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JP2004311481A - Semiconductor device - Google Patents

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Publication number
JP2004311481A
JP2004311481A JP2003098863A JP2003098863A JP2004311481A JP 2004311481 A JP2004311481 A JP 2004311481A JP 2003098863 A JP2003098863 A JP 2003098863A JP 2003098863 A JP2003098863 A JP 2003098863A JP 2004311481 A JP2004311481 A JP 2004311481A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
concentration
conductivity type
base layer
emitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003098863A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoko Sakiyama
陽子 崎山
Tomoki Inoue
智樹 井上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2003098863A priority Critical patent/JP2004311481A/en
Publication of JP2004311481A publication Critical patent/JP2004311481A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device that can be reduced in on-resistance without increasing turning-off loss and, in addition, can be increased in withstand voltage. <P>SOLUTION: In a PT type IGBT having a planer structure, an n-type buffer layer 2 having a width of 40 μm and a peak concentration of 1×10<SP>16</SP>cm<SP>-3</SP>on a p<SP>-</SP>-type layer 3a side is formed on the rear surface of an n-type base layer 1 having an impurity concentration of 1×10<SP>13</SP>cm<SP>-3</SP>and a p-type emitter layer 3 composed of the p<SP>-</SP>-type layer 3a having a thickness of 5 μm and the peak concentration of 1×10<SP>16</SP>cm<SP>-3</SP>and a p<SP>+</SP>-type layer 3b having a thickness of 1μm and a peak concentration of 7×10<SP>17</SP>cm<SP>-3</SP>is formed on the rear surface of the buffer layer 2. In addition, a collector electrode 12 is formed on the p<SP>+</SP>-type layer 3b. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係わり、特にバイポーラモードで動作する高耐圧素子として用いられるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電力用半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、IGBTにおいては、微細化技術/デバイス構造の最適化等による低オン抵抗化/高速・高周波化/ターンオフ損失の低減化等の特性向上が進み、ターンオフ損失を増大させずに低オン抵抗化できるIGBTが発表されている。
【0003】
この種のIGBTとしては、図4及び図5に示すものが知られている(例えば、特許文献1)。
【0004】
図4はIGBTの断面図、図5は図4のB−B線に沿うIGBTの不純物プロファイルである。
【0005】
この特許文献1に開示されたIGBTは、図4に示すように、低濃度のNベース層101の裏面には、Nベース層101よりも高濃度のNバッファ層102、及びNバッファ層102よりも高濃度の逆導電型のPエミッタ層103が形成され、シリコン基板104のNベース層101表面には、複数のPベース層105が互いに離間して選択的に形成されている。このPベース層105の表面には、Pベース層105よりも高濃度のNエミッタ層106が、複数互いに離間して選択的に形成されている。
【0006】
そして、一方のNエミッタ層106及びPベース層105から、Nベース層101を介して他方のPベース層105及びNエミッタ層106に至る領域上には、各々、N+多結晶シリコン膜からなるゲート電極108が、ゲート絶縁膜107を介してシリコン基板104上に形成されている。
【0007】
ここで、Nエミッタ層106とNベース層101間のPベース層105の表面部分がチャネル領域として機能する。
【0008】
また、ゲート電極108を覆う絶縁膜109に、コンタクト開口部110が、各々、Nエミッタ層106間のPベース層105とNエミッタ層106の一部を露出するように設けられ、この露出されたPベース層105及びNエミッタ層106に、各々、エミッタ電極111が形成されている。そして、シリコン基板104のPエミッタ層103の裏面には、コレクタ電極112が形成されている。
【0009】
上記構造において、図5に示すように、Nベース層101は、不純物濃度1×1013cm−3を有し、Nバッファ層102は、層厚が40μmで、Pエミッタ層103側にピーク濃度1×1016cm−3を有している。そして、Pエミッタ層103は、層厚が1μmで、コレクタ電極111側にピーク濃度7×1017cm−3を有している。
【0010】
このように、層厚が厚く、低濃度のNバッファ層102、及び層厚が薄く、高濃度のPエミッタ層103を設けたことにより、ターンオフ損失(Eoff)を増大させることなく、オン抵抗(Vce(sat.))を低減でき、また高温時でもターンオフ損失を減少することができる。
【0011】
【特許文献1】
特開2001−332729号公報(7頁、図1及び図3)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来のIGBTおいては、Pエミッタ層103の不純物濃度勾配が急峻であるため、Pエミッタ層103及びNバッファ層102間に逆方向電圧を印加した場合には、Pエミッタ層103側に空乏層が伸張しないので逆方向耐圧が低く、またPエミッタ層103の層厚が1μmと薄いので、コレクタ電極112側から導入される欠陥等の影響を受けてアノードショート状態となり易く、逆方向耐圧が低下するという問題点を有している。
【0013】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ターンオフ損失を増大させずに低オン抵抗化でき、且つ高耐圧化ができる半導体装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体装置は、第1導電型の高濃度層及びこの高濃度層の主面と接した第1導電型の低濃度層を有する第1導電型のエミッタ層と、この第1導電型のエミッタ層における低濃度層上に形成され、且つこの第1導電型の低濃度層と同程度の濃度を有する第2導電型のバッファ層と、この第2導電型のバッファ層上に形成された第2導電型のベース層と、この第2導電型のベース層表面内に選択的に設けられた第1導電型のベース層と、この第1導電型のベース層表面内に選択的に設けられた第2導電型のエミッタ層と、この第2導電型のエミッタ層及び前記第2導電型のベース層間の前記第1導電型のベース層部分により形成されるチャネル領域と、このチャネル領域表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第1導電型のベース層及び前記第2導電型のエミッタ層上に形成されたエミッタ電極と、前記第1導電型の高濃度層の反対面に形成されたコレクタ電極とを具備することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0016】
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態に係わる半導体装置としてのIGBTについて、図面を参照して説明する。図1はプレーナ構造のPT(パンチスルー)型のIGBTの断面図、図2は図1のA−A線に沿うIGBTの不純物プロファイルである。本実施の形態では、IGBTの耐圧を向上させるためにPエミッタ層の構造を変更した点に特徴を有する。
【0017】
本実施の形態のIGBTでは、図1に示すように、低濃度のNベース層1の裏面には、Nバッファ層2、及びNバッファ層2に接してこのNバッファ層2と同程度の濃度のP―層3aとこのP―層3aと接して高濃度のP+層3bを有するPエミッタ層3が形成されている。一方、シリコン基板4のNベース層1表面には、複数のPベース層5が互いに離間して選択的に形成されている。このPベース層5の表面には、Pベース層5よりも高濃度のNエミッタ層6が、複数互いに離間して選択的に形成されている。
【0018】
そして、一方のNエミッタ層6及びPベース層5から、Nベース層1を介して他方のPベース層5及びNエミッタ層6に至る領域上には、各々、N+多結晶シリコン膜からなるゲート電極8が、ゲート絶縁膜7を介してシリコン基板4上に形成されている。
【0019】
ここで、Nエミッタ層6とNベース層1間のPベース層5の表面部分がチャネル領域として機能する。
【0020】
また、ゲート電極8を覆う絶縁膜9に、コンタクト開口部10が、各々、Nエミッタ層6間のPベース層5とNエミッタ層6の一部を露出するように設けられ、この露出されたPベース層5及びNエミッタ層6に、各々、エミッタ電極11が形成されている。そして、シリコン基板4のPエミッタ層3の裏面には、コレクタ電極12が形成されている。
【0021】
そして、図2に示すように、Nベース層1は、不純物濃度1×1013cm−3に形成され、Nバッファ層2は、層厚が40μmで、P―層3a側にピーク濃度1×1016cm−3を有している。そして、P―層3aは、層厚が5μmで、ピーク濃度1×1016cm−3を有し、P+層3bは、層厚が1μmで、ピーク濃度7×1017cm−3を有している。
【0022】
このP―層3a及びP+層3bの形成方法としては、シリコン基板4の裏面側からボロンを低ドーズ量にてイオン注入した後、ボロンを熱拡散してP―層3aを形成する。また、ボロンを高ドーズ量にてイオン注入した後、ボロンが活性化する程度に熱処理してP+層3bを形成する。
【0023】
ここで、Nバッファ層2は、層厚が40μmで、ピーク濃度1×1016cm−3を有しているが、ターンオフ損失を増大させずにオン抵抗を低減させるには、層厚20乃至40μmで、ピーク濃度3×1016cm−3以下の範囲が好ましい。そして、P―層3aは、層厚が5μmで、ピーク濃度1×1016cm−3を有しているが、Pエミッタ層3とNバッファ層2の逆方向の耐圧を向上させるには、層厚3μm以上で、ピーク濃度3×1016cm−3以下の範囲が好ましい。
【0024】
また、大電流時のPエミッタ層3からのホールの注入をコントロールするためには、P+層3bのピーク濃度と層厚の積は、P―領域3aのピーク濃度と層厚の積よりも3倍以上大きい方が好ましい。更に、コレクタ電極12とPエミッタ層3との良好なるコンタクトをとるためには、P+層3bの層厚は、1μm以下が好ましい。
【0025】
このような本実施の形態のIGBTによれば、Nバッファ層2のピーク濃度が1×1016cm−3と低濃度に形成され、そして、Nバッファ層2に接して形成されたP―層3aが、層厚が5μmで、ピーク濃度1×1016cm−3と低濃度に形成されているので、Nバッファ層2内に蓄積するキャリアの量を低減できる。更に、P―層3aに接してP+層3bが、層厚が1μmで、ピーク濃度7×1017cm−3に形成され、Nバッファ層2のピーク濃度が1×1016cm−3と低濃度に形成されているので、P―層3a及びP+層3bからなるPエミッタ層3からNベース層1へのホールの注入量を適切に保つことができるので、ターンオフ損失を増大せずに低オン抵抗化できる。
【0026】
そして、Nバッファ層2とP+層3bの間に、P―層3aを設けているので、低濃度のNバッファ層2及び低濃度のP―層3aからなるPN接合の逆方向電圧印加(逆阻止時)において、P―層3aにも空乏層を広げることができるので、逆方向耐圧を大きく(高耐圧化)できる。
【0027】
更に、Pエミッタ層3の層厚が比較的厚いので、コレクタ電極12を形成する時に発生する金属の陥入等のディフェクトによるコレクタ電極12とNバッファ層2の電気的な接触をさけることができるので、安定した逆方向耐圧を確保できる。
【0028】
そして、P―層3aに接してP+層3bが設けられているので、Nベース層1へのホールの注入量を確保され、大電流高電圧時のPエミッタ層3からのホールの注入をコントロールすることができるので、負荷短絡時の破壊を防止できる。
【0029】
更に、プロトン照射等の再結合中心の導入によるライフタイム制御のかわりに、低濃度のNバッファ層2、低濃度のP―層3a及び高濃度のP+層3bからなるPエミッタ層3を設けているので、高温時においても導通時のターンオフ損失を増大させずに低オン抵抗化をはかりながら負荷短絡時に大電流を遮断することができる。
【0030】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係わる半導体装置としてのIGBTについて、図3を参照して説明する。図3はIGBTの断面図である。
【0031】
本実施の形態が第1の実施の形態と異なる点は、Nベース層1中に再結合中心13を設けたことにある。それ以外の構成については同一であり、異なる点のみ説明する。
【0032】
本実施の形態のIGBTでは、図3に示すように、Nベース層1中に電子線照射又は重金属拡散により再結合中心13を形成する。この再結合中心13の導入により、ターンオフ時にNベース層1中に存在するキャリアの消滅が加速されキャリアライフタイムが、例えば15μs以下に低減される。
【0033】
ここで、再結合中心13をNベース層1中に形成したが、Nバッファ層2中、或いはNベース層1及びNバッファ層2中に形成してもよい。
【0034】
上述したように、本実施の形態の半導体装置では、第1の実施の形態と同様な効果の他に、Nベース層1中に再結合中心13を設けているので、キャリアライフタイムを低減されターンオフ損失を低減することができる。そして、コレクタ側のキャリアの消滅が加速されるので、電流遮断中の破壊耐量が増大してより大きな電流を遮断できる。
【0035】
更に、ライフタイムを低減させると、一般的にオン抵抗が増大するが、低濃度のNバッファ層2を設けているので、Nベース層1の層幅を比較的に狭くでき、しかも導通時のNベース層1中のキャリア濃度を適切に制御しているので、オン抵抗の増大を抑制しつつ、ターンオフ損失の低減がより図れる。
【0036】
また、再結合中心13を設けるばかりでなく、Nベース層1の裏面にピーク濃度が低濃度(1×1016cm−3)のNバッファ層2と、このNバッファ層2に接したピーク濃度が低濃度(1×1016cm−3)のP―層3a及びこのP―層3aに接した高濃度のP+層3bからなるPエミッタ層3を設けているので、ターンオフ損失の低減を図るための再結合中心の導入量を必要最低限に低減でき、高温時でのターンオフ損失増大を抑制できる。
【0037】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更して実施してもよい。
【0038】
例えば、上記実施の形態では、プレーナ構造のIGBTについて説明したが、トレンチ構造のIGBT、IEBT(Injection Enhanced Gate Transistor)、CSTBT(Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor)等のバイポーラモードで動作するパワー素子にも適用できる。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、ターンオフ損失を増大させずに低オン抵抗化でき、且つ高耐圧化ができる半導体装置を提供するができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わるIGBTの断面図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係わるIGBTの不純物プロファイル。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係わるIGBTの断面図。
【図4】従来のIGBTの断面図。
【図5】従来のIGBTの不純物プロファイル。
【符号の説明】
1、 101 Nベース層
2、 102 Nバッファ層
3、 103 Pエミッタ層
3a P―層
3b P+層
4、104 シリコン基板
5、105 Pベース層
6、106 Nエミッタ層
7、107 ゲート絶縁膜
8、108 ゲート電極
9、109 絶縁膜
10、110 コンタクト開口部
11、111 エミッタ電極
12、112 コレクタ電極
13 再結合中心
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) used as a high breakdown voltage element that operates in a bipolar mode.
[0002]
[Prior art]
In recent years, IGBTs have been improved in characteristics such as low on-resistance / high-speed / high-frequency / reduction of turn-off loss by miniaturization technology / optimization of device structure, etc., and low on-resistance without increasing turn-off loss. A possible IGBT has been announced.
[0003]
As this type of IGBT, those shown in FIGS. 4 and 5 are known (for example, Patent Document 1).
[0004]
FIG. 4 is a sectional view of the IGBT, and FIG. 5 is an impurity profile of the IGBT along the line BB in FIG.
[0005]
As shown in FIG. 4, the IGBT disclosed in Patent Document 1 has an N buffer layer 102 with a higher concentration than the N base layer 101 and an N buffer layer 102 with a lower concentration on the back surface of the N base layer 101 with a lower concentration. Also, a P-type emitter layer 103 of the opposite conductivity type with a high concentration is formed, and a plurality of P-base layers 105 are selectively formed on the surface of the N-base layer 101 of the silicon substrate 104 while being separated from each other. On the surface of the P base layer 105, a plurality of N emitter layers 106 having a higher concentration than the P base layer 105 are selectively formed separately from each other.
[0006]
A gate made of an N + polycrystalline silicon film is provided on a region from one of the N emitter layer 106 and the P base layer 105 to the other P base layer 105 and the N emitter layer 106 via the N base layer 101. The electrode 108 is formed on the silicon substrate 104 via the gate insulating film 107.
[0007]
Here, the surface portion of the P base layer 105 between the N emitter layer 106 and the N base layer 101 functions as a channel region.
[0008]
Further, in the insulating film 109 covering the gate electrode 108, contact openings 110 are provided so as to expose a part of the P base layer 105 and the N emitter layer 106 between the N emitter layers 106, respectively. An emitter electrode 111 is formed on each of the P base layer 105 and the N emitter layer 106. A collector electrode 112 is formed on the back surface of the P emitter layer 103 of the silicon substrate 104.
[0009]
In the above structure, as shown in FIG. 5, the N base layer 101 has an impurity concentration of 1 × 10 13 cm −3 , the N buffer layer 102 has a thickness of 40 μm, and has a peak concentration on the P emitter layer 103 side. It has 1 × 10 16 cm −3 . The P emitter layer 103 has a layer thickness of 1 μm and a peak concentration of 7 × 10 17 cm −3 on the collector electrode 111 side.
[0010]
As described above, by providing the thick and low-concentration N buffer layer 102 and the thin and high-concentration P emitter layer 103, the on-resistance (Eoff) is increased without increasing the turn-off loss (Eoff). Vce (sat.)), And the turn-off loss can be reduced even at high temperatures.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-332729 (page 7, FIGS. 1 and 3)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional IGBT, since the impurity concentration gradient of the P emitter layer 103 is steep, when a reverse voltage is applied between the P emitter layer 103 and the N buffer layer 102, the P emitter layer 103 Since the depletion layer does not extend to the side, the reverse breakdown voltage is low, and the thickness of the P emitter layer 103 is as thin as 1 μm, so that the anode short-circuit state easily occurs due to the influence of defects introduced from the collector electrode 112 side. There is a problem that the directional breakdown voltage is reduced.
[0013]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can have a low on-resistance and a high withstand voltage without increasing the turn-off loss.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to one embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device including a high-concentration layer of a first conductivity type and a low-concentration layer of the first conductivity type in contact with a main surface of the high-concentration layer. An emitter layer of a first conductivity type; a buffer layer of a second conductivity type formed on the low-concentration layer of the emitter layer of the first conductivity type and having the same concentration as the low-concentration layer of the first conductivity type; A second conductive type base layer formed on the second conductive type buffer layer; a first conductive type base layer selectively provided on the surface of the second conductive type base layer; A second conductivity type emitter layer selectively provided in the surface of the conductivity type base layer, and the first conductivity type base layer portion between the second conductivity type emitter layer and the second conductivity type base layer And a channel region formed on the surface of the channel region via a gate insulating film. A gate electrode, an emitter electrode formed on the first conductivity type base layer and the second conductivity type emitter layer, and a collector formed on the opposite surface of the first conductivity type high concentration layer. And an electrode.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
(First Embodiment)
First, an IGBT as a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a PT (punch through) type IGBT having a planar structure, and FIG. 2 is an impurity profile of the IGBT along the line AA in FIG. This embodiment is characterized in that the structure of the P emitter layer is changed in order to improve the breakdown voltage of the IGBT.
[0017]
In the IGBT according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, on the back surface of the low-concentration N base layer 1, an N buffer layer 2 is formed. P-layer 3a and P-emitter layer 3 having high-concentration P + layer 3b in contact with P- layer 3a. On the other hand, a plurality of P base layers 5 are selectively formed on the surface of the N base layer 1 of the silicon substrate 4 while being separated from each other. On the surface of the P base layer 5, a plurality of N emitter layers 6 having a higher concentration than the P base layer 5 are selectively formed while being separated from each other.
[0018]
A gate made of an N + polycrystalline silicon film is provided on a region from one N emitter layer 6 and P base layer 5 to the other P base layer 5 and N emitter layer 6 via N base layer 1. The electrode 8 is formed on the silicon substrate 4 via the gate insulating film 7.
[0019]
Here, the surface portion of the P base layer 5 between the N emitter layer 6 and the N base layer 1 functions as a channel region.
[0020]
In the insulating film 9 covering the gate electrode 8, contact openings 10 are provided so as to expose a part of the P base layer 5 and the N emitter layer 6 between the N emitter layers 6, respectively. An emitter electrode 11 is formed on each of the P base layer 5 and the N emitter layer 6. A collector electrode 12 is formed on the back surface of the P emitter layer 3 of the silicon substrate 4.
[0021]
Then, as shown in FIG. 2, the N base layer 1 is formed with an impurity concentration of 1 × 10 13 cm −3 , the N buffer layer 2 has a layer thickness of 40 μm, and a peak concentration of 1 × 10 13 cm −3 on the P− layer 3a side. It has 10 16 cm −3 . The P− layer 3a has a layer thickness of 5 μm and a peak concentration of 1 × 10 16 cm −3 , and the P + layer 3b has a layer thickness of 1 μm and a peak concentration of 7 × 10 17 cm −3 . ing.
[0022]
As a method of forming the P− layer 3a and the P + layer 3b, boron is ion-implanted from the back surface side of the silicon substrate 4 at a low dose, and then the boron is thermally diffused to form the P− layer 3a. After boron is ion-implanted at a high dose, heat treatment is performed to the extent that boron is activated to form a P + layer 3b.
[0023]
Here, the N buffer layer 2 has a layer thickness of 40 μm and a peak concentration of 1 × 10 16 cm −3 . However, in order to reduce the ON resistance without increasing the turn-off loss, the N buffer layer 2 has a thickness of 20 to A range of 40 μm and a peak concentration of 3 × 10 16 cm −3 or less is preferable. The P− layer 3a has a layer thickness of 5 μm and a peak concentration of 1 × 10 16 cm −3. To improve the reverse breakdown voltage between the P emitter layer 3 and the N buffer layer 2, The thickness is preferably 3 μm or more, and the peak concentration is preferably 3 × 10 16 cm −3 or less.
[0024]
Further, in order to control the injection of holes from the P emitter layer 3 at the time of a large current, the product of the peak concentration and the layer thickness of the P + layer 3b is 3 times smaller than the product of the peak concentration and the layer thickness of the P− region 3a. It is preferably larger by a factor of two or more. Further, in order to make good contact between the collector electrode 12 and the P emitter layer 3, the thickness of the P + layer 3b is preferably 1 μm or less.
[0025]
According to such an IGBT of the present embodiment, the peak concentration of N buffer layer 2 is formed as low as 1 × 10 16 cm −3, and the P − layer formed in contact with N buffer layer 2 is formed. Since 3a has a layer thickness of 5 μm and a low concentration of 1 × 10 16 cm −3 , the amount of carriers accumulated in the N buffer layer 2 can be reduced. Further, the P + layer 3b is formed in contact with the P− layer 3a to have a layer thickness of 1 μm and a peak concentration of 7 × 10 17 cm −3, and the peak concentration of the N buffer layer 2 is as low as 1 × 10 16 cm −3. Since it is formed at a concentration, the amount of holes injected from the P emitter layer 3 composed of the P− layer 3a and the P + layer 3b into the N base layer 1 can be appropriately maintained. ON resistance can be achieved.
[0026]
Since the P− layer 3a is provided between the N buffer layer 2 and the P + layer 3b, the reverse voltage application (reverse voltage) of the PN junction composed of the low concentration N buffer layer 2 and the low concentration P− layer 3a is performed. (At the time of blocking), the depletion layer can be extended to the P − layer 3a, so that the reverse breakdown voltage can be increased (high breakdown voltage).
[0027]
Further, since the layer thickness of the P emitter layer 3 is relatively large, electrical contact between the collector electrode 12 and the N buffer layer 2 due to defects such as metal intrusion generated when forming the collector electrode 12 can be avoided. Therefore, a stable reverse breakdown voltage can be secured.
[0028]
Since the P + layer 3b is provided in contact with the P− layer 3a, the amount of holes injected into the N base layer 1 is ensured, and the injection of holes from the P emitter layer 3 at the time of large current and high voltage is controlled. Therefore, destruction at the time of load short-circuit can be prevented.
[0029]
Further, instead of controlling the lifetime by introducing recombination centers such as proton irradiation, a P emitter layer 3 including a low-concentration N buffer layer 2, a low-concentration P- layer 3a and a high-concentration P + layer 3b is provided. Therefore, even at a high temperature, a large current can be cut off when a load is short-circuited while reducing the on-resistance without increasing the turn-off loss at the time of conduction.
[0030]
(Second embodiment)
Next, an IGBT as a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a sectional view of the IGBT.
[0031]
This embodiment differs from the first embodiment in that a recombination center 13 is provided in the N base layer 1. Other configurations are the same, and only different points will be described.
[0032]
In the IGBT of the present embodiment, as shown in FIG. 3, recombination centers 13 are formed in N base layer 1 by electron beam irradiation or heavy metal diffusion. The introduction of the recombination center 13 accelerates the disappearance of carriers existing in the N base layer 1 at the time of turn-off, and reduces the carrier lifetime to, for example, 15 μs or less.
[0033]
Here, the recombination center 13 is formed in the N base layer 1, but may be formed in the N buffer layer 2 or in the N base layer 1 and the N buffer layer 2.
[0034]
As described above, in the semiconductor device of the present embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, since the recombination center 13 is provided in the N base layer 1, the carrier lifetime can be reduced. Turn-off loss can be reduced. Since the disappearance of carriers on the collector side is accelerated, the breakdown strength during current interruption is increased, and a larger current can be interrupted.
[0035]
Further, when the lifetime is reduced, the on-resistance generally increases. However, since the low-concentration N buffer layer 2 is provided, the layer width of the N base layer 1 can be made relatively small, and furthermore, the conduction time is reduced. Since the carrier concentration in the N base layer 1 is appropriately controlled, the turn-off loss can be further reduced while suppressing the increase in the on-resistance.
[0036]
In addition to providing the recombination center 13, the N buffer layer 2 having a low peak concentration (1 × 10 16 cm −3 ) on the back surface of the N base layer 1 and the peak concentration in contact with the N buffer layer 2 Is provided with a low concentration (1 × 10 16 cm −3 ) P− layer 3a and a P emitter layer 3 composed of a high concentration P + layer 3b in contact with the P− layer 3a, so that turn-off loss is reduced. The amount of recombination centers introduced for this purpose can be reduced to the minimum necessary, and an increase in turn-off loss at high temperatures can be suppressed.
[0037]
The present invention is not limited to the above embodiment, and may be implemented with various modifications without departing from the spirit of the invention.
[0038]
For example, in the above-described embodiment, the IGBT having the planar structure has been described. However, the IGBT having the trench structure, the Injection Enhanced Gate Transistor (IEBT), and the bipolar device which operates in the bipolar mode such as the Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor (CSTBT). Applicable.
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that can have a low on-resistance without increasing the turn-off loss and a high withstand voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an IGBT according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an impurity profile of the IGBT according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of an IGBT according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional IGBT.
FIG. 5 is an impurity profile of a conventional IGBT.
[Explanation of symbols]
1, 101 N base layer 2, 102 N buffer layer 3, 103 P emitter layer 3a P− layer 3b P + layer 4, 104 silicon substrate 5, 105 P base layer 6, 106 N emitter layer 7, 107 gate insulating film 8, 108 Gate electrode 9, 109 Insulating film 10, 110 Contact opening 11, 111 Emitter electrode 12, 112 Collector electrode 13, Recombination center

Claims (5)

第1導電型の高濃度層及びこの高濃度層の主面と接した第1導電型の低濃度層を有する第1導電型のエミッタ層と、
この第1導電型のエミッタ層における低濃度層上に形成され、且つこの第1導電型の低濃度層と同程度の濃度を有する第2導電型のバッファ層と、
この第2導電型のバッファ層上に形成された第2導電型のベース層と、
この第2導電型のベース層表面内に選択的に設けられた第1導電型のベース層と、
この第1導電型のベース層表面内に選択的に設けられた第2導電型のエミッタ層と、
この第2導電型のエミッタ層及び前記第2導電型のベース層間の前記第1導電型のベース層部分により形成されるチャネル領域と、
このチャネル領域表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第1導電型のベース層及び前記第2導電型のエミッタ層上に形成されたエミッタ電極と、
前記第1導電型の高濃度層の反対面に形成されたコレクタ電極と、
を具備することを特徴とするバイポーラモードで動作する半導体装置。
A first conductivity type emitter layer having a first conductivity type high concentration layer and a first conductivity type low concentration layer in contact with a main surface of the high concentration layer;
A second-conductivity-type buffer layer formed on the low-concentration layer in the first-conductivity-type emitter layer and having the same concentration as the first-conductivity-type low-concentration layer;
A second conductivity type base layer formed on the second conductivity type buffer layer;
A first conductivity type base layer selectively provided in the surface of the second conductivity type base layer;
A second conductivity type emitter layer selectively provided in the surface of the first conductivity type base layer;
A channel region formed by the first conductive type base layer portion between the second conductive type emitter layer and the second conductive type base layer;
A gate electrode provided on the surface of the channel region via a gate insulating film;
An emitter electrode formed on the first conductive type base layer and the second conductive type emitter layer;
A collector electrode formed on the opposite side of the first conductivity type high concentration layer;
A semiconductor device operating in a bipolar mode, comprising:
前記第2導電型のバッファ層のピーク濃度が3×1016cm−3以下であり、前記第1導電型の低濃度層のピーク濃度が3×1016cm−3以下であり、前記第1導電型の高濃度層のピーク濃度が5×1017cm−3以上であることを特徴とする請求項1記載のバイポーラモードで動作する半導体装置。The second conductive type buffer layer has a peak concentration of 3 × 10 16 cm −3 or less, the first conductive type low concentration layer has a peak concentration of 3 × 10 16 cm −3 or less, and the first conductive type buffer layer has a peak concentration of 3 × 10 16 cm −3 or less. 2. The semiconductor device operating in a bipolar mode according to claim 1, wherein a peak concentration of the conductive high-concentration layer is 5 × 10 17 cm −3 or more. 前記第2導電型のバッファ層の層厚が20乃至40μm、前記第1導電型の低濃度層の層厚が3μm以上、前記第1導電型の高濃度層の層厚が1um以下であることを特徴とする請求項1又は2記載のバイポーラモードで動作する半導体装置。The thickness of the buffer layer of the second conductivity type is 20 to 40 μm, the thickness of the low-concentration layer of the first conductivity type is 3 μm or more, and the thickness of the high-concentration layer of the first conductivity type is 1 μm or less. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device operates in a bipolar mode. 前記第1導電型の高濃度層のピーク濃度と厚さの積が、前記第1導電型の低濃度層のピーク濃度と厚さの積よりも3倍以上あることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のバイポーラモードで動作する半導体装置。2. The product of the peak concentration and the thickness of the high concentration layer of the first conductivity type is at least three times the product of the peak concentration and the thickness of the low concentration layer of the first conductivity type. 3. 4. The semiconductor device operating in the bipolar mode according to any one of claims 1 to 3. 前記第2導電型のベース層中、前記第2導電型のバッファ層中、又は前記第2導電型のベース層中及び前記第2導電型のバッファ層中に、ライフタイムを低減するために再結合中心を有し、ライフタイムが15μs以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のバイポーラモードで動作する半導体装置。In the second conductivity type base layer, in the second conductivity type buffer layer, or in the second conductivity type base layer and the second conductivity type buffer layer, the lifetime is reduced to reduce the lifetime. 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a coupling center and has a lifetime of 15 μs or less.
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