JPH01211978A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH01211978A JPH01211978A JP3538588A JP3538588A JPH01211978A JP H01211978 A JPH01211978 A JP H01211978A JP 3538588 A JP3538588 A JP 3538588A JP 3538588 A JP3538588 A JP 3538588A JP H01211978 A JPH01211978 A JP H01211978A
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- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 abstract description 23
- 210000001316 polygonal cell Anatomy 0.000 abstract description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
- H01L29/0692—Surface layout
- H01L29/0696—Surface layout of cellular field-effect devices, e.g. multicellular DMOS transistors or IGBTs
-
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
- H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
- H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
- H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
口既要〕
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ (’IGBT)
のセルの寸法とセル間隔とが最適値に設定されてなる半
導体装置に関し、 ユニットパターン設計の基準を確定し、コストパフォー
マンスの最適化が得られるI GBTを提供することを
目的とし、 複数の多角形セルで構成される絶縁ゲート型バイポーラ
トランジスタのセル間隔(U、、)とセル寸法(w)と
が、 の関係の±20%以内で構成されてなることを特徴とす
る半導体装置を含み構成する。
のセルの寸法とセル間隔とが最適値に設定されてなる半
導体装置に関し、 ユニットパターン設計の基準を確定し、コストパフォー
マンスの最適化が得られるI GBTを提供することを
目的とし、 複数の多角形セルで構成される絶縁ゲート型バイポーラ
トランジスタのセル間隔(U、、)とセル寸法(w)と
が、 の関係の±20%以内で構成されてなることを特徴とす
る半導体装置を含み構成する。
本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ (I
GBT)のセルの寸法とセル間隔とが最適値に設定され
てなる半導体装置に関する。
GBT)のセルの寸法とセル間隔とが最適値に設定され
てなる半導体装置に関する。
高耐圧、大電流用のための電力損失が小さいパワートラ
ンジスタとしてI GBTが注目されているIGBTは
MOSFET (電圧駆動)とバイポーラトランジスタ
(電導度変調を生じ、オン電圧が低い)とが一体化さ
れて結合された素子である。
ンジスタとしてI GBTが注目されているIGBTは
MOSFET (電圧駆動)とバイポーラトランジスタ
(電導度変調を生じ、オン電圧が低い)とが一体化さ
れて結合された素子である。
I GBTの構成は第1図の断面図に示され、図中、1
1は半導体基板で、半導体基板11には、その裏面から
みると、P゛型のコレクタ注入領域12、n゛注入制御
領域13、n−型のコレクタ領域14が設けられ、コレ
クタ領域にP゛型のハックゲート領域15が、バックゲ
ート%I域15内の基板表面にn゛エミッタ領域16が
形成され、符号17で示す部分はチャネル領域である。
1は半導体基板で、半導体基板11には、その裏面から
みると、P゛型のコレクタ注入領域12、n゛注入制御
領域13、n−型のコレクタ領域14が設けられ、コレ
クタ領域にP゛型のハックゲート領域15が、バックゲ
ート%I域15内の基板表面にn゛エミッタ領域16が
形成され、符号17で示す部分はチャネル領域である。
半導体基板11の裏面にはコレクタ注入領域12に接し
てコレクタ電極18が、また基板表面上には、絶縁膜1
9を介してゲート電極20が、またその上には絶縁膜2
1を介してエミッタ電極22が形成されている。
てコレクタ電極18が、また基板表面上には、絶縁膜1
9を介してゲート電極20が、またその上には絶縁膜2
1を介してエミッタ電極22が形成されている。
第1図において、UGMで示す範囲がセル間隔Wで示す
範囲はセル寸法である。このようなセルが形成されたチ
ップの平面図は第2図に概略的、部分的に示され、図中
、23はゲートポンディングパッド、24はエミッタポ
ンディングパッド、25はゲート引出し電極を示し、ゲ
ート引出し電極は複数個のものがくしの歯状ストライプ
パターンで配列されている。
範囲はセル寸法である。このようなセルが形成されたチ
ップの平面図は第2図に概略的、部分的に示され、図中
、23はゲートポンディングパッド、24はエミッタポ
ンディングパッド、25はゲート引出し電極を示し、ゲ
ート引出し電極は複数個のものがくしの歯状ストライプ
パターンで配列されている。
第2図に示したゲート引出し電極のストライプパターン
構造は、I GBTのラッチアップ対策のため、ストラ
イプ間をどこでも等間隔にとる必要がある場合に用いら
れるが、この構造では面積効率が悪く、チップ面積を有
効に利用しえない問題がある。
構造は、I GBTのラッチアップ対策のため、ストラ
イプ間をどこでも等間隔にとる必要がある場合に用いら
れるが、この構造では面積効率が悪く、チップ面積を有
効に利用しえない問題がある。
また上記欠点を補うため1、セルの形状は多角形パター
ンが用いられ、セルを正方形、六角形などに構成するこ
とが行われる。この多角形パターンは面積効率は良いが
、しかし、コストパフォーマンスの最適化を図るための
ユニットパターン設計の基準がまだ確立されていないの
で、MOSFETでのパターン設計の基準から類推して
設計がなされ、それがはたして最適かどうか不明である
。
ンが用いられ、セルを正方形、六角形などに構成するこ
とが行われる。この多角形パターンは面積効率は良いが
、しかし、コストパフォーマンスの最適化を図るための
ユニットパターン設計の基準がまだ確立されていないの
で、MOSFETでのパターン設計の基準から類推して
設計がなされ、それがはたして最適かどうか不明である
。
なお、単位ユニット26は第1図に示す範囲の拡がりを
もつものである。 そこで本発明は、ユニットパターン
設計の基準を確定し、コストパフォーマンスの最適化が
得られるI GBTを提供することを目的とする。
もつものである。 そこで本発明は、ユニットパターン
設計の基準を確定し、コストパフォーマンスの最適化が
得られるI GBTを提供することを目的とする。
上記問題点は、複数の多角形セルで構成される絶縁ゲー
ト型バイポーラトランジスタのセル間隔(U、、)とセ
ル寸法(w)とが、 の関係の±20%以内で構成されてなることを特徴とす
る半導体装置。
ト型バイポーラトランジスタのセル間隔(U、、)とセ
ル寸法(w)とが、 の関係の±20%以内で構成されてなることを特徴とす
る半導体装置。
I GBTの抵抗成分は、第1図に図示されるように、
チャネル抵抗(Rch)、セルではさまれた領域の抵抗
(RJFEア)、コレクタ領域の抵抗(Rcom) 、
p”−n”ダイオードの順電圧(■□)から成る。
チャネル抵抗(Rch)、セルではさまれた領域の抵抗
(RJFEア)、コレクタ領域の抵抗(Rcom) 、
p”−n”ダイオードの順電圧(■□)から成る。
I GBTの動作の理論的考察から、半導体基板の仕様
が一定のとき、次のような定性的な比例関係が考えられ
る。すなわち、1ユニット当りのオン抵抗は、UCSと
Wとが大きくなるほど小さくなり、また伝導度変調によ
ってRJFET% Rc o mが変調を受けるから、
電流密度(Jc)が大 になるほど抵抗は小になる、つ
まり全動作面積(A= n ・(U(、H+ w)2)
が小になるほど小になるものと考えられる。こ−で、V
DiもJcにより変化するが、その変化の程度はダイオ
ード特性を考慮すると小さい。
が一定のとき、次のような定性的な比例関係が考えられ
る。すなわち、1ユニット当りのオン抵抗は、UCSと
Wとが大きくなるほど小さくなり、また伝導度変調によ
ってRJFET% Rc o mが変調を受けるから、
電流密度(Jc)が大 になるほど抵抗は小になる、つ
まり全動作面積(A= n ・(U(、H+ w)2)
が小になるほど小になるものと考えられる。こ−で、V
DiもJcにより変化するが、その変化の程度はダイオ
ード特性を考慮すると小さい。
ユニット当りの抵抗成分とパターンパラメータとの関係
をみると、次のようになる。
をみると、次のようになる。
UGM W A JC
ただし、−印は関係のないことを示す。
このことは、第3図のグラフに示されるように実験的比
も確かめられたもので、1ユニット当りのオン抵抗は、
コレクタ電流をIcとしたときV CE (SA’rl 旨 であるので、それはRchとV o i / I cが
小さい範囲ではUoM・W/n(UGM+W)2のみに
よって変化する。かくして、上記からlog (n−V
cttsat+ / I c)が得られる。この関係か
ら、デバイスとしてのオン抵抗(VCE(SAT) /
I C)を一定としたとき、(ただし、V cE (
SAT) はコレクタ電流Ic、ゲート電圧VCHに
おけるコレクタ・エミッタ間電圧)、全動作面積が最小
となるようなUG、4とWとを選べば、コストパフォー
マンスは最適となる。
も確かめられたもので、1ユニット当りのオン抵抗は、
コレクタ電流をIcとしたときV CE (SA’rl 旨 であるので、それはRchとV o i / I cが
小さい範囲ではUoM・W/n(UGM+W)2のみに
よって変化する。かくして、上記からlog (n−V
cttsat+ / I c)が得られる。この関係か
ら、デバイスとしてのオン抵抗(VCE(SAT) /
I C)を一定としたとき、(ただし、V cE (
SAT) はコレクタ電流Ic、ゲート電圧VCHに
おけるコレクタ・エミッタ間電圧)、全動作面積が最小
となるようなUG、4とWとを選べば、コストパフォー
マンスは最適となる。
なお、第3図においては、横軸にUGM、w / n(
UGM+W)”をとり、縦軸に Ic の条件は、I c=LA、V CE tsat+ =
10 Vとし、図中、黒丸印はライフタイムの長い場
合、黒三角印はライフタイムの短い場合を示す。
UGM+W)”をとり、縦軸に Ic の条件は、I c=LA、V CE tsat+ =
10 Vとし、図中、黒丸印はライフタイムの長い場
合、黒三角印はライフタイムの短い場合を示す。
[実施例]
以下、本発明を図示の実施例により具体的に説明する。
本発明にか−る設計法は次の手順による。
〔1〕デバイスとしてのオン抵抗(V CE (SAT
l、 /Ic)を一定として、上記(1)式の関係を満
たす第3図のグラフから、1&Ilのn−vct(SA
T)/n−VCE(SAT) / I Cからnを求め
る。
l、 /Ic)を一定として、上記(1)式の関係を満
たす第3図のグラフから、1&Ilのn−vct(SA
T)/n−VCE(SAT) / I Cからnを求め
る。
〔2〕次に、上記〔1〕で得たnを用い、る。
〔3〕次に、
K =UaM・w/(UGM+w)”
とおき、ある値のWに対してU6,4を求めると次式%
式% ただし、(2)式のf−一の中は正でなければならない
から に≦0.25 ・・・・・・・・・・・
・・・・(3)の範囲に限定され、かつ、全動作面積を
最小にすることが要求されるので が求めるUGMである。
式% ただし、(2)式のf−一の中は正でなければならない
から に≦0.25 ・・・・・・・・・・・
・・・・(3)の範囲に限定され、かつ、全動作面積を
最小にすることが要求されるので が求めるUGMである。
〔4〕上記〔1〕〜〔3〕までを
n−VCE(SATI / I c
→UGM ・w/ n (UGM+ w)2の多数の組
について繰返し、そのうち全動作面積を最小にするU□
とWとの組を求める。
について繰返し、そのうち全動作面積を最小にするU□
とWとの組を求める。
(1)弐の定数AとBは、半導体基板仕様、拡散パラメ
ータ、ライフタイムなどにより変化するので、デバイス
のオン抵抗以外の特性パラメータ、例えばラッチアップ
特性、スイッチング特性、アバランシェ耐圧などにより
定数A、Bは前原て決めておく。
ータ、ライフタイムなどにより変化するので、デバイス
のオン抵抗以外の特性パラメータ、例えばラッチアップ
特性、スイッチング特性、アバランシェ耐圧などにより
定数A、Bは前原て決めておく。
第4図はパターン例の平面図で、その(a)は正方形パ
ターン、(b)は同図(a)のパターンの構造において
、セルどうしの相対する辺にはチャネル領域17(図に
は砂地を付して示す)が設けられてなく、これはラッチ
アップ対策として本発明者が考えた構造である。同図(
C)は六角形パターンを示す。第4図(a)〜(C)に
おいて、斜線を付した部分が単位ユニット26を構成し
、セル寸法UGMとセル間隔Wは図示の如きものである
。
ターン、(b)は同図(a)のパターンの構造において
、セルどうしの相対する辺にはチャネル領域17(図に
は砂地を付して示す)が設けられてなく、これはラッチ
アップ対策として本発明者が考えた構造である。同図(
C)は六角形パターンを示す。第4図(a)〜(C)に
おいて、斜線を付した部分が単位ユニット26を構成し
、セル寸法UGMとセル間隔Wは図示の如きものである
。
半導体基板11の例は第5図の(a)と(b)に断面図
で示され、同図(b)はn゛注入制御領域13が形成さ
れていない例である。ρ1は比抵抗を、Tは厚さを示す
。
で示され、同図(b)はn゛注入制御領域13が形成さ
れていない例である。ρ1は比抵抗を、Tは厚さを示す
。
寸法例として、VCES = 900Vの例では、ρl
さ Q、10cm、、 T+ = 30
μmpz−!50 Ωcm、 Tz = 1
00μmUcq=20.l/m 、 w=24μm
、 n=7000が前記式から得られた。MO3FE
T類推で設計=500μmとして、オン抵抗は0.3Ω
/10Aであった。
さ Q、10cm、、 T+ = 30
μmpz−!50 Ωcm、 Tz = 1
00μmUcq=20.l/m 、 w=24μm
、 n=7000が前記式から得られた。MO3FE
T類推で設計=500μmとして、オン抵抗は0.3Ω
/10Aであった。
こ−で、IGBTの主要特性をみるとラッチアップはパ
ターン形状(対策パターン)、ライフタイムτと、 スイッチングはρl + T I +ρ2+TZ+τと
、オン抵抗はρI + T l + T Z+ U G
M+ W +τと関係する。
ターン形状(対策パターン)、ライフタイムτと、 スイッチングはρl + T I +ρ2+TZ+τと
、オン抵抗はρI + T l + T Z+ U G
M+ W +τと関係する。
ラッチアップとスイッチング特性から、ρ1゜T1ρZ
+TZ+τ、パターン形状を決めておき、オン抵抗/ユ
ニットについては第3図のグラフからUG、、w、nを
決める。
+TZ+τ、パターン形状を決めておき、オン抵抗/ユ
ニットについては第3図のグラフからUG、、w、nを
決める。
実際は、オン抵抗は第1図に示すように電導度変調によ
りR−□iTsRcOmが小さくなってくるとRchの
影響が出てくるので(RchOC1/チャネル幅(4n
w))、この点も考慮してUGMSw、nを決める。
りR−□iTsRcOmが小さくなってくるとRchの
影響が出てくるので(RchOC1/チャネル幅(4n
w))、この点も考慮してUGMSw、nを決める。
なお、前記(4)式からえられるUG4、Wは理想的な
値であるので、現実の設計においては、開式から得られ
る値の±20%の範囲でUGイとWとを設計するとよい
。
値であるので、現実の設計においては、開式から得られ
る値の±20%の範囲でUGイとWとを設計するとよい
。
以上のように本発明によれば、(1)設計の基準が明確
になり、設計の確度が向上し、設計が容易になされ、(
2)MOSFETよりの類推の場合と比べて同程度の特
性のものについて、動作面積を40〜50%減少するこ
とができ、コストパフォーマンスの最適化が実現された
。
になり、設計の確度が向上し、設計が容易になされ、(
2)MOSFETよりの類推の場合と比べて同程度の特
性のものについて、動作面積を40〜50%減少するこ
とができ、コストパフォーマンスの最適化が実現された
。
第1図はI GBT断面図、
第2図はゲート引出し電極のストライプパターンの平面
図、 第3図は、UG)I ・w/ n (UGM + w
)”と線図、 第4図はパターン平面図、 第5図は半導体基板断面図である。 図中、 11は半導体基板、 12はコレクタ注入領域、 13はn゛注入制御I 領域、 14はコレクタ領域、 15はバックゲート領域、 16はn1型ソース領域、 17はチャネル領域、 18はコレクタ電極、 19は絶縁膜、 20はゲート電極、 21は絶縁膜、 22はエミッタ電極 を示す。
図、 第3図は、UG)I ・w/ n (UGM + w
)”と線図、 第4図はパターン平面図、 第5図は半導体基板断面図である。 図中、 11は半導体基板、 12はコレクタ注入領域、 13はn゛注入制御I 領域、 14はコレクタ領域、 15はバックゲート領域、 16はn1型ソース領域、 17はチャネル領域、 18はコレクタ電極、 19は絶縁膜、 20はゲート電極、 21は絶縁膜、 22はエミッタ電極 を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 複数の多角形セルで構成される絶縁ゲート型バイポー
ラトランジスタのセル間隔(U_G_M)とセル寸法(
w)とが、 U_G_M=1/2〔−(2w−w/K)−√{(2w
−w/K)^2−4w^2〕}(ただし、K≡〔U_G
_M・w〕/〔(U_G_M+w)^2〕≦0.25)
の関係の±20%以内で構成されてなることを特徴とす
る半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3538588A JPH01211978A (ja) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3538588A JPH01211978A (ja) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | 半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01211978A true JPH01211978A (ja) | 1989-08-25 |
Family
ID=12440440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3538588A Pending JPH01211978A (ja) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01211978A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002502127A (ja) * | 1998-02-02 | 2002-01-22 | エービービー リサーチ リミテッド | 炭化シリコン(SiC)トランジスタ |
US9190468B2 (en) | 2011-12-01 | 2015-11-17 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device |
-
1988
- 1988-02-19 JP JP3538588A patent/JPH01211978A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002502127A (ja) * | 1998-02-02 | 2002-01-22 | エービービー リサーチ リミテッド | 炭化シリコン(SiC)トランジスタ |
US9190468B2 (en) | 2011-12-01 | 2015-11-17 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor device |
DE112012005039B4 (de) * | 2011-12-01 | 2021-01-14 | Mitsubishi Electric Corp. | Halbleitervorrichtung |
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