JP5359182B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチゲート構造の絶縁ゲート型トランジスタ(以下、IGBTという)等のような絶縁ゲート型の半導体装置に関するものである。 The present invention relates to an insulated gate semiconductor device such as an insulated gate transistor (hereinafter referred to as IGBT) having a trench gate structure.
従来より、トレンチゲート構造のIGBT等の高耐圧絶縁ゲート型半導体素子として、図17および図18に示す構造のIGBTを有する半導体装置が一般に知られている(例えば、特許文献1参照)。これらのIGBTでは、エミッタ電極とのコンタクトが行われるn+型エミッタ領域101がp型ベース領域102内に選択的に形成されると共に、n+型エミッタ領域101のない部分にダミートレンチ103が形成されることで、偏り無い分布のトレンチゲート構造が備えられた構造とされている。つまり、n+型エミッタ領域101をp型ベース領域102の全域に形成するのではなく間引いて形成しつつ、間引かれた領域にもゲート電圧印加用のゲート電極104が形成されるトレンチ105ではないダミー用のダミーゲート電極106が備えられるダミートレンチ103が配置されるようにしている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor device having an IGBT having a structure shown in FIGS. 17 and 18 is generally known as a high breakdown voltage insulated gate semiconductor element such as an IGBT having a trench gate structure (see, for example, Patent Document 1). In these IGBTs, an n + -
このように、n+型エミッタ領域101を選択的に形成することにより、高抵抗なp型ベース領域102の伝導度変調を促進して通電損失を更に低減でき、ダミートレンチ103を形成することにより、耐圧を向上することができる。このため、通電損失と、耐圧のトレードオフを改善することが可能となる。そして、このような構造のIGBTにおいて、ダミーゲート電極106の電位を安定させるために、図17に示すようにエミッタ電極に接続させたり、図18に示すようにゲート電極104に接続させたりしている。
しかしながら、ダミートレンチ103内のダミーゲート電極106をエミッタ電極やゲート電極104に接続させた場合、電位の安定は図れるものの以下のような問題がある。
However, when the
すなわち、ダミーゲート電極106をゲート電極104に接続するとG−C間容量(ゲート−コレクタ間容量)が大きくなり、スイッチング損失が大きくなり過ぎるという問題がある。また、ダミーゲート電極106をエミッタ電極に接続するとG−E間容量(ゲート−エミッタ間容量)が大きくなり、スイッチングサージが大きくなり過ぎるという問題がある。
That is, when the
さらに、アプリケーションによってはその中間的な部分、つまりスイッチングサージとスイッチング損失のバランスの取れたものが望まれることがあり、それを実現するために、図19に示すようなダミートレンチ103内のダミーゲート電極106をフロート層107に接続させるという構造も考えられる。
Further, depending on the application, an intermediate part thereof, that is, a balanced switching surge and switching loss may be desired. To realize this, a dummy gate in the
しかしながら、このようにダミーゲート電極106をフロート層107に接続する構造は、接続した部分および接続部分から離れた場所で、フロート層107の電位にアンバランスが生じ、電流集中による破壊耐量低下を引き起こすという問題がある。例えば、ストライプ状に複数のダミートレンチ103が配置されている場合、複数のダミートレンチ103の間それぞれにフロート層107が配置されることになり、ダミートレンチ103およびフロート層107の上に形成された一本の配線にてダミーゲート電極106とフロート層107とが電気的に接続されることになる。このとき、n+型エミッタ領域101に接続されるエミッタ電極を広面積にしなければならないことから、ダミーゲート電極106とフロート層107との電気的接続に用いられる一本の配線は細いものにならざるを得ないため、各フロート層107のうち配線と電気的に接続された箇所は同電位になり、そこから離れるに連れて電位差が発生し、例えば図19の奥行き方向(フロート層107の延設方向)への距離が離れるほど各フロート層107間の電位差が大きくなる。このように長手方向における各フロート層の電位差関係に違いが生じることで、スイッチング時に動作不均一(アンバランス)が生じ、電流集中による破壊耐量低下を引き起こすことになる。
However, in the structure in which the
本発明は上記点に鑑みて、フロート層の延設方向において、フロート層間で電位差が大きくなることを抑制し、電流集中による破壊耐量低下を引き起こすことを防止できるようにすることを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to suppress an increase in potential difference between float layers in the extending direction of the float layer, and to prevent a reduction in breakdown resistance due to current concentration.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ベース領域(3)は、トレンチ(4)によって複数に分離され、分離された複数のベース領域(3)それぞれが同方向に延設されることで平行に配置された部分を有した構造とされ、複数のベース領域(3)のうち、エミッタ領域(5)が形成されたものがチャネル層(3a)として機能すると共に、エミッタ領域(5)が形成されていないものがフロート層(3b〜3d)として機能し、チャネル層(3a)とフロート層(3b〜3d)が一定割合かつ一定の配置順で繰り返し配置されており、ゲート電極(7a〜7c)は、トレンチ(4)のうちエミッタ領域(5)が接するものに埋め込まれたゲート電圧印加用のゲート電極(7a)と、トレンチ(4)のうちエミッタ領域(5)と接していないものに埋め込まれたダミーゲート電極(7b、7c)とを有して構成され、ダミーゲート電極(7b、7c)は、フロート層(3b〜3d)のうちチャネル層(3a)の隣に位置する第1フロート層(3b)と共にトレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第1フロート配線(12)に電気的に接続され、フロート層(3b〜3d)のうち第1フロート層(3b)よりもチャネル層(3a)から離れて配置される第2フロート層(3c)から分離されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the base region (3) is divided into a plurality of regions by the trench (4), and each of the plurality of separated base regions (3) extends in the same direction. Thus, a structure having portions arranged in parallel is formed, and among the plurality of base regions (3), the one in which the emitter region (5) is formed functions as the channel layer (3a), and the emitter region Those in which (5) is not formed function as the float layers (3b to 3d), and the channel layer (3a) and the float layers (3b to 3d) are repeatedly arranged in a certain ratio and in a certain arrangement order. The electrodes (7a to 7c) include a gate voltage application gate electrode (7a) embedded in the trench (4) in contact with the emitter region (5), and the emitter region (5) in the trench (4). And dummy gate electrodes (7b, 7c) embedded in non-contacting layers, and the dummy gate electrodes (7b, 7c) are adjacent to the channel layer (3a) in the float layers (3b-3d). Are electrically connected to the first float wiring (12) extending in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the trench (4) together with the first float layer (3b) located at the position of the float layer (3b-3d) Of these, the first float layer (3b) is separated from the second float layer (3c) arranged farther from the channel layer (3a) than the first float layer (3b).
このように、ダミーゲート電極(7b、7c)を第1フロート層(3b)に電気的に接続することによって、スイッチングサージとスイッチング損失のバランスの取れた構造とすることが可能となる。 Thus, by electrically connecting the dummy gate electrodes (7b, 7c) to the first float layer (3b), it is possible to obtain a structure in which switching surge and switching loss are balanced.
また、各フロート層(3b〜3d)を同じ配線に接続するのではなく、それぞれ異なった配線に接続するようにしている。このため、ターンオフ時には、各フロート層(3b〜3d)における配線との接触場所の電位がそれぞれ異なる電位となる。そして、トレンチ(4)の長手方向と垂直方向における各フロート層(3b〜3d)それぞれの電位差は、配線との接触場所から離れたとしても、大きく変動しない。つまり、ほぼ同じ電位差を保った状態となる。このため、長手方向における各フロート層(3b〜3d)の電位に違いが生じないようにできる。これにより、スイッチング時の動作均一性が保たれ、電流集中による破壊耐量低下を引き起こすことを防止することが可能となる。 Further, the float layers (3b to 3d) are not connected to the same wiring, but are connected to different wirings. For this reason, at the time of turn-off, the potentials at the places where the float layers (3b to 3d) are in contact with the wirings have different potentials. The potential difference of each of the float layers (3b to 3d) in the longitudinal direction and the vertical direction of the trench (4) does not vary greatly even if the potential difference is away from the contact point with the wiring. That is, almost the same potential difference is maintained. For this reason, it is possible to prevent a difference in potential between the float layers (3b to 3d) in the longitudinal direction. As a result, the uniformity of operation during switching can be maintained, and it is possible to prevent the breakdown tolerance from being reduced due to current concentration.
具体的には、請求項1に記載の発明では、第2フロート層(3c)が電気的に接続されるトレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第2フロート配線(13)からダミーゲート電極(7b、7c)を電気的に分離した構成としている。 Specifically, in the first aspect of the present invention, the second float wiring (2) extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the trench (4) to which the second float layer (3c) is electrically connected. 13) or al dummy gate electrode (7b, 7c) are electrically discrete configure.
請求項2に記載の発明では、ベース領域(3)は、トレンチ(4)によって複数に分離され、分離された複数のベース領域(3)それぞれが同方向に延設されることで平行に配置された部分を有した構造とされ、複数のベース領域(3)のうち、エミッタ領域(5)が形成されたものがチャネル層(3a)として機能すると共に、エミッタ領域(5)が形成されていないものがフロート層(3b〜3d)として機能し、チャネル層(3a)とフロート層(3b〜3d)が一定割合かつ一定の配置順で繰り返し配置されており、ゲート電極(7a〜7c)は、トレンチ(4)のうちエミッタ領域(5)が接するものに埋め込まれたゲート電圧印加用のゲート電極(7a)と、トレンチ(4)のうちエミッタ領域(5)と接していないものに埋め込まれたダミーゲート電極(7b、7c)とを有して構成され、ダミーゲート電極(7b、7c)のうちチャネル層(3a)に最も近いもの(7b)は、フロート層(3b〜3d)のうちチャネル層(3a)に最も近い第1フロート層(3b)と共にトレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第1フロート配線(12)に電気的に接続されていることを特徴としている。
In the invention according to
このような構造としても、各フロート層(3b〜3d)それぞれの電位差の関係がトレンチ(4)の長手方向のどの場所でも保たれることになり、請求項1と同様に、スイッチング時の動作均一性が保たれ、電流集中による破壊耐量低下を引き起こすことを防止することが可能となる。 Even in such a structure, the relationship between the potential differences of the respective float layers (3b to 3d) is maintained at any place in the longitudinal direction of the trench (4). Uniformity is maintained, and it is possible to prevent a reduction in breakdown resistance due to current concentration.
この場合、請求項2に記載したように、ダミーゲート電極(7b、7c)のうち第1フロート層(3b)よりもチャネル層(3a)から離れたもの(7c)に関しては、第1フロート層(3b)よりもチャネル層(3a)から離れた第2フロート層(3c)と共にトレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第2フロート配線(13)に電気的に接続されるようにしている。
In this case, as described in
例えば、請求項3に記載したように、トレンチ(4)を環状構造とし、複数のトレンチ(4)を1組として多重リング構造とすることができる。
For example, as described in
また、請求項4に記載したように、ゲート電圧印加用のゲート電極(7a)が電気的に接続されるゲート配線(11)と第1フロート配線(12)および第2フロート配線(13)を、ゲート電圧印加用のゲート電極(7a)やダミーゲート電極(7b、7c)における長手方向先端位置に平行に並べた配置とすることができる。
Further, as described in
さらに、請求項5に記載したように、ゲート電圧印加用のゲート電極(7a)やダミーゲート電極(7b、7c)における長手方向の中央位置においてエミッタ電極(15)を2つに分断し、該分断された2つのエミッタ電極(15)の間に、ゲート電圧印加用のゲート電極(7a)が電気的に接続されるゲート配線(11)と第1フロート配線(12)および第2フロート配線(13)を平行に並べて配置することもできる。
Furthermore, as described in
このような構造とすれば、チップサイズが大きくなったとしても、ダミーゲート電極(7b、7c)内部での電位の伝わりの遅れによるアンバランスを抑制でき、更に請求項1に示した効果を得ることが可能となる。
With such a structure, even if the chip size is increased, it is possible to suppress an imbalance due to a delay in potential transmission inside the dummy gate electrodes (7b, 7c), and further obtain the effect described in
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本実施形態にかかるIGBTを有する半導体装置の断面構造および配線構造を示した断面模式図である。図2は、図1に示す半導体装置の別断面における断面図である。また、図3は、図1および図2に示すIGBTを有する半導体装置の上面レイアウト図であり、図4は、図1および図2に示すIGBTを有する半導体装置の部分断面斜視図である。図1、図2は、それぞれ、図3のA−A断面とB−B断面に相当している。なお、図3は、断面図ではないが、図の理解を容易にするために部分的にハッチングを示してある。以下、これらの図を参照して、本実施形態にかかるIGBTを有する半導体装置について説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure and a wiring structure of a semiconductor device having an IGBT according to the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 3 is a top layout view of the semiconductor device having the IGBT shown in FIGS. 1 and 2, and FIG. 4 is a partial cross-sectional perspective view of the semiconductor device having the IGBT shown in FIGS. 1 and 2. 1 and FIG. 2 correspond to the AA cross section and the BB cross section of FIG. 3, respectively. Although FIG. 3 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown to facilitate understanding of the drawing. Hereinafter, the semiconductor device having the IGBT according to the present embodiment will be described with reference to these drawings.
図1に示すように、一面側を主表面とする厚さp+型基板1にIGBTが形成されている。p+型基板1には、高不純物濃度のものが用いられている。このp+型基板1の主表面上にエピタキシャル成長などによりp+型基板1よりも低不純物濃度となるように形成されたn-型ドリフト層2が備えられている。
As shown in FIG. 1, an IGBT is formed on a p + -
また、n-型ドリフト層2の表層部には、所定厚さのp型ベース領域3が形成されている。さらに、p型ベース領域3を貫通してn-型ドリフト層2まで達するように複数個のトレンチ4が形成されており、このトレンチ4によってp型ベース領域3が複数個に分離されている。具体的には、図1および図2の断面(図3のA−A断面もしくはB−B断面)においては、トレンチ4は複数個等間隔に形成されており、図1および図2の奥行き方向(紙面垂直方向)において各トレンチ4が平行に延設されたのち、図3および図4に示すように、先端部において引き回されることで環状構造とされている。そして、各トレンチ4が構成する環状構造は複数本ずつ(本実施形態の場合は3本ずつ)を1組として多重リング構造が構成され、隣接する多重リング構造同士の長手方向が平行となるように配置されている。以下、複数個のトレンチ4のうち、最外周に配置されたものを最外周トレンチ4a、その1つ内側のものを第1内周トレンチ4b、さらに内側(最内周)に配置されたものを第2内周トレンチ4cと言う。
A p-
隣接する多重リング構造の最外周トレンチ4a同士の間に配置されているp型ベース領域3は、チャネル領域を構成するチャネルp層3aであり、このチャネルp層3aの表層部に、n+型エミッタ領域5が形成されている。
The p-
n+型エミッタ領域5は、n-型ドリフト層2よりも高不純物濃度で構成され、p型ベース領域3内において終端しており、かつ、最外周トレンチ4aの側面に接するように配置されている。より詳しくは、最外周トレンチ4aの長手方向に沿って棒状に延設され、最外周トレンチ4aの先端よりも内側で終端した構造とされている。このため、複数個のトレンチ4のうち、このn+型エミッタ領域5の両側に配置された最外周トレンチ4aがゲート電極形成用とされ、それ以外の第1、第2内周トレンチ4b、4cがダミートレンチ用とされる。
The n + -
具体的には、各トレンチ4内は、各トレンチ4の内壁表面を覆うように形成されたゲート絶縁膜6と、このゲート絶縁膜6の表面に形成されたドープトPoly−Si等により構成されるゲート電極7a〜7cとにより埋め込まれている。そして、図1および図3に示すように、ゲート電極7a〜7cのうち、n+型エミッタ領域5の両側に配置された最外周トレンチ4a内に形成されたゲート電極7aは、ゲート電圧が印加されるゲート配線11に電気的に接続され、それ以外の第1、第2内周トレンチ4b、4c内に形成されたダミーゲート電極7b、7cは、多重リング構造を構成する各トレンチ4のうちの最外周トレンチ4aとそれよりも1つ内側の第1内周トレンチ4bに挟まれたp型ベース領域3にて構成される第1フロート層3bに電気的に接続される第1フロート配線12に接続されている。また、第1内周トレンチ4bと更にそれよりも1つ内側の第2内周トレンチ4cに挟まれたp型ベース領域3にて第2フロート層3cが構成され、第2フロート配線13に電気的に接続されている。さらに、第2内周トレンチ4cの内側に配置されたp型ベース領域3にて第3フロート層3dが構成され、第3フロート配線14に電気的に接続されている。
Specifically, each
第1〜第3フロート配線12、13、14とダミーゲート電極7b、7cや各フロート層3b〜3cとの電気的な接続は、各配線同士が短絡しない構造であればどのようなものであっても構わないが、本実施形態では、例えば第2フロート配線13と各部との電気的接続は、図2に示す構造により実現している。
The electrical connection between the first to third float wirings 12, 13, 14 and the
すなわち、各フロート層3b〜3dの表面を絶縁膜8で覆い、ダミーゲート電極7b、7cを構成するドープトPoly−Si9が第2、第3フロート層3c、3dの上まで延設されるようにすることで、ダミーゲート電極7b、7cがドープトPoly−Si9を通じて電気的に接続されるようにしてある。そして、層間絶縁膜10にて各部を絶縁し、層間絶縁膜10に形成したコンタクトホール10a、10bを通じてドープトPoly−Si9の一部および第1フロート層3bの一部のみを露出させ、その上に第1フロート配線12を配置することで、ダミーゲート電極7b、7cと第1フロート層3bおよび第1フロート配線12との電気的な接続を行っている。
That is, the surface of each of the float layers 3b to 3d is covered with the insulating film 8, and the doped Poly-
なお、本実施形態では、ダミーゲート電極7b、7cと第1フロート層3bとを電気的に接続する第1フロート配線12の他、第2フロート層3cと電気的に接続される第2フロート配線13や第3フロート層3dと電気的に接続される第3フロート配線14についても備えている例を挙げたが、第2フロート配線13や第3フロート配線14については備えていなくても良い。その場合、第2フロート層3cや第3フロート層3dについてはフローティング状態とされる。
In the present embodiment, in addition to the
また、第1〜第3フロート配線12、13、14やn+型エミッタ領域5と電気的に接続されるエミッタ電極15およびゲート電極7aと電気的に接続されるゲート配線11は、図3に示されるように各トレンチ4の長手方向と垂直方向に対して平行となるように配列されている。具体的には、エミッタ電極15がセル内部上を広面積で覆うように配置され、それよりもトレンチ4の先端位置において第3フロート配線14、第2フロート配線13、第1フロート配線12およびゲート配線11が順に平行な直線状に配置されている。
Also, the
第1フロート配線12は、上述したように層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10bを通じて絶縁膜8上に形成されたドープトPoly−Si9に対して電気的に接続されていると共にコンタクトホール10aを通じて第1フロート層3bと電気的に接続されているが、他の配線に関しても同様である。すなわち、第2フロート配線13は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10cを通じて第2フロート層3cと電気的に接続され、第3フロート配線14は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10dを通じて第3フロート層3dと電気的に接続されている。ゲート配線11は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10eを通じて絶縁膜8の上に形成されたドープトPoly−Si9に対して電気的に接続されている。エミッタ電極15は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10fを通じてn+型エミッタ領域5やチャネルp層3aと電気的に接続されている。
The
そして、p+型基板1の裏面側には、コレクタ電極16が形成されている。このようにして、本実施形態にかかるIGBTを備えた半導体装置が構成されている。
A
以上説明した本実施形態にかかる半導体装置では、ゲート電極7aをゲート電圧が印加されるゲート配線11に電気的に接続し、ダミーゲート電極7b、7cを第1フロート層3bに電気的に接続される第1フロート配線12に接続すると共に、第2フロート層3cを第2フロート配線13に電気的に接続し、さらに、第3フロート層3dを第3フロート配線14に電気的に接続した構造とされている。
In the semiconductor device according to the present embodiment described above, the
このように、ダミーゲート電極7b、7cを第1フロート層3bに電気的に接続することによって、スイッチングサージとスイッチング損失のバランスの取れた構造とすることが可能となる。
As described above, by electrically connecting the
そして、第1〜第3フロート層3b〜3dを同じ配線に接続するのではなく、それぞれ異なった配線に接続するようにしている。このため、ターンオフ時には、第1〜第3フロート層3b〜3dにおける配線との接触場所の電位がそれぞれ異なる電位となる。そして、トレンチ4の長手方向と垂直方向における第1〜第3フロート層3b〜3dそれぞれの電位差は、第1〜第3フロート層3b〜3dにおける配線との接触場所から離れたとしても、大きく変動しない。つまり、ほぼ同じ電位差を保った状態となる。
The first to third float layers 3b to 3d are not connected to the same wiring, but are connected to different wirings. For this reason, at the time of turn-off, the potentials of the first to third float layers 3b to 3d at the place of contact with the wiring are different from each other. The potential difference between the first to third float layers 3b to 3d in the longitudinal direction and the vertical direction of the
例えば、第1〜第3フロート層3b〜3dを同じ配線に接触させると、その接触場所では第1フロート層3bの電位P1=第2フロート層3cの電位P2=第3フロート層3dの電位P3となる。ところが、接触場所から離れると、第1フロート層3bの電位P1<第2フロート層3cの電位P2<第3フロート層3dの電位P3となるため、接触場所から離れるに従って電位差が大きくなる。これに対し、本実施形態の構造だと、第1フロート層3bの電位P1<第2フロート層3cの電位P2<第3フロート層3dの電位P3の関係がトレンチ4の長手方向のどの場所でも保たれる。
For example, when the first to third float layers 3b to 3d are brought into contact with the same wiring, the potential P1 of the
このため、長手方向における第1〜第3フロート層3b〜3dの電位に違いが生じないようにできる。これにより、スイッチング時の動作均一性が保たれ、電流集中による破壊耐量低下を引き起こすことを防止することが可能となる。なお、ここでは第1フロート配線12を通じて、隣り合う2つのチャネルp層3aの間に配置された各ダミーゲート電極7b、7cだけでなく、さらにそれよりも外側に配置される各ダミーゲート電極7b、7cすべてが電気的に接続された構造としているが、隣り合う2つのチャネルp層3a間に配置される各ダミーゲート電極7b、7cのみがドープトPoly−Si9等を介して互いに接続され、それよりも外側のダミーゲート電極7b、7cと電気的に分離された構造とされていても良い。
For this reason, it is possible to prevent a difference in potential between the first to third float layers 3b to 3d in the longitudinal direction. As a result, the uniformity of operation during switching can be maintained, and it is possible to prevent the breakdown tolerance from being reduced due to current concentration. Here, not only the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してゲート電極7aやダミーゲート電極7b、7cと第1〜第3フロート層3b〜3dとの接続形態を変更したものであり、他の部分については第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the connection form between the
図5は、本実施形態にかかるIGBTを有する半導体装置の断面構造および配線構造を示した断面模式図である。図6〜図10は、本実施形態にかかるIGBTを有する半導体装置の断面図であり、それぞれ別断面における断面図を示したものである。また、図11は、図6〜図10に示すIGBTを有する半導体装置の上面レイアウト図である。図6〜図10は、それぞれ、図11のC−C断面〜G−G断面に相当している。なお、図11は、断面図ではないが、図の理解を容易にするために部分的にハッチングを示してある。以下、これらの図を参照して、本実施形態にかかるIGBTを有する半導体装置について説明する。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure and a wiring structure of the semiconductor device having the IGBT according to the present embodiment. 6 to 10 are cross-sectional views of the semiconductor device having the IGBT according to the present embodiment, and show cross-sectional views in different cross-sections, respectively. FIG. 11 is a top layout view of the semiconductor device having the IGBT shown in FIGS. 6 to 10 correspond to the CC section to the GG section in FIG. 11, respectively. Although FIG. 11 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown to facilitate understanding of the drawing. Hereinafter, the semiconductor device having the IGBT according to the present embodiment will be described with reference to these drawings.
図5に示したように、本実施形態では、第1内周トレンチ4b内に形成されたダミーゲート電極7bを第1フロート層3bと共に第1フロート配線12に電気的に接続し、第2内周トレンチ4c内に形成されたダミーゲート電極7cを第2フロート層3cと共に第2フロート配線13に電気的に接続し、第3フロート層3dを第3フロート配線14に電気的に接続した構造としている。つまり、ダミーゲート電極7b、7cのうちチャネル層3aに最も近いダミーゲート電極7bは、第1〜第3フロート層3b〜3dのうちチャネル層3aに最も近い第1フロート層3bと共に第1フロート配線12に電気的に接続され、ダミーゲート電極7b、7cのうち第1フロート層3bよりもチャネル層3aから離れたダミーゲート電極7cは、第1フロート層3bよりもチャネル層3aから離れた第2フロート層3cと共に第2フロート配線13に電気的に接続されている。図11に示すように、ゲート配線11や各フロート配線12〜14およびエミッタ電極15の配列に関しては、第1実施形態と同様とされているが、各部に繋がるコンタクトホール位置やドープトPoly−Si9の形成位置が第1実施形態に対して変更されることで、上記のような電気的な接続が行われている。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, the
なお、本実施形態でも、ダミーゲート電極7b、7cと第1フロート層3bとを電気的に接続する第1フロート配線12の他、第2フロート層3cと電気的に接続される第2フロート配線13や第3フロート層3dと電気的に接続される第3フロート配線14についても備えている例を挙げたが、第2フロート配線13や第3フロート配線14については備えていなくても良い。その場合、第2フロート層3cや第3フロート層3dについてはフローティング状態とされる。
In the present embodiment, in addition to the
具体的には、図6に示されるように、ゲート配線11は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10eを通じて絶縁膜8の上に形成されたドープトPoly−Si9に対して電気的に接続されている。また、図7に示されるように、第1フロート配線12は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10bを通じて絶縁膜8上に形成されたドープトPoly−Si9に対して電気的に接続されていると共にコンタクトホール10aを通じて第1フロート層3bと電気的に接続されている。また、図8に示されるように、第2フロート配線13は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10bを通じて第2フロート層3cと電気的に接続されていると共に、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10gを通じて絶縁膜8上に形成されたドープトPoly−Si9に対して電気的に接続されている。また、図9に示されるように、第3フロート配線14は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10dを通じて第3フロート層3dと電気的に接続されている。そして、図10に示されるように、エミッタ電極15は、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホール10fを通じてn+型エミッタ領域5やチャネルp層3aと電気的に接続されている。
Specifically, as shown in FIG. 6, the
このような構造の場合、ターンオフ時には、第1フロート層3bの電位P1=ゲート電極7aの電位<第2フロート層3cの電位P2=ダミーゲート電極7bの電位<第3フロート層3dの電位P3=ダミーゲート電極7cの電位の関係となる。このため、第1〜第3フロート層3b〜3dそれぞれの電位差の関係がトレンチ4の長手方向のどの場所でも保たれることになり、第1実施形態と同様に、スイッチング時の動作均一性が保たれ、電流集中による破壊耐量低下を引き起こすことを防止することが可能となる。
In such a structure, at the time of turn-off, the potential P1 of the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1〜第3実施形態に対してゲート配線11、第1〜第3フロート配線12〜14およびエミッタ電極15の配置形態を変更したものであり、他の部分については第1〜第3実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the arrangement of the
図12は、本実施形態にかかるIGBTを有する半導体装置の上面レイアウト図である。なお、本図は、断面図ではないが、図の理解を容易にするために部分的にハッチングを示してある。この図に示されるように、エミッタ電極15の両側に第1〜第3フロート配線12〜14を分けて引き回し、さらにエミッタ電極15および第1〜第3フロート配線12〜14を挟むように両側にゲート配線11を引き回した構造としている。そして、ゲート配線11と外部とを接続するためのゲートパット11a、第1フロート配線12と外部とを接続するための第1フロートパット12a、第2フロート配線13と外部とを接続するための第2フロートパット13a、および、第3フロート配線14と外部とを接続するための第3フロートパット14aをトレンチ4から離れた位置(セル外部)に備えている。
FIG. 12 is a top surface layout diagram of the semiconductor device having the IGBT according to the present embodiment. In addition, although this figure is not sectional drawing, in order to make an understanding of a figure easy, hatching is partially shown. As shown in this figure, the first to third float wirings 12 to 14 are separately routed on both sides of the
このような構造としても、第1、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。また、各パット11a〜14aを通じて断線検査を行うことも可能となる。例えば、ゲートパット11aと第1フロートパット12aに対して電圧を印加し、リークの有無を調べることで、第1フロート配線12とエミッタ電極15との分離の有無を調べることができる。同様に、第1フロートパット12aと第2フロートパット13aに対して電圧を印加し、リークの有無を調べることで、第1フロート配線12と第1フロート配線13との分離の有無を調べることができる。さらに、第2フロートパット13aと第3フロートパット14aに対して電圧を印加し、リークの有無を調べることで、第2フロート配線13と第3フロート配線14との分離の有無を調べることができる。このようにして、第1〜第2フロート層3b〜3dの電位のアンバランスがトレンチゲート構造の欠陥によって生じていないかを検査することが可能となる。
Even with such a structure, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. It is also possible to perform a disconnection inspection through the
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1〜第3実施形態に対してゲート電極7aやダミーゲート電極7b、7cと第1〜第3フロート層3b〜3dとの接続形態を変更したものであり、他の部分については第1〜第3実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the connection form between the
図13は、本実施形態にかかるIGBTを有する半導体装置の上面レイアウト図である。なお、本図は、断面図ではないが、図の理解を容易にするために部分的にハッチングを示してある。この図に示されるように、トレンチ4の長手方向の中央位置においてエミッタ電極15を2つに分断し、2つのエミッタ電極15の間にゲート配線11および第1〜第3フロート配線12〜14を配置すると共に、トレンチ4の長手方向先端位置にもゲート配線11を引き回した構造としている。
FIG. 13 is a top surface layout diagram of the semiconductor device having the IGBT according to the present embodiment. In addition, although this figure is not sectional drawing, in order to make an understanding of a figure easy, hatching is partially shown. As shown in this figure, the
ダミーゲート電極7b、7cは、ゲート電極7aと同様にドープトPoly−Siにて構成されるため、基本的には低抵抗となり、チップサイズが小さい場合(例えば5mm□以下の場合)には、トレンチ4の長手方向先端位置において第1〜第3フロート配線12〜14と接触させれば良い。しかしながら、チップサイズが大きくなると、低抵抗であったとしても電位の伝わりの遅れによるアンバランスが発生し得る。このため、本実施形態のような構造とすれば、ダミーゲート電極7b、7c内部での電位の伝わりの遅れによるアンバランスを抑制でき、更に第1〜第3実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
Since the
(他の実施形態)
上記第1〜第4実施形態では、チャネルp層3aとフロート層3b〜3dとが一定割合とされ、かつ、これらが一定の配置順で繰り返し配置された構造することで、一定の間引き率(チャネルP層形成割合に対するフロート層形成割合)となるようにしている。具体的には、多重リング構造を3重にし、チャネルp層3aの他に第1〜第3フロート層3b〜3dを形成することで、間引き率が5:1となるようにしている。しかしながら、これは単なる一例を示したものであり、他の間引き率としても構わない。
(Other embodiments)
In the first to fourth embodiments, the
図14および図15は、第1実施形態の構造に対して間引き率を変更した場合のIGBTを有する半導体装置の上面レイアウト図であり、図14は間引き率を3:1とした場合、図15は間引き率を4:1とした場合をそれぞれ示している。また、図16は、図14のように間引き率を3:1とした場合の断面図である。 14 and 15 are top surface layout diagrams of a semiconductor device having an IGBT when the thinning rate is changed with respect to the structure of the first embodiment, and FIG. 14 shows a case where the thinning rate is 3: 1. Indicates the case where the thinning rate is 4: 1. FIG. 16 is a cross-sectional view when the thinning rate is 3: 1 as shown in FIG.
図14および図16に示したように、間引き率を3:1とする場合には、第1、第2フロート配線12、13を備えた構造とし、第1内周トレンチ4b内に形成されたダミーゲート電極7bを第1フロート層3bと共に第1フロート配線12に電気的に接続し、第2フロート層3cを第2フロート配線13に電気的に接続した構造とすることができる。
As shown in FIGS. 14 and 16, when the thinning ratio is 3: 1, the structure is provided with the first and second float wirings 12 and 13, and is formed in the first inner
また、図15に示したように、第1内周トレンチ4cを中央にもトレンチ4が形成された構造とすることで第2フロート層3cを2つに分離し、第1、第2フロート配線12、13を備えた構造として、第1内周トレンチ4b内に形成されたダミーゲート電極7bを第1フロート層3bと共に第1フロート配線12に電気的に接続し、第2フロート層3cを第2フロート配線13に電気的に接続した構造とすることもできる。
Further, as shown in FIG. 15, the first inner
なお、これらのように、間引き率を変更した場合であっても、第2フロート配線13については備えていなくても良い。その場合、第2フロート層3cについてはフローティング状態とされる。勿論、間引き率を5:1以上にした場合、例えば7:1としても、少なくとも第1フロート層3bがダミーゲート電極7bと電気的に接続されていれば、他のフロート層がフローティング状態にされていても構わない。
As described above, even if the thinning rate is changed, the
上記各実施形態では、第1〜第3フロート層3b〜3dの絶縁分離を行うためのトレンチ4を環状としたが、トレンチ4のレイアウトは任意であり、トレンチ4を介して複数のフロート層が隣接配置されるような構造であれば構わない。例えば、複数のフロート層が単にストライプ状に配置された構造であっても構わない。
In each of the embodiments described above, the
1 p+型基板
2 n-型ドリフト層
3 p型ベース領域
3a チャネルp層
3b〜3d 第1〜第3フロート層
4 トレンチ
4a 最外周トレンチ
4b、4c 内周トレンチ
5 n+型エミッタ領域
6 ゲート絶縁膜
7a ゲート電極
7b、7c ダミーゲート電極
8 絶縁膜
10 層間絶縁膜
11 ゲート配線
12〜14 第1〜第3フロート配線
15 エミッタ電極
16 コレクタ電極
1 p + type substrate 2 n − type drift layer 3 p
Claims (5)
前記半導体基板(1)の上に形成された第2導電型のドリフト層(2)と、
前記ドリフト層(2)の上に形成された第1導電型のベース領域(3)と、
前記ベース領域(3)を貫通して前記ドリフト領域(2)に達するように形成されることにより前記ベース領域(3)を複数に分離し、一方向を長手方向として延設されたトレンチ(4)と、
複数に分離された前記ベース領域(3)の一部に形成され、該ベース領域(3)内において前記トレンチ(4)の側面に接するように形成された第2導電型のエミッタ領域(5)と、
前記トレンチ(4)の表面上に形成されたゲート絶縁膜(6)と、
前記トレンチ(4)内において、前記ゲート絶縁膜(6)の上に形成されたゲート電極(7a〜7c)と、
前記エミッタ領域(5)に電気的に接続されたエミッタ電極(15)と、
前記半導体基板(1)の裏面側に形成されたコレクタ電極(16)とを備えてなる絶縁ゲート型半導体素子を有する半導体装置であって、
前記ベース領域(3)は、前記トレンチ(4)によって複数に分離され、分離された複数の前記ベース領域(3)それぞれが同方向に延設されることで平行に配置された部分を有した構造とされ、前記複数のベース領域(3)のうち、前記エミッタ領域(5)が形成されたものがチャネル層(3a)として機能すると共に、前記エミッタ領域(5)が形成されていないものがフロート層(3b〜3d)として機能し、前記チャネル層(3a)と前記フロート層(3b〜3d)が一定割合かつ一定の配置順で繰り返し配置されており、
前記ゲート電極(7a〜7c)は、前記トレンチ(4)のうち前記エミッタ領域(5)が接するものに埋め込まれたゲート電圧印加用のゲート電極(7a)と、前記トレンチ(4)のうち前記エミッタ領域(5)と接していないものに埋め込まれたダミーゲート電極(7b、7c)とを有して構成され、
前記ダミーゲート電極(7b、7c)は、前記フロート層(3b〜3d)のうち前記チャネル層(3a)の隣に位置する第1フロート層(3b)と共に前記トレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第1フロート配線(12)に電気的に接続され、
前記フロート層(3b〜3d)のうち前記第1フロート層(3b)よりも前記チャネル層(3a)から離れて配置される第2フロート層(3c)が前記トレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第2フロート配線(13)に電気的に接続され、
前記ダミーゲート電極と前記第1フロート層(3b)および前記第1フロート配線(12)が前記第2フロート層(3c)および前記第2フロート配線(13)から電気的に分離されていることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate (1);
A second conductivity type drift layer (2) formed on the semiconductor substrate (1);
A first conductivity type base region (3) formed on the drift layer (2);
A trench (4) is formed so as to penetrate the base region (3) and reach the drift region (2), thereby separating the base region (3) into a plurality of pieces and extending in one direction as a longitudinal direction. )When,
Said the plurality of separated is formed on a part of the base region (3), the base region (3) a second conductivity type formed in contact with the front SL side of the trench (4) in the emitter region (5 )When,
A gate insulating film (6) formed on the surface of the trench (4);
In the trench (4), gate electrodes (7a to 7c) formed on the gate insulating film (6);
An emitter electrode (15) electrically connected to the emitter region (5);
A semiconductor device having an insulated gate semiconductor element comprising a collector electrode (16) formed on the back side of the semiconductor substrate (1),
The base region (3) is separated into a plurality by the trench (4), and each of the separated base regions (3) has a portion disposed in parallel by extending in the same direction. Among the plurality of base regions (3), the one in which the emitter region (5) is formed functions as a channel layer (3a), and the one in which the emitter region (5) is not formed. It functions as a float layer (3b-3d), the channel layer (3a) and the float layer (3b-3d) are repeatedly arranged in a certain ratio and in a certain arrangement order,
The gate electrodes (7a to 7c) include a gate voltage application gate electrode (7a) embedded in the trench (4) in contact with the emitter region (5) and the trench (4). A dummy gate electrode (7b, 7c) embedded in one not in contact with the emitter region (5),
The dummy gate electrodes (7b, 7c) are connected to the longitudinal direction of the trench (4) together with the first float layer (3b) located next to the channel layer (3a) in the float layers (3b to 3d). Electrically connected to the first float wiring (12) extending in the vertical direction,
Of the float layers (3b to 3d), a second float layer (3c) arranged farther from the channel layer (3a) than the first float layer (3b) is in the longitudinal direction of the trench (4). And electrically connected to the second float wiring (13) extending vertically.
The dummy gate electrode, the first float layer (3b) and the first float wiring (12) are electrically separated from the second float layer (3c) and the second float wiring (13). A featured semiconductor device.
前記半導体基板(1)の上に形成された第2導電型のドリフト層(2)と、
前記ドリフト層(2)の上に形成された第1導電型のベース領域(3)と、
前記ベース領域(3)を貫通して前記ドリフト領域(2)に達するように形成されることにより前記ベース領域(3)を複数に分離し、一方向を長手方向として延設されたトレンチ(4)と、
複数に分離された前記ベース領域(3)の一部に形成され、該ベース領域(3)内において前記トレンチ(4)の側面に接するように形成された第2導電型のエミッタ領域(5)と、
前記トレンチ(4)の表面上に形成されたゲート絶縁膜(6)と、
前記トレンチ(4)内において、前記ゲート絶縁膜(6)の上に形成されたゲート電極(7a〜7c)と、
前記エミッタ領域(5)に電気的に接続されたエミッタ電極(15)と、
前記半導体基板(1)の裏面側に形成されたコレクタ電極(16)とを備えてなる絶縁ゲート型半導体素子を有する半導体装置であって、
前記ベース領域(3)は、前記トレンチ(4)によって複数に分離され、分離された複数の前記ベース領域(3)それぞれが同方向に延設されることで平行に配置された部分を有した構造とされ、前記複数のベース領域(3)のうち、前記エミッタ領域(5)が形成されたものがチャネル層(3a)として機能すると共に、前記エミッタ領域(5)が形成されていないものがフロート層(3b〜3d)として機能し、前記チャネル層(3a)と前記フロート層(3b〜3d)が一定割合かつ一定の配置順で繰り返し配置されており、
前記ゲート電極(7a〜7c)は、前記トレンチ(4)のうち前記エミッタ領域(5)が接するものに埋め込まれたゲート電圧印加用のゲート電極(7a)と、前記トレンチ(4)のうち前記エミッタ領域(5)と接していないものに埋め込まれたダミーゲート電極(7b、7c)とを有して構成され、
前記ダミーゲート電極(7b、7c)のうち前記チャネル層(3a)に最も近いもの(7b)は、前記フロート層(3b〜3d)のうち前記チャネル層(3a)に最も近い第1フロート層(3b)と共に前記トレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第1フロート配線(12)に電気的に接続されており、
前記ダミーゲート電極(7b、7c)のうち前記第1フロート層(3b)よりも前記チャネル層(3a)から離れたもの(7c)は、前記第1フロート層(3b)よりも前記チャネル層(3a)から離れた第2フロート層(3c)と共に前記トレンチ(4)の長手方向に対して垂直方向に延設された第2フロート配線(13)に電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate (1);
A second conductivity type drift layer (2) formed on the semiconductor substrate (1);
A first conductivity type base region (3) formed on the drift layer (2);
A trench (4) is formed so as to penetrate the base region (3) and reach the drift region (2), thereby separating the base region (3) into a plurality of pieces and extending in one direction as a longitudinal direction. )When,
Said the plurality of separated is formed on a part of the base region (3), the base region (3) a second conductivity type formed in contact with the front SL side of the trench (4) in the emitter region (5 )When,
A gate insulating film (6) formed on the surface of the trench (4);
In the trench (4), gate electrodes (7a to 7c) formed on the gate insulating film (6);
An emitter electrode (15) electrically connected to the emitter region (5);
A semiconductor device having an insulated gate semiconductor element comprising a collector electrode (16) formed on the back side of the semiconductor substrate (1),
The base region (3) is separated into a plurality by the trench (4), and each of the separated base regions (3) has a portion disposed in parallel by extending in the same direction. Among the plurality of base regions (3), the one in which the emitter region (5) is formed functions as a channel layer (3a), and the one in which the emitter region (5) is not formed. It functions as a float layer (3b-3d), the channel layer (3a) and the float layer (3b-3d) are repeatedly arranged in a certain ratio and in a certain arrangement order,
The gate electrodes (7a to 7c) include a gate voltage application gate electrode (7a) embedded in the trench (4) in contact with the emitter region (5) and the trench (4). A dummy gate electrode (7b, 7c) embedded in one not in contact with the emitter region (5),
Of the dummy gate electrodes (7b, 7c), the one closest to the channel layer (3a) (7b) is the first float layer (3b-3d) closest to the channel layer (3a). 3b) and electrically connected to a first float wiring (12) extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the trench (4) ,
Of the dummy gate electrodes (7b, 7c), the one (7c) that is further away from the channel layer (3a) than the first float layer (3b) is more than the channel layer (3b) than the first float layer (3b). It is electrically connected to a second float wiring (13) extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the trench (4) together with a second float layer (3c) separated from 3a). Semiconductor device.
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