WO2022118650A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明の第一実施形態を説明する。
(半導体装置の構成)
図1は、第一実施形態の半導体装置1の構成を示す断面図である。図2(a)は、図1に示す半導体装置1の線IIa―IIaに沿う断面部分を上方から下方に向けて見た断面図である。図2(b)は、半導体装置1の線IIb―IIbに沿う断面部分を下方から上方に向けて見た断面図である。なお、図1は、図2(a)及び図2(b)に後述するエミッタ電極18やコレクタ電極28等が設けられている構成において、図2(a)に示す線I―Iの位置から見た半導体装置1の側断面構成を示している。
次に、以上説明した半導体装置1のオンオフ動作について説明する。なお、半導体装置1には、エミッタ電極18及びコレクタ電極28間に正の電圧Vceが印加されているものとする。半導体装置1は、エミッタ側ゲート電極17に印加される第一ゲート電圧であるゲート電圧Vgg1と、コレクタ側ゲート電極27に印加される第二ゲート電圧であるゲート電圧Vgg2と、の印加状態により制御される。半導体装置1のオン状態にあっては、エミッタn層12とドリフト層10との間が導通し、かつ、コレクタn層22とドリフト層10との間が非導通となる。このとき、エミッタp-層11内に形成された反転層を介してエミッタ電極18からドリフト層10に電子が注入され、かつ、コレクタp層23からドリフト層10に正孔が注入される。また、半導体装置1をオフ状態に切り替えるターンオフ時にあっては、少なくともコレクタn層22とドリフト層10とが導通する。このとき、コレクタp-層23a内に形成された反転層及びコレクタn層22を介してドリフト層10からコレクタ電極28に電子が排出される。コレクタn層22とドリフト層10とが導通するタイミングにおいて、エミッタn層12とドリフト層10との間を非道通とすると、ドリフト層10への電子の注入が停止し、ドリフト層10からエミッタp-層11に正孔が排出される。以下、このオン動作、オフ動作について詳細に説明する。
次に、上記のような半導体装置1において、ゲート密度比率Ja:Jbを変えたときの導通時損失とスイッチング損失との関係についてシミュレーションにより調べた。ここで、図4(a)及び図4(b)は、シミュレーションに用いた評価回路を示す。図4(a)に示した評価回路は、比較例であり、エミッタ側ゲート電極17が設けられ、コレクタ側ゲート電極27が設けられていない片面のIGBTの回路構成を示したものである。図4(b)に示した評価回路は、第一実施形態に係る半導体装置1の回路構成を示したものである。
次に、第一実施形態の半導体装置1の製造方法を説明する。
図7A(a)から図7A(c)、図7B(d)図7B(e)は、第一実施形態の半導体装置1を製造する製造方法の一例を説明するための図である。第一実施形態では、単結晶シリコン製のベア基板に不純物を注入し、ドリフト層10を有する基板を形成し、これに順次不純物を注入して基板5(図7B(d))を形成する。図7A(a)に示す不純物層のうち、エミッタp-層11は、比較的不純物濃度の低いp-層である。また、エミッタn層12は、エミッタp-層11に対して相対的に高濃度のn+層である。エミッタp層13は、エミッタp-層11に対して相対的に高濃度のp+層である。バッファ層29は、ドリフト層10に対して相対的に高濃度のn層である。エミッタp-層11、エミッタn層12、エミッタp層13、コレクタp層23及びバッファ層29の形成は、例えばイオン注入によって行うことができる。
次に、第一実施形態では、図7A(c)に示すように、トレンチ孔14のゲート絶縁膜15の上からポリシリコンを充填し、トレンチ孔14内にエミッタ側ゲート電極17を形成する。
次に、以上説明した第一実施形態の変形例を説明する。
(第一変形例)
図8は、第一変形例の半導体装置2の構成を示す断面図である。図9(a)は、図8に示す半導体装置2の線IXa―IXaに沿う断面部分を上方から下方に向けて見た断面図である。図9(b)は、半導体装置2の線IXb―IXbに沿う断面部分を下方から上方に向けて見た断面図である。なお、図8は、図9(a)及び図9(b)にエミッタ電極18やコレクタ電極28等が設けられている構成において、図9(a)に示す線VIII―VIIIの位置から見た半導体装置2の側断面構成を示している。
図10は、第二変形例の半導体装置3の構成を説明するための断面図である。図11(a)は、図10に示す半導体装置3の線XIa―XIaに沿う断面部分を上方から下方に向けて見た断面図である。図11(b)は、半導体装置3の線XIb―XIbに沿う断面部分を下方から上方に向けて見た断面図である。なお、図10は、図11(a)及び図11(b)にエミッタ電極18やコレクタ電極28等が設けられている構成において、図11(a)に示す線X―Xの位置から見た半導体装置3の側断面構成を示している。
なお、第一実施形態は、以上説明した構成に限定されるものではない。以上説明した第一実施形態では、エミッタ側ゲート電極17を、基板5の第一面faに形成されたトレンチ孔14内に形成されたトレンチ型のゲート電極とした場合について説明したが、本発明はこれに限らず、エミッタ側ゲート電極17をプレーナ型のゲート電極としても良い。なお、エミッタの側に形成されるプレーナ型のエミッタ側ゲート電極は、第一面faの表面にゲート絶縁膜となる絶縁膜を介して配置されるゲート電極をいう。さらに、第一実施形態は、コレクタ側ゲート電極27がプレーナ型のゲート電極であっても良いし、第二面fbのトレンチ孔内に形成されたトレンチ型のコレクタ側ゲート電極であってもよい。また、基板5の第一面fa及び第二面fbに、トレンチ型のゲート電極とプレーナ型のゲート電極とを混在して形成するようにしてもよい。
図12(a)、図12(b)は、それぞれ半導体装置1等のターンオン時、ターンオフ時に係るエミッタ電極18、コレクタ電極28間の電圧Vceと、コレクタ電極28を流れるコレクタ電流Icを示す図である。図12(a)は半導体装置1等のターンオン時の電圧Vceとコレクタ電流Icとを示し、図12(b)は半導体装置1等のターンオフ時の電圧Vceとコレクタ電流Icとを示している。
次に、本発明の第二実施形態を説明する。図15(a)及び図15(b)は、第二実施形態の半導体装置6を説明するものである。図15(a)は半導体装置6が形成されている半導体チップ60を上方から見たときの上面構成を示す概略図であり、図15(b)は半導体装置6が形成されている半導体チップ60を下方から見たときの下面構成を示す概略図である。
5 基板
10 ドリフト層(ドリフト層)
11 エミッタp-層(エミッタ層)
12 エミッタn層(第一高濃度不純物層)
13 エミッタp層
14、14a、14b トレンチ孔
15 ゲート絶縁膜(エミッタ側ゲート絶縁膜)
17 エミッタ側ゲート電極
18 エミッタ電極(エミッタ電極)
22 コレクタn層(第二高濃度不純物層)
23 コレクタp層(コレクタ層)
23a コレクタp-層(不純物層)
25 ゲート絶縁膜(コレクタ側ゲート絶縁膜)
27 コレクタ側ゲート電極
28 コレクタ電極(コレクタ電極)
29 バッファ層
Ja エミッタ側対向領域(第一対向領域)
Jb コレクタ側対向領域(第二対向領域)
R0 素子領域
R1 主領域
Claims (7)
- 第一導電型のエミッタ層と、
第一導電型のコレクタ層と、
前記エミッタ層と前記コレクタ層との間に設けられた、第二導電型のドリフト層と、
前記エミッタ層と電気的に接続されたエミッタ電極と、
前記コレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極と、
前記エミッタ層にエミッタ側ゲート絶縁膜を介して対向配置された、一又は複数のエミッタ側ゲート電極と、
前記エミッタ電極と前記エミッタ層との間に設けられ、前記エミッタ層よりも不純物濃度が高い第二導電型の第一高濃度不純物層と、
前記ドリフト層と前記コレクタ電極との間に設けられた、第一導電型の不純物層と、
前記不純物層にコレクタ側ゲート絶縁膜を介して対向配置された、一又は複数のコレクタ側ゲート電極と、
前記コレクタ電極と前記不純物層との間に設けられ、前記不純物層よりも不純物濃度が高い第二導電型の第二高濃度不純物層と、を備え、
前記エミッタ層と前記エミッタ側ゲート絶縁膜を介して対向している、前記エミッタ側ゲート電極の第一対向領域におけるゲート幅方向の長さの合計が、前記不純物層と前記コレクタ側ゲート絶縁膜を介して対向している、前記コレクタ側ゲート電極の第二対向領域におけるゲート幅方向の長さの合計よりも長い、半導体装置。 - 前記第一高濃度不純物層と前記ドリフト層との間が導通し、かつ、前記第二高濃度不純物層と前記ドリフト層との間が非導通となるオン状態と、
少なくとも前記第二高濃度不純物層と前記ドリフト層とが導通する状態と、を有する、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第一対向領域のゲート幅方向における長さの合計が、前記第二対向領域のゲート幅方向における長さの合計の2倍以上長い、
請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記第一対向領域のゲート幅方向における長さの合計が、前記第二対向領域のゲート幅方向における長さの合計の4倍以上長い、
請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記エミッタ側ゲート電極は、前記エミッタ層の表面に絶縁膜を介して配置されるプレーナ型のエミッタ側ゲート電極、又は、前記エミッタ層のトレンチ孔内に形成されるトレンチ型のエミッタ側ゲート電極のいずれかであり、
前記コレクタ側ゲート電極は、前記不純物層の表面に配置されるプレーナ型のコレクタ側ゲート電極、又は、前記不純物層のトレンチ孔内に形成されるトレンチ型のコレクタ側ゲート電極のいずれかである、
請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 所定方向に向けて前記エミッタ側ゲート電極及び前記コレクタ側ゲート電極が所定間隔で配置されている素子領域の構成を1つのパターンとし、前記素子領域の構成が繰り返しパターンとして所定方向に所定周期で形成されており、
1つの前記素子領域において、前記第一対向領域のゲート幅方向における長さの合計が、前記第二対向領域のゲート幅方向における長さの合計よりも長い、
請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記素子領域を有する主領域と、前記主領域と隣接した周辺領域と、が設けられており、
前記周辺領域には、前記主領域に形成されている前記エミッタ側ゲート電極が形成されておらず、前記コレクタ層と、前記コレクタ電極と、前記不純物層と、前記コレクタ側ゲート電極と、が形成されている、
請求項6に記載の半導体装置。
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