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JP2012164851A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2012164851A JP2011024756A JP2011024756A JP2012164851A JP 2012164851 A JP2012164851 A JP 2012164851A JP 2011024756 A JP2011024756 A JP 2011024756A JP 2011024756 A JP2011024756 A JP 2011024756A JP 2012164851 A JP2012164851 A JP 2012164851A
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trench
region
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gate
semiconductor
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JP2011024756A
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Japanese (ja)
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Satoshi Hirose
敏 広瀬
Ryuzo Tagami
隆三 田上
Mohammad Tasbil Rahman
モハッマド タスビル ラホマン
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suitably adjust the parasitic capacitance component of a semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device 10 comprises: a plurality number of emitter regions 20; a body region 12 formed in a region from a surface of a semiconductor layer to a predetermined depth; a drift region 4 formed under the body region 12; a collector region 3 formed under the drift region 4; first trenches 31 extending through the body region 12 from a surface of each emitter region 20; gate insulating films 18 covering the inner surfaces of the first trenches 31; gate electrodes 8 housed in the first trenches 31; second trenches 32 that are each formed between the adjacent first trenches 31 and extend through the body region 12; trench insulating films 33 covering the inner surfaces of the second trenches 32; and conductive layers 35 housed in the second trenches 32. The conductive layers 35 are electrically connected to the gate electrodes 8.

Description

本願は、半導体装置の寄生容量成分を好適に調整することが可能な技術に関する。   The present application relates to a technique capable of suitably adjusting a parasitic capacitance component of a semiconductor device.

第1導電型(例えばn型)のドリフト領域の表面に、第2導電型(例えばp型)のボディ領域が積層されている半導体基板に、半導体装置として機能する半導体構造(MOS、IGBT等)を作り込む技術が発達している。このような半導体装置では、ゲート周辺に寄生成分として形成される容量が、スイッチング特性を決定する重要なパラメータとなる。寄生容量成分は、ゲート周辺における、ゲート電極、絶縁膜、ドリフト領域等の構成によって形成される。例えば、低損失で高速なスイッチング動作を実現するためには、ゲート−コレクタ(ドレイン)間の帰還容量を低減させる必要がある。   A semiconductor structure (MOS, IGBT, etc.) that functions as a semiconductor device on a semiconductor substrate in which a body region of the second conductivity type (eg, p-type) is stacked on the surface of the drift region of the first conductivity type (eg, n-type) The technology to make is developed. In such a semiconductor device, a capacitance formed as a parasitic component around the gate is an important parameter for determining switching characteristics. The parasitic capacitance component is formed by a configuration such as a gate electrode, an insulating film, and a drift region around the gate. For example, in order to realize a high-speed switching operation with low loss, it is necessary to reduce the feedback capacitance between the gate and the collector (drain).

特許文献1には、厚い酸化膜をトレンチゲートの底部に備えている半導体装置が開示されている。厚い絶縁層によって、トレンチゲートとドレイン領域はトレンチの底部において隔てられる。これにより、帰還容量を低減させることができる。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a thick oxide film at the bottom of a trench gate. A thick insulating layer separates the trench gate and drain regions at the bottom of the trench. Thereby, the feedback capacity can be reduced.

特表2004−538648号公報JP-T-2004-538648

特許文献1の技術では、トレンチゲート底部の酸化膜を厚くすることにより、寄生容量成分の調整を行っている。このため、寄生容量成分を小さくするためには、トレンチゲート底部の酸化膜を厚くしなければならないが、トレンチゲート底部の酸化膜を厚くしすぎると、チャネルが形成されなくなり、半導体装置の主要特性(スイッチ特性や導通性能など)が得られなくなる。したがって、半導体装置の主要特性を確保できる範囲内でしか、寄生容量成分を調整することができず、寄生容量の調整機能を十分に得ることができないという問題があった。   In the technique of Patent Document 1, the parasitic capacitance component is adjusted by increasing the thickness of the oxide film at the bottom of the trench gate. Therefore, in order to reduce the parasitic capacitance component, the oxide film at the bottom of the trench gate must be thickened. However, if the oxide film at the bottom of the trench gate is too thick, a channel cannot be formed, and the main characteristics of the semiconductor device (Switch characteristics, conduction performance, etc.) cannot be obtained. Therefore, there is a problem that the parasitic capacitance component can be adjusted only within a range in which the main characteristics of the semiconductor device can be ensured, and the function of adjusting the parasitic capacitance cannot be sufficiently obtained.

本願の技術は、上記の問題を解決するために創案された。すなわち、本願は、半導体装置の主要特性に影響を与えることなく、半導体装置の寄生容量成分を好適に調整することが可能な技術を提供する。   The technology of the present application has been developed to solve the above problems. That is, the present application provides a technique capable of suitably adjusting the parasitic capacitance component of a semiconductor device without affecting the main characteristics of the semiconductor device.

本願に開示される半導体装置は、半導体層の表面の一部に臨んで形成されている第1導電型の複数個の第1半導体領域と、第1半導体領域を取り囲んでいるとともに、半導体層の表面から所定の深さまでの領域に形成されている第2導電型のボディ領域と、ボディ領域の下部に形成されており、ボディ領域によって第1半導体領域から分離されている第1導電型のドリフト領域と、ドリフト領域の下部に形成されている第2半導体領域と、各第1半導体領域の表面からボディ領域を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域に突出している複数の第1トレンチと、各第1トレンチの内面を覆っているゲート絶縁層と、ゲート絶縁層で取り囲まれた状態で各第1トレンチ内に収容されている第1トレンチゲート電極と、隣接している第1トレンチ間に形成されているとともに、ボディ領域を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域に突出している複数の第2トレンチと、各第2トレンチの内面を覆っているトレンチ絶縁層と、トレンチ絶縁層で取り囲まれた状態で各第2トレンチ内に収容されている複数の導電層と、を備える。また、複数の導電層のうち少なくとも1つが、第1トレンチゲート電極に電気的に接続可能とされるか、または、第1半導体領域に選択的に電気接続可能とされている。   A semiconductor device disclosed in the present application surrounds a plurality of first semiconductor regions of a first conductivity type formed facing a part of the surface of a semiconductor layer, and the first semiconductor region. A second conductivity type body region formed in a region from the surface to a predetermined depth and a first conductivity type drift formed in the lower portion of the body region and separated from the first semiconductor region by the body region A plurality of first trenches extending through the body region from the surface of each region, a second semiconductor region formed below the drift region, and the surface of each first semiconductor region, and the bottom surface of which protrudes into the drift region A gate insulating layer covering the inner surface of each first trench, a first trench gate electrode housed in each first trench surrounded by the gate insulating layer, and an adjacent first trench A plurality of second trenches extending between the body regions and extending through the body region, the bottom surface of which protrudes into the drift region, and a trench insulating layer covering the inner surface of each second trench; And a plurality of conductive layers accommodated in each second trench in a state surrounded by the trench insulating layer. In addition, at least one of the plurality of conductive layers can be electrically connected to the first trench gate electrode, or can be selectively electrically connected to the first semiconductor region.

第1トレンチは、トレンチゲートとして動作する。第2トレンチは、導電層が第1トレンチゲート電極に電気的に接続されている場合には、入力容量(ゲート−第1半導体領域間の容量成分)を増加させるためのキャパシタとして機能する。また、第2トレンチは、導電層が第1半導体領域に電気的に接続されている場合には、出力容量(第1半導体領域−第2半導体領域の容量成分)を増加させるためのキャパシタとして機能する。第1半導体領域の例としてはエミッタ領域又はソース領域が挙げられる。また、第2半導体領域の例としてはコレクタ領域又はドレイン領域が挙げられる。   The first trench operates as a trench gate. The second trench functions as a capacitor for increasing the input capacitance (capacitance component between the gate and the first semiconductor region) when the conductive layer is electrically connected to the first trench gate electrode. The second trench functions as a capacitor for increasing output capacitance (capacitance component of the first semiconductor region-second semiconductor region) when the conductive layer is electrically connected to the first semiconductor region. To do. Examples of the first semiconductor region include an emitter region or a source region. Examples of the second semiconductor region include a collector region or a drain region.

そして、入力容量や出力容量を増加させるために、第1トレンチの構造を変える必要がないため、半導体装置の主要特性(スイッチ特性や導通性能など)に影響を与えることを防止できる。以上より、半導体装置の主要特性に影響を与えずに、容量の調整機能を十分に得ることができる。   Further, since it is not necessary to change the structure of the first trench in order to increase the input capacitance and the output capacitance, it is possible to prevent the main characteristics (switch characteristics, conduction performance, etc.) of the semiconductor device from being affected. As described above, a sufficient capacity adjustment function can be obtained without affecting the main characteristics of the semiconductor device.

また、本願に開示される半導体装置では、トレンチ絶縁層で取り囲まれた状態で第2トレンチ内の底部には底部絶縁層が形成されており、底部絶縁層の上面は、ボディ領域とドリフト領域との界面よりもボディ領域側に位置しており、底部絶縁層の上層に導電層が形成されており、導電層が第1トレンチゲート電極に電気的に接続されていてもよい。   In the semiconductor device disclosed in the present application, a bottom insulating layer is formed at the bottom of the second trench in a state surrounded by the trench insulating layer, and the top surface of the bottom insulating layer includes a body region and a drift region. The conductive layer may be formed on the bottom insulating layer, and the conductive layer may be electrically connected to the first trench gate electrode.

第2トレンチ内の底部に形成された底部絶縁層の上面が、ボディ領域とドリフト領域との界面よりもボディ領域側に位置していることにより、半導体装置のターンオン時において、チャネルが導通しない。よって、第2トレンチでは、電気的動作が行われない。これにより、第2トレンチを、入力容量(ゲート−第1半導体領域間の容量成分)を増加させるためのキャパシタとして好適に機能させることができる。   Since the upper surface of the bottom insulating layer formed at the bottom in the second trench is located on the body region side with respect to the interface between the body region and the drift region, the channel does not conduct when the semiconductor device is turned on. Therefore, no electrical operation is performed in the second trench. Thereby, the second trench can be suitably functioned as a capacitor for increasing the input capacitance (capacitance component between the gate and the first semiconductor region).

トレンチゲートに別途外付でキャパシタ素子を接続する場合には、配線長が長くなる。すると、配線の寄生インダクタンスが大きくなることで、キャパシタ素子と寄生インダクタンスによるLC共振を無視できなくなってしまう場合がある。一方、本願では、トレンチゲートである第1トレンチの直近に、キャパシタである第2トレンチが位置しているため、トレンチゲートにキャパシタを接続する際の配線長を短くすることができる。よって、配線の寄生インダクタンスを小さくすることができるため、共振の影響を小さくすることができる。   When a capacitor element is connected externally to the trench gate, the wiring length becomes long. Then, since the parasitic inductance of the wiring increases, LC resonance due to the capacitor element and the parasitic inductance may not be ignored. On the other hand, in this application, since the 2nd trench which is a capacitor is located in the immediate vicinity of the 1st trench which is a trench gate, the wiring length at the time of connecting a capacitor to a trench gate can be shortened. Accordingly, since the parasitic inductance of the wiring can be reduced, the influence of resonance can be reduced.

また、半導体装置は高温になる場合がある。トレンチゲートに別途外付でキャパシタ素子を接続する場合には、キャパシタ素子の高温信頼性を考慮する必要がある。一方本願では、第2トレンチを、入力容量(ゲート−第1半導体領域間の容量成分)を増加させるためのキャパシタとして機能させる。よって、キャパシタの高温信頼性を、半導体装置と同等にすることができる。   In addition, the semiconductor device may become high temperature. When a capacitor element is connected externally to the trench gate, it is necessary to consider the high temperature reliability of the capacitor element. On the other hand, in the present application, the second trench functions as a capacitor for increasing the input capacitance (capacitance component between the gate and the first semiconductor region). Therefore, the high temperature reliability of the capacitor can be made equivalent to that of the semiconductor device.

また、本願に開示される半導体装置では、導電層が第1トレンチゲート電極に接続されている場合における、ゲート電圧の供給源から第1トレンチゲート電極までの経路の抵抗成分である第1のゲート抵抗成分が、導電層が第1トレンチゲート電極に接続されていない場合における、ゲート電圧の供給源から第1トレンチゲート電極までの経路の抵抗成分である第2のゲート抵抗成分よりも小さくされていてもよい。また、第1トレンチの容量成分と第2トレンチの容量成分との和と第1のゲート抵抗成分との積算値が、第1トレンチの容量成分と第2のゲート抵抗成分との積算値以下となるように、第1のゲート抵抗成分が設定されていてもよい。   In the semiconductor device disclosed in the present application, when the conductive layer is connected to the first trench gate electrode, the first gate which is the resistance component of the path from the gate voltage supply source to the first trench gate electrode The resistance component is made smaller than the second gate resistance component that is the resistance component of the path from the gate voltage supply source to the first trench gate electrode when the conductive layer is not connected to the first trench gate electrode. May be. Further, the integrated value of the sum of the capacitance component of the first trench and the capacitance component of the second trench and the first gate resistance component is equal to or less than the integration value of the capacitance component of the first trench and the second gate resistance component. As described above, the first gate resistance component may be set.

第1トレンチの容量成分は、第1トレンチゲート電極、ゲート絶縁層および第1トレンチの底面と第2半導体領域との間の領域の構成によって形成される容量である。第2トレンチの容量成分は、導電層、トレンチ絶縁層および第2トレンチの底面と第2半導体領域との間の領域の構成によって形成される容量である。半導体装置のターンオフ時の動作を説明する。ゲート抵抗成分を小さくすると、ターンオフ時における素子電圧の立ち上がり時間が短くなるため、スイッチング損失を低下させることができる。しかし同時に、素子電流の減少率が大きくなるため、サージ電圧が増大するというトレードオフの関係が存在している。本願では、第1トレンチの容量成分に第2トレンチの容量成分を付加することによって、容量成分の総和値を増加させることができる。これにより、素子電圧の立ち上がり時間を短い状態に維持したまま、素子電流の減少率のみを小さくすることができる。よって、サージ電圧の増大を抑制しながら、ターンオフ損失を減少させることができる。以上より、スイッチング損失の低下とサージ電圧の抑制とを両立することができる。   The capacitance component of the first trench is a capacitance formed by the configuration of the first trench gate electrode, the gate insulating layer, and the region between the bottom surface of the first trench and the second semiconductor region. The capacitance component of the second trench is a capacitance formed by the configuration of the conductive layer, the trench insulating layer, and the region between the bottom surface of the second trench and the second semiconductor region. An operation when the semiconductor device is turned off will be described. When the gate resistance component is reduced, the rise time of the element voltage at the turn-off time is shortened, so that the switching loss can be reduced. At the same time, however, there is a trade-off relationship in which the surge voltage increases because the reduction rate of the device current increases. In the present application, the total value of the capacitance components can be increased by adding the capacitance component of the second trench to the capacitance component of the first trench. As a result, only the decrease rate of the device current can be reduced while maintaining the rise time of the device voltage in a short state. Therefore, turn-off loss can be reduced while suppressing an increase in surge voltage. From the above, it is possible to achieve both a reduction in switching loss and suppression of surge voltage.

また、本願に開示される半導体装置では、第2トレンチは、ボディ領域が半導体層の表面に露出している領域に複数形成されており、複数の第2トレンチの各々内に収容されている導電層の少なくとも1つが、第1半導体領域と選択的に電気接続されていてもよい。   In the semiconductor device disclosed in the present application, a plurality of second trenches are formed in a region where the body region is exposed on the surface of the semiconductor layer, and the conductive material accommodated in each of the plurality of second trenches. At least one of the layers may be selectively electrically connected to the first semiconductor region.

第2トレンチは、ボディ領域が半導体層の表面に露出している領域に形成されているため、第2トレンチの周囲には第1半導体領域が存在しない。よって、第2トレンチでは、電気的動作が行われない。これにより、第2トレンチを、出力容量(第1半導体領域−第2半導体領域間の容量成分)を増加させるためのキャパシタとして好適に機能させることができる。   Since the second trench is formed in a region where the body region is exposed on the surface of the semiconductor layer, the first semiconductor region does not exist around the second trench. Therefore, no electrical operation is performed in the second trench. Accordingly, the second trench can be suitably functioned as a capacitor for increasing the output capacitance (capacitance component between the first semiconductor region and the second semiconductor region).

半導体装置を配線を用いて各種の装置に搭載する場合には、半導体装置の出力容量と配線インダクタンスとによって、共振周波数が決定される。そして、共振周波数が搭載装置にとって不適切な場合には、共振が発生する場合がある。本願では、第2トレンチゲート内の導電層の少なくとも1つが第1半導体領域と選択的に電気接続可能とされている。第1半導体領域に接続される第2トレンチゲート内の導電層の数を変えることに応じて、出力容量を変化させることができる。これにより、共振周波数を意図的にシフトすることが可能となる。よって、共振周波数を共振が発生しない値に設定することが可能となるため、共振の発生を防止できる。これにより、共振によって半導体装置の寿命が短くなってしまう事態等を防止できる。   When a semiconductor device is mounted on various devices using wiring, the resonance frequency is determined by the output capacity and wiring inductance of the semiconductor device. If the resonance frequency is inappropriate for the mounted device, resonance may occur. In the present application, at least one of the conductive layers in the second trench gate can be selectively electrically connected to the first semiconductor region. The output capacitance can be changed by changing the number of conductive layers in the second trench gate connected to the first semiconductor region. This makes it possible to intentionally shift the resonance frequency. Therefore, it is possible to set the resonance frequency to a value at which resonance does not occur, thereby preventing the occurrence of resonance. Thereby, the situation where the lifetime of a semiconductor device becomes short by resonance etc. can be prevented.

また、本願では、トレンチゲートである第1トレンチの直近に、キャパシタである第2トレンチが位置しているため、トレンチゲートにキャパシタを接続する際の配線長を短くすることができる。よって、配線の寄生インダクタンスを小さくすることができるため、共振の影響を小さくすることができる。また本願では、第2トレンチを、出力容量(第2半導体領域−第1半導体領域間の容量成分)を増加させるためのキャパシタとして機能させる。よって、キャパシタの高温信頼性を、半導体装置と同等にすることができる。   Moreover, in this application, since the 2nd trench which is a capacitor is located in the immediate vicinity of the 1st trench which is a trench gate, the wiring length at the time of connecting a capacitor to a trench gate can be shortened. Accordingly, since the parasitic inductance of the wiring can be reduced, the influence of resonance can be reduced. In the present application, the second trench functions as a capacitor for increasing the output capacitance (capacitance component between the second semiconductor region and the first semiconductor region). Therefore, the high temperature reliability of the capacitor can be made equivalent to that of the semiconductor device.

また、本願に開示される半導体装置では、第1トレンチおよび第2トレンチの上層には、上部絶縁層が形成されており、上部絶縁層および第1半導体領域の上層には、上部電極が形成されており、複数の第2トレンチの各々内に収容されている導電層に接続されているパッド部をさらに備え、パッド部と上部電極とが電気的に接続可能とされていてもよい。   In the semiconductor device disclosed in the present application, an upper insulating layer is formed above the first trench and the second trench, and an upper electrode is formed above the upper insulating layer and the first semiconductor region. And a pad portion connected to the conductive layer accommodated in each of the plurality of second trenches, and the pad portion and the upper electrode may be electrically connected.

パッド部と上部電極とを電気的に接続する方法の一例としては、ワイヤで両者を接続する方法が挙げられる。これにより、キャパシタとして機能する第2トレンチを、選択的に第1半導体領域に接続することが可能となる。よって、出力容量を適切に変化させ、共振周波数をシフトさせることが可能となる。   As an example of a method for electrically connecting the pad portion and the upper electrode, there is a method for connecting both with a wire. Thereby, the second trench functioning as a capacitor can be selectively connected to the first semiconductor region. Therefore, it is possible to appropriately change the output capacity and shift the resonance frequency.

実施例1の半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device of Example 1. FIG. 実施例1の半導体装置の動作を示すグラフである。6 is a graph showing the operation of the semiconductor device of Example 1. 従来構造の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of a conventional structure. 実施例2の半導体装置の平面図である。6 is a plan view of a semiconductor device according to Example 2. FIG. 実施例2の半導体装置の断面図である。6 is a cross-sectional view of a semiconductor device of Example 2. FIG. 実施例2の半導体装置の等価回路である。6 is an equivalent circuit of the semiconductor device of Example 2. フルブリッジ回路を示す図である。It is a figure which shows a full bridge circuit. 共振部の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of a resonance part. 共振部の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of a resonance part. 共振部の発振動作を示すグラフである。It is a graph which shows the oscillation operation | movement of a resonance part.

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
(特徴1)半導体基板はSiである。
(特徴2)セルエリアに形成されている半導体構造はIGBT構造である。
(特徴3)セルエリアに形成されている半導体構造はMOS構造である。
The main features of the embodiments described below are listed.
(Feature 1) The semiconductor substrate is Si.
(Feature 2) The semiconductor structure formed in the cell area is an IGBT structure.
(Feature 3) The semiconductor structure formed in the cell area is a MOS structure.

(実施例1)
本発明に係る半導体素子駆動回路の基本原理について、半導体素子としてIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)素子を例にとり説明する。もちろん、IGBTに限定されるものではなく、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)でもよい。
Example 1
The basic principle of the semiconductor element driving circuit according to the present invention will be described by taking an IGBT (insulated gate bipolar transistor) element as an example of the semiconductor element. Of course, it is not limited to the IGBT, and may be a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

図1に示すように、実施例1の半導体装置10の裏面には、コレクタ電極2が形成されている。コレクタ電極2の表面に、p+型(第2導電型)の第2半導体領域(コレクタ領域)3が形成されている。コレクタ領域3の表面に、n−型のドリフト領域4が形成されている。ドリフト領域4の表面に、p型(第2導電型)のボディ領域12が形成されている。ボディ領域12の表面に、複数個のn+型(第1導電型)の第1半導体領域(エミッタ領域)20が形成されている。ボディ領域12は、エミッタ領域20を取り囲んでいる。各々のエミッタ領域20は、ボディ領域12によってドリフト領域4から分離されている。   As shown in FIG. 1, a collector electrode 2 is formed on the back surface of the semiconductor device 10 of the first embodiment. A p + -type (second conductivity type) second semiconductor region (collector region) 3 is formed on the surface of the collector electrode 2. An n − type drift region 4 is formed on the surface of the collector region 3. A p-type (second conductivity type) body region 12 is formed on the surface of the drift region 4. A plurality of n + type (first conductivity type) first semiconductor regions (emitter regions) 20 are formed on the surface of the body region 12. The body region 12 surrounds the emitter region 20. Each emitter region 20 is separated from the drift region 4 by the body region 12.

各エミッタ領域20の表面からボディ領域12を貫通して伸びている、第1トレンチ31が形成されている。第1トレンチ31の底面は、ドリフト領域4に突出している。第1トレンチ31の内壁は、ゲート絶縁膜18で被覆されている。第1トレンチ31内には、ゲート絶縁膜18で取り囲まれた状態で、ゲート電極8が収容されている。ゲート電極8は、ドリフト領域4とエミッタ領域20を分離している範囲のボディ領域12に、ゲート絶縁膜18を介して対向している。   A first trench 31 extending from the surface of each emitter region 20 through the body region 12 is formed. The bottom surface of the first trench 31 protrudes into the drift region 4. The inner wall of the first trench 31 is covered with the gate insulating film 18. The gate electrode 8 is accommodated in the first trench 31 in a state surrounded by the gate insulating film 18. The gate electrode 8 is opposed to the body region 12 in a range separating the drift region 4 and the emitter region 20 via the gate insulating film 18.

また、隣接している第1トレンチ31の間に、第2トレンチ32が形成されている。第2トレンチ32は、エミッタ領域20の表面からボディ領域12を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域4に突出している。第2トレンチの内壁は、トレンチ絶縁膜33で被覆されている。トレンチ絶縁膜33で取り囲まれた状態で、第2トレンチ32内の底部には、絶縁層34が配置されている。絶縁層34の一例としては、n型多結晶シリコン(n-polySi)が挙げられる。絶縁層34の上面は、ボディ領域12とドリフト領域4との界面よりもボディ領域12側に位置している。絶縁層34の上層には、トレンチ絶縁膜33で取り囲まれた状態で、導電層35が収容されている。   A second trench 32 is formed between the adjacent first trenches 31. The second trench 32 extends through the body region 12 from the surface of the emitter region 20, and its bottom surface projects into the drift region 4. The inner wall of the second trench is covered with a trench insulating film 33. In the state surrounded by the trench insulating film 33, an insulating layer 34 is disposed at the bottom in the second trench 32. An example of the insulating layer 34 is n-type polycrystalline silicon (n-polySi). The upper surface of the insulating layer 34 is located closer to the body region 12 than the interface between the body region 12 and the drift region 4. A conductive layer 35 is accommodated in an upper layer of the insulating layer 34 in a state surrounded by the trench insulating film 33.

ボディ領域12とエミッタ領域20の表面に、エミッタ電極14が形成されている。ゲート電極8および導電層35は、絶縁膜16によって、エミッタ電極14に対して絶縁されている。絶縁膜16には、図1の奥行き方向のいずれかの断面で、ゲート電極8および導電層35の表面を露出させるコンタクトホール(不図示)が形成されている。これらのコンタクトホールを介して、導電層35とゲート電極8とが電気的に接続されている。また、導電層35とゲート電極8は、コンタクトホールを介して、ゲート電圧を供給するドライブ回路(不図示)に接続されている。   Emitter electrodes 14 are formed on the surfaces of the body region 12 and the emitter region 20. The gate electrode 8 and the conductive layer 35 are insulated from the emitter electrode 14 by the insulating film 16. In the insulating film 16, a contact hole (not shown) that exposes the surface of the gate electrode 8 and the conductive layer 35 is formed in any cross section in the depth direction of FIG. 1. The conductive layer 35 and the gate electrode 8 are electrically connected through these contact holes. The conductive layer 35 and the gate electrode 8 are connected to a drive circuit (not shown) for supplying a gate voltage via a contact hole.

第1トレンチ31の機能について説明する。半導体装置10では、ドライブ回路から出力されるゲート電圧(例えば15Vと0V)が、ドライブ回路からゲート電極8までの経路を介して、ゲート電極8に供給される。これにより、第1トレンチ31の各々はトレンチゲートとして動作し、半導体装置10のターンオン・ターンオフの制御が行われる。第1トレンチ31は、第1トレンチ容量成分を有している。第1トレンチ容量成分は、ゲート電極8、ゲート絶縁膜18、第1トレンチ31の底面とコレクタ領域3との間の領域、の構成によって形成される容量成分である。   The function of the first trench 31 will be described. In the semiconductor device 10, a gate voltage (for example, 15 V and 0 V) output from the drive circuit is supplied to the gate electrode 8 through a path from the drive circuit to the gate electrode 8. Thereby, each of the first trenches 31 operates as a trench gate, and the turn-on / turn-off of the semiconductor device 10 is controlled. The first trench 31 has a first trench capacitance component. The first trench capacitance component is a capacitance component formed by the configuration of the gate electrode 8, the gate insulating film 18, and the region between the bottom surface of the first trench 31 and the collector region 3.

第2トレンチ32の機能について説明する。第2トレンチ32内の底部に形成された絶縁層34の上面が、ボディ領域12とドリフト領域4との界面よりもボディ領域12側に位置していることにより、半導体装置10のターンオン時において、チャネルが導通しない。よって、第2トレンチ32では、電気的動作が行われない。このようにトレンチ底部を電気的に動作させない構造にすることで、第2トレンチ32を、キャパシタとして好適に機能させることができる。第2トレンチ32がキャパシタとして機能する際の容量成分は、導電層35、絶縁層34、トレンチ絶縁膜33、第2トレンチ32の底面とコレクタ領域3との間の領域、の構成によって形成される。   The function of the second trench 32 will be described. Since the upper surface of the insulating layer 34 formed at the bottom in the second trench 32 is located on the body region 12 side with respect to the interface between the body region 12 and the drift region 4, at the time of turning on the semiconductor device 10, The channel does not conduct. Therefore, no electrical operation is performed in the second trench 32. Thus, by making it the structure which does not operate a trench bottom part electrically, the 2nd trench 32 can be functioned suitably as a capacitor. The capacitance component when the second trench 32 functions as a capacitor is formed by the configuration of the conductive layer 35, the insulating layer 34, the trench insulating film 33, and the region between the bottom surface of the second trench 32 and the collector region 3. .

そして、第2トレンチ32の導電層35は、ゲート電極8に電気的に接続されている。これにより、第2トレンチ32を、入力容量(ゲート電極8−エミッタ領域20間の容量成分)を増加させるためのキャパシタとして機能させることができる。   The conductive layer 35 of the second trench 32 is electrically connected to the gate electrode 8. As a result, the second trench 32 can function as a capacitor for increasing the input capacitance (capacitance component between the gate electrode 8 and the emitter region 20).

また、本願の半導体装置10と対比する対象として、従来構造の半導体装置100を、図3を用いて説明する。半導体装置100は、ダミートレンチとして機能する第2トレンチ132を備えた、ダミートレンチ型のIGBTである。第2トレンチ132は、ボディ領域12の表面からボディ領域12を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域4に突出している。また、第2トレンチ132の内部の全領域に、導電層135が収容されている。また第2トレンチ132の上部には、導電層135を絶縁する絶縁膜16が形成されていないため、導電層135がエミッタ電極14に電気的に接続されている。なお、その他の構造は、図1の半導体装置10と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   A semiconductor device 100 having a conventional structure will be described with reference to FIG. 3 as an object to be compared with the semiconductor device 10 of the present application. The semiconductor device 100 is a dummy trench type IGBT including a second trench 132 that functions as a dummy trench. The second trench 132 extends from the surface of the body region 12 through the body region 12, and its bottom surface protrudes into the drift region 4. The conductive layer 135 is accommodated in the entire region inside the second trench 132. In addition, since the insulating film 16 that insulates the conductive layer 135 is not formed on the second trench 132, the conductive layer 135 is electrically connected to the emitter electrode 14. Since other structures are the same as those of the semiconductor device 10 of FIG. 1, detailed description thereof is omitted here.

ダミートレンチの機能を説明する。オン抵抗を低減するために、トレンチゲート(第1トレンチ31)同士の間の距離をある程度大きくすることが望ましい場合がある。しかし、第1トレンチ31のトレンチ間距離を大きくすると、第1トレンチ31の間の領域において、ボディ領域12とドリフト領域4の間のpn接合に、大きな電界が加わることがある。そこで、当該領域にダミートレンチ(第2トレンチ132)を形成することで、pn空乏層を均等に拡げ、電界集中を緩和することができる。   The function of the dummy trench will be described. In order to reduce the on-resistance, it may be desirable to increase the distance between the trench gates (first trenches 31) to some extent. However, when the inter-trench distance of the first trench 31 is increased, a large electric field may be applied to the pn junction between the body region 12 and the drift region 4 in the region between the first trenches 31. Therefore, by forming a dummy trench (second trench 132) in the region, the pn depletion layer can be expanded evenly and the electric field concentration can be reduced.

また、ゲート抵抗成分について説明する。ゲート抵抗成分は、ゲート電圧を供給するドライブ回路(不図示)から、ゲート電極8までの経路の抵抗成分である。なお、ゲート抵抗成分は、抵抗器を経路上に挿入することによって、任意の値に調整することが可能である。ここで、従来構造の半導体装置100(図3)でのゲート抵抗成分を、ゲート抵抗成分Rg1とする。また、本願の半導体装置10(図1)でのゲート抵抗成分を、ゲート抵抗成分Rg2とする。半導体装置10のゲート抵抗成分Rg2は、半導体装置100のゲート抵抗成分Rg1よりも小さくされている。   The gate resistance component will be described. The gate resistance component is a resistance component of a path from a drive circuit (not shown) that supplies a gate voltage to the gate electrode 8. The gate resistance component can be adjusted to an arbitrary value by inserting a resistor on the path. Here, the gate resistance component in the conventional semiconductor device 100 (FIG. 3) is defined as a gate resistance component Rg1. The gate resistance component in the semiconductor device 10 (FIG. 1) of the present application is a gate resistance component Rg2. The gate resistance component Rg2 of the semiconductor device 10 is smaller than the gate resistance component Rg1 of the semiconductor device 100.

また、従来の半導体装置100において、全ての第1トレンチ31の合成容量成分と、ゲート抵抗成分Rg1との積算値を、第1積算値とする。一方、本願の半導体装置10において、全ての第1トレンチ31の合成容量成分と全ての第2トレンチ32の合成容量成分との和と、ゲート抵抗成分Rg2との積算値を、第2積算値とする。そして、ゲート抵抗成分Rg2の値は、第2積算値が第1積算値以下となるように設定されている。   In the conventional semiconductor device 100, the integrated value of the combined capacitance component of all the first trenches 31 and the gate resistance component Rg1 is defined as the first integrated value. On the other hand, in the semiconductor device 10 of the present application, the integrated value of the sum of the combined capacitance component of all the first trenches 31 and the combined capacitance component of all the second trenches 32 and the gate resistance component Rg2 is expressed as the second integrated value. To do. The value of the gate resistance component Rg2 is set so that the second integrated value is equal to or less than the first integrated value.

半導体装置10の動作について説明する。例として、従来の半導体装置100(図3)の動作と、本願の半導体装置10(図1)の動作を比較して説明する。ターンオフ動作について、図2を用いて説明する。図2は、時刻t1において、ターンオフ動作が開始された場合の動作を示す図である。図2(A)はゲート電圧Vgの時間変化を示すグラフ、図2(B)はコレクタ電流Icの時間変化を示すグラフ、図2(C)はコレクタ電圧Vcの時間変化を示すグラフ、図2(D)はスイッチング損失の時間変化を示すグラフ、である。なお、図2において、実線が本願の半導体装置10の場合の特性であり、破線が従来構造の半導体装置100の場合の特性である。   An operation of the semiconductor device 10 will be described. As an example, the operation of the conventional semiconductor device 100 (FIG. 3) and the operation of the semiconductor device 10 (FIG. 1) of the present application will be compared and described. The turn-off operation will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an operation when the turn-off operation is started at time t1. 2A is a graph showing the time change of the gate voltage Vg, FIG. 2B is a graph showing the time change of the collector current Ic, FIG. 2C is a graph showing the time change of the collector voltage Vc, FIG. (D) is a graph which shows the time change of switching loss. In FIG. 2, the solid line is the characteristic in the case of the semiconductor device 10 of the present application, and the broken line is the characteristic in the case of the semiconductor device 100 having the conventional structure.

従来の半導体装置100(図2、点線)のスイッチング損失を説明する。スイッチング損失は、コレクタ電流Icとコレクタ電圧Vcで決定され、図2(D)に示す領域R1の斜線部の面積で表される。スイッチング損失を小さくするためには、コレクタ電圧Vcの立ち上がり時間P1(図2(C))を短くするか、コレクタ電圧Vcの最大値を小さくすることが必要である。   The switching loss of the conventional semiconductor device 100 (FIG. 2, dotted line) will be described. The switching loss is determined by the collector current Ic and the collector voltage Vc, and is represented by the area of the hatched portion of the region R1 shown in FIG. In order to reduce the switching loss, it is necessary to shorten the rise time P1 (FIG. 2C) of the collector voltage Vc or reduce the maximum value of the collector voltage Vc.

ここで、ゲート抵抗成分を小さくすると、ターンオフ時におけるコレクタ電圧Vcの立ち上がり時間が短くなる。しかし同時に、コレクタ電流Icの減少率(di/dt)(図2(B)、領域R3)が大きくなる。また、ターンオフ時にサージ電圧(図2(C)、領域R4)が発生するが、サージ電圧はdi/dt×Lp(Lp:寄生成分のインダクタンス)で与えられる。よって、コレクタ電圧Vcの立ち上がり時間を短くすると、サージ電圧が増大するというトレードオフの関係が存在している。すると、単にゲート抵抗成分を小さくするだけでは、サージ電圧の増大によってコレクタ電圧Vcの最大値が増加してしまうため、スイッチング損失を小さくできない。   Here, when the gate resistance component is reduced, the rise time of the collector voltage Vc at the turn-off time is shortened. However, at the same time, the decreasing rate (di / dt) of the collector current Ic (FIG. 2B, region R3) increases. Further, a surge voltage (FIG. 2C, region R4) is generated at the time of turn-off, and the surge voltage is given by di / dt × Lp (Lp: parasitic component inductance). Therefore, there is a trade-off relationship that if the rise time of the collector voltage Vc is shortened, the surge voltage increases. Then, simply reducing the gate resistance component increases the maximum value of the collector voltage Vc due to the increase of the surge voltage, so that the switching loss cannot be reduced.

本願の半導体装置10(図2、実線)のスイッチング損失を説明する。前述したように、ゲート抵抗成分を小さくすると、ターンオフ時におけるコレクタ電圧Vcの立ち上がり時間が短くなる。また、半導体装置10の入力容量(ゲート電極8−エミッタ領域20間の容量成分の合計値)を増加させると、コレクタ電圧Vcの立ち上がり時間を一定値に維持したまま、コレクタ電流Icの減少率のみを小さくすることができ、その結果サージ電圧を小さくすることができる。そこで、本願の半導体装置10では、ゲート抵抗成分をRg1からRg2へ小さくしている。また、ゲート抵抗成分Rg1で駆動した場合の電流の減少率(領域R3)と、ゲート抵抗成分Rg2で駆動した場合の電流の減少率(領域R5)とが同じになるように、第2トレンチ32の容量成分(複数の第2トレンチ32の容量成分の合計値)を設定している。そして、入力容量に第2トレンチ32の容量成分を付加することで、入力容量を増加させている。これにより、ゲート抵抗成分Rg1のサージ電圧(領域R4)と同じサージ電圧(領域R6)でありながら、コレクタ電圧Vcの立ち上がり時間を時間P1からP2へより短くすることができる。そして、本願の半導体装置10でのスイッチング損失は、図2(D)に示す領域R2の斜線部の面積で表される。領域R1に比して領域R2の面積が小さくなっていることから、従来の半導体装置100に比して、本願の半導体装置10では、ターンオフ損失が低下していることが分かる。以上より、スイッチング損失の低下とサージ電圧の抑制とを両立することができる。   The switching loss of the semiconductor device 10 (FIG. 2, solid line) of the present application will be described. As described above, when the gate resistance component is reduced, the rise time of the collector voltage Vc at the turn-off time is shortened. Further, when the input capacitance of the semiconductor device 10 (the total value of the capacitance components between the gate electrode 8 and the emitter region 20) is increased, only the decrease rate of the collector current Ic is maintained while maintaining the rise time of the collector voltage Vc at a constant value. As a result, the surge voltage can be reduced. Therefore, in the semiconductor device 10 of the present application, the gate resistance component is reduced from Rg1 to Rg2. Further, the second trench 32 is set such that the current decrease rate (region R3) when driven by the gate resistance component Rg1 is the same as the current decrease rate (region R5) when driven by the gate resistance component Rg2. Are set (the total value of the capacitance components of the plurality of second trenches 32). The input capacitance is increased by adding the capacitance component of the second trench 32 to the input capacitance. As a result, the rise time of the collector voltage Vc can be shortened from time P1 to P2, while the surge voltage (region R6) is the same as the surge voltage (region R4) of the gate resistance component Rg1. The switching loss in the semiconductor device 10 of the present application is represented by the area of the hatched portion of the region R2 shown in FIG. Since the area of the region R2 is smaller than that of the region R1, it can be seen that the turn-off loss is lower in the semiconductor device 10 of the present application than in the conventional semiconductor device 100. From the above, it is possible to achieve both a reduction in switching loss and suppression of surge voltage.

半導体装置10の製造方法について説明する。なお、本願の半導体装置10(図1)は、従来のダミートレンチ型の半導体装置100(図3)の構造を一部変更したものである。まず、n型の不純物を含む半導体基板を用意する。半導体基板の表面にp型の不純物をイオン注入して、ボディ領域12を形成する。半導体基板の裏面にp型の不純物をイオン注入して、コレクタ領域3を形成する。次に、ボディ領域12の表面の所定部分にマスク層を形成した後、図1に示しているエミッタ領域20を形成する。   A method for manufacturing the semiconductor device 10 will be described. The semiconductor device 10 (FIG. 1) of the present application is obtained by partially changing the structure of the conventional dummy trench type semiconductor device 100 (FIG. 3). First, a semiconductor substrate containing n-type impurities is prepared. A body region 12 is formed by ion implantation of p-type impurities into the surface of the semiconductor substrate. A collector region 3 is formed by ion-implanting p-type impurities into the back surface of the semiconductor substrate. Next, after forming a mask layer on a predetermined portion of the surface of the body region 12, the emitter region 20 shown in FIG. 1 is formed.

表面に開口を有するマスク層を形成し、表面からエミッタ領域20とボディ領域12をエッチングして、ドリフト領域4に達する第1トレンチ31および第2トレンチ32を形成する。エッチングにはRIE(Reactive Ion Etching)等のドライエッチングを利用することができる。次に、第1トレンチ31の内壁にゲート絶縁膜18を形成するとともに、第2トレンチ32の内壁にトレンチ絶縁膜33を形成する。ゲート絶縁膜18およびトレンチ絶縁膜33は、熱酸化により、同時に形成することができる。そして、第2トレンチ32の底部にのみ、選択的に絶縁層34(n−polySi)を埋め込む。その後、第1トレンチ31および第2トレンチ32内に、ポリシリコン等の導電層を同時に充填する。これにより、ゲート電極8および導電層35を同時に形成することができる。次に、絶縁膜16を形成した後に、ゲート電極8と導電層35とをゲート配線に電気的に接続すると共に、ボディ領域12とエミッタ領域20と絶縁膜16の表面にエミッタ電極14を形成する。なお、導電層35をゲート配線に接続する工程は、ゲート電極8をゲート配線に接続する工程において同時に行うことができる。次いで、コレクタ領域3の裏面にコレクタ電極2を形成する。上記の工程を経て、図1に示している半導体装置10を得ることができる。   A mask layer having an opening on the surface is formed, and the emitter region 20 and the body region 12 are etched from the surface to form a first trench 31 and a second trench 32 that reach the drift region 4. For etching, dry etching such as RIE (Reactive Ion Etching) can be used. Next, the gate insulating film 18 is formed on the inner wall of the first trench 31, and the trench insulating film 33 is formed on the inner wall of the second trench 32. The gate insulating film 18 and the trench insulating film 33 can be formed simultaneously by thermal oxidation. Then, an insulating layer 34 (n-polySi) is selectively embedded only in the bottom of the second trench 32. Thereafter, the first trench 31 and the second trench 32 are simultaneously filled with a conductive layer such as polysilicon. Thereby, the gate electrode 8 and the conductive layer 35 can be formed simultaneously. Next, after forming the insulating film 16, the gate electrode 8 and the conductive layer 35 are electrically connected to the gate wiring, and the emitter electrode 14 is formed on the surface of the body region 12, the emitter region 20, and the insulating film 16. . The step of connecting the conductive layer 35 to the gate wiring can be performed simultaneously with the step of connecting the gate electrode 8 to the gate wiring. Next, the collector electrode 2 is formed on the back surface of the collector region 3. Through the above steps, the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 can be obtained.

上述した本願の半導体装置10の製造フローでは、従来の半導体装置100の製造フローに対して、絶縁層34を埋め込む工程を追加するだけでよい。よって、従来の半導体装置100の製造フローを流用することができるため、容易に半導体装置10を製造することが可能である。   In the manufacturing flow of the semiconductor device 10 of the present application described above, it is only necessary to add a step of embedding the insulating layer 34 to the manufacturing flow of the conventional semiconductor device 100. Therefore, since the manufacturing flow of the conventional semiconductor device 100 can be used, the semiconductor device 10 can be easily manufactured.

半導体装置10の効果について説明する。半導体装置10の入力容量を増加させるために、第2トレンチ32を用いることで、第1トレンチ31の構造を変える必要がない。よって、半導体装置10の主要特性(スイッチ特性や導通性能など)に影響を与えることなく、入力容量の調整機能を十分に得ることができる。   The effect of the semiconductor device 10 will be described. In order to increase the input capacitance of the semiconductor device 10, it is not necessary to change the structure of the first trench 31 by using the second trench 32. Therefore, the input capacitance adjustment function can be sufficiently obtained without affecting the main characteristics (switch characteristics, conduction performance, etc.) of the semiconductor device 10.

また、入力容量を増加させる場合に、第1トレンチ31に別途外付でキャパシタ素子を接続する場合には、配線長が長くなる。すると、配線の寄生インダクタンスが大きくなることで、キャパシタ素子と寄生インダクタンスによるLC共振を無視できなくなってしまう場合がある。一方、本願の半導体装置10では、第1トレンチ31の直近に、キャパシタとして機能する第2トレンチ32が位置しているため、第1トレンチ31にキャパシタを接続する際の配線長を短くすることができる。よって、配線の寄生インダクタンスを小さくすることができるため、共振の影響を小さくすることができる。   In addition, when the input capacitance is increased, if a capacitor element is separately connected to the first trench 31, the wiring length becomes long. Then, since the parasitic inductance of the wiring increases, LC resonance due to the capacitor element and the parasitic inductance may not be ignored. On the other hand, in the semiconductor device 10 of the present application, since the second trench 32 functioning as a capacitor is positioned in the immediate vicinity of the first trench 31, the wiring length when connecting the capacitor to the first trench 31 can be shortened. it can. Accordingly, since the parasitic inductance of the wiring can be reduced, the influence of resonance can be reduced.

また、半導体装置は高温になる場合があるため、第1トレンチ31に別途外付でキャパシタ素子を接続する場合には、キャパシタ素子の高温信頼性を考慮する必要がある。本願の半導体装置10では、半導体装置10の内部に形成されている第2トレンチ32を、キャパシタとして機能させている。よって、キャパシタの高温信頼性を半導体装置10と同等にすることができ、キャパシタの高温信頼性を確保することができる。   In addition, since the semiconductor device may become high temperature, when a capacitor element is connected to the first trench 31 separately from the outside, it is necessary to consider the high temperature reliability of the capacitor element. In the semiconductor device 10 of the present application, the second trench 32 formed inside the semiconductor device 10 functions as a capacitor. Therefore, the high temperature reliability of the capacitor can be made equivalent to that of the semiconductor device 10, and the high temperature reliability of the capacitor can be ensured.

(実施例2)
図6に、実施例2の半導体装置210の等価回路を示す。半導体装置210は、出力容量成分C0、容量成分C1ないしC3、パッド251ないし253、エミッタ電極14、を備える。出力容量成分C0の一端と、容量成分C1ないしC3の一端は、コレクタに共通接続されている。出力容量成分C0の他端は、エミッタに接続されている。容量成分C1ないしC3の他端は、パッド251ないし253の各々に接続されている。またエミッタ電極14が、エミッタに接続されている。そして、エミッタ電極14と、パッド251ないし253とは、ワイヤ290等を用いることによって互いに接続可能とされている。
(Example 2)
FIG. 6 shows an equivalent circuit of the semiconductor device 210 according to the second embodiment. The semiconductor device 210 includes an output capacitance component C0, capacitance components C1 to C3, pads 251 to 253, and an emitter electrode 14. One end of the output capacitance component C0 and one end of the capacitance components C1 to C3 are commonly connected to the collector. The other end of the output capacitance component C0 is connected to the emitter. The other ends of the capacitive components C1 to C3 are connected to the pads 251 to 253, respectively. An emitter electrode 14 is connected to the emitter. The emitter electrode 14 and the pads 251 to 253 can be connected to each other by using a wire 290 or the like.

半導体装置210の適用形態について説明する。例として、図7に示す、フルブリッジ回路300に、本願の半導体装置210を使用する場合を説明する。また、共振部301において、並列アーム間の共振ループを想定した場合を説明する。この場合において、半導体装置210(図6)のパッド251ないし253の何れもがエミッタ電極14に接続されていない場合には、共振部301の等価回路は、図8に示す等価回路310となる。等価回路310の共振周波数f1(Hz)は、半導体装置210の出力容量と配線インダクタンスとによって決定され、下式で表される。
f1=1/2π×(C0×L1)1/2・・・式(1)
ここで、L1は配線インダクタンスである。またC0は、半導体装置210の出力容量成分である。
An application mode of the semiconductor device 210 will be described. As an example, a case where the semiconductor device 210 of the present application is used in the full bridge circuit 300 shown in FIG. 7 will be described. Further, the case where the resonance unit 301 assumes a resonance loop between parallel arms will be described. In this case, when none of the pads 251 to 253 of the semiconductor device 210 (FIG. 6) is connected to the emitter electrode 14, the equivalent circuit of the resonance unit 301 is an equivalent circuit 310 shown in FIG. 8. The resonance frequency f1 (Hz) of the equivalent circuit 310 is determined by the output capacity and wiring inductance of the semiconductor device 210, and is expressed by the following equation.
f1 = 1 / 2π × (C0 × L1) 1/2 ... Formula (1)
Here, L1 is a wiring inductance. C0 is an output capacitance component of the semiconductor device 210.

そして、共振周波数f1がフルブリッジ回路300にとって不適切な場合には、フルブリッジ回路300の実駆動時において、共振部301が発振してしまう場合がある。共振部301の発振の例を図10に示す。図10は、時刻t11においてターンオン動作が開始された場合における、発振動作のイメージ図である。図10(A)は、スイッチングアームにおけるゲート電圧Vgの時間変化を示すグラフであり、図10(B)は、スイッチングアームにおけるコレクタ電圧Vcの時間変化を示すグラフである。図10(C)は、還流アームにおけるダイオード電圧Vdの時間変化を示すグラフであり、図10(D)は、還流アームにおけるダイオード電流Idの時間変化を示すグラフである。図10に示すように、発振が発生すると、ゲート電圧Vgやコレクタ電圧Vcの時間変化が大きくなるため、半導体装置210が故障したり、素子寿命が短くなるなどの問題が発生する。   When the resonance frequency f1 is inappropriate for the full bridge circuit 300, the resonance unit 301 may oscillate when the full bridge circuit 300 is actually driven. An example of oscillation of the resonating unit 301 is shown in FIG. FIG. 10 is an image diagram of the oscillation operation when the turn-on operation is started at time t11. FIG. 10A is a graph showing the time change of the gate voltage Vg in the switching arm, and FIG. 10B is a graph showing the time change of the collector voltage Vc in the switching arm. FIG. 10C is a graph showing the time change of the diode voltage Vd in the return arm, and FIG. 10D is a graph showing the time change of the diode current Id in the return arm. As shown in FIG. 10, when oscillation occurs, the time change of the gate voltage Vg and the collector voltage Vc increases, which causes problems such as failure of the semiconductor device 210 and shortening of the element life.

そこで、発振防止のために、等価回路310の共振周波数を、フルブリッジ回路300の実駆動時に発振が発生してしまう周波数からシフトさせる必要が出てくる場合がある。この場合、図6において、パッド251ないし253の少なくとも1つを、ワイヤ等でエミッタ電極14に接続すればよい。例として、図4および図6に示すように、ワイヤ290を用いてパッド251をエミッタ電極14に接続する場合を説明する。   Therefore, in order to prevent oscillation, it may be necessary to shift the resonance frequency of the equivalent circuit 310 from the frequency at which oscillation occurs when the full bridge circuit 300 is actually driven. In this case, in FIG. 6, at least one of the pads 251 to 253 may be connected to the emitter electrode 14 with a wire or the like. As an example, a case where the pad 251 is connected to the emitter electrode 14 using a wire 290 as shown in FIGS. 4 and 6 will be described.

この場合の共振部301の等価回路は、図9に示す等価回路320となる。出力容量成分C0に対して容量成分C1が並列に接続されるため、出力容量成分の値を増加させることができる。そして、等価回路320の共振周波数f2(Hz)は、下式で表される。
f2=1/2π×((C0+C1)×L1)1/2・・・式(2)
式(1)および式(2)より、容量成分C1を付加することによって、共振周波数を大きくするようにシフトできることが分かる。
An equivalent circuit of the resonance unit 301 in this case is an equivalent circuit 320 shown in FIG. Since the capacitance component C1 is connected in parallel to the output capacitance component C0, the value of the output capacitance component can be increased. The resonance frequency f2 (Hz) of the equivalent circuit 320 is expressed by the following equation.
f2 = 1 / 2π × ((C0 + C1) × L1) 1/2 (2)
From the equations (1) and (2), it can be seen that the resonance frequency can be increased by adding the capacitance component C1.

そして、パッド251ないし253のうち、エミッタ電極14と接続するパッドの数を増やすほど、容量出力容量を増加させることができる。よって、共振周波数をより大きい側にシフトできることが分かる。なお、エミッタ電極14と接続するパッドの数は、フルブリッジ回路300を実動作させながらチューニングしていくことで決定してもよい。   The capacity output capacity can be increased as the number of pads connected to the emitter electrode 14 among the pads 251 to 253 is increased. Therefore, it can be seen that the resonance frequency can be shifted to a larger side. The number of pads connected to the emitter electrode 14 may be determined by tuning the full bridge circuit 300 while actually operating.

次に、図6で説明した半導体装置210の等価回路を実現するための、具体的な構成について説明する。図4に、半導体装置210の平面図を模式的に示す。図5に、図4のV−V線における断面図を模式的に示す。図4に示すように、半導体装置210は、外周204を有する半導体基板202を利用して製造されている。半導体基板202は、トランジスタ動作をする半導体構造が作り込まれているセルエリア271〜273と、そのセルエリア271〜273を取り囲む終端エリア207に区分されている。セルエリア271〜273の内部には、第1トレンチ231および第2トレンチ232が、図4の左右方向に伸びるように多数形成されている。また、セルエリア271〜273の領域内の表面全体には、エミッタ電極14として機能するアルミニウムの金属層(不図示)が形成されている。なお、セルエリアの数は3つに限られず、任意の数に設定することが可能である。   Next, a specific configuration for realizing the equivalent circuit of the semiconductor device 210 described in FIG. 6 will be described. FIG. 4 schematically shows a plan view of the semiconductor device 210. FIG. 5 schematically shows a cross-sectional view taken along line VV in FIG. As shown in FIG. 4, the semiconductor device 210 is manufactured using a semiconductor substrate 202 having an outer periphery 204. The semiconductor substrate 202 is divided into cell areas 271 to 273 in which a semiconductor structure that operates as a transistor is formed, and a terminal area 207 that surrounds the cell areas 271 to 273. A large number of first trenches 231 and second trenches 232 are formed in the cell areas 271 to 273 so as to extend in the left-right direction in FIG. An aluminum metal layer (not shown) that functions as the emitter electrode 14 is formed on the entire surface in the cell areas 271 to 273. The number of cell areas is not limited to three and can be set to an arbitrary number.

半導体装置210には、パッド250〜253が備えられている。パッド250から引き出されたゲート配線280は、セルエリア271〜273の右側側面に配置されている。ゲート配線280は、第1トレンチ231の各々に接続されている。またパッド250は、ゲート電圧を供給するドライブ回路(不図示)に接続される。   The semiconductor device 210 is provided with pads 250 to 253. The gate wiring 280 drawn out from the pad 250 is disposed on the right side surface of the cell areas 271 to 273. The gate wiring 280 is connected to each of the first trenches 231. The pad 250 is connected to a drive circuit (not shown) that supplies a gate voltage.

パッド251から引き出された配線281は、セルエリア271の左側側面に配置されている。配線281は、セルエリア271内に位置する第2トレンチ232の導電層235に接続されている。また、配線282および283の構造は、配線281と同様であるため、ここでは説明を省略する。ゲート配線280、配線281〜283は、互いに分離して引き回されている。   The wiring 281 drawn out from the pad 251 is arranged on the left side surface of the cell area 271. The wiring 281 is connected to the conductive layer 235 of the second trench 232 located in the cell area 271. The structure of the wirings 282 and 283 is similar to that of the wiring 281, and thus description thereof is omitted here. The gate wiring 280 and the wirings 281 to 283 are routed separately from each other.

終端エリア207には、外周204の内側を、外周204に沿って伸びる4重の終端トレンチ261および262が形成されている。終端トレンチ261および262は、外周204に沿ってセルエリア205を一巡する閉ループ形状となっている。   In the termination area 207, four termination trenches 261 and 262 extending along the outer periphery 204 are formed inside the outer periphery 204. The termination trenches 261 and 262 have a closed loop shape that goes around the cell area 205 along the outer periphery 204.

図5を参照して、半導体装置210の内部構造を説明する。図5の第2トレンチ232は、ボディ領域12の表面からボディ領域12を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域4に突出している。また、第2トレンチ232の内部の全領域に、導電層235が収容されている。第2トレンチ232の上方に形成されている絶縁膜16には、図5の奥行き方向のいずれかの断面で、配線281と接続するためのコンタクトホール(不図示)が形成されている。また、第1トレンチ231の上方に形成されている絶縁膜16には、図5の手前方向のいずれかの断面で、ゲート配線280と接続するためのコンタクトホール(不図示)が形成されている。なお、その他の構造は、図1の半導体装置10と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   The internal structure of the semiconductor device 210 will be described with reference to FIG. The second trench 232 in FIG. 5 extends from the surface of the body region 12 through the body region 12, and its bottom surface projects into the drift region 4. Further, the conductive layer 235 is accommodated in the entire region inside the second trench 232. In the insulating film 16 formed above the second trench 232, a contact hole (not shown) for connecting to the wiring 281 is formed in any cross section in the depth direction of FIG. In addition, a contact hole (not shown) for connecting to the gate wiring 280 is formed in the insulating film 16 formed above the first trench 231 in any cross section in the front direction of FIG. . Since other structures are the same as those of the semiconductor device 10 of FIG. 1, detailed description thereof is omitted here.

第2トレンチ232は、第1トレンチ231と比較して、エミッタ領域20を有していない。よって、第2トレンチ232では、半導体装置210のターンオン時において、チャネルが導通しない。すなわち、第2トレンチ232では電気的動作が行われないため、第2トレンチ32をキャパシタとして好適に機能させることができる。そして、図6の容量成分C1は、セルエリア271に含まれている複数の第2トレンチ232の合成容量に該当する。図6の容量成分C2は、セルエリア272に含まれている複数の第2トレンチ232の合成容量に該当する。図6の容量成分C3は、セルエリア273に含まれている複数の第2トレンチ232の合成容量に該当する。また、図6の出力容量成分C0は、セルエリア271〜273に含まれている全ての第1トレンチ231の出力容量成分(エミッタ領域20−コレクタ領域3間の容量成分)の合成値に該当する。これにより、図4および図5に示す半導体装置210の具体的構造によって、図6に示す等価回路を実現できることが分かる。   The second trench 232 does not have the emitter region 20 as compared to the first trench 231. Therefore, in the second trench 232, the channel is not conducted when the semiconductor device 210 is turned on. That is, since no electrical operation is performed in the second trench 232, the second trench 32 can function suitably as a capacitor. 6 corresponds to the combined capacitance of the plurality of second trenches 232 included in the cell area 271. The capacitance component C1 illustrated in FIG. 6 corresponds to the combined capacitance of the plurality of second trenches 232 included in the cell area 272. The capacitance component C2 in FIG. The capacitance component C3 in FIG. 6 corresponds to the combined capacitance of the plurality of second trenches 232 included in the cell area 273. 6 corresponds to a composite value of the output capacitance components (capacitance components between the emitter region 20 and the collector region 3) of all the first trenches 231 included in the cell areas 271 to 273. . Thus, it can be seen that the equivalent circuit shown in FIG. 6 can be realized by the specific structure of the semiconductor device 210 shown in FIGS.

半導体装置210の効果について説明する。半導体装置210では、半導体装置210を組み込んだ実回路の共振周波数を、意図的にシフトすることが可能となる。よって、共振周波数を、実回路に発振が発生してしまう周波数を避けて設定することが可能となるため、共振の発生を防止できる。これにより、半導体装置210の寿命が短くなってしまう事態等を防止できる。   The effect of the semiconductor device 210 will be described. In the semiconductor device 210, it is possible to intentionally shift the resonance frequency of the actual circuit in which the semiconductor device 210 is incorporated. Therefore, it is possible to set the resonance frequency while avoiding the frequency at which oscillation occurs in the actual circuit, thereby preventing the occurrence of resonance. Thereby, the situation where the life of the semiconductor device 210 is shortened can be prevented.

また、半導体装置210では、トレンチゲートである第1トレンチ231の直近に、キャパシタとして機能する第2トレンチ232が位置しているため、第1トレンチ231にキャパシタを接続する際の配線長を短くすることができる。よって、配線の寄生インダクタンスを小さくすることができるため、共振の影響を小さくすることができる。また半導体装置210では、半導体装置210の内部に形成されている第2トレンチ232を、キャパシタとして機能させているため、キャパシタの高温信頼性を確保することができる。   In the semiconductor device 210, since the second trench 232 that functions as a capacitor is positioned in the immediate vicinity of the first trench 231 that is a trench gate, the wiring length when the capacitor is connected to the first trench 231 is shortened. be able to. Accordingly, since the parasitic inductance of the wiring can be reduced, the influence of resonance can be reduced. In the semiconductor device 210, since the second trench 232 formed inside the semiconductor device 210 functions as a capacitor, the high temperature reliability of the capacitor can be ensured.

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。   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.

第2トレンチの底部に配置される絶縁材は、シリコン酸化膜でもよい。この場合の製造方法を説明する。第1トレンチ31および第2トレンチ32の両方の底部に、CVD法によって厚い酸化膜を堆積させる。次に、第1トレンチのみに開口を有するマスク層を形成し、酸化膜をエッチングすることで、第1トレンチ31内の酸化膜を除去する。その後、第1トレンチ31および第2トレンチ32の各々に、ゲート絶縁膜18およびトレンチ絶縁膜33を形成する。これにより、第1トレンチ31のみチャネル形成できる構造を形成することができる。   The insulating material disposed at the bottom of the second trench may be a silicon oxide film. A manufacturing method in this case will be described. A thick oxide film is deposited on the bottoms of both the first trench 31 and the second trench 32 by a CVD method. Next, a mask layer having an opening only in the first trench is formed, and the oxide film in the first trench 31 is removed by etching the oxide film. Thereafter, the gate insulating film 18 and the trench insulating film 33 are formed in each of the first trench 31 and the second trench 32. As a result, a structure in which only the first trench 31 can form a channel can be formed.

隣接している第1トレンチ31間に、第2トレンチ32が形成される形態は様々であってよい。実施例1では、隣接している第1トレンチ31の間に、1本の第2トレンチ32が形成されている例を示したが、複数本の第2トレンチ32が形成されてもよい。また、隣接している第1トレンチ31の間に第2トレンチ32が形成されている領域と、隣接している第1トレンチ31の間に第2トレンチ32が形成されていない領域とが混在していてもよい。   The form in which the second trench 32 is formed between the adjacent first trenches 31 may be various. In the first embodiment, an example in which one second trench 32 is formed between adjacent first trenches 31 is shown, but a plurality of second trenches 32 may be formed. Further, a region where the second trench 32 is formed between the adjacent first trenches 31 and a region where the second trench 32 is not formed between the adjacent first trenches 31 are mixed. It may be.

実施例1において、第2トレンチ32内の底部に絶縁層34が配置されている場合を説明したが、この形態に限られない。第2トレンチ32の深さ方向の何れかの位置に絶縁層34が配置される形態でもよい。   In Example 1, although the case where the insulating layer 34 was arrange | positioned at the bottom part in the 2nd trench 32 was demonstrated, it is not restricted to this form. The form in which the insulating layer 34 is disposed at any position in the depth direction of the second trench 32 may be employed.

実施例2において、パッド251ないし253の少なくとも1つと、エミッタ電極14との接続方法は、様々な方法が挙げられる。例えば、図4において、セルエリア271〜273の領域内の表面全体に金属層を形成する際のマスクパターンを、パッド250〜253への接続部を有するようなパターンとする方法を採用してもよい。これにより、ワイヤを接続する工程を省略することが可能となる。   In the second embodiment, there are various methods for connecting at least one of the pads 251 to 253 and the emitter electrode 14. For example, in FIG. 4, the mask pattern for forming the metal layer on the entire surface in the cell areas 271 to 273 may be a pattern having a connection portion to the pads 250 to 253. Good. As a result, the step of connecting the wires can be omitted.

また、実施例1に開示した技術と実施例2に開示した技術とを、同時に実施することも可能である。具体的には、図1に示す第2トレンチ32の構造と、図5に示す第2トレンチ232の構造とを、1つの半導体装置に作成してもよい。これにより、半導体装置の入力容量および出力容量を同時に調整することが可能となる。   Further, the technique disclosed in the first embodiment and the technique disclosed in the second embodiment can be performed simultaneously. Specifically, the structure of the second trench 32 shown in FIG. 1 and the structure of the second trench 232 shown in FIG. 5 may be formed in one semiconductor device. Thereby, it becomes possible to adjust the input capacitance and the output capacitance of the semiconductor device at the same time.

また、使用される半導体はSiに限らない。SiC、GaN、GaAs等の他の種類の半導体であってもよい。また、本実施形態はIGBT構造について説明したが、この形態に限られない。本願の技術をパワーMOS構造に適用しても、同様の効果を得ることができる。   Further, the semiconductor used is not limited to Si. Other types of semiconductors such as SiC, GaN, and GaAs may be used. Moreover, although this embodiment demonstrated IGBT structure, it is not restricted to this form. Even if the technique of the present application is applied to the power MOS structure, the same effect can be obtained.

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。 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.

3:コレクタ領域、4:ドリフト領域、8:ゲート電極、10および100および210: 半導体装置、12:ボディ領域、14:エミッタ電極、16:絶縁膜、18:ゲート絶縁層、20:エミッタ領域、31:第1トレンチ、32および232:第2トレンチ、33:トレンチ絶縁膜、35および235:導電層、251ないし253:パッド
3: collector region, 4: drift region, 8: gate electrode, 10 and 100 and 210: semiconductor device, 12: body region, 14: emitter electrode, 16: insulating film, 18: gate insulating layer, 20: emitter region, 31: first trench, 32 and 232: second trench, 33: trench insulating film, 35 and 235: conductive layer, 251 to 253: pad

Claims (5)

半導体層の表面の一部に臨んで形成されている第1導電型の複数個の第1半導体領域と、
第1半導体領域を取り囲んでいるとともに、半導体層の表面から所定の深さまでの領域に形成されている第2導電型のボディ領域と、
ボディ領域の下部に形成されており、ボディ領域によって第1半導体領域から分離されている第1導電型のドリフト領域と、
ドリフト領域の下部に形成されている第2半導体領域と、
各第1半導体領域の表面からボディ領域を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域に突出している複数の第1トレンチと、
各第1トレンチの内面を覆っているゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層で取り囲まれた状態で各第1トレンチ内に収容されている第1トレンチゲート電極と、
隣接している第1トレンチ間に形成されているとともに、ボディ領域を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域に突出している複数の第2トレンチと、
各第2トレンチの内面を覆っているトレンチ絶縁層と、
トレンチ絶縁層で取り囲まれた状態で各第2トレンチ内に収容されている複数の導電層と、
を備え、
複数の導電層のうち少なくとも1つが、第1トレンチゲート電極に電気的に接続可能とされるか、または、第1半導体領域に選択的に電気接続可能とされていることを特徴とする半導体装置。
A plurality of first semiconductor regions of a first conductivity type formed facing part of the surface of the semiconductor layer;
A second conductivity type body region surrounding the first semiconductor region and formed in a region from the surface of the semiconductor layer to a predetermined depth;
A drift region of a first conductivity type formed under the body region and separated from the first semiconductor region by the body region;
A second semiconductor region formed below the drift region;
A plurality of first trenches extending from the surface of each first semiconductor region through the body region, the bottom surface of which protrudes into the drift region;
A gate insulating layer covering the inner surface of each first trench;
A first trench gate electrode housed in each first trench in a state surrounded by a gate insulating layer;
A plurality of second trenches formed between adjacent first trenches and extending through the body region, the bottom surface of which protrudes into the drift region;
A trench insulating layer covering the inner surface of each second trench;
A plurality of conductive layers housed in each second trench in a state surrounded by a trench insulating layer;
With
At least one of the plurality of conductive layers can be electrically connected to the first trench gate electrode, or can be selectively electrically connected to the first semiconductor region. .
トレンチ絶縁層で取り囲まれた状態で第2トレンチ内の底部には底部絶縁層が形成されており、
底部絶縁層の上面は、ボディ領域とドリフト領域との界面よりもボディ領域側に位置しており、
底部絶縁層の上層に導電層が形成されており、
導電層が第1トレンチゲート電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A bottom insulating layer is formed at the bottom of the second trench in a state surrounded by the trench insulating layer,
The upper surface of the bottom insulating layer is located closer to the body region than the interface between the body region and the drift region,
A conductive layer is formed on the bottom insulating layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive layer is electrically connected to the first trench gate electrode.
導電層が第1トレンチゲート電極に接続されている場合における、ゲート電圧の供給源から第1トレンチゲート電極までの経路の抵抗成分である第1のゲート抵抗成分が、
導電層が第1トレンチゲート電極に接続されていない場合における、ゲート電圧の供給源から第1トレンチゲート電極までの経路の抵抗成分である第2のゲート抵抗成分よりも小さくされており、
第1トレンチの容量成分と第2トレンチの容量成分との和と第1のゲート抵抗成分との積算値が、第1トレンチの容量成分と第2のゲート抵抗成分との積算値以下となるように、第1のゲート抵抗成分が設定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
When the conductive layer is connected to the first trench gate electrode, the first gate resistance component that is the resistance component of the path from the gate voltage supply source to the first trench gate electrode is:
When the conductive layer is not connected to the first trench gate electrode, the conductive layer is made smaller than the second gate resistance component that is the resistance component of the path from the gate voltage supply source to the first trench gate electrode,
The integrated value of the sum of the capacitance component of the first trench and the capacitance component of the second trench and the first gate resistance component is less than or equal to the integrated value of the capacitance component of the first trench and the second gate resistance component. The semiconductor device according to claim 1, wherein a first gate resistance component is set.
第2トレンチは、ボディ領域が半導体層の表面に露出している領域に複数形成されており、
複数の第2トレンチの各々内に収容されている導電層の少なくとも1つが、第1半導体領域と選択的に電気接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A plurality of second trenches are formed in a region where the body region is exposed on the surface of the semiconductor layer,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the conductive layers accommodated in each of the plurality of second trenches is selectively electrically connected to the first semiconductor region.
第1トレンチおよび第2トレンチの上層には、上部絶縁層が形成されており、
上部絶縁層および第1半導体領域の上層には、上部電極が形成されており、
複数の第2トレンチの各々内に収容されている導電層に接続されているパッド部をさらに備え、
パッド部と上部電極とが電気的に接続可能とされていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
An upper insulating layer is formed above the first trench and the second trench,
An upper electrode is formed on the upper insulating layer and the first semiconductor region,
A pad portion connected to the conductive layer housed in each of the plurality of second trenches;
The semiconductor device according to claim 4, wherein the pad portion and the upper electrode are electrically connectable.
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