JPH04216675A - Conductivity modulation type mosfet - Google Patents

Conductivity modulation type mosfet

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JPH04216675A
JPH04216675A JP40259790A JP40259790A JPH04216675A JP H04216675 A JPH04216675 A JP H04216675A JP 40259790 A JP40259790 A JP 40259790A JP 40259790 A JP40259790 A JP 40259790A JP H04216675 A JPH04216675 A JP H04216675A
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JP
Japan
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layer
impurity concentration
conductivity
buffer layer
voltage
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JP40259790A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasukazu Seki
康和 関
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types 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
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395Vertical transistors, e.g. vertical IGBT

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Abstract

PURPOSE:To reduce the total loss by improving the trade-off relation between the turn-OFF time and the ON-voltage of a conductivity modulation type MOSFET. CONSTITUTION:Impurity concentration of a buffer layer 2 is increased to be higher than or equal to 1X10<17>cm<-3>, and the carrier injection efficiency to a high resistance layer is decreased. Thereby the effect of lifetime killer can be restrained. Hence the decrease of carrier transfer efficiency of the high resistance layer is prevented, and the turn-OFF time is shortened. The buffer layer 2 is set to thinner than or equal to 15mum, thereby preventing the increase of ON-voltage. Trade-off can be more improved by using the diffusion of lifetime killer together with the irradiation of charged particles.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、バイポーラトランジス
タのベース電流をMOSFETのチャネル電流により供
給する伝導度変調型MOSFETに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a conductivity modulated MOSFET in which the base current of a bipolar transistor is supplied by the channel current of a MOSFET.

【0002】0002

【従来の技術】伝導度変調型MOSFETは、絶縁ゲー
ト型バイポーラトランジスタ (Insulated 
Gate Bipolar Transistor,I
GBT) と呼ばれるものである。近年、電力用スイッ
チング素子として電力用MOSFETに代わるものとし
て伝導度変調型MOSFETが注目されている。この伝
導度変調型MOSFETは、MOSFETと同様に入力
インピーダンスが高く、またバイポーラトランジスタと
同様にオン抵抗を低くすることが出来る。 第1図はその基本的な構造を示した。この構造では、p
+ 基板1の上に、例えばエピタキシャル法で高不純物
濃度n+ バッファ層2を介して積層された低不純物濃
度n− 層3の表面層内に選択的にpウエル層4が、さ
らにその表面層内に選択的にn+ソース層5が形成され
ている。pウエル層4のn− 層3の露出部とn+ ソ
ース層5との間に挟まれた表面部分は、チャネル領域4
1となる部分で、その上にゲート絶縁膜6を介してゲー
ト端子Gに接続されるゲート電極7が設けられる。そし
て、ソース層5上にはウエル層4と同時に接触しソース
端子Sに接続されるソース電極8が、またp+ 基板1
の裏面にドレイン端子Dに接続されるドレイン電極9が
設けられている。このような伝導度変調型MOSFET
では、ゲート・ソース間の電圧印加によりソース層5か
らチャネル領域41を通ってn− 層3に注入される電
子電流に対して、p+ 基板1からn+ 層2を介して
n−層3に正孔の注入が起こりターンオンする。この際
、n−層3とn+ 層2の一部で、伝導度変調を生ずる
。n− 層3に注入された正孔は、pウエル層4のソー
ス層5の直下を通ってソース電極8へ抜ける。ソース電
極8はp層4とn+ ソース層5を電気的に短絡してい
るので、p+ 層1, n+ 層2およびn− 層3,
 p層4, n+ 層5からなる4層構造のサイリスタ
動作を阻止し、ゲート・ソース間電圧をゼロにすること
で素子をターンオフ出来る。すなわち、この伝導度変調
型MOSFETは、従来の電力用縦型DMOSFETと
、ドレイン領域裏面に逆の導電型のp+ 層1を設けて
伝導度変調を起こしている点が異なる。
[Prior Art] A conductivity modulated MOSFET is an insulated gate bipolar transistor (Insulated gate type bipolar transistor).
Gate Bipolar Transistor,I
GBT). In recent years, conductivity modulation type MOSFETs have been attracting attention as power switching elements that can replace power MOSFETs. This conductivity modulation type MOSFET has a high input impedance like a MOSFET, and can have a low on-resistance like a bipolar transistor. Figure 1 shows its basic structure. In this structure, p
+ A p-well layer 4 is selectively formed in the surface layer of a low impurity concentration n- layer 3 laminated on the substrate 1 via a high impurity concentration n+ buffer layer 2 by, for example, an epitaxial method, and further in the surface layer. An n+ source layer 5 is selectively formed thereon. A surface portion of the p-well layer 4 sandwiched between the exposed portion of the n- layer 3 and the n+ source layer 5 is a channel region 4.
1, a gate electrode 7 connected to a gate terminal G via a gate insulating film 6 is provided thereon. Then, on the source layer 5, there is a source electrode 8 which contacts the well layer 4 at the same time and is connected to the source terminal S, and also has a p+ substrate 1.
A drain electrode 9 connected to the drain terminal D is provided on the back surface of the drain electrode 9 . Such conductivity modulated MOSFET
Now, with respect to the electron current injected from the source layer 5 to the n- layer 3 through the channel region 41 by applying a voltage between the gate and the source, a positive current is injected from the p+ substrate 1 to the n- layer 3 via the n+ layer 2. Hole injection occurs and turns on. At this time, conductivity modulation occurs in part of the n- layer 3 and n+ layer 2. The holes injected into the n- layer 3 pass directly under the source layer 5 of the p-well layer 4 and escape to the source electrode 8. Since the source electrode 8 electrically shorts the p layer 4 and the n+ source layer 5, the p+ layer 1, the n+ layer 2, the n- layer 3,
The device can be turned off by blocking the operation of the thyristor of the four-layer structure consisting of the p layer 4 and the n+ layer 5, and reducing the gate-source voltage to zero. That is, this conductivity modulation type MOSFET differs from the conventional power vertical DMOSFET in that a p+ layer 1 of the opposite conductivity type is provided on the back surface of the drain region to cause conductivity modulation.

【0003】上述のように伝導度変調型MOSFETで
は、n− 層3で伝導度変調を生ずるため著しく素子の
抵抗が低くなる。これは、伝導度変調によりキャリアが
著しく増加したことによる。このように伝導度変調を生
じさせることにより、素子の抵抗は下げることは可能で
あるが、本素子はスイッチング素子であるため、オン抵
抗が小さくても、スイッチング時のターンオン及びター
ンオフ時のスイッチング時間が遅くなっては実用的でな
い。キャリアが多いほど、このスイッチング時間は長く
なり、この結果スイッチング時の損失も大きくなる。こ
のため素子の抵抗値とスイッチング時間はトレードオフ
の関係にあるので、このトレードオフを如何に改善しう
るかが、素子の特性のポイントとなる。実際にはこのト
レードオフの改善は、ライフタイムキラーと称する素子
のライフタイムを著しく減少させるものを導入すること
によって行われている。
As mentioned above, in the conductivity modulation type MOSFET, conductivity modulation occurs in the n- layer 3, so that the resistance of the element is significantly lowered. This is due to the significant increase in carriers due to conductivity modulation. By causing conductivity modulation in this way, it is possible to lower the resistance of the element, but since this element is a switching element, even if the on-resistance is small, the switching time during turn-on and turn-off during switching can be reduced. It is not practical if it is too late. The more carriers there are, the longer this switching time will be, and as a result, the loss during switching will also be greater. Therefore, there is a trade-off relationship between the resistance value of the element and the switching time, and the key to the characteristics of the element is how this trade-off can be improved. In practice, this trade-off has been improved by introducing something called a lifetime killer, which significantly reduces the lifetime of the device.

【0004】しかしこの場合、伝導度変調を生じさせる
程度とライフタイムキラーの導入の程度には、正にその
素子の特性を左右するノウハウがある。伝導度変調を生
じさせる程度は勿論素子表面の電子電流の注入にもよる
が、更に正孔のn− 層3への注入も大きな割合を占め
る。この正孔の注入を律則しているのは、n+ 層2で
ある。このn+ 層の比抵抗は、すなわち、その不純物
濃度および厚さが、正孔の注入を、すなわち、伝導度変
調の程度を律則している。このn+ 層2の形成は、米
国特許第4364073号明細書あるいは特開昭60−
117673号公報にて公知である。特開昭60−11
7673号公報には、n+ 層の形成によりオン時のド
レイン電流中の電子電流の正孔電流に対する比率を大き
くすることによりゲート電圧がゼロとなって電子電流が
遮断された時の電流減少を大きくし、ターンオフ時間を
従来の1/2にまで短縮したと記載され、そのためには
バッファ層2の不純物量を3×1014cm−3以上に
することではじめて効果が得られると述べている。
However, in this case, the degree to which conductivity modulation is caused and the degree to which a lifetime killer is introduced depend on the know-how that truly influences the characteristics of the element. The extent to which conductivity modulation is caused depends, of course, on the injection of electron current at the element surface, and the injection of holes into the n- layer 3 also accounts for a large proportion. The n+ layer 2 regulates the injection of holes. The specific resistance of this n+ layer, that is, its impurity concentration and thickness, regulates hole injection, that is, the degree of conductivity modulation. The formation of this n+ layer 2 is described in US Pat.
This method is known from Japanese Patent No. 117673. Japanese Unexamined Patent Publication No. 1986-11
Publication No. 7673 discloses that by forming an n+ layer, the ratio of the electron current to the hole current in the drain current when on is increased, thereby increasing the current decrease when the gate voltage becomes zero and the electron current is cut off. However, it is stated that the turn-off time has been shortened to 1/2 of that of the conventional method, and that the effect can only be obtained by increasing the amount of impurities in the buffer layer 2 to 3.times.10@14 cm@-3 or more.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】IGBTのターンオフ
時のポイントは如何に電流を速くオフできるかである。 オン状態では伝導度変調が素子内部で生じておりキャリ
アはn− 層に満たされている。この状態で、ゲートが
遮断されるとチャネルを通じて供給されていた電子はそ
の経路を遮断される。しかしながら、通常はIGBTの
負荷はインダクタンス分を含むモータ等であるため、ゲ
ート遮断後も電流を維持し続けようとする。この電流を
素子内部では空乏層を拡げつつ供給し続けようとする。 これは以下の式で表せる。
The key point when turning off an IGBT is how quickly the current can be turned off. In the on state, conductivity modulation occurs inside the element and the n-layer is filled with carriers. In this state, when the gate is cut off, the path of the electrons that were being supplied through the channel is cut off. However, since the load of the IGBT is usually a motor or the like that includes inductance, the IGBT tries to maintain the current even after the gate is shut off. An attempt is made to continue supplying this current while expanding the depletion layer inside the element. This can be expressed by the following formula.

【0006】 I=α×C×dV/dt  〔α:定数, C:空乏層
容量〕
I=α×C×dV/dt [α: constant, C: depletion layer capacitance]

【0007】図2はIGBTの内部でのターンオ
フ時のキャリアの動きを示した。ターンオフ時にn− 
層3内に空乏層31が広がって行くに従って、この空乏
層31中に正孔11は落ち込み、落ち込んだ正孔11は
その空乏層31中の電界により、一気に加速されソース
側へ抜けて行く。電子12は空乏層31の広がりにより
押し出される形となりp+ 層1側 (ドレイン側) 
は押し出されて行く。ライフタイムキラーを導入するこ
とにより、キャリアの輸送効率は悪くキャリアのライフ
タイムも短い。 このため空乏層を大きく拡げて電流を維持し続ける必要
がある。空乏層が拡がっていく結果、n− 層の残り幅
が減少し、IGBTの内部に構成されるPNPトランジ
スタの電流増幅率を向上させる。このためターンオフ時
の正孔の再注入を促進してしまい、ターンオフ時間を長
くしている。
FIG. 2 shows the movement of carriers inside the IGBT at turn-off. n- at turn-off
As the depletion layer 31 spreads within the layer 3, the holes 11 fall into the depletion layer 31, and the fallen holes 11 are accelerated at once by the electric field in the depletion layer 31 and escape toward the source side. The electrons 12 are pushed out by the expansion of the depletion layer 31 and move to the p+ layer 1 side (drain side)
is being pushed out. By introducing a lifetime killer, carrier transportation efficiency is poor and carrier lifetime is shortened. For this reason, it is necessary to widen the depletion layer to continue to maintain the current. As the depletion layer expands, the remaining width of the n- layer decreases, improving the current amplification factor of the PNP transistor configured inside the IGBT. This promotes the re-injection of holes during turn-off, prolonging the turn-off time.

【0008】さらにライフタイムキラーを導入して改善
したターンオフ特性も温度が上昇すると悪くなるという
問題がある。これは次の理由による。ライフタイムキラ
ーを導入する場合は、ドレイン側からの注入効率を大き
く設定している。これは、内部のライフタイムキラーに
よりキャリアが再結合することによって消滅することに
よる輸送効率低下分を見込んでいるためである。この場
合温度が高くなると、ドレイン側のpn接合はその順方
向のエネルギー障壁は減少し、その注入は増大する。さ
らに、ライフタイムキラーは、高温になるにつれその効
力を失って行く。その理由は既に多くの論文でも明らか
なように、再結合中心の荷電子が熱的に励起されてしま
い、その結果この再結合中心を介してのキャリアの再結
合が困難となり、ライフタイムキラーとしての効力を失
ってしまうことになるからである。
Furthermore, there is a problem in that the turn-off characteristics, which have been improved by introducing a lifetime killer, deteriorate as the temperature increases. This is due to the following reason. When introducing a lifetime killer, the injection efficiency from the drain side is set high. This is because a decrease in transport efficiency due to the disappearance of carriers due to recombination due to an internal lifetime killer is anticipated. In this case, as the temperature increases, the forward energy barrier of the pn junction on the drain side decreases and the injection increases. Additionally, lifetime killers lose their effectiveness as the temperature increases. The reason for this, as has already been made clear in many papers, is that the valence electrons at the recombination center are thermally excited, and as a result, it becomes difficult for carriers to recombine through this recombination center, resulting in a lifetime killer. This is because it would lose its effectiveness.

【0009】ライフタイムキラーの種類によって、シリ
コン内部に形成する再結合エネルギー準位が異なるため
ライフタイムキラーとしての温度に対する効果の度合い
も変わる。しかしながら、高温になるに従って、ライフ
タイムキラーの効果が無くなって行くことには変わりは
ない。総じて、注入効率を上げていることと、ライフタ
イムキラーを用いていることとの2点からして温度上昇
に対しては、好ましくないことは明らかであるが、これ
を認識しつつも、ライフタイムキラーを用いて素子は作
らざるをなかった。
[0009] Depending on the type of lifetime killer, the recombination energy level formed inside the silicon differs, so the degree of effect of the lifetime killer on temperature also changes. However, the effect of the lifetime killer will continue to disappear as the temperature increases. Overall, it is clear that increasing injection efficiency and using a lifetime killer are unfavorable in response to temperature rise, but while recognizing this, it is important to Motoko had no choice but to create it using a time killer.

【0010】本発明の目的は、上述の問題を解決し、ラ
イフタイムキラーの悪影響を防止し、オン電圧の上昇を
抑制しながらターンオフ時間をさらに短縮し、その結果
総合損失の低減を計りうるターンオフ時間とオン電圧の
トレードオフ関係が得られるIGBTを提供することに
ある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, prevent the adverse effects of lifetime killer, further shorten the turn-off time while suppressing the increase in on-voltage, and as a result, provide a turn-off system that can reduce the total loss. The object of the present invention is to provide an IGBT that can obtain a trade-off relationship between time and on-voltage.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、第一導電型の低不純物濃度の第一層と
第二導電型の第二層の間に第一導電型の高不純物濃度の
バッファ層が介在し、第一層のそのバッファ層と反対側
の表面層内に選択的に第二導電型のウエル層が形成され
、そのウエル層の表面層内に選択的に第一導電型の高不
純物濃度のソース層が形成された半導体素体を有し、そ
の半導体素体のソース層と第一層とに挟まれたウエル層
の部分をチャネル領域としてそのチャネル領域の表面上
に絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、ソース層とウ
エル層の表面に共通にソース電極が接触し、第二層にド
レイン電極が接触するIGBTにおいて、バッファ層の
不純物濃度が1×1017cm−3以上、厚さが15μ
m以下であるものとする。このようなIGBTの半導体
素体に重金属元素が拡散されたことあるいはさらに荷電
粒子が照射されたことも有効である。またバッファ層の
不純物濃度が0.8〜1.2×1018cm−3で厚さ
が8〜12μmであり、半導体素体に重金属元素が拡散
されないことも有効である。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a structure in which a first conductivity type layer is formed between a first layer having a low impurity concentration of a first conductivity type and a second layer having a second conductivity type. A buffer layer with a high impurity concentration is interposed, a well layer of the second conductivity type is selectively formed in the surface layer of the first layer opposite to the buffer layer, and a well layer of the second conductivity type is selectively formed in the surface layer of the well layer. It has a semiconductor body in which a source layer of a first conductivity type with a high impurity concentration is formed, and a well layer sandwiched between the source layer and the first layer of the semiconductor body is used as a channel region. In an IGBT in which a gate electrode is provided on the surface of the buffer layer through an insulating film, the source electrode commonly contacts the surfaces of the source layer and the well layer, and the drain electrode contacts the second layer, the impurity concentration of the buffer layer is 1. ×1017cm-3 or more, thickness 15μ
m or less. It is also effective to diffuse heavy metal elements into the semiconductor element of such an IGBT or to irradiate it with charged particles. It is also effective that the buffer layer has an impurity concentration of 0.8 to 1.2×10 18 cm −3 and a thickness of 8 to 12 μm so that heavy metal elements are not diffused into the semiconductor body.

【0012】0012

【作用】ここで、n+ バッファ層10の不純物量を5
×1017cm−3以上で、厚さを15μm以下とした
場合の、IGBTとしての動作を考察する。
[Operation] Here, the amount of impurities in the n+ buffer layer 10 is set to 5
The operation as an IGBT will be considered when the thickness is 1017 cm-3 or more and the thickness is 15 μm or less.

【0013】図3に示すのは、図1のn− 層3の断面
方向での素子オン状態、すなわち伝導度変調でのキャリ
ア濃度である。横軸は左側はソース側、右側はドレイン
側であり、Aは従来のn+ バッファ層のもの、Bはn
+ バッファ層2の不純物濃度と厚さを本発明に基づく
値にしたものである。図3中に、ソース側とドレイン側
でキャリア濃度が高いのは、それぞれ電子と正孔注入が
あるからである。またAとBはほぼ同じオン電圧となる
場合を想定している。バッファ層2の比抵抗が高い (
不純物濃度が低い) 従来の素子では、ドレイン側,ソ
ース側からキャリアの注入が多いが、ライフタイムキラ
ーによる再結合により中央部でキャリアが消滅するので
図3のAに示すように中央部でのキャリア濃度の低下が
著しい。一方、Bに示す本発明の素子では、n+ バッ
ファ層2の比抵抗を低くし (不純物濃度を所定値まで
高くし) 、正孔の注入を抑制しているため、Aの場合
とオン電圧を同じにするためにはライフタイムキラーの
作用を抑制して内外のキャリア濃度差を少なくする必要
がある。このように同じオン電圧でもキャリア分布の異
なるIGBTのターンオフはどのようになるのかを考察
する。
FIG. 3 shows the carrier concentration in the device on state, that is, conductivity modulation, in the cross-sectional direction of the n- layer 3 in FIG. On the horizontal axis, the left side is the source side and the right side is the drain side, where A is the conventional n+ buffer layer and B is the n+ buffer layer.
+ The impurity concentration and thickness of the buffer layer 2 are set to values based on the present invention. The reason why the carrier concentration is high on the source side and the drain side in FIG. 3 is that electrons and holes are injected, respectively. Further, it is assumed that A and B have approximately the same on-voltage. The specific resistance of buffer layer 2 is high (
In conventional devices, carriers are often injected from the drain and source sides, but carriers disappear in the center due to recombination due to the lifetime killer, so as shown in A in Figure 3, carriers are injected in the center. Significant decrease in carrier concentration. On the other hand, in the device of the present invention shown in B, the specific resistance of the n+ buffer layer 2 is lowered (the impurity concentration is increased to a predetermined value), and hole injection is suppressed, so that the on-state voltage is lower than in case A. In order to maintain the same value, it is necessary to suppress the effect of the lifetime killer and reduce the difference in carrier concentration between the inside and outside. Let us consider how IGBTs with different carrier distributions turn off even with the same on-voltage.

【0014】図4では、横軸に時間(t)をとり、縦軸
はIGBTのターンオフ時の電流(i), 電圧(V)
の波形をそれぞれ示している。図4のA, Bは図3の
A, Bの場合にそれぞれ対応している。AとBとの相
違をゲートがオフした後の電圧の立ち上がりから考える
。Aの場合には、前述のように空乏層を大きく拡げて電
流を維持し続ける必要があるため、素子にかかる電圧は
図4のA(V)のように速く立ち上がる。これに対して
Bの場合にはライフタイムキラーの作用を抑制していて
キャリアの輸送効率は良いのでそれほど空乏層を拡げな
くとも充分電流は維持出来る。このため電圧の立ち上が
りは図4のB(V)のようになる。両者とも空乏層がn
+ バッファ層2まで到達すると急激に電圧を立ち上げ
て電流を維持し続けようとするが、通常の外部回路では
電圧はある一定値にてクランプされるので電流はそれぞ
れA(i),B(i)で示す曲線のように急速に減衰し
ていく。この時点までのスイッチング損失は、電圧と電
流の積で見積もれる。このスイッチング損失は図4に示
すように明らかにBが小さい。
In FIG. 4, the horizontal axis represents time (t), and the vertical axis represents the current (i) and voltage (V) when the IGBT is turned off.
The waveforms of each are shown. A and B in FIG. 4 correspond to cases A and B in FIG. 3, respectively. The difference between A and B is considered from the rise of the voltage after the gate is turned off. In the case of A, as described above, it is necessary to widen the depletion layer to continue to maintain the current, so the voltage applied to the element rises quickly as shown in A (V) in FIG. On the other hand, in the case of B, the effect of the lifetime killer is suppressed and carrier transport efficiency is good, so a sufficient current can be maintained without expanding the depletion layer so much. Therefore, the voltage rises as shown in B (V) in FIG. 4. In both cases, the depletion layer is n
+ When it reaches the buffer layer 2, the voltage is suddenly raised to try to maintain the current, but in normal external circuits the voltage is clamped at a certain value, so the currents are A(i) and B( It rapidly attenuates as shown by the curve i). Switching losses up to this point can be estimated as the product of voltage and current. As for this switching loss, B is clearly small as shown in FIG.

【0015】次にその後のターンオフの電流波形は以下
のように考察する。空乏層はn+ 層2に到達した後、
電圧はある一定値にてクランプされるため、それ以上空
乏層を拡げて電流を維持し続けることは出来ず、前述の
ように電流は急速に減少してゆく。n+ 層に空乏層が
到達するまでの挙動もAの場合とBの場合では次のよう
に異なる。前述のように空乏層がn− 層を拡がって行
くに従って、IGBTの主内部PNPトランジスタのベ
ース層は次第に狭まって行く。この結果、このトランジ
スタの電流増幅率 (hFE) はベースが薄くなるに
従って増加してゆく。しかしAとBではキャリアの輸送
効率が大きく異なる。また厚さ方向の位置による違いも
ある。Aの場合には元々輸送効率が悪いので、ベース層
が薄くなれば急激にそのhFEは増加してゆく。それに
対してBの場合では、輸送効率は厚さ方向の位置によっ
てその値は余り変わらないので、ベース層が薄くなって
もそのhFEはそれほど変化しない。これは空乏層が拡
がることでドレイン側へ押し出される電子がAに比べて
少ないので、これに応じて再注入する正孔の注入もAに
比べて少ないことを意味する。従ってターンオフ時の電
流の減少の様子は図4のAとBのように異なってくる。 すなわち、AのようにhFEの増加により流れるテール
電流がBの場合は少ないから、本発明の素子の方がター
ンオフ時間が短い。 またさらにBの場合が優れていることは、注入効率が低
くてもライフタイムキラーの作用を抑制しているため、
高温時のターンオフ特性と常温時のターンオフ特性との
差が少ないことである。そしてバッファ層の厚さを15
μm以下にしてオン電圧の上昇を防ぐ。
Next, the subsequent turn-off current waveform will be considered as follows. After the depletion layer reaches n+ layer 2,
Since the voltage is clamped at a certain value, the depletion layer cannot be further expanded to maintain the current, and the current rapidly decreases as described above. The behavior until the depletion layer reaches the n+ layer also differs between case A and case B as follows. As described above, as the depletion layer expands through the n- layer, the base layer of the main internal PNP transistor of the IGBT gradually narrows. As a result, the current amplification factor (hFE) of this transistor increases as the base becomes thinner. However, carrier transport efficiency between A and B is significantly different. There are also differences depending on the position in the thickness direction. In the case of A, since the transport efficiency is originally poor, the hFE increases rapidly as the base layer becomes thinner. On the other hand, in case B, the transport efficiency does not change much depending on the position in the thickness direction, so even if the base layer becomes thinner, its hFE does not change much. This means that because fewer electrons are pushed out to the drain side than in case A due to the expansion of the depletion layer, compared to case A, there are also fewer holes to be re-injected accordingly. Therefore, the manner in which the current decreases during turn-off differs as shown in A and B in FIG. 4. That is, since the tail current flowing due to an increase in hFE as in A is small in B, the turn-off time of the element of the present invention is shorter. Furthermore, case B is superior because even if the injection efficiency is low, the action of the lifetime killer is suppressed.
There is little difference between the turn-off characteristics at high temperatures and the turn-off characteristics at room temperature. And the thickness of the buffer layer is 15
Make it less than μm to prevent an increase in on-voltage.

【0016】その上、本発明に基づくバッファ層の不純
物濃度を高めた半導体素体に拡散させた重金属元素は、
高不純物濃度バッファ層の近傍に選択的に局在し、オン
電圧をほとんど上昇させることなくターンオフ時の速度
を速くするから、この面からもオン電圧とスイッチング
時間とのトレードオフ関係が改善される。
Furthermore, the heavy metal element diffused into the semiconductor element with increased impurity concentration in the buffer layer according to the present invention is
The high impurity concentration is selectively localized near the buffer layer, increasing the turn-off speed without increasing the on-voltage, which improves the trade-off between on-voltage and switching time. .

【0017】以上に述べた作用は、導電型を逆にしたp
チャネルIGBTにおいても同様である。
The above-mentioned effect is obtained when the conductivity type is reversed.
The same applies to channel IGBTs.

【0018】[0018]

【実施例】図1に示す構造をもつIGBTのn+ バッ
ファ層2を表1に示すように変えて作成し、さらにそれ
ぞれについてライフタイムキラーとしての金の拡散温度
を変化させてオン電圧とターンオフ時間のトレードオフ
関係を調べた。
[Example] The n+ buffer layer 2 of an IGBT having the structure shown in FIG. 1 was created with the changes shown in Table 1, and the on-voltage and turn-off time were further changed by changing the diffusion temperature of gold as a lifetime killer for each. We investigated the trade-off relationship.

【0019】[0019]

【表1】[Table 1]

【0020】図5は金の拡散温度を840〜880℃の
範囲で変化させて得たトレードオフ曲線である。図の左
が拡散温度が低く、右に進むにつれて拡散温度が高い。 試料23および試料24のトレードオフ関係はほぼ従来
素子と同様である。n+ バッファ層の不純物濃度を1
×1017cm−3以上、厚さを15μm以下にするこ
とによりトレードオフの改善が顕著なことがわかる。
FIG. 5 is a trade-off curve obtained by varying the gold diffusion temperature in the range of 840 to 880°C. The diffusion temperature is low on the left side of the diagram, and the diffusion temperature increases as it moves to the right. The trade-off relationship between sample 23 and sample 24 is almost the same as that of the conventional element. The impurity concentration of the n+ buffer layer is 1
It can be seen that the trade-off is significantly improved by setting the thickness to 1017 cm-3 or more and 15 μm or less.

【0021】n+ バッファ層の厚さに関しては、比抵
抗を十分低い値としているので、正孔の注入は極めて制
限される。このため、余り厚すぎるとオン電圧をおしあ
げて、トレードオフを悪くする。図5から判断して15
μm以下が好ましい。しかしながら、薄くしすぎると、
従来n+ バッファ層のもう一つの役割である耐圧のス
トッパとしての役を果たさなくなる。このため自ら適当
な値がある。
Regarding the thickness of the n+ buffer layer, since the resistivity is set to a sufficiently low value, injection of holes is extremely limited. For this reason, if it is too thick, the on-state voltage will be increased, making the trade-off worse. Judging from Figure 5, 15
It is preferably less than μm. However, if it is made too thin,
The other role of the conventional n+ buffer layer, which is a stopper for withstanding voltage, is no longer fulfilled. Therefore, it has its own appropriate value.

【0022】図6は試料22のIGBTの断面方向に局
在する金の濃度を拡がり抵抗により確認したもので、n
+ バッファ層2を低抵抗とすることにより、この部分
Cに金が溜り、ここからn− 層3に染み出している。 このようにライフタイムキラーがn− 層3に均一に存
在するのではなく、図中Dのように理想的な位置に局在
させることができるため、著しいトレードオフの改善が
達成できた。
FIG. 6 shows the concentration of gold localized in the cross-sectional direction of the IGBT of sample 22, confirmed by spreading resistance.
By making the + buffer layer 2 low in resistance, gold accumulates in this portion C and oozes out from there to the n- layer 3. In this way, the lifetime killer is not uniformly present in the n- layer 3, but can be localized at an ideal position as shown by D in the figure, so a significant trade-off improvement can be achieved.

【0023】次に、バッファ層2の不純物量を5×10
17cm−3で、厚さを10μmとして作成したIGB
Tに、金拡散を適用した。金拡散の温度を、840〜8
80℃まで変化させ、さらに電子線照射を適用しそのト
レードオフを確認した。従来のIGBTのトレードオフ
と本発明のトレードオフを比較し図7に示した。図にお
いて、線71は従来品、線72は金拡散のみを施した試
料、すなわち22と同様の試料、線73は金拡散を電子
線照射の双方を行った試料である。図6に示したように
n+ 層2の近傍の理想的な位置Dにライフタイムキラ
ーが存在するIGBTに、さらにその不足分を補うかた
ちで荷電粒子の照射を行い、n− 層3の厚さ方向に均
一にライフタイムキラーを生じさせることにより、トレ
ードオフの一層の改善が図られる。
Next, the amount of impurities in the buffer layer 2 is set to 5×10
IGB made with a size of 17cm-3 and a thickness of 10μm
Gold diffusion was applied to T. The temperature of gold diffusion is set to 840-8
The temperature was changed to 80°C, and electron beam irradiation was applied to confirm the trade-off. FIG. 7 shows a comparison of the trade-off of the conventional IGBT and the trade-off of the present invention. In the figure, a line 71 indicates a conventional product, a line 72 indicates a sample subjected to only gold diffusion, that is, a sample similar to 22, and a line 73 indicates a sample subjected to both gold diffusion and electron beam irradiation. As shown in Fig. 6, the IGBT in which the lifetime killer exists at the ideal position D near the n+ layer 2 is further irradiated with charged particles to compensate for the deficiency, and the thickness of the n- layer 3 is increased. By uniformly generating the lifetime killer in the direction, the trade-off can be further improved.

【0024】なお図1と各層を逆の導電型とした場合に
も、p− 層とドレイン電極側のn+層の間に、不純物
量1.5×1018cm−3以上で厚さ15μm以下の
p+ 層を形成することで、以上の実施例と同じ効果を
得ることができる。
Even when the conductivity types of each layer are opposite to those shown in FIG. 1, there is a p+ layer between the p- layer and the n+ layer on the drain electrode side with an impurity amount of 1.5 x 1018 cm-3 or more and a thickness of 15 μm or less. By forming layers, the same effects as in the above embodiments can be obtained.

【0025】本発明の別の実施例として、図1に示すI
GBTのn+バッファ層2を、不純物量を1×1018
cm−3で、厚さを10μmとして作成し金拡散を行わ
せなかったIGBTについて、そのトレードオフをバッ
ファ層2の比抵抗と厚さを変えることにより得て、ライ
フタイムキラーの導入量の変化により得た従来品のトレ
ードオフと比較した結果を図8に示す。図において線8
1は従来品、線82は実施例のIGBTの場合である。
As another embodiment of the invention, I
GBT n+ buffer layer 2 with impurity amount of 1×1018
cm-3 with a thickness of 10 μm and without gold diffusion, the trade-off was obtained by changing the specific resistance and thickness of the buffer layer 2, and the amount of lifetime killer introduced was changed. Figure 8 shows the results of a comparison with the trade-off of the conventional product. Line 8 in the figure
1 is the conventional product, and line 82 is the IGBT of the embodiment.

【0026】本実施例の狙いは、まずバッファ層2を極
力低抵抗化 (高不純物濃度化) してドレイン側から
の正孔の注入効率を下げることを狙いとする。しかしな
がら、極限まで低抵抗化してしまうと、最後に注入が全
く起こらなくなり、この結果オンしなくなってしまう。 また、オンはするが、オン電圧の高いものになってしま
う。このため、バッファ層の不純物濃度は0.8〜1.
2×1018cm−3で、実際には、比抵抗ばかりでな
く、その厚さも8〜12μmに限定するのがよい。これ
以上厚いと、注入を制限してしまい、オン電圧が高くな
ってしまう。さらに本発明はオン電圧を従来のものと遜
色のないものとするように、n+ バッファ層の比抵抗
と厚さのみで正孔の注入を制限しようとするものである
。従って、ライフタイムキラーを用いる必要がない。す
なわち注入効率を下げて、ライフタイムキラーを用いな
いため、輸送効率を上げることで、オン電圧を維持する
。このIGBTでは注入効率を下げライフタイムキラー
を用いないので、高温時でも常温時とほとんど電気的特
性が変化しない。
The aim of this embodiment is first to reduce the resistance of the buffer layer 2 as much as possible (increase the impurity concentration) to lower the injection efficiency of holes from the drain side. However, if the resistance is reduced to an extremely low level, no injection will occur at all, and as a result, the device will not turn on. Also, although it turns on, the on-voltage is high. Therefore, the impurity concentration of the buffer layer is 0.8 to 1.
2×10 18 cm −3 , and in reality, it is better to limit not only the specific resistance but also the thickness to 8 to 12 μm. If it is thicker than this, the implantation will be restricted and the on-state voltage will become high. Furthermore, the present invention attempts to limit the injection of holes only by the specific resistance and thickness of the n+ buffer layer so that the on-voltage is comparable to that of the conventional one. Therefore, there is no need to use a lifetime killer. In other words, by lowering the injection efficiency and not using a lifetime killer, the on-voltage is maintained by increasing the transport efficiency. Since this IGBT lowers the injection efficiency and does not use a lifetime killer, the electrical characteristics hardly change even at high temperatures compared to at normal temperatures.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明によれば、バッファ層の不純物濃
度を1×1017cm−3以上にして低抵抗化し、その
厚さを15μm以下にすることによって高抵抗層へのキ
ャリアの注入を抑制することにより、ターンオフ時の速
度をオン電圧を殆ど上昇させることにより、スイッチン
グ時間とオン電圧のトレードオフ関係の大幅な改善が図
られる。さらにライフタイムキラーを拡散させた場合に
、高不純物濃度のバッファ層にライフタイムキラーがト
ラップされるので、高抵抗層中の理想的な位置にライフ
タイムキラーを局在させることができ、ライフタイムキ
ラーの拡散および荷電粒子の照射によるライフタイムキ
ラーの生成の効果を有効に両立させることができる。一
方、ライフタイムキラーを用いないでもスイッチング時
間を短くすることができるため、高温時でも常温時と殆
ど電気特性が変化しないという大きな長所を有するIG
BTが得られる。これは素子としての信頼性を含めて大
きな長所である。またプロセスの面からも、汚染源とな
る重金属を用いないことや、ライフタイムキラーにかか
わる工程がないことも含めて、トータルコストダウンに
繋がり、きわめて大きな効果が得られる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, the impurity concentration of the buffer layer is made to be 1×10 17 cm -3 or more to lower the resistance, and the thickness is made to be 15 μm or less to suppress the injection of carriers into the high resistance layer. By increasing the turn-off speed by almost increasing the on-voltage, the trade-off relationship between the switching time and the on-voltage can be significantly improved. Furthermore, when the lifetime killer is diffused, the lifetime killer is trapped in the buffer layer with high impurity concentration, so the lifetime killer can be localized at an ideal position in the high resistance layer, and the lifetime It is possible to effectively achieve both the effects of diffusion of the killer and generation of the lifetime killer by irradiation with charged particles. On the other hand, since the switching time can be shortened without using a lifetime killer, IG has the great advantage that its electrical characteristics hardly change even at high temperatures compared to at room temperature.
BT is obtained. This is a great advantage including reliability as an element. In addition, from a process perspective, the process does not use heavy metals that can be a source of contamination, and there are no steps involved in life-time killers, leading to total cost reductions and an extremely large effect.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の実施されるIGBTの構造を示す断面
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an IGBT in which the present invention is implemented.

【図2】IGBTのターンオフ時のキャリアの動きを示
す断面図
[Figure 2] Cross-sectional view showing the movement of the carrier during turn-off of the IGBT

【図3】IGBTの伝導度変調状態でのn− 層中のキ
ャリア濃度分布図
[Figure 3] Carrier concentration distribution diagram in the n- layer in the conductivity modulation state of IGBT

【図4】IGBTのターンオフ時の電流, 電圧波形図
[Figure 4] Current and voltage waveform diagram at IGBT turn-off

【図5】本発明の実施例を含むIGBTのオン電圧とタ
ーンオフ時間のトレードオフ関係線図
FIG. 5 is a trade-off relationship diagram between on-voltage and turn-off time of IGBTs including embodiments of the present invention.

【図6】金拡散を行ったIGBTのたて方向金濃度分布
[Figure 6] Vertical gold concentration distribution diagram of IGBT with gold diffusion

【図7】本発明の別の実施例と比較例のIGBTのオン
電圧とターンオフ時間のトレードオフ関係線図
FIG. 7 is a trade-off relationship diagram between on-voltage and turn-off time of IGBTs of another embodiment of the present invention and a comparative example.

【図8】
本発明のさらに別の実施例と従来品のIGBTのオン電
圧とターンオフ時間のトレードオフ関係線図
[Figure 8]
Trade-off relationship diagram between on-voltage and turn-off time of still another embodiment of the present invention and conventional IGBT

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1    p+ 層 2    n+ バッファ層 3    n− 層 4    pウエル層 5    n+ ソース層 6    ゲート酸化膜 7    ゲート電極   8    ソース電極 9    ドレイン電極 41    チャネル領域 1 p+ layer 2 n+ buffer layer 3 n- layer 4 P well layer 5 n+ source layer 6 Gate oxide film 7 Gate electrode 8 Source electrode 9 Drain electrode 41 Channel area

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第一導電型の低不純物濃度の第一層と第二
導電型の第二層の間に第一導電型の高不純物濃度のバッ
ファ層が介在し、第一層のそのバッファ層と反対の表面
層内に選択的に第二導電型のウエル層が形成され、さら
にそのウエル層の表面層内に選択的に第一導電型の高不
純物濃度のソース層が形成された半導体素体を有し、そ
の半導体素体のソース層と第一層とに挟まれたウエル層
の部分をチャネル領域としてそのチャネル領域の表面上
に絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、ソース層とウ
エル層の表面に共通にソース電極が接触し、第二層にド
レイン電極が接触するものにおいて、バッファ層の不純
物濃度が1×1017cm−3以上、厚さが15μm以
下であることを特徴とする伝導度変調型MOSFET。
Claim 1: A buffer layer of a first conductivity type with a high impurity concentration is interposed between a first layer of a first conductivity type with a low impurity concentration and a second layer of a second conductivity type, and the buffer layer of the first conductivity type has a high impurity concentration. A semiconductor in which a well layer of a second conductivity type is selectively formed in a surface layer opposite to the surface layer, and a source layer of a first conductivity type with a high impurity concentration is selectively formed in the surface layer of the well layer. The well layer sandwiched between the source layer and the first layer of the semiconductor element is used as a channel region, and a gate electrode is provided on the surface of the channel region via an insulating film. The buffer layer has an impurity concentration of 1 x 1017 cm-3 or more and a thickness of 15 μm or less, in which the source electrode is in common contact with the surface of the well layer and the drain electrode is in contact with the second layer. conductivity modulation type MOSFET.
【請求項2】請求項1記載のMOSFETにおいて、半
導体素体に重金属元素が拡散された伝導度変調型MOS
FET。
2. The MOSFET according to claim 1, which is a conductivity-modulated MOS in which a heavy metal element is diffused in a semiconductor element.
FET.
【請求項3】請求項2記載のMOSFETにおいて、半
導体素体にさらに荷電粒子が照射された伝導度変調型M
OSFET。
3. The MOSFET according to claim 2, wherein the conductivity-modulated MOSFET is further irradiated with charged particles on the semiconductor element.
OSFET.
【請求項4】請求項1記載のMOSFETにおいて、バ
ッファ層の不純物濃度が0.8〜1.2×1018cm
−3で厚さが8〜12μmであり、半導体素体に重金属
元素が拡散されない伝導度変調型MOSFET。
4. The MOSFET according to claim 1, wherein the buffer layer has an impurity concentration of 0.8 to 1.2×10 18 cm.
-3, the thickness is 8 to 12 μm, and a conductivity modulation type MOSFET in which heavy metal elements are not diffused into the semiconductor element.
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