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JP7744035B2 - High-performance semiconductor devices - Google Patents
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JP7744035B2 - High-performance semiconductor devices - Google Patents

High-performance semiconductor devices

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JP7744035B2 JP2023168710A JP2023168710A JP7744035B2 JP 7744035 B2 JP7744035 B2 JP 7744035B2 JP 2023168710 A JP2023168710 A JP 2023168710A JP 2023168710 A JP2023168710 A JP 2023168710A JP 7744035 B2 JP7744035 B2 JP 7744035B2
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特許法第30条第2項適用 電気学会、論文誌D(産業応用部門誌)、140巻,12号,972頁~982頁,2020年12月1日発行Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. Institute of Electrical Engineers of Japan, Journal D (Industrial Applications Journal), Vol. 140, No. 12, pp. 972-982, published December 1, 2020.

本発明は、半導体装置に係わり、特に小チップサイズで信頼性の高い高性能逆導通半導体装置に関する。 The present invention relates to semiconductor devices, and in particular to high-performance reverse conducting semiconductor devices with high reliability and small chip size.

現在、高耐圧の大電力および中電力用途では主にシリコン(Si)を材料とした半導体装置が使用され、なかでもSi-IGBTが主要半導体装置として種々の応用分野で多用されており、6.5kV級まで製品が供給されている。近年これらのSi-IGBTの低損失化などの高性能化が追求され、ターンオフ速度を短くし損失を低減するために様々な工夫がこらされている。その代表的な例として、図7に示す従来例1や図8に示す従来例2のSi逆導通IGBTが開発され、各々非特許文献1や2に開示されている。
従来例1の短絡コレクタSi-IGBTではnドリフト層がpコレクタ層に設けたn短絡部によりコレクタ電極に短絡されており、ターンオフ時にnドリフト層内に残存するキャリアをこのn短絡部を介して排除することによりターンオフ時間を短くし損失の低減を図っている。
Currently, semiconductor devices made of silicon (Si) are primarily used for high-voltage, high-power, and medium-power applications. Among these, Si-IGBTs are widely used as the primary semiconductor device in a variety of application fields, with products available up to the 6.5 kV class. In recent years, efforts have been made to improve the performance of these Si-IGBTs, such as by reducing their loss, and various innovations have been devised to shorten the turn-off speed and reduce losses. Representative examples of these innovations include the development of conventional Si reverse-conducting IGBTs, such as Conventional Example 1 shown in FIG. 7 and Conventional Example 2 shown in FIG. 8, which are disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2, respectively.
In the shorted collector Si-IGBT of Conventional Example 1, the n - drift layer is shorted to the collector electrode by an n + short circuit portion provided in the p-collector layer, and at turn-off, carriers remaining in the n - drift layer are removed via this n + short circuit portion, thereby shortening the turn-off time and reducing losses.

一方、従来例2のSi逆導通IGBTは、逆導通Si-IGBT領域とパイロットIGBT領域とから構成されている。Si逆導通IGBT領域には従来例1と同様にnドリフト層がpコレクタ層に設けたn短絡部によりコレクタ電極に短絡されており、ターンオフ時にnドリフト層内に残存するキャリアをこのn短絡部を介して排除することによりターンオフ時間を短くし損失の低減を図っている。また、パイロットIGBT領域のコレクタの幅は逆導通IGBT領域のコレクタの幅よりも大幅に大きくし、パイロットIGBT領域が逆導通IGBT領域に先駆けてオンするようにしている。
なお、これらの開示されているIGBTはnドリフト層がn短絡部によりコレクタ電極に短絡されているので、逆電圧に対する阻止能力がないために、近年逆導通IGBTと総称されている。それ故、以下ではいずれも逆導通IGBTと呼ぶ。
なお、近年SiC半導体のようなワイドギャップ半導体を用いて高耐圧の大電力および中電力用半導体装置の開発が推進され、Si半導体装置に比べ大幅な性能改善が進められているが、SiC半導体のようなワイドギャップ半導体逆導通IGBTの試作開発や実用化例は見当たらない。
On the other hand, the Si reverse-conducting IGBT of Conventional Example 2 is composed of a reverse-conducting Si-IGBT region and a pilot IGBT region. In the Si reverse-conducting IGBT region, the n-drift layer is shorted to the collector electrode by an n + short circuit portion provided in the p-collector layer, as in Conventional Example 1, and carriers remaining in the n-drift layer are removed via this n + short circuit portion at turn-off, thereby shortening the turn-off time and reducing losses. In addition, the collector width of the pilot IGBT region is made significantly larger than the collector width of the reverse-conducting IGBT region, so that the pilot IGBT region turns on before the reverse-conducting IGBT region.
In addition, these disclosed IGBTs have been collectively referred to as reverse conducting IGBTs in recent years because the n drift layer is shorted to the collector electrode by an n + short circuit, and therefore they have no blocking capability against reverse voltage. Therefore, hereinafter, all of them will be referred to as reverse conducting IGBTs.
In recent years, the development of high-voltage, high-power and medium-power semiconductor devices using wide-gap semiconductors such as SiC semiconductors has been promoted, and significant performance improvements have been made compared to Si semiconductor devices. However, there are no examples of prototype development or practical application of reverse-conducting IGBTs using wide-gap semiconductors such as SiC semiconductors.

ハジメ・アキヤマ (Hajime AKIYAMA)、他5名、イヘクト オブ ショーテドコレクタ オン キャラクタリスティックス オブ IGBTS (EFECTS OF SHORTED COLLECTOR ON CHARACTERISTICS OF IGBTS)、プロシーディングス オブ ザ セカンド インターナショナル シンポジューム オン パワー セミコンダクタ デバイシズ アンド ICs (Proceedings of The 2nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs),1990年4月、p.131-136Hajime Akiyama and five others, "Effects of Shorted Collector on Characteristics of IGBTs," Proceedings of the 2nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, April 1990, pp. 131-136 リウタウラス ストラスタ (Litauras Storasta),他2名、ア コンパリソン オブ チャージ ダイナミックス イン ザ レヴァースーコンダクテング RCIGBT アンド バイモード インシュレイテド ゲイト トランジスタ BiGT)(A Comparison of charge dynamics in the Reverse-Conducting RCIGBT and Bi-mode Insulated Gate Transistor BiGT)、プロシーディングス オブ ザ トエンテイセカンド インターナショナル シンポジューム オン パワー セミコンダクタ デバイシズ アンド ICs (Proceedings of The 22nd International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs),2010年6月、p.391-394Litauras Storasta and two others, "A Comparison of Charge Dynamics in the Reverse-Conducting RCIGBT and Bi-mode Insulated Gate Transistor (BiGT)," Proceedings of the 22nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs Power Semiconductor Devices & ICs), June 2010, p. 391-394

ところで、開示されている従来例1および2のSi逆導通IGBTの出力特性、すなわちコレクターエミッタ間電圧(以下、Vceと記す)とコレクターエミッタ間電流(以下、Iceと記す)の間のIce-Vce特性には、オン直前のコレクターエミッタ間電圧がオン直後のコレクターエミッタ間電圧よりも大きいというスナップバック現象が発生する。オン直前のコレクターエミッタ間電圧を、従来例1ではknee point voltageと呼び、従来例2ではスナップバック前ピーク電圧と呼んでいるが、以下ではスナップバック電圧と呼び、Vsbと記述する。また、このVsbにおけるコレクターエミッタ間電流をスナップバック電流と呼びIsbと記述する。 The output characteristics of the disclosed Si reverse-conducting IGBTs of Conventional Examples 1 and 2, i.e., the Ice-Vce characteristics between the collector-emitter voltage (hereinafter referred to as Vce) and the collector-emitter current (hereinafter referred to as Ice), exhibit a snapback phenomenon in which the collector-emitter voltage immediately before turning on is greater than the collector-emitter voltage immediately after turning on. The collector-emitter voltage immediately before turning on is called the knee point voltage in Conventional Example 1 and the pre-snapback peak voltage in Conventional Example 2, but below it will be called the snapback voltage and abbreviated as Vsb. The collector-emitter current at this Vsb will be called the snapback current and abbreviated as Isb.

ところで、これらの逆導通IGBTはオン直前から直後に推移するまでの時間すなわちターンオン時間が短いので、スナップバック現象が存在するとターンオン時に 急峻な電圧変化(以下dV/dtと表記)や急峻な電流変化(以下dI/dtと表記)を生じる。この結果、回路内に存在する寄生容量により急峻な跳ね上がり電流(C・dv/dt)が、また寄生リアクトルにより急峻な跳ね上がり電圧(L・dI/dt)が生じ、これに起因して大きな過度現象が誘発される。このため、この逆導通IGBTを用いた回路に大きな擾乱を招いてしまい誤動作を起したり、場合によっては素子や回路の破壊に至る。従ってスナップバック現象の許容範囲への抑制もしくは解消は極めて深刻な第1の課題である。 However, because these reverse-conducting IGBTs have a short turn-on time, the time it takes for them to transition from just before turning on to just after, snapback causes a steep voltage change (hereafter referred to as dV/dt) and a steep current change (hereafter referred to as dI/dt) when they turn on. As a result, parasitic capacitance within the circuit causes a steep current jump (C dv/dt), and parasitic reactors cause a steep voltage jump (L dI/dt), which in turn induces large transients. This causes major disturbances in circuits using these reverse-conducting IGBTs, resulting in malfunctions and, in some cases, destruction of the elements or circuits. Therefore, suppressing or eliminating snapback within an acceptable range is an extremely serious primary challenge.

また、従来例2のSi逆導通IGBTでは、多数の逆導通IGBTセルから構成される逆導通IGBT領域に隣接してパイロットIGBT領域を設けている。パイロットIGBT領域のpコレクタ幅は逆導通IGBT領域のIGBTセルのpコレクタ幅よりも大幅に大きくすることによりpコレクタ上のバッファー層の横方向抵抗を大きくしており、従ってまず小さいIceでパイロットIGBT領域をオンさせるようにしている。これにより、パイロットIGBT領域のスナップバック現象を抑制している。この結果、まずスナップバック現象が抑制されたパイロットIGBT領域が小さなIceでオンしてより大きなオン電流が流れ、このオン電流が拡がって最隣接の逆導通IGBTセルに流れ込む。最隣接の逆導通IGBTセルのpコレクタは幅が小さいためpコレクタ上のバッファー層の横方向抵抗が小さいが、パイロットIGBTのオン電流の一部が大きな拡がり電流となって流れ込むために、最隣接の逆導通IGBTセルのpコレクタ接合が容易にビルトイン電圧に達してオンする。この結果、オン電流が更に増大し、この最近接の逆導通IGBTセルに隣接する逆導通IGBTセルが同様にオンする。このような動作を繰り返して、パイロットIGBT領域に近接する逆導通IGBTセルから順次オンしてゆき、逆導通Si-IGBT全体がオンするに至る。 In addition, in the Si reverse conducting IGBT of Conventional Example 2, a pilot IGBT region is provided adjacent to a reverse conducting IGBT region consisting of multiple reverse conducting IGBT cells. The p collector width of the pilot IGBT region is made significantly larger than the p collector width of the IGBT cells in the reverse conducting IGBT region, thereby increasing the lateral resistance of the buffer layer on the p collector. Therefore, the pilot IGBT region is first turned on with a small ice. This suppresses the snapback phenomenon in the pilot IGBT region. As a result, the pilot IGBT region, where the snapback phenomenon is suppressed, first turns on with a small ice, allowing a larger on-current to flow. This on-current then spreads and flows into the nearest reverse conducting IGBT cell. The p-collector of the nearest reverse-conducting IGBT cell has a small width, so the lateral resistance of the buffer layer on the p-collector is low. However, because part of the on-current of the pilot IGBT flows in as a large spreading current, the p-collector junction of the nearest reverse-conducting IGBT cell easily reaches its built-in voltage and turns on. As a result, the on-current increases further, and the reverse-conducting IGBT cell adjacent to this nearest reverse-conducting IGBT cell also turns on. This operation is repeated, and the reverse-conducting IGBT cells closest to the pilot IGBT region are turned on one after another, until the entire reverse-conducting Si-IGBT is turned on.

しかし、この引例2の場合は全体のIGBTチップ面積に占めるパイロットIGBT領域の面積がかなり大きくなってしまう。例えば、引例2の場合、データから読み取ると、3.3kV設計のSi逆導通IGBT標準セルのpコレクタ幅が240ミクロンメートルであるのに対し、パイロットIGBTのpコレクタ幅を約3倍以上の650ミクロンメートル以上にすることにより、Vsbをビルトイン電圧である0.7V程度にしている。半導体装置の耐圧が高くなるとスナップバック現象が激しくなり、このパイロットIGBTのpコレクタ幅は更に大幅に増加する。この結果、スナップバック現象は解消されるが、所定面積のIGBTチップ全体に占める逆導通IGBT領域の面積が少なくなるので集積する標準セル数が減少し、オン抵抗が増大するとともにターンオフ時に残存するキャリアを排除するという本来の逆導通IGBTの機能が有効に発揮できなくなってしまう。また、歩留まりなどの経済性の点から素子のチップサイズが通常15mmx15mm以下程度に設定されている現状では重要問題であり、解決すべき第2の課題である。 However, in the case of Reference 2, the area of the pilot IGBT region relative to the overall IGBT chip area becomes significantly larger. For example, in Reference 2, the data indicates that the p-collector width of a 3.3 kV Si reverse-conducting IGBT standard cell is 240 microns, while the p-collector width of the pilot IGBT is set to 650 microns, more than three times that width, to maintain Vsb at the built-in voltage of approximately 0.7 V. As the breakdown voltage of a semiconductor device increases, the snapback phenomenon becomes more severe, and the p-collector width of the pilot IGBT must be further increased significantly. While this eliminates the snapback phenomenon, it also reduces the area of the reverse-conducting IGBT region relative to the overall IGBT chip area, reducing the number of standard cells integrated. This increases on-resistance and impairs the reverse-conducting IGBT's inherent function of eliminating residual carriers during turn-off. Furthermore, given that element chip sizes are typically set to around 15mm x 15mm or less due to economic considerations such as yield, this is a major issue and is the second challenge that must be resolved.

SiC IGBTにおいては〔0007〕に記載のように、パイロットIGBT領域に近接する逆導通IGBTセルから順次オンしてゆき、逆導通Si-IGBT全体がオンするに至るという動作をするので、第1次に引続いて高次のスナップバックが生じる。第1次のスナップバックには上記のパイロットIGBTのような抑制策が開示されているが、この高次のスナップバック現象の抑制策は明らかになっていない。半導体装置が高耐圧・大電流になるほど高次のスナップバック現象は大きくなり、用いた回路に大きな擾乱を招いてしまい誤動作を起したり、場合によっては素子や回路の破壊に至る。この高次のスナップバック現象の抑制により信頼性の向上を図ることは重要な第3の課題である。 As described in [0007], in SiC IGBTs, reverse-conducting IGBT cells adjacent to the pilot IGBT region are sequentially turned on until the entire reverse-conducting Si-IGBT is turned on, causing higher-order snapback to occur following the primary snapback. While measures to suppress primary snapback, such as the pilot IGBT described above, have been disclosed, measures to suppress this higher-order snapback phenomenon have not been clarified. The higher the breakdown voltage and current of a semiconductor device, the greater the higher-order snapback phenomenon, causing significant disturbances in the circuits used, resulting in malfunctions and, in some cases, destruction of elements and circuits. Improving reliability by suppressing this higher-order snapback phenomenon is an important third challenge.

SiC IGBTにおいてはオン電圧劣化と呼ばれる劣化現象が存在する。これは通電電流ストレスによりオン電圧の経時増加が生じる現象であり、適用電力変換装置の効率の経時減少やモジュール内SiC IGBT間のバランスが崩れ特定チップへの過度の電流集中が生じ素子破壊に到るなどの信頼性上の大きな問題となっている。また、第1次のスナップバック現象や更なる高次のスナップバック現象に伴う電流・電圧ストレスがSiCのようなワイドギャップ半導体逆導通IGBTにおけるオン電圧劣化をどのように加速するかどのように抑制するかは明らかになっていない。第1次のスナップバック現象や更なる高次のスナップバック現象に起因するオン電圧劣化の抑制により信頼性の向上を図ることは重要な第4の課題である。
なお、ワイドギャップ半導体逆導通IGBTの稼働に伴うオン電圧劣化と区別して、以下ではスナップバック現象にともなう劣化を急速オン電圧劣化と定義しこの名称で記述する。
SiC IGBTs suffer from a degradation phenomenon known as on-voltage degradation. This is a phenomenon in which the on-voltage increases over time due to current stress. This phenomenon poses a significant reliability problem, resulting in a decrease in the efficiency of power conversion devices over time and an imbalance between SiC IGBTs in a module, resulting in excessive current concentration in a specific chip and potentially device destruction. Furthermore, it is unclear how current and voltage stresses associated with first-order snapback and higher-order snapback accelerate or suppress on-voltage degradation in wide-gap semiconductor reverse-conducting IGBTs such as SiC. A fourth important challenge is to improve reliability by suppressing on-voltage degradation caused by first-order snapback and higher-order snapback.
In the following description, the degradation due to the snapback phenomenon is defined as rapid on-state voltage degradation, and will be referred to as such, in order to distinguish it from the on-state voltage degradation that occurs as a result of operation of a wide-gap semiconductor reverse conducting IGBT.

本発明は、前記の従来技術の課題を解消し、Vsbを許容範囲に抑制でき且つターンオフ時の残存キャリアの排除機能を効果的にできる高性能逆導通IGBTを提供することを目的にする。またより小さい専有面積でVsbを許容値に抑制できチップサイズを低減できる高性能逆導通半導体装置を提供することを目的にする。また高次のスナップバック現象を抑制できる信頼性の高い高性能逆導通半導体装置を提供することを目的にする。
The present invention aims to solve the problems of the prior art by providing a high-performance reverse-conducting IGBT that can suppress Vsb to an acceptable range and effectively remove residual carriers at turn-off. It also aims to provide a high-performance reverse-conducting semiconductor device that can suppress Vsb to an acceptable value with a smaller occupied area and reduce chip size. It also aims to provide a high-performance reverse-conducting semiconductor device that is highly reliable and can suppress high-order snapback phenomena.

上記の〔発明が解決しようとする課題〕ではVsbの許容範囲への抑制とVsbの耐圧依存性に関して詳細な説明がなされていないので以下に説明する。なお、以下は本発明の理解を容易にするために説明を補足するものであり、新規事項を追加するものではない。The above "Problem to be Solved by the Invention" does not provide a detailed explanation of suppressing Vsb to an allowable range and the dependency of Vsb on the breakdown voltage, so these will be explained below. Note that the following supplements the explanation to make the present invention easier to understand, and does not add any new matter.
高橋Hideki氏(三菱電機)は著名な国際学会の論文(非特許文献3:Proceedings of ISPSD 2004, pp.133-136)で、「開発したSi製の1.2kV 逆導通IGBTにおいてVsbが2.8V(室温)でIsbの電流密度が5A/cmHideki Takahashi (Mitsubishi Electric) wrote in a paper at a famous international conference (Non-Patent Document 3: Proceedings of ISPSD 2004, pp.133-136) that "in the 1.2 kV reverse conducting IGBT he developed, Vsb was 2.8 V (room temperature) and Isb current density was 5 A/cm. 22 のスナップバック現象を発生したが、小さい電流密度領域での発生なのでこのVsbは標準的なインバータ稼働では許容できる」と発表している。すなわち、必ずしもVsbを解消しなくても許容範囲に抑制すればインバータ等での実用において許容できるとしている。"However, because this occurred in a small current density region, this Vsb is tolerable for standard inverter operation," the company announced. In other words, it is not necessary to eliminate Vsb, but as long as it is kept within an acceptable range, it is acceptable for practical use in inverters, etc.
また、FM.Rahimo氏(スイス・MTAL社)は同じ国際学会の論文(非特許文献4:Proceedings of ISPSD 2020, pp.482-485)で、「Si製の1.2kV 逆導通IGBTを2個並列接続した回路(広範に実用されているIGBTモジュールが該当)において、各々の逆導通IGBTのスナップバック現象の度合い(具体的にはVsbとIsb)を変えてターンオン時の通電分担電流の偏り度合いを調べた。その結果、スナップバック現象のVsbの差が小さい時は両方の逆導通IGBTがオンし分担電流の偏りが小さく問題ないが、Vsbの差が大きい時は分担電流の偏りが大きくターンオン途中で一方の逆導通IGBTがオフしてしまい全電流が他方の逆導通IGBTに流れ込むので損傷の危険が生じる」と発表している。すなわち並列接続した回路(市販のIGBTモジュール等も該当)で、Vsbが小さい時は許容できるが、Vsbが大きい時は素子損傷に至るのでVsbの許容範囲が明確に存在し、Vsbを解消しなくても許容範囲のVsbに抑制すればIGBTモジュール等での実用に供せることを示している。Furthermore, in a paper at the same international conference (Non-Patent Document 4: Proceedings of ISPSD 2020, pp. 482-485), FM Rahimo (MTAL, Switzerland) published the following: "In a circuit in which two 1.2 kV Si reverse-conducting IGBTs are connected in parallel (which corresponds to a widely used IGBT module), the degree of snapback phenomenon (specifically, Vsb and Isb) of each reverse-conducting IGBT was changed to examine the degree of imbalance in the shared current at turn-on. The results showed that when the Vsb difference in the snapback phenomenon is small, both reverse-conducting IGBTs turn on, and the shared current imbalance is small and poses no problem. However, when the Vsb difference is large, the shared current imbalance is large, and one of the reverse-conducting IGBTs turns off during turn-on, causing all the current to flow into the other reverse-conducting IGBT, creating a risk of damage." In other words, in a parallel-connected circuit (which also applies to commercially available IGBT modules, etc.), a small Vsb is tolerable, but a large Vsb will result in damage to the element, so there is a clear tolerance range for Vsb, and this shows that even if Vsb is not eliminated, it can be used in practical IGBT modules, etc., as long as it is kept within the tolerance range.
ところで、Vsbは耐圧に大きく依存する。すなわち、素子のドリフト層の抵抗Rdriftは耐圧が大きくなると著しく増大するので、たとえIsbが小さくてもVsbは著しく大きくなる(〔0017〕の(1)式参照。前記の非特許文献2では耐圧3.3kVの逆導通IGBTの場合はVsbは約20V(室温)であることが報告されている。本発明の実施例で対象とする電力や産業用途の耐圧15kV級の逆導通半導体装置の場合は、対策が施されなければ大変大きなVsb(100倍以上)になることが懸念され、その低減は深刻で重要な課題である。Incidentally, Vsb is highly dependent on the breakdown voltage. Specifically, the resistance Rdrift of the drift layer of the device increases significantly as the breakdown voltage increases, so even if Isb is small, Vsb becomes significantly larger (see equation (1) in [0017]). Non-Patent Document 2, cited above, reports that for a reverse-conducting IGBT with a breakdown voltage of 3.3 kV, Vsb is approximately 20 V (at room temperature). In the case of reverse-conducting semiconductor devices with a breakdown voltage of 15 kV for power and industrial applications, which are the subject of the present invention, there is concern that if no countermeasures are taken, Vsb will become extremely large (more than 100 times larger), and reducing this value is a serious and important issue.
Vsb低減のためには、所定の耐圧の逆導通半導体装置において、Vsbに関連する主要な素子構造因子とVsbの関係を定量的に明確にし、許容範囲のVsbになる素子構造を明確にできることが不可欠である。従って、スナップバック現象を詳細に分析しVsbと半導体材料の種類や主要な素子構造因子との関係を定量的に算出できる解析式を確立することが必須となる。To reduce Vsb, it is essential to quantitatively clarify the relationship between Vsb and the main device structural factors related to Vsb in a reverse conducting semiconductor device with a specified breakdown voltage, and to clarify the device structure that results in an acceptable Vsb range. Therefore, it is essential to analyze the snapback phenomenon in detail and establish an analytical formula that can quantitatively calculate the relationship between Vsb and the type of semiconductor material and the main device structural factors.
本発明者はその解析式の導出に成功し、先にこの解析式を用いて逆導通IGBTの活性領域をこの解析式から導出したコレクタ幅をもつパイロット機能付きIGBTセルのみで構成する構造により、スナップバック現象を解消できる特許を出願し特開2022-158357にて開示した。The inventors have succeeded in deriving the analytical formula and have previously used this analytical formula to apply for a patent that can eliminate the snapback phenomenon by configuring the active region of a reverse conducting IGBT solely with IGBT cells with pilot functions that have a collector width derived from this analytical formula, and this patent application was disclosed in JP 2022-158357.
ここでは、より実用的効果が広大でセルサイズを更に大幅に低減できる発明として、スナップバック現象は解消されていないが、逆導通IGBTの活性領域をパイロット機能付きIGBTセルのみで構成し、Vsbを的確に許容範囲に抑制できる素子構造を特許出願するものである。以下で具体的に説明するが、スナップバック現象を解消までしなくても、各種の応用において抑制許容範囲の適切なVsbの仕様値が提出されたら、それに適合する構造因子(ドリフト層、バッファ層やコレクタ層等の幅、厚さ、不純物濃度等)を持つ逆導通IGBT構造を迅速に明確にし製品を速く市場に提供し、Vsb抑制による高信頼化と低損失・高速化更に素子面積低減などを享受できるので、その応用産業範囲の広汎さや性能改善効果および経済効果は甚大である。Here, we are filing a patent application for an invention that has even greater practical benefits and can further significantly reduce cell size. Although the snapback phenomenon is not eliminated, the active region of a reverse-conducting IGBT is composed solely of IGBT cells with a pilot function, and this device structure can accurately suppress Vsb within an acceptable range. As will be explained in detail below, even if the snapback phenomenon is not eliminated, once an appropriate Vsb specification value within the suppression acceptable range is submitted for various applications, a reverse-conducting IGBT structure with structural factors (width, thickness, impurity concentration, etc. of the drift layer, buffer layer, collector layer, etc.) that matches the specification can be quickly identified and products can be quickly brought to market, resulting in high reliability, low loss, high speed, and reduced device area due to Vsb suppression. This has enormous potential for a wide range of industrial applications, as well as significant performance improvements and economic benefits.

以下では、煩雑さを避け理解を容易にするため、nチャネルタイプのIGBTを対象に説明する。
上記した課題を解決し本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は
ユニポーラトランジスタとバイポーラトランジスタが並列接続されて構成されている逆導通半導体装置であり、ワイドギャップ半導体で構成されており、活性領域に標準セルを有する逆導通半導体装置において、前記標準セルとして、スナップバック現象のスナップバック電圧Vsbと前記標準セルのコレクタの幅Wpとを関係づけるグラフもしくは前記グラフを導出する解析法を用いて、前記Vsbがスナップバック現象が許容範囲に抑制もしくは解消される所定のVsbに略等しくなるように導出したコレクタ幅Wpのコレクタを具備した標準セルを、パイロット機能付標準セルとし、前記標準セルを前記パイロット機能付標準セルのみで構成したことを特徴とする。
なお逆導通半導体装置が逆導通IGBTの場合、活性領域を構成するセルであるパイロットIGBT付セルは、パイロット機能付IGBT標準セルと定義し、以下ではパイロット機能付IGBT標準セルの名称で記述する。
従って、前記逆導通半導体装置が逆導通IGBTでは、前記逆導通IGBTの活性領域の標準セルを前記パイロット機能付標準セルであるパイロット機能付IGBT標準セルのみで構成したことを特徴とする。
In the following, to avoid complexity and to facilitate understanding, an n-channel type IGBT will be described.
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention is
The reverse conducting semiconductor device is configured by connecting a unipolar transistor and a bipolar transistor in parallel, and is configured of a wide gap semiconductor and has a standard cell in an active region , wherein the standard cell is a standard cell with a pilot function, the standard cell having a collector with a collector width Wp derived using a graph relating a snapback voltage Vsb of the snapback phenomenon to a collector width Wp of the standard cell or an analytical method for deriving the graph, so that the Vsb is approximately equal to a predetermined Vsb at which the snapback phenomenon is suppressed or eliminated within an allowable range, and the standard cell is configured solely from the standard cell with a pilot function.
When the reverse conducting semiconductor device is a reverse conducting IGBT , the pilot IGBT-equipped cell, which is a cell that constitutes the active region, is defined as a pilot function-equipped IGBT standard cell, and will be referred to as a pilot function-equipped IGBT standard cell hereinafter.
Therefore, when the reverse conducting semiconductor device is a reverse conducting IGBT, the standard cells in the active region of the reverse conducting IGBT are constructed solely from the pilot function-equipped IGBT standard cells, which are the pilot function-equipped standard cells.

この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、
前記逆導通半導体装置の前記活性領域を前記パイロット機能付IGBT標準セルのみで構成し、前記パイロット機能付IGBT標準セルはバッファー層を有し、前記バッファー層が一重構成、もしくは2重以上の多重構成であることを特徴とする。
The semiconductor device according to the present invention is the above-mentioned invention,
The active region of the reverse conducting semiconductor device is formed only by the pilot function-equipped IGBT standard cell, and the pilot function-equipped IGBT standard cell has a buffer layer, and the buffer layer has a single structure or a multiple structure of two or more layers.

この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、半導体装置がワイドギャップ半導体で構成された逆導通IGBT半導体装置であり、前記パイロット機能付IGBT標準セルのpコレクタ幅Wpが、スナップバック現象を許容範囲に抑制できるコレクタ幅であり、前記パイロット機能付IGBT標準セルの表面には1個以上のMOSFET表面部が設けられており、且つ前記パイロット機能付IGBT標準セルの表面に対抗する裏面の中心部には前記バッファー層と前記逆導通IGBTのコレクタの電極とを接続する短絡部が設けられており、前記短絡部の両端には各々略1/2の幅のコレクタが設けられていることを特徴とする。 なお、上記の両端のコレクタ幅が1/2である理由はコレクタ幅Wpの導出モデルとその解析法に依るものであり、本発明者による特許6383971号の図1の導出モデル図や論文( 電気学会、論文誌D(産業応用部門誌)140巻、12号、980頁、 2020年12月1日発行 )の解析法を参照されたい。
本解析法は上記論文の980頁の左欄8行目~39行目に渡って記述されている。38~39行の「[3]式より求めたRbufferを用いて、[2]式よりIsbを求め、[1]式よりVsbが算出できる。」との記載のようにVsb とそれに対応するWp(Wpは[3]式中に含まれている)を算出でき、整理すると図3のようにNdをパラメータにしたVsb とWpの関係図を導出できる。
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the semiconductor device is a reverse conducting IGBT semiconductor device made of a wide gap semiconductor, the p collector width Wp of the pilot function-equipped IGBT standard cell is a collector width that can suppress snapback within an allowable range, one or more MOSFET surface portions are provided on the front surface of the pilot function-equipped IGBT standard cell, and a short circuit portion that connects the buffer layer and a collector electrode of the reverse conducting IGBT is provided in the center of the back surface opposite to the front surface of the pilot function-equipped IGBT standard cell, and collectors having approximately half the width are provided on both ends of the short circuit portion. The reason why the collector width at both ends is 1/2 as described above is due to the derivation model of the collector width Wp and its analytical method . Please refer to the derivation model diagram in Figure 1 of Patent No. 6383971 by the present inventor and the analytical method in the paper (Institute of Electrical Engineers, Journal D (Industrial Applications Journal) Vol. 140, No. 12, p. 980, published December 1, 2020).
This analytical method is described in the left column of page 980 of the above-mentioned paper, from lines 8 to 39. As stated on lines 38 to 39, "Using Rbuffer calculated from equation [3], Isb can be calculated from equation [2], and Vsb can be calculated from equation [1]," Vsb and the corresponding Wp (Wp is included in equation [3]) can be calculated, and by rearranging these, we can derive a relationship diagram of Vsb and Wp using Nd as a parameter, as shown in Figure 3.

この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、
発明者の既発明になるTEDEREC法またはMach-TEDREC法の適用により、オン電圧劣化のみならず急速オン電圧劣化も抑制もしくは解消されることを特徴とする。
なお、TEDERECおよびMach-TEDRECは本発明者により発明された動作方法であり、各々特許第4741630号や特許第5835679号および特許第6232687号にて開示されている。Mach-TEDREC法は〔0024〕で簡単に説明しているが、詳しくは上記論文の976頁の右欄1行目~979頁の左欄18行目に渡って記述されている。
The semiconductor device according to the present invention is the above-mentioned invention,
By applying the TEDEREC method or the Mach-TEDREC method, which are the inventors' previous inventions, not only the on-voltage degradation but also the rapid on-voltage degradation can be suppressed or eliminated.
TEDEREC and Mach-TEDREC are operating methods invented by the present inventor and are respectively disclosed in Japanese Patent Nos. 4741630, 5835679, and 6232687. The Mach-TEDREC method is briefly explained in [0024], but is described in detail from the first line of the right column on page 976 to the 18th line of the left column on page 979 of the above paper.

上記した課題を解決し本発明の目的を達成するため、本発明によれば、
逆導通IGBTのスナップバック現象におけるVsbとIsbは発明者の解析により(1)式により近似的に算出できる。
Vsb=IsbxRch+KxIsbxRdrift+Vbi (1)
ここでRchはMOSゲートのチャネル抵抗、Rdriftはドリフト層の抵抗、Vbiはコレクタ接合のビルトイン電圧である。KはIsbの電流拡がり率であり、寄生JFET幅を小さくすることにより1に近づけることができる。高耐圧逆導通IGBTではRchはRdriftに比べて著しく小さいため無視できる。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, according to the present invention,
Based on the inventor's analysis, Vsb and Isb in the snapback phenomenon of a reverse conducting IGBT can be approximately calculated using equation (1).
Vsb=IsbxRch+KxIsbxRdrift+Vbi (1)
Here, Rch is the channel resistance of the MOS gate, Rdrift is the resistance of the drift layer, and Vbi is the built-in voltage of the collector junction. K is the current spreading factor of Isb, which can be made closer to 1 by reducing the parasitic JFET width. In high-voltage reverse-conducting IGBTs, Rch is significantly smaller than Rdrift and can be ignored.

ワイドギャップ半導体材料はSiに比べ優れた物性値を有しているのでパイロットIGBTのVsbを大幅に小さくできる。例えば、SiC半導体の場合はVbiが約2.7VでSiの約4倍でありVsb低減に不利である一方、Rdriftは理論的には約1/1000と大幅に小さくできるので結果としてパイロットIGBTのVsbを大幅(約1/250)に低減でき、Vbiによる不利を補ってあまりある。
この結果、SiC半導体を用いることにより構成されたパイロット機能付標準セルを適用することより、Vsbを大幅に小さしくでき誘発される過度現象を大幅に抑制でき、この逆導通IGBTを用いた回路の誤動作やそれに伴う素子や回路の破壊を抑制でき、信頼性を向上できる。
Wide-gap semiconductor materials have superior physical properties compared to Si, making it possible to significantly reduce the Vsb of the pilot IGBT. For example, in the case of SiC semiconductors, Vbi is approximately 2.7 V, which is about four times that of Si, making it disadvantageous for reducing Vsb. However, Rdrift can theoretically be significantly reduced to about 1/1000, so as a result, Vsb of the pilot IGBT can be significantly reduced (to about 1/250), more than making up for the disadvantage of Vbi.
As a result, by applying a standard cell with a pilot function constructed using a SiC semiconductor, Vsb can be significantly reduced and induced transient phenomena can be significantly suppressed, thereby suppressing malfunctions of circuits using this reverse conducting IGBT and the resulting destruction of elements and circuits, thereby improving reliability.

更に、上記した課題を解決し本発明の目的を達成するため、本発明によれば、
上記のように、Siに比べてSiCを用いるとVsbを大幅に抑制できるので、同じVsbの場合はpコレクタ幅を大幅に小さくできる。従って、引例2のように標準セルとパイロットIGBTの組み合わせでチップを構成するのではなく、大幅に小さくできるパイロットIGBT自体を標準セルとして用いてチップを構成する。上記のように、この標準セルはパイロット機能付きIGBT標準セルと定義している。
Vsbを同じにした場合、所定の数のパイロット機能付きIGBT標準セルにより構成されたSiCチップの面積は、標準セルとパイロットIGBTの組み合わせで構成されたSiチップの面積よりも遙かに小さい。例えば、引例2の3.3kVのSi逆導通IGBTの場合、標準セル幅は240ミクロンメートル、パイロットIGBTの幅は650ミクロンメートル以上であるが、15kV級SiCの場合はパイロット機能付きIGBT標準セルを適用することにより、耐圧が著しく高いにもかかわらずその標準セル幅は後述の解析計算によれば196ミクロンメートルと大幅に小さくできる。しかも大きな幅のパイロットIGBTは不要にできる。
従って同一チップサイズで同耐圧の逆導通IGBTの場合は、Siチップに比べてSiCチップでは大きな余剰スペースが確保できる。従ってこの余剰スペースに複数個のパイロット機能付き標準セルを追加して設けることによりオン抵抗を低減できるとともに、余剰スペースを活用して標準セル中の短絡領域幅をより大きくすることにより逆導通機能も向上できる。
Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, according to the present invention,
As described above, Vsb can be significantly reduced by using SiC compared to Si, so that the p collector width can be significantly reduced for the same Vsb. Therefore, instead of constructing a chip by combining a standard cell and a pilot IGBT as in Reference 2, a chip is constructed by using the pilot IGBT itself, which can be significantly reduced, as the standard cell. As described above, this standard cell is defined as an IGBT standard cell with a pilot function.
For the same Vsb, the area of a SiC chip composed of a given number of pilot-function-equipped IGBT standard cells is much smaller than the area of a Si chip composed of a combination of standard cells and pilot IGBTs. For example, in the case of the 3.3 kV Si reverse-conducting IGBT of Reference 2, the standard cell width is 240 micrometers and the pilot IGBT width is 650 micrometers or more. However, in the case of 15 kV-class SiC, by applying pilot-function-equipped IGBT standard cells, the standard cell width can be significantly reduced to 196 micrometers according to analytical calculations described below, despite the significantly higher breakdown voltage. Moreover, the large-width pilot IGBT can be eliminated.
Therefore, in the case of a reverse conducting IGBT with the same chip size and with the same breakdown voltage, a SiC chip can have a larger excess space than a Si chip. Therefore, by adding multiple standard cells with pilot functions in this excess space, the on-resistance can be reduced, and by utilizing the excess space to increase the width of the short-circuit region in the standard cell, the reverse conducting function can also be improved.

上記した課題を解決し本発明の目的を達成するため、本発明によれば、
半導体装置は上記のように、チップ内の各標準セルは全てパイロット機能を具備している。この結果チップの全セルはいわば同一サイズのパイロットIGBTより構成されるので稼働させる時にはほぼ同時にオンさせることができる。
また、パイロット機能付きIGBT標準セル内にn個のMOSFET表面部を設けた場合は第n次の高次スナップバックまでしか発生しない。これらの高次スナップバックは1次スナックバック現象を抑制できることに依り付随して抑制でき、高次スナップバックに起因する回路上の諸問題の発生を抑制することができる。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, according to the present invention,
As described above, in the semiconductor device, each standard cell in the chip is provided with a pilot function. As a result, all cells in the chip are essentially composed of pilot IGBTs of the same size, so that they can be turned on almost simultaneously when put into operation.
Furthermore, if n MOSFET surface portions are provided in an IGBT standard cell with a pilot function, only higher-order snapbacks up to nth order will occur. These higher-order snapbacks can be suppressed by suppressing the first-order snapback phenomenon, and various problems in the circuit caused by higher-order snapbacks can be suppressed.

更に、標準セルの両端にn短絡層を設けその間にコレクタのみを設けることにより、標準セルの幅を効果的に活用できコレクタ幅を最大限大きくできる。また、標準セルのWpが臨界Wp以上であり、標準セル内には偶数のMOSFET表面部が設けられているのでpコレクタをVbi抑制に最も効果的に活用できる。 Furthermore, by providing n-shorting layers at both ends of the standard cell and providing only the collector between them, the width of the standard cell can be effectively utilized, maximizing the collector width. Also, because the Wp of the standard cell is equal to or greater than the critical Wp and an even number of MOSFET surface regions are provided within the standard cell, the p-collector can be used most effectively to suppress Vbi.

本発明によれば、上記した発明において、
一重構成のnバッファー層を設けているのでVsbを高精度で制御できる。また2重以上の多重構成であるのでより小さいコレクタ幅でVsbを抑制もしくは解消できる。これは2重化することによりバッファー層の横抵抗を大きくできその結果低いVbsで半導体装置をオンできることに依るものである。2重nバッファー層はpコレクタに接する高濃度で薄い第1バッファー層とnドリフト層に接する低濃度で厚い第2バッファー層からなる2重構造で構成している。第1バッファー層はコレクタとバッファー層間の接合にそのビルトイン電圧Vbiが印加される時には完全に空乏化する厚さと不純物濃度に設定することが肝要であり、第2バッファー層は一部のみが空乏化し空乏化しない残りのバッファー層部分は高い横抵抗を達成する厚さと不純物濃度に設定することが肝要である。
2重以上の多重構成の場合はドリフト層に接する低濃度で厚い第2バッファー層に相当する第N層以外の層は全てビルトイン電圧Vbiが印加される時には完全に空乏化する厚さと不純物濃度に設定することが肝要である。この結果、第Nバッファー層は容易に更に低濃度化でき、空乏化していない第Nバッファー層部分は2層の場合よりもより高い横抵抗を容易に実現でき、バッファー層幅とpコレクタ幅を更に縮小でき、セルサイズひいてはチップサイズを更に縮小でき大きな経済効果を達成できる。
According to the present invention, in the above-mentioned invention,
The single-layer n-buffer layer allows for high-precision control of Vsb. Furthermore, the dual-layer structure allows for suppression or elimination of Vsb with a smaller collector width. This is because the dual-layer structure increases the lateral resistance of the buffer layer, thereby enabling the semiconductor device to be turned on at a low Vbs. The dual n-buffer layer has a dual structure consisting of a highly doped, thin first buffer layer in contact with the p-collector and a lightly doped, thick second buffer layer in contact with the n-drift layer. It is important that the first buffer layer has a thickness and impurity concentration that ensures complete depletion when the built-in voltage Vbi is applied to the junction between the collector and buffer layer. It is also important that the second buffer layer is only partially depleted, with the remaining undepleted portion achieving a high lateral resistance.
In the case of a two or more layer multiplex structure, it is essential that all layers other than the Nth layer, which corresponds to the low-concentration, thick second buffer layer in contact with the drift layer, be set to a thickness and impurity concentration such that they are completely depleted when the built-in voltage Vbi is applied. As a result, the Nth buffer layer can be easily made even more lightly doped, and the non-depleted portion of the Nth buffer layer can easily achieve a higher lateral resistance than in the case of two layers. This allows the buffer layer width and p-collector width to be further reduced, further reducing the cell size and ultimately the chip size, resulting in significant economic benefits.

本発明によれば、上記した発明において、
高次スナップバック現象が抑制もしくは解消できる。これは上記のように、SiC逆導通IGBTの場合Si逆導通IGBTに比べて飛躍的に小さいコレクタ幅にでき、1次スナックバック現象を抑制もしくは完全に解消できることに付随するものである。
また、第1次スナップバック現象を解消できるコレクタ幅Wpcと短絡部幅Wnとで規定される標準セル幅内に収まる最大のMOSFET表面部の数N個よりも少ない数のMOSFET表面部数に低減することにより、パイロット機能付IGBT標準セルの高次スナップバックを抑制もしくは解消できることによる。この際、パイロット機能付IGBT標準セルのオン抵抗が増えることになるが、標準セルが大幅に小さくなるのでチップ内の標準セル数を増やすことにより十分相殺できるものである。
According to the present invention, in the above-mentioned invention,
Higher-order snapback phenomena can be suppressed or eliminated. This is due to the fact that, as described above, the collector width of a SiC reverse conducting IGBT can be made significantly smaller than that of a Si reverse conducting IGBT, and primary snapback phenomena can be suppressed or completely eliminated.
Furthermore, by reducing the number of MOSFET surface portions to a number less than the maximum number N of MOSFET surface portions that can fit within the standard cell width defined by the collector width Wpc and the short-circuit width Wn, which can eliminate the first snapback phenomenon, it is possible to suppress or eliminate high-order snapback in the pilot-function-equipped IGBT standard cell. In this case, the on-resistance of the pilot-function-equipped IGBT standard cell increases, but this can be fully offset by increasing the number of standard cells in the chip, since the standard cell becomes significantly smaller.

本発明によれば、上記した発明において、
Mach-TEDREC法の適用によりオン電圧劣化が抑制もしくは解消できる。すなわち、第1次のスナップバック現象および高次のスナップバック現象に伴う電流・電圧ストレスに起因する上記の急速オン電圧劣化は、始動時および稼働時の素子温度を劣化抑制温度以上に上昇させることにより抑制もしくは解消できるので、SiC逆導通IGBTの短絡領域を介してSiC MOSFET部のみ動作させて劣化を生じない多数キャリア電流のみを流して素子温度を劣化抑制温度以上に上昇させることにより抑制もしくは解消できる。
According to the present invention, in the above-mentioned invention,
By applying the Mach-TEDREC method, on-state voltage degradation can be suppressed or eliminated. That is, the rapid on-state voltage degradation described above, which is caused by current and voltage stress associated with primary snapback and higher-order snapback phenomena, can be suppressed or eliminated by raising the element temperature at startup and during operation to a degradation suppression temperature or higher, and therefore can be suppressed or eliminated by operating only the SiC MOSFET portion via the short-circuit region of the SiC reverse-conducting IGBT to allow only majority carrier current, which does not cause degradation, to flow and raising the element temperature to a degradation suppression temperature or higher.

以上のように、本発明により、ワイドギャップ半導体を用いて逆導通半導体装置を構成し、Siの標準セルよりも大幅に小面積にできるパイロット機能付標準セルを用いてSiCチップを構成することにより、チップ面積縮小と、スナップバック現象抑制による回路動作の擾乱や破壊を低減できることによる高信頼性と、ターンオフ時の残存キャリアの排除もより効果的にできターンオフ時間をより短くできることによるスイッチング損失の低減とを達成できる。また第1次および高次スナップバックを大幅に抑制でき、スナップバック現象に起因する急速オン電圧劣化やその悪影響を抑制し信頼性の向上が図れる。 As described above, the present invention allows for the construction of a reverse conducting semiconductor device using a wide-gap semiconductor, and for the construction of a SiC chip using standard cells with pilot functions that can be significantly smaller in area than standard Si cells. This reduces the chip area, reduces disturbance and destruction of circuit operation by suppressing the snapback phenomenon, thereby achieving high reliability, and reduces switching losses by more effectively removing residual carriers at turn-off and shortening the turn-off time. Furthermore, primary and higher-order snapback can be significantly suppressed, suppressing the rapid on-voltage degradation caused by the snapback phenomenon and its adverse effects, thereby improving reliability.

実施の形態1にかかるSiC逆導通IGBTの模式的断面図1 is a schematic cross-sectional view of a SiC reverse conducting IGBT according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる15kV級SiC逆導通IGBTの出力特性Output characteristics of the 15 kV-class SiC reverse conducting IGBT according to the first embodiment 実施の形態1にかかる15kV級SiC逆導通IGBTのVsbとWpの関係Relationship between Vsb and Wp of the 15 kV-class SiC reverse conducting IGBT according to the first embodiment 実施の形態2にかかるSiC逆導通IGBTの模式的断面図Schematic cross-sectional view of a SiC reverse conducting IGBT according to a second embodiment. 実施の形態2にかかる15kV級SiC逆導通IGBTのVsbとWpの関係Relationship between Vsb and Wp of the 15 kV-class SiC reverse conducting IGBT according to the second embodiment 実施の形態3にかかるSiC逆導通IGBTの模式的断面図10 is a schematic cross-sectional view of a SiC reverse conducting IGBT according to a third embodiment. 従来例1の高耐圧Si逆導通IGBTの模式的断面図Schematic cross-sectional view of a high-voltage Si reverse-conducting IGBT according to Conventional Example 1 従来例2の高耐圧Si逆導通IGBTの模式的断面図Schematic cross-sectional view of a high-voltage Si reverse-conducting IGBT according to Conventional Example 2

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。図面中の層や領域を示す番号と矢印は同じ層や領域の場合、原則的に各々代表して1個のみに記し他は省略してある。また、各図は発明をよりよく説明するためのもので各図内および各図間の寸法には比例などの相関はない。 Preferred embodiments of semiconductor devices according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In this specification and the accompanying drawings, layers and regions prefixed with n or p indicate that electrons or holes, respectively, are the majority carriers. In the drawings, numbers and arrows indicating layers and regions are generally shown for only one representative layer or region, and the others are omitted. Furthermore, the figures are intended to better explain the invention, and there is no proportionality or other correlation between the dimensions within and between the figures.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる半導体装置を模式的に示す断面図である。図1に示す実施の形態1にかかる半導体装置は、SiC(炭化珪素)半導体を用いて作製された例えば設計耐圧15kV級のプレーナゲート構造の逆導通IGBT100である。
Siに比べてSiCを用いるとVsbを大幅に抑制できるので、同じVsbの場合はpコレクタ幅を大幅に小さくできる。従って、引例2のように標準セルとパイロットIGBTの組み合わせでチップを構成するのではなく、本SiC逆導通IGBTでは大幅に小さくできたパイロットIGBT自体を標準セルに含むセルすなわちパイロット機能付きIGBT標準セルを用いてチップを構成することを特徴とする。
本SiC逆導通IGBTは、高耐圧においてスナップバック現象を抑制する必要面からの制約と性能面からのMOSFET部の制約と実用面からのチップ面積による制約とを協調させてpコレクタ幅Wpを設定していることを特徴とする。
(Embodiment 1)
Fig. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor device according to the first embodiment. The semiconductor device according to the first embodiment illustrated in Fig. 1 is a reverse conducting IGBT 100 having a planar gate structure and a designed breakdown voltage of, for example, 15 kV, fabricated using a SiC (silicon carbide) semiconductor.
Compared to Si, Vsb can be significantly reduced by using SiC, so for the same Vsb, the p collector width can be significantly reduced. Therefore, rather than constructing a chip by combining a standard cell and a pilot IGBT as in Reference 2, the SiC reverse conducting IGBT of this invention is characterized by constructing a chip using a cell that includes the pilot IGBT itself, which can be made significantly smaller, in the standard cell, that is, an IGBT standard cell with a pilot function.
This SiC reverse conducting IGBT is characterized by the fact that the p collector width Wp is set in coordination with the constraints imposed by the need to suppress snapback at high breakdown voltages, the constraints imposed by the MOSFET section from a performance standpoint, and the constraints imposed by the chip area from a practical standpoint.

まず、本SiC逆導通IGBT100の構造を説明する。
図1には、逆導通IGBT100の活性領域の一部のみを示している。SiC逆導通IGBT100は、例えば活性領域を囲むように耐圧構造部(不図示)を備えている。活性領域とは、半導体装置のオン時に電流が流れる領域であり、耐圧構造部とは、半導体装置を構成するpn接合付近の電界強度を緩和し、所望の耐圧を実現する構造部である。チップサイズは8mmx8mmであり、活性領域は6mmx6mmであり、活性領域を囲んでいる耐圧構造部の幅は1mmである。活性領域中の逆導通IGBT標準セルはストライブ状であり、標準セルの幅は196ミクロンメートルである。なお標準セルの幅はn短絡部103の幅Wnとpコレクタ領域102の幅Wpの和として定義している。
First, the structure of the SiC reverse conducting IGBT 100 will be described.
FIG. 1 shows only a portion of the active region of the reverse conducting IGBT 100. The SiC reverse conducting IGBT 100 includes, for example, a breakdown voltage structure (not shown) surrounding the active region. The active region is the region through which current flows when the semiconductor device is on, and the breakdown voltage structure is a structure that reduces the electric field strength near the pn junction constituting the semiconductor device and achieves a desired breakdown voltage. The chip size is 8 mm x 8 mm, the active region is 6 mm x 6 mm, and the width of the breakdown voltage structure surrounding the active region is 1 mm. The reverse conducting IGBT standard cells in the active region are striped, and the width of the standard cells is 196 micrometers. The width of the standard cell is defined as the sum of the width Wn of the n short-circuit portion 103 and the width Wp of the p collector region 102.

図1に示すように、SiC逆導通IGBT100において、コレクタ電極101に接する面にはpコレクタ層102とこの層を貫通する複数のn短絡部が設けられ、pコレクタ領域102とn短絡部領域103とが交互に形成されている。pコレクタ領域102の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ3.5×1017cm-3および1.5ミクロンメートルであってもよい。n短絡部103の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1019cm-3および1.5ミクロンメートルであってもよい。これらの領域102と103のおもて面には、nバッファー層104が設けられている。 As shown in FIG. 1 , in a SiC reverse conducting IGBT 100, a p-collector layer 102 and a plurality of n + short circuits penetrating this layer are provided on the surface in contact with a collector electrode 101, with p-collector regions 102 and n + short circuit regions 103 being alternately formed. The impurity concentration and thickness of the p-collector region 102 may be, for example, 3.5×10 17 cm −3 and 1.5 micrometers, respectively. The impurity concentration and thickness of the n + short circuit 103 may be, for example, 1×10 19 cm −3 and 1.5 micrometers, respectively. An n-buffer layer 104 is provided on the front surfaces of these regions 102 and 103.

バッファー層104の表面には、nドリフト層106が設けられている。nドリフト層106の不純物濃度は、nバッファー層104の不純物濃度よりも低い。具体的には、nドリフト層106の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ2×1014cm-3および150ミクロンメートルであってもよい。概略的にこの程度の不純物濃度の場合、nドリフト層106の厚さ10ミクロンメートル当たり例えば耐圧1kVは容易に実現することができる。このため、nドリフト層106の厚さを150ミクロンメートルとすることで、15kVの耐圧が期待できる An n - drift layer 106 is provided on the surface of the buffer layer 104. The impurity concentration of the n- drift layer 106 is lower than the impurity concentration of the n-buffer layer 104. Specifically, the impurity concentration and thickness of the n - drift layer 106 may be, for example, 2×10 14 cm −3 and 150 micrometers, respectively. Roughly speaking, with an impurity concentration of this order, a breakdown voltage of, for example, 1 kV per 10 micrometers of thickness of the n - drift layer 106 can be easily achieved. Therefore, by setting the thickness of the n - drift layer 106 to 150 micrometers, a breakdown voltage of 15 kV can be expected.

ドリフト層106の表面層には、MOSFETを構成するpボディ領域107が選択的に1個以上設けられている。pボディ領域107の不純物濃度は、nドリフト層106よりも高い。具体的には、pボディ領域107の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1018cm-3および0.3ミクロンメートルであってもよい。隣り合うpボディ領域107に挟まれたnドリフト層106の、pボディ領域107が並列する方向(以下、水平方向とする)の幅は、例えば3ミクロンメートル以上12ミクロンメートル以下であってもよい。なお、この隣り合うpボディ領域107とこれらに挟まれたnドリフト層106とは寄生接合FET部としても機能する。
pボディ領域107は、例えばアルミニュームのイオン注入によって形成された半導体層である。 この寄生接合FET部としても機能するn層114の不純物濃度はnドリフト層106と同じく 2×1014cm-3であってもよく、寄生接合FET部としての機能を損なわない範囲で異なっても良い。厚さは0.6ミクロンメートルであってもよい。
One or more p-body regions 107 constituting a MOSFET are selectively provided in the surface layer of the n - drift layer 106. The impurity concentration of the p-body region 107 is higher than that of the n - drift layer 106. Specifically, the impurity concentration and thickness of the p-body region 107 may be, for example, 1×10 18 cm −3 and 0.3 micrometers, respectively. The width of the n - drift layer 106 sandwiched between adjacent p-body regions 107 in the direction in which the p-body regions 107 are arranged side by side (hereinafter referred to as the horizontal direction) may be, for example, 3 micrometers to 12 micrometers. Note that the adjacent p-body regions 107 and the n - drift layer 106 sandwiched therebetween also function as a parasitic junction FET portion.
The p-body region 107 is a semiconductor layer formed by, for example, aluminum ion implantation. The impurity concentration of the n - layer 114, which also functions as a parasitic junction FET portion, may be 2×10 cm −3 , the same as that of the n - drift layer 106 , or may be different within a range that does not impair the function as a parasitic junction FET portion. The thickness may be 0.6 micrometers.

なお、SiC半導体は深さ方向に直行する方向の不純物拡散がシリコン半導体に比べて少ないので、図1において半導体層を矩形状に図示する(以下の図に示す逆導通IGBTにおいても同様に、半導体層を矩形状に図示する)。 Incidentally, since impurity diffusion in the direction perpendicular to the depth direction is less in SiC semiconductors than in silicon semiconductors, the semiconductor layers are illustrated as rectangular in Figure 1 (similarly, the semiconductor layers are illustrated as rectangular in the reverse conducting IGBTs shown in the following figures).

pボディ領域107の表面層には、MOSFET部のソースとして機能するnエミッタ領域108およびp低濃度チャネル領域109やp+コンタクト領域110が選択的に設けられている。nエミッタ領域108およびp低濃度チャネル領域109やpコンタクト領域110は、例えばイオン注入によって形成された半導体層である。p低濃度チャネル領域109は、pボディ領域107の一方の端部に設けられ寄生接合FET部に接する。nエミッタ領域108は、p低濃度チャネル領域109の寄生接合FET部に接する端部に対して反対側の端部に接する。 An n + emitter region 108, a p - low-concentration channel region 109, and a p+ contact region 110, which function as the source of the MOSFET portion, are selectively provided in the surface layer of the p-body region 107. The n + emitter region 108, the p - low-concentration channel region 109, and the p + contact region 110 are semiconductor layers formed by, for example, ion implantation. The p - low-concentration channel region 109 is provided at one end of the p-body region 107 and contacts the parasitic junction FET portion. The n + emitter region 108 contacts the end of the p - low-concentration channel region 109 opposite to the end that contacts the parasitic junction FET portion.

MOSFET部のnエミッタ領域108の、p低濃度チャネル領域109に接していない側の端部は、p+コンタク領域110に接している。各pボディ領域107に設けられたp低濃度チャネル領域109およびnエミッタ領域108は、pボディ領域107上でp+コンタク領域110を介して隣り合う他のnエミッタ領域108およびp低濃度チャネル領域109と対称に配置されている。 The end of the n + emitter region 108 in the MOSFET portion that is not in contact with the p + lightly doped channel region 109 is in contact with the p + contact region 110. The p + lightly doped channel region 109 and the n + emitter region 108 provided in each p body region 107 are arranged symmetrically with other adjacent n + emitter regions 108 and p + lightly doped channel regions 109 on the p body region 107 with the p + contact region 110 interposed therebetween.

MOSFET部のp低濃度チャネル領域109の不純物濃度は、pボディ領域107の不純物濃度よりも低い。具体的には、p低濃度チャネル領域109の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ1×1016cm-3以上7×1018cm-3以下であってもよく、厚さは0.3ミクロンメートルであってもよい。
エミッタ領域108の不純物濃度は、nドリフト層106の不純物濃度よりも高い。具体的には、nエミッタ領域108の不純物濃度および厚さは、例えば、それぞれ5×1019cm-3および0.3ミクロンメートルであってもよい。pコンタク領域110の不純物濃度および厚さは、例えば1×1019cm-3および0.3ミクロンメートルであってもよい。
低濃度チャネル領域109およびnエミッタ領域108は、pボディ領域107の表面層にそれぞれイオン注入によって形成される。p低濃度チャネル領域109およびnエミッタ領域108はpボディ領域107の表面層に例えば0.3ミクロンメートルの深さで設けられるので、pボディ領域107の、p低濃度チャネル領域109およびnエミッタ領域108とに挟まれた部分の厚さは例えば0.3ミクロンメートルとなる。
The impurity concentration of the p - lightly doped channel region 109 in the MOSFET section is lower than the impurity concentration of the p-body region 107. Specifically, the impurity concentration and thickness of the p - lightly doped channel region 109 may be, for example, 1×10 16 cm −3 or more and 7×10 18 cm −3 or less, respectively, and the thickness may be 0.3 micrometers.
The impurity concentration of the n + emitter region 108 is higher than the impurity concentration of the n- drift layer 106. Specifically, the impurity concentration and thickness of the n + emitter region 108 may be, for example, 5×10 19 cm −3 and 0.3 micrometers, respectively. The impurity concentration and thickness of the p + contact region 110 may be, for example, 1×10 19 cm −3 and 0.3 micrometers, respectively.
The p - lightly doped channel region 109 and the n + emitter region 108 are each formed by ion implantation in the surface layer of the p body region 107. The p - lightly doped channel region 109 and the n + emitter region 108 are provided in the surface layer of the p body region 107 to a depth of, for example, 0.3 micrometers, and therefore the thickness of the portion of the p body region 107 sandwiched between the p - lightly doped channel region 109 and the n + emitter region 108 is, for example, 0.3 micrometers.

低濃度チャネル領域109の水平方向の幅は、例えば0.75ミクロンメートルであってもよい。nエミッタ領域108の水平方向の幅は、例えば6ミクロンメートルであってもよい。 The horizontal width of the p - lightly doped channel region 109 may be, for example, 0.75 micrometers, and the horizontal width of the n + emitter region 108 may be, for example, 6 micrometers.

低濃度チャネル領域109の表面には、ゲート絶縁膜111を介してゲート電極(制御電極)112が設けられている。ゲート絶縁膜111の厚さは約600オングストロームであってもよい。エミッタ電極113は、nエミッタ領域108に接するとともにpコンタクト層110を介してpボディ領域107にも電気的に接する。また、エミッタ電極113はゲート電極112から絶縁されている。
上記のnドリフト層106上のMOSFET構成部は、総称してMOSFET表面部と定義し以下ではこの名称で記載する。
A gate electrode (control electrode) 112 is provided on the surface of the p - low-concentration channel region 109 via a gate insulating film 111. The thickness of the gate insulating film 111 may be approximately 600 angstroms. An emitter electrode 113 contacts the n + emitter region 108 and also electrically contacts the p body region 107 via a p + contact layer 110. The emitter electrode 113 is insulated from the gate electrode 112.
The MOSFET components on the n - drift layer 106 are collectively defined as a MOSFET surface portion, and will be referred to hereinafter by this name.

次に、本実施の形態になるSiC逆導通IGBTの新規な特徴を説明する。
SiC逆導通IGBTの耐圧が高くなるほどnドリフト層106の厚さは厚く不純物濃度は小さくする必要があるのでRdriftが大きくなる。従って、スナップバック電圧Vsbが高くなる《(1)式参照》。このため、pコレクタ102の幅を極力大きくする方が好ましい。しかしこの場合pコレクタ102に対向するMOSFET表面部の幅を大きくする必要があるが、SiC逆導通IGBTのオン損失が増大するなどのために性能上好ましくない。従って、本SiC逆導通IGBTは、高耐圧においてスナップバック現象を解消もしくは許容範囲に抑制する必要面からの制約と低損失化といった性能面からのMOSFET部の制約と実用面からのチップ面積による制約等を協調させてpコレクタ幅Wpを設定している。その上で、パイロットIGBTの機能を標準セル本体に担わせるという新規に発想し定義したパイロット機能付きIGBT標準セルでチップを構成することを特徴とする。このようなセル幅を縮小したパイロット機能付きIGBT標準セルのみでチップの活性領域を埋め尽くすことにより、1次スナップバックを解消もしくは大幅に抑制でき且つ高次スナップバックも解消もしくは抑制できるものである。
Next, the novel features of the SiC reverse conducting IGBT according to this embodiment will be described.
The higher the breakdown voltage of a SiC reverse-conducting IGBT, the thicker the n - drift layer 106 and the lower the impurity concentration, resulting in a larger Rdrift. Consequently, the snapback voltage Vsb increases (see equation (1)). For this reason, it is preferable to maximize the width of the p-collector 102. However, this requires increasing the width of the MOSFET surface facing the p-collector 102, which is undesirable from a performance perspective due to increased on-state loss of the SiC reverse-conducting IGBT. Therefore, the p-collector width Wp of this SiC reverse-conducting IGBT is set by balancing the constraints of eliminating or suppressing the snapback phenomenon to an acceptable range at high breakdown voltages, the constraints of the MOSFET section from a performance perspective (i.e., reducing loss), and the constraints of chip area from a practical perspective. Furthermore, the chip is characterized by being constructed using a newly conceived and defined IGBT standard cell with a pilot function, which assigns the function of the pilot IGBT to the standard cell itself. By filling the active region of the chip with only such IGBT standard cells with a reduced cell width and a pilot function, it is possible to eliminate or significantly suppress primary snapback and also eliminate or suppress higher-order snapback.

図2に本実施の形態の15kV級SiC逆導通IGBT100の出力特性すなわちJceとVceの関係のシミュレーション結果を実線で示す。Jceはコレクタとエミッタ間の通電電流密度、Vceはコレクタとエミッタ間の電圧である。コンピュータの計算能力の点からシミュレーションモデルは図1の本実施の形態そのものでなく、7個のMOSFET表面部のうち中央部の1個のみが存在する構造にしている(後述の図4において第1バッファー層204が存在しない一重のバッファー層の構造に該当する構造である)。出力特性にスナップバック現象が観察されVsbは約7.2Vである。
図7において、素子の自己発熱密度が300W/cmの点線曲線と出力特性の交点から、175℃における出力電流密度Jceは約4.5Vで約65A/cmであり、耐圧15kV級素子としては十分に高い値である。
なお、このSiC逆導通IGBTはVce約3.8Vでほぼ完全にオンしている。従って、スナップバック電圧を3,7V以下にすればスナップバック現象はほぼ解消できることが明らかである。



















Figure 2 shows the output characteristics of the 15 kV-class SiC reverse-conducting IGBT 100 of this embodiment, i.e., the simulation results of the relationship between Jce and Vce, as shown by the solid line. Jce is the current density between the collector and emitter, and Vce is the voltage between the collector and emitter. In consideration of the computer's calculation capabilities, the simulation model is not the same as the embodiment of Figure 1, but rather has a structure in which only one of the seven MOSFET surface regions, located in the center, is present (this structure corresponds to the single buffer layer structure in Figure 4, described below, in which the first buffer layer 204 is not present). A snapback phenomenon was observed in the output characteristics, and Vsb was approximately 7.2 V.
In FIG. 7, from the intersection of the dotted curve representing the self-heating density of the element of 300 W/ cm2 and the output characteristics, the output current density Jce at 175°C is approximately 65 A/ cm2 at approximately 4.5 V, which is a sufficiently high value for an element with a withstand voltage of 15 kV.
It should be noted that this SiC reverse conducting IGBT is almost completely turned on at a Vce of about 3.8 V. Therefore, it is clear that the snapback phenomenon can be almost completely eliminated by setting the snapback voltage to 3.7 V or less.



















図3は本実施の形態の15kV級SiC逆導通IGBT100のVsbとWpの関係の解析計算結果を示す。
解析モデルは上記の図2と同じである。これよりバッファー層の不純物濃度が1×1015cm-3の場合Wpを略175ミクロンメートル以上とすれば、Vsbを略3.7V以下にできスナップバック現象を略解消できることが判る。スナップバック現象を解消できるWpを臨界コレクタ幅と定義しWpcと記載する。ここでは若干の余裕をとってWpを180ミクロンメートルに設定する。またWnは8ミクロンメートルを基本にしているが、ターンオフ時のスイッチング損失を更に低減するためWnを2倍の16ミクロンメートルと設定する。従って、セル幅は196ミクロンメートルとなる。ところで、この196ミクロンメートルのセル幅は上記の標準セル内のMOSFET表面部を24ミクロンメートルから28ミクロンメートルにするとその7倍なのでMOSFET表面部を図示したように7個に増やすことができる。この結果、オン抵抗を約1/7にでき低損失にできる。更に、短絡部103の幅Wnを2倍にしたため、逆導通IGBT本来のターンオフ時のキャリアの排除機能を大幅に増加でき、この結果ターンオフ時間を低減できスイッチング損失も大幅に低減できトータルで飛躍的な低損失化が図れる。
FIG. 3 shows the analytical calculation results of the relationship between Vsb and Wp of the 15 kV-class SiC reverse conducting IGBT 100 of this embodiment.
The analytical model is the same as that shown in Figure 2 above. This shows that if the impurity concentration of the buffer layer is 1 x 10 15 cm -3 , setting Wp to approximately 175 microns or more will reduce Vsb to approximately 3.7 V or less, thereby substantially eliminating the snapback phenomenon. The Wp at which the snapback phenomenon can be eliminated is defined as the critical collector width, denoted Wpc. Here, Wp is set to 180 microns to allow for some margin. While Wn is based on 8 microns, it is doubled to 16 microns to further reduce switching loss during turn-off. Therefore, the cell width is 196 microns. Incidentally, this 196 micron cell width is seven times larger than the MOSFET surface area in the standard cell described above, which is increased from 24 microns to 28 microns. Therefore, the number of MOSFET surface areas can be increased to seven, as shown in the figure. As a result, the on-resistance can be reduced to approximately one-seventh, resulting in low loss. Furthermore, by doubling the width Wn of the short-circuit portion 103, the carrier removal function that is inherent to reverse conducting IGBTs when they are turned off can be significantly increased, resulting in a reduction in turn-off time and a significant reduction in switching loss, resulting in a dramatic reduction in loss overall.

このSiCチップの面積を、引例2のような標準セルとパイロットIGBTの組み合わせで構成されたSi逆導通IGBTと比較してみると、Siチップの面積よりも遙かに小さい。例えば、引例2の3.3kVの逆導通IGBTの場合、パイロットIGBTの臨界コレクWpcは約650ミクロンメートルであり標準セル幅は240ミクロンメートルである。上記のパイロット機能付きSiC逆導通IGBTの標準セル幅は耐圧15kVであるにもかかわらず3,3kVのSi逆導通IGBTの標準セル幅の82%であり小さい。これにパイロットIGBTのコレクタ幅を加味すると更に小さくなり、更に耐圧が数倍高くなることを加味すると遙かに小さくなる。
従って、同一チップサイズの場合で且つ同じ耐圧の場合は、Siチップに比べてSiCチップでは十分大きな余剰スペースが確保できる。従ってこの余剰スペースに複数個のパイロット機能付き標準セルを追加することによりオン抵抗を大幅に低減できるとともに、標準セル中の短絡領域幅をより大きくすることにより逆導通機能も向上できる。
When the area of this SiC chip is compared with that of a Si reverse conducting IGBT configured by combining a standard cell and a pilot IGBT as in Reference 2, it is found to be much smaller than the area of the Si chip. For example, in the case of the 3.3 kV reverse conducting IGBT of Reference 2, the critical collector Wpc of the pilot IGBT is approximately 650 micrometers, and the standard cell width is 240 micrometers. The standard cell width of the SiC reverse conducting IGBT with pilot function described above is only 82% of the standard cell width of a 3.3 kV Si reverse conducting IGBT, despite the withstand voltage being 15 kV. When the collector width of the pilot IGBT is taken into account, the width becomes even smaller, and when the withstand voltage is further increased by several times, the width becomes even smaller.
Therefore, for the same chip size and with the same breakdown voltage, a SiC chip can secure a sufficiently large excess space compared to a Si chip. Therefore, by adding multiple standard cells with pilot functions to this excess space, the on-resistance can be significantly reduced, and by increasing the width of the short-circuit region in the standard cell, the reverse conduction function can also be improved.

次に、本SiC逆導通IGBT100の特性について説明する。本IGBTチップ100は3端子の高耐圧パッケージにダイボンデングし、更にゲート電極のワイヤボンディングとエミッタ電極のワイヤボンディングを施し、ついで保護用の高耐圧高耐熱レジン(ナノテクレジン)でチップとAlワイヤを完全に被覆して半導体装置にしたのち動作試験に供した。ゲート電圧を印加しない状態でエミッタ電極113とコレクタ電極101間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は約15.2kVである。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で7×10-6A/cm以下、250℃の高温でも9x10-5A/cm以下と良好である。 Next, the characteristics of the SiC reverse-conducting IGBT 100 will be described. The IGBT chip 100 was die-bonded to a three-terminal high-voltage package, and then wire-bonded to the gate electrode and emitter electrode. The chip and Al wires were then completely coated with a protective high-voltage, high-heat-resistant resin (Nanotech Resin) to form a semiconductor device, which was then subjected to an operational test. When a forward voltage was applied between the emitter electrode 113 and the collector electrode 101 without applying a gate voltage, leakage current flowed, but the device exhibited good forward blocking characteristics, with a breakdown voltage at room temperature, i.e., avalanche breakdown voltage, of approximately 15.2 kV. Furthermore, the leakage current before avalanche breakdown was good, at 7× 10-6 A/cm2 or less at room temperature and 9× 10-5 A/cm2 or less even at a high temperature of 250°C.

コレクタ電極101とエミッタ電極113間に順方向電圧を印加し、ついでゲート電極112に閾値電圧以上のゲート電圧を印加するとMOSFET部がオンする。更にゲート電圧を増加してゆくと順方向電圧に比例した電流が流れる。この電流はオン電圧劣化抑制に活用される。更にコレクタ電極-エミッタ電極間の順方向電圧を増大し、ある電圧(スナップバック電圧)でIGBT部をオンさせても、オン電圧が急減する1次から高次に渡るスナップバック現象は全て観察されなかった。 When a forward voltage is applied between the collector electrode 101 and the emitter electrode 113, and then a gate voltage equal to or greater than the threshold voltage is applied to the gate electrode 112, the MOSFET section turns on. As the gate voltage is further increased, a current proportional to the forward voltage flows. This current is utilized to suppress on-voltage degradation. Furthermore, even when the forward voltage between the collector electrode and emitter electrode is increased and the IGBT section is turned on at a certain voltage (snapback voltage), no snapback phenomenon, from primary to higher orders, in which the on-voltage suddenly decreases, was observed.

更に順方向電圧を増加してゆくと電流は非線形的に増加してゆき、コレクタ-エミッタ間電圧(以下Vce)が5Vでのコレクタ-エミッタ間電流密度Jceは約120A/cmとなり良好である。
引例2のデータからから推定すると、耐圧3.3kVのSi逆導通IGBTの場合スナップ電圧がVbiと等しくなりスナップバック現象を解消するにはWpを約650ミクロンメートル以上にする必要がある。耐圧15kVの場合は更に大幅なWpの増大が必要となるので、Wpc175ミクロンメートルでスナップバック現象が解消できる本発明の効果が明らかである。
As the forward voltage is further increased, the current increases nonlinearly, and when the collector-emitter voltage (hereinafter referred to as Vce) is 5 V, the collector-emitter current density Jce is approximately 120 A/cm 2 , which is favorable.
Estimating from the data of Reference 2, in the case of a Si reverse conducting IGBT with a breakdown voltage of 3.3 kV, the snap voltage becomes equal to Vbi, and in order to eliminate the snapback phenomenon, Wp needs to be approximately 650 micrometers or more. In the case of a breakdown voltage of 15 kV, an even greater increase in Wp is required, so the effect of the present invention, in which the snapback phenomenon can be eliminated with a Wpc of 175 micrometers, is clear.

本実施の形態になる15kV級逆導通SiC-IGBTに、直流電源電圧5kVを印加してオンさせ電流密度50A/cmを通電している条件で測定した時のターンオフ時間は約2.4μsであり、同耐圧クラスSiC-IGBTの約1/2であり短い。このようにターンオフ時間を低減でき高速化できる結果、スイッチング損失を著しく低減でき低損失化できる。 When a 15 kV-class reverse-conducting SiC-IGBT according to this embodiment is turned on by applying a DC power supply voltage of 5 kV and measuring with a current density of 50 A/cm, the turn-off time is approximately 2.4 μs, which is approximately half that of a SiC-IGBT in the same voltage class. As a result of reducing and speeding up the turn-off time, switching losses can be significantly reduced, resulting in lower losses.

スナップバック現象は低次ほどVsbが大きくIsbが小さいが、高次ほどVsbは小さくなりIsbは大きくなる。一方、オン電圧劣化はSiC-IGBTのようなバイポーラ素子に特有な劣化現象であり、通電電流ストレスにより積層欠陥が拡大して進行する。従って、高次のスナップバックに伴う大きいIsbによるストレスほど、より積層欠陥を拡大し急速オン電圧劣化の増大をもたらす懸念がある。本実施の形態では標準セル内のMOSFET表面部が7個なので、7次のスナップバックまで発生する。 In the snapback phenomenon, Vsb is larger and Isb is smaller as the order decreases, but Vsb decreases and Isb increases as the order increases. On the other hand, on-voltage degradation is a degradation phenomenon specific to bipolar elements such as SiC-IGBTs, and progresses as stacking faults expand due to current stress. Therefore, there is a concern that the stress caused by large Isb associated with higher-order snapback will expand stacking faults further, leading to increased rapid on-voltage degradation. In this embodiment, since there are seven MOSFET surface areas in the standard cell, up to seventh-order snapback can occur.

上記のパイロット機能付き標準セルの適用により標準セルの幅が大幅に小さくなり、標準セルの通電電流密度や高次スナップバック時の電流密度が大幅に高くなるため、オン電圧劣化や急速オン電圧劣化の深刻化が懸念された。そこで上記のMach-TEDREC法を適用し通電試験とオン・オフ繰り返し試験実施し、オン電圧劣化や急速オン電圧劣化の発生状況を検討した。いづれの試験においても劣化によるオン電圧の増大は極めて小さく、ほとんどの素子がSi逆導通IGBTと同等の0.2V以下にとどまり顕著な信頼性への悪影響は見られず高い信頼性が確認でき、本実施の形態の効果が明らかである。
なお、パイロット機能付SiC逆導通IGBT構成により、スナップバック現象が完全に解消できた素子の場合は高次のスナップバック現象も必然的に解消できる。この場合も、上記の試験結果はほぼ同様であり顕著な信頼性への悪影響は見られず、高い信頼性が確認できた。
The application of the above-described pilot function-equipped standard cell significantly reduces the width of the standard cell, significantly increasing the current density of the standard cell and the current density during high-order snapback, raising concerns about the worsening of on-state voltage degradation and rapid on-state voltage degradation. Therefore, the above-described Mach-TEDREC method was applied to conduct current tests and on/off cycle tests to examine the occurrence of on-state voltage degradation and rapid on-state voltage degradation. In both tests, the increase in on-state voltage due to degradation was extremely small, with most devices remaining at 0.2 V or less, the same as that of a Si reverse-conducting IGBT. No significant adverse effects on reliability were observed, confirming high reliability, and the effectiveness of this embodiment is clear.
In addition, in the case of an element in which snapback can be completely eliminated by using a pilot-equipped SiC reverse-conducting IGBT configuration, it is inevitable that higher-order snapback phenomena can also be eliminated. In this case, the test results were similar to those described above, with no significant adverse effect on reliability being observed, confirming high reliability.

以上に説明したように、実施の形態1にかかる半導体装置によれば、スナップバック現象を解消もしくは抑制でき、更なる高速・低損失化により高性能化できるとともに、オン電圧劣化も抑制でき信頼性も高い逆導通IGBT100を実現できる。 As described above, the semiconductor device according to the first embodiment can eliminate or suppress the snapback phenomenon, achieve higher performance through further speed and lower loss, and suppress on-voltage degradation, thereby realizing a highly reliable reverse conducting IGBT 100.

(実施の形態2)
図4は、実施の形態2にかかるSiC逆導通IGBT半導体装置200を模式的に示す断面図である。設計耐圧が15kV級のSiC逆導通IGBTである。上記の実施の形態1の半導体装置に比べて、バッファー層を2重バッファー層にしてパイロット機能付標準セルのpコレクタ幅Wpを短くしセルの幅を小さくしている点、標準セル内にMOSFET表面部を1個設けている点を除けば、その他はほぼ同じ構造である。
(Embodiment 2)
4 is a cross-sectional view schematically illustrating a SiC reverse conducting IGBT semiconductor device 200 according to a second embodiment. This is a SiC reverse conducting IGBT with a design breakdown voltage of 15 kV. Compared to the semiconductor device of the first embodiment, this device has substantially the same structure as the semiconductor device of the first embodiment, except that the buffer layer is a double buffer layer, the p collector width Wp of the pilot function-equipped standard cell is shortened to reduce the cell width, and one MOSFET surface portion is provided in the standard cell.

本実施の形態はバッファー層を2重バッファー層にしている。この2重nバッファー層は、SiCエピタキシャル層もしくはイオン打込み層であってもよい。
2重nバッファー層はpコレクタに接する高濃度で薄い第1バッファー層204とnドリフト層に接する低濃度で厚い第2バッファー層205からなる2重構造で構成している。第1バッファー層204はビルトイン電圧Vbiが印加される時には完全に空乏化する厚さと不純物濃度に設定することが肝要であり、第2バッファー層205は一部のみが空乏化し高い横抵抗を達成する厚さと不純物濃度に設定することが肝要である。第1バッファー層204の不純物濃度Nd1と厚さは1×1016cm-3 と0.3ミクロンメートル、更に第2バッファー層205の不純物濃度Nd2と厚さは1×1015cm-3 1.5ミクロンメートルであってもよい。なお2重nバッファー層の効果をよりよく発揮させるためにはSiC逆導通素子がノンパンチスルー構造である方が好ましいが、パンチスルー構造でも2重nバッファー層の構造因子の変更により可能である。
2重nバッファー層の適用によりパイロット機能付標準セルのpコレクタ幅を大幅に小さくでき、小さい面積でスナップバック現象を解消するとともに、同Vsbで同耐圧のSi逆導通IGBTに比較してチップに大きな余剰スペースが生じる。この余剰スペースに複数のパイロット機能付標準セルを追加することによりチップサイズの低減およびオン抵抗の低減による低損失化が同時にできる。また、この余剰スペースを活用してパイロット機能付標準セルの短絡部203の幅Wnを大きくすることにより、逆導通IGBT本来のターンオフ時のキャリアの排除機能を大幅に増加できるので、ターンオフ時間の低減によるスイッチング損失の低減ができ低損失化が図れる。
In this embodiment, the buffer layer is a double buffer layer, which may be a SiC epitaxial layer or an ion-implanted layer.
The double n-buffer layer has a double structure consisting of a thin, highly-doped first buffer layer 204 in contact with the p-collector and a thick, lightly-doped second buffer layer 205 in contact with the n-drift layer. It is important that the first buffer layer 204 has a thickness and impurity concentration that allows it to be completely depleted when the built-in voltage Vbi is applied, and that the second buffer layer 205 has a thickness and impurity concentration that allows it to be only partially depleted and achieve high lateral resistance. The impurity concentration Nd1 and thickness of the first buffer layer 204 are 1×10 16 cm -3 and 0.3 micrometers, respectively, and the impurity concentration Nd2 and thickness of the second buffer layer 205 are 1×10 15 cm -3 and 0.3 micrometers, respectively. It may be 1.5 micrometers. In order to maximize the effect of the double n-buffer layer, it is preferable that the SiC reverse conducting element has a non-punch-through structure, but a punch-through structure is also possible by changing the structural factors of the double n-buffer layer.
The application of a double n-buffer layer significantly reduces the p-collector width of the pilot-function standard cell, eliminating snapback in a small area and creating a larger excess space on the chip compared to a Si reverse-conducting IGBT with the same Vsb and breakdown voltage. Adding multiple pilot-function standard cells to this excess space simultaneously reduces chip size and loss due to reduced on-resistance. Furthermore, by utilizing this excess space to increase the width Wn of the short-circuit portion 203 of the pilot-function standard cell, the reverse-conducting IGBT's inherent carrier removal function during turn-off can be significantly enhanced, thereby reducing switching loss by shortening the turn-off time and achieving lower loss.

図5は本パイロットIGBT機能付標準セルについて、Vsbとpコレクタ幅Wpの関係を解析計算した結果を示す。第1バッファー層204の不純物濃度Nd1と厚さは1×1016cm-3 と0.3ミクロンメートル、更に第2バッファー層205の厚さは 1.5ミクロンメートルに固定し、不純物濃度Nd2をパラメータとして算出している。スナックバックがほぼ解消できるVsbは前記のように約4Vであり、このためには不純物濃度Nd2を1×1015cm-3 とした場合、前記のようにスナップバックが解消される3.7V以下のVsbにできるコレクタ幅Wpcは44ミクロンメートルである。なお、n+短絡部203の幅Wnは8ミクロンメートルであってもよく、この場合セルの幅は52ミクロンメートルとなる。
SiC半導体素子のチップ面積を8mmx8mmにした場合、活性領域の面積は6mmx6mmである。SiC半導体素子を高性能化するには、この制約されたチップ面積内に上記のパイロットIGBTの機能付標準セルを極力多く設けるのが定常オン損失を低減でき好ましい。この場合6mm幅の活性領域に115個のストライブセルが集積でき好適である。
5 shows the results of analytical calculation of the relationship between Vsb and p-collector width Wp for this standard cell with pilot IGBT function. The impurity concentration Nd1 and thickness of the first buffer layer 204 are 1×10 16 cm −3 and 0.3 μm, respectively, and the thickness of the second buffer layer 205 is The calculation is performed with the impurity concentration Nd2 fixed at 1.5 micrometers and the impurity concentration Nd2 as a parameter. As mentioned above, Vsb at which snapback can be almost eliminated is approximately 4 V, and to achieve this, if the impurity concentration Nd2 is set to 1×10 15 cm -3 , the collector width Wpc at which Vsb of 3.7 V or less at which snapback is eliminated as mentioned above is 44 micrometers. Note that the width Wn of the n+ short circuit portion 203 may be 8 micrometers, in which case the cell width will be 52 micrometers.
If the chip area of a SiC semiconductor device is 8 mm x 8 mm, the area of the active region is 6 mm x 6 mm. To improve the performance of a SiC semiconductor device, it is preferable to provide as many standard cells with the above-mentioned pilot IGBT function as possible within this limited chip area, as this reduces steady-state on-state loss. In this case, it is preferable to be able to integrate 115 stripe cells in a 6 mm-wide active region.

本実施の形態2にかかるSiC逆導通IGBTにゲート電圧を印加しない状態でエミッタ電極213とコレクタ電極201間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、大多数の半導体装置の室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は16.2kV付近である。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で1.5×10-6A/cm以下、250℃の高温でも2×10-5A/cm以下と良好である。
ゲート電極212に閾値電圧以上のゲート電圧を印加し、ついでコレクタ-エミッタ間に順方向電圧を印加し増加してゆくと順方向電圧に比例した電流が流れ、ある電圧でIGBTがオンするがスナップバック現象は一次を含め高次も全く観察されず、本発明の効果が明らかである。
更に順方向電圧を増加してゆくと電流は非線形的に増加してゆく。コレクタ-エミッタ間電圧(以下Vce)が5VでのJceは75A/cmと良好である。
When a forward voltage is applied between emitter electrode 213 and collector electrode 201 in the absence of a gate voltage to the SiC reverse conducting IGBT according to the second embodiment, a leakage current flows but the device exhibits good forward blocking characteristics, and the breakdown voltage at room temperature for most semiconductor devices, i.e., the voltage at which avalanche breakdown occurs, is around 16.2 kV. The leakage current before avalanche breakdown is good, being 1.5×10 −6 A/cm 2 or less at room temperature and 2×10 −5 A/cm 2 or less even at a high temperature of 250°C.
When a gate voltage equal to or greater than the threshold voltage is applied to the gate electrode 212, and then a forward voltage is applied between the collector and emitter and increased, a current proportional to the forward voltage flows, and the IGBT turns on at a certain voltage, but no snapback phenomenon is observed, including primary and higher orders, demonstrating the effectiveness of the present invention.
Further increasing the forward voltage causes the current to increase nonlinearly. When the collector-emitter voltage (hereinafter referred to as Vce) is 5 V, Jce is a good 75 A/ cm2 .

また、耐圧3.3kVのSi逆導通IGBTのVsbをVbi(0/7V)以下にするにはパイロットIGBTのWpの実験値が約650ミクロンメートル以上であり、耐圧を高くするとVsbが更に大幅に増大する。本実施の形態2によれば、標準セルは耐圧が約15kVと大幅に高いにもかかわらずWpを44ミクロンメートル以上とすればよく、大幅に低減でき本発明の効果が明らかである。
2重nバッファー層の適用により生じるこの余剰スペースに複数のパイロット機能付標準セルを追加することによりチップサイズの低減およびオン抵抗の低減による低損失化が同時にできる。また、この余剰スペースを活用してパイロット機能付標準セルの短絡部203の幅Wnを大きくすることにより、逆導通IGBT本来のターンオフ時のキャリアの排除機能を大幅に増加できるので、ターンオフ時間の低減によるスイッチング損失の低減ができ低損失化が図れる。
Furthermore, in order to reduce Vsb of a Si reverse conducting IGBT with a breakdown voltage of 3.3 kV to Vbi (0/7 V) or less, the experimental value of Wp of the pilot IGBT is approximately 650 micrometers or more, and increasing the breakdown voltage further increases Vsb. According to the second embodiment, even though the standard cell has a significantly high breakdown voltage of approximately 15 kV, Wp only needs to be 44 micrometers or more, and a significant reduction can be achieved, demonstrating the effect of the present invention.
By adding multiple standard cells with pilot function in the extra space created by the application of the double n-buffer layer, it is possible to reduce the chip size and loss by reducing the on-resistance at the same time. Also, by utilizing this extra space to increase the width Wn of the short-circuit part 203 of the standard cell with pilot function, it is possible to significantly increase the carrier removal function that is inherent to reverse conducting IGBTs when they are turned off, thereby reducing switching loss by shortening the turn-off time and achieving low loss.

上記のパイロット機能付き標準セルの適用により標準セルの幅が大幅に小さくなり、標準セルの通電電流密度や高次スナップバック時の電流密度が大幅に高くなるため、オン電圧劣化や急速オン電圧劣化の深刻化が懸念された。そこで上記のMach-TEDREC法を適用し通電試験とオン・オフ繰り返し試験を実施し、オン電圧劣化や急速オン電圧劣化の発生状況を検討した。しかし、両試験においても劣化によるオン電圧の増大は極めて小さく、ほとんどの素子がSi逆導通IGBTと同等の0.2V以下にとどまり顕著な信頼性への悪影響は見られず、本実施の形態の効果が確認された。 The application of the above-described pilot function-equipped standard cell significantly reduces the width of the standard cell, significantly increasing the current density of the standard cell and the current density during high-order snapback, raising concerns about the worsening of on-voltage degradation and rapid on-voltage degradation. Therefore, the above-described Mach-TEDREC method was applied to conduct current tests and on/off cycle tests to examine the occurrence of on-voltage degradation and rapid on-voltage degradation. However, in both tests, the increase in on-voltage due to degradation was extremely small, with most elements remaining at 0.2 V or less, the same as for Si reverse-conducting IGBTs, and no significant adverse impact on reliability was observed, confirming the effectiveness of this embodiment.

以上に説明したように、実施の形態2にかかる半導体装置によれば、スナップバック現象を解消でき、且つ更なるチップ縮小や低損失化および高速化による更なる高性能化ができるとともに、高次スナップバックにともなう急速オン電圧劣化も解消できる信頼性の高いSiC逆導通IGBTを実現できる。また、本発明になる新しい動作方法によれば、オン電圧劣化のみならず急速オン電圧劣化も解消もしくは抑制ができ、更に信頼性の高いSiC逆導通IGBTの動作方法を実現できる。 As described above, the semiconductor device according to the second embodiment can eliminate the snapback phenomenon, and can achieve even higher performance through further chip miniaturization, lower loss, and higher speed, while also eliminating the rapid on-voltage degradation associated with high-order snapback, thereby realizing a highly reliable SiC reverse conducting IGBT. Furthermore, the new operating method according to the present invention can eliminate or suppress not only on-voltage degradation but also rapid on-voltage degradation, thereby realizing an even more reliable operating method for a SiC reverse conducting IGBT.

(実施の形態3)
図6は、実施の形態3にかかるSiC逆導通IGBT半導体装置300を模式的に示す断面図である。設計耐圧が15kV級のSiC逆導通IGBTである。上記の実施の形態1の半導体装置に比べて、
標準セルの一方の端部のみにn短絡部が設けられ、この標準セル1個とこの標準セルをn短絡部が設けていない他方の端部を反転軸として反転させた反転標準セル1個とを一対としたハイブリッドセル構成にして配置し活性領域を構成している点、更にこの標準セルのpコレクタに対抗して実施の形態1と同サイズのMOSFET表面部を複数設けている点を除けばその他はほぼ同じ構造である。
本SiC逆導通IGBTは、ハイブリッドセル構成にすることにより1個のセル内のpコレクタの幅を実施の形態2のほぼ2倍の幅のコレクタとして活用し、スナップバック現象を更に大幅に抑制できることを特徴とする。
(Embodiment 3)
6 is a cross-sectional view schematically showing a SiC reverse conducting IGBT semiconductor device 300 according to the third embodiment. The SiC reverse conducting IGBT has a design breakdown voltage of 15 kV. Compared to the semiconductor device of the first embodiment,
The structure is almost the same except for the following points: an n-shorting portion is provided only at one end of the standard cell, and one such standard cell is paired with one inverted standard cell, which is inverted around the other end, where the n-shorting portion is not provided, as an inversion axis, to form a hybrid cell configuration, and further, a plurality of MOSFET surface portions of the same size as in embodiment 1 are provided opposite the p-collector of this standard cell.
The present SiC reverse conducting IGBT is characterized by its hybrid cell configuration, which allows the width of the p collector in one cell to be utilized as a collector that is approximately twice as wide as that in the second embodiment, thereby enabling even greater suppression of the snapback phenomenon.

本実施の形態では各セルにおいて上記反転軸に最近接のMOSFET表面部がそれぞれパイロットIGBTとして機能する。この部分に注目すると、標準セルのpコレクタの全幅を効率的に使用できる結果、スナップバック現象を大幅に抑制もしくは解消できる。ちなみに図6の場合、図2の解析結果からVsbを3.7Vにしスナップバック現象をほぼ解消できるWpは44ミクロンメートルであり両端のn短絡部を加えた標準セル幅は52ミクロンメートルである。一方、MOSFET表面部の幅は24ミクロンメートルであるので、集積されるMOSFET表面部を2個に増やすことができる。この結果、標準セル当たりのオン抵抗を1/2にでき大幅に低損失化できる。なお、パイロットIGBTとして機能するMOSFET表面部のIGBTがオンした後に引き続き他のMOSFET表面部のIGBTがオンするので2次スナップバックが生じるが、MOSFET表面部のIGBTのVsbが約3.7Vであり1次スナップバックがほぼ解消されているので2次スナップバックのVsbは当然3.7Vよりも小さいのでその影響は実用上問題とならないものである。 In this embodiment, the MOSFET surface portion closest to the inversion axis in each cell functions as the pilot IGBT. Focusing on this portion allows for efficient use of the full width of the p-collector of the standard cell, significantly suppressing or eliminating snapback. Incidentally, in the case of Figure 6, based on the analysis results of Figure 2, Wp, which can be used to almost completely eliminate snapback when Vsb is set to 3.7 V, is 44 micrometers, and the standard cell width including the n-shorting portions at both ends is 52 micrometers. Meanwhile, because the width of the MOSFET surface portion is 24 micrometers, the number of integrated MOSFET surface portions can be increased to two. As a result, the on-resistance per standard cell can be halved, significantly reducing loss. Furthermore, after the IGBT on the surface of the MOSFET that functions as the pilot IGBT is turned on, the IGBTs on the surface of the other MOSFETs are subsequently turned on, causing a secondary snapback. However, since the Vsb of the IGBTs on the surface of the MOSFET is approximately 3.7V and primary snapback is almost completely eliminated, the Vsb of the secondary snapback is naturally smaller than 3.7V, so the effect does not pose a practical problem.

本実施の形態3にかかるSiC逆導通IGBTはゲート電圧を印加しない状態でエミッタ電極314とコレクタ電極301間に順方向電圧を印加すると、リーク電流が流れるが良好な順阻止特性を示し、大多数の室温での耐圧すなわちなだれ降伏を示す電圧は15.5kV付近である。また、なだれ降伏前のリーク電流は室温で3×10-6A/cm以下、250℃の高温でも3.5×10-5A/cm以下と良好である。 When a forward voltage is applied between emitter electrode 314 and collector electrode 301 in the absence of a gate voltage, the SiC reverse conducting IGBT according to the third embodiment exhibits good forward blocking characteristics, although leakage current flows, and the breakdown voltage at room temperature, i.e., the voltage at which avalanche breakdown occurs, is approximately 15.5 kV. Furthermore, the leakage current before avalanche breakdown is good, being 3×10 −6 A/cm 2 or less at room temperature and 3.5×10 −5 A/cm 2 or less even at a high temperature of 250°C.

ゲート電極312に閾値電圧以上のゲート電圧たとえば20Vを印加し、ついでコレクタ-エミッタ間に順方向電圧を印加し増加してゆくと、順方向電圧に比例したMOSFET電流が流れ、ある電圧でIGBTがオンするがスナップバック現象は一次を含め高次も全く観察されず、本発明の効果が明らかである。
更に順方向電圧を増加してゆくと電流は非線形的に増加してゆく。コレクタ-エミッタ間電圧(以下Vce)が5VでのJceは145A/cmと良好である。
When a gate voltage of, for example, 20 V, which is equal to or greater than the threshold voltage is applied to the gate electrode 312, and then a forward voltage is applied between the collector and emitter and increased, a MOSFET current proportional to the forward voltage flows, and the IGBT turns on at a certain voltage, but no snapback phenomenon is observed, including primary and higher orders, demonstrating the effectiveness of the present invention.
As the forward voltage is further increased, the current increases nonlinearly. When the collector-emitter voltage (hereinafter referred to as Vce) is 5 V, Jce is a good 145 A/ cm2 .

本実施の形態になるSiC逆導通IGBTの場合は、Wnが8ミクロンメートルであり、標準セル幅は52ミクロンメートルであり、4Vと同程度のスナップバック電圧をもつSi逆導通IGBTに比べるとWpひいてはセル幅がはるかに小さい。従って、耐圧が低い3.3kVSi逆導通IGBTに比べても同一チップ面積の場合セル数を約4倍増やすことができ、その分オン抵抗を下げ低損失化ができる。また、標準セル数を目一杯増やさないで、一部を各セル内のWn幅を大きくすることに用いることにより、逆導通IGBT本来のターンオフ時のキャリアの排除機能を増加できる。この結果、ターンオフ時間を低減でき高速化できスイッチング損失も大幅に低減でき、上記のオン抵抗低減分と併せてトータルで飛躍的な低損失化ができる。 In the case of the SiC reverse conducting IGBT of this embodiment, Wn is 8 micrometers and the standard cell width is 52 micrometers, which means that Wp and therefore the cell width are much smaller than those of a Si reverse conducting IGBT with a snapback voltage of approximately 4V. Therefore, compared to a 3.3 kV Si reverse conducting IGBT with a low breakdown voltage, the number of cells can be increased by approximately four times for the same chip area, thereby reducing on-resistance and reducing loss. Furthermore, by not increasing the number of standard cells to the maximum, but instead using some of them to increase the Wn width within each cell, the reverse conducting IGBT's inherent ability to remove carriers during turn-off can be enhanced. As a result, turn-off time can be shortened, increasing speed and significantly reducing switching losses, which, combined with the above-mentioned reduction in on-resistance, results in a dramatic overall reduction in loss.

上記のパイロット機能付き標準セルの適用により標準セルの幅が大幅に小さくなり、標準セルの通電電流密度や高次スナップバック時の電流密度が大幅に高くなるため、オン電圧劣化や急速オン電圧劣化の深刻化が懸念された。そこで上記のMach-TEDREC法を適用し通電試験とオン・オフ繰り返し試験を実施し、オン電圧劣化や急速オン電圧劣化の発生状況を検討した。しかし、両試験においても劣化によるオン電圧の増大は極めて小さく、ほとんどの素子がSi逆導通IGBTと同等の0.2V以下にとどまり顕著な信頼性への悪影響は見られず、本実施の形態の効果が確認された。 The application of the above-described pilot function-equipped standard cell significantly reduces the width of the standard cell, significantly increasing the current density of the standard cell and the current density during high-order snapback, raising concerns about the worsening of on-voltage degradation and rapid on-voltage degradation. Therefore, the above-described Mach-TEDREC method was applied to conduct current tests and on/off cycle tests to examine the occurrence of on-voltage degradation and rapid on-voltage degradation. However, in both tests, the increase in on-voltage due to degradation was extremely small, with most elements remaining at 0.2 V or less, the same as for Si reverse-conducting IGBTs, and no significant adverse impact on reliability was observed, confirming the effectiveness of this embodiment.

以上に説明したように、実施の形態3にかかる半導体装置によれば、スナップバック現象を解消もしくは抑制でき、且つ更なる低損失化や高速化による大幅な高性能化ができるとともに、2次スナップバックにともなう急速オン電圧劣化も解消もしくは抑制でき、信頼性の高いSiC逆導通IGBTを実現できる。 As described above, the semiconductor device according to the third embodiment can eliminate or suppress the snapback phenomenon, and can achieve significantly improved performance through further reduction in loss and increased speed. It can also eliminate or suppress the rapid on-state voltage degradation associated with secondary snapback, thereby achieving a highly reliable SiC reverse conducting IGBT.

以上、第1から第3の実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく各種の変形応用が容易に出来ることは当業者には自明である。例えば、構造諸元の数値の変更やセル構造の拡張などにより、3kVといった低い耐圧や25kVといった更に高い耐圧のワイドギャップ半導体逆導通IGBTに展開できることは当然である。セル形状も言及したストライブ形状以外にメッシュ形状等の種々の形状が採用できることは当然である。また、言及したプレーナ型IGBT以外にトレンチ型IGBTに適用できることも当然である。また、セルの幅やn短絡部の幅およびpコレクタの幅も言及した値以外に逆導通IGBTの仕様等によって種々の値を採用できることも当然のことである。また、n型逆導通SiC-IGBTに言及したが、極性の異なるp型逆導通SiC-IGBTにも同様に展開できることは自明である。更に、逆導通SiC-IGBTについて言及したが、GaNやダイヤモンドといった他のワイドギャップ半導体を用いた逆導通IGBTにも展開できるものである。また、逆導通IGBT以外にも逆導通IGBTのようにユニポーラデバイスとバイポーラデバイスを融合したデバイス、例えばSIトランジスタとSIサイリスタの融合デバイスや蓄積型MOSFETとIGBTの融合デバイスJMGBT等にもスナップバック現象が生じるので、その対策にも本発明を展開できることは自明である。 While the present invention has been described above based on the first through third embodiments, it is clear to those skilled in the art that the present invention is not limited to these embodiments and can be easily modified and applied in various ways. For example, by changing the numerical values of the structural specifications and expanding the cell structure, it is naturally possible to develop wide-gap semiconductor reverse-conducting IGBTs with low breakdown voltages such as 3 kV or even higher breakdown voltages such as 25 kV. It is also natural that various cell shapes, such as a mesh shape, can be adopted in addition to the stripe shape mentioned above. It is also natural that the present invention can be applied to trench-type IGBTs in addition to the planar-type IGBTs mentioned above. It is also natural that various values can be adopted for the cell width, n-shorting portion width, and p-collector width, depending on the specifications of the reverse-conducting IGBT, other than the values mentioned above. Furthermore, while n-type reverse-conducting SiC-IGBTs have been mentioned, it is also natural that the present invention can be similarly developed for p-type reverse-conducting SiC-IGBTs with different polarities. Furthermore, while reverse conducting SiC-IGBTs have been mentioned, the present invention can also be applied to reverse conducting IGBTs using other wide-gap semiconductors such as GaN or diamond. Furthermore, snapback can also occur in devices other than reverse conducting IGBTs that combine unipolar and bipolar devices, such as reverse conducting IGBTs, such as devices that combine SI transistors and SI thyristors, and JMGBTs that combine accumulation-mode MOSFETs and IGBTs, so it is clear that the present invention can also be applied to counter these situations.

本発明は配電系統に直結する高耐圧インバータ等に利用でき、この場合はトランスの大幅な小型化やトランス自体を除去することもでき、システムの大幅な小型軽量化や省エネルギー化・省資源化が可能になる。また、現在の配電系統にとどまらず、次世代の系統網であるスマートグリッドへの利用が可能である。更に、半導体装置の耐圧を下げることにより、大型ファンやポンプ、圧延機といった産業用機器の制御装置や新幹線および地下鉄といった電鉄車両のインバータ、大型EVやHEVのインバータ等にも効果的に利用できる。
The present invention can be used in high-voltage inverters directly connected to power distribution systems, where it is possible to significantly reduce the size of transformers or even eliminate them entirely, thereby enabling significant system size and weight reduction and energy and resource savings. It can also be used not only in current power distribution systems, but also in smart grids, which are next-generation power grids. Furthermore, by lowering the withstand voltage of semiconductor devices, they can be effectively used in control devices for industrial equipment such as large fans, pumps, and rolling mills, inverters for electric railway vehicles such as bullet trains and subways, and inverters for large EVs and HEVs.

1、101,101,301 :コレクタ電極
2、102,202,302 :pコレクタ層
3、103,203,303 :n短絡部
4、104,204、304 :nバッファー層もしくは第1バッファー層
5.105,305 :n第2バッファー層
6、106,206,306 :nドリフト層
7、107,207,307 :pボディ領域
8、108,208,308 :nエミッタ領域
9、109,209,309 :チャネル領域
10、110,210,310:pコンタクト領域
11,111、211,311:ゲート酸化膜
12,112,212,312:ゲート電極
13、113,213,313:エミッタ電極
14、114、214,314:寄生JFET部

1, 101, 101, 301: Collector electrode 2, 102, 202, 302: p collector layer 3, 103, 203, 303: n + short circuit portion 4, 104, 204, 304: n buffer layer or first buffer layer 5, 105, 305: n second buffer layer 6, 106, 206, 306: n - drift layer 7, 107, 207, 307: p body region 8, 108, 208, 308: n + emitter region 9, 109, 209, 309: channel region 10, 110, 210, 310: p + Contact regions 11, 111, 211, 311: Gate oxide films 12, 112, 212, 312: Gate electrodes 13, 113, 213, 313: Emitter electrodes 14, 114, 214, 314: Parasitic JFET portions

Claims (6)

ワイドギャップ半導体で構成された、半導体素子の活性領域に標準セルを有する逆導通半導体装置において、前記標準セルとして、スナップバック現象のスナップバック電圧Vsbと前記標準セルのコレクタの幅Wpとを関係づけるグラフもしくは前記グラフを導出する解析法を用いて、スナップバック現象が存在する前記逆導通半導体装置を用いた回路の寄生リアクトルにより急峻な跳ね上がり電圧(L・dI/dt)が生じこれに起因して大きな過度現象が誘発されても素子破壊を生じないように、Vsbが抑制された所定のVsbに略等しくなるように導出したコレクタ幅Wpのコレクタを具備した標準セルを、パイロット機能付標準セルとし、前記標準セルを前記パイロット機能付標準セルのみで構成したことを特徴とする逆導通半導体装置。 a reverse conducting semiconductor device comprising a standard cell in an active region of a semiconductor element, the standard cell being made of a wide-gap semiconductor, the standard cell having a collector with a collector width Wp derived using a graph relating the snapback voltage Vsb of the snapback phenomenon to the collector width Wp of the standard cell or an analytical method for deriving the graph so that Vsb is approximately equal to a predetermined suppressed Vsb so as to prevent element breakdown even when a steep jump voltage (L·dI/dt) is generated by a parasitic reactor in a circuit using the reverse conducting semiconductor device in which the snapback phenomenon occurs and a large transient phenomenon is induced due to this , and the reverse conducting semiconductor device is characterized in that the standard cell is composed solely of the pilot function-equipped standard cell. 〔請求項1〕に記載された逆導通半導体装置において、前記逆導通半導体装置が前記ワイドギャップ半導体で構成された逆導通IGBTであり、前記逆導通IGBTの活性領域の前記標準セルを前記パイロット機能付標準セルであるパイロット機能付IGBT標準セルのみで構成したことを特徴とする逆導通半導体装置。 The reverse conducting semiconductor device described in [Claim 1] is a reverse conducting IGBT constructed from the wide-gap semiconductor, and the standard cells in the active region of the reverse conducting IGBT are constructed solely from pilot function-equipped IGBT standard cells, which are the pilot function-equipped standard cells. 〔請求項2〕に記載された逆導通半導体装置において、前記逆導通半導体装置の前記活性領域を前記パイロット機能付IGBT標準セルのみで構成し、前記パイロット機能付IGBT標準セルはバッファー層を有し、前記バッファー層が一重構成、もしくは2重以上の多重構成であることを特徴とする逆導通半導体装置。 In the reverse conducting semiconductor device described in [Claim 2], the active region of the reverse conducting semiconductor device is composed only of the pilot function-equipped IGBT standard cell, the pilot function-equipped IGBT standard cell has a buffer layer, and the buffer layer has a single structure or a multiple structure of two or more layers. 〔請求項3〕に記載された逆導通半導体装置において、前記逆導通IGBTの前記パイロット機能付IGBT標準セル内には複数のMOSFET表面部が設けられており、且つ前記パイロット機能付IGBT標準セルの表面に対抗する裏面の中心部には前記バッファー層と前記逆導通IGBTのコレクタの電極とを接続する短絡部が設けられており、前記短絡部の両端には各々略1/2の幅の前記コレクタが設けられていることを特徴とする逆導通半導体装置。 4. The reverse conducting semiconductor device according to claim 3, wherein a plurality of MOSFET surface portions are provided within the pilot function-equipped IGBT standard cell of the reverse conducting IGBT, and a short circuit portion connecting the buffer layer and a collector electrode of the reverse conducting IGBT is provided at approximately the center of a back surface opposite to the front surface of the pilot function-equipped IGBT standard cell, and the collector having approximately half the width is provided on both ends of the short circuit portion. 〔請求項2〕から〔請求項4〕のいづれかに記載された逆導通半導体装置において、MOSFET部の多数キャリア電流の通電により、内蔵pn接合ダイオードの温度を前記逆導通半導体装置の母材であるワイドギャップ半導体に特有の劣化抑制温度以上に上昇させた後に所定の電気的諸動作をさせることを特徴とする逆導通半導体装置。 A reverse conducting semiconductor device according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the temperature of the built-in pn junction diode is raised above the degradation suppression temperature specific to the wide-gap semiconductor that is the base material of the reverse conducting semiconductor device by passing a majority carrier current through the MOSFET section, and then the device performs predetermined electrical operations. ワイドギャップ半導体で構成された、半導体素子の活性領域に標準セルを有する逆導通半導体装置において、前記標準セルとして、スナップバック現象のスナップバック電圧Vsbと前記標準セルのコレクタの幅Wpとを関係づけるグラフもしくは前記グラフを導出する解析法を用いて、スナップバック現象が存在する前記逆導通半導体装置を用いた回路の寄生リアクトルにより急峻な跳ね上がり電圧(L・dI/dt)が生じこれに起因して大きな過度現象が誘発されても素子破壊を生じないように、Vsbが抑制された所定のVsbに略等しくなるように導出したコレクタ幅Wpのコレクタを具備した標準セルを、パイロット機能付標準セルとし、前記標準セルを前記パイロット機能付標準セルのみで構成した逆導通半導体装置であり、MOSFET部の多数キャリア電流の通電により、内蔵pn接合ダイオードの温度を前記逆導通半導体装置の母材であるワイドギャップ半導体に特有の劣化抑制温度以上に上昇させた後に所定の電気的諸動作をさせることを特徴とする逆導通半導体装置。
a reverse conducting semiconductor device comprising a standard cell in an active region of a semiconductor element , the standard cell being made of a wide-gap semiconductor; the standard cell having a collector with a collector width Wp derived using a graph relating the snapback voltage Vsb of the snapback phenomenon to the collector width Wp of the standard cell or an analytical method for deriving the graph so that Vsb is approximately equal to a predetermined suppressed Vsb so as to prevent element breakdown even when a steep jump voltage (L·dI/dt) is generated by a parasitic reactor in a circuit using the reverse conducting semiconductor device in which the snapback phenomenon occurs and a large transient phenomenon is induced as a result; the pilot function-equipped standard cell is a reverse conducting semiconductor device composed only of the pilot function-equipped standard cell; and the reverse conducting semiconductor device is characterized in that the temperature of a built-in pn junction diode is raised to a degradation suppression temperature specific to the wide-gap semiconductor that is the base material of the reverse conducting semiconductor device by passing a majority carrier current through a MOSFET section, and then the reverse conducting semiconductor device performs predetermined electrical operations.
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