JP6618591B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor device.
特開2012−231011号公報(特許文献1)によれば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)において、トランジスタ領域とその周囲に配置された終端領域との間に抜き取り領域が配置されている。抜き取り領域において、n-型ドリフト層上にp型層が設けられている。p型層はエミッタ電極に接続されている。p型層上に絶縁膜を介してダミーゲート電極が設けられている。ダミーゲート電極はゲート電極に接続されている。抜き取り領域と終端領域との境界、すなわちp型層の外端は、IGBTのターンオフ動作時に電流密度が増加しやすく、その結果、熱破壊が生じ得る。この現象により、ターンオフ動作時の電流遮断能力が制限を受ける。 According to Japanese Patent Laying-Open No. 2012-231111 (Patent Document 1), in an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), an extraction region is disposed between a transistor region and a termination region disposed around the transistor region. In the extraction region, a p-type layer is provided on the n − -type drift layer. The p-type layer is connected to the emitter electrode. A dummy gate electrode is provided on the p-type layer via an insulating film. The dummy gate electrode is connected to the gate electrode. At the boundary between the extraction region and the termination region, that is, the outer end of the p-type layer, the current density tends to increase during the turn-off operation of the IGBT, and as a result, thermal breakdown can occur. This phenomenon limits the current interrupt capability during turn-off operation.
上記公報の記載によれば、終端領域に格子欠陥が導入される。これにより、終端領域に存在するキャリアが消滅し易くなるため、IGBTのターンオフ動作時に抜き取り領域のキャリア濃度が下がる。従って、p型層からコレクタ側への空乏化が促進され、電界強度が低下する。この結果、IGBTのターンオフ動作時の電流遮断能力が向上する。一方、格子欠陥は抜き取り領域には導入されない。これは、オン電圧が上がることを避けることを意図したものである。以上のように、上記公報の技術は、IGBTのオン電圧への悪影響なく、ターンオフ動作時の遮断能力を向上させることを意図している。 According to the description in the above publication, lattice defects are introduced into the termination region. As a result, carriers existing in the termination region easily disappear, so that the carrier concentration in the extraction region decreases during the IGBT turn-off operation. Therefore, depletion from the p-type layer to the collector side is promoted, and the electric field strength is reduced. As a result, the current interruption capability during the IGBT turn-off operation is improved. On the other hand, lattice defects are not introduced into the extraction region. This is intended to avoid an increase in on-voltage. As described above, the technique of the above publication is intended to improve the shut-off capability during the turn-off operation without adversely affecting the on-voltage of the IGBT.
上記技術によって、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を、ある程度確保することができる。しかしながら両者の間のトレードオフ関係はIGBTにおいて依然として改善が求められているものであり、さらなる技術が求められている。また類似の課題が他の電力用半導体装置においても存在しており、たとえばダイオードにおいて、低いオン電圧と、リカバリー動作時の高い遮断能力との間のトレードオフ関係の改善が求められている。加えて、上記のような基本性能を保障しながら半導体装置の製造コストを低減することが、強く求められている。もし性能を犠牲にすることなく半導体装置のチップサイズを小さくすることができれば、1枚のウエハから作製することができるチップの数が増えるので、製造コストを低減することができる。 With the above technique, both low on-voltage and high shut-off capability can be ensured to some extent. However, the trade-off relationship between the two still requires improvement in the IGBT, and further technology is required. Similar problems also exist in other power semiconductor devices. For example, in a diode, an improvement in the trade-off relationship between a low on-voltage and a high shut-off capability during a recovery operation is required. In addition, there is a strong demand to reduce the manufacturing cost of semiconductor devices while ensuring the basic performance as described above. If the chip size of the semiconductor device can be reduced without sacrificing performance, the number of chips that can be manufactured from one wafer increases, so that the manufacturing cost can be reduced.
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い遮断能力を有する電力用半導体装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor device having a high cutoff capability.
本発明の電力用半導体装置は、アクティブエリアと、アクティブエリアの外周に設けられたインタフェースエリアと、インタフェースエリアの外周に設けられたエッジターミネーションエリアと、を含むものである。電力用半導体装置は、半導体基板と、第1の電極と、第2の電極と、ゲート配線部とを有する。半導体基板は、第1の面と第1の面と反対の第2の面とを有する。第1および第2の面の各々はアクティブエリアとインタフェースエリアとエッジターミネーションエリアとに跨っている。半導体基板は、第1の導電型のドリフト領域と、第1の導電型と異なる第2の導電型の第1ウエル領域と、第2の導電型のコレクタ領域と、第2の導電型の第2ウエル領域とを含む。ドリフト領域は、アクティブエリアとインタフェースエリアとエッジターミネーションエリアとに跨って設けられている。第1ウエル領域は、第1の面に設けられ、少なくとも部分的にインタフェースエリアに含まれ、第1の面においてインタフェースエリアとエッジターミネーションエリアとの間に端部を有する。第1の電極は、アクティブエリアに設けられ、アクティブエリアとインタフェースエリアとの間に端部を有し、半導体基板の第1の面に接する。第2の電極は半導体基板の第2の面に接する。ゲート配線部は、アクティブエリアにおける半導体基板の第1の面上に絶縁膜を介して設けられる。コレクタ領域は、アクティブエリアにのみ設けられ、第2の面を部分的に成す。第2ウエル領域は、ゲート配線部の下側の絶縁膜に接し、第1の面を部分的に成す。コレクタ領域は、ゲート配線部に対向する部分の第2の面には設けられていない。 The power semiconductor device of the present invention includes an active area, an interface area provided on the outer periphery of the active area, and an edge termination area provided on the outer periphery of the interface area. The power semiconductor device includes a semiconductor substrate, a first electrode, a second electrode, and a gate wiring portion. The semiconductor substrate has a first surface and a second surface opposite to the first surface. Each of the first and second surfaces straddles the active area, the interface area, and the edge termination area. The semiconductor substrate includes a first conductivity type drift region, a second conductivity type first well region different from the first conductivity type, a second conductivity type collector region, and a second conductivity type second region. 2 well regions. The drift region is provided across the active area, the interface area, and the edge termination area. The first well region is provided on the first surface and is at least partially included in the interface area, and has an end portion between the interface area and the edge termination area on the first surface. The first electrode is provided in the active area, has an end portion between the active area and the interface area, and is in contact with the first surface of the semiconductor substrate. The second electrode is in contact with the second surface of the semiconductor substrate. The gate wiring portion is provided on the first surface of the semiconductor substrate in the active area via an insulating film. The collector region is provided only in the active area and partially forms the second surface. The second well region is in contact with the insulating film below the gate wiring portion and partially forms the first surface. The collector region is not provided on the second surface of the portion facing the gate wiring portion.
本発明によれば、コレクタ領域は、ゲート配線部に対向する部分の第2の面には設けられていない。これにより、高い遮断能力を有することができる。 According to the present invention, the collector region is not provided on the second surface of the portion facing the gate wiring portion. Thereby, it can have a high interruption | blocking capability.
本発明の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
<実施の形態1>
(IGBT900Bについて)
図1を参照して、IGBT900B(電力用半導体装置)は、アクティブエリアAR1と、アクティブエリアAR1の外周に設けられたインタフェースエリアAR2と、インタフェースエリアAR2の外周に設けられたエッジターミネーションエリアAR3とを含むものである。アクティブエリアAR1は、電力用半導体装置の基本的な機能を担う部分であり、本実施の形態においてはIGBTの基本的な機能を担う部分である。エッジターミネーションエリアAR3は、電力用半導体装置の静的状態における耐圧特性の向上、安定化および信頼性向上と、動的状態における破壊耐量の確保のための部分である。インタフェースエリアAR2は、アクティブエリアAR1およびエッジターミネーションエリアAR3とを互いに接合する部分であり、動的状態における破壊耐量の確保のために特に重要な部分である。
<Embodiment 1>
(About IGBT900B)
Referring to FIG. 1, IGBT 900B (power semiconductor device) includes an active area AR1, an interface area AR2 provided on the outer periphery of active area AR1, and an edge termination area AR3 provided on the outer periphery of interface area AR2. Is included. The active area AR1 is a part that bears the basic function of the power semiconductor device, and is the part that bears the basic function of the IGBT in the present embodiment. The edge termination area AR3 is a portion for improving the breakdown voltage characteristics in the static state of the power semiconductor device, stabilizing and improving the reliability, and ensuring the breakdown tolerance in the dynamic state. The interface area AR2 is a portion that joins the active area AR1 and the edge termination area AR3 to each other, and is a particularly important portion for securing the destruction resistance in the dynamic state.
IGBT900BのアクティブエリアAR1は、エミッタ電位のエミッタ電極13aと、ゲート電位のゲートパッド29と、ゲートパッド29から延びるゲート配線部28と、を有する。 The active area AR1 of the IGBT 900B includes an emitter electrode 13a having an emitter potential, a gate pad 29 having a gate potential, and a gate wiring portion 28 extending from the gate pad 29.
図2を参照して、IGBT900Bが有する構造(構造Bと称する)について説明する。図2は、図1の線II−IIに沿う断面構造を示す。IGBT900Bは、基板SB(半導体基板)と、エミッタ電極13a(第1の電極)と、ゲート接続電極13bと、電極13cおよび13dと、コレクタ電極4(第2の電極)と、ゲート電極22と、ゲート配線層22wと、キャパシタ電極23および32と、トレンチ絶縁膜10と、層間絶縁膜12aおよび12bと、パッシベーション膜14および15とを有する。本実施の形態においては基板SBはシリコン(Si)から作られている。基板SBは上面S1(第1の面)および下面S2(第1の面と反対の第2の面)とを有する。上面S1および下面S2の各々はアクティブエリアAR1とインタフェースエリアAR2とエッジターミネーションエリアAR3とに跨っている。基板SBは、n-ドリフト層1(ドリフト領域)と、nバッファ層2と、pコレクタ層3(コレクタ領域)と、n+エミッタ層5と、p+層6と、pベース層8と、n層24と、pガードリング9とを含む。 A structure (referred to as structure B) included in IGBT 900B will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a cross-sectional structure taken along line II-II in FIG. The IGBT 900B includes a substrate SB (semiconductor substrate), an emitter electrode 13a (first electrode), a gate connection electrode 13b, electrodes 13c and 13d, a collector electrode 4 (second electrode), a gate electrode 22, Gate wiring layer 22w, capacitor electrodes 23 and 32, trench insulating film 10, interlayer insulating films 12a and 12b, and passivation films 14 and 15 are provided. In the present embodiment, the substrate SB is made of silicon (Si). The substrate SB has an upper surface S1 (first surface) and a lower surface S2 (second surface opposite to the first surface). Each of the upper surface S1 and the lower surface S2 straddles the active area AR1, the interface area AR2, and the edge termination area AR3. Substrate SB includes n − drift layer 1 (drift region), n buffer layer 2, p collector layer 3 (collector region), n + emitter layer 5, p + layer 6, p base layer 8, N layer 24 and p guard ring 9 are included.
n-ドリフト層1はアクティブエリアAR1とインタフェースエリアAR2とエッジターミネーションエリアAR3とに跨って設けられている。n-ドリフト層1は、n型(第1の導電型)を有し、たとえば1×1012〜1×1015cm-3程度の不純物濃度を有する。n-ドリフト層1は、フローティングゾーン(FZ)法で製造するFZウエハ、またはエピタキシャル法で製造するエピタキシャルウエハによって準備され得る。この場合、基板SBのうちn-ドリフト層1以外の部分はイオン注入およびアニーリング技術によって形成され得る。 The n − drift layer 1 is provided across the active area AR1, the interface area AR2, and the edge termination area AR3. N − drift layer 1 has an n type (first conductivity type) and has an impurity concentration of, for example, about 1 × 10 12 to 1 × 10 15 cm −3 . The n − drift layer 1 can be prepared by an FZ wafer manufactured by a floating zone (FZ) method or an epitaxial wafer manufactured by an epitaxial method. In this case, portions of the substrate SB other than the n − drift layer 1 can be formed by ion implantation and annealing techniques.
n層24はn-ドリフト層1およびpベース層8の間に設けられている。n層24は、n型を有し、n-ドリフト層1の不純物濃度に比して高濃度でpベース層8に比して低濃度な不純物ピーク濃度を有し、たとえば1×1015〜1×1017cm-3程度の不純物ピーク濃度を有する。n層24が達する基板SBにおける上面S1からの深さ位置は、pベース層8より深く、たとえば0.5〜1.0μm程度深い。 N layer 24 is provided between n − drift layer 1 and p base layer 8. N layer 24 has an n type, and has an impurity peak concentration that is higher than that of n − drift layer 1 and lower than that of p base layer 8, for example, 1 × 10 15 to The impurity peak concentration is about 1 × 10 17 cm −3 . The depth position from the upper surface S1 in the substrate SB reached by the n layer 24 is deeper than the p base layer 8, for example, about 0.5 to 1.0 μm.
nバッファ層2は、アクティブエリアAR1においてn-ドリフト層1およびpコレクタ層3の間に位置する部分を有し、また本実施の形態においてはインタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3においてn-ドリフト層1およびコレクタ電極4の間に位置する部分を有する。nバッファ層2は、n型を有し、かつn-ドリフト層1の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有し、たとえば1×1015〜1×1017cm-3程度の不純物ピーク濃度を有する。nバッファ層2が達する基板SBにおける下面S2からの深さ位置は、たとえば1.5〜50μm程度である。 N buffer layer 2 has a portion located between n − drift layer 1 and p collector layer 3 in active area AR1, and in this embodiment, n − drift layer in interface area AR2 and edge termination area AR3 1 and a portion located between the collector electrode 4. N buffer layer 2 is of an n type and has a higher impurity concentration than the impurity concentration of n − drift layer 1, for example, an impurity peak concentration of about 1 × 10 15 to 1 × 10 17 cm −3. Have The depth position from the lower surface S2 in the substrate SB reached by the n buffer layer 2 is, for example, about 1.5 to 50 μm.
上述したn-ドリフト層1、n層24およびnバッファ層2は、全体として、n型を有する領域(第1の領域)を構成している。なおn層24およびnバッファ層2の一方または両方は省略されてもよい。 The n − drift layer 1, the n layer 24 and the n buffer layer 2 described above constitute an n-type region (first region) as a whole. One or both of the n layer 24 and the n buffer layer 2 may be omitted.
pベース層8(第2の領域)は、n-ドリフト層1およびn層24を有する領域(第1の領域)上に設けられており、本実施の形態においてはn層24の直上に設けられている。pベース層8が達する基板SBにおける上面S1からの深さ位置は、n+エミッタ層5より深く、n層24より浅い。pベース層8は、p型(第1の導電型と異なる第2の導電型)を有し、たとえば不純物ピーク濃度1×1016〜1×1018cm-3程度を有する。 P base layer 8 (second region) is provided on a region (first region) having n − drift layer 1 and n layer 24, and is provided immediately above n layer 24 in the present embodiment. It has been. The depth position from the upper surface S 1 in the substrate SB reached by the p base layer 8 is deeper than the n + emitter layer 5 and shallower than the n layer 24. The p base layer 8 has p type (second conductivity type different from the first conductivity type), and has an impurity peak concentration of about 1 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3, for example.
n+エミッタ層5(第3の領域)は、pベース層8上に設けられており、上面S1に配置されている。n+エミッタ層5は、たとえば0.2〜1.0μm程度の深さを有する。n+エミッタ層5は、n型を有し、たとえば1×1018〜1×1021cm-3程度の不純物ピーク濃度を有する。 The n + emitter layer 5 (third region) is provided on the p base layer 8 and is disposed on the upper surface S1. The n + emitter layer 5 has a depth of about 0.2 to 1.0 μm, for example. N + emitter layer 5 has an n-type and has an impurity peak concentration of, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 .
p+層6は、pベース層8上に設けられており、上面S1に配置されている。p+層6は、たとえば表面不純物濃度1×1018〜1×1021cm-3程度を有する。p+層6が達する基板SBにおける上面S1からの深さ位置は、n+エミッタ層5と同じかまたはより深いことが好ましい。 The p + layer 6 is provided on the p base layer 8 and is disposed on the upper surface S1. For example, p + layer 6 has a surface impurity concentration of about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . The depth position from the upper surface S1 in the substrate SB reached by the p + layer 6 is preferably the same as or deeper than that of the n + emitter layer 5.
pコレクタ層3は、アクティブエリアAR1にのみ設けられ、下面S2を部分的に成している。pコレクタ層3は、p型を有し、たとえば1×1016〜1×1020cm-3程度の表面不純物濃度を有する。pコレクタ層3の、基板SBにおける下面S2からの深さは、たとえば0.3〜1.0μm程度である。 The p collector layer 3 is provided only in the active area AR1 and partially forms the lower surface S2. The p collector layer 3 has a p-type and has a surface impurity concentration of, for example, about 1 × 10 16 to 1 × 10 20 cm −3 . The depth of p collector layer 3 from lower surface S2 of substrate SB is, for example, about 0.3 to 1.0 μm.
pガードリング9は、上面S1に設けられ、p型を有する。pガードリング9は、pウエル領域9aおよびpエッジ領域9bを有する。pウエル領域9aは、アクティブエリアAR1において上面S1に設けられたp+層6を介してエミッタ電極13aに接続されている。pウエル領域9aは、少なくとも部分的にインタフェースエリアAR2に含まれ、上面S1においてインタフェースエリアAR2とエッジターミネーションエリアAR3との間に端部を有する。pウエル領域9aにより、IGBT900Bの遮断能力がより高められる。 The p guard ring 9 is provided on the upper surface S1 and has a p-type. The p guard ring 9 has a p well region 9a and a p edge region 9b. The p well region 9a is connected to the emitter electrode 13a via the p + layer 6 provided on the upper surface S1 in the active area AR1. The p-well region 9a is at least partially included in the interface area AR2, and has an end portion between the interface area AR2 and the edge termination area AR3 on the upper surface S1. Due to the p-well region 9a, the blocking ability of the IGBT 900B is further enhanced.
pエッジ領域9bは、エッジターミネーションエリアAR3に含まれており、インタフェースエリアAR2から離れている。なお図2においてはpエッジ領域9bは模式的に1つのみ示されているが、保持する電圧に応じて複数のpエッジ領域9bを互いに離れて配置するような設計がなされる。 The p edge region 9b is included in the edge termination area AR3 and is away from the interface area AR2. In FIG. 2, only one p edge region 9b is schematically shown, but a plurality of p edge regions 9b are designed to be spaced apart from each other according to the voltage to be held.
アクティブエリアAR1において基板SBの上面S1上にゲートトレンチTGおよびキャパシタトレンチTCが設けられている。ゲートトレンチTGの側壁は、n-ドリフト層1およびn層24(第1の領域)と、pベース層8と、n+エミッタ層5と、の各々に面している。キャパシタトレンチTCの側壁は、本実施の形態においては、n-ドリフト層1とn層24とpベース層8との各々に面している。またアクティブエリアAR1において最も外側に位置するキャパシタトレンチTCは、pガードリング9のpウエル領域9a内に達している。トレンチ絶縁膜10は基板SBのゲートトレンチTGおよびキャパシタトレンチTCを覆っている。 In the active area AR1, a gate trench TG and a capacitor trench TC are provided on the upper surface S1 of the substrate SB. The sidewall of the gate trench TG faces each of the n − drift layer 1 and the n layer 24 (first region), the p base layer 8, and the n + emitter layer 5. In the present embodiment, the sidewall of capacitor trench TC faces n − drift layer 1, n layer 24, and p base layer 8. In addition, the capacitor trench TC located on the outermost side in the active area AR1 reaches the p well region 9a of the p guard ring 9. The trench insulating film 10 covers the gate trench TG and the capacitor trench TC of the substrate SB.
ゲート電極22は、トレンチ絶縁膜10を介してゲートトレンチTGに埋め込まれた部分を有し、トレンチ絶縁膜10を介してn+エミッタ層5およびn層24(第1の領域)の間のpベース層8に対向している。キャパシタ電極23は、トレンチ絶縁膜10を介してキャパシタトレンチTCに埋め込まれた部分を有する。キャパシタ電極23が設けられることで、IGBT900Bの飽和電流密度が抑制され、かつ、IGBT900Bの負荷が短絡された場合のゲート電圧の発振現象が抑制される。なおキャパシタトレンチTCおよびキャパシタ電極23は省略されてもよい。 The gate electrode 22 has a portion embedded in the gate trench TG via the trench insulating film 10, and p between the n + emitter layer 5 and the n layer 24 (first region) via the trench insulating film 10. Opposite the base layer 8. The capacitor electrode 23 has a portion embedded in the capacitor trench TC via the trench insulating film 10. By providing the capacitor electrode 23, the saturation current density of the IGBT 900B is suppressed, and the oscillation phenomenon of the gate voltage when the load of the IGBT 900B is short-circuited is suppressed. Note that the capacitor trench TC and the capacitor electrode 23 may be omitted.
層間絶縁膜12aは基板SBの上面S1上に設けられている。層間絶縁膜12a上には、エミッタ電極13aと、ゲート接続電極13bと、電極13cおよび13dとが設けられている。エミッタ電極13aは、アクティブエリアAR1に設けられ、基板SBの上面S1に接している。具体的には、エミッタ電極13aは、層間絶縁膜12aに設けられたコンタクトホールを介して、n+エミッタ層5およびp+層6の各々に接している。ゲート接続電極13bはコンタクトホールを介してゲート配線層22wに接している。よってゲート接続電極13bはゲート電極22と短絡されておりゲート電位を有する。電極13cはコンタクトホールを介してpウエル領域9aに接している。電極13cはエミッタ電極13aと短絡されていてもよい。電極13dは、フローティング電極であり、IGBT900Bにおいてはコンタクトホールを介してpエッジ領域9bに接している。 The interlayer insulating film 12a is provided on the upper surface S1 of the substrate SB. On the interlayer insulating film 12a, an emitter electrode 13a, a gate connection electrode 13b, and electrodes 13c and 13d are provided. The emitter electrode 13a is provided in the active area AR1, and is in contact with the upper surface S1 of the substrate SB. Specifically, emitter electrode 13a is in contact with each of n + emitter layer 5 and p + layer 6 through a contact hole provided in interlayer insulating film 12a. The gate connection electrode 13b is in contact with the gate wiring layer 22w through the contact hole. Therefore, the gate connection electrode 13b is short-circuited with the gate electrode 22 and has a gate potential. Electrode 13c is in contact with p well region 9a through a contact hole. The electrode 13c may be short-circuited with the emitter electrode 13a. The electrode 13d is a floating electrode, and is in contact with the p edge region 9b through a contact hole in the IGBT 900B.
層間絶縁膜12bは基板SBの上面S1上に設けられている。層間絶縁膜12bは基板SBとゲート配線層22wとを互いに絶縁している。層間絶縁膜12bは、層間絶縁膜12aの一部と基板SBとの間に位置する部分を有してもよい。 The interlayer insulating film 12b is provided on the upper surface S1 of the substrate SB. The interlayer insulating film 12b insulates the substrate SB and the gate wiring layer 22w from each other. The interlayer insulating film 12b may have a portion located between a part of the interlayer insulating film 12a and the substrate SB.
コレクタ電極4は基板SBの下面S2に設けられている。コレクタ電極4はアクティブエリアAR1においてpコレクタ層3に接している。コレクタ電極4は、図2に示すように、インタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3において、nバッファ層2(より一般的には、前述した第1の領域)に接していてもよい。 The collector electrode 4 is provided on the lower surface S2 of the substrate SB. The collector electrode 4 is in contact with the p collector layer 3 in the active area AR1. As shown in FIG. 2, the collector electrode 4 may be in contact with the n buffer layer 2 (more generally, the first region described above) in the interface area AR2 and the edge termination area AR3.
エッジターミネーションエリアAR3にはチャネルストップ構造CSが設けられることが好ましい。本実施の形態においては、基板SBの上面S1に、n領域34と、p領域38と、n+領域35とが順に形成されている。また上面S1に、これらの領域を貫通してn-ドリフト層1に至るチャネルストップトレンチTSが設けられている。チャネルストップトレンチTS内には、トレンチ絶縁膜10を介してチャネルストップ電極32が設けられている。チャネルストップ電極32上にフローティング電位の電極13dが設けられてもよい。なお上述したチャネルストップ構造CSの代わりに他の構造が用いられてもよく、たとえば単純にn+領域35からなる構造が用いられてもよい。 A channel stop structure CS is preferably provided in the edge termination area AR3. In the present embodiment, an n region 34, a p region 38, and an n + region 35 are sequentially formed on the upper surface S1 of the substrate SB. Further, a channel stop trench TS extending through these regions and reaching the n − drift layer 1 is provided on the upper surface S1. A channel stop electrode 32 is provided in the channel stop trench TS via the trench insulating film 10. A floating potential electrode 13 d may be provided on the channel stop electrode 32. Note that another structure may be used in place of the above-described channel stop structure CS, for example, a structure formed simply by the n + region 35 may be used.
図3を参照して、基板SBの下面S2においてpコレクタ層3が占める面積の割合をλとすると、λは55%以上70%以下であることが好ましい。つまり、55≦100×(Xp×Yp)/(Xn×Yn)≦70が満たされることが好ましい。ここで、XnおよびYnがIGBT900Bのチップサイズを示す。λ<55%となると、IGBTのアクティブエリアAR1のpコレクタ層3からのホール注入が不十分となり、オン電圧(VCE(sat))が上昇する。λ>70%となると、後述するようにIGBTのターンオフ動作時の局所的な温度上昇によるウィークスポット(図2の矢印WS)の電界強度がIGBTのオン状態からpコレクタ層3からのキャリア注入が起こり、矢印WS部分にキャリアが存在することで緩和されず、遮断能力が低下する。以上より、λ値にはIGBTの性能バランスから、適切な領域が存在する。なお下面S2においてアクティブエリアAR1およびインタフェースエリアAR2が占める割合の合計は、70%超であることが好ましく、たとえば75%程度である。 Referring to FIG. 3, λ is preferably 55% or more and 70% or less, where λ is the ratio of the area occupied by p collector layer 3 on lower surface S2 of substrate SB. That is, it is preferable that 55 ≦ 100 × (X p × Y p ) / (X n × Y n ) ≦ 70 is satisfied. Here, X n and Y n indicate the chip size of the IGBT 900B. When λ <55%, hole injection from the p collector layer 3 in the active area AR1 of the IGBT becomes insufficient, and the on-voltage (V CE (sat)) increases. When λ> 70%, as will be described later, the electric field intensity of the weak spot (arrow WS in FIG. 2) due to a local temperature rise during the turn-off operation of the IGBT causes carrier injection from the p collector layer 3 from the on state of the IGBT. Occurring and not mitigated by the presence of carriers in the arrow WS portion, and the blocking ability is reduced. As described above, there is an appropriate region for the λ value from the performance balance of the IGBT. The total ratio of the active area AR1 and the interface area AR2 in the lower surface S2 is preferably more than 70%, for example, about 75%.
(IGBT900Aについて)
図4を参照して、比較例のIGBT900Aには、上記IGBT900Bと異なり、アクティブエリアAR1以外にもpコレクタ層3が設けられている。具体的には、基板SBの下面S2全体にpコレクタ層3が設けられている。これら以外の構成は、上述したIGBT900Bとほぼ同様である。
(About IGBT900A)
Referring to FIG. 4, IGBT 900A of the comparative example is provided with p collector layer 3 in addition to active area AR1, unlike IGBT 900B. Specifically, the p collector layer 3 is provided on the entire lower surface S2 of the substrate SB. The other configuration is almost the same as that of the IGBT 900B described above.
IGBT900Aは、ターンオフ動作を繰り返すと、基板SBの上面S1におけるアクティブエリアAR1とインタフェースエリアAR2との境界、すなわち矢印WS(図2)、の局所的温度上昇が特に生じやすい。この現象がIGBT900Aの遮断能力を制限し得る。 When the IGBT 900A repeats the turn-off operation, a local temperature rise at the boundary between the active area AR1 and the interface area AR2 on the upper surface S1 of the substrate SB, that is, the arrow WS (FIG. 2) is particularly likely to occur. This phenomenon can limit the blocking capability of the IGBT 900A.
(IGBT900Bの作用効果について)
IGBT900Aと異なり、図2に示すIGBT900Bによれば、pコレクタ層3がエッジターミネーションエリアAR3およびインタフェースエリアAR2に設けられていない。これにより、IGBT900Bの遮断動作において、矢印WSでの温度上昇が抑制される。またアクティブエリアAR1の構成についてはIGBT900Aと同様であるため、オン電圧が上昇するような悪影響はない。以上から、IGBT900Bは、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有する。
(About the effect of IGBT900B)
Unlike IGBT 900A, according to IGBT 900B shown in FIG. 2, p collector layer 3 is not provided in edge termination area AR3 and interface area AR2. Thereby, in the interruption operation of IGBT 900B, the temperature rise at arrow WS is suppressed. Further, since the configuration of the active area AR1 is the same as that of the IGBT 900A, there is no adverse effect that the on-voltage increases. From the above, the IGBT 900B has both a low on-voltage and a high blocking capability.
(IGBT900Cについて)
図5を参照して、IGBT900Cにおいては、pウエル領域9aへの電極13cのコンタクト(図4参照)が設けられていない。pウエル領域9aは、上面S1においてエミッタ電極13aとpウエル領域9aの端部(図中、矢印WS)との間をp型の領域でつなぐ電気的経路を構成している。この電気的経路は、アクティブエリアAR1およびエッジターミネーションエリアAR3の間でインタフェースエリアAR2を横断しており、幅LEEBRを有する抵抗領域を有する。この抵抗領域はその全体が層間絶縁膜12bに覆われている。詳しくは後述するが、幅LEEBRは、IGBTの遮断動作時に抵抗領域の両端にて温度上昇を分担することで両端の一方での局所的な温度上昇を抑制するように定められている。IGBT900A(図4)では矢印WSの箇所にて局所的な温度上昇が発生するところを、IGBT900Cにおいては上記抵抗領域が設けられることで、抵抗領域の両端にて温度上昇が分担される。このような効果をバラスト抵抗と称し、また上記抵抗領域のことをバラスト抵抗領域とも称する。
(About IGBT900C)
Referring to FIG. 5, in IGBT 900C, contact of electrode 13c (see FIG. 4) to p well region 9a is not provided. The p-well region 9a forms an electrical path connecting the emitter electrode 13a and the end of the p-well region 9a (arrow WS in the drawing) with a p-type region on the upper surface S1. This electrical path traverses the interface area AR2 between the active area AR1 and the edge termination area AR3 and has a resistive region having a width L EEBR . The entire resistance region is covered with the interlayer insulating film 12b. As will be described in detail later, the width L EEBR is determined so as to suppress a local temperature increase at one end of each end by sharing the temperature increase at both ends of the resistance region during the IGBT cutoff operation. In the IGBT 900A (FIG. 4), the local temperature rise occurs at the location indicated by the arrow WS. In the IGBT 900C, the temperature rise is shared at both ends of the resistance region by providing the resistance region. Such an effect is referred to as a ballast resistor, and the resistance region is also referred to as a ballast resistor region.
なお上記以外の構成は、上述したIGBT900Bとほぼ同様である。 The configuration other than the above is substantially the same as that of the IGBT 900B described above.
IGBT900Cによれば、動作時に、インタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3の境界の位置(図5の矢印WS)に対応するバラスト抵抗領域の一方端(図中、幅LEEBRの右端)の位置だけでなく、他方端(図中、幅LEEBRの左端)の位置においても局所的な昇温が生じる。これにより昇温が分散されるので、矢印WSでの局所的な昇温を緩和することができる。ここで、アクティブエリアAR1の構成についてはIGBT900Aと同様であるため、オン電圧への悪影響はみられない。以上から、IGBT900Cは、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有する。 According to the IGBT 900C, at the time of operation, only the position of one end (the right end of the width L EEBR in the figure) of the ballast resistance region corresponding to the position of the boundary between the interface area AR2 and the edge termination area AR3 (arrow WS in FIG. 5). There is also a local temperature rise at the position of the other end (the left end of the width L EEBR in the figure). As a result, the temperature rise is dispersed, and the local temperature rise at the arrow WS can be mitigated. Here, since the configuration of the active area AR1 is the same as that of the IGBT 900A, no adverse effect on the on-voltage is observed. As described above, the IGBT 900C has both a low on-voltage and a high blocking capability.
(IGBT900Dについて)
図6を参照して、IGBT900Dは、上述したIGBT900Bおよび900Cの各々の特徴を有している。具体的には、IGBT900Bと同様に、pコレクタ層3がアクティブエリアAR1にのみ設けられている。またIGBT900Cと同様に、幅LEEBRを有するバラスト抵抗領域が設けられている。これら以外の構成は、上述したIGBT900Bまたは900Cとほぼ同様である。IGBT900Dによれば、上述したIGBT900Bおよび900Cの各々の作用によって、低いオン電圧と高い遮断能力との両方が得られる。
(About IGBT900D)
Referring to FIG. 6, IGBT 900D has the characteristics of each of IGBT 900B and 900C described above. Specifically, the p collector layer 3 is provided only in the active area AR1 as in the IGBT 900B. Similarly to the IGBT 900C , a ballast resistor region having a width L EEBR is provided. Configurations other than these are substantially the same as those of the above-described IGBT 900B or 900C. According to the IGBT 900D, both the low on-voltage and the high blocking ability can be obtained by the action of each of the above-described IGBTs 900B and 900C.
(IGBT900Cの効果の検証)
図7は、4500VクラスIGBTのターンオフ動作のシミュレーションに用いた回路図である。図8は、図7の回路を用いて得られたターンオフ波形、すなわち時間tとコレクタ・エミッタ電圧VCEとの関係を示す。図9は、比較例としてのIGBT900A(破線)と、LEEBR=200μmの実施例としてのIGBT900C(実線)の各々について、コレクタ電流密度JCが急激に低下する直前(図8の矢印に示す時点)での、線D−D´(図4および図5)に沿う座標Xにおける温度分布を示す。図10は、デバイス内部のピーク温度TmaxとLEEBRとの関係を示す。
(Verification of the effect of IGBT900C)
FIG. 7 is a circuit diagram used for the simulation of the turn-off operation of the 4500 V class IGBT. FIG. 8 shows the turn-off waveform obtained using the circuit of FIG. 7, that is, the relationship between time t and collector-emitter voltage V CE . FIG. 9 shows the IGBT 900A (broken line) as a comparative example and the IGBT 900C (solid line) as an example with L EEBR = 200 μm immediately before the collector current density J C rapidly decreases (at the time indicated by the arrow in FIG. 8). ) Shows the temperature distribution at the coordinate X along the line DD ′ (FIGS. 4 and 5). FIG. 10 shows the relationship between the peak temperature T max inside the device and L EEBR .
上記シミュレーションの結果から、バラスト抵抗領域で電圧分担が行われることで、デバイス内部のピーク温度Tmaxを抑えられることができ、特にLEEBRを100μm以上とすることで、Tmaxを800K以下とすることができた。以上のように、バラスト抵抗領域を設けることで、発熱による破壊を防止することができること、言い換えればIGBTの遮断能力が高められることがわかった。 From the result of the simulation, voltage sharing is performed in the ballast resistance region, so that the peak temperature T max inside the device can be suppressed. In particular, by setting L EEBR to 100 μm or more, T max is set to 800 K or less. I was able to. As described above, it has been found that by providing the ballast resistance region, it is possible to prevent destruction due to heat generation, in other words, the IGBT's ability to cut off is enhanced.
(IGBT900Bおよび900Dの効果の検証)
図11は、比較例としてのIGBT900A(破線)と、実施例としてのIGBT900D(実線)との各々のターンオフ波形の例を示す。図12Aは、比較例のオン状態時(図11のtON)における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図4の視野で示す。図12Bは、比較例のターンオフ中のコレクタ・エミッタ電圧VCEのピーク時(図11の破線のtpeak)における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図4の視野で示す。図13Aは、実施例のオン状態時(図11のtON)における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図6の視野で示す。図13Bは、実施例のターンオフ中のコレクタ・エミッタ電圧VCEのピーク時(図11の実線のtpeak)における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図4の視野で示す。図14Aおよび図14Bのそれぞれは、比較例および実施例のt=tON(図11)におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す。図15Aおよび図15Bのそれぞれは、比較例および実施例のt=tpeak(図11)におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す。図16Aおよび図16Bのそれぞれは、比較例および実施例のt=ttail(図11)におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す。図17Aおよび図17Bのそれぞれは、比較例および実施例のt=tON(図11)におけるデバイス内部の電界強度を示す。図18Aおよび図18Bのそれぞれは、比較例および実施例のt=tpeak(図11)におけるデバイス内部の電界強度を示す。図19Aおよび図19Bのそれぞれは、比較例および実施例のt=ttail(図11)におけるデバイス内部の電界強度を示す。
(Verification of effects of IGBT 900B and 900D)
FIG. 11 shows examples of turn-off waveforms of IGBT 900A (broken line) as a comparative example and IGBT 900D (solid line) as an example. FIG. 12A shows the current potential and the hole concentration in the on state of the comparative example (t ON in FIG. 11) in the field of view of FIG. 12B shows the current potential and the hole concentration at the peak of the collector-emitter voltage V CE during the turn-off of the comparative example (t peak of the broken line in FIG. 11) in the field of view of FIG. FIG. 13A shows the current potential and hole concentration in the on state of the example (t ON in FIG. 11) in the field of view of FIG. 13B shows the current potential and the hole concentration at the peak of the collector-emitter voltage V CE during the turn-off of the embodiment (solid line t peak in FIG. 11) in the field of view of FIG. Each of FIG. 14A and FIG. 14B shows the carrier concentration inside the device at t = t ON (FIG. 11) of the comparative example and the example. Each of FIG. 15A and FIG. 15B shows the carrier concentration inside the device at t = t peak (FIG. 11) of the comparative example and the example. Each of FIG. 16A and FIG. 16B shows the carrier concentration inside the device at t = t tail (FIG. 11) of the comparative example and the example. Each of FIG. 17A and FIG. 17B shows the electric field strength inside the device at t = t ON (FIG. 11) of the comparative example and the example. Each of FIG. 18A and FIG. 18B shows the electric field strength inside the device at t = t peak (FIG. 11) of the comparative example and the example. Each of FIG. 19A and FIG. 19B shows the electric field strength inside the device at t = t tail (FIG. 11) of the comparative example and the example.
図12A、図12B、図13A、図13B、図14A、図14B、図15A、図15B、図16Aおよび図16Bから、実施例のIGBT900D(構造D)のキャリア濃度は、アクティブエリアAR1においては比較例のIGBT900Aと同程度であるものの、エッジターミネーションエリアAR3においては低くなった。これはpコレクタ層3からのホール注入がインタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3では生じないためと考えられる。なおこの作用は、IGBT900Dと同様のコレクタ構造を有するIGBT900B(構造B)においても同様と考えられる。 From FIGS. 12A, 12B, 13A, 13B, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A, and 16B, the carrier concentration of the IGBT 900D (structure D) of the example is compared in the active area AR1. Although it is similar to the IGBT 900A in the example, it is lower in the edge termination area AR3. This is considered because hole injection from the p collector layer 3 does not occur in the interface area AR2 and the edge termination area AR3. This effect is also considered to be the same in the IGBT 900B (structure B) having the same collector structure as the IGBT 900D.
また上記作用から、図17A、図17B、図18A、図18B、図19Aおよび図19Bに示すように、ターンオフ動作中のインタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3における電界緩和および空乏化が促進される。特に図19Aおよび図19Bを参照して、上面S1におけるインタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3の境界での電界緩和は、遮断能力の向上に寄与する。 Also, the above action promotes electric field relaxation and depletion in the interface area AR2 and the edge termination area AR3 during the turn-off operation, as shown in FIGS. 17A, 17B, 18A, 18B, 19A, and 19B. With particular reference to FIGS. 19A and 19B, the electric field relaxation at the boundary between the interface area AR2 and the edge termination area AR3 on the upper surface S1 contributes to the improvement of the blocking capability.
図20を参照して、高い遮断能力と低いオン電圧との適切な均衡を取るには、基板SBの下面S2においてpコレクタ層3が有する面積の割合λが適切である必要がある。図中、λ=100%は、比較例のIGBT900Aのコレクタ構造に対応する。図示された結果から、λは55%以上70%以下であることが好ましい。λ値を55〜70%とすることで、オン電圧VCE(sat)を上昇させる悪影響なく、高いターンオフ時最大遮断電流密度JC(break)との両方を実現することができる。 Referring to FIG. 20, in order to achieve an appropriate balance between a high blocking capability and a low on-voltage, it is necessary that an area ratio λ of p collector layer 3 on lower surface S2 of substrate SB is appropriate. In the figure, λ = 100% corresponds to the collector structure of the IGBT 900A of the comparative example. From the results shown in the figure, λ is preferably 55% or more and 70% or less. By setting the λ value to 55 to 70%, both the high turn-off maximum cutoff current density J C (break) can be realized without adversely increasing the on-voltage V CE (sat).
なおグラフにおけるλ=75%の結果は、pコレクタ層3がアクティブエリアAR1およびインタフェースエリアAR2に設けられエッジターミネーションエリアAR3には設けられない構造に対応している。λが75%にまで増大すると、ターンオフ時最大遮断電流密度JC(break)の顕著な低下が見られた。このことから、pコレクタ層3をインタフェースエリアAR2に設けないことが、JC(break)を高める上で重要であることが分かった。 The result of λ = 75% in the graph corresponds to a structure in which the p collector layer 3 is provided in the active area AR1 and the interface area AR2 but not in the edge termination area AR3. When λ increased to 75%, a significant decrease in the maximum cutoff current density J C (break) at turn-off was observed. From this, it was found that not providing the p collector layer 3 in the interface area AR2 is important for increasing J C (break).
図21は、比較例としてのIGBT900A(破線)および実施例としてのIGBT900D(実線)における、pコレクタ層3の形成のためのイオン注入のドーズ量とターンオフ時最大遮断電流密度JC(break)との関係の例を示す。図22は、比較例(破線)および実施例(実線)のRBSOAとして、電源電圧VCCと、飽和電流密度JC(sat)および最大パワー密度Pmaxとの間の関係を示す。図22中の各線で囲まれる領域がリカバリー安全動作領域(Safe Operating Area:SOA)といわれる領域である。IGBTのターンオフ時の遮断能力には、pコレクタ層3からのホール注入効率が影響する。またpコレクタ層3のドーズ量は、IGBTにおけるオン電圧VCE(sat)とターンオフ損失EOFFとの間のトレードオフ特性を制御するパラメータである。このVCE(sat)とEOFFとのトレードオフ特性の制御のためにpコレクタ層3のドーズ量が調整される場合であっても、図21から、比較例(破線)よりも実施例(実線)の方が高いJC(break)を確保することができ、かつJc(break)に対するpコレクタ層3のドーズ量依存性が小さく、優れたIGBTである。その上、図22より、実施例はRBSOAを拡大し、かつターンオフ時の遮断するパワー密度が向上し、優れた効果を示す。 FIG. 21 shows the dose amount of ion implantation for forming the p collector layer 3 and the maximum cutoff current density J C (break) at the turn-off in the IGBT 900A (broken line) as a comparative example and the IGBT 900D (solid line) as an example. An example of the relationship is shown. FIG. 22 shows the relationship between the power supply voltage V CC , the saturation current density J C (sat), and the maximum power density P max as RBSOA of the comparative example (broken line) and the example (solid line). An area surrounded by each line in FIG. 22 is an area called a recovery safe operating area (SOA). The efficiency of hole injection from the p collector layer 3 affects the blocking capability at the time of turn-off of the IGBT. The dose amount of the p collector layer 3 is a parameter for controlling a trade-off characteristic between the on-voltage V CE (sat) and the turn-off loss E OFF in the IGBT. Even when the dose amount of the p collector layer 3 is adjusted for the control of the trade-off characteristics between V CE (sat) and E OFF , the example ( The solid line) can secure a higher J C (break), and the dose dependency of the p collector layer 3 with respect to J c (break) is small, which is an excellent IGBT. In addition, as shown in FIG. 22, the embodiment expands RBSOA and improves the power density to be cut off at the time of turn-off, and exhibits an excellent effect.
下記の表1に、IGBT900A〜900D(構造A〜D)の構造上の特徴と、定格電流密度Jc(rated)を基準としたターンオフ時最大遮断電流密度JC(break)との関係をまとめる。 Table 1 below summarizes the relationship between the structural characteristics of the IGBTs 900A to 900D (structures A to D) and the turn-off maximum breaking current density J C (break) with reference to the rated current density Jc (rated).
上記のように、構造A(IGBT900A)に比して構造B〜D(IGBT900B〜900D)は、高いJC(break)、すなわち高いターンオフ遮断能力を有し、特に構造D(IGBT900D)は顕著に高い能力を有する。 As described above, the structures B to D (IGBT 900B to 900D) have a high J C (break), that is, a high turn-off cutoff capability as compared with the structure A (IGBT 900A), and the structure D (IGBT 900D) is particularly prominent. Has high ability.
図23は、他の比較例としてのIGBT900Zの構成を示す。IGBT900Zは、上述したIGBT900A〜900Dと異なり、プレーナ型のゲート電極11を有する。図24は、実施例としてのIGBT900D(実線)、比較例としてのIGBT900A(破線)およびIGBT900Z(一点鎖線)における、オン電圧VCE(sat)とターンオフ損失EOFFとの間のトレードオフ特性を示す。この結果から、IGBT900Dは、図21および表1で説明したように高いターンオフ遮断能力を有しつつ、オン電圧VCE(sat)およびターンオフ損失EOFF間のトレードオフ特性においても優れたものであることがわかる。 FIG. 23 shows a configuration of an IGBT 900Z as another comparative example. The IGBT 900Z has a planar gate electrode 11 unlike the IGBTs 900A to 900D described above. FIG. 24 shows the trade-off characteristics between the on-voltage V CE (sat) and the turn-off loss E OFF in the IGBT 900D (solid line) as an example, the IGBT 900A (broken line), and the IGBT 900Z (one-dot chain line) as comparative examples. . From this result, the IGBT 900D has an excellent trade-off characteristic between the on-voltage V CE (sat) and the turn-off loss E OFF while having a high turn-off cutoff capability as described in FIG. 21 and Table 1. I understand that.
(IGBT900Eおよび900Fについて)
図25を参照して、IGBT900D(図6)の変形例のIGBT900Eにおいては、nバッファ層2がアクティブエリアAR1にのみ設けられており、インタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3には設けられていない。nバッファ層2のパターンはpコレクタ層3のパターンと同じであってもよい。なおこのような構造がIGBT900Dに代わりIGBT900Bと組み合わされてもよい。
(About IGBT900E and 900F)
Referring to FIG. 25, in IGBT 900E which is a modified example of IGBT 900D (FIG. 6), n buffer layer 2 is provided only in active area AR1, and is not provided in interface area AR2 and edge termination area AR3. The pattern of the n buffer layer 2 may be the same as the pattern of the p collector layer 3. Such a structure may be combined with IGBT 900B instead of IGBT 900D.
図26を参照して、IGBT900B(図2)の変形例のIGBT900Fにおいては、アクティブエリアAR1は、MIS(Metal Semiconductor Semiconductor)構造セルが配置されたMIS構造部分(図中、左部および右部)と、MIS構造セルが配置されていない非MIS構造部分(図中、中央部)とを有する。図中、中央部は、アクティブエリアAR1におけるゲート配線部28およびゲートパッド29(図1)が設けられた部分AR1gである。部分AR1gにはpコレクタ層3が設けられておらず、この結果、下面S2でバッファ層2とコレクタ電極4とが接している。MIS構造は典型的にはMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造である。このような構造も、IGBT900Dによるものと同様の効果を示す。 Referring to FIG. 26, in IGBT 900F which is a modified example of IGBT 900B (FIG. 2), active area AR1 has a MIS structure portion in which a MIS (Metal Semiconductor Semiconductor) structure cell is arranged (left and right portions in the figure). And a non-MIS structure portion (central portion in the figure) where no MIS structure cell is arranged. In the drawing, the central portion is a portion AR1g provided with the gate wiring portion 28 and the gate pad 29 (FIG. 1) in the active area AR1. The portion AR1g is not provided with the p collector layer 3, and as a result, the buffer layer 2 and the collector electrode 4 are in contact with each other at the lower surface S2. The MIS structure is typically a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure. Such a structure also exhibits the same effect as that of the IGBT 900D.
<実施の形態2>
図27を参照して、本実施の形態のIGBT900Gが有する構造(構造Gと称する)について説明する。
<Embodiment 2>
With reference to FIG. 27, a structure (referred to as structure G) included in IGBT 900G of the present embodiment will be described.
構造Gにおいて基板SBは、n-ドリフト層1と、nバッファ層2と、pコレクタ層3と、n+エミッタ層5と、p+層6と、pベース層8と、n層24と、pウエル領域9aと、p-延長領域9jと、複数のp-フィールドリミッティングリング9gとを含む。pウエル領域9aはインタフェースエリアAR2において層間絶縁膜12bに覆われている。 In structure G, substrate SB includes n − drift layer 1, n buffer layer 2, p collector layer 3, n + emitter layer 5, p + layer 6, p base layer 8, n layer 24, and a field limiting ring 9 g - and p-well regions 9a, p - the extension region 9j, multiple by p. The p well region 9a is covered with the interlayer insulating film 12b in the interface area AR2.
p-延長領域9jは、上面S1においてpウエル領域9aから外側(図中、右側)へ延び、pウエル領域9aよりも浅い。p-延長領域9jは、p型を有し、pウエルに比して低いピーク不純物濃度および表面不純物濃度を有する。 The p − extension region 9 j extends outward from the p well region 9 a (right side in the drawing) on the upper surface S 1 and is shallower than the p well region 9 a. The p − extension region 9j has a p-type and has a lower peak impurity concentration and surface impurity concentration than the p well.
さらに図28を参照して、p-フィールドリミッティングリング9gはp型を有する。p-フィールドリミッティングリング9gは、エッジターミネーションエリアAR3においてp-延長領域9jの外側に上面S1に設けられている。上面S1上においてp-フィールドリミッティングリング9gの各々の内側にはn-ドリフト層1が位置し、p-フィールドリミッティングリング9gのそれぞれは、内側に位置するn-ドリフト層1と共に単位構造US1〜US6(総称してUSともいう)を構成している。また単位構造USの幅Wcellpitchは一定の値である。p-フィールドリミッティングリング9gはより外側(図中、右側)のものほど上面S1上において単位構造USの幅Wcellpitchに対してより小さい割合の、p-フィールドリミッティングリング9gの幅Wp-を有する。単位構造USはより外側のものほどより小さい平均ドーズ量を有する。ここで単位構造USの平均ドーズ量とは、特定の単位構造USのp-フィールドリミッティングリング9gの形成のために注入されたイオン数を、当該単位構造USが上面S1上において有する面積で除した数値である。言い換えれば、単位構造USの平均ドーズ量は、単位構造USの内部構造を無視した、より巨視的な観点でのドーズ量である。 Still referring to FIG. 28, p - field limiting ring 9g has p-type. The p − field limiting ring 9g is provided on the upper surface S1 outside the p − extension region 9j in the edge termination area AR3. On the upper surface S1, an n − drift layer 1 is positioned inside each of the p − field limiting rings 9g, and each of the p − field limiting rings 9g includes a unit structure US1 together with the n − drift layer 1 positioned inside. ~ US6 (collectively referred to as US). The width W cellpitch of the unit structure US is a constant value. p - field (right side in the figure) limiting ring 9g more outer small proportions with respect to the width W Cellpitch unit structure US on as the upper surface S1 things, p - the width of the field limiting ring 9g W p- Have The unit structure US has a smaller average dose amount on the outer side. Here, the average dose amount of the unit structure US is obtained by dividing the number of ions implanted for forming the p - field limiting ring 9g of the specific unit structure US by the area of the unit structure US on the upper surface S1. It is a numerical value. In other words, the average dose amount of the unit structure US is a dose amount from a more macroscopic viewpoint ignoring the internal structure of the unit structure US.
図28で例示した構造においては、基板SBの上面S1上において単位構造USの各々は一定の幅Wcellpitchを有する。またp-フィールドリミッティングリング9gはより外側(図中、右側)のものほど上面S1上において小さい幅Wp-を有する。このような単位構造USを得るには、たとえば、フィールドリミッティングリング9gを形成するためのイオン注入工程において、外側のものほどより小さい幅を有する複数の開口が一定ピッチで設けられたイオン注入マスクを用いればよい。なお、イオン注入がより狭い幅でなされたフィールドリミッティングリング9gほど、活性化アニール後、すなわち拡散後、の最終的な深さは小さくなる。なお図28ではp-フィールドリミッティングリング9gは個々に存在するように示しているが、不純物領域として当初形成されていた複数のp-フィールドリミッティングリング9gのうちの1/3〜1/2程度が活性化アニールに起因してp-延長領域9jとつながる。 In the structure illustrated in FIG. 28, each of the unit structures US has a certain width W cellpitch on the upper surface S1 of the substrate SB. The p − field limiting ring 9g has a smaller width W p− on the upper surface S1 on the outer side (right side in the figure). In order to obtain such a unit structure US, for example, in an ion implantation step for forming the field limiting ring 9g, an ion implantation mask in which a plurality of openings having smaller widths are provided at a constant pitch toward the outer side. May be used. It should be noted that the final depth after activation annealing, that is, after diffusion, becomes smaller as the field limiting ring 9g in which ion implantation is performed with a narrower width. In FIG. 28, the p − field limiting rings 9g are shown to exist individually, but 1/3 to 1/2 of the plurality of p − field limiting rings 9g originally formed as impurity regions. The degree is linked to the p − extension region 9j due to the activation annealing.
好ましくは、幅Wp-は、外側に向かって単位構造USごとに一定寸法だけ減じている。この場合、幅Wcellpitch一定という条件下では、単位構造USの平均ドーズ量は、外側に向かって単位構造USごとに線形に変化する。単位構造USの内部構造を無視した、より巨視的な観点では、図29に示すように、図中矢印方向に一定の濃度勾配で不純物濃度が減少するような疑似的p-ウエル9pが設けられていることになる。この構成では、上面S1上において、p-延長領域9j(図27)では不純部濃度がおおよそ一定であるのに対して、その外側に位置する疑似的p-ウエル9pでは外側に向かって不純物濃度が線形に小さくなる。 Preferably, the width W p− decreases toward the outside by a certain dimension for each unit structure US. In this case, under the condition that the width W cellpitch is constant, the average dose of the unit structure US changes linearly for each unit structure US toward the outside. From a macroscopic viewpoint ignoring the internal structure of the unit structure US, as shown in FIG. 29, a pseudo p - well 9p is provided in which the impurity concentration decreases in a constant concentration gradient in the arrow direction in the figure. Will be. In this configuration, on the upper surface S1, the impurity concentration in the p − extended region 9j (FIG. 27) is substantially constant, whereas in the pseudo p − well 9p located on the outer side, the impurity concentration is increased outward. Becomes linearly smaller.
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1のIGBT900Dの構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。 Since the configuration other than the above is substantially the same as the configuration of IGBT 900D of the first embodiment described above, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
本実施の形態によれば、エッジターミネーションエリアAR3に設けられるp-フィールドリミッティングリング9gによって構成される単位構造USは、より外側のものほどより小さい平均ドーズ量を有する。この構成により、上述したような平均ドーズ量の制御がなされていないものに比してより小さいエッジターミネーションエリアAR3であっても、インタフェースエリアAR2における電界強度を十分に抑えることができる。よって、アクティブエリアAR1の面積を大きく犠牲にすることなく、アクティブエリアAR1とインタフェースエリアAR2との境界での温度上昇を抑制し得る。すなわち、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有することができる。特に、単位構造USの各々が一定の幅Wcellpitchを有する場合、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を、より確実に得ることができる。 According to the present embodiment, the unit structure US constituted by the p − field limiting ring 9g provided in the edge termination area AR3 has a smaller average dose amount toward the outer side. With this configuration, the electric field strength in the interface area AR2 can be sufficiently suppressed even in the edge termination area AR3 that is smaller than that in which the average dose is not controlled as described above. Therefore, the temperature rise at the boundary between the active area AR1 and the interface area AR2 can be suppressed without sacrificing the area of the active area AR1. That is, it can have both a low on-voltage and a high shut-off capability. In particular, when each of the unit structures US has a certain width W cellpitch , it is possible to more reliably obtain both a low on-voltage and a high cutoff capability.
次に上述した作用効果の検証結果について、以下に説明する。 Next, the verification results of the above-described effects will be described below.
図30Aは、比較例(破線)としてのIGBT900A(図4)と、実施例(実線)としてのIGBT900G(図27)とにおける、コレクタ・エミッタ電圧VCEおよびコレクタ電流密度JCの各々のターンオフ波形のシミュレーション結果を示す。図30Bは、これら比較例(破線)および実施例(実線)における、デバイス内部のピーク温度のシミュレーション結果を示すグラフ図である。図30Aおよび図30Bにおける「×」はデバイスの破壊を意味する。図30Aの矢印で示す時点でのデバイス内部状態に関するより詳しいシミュレーション結果を図31Aおよび図31Bに示す。図31Aは、比較例および実施例における、デバイス内部の温度を示す。図31Bは、比較例および実施例におけるデバイス内部のインパクトイオン化率を示す。図31Aおよび図31Bにおいて、矢印で示す破線部が、インタフェースエリアAR2に対応している。このシミュレーション結果から、比較例に比して実施例の方がインタフェースエリアAR2の局所的温度上昇が小さい。よって実施例の方が、IGBTのターンオフ動作時のデバイス内部温度上昇が小さく、高い遮断能力を有すると考えられる。 30A shows turn-off waveforms of the collector-emitter voltage V CE and the collector current density J C in the IGBT 900A (FIG. 4) as a comparative example (broken line) and the IGBT 900G (FIG. 27) as an example (solid line). The simulation results are shown. FIG. 30B is a graph showing the simulation results of the peak temperature inside the device in these comparative examples (broken line) and examples (solid line). “X” in FIG. 30A and FIG. 30B means destruction of the device. FIG. 31A and FIG. 31B show more detailed simulation results regarding the internal state of the device at the time indicated by the arrows in FIG. 30A. FIG. 31A shows the temperature inside the device in the comparative example and the example. FIG. 31B shows the impact ionization rate inside the device in the comparative example and the example. In FIG. 31A and FIG. 31B, a broken line portion indicated by an arrow corresponds to the interface area AR2. From this simulation result, the local temperature rise in the interface area AR2 is smaller in the example than in the comparative example. Therefore, it is considered that the example has a smaller device internal temperature rise at the time of the IGBT turn-off operation, and has a higher blocking ability.
図32Aは、比較例としてのIGBT900A(図4)における、位置Xと、基板の上面での電界強度Eedgeとの関係を、動的状態(実線)および静的状態(破線)の各々について示す。図32Bは、実施例としてのIGBT900G(図27)における、位置Xと、基板の上面での電界強度Eedgeとの関係を、動的状態(実線)および静的状態(破線)の各々について示す。ここで静的状態の条件としては、コレクタ・エミッタ電圧VCES=3600V、ゲート電圧VG=0V、温度T=423Kを用いた。動的状態としては、図30Aにおいて矢印で示す状態を用いた。この結果から、IGBT900Aに比してIGBT900Gの方が、インタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3の境界近傍において、電界強度Eedgeが、静的状態だけでなく動的状態においても小さくなる。このようにIGBT900GではIGBT900Aより電界強度が抑制されることで、インパクトイオン化が抑制されることにより(図31B)、局所的温度上昇が抑制される(図31A)と考えられる。 FIG. 32A shows the relationship between the position X and the electric field strength E edge on the upper surface of the substrate in each of the dynamic state (solid line) and the static state (broken line) in the IGBT 900A (FIG. 4) as a comparative example. . FIG. 32B shows the relationship between the position X and the electric field intensity E edge on the upper surface of the substrate in each of the dynamic state (solid line) and the static state (broken line) in the IGBT 900G (FIG. 27) as an example. . Here, as the conditions of the static state, collector-emitter voltage V CES = 3600 V, gate voltage V G = 0 V, and temperature T = 423 K were used. As the dynamic state, a state indicated by an arrow in FIG. 30A was used. From this result, the field intensity E edge of the IGBT 900G is smaller in the vicinity of the boundary between the interface area AR2 and the edge termination area AR3 than in the IGBT 900A, not only in the static state but also in the dynamic state. Thus, in IGBT900G, it is thought that a local temperature rise is suppressed (FIG. 31A) by suppressing an impact ionization by suppressing electric field strength from IGBT900A (FIG. 31B).
上述したように本実施の形態によればターンオフ遮断能力を高めることができる。その上、アクティブエリアAR1の構成は、比較例のIGBT900A(図4)と同様とすることができるので、他の特性への特段の悪影響はない。よって本実施の形態においても、前述したIGBT900D(図6)と同程度の諸特性を確保することができる。 As described above, according to the present embodiment, the turn-off cutoff capability can be increased. In addition, since the configuration of the active area AR1 can be the same as that of the IGBT 900A (FIG. 4) of the comparative example, there is no particular adverse effect on other characteristics. Therefore, also in the present embodiment, various characteristics similar to those of the above-described IGBT 900D (FIG. 6) can be ensured.
また本実施の形態によれば、エッジターミネーションエリアAR3の幅を小さくすることができる。シミュレーションによる見積もりでは、幅寸法を40〜50%程度低減することが可能である。このことについて、以下に説明する。 Further, according to the present embodiment, the width of the edge termination area AR3 can be reduced. In the estimation by simulation, the width dimension can be reduced by about 40 to 50%. This will be described below.
図33は、コレクタ・エミッタ電圧VCES=4500Vかつ温度T=298Kの下での、比較例(破線)としてのIGBT900A(図4)と、実施例(実線)としてのIGBT900G(図27)とにおける、線F−F´に沿う位置Xedgeと、電界強度Eとの関係を示す。この結果から、同じコレクタ・エミッタ電圧VCESの保持時に、比較例に比して実施例の方が、電界強度Eをより抑制しつつ(図中、下向き矢印参照)、位置Xedgeに必要な寸法が抑制される(図中、左向き矢印参照)。 FIG. 33 shows an IGBT 900A (FIG. 4) as a comparative example (broken line) and an IGBT 900G (FIG. 27) as an example (solid line) under the collector-emitter voltage V CES = 4500V and the temperature T = 298K. The relationship between the position X edge along the line FF ′ and the electric field intensity E is shown. From this result, when the same collector-emitter voltage V CES is maintained, the embodiment requires the position X edge while suppressing the electric field strength E more than the comparative example (see the downward arrow in the figure). Dimensions are suppressed (see left arrow in the figure).
図34は、上記比較例(破線)および実施例(実線)における、耐圧クラスVclassとエッジターミネーションエリアAR3の必要幅Wedgeとの関係を示すグラフ図である。比較例に比して実施例の方が、耐圧クラスVclassに関わらず、エッジターミネーションエリアAR3の必要幅Wedgeを40〜50%小さくすることができる。つまり本実施例の図27のデバイス構造により、半導体装置に占めるアクティブエリアAR1のサイズを変えることなく、図3に示す半導体装置のチップサイズであるXnおよびYnを小さくする、チップサイズのシュリンク効果が見込まれる。つまり、本実施例により半導体装置を作り込むウエハ1枚当たりの半導体装置の数(理論チップ数)を増やすことができ、チップコストを低減することができる。 FIG. 34 is a graph showing the relationship between the breakdown voltage class V class and the required width W edge of the edge termination area AR3 in the comparative example (broken line) and the example (solid line). Compared with the comparative example, the embodiment can reduce the required width W edge of the edge termination area AR3 by 40 to 50% regardless of the withstand voltage class V class . That is, with the device structure of FIG. 27 of the present embodiment, the chip size shrink that reduces the chip sizes X n and Y n of the semiconductor device shown in FIG. 3 without changing the size of the active area AR1 in the semiconductor device. The effect is expected. That is, according to this embodiment, the number of semiconductor devices (theoretical number of chips) per wafer on which a semiconductor device is formed can be increased, and the chip cost can be reduced.
次に変形例について説明する。図35を参照して、IGBT900Hは、p-フィールドリミッティングリング9gの各々の上に層間絶縁膜12aおよび12bを介してフローティング電極13eを有する。フローティング電極13eの各々は、幅方向(図35における横方向)において、層間絶縁膜12aおよび12bを介して直下にあるp-フィールドリミッティングリング9gの内側に配置されている。図36Aを参照して、IGBT900Iにおいては、ゲート接続電極13b(図27参照)が、p-延長領域9jを覆う層間絶縁膜12aおよび12bを介して、p-延長領域9j上にまで延びている。ただし幅方向(図中、横方向)において、ゲート接続電極13bはp-延長領域9jの内側に位置するように形成され、またフローティング電極13eは前述したようにp-フィールドリミッティングリング9gの内側に位置するように形成される。図36Bを参照して、IGBT900Jは、IGBT900I(図36A)においてフローティング電極13eが省略された構造を有する。これらの構造により、図32B、図33中のIGBT900Gによる特徴的なエッジターミネーションエリアAR3の電界強度分布を、IGBTの性能を保障する動作温度範囲で、電気的なストレスが印加されても経時変化せず安定化させた上で、より高い耐圧やより高い遮断能力が得られる。 Next, a modified example will be described. Referring to FIG. 35, IGBT 900H has floating electrode 13e on each of p − field limiting rings 9g with interlayer insulating films 12a and 12b interposed. Each of floating electrodes 13e is arranged inside p - field limiting ring 9g directly below via interlayer insulating films 12a and 12b in the width direction (lateral direction in FIG. 35). Referring to FIG. 36A, in IGBT900I, gate connection electrode 13b (see FIG. 27), p - via an interlayer insulating film 12a and 12b to cover the extension area 9j, p - extends to an extension region 9j . However, in the width direction (lateral direction in the figure), the gate connection electrode 13b is formed so as to be located inside the p − extension region 9j, and the floating electrode 13e is located inside the p − field limiting ring 9g as described above. It is formed so that it may be located in. Referring to FIG. 36B, IGBT 900J has a structure in which floating electrode 13e is omitted from IGBT 900I (FIG. 36A). With these structures, the characteristic electric field strength distribution of the edge termination area AR3 by the IGBT 900G in FIGS. 32B and 33 can be changed over time even when an electrical stress is applied in an operating temperature range that ensures the performance of the IGBT. Therefore, higher pressure resistance and higher shut-off capability can be obtained after stabilization.
<実施の形態3>
本実施の形態においては、実施の形態1で説明したバラスト抵抗領域(図5:IGBT900Cにおけるpウエル領域9aの幅LEEBRを有する部分)と同様の構成を有するダイオードについて説明する。なおIGBT900Cと同様の構成については、一部、説明を繰り返さない。
<Embodiment 3>
In this embodiment, a diode having the same configuration as that of the ballast resistor region described in Embodiment 1 (FIG. 5: a portion having the width L EEBR of the p-well region 9a in the IGBT 900C ) will be described. In addition, about the structure similar to IGBT900C, description is not repeated partially.
図37を参照して、本実施の形態のダイオード800A(電力用半導体装置)は、図11に示すIGBTと同様に、アクティブエリアAR1と、アクティブエリアの外周に設けられたインタフェースエリアAR2と、インタフェースエリアAR2の外周に設けられたエッジターミネーションエリアAR3と、を含むものである。アクティブエリアAR1は、本実施の形態においてはダイオードの基本的な機能を担う部分である。 Referring to FIG. 37, diode 800A (power semiconductor device) of the present embodiment is similar to IGBT shown in FIG. 11, and includes active area AR1, interface area AR2 provided on the outer periphery of active area, and interface. And an edge termination area AR3 provided on the outer periphery of the area AR2. The active area AR1 is a part that bears the basic function of the diode in the present embodiment.
ダイオード800Aは、基板SB(半導体基板)と、アノード電極13(第1の電極)と、カソード電極4D(第2の電極)と、層間絶縁膜12とを有する。基板SBは、n-ドリフト層1(ドリフト領域)と、nバッファ層2と、アノード層8Dと、pガードリング9と、p層26と、n+層27と、n+領域35とを含む。アノード電極13は、アクティブエリアAR1に設けられ、基板SBの上面S1においてアノード層8Dに接している。アノード層8Dはn-ドリフト層1上に設けられている。カソード電極4Dは基板SBの下面S2において、p層26およびn+層27からなる半導体層に接している。n+層27はアクティブエリアAR1にのみ設けられている。nバッファ層2は、上記半導体層と、n-ドリフト層1との間に設けられている。層間絶縁膜12は、アクティブエリアAR1に開口を有する。 The diode 800A includes a substrate SB (semiconductor substrate), an anode electrode 13 (first electrode), a cathode electrode 4D (second electrode), and an interlayer insulating film 12. Substrate SB includes n − drift layer 1 (drift region), n buffer layer 2, anode layer 8D, p guard ring 9, p layer 26, n + layer 27, and n + region 35. . The anode electrode 13 is provided in the active area AR1, and is in contact with the anode layer 8D on the upper surface S1 of the substrate SB. The anode layer 8D is provided on the n − drift layer 1. Cathode electrode 4D is in contact with the semiconductor layer formed of p layer 26 and n + layer 27 on lower surface S2 of substrate SB. The n + layer 27 is provided only in the active area AR1. The n buffer layer 2 is provided between the semiconductor layer and the n − drift layer 1. The interlayer insulating film 12 has an opening in the active area AR1.
アノード層8Dは、たとえば0.5〜10μm程度の深さを有する。アノード層8Dは、p型を有し、たとえば1×1016〜1×1020cm-3程度のピーク不純物濃度を有する。pガードリング9は、たとえば5〜10μm程度の深さを有する。pガードリング9は、たとえば1×1016〜1×1020cm-3程度のピーク不純物濃度を有する。n+領域35は、たとえば0.2〜1μm程度の深さを有する。n+領域35は、n型を有し、たとえば1×1018〜1×1021cm-3程度のピーク不純物濃度を有する。p層26は、たとえば0.3〜5μm程度の深さを有する。p層26は、たとえば1×1016〜1×1020cm-3程度の表面不純物濃度を有する。n+層27は、たとえば0.3〜5μm程度の深さを有する。n+層27は、たとえば1×1018〜1×1020cm-3程度の表面不純物濃度を有する。 The anode layer 8D has a depth of about 0.5 to 10 μm, for example. Anode layer 8D has a p-type and has a peak impurity concentration of, for example, about 1 × 10 16 to 1 × 10 20 cm −3 . The p guard ring 9 has a depth of about 5 to 10 μm, for example. The p guard ring 9 has a peak impurity concentration of about 1 × 10 16 to 1 × 10 20 cm −3, for example. For example, n + region 35 has a depth of about 0.2 to 1 μm. N + region 35 has an n-type, and has a peak impurity concentration of, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . The p layer 26 has a depth of about 0.3 to 5 μm, for example. The p layer 26 has a surface impurity concentration of, for example, about 1 × 10 16 to 1 × 10 20 cm −3 . For example, n + layer 27 has a depth of about 0.3 to 5 μm. For example, n + layer 27 has a surface impurity concentration of about 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 .
ダイオード800Aにおいてpウエル領域9aは、上面S1においてアノード電極13とpウエル領域9aの端部(図中、右端)との間をp型の領域でつなぐ電気的経路を構成している。この電気的経路は、アクティブエリアAR1およびエッジターミネーションエリアAR3の間でインタフェースエリアAR2を横断しており、幅LABRを有する抵抗領域を有する。この抵抗領域はその全体が層間絶縁膜12に覆われている。pウエル領域9aは幅Wp0を有する。インタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3の境界と、n+層27の外周端とは、幅WGRの間隔を有する。 In the diode 800A, the p-well region 9a forms an electrical path connecting the anode electrode 13 and the end of the p-well region 9a (the right end in the figure) with a p-type region on the upper surface S1. This electrical path traverses the interface area AR2 between the active area AR1 and the edge termination area AR3 and has a resistive region having a width L ABR . The entire resistance region is covered with the interlayer insulating film 12. The p well region 9a has a width Wp0 . The boundary between the interface area AR2 and the edge termination area AR3 and the outer peripheral edge of the n + layer 27 have an interval of the width WGR .
幅LABR、Wp0およびWGRは、ダイオード800Aの設計上、重要なパラメータである。幅LABRは、ダイオードのリカバリー動作時に抵抗領域の両端にて温度上昇を分担することで両端の一方での局所的な温度上昇を抑制する、バラスト抵抗効果が得られるように定められている。具体的には、図37に示す矢印WSでの局所的な電流集中による温度上昇が分担されることで、局所的な温度上昇が抑制される。この観点で幅LABRは、具体的には100μm以上とされている。 The widths L ABR , W p0 and W GR are important parameters in designing the diode 800A. The width L ABR is determined so as to obtain a ballast resistance effect that suppresses a local temperature increase at one of both ends by sharing the temperature increase at both ends of the resistance region during the diode recovery operation. Specifically, the local temperature rise is suppressed by sharing the temperature rise due to local current concentration at the arrow WS shown in FIG. From this viewpoint, the width L ABR is specifically set to 100 μm or more.
比較例のダイオード800Z(図38)には、上述したバラスト抵抗領域が設けられていない。なお図38においては模式的に1つのpエッジ領域9bが示されているが、図37と同様の複数のpエッジ領域9bが存在する。ダイオード800Zは、リカバリー動作時、基板SBの上面S1におけるアクティブエリアAR1とインタフェースエリアAR2との境界、すなわち矢印WS、の局所的温度上昇が生じやすい。この現象がダイオード800Zの遮断能力を制限する。 The diode 800Z (FIG. 38) of the comparative example is not provided with the above-described ballast resistance region. FIG. 38 schematically shows one p-edge region 9b, but there are a plurality of p-edge regions 9b similar to FIG. In the recovery operation, the diode 800Z is likely to cause a local temperature rise at the boundary between the active area AR1 and the interface area AR2 on the upper surface S1 of the substrate SB, that is, the arrow WS. This phenomenon limits the blocking capability of the diode 800Z.
これに対して本実施の形態によれば、ダイオードのリカバリー動作時に、後述する図40Aのように、インタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3の境界の位置に対応するバラスト抵抗領域で電流分散することで、インタフェースエリアAR2とエッジターミネーションエリアAR3との境界での電流集中による局所的な温度上昇を抑制する。ここで、アクティブエリアAR1の構成については従来のダイオードと同様とすることができるため、オン電圧上昇のような悪影響は見られない。以上のように、IGBT900Cと同様、ダイオード800Aも、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有する。 On the other hand, according to the present embodiment, during the recovery operation of the diode, as shown in FIG. 40A described later, the current is distributed in the ballast resistance region corresponding to the boundary position between the interface area AR2 and the edge termination area AR3. The local temperature rise due to current concentration at the boundary between the interface area AR2 and the edge termination area AR3 is suppressed. Here, since the configuration of the active area AR1 can be the same as that of a conventional diode, there is no adverse effect such as an increase in on-voltage. As described above, like the IGBT 900C, the diode 800A also has both a low on-voltage and a high blocking capability.
次に上述した作用効果の検証結果について、以下に説明する。 Next, the verification results of the above-described effects will be described below.
図39は、実施例(実線)としてのダイオード800Aおよび比較例(破線)としてのダイオード800Zの各々について、リカバリー動作時の電圧VAKおよび電流密度JAの波形と、デバイス内部のピーク温度Tとを示す。図40Aは、実施例(実線)および比較例(破線)の各々について、時刻td(図39)での、線G−G´(図37および図38)に沿う位置Xと、電流密度JAとの関係を示し、図40Bは位置Xと温度Tとの関係を示す。バラスト抵抗領域を設けていない比較例(破線)では、インタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3の境界近傍に位置するインタフェースエリアAR2の端部にて、電流密度JAの集中が生じ、また温度Tの局所的上昇が生じる。その結果、図39に示すように、ダイオード800Zは遮断動作を完了することができずに破壊に至る。これに対してダイオード800Aは、電流密度JAがインタフェースエリアAR2内で極端な集中なしに分散され、またデバイス破壊の目安となる800K以上の昇温が生じた箇所も存在しない。ダイオード800Aは、バラスト抵抗領域が電流を分担することで、破壊することなく遮断動作を行う。よって実施例のダイオードの遮断能力が向上する。 Figure 39, for each of the diodes 800Z as diodes 800A and Comparative Examples as Example (solid line) (broken line), and the waveform of the voltage V AK and current density J A of the recovery operation, and the peak temperature T inside the device Indicates. 40A shows the position X along the line GG ′ (FIGS. 37 and 38) and the current density J at time t d (FIG. 39) for each of the example (solid line) and the comparative example (broken line). shows the relationship between a, Figure 40B shows the relationship between the position X and temperature T. In Comparative Example provided with no ballast resistance region (dashed line), at the end of the interface area AR2 is located near the boundary of the interface area AR2 and the edge termination area AR3, concentration occurs in the current density J A, also the temperature T A local rise occurs. As a result, as shown in FIG. 39, the diode 800Z cannot complete the shut-off operation and is destroyed. On the other hand, in the diode 800A, the current density J A is dispersed without extreme concentration in the interface area AR2, and there is no portion where the temperature rise of 800K or more, which is a standard for device destruction, occurs. The diode 800A performs a cut-off operation without being destroyed by the ballast resistor region sharing current. Therefore, the cutoff capability of the diode of the embodiment is improved.
図41、図42Aおよび図42Bは、ダイオード800Aの幅LABRおよびWp0(図37)と、時刻td(図39)でのデバイス内部の温度および電流密度との関係を示す。この結果から、ダイオードの遮断能力向上のために電流密度の集中および局所的昇温を抑制するには、LABR<Wp0とする必要がある。 41, 42A, and 42B show the relationship between the widths L ABR and W p0 (FIG. 37) of the diode 800A and the temperature and current density inside the device at time t d (FIG. 39). From this result, it is necessary to satisfy L ABR <W p0 in order to suppress the concentration of current density and local temperature rise in order to improve the cutoff capability of the diode.
図43は、アクティブエリアAR1(図37)の面積Sactive cell(すなわちアノード電極13の面積)に対するバラスト抵抗領域の面積Sabrの割合γと、リカバリー動作時の最大遮断電流密度JA(break)およびデバイス内部最大温度Tmaxとの関係を示す。図37の例では、図44に示すように、面積Sabrは実質的にインタフェースエリアAR2の面積と同じである。JA(break)は実デバイスでの実験結果であり、Tmaxはシミュレーション結果である。シミュレーションによってTmaxが800K以下となるγが選択されると(図中、安全領域SZ)、高いJA(break)を有する実デバイスが得られる。具体的には、γが2%以上40%以下であることにより、高いJA(break)が得られることが分かる。 FIG. 43 shows the ratio γ of the area S abr of the ballast resistance region to the area S active cell (that is, the area of the anode electrode 13) of the active area AR1 (FIG. 37) and the maximum breaking current density J A (break) during the recovery operation. And the relationship with device internal maximum temperature Tmax is shown. In the example of FIG. 37, as shown in FIG. 44, the area Sabr is substantially the same as the area of the interface area AR2. J A (break) is an experimental result with an actual device, and T max is a simulation result. When γ having T max of 800K or less is selected by simulation (in the figure, safety region SZ), an actual device having a high J A (break) is obtained. Specifically, it can be seen that a high J A (break) is obtained when γ is 2% or more and 40% or less.
また図37を参照して、幅WGRは幅Wp0よりも大きくされることが好ましい。諸パラメータの議論をまとめると、ダイオード800Aの遮断能力を高めるためには、以下の関係を満たす必要がある。 Referring to FIG. 37, it is preferable that width W GR is larger than width W p0 . To summarize the discussion of various parameters, it is necessary to satisfy the following relationship in order to increase the cutoff capability of the diode 800A.
LABR < Wp0
2% ≦ γ ≦ 40%
WGR > Wp0
L ABR <W p0
2% ≤ γ ≤ 40%
W GR > W p0
<実施の形態4>
本実施の形態においては、実施の形態2で説明したIGBT900G(図28)が有する単位構造USと同様の構成を有するダイオードについて説明する。なおこのIGBT900G、または前述したダイオード800A(図37)と同様の構成については、一部、説明を繰り返さない。
<Embodiment 4>
In the present embodiment, a diode having the same structure as the unit structure US included in the IGBT 900G (FIG. 28) described in the second embodiment will be described. A description of the same configuration as that of IGBT 900G or the above-described diode 800A (FIG. 37) will not be repeated.
図45Aを参照して、本実施の形態のダイオード800Bは、基板SBの上面S1上に層間絶縁膜12aおよび12bをインタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3において有する。また基板SBは、上面S1に設けられp型を有するアノード層8D(不純物層)を有する。また基板SBは、エッジターミネーションエリアAR3において上面S1にp-延長領域9jおよび複数のp-フィールドリミッティングリング9gを有する。実施の形態3と同様に、上面S1上においてp-フィールドリミッティングリング9gの各々の内側にはn-ドリフト層1が位置し、p-フィールドリミッティングリング9gのそれぞれは、内側に位置するn-ドリフト層1と共に単位構造US(図28)を構成している。なお図45B〜図45Dのそれぞれは変形例のダイオード800C〜800Eを示す。ダイオード800C(図45B)はIGBT900H(図35)と同様にフローティング電極13eを有する。ダイオード800D(図45C)においては、IGBT900I(図36A)のゲート接続電極13bと同様に、アノード電極13が層間絶縁膜12aおよび12bを介してp-延長領域9j上にまで延びている。ダイオード800E(図45D)は、ダイオード800D(図45C)においてフローティング電極13eが省略された構造を有する。 Referring to FIG. 45A, diode 800B of the present embodiment has interlayer insulating films 12a and 12b on upper surface S1 of substrate SB in interface area AR2 and edge termination area AR3. The substrate SB includes a p-type anode layer 8D (impurity layer) provided on the upper surface S1. Substrate SB has p − extension region 9j and a plurality of p − field limiting rings 9g on upper surface S1 in edge termination area AR3. Similar to the third embodiment, n − drift layer 1 is positioned inside each of p − field limiting rings 9g on upper surface S1, and each of p − field limiting rings 9g is n positioned inside. The unit structure US (FIG. 28) is formed together with the drift layer 1. 45B to 45D respectively show modified diodes 800C to 800E. The diode 800C (FIG. 45B) has the floating electrode 13e similarly to the IGBT 900H (FIG. 35). In diode 800D (FIG. 45C), anode electrode 13 extends onto p − extension region 9j through interlayer insulating films 12a and 12b, similarly to gate connection electrode 13b of IGBT 900I (FIG. 36A). The diode 800E (FIG. 45D) has a structure in which the floating electrode 13e is omitted from the diode 800D (FIG. 45C).
図46Aは、実施例(実線)としてのダイオード800Bと、比較例(破線)としてのダイオード800Z(図38)との各々について、リカバリー動作時の電圧VAKおよび電流密度JAの波形を示し、図46Bはリカバリー動作時のデバイス内部のピーク温度Tを示す。比較例においては、t=5.5μsでVAKの急激な低下とT>800Kへの急激な温度上昇とが生じている。すなわちリカバリー動作途中でダイオードの破壊が生じている。これに対して実施例においては破壊なしに遮断が完了している。 Figure 46A is a diode 800B as an embodiment (solid line), for each of the diodes 800Z as a comparative example (broken line) (Fig. 38) shows the waveform of the voltage V AK and current density J A of the recovery operation, FIG. 46B shows the peak temperature T inside the device during the recovery operation. In the comparative example, a rapid decrease in V AK and a rapid temperature increase to T> 800 K occur at t = 5.5 μs. That is, the diode is broken during the recovery operation. On the other hand, in the embodiment, the blocking is completed without destruction.
図47A〜図47Dのそれぞれは、比較例の線H−H´(図38)における位置Xと表面電界強度Esurfaceとの関係をt=t1〜t4(図46Aおよび図46B)において示す。図48A〜図48Fのそれぞれは、実施例の線H−H´(図45A)における位置Xと表面電界強度Esurfaceとの関係をt=t1〜t6(図46Aおよび図46B)において示す。図49A〜図49Dのそれぞれは、比較例の線H−H´における位置Xと電流密度jsurfaceとの関係をt=t1〜t4において示す。図50A〜図50Fのそれぞれは、実施例の線H−H´における位置Xと電流密度jsurfaceとの関係をt=t1〜t6において示す。図51A〜図51Dのそれぞれは、比較例の線H−H´における位置Xとデバイス上面S1の温度Tsurfaceとの関係をt=t1〜t4において示す。図52A〜図52Fのそれぞれは、実施例の線H−H´における位置Xとデバイス上面S1の温度Tsurfaceとの関係をt=t1〜t6において示す。 Each of FIGS. 47A to 47D shows the relationship between the position X and the surface electric field intensity E surface on the line HH ′ (FIG. 38) of the comparative example at t = t 1 to t 4 (FIGS. 46A and 46B). . Each of FIGS. 48A to 48F shows the relationship between the position X and the surface electric field intensity E surface on the line HH ′ (FIG. 45A) of the embodiment at t = t 1 to t 6 (FIGS. 46A and 46B). . 49A to 49D respectively show the relationship between the position X and the current density j surface on the line HH ′ of the comparative example at t = t 1 to t 4 . Each of FIGS. 50A to 50F shows the relationship between the position X and the current density j surface on the line HH ′ in the example at t = t 1 to t 6 . Each of FIG. 51A to FIG. 51D shows the relationship between the position X on the line HH ′ of the comparative example and the temperature T surface of the device upper surface S1 at t = t 1 to t 4 . Each of FIGS. 52A to 52F shows the relationship between the position X on the line HH ′ of the example and the temperature T surface of the device upper surface S1 at t = t 1 to t 6 .
これらの結果より、比較例に比して実施例においては、リカバリー動作中にインタフェースエリアAR2およびエッジターミネーションエリアAR3、特にインタフェースエリアAR2、の電界強度が低く、またインタフェースエリアAR2の温度上昇が抑制された。よってダイオード800Bは、IGBT900Gと同様に、高い遮断能力を有すると考えられる。この結果、SOAを拡大する効果が得られる。 From these results, compared with the comparative example, in the embodiment, the electric field strength of the interface area AR2 and the edge termination area AR3, particularly the interface area AR2, is low during the recovery operation, and the temperature rise of the interface area AR2 is suppressed. It was. Therefore, it is considered that the diode 800B has a high blocking ability like the IGBT 900G. As a result, the effect of expanding the SOA can be obtained.
図53は、比較例(三角形で表記)および実施例(円形で表記)におけるリカバリーSOAを説明するグラフ図である。ここで、(dj/dt)maxは、遮断時に許容される電流密度の時間微分の最大値であり、Pmaxは最大パワー密度である。dj/dt値は、たとえば図46Aに示すような領域での電流密度波形の傾きであり、この値が大きいほどダイオードは高速でリカバリー動作が可能である(つまり、ダイオードのリカバリー動作時の遮断能力が大きい)。この結果から、実施例によれば、従来例より約3倍の大きなdj/dt値により高速なリカバリー動作が可能でありまた50倍以上の大きなパワー密度の遮断が可能なため、リカバリーSOAが向上することがわかる。 FIG. 53 is a graph for explaining the recovery SOA in the comparative example (indicated by a triangle) and the example (indicated by a circle). Here, (dj / dt) max is the maximum value of time differentiation of current density allowed at the time of interruption, and Pmax is the maximum power density. The dj / dt value is, for example, the slope of the current density waveform in the region as shown in FIG. 46A. The larger this value, the faster the diode can perform the recovery operation (that is, the cutoff capability of the diode during the recovery operation). Is great). From this result, according to the embodiment, the recovery SOA is improved because a high-speed recovery operation is possible with a dj / dt value that is about three times larger than the conventional example, and the power density can be cut off by 50 times or more. I understand that
上記各実施の形態の電力用半導体装置は3300〜6500V程度の高耐圧クラスに特に適したものであるが、電力用半導体装置の耐圧の大きさは特に限定されるものではなく、たとえば600V程度以上であってもよい。また半導体基板の材料はシリコンに限定されるものではなく、たとえば、炭化珪素(SiC)または窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ材料であってもよい。また半導体基板の第1および第2の導電型としてのn型およびp型は互いに入れ替えられてもよい。 The power semiconductor device of each of the above embodiments is particularly suitable for a high breakdown voltage class of about 3300 to 6500V, but the magnitude of the breakdown voltage of the power semiconductor device is not particularly limited. It may be. The material of the semiconductor substrate is not limited to silicon, and may be a wide band gap material such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). The n-type and p-type as the first and second conductivity types of the semiconductor substrate may be interchanged.
本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。 In the present invention, the embodiments can be appropriately modified and omitted within the scope of the invention. Although the present invention has been described in detail, the above description is illustrative in all aspects, and the present invention is not limited thereto. It is understood that countless variations that are not illustrated can be envisaged without departing from the scope of the present invention.
1 n-ドリフト層(ドリフト領域)、2 nバッファ層(バッファ層)、3 pコレクタ層(コレクタ領域)、4 コレクタ電極(第2の電極)、4D カソード電極(第2の電極)、5 n+エミッタ層、6 p+層、8 pベース層、8D アノード層(不純物層)、9 pガードリング、9a pウエル領域、9b pエッジ領域、9g p-フィールドリミッティングリング、9j p-延長領域、10 トレンチ絶縁膜、11 ゲート電極、12,12a,12b 層間絶縁膜、13 アノード電極(第1の電極)、13a エミッタ電極(第1の電極)、13b ゲート接続電極、13c,13d 電極、13e フローティング電極、14,15 パッシベーション膜、22 ゲート電極、22w ゲート配線層、23 キャパシタ電極、24 n層、26 p層、27 n+層、28 ゲート配線部、29 ゲートパッド、32 チャネルストップ電極、34 n領域、35 n+領域、38 p領域、800A,800B ダイオード、900A〜900I IGBT、AR1 アクティブエリア、AR2 インタフェースエリア、AR3 エッジターミネーションエリア、CS チャネルストップ構造、S1 上面(第1の面)、S2 下面(第2の面)、SB 基板(半導体基板)、TC キャパシタトレンチ、TG ゲートトレンチ、TS チャネルストップトレンチ、US,US1〜US6 単位構造。 1 n − drift layer (drift region), 2 n buffer layer (buffer layer), 3 p collector layer (collector region), 4 collector electrode (second electrode), 4D cathode electrode (second electrode), 5 n + emitter layer, 6 p + layer, 8 p base layer, 8D anode layer (impurity layer), 9 p guard ring, 9a p-well region, 9b p edge region, 9 g p - field limiting rings, 9j p - extending region DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Trench insulating film, 11 Gate electrode, 12, 12a, 12b Interlayer insulating film, 13 Anode electrode (1st electrode), 13a Emitter electrode (1st electrode), 13b Gate connection electrode, 13c, 13d Electrode, 13e Floating electrode, 14, 15 Passivation film, 22 Gate electrode, 22w Gate wiring layer, 23 Capacitor electrode, 24 n layer, 26 p layer, 2 n + layer, 28 a gate wiring portion 29 a gate pad, 32 channel stop electrode, 34 n region, 35 n + region, 38 p region, 800A, 800B diode, 900A~900I IGBT, AR1 active area, AR2 interface area, AR3 Edge termination area, CS channel stop structure, S1 upper surface (first surface), S2 lower surface (second surface), SB substrate (semiconductor substrate), TC capacitor trench, TG gate trench, TS channel stop trench, US, US1 ~ US6 Unit structure.
Claims (9)
第1の面と前記第1の面と反対の第2の面とを有する半導体基板を備え、前記第1および第2の面の各々は前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとに跨っており、前記半導体基板は、
前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとに跨って設けられ第1の導電型を有するドリフト領域と、
前記第1の面に設けられ少なくとも部分的に前記インタフェースエリアに含まれ前記第1の面において前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとの間に端部を有し前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第1ウエル領域と、
を有し、前記電力用半導体装置はさらに
前記アクティブエリアに設けられ、前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアとの間に端部を有し、前記半導体基板の前記第1の面に接する第1の電極と、
前記半導体基板の前記第2の面に接する第2の電極と、
前記アクティブエリアにおける前記半導体基板の前記第1の面上に絶縁膜を介して設けられたゲート配線部と、
を備え、前記半導体基板はさらに
前記アクティブエリアにのみ設けられ前記第2の面を部分的に成し前記第2の導電型を有するコレクタ領域と、
前記ゲート配線部の下側の前記絶縁膜に接し、前記第1の面を部分的に成す前記第2の導電型の第2ウエル領域と、
を備え、
前記コレクタ領域は、前記ゲート配線部に対向する部分の前記第2の面には設けられていない、電力用半導体装置。 A power semiconductor device including an active area, an interface area provided on an outer periphery of the active area, and an edge termination area provided on an outer periphery of the interface area,
A semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, wherein each of the first and second surfaces includes an active area, an interface area, and an edge termination area; The semiconductor substrate is straddling
A drift region having a first conductivity type provided across the active area, the interface area, and the edge termination area;
The first surface is provided at least partially in the interface area and has an end portion between the interface area and the edge termination area on the first surface, and is different from the first conductivity type. A first well region having two conductivity types;
The power semiconductor device is further provided in the active area, has an end between the active area and the interface area, and is in contact with the first surface of the semiconductor substrate When,
A second electrode in contact with the second surface of the semiconductor substrate;
A gate wiring portion provided on the first surface of the semiconductor substrate in the active area via an insulating film;
The semiconductor substrate is further provided only in the active area, partially forming the second surface, and having a collector region having the second conductivity type,
A second well region of the second conductivity type in contact with the insulating film below the gate wiring portion and partially forming the first surface;
With
The power semiconductor device, wherein the collector region is not provided on the second surface of the portion facing the gate wiring portion.
前記バッファ層が前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアにおける前記第2の面を成す、請求項1または2に記載の電力用半導体装置。 A buffer layer of a first conductivity type in contact with the drift region on the second surface side and having a first conductivity type impurity concentration higher than that of the drift region;
3. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the buffer layer forms the second surface in the interface area and the edge termination area.
前記第1の面上において前記フィールドリミッティングリングの各々の内側には前記ドリフト領域が位置し、前記フィールドリミッティングリングのそれぞれは、内側に位置する前記ドリフト領域と共に単位構造を構成しており、前記単位構造はより外側のものほどより小さい平均ドーズ量を有する、請求項1から7のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。 The semiconductor substrate further includes a plurality of field limiting rings having the second conductivity type in the edge termination area of the first surface;
The drift region is positioned inside each of the field limiting rings on the first surface, and each of the field limiting rings constitutes a unit structure together with the drift region positioned inside, 8. The power semiconductor device according to claim 1, wherein the unit structure has a smaller average dose amount toward the outer side. 9.
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