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JP3272784B2 - Insulated gate semiconductor device - Google Patents

Insulated gate semiconductor device

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Publication number
JP3272784B2
JP3272784B2 JP26211492A JP26211492A JP3272784B2 JP 3272784 B2 JP3272784 B2 JP 3272784B2 JP 26211492 A JP26211492 A JP 26211492A JP 26211492 A JP26211492 A JP 26211492A JP 3272784 B2 JP3272784 B2 JP 3272784B2
Authority
JP
Japan
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layer
conductive type
base layer
emitter
type
Prior art date
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JP26211492A
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Japanese (ja)
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JPH06112496A (en
Inventor
光彦 北川
明夫 中川
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH06112496A publication Critical patent/JPH06112496A/en
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート型半導体装
置に係わり、特に電力用スイッチング素子として用いら
れる絶縁ゲート型半導体装置に関する。
The present invention relates to an insulated gate semiconductor device, and more particularly to an insulated gate semiconductor device used as a power switching element.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電力用スイッチング素子として、
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate
Bipolar Transistor :IGBT)が用いられている。
このIGBTの一例を、図10に示す。
2. Description of the Related Art In recent years, as a power switching element,
Insulated gate bipolar transistor (Insulated Gate)
Bipolar Transistor (IGBT) is used.
FIG. 10 shows an example of this IGBT.

【0003】図中1はp+ 型Si基板(エミッタ層)で
あり、この上に低不純物濃度のn- 型層(高抵抗ベース
層)2が形成され、このn- 型層2の表面にp型ベース
層3とn+ 型ソース層4が形成されている。ここで、n
+ 型ソース層4は、p型ベース層3の端部に自己整合的
にチャネル領域5を残した状態で形成されている。チャ
ネル領域5上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極7
が形成されている。そして、ソース層4上にはベース層
3上に同時に同時にコンタクトするソース電極(カソー
ド)8が形成され、p+ 型基板1の裏面にはドレイン電
極(アノード)9が形成されている。
In the figure, 1 is p+ Type Si substrate (emitter layer)
And a low impurity concentration n- Mold layer (high resistance base
Layer 2 is formed, and this n- P-type base on the surface of mold layer 2
Layer 3 and n+ A mold source layer 4 is formed. Where n
+ Type source layer 4 is self-aligned with the end of p-type base layer 3.
Is formed with the channel region 5 left. Cha
On the tunnel region 5, a gate electrode 7 is interposed via a gate insulating film.
Is formed. And, on the source layer 4, a base layer
3 and a source electrode (Caso
C) 8 is formed and p+ Drain voltage is applied to the back of the mold substrate 1.
A pole (anode) 9 is formed.

【0004】この構造では、n+ 型ソース層4からチャ
ネル領域5を通ってn- 型層2に注入される電子電流に
対して、p+ 型基板1からn- 型層2への正孔注入が起
こり、この結果n- 型層2には多量のキャリア蓄積によ
る導電変調が起こる。n- 型層2に注入された正孔電流
はp型ベース層3のソース層4直下を通り、ソース電極
8へ抜ける。この構造は、サイリスタと似ているがサイ
リスタ動作はしない。ソース電極8がp型ベース層3と
+ 型ソース層4を短絡してサイリスタ動作を阻止して
おり、ゲート・ソース間電圧を零とすれば素子はターン
オフする。
In this structure, n + N from the source layer 4 through the channel region 5. With respect to the electron current injected into the mold layer 2, p + N from type substrate 1 - Hole injection into the mold layer 2 occurs, resulting in n Conduction modulation occurs in the mold layer 2 due to accumulation of a large amount of carriers. n - The hole current injected into the mold layer 2 passes right below the source layer 4 of the p-type base layer 3 and escapes to the source electrode 8. This structure is similar to a thyristor but does not operate. The source electrode 8 is composed of the p-type base layer 3 and n + The thyristor operation is prevented by short-circuiting the mold source layer 4, and the element is turned off when the gate-source voltage is reduced to zero.

【0005】しかしながら、この種のIGBTにおいて
は、アノード側エミッタの注入効率を上げることはでき
るが、寄生サイリスタのラッチアップを防止する目的か
らカソード側の電子注入の効率を上げるには限界があっ
た。このため、高抵抗ベース層中のキャリアの蓄積がサ
イリスタに比べて小さく、高耐圧素子の特性を決定する
上で最も支配的な高抵抗ベース層のオン抵抗の上昇は避
けられなかった。
However, in this type of IGBT, although the injection efficiency of the anode-side emitter can be increased, there is a limit in increasing the efficiency of electron injection on the cathode side for the purpose of preventing the latch-up of the parasitic thyristor. . Therefore, the accumulation of carriers in the high-resistance base layer is smaller than that of the thyristor, and an increase in the on-resistance of the high-resistance base layer, which is the most dominant factor in determining the characteristics of the high breakdown voltage element, cannot be avoided.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、バイ
ポーラトランジスタを基本構造とするIGBTにおいて
は、最大電流遮断能力は大きくできるが、サイリスタを
基本構造とするGTOサイリスタなどに比べてオン抵抗
が大きいという問題があった。
As described above, in the conventional IGBT having a bipolar transistor as a basic structure, the maximum current interruption capability can be increased, but the on-resistance is larger than that of a GTO thyristor having a thyristor as a basic structure. There was a problem.

【0007】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、最大電流遮断能力は大
きなままで低いオン抵抗を持ち、かつ素子の高耐圧化が
可能な絶縁ゲート型半導体装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an insulated gate having a low on-resistance while maintaining a large maximum current interruption capability and capable of increasing the withstand voltage of an element. To provide a semiconductor device.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、縦型の
IGBTのカソード側オンチャネルとオンチャネルの間
に、カソード電極には接していないnエミッタを有する
サイリスタ構造又はダイオード構造を設け、このサイリ
スタ構造又はダイオード構造とIGBT部分の面積比を
最適な範囲に設定することにある。
The gist of the present invention is to provide a thyristor structure or a diode structure having an n-emitter that is not in contact with the cathode electrode between the on-channels on the cathode side of a vertical IGBT, The object is to set the area ratio between the thyristor structure or the diode structure and the IGBT portion in an optimum range.

【0009】即ち、本発明(請求項1)は、第1導電型
エミッタ層上に積層された第2導電型の高抵抗ベース層
と、この第2導電型の高抵抗ベース層の表面部に形成さ
れた第1導電型ベース層と、この第1導電型ベース層の
表面部に形成された第2導電型ソース層と、高抵抗ベー
ス層の表面部に第1導電型ベース層とは離間して形成さ
れた第2導電型エミッタ層と、第1導電型エミッタ層に
接する第1の主電極と、第1導電型ベース層及び第2導
電型ソース層に接する第2の主電極と、第2導電型ソー
ス層と第2導電型エミッタ層との間にゲート絶縁膜を介
して形成されたゲート電極とを備えた絶縁ゲート型半導
体装置において、各層の厚み方向と直交する横方向の単
位セルサイズを120μm以下としたことを特徴とす
る。
That is, the present invention (Claim 1) provides a second conductive type high-resistance base layer laminated on a first conductive type emitter layer and a surface portion of the second conductive type high-resistance base layer. The formed first conductive type base layer, the second conductive type source layer formed on the surface of the first conductive type base layer, and the first conductive type base layer on the surface of the high resistance base layer are separated from each other. A second conductive type emitter layer, a first main electrode in contact with the first conductive type emitter layer, a second main electrode in contact with the first conductive type base layer and the second conductive type source layer, In an insulated gate semiconductor device having a gate electrode formed between a second conductivity type source layer and a second conductivity type emitter layer with a gate insulating film interposed therebetween, a lateral unit orthogonal to a thickness direction of each layer is provided. The cell size is 120 μm or less.

【0010】また、本発明(請求項2)は、第1導電型
エミッタ層上に積層された第2導電型の高抵抗ベース層
と、この高抵抗ベース層の表面部に形成された第1の第
1導電型ベース層と、高抵抗ベース層の表面部に第1の
第1導電型ベース層とは離間して形成された第2の第1
導電型ベース層と、この第2の第1導電型ベース層の表
面部に形成された第2導電型エミッタ層と、第1の第1
導電型ベース層の表面部に形成された第2導電型ソース
層と、第1導電型エミッタ層に接する第1の主電極と、
第1の第1導電型ベース層及び第2導電型ソースに接す
る第2の主電極と、第2導電型ソース層と第2導電型エ
ミッタ層との間にゲート絶縁膜を介して形成されたゲー
ト電極とを備えた絶縁ゲート型半導体装置において、各
層の厚み方向と直交する横方向の単位セルサイズを12
0μm以下、好ましくは5μm以上としたことを特徴と
する。
Further, the present invention (claim 2) provides a high-resistance base layer of the second conductivity type laminated on the emitter layer of the first conductivity type, and a first resistance layer formed on the surface of the high-resistance base layer. A first conductive type base layer and a second first conductive type base layer formed on the surface of the high-resistance base layer so as to be separated from the first conductive type base layer.
A conductive type base layer; a second conductive type emitter layer formed on a surface of the second first conductive type base layer;
A second conductive type source layer formed on a surface portion of the conductive type base layer, a first main electrode in contact with the first conductive type emitter layer,
A second main electrode that is in contact with the first first conductivity type base layer and the second conductivity type source, and is formed between the second conductivity type source layer and the second conductivity type emitter layer via a gate insulating film. In the insulated gate semiconductor device provided with a gate electrode, the unit cell size in the lateral direction orthogonal to the thickness direction of each layer is 12
The thickness is set to 0 μm or less, preferably 5 μm or more.

【0011】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、IGBT部分の第1導電型ベース層は高抵抗ベース
層の表面部にリング状に形成されており、この第1導電
型ベース層の内部表面に第1導電型ソース層がリング状
に形成されている。さらに、ゲート電極はリング状の第
1導電型ソース層の内側に形成されており、第2導電型
エミッタはゲート電極下に形成されている。
Here, as a preferred embodiment of the present invention, the first conductivity type base layer in the IGBT portion is formed in a ring shape on the surface of the high resistance base layer, and the inside of the first conductivity type base layer is formed. A first conductivity type source layer is formed on the surface in a ring shape. Further, the gate electrode is formed inside the ring-shaped source layer of the first conductivity type, and the emitter of the second conductivity type is formed below the gate electrode.

【0012】[0012]

【作用】本発明によれば、縦型のIGBTに隣接してサ
イリスタ又はダイオードが形成されることになり、高抵
抗ベース層のオン抵抗を低くして、スイッチング素子と
してのオン抵抗を低減させることができる。しかも、サ
イリスタ又はダイオードと直列に形成されているIGB
Tオンチャネルの抵抗を考慮して、サイリスタ又はダイ
オード部分の寸法を最適化(120μm以下)すること
により、オン抵抗をIGBT単独で得られる最小値より
も低くすることができる。従って、IGBTの最大電流
遮断能力は大きなままで、オン抵抗を十分小さくするこ
とが可能となる。
According to the present invention, a thyristor or a diode is formed adjacent to a vertical IGBT to reduce the on-resistance of a high-resistance base layer to reduce the on-resistance as a switching element. Can be. Moreover, the IGB formed in series with the thyristor or the diode
By optimizing the size of the thyristor or diode portion (120 μm or less) in consideration of the resistance of the T-on channel, the on-resistance can be made lower than the minimum value obtained by the IGBT alone. Therefore, it is possible to sufficiently reduce the on-resistance while keeping the maximum current interruption capability of the IGBT large.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1は本発明の第1の実施例に係わる絶縁
ゲート型半導体装置の概略構成を示す平面図、図2は図
1の矢視A−A′断面図である。図中11はp+ 型のS
i基板(第1導電型エミッタ層)であり、この基板11
上に低不純物濃度のn- 型層(高抵抗ベース層)12が
形成されている。n- 型ベース層12の表面部にはp型
層(第1の第1導電型ベース層)13が矩形リング状に
形成され、p型ベース層13の内部表面にはn+ 型層
(第2導電型ソース層)14が矩形リング状に形成され
ている。
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of an insulated gate semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA 'of FIG. 11 in the figure is p + Type S
i-substrate (first conductivity type emitter layer).
N of the low impurity concentration above - A mold layer (high resistance base layer) 12 is formed. n - A p-type layer (first first conductivity type base layer) 13 is formed in a rectangular ring shape on a surface portion of the mold base layer 12, and n + is formed on an inner surface of the p-type base layer 13. A mold layer (second conductivity type source layer) 14 is formed in a rectangular ring shape.

【0015】そして、上記各層を形成した素子表面にお
いて、n+ 型ソース層14の内側にゲート絶縁膜16を
介してゲート電極17が形成されている。また、n+
ソース層14上にはp型ベース層13と同時に同時にコ
ンタクトするソース電極(カソード電極;第2の主電
極)18が形成され、基板11の裏面にはドレイン電極
(アノード電極;第1の主電極)19が形成されてい
る。
Then, on the element surface on which each of the above layers is formed, n + A gate electrode 17 is formed inside the mold source layer 14 via a gate insulating film 16. Also, n + A source electrode (cathode electrode; second main electrode) 18 is formed on the p-type base layer 13 at the same time as the p-type base layer 13, and a drain electrode (anode electrode; first main electrode) is formed on the back surface of the substrate 11. An electrode 19 is formed.

【0016】ここまでの構成は従来素子と同様である
が、本実施例ではこれに加えて素子表面のゲート電極1
7の下に、p型ベース層13と離間してp型層(第2の
第1導電型ベース層)21が形成されている。そして、
このp型ベース層21の表面部の内側にn+ 型層(第2
導電型エミッタ層)22が形成されている。
The structure up to this point is the same as that of the conventional device. However, in this embodiment, in addition to this, the gate electrode 1 on the surface of the device is additionally provided.
Below p, a p-type layer (second first conductivity type base layer) 21 is formed separately from p-type base layer 13. And
N + is added inside the surface of the p-type base layer 21. Mold layer (second
A conductive type emitter layer 22 is formed.

【0017】このような構成であれば、p型ベース層2
1及びn+ 型エミッタ層22を設けたことにより、ソー
ス電極18には接していないn+ 型エミッタ層22,p
型ベース層21,n- 型ベース層12及びp+ 型エミッ
タ層11からなるサイリスタ構造が形成され、このサイ
リスタがIGBTと並列に接続されることになる。そし
て、縦型のIGBTのソース電極18から注入された電
子は、ゲート電極直下のn型チャネルを通り、オンチャ
ネル15とオンチャネル15′の間に設けられたサイリ
スタのn+ 型エミッタ層22に供給される。そして、こ
のサイリスタ構造により、高抵抗n- 型ベース層12の
オン抵抗は低くなる。
With such a structure, the p-type base layer 2
1 and n + With the provision of the emitter layer 22, the n + Type emitter layer 22, p
Type base layer 21, n - Mold base layer 12 and p + A thyristor structure including the mold emitter layer 11 is formed, and this thyristor is connected in parallel with the IGBT. Then, the electrons injected from the source electrode 18 of the vertical IGBT pass through the n-type channel immediately below the gate electrode and pass through the n + channel of the thyristor provided between the on-channel 15 and the on-channel 15 ′. Is supplied to the mold emitter layer 22. And, with this thyristor structure, high resistance n The on-resistance of the mold base layer 12 decreases.

【0018】ここで、このサイリスタと直列に形成され
ているIGBTのオンチャネルの抵抗を考慮して、サイ
リスタ部分の面積を十分小さくする必要がある。図3
は、本構造素子のオン電圧分担を示したものである。V
1はn+ 型エミッタ層22の電圧降下、V2は高抵抗n
- 型ベース層12の電圧降下、V3はp+ 型エミッタ層
11の電圧降下、Vchは縦型のIGBTのn+ 型ソース
層14からサイリスタのn+ 型エミッタ層22までのM
OSFETのチャネル抵抗である。サイリスタのp型ベ
ース層21をIGBT部分と分離しているので、素子の
ターンオフ(ゲート電極17に−15Vを印加した時)
には、サイリスタのp型ベース層21とIGBTの部分
のp型ベース層13がpチャネルによりつながって素子
耐圧を保証する。
Here, it is necessary to sufficiently reduce the area of the thyristor portion in consideration of the on-channel resistance of the IGBT formed in series with the thyristor. FIG.
Shows the on-voltage distribution of the present structural element. V
1 is n + Voltage drop of the emitter layer 22 and V2 is a high resistance n
- Voltage of the base layer 12, V3 is p + The voltage drop of the emitter layer 11 and Vch are n + of the vertical IGBT. Thyristor n + M up to the type emitter layer 22
This is the channel resistance of the OSFET. Since the p-type base layer 21 of the thyristor is separated from the IGBT portion, the device is turned off (when -15 V is applied to the gate electrode 17).
Then, the p-type base layer 21 of the thyristor and the p-type base layer 13 in the IGBT portion are connected by a p-channel to guarantee the element breakdown voltage.

【0019】また、素子のオン状態では、サイリスタの
p型ベース層21は素子の外部電位に対してフローティ
ング又はそれに近い状態なので、このサイリスタがオン
状態に移行するためには、このサイリスタのn+ 型エミ
ッタ層22とp型ベース層21間のビルトイン電圧を越
える必要はなく、n+ 型エミッタ層22の幅を狭く設計
することができる。例えば、サイリスタのp型ベース層
21とIGBT部分のp型ベース層13が素子のオン状
態時につながっていた場合、このビルトイン電圧を越え
るためにサイリスタのnエミッタ幅を広くし、nエミッ
タ直下のラテラル抵抗でビルトイン電圧以上の電圧を稼
がないとサイリスタがオン状態にならない。
Further, in the on-state of the device, since the p-type base layer 21 of the thyristor is a state close floating or in the external potential of the device, for the thyristor shifts to the ON state, the thyristor n + It is not necessary to exceed a built-in voltage between the type emitter layer 22 and the p-type base layer 21, n + The width of the mold emitter layer 22 can be designed to be narrow. For example, if the p-type base layer 21 of the thyristor and the p-type base layer 13 of the IGBT portion are connected when the device is in the ON state, the n-emitter width of the thyristor is increased to exceed this built-in voltage, and the lateral width immediately below the n-emitter is increased. The thyristor does not turn on unless a voltage higher than the built-in voltage is obtained by the resistor.

【0020】図4は、IGBT部分の設計は同じで、素
子のセルサイズを変化させた時の素子に流れる電流密度
を計算したものである。ここで、IGBT部分のサイズ
は一定(Ls=5μm)とし、サイリスタ構造部分のサ
イズを変えて、素子に流れる電流密度を計算した。ま
た、ホールのライフタイムτp は10μsとし、アノー
ド・カソード間電圧は2.6Vとした。
FIG. 4 shows the same design of the IGBT portion, but is a calculation of the current density flowing through the element when the cell size of the element is changed. Here, the size of the IGBT portion was fixed (Ls = 5 μm), and the current density flowing through the element was calculated by changing the size of the thyristor structure portion. The hole lifetime τp was 10 μs, and the anode-cathode voltage was 2.6 V.

【0021】その結果、n+ エミッタなしの場合(IG
BT)は、セルサイズが小さくなるに伴い電流密度は大
きくなり、セルサイズが小さくなり過ぎると電流密度は
小さくなった。また、n+ エミッタありの場合(IGB
T+SCR)は、セルサイズの縮小と共に電流密度は大
きくなり、かつ常にn+ エミッタなしの場合よりも電流
密度は大きい。さらに、セルサイズが120μm以下と
なると、n+ エミッタなしの場合の最大の電流密度より
も大きくなった。
As a result, n + Without emitter (IG
In the case of BT), the current density increased as the cell size decreased, and the current density decreased when the cell size became too small. Also, n + With emitter (IGB
T + SCR), the current density increases with decreasing cell size, and always n + The current density is higher than without an emitter. Further, when the cell size becomes 120 μm or less, n + It was larger than the maximum current density without an emitter.

【0022】なお、図4の特性は、IGBT部分のサイ
ズや各層の厚み、その他のパラメータを変えると若干変
化するが、2つの曲線の関係は略一定であり、セルサイ
ズ120μm以下では、n+ エミッタありの場合のほう
が常にn+ エミッタなしの場合の最大の電流密度よりも
大きくなる。従って、n+ エミッタありの場合で、セル
サイズを120μm以下にすれば、従来得られない大き
な電流密度を得ることが可能となる。
FIG. 4 shows the characteristics of the IGBT portion.
Changes slightly depending on the size, thickness of each layer, and other parameters.
However, the relationship between the two curves is almost constant,
Is less than 120 μm,+ With emitter
Is always n+ Than the maximum current density without the emitter
growing. Therefore, n+ Cell with emitter
If the size is 120 μm or less, the size cannot be obtained conventionally
It is possible to obtain a high current density.

【0023】このように、nエミッタ構造を持つ場合と
持たない場合(従来のIGBT)では、セルサイズ(n
エミッタ幅=セルサイズ−IGBT)120μm以下
で、nエミッタ構造を持つ場合が有利であることが分か
る。従って、セルサイズを120μm以下の例えば50
μmとすることにより、IGBTの最大電流遮断能力は
大きなままで、十分に低いオン抵抗を実現することがで
き、その有用性は大で持ある。
As described above, in the case of having the n-emitter structure and the case of not having the n-emitter structure (conventional IGBT), the cell size (n
It is found that it is advantageous to have an emitter width = cell size−IGBT) of 120 μm or less and an n-emitter structure. Therefore, if the cell size is 120 μm or less,
By setting it to μm, it is possible to realize a sufficiently low on-resistance while maintaining the maximum current interrupting ability of the IGBT, and its usefulness is great.

【0024】図5は、本発明の第2の実施例の要部を示
す素子構造断面図である。なお、図2と同一部分には同
一符号を付して、その詳しい説明は省略する。この実施
例は、第1の実施例におけるp型ベース層21を省略し
たものである。
FIG. 5 is a sectional view of an element structure showing a main part of a second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the p-type base layer 21 in the first embodiment is omitted.

【0025】この場合、サイリスタ構造の代わりに、n
+ 型エミッタ層22,n- 型ベース層12及びp+ 型エ
ミッタ層11からなるダイオード構造が形成されること
になるが、基本的な動作は第1の実施例と同様である。
そして、この実施例においてもIGBT部分の幅を一定
としダイオード構造部分の幅を可変して素子に流れる電
流密度を計算したところ、前記図4と略同様の結果が得
られた。つまり、セルサイズが120μm以下で、従来
のIGBTでは得られない大きな電流密度を得ることが
可能となる。
In this case, instead of the thyristor structure, n
+ Type emitter layer 22, n - Mold base layer 12 and p + Although a diode structure including the mold emitter layer 11 is formed, the basic operation is the same as that of the first embodiment.
Also in this example, when the width of the IGBT portion was made constant and the width of the diode structure portion was varied to calculate the current density flowing through the element, a result substantially similar to that of FIG. 4 was obtained. That is, when the cell size is 120 μm or less, it is possible to obtain a large current density that cannot be obtained by the conventional IGBT.

【0026】図6は、本発明の第3の実施例の要部を示
す素子構造断面図である。なお、図2と同一部分には同
一符号を付して、その詳しい説明は省略する。この実施
例は、第1の実施例におけるp型ソース層21を省略
し、n+ 型エミッタ層22の下部にp+ 型層23を選択
的に設けたものである。
FIG. 6 is a sectional view of an element structure showing a main part of a third embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the p-type source layer 21 in the first embodiment is omitted, and n + P + The mold layer 23 is selectively provided.

【0027】この場合、p+ 型層23を含む部分がサイ
リスタ構造となり、第1の実施例と基本的に同様な動作
となり、この実施例においてもセルサイズが120μm
以下で、従来のIGBTでは得られない大きな電流密度
を得ることが可能となる。
In this case, p + The portion including the mold layer 23 has a thyristor structure, and operates basically in the same manner as in the first embodiment. In this embodiment, the cell size is 120 μm.
In the following, it is possible to obtain a large current density that cannot be obtained by the conventional IGBT.

【0028】図7は、本発明の第4の実施例の要部を示
す素子構造断面図である。なお、図2と同一部分には同
一符号を付して、その詳しい説明は省略する。この実施
例は、第1の実施例におけるp型ソース層21を省略
し、n+ 型エミッタ層22の下部にp型ソース層13に
つながるn型層24を設けたものである。
FIG. 7 is a sectional view of an element structure showing a main part of a fourth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the p-type source layer 21 in the first embodiment is omitted, and n + An n-type layer 24 connected to the p-type source layer 13 is provided below the type emitter layer 22.

【0029】この場合も、基本的な動作は第1の実施例
と同様であり、セルサイズが120μm以下で従来のI
GBTでは得られない大きな電流密度を得ることが可能
となる。また、n型層24を設けたことにより、第2の
実施例に比してオン抵抗をより小さくすることができる
利点がある。
In this case, the basic operation is the same as that of the first embodiment.
It is possible to obtain a large current density that cannot be obtained with the GBT. In addition, the provision of the n-type layer 24 has an advantage that the on-resistance can be reduced as compared with the second embodiment.

【0030】図8は本発明の第5の実施例に係わる絶縁
ゲート型半導体装置の概略構成を示す平面図、図9は図
8の矢視A−A′及びB−B′断面図である。なお、図
1,図2と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。
FIG. 8 is a plan view showing a schematic structure of an insulated gate type semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a sectional view taken along lines AA 'and BB' of FIG. . 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0031】この実施例は、第1の実施例におけるp型
ソース層21を、n+ 型エミッタ層22を覆うだけでな
く、p型ソース層12の下にも形成したものである。具
体的には、n+ 型エミッタ層22が一方向に長いストラ
イプ状に形成され、素子の長辺方向ではIGBT部分と
サイリスタ構造部分とでp型ソース層21がつながって
おり、短辺方向ではp型ソース層21が分離されてい
る。ここで、図9(b)ではp型ソース層21はn+
エミッタ層22の下部の一部に形成されているが、n+
型エミッタ層22を完全に覆うように形成してもよい。
但し、隣接するp層とは接触しないようにする。
In this embodiment, the p-type source layer 21 in the first embodiment is replaced by n + It is formed not only to cover the type emitter layer 22 but also below the p-type source layer 12. Specifically, n + The emitter layer 22 is formed in a stripe shape that is long in one direction. The p-type source layer 21 is connected to the IGBT portion and the thyristor structure portion in the long side direction of the element, and the p-type source layer 21 is separated in the short side direction. Have been. Here, in FIG. 9B, the p-type source layer 21 is n + It is formed on a part of the bottom of the type emitter layer 22, n +
It may be formed so as to completely cover the mold emitter layer 22.
However, it does not come into contact with the adjacent p layer.

【0032】このような構成であっても、IGBTに隣
接してサイリスタ構造が形成されることになり、素子の
短辺方向のセルサイズを120μm以下とすることによ
り、第1の実施例と同様の効果が得られる。
Even in such a configuration, a thyristor structure is formed adjacent to the IGBT, and the cell size in the short side direction of the element is set to 120 μm or less, which is similar to that of the first embodiment. The effect of is obtained.

【0033】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。実施例では、ドレイン
電極側のエミッタ層をp型、ソース電極側のソース層を
n型としたが、これに限らず各層の導電型を全て逆にし
てもよい。また、各層の不純物濃度,深さ,大きさ等の
条件は仕様に応じて適宜設定すればよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be implemented in various modifications without departing from the scope of the invention. In the embodiment, the emitter layer on the drain electrode side is p-type, and the source layer on the source electrode side is n-type. However, the present invention is not limited to this, and the conductivity types of all layers may be reversed. Conditions such as the impurity concentration, depth, and size of each layer may be appropriately set according to the specifications.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、縦
型のIGBTのカソード側オンチャネルとオンチャネル
の間に、カソード電極には接していないnエミッタと、
縦型のIGBTのpベース層と電気的に絶縁又は抵抗を
介して接続されたpベース層を持つサイリスタ又はダイ
オードを設け、このサイリスタ(ダイオード)とIGB
Tの面積比を最適な範囲に設定することにより、最大電
流遮断能力は大きなままで低いオン抵抗を持ち、かつ素
子の高耐圧化が可能な絶縁ゲート型半導体装置を実現す
ることが可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, an n-emitter not in contact with the cathode electrode is provided between the on-channel of the vertical IGBT on the cathode side,
A thyristor or a diode having a p-base layer electrically connected to the p-base layer of the vertical IGBT via insulation or resistance is provided, and the thyristor (diode) and the IGB are provided.
By setting the area ratio of T to an optimum range, it is possible to realize an insulated gate semiconductor device having a low on-resistance while maintaining a large maximum current interruption capability and capable of increasing the withstand voltage of an element. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例に係わる絶縁ゲート型半導体装置
の素子構造を示す平面図。
FIG. 1 is a plan view showing an element structure of an insulated gate semiconductor device according to a first embodiment.

【図2】図1の矢視A−A′断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.

【図3】図2の素子の一部を示す素子構造断面図。FIG. 3 is an element structure sectional view showing a part of the element shown in FIG. 2;

【図4】セルサイズと電流密度との関係を示す特性図。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a cell size and a current density.

【図5】第2の実施例の要部構成を示す素子構造断面
図。
FIG. 5 is a sectional view of an element structure showing a main part configuration of a second embodiment.

【図6】第3の実施例の要部構成を示す素子構造断面
図。
FIG. 6 is a sectional view of an element structure showing a main part configuration of a third embodiment.

【図7】第4の実施例の要部構成を示す素子構造断面
図。
FIG. 7 is an element structure cross-sectional view showing a main part configuration of a fourth embodiment.

【図8】第5の実施例に係わる絶縁ゲート型半導体装置
の素子構造を示す平面図。
FIG. 8 is a plan view showing an element structure of an insulated gate semiconductor device according to a fifth embodiment.

【図9】図8の矢視A−A′及びB−B′断面図。FIG. 9 is a sectional view taken along the lines AA ′ and BB ′ of FIG. 8;

【図10】従来の絶縁ゲート型半導体装置の素子構造を
示す断面図。
FIG. 10 is a sectional view showing an element structure of a conventional insulated gate semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…p+ 型Si基板(第1導電型エミッタ層) 12…n- 型層(第2導電型高抵抗ベース層) 13…p型層(第1導電型ベース層) 14…n+ 型層(第2導電型ソース層) 15…チャネル領域 16…ゲート絶縁膜 17…ゲート電極 18…ソース電極 21…p型層(第1導電型ベース層) 22…n+ 型層(第2導電型エミッタ層) 23…p+ 型層 24…n型層11 ... p + -Type Si substrate (first conductivity type emitter layer) 12... N Type layer (second conductivity type high-resistance base layer) 13 ... p-type layer (first conductivity type base layer) 14 ... n + Mold layer (second conductivity type source layer) 15 channel region 16 gate insulating film 17 gate electrode 18 source electrode 21 p-type layer (first conductivity type base layer) 22 n + Mold layer (second conductivity type emitter layer) 23... P + Mold layer 24 ... n-type layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−27164(JP,A) 特開 昭62−150769(JP,A) 特開 昭60−236265(JP,A) 特開 平3−273683(JP,A) 特開 昭61−159767(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 29/749 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-4-27164 (JP, A) JP-A-62-150769 (JP, A) JP-A-60-236265 (JP, A) 273683 (JP, A) JP-A-61-159767 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/78 H01L 29/749

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1導電型エミッタ層上に積層された第2
導電型の高抵抗ベース層と、この第2導電型の高抵抗ベ
ース層の表面部に形成された第1導電型ベース層と、こ
の第1導電型ベース層の表面部に形成された第2導電型
ソース層と、前記高抵抗ベース層の表面部に前記第1導
電型ベース層とは離間して形成された第2導電型エミッ
タ層と、前記第1導電型エミッタ層に接する第1の主電
極と、前記第1導電型ベース層及び第2導電型ソース層
に接する第2の主電極と、前記第2導電型ソース層と第
2導電型エミッタ層との間にゲート絶縁膜を介して形成
されたゲート電極とを具備してなり、 前記各層の厚み方向と直交する横方向の単位セルサイズ
が120μm以下であることを特徴とする絶縁ゲート型
半導体装置。
A first conductive type emitter layer laminated on the first conductive type emitter layer;
A conductive high-resistance base layer; a first conductive type base layer formed on the surface of the second conductive type high-resistance base layer; and a second conductive layer formed on the surface of the first conductive type base layer. A conductive type source layer; a second conductive type emitter layer formed on the surface of the high resistance base layer so as to be separated from the first conductive type base layer; and a first conductive type emitter layer in contact with the first conductive type emitter layer. A main electrode, a second main electrode in contact with the first conductive type base layer and the second conductive type source layer, and a gate insulating film interposed between the second conductive type source layer and the second conductive type emitter layer. An insulated gate semiconductor device, comprising: a gate electrode formed in a horizontal direction, and a unit cell size in a lateral direction orthogonal to a thickness direction of each layer is 120 μm or less.
【請求項2】第1導電型エミッタ層上に積層された第2
導電型の高抵抗ベース層と、この高抵抗ベース層の表面
部に形成された第1の第1導電型ベース層と、前記高抵
抗ベース層の表面部に第1の第1導電型ベース層とは離
間して形成された第2の第1導電型ベース層と、この第
2の第1導電型ベース層の表面部に形成された第2導電
型エミッタ層と、前記第1の第1導電型ベース層の表面
部に形成された第2導電型ソース層と、前記第1導電型
エミッタ層に接する第1の主電極と、前記第1の第1導
電型ベース層及び第2導電型ソース層に接する第2の主
電極と、前記第2導電型ソース層と第2導電型エミッタ
層との間にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極
とを具備してなり、 前記各層の厚み方向と直交する横方向の単位セルサイズ
が120μm以下であることを特徴とする絶縁ゲート型
半導体装置。
A second conductive type emitter layer laminated on the first conductive type emitter layer;
A conductive high-resistance base layer; a first first conductivity-type base layer formed on the surface of the high-resistance base layer; and a first first conductivity-type base layer on the surface of the high-resistance base layer. A second conductive type base layer formed apart from the first conductive type base layer, a second conductive type emitter layer formed on the surface of the second first conductive type base layer, and the first first conductive type base layer. A second conductive type source layer formed on the surface of the conductive type base layer, a first main electrode in contact with the first conductive type emitter layer, the first first conductive type base layer and the second conductive type A second main electrode in contact with the source layer; and a gate electrode formed between the second conductive type source layer and the second conductive type emitter layer via a gate insulating film. An insulated gate having a unit cell size in a lateral direction orthogonal to a thickness direction of 120 μm or less. Semiconductor device.
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