JP2002100770A - Insulated gate type semiconductor device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】最大遮断電流密度を大として短絡事故時の素子
の耐量を維持し、かつ、オン抵抗がサイリスタ並に低い
絶縁ゲート型半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の絶縁ゲート型半導体装置は、N-
ベース層1と、P型ベース層2と、このP型ベース層2
を貫通した後さらにN-ベース層1との界面から深さD
に達するように形成されたトレンチ3と、このトレンチ
3の内部に、ゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート
電極4を具備する。トレンチ3によりストライプ形に分
離されたP型ベース層2の長手方向に沿って複数のN型
エミッタ層5をウエル状に形成し、P型ベース層2の表
面及びN型エミッタ層5の表面に対して共に電気的に接
続するようにカソード電極を形成する。これを基本構成
とすれば、トレンチ3の深さDを大としてN-ベース層
1の伝導度変調を強めることでオン抵抗を低減し、かつ
最大遮断電流密度を大とすることができる。
(57) [Problem] To provide an insulated gate semiconductor device in which the maximum breaking current density is increased to maintain the resistance of the element in the event of a short circuit and the ON resistance is as low as a thyristor. An insulated gate semiconductor device of the present invention, N -
Base layer 1, P-type base layer 2, and P-type base layer 2
Through the N - base layer 1 and a depth D
And a gate electrode 4 embedded in the trench 3 via a gate insulating film. A plurality of N-type emitter layers 5 are formed in a well shape along the longitudinal direction of the P-type base layer 2 separated into stripes by the trenches 3, and are formed on the surface of the P-type base layer 2 and the surface of the N-type emitter layer 5. A cathode electrode is formed so as to be electrically connected together. With this basic configuration, the ON resistance can be reduced and the maximum breaking current density can be increased by increasing the depth D of the trench 3 and increasing the conductivity modulation of the N − base layer 1.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は絶縁ゲート型半導体
装置に係り、特に高耐圧の電力用絶縁ゲート型半導体装
置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an insulated gate semiconductor device and, more particularly, to a high voltage power insulated gate semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、電力用半導体装置の1つとして、
IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)と呼ばれ
るものがある。図24にトレンチゲート型IGBTの断
面斜視図を示す。2. Description of the Related Art Conventionally, as one of power semiconductor devices,
There is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). FIG. 24 is a sectional perspective view of a trench gate type IGBT.
【0003】図24に示す従来のトレンチゲート型IG
BTは、低不純物濃度の高抵抗N型層(以下N-層と呼
ぶ)からなるN-ベース層1と、P型層からなるP型ベ
ース層2と、このP型ベース層2を貫通してN-ベース
層1に達するように深さ方向に形成されたトレンチ3
と、このトレンチ3の内部に、ゲート絶縁膜を介して埋
め込むように形成されたゲート電極4を具備する。A conventional trench gate type IG shown in FIG.
The BT has an N − base layer 1 made of a high resistance N-type layer (hereinafter referred to as an N − layer) having a low impurity concentration, a P-type base layer 2 made of a P-type layer, and penetrates the P-type base layer 2. Trench 3 formed in the depth direction to reach N - base layer 1
And a gate electrode 4 formed so as to be embedded in the trench 3 via a gate insulating film.
【0004】また、トレンチ3の開口部の長手方向に沿
って開口部の両側の縁に形成されたN型拡散層からなる
N型エミッタ層5と、これらのP型ベース層の表面及び
N型エミッタ層5の表面に対して共に電気的に接続する
ように形成された第1の主電極(図示せず)を備える。
さらに、N-ベース層1の下部には、高不純物濃度のN
型層(以下N+層と呼ぶ)からなるN+バッファ層7と、
P型層からなるP型エミッタ層8と、このP型エミッタ
層8の下部に電気的に接続するように第2の主電極(図
示せず)を設ける。Further, an N-type emitter layer 5 composed of N-type diffusion layers formed on both sides of the opening along the longitudinal direction of the opening of the trench 3, a surface of these P-type base layers and an N-type A first main electrode (not shown) is formed so as to be electrically connected to the surface of the emitter layer 5 together.
Further, N - the lower portion of the base layer 1, a high impurity concentration N
An N + buffer layer 7 comprising a mold layer (hereinafter referred to as an N + layer);
A P-type emitter layer 8 made of a P-type layer and a second main electrode (not shown) are provided below the P-type emitter layer 8 so as to be electrically connected.
【0005】後に本発明の絶縁ゲート型半導体装置と従
来のIGBTとの構造上の対比を明確にするために、図
24のIGBTのA−A断面を図25に示す。なお、図
24のA−A断面は、図の左上に示すX−Z面に沿う断
面を示すものである。In order to clarify the structural comparison between the insulated gate semiconductor device of the present invention and the conventional IGBT later, FIG. 25 shows an AA cross section of the IGBT of FIG. The AA cross section in FIG. 24 is a cross section along the XZ plane shown in the upper left of the drawing.
【0006】図25に示す従来のIGBTの断面には、
N-ベース層1と、P型ベース層2と、第1の主電極6
と、N+バッファ層7と、P型エミッタ層8と、第2の
主電極9が示されている。なお、図22のIGBTの断
面には図20のN型エミッタ層5は現れていない。The cross section of the conventional IGBT shown in FIG.
N − base layer 1, P-type base layer 2, first main electrode 6
, An N + buffer layer 7, a P-type emitter layer 8, and a second main electrode 9 are shown. Note that the N-type emitter layer 5 of FIG. 20 does not appear in the cross section of the IGBT of FIG.
【0007】このように、IGBTは、下部から順にP
型エミッタ層(P型エミッタ層8)、N-ベース層(N-
ベース層1及びN+バッファ層7)、P型ベース層(P
型ベース層2)、N型エミッタ層(N型エミッタ層5)
の4層PNPN構造からなるサイリスタ構造を基本とし
ている。[0007] As described above, the IGBT is composed of P
Type emitter layer (P-type emitter layer 8), N - base layer (N -
Base layer 1 and N + buffer layer 7), P-type base layer (P
Base layer 2), N-type emitter layer (N-type emitter layer 5)
Thyristor structure composed of a four-layer PNPN structure.
【0008】しかし、図24に示すIGBTでは、N型
エミッタ層5とP型ベース層2とが第1の主電極6で電
気的に接続され、また、N型エミッタ層5からN-ベース
層1への電子の注入が、ゲート絶縁膜を介してトレンチ
3に埋め込まれたゲート電極4によりトレンチ3の両側
面に誘起されるNチャネルを介して行われるため、上記
サイリスタ構造のオン状態において、第1、第2主電極
間の電圧が急激に低下するラッチアップと呼ばれる現象
を生じないように構成されている。However, in the IGBT shown in FIG. 24, the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2 are electrically connected by the first main electrode 6, and the N-type emitter layer 5 is connected to the N − base layer. Since the injection of electrons into 1 is performed through N-channels induced on both side surfaces of the trench 3 by the gate electrode 4 embedded in the trench 3 via the gate insulating film, in the ON state of the thyristor structure, The configuration is such that a phenomenon called latch-up in which the voltage between the first and second main electrodes sharply decreases does not occur.
【0009】このため、IGBTはGTO(Gate Turn-O
ff thyristor)等の各種のサイリスタに比べてオン抵抗
は高いが、N型エミッタ5をソース、N-ベース層1を
ドレイン、トレンチ3の内部にゲート絶縁膜を介して埋
め込まれた電極4をゲートとする絶縁ゲート電界効果ト
ランジスタ特有の電流飽和特性を利用するため最大遮断
電流密度が大きく、またラッチアップを生じないため、
短絡事故による破壊からIGBT素子を保護することが
可能である。For this reason, the IGBT is a GTO (Gate Turn-O
ff thyristor), the N-type emitter 5 is a source, the N − base layer 1 is a drain, and the electrode 4 embedded in the trench 3 via a gate insulating film is a gate. The maximum blocking current density is large to utilize the current saturation characteristics peculiar to the insulated gate field effect transistor, and no latch-up occurs.
It is possible to protect the IGBT element from destruction due to a short circuit accident.
【0010】一方、サイリスタは、上記のようにオン状
態でPNPN構造がラッチアップするためオン電圧(オ
ン抵抗)が極めて低い反面、最大遮断電流密度が小さい
という欠点がある。また、サイリスタがラッチアップす
ればサイリスタの制御が不可能になることから、短絡事
故による破壊に対してサイリスタ自身の保護効果を期待
することができない。On the other hand, the thyristor has an extremely low on-voltage (on-resistance) because the PNPN structure is latched up in the on-state as described above, but has a disadvantage that the maximum breaking current density is small. Further, if the thyristor latches up, it becomes impossible to control the thyristor, so that the thyristor itself cannot be expected to have a protective effect against destruction due to a short circuit accident.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
サイリスタは、オン抵抗は低いが最大遮断電流が小さ
く、ラッチアップを生じるので短絡事故で破壊し易いと
いう問題があった。また、従来のトレンチ型IGBTは
最大遮断電流密度は大きいがオン抵抗が高いという問題
があった。As described above, the conventional thyristor has a problem that the thyristor has a low on-resistance but a small maximum breaking current, and is liable to be broken by a short-circuit accident since latch-up occurs. Further, the conventional trench IGBT has a problem that the maximum breaking current density is large but the on-resistance is high.
【0012】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、トレンチ型IGBTと同等の大きな最大遮断
電流密度を有することで短絡事故時の素子の耐量を維持
しつつ、オン抵抗がサイリスタ並に低い絶縁ゲート型半
導体装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has a large maximum breaking current density equivalent to that of a trench type IGBT, thereby maintaining the resistance of the element in the event of a short circuit and reducing the on-resistance of the thyristor. It is an object of the present invention to provide an insulated gate semiconductor device having a relatively low value.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明の絶縁ゲート型半
導体記置は、N-層からなる第1導電型ベース層と、P
型層からなる第2導電型ベース層と、このP型層の表面
からP型層を貫通した後さらに前記P型層とN-層との
界面からの深さDに達するように形成されたトレンチ
(溝)と、この溝の内部にゲート絶縁膜を介して埋め込
まれたゲート電極4とを具備する。前記溝によりストラ
イプ形に分離された前記P型層からなる第2導電型ベー
ス層の長手方向に沿って、少なくとも一方の端が前記溝
に接する複数のN型層からなる第1導電型エミッタ層を
ウエル状に形成し、第2導電型ベース層の表面及び第1
導電型エミッタ層の表面に対して共に電気的に接続する
ようにカソードを成す第1の主電極を形成することを特
徴とする。Means for Solving the Problems] insulated gate semiconductor Symbol location of the present invention, N - a first conductivity type base layer comprising a layer, P
A second conductivity type base layer formed of a mold layer, and formed so as to reach a depth D from an interface between the P-type layer and the N − layer after penetrating the P-type layer from the surface of the P-type layer. The semiconductor device includes a trench (groove) and a gate electrode 4 embedded in the trench via a gate insulating film. A first conductivity type emitter layer including a plurality of N type layers at least one end of which is in contact with the groove along a longitudinal direction of a second conductivity type base layer formed of the P type layer separated by the groove in a stripe shape. Are formed in a well shape, and the surface of the second conductive type base layer and the first conductive type base layer are formed.
A first main electrode serving as a cathode is formed so as to be electrically connected to the surface of the conductive type emitter layer.
【0014】これを基本構成とすれば、前記界面からの
溝の深さDを大として第1導電型ベース層の伝導度変調
を強めることでオン抵抗を低減し、かつ前記複数の微細
に形成された第1導電型エミッタ層を電子注入のソース
として用いることにより最大遮断電流密度を大とするこ
とができる。According to the basic structure, the on-resistance is reduced by increasing the depth D of the groove from the interface to increase the conductivity modulation of the base layer of the first conductivity type. By using the emitter layer of the first conductivity type as a source for electron injection, the maximum cut-off current density can be increased.
【0015】具体的には本発明の絶縁ゲート型半導体装
置は、高抵抗の第1導電型ベース層と、この第1導電型
ベース層の表面に形成された第2導電型ベース層と、こ
の第2導電型ベース層の表面に選択的に形成された複数
の第1導電型エミッタ層と、この第2導電型ベース層の
表面から前記第2導電型ベース層を貫通し、前記第1導
電型ベース層内部の一定の深さに達するように形成され
た溝と、ゲート絶縁膜を介して前記溝を埋め込むように
形成されたゲート電極と、前記第2導電型ベース層の表
面及び前記第1導電型エミッタ層の表面に共に電気的に
接続するように形成された第1の主電極と、前記第1導
電型ベース層の下面に形成された第2導電型エミッタ層
と、この第2導電型エミッタ層の下面に形成された第2
の主電極とを具備し、前記第2導電型ベース層は長手方
向に平行に形成された2個の前記溝により画定されたス
トライプ形の領域を成し、前記複数の第1導電型エミッ
タ層は、その両端が2個の前記溝にそれぞれ接するよう
に形成され、かつ、前記溝の第1導電型ベース層内部の
一定の深さをD(m)、前記ストライプ形の第2導電型
ベース層の幅をW(m)、前記第2導電型ベース層の表
面に沿って前記ストライプ形の長手方向に直角な方向の
前記第2導電型ベース層の繰り返し単位長をC(m)、
前記第2導電型ベース層のシート抵抗をRp(Ω/squar
e)、前記第1導電型エミッタ層の前記ストライプ形の
長手方向の幅をd1(m)とするとき、(Rp×d1)2
≦2×10-7、W/(C×D)≦1×105の条件が成
り立つことを特徴とする。Specifically, the insulated gate semiconductor device of the present invention comprises a high-resistance first conductivity type base layer, a second conductivity type base layer formed on the surface of the first conductivity type base layer, A plurality of first conductive type emitter layers selectively formed on a surface of the second conductive type base layer; and a first conductive type base layer penetrating from the surface of the second conductive type base layer to the second conductive type base layer. A trench formed to reach a certain depth inside the mold base layer, a gate electrode formed to fill the trench through a gate insulating film, a surface of the second conductivity type base layer and the A first main electrode formed so as to be electrically connected to a surface of the one conductivity type emitter layer, a second conductivity type emitter layer formed on a lower surface of the first conductivity type base layer; A second conductive layer formed on the lower surface of the conductive type emitter layer;
The second conductive type base layer forms a stripe-shaped region defined by the two grooves formed in parallel in the longitudinal direction, and the plurality of first conductive type emitter layers Is formed so that both ends thereof are respectively in contact with the two grooves, and a predetermined depth of the groove inside the first conductivity type base layer is D (m), and the stripe-shaped second conductivity type base is The width of the layer is W (m), the repeating unit length of the second conductivity type base layer in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the stripe along the surface of the second conductivity type base layer is C (m),
The sheet resistance of the second conductivity type base layer is Rp (Ω / square).
e) When the width in the longitudinal direction of the stripe shape of the first conductivity type emitter layer is d1 (m), (Rp × d1) 2
≦ 2 × 10 −7 , W / (C × D) ≦ 1 × 10 5
【0016】また、前記絶縁ゲート型半導体装置におい
て、前記複数の第1導電型エミッタ層は、その片端が2
個の前記溝にそれぞれ接するように形成されることを特
徴とする。In the insulated gate semiconductor device, one end of each of the plurality of first conductivity type emitter layers may be two.
The groove is formed so as to be in contact with each of the grooves.
【0017】好ましくは、前記ストライプ形の第2導電
型ベース層は、長手方向に平行に形成された第1の2個
の前記溝と、前記長手方向と直角な方向に平行に形成さ
れた第2の2個の前記溝により周辺が画定された領域を
前記ストライプ形の長手方向に沿って繰り返し配置する
ことにより形成され、前記複数の第1のエミッタ層は、
その両端が前記第1の2個の溝にそれぞれ接するように
形成され、前記両端と直角な片端が前記第2の2個の溝
のいずれか1つにそれぞれ接するように形成されること
を特徴とする。Preferably, the stripe-shaped second conductivity type base layer has a first two grooves formed parallel to a longitudinal direction and a second groove formed parallel to a direction perpendicular to the longitudinal direction. 2 is formed by repeatedly arranging a region whose periphery is defined by the two grooves along the longitudinal direction of the stripe shape, wherein the plurality of first emitter layers are
The two ends are formed so as to be in contact with the first two grooves, respectively, and one end perpendicular to the both ends is formed so as to be in contact with any one of the second two grooves. And
【0018】また、好ましくは、前記ストライプ形の第
2導電型ベース層は、この第2導電型ベース層の表面に
沿って前記ストライプ形の長手方向と直角方向に隣接す
る少なくとも1つの前記第2導電型ベース層のみからな
る前記ストライプ形の領域を備え、前記繰り返し単位長
Cには、前記少なくとも1つの前記第2導電型ベース層
のみからなる前記ストライプ形の領域の幅が含まれるこ
とを特徴とする。さらに好ましくは、前記第2導電型ベ
ース層は下部に隣接して第1導電型バリア層を具備する
ことを特徴とする。Preferably, the second conductive type base layer has at least one second conductive type base layer adjacent to the second conductive type base layer along a surface of the second conductive type base layer in a direction perpendicular to a longitudinal direction of the stripe shape. The semiconductor device includes the stripe-shaped region including only the conductive base layer, and the repeating unit length C includes a width of the stripe-shaped region including only the at least one second conductive base layer. And More preferably, the second conductivity type base layer includes a first conductivity type barrier layer adjacent to a lower portion thereof.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0020】図1は、本発明の第1の実施の形態に係る
絶縁ゲート型半導体装置の構造を示す断面斜視図であ
る。図1に示す半導体装置は、N-ベース層1と、P型
ベース層2と、このP型ベース層2を貫通した後さらに
N-ベース層1との界面からの深さDに達するように深
さ方向に形成されたトレンチ3と、このトレンチ3の内
部に、ゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極4
を具備する。FIG. 1 is a sectional perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor device shown in FIG. 1 has an N − base layer 1, a P-type base layer 2, and a depth D from the interface with the N − base layer 1 after penetrating the P-type base layer 2. A trench 3 formed in the depth direction, and a gate electrode 4 embedded in the trench 3 via a gate insulating film.
Is provided.
【0021】また、X方向に長いトレンチ3により幅W
のストライプ形に分離されたP型ベース層2には、X方
向に沿って間隔d、幅d1の複数のN型エミッタ層5が
ウエル状に形成される。P型ベース層2の表面及びN型
エミッタ層5の表面に対して共に電気的に接続するよう
に第1の主電極(図示せず)が形成される。Further, the width W is determined by the trench 3 which is long in the X direction.
A plurality of N-type emitter layers 5 having an interval d and a width d1 along the X direction are formed in a well shape on the P-type base layer 2 separated into stripes. A first main electrode (not shown) is formed so as to be electrically connected to both the surface of P-type base layer 2 and the surface of N-type emitter layer 5.
【0022】ここで、N型エミッタ層5はトレンチ3の
側面に沿って形成される電界効果トランジスタのソー
ス、N-ベース層1はドレイン、ゲート電極4はトレン
チ3の側面に誘起されるNチャネルを制御するゲートと
して動作する。Here, the N-type emitter layer 5 is the source of the field effect transistor formed along the side surface of the trench 3, the N - base layer 1 is the drain, and the gate electrode 4 is the N-channel induced on the side surface of the trench 3. Operates as a gate that controls
【0023】図1に示す絶縁ゲート型半導体装置は、複
数のN型エミッタ層5が形成されたストライプ形のP型
ベース層2に隣接して、N型エミッタ層5が存在しない
少なくとも1個のP型ベース層2(請求項4において第
2導電型ベース層のみからなるストライプ形の領域と呼
ぶ)が形成される。図1にはその1例として、N型エミ
ッタ層5が形成されたP型ベース層2に隣接して、N型
エミッタ層5が存在しない3個のP型ベース層2が形成
される場合が示されている。The insulated gate semiconductor device shown in FIG. 1 has at least one N-type emitter layer 5 adjacent to a stripe-shaped P-type base layer 2 on which a plurality of N-type emitter layers 5 are formed. A P-type base layer 2 (referred to in claim 4 as a stripe-shaped region consisting of only the second conductivity type base layer) is formed. FIG. 1 shows an example in which three P-type base layers 2 without the N-type emitter layer 5 are formed adjacent to the P-type base layer 2 on which the N-type emitter layer 5 is formed. It is shown.
【0024】N型エミッタ層が存在しない3個のP型ベ
ース層2の間は、トレンチ3a及びゲート絶縁膜を介し
てトレンチ3aに埋め込まれたゲート電極4aにより互
いに分離される。このように、トレンチ3a及びゲート
電極4aは単に素子分離のために用いられ、電界効果ト
ランジスタとしての役割を果たすトレンチ3a及びゲー
ト電極4と異なるので、以下トレンチ3aをダミートレ
ンチ、ゲート電極4aをダミーゲートと呼ぶ。The three P-type base layers 2 having no N-type emitter layer are separated from each other by a gate electrode 4a embedded in the trench 3a via a trench 3a and a gate insulating film. As described above, the trench 3a and the gate electrode 4a are used merely for element isolation, and are different from the trench 3a and the gate electrode 4 serving as a field effect transistor. Call it a gate.
【0025】第1の実施の形態の絶縁ゲート型半導体装
置は、ストライプ形のP型ベース層2において、複数の
N型エミッタ層5を含むものと、これに隣接する少なく
とも1個のN型エミッタ層を含まないものとを繰り返し
の単位としてY方向に拡張される構造を備える。以下こ
のストライプ形構造の繰り返しの単位をセルと呼び、図
1に示す繰り返し単位の長さをセルサイズCと呼ぶ。The insulated gate semiconductor device of the first embodiment includes a stripe-shaped P-type base layer 2 including a plurality of N-type emitter layers 5 and at least one N-type emitter layer adjacent thereto. A structure that is expanded in the Y-direction by using a layer that does not include a layer as a repeating unit is provided. Hereinafter, the repeating unit of the stripe structure is called a cell, and the length of the repeating unit shown in FIG. 1 is called a cell size C.
【0026】なお、このストライプ形構造の上を覆うよ
うに形成される第1の主電極は、複数のN型エミッタ層
5を含むストライプに対しては、N型エミッタ層5の表
面とP型ベース層2の表面に共に電気的に接続するよう
に形成されるが、N型エミッタ層5を含まないストライ
プの表面は絶縁膜で覆われるので、これらのストライプ
とは電気的に絶縁される。その他の構造は、先に図2
4、図25を用いて説明した従来のIGBTと同様であ
るため、同一部分に同一の参照番号を付して説明を省略
する。The first main electrode formed so as to cover the stripe-shaped structure has a structure in which the surface of the N-type emitter layer 5 and the P-type Although formed so as to be electrically connected to the surface of the base layer 2, the surface of the stripe not including the N-type emitter layer 5 is covered with an insulating film, and thus is electrically insulated from these stripes. For other structures,
4, since it is the same as the conventional IGBT described with reference to FIG. 25, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
【0027】図1の絶縁ゲート型半導体装置のA−A断
面を図2に示す。なお、図2のA−A断面は図の左上に
示すX−Z面に沿う断面を示している。図2に示す第1
の実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置の断面には、N
-ベース層1と、P型ベース層2と、N型エミッタ層5
と、第1の主電極6が示されている。FIG. 2 shows an AA cross section of the insulated gate semiconductor device of FIG. In addition, the AA cross section of FIG. 2 shows a cross section along the XZ plane shown in the upper left of the drawing. The first shown in FIG.
The cross section of the insulated gate type semiconductor device of
A base layer 1, a P-type base layer 2, and an N-type emitter layer 5
And the first main electrode 6 are shown.
【0028】N型エミッタ層5は、P型ベース層2の表
面から選択的にウエル状に形成され、その上に、N型エ
ミッタ層5及びP型ベース層2に共に電気的に接続する
ように、第1の主電極6が形成される。なお、図1、図
2に示す第1の実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置
は、図の上部における第1の主電極6をカソード側(負
の側)とし、図の下部における第2の主電極9をアノー
ド側(正の側)として動作する。The N-type emitter layer 5 is selectively formed in a well shape from the surface of the P-type base layer 2, and further, is electrically connected to the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2. Then, a first main electrode 6 is formed. In the insulated gate semiconductor device of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the first main electrode 6 in the upper part of the figure is on the cathode side (negative side) and the second main electrode 6 in the lower part of the figure is It operates with the main electrode 9 as the anode side (positive side).
【0029】図2に示す断面構造がトレンチ3に接する
側面部分で、ゲート絶縁膜を介してトレンチ3に埋め込
まれたゲート電極4によりNチャネルが誘起され、複数
のN型エミッタ層5をソース、N-ベース層1を共通ド
レインとする並列接続された複数の絶縁ゲート電界効果
トランジスタが第1主電極6とN-ベース層1との間に
形成され、Nチャネルを介してN-ベース層1への電子
注入が行われる。その他の構造は、図25を用いて説明
したIGBTの断面と同様であるため、同一部分に同一
の参照番号を付して説明を省略する。In the cross-sectional structure shown in FIG. 2, an N-channel is induced by a gate electrode 4 buried in the trench 3 via a gate insulating film at a side surface portion in contact with the trench 3, and a plurality of N-type emitter layers 5 N - plurality of insulated gate field effect transistor connected in parallel to the base layer 1 and the common drain first main electrode 6 and the N - is formed between the base layer 1, through the N-channel N - base layer 1 Is performed. Other structures are the same as those of the cross section of the IGBT described with reference to FIG. 25, and thus the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
【0030】このように構成された第1の実施の形態に
係る絶縁ゲート型半導体装置の動作は次の通りである。
絶縁ゲート型半導体装置を導通状態(オン状態)にする
には、ゲート電極4の電位を第1の主電極6のカソード
電位に対して正とし、トレンチ3に接するP型ベース層
2の界面にNチャネルを誘起してN型エミッタ層5から
N-ベース層1に電子を注入する。The operation of the insulated gate semiconductor device according to the first embodiment thus configured is as follows.
To make the insulated gate semiconductor device conductive (on state), the potential of the gate electrode 4 is made positive with respect to the cathode potential of the first main electrode 6 and the potential of the P-type base layer 2 in contact with the trench 3 is increased. An N channel is induced to inject electrons from the N-type emitter layer 5 into the N − base layer 1.
【0031】このとき、電子の注入に見合う量の正孔が
P型エミッタ層8からN-ベース層1に注入される。こ
のような電子・正孔の注入により、N-ベース層1に伝
導度変調を生じて、N-ベース層の抵抗が低くなり絶縁
ゲート型半導体装置はオン状態になる。At this time, holes corresponding to the amount of injected electrons are injected from the P-type emitter layer 8 into the N − base layer 1. Such injection of electrons and holes causes conductivity modulation in the N − base layer 1, lowering the resistance of the N − base layer and turning on the insulated gate semiconductor device.
【0032】図1に示す絶縁ゲート型半導体装置におい
ては、従来のトレンチゲート型IGBTに比べてN-ベ
ース層1におけるトレンチ3の深さDを大として、P型
エミッタ層8からN-ベース層1に注入された正孔の流
れが、両側をトレンチ3とゲート電極4で囲まれたN-
ベース層1の領域で狭められ、P型ベース層に排出され
難くなるように構成されている。このため、P型エミッ
タ層8から注入された正孔はN-ベース層1に蓄積され
る。In the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 1, the depth D of the trench 3 in the N − base layer 1 is made larger than that of the conventional trench gate IGBT so that the P − emitter layer 8 and the N − base layer flow of injected holes to 1, surrounded on both sides by trenches 3 and the gate electrode 4 N -
It is configured such that it is narrowed in the region of the base layer 1 and hardly discharged to the P-type base layer. Therefore, holes injected from P-type emitter layer 8 are accumulated in N − base layer 1.
【0033】この蓄積された正孔に見合う電子がさらに
N型エミッタ層5からN-ベース層1に注入されること
により、N-ベース層1の伝導度変調が強められ、絶縁
ゲート型半導体装置のオン抵抗を効果的に低減すること
ができる。このような、N-ベース層1のエミッタ側に
蓄積された正孔によるN型エミッタ層5からの電子注入
の増加を、以下、IE効果(Injection Enhancement Eff
ect)と呼ぶことにする。Electrons corresponding to the accumulated holes are further injected from the N-type emitter layer 5 into the N - base layer 1, whereby the conductivity modulation of the N - base layer 1 is enhanced, and the insulated gate semiconductor device is formed. Can be effectively reduced. Such an increase in electron injection from the N-type emitter layer 5 due to holes accumulated on the emitter side of the N − base layer 1 will be referred to as an IE effect (Injection Enhancement Efficient).
ect).
【0034】先に述べたように、図1に示す絶縁ゲート
型半導体装置のストライプ形のP型ベース層2におい
て、N型エミッタ層5を含まないものは第1の主電極6
と電気的に接続されないので、主電極6に正孔を排出す
ることができない。従って、ダミートレンチ3aとダミ
ーゲート4aにより分離されたP型ベース層2は、両側
をトレンチ3とゲート電極4で囲まれたN-ベース層1
の領域と同様にIE効果に寄与し、素子のオン抵抗を低
減することになる。As described above, the striped P-type base layer 2 of the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 1 which does not include the N-type emitter layer 5 is the first main electrode 6.
The holes cannot be discharged to the main electrode 6 because they are not electrically connected to the main electrode 6. Therefore, the P-type base layer 2 separated by the dummy trenches 3a and the dummy gates 4a has the N − base layer 1 surrounded on both sides by the trenches 3 and the gate electrodes 4.
Contributes to the IE effect as in the case of the region, and reduces the on-resistance of the element.
【0035】一方、本発明の絶縁ゲート型半導体装置を
遮断状態(オフ状態)にするためには、第1の主電極
(カソード電極)6に対してゲート電極4に0V又は負
の電圧を与えて、P型ベース層2に形成されていたNチ
ャネルを消滅させる。このようにしてN型エミッタ層5
(ソース)からN-ベース層1(ドレイン)への電子の
注入が停止するので、これに見合うP型エミッタ層8か
らN-ベース層1への正孔の注入も停止する。その結
果、N-ベース層での伝導度変調が消滅し、N-ベース層
1の抵抗が高くなって本発明の絶縁ゲート型半導体装置
はオフ状態になる。On the other hand, in order to turn off the insulated gate semiconductor device of the present invention (off state), 0 V or a negative voltage is applied to the gate electrode 4 with respect to the first main electrode (cathode electrode) 6. Thus, the N channel formed on the P-type base layer 2 is extinguished. Thus, the N-type emitter layer 5
Since the injection of electrons from the (source) to the N − base layer 1 (drain) is stopped, the injection of holes from the P-type emitter layer 8 to the N − base layer 1 is also stopped. As a result, N - disappears conductivity modulation in the base layer, N - insulated gate semiconductor device of the present invention the resistive base layer 1 becomes high is turned off.
【0036】このように、第1の実施の形態に係る絶縁
ゲート型半導体装置は、オン電流が電流飽和特性を示す
電界効果トランジスタのゲートで制御され、IE効果に
基づく伝導度変調を用いて素子の直列抵抗を成すN-ベ
ース層1の抵抗を最小化し、N型エミッタ層5とP型ベ
ース層とを第1の主電極6で接続してラッチアップを回
避することにより、従来のGTOやサイリスタに比べて
最大遮断電流密度が大きく、オン抵抗はGTOやサイリ
スタ並に低く、かつ、高電圧おける短絡耐量に優れた絶
縁ゲート型半導体装置を提供することができる。As described above, in the insulated gate semiconductor device according to the first embodiment, the on-current is controlled by the gate of the field effect transistor exhibiting the current saturation characteristic, and the element is controlled by using the conductivity modulation based on the IE effect. By minimizing the resistance of the N − base layer 1 forming the series resistance of the above and connecting the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer with the first main electrode 6 to avoid latch-up, the conventional GTO and It is possible to provide an insulated gate semiconductor device that has a higher maximum breaking current density than a thyristor, has a low on-resistance as low as a GTO or a thyristor, and has an excellent short-circuit withstand capability at a high voltage.
【0037】以上、第1の実施の形態の絶縁ゲート型半
導体装置の特徴を定性的に説明したが、次に、図3
(a)、図3(b)を用いて、従来のIGBTと対比し
つつ、本発明の絶縁ゲート半導体装置の基本原理と設計
方法をさらに詳細に説明する。なお、ここで説明する動
作原理と設計方法は、必ずしも第1の実施の形態のみな
らず、以下の全ての実施の形態の基礎をなすものであ
る。The characteristics of the insulated gate semiconductor device according to the first embodiment have been qualitatively described above.
The basic principle and design method of the insulated gate semiconductor device of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 3A and FIG. Note that the operation principle and the design method described here form the basis of not only the first embodiment but also all the following embodiments.
【0038】図3(a)の右側に本発明の絶縁ゲート半
導体装置の基本構造を示す。従来のIGBTとの対比を
容易にするために、N型エミッタ層として、図24のN
型エミッタ層5に対応する構造が示されている。ダミー
ゲートは、動作上重要なダミートレンチのみが示され、
また、ダミートレンチで分離されるPベースは省略され
ている。The basic structure of the insulated gate semiconductor device of the present invention is shown on the right side of FIG. In order to facilitate comparison with a conventional IGBT, an N-type emitter layer shown in FIG.
The structure corresponding to the mold emitter layer 5 is shown. For the dummy gate, only dummy trenches that are important for operation are shown,
The P base separated by the dummy trench is omitted.
【0039】図3(a)の左側にN-ベース層におけ
る、Z方向のキャリア分布が示されている。図1に示す
ように、本発明の絶縁ゲート型半導体装置においては、
カソード電極に対するN型エミッタ層とPベース層の接
続面の割合は、従来のIGBTに比べてPベース層の接
続面を大きく、N型エミッタ層の接続面を微細にするよ
うに設計されている。The carrier distribution in the Z direction in the N − base layer is shown on the left side of FIG. As shown in FIG. 1, in the insulated gate semiconductor device of the present invention,
The ratio of the connection surface between the N-type emitter layer and the P base layer to the cathode electrode is designed so that the connection surface of the P base layer is larger and the connection surface of the N-type emitter layer is finer than the conventional IGBT. .
【0040】先に述べたように、図24に示す従来のI
GBTでは、N型エミッタ層5とP型ベース層2が第1
主電極6で電気的に接続されており、P型ベース層2を
流れ第1主電極6に排出される正孔電流が、N型エミッ
タ層5とP型ベース層2との間のビルトイン電圧により
N型エミッタ層5に流入しないようにすることでラッチ
アップの発生を回避している。すなわち、ラッチアップ
の抑制効果は、第1主電極6を流れる全電流の内、Pベ
ース層2との接続面から排出されるホールバイパス電流
の大きさと、Pベース層2の不純物濃度の大きさで定め
られる。As described above, the conventional I shown in FIG.
In the GBT, the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2
The hole current, which is electrically connected to the main electrode 6 and flows through the P-type base layer 2 and is discharged to the first main electrode 6, has a built-in voltage between the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2. This prevents the occurrence of latch-up by preventing it from flowing into the N-type emitter layer 5. In other words, the effect of suppressing the latch-up is as follows: of the total current flowing through the first main electrode 6, the magnitude of the hole bypass current discharged from the connection surface with the P base layer 2 and the magnitude of the impurity concentration of the P base layer 2. Is determined by
【0041】本発明の絶縁ゲート型半導体装置における
設計方法の第1の特徴は、図3(a)の領域(1)に矢
示した第1主電極(カソード電極)直下部において、微
細なN型エミッタ層を形成する、このN型エミッタ層に
対するPベース層の接続面の面積比率を大きくする、P
ベース層の不純物濃度を高める等の方法により、ホール
バイパス電流の割合を大きくしてラッチアップ耐量を向
上させ、短絡時の破壊から絶縁ゲート型半導体装置を保
護する短絡耐量(短絡電流Isc=100A〜300A/
チップ)を高めることにある。The first feature of the design method in the insulated gate semiconductor device of the present invention is that a fine N layer is formed immediately below the first main electrode (cathode electrode) indicated by an arrow in a region (1) of FIG. Forming a P-type emitter layer, increasing the area ratio of the connection surface of the P base layer to the N-type emitter layer,
By a method such as increasing the impurity concentration of the base layer, the ratio of the hole bypass current is increased to improve the latch-up withstand capability, and the short-circuit withstand capability (short-circuit current Isc = 100 A to protect the insulated gate semiconductor device from breakdown at short-circuit) 300A /
Chip).
【0042】なお、上記N型エミッタ層に対するPベー
ス層の接続面の比率に直接関連するデバイスパラメータ
として、図1、図6、図8、図9、図10、図12、図
14、図15、図16、図17にd1及びdを示した。
実用上最適なd1及びdの数値範囲は、d1=1μm〜
2μm、d=1μm〜10μmであり、また好ましくは
d1は2μm以下、技術的に可能であれば1μm以下に
することが望ましい。As a device parameter directly related to the ratio of the connection surface of the P base layer to the N type emitter layer, FIG. 1, FIG. 6, FIG. 8, FIG. 9, FIG. 16 and 17 show d1 and d.
The practically optimum range of d1 and d is from d1 = 1 μm to
2 μm, d = 1 μm to 10 μm, and preferably, d1 is 2 μm or less, and 1 μm or less if technically possible.
【0043】本発明の絶縁ゲート型半導体装置における
設計方法の第2の特徴は、図3(a)の領域(2)に矢
示したPベース層に隣接し、トレンチゲートに囲まれた
N-ベース層と、ダミーゲートに囲まれたN-ベース層
と、その下部に連続するN-ベース層において、N-ベー
ス層に蓄積された正孔によるN型エミッタ層からの電子
注入の増加に基づくIE効果を最大にすることである。The second feature of the design method in an insulated gate semiconductor device of the present invention, adjacent to the P base layer shown arrows in region (2) in FIG. 3 (a), N, surrounded by a trench gate - a base layer, N is surrounded by the dummy gate - and the base layer, N successive thereunder - in the base layer, N - based on the increase of the electron injection from the N-type emitter layer by holes stored in the base layer The goal is to maximize the IE effect.
【0044】IE効果がN-ベース層の電導度変調を生
じ、本発明の絶縁ゲート型半導体装置のオン抵抗を低減
することについてはすでに説明したので、ここでは、I
E効果を最大にするに望ましい過剰キャリア濃度分布の
形状を示す。図3(a)において、領域(2)として矢
示したダミーゲート及びトレンチゲート下部のN-ベー
ス層の開口部に、過剰キャリヤ濃度分布のピークを生じ
るように設計すれば、N-ベース層におけるオン抵抗を
最小にすることができる。Since the effect of the IE effect on the conductivity of the N − base layer to reduce the on-resistance of the insulated gate semiconductor device of the present invention has already been described, here, I
Figure 3 shows a shape of the excess carrier concentration distribution that is desirable to maximize the E effect. The opening of the base layer, if designed to produce a peak of excess carrier concentration distribution, N - - In FIG. 3 (a), N of the dummy gate and trench gate lower illustrated arrow a region (2) in the base layer ON resistance can be minimized.
【0045】図3(a)において、領域(1)として矢
示した部分については、従来のIGBT構造を維持した
まま、深さDの値を最適化したときの絶縁ゲート型半導
体装置(図中IEGTと表示)における過剰キャリア濃
度分布(図では過剰電子濃度分布)を、図3(b)の左
側に実線で示す。γeは過剰電子濃度分布のピーク値に
おける実効電子注入効率であって、これを最大にするよ
うに設計すればオン抵抗を最小にすることができる。In FIG. 3A, a portion indicated by an arrow as a region (1) is an insulated gate semiconductor device when the value of the depth D is optimized while maintaining the conventional IGBT structure (in FIG. The excess carrier concentration distribution (excess electron concentration distribution in the figure) in IEGT) is shown by a solid line on the left side of FIG. γ e is the effective electron injection efficiency at the peak value of the excess electron concentration distribution, and if it is designed to maximize this, the on-resistance can be minimized.
【0046】図3(b)において、D=0とすれば左側
の破線に示す従来のIGBTに対する過剰電子濃度分布
が得られる。D=0では過剰電子濃度分布のピークは発
生しないので、オン抵抗の高い素子しか得られない。な
お、図3(b)の右側の構造は、図3(a)のトレンチ
ゲートに囲まれた領域を中央のa−a線で2分した構造
を示している。In FIG. 3B, if D = 0, an excess electron concentration distribution with respect to the conventional IGBT shown by the broken line on the left can be obtained. When D = 0, no peak of the excess electron concentration distribution occurs, so that only an element having a high on-resistance can be obtained. The structure on the right side of FIG. 3B shows a structure obtained by dividing the region surrounded by the trench gate of FIG.
【0047】上記したように、本発明の絶縁ゲート型半
導体装置の設計上の特徴は、図3(a)の領域(1)及
び領域(2)に示すように、互いに独立な領域をそれぞ
れ別個に最適化することにより、短絡耐量の向上とオン
抵抗の低減をそれぞれ満たすことが可能なことであり、
従来に比べてより高いレベルでデバイス性能の最適化を
達成することができる。As described above, the design feature of the insulated gate semiconductor device of the present invention is that, as shown in the region (1) and the region (2) in FIG. By optimizing, it is possible to satisfy both the improvement of short-circuit tolerance and the reduction of on-resistance.
Optimization of device performance can be achieved at a higher level than before.
【0048】次に、このように優れた性能を実現するた
めに必要な構造パラメータの設定条件についてさらに具
体的に説明する。第1の実施の形態において、それぞれ
メートルを単位として素子の繰り返し単位長(セルサイ
ズ)をC、P型ベース層の幅をW、N-ベース層1にお
けるトレンチ3の深さをD、N型エミッタ層5の直下に
おけるP型ベース層のシート抵抗をRp(Ω/squar
e)、素子の短絡時に流れる短絡電流をIsc(A/m2)
とする。ここで、素子の短絡とは、負荷抵抗をゼロにし
て素子を高圧電源に接続することであり、負荷の短絡事
故における素子の耐量を与えるものである。Next, the setting conditions of the structural parameters necessary for realizing such excellent performance will be described more specifically. In the first embodiment, the repeating unit length (cell size) of the element is C, the width of the P-type base layer is W, the depth of the trench 3 in the N − base layer 1 is D, and the N-type The sheet resistance of the P-type base layer immediately below the emitter layer 5 is Rp (Ω / square).
e), the short-circuit current flowing when the element is short-circuited is Isc (A / m 2 )
And Here, the element short-circuit means that the element is connected to a high-voltage power supply with the load resistance set to zero, thereby giving the element withstand capability in the event of a load short-circuit.
【0049】N型エミッタ層5のX方向の幅をd1、N
型エミッタ層5のX方向の繰り返しの単位の長さをdと
して、最大遮断電流及び短絡耐量が大きく、かつ、素子
の短絡事故時に流れる短絡電流Iscを低く抑えるために
必要な構造パラメータの間の条件式を、理論と試作結果
との対比から次のように求めた。The width of the N-type emitter layer 5 in the X direction is d1, N
Assuming that the unit length of the repetition in the X direction of the mold emitter layer 5 is d, the maximum breaking current and short-circuit withstand capability are large, and the structural parameters necessary to keep the short-circuit current Isc flowing during an element short-circuit fault low. The conditional expression was determined from the comparison between the theory and the result of the trial production as follows.
【0050】先に述べたように、短絡耐量を高める上で
特に重要なことは、従来GTOやサイリスタにおいて、
短絡事故時にカソード、アノード間の電圧が急激に低下
し、高圧電源に接続された素子が破壊するラッチアップ
現象を回避するための構造パラメータの設定条件を求め
ることである。As described above, what is particularly important for increasing the short-circuit withstand capability is that in the conventional GTO and thyristor,
It is an object of the present invention to determine a setting condition of a structural parameter for avoiding a latch-up phenomenon in which a voltage between a cathode and an anode sharply drops in a short circuit accident and an element connected to a high voltage power supply is destroyed.
【0051】本発明の絶縁ゲート型半導体装置において
は、N型エミッタ層5とP型ベース層2が第1主電極6
で電気的に接続されており、P型ベース層2を流れ第1
主電極6に排出される正孔電流が、N型エミッタ層5と
P型ベース層2との間のビルトイン電圧によりN型エミ
ッタ層5に流入しないようにすることでラッチアップの
発生を回避している。In the insulated gate semiconductor device of the present invention, the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2 are
And flows through the P-type base layer 2 to form the first
By preventing the hole current discharged to the main electrode 6 from flowing into the N-type emitter layer 5 due to the built-in voltage between the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2, the occurrence of latch-up is avoided. ing.
【0052】しかし、高電圧の短絡事故時において電流
が増加し、N型エミッタ層5の直下におけるP型ベース
層2のシート抵抗Rpと電流の積が、前記ビルトイン電
圧(0.5V)を越えれるようになれば、ラッチアップ
を生じる恐れがある。理論解析の結果、このようなラッ
チアップは (Rp×d1)2を一定の範囲内に抑えれば発生
しないことが明らかになり、その範囲を定める数値が試
作結果との対比から求められた。However, the current increases during a high-voltage short-circuit fault, and the product of the sheet resistance Rp of the P-type base layer 2 immediately below the N-type emitter layer 5 and the current exceeds the built-in voltage (0.5 V). If this happens, latch-up may occur. As a result of theoretical analysis, it has been clarified that such latch-up does not occur if (Rp × d1) 2 is kept within a certain range, and numerical values defining the range were obtained by comparison with the results of trial production.
【0053】図4は、高電圧においてラッチアップを生
じない本発明の絶縁ゲート型半導体装置の試作品の短絡
電流Iscとシート抵抗Rpとの対比を示す図である。図
4を用いて、本発明の絶縁ゲート型半導体装置がラッチ
アップを生じないための条件式は次のように与えられ
る。FIG. 4 is a diagram showing a comparison between the short-circuit current Isc and the sheet resistance Rp of a prototype of the insulated gate semiconductor device of the present invention which does not cause latch-up at a high voltage. Referring to FIG. 4, a conditional expression for preventing the insulated gate semiconductor device of the present invention from causing latch-up is given as follows.
【0054】 (Rp×d1)2≦2×10-7 …(1) 一方、ラッチアップを抑えて素子の耐圧を高める他、I
E効果を高めて高抵抗のN-ベース層の伝導度変調を増
加させ、素子のオン抵抗を低減することも重要な課題で
ある。また、オン抵抗が低減すれば、短絡電流Iscによ
る素子の熱破壊を回避することができる。理論解析の結
果IE効果を高めるにはW/(C×D)を一定値の範囲
内にすればよいことが明らかにされ、その範囲を定める
数値が試作結果との対比から求められた。(Rp × d1) 2 ≦ 2 × 10 −7 (1) On the other hand, in addition to suppressing the latch-up to increase the breakdown voltage of the element,
It is also important to increase the E effect to increase the conductivity modulation of the high resistance N - base layer and reduce the on-resistance of the device. If the on-resistance is reduced, thermal destruction of the element due to the short-circuit current Isc can be avoided. As a result of theoretical analysis, it has been clarified that W / (C × D) should be within a certain range in order to enhance the IE effect, and numerical values defining the range were obtained by comparison with the results of trial production.
【0055】図5は、短絡電流Iscの値を維持した上
で、十分なIE効果を示す本発明の絶縁ゲート型半導体
装置の試作品の短絡電流IscとセルサイズCとの対比を
示す図である。図5を用いて、本発明の絶縁ゲート型半
導体装置が十分なIE効果を示すための条件式は次のよ
うに与えられる。FIG. 5 is a diagram showing a comparison between the short-circuit current Isc and the cell size C of a prototype of the insulated gate semiconductor device of the present invention which shows a sufficient IE effect while maintaining the value of the short-circuit current Isc. is there. Referring to FIG. 5, a conditional expression for the insulated gate semiconductor device of the present invention to exhibit a sufficient IE effect is given as follows.
【0056】 W/(D×C)≦1×105 …(2) このように構成された本発明の絶縁ゲート型半導体装置
は、短絡時の電源電圧が数千Vと高く、通常使用する電
流密度が106A/m2と比較的低い高耐圧電力素子とし
て優れた性能を示し、従来のGTOやサイリスタ並の低
いオン抵抗と、従来のIGBT並の最大遮断電流密度の
値を維持しつつ、短絡事故時における大きな耐量を備え
た電力用半導体素子を提供することができる。W / (D × C) ≦ 1 × 10 5 (2) The insulated gate semiconductor device of the present invention configured as described above has a power supply voltage at the time of short circuit as high as several thousands V, and is normally used. It shows excellent performance as a high withstand voltage power element with a relatively low current density of 10 6 A / m 2, and maintains a low on-resistance like conventional GTO and thyristor and a maximum breaking current density like conventional IGBT. In addition, it is possible to provide a power semiconductor device having a large resistance during a short circuit accident.
【0057】次に図6、図7を用いて第1の実施の形態
の絶縁ゲート型半導体装置の変形例について説明する。
図7は、図6のA−A断面図である。図6、図7に示す
第1の実施の形態の変形例は、P型ベース層2の下部に
隣接してN型バリア層10を具備することが第1の実施
の形態と異なる。その他の構造は第1の実施の形態と同
様であるため同一部分に同一の参照番号を付して詳細な
説明を省略する。Next, a modification of the insulated gate semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a sectional view taken along line AA of FIG. The modification of the first embodiment shown in FIGS. 6 and 7 is different from the first embodiment in that an N-type barrier layer 10 is provided adjacent to a lower portion of the P-type base layer 2. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
【0058】図6、図7のN型バリア層10によれば、
トレンチ側壁部に形成される絶縁ゲートトランジスタを
介してN型エミッタ層5からN-ベース層1に注入され
た電子に見合うP型エミッタ層8からN-ベース層1に
注入される正孔のカソード側への流れが、N型バリア層
10とN-ベース層1との間に形成される小さなビルト
イン電圧により妨げられ、この正孔が第1の主電極6に
排出され難くする効果が得られる。According to the N-type barrier layer 10 of FIGS. 6 and 7,
A cathode of holes injected from the P-type emitter layer 8 into the N − base layer 1 corresponding to the electrons injected from the N-type emitter layer 5 into the N − base layer 1 via the insulated gate transistor formed on the trench side wall. The flow to the side is hindered by a small built-in voltage formed between the N-type barrier layer 10 and the N − base layer 1, and the effect of making it difficult for these holes to be discharged to the first main electrode 6 is obtained. .
【0059】この効果は、先に第1の実施の形態で説明
したトレンチ3の深さDを大として正孔を流れ難くする
効果や、ダミートレンチ3aとダミーゲート4aにより
分離されたN型エミッタ層5を含まない、主電極6に正
孔を排出することができないストライプ形のP型ベース
層2の役割と同様であるから、N型バリア層10はIE
効果の増強に寄与することができる。従って、図6に示
す第1の実施の形態の変形例を用いれば、さらにオン抵
抗の小さい絶縁ゲート型半導体装置を提供することが可
能になる。This effect is obtained by increasing the depth D of the trench 3 described above in the first embodiment to make it difficult for holes to flow, or by the N-type emitter separated by the dummy trench 3a and the dummy gate 4a. Since the role of the striped P-type base layer 2 that does not include the layer 5 and cannot discharge holes to the main electrode 6 is the same as that of the N-type barrier layer 10,
It can contribute to the enhancement of the effect. Therefore, by using the modification of the first embodiment shown in FIG. 6, it is possible to provide an insulated gate semiconductor device having a lower on-resistance.
【0060】次に、図8を用いて第2の実施の形態に係
る絶縁ゲート型半導体装置について説明する。図8に示
す第2の実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置は、N型
エミッタ層5が片側のトレンチ3にのみ接し、図6のよ
うに両側のトレンチ3に共に接するようには形成されな
いことが第1の実施の形態と異なる。その他の構造は第
1の実施の形態と同様であるため、同一部分に同一の参
照番号を付して詳細な説明を省略する。なお、図8のA
−A断面図は、N型エミッタ層5が、P型ベース層の中
心線を越えて形成されれば図2と同様になり、P型ベー
ス層の中心線に達しなければ図25と同様になる。Next, an insulated gate semiconductor device according to a second embodiment will be described with reference to FIG. In the insulated gate semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 8, the N-type emitter layer 5 is not formed so as to be in contact with only one of the trenches 3 but to be in contact with both of the trenches 3 as shown in FIG. Is different from the first embodiment. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and detailed description is omitted. Note that A in FIG.
2A is similar to FIG. 2 if the N-type emitter layer 5 is formed beyond the center line of the P-type base layer, and is similar to FIG. 25 if it does not reach the center line of the P-type base layer. Become.
【0061】第2の実施の形態の絶縁ゲート型半導体装
置における構造上の特徴は、第1の実施の形態に比べて
P型ベース層におけるN型エミッタ層のパターンが占め
る面積比が小さいので、電圧に対する短絡電流Iscの飽
和特性が弱められ、極めてラッチアップの生じ難い素子
を提供することができる。The structural feature of the insulated gate semiconductor device of the second embodiment is that the area ratio occupied by the pattern of the N-type emitter layer in the P-type base layer is smaller than that of the first embodiment. The saturation characteristics of the short-circuit current Isc with respect to the voltage are weakened, and an element in which latch-up hardly occurs can be provided.
【0062】従来のIE効果を考慮しないIGBTの場
合、このようなN型エミッタ層の設計をすれば素子のオ
ン抵抗が著しく増加し、素子のオン状態での現実的な電
流密度を得ることが難しくなる。ダミートレンチなどの
IE効果をこのようなエミッタ構造と同時に用いること
で短絡耐量が高く、かつオン抵抗が十分に低い素子がは
じめて可能となる。In the case of a conventional IGBT that does not consider the IE effect, such an N-type emitter layer design significantly increases the on-resistance of the device, and can obtain a realistic current density in the on-state of the device. It becomes difficult. By using an IE effect such as a dummy trench simultaneously with such an emitter structure, an element having a high short-circuit withstand capability and a sufficiently low on-resistance can be obtained for the first time.
【0063】図3に本発明の基本原理を示したが、第2
の実施の形態では短絡耐量に重要なN型エミッタ層のラ
ッチアップ耐量の設計と素子のオン抵抗低減に必要なN
-ベース層のキャリヤ蓄積の設計を別個のパラメータで
設計することが可能であり、このことから、従来に比べ
てより高いレベルでの短絡耐量又は電流遮断能力と低い
オン抵抗特性とのトレードオフを実現することができ
る。FIG. 3 shows the basic principle of the present invention.
In the embodiment, the N-type emitter layer, which is important for the short-circuit withstand capability, has a latch-up withstand capability and the N-type necessary for reducing the on-resistance of the device.
- it is possible to design the carrier accumulation design of the base layer in a separate parameter, Therefore, the trade-off between short-circuit tolerance or current interruption capability and a low on-resistance properties at a higher level than the conventional Can be realized.
【0064】このように、P型ベース層におけるN型エ
ミッタ層のパターン形状を変化させることで、種々の使
用目的に合わせた絶縁ゲート型半導体装置を提供するこ
とが可能になる。As described above, by changing the pattern shape of the N-type emitter layer in the P-type base layer, it is possible to provide an insulated gate semiconductor device suited for various purposes.
【0065】次に、図9を用いて第2の実施の形態の絶
縁ゲート型半導体装置の変形例について説明する。図9
に示す第2の実施の形態の変形例は、P型ベース層2の
下部に隣接してN型のバリア層10を具備することが第
2の実施の形態と異なる。その他の構造は第1の実施の
形態と同様であるため、同一部分に同一の参照番号を付
して詳細な説明を省略する。Next, a modification of the insulated gate semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG.
Is different from the second embodiment in that an N-type barrier layer 10 is provided adjacent to a lower portion of the P-type base layer 2. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and detailed description is omitted.
【0066】先に第1の実施の形態の変形例として説明
したように、N型バリア層10は正孔が第1の主電極6
に排出され難くする効果がある。これを用いれば、第2
の実施の形態におけるIE効果の減少を補い、素子のオ
ン抵抗を低減することができる。なお、第2の実施の形
態及びその変形例において、電力用半導体素子として最
良の結果が得るための構造パラメータの条件式は、先に
式(1)、式(2)に示したものをそのまま用いること
ができる。As described above as a modification of the first embodiment, the N-type barrier layer 10 has a hole in the first main electrode 6.
Has the effect of making it difficult to be discharged. If this is used, the second
The reduction of the IE effect in the embodiment can be compensated for, and the on-resistance of the element can be reduced. In the second embodiment and the modifications thereof, the conditional expressions of the structural parameters for obtaining the best result as the power semiconductor element are the same as those previously shown in the expressions (1) and (2). Can be used.
【0067】次に図10、図11を用いて第3の実施の
形態に係る絶縁ゲート型半導体装置について説明する。
図11は図10に示す斜視図のA−A断面を示す図であ
る。第3の実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置におけ
る構造上の特徴は、図10の斜視図と図11の断面図に
示されるように、トレンチ3とゲート絶縁膜を介してト
レンチ3に埋め込まれたゲート電極4がX方向(図1参
照)に沿って梯子型に形成されることである。Next, an insulated gate semiconductor device according to a third embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 11 is a diagram showing an AA cross section of the perspective view shown in FIG. The structural features of the insulated gate semiconductor device of the third embodiment are, as shown in the perspective view of FIG. 10 and the sectional view of FIG. 11, embedded in the trench 3 via the trench 3 and the gate insulating film. The gate electrode 4 is formed in a ladder shape along the X direction (see FIG. 1).
【0068】梯子型トレンチ3により閉じるように囲ま
れたN型エミッタ層5とP型ベース層2からなる領域
が、X方向に沿って連続して配列されることで、第3の
実施の形態のN型エミッタ層5を含む梯子型のストライ
プパターンが形成される。第1、第2の実施の形態と同
様に、N型エミッタ層5は、P型ベース層2の上面にウ
エル状に形成されるが、図11の断面図から明らかなよ
うに、第3の実施の形態ではP型ベース層2、及びその
下部のN-ベース層1も梯子型トレンチ3により閉じる
ように囲まれている。The region composed of the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2 surrounded by the ladder-type trench 3 so as to be closed is continuously arranged along the X direction, thereby obtaining the third embodiment. A ladder-type stripe pattern including the N-type emitter layer 5 is formed. As in the first and second embodiments, the N-type emitter layer 5 is formed in a well shape on the upper surface of the P-type base layer 2, but as apparent from the cross-sectional view of FIG. In the embodiment, the P-type base layer 2 and the N − base layer 1 thereunder are also surrounded by the ladder-type trench 3 so as to be closed.
【0069】なお、N型エミッタ層5を含まないストラ
イプ形のP型ベース層2の構造、及びその他の部分の構
造は、第1、第2の実施の形態と同様であるため同一部
分に同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。The structure of the striped P-type base layer 2 not including the N-type emitter layer 5 and the structure of the other parts are the same as those of the first and second embodiments, so that they are the same as those of the first and second embodiments. And the detailed description is omitted.
【0070】第3の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導
体装置における構造上の特徴は、第1の実施の形態に比
べてN型エミッタ層5の3つの側面が梯子型トレンチ3
に接し、これらの梯子型トレンチ3にゲート絶縁膜を介
して埋め込まれたゲート電極4により、N型エミッタ層
5の3つの側面の下部につながるP型ベース層2とトレ
ンチ3との界面にNチャネルが形成されることである。The structure of the insulated gate semiconductor device according to the third embodiment is different from that of the first embodiment in that three sides of the N-type emitter layer 5 are different from those of the first embodiment in that the ladder trench 3
The gate electrode 4 buried in these ladder-type trenches 3 via a gate insulating film in contact with the P-type base layer 2 connected to the lower portions of the three side surfaces of the N-type emitter layer 5 and N That is, a channel is formed.
【0071】また、図1に示す第1の実施の形態の絶縁
ゲート型半導体装置との相違点として、P型ベース層
2、及びその下部のN-ベース層1も梯子型トレンチ3
により閉じるように囲まれていることである。The difference from the insulated gate semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1 is that the P-type base layer 2 and the N − base layer 1 thereunder are also formed in the ladder type trench 3.
Is to be closed.
【0072】第3の実施の形態では、P型ベース層2に
おけるN型エミッタ層5のパターンが占める面積比が大
きく、またN型エミッタ層2から梯子型トレンチの3つ
の側面に形成されたNチャネルを介してN-ベース層1
に電子が注入されるので、第1の主電極6に排出される
正孔のバイパス電流に対し、梯子型トレンチ3の3つの
側面のNチャネルを介して流れる電子のチャネル電流の
比を大きくすることができる。In the third embodiment, the area ratio occupied by the pattern of the N-type emitter layer 5 in the P-type base layer 2 is large, and the N-type emitter layer 2 is formed on the three side surfaces of the ladder-type trench. N - base layer 1 through channel
, The ratio of the channel current of the electrons flowing through the N channels on the three side surfaces of the ladder trench 3 to the bypass current of the holes discharged to the first main electrode 6 is increased. be able to.
【0073】また、第3の実施の形態では、P型ベース
層2、及びその下部のN-ベース層1も梯子型トレンチ
3により閉じるように囲まれているため、アノード側の
P型エミッタ層8からN-ベース層1に注入された正孔
をカソード側のP型ベース層2に排出する正孔の流れ
が、深さDの梯子型トレンチ3により妨げられる効果を
第1の実施の形態に比べて大きくすることができる。In the third embodiment, the P-type base layer 2 and the N − base layer 1 thereunder are also surrounded by the ladder-type trench 3 so that the P-type emitter layer on the anode side is closed. The first embodiment shows the effect that the flow of holes for discharging holes injected into the N − base layer 1 from the N − 8 into the P-type base layer 2 on the cathode side is obstructed by the ladder-type trench 3 having a depth D according to the first embodiment. It can be larger than.
【0074】このように、第3の実施の形態に係る絶縁
ゲート型半導体装置は、正孔のバイパス電流に対する電
子のチャネル電流の比が大きいことから、短絡電流Isc
の電圧に対する飽和特性が強められ、また、深さDの梯
子型トレンチ3により囲まれたN-ベース層1の領域で
カソード側に排出される正孔の流れが妨げられるので、
IE効果が増強され、素子のオン抵抗も低減されるが、
一方においてN型エミッタ層の面積比が大きいことか
ら、ラッチアップを生じ易くなる恐れがある。しかし、
ラッチアップに対して十分な対策を立てれば、第3の実
施の形態の絶縁ゲート型半導体装置は電力用半導体素子
として理想的な性能を示すものとなる。As described above, in the insulated gate semiconductor device according to the third embodiment, since the ratio of the channel current of electrons to the bypass current of holes is large, the short-circuit current Isc
And the flow of holes discharged to the cathode side in the region of the N − base layer 1 surrounded by the ladder-type trench 3 having a depth D is prevented.
Although the IE effect is enhanced and the on-resistance of the element is reduced,
On the other hand, since the area ratio of the N-type emitter layer is large, latch-up may easily occur. But,
If sufficient measures are taken against latch-up, the insulated gate semiconductor device of the third embodiment exhibits ideal performance as a power semiconductor element.
【0075】次に、図12、図13を用いて第3の実施
の形態の絶縁ゲート型半導体装置の変形例について説明
する。図13は図12に示す斜視図のA−A断面を示す
図である。図12、図13に示す第3の実施の形態の変
形例は、P型ベース層2の下部に隣接してN型のバリア
層10を具備することが第3の実施の形態と異なる。そ
の他の構造は第1の実施の形態と同様であるため、同一
部分に同一の参照番号を付して詳細な説明を省略する。Next, a modification of the insulated gate semiconductor device of the third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a view showing an AA cross section of the perspective view shown in FIG. The modification of the third embodiment shown in FIGS. 12 and 13 is different from the third embodiment in that an N-type barrier layer 10 is provided adjacent to a lower portion of the P-type base layer 2. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and detailed description is omitted.
【0076】先に第1の実施の形態の変形例において説
明したように、N型バリア層10は正孔が第1の主電極
6に排出され難くする効果がある。これを用いれば、第
3の実施の形態におけるIE効果を更に増強し、素子の
オン抵抗を低減することができる。なお、第3の実施の
形態及びその変形例において、電力用半導体素子として
最良の結果を得るための構造パラメータの条件式は、先
に式(1)、式(2)に示したものをそのまま用いるこ
とができる。As described in the modification of the first embodiment, the N-type barrier layer 10 has an effect of making it difficult for holes to be discharged to the first main electrode 6. By using this, the IE effect in the third embodiment can be further enhanced, and the on-resistance of the element can be reduced. In the third embodiment and its modified examples, the conditional expressions of the structural parameters for obtaining the best result as the power semiconductor element are the same as those previously shown in the expressions (1) and (2). Can be used.
【0077】次に、図14を用いて第4の実施の形態に
係る絶縁ゲート型半導体装置について説明する。第4の
実施の形態の構造上の特徴は、図14の斜視図に示され
るように、先に図1、図2を用いて説明した第1の実施
の形態の絶縁ゲート型半導体装置と類似している。Next, an insulated gate semiconductor device according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG. As shown in the perspective view of FIG. 14, the structural features of the fourth embodiment are similar to those of the insulated gate semiconductor device of the first embodiment described above with reference to FIGS. are doing.
【0078】すなわち、ゲート絶縁膜を介してX方向に
長いトレンチ3に埋め込まれたゲート電極4により幅W
のストライプ形に分離されたP型ベース層2には、X方
向に沿って間隔d、幅d1の複数のN型エミッタ層5が
ウエル状に形成される。P型ベース層の表面及びN型エ
ミッタ層5の表面に対して共に電気的に接続するように
第1の主電極6が形成される。That is, the gate electrode 4 buried in the trench 3 elongated in the X direction via the gate insulating film causes the width W
A plurality of N-type emitter layers 5 having an interval d and a width d1 along the X direction are formed in a well shape on the P-type base layer 2 separated into stripes. First main electrode 6 is formed so as to be electrically connected to both the surface of P-type base layer and the surface of N-type emitter layer 5.
【0079】しかし、先に図1を用いて説明した第1の
実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置においては、複数
のN型エミッタ層5が形成されたストライプ形のP型ベ
ース層2に隣接して、N型エミッタ層5が存在しない少
なくとも1個のP型ベース層2が形成されていたが、図
14に示す第4の実施の形態では、N型エミッタ層5が
存在しないP型ベース層2を介在させることなく、複数
のN型エミッタ層5が形成されたストライプ形のP型ベ
ース層2が互いに隣接して形成される。However, in the insulated gate semiconductor device according to the first embodiment described above with reference to FIG. 1, adjacent to the striped P-type base layer 2 on which a plurality of N-type emitter layers 5 are formed. Thus, at least one P-type base layer 2 having no N-type emitter layer 5 is formed. However, in the fourth embodiment shown in FIG. Without the layer 2 interposed therebetween, the striped P-type base layers 2 on which the plurality of N-type emitter layers 5 are formed are formed adjacent to each other.
【0080】このように互いに隣接する複数のN型エミ
ッタ層5を含むP型ベース層2からなる集合体の終端部
は、図14の左側に示されるように単にP型ベース層2
で囲んでも良いし、図14の右側に示されるように、ダ
ミートレンチ3aとダミーゲート4aとを用いて囲んで
も良い。なお、これらのN型エミッタ層5が存在しない
終端部のP型ベース層2には、第1の主電極6は電気的
に接続されない。As shown on the left side of FIG. 14, the end portion of the aggregate composed of the P-type base layer 2 including the plurality of N-type emitter layers 5 adjacent to each other is simply set to the P-type base layer 2.
Alternatively, as shown on the right side of FIG. 14, the dummy trench 3a and the dummy gate 4a may be used. Note that the first main electrode 6 is not electrically connected to the P-type base layer 2 at the terminal end where the N-type emitter layer 5 does not exist.
【0081】このように構成された第4の実施の形態の
絶縁ゲート型半導体装置は、第1の実施の形態に比べ
て、N型エミッタ層5をソース、N-ベース層1を共通
ドレインとする絶縁ゲート電界効果トランジスタが、素
子パターンの中に高密度に配置される。このため、カソ
ード側の第1の主電極に排出される正孔のバイパス電流
に対し電子のチャネル電流の比が大となり、短絡電流I
scの電圧に対する飽和特性が強めらる。The insulated gate semiconductor device of the fourth embodiment thus configured is different from the first embodiment in that the N-type emitter layer 5 is the source and the N − base layer 1 is the common drain. Insulated gate field effect transistors are arranged at high density in the element pattern. For this reason, the ratio of the channel current of electrons to the bypass current of holes discharged to the first main electrode on the cathode side becomes large, and the short-circuit current I
The saturation characteristics with respect to the voltage of sc are enhanced.
【0082】第4の実施の形態では、N型エミッタ層5
が存在しないP型ベース層2を介在させることなく、素
子パターンが形成されるので、第1の実施の形態で説明
したこれらのP型ベース層2による正孔電流の阻止がな
されず、このため、IE効果による素子のオン抵抗の低
減は第1の実施の形態に比べてやや劣るが、一方電子の
チャネル電流の比が大となるため、チャネル電流により
素子のオン電流が補われることになる。In the fourth embodiment, the N-type emitter layer 5
Since the element pattern is formed without interposing the P-type base layer 2 where no P-type layer exists, the hole current is not blocked by these P-type base layers 2 described in the first embodiment. The reduction of the on-resistance of the device due to the IE effect is slightly inferior to that of the first embodiment, but the ratio of the channel current of electrons becomes large, so that the on-current of the device is supplemented by the channel current. .
【0083】次に、図15を用いて第4の実施の形態の
絶縁ゲート型半導体装置の変形例について説明する。図
15に示す第4の実施の形態の変形例は、P型ベース層
2の下部に隣接してN型のバリア層10を具備すること
が第4の実施の形態と異なる。その他の構造は第1の実
施の形態と同様であるため、同一部分に同一の参照番号
を付して詳細な説明を省略する。Next, a modification of the insulated gate semiconductor device of the fourth embodiment will be described with reference to FIG. The modification of the fourth embodiment shown in FIG. 15 is different from the fourth embodiment in that an N-type barrier layer 10 is provided adjacent to a lower portion of the P-type base layer 2. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and detailed description is omitted.
【0084】先に第3の実施の形態の変形例として説明
したように、N型バリア層10は正孔が第1の主電極6
に排出され難くする効果がある。これを用いれば、第3
の実施の形態におけるIE効果の減少を補い、素子のオ
ン抵抗を低減することができる。なお、第4の実施の形
態及びその変形例において、電力用半導体素子として最
良の結果を得るための構造パラメータの条件式は、先に
式(1)、式(2)に示したものをそのまま用いること
ができる。As described above as a modification of the third embodiment, the N-type barrier layer 10 has a hole in the first main electrode 6.
Has the effect of making it difficult to be discharged. If this is used, the third
The reduction of the IE effect in the embodiment can be compensated for, and the on-resistance of the element can be reduced. In the fourth embodiment and its modification, the conditional expressions of the structural parameters for obtaining the best result as the power semiconductor element are the same as those shown in the expressions (1) and (2) above. Can be used.
【0085】次に、図16を用いて第5の実施の形態に
係る絶縁ゲート型半導体装置について説明する。第5の
実施の形態の構造上の特徴は、図16の斜視図に示され
るように、先に図10、図11を用いて説明した第3の
実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置と類似している。
すなわち、トレンチ3とゲート絶縁膜を介してトレンチ
3に埋め込まれたゲート電極4がX方向(図1参照)に
沿って梯子型に形成されることである。Next, an insulated gate semiconductor device according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG. As shown in the perspective view of FIG. 16, the structural features of the fifth embodiment are similar to those of the insulated gate semiconductor device of the third embodiment described earlier with reference to FIGS. are doing.
That is, the gate electrode 4 embedded in the trench 3 via the trench 3 and the gate insulating film is formed in a ladder shape along the X direction (see FIG. 1).
【0086】梯子型トレンチ3により閉じるように囲ま
れたN型エミッタ層5とP型ベース層2からなる領域
が、X方向に沿って連続して配列されることで、第5の
実施の形態のN型エミッタ層5を含む梯子型のストライ
プパターンが形成される。第3の実施の形態と同様に、
P型ベース層2、及びその下部のN-ベース層1も梯子
型トレンチ3により閉じるように囲まれている。The region composed of the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2 surrounded by the ladder-type trench 3 so as to be closed is continuously arranged along the X direction, thereby obtaining the fifth embodiment. A ladder-type stripe pattern including the N-type emitter layer 5 is formed. As in the third embodiment,
The P-type base layer 2 and the N − base layer 1 thereunder are also enclosed by the ladder-type trench 3 so as to be closed.
【0087】しかし、先に図10、図11を用いて説明
した第3の実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置におい
ては、複数のN型エミッタ層5が形成されたストライプ
形のP型ベース層2に隣接して、N型エミッタ層5が存
在しない少なくとも1個のP型ベース層2が形成されて
いたが、図16に示す第5の実施の形態では、N型エミ
ッタ層5が存在しないP型ベース層2を介在させること
なく、複数のN型エミッタ層5が形成されたストライプ
形のP型ベース層2が互いに隣接して形成される。However, in the insulated gate semiconductor device according to the third embodiment described above with reference to FIGS. 10 and 11, a stripe-shaped P-type base layer having a plurality of N-type emitter layers 5 formed thereon. At least one P-type base layer 2 having no N-type emitter layer 5 is formed adjacent to the N-type emitter layer 2, but in the fifth embodiment shown in FIG. 16, the N-type emitter layer 5 does not exist. Without the P-type base layer 2 interposed therebetween, the striped P-type base layers 2 on which the plurality of N-type emitter layers 5 are formed are formed adjacent to each other.
【0088】なお図16において、これらの隣接するス
トライプパターンが、X方向(図1参照)に互いにd/
2だけずれて配置されているが、これは十字型にクロス
した深いトレンチを形成することが製造工程上困難であ
るため、トレンチの交点が製造容易なT字型構造となる
ようにしたものである。素子性能上はトレンチの交点が
十字型であってもT字型であっても変化はない。In FIG. 16, these adjacent stripe patterns are d / d in the X direction (see FIG. 1).
However, since it is difficult to form a deep trench crossing in a cross shape in the manufacturing process, the intersection of the trench is formed in a T-shaped structure that is easy to manufacture. is there. There is no change in element performance whether the intersection of the trenches is cross-shaped or T-shaped.
【0089】このように互いに隣接する複数のN型エミ
ッタ層5を含むP型ベース層2からなるパターンの終端
部は、図16の左側に示されるように単にP型ベース層
2で囲んでも良いし、図16の右側に示されるように、
トレンチ3aとダミーゲート4aとを用いて囲んでも良
い。なお、これらのN型エミッタ層5が存在しない終端
部のP型ベース層2には、第1の主電極6は電気的に接
続されない。The terminal portion of the pattern composed of the P-type base layer 2 including the plurality of N-type emitter layers 5 adjacent to each other may be simply surrounded by the P-type base layer 2 as shown on the left side of FIG. Then, as shown on the right side of FIG.
It may be surrounded by the trench 3a and the dummy gate 4a. Note that the first main electrode 6 is not electrically connected to the P-type base layer 2 at the terminal end where the N-type emitter layer 5 does not exist.
【0090】このように構成された第5の実施の形態の
絶縁ゲート型半導体装置は、第3の実施の形態に比べ
て、N型エミッタ層5をソース、N-ベース層1を共通
ドレインとする絶縁ゲート電界効果トランジスタが、素
子パターンの中に高密度に配置される。このため、カソ
ード側の第1の主電極に排出される正孔のバイパス電流
に対し、電子のチャネル電流の比が大となり、短絡電流
Iscの電圧に対する飽和特性が強めらる。The insulated gate semiconductor device of the fifth embodiment having the above-described structure is different from that of the third embodiment in that the N-type emitter layer 5 is used as the source and the N − base layer 1 is used as the common drain. Insulated gate field effect transistors are arranged at high density in the element pattern. For this reason, the ratio of the channel current of the electrons to the bypass current of the holes discharged to the first main electrode on the cathode side becomes large, and the saturation characteristic with respect to the voltage of the short-circuit current Isc is enhanced.
【0091】しかし、第3の実施の形態では、N型エミ
ッタ層5が存在しないP型ベース層2を介在させること
なく、素子パターンが形成されるので、第1の実施の形
態で説明したこれらのP型ベース層2による正孔電流の
阻止がなされず、このため、IE効果による素子のオン
抵抗の低減は、第1の実施の形態に比べてやや劣るが、
一方電子のチャネル電流の比率が大となるため、チャネ
ル電流により素子のオン電流が補われることになる。However, in the third embodiment, since the element pattern is formed without interposing the P-type base layer 2 in which the N-type emitter layer 5 does not exist, those described in the first embodiment are used. The hole current is not blocked by the P-type base layer 2 described above, and therefore, the reduction of the on-resistance of the element by the IE effect is slightly inferior to that of the first embodiment.
On the other hand, since the ratio of the channel current of electrons becomes large, the on-current of the element is supplemented by the channel current.
【0092】次に、図17を用いて第5の実施の形態の
絶縁ゲート型半導体装置の変形例について説明する。図
17に示す第5の実施の形態の変形例は、P型ベース層
2の下部に隣接してN型バリア層10を具備することが
第5の実施の形態と異なる。その他の構造は第1の実施
の形態と同様であるため、同一部分に同一の参照番号を
付して詳細な説明を省略する。Next, a modification of the insulated gate semiconductor device of the fifth embodiment will be described with reference to FIG. The modification of the fifth embodiment shown in FIG. 17 is different from the fifth embodiment in that an N-type barrier layer 10 is provided adjacent to a lower portion of the P-type base layer 2. Since other structures are the same as those of the first embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and detailed description is omitted.
【0093】先に第3の実施の形態の変形例として説明
したように、N型バリア層10は正孔が第1の主電極6
に排出され難くする効果がある。これを用いれば、第5
の実施の形態におけるIE効果の減少を補い、素子のオ
ン抵抗を低減することができる。なお、第5の実施の形
態及びその変形例において、電力用半導体素子として最
良の結果を得るための構造パラメータの条件式は、先に
式(1)、式(2)に示したものをそのまま用いること
ができる。As described above as a modification of the third embodiment, the N-type barrier layer 10 has a hole in the first main electrode 6.
Has the effect of making it difficult to be discharged. If this is used, the fifth
The reduction of the IE effect in the embodiment can be compensated for, and the on-resistance of the element can be reduced. In the fifth embodiment and its modifications, the conditional expressions of the structural parameters for obtaining the best result as the power semiconductor element are the same as those previously shown in the expressions (1) and (2). Can be used.
【0094】次に図18、図19を用いて第6の実施の
形態について説明する。第6の実施の形態では、本発明
の絶縁ゲート型半導体装置の性能について説明する。図
18は接合温度Tj=125℃、負荷:4μHの条件
で、本発明の絶縁ゲート型半導体装置をVge=±15V
でオン/オフしたときの動作波形を示す図である。電源
電圧Vcc=2250Vにおいて、素子電流Ic(短絡電
流Iscにほぼ等しい)のピーク値は200Aに達し、素
子を破壊することなく安全に動作することができた。Next, a sixth embodiment will be described with reference to FIGS. In the sixth embodiment, the performance of the insulated gate semiconductor device of the present invention will be described. FIG. 18 shows that the insulated gate type semiconductor device of the present invention was Vge = ± 15 V under the conditions of a junction temperature Tj = 125 ° C. and a load: 4 μH.
FIG. 6 is a diagram showing operation waveforms when the operation is turned on / off in the example. At the power supply voltage Vcc = 2250 V, the peak value of the device current Ic (substantially equal to the short-circuit current Isc) reached 200 A, and the device could be safely operated without destruction.
【0095】また、図19はTj:室温、負荷:10μ
Hの条件で、本発明の絶縁ゲート型半導体装置をVge=
±15Vでオン/オフしたときの、動作波形を示す図で
ある。電源電圧Vcc=2700Vにおいて、素子電流I
c のピーク値は200Aに達し、素子を破壊することな
く安全に動作することができた。これらの数値はこの種
の電力用素子として記録的なものである。FIG. 19 shows Tj: room temperature, load: 10 μm.
Under the condition of H, the insulated gate semiconductor device of the present invention is
It is a figure which shows the operation | movement waveform at the time of ON / OFF at ± 15V. When the power supply voltage Vcc = 2700 V, the element current I
The peak value of c reached 200 A, and the device could be safely operated without breaking the device. These figures are record values for this type of power element.
【0096】次に図20、図21を用いて本発明の第7
の実施の形態について説明する。第7の実施の形態で
は、本発明の絶縁ゲート型半導体装置のパターン形状の
詳細について説明する。Next, the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
An embodiment will be described. In a seventh embodiment, the details of the pattern shape of the insulated gate semiconductor device of the present invention will be described.
【0097】図20は第1の実施の形態で説明した絶縁
ゲート型半導体装置のパターン形状の1例を示す図であ
る。4又は4aは、ゲート絶縁膜を介してトレンチ3又
はダミートレンチ3aに埋め込まれたゲート又はダミー
ゲートを示すパターンである。通常ダミーゲートは接地
されるので、ゲート4に対してダミーゲート4aをやや
短くして接地するためのスペースを設けている。FIG. 20 is a diagram showing an example of the pattern shape of the insulated gate semiconductor device described in the first embodiment. 4 or 4a is a pattern showing a gate or a dummy gate embedded in the trench 3 or the dummy trench 3a via the gate insulating film. Since the dummy gate is normally grounded, a space is provided for making the dummy gate 4a slightly shorter than the gate 4 for grounding.
【0098】5はN型エミッタ層、2はP型ベース層で
ある。図20に示す絶縁ゲート型半導体装置のパターン
全面に絶縁膜を形成し、N型エミッタ層5とP型ベース
層2を接続するための開口部11を設ける。第1の主電
極6(カソード)として全面にアルミニウム等の金属膜
12を堆積し、熱処理することでN型エミッタ層5とP
型ベース層2のみが互いに電気的に接続される。その他
の領域は絶縁膜で覆われているため接続されない。Reference numeral 5 denotes an N-type emitter layer, and reference numeral 2 denotes a P-type base layer. An insulating film is formed on the entire pattern of the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 20, and an opening 11 for connecting the N-type emitter layer 5 and the P-type base layer 2 is provided. A metal film 12 made of aluminum or the like is deposited on the entire surface as a first main electrode 6 (cathode), and is heat-treated so that the N-type emitter layer 5 is
Only the mold base layers 2 are electrically connected to each other. The other regions are not connected because they are covered with the insulating film.
【0099】図21は第2の実施の形態で説明した絶縁
ゲート型半導体装置のパターン形状の1例を示す図であ
る。N型エミッタ層5の片側のみがトレンチに接してい
る他は図20と同様であるから説明を省略する。図2
0、図21には、パターン形状の寸法の1例が示されて
いる。これらの例では、P型ベース層2の表面にウエル
状に形成されたN型エミッタ層5のトレンチ方向の長さ
が2μm、隣り合うN型エミッタ層5の間のP型ベース
層2のトレンチ方向の長さが1μmであるため先に述べ
たカソードに排出される正孔電流のバイパスは小さく設
定されている。FIG. 21 is a diagram showing an example of the pattern shape of the insulated gate semiconductor device described in the second embodiment. Except that only one side of the N-type emitter layer 5 is in contact with the trench, the description is omitted because it is the same as FIG. FIG.
0 and FIG. 21 show an example of the dimension of the pattern shape. In these examples, the N-type emitter layer 5 formed in a well shape on the surface of the P-type base layer 2 has a length of 2 μm in the trench direction, and the trench of the P-type base layer 2 between the adjacent N-type emitter layers 5. Since the length in the direction is 1 μm, the above-described bypass of the hole current discharged to the cathode is set small.
【0100】次に、図22を用いて、本発明の絶縁ゲー
ト型半導体装置の電極部を含むチップ構造の一例につい
て、さらに具体的に説明する。カソード側素子表面の全
面にCVD SiO2からなる絶縁膜を堆積し、X方向に
沿って開口部11(図20、図21参照)を形成する。
その上面にアルミニウム等の金属膜12を堆積し、熱処
理することで、開口部11に露出したN型エミッタ層と
P型ベース層のみがアルミニウム等の金属膜12と電気
的に接続される。なお、ゲート電極はトレンチの開口部
から引き出される。Next, an example of a chip structure including an electrode portion of the insulated gate semiconductor device of the present invention will be described more specifically with reference to FIG. An insulating film made of CVD SiO 2 is deposited on the entire surface of the cathode-side element, and an opening 11 (see FIGS. 20 and 21) is formed along the X direction.
By depositing a metal film 12 such as aluminum on the upper surface and performing a heat treatment, only the N-type emitter layer and the P-type base layer exposed in the opening 11 are electrically connected to the metal film 12 such as aluminum. Note that the gate electrode is drawn out from the opening of the trench.
【0101】図23(a)及び図23(b)を用いて、
本発明の絶縁ゲート型半導体装置の圧接型パッケージの
構造の一例について説明する。図23(b)は図23
(a)の回路構成を示している。図22に示す複数の絶
縁ゲート半導体装置のチップ20と、フライホイールダ
イオード30が軟金属のシートからなるバッファ層2
2、23を介してカソード側及びアノード側の圧接用金
属電極24、25を用いて圧接される。With reference to FIGS. 23A and 23B,
An example of the structure of the press-contact package of the insulated gate semiconductor device of the present invention will be described. FIG. 23B shows FIG.
3A illustrates a circuit configuration. A plurality of insulated gate semiconductor device chips 20 shown in FIG. 22 and a buffer layer 2 in which a flywheel diode 30 is made of a soft metal sheet
The electrodes 2 and 23 are pressed using the metal electrodes 24 and 25 for pressing on the cathode side and the anode side.
【0102】カソード側の圧接用金属電極24には、ゲ
ート回路29からチップ20のゲート電極部22に接続
するゲート配線22等の引き回し等に用いる溝が形成さ
れる。ゲート回路28の他方の端子はカソードに接続さ
れる。フライホイールダイオード30は逆方向のサージ
電圧に対して素子を保護する役割を果たしている。In the metal electrode 24 for pressure contact on the cathode side, a groove is formed which is used for routing the gate wiring 22 and the like connected from the gate circuit 29 to the gate electrode portion 22 of the chip 20. The other terminal of the gate circuit 28 is connected to the cathode. The flywheel diode 30 plays a role of protecting the element against a surge voltage in the reverse direction.
【0103】なお本発明は上記の実施の形態に限定され
ることはない。例えば第1乃至第5の実施の形態の変形
例において、N型バリア層10は、必ずしも全てのスト
ライプ形のP型ベース層2の下部に設ける必要はない、
N型エミッタ層5を含むP型ベース層の下部にのみ設け
れば一定のIE効果を得ることができる。その他本発明
の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施すること
ができる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the modified examples of the first to fifth embodiments, the N-type barrier layer 10 does not necessarily need to be provided under all the stripe-shaped P-type base layers 2.
If provided only below the P-type base layer including the N-type emitter layer 5, a certain IE effect can be obtained. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
【0104】[0104]
【発明の効果】上述したように本発明の絶縁ゲート型半
導体装置によれば、短絡時の電源電圧が数千Vと高く、
通常使用する電流密度が106A/m2と比較的低い高耐
圧電力素子として優れた性能を示し、従来のGTOやサ
イリスタ並の低いオン抵抗と、従来のIGBT程度の最
大遮断電流密度の値を維持しつつ、短絡事故時における
大きな耐量を備えた電力用半導体素子を提供することが
可能になる。As described above, according to the insulated gate semiconductor device of the present invention, the power supply voltage at the time of short circuit is as high as several thousand volts,
It shows excellent performance as a high withstand voltage power device with a relatively low current density of 10 6 A / m 2 , a low on-resistance similar to conventional GTO and thyristor, and a maximum cut-off current density comparable to conventional IGBT. It is possible to provide a power semiconductor device having a large withstand voltage at the time of a short circuit accident while maintaining the above.
【図1】第1の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装
置の構造を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a first embodiment.
【図2】第1の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装
置のA−A断面を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an AA cross section of the insulated gate semiconductor device according to the first embodiment;
【図3】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の基本原理を
従来のIGBTと比較して説明する図であって、(a)
は、素子の基本構成と動作状態におけるキャリヤ分布を
示す概念図。(b)は、本発明のIEGTと従来のIG
BTのキャリア蓄積効果を比較するシミュレーション結
果を示す図。3A and 3B are diagrams for explaining the basic principle of the insulated gate semiconductor device of the present invention in comparison with a conventional IGBT, and FIG.
1 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a device and a carrier distribution in an operating state. (B) shows the IEGT of the present invention and the conventional IG
The figure which shows the simulation result which compares the carrier accumulation effect of BT.
【図4】本発明の絶縁ゲート型半導体装置のP型ベース
層のシート抵抗と短絡電流との関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the sheet resistance of the P-type base layer and the short-circuit current of the insulated gate semiconductor device of the present invention.
【図5】本発明の絶縁ゲート型半導体装置のセルサイズ
と短絡電流との関係を示す図。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the cell size and the short-circuit current of the insulated gate semiconductor device of the present invention.
【図6】第1の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート型
半導体装置の構造を示す斜視図。FIG. 6 is a perspective view showing a structure of an insulated gate semiconductor device according to a modification of the first embodiment.
【図7】第1の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート型
半導体装置のA−A断面を示す図。FIG. 7 is a diagram showing an AA cross section of an insulated gate semiconductor device according to a modification of the first embodiment.
【図8】第2の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装
置の構造を示す斜視図。FIG. 8 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a second embodiment.
【図9】第2の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート型
半導体装置の構造を示す斜視図。FIG. 9 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a modification of the second embodiment.
【図10】第3の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置の構造を示す斜視図。FIG. 10 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a third embodiment.
【図11】第3の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置のA−A断面を示す図。FIG. 11 is a view showing an AA cross section of the insulated gate semiconductor device according to the third embodiment;
【図12】第3の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート
型半導体装置の構造を示す斜視図。FIG. 12 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a modification of the third embodiment.
【図13】第3の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート
型半導体装置のA−A断面を示す図。FIG. 13 is a diagram showing an AA cross section of an insulated gate semiconductor device according to a modification of the third embodiment.
【図14】第4の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置の構造を示す斜視図。FIG. 14 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a fourth embodiment.
【図15】第4の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート
型半導体装置の構造を示す斜視図。FIG. 15 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a modification of the fourth embodiment.
【図16】第5の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置の構造を示す斜視図。FIG. 16 is a perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a fifth embodiment.
【図17】第5の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート
型半導体装置の構造を示す斜視図。FIG. 17 is an exemplary perspective view showing the structure of an insulated gate semiconductor device according to a modification of the fifth embodiment;
【図18】第6の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置の性能を示す図。FIG. 18 is a diagram showing the performance of the insulated gate semiconductor device according to the sixth embodiment.
【図19】第6の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置の他の性能を示す図。FIG. 19 is a view showing another performance of the insulated gate semiconductor device according to the sixth embodiment;
【図20】第7の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置のパターン形状を示す図。FIG. 20 is a view showing a pattern shape of an insulated gate semiconductor device according to a seventh embodiment;
【図21】第7の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体
装置の他のパターン形状を示す図。FIG. 21 is a view showing another pattern shape of the insulated gate semiconductor device according to the seventh embodiment;
【図22】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の電極構造
を示す斜視図。FIG. 22 is a perspective view showing an electrode structure of the insulated gate semiconductor device of the present invention.
【図23】本発明の絶縁ゲート型半導体装置のパッケー
ジの構造を示す図であって、(a)は、圧接電極型パッ
ケージの構造の一例を示す図。(b)は、圧接電極型パ
ッケージの電気的構成を示す回路図。23A and 23B are diagrams illustrating a structure of a package of an insulated gate semiconductor device of the present invention, and FIG. 23A illustrates an example of a structure of a press-contact electrode type package. (B) is a circuit diagram showing an electrical configuration of a press-contact electrode type package.
【図24】従来の絶縁ゲート型半導体装置の構造を示す
斜視図。FIG. 24 is a perspective view showing the structure of a conventional insulated gate semiconductor device.
【図25】従来の絶縁ゲート型半導体装置のA−A断面
を示す図。FIG. 25 is a diagram showing a cross section AA of a conventional insulated gate semiconductor device.
1…N-ベース層 2…P型ベース層 3…トレンチ 3a…ダミートレンチ 4…ゲート電極 4a…ダミーゲート電極 5…N型エミッタ層 6…第1主電極 7…N+バッファ層 8…P型エミッタ層 9…第2主電極 10…N型バリア層 11…開口部 12…アルミニウム膜 20…絶縁ゲート半導体装置のチップ 21、23…軟金属板 22…ゲート電極部 24…圧接用カソード電極 25…圧接用アノード電極 26…圧接型パッケージ1 ... N - base layer 2 ... P-type base layer 3 ... trenches 3a ... dummy trench 4 ... gate electrode 4a ... dummy gate electrode 5 ... N-type emitter layer 6 ... first main electrode 7 ... N + buffer layer 8 ... P-type Emitter layer 9 Second main electrode 10 N-type barrier layer 11 Opening 12 Aluminum film 20 Chip of insulated gate semiconductor device 21 and 23 Soft metal plate 22 Gate electrode part 24 Cathode electrode 25 Anode electrode for crimping 26 ... Crimping type package
Claims (5)
ベース層と、 この第2導電型ベース層の表面に選択的に形成された複
数の第1導電型エミッタ層と、 前記第2導電型ベース層の表面から前記第2導電型ベー
ス層を貫通し、前記第1導電型ベース層内部の一定の深
さに達するように形成された溝と、 ゲート絶縁膜を介して前記溝を埋め込むように形成され
たゲート電極と、 前記第2導電型ベース層の表面及び前記第1導電型エミ
ッタ層の表面に共に電気的に接続するように形成された
第1の主電極と、 前記第1導電型ベース層の下面に形成された第2導電型
エミッタ層と、 この第2導電型エミッタ層の下面に形成された第2の主
電極とを具備し、 前記第2導電型ベース層は長手方向に平行に形成された
2個の前記溝により画定されたストライプ形の領域を成
し、 前記複数の第1導電型エミッタ層は、その両端が2個の
前記溝にそれぞれ接するように形成され、 かつ、前記溝における第1導電型ベース層内部の一定の
深さをD(m)、前記ストライプ形の第2導電型ベース
層の幅をW(m)、前記第2導電型ベース層の表面に沿
って前記ストライプ形の長手方向に対して直角方向の前
記第2導電型ベース層の繰り返し単位長をC(m)、前
記第2導電型ベース層のシート抵抗をRp(Ω/squar
e)、前記第1導電型エミッタ層の前記ストライプ形の
長手方向の幅をd1(m)とするとき、(Rp×d1)2
≦2×10-7、W/(C×D)≦1×105の条件が成
り立つことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first conductive type base layer having a high resistance; a second conductive type base layer formed on a surface of the first conductive type base layer; and a second conductive type base layer selectively formed on a surface of the second conductive type base layer. A plurality of formed first conductivity type emitter layers; and a layer penetrating from the surface of the second conductivity type base layer to the second conductivity type base layer to reach a certain depth inside the first conductivity type base layer. A gate electrode formed so as to fill the groove via a gate insulating film; and a surface of the second conductive type base layer and a surface of the first conductive type emitter layer both electrically connected to each other. A first main electrode formed to be connected; a second conductive type emitter layer formed on a lower surface of the first conductive type base layer; and a second conductive layer formed on a lower surface of the second conductive type emitter layer. And a second conductive type base layer in the longitudinal direction. Forming a stripe-shaped region defined by the two grooves formed in a row, wherein the plurality of first conductivity type emitter layers are formed such that both ends thereof respectively contact the two grooves; The constant depth of the groove inside the first conductivity type base layer is D (m), the width of the stripe-shaped second conductivity type base layer is W (m), and the surface of the second conductivity type base layer is Along the direction perpendicular to the longitudinal direction of the stripe, the repeating unit length of the second conductivity type base layer is C (m), and the sheet resistance of the second conductivity type base layer is Rp (Ω / square).
e) When the width in the longitudinal direction of the stripe shape of the first conductivity type emitter layer is d1 (m), (Rp × d1) 2
≦ 2 × 10 −7 and W / (C × D) ≦ 1 × 10 5 are satisfied.
の片端が2個の前記溝にそれぞれ接するように形成され
ることを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲート型半導体
装置。2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein said plurality of first conductivity type emitter layers are formed such that one ends thereof respectively contact said two grooves.
は、長手方向に平行に形成された第1の2個の前記溝
と、前記長手方向と直角な方向に平行に形成された第2
の2個の前記溝により周辺が画定された領域を前記スト
ライプ形の長手方向に沿って繰り返し配置することによ
り形成され、前記複数の第1のエミッタ層は、その両端
が前記第1の2個の溝にそれぞれ接するように形成さ
れ、前記両端と直角な片端が前記第2の2個の溝のいず
れか1つにそれぞれ接するように形成されることを特徴
とする請求項1記載の絶縁ゲート型半導体装置。3. The stripe-shaped second conductivity type base layer includes a first two grooves formed parallel to a longitudinal direction and a second groove formed parallel to a direction perpendicular to the longitudinal direction.
Are formed by repeatedly arranging a region whose periphery is defined by the two grooves along the longitudinal direction of the stripe shape, and the plurality of first emitter layers have both ends of the first two 2. The insulated gate according to claim 1, wherein each of the first and second grooves is formed so as to be in contact with each of the second grooves, and one end perpendicular to the both ends is each in contact with any one of the second two grooves. 3. Type semiconductor device.
は、この第2導電型ベース層の表面に沿って前記ストラ
イプ形の長手方向と直角方向に隣接する少なくとも1つ
の前記第2導電型ベース層のみからなる前記ストライプ
形の領域を備え、前記繰り返し単位長Cには、前記少な
くとも1つの前記第2導電型ベース層のみからなるスト
ライプ形の領域の幅が含まれることを特徴とする請求項
1乃至3のいづれか1つに記載の絶縁ゲート型半導体装
置。4. The second conductive type base layer having a stripe shape, wherein at least one second conductive type base layer adjacent to the stripe-shaped second conductive type base layer in a direction perpendicular to a longitudinal direction of the stripe shape along a surface of the second conductive type base layer. The semiconductor device according to claim 1, wherein the stripe-shaped region including only the layer is provided, and the repeating unit length C includes a width of the stripe-shaped region including only the at least one second conductivity type base layer. 4. The insulated gate semiconductor device according to any one of 1 to 3.
て第1導電型バリア層を具備することを特徴とする請求
項1乃至4のいづれか1つに記載の絶縁ゲート型半導体
装置。5. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductivity type base layer includes a first conductivity type barrier layer adjacent to a lower portion thereof.
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