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JP6093601B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP6093601B2
JP6093601B2 JP2013046286A JP2013046286A JP6093601B2 JP 6093601 B2 JP6093601 B2 JP 6093601B2 JP 2013046286 A JP2013046286 A JP 2013046286A JP 2013046286 A JP2013046286 A JP 2013046286A JP 6093601 B2 JP6093601 B2 JP 6093601B2
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Description

本発明は、例えば静電誘導形サイリスタ(以下、SIサイリスタと記す)やGTOサイリスタ等に用いて好適な半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device suitable for use in, for example, an electrostatic induction thyristor (hereinafter referred to as an SI thyristor), a GTO thyristor, or the like.

一般に、SIサイリスタやGTOサイリスタ等は、シリコン基板の裏面にアノード電極を形成し、シリコン基板の表面に多数のカソードセグメントを配置するようにしている。各カソードセグメントの周囲にはゲート領域が形成され、該ゲート領域上にゲート電極が配線される(特許文献1〜3参照)。   In general, in an SI thyristor, a GTO thyristor, and the like, an anode electrode is formed on the back surface of a silicon substrate, and a large number of cathode segments are arranged on the surface of the silicon substrate. A gate region is formed around each cathode segment, and a gate electrode is wired on the gate region (see Patent Documents 1 to 3).

そして、例えばSIサイリスタを利用した装置として、負荷にパルスを印加するパルス発生回路(例えば特許文献4及び5参照)が挙げられる。   For example, as a device using an SI thyristor, a pulse generation circuit that applies a pulse to a load (see, for example, Patent Documents 4 and 5) can be given.

特開2001−119014号公報JP 2001-1119014 A 特開平9−8280号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-8280 特開2000−58814号公報JP 2000-58814 A 特開2004−72994号公報JP 2004-72994 A 特開2007−259308号公報JP 2007-259308 A

ところで、従来のサイリスタは、トランジスタのような電流飽和特性を有しない。すなわち、ゲート電圧を印加しなければ、アノード−カソード間に流れる電流は無視できるほど小さいが、ゲート電圧がトリガ電圧を超えてサイリスタがオンとなったとき、アノード−カソード間に電流(オン電流)が流れる。このオン電流は、その後にゲート電流を零にしても流れ続けることになる。   By the way, the conventional thyristor does not have a current saturation characteristic like a transistor. That is, if no gate voltage is applied, the current flowing between the anode and cathode is negligibly small, but when the gate voltage exceeds the trigger voltage and the thyristor is turned on, the current between the anode and cathode (on current) Flows. This on-current continues to flow even if the gate current is subsequently reduced to zero.

そのため、負荷の急変(例えば負荷にアーク放電が発生して急激に短絡状態が発生する)等によって、意図しない大電流が流れる条件となった場合に、サイリスタ等を含む素子が破壊するおそれがあり、これを防止するために、負荷の異常を瞬時に検知して素子を保護するための保護回路が必要であった。   For this reason, there is a possibility that the element including the thyristor etc. may be destroyed when an unintended large current flows due to a sudden change in the load (for example, an arc discharge occurs in the load and a short circuit occurs). In order to prevent this, a protection circuit for instantaneously detecting a load abnormality and protecting the element is necessary.

また、特許文献4及び5等のパルス発生回路において、コイルに流す電流を増加させる、すなわち、電流容量を増やすために、複数のサイリスタを並列に接続することが考えられる。しかし、各サイリスタのオン電圧に対するオン電流のばらつきから、電流の流れ易いサイリスタに電流が集中するため、複数のサイリスタの並列化で電流容量を増やすことが困難であった。これを解決する方法として、特性がほぼ同じである複数のサイリスタを厳密に選別して並列に接続することが考えられるが、それでも2つのサイリスタを並列に接続するのが限界であった。   Further, in the pulse generation circuits disclosed in Patent Documents 4 and 5, it is conceivable to connect a plurality of thyristors in parallel in order to increase the current flowing through the coil, that is, to increase the current capacity. However, since the current concentrates on the thyristor where the current flows easily due to the variation in the on-current with respect to the on-voltage of each thyristor, it is difficult to increase the current capacity by paralleling a plurality of thyristors. As a method for solving this, it is conceivable to strictly select a plurality of thyristors having substantially the same characteristics and connect them in parallel, but it is still limited to connect two thyristors in parallel.

また、プレーナゲート型の場合、p形ベース層とn形エミッタ層との隣接が必須なため、ゲート耐圧を安定的に得ることと、n形エミッタ層を幅広く設けるのが難しく、オン特性向上が困難である。また、ノーマリオフ型を作製する際に真のゲートのビーンベース化が必要となり、オン特性が向上し難いという問題がある。   In the case of the planar gate type, the p-type base layer and the n-type emitter layer must be adjacent to each other. Therefore, it is difficult to stably obtain a gate breakdown voltage, and it is difficult to provide a wide n-type emitter layer. Have difficulty. Further, when producing a normally-off type, it is necessary to make a bean base of a true gate, and there is a problem that it is difficult to improve on-characteristics.

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、低いオン電流の領域ではサイリスタ動作を行い、高いオン電流の領域ではトランジスタと同様の動作を行うことで、従来のサイリスタが有していた上述のような問題を解消させることができる半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such a problem. A conventional thyristor has a thyristor operation in a low on-current region and a similar operation to a transistor in a high on-current region. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can solve the above-described problems.

[1] 本発明に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の一方の表面に形成されたエピタキシャル層と、前記半導体基板の他方の表面に形成された第2導電型のアノード領域と、前記エピタキシャル層の上層に形成された第1導電型のカソード領域と、前記半導体基板の上層と前記エピタキシャル層の下層にかけて形成された第2導電型の複数の埋込みゲート領域とを有し、前記エピタキシャル層の厚みが0.5μm以上3.0μm以下であり、前記カソード領域の厚みが0.2μm以上2.0μm以下であり、隣接する前記埋め込みゲート領域の最大幅(真のゲート幅)が0.5μm以上3.0μm以下であり、前記カソード領域の不純物濃度が最も高い部位の不純物濃度が1×1018[atm/cm]〜4×1018[atm/cm]であり、低いオン電流の領域ではサイリスタ動作を行い、高いオン電流の領域ではトランジスタと同様の動作を行うことを特徴とする。
[1] A semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, an epitaxial layer formed on one surface of the semiconductor substrate, and a second conductivity type formed on the other surface of the semiconductor substrate. anode region and the cathode region of the first conductivity type formed in the upper layer of the epitaxial layer, the upper layer and the plurality of buried because inclusive gate region of a second conductivity type formed over the lower layer of the epitaxial layer of the semiconductor substrate The thickness of the epitaxial layer is not less than 0.5 μm and not more than 3.0 μm, the thickness of the cathode region is not less than 0.2 μm and not more than 2.0 μm, and the maximum width (true gate width) is at 0.5μm or 3.0μm or less, the cathode region impurity concentration of the highest region impurity concentration at 1 × 10 18 [atm / cm 3] ~4 × 0 18 [atm / cm 3] der is, performs the thyristor operation in the region of low on-currents, in the region of high on-state current and performing the same operation as the transistor.

これにより、少なくともカソード領域を含むエピタキシャル層の厚みを上述のように設定することで、オン電圧−オン電流の特性において、低いオン電流の領域ではサイリスタ動作を行い、高いオン電流の領域ではトランジスタと同様の動作を行うこととなる。すなわち、この半導体装置は電流飽和特性を有する。   Thus, by setting the thickness of the epitaxial layer including at least the cathode region as described above, in the on-voltage-on-current characteristics, a thyristor operation is performed in a low on-current region, and a transistor in a high on-current region. A similar operation is performed. That is, this semiconductor device has a current saturation characteristic.

そのため、この半導体装置においては、一旦、オンになった後に、ゲート電流の供給を停止するとオフになる。従って、負荷の急変(例えば負荷にアーク放電が発生して急激に短絡状態が発生する)等によって、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置を安全に動作することが可能となる。   Therefore, in this semiconductor device, once it is turned on, it is turned off when the supply of the gate current is stopped. Therefore, even if an unintended large current is likely to flow due to a sudden load change (for example, an arc discharge occurs in the load and a short circuit occurs), the semiconductor device alone limits the current flow. Thus, the semiconductor device can be operated safely.

あるいは、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置単独で、電流の流れを制限することができるため、半導体装置が破壊に至るまでの熱的尤度(熱的余裕)、時間的尤度(時間的余裕)が長くなる。そのため、保護回路を設置する場合においても、負荷の異常を瞬時に検知する特別な検出回路等は必要なくなり、市販の安価な検出回路を具備させればよく、保護回路のコスト低減につながる。   Alternatively, even if an unintended large current is likely to flow, the current flow can be limited by the semiconductor device alone, so that the thermal likelihood (thermal margin) until the semiconductor device breaks down and the time The likelihood (time margin) becomes longer. Therefore, even when a protection circuit is installed, a special detection circuit or the like that instantaneously detects a load abnormality is not necessary, and a commercially available inexpensive detection circuit may be provided, leading to a reduction in the cost of the protection circuit.

また、負荷に高電圧パルスを印加するパルス発生回路のスイッチとして半導体装置を適用する際に、電流容量を増やすために、複数の半導体装置を並列に接続した場合、各半導体装置の特性のばらつきに起因して、ある1つの半導体装置にオン電流が多く流れようとすると、該1つの半導体装置のオン電圧が高くなり、これにより、該1つの半導体装置のオン電流の上昇が制限され、他の半導体装置へもオン電流が流れるようになる。すなわち、並列に接続された複数の半導体装置に対するオン電流の流れが、自動的にバランスされ、各半導体装置において飽和電流が流れることになる。従って、特性がほぼ同じである複数の半導体装置を厳密に選別することが必要なくなり、3つ以上の半導体装置を並列に接続することも可能になる。   In addition, when a semiconductor device is applied as a switch of a pulse generation circuit that applies a high voltage pulse to a load, if a plurality of semiconductor devices are connected in parallel to increase the current capacity, the characteristics of each semiconductor device may vary. As a result, when a large amount of on-current flows through a certain semiconductor device, the on-voltage of the one semiconductor device increases, thereby limiting an increase in on-current of the one semiconductor device, On-state current also flows to the semiconductor device. That is, the flow of on-current to a plurality of semiconductor devices connected in parallel is automatically balanced, and a saturation current flows in each semiconductor device. Therefore, it is not necessary to strictly select a plurality of semiconductor devices having substantially the same characteristics, and three or more semiconductor devices can be connected in parallel.

[2] 本発明において、前記エピタキシャル層の厚みを薄くすることで、オン電流の上昇をより制限することができ、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置を安全に動作可能となる。この場合、エピタキシャル層の厚みは、0.5μm以上2.0μm以下であることが好ましい。 [2] In the present invention, by reducing the thickness of the epitaxial layer, an increase in on-current can be further limited, and even if an unintended large current is likely to flow, current flow alone in the semiconductor device The semiconductor device can be operated safely. In this case, the thickness of the epitaxial layer is preferably 0.5 μm or more and 2.0 μm or less.

[3] 本発明において、前記エピタキシャル層の厚みが1.0μm以上2.0μm以下であってもよい。 [3] In the present invention, the thickness of the epitaxial layer may be not less than 1.0 μm and not more than 2.0 μm.

[4] 本発明において、前記エピタキシャル層の厚みが1.5μm以上2.0μm以下であってもよい。 [4] In the present invention, the epitaxial layer may have a thickness of 1.5 μm to 2.0 μm.

] 本発明において、前記エピタキシャル層の厚みが2.0μm以上3.0μm以下であってもよい。
[ 5 ] In the present invention, the epitaxial layer may have a thickness of 2.0 μm to 3.0 μm.

] 本発明において、前記カソード領域の厚みは、前記エピタキシャル層の厚みの1/10以上であることが好ましい。
[ 6 ] In the present invention, the thickness of the cathode region is preferably 1/10 or more of the thickness of the epitaxial layer.

] 本発明において、カソード領域の厚みを薄くすることで、オン電流の上昇をより制限することができ、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置を安全に動作可能となる。この場合、カソード領域の厚みは、エピタキシャル層の厚みの1/10以上5/10以下であることが好ましい。
[ 7 ] In the present invention, by reducing the thickness of the cathode region, it is possible to further limit the increase in on-current, and even if an unintended large current is likely to flow, the semiconductor device alone can reduce the current flow. Therefore, the semiconductor device can be operated safely. In this case, the thickness of the cathode region is preferably 1/10 or more and 5/10 or less of the thickness of the epitaxial layer.

] 本発明において、カソード領域の厚みを厚くすることで、オン電流の制限度合いを緩めることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。これは、複数の半導体装置を並列に接続して1つのスイッチを構成して、電流容量を増やしたい場合に有利となる。この場合、カソード領域の厚みは、エピタキシャル層の厚みの5/10以上(10/10以下)であることが好ましい。
[ 8 ] In the present invention, by increasing the thickness of the cathode region, it is possible to relax the degree of restriction of the on-current and to reduce the on-resistance. This is advantageous when a plurality of semiconductor devices are connected in parallel to form one switch to increase the current capacity. In this case, the thickness of the cathode region is preferably 5/10 or more (10/10 or less) of the thickness of the epitaxial layer.

] 本発明において、真のゲート幅を小さくすることで、オン電流の上昇をより制限することができ、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置を安全に動作可能となる。この場合、真のゲート幅が0.5μm以上1.0μm以下であることが好ましい。
[ 9 ] In the present invention, by reducing the true gate width, an increase in on-current can be more limited, and even if an unintended large current is likely to flow, the semiconductor device alone can reduce the current flow. Therefore, the semiconductor device can be operated safely. In this case, the true gate width is preferably 0.5 μm or more and 1.0 μm or less.

10] 本発明において、真のゲート幅を大きくすることで、オン電流の制限度合いを緩めることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。これは、複数の半導体装置を並列に接続して1つのスイッチを構成して、電流容量を増やしたい場合に有利となる。この場合、真のゲート幅が1.0μm以上3.0μm以下であることが好ましい。
[ 10 ] In the present invention, by increasing the true gate width, the degree of restriction of the on-current can be relaxed, and the on-resistance can be reduced. This is advantageous when a plurality of semiconductor devices are connected in parallel to form one switch to increase the current capacity. In this case, the true gate width is preferably 1.0 μm or more and 3.0 μm or less.

11] もちろん、隣接する前記埋め込みゲート領域の最大幅が1.0μm以上2.0μm以下であってもよい。
[ 11 ] Of course, the maximum width of the adjacent buried gate region may be 1.0 μm or more and 2.0 μm or less.

本発明に係る半導体装置によれば、低いオン電流の領域ではサイリスタ動作を行い、高いオン電流の領域ではトランジスタと同様の動作を行うことで、従来のサイリスタが有していた問題を解消させることができる。   According to the semiconductor device of the present invention, a thyristor operation is performed in a region with a low on-current, and an operation similar to that of a transistor is performed in a region with a high on-current, thereby solving the problems of the conventional thyristor. Can do.

本実施の形態に係る半導体装置の要部を一部省略して示す断面図である。It is sectional drawing which abbreviate | omits and shows some principal parts of the semiconductor device which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る半導体装置のオン電圧−オン電流特性(電流飽和特性)を示すグラフである。It is a graph which shows the on-voltage-on-current characteristic (current saturation characteristic) of the semiconductor device which concerns on this Embodiment. パルス発生回路の一例を一部省略して示す回路図である。It is a circuit diagram which abbreviate | omits and shows an example of a pulse generation circuit. 本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment. 比較例に係る半導体装置の要部を一部省略して示す断面図である。It is sectional drawing which abbreviate | omits and shows some principal parts of the semiconductor device which concerns on a comparative example. 第1実施例のうち、代表的に実施例1、3、5、6及び比較例のオン電圧−オン電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the on-voltage-on-current characteristic of Example 1, 3, 5, 6 and a comparative example typically among 1st Examples. 第2実施例のうち、代表的に実施例15及び20のオン電圧−オン電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the on-voltage-on-current characteristic of Example 15 and 20 typically among 2nd Examples. 第3実施例のうち、代表的に実施例23、24及び25のオン電圧−オン電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the on-voltage-on-current characteristic of Example 23, 24, and 25 typically among 3rd Examples. 第4実施例(実施例31、32及び33)のオン電圧−オン電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the on-voltage-on-current characteristic of 4th Example (Examples 31, 32, and 33).

以下、本発明に係る半導体装置を例えばノーマリオフ形の埋め込みゲート型静電誘導形サイリスタに適用した実施の形態例を図1〜図9を参照しながら説明する。   Hereinafter, an embodiment in which a semiconductor device according to the present invention is applied to, for example, a normally-off type buried gate type electrostatic induction thyristor will be described with reference to FIGS.

本実施の形態に係る半導体装置10は、図1に示すように、第1導電型(例えばn型)の半導体基板12と、半導体基板12上に形成されたエピタキシャル層14と、エピタキシャル層14の表面14aに形成された例えば金属層による1以上のカソード電極16と、半導体基板12の裏面12aに形成された例えば金属層による1以上のアノード電極18と、エピタキシャル層14の表面14aに、カソード電極16と電気的に絶縁して形成され、カソード電極16とアノード電極18間に流れる電流の導通を制御する例えば金属層による1以上のゲート電極20とを有する。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 according to the present embodiment includes a first conductivity type (for example, n-type) semiconductor substrate 12, an epitaxial layer 14 formed on the semiconductor substrate 12, and an epitaxial layer 14. One or more cathode electrodes 16 made of, for example, a metal layer formed on the front surface 14 a, one or more anode electrodes 18 made of, for example, a metal layer formed on the back surface 12 a of the semiconductor substrate 12, and a cathode electrode on the surface 14 a of the epitaxial layer 14 16 and one or more gate electrodes 20 made of, for example, a metal layer that controls conduction of current flowing between the cathode electrode 16 and the anode electrode 18.

さらに、この半導体装置10は、エピタキシャル層14の表面14aのうち、少なくともカソード電極16に対応した部分に第1導電型(例えばn型)のカソード領域22が形成され、半導体基板12の裏面12aのうち、アノード電極18に対応した部分に第2導電型(例えばp型)のアノード領域24が形成されている。   Further, in the semiconductor device 10, a first conductivity type (for example, n-type) cathode region 22 is formed at least in a portion corresponding to the cathode electrode 16 on the surface 14 a of the epitaxial layer 14, and Among them, a second conductivity type (for example, p-type) anode region 24 is formed in a portion corresponding to the anode electrode 18.

また、半導体基板12のうち、カソード領域22とアノード領域24とで挟まれた領域であって、且つ、カソード領域22寄りの位置に、ゲート電極20に電気的に接続された第2導電型の複数の埋め込みゲート領域26が形成されている。複数の埋め込みゲート領域26はほぼ同一の配列ピッチにて形成されている。隣接する埋め込みゲート領域26間の第1導電型の領域がチャネル領域を構成している。ゲート電極20と埋め込みゲート領域26との電気的接続は、埋め込みゲート領域26とゲート電極20との間に形成された第2導電型の取出し領域28にて行われる。ゲート電極20とカソード領域22間には第1絶縁層30が介在され、ゲート電極20とカソード電極16間には第2絶縁層32が介在されている。なお、埋め込みゲート領域26と取出し領域28との間には、第1導電型の領域が介在しているが、埋め込みゲート領域26と取出し領域28間の距離は、埋め込みゲート領域26と取出し領域28との間で導通が図れる程度に設定されている。また、複数のカソード電極16上には、これらカソード電極16を電気的に接続するカソード配線層34が形成されている。   Further, in the semiconductor substrate 12, a region of the second conductivity type that is sandwiched between the cathode region 22 and the anode region 24 and is electrically connected to the gate electrode 20 at a position near the cathode region 22. A plurality of buried gate regions 26 are formed. The plurality of buried gate regions 26 are formed at substantially the same arrangement pitch. A region of the first conductivity type between adjacent buried gate regions 26 constitutes a channel region. The electrical connection between the gate electrode 20 and the buried gate region 26 is performed in the second conductivity type extraction region 28 formed between the buried gate region 26 and the gate electrode 20. A first insulating layer 30 is interposed between the gate electrode 20 and the cathode region 22, and a second insulating layer 32 is interposed between the gate electrode 20 and the cathode electrode 16. Note that the first conductivity type region is interposed between the buried gate region 26 and the extraction region 28, but the distance between the buried gate region 26 and the extraction region 28 is the same as that of the buried gate region 26 and the extraction region 28. It is set to such an extent that conduction can be achieved. A cathode wiring layer 34 that electrically connects the cathode electrodes 16 is formed on the plurality of cathode electrodes 16.

さらに、埋め込みゲート領域26とカソード領域22間、より詳しくは、隣接する埋め込みゲート領域26のうち、半導体基板12とエピタキシャル層14との境界と、カソード領域22のアノード領域24側の端部との間に、高抵抗の真性半導体領域36が形成されている。   Further, between the buried gate region 26 and the cathode region 22, more specifically, between the boundary between the semiconductor substrate 12 and the epitaxial layer 14 and the end of the cathode region 22 on the anode region 24 side in the adjacent buried gate region 26. A high-resistance intrinsic semiconductor region 36 is formed therebetween.

この半導体装置10では、上述した埋め込みゲート領域26の上部26a、カソード領域22、取出し領域28、並びに真性半導体領域36を、エピタキシャル成長法による上述したエピタキシャル層14に形成するようにしている。換言すれば、この半導体装置10は、半導体基板12上にエピタキシャル層14を有し、該エピタキシャル層14は、埋め込みゲート領域26の一部(上部26a)、取出し領域28、カソード領域22及び真性半導体領域36を含み、特に、真性半導体領域36は、隣接する埋め込みゲート領域26間の領域のうち、半導体基板12とエピタキシャル層14との境界と、カソード領域22のアノード領域24側の端部との間の領域に形成される。   In the semiconductor device 10, the upper portion 26a of the buried gate region 26, the cathode region 22, the extraction region 28, and the intrinsic semiconductor region 36 are formed in the epitaxial layer 14 by the epitaxial growth method. In other words, the semiconductor device 10 has the epitaxial layer 14 on the semiconductor substrate 12, and the epitaxial layer 14 is a part of the buried gate region 26 (upper portion 26 a), the extraction region 28, the cathode region 22, and the intrinsic semiconductor. In particular, the intrinsic semiconductor region 36 includes a boundary between the semiconductor substrate 12 and the epitaxial layer 14 and an end portion of the cathode region 22 on the anode region 24 side in the region between the adjacent buried gate regions 26. It is formed in the area between.

また、埋め込みゲート領域26の上部26aがエピタキシャル層14にて形成されることから、埋め込みゲート領域26のうち、不純物密度が最も高い部位は、半導体基板12とエピタキシャル層14との境界であって、且つ、埋め込みゲート領域26の中央部分が対応する。   Further, since the upper portion 26 a of the buried gate region 26 is formed by the epitaxial layer 14, the portion having the highest impurity density in the buried gate region 26 is the boundary between the semiconductor substrate 12 and the epitaxial layer 14. In addition, the central portion of the buried gate region 26 corresponds.

そして、この半導体装置10は、エピタキシャル層14の厚みDaが0.5μm以上5.0μm以下である。   In the semiconductor device 10, the thickness Da of the epitaxial layer 14 is not less than 0.5 μm and not more than 5.0 μm.

この半導体装置10は、少なくともカソード領域22を含むエピタキシャル層14の厚みDaを上述のように設定することで、図2に示すように、オン電圧−オン電流特性において、低いオン電流の領域Z1ではサイリスタ動作を行い、高いオン電流の領域Z2ではトランジスタと同様の動作を行うこととなる。すなわち、この半導体装置10は電流飽和特性を有する。   In the semiconductor device 10, by setting the thickness Da of the epitaxial layer 14 including at least the cathode region 22 as described above, as shown in FIG. A thyristor operation is performed, and an operation similar to that of a transistor is performed in the high on-current region Z2. That is, the semiconductor device 10 has a current saturation characteristic.

そのため、この半導体装置10においては、一旦、オンになった後に、ゲート電流の供給を停止するとオフになる。従って、負荷の急変(例えば負荷にアーク放電が発生して急激に短絡状態が発生する)等によって、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置10単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置10を安全に動作することが可能となる。   Therefore, the semiconductor device 10 is turned off when the supply of the gate current is stopped after being turned on once. Therefore, even if an unintended large current is likely to flow due to a sudden change in the load (for example, an arc discharge occurs in the load and a short circuit occurs), the current flow is limited by the semiconductor device 10 alone. Therefore, the semiconductor device 10 can be operated safely.

あるいは、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置10単独で、電流の流れを制限することができるため、半導体装置10が破壊に至るまでの熱的尤度(熱的余裕)、時間的尤度(時間的余裕)が長くなる。そのため、保護回路を設置する場合においても、負荷の異常を瞬時に検知する特別な検出回路等は必要なくなり、市販の安価な検出回路を具備させればよく、保護回路のコスト低減につながる。   Alternatively, even if an unintended large current is likely to flow, the current flow can be limited by the semiconductor device 10 alone. Therefore, the thermal likelihood (thermal margin) until the semiconductor device 10 is destroyed, The time likelihood (time margin) becomes longer. Therefore, even when a protection circuit is installed, a special detection circuit or the like that instantaneously detects a load abnormality is not necessary, and a commercially available inexpensive detection circuit may be provided, leading to a reduction in the cost of the protection circuit.

また、図3に概略的に示すように、負荷40に高電圧パルスを印加するパルス発生回路42のスイッチ44として半導体装置10を適用する際に、電流容量を増やすために、複数の半導体装置10を並列に接続した場合、各半導体装置10の特性のばらつきに起因して、ある1つの半導体装置10にオン電流が多く流れようとすると、図2のオン電圧−オン電流特性からもわかるように、該1つの半導体装置10のオン電圧が高くなり、これにより、該1つの半導体装置10のオン電流の上昇が制限され、他の半導体装置10へもオン電流が流れるようになる。すなわち、並列に接続された複数の半導体装置10に対するオン電流の流れが、自動的にバランスされ、各半導体装置10において飽和電流が流れることになる。従って、特性がほぼ同じである複数の半導体装置10を厳密に選別することが必要なくなり、3つ以上の半導体装置10を並列に接続することも可能になる。   Further, as schematically shown in FIG. 3, when the semiconductor device 10 is applied as the switch 44 of the pulse generation circuit 42 that applies a high voltage pulse to the load 40, a plurality of semiconductor devices 10 are used in order to increase the current capacity. 2 are connected in parallel, if a large amount of on-current flows through a certain semiconductor device 10 due to variations in the characteristics of the semiconductor devices 10, as can be seen from the on-voltage-on-current characteristics of FIG. As a result, the on-voltage of the one semiconductor device 10 is increased, thereby restricting the rise of the on-current of the one semiconductor device 10, and the on-current flows to the other semiconductor devices 10. That is, the flow of on-current to the plurality of semiconductor devices 10 connected in parallel is automatically balanced, and a saturation current flows in each semiconductor device 10. Accordingly, it is not necessary to strictly select a plurality of semiconductor devices 10 having substantially the same characteristics, and three or more semiconductor devices 10 can be connected in parallel.

ところで、通常のSIサイリスタでは、高速化のために電子線照射等によるライフタイム制御が行われるが、温度特性が悪くなり、環境温度が高くなるに従って、リーク電流が増加し、環境温度が例えば150℃になると、動作しなくなる場合もある。しかし、半導体装置10は、オン電流の上昇を制限することができるため、ライフタイム制御を行わなくても、高速化させることができ、温度特性も良好となる。   By the way, in a normal SI thyristor, lifetime control by electron beam irradiation or the like is performed for speeding up. However, as the temperature characteristics deteriorate and the environmental temperature increases, the leakage current increases, and the environmental temperature is, for example, 150. When it reaches ° C, it may stop working. However, since the semiconductor device 10 can limit an increase in on-current, the semiconductor device 10 can be increased in speed without performing lifetime control, and the temperature characteristics are also improved.

そして、本実施の形態に係る半導体装置10において、エピタキシャル層14の厚みDaを薄くすることで、オン電流の上昇をより制限することができ、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置10単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置10を安全に動作可能となる。この場合、エピタキシャル層14の厚みDaは、0.5μm以上2.0μm以下であることが好ましい。もちろん、1.0μm以上2.0μm以下であってもよいし、1.5μm以上2.0μm以下であってもよい。   In the semiconductor device 10 according to the present embodiment, the thickness Da of the epitaxial layer 14 is reduced, so that an increase in on-current can be further limited. Even if an unintended large current is likely to flow, The device 10 alone can limit the flow of current, and the semiconductor device 10 can be operated safely. In this case, the thickness Da of the epitaxial layer 14 is preferably 0.5 μm or more and 2.0 μm or less. Of course, it may be 1.0 μm or more and 2.0 μm or less, or may be 1.5 μm or more and 2.0 μm or less.

一方、エピタキシャル層14の厚みDaを厚くすることで、オン電流の制限度合いを緩めることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。これは、複数の半導体装置10を並列に接続して1つのスイッチ44を構成して、電流容量を増やしたい場合に有利となる。この場合、エピタキシャル層14の厚みDaは、2.0μm以上5.0μm以下であることが好ましい。もちろん、2.0μm以上4.0μm以下であってもよいし、2.0μm以上3.0μm以下であってもよい。   On the other hand, by increasing the thickness Da of the epitaxial layer 14, the degree of restriction of the on-current can be relaxed, and the on-resistance can be reduced. This is advantageous when a plurality of semiconductor devices 10 are connected in parallel to form one switch 44 to increase the current capacity. In this case, the thickness Da of the epitaxial layer 14 is preferably 2.0 μm or more and 5.0 μm or less. Of course, it may be 2.0 μm or more and 4.0 μm or less, or may be 2.0 μm or more and 3.0 μm or less.

また、カソード領域22の厚みDb(図1参照)は、エピタキシャル層14の厚みDaの1/10以上(10/10以下)であることが好ましい。カソード領域22の厚みDbを薄くすることで、オン電流の上昇をより制限することができ、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置10単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置10を安全に動作可能となる。この場合、カソード領域22の厚みDbは、エピタキシャル層14の厚みDaの1/10以上5/10以下であることが好ましい。   Further, the thickness Db (see FIG. 1) of the cathode region 22 is preferably 1/10 or more (10/10 or less) of the thickness Da of the epitaxial layer 14. By reducing the thickness Db of the cathode region 22, an increase in on-current can be further restricted, and even if an unintended large current is likely to flow, the semiconductor device 10 alone can restrict the current flow. The semiconductor device 10 can be operated safely. In this case, the thickness Db of the cathode region 22 is preferably 1/10 or more and 5/10 or less of the thickness Da of the epitaxial layer 14.

一方、カソード領域22の厚みDbを厚くすることで、オン電流の制限度合いを緩めることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。これは、複数の半導体装置10を並列に接続して1つのスイッチを構成して、電流容量を増やしたい場合に有利となる。この場合、カソード領域22の厚みDbは、エピタキシャル層14の厚みDaの5/10以上(10/10以下)であることが好ましい。但し、カソード領域22の厚みDbを厚くしすぎると、オン電流が多く流れるようになるため、保護回路を接続する必要となるおそれがあるが、上述したように、市販の安価な検出回路を具備した保護回路で十分である。   On the other hand, by increasing the thickness Db of the cathode region 22, the degree of restriction of the on-current can be relaxed, and the on-resistance can be reduced. This is advantageous when a plurality of semiconductor devices 10 are connected in parallel to form one switch to increase the current capacity. In this case, the thickness Db of the cathode region 22 is preferably 5/10 or more (10/10 or less) of the thickness Da of the epitaxial layer 14. However, if the thickness Db of the cathode region 22 is excessively increased, a large amount of on-current flows, so that a protection circuit may need to be connected. However, as described above, a commercially available inexpensive detection circuit is provided. A protective circuit is sufficient.

また、隣接する埋め込みゲート領域26の最大幅(真のゲート幅Wa:図1参照)が0.5μm以上3.0μm以下であることが好ましい。真のゲート幅Waを小さくすることで、オン電流の上昇をより制限することができ、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置10単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置10を安全に動作可能となる。この場合、真のゲート幅Waが0.5μm以上1.0μm以下であることが好ましい。   Further, it is preferable that the maximum width (true gate width Wa: see FIG. 1) of the adjacent buried gate region 26 is 0.5 μm or more and 3.0 μm or less. By reducing the true gate width Wa, an increase in on-current can be further restricted, and even if an unintended large current is likely to flow, the semiconductor device 10 alone can restrict the current flow. The semiconductor device 10 can be operated safely. In this case, the true gate width Wa is preferably 0.5 μm or more and 1.0 μm or less.

一方、真のゲート幅Waを大きくすることで、オン電流の制限度合いを緩めることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。これは、複数の半導体装置10を並列に接続して1つのスイッチ44を構成して、電流容量を増やしたい場合に有利となる。この場合、真のゲート幅Waが1.0μm以上3.0μm以下であることが好ましい。もちろん、1.0μm以上2.0μm以下であってもよい。但し、真のゲート幅Waを厚くしすぎると、オン電流が多く流れるようになるため、保護回路を接続する必要となるおそれがあるが、上述したように、市販の安価な検出回路を具備した保護回路で十分である。   On the other hand, by increasing the true gate width Wa, the degree of restriction of the on-current can be relaxed, and the on-resistance can be reduced. This is advantageous when a plurality of semiconductor devices 10 are connected in parallel to form one switch 44 to increase the current capacity. In this case, the true gate width Wa is preferably 1.0 μm or more and 3.0 μm or less. Of course, it may be 1.0 μm or more and 2.0 μm or less. However, if the true gate width Wa is made too thick, a large amount of on-current flows, so it may be necessary to connect a protection circuit. However, as described above, a commercially available inexpensive detection circuit is provided. A protection circuit is sufficient.

また、カソード領域22の不純物濃度が最も高い部位の不純物濃度(単に、カソード領域22の不純物濃度と記す)が1018[atm/cm3]オーダー〜1020[atm/cm3]オーダーであることが好ましい。カソード領域22の不純物濃度を少なくすることで、オン電流の上昇をより制限することができ、意図しない大電流が流れそうになっても、半導体装置10単独で、電流の流れを制限することができ、半導体装置10を安全に動作可能となる。 Further, the impurity concentration at the highest impurity concentration in the cathode region 22 (simply referred to as the impurity concentration in the cathode region 22) is in the order of 10 18 [atm / cm 3 ] to 10 20 [atm / cm 3 ]. Is preferred. By reducing the impurity concentration in the cathode region 22, the increase in on-current can be further restricted, and even if an unintended large current is likely to flow, the semiconductor device 10 alone can restrict the current flow. The semiconductor device 10 can be operated safely.

一方、カソード領域22の不純物濃度を多くすることで、オン電流の制限度合いを緩めることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。これは、複数の半導体装置10を並列に接続して1つのスイッチ44を構成して、電流容量を増やしたい場合に有利となる。但し、カソード領域22の不純物濃度を多くしすぎると、オン電流が多く流れるようになるため、保護回路を接続する必要となるおそれがあるが、上述したように、市販の安価な検出回路を具備した保護回路で十分である。   On the other hand, increasing the impurity concentration in the cathode region 22 can relax the degree of restriction of the on-current and can reduce the on-resistance. This is advantageous when a plurality of semiconductor devices 10 are connected in parallel to form one switch 44 to increase the current capacity. However, if the impurity concentration in the cathode region 22 is increased too much, a large amount of on-current flows, so that it may be necessary to connect a protection circuit. However, as described above, a commercially available inexpensive detection circuit is provided. A protective circuit is sufficient.

このように、エピタキシャル層14の厚みDa、カソード領域22の厚みDb、真のゲート幅Wa、カソード領域22の不純物濃度(最も高い部位の不純物濃度)を適宜変更することで、飽和電流の制限の度合いを自由に設定することができるため、使用用途に応じた適切な飽和電流を流す半導体装置10の設計の自由度を向上させることができる。   As described above, by appropriately changing the thickness Da of the epitaxial layer 14, the thickness Db of the cathode region 22, the true gate width Wa, and the impurity concentration of the cathode region 22 (impurity concentration of the highest part), saturation current limitation can be achieved. Since the degree can be set freely, it is possible to improve the degree of freedom in designing the semiconductor device 10 that allows an appropriate saturation current according to the intended use.

ここで、本実施の形態に係る半導体装置10の製造方法の一例を図4も参照しながら簡単に説明する。   Here, an example of a method for manufacturing the semiconductor device 10 according to the present embodiment will be briefly described with reference to FIG.

先ず、図4のステップS1において、半導体基板12の表面に複数の開口を有するフォトマスクを形成する。開口は、半導体基板12の表面のうち、後に埋め込みゲート領域26の中心部分となる位置に形成される。従って、後に真性半導体領域36となる部分がフォトマスクによって保護され、該部分への傷の発生を防止することができる。   First, in step S <b> 1 of FIG. 4, a photomask having a plurality of openings is formed on the surface of the semiconductor substrate 12. The opening is formed in the surface of the semiconductor substrate 12 at a position that later becomes the central portion of the buried gate region 26. Therefore, the portion that will later become the intrinsic semiconductor region 36 is protected by the photomask, and the occurrence of scratches on the portion can be prevented.

その後、ステップS2において、半導体基板12のうち、少なくともフォトマスクの開口から露出する部分に第2導電型の不純物(例えばボロン)を付着させて、フォトマスクの開口から露出する部分に不純物層(例えば金属ボロン層)を形成する。不純物層の不純物密度は1019から1020[atm/cm3]オーダーである。 Thereafter, in step S2, a second conductivity type impurity (for example, boron) is attached to at least a portion of the semiconductor substrate 12 exposed from the opening of the photomask, and an impurity layer (for example, the portion of the semiconductor substrate 12 exposed from the opening of the photomask). Metal boron layer). The impurity density of the impurity layer is on the order of 10 19 to 10 20 [atm / cm 3 ].

その後、ステップS3において、不純物層(金属ボロン層)から半導体基板12に対して不純物(ボロン)の拡散を行って埋め込みゲート領域26の一部(下部26b:図1参照)を形成する。この拡散処理の温度は1100℃〜1200℃の範囲のうち、いずれかの温度、例えば1150℃が挙げられる。   Thereafter, in step S3, the impurity (boron) is diffused from the impurity layer (metal boron layer) to the semiconductor substrate 12 to form part of the buried gate region 26 (lower part 26b: see FIG. 1). The temperature of this diffusion treatment is any temperature within the range of 1100 ° C. to 1200 ° C., for example, 1150 ° C.

その後、ステップS4において、少なくとも第1導電型の不純物(例えばリン)とシリコンを含む気相エピタキシャル成長を行って半導体基板12上に、少なくとも埋め込みゲート領域26の一部(上部26a:図1参照)と、真性半導体領域36とを有する第1エピタキシャル層14A(エピタキシャル層14の下層部分:図1参照)を形成する。この第1エピタキシャル層14Aの形成は、温度1000℃〜1100℃の範囲のうち、いずれかの温度、例えば1050℃にて行われる。この段階で、埋め込みゲート領域26が完成する。   Thereafter, in step S4, vapor phase epitaxial growth including at least a first conductivity type impurity (for example, phosphorus) and silicon is performed, and at least a part of the buried gate region 26 (upper portion 26a: see FIG. 1) is formed on the semiconductor substrate 12. Then, the first epitaxial layer 14A (the lower layer portion of the epitaxial layer 14: see FIG. 1) having the intrinsic semiconductor region 36 is formed. The formation of the first epitaxial layer 14A is performed at any temperature in the range of 1000 ° C. to 1100 ° C., for example, 1050 ° C. At this stage, the buried gate region 26 is completed.

その後、ステップS5において、エピタキシャル成長によって、第1エピタキシャル層14A上に第2エピタキシャル層14B(エピタキシャル層14の上層部分:図1参照)を形成する。   Thereafter, in step S5, the second epitaxial layer 14B (the upper layer portion of the epitaxial layer 14: see FIG. 1) is formed on the first epitaxial layer 14A by epitaxial growth.

その後、ステップS6において、第2エピタキシャル層14Bのうち、埋め込みゲート領域26に対応する箇所に取出し領域28を形成し、真性半導体領域36に対応する箇所にカソード領域22を形成する。これによって、第1エピタキシャル層14A上にカソード領域22及び取出し領域28を含む第2エピタキシャル層14Bが形成されることになる。   Thereafter, in step S <b> 6, the extraction region 28 is formed at a location corresponding to the buried gate region 26 in the second epitaxial layer 14 </ b> B, and the cathode region 22 is formed at a location corresponding to the intrinsic semiconductor region 36. As a result, the second epitaxial layer 14B including the cathode region 22 and the extraction region 28 is formed on the first epitaxial layer 14A.

その後、ステップS7において、エピタキシャル層14上に、第1絶縁層30、ゲート電極20、カソード電極16、第2絶縁層32及びカソード配線層34を形成して、半導体装置10が完成する。   Thereafter, in step S7, the first insulating layer 30, the gate electrode 20, the cathode electrode 16, the second insulating layer 32, and the cathode wiring layer 34 are formed on the epitaxial layer 14, and the semiconductor device 10 is completed.

[第1実施例]
第1実施例は、実施例1〜6及び比較例について、エピタキシャル層14の厚みDaを変化させた場合のオン電圧とオン電流との関係を確認した。
[First embodiment]
In the first example, the relationship between the on-voltage and the on-current when the thickness Da of the epitaxial layer 14 was changed was confirmed for examples 1 to 6 and the comparative example.

(実施例1)
実施例1に係る半導体装置は、図1に示す半導体装置10において、エピタキシャル層14の厚みDaを1.0μm、カソード領域22の厚みDbを1.0μm、隣接する埋め込みゲート領域の最大幅(真のゲート幅Wa)を1.0μm、カソード領域22の不純物濃度を2×1018[atm/cm3]とした。
Example 1
The semiconductor device according to the first embodiment is the same as the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 except that the epitaxial layer 14 has a thickness Da of 1.0 μm, the cathode region 22 has a thickness Db of 1.0 μm, and the maximum width (true The gate width Wa) was 1.0 μm, and the impurity concentration of the cathode region 22 was 2 × 10 18 [atm / cm 3 ].

(実施例2〜6)
実施例2、3、4、5、6に係る半導体装置は、エピタキシャル層14の厚みDaをそれぞれ1.5μm、2.0μm、2.5μm、3.0μm、4.0μmとしたこと以外は、実施例1と同様にして作製した。
(Examples 2 to 6)
In the semiconductor devices according to Examples 2, 3, 4, 5, and 6, except that the thickness Da of the epitaxial layer 14 was 1.5 μm, 2.0 μm, 2.5 μm, 3.0 μm, and 4.0 μm, respectively. It was produced in the same manner as in Example 1.

(比較例)
この比較例に係る半導体装置100は、図5に示すように、埋め込みゲート領域26にまで到達するメサエッチング溝38を有し、該メサエッチング溝38(グルーブ)内にゲート電極20が形成され、ランド(エピタキシャル層14)上にカソード電極16が形成されている。そして、エピタキシャル層14の厚みDaを13.0μm、カソード領域22の厚みDbを6μm、隣接する埋め込みゲート領域26の最大幅(真のゲート幅)Waを1.5μm、カソード領域22の不純物濃度を2×1019[atm/cm3]とした。
(Comparative example)
As shown in FIG. 5, the semiconductor device 100 according to this comparative example has a mesa etching groove 38 that reaches the buried gate region 26, and the gate electrode 20 is formed in the mesa etching groove 38 (groove). A cathode electrode 16 is formed on the land (epitaxial layer 14). The thickness Da of the epitaxial layer 14 is 13.0 μm, the thickness Db of the cathode region 22 is 6 μm, the maximum width (true gate width) Wa of the adjacent buried gate region 26 is 1.5 μm, and the impurity concentration of the cathode region 22 is It was set to 2 × 10 19 [atm / cm 3 ].

(評価結果)
実施例1〜6及び比較例におけるオン電圧とオン電流との関係を下記表1に示し、特に、実施例3と比較例の結果を図6に示す。図6において、実施例1、3、5及び6の結果を実線La、Lb、Lc及びLdで示し、比較例の結果を実線Leで示す。
(Evaluation results)
The relationship between the on-voltage and the on-current in Examples 1 to 6 and Comparative Example is shown in Table 1 below, and in particular, the results of Example 3 and Comparative Example are shown in FIG. In FIG. 6, the results of Examples 1, 3, 5, and 6 are indicated by solid lines La, Lb, Lc, and Ld, and the results of the comparative example are indicated by solid lines Le.

Figure 0006093601
Figure 0006093601

比較例は、図6の実線Leからもわかるように、オン電圧の増加に従ってオン電流の値が急峻に増加し、オン電圧5Vの段階では、ほぼ無限大となっている。   In the comparative example, as can be seen from the solid line Le in FIG. 6, the value of the on-current steeply increases as the on-voltage increases, and becomes almost infinite at the stage of the on-voltage 5V.

一方、代表的に実施例3は、図6の実線Lbに示すように、電流飽和特性を有し、オン電流0A〜600Aにかけての領域では、比較例よりは緩やかではあるが、急峻に立ち上がり、ほぼサイリスタ動作に近い動作が行われていることがわかる。そして、オン電流600A以上の領域では、オン電流の上昇率がオン電圧の増加に従って徐々に低下し、トランジスタの電流飽和特性に似た特性になっていることがわかる。オン電圧40Vに対するオン電流の値は1024Aであった。   On the other hand, as shown by the solid line Lb in FIG. 6, the example 3 typically has a current saturation characteristic, and in the region between the on-state currents 0A to 600A, it rises more steeply than the comparative example, It can be seen that the operation is almost similar to the thyristor operation. In the region where the on-current is 600 A or more, it can be seen that the increase rate of the on-current gradually decreases as the on-voltage increases, and the characteristics are similar to the current saturation characteristics of the transistors. The value of the on-current with respect to the on-voltage of 40 V was 1024 A.

その他、実施例1、2、4及び5についても、上述した実施例3と同様の電流飽和特性を有していた。そして、表1の実施例1〜3の結果から、エピタキシャル層14の厚みDaが薄くなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が下がっており、オン電流の上昇がより制限されていることがわかる。同様に、実施例4及び5の結果から、エピタキシャル層14の厚みDaが厚くなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が上昇しており、オン電流の制限度合いが緩和されていることがわかる。   In addition, Examples 1, 2, 4 and 5 also had the same current saturation characteristics as Example 3 described above. From the results of Examples 1 to 3 in Table 1, as the thickness Da of the epitaxial layer 14 becomes thinner, the value of the on-current with respect to the on-voltage 40V decreases, and the increase of the on-current is further restricted. Recognize. Similarly, from the results of Examples 4 and 5, it can be seen that as the thickness Da of the epitaxial layer 14 increases, the value of the on-current with respect to the on-voltage 40V increases, and the degree of restriction of the on-current is relaxed. .

すなわち、エピタキシャル層14の厚みDaを増加させると、オン電圧は低減し、バイポーラ特性を示すようになり、実施例6に示す特性からもわかるように、pinダイオード並みに一定になると考えられる。反対に、エピタキシャル層14の厚みDaを減少させると、有効なチャネル上のn形エミッタ領域が形成されなくなり、極端なトランジスタ特性を示すようになる。   That is, when the thickness Da of the epitaxial layer 14 is increased, the on-voltage is reduced, and the bipolar characteristics are exhibited. As can be seen from the characteristics shown in the sixth embodiment, it is considered that the on-voltage is constant as the pin diode. On the contrary, when the thickness Da of the epitaxial layer 14 is decreased, an effective n-type emitter region on the channel is not formed, and extreme transistor characteristics are exhibited.

[第2実施例]
第2実施例は、実施例11〜20について、カソード領域22の厚みDbを変化させた場合のオン電圧とオン電流との関係を確認した。
[Second Embodiment]
In the second example, the relationship between the on-voltage and the on-current when the thickness Db of the cathode region 22 was changed was confirmed for examples 11 to 20.

(実施例11)
実施例11に係る半導体装置は、図1に示す半導体装置10において、エピタキシャル層14の厚みDaを2.0μm、カソード領域22の厚みDbを0.2μm、真のゲート幅Waを1μm、カソード領域22の不純物濃度を2×1018[atm/cm3]とした。
(Example 11)
The semiconductor device according to Example 11 is the same as the semiconductor device 10 shown in FIG. 1, except that the thickness Da of the epitaxial layer 14 is 2.0 μm, the thickness Db of the cathode region 22 is 0.2 μm, the true gate width Wa is 1 μm, and the cathode region. The impurity concentration of 22 was 2 × 10 18 [atm / cm 3 ].

(実施例12〜20)
実施例12、13、14、15、16、17、18、19、20に係る半導体装置は、カソード領域22の厚みDbをそれぞれ0.4μm、0.6μm、0.8μm、1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2.0μmとしたこと以外は、実施例11と同様にして作製した。なお、実施例15と上述した実施例4とは同じ半導体装置である。
(Examples 12 to 20)
In the semiconductor devices according to Examples 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, and 20, the thickness Db of the cathode region 22 is 0.4 μm, 0.6 μm, 0.8 μm, 1.0 μm, and 1 respectively. It was produced in the same manner as in Example 11 except that the thickness was set to 2 μm, 1.4 μm, 1.6 μm, 1.8 μm, and 2.0 μm. In addition, Example 15 and Example 4 mentioned above are the same semiconductor devices.

(評価結果)
実施例11〜20におけるオン電圧とオン電流との関係を下記表2に示し、特に、実施例15と20の結果を図7に示す。図7において、実施例15の結果を実線Lfで示し、実施例20の結果を実線Lgで示す。
(Evaluation results)
The relationship between the on-voltage and on-current in Examples 11 to 20 is shown in Table 2 below, and in particular, the results of Examples 15 and 20 are shown in FIG. In FIG. 7, the result of Example 15 is indicated by a solid line Lf, and the result of Example 20 is indicated by a solid line Lg.

Figure 0006093601
Figure 0006093601

代表的に実施例15及び20は、図7に示すように、共に電流飽和特性を有し、オン電流0A〜600Aにかけての領域では、図6の比較例(実線Le参照)よりは緩やかではあるが、急峻に立ち上がり、ほぼサイリスタ動作に近い動作が行われていることがわかる。そして、オン電流600A以上の領域では、オン電流の上昇率がオン電圧の増加に従って徐々に低下し、トランジスタの電流飽和特性に似た特性になっていることがわかる。オン電圧40Vに対するオン電流の値は1024A及び1088Aであった。   Typically, Examples 15 and 20 both have current saturation characteristics, as shown in FIG. 7, and are more gradual than the comparative example of FIG. 6 (see solid line Le) in the region between ON currents 0A to 600A. However, it can be seen that the operation rises sharply and the operation is almost similar to the thyristor operation. In the region where the on-current is 600 A or more, it can be seen that the increase rate of the on-current gradually decreases as the on-voltage increases, and the characteristics are similar to the current saturation characteristics of the transistors. The values of the on-current with respect to the on-voltage of 40 V were 1024 A and 1088 A.

その他、実施例11〜14、16〜19についても、上述した実施例15及び20と同様の電流飽和特性を有していた。そして、表2の実施例11〜15の結果から、カソード領域22の厚みDbが薄くなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が下がっており、オン電流の上昇がより制限されていることがわかる。同様に、実施例15〜20の結果から、カソード領域22の厚みDbが厚くなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が上昇しており、オン電流の制限度合いが緩和されていることがわかる。   In addition, Examples 11 to 14 and 16 to 19 also had current saturation characteristics similar to those of Examples 15 and 20 described above. From the results of Examples 11 to 15 in Table 2, as the thickness Db of the cathode region 22 is reduced, the value of the on-current with respect to the on-voltage 40V is reduced, and the increase of the on-current is further restricted. Recognize. Similarly, from the results of Examples 15 to 20, it can be seen that as the thickness Db of the cathode region 22 increases, the value of the on-current with respect to the on-voltage of 40 V increases, and the degree of restriction of the on-current is relaxed. .

[第3実施例]
第3実施例は、実施例21〜27について、真のゲート幅Waを変化させた場合のオン電圧とオン電流との関係を確認した。
[Third embodiment]
In the third example, the relationship between the on-voltage and the on-current when the true gate width Wa was changed was confirmed for examples 21 to 27.

(実施例21)
実施例21に係る半導体装置は、図1に示す半導体装置10において、エピタキシャル層14の厚みDaを2.0μm、カソード領域22の厚みDbを1.0μm、真のゲート幅Waを0.5μm、カソード領域22の不純物濃度を2×1018[atm/cm3]とした。
(Example 21)
The semiconductor device according to Example 21 is the same as the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 except that the epitaxial layer 14 has a thickness Da of 2.0 μm, the cathode region 22 has a thickness Db of 1.0 μm, a true gate width Wa of 0.5 μm, The impurity concentration of the cathode region 22 was 2 × 10 18 [atm / cm 3 ].

(実施例22〜27)
実施例22、23、24、25、26、27に係る半導体装置は、真のゲート幅Waをそれぞれ0.8μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm、2.5μm、3.0μmとしたこと以外は、実施例21と同様にして作製した。なお、実施例23と上述した実施例4とは同じ半導体装置である。
(Examples 22 to 27)
In the semiconductor devices according to Examples 22, 23, 24, 25, 26, and 27, the true gate widths Wa are 0.8 μm, 1.0 μm, 1.5 μm, 2.0 μm, 2.5 μm, and 3.0 μm, respectively. Except for the above, it was fabricated in the same manner as in Example 21. In addition, Example 23 and Example 4 mentioned above are the same semiconductor devices.

(評価結果)
実施例21〜27におけるオン電圧とオン電流との関係を下記表3に示し、特に、実施例23、24及び25の結果を図8に示す。図8において、実施例23の結果を実線Lhで示し、実施例24の結果を実線Liで示し、実施例25の結果を実線Ljで示す。
(Evaluation results)
The relationship between the ON voltage and the ON current in Examples 21 to 27 is shown in Table 3 below, and in particular, the results of Examples 23, 24, and 25 are shown in FIG. In FIG. 8, the result of Example 23 is indicated by a solid line Lh, the result of Example 24 is indicated by a solid line Li, and the result of Example 25 is indicated by a solid line Lj.

Figure 0006093601
Figure 0006093601

代表的に実施例23、24及び25は、図8に示すように、共に電流飽和特性を有し、オン電流0A〜600Aにかけての領域では、図6の比較例(実線Le参照)よりは緩やかではあるが、急峻に立ち上がり、ほぼサイリスタ動作に近い動作が行われていることがわかる。そして、オン電流600A以上の領域では、オン電流の上昇率がオン電圧の増加に従って徐々に低下し、トランジスタの電流飽和特性に似た特性になっていることがわかる。オン電圧40Vに対するオン電流の値は1024A、1224A及び1425Aであった。   Typically, Examples 23, 24 and 25 both have current saturation characteristics, as shown in FIG. 8, and are more gradual than the comparative example of FIG. 6 (see solid line Le) in the region between ON currents 0A to 600A. However, it can be seen that the operation rises sharply and the operation is almost similar to the thyristor operation. In the region where the on-current is 600 A or more, it can be seen that the increase rate of the on-current gradually decreases as the on-voltage increases, and the characteristics are similar to the current saturation characteristics of the transistors. The values of the on-current with respect to the on-voltage of 40 V were 1024A, 1224A, and 1425A.

その他、実施例21、22、26及び27についても、上述した実施例23、24及び25と同様の電流飽和特性を有していた。そして、表3の実施例21〜23の結果から、真のゲート幅Waが小さくなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が下がっており、オン電流の上昇がより制限されていることがわかる。同様に、実施例23〜27の結果から、真のゲート幅Waが大きくなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が上昇しており、オン電流の制限度合いが緩和されていることがわかる。   In addition, Examples 21, 22, 26, and 27 also had current saturation characteristics similar to those of Examples 23, 24, and 25 described above. From the results of Examples 21 to 23 in Table 3, it can be seen that as the true gate width Wa decreases, the value of the on-current with respect to the on-voltage 40V decreases, and the increase in the on-current is more limited. . Similarly, from the results of Examples 23 to 27, it can be seen that as the true gate width Wa increases, the value of the on-current with respect to the on-voltage 40V increases, and the degree of restriction of the on-current is relaxed.

[第4実施例]
第4実施例は、実施例31〜33について、カソード領域22の不純物濃度を変化させた場合のオン電圧とオン電流との関係を確認した。
[Fourth embodiment]
In the fourth example, the relationship between the on-voltage and the on-current when the impurity concentration of the cathode region 22 was changed was confirmed for examples 31 to 33.

(実施例31)
実施例31に係る半導体装置は、図1に示す半導体装置10において、エピタキシャル層14の厚みDaを2.0μm、カソード領域22の厚みDbを1.0μm、真のゲート幅Waを1.0μm、カソード領域22の不純物濃度を1×1018[atm/cm3]とした。
(Example 31)
The semiconductor device according to Example 31 is the same as the semiconductor device 10 shown in FIG. 1, except that the epitaxial layer 14 has a thickness Da of 2.0 μm, the cathode region 22 has a thickness Db of 1.0 μm, a true gate width Wa of 1.0 μm, The impurity concentration of the cathode region 22 was set to 1 × 10 18 [atm / cm 3 ].

(実施例32、33)
実施例32、33に係る半導体装置は、カソード領域22の不純物濃度をそれぞれ2×1018[atm/cm3]、4×1018[atm/cm3]としたこと以外は、実施例31と同様にして作製した。なお、実施例32と上述した実施例4とは同じ半導体装置である。
(Examples 32 and 33)
The semiconductor device according to Examples 32 and 33 was the same as Example 31 except that the impurity concentration of the cathode region 22 was 2 × 10 18 [atm / cm 3 ] and 4 × 10 18 [atm / cm 3 ], respectively. It produced similarly. Note that Example 32 and Example 4 described above are the same semiconductor device.

(評価結果)
実施例31〜33におけるオン電圧とオン電流との関係を下記表4及び図9に示す。図9において、実施例31の結果を実線Lkで示し、実施例32の結果を実線Llで示し、実施例33の結果を実線Lmで示す。
(Evaluation results)
The relationship between the on voltage and the on current in Examples 31 to 33 is shown in Table 4 and FIG. In FIG. 9, the result of Example 31 is indicated by a solid line Lk, the result of Example 32 is indicated by a solid line Ll, and the result of Example 33 is indicated by a solid line Lm.

Figure 0006093601
Figure 0006093601

実施例31、32及び33は、図9に示すように、共に電流飽和特性を有し、オン電流0A〜600Aにかけての領域では、図6の比較例(実線Le参照)よりは緩やかではあるが、急峻に立ち上がり、ほぼサイリスタ動作に近い動作が行われていることがわかる。そして、オン電流600A以上の領域では、オン電流の上昇率がオン電圧の増加に従って徐々に低下し、トランジスタの電流飽和特性に似た特性になっていることがわかる。オン電圧40Vに対するオン電流の値は904A、1024A及び1168Aであった。   As shown in FIG. 9, each of Examples 31, 32, and 33 has a current saturation characteristic, and in the region from ON current 0A to 600A, it is more gradual than the comparative example of FIG. 6 (see solid line Le). It can be seen that the operation rises sharply and the operation is almost similar to the thyristor operation. In the region where the on-current is 600 A or more, it can be seen that the increase rate of the on-current gradually decreases as the on-voltage increases, and the characteristics are similar to the current saturation characteristics of the transistors. The values of the on-current with respect to the on-voltage of 40 V were 904A, 1024A, and 1168A.

そして、実施例31及び32の結果から、カソード領域22の不純物濃度が薄くなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が下がっており、オン電流の上昇がより制限されていることがわかる。同様に、実施例32及び33の結果から、カソード領域22の不純物濃度が濃くなるにつれて、オン電圧40Vに対するオン電流の値が上昇しており、オン電流の制限度合いが緩和されていることがわかる。   From the results of Examples 31 and 32, it can be seen that as the impurity concentration in the cathode region 22 decreases, the value of the on-current with respect to the on-voltage of 40 V decreases, and the increase in the on-current is more limited. Similarly, from the results of Examples 32 and 33, it can be seen that as the impurity concentration in the cathode region 22 increases, the value of the on-current with respect to the on-voltage of 40 V increases, and the degree of restriction of the on-current is relaxed. .

なお、本発明に係る半導体装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。   Note that the semiconductor device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

10…半導体装置 12…半導体基板
14…エピタキシャル層 16…カソード電極
18…アノード電極 20…ゲート電極
22…カソード領域 24…アノード領域
26…埋め込みゲート領域 28…取出し領域
30…第1絶縁層 32…第2絶縁層
34…カソード配線層 36…真性半導体領域
40…負荷 42…パルス発生回路
44…スイッチ Z1…低いオン電流の領域
Z2…高いオン電流の領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor device 12 ... Semiconductor substrate 14 ... Epitaxial layer 16 ... Cathode electrode 18 ... Anode electrode 20 ... Gate electrode 22 ... Cathode region 24 ... Anode region 26 ... Embedded gate region 28 ... Extraction region 30 ... 1st insulating layer 32 ... 1st 2 insulating layer 34 ... cathode wiring layer 36 ... intrinsic semiconductor region 40 ... load 42 ... pulse generation circuit 44 ... switch Z1 ... low on-current region Z2 ... high on-current region

Claims (11)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の一方の表面に形成されたエピタキシャル層と、
前記半導体基板の他方の表面に形成された第2導電型のアノード領域と、
前記エピタキシャル層の上層に形成された第1導電型のカソード領域と、
前記半導体基板の上層と前記エピタキシャル層の下層にかけて形成された第2導電型の複数の埋込みゲート領域とを有し、
前記エピタキシャル層の厚みが0.5μm以上3.0μm以下であり、
前記カソード領域の厚みが0.2μm以上2.0μm以下であり、
隣接する前記埋め込みゲート領域の最大幅が0.5μm以上3.0μm以下であり、
前記カソード領域の不純物濃度が最も高い部位の不純物濃度が1×1018[atm/cm]〜4×1018[atm/cm]であり、
低いオン電流の領域ではサイリスタ動作を行い、高いオン電流の領域ではトランジスタと同様の動作を行うことを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
An epitaxial layer formed on one surface of the semiconductor substrate;
An anode region of a second conductivity type formed on the other surface of the semiconductor substrate;
A cathode region of a first conductivity type formed in an upper layer of the epitaxial layer;
And a said upper layer and the plurality of buried because inclusive gate region of a second conductivity type formed over the lower layer of the epitaxial layer of the semiconductor substrate,
The thickness of the epitaxial layer is 0.5 μm or more and 3.0 μm or less,
The cathode region has a thickness of 0.2 μm or more and 2.0 μm or less;
The maximum width of the adjacent buried gate region is 0.5 μm or more and 3.0 μm or less,
The cathode region 1 is the impurity concentration of the portion having the highest impurity concentration of × 10 18 [atm / cm 3 ] ~4 × 10 18 [atm / cm 3] der is,
A semiconductor device characterized in that a thyristor operation is performed in a low on-current region and an operation similar to that of a transistor is performed in a high on-current region .
請求項1記載の半導体装置において、
前記エピタキシャル層の厚みが0.5μm以上2.0μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The thickness of the said epitaxial layer is 0.5 micrometer or more and 2.0 micrometers or less, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1記載の半導体装置において、
前記エピタキシャル層の厚みが1.0μm以上2.0μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A thickness of said epitaxial layer is 1.0 micrometer or more and 2.0 micrometers or less, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1記載の半導体装置において、
前記エピタキシャル層の厚みが1.5μm以上2.0μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The thickness of the said epitaxial layer is 1.5 micrometers or more and 2.0 micrometers or less, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1記載の半導体装置において、
前記エピタキシャル層の厚みが2.0μm以上3.0μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A thickness of said epitaxial layer is 2.0 micrometers or more and 3.0 micrometers or less, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記カソード領域の厚みは、前記エピタキシャル層の厚みの1/10以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The thickness of the said cathode area | region is 1/10 or more of the thickness of the said epitaxial layer, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項6記載の半導体装置において、
前記カソード領域の厚みは、前記エピタキシャル層の厚みの1/10以上5/10以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
The thickness of the said cathode area | region is 1/10 or more and 5/10 or less of the thickness of the said epitaxial layer, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項6記載の半導体装置において、
前記カソード領域の厚みは、前記エピタキシャル層の厚みの5/10以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
The thickness of the said cathode area | region is 5/10 or more of the thickness of the said epitaxial layer, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置において、
隣接する前記埋め込みゲート領域の最大幅が0.5μm以上1.0μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the adjacent buried gate region has a maximum width of 0.5 [mu] m to 1.0 [mu] m.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置において、
隣接する前記埋め込みゲート領域の最大幅が1.0μm以上3.0μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the adjacent buried gate region has a maximum width of 1.0 [mu] m to 3.0 [mu] m.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置において、
隣接する前記埋め込みゲート領域の最大幅が1.0μm以上2.0μm以下であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the adjacent buried gate region has a maximum width of 1.0 [mu] m to 2.0 [mu] m.
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