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JP2018078153A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2018078153A
JP2018078153A JP2016217607A JP2016217607A JP2018078153A JP 2018078153 A JP2018078153 A JP 2018078153A JP 2016217607 A JP2016217607 A JP 2016217607A JP 2016217607 A JP2016217607 A JP 2016217607A JP 2018078153 A JP2018078153 A JP 2018078153A
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JP
Japan
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region
semiconductor substrate
diode
igbt
regions
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Application number
JP2016217607A
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Japanese (ja)
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淳 大河原
Jun Ogawara
淳 大河原
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】 オン電圧特性が半導体基板内において不均一となることを抑制する。【解決手段】 半導体装置1は、複数のIGBT領域SI1−3と複数のダイオード領域SD1−3に区画されている半導体基板10を備える。IGBT領域SI1−3には、少なくとも第1ドリフト領域24とボディ領域25とエミッタ領域26とトレンチ絶縁ゲート部30が配置されている。ダイオード領域SD1−3には、少なくとも第2ドリフト領域24とアノード領域27が配置されている。中央部を含む範囲にダイオード領域SD1が配置されている。ダイオード領域SD1−3の各々の面積は、中央部から周辺に向けて減少する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent non-uniformity of on-voltage characteristics in a semiconductor substrate. A semiconductor device 1 includes a semiconductor substrate 10 partitioned into a plurality of IGBT regions SI1-3 and a plurality of diode regions SD1-3. At least the first drift region 24, the body region 25, the emitter region 26, and the trench insulating gate portion 30 are arranged in the IGBT region SI1-3. At least the second drift region 24 and the anode region 27 are arranged in the diode region SD1-3. The diode region SD1 is arranged in a range including the central portion. The area of each of the diode regions SD1-3 decreases from the central portion toward the periphery. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本明細書が開示する技術は、IGBT構造とダイオード構造が設けられている半導体基板を備える半導体装置に関する。   The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device including a semiconductor substrate provided with an IGBT structure and a diode structure.

例えば車載用のパワーデバイスとして用いられる半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置の一例として、逆導通IGBTが知られている。逆導通IGBTは、IGBT構造とダイオード構造が設けられている半導体基板を備える。ダイオード構造は、IGBT構造に対して逆並列に接続されており、フリーホイーリングダイオードとして動作する。特許文献1は、逆導通IGBTと称される半導体装置の一例を開示する。   For example, development of a semiconductor device used as an in-vehicle power device is underway. As an example of this type of semiconductor device, a reverse conducting IGBT is known. The reverse conducting IGBT includes a semiconductor substrate on which an IGBT structure and a diode structure are provided. The diode structure is connected in antiparallel to the IGBT structure and operates as a freewheeling diode. Patent Document 1 discloses an example of a semiconductor device called a reverse conducting IGBT.

特開2011−082220号公報JP 2011-082220 A

この種の半導体装置は、モジュールとしてパッケージングされた後に、インバータ等の電力変換装置に実装される。このようなパッケージング及び実装工程は、半導体装置の半導体基板に応力を加える。半導体基板に加わる応力は、半導体基板の結晶構造の歪を増大させ、半導体装置の局所的なオン電圧特性(Von特性)を変動させる。半導体基板に加わる応力は、中央部で最大値となる面内分布を有する。このため、この種の半導体装置では、半導体基板の中央部のオン電圧特性の変動が大きく、この結果、オン電圧特性が半導体基板内において不均一となる。   This type of semiconductor device is packaged as a module and then mounted on a power conversion device such as an inverter. Such packaging and mounting processes apply stress to the semiconductor substrate of the semiconductor device. The stress applied to the semiconductor substrate increases the distortion of the crystal structure of the semiconductor substrate and fluctuates the local on-voltage characteristics (Von characteristics) of the semiconductor device. The stress applied to the semiconductor substrate has an in-plane distribution having a maximum value at the center. For this reason, in this type of semiconductor device, the variation in the on-voltage characteristics at the center of the semiconductor substrate is large, and as a result, the on-voltage characteristics are not uniform in the semiconductor substrate.

また、半導体装置のオン電圧特性は、温度にも強く依存する。このため、この種の半導体装置では、半導体基板内の温度差が大きいと、オン電圧特性が半導体基板内において不均一となる。   Further, the on-voltage characteristics of the semiconductor device strongly depend on the temperature. For this reason, in this type of semiconductor device, if the temperature difference in the semiconductor substrate is large, the on-voltage characteristics are not uniform in the semiconductor substrate.

このような不均一なオン電圧特性は、局所的な電流集中を引き起こす原因となり得る。本明細書は、半導体基板に加わる応力及び半導体基板内の温度に起因した不均一なオン電圧特性を改善する技術を提供する。   Such non-uniform on-voltage characteristics can cause local current concentration. The present specification provides a technique for improving non-uniform on-voltage characteristics due to stress applied to a semiconductor substrate and temperature in the semiconductor substrate.

本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、半導体基板と第1主面電極と第2主面電極を備える。半導体基板は、複数のIGBT領域と複数のダイオード領域に区画されている。第1主面電極は、半導体基板の第1主面を被膜する。第2主面電極は、半導体基板の第2主面を被膜する。半導体基板に設けられているIGBT構造は、第1導電型のコレクタ領域と第2導電型の第1ドリフト領域と第1導電型のボディ領域と第2導電型のエミッタ領域と絶縁ゲート部を有する。コレクタ領域は、第1主面電極に接する。第1ドリフト領域は、コレクタ領域上に設けられている。ボディ領域は、第1ドリフト領域上に設けられており、第2主面電極に接する。エミッタ領域は、ボディ領域によってドリフト領域から隔てられており、第2主面電極に接する。絶縁ゲート部は、ドリフト領域とエミッタ領域を隔てる部分のボディ領域に対向する。絶縁ゲート部は、トレンチ型であってもよく、プレーナー型であってもよい。半導体基板に設けられているダイオード構造は、第2導電型のカソード領域と第1導電型のアノード領域と第2導電型の第2ドリフト領域を有する。カソード領域は、第1主面電極に接する。アノード領域は、第2主面電極に接する。第2ドリフト領域は、カソード領域とアノード領域の間に設けられており、カソード領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度を含む。第2ドリフト領域は、第1ドリフト領域と同一の不純物濃度を有しており、第1ドリフト領域から連続した領域であってもよい。IGBT領域には、少なくとも第1ドリフト領域とボディ領域とエミッタ領域と絶縁ゲート部が配置されている。ダイオード領域には、少なくとも第2ドリフト領域とアノード領域とが配置されている。半導体基板を平面視したときに、中央部から周辺に向けてIGBT領域とダイオード領域が交互に配置されている。中央部を含む範囲にはダイオード領域が配置されている。ダイオード領域の各々の面積は、中央部から周辺に向けて減少する。   One embodiment of a semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a first main surface electrode, and a second main surface electrode. The semiconductor substrate is partitioned into a plurality of IGBT regions and a plurality of diode regions. The first main surface electrode coats the first main surface of the semiconductor substrate. The second main surface electrode coats the second main surface of the semiconductor substrate. An IGBT structure provided on a semiconductor substrate has a first conductivity type collector region, a second conductivity type first drift region, a first conductivity type body region, a second conductivity type emitter region, and an insulated gate portion. . The collector region is in contact with the first main surface electrode. The first drift region is provided on the collector region. The body region is provided on the first drift region and is in contact with the second main surface electrode. The emitter region is separated from the drift region by the body region, and is in contact with the second main surface electrode. The insulated gate portion faces the body region at a portion separating the drift region and the emitter region. The insulated gate portion may be a trench type or a planar type. The diode structure provided on the semiconductor substrate has a second conductivity type cathode region, a first conductivity type anode region, and a second conductivity type second drift region. The cathode region is in contact with the first main surface electrode. The anode region is in contact with the second main surface electrode. The second drift region is provided between the cathode region and the anode region, and includes an impurity concentration lower than the impurity concentration of the cathode region. The second drift region has the same impurity concentration as the first drift region, and may be a region continuous from the first drift region. In the IGBT region, at least a first drift region, a body region, an emitter region, and an insulated gate portion are disposed. At least a second drift region and an anode region are disposed in the diode region. When the semiconductor substrate is viewed in plan, IGBT regions and diode regions are alternately arranged from the central portion toward the periphery. A diode region is arranged in a range including the central portion. The area of each diode region decreases from the center toward the periphery.

IGBT領域はチャネルが形成される領域であることから、IGBT領域の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板に加わる応力及び温度変動に対して敏感である。一方、ダイオード領域はチャネルが形成される領域ではないことから、ダイオード領域の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板に加わる応力及び温度変動に対して鈍感である。上記実施形態の半導体装置では、半導体基板に加わる応力が最大となる中央部側にダイオード領域が多く配置されていることから、オン電圧特性の大きな変動が抑えられ、半導体基板内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。また、上記実施形態の半導体装置では、半導体基板を平面視したときに、中央部から周辺に向けてIGBT領域とダイオード領域が交互に配置されている。IGBT領域の間にダイオード領域が介在することにより、ダイオード領域からの熱引きによってIGBT領域の温度上昇が抑えられ、これにより、半導体基板内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。このように、上記実施形態の半導体装置は、半導体基板に加わる応力及び半導体基板内の温度に起因した不均一なオン電圧特性を改善することができる。   Since the IGBT region is a region where a channel is formed, a local variation in on-voltage characteristics of the IGBT region is sensitive to stress and temperature variation applied to the semiconductor substrate. On the other hand, since the diode region is not a region where a channel is formed, local variations in on-voltage characteristics of the diode region are insensitive to stresses and temperature variations applied to the semiconductor substrate. In the semiconductor device of the above-described embodiment, since many diode regions are arranged on the center side where the stress applied to the semiconductor substrate is maximum, a large variation in on-voltage characteristics is suppressed, and the on-voltage characteristics in the semiconductor substrate are reduced. Variation is equalized. In the semiconductor device of the above embodiment, when the semiconductor substrate is viewed in plan, the IGBT regions and the diode regions are alternately arranged from the central portion toward the periphery. Since the diode region is interposed between the IGBT regions, the temperature increase of the IGBT region is suppressed by heat extraction from the diode region, and thereby the variation of the on-voltage characteristics in the semiconductor substrate is made uniform. As described above, the semiconductor device of the above embodiment can improve the non-uniform on-voltage characteristics due to the stress applied to the semiconductor substrate and the temperature in the semiconductor substrate.

半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図2のI−I線に対応した要部断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device, corresponding to a line II in FIG. 2. 半導体装置の半導体基板に形成されているIGBT領域とダイオード領域のレイアウトを示す平面図である。It is a top view which shows the layout of the IGBT area | region and diode area | region currently formed in the semiconductor substrate of a semiconductor device. 変形例の半導体装置の半導体基板に形成されているIGBT領域とダイオード領域のレイアウトを示す平面図である。It is a top view which shows the layout of the IGBT area | region and diode area | region currently formed in the semiconductor substrate of the semiconductor device of a modification. 変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図2のI−I線に対応した要部断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a modification, corresponding to the line II in FIG. 2. 変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図2のI−I線に対応した要部断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a modification, corresponding to the line II in FIG. 2.

図1及び図2に示されるように、半導体装置1は、複数のIGBT領域SI1−3と複数のダイオード領域SD1−3に区画されている半導体基板10を備える。半導体基板10を平面視したときに、中央部から周辺に向けてIGBT領域SI1−3とダイオード領域SD1−3が交互に配置されており、中央部を含む範囲にはダイオード領域SD1が配置されている。なお、図2に示す例では、複数のIGBT領域SI1−3と複数のダイオード領域SD2−3の各々がダイオード領域SD1の周囲を一巡して配置されている。この例に代えて、図3に示すように、複数のIGBT領域SI1−3と複数のダイオード領域SD1−3の各々の一部がゲート配線用の領域によって分断されていてもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 1 includes a semiconductor substrate 10 partitioned into a plurality of IGBT regions SI1-3 and a plurality of diode regions SD1-3. When the semiconductor substrate 10 is viewed in plan, the IGBT regions SI1-3 and the diode regions SD1-3 are alternately arranged from the central portion toward the periphery, and the diode region SD1 is disposed in a range including the central portion. Yes. In the example shown in FIG. 2, each of the plurality of IGBT regions SI1-3 and the plurality of diode regions SD2-3 is arranged around the diode region SD1. Instead of this example, as shown in FIG. 3, a part of each of the plurality of IGBT regions SI1-3 and the plurality of diode regions SD1-3 may be divided by a region for gate wiring.

図1に示されるように、半導体装置1は、半導体基板10の裏面を被覆するコレクタ電極36及び半導体基板10の表面を被覆するエミッタ電極38を備える。半導体装置1はさらに、IGBT領域SI1−3の各々に設けられているトレンチ絶縁ゲート部30、及び、ダイオード領域SD1−2の各々に設けられているダミートレンチ40を備える。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 includes a collector electrode 36 that covers the back surface of the semiconductor substrate 10 and an emitter electrode 38 that covers the surface of the semiconductor substrate 10. The semiconductor device 1 further includes a trench insulating gate portion 30 provided in each of the IGBT regions SI1-3 and a dummy trench 40 provided in each of the diode regions SD1-2.

半導体基板10は、p型のコレクタ領域21、n型のカソード領域22、n型のバッファ領域23、n-型のドリフト領域24、p型のボディ領域25、n+型のエミッタ領域26及びp型のアノード領域27を有する。 The semiconductor substrate 10 includes a p-type collector region 21, an n-type cathode region 22, an n-type buffer region 23, an n -type drift region 24, a p-type body region 25, an n + -type emitter region 26 and p. A type anode region 27 is provided.

コレクタ領域21は、IGBT領域SI1−3の各々に配置されている。コレクタ領域21は、半導体基板10の裏層部の一部に設けられており、半導体基板10の裏面に露出する。コレクタ領域21は、その不純物濃度が濃く、コレクタ電極36にオーミック接触する。コレクタ領域21は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の裏面からボロンを導入することで形成される。   Collector region 21 is arranged in each of IGBT regions SI1-3. The collector region 21 is provided in a part of the back layer portion of the semiconductor substrate 10 and is exposed on the back surface of the semiconductor substrate 10. The collector region 21 has a high impurity concentration and is in ohmic contact with the collector electrode 36. The collector region 21 is formed, for example, by introducing boron from the back surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique.

カソード領域22は、ダイオード領域SD1−3の各々に配置されている。カソード領域22は、半導体基板10の裏層部の一部に設けられており、半導体基板10の裏面に露出する。カソード領域22は、その不純物濃度が濃く、コレクタ電極36にオーミック接触する。カソード領域22は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の裏面からリンを導入することで形成される。   The cathode region 22 is disposed in each of the diode regions SD1-3. The cathode region 22 is provided in a part of the back layer portion of the semiconductor substrate 10 and is exposed on the back surface of the semiconductor substrate 10. The cathode region 22 has a high impurity concentration and is in ohmic contact with the collector electrode 36. The cathode region 22 is formed, for example, by introducing phosphorus from the back surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique.

バッファ領域23は、IGBT領域SI1−3及びダイオード領域SD1−3の各々に配置されている。バッファ領域23は、IGBT領域SI1−3において、コレクタ領域21とドリフト領域24の間に設けられている。バッファ領域23は、ダイオード領域SD1−3において、コレクタ領域21とドリフト領域24の間に設けられている。バッファ領域23は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の裏面からリンを導入することで形成される。   The buffer region 23 is disposed in each of the IGBT region SI1-3 and the diode region SD1-3. The buffer region 23 is provided between the collector region 21 and the drift region 24 in the IGBT region SI1-3. The buffer region 23 is provided between the collector region 21 and the drift region 24 in the diode region SD1-3. The buffer region 23 is formed, for example, by introducing phosphorus from the back surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique.

ドリフト領域24は、IGBT領域SI1−3及びダイオード領域SD1−3の各々に配置されている。ドリフト領域24は、IGBT領域SI1−3において、バッファ領域23とボディ領域25の間に設けられている。ドリフト領域24は、ダイオード領域SD1−3において、バッファ領域23とアノード領域27の間に設けられている。ドリフト領域24は、半導体基板10に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である。   The drift region 24 is disposed in each of the IGBT region SI1-3 and the diode region SD1-3. The drift region 24 is provided between the buffer region 23 and the body region 25 in the IGBT region SI1-3. The drift region 24 is provided between the buffer region 23 and the anode region 27 in the diode region SD1-3. The drift region 24 is a remaining portion in which another region is formed in the semiconductor substrate 10, and the impurity concentration is constant in the thickness direction.

ボディ領域25は、IGBT領域SI1−3の各々に配置されている。ボディ領域25は、半導体基板10の表層部に設けられており、半導体基板10の表面に露出する。ボディ領域25は、メインボディ領域25aとコンタクトボディ領域25bを有する。コンタクトボディ領域25bは、その不純物濃度がメインボディ領域25aの不純物濃度よりも濃く、エミッタ電極38にオーミック接触する。IGBT領域SI1−3の各々に配置されているボディ領域25は、隣り合うトレンチ絶縁ゲート部30の間に設けられており、隣り合うトレンチ絶縁ゲート部30の双方の側面に接する。ボディ領域25は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面からボロンを導入することで形成される。   Body region 25 is arranged in each of IGBT regions SI1-3. The body region 25 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. Body region 25 has a main body region 25a and a contact body region 25b. Contact body region 25b has an impurity concentration higher than that of main body region 25a and is in ohmic contact with emitter electrode 38. The body region 25 disposed in each of the IGBT regions SI1-3 is provided between the adjacent trench insulating gate portions 30, and is in contact with both side surfaces of the adjacent trench insulating gate portions 30. The body region 25 is formed, for example, by introducing boron from the surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique.

エミッタ領域26は、IGBT領域SI1−3の各々に配置されている。エミッタ領域26は、半導体基板10の表層部に設けられており、半導体基板10の表面に露出する。エミッタ領域26は、その不純物濃度が濃く、エミッタ電極38にオーミック接触する。IGBT領域SI1−3の各々に配置されているエミッタ領域26は、隣り合うトレンチ絶縁ゲート部30の間に複数個が設けられており、少なくとも1つのエミッタ領域26が隣り合うトレンチ絶縁ゲート部30の一方の側面に接しており、他の少なくとも1つのエミッタ領域26が他方の側面に接する。エミッタ領域26は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面からヒ素又はリンを導入することで形成される。   The emitter region 26 is arranged in each of the IGBT regions SI1-3. The emitter region 26 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. The emitter region 26 has a high impurity concentration and is in ohmic contact with the emitter electrode 38. A plurality of emitter regions 26 arranged in each of the IGBT regions SI1-3 are provided between adjacent trench insulating gate portions 30, and at least one emitter region 26 is adjacent to the adjacent trench insulating gate portion 30. It is in contact with one side and at least one other emitter region 26 is in contact with the other side. The emitter region 26 is formed, for example, by introducing arsenic or phosphorus from the surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique.

アノード領域27は、ダイオード領域SD1−3の各々に配置されている。アノード領域27は、半導体基板10の表層部に設けられており、半導体基板10の表面に露出する。アノード領域27は、メインアノード領域27aとコンタクトアノード領域27bを有する。コンタクトアノード領域27bは、その不純物濃度がメインアノード領域27aの不純物濃度よりも濃く、エミッタ電極38にオーミック接触する。ダイオード領域SD1−3の各々に配置されているアノード領域27は、隣り合うダミートレンチ40の間に設けられており、隣り合うダミートレンチ40の双方の側面に接する。アノード領域27は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面からボロンを導入することで形成される。   The anode region 27 is disposed in each of the diode regions SD1-3. The anode region 27 is provided in the surface layer portion of the semiconductor substrate 10 and is exposed on the surface of the semiconductor substrate 10. The anode region 27 has a main anode region 27a and a contact anode region 27b. The contact anode region 27b has an impurity concentration higher than that of the main anode region 27a and is in ohmic contact with the emitter electrode 38. The anode region 27 disposed in each of the diode regions SD1-3 is provided between the adjacent dummy trenches 40 and is in contact with both side surfaces of the adjacent dummy trenches 40. The anode region 27 is formed, for example, by introducing boron from the surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique.

トレンチ絶縁ゲート部30は、IGBT領域SI1−3の各々において、エミッタ領域26及びボディ領域25を貫通してドリフト領域24に達するように深さ方向に伸びている。エミッタ領域26及びボディ領域25は、トレンチ絶縁ゲート部30の側面に接する。ドリフト領域24は、トレンチ絶縁ゲート部30の側面及び底面に接する。トレンチ絶縁ゲート部30は、ゲート絶縁膜32とゲート電極34を有する。ゲート電極34は、ゲート絶縁膜32によって半導体基板10から絶縁されている。ゲート電極34は、ゲート配線に電気的に接続されており、ゲート電圧が印加可能に構成されている。   The trench insulating gate portion 30 extends in the depth direction so as to penetrate the emitter region 26 and the body region 25 and reach the drift region 24 in each of the IGBT regions SI1-3. The emitter region 26 and the body region 25 are in contact with the side surface of the trench insulating gate portion 30. The drift region 24 is in contact with the side surface and the bottom surface of the trench insulating gate portion 30. The trench insulating gate portion 30 has a gate insulating film 32 and a gate electrode 34. The gate electrode 34 is insulated from the semiconductor substrate 10 by the gate insulating film 32. The gate electrode 34 is electrically connected to the gate wiring, and is configured to be able to apply a gate voltage.

ダミートレンチ40は、アノード領域27を貫通してドリフト領域24に達するように深さ方向に伸びている。アノード領域27は、ダミートレンチ40の側面に接する。ドリフト領域24は、ダミートレンチ40の側面及び底面に接する。ダミートレンチ40は、ダミートレンチ絶縁膜42とダミートレンチ電極44を有する。ダミートレンチ電極44は、ダミートレンチ絶縁膜42によって半導体基板10から絶縁されている。ダミートレンチ電極44は、エミッタ電極38に電気的に接続されている。この例に代えて、ダミートレンチ電極44の電位は、フローティングであってもよい。   The dummy trench 40 extends in the depth direction so as to penetrate the anode region 27 and reach the drift region 24. The anode region 27 is in contact with the side surface of the dummy trench 40. The drift region 24 is in contact with the side surface and the bottom surface of the dummy trench 40. The dummy trench 40 includes a dummy trench insulating film 42 and a dummy trench electrode 44. The dummy trench electrode 44 is insulated from the semiconductor substrate 10 by the dummy trench insulating film 42. The dummy trench electrode 44 is electrically connected to the emitter electrode 38. Instead of this example, the potential of the dummy trench electrode 44 may be floating.

このように、半導体装置1では、コレクタ電極36、コレクタ領域21、バッファ領域23、ドリフト領域24、ボディ領域25、エミッタ領域26、エミッタ電極38及びトレンチ絶縁ゲート部30がIGBT構造を構成しており、そのIGBT構造がIGBT領域SI1−3に選択的に配置されている。半導体装置1では、コレクタ電極36、カソード領域22、バッファ領域23、ドリフト領域24、アノード領域27、エミッタ電極38及びダミートレンチ40がダイオード構造を構成しており、そのダイオード構造がダイオード領域SD1−3に選択的に配置されている。コレクタ電極36はダイオード構造におけるカソード電極として機能し、エミッタ電極38はダイオード構造におけるアノード電極として機能する。   As described above, in the semiconductor device 1, the collector electrode 36, the collector region 21, the buffer region 23, the drift region 24, the body region 25, the emitter region 26, the emitter electrode 38, and the trench insulating gate portion 30 constitute an IGBT structure. The IGBT structure is selectively disposed in the IGBT region SI1-3. In the semiconductor device 1, the collector electrode 36, the cathode region 22, the buffer region 23, the drift region 24, the anode region 27, the emitter electrode 38, and the dummy trench 40 constitute a diode structure, and the diode structure is the diode region SD1-3. Are selectively arranged. The collector electrode 36 functions as a cathode electrode in the diode structure, and the emitter electrode 38 functions as an anode electrode in the diode structure.

なお、図1に示す例では、全てのIGBT構造がIGBT領域SI1−3に選択的に配置され、全てのダイオード構造がダイオード領域SD1−3に選択的に配置されている。しかしながら、裏面構造については、このようなレイアウトに限定されない。例えば、図4に示されるように、ダイオード領域SD1−3の裏面構造は、コレクタ領域21とカソード領域22の各々が面内に分散配置されていてもよい。この例では、ダイオード領域SD1−3におけるカソード領域22の面積が少なくなるので、ダイオード動作時のキャリア注入量が抑えられる。また、図5に示されるように、コレクタ領域21とカソード領域22の各々が半導体基板10の裏面全体に画一的に分散配置されていてもよい。   In the example shown in FIG. 1, all IGBT structures are selectively disposed in the IGBT region SI1-3, and all diode structures are selectively disposed in the diode region SD1-3. However, the back surface structure is not limited to such a layout. For example, as shown in FIG. 4, in the back surface structure of the diode region SD1-3, each of the collector region 21 and the cathode region 22 may be distributed in the plane. In this example, since the area of the cathode region 22 in the diode region SD1-3 is reduced, the amount of carrier injection during diode operation can be suppressed. Further, as shown in FIG. 5, each of the collector region 21 and the cathode region 22 may be uniformly distributed over the entire back surface of the semiconductor substrate 10.

このように、IGBT領域SI1−3とダイオード領域SD1−3は、表面構造によって区別される。IGBT領域SI1−3は、IGBT構造のうちの少なくともドリフト領域24とボディ領域25とエミッタ領域26とトレンチ絶縁ゲート部30が配置されている領域であり、チャネルが形成される領域である。ダイオード領域SD1−3は、ダイオード構造のうちの少なくともドリフト領域24とアノード領域27が配置されている領域でありチャネルが形成されない領域である。   Thus, the IGBT region SI1-3 and the diode region SD1-3 are distinguished by the surface structure. The IGBT region SI1-3 is a region in which at least the drift region 24, the body region 25, the emitter region 26, and the trench insulated gate portion 30 are disposed in the IGBT structure, and is a region where a channel is formed. The diode region SD1-3 is a region in which at least the drift region 24 and the anode region 27 are arranged in the diode structure, and a channel is not formed.

次に、半導体装置1の動作を説明する。まず、IGBT領域SI1−3のIGBT構造の動作について説明する。コレクタ電極36にエミッタ電極38よりも高い電位が印加され、ゲート電極34に閾値以上の電位が印加されると、ゲート絶縁膜32の側面のボディ領域25にチャネルが形成され、IGBT構造がターンオンする。このとき、エミッタ電極38から、エミッタ領域26、ボディ領域25のチャネル、ドリフト領域24、バッファ領域23及びコレクタ領域21を経由して、コレクタ電極36に向けて電子が流れる。一方、コレクタ領域21から、バッファ領域23、ドリフト領域24及びボディ領域25を経由して、エミッタ電極38に向けて正孔が流れる。このように、IGBT構造がターンオンすると、コレクタ電極36からエミッタ電極38に向けて電流が流れる。その後、ゲート電極34の電位が閾値未満に低下すると、チャネルが消失し、IGBT構造がターンオフする。   Next, the operation of the semiconductor device 1 will be described. First, the operation of the IGBT structure in the IGBT region SI1-3 will be described. When a higher potential than the emitter electrode 38 is applied to the collector electrode 36 and a potential higher than the threshold is applied to the gate electrode 34, a channel is formed in the body region 25 on the side surface of the gate insulating film 32, and the IGBT structure is turned on. . At this time, electrons flow from the emitter electrode 38 toward the collector electrode 36 via the emitter region 26, the channel of the body region 25, the drift region 24, the buffer region 23, and the collector region 21. On the other hand, holes flow from the collector region 21 toward the emitter electrode 38 via the buffer region 23, the drift region 24, and the body region 25. As described above, when the IGBT structure is turned on, a current flows from the collector electrode 36 toward the emitter electrode 38. Thereafter, when the potential of the gate electrode 34 falls below the threshold value, the channel disappears and the IGBT structure is turned off.

次に、ダイオード領域SD1−3のダイオード構造の動作について説明する。エミッタ電極38にコレクタ電極36よりも高い電位が印加されると、ボディ領域25とドリフト領域24で構成されるpn接合に順方向電圧が加わり、ボディ領域25からドリフト領域24に正孔が注入される。一方、カソード領域22からドリフト領域24に電子が注入される。このように、ダイオード構造のpnダイオードが導通し、還流電流が流れる。   Next, the operation of the diode structure of the diode region SD1-3 will be described. When a potential higher than that of the collector electrode 36 is applied to the emitter electrode 38, a forward voltage is applied to the pn junction formed by the body region 25 and the drift region 24, and holes are injected from the body region 25 into the drift region 24. The On the other hand, electrons are injected from the cathode region 22 into the drift region 24. In this way, the pn diode having the diode structure becomes conductive, and a reflux current flows.

次に、半導体装置1の特徴を説明する。図2に示されるように、半導体装置1は、半導体基板10を平面視したときに、IGBT領域SI1−3とダイオード領域SD1−3が存在する素子領域の中央部から周辺に向けてIGBT領域SI1−3とダイオード領域SD1−3が交互に配置されていることを特徴とする。さらに、中央部を含む範囲にダイオード領域SD−1が配置されていることを特徴とする。さらに、ダイオード領域SD−1の各々の面積は、中央部から周辺に向けて減少することを特徴とする。換言すると、IGBT領域SI1−3の各々の面積は、中央部から周辺に向けて増加することを特徴とする。   Next, features of the semiconductor device 1 will be described. As shown in FIG. 2, when the semiconductor device 1 is viewed in plan, the semiconductor device 1 includes an IGBT region SI1 from the center to the periphery of the element region where the IGBT region SI1-3 and the diode region SD1-3 are present. -3 and diode regions SD1-3 are alternately arranged. Further, the diode region SD-1 is arranged in a range including the central portion. Further, each area of the diode region SD-1 decreases from the central portion toward the periphery. In other words, each area of the IGBT region SI1-3 increases from the center toward the periphery.

IGBT領域SI1−3はチャネルが形成される領域であることから、IGBT領域SI1−3の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板10に加わる応力及び温度変動に対して敏感である。一方、ダイオード領域SD1−3はチャネルが形成される領域ではないことから、ダイオード領域SD1−3の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板10に加わる応力及び温度変動に対して鈍感である。   Since the IGBT region SI1-3 is a region where a channel is formed, the local variation of the on-voltage characteristics of the IGBT region SI1-3 is sensitive to the stress applied to the semiconductor substrate 10 and the temperature variation. On the other hand, since the diode region SD1-3 is not a region where a channel is formed, the local variation of the on-voltage characteristics of the diode region SD1-3 is insensitive to the stress applied to the semiconductor substrate 10 and the temperature variation. .

背景技術でも説明したように、半導体装置1は、モジュールとしてパッケージングされた後に、インバータ等の電力変換装置に実装される。このようなパッケージング及び実装工程は、半導体装置1の半導体基板10に応力を加える。半導体基板10に加わる応力は、中央部で最大値となる面内分布を有する。半導体装置1では、半導体基板10に加わる応力が最大となる中央部側にダイオード領域SD1−3が多く配置されている。このため、半導体装置1では、オン電圧特性の大きな変動が抑えられ、半導体基板10内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。   As described in the background art, the semiconductor device 1 is packaged as a module and then mounted on a power conversion device such as an inverter. Such packaging and mounting processes apply stress to the semiconductor substrate 10 of the semiconductor device 1. The stress applied to the semiconductor substrate 10 has an in-plane distribution having a maximum value at the center. In the semiconductor device 1, many diode regions SD <b> 1-3 are arranged on the center side where the stress applied to the semiconductor substrate 10 is maximum. For this reason, in the semiconductor device 1, large fluctuations in the on-voltage characteristics are suppressed, and fluctuations in the on-voltage characteristics in the semiconductor substrate 10 are made uniform.

また、半導体装置1では、半導体基板10を平面視したときに、中央部から周辺に向けてIGBT領域SI1−3とダイオード領域SD1−3が交互に配置されている。IGBT領域SI1−3の間にダイオード領域SD1−3が介在することにより、ダイオード領域SD1−3からの熱引きによってIGBT領域SI1−3の局所的な温度上昇が抑えられ、これにより、半導体基板10内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。   In the semiconductor device 1, when the semiconductor substrate 10 is viewed in plan, the IGBT regions SI1-3 and the diode regions SD1-3 are alternately arranged from the central portion toward the periphery. By interposing the diode region SD1-3 between the IGBT regions SI1-3, the local temperature rise of the IGBT region SI1-3 is suppressed by the heat extraction from the diode region SD1-3. The fluctuation of the on-voltage characteristic in the inside is made uniform.

このように、半導体装置1は、半導体基板10に加わる応力及び半導体基板10内の温度に起因した不均一な電気特性を改善することができる。この結果、不均一な電気特性に起因した局所的な電流集中が抑えられ、半導体装置1は高い信頼性を有することができる。   As described above, the semiconductor device 1 can improve non-uniform electrical characteristics due to the stress applied to the semiconductor substrate 10 and the temperature in the semiconductor substrate 10. As a result, local current concentration caused by non-uniform electrical characteristics can be suppressed, and the semiconductor device 1 can have high reliability.

半導体装置1は、例えば大容量化された電力変換装置に実装される場合に有用である。電力変換装置は、並列接続されたスイッチング素子によって大容量化される。この場合、並列接続されるスイッチング素子には、1つのスイッチング素子に電流集中が生じないように、電気特性の揃ったものを用いることが重要である。しかしながら、パッケージング及び実装工程によって電気特性の変動が生じることで、スイッチング素子間に電気特性の不均一が生じると、1つのスイッチング素子に電流が集中することがある。半導体装置1に適用される技術は、パッケージング及び実装工程に起因した電気特性の変動を抑えることができるので、半導体装置1の間の電気特性の変動も抑えることができる。このため、半導体装置1に適用される技術は、大容量化された電力変換装置の信頼性を高めることができる。   The semiconductor device 1 is useful when mounted on, for example, a power converter having a large capacity. The power converter is increased in capacity by switching elements connected in parallel. In this case, it is important to use switching elements connected in parallel so that the electric characteristics are uniform so that current concentration does not occur in one switching element. However, if the electrical characteristics fluctuate due to the packaging and mounting process and nonuniform electrical characteristics occur between the switching elements, the current may concentrate on one switching element. Since the technology applied to the semiconductor device 1 can suppress fluctuations in electrical characteristics due to packaging and mounting processes, fluctuations in electrical characteristics between the semiconductor devices 1 can also be suppressed. For this reason, the technique applied to the semiconductor device 1 can improve the reliability of the power converter having a large capacity.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

1:半導体装置
10:半導体基板
21:コレクタ領域
22:カソード領域
23:バッファ領域
24:ドリフト領域
25:ボディ領域
25a:メインボディ領域
25b:コンタクトボディ領域
26:エミッタ領域
27:アノード領域
27a:メインアノード領域
27b:コンタクトアノード領域
30:トレンチ絶縁ゲート部
32:ゲート絶縁膜
34:ゲート電極
36:コレクタ電極
38:エミッタ電極
40:ダミートレンチ
42:ダミートレンチ絶縁膜
44:ダミートレンチ電極
SD1−3:ダイオード領域
SI1−3:IGBT領域
1: Semiconductor device 10: Semiconductor substrate 21: Collector region 22: Cathode region 23: Buffer region 24: Drift region 25: Body region 25a: Main body region 25b: Contact body region 26: Emitter region 27: Anode region 27a: Main anode Region 27b: Contact anode region 30: Trench insulating gate portion 32: Gate insulating film 34: Gate electrode 36: Collector electrode 38: Emitter electrode 40: Dummy trench 42: Dummy trench insulating film 44: Dummy trench electrode SD1-3: Diode region SI1-3: IGBT area

Claims (1)

複数のIGBT領域と複数のダイオード領域に区画されている半導体基板と、
前記半導体基板の第1主面を被膜する第1主面電極と、
前記半導体基板の第2主面を被膜する第2主面電極と、を備えており、
前記半導体基板に設けられているIGBT構造は、
前記第1主面電極に接する第1導電型のコレクタ領域と、
前記コレクタ領域上に設けられている第2導電型の第1ドリフト領域と、
前記第1ドリフト領域上に設けられており、前記第2主面電極に接する第1導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から隔てられており、前記第2主面電極に接する第2導電型のエミッタ領域と、
前記ドリフト領域と前記エミッタ領域を隔てる部分の前記ボディ領域に対向する絶縁ゲート部と、を有しており、
前記半導体基板に設けられているダイオード構造は、
前記第1主面電極に接する第2導電型のカソード領域と、
前記第2主面電極に接する第1導電型のアノード領域と、
前記カソード領域と前記アノード領域の間に設けられており、前記カソード領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度を含む第2導電型の第2ドリフト領域と、を有しており、
前記IGBT領域には、少なくとも前記第1ドリフト領域と前記ボディ領域と前記エミッタ領域と前記絶縁ゲート部が配置されており、
前記ダイオード領域には、少なくとも前記第2ドリフト領域と前記アノード領域とが配置されており、
前記半導体基板を平面視したときに、中央部から周辺に向けて前記IGBT領域と前記ダイオード領域が交互に配置されており、
前記中央部を含む範囲に前記ダイオード領域が配置されており、
前記ダイオード領域の各々の面積は、前記中央部から周辺に向けて減少する、半導体装置。
A semiconductor substrate partitioned into a plurality of IGBT regions and a plurality of diode regions;
A first main surface electrode that coats the first main surface of the semiconductor substrate;
A second main surface electrode that coats the second main surface of the semiconductor substrate,
The IGBT structure provided on the semiconductor substrate is
A first conductivity type collector region in contact with the first principal surface electrode;
A first conductivity type first drift region provided on the collector region;
A body region of a first conductivity type provided on the first drift region and in contact with the second main surface electrode;
An emitter region of a second conductivity type separated from the drift region by the body region and in contact with the second main surface electrode;
An insulating gate portion facing the body region at a portion separating the drift region and the emitter region;
The diode structure provided on the semiconductor substrate is:
A second conductivity type cathode region in contact with the first principal surface electrode;
An anode region of a first conductivity type in contact with the second principal surface electrode;
A second drift region of a second conductivity type provided between the cathode region and the anode region and having an impurity concentration lower than the impurity concentration of the cathode region;
In the IGBT region, at least the first drift region, the body region, the emitter region, and the insulated gate portion are disposed,
In the diode region, at least the second drift region and the anode region are disposed,
When the semiconductor substrate is viewed in plan, the IGBT regions and the diode regions are alternately arranged from the center toward the periphery,
The diode region is arranged in a range including the central portion,
The semiconductor device, wherein the area of each of the diode regions decreases from the central portion toward the periphery.
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