JP2011086883A - Insulated gate bipolar transistor, and method for designing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単なライフタイム制御構造を有してなり、テイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法を提供する。
【解決手段】第1導電型の第1半導体層1と、主面側の表層部に形成された第2導電型の第2半導体層2と、第2半導体層2の表層部に選択的に形成された第1導電型の第3半導体層3と、裏面側の表層部に形成された第2導電型の第4半導体層4と、第1半導体層1と第4半導体層4の間に形成された第1導電型で第1半導体層1より不純物濃度が高い第5半導体層5とを有してなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ100であって、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥Dが、ターンオフ終了時の非空乏化領域の幅Wより内側にピーク位置Dcがくるように、第1半導体層1内に配置されてなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ100とする。
【選択図】図2An insulated gate bipolar transistor having a simple lifetime control structure, small tail loss and capable of high-speed switching, and a design method thereof are provided.
A first conductivity type first semiconductor layer, a second conductivity type second semiconductor layer formed on a main surface side surface layer portion, and a surface layer portion of the second semiconductor layer are selectively used. Between the formed first semiconductor layer 3 of the first conductivity type, the fourth semiconductor layer 4 of the second conductivity type formed in the surface layer portion on the back surface side, and between the first semiconductor layer 1 and the fourth semiconductor layer 4. An insulated gate bipolar transistor 100 having a fifth semiconductor layer 5 of the first conductivity type formed and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer 1, wherein the recombination center lattice defect has one density distribution peak. The insulated gate bipolar transistor 100 is arranged in the first semiconductor layer 1 so that the peak position Dc is located inside the width W of the non-depleted region at the end of turn-off.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法に関する。 The present invention relates to an insulated gate bipolar transistor and a design method thereof.
縦型パワーデバイスである絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT、Insulated Gate Bipolar Transistor)が、例えば、特開平10−50724号公報(特許文献1)と特開2004−103982号公報(特許文献2)に開示されている。IGBTは、MOS型電界効果トランジスタ(MOS−FET)とバイポーラトランジスタ(BJT)とが複合化した構造として把えることができ、大電流・大電圧パワーデバイスの1つとして、産業用から家電用まで幅広く適用されてきている。 Insulated gate bipolar transistors (IGBTs), which are vertical power devices, are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-50724 (Patent Document 1) and 2004-103982 (Patent Document 2). ing. IGBT can be grasped as a composite structure of MOS field effect transistor (MOS-FET) and bipolar transistor (BJT), and is one of high-current / high-voltage power devices, from industrial to household appliances. It has been widely applied.
IGBTは、いわゆるパンチスルー(PT)型IGBT、ノンパンチスルー(NPT)型IGBT、および両者の中間的存在のフィールドストップ(FS)型IGBTに大別できる。PT型IGBT(例えば特許文献1)は、P導電型(P+)の厚い基板をコレクタ層とし、N導電型(N−)のドリフト層との間にN導電型(N+)のバッファ層を挿入した構造となっている。NPT型IGBT(例えば特許文献1)は、ドリフト層として機能する薄いN導電型(N−)の基板(ボディ層)の裏面にP導電型(P+)のコレクタ層が形成された構造となっている。また、FS型IGBT(例えば特許文献2)は、NPT型IGBTのドリフト層とコレクタ層の間にフィールドストップ(FS)層と呼ぶN導電型のキャリア濃度を低く設計したバッファ層を挿入して、ドリフト層であるN導電型(N−)の基板(ボディ層)をさらに薄くした構造となっている。縦型パワーデバイスであるIGBTは、損失低減を目的としてデバイス厚の薄型化が図られてきており、近年では最も薄型化できるFS型IGBTが主流の構造となりつつある。 IGBTs can be broadly classified into so-called punch-through (PT) type IGBTs, non-punch-through (NPT) type IGBTs, and field stop (FS) type IGBTs that are intermediate between the two. A PT-type IGBT (for example, Patent Document 1) uses a thick substrate of P conductivity type (P +) as a collector layer, and inserts an N conductivity type (N +) buffer layer between the drift layer of N conductivity type (N−) It has a structure. An NPT type IGBT (for example, Patent Document 1) has a structure in which a collector layer of P conductivity type (P +) is formed on the back surface of a thin N conductivity type (N−) substrate (body layer) functioning as a drift layer. Yes. In addition, an FS type IGBT (for example, Patent Document 2) inserts a buffer layer designed to have a low N conductivity type carrier concentration called a field stop (FS) layer between a drift layer and a collector layer of an NPT type IGBT, The N-conductivity type (N−) substrate (body layer) which is a drift layer is further thinned. The IGBT, which is a vertical power device, has been reduced in thickness for the purpose of reducing loss. In recent years, the FS type IGBT that can be thinned most is becoming the mainstream structure.
図13は、上記FS型IGBTの代表例で、IGBT90の模式的な断面図である。
FIG. 13 is a typical example of the FS type IGBT and is a schematic cross-sectional view of the
図13に示すIGBT90は、N導電型(N−)の半導体基板10に形成されている。IGBT90は、N導電型(N−)の半導体基板10からなる第1半導体層1と、半導体基板10の主面側の表層部に形成されたP導電型(P)の第2半導体層2と、第2半導体層2の表層部に選択的に形成されたN導電型(N+)の第3半導体層3とを有している。尚、第2半導体層2を貫通するようにして形成されている符号Gの部分は、トレンチ構造のゲート電極(絶縁トレンチゲート)で、第2半導体層2はベース層と呼ばれるチャネル形成領域であり、第3半導体層3はエミッタ領域である。また、エミッタ電極Eが、層間絶縁膜6を介して第2半導体層2と第3半導体層3に共通接続するように、主面側の半導体基板10上に形成されている。
The IGBT 90 shown in FIG. 13 is formed on an N conductivity type (N−)
また、IGBT90は、半導体基板10の裏面側の表層部に形成されたP導電型(P+)の第4半導体層4と、第1半導体層1と第4半導体層4の間に形成されたN導電型(N)で第1半導体層1より不純物濃度が高い第5半導体層5とを有している。第4半導体層4はコレクタ領域であり、コレクタ電極Cが、第4半導体層4に接続するように裏面側の半導体基板10上に形成されている。第5半導体層5が、いわゆるFS層であり、第1半導体層1が、IGBT90におけるキャリアのドリフト領域となっている。
The IGBT 90 includes a P-conductivity type (P +)
図14は、一般的なIGBTについて、ターンオフ時の特性を模式的に示した図である。図14(a)は、ターンオフ時のゲート電圧Vg、コレクタ電圧Vcおよびコレクタ電流Icの波形を示した図であり、図14(b)は、ターンオフ時の損失に係る仕事率Vc×Icの波形を示した図である。 FIG. 14 is a diagram schematically showing characteristics at turn-off of a general IGBT. FIG. 14A is a diagram illustrating waveforms of the gate voltage Vg, the collector voltage Vc, and the collector current Ic at the time of turn-off, and FIG. 14B is a waveform of the power Vc × Ic related to the loss at the time of turn-off. FIG.
図14(a)に示すように、IGBTにおいては、ゲートをオフした後、ゲート容量の放電が終了してからコレクタ電流Icが遅れて低下し、それに伴ってコレクタ電圧Vcが上昇する。コレクタ電流Icは、オン時の2割程度まで急激に低下した後、裾を引くようになる(テイル開始)。このコレクタ電流Icが裾を引く現象(テイル電流)は、IGBTに特有のもので、ドリフト層における残留ホールが影響している。図14(b)において、IGBTのターンオフ損失(ターンオフ時の全体損失)は、仕事率Vc×Icの波形の積分面積に相当するが、図中に斜線で示したテイル損失(ターンオフ損失のうち、テイル開始後の損失分)は、ターンオフ損失の約4割の大きな割合を占めている。 As shown in FIG. 14A, in the IGBT, after the gate is turned off, the collector current Ic decreases with a delay after the discharge of the gate capacitance is completed, and the collector voltage Vc increases accordingly. The collector current Ic suddenly drops to about 20% of the on state, and then begins to tail (start tail). This phenomenon in which the collector current Ic has a tail (tail current) is peculiar to the IGBT and is affected by residual holes in the drift layer. In FIG. 14 (b), the IGBT turn-off loss (total loss at turn-off) corresponds to the integrated area of the waveform of the work factor Vc × Ic, but the tail loss (of the turn-off loss) indicated by hatching in FIG. The loss after the start of the tail) accounts for about 40% of the turn-off loss.
図14に示すIGBTに特有なテイル電流を低減し、該テイル電流に伴う損失の低減とスイッチングの高速化を図るため、従来から種々の手法が検討されてきている。 In order to reduce the tail current peculiar to the IGBT shown in FIG. 14, to reduce the loss accompanying the tail current, and to increase the switching speed, various methods have been studied.
例えば、特許文献1では、PT型IGBTやNPT型IGBTにおいて、テイル電流の原因となるドリフト層中の残留ホールのライフタイムを制御して、残留ホールを早期に消滅させる方法が検討されている。特許文献1によれば、非空乏化領域の幅が40μm以上となるようにドリフト層であるN−型ベース層を形成し、次に、H2+を2回に分けて照射する。これによって、N−型ベース層内において、P型コレクタ層より20μmほどのところに比較的深い再結合順位を有する第1の低ライフタイム層を、P型コレクタ層より60μmほどのところに比較的浅い再結合順位を有する第2の低ライフタイム層を、それぞれ形成する。こうして、過多に残る非空乏化領域のほぼ全域を低ライフタイム化することができ、耐圧の劣化や漏れ電流およびオン電圧の増大を招くことなく、低電源電圧時のテイル電流を抑制できる。
For example,
一方、上記特許文献1のPT型IGBTやNPT型IGBTに代わり、近年主流の構造となりつつあるFS型IGBTは、残留ホールのライフタイム制御をしないことを前提として開発が進められてきた。これは、薄型化が最大のメリットであるFS型IGBTにおいて、特許文献1のような複雑なライフタイム制御構造の実現が困難なためである。
On the other hand, in place of the PT-type IGBT and NPT-type IGBT disclosed in
残留ホールのライフタイム制御以外にテイル損失を低減して素子の高速化を図る手法としては、例えば、図13のIGBT90のP+型コレクタ層(第4半導体層4)およびN型FS層(第5半導体層5)の不純物濃度を適宜制御してホール注入効率を抑制する方法を用いることができる。しかしながら、ホール注入効率を抑制する方法では、テイル電流の低減は可能となるが、例えばP+型コレクタ層の低濃度化によってコレクタ電極Cとのコンタクト抵抗が増大したり、IGBTの電流駆動能力が低下したりする問題が生じる。
As a technique for reducing the tail loss and increasing the device speed in addition to the lifetime control of the residual holes, for example, the P + type collector layer (fourth semiconductor layer 4) and the N type FS layer (fifth semiconductor layer) of the
そこで本発明は、薄型化が可能なFS型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法であって、残留ホールのライフタイムを精密に制御することができる簡単なライフタイム制御構造を有してなり、テイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention is an FS-type insulated gate bipolar transistor that can be thinned and a design method thereof, and has a simple lifetime control structure capable of precisely controlling the lifetime of residual holes. An object of the present invention is to provide an insulated gate bipolar transistor with low tail loss and capable of high-speed switching, and a design method thereof.
請求項1に記載の発明は、第1導電型の半導体基板からなる第1半導体層と、前記半導体基板の主面側の表層部に形成された第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表層部に選択的に形成された第1導電型の第3半導体層と、前記半導体基板の裏面側の表層部に形成された第2導電型の第4半導体層と、前記第1半導体層と前記第4半導体層の間に形成された第1導電型で前記第1半導体層より不純物濃度が高い第5半導体層とを有してなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、前記半導体基板の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥が、前記半導体基板の裏面からシミュレーションにより決定されるターンオフ終了時の非空乏化領域の幅より内側にピーク位置がくるように、前記第1半導体層に配置されてなることを特徴としている。
The invention according to
上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)は、第1半導体層をドリフト層(ボディ層)とし、第2半導体層をチャネル形成層とし、第3半導体層をエミッタ層とし、第4半導体層をコレクタ層とし、第5半導体層をフィールドストップ(FS)層とするFS型IGBTで、第4半導体層と第5半導体層は1μm程度の薄い層である。また、ドリフト層(ボディ層)である第1半導体層も、例えば200μm以下であってよい。 The insulated gate bipolar transistor (IGBT) has a first semiconductor layer as a drift layer (body layer), a second semiconductor layer as a channel formation layer, a third semiconductor layer as an emitter layer, and a fourth semiconductor layer as a collector layer. In the FS type IGBT in which the fifth semiconductor layer is a field stop (FS) layer, the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer are thin layers of about 1 μm. Also, the first semiconductor layer that is the drift layer (body layer) may be, for example, 200 μm or less.
IGBTにおいては、一般的に、ゲートをオフしてコレクタ電流Icがオン時の2割程度まで急激に低下した後、ドリフト層における残留ホールの影響で、裾を引く現象(テイル電流)が発生する。このテイル電流を低減し、該テイル電流に伴うテイル損失の低減とスイッチングの高速化を図るため、上記FS型IGBTにおいては、半導体基板の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥(所謂、残留ホールのライフタイムキラー)が、半導体基板の裏面からシミュレーションにより決定されるターンオフ終了時の非空乏化領域の幅より内側にピーク位置がくるように、第1半導体層に配置されている。該再結合中心格子欠陥は、具体的には、プロトン、重水素(デュートロン)、ヘリウム等のイオンを半導体基板の裏面側から照射することにより、局所的に形成される。 In the IGBT, generally, after the gate is turned off and the collector current Ic is rapidly reduced to about 20% of that at the time of on, a phenomenon (tail current) is generated due to the influence of residual holes in the drift layer. . In order to reduce the tail current, reduce tail loss associated with the tail current, and increase the switching speed, the FS-type IGBT has a recombination center lattice having one density distribution peak in the cross-sectional direction of the semiconductor substrate. Defects (so-called lifetime killer of residual holes) are arranged in the first semiconductor layer so that the peak position comes inside the width of the non-depleted region at the end of turn-off determined from the back surface of the semiconductor substrate by simulation. ing. Specifically, the recombination center lattice defect is locally formed by irradiating ions such as proton, deuterium (dutron), and helium from the back side of the semiconductor substrate.
上記FS型IGBTにおける再結合中心格子欠陥は、半導体基板の断面方向において一つの密度分布ピークを有する簡単な構造のものであり、薄型化されたFS型IGBTであっても容易に実現することができる。該再結合中心格子欠陥の分布は、シミュレーションにより精密に決定できるものであり、該再結合中心格子欠陥のピーク位置をシミュレーションにより決定されたターンオフ終了時の電界強度がゼロとなる非空乏化領域の幅より内側にくるように第1半導体層に配置することで、該再結合中心格子欠陥を導入しない場合に較べてオン電圧の増大を招くことなくテイル損失を低減すると共にスイッチングを高速化することができる。 The recombination center lattice defect in the FS-type IGBT has a simple structure having one density distribution peak in the cross-sectional direction of the semiconductor substrate, and can be easily realized even in a thin FS-type IGBT. it can. The distribution of the recombination center lattice defects can be accurately determined by simulation, and the peak position of the recombination center lattice defects is determined in the non-depleted region where the electric field strength at the end of turn-off determined by the simulation is zero. By disposing the first semiconductor layer so as to be inward of the width, tail loss can be reduced and switching speeded up without causing an increase in on-voltage compared to the case where the recombination center lattice defect is not introduced. Can do.
上記FS型IGBTの再結合中心格子欠陥による残留ホールのライフタイム制御は、例えば第4半導体層および第5半導体層の不純物濃度を適宜制御してホール注入効率を抑制する方法と異なり、第4半導体層と接続するコレクタ電極とのコンタクト抵抗が増大したり該FS型IGBTの電流駆動能力が低下したりすることもない。 The lifetime control of residual holes due to the recombination center lattice defect of the FS-type IGBT is different from, for example, a method of suppressing the hole injection efficiency by appropriately controlling the impurity concentration of the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer. The contact resistance with the collector electrode connected to the layer does not increase, and the current driving capability of the FS type IGBT does not decrease.
以上のようにして、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、薄型化が可能なFS型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、残留ホールのライフタイムを精密に制御することができる簡単なライフタイム制御構造を有してなり、テイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタとすることができる。 As described above, the insulated gate bipolar transistor is an FS-type insulated gate bipolar transistor that can be thinned, and has a simple lifetime control structure that can precisely control the lifetime of residual holes. Thus, an insulated gate bipolar transistor with small tail loss and capable of high-speed switching can be obtained.
上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいては、請求項2に記載のように、前記再結合中心格子欠陥が、前記半導体基板の裏面から前記非空乏化領域の幅より内側に主面側半値幅位置がくるように、前記第1半導体層に配置されてなることが好ましい。さらには、請求項3に記載のように、前記再結合中心格子欠陥が、前記半導体基板の裏面から前記非空乏化領域の幅より内側に主面側裾先端位置がくるように、前記第1半導体層に配置されてなることがより好ましい。
In the insulated gate bipolar transistor, as described in
これによれば、再結合中心格子欠陥の分布がより確実に非空乏化領域内に納まることとなり、テイル損失の低減とスイッチングの高速化をより安定的に実現することができる。 According to this, the distribution of recombination center lattice defects is more surely contained in the non-depleted region, and the tail loss can be reduced and the switching speed can be increased more stably.
前述したように、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは薄型化が可能なFS型IGBTを対象としたものであり、請求項4に記載のように、前記半導体基板の厚さが、120μm以上、200μm以下である場合に好適である。
As described above, the insulated gate bipolar transistor is intended for a FS-type IGBT that can be reduced in thickness, and as described in
また、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、例えば請求項5に記載のように、前記第2半導体層を貫通するようにして形成された絶縁トレンチゲートを有してなる、トレンチゲート型IGBTであってよい。
The insulated gate bipolar transistor may be a trench gate type IGBT having an insulated trench gate formed so as to penetrate the second semiconductor layer, for example, as recited in
請求項6〜10に記載の発明は、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの設計手順に係る、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの設計方法についての発明である。
The invention described in
請求項6に記載の設計方法は、第1導電型の半導体基板からなる第1半導体層と、前記半導体基板の主面側の表層部に形成された第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表層部に選択的に形成された第1導電型の第3半導体層と、前記半導体基板の裏面側の表層部に形成された第2導電型の第4半導体層と、前記第1半導体層と前記第4半導体層の間に形成された第1導電型で前記第1半導体層より不純物濃度が高い第5半導体層とを有してなり、前記半導体基板の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥が、前記第1半導体層に配置されてなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタの設計方法であって、シミュレーションにより、最初に、前記半導体基板の断面方向において、ターンオフ終了時の電界強度がゼロとなる非空乏化領域の幅を決定し、次に、前記再結合中心格子欠陥を、前記半導体基板の裏面から前記非空乏化領域の幅より内側にピーク位置がくるように、前記第1半導体層に配置することを特徴している。これによって、請求項1に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタを簡単に設計することができる。
The design method according to
同様に、請求項7〜10に記載の設計方法によって、請求項2〜5に記載の絶縁ゲートバイポーラトランジスタを簡単に設計することができる。
Similarly, the insulated gate bipolar transistor according to
尚、上記設計方法によって設計される絶縁ゲートバイポーラトランジスタの効果については、上述したとおりであり、その説明は省略する。 The effect of the insulated gate bipolar transistor designed by the above design method is as described above, and the description thereof is omitted.
以上のようにして、上記した絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法は、薄型化が可能なFS型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法であって、残留ホールのライフタイムを精密に制御することができる簡単なライフタイム制御構造を有してなり、テイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法となっている。 As described above, the above-described insulated gate bipolar transistor and its design method are an FS type insulated gate bipolar transistor that can be thinned and its design method, and it is possible to precisely control the lifetime of residual holes. An insulated gate bipolar transistor that has a simple lifetime control structure that can be performed, has low tail loss, and can perform high-speed switching, and a design method thereof.
以下、本発明を実施するための形態を、図に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
最初に、図14で説明したIGBTに特有のコレクタ電流Icが裾を引く現象(テイル電流)を解析するため、図13に示したIGBT90のシミュレーションを行った。
First, in order to analyze the phenomenon (tail current) in which the collector current Ic peculiar to the IGBT described in FIG. 14 has a tail, a simulation of the
図1は、上記IGBT90のシミュレーション結果の一例で、図1(a)は、半導体基板10の断面方向における電界強度の分布を示す図であり、図1(b)は、半導体基板10の断面方向におけるホール密度の分布を示す図である。図1(a),(b)では、それぞれ、ターンオフ中のコレクタ電流Ic=180,100,50,30,15,5,0[A]の各段階における電界強度分布とホール密度分布が示されている。尚、IGBT90の導通状態でのコレクタ電流Icは、200[A]としている。また、図1のシミュレーションでは、半導体基板10の厚さを165μmとしており、キャリアのドリフト領域であるN導電型(N−)の第1半導体層1の比抵抗を60Ωcmとしている。また、第4半導体層4と第5半導体層5の厚さは、いずれも1μmである。
FIG. 1 is an example of a simulation result of the
IGBT90がターンオフしてIcが低下していくと、図1(a)に示すように、半導体基板10の主面側から裏面側に向かって電界強度が伸びていき、それに伴って、図1(b)に示すように、空乏化領域(Icの各段階における主面側のホール密度が低い領域)も裏面側に向かって伸びていく。すなわち、IGBT90のターンオフ時には、ゲート印加電圧がゼロバイアスされて、主面側のMOSトランジスタからの電子の注入が停止してIcが減少すると共に、IGBT90のコレクタとエミッタ間に印加されているシステム電圧により、P導電型(P)の第2半導体層2とN導電型(N−)の第1半導体層1の接合面から裏面側に向かって空乏化領域が拡がる。Icの各段階において、空乏化領域では、ホールが図1(a)に示す電界強度によって主面側のエミッタへすぐに掃出される。一方、半導体基板10の裏面側における図1(a)の電界強度がゼロの領域では、ホールがシリコン(Si)中におけるライフタイムの間だけ残存する(残留ホール)。図14(a)に示したコレクタ電流Icが裾を引く現象(テイル電流)は、該ホールがライフタイムを過ぎて消滅するまでテイル電流として現れたものである。
When the
図1(a)からわかるように、IGBT90ではIc=0[A]となっても半導体基板10の裏面側に図中に両端矢印で示した電界強度がゼロとなる領域が残っており、この領域を非空乏化領域として、その幅を厳密に定義することができる。図1(a)では、Ic=0[A]での電界強度の先端の深さが108μmであり、非空乏化領域の幅は、55μmである。
As can be seen from FIG. 1A, in the
以上のように、図13に示したフィールドストップ(FS)型のIGBT90においても、パンチスルー(PT)型やノンパンチスルー(NPT)型のIGBTと同様に残留ホールに起因してテイル電流が発生することが確認できた。そこで、薄型化が最大のメリットであり、ライフタイム制御構造の実現が困難なFS型IGBTについて、図1のシミュレーション結果をもとにして、残留ホールのライフタイム制御の導入を検討した。
As described above, in the field stop (FS)
図2は、本発明に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の基本構造を示した図で、IGBT100の模式的な断面図である。尚、図2に示すIGBT100において、図13に示したIGBT90と同様の部分については、同じ符号を付した。
FIG. 2 is a diagram showing a basic structure of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) according to the present invention, and is a schematic cross-sectional view of the
図2に示すIGBT100は、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥(所謂、残留ホールのライフタイムキラー)Dが配置されている点で、図13に示したIGBT90と異なっている。
The
すなわち、図2のIGBT100は、図13のIGBT90と同様に、N導電型(N−)の半導体基板10からなる第1半導体層1と、半導体基板10の主面側の表層部に形成されたP導電型(P)の第2半導体層2と、第2半導体層2の表層部に選択的に形成されたN導電型(N+)の第3半導体層3とを有している。尚、第2半導体層2を貫通するようにして形成されている符号Gの部分は、トレンチ構造のゲート電極(絶縁トレンチゲート)で、第2半導体層2はベース層と呼ばれるチャネル形成領域であり、第3半導体層3はエミッタ領域である。また、エミッタ電極Eが、層間絶縁膜6を介して第2半導体層2と第3半導体層3に共通接続するように、主面側の半導体基板10上に形成されている。
That is, the
また、IGBT100は、半導体基板10の裏面側の表層部に形成されたP導電型(P+)の第4半導体層4と、第1半導体層1と第4半導体層4の間に形成されたN導電型(N)で第1半導体層1より不純物濃度が高い第5半導体層5とを有している。第4半導体層4はコレクタ領域であり、コレクタ電極Cが、第4半導体層4に接続するように裏面側の半導体基板10上に形成されている。第5半導体層5が、いわゆるFS層であり、第1半導体層1が、IGBT90におけるキャリアのドリフト領域となっている。
The
一方、図2のIGBT100は、図13のIGBT90と異なり、半導体基板10の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥Dが、半導体基板10の裏面からシミュレーションにより決定されるターンオフ終了時の非空乏化領域の幅Wより内側に再結合中心格子欠陥Dの図中に一点鎖線で示したピーク位置Dcがくるように、第1半導体層1内に配置されている。尚、図2においては、ガウス分布する再結合中心格子欠陥Dの主面側半値幅位置Dhsと裏面側半値幅位置Dhbを図中に破線で示し、ホールのライフタイム値がピーク位置Dcでのライフタイム値の100倍となって、実質的にライフタイムキラーの機能が発揮されなくなる主面側裾先端位置Desと裏面側裾先端位置Debを図中に点線で示した。
On the other hand, unlike the
以上のように、図2のIGBT100は、第1半導体層1をドリフト層(ボディ層)とし、第2半導体層2をチャネル形成層とし、第3半導体層3をエミッタ層とし、第4半導体層4をコレクタ層とし、第5半導体層5をフィールドストップ(FS)層とするFS型IGBTで、第4半導体層4と第5半導体層5は1μm程度の薄い層である。また、ドリフト層(ボディ層)である第1半導体層1も、例えば200μm以下であってよい。
As described above, the
図14で説明したように、IGBTにおいては、一般的に、ゲートをオフしてコレクタ電流Icがオン時の2割程度まで急激に低下した後、ドリフト層における残留ホールの影響で、裾を引く現象(テイル電流)が発生する。このテイル電流を低減し、該テイル電流に伴うテイル損失の低減とスイッチングの高速化を図るため、図2のFS型IGBT100においては、半導体基板10の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥Dが、半導体基板10の裏面から図1に示したシミュレーションにより決定されるターンオフ終了時の非空乏化領域の幅Wより内側にピーク位置Dcがくるように、第1半導体層1内に配置されている。該再結合中心格子欠陥Dは、具体的には、プロトン、重水素(デュートロン)、ヘリウム等のイオンを半導体基板10の裏面側から照射することにより、局所的に形成される。
As described with reference to FIG. 14, in the IGBT, generally, after the gate is turned off and the collector current Ic is suddenly reduced to about 20% at the time of on, the tail is pulled by the influence of residual holes in the drift layer. A phenomenon (tail current) occurs. In order to reduce the tail current, reduce tail loss associated with the tail current, and increase the switching speed, the FS-
図2のFS型IGBT100における再結合中心格子欠陥Dは、半導体基板10の断面方向において一つの密度分布ピークを有する簡単な構造のものであり、薄型化されたFS型IGBT100であっても容易に実現することができる。また、上記したイオンの照射により再結合中心格子欠陥Dを形成する場合は、1回のイオン照射で一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥Dを形成することができるため、低コストである。
The recombination center lattice defect D in the
該再結合中心格子欠陥Dの分布は、後述するようにシミュレーションにより精密に決定できるものであり、該再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcを図1に示したシミュレーションにより決定されたターンオフ終了時の電界強度がゼロとなる非空乏化領域の幅Wより内側にくるように第1半導体層1内に配置することで、後述するように、該再結合中心格子欠陥Dを導入しない場合に較べてオン電圧の増大を招くことなくテイル損失を低減すると共にスイッチングを高速化することができる。
The distribution of the recombination center lattice defect D can be accurately determined by simulation as described later, and the peak position Dc of the recombination center lattice defect D is determined at the end of turn-off determined by the simulation shown in FIG. By arranging the
上記FS型IGBT100の再結合中心格子欠陥Dによる残留ホールのライフタイム制御は、例えば第4半導体層4および第5半導体層5の不純物濃度を適宜制御してホール注入効率を抑制する方法と異なり、第4半導体層4と接続するコレクタ電極とのコンタクト抵抗が増大したり該FS型IGBTの電流駆動能力が低下したりすることもない。
The lifetime control of residual holes due to the recombination center lattice defect D of the FS-
図3〜図5は、図2に示したIGBT100のシミュレーションの一例を示す図である。
3 to 5 are diagrams illustrating an example of the simulation of the
図3は、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcとピーク位置Dcでのホールライフタイム値を一定にして、ガウス分布する再結合中心格子欠陥Dの片側半値幅を変化させた場合の各シミュレーションモデルを示す図である。尚、図3のシミュレーションにおいても、図1のシミュレーションと同様に、半導体基板10の厚さを165μmとしており、キャリアのドリフト領域であるN導電型(N−)の第1半導体層1の比抵抗を60Ωcmとしている。また、第4半導体層4と第5半導体層5の厚さは、いずれも1μmである。
FIG. 3 shows various simulations when the half-value width of the recombination center lattice defect D having a Gaussian distribution is changed while the hole lifetime values at the peak position Dc and the peak position Dc of the recombination center lattice defect D are constant. It is a figure which shows a model. In the simulation of FIG. 3 as well, as in the simulation of FIG. 1, the thickness of the
図4は、図3に示した各シミュレーションモデルと実際のIGBT100において再結合中心格子欠陥Dを形成した場合の一致状況を検証した結果の一例で、再結合中心格子欠陥Dとしてヘリウム(He)イオンを照射した時のシリコン(Si)基板における拡がり抵抗値を示した図である。
FIG. 4 is an example of a result of verifying the coincidence situation when each simulation model shown in FIG. 3 and the recombination center lattice defect D are formed in the
また、図5は、図3に示した各モデルに対するシミュレート結果で、各モデルについてコレクタ層である第4半導体層4の不純物濃度を変え、オン電圧とターンオフ損失の関係をそれぞれプロットした図である。尚、図5においては、図13と図1に示した再結合中心格子欠陥Dが配置されてないIGBT90のシミュレーション結果について、オン電圧とターンオフ損失の関係を図中に破線(ライフタイム制御なし)で示している。
FIG. 5 is a simulation result for each model shown in FIG. 3, in which the impurity concentration of the
図3の各シミュレーションモデルにおいては、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcを基板主面からの深さが120μmの位置にして、半導体基板10の裏面から図1のシミュレーションにより決定されたターンオフ終了時の非空乏化領域の幅W=55μmの内側にピーク位置Dcがくるように、再結合中心格子欠陥Dを第1半導体層1内に配置している。また、ピーク位置Dcでのホールライフタイム値τhを3.0e−8secとして、ガウス分布する再結合中心格子欠陥Dの片側半値幅のパラメータを、それぞれ、5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5μmとしている。尚、図3では、図2と同様に、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcを一点鎖線で、片側半値幅が5.0μmのときの主面側半値幅位置Dhsを破線で、片側半値幅が5.0μmのときの主面側裾先端位置Desを点線で図中に示している。
In each simulation model of FIG. 3, the peak position Dc of the recombination center lattice defect D is set to a position where the depth from the main surface of the substrate is 120 μm, and the turn-off end determined from the back surface of the
図4に示すヘリウム(He)イオンを照射した時のシリコン(Si)の拡がり抵抗値は、概ねガウス分布をしており、片側半値幅が約5μm、拡がり抵抗値のピークから抵抗値が安定する主面側裾先端位置までが約20μmで、図3に示した片側半値幅が5.0μmのシミュレーションモデルについてのホールライフタイム値の分布と概略一致している。尚、Heイオンの照射によって片側半値幅が5μmより小さな拡がり抵抗値の分布を作ることは一般的に困難であるが、図3に示した片側半値幅が5.0μmより大きな他のシミュレーションモデルと同様の拡がり抵抗値の分布については、Heイオンの照射条件を変えることで、5〜15μmの分布の形成が可能である。 The spreading resistance value of silicon (Si) when irradiated with helium (He) ions shown in FIG. 4 has a generally Gaussian distribution, the half-value width on one side is about 5 μm, and the resistance value is stabilized from the peak of the spreading resistance value. The distribution up to the tip end position on the main surface side is approximately 20 μm, and the distribution of hole lifetime values for the simulation model shown in FIG. Although it is generally difficult to create a distribution of spreading resistance values with a half-width of less than 5 μm by He ion irradiation, other simulation models with a half-width of 5.0 μm larger than that shown in FIG. Regarding the distribution of the same spreading resistance value, a distribution of 5 to 15 μm can be formed by changing the irradiation condition of He ions.
図5に示すように、IGBTの特性であるオン電圧とターンオフ損失は、一般的にトレードオフの関係にあり、オン電圧が低いほどターンオフ損失は増大する。一方、IGBTの特性は、オン電圧とターンオフ損失が共に低い、図5の左下領域にあるほど良好である。図5からわかるように、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcを基板主面からの深さが120μmの位置にして、ピーク位置Dcが非空乏化領域の幅W=55μmの内側にくるように配置した図3の各シミュレーションモデルについては、いずれの片側半値幅のシミュレーションモデルも、図中に破線で示したライフタイム制御なしの場合に較べて、良好な特性が得られている。 As shown in FIG. 5, the on-voltage and the turn-off loss, which are the characteristics of the IGBT, generally have a trade-off relationship, and the turn-off loss increases as the on-voltage decreases. On the other hand, the characteristics of the IGBT are better as it is in the lower left region of FIG. 5 where both the on-voltage and the turn-off loss are lower. As can be seen from FIG. 5, the peak position Dc of the recombination center lattice defect D is set at a depth of 120 μm from the main surface of the substrate so that the peak position Dc is inside the non-depleted region width W = 55 μm. As for each simulation model of FIG. 3 arranged in FIG. 3, any one-sided half-value width simulation model has better characteristics than the case of no lifetime control indicated by a broken line in the figure.
以上のようにして、図2および図3に例示した絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT100)は、薄型化が可能なFS型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、残留ホールのライフタイムを精密に制御することができる簡単なライフタイム制御構造を有してなり、テイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタとすることができる。 As described above, the insulated gate bipolar transistor (IGBT 100) illustrated in FIGS. 2 and 3 is an FS-type insulated gate bipolar transistor that can be reduced in thickness, and precisely controls the lifetime of residual holes. Therefore, it is possible to provide an insulated gate bipolar transistor that has a simple lifetime control structure and that can perform high-speed switching with low tail loss.
次に、上記したIGBT100について、より好ましい実施形態を説明する。
Next, a more preferred embodiment of the above-described
図6は、図5に示したデータの一部を抜き出して示した図で、オン電圧2.3Vでの片側半値幅とターンオフ損失の関係を示した図である。 FIG. 6 is a diagram showing a part of the data shown in FIG. 5 and showing the relationship between the half width at one side and the turn-off loss at the ON voltage of 2.3V.
図6のオン電圧2.3Vでのデータで例示するように、図3の各シミュレーションモデルについては、片側半値幅が10μm以下のときにはターンオフ損失が小さな値で安定しているが、片側半値幅が12.5μm以上では片側半値幅が大きくなるほどターンオフ損失も増大していく。 As exemplified by the data at an on-voltage of 2.3 V in FIG. 6, in each simulation model of FIG. 3, the turn-off loss is stable at a small value when the half width at one side is 10 μm or less. At 12.5 μm or more, the turn-off loss increases as the half width on one side increases.
図3に示すように、概略、片側半値幅が10μm以下のときには主面側半値幅位置Dhsが非空乏化領域の幅Wより内側にあるのに対して、片側半値幅が12.5μm以上では主面側半値幅位置Dhsが非空乏化領域の幅Wより外側にある。従って、図6に示した結果は、片側半値幅が10μm以下のときには主面側半値幅位置Dhsが非空乏化領域の幅Wより内側にあるためオン抵抗の増大がなくターンオフ損失が小さな値で安定し、片側半値幅が12.5μm以上になると主面側半値幅位置Dhsが非空乏化領域の幅Wより外側になってオン抵抗が増大し、トレードオフの関係でターンオフ損失が大きくなっていくと考えることができる。 As shown in FIG. 3, roughly, when the half width at one side is 10 μm or less, the main surface half width position Dhs is inside the width W of the non-depleted region, whereas when the half width at one side is 12.5 μm or more, The main surface side half-value width position Dhs is outside the width W of the non-depleted region. Therefore, the result shown in FIG. 6 shows that when the half width on one side is 10 μm or less, the main surface half width position Dhs is inside the width W of the non-depleted region, so that the ON resistance does not increase and the turn-off loss is small. When the half-width on one side is 12.5 μm or more, the main surface half-width position Dhs is outside the width W of the non-depleted region, the on-resistance increases, and the turn-off loss increases due to the trade-off relationship. Can be considered.
以上のように、上記したIGBT100においては、再結合中心格子欠陥Dが、半導体基板10の裏面から非空乏化領域の幅Wより内側に主面側半値幅位置Dhsがくるように、第1半導体層1内に配置されてなることが好ましい。これによれば、再結合中心格子欠陥Dの分布がより確実に非空乏化領域内に納まることとなり、テイル損失の低減とスイッチングの高速化をより安定的に実現することができる。
As described above, in the
図7は、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcとターンオフ損失の関係を示した図で、片側半値幅が5μmで、ピーク位置Dcでのホールライフタイム値をそれぞれ3.0e−8secと6.0e−8secとした場合について、オン電圧が2.3Vの時のピーク位置Dcとターンオフ損失の関係を示している。尚、図7のシミュレーションにおいても、半導体基板10の厚さを165μm、第1半導体層1の比抵抗を60Ωcmとしている。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the peak position Dc of the recombination center lattice defect D and the turn-off loss. The half-value width at one side is 5 μm, and the hole lifetime value at the peak position Dc is 3.0e− 8 sec. The relationship between the peak position Dc and the turn-off loss when the on-voltage is 2.3 V is shown for the case of 6.0e- 8 sec. In the simulation of FIG. 7, the thickness of the
図7に示すように、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcが非空乏化領域の幅W内にあれば、ホールライフタイムのピーク値が3.0e−8secと6.0e−8secのいずれの場合においても、ライフタイム制御を行わない場合の10.9mJより低いターンオフ損失とすることができる。一方、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcが非空乏化領域の幅Wの外になると、ターンオフ損失は急激に増大する。このように、半導体基板10の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥Dは、半導体基板10の裏面からシミュレーションにより決定されるターンオフ終了時の非空乏化領域の幅Wより内側にピーク位置Dcがくるように、第1半導体層1内に配置されている必要がある。尚、図7ではピーク位置Dcが基板主面から深さが125μm付近に配置されるときターンオフ損失が極小となり、ホールライフタイムのピーク値が3.0e−8secと6.0e−8secで、それぞれ9.3mJと9.8mJの極小値をとっている。
As shown in FIG. 7, if the peak position Dc of the recombination center lattice defect D is within the width W of the non-depleted region, the peak values of the hole lifetime are 3.0e −8 sec and 6.0e −8 sec. In either case, the turn-off loss can be lower than 10.9 mJ when the lifetime control is not performed. On the other hand, when the peak position Dc of the recombination center lattice defect D is outside the width W of the non-depleted region, the turn-off loss increases rapidly. Thus, the recombination center lattice defect D having one density distribution peak in the cross-sectional direction of the
図8は、再結合中心格子欠陥Dの主面側裾先端位置Desを非空乏化領域の端部である108μmに一致させて、片側半値幅(およびそのピーク位置Dc)を変化させた場合の各シミュレーションモデルを示す図である。また、図9は、図8に示した各モデルに対するシミュレート結果で、オン電圧2.3Vでの片側半値幅とターンオフ損失の関係を示した図である。 FIG. 8 shows a case where the half-value width (and its peak position Dc) is changed by making the main surface side skirt tip position Des of the recombination center lattice defect D coincide with 108 μm which is the end of the non-depleted region. It is a figure which shows each simulation model. FIG. 9 is a simulation result for each model shown in FIG. 8 and shows the relationship between the half width at one side and the turn-off loss at an on-voltage of 2.3V.
図8に示すように、再結合中心格子欠陥Dの主面側裾先端位置Desを非空乏化領域の端部に一致させて、再結合中心格子欠陥Dの全体が非空乏化領域の幅Wの内側にくるようにする。この場合には、図9に示すように、ターンオフ損失が9.2〜9.3mJでほとんど変化せず、片側半値幅への依存性のない低いターンオフ損失を得ることができる。 As shown in FIG. 8, the main surface side skirt tip position Des of the recombination center lattice defect D is made to coincide with the end of the non-depleted region so that the entire recombination center lattice defect D has a width W To be inside. In this case, as shown in FIG. 9, the turn-off loss hardly changes at 9.2 to 9.3 mJ, and a low turn-off loss having no dependency on the half width on one side can be obtained.
以上のように、上記したIGBT100においては、再結合中心格子欠陥Dが、半導体基板10の裏面から非空乏化領域の幅Wより内側に主面側裾先端位置Desがくるように、第1半導体層1内に配置されてなることがより好ましい。これによれば、図6において説明した主面側半値幅位置Dhsが非空乏化領域の幅Wより内側にくる場合に較べて、再結合中心格子欠陥Dの分布がより確実に非空乏化領域内に納まることとなり、テイル損失の低減とスイッチングの高速化をより安定的に実現することができる。
As described above, in the
図10は、ピーク位置Dcでのホールライフタイム値とターンオフ損失の関係を示した図で、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcが125μm、片側半値幅が5μmで、オン電圧が2.3Vの時のホールライフタイム値とターンオフ損失の関係を示している。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the hole lifetime value at the peak position Dc and the turn-off loss. The peak position Dc of the recombination center lattice defect D is 125 μm, the half width at one side is 5 μm, and the ON voltage is 2.3 V. The relationship between the hole lifetime value and the turn-off loss is shown.
図10に示すように、ピーク位置Dcでのホールライフタイム値については、ピーク値がおよそ2.0e−7sec以下の範囲であれば、ライフタイム制御を行わない場合よりも低いターンオフ損失とすることができる。また、ピーク値が1.0〜2.0e−8secの範囲で、最小値となる9.1mJのターンオフ損失が得られ、ピーク値をこの範囲内に設定することで、低いターンオフ損失をより安定的に実現することができる。 As shown in FIG. 10, with respect to the hole lifetime value at the peak position Dc, if the peak value is in a range of about 2.0e −7 sec or less, the turn-off loss is lower than that in the case where lifetime control is not performed. be able to. In addition, when the peak value is in the range of 1.0 to 2.0e- 8 sec, a turn-off loss of 9.1 mJ, which is the minimum value, is obtained. By setting the peak value within this range, a lower turn-off loss can be achieved. It can be realized stably.
以上のようにして、上記した絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、いずれも、残留ホールのライフタイムを精密に制御することができる簡単なライフタイム制御構造を有してなり、テイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタとすることができる。 As described above, each of the above-described insulated gate bipolar transistors has a simple lifetime control structure capable of precisely controlling the lifetime of residual holes, and has low tail loss and high speed switching. Possible insulated gate bipolar transistors.
前述したように、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは薄型化が可能なFS型IGBTを対象としたものであり、図2に示す半導体基板10の厚さが、120μm以上、200μm以下である場合に好適である。
As described above, the insulated gate bipolar transistor is intended for a FS type IGBT that can be thinned, and is suitable when the thickness of the
また、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、例えば図2に示すように、第2半導体層2を貫通するようにして形成された絶縁トレンチゲートGを有してなる、トレンチゲート型IGBTであってよい。
The insulated gate bipolar transistor may be a trench gate type IGBT having an insulated trench gate G formed so as to penetrate through the
また、上記した絶縁ゲートバイポーラトランジスタの設計手順に係る、上記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの設計方法は、以下のとおりである。すなわち、シミュレーションにより、最初に、図2に示す半導体基板10の断面方向において、図1で説明したように、ターンオフ終了時の電界強度がゼロとなる非空乏化領域の幅Wを決定し、次に、再結合中心格子欠陥Dを、半導体基板10の裏面から非空乏化領域の幅Wより内側にピーク位置Dcがくるように、より好ましくは非空乏化領域の幅Wより内側に主面側半値幅位置Dhsがくるように、さらに好ましくは非空乏化領域の幅Wより内側に主面側裾先端位置Desがくるように、第1半導体層1内に配置する。これによって、上記したテイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタを簡単に設計することができる。
The design method of the insulated gate bipolar transistor according to the design procedure of the insulated gate bipolar transistor described above is as follows. That is, by simulation, first, in the cross-sectional direction of the
次に、図2に示したIGBT100と図13に示したIGBT90をそれぞれ設計する場合、所定の特性を得るために構造パラメータを変化させた時の特性ばらつきについて説明する。
Next, in the case where the
図11は、ターンオフ損失の設計狙い値を9.5mJとして、図2のIGBT100と図13のIGBT90の構造パラメータを変化させてそれぞれ設計した場合について、シミュレーションによって得られたオン電圧とターンオフ損失をプロットした図である。
FIG. 11 plots the on-voltage and turn-off loss obtained by simulation for the case where the design target value of the turn-off loss is 9.5 mJ and the structural parameters of the
図2に示すIGBT100は、再結合中心格子欠陥Dのピーク位置Dcを基板主面からの深さが125μmの位置とし、片側半値幅を5.0μmとしている。図中に実線で囲ったIGBT100の各点は、製造プロセスに関連した(1)コレクタ層である第4半導体層4とFS層である第5半導体層5のイオン注入によるキャリア濃度ばらつき:±5%、(2)再結合中心格子欠陥Dを形成する時のイオン照射深さばらつき:±7.5μm、(3)再結合中心格子欠陥Dを形成する時のイオン照射量ばらつき:±5%をばらつき因子およびばらつき範囲とし、実験計画法を用いたシミュレーションを実施して得られた値である。また、図中に破線で囲ったIGBT90の各点は、上記(1)だけをばらつき因子およびばらつき範囲として得られた値である。
In the
図11に示すように、ライフタイム制御のための再結合中心格子欠陥Dが配置されたIGBT100では、ライフタイム制御をしていないIGBT90に較べて、同じターンオフ損失9.5mJを狙い値とする設計であっても、製造プロセスのばらつきに対してオン電圧とターンオフ損失の特性ばらつきを共に小さくすることができる。
As shown in FIG. 11, the
図12は、ターンオフ損失の設計狙い値をそれぞれ8.5mJおよび9.5mJとして図11と同様のシミュレーションを実施し、図2のIGBT100と図13のIGBT90についてオン電圧の特性ばらつきを比較して示した図である。尚、図12に示すオン電圧ばらつき[%]は、図11のIGBT100とIGBT90関するオン電圧のそれぞれのばらつきに対して、(最大値−最小値)/2*平均値を計算している。
FIG. 12 shows simulation results similar to those in FIG. 11 with the turn-off loss design target values set to 8.5 mJ and 9.5 mJ, respectively, and shows a comparison of on-voltage characteristic variations for the
図12に示すように、ターンオフ損失の設計狙い値を小さくしてIGBTを高速化するほど、IGBT100とIGBT90のオン電圧に関する特性ばらつきの差が大きくなる。ターンオフ損失の設計狙い値が9.5mJの場合には、IGBT90のオン電圧の特性ばらつきに対してIGBT100の特性ばらつきを44%低減できるのに対して、ターンオフ損失の設計狙い値が8.5mJの場合には、IGBT90のオン電圧の特性ばらつきに対してIGBT100の特性ばらつきを60%低減することができる。
As shown in FIG. 12, as the design target value of the turn-off loss is decreased to increase the speed of the IGBT, the difference in the characteristic variation regarding the on-voltage between the
図11と図12に示したように、ライフタイム制御のための再結合中心格子欠陥Dが配置されたIGBT100では、ライフタイム制御をしていないIGBT90に較べて、製造プロセスのばらつきに対してオン電圧とターンオフ損失の特性ばらつきを共に小さくすることができるが、これはIGBT100とIGBT90のキャリア濃度の違いが要因となっていると考えられる。すなわち、ライフタイム制御をしていないIGBT90では、ホールの注入効率を抑制するため、コレクタ層である第4半導体層4のP型不純物濃度を低くし、FS層である第5半導体層5のN型不純物濃度を高くする必要がある。このため、第4半導体層4と第5半導体層5のキャリア濃度が近くなるように設計され、これによって特性ばらつきが大きくなりやすい。これに対して、ライフタイム制御のための再結合中心格子欠陥Dが配置されたIGBT100では、コレクタ層である第4半導体層4のキャリア濃度をFS層である第5半導体層5のキャリア濃度に較べて大きく設定することができるため、これによって特性ばらつきが低減されると考えられる。
As shown in FIG. 11 and FIG. 12, in the
以上のようにして、上記した絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法は、薄型化が可能なFS型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法であって、残留ホールのライフタイムを精密に制御することができる簡単なライフタイム制御構造を有してなり、テイル損失が小さく高速のスイッチングが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよびその設計方法となっている。 As described above, the above-described insulated gate bipolar transistor and its design method are an FS type insulated gate bipolar transistor that can be thinned and its design method, and it is possible to precisely control the lifetime of residual holes. An insulated gate bipolar transistor that has a simple lifetime control structure that can be performed, has low tail loss, and can perform high-speed switching, and a design method thereof.
90,100 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)
10 半導体基板
1 第1半導体層(ドリフト層)
2 第2半導体層(チャネル形成層)
3 第3半導体層(エミッタ層)
4 第4半導体層(コレクタ層)
5 第5半導体層(フィールドストップ層)
D 再結合中心格子欠陥
Dc ピーク位置
Dhs 主面側半値幅位置
Des 主面側裾先端位置
90,100 Insulated gate bipolar transistor (IGBT)
10
2 Second semiconductor layer (channel formation layer)
3 Third semiconductor layer (emitter layer)
4 Fourth semiconductor layer (collector layer)
5 Fifth semiconductor layer (field stop layer)
D Recombination center lattice defect Dc Peak position Dhs Main surface half width position Des Main surface side hem tip position
Claims (10)
前記半導体基板の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥が、前記半導体基板の裏面からシミュレーションにより決定されるターンオフ終了時の非空乏化領域の幅より内側にピーク位置がくるように、前記第1半導体層に配置されてなることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。 Selected as a first semiconductor layer made of a semiconductor substrate of a first conductivity type, a second semiconductor layer of a second conductivity type formed in a surface layer portion on the main surface side of the semiconductor substrate, and a surface layer portion of the second semiconductor layer First-conductivity-type third semiconductor layer, a second-conductivity-type fourth semiconductor layer formed in a surface layer portion on the back side of the semiconductor substrate, the first semiconductor layer, and the fourth semiconductor An insulated gate bipolar transistor comprising a fifth semiconductor layer of a first conductivity type formed between the layers and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer,
In the cross-sectional direction of the semiconductor substrate, the recombination center lattice defect having one density distribution peak has a peak position inside the width of the non-depleted region at the end of turn-off determined from the back surface of the semiconductor substrate by simulation. As described above, the insulated gate bipolar transistor is arranged in the first semiconductor layer.
前記半導体基板の断面方向において、一つの密度分布ピークを有する再結合中心格子欠陥が、前記第1半導体層に配置されてなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタの設計方法であって、
シミュレーションにより、
最初に、前記半導体基板の断面方向において、ターンオフ終了時の電界強度がゼロとなる非空乏化領域の幅を決定し、
次に、前記再結合中心格子欠陥を、前記半導体基板の裏面から前記非空乏化領域の幅より内側にピーク位置がくるように、前記第1半導体層に配置することを特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタの設計方法。 Selected as a first semiconductor layer made of a semiconductor substrate of a first conductivity type, a second semiconductor layer of a second conductivity type formed in a surface layer portion on the main surface side of the semiconductor substrate, and a surface layer portion of the second semiconductor layer First-conductivity-type third semiconductor layer, a second-conductivity-type fourth semiconductor layer formed in a surface layer portion on the back side of the semiconductor substrate, the first semiconductor layer, and the fourth semiconductor A fifth semiconductor layer having a first conductivity type formed between the layers and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor layer;
A method for designing an insulated gate bipolar transistor in which a recombination center lattice defect having one density distribution peak in the cross-sectional direction of the semiconductor substrate is disposed in the first semiconductor layer,
Simulation
First, in the cross-sectional direction of the semiconductor substrate, determine the width of the non-depleted region where the electric field strength at the end of turn-off is zero,
Next, the recombination center lattice defect is arranged in the first semiconductor layer so as to have a peak position inside the width of the non-depleted region from the back surface of the semiconductor substrate. Transistor design method.
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