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JP3973934B2 - High voltage semiconductor device - Google Patents

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JP3973934B2
JP3973934B2 JP2002072032A JP2002072032A JP3973934B2 JP 3973934 B2 JP3973934 B2 JP 3973934B2 JP 2002072032 A JP2002072032 A JP 2002072032A JP 2002072032 A JP2002072032 A JP 2002072032A JP 3973934 B2 JP3973934 B2 JP 3973934B2
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conductivity type
layer
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type
type base
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上 智 樹 井
宮 英 彰 二
倉 常 雄 小
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁ゲート構造を有する高耐圧半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自己消弧可能な高耐圧半導体スイッチングデバイスとして、電圧制御が可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)がモーター制御など幅広い分野で用いられている。
【0003】
従来の技術によるIGBTの一例の要部を図11の断面図に示す。同図に示すIGBT200は、n型ベース層10と、n型ベース層10の表面部に選択的に形成されたp型ベース層22と、p型ベース層22の表面部に拡散形成されたn型エミッタ層42とを備える。n型ベース層10、p型ベース層22およびn型エミッタ層42の上にはゲート酸化膜52を介してゲート電極54が形成されている。また、n型エミッタ層42とp型ベース層22の双方に接するようにエミッタ電極58が形成されている。IGBT200はまた、n型ベース層10の表面のうちp型ベース層22およびn型エミッタ層42が形成された面とは反対側の面にn型バッファ層72を介して形成されたp型エミッタ層74をさらに備える。p型エミッタ層74上にはコレクタ電極76が形成されている。
【0004】
次に、図11に示すIGBT200の動作を説明する。IGBT200のエミッタ電極58の電位に対して正の電圧をコレクタ電極76に印加した状態で、ゲート電極54にエミッタ電極58の電位と比して正の電圧を印加すると、p型ベース層22の表面にn型の反転層が形成され、これによりn型エミッタ層42とn型ベース層10とが短絡される。この反転層を通じて電子がn型エミッタ層42からn型ベース層10に注入される。n型ベース層10に注入された電子による電流に応じてp型エミッタ層74からn型ベース層10に正孔が注入される。n型ベース層10中に注入されたこれらのキャリア(電子および正孔)は、n型ベース層10中に蓄積されて伝導度変調を引き起こし、これによりIGBT200はオン状態となる。
【0005】
IGBT200がオンの状態で、エミッタ電極58の電位に対して負の電圧をゲート電極54に印加するとn型反転層は消失し、n型エミッタ層42からn型ベース層10への電子の注入が停止する。その後、n型ベース層10中に蓄積されていたキャリアも排出され、IGBT200はオフ状態になる。
【0006】
ここで、IGBT200のオン状態におけるコレクタ−エミッタ間の電圧降下(通電損失)を低減するためには、オン状態でのn型ベース層10中のキャリア濃度を上げればよい。このとき、コレクタ側のキャリア濃度を増大させるとターンオフ時のスイッチング損失(ターンオフロス)が増大するので、一般的に、エミッタ側のキャリア濃度を増大させる方法が選択される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術によるIGBTについては、エミッタ側のキャリア濃度を増大させるための構造が十分に検討されてこなかった。
【0008】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターンオフロスを増大させることなく通電損失を低減できる高耐圧半導体装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
【0010】
本発明の一態様によれば、前記第1導電型ベース層の周辺部を除く領域の表面部に選択的に形成され、前記第1導電型ベース層の第1の面の表面部に前記第1導電型ベース層よりも実質的に高い不純物濃度を有するように選択的に形成された第1導電型バリア層と、
前記第1導電型バリア層の表面部に選択的に形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面部に選択的に形成された第1導電型エミッタ層と、
前記第1導電型バリア層、前記第2導電型ベース層および前記第1導電型エミッタ層に対向するようにゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記第2導電型ベース層と前記第1導電型エミッタ層に接するように形成された第1の主電極と、
前記第1導電型ベース層の前記第1の面とは反対の面である第2の面に形成された第1導電型バッファ層と、
前記第1導電型バッファ層に接するように形成された第2導電型エミッタ層と、
前記第2導電型エミッタ層に接するように形成された第2の主電極と、
前記第1導電型ベース層の前記第1の面の周辺部の表面部において前記第1導電型バリア層と離隔して選択的に形成され、前記第1導電型バリア層および前記第2導電型ベース層を取り囲むように配設され、前記第1の主電極に接続された第2導電型リング層と、
を備えることを特徴とする高耐圧半導体装置が提供される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、第1導電型としてn型、第2導電型としてp型を用いることとする。また、実質的に同一の機能および構成を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を適宜省略する。
【0013】
(1)第1の実施の形態
本発明にかかる高耐圧半導体装置の第1の実施の形態の要部断面図を図1に示す。同図に示すIGBT1は、n型ベース層10とp型ベース層22の間に挿設されたn型バリア層12をさらに備え、この点が図11に示した従来のIGBT200と異なる。IGBT1のその他の構成は、図11のIGBT200と実質的に同一であるので、その説明は省略する。n型バリア層12の不純物濃度はn型ベース層10よりも高い濃度に設定される。このようなn型バリア層12を備えるIGBT1の通電損失をデバイスシミュレーションによって調べると図2のようになる。このシミュレーションにおいては、4.5kV耐圧の素子を想定し、n型ベース層10の厚さを450μm、セルサイズを70μm、p型ベース層22の拡散深さを5μmとし、コレクタ側の構造はすべて同じ構造とした。従って、通電損失が低下するほどn型ベース層10のエミッタ側にキャリアが蓄積されていることになる。
【0014】
図2に示すように、n型バリア層12の拡散深さが深くなるほど通電損失は低下するが、拡散深さが10μm以上になると飽和し、通電損失は低下しなくなる。従って、n型バリア層12の拡散深さは10μm以上であることが望ましい。
【0015】
本実施形態の半導体装置の製造方法について図3〜図5の略示断面図を参照しながら説明する。
【0016】
まず、図3に示すように、n型ベース層10の裏面側にn型バッファ層72とp型エミッタ層74とを予め形成しておき、この状態で、n型ベース層10の表面へイオン照射等の方法によりリンなどのn型不純物を導入する。導入するn型不純物の量は、耐圧低下を防止する観点から2E12cm−2以下であることが望ましい。その後、酸化雰囲気中で高温熱処理を行うことによりn型ベース層10内の不純物を拡散させ、n型バリア層12を形成する。
【0017】
次に、図4に示すように、レジストを用いたパターニングにより、n型バリア層12の上にゲート酸化膜52およびゲート電極54を選択的に形成する。
【0018】
その後、図5に示すように、ゲート電極54をマスクとしてp型ベース層22およびn型エミッタ層42を拡散形成し、さらに、ゲート電極54を覆うように絶縁膜57を形成する。
【0019】
その後、絶縁膜57にスルーホールTH(図1参照)を形成してエミッタ電極58を形成し、最後に、裏面にコレクタ電極76を形成することにより図1のIGBT1が製造される。
【0020】
(2)第2の実施の形態
図6は、本発明にかかる高耐圧半導体装置の第2の実施の形態の要部を示す断面図である。図1に示すIGBT1との対比において明らかなように、本実施形態のIGBT2は、n型バリア層12上の全面ではなく、一部の領域の上にのみ形成されたゲート電極55を備える。ゲート電極をこのように構成することにより、半導体装置の帰還容量を低減させることができる。この結果、素子動作の安定性を増すことができる。また、帰還容量の減少に伴って、入力容量が減少するので、ゲートドライブ回路の負担を低減することができる。
【0021】
(3)第3の実施の形態
図7は、本発明にかかる高耐圧半導体装置の第3の実施の形態の要部を示す断面図である。本実施形態のIGBT3は、埋め込みゲート構造を有する点が前述した第1の実施の形態と異なる。すなわち、n型ベース層10上にn型バリア層14が形成され、n型バリア層14上にp型ベース層24が形成される。p型ベース層24を貫いてn型バリア層14の途中にまで達する深さのトレンチ溝が形成され、トレンチ溝内にはゲート酸化膜62を介してゲート電極64が形成されている。p型ベース層24の表面部にはトレンチに接するようにn型エミッタ層44が形成されている。また、n型エミッタ層44とp型ベース層24の双方に接するようにエミッタ電極86が形成されている。この一方、n型ベース層10の面のうちn型バリア層14が設けられた面と反対側の面には、n型バッファ層72を介してp型エミッタ層74が形成されている。p型エミッタ層74上にはコレクタ電極76が形成されている。
【0022】
本実施形態のIGBT3によってもn型バリア層14を形成することによって通電損失の低減を図ることができる。
【0023】
本実施形態のIGBTの変形例を図8に示す。同図に示すIGBT4は、p型ベース層26の表面領域のうちn型エミッタ層44が形成されていないトレンチ間の領域を絶縁膜84で覆うことによりエミッタ電極に接続しない構成にしたものである。このような構成を採用することによって、p型エミッタ層74からn型ベース層10中に注入された正孔が、p型ベース層26を通ってエミッタ電極86に排出される際の抵抗が高まる。これにより、n型ベース層10中でより過剰に正孔が蓄積される。すなわち、n型バリア層14を挿設した効果がより高められる。この結果、通電損失をさらに低減することができる。
【0024】
(4)第4の実施の形態
図9は、本発明にかかる高耐圧半導体装置の第4の実施の形態の断面図である。図9においては本実施形態のIGBT5の接合終端部をも併せて示す。図9の紙面左側が素子部であり、また、紙面右側が接合終端部である。紙面の右端に近づくほど素子の周縁に近づく。通常、接合終端部には電位を安定化させるためのp型リング層102がp型ベース層36に接して形成され、p型リング層102のさらに外側には濃度の薄いp型リサーフ層104が形成されている。また、素子の最外周(周縁)には電位安定化のためのn型ストップ層106が形成されている。
【0025】
n型ストップ層106上には電位安定化のための電極(図示せず)が形成され、接合終端部上には素子表面を保護するため絶縁膜(図示せず)が形成される。また、表面保護用の絶縁膜の代わりに高抵抗膜を使用すれば、外部の電荷の影響が素子内部に及ぶことを防ぐことができるので、耐圧を安定化させることができる。
【0026】
本実施形態において、濃度の薄いp型リサーフ層104は、素子の非導通状態で完全に空乏化し、これにより、p型リサーフ層104の表面に負電荷が導入されたことと同じ効果が生じる。その結果、接合終端部の電界が緩和されるので、素子の耐圧を高めることができる。
【0027】
耐圧低下を防止する観点からn型バリア層16とp型リング層102とは互いに離隔して形成するほうがよい。その場合、図1に示すIGBT1とは異なり、外側のセルではn型バリア層が形成されていなくてもよい。
【0028】
(5)第5の実施の形態
図10は、本発明にかかる高耐圧半導体装置の第5の実施の形態の要部を示す断面図である。図10においては、本実施形態のIGBT6の接合終端部も併せて示す。図10の紙面左側が素子部であり、また、紙面右側が接合終端部であり、紙面の右側に近づくほど素子の周縁に近づく。通常、接合終端部には電位を安定化させるためのp型リング層102がp型ベース層36に接して形成され、p型リング層102のさらに外側には、複数のp型ガードリング層107が形成されている。p型ガードリング層107は、素子周縁に近づくほど相互間の距離が広くなるように配設される。図10においては、説明を簡単にするために3本のp型ガードリング層107を示したが、その本数はこれに限ることなく素子の耐圧に応じて決定される。また、素子の最外周(周縁)には電位安定化のためのn型ストップ層106が形成されている。
【0029】
n型ストップ層106上には電位安定化のための電極(図示せず)が形成され、接合終端部上には素子表面を保護するための絶縁膜(図示せず)が形成される。また、表面保護用の絶縁膜に代えて高抵抗膜を使用すれば、外部の電荷の影響が素子内部に及ぶことを防止できるので、耐圧を安定化させることができる。
【0030】
本実施形態のIGBT6によれば、素子の非導通状態において複数のp型ガードリング層107の電位が素子周辺に向かって徐々に上昇するので、接合終端部の電界が緩和される。その結果、素子の耐圧を高めることができる。
【0031】
耐圧低下を防止する観点から、図10に示すように、n型バリア層16とp型リング層102とは互いに隔離して形成する方がよい。その場合、図1に示すIGBT1とは異なり、外側のセルではn型バリア層が形成されていなくても良い。
【0032】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記形態に限ることなくその技術的範囲内で種々変形して適用できることは勿論である。例えば、前述した第4の実施の形態では、接合終端構造としてリサーフ構造を備える場合について説明したが、接合終端構造はリサーフ構造に限ることなく、ガードリング構造、フィールドプレート構造、RFP(resistive field plate)構造、またはこれらの組み合わせ、もしくは変形構造等を適用することができる。
【0033】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、ターンオフロスを増大させることなく通電損失を低減させる高耐圧半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる高耐圧半導体装置の第1の実施の形態の要部を示す断面図である。
【図2】図1に示す高耐圧半導体装置の通電損失のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図3】図1に示す高耐圧半導体装置の製造方法を説明する略示断面図である。
【図4】図1に示す高耐圧半導体装置の製造方法を説明する略示断面図である。
【図5】図1に示す高耐圧半導体装置の製造方法を説明する略示断面図である。
【図6】本発明にかかる高耐圧半導体装置の第2の実施の形態の要部を示す断面図である。
【図7】本発明にかかる高耐圧半導体装置の第3の実施の形態の要部を示す断面図である。
【図8】図7に示す高耐圧半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図9】本発明にかかる高耐圧半導体装置の第4の実施の形態の要部を示す断面図である。
【図10】本発明にかかる高耐圧半導体装置の第5の実施の形態の要部を示す断面図である。
【図11】従来の技術によるIGBTの一例の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
1〜5 IGBT
10 n型ベース層
12,14,16 n型バリア層
22,26,32,34,36 p型ベース層
42,44,46 n型エミッタ層
52 ゲート酸化膜
54,55,64,94 ゲート電極
58,86,92 エミッタ電極
72 n型バッファ層
74 p型エミッタ層
76 コレクタ電極
102 p型リング層
104 p型リサーフ層
107 p型ガードリング層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high voltage semiconductor device having an insulated gate structure.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) capable of voltage control is used in a wide range of fields such as motor control as a high voltage semiconductor switching device capable of self-extinguishing.
[0003]
The principal part of an example of the IGBT according to the prior art is shown in the sectional view of FIG. The IGBT 200 shown in FIG. 1 includes an n-type base layer 10, a p-type base layer 22 selectively formed on the surface portion of the n-type base layer 10, and an n-type diffused and formed on the surface portion of the p-type base layer 22. A mold emitter layer 42. A gate electrode 54 is formed on the n-type base layer 10, the p-type base layer 22 and the n-type emitter layer 42 via a gate oxide film 52. An emitter electrode 58 is formed so as to be in contact with both the n-type emitter layer 42 and the p-type base layer 22. The IGBT 200 is also a p-type emitter formed through an n-type buffer layer 72 on the surface of the n-type base layer 10 opposite to the surface on which the p-type base layer 22 and the n-type emitter layer 42 are formed. A layer 74 is further provided. A collector electrode 76 is formed on the p-type emitter layer 74.
[0004]
Next, the operation of the IGBT 200 shown in FIG. 11 will be described. When a positive voltage is applied to the gate electrode 54 with respect to the potential of the emitter electrode 58 in a state in which a positive voltage is applied to the collector electrode 76 with respect to the potential of the emitter electrode 58 of the IGBT 200, the surface of the p-type base layer 22. An n-type inversion layer is formed in the n-type inversion layer, whereby the n-type emitter layer 42 and the n-type base layer 10 are short-circuited. Electrons are injected from the n-type emitter layer 42 into the n-type base layer 10 through the inversion layer. Holes are injected from the p-type emitter layer 74 into the n-type base layer 10 in accordance with the current caused by the electrons injected into the n-type base layer 10. These carriers (electrons and holes) injected into the n-type base layer 10 are accumulated in the n-type base layer 10 to cause conductivity modulation, whereby the IGBT 200 is turned on.
[0005]
When a negative voltage with respect to the potential of the emitter electrode 58 is applied to the gate electrode 54 with the IGBT 200 turned on, the n-type inversion layer disappears, and electrons are injected from the n-type emitter layer 42 into the n-type base layer 10. Stop. Thereafter, the carriers accumulated in the n-type base layer 10 are also discharged, and the IGBT 200 is turned off.
[0006]
Here, in order to reduce the voltage drop (energization loss) between the collector and the emitter in the on state of the IGBT 200, the carrier concentration in the n-type base layer 10 in the on state may be increased. At this time, if the carrier concentration on the collector side is increased, the switching loss (turn-off loss) at the time of turn-off increases. Therefore, a method for increasing the carrier concentration on the emitter side is generally selected.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, with respect to IGBTs according to the prior art, a structure for increasing the carrier concentration on the emitter side has not been sufficiently studied.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high voltage semiconductor device capable of reducing current loss without increasing turn-off loss.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention aims to solve the above problems by the following means.
[0010]
According to an aspect of the present invention, the first conductivity type base layer is selectively formed on a surface portion of a region excluding a peripheral portion, and the first conductivity type base layer has a first surface on the surface portion of the first surface. A first conductivity type barrier layer selectively formed to have an impurity concentration substantially higher than that of the one conductivity type base layer;
A second conductivity type base layer selectively formed on a surface portion of the first conductivity type barrier layer;
A first conductivity type emitter layer selectively formed on a surface portion of the second conductivity type base layer;
A gate electrode formed through a gate insulating film so as to face the first conductivity type barrier layer, the second conductivity type base layer, and the first conductivity type emitter layer;
A first main electrode formed in contact with the second conductivity type base layer and the first conductivity type emitter layer;
A first conductivity type buffer layer formed on a second surface that is opposite to the first surface of the first conductivity type base layer;
A second conductivity type emitter layer formed in contact with the first conductivity type buffer layer;
A second main electrode formed in contact with the second conductivity type emitter layer;
The first conductive type barrier layer and the second conductive type are selectively formed separately from the first conductive type barrier layer at a surface portion of the periphery of the first surface of the first conductive type base layer. A second conductivity type ring layer disposed to surround the base layer and connected to the first main electrode;
A high voltage semiconductor device is provided.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, n-type is used as the first conductivity type, and p-type is used as the second conductivity type. In addition, components having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
[0013]
(1) First Embodiment FIG. 1 shows a cross-sectional view of a main part of a first embodiment of a high voltage semiconductor device according to the present invention. The IGBT 1 shown in the figure further includes an n-type barrier layer 12 inserted between the n-type base layer 10 and the p-type base layer 22, and this point is different from the conventional IGBT 200 shown in FIG. The other configuration of the IGBT 1 is substantially the same as that of the IGBT 200 of FIG. The impurity concentration of the n-type barrier layer 12 is set higher than that of the n-type base layer 10. When the conduction loss of the IGBT 1 having such an n-type barrier layer 12 is examined by device simulation, it is as shown in FIG. In this simulation, a 4.5 kV breakdown voltage element is assumed, the thickness of the n-type base layer 10 is 450 μm, the cell size is 70 μm, the diffusion depth of the p-type base layer 22 is 5 μm, and the collector side structure is all Same structure. Accordingly, carriers are accumulated on the emitter side of the n-type base layer 10 as the conduction loss decreases.
[0014]
As shown in FIG. 2, the conduction loss decreases as the diffusion depth of the n-type barrier layer 12 increases. However, when the diffusion depth exceeds 10 μm, the conduction loss is saturated and the conduction loss does not decrease. Accordingly, the diffusion depth of the n-type barrier layer 12 is desirably 10 μm or more.
[0015]
The manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS.
[0016]
First, as shown in FIG. 3, an n-type buffer layer 72 and a p-type emitter layer 74 are formed in advance on the back side of the n-type base layer 10, and in this state, ions are applied to the surface of the n-type base layer 10. An n-type impurity such as phosphorus is introduced by a method such as irradiation. The amount of the n-type impurity to be introduced is desirably 2E12 cm −2 or less from the viewpoint of preventing a decrease in breakdown voltage. Thereafter, high-temperature heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to diffuse impurities in the n-type base layer 10 to form the n-type barrier layer 12.
[0017]
Next, as shown in FIG. 4, a gate oxide film 52 and a gate electrode 54 are selectively formed on the n-type barrier layer 12 by patterning using a resist.
[0018]
Thereafter, as shown in FIG. 5, the p-type base layer 22 and the n-type emitter layer 42 are formed by diffusion using the gate electrode 54 as a mask, and an insulating film 57 is formed so as to cover the gate electrode 54.
[0019]
Thereafter, through holes TH (see FIG. 1) are formed in the insulating film 57 to form the emitter electrode 58, and finally, the collector electrode 76 is formed on the back surface, whereby the IGBT 1 in FIG. 1 is manufactured.
[0020]
(2) Second Embodiment FIG. 6 is a cross-sectional view showing the main part of a second embodiment of the high voltage semiconductor device according to the present invention. As is clear from comparison with the IGBT 1 shown in FIG. 1, the IGBT 2 of the present embodiment includes the gate electrode 55 formed not on the entire surface on the n-type barrier layer 12 but only on a part of the region. By configuring the gate electrode in this way, the feedback capacitance of the semiconductor device can be reduced. As a result, the stability of the element operation can be increased. In addition, since the input capacitance is reduced as the feedback capacitance is reduced, the burden on the gate drive circuit can be reduced.
[0021]
(3) Third Embodiment FIG. 7 is a cross-sectional view showing the main part of a third embodiment of the high voltage semiconductor device according to the present invention. The IGBT 3 of this embodiment is different from the first embodiment described above in that it has a buried gate structure. That is, the n-type barrier layer 14 is formed on the n-type base layer 10, and the p-type base layer 24 is formed on the n-type barrier layer 14. A trench groove having a depth reaching the middle of the n-type barrier layer 14 through the p-type base layer 24 is formed, and a gate electrode 64 is formed in the trench groove via a gate oxide film 62. An n-type emitter layer 44 is formed on the surface portion of the p-type base layer 24 so as to be in contact with the trench. An emitter electrode 86 is formed so as to be in contact with both the n-type emitter layer 44 and the p-type base layer 24. On the other hand, a p-type emitter layer 74 is formed via an n-type buffer layer 72 on the surface of the n-type base layer 10 opposite to the surface on which the n-type barrier layer 14 is provided. A collector electrode 76 is formed on the p-type emitter layer 74.
[0022]
The current loss can be reduced by forming the n-type barrier layer 14 also by the IGBT 3 of the present embodiment.
[0023]
A modification of the IGBT of the present embodiment is shown in FIG. The IGBT 4 shown in the figure is configured so as not to be connected to the emitter electrode by covering the region between the trenches where the n-type emitter layer 44 is not formed in the surface region of the p-type base layer 26 with an insulating film 84. . By adopting such a configuration, resistance when holes injected from the p-type emitter layer 74 into the n-type base layer 10 are discharged to the emitter electrode 86 through the p-type base layer 26 is increased. . Thereby, holes are accumulated more excessively in the n-type base layer 10. That is, the effect of inserting the n-type barrier layer 14 is further enhanced. As a result, energization loss can be further reduced.
[0024]
(4) Fourth Embodiment FIG. 9 is a sectional view of a fourth embodiment of the high voltage semiconductor device according to the present invention. In FIG. 9, the junction termination | terminus part of IGBT5 of this embodiment is also shown collectively. The left side of FIG. 9 is the element part, and the right side of the page is the joining terminal part. The closer to the right edge of the paper, the closer to the periphery of the element. Normally, a p-type ring layer 102 for stabilizing the potential is formed in contact with the p-type base layer 36 at the junction termination portion, and a p-type RESURF layer 104 having a low concentration is formed outside the p-type ring layer 102. Is formed. In addition, an n-type stop layer 106 for stabilizing the potential is formed on the outermost periphery (periphery) of the element.
[0025]
An electrode (not shown) for stabilizing the potential is formed on the n-type stop layer 106, and an insulating film (not shown) is formed on the junction termination portion to protect the element surface. In addition, if a high resistance film is used instead of the surface protection insulating film, the influence of external charges can be prevented from reaching the inside of the element, so that the breakdown voltage can be stabilized.
[0026]
In the present embodiment, the p-type RESURF layer 104 having a low concentration is completely depleted in the non-conducting state of the element, and this produces the same effect as a negative charge is introduced into the surface of the p-type RESURF layer 104. As a result, the electric field at the junction termination portion is relaxed, so that the breakdown voltage of the element can be increased.
[0027]
From the viewpoint of preventing a decrease in breakdown voltage, the n-type barrier layer 16 and the p-type ring layer 102 are preferably formed apart from each other. In that case, unlike the IGBT 1 shown in FIG. 1, the n-type barrier layer may not be formed in the outer cell.
[0028]
(5) Fifth Embodiment FIG. 10 is a cross-sectional view showing the main part of a fifth embodiment of the high voltage semiconductor device according to the present invention. In FIG. 10, the junction termination | terminus part of IGBT6 of this embodiment is also shown collectively. The left side of FIG. 10 is the element portion, and the right side of the paper is the joining end portion. The closer to the right side of the paper, the closer to the periphery of the element. In general, a p-type ring layer 102 for stabilizing the potential is formed in contact with the p-type base layer 36 at the junction termination portion, and a plurality of p-type guard ring layers 107 are further provided outside the p-type ring layer 102. Is formed. The p-type guard ring layer 107 is disposed so that the distance between the p-type guard ring layers 107 increases as the distance from the device edge increases. In FIG. 10, three p-type guard ring layers 107 are shown for simplicity of explanation, but the number is not limited to this and is determined according to the breakdown voltage of the element. In addition, an n-type stop layer 106 for stabilizing the potential is formed on the outermost periphery (periphery) of the element.
[0029]
An electrode (not shown) for stabilizing the potential is formed on the n-type stop layer 106, and an insulating film (not shown) for protecting the element surface is formed on the junction termination portion. If a high resistance film is used instead of the insulating film for surface protection, the influence of external charges can be prevented from reaching the inside of the element, so that the breakdown voltage can be stabilized.
[0030]
According to the IGBT 6 of the present embodiment, since the potentials of the plurality of p-type guard ring layers 107 gradually increase toward the periphery of the device when the device is in a non-conducting state, the electric field at the junction termination is alleviated. As a result, the breakdown voltage of the element can be increased.
[0031]
From the viewpoint of preventing a decrease in breakdown voltage, it is better to form the n-type barrier layer 16 and the p-type ring layer 102 separately from each other as shown in FIG. In that case, unlike the IGBT 1 shown in FIG. 1, the n-type barrier layer may not be formed in the outer cell.
[0032]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied with various modifications within the technical scope. For example, in the above-described fourth embodiment, the case where the RESURF structure is provided as the junction termination structure has been described. However, the junction termination structure is not limited to the RESURF structure, but a guard ring structure, a field plate structure, an RFP (resistive field plate). ) A structure, a combination thereof, or a deformed structure can be applied.
[0033]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a high voltage semiconductor device that can reduce current loss without increasing turn-off loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a first embodiment of a high voltage semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a simulation result of energization loss of the high voltage semiconductor device shown in FIG.
3 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the high voltage semiconductor device shown in FIG. 1. FIG.
4 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the high voltage semiconductor device shown in FIG.
5 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the high voltage semiconductor device shown in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main part of a second embodiment of a high voltage semiconductor device according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a main part of a third embodiment of a high voltage semiconductor device according to the present invention.
8 is a cross-sectional view showing a modification of the high voltage semiconductor device shown in FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a main part of a fourth embodiment of a high voltage semiconductor device according to the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a main part of a fifth embodiment of the high voltage semiconductor device according to the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a main part of an example of a conventional IGBT.
[Explanation of symbols]
1-5 IGBT
10 n-type base layers 12, 14, 16 n-type barrier layers 22, 26, 32, 34, 36 p-type base layers 42, 44, 46 n-type emitter layer 52 Gate oxide films 54, 55, 64, 94 Gate electrode 58 , 86, 92 Emitter electrode 72 n-type buffer layer 74 p-type emitter layer 76 collector electrode 102 p-type ring layer 104 p-type RESURF layer 107 p-type guard ring layer

Claims (5)

第1導電型ベース層と、
前記第1導電型ベース層の周辺部を除く領域の表面部に選択的に形成され、前記第1導電型ベース層の第1の面の表面部に前記第1導電型ベース層よりも実質的に高い不純物濃度を有するように選択的に形成された第1導電型バリア層と、
前記第1導電型バリア層の表面部に選択的に形成された第2導電型ベース層と、
前記第2導電型ベース層の表面部に選択的に形成された第1導電型エミッタ層と、
前記第1導電型バリア層、前記第2導電型ベース層および前記第1導電型エミッタ層に対向するようにゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記第2導電型ベース層と前記第1導電型エミッタ層に接するように形成された第1の主電極と、
前記第1導電型ベース層の前記第1の面とは反対の面である第2の面に形成された第1導電型バッファ層と、
前記第1導電型バッファ層に接するように形成された第2導電型エミッタ層と、
前記第2導電型エミッタ層に接するように形成された第2の主電極と、
前記第1導電型ベース層の前記第1の面の周辺部の表面部において前記第1導電型バリア層と離隔して選択的に形成され、前記第1導電型バリア層および前記第2導電型ベース層を取り囲むように配設され、前記第1の主電極に接続された第2導電型リング層と、
を備えることを特徴とする高耐圧半導体装置。
A first conductivity type base layer;
The first conductivity type base layer is selectively formed on a surface portion of a region excluding a peripheral portion, and is substantially more substantially on the surface portion of the first surface of the first conductivity type base layer than the first conductivity type base layer. A first conductivity type barrier layer selectively formed to have a high impurity concentration;
A second conductivity type base layer selectively formed on a surface portion of the first conductivity type barrier layer;
A first conductivity type emitter layer selectively formed on a surface portion of the second conductivity type base layer;
A gate electrode formed through a gate insulating film so as to face the first conductivity type barrier layer, the second conductivity type base layer, and the first conductivity type emitter layer;
A first main electrode formed in contact with the second conductivity type base layer and the first conductivity type emitter layer;
A first conductivity type buffer layer formed on a second surface that is opposite to the first surface of the first conductivity type base layer ;
A second conductivity type emitter layer formed in contact with the first conductivity type buffer layer ;
A second main electrode formed in contact with the second conductivity type emitter layer;
The first conductive type barrier layer and the second conductive type are selectively formed separately from the first conductive type barrier layer at a surface portion of the periphery of the first surface of the first conductive type base layer. A second conductivity type ring layer disposed to surround the base layer and connected to the first main electrode;
High-voltage semiconductor device according to claim Rukoto equipped with.
前記ゲート電極は、前記第1導電型バリア層に対向する部分が前記第1導電型バリア層の一部の領域に対向するように形成されることを特徴とする請求項1に記載の高耐圧半導体装置。  2. The high breakdown voltage according to claim 1, wherein the gate electrode is formed such that a portion facing the first conductivity type barrier layer is opposed to a partial region of the first conductivity type barrier layer. Semiconductor device. 前記第1導電型バリア層は、前記第1導電型ベース層の前記第1の面から前記第2の面に向かう方向と同一の方向において10μm以上の厚さを有することを特徴とする請求項1または2に記載の高耐圧半導体装置。The first conductive barrier layer, claims, characterized in that it has the 10μm or more thick in the same direction as the direction from the first surface to the second surface of the first conductivity type base layer 3. A high breakdown voltage semiconductor device according to 1 or 2 . 前記第1導電型ベース層の前記第1の面の表面部であって前記第2導電型リング層の外側に形成され、前記第2導電型リング層に接し、かつ、前記第2導電型リング層から素子の周縁部に向かって延在するように配設された第2導電型リサーフ層をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の高耐圧半導体装置。A surface portion of the first surface of the first conductivity type base layer, formed outside the second conductivity type ring layer, in contact with the second conductivity type ring layer, and the second conductivity type ring. high voltage semiconductor device according to claim 1 or 2, further comprising a second conductivity type RESURF layer disposed so as to extend toward the layer on the periphery of the element. 前記第1導電型ベース層の前記第1の面の表面部であって前記第2導電型リング層の外側から素子の周縁近傍に至る領域に選択的に形成され、前記第2導電型リング層に離隔して、かつ、互いに離隔するように配設された複数の第2導電型ガードリング層をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の高耐圧半導体装置。The second conductivity type ring layer is selectively formed in a surface portion of the first surface of the first conductivity type base layer and in a region extending from the outside of the second conductivity type ring layer to the vicinity of the periphery of the element. and spaced, and high breakdown voltage semiconductor device according to claim 1 or 2, further comprising a plurality of second conductivity type guard ring layer disposed to be separated from each other.
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