KR0133556B1 - Lateral insulated gated bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터에 관한 것으로, SOI기판상에 집적되는 수평형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터에 있어서, 주입된 정공들에 의한 래치업 발생을 억제하기 위하여, 주입된 정공들을 포획하는 캐소오드전극이 모오스 트랜지스터가 집적된 영역보다 근접되는 위치에 형성된 불순물영역에 접속되도록 형성함으로써, 상기 모오스 트랜지스터가 집적된 영역을 통과하는 정공들을 대폭 감소시킴으로써, 상기 정공들에 의한 정공전류에 기인된 전압강하를 감소시켜 래치업 발생 임계전류치를 대폭 높여 줄 수 있는 수평형 절연게인트 바이폴라 트랜지스터가 제공된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a horizontal insulated gate bipolar transistor, wherein a horizontal insulated gate bipolar transistor integrated on an SOI substrate includes: a cathode for capturing the injected holes in order to suppress the latchup caused by the injected holes; The electrode is formed to be connected to an impurity region formed at a position closer to the region where the MOS transistor is integrated, thereby greatly reducing the holes passing through the region where the MOS transistor is integrated, thereby reducing the voltage drop caused by the hole current caused by the holes. A horizontal isolation gate bipolar transistor is provided that can significantly reduce the latch-up threshold current.
Description
제1도는 SOI기판상에 집적된 종래의 LIGBT의 구조를 보이는 단면구조도.1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional LIGBT integrated on an SOI substrate.
제2도는 제1도에 도시한 LIGBT의 등가회로도.2 is an equivalent circuit diagram of the LIGBT shown in FIG.
제3도는 SOI기판상에 집적된 본 발명에 따른 LIGBT의 구조를 보이는 단면구조도.3 is a cross-sectional view showing the structure of the LIGBT according to the present invention integrated on an SOI substrate.
제4도는 제3도에 도시한 LIGBT의 등가회로도.4 is an equivalent circuit diagram of the LIGBT shown in FIG.
제5도는 본 발명에 따른 LIGBT와 종래기술에 따른 LIGBT에서 캐리어의 수명변화에 따른 래치업 발생 임계치전류의 크기를 비교하여 보이는 도면.5 is a view showing a comparison of the magnitude of the latch-up generation threshold current according to the life of the carrier in the LIGBT according to the present invention and the LIGBT according to the prior art.
제6도는 본 발명에 따른 LIGBT와 종래기술에 따른 LIGBT에서 순방향 전압강하에 따른 래치업이 발생되는 전류밀도의 값을 비교하여 보이는 도면.Figure 6 is a view showing a comparison of the value of the current density that the latch-up according to the forward voltage drop in the LIGBT according to the present invention and the LIGBT according to the prior art.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 하부 실리콘 기판 12 : 절연막10 lower silicon substrate 12 insulating film
14 : N-에피층 16 : 애노오드전극14 N-epitaxial layer 16 anode electrode
22 : 캐소오드전극22: cathode electrode
본 발명은 절연게이트 바이폴라 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 반도체기판상에 집적된 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(Lateral Insulated Gated Bipolar Transistor : 이하 LIGBT라 칭함)에 관한 것이다.The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor, and more particularly, to a horizontal insulated gated bipolar transistor (hereinafter referred to as LIGBT) integrated on a semiconductor substrate.
최근, 전력소자로 널리 사용되는 LIGBT는 모오스 트랜지스터와 바이폴라 트랜지스터의 구조를 결합하여 얻어지는 소자로서, 모오스 트랜지스터가 가지는 온오프 제어의 용이성과 바이폴라 트랜지스터가 갖는 전류전달능력을 모두 갖고 있는 우수한 전력소자이다. 이러한 LIGBT를 사용함에 있어 가장 곤란한 문제점은 래치업에 취약하기 때문에, 래치업 발생없이 스위칭할 수 있는 전류의 크기에 제한을 갖게 된다는 점이다.Recently, LIGBT, which is widely used as a power device, is a device obtained by combining the structures of a MOS transistor and a bipolar transistor, and is an excellent power device having both the ease of on / off control of the MOS transistor and the current transfer capability of the bipolar transistor. The most difficult problem in using such a LIGBT is that it is vulnerable to latchup, which limits the amount of current that can be switched without latchup.
최근의 반도체소자들중, 절연물질에 의해 하부의 반도체기판과 이격되는 실리콘층을 갖는 SOI기판을 벌크로 이용하는 반도체소자는 높은 신뢰성과 빠른 동작속도를 얻을 수 있고, 집적도를 높이기에 용이하다는 장점을 갖는다. SOI기판을 사용하게 되면 절연격리가 매우 우수하므로, 상기 SOI기판상에 전력용 집적회로소자(power IC)를 형성하게 되면 빠른 스위칭속도를 얻을 수 있고 저전압에서 동작되는 일반적인 논리회로와 전력용 소자를 서로 구조적으로 분리할 수 있다는 장점을 얻을 수 있다. 그에 따라 LIGBT가 집적되어지는 기판으로서 SOI기판을 사용하는 기술이 개발되어 왔다.Among the semiconductor devices of recent years, semiconductor devices using a SOI substrate having a silicon layer spaced apart from an underlying semiconductor substrate by an insulating material in bulk can obtain high reliability, fast operation speed, and easy integration. Have Insulation isolation is very excellent when SOI substrate is used. Therefore, if a power IC is formed on the SOI substrate, fast switching speed can be obtained and general logic circuit and power device operating at low voltage can be obtained. The advantage is that it can be structurally separated from each other. Accordingly, a technology of using an SOI substrate as a substrate on which LIGBT is integrated has been developed.
제1도에 종래기술에 따라 SOI기판상에 집적된 LIGBT의 단면구조도가 도시되어 있다. 제1도를 참조하면, 실리콘 기판(10)과 절연막(12)을 개재하는 n-에피층(14)으로 이루어진 SOI기판이 도시되어 있다. 상기 n-에피층(14)의 주표면상에는, 애노오드(anode)전극(16)에 접속되는 p+웰(18)과 상기 p+웰(18)과 소정거리 이격되며 일표면이 노출된 p-웰(20)과, 일측부가 상기 p-웰(20)과 접속되며 상면이 캐소오드(cathode)전극(22)에 접속된 p+메몰웰(24)과, 상면이 상기 캐소오드전극(22)에 접속되며 상기 p+메몰웰(24) 및 p-웰(20)과 PN접합을 이루도록 형성된 n+소오스영역(26)이 형성되어 있다. 서로 나란한 n+소오스영역(26)의 노출 표면, p-웰(20)의 노출표면 n-에피층(14)의 일부표면에 걸쳐 게이트절연막에 의해 이격되는 게이트전극(28)이 형성되어 있으며, 상기 게이트전극은 절연막(30)에 의해 캐소드전극과 절연되어 있다. 제1도에서 애노오드전극으로부터 캐소오드전극으로 향하는 선들은 주입된 정공들에 의한 정공전류의 흐름을 나타낸다.1 is a cross-sectional structural diagram of an LIGBT integrated on an SOI substrate according to the prior art. Referring to FIG. 1, there is shown an SOI substrate composed of an n − epilayer 14 via a silicon substrate 10 and an insulating film 12. On the main surface of the n − epitaxial layer 14, p + well 18 connected to the anode electrode 16 and p + well spaced apart from the p + well 18 by a predetermined distance are exposed. - well 20, and a side portion wherein the p-well 20 and the connection and the top surface is the cathode (cathode) electrode of p + memol-well 24 and the upper surface is the cathode electrode (22 connected to the 22 And n + source region 26 formed to be connected to the p + methwell 24 and the p - well 20 to form a PN junction. A gate electrode 28 spaced apart by a gate insulating film is formed over an exposed surface of n + source region 26 parallel to each other and an exposed surface of n - epi layer 14 of p - well 20. The gate electrode is insulated from the cathode by the insulating film 30. In FIG. 1, the lines from the anode electrode to the cathode electrode indicate the flow of hole current by the injected holes.
제2도는 제1도의 등가회로도이다. 제2도에서, Q1은 제1도의 p+웰(18), n-에피층(14), p-웰(20)에 의해 형성되는 PNP형 바이폴라 트랜지스터이며, 저항 Rs는 p-웰(20), n+소오스영역(26)에 의해 형성되는 NPN형 바이폴라 트랜지스터이다. T1은 n-에피층(14)을 드레인으로 n+소오스영역(26)을 소오스로 p-웰(20)의 노출표면 하부를 채널영역으로 가지며 그 상부에 형성된 게이트전극(28)에 인가되는 전압에 의해 턴온 또는 턴오프가 제어되는 엔채널 모오스 트랜지스터이다.2 is an equivalent circuit diagram of FIG. In FIG. 2, Q1 is a PNP type bipolar transistor formed by p + well 18, n - epilayer 14, p - well 20 of FIG. 1, and resistor Rs is p - well 20 is an NPN type bipolar transistor formed by n + source region 26. T1 is n-voltage applied to the gate electrode 28 is formed having a channel region of the exposed surface lower portion of the well 20 in the upper-epi layer to the drain (14), n + source region to a source (26) p It is an N-channel MOS transistor whose turn-on or turn-off is controlled by.
제2도를 참조하여 제1도의 동작을 살펴본다. 게이트전극(28)에 턴온전압이 공급되어 p-웰(20)의 노출표면 하부에 반전층이 형성되면 엔채널 모오스 트랜지스터 T1이 턴온되고, 그에 따라 전자가 n+소오스영역(26)으로부터 PNP바이폴라 트랜지스터 Q1의 베이스인 n-에피층(14)에 주입되므로써 Q1이 구동된다. 이때 순방향 바이어스전압이 인가되는 애노오드전극(16)으로부터 정공(hole)들이 p+드레인영역(18)을 통하여 n-에피층(14)으로 주입된다. 상기 주입되는 정공들에 의해 n-에피층(14)의 전도도 변조(conductivity modulation)를 일으키는 소수 캐리어 주입효과가 발생되고, 그에 따라 n-에피층(12)의 순방향 전압강하가 크게 줄어들게 됨은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상 지식인에게는 널리 알려진 주지의 사실이다.The operation of FIG. 1 will be described with reference to FIG. 2. When the turn-on voltage is supplied to the gate electrode 28 to form an inversion layer below the exposed surface of the p - well 20, the N-channel MOS transistor T1 is turned on, so that electrons are n + source region 26 from the PNP bipolar. Q1 is driven by being injected into the n - epi layer 14 which is the base of the transistor Q1. At this time, holes are injected from the anode electrode 16 to which the forward bias voltage is applied to the n − epitaxial layer 14 through the p + drain region 18. By which the injection hole n - the minority carrier injection effect to cause the conductivity modulation (conductivity modulation) of the epilayer (14) is generated, n accordingly - the invention doemeun reduce the forward voltage drop of the epi layer 12 greatly It is a well-known fact known to those skilled in the art.
PNP형 바이폴라 트랜지스터가 구동되는 동안 상기 주입된 정공들은 n-에피층(14) 및 p-웰(20)을 차례로 지나 캐소오드(22)에 포획된다. 상기 정공들의 이동에 따른 정공전류는 엔채널 모오스 트랜지스터 T1의 소오스인 n+소오스영역(26) 하부에 위치한 p-웰(20)을 통하여 캐소오드(22)로 흐르게 됨에 따라, p-웰(20)로부터 캐소오드전극(22)에 이르는 경로상의 저항 Rs에서 전압강하가 일어나게 된다. 이 전압강하가 P-N접합의 컷트-인 전압(예컨대 0.7볼트)이상이 되어 p-웰(20)과 n+소오스영역(26) 사이의 순방향 바이어스전압으로 작용하게 되면, n+소오스영역(26)으로부터 p-웰(20)로 대량의 전자가 유입되어 p+웰(18)→n-에피층(14)→p-웰(20)→n+소오스영역(26)으로 이루어지는 PNPN 싸이리스터(thyristor)를 턴온시키게 된다. 그 결과로, 엔채널 모오스 트랜지스터 T1의 게이트전극에 턴오프전압을 인가하여도 전류채널을 턴오프시킬 수 없게 되는 래치업 현상이 일어난다. 일단 래치업 현상이 일어나게 되면 모오스 트랜지스터의 게이트를 통한 턴오프 제어가 불가능할 뿐만 아니라, 과도한 전류가 급격히 흐르게 되어 소자 자체에도 치명적인 손상을 유발한다.While the PNP type bipolar transistor is being driven, the injected holes are captured in the cathode 22 through the n − epilayer 14 and the p − well 20 in turn. As the flow to the cathode 22 via the well (20), p - - p is located at the lower hole current yen channel Mohs source and the n + source region 26 of the transistor T1 in accordance with the movement of the hole-well (20 A voltage drop occurs in the resistance Rs on the path from the to the cathode electrode 22. When the voltage drop becomes greater than the cut-in voltage (for example, 0.7 volts) of the PN junction and acts as a forward bias voltage between p − well 20 and n + source region 26, n + source region 26. from p - a large amount of electrons are flowing into the well (20) p + well (18) → n - epitaxial layer (14) → p - well (20) → n + composed of a source region (26) PNPN thyristor (thyristor ) Will be turned on. As a result, a latch-up phenomenon occurs in which the current channel cannot be turned off even when the turn-off voltage is applied to the gate electrode of the N-channel MOS transistor T1. Once latch-up occurs, not only the turn-off control through the gate of the MOS transistor is impossible, but excessive current flows rapidly, causing serious damage to the device itself.
더욱이, 제1도에 도시한 바와 같이 SOI기판상에 LIGBT를 집적하는 경우, 애노오드에서 주입되는 소수 캐리어인 정공들이 기판으로 흐르지 못하게 됨에 따라 모두 상기 저항 Rs를 통하여 캐소오드로 흐르게 되므로, 래치업 발생에 더욱 취약하다는 불리함을 갖는다.Further, as shown in FIG. 1, in the case of integrating LIGBT on the SOI substrate, since the holes, the minority carriers injected from the anode, do not flow to the substrate, all flow through the resistor Rs to the cathode, thus latching up. It has the disadvantage of being more susceptible to occurrence.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 애노오드측에서 공급하는 동작전류를 래치업이 발생되는 임계전류치 이하로 낮추어야 하나, 이 경우 n-에피층에서 발생되는 순방향 전압강하가 커지게 되어 고전류 스위칭 동작이 요구되는 전력용 소자로 사용하기에 부적합하다. 이러한 문제점에 따라, 사용자의 측면에서 볼 때 순방향 전압강하가 커지는 문제점을 다소 감수하더라도 래치업 발생에 강한 LIGBT를 사용하거나, 또는 래치업 발생의 문제점을 다소 감수하더라도 순방향 전압감소를 줄여 고전류 스위칭에 적합한 LIGBT를 사용하여야 하는 불리한 취사선택을 갖게 된다.In order to solve this problem, the operating current supplied from the anode side should be lowered below the threshold current value at which latch-up occurs, but in this case, the forward voltage drop generated at the n - epi layer increases, requiring high current switching operation. Not suitable for use as a device. According to this problem, the user may use LIGBT, which is strong against latchup, even if the user experiences the problem of large forward voltage drop, or reduces the forward voltage decrease even if the user experiences the problem of latchup. You have the disadvantage of having to use LIGBT.
상기 문제점들을 해결하기 위하여, SOI기판상에 LIGBT를 집적할 때에 래치업의 발생을 억제할 수 있는 여러가지 기술들이 개발되었다. 대표적인 예로써, 래치업의 원인이 되는 p-웰에 이온주입을 행하여 저항 Rs를 낮추는 방법이 1993년 간행된 PROCEDING INTERNATIONAL 5th. SYMPOSIUM ISPSD'93의 페이지 254∼258에 걸쳐 개시되어 있고, 실리사이드 접촉을 이용하여 n+소오스영역의 길이를 줄여 저항 Rs를 낮추는 방법이 1990년 간행된 SOLID STATE ELECTRONICS, Vol. 33, No. 5 페이지 497∼501에 걸쳐 개시되어 있으며, 또한 트랜치를 이용하여 n+소오스영역의 길이를 줄여 Rs 저항을 낮추는 방법이 1993년 간행된 PROCEDING INTERNA TIONAL 5th. SYNPOSIUM ISPSD'93의 페이지 236∼239에 걸쳐 개시되어 있다.In order to solve the above problems, various techniques have been developed that can suppress the occurrence of latchup when integrating LIGBT on an SOI substrate. As a representative example, a method of lowering the resistance Rs by implanting ions into a p - well that causes latch-up is described in PROCEDING INTERNATIONAL 5th. SYMPOSIUM ISPSD'93 is described on pages 254-258, and a method of reducing the resistance Rs by reducing the length of n + source region using silicide contact was published in 1990 by SOLID STATE ELECTRONICS, Vol. 33, No. 5, pp. 497-501, and a method of reducing the resistance of Rs by reducing the length of the n + source region using trenches was published in 1993. PROCEDING INTERNA TIONAL 5th. See pages 236-239 of SYNPOSIUM ISPSD'93.
그러나 상기한 종래 개선방법들에 따르면, 순방향 전압강하를 유발하지 않으면서도 래치업이 발생되는 임계전류치를 어느 정도 높일 수 있는 효과를 갖게 되나, 저항 Rs를 통하여 흐르는 정공전류는 여전히 존재함에 따라 래치업이 발생되는 동작전류의 한계가 낮으므로, 동작전류가 증가하면 래치업이 발생되는 등의 근본적인 문제점은 여전히 개선되지 않는다.However, according to the conventional improvement methods described above, the latch current can be increased to some extent without causing forward voltage drop, but the hole current flowing through the resistor Rs is still present. Since the limit of the generated operating current is low, a fundamental problem such as latchup occurs when the operating current increases is still not improved.
따라서, 상기한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전력용 개별소자로서 적합하도록 고전류 스위칭이 가능한 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention to solve the above problems is to provide a horizontal insulated gate bipolar transistor capable of high current switching to be suitable as a separate power element.
본 발명의 다른 목적은 고전류 스위칭이 가능하도록 순방향 전압강하가 적은 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a horizontal insulated gate bipolar transistor having a low forward voltage drop to enable high current switching.
본 발명의 또다른 목적은 SOI기판상에 집적되어질 때 래치업의 발생을 억제할 수 있는 구조를 갖는 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a horizontal insulated gate bipolar transistor having a structure capable of suppressing the occurrence of latchup when integrated on an SOI substrate.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명은, 하부표면이 제2도전형 반도체기판과 면접되는 제1도전형의 반도체기판과, 상기 제1도전형 반도체기판의 주표면상에 형성된 제2도전형의 제1확산영역과, 상기 제1확산영역내에 형성되는 제1도전형의 제2확산영역과, 상기 제1도전형 반도체기판과 상기 제2확산영역 사이에 위치하는 제1확산영역의 일부표면과 게이트 절연막을 개재하는 게이트전극과, 상기 제2확산영역을 중심으로 상기 게이트전극과 대향됨과 아울러 절연되게 형성되며 상기 제2확산영역의 일부표면 및 상기 제2확산영역의 일부표면과 공통접속되는 캐소오드전극과, 상기 제2도전형의 제1확산영역중 캐소오드전극에 접속된 측에서 소정거리 이격된 상기 제1도전형 반도체기판상에 형성되며 동작전류를 공급하는 애노오드전극에 접속되는 제2도전형의 제3확산영역을 구비한 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터임을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, the first conductive semiconductor substrate having a lower surface in contact with the second conductive semiconductor substrate, and the second conductive type formed on the main surface of the first conductive semiconductor substrate A first diffusion region, a second diffusion region of a first conductivity type formed in the first diffusion region, a partial surface and a gate of the first diffusion region located between the first conductive semiconductor substrate and the second diffusion region A gate electrode interposed between the insulating layer and the gate electrode, the cathode being opposite to the gate electrode and insulated from the second diffusion region, and commonly connected to a portion of the second diffusion region and a portion of the second diffusion region; A second electrode formed on the first conductive semiconductor substrate spaced a predetermined distance from an electrode connected to the cathode electrode in the first diffusion region of the second conductive type and connected to the anode electrode supplying an operating current; Degree Characterized in that the third diffusion region by a horizontal insulated gate bipolar transistor having a type.
상기 게이트전극은 제1도전형 반도체기판과 제2확산영역을 각각 드레인 및 소오스로 하는 모오스 트랜지스터의 게이트로서, 그에 따라 턴온 또는 턴오프를 제어하는제어전압이 인가된다. 따라서, 제3확산영역을 통하여 제1도전형 반도체기판으로 주입되어진 정공들은, 상기 제1확산영역중 제2확산영역의 하부에 위치하는 부위를 통과하는 정공들의 수보다, 상대적으로 더 이동경로가 짧은 캐소오드전극에 인접된 부위에서 포획되어지는 정공들의 수가 더 많아짐에 따라, 래치업 유발을 제공하는 상기 제2확산영역 하부의 제1확산영역을 통과하는 정공들의 양이 대폭 감소된다. 따라서 본 발명에 따르게 되면, 래치업을 유발하지 않으면서도 더 큰 전류를 흘릴수 있는 LIGBT를 집적할 수 있는 이점을 갖게 된다. 이때 상기 제2도전형 반도체기판과 상기 제1도전형 반도체기판의 사이에 절연막을 개재하여 SOI기판 구조를 형성하게 되면, 제1도에 도시하고 전술한 바와 같은 종래기술에 따라 SOI기판상에 형성된 LIGBT에 비해, 본 발명에 따라 SOI기판상에 집적된 LIGBT가 더욱 우수한 래치업발생 억제효과를 갖게 된다.The gate electrode is a gate of a MOS transistor whose drain and source are the first conductive semiconductor substrate and the second diffusion region, respectively, and accordingly a control voltage for controlling the turn-on or turn-off is applied. Therefore, holes injected into the first conductive semiconductor substrate through the third diffusion region have a relatively more movement path than the number of holes passing through the portion located below the second diffusion region in the first diffusion region. As the number of holes trapped in the region adjacent to the short cathode electrode increases, the amount of holes passing through the first diffusion region below the second diffusion region which provides the latch-up induction is greatly reduced. Thus, according to the present invention, there is an advantage that can integrate the LIGBT that can flow a larger current without causing the latch-up. In this case, when the SOI substrate structure is formed between the second conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor substrate through an insulating film, the SOI substrate is formed on the SOI substrate according to the prior art as shown in FIG. Compared to the LIGBT, the LIGBT integrated on the SOI substrate according to the present invention has a better latchup generation suppression effect.
또한 본 발명은, 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터에 있어서, 하부표면이 제2도전형 반도체기판과 면접되는 제1도전형 반도체기판과, 상기 제1도전형 반도체기판의 주표면상에 형성된 제2도전형의 제1확산영역과, 상기 제1확산영역내에 형성된 제1도전형의 제2확산영역과, 상기 제1 및 제2확산영역의 일부가 수직으로 절개되도록 형성된 트렌치의 측벽에서 상기 제1 및 제2확산영역의 단부와 게이트절연막을 개재하는 트렌치게이트와, 상기 트렌치게이트와 절연되게 형성되며 상기 제1 및 제2확산영역과 공통접속되는 캐소오드전극과, 상기 트렌치게이트와 반대의 방향에서 상기 제1확산영역과 소정거리 이격된 제1도전형 반도체기판상에 형성되며 동작전류가 공급되는 애노오드전극에 접속되는 제2도전형의 제3확산영역을 구비함을 특징으로 한다. 상기 트렌치게이트는 제1도전형 반도체기판과 상기 제2확산영역을 각각 드레인 및 소오스로 갖는 모오스 트랜지스터의 게이트전극으로 동작하며, 그에 따라 턴온 또는 턴오프 제어전압이 인가된다. 상기 제1확산영역중 트렌치게이트와 대향하는 부위는 상기 모오스 트랜지스터의 채널영역으로 동작한다. 상기 트렌치게이트에 인가되는 턴온전압에 의해 채널이 형성될 시, 채널영역을 통과하는 전자들은 상기 제1도전형 반도체기판의 주표면과 수직한 방향을 갖고 제1도전형 반도체기판으로 주입된 후 캐소오드전극에 접속된 제1확산영역의 주변영역을 향상하여 이동하게 된다. 이때 상기 캐소오드에 접속된 제1확산영역이 전자들이 통과하는 채널의 출구측과 인접위치에 있기 때문에, 제2확산영역으로부터 채널을 통하여 공급된 전자들은 캐소오드에 가까운 제1확산영역의 주변에 집중적으로 공급된다. 그 결과로, 애노오드전극에 동작전류가 인가됨에 따라 제3확산영역으로부터 제1도전형 반도체기판으로 주입되는 정공들의 대부분은 상기 전자들과 재결합하기 위하여 상기 전자들이 집중되는 상기 제1확산영역부위에 집중되고, 그에 따라 제2확산영역 하부에 위치하는 제1확산영역의 근처로 이동되는 정공들의 수가 현저히 감소된다. 따라서 래치업 유발의 원인을 제공하는 상기 제2확산영역 하부의 제1확산영역을 통과하는 정공들의 양이 대폭 감소된다. 따라서 본 발명에 따르게 되면, 래치업을 유발하지 않으면서도 더 큰 전류를 흘릴 수 있는 LIGBT를 집적할 수 있는 이점을 갖게 된다. 이때 상기 제2도전형 반도체기판과 상기 제1도전형 반도체기판의 사이에 절연막을 개재하여 SOI기판 구조를 형성하게 되면, 제1도에 도시하고 전술한 바와 같은 종래기술에 따라 SOI기판상에 형성된 LIGBT에 비해, 본 발명에 따라 SOI기판상에 집적된 LIGBT가 더욱 우수한 래치업 발생 억제효과를 갖게 된다.In addition, the present invention provides a horizontal insulated gate bipolar transistor comprising: a first conductive semiconductor substrate having a lower surface interviewed with a second conductive semiconductor substrate; and a second conductive formed on a main surface of the first conductive semiconductor substrate. The first diffusion region of the die, the second diffusion region of the first conductive type formed in the first diffusion region, and a portion of the first and second diffusion regions in the sidewall of the trench formed so as to vertically cut the first and second diffusion regions. A trench gate interposed between an end of the second diffusion region and a gate insulating film, a cathode electrode formed to be insulated from the trench gate, and commonly connected to the first and second diffusion regions, and in the opposite direction to the trench gate. And a third diffusion region of the second conductivity type formed on the first conductive semiconductor substrate spaced apart from the first diffusion region by a predetermined distance and connected to the anode electrode to which an operating current is supplied. . The trench gate acts as a gate electrode of a MOS transistor having a first conductive semiconductor substrate and a second diffusion region as a drain and a source, respectively, and thus a turn-on or turn-off control voltage is applied. A portion of the first diffusion region facing the trench gate serves as a channel region of the MOS transistor. When the channel is formed by the turn-on voltage applied to the trench gate, electrons passing through the channel region have a direction perpendicular to the main surface of the first conductive semiconductor substrate and are injected into the first conductive semiconductor substrate. The peripheral region of the first diffusion region connected to the electrode is improved to move. At this time, since the first diffusion region connected to the cathode is adjacent to the outlet side of the channel through which the electrons pass, electrons supplied through the channel from the second diffusion region are located near the first diffusion region close to the cathode. Supply is concentrated. As a result, most of the holes injected from the third diffusion region to the first conductive semiconductor substrate as the operating current is applied to the anode electrode are the first diffusion region where the electrons are concentrated to recombine with the electrons. The number of holes that are concentrated at and moved to the vicinity of the first diffusion region located below the second diffusion region is significantly reduced. Thus, the amount of holes passing through the first diffusion region below the second diffusion region, which provides the cause of the latch up, is greatly reduced. Accordingly, according to the present invention, there is an advantage in that it is possible to integrate a LIGBT capable of flowing a larger current without causing latch-up. In this case, when the SOI substrate structure is formed between the second conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor substrate through an insulating film, the SOI substrate is formed on the SOI substrate according to the prior art as shown in FIG. Compared to the LIGBT, the LIGBT integrated on the SOI substrate according to the present invention has a better latchup generation suppression effect.
또한 본 발명은, 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터에 있어서, 하부표면이 제2도전형 반도체기판과 면접되는 제1도전형 반도체기판과, 상기 제1도전형 반도체기판의 주표면상에 형성된 제1도전형의 제1확산영역과, 상기 제1확산영역의 하부에 위치되도록 형성되며 제1농도를 갖는 제2도전형의 제2확산영역과, 상기 제1 및 제2확산영역의 일부가 수직으로 절개되도록 형성된 트렌치의 측벽에서 상기 제1 및 제2확산영역의 단부와 게이트절연막을 개재하는 트렌치게이트와 상기 트렌치게이트와 대향되는 상기 제1 및 제2확산영역의 측부에 형성되며 상기 제1농도보다 더 높은 불순물농도인 제2농도를 가지는 제2도전형의 제3확산영역과, 상기 제1확산영역 및 제3확산영역과 공통접속되는 캐소오드전극과, 상기 트렌치게이트와 반대의 방향에서 상기 제3확산영역과 소정거리 이격된 제1도전형 반도체기판상에 형성되며 동작전류가 공급되는 애노오드전극에 접속되는 제2도전형의 제4확산영역을 구비함을 특징으로 한다.The present invention also provides a horizontal insulated gate bipolar transistor comprising: a first conductive semiconductor substrate having a lower surface interviewed with a second conductive semiconductor substrate; and a first conductive formed on a main surface of the first conductive semiconductor substrate. A first diffusion region of the die, a second diffusion region of the second conductivity type formed to be positioned below the first diffusion region, and having a first concentration, and a portion of the first and second diffusion regions are vertically cut A trench gate formed at an end of the first and second diffusion regions and a gate insulating layer on sidewalls of the trench, and formed at sides of the first and second diffusion regions facing the trench gate, A third diffusion region of the second conductivity type having a second concentration having a high impurity concentration, a cathode electrode commonly connected to the first diffusion region and the third diffusion region, and the third in the direction opposite to the trench gate; And a fourth diffusion region of the second conductivity type formed on the first conductive semiconductor substrate spaced apart from the diffusion region by a predetermined distance and connected to the anode electrode to which an operating current is supplied.
상기 트렌치게이트는 제1도전형 반도체기판과 상기 제1확산영역을 각각 드레인 및 소오스로 갖는 모오스 트랜지스터의 게이트전극으로 동작하며, 그에 따라 턴온 또는 턴오프 제어전압이 인가된다. 상기 제2확산영역중 트렌치게이트와 대향하는 부위는 상기 모오스 트랜지스터의 채널영역으로 동작한다.The trench gate operates as a gate electrode of a MOS transistor having a first conductive semiconductor substrate and the first diffusion region as a drain and a source, respectively, and thus a turn-on or turn-off control voltage is applied. A portion of the second diffusion region that faces the trench gate serves as a channel region of the MOS transistor.
상기 트렌치게이트에 인가되는 턴온전압에 의해 채널이 형성될 시, 채널영역을 통과하는 전자들은 상기 제1도전형 반도체기판과 주표면과 수직한 방향을 갖고 제1도전형 반도체기판으로 주입된 후 캐소오드전극에 접속된 제3확산영역의 주변영역을 향하여 이동하게 된다. 이때 상기 캐소오드에 접속된 제3확산영역이 전자들이 통과하는 채널의 출구측과 인접위치에 있기 때문에, 제1확산영역으로부터 채널을 통하여 공급된 전자들은 캐소오드에 가까운 제3확산영역의 주변에 집중적으로 공급된다. 그 결과로, 애노오드전극에 동작전류가 인가됨에 따라 제4확산영역으로부터 제1도전형 반도체기판으로 주입되는 정공들의 대부분은 상기전자들과 재결합하기 위하여 상기 전자들이 집중되는 상기 제3확산영역부위에 집중되고, 그에 따라 제1확산영역 하부에 위치하는 제2확산영역의 근처로 이동되는 정공들의 수가 현저히 감소된다. 그 결과 제2확산영역보다 상대적으로 더 가까운 제3확산영역으로 더 많은 정공들이 포획되어진다. 따라서 래치업 유발의 원인을 제공하는 상기 제1확산영역 하부의 제2확산영역을 통과하는 정공들의 양이 대폭 감소된다. 따라서 본 발명에 따르게 되면, 래치업을 유발하지 않으면서도 더 큰 전류를 흘릴 수 있는 LIGBT를 집적할 수 있는 이점을 갖게 된다. 이때 상기 제2도전형 반도체기판과 상기 제1도전형 반도체기판의 사이에 절연막을 개재하여 SOI기판 구조를 형성하게 되면, 제1도에 도시하고 전술한 바와 같은 종래기술에 따라 SOI기판상에 형성된 LIGBT에 비해, 본 발명에 따라 SOI기판상에 집적된 LIGBT가 더욱 우수한 래치업 발생 억제효과를 갖게 된다.When the channel is formed by the turn-on voltage applied to the trench gate, electrons passing through the channel region have a direction perpendicular to the first conductive semiconductor substrate and the main surface and are injected into the first conductive semiconductor substrate. It moves toward the peripheral area of the third diffusion region connected to the electrode. At this time, since the third diffusion region connected to the cathode is adjacent to the outlet side of the channel through which the electrons pass, electrons supplied through the channel from the first diffusion region are adjacent to the third diffusion region close to the cathode. Supply is concentrated. As a result, most of the holes injected from the fourth diffusion region into the first conductive semiconductor substrate as the operating current is applied to the anode electrode are the third diffusion region where the electrons are concentrated to recombine with the electrons. The number of holes that are concentrated at and moved to the vicinity of the second diffusion region located below the first diffusion region is significantly reduced. As a result, more holes are trapped in the third diffusion region that is relatively closer than the second diffusion region. Thus, the amount of holes passing through the second diffusion region under the first diffusion region, which provides the cause of the latch up, is greatly reduced. Accordingly, according to the present invention, there is an advantage in that it is possible to integrate a LIGBT capable of flowing a larger current without causing latch-up. In this case, when the SOI substrate structure is formed between the second conductive semiconductor substrate and the first conductive semiconductor substrate through an insulating film, the SOI substrate is formed on the SOI substrate according to the prior art as shown in FIG. Compared to the LIGBT, the LIGBT integrated on the SOI substrate according to the present invention has a better latchup generation suppression effect.
즉, 본 발명에 따르게 되면, 반도체기판으로 주입된 정공들의 대부분이 래치업을 유발하는 전압강하를 일으키지 않고 곧바로 캐소오드로 포획되도록 하는 구조를 갖게 됨에 따라 현저하게 향상된 래치업 임계전류치를 얻을 수 있는 효과가 있으며, 특히 SOI기판상에 집적될 때에 다른 소자특성의 저하없이 우수한 래치업 특성을 갖는 LIGBT를 얻을 수 있는 장점을 갖는다.That is, according to the present invention, since most of the holes injected into the semiconductor substrate have a structure in which the cathode is captured immediately without causing a voltage drop causing the latch up, a significantly improved latch-up threshold current value can be obtained. It is effective, and in particular, when integrated on an SOI substrate, there is an advantage that it is possible to obtain a LIGBT having excellent latch-up characteristics without degrading other device characteristics.
이하 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한 것이다.Hereinafter, to help the overall understanding of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
하기의 설명에서 각 확산영역의 불순물의 농도 및 깊이, 채널의 길이, 동작전압 등의 특정상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있다. 이들 특정상세들 없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 자명할 것이다.In the following description, specific details such as the concentration and depth of impurities in each diffusion region, the length of the channel, the operating voltage, etc. are shown to provide a more general understanding of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details.
제3도는 본 발명에 따른 LIGBT의 단면구조를 보이는 도면으로서, SOI기판상에 본 발명에 따라 집적된 수평형 절연게이트 바이폴라 트랜지스터의 단면구조가 도시되고 있다. 제3도에서, LIGBT는 하부의 실리콘기판(10)과 3㎛ 두께의 절연막(12)을 개재하는 n-에피층(14)상에 집적되어 있다. 본 실시예와는 다르게, 두장의 반도체기판을 절연막을 개재하여 접착되도록 만든 SOI웨이퍼에도 본 발명을 적용하여도 동일한 효과를 얻는다. 상기 n-에피층(14)은 1×1015/cm3의 농도로 도핑되며 두께가 8㎛이다. 상기 n-에피층(14)의 주표면상에 서로 50㎛ 거리로 이격되며 p형 불순물이 2×1017/cm3의 농도로 도핑된 제3확산영역(32) 및 역시 p형 불순물이 1×1018/cm3의 농도로 도핑된 제4확산영역(34)이 형성되어 있다.3 is a cross-sectional view of the LIGBT according to the present invention, in which a cross-sectional structure of a horizontal insulated gate bipolar transistor integrated in accordance with the present invention on an SOI substrate is shown. In FIG. 3, the LIGBT is integrated on the n − epitaxial layer 14 via the lower silicon substrate 10 and the insulating film 12 having a thickness of 3 mu m. Unlike the present embodiment, the same effect is obtained even when the present invention is applied to an SOI wafer in which two semiconductor substrates are bonded to each other via an insulating film. The n − epilayer 14 is doped at a concentration of 1 × 10 15 / cm 3 and has a thickness of 8 μm. The third diffusion region 32 and also the p-type impurity, which are spaced 50 m apart from each other on the main surface of the n − epitaxial layer 14 and doped with a p-type impurity at a concentration of 2 × 10 17 / cm 3 A fourth diffusion region 34 doped to a concentration of 10 18 / cm 3 is formed.
제3확산영역(32)은 캐소오드전극(22)에 접속되고 제4확산영역(34)은 애노오드전극(16)에 접속된다. 제4확산영역(34)은 애노오드전극(16)으로부터 공급되는 전압에 의해 n-에피층(14)과의 PN접합이 순방향 바이어스될 때에 동작전류를 제공하는 수단이며, 이때 제4확산영역(34)으로부터 정공들이 n-에피층(14)으로 주입된다. 상기 제4확산영역(34)의 저면은 N-에피층(14)의 주표면으로부터 4㎛ 의 깊이를 갖는다. 제3확산영역(32)는 후술되는 특정조건에서 n-에피층(14)을 거쳐 공급되는 동작전류가 출력되는 통로인 캐소오드전극(22)이 접속되어 있으며, n-에피층(14)으로 주입된 정공들이 포획되어지는 통로이다. 상기 제3확산영역(32)의 저면은 주표면으로부터 2.5㎛ 의 깊이를 갖는다.The third diffusion region 32 is connected to the cathode electrode 22 and the fourth diffusion region 34 is connected to the anode electrode 16. The fourth diffusion region 34 is a means for providing an operating current when the PN junction with the n − epilayer 14 is forward biased by the voltage supplied from the anode electrode 16, wherein the fourth diffusion region ( Holes 34 are injected into the n − epilayer 14. The bottom of the fourth diffusion region 34 has a depth of 4 μm from the main surface of the N-epitaxial layer 14. The third diffusion region 32 is connected to the cathode electrode 22, which is a passage through which the operating current supplied through the n − epilayer 14 is output under specific conditions to be described later, and to the n − epilayer 14. The injected holes are the passages that are captured. The bottom of the third diffusion region 32 has a depth of 2.5 μm from the main surface.
제3확산영역(32)을 기준으로 상기 제4확산영역(34)과 반대방향에서 상기 캐소오드전극(22)과 접속되면서 상기 제3확산영역(32)과 접속면을 가지며 n형 불순물이 1×1019/cm3의 농도로 도핑된 제1확산영역(36)이 형성되어 있고, 상기 소오스영역(36)의 하부에는 상기 제1확산영역(36) 및 상기 제3확산영역(32)과 접속면을 가지면서 p형 불순물이 2×1017/cm3의 농도로 도핑된 제2확산영역(38)이 형성되어 있다. 상기 제1확산영역(36)은 2.7㎛ 의 길이와 1㎛ 의 깊이를 갖는다. 상기 제2확산영역(38)의 저면은 상기 제1확산영역(36)의 주표면으로부터 적어도 4㎛ 의 깊이를 갖는다. 상기 제1확산영역(38)중 상기 제3확산영역(32)과 접속되는 측부의 반대방향에는 게이트절연막(40)에 의해 이격된 상기 n-에피층(14)의 주표면과 수직방향으로 하향신장된 트렌치게이트(42)가 형성되어 있다. 상기 트렌치게이트(42)는 제1 및 제2확산영역(36,38)의 측부를 식각하여 트랜치를 형성한 다음 게이트절연막(40)을 증착한 후 도전층 예컨대 다결정실리콘을 증착한 후 패터닝하여 얻을 수 있다. 본 실시예에서는 상기 게이트절연막(40)의 두께를 1000Å의 두께를 갖도록 형성하였으며, 채널의 길이가 2㎛ 가 되도록 하였다. 따라서, 상기 제1확산영역(32) 및 n-에피층(14)을 각각 소오스 및 드레인으로 하고, 트렌치게이트(42)에 인가되는 전압에 의해 제2확산영역(38)에 반전층이 형성됨으로써 드레인-소오스간의 전류통로가 형성되는 엔채널 모오스 트랜지스터가 형성된다.The third diffusion region 32 is connected to the cathode electrode 22 in a direction opposite to the fourth diffusion region 34 and has a connection surface with the third diffusion region 32 and has n-type impurities 1. A first diffusion region 36 doped at a concentration of 10 19 / cm 3 , and a lower portion of the source region 36 and the first diffusion region 36 and the third diffusion region 32 A second diffusion region 38 having a connection surface and doped with p-type impurities at a concentration of 2x10 17 / cm 3 is formed. The first diffusion region 36 has a length of 2.7 μm and a depth of 1 μm. The bottom surface of the second diffusion region 38 has a depth of at least 4 μm from the main surface of the first diffusion region 36. In the opposite direction of the side portion of the first diffusion region 38 which is connected to the third diffusion region 32, the first diffusion region 38 is downward in a direction perpendicular to the main surface of the n − epitaxial layer 14 spaced apart by the gate insulating film 40. An extended trench gate 42 is formed. The trench gate 42 may be formed by etching the side portions of the first and second diffusion regions 36 and 38 to form a trench, depositing a gate insulating layer 40 and depositing a conductive layer such as polysilicon and then patterning the trench. Can be. In this embodiment, the gate insulating film 40 was formed to have a thickness of 1000 Å, and the channel length was 2 μm. Therefore, the first diffusion region 32 and the n − epitaxial layer 14 are respectively source and drain, and an inversion layer is formed in the second diffusion region 38 by a voltage applied to the trench gate 42. An N-channel MOS transistor is formed in which a current path between the drain and the source is formed.
제3도에서, 애노오드전극(16)으로부터 캐소오드전극(22)으로 향하는 선들은 주입된 정공들에 의한 정공전류의 흐름을 나타낸다.In FIG. 3, lines directed from the anode electrode 16 to the cathode electrode 22 represent the flow of hole currents by the injected holes.
제4도는 제3도에 도시한 LIGBT의 등가회로도이다. 제4도에서, Q1은 제3도의 제4확산영역(34)을 에미터로, n-에피층(14)을 베이스로, 제3확산영역(32)을 콜렉터로 가지는 PNP형 바이폴라 트랜지스터이며, 콜렉터가 캐소오드전극(22)에 직접 접속된 바이패스경로가 저항 Rs를 통하여 캐소오드전극(22)에 접속되는 경로를 가지고 있다. 상기 바이패스경로는 제2확산영역(38)을 통과하지 아니하고 곧바로 제3확산영역(32)을 거쳐 캐소오드전극(22)으로 흐르는 정공전류의 경로를 나타내며, 상기 저항 Rs는 제2확산영역(38)을 거쳐 캐소오드전극(22)에 도달되는 정공전류 경로상의 저항성분의 합이다. 또한 Q2는 n-에피층(14), 제3확산영역(32), 제1확산영역(36)에 의해 형성되는 NPN형 바이폴라 트랜지스터이다. T1은 n-에피층(14)을 드레인으로 제1확산영역(36)을 소오스로 하고 제2확산영역(38)을 채널영역으로 하며 트렌치게이트(42)에 인가되는 전압에 의해 턴온 또는 턴오프가 제어되는 엔채널 모오스 트랜지스터이다.4 is an equivalent circuit diagram of the LIGBT shown in FIG. In FIG. 4, Q1 is a PNP type bipolar transistor having the fourth diffusion region 34 in FIG. 3 as an emitter, the n − epilayer 14 as a base, and the third diffusion region 32 as a collector. The bypass path in which the collector is directly connected to the cathode electrode 22 has a path connected to the cathode electrode 22 through the resistor Rs. The bypass path represents a path of a hole current flowing through the third diffusion region 32 directly to the cathode electrode 22 without passing through the second diffusion region 38, and the resistance Rs represents a second diffusion region ( It is the sum of the resistive components on the hole current path reaching the cathode electrode 22 via 38). Q2 is an NPN type bipolar transistor formed by the n − epitaxial layer 14, the third diffusion region 32, and the first diffusion region 36. T1 is turned on or off by a voltage applied to the trench gate 42 with n − epitaxial layer 14 as a drain and a first diffusion region 36 as a source and a second diffusion region 38 as a channel region. Is the N-channel MOS transistor to be controlled.
제3도 및 제4도를 참조하여 본 발명에 따른 LIGBT의 동작을 살펴본다. 트렌치게이트(42)에 턴온전압이 인가되면 게이트절연막(40)과 인접된 제2확산영역(38)에 반전층이 형성되고, 그에 따라 제1확산영역(36)으로 부터 n-에피층(14)으로 전자들의 흐름이 개시된다. 이때 순방향 바이어스가 공급되는 애노오드전극(16)을 통하여 정공들이 주입되는데, 이 정공들에 의해 n-에피층(14)에서 전도도변조가 일어나게 되어 순방향 전압강하를 낮추게 됨은 전술한 바와 같다. 상기 정공들은 캐소오드전극(22)측으로 이동하게 된다. 이때 제3확산영역(32)이 제2확산영역(38)보다 더 고농도로 도핑되며 상대적으로 가까운 거리에 있으므로, 주입된 정공들중 많은 양이 상기 제3확산영역(32)을 통과하여 캐소오드전극(22)에서 포획된다. 아울러, 상기 트렌치게이트에 인가되는 턴온전압에 의해 형성되는 채널을 통과하는 전자들은 상기 반도체기판의 주표면과 수직한 방향을 갖고 n-에피층(14)으로 주입된 후 캐소오드전극(22)을 향하여 이동하게 되며, 이때 상기 캐소오드전극(22)에 접속된 제3확산영역(32)이 인접위치에 있기 때문에 전자의 이동경로는 급격히 제3확산영역(32)으로 휘어짐에 따라 그 경로가 짧아진게 된다. 그 결과로, 애노오드전극에 동작전류가 인가됨에 따라 제4확산영역(34)으로부터 n-에피층(14)으로 주입되어 캐소오드전극(22)측으로 이동하는 정공들중, 상기 전자들과 결합하기 위해 상기 제2확산영역(38)의 하부로 이동하는 정공들의 수가 현저히 줄어들게 된다. 따라서, 주입된 정공들중 일부만이 상기 제2확산영역(38)을 통과하여 캐소오드전극(22)에 포획된다. 그 결과로, 상기 제2확산영역(38)을 통과하는 정공들의 흐름에 따른 정공전류와 상기 저항 Rs의 곱으로 나타내어지는 전압강하가 대폭 줄어들게 되고, 그에 따라 래치업이 유발되는 임계전류치가 대폭으로 높아진다. 본건 특허출원의발명자들은 동일한 조건으로 제작된 종래의 LIGBT와 본 발명에 따른 LIGBT 각각의 래치업 발생 임계전류치를 측정한 결과, 특별한 특성의 저하없이 본 발명에 따른 LIGBT의 래치업 발생 임계전류치가 상기 종래기술에 따른 LIGBT의 임계전류치보다 대략 5배 이상의 크기를 갖게 됨을 확인하였다.The operation of the LIGBT according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. When the turn-on voltage is applied to the trench gate 42, an inversion layer is formed in the second diffusion region 38 adjacent to the gate insulating layer 40, and thus an n − epitaxial layer 14 is formed from the first diffusion region 36. Flow of electrons is initiated. In this case, holes are injected through the anode electrode 16 to which the forward bias is supplied, and as a result, conductivity modulation occurs in the n − epilayer 14, thereby lowering the forward voltage drop. The holes are moved to the cathode electrode 22 side. At this time, since the third diffusion region 32 is doped at a higher concentration than the second diffusion region 38 and is at a relatively close distance, a large amount of injected holes pass through the third diffusion region 32 to form a cathode. Captured at the electrode 22. A cathode electrode (22) after the injection into the epi layer 14 - In addition, the electrons passing through the channel formed by the turn-on voltage applied to the trench gates having a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate n In this case, since the third diffusion region 32 connected to the cathode electrode 22 is in an adjacent position, the path of electrons is rapidly bent into the third diffusion region 32 so that the path becomes short. It becomes dark. As a result, among the holes that are injected into the n − epilayer 14 from the fourth diffusion region 34 and move toward the cathode electrode 22 as the operating current is applied to the anode electrode, the electrons are coupled to the electrons. In order to reduce the number of holes moving to the lower portion of the second diffusion region 38. Therefore, only some of the injected holes pass through the second diffusion region 38 and are captured by the cathode electrode 22. As a result, the voltage drop represented by the product of the hole current and the resistance Rs according to the flow of the holes passing through the second diffusion region 38 is greatly reduced, thereby greatly reducing the threshold current value causing the latchup. Increases. The inventors of the present application measured the latch-up generation threshold current value of each of the conventional LIGBT and the LIGBT according to the present invention manufactured under the same conditions, and the latch-up generation threshold current value of the LIGBT according to the present invention is not deteriorated. It was confirmed that the size of approximately 5 times or more than the threshold current value of the LIGBT according to the prior art.
제3도에서, 상기 제2확산영역(38)의 저면은 적어도 상기 제3확산영역(32)의 저면보다 적어도 낮도록 형성하여 전자들의 이동경로를 단축시키는 것이 더욱 효과적이며, 상기 제3확산영역(32)의 불순물농도는 적어도 상기 제2확산영역(38)의 불순물농도보다 높게 형성하는 것이 더 많은 정공들을 포획하기 위하여 바람직하다.In FIG. 3, it is more effective to form the bottom of the second diffusion region 38 at least lower than the bottom of the third diffusion region 32 to shorten the movement path of the electrons. The impurity concentration of (32) is preferably formed at least higher than the impurity concentration of the second diffusion region 38 so as to trap more holes.
제5도는 본 발명에 따른 LIGBT와 종래기술에 따른 LIGBT에서 캐리어의 평균수명(life time)에 따른 래치업 발생 임계전류치를 비교도시하고 있다. 절연게이트 바이폴라 트랜지스터에서 캐리어의 평균수명은 래치업의 발생과 밀접한 관계를 갖는데, 이는 캐리어의 평균수명이 증가하게 되면 애노오드에서 주입된 정공들이 n-에피층에서 재결합되는 비율이 작으므로, 전류전송도(transport factor)가 증가하게 되고 전자전류에 대한 정공전류의 비율이 커지게 됨에 따라, 더 많은 정공전류가 래치업을 유발하는 저항 Rs를 통과하게 되기 때문이다. 제5도에서, 게이트에 인가되는 턴온전압을 10볼트로 하고 캐리어의 평균수명을 0.05㎲로부터 10㎲까지 조절할 때, 본 발명에 따른 LIGBT 및 종래의 LIGBT 모두 래치업 전류가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 그러나, 래치업이 발생되는 임계전류치는 본 발명에 따른 LIGBT가 종래의 LIGBT에 비해 대단히 높음을 알 수 있다. 제5도에서, 평균수명이 0.05㎲일 때에 종래의 LIGBT에서 래치업이 발생되는 임계치 전류밀도는 368A/cm2인 반면 본 발명에 따른 LIGBT의 임계치 전류밀도는 1917A/cm2으로 대략 5.2배 정도 높으며, 평균수명이 10㎲인 경우에 종래의 LIGBT의 임계치 전류밀도 139A/cm2인 반면 본 발명에 따른 LIGBT의 임계치 전류밀도는 1716A/cm2으로 대략 12.3배 정도 높다. 따라서 본 발명에 따르게되면, 평균수명에 관계없이 종래의 기술에 비해 대략 5배 이상 높으며, 더욱이 래치업에 취약한 캐리어의 평균수명이 긴 경우에 더욱 우수한 래치업 발생 임계전류치를 얻을 수 있는 효과를 갖는다.5 shows a comparison of the latch-up generation threshold current value according to the life time of a carrier in the LIGBT according to the present invention and the LIGBT according to the related art. In the insulated-gate bipolar transistor, the average lifetime of the carrier is closely related to the occurrence of latch-up. As the average lifetime of the carrier increases, the ratio of holes injected from the anode to the recombination in the n - epi layer is small. This is because as the transport factor increases and the ratio of the hole current to the electron current increases, more hole currents pass through the resistor Rs causing the latchup. In FIG. 5, when the turn-on voltage applied to the gate is set to 10 volts and the average life of the carrier is adjusted from 0.05 k? To 10 k ?, both the LIGBT and the conventional LIGBT according to the present invention show a tendency to decrease the latch-up current. . However, it can be seen that the threshold current value at which latchup occurs is significantly higher than that of the conventional LIGBT according to the present invention. In FIG. 5, the threshold current density at which the latchup is generated in the conventional LIGBT when the average life is 0.05 ㎲ is 368 A / cm 2 , while the threshold current density of the LIGBT according to the present invention is 1917 A / cm 2 , approximately 5.2 times. high, whereas the average life of the 10㎲ the threshold current density of the conventional LIGBT 139A / cm 2 in case the threshold current density of the LIGBT according to the invention is higher by approximately 12.3 times the 1716A / cm 2. Therefore, according to the present invention, regardless of the average lifespan, it is approximately five times higher than that of the conventional technology, and furthermore, it is possible to obtain an excellent latch-up generation threshold current value when the average life of a carrier vulnerable to latchup is long. .
제6도는 본 발명에 따른 LIGBT와 종래기술에 따른 LIGBT에서 순방향 전압강하에 따른 래치업이 발생되는 전류밀도의 값을 비교 도시하고 있다. 측정조건은 게이트전압은 15볼트이고 캐리어의 평균수명이 0.1㎲이다. 제6도에서, 전압의 증가에 따라 전류가 증가하다가 역으로 꺾이어 전압이 감소되는 부저항(negative resistance)영역이 나타나는 점이 래치업이 발생되는 점이다. 이는 래치업이 발생하면 기생 싸이리스터가 턴온됨에 따라 전류는 증가하지만 전압은 감소하게 되어 부저항영역이 나타나는 것으로 이해될 수 있다. 제6도에서, 종래의 LIGBT는 전류밀도가 약 1×10-4A/㎛2에서 래치업이 발생되는 반면, 본 발명에 따른 LIGBT에서는 약 6.2×10-4A/㎛2에서 래치업이 발생되며, 따라서 동일한 조건에서 본 발명에 따른 LIGBT의 래치업 발생 임계치전류가 대략 6.2배 정도 높음을 알 수 있다.FIG. 6 shows a comparison of current density values at which latch-up occurs due to a forward voltage drop in the LIGBT according to the present invention and the LIGBT according to the related art. The measurement conditions are that the gate voltage is 15 volts and the average life of the carrier is 0.1 kW. In FIG. 6, a latch-up occurs in that a negative resistance region in which a current increases with increasing voltage and then reverses and a voltage decreases appears. It can be understood that when the latchup occurs, the current increases as the parasitic thyristor is turned on, but the voltage decreases, thereby showing a negative resistance region. In FIG. 6, the conventional LIGBT has a latchup at a current density of about 1 × 10 −4 A / μm 2 , whereas a latchup at about 6.2 × 10 −4 A / μm 2 is performed at the LIGBT according to the present invention. It can be seen that the latch-up generation threshold current of the LIGBT according to the present invention is approximately 6.2 times higher under the same conditions.
상술한 실시예에서는 SOI기판상에 집적된 트렌치게이트를 형성하는 LIGBT의 예를 들어 설명하였으나, 이는 본 발명의 적용시 가장 우수한 효과를 얻을 수 있는 예를 들어 설명한 것이며, 본 발명은 SOI기판을 채용하지 아니한 LIGBT에도 적용하여도 래치업 발생 임계치전류를 높일 수 있는 효과가 있다. 마찬가지로, 제3도에 도시한 트렌치게이트를 채용하지 아니한 일반적인 LIGBT에 본 발명을 적용하여도 래치업 발생 임계치전류를 높일 수 있는 효과가 있다.In the above-described embodiment, an example of the LIGBT for forming the trench gate integrated on the SOI substrate has been described, but this is an example in which the best effect can be obtained when the present invention is applied, and the present invention employs the SOI substrate. Even if it is applied to the LIGBT, the latch current generation threshold current can be increased. Similarly, even if the present invention is applied to a general LIGBT that does not employ the trench gate shown in FIG. 3, the latch-up generation threshold current can be increased.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르게 되면 LIGBT에서 에피층으로 주입된 정공들의 대부분이 래치업을 유발하는 전압강하를 일으키지 않고 곧바로 캐소오드로 포획되도록 하는 구조를 갖게 됨에 따라 현저하게 향상된 래치업 임계전류치를 얻을 수 있는 효과가 있으며, 특히 SOI기판상에 집적될 때에 다른 소자특성의 저하없이 우수한 래치업 특성을 갖는 LIGBT를 얻을 수 있는 장점을 갖는다.As described above, according to the present invention, since the majority of the holes injected into the epi layer in the LIGBT have a structure in which the cathode is immediately trapped without causing a voltage drop causing the latch up, the latch-up threshold current value is significantly improved. There is an effect that can be obtained, and especially when integrated on the SOI substrate has the advantage that can obtain a LIGBT having excellent latch-up characteristics without deterioration of other device characteristics.
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