JP7286028B2 - 集積化ゲート転流型サイリスタ(igct) - Google Patents
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Description
本発明は、パワー半導体デバイスの分野に関する。特に、集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)及び集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)の製造方法に関する。
集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)は、サイリスタに似た導通、トランジスタに似たターンオフ、及び封止されたプレスパック設計により、多くの高電力用途に最適な装置として確立されている。
・nドープされているカソード層4であって、中央領域が側縁部によって取り囲まれており、そのカソード層がカソード電極9に直接的に電気的接触しているカソード層4、
・pドープされたベース層5、
・(n-)ドープされているドリフト層6であって、カソード層4よりも低いドーピング濃度を有しているドリフト層6、
・nドープされているバッファ層13であって、ドリフト層6より高いドーピング濃度を有しているバッファ層13、
・pドープされているアノード層7であって、アノード電極10に電気的に接触しているアノード層7。
以上に説明したように、セグメント密度は明らかにされたエンティティ間のトレードオフとなる。したがって、本発明の目的は、アプリケーションに最適化されたセグメントレイアウトを提供することにある。
集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)は、第1主面と第1主面とは反対側の第2主面とを有する半導体ウエハ基板と、複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルとを備え、複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの各々は、第1主面から第2主面に順に、(a)第1導電型のカソード領域、(b)第1導電型とは異なる第2導電型のベース層、ここでカソード領域はベース層においてウェルとして形成されてベース層とカソード領域との間に第1のpn接合を形成し、(c)ベース層と第2のpn接合を形成する第1導電型のドリフト層、及び(d)ドリフト層によってベース層から分離されている第2導電型のアノード層を備える。複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルは、カソード領域の側方に配置され、ベース層とオーミック接触を形成するゲート電極、第1主面上に配置されているカソード電極、ここで、複数の第1型サイリスタセルのカソード電極は、カソード領域とオーミック接触を形成し、複数の第2型サイリスタセルのカソード電極は、カソード領域から絶縁されており、及び第2主面上に配置されておりアノード層とオーミック接触を形成するアノード電極を備え、複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルのカソード電極はセグメント化された環状のレイアウトで配置されており、セグメント化された環状のレイアウトは、セグメント化された環状のレイアウトの中心から直径が増加する複数の同心セグメントリングを備え、複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルのカソード電極は半径方向に配向されてセグメントリング内に環状に配置され、1つのセグメントリング内の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの全体量の第2型サイリスタセルの予め定められた比率が0%より大きく75%以下である。
本発明の実施形態の主題は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明でより詳細に説明される。
図1は、4層構造(pnpnまたはnpnp)を備えた集積化ゲート転流型サイリスタ1(IGCT)の形式のパワー半導体デバイスの例を示す。IGCT1は、第1主面2と、第1主面2の反対側の第2主面3とを有する半導体ウエハを備える。IGCT1は、複数のサイリスタセルを備える。複数のサイリスタセルは、第1型および第2型のサイリスタセルを含む。複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの各々は、第1主面2から第2主面3に順に、第1導電型、例えばn+型、のカソード領域4、第1導電型とは異なる第2導電型、例えばp型、のベース層5、カソード領域4はベース層5においてウェルとして形成されてベース層5とカソード領域4との間に第1のpn接合を形成し、ベース層5と第2のpn接合を形成する第1導電型、例えばn-型、のドリフト層6、及び、ドリフト層6によってベース層5から分離されている第2導電型、例えばp+型、のアノード層7を備える。複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの各々は、カソード領域4の側方に配置され、ベース層5とオーミック接触を形成するゲート電極8と、第1主面2上に配置されているカソード電極9,14とを備える。複数の第1型サイリスタセルのカソード電極9は、カソード領域4とオーミック接触を形成し、複数の第2型サイリスタセルのカソード電極14は、カソード領域4から絶縁されている。ゲートコンタクトは、ゲート電極8と電気的に接触することができる。集積化ゲート転流型サイリスタ1(IGCT)は、第2主面3上に配置されており、アノード層7とオーミック接触を形成するアノード電極10をさらに備える。図2に示されるように、複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルのカソード電極9,14は、セグメント化された環状のレイアウトで配置されており、上記セグメント化された環状のレイアウトは、上記セグメント化された環状のレイアウトの中心から直径が増加する複数の同心セグメントリング11を備え、複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルのカソード電極9は、半径方向に配向されてセグメントリング11内に環状に配置されている。一実施形態では、カソード電極9は、円筒の2つの側面のそれぞれに先細りの端部片(tapered end pieces)を有する円筒形状であってもよい。i)セグメント密度を最大化してオン状態電圧および熱インピーダンスを低下させることと、ii)ゲートメタライゼーションのための領域が小さくなることによるゲート回路インピーダンスの増加を回避することとの間の上記の所望のトレードオフを達成するために、本発明の実施形態は、ゲート回路の電流を局所的に軽減するために、セグメントを電気的に非活性化することを提案する。非活性化により、設計の熱的および接触力の利点が保持される。非活性化されたセグメントは、電流伝導に参加しない。その結果、電流は残りの活性セグメント間で共有され、これらの電流はいくらか増加する。ゲートコンタクトから遠く離れたセグメントが非活性化されると、その領域からの電流が低下し、ゲートコンタクトにより近い領域の電流が増加する。これにより、デバイスの低インピーダンス領域に高インピーダンス領域よりも多くの負荷がかかるため、制御可能な最大電流が増加し得る。上記残りのセグメントの電流密度が増加するため、オン状態電圧も増加する。ただし、ごく一部のセグメントのみが非活性化されている場合には、上記利点がオン状態の欠点を簡単に凌駕できる。したがって、セグメントの非活性化により、GCT表面全体で均一な力が共有されるのと同様に、不均一な冷却によるホットスポットの形成を回避するより均一な局所セグメント密度がデバイス全体で得られ、電流制御性が向上し、オン状態電圧が増加する。
参照記号の一覧:
Claims (6)
- 第1主面(2)及び前記第1主面(2)とは反対側の第2主面(3)を有する半導体基板と、
複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルとを備え、前記複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの各々は、前記第1主面(2)から前記第2主面(3)に順に、
(a)第1導電型のカソード領域(4)、
(b)前記第1導電型とは異なる第2導電型のベース層(5)、ここで前記カソード領域(4)は前記ベース層(5)においてウェルとして形成されて前記ベース層(5)と前記カソード領域(4)との間に第1のpn接合を形成し、
(c)前記ベース層(5)と第2のpn接合を形成する前記第1導電型のドリフト層(6)、及び
(d)前記ドリフト層(6)によって前記ベース層(5)から分離されている前記第2導電型のアノード層(7)を備え、
前記複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルは、
前記カソード領域(4)の側方に配置され、前記ベース層(5)とオーミック接触を形成するゲート電極(8)、
前記第1主面(2)上に配置されているカソード電極(9,14)、及び
前記第2主面(3)上に配置されており、前記アノード層(7)とオーミック接触を形成するアノード電極(10)を備え、
前記複数の第1型サイリスタセルの前記カソード電極(9)は、前記カソード領域(4)とオーミック接触を形成し、
前記複数の第2型サイリスタセルの前記カソード電極(14)は、前記カソード領域(4)から絶縁されており、
前記複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの前記カソード電極(9,14)は、セグメント化された環状のレイアウトで配置されており、
前記セグメント化された環状のレイアウトは、前記セグメント化された環状のレイアウトの中心から直径が増加する複数の同心セグメントリング(11)を備え、
前記複数の第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの前記カソード電極(9)は、放射状に配向されて前記同心セグメントリング(11)内に環状に配置され、
1つのセグメントリング内において第1型サイリスタセル及び第2型サイリスタセルの全体量に対する第2型サイリスタセルの予め定められた比率が0%より大きく75%未満であり、セグメント化された環状のレイアウトは、リストのうちの一つに従って構成され、前記リストは、
-前記同心セグメントリングに対して前記予め定められた比率は直径が大きくなるにつれて減少し、
-前記同心セグメントリング(11)に対して前記予め定められた比率は直径が大きくなるにつれて単調に減少し、
-前記セグメント化された環状のレイアウトは、少なくとも3の同心セグメントリング(11)を含み、前記予め定められた比率は、前記同心セグメントリング(11)の各々について等しくなくかつ最も内側と最も外側の同心セグメントリング間のどこかに最大値を形成する、集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)。 - 前記同心セグメントリング(11)の各々の前記予め定められた比率は、周方向に均等に分配される、請求項1に記載の集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)。
- 前記ゲート電極(8)と電気的に接触するゲートコンタクトは、前記同心セグメントリング(11)の半径方向外側に配置される、請求項1又は2に記載の集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)。
- 前記ゲート電極(8)と電気的に接触するゲートコンタクトは、前記同心セグメントリング(11)の中心に配置される、請求項1又は2に記載の集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)。
- 前記ゲート電極(8)と電気的に接触するゲートコンタクトは、前記同心セグメントリング(11)の半径方向外側に配置され、前記同心セグメントリング(11)の前記予め定められた比率は、直径の増加に伴って最大量まで増加し、その後直径の増加に伴って減少する、請求項1に記載の集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)。
- 請求項1から5のいずれかに記載の集積化ゲート転流型サイリスタ(IGCT)を製造する方法であって、
第1主面(2)を有するウエハを提供するステップと、
前記ウエハの前記第1主面(2)上にゲート誘電体(12)を形成するステップと、
前記複数のゲート電極(8)と前記ベース層(5)とのオーミック接触を形成しかつ前記複数の第1型サイリスタセルの前記カソード電極(9)と前記カソード領域(4)とのオーミック接触を形成するために前記ゲート誘電体(12)を構造化するステップとを備え、
前記ゲート誘電体(12)を構造化するステップは、
マスク層を形成すること、
前記マスク層を構造化すること、及び
前記ゲート誘電体(12)を貫通させるエッチングを行うこと、を備え、
前記第2型サイリスタセルの前記カソード電極(9)が、前記第2型サイリスタセルの前記カソード電極(9)用のゲート誘電体(12)をエッチングせずに残すことによって得られることを特徴とする、方法。
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