JP7302469B2 - semiconductor equipment - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.

特許文献1には、IGBT(insulated gate bipolar transistor)領域とダイオード領域に区画された半導体基板を備える半導体装置が開示されている。この半導体装置では、半導体基板の上面を被覆するように上部電極が設けられており、半導体基板の下面を被覆するように下部電極が設けられている。IGBT領域内には、上部電極がエミッタ電極となり、下部電極がコレクタ電極となるように、IGBTが設けられている。ダイオード領域内には、上部電極がアノード電極となり、下部電極がカソード電極となるようにダイオードが設けられている。ダイオードは、IGBTに対して逆並列に接続されており、フリーホイーリングダイオードとして動作することができる。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a semiconductor substrate partitioned into an IGBT (insulated gate bipolar transistor) region and a diode region. In this semiconductor device, an upper electrode is provided so as to cover the upper surface of the semiconductor substrate, and a lower electrode is provided so as to cover the lower surface of the semiconductor substrate. Within the IGBT region, an IGBT is provided such that the upper electrode serves as an emitter electrode and the lower electrode serves as a collector electrode. Within the diode region, the diode is provided such that the upper electrode serves as the anode electrode and the lower electrode serves as the cathode electrode. The diode is connected anti-parallel to the IGBT and can act as a freewheeling diode.

特許文献1は、この種の半導体装置において、アクティブゲートとダミーゲートを混在させる技術を開示する。アクティブゲートは、IGBTのオン・オフを制御するゲート電圧が印加可能に構成されている。ダミーゲートは、上部電極に電気的に接続して構成されている。 Patent Document 1 discloses a technique for mixing active gates and dummy gates in this type of semiconductor device. The active gate is configured to be able to apply a gate voltage for controlling on/off of the IGBT. The dummy gate is configured to be electrically connected to the upper electrode.

特開2013-021240号公報JP 2013-021240 A

ところで、この種の半導体装置では、ダイオードが動作するモードにおいて、IGBT領域からダイオード領域へのキャリア流入が問題となっている。このようなIGBT領域からダイオード領域に流入するキャリアによって、ダイオードの順方向電圧が低下し、ダイオード領域のキャリア密度が増加する。この結果、ダイオードの逆回復特性の悪化が問題となる。本明細書は、IGBT領域とダイオード領域に区画された半導体基板を備える半導体装置において、IGBT領域からダイオード領域へのキャリアの流入を抑える技術を提供する。 By the way, in this type of semiconductor device, there is a problem of carrier inflow from the IGBT region to the diode region in the mode in which the diode operates. Such carriers flowing from the IGBT region into the diode region reduce the forward voltage of the diode and increase the carrier density in the diode region. As a result, deterioration of reverse recovery characteristics of the diode becomes a problem. This specification provides a technique for suppressing the inflow of carriers from the IGBT region to the diode region in a semiconductor device having a semiconductor substrate partitioned into an IGBT region and a diode region.

本明細書が開示する半導体装置は、IGBT領域とダイオード領域に区画された半導体基板と、前記半導体基板の上面を被覆するように設けられている上部電極と、前記半導体基板の下面を被覆するように設けられている下部電極と、前記IGBT領域に対応した前記半導体基板の前記上面に設けられており、第1制御端子に電気的に接続されている複数のアクティブゲートと、前記ダイオード領域に対応した前記半導体基板の前記上面に設けられており、前記上部電極に電気的に接続されている複数のダミーゲートと、前記IGBT領域のうちの前記ダイオード領域に隣接した境界部に対応した前記半導体基板の前記上面に設けられており、前記アクティブゲートと前記ダミーゲートの間に配置されており、前記第1制御端子とは異なる第2制御端子に電気的に接続されている複数の境界部ゲートと、を備えることができる。前記半導体基板の前記IGBT領域は、第1導電型のドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられている第2導電型のボディ領域と、前記ボディ領域上に設けられている第1導電型のエミッタ領域と、前記ボディ領域内に設けられており、前記ドリフト領域及び前記エミッタ領域から前記ボディ領域によって隔てられている第1導電型のバリア領域と、を有することができる。前記アクティブゲートは、前記半導体基板の前記上面から前記ドリフト領域に達している。前記境界部ゲートは、前記半導体基板の前記上面から前記バリア領域に達しており、前記ドリフト領域には達していない。 A semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate partitioned into an IGBT region and a diode region, an upper electrode provided to cover the upper surface of the semiconductor substrate, and a lower surface of the semiconductor substrate. a plurality of active gates provided on the upper surface of the semiconductor substrate corresponding to the IGBT regions and electrically connected to first control terminals; and corresponding to the diode regions. a plurality of dummy gates provided on the top surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the upper electrode; a plurality of boundary gates disposed between the active gate and the dummy gate and electrically connected to a second control terminal different from the first control terminal; , can be provided. The IGBT regions of the semiconductor substrate include a first conductivity type drift region, a second conductivity type body region provided on the drift region, and a first conductivity type body region provided on the body region. It may have an emitter region and a barrier region of a first conductivity type within the body region and separated from the drift region and the emitter region by the body region. The active gate extends from the top surface of the semiconductor substrate to the drift region. The boundary gate extends from the top surface of the semiconductor substrate to the barrier region and does not extend to the drift region.

上記半導体装置では、前記IGBT領域のうちの前記ダイオード領域に隣接した前記境界部に前記境界部ゲートが選択的に設けられている。上記半導体装置では、ダイオードが動作するモードにおいて、前記境界部ゲートに印加する電圧を制御することにより、前記IGBT領域から前記ダイオード領域に流入するキャリア量を抑制することができる。この結果、上記半導体装置では、逆回復特性の悪化が抑えられる。また、前記境界部ゲートは、前記ドリフト領域に達しないように構成されている。このため、前記境界部ゲートに電圧を印加しても、前記境界部ゲートの側面に形成されるチャネルを介して前記上部電極と前記下部電極の間が導通することがない。このように、前記境界部ゲートは、前記IGBT領域のIGBTのスイッチング動作に影響を与えることなく、前記IGBT領域から前記ダイオード領域に流入するキャリア量を抑制することができる。 In the above semiconductor device, the boundary gate is selectively provided at the boundary adjacent to the diode region in the IGBT region. In the semiconductor device described above, in the mode in which the diode operates, the amount of carriers flowing from the IGBT region into the diode region can be suppressed by controlling the voltage applied to the boundary gate. As a result, deterioration of reverse recovery characteristics is suppressed in the above semiconductor device. Also, the boundary gate is configured so as not to reach the drift region. Therefore, even if a voltage is applied to the boundary gate, the upper electrode and the lower electrode are not electrically connected through the channel formed on the side surface of the boundary gate. Thus, the boundary gate can suppress the amount of carriers flowing from the IGBT region into the diode region without affecting the switching operation of the IGBT in the IGBT region.

本実施形態の半導体装置の平面図を模式的に示す。1 schematically shows a plan view of a semiconductor device of this embodiment. FIG. 本実施形態の半導体装置の要部断面図であり、図1のII-II線における要部断面図を模式的に示す。FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of the semiconductor device of the present embodiment, and schematically shows a cross-sectional view of the main part taken along the line II-II of FIG. 1; 本実施形態の半導体装置の各ゲートの電位のタイミングチャートを示す。4 shows a timing chart of the potential of each gate of the semiconductor device of this embodiment.

図1に示すように、半導体装置10は、半導体基板12を有している。半導体基板12は、シリコン製の基板である。なお、以下では、半導体基板12の厚み方向をz方向といい、半導体基板12の上面に平行な一方向をx方向といい、半導体基板12の上面に平行かつx方向に直交する方向をy方向という。図1に示すように、半導体基板12は、2つの素子領域18と、素子領域18の周囲に配置されている耐圧領域19を有している。各素子領域18は、IGBT領域20とダイオード領域40に区画されている。各素子領域18内において、IGBT領域20とダイオード領域40が、y方向に交互に設けられている。IGBT領域20内にはIGBTを構成するための構造が設けられており、ダイオード領域40内にはダイオードを構成するための構造が設けられている。また、耐圧領域19に対応する半導体基板12上には、第1制御端子G1と第2制御端子G2が設けられている。後述するように、第1制御端子G1はアクティブゲートに電気的に接続されており、第2制御端子G2は境界部ゲートに電気的に接続されている。 As shown in FIG. 1, a semiconductor device 10 has a semiconductor substrate 12 . The semiconductor substrate 12 is a silicon substrate. Hereinafter, the thickness direction of the semiconductor substrate 12 is referred to as the z direction, one direction parallel to the upper surface of the semiconductor substrate 12 is referred to as the x direction, and the direction parallel to the upper surface of the semiconductor substrate 12 and orthogonal to the x direction is referred to as the y direction. It says. As shown in FIG. 1, the semiconductor substrate 12 has two element regions 18 and a breakdown voltage region 19 arranged around the element regions 18 . Each element region 18 is partitioned into an IGBT region 20 and a diode region 40 . In each element region 18, the IGBT regions 20 and the diode regions 40 are alternately provided in the y direction. A structure for forming an IGBT is provided in the IGBT region 20 , and a structure for forming a diode is provided in the diode region 40 . A first control terminal G<b>1 and a second control terminal G<b>2 are provided on the semiconductor substrate 12 corresponding to the withstand voltage region 19 . As will be described later, the first control terminal G1 is electrically connected to the active gate and the second control terminal G2 is electrically connected to the boundary gate.

図2に示すように、半導体装置10は、上部電極14と下部電極16を有している。上部電極14は、半導体基板12の上面12a(表面)を被覆するように配置されている。下部電極16は、半導体基板12の下面12b(裏面)を被覆するように配置されている。このように、半導体装置10は、縦型デバイスとして構成されている。上部電極14は、IGBTのエミッタ電極とダイオードのアノード電極を兼ねている。下部電極16は、IGBTのコレクタ電極とダイオードのカソード電極を兼ねている。 As shown in FIG. 2, semiconductor device 10 has upper electrode 14 and lower electrode 16 . The upper electrode 14 is arranged so as to cover the upper surface 12 a (surface) of the semiconductor substrate 12 . The lower electrode 16 is arranged so as to cover the lower surface 12 b (back surface) of the semiconductor substrate 12 . Thus, the semiconductor device 10 is configured as a vertical device. The upper electrode 14 serves as both the emitter electrode of the IGBT and the anode electrode of the diode. The lower electrode 16 serves as both the collector electrode of the IGBT and the cathode electrode of the diode.

半導体基板12内には、コレクタ領域30とカソード領域48が設けられている。半導体基板12の下面12bに露出する位置に、コレクタ領域30とカソード領域48が設けられている。コレクタ領域30は、p型不純物を含むp型領域であり、下部電極16にオーミック接触している。カソード領域48は、n型不純物を含むn型領域であり、下部電極16にオーミック接触している。半導体基板12の下面12bに露出する位置において、IGBT領域20の全体にコレクタ領域30が設けられており、ダイオード領域40の全体にカソード領域48が設けられている。言い換えると、半導体基板12をz方向(半導体基板12の厚み方向)に沿ってみたときに、IGBT領域20に対応する半導体基板12の下面に露出する位置にコレクタ領域30が設けられており、ダイオード領域40に対応する半導体基板12の下面に露出する位置にカソード領域48が設けられている。このように、半導体基板12は、コレクタ領域30が設けられている範囲がIGBT領域20として区画され、カソード領域48が設けられている範囲がダイオード領域40として区画されている。なお、半導体装置10では、IGBT領域20のうちのダイオード領域40に隣接する範囲を特に、境界部60という。 A collector region 30 and a cathode region 48 are provided in the semiconductor substrate 12 . A collector region 30 and a cathode region 48 are provided at positions exposed on the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12 . The collector region 30 is a p-type region containing p-type impurities and is in ohmic contact with the lower electrode 16 . The cathode region 48 is an n-type region containing n-type impurities and is in ohmic contact with the lower electrode 16 . A collector region 30 is provided over the entire IGBT region 20 at a position exposed to the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12 , and a cathode region 48 is provided over the entire diode region 40 . In other words, when the semiconductor substrate 12 is viewed along the z direction (thickness direction of the semiconductor substrate 12), the collector region 30 is provided at a position exposed on the lower surface of the semiconductor substrate 12 corresponding to the IGBT region 20, and the diode A cathode region 48 is provided at a position exposed on the lower surface of the semiconductor substrate 12 corresponding to the region 40 . In this manner, the semiconductor substrate 12 is defined as the IGBT region 20 in the range where the collector region 30 is provided, and as the diode region 40 in the range where the cathode region 48 is provided. In the semiconductor device 10 , a range adjacent to the diode region 40 in the IGBT region 20 is particularly called a boundary portion 60 .

半導体基板12は、さらに、バッファ領域28、ドリフト領域26、バリア領域25、ボディ領域24、ボディコンタクト領域23、エミッタ領域22、アノード領域42、及び、アノードコンタクト領域41を有している。 Semiconductor substrate 12 further includes buffer region 28 , drift region 26 , barrier region 25 , body region 24 , body contact region 23 , emitter region 22 , anode region 42 and anode contact region 41 .

バッファ領域28は、カソード領域48よりもn型不純物が低いn型領域である。バッファ領域28は、IGBT領域20とダイオード領域40に跨って分布している。バッファ領域28は、IGBT領域20内では、コレクタ領域30の上部に配置されており、コレクタ領域30に接している。バッファ領域28は、ダイオード領域40内では、カソード領域48の上部に配置されており、カソード領域48に接している。 Buffer region 28 is an n-type region with lower n-type impurities than cathode region 48 . The buffer region 28 is distributed over the IGBT region 20 and the diode region 40 . The buffer region 28 is arranged above the collector region 30 in the IGBT region 20 and is in contact with the collector region 30 . The buffer region 28 is located above and in contact with the cathode region 48 within the diode region 40 .

ドリフト領域26は、バッファ領域28よりもn型不純物濃度が低いn型領域である。ドリフト領域26は、IGBT領域20とダイオード領域40に跨って分布している。ドリフト領域26は、IGBT領域20及びダイオード領域40内において、バッファ領域28の上部に配置されており、バッファ領域28に接している。 The drift region 26 is an n-type region having a lower n-type impurity concentration than the buffer region 28 . The drift region 26 is distributed over the IGBT region 20 and the diode region 40 . The drift region 26 is located above the buffer region 28 in the IGBT region 20 and the diode region 40 and contacts the buffer region 28 .

ボディ領域24は、p型不純物を含むp型領域である。ボディ領域24は、IGBT領域20内に配置されている。ボディ領域24は、ドリフト領域26の上部に配置されており、ドリフト領域26に接している。 Body region 24 is a p-type region containing p-type impurities. Body region 24 is arranged within IGBT region 20 . Body region 24 is arranged above drift region 26 and is in contact with drift region 26 .

ボディコンタクト領域23は、ボディ領域24よりもp型不純物濃度が高いp型領域である。ボディコンタクト領域23は、IGBT領域20内に配置されている。ボディコンタクト領域23は、ボディ領域24の上部に部分的に配置されており、ボディ領域24に接している。ボディコンタクト領域23は、ボディ領域24によってドリフト領域26から分離されている。ボディコンタクト領域23は、半導体基板12の上面12aに露出する位置に配置されており、上部電極14に対してオーミック接触している。 Body contact region 23 is a p-type region having a higher p-type impurity concentration than body region 24 . Body contact region 23 is arranged in IGBT region 20 . Body contact region 23 is partially disposed on top of body region 24 and contacts body region 24 . Body contact region 23 is separated from drift region 26 by body region 24 . The body contact region 23 is arranged at a position exposed on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 and is in ohmic contact with the upper electrode 14 .

エミッタ領域22は、ドリフト領域26よりもn型不純物濃度が高いn型領域である。エミッタ領域22は、IGBT領域20内に配置されている。エミッタ領域22は、ボディ領域24の上部に部分的に配置されており、ボディ領域24に接している。エミッタ領域22は、ボディ領域24によってドリフト領域26から分離されている。エミッタ領域22は、ボディコンタクト領域23が存在しない範囲であって、半導体基板12の上面12aに露出する位置に配置されている。エミッタ領域22は、上部電極14に対してオーミック接触している。 The emitter region 22 is an n-type region having a higher n-type impurity concentration than the drift region 26 . The emitter region 22 is arranged within the IGBT region 20 . Emitter region 22 is partially disposed on top of body region 24 and abuts body region 24 . Emitter region 22 is separated from drift region 26 by body region 24 . The emitter region 22 is arranged at a position where the body contact region 23 does not exist and is exposed on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 . Emitter region 22 is in ohmic contact with upper electrode 14 .

アノード領域42は、p型不純物を含むp型領域である。アノード領域42は、ダイオード領域40内に配置されている。アノード領域42は、ドリフト領域26の上部に配置されており、ドリフト領域26に接している。 Anode region 42 is a p-type region containing p-type impurities. Anode region 42 is located within diode region 40 . Anode region 42 is located above drift region 26 and is in contact with drift region 26 .

アノードコンタクト領域41は、アノード領域42よりもp型不純物濃度が高いp型領域である。アノードコンタクト領域41は、ダイオード領域40内に配置されている。アノードコンタクト領域41は、アノード領域42の上部に部分的に配置されており、アノード領域42に接している。アノードコンタクト領域41は、アノード領域42によってドリフト領域26から分離されている。アノードコンタクト領域41は、半導体基板12の上面12aを含む範囲に配置されており、上部電極14に対してオーミック接触している。 The anode contact region 41 is a p-type region having a higher p-type impurity concentration than the anode region 42 . Anode contact region 41 is located within diode region 40 . Anode contact region 41 is partially disposed on top of anode region 42 and contacts anode region 42 . Anode contact region 41 is separated from drift region 26 by anode region 42 . The anode contact region 41 is arranged in a range including the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 and is in ohmic contact with the upper electrode 14 .

バリア領域25は、n型不純物を含むn型領域である。バリア領域25は、IGBT領域20とダイオード領域40に跨って分布している。バリア領域25は、IGBT領域20内において、ボディ領域24を上下に分離するように、半導体基板12の面内方向(xy平面に平行な面内方向)に沿って延びて設けられている。バリア領域25は、IGBT領域20内において、ボディ領域24によってドリフト領域26及びエミッタ領域22から隔てられている。バリア領域25は、ダイオード領域40内において、アノード領域42を上下に分離するように、半導体基板12の面内方向に沿って延びて設けられている。バリア領域25は、ダイオード領域40内において、ボディ領域24によってドリフト領域26から隔てられている。 The barrier region 25 is an n-type region containing n-type impurities. The barrier region 25 is distributed over the IGBT region 20 and the diode region 40 . The barrier region 25 extends along the in-plane direction of the semiconductor substrate 12 (the in-plane direction parallel to the xy plane) so as to vertically separate the body region 24 in the IGBT region 20 . Barrier region 25 is separated from drift region 26 and emitter region 22 by body region 24 within IGBT region 20 . The barrier region 25 extends along the in-plane direction of the semiconductor substrate 12 so as to vertically separate the anode region 42 in the diode region 40 . Barrier region 25 is separated from drift region 26 by body region 24 within diode region 40 .

半導体装置10は、さらに、複数のアクティブゲート33と、複数のダミーゲート53と、複数の境界部ゲート73と、を有している。 The semiconductor device 10 further includes multiple active gates 33 , multiple dummy gates 53 , and multiple boundary gates 73 .

複数のアクティブゲート33は、IGBT領域20に対応した半導体基板12の上面12aに設けられている。複数のアクティブゲート33の各々は、x方向に長く伸びているとともに、y方向に間隔を開けて配列されている。複数のアクティブゲート33の各々は、半導体基板12の上面12aからドリフト領域26に達する深さまで伸びている。複数のアクティブゲート33の各々は、ゲート絶縁膜32によって半導体基板12から絶縁されているゲート電極34を有している。各ゲート電極34の上部には、層間絶縁膜36が配置されている。各ゲート電極34は、層間絶縁膜36によって上部電極14から絶縁されている。また、各ゲート電極34は、第1制御端子G1(図1参照)に電気的に接続されている。 A plurality of active gates 33 are provided on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 corresponding to the IGBT regions 20 . Each of the plurality of active gates 33 extends long in the x direction and is arranged at intervals in the y direction. Each of the plurality of active gates 33 extends from the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 to a depth reaching the drift region 26 . Each of the plurality of active gates 33 has a gate electrode 34 insulated from the semiconductor substrate 12 by a gate insulating film 32 . An interlayer insulating film 36 is arranged above each gate electrode 34 . Each gate electrode 34 is insulated from the upper electrode 14 by an interlayer insulating film 36 . Each gate electrode 34 is electrically connected to the first control terminal G1 (see FIG. 1).

アクティブゲート33の側面には、エミッタ領域22、ボディ領域24、バリア領域25及びドリフト領域26が接している。このため、第1制御端子G1を介してアクティブゲート33のゲート電極34に電圧を印加し、ゲート電極34の電位をエミッタ電位よりも高くすると、ボディ領域24にn型チャネルが形成され、エミッタ領域22とバリア領域25とドリフト領域26が導通する。 The sides of the active gate 33 are in contact with the emitter region 22 , the body region 24 , the barrier region 25 and the drift region 26 . Therefore, when a voltage is applied to the gate electrode 34 of the active gate 33 via the first control terminal G1 and the potential of the gate electrode 34 is made higher than the emitter potential, an n-type channel is formed in the body region 24 and the emitter region. 22, barrier region 25 and drift region 26 are electrically connected.

複数のダミーゲート53は、ダイオード領域40に対応した半導体基板12の上面12aに設けられている。複数のダミーゲート53の各々は、x方向に長く伸びているとともに、y方向に間隔を開けて配列されている。複数のダミーゲート53の各々は、半導体基板12の上面12aからドリフト領域26に達する深さまで伸びている。複数のダミーゲート53の各々は、ダミーゲート絶縁膜52によって半導体基板12から絶縁されているダミーゲート電極54を有している。各ダミーゲート電極54は、上部電極14に接触しており、上部電極14に電気的に接続されている。 A plurality of dummy gates 53 are provided on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 corresponding to the diode regions 40 . Each of the plurality of dummy gates 53 extends long in the x direction and is arranged at intervals in the y direction. Each of the plurality of dummy gates 53 extends from the top surface 12 a of the semiconductor substrate 12 to a depth reaching the drift region 26 . Each of the plurality of dummy gates 53 has a dummy gate electrode 54 insulated from the semiconductor substrate 12 by a dummy gate insulating film 52 . Each dummy gate electrode 54 is in contact with the upper electrode 14 and electrically connected to the upper electrode 14 .

複数の境界部ゲート73は、IGBT領域20のうちの境界部60に対応した半導体基板12の上面12aに設けられている。複数の境界部ゲート73の各々は、x方向に長く伸びているとともに、y方向に間隔を開けて配列されている。複数の境界部ゲート73は、アクティブゲート33とダミーゲート53の間に配置されている。この例では、4つの境界部ゲート73がアクティブゲート33とダミーゲート53の間に配置されている。複数の境界部ゲート73の各々は、半導体基板12の上面12aからバリア領域25に達する深さまで伸びているものの、ドリフト領域26には達しないように構成されている。具体的には、複数の境界部ゲート73の各々の底面がバリア領域25内に位置している。複数の境界部ゲート73の各々は、境界部ゲート絶縁膜72によって半導体基板12から絶縁されている境界部ゲート電極74を有している。各境界部ゲート電極74の上部には、境界部層間絶縁膜76が配置されている。各境界部ゲート電極74は、境界部層間絶縁膜76によって上部電極14から絶縁されている。また、各境界部ゲート電極74は、第2制御端子G2(図1参照)に電気的に接続されている。 A plurality of boundary gates 73 are provided on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 corresponding to the boundary 60 of the IGBT region 20 . Each of the plurality of boundary gates 73 is elongated in the x direction and arranged at intervals in the y direction. A plurality of boundary gates 73 are arranged between the active gates 33 and the dummy gates 53 . In this example, four boundary gates 73 are positioned between active gates 33 and dummy gates 53 . Each of the plurality of boundary gates 73 extends from the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 to a depth reaching the barrier region 25 but does not reach the drift region 26 . Specifically, the bottom surface of each of the plurality of boundary gates 73 is located within the barrier region 25 . Each of the plurality of boundary gates 73 has a boundary gate electrode 74 insulated from the semiconductor substrate 12 by a boundary gate insulating film 72 . A boundary interlayer insulating film 76 is arranged above each boundary gate electrode 74 . Each boundary gate electrode 74 is insulated from the upper electrode 14 by a boundary interlayer insulating film 76 . Each boundary gate electrode 74 is electrically connected to the second control terminal G2 (see FIG. 1).

境界部ゲート73の側面には、エミッタ領域22、ボディ領域24及びバリア領域25が接している。このため、第2制御端子G2を介して境界部ゲート73の境界部ゲート電極74に電圧を印加し、境界部ゲート電極74の電位をエミッタ電位よりも高くすると、ボディ領域24にn型チャネルが形成され、エミッタ領域22とバリア領域25が導通する。 The side surfaces of the boundary gate 73 are in contact with the emitter region 22 , the body region 24 and the barrier region 25 . Therefore, when a voltage is applied to the boundary gate electrode 74 of the boundary gate 73 via the second control terminal G2 to make the potential of the boundary gate electrode 74 higher than the emitter potential, an n-type channel is formed in the body region 24. are formed, and the emitter region 22 and the barrier region 25 are electrically connected.

図3に、アクティブゲート33のゲート電極34、ダミーゲート53のダミーゲート電極54及び境界部ゲート73の境界部ゲート電極74の各々の電位のタイミングチャートを示す。なお、各ゲートのスタート時の電位はエミッタ電位である。 FIG. 3 shows a timing chart of potentials of the gate electrode 34 of the active gate 33, the dummy gate electrode 54 of the dummy gate 53, and the boundary gate electrode 74 of the boundary gate 73. As shown in FIG. The potential at the start of each gate is the emitter potential.

IGBTが動作するモードでは、下部電極16が上部電極14よりも高い電位となるように、下部電極16と上部電極14の間に電圧が印加されている。図3に示されるように、このIGBTが動作するモードでは、アクティブゲート33のゲート電極34がエミッタ電位よりも高い電位となり、境界部ゲート73はエミッタ電位のままである。なお、ダミーゲート53は上部電極14に短絡しており、エミッタ電位のままである。このIGBTが動作するモードでは、IGBT領域20において、アクティブゲート33の側面に接するボディ領域24にn型チャネルが形成され、そのn型チャネルを介してエミッタ領域22からドリフト領域26に電子が注入され、コレクタ領域30からドリフト領域26にホールが注入され、IGBT領域20のIGBTがオンとなる。このように、IGBTが動作するモードでは、IGBT領域20の下部電極16から上部電極14に向けて電流が流れる。 In the mode in which the IGBT operates, a voltage is applied between the lower electrode 16 and the upper electrode 14 so that the potential of the lower electrode 16 is higher than that of the upper electrode 14 . As shown in FIG. 3, in the mode in which this IGBT operates, the gate electrode 34 of the active gate 33 has a higher potential than the emitter potential, and the boundary gate 73 remains at the emitter potential. The dummy gate 53 is short-circuited to the upper electrode 14 and remains at the emitter potential. In this IGBT operating mode, an n-type channel is formed in the body region 24 in contact with the side surface of the active gate 33 in the IGBT region 20, and electrons are injected from the emitter region 22 into the drift region 26 via the n-type channel. , holes are injected from the collector region 30 into the drift region 26, and the IGBTs in the IGBT region 20 are turned on. Thus, in the mode in which the IGBT operates, current flows from the lower electrode 16 of the IGBT region 20 toward the upper electrode 14 .

ダイオードが動作するモードは、上部電極14が下部電極16よりも高い電位となるように、下部電極16と上部電極14の間に電圧が印加されている。図3に示されるように、このダイオードが動作するモードでは、境界部ゲート73がエミッタ電位よりも高い電位となり、アクティブゲート33がエミッタ電位に低下する。なお、ダミーゲート53は上部電極14に短絡しており、エミッタ電位のままである。このダイオードが動作するモードでは、IGBT領域20において、アクティブゲート33の側面のn型チャネルが消失し、IGBT領域20のIGBTがオフとなる。 In the mode in which the diode operates, a voltage is applied between the lower electrode 16 and the upper electrode 14 so that the upper electrode 14 has a higher potential than the lower electrode 16 . In the mode in which this diode operates, as shown in FIG. 3, the boundary gate 73 is at a potential higher than the emitter potential and the active gate 33 is lowered to the emitter potential. The dummy gate 53 is short-circuited to the upper electrode 14 and remains at the emitter potential. In the mode in which this diode operates, in the IGBT region 20, the n-type channel on the sides of the active gate 33 disappears and the IGBT in the IGBT region 20 is turned off.

ダイオード領域40の上部電極14と下部電極16の間には、アノードコンタクト領域41、アノード領域42、ドリフト領域26、バッファ領域28及びカソード領域48によってダイオードが形成されている。このため、ダイオードが動作するモードでは、上部電極14が下部電極16よりも高い電位となっているので、ダイオード領域40のダイオードがオンする。すなわち、下部電極16から、カソード領域48、バッファ領域28、ドリフト領域26、アノード領域42及びアノードコンタクト領域41を介して上部電極14へ向かって電子が流れる。同時に、上部電極14から、アノードコンタクト領域41及びアノード領域42を介してドリフト領域26へホールが流れる。このように、ダイオードが動作するモードでは、ダイオード領域40の上部電極14から下部電極16に向けて還流電流が流れる。 A diode is formed between the upper electrode 14 and the lower electrode 16 of the diode region 40 by the anode contact region 41 , the anode region 42 , the drift region 26 , the buffer region 28 and the cathode region 48 . Therefore, in the mode in which the diode operates, the potential of the upper electrode 14 is higher than that of the lower electrode 16, so the diode in the diode region 40 is turned on. That is, electrons flow from the lower electrode 16 toward the upper electrode 14 via the cathode region 48 , buffer region 28 , drift region 26 , anode region 42 and anode contact region 41 . At the same time, holes flow from the upper electrode 14 to the drift region 26 via the anode contact region 41 and the anode region 42 . Thus, in the diode operating mode, a return current flows from the upper electrode 14 of the diode region 40 toward the lower electrode 16 .

また、境界部60にも、ボディコンタクト領域23、ボディ領域24、ドリフト領域26、バッファ領域28及びカソード領域48によって、寄生ダイオードが形成されている。このため、ダイオードが動作するモードにおいて、境界部60の寄生ダイオードもオンし、境界部60からダイオード領域40にホールが流入する。このようなホールの流入量が多いと、ダイオード領域40の順方向電圧が低下し、ダイオード領域40のホール密度が増加する。この結果、ダイオードの逆回復特性が悪化してしまう。 A parasitic diode is also formed in the boundary portion 60 by the body contact region 23 , the body region 24 , the drift region 26 , the buffer region 28 and the cathode region 48 . Therefore, in the diode operating mode, the parasitic diode at the boundary 60 is also turned on, and holes flow from the boundary 60 into the diode region 40 . When the amount of inflow of such holes is large, the forward voltage of the diode region 40 is lowered and the hole density of the diode region 40 is increased. As a result, the reverse recovery characteristics of the diode deteriorate.

半導体装置10では、図3に示されるように、このダイオードが動作するモードにおいて、境界部ゲート73の境界部ゲート電極74がエミッタ電位よりも高い電位となるように制御されている。このダイオードが動作するモードでは、境界部60において、境界部ゲート73の側面に接するボディ領域24にn型チャネルが形成され、エミッタ領域22とバリア領域25が導通し、バリア領域25の電位がエミッタ電位となる。このため、バリア領域25よりも上側に位置するボディ領域24とバリア領域25のpn接合面において電界が発生せず、そのpn接合面の障壁をホールが超えることができないことから、バリア領域25よりも上側に位置するボディ領域24からのホール注入が抑えられる。これにより、IGBT領域20のうちの境界部60からダイオード領域40に流入するホール量を抑制することができる。この結果、半導体装置10では、逆回復特性の悪化が抑えられる。 In the semiconductor device 10, as shown in FIG. 3, the boundary gate electrode 74 of the boundary gate 73 is controlled to have a higher potential than the emitter potential in the diode operating mode. In the mode in which this diode operates, in the boundary portion 60, an n-type channel is formed in the body region 24 in contact with the side surface of the boundary gate 73, the emitter region 22 and the barrier region 25 are electrically connected, and the potential of the barrier region 25 is the emitter region. potential. Therefore, no electric field is generated at the pn junction surface between the body region 24 and the barrier region 25 located above the barrier region 25, and holes cannot cross the barrier of the pn junction surface. hole injection from the body region 24 located on the upper side is suppressed. Thereby, the amount of holes flowing into the diode region 40 from the boundary portion 60 of the IGBT region 20 can be suppressed. As a result, deterioration of the reverse recovery characteristic is suppressed in the semiconductor device 10 .

また、境界部ゲート73は、ドリフト領域26に達するように構成されていない。このため、ダイオードが動作するモードにおいて境界部ゲート73の境界部ゲート電極74の電位がエミッタ電位よりも高くなっても、バリア領域25よりも下側のボディ領域24にn型チャネルが形成されることがないので、上部電極14と下部電極16の間が導通することがない。このように、境界部ゲート73は、IGBT領域20のIGBTのスイッチング動作に影響を与えることなく、IGBT領域20からダイオード領域40に流入するホール量を抑制することができる。 Also, boundary gate 73 is not configured to reach drift region 26 . Therefore, even if the potential of boundary gate electrode 74 of boundary gate 73 is higher than the emitter potential in the diode operation mode, an n-type channel is formed in body region 24 below barrier region 25 . Therefore, there is no conduction between the upper electrode 14 and the lower electrode 16. Thus, the boundary gate 73 can suppress the amount of holes flowing from the IGBT region 20 into the diode region 40 without affecting the switching operation of the IGBTs in the IGBT region 20 .

また、半導体装置10では、ダイオード領域40のダイオードの順方向電圧と逆回復時の損失の間にトレードオフの関係がある。ダイオードの順方向電圧が低下すれば、ダイオードの逆回復時の損失が増加する。一方、ダイオードの順方向電圧が増加すれば、ダイオードの逆回復時の損失が低下する。半導体装置10では、境界部ゲート73の境界部ゲート電極74に印加する電圧を制御することにより、このトレードオフ関係を制御することができる。境界部ゲート73の境界部ゲート電極74の電位のエミッタ電位からの差を相対的に大きくすると、ダイオードの順方向電圧が増加し、逆回復時の損失が低下する。一方、境界部ゲート73の境界部ゲート電極74のエミッタ電位からの差を相対的に小さくすると、ダイオードの順方向電圧が低下し、逆回復時の損失が大きくなる。このように、半導体装置10は、境界部ゲート73の境界部ゲート電極74に印加する電圧を制御することにより、所望の特性を具備することができる。 Further, in the semiconductor device 10, there is a trade-off relationship between the forward voltage of the diode in the diode region 40 and the loss during reverse recovery. As the diode forward voltage decreases, the diode reverse recovery loss increases. On the other hand, if the forward voltage of the diode increases, the reverse recovery loss of the diode will decrease. In the semiconductor device 10 , this trade-off relationship can be controlled by controlling the voltage applied to the boundary gate electrode 74 of the boundary gate 73 . When the difference between the potential of the boundary gate electrode 74 of the boundary gate 73 and the emitter potential is relatively increased, the forward voltage of the diode increases and the loss during reverse recovery decreases. On the other hand, when the difference between the boundary gate 73 and the emitter potential of the boundary gate electrode 74 is relatively small, the forward voltage of the diode is lowered and the loss during reverse recovery is increased. Thus, the semiconductor device 10 can have desired characteristics by controlling the voltage applied to the boundary gate electrode 74 of the boundary gate 73 .

半導体装置10では、4本の境界部ゲート73が設けられていた。境界部ゲート73の本数は、IGBT領域20からダイオード領域40へのホールの流入が問題となる範囲に応じて適宜設定される。特に限定されるものではないが、境界部ゲート73の本数は、例えば4~8本であってもよい。 In the semiconductor device 10, four boundary gates 73 are provided. The number of boundary gates 73 is appropriately set according to the range in which the inflow of holes from the IGBT region 20 to the diode region 40 poses a problem. Although not particularly limited, the number of boundary gates 73 may be, for example, four to eight.

半導体装置10では、IGBT領域20の境界部60以外のIGBT領域20にはアクティブゲート33のみが形成され、IGBT領域20の境界部60には境界部ゲート73のみが形成されている。このため、IGBT領域20の大部分では多くのアクティブゲート33が配置され、IGBT領域20内を電流が均一に流れ、電流集中による発熱が抑えられる。 In the semiconductor device 10 , only the active gate 33 is formed in the IGBT region 20 other than the boundary portion 60 of the IGBT region 20 , and only the boundary gate 73 is formed in the boundary portion 60 of the IGBT region 20 . For this reason, many active gates 33 are arranged in most of the IGBT region 20, current flows uniformly in the IGBT region 20, and heat generation due to current concentration is suppressed.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 Although the embodiments have been described in detail above, they are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness either singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.

10 :半導体装置
12 :半導体基板
14 :上部電極
16 :下部電極
20 :IGBT領域
22 :エミッタ領域
23 :ボディコンタクト領域
24 :ボディ領域
25 :バリア領域
26 :ドリフト領域
28 :バッファ領域
30 :コレクタ領域
33 :アクティブゲート
40 :ダイオード領域
41 :アノードコンタクト領域
42 :アノード領域
48 :カソード領域
53 :ダミーゲート
60 :境界部
73 :境界部ゲート
10: semiconductor device 12: semiconductor substrate 14: upper electrode 16: lower electrode 20: IGBT region 22: emitter region 23: body contact region 24: body region 25: barrier region 26: drift region 28: buffer region 30: collector region 33 : Active gate 40 : Diode region 41 : Anode contact region 42 : Anode region 48 : Cathode region 53 : Dummy gate 60 : Boundary 73 : Boundary gate

Claims (1)

IGBT領域とダイオード領域に区画された半導体基板と、
前記半導体基板の上面を被覆するように設けられている上部電極と、
前記半導体基板の下面を被覆するように設けられている下部電極と、
前記IGBT領域に対応した前記半導体基板の前記上面に設けられており、第1制御端子に電気的に接続されている複数のアクティブゲートと、
前記ダイオード領域に対応した前記半導体基板の前記上面に設けられており、前記上部電極に電気的に接続されている複数のダミーゲートと、
前記IGBT領域のうちの前記ダイオード領域に隣接した境界部に対応した前記半導体基板の前記上面に設けられており、前記アクティブゲートと前記ダミーゲートの間に配置されており、前記第1制御端子とは異なる第2制御端子に電気的に接続されている複数の境界部ゲートと、を備えており、
前記半導体基板の前記IGBT領域は、
第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられている第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域上に設けられている第1導電型のエミッタ領域と、
前記ボディ領域内に設けられており、前記ドリフト領域及び前記エミッタ領域から前記ボディ領域によって隔てられている第1導電型のバリア領域と、を有しており、
前記アクティブゲートは、前記半導体基板の前記上面から前記ドリフト領域に達しており、
前記境界部ゲートは、前記半導体基板の前記上面から前記バリア領域に達しており、前記ドリフト領域には達していない、半導体装置。
a semiconductor substrate partitioned into an IGBT region and a diode region;
an upper electrode provided to cover the upper surface of the semiconductor substrate;
a lower electrode provided to cover the lower surface of the semiconductor substrate;
a plurality of active gates provided on the upper surface of the semiconductor substrate corresponding to the IGBT regions and electrically connected to a first control terminal;
a plurality of dummy gates provided on the upper surface of the semiconductor substrate corresponding to the diode region and electrically connected to the upper electrode;
provided on the upper surface of the semiconductor substrate corresponding to a boundary portion adjacent to the diode region in the IGBT region, arranged between the active gate and the dummy gate, and the first control terminal and the a plurality of boundary gates electrically connected to different second control terminals;
The IGBT region of the semiconductor substrate,
a first conductivity type drift region;
a body region of a second conductivity type provided on the drift region;
a first conductivity type emitter region provided on the body region;
a barrier region of a first conductivity type provided within the body region and separated from the drift region and the emitter region by the body region;
the active gate reaches the drift region from the upper surface of the semiconductor substrate;
The semiconductor device, wherein the boundary gate reaches the barrier region from the top surface of the semiconductor substrate and does not reach the drift region.
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