JP6806213B2 - Semiconductor element - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

この発明は、例えば大電流のスイッチングなどに用いられる半導体素子に関する。 The present invention relates to semiconductor devices used, for example, for switching large currents.

近年、省電力化と小型化が進むエアコン及び冷蔵庫などの家電機器、鉄道のインバーター並びに産業用ロボットのモーター制御等に、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)が幅広く用いられている。電力機器を高効率化するために、IGBTの定常損失とターンオン損失を低減することが求められている。 In recent years, insulated gate bipolar transistors (IGBTs) have been widely used for home appliances such as air conditioners and refrigerators, which are becoming more power-saving and miniaturized, railway inverters, and motor control of industrial robots. In order to improve the efficiency of electric power equipment, it is required to reduce the steady-state loss and turn-on loss of the IGBT.

特許文献1にはトレンチ構造をもつIGBTは、ゲートに接続したアクティブトレンチゲートの両側にエミッタ電極に接続したダミーゲートを配置し、このアクティブトレンチゲートとダミーゲート間のp型ベース層にn型ソースを形成することが開示されている。 In Patent Document 1, an IGBT having a trench structure has dummy gates connected to emitter electrodes on both sides of an active trench gate connected to the gate, and an n-type source is placed in the p-type base layer between the active trench gate and the dummy gate. Is disclosed to form.

特許文献2には、隣接するアクティブトレンチゲートとアクティブトレンチゲート間のp型ベース層にn型ソースを形成するIGBTが開示されている。 Patent Document 2 discloses an IGBT that forms an n-type source in the p-type base layer between adjacent active trench gates.

特開2002−016252号公報JP-A-2002-016252 特開2003−188382号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-188382

コレクタが電源の高電位側(p側)に接続されたp側半導体素子のエミッタと、エミッタが電源の低電位側(n側)に接続されたn側半導体素子のコレクタを接続することがある。p側半導体素子とn側半導体素子の接続点に負荷が接続される。p側半導体素子とn側半導体素子には1つずつ還流ダイオードが接続される。p側半導体素子に逆並列に接続される還流ダイオードをp側ダイオードといい、n側半導体素子に逆並列に接続される還流ダイオードをn側ダイオードという。 The emitter of the p-side semiconductor element whose collector is connected to the high potential side (p side) of the power supply may be connected to the collector of the n-side semiconductor element whose emitter is connected to the low potential side (n side) of the power supply. .. The load is connected to the connection point between the p-side semiconductor element and the n-side semiconductor element. One freewheeling diode is connected to each of the p-side semiconductor element and the n-side semiconductor element. A freewheeling diode connected in antiparallel to a p-side semiconductor element is called a p-side diode, and a freewheeling diode connected in antiparallel to an n-side semiconductor element is called an n-side diode.

n側ダイオードに還流電流が流れている状態で、p側半導体素子をターンオンするとn側ダイオードにリカバリ電流が流れる。例えば、p側半導体素子として、特許文献1、2に開示の半導体素子を採用すると、p側半導体素子のコレクタ電流に応じてn側ダイオードのリカバリdV/dtが変化する。具体的に言えば、p側IGBTの低電流でのターンオン損失時におけるn側ダイオードのリカバリdV/dtはp側IGBTの定格電流時でのリカバリdV/dtに比べ大きくなる。図15にはこのことが示されている。図15において、「低電流側」とはp側半導体素子のコレクタ電流が小さいことを意味し、「定格電流側」とはp側半導体素子のコレクタ電流が大きいことを意味する。p側半導体素子のコレクタ電流が小さいときはn側ダイオードのリカバリdV/dtが大きいのに対し、p側半導体素子のコレクタ電流が大きいときはn側ダイオードのリカバリdV/dtが小さい。 When the p-side semiconductor element is turned on while the reflux current is flowing through the n-side diode, the recovery current flows through the n-side diode. For example, when the semiconductor element disclosed in Patent Documents 1 and 2 is adopted as the p-side semiconductor element, the recovery dV / dt of the n-side diode changes according to the collector current of the p-side semiconductor element. Specifically, the recovery dV / dt of the n-side diode at the time of turn-on loss at a low current of the p-side IGBT is larger than the recovery dV / dt at the rated current of the p-side IGBT. This is shown in FIG. In FIG. 15, the “low current side” means that the collector current of the p-side semiconductor element is small, and the “rated current side” means that the collector current of the p-side semiconductor element is large. When the collector current of the p-side semiconductor element is small, the recovery dV / dt of the n-side diode is large, whereas when the collector current of the p-side semiconductor element is large, the recovery dV / dt of the n-side diode is small.

このように、ダイオードのリカバリdV/dtが電流依存性をもつと以下の問題が生じる。すなわち、半導体素子のゲート抵抗は、大きいリカバリdV/dtが所定の値になるように設定される。そのため、例えば、低電流側のリカバリdV/dtが20kV/μsになるようゲート抵抗を決めた時、(ターンオン損失を評価する)定格電流側のdV/dtは10kV/μs程度となる。その結果、半導体素子のスイッチング時間が長くなりターンオン時のターンオン損失(ターンオン損失)が増大する。つまり、ダイオードのリカバリdV/dtが電流依存性をもつと、ターンオン損失が増大する。 As described above, when the diode recovery dV / dt has a current dependence, the following problems occur. That is, the gate resistance of the semiconductor element is set so that a large recovery dV / dt becomes a predetermined value. Therefore, for example, when the gate resistance is determined so that the recovery dV / dt on the low current side is 20 kV / μs, the dV / dt on the rated current side (evaluating the turn-on loss) is about 10 kV / μs. As a result, the switching time of the semiconductor element becomes long, and the turn-on loss (turn-on loss) at the time of turn-on increases. That is, if the diode recovery dV / dt has a current dependence, the turn-on loss increases.

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、還流ダイオードのリカバリdV/dtが半導体素子のコレクタ電流に依存することを抑制できる半導体素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the recovery dV / dt of a freewheeling diode from being dependent on the collector current of the semiconductor device.

本願の発明にかかる半導体素子は、半導体基板と、該半導体基板の上に形成されたエミッタ電極と、該半導体基板の上に形成されたゲート電極と、該半導体基板の上面側に形成された第1導電型のソース層と、該半導体基板の上面側に形成された第2導電型のベース層と、該半導体基板の下に形成されたコレクタ電極と、該半導体基板の上面側に形成された、該ゲート電極と接続された複数のアクティブトレンチゲートと、該半導体基板の上面側に形成され、該ゲート電極に接続されていない複数のダミートレンチゲートと、を備え、該アクティブトレンチゲートが3つ以上並ぶ第1構造と、該ダミートレンチゲートが3つ以上並ぶ第2構造が、交互に設けられ、かつ該第1構造における該アクティブトレンチゲートの数よりも該第2構造における該ダミートレンチゲートの数が大きく、該ベース層は、該第1構造と該第2構造との間で該エミッタ電極に接続されたことを特徴とする。 The semiconductor element according to the present invention includes a semiconductor substrate, an emitter electrode formed on the semiconductor substrate, a gate electrode formed on the semiconductor substrate, and a third unit formed on the upper surface side of the semiconductor substrate. 1 Conductive type source layer, 2nd conductive type base layer formed on the upper surface side of the semiconductor substrate, collector electrodes formed under the semiconductor substrate, and formed on the upper surface side of the semiconductor substrate. , A plurality of active trench gates connected to the gate electrode, and a plurality of dummy trench gates formed on the upper surface side of the semiconductor substrate and not connected to the gate electrode, and the three active trench gates are provided. The first structure in which the above is arranged and the second structure in which three or more of the dummy trench gates are arranged are alternately provided, and the number of the dummy trench gates in the second structure is larger than the number of the active trench gates in the first structure. The base layer is large in number and is characterized in that the base layer is connected to the emitter electrode between the first structure and the second structure.

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。 Other features of the present invention will be clarified below.

この発明によれば、アクティブトレンチゲートが3つ以上並ぶ第1構造と、ダミートレンチゲートが3つ以上並ぶ第2構造を、交互に設けた半導体素子を提供することで、還流ダイオードのリカバリdV/dtが半導体素子のコレクタ電流に依存することを抑制できる。 According to the present invention, by providing a semiconductor element in which a first structure in which three or more active trench gates are lined up and a second structure in which three or more dummy trench gates are lined up are provided alternately, recovery dV / of a freewheeling diode is provided. It is possible to suppress that dt depends on the collector current of the semiconductor element.

実施の形態1に係る半導体素子の一部断面斜視図である。It is a partial cross-sectional perspective view of the semiconductor element which concerns on Embodiment 1. FIG. 半導体素子の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor element. 半導体素子を用いた回路構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure example using a semiconductor element. 半導体素子の動作時における空乏層の伸び方を示す図である。It is a figure which shows how the depletion layer grows at the time of operation of a semiconductor element. トレンチゲートの配列とCgeの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the arrangement of a trench gate and Cge. 平準化されたリカバリdV/dtを示す図である。It is a figure which shows the leveled recovery dV / dt. 低減されたターンオン損失を示す図である。It is a figure which shows the reduced turn-on loss. 実施の形態2に係る半導体素子の一部断面図である。It is a partial sectional view of the semiconductor element which concerns on Embodiment 2. FIG. 変形例に係る半導体素子の一部断面図である。It is a partial sectional view of the semiconductor element which concerns on a modification. 実施の形態3に係る半導体素子の一部断面図である。It is a partial cross-sectional view of the semiconductor element which concerns on Embodiment 3. FIG. 変形例に係る半導体素子の一部断面図である。It is a partial sectional view of the semiconductor element which concerns on a modification. 実施の形態4に係る半導体素子の一部断面図である。It is a partial sectional view of the semiconductor element which concerns on Embodiment 4. FIG. 実施の形態5に係る半導体素子を構成する半導体基板の平面図である。It is a top view of the semiconductor substrate which comprises the semiconductor element which concerns on Embodiment 5. 実施の形態6に係る半導体素子の一部断面斜視図である。It is a partial cross-sectional perspective view of the semiconductor element which concerns on Embodiment 6. 課題を説明する図である。It is a figure explaining a problem.

本発明の実施の形態に係る半導体素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 The semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components may be designated by the same reference numerals and the description may be omitted.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体素子の一部断面斜視図である。この半導体素子はIGBTである。この半導体素子は半導体基板10を備えている。半導体基板10にはn−型のドリフト層12が形成されている。ドリフト層12の下にはn型のバッファ層14が形成されている。バッファ層14の下にはp+型のコレクタ層16が形成されている。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. This semiconductor element is an IGBT. This semiconductor element includes a semiconductor substrate 10. An n-type drift layer 12 is formed on the semiconductor substrate 10. An n-type buffer layer 14 is formed under the drift layer 12. A p + type collector layer 16 is formed under the buffer layer 14.

半導体基板10の表面側にはn+型のソース層18と、p+型のコンタクト層20が形成されている。ソース層18の下にはp型のベース層22が形成されている。ベース層22の下にはn型のキャリア蓄積層24が形成されている。そして、キャリア蓄積層24の下には前述のドリフト層12がある。 An n + type source layer 18 and a p + type contact layer 20 are formed on the surface side of the semiconductor substrate 10. A p-type base layer 22 is formed under the source layer 18. An n-type carrier accumulation layer 24 is formed under the base layer 22. And below the carrier accumulation layer 24, there is the above-mentioned drift layer 12.

半導体基板10の上面側には、複数のアクティブトレンチゲートA1、A2と、複数のダミートレンチゲートD1が形成されている。アクティブトレンチゲートとはゲート電極に電気的に接続されたトレンチゲートであり、ダミートレンチゲートとはエミッタ電極に電気的に接続されたトレンチゲートである。複数のアクティブトレンチゲートA1、A2と複数のダミートレンチゲートD1は、半導体基板10に溝を形成し、その溝の壁面に絶縁膜26を形成し、その後溝を導電体28で埋め込むことで形成される。複数のアクティブトレンチゲートA1、A2と複数のダミートレンチゲートD1は、半導体基板10の表面からソース層18、ベース層22及びキャリア蓄積層24を貫通し、ドリフト層12にまで達している。 A plurality of active trench gates A1 and A2 and a plurality of dummy trench gates D1 are formed on the upper surface side of the semiconductor substrate 10. The active trench gate is a trench gate electrically connected to the gate electrode, and the dummy trench gate is a trench gate electrically connected to the emitter electrode. The plurality of active trench gates A1 and A2 and the plurality of dummy trench gates D1 are formed by forming a groove in the semiconductor substrate 10, forming an insulating film 26 on the wall surface of the groove, and then embedding the groove with the conductor 28. To. The plurality of active trench gates A1 and A2 and the plurality of dummy trench gates D1 penetrate the source layer 18, the base layer 22, and the carrier storage layer 24 from the surface of the semiconductor substrate 10 and reach the drift layer 12.

前述のソース層18は、アクティブトレンチゲートA1、A2の片側もしくは両側壁にそれぞれ接して形成されればよい。しかし、ダミートレンチゲートD1に挟まれた領域にソース層18を形成してもよい。 The source layer 18 may be formed in contact with one or both side walls of the active trench gates A1 and A2, respectively. However, the source layer 18 may be formed in the region sandwiched between the dummy trench gates D1.

半導体基板10の下にはコレクタ電極40が形成されている。半導体基板10の上面には層間絶縁膜42が設けられている。層間絶縁膜42には開口が設けられ、その開口には、コンタクト層20及びソース層18に接触するエミッタコンタクト44が設けられている。エミッタコンタクト44はベース層22の上に形成される。層間絶縁膜42の上にはエミッタコンタクト44に接触するエミッタ電極46が形成されている。 A collector electrode 40 is formed under the semiconductor substrate 10. An interlayer insulating film 42 is provided on the upper surface of the semiconductor substrate 10. The interlayer insulating film 42 is provided with an opening, and the opening is provided with an emitter contact 44 that contacts the contact layer 20 and the source layer 18. The emitter contact 44 is formed on the base layer 22. An emitter electrode 46 that contacts the emitter contact 44 is formed on the interlayer insulating film 42.

図2は、半導体素子の断面図である。図2を参照してトレンチゲートの配列を説明する。半導体基板10の上には、エミッタ電極46とゲート電極50が形成されている。3つのアクティブトレンチゲートA1と3つのアクティブトレンチゲートA2はゲート電極50と接続されている。3つのダミートレンチゲートD1と3つのダミートレンチゲートD2はゲート電極50に接続されず、エミッタ電極46に接続されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor element. The arrangement of trench gates will be described with reference to FIG. An emitter electrode 46 and a gate electrode 50 are formed on the semiconductor substrate 10. The three active trench gates A1 and the three active trench gates A2 are connected to the gate electrode 50. The three dummy trench gates D1 and the three dummy trench gates D2 are not connected to the gate electrode 50 but are connected to the emitter electrode 46.

ソース層18のうち、アクティブトレンチゲートA1、A2に隣接する部分にはエミッタコンタクト44が接している。従って、ソース層18のうちアクティブトレンチゲートA1、A2に隣接する部分はエミッタ電極46に接続されている。他方、ベース層22のうち、ダミートレンチゲートD1、D2に挟まれた部分は、エミッタ電極46に接続されない。 The emitter contact 44 is in contact with the portion of the source layer 18 adjacent to the active trench gates A1 and A2. Therefore, the portion of the source layer 18 adjacent to the active trench gates A1 and A2 is connected to the emitter electrode 46. On the other hand, the portion of the base layer 22 sandwiched between the dummy trench gates D1 and D2 is not connected to the emitter electrode 46.

3つのアクティブトレンチゲートA1が並ぶことで第1構造60が形成されている。第1構造60の横には、3つのダミートレンチゲートD1が並ぶことで第2構造62が形成されている。第2構造62の横には、3つのアクティブトレンチゲートA2が並ぶことで第1構造64が形成されている。第1構造64の横には、3つのダミートレンチゲートD2が並ぶことで第2構造66が形成されている。このように、3つのアクティブトレンチゲートで構成される第1構造と、3つのダミートレンチゲートで構成される第2構造が交互に設けられている。 The first structure 60 is formed by arranging three active trench gates A1. The second structure 62 is formed by arranging three dummy trench gates D1 next to the first structure 60. The first structure 64 is formed by arranging three active trench gates A2 next to the second structure 62. The second structure 66 is formed by arranging three dummy trench gates D2 next to the first structure 64. In this way, the first structure composed of three active trench gates and the second structure composed of three dummy trench gates are alternately provided.

図3は、半導体素子を用いた回路構成例を示す回路図である。p側半導体素子70とn側半導体素子74の接続点P1に負荷78が接続される。p側半導体素子70には還流ダイオードとしてp側ダイオード72が接続され、n側半導体素子74には還流ダイオードとしてn側ダイオード76が接続される。p側半導体素子70とn側半導体素子74として、本発明の実施の形態1に係る半導体素子を採用する。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration example using a semiconductor element. The load 78 is connected to the connection point P1 between the p-side semiconductor element 70 and the n-side semiconductor element 74. A p-side diode 72 is connected to the p-side semiconductor element 70 as a freewheeling diode, and an n-side diode 76 is connected to the n-side semiconductor element 74 as a freewheeling diode. As the p-side semiconductor element 70 and the n-side semiconductor element 74, the semiconductor element according to the first embodiment of the present invention is adopted.

図2の説明に戻る。第1構造60、64におけるアクティブトレンチゲート間の距離L1は1.5μm以下とした。アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの距離L2、及びダミートレンチゲートとダミートレンチゲートの距離L3は特に限定しないが、例えば1.5μm程度とする。 Returning to the description of FIG. The distance L1 between the active trench gates in the first structures 60 and 64 was set to 1.5 μm or less. The distance L2 between the active trench gate and the dummy trench gate and the distance L3 between the dummy trench gate and the dummy trench gate are not particularly limited, but are set to, for example, about 1.5 μm.

本発明の実施の形態1に係る半導体素子の製造方法の一例について説明する。まず、n型の半導体基板を準備する。次いで、マスクとして酸化膜を形成し、その酸化膜上に写真製版法によってレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクとして酸化膜をエッチングする。次いで、レジストパターンを除去する。 An example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. First, an n-type semiconductor substrate is prepared. Next, an oxide film is formed as a mask, and a resist pattern is formed on the oxide film by a photoengraving method. The oxide film is etched using the resist pattern as a mask. Then, the resist pattern is removed.

次いで、マスクを用いてn型キャリア蓄積層を形成するためリン(P)イオンを注入する。次いで、同一マスクでボロン(B)イオンを注入してもよい。これにより使用するマスク枚数を減らすことができるが、別々のマスクを用いてもよい。次いで、注入したリンとボロンをドライブによって拡散する。これにより、n型のキャリア蓄積層24とp型のベース層22が形成される。キャリア蓄積層24の不純物濃度はドリフト層12より高濃度でベース層22より低濃度であればよく、たとえば、1×1015〜1×1016cm−3である。キャリア蓄積層24の拡散深さは例えば2.0μmである。p型のベース層22の表面濃度は例えば1×1017〜1×1018cm−3であり、拡散深さは例えば2.0μmである。 Then, a mask is used to inject phosphorus (P) ions to form an n-type carrier accumulation layer. Then, boron (B) ions may be injected with the same mask. This can reduce the number of masks used, but separate masks may be used. The injected phosphorus and boron are then diffused by a drive. As a result, the n-type carrier accumulation layer 24 and the p-type base layer 22 are formed. The impurity concentration of the carrier accumulation layer 24 may be higher than that of the drift layer 12 and lower than that of the base layer 22, and is, for example, 1 × 1015 to 1 × 1016 cm-3. The diffusion depth of the carrier storage layer 24 is, for example, 2.0 μm. The surface concentration of the p-type base layer 22 is, for example, 1 × 1017 to 1 × 1018 cm-3, and the diffusion depth is, for example, 2.0 μm.

次に酸化膜からなるマスクを用いて、不純物としてヒ素(As)イオンを注入し、注入したヒ素をドライブにより拡散する。これにより、p型のベース層22の上に、n型のソース層18が形成される。例えばソース層18の不純物濃度は例えば5×1018〜5×1019cm−3であり、拡散深さは例えば0.5μmである。 Next, using a mask made of an oxide film, arsenic (As) ions are injected as impurities, and the injected arsenic is diffused by a drive. As a result, the n-type source layer 18 is formed on the p-type base layer 22. For example, the impurity concentration of the source layer 18 is, for example, 5 × 1018 to 5 × 1019 cm-3, and the diffusion depth is, for example, 0.5 μm.

次にアクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートを形成する。アクティブトレンチゲートはゲート電極に、ダミートレンチゲートはエミッタ電極に接続するようにパターニングされた酸化膜からなるマスクを用いて、ドライエッチングによりベース層22とキャリア蓄積層24を貫通してトレンチが形成される。例えば、トレンチの深さは6.0μm、幅は1.0μmである。 Next, an active trench gate and a dummy trench gate are formed. A trench is formed through the base layer 22 and the carrier storage layer 24 by dry etching using a mask made of an oxide film patterned so that the active trench gate is connected to the gate electrode and the dummy trench gate is connected to the emitter electrode. To. For example, the depth of the trench is 6.0 μm and the width is 1.0 μm.

次に、酸化膜マスクを除去し、トレンチの側壁を覆う酸化膜(絶縁膜26)を形成する。続いて、絶縁膜26で覆われたトレンチにポリシリコンなどの導電体28を充填する。次いで、トレンチ内の導電体28を絶縁するための酸化膜等からなる層間絶縁膜42を形成する。層間絶縁膜42の膜厚はたとえば1.0μmである。 Next, the oxide film mask is removed to form an oxide film (insulating film 26) that covers the side wall of the trench. Subsequently, the trench covered with the insulating film 26 is filled with a conductor 28 such as polysilicon. Next, an interlayer insulating film 42 made of an oxide film or the like for insulating the conductor 28 in the trench is formed. The film thickness of the interlayer insulating film 42 is, for example, 1.0 μm.

次いで、酸化膜からなるマスクを用いて、エミッタコンタクト44を形成する。次いでエミッタ電極46を形成する。エミッタ電極46の材料は、たとえばアルミニウム又はアルミニウムシリコンである。エミッタ電極46の膜厚はたとえば4.0μmである。また、エミッタ電極46と絶縁されたゲート電極50も形成する。 The emitter contact 44 is then formed using a mask made of an oxide film. Next, the emitter electrode 46 is formed. The material of the emitter electrode 46 is, for example, aluminum or aluminum silicon. The film thickness of the emitter electrode 46 is, for example, 4.0 μm. Further, a gate electrode 50 insulated from the emitter electrode 46 is also formed.

次いで、半導体基板10の下面にPイオン及びBイオンを注入し、アニールによりp型のコレクタ層16、n型のバッファ層14を形成する。アニールは工程を削減するため上記記載の様に1回で行ってもよく、PイオンとBイオンをそれぞれ注入した後に2回に分けて行ってもよい。次いで、コレクタ電極40を形成する。コレクタ電極40の材料と膜厚は任意に設定することができる。 Next, P ions and B ions are injected into the lower surface of the semiconductor substrate 10 and annealed to form a p-type collector layer 16 and an n-type buffer layer 14. Annealing may be performed once as described above in order to reduce the number of steps, or may be performed in two steps after injecting P ions and B ions, respectively. Next, the collector electrode 40 is formed. The material and film thickness of the collector electrode 40 can be arbitrarily set.

発明者は、還流ダイオードのリカバリdV/dtが半導体素子のコレクタ電流に依存することを抑制するためには、半導体素子のゲート電極−コレクタ電極間容量(Cgc)をゲート電極−エミッタ電極間容量(Cge)で除した値(Cgc/Cge)を大きくすることが有効であることを見出した。より具体的には、半導体素子のCgcを大きくすることで低電流時のリカバリdV/dtの増加を抑制できる。また、半導体素子のCgeを小さくすることで大電流時(定格電流時)のリカバリdV/dtを増加させることができる。Cgc/Cgeの値を大きくすることで、スイッチング時間を短くしターンオン損失を低減できる。本発明の実施の形態1に係る半導体素子は、この知見に基づき製造されたものである。 In order to suppress that the recovery dV / dt of the freewheeling diode depends on the collector current of the semiconductor element, the inventor sets the gate electrode-collector electrode capacitance (Cgt) of the semiconductor element to the gate electrode-emitter electrode capacitance ( It was found that it is effective to increase the value (Cgc / Cge) divided by Cge). More specifically, by increasing the Cgt of the semiconductor element, it is possible to suppress an increase in recovery dV / dt at a low current. Further, by reducing the Cge of the semiconductor element, the recovery dV / dt at the time of a large current (at the rated current) can be increased. By increasing the value of Cgc / Cge, the switching time can be shortened and the turn-on loss can be reduced. The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is manufactured based on this knowledge.

本発明の実施の形態1に係る半導体素子は、Cgcの値を維持しつつCgeを低減するのに好適な構成となっている。そのことについて、半導体素子の動作時における空乏層の伸び方を示す図4を参照して説明する。ゲート電極50−エミッタ電極46間に電圧Vgeを印加すると、ベース層22において、アクティブトレンチゲートA1の側壁から空乏層80が広がる。例えば、空乏層80は破線で示された領域に形成される。半導体素子のCgeは酸化膜容量(絶縁膜26を誘電体層とする容量)と空乏層容量に依存する。そのため、空乏層80の距離dが大きく、表面積Sが小さいほど、Cgeを低減することができる。 The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention has a configuration suitable for reducing Cge while maintaining the value of Cgc. This will be described with reference to FIG. 4, which shows how the depletion layer grows during the operation of the semiconductor element. When a voltage Vge is applied between the gate electrode 50 and the emitter electrode 46, the depletion layer 80 spreads from the side wall of the active trench gate A1 in the base layer 22. For example, the depletion layer 80 is formed in the region indicated by the broken line. The Cge of the semiconductor element depends on the oxide film capacity (capacity with the insulating film 26 as the dielectric layer) and the depletion layer capacity. Therefore, the larger the distance d of the depletion layer 80 and the smaller the surface area S, the more Cge can be reduced.

印加電圧Vgeが大きくなると、アクティブトレンチゲートの側壁から形成された空乏層と、隣のアクティブトレンチゲートから形成された空乏層が重なり、空乏層の距離dは大きくなる。本発明の実施の形態1では、第1構造におけるアクティブトレンチゲート間の距離を1.5μm以下としたので、低い印加電圧Vgeでも空乏層を重ねることができる。空乏層が重なると距離dが大きい1つの空乏層が形成されるので、Cgeを十分に低減することができる。 When the applied voltage Vge becomes large, the depletion layer formed from the side wall of the active trench gate and the depletion layer formed from the adjacent active trench gate overlap, and the distance d of the depletion layer becomes large. In the first embodiment of the present invention, since the distance between the active trench gates in the first structure is 1.5 μm or less, the depletion layer can be overlapped even at a low applied voltage Vge. When the depletion layers overlap, one depletion layer having a large distance d is formed, so that Cge can be sufficiently reduced.

空乏層の表面積Sを小さくすることは、キャリア蓄積層24の不純物濃度を調整することで実現した。つまり、キャリア蓄積層24の不純物濃度をドリフト層12の不純物濃度より大きくした。また、キャリア蓄積層24の不純物濃度をソース層18の不純物濃度より小さくした。キャリア蓄積層24の不純物濃度をドリフト層12の不純物濃度より大きくしたので、大規模な空乏層がキャリア蓄積層24に形成されることを防止できる。つまり空乏層の表面積Sの増加を抑制できる。また、キャリア蓄積層24の不純物濃度をソース層18の不純物濃度より小さくすることで、キャリア蓄積層24の不純物濃度が極端に大きくなり、ホールがキャリア蓄積層24の上方へ抜けにくくなることを防止できる。 Reducing the surface area S of the depletion layer was realized by adjusting the impurity concentration of the carrier accumulation layer 24. That is, the impurity concentration of the carrier accumulation layer 24 was made higher than the impurity concentration of the drift layer 12. Further, the impurity concentration of the carrier accumulation layer 24 was made smaller than the impurity concentration of the source layer 18. Since the impurity concentration of the carrier storage layer 24 is made higher than the impurity concentration of the drift layer 12, it is possible to prevent a large-scale depletion layer from being formed in the carrier storage layer 24. That is, an increase in the surface area S of the depletion layer can be suppressed. Further, by making the impurity concentration of the carrier storage layer 24 smaller than the impurity concentration of the source layer 18, the impurity concentration of the carrier storage layer 24 becomes extremely large, and it is prevented that holes are difficult to escape above the carrier storage layer 24. it can.

隣接したアクティブトレンチゲート間の距離L1を1.5μm以下とし、キャリア蓄積層24の不純物濃度をドリフト層12の不純物濃度より大きくしたので、空乏層容量を小さくすることができる。仮に上記のキャリア蓄積層の不純物濃度が実現されなければ、十分にCgeを低減できず、しかもCgcを増加させてしまう。 Since the distance L1 between the adjacent active trench gates is 1.5 μm or less and the impurity concentration of the carrier storage layer 24 is larger than the impurity concentration of the drift layer 12, the depletion layer capacity can be reduced. If the impurity concentration of the carrier accumulation layer is not realized, Cge cannot be sufficiently reduced and Cgc is increased.

ところで、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートが隣り合った部分では、アクティブトレンチゲートの側壁から空乏層が広がるが、ダミートレンチゲートの側壁からは空乏層が広がらない。そのため、2つの空乏層を重ねることによるCgeの低減効果を得ることができない。したがって、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの隣接箇所の密度を考慮して、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの配列を決める必要がある。 By the way, in the portion where the active trench gate and the dummy trench gate are adjacent to each other, the depletion layer spreads from the side wall of the active trench gate, but the depletion layer does not spread from the side wall of the dummy trench gate. Therefore, it is not possible to obtain the effect of reducing Cge by overlapping the two depletion layers. Therefore, it is necessary to determine the arrangement of the active trench gate and the dummy trench gate in consideration of the density of the adjacent portion between the active trench gate and the dummy trench gate.

図5は、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの配列方法と、Cgeの関係を示すグラフである。2:1というのは、アクティブトレンチゲートの数とダミートレンチゲートの数の比(個数比)が2:1ということである。1:1はアクティブトレンチゲートの数とダミートレンチゲートの数の比が1:1であることを表し、1:2はアクティブトレンチゲートの数とダミートレンチゲートの数の比が1:2であることを表す。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the arrangement method of the active trench gate and the dummy trench gate and the Cge. 2: 1 means that the ratio (number ratio) of the number of active trench gates to the number of dummy trench gates is 2: 1. 1: 1 means that the ratio of the number of active trench gates to the number of dummy trench gates is 1: 1 and 1: 2 means that the ratio of the number of active trench gates to the number of dummy trench gates is 1: 2. Represents that.

横軸のトレンチゲートの倍数というのは、前述の比における1がいくつのトレンチゲートで構成されるかを示す。具体的には、図5の1:1の場合における6つのプロットに着目して説明する。1:1の場合において、トレンチゲートの倍数がx1であれば、1つのアクティブトレンチゲートと1つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。1つのアクティブトレンチゲートと1つのダミートレンチゲートの和が2であり、そのうち1つがアクティブであるから、1/2間引きと言う。1:1の場合において、トレンチゲートの倍数がx2であれば、2つのアクティブトレンチゲートと2つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。 The multiple of the trench gate on the horizontal axis indicates how many trench gates 1 in the above ratio is composed of. Specifically, the six plots in the case of 1: 1 in FIG. 5 will be focused on. In the case of 1: 1 and if the multiple of the trench gate is x1, one active trench gate and one dummy trench gate are alternately provided. Since the sum of one active trench gate and one dummy trench gate is 2, and one of them is active, it is called 1/2 decimation. In the case of 1: 1 and if the multiple of the trench gate is x2, two active trench gates and two dummy trench gates are alternately provided.

1:1の場合において、トレンチゲートの倍数がx3であれば、3つのアクティブトレンチゲートと3つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。本発明の実施の形態1に係る半導体素子は、1:1でトレンチゲートの倍数がx3の場合に相当する。3つのアクティブトレンチゲートと3つのダミートレンチゲートの和が6であり、そのうち3つがアクティブであるから、3/6間引きと言う。 In the case of 1: 1 and if the multiple of the trench gate is x3, three active trench gates and three dummy trench gates are alternately provided. The semiconductor element according to the first embodiment of the present invention corresponds to the case where the ratio is 1: 1 and the multiple of the trench gate is x3. The sum of the three active trench gates and the three dummy trench gates is 6, and three of them are active, so it is called 3/6 decimation.

1:1の場合において、トレンチゲートの倍数がx4であれば、4つのアクティブトレンチゲートと4つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。そして、トレンチゲートの倍数がx5であれば5つのアクティブトレンチゲートと5つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。トレンチゲートの倍数がx6であれば6つのアクティブトレンチゲートと6つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。 In the case of 1: 1 and if the multiple of the trench gate is x4, four active trench gates and four dummy trench gates are alternately provided. Then, if the multiple of the trench gate is x5, five active trench gates and five dummy trench gates are alternately provided. If the multiple of the trench gate is x6, six active trench gates and six dummy trench gates are alternately provided.

例えば2:1の場合において、トレンチゲートの倍数がx3であれば、6つのアクティブトレンチゲートと3つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。例えば1:2の場合において、トレンチゲートの倍数がx3であれば、3つのアクティブトレンチゲートと6つのダミートレンチゲートが交互に設けられる。前述の「間引き」という言葉を用いることで、図5の18プロットの各々を簡潔に言い表すことができる。例を挙げれば、個数比2:1の場合において、トレンチゲートの倍数がx1であれば「1/3間引き」といい、個数比1:2の場合において、トレンチゲートの倍数がx1であれば「2/3間引き」という。 For example, in the case of 2: 1 and if the multiple of the trench gate is x3, 6 active trench gates and 3 dummy trench gates are alternately provided. For example, in the case of 1: 2, if the multiple of the trench gate is x3, three active trench gates and six dummy trench gates are alternately provided. By using the term "thinning out" described above, each of the 18 plots in FIG. 5 can be briefly described. For example, in the case of a number ratio of 2: 1, if the multiple of the trench gate is x1, it is called "1/3 thinning out", and in the case of a number ratio of 1: 2, if the multiple of the trench gate is x1. It is called "2/3 thinning out".

ここまでの説明で明らかであるが、トレンチゲートの倍数を増加させることは、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの個数比を固定したままで、各本数を整数倍することを意味する。 As is clear from the explanation so far, increasing the multiple of the trench gate means multiplying each number by an integer while keeping the number ratio of the active trench gate and the dummy trench gate fixed.

本発明の実施の形態1では「3/6間引き」を採用したので、1/2間引きの半導体素子と比較すればCgeを20%低減できる。しかもCgcの増加はない。そのため、1/2間引きと比較してCgc/Cgeを20%増加させることができる。したがって、還流ダイオードのリカバリdV/dtが半導体素子のコレクタ電流に依存することを抑制できる。 Since "3/6 thinning out" is adopted in the first embodiment of the present invention, Cge can be reduced by 20% as compared with the semiconductor element of 1/2 thinning out. Moreover, there is no increase in Cgc. Therefore, Cgc / Cge can be increased by 20% as compared with 1/2 thinning out. Therefore, it is possible to suppress that the recovery dV / dt of the freewheeling diode depends on the collector current of the semiconductor element.

図5から、アクティブトレンチゲートの数とダミートレンチゲートの数の比(個数比)が1:2の場合にも低いCgeを得ることができることが分かる。しかしながら、個数比が2:1の場合、個数比が1:1の場合と比較してCgeが大きくなる。個数比が2:1の場合の基準構造である1/3間引はアクティブトレンチゲートが隣接する構造であるため、既にアクティブトレンチゲートが隣接することによるCge低減効果が得られているので、トレンチゲートの倍数を増加させてもCgeを大きく低下させることができない。 From FIG. 5, it can be seen that a low Cge can be obtained even when the ratio (number ratio) of the number of active trench gates to the number of dummy trench gates is 1: 2. However, when the number ratio is 2: 1, the Cge is larger than when the number ratio is 1: 1. Since the 1/3 thinning, which is the reference structure when the number ratio is 2: 1 is a structure in which the active trench gates are adjacent to each other, the Cge reduction effect due to the active trench gates being adjacent to each other has already been obtained. Even if the multiple of the gate is increased, the Cge cannot be significantly reduced.

本発明の実施の形態1では、3/6間引きを採用したが別の配列を採用してもよい。アクティブトレンチゲートが3つ以上並ぶ第1構造と、ダミートレンチゲートが3つ以上並ぶ第2構造が、交互に設けられた構成を採用することでアクティブトレンチゲートの隣接数を増やし、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの隣接密度を低下させることができるので、Cgeを低減することができる。その上で、第1構造におけるアクティブトレンチゲートの数よりも、第2構造におけるダミートレンチゲートの数を大きくすること(例えば1:2とすること)で、特にCgeを低下させることができる。なお、本発明の実施の形態1ではキャリア蓄積層24を形成したがこれに限定するものではなく、キャリア蓄積層24を形成しなくてもよい。 In the first embodiment of the present invention, 3/6 thinning is adopted, but another arrangement may be adopted. By adopting a configuration in which the first structure in which three or more active trench gates are lined up and the second structure in which three or more dummy trench gates are lined up are provided alternately, the number of adjacent active trench gates is increased, and the active trench gate and the active trench gate Since the adjacent density of the dummy trench gate can be reduced, Cge can be reduced. On top of that, the number of dummy trench gates in the second structure is made larger than the number of active trench gates in the first structure (for example, 1: 2), so that the Cge can be particularly lowered. In the first embodiment of the present invention, the carrier storage layer 24 is formed, but the present invention is not limited to this, and the carrier storage layer 24 may not be formed.

図6は、本発明の実施の形態1に係る半導体素子のコレクタ電流と、還流ダイオードのリカバリdV/dtの関係を示す図である。実施の形態1の半導体素子では小さいCgeを実現しているので、Cgc/Cgeが大きくなり、還流ダイオードのリカバリdV/dtが半導体素子のコレクタ電流に依存することを抑制できている。図7は、ターンオン損失の低減効果を説明するグラフである。図7には、上記のとおりCgeを小さくすることで、ターンオン損失を低減できたことが示されている。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the collector current of the semiconductor element according to the first embodiment of the present invention and the recovery dV / dt of the freewheeling diode. Since the semiconductor element of the first embodiment realizes a small Cge, the Cgc / Cge becomes large, and it is possible to suppress that the recovery dV / dt of the freewheeling diode depends on the collector current of the semiconductor element. FIG. 7 is a graph illustrating the effect of reducing the turn-on loss. FIG. 7 shows that the turn-on loss could be reduced by reducing the Cge as described above.

本発明の実施の形態1に係る半導体素子によれば、定常損失(Vce(sat))を低減することができる。つまり、ベース層22のうち、ダミートレンチゲートD1、D2に挟まれた部分は、エミッタ電極46に接続されないので、フローティングベース層が形成される。フローティングベース層によりInjection Enhancement効果(IE効果)が促進される。フローティングベース層にはホールが蓄積し、伝導度変調が起こるため、ドリフト層12の比抵抗が低下しVce(sat)を低減できる。 According to the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the steady loss (Vce (sat)) can be reduced. That is, the portion of the base layer 22 sandwiched between the dummy trench gates D1 and D2 is not connected to the emitter electrode 46, so that a floating base layer is formed. The floating base layer promotes the Injection Enhancement effect (IE effect). Since holes are accumulated in the floating base layer and conductivity modulation occurs, the specific resistance of the drift layer 12 is lowered and Vce (sat) can be reduced.

本発明の実施の形態1に係る半導体素子は、様々な変形が可能である。例えば半導体素子はIGBTを構成せず、トレンチMOSFET又はRC−IGBTを構成してもよい。半導体基板10はケイ素によって形成してもよいが、ケイ素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。n型の層はp型に置き換え、p型の層をn型に置き換えても良い。つまり、半導体基板の各層は第1導電型か第2導電型で形成される。上述の各変形例については、以下の実施の形態に係る半導体素子においても適宜応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体素子については、実施の形態1との共通点が多いので実施の形態1との相違点を中心に説明する。 The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention can be variously modified. For example, the semiconductor element does not form an IGBT, but may form a trench MOSFET or an RC-IGBT. The semiconductor substrate 10 may be formed of silicon, or may be formed of a wide bandgap semiconductor having a larger bandgap than silicon. Wide bandgap semiconductors include, for example, silicon carbide, gallium nitride based materials or diamond. The n-type layer may be replaced with a p-type, and the p-type layer may be replaced with an n-type. That is, each layer of the semiconductor substrate is formed of the first conductive type or the second conductive type. Each of the above-described modifications can be appropriately applied to the semiconductor device according to the following embodiment. Since the semiconductor elements according to the following embodiments have much in common with the first embodiment, the differences from the first embodiment will be mainly described.

実施の形態2.
図8は、実施の形態2に係る半導体素子の一部断面図である。ベース層22のうち、ダミートレンチゲートD1に挟まれた部分は、エミッタ電極46に接続されている。つまり、エミッタコンタクト44をダミートレンチゲートD1の両側に設け、ダミートレンチゲートD1をエミッタコンタクト44で挟む。エミッタコンタクト44の下部にはコンタクト抵抗を低減させるためのp+型のコンタクト層20を形成してもよい。コンタクト層20のパターンは特定のパターンに限定されず、例えばエミッタコンタクト44の下部に選択的に形成してもよい。エミッタコンタクト44をダミートレンチゲートD1に挟まれた部分に設けることで、エミッタコンタクト44からのホールの排出を促進しターンオフ損失を低減することができる。
Embodiment 2.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the semiconductor element according to the second embodiment. The portion of the base layer 22 sandwiched between the dummy trench gates D1 is connected to the emitter electrode 46. That is, the emitter contacts 44 are provided on both sides of the dummy trench gate D1, and the dummy trench gate D1 is sandwiched between the emitter contacts 44. A p + type contact layer 20 for reducing contact resistance may be formed below the emitter contact 44. The pattern of the contact layer 20 is not limited to a specific pattern, and may be selectively formed at the lower part of the emitter contact 44, for example. By providing the emitter contact 44 in the portion sandwiched between the dummy trench gates D1, it is possible to promote the discharge of holes from the emitter contact 44 and reduce the turn-off loss.

特にダミートレンチゲートの本数が多くなると、フローティングベース層が形成されることによるIE効果によるVce(sat)の低減効果よりも、ターンオフ損失の増加が問題となる。そこで、図8に示すようにすべてのベース層22の上にエミッタコンタクト44を設けることで、ターンオフ損失を低減できる。 In particular, when the number of dummy trench gates is large, the increase in turn-off loss becomes a problem rather than the effect of reducing Vce (sat) due to the IE effect due to the formation of the floating base layer. Therefore, by providing the emitter contacts 44 on all the base layers 22 as shown in FIG. 8, the turn-off loss can be reduced.

ここで、あるダミートレンチゲートD1の右側だけにエミッタコンタクト44を設け、そのダミートレンチゲートD1の左側にはエミッタコンタクト44を設けなくても良い。これによりホールの蓄積量を調整できる。あるいは、あるダミートレンチゲートD1の両側にはエミッタコンタクト44を設けるが、別のダミートレンチゲートD1については片側にだけエミッタコンタクト44を設けても良い。図9を参照しつつ説明すると、第2構造62により、ダミートレンチゲートD1に挟まれたベース層22が2箇所以上あり、1箇所はエミッタ電極46に接続され、別の1箇所はエミッタ電極46に接続されない。こうすることで、ターンオフ損失とVce(sat)のトレードオフ特性を悪化させることなくターンオン損失を低減することができる。 Here, the emitter contact 44 may be provided only on the right side of a certain dummy trench gate D1, and the emitter contact 44 may not be provided on the left side of the dummy trench gate D1. This makes it possible to adjust the amount of accumulated holes. Alternatively, emitter contacts 44 may be provided on both sides of one dummy trench gate D1, but emitter contacts 44 may be provided on only one side of another dummy trench gate D1. Explaining with reference to FIG. 9, according to the second structure 62, there are two or more base layers 22 sandwiched between the dummy trench gates D1, one of which is connected to the emitter electrode 46, and the other of which is the emitter electrode 46. Not connected to. By doing so, the turn-on loss can be reduced without deteriorating the trade-off characteristics between the turn-off loss and Vce (sat).

実施の形態3.
図10は、実施の形態3に係る半導体素子の一部断面図である。ベース層22のうち、アクティブトレンチゲートに挟まれた部分だけに、エミッタ電極46(エミッタコンタクト44)が接続されている。アクティブトレンチゲートと、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの間にあるエミッタコンタクト44との間で発生するCgeを、エミッタコンタクト44を間引くことで低減する。
Embodiment 3.
FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the semiconductor element according to the third embodiment. The emitter electrode 46 (emitter contact 44) is connected only to the portion of the base layer 22 sandwiched between the active trench gates. The Cge generated between the active trench gate and the emitter contact 44 between the active trench gate and the dummy trench gate is reduced by thinning out the emitter contact 44.

アクティブトレンチゲートに隣接するフローティングベース層22’はターンオン時に流入したホールにより電位が変動し変位電流を発生させるので、低電流時のdV/dtの増加につながる。したがって、上記のようにアクティブトレンチゲートが3つ以上並ぶ第1構造と、ダミートレンチゲートが3つ以上並ぶ第2構造を交互に設けることで当該フローティングベース層22’の密度を低下させることが重要である。 Since the potential of the floating base layer 22'adjacent to the active trench gate fluctuates due to the hole flowing in at the time of turn-on to generate a displacement current, the dV / dt increases at the time of low current. Therefore, it is important to reduce the density of the floating base layer 22'by alternately providing the first structure in which three or more active trench gates are lined up and the second structure in which three or more dummy trench gates are lined up as described above. Is.

図11は、変形例に係る半導体素子の一部断面図である。ベース層22のうち、アクティブトレンチゲートに挟まれた部分と、ダミートレンチゲートに挟まれた部分だけにエミッタ電極46(エミッタコンタクト44)を接続する。アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの間のベース層22にはエミッタコンタクト44を設けない。これにより、エミッタコンタクト44からのホールの排出を促進しつつ、Cgeを低減しターンオフ損失を低減できる。 FIG. 11 is a partial cross-sectional view of the semiconductor element according to the modified example. The emitter electrode 46 (emitter contact 44) is connected only to the portion of the base layer 22 sandwiched between the active trench gates and the portion sandwiched between the dummy trench gates. No emitter contact 44 is provided on the base layer 22 between the active trench gate and the dummy trench gate. As a result, Cge can be reduced and turn-off loss can be reduced while promoting the discharge of holes from the emitter contact 44.

実施の形態4.
図12は、実施の形態4に係る半導体素子の一部断面図である。ベース層22は、アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの間の領域を避けて形成されている。つまり、アクティブトレンチゲートA1とダミートレンチゲートD1の間にはベース層22が配置されない。これにより、アクティブトレンチゲートA1と、アクティブトレンチゲートA1とダミートレンチゲートD1の間のエミッタコンタクトの間で発生するCgeを削減することができる。
Embodiment 4.
FIG. 12 is a partial cross-sectional view of the semiconductor element according to the fourth embodiment. The base layer 22 is formed so as to avoid the region between the active trench gate and the dummy trench gate. That is, the base layer 22 is not arranged between the active trench gate A1 and the dummy trench gate D1. Thereby, the Cge generated between the active trench gate A1 and the emitter contact between the active trench gate A1 and the dummy trench gate D1 can be reduced.

上記のようにアクティブトレンチゲートが3つ以上並ぶ第1構造と、ダミートレンチゲートが3つ以上並ぶ第2構造を交互に設けることで、ベース層22が省略された部分(アクティブトレンチゲートとダミートレンチゲートの間の部分)の割合が減少していきベース層22の割合が増える。ベース層22は逆バイアス時に空乏層が伸びて耐圧を高める機能があるので、上述のようにベース層22の割合を増やすと耐圧を高めることができる。 By alternately providing the first structure in which three or more active trench gates are lined up and the second structure in which three or more dummy trench gates are lined up as described above, the portion where the base layer 22 is omitted (active trench gate and dummy trench). The proportion of the base layer 22 increases as the proportion of the part between the gates decreases. Since the base layer 22 has a function of increasing the pressure resistance by extending the depletion layer at the time of reverse bias, the pressure resistance can be increased by increasing the ratio of the base layer 22 as described above.

実施の形態5.
図13は、実施の形態5に係る半導体素子を構成する半導体基板の平面図である。アクティブトレンチゲートA1は横方向に3本伸びている。3本のアクティブトレンチゲートA1はそれらの短手方向に伸びるアクティブトレンチゲートによって接続され、アクティブトレンチゲートは平面視でメッシュ状になっている。ダミートレンチゲートD1は平面視でストライプ状に配置されている。なお、ダミートレンチゲートD1の形状はストライプ状に限定されずメッシュ状であってもよい。
Embodiment 5.
FIG. 13 is a plan view of a semiconductor substrate constituting the semiconductor element according to the fifth embodiment. Three active trench gates A1 extend in the lateral direction. The three active trench gates A1 are connected by active trench gates extending in the lateral direction thereof, and the active trench gates have a mesh shape in a plan view. The dummy trench gate D1 is arranged in a striped shape in a plan view. The shape of the dummy trench gate D1 is not limited to the stripe shape and may be a mesh shape.

メッシュ状のアクティブトレンチゲートを形成することで、ゲート-エミッタ間に電圧を印加するとx正負方向だけでなくy正負方向にも空乏層が広がり、広がった空乏層が互いに重なりあう。従って、空乏層の表面積Sは小さく、空乏層の距離dは大きくなり、Cgeを小さくすることができる。 By forming a mesh-shaped active trench gate, when a voltage is applied between the gate and the emitter, the depletion layer spreads not only in the x positive / negative direction but also in the y positive / negative direction, and the spread depletion layers overlap each other. Therefore, the surface area S of the depletion layer is small, the distance d of the depletion layer is large, and the Cge can be reduced.

第1構造を構成するアクティブトレンチゲートの数は3に限定されない。第1構造を構成する3つ以上のアクティブトレンチゲートを接続し平面視でメッシュ状の第1構造を形成することで、Cgeを小さくできる。 The number of active trench gates constituting the first structure is not limited to three. Cge can be reduced by connecting three or more active trench gates constituting the first structure to form a mesh-like first structure in a plan view.

実施の形態6.
図14は、実施の形態6に係る半導体素子の一部断面斜視図である。ソース層18は、平行に伸びる複数のアクティブトレンチゲートA1,A2及び複数のダミートレンチゲートD1に対し交差する、第1ソース層18aと第2ソース層18bを有している。そして、第1ソース層18aと第2ソース層18bの間隔は一定ではない。つまり、ソース層の間隔が一定ではなく部分的に長くなるようにした。例えば、ソース層の間隔L4が1の場合、ソース層の間隔L5は10という比率である。
Embodiment 6.
FIG. 14 is a partial cross-sectional perspective view of the semiconductor element according to the sixth embodiment. The source layer 18 has a first source layer 18a and a second source layer 18b intersecting a plurality of active trench gates A1 and A2 extending in parallel and a plurality of dummy trench gates D1. The distance between the first source layer 18a and the second source layer 18b is not constant. In other words, the spacing between the source layers is not constant and is partially long. For example, when the distance L4 between the source layers is 1, the distance L5 between the source layers is 10.

このような構成にした場合、電子の注入効率がそれぞれのセルで変化する。ソース層の間隔が長いセルでは注入効率が小さくなり、閾値電圧Vthが高くなる。このため同一チップ内で、高Vthのセルと通常のVthのセルの二種類のセルが構成される。図14には、高Vthセル(High Vth セル)と通常のVthのセル(Ref Vth セル)が示されている。リカバリdV/dtはゲートエミッタ間電圧の時間変化dVge/dtに依存し、dVge/dtは閾値電圧Vthに依存する。ターンオン時においてdVge/dtが急増する場合はdV/dtも急増する。Vthの異なる二種類のセルを構成すると、それぞれのセルから出るdVge/dtの大きさは異なり、かつ位相がずれるため、チップとして見た場合、それぞれのセルから出たdVge/dtのピークが大きい箇所と小さい箇所が互い重なり合う。そのため、dVge/dtのピークは緩やかになる。その結果、リカバリdV/dtの電流依存性を小さくできる。更にdVge/dt波形のピークを小さくできるためEMIノイズを低減することも可能である。 With such a configuration, the electron injection efficiency changes in each cell. In cells with long source layer spacing, the injection efficiency is low and the threshold voltage Vth is high. Therefore, two types of cells, a high Vth cell and a normal Vth cell, are configured in the same chip. FIG. 14 shows a high Vth cell (High Vth cell) and a normal Vth cell (Ref Vth cell). The recovery dV / dt depends on the time change dVge / dt of the gate-emitter voltage, and the dVge / dt depends on the threshold voltage Vth. If dVge / dt increases rapidly at turn-on, dV / dt also increases rapidly. When two types of cells with different Vths are configured, the size of dVge / dt emitted from each cell is different and the phase is out of phase. Therefore, when viewed as a chip, the peak of dVge / dt emitted from each cell is large. The small part and the small part overlap each other. Therefore, the peak of dVge / dt becomes gentle. As a result, the current dependence of recovery dV / dt can be reduced. Further, since the peak of the dVge / dt waveform can be reduced, EMI noise can be reduced.

なお、上記の各実施の形態に係る半導体素子の特徴を適宜に組み合わせて、本発明の効果を高めても良い。 The effects of the present invention may be enhanced by appropriately combining the characteristics of the semiconductor elements according to the above embodiments.

10 半導体基板、 18 ソース層、 20 コンタクト層、 22 ベース層、 24 キャリア蓄積層、 46 エミッタ電極、 50 ゲート電極、 60,64 第1構造、 62,66 第2構造、 80 空乏層、 A1,A2 アクティブトレンチゲート、 D1,D2 ダミートレンチゲート 10 Semiconductor substrate, 18 Source layer, 20 Contact layer, 22 Base layer, 24 Carrier storage layer, 46 Emitter electrode, 50 Gate electrode, 60,64 1st structure, 62,66 2nd structure, 80 Depletion layer, A1, A2 Active trench gate, D1, D2 dummy trench gate

Claims (11)

半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成されたエミッタ電極と、
前記半導体基板の上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板の上面側に形成された第1導電型のソース層と、
前記半導体基板の上面側に形成された第2導電型のベース層と、
前記半導体基板の下に形成されたコレクタ電極と、
前記半導体基板の上面側に形成された、前記ゲート電極と接続された複数のアクティブトレンチゲートと、
前記半導体基板の上面側に形成され、前記ゲート電極に接続されていない複数のダミートレンチゲートと、を備え、
前記アクティブトレンチゲートが3つ以上並ぶ第1構造と、前記ダミートレンチゲートが3つ以上並ぶ第2構造が、交互に設けられ、かつ前記第1構造における前記アクティブトレンチゲートの数よりも前記第2構造における前記ダミートレンチゲートの数が大きく
前記ベース層は、前記第1構造と前記第2構造との間で前記エミッタ電極に接続されたことを特徴とする半導体素子。
With a semiconductor substrate
An emitter electrode formed on the semiconductor substrate and
The gate electrode formed on the semiconductor substrate and
A first conductive type source layer formed on the upper surface side of the semiconductor substrate, and
A second conductive type base layer formed on the upper surface side of the semiconductor substrate, and
A collector electrode formed under the semiconductor substrate and
A plurality of active trench gates formed on the upper surface side of the semiconductor substrate and connected to the gate electrode,
A plurality of dummy trench gates formed on the upper surface side of the semiconductor substrate and not connected to the gate electrode are provided.
The first structure in which three or more active trench gates are lined up and the second structure in which three or more dummy trench gates are lined up are alternately provided, and the second structure is larger than the number of active trench gates in the first structure. The number of dummy trench gates in the structure is large
The semiconductor element is characterized in that the base layer is connected to the emitter electrode between the first structure and the second structure.
前記半導体基板は、
前記ソース層の下に形成された前記ベース層の下に設けられた、第1導電型のキャリア蓄積層と、
前記キャリア蓄積層の下にある、第1導電型のドリフト層と、を備え、
前記キャリア蓄積層の不純物濃度は、前記ドリフト層の不純物濃度より大きく、前記ソース層の不純物濃度より小さく、
前記複数のアクティブトレンチゲートと前記複数のダミートレンチゲートは、前記ソース層、前記ベース層及び前記キャリア蓄積層を貫通することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
The semiconductor substrate is
A first conductive type carrier storage layer provided under the base layer formed under the source layer, and
A first conductive type drift layer under the carrier storage layer is provided.
The impurity concentration of the carrier accumulation layer is larger than the impurity concentration of the drift layer and smaller than the impurity concentration of the source layer.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of active trench gates and the plurality of dummy trench gates penetrate the source layer, the base layer, and the carrier storage layer.
前記ベース層のうち、前記アクティブトレンチゲートに隣接する部分は、前記エミッタ電極に接続され、
前記ベース層のうち、前記ダミートレンチゲートに挟まれた部分は、前記エミッタ電極に接続されないことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子。
A portion of the base layer adjacent to the active trench gate is connected to the emitter electrode.
The semiconductor element according to claim 1 or 2, wherein a portion of the base layer sandwiched between the dummy trench gates is not connected to the emitter electrode.
前記ベース層のうち、前記アクティブトレンチゲートに隣接する部分は、前記エミッタ電極に接続され、
前記ベース層のうち、前記ダミートレンチゲートに挟まれた部分は、前記エミッタ電極に接続されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。
A portion of the base layer adjacent to the active trench gate is connected to the emitter electrode.
The semiconductor element according to claim 1 or 2, wherein a portion of the base layer sandwiched between the dummy trench gates is connected to the emitter electrode.
前記第2構造には、前記ダミートレンチゲートに挟まれた前記ベース層が2箇所以上あり、1箇所は前記エミッタ電極に接続され、別の1箇所は前記エミッタ電極に接続されないことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。 The second structure is characterized in that there are two or more base layers sandwiched between the dummy trench gates, one of which is connected to the emitter electrode and the other of which is not connected to the emitter electrode. The semiconductor element according to claim 1 or 2. 前記第1構造を構成する3つ以上の前記アクティブトレンチゲートが接続されることで、前記第1構造は、平面視でメッシュ状に形成されたことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体素子。 Any of claims 1 to 5, wherein the first structure is formed in a mesh shape in a plan view by connecting three or more active trench gates constituting the first structure. The semiconductor element according to item 1. 前記ソース層は、前記複数のアクティブトレンチゲート及び前記複数のダミートレンチゲートに対し交差する、第1ソース層と第2ソース層を有し、
第1ソース層と第2ソース層の間隔は一定ではないことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体素子。
The source layer has a first source layer and a second source layer that intersect the plurality of active trench gates and the plurality of dummy trench gates.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the distance between the first source layer and the second source layer is not constant.
トレンチMOSFETを構成することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to any one of claims 1 to 7, wherein the trench MOSFET is formed. RC−IGBTを構成することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to any one of claims 1 to 8, wherein the RC-IGBT is formed. 前記半導体基板はワイドバンドギャップ半導体によって形成されたことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to any one of claims 1 to 9, wherein the semiconductor substrate is formed of a wide bandgap semiconductor. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項10に記載の半導体素子。 The semiconductor device according to claim 10, wherein the wide bandgap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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