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JP4488668B2 - Power semiconductor device - Google Patents
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JP4488668B2 - Power semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は大電力を制御するための電力用半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力制御用の半導体回路素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor )がある。IGBTは、パワーMOSFETの高速スイッチング特性とバイポーラトランジスタの高出力特性とを兼ね備えた新しい高耐圧回路素子であり、近年、インバータやスイッチング電源等のパワーエレクトロニクスの分野で多く利用されている。
【0003】
図18は、従来のIGBTを示す断面図である。図18において、高抵抗のN型ベース層81の表面内にP型ベース層83が選択的に形成される。P型ベース層83の表面内には、低抵抗のN型ソース層84が選択的に形成される。N型ソース層84とN型ベース層81とで挟まれたP型ベース層83上には、ゲート絶縁膜85を介して、ゲート電極86が配設される。ゲート電極86は隣接する2つのIGBTのゲート電極が一体化されたものである。また、N型ソース層84及びP型ベース層83の両方にコンタクトするようにソース電極88が配設される。一方、N型ベース層81の裏面にはP型エミッタ層82が形成される。P型エミッタ層82上にはドレイン電極87が配設される。
【0004】
このように構成されたIGBTの動作は、以下の通りである。即ち、ターンオン時には、ゲート電極86にソース電極88に対して正の電圧(正バイアス電圧)を印加する。ゲート電極86に正バイアス電圧が印加されると、ゲート電極86の下部のP型ベース層83の表面内にN型チャネルが形成される。これにより、N型ソース層84とN型ベース層81とが短絡する。
【0005】
この結果、N型ソース層84からN型ベース層81に電子が注入され、電子電流が流れるようになり、電子電流に応じた量の正孔がP型エミッタ層82からN型ベース層81に注入される。これにより、N型ベース層81は導電変調を起こして低抵抗になり、ソース・ドレイン間に主電流が流れるようになる。
【0006】
一方、ターンオフ時には、ゲート電極85にソース電極88に対してゼロまたは負の電圧(負バイアス電圧)を印加する。これにより、上記N型チャネルが消滅し、N型エミッタ層84からN型ベース層81に電子が注入されなくなる。この結果、N型ベース層81は導電変調を起こさなくなり、やがてIGBTは非導通状態になる。
【0007】
ところで、この種のIGBTには以下のような問題がある。即ち、IGBTはサイリスタなどと比較すると、カソード(ソース)側からのキャリア(電子)の注入が少ないため、オン電圧が高くなる。耐圧が高いものほど基板は厚くなるのでオン電圧は高くなる。そして、ある程度以上の厚さになると極端にオン電圧が高くなり、電力損失が大きくなる。このため、従来のIGBTの耐圧は高々2kV程度である。更に、ゲート電極間の距離はゲート電極幅と同程度であり、飽和電流が大きいため、IGBTがラッチアップして制御不能になりやすいという問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のIGBTにあっては、ソース側からのキャリアの注入が少ないため、オン電圧が高い。また、ゲート電極間の距離がゲート電極幅と同程度であるため、ラッチアップ耐量(ラッチアップが開始する電流)が低下する。
【0009】
本発明は、従来よりもオン電圧、安全動作領域及びラッチアップ耐量のいずれかが改善された電力用半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の視点は、並設された複数の回路素子を有する電力用半導体装置であって、
前記回路素子の夫々が、
第1半導体層と、
前記第1半導体層上に配設された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面内に形成された第1導電型ベース層と、
前記第1導電型ベース層の表面内に形成された第2導電型ソース層と、
前記第2導電型ソース層と前記第2導電型ベース層とで挟まれた前記第1導電型ベース層上にゲート絶縁膜を介して配設されたゲート電極部分と、
前記第2導電型ソース層及び前記第1導電型ベース層にコンタクトするソース電極部分と、
前記第1半導体層にコンタクトするドレイン電極部分と、
を具備し、
前記ゲート電極部分は、前記回路素子の2つの回路素子ごとに一体化されてゲート電極を構成し、前記ゲート電極の幅をLG 、前記第1導電型ベース層の深さをDB 、前記第1導電型ベース層と前記第1導電型エミッタ層とで挟まれた部分の前記第2導電型ベース層の厚さをWB とした時、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9の条件を満たすことを特徴とする。
【0011】
本発明の第2の視点は、第1の視点に係る電力用半導体装置において、前記ゲート電極間の距離をLS とした時、60μm≦LG 、及び5≦LG /LS の条件を満たすことを特徴とする。
【0012】
前記低抵抗の第2導電型半導体層の不純物濃度のピーク値は3×1014cm-3以上であればよいが、1×1015cm-3以上であることがより好ましい。また、前記低抵抗の第2導電型半導体層の深さ(厚さ)は、前記第1導電型ベース層の深さ(厚さ)の1/2以上であればよいが、前記第1導電型ベース層の深さ(厚さ)と同じであることがより好ましい。
【0013】
本発明者の研究によれば、60μm≦LG 、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9に設定することにより、オン電圧の低下を図れることが判明した。また、近年の微細加工技術を用いることにより、LG に対してLS を十分に小さくでき(5≦LG /LS )、これにより、オン電圧の上昇を招くことなく、飽和電流をラッチアップ電流以下に抑えることができ、安全動作領域の拡大を図れることが判明した。従って、上記知見に基づいた本発明の第1及び第2の視点によれば、従来よりも、オン電圧は下がり、安全動作領域は拡大する。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態では、第1導電型をP型、第2導電型をN型とする。
【0015】
図1は本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。本実施の形態の電力用半導体装置は横並び配列された複数のIGBT(回路素子)を具備する。これらのIGBTのゲート電極6及びソース電極8は交互に配設される。図1図示の如く、ある1つのIGBT102に注目すると、そのゲート電極部分6bは一方側に隣接する別のIGBT101のゲート電極部分6aと一体となってゲート電極6を構成し、またソース電極部分8bは他方側に隣接する別のIGBTの103のソース電極部分8cと一体となってソース電極8を構成する。従って、隣り合う2つのIGBT101、102においては、ゲート電極6がIGBT101、102のソース電極8、8間に位置し、次に隣り合う2つのIGBT102、103においては、ソース電極8がIGBT102、103のゲート電極6、6間に位置することとなる。
【0016】
図1において、高抵抗のN型ベース層1の裏面内にP型エミッタ層2が選択的に形成される。N型ベース層1の表面内には、低抵抗のN型拡散層9が形成される。N型拡散層9の表面内には、P型ベース層3が選択的に形成される。換言すれば、隣接するP型ベース層3の間のゲート電極6の直下のN型ベース層1の表面内には、低抵抗のN型拡散層9が形成される。
【0017】
低抵抗のN型拡散層9の深さは、図1図示の如く、P型ベース層3のそれと同じであることが適切である。しかし、これは、少なくともP型ベース層3の深さの1/2より深ければよい。
【0018】
P型ベース層3の表面内には、低抵抗のN型ソース層4が選択的に形成される。N型ソース層4とN型ベース層1(N型拡散層9)とで挟まれたP型ベース層3上には、ゲート絶縁膜5を介して、ゲート電極6が配設される。また、N型ソース層4及びP型ベース層3の両方にコンタクトするようにソース電極8が配設される。
【0019】
ここで、図1の中央に示される1つのゲート電極6は、隣り合う2つのIGBT101、102のゲート電極として機能する。即ち、IGBT101、102のゲート電極6a、6bはP型ベース層3からN型ベース層1(N型拡散層9)にまで延在して一体化される。
【0020】
一方、P型エミッタ層2にコンタクトするようにドレイン電極7が配設される。
【0021】
このように構成された電力用半導体装置によれば、N型拡散層9が電子の注入を促進するので、オン電圧を下げることができる。
【0022】
ここで、N型拡散層9の不純物濃度のピーク値は3×1014cm-3以上が望ましい。特に、本実施の形態のようにN型チャネルのIGBTの場合には、1×1015cm-3以上が望ましい。また、上記不純物濃度はN型ソース層4直下のP型ベース層3の不純物濃度のピーク値を越えてはいけない。
【0023】
上記値(1×1015cm-3)は次式より得られる。
【0024】
N型ベース層1内部の正孔密度nh は次式で表せれる。
【0025】
h =Np ・exp(WB /(Dh ・τ)1/2
ここで、Np はP型エミッタ層2の不純物濃度のピーク値、WB はP型ベース層3とP型エミッタ層2とで挟まれた部分のN型ベース層1の厚さ、Dh は正孔の拡散係数、τは高注入状態でのキャリアライフタイムを示す。
【0026】
正孔密度nh よりもN型拡散層9の不純物濃度のピーク値が高くないと、N型拡散層9は正孔に埋め尽くされてしまう。従って、N型拡散層9の不純物濃度のピーク値が正孔密度nh よりも小さい場合には、キャリアの注入を十分に行なえず、IGBTの導通特性を改善できなくなる。
【0027】
これに対して、N型拡散層9の不純物濃度のピーク値が正孔密度nh よりも高い場合には、N型拡散層9は正孔に対してエミッタとして働き、電子注入効率が増大する。各パラメータは装置構造や利用条件によりほぼ一意的に決まるが、その値は約1×1015cm-3になり、上記値が得られる。
【0028】
なお、P型チャネルのIGBTの場合には、低抵抗のN型拡散層9は低抵抗のP型拡散層となり、その不純物濃度のピーク値は3×1014cm-3以上が望ましい。
【0029】
また、ゲート電極6の幅LG はIGBTの導通特性を決める上で重要なパラメータである。ゲート電極6の幅LG が長すぎると、IGBTのチャネル密度が低下して導通特性が悪化するばかりか、ゲート容量の増加、コストの上昇、制御性の劣化等の問題も発生する可能性がある。
【0030】
一方、ゲート電極6の幅LG が短すぎると、P型ドレイン層2から注入された正孔がP型ベース層3にバイパスされ、高抵抗のN型ベース層1に蓄積されず、導通特性が悪化する。
【0031】
本発明者の研究によれば、チャネル密度及びキャリア蓄積を改善し、オン電圧を下げるためには、N型拡散層9の有無に関係なく、ゲート電極6の幅LG を下記の不等式を満たすように設計すればよいことが判明した。
【0032】
1≦LG 2 /(DB ・WB
ここで、DB はP型ベース層3の深さを示している。
【0033】
この不等式は以下のようにして得られる。
【0034】
導電変調が起こった状態におけるIGBTの電流密度iは、
i=q・n・VF ・(μe +μh )/WB …(1)
で表される。
【0035】
ここで、qは素電荷量、nは電子及び正孔のキャリア密度、VF はオン電圧、μe は電子の移動度、μh は正孔の移動度を示している。
【0036】
また、導通時の実効的なP型ベース層3のシート抵抗Rは、
R=1/(q・μh ・n・DB ) …(2)
で表される。
【0037】
シート抵抗Rによる正孔電流の電圧降下が接合電圧Vj 以上であればよいから、
i・R・L 16≧Vj …(3)
となる。
【0038】
式(1)〜(3)を用いれば、
/(D・W)≧16・μ/(V・(μ+μ))
と表される。 …(4)
ここで、装置材料としてシリコンを用いた場合には、
μ/(μ+μ)が約0.25、Vが約0.6Vであり、また、電力用半導体装置が通常利用される範囲ではVが約4Vであることを考慮すると、式(4)は、
1≦L /(D・W)となる。
【0039】
また、LG 2 /(DB ・WB )の値が大きすぎると、図10図示の如く、チャネルが減少し、やはり導通特性が劣化する。図10による現在得られる知見によると、チャネルの減少を防止するには、LG 2 /(DB ・WB )の値が9を超えないように設定するとよい。従って、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9に設定することが好ましい。
【0040】
また、LG があまり短いと、正孔がバイパスされやすくなり、キャリアの蓄積が起こりにくい。特に、耐圧が3kVを越えるような装置の場合、通電特性にとってこのことは致命的な欠点となる。本発明者の実験によれば、LG がおよそ60μm以上の長さであれば、上記条件と相俟ってキャリアの蓄積が起こることが判明した。更に、本発明者の実験によれば、2≦LG /LS 、望ましくは5≦LG /LS に設定すると、ラッチアップが生じにくいことが判明した。ここで、LS は隣接するゲート電極6間の距離を表す。このことは、当該半導体装置が破壊に強くなり、安全動作領域が拡大できるため、保護回路が簡略化できることを意味する。
【0041】
本実施の形態では、従来の場合とは異なり、LG がLS よりかなり大きいため、飽和電流をラッチアップ電流よりも容易に低く抑えることができる。これは従来より多用されるIGBT等の素子のプロセス技術では無理であるが、近年開発の著しいステップ装置等を用いた微細加工技術により、このような設計が可能となる。
【0042】
また、本実施の形態では、パラメータの最適化により、オン電圧や安全動作領域の改善を図っているので、新たな構造を導入する必要はない。従って、工程数の増加やプロセスの複雑化は起こらず、製造コストの上昇は生じない。
【0043】
図2は本発明の別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。なお、以下の図において、図1と同一符号は同一部分を示し、詳細な説明は省略する。
【0044】
本実施の形態の特徴は、ゲート絶縁膜5の中央部10の膜厚が他の部分よりも厚くなっていることにある。これにより、ゲート容量を低減でき、ゲート駆動回路の簡略化及び高速動作化を図れるようになる。
【0045】
N型拡散層9は図1図示の実施の形態のようにゲート電極6の下全体に一様に設けることが望ましい。しかし、プロセスなどの制約によりこれが困難な場合には、図2図示の実施の形態のように変更することができる。ここで、N型拡散層9は、N型チャネル領域から離れた、ゲート電極6の中央の下には形成せず、N型チャネル領域の近傍にだけに形成される。これでもオン電圧を下げる効果は得られる。
【0046】
図3は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。
【0047】
本実施の形態が図2図示の実施の形態と異なる点は、N型拡散層9をゲート電極6の下全体に形成したことにある。但し、N型拡散層9は図1図示の実施の形態の場合とは異なり一様には配設されていない。即ち、N型拡散層9の中央部の厚さは他の部分よりも薄い。
【0048】
このような構造は例えば以下のようにして得られる。即ち、ゲート絶縁膜5の中央部10の幅を狭くし、ゲート絶縁膜5をマスクにしてN型不純物をイオン注入し、次に、熱処理(アニール処理)を行う。この様にすれば、ゲート絶縁膜5の中央部10の下にまで上記N型不純物が拡散するので、ゲート電極6の下全体にN型拡散層9を形成できる。
【0049】
図3図示の実施の形態の場合、図2図示の実施の形態に比べて、ゲート絶縁膜5の中央部10の幅が狭い分だけゲート容量が若干増加する。しかし、本発明者の研究によれば、この場合でも、ゲート電極6の下全体にN型拡散層9が配設されていれば、導通特性は改善されることが判明した。
【0050】
図4は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。
【0051】
高耐圧、例えば、2kV以上の耐圧を確保する場合には、ゲート電極6の幅LG は30μm以上に、3kV以上の耐圧を確保する場合には、ゲート電極6の幅LG は60μm以上に設定される。この様に、ゲート電極6の面積が大きくなると、図4図示の如く、ゲート電極6上にAl電極等の金属電極12を形成することが容易になる。
【0052】
従って、通常、ゲート電極6はポリシリコンのみで形成されるが、ゲート電極6上に金属電極12を設けることにより、ゲート抵抗が低減され、高速動作が可能となる。また、ゲート駆動回路の簡略化も図れる。
【0053】
図5は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。
【0054】
本実施の形態が図1図示の実施の形態と異なる点は、N型ベース層1の一部をドレイン電極7に選択的に接続したことにある。即ち、本実施の形態では、アノードショート構造を採用している。
【0055】
本実施の形態によれば、アノードショート構造により、ドレイン側からの正孔の注入を抑制できるので、特に、ターンオフ時のテール電流を小さくでき、ターンオフ損失の低減を図れる。これにより、スイッチング周波数を高くしても電力損失を小さく保つことができ、インバータ等の装置を効率良く動作させることができるようになる。また、スイッチング周波数が高くなることにより、騒音の低減も図れる。
【0056】
なお、アノードショート構造によりドレイン側からのキャリアの注入効率が低くなっても、パラメータの最適化やN型拡散層9によりソース側からのキャリアの注入効率が従来よりも高くなっているので、オン電圧は低く保たれる。
【0057】
図6は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。
【0058】
本実施の形態が図1図示の実施の形態と異なる点は、ライフタイム低減層13を形成したことにある。ライフタイム低減層13は、例えば、Au、Pt等の重金属の拡散や、H、He等の放射線照射により形成できる。また、電子線照射を用いたライフタイム低減をこれと組み合わせて用いてもよい。図6図示の如く、特にP型エミッタ層2とN型ベース層1との境界近傍で、N型ベース層1内にライフタイム低減層13に形成すれば、ドレイン側からの正孔の注入を効果的に抑制でき、アノードショート構造を採用した図5図示の実施の形態と同様な効果が得られる。
【0059】
図7は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。
【0060】
本実施の形態が図6図示の実施の形態と異なる点は、P型エミッタ層2と高抵抗N型ベース層1との間に低抵抗N型バッファ層14を配設したことにある。N型バッファ層14を配設することにより、N型ベース層1を薄くすることができる。これにより、スイッチング時のキャリアの排出を速めることができ、高速にスイッチングすることができる。N型バッファ層14の不純物総量は1×1014cm-2以下であることが望ましい。これ以上の不純物量があると、ドレインからの正孔の注入が著しく押さえられ、通電特性が悪化する。
【0061】
更に、N型バッファ層14とN型ベース層1との境界近傍で、N型ベース層1内にライフタイム低減層13が形成される。これにより、ドレイン側からの正孔の注入を抑制し、通電特性をさほど悪化させることなくスイッチング損失を減らし、高速にスイッチングすることができるようになる。
【0062】
図8は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。
【0063】
本実施の形態が図1図示の実施の形態と異なる点は、ゲート電極6の下に低抵抗N型拡散層9が形成されていないことにある。N型拡散層9がない場合も、前述の、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9並びに、2≦LG /LS 、望ましくは5≦LG /LS の条件を満たすように設計することにより、当該装置のオン電圧、安全動作領域及びラッチアップ耐量を改善することができる。
【0064】
図9は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す断面図である。
【0065】
本実施の形態が図1乃至図8図示の実施の形態と異なる点は、パラメータの最適化や低抵抗N型拡散層9の代わりに高移動度半導体層11を用いて、ソース側の電子の注入を増大させ、オン電圧を下げていることにある。
【0066】
高移動度半導体層11は、P型ベース層3、N型ソース層4などの層の形成する前に、エピタキシャル成長法などの成膜法により、N型ベース層1の表面内にあらかじめ形成しておく。
【0067】
高移動度半導体層11の材料としては、例えば、N型ベース層1の材料にSiを用いた場合には、SiGe、アモルファスSi、SiCなどがある。
【0068】
本実施の形態によれば、N型チャネル領域に高移動度半導体層11が存在することになるので、ソース側の電子は高移動度半導体層11を介してN型ベース層1に注入される。
【0069】
従って、電子は従来よりも高速にN型ベース層1に注入され、単位時間当たりにN型ベース層1に注入される電子の量が多くなるので、電子の注入効率が高くなり、オン電圧は下がる。
【0070】
なお、本実施の形態では、N型ベース層1の表面内の全体に高移動度半導体層11を形成したがその必要はなく、高移動度半導体層11は、少なくともN型ソース層4とN型ベース層1とで挟まれたP型ベース層3の表面内、つまり、N型チャネル領域に存在すればよい。また、このときの高移動度半導体層11の不純物濃度はチャネル形成のために1×1018cm-3よりも小さいことが好ましい。更に、高移動度半導体層11の膜厚は、格子不整合等の問題を考慮すると、0.05μm以下であることが好ましい。
【0071】
なお、高移動度半導体層11を用いた上で、前述の、1≦LG 2 /(DB ・WB )≦9並びに、2≦LG /LS 、望ましくは5≦LG /LS の条件を満たすように設計することにより、よりオン電圧を低くでき、また、IGBTがラッチアップせず、安全動作領域を広げることができる。
【0072】
次に、図11乃至図16を参照して本発明に係る電力用半導体装置の平面のレイアウトについての説明する。図11乃至図16図示のレイアウトは、図1乃至図9図示の断面のいずれとも組合わせることができる。従って、図8及び図9図示の実施の形態のように、低抵抗N型拡散層9が存在しない場合は、図11乃至図16中の符号9で示す部分は、高抵抗N型ベース層1として理解すべきである。
【0073】
図11は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図である。
【0074】
本実施の形態の特徴は、N型ソース層4を櫛状に形成したことにある。N型ソース層4のうち櫛の歯に相当する細い部分はソース電極8にコンタクトし、櫛の背に相当する部分はゲート電極6と伴にMOSFET領域を形成する。
【0075】
本実施の形態によれば、N型ソース層4のうち櫛の歯に相当する部分が抵抗として働くので、ソース電極8とMOSFETとの間に抵抗が配設されていることになり、MOSFETの動作が安定する。
【0076】
更に、N型ソース層4のパターンとして櫛状を用いたことにより、通常サイズのストライプ状のパターンを用いた場合に比べて、N型ソース層4の面積を小さくでき、ラッチアップ耐量を高くできる。
【0077】
図12は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図である。
【0078】
本実施の形態が図11図示の実施の形態と異なる点は、N型ソース層4を梯子状に形成したことにある。このようにN型ソース層4のパターンを梯子状にしても、図11図示の実施の形態と同様にラッチアップ耐量を高くできる。また、N型ソース層4はソース電極8を横切るので、図11図示の実施の形態に比べて、N型ソース層4とソース電極8とのコンタクトが確実なものとなる。
【0079】
更に、本実施の形態では、ソース電極8の幅を狭くし、ゲート電極間の距離LS を短くしているので、素子領域を有効に利用できる。
【0080】
図13は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図である。
【0081】
本実施の形態が図12図示の実施の形態と異なる点は、独立した島として形成したN型ソース層4を複数個、梯子の各ステップに対応するように配置したことにある。このようにN型ソース層4を形成しても、図12図示の実施の形態と同様にラッチアップ耐量を高くできる。また、隣接するゲート電極6間の距離LS を小さくすることができるため、素子領域を有効に利用できる。
【0082】
図14は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図である。
【0083】
本実施の形態が図11図示の実施の形態と異なる点は、最近の微細加工技術 (微細ドライエッチング技術)を用いて、N型ソース層4を幅が極めて狭いストライプ状に形成したことにある。本実施の形態によれば、N型ソース層4の幅は狭いので、ストライプ状であっても、高いラッチアップ耐量を実現できる。
【0084】
図15は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図である。
【0085】
本実施の形態の特徴は、独立した矩形の島として形成したP型ベース層3を複数個、周期的に且つマトリックス状に配列したことにある。N型ソース層4はラッチアップを容易に起こさないように十字状に形成され、その中央部には開口部が配設され、この開口部を介してソース電極8はP型ベース層3にコンタクトしている。このようなレイアウトにより、装置を高集積化することができ、通電特性を改善することができる。
【0086】
図16は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部(IGBT部)を示す平面図である。
【0087】
本実施の形態の特徴は、独立した6角形の島として形成したP型ベース層3を複数個、周期的に且つマトリックス状に配列したことにある。N型ソース層4はラッチアップを容易に起こさないように星状に形成され、その中央部には開口部が配設され、この開口部を介してソース電極8はP型ベース層3にコンタクトしている。このようなレイアウトにより、装置を高集積化することができ、通電特性を改善することができる。
【0088】
図17は本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す平面図である。
【0089】
本実施の形態は、本発明に係るIGBT105と、これに隣接して配設されたフリーホイールダイオード106及び接合終端部107を有する。スイッチング素子105とダイオード106を同じ基板に同時に形成することにより、配線によるインダクタンスやキャパシタンスを低減し、スイッチングを高速且つ安定的に行うことができる。
【0090】
ダイオード106はIGBT105のソース電極8及びドレイン電極7に夫々接続されたP型アノード層16及びN型カソード層18を有する。P型アノード層16及びN型カソード層18は、高抵抗のN型層1及び低抵抗のN型バッファ層14を介して接続される。
【0091】
接合終端部107の端部において、N型層1の表面内にN型ストッパ層19が拡散形成される。P型アノード層16からN型ストッパ層19に亘って接合終端部107の表面には絶縁膜20が形成される。
【0092】
IGBT105とダイオード106とは十分な距離(キャリアの拡散長以上の長さ)をとる必要がある。このため、IGBT105とダイオード106との間の領域の表面には電界が集中し、耐圧が劣化する可能性がある。この問題に対応するため、IGBT105のP型ベース層3とダイオード106のP型アノード層16との間に高抵抗のP型拡散層17が配設される。P型拡散層17は接合終端部107のP型拡散層17と同時に形成可能で、従って、余分な形成工程を追加する必要がない。
【0093】
P型拡散層17の不純物総量は1×1014cm-2以下であることが望ましい。これにより接合終端部107における耐圧を良好に維持すると共に、IGBT105とダイオード106との分離を十分に行うことができる。
【0094】
上述の如く、本発明においては、構造、濃度の最適設計により優れた通電特性を有する電力用半導体装置を提供することができる。特に、現在GTO(Gate Turn-off Thyristor )が利用されている耐圧3kV以上において、MOS駆動により制御可能な装置を提供することができる。
【0095】
本装置は寄生サイリスタ構造を有するが、ラッチアップすることはなく、破壊に強いため、GTOと比較して保護回路を簡略化することができる。ゲート回路及び保護回路がGTOと比較して簡略化できるため、システムサイズも小さくなり、例えば、インバータ装置を作成したときには従来の半分の大きさにすることが可能となる。更に、装置構造がプレーナ(平面)型であるため、電流の取出し部の形成が容易となり、様々なパッケージに組込むことができる。
【0096】
【発明の効果】
本発明によれば、装置のオン電圧の低減、安全動作領域の拡大及びラッチアップ耐量の増大のいずれかを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図2】本発明の別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図3】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図4】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図5】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図6】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図7】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図8】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図9】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図10】{LG 2 /(DB ・WB )}1/2 とオン電圧VF との関係を示す特性図。
【図11】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す平面図。
【図12】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す平面図。
【図13】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す平面図。
【図14】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す平面図。
【図15】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す平面図。
【図16】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す平面図。
【図17】本発明の更に別の実施の形態に係る電力用半導体装置の要部を示す断面図。
【図18】従来のIGBTを示す断面図。
【符号の説明】
1…N型ベース層(第2導電型のベース層)
2…P型エミッタ層(第1半導体層:第1導電型のエミッタ層)
3…P型ベース層(第1導電型のベース層)
4…N型ソース層(第2導電型のソース層)
5…ゲート絶縁膜
6…ゲート電極
7…ドレイン電極
8…ソース電極
9…N型拡散層(第2導電型の半導体層)
10…厚膜部分
11…高移動度半導体層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor device for controlling high power.
[0002]
[Prior art]
There is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as a semiconductor circuit element for power control. The IGBT is a new high voltage circuit element that combines the high-speed switching characteristics of a power MOSFET and the high output characteristics of a bipolar transistor, and has been widely used in recent years in the field of power electronics such as inverters and switching power supplies.
[0003]
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a conventional IGBT. In FIG. 18, a P-type base layer 83 is selectively formed in the surface of a high-resistance N-type base layer 81. A low-resistance N-type source layer 84 is selectively formed in the surface of the P-type base layer 83. A gate electrode 86 is disposed on the P-type base layer 83 sandwiched between the N-type source layer 84 and the N-type base layer 81 with a gate insulating film 85 interposed therebetween. The gate electrode 86 is obtained by integrating the gate electrodes of two adjacent IGBTs. A source electrode 88 is disposed so as to contact both the N-type source layer 84 and the P-type base layer 83. On the other hand, a P-type emitter layer 82 is formed on the back surface of the N-type base layer 81. A drain electrode 87 is disposed on the P-type emitter layer 82.
[0004]
The operation of the IGBT configured as described above is as follows. That is, at the turn-on time, a positive voltage (positive bias voltage) is applied to the gate electrode 86 with respect to the source electrode 88. When a positive bias voltage is applied to the gate electrode 86, an N-type channel is formed in the surface of the P-type base layer 83 below the gate electrode 86. Thereby, the N-type source layer 84 and the N-type base layer 81 are short-circuited.
[0005]
As a result, electrons are injected from the N-type source layer 84 into the N-type base layer 81 and an electron current flows, and an amount of holes corresponding to the electron current flows from the P-type emitter layer 82 to the N-type base layer 81. Injected. As a result, the N-type base layer 81 undergoes conductive modulation and becomes low resistance, and a main current flows between the source and drain.
[0006]
On the other hand, at the time of turn-off, a zero or negative voltage (negative bias voltage) is applied to the gate electrode 85 with respect to the source electrode 88. As a result, the N-type channel disappears and electrons are no longer injected from the N-type emitter layer 84 into the N-type base layer 81. As a result, the N-type base layer 81 does not cause the conduction modulation, and the IGBT becomes non-conductive in due course.
[0007]
By the way, this type of IGBT has the following problems. That is, compared with a thyristor or the like, an IGBT has a higher on-voltage because carriers (electrons) are less injected from the cathode (source) side. The higher the withstand voltage, the thicker the substrate, so the on-voltage becomes higher. When the thickness exceeds a certain level, the on-voltage becomes extremely high and the power loss increases. For this reason, the breakdown voltage of the conventional IGBT is at most about 2 kV. Furthermore, since the distance between the gate electrodes is about the same as the gate electrode width and the saturation current is large, there is a problem that the IGBT is likely to latch up and become uncontrollable.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional IGBT has a high on-voltage because there is little carrier injection from the source side. Further, since the distance between the gate electrodes is about the same as the width of the gate electrode, the latch-up resistance (current at which latch-up starts) decreases.
[0009]
An object of the present invention is to provide a power semiconductor device in which any one of an on-voltage, a safe operation region, and a latch-up resistance is improved as compared with the prior art.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a power semiconductor device having a plurality of circuit elements arranged in parallel,
Each of the circuit elements is
A first semiconductor layer;
A second conductivity type base layer disposed on the first semiconductor layer;
A first conductivity type base layer formed in a surface of the second conductivity type base layer;
A second conductivity type source layer formed in the surface of the first conductivity type base layer;
A gate electrode portion disposed on the first conductivity type base layer sandwiched between the second conductivity type source layer and the second conductivity type base layer via a gate insulating film;
A source electrode portion in contact with the second conductivity type source layer and the first conductivity type base layer;
A drain electrode portion in contact with the first semiconductor layer;
Comprising
The gate electrode portion is integrated for every two circuit elements of the circuit element to form a gate electrode, and the width of the gate electrode is set to LG, D is the depth of the first conductivity type base layerBThe thickness of the second conductivity type base layer at the portion sandwiched between the first conductivity type base layer and the first conductivity type emitter layer is WB1 ≦ LG 2/ (DB・ WB) ≦ 9 is satisfied.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the power semiconductor device according to the first aspect, the distance between the gate electrodes is L.S60 μm ≦ LGAnd 5 ≦ LG/ LSIt satisfies the following conditions.
[0012]
The peak value of the impurity concentration of the low-resistance second conductivity type semiconductor layer is 3 × 10.14cm-31 × 1015cm-3More preferably. The depth (thickness) of the low-resistance second conductive semiconductor layer may be ½ or more of the depth (thickness) of the first conductive base layer, but the first conductive More preferably, it is the same as the depth (thickness) of the mold base layer.
[0013]
According to the inventor's research, 60 μm ≦ LG1 ≦ LG 2/ (DB・ WB) It was found that the ON voltage can be lowered by setting ≦ 9. In addition, by using recent microfabrication technology, LGL againstSCan be made sufficiently small (5 ≦ LG/ LSThus, it has been found that the saturation current can be suppressed to the latch-up current or less without increasing the on-voltage, and the safe operation area can be expanded. Therefore, according to the first and second viewpoints of the present invention based on the above knowledge, the on-voltage is lowered and the safe operation area is expanded as compared with the prior art.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the first conductivity type is P-type and the second conductivity type is N-type.
[0015]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The power semiconductor device according to the present embodiment includes a plurality of IGBTs (circuit elements) arranged side by side. These gate electrodes 6 and source electrodes 8 of the IGBTs are alternately arranged. As shown in FIG. 1, when attention is paid to one IGBT 102, the gate electrode portion 6b is integrated with the gate electrode portion 6a of another IGBT 101 adjacent on one side to constitute the gate electrode 6, and the source electrode portion 8b. Constitutes the source electrode 8 together with the source electrode portion 8c of another IGBT 103 adjacent to the other side. Therefore, in the two adjacent IGBTs 101 and 102, the gate electrode 6 is positioned between the source electrodes 8 and 8 of the IGBTs 101 and 102, and in the next two adjacent IGBTs 102 and 103, the source electrode 8 is the IGBTs 102 and 103. It is located between the gate electrodes 6 and 6.
[0016]
In FIG. 1, a P-type emitter layer 2 is selectively formed in the back surface of a high-resistance N-type base layer 1. A low-resistance N-type diffusion layer 9 is formed in the surface of the N-type base layer 1. A P-type base layer 3 is selectively formed in the surface of the N-type diffusion layer 9. In other words, a low-resistance N-type diffusion layer 9 is formed in the surface of the N-type base layer 1 immediately below the gate electrode 6 between the adjacent P-type base layers 3.
[0017]
The depth of the low resistance N-type diffusion layer 9 is suitably the same as that of the P-type base layer 3 as shown in FIG. However, this should be at least deeper than ½ of the depth of the P-type base layer 3.
[0018]
A low-resistance N-type source layer 4 is selectively formed in the surface of the P-type base layer 3. On the P-type base layer 3 sandwiched between the N-type source layer 4 and the N-type base layer 1 (N-type diffusion layer 9), a gate electrode 6 is disposed via a gate insulating film 5. A source electrode 8 is disposed so as to contact both the N-type source layer 4 and the P-type base layer 3.
[0019]
Here, one gate electrode 6 shown in the center of FIG. 1 functions as the gate electrode of two adjacent IGBTs 101 and 102. That is, the gate electrodes 6a and 6b of the IGBTs 101 and 102 extend from the P-type base layer 3 to the N-type base layer 1 (N-type diffusion layer 9) and are integrated.
[0020]
On the other hand, a drain electrode 7 is disposed so as to contact the P-type emitter layer 2.
[0021]
According to the power semiconductor device configured as described above, the N-type diffusion layer 9 promotes the injection of electrons, so that the on-voltage can be lowered.
[0022]
Here, the peak value of the impurity concentration of the N-type diffusion layer 9 is 3 × 10.14cm-3The above is desirable. In particular, in the case of an N-type channel IGBT as in the present embodiment, 1 × 1015cm-3The above is desirable. Further, the impurity concentration must not exceed the peak value of the impurity concentration of the P-type base layer 3 immediately below the N-type source layer 4.
[0023]
Above value (1 × 1015cm-3) Is obtained from the following equation.
[0024]
Hole density n inside the N-type base layer 1hIs expressed by the following equation.
[0025]
nh= Np・ Exp (WB/ (Dh・ Τ)1/2)
Where NpIs the peak value of the impurity concentration of the P-type emitter layer 2, WBIs the thickness of the N-type base layer 1 between the P-type base layer 3 and the P-type emitter layer 2, DhRepresents a hole diffusion coefficient, and τ represents a carrier lifetime in a high injection state.
[0026]
Hole density nhIf the peak value of the impurity concentration of the N-type diffusion layer 9 is not higher than that, the N-type diffusion layer 9 will be filled with holes. Therefore, the peak value of the impurity concentration of the N-type diffusion layer 9 is the hole density nhIf it is smaller than that, carrier injection cannot be sufficiently performed, and the conduction characteristics of the IGBT cannot be improved.
[0027]
On the other hand, the peak value of the impurity concentration of the N-type diffusion layer 9 is the hole density nhIf higher, the N-type diffusion layer 9 acts as an emitter for holes, and the electron injection efficiency increases. Each parameter is almost uniquely determined by the device structure and usage conditions, but the value is about 1 × 10.15cm-3And the above value is obtained.
[0028]
In the case of a P-type channel IGBT, the low-resistance N-type diffusion layer 9 becomes a low-resistance P-type diffusion layer, and the peak value of the impurity concentration is 3 × 10.14cm-3The above is desirable.
[0029]
Further, the width L of the gate electrode 6GIs an important parameter in determining the conduction characteristics of the IGBT. Width L of gate electrode 6GIf the length is too long, not only the channel density of the IGBT is lowered and the conduction characteristics are deteriorated, but also problems such as an increase in gate capacitance, an increase in cost, and a deterioration in controllability may occur.
[0030]
On the other hand, the width L of the gate electrode 6GIs too short, holes injected from the P-type drain layer 2 are bypassed to the P-type base layer 3 and are not accumulated in the high-resistance N-type base layer 1, thereby deteriorating the conduction characteristics.
[0031]
According to the study of the present inventor, in order to improve the channel density and carrier accumulation and to lower the on-voltage, the width L of the gate electrode 6 regardless of the presence or absence of the N-type diffusion layer 9.GHas been designed to satisfy the following inequality.
[0032]
1 ≦ LG 2/ (DB・ WB)
Where DBIndicates the depth of the P-type base layer 3.
[0033]
This inequality is obtained as follows.
[0034]
The current density i of the IGBT in the state where the conduction modulation has occurred is
i = q · n · VF・ (Μe+ Μh) / WB                      ... (1)
It is represented by
[0035]
Where q is the elementary charge amount, n is the electron and hole carrier density, and VFIs the on-state voltage, μeIs the electron mobility, μhIndicates the mobility of holes.
[0036]
The effective sheet resistance R of the P-type base layer 3 during conduction is
R = 1 / (q · μh・ N ・ DB(2)
It is represented by
[0037]
  Since the voltage drop of the hole current due to the sheet resistance R may be equal to or higher than the junction voltage Vj,
  i ・ R ・ LG 2/16≧ Vj (3)
It becomes.
[0038]
  Using equations (1)-(3)
  LG 2/ (DB・ WB) ≧16Vj・ Μh/ (VF・ (Μe+ Μh))
It is expressed. (4)
  Here, when silicon is used as the device material,
  μh/ (Μe+ Μh) About 0.25, VjIs about 0.6 V, and V is within the range where power semiconductor devices are normally used.FIs about 4V, equation (4) becomes
  1 ≦ LG 2/ (DB・ WB)
[0039]
LG 2/ (DB・ WBIf the value of) is too large, the number of channels decreases as shown in FIG. According to the current knowledge obtained according to FIG. 10, to prevent channel loss, LG 2/ (DB・ WB) Should not be set to exceed 9. Therefore, 1 ≦ LG 2/ (DB・ WB) ≦ 9 is preferable.
[0040]
LGIf it is too short, holes are easily bypassed and carriers are less likely to accumulate. In particular, in the case of a device whose breakdown voltage exceeds 3 kV, this is a fatal defect for the current-carrying characteristics. According to the inventor's experiment, LGIt has been found that when the length is approximately 60 μm or more, carrier accumulation occurs in combination with the above conditions. Furthermore, according to the experiments of the present inventors, 2 ≦ LG/ LS, Preferably 5 ≦ LG/ LSIt was found that latch-up is less likely to occur when set to. Where LSRepresents the distance between adjacent gate electrodes 6. This means that the semiconductor device is resistant to destruction and the safe operation area can be expanded, so that the protection circuit can be simplified.
[0041]
In the present embodiment, unlike the conventional case, LGIs LSSince it is much larger, the saturation current can be easily kept lower than the latch-up current. This is impossible with the process technology of IGBT and other elements that are frequently used in the past, but such a design is possible by a microfabrication technology using a step device or the like that has been developed in recent years.
[0042]
In the present embodiment, since the on-voltage and the safe operation area are improved by optimizing parameters, it is not necessary to introduce a new structure. Therefore, the number of steps is not increased and the process is not complicated, and the manufacturing cost is not increased.
[0043]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to another embodiment of the present invention. In the following drawings, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts, and detailed descriptions thereof are omitted.
[0044]
The feature of this embodiment is that the thickness of the central portion 10 of the gate insulating film 5 is thicker than other portions. As a result, the gate capacitance can be reduced, and the gate drive circuit can be simplified and operated at high speed.
[0045]
The N-type diffusion layer 9 is desirably provided uniformly below the gate electrode 6 as in the embodiment shown in FIG. However, if this is difficult due to restrictions such as process, it can be changed as in the embodiment shown in FIG. Here, the N-type diffusion layer 9 is not formed under the center of the gate electrode 6 away from the N-type channel region, but only in the vicinity of the N-type channel region. Even in this case, the effect of reducing the ON voltage can be obtained.
[0046]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0047]
The present embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 2 in that the N-type diffusion layer 9 is formed under the gate electrode 6. However, the N-type diffusion layer 9 is not uniformly arranged unlike the embodiment shown in FIG. That is, the thickness of the central portion of the N-type diffusion layer 9 is thinner than other portions.
[0048]
Such a structure is obtained as follows, for example. That is, the width of the central portion 10 of the gate insulating film 5 is narrowed, N-type impurities are ion-implanted using the gate insulating film 5 as a mask, and then heat treatment (annealing) is performed. In this way, the N-type impurity diffuses down to the bottom of the central portion 10 of the gate insulating film 5, so that the N-type diffusion layer 9 can be formed under the gate electrode 6.
[0049]
In the case of the embodiment shown in FIG. 3, the gate capacitance is slightly increased by the narrow width of the central portion 10 of the gate insulating film 5 compared to the embodiment shown in FIG. However, according to the study by the present inventor, even in this case, it is found that the conduction characteristics are improved if the N-type diffusion layer 9 is disposed under the gate electrode 6.
[0050]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0051]
When securing a high breakdown voltage, for example, a breakdown voltage of 2 kV or more, the width L of the gate electrode 6GWhen the withstand voltage of 3 kV or more is secured to 30 μm or more, the width L of the gate electrode 6GIs set to 60 μm or more. Thus, when the area of the gate electrode 6 is increased, it becomes easy to form the metal electrode 12 such as an Al electrode on the gate electrode 6 as shown in FIG.
[0052]
Therefore, normally, the gate electrode 6 is formed only of polysilicon. However, by providing the metal electrode 12 on the gate electrode 6, the gate resistance is reduced and high speed operation is possible. In addition, the gate drive circuit can be simplified.
[0053]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0054]
This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that a part of the N-type base layer 1 is selectively connected to the drain electrode 7. That is, in this embodiment, an anode short structure is adopted.
[0055]
According to the present embodiment, since the injection of holes from the drain side can be suppressed by the anode short structure, the tail current at turn-off can be particularly reduced, and the turn-off loss can be reduced. As a result, even if the switching frequency is increased, the power loss can be kept small, and an apparatus such as an inverter can be operated efficiently. In addition, noise can be reduced by increasing the switching frequency.
[0056]
Even if the carrier injection efficiency from the drain side is lowered due to the anode short structure, the carrier injection efficiency from the source side is higher than before due to optimization of parameters and the N-type diffusion layer 9, so that The voltage is kept low.
[0057]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0058]
This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that a lifetime reduction layer 13 is formed. The lifetime reduction layer 13 can be formed by, for example, diffusion of heavy metals such as Au and Pt, or irradiation with radiation such as H and He. Moreover, lifetime reduction using electron beam irradiation may be used in combination with this. As shown in FIG. 6, if the lifetime reducing layer 13 is formed in the N-type base layer 1 particularly in the vicinity of the boundary between the P-type emitter layer 2 and the N-type base layer 1, holes are injected from the drain side. This can be effectively suppressed, and the same effect as that of the embodiment shown in FIG. 5 employing the anode short structure can be obtained.
[0059]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0060]
This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 6 in that a low resistance N-type buffer layer 14 is disposed between the P-type emitter layer 2 and the high resistance N-type base layer 1. By providing the N-type buffer layer 14, the N-type base layer 1 can be thinned. Thereby, discharge of the carrier at the time of switching can be accelerated, and switching can be performed at high speed. The total amount of impurities in the N-type buffer layer 14 is 1 × 1014cm-2The following is desirable. If there is an impurity amount larger than this, injection of holes from the drain is remarkably suppressed, and the current-carrying characteristics deteriorate.
[0061]
Further, a lifetime reduction layer 13 is formed in the N-type base layer 1 near the boundary between the N-type buffer layer 14 and the N-type base layer 1. As a result, injection of holes from the drain side is suppressed, switching loss can be reduced and switching can be performed at high speed without deteriorating the energization characteristics.
[0062]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0063]
This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the low resistance N-type diffusion layer 9 is not formed under the gate electrode 6. Even when the N-type diffusion layer 9 is not provided, the above-mentioned 1 ≦ LG 2/ (DB・ WB) ≦ 9 and 2 ≦ LG/ LS, Preferably 5 ≦ LG/ LSBy designing so as to satisfy the above condition, it is possible to improve the on-voltage, the safe operation region, and the latch-up tolerance of the device.
[0064]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0065]
This embodiment differs from the embodiment shown in FIGS. 1 to 8 in that the optimization of parameters and the use of the high mobility semiconductor layer 11 instead of the low resistance N-type diffusion layer 9 makes it possible to This is because the on-voltage is lowered by increasing the injection.
[0066]
The high mobility semiconductor layer 11 is formed in advance on the surface of the N-type base layer 1 by a film forming method such as an epitaxial growth method before forming the P-type base layer 3 and the N-type source layer 4. deep.
[0067]
Examples of the material of the high mobility semiconductor layer 11 include SiGe, amorphous Si, and SiC when Si is used as the material of the N-type base layer 1.
[0068]
According to the present embodiment, since the high mobility semiconductor layer 11 exists in the N-type channel region, electrons on the source side are injected into the N-type base layer 1 through the high mobility semiconductor layer 11. .
[0069]
Therefore, electrons are injected into the N-type base layer 1 at a higher speed than before, and the amount of electrons injected into the N-type base layer 1 per unit time is increased, so that the electron injection efficiency is increased and the on-voltage is Go down.
[0070]
In the present embodiment, the high mobility semiconductor layer 11 is formed on the entire surface of the N-type base layer 1, but it is not necessary. The high mobility semiconductor layer 11 includes at least the N-type source layer 4 and N It suffices to exist in the surface of the P-type base layer 3 sandwiched between the mold-type base layers 1, that is, in the N-type channel region. Further, the impurity concentration of the high mobility semiconductor layer 11 at this time is 1 × 10 5 for channel formation.18cm-3Is preferably smaller. Furthermore, the film thickness of the high mobility semiconductor layer 11 is preferably 0.05 μm or less in consideration of problems such as lattice mismatch.
[0071]
In addition, after using the high mobility semiconductor layer 11, the above-mentioned 1 ≦ LG 2/ (DB・ WB) ≦ 9 and 2 ≦ LG/ LS, Preferably 5 ≦ LG/ LSBy designing so as to satisfy the above condition, the on-voltage can be further reduced, and the IGBT does not latch up and the safe operation area can be expanded.
[0072]
Next, a planar layout of the power semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. The layout illustrated in FIGS. 11 to 16 can be combined with any of the cross sections illustrated in FIGS. Therefore, when the low resistance N-type diffusion layer 9 does not exist as in the embodiment shown in FIGS. 8 and 9, the portion indicated by reference numeral 9 in FIGS. 11 to 16 is the high resistance N-type base layer 1. Should be understood as.
[0073]
FIG. 11 is a plan view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0074]
The feature of this embodiment is that the N-type source layer 4 is formed in a comb shape. A thin portion corresponding to the teeth of the comb in the N-type source layer 4 is in contact with the source electrode 8, and a portion corresponding to the spine of the comb forms a MOSFET region together with the gate electrode 6.
[0075]
According to the present embodiment, the portion corresponding to the comb teeth of the N-type source layer 4 acts as a resistor, so that a resistor is disposed between the source electrode 8 and the MOSFET. Operation is stable.
[0076]
Further, by using a comb shape as the pattern of the N-type source layer 4, the area of the N-type source layer 4 can be reduced and the latch-up resistance can be increased as compared with the case of using a stripe pattern having a normal size. .
[0077]
FIG. 12 is a plan view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0078]
The present embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 11 in that the N-type source layer 4 is formed in a ladder shape. Thus, even if the pattern of the N-type source layer 4 is formed in a ladder shape, the latch-up resistance can be increased as in the embodiment shown in FIG. Further, since the N-type source layer 4 crosses the source electrode 8, the contact between the N-type source layer 4 and the source electrode 8 is more reliable than in the embodiment shown in FIG.
[0079]
Furthermore, in the present embodiment, the width of the source electrode 8 is reduced and the distance L between the gate electrodes is reduced.STherefore, the element region can be used effectively.
[0080]
FIG. 13 is a plan view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0081]
This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 12 in that a plurality of N-type source layers 4 formed as independent islands are arranged so as to correspond to the steps of the ladder. Even if the N-type source layer 4 is formed in this manner, the latch-up resistance can be increased as in the embodiment shown in FIG. Also, the distance L between adjacent gate electrodes 6STherefore, the element region can be used effectively.
[0082]
FIG. 14 is a plan view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0083]
This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 11 in that the N-type source layer 4 is formed in a stripe shape having a very narrow width by using a recent fine processing technique (fine dry etching technique). . According to the present embodiment, since the width of the N-type source layer 4 is narrow, a high latch-up resistance can be realized even in a stripe shape.
[0084]
FIG. 15 is a plan view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0085]
The feature of this embodiment is that a plurality of P-type base layers 3 formed as independent rectangular islands are arranged periodically and in a matrix. The N-type source layer 4 is formed in a cross shape so as not to easily cause latch-up, and an opening is provided in the center thereof, and the source electrode 8 contacts the P-type base layer 3 through this opening. is doing. With such a layout, the device can be highly integrated and the energization characteristics can be improved.
[0086]
FIG. 16 is a plan view showing a main part (IGBT part) of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0087]
A feature of this embodiment is that a plurality of P-type base layers 3 formed as independent hexagonal islands are arranged periodically and in a matrix. The N-type source layer 4 is formed in a star shape so as not to easily cause latch-up, and an opening is provided in the center thereof, and the source electrode 8 contacts the P-type base layer 3 through this opening. is doing. With such a layout, the device can be highly integrated and the energization characteristics can be improved.
[0088]
FIG. 17 is a plan view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
[0089]
The present embodiment includes an IGBT 105 according to the present invention, a free wheel diode 106 and a junction termination portion 107 disposed adjacent to the IGBT 105. By simultaneously forming the switching element 105 and the diode 106 on the same substrate, inductance and capacitance due to wiring can be reduced, and switching can be performed at high speed and stably.
[0090]
The diode 106 has a P-type anode layer 16 and an N-type cathode layer 18 connected to the source electrode 8 and the drain electrode 7 of the IGBT 105, respectively. The P-type anode layer 16 and the N-type cathode layer 18 are connected via the high-resistance N-type layer 1 and the low-resistance N-type buffer layer 14.
[0091]
An N-type stopper layer 19 is diffused in the surface of the N-type layer 1 at the end of the junction termination portion 107. An insulating film 20 is formed on the surface of the junction termination portion 107 from the P-type anode layer 16 to the N-type stopper layer 19.
[0092]
The IGBT 105 and the diode 106 need to have a sufficient distance (a length longer than the carrier diffusion length). For this reason, the electric field concentrates on the surface of the region between the IGBT 105 and the diode 106, and the breakdown voltage may deteriorate. In order to cope with this problem, a high-resistance P-type diffusion layer 17 is disposed between the P-type base layer 3 of the IGBT 105 and the P-type anode layer 16 of the diode 106. The P-type diffusion layer 17 can be formed at the same time as the P-type diffusion layer 17 of the junction termination portion 107, and therefore there is no need to add an extra forming step.
[0093]
The total amount of impurities in the P-type diffusion layer 17 is 1 × 1014cm-2The following is desirable. As a result, the breakdown voltage at the junction termination portion 107 can be maintained well, and the IGBT 105 and the diode 106 can be sufficiently separated.
[0094]
As described above, in the present invention, a power semiconductor device having excellent current-carrying characteristics can be provided by an optimum design of structure and concentration. In particular, it is possible to provide a device that can be controlled by MOS driving at a breakdown voltage of 3 kV or higher, which currently uses GTO (Gate Turn-off Thyristor).
[0095]
Although this device has a parasitic thyristor structure, it does not latch up and is resistant to destruction, so that the protection circuit can be simplified as compared with the GTO. Since the gate circuit and the protection circuit can be simplified as compared with the GTO, the system size is also reduced. For example, when an inverter device is manufactured, the size can be reduced to half of the conventional size. Furthermore, since the device structure is a planar (planar) type, it is easy to form a current extraction portion, and the device structure can be incorporated into various packages.
[0096]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to reduce the on-voltage of the device, expand the safe operation area, and increase the latch-up resistance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 10 {LG 2/ (DB・ WB)}1/2And on-voltage VFThe characteristic view which shows the relationship.
FIG. 11 is a plan view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a plan view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a plan view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a plan view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a plan view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a plan view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a main part of a power semiconductor device according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a conventional IGBT.
[Explanation of symbols]
1 ... N-type base layer (second conductivity type base layer)
2. P-type emitter layer (first semiconductor layer: first conductivity type emitter layer)
3. P-type base layer (first conductivity type base layer)
4. N-type source layer (second conductivity type source layer)
5 ... Gate insulation film
6 ... Gate electrode
7 ... Drain electrode
8 ... Source electrode
9: N-type diffusion layer (second conductivity type semiconductor layer)
10. Thick film part
11 ... High mobility semiconductor layer

Claims (1)

並設された複数のIGBTを構成する回路素子を有する電力用半導体装置であって、
前記回路素子の夫々が、
第1導電型エミッタ層と、
前記第1導電型エミッタ層上に配設された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面内に形成された第1導電型ベース層と、
前記第1導電型ベース層の表面内に形成された第2導電型ソース層と、
前記第2導電型ソース層と前記第2導電型ベース層とで挟まれた前記第1導電型ベース層上にゲート絶縁膜を介して配設されたゲート電極部分と、
前記第2導電型ソース層及び前記第1導電型ベース層にコンタクトするソース電極部分と、
前記第1導電型エミッタ層にコンタクトするドレイン電極部分と、
前記第2導電型ベース層の表面内で且つ前記ゲート電極の下に形成された低抵抗の第2導電型半導体層と、
を具備し、
前記回路素子の各回路素子において、ゲート電極部分は一方側に隣接する別の回路素子のゲート電極部分と一体となってゲート電極を構成し、ソース電極部分は他方側に隣接する別の回路素子のソース電極部分と一体となってソース電極を構成し、前記ゲート電極及び前記ソース電極が交互となるように設定されることと、
装置材料としてシリコンを用い、当該装置のオン電圧を約4V、前記ゲート電極の幅をL、前記第1導電型ベース層の深さをD、前記第1導電型ベース層と前記第1導電型エミッタ層とで挟まれた部分の前記第2導電型ベース層の厚さをW、前記ゲート電極間の距離をLとした時、1≦L /(D・W)≦9、60μm≦L 及び≦L/Lの条件を満たすことと、
を特徴とする電力用半導体装置。
A power semiconductor device having circuit elements constituting a plurality of IGBTs arranged in parallel,
Each of the circuit elements is
A first conductivity type emitter layer;
A second conductivity type base layer disposed on the first conductivity type emitter layer;
A first conductivity type base layer formed in a surface of the second conductivity type base layer;
A second conductivity type source layer formed in the surface of the first conductivity type base layer;
A gate electrode portion disposed on the first conductivity type base layer sandwiched between the second conductivity type source layer and the second conductivity type base layer via a gate insulating film;
A source electrode portion in contact with the second conductivity type source layer and the first conductivity type base layer;
A drain electrode portion in contact with the first conductivity type emitter layer;
A low-resistance second conductive semiconductor layer formed in the surface of the second conductive base layer and below the gate electrode;
Comprising
In each circuit element of the circuit element, the gate electrode portion is integrated with the gate electrode portion of another circuit element adjacent to one side to form a gate electrode, and the source electrode portion is another circuit element adjacent to the other side. A source electrode is formed integrally with the source electrode portion, and the gate electrode and the source electrode are alternately set;
Using silicon as the device material, the on-voltage of the device is about 4 V, the width of the gate electrode is L G , the depth of the first conductivity type base layer is D B , the first conductivity type base layer and the first When the thickness of the second conductive type base layer sandwiched between the conductive type emitter layers is W B and the distance between the gate electrodes is L S , 1 ≦ L G 2 / (D B · W B ) ≦ 9, satisfying the condition and 60 [mu] m ≦ L G and 5 L G / L S,
A power semiconductor device characterized by the above.
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