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JP5659514B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description

この発明は、トレンチゲート構造を有する半導体装置に関する。特に、ゲート・エミッタ間容量を増大させるためのトレンチ容量を備えた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a trench gate structure. In particular, the present invention relates to a semiconductor device having a trench capacitance for increasing the gate-emitter capacitance.

電力エネルギーの有効利用のために、インバータなどの電力変換装置が広く使用されている。そして、これらの電力変換装置に用いられる電力用半導体装置として、制御性に優れた電圧駆動の絶縁ゲート型半導体装置が主流となっている。特に、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の低損失・高破壊耐量化技術の進展により、高耐圧・大電流分野にまで、その応用が拡がっている。   In order to effectively use power energy, power converters such as inverters are widely used. As power semiconductor devices used in these power conversion devices, voltage-driven insulated gate semiconductor devices having excellent controllability have become mainstream. In particular, due to the progress of low loss and high breakdown tolerance technology of IGBT (insulated gate bipolar transistor), its application has been extended to the field of high withstand voltage and large current.

IGBTなどを用いた絶縁ゲート型半導体装置は、広い安全動作領域を有するため、スナバ回路などの保護回路を必要としない。また、近年、ゲート駆動回路のインピーダンス(ゲート抵抗)を低減して、より高速にスイッチングさせることにより、スイッチング損失のさらなる低減が図られている。   An insulated gate semiconductor device using an IGBT or the like has a wide safe operation region and thus does not require a protection circuit such as a snubber circuit. In recent years, the switching loss has been further reduced by reducing the impedance (gate resistance) of the gate drive circuit and switching at higher speed.

しかし、これらの施策は大きな電圧変化率(dV/dt)、電流変化率(dI/dt)を伴い、さらに、大きなdI/dtは回路の浮遊インダクタンスとの相乗作用により、サージ電圧とより大きなdV/dtを発生させる。   However, these measures are accompanied by a large voltage change rate (dV / dt) and a current change rate (dI / dt). Furthermore, the large dI / dt is caused by a synergistic effect with the floating inductance of the circuit, thereby increasing the surge voltage and the larger dV. / Dt is generated.

その結果、半導体装置のゲート電圧が変動して誤動作を招くことがある。このゲート電圧の変動は、ゲート・コレクタ間容量とゲート・エミッタ間容量に依存する。つまり、ゲート・コレクタ間容量が大きい程、またはゲート・エミッタ間容量が小さい程、ゲート電圧の変動は大きくなる。特許文献1と特許文献2にはこのゲート電圧の変動を抑制する方策が開示されている。   As a result, the gate voltage of the semiconductor device may fluctuate and cause malfunction. The fluctuation of the gate voltage depends on the gate-collector capacitance and the gate-emitter capacitance. That is, the larger the gate-collector capacitance or the smaller the gate-emitter capacitance, the greater the variation in gate voltage. Patent Documents 1 and 2 disclose measures for suppressing the fluctuation of the gate voltage.

図9は、特許文献1に示す従来の半導体装置の要部断面図である。トレンチゲート部63の間に容量部64を形成し、この容量部64をトレンチゲート部63に加えてゲート容量CG0を増やすことで、電圧変化率(dV/dt)、電流変化率(dI/dt)を小さくしてゲート電圧の変動を抑制している。 FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part of the conventional semiconductor device disclosed in Patent Document 1. In FIG. Capacitance portion 64 is formed between trench gate portions 63, and this capacitance portion 64 is added to trench gate portion 63 to increase gate capacitance CG0 , whereby voltage change rate (dV / dt), current change rate (dI / dt) is reduced to suppress the gate voltage fluctuation.

尚、図中の符号で、51はn型ドリフト層、52はp型コレクタ層、53はコレクタ電極、54はp型ベース層、55はn型エミッタ層、56はゲート絶縁膜、57はゲート電極、58はエミッタ電極および59は層間絶縁膜である。   In the drawing, 51 is an n-type drift layer, 52 is a p-type collector layer, 53 is a collector electrode, 54 is a p-type base layer, 55 is an n-type emitter layer, 56 is a gate insulating film, and 57 is a gate. An electrode, 58 is an emitter electrode, and 59 is an interlayer insulating film.

また、図10は、特許文献2に示す従来の半導体装置の要部断面図である。トレンチゲート部95の間に浮遊領域96を形成し、その上に絶縁膜91を介してエミッタ電極81に接続する電極93を設けることで、ゲート・コレクタ間容量CGCOを低減してゲート電圧の変動を抑制している。 FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part of the conventional semiconductor device shown in Patent Document 2. A floating region 96 is formed between the trench gate portions 95, and an electrode 93 connected to the emitter electrode 81 via the insulating film 91 is provided thereon, thereby reducing the gate-collector capacitance CGCO and reducing the gate voltage. Fluctuation is suppressed.

尚、図中の符号で、71はコレクタ電極、72はp型コレクタ層、73はn型バッファ層、74はn型ドリフト層、75はp型ベース層、76はエミッタ電位領域、77は浮遊p領域、78はトレンチ、81はエミッタ電極、82はゲート電極、83はゲート絶縁膜、84はゲート金属電極および92はエミッタ電位領域である。   In the figure, reference numeral 71 denotes a collector electrode, 72 denotes a p-type collector layer, 73 denotes an n-type buffer layer, 74 denotes an n-type drift layer, 75 denotes a p-type base layer, 76 denotes an emitter potential region, and 77 denotes a floating state. p region, 78 is a trench, 81 is an emitter electrode, 82 is a gate electrode, 83 is a gate insulating film, 84 is a gate metal electrode, and 92 is an emitter potential region.

特開2004−14547号公報JP 2004-14547 A 特開2005−32941号公報JP 2005-32941 A

しかし、特許文献1(図9)に示す半導体装置では、容量部64のトレンチ65はトレンチゲート部63のトレンチ66と同じように形成しているため、トレンチゲート部63に影響を与えないで容量部64のトレンチ容量CT0を必要に応じて変えることはできない。 However, in the semiconductor device shown in Patent Document 1 (FIG. 9), the trench 65 of the capacitor portion 64 is formed in the same manner as the trench 66 of the trench gate portion 63, and therefore the capacitance without affecting the trench gate portion 63. The trench capacitance C T0 of the portion 64 cannot be changed as necessary.

また、特許文献2(図10)に示す半導体装置では、ゲート・コレクタ間容量CGCOを減じることについては記載されているが、ゲート・エミッタ間容量CGEOを大きくしてゲート電圧の変動を抑制することについては記載されていない。 In addition, in the semiconductor device shown in Patent Document 2 (FIG. 10), although it is described that the gate-collector capacitance CGCO is reduced, the gate-emitter capacitance CGEO is increased to suppress the fluctuation of the gate voltage. There is no mention of what to do.

この発明の目的は、前記の課題を解決して、活性領域に形成されるトレンチゲート構造(ゲート容量部)に影響を与えることなくゲート・エミッタ間容量を大きくすることで、スイッチング時に発生するゲート電圧の変動(高周波ノイズなど)を抑制することができる半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and increase the gate-emitter capacitance without affecting the trench gate structure (gate capacitance portion) formed in the active region, thereby generating a gate generated during switching. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing voltage fluctuation (high frequency noise or the like).

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲に記載の発明によれば、
第1導電型の半導体基板と、
該半導体基板の表面層に配置される第2導電型の第1半導体層と、
該第1半導体層の表面から該第1半導体層を貫通して前記半導体基板に達して配置される第1トレンチと、
該第1トレンチの内壁に配置されるゲート絶縁膜と、
前記第1トレンチの側壁に接し前記第1半導体層の表面層に配置される第1導電型の第2半導体層と、
前記第1トレンチに前記ゲート絶縁膜を介して充填されるゲート電極と、
該ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、
該層間絶縁膜に配置される開口部を介して前記第2半導体層および前記第1半導体層に接する主電極と、
前記半導体基板の表面層に前記第1半導体層と離して配置される第2導電型の第3半導体層と、
該第3半導体層内に配置される第2トレンチと、
該第2トレンチの内壁に配置される絶縁膜と、
前記第2トレンチに前記絶縁膜を介して充填される導電体とを有し、
前記導電体が前記ゲート電極と接続し、前記第3半導体層が前記主電極と接続する半導体装置であって、
前記ゲート電極に接続し前記半導体基板上に配置されるゲート電極パッド下に前記第2トレンチが少なくとも配置され、
前記第2トレンチの面密度が前記第1トレンチの面密度より大きい半導体装置とする。
In order to achieve the above object, according to the invention described in the claims,
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first semiconductor layer of a second conductivity type disposed on a surface layer of the semiconductor substrate;
A first trench disposed from the surface of the first semiconductor layer through the first semiconductor layer and reaching the semiconductor substrate;
A gate insulating film disposed on the inner wall of the first trench;
A second semiconductor layer of a first conductivity type disposed on a surface layer of the first semiconductor layer in contact with a side wall of the first trench;
A gate electrode filled in the first trench through the gate insulating film;
An interlayer insulating film covering the gate electrode;
A main electrode in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer through an opening disposed in the interlayer insulating film;
A third semiconductor layer of a second conductivity type disposed on the surface layer of the semiconductor substrate apart from the first semiconductor layer;
A second trench disposed in the third semiconductor layer;
An insulating film disposed on the inner wall of the second trench;
A conductor filled in the second trench through the insulating film,
A semiconductor device in which the conductor is connected to the gate electrode and the third semiconductor layer is connected to the main electrode;
The second trench is disposed at least under a gate electrode pad connected to the gate electrode and disposed on the semiconductor substrate,
The semiconductor device has a surface density of the second trench larger than that of the first trench.

また、特許請求の範囲に記載の発明によれば、
第1導電型の半導体基板と、
該半導体基板の表面層に配置される第2導電型の第1半導体層と、
該第1半導体層の表面から該第1半導体層を貫通して前記半導体基板に達して配置される第1トレンチと、
該第1トレンチの内壁に配置されるゲート絶縁膜と、
前記第1トレンチの側壁に接し前記第1半導体層の表面層に配置される第1導電型の第2半導体層と、
前記第1トレンチに前記ゲート絶縁膜を介して充填されるゲート電極と、
該ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、
該層間絶縁膜に配置される開口部を介して前記第2半導体層および前記第1半導体層に接する主電極と、
前記半導体基板の表面層に前記第1半導体層と接して配置される第2導電型の第3半導体層と、
該第3半導体層内に配置される第2トレンチと、
該第2トレンチの内壁に配置される絶縁膜と、
前記第2トレンチに前記絶縁膜を介して充填される導電体とを有し、
前記導電体が前記ゲート電極と接続する半導体装置であって、
前記ゲート電極に接続し前記半導体基板上に配置されるゲート電極パッド下に前記第2トレンチが少なくとも配置され、
前記第2トレンチの面密度が前記第1トレンチの面密度より大きく、
前記第3半導体層の深さが前記第1半導体層の深さ以上に深い半導体装置とする。
According to the invention described in the claims,
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first semiconductor layer of a second conductivity type disposed on a surface layer of the semiconductor substrate;
A first trench disposed from the surface of the first semiconductor layer through the first semiconductor layer and reaching the semiconductor substrate;
A gate insulating film disposed on the inner wall of the first trench;
A second semiconductor layer of a first conductivity type disposed on a surface layer of the first semiconductor layer in contact with a side wall of the first trench;
A gate electrode filled in the first trench through the gate insulating film;
An interlayer insulating film covering the gate electrode;
A main electrode in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer through an opening disposed in the interlayer insulating film;
A third semiconductor layer of the second conductivity type which is disposed in contact with said first semiconductor layer on the surface layer of the semiconductor substrate,
A second trench disposed in the third semiconductor layer;
An insulating film disposed on the inner wall of the second trench;
A conductor filled in the second trench through the insulating film,
A semiconductor device in which the conductor is connected to the gate electrode,
The second trench is disposed at least under a gate electrode pad connected to the gate electrode and disposed on the semiconductor substrate,
The surface density of the second trench is greater than the surface density of the first trench;
A semiconductor device in which the depth of the third semiconductor layer is deeper than the depth of the first semiconductor layer.

また、前記第3半導体層が前記主電極と接続するとよい。
また、前記トレンチの面密度が前記トレンチの開口部上端部の表面積の総和をS1とし、前記トレンチに挟まれた前記半導体層の表面積の総和をS2としたとき、S1/(S1+S2)×100(%)で表されるとよい。また、前記第1半導体層と、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極からなるゲート容量部と、前記第3半導体層と、前記絶縁膜および前記導電体からなるトレンチ容量部とを有するとよい
The front SL may third semiconductor layer connected to said main electrode.
Further, when the surface density of the previous SL trench is the sum of S1 of the surface area of the opening upper part of the trench, and the sum of the surface area of said semiconductor layer sandwiched between the trenches and S2, S1 / (S1 + S2 ) × 100 It may be expressed in (%). Further, it is pre-SL and the first semiconductor layer, a gate capacitance section composed of the gate insulating film and the gate electrode, and said third semiconductor layer, when having a trench capacitor unit consisting of the insulating film and the conductor.

また、前記ゲート電極および前記導電体がポリシリコンであるとよい。
また、前記第2トレンチの平面形状がストライプ状もしくは格子状であるとよい。
Further, it is preferable prior Symbol gate electrode and the conductor is a polysilicon.
The front SL may planar shape of the second trench is in a stripe-like or lattice-like.

この発明において、トレンチ容量をゲート・エミッタ間容量に加えることによって、スイッチング時のゲート電圧の変動(高周波ノイズなど)を抑制することができる。
このトレンチ容量をゲート電極パッドやゲート電極パッドを含む電流検出用電極パッドなどの下に形成することで、活性領域を減じることなく、トレンチ容量を形成できる。
In the present invention, by adding the trench capacitance to the gate-emitter capacitance, fluctuations in gate voltage (high frequency noise, etc.) during switching can be suppressed.
By forming the trench capacitance under the gate electrode pad or the current detection electrode pad including the gate electrode pad, the trench capacitance can be formed without reducing the active region.

また、トレンチ容量となるトレンチの面密度を活性領域のゲート容量となるトレンチの面密度より大きくすることで、ゲート・エミッタ間容量をゲート電圧の変動を抑制できる大きさにすることができる。   Further, by making the surface density of the trench serving as the trench capacity larger than the surface density of the trench serving as the gate capacity of the active region, the gate-emitter capacity can be made large enough to suppress the variation of the gate voltage.

この発明の第1実施例の半導体装置のチップの概略平面図である。1 is a schematic plan view of a chip of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図1のA部拡大図である。It is the A section enlarged view of FIG. 図1のX−X線で切断した詳細断面図である。It is the detailed sectional view cut | disconnected by the XX line of FIG. 面密度について説明する図である。It is a figure explaining areal density. ゲート容量およびトレンチ容量として働く深さ方向の長さを説明する図で、(a)はゲート容量の場合の図、(b)はトレンチ容量の場合の図である。It is a figure explaining the length of the depth direction which acts as a gate capacity | capacitance and a trench capacity | capacitance, (a) is a figure in the case of gate capacity, (b) is a figure in the case of trench capacity. この発明の第2実施例の半導体装置のチップの概略平面図である。It is a schematic plan view of the chip | tip of the semiconductor device of 2nd Example of this invention. 図6のX1−X1線で切断した詳細断面図である。It is the detailed sectional view cut | disconnected by the X1-X1 line | wire of FIG. この発明の第3実施例の半導体装置の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device of 3rd Example of this invention. 特許文献1に示す従来の半導体装置の要部断面図であるIt is principal part sectional drawing of the conventional semiconductor device shown in patent document 1. 特許文献2に示す従来の半導体装置の要部断面図である。10 is a cross-sectional view of a main part of a conventional semiconductor device shown in Patent Document 2. FIG.

実施の形態を以下の実施例で説明する。   Embodiments will be described in the following examples.

図1〜図3は、この発明の第1実施例の半導体装置の構成図であり、図1はチップの概略平面図、図2は図1のA部拡大図、図3は図1のX−X線で切断した詳細断面図である。この半導体装置100の例としてIGBTを挙げる。   1 to 3 are block diagrams of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic plan view of a chip, FIG. 2 is an enlarged view of a portion A in FIG. 1, and FIG. It is detail sectional drawing cut | disconnected by -X-ray. An IGBT is given as an example of the semiconductor device 100.

この半導体装置100は、n半導体基板1と、このn半導体基板1の表面層に配置される第1pウエル領域2と、この第1pウエル領域2より拡散深さが深く第1pウエル領域2と接する第2pウエル領域7とからなる。   The semiconductor device 100 includes an n semiconductor substrate 1, a first p well region 2 disposed in a surface layer of the n semiconductor substrate 1, and a diffusion depth deeper than the first p well region 2 and in contact with the first p well region 2. The second p well region 7 is formed.

また、前記第1pウエル領域2の表面からこの第1pウエル領域2を貫通する複数のストライプ状の第1トレンチ3と、この第1トレンチ3の内壁に配置されるゲート絶縁膜4と、この第1トレンチ3の側壁に接して前記第1pウエル領域2の表面層に配置されるnエミッタ領域5と、ゲート電極6にゲートランナー16を介して接続し、前記n半導体基板1上に配置されるゲート電極パッド15と、前記ゲート電極6上に配置される層間絶縁膜12と、この層間絶縁膜12上に配置されこの層間絶縁膜12のコンタクトホール13を介してnエミッタ領域5と第1pウエル領域2に接続するエミッタ電極14からなる。前記第1トレンチ3が配置される第1pウエル領域2が活性領域SAとなる。また、第1pウエル領域2はエミッタ電位となる領域2aと浮遊電位となる領域2bがある。   A plurality of striped first trenches 3 penetrating from the surface of the first p well region 2 through the first p well region 2, a gate insulating film 4 disposed on the inner wall of the first trench 3, and the first An n emitter region 5 disposed on the surface layer of the first p well region 2 in contact with the sidewall of one trench 3 is connected to the gate electrode 6 via a gate runner 16 and disposed on the n semiconductor substrate 1. Gate electrode pad 15, interlayer insulating film 12 disposed on gate electrode 6, n emitter region 5 and first p well are disposed on interlayer insulating film 12 through contact hole 13 of interlayer insulating film 12. The emitter electrode 14 is connected to the region 2. The first p well region 2 in which the first trench 3 is disposed becomes an active region SA. The first p-well region 2 includes a region 2a that becomes an emitter potential and a region 2b that becomes a floating potential.

また、前記第2pウエル領域7内で前記ゲート電極パッド15下に層間絶縁膜12を介して配置される複数のストライプ状の第2トレンチ8と、この第2トレンチ8の内壁に配置される絶縁膜9と、この第2トレンチ8に絶縁膜9を介して充填される導電体10と、この導電体10に接続し前記ゲート電極パッド15に接続し前記層間絶縁膜12下に配置される配線導体11とからなる。前記第2pウエル領域7は前記層間絶縁膜12に形成したコンタクトホール13を介して前記エミッタ電極14に接続する。前記配線導体11と上部の前記ゲート電極パッド15は層間絶縁膜12の図示しないコンタクトホールを介して接続導体17で接続する。   In addition, a plurality of stripe-shaped second trenches 8 disposed in the second p well region 7 below the gate electrode pad 15 via an interlayer insulating film 12 and insulation disposed on the inner wall of the second trench 8. A film 9, a conductor 10 filled in the second trench 8 via the insulating film 9, and a wiring connected to the conductor 10 and connected to the gate electrode pad 15 and disposed under the interlayer insulating film 12 It consists of a conductor 11. The second p well region 7 is connected to the emitter electrode 14 through a contact hole 13 formed in the interlayer insulating film 12. The wiring conductor 11 and the upper gate electrode pad 15 are connected by a connection conductor 17 through a contact hole (not shown) of the interlayer insulating film 12.

また、前記n半導体基板1の裏側の表面層に配置されるnバッファ領域18とpコレクタ層19と、このpコレクタ層19上に配置されるコレクタ電極20とからなる。
尚、第1pウエル領域2と第2pウエル領域7が接続している境界付近の第1pウエル領域2が層間絶縁膜12に形成したコンタクトホール13を介してエミッタ電極14に接続している場合(浮遊領域がないIGBTの場合など)には、第2pウエル領域7を層間絶縁膜12に形成したコンタクトホール13を介してエミッタ電極14に接続する必要は必ずしもない。
The n-type semiconductor substrate 1 includes an n-buffer region 18 and a p-collector layer 19 disposed on the surface layer on the back side, and a collector electrode 20 disposed on the p-collector layer 19.
When the first p well region 2 near the boundary where the first p well region 2 and the second p well region 7 are connected is connected to the emitter electrode 14 via the contact hole 13 formed in the interlayer insulating film 12 ( In the case of an IGBT having no floating region), it is not always necessary to connect the second p well region 7 to the emitter electrode 14 through the contact hole 13 formed in the interlayer insulating film 12.

第1pウエル領域2とゲート絶縁膜4とゲート電極6で活性領域SAにゲート容量Cが形成され、第2pウエル領域7と絶縁膜9と導電体10でゲート電極パッド15下にトレンチ容量Cが形成される。前記のゲート容量Cはゲート容量部31に形成される。 The gate capacitance C G in the active region SA in the 1p well region 2 and the gate insulating film 4 and the gate electrode 6 is formed, the trench capacitor below the gate electrode pad 15 with the insulating film 9 and the conductor 10 and the 2p well region 7 C T is formed. The gate capacitor CG is formed in the gate capacitor 31.

トレンチ容量Cが形成されるトレンチ容量部32をゲート電極パッド15や図示しない電流検出用電極パッドの下に形成することで、活性領域SAを減じることなく、トレンチ容量部32を形成できる。 By forming the trench capacitor portion 32 formed trench capacitor C T is below the electrode pad for detecting the current which is not shown or a gate electrode pad 15, without reducing the active area SA, can form a trench capacitor portion 32.

第2トレンチ8の長さ、幅、深さおよび間隔を変えることで任意のトレンチ容量Cとすることができる。しかし、ゲート電極パッド15の大きさが活性領域SAに比べて小さいために、大きなトレンチ容量Cを得るためには、第2トレンチ8の間隔を狭めたり幅を狭めたりして本数を増やしたり、第2トレンチ8の深さを深くしたりする必要があるので、ゲート電極パッド15下に形成される第2トレンチ8の面密度を第1トレンチ3の面密度より大きくすることが好ましい。 The length of the second trench 8 can be any of a trench capacitor C T by changing the width, depth and spacing. However, because the size of the gate electrode pad 15 is smaller than the active region SA, in order to obtain a large trench capacitance C T is or increasing the number and or narrow width or reduce the width of each second trench 8 Since the depth of the second trench 8 needs to be increased, the surface density of the second trench 8 formed under the gate electrode pad 15 is preferably made larger than the surface density of the first trench 3.

この第2トレンチ8に形成されるトレンチ容量Cを第1トレンチ3に形成されるゲート容量C(活性領域SAを用いた容量のこと)に加えることでチップ1a全領域を用いた容量であるゲート・エミッタ間容量GGEは大きな値になり、スイッチング時に発生するゲート電圧の変動を抑制することができる。 By volume using a chip 1a entire area by adding a trench capacitor C T, which is formed in the second trench 8 to the gate capacitance C G formed in the first trench 3 (that volume using the active region SA) A certain gate-emitter capacitance G GE becomes a large value, and the fluctuation of the gate voltage generated at the time of switching can be suppressed.

つぎに、面密度について説明する。トレンチが形成される領域の表面積をS0とし、前記トレンチの開口部上端部の表面積の総和をS1とし、前記トレンチに挟まれた前記半導体層(pウエル領域とnエミッタ領域)の表面積の総和をS2としたとき、S0=S1+S2とする。トレンチの面密度をS1/S0×100%=S1/(S1+S2)×100(%)で表わす(符号は図4参照のこと)。   Next, the surface density will be described. The surface area of the region where the trench is formed is S0, the total surface area of the upper end of the opening of the trench is S1, and the total surface area of the semiconductor layers (p-well region and n-emitter region) sandwiched between the trenches is When S2, S0 = S1 + S2. The area density of the trench is expressed as S1 / S0 × 100% = S1 / (S1 + S2) × 100 (%) (see FIG. 4 for the reference).

図4は面密度について説明する図である。ここではトレンチの長さと間隔が異なる場合の面密度について一般的な説明をする。
トレンチの開口部の幅をW(一定)、長さをL1,L2(L1>L2)、L1のトレンチ間隔をD1,D2(D1<D2)、L2のトレンチの間隔をD3,D4(D3<D4)、D1グループのトレンチとD2グループのトレンチの間の間隔をD5、D3グループのトレンチとD4グループのトレンチの間の間隔をD6、トレンチの長さが異なるトレンチの間隔(ここではD2グループのトレンチとD3グループのトレンチの間の間隔)をD7、L1のトレンチの本数をnL1、L2のトレンチの本数をnL2、D1の間隔の個数をnD1、D2の間隔の個数をnD2、D3の間隔の個数をnD3、D4の間隔の個数をnD4、D5の間隔の個数をnD5、D6の間隔の個数をnD6、D7の間隔の個数をnD7とすると、
S1はW×L1×nL1+W×L2×nL2=W×(L1×nL1+L2×nL2)となる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the surface density. Here, a general description will be given of the surface density when the length and interval of the trench are different.
The width of the opening of the trench is W (constant), the length is L1, L2 (L1> L2), the trench spacing of L1 is D1, D2 (D1 <D2), and the spacing of the L2 trench is D3, D4 (D3 < D4), the distance between the D1 group trench and the D2 group trench is D5, the distance between the D3 group trench and the D4 group trench is D6, and the distance between the trenches having different trench lengths (here, the D2 group trench). The distance between the trench and the trench of the D3 group) is D7, the number of L1 trenches is nL1, the number of L2 trenches is nL2, the number of D1 intervals is nD1, the number of D2 intervals is nD2, and the interval of D3 If the number is nD3, the number of intervals of D4 is nD4, the number of intervals of D5 is nD5, the number of intervals of D6 is nD6, and the number of intervals of D7 is nD7.
S1 is W × L1 × nL1 + W × L2 × nL2 = W × (L1 × nL1 + L2 × nL2).

また、S2は(D1×L1×nD1)+(D2×L1×nD2)+(D3×L2×nD3)+(D4×L2×nD4)+(D5×L1×nD5)+(D6×L2×nD6)+(D7×L2×nD7)=L1×(D1×nD1+D2×nD2+D5×nD5)+L2×(D3×nD3+D4×nD4+D6×nD6+D7×nD7)となる。   S2 is (D1 × L1 × nD1) + (D2 × L1 × nD2) + (D3 × L2 × nD3) + (D4 × L2 × nD4) + (D5 × L1 × nD5) + (D6 × L2 × nD6) ) + (D7 * L2 * nD7) = L1 * (D1 * nD1 + D2 * nD2 + D5 * nD5) + L2 * (D3 * nD3 + D4 * nD4 + D6 * nD6 + D7 * nD7).

従って、トレンチの面密度は、S1/(S1+S2)×100%=W×(L1×nL1+L2×nL2)/(W×(L1×nL1+L2×nL2)+(L1×(D1×nD1+D2×nD2+D5×nD5)+L2×(D3×nD3+D4×nD4+D6×nD6+D7×nD7))×100%となる。   Therefore, the surface density of the trench is S1 / (S1 + S2) × 100% = W × (L1 × nL1 + L2 × nL2) / (W × (L1 × nL1 + L2 × nL2) + (L1 × (D1 × nD1 + D2 × nD2 + D5 × nD5)) + L2 × (D3 × nD3 + D4 × nD4 + D6 × nD6 + D7 × nD7)) × 100%.

つぎに、図示しないが、トレンチの長さと間隔が等しい場合の面密度について説明する。トレンチの開口部の幅をW、長さをL、間隔をDおよび本数をnとしたとき、S1はW×L×nとなり、S2はL×D×(n−1)となる。従って、トレンチの面密度は(W×L×n)/((W×L×n)+(L1×D×(n−1))×100(%)となる。   Next, although not shown in the figure, the surface density when the length and the interval of the trench are equal will be described. When the width of the opening of the trench is W, the length is L, the interval is D, and the number is n, S1 is W × L × n, and S2 is L × D × (n−1). Accordingly, the surface density of the trench is (W × L × n) / ((W × L × n) + (L1 × D × (n−1)) × 100 (%).

図5は、ゲート容量およびトレンチ容量として働く深さ方向の長さを説明する図で、同図(a)はゲート容量の場合の図、同図(b)はトレンチ容量の場合の図である。同図(a)で示すゲート容量として働く長さTは、トレンチが第1pウエル領域2よりも深いので、nエミッタ領域が形成されているpウエル領域内のトレンチの深さ方向の長さT1であり、同図(b)で示すトレンチ容量として働く長さTは、トレンチが第2pウエル領域7よりも浅いので、トレンチの両壁と底部を合わせた長さT2である。   5A and 5B are diagrams for explaining the length in the depth direction acting as a gate capacitor and a trench capacitor. FIG. 5A is a diagram in the case of a gate capacitor, and FIG. 5B is a diagram in the case of a trench capacitor. . Since the trench is deeper than the first p-well region 2, the length T acting as the gate capacitance shown in FIG. 5A is the length T1 in the depth direction of the trench in the p-well region where the n-emitter region is formed. The length T acting as the trench capacitance shown in FIG. 4B is a length T2 in which the trenches are shallower than the second p-well region 7 and the both walls and bottom of the trench are combined.

以下に図1で表される半導体装置100の第1トレンチの面密度と第2トレンチの面密度およびゲート容量とトレンチ容量について具体的に説明する。
第1トレンチ3の幅が1μm、間隔が4μm、浮遊領域の幅が20μm(第1トレンチ3のみにあり広いトレンチ間隔の幅)で4μm+20μm=24μmの幅に入るトレンチの本数は2本とし、第2トレンチ8の幅1μm、トレンチ容量Cとして働く深さ方向の長さT2が9μm、間隔が0.4μmで24μmの幅に入るトレンチの本数を17本とすると、第1トレンチ3の面密度は1μm×2本/24μm×100=8.3%となる。一方、第2トレンチ8の面密度は1μm×17本/24μm=71%となる。従って、第2トレンチ8の面密度は第1トレンチ3の面密度の8.6倍になる。
Hereinafter, the surface density of the first trench, the surface density of the second trench, the gate capacitance, and the trench capacitance of the semiconductor device 100 illustrated in FIG. 1 will be specifically described.
The width of the first trench 3 is 1 μm, the interval is 4 μm, the width of the floating region is 20 μm (the width of the wide trench interval only in the first trench 3), and the number of trenches falling within the width of 4 μm + 20 μm = 24 μm is two. width 1μm of second trenches 8, the length T2 in the depth direction serve as trenches capacitance C T is 9 .mu.m, spacing and 17 present the number of trenches into the width of 24μm in 0.4 .mu.m, the surface density of the first trench 3 Is 1 μm × 2 pieces / 24 μm × 100 = 8.3%. On the other hand, the surface density of the second trench 8 is 1 μm × 17/24 μm = 71%. Therefore, the surface density of the second trench 8 is 8.6 times the surface density of the first trench 3.

1mm×1mmの表面積を仮定し、この表面積に形成される第1トレンチ3(活性領域SA)のゲート容量部31(ゲート容量Cが形成される箇所)の面積は(3μm(T1)×1mm)×(1mm÷24μm)×2本=2.5×10μmであり、第2トレンチ8(ゲート電極パッド15下に形成される)のトレンチ容量部32(トレンチ容量Cが形成される箇所)の面積は(9μm(T2)×1mm)×(1mm÷24μm)×17本=6.4×10μmである。 Assuming a surface area of 1 mm × 1 mm, the area of the gate capacitance portion 31 (where the gate capacitance CG is formed) of the first trench 3 (active region SA) formed on this surface area is (3 μm (T1) × 1 mm). ) × (1 mm ÷ 24 μm) × 2 = 2.5 × 10 5 μm 2 , and the trench capacitance portion 32 (trench capacitance CT is formed in the second trench 8 (formed under the gate electrode pad 15). Area is (9 μm (T2) × 1 mm) × (1 mm ÷ 24 μm) × 17 = 6.4 × 10 6 μm 2 .

従って、第1トレンチ3が形成される箇所の表面積を96mmとすると、活性領域SAに形成されるゲート容量部31のゲート容量Cとなる総面積は96mm÷1mm×2.5×10μm=2.4×10μmとなる。 Therefore, when the surface area of the portion where the first trench 3 is formed to 96 mm 2, the total area of the gate capacitance C G of the gate capacitance section 31 formed in the active region SA is 96mm 2 ÷ 1mm 2 × 2.5 × 10 5 μm 2 = 2.4 × 10 7 μm 2

また、ゲート電極パッド15の面積を4mmとすると、ゲート電極パッド15下に形成されるトレンチ容量部32のトレンチ容量Cとなる総面積は4mm÷1mm×6.4×10μm=2.6×10μmとなる。 Further, when the area of the gate electrode pad 15 and 4 mm 2, the total area of the trench capacitor C T of the trench capacitor 32 which is formed below the gate electrode pad 15 is 4mm 2 ÷ 1mm 2 × 6.4 × 10 6 μm 2 = 2.6 × 10 7 μm 2

容量=誘電率×面積÷絶縁膜厚であるので、誘電率と絶縁膜厚が同じ場合は面積(総面積)に比例する。つまり、トレンチ容量部32のトレンチ容量Cとなる総面積はゲート容量部31のゲート容量Cとなる総面積にほぼ等しいので、トレンチ容量Cとゲート容量Cはほぼ等しい。そのため、トレンチ容量Cを加えたIGBTのゲート・エミッタ間容量CGEは活性領域SAに形成されるゲート容量Cの2倍になる。尚、約100mmのチップのゲート容量Cの大きさはおおよそ10nFのオーダーである。 Since capacity = dielectric constant × area ÷ insulating film thickness, when the dielectric constant and the insulating film thickness are the same, it is proportional to the area (total area). In other words, the total area of the trench capacitor C T of the trench capacitor 32 because approximately equal to the total area to be the gate capacitance C G of the gate capacitance section 31, the trench capacitor C T and the gate capacitance C G are approximately equal. Therefore, the gate-emitter capacitance C GE of IGBT plus trench capacitor C T is two times the gate capacitance C G formed in the active region SA. The size of the gate capacitance C G of about 100 mm 2 chip is on the order of approximately 10 nF.

実験により、約100mm(10mm角)の大きさのIGBTのゲート容量Cとほぼ等しい容量のコンデンサをゲート・エミッタ間に外付けすることでゲート電圧の変動を抑制できることが知られているので、本発明のトレンチ容量Cをゲート容量Cに加えることで、ゲート電圧の変動を抑制するのに効果がある。この効果を確認するためにゲート電圧の変動を測定したところトレンチ容量Cを加えることでノイズレベルが25%程度低減した。 Experiments since it is known that can suppress the fluctuation of the gate voltage using an external capacitor is substantially equal capacitance to the gate capacitance C G of the magnitude of the IGBT of about 100 mm 2 (10 mm square) between the gate and emitter , by adding a trench capacitor C T of the present invention to the gate capacitance C G, it is effective for suppressing the fluctuation of the gate voltage. The noise level by adding a trench capacitor C T was measured variation of the gate voltage is reduced about 25% in order to confirm this effect.

本実施例では、第2トレンチ8の形成箇所はゲート電極パッド15下の場合を示したが、前記したようにゲート電極パッド15下の他に図示しない電流検出用電極パッドや活性領域以外の無効領域がある場合にはその箇所にも第2トレンチ8を形成することで、トレンチ容量Cを大きくすることができる。 In this embodiment, the second trench 8 is formed under the gate electrode pad 15. However, as described above, other than the current detection electrode pad and the active region (not shown) other than the gate electrode pad 15 are not shown. If there is region by forming a second trench 8 in that position, it is possible to increase the trench capacitor C T.

また、第2トレンチ8の深さを深くしたり、幅や間隔を狭めて本数を増やし面密度を増加させることでトレンチ容量Cを増やすことができる。
また、第2pウエル領域7の深さが第1pウエル領域2の深さと同じにして同時に形成してもよい。しかし、その場合は第2トレンチ8の深さは第1トレンチ3の深さより浅くなり、同じ深さの場合よりトレンチ容量Cは小さくなる。
Further, it is possible or the depth of the second trench 8, by increasing the increasing surface density the number by narrowing the width and spacing increasing trench capacitor C T.
Alternatively, the second p well region 7 may be formed simultaneously with the same depth as the first p well region 2. However, if the depth of the second trench 8 is made shallower than the depth of the first trench 3, the trench capacitor C T than the same depth decreases.

また、本実施例では浮遊領域(領域2b)を有するIGBTを例にして説明したが、浮遊領域がないIGBTやMOSFETにも適用できる。   In this embodiment, the IGBT having the floating region (region 2b) has been described as an example. However, the present invention can also be applied to an IGBT or MOSFET having no floating region.

図6および図7は、この発明の第2実施例の半導体装置の構成図であり、図6はチップの概略平面図、図7は図6のX1−X1線で切断した詳細断面図である。この半導体装置200の例としてIGBTを挙げる。   6 and 7 are configuration diagrams of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic plan view of the chip. FIG. 7 is a detailed sectional view taken along line X1-X1 in FIG. . An IGBT is given as an example of the semiconductor device 200.

第1実施例との違いは、チップ201に形成される第1pウエル領域2と第2pウエル領域7が離れている点である。また、第2pウエル領域7をエミッタ電極14と接続し、導電体10をゲート電極6と接続する。この場合も実施例1と同様の効果が得られる。   The difference from the first embodiment is that the first p well region 2 and the second p well region 7 formed in the chip 201 are separated from each other. The second p well region 7 is connected to the emitter electrode 14, and the conductor 10 is connected to the gate electrode 6. In this case, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

図8は、この発明の第3実施例の半導体装置の要部平面図である。これは第2トレンチ8の箇所の平面パターンである。この半導体装置300の例としてはIGBTなどがある。   FIG. 8 is a plan view of an essential part of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. This is a planar pattern at the location of the second trench 8. An example of the semiconductor device 300 is an IGBT.

実施例1との違いは、第2トレンチの平面パターンがストライプ状でなく格子状になっている点である。
この場合の第2トレンチ8の面密度は、第2トレンチ8の開口部の表面積S1÷(第2トレンチ8の開口部の表面積S1+第2トレンチ8に挟まれた半導体層(第2pウエル領域7)の表面積の和S2)×100(%)である。
The difference from the first embodiment is that the planar pattern of the second trench is not a stripe pattern but a lattice pattern.
In this case, the surface density of the second trench 8 is as follows: the surface area S1 of the opening of the second trench 8 / (the surface area S1 of the opening of the second trench 8 + the semiconductor layer sandwiched between the second trenches 8 (the second p well region 7). ) Surface area sum S2) × 100 (%).

この構造にすることで、第2トレンチ8の面密度を前記実施例より上げることができて、トレンチ容量Cを前記実施例の場合よりさらに増大させることができる。その結果、ゲート電圧の変動をさらに抑制することができる。 With this structure, the surface density of the second trench 8 can be raised from the above embodiment, it is possible to further increase than the trench capacitor C T of the embodiment. As a result, the fluctuation of the gate voltage can be further suppressed.

1 n半導体基板
1a nドリフト領域
2 第1pウエル領域
2a エミッタ電位となる領域
2b 浮遊電位となる領域
3 第1トレンチ
4 ゲート絶縁膜
5 nエミッタ領域
6 ゲート電極
7 第2pウエル領域
8 第2トレンチ
9 絶縁膜
10 導電体
11 配線導体
12 層間絶縁膜
13 コンタクトホール
14 エミッタ電極
15 ゲート電極パッド
16 ゲートランナー
17 接続導体(コンタクトホール内に形成される)
18 nバッファ層
19 pコレクタ層
20 コレクタ電極
31 ゲート容量部
32 トレンチ容量部
100、200、300 半導体装置
101、201 チップ
S0 S1+S2
S1 トレンチの開口部上端部の表面積の総和
S2 トレンチに挟まれた前記半導体層の表面積の総和
SA 活性領域
ゲート容量(第1トレンチ3に形成される容量)
トレンチ容量(第2トレンチ8に形成される容量)
GE ゲート・エミッタ間容量(C+C
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 n Semiconductor substrate 1a n drift area | region 2 1st p well area | region 2a area | region used as emitter potential 2b area | region used as floating potential 3 1st trench 4 gate insulating film 5 n emitter area | region 6 gate electrode 7 2nd p well area | region 8 2nd trench 9 Insulating film 10 Conductor 11 Wiring conductor 12 Interlayer insulating film 13 Contact hole 14 Emitter electrode 15 Gate electrode pad 16 Gate runner 17 Connection conductor (formed in contact hole)
18 n buffer layer 19 p collector layer 20 collector electrode 31 gate capacitance part 32 trench capacitance part 100, 200, 300 semiconductor device 101, 201 chip S0 S1 + S2
S1 Total surface area of the upper end of the opening of the trench S2 Total surface area of the semiconductor layer sandwiched between the trenches SA Active region CG Gate capacitance (capacitance formed in the first trench 3)
CT trench capacitance (capacitance formed in the second trench 8)
C GE gate-emitter capacitance (C G + C T )

Claims (7)

第1導電型の半導体基板と、
該半導体基板の表面層に配置される第2導電型の第1半導体層と、
該第1半導体層の表面から該第1半導体層を貫通して前記半導体基板に達して配置される第1トレンチと、
該第1トレンチの内壁に配置されるゲート絶縁膜と、
前記第1トレンチの側壁に接し前記第1半導体層の表面層に配置される第1導電型の第2半導体層と、
前記第1トレンチに前記ゲート絶縁膜を介して充填されるゲート電極と、
該ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、
該層間絶縁膜に配置される開口部を介して前記第2半導体層および前記第1半導体層に接する主電極と、
前記半導体基板の表面層に前記第1半導体層と離して配置される第2導電型の第3半導体層と、
該第3半導体層内に配置される第2トレンチと、
該第2トレンチの内壁に配置される絶縁膜と、
前記第2トレンチに前記絶縁膜を介して充填される導電体とを有し、
前記導電体が前記ゲート電極と接続し、前記第3半導体層が前記主電極と接続する半導体装置であって、
前記ゲート電極に接続し前記半導体基板上に配置されるゲート電極パッド下に前記第2トレンチが少なくとも配置され、
前記第2トレンチの面密度が前記第1トレンチの面密度より大きいことを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first semiconductor layer of a second conductivity type disposed on a surface layer of the semiconductor substrate;
A first trench disposed from the surface of the first semiconductor layer through the first semiconductor layer and reaching the semiconductor substrate;
A gate insulating film disposed on the inner wall of the first trench;
A second semiconductor layer of a first conductivity type disposed on a surface layer of the first semiconductor layer in contact with a side wall of the first trench;
A gate electrode filled in the first trench through the gate insulating film;
An interlayer insulating film covering the gate electrode;
A main electrode in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer through an opening disposed in the interlayer insulating film;
A third semiconductor layer of a second conductivity type disposed on the surface layer of the semiconductor substrate apart from the first semiconductor layer;
A second trench disposed in the third semiconductor layer;
An insulating film disposed on the inner wall of the second trench;
A conductor filled in the second trench through the insulating film,
A semiconductor device in which the conductor is connected to the gate electrode and the third semiconductor layer is connected to the main electrode;
The second trench is disposed at least under a gate electrode pad connected to the gate electrode and disposed on the semiconductor substrate,
A semiconductor device, wherein a surface density of the second trench is larger than a surface density of the first trench.
第1導電型の半導体基板と、
該半導体基板の表面層に配置される第2導電型の第1半導体層と、
該第1半導体層の表面から該第1半導体層を貫通して前記半導体基板に達して配置される第1トレンチと、
該第1トレンチの内壁に配置されるゲート絶縁膜と、
前記第1トレンチの側壁に接し前記第1半導体層の表面層に配置される第1導電型の第2半導体層と、
前記第1トレンチに前記ゲート絶縁膜を介して充填されるゲート電極と、
該ゲート電極を被覆する層間絶縁膜と、
該層間絶縁膜に配置される開口部を介して前記第2半導体層および前記第1半導体層に接する主電極と、
前記半導体基板の表面層に前記第1半導体層と接して配置される第2導電型の第3半導体層と、
該第3半導体層内に配置される第2トレンチと、
該第2トレンチの内壁に配置される絶縁膜と、
前記第2トレンチに前記絶縁膜を介して充填される導電体とを有し、
前記導電体が前記ゲート電極と接続する半導体装置であって、
前記ゲート電極に接続し前記半導体基板上に配置されるゲート電極パッド下に前記第2トレンチが少なくとも配置され、
前記第2トレンチの面密度が前記第1トレンチの面密度より大きく、
前記第3半導体層の深さが前記第1半導体層の深さ以上に深いことを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first semiconductor layer of a second conductivity type disposed on a surface layer of the semiconductor substrate;
A first trench disposed from the surface of the first semiconductor layer through the first semiconductor layer and reaching the semiconductor substrate;
A gate insulating film disposed on the inner wall of the first trench;
A second semiconductor layer of a first conductivity type disposed on a surface layer of the first semiconductor layer in contact with a side wall of the first trench;
A gate electrode filled in the first trench through the gate insulating film;
An interlayer insulating film covering the gate electrode;
A main electrode in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer through an opening disposed in the interlayer insulating film;
A third semiconductor layer of the second conductivity type which is disposed in contact with said first semiconductor layer on the surface layer of the semiconductor substrate,
A second trench disposed in the third semiconductor layer;
An insulating film disposed on the inner wall of the second trench;
A conductor filled in the second trench through the insulating film,
A semiconductor device in which the conductor is connected to the gate electrode,
The second trench is disposed at least under a gate electrode pad connected to the gate electrode and disposed on the semiconductor substrate,
The surface density of the second trench is greater than the surface density of the first trench;
A semiconductor device, wherein the depth of the third semiconductor layer is deeper than the depth of the first semiconductor layer.
前記第3半導体層が前記主電極と接続することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the third semiconductor layer is connected to the main electrode. 前記トレンチの面密度が前記トレンチの開口部上端部の表面積の総和をS1とし、前記トレンチに挟まれた前記半導体層の表面積の総和をS2としたとき、S1/(S1+S2)×100(%)で表されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。   S1 / (S1 + S2) × 100 (%) where the surface density of the trench is S1 when the total surface area of the upper end of the opening of the trench is S1 and the total surface area of the semiconductor layer sandwiched between the trenches is S2. It is represented by these. The semiconductor device as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記第1半導体層と、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極からなるゲート容量部と、前記第3半導体層と、前記絶縁膜および前記導電体からなるトレンチ容量部とを有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a gate capacitor portion including the first semiconductor layer, the gate insulating film and the gate electrode, a third semiconductor layer, and a trench capacitor portion including the insulating film and the conductor. Item 5. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 4. 前記ゲート電極および前記導電体がポリシリコンであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode and the conductor are polysilicon. 前記第2トレンチの平面形状がストライプ状もしくは格子状であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the planar shape of the second trench is a stripe shape or a lattice shape.
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