JP4136361B2 - MOS gate thyristor and control method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属(M)−酸化膜(O)−半導体(S)構造のいわゆるMOSゲートを有するMOSゲートサイリスタおよびその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MOSゲートを有する高耐圧半導体素子の一つとして絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor以下IGBTと記す)が知られている。
図14は、従来のIGBTとしてトレンチ型ゲートをもつパンチスルータイプのnチャネル縦型IGBTの要部断面図である。
【0003】
高比抵抗のn-ドリフト層21の表面層にpベース領域22、n+エミッタ領域24、p+コンタクト領域23が形成されており、そのn+エミッタ領域24からpベース領域22を貫通しn-ドリフト層21に達するトレンチ35が掘り下げられている。そのトレンチ35内にゲート絶縁膜25を介してゲート電極26が埋められている。n-ドリフト層21の裏面側にはn-ドリフト層21より不純物濃度の高いnバッファ層27、pコレクタ層28があり、表面にコレクタ電極29が設けられている。
【0004】
30は、n+エミッタ領域24、p+コンタクト領域23の表面層に共通に接触するエミッタ電極である。一方、IGBTよりもオン抵抗が低い高耐圧半導体素子としてサイリスタが知られている。図15および図16に、従来のMOSゲートサイリスタとしてエミッタスイッチドサイリスタ[EmitterSwitched Thyristor;以下ESTと記す、Shekar,M.S.et.al.;Proc.of 3rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,(1991),p.128参照]およびベース抵抗制御サイリスタ[Base Resistance Controlled Thyristor;以下BRTと記す、Nandakumar,M.et.al.:Proc. of 3rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs(1991),p.138参照]の要部断面図を示す。
【0005】
図15のESTは、pコレクタ層48、nバッファ層47、n-ドリフト層41、pベース領域42、n+フローティング領域44aからなるpnpnの主サイリスタ部分と、pコレクタ層48、nバッファ層47、n-ドリフト層41、p+コンタクト領域43、n+エミッタ領域44とからなる寄生サイリスタ部分がある。
主サイリスタ部分は、n-ドリフト層41とn+フローティング領域44aとに挟まれたpベース領域42の表面上にゲート絶縁膜45を介してゲート電極 46 が設けられ、およびn+フローティング領域44aとn+エミッタ領域44とに挟まれたpベース領域42の表面上にゲート絶縁膜45aを介して補助ゲート電極 46 aが設けられゲート電極 46 、補助ゲート電極46aへの正の電圧印加でオンさせることができ、一方、零ないし負の電圧印加でオフさせることができる。
【0006】
図16のBRTは、n-ドリフト層51の表面層にpベース領域52、n+エミッタ領域54が形成されており、n-ドリフト層51とn+エミッタ領域54とに挟まれたpベース領域52の表面上にゲート絶縁膜55を介してゲート電極56が設けられている。n-ドリフト層51の表面層にpベース領域52に対向したpダイバータ領域61が形成されており、pベース領域52、pダイバータ領域61、ゲート絶縁膜55およびゲート電極56はpチャネルMOSFETを構成している。そして、pダイバータ領域61の表面に接触して設けられた補助電極62は、n+エミッタ領域54の表面に接触して設けられたエミッタ電極60と接続されている。
【0007】
ゲート電極56への正の電圧印加でBRTをオンさせることができ、一方、零ないし負の電圧印加でpチャネルMOSFETをオンさせてn-ドリフト層51からのキャリア排出を速め、オフさせることができる。また、ターンオフ時にn-ドリフト層からキャリアを引き抜くための絶縁ゲート型トランジスタを備えたMOSゲートサイリスタが、特開平5−41515号公報に開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図14のような従来のIGBTには3つの欠点があった。
第1に、オン抵抗の下限が、pベース領域22とゲート絶縁膜25との界面に形成されるFETチャネルの抵抗によって決定され、またサイリスタと比較してキャリアが高注入とならないため高抵抗ドリフト層21の直列抵抗も無視できないという問題があった。これを解消するため、エミッタ部にトレンチ構造を導入して素子面積あたりのFETチャネル密度を上げることがおこなわれてきたが、オン抵抗をサイリスタ並みに下げることは不可能であった。
【0009】
第2に、エミッタ部のn+エミッタ領域24とpベース領域22との境界に沿って、pベース領域22の内部を流れる正孔電流31に起因する電圧降下により寄生サイリスタがラッチアップし、ゲート電極26による制御ができなくなることである。特に負荷短絡時にラッチアップが起こりやすく、過電流によって素子が破壊する問題があった。これを解消するためp+コンタクト領域23が設けられ、前記電圧降下を減らしラッチアップ耐量は改善されてきたが、十分な効果を得ているとは言えない。また、p+コンタクト領域23を設けるための工程数が増え、コストが上がる問題があった。さらに、集積度の高いトレンチ型IGBTではエミッタ部においてn+エミッタ領域24とp+コンタクト領域23とが1μm以下の間隔で密に存在するため、イオン打ち込みにおけるマスク合わせやドライブ条件が厳しくなることである。
【0010】
第3の欠点は、p+コンタクト領域23、n-ドリフト層21とpコレクタ領域28とで構成されるpnpトランジスタの増幅率が高く、逆耐圧時に漏れ電流が増幅されるため、双方向型デバイスとしては使用できないことである。この問題はp+コンタクト領域23の不純物濃度を下げることで解消できるが、第2の欠点として挙げたラッチアップが起こりやすくなるため、p+コンタクト領域23の不純物濃度をいくらでも下げられるわけではない。
【0011】
一方、従来のMOSゲートサイリスタにも次のような3つの欠点があった。
第1に構造が複雑で集積化に向かず、工程数が多いためコストが高いことである。第2に、ターンオフ時にキャリアを引き抜く方法が、半導体領域から別の半導体領域にFETチャネルで短絡する方法によっていたため、引き抜き効率が悪く遮断可能電流容量が小さかった。従って、負荷短絡時にゲート制御できなくなり素子破壊する問題はIGBT以上に深刻であった。第3に、やはりキャリアの引き抜き効率が悪い結果として、スイッチング速度が遅く、ターンオフ損失が大きいことである。
【0012】
この発明の目的は4つある。
まず第1に、オン動作時はサイリスタ動作することにより、IGBTよりもオン抵抗が低く、サイリスタに並ぶ半導体素子を提供することである。
第2は、ターンオフ時はIGBT動作することにより、サイリスタよりも遮断可能電流容量が大きく、ターンオフ時間が短く、ターンオフ損失が小さく、IGBTに並ぶ半導体素子を提供することである。
【0013】
第3は、上記半導体素子の特性を十分に引き出すための制御方法を提供することである。
第4は、逆耐圧時でも漏れ電流が少なく、双方向型デバイスとして使用可能な半導体素子を提供することである。
つまり、サイリスタのオン動作時における長所と、IGBTのターンオフ動作時における長所をあわせ持つ半導体素子と、その制御回路を実現することである。
【0014】
【課題を解決するための手投】
前記の目的を達成するため、エミッタ部を薄膜化、微細化した構造を採用し、また従来はn+エミッタ領域とpベース領域とにともに接触して設けられたエミッタ電極を、n+エミッタ領域のみに接触する第一エミッタ電極と、pベース領域のみに接触する第二エミッタ電極とに分離する。
【0015】
具体的には、高比抵抗の第一導電型ドリフト層と、そのドリフト層の表面層に形成された第二導電型ベース領域と、その第二導電型ベース領域の表面層に形成されかつ第一導電型ドリフト層に接続しない第一導電型エミッタ領域と、第一導電型エミッタ領域の表面から第二導電型ベース領域を貫通して掘り下げられた前記ドリフト層に達する第一トレンチと、その第一トレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、第一トレンチ内にゲート絶縁膜を介して第二導電型ベース領域に対向して設けられたゲート電極と、第一導電型エミッタ領域の表面に接触して設けられ第二導電型ベース領域に接触しない第一エミッタ電極と、第一導電型エミッタ領域の表面から掘り下げられ前記第二導電型ベース領域に達する第二トレンチと、その第二トレンチの内部に設けられた前記第二導電型ベース領域のみに接触し、前記第一導電型エミッタ領域に接触しない第二エミッタ電極と、第一導電型ドリフト層の裏面側に形成された第二導電型コレクタ層と、その第二導電型コレクタ層の表面に接触して設けられたコレクタ電極とを具備するMOSゲートサイリスタや、
高比抵抗の第一導電型ドリフト層と、そのドリフト層の表面層に形成された第二導電型ベース領域と、その第二導電型ベース領域の表面層に形成されかつ第一導電型ドリフト層に接続しない第一導電型エミッタ領域と、第一導電型エミッタ領域の表面から第二導電型ベース領域を貫通して掘り下げられた前記ドリフト層に達する第一トレンチと、その第一トレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、第一トレンチ内にゲート絶縁膜を介して第二導電型ベース領域に対向して設けられたゲート電極と、第一導電型エミッタ領域の表面に接触して設けられ第二導電型ベース領域に接触しない第一エミッタ電極と、第一導電型エミッタ領域に挟まれた第二導電型ベース領域の表面のみに接触し、前記第一導電型エミッタ領域に接触しない第二エミッタ電極と、第一導電型ドリフト層の裏面側に形成された第二導電型コレクタ層と、その第二導電型コレクタ層の表面に接触して設けられたコレクタ電極とを具備するMOSゲートサイリスタ、
或いは
第一導電型ドリフト層上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、ゲート電極の側面および上面を覆う絶縁膜と、ゲート電極上の絶縁膜上に形成された第一導電型薄膜半導体層と、ゲート電極の側部を伝って第一導電型ドリフト層と第一導電型薄膜半導体層とを接続する連結半導体部と、前記第一導電型薄膜半導体層の連結半導体部から遠い側の端部から順に配置されかつ前記第一導電型薄膜半導体層の一部である第一導電型エミッタ領域、第二導電型ベース領域と、第一導電型エミッタ領域にのみ接触して設けられ第二導電型ベース領域に接触しない第一エミッタ電極と、第二導電型ベース領域にのみ接触して設けられ第一導電型エミッタ領域に接触しない第二エミッタ電極と、第一導電型ドリフト層の裏面側に形成された第二導電型コレクタ層と、その第二導電型コレクタ層の表面に接触して設けられたコレクタ電極とを具備するMOSゲートサイリスタとする。連結半導体部は半導体基板の一部であっても良いし、半導体薄膜層であっても良い。
【0016】
そのようにして第一エミッタ電極と第二エミッタ電極とをたとえばMOSFETなどのスイッチング素子を介して接続すれば、先ず第二エミッタ電極を浮遊させた状態で、MOSゲートサイリスタをオン動作させると、ただちにラッチアップしてサイリスタ動作に移行する。その結果、低オン抵抗を実現できる。
次に、ターンオフ時は第一エミッタ電極と第二エミッタ電極とを短絡すると同時にゲート入力をオフし、IGBTモードでターンオフできる。このとき、エミッタ層が薄膜で体積が小さく、かつ半導体領域から金属領域へのキャリア引き抜きを行うので、エミッタb電極へのキャリア引き抜き効率が上がり、遮断可能電流容量が大きくなる。
【0017】
第一導電型ドリフト層と第二導電型コレクタ層との間に、第一導電型ドリフト層より不純物濃度が高い第一導電型バッファー層を備えれば、空乏層の広がりを抑え、いわゆるパンチスルータイプとして高耐圧素子に適する構造となる。
第二導電型コレクタ層の厚さが1μm以下であること、不純物ドーピングレベルが、1018cm-3以下であることは、少数キャリアの注入量を制御してスイッチング速度を速めることができる。
【0018】
第二導電型ベース領域内の不純物濃度が1015〜1018cm-3の範囲にあるものとする。
エミッタ部において第一導電型エミッタ領域と第二導電型ベース領域との境界に沿って、第二導電型ベース領域の内部を流れる正孔電流に起因する電圧降下が存在すると、遮断可能電流容量が小さくなってしまう。これを防ぐためには、第二導電型ベース領域の幅が狭い方が有利である。また、幅が狭ければ、電圧降下を低減するために従来のIGBTでは必要だった高濃度の第二導電型コンタクト領域を廃止でき、製造コストが下がると同時に、逆耐圧時の漏れ電流が少なくなり双方向デバイスとして使用できるようになる。
【0019】
先に挙げた特開平5−41515号公報の図16に、第二導電型ベース領域に第1エミッタ電極とは別の第2エミッタ電極を設けた例が記載されている。図17はその例の斜視断面図である。
n-ドリフト層71の表面層にpベース領域72、n+エミッタ領域73が形成され、n+エミッタ領域73の表面からn-ドリフト層71に達するトレンチが掘り下げられ、そのトレンチ内にゲート絶縁膜74を介してゲート電極75が埋め込まれている。n+エミッタ領域73の表面に接触するエミッタ電極78とは独立にpベース領域72の表面に接触する補助電極76が設けられている。この例では、pベース領域72に接触する補助電極76は、トレンチ内、或いはトレンチ間の表面ではなく、トレンチの長さ方向の端の先の表面上に設けられている。そして、この場合のpベース領域72内の正孔電流の経路は、矢印83で示した経路となる。このような長い距離を流れると、トレンチの中央付近のpベース領域72では電位が下がらず、実際には速やかなターンオフがおこなわれない。速やかなターンオフがおこなわれるためには、上にも述べたように、pベース領域72内の全ての点が補助電極76から近く、正孔電流83に起因する電圧降下が小さいことが必要である。
【0020】
第一トレンチの平面図上の形状がストライプ状であっても、格子状または網状であってもよい。様々な形状をとり得る。
第一エミッタ電極と第二エミッタ電極との間に接続する、MOSFETのようなスイッチング半導体素子をモノリシックに同一半導体基板上に作り込めば、一体化したMOSゲートサイリスタとして便利である。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、この発明の第1の実施形態に係る絶縁ゲートサイリスタの主要部の断面図である。なお、以下の説明ではnチャネル型の絶縁ゲートサイリスタを例示する。
【0022】
本発明はエミッタ構造にかかわるもので、コレクタ構造は任意である。従って、薄型基板を使ってコレクタ層を薄膜化した構造や、パンチスルー型のコレクタ層をもつ各デバイスにも適用される。図1において、1は高抵抗のn-ドリフト層であり、その表面層にpベース領域2とn+エミッタ領域3が形成されている。そして、そのn+エミッタ領域3の表面からpベース領域2を突き抜けてn-ドリフト層1に達する第1トレンチ15が掘り下げられ、隣接する2本の第1トレンチ15の中間にpベース領域2で止まる第2トレンチ16が掘り下げられている。
【0023】
第1トレンチ15内には、ゲート絶縁膜4を介して多結晶シリコンのゲート電極5が埋め込まれている。また、第2トレンチ16内には、pベース領域2のみに接触し、n+エミッタ領域3には接触しない第二エミッタ電極(Eb)6が設けられている。第2トレンチ16内のn+エミッタ領域3の露出部は層間絶縁膜7によって保護されている。
【0024】
また、第1トレンチ15、第2トレンチ16間のn+エミッタ領域3の表面に接触して第一エミッタ電極(Ea)8が設けられている。一方、n-ドリフト層1の裏面側にはpコレクタ層9があり、その表面に接触するコレクタ電極10が設けられている。
パンチスルー型およびフィールドストップ型のデバイスでは、さらにn-ドリフト層1とpコレクタ層9との間にn-ドリフト層1より高不純物濃度のnバッファ層を挟む場合もある。
【0025】
図1の絶縁ゲート制御サイリスタの製造方法を、図18(a)〜(d)および図19の工程順の断面図を用いて説明する。但し、図1は絶縁ゲート制御サイリスタの活性部であり、この他に主に周辺部分に例えばガードリング等の耐圧構造が設けられるが、それらは、他の一般の半導体素子と同様に形成されるので省略する。
【0026】
n-ドリフト層1となる高抵抗のn型基板の表面層に、p型、n型不純物のイオン注入および熱処理により、pベース領域2とn+エミッタ領域3を形成する[図18(a)]。
n+エミッタ領域3の表面にマスクとなる例えば酸化膜を形成し、フォトリソグラフィ等によるパターニングの後、臭化水素等を用いた反応性イオンエッチングにより、n-ドリフト層1に達する第1トレンチ15を形成し、その内壁を熱酸化してゲート絶縁膜4を形成する。続いて、そのゲート絶縁膜4に密着するようにプラズマCVD法等により第1トレンチ15内に多結晶シリコンを充填してゲート電極5とする[同図(b)]。
【0027】
続いて、二本の第1トレンチ15に挟まれた領域の中央に、同様にマスク形成と反応性イオンエッチングにより、n+エミッタ領域3を突き抜け、pベース領域2に僅かに達する第2トレンチ16を形成し、絶縁膜7で埋め込む[同図(c)]。絶縁膜7は四エトキシシラン(TEOS)やHDP、HTOなどの酸化膜でもよいし、窒化膜でもよい。
【0028】
続いて、絶縁膜7に図示しないマスクを用いて窓開けし、pベース領域2を突き抜けないように掘り下げる[同図(d)]。
次に、第2トレンチ16に第二エミッタ電極(Eb)6を埋め込む[図19]。電極材料は金属CVDによるタングステンや銅が望ましいが、アルミニウムや多結晶シリコンでも良い。
【0029】
更に、n型基板1の裏面側を研磨して所定の厚さに調整した後、p型不純物のイオン注入および熱処理により、pコレクタ層9を形成する。n+エミッタ領域3の表面上にスパッタ蒸着により、アルミニウム合金を堆積し、パターニングして第一エミッタ電極(Ea)8とする。このとき一部でゲート電極5と接するゲート金属電極も同時に形成する。pコレクタ層9の裏面にはスパッタ蒸着により、チタン、金、ニッケルの三層を堆積し、コレクタ電極10とする。最後に表面に図示しないパッシベーション膜を形成して、図1の絶縁ゲート制御サイリスタが完成する。
【0030】
図3に、この絶縁ゲート制御サイリスタの典型的なサイズを示す。n-ドリフト層1の厚さt1は半導体素子の耐圧値によって決まり、たとえば600V耐圧品であれば70ないし100μmとし、ドーピングレベルは約1014cm-3とする。pベース領域2の厚さt2は任意であるが、プロセスの容易さと量産性を加味すれば1〜5μmとし、ドーピングレベルは1015〜1018cm-3とするのがよい。pベース領域2のドーピングレベルが高すぎる場合は、逆耐圧時の漏れ電流が大きくなる危険がある。n+エミッタ領域3の厚さt3は任意であるが、プロセスの容易さと量産性を加味すれば5μm以下とし、ドーピングレベルは1017cm-3以上とするのがよい。
【0031】
ゲート絶縁膜4の厚さt4は、ゲート絶縁膜として機能する範囲で10〜100nmとするのがよい。第1トレンチ15の幅t5aは集積度を上げるため5μm以下とするのがよい。また、深さt5bはpベース領域2とn+エミッタ領域3を突き抜けn-ドリフト領域1に達すればよく、t2およびt3の値によって決まる。第二エミッタ電極(Eb)6の厚さt6は、pベース領域2の厚さt2より小さい値とし、第二エミッタ電極(Eb)6の上面と下面とがそれぞれ、pベース領域2の上面と下面を突き抜けないように決める必要があり、5μm以下とするのがよい。層間絶縁膜7の厚さt7は、n+エミッタ領域3の厚さt3よりも大きくなければならない。第2トレンチ16の幅t6aは、集積度を上げるため5μm以下とするのがよい。また、第1トレンチ15と第2トレンチ16との間隔tは10μm以下とする。間隔tが大きい場合、キャリアの引き抜き効率が低下して遮断可能電流容量が小さくなる。
【0032】
pコレクタ層9の厚さt9は任意であるが、ターンオフ損失を減らす観点から1μm以下とし、ドーピングレベルを1018cm-3以下とするのが望ましい。
次に、このMOSゲートサイリスタの動作特性を説明する。図2は図1に示したMOSゲートサイリスタ11で誘導負荷の電力を制御する場合の最も基本的な回路である。すなわち第一エミッタ電極(Ea)8と第二エミッタ電極(Eb)6との間にMOSFET12が接続される。第一エミッタ電極と第二エミッタ電極との間に接続する、MOSFETのようなスイッチング半導体素子をモノリシックに同一半導体基板上に作り込めば、一体化したMOSゲートサイリスタとして便利である。
【0033】
MOSゲートサイリスタ11をオフ状態からオン状態にするには、次のようにする。まずMOSFET12をオフとし、第一エミッタ電極(Ea)8と第二エミッタ電極(Eb)6とを絶縁する。次にMOSゲートサイリスタ11のゲートに例えば+15Vを印加し、pベース領域2とゲート絶縁膜4との界面にFETチャネルを形成し電流を流す。この動作はFET動作である。しかし、pベース領域2とn+エミッタ領域3との間に発生する電位差により、ただちにFET動作からサイリスタ動作に移行する。その結果、オン抵抗は通常のサイリスタと同じであり、バイポーラデバイスとしての限界にほぼ近くなる。
【0034】
次に、ターンオフ動作について説明する。ターンオフはMOSゲートサイリスタ11のゲート入力をたとえば0Vないし−15Vとしオフさせると同時に、MOSFET12をゲート入力によってオンさせ、第一エミッタ電極(Ea)8と第二エミッタ電極(Eb)6とを短絡させる。第一エミッタ電極(Ea)8と第二エミッタ電極(Eb)6とが短絡することにより、回路はIGBTと等価となる。このとき、pベース領域2に高注入状態で存在する正孔が、第二エミッタ電極(Eb)6に引き抜かれる。pベース領域2は薄膜構造で体積が小さく、また半導体領域から金属への引き抜きであるため、正孔の引き抜き効率がきわめて高い。
【0035】
さらに、エミッタ部における正孔電流は正孔電流13に示すように、n+エミッタ領域3とpベース領域2との境界に沿って流れないので、正孔電流に起因する電圧降下がなく、pベース領域2とn+エミッタ領域3とが同電位となり、ただちにサイリスタ動作が終了する。また、ゲート入力によりpベース領域2とゲート絶縁膜4の界面において、FETチャネルが切断されるので、従来のIGBTと同じ原理によりターンオフする。その結果、ターンオフ時間は従来のIGBTと並び、従来のサイリスタよりも10倍以上高速であり、ターンオフ損失も従来のIGBTと同程度となる。
【0036】
本発明によれば、オン抵抗が従来のIGBTと比較して低く、サイリスタと並んでバイポーラデバイスの限界に近く、ターンオフ時間とターンオフ損失が従来のIGBTと並び、従来のサイリスタと比較して1桁以上特性の良い高耐圧半導体素子が得られる。つまり、従来のIGBTの長所とサイリスタの長所をあわせもつ半導体素子が実現できる。
【0037】
また、従来のIGBTは一度ラッチアップするとゲート制御ができなくなり、過電流が流れて素子破壊に至る問題があったのに対し、MOSゲートサイリスタ11はオン状態で常にラッチアップしており、これをいつでも遮断することができる。遮断可能電流容量は設計パラメータにも依存するが、シミュレーションによれば従来のIGBTの遮断可能電流容量を5倍以上、10倍近く上回ることができる。
【0038】
さらに本実施例の、MOSゲートサイリスタ11は、負荷短絡時においても保護が容易である。負荷短絡を検知した場合、ただちにMOSFET12をオンすると同時に、ゲート入力をオフすればサイリスタ動作状態から遮断できる。遮断可能電流容量が前述のように極めて大きいため、素子が破壊に至る前に保護できる。
また、オン動作時においては、ゲート入力だけでなく、MOSFET12をゲート入力により中間的に制御することにより、サイリスタ動作とIGBT動作の中間状態を作り出し、より細かい電流制御が可能となる。
【0039】
[第2の実施形態]
図4は、第2の実施形態のMOSゲートサイリスタの部分断面図である。図4において、図1の各領域に対応する領域には同じ番号を付した。第1の実施形態の図2に相当する外部回路は本実施形態においても共通である。
高抵抗のn-ドリフト層1上に例えば酸化膜の絶縁膜4を介して多結晶シリコンからなるゲート電極5が形成されている。ゲート電極5の側面および上面も絶縁膜4により覆われている。n-ドリフト層1の表面からゲート電極5の側方の連結半導体部19を経てゲート電極5の上まで薄膜半導体層18が形成されており、その薄膜半導体層18の連結半導体部19から遠い端部にpベース領域2、n+エミッタ領域3が形成されている。8はn+エミッタ領域3に接触して設けられた第一エミッタ電極(Ea)、6はpベース領域2の表面に設けられた第二エミッタ電極(Eb)である。n-ドリフト層1の裏面側には、pコレクタ層9が形成され、その表面にコレクタ電極10が設けられている。この例では、ゲート電極5の上側の絶縁膜がゲート絶縁膜4となる。連結半導体部 19 は半導体基板の一部であっても良いし、半導体薄膜層であっても良い。
【0040】
パンチスルー型およびフィールドストップ型のデバイスでは、さらにn-ドリフト層1とpコレクタ層9との間にn-ドリフト層1より高不純物濃度のnバッファ層を挟む場合もある。
図4の絶縁ゲート制御サイリスタの製造方法を、図20(a)、(b)および図21(a)〜(d)の工程順の断面図を用いて説明する。
【0041】
n-ドリフト層1となる高抵抗のn型基板上に熱酸化により酸化膜4a、続いて減圧CVDによりゲート電極5となる多結晶シリコン膜5aを順に形成する[図20(a)]。
続いて、図示しないマスクを使って酸化膜4a、多結晶シリコン膜5aにストライプ状の窓開けをする[同図(b)]。
【0042】
次に窓開けした開口部にCVDにより酸化膜4bを堆積する[図21(a)]。
酸化膜4bと多結晶シリコン膜5aの表面を研磨し平坦化した後、その表面上にCVDにより酸化膜4cを堆積する[同図(b)]。
続いて、図示しないマスクを使って酸化膜4cおよび4bに窓開けする[同図(c)]。こうして上下および側面を酸化膜で囲まれたゲート電極5 が形成される。
【0043】
窓開けした開口部から単結晶のエピタキシャル成長層1bをエピタキシャル成長させる[同図(d)]。このとき横方向エピタキシャル成長(Epitaxial Lateral Overgrowth;以下ELOと記す)技術や、分子線の指向性を揃えた分子線エピタキシー法を使ってエピタキシャル成長層1bを横方向に延ばすと良い。
その後エピタキシャル成長層1bの先端部にイオン注入と熱処理によりpベース領域と、更にその先端部にn+エミッタ領域を形成する。
【0044】
続いて、スパッタ蒸着により、アルミニウム合金を堆積し、パターニングしてpベース領域2の表面上に第二エミッタ電極(Eb)6、n+エミッタ領域3の表面上に第一エミッタ電極(Ea)8を設ける。このとき一部でゲート電極5と接するゲート金属電極も同時に形成する。更に、n型基板1の裏面側を研磨して所定の厚さに調整した後、p型不純物のイオン注入および熱処理により、pコレクタ層9を形成する。pコレクタ層9の裏面にはスパッタ蒸着により、チタン、金、ニッケルの三層を堆積し、コレクタ電極10とする。最後に表面に図示しないパッシベーション膜を形成して、図4の絶縁ゲート制御サイリスタが完成する。
【0045】
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、pベース領域2、n+エミッタ領域3が形成されたエミッタ部を基板表面に引き出したことである。このような構造は、ELOを利用して形成できる。第1の実施形態では、エミッタ部の薄膜化によって厚さtが1μm以下になった場合、エミッタ部が機械的に弱く、折れ易くなる問題がある。また、第2エミッタ電極6の形成も難しくなる。従って、機械的強度を保つために、エミッタ部の薄膜構造が基板に支持される構造が望ましい。これを実現したのが、本実施形態である。
【0046】
本実施形態により、エミッタ部の厚さtは0.1μm以下とすることも可能である。さらに、デザインルールが小さくなれば、それに対応してpベース領域2、n+エミッタ領域3、第一エミッタ電極(Ea)8および第二エミッタ電極(Eb)6を微細化し、集積度を上げることができる。その他の効果は第1の実施形態と同じである。
【0047】
本実施形態における電流−電圧特性(Ic−Vce特性)のシミュレーションをおこなった。図5は、シミュレーションに用いた構造の断面図、図6はその表面近傍の拡大図である。セル形状はストライプ状とし、サイズ1cm角のチップを想定した。
n-ドリフト層の厚さは100μm、ユニットセル幅は20μm、pベース領域、nエミッタ領域の厚さは共に1μm、幅はそれぞれ2μm、1μmである。連結半導体部19の幅は2μmである。ゲート電極の厚さは1μm、ゲート絶縁膜の厚さは50nmである。
【0048】
図7は、第一エミッタ電極(Ea)8と第二エミッタ電極(Eb)6とを短絡した場合のIc−Vce特性図である。横軸はコレクタエミッタ間電圧Vce、縦軸はコレクタ電流Icである。チップサイズが1cm2なので、電流密度と考えることもできる。パラメータはゲート電圧Vgであり、9V、10V、15Vとした。また、pコレクタ層9の不純物濃度は5×1016cm-3とした。
【0049】
Vce=10Vのとき、Vg=9V、10V、15Vでそれぞれ3500A、3800A、4500A流れる。この動作はIGBT動作に近いが、通常のIGBTがラッチアップする電流密度よりもはるかに高い電流密度でゲート制御が可能であることがわかる。
図8は、第一エミッタ電極(Ea)8と第二エミッタ電極(Eb)6との間に0.1Ωの抵抗を挟んだ場合のIc−Vge(ターンオフ)特性を示している。横軸はゲート電圧Vge、縦軸はコレクタ電流Icである。この抵抗にはオン動作時において数10Aの電流が流れるため、その電圧降下は0.7V以上となりサイリスタ動作の条件を満たす。従って、両エミッタ電極間が短絡されている場合に比較して、Icが増える傾向が見られる。抵抗を挟んだ場合にIcが増えることは、サイリスタ動作が起こっていることを示している。
【0050】
図7および図8でIcの飽和傾向が見られるが、この飽和電流値はpコレクタ層9のドーピングレベルによつて変化するものであり、図9に示すようにpコレクタ層9のドーピングレベルを上げる程、飽和電流も増加する。
遮断可能電流容量は、図10に示したIc−Vge(ターンオフ)特性からわかるように、チップ面積1cm2当たり8000Aに達し、従来のIGBTの遮断可能電流容量(約1200A/cm2)と比較して、5倍以上の電流密度を遮断できることになる。また、Icに対してゲート制御が可能なことから、負荷短絡時の素子保護も容易になることがわかる。
【0051】
[第3の実施形態]
第1の実施形態において、エミッタ部のトレンチの表面セル形状は必ずしもストライプ形状である必要はない。pベース領域2の体積が十分小さく、第二エミッタ電極(Eb) 6によるキャリアの引き抜き効率が高く維持されれば、他の形状でもよい。
【0052】
従って、たとえばセル形状として図11に示す市松状の形状をとってもよい。ただし、第二エミッタ電極(Eb) 6を引き出すためコンタクトホール14が必要となる。
[第4の実施形態]
第1の実施形態において、エミッタ構造が図12に示すように従来のIGBTと同じであっても、幅tが狭ければ、pベース領域2からのキャリア引き抜き効率はある程度維持され、サイリスタ動作から遮断可能である。
【0053】
図13は、遮断可能電流容量のエミッタ構造の間隔t依存性を示す特性図である。
従来の構造では1200A/cm2が限界であったが、tを10μm以下とすると、従来に比べ遮断可能電流容量を増大させることができる。更に、tを5μm以下とすることによって、従来の二倍以上の遮断可能電流容量を得ることができる。
【0054】
第1の実施形態と比較すると、正孔電流31による電圧降下が大きいため、遮断可能電流容量は小さく、またp+コンタクト領域23が存在するため、双方向型半導体素子としては使えない。
なお、pチャネル型のIGBTにおいても、上記の伝導型を入れ替えれば同じ議論が適用される。
【0055】
【本発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ゲート電極の設けられた第一トレンチとは別の第二トレンチを掘り下げ、その第二トレンチ内に第一エミッタ電極と分離された第二エミッタ電極を設けるなどして、第二導電型ベース領域からのキヤリアの排出を促進することにより、オン抵抗が従来のIGBTより低く、サイリスタ並みで、しかもターンオフ時間とターンオフ損失は従来のIGBT並みで、従来のサイリスタと比較して1桁以上特性の良いMOSゲートサイリスタが得られる。つまり、従来のIGBTの長所とサイリスタの長所をあわせもつ半導体素子が実現できる。
【0056】
さらに、遮断可能電流容量が従来のIGBTよりも大きく、また、負荷短絡時の素子保護も従来のIGBTやサイリスタに比べて容易となる。
また、従来のIGBTと比較してエミッタ部のp+コンタクト領域をなくすことができるので、これに起因する逆耐圧時の漏れ電流を減らし、双方向型半導体素子として利用できる。
【0057】
従って本発明のMOSゲートサイリスタは、電力変換装置の画期的な効率向上に資するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明第1の実施形態のMOSゲートサイリスタの部分断面図
【図2】 本発明のMOSゲートサイリスタの使用回路図
【図3】 本発明第1の実施形態のMOSゲートサイリスタの各部寸法の説明図
【図4】 本発明第2の実施形態のMOSゲートサイリスタの部分断面図
【図5】 第2の実施形態のMOSゲートサイリスタの構造図
【図6】 第2の実施形態のMOSゲートサイリスタのエミッタ部の拡大図
【図7】 第2の実施形態のMOSゲートサイリスタのIc-Vce特性図
【図8】 第2の実施形態のMOSゲートサイリスタのIc-Vge特性図
【図9】 Ic-Vce特性のpコレクタ層濃度依存性を示す特性図
【図10】 pコレクタ層濃度が高いときのIc-Vge特性図
【図11】 本発明第3の実施形態のMOSゲートサイリスタの斜視断面図
【図12】 本発明第4の実施形態のMOSゲートサイリスタの部分断面図
【図13】 遮断可能電流のエミッタ構造間隔t依存性を示す特性図
【図14】 従来のIGBTの部分断面図
【図15】 従来のESTの部分断面図
【図16】 従来のRBTの部分断面図
【図17】 従来のMOSゲートサイリスタの部分断面図
【図18】 (a)〜(d)は本発明第1の実施形態のMOSゲートサイリスタの製造方法を説明する工程順の部分断面図
【図19】 図18(d)に続く本発明第1の実施形態のMOSゲートサイリスタの製造方法を説明する工程順の部分断面図
【図20】 (a)、(b)は本発明第2の実施形態のMOSゲートサイリスタの製造方法を説明する工程順の部分断面図
【図21】 (a)〜(d)は図20(b)に続く本発明第2の実施形態のMOSゲートサイリスタの製造方法を説明する工程順の部分断面図
【符号の説明】
1…n-ドリフト層
2…pベース領域
3…n+エミッタ領域
4…ゲート絶縁膜
4a、4b、4c…酸化膜
5…ゲート電極
5a…多結晶シリコン膜
6…第二エミッタ電極
7…絶縁膜または層間絶縁膜
8…第一エミッタ電極
9…pコレクタ層
10…コレクタ電極
11…MOSゲートサイリスタ
12…MOSFET
13…正孔電流
14…コンタクトホール
15…第一トレンチ
16…第二トレンチ
17…絶縁膜
18…薄膜半導体層
19…連結半導体部
21…n- ドリフト層
22…pベース領域
23…p+ コンタクト領域
24…n+ エミッタ領域
25…ゲート絶縁膜
26…ゲート電極
27…n+半導体領域
28…P+半導体領域
29…コレクタ電極
30…エミッタ電極
31…正孔電流[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MOS gate thyristor having a so-called MOS gate having a metal (M) -oxide film (O) -semiconductor (S) structure and a control method therefor.
[0002]
[Prior art]
An insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) is known as one of high breakdown voltage semiconductor elements having a MOS gate.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part of a punch-through type n-channel vertical IGBT having a trench gate as a conventional IGBT.
[0003]
N of high specific resistance-
[0004]
30 is n+Emitter region 24, p+The emitter electrode is in common contact with the surface layer of the
[0005]
The EST in FIG. 15 includes
The main thyristor part is n-Drift layer 41 and n+Via a gate
[0006]
In FIG.BRTIs n-
[0007]
By applying a positive voltage to the gate electrode 56BRTOn the other hand, by applying zero or negative voltage, the p-channel MOSFET is turned on and n-Carrier discharge from the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional IGBT as shown in FIG. 14 has three drawbacks.
First, the lower limit of the on-resistance is determined by the resistance of the FET channel formed at the interface between the
[0009]
Second, n of the emitter section+The parasitic thyristor latches up due to the voltage drop caused by the hole current 31 flowing inside the
[0010]
The third drawback is p+Contact region 23, n-The pnp transistor composed of the
[0011]
On the other hand, the conventional MOS gate thyristor has the following three drawbacks.
First, the structure is complicated and not suitable for integration, and the number of processes is large, so the cost is high. Secondly, since the method of extracting carriers at the time of turn-off is a method of short-circuiting from a semiconductor region to another semiconductor region by an FET channel, the extraction efficiency is poor and the interruptable current capacity is small. Therefore, the problem that the gate cannot be controlled when the load is short-circuited and the element is destroyed is more serious than that of the IGBT. Third, as a result of poor carrier extraction efficiency, the switching speed is slow and the turn-off loss is large.
[0012]
There are four purposes of this invention.
First, a thyristor operation is performed during the on operation, thereby providing a semiconductor element having an on-resistance lower than that of the IGBT and arranged in the thyristor.
The second is to provide a semiconductor element aligned with the IGBT by performing an IGBT operation at the time of turn-off so that the current capacity that can be cut off is larger than that of the thyristor, the turn-off time is short, the turn-off loss is small.
[0013]
The third is to provide a control method for fully extracting the characteristics of the semiconductor element.
The fourth is to provide a semiconductor element that has a low leakage current even at a reverse breakdown voltage and can be used as a bidirectional device.
In other words, to realize a semiconductor element having both advantages in turning on the thyristor and in turning off the IGBT, and a control circuit thereof.sois there.
[0014]
[Hand throws to solve problems]
In order to achieve the above object, a structure in which the emitter portion is thinned and miniaturized is adopted, and conventionally, n+An emitter electrode provided in contact with both the emitter region and the p base region is defined as n+The first emitter electrode that contacts only the emitter region and the second emitter electrode that contacts only the p base region are separated.
[0015]
Specifically, the first conductivity type drift layer having a high resistivity, the second conductivity type base region formed in the surface layer of the drift layer, and the surface layer of the second conductivity type base region are formed.Is itA first conductivity type emitter region not connected to the first conductivity type drift layer; a first trench reaching the drift layer dug down from the surface of the first conductivity type emitter region through the second conductivity type base region; A gate insulating film formed on the inner wall of the first trench, a gate electrode provided in the first trench so as to face the second conductive type base region via the gate insulating film, and a first conductive type emitter region A first emitter electrode provided in contact with the surface and not in contact with the second conductivity type base region, and dug down from the surface of the first conductivity type emitter region;BeforeA second trench reaching the second conductivity type base region, and a second emitter electrode that contacts only the second conductivity type base region provided in the second trench and does not contact the first conductivity type emitter region A MOS gate thyristor comprising: a second conductivity type collector layer formed on the back side of the first conductivity type drift layer; and a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector layer;
The first conductivity type drift layer having a high resistivity, the second conductivity type base region formed in the surface layer of the drift layer, and the surface layer of the second conductivity type base region.Is itA first conductivity type emitter region not connected to the first conductivity type drift layer; a first trench reaching the drift layer dug down from the surface of the first conductivity type emitter region through the second conductivity type base region; A gate insulating film formed on the inner wall of the first trench, a gate electrode provided in the first trench so as to face the second conductive type base region via the gate insulating film, and a first conductive type emitter region A first emitter electrode provided in contact with the surface and not in contact with the second conductivity type base region, and only in contact with the surface of the second conductivity type base region sandwiched between the first conductivity type emitter regions; A second emitter electrode not in contact with the emitter region; a second conductivity type collector layer formed on the back side of the first conductivity type drift layer; and a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector layer. MOS gate thyristor having a doorThe
SomeYes
A gate electrode formed on the first conductivity type drift layer via an insulating film, an insulating film covering a side surface and an upper surface of the gate electrode, and a first conductivity type thin film semiconductor layer formed on the insulating film on the gate electrode And a connected semiconductor portion connecting the first conductivity type drift layer and the first conductivity type thin film semiconductor layer along the side of the gate electrode,A first-conductivity-type emitter region, a second-conductivity-type base region, and a first-conductivity-type thin-film semiconductor layer disposed in order from an end of the first-conductivity-type thin-film semiconductor layer that is far from the connecting semiconductor portion ,Provided only in contact with the first conductivity type emitter regionThe secondThe first emitter electrode that does not contact the two conductivity type base region and the second emitter type base region that is in contact onlyThe secondProvided in contact with the second emitter electrode not contacting the one conductivity type emitter region, the second conductivity type collector layer formed on the back side of the first conductivity type drift layer, and the surface of the second conductivity type collector layer A MOS gate thyristor having a collector electrode. The connecting semiconductor portion may be a part of the semiconductor substrate or a semiconductor thin film layer.
[0016]
If the first emitter electrode and the second emitter electrode are connected to each other through a switching element such as a MOSFET in this way, the MOS gate thyristor is immediately turned on with the second emitter electrode floating. Latch up and shift to thyristor operation. As a result, a low on-resistance can be realized.
Next, at the time of turn-off, the first emitter electrode and the second emitter electrode are short-circuited, and at the same time, the gate input is turned off so that the IGBT mode can be turned off. At this time, since the emitter layer is a thin film with a small volume and carriers are extracted from the semiconductor region to the metal region, the efficiency of extracting carriers from the emitter b electrode is increased, and the interruptable current capacity is increased.
[0017]
If the first conductivity type buffer layer having a higher impurity concentration than the first conductivity type drift layer is provided between the first conductivity type drift layer and the second conductivity type collector layer, the spread of the depletion layer is suppressed, so-called punch-through. The structure is suitable for a high voltage element as a type.
The thickness of the second conductivity type collector layer is 1 μm or less, and the impurity doping level is 1018cm-3The following can increase the switching speed by controlling the injection amount of minority carriers.
[0018]
In the second conductivity type base regionImpuritiesConcentration is 1015-1018cm-3It shall be in the range.
If there is a voltage drop due to the hole current flowing inside the second conductivity type base region along the boundary between the first conductivity type emitter region and the second conductivity type base region in the emitter section, It gets smaller. In order to prevent this, it is advantageous that the width of the second conductivity type base region is narrow. In addition, if the width is narrow, the high-concentration second conductivity type contact region, which was necessary for conventional IGBTs to reduce the voltage drop, can be eliminated, reducing manufacturing costs and reducing leakage current at reverse breakdown voltage. It can be used as a bidirectional device.
[0019]
FIG. 16 of JP-A-5-41515 mentioned above describes an example in which a second emitter electrode other than the first emitter electrode is provided in the second conductivity type base region. FIG. 17 is a perspective sectional view of the example.
n-
[0020]
First trenchPlaneThe shape on the figure may be a stripe shape, or a lattice shape or a net shape. Can take a variety of shapes.
If a switching semiconductor element such as a MOSFET connected between the first emitter electrode and the second emitter electrode is monolithically formed on the same semiconductor substrate, it is convenient as an integrated MOS gate thyristor.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the main part of an insulated gate thyristor according to the first embodiment of the present invention. In the following description, an n-channel insulated gate thyristor is illustrated.
[0022]
The present invention relates to an emitter structure, and the collector structure is arbitrary. Therefore, the present invention can be applied to a structure in which a collector layer is thinned using a thin substrate and devices having a punch-through type collector layer. In FIG. 1, 1 is n of high resistance.-It is a drift layer, and
[0023]
A polycrystalline
[0024]
In addition, n between the
For punch-through and field stop devices, n-N between the
[0025]
A method for manufacturing the insulated gate control thyristor of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 18A to 18D and cross-sectional views in the order of steps of FIG. However, FIG. 1 shows an active portion of an insulated gate control thyristor. Besides this, a breakdown voltage structure such as a guard ring is mainly provided in the peripheral portion, but these are formed in the same manner as other general semiconductor elements. I will omit it.
[0026]
n-A p-
n+For example, an oxide film serving as a mask is formed on the surface of the
[0027]
Subsequently, in the center of the region sandwiched between the two
[0028]
Subsequently, a window is opened using a mask (not shown) in the insulating
Next, the second emitter electrode (Eb) 6 is embedded in the second trench 16 [FIG. 19]. The electrode material is preferably tungsten or copper by metal CVD, but may be aluminum or polycrystalline silicon.
[0029]
Further, after the back side of the n-
[0030]
FIG. 3 shows a typical size of this insulated gate control thyristor. n-The thickness t1 of the
[0031]
The thickness t4 of the
[0032]
Although the thickness t9 of the
Next, the operating characteristics of this MOS gate thyristor will be described. FIG. 2 shows the most basic circuit when the power of the inductive load is controlled by the
[0033]
In order to change the
[0034]
Next, the turn-off operation will be described. In turn-off, the gate input of the
[0035]
Furthermore, the hole current in the emitter is n+Since it does not flow along the boundary between the
[0036]
According to the present invention, the on-resistance is lower than that of the conventional IGBT, close to the limit of the bipolar device along with the thyristor, and the turn-off time and turn-off loss are aligned with those of the conventional IGBT, one digit compared with the conventional thyristor. As described above, a high voltage semiconductor device having good characteristics can be obtained. That is, a semiconductor element having the advantages of the conventional IGBT and the advantages of a thyristor can be realized.
[0037]
In addition, the conventional IGBT has a problem that once it is latched up, it cannot control the gate and an overcurrent flows, leading to element breakdown. On the other hand, the
[0038]
Further, the
Further, during the on-operation, not only the gate input but also the
[0039]
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the MOS gate thyristor according to the second embodiment. In FIG. 4, the same number is attached | subjected to the area | region corresponding to each area | region of FIG. The external circuit corresponding to FIG. 2 of the first embodiment is also common in this embodiment.
High resistance n-
[0040]
For punch-through and field stop devices, n-N between the
A method for manufacturing the insulated gate control thyristor of FIG. 4 will be described with reference to cross-sectional views in the order of steps in FIGS. 20A and 20B and FIGS. 21A to 21D.
[0041]
n-An
Subsequently, a stripe-shaped window is opened in the
[0042]
Next, an oxide film 4b is deposited by CVD in the opening part opened (FIG. 21A).
After polishing and planarizing the surfaces of the oxide film 4b and the
Subsequently, a window is opened in the
[0043]
A single-crystal epitaxial growth layer 1b is epitaxially grown from the opening formed in the window [(d)]. At this time, it is preferable to extend the epitaxial growth layer 1b in the lateral direction using a lateral epitaxial growth (hereinafter referred to as ELO) technique or a molecular beam epitaxy method in which the directivity of the molecular beam is uniform.
Thereafter, a p base region is formed at the tip of the epitaxial growth layer 1b by ion implantation and heat treatment, and n at the tip.+An emitter region is formed.
[0044]
Subsequently, an aluminum alloy is deposited by sputtering vapor deposition and patterned to form a second emitter electrode (Eb) 6, n on the surface of the p base region 2.+A first emitter electrode (Ea) 8 is provided on the surface of the
[0045]
This embodiment is different from the first embodiment in that the
[0046]
According to the present embodiment, the thickness t of the emitter portion can be 0.1 μm or less. Furthermore, if the design rule becomes smaller, the
[0047]
A simulation of current-voltage characteristics (Ic-Vce characteristics) in the present embodiment was performed. FIG. 5 is a cross-sectional view of the structure used for the simulation, and FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the surface. The cell shape was a stripe shape, and a 1 cm square chip was assumed.
n-The thickness of the drift layer is 100 μm, the unit cell width is 20 μm, the thicknesses of the p base region and the n emitter region are both 1 μm, and the widths are 2 μm and 1 μm, respectively. The width of the connecting
[0048]
FIG. 7 is an Ic-Vce characteristic diagram when the first emitter electrode (Ea) 8 and the second emitter electrode (Eb) 6 are short-circuited. The horizontal axis represents the collector-emitter voltage Vce, and the vertical axis represents the collector current Ic. Chip size is 1cm2Therefore, it can be considered as current density. The parameter was the gate voltage Vg, which was 9V, 10V and 15V. The impurity concentration of the
[0049]
When Vce = 10V, 3500A, 3800A and 4500A flow at Vg = 9V, 10V and 15V, respectively. This operation is close to the IGBT operation, but it can be seen that gate control is possible at a current density much higher than the current density at which a normal IGBT latches up.
FIG. 8 shows the Ic-Vge (turn-off) characteristic when a 0.1 Ω resistor is sandwiched between the first emitter electrode (Ea) 8 and the second emitter electrode (Eb) 6. The horizontal axis represents the gate voltage Vge, and the vertical axis represents the collector current Ic. Since a current of several tens of amperes flows through this resistor during the on operation, the voltage drop is 0.7 V or more, which satisfies the condition of the thyristor operation. Therefore, Ic tends to increase as compared with the case where both emitter electrodes are short-circuited. An increase in Ic when a resistor is sandwiched indicates that a thyristor operation is occurring.
[0050]
7 and 8 show a tendency of saturation of Ic. This saturation current value varies depending on the doping level of the
As can be seen from the Ic-Vge (turn-off) characteristics shown in FIG.2The current capacity of the conventional IGBT can be cut off (approximately 1200 A / cm)2), The current density of 5 times or more can be cut off. In addition, since gate control is possible for Ic, element protection during load short-circuiting is also possible.EasyIt turns out that it becomes.
[0051]
[Third Embodiment]
In the first embodiment, the surface cell shape of the emitter trench need not necessarily be a stripe shape. The volume of the
[0052]
Therefore, for example, a checkered shape shown in FIG. 11 may be taken as the cell shape. However,Second emitter electrode (Eb)
[Fourth Embodiment]
In the first embodiment, even if the emitter structure is the same as that of the conventional IGBT as shown in FIG. 12, if the width t is narrow, the carrier extraction efficiency from the
[0053]
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the dependence of the interruptable current capacity on the interval t of the emitter structure.
1200A / cm for conventional structure2However, when t is 10 μm or less, the current capacity that can be cut off can be increased as compared with the conventional case. Furthermore, by setting t to 5 μm or less, it is possible to obtain a current capacity that can be interrupted more than twice that of the prior art.
[0054]
Compared with the first embodiment, since the voltage drop due to the hole current 31 is large, the interruptable current capacity is small, and p+Since the
Note that the same argument can be applied to p-channel type IGBTs as long as the above conductivity types are replaced.
[0055]
[Effect of the present invention]
As described above, according to the present invention, the second trench different from the first trench provided with the gate electrode is dug down, and the second emitter electrode separated from the first emitter electrode is provided in the second trench. Thus, by promoting the discharge of the carrier from the second conductivity type base region, the on-resistance is lower than that of the conventional IGBT and is similar to that of the thyristor, and the turn-off time and turn-off loss are similar to those of the conventional IGBT. Compared with the above, a MOS gate thyristor having a characteristic more than one digit can be obtained. That is, a semiconductor element having the advantages of the conventional IGBT and the advantages of a thyristor can be realized.
[0056]
Furthermore, the interruptable current capacity is larger than that of a conventional IGBT, and element protection when a load is short-circuited is easier than that of a conventional IGBT or thyristor.
In addition, the emitter p+Since the contact region can be eliminated, the leakage current at the time of reverse breakdown voltage due to this can be reduced, and it can be used as a bidirectional semiconductor device.
[0057]
Therefore, the MOS gate thyristor according to the present invention contributes to the epoch-making efficiency improvement of the power conversion device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view of a MOS gate thyristor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of a MOS gate thyristor according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of dimensions of each part of the MOS gate thyristor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial sectional view of a MOS gate thyristor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a structural diagram of a MOS gate thyristor according to a second embodiment.
FIG. 6 is an enlarged view of the emitter part of the MOS gate thyristor according to the second embodiment.
FIG. 7 is an Ic-Vce characteristic diagram of the MOS gate thyristor according to the second embodiment.
FIG. 8 is an Ic-Vge characteristic diagram of the MOS gate thyristor according to the second embodiment.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the dependence of the Ic-Vce characteristic on the p collector layer concentration.
FIG. 10 is a graph of Ic-Vge characteristics when the p collector layer concentration is high.
FIG. 11 is a perspective sectional view of a MOS gate thyristor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a partial sectional view of a MOS gate thyristor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the dependence of the interruptable current on the emitter structure interval t.
FIG. 14 is a partial cross-sectional view of a conventional IGBT.
FIG. 15 is a partial sectional view of a conventional EST.
FIG. 16 is a partial sectional view of a conventional RBT.
FIG. 17 is a partial sectional view of a conventional MOS gate thyristor.
FIGS. 18A to 18D are partial cross-sectional views in order of steps for explaining a method of manufacturing a MOS gate thyristor according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 19 is a partial cross-sectional view in order of the steps, explaining the method for manufacturing the MOS gate thyristor according to the first embodiment of the present invention, following FIG.
FIGS. 20A and 20B are partial cross-sectional views in order of steps for explaining a method of manufacturing a MOS gate thyristor according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 21A to 21D are partial cross-sectional views in order of the steps for explaining the manufacturing method of the MOS gate thyristor according to the second embodiment of the present invention following FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... n-Drift layer
2 ... p base region
3 ... n+Emitter area
4… Gate insulation film
4a, 4b, 4c ... oxide film
5 ... Gate electrode
5a… Polycrystalline silicon film
6 ... Second emitter electrode
7… Insulating film or interlayer insulating film
8… First emitter electrode
9 ... p collector layer
10 ... Collector electrode
11 ... MOS gate thyristor
12 ... MOSFET
13 ... Hole current
14 ... Contact hole
15 ... 1st trench
16 ... Second trench
17… Insulating film
18 ... Thin semiconductor layer
19 ... Consolidated semiconductor part
21 ... n-Drift layer
22 ... p base region
23 ... p+Contact area
24 ... n+Emitter area
25… Gate insulation film
26 ... Gate electrode
27 ... n + semiconductor region
28 ... P + semiconductor region
29 ... Collector electrode
30 ... Emitter electrode
31 ... Hole current
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