector electrode) is provided in contact with the back surface of the first conductivity type first semiconductor layer (drain layer), and the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector) A bipolar reverse conducting semiconductor element in which a first main electrode is provided in contact with the first surface, and the second main electrode (collector electrode) and the first main electrode are electrically connected;
各半導体層と各半導体領域がワイドギャップ半導体から形成されていることを特徴とする。  Each semiconductor layer and each semiconductor region are formed of a wide gap semiconductor.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、
バイポーラ逆導通半導体素子が逆導通GTOであり、
前記セル上部が、前記1導電型の第2半導体層(nドリフト層)のおもて面に設けられた第2導電型の第1半導体領域(pベース領域)とそれらの各々のおもて面に選択的に設けられた複数の第1導電型の第3半導体領域(nエミッタ領域)を含んで構成されており、
前記第3の主電極(エミッタ電極)は前記第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)に接して設けられており、
前記制御電極は、第2導電型の第1半導体領域(pベース領域)に接して設けられていることを特徴とする。
The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
The bipolar reverse conducting semiconductor element is a reverse conducting GTO,
The upper portion of the cell is a second conductive type first semiconductor region (p base region) provided on the front surface of the first conductive type second semiconductor layer (n drift layer) and the respective front surfaces thereof. A plurality of first conductivity type third semiconductor regions (n emitter regions) selectively provided on the surface,
The third main electrode (emitter electrode) is provided in contact with the third semiconductor region (emitter region) of the first conductivity type,
The control electrode is provided in contact with the first semiconductor region (p base region) of the second conductivity type.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、
第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)がSi半導体で構成され、
第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)、第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)、第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)、第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)が3C−SiC半導体で構成されていることを特徴とする。
The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
The first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) is made of Si semiconductor,
A first conductivity type second semiconductor layer (drift layer), a second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer), a first conductivity type second semiconductor region (second short-circuit region), a second conductivity type The type third semiconductor region (p-trench collector) is formed of a 3C-SiC semiconductor.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、
バイポーラ逆導通半導体素子に第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と、第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)および第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)との間に第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)を設けたことを特徴とする。
The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
A bipolar reverse conducting semiconductor element includes a first conductivity type second semiconductor layer (drift layer), a second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer), and a first conductivity type second semiconductor region (second semiconductor layer). A third semiconductor layer (n buffer layer) of the first conductivity type is provided between the first short circuit region and the short circuit region.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、
バイポーラ逆導通半導体素子に第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と、第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)および第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)更に第3半導体領域(pトレンチコレクタ)との間に、第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)を設けたことを特徴とする。
The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
A bipolar reverse conducting semiconductor element includes a first conductivity type second semiconductor layer (drift layer), a second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer), and a first conductivity type second semiconductor region (second semiconductor layer). Short circuit region) A third semiconductor layer (n buffer layer) of the first conductivity type is further provided between the third semiconductor region (p trench collector).

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、
バイポーラ逆導通半導体素子の第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)がスーパージャンクション構造であることを特徴とする。
The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
The first conductive type second semiconductor layer (drift layer) of the bipolar reverse conducting semiconductor element has a super junction structure.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)との間に挟まれて設けられた第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)の上部に、第2の絶縁膜が、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)とに接して設けられていることを特徴とする。First conductive type fourth semiconductor region provided between the first conductive type second semiconductor layer (drift layer) and the second conductive type third semiconductor region (p-trench collector). On the upper part of the (n trench buffer region), a second insulating film is formed on the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) and the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector). It is provided in contact with each other.

この発明に係る半導体素子は、上記した発明において、The semiconductor element according to the present invention is the above-described invention,
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)がSi半導体で形成されていることを特徴とする。The first conductive type first semiconductor layer (drain layer) is formed of a Si semiconductor.

以下に、上記の手段によってもたらされる効果を記載するが、各バイポーラ逆導通半導体素子固有の各部の名称が混在することによる煩雑な説明を簡明にするために、バイポーラ逆導通半導体素子の代表例であるnチャネルタイプの逆導通IGBTを例にして括弧内に付記しながら説明する。なお、第1主電極(第1コレクタ電極)と素子の裏面の第2主電極(第2コレクタ電極、MOSFET機能部のドレイン電極でもある)とは電気的に接続しているので、煩雑さを避けるため分離して説明をする必要がないかぎり以後の本明細書では単にコレクタ電極と記載する。

本発明によれば、上記の構成により従来素子を超える大きなNを有するバイポーラ逆導通半導体素子を実現できる。これは、第1のバイポーラ動作機能素子部(IGBT)のビルトイン電圧以下の電圧では、電力変換装置の定常動作に必要な定格出力電流をバイポーラ逆導通半導体素子の第2機能素子部(MOSFET)に出力させ、ビルトイン電圧を超える電圧では、前記電力変換装置の過負荷動作に必要な過負荷電流を第1機能素子部(IGBT)が出力させることによる。すなわち、従来のバイポーラ逆導通半導体素子が通電できず大きな損失を招いていたビルトイン電圧以下で、第2機能素子部(MOSFET)に出力させたことによる。しかもトレンチゲート構造やスーパージャンクション構造やSiC半導体の適用によりこの第2機能素子部(MOSFET)の損失を著しく格段に低減させている。
また、これにより従来ニーズを超えるNとして1.5〜4を達成でき、当然Nが1〜1.5程度の従来ニーズもカバーするバイポーラ逆導通半導体素子を実現できる。
In the following, the effects brought about by the above means will be described. In order to simplify the complicated explanation due to the mixture of the names of the parts unique to each bipolar reverse conducting semiconductor element, a representative example of a bipolar reverse conducting semiconductor element will be described. A description will be given by taking an n-channel type reverse conducting IGBT as an example and adding it in parentheses. Since the first main electrode (first collector electrode) and the second main electrode on the back surface of the element (second collector electrode, which is also the drain electrode of the MOSFET function unit) are electrically connected, the complexity is reduced. In order to avoid this, it will be simply referred to as a collector electrode in the following description unless it is necessary to explain it separately.

According to the present invention, a bipolar reverse conducting semiconductor element having a larger N than the conventional element can be realized by the above configuration. This is because the rated output current required for steady-state operation of the power conversion device is supplied to the second functional element portion (MOSFET) of the bipolar reverse conducting semiconductor element at a voltage lower than the built-in voltage of the first bipolar operation functional element portion (IGBT). When the voltage exceeds the built-in voltage, the first functional element unit (IGBT) outputs the overload current necessary for the overload operation of the power converter. In other words, this is because the conventional bipolar reverse conducting semiconductor element cannot be energized and is output to the second functional element part (MOSFET) at a voltage equal to or lower than the built-in voltage that caused a large loss. In addition, the loss of the second functional element portion (MOSFET) is remarkably reduced by applying a trench gate structure, a super junction structure, or a SiC semiconductor.
Moreover, 1.5-4 can be achieved as N exceeding a conventional need by this, Naturally, the bipolar reverse conduction semiconductor element which also covers the conventional needs with N of about 1-1.5 is realizable.

本発明によれば、上記の構成により、低いオン抵抗と高い機械強度を両立できるバイポーラ逆導通半導体素子を実現できる。これは、機械強度実現領域と電気特性実現領域とを分離したことによる。
すなわち、バイポーラ逆導通半導体素子の製作過程で受ける各種の応力に耐えることができる厚い半導体基板を用いて、そのおもて面に第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)とこの層を貫通する複数の第1導電型の第1半導体領域(第1短絡領域)とを設けた第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)を形成し機械強度実現領域を構成している。
一方、上記の機械強度実現領域の上に、所望の電気特性実現領域を構成する。この電気特性実現領域では、第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)の上の第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)にセル上部とその上の第3主電極(エミッタ電極)を形成する一方、第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)に接して第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)を第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)に隣接して設けてそのおもて面に第1主電極(第1コレクタ電極)を設けている。ここでセル上部とは主にpボディ領域とこれに内蔵される諸領域pボディ領域間のJFET領域を意味する。
素子構造によって変化があり、例えばトレンチゲート型の素子の場合はJFET領域を削除しトレンチゲート酸化膜とゲート電極に置き換えているのでこれらを意味する。
これにより、機械強度実現領域である厚い半導体基板上の特性実現領域の第3主電極(エミッタ電極)と第1主電極(第1コレクタ電極)の間に、第1機能素子部(IGBT)を包含できるようになる。この結果、耐圧に合わせた適正な厚さと適正な不純物濃度をもつドリフト層を機械強度に拘束されずにほぼ独立に容易に形成でき、低いオン抵抗を達成できる。
一方、第2機能素子部(MOSFET)も第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)と第2主電極(ドレイン電極)を除いて主要部を電気特性実現領域に包含されており、上記の耐圧に合わせた適正な薄い厚さと適正な不純物濃度をもつ第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)により機械強度に拘束されず低いオン抵抗を達成できる。第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)は厚い機械強度実現領域に存在するが、単に電流通路としての機能を持てばよいので高不純物濃度にすれば第2機能素子部(MOSFET)の特性を損ねることはなく、十分厚いので機械強度実現領域に必要な機械強度を損ねることもない。
また第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)は、第2主電極(ドレイン電極)を第1主電極(第1コレクタ電極)と接続しているので、第1機能素子部(IGBT)のターンオフ時の第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)内の電子電流の通路を兼ねている。しかしこの層も単なる電流通路としての機能を持てばよいので十分高不純物濃度にすることにより素子特性を損ねることはなく、上記のように機械強度実現領域に必要な機械強度を損ねることもなく実用上問題にならないようにできる。
このように、特性実現領域と強度実現領域を分離した半導体素子構成にすることにより、上記の第1の課題を解決できる。
According to the present invention, a bipolar reverse conducting semiconductor element that can achieve both low on-resistance and high mechanical strength can be realized by the above configuration. This is because the mechanical strength realization region and the electrical property realization region are separated.
That is, using a thick semiconductor substrate that can withstand various stresses received in the process of manufacturing a bipolar reverse conducting semiconductor element, a first semiconductor layer (p buried collector conductive layer) of the second conductivity type is formed on the front surface thereof. And forming a mechanical strength realization region by forming a first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) provided with a plurality of first conductivity type first semiconductor regions (first short-circuit regions) penetrating this layer. ing.
On the other hand, a desired electrical property realization region is formed on the mechanical strength realization region. In this electrical property realization region, the upper part of the cell and the third main electrode thereon are provided on the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) on the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer). While forming the (emitter electrode), the second conductive type third semiconductor region (p trench collector) is in contact with the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer) and the first conductive type second semiconductor layer is formed. A first main electrode (first collector electrode) is provided on the front surface of the semiconductor layer (drift layer). Here, the upper portion of the cell mainly means a JFET region between the p body region and the regions p body regions incorporated therein.
There are changes depending on the element structure. For example, in the case of a trench gate type element, the JFET region is deleted and replaced with a trench gate oxide film and a gate electrode.
Thus, the first functional element portion (IGBT) is placed between the third main electrode (emitter electrode) and the first main electrode (first collector electrode) in the characteristic realization region on the thick semiconductor substrate which is the mechanical strength realization region. It can be included. As a result, a drift layer having an appropriate thickness and an appropriate impurity concentration according to the breakdown voltage can be easily formed almost independently without being restricted by mechanical strength, and a low on-resistance can be achieved.
On the other hand, the second functional element portion (MOSFET) is also included in the electrical property realization region except for the first conductive type first semiconductor layer (drain layer) and the second main electrode (drain electrode). The first conductive type second semiconductor layer (drift layer) having an appropriate thin thickness and an appropriate impurity concentration according to the withstand voltage can achieve low on-resistance without being restricted by mechanical strength. The first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) exists in the thick mechanical strength realization region, but it is only required to have a function as a current path. Therefore, if the impurity concentration is increased, the second functional element (MOSFET) The characteristics are not impaired, and the thickness is sufficiently thick so that the mechanical strength necessary for the mechanical strength realization region is not impaired.
The first conductive type first semiconductor layer (drain layer) connects the second main electrode (drain electrode) to the first main electrode (first collector electrode), so that the first functional element portion (IGBT). It also serves as a path for electron current in the second semiconductor layer (drift layer) of the first conductivity type at the time of turn-off. However, this layer only needs to have a function as a current path, so that it does not impair the device characteristics by making the impurity concentration sufficiently high, and it does not impair the mechanical strength necessary for the mechanical strength realization region as described above. You can avoid the problem.
Thus, the first problem can be solved by using a semiconductor element configuration in which the characteristic realization region and the strength realization region are separated.

また、本発明によれば、上記の構成により、過負荷動作領域ではバイポーラ逆導通半導体素子(逆導通IGBT)の絶対最大定格電流までの大きな過負荷電流を比較的低損失で流すことができ、定常動作領域では(絶対最大定格電流/過負荷率N)に相当する定常動作電流を著しく低損失で流すことができるバイポーラ逆導通半導体素子(逆導通IGBT)を実現できる。
従来のバイポーラ逆導通半導体素子(逆導通IGBT)では、電力変換装置の定常動作領域および過負荷動作領域の両動作領域において第1機能素子部(IGBT)としてのみ機能させ、主に導電率変調効果がもたらす低いオン抵抗に因る低損失性を享受することが主眼であった。このために前述のスナップバック現象による悪影響を小さくする点から、電圧Vsb以下で流れる電流、すなわち第2機能素子部(MOSFET)のオン電流Isbを極力微小電流に抑え込んでいる。
しかし本発明では、第1機能素子部(IGBT)が通電できないビルトイン電圧以下では、この第2機能素子部(MOSFET)のオン電流Isbを定常動作電流レベルまで大きくして定常動作をさせ且つ著しく低損失流す機能を持たせている。一方、過負荷動作時には第1機能素子部(IGBT)に絶対最大定格電流に至るまで大電流を低損失で流す機能をもたせている。
このように、第1機能素子部(IGBT)の過負荷性能を損ねることなく第2機能素子部(MOSFET)にビルトイン電圧以下の電圧範囲で定常動作電流を著しく低損失で流すようにして高性能バイポーラ逆導通半導体素子を実現している。これにより上記の第2の課題を解決できる。
Further, according to the present invention, with the above configuration, a large overload current up to the absolute maximum rated current of the bipolar reverse conducting semiconductor element (reverse conducting IGBT) can be caused to flow with a relatively low loss in the overload operation region. In the steady operation region, it is possible to realize a bipolar reverse conducting semiconductor element (reverse conducting IGBT) capable of flowing a steady operating current corresponding to (absolute maximum rated current / overload factor N) with extremely low loss.
In a conventional bipolar reverse conducting semiconductor element (reverse conducting IGBT), it functions only as a first functional element unit (IGBT) in both the steady operation region and the overload operation region of the power conversion device, and mainly the conductivity modulation effect. The main objective was to enjoy the low loss due to the low on-resistance caused by. For this reason, in order to reduce the adverse effect due to the snapback phenomenon, the current flowing below the voltage Vsb, that is, the on-current Isb of the second functional element section (MOSFET) is suppressed to a very small current as much as possible.
However, in the present invention, at a voltage lower than the built-in voltage at which the first functional element unit (IGBT) cannot be energized, the on-current Isb of the second functional element unit (MOSFET) is increased to the steady operating current level to achieve steady operation and extremely low Has the function of flowing loss. On the other hand, during the overload operation, the first functional element unit (IGBT) is provided with a function of flowing a large current with a low loss until reaching the absolute maximum rated current.
In this way, a steady operating current is allowed to flow through the second functional element (MOSFET) with a remarkably low loss in the voltage range below the built-in voltage without impairing the overload performance of the first functional element (IGBT). A bipolar reverse conducting semiconductor element is realized. Thereby, the second problem can be solved.

なお、第2機能素子部(MOSFET)の電流をできるだけ大きな定常動作電流にし且つ低損失にするとともに、残留キャリアをできるだけ早く輩出し速度を高くするにはn短絡部の幅Wnを大きくするのが好ましい。一方バイポーラ逆導通半導体素子(逆導通IGBT)の著しい低オン抵抗を実現するには、第1機能素子部(IGBT)の埋込みpコレクタ領域の幅Wpや厚さを大きくし且つ高不純物濃度にすることやpトレンチコレクタ幅を広くしたり高不純物濃度にすることが好ましい。これらの幅や不純物濃度への依存性およびWnとWpの相互関係を種々検討した結果、WnとWpの比率には適正範囲があり、Wn/Wpは0.5〜2.0の範囲が好ましいことを見出している。 Note that the width Wn of the n short-circuit portion is increased in order to make the current of the second functional element portion (MOSFET) as large as possible a steady operating current and low loss, and to increase the generation rate of residual carriers as quickly as possible. preferable. On the other hand, in order to realize a significantly low on-resistance of the bipolar reverse conducting semiconductor element (reverse conducting IGBT), the width Wp and thickness of the buried p collector region of the first functional element portion (IGBT) are increased and the impurity concentration is increased. In addition, it is preferable to increase the width of the p-trench collector or to increase the impurity concentration. As a result of various investigations on the dependency on the width and impurity concentration and the mutual relationship between Wn and Wp, the ratio of Wn and Wp has an appropriate range, and Wn / Wp is preferably in the range of 0.5 to 2.0. I have found that.

また、本発明によれば、第1機能素子部(IGBT)内にパイロットIGBT部を設け、あまりチップ内での占有面積を大きくしないでそのコレクタ幅を大きくすることにより、スナップバック現象を効果的に抑制している。ここでスナップバック現象の抑制とはスナップバック現象におけるVsbやIsbを低減させdVsb/dtやdIsb/dtを低減することと定義し、以下ではこの定義に従って記述する。このため、上記の第1の課題の解決のために設けた第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)をパイロットIGBT部のコレクタとしても機能させてより効果的にスナップバック現象を抑制している。
すなわち、この第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)は各IGBTセルのコレクタ電流を集約し第1主電極(第1コレクタ電極)に流す電流通路として機能させるものであるが、最近接のセルと横型バイポーラ半導体素子(横型IGBT)を構成するコレクタとして機能させバイポーラ半導体素子(パイロットIGBT)機能用コレクタとして活用させている。(それ故にもトレンチコレクタという名称にしている)。更にこの第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)は第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)の裏面には設けたパイロットバイポーラ半導体素子部(パイロットIGBT)の第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と接続させており、この接続部分の第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)もパイロット半導体素子(パイロットIGBT)機能用コレクタとして活用させている。この接続部分はフィールド領域下にある。フィールド領域は電界を緩和し素子の耐圧を確保するために設けた第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)と第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)間の領域である。その幅は少なくとも第1導電型の第2半導体層(nドリフト層)の厚さに相当する距離以上にする必要があるので、第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)を設けない場合に比べて、その幅の第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)分だけ更に効果的にスナップバック現象を抑制できる。
このように、第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)とフィールド領域の第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)の活用により、より効果的にスナップバック現象の抑制ができ、抑制効果を同じにする場合はその分スナップバック現象の抑制に要する面積をより縮小できる。このようにして、第3の課題を解決できる。
Further, according to the present invention, the pilot IGBT portion is provided in the first functional element portion (IGBT), and the collector width is increased without increasing the occupied area in the chip so that the snapback phenomenon is effectively achieved. Is suppressed. Here, suppression of the snapback phenomenon is defined as reducing Vsb and Isb in the snapback phenomenon and reducing dVsb / dt and dIsb / dt, and will be described in accordance with this definition below. For this reason, the second-conductivity-type third semiconductor region (p-trench collector) provided to solve the above first problem also functions as a collector of the pilot IGBT portion, thereby suppressing the snapback phenomenon more effectively. doing.
That is, the second conductive type third semiconductor region (p-trench collector) functions as a current path that collects the collector current of each IGBT cell and flows it to the first main electrode (first collector electrode). It functions as a collector constituting a contact cell and a lateral bipolar semiconductor element (lateral IGBT) and is utilized as a collector for bipolar semiconductor element (pilot IGBT) function. (Therefore, it is named as a trench collector). Further, the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector) is the second conductivity type of the pilot bipolar semiconductor element portion (pilot IGBT) provided on the back surface of the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer). Is connected to the second semiconductor layer (p buried collector layer), and the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer) at this connection portion is also used as a pilot semiconductor element (pilot IGBT) function collector. We are making use. This connection is below the field area. The field region is a region between the second conductivity type first semiconductor region (p body region) and the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector) provided for relaxing the electric field and securing the breakdown voltage of the element. is there. Since the width needs to be at least the distance corresponding to the thickness of the first conductivity type second semiconductor layer (n drift layer), the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector) is not provided. Compared to the case, the snapback phenomenon can be more effectively suppressed by the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer) of that width.
As described above, by utilizing the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector) and the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer) in the field region, the snapback phenomenon is more effectively prevented. When the suppression effect can be made the same, the area required for suppressing the snapback phenomenon can be further reduced accordingly. In this way, the third problem can be solved.

本発明によれば、この第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の外周に接して第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー)を設ける場合は、より効果的にパイロットバイポーラ半導体素子部(パイロットIGBT)として機能させることができる。 According to the present invention, when the first conductive type fourth semiconductor region (n trench buffer) is provided in contact with the outer periphery of the second conductive type third semiconductor region (p trench collector), the pilot is more effectively provided. It can function as a bipolar semiconductor element part (pilot IGBT).

また本発明によれば、ワイドギャップ半導体を用いることにより、スナップバック現象を更に大幅に抑制できる。スナップバック現象におけるスナップバック電圧Vsbは、例えば逆導通IGBTの場合は近似的にチャネル抵抗での電圧降下とドリフト抵抗での電圧降下とビルトイン電圧の和となるが、一般に耐圧が高くなるとドリフト層の抵抗での電圧降下が最も大きくなる。Siバイポーラ逆導通半導体素子に比べてワイドギャップバイポーラ逆導通半導体素子の場合は、このドリフト層の抵抗による電圧降下を著しく小さくできる。例えば4H-SiCバイポーラ逆導通半導体素子の場合は、同じ耐圧の素子の時はSi素子に比べてドリフト層の抵抗を理論的には約1/1000程度に大幅に低減できるのでVsbを大幅に低減できる。ビルトイン電圧がSiバイポーラ逆導通半導体素子に比べて2.7Vであり約4倍大きくても、圧倒的に大幅にVsbを低減でき急峻な電圧変化dVsb/dtを大幅に抑制できる。これは小面積でスナップバック現象を抑制できることを意味し従って、更に効果的に上記の第3の課題を解決できる。
また強度実現領域をSi半導体で構成し特性実現領域を3C−SiC半導体で構成した場合は、Si半導体と3C−SiC半導体との結晶格子間隔差が極めて少なくSi半導体基板上に結晶品質の良い3C−SiC半導体を容易に形成できるので、Vsbを小さくでき上記のように小面積でスナップバック現象を抑制できる。更に、Si単結晶基板はSiC基板に比べて安価であるうえに、大口径化が容易にでき経済性に秀でている。また結晶が高品質であり高不純物濃度にしても結晶欠陥が少なく低抵抗率化が容易に実現でき、特性実現領域内素子の低損失化に大きく寄与する。従って、更に効果的に上記の第3の課題を解決できる。
According to the present invention, the snapback phenomenon can be further greatly suppressed by using a wide gap semiconductor. The snapback voltage Vsb in the snapback phenomenon is, for example, approximately the sum of the voltage drop at the channel resistance, the voltage drop at the drift resistance, and the built-in voltage in the case of the reverse conducting IGBT. The voltage drop across the resistor is the largest. In the case of the wide gap bipolar reverse conducting semiconductor element, the voltage drop due to the resistance of the drift layer can be remarkably reduced as compared with the Si bipolar reverse conducting semiconductor element. For example, in the case of a 4H-SiC bipolar reverse conducting semiconductor element, the resistance of the drift layer can theoretically be greatly reduced to about 1/1000 compared to the Si element when the element has the same breakdown voltage, so Vsb is greatly reduced. it can. Even if the built-in voltage is 2.7 V as compared with the Si bipolar reverse conducting semiconductor element, which is about four times larger, Vsb can be greatly reduced and the steep voltage change dVsb / dt can be greatly suppressed. This means that the snapback phenomenon can be suppressed with a small area. Therefore, the third problem can be solved more effectively.
In addition, when the strength realization region is formed of a Si semiconductor and the characteristic realization region is formed of a 3C-SiC semiconductor, the difference in crystal lattice spacing between the Si semiconductor and the 3C-SiC semiconductor is extremely small, and 3C having a good crystal quality on the Si semiconductor substrate. -Since a SiC semiconductor can be easily formed, Vsb can be reduced and the snapback phenomenon can be suppressed with a small area as described above. Furthermore, the Si single crystal substrate is less expensive than the SiC substrate, and can be easily increased in diameter and is excellent in economic efficiency. In addition, even if the crystal is high quality and has a high impurity concentration, there are few crystal defects and a low resistivity can be easily realized, which greatly contributes to a reduction in loss of the element in the characteristic realization region. Therefore, the third problem can be solved more effectively.

また本発明によれば、第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の外周に接して素子のおもて面付近のみにSiO等の絶縁膜を設け、より内部深くに第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー)を設けることにより、リーク電流を小さくでき且つ耐圧に及ぼす素子おもて面の表面リーク電流や表面電界の悪影響を抑制でき素子内部の接合で決まる所定の高い耐圧を安定的に達成できる。
更に上記のスナップバック現象におけるVsbの経時増大をおもて面付近に形成したSiO等の絶縁膜により大幅に抑制できる。すなわち、SiO等の絶縁膜の存在によりと素子内部の第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー)との境界部付近で正孔注入がおこり、第1機能素子部分(IGBT部分)をオンを素子内部からスタートさせることができる。この結果、素子おもて面付近に存在する製作時の加工歪に起因して形成された積層欠陥の悪影響を免れることができるためVsbの経時増大を抑制できものである。一方、おもて面付近にSiO等の絶縁膜を設けても、内部における第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー)による電圧降下を活用できるのでスナップバック現象の抑制効果が大きく損なわれることはない。このように、絶縁膜と第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー)との境界位置を変えて、おもて面に近づけることによりスナップバック現象の抑制効果を大きくし、おもて面から遠ざけるにつれてスナップバック現象の経時変化を小さくするといったこともできる。
Further, according to the present invention, an insulating film such as SiO 2 is provided only in the vicinity of the front surface of the element in contact with the outer periphery of the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector), and the first deeper inside. By providing the conductive type fourth semiconductor region (n-trench buffer), the leakage current can be reduced and the adverse effect of the surface leakage current of the element front surface and the surface electric field on the breakdown voltage can be suppressed. High breakdown voltage can be achieved stably.
Further, the increase in Vsb with time in the above snapback phenomenon can be largely suppressed by an insulating film such as SiO 2 formed in the vicinity of the surface. That is, due to the presence of an insulating film such as SiO 2 , hole injection occurs in the vicinity of the boundary between the first conductive type fourth semiconductor region (n-trench buffer) inside the device, and the first functional device portion (IGBT portion). Can be turned on from inside the device. As a result, it is possible to avoid the adverse effects of stacking faults that are formed due to processing distortions during manufacturing existing in the vicinity of the element front surface, so that the increase in Vsb with time can be suppressed. On the other hand, even if an insulating film such as SiO 2 is provided in the vicinity of the front surface, the voltage drop caused by the first conductive type fourth semiconductor region (n-trench buffer) inside can be utilized, so that the effect of suppressing the snapback phenomenon is great. It will not be damaged. In this way, by changing the boundary position between the insulating film and the fourth semiconductor region (n trench buffer) of the first conductivity type and bringing it closer to the front surface, the effect of suppressing the snapback phenomenon is increased. It is also possible to reduce the change with time of the snapback phenomenon as the distance from the surface increases.

また本発明によれば、バイポーラ逆導通半導体素子が逆導通IGBTの場合は、トレンチゲート構造にすることにより、定常動作時や過負荷時に更に低損失にできる。 According to the present invention, when the bipolar reverse conducting semiconductor element is a reverse conducting IGBT, the trench gate structure can be used to further reduce the loss during steady operation or overload.

また本発明によれば、バイポーラ逆導通半導体素子の第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)をスーパージャンクション構造にすることにより、定常動作時の損失を更に大幅に低減できる。
In addition, according to the present invention, the loss during steady operation can be further greatly reduced by making the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) of the bipolar reverse conducting semiconductor element have a super junction structure.

以上のように、 本発明により、過負荷時の過負荷電流に相当する絶対最大定格電流を低損失で出力でき、定常動作時の(絶対最大定格電流/過負荷率N)に相当する定常動作電流を大幅に低損失で出力できるバイポーラ逆導通半導体素子を実現できる。また、製作時のウエーハ状態での作業や実装時のチップ状態における作業時の各種の応力に耐え損傷や破壊から免れることができる十分な機械強度と低損失性をともに有するバイポーラ逆導通半導体素子を実現できる。更に小さい面積でスナップバック現象を抑制したバイポーラ逆導通半導体素子を実現でき経済性を向上できる。
As described above, according to the present invention, the absolute maximum rated current corresponding to the overload current at the time of overload can be output with low loss, and the steady operation corresponding to (absolute maximum rated current / overload ratio N) at the time of steady operation. A bipolar reverse conducting semiconductor element capable of outputting a current with significantly low loss can be realized. In addition, a bipolar reverse conducting semiconductor element that has sufficient mechanical strength and low loss characteristics to withstand various stresses during work in the wafer state at the time of manufacture and in the chip state at the time of mounting can be avoided from damage and destruction. realizable. Further, a bipolar reverse conducting semiconductor element that suppresses the snapback phenomenon with a small area can be realized, and the economy can be improved.

実施例1にかかる半導体素子の模式的断面図Typical sectional drawing of the semiconductor element concerning Example 1. FIG. 実施例2にかかる半導体素子の模式的断面図Typical sectional drawing of the semiconductor element concerning Example 2. FIG. 実施例3にかかる半導体素子の模式的断面図Typical sectional drawing of the semiconductor element concerning Example 3. FIG. 実施例4にかかる半導体素子の模式的断面図Typical sectional drawing of the semiconductor element concerning Example 4. FIG. 実施例4にかかる半導体素子の製作フロー説明図Manufacturing flow explanatory drawing of the semiconductor element concerning Example 4. 実施例6にかかる半導体素子の模式的断面図Typical sectional drawing of the semiconductor element concerning Example 6. FIG. 実施例7にかかる半導体素子の模式的断面図Schematic sectional view of a semiconductor device according to Example 7. 実施例7にかかる半導体素子の模式的断面図Schematic sectional view of a semiconductor device according to Example 7. 従来例1の高耐圧Si逆導通IGBT素子の断面図Sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant Si reverse conduction IGBT element of the prior art example 1 従来例2の高耐圧Si逆導通IGBT素子の断面図Sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant Si reverse conduction IGBT element of the prior art example 2

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。図中の各層や各領域の厚さや長さは明細書中に記載の寸法に比例してはいない。また、本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味するが、図面の煩雑さを避け見やすくするために全部の層や領域に記載しているわけではない。また、nまたはpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域に比べて高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。図面中の層や領域を示す番号と矢印は同じ層や同じ領域の場合、各々代表して1個のみに記し他は省略してあり、且つ必ずしも特定のセルに集中させず複数のセルにわたって分散させて記入し、図面の煩雑さを避け見やすくしてある。
なお、以下の図面の説明に当たっては、紙面の左右の方向を水平方向、上下の方向を上下方向、紙面に直行する方向を垂直方向と呼ぶ。
Exemplary embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. The thickness and length of each layer and each region in the figure are not proportional to the dimensions described in the specification. Further, in this specification and the accompanying drawings, in the layers and regions having n or p, it means that electrons or holes are majority carriers, respectively, but in order to avoid the complexity of the drawings and to make it easy to see It is not necessarily described in the layer or area. Further, + and − attached to n or p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of a layer or region where it is not attached. Numbers and arrows indicating layers and regions in the drawing are the same layer and region, and only one representative is shown for each, and others are omitted, and they are not necessarily concentrated on a specific cell and are distributed over a plurality of cells. It is easy to see by avoiding the complexity of the drawing.
In the following description of the drawings, the right and left direction of the paper surface is referred to as the horizontal direction, the up and down direction is referred to as the vertical direction, and the direction perpendicular to the paper surface is referred to as the vertical direction.

(実施例1)
図1は、本実施例1にかかる半導体素子を模式的に示す断面図である。図1に示す実施例1の半導体素子は、4層6方晶構造の炭化珪素(正規には4H−SiCと表記されるが以下では単にSiCと記す)半導体を用いて作製された設計耐圧1.2kV級のプレーナゲート構造のSiC逆導通IGBT100であり、定格出力電流は40A、絶対最大定格電流は90A級の素子である。従って過負荷率Nが2.25であり、過負荷時には90Aの絶対最大定格電流を余裕をもって60秒以上の連続通電ができるものである。
(Example 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor element according to the first embodiment. The semiconductor device of Example 1 shown in FIG. 1 has a design breakdown voltage of 1 produced using a silicon carbide having a four-layer hexagonal structure (normally written as 4H—SiC but hereinafter simply written as SiC). It is a SiC reverse conducting IGBT 100 having a planar gate structure of 2 kV class, a rated output current of 40 A, and an absolute maximum rated current of 90 A class. Therefore, the overload factor N is 2.25, and continuous energization for 60 seconds or more can be performed with a margin of 90 A absolute maximum rated current at the time of overload.

まず、本実施例の詳細構成を説明する。
図1には、SiC逆導通IGBT100の活性領域の一部のみを示す。SiC逆導通IGBT100は、例えば活性領域を囲むように耐圧構造部(不図示)を備えている。活性領域とは、半導体素子のオン時に電流が流れる領域であり、耐圧構造部とは、半導体素子を構成するpn接合表面の電界強度を緩和し、所望の耐圧を実現する構造部である。
SiC逆導通IGBT100のチップサイズは8.8mmx4.4mmであり、活性領域は約8mmx4mmである。活性領域中の逆導通IGBTセルはストライブ状であり、セルの幅は約15ミクロンメートルである。活性領域を囲んでいる耐圧構造部の幅はダイシング部を含めて水平方向が約0.2mmである。一方、紙面に垂直方向は0.4mmであり、耐圧構造部との間に、セルの長手方向の端部ではコレクタ電極のワイヤボンディング用パッドが、また他方の端部ではエミッタ電極のワイヤボンディング用パッドが設けられている。活性領域内のセルは、10個のセルごとにグループセルを構成しており、グループセルの両端にはpトレンチコレクタ115が設けられている。図1には約1.35個分のグループセルが示されており、右側のグループセルでは両端のトレンチコレクタと10セル中4セルのみが示されており、中心付近の6セルは長方形の破線領域に設けられているが図が煩雑で且つ大きくなりすぎるのを避けるために割愛し図示していない。左側のグループセルでは3個半のセルのみを図示し他は割愛している。トレンチコレクタと最近接のセル間は1.2kVの耐圧を確保するために離しており、その距離は例えば15ミクロンメートルであってもよく、表面電界緩和手段が設けられていてもよい。チップの厚さはおよそ300μm付近である。
なお、本実施例の動作メカニズムの説明を容易にするために、図1には3本の電流ルートを矢印を付与した点線で示してある。
First, the detailed configuration of the present embodiment will be described.
FIG. 1 shows only a part of the active region of the SiC reverse conducting IGBT 100. The SiC reverse conducting IGBT 100 includes a breakdown voltage structure (not shown) so as to surround the active region, for example. The active region is a region through which a current flows when the semiconductor element is turned on, and the breakdown voltage structure portion is a structure portion that relaxes the electric field strength on the pn junction surface constituting the semiconductor element and realizes a desired breakdown voltage.
The chip size of the SiC reverse conducting IGBT 100 is 8.8 mm × 4.4 mm, and the active area is about 8 mm × 4 mm. The reverse conducting IGBT cell in the active region is striped and the width of the cell is about 15 microns. The width of the pressure-resistant structure portion surrounding the active region is about 0.2 mm in the horizontal direction including the dicing portion. On the other hand, the direction perpendicular to the paper surface is 0.4 mm, and the wire bonding pad for the collector electrode is provided at the end in the longitudinal direction of the cell, and the wire bonding for the emitter electrode is provided at the other end. A pad is provided. The cells in the active region constitute a group cell for every 10 cells, and p-trench collectors 115 are provided at both ends of the group cell. FIG. 1 shows about 1.35 group cells. In the right group cell, only the trench collectors at both ends and 4 out of 10 cells are shown, and 6 cells near the center are rectangular broken lines. Although it is provided in the area, it is omitted and not shown in order to avoid the figure being too complicated and too large. In the group cell on the left, only three and a half cells are shown and others are omitted. The trench collector and the nearest cell are separated to ensure a breakdown voltage of 1.2 kV, and the distance may be, for example, 15 micrometers, or surface electric field relaxation means may be provided. The thickness of the chip is about 300 μm.
In order to facilitate the explanation of the operation mechanism of the present embodiment, three current routes are indicated by dotted lines with arrows in FIG.

図1に示すように、本実施例のSiC逆導通IGBT100においては、厚さ約270μmのnドレイン102が第2コレクタ電極101に裏面が接しており、そのおもて面にはp埋込コレクタ導電層120と第1の短絡領域121が設けられ、それらのおもて面には各々に対向してp埋込コレクタ層103とこの層を貫通する第2のn短絡部領域104が設けられている。これらの領域103と104のおもて面には、nバッファー層105が設けられている。p埋込コレクタ導電層120の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1021cm−3および15μmであってもよく、抵抗率が約0.02Ωcmである。また、p埋込コレクタ領域103の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1018cm−3および1.5μmであってもよい。p埋込コレクタ導電層120を貫通するn短絡部の不純物濃度は1×1021cm−3であってもよく、p埋込コレクタ層103を貫通するn短絡部104の不純物濃度は5×1019cm−3であってもよい。また、nバッファー層105の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ3×1016cm−3および0.8μmであってもよい。各セルにおいてn短絡部103はセルの中心付近に設けてもよく、その幅は8μmであってもよい。n短絡部間の距離、これはp埋込コレクタ層の幅に該当するが、この幅は7μmであってもよい。 As shown in FIG. 1, in the SiC reverse conducting IGBT 100 of the present embodiment, the n + drain 102 having a thickness of about 270 μm is in contact with the second collector electrode 101 and the back surface is in contact with the p-type buried surface. A collector conductive layer 120 and a first short-circuit region 121 are provided, and a p-buried collector layer 103 and a second n + short-circuit region 104 penetrating this layer are provided on the front surface of the collector conductive layer 120 and the first short-circuit region 121. Is provided. An n buffer layer 105 is provided on the front surfaces of these regions 103 and 104. The impurity concentration and thickness of the p buried collector conductive layer 120 may be, for example, 1 × 10 21 cm −3 and 15 μm, respectively, and the resistivity is about 0.02 Ωcm. Further, the impurity concentration and the thickness of the p buried collector region 103 may be, for example, 1 × 10 18 cm −3 and 1.5 μm, respectively. The impurity concentration of the n + short-circuit portion penetrating the p buried collector conductive layer 120 may be 1 × 10 21 cm −3 , and the impurity concentration of the n + short-circuit portion 104 penetrating the p buried collector layer 103 is 5 It may be × 10 19 cm −3 . Further, the impurity concentration and thickness of the n buffer layer 105 may be, for example, 3 × 10 16 cm −3 and 0.8 μm, respectively. In each cell, the n + short-circuit portion 103 may be provided near the center of the cell, and its width may be 8 μm. The distance between n + short-circuited portion, which corresponds to the width of the p buried collector layer, may be 7 μm.

nバッファー層105のおもて面には、nドリフト層106が設けられている。nドリフト層106は、SiCエピタキシャル層である。nドリフト層106の不純物濃度は、nバッファー層105の不純物濃度以下である。具体的には、nドリフト層106の不純物濃度および厚さは、例えば、各々1×1016cm−3および13μmであってもよい。 An n drift layer 106 is provided on the front surface of the n buffer layer 105. The n drift layer 106 is a SiC epitaxial layer. The impurity concentration of the n drift layer 106 is less than or equal to the impurity concentration of the n buffer layer 105. Specifically, the impurity concentration and thickness of the n drift layer 106 may be, for example, 1 × 10 16 cm −3 and 13 μm, respectively.

nドリフト層106の表面層には、pボディ領域107が選択的に複数設けられている。pボディ領域107の不純物濃度は、nドリフト層106の不純物濃度よりも高い。例えば、pボディ領域107の不純物濃度および素子のおもて面からの厚さは、それぞれ1×1018cm−3および0.6μmであってもよい。隣り合うpボディ領域107に挟まれたnドリフト層106の幅は、例えば6 μmであってもよい。 pボディ領域107は、例えばアルミニュームのイオン注入によって形成された層である。 A plurality of p body regions 107 are selectively provided on the surface layer of the n drift layer 106. The impurity concentration of p body region 107 is higher than the impurity concentration of n drift layer 106. For example, the impurity concentration of p body region 107 and the thickness from the front surface of the element may be 1 × 10 18 cm −3 and 0.6 μm, respectively. The width of n drift layer 106 sandwiched between adjacent p body regions 107 may be, for example, 6 μm. The p body region 107 is a layer formed by, for example, aluminum ion implantation.

なお、SiC半導体は深さ方向に直行する方向の不純物拡散がシリコン半導体に比べて少ないので、図1において半導体層を矩形状に図示している(以下、各図に示す逆導通IGBTにおいても同様に、半導体層を矩形状に図示する)。 Since the SiC semiconductor has less impurity diffusion in the direction perpendicular to the depth direction than the silicon semiconductor, the semiconductor layer is shown in a rectangular shape in FIG. 1 (hereinafter, the same applies to the reverse conducting IGBT shown in each figure). The semiconductor layer is illustrated in a rectangular shape).

各pボディ領域107の表面層には、2個のnエミッタ領域108および2個のp低濃度チャネル領域109やpコンタクト領域110が選択的に設けられている。nエミッタ領域108およびp低濃度チャネル領域109やpコンタク領域110は、イオン注入によって形成された半導体領域である。p低濃度チャネル領域109は、pボディ領域107の端部に設けられnドリフト層106に接する。nエミッタ領域108は、p低濃度チャネル領域109のnドリフト層106に接する端部とは反対側の端部に接する。 In the surface layer of each p body region 107, two n + emitter regions 108, two p low-concentration channel regions 109 and a p + contact region 110 are selectively provided. The n + emitter region 108, the p low-concentration channel region 109, and the p + contact region 110 are semiconductor regions formed by ion implantation. The p low concentration channel region 109 is provided at the end of the p body region 107 and is in contact with the n drift layer 106. The n + emitter region 108 is in contact with the end of the p low-concentration channel region 109 opposite to the end in contact with the n drift layer 106.

エミッタ領域108の、p低濃度チャネル領域109に接していない側の端部は、p+コンタク領域110に接している。各pボディ領域107に設けられたp低濃度チャネル領域109およびnエミッタ領域108は、隣り合う他のpボディ領域107のp低濃度チャネル領域109およびnエミッタ領域108と対称に配置されている。 The end of the n + emitter region 108 on the side not in contact with the p low concentration channel region 109 is in contact with the p + contact region 110. P provided in each p body region 107 - low-concentration channel region 109 and n + emitter region 108, p other p body regions 107 adjacent - placed in a low concentration channel region 109 and n + emitter region 108 and the symmetrical Has been.

低濃度チャネル領域109およびnエミッタ領域108はpボディ領域107の表面層にそれぞれイオン注入によって形成される。p低濃度チャネル領域109の不純物濃度は、pボディ領域107の不純物濃度よりも低い。具体的には、p低濃度チャネル領域109の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ3×1016cm−3および0.3μmであってもよい。またチャネルの長さは1.0μmであってもよい。
エミッタ領域108の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ5×1019cm−3および0.3μmであってもよく、水平方向の幅は、例えば2.5μmであってもよい。
コンタク領域110の不純物濃度は、例えば1×1019cm−3であってもよい。
The p low concentration channel region 109 and the n + emitter region 108 are formed in the surface layer of the p body region 107 by ion implantation. The impurity concentration of the p low concentration channel region 109 is lower than the impurity concentration of the p body region 107. Specifically, the impurity concentration and thickness of the p low-concentration channel region 109 may be 3 × 10 16 cm −3 and 0.3 μm, respectively, for example. The channel length may be 1.0 μm.
The impurity concentration and thickness of the n + emitter region 108 may be, for example, 5 × 10 19 cm −3 and 0.3 μm, respectively, and the horizontal width may be, for example, 2.5 μm.
The impurity concentration of the p + contact region 110 may be 1 × 10 19 cm −3 , for example.

低濃度チャネル領域109の表面には、ゲート絶縁膜111を介してゲート電極(制御電極)112が設けられている。ゲート絶縁膜111の厚さは約500オングストロームであってもよい。エミッタ電極114は、nエミッタ領域108に接するとともにpコンタクト層110にも接しており、pコンタクト層110を介してpボディ領域107に電気的に接している。また、エミッタ電極114はゲート電極112から層間絶縁膜113やゲート絶縁膜111により絶縁されている。エミッタ電極114と第1のコレクタ電極119との間には高耐圧・高耐熱レジン等の絶縁物(不図示)が設けられ相互に絶縁されている。この絶縁物はチップのおもて面全体を被覆し、各電極のワイヤボンディングが必要な個所のみ耐圧を損ねない状態で開口しボンディング用パットを設けていてもよい。
短絡部104は好ましくは、pボディ領域107に各々の水平方向のセンター位置がほぼ重なるように対向させてもよい。
A gate electrode (control electrode) 112 is provided on the surface of the p low-concentration channel region 109 via a gate insulating film 111. The thickness of the gate insulating film 111 may be about 500 angstroms. The emitter electrode 114 is in contact with the n + emitter region 108 and also in contact with the p + contact layer 110, and is in electrical contact with the p body region 107 through the p + contact layer 110. The emitter electrode 114 is insulated from the gate electrode 112 by the interlayer insulating film 113 and the gate insulating film 111. Between the emitter electrode 114 and the first collector electrode 119, an insulator (not shown) such as a high breakdown voltage / high heat resistant resin is provided and insulated from each other. This insulator may cover the entire front surface of the chip, and may be opened in a state that does not impair the withstand voltage only at a portion where wire bonding of each electrode is necessary, and a bonding pad may be provided.
The n + short-circuit portion 104 may preferably be opposed to the p body region 107 so that the center positions in the horizontal direction substantially overlap each other.

セルは例えば10個単位でグループ化されてグループセルを構成しており、各グループ間にはpトレンチコレクタ領域115が設けられている。pトレンチコレクタ領域115の不純物濃度および厚さは、例えば1×1020cm−3および16μmであってもよく、幅が15μmであってもよい。pトレンチコレクタ領域115からnドレイン領域106への過度の正孔が注入されるのを抑制するために、nドレイン領域106とpトレンチコレクタ領域115の間にnトレンチバッファー領域116を設けてもよい。nトレンチバッファー層116はnバッファー層105と同じ不純物濃度および厚さ、すなわち3×1016cm―3および0.8μmであってもよい。
隣り合うpトレンチコレクタ領域115の水平方向の中心間の複数セルをグループセル(図中に付記)と定義し、この中心間距離を以下ではグループセルの幅と呼ぶ。この幅内には、グループセルの両端のセルとこれらに対向する各pトレンチコレクタ領域115間の距離、すなわち電界緩和用のフィールド領域の幅も含まれる。このフィールド領域の中間付近のおもて面には、おもて面と酸化膜等の表面保護膜130の界面状態が良好でないときに特に問題となるリーク電流の影響を抑制するためにnチャネルストッパー122が設けられてもよい。
The cells are grouped, for example, in units of 10 to form a group cell, and a p + trench collector region 115 is provided between each group. The impurity concentration and thickness of the p + trench collector region 115 may be, for example, 1 × 10 20 cm −3 and 16 μm, and the width may be 15 μm. An n trench buffer region 116 is provided between the n drain region 106 and the p + trench collector region 115 to prevent excessive holes from being injected from the p + trench collector region 115 to the n drain region 106. Also good. The n trench buffer layer 116 may have the same impurity concentration and thickness as the n buffer layer 105, that is, 3 × 10 16 cm −3 and 0.8 μm.
A plurality of cells between the horizontal centers of adjacent p + trench collector regions 115 are defined as group cells (supplied in the drawing), and the distance between the centers is hereinafter referred to as a group cell width. This width includes the distance between the cells at both ends of the group cell and the respective p + trench collector regions 115 facing them, that is, the width of the field region for electric field relaxation. An n-channel is formed on the front surface near the middle of the field region in order to suppress the influence of leakage current which is particularly problematic when the interface state between the front surface and the surface protective film 130 such as an oxide film is not good. A stopper 122 may be provided.

トレンチコレクタ領域115は少なくともnドリフト層106およびnバッファー層105を貫通してグループセル端部のp埋込コレクタ領域に接するように設けられている。このグループセル端部のp埋込コレクタは、端部のセルのn短絡領域104からpトレンチコレクタ領域115の水平方向の中心位置まで延在しており、端部のセル以外のセルのp埋込コレクタ103よりも幅が広い。以下ではp埋込端部コレクタ117と呼ぶ。pトレンチコレクタ層115はできるだけ低抵抗であることが好ましい。nトレンチバッファー領域116はnバッファー層105の不純物濃度および厚さと同じであってもよいが、例えばpトレンチコレクタ領域115からの過度の正孔の注入を抑制しターンオフ速度を短くするためにはより高濃度でより厚くしてもよい。一方、nバッファー層105内での電圧降下を大きくしてスナックバック現象を抑制するためにはより低濃度でより薄くしてもよい。すなわち、所望の正孔注入量と所望の電圧降下を考慮して設定されるのが好ましい。
トレンチコレクタ領域115の主表面側の露出面には第1コレクタ電極119が設けられている。pトレンチコレクタ領域115の露出面の幅は約15μmであってもよい。グループセルの幅は例えば約200μmである。
The p + trench collector region 115 is provided so as to penetrate at least the n drift layer 106 and the n buffer layer 105 and to be in contact with the p buried collector region at the end of the group cell. The p buried collector at the end of the group cell extends from the n short-circuit region 104 of the end cell to the horizontal center position of the p + trench collector region 115, and the p of the cells other than the end cell. It is wider than the buried collector 103. Hereinafter, it is referred to as a p buried end collector 117. The p + trench collector layer 115 is preferably as low a resistance as possible. The n trench buffer region 116 may have the same impurity concentration and thickness as the n buffer layer 105. For example, in order to suppress excessive hole injection from the p + trench collector region 115 and reduce the turn-off speed, It may be thicker at higher concentrations. On the other hand, in order to increase the voltage drop in the n buffer layer 105 and suppress the snackback phenomenon, the n buffer layer 105 may be made thinner at a lower concentration. That is, it is preferably set in consideration of a desired hole injection amount and a desired voltage drop.
A first collector electrode 119 is provided on the exposed surface on the main surface side of p + trench collector region 115. The width of the exposed surface of the p + trench collector region 115 may be about 15 μm. The width of the group cell is about 200 μm, for example.

各グループセルのp埋込コレクタ層103は各グループセル内の両端のpトレンチコレクタ領域115に接続されている。またn短絡領域が貫通しているのでp埋込コレクタ層は平面形状がメッシュ状である。貫通しているn短絡領域の水平方向の幅は例えば8μmと一定であるが、垂直方向の幅は7.5μmであってもよい。このn短絡領域の垂直方向の幅を変えることによりp埋込コレクタ層103の抵抗を制御でき、例えばこの垂直方向の幅を小さくすることによりp埋込コレクタ層103の抵抗を小さくできる。
p埋込コレクタ導電層120も同様にメッシュ状であり、本実施例ではその形状はp埋込コレクタ層103のメッシュ形状と同じである。しかし、異なってもよく、p埋込コレクタ導電層120のn短絡領域の垂直方向の幅を独立に変えることにより同様にp埋込コレクタ導電層120の抵抗を制御できる。p埋込コレクタ層の抵抗とp埋込コレクタ導電層の抵抗はpトレンチコレクタ領域115に並列接続されており、後者が高不純物濃度で厚いので前者に比べてコレクタ抵抗低減効果に関しては大きな影響を持つ。
The p buried collector layer 103 of each group cell is connected to the p + trench collector regions 115 at both ends in each group cell. Further, since the n + short-circuit region penetrates, the planar shape of the p buried collector layer is mesh. The horizontal width of the penetrating n + short-circuit region is constant, for example, 8 μm, but the vertical width may be 7.5 μm. The resistance of the p buried collector layer 103 can be controlled by changing the vertical width of the n + short-circuit region. For example, the resistance of the p buried collector layer 103 can be reduced by reducing the width in the vertical direction.
The p buried collector conductive layer 120 is also in a mesh shape, and in this embodiment, the shape is the same as the mesh shape of the p buried collector layer 103. However, they may be different, and the resistance of the p buried collector conductive layer 120 can be similarly controlled by independently changing the vertical width of the n short-circuit region of the p buried collector conductive layer 120. The resistance of the p buried collector layer and the resistance of the p buried collector conductive layer are connected in parallel to the p + trench collector region 115. Since the latter is thick at a high impurity concentration, it has a greater influence on the collector resistance reduction effect than the former. have.

以下に、本実施例の動作とスナップバック現象抑制のメカニズムを説明する。
まず上記においてゲート電圧約20Vを印加しコレクタ電極とエミッタ電極114間に順方向電圧を印加し増加してゆくと、全セルにおいて各セルごとに図1の点線a、bで模式的に示すルートも含んだ多数のルートでMOSFET電流が流れ、その総和が例えば定常動作電流として機能する。
その際、各セルグループの両端のセルでは図1の点線cで模式的に示すルートでも、エミッタ電極114、エミッタ領域(ソース領域として機能)108、チャネル領域109、フィールド領域、nトレンチバッファー領域116、p埋込端部コレクタ層117上のnバッファー層105、n短絡領域104と121、nドレイン層102、第2コレクタ電極101を経由して電子電流が流れる。この電子電流によりnバッファー層内に電界降下が生じるが、短絡領域104から最も遠いnトレンチバッファー116のおもて面付近で電界降下は最大となる。コレクタ電極とエミッタ電極間の印加電圧を増大してゆき、この電界降下が2.7Vのビルトイン電圧以上になるとこのおもて面付近で正孔の注入が起こりIGBT部分が横型IGBTとして機能しオンする。一旦このIGBT部がオンすると導電率変調効果によりこのIGBT部分の抵抗が大幅に低下し大きなバイポーラ電流(正孔電流と電子電流の合算電流)が流れる。この電流が拡がって端部のセル全体がオンしてより大きな電流が流れ、更に隣接するセルにおいてもこのより大きな電流の拡がり電流分によりnバッファー層内の電圧降下が増大してp埋込コレクタ103から正孔の注入が生じ隣接セルがオンし更に大きな電流がながれる。この繰り返しで次々に隣接セルがオンしついには全体がオンする。このようにして、全グループセルがオンし、結局逆導通IGBT全体がオンし過負荷電流に該当する大きな電流が流れる。この間に要するターンオン時間は約数十ナノ秒の短い時間である。
Hereinafter, the operation of this embodiment and the mechanism for suppressing the snapback phenomenon will be described.
First, when a gate voltage of about 20 V is applied and a forward voltage is applied and increased between the collector electrode and the emitter electrode 114, the route schematically shown by dotted lines a and b in FIG. MOSFET current flows in a number of routes including the total, and the sum of these functions as, for example, a steady operation current.
At that time, the emitter electrode 114, the emitter region (functioning as a source region) 108, the channel region 109, the field region, and the n-trench buffer region 116 are also used in the cells at both ends of each cell group, even in the route schematically shown by the dotted line c in FIG. Electron current flows through the n buffer layer 105, the n short-circuit regions 104 and 121, the n drain layer 102, and the second collector electrode 101 on the p buried end collector layer 117. This electron current causes an electric field drop in the n buffer layer, but the electric field drop is maximized near the front surface of the n trench buffer 116 farthest from the short-circuit region 104. When the applied voltage between the collector electrode and the emitter electrode is increased and this electric field drop exceeds the built-in voltage of 2.7 V, holes are injected near the front surface, and the IGBT part functions as a lateral IGBT and turns on. To do. Once this IGBT portion is turned on, the resistance of this IGBT portion is greatly reduced due to the conductivity modulation effect, and a large bipolar current (a combined current of a hole current and an electron current) flows. This current spreads and the entire cell at the end is turned on to allow a larger current to flow, and the voltage drop in the n buffer layer increases in the adjacent cell due to the larger current spread, thereby increasing the p buried collector. Hole injection occurs from 103, the adjacent cell is turned on, and a larger current flows. By repeating this, adjacent cells are turned on one after another, and finally the whole is turned on. In this way, all the group cells are turned on, eventually the entire reverse conducting IGBT is turned on, and a large current corresponding to the overload current flows. The turn-on time required during this period is a short time of about several tens of nanoseconds.

本実施例特有のpトレンチコレクタ領域115を有しない場合は、図1のaやbの電子電流のルートにより7μm幅のp埋込コレクタ103上の半分のバッファー層部分における電界降下によって、p埋込コレクタ103の中央部付近から正孔の注入が生じIGBT部がオンする。従って、電界効果が生じるバッファー層部分の長さは約3.5μmと短いので電圧降下を生じるためのバッファー層内の抵抗が小さいので、ビルトイン電圧2.7Vの電界降下をnバッファー層で生じるには極めて大きな電子電流が必要となる。逆導通IGBTのスナップバック電圧Vsbは、nバッファー層内で正孔の注入が生じIGBT部がオンする直前の電圧であるので次式で近似できる。

Vsb=(チャネル抵抗での電圧降下)+(ドリフト抵抗での電圧降下)+(ビルトイン電圧)

1.2kV級の本実施例の場合はドリフト抵抗がより大きいので、ドリフト層での電圧降下が大きくなりVsbも大きくなってしまう。この結果、スナップバック現象に起因するdIsb/dtは例えば約4240A/μs、dVsb/dtは約−70V/μsであり、回路に大きな悪影響を及ぼしてしまう。
When the p + trench collector region 115 peculiar to the present embodiment is not provided, the electric field drop in the half buffer layer portion on the 7 μm wide p buried collector 103 by the electron current route of a and b in FIG. Hole injection occurs from the vicinity of the central portion of the buried collector 103, and the IGBT portion is turned on. Accordingly, since the length of the buffer layer portion where the field effect is generated is as short as about 3.5 μm, the resistance in the buffer layer for generating the voltage drop is small, so that the electric field drop with a built-in voltage of 2.7 V is generated in the n buffer layer. Requires a very large electron current. The snap-back voltage Vsb of the reverse conducting IGBT is a voltage immediately before the injection of holes in the n buffer layer and the IGBT portion is turned on, and can be approximated by the following equation.

Vsb = (Voltage drop at channel resistance) + (Voltage drop at drift resistor) + (Built-in voltage)

In the case of the present embodiment of the 1.2 kV class, since the drift resistance is larger, the voltage drop in the drift layer is increased and Vsb is also increased. As a result, dIsb / dt due to the snapback phenomenon is, for example, about 4240 A / μs, and dVsb / dt is about −70 V / μs, which greatly affects the circuit.

一方、本実施例特有のpトレンチコレクタ領域115を設けた場合は、図1の点線cのルートにおけるnバッファー部分での電圧降下が2.7Vになると正孔注入が生じる。本実施例におけるnバッファー層の幅は、本来のパイロットIGBTのp埋込コレクタ上のnバッファーの幅とフィールド領域下のp埋込コレクタの幅およびnトレンチバッファー領域116の幅の総和から構成される。それぞれがいづれも約15μmなので総計約45μmである。上記のpトレンチコレクタ領域115を有しない場合に比べると約13倍長く、従ってその分少ない電子電流でビルトイン電圧に到達する。このように電子電流が少ないのでVsbは大幅に小さくなり、この結果スナップ現象を大幅に抑制できるものである。
上記の例ではnトレンチバッファー層116の不純物濃度を3×1016cm―3、厚さを0.8μmとnバッファー層105と同一にしたが、変えることにより次の効果も発揮できる。すなわち、同じ厚さでその不純物濃度を高くすることにより、nトレンチバッファー層の抵抗値を低くしたり、pトレンチコレクタ領域115からの正孔の注入を抑えたりしてスナップバック現象発生時の電流Isbを大きくできる。また逆に低くすることによりIsbを小さくできる。更に厚さを厚くすることによっても抵抗値や正孔注入を小さくしてIsbを大きくでき、逆に薄くすることによってIsbを小さくもできる。Isbは定常動作時の定格出力電流の上限値とみなせるので、従って定常動作の定格出力電流に合わせてIsbをnトレンチバッファー領域116の不純物濃度や厚さで所望の値に設定することが可能になる。
On the other hand, when the p + trench collector region 115 peculiar to the present embodiment is provided, hole injection occurs when the voltage drop at the n buffer portion in the route indicated by the dotted line c in FIG. The width of the n buffer layer in the present embodiment is the sum of the original pilot IGBT p + the width of the n buffer on the buried collector, the p + width of the buried collector below the field region, and the width of the n trench buffer region 116. Composed. Since each of them is about 15 μm, the total is about 45 μm. Compared to the case where the p + trench collector region 115 is not provided, the built-in voltage is reached with about 13 times longer, and accordingly with a smaller electron current. Since the electron current is small in this way, Vsb is greatly reduced, and as a result, the snap phenomenon can be greatly suppressed.
In the above example, the n trench buffer layer 116 has an impurity concentration of 3 × 10 16 cm −3 and a thickness of 0.8 μm, which is the same as that of the n buffer layer 105. However, the following effects can be exhibited by changing the impurity concentration. That is, by increasing the impurity concentration with the same thickness, the resistance value of the n-trench buffer layer is decreased, or the injection of holes from the p + trench collector region 115 is suppressed, so that the snapback phenomenon occurs. The current Isb can be increased. On the other hand, Isb can be reduced by lowering. Further, by increasing the thickness, the resistance value and the hole injection can be decreased to increase Isb, and conversely, by decreasing the thickness, Isb can be decreased. Since Isb can be regarded as the upper limit value of the rated output current during steady operation, therefore, Isb can be set to a desired value according to the impurity concentration and thickness of the n trench buffer region 116 in accordance with the rated output current during steady operation. Become.

つぎに、図1に模式図を示すSiC逆導通IGBT100の製造方法について、プロセスフローを中心に説明する。また、イオン打ち込み後のアニール工程やホトマスクとして用いたレジストの除去工程、洗浄工程などの通常付随する工程の記述は煩雑になるので削除し主要工程に注目して説明する。
まず、約280μm厚のオフアングルn高不純物濃度SiC基板を用いて、おもて面にp埋込コレクタ導電層120の形成領域が露出するような開口部を有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクをマスクとしてプラズマエッチングにより約11μmの深さのトレンチ溝を形成する。
ついで、0.02Ωcm程度の比抵抗を持つ高不純物濃度のp層をエピタキシャル成長で形成する。この成長には気相成長だけでなく液相エピタキシャル成長法などの各種の成長法を適用できる。その後、研磨によりnSiC基板上のpエピタキシャル層を削除し更に約1μmの精密研磨を行い、深さ約10μmのp埋込コレクタ導電層120を形成する。この際、同時にn短絡部領域121も形成される。
Next, a method for manufacturing the SiC reverse conducting IGBT 100 schematically shown in FIG. 1 will be described focusing on the process flow. Also, the description of the processes that normally accompany the annealing process after ion implantation, the process of removing the resist used as a photomask, and the cleaning process will be complicated and will be described with a focus on the main processes.
First, using an off-angle n + high impurity concentration SiC substrate having a thickness of about 280 μm, a resist mask having an opening that exposes the formation region of the p buried collector conductive layer 120 on the front surface is formed. A trench groove having a depth of about 11 μm is formed by plasma etching using the resist mask as a mask.
Next, a high impurity concentration p-layer having a specific resistance of about 0.02 Ωcm is formed by epitaxial growth. For this growth, not only vapor phase growth but also various growth methods such as a liquid phase epitaxial growth method can be applied. Thereafter, the p epitaxial layer on the n + SiC substrate is removed by polishing, and further precision polishing of about 1 μm is performed to form a p + buried collector conductive layer 120 having a depth of about 10 μm. At this time, the n + short-circuit region 121 is also formed at the same time.

ついで、1.5μm厚のp層をエピタキシャル成長で形成し、更にn短絡部領域104の形成領域となるn短絡部領域121が露出するような開口部を有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクをマスクとして窒素のイオン打ち込みにより選択的にn短絡部領域104を形成する。この結果、p埋込コレクタ導電層120上にp埋込コレクタ領域103とp埋込端部コレクタ領域117も同時に形成される。 Next, a p-layer having a thickness of 1.5 μm is formed by epitaxial growth, and a resist mask having an opening that exposes the n + short-circuit region 121 that forms the n + short-circuit region 104 is formed. The n + short-circuit region 104 is selectively formed by nitrogen ion implantation using the mask as a mask. As a result, the p buried collector region 103 and the p buried end collector region 117 are simultaneously formed on the p buried collector conductive layer 120.

その後nバッファー層105、ついでnドリフト層106をエピタキシャル成長で順次形成する。つぎに、nドリフト層106の表面にpトレンチコレクタ領域115の形成領域が露出するような開口部を有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクをマスクとしてプラズマエッチングによりp埋込端部コレクタ領域117に至るトレンチ溝を形成する。 Thereafter, an n buffer layer 105 and then an n drift layer 106 are sequentially formed by epitaxial growth. Next, a resist mask having an opening that exposes the formation region of the p + trench collector region 115 is formed on the surface of the n drift layer 106, and the p buried end collector region is formed by plasma etching using the resist mask as a mask. A trench groove reaching 117 is formed.

ついでnトレンチバッファー領域116を形成するためにトレンチ溝表面に選択的に窒素のイオン打ち込みを行い、続いてトレンチ溝底部表面のイオン打ち込み層のみを選択的に除去する。更にエピタキシャル成長によりトレンチ溝が十分埋まる厚さのp層を形成後、研磨によりトレンチ溝以外のpエピタキシャル層を除去しウエーハ表面を平滑にする。露出面の状況によっては仕上げ用精密研磨を施してもよい。これらの研磨工程を実施することによりpトレンチコレクタ領域115およびnトレンチバッファー領域116が形成される。 Next, in order to form the n-trench buffer region 116, nitrogen ions are selectively implanted into the trench groove surface, and then only the ion implanted layer on the trench groove bottom surface is selectively removed. Further, after forming a p + layer having a thickness enough to fill the trench groove by epitaxial growth, the p + epitaxial layer other than the trench groove is removed by polishing to smooth the wafer surface. Depending on the condition of the exposed surface, fine polishing for finishing may be performed. By performing these polishing steps, p + trench collector region 115 and n trench buffer region 116 are formed.

つぎに、nドリフト層106の表面に、pボディ領域107の形成領域が露出する開口部を有するレジストマスクを形成する。そして、このレジストマスクをマスクとして、レジストマスクの開口部に露出するnドリフト層106にp型不純物であるアルミニュームをイオン打ち込みする。このとき、後の工程においてpボディ領域107の表面層にpボディ領域107よりも不純物濃度が低いp低濃度チャネル領域109を形成するために、pボディ領域107の、浅い部分の不純物濃度が深い部分の不純物濃度よりも低くなるようにイオン注入を多重に行うのが好ましい。 Next, a resist mask having an opening through which the formation region of the p body region 107 is exposed is formed on the surface of the n drift layer 106. Then, using this resist mask as a mask, aluminum which is a p-type impurity is ion-implanted into the n drift layer 106 exposed at the opening of the resist mask. At this time, in order to form the p - low concentration channel region 109 having an impurity concentration lower than that of the p body region 107 in the surface layer of the p body region 107 in a later process, the impurity concentration of the shallow portion of the p body region 107 is reduced. It is preferable to perform multiple ion implantations so that the impurity concentration in the deep portion is lower.

つぎに、pボディ領域107の表面にpコンタクト形成領域110が露出する開口部を有するレジストマスクを形成し、p型不純物をイオン注入してpコンタクト領域110を形成する。
更に、p低濃度チャネル領域109の形成領域が露出する開口部を有するレジストマスクを形成し不純物イオンをイオン注入しp低濃度チャネル領域109を形成する。
Next, a resist mask having an opening through which the p + contact formation region 110 is exposed is formed on the surface of the p body region 107, and p type impurities are ion-implanted to form the p + contact region 110.
Further, a resist mask having an opening through which the formation region of the p low concentration channel region 109 is exposed is formed, and impurity ions are implanted to form the p low concentration channel region 109.

低濃度チャネル領域109を形成するためのイオン注入では、pボディ領域107の表面層の不純物濃度がp低濃度チャネル領域109の所望の不純物濃度よりも低い場合には、p低濃度チャネル領域109が所望の不純物濃度となるようにp型不純物濃度をイオン注入する。一方、pボディ領域107の表面層の不純物濃度がp低濃度チャネル領域109の所望の不純物濃度よりも高い場合には、p低濃度チャネル領域109が所望の不純物濃度となるようにn型不純物濃度をイオン注入する。
つぎに、nエミッタ領域108の形成領域が露出する開口部を有するレジストマスクを形成し、n型不純物イオンをイオン注入しnエミッタ領域108を選択的に形成する。つぎに、表面にゲート絶縁膜111を形成し、更に多結晶シリコンのゲート電極112を選択的に形成する。つぎに、層間絶縁膜113を形成し、層間絶縁膜113でゲート電極112を覆う。
In the ion implantation for forming the p low concentration channel region 109, when the impurity concentration of the surface layer of the p body region 107 is lower than the desired impurity concentration of the p low concentration channel region 109, the p low concentration A p-type impurity concentration is ion-implanted so that the channel region 109 has a desired impurity concentration. On the other hand, the impurity concentration of the surface layer of the p-body region 107 is p - low concentration is higher than desired impurity concentration of the channel region 109, p - n-type so that the low concentration channel region 109 has a desired impurity concentration Impurity concentration is ion-implanted.
Next, a resist mask having an opening exposing the formation region of the n + emitter region 108 is formed, and n-type impurity ions are ion-implanted to selectively form the n + emitter region 108. Next, a gate insulating film 111 is formed on the surface, and a polycrystalline silicon gate electrode 112 is selectively formed. Next, an interlayer insulating film 113 is formed, and the gate electrode 112 is covered with the interlayer insulating film 113.

つぎに、フォトリソグラフィによって層間絶縁膜113およびゲート絶縁膜111を選択的に除去し、nエミッタ領域108およびpコンタクト層形成領域110とエミッタ電極114とを接続するためのコンタクトホールとpトレンチコレクタと第1コレクタ電極119とを接続するためのコンタクトホールを形成する。つぎに、コンタクトホール内を含めておもて面に金属膜を形成し、更に裏面に第2コレクタ電極用の金属膜を形成する。ついで、表面の金属膜のフォトエッチングによってエミッタ電極114と第1コレクタ電極109を分離形成する。更にダイシングを行い、図1に模式図の一部を示す逆導通IGBT素子100を完成する。 Next, the interlayer insulating film 113 and the gate insulating film 111 are selectively removed by photolithography, and a contact hole for connecting the n + emitter region 108 and the p + contact layer forming region 110 with the emitter electrode 114 and the p + A contact hole for connecting the trench collector and the first collector electrode 119 is formed. Next, a metal film is formed on the front surface including the inside of the contact hole, and further a metal film for the second collector electrode is formed on the back surface. Next, the emitter electrode 114 and the first collector electrode 109 are separately formed by photoetching of the metal film on the surface. Further, dicing is performed to complete the reverse conducting IGBT element 100 whose part is schematically shown in FIG.

なお、上記の製造方法においては、p埋込コレクタ導電層120をn高不純物濃度SiC基板のトレンチ溝にエピタキシャル技術を用いて埋め込んで形成したが次の方法を用いてもよい。すなわち、n高不純物濃度SiC基板上に高濃度のp埋込コレクタ導電層120をエピタキシャル成長させたのちに、SiC基板まで貫通するトレンチ溝を形成した後、エピタキシャル成長によりn高不純物濃度の成長層で埋込み、研磨を施してn短絡部領域121を形成する方法を用いてもよい。
また、上記の製造方法においてはpトレンチコレクタ領域115をエピタキシャルSiCで埋め込んで形成したが種々の他の方法も適用できる。例えば、トレンチ溝の中にバッファー層などを形成後、高不純物濃度の多結晶Siを埋め込んで形成してもよい。この場合、トレンチ溝表面に2μmから10μm程度の厚さのSiCエピタキシャル層を形成してから高不純物濃度の多結晶Siを埋め込んで形成する方法も、pトレンチコレクタ領域115の結晶性を向上して正孔の注入を効率よくできるので効果的である。将来的には多結晶Siに代わって低融点金属やカーボン系の材料などで埋め込む方法も期待できる。
In the above manufacturing method, the p buried collector conductive layer 120 is formed by being buried in the trench groove of the n + high impurity concentration SiC substrate using the epitaxial technique, but the following method may be used. That is, after epitaxially growing a high-concentration p buried collector conductive layer 120 on an n + high impurity concentration SiC substrate, a trench groove penetrating to the SiC substrate is formed, and then an n + high impurity concentration growth layer is formed by epitaxial growth. Alternatively, the n + short-circuit region 121 may be formed by embedding and polishing.
In the above manufacturing method, the p + trench collector region 115 is formed by burying it with epitaxial SiC, but various other methods can be applied. For example, after forming a buffer layer or the like in the trench groove, polycrystalline silicon having a high impurity concentration may be embedded. In this case, a method of forming a SiC epitaxial layer having a thickness of about 2 μm to 10 μm on the trench groove surface and then embedding a high impurity concentration polycrystalline Si also improves the crystallinity of the p + trench collector region 115. This is effective because hole injection can be performed efficiently. In the future, a method of embedding with a low melting point metal or a carbon-based material in place of polycrystalline Si can be expected.

次に、前記の製造方法で作製する逆導通IGBT100の特性について説明する。
前記の逆導通IGBT100はTO型の高耐圧パッケージに実装して動作試験に供した。すなわち、パッケージのダイボンディング用リードフレームに逆導通IGBTチップの第2コレクタ電極101をはんだ付けし、更に逆導通IGBTチップ上に設けた第1コレクタ電極を集約したコレクタパッドと上記のダイボンディング用リードフレームとを複数本のAlワイヤで結線し第1コレクタ電極101と第2コレクタ電極119を電気的に接続した。また、エミッタ電極114とエミッタリード端子を複数本のAlワイヤで結線するとともに、ゲート電極113を集約したチップ上のゲートパットとパッケージのゲートリードとを複数本のAlワイヤで結線した。ついで保護用の高耐熱レジンでチップとAlワイヤを完全に被覆して3端子の半導体装置にしたのち動作試験に供した。
なお特性やその測定の仕方の説明に当たっては、煩雑さを避けるために、接続されている第1コレクタ電極119と第2コレクタ電極101を総称して、単にコレクタ電極と記載する。
Next, the characteristics of the reverse conducting IGBT 100 manufactured by the above manufacturing method will be described.
The reverse conducting IGBT 100 was mounted in a TO type high voltage package and used for an operation test. That is, the second collector electrode 101 of the reverse conducting IGBT chip is soldered to the die bonding lead frame of the package, and further, the collector pad that collects the first collector electrode provided on the reverse conducting IGBT chip and the die bonding lead described above. The frame was connected with a plurality of Al wires, and the first collector electrode 101 and the second collector electrode 119 were electrically connected. Further, the emitter electrode 114 and the emitter lead terminal were connected by a plurality of Al wires, and the gate pad on the chip in which the gate electrodes 113 were integrated and the gate lead of the package were connected by a plurality of Al wires. Subsequently, the chip and the Al wire were completely covered with a high heat-resistant resin for protection to form a three-terminal semiconductor device, and then subjected to an operation test.
In the description of the characteristics and the measurement method, the connected first collector electrode 119 and second collector electrode 101 are collectively referred to simply as a collector electrode in order to avoid complexity.

ゲート電圧を印加しない状態でパッケージのリード端子を介してエミッタ電極114とコレクタ電極の間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約1.34kVである。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で3.2×10−3A/cm以下、250℃の高温でも4×10−2A/cm以下と良好である。 When a forward voltage is applied between the emitter electrode 114 and the collector electrode via the package lead terminal without applying a gate voltage, a leakage current flows, but a good forward blocking characteristic is exhibited, and a breakdown voltage at room temperature, that is, an avalanche breakdown Is about 1.34 kV. Moreover, the leakage current before avalanche breakdown is as good as 3.2 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 4 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C.

ゲート電極112に閾値電圧以上のゲート電圧約20Vを印加し、ついでコレクタ電極とエミッタ電極114間に順方向電圧を印加し増加してゆくとほぼ直線的にMOSFET部の通電電流が増加し、2.2Vで所定の定常動作電流の約40Aを流すことができた。オン抵抗は約55mΩであり低い。更に順方向電圧を増加するとスナップバック現象が現れIGBT部がオンし、更に順方向電圧を増加すると225%の過負荷電流に相当する90Aを約3.2Vのオン電圧で流すことができ過負荷動作時の低損失を達成できた。
本実施例では、IGBT部がオンする前のMOSFET部のオン抵抗をSiC半導体を用いることにより著しく小さくし、定常動作時の著しい低損失を達成している。上記の著しく低い約55mΩのオン抵抗はSiC−MOSFETと耐圧の理論的な相関関係から考慮しても妥当な低い値である。
また過負荷動作時にはIGBT部をオンさせSiCの導電率変調効果を活用して低損失にするとともに、p埋込コレクタ導電層120を設け且つグループセル構成にしてpトレンチコレクタ領域115も設けることによってp埋込コレクタ領域103からコレクタ電極までの電流通路の抵抗を著しく小さくしている。これらにより、IGBT部のオン抵抗を小さでき大幅に低損失にし絶対最大定格電流容量を増大させ、過負荷動作時の大きな過負荷電流を低損失で達成している。このように本実施例の逆導通IGBTは定常時と過負荷時のいづれにおいても低損失である一方、その厚さは約300μmであり、素子製作時の加工歪に母材のSiCウエーハが十分耐える高い機械強度を有している。これは、本発明に特有の電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離し低いオン抵抗と高い機械強度を両立させたことによる効果である。
スナップバック現象が現れIGBT部がオンするまでの時間はおおよそ75ナノ秒であり、dIsb/dtは約285A/μs、dVsb/dtは約−10.3V/μsである。従って、回路動作に及ぼす影響は実用上まったく無視できるレベルでありスナップバック現象による悪影響は大幅に抑制できた。これは、本発明に特有のトレンチコレクタ構造と埋込端部コレクタ構造による効果であり、しかも単に従来例のパイロットIGBTのみを適用した場合に比べて小さい面積で実現できている。
このようにスナップバック現象を大幅に抑制できたのは、上記したようにパイロットIGBTに加えて、本実施例特有のpトレンチコレクタ領域こフィールド領域下のp埋込コレクタの活用によるものであり、単にパイロットIGBTを用いた従来構造に比べて素子面積も低減できている。
When a gate voltage of about 20 V, which is equal to or higher than the threshold voltage, is applied to the gate electrode 112 and then a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode 114 and then increased, the energization current of the MOSFET portion increases almost linearly. A predetermined steady-state operating current of about 40 A was allowed to flow at 2 V. On-resistance is as low as about 55 mΩ. When the forward voltage is further increased, a snapback phenomenon appears and the IGBT part is turned on. When the forward voltage is further increased, 90 A corresponding to 225% overload current can be caused to flow at an on-voltage of about 3.2 V. Low loss during operation was achieved.
In the present embodiment, the on-resistance of the MOSFET part before the IGBT part is turned on is remarkably reduced by using a SiC semiconductor, and a remarkably low loss during steady operation is achieved. The remarkably low on-resistance of about 55 mΩ is a reasonable low value even considering the theoretical correlation between the SiC-MOSFET and the breakdown voltage.
In addition, during overload operation, the IGBT portion is turned on to reduce the loss by utilizing the conductivity modulation effect of SiC, and the p buried collector conductive layer 120 is provided and the p + trench collector region 115 is also provided in the group cell configuration. Thus, the resistance of the current path from the p buried collector region 103 to the collector electrode is remarkably reduced. As a result, the on-resistance of the IGBT portion can be reduced, the loss can be greatly reduced, the absolute maximum rated current capacity can be increased, and a large overload current during overload operation can be achieved with low loss. As described above, the reverse conducting IGBT according to the present embodiment has a low loss both in the steady state and in the overload state. On the other hand, the thickness is about 300 μm, and the SiC wafer as the base material is sufficient for the processing strain at the time of manufacturing the element. High mechanical strength to withstand. This is an effect obtained by separating the electrical property realization region and the mechanical strength realization region specific to the present invention to achieve both low on-resistance and high mechanical strength.
The time until the snapback phenomenon appears and the IGBT part is turned on is approximately 75 nanoseconds, dIsb / dt is approximately 285 A / μs, and dVsb / dt is approximately −10.3 V / μs. Therefore, the influence on the circuit operation is negligible in practical use, and the adverse effect of the snapback phenomenon can be greatly suppressed. This is an effect of the trench collector structure and the buried end collector structure peculiar to the present invention, and can be realized in a smaller area compared to the case where only the pilot IGBT of the conventional example is applied.
In this way, the snapback phenomenon can be largely suppressed by utilizing the p + trench collector region p + buried collector under the field region peculiar to the present embodiment in addition to the pilot IGBT as described above. In addition, the element area can be reduced as compared with a conventional structure using only a pilot IGBT.

以上のように、本実施例によれば、低オン抵抗で高い機械強度を有するとともに、過負荷動作時に低損失であるのみならず定常動作領域では特に著しく低損失であり、更に小面積でスナップバック現象を抑制できる逆導通IGBTを実現できる。
As described above, according to the present embodiment, the low on-resistance and the high mechanical strength are not only low loss during overload operation, but also extremely low loss in the steady operation region, and the snap is further reduced in area. A reverse conducting IGBT capable of suppressing the back phenomenon can be realized.

(実施例2)
本実施例は耐圧は1.2kV級、定格出力電流は22A、絶対最大定格電流は50A級の4H−SiC逆導通IGBT半導体素子であり、チップサイズは8.8mmx2.4mmであり、活性領域は約8mmx2mmである。
(Example 2)
This example is a 4H-SiC reverse conducting IGBT semiconductor element having a withstand voltage of 1.2 kV class, a rated output current of 22 A, and an absolute maximum rated current of 50 A class, a chip size of 8.8 mm × 2.4 mm, and an active region of It is about 8 mm x 2 mm.

図2は、実施例2にかかるSiC逆導通IGBT半導体素子を模式的に示す断面図である。実施例1の素子に比べて、セルの形状および構造はほぼ同じであるが、pトレンチコレクタ領域215および第1コレクタ電極219とnトレンチバッファー216をチップ両端のみに設けている点、p埋込コレクタ導電層220の抵抗率を小さく且つ厚くしている点、パイロットIGBTに対応するp埋込コレクタの幅を長くしている点を除けば実施例1と大きな差異はない。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the SiC reverse conducting IGBT semiconductor device according to the second example. Compared with the device of the first embodiment, the shape and structure of the cell are almost the same. However, the p + trench collector region 215, the first collector electrode 219, and the n trench buffer 216 are provided only at both ends of the chip. Except for the point that the resistivity of the buried collector conductive layer 220 is small and thick, and the width of the p buried collector corresponding to the pilot IGBT is long, there is no significant difference from the first embodiment.

本実施例では、pトレンチコレクタ領域215やnトレンチバッファー216を素子内部に設けないで素子両端のみに設ける一方、p埋込コレクタ導電層220を厚く低抵抗率にすることにより低オン抵抗と低損失化を達成している。
またpトレンチコレクタ領域215や第1コレクタ電極219およびnトレンチバッファー216を素子内部に多数設けることはしないで、素子の両端部のみに設けることで良いので製作プロセスを簡略化できる。すなわち機能的には実装時に第1コレクタ電極219にワイヤボンディングできればよいので、pトレンチコレクタ領215の幅を大きくでき加工しやすいとともに、必ずしも約16μmと厚くしなくともよく、場合によってはpトレンチコレクタ領域215を形成しないでp埋込コレクタ層203の露出させた端部に第1コレクタ電極219のみを直接形成してもよくpトレンチコレクタ領域215形成用のエピタキシャルプロセスが簡略化もしくは割愛できる。この場合、nトレンチバッファー216内での電圧降下が減少することになるが、パイロットIGBT部の幅を大きくして電圧降下を増大し相殺している。
In this embodiment, the p + trench collector region 215 and the n trench buffer 216 are not provided inside the element, but are provided only at both ends of the element, while the p buried collector conductive layer 220 is made thick and has a low resistivity to reduce the on-resistance. Achieved low loss.
In addition, since the p + trench collector region 215, the first collector electrode 219, and the n trench buffer 216 are not provided in large numbers inside the device, they can be provided only at both ends of the device, so that the manufacturing process can be simplified. That is, it is sufficient wire bonding to the first collector electrode 219 at the time of mounting the functional, with p + easy to width can greatly machining trenches collector territory 215, as the case may, not necessarily thick and approximately 16 [mu] m p + Only the first collector electrode 219 may be formed directly on the exposed end of the p buried collector layer 203 without forming the trench collector region 215, and the epitaxial process for forming the p + trench collector region 215 is simplified or omitted. it can. In this case, the voltage drop in the n-trench buffer 216 is reduced, but the width of the pilot IGBT part is increased to increase and cancel the voltage drop.

このように実施例1に比べて製作プロセスを大幅に簡略化できる。この簡略化した本実施例の製作プロセスのフローは 上記の[0057]〜[0064]に記載の実施例1の製作プロセスにおいて、[0060]を除いて他を実施例1と同様に実施するものである。 Thus, the manufacturing process can be greatly simplified as compared with the first embodiment. The simplified manufacturing process flow of this embodiment is the same as that of the first embodiment except for [0060] in the manufacturing process of the first embodiment described in [0057] to [0064] above. It is.

なお、プラズマエッチングによりp埋込コレクタ導電層220が露出するまでSiCをエッチングする際に、p埋込コレクタ層203は少しでも抵抗を低減するためには残存するのが好ましいが、約1.5μmと薄いのでエッチング除去されてしまっても構わない。この場合は、電極219が素子端部のp埋込コレクタ導電層220上に直接設けられることになる。   Note that, when etching SiC until the p buried collector conductive layer 220 is exposed by plasma etching, the p buried collector layer 203 is preferably left to reduce the resistance as much as possible, but about 1.5 μm. Since it is thin, it may be removed by etching. In this case, the electrode 219 is directly provided on the p buried collector conductive layer 220 at the element end.

つぎに、本実施例2にかかるSiC逆導通IGBTの特性と特徴を説明する。
前記の逆導通IGBT200はTO型の高耐圧パッケージに実装して動作試験に供した。すなわち、パッケージのダイボンディング用リードフレームに逆導通IGBTチップの第2コレクタ電極201をはんだ付けし、更に逆導通IGBTチップ端部に設けた第1コレクタ電極と上記のダイボンディング用リードフレームとを複数本のAlワイヤで結線し第1コレクタ電極219と第2コレクタ電極201を電気的に接続した。また、エミッタ電極214とエミッタリード端子を複数本のAlワイヤで結線するとともに、ゲート電極213を集約したチップ上のゲートパットとパッケージのゲートリードとを複数本のAlワイヤで結線した。ついで保護用の高耐熱レジンでチップとAlワイヤを完全に被覆して3端子の半導体装置としたのち動作試験に供した。
なお特性やその測定の仕方の説明に当たっては、煩雑さを避けるために、接続されている第1コレクタ電極219と第2コレクタ電極201を総称して、単にコレクタ電極と記載する。
Next, characteristics and characteristics of the SiC reverse conducting IGBT according to the second embodiment will be described.
The reverse conducting IGBT 200 was mounted in a TO type high voltage package and used for an operation test. That is, the second collector electrode 201 of the reverse conducting IGBT chip is soldered to the die bonding lead frame of the package, and a plurality of the first collector electrode provided at the end of the reverse conducting IGBT chip and the die bonding lead frame are plural. The first collector electrode 219 and the second collector electrode 201 were electrically connected with a single Al wire. Further, the emitter electrode 214 and the emitter lead terminal were connected by a plurality of Al wires, and the gate pad on the chip in which the gate electrodes 213 were integrated and the gate lead of the package were connected by a plurality of Al wires. Next, the chip and the Al wire were completely covered with a protective high heat resistant resin to form a three-terminal semiconductor device, and then subjected to an operation test.
In the description of the characteristics and the measurement method, the connected first collector electrode 219 and second collector electrode 201 are collectively referred to simply as a collector electrode in order to avoid complexity.

ゲート電圧を印加しない状態でエミッタ電極214とコレクタ電極間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は1.38kV付近である。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で1.5×10−3A/cm以下、250℃の高温でも3×10−2A/cm以下と良好である。 When a forward voltage is applied between the emitter electrode 214 and the collector electrode without applying a gate voltage, a leakage current flows, but a good forward blocking characteristic is exhibited. It is. Moreover, the leakage current before avalanche breakdown is 1.5 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 3 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C.

また、ゲート電極212に閾値電圧以上のゲート電圧約20Vを印加し、ついでコレクタ電極とエミッタ電極214間に順方向電圧を印加し増加してゆくとほぼ直線的にMOSFET部の通電電流が増加し、実施例1と同様に2.0Vの順方向電圧で所定の定常動作電流の約22Aを流すことができた。従ってオン抵抗は約90mΩと低く著しい低損失を達成できた。更に順方向電圧を増加するとスナップ現象が現れIGBT部がオンし、更に順方向電圧を増加すると約230%の過負荷電流に相当する50Aを約3.5Vのオン電圧で流すことができ、過負荷動作時の低損失を達成できた。過負荷率Nは約2.3であり従来に比べて十分高い。 Further, when a gate voltage of about 20 V, which is equal to or higher than the threshold voltage, is applied to the gate electrode 212, and then a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode 214, the current flowing through the MOSFET portion increases almost linearly. As in Example 1, it was possible to pass a predetermined steady-state operating current of about 22 A with a forward voltage of 2.0 V. Accordingly, the on-resistance was as low as about 90 mΩ, and a remarkable low loss could be achieved. When the forward voltage is further increased, a snap phenomenon appears and the IGBT part is turned on. When the forward voltage is further increased, 50 A corresponding to an overload current of about 230% can be supplied at an on voltage of about 3.5 V. Low loss during load operation was achieved. The overload factor N is about 2.3, which is sufficiently higher than before.

なお、上記の著しく低い約90mΩのオン抵抗は素子の活性化面積を考慮すると、14.4mΩcmの特性オン抵抗に相当し、SiC−MOSFETと耐圧の理論的な相関関係から考慮しても妥当な低い値である。一方逆導通IGBTチップの厚さは約300μmであり製作時の加工歪に母材のSiCウエーハが十分耐える高い機械強度を有している。これは、本発明に特有の電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離し低いオン抵抗と高い機械強度を両立させたことによる効果である。
スナップ現象が現れIGBT部がオンするまでの時間はおおよそ75ナノ秒であり、ddIsb/dtは約92A/μs、dVsb/dtは約―6.0V/μsである。従って、回路動作に及ぼす影響は実用上無視できるレベルである。これは、本発明に特有のトレンチコレクタ構造と埋込端部コレクタ構造による効果であり、しかも単に従来例のパイロットIGBTのみを適用した場合に比べて小さい面積で実現できている。
なお、本実施例では図2に即して、両端のみにpトレンチコレクタ領域215および第1コレクタ電極219とnトレンチバッファー216をチップ設けた例について説明したが、素子中央部に同様に設けた構造でも同等の効果が得られるものである。
The extremely low on-resistance of about 90 mΩ corresponds to a characteristic on-resistance of 14.4 mΩcm 2 in consideration of the activation area of the element, and is appropriate even considering the theoretical correlation between the SiC-MOSFET and the breakdown voltage. It is a very low value. On the other hand, the thickness of the reverse conducting IGBT chip is about 300 μm, and it has high mechanical strength that the base SiC wafer can sufficiently withstand the processing strain during manufacture. This is an effect obtained by separating the electrical property realization region and the mechanical strength realization region specific to the present invention to achieve both low on-resistance and high mechanical strength.
The time until the snap phenomenon appears and the IGBT part is turned on is approximately 75 nanoseconds, ddIsb / dt is approximately 92 A / μs, and dVsb / dt is approximately −6.0 V / μs. Therefore, the influence on the circuit operation is a level that can be ignored in practice. This is an effect of the trench collector structure and the buried end collector structure peculiar to the present invention, and can be realized in a smaller area compared to the case where only the pilot IGBT of the conventional example is applied.
In this embodiment, the example in which the p + trench collector region 215, the first collector electrode 219, and the n trench buffer 216 are provided on the chip only at both ends has been described in accordance with FIG. The same effect can be obtained with a different structure.

以上のように、本実施例によれば、低オン抵抗で高い機械強度を有し、過負荷動作時に低損失であるのみならず定常動作領域では更に著しく低損失である逆導通IGBTを実現できる。更に、実施例1に比べてその製作プロセスを大幅に簡略化できる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a reverse conducting IGBT having low on-resistance and high mechanical strength and not only low loss during overload operation but also much lower loss in the steady operation region. . Furthermore, the manufacturing process can be greatly simplified as compared with the first embodiment.

(実施例3)
本実施例は耐圧1.2kV級、定格出力電流は20A、絶対最大定格電流は50A級のヘテロ構造3C−SiC逆導通IGBT半導体素子であり、チップサイズは8.8mmx2.4mmであり、活性領域は約8mmx2mmである。
Example 3
This example is a heterostructure 3C-SiC reverse conducting IGBT semiconductor element with a withstand voltage of 1.2 kV class, a rated output current of 20 A, and an absolute maximum rated current of 50 A class, the chip size is 8.8 mm × 2.4 mm, and the active region Is about 8 mm × 2 mm.

図3は、実施例3にかかるヘテロ構造の3C−SiC逆導通IGBT半導体素子を模式的に示す断面図である。セルの形状および構造は実施例2とほぼ同じである。上記の実施例2の半導体素子に比べて、nドレイン302およびp埋込コレクタ導電層321と第1の短絡領域320を厚さ280μmのSi単結晶基板を用いて形成し、その上に3C−SiC逆導通IGBT半導体素子を形成している点が大きく異なる。 FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a heterostructure 3C-SiC reverse conducting IGBT semiconductor device according to Example 3. The shape and structure of the cell are almost the same as in Example 2. Compared to the semiconductor element of the second embodiment, the n + drain 302 and the p buried collector conductive layer 321 and the first short-circuit region 320 are formed using a Si single crystal substrate having a thickness of 280 μm, and 3C is formed thereon. -The point which forms the SiC reverse conduction IGBT semiconductor element differs greatly.

本実施例は他の実施例に比べて次の特徴を有する。まずSi単結晶基板はSiC基板に比べて安価であるうえに、大口径化が容易にでき経済性に秀でている。更に、結晶が高品質であり高不純物濃度にしても結晶欠陥が少なく且つ低抵抗率化が容易に実現できる。また、3C−SiCは4H−SiCに比べてSiとの結晶格子間隔差が極めて少なく、Si基板の上に結晶品質の良いエピタキシャル成長層を容易に形成できるので、高性能の半導体素子の製作が容易である。   This embodiment has the following features compared to the other embodiments. First, the Si single crystal substrate is cheaper than the SiC substrate, and it is easy to increase the diameter and is excellent in economy. Further, the crystal is of high quality, and even with a high impurity concentration, there are few crystal defects and a low resistivity can be easily realized. In addition, 3C-SiC has an extremely small difference in crystal lattice spacing from Si compared to 4H-SiC, and an epitaxial growth layer with good crystal quality can be easily formed on a Si substrate, making it easy to manufacture high-performance semiconductor elements. It is.

この結果、Si基板内に形成したp埋込コレクタ導電層320は不純物濃度を約1x1021cm−3にした場合、抵抗率を0.0005Ωcm以下に大幅に低減でき、IGBTの抵抗を低減し低損失化できる。また、Si基板の上に結晶品質の良いエピタキシャル成長層を容易に形成でき、3C−SiCの電子移動度は高く900cm/V秒以上であり4H−SiCとほぼ同等の高性能のMOSFETを容易に実現できる As a result, when the impurity concentration of the p buried collector conductive layer 320 formed in the Si substrate is about 1 × 10 21 cm −3 , the resistivity can be greatly reduced to 0.0005 Ωcm or less, and the resistance of the IGBT is reduced. It can be lost. In addition, an epitaxial growth layer with good crystal quality can be easily formed on a Si substrate, and 3C-SiC has a high electron mobility of 900 cm 2 / V seconds or more, and a high-performance MOSFET almost equivalent to 4H-SiC can be easily obtained. realizable

つぎに、本3C−SiC逆導通IGBT半導体素子の製作フローを説明する。まず、nドレイン302を構成する結晶面(100)のSi単結晶基板上にp埋込コレクタ導電層321を選択的に形成する。この際、自動的に第1の短絡領域320が形成される。その上に3C−SiCのp埋込コレクタ層303をヘテロエピタキシャル成長させ、この層を貫通する第2のn短絡部領域304をイオン打込みにより形成する。ついでnバッファー層305、nドリフト層306を順次エピタキシャル成長により形成する。更にイオン打込みにより、nドリフト層306内に選択的にpボディ領域307を形成し、ついでpボディ領域307内に2個のnエミッタ領域308および2個のp低濃度チャネル領域309、更にpコンタクト領域310を選択的に形成する。その後、ゲート絶縁膜311を形成し、これを介して多結晶Siからなるゲート電極312および層間絶縁膜313を設け、ついでエミッタ電極314と第1のコレクタ電極319更に裏面の第2コレクタ電極301を形成する。その後、ダイシングを行い逆導通IGBT素子300を完成する。 Next, a manufacturing flow of the 3C-SiC reverse conducting IGBT semiconductor element will be described. First, a p buried collector conductive layer 321 is selectively formed on a Si single crystal substrate having a crystal plane (100) constituting the n + drain 302. At this time, the first short-circuit region 320 is automatically formed. A 3C—SiC p-buried collector layer 303 is heteroepitaxially grown thereon, and a second n + short-circuit region 304 penetrating this layer is formed by ion implantation. Next, an n buffer layer 305 and an n drift layer 306 are sequentially formed by epitaxial growth. Further, by ion implantation, a p body region 307 is selectively formed in the n drift layer 306, and then two n + emitter regions 308 and two p low-concentration channel regions 309 are further formed in the p body region 307. A p + contact region 310 is selectively formed. Thereafter, a gate insulating film 311 is formed, and a gate electrode 312 and an interlayer insulating film 313 made of polycrystalline Si are provided through the gate insulating film 311, and then an emitter electrode 314, a first collector electrode 319, and a second collector electrode 301 on the back surface are formed. Form. Thereafter, dicing is performed to complete the reverse conducting IGBT element 300.

つぎに、本実施例3にかかるSiC逆導通IGBTの特性と特徴を説明する。逆導通IGBT300は、前記の実施例2と同様にTO型の高耐圧パッケージに実装して動作試験に供した。当然ながら、第1コレクタ電極101と第2コレクタ電極119は電気的に接続している。
ゲート電圧を印加しない状態でエミッタ電極314とコレクタ電極間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は1.17kV付近である。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で2.5×10−3A/cm以下、250℃の高温でも3.8×10−2A/cm以下と良好である。
Next, characteristics and features of the SiC reverse conducting IGBT according to the third embodiment will be described. The reverse conducting IGBT 300 was mounted on a TO type high voltage package as in Example 2 and subjected to an operation test. Of course, the first collector electrode 101 and the second collector electrode 119 are electrically connected.
When a forward voltage is applied between the emitter electrode 314 and the collector electrode without applying a gate voltage, a leakage current flows, but a good forward blocking characteristic is exhibited, and a withstand voltage at room temperature, that is, an avalanche breakdown is around 1.17 kV. It is. Moreover, the leakage current before avalanche breakdown is as good as 2.5 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 3.8 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C.

また、ゲート電極312に閾値電圧以上のゲート電圧約20Vを印加し、ついでコレクタ電極とエミッタ電極314間に順方向電圧を印加し増加してゆくとほぼ直線的にMOSFET部の通電電流が増加し、実施例2と同様に2.1Vの順方向電圧で所定の定常動作電流の約20Aを流すことができ、約105mΩと極めて低いオン抵抗を実現し著しい低損失を達成できた。このように、1.2kV以上の耐圧と著しく低いオン電圧にも関わらず、逆導通IGBTチップの厚さは約300μmであり製作時の加工歪に母材のSiCウエーハが十分耐える高い機械強度を有している。これは、本発明に特有の電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離することにより低いオン抵抗と高い機械強度を両立させたことによる効果である。
更に順方向電圧を増加するとスナップ現象が現れIGBT部がオンするが、更に順方向電圧を増加すると250%の過負荷電流に相当する50Aを約3.0Vのオン電圧で流すことができ、過負荷動作時の低損失を達成できた。この2.5の過負荷率Nは従来に比べて十分高い値である。
スナップバック現象が現れIGBT部がオンするまでの時間はおおよそ75ナノ秒であり、dIsb/dtは約89A/μs、dVsb/dtは約−5.3V/μsである。従って、回路動作に及ぼす影響は実用上まったく無視できるレベルでありスナップバック現象による悪影響は大幅に抑制できた。これは、本発明に特有の埋込端部コレクタ構造による効果であり、単に従来例のパイロットIGBTのみを適用した場合に比べて小さい面積で実現できている。
また、上記の低抵抗とスナップバック現象の抑制の達成にはSi基板と3C−SiCを本発明の構造と組み合わせた効果の寄与も大きい。すなわち、Si基板は現在のSiC基板に比べて結晶性が良く同不純物濃度で伝導性が優れているためp埋込コレクタ導電層に好適であり、その抵抗率を0.0005Ωcm以下に大幅に低減できている。
Further, when a gate voltage of about 20 V, which is equal to or higher than the threshold voltage, is applied to the gate electrode 312 and then a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode 314, the current flowing in the MOSFET section increases almost linearly. As in Example 2, it was possible to pass a predetermined steady-state operating current of about 20 A with a forward voltage of 2.1 V, achieve an extremely low on-resistance of about 105 mΩ, and achieve a remarkable low loss. In this way, despite the withstand voltage of 1.2 kV or higher and the remarkably low on-voltage, the thickness of the reverse conducting IGBT chip is about 300 μm, and the high mechanical strength that the SiC wafer of the base material can sufficiently withstand the processing strain at the time of manufacture. Have. This is an effect obtained by making the low on-resistance and high mechanical strength compatible by separating the electric characteristic realization region and the mechanical strength realization region specific to the present invention.
When the forward voltage is further increased, a snap phenomenon appears and the IGBT portion is turned on. However, when the forward voltage is further increased, 50 A corresponding to 250% overload current can be caused to flow at an on-voltage of about 3.0 V. Low loss during load operation was achieved. The overload factor N of 2.5 is a sufficiently high value as compared with the conventional case.
The time until the snapback phenomenon appears and the IGBT part is turned on is approximately 75 nanoseconds, dIsb / dt is about 89 A / μs, and dVsb / dt is about −5.3 V / μs. Therefore, the influence on the circuit operation is negligible in practical use, and the adverse effect of the snapback phenomenon can be greatly suppressed. This is an effect of the buried end collector structure peculiar to the present invention, and can be realized with a smaller area as compared with the case where only the conventional pilot IGBT is applied.
In addition, the effect of combining the Si substrate and 3C—SiC with the structure of the present invention is greatly contributed to the achievement of the low resistance and suppression of the snapback phenomenon. In other words, the Si substrate has better crystallinity than the current SiC substrate and is excellent in conductivity at the same impurity concentration, so it is suitable for the p buried collector conductive layer, and its resistivity is greatly reduced to 0.0005 Ωcm or less. is made of.

以上のように、本実施例によれば、高い機械強度で更なる低オン抵抗を有し、過負荷動作時に低損失であるのみならず、定常動作領域でも更に著しく低損失にでき、小面積でスナップバック現象とその経時劣化を抑制できる。
As described above, according to the present embodiment, it has a high mechanical strength, a low on-resistance, a low loss at the time of overload operation, and a significantly lower loss in a steady operation region. Thus, the snapback phenomenon and its deterioration over time can be suppressed.

(実施例4)
実施例4にかかる半導体素子は、構成や構造を図示していないが、設計耐圧が600V、定格出力電流は40A、絶対最大定格電流は100A級の素子であり過負荷率Nが2のSi逆導通IGBTである。上記の実施例2のSiC逆導通IGBTに比べると、Si半導体材料から構成されており半導体層や半導体領域の不純物濃度や厚さがSiの物性値に基づいて設定されている点、チップサイズが12.8mmx12.4mmと大きい点を除けば素子は実施例2とほぼ同じ構成である。
本実施例は、他の実施例に比べて電気特性実現領域と機械強度実現領域の全てをSi半導体で構成しているので次の特徴がある。すなわち、Si単結晶基板やSi半導体素子製造プロセスはSiCに比べて安価であるうえに、大口径化が容易にでき経済性に秀でている。更に、SiCよりも結晶が高品質であり高不純物濃度にしても結晶欠陥が少なく且つ低抵抗率化が容易に実現できるので、p埋込コレクタ導電層の抵抗率を0.0005Ωcm以下に大幅に低減できるので本逆導通IGBTの抵抗を低減できるとともにビルトイン電圧が約0.8VとSiCの1/4なので大幅な低損失化を達成できる。
(Example 4)
Although the configuration and structure of the semiconductor element according to Example 4 are not shown, the Si reverse voltage with a design withstand voltage of 600 V, a rated output current of 40 A, an absolute maximum rated current of 100 A class, and an overload ratio N of 2 is Si reverse. It is a conducting IGBT. Compared to the SiC reverse conducting IGBT of Example 2 above, it is made of Si semiconductor material, the impurity concentration and thickness of the semiconductor layer and semiconductor region are set based on the physical property value of Si, the chip size is Except for a large point of 12.8 mm × 12.4 mm, the element has almost the same configuration as that of the second embodiment.
This embodiment has the following characteristics because all of the electrical property realization region and the mechanical strength realization region are made of Si semiconductors as compared to the other embodiments. That is, the Si single crystal substrate and the Si semiconductor element manufacturing process are cheaper than SiC, and can be easily increased in diameter and are excellent in economy. Furthermore, the crystal quality is higher than that of SiC, and even when the impurity concentration is high, there are few crystal defects and low resistivity can be easily realized. Therefore, the resistivity of the p buried collector conductive layer is greatly reduced to 0.0005 Ωcm or less. Since it can be reduced, the resistance of the reverse conducting IGBT can be reduced and the built-in voltage is about 0.8 V, which is 1/4 of SiC, so that a significant reduction in loss can be achieved.

ドリフト層は不純物濃度が3x1014cm−3、厚さが約60μmであり、p埋込端部コレクタの幅は約200μmである。
本実施例になるSi―IGBTは室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約640Vであった。また、ゲート電極に閾値電圧以上のゲート電圧約20Vを印加し、ついでコレクタ電極とエミッタ電極間に順方向電圧を印加し増加してゆくとほぼ直線的にMOSFET部の通電電流が増加し、2.5Vで所定の定常動作に必要な定格出力電流の約40Aを流すことができた。オン抵抗は約63mΩであり、特性オン抵抗は91mΩcmである。この低い特性オン抵抗はSi―MOSFETの耐圧と特性オン抵抗の理論的な相関関係から考慮しても適正な低い値である。一方逆導通IGBTチップの厚さは約300μmであり製作時の加工歪に母材のSiウエーハが十分耐える高い機械強度を有している。これは、本発明に特有の電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離し低いオン抵抗と高い機械強度を両立させたことによる効果である。
The drift layer has an impurity concentration of 3 × 10 14 cm −3 , a thickness of about 60 μm, and a p buried end collector width of about 200 μm.
The Si-IGBT according to this example had a breakdown voltage at room temperature, that is, a voltage indicating an avalanche breakdown was about 640V. Further, when a gate voltage of about 20 V, which is equal to or higher than the threshold voltage, is applied to the gate electrode and then a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode, the current flowing through the MOSFET portion increases almost linearly. About 40 A of the rated output current required for predetermined steady operation could be passed at .5V. The on-resistance is about 63 mΩ, and the characteristic on-resistance is 91 mΩcm 2 . This low characteristic on-resistance is an appropriate low value considering the theoretical correlation between the breakdown voltage of the Si-MOSFET and the characteristic on-resistance. On the other hand, the thickness of the reverse conducting IGBT chip is about 300 μm, and it has a high mechanical strength that the base Si wafer can sufficiently withstand the processing strain at the time of manufacture. This is an effect obtained by separating the electrical property realization region and the mechanical strength realization region specific to the present invention to achieve both low on-resistance and high mechanical strength.

更に順方向電圧を増加するとスナップ現象が現れてIGBT部がオンしてオン電流が流れ始め、250%の過負荷電流に相当する絶対最大定格電流40Aを約1.9Vの低いオン電圧で流すことができ過負荷動作時の低損失を達成できた。 When the forward voltage is further increased, a snap phenomenon appears, the IGBT part turns on, and an on-current starts to flow, and an absolute maximum rated current of 40 A corresponding to an overload current of 250% is caused to flow at a low on-voltage of about 1.9V. And achieved low loss during overload operation.

本実施例では、実施例2と同様にpトレンチコレクタ領域とnドリフト層の間にnトレンチバッファー領域を設けている。これにより、p埋込コレクタ領域上のnバッファー層の内部抵抗に加えて、素子の面に直交する長さ約60μmのnトレンチバッファー領域における内部抵抗も活用することができ、比較的低い電流で0,7VのSiのビルトイン電圧に相当する電圧降下を達成してオンさせることができ、スナップバック現象におけるVsbも低い値に抑制できている。従来例2のように素子の面に平行なp埋込コレクタ層の上のみにパイロットIGBTを形成する構造の場合はWpを約260μmにしないと本実施例と同等のVsbまで低減できない。本実施例では上記のように約200μmのp埋込端部コレクタの幅で同等のVsbを達成しており、小面積でスナップバック現象の抑制を達成できている。
スナップバック現象が現れIGBT部がオンするまでの時間はおおよそ90ナノ秒であり、dIsb/dtは約657A/μs、dVsb/dtは約−12.5V/μsである。上記の従来例2の構造から推測される値に比べて大幅に小さく、回路動作に及ぼす影響は実用上無視できるレベルでありスナップバック現象による悪影響は大幅に抑制できた。これは、本発明に特有の埋込端部コレクタ構造による効果と結晶性が良く同不純物濃度で伝導性が優れているSiでこの埋込端部コレクタを構成している効果によるものである。
In the present embodiment, an n trench buffer region is provided between the p + trench collector region and the n drift layer as in the second embodiment. As a result, in addition to the internal resistance of the n buffer layer on the p buried collector region, the internal resistance in the n trench buffer region having a length of about 60 μm perpendicular to the surface of the element can also be utilized, and the current can be relatively low. A voltage drop corresponding to a built-in voltage of Si of 0.7 V can be achieved and turned on, and Vsb in the snapback phenomenon can be suppressed to a low value. In the case of the structure in which the pilot IGBT is formed only on the p buried collector layer parallel to the surface of the element as in the conventional example 2, it cannot be reduced to Vsb equivalent to the present embodiment unless Wp is set to about 260 μm. In this embodiment, as described above, the equivalent Vsb is achieved with the width of the p buried end collector of about 200 μm, and the snapback phenomenon can be suppressed with a small area.
The time until the snapback phenomenon appears and the IGBT part is turned on is approximately 90 nanoseconds, dIsb / dt is approximately 657 A / μs, and dVsb / dt is approximately −12.5 V / μs. Compared to the value estimated from the structure of Conventional Example 2, the influence on the circuit operation is negligible in practice, and the adverse effect of the snapback phenomenon can be greatly suppressed. This is due to the effect of the buried end collector structure unique to the present invention and the effect that the buried end collector is made of Si having good crystallinity and the same impurity concentration and excellent conductivity.

以上のように本実施例によれば経済性に優れたSi半導体を用いて、低オン抵抗で高い機械強度を有し、過負荷動作時には特に著しく低損失であるとともに、より小面積でスナップバック現象を抑制できるSi逆導通IGBTを実現できる
As described above, according to the present embodiment, an economical Si semiconductor is used, it has a high on-resistance and high mechanical strength, and particularly has a low loss during an overload operation, and also has a smaller area and a snap back. Si reverse conducting IGBT that can suppress the phenomenon can be realized

(実施例5)
本実施例は実施例1と同様の、耐圧は1.2kV級、定格出力電流は45A、絶対最大定格電流は135A級の素子であり過負荷率Nが3の高過負荷に対応できる素子である。図4は、実施例4にかかる4H−SiC逆導通IGBT半導体素子を模式的に示す断面図であり、図1の実施例1の左側グループセルの3個半のセルとpトレンチコレクタ領域415の半分のみを図示し他は割愛し破線領域として示している。
上記の実施例1の半導体素子に比べて、nドリフト領域にスーパージャンクション構造を採用している点とpトレンチコレクタ領域415の形成にスーパージャンクション製作プロセスを兼用しているので不純物濃度が異なる点およびnトレンチバッファー領域を設けていない点を除けば、実施例1とほぼ同じである。
(Example 5)
This example is the same as Example 1, withstand voltage 1.2 kV class, rated output current 45 A, absolute maximum rated current 135 A class element and overload ratio N 3 corresponding to high overload. is there. 4 embodiment is a cross-sectional view of such 4H-SiC reverse conducting IGBT semiconductor device shown schematically in 4, 3 and one-half of the cell and the p + trench collector region 415 of the left group cell of Example 1 in FIG. 1 Only half of them are shown and others are omitted and shown as broken line areas.
Compared with the semiconductor device of the first embodiment, the super junction structure is adopted in the n drift region and the super junction fabrication process is also used for forming the p + trench collector region 415, so that the impurity concentration is different. Except that the n trench buffer region is not provided, it is almost the same as the first embodiment.

本実施例は、上記の実施例1と同様に、低オン抵抗で高い機械強度を有し、過負荷動作時に低損失であるのみならず、スーパージャンクション構造を採用しているので同耐圧の実施例よりも定常動作領域では特に著しく低損失である。またスーパージャンクション構造製作プロセスを兼用しているのでpトレンチコレクタ領域415の製作プロセスを簡略化できる。 As in the first embodiment, this embodiment has a low on-resistance and high mechanical strength, not only a low loss during overload operation, but also a super junction structure. The loss is particularly low in the steady operation region than in the examples. In addition, since the super junction structure manufacturing process is also used, the manufacturing process of the p + trench collector region 415 can be simplified.

スーパージャンクションは公開特許公報:特開2003−273355などで開示され実用化されており、その詳細説明は割愛するが、本実施例の理解に不可欠な主要点を以下に記述する。図4に示すように、実施例1のnドリフト層106に代わって、pカラム423とこのpカラムによってnドリフト層が分断されて形成されたnカラム424から形成された構造になっている。nドリフト層該当部にpカラム423を形成すると、その間のnカラム424は自動的に形成される。従って、図4においてpカラム423とnカラム424は交互に設けられている。 Superjunction is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2003-273355 and put into practical use, and the detailed description thereof is omitted, but the main points essential for understanding the present embodiment are described below. As shown in FIG. 4, instead of the n drift layer 106 of the first embodiment, a structure formed from a p column 423 and an n column 424 formed by dividing the n drift layer by the p column. It has become. When the p - column 423 is formed in the corresponding portion of the n - drift layer, the n - column 424 therebetween is automatically formed. Therefore, in FIG. 4, the p - column 423 and the n - column 424 are provided alternately.

実施例1の場合は主端子間に順方向電圧を印加すると、pボディ領域107とドリフト層106で構成するpn接合が逆バイアスされドリフト層内に空乏層が拡がり電界が緩和されるが、pn接合付近に電界が局所的に集中し高くなってしまう。本実施例のスーパージャンクションの場合は、耐圧に相当する順方向電圧を印加すると、低不純物濃度のpカラム423と低不純物濃度のnカラム424で構成するpn接合から空乏層が拡がり、両カラムが全て空乏化されるので電界の局所的な集中を防止できる。この結果、素子のオン抵抗と耐圧の相反関係を改善でき、同じ耐圧の場合でも実施例1のドリフト層の不純物濃度に比べてpカラム423とnカラム424の不純物濃度を大幅に増大でき大幅なオン抵抗の低減ができる。
このためにはpカラム423とnカラム424の不純物濃度と水平方向の幅(すなわち同極性のカラム間の距離)は、耐圧に相当する順方向電圧印加時には完全に空乏化してしまう値に設定することが必要となる。例えば両カラムの不純物濃度は7×1016cm−3、幅は2.5μmであってもよい。カラムの縦方向の厚さは実施例1におけるnバッファー層とpボディ領域間の厚さと同じ12μmであってもよい。その他の各層の不純物濃度や寸法などはpトレンチコレクタ領域415を除けば実施例1と同じである。
In the first embodiment, when a forward voltage is applied between the main terminals, the pn junction formed by the p body region 107 and the drift layer 106 is reverse-biased, the depletion layer expands in the drift layer, and the electric field is relaxed. The electric field is locally concentrated near the junction and becomes high. In the case of the super junction of this embodiment, when a forward voltage corresponding to the withstand voltage is applied, a depletion layer expands from a pn junction constituted by a low impurity concentration p - column 423 and a low impurity concentration n - column 424. Since all the columns are depleted, local concentration of the electric field can be prevented. As a result, the reciprocal relationship between the on-resistance and the breakdown voltage of the element can be improved, and the impurity concentration of the p - column 423 and the n - column 424 can be significantly increased as compared with the impurity concentration of the drift layer of the first embodiment even when the same breakdown voltage. The on-resistance can be greatly reduced.
For this purpose, the impurity concentration and the horizontal width (that is, the distance between columns of the same polarity) of the p - column 423 and the n - column 424 are set to values that are completely depleted when a forward voltage corresponding to the withstand voltage is applied. It is necessary to set. For example, the impurity concentration of both columns may be 7 × 10 16 cm −3 and the width may be 2.5 μm. The thickness of the column in the vertical direction may be 12 μm, which is the same as the thickness between the n buffer layer and the p body region in the first embodiment. The impurity concentrations and dimensions of the other layers are the same as those in the first embodiment except for the p + trench collector region 415.

つぎに本実施例の特徴であるpカラム423とpトレンチコレクタ領域415の製作方法について図5と一部図4を用いてその製作フローを説明する。図5では主要点に注目した説明を行う都合上、pトレンチコレクタ領域515(図4の415)とその左右に各1個のpカラム523(図4の423)を有するpボディ507(図4の407)を配置して模式化するとともに、下記に示すように複数の半導体層を一括して半導体層550として模式化してある。 Next, a manufacturing flow of the p - column 423 and the p + trench collector region 415, which is a feature of this embodiment, will be described with reference to FIGS. In FIG. 5, for convenience of description focusing on the main points, p body 507 (p + trench collector region 515 (415 in FIG. 4) and one p - column 523 (423 in FIG. 4) on each of the left and right sides thereof are provided. 4 is arranged and schematically shown, and a plurality of semiconductor layers are collectively shown as a semiconductor layer 550 as shown below.

カラム524(図4の424)は〔0095〕に記したように、pカラム523(図4の423)を形成するとこれによりnドリフト層が分断されて自動的に形成されるので、図5にはnカラムの番号と矢印は記述しない。
まず図4におけるドレイン層402を構成する厚さが約290μmの高濃度のn基板に、p埋込コレクタ導電層420とp埋込コレクタ層403を形成する。これらは煩雑化を防ぐために、図5では一括して半導体層550として記してある。
つぎに半導体層550のおもて面にnバッファー層505(図4の405)をエピタキシャル成長法で形成し、ついでp埋込端部コレクタ領域417に接続するpトレンチコレクタ領域部分515−0をアルミニュームのイオン打込みにより選択的に形成する。
Since the n - column 524 (424 in FIG. 4) forms the p - column 523 (423 in FIG. 4) as described in [0095], the n - drift layer is divided and formed automatically. 5 does not describe the n - column numbers and arrows.
First, the p + buried collector conductive layer 420 and the p buried collector layer 403 are formed on a high concentration n + substrate having a thickness of about 290 μm constituting the drain layer 402 in FIG. In order to prevent complication, these are collectively shown as a semiconductor layer 550 in FIG.
Next, an n buffer layer 505 (405 in FIG. 4) is formed by epitaxial growth on the front surface of the semiconductor layer 550, and then a p + trench collector region portion 515-0 connected to the p buried end collector region 417 is formed. It is selectively formed by ion implantation of aluminum.

つぎに、ドリフト層を構成するn半導体層525をエピタキシャル成長し、更にマスキング用の酸化膜526を形成し、更にpトレンチコレクタ領域部分515−0上の酸化膜を除去する。その後、レジスト膜527を形成すると図5aの構成になる。 Next, the n semiconductor layer 525 constituting the drift layer is epitaxially grown, further a masking oxide film 526 is formed, and the oxide film on the p + trench collector region portion 515-0 is removed. Thereafter, when a resist film 527 is formed, the structure of FIG. 5a is obtained.

つぎに、pトレンチコレクタ領域515(図4の415)とpカラム523(図4の423)形成用のイオン打込みをするために、イオン打込み部のレジスト膜527を選択的に除去する。この結果、pトレンチコレクタ領域該当部はSiCが露出するが、pカラム523該当部は酸化膜が露出する。ついで高い打込みエネルギーでAlイオンのイオン打込みをすると図5bの構成になる。すなわち、pトレンチコレクタ領域該当部515−1は露出しているので所定の高濃度のAlが注入されるが、pカラム該当部522−1には酸化膜でマスクされているので所定の低濃度のAlしか注入されない。 Next, in order to perform ion implantation for forming the p + trench collector region 515 (415 in FIG. 4) and the p column 523 (423 in FIG. 4), the resist film 527 in the ion implantation portion is selectively removed. As a result, SiC is exposed in the corresponding portion of the p + trench collector region, but the oxide film is exposed in the corresponding portion of the p column 523. Next, when Al ions are implanted with high implantation energy, the structure shown in FIG. 5B is obtained. That is, since the p + trench collector region corresponding portion 515-1 is exposed, a predetermined high concentration of Al is implanted, but the p column corresponding portion 522-1 is masked with an oxide film and thus predetermined Only low concentration of Al is injected.

この状態でレジスト膜を形成し、上記の〔0099〕の工程を再度実施すると、pトレンチコレクタ領域該当部515−2とpカラム該当部523−2が形成され、図5cの構成になる。
このように上記の〔0099〕の工程を複数回繰り返し、図5dに示すように所定の設計幅と厚さのpカラム523を完成する。
When the resist film is formed in this state and the above-described step [0099] is performed again, the p + trench collector region corresponding portion 515-2 and the p column corresponding portion 523-2 are formed, and the structure shown in FIG. 5c is obtained. .
In this way, the above-described step [0099] is repeated a plurality of times to complete a p - column 523 having a predetermined design width and thickness as shown in FIG. 5d.

つぎに、上記のn半導体層525と同じ不純物濃度をもつn半導体層509をエピタキシャル成長し、上記の〔0099〕の工程を再度実施しpボディ領域507とpトレンチコレクタ領域該当部516(図4の415)を選択的に形成する。この際pボディ領域507(図4の407)が確実にpカラム523(図4の423)と接触するように、n半導体層509の厚さはpボディ領域507の厚さ以下にする必要がある。
ついで、pボディ領域507用のpコンタクト領域510とpトレンチコレクタ領域515用のpトレンチコンタクト領域525(図4の425)を選択的に形成しpトレンチコレクタ領域515(図4の415)を完成する。更にnエミッタ領域508(図4の408)を選択的に形成し5eの構成にする。その後は実施例1と同様の製作フローを実施し、図4の素子を完成する。
Next, an n semiconductor layer 509 having the same impurity concentration as that of the n semiconductor layer 525 is epitaxially grown, and the above-described step [0099] is performed again to perform the p body region 507 and the p + trench collector region corresponding portion 516 ( 415) of FIG. 4 is selectively formed. At this time, the thickness of the n semiconductor layer 509 is set to be equal to or smaller than the thickness of the p body region 507 so that the p body region 507 (407 in FIG. 4) is surely in contact with the p column 523 (423 in FIG. 4). There is a need.
Then, for the p-body region 507 p + contact region 510 and p + trench p + trench contact region 525 for the collector region 515 (425 in FIG. 4) is selectively formed p + trench collector region 515 (in FIG. 4 415) is completed. Further, an n emitter region 508 (408 in FIG. 4) is selectively formed to have a configuration of 5e. After that, the same manufacturing flow as in Example 1 is performed to complete the element shown in FIG.

上記の完成素子チップを実施例1と同様にパッケーに実装し素子特性測定に供した。室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約1.34kVである。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で2.8×10−3A/cmと良好である。 The completed element chip was mounted in a package in the same manner as in Example 1 and used for element characteristic measurement. The breakdown voltage at room temperature, that is, the voltage indicating avalanche breakdown is about 1.34 kV. The leak current before avalanche breakdown is as good as 2.8 × 10 −3 A / cm 2 at room temperature.

ゲート電極412に閾値電圧以上のゲート電圧約20Vを印加し、ついでコレクタ電極とエミッタ電極414間に順方向電圧を印加し増加してゆくとほぼ直線的にMOSFET部の通電電流が増加し、1.4Vの非常に低い電圧で所定の定常動作電流の約45Aを流すことができた。特性オン抵抗は約9.96mΩcmであり著しく低く、大幅な低損失を達成できた。更に順方向電圧を増加するとスナップバック現象が現れIGBT部がオンし、300%の過負荷電流に相当する135Aを約3.9Vのオン電圧で流すことができ過負荷動作時の低損失を達成できた。この過負荷率Nは3は従来に比べて格段に高い。
一方逆導通IGBTチップの厚さは約300μmであり、素子製作時の加工歪に母材のSiCウエーハが十分耐える高い機械強度を有している。これは、本発明に特有の電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離し低いオン抵抗と高い機械強度を両立させたことによる効果である。
スナップバック現象が現れIGBT部がオンするまでの時間はおおよそ90ナノ秒であり、dIsb/dtは約92A/μs、dVsb/dtは約−2.7V/μsである。従って、回路動作に及ぼす影響は実用上無視できるレベルでありスナップバック現象による悪影響は大幅に抑制できた。これは、本発明に特有の埋込端部コレクタ構造による効果であり、単に従来例のパイロットIGBTのみを適用した場合に比べて小さい面積で実現できている。
When a gate voltage of about 20 V, which is equal to or higher than the threshold voltage, is applied to the gate electrode 412 and then a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode 414 and the voltage is increased, the energization current of the MOSFET portion increases almost linearly. About 45 A of a predetermined steady-state operating current could be passed at a very low voltage of .4V. The characteristic on-resistance was about 9.96 mΩcm 2 , which was extremely low, and a significant low loss could be achieved. When the forward voltage is further increased, a snapback phenomenon appears and the IGBT part is turned on, and 135 A corresponding to an overload current of 300% can be caused to flow at an on voltage of about 3.9 V, thereby achieving a low loss during an overload operation. did it. As for this overload factor N, 3 is remarkably high compared with the past.
On the other hand, the thickness of the reverse conducting IGBT chip is about 300 μm, and it has a high mechanical strength that the base SiC wafer can sufficiently withstand the processing strain at the time of device fabrication. This is an effect obtained by separating the electrical property realization region and the mechanical strength realization region specific to the present invention to achieve both low on-resistance and high mechanical strength.
The time until the snap-back phenomenon appears and the IGBT part is turned on is approximately 90 nanoseconds, dIsb / dt is approximately 92 A / μs, and dVsb / dt is approximately −2.7 V / μs. Therefore, the influence on the circuit operation is negligible in practical use, and the adverse effect due to the snapback phenomenon can be greatly suppressed. This is an effect of the buried end collector structure peculiar to the present invention, and can be realized with a smaller area as compared with the case where only the conventional pilot IGBT is applied.

以上のように、本実施例によれば、低オン抵抗で高い機械強度を有するとともに、過負荷動作時に低損失であり、特に定常動作領域では他の実施例に比較して著しく低損失である。また、トレンチコレクタ領域をカラムの製作プロセスで製作できるので製作を簡略にできる。
As described above, according to this embodiment, it has low on-resistance and high mechanical strength, and has low loss during overload operation, and particularly in the steady operation region, it has significantly lower loss than other embodiments. . Further, since the trench collector region can be manufactured by the column manufacturing process, the manufacturing can be simplified.

(実施例6)
本実施例は実施例1とほぼ同じ特性仕様の4H−SiC逆導通IGBT半導体素子であり、耐圧は1.2kV級、定格出力電流は40A、絶対最大定格電流は90A級の素子である。
図6は、実施例6にかかるSiC逆導通IGBT半導体素子を模式的に示す断面図である。上記の実施例1の半導体素子に比べて、p埋込コレクタ導電層を設けずp埋込コレクタ層603を厚く且つ高不純物濃度にしている点、pトレンチコレクタ領域615とnドリフト層606の間のおもて面近くにSiO酸化膜623を設けその奥にはnトレンチバッファー領域616を設けている点を除けば素子構造や素子形状は実施例1とほぼ同じである。
(Example 6)
The present example is a 4H-SiC reverse conducting IGBT semiconductor element having substantially the same characteristics and specifications as those in Example 1, and is a 1.2 kV class, rated output current of 40 A, and absolute maximum rated current of 90 A class.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating a SiC reverse conducting IGBT semiconductor device according to the sixth example. Compared to the semiconductor element of the first embodiment, the p buried collector conductive layer is not provided, and the p buried collector layer 603 is thick and has a high impurity concentration. The p + trench collector region 615 and the n drift layer 606 The element structure and the element shape are substantially the same as those in the first embodiment except that an SiO 2 oxide film 623 is provided near the front surface and an n-trench buffer region 616 is provided in the back.

本実施例は、上記の実施例1と同様に低オン抵抗で高い機械強度を有し、過負荷動作時に低損失であるのみならず定常動作領域では著しく低損失であるとともに、素子おもて面の積層欠陥に起因するVsbの経時増大を大幅に抑制するに当たって、スナップバック現象の抑制効果をあまり損ねることのないように工夫している。また、p埋込コレクタ導電層を設けないため素子の製作プロセスを大幅に簡略化できる。p埋込コレクタ導電層を設けないため過負荷動作時の損失は少し増加するが、定常動作領域の著しい低損失は維持できる。 Like the first embodiment, this embodiment has a low on-resistance and a high mechanical strength. It not only has a low loss during an overload operation, but also has a very low loss in a steady operation region. In order to significantly suppress the time-dependent increase in Vsb caused by surface stacking faults, it has been devised so as not to significantly impair the effect of suppressing the snapback phenomenon. Also, since no p + buried collector conductive layer is provided, the device fabrication process can be greatly simplified. Since the p + buried collector conductive layer is not provided, the loss during the overload operation is slightly increased, but a significantly low loss in the steady operation region can be maintained.

本実施例ではp埋込コレクタ層603を厚く且つ高不純物濃度にしている。その値は例えば厚さが約6μm、不純物濃度が1×1020cm−3であってもよい。
またその製作方法は次のようなフローによるものであってもよい。すなわち、まず約290μm厚のオフアングルn高不純物濃度SiC基板を用いて、おもて面に約1.0μm厚のp層をエピタキシャル成長で形成し、ついでレジスト膜で被覆しn短絡部領域604の形成領域となる箇所に開口部を形成し、更にこのレジスト膜をマスクとして窒素を高濃度高加速エネルギーでイオン打ち込みし選択的にn短絡部領域104を形成する。以上のエピタキシャル成長膜形成とn短絡部領域への選択的イオン打ち込みを複数回繰り返して所定の厚さのp埋込コレクタ層603とn短絡部領域604を形成する。
その後は{0059}以降に記載の実施例1のプロセスフローに準じて製作するとよい。
In this embodiment, the p buried collector layer 603 is thick and has a high impurity concentration. For example, the thickness may be about 6 μm and the impurity concentration may be 1 × 10 20 cm −3 .
The manufacturing method may be based on the following flow. That is, an off-angle n + high impurity concentration SiC substrate having a thickness of about 290 μm is first used to form a p-layer having a thickness of about 1.0 μm on the front surface by epitaxial growth, and then covered with a resist film, and n + short circuit region An opening is formed in a portion to be a formation region 604, and further, an n + short-circuit region 104 is selectively formed by ion implantation of nitrogen with high concentration and high acceleration energy using the resist film as a mask. The above epitaxial growth film formation and selective ion implantation into the n + short-circuit region are repeated a plurality of times to form the p buried collector layer 603 and the n + short-circuit region 604 having a predetermined thickness.
After that, it is good to manufacture according to the process flow of Example 1 described after {0059}.

スナップバック現象の抑制効果をあまり損ねることなくVsbの経時増大を大幅に抑制できる理由を以下に説明する。本実施例では、SiO酸化膜618をpトレンチコレクタ領域615とnドリフト層606の間の素子おもて面に近い部分のみに設け、おもて面から離れた奥の部分にはnトレンチバッファー領域616を設けている。このため、ゲート電極612に閾値電圧以上のゲート電圧を印加した状態でコレクタ電極とエミッタ電極614間に順方向電圧を印加すると、SiO酸化膜618とnドリフト層609の間にn電荷蓄積層620が形成される。この結果、電子電流の通電ルートとして点線cで示すようなエミッタ電極614、エミッタ領域(ソース領域として機能)608、チャネル領域609、n蓄積層620、nトレンチバッファー領域616、p埋込端部コレクタ領域617上のnバッファー層605、n短絡領域604、nドレイン層602、第2コレクタ電極601のルートを確保できる。
従って、p埋込端部コレクタ領域617上のnバッファー層605内の電圧降下にnトレンチバッファー領域616内の電圧降下が加算され、実施例1と異なりnトレンチバッファー領域616とSiO酸化膜618の接触部付近においてnバッファー層内の電圧降下が最大となる。この付近の電界降下が、2.7Vのビルトイン電圧以上になるとこの部分のpトレンチコレクタ領域615から正孔の注入が起こりIGBT部分がオンする。このように素子おもて面付近でなく素子内部でIGBT部分をオンさせるので、素子おもて面の積層欠陥に起因するVsbの経時増大を大幅に抑制できる。
上記の理由の説明に当たっては図6の中央のpトレンチコレクタ領域の右側のグループセルを用いて説明したが、実際には図6の中央の左側のグループセルのpトレンチコレクタ領域615の方が説明に用いた右側のグループセルのpトレンチコレクタ領域よりも長いので、左側のIGBT部分から先にオンする。このように各グループセルの両端のp埋込端部コレクタ領域617の長さを変えてもスナップバック現象の抑制効果をあまり損ねることはない。なお、Vsbの経時増大の抑制のためにSiO酸化膜618を設けたためにnバッファー層が短くなるが、その分pトレンチコレクタ領域615を長くすることにより相殺でき、スナップバック現象の抑制効果をあまり損ねることなくVsbの経時増大の抑制効果を享受できる。
The reason why the increase in Vsb with time can be greatly suppressed without significantly impairing the effect of suppressing the snapback phenomenon will be described below. In this embodiment, the SiO 2 oxide film 618 is provided only in a portion near the element front surface between the p + trench collector region 615 and the n drift layer 606, and n in the back portion away from the front surface. A trench buffer region 616 is provided. Therefore, when a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode 614 in a state where a gate voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 612, the n charge storage layer is interposed between the SiO 2 oxide film 618 and the n drift layer 609. 620 is formed. As a result, the emitter electrode 614, the emitter region (functioning as a source region) 608, the channel region 609, the n storage layer 620, the n trench buffer region 616, and the p buried end collector as shown by the dotted line c as the energization route of the electron current. The route of the n buffer layer 605, the n short-circuit region 604, the n + drain layer 602, and the second collector electrode 601 on the region 617 can be secured.
Therefore, the voltage drop in the n trench buffer region 616 is added to the voltage drop in the n buffer layer 605 on the p buried end collector region 617, and unlike the first embodiment, the n trench buffer region 616 and the SiO 2 oxide film 618 are added. The voltage drop in the n buffer layer becomes maximum in the vicinity of the contact portion. When the electric field drop in the vicinity becomes equal to or higher than the built-in voltage of 2.7 V, holes are injected from the p + trench collector region 615 in this portion, and the IGBT portion is turned on. Thus, since the IGBT portion is turned on not inside the element front surface but inside the element, an increase in Vsb with time due to stacking faults on the element front surface can be significantly suppressed.
In the description of the above reason, the group cell on the right side of the central p + trench collector region in FIG. 6 is used, but in reality, the p + trench collector region 615 of the group cell on the left side in FIG. Is longer than the p + trench collector region of the right group cell used in the description, and is turned on first from the left IGBT portion. In this way, even if the length of the p buried end collector region 617 at both ends of each group cell is changed, the effect of suppressing the snapback phenomenon is not significantly impaired. Since the SiO 2 oxide film 618 is provided to suppress the increase in Vsb over time, the n buffer layer is shortened, but can be offset by increasing the length of the p + trench collector region 615, thereby suppressing the snapback phenomenon. The effect of suppressing the increase in Vsb with time can be enjoyed without much damage.

以下に、本実施例6にかかるSiC逆導通IGBTの特性を説明する。
ゲート電圧を印加しない状態でエミッタ電極614とコレクタ電極間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は1.35kV付近である。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で1.5×10−3A/cm以下、250℃の高温でも2.5×10−2A/cm以下と良好である。実施例1に比べて、耐圧が少し高く、リーク電流が小さくできている。
The characteristics of the SiC reverse conducting IGBT according to the sixth embodiment will be described below.
When a forward voltage is applied between the emitter electrode 614 and the collector electrode without applying a gate voltage, a leakage current flows, but a good forward blocking characteristic is exhibited, and a voltage indicating a withstand voltage at room temperature, that is, an avalanche breakdown is around 1.35 kV. It is. Moreover, the leakage current before avalanche breakdown is 1.5 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature and 2.5 × 10 −2 A / cm 2 or less even at a high temperature of 250 ° C. Compared to the first embodiment, the withstand voltage is slightly higher and the leakage current is smaller.

ゲート電極612に閾値電圧以上のゲート電圧約20Vを印加し、ついでコレクタ電極とエミッタ電極614間に順方向電圧を印加し増加してゆくとほぼ直線的にMOSFET部の通電電流が増加し、実施例1と同様に2.2Vの低い順方向電圧で所定の定常動作電流の約40Aを流すことができた。従ってオン抵抗は約55mΩと極めて低く著しい低損失を達成できた。また順方向電圧を増加するとスナップ現象が現れIGBT部がオンし、更に順方向電圧を増加すると225%の過負荷電流に相当する90Aを約4.1Vのオン電圧で流すことができ過負荷動作時の低損失を達成できた。過負荷率Nは2.25であり十分高い。
なお、上記の著しく低い約55mΩのオン抵抗を達成する一方、逆導通IGBTチップの厚さは約300μmであり製作時の加工歪に母材のSiCウエーハが十分耐える高い機械強度をも達成している。これは、本発明に特有の電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離し低いオン抵抗と高い機械強度を両立させたことによる効果である。
スナップ現象におけるdIsb/dtは約100A/μs、dVsb/dtは約−4.6V/μsである。従って、回路動作に及ぼす影響は実用上無視できるレベルであり、実施例2に比べてスナップ現象は更に抑制できた。これは、本発明に特有のトレンチコレクタ構造と埋込端部コレクタ構造による効果であり、しかも単に従来例のパイロットIGBTのみを適用した場合に比べて小さい面積で実現できている。
When a gate voltage of about 20 V that is equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 612 and then a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode 614, the current flowing through the MOSFET increases almost linearly. As in Example 1, a predetermined steady-state operating current of about 40 A could be passed with a forward voltage as low as 2.2 V. Accordingly, the on-resistance is as extremely low as about 55 mΩ, and a remarkable low loss can be achieved. When the forward voltage is increased, a snap phenomenon appears and the IGBT part is turned on. When the forward voltage is further increased, 90 A corresponding to an overload current of 225% can be caused to flow at an on-voltage of about 4.1 V. A low loss of time was achieved. The overload factor N is 2.25, which is sufficiently high.
While the above-described extremely low on-resistance of about 55 mΩ is achieved, the thickness of the reverse conducting IGBT chip is about 300 μm, and the high mechanical strength that the SiC wafer of the base material can sufficiently withstand the processing strain during manufacture is achieved. Yes. This is an effect obtained by separating the electrical property realization region and the mechanical strength realization region specific to the present invention to achieve both low on-resistance and high mechanical strength.
In the snap phenomenon, dIsb / dt is about 100 A / μs, and dVsb / dt is about −4.6 V / μs. Therefore, the influence on the circuit operation is negligible in practical use, and the snap phenomenon can be further suppressed as compared with the second embodiment. This is an effect of the trench collector structure and the buried end collector structure peculiar to the present invention, and can be realized in a smaller area compared to the case where only the pilot IGBT of the conventional example is applied.

一方、Vsbの経時増大の抑制効果を調べた。まず40Aの定常動作状態と90Aの過負荷動作状態を交互に繰り返してスナップバック現象を1000回繰り返す試験を実施した後に、室温に戻して90Aの過負荷動作時すなわちIGBT動作時のオン電圧を測定した。その結果、実施例1ではオン電圧が0.5V以上増加する劣化素子が数%発生し中には15V以上増加する素子も存在した。しかし、本実施例の場合は0.5V以上増加する劣化素子は1%以下にとどまっており、最大でも0.9Vの増加にとどまっていた。
本実施例でも実施例1と同様に、エミッタ電極614が覆っていない素子おもて面部分で、ドリフト領域をごく一部であるが観察できる。一般に素子に通電してエレクトロルミネッセンスを観察することにより積層欠陥を観察できる。そこで上記の本実施例の1%の劣化素子を観察した結果、上記の繰り返し試験前後でおもて面付近の積層欠陥の面積の拡大は観察されなかった。一方、実施例1の数%の劣化素子では大部分に、おもて面付近の積層欠陥の面積の拡大が観察された
On the other hand, the effect of suppressing the increase in Vsb with time was examined. First, after conducting a test of repeating the snapback phenomenon 1000 times by alternately repeating the steady operation state of 40A and the overload operation state of 90A, the on-voltage during the overload operation of 90A, that is, the IGBT operation is measured by returning to room temperature. did. As a result, in Example 1, several percent of deteriorated elements whose on-voltage increased by 0.5 V or more were generated, and some elements increased by 15 V or more. However, in the case of the present embodiment, the deterioration element increasing by 0.5 V or more is only 1% or less, and the increase is only 0.9 V at the maximum.
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the drift region can be observed on the element front surface portion that is not covered by the emitter electrode 614, although only a part of the drift region can be observed. In general, stacking faults can be observed by energizing the element and observing electroluminescence. Therefore, as a result of observing the 1% deteriorated element of the above-mentioned Example, no increase in the area of stacking faults near the front surface was observed before and after the above repeated test. On the other hand, in the degraded elements of several percent of Example 1, an increase in the area of stacking faults near the front surface was observed in the majority.

なお、本実施例ではpトレンチコレクタ領域615とnドリフト層606の間のおもて面近くにSiO酸化膜618を設け、その奥にはnトレンチバッファー領域616を設けているが、pトレンチコレクタ領域615とnドリフト層606の間全体にnトレンチバッファー領域616を設け、更にnドリフト層606とこのnトレンチバッファー領域616のおもて面近くのみにSiO酸化膜618を設けても同等の効果を得ることができる。 In this embodiment, the SiO 2 oxide film 618 is provided near the front surface between the p + trench collector region 615 and the n drift layer 606, and the n trench buffer region 616 is provided in the back thereof. An n trench buffer region 616 is provided between the trench collector region 615 and the n drift layer 606, and an SiO 2 oxide film 618 is provided only near the front surface of the n drift layer 606 and the n trench buffer region 616. Can obtain the same effect.

以上のように、本実施例によれば、低オン抵抗で高い機械強度を有し、過負荷動作時に低損失であるのみならず定常動作領域では特に著しく低損失であるとともに、Vsbの経時増大を抑制できるにも関わらずスナップバック現象がより抑制された逆導通IGBTを実現できる。更に、製作プロセスを大幅に簡略化できる。
As described above, according to the present embodiment, low on-resistance and high mechanical strength, not only low loss during overload operation but also extremely low loss in the steady operation region, and increase in Vsb over time. However, the reverse conducting IGBT in which the snapback phenomenon is further suppressed can be realized. Furthermore, the manufacturing process can be greatly simplified.

(実施例7)
本実施例はトレンチゲート型4H−SiC逆導通IGBT半導体素子であり、耐圧は900V級、定格出力電流は45A、絶対最大定格電流は180A級の素子であり過負荷率Nが4の高過負荷に対応できる素子である。
図7は、実施例7にかかる半導体素子であるSiC逆導通IGBTを模式的に示す断面図である。
上記の実施例6のSiC逆導通IGBTに比べると、ゲートをトレンチゲートにしている点、これに伴いJFET部がなくなりセルサイズが小さくなっている点を除けば実施例6とほぼ同じ構造である。また、実施例6と同様にp埋込コレクタ層603を厚く且つ高不純物濃度にしている。
(Example 7)
This embodiment is a trench gate type 4H-SiC reverse conducting IGBT semiconductor element, which has a breakdown voltage of 900V class, a rated output current of 45A, an absolute maximum rated current of 180A class, and an overload factor N of 4. It is an element that can cope with.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a SiC reverse conducting IGBT which is a semiconductor element according to Example 7.
Compared to the SiC reverse conducting IGBT of Example 6 above, the structure is almost the same as that of Example 6 except that the gate is a trench gate and the cell size is reduced due to the absence of the JFET portion. . Further, similarly to the sixth embodiment, the p buried collector layer 603 is thick and has a high impurity concentration.

本実施例でも、各セルグループの両端のセルでは図1の点線cに類似の電子電流のルートが維持されており、最端部のセルのエミッタ電極714、エミッタ領域(ソース領域として機能)708、チャネル領域709、トレンチゲートの周囲のn蓄積層、フィールド領域、n蓄積層724、nトレンチバッファー領域716、p埋込端部コレクタ領域717上のnバッファー層705、n短絡領域704、nドレイン層702、第2コレクタ電極701を経由して電子電流が流れる。この電子電流によりnバッファー層内に電界降下が生じ、短絡領域704から最も遠いSiO酸化膜723とnトレンチバッファー領域716との境界のpトレンチコレクタ領域715付近で電界降下が最大となる。この電子電流が増大しこの電界降下が2.7Vのビルトイン電圧以上になるとこの境界付近で正孔の注入が起こりIGBT部分がオンする。一旦IGBT部がオンすると電導度変調によりこの部分の抵抗が大幅に低下し大きなバイポーラ電流(正孔電流と電子電流の合算電流)が流れ、この電流が拡がって端部のセル全体がオンし大きなバイポーラ電流が流れる。更に隣接するセルにおいてもこの大きなバイポーラ電流の拡がり電流により電圧降下が増大しp埋込コレクタ703から正孔注入が生じこの隣接セルがオンする。この繰り返しによりついにはグループセル全体がオンし、結局逆導通IGBT全体がオンし過負荷電流に該当する大きな電流が流れる。 Also in this embodiment, the roots of the electron current similar to the dotted line c in FIG. 1 are maintained in the cells at both ends of each cell group, and the emitter electrode 714 and the emitter region (functioning as the source region) 708 of the endmost cell. , Channel region 709, n storage layer around trench gate, field region, n storage layer 724, n trench buffer region 716, n buffer layer 705 on p buried end collector region 717, n short circuit region 704, n drain An electron current flows through the layer 702 and the second collector electrode 701. This electron current causes an electric field drop in the n buffer layer, and the electric field drop becomes maximum near the p + trench collector region 715 at the boundary between the SiO 2 oxide film 723 and the n trench buffer region 716 farthest from the short-circuit region 704. When this electron current increases and the electric field drop exceeds the built-in voltage of 2.7 V, hole injection occurs near this boundary and the IGBT portion is turned on. Once the IGBT part is turned on, the resistance of this part is greatly reduced due to conductivity modulation, and a large bipolar current (the combined current of the hole current and the electron current) flows. This current spreads and the entire cell at the end is turned on and is large. Bipolar current flows. Further, in the adjacent cell, the voltage drop is increased due to the large spread current of the bipolar current, hole injection is generated from the p buried collector 703, and the adjacent cell is turned on. This repetition eventually turns on the entire group cell, eventually turns on the entire reverse conducting IGBT, and a large current corresponding to the overload current flows.

なお、本実施例では上記の電子電流のルートにより最初にオンするIGBT部分のオン電流は、SiO酸化膜723がより内部に存在するためにより素子内部を流れるので
素子おもて面の積層欠陥に起因するVsbの経時増大を大幅に抑制できる。
また、トレンチゲートにした結果、セルの幅を約半分に縮小でき、単位面積当たりのセル数を倍増でき大幅な低損失化を達成できる。更に、p埋込コレクタ導電層を設けないため素子の製作プロセスを大幅に簡略化できる。また、p埋込コレクタ導電層を設けないため過負荷動作時の損失は幾分増加するが、p埋込コレクタ703を例えば4。5μmと厚くし且つ1×1020cm−3の高不純物濃度にして補償している。
In this embodiment, since the on-current of the IGBT portion that is first turned on by the electron current route flows through the inside of the device because the SiO 2 oxide film 723 is present inside, the stacking fault on the front surface of the device. It is possible to significantly suppress the increase in Vsb with time due to.
As a result of the trench gate, the cell width can be reduced to about half, the number of cells per unit area can be doubled, and a significant reduction in loss can be achieved. Furthermore, since no p + buried collector conductive layer is provided, the device fabrication process can be greatly simplified. Further, since the p + buried collector conductive layer is not provided, the loss during the overload operation is somewhat increased. However, the p buried collector 703 is thickened to, for example, 4.5 μm and has a high impurity of 1 × 10 20 cm −3 . The concentration is compensated.

以下に、本実施例にかかるSiC逆導通IGBTの特性を説明する。
ゲート電圧を印加しない状態でエミッタ電極714とコレクタ電極間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は1.03kV付近である。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で3.8×10−3A/cm以下である。
The characteristics of the SiC reverse conducting IGBT according to the present embodiment will be described below.
When a forward voltage is applied between the emitter electrode 714 and the collector electrode without applying a gate voltage, a leakage current flows, but a good forward blocking characteristic is exhibited. It is. Moreover, the leak current before avalanche breakdown is 3.8 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature.

ゲート電極712に閾値電圧以上のゲート電圧約20Vを印加し、ついでコレクタ電極とエミッタ電極714間に順方向電圧を印加し増加してゆくとほぼ直線的にMOSFET部の通電電流が増加し、0.84Vの著しく低い順方向電圧で所定の定常動作電流の約45Aを流すことができた。過負荷率Nは4.0であり格段に高い。オン抵抗は約18.7mΩと極めて低く、定常動作での著しい低損失化を達成できた。これはトレンチゲート構造にし、且つp埋込コレクタ703を厚く高不純物濃度にした効果である。
更に順方向電圧を増加するとスナップ現象が現れIGBT部がオンし、更に順方向電圧を増加すると400%の過負荷電流に相当する180Aを約3.2Vの低いオン電圧で流すことができ、過負荷動作の低損失も達成できた。一方逆導通IGBTチップの厚さは約300μmと厚いので、製作時の加工歪に母材のSiCウエーハが十分耐えることができる高い機械強度を有している。このように、電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離した本発明に特有の構造により、低いオン抵抗と高い機械強度を両立させることができた。
なお、スナップバック現象におけるdIsb/dtは約+109A/μs、dVsb/dtは約−1.9V/μsであり、従来例に比べるといづれも大幅に低減できており、回路動作に及ぼす影響は実用上無視できるレベルである。このように、本発明に特有のpトレンチコレクタ構造とp埋込端部コレクタ構造によりスナップバック現象を著しく抑制でき、しかも単に従来例のパイロットIGBTを適用した場合に比べて小さい面積で実現できている。
When a gate voltage of about 20 V, which is equal to or higher than the threshold voltage, is applied to the gate electrode 712 and then a forward voltage is applied between the collector electrode and the emitter electrode 714 and then increased, the conduction current of the MOSFET portion increases almost linearly. It was possible to pass a predetermined steady-state operating current of about 45 A at a significantly low forward voltage of .84V. The overload factor N is 4.0, which is much higher. The on-resistance was as extremely low as about 18.7 mΩ, and a significant reduction in loss during steady operation was achieved. This is the effect of making the trench gate structure and making the p buried collector 703 thick and high in impurity concentration.
When the forward voltage is further increased, a snap phenomenon appears and the IGBT section is turned on. When the forward voltage is further increased, 180 A corresponding to an overload current of 400% can flow at a low on-voltage of about 3.2 V. Low loss in load operation was also achieved. On the other hand, since the thickness of the reverse conducting IGBT chip is as thick as about 300 μm, it has a high mechanical strength that the base SiC wafer can sufficiently withstand the processing strain during manufacture. As described above, the structure unique to the present invention in which the electrical property realization region and the mechanical strength realization region are separated can achieve both low on-resistance and high mechanical strength.
In the snapback phenomenon, dIsb / dt is about +109 A / μs and dVsb / dt is about −1.9 V / μs, which can be greatly reduced compared to the conventional example, and the effect on circuit operation is practical. This level is negligible. As described above, the p + trench collector structure and the p buried end collector structure peculiar to the present invention can remarkably suppress the snapback phenomenon, and can be realized with a smaller area than when the conventional pilot IGBT is applied. ing.

実施例6に比べてSiO酸化膜723を長くしているのでその分nトレンチバッファー領域716が短くなり、従って内部抵抗も小さくなりIsb低減効果が減少するのでdIsb/dtが少し大きくなっているが、実用上問題の無いレベルである。一方、Vsbの経時増大の抑制効果には改善傾向がみられ良好であった。 Since the SiO 2 oxide film 723 is made longer than that in the sixth embodiment, the n + trench buffer region 716 is shortened accordingly, so that the internal resistance is reduced and the Isb reduction effect is reduced, so that dIsb / dt is slightly increased. However, there is no problem in practical use. On the other hand, the inhibitory effect of the increase in Vsb with time showed an improvement trend and was good.

以上のように、本実施例によれば、高い機械強度で更なる低オン抵抗を有し、過負荷動作時に低損失であるのみならず定常動作領域では格段に著しく低損失にでき、更に小面積でスナップバック現象とその経時劣化を抑制できる。 As described above, according to the present embodiment, it has a high mechanical strength, a low on-resistance, a low loss during an overload operation, and a remarkably low loss in a steady operation region. The area can suppress the snapback phenomenon and its deterioration over time.

(実施例8)
本実施例は4H−SiC逆導通GTOサイリスタであり、耐圧2.4kV級、定格出力電流は40A、絶対最大定格電流は90A級の素子である。
図8は、実施例8にかかるSiC逆導通GTOサイリスタを模式的に示す断面図である。SiC逆導通GTO800のチップサイズは8.8mmx4.5mmであり、活性領域は8.0mmx4.1mmであり、活性領域を囲んでいる耐圧構造部の幅はダイシング部を含めて素子の左右では0.2mm、上下では0.4mmである。活性領域中の逆導通GTOセルはストライブ状であり、セルの幅は36ミクロンメートルである。チップの厚さはおよそ300μmの厚さである。
(Example 8)
This embodiment is a 4H-SiC reverse conducting GTO thyristor, which is a device having a breakdown voltage of 2.4 kV class, a rated output current of 40 A, and an absolute maximum rated current of 90 A class.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a SiC reverse conducting GTO thyristor according to an eighth embodiment. The chip size of the SiC reverse conducting GTO 800 is 8.8 mm × 4.5 mm, the active region is 8.0 mm × 4.1 mm, and the width of the breakdown voltage structure part surrounding the active region is 0. 2 mm and 0.4 mm at the top and bottom. The reverse conducting GTO cell in the active region is striped and the cell width is 36 microns. The thickness of the chip is approximately 300 μm.

図8に示すように、SiC逆導通GTO600において、第2アノード電極602に裏面が接する厚さ約290μmのnコレクタ層602のおもて面には、p埋込コレクタ導電層620と第1の短絡領域621が設けられ、それらのおもて面には各々に対向してp埋込コレクタ層603とこの層を貫通する第2のn短絡部領域604が設けられている。これらの層603と領域604のおもて面には、nバッファー層605が設けられている。nバッファー層105は、SiCエピタキシャル層である。p埋込エミッタ領域853の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ2.0×1018cm−3および2.5μmであってもよい。n短絡部604の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1019cm−3および2.5μmであってもよい。また、nバッファー層605の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ8×1015cm−3および1.0μmであってもよい。セルの中のp埋込エミッタ層603はセルの中心付近に設けてもよく、その幅は18μmであってもよい。n短絡部604の幅も18μmであってもよい。 As shown in FIG. 8, in the SiC reverse conducting GTO 600, the p + buried collector conductive layer 620 and the first buried collector conductive layer 620 are formed on the front surface of the n + collector layer 602 having a thickness of about 290 μm and the back surface contacting the second anode electrode 602. The short-circuit region 621 is provided, and the front surface thereof is provided with a p-buried collector layer 603 and a second n + short-circuit region 604 penetrating through this layer, facing each other. An n buffer layer 605 is provided on the front surface of the layer 603 and the region 604. The n buffer layer 105 is a SiC epitaxial layer. The impurity concentration and thickness of the p buried emitter region 853 may be, for example, 2.0 × 10 18 cm −3 and 2.5 μm, respectively. The impurity concentration and the thickness of the n + short-circuit portion 604 may be 1 × 10 19 cm −3 and 2.5 μm, respectively, for example. The impurity concentration and thickness of the n buffer layer 605 may be, for example, 8 × 10 15 cm −3 and 1.0 μm, respectively. The p buried emitter layer 603 in the cell may be provided near the center of the cell, and the width thereof may be 18 μm. The width of the n + short-circuit portion 604 may also be 18 μm.

nバッファー層605のおもて面には、nドリフト層606が設けられている。nドリフト層606は、SiCエピタキシャル層である。nドリフト層606の不純物濃度は、および厚さは、例えば、それぞれ5×1015cm−3および23μmであってもよい。 An n drift layer 606 is provided on the front surface of the n buffer layer 605. The n drift layer 606 is a SiC epitaxial layer. The impurity concentration and thickness of the n drift layer 606 may be, for example, 5 × 10 15 cm −3 and 23 μm, respectively.

nドリフト層606のおもて面には、pベース領域607が設けられており、不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ4×1017cm−3および2.0μmであってもよい。各pベース領域607のおもて面には、nエミッタ領域608が選択的に複数設けられており、その不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ5×1018cm−3および1.0μmであってもよく、水平方向の幅は、例えば20μmであってもよい。nエミッタ領域608上にはエミッタ電極609が設けられている。 A p base region 607 is provided on the front surface of the n drift layer 606, and the impurity concentration and thickness may be, for example, 4 × 10 17 cm −3 and 2.0 μm, respectively. A plurality of n + emitter regions 608 are selectively provided on the front surface of each p base region 607, and the impurity concentration and thickness thereof are, for example, 5 × 10 18 cm −3 and 1.0 μm, respectively. The horizontal width may be, for example, 20 μm. An emitter electrode 609 is provided on the n + emitter region 608.

エミッタ領域608の両側のpベース領域607上にはゲート電極610が設けられている。図示していないが、ゲート電極610とpベース領域607の良好なオーミックコンタクトを形成するためにゲート電極610直下のpベース領域607のおもて面には8×1018cm−3の不純物濃度のコンタクト領域が設けられている。nエミッタ領域608とp埋込エミッタ層603とは対抗するように設けてもよい。 A gate electrode 610 is provided on the p base region 607 on both sides of the n + emitter region 608. Although not shown, an impurity concentration of 8 × 10 18 cm −3 is formed on the front surface of the p base region 607 immediately below the gate electrode 610 in order to form a good ohmic contact between the gate electrode 610 and the p base region 607. Contact regions are provided. The n + emitter region 608 and the p buried emitter layer 603 may be provided to oppose each other.

セルは実施例1と同様に複数個単位でグループ化され各グループ間にはpトレンチエミッタ領域615が設けられている。nドリフト領域606とpトレンチエミッタ領域615の間には素子のおもて面近くには深さ8μmまで絶縁膜614を設けており、8μmから約23μmに渡ってはnトレンチバッファー層616を設けている。隣り合うpトレンチエミッタ領域615の水平方向の中心間の複数セルをグループセルと定義し、この中心間距離を以下ではグループセルの幅と呼ぶ。pトレンチエミッタ領域615は少なくともnドリフト層606およびnバッファー層605を貫通してグループセル端部のp埋込端部エミッタ領域617に接するように設けられている。端部のp埋込エミッタは端部のセルのn短絡領域604からpトレンチエミッタ領域615の水平方向の中心まで延在しており、以下ではp埋込端部エミッタ617と呼ぶ。従って、p埋込端部エミッタ617は端部セル以外のセルのp埋込エミッタ層603よりも幅が広い。pトレンチエミッタ領域615はできるだけ低抵抗であることが好ましい。
トレンチエミッタ領域615の主表面側の露出面には第1アノード電極609が設けられている。第1アノード電極619は第2アノード電極601に外部で電気的に接続されている
The cells are grouped in units as in the first embodiment, and ap + trench emitter region 615 is provided between each group. An insulating film 614 is provided between the n drift region 606 and the p + trench emitter region 615 near the front surface of the device to a depth of 8 μm, and the n trench buffer layer 616 extends from 8 μm to about 23 μm. Provided. A plurality of cells between horizontal centers of adjacent p + trench emitter regions 615 are defined as group cells, and the distance between the centers is hereinafter referred to as a group cell width. The p + trench emitter region 615 is provided so as to penetrate at least the n drift layer 606 and the n buffer layer 605 and to contact the p buried end emitter region 617 at the end of the group cell. The p buried emitter at the end extends from the n short circuit region 604 of the end cell to the horizontal center of the p + trench emitter region 615 and is hereinafter referred to as a p buried end emitter 617. Accordingly, the p buried end emitter 617 is wider than the p buried emitter layer 603 of the cells other than the end cells. The p + trench emitter region 615 is preferably as low a resistance as possible.
A first anode electrode 609 is provided on the exposed surface of the p + trench emitter region 615 on the main surface side. The first anode electrode 619 is electrically connected to the second anode electrode 601 externally.

各グループのセル数は例えば10個であってもよく、またpトレンチエミッタ領域615の露出面の幅は30μmであってもよい。グループセルの幅は410μmであってもよい。図6には2個のグループセルの一部が記載されており、pトレンチエミッタ領域615を挟んで左側に10個中3.5個分のセルが、右側に10個中約0.2個のセルがグループセルの端部すなわちフィールド領域も含めて記載されている。 The number of cells in each group may be ten, for example, and the width of the exposed surface of the p + trench emitter region 615 may be 30 μm. The width of the group cell may be 410 μm. FIG. 6 shows a part of two group cells. 3.5 cells out of 10 cells on the left side of the p + trench emitter region 615 and about 0.2 cells out of 10 cells on the right side. Each cell is described including the end of the group cell, that is, the field region.

各グループの全セルのゲート電極610は、各ストライブ状セルの垂直方向の一方の端で隣接するセルのゲート電極610に相互に接続されている。また、各グループの全セルのカソード電極609は各ストライブ状セルの垂直方向の他方の端で隣接するセルのカソード電極609に相互に接続されている。また各セルのp埋込エミッタ層603は隣接するセルのp埋込エミッタ層603と接続されており、更に各グループの両端側のセルのp埋込エミッタ層603は隣接するpトレンチエミッタ領域615に接続されている。 The gate electrodes 610 of all cells in each group are connected to the gate electrodes 610 of adjacent cells at one end in the vertical direction of each stripe-like cell. Further, the cathode electrodes 609 of all the cells in each group are connected to the cathode electrodes 609 of the adjacent cells at the other end in the vertical direction of each stripe-like cell. The p buried emitter layer 603 of each cell is connected to the p buried emitter layer 603 of the adjacent cell, and the p buried emitter layers 603 of the cells on both ends of each group are adjacent to the p + trench emitter region. 615 is connected.

以下に、本実施例の動作とスナップバック現象抑制のメカニズムを説明する。
まず上記においてゲート電流約1Aを印加しアノード電極とカソード電極609間に順方向電流を印加し増加してゆくと、全セルにおいて各セルごとに図1の点線a、bで模式的に示すルートを含む多数のルートでnpnトランジスタ電流が流れ、その総和の電流が定常動作電流として機能する。
その際、各セルグループの両端のセルでは図1の点線cで示すルートで、カソード電極609、nエミッタ領域608、pベース領域607、n蓄積層624、nトレンチバッファー層616、p埋込端部エミッタ領域617上のnバッファー層605、n短絡領域604、n層コレクタ602、第2アノード電極601を経由して電子電流も流れる。この電子電流によりnバッファー層内に電界降下が生じるが、短絡領域604から最も遠いnトレンチバッファー層616と絶縁膜614の接触部付近で電界降下が最大となる。
アノード電極とカソード電極間の印加電圧を増加させてゆき、この電界降下が2.7Vのビルトイン電圧以上になるとこの部分のpトレンチエミッタ領域615から正孔の注入が起こり端部のGTOセルがオンする。一旦端部のGTOセルがオンすると導電率変調によりこの部分の抵抗が大幅に低下し大きなバイポーラ電流(正孔電流と電子電流の合算電流)が流れ、この電流が拡がって端部のセル全体がオンし、更に隣接するセルにおいてもこの大きなバイポーラ電流によりp埋込エミッタ層603上のnバッファー層605内での電圧降下が増大し、p埋込エミッタ層603から正孔の注入が生じ隣接セルがオンし、この繰り返しでグループセル全体がオンし、ついには逆導GTO全体がオンし過負荷電流に該当する大きな電流が流れる。この間に要するターンオン時間は約200ナノ秒程度の短い時間である。
Hereinafter, the operation of this embodiment and the mechanism for suppressing the snapback phenomenon will be described.
First, when a gate current of about 1 A is applied and a forward current is applied and increased between the anode electrode and the cathode electrode 609, the route schematically shown by dotted lines a and b in FIG. The npn transistor current flows through a number of routes including, and the total current functions as a steady operation current.
At that time, in the cells at both ends of each cell group, the cathode electrode 609, the n emitter region 608, the p base region 607, the n storage layer 624, the n trench buffer layer 616, and the p buried end are routed by the route indicated by the dotted line c in FIG. Electron current also flows through the n buffer layer 605, the n short-circuit region 604, the n + layer collector 602, and the second anode electrode 601 on the partial emitter region 617. This electron current causes an electric field drop in the n buffer layer, but the electric field drop is maximized in the vicinity of the contact portion between the n trench buffer layer 616 and the insulating film 614 farthest from the short-circuit region 604.
When the applied voltage between the anode electrode and the cathode electrode is increased and this electric field drop becomes equal to or higher than the built-in voltage of 2.7 V, holes are injected from the p + trench emitter region 615 of this portion, and the GTO cell at the end portion Turn on. Once the GTO cell at the end is turned on, the resistance of this part is greatly reduced due to the conductivity modulation, and a large bipolar current (the sum of the hole current and the electron current) flows. This current spreads and the entire cell at the end In the adjacent cell, the voltage drop in the n buffer layer 605 on the p buried emitter layer 603 is increased by the large bipolar current in the adjacent cell, and the injection of holes from the p buried emitter layer 603 occurs. Is turned on, the entire group cell is turned on by repeating this, and finally the whole reverse GTO is turned on, and a large current corresponding to the overload current flows. The turn-on time required during this period is as short as about 200 nanoseconds.

本実施例特有のpトレンチエミッタ領域615を有しない場合は、p埋込エミッタ層603上の半分のバッファー層部分での電界降下によりp埋込エミッタ603の中央部から正孔の注入が生じGTO部がオンする。従って、電圧降下が生じるバッファー層部分の長さは9μmと短いのでビルトイン電圧2.7Vの電圧降下を生じるには極めて大きな電子電流が必要となり、Vsbが大きくなってしまう。この結果、スナップバック現象に起因するdIsb/dtやdVsb/dtが大きくなり回路に大きな悪影響を及ぼしてしまう。 When the p + trench emitter region 615 peculiar to the present embodiment is not provided, hole injection occurs from the central portion of the p buried emitter 603 due to the electric field drop in the half buffer layer portion on the p buried emitter layer 603. The GTO section turns on. Therefore, since the length of the buffer layer portion where the voltage drop occurs is as short as 9 μm, a very large electron current is required to cause the voltage drop of the built-in voltage 2.7 V, and Vsb becomes large. As a result, dIsb / dt and dVsb / dt resulting from the snapback phenomenon become large, which has a great adverse effect on the circuit.

一方、本実施例特有のpトレンチエミッタ領域615を設けた場合は、図1の点線cのルートにおけるnトレンチバッファー領域616での電圧降下が加算されるので、電子電流をその分抑制できる。本実施例の場合はnトレンチバッファー領域616とp埋込端部エミッタ617上のnバッファー層との合計のnバッファー層の長さは約56μmとなるため約6倍長いので、2.7Vの電圧降下に達するための電子電流は大幅に小さくて済むためVsbは大幅に小さくなる。この結果、スナップバック現象を大幅に抑制できるものである。
また、実施例6の{0109}に記載のメカニズムと同様のメカニズムで、pベース領域607とpトレンチエミッタ領域615間のドレイン層606のおもて面の積層欠陥に起因するスナップバック現象の経時変化も大幅に抑制できる。
On the other hand, when the p + trench emitter region 615 peculiar to the present embodiment is provided, the voltage drop in the n trench buffer region 616 in the route indicated by the dotted line c in FIG. 1 is added, so that the electron current can be suppressed accordingly. In the case of the present embodiment, the total length of the n buffer layer including the n trench buffer region 616 and the n buffer layer on the p buried end emitter 617 is about 56 μm, which is about 6 times longer. Since the electron current required to reach the voltage drop is much smaller, Vsb is significantly smaller. As a result, the snapback phenomenon can be greatly suppressed.
Further, the snapback phenomenon caused by stacking faults on the front surface of the drain layer 606 between the p base region 607 and the p + trench emitter region 615 is the same as the mechanism described in {0109} of Example 6. Changes over time can also be greatly suppressed.

つぎに、本実施例のSiC逆導通GTOの特性と特徴を説明する。
ゲート電流を印加しない状態でアノード電極とカソード電極609間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は2.5kV付近である。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で1.1×10−3A/cm以下と良好である。これらはpトレンチコレクタ領域615とnドリフト層606の間にSiO酸化膜614を設けたことによる効果である
Next, the characteristics and characteristics of the SiC reverse conducting GTO of this embodiment will be described.
When a forward voltage is applied between the anode electrode and the cathode electrode 609 without applying a gate current, a leakage current flows, but a good forward blocking characteristic is exhibited. It is. Moreover, the leak current before avalanche breakdown is as good as 1.1 × 10 −3 A / cm 2 or less at room temperature. These are the effects obtained by providing the SiO 2 oxide film 614 between the p trench collector region 615 and the n drift layer 606.

また、ゲート電流約1Aを印加し、ついでアノード電極とカソード電極609間の順方向電圧を増加してゆくとほぼ直線的にnpnトランジスタ部の電流が増加し、2.4Vの順方向電圧で所定の定常動作電流の約40Aを流すことができた。バイポーラ従ってオン抵抗は約60mΩと極めて低く著しい低損失を達成できた。更に順方向電圧を増加するとスナップバック現象が現れGTO部がオンし、更に順方向電圧を増加すると225%の過負荷電流に相当する90Aを約3.9Vのオン電圧で流すことができ、過負荷動作時の低損失を達成できた。過負荷率Nは2.25であり従来に比べて十分高い。
なお、上記の約60mΩの著しく低いオン抵抗にもかかわらず、逆導通GTOチップの厚さは約300μmであるため製作時の加工歪に母材のSiCウエーハが十分耐える高い機械強度を有している。このように、電気特性実現領域と機械強度実現領域を分離した本発明に特有の構造により、低いオン抵抗と高い機械強度を両立させることができた。
スナップバック現象が現れGTO部がオンするまでの時間はおおよそ100ナノ秒であるが、スナップバック現象にともなうdIsb/dtは約+126A/μs、dVsb/dtは約−5.5V/μsであり回路動作に及ぼす影響は実用上無視できるレベルである。このように、本発明に特有のトレンチコレクタ構造と埋込端部コレクタ構造によりスナップバック現象を著しく抑制でき、しかも単に従来例のパイロットIGBTのみを適用した場合に比べて小さい面積で実現できた。
Further, when a gate current of about 1 A is applied and then the forward voltage between the anode electrode and the cathode electrode 609 is increased, the current of the npn transistor portion increases almost linearly, and a predetermined voltage is set at a forward voltage of 2.4 V. The steady operating current of about 40 A was able to flow. Bipolar, therefore, the on-resistance is as low as about 60 mΩ, and a very low loss can be achieved. When the forward voltage is further increased, a snapback phenomenon appears and the GTO portion is turned on. When the forward voltage is further increased, 90 A corresponding to an overload current of 225% can be caused to flow at an on-voltage of about 3.9 V. Low loss during load operation was achieved. The overload factor N is 2.25, which is sufficiently higher than before.
In spite of the extremely low on-resistance of about 60 mΩ described above, the thickness of the reverse conducting GTO chip is about 300 μm. Therefore, the SiC wafer as a base material has a high mechanical strength enough to withstand the processing strain during manufacture. Yes. As described above, the structure unique to the present invention in which the electrical property realization region and the mechanical strength realization region are separated can achieve both low on-resistance and high mechanical strength.
The time until the snapback phenomenon appears and the GTO part is turned on is approximately 100 nanoseconds. However, dIsb / dt accompanying the snapback phenomenon is approximately +126 A / μs, and dVsb / dt is approximately −5.5 V / μs. The effect on operation is negligible in practice. As described above, the snap-back phenomenon can be remarkably suppressed by the trench collector structure and the buried end collector structure peculiar to the present invention, and moreover, it can be realized with a smaller area than when only the conventional pilot IGBT is applied.

また、40Aの定常動作状態と90Aの過負荷動作状態を交互に繰り返してスナップバック現象を1000回繰り返す試験を実施した後に、室温に戻して90Aの過負荷動作時すなわちGTOがオンする際のVsbを測定すると、実施例1ではオン電圧が0.7V以上増加する劣化素子が数%発生したが、本実施例の場合は1%以下にとどまる。 In addition, after conducting a test in which the snapback phenomenon is repeated 1000 times by alternately repeating the steady operation state of 40A and the overload operation state of 90A, Vsb is returned to room temperature and the 90V overload operation, i.e., when the GTO is turned on. As a result of the measurement, several% of deteriorated elements whose ON voltage increased by 0.7 V or more were generated in Example 1, but in the case of the present Example, it is only 1% or less.

以上のように、本実施例では第1および第2機能素子部がバイポーラ動作のみのSiC逆導通GTOにおいても上記の各実施例と同様に、低オン抵抗で高い機械強度を有し、過負荷動作時に低損失であるのみならず定常動作領域でも著しく低損失であるとともに、特にスナップバック現象の抑制効果をあまり損ねることなく素子おもて面の積層欠陥に起因するVsbの経時増大を大幅に抑制でき信頼性も向上できる。
As described above, in the present embodiment, the first and second functional element sections have a low on-resistance and high mechanical strength in the SiC reverse conducting GTO in which only the bipolar operation is performed, and have an overload. Not only is low loss during operation, it is also extremely low loss in the steady operation region, and the increase in Vsb over time due to stacking faults on the front surface of the device is greatly reduced without particularly detracting from the effect of suppressing the snapback phenomenon. It can be suppressed and reliability can be improved.

以上、第1から第8の実施例に基づき本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく各種の変形応用が容易に出来ることは当業者には自明である。例えばセル形状も言及したストライブ形状以外にメッシュ形状等の種々の形状が採用できることは当然である。また、耐圧1.2kV級の半導体素子に言及したが、更に低い耐圧の素子や高い耐圧の素子にも展開できるものである。耐圧が高い素子の場合、実施例で言及したチャネルストッパーの他に、ジャンクション・エクステンション・ターミネーション、フィールドプレートやRESURF、フィールドリミッチング リングなどの各種の電界緩和技術やスーパージャンクション技術等が適用できることは当業者には自明である。
また、セルの幅やn短絡部の幅やp埋込コレクタの幅も言及した値以外に、各種の素子仕様、例えば定常電流仕様値等によって種々の値を採用できることも当然のことである。主に、n短絡部をセルの中心付近のpボディ下に対向して設けたセル構造について言及したが、中心からずらした配置のセル構造等に応用展開できることも当然である。また、n型逆導通SiC−IGBTに言及したが、極性の異なるp型逆導通SiC−IGBTにも同様に展開できることは自明である。また、プレーナゲート構造の逆導通SiC−IGBTについて言及したが、トレンチゲート構造やV溝型等の他のゲート構造の逆導通SiC−IGBTに展開できることも自明である。更に、SiC逆導通IGBTとSiC逆導通IGBTについて言及したが、GaNやダイヤモンドといった他のワイドギャップ半導体を用いた逆導通IGBTにも応用展開できるものである。また、逆導通IGBTについて言及したが、他のバイポーラ逆導通半導体素子である逆導通GTO、逆導通静電誘導サイリスタ、逆導通MOSサイリスタ、逆導通GCT、逆導通MCT(MOSコントロールサイリスタ)、逆導通EST(エミッタースイッチサイリスタ)などに応用展開できることは当業者には自明であり容易に推敲できるものである。
Although the present invention has been described based on the first to eighth embodiments, the present invention is not limited to these, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications can be easily made. For example, various shapes such as a mesh shape can be adopted in addition to the stripe shape that also refers to the cell shape. In addition, although a semiconductor device having a withstand voltage of 1.2 kV has been mentioned, the present invention can be applied to a device having a lower withstand voltage and an element having a higher withstand voltage. In the case of an element with a high withstand voltage, in addition to the channel stopper mentioned in the embodiment, various electric field relaxation techniques such as junction extension termination, field plate, RESURF, and field limiting ring, and super junction techniques can be applied. It is obvious to the contractor.
In addition to the values mentioned for the width of the cell, the width of the n short-circuited portion, and the width of the buried p-collector, it is a matter of course that various values can be adopted depending on various element specifications, for example, steady current specification values. Although the cell structure in which the n short-circuited portion is mainly provided below the p body near the center of the cell has been mentioned, it can be naturally applied to a cell structure or the like that is shifted from the center. Moreover, although mentioning the n-type reverse conducting SiC-IGBT, it is obvious that the same can be applied to p-type reverse conducting SiC-IGBTs having different polarities. Further, the reverse conducting SiC-IGBT having the planar gate structure has been described, but it is obvious that the present invention can be developed to a reverse conducting SiC-IGBT having another gate structure such as a trench gate structure or a V-groove type. Furthermore, the SiC reverse conducting IGBT and the SiC reverse conducting IGBT have been mentioned. However, the present invention can be applied to reverse conducting IGBTs using other wide gap semiconductors such as GaN and diamond. Although the reverse conducting IGBT is mentioned, the reverse conducting GTO, the reverse conducting electrostatic induction thyristor, the reverse conducting MOS thyristor, the reverse conducting GCT, the reverse conducting MCT (MOS control thyristor), and the reverse conducting, which are other bipolar reverse conducting semiconductor elements. It is obvious to those skilled in the art that it can be applied and expanded to an EST (emitter switch thyristor) and can be easily guessed.

本発明は家電品、自動車、太陽光発電、風力発電、電鉄用途の電源電圧が約2kV以下のインバータや各種電力変換装置に特に効果的に利用でき、大幅な低損失化や高過負荷耐量化ができる。当然ながら、2kV以上の電鉄用途や産業用途、電力事業用途のインバータや各種電力変換装置にも利用できる。
The present invention can be used particularly effectively for inverters and various power converters with a power supply voltage of about 2 kV or less for home appliances, automobiles, solar power generation, wind power generation, and electric railway applications, and greatly reduces loss and increases overload capability. Can do. Naturally, it can also be used for inverters and various power converters for electric railway applications of 2 kV or higher, industrial applications, and power business applications.

101,201,301、401、601,701:第2コレクタ電極
102,202,302、402、602 :nドレイン
103,203,303、403、603,703:p埋込コレクタ層
104、204、304、404、604,704,804:第2n短絡領域
105,205,305、405、605,705,805:nバッファー層
106,206、306、406、606,706、806:nドリフト層
107,207,307、407、607,707:pボディ領域
108,208,308、408、608、708:nエミッタ領域
109,209,309、409、609、 :pチャネル領域
110,210,310、410、610,710:pコンタクト領域
111、211,311、411、611,711:ゲート酸化膜
112,212,312、412、612,712:ゲート電極
113,213,313、413、613,713:層間絶縁膜
114,214,314、414、614,714:エミッタ電極
115,215,315、415、615,715:pトレンチコレクタ領域
116,216,316、416、616,716,816:nトレンチバッファー領域
117,217,317、417、617,717:p埋込端部コレクタ
119、219、319、419、619 :第1コレクタ電極
120,220,320,420,620 :p埋込コレクタ導電層
121、221,321,421,621,821:第1n短絡領域
122,222、322、422 :nチャネルストッパー
423:pカラム、 424:nカラム、 425:pトレンチコンタクト領域
623,723:SiO酸化膜等の絶縁膜、 624,724:n電荷蓄積層
701:第2アノード電極、702:nコレクタ、703:p埋込エミッタ領域、707:pベース領域、719:第1アノード電極、720:p埋込エミッタ導電層
801:第2アノード電極 802:nコレクタ層、803、p埋込アノード層
804:p埋込アノード導電層、807:pベース領域、808:nエミッタ領域
809:カソード電極、810:ゲート電極、811:表面保護酸化膜
815:pトレンチアノード領域、817:p埋込端部エミッタ、823:酸化膜
819:第1エミッタ電極、820:p埋込エミッタ導電層、824:n蓄積層
101, 201, 301, 401, 601, 701: second collector electrodes 102, 202, 302, 402, 602: n drains 103, 203, 303, 403, 603, 703: p buried collector layers 104, 204, 304 404, 604, 704, 804: 2nd n + short-circuit region 105, 205, 305, 405, 605, 705, 805: n buffer layer 106, 206, 306, 406, 606, 706, 806: n drift layer 107 , 207, 307, 407, 607, 707: p body regions 108, 208, 308, 408, 608, 708: n + emitter regions 109, 209, 309, 409, 609: p - channel regions 110, 210, 310 410, 610, 710: p + contact regions 111, 211, 311; 411, 611, 711: Gate oxide films 112, 212, 312, 412, 612, 712: Gate electrodes 113, 213, 313, 413, 613, 713: Interlayer insulating films 114, 214, 314, 414, 614, 714: Emitter electrodes 115, 215, 315, 415, 615, 715: p + trench collector regions 116, 216, 316, 416, 616, 716, 816: n trench buffer regions 117, 217, 317, 417, 617, 717: p Buried end collectors 119, 219, 319, 419, 619: first collector electrodes 120, 220, 320, 420, 620: p buried collector conductive layers 121, 221, 321, 421, 621, 821: first n + Short-circuit region 122, 222, 322, 422: n-channel stopper 23: p columns, 424: n Column, 425: p + trench contact regions 623,723: SiO 2 oxide film of the insulating film, 624,724: n charge accumulating layer 701: second anode electrode, 702: n + collector 703: p buried emitter region, 707: p base region, 719: first anode electrode, 720: p buried emitter conductive layer 801: second anode electrode 802: n collector layer, 803, p buried anode layer 804 : P buried anode conductive layer, 807: p base region, 808: n emitter region 809: cathode electrode, 810: gate electrode, 811: surface protective oxide film 815: p trench anode region, 817: p buried end emitter 823: oxide film 819: first emitter electrode, 820: p buried emitter conductive layer, 824: n storage layer

Claims (5)

第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)と前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)のおもて面に設けられた第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と、前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)を貫通する複数の第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)を備え、更に前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)とのおもて面には第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)を設け、前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)のおもて面には第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)を設け、
一部の前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)のおもて面には、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)とを貫通する第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)と第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)を、前記第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)が前記第1導電型の第2半導体層(nドリフト層)と前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の間にそれぞれに接するように設け、
更に、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)のおもて面には、複数の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)が選択的に設けられ、前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)の各々のおもて面には第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)が選択的に設けられており、
前記各々の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)の、前記各々の第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた部分の表面には絶縁膜を介して制御電極が設けられ、
更に、前記各々の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)と前記第1導電型の第3半導体領域(エミッタ層)とに接して第3の主電極(エミッタ電極)が設けられ、
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)の裏面に接して第2の主電極(コレクタ電極)が設けられ、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の表面に接して第1の主電極が設けられ、前記第2の主電極(コレクタ電極)と前記第1の主電極とが電気的に接続されているバイポーラ逆導通半導体素子であり、
各半導体層と各半導体領域がワイドギャップ半導体から形成されているバイポーラ逆導通半導体素子。
A first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) and a second conductivity type second semiconductor layer (p-buried) provided on the front surfaces of the first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) And a plurality of first conductivity type second semiconductor regions (second short circuit regions) penetrating the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer), and further comprising the second conductivity type. The first conductive type third semiconductor layer (n buffer) is formed on the front surfaces of the second semiconductor layer (p buried collector layer) of the type and the second semiconductor region (second short circuit region) of the first conductive type. A first conductive type second semiconductor layer (drift layer) on the front surface of the first conductive type third semiconductor layer (n buffer layer),
A part of the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer) has a first conductive type second semiconductor layer (drift layer) and the first conductive type second semiconductor layer on the front surface. A third semiconductor region (p trench collector) of the second conductivity type penetrating through the three semiconductor layers (n buffer layer) and a fourth semiconductor region of the first conductivity type (n trench buffer region) of the first conductivity type The fourth semiconductor region (n trench buffer region) is in contact with the first conductivity type second semiconductor layer (n drift layer) and the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector), respectively. Provided,
Further, a plurality of second conductive type first semiconductor regions (p body regions) are selectively provided on the front surface of the first conductive type second semiconductor layer (drift layer), and the second conductive type second semiconductor layer (drift layer) is selectively provided. A first conductivity type third semiconductor region (emitter region) is selectively provided on the front surface of each of the conductivity type first semiconductor regions (p body regions),
Each first conductivity type third semiconductor region (emitter region) and each first conductivity type second semiconductor layer (drift layer) of each second conductivity type first semiconductor region (p body region). A control electrode is provided on the surface of the portion sandwiched between the two via an insulating film,
Further, a third main electrode (emitter electrode) is provided in contact with each of the second conductivity type first semiconductor region (p body region) and the first conductivity type third semiconductor region (emitter layer). ,
A second main electrode (collector electrode) is provided in contact with the back surface of the first conductivity type first semiconductor layer (drain layer), and is formed on the surface of the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector). A bipolar reverse conducting semiconductor element provided with a first main electrode in contact therewith, wherein the second main electrode (collector electrode) and the first main electrode are electrically connected;
A bipolar reverse conducting semiconductor element in which each semiconductor layer and each semiconductor region are formed of a wide gap semiconductor.
第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)と前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)のおもて面に設けられた第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と、前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)を貫通する複数の第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)を備え、更に前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)とのおもて面には第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)を設け、前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)のおもて面には第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)を設け、
一部の前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)のおもて面には、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と前記第1導電型の第3半導体層(nバッファー層)とを貫通する第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)と第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)を、前記第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)が前記第1導電型の第2半導体層(nドリフト層)と前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の間にそれぞれに接するように設け、
更に、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)のおもて面には、複数の第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)と複数のトレンチゲートが交互に選択的に設けられ、前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)の各々のおもて面には第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)がその端面がトレンチゲートに接して選択的に設けられており、
トレンチゲートはトレンチ側面に延在する絶縁膜と前記絶縁膜に接する制御電極を有しており、前記第1導電型の第3半導体領域(エミッタ領域)と前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)とに挟まれた前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)の端面には前記絶縁膜を介して前記制御電極が設けられており、
更に、前記第2導電型の第1半導体領域(pボディ領域)と前記第1導電型の第3半導体領域(エミッタ層)とに接して第3の主電極(エミッタ電極)が設けられ、
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)の裏面に接して第2の主電極(コレクタ電極)が設けられ、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)の表面に接して第1の主電極が設けられ、前記第2の主電極(コレクタ電極)と前記第1の主電極とが電気的に接続されているバイポーラ逆導通半導体素子であり、
各半導体層と各半導体領域がワイドギャップ半導体から形成されているバイポーラ逆導通半導体素子。
A first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) and a second conductivity type second semiconductor layer (p-buried) provided on the front surfaces of the first conductivity type first semiconductor layer (drain layer) And a plurality of first conductivity type second semiconductor regions (second short circuit regions) penetrating the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer), and further comprising the second conductivity type. The first conductive type third semiconductor layer (n buffer) is formed on the front surfaces of the second semiconductor layer (p buried collector layer) of the type and the second semiconductor region (second short circuit region) of the first conductive type. A first conductive type second semiconductor layer (drift layer) on the front surface of the first conductive type third semiconductor layer (n buffer layer),
A part of the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer) has a first conductive type second semiconductor layer (drift layer) and the first conductive type second semiconductor layer on the front surface. A third semiconductor region (p trench collector) of the second conductivity type penetrating through the three semiconductor layers (n buffer layer) and a fourth semiconductor region of the first conductivity type (n trench buffer region) of the first conductivity type The fourth semiconductor region (n trench buffer region) is in contact with the first conductivity type second semiconductor layer (n drift layer) and the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector), respectively. Provided,
In addition, a plurality of second conductivity type first semiconductor regions (p body regions) and a plurality of trench gates are alternately selected on the front surface of the first conductivity type second semiconductor layer (drift layer). The first conductive type third semiconductor region (emitter region) is in contact with the trench gate at the front surface of each of the second conductive type first semiconductor regions (p body regions). Is provided selectively,
The trench gate has an insulating film extending on a side surface of the trench and a control electrode in contact with the insulating film, and the first conductive type third semiconductor region (emitter region) and the first conductive type second semiconductor layer. The control electrode is provided on the end surface of the second conductivity type first semiconductor region (p body region) sandwiched between (drift layer) via the insulating film,
Furthermore, a third main electrode (emitter electrode) is provided in contact with the second conductive type first semiconductor region (p body region) and the first conductive type third semiconductor region (emitter layer),
A second main electrode (collector electrode) is provided in contact with the back surface of the first conductivity type first semiconductor layer (drain layer), and is formed on the surface of the second conductivity type third semiconductor region (p trench collector). A bipolar reverse conducting semiconductor element provided with a first main electrode in contact therewith, wherein the second main electrode (collector electrode) and the first main electrode are electrically connected;
A bipolar reverse conducting semiconductor element in which each semiconductor layer and each semiconductor region are formed of a wide gap semiconductor.
請求項1−2のいずれか一項に記載のバイポーラ逆導通半導体素子において、
前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ)との間に挟まれて設けられた第1導電型の第4半導体領域(nトレンチバッファー領域)の上部に、
第2の絶縁膜が、前記第1導電型の第2半導体層(ドリフト層)と、前記第2導電型の第3半導体領域(pトレンチコレクタ領域)とに接して設けられたバイポーラ逆導通半導体素子。
In the bipolar reverse conducting semiconductor device according to any one of claims 1-2,
First conductive type fourth semiconductor region provided between the first conductive type second semiconductor layer (drift layer) and the second conductive type third semiconductor region (p-trench collector). On top of (n trench buffer region)
A bipolar reverse conducting semiconductor in which a second insulating film is provided in contact with the first conductive type second semiconductor layer (drift layer) and the second conductive type third semiconductor region (p trench collector region) element.
請求項1−3のいずれか一項に記載のバイポーラ逆導通半導体素子において、
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)がSi半導体で形成されているバイポーラ逆導通半導体素子。
In the bipolar reverse conducting semiconductor element according to any one of claims 1-3,
A bipolar reverse conducting semiconductor element, wherein the first conductive type first semiconductor layer (drain layer) is formed of a Si semiconductor.
請求項1−4のいずれか一項に記載のバイポーラ逆導通半導体素子において、
前記第1導電型の第1半導体層(ドレイン層)と、前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)および前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)を貫通する複数の前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)との間に、
第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)と前記第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)を貫通する複数の第1導電型の第1半導体領域(第1短絡領域)とを設け、
前記第2導電型の第1半導体層(p埋込コレクタ導電層)は前記第2導電型の第2半導体層(p埋込コレクタ層)と、また前記第1導電型の第1半導体領域(第1短絡領域)は前記第1導電型の第2半導体領域(第2短絡領域)とほぼ同じ平面形状であり、各々対向して設けられているバイポーラ逆導通半導体素子。
In the bipolar reverse conducting semiconductor element according to any one of claims 1-4,
The first conductive type first semiconductor layer (drain layer), the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer), and the second conductive type second semiconductor layer (p buried collector layer). ) Between the plurality of first conductive type second semiconductor regions (second short circuit regions) penetrating
A plurality of first conductivity type first semiconductor regions penetrating the second conductivity type first semiconductor layer (p buried collector conductive layer) and the second conductivity type first semiconductor layer (p buried collector conductive layer). (First short-circuit region)
The second conductivity type first semiconductor layer (p buried collector conductive layer) is the second conductivity type second semiconductor layer (p buried collector layer) and the first conductivity type first semiconductor region ( The first short-circuit region is a bipolar reverse conducting semiconductor element that has substantially the same planar shape as the second semiconductor region of the first conductivity type (second short-circuit region), and is provided facing each other.
JP2016078190A 2015-11-30 2016-04-08 Semiconductor element Active JP6557925B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015233041 2015-11-30
JP2015233041 2015-11-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017108097A JP2017108097A (en) 2017-06-15
JP6557925B2 true JP6557925B2 (en) 2019-08-14

Family

ID=59059965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016078190A Active JP6557925B2 (en) 2015-11-30 2016-04-08 Semiconductor element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6557925B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017126853B4 (en) * 2017-11-15 2019-11-21 Infineon Technologies Dresden Gmbh Semiconductor device with buffer region
CN111261710A (en) * 2018-12-03 2020-06-09 珠海格力电器股份有限公司 Insulated gate bipolar transistor and preparation method thereof
DE102019102371B4 (en) * 2019-01-30 2023-07-06 Infineon Technologies Ag TRANSISTOR ARRANGEMENT AND METHOD OF OPERATING A TRANSISTOR ARRANGEMENT
JP7204544B2 (en) 2019-03-14 2023-01-16 株式会社東芝 semiconductor equipment
WO2023189052A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 ローム株式会社 Semiconductor module

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2901621B2 (en) * 1988-10-19 1999-06-07 株式会社日立製作所 Conduction modulation type MOS device
JPH0786567A (en) * 1993-09-14 1995-03-31 Toshiba Corp Semiconductor device
JP2002016486A (en) * 2000-06-30 2002-01-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
JP4109009B2 (en) * 2002-04-09 2008-06-25 株式会社東芝 Semiconductor device and manufacturing method thereof
DE102006014580B4 (en) * 2006-03-29 2011-06-22 Infineon Technologies Austria Ag Vertical high-voltage semiconductor device and method for producing an edge termination for an IGBT
JP5452549B2 (en) * 2011-06-03 2014-03-26 三菱電機株式会社 Power module

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017108097A (en) 2017-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5638067B2 (en) Semiconductor device
JP6304416B2 (en) Bidirectional element, bidirectional element circuit, and power converter
JP6557925B2 (en) Semiconductor element
JP5858934B2 (en) Semiconductor power device and manufacturing method thereof
JP4843253B2 (en) Power semiconductor device
US9362392B2 (en) Vertical high-voltage semiconductor device and fabrication method thereof
JP6649183B2 (en) Semiconductor device
JP6416062B2 (en) Semiconductor device
JP6923457B2 (en) Silicon Carbide Semiconductor Devices and Their Manufacturing Methods, Power Converters, Automobiles and Rail Vehicles
JP2018046162A (en) Silicon carbide semiconductor device
JP2019096631A (en) Semiconductor device and power converter
JP2014204038A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
US20190081624A1 (en) Power switching devices with dv/dt capability and methods of making such devices
JP6255111B2 (en) Semiconductor device, inverter module, inverter, railway vehicle, and manufacturing method of semiconductor device
JP2019075411A (en) Silicon carbide semiconductor device, power module and power conversion apparatus
JP4910894B2 (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
WO2021005903A1 (en) Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2019195007A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP5087831B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US9917180B2 (en) Trenched and implanted bipolar junction transistor
JP2022042526A (en) Semiconductor device
JP2020021916A (en) Semiconductor device and semiconductor circuit device
JP5524403B2 (en) Semiconductor device
JP7333509B2 (en) Silicon carbide semiconductor device
JP2022137613A (en) SiC-MOSFET

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180302

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20181212

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190108

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190215

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190327

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190514

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190521

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190625

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190627

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6557925

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250