JP2008251620A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、オン電圧を低減化した半導体装置と、その製造方法に関する。特に、製造に要する時間を短縮化することができる半導体装置と、その製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device with reduced on-voltage and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a semiconductor device capable of reducing the time required for manufacturing and a manufacturing method thereof.
半導体装置のオン電圧あるいはオン抵抗を低減化する技術が研究されている。一例として、特許文献1にオン電圧を低減化することができるIGBTが開示されている。本明細書に添付した図10に示すように、このIGBT100は、エミッタ電極Eとコレクタ電極C間を流れる電流のオン・オフを制御するゲート電極Gを備えている。
A technique for reducing the on-voltage or on-resistance of a semiconductor device has been studied. As an example, Patent Document 1 discloses an IGBT that can reduce the on-voltage. As shown in FIG. 10 attached to the present specification, the
ここで、IGBT100のオン状態の動作を説明する。IGBT100をオン状態とするためには、エミッタ電極Eを接地し、コレクタ電極Cに正電圧を印加し、ゲート電極Gを介してトレンチゲート電極134に閾値以上のゲート電圧を印加する。これにより、p型のボディ領域150のうち、ゲート絶縁膜132を介してトレンチゲート電極134と対向する箇所がn型に反転し、チャネル領域が形成される。n型のエミッタ領域160から放出された多数キャリア(電子)がチャネル領域を経由してn−型のドリフト領域120へ注入され、n+型のバッファ領域140内に蓄積する。多数キャリアがバッファ領域140に蓄積すると、バッファ領域140とp+型のコレクタ領域142の接触電位差が低下し、コレクタ領域142からバッファ領域140とドリフト領域120へ少数キャリア(ホール)が注入される。これによりバッファ領域140及びドリフト領域120に伝導度変調現象が起こり、IGBT100が低いオン電圧でオン状態となる。コレクタ領域142から注入された少数キャリアは、多数キャリアと再結合して消滅するか、ボディ領域150とボディコンタクト領域(図示していない。)を経由して接地されているエミッタ電極Eへと排出される。なお、ボディコンタクト領域は、図10に示すIGBT100の断面の奥行き方向のいずれかの位置に形成されている。ボディコンタクト領域は、半導体基板111の表面111aに臨んで形成されているとともに、エミッタ領域160とともにエミッタ電極Eに接続されている。
Here, the operation of the
IGBT100の場合、ボディ領域150とドリフト領域120の間に、キャリア移動抑制領域170が形成されている。キャリア移動抑制領域170は、エミッタ領域160よりも低濃度であるとともに、ドリフト領域120よりも高濃度のn型の不純物を含んでいる。キャリア移動抑制領域170とボディ領域150の界面に形成されるポテンシャル障壁によって、エミッタ電極Eへと排出される少数キャリアがドリフト領域120内に溜まり易くなる。これにより、IGBT100では、エミッタ電極Eとコレクタ電極Cの間の少数キャリア濃度が大きくなり、オン電圧が低減化される。
In the case of the
図11〜図14を参照してIGBT100の製造方法を説明する。
IGBT100を製造するために、まず、n−型の半導体基板111を準備する。
図11に示すように、半導体基板111の表面111a上に、選択的にマスクAを形成する。そして、マスク越しにn型不純物を注入する。図11では、注入されているn型不純物がバツ印にて模式的に示されている。
次に、図12に示すように、半導体基板に熱処理を行ない、注入した不純物を表面111aから深い位置にまで拡散する。これにより、n型不純物の拡散領域N11が形成される。
次に、図13に示すように、表面111aからp型不純物を注入して拡散し、p型のボディ領域150を形成する。この際、ボディ領域150の下部にn型の拡散領域N11の一部が残るようにボディ領域150を形成する。
その後、一般的な方法で、トレンチ130の形成と、ゲート絶縁膜132の形成と、トレンチゲート電極134の形成と、エミッタ領域160の形成等を行い、IGBT100を製造する。
The manufacturing method of IGBT100 is demonstrated with reference to FIGS.
In order to manufacture the IGBT 100, first, an n −
As shown in FIG. 11, a mask A is selectively formed on the
Next, as shown in FIG. 12, the semiconductor substrate is heat-treated to diffuse the implanted impurities from the
Next, as shown in FIG. 13, a p-
Thereafter, formation of the
図14には、IGBT100の表面111aからの深さDに対応する不純物濃度Mを示す。図14では、実線でn型不純物の濃度を示す。また、一点鎖線でp型不純物の濃度を示す。
ここで、p型不純物とn型不純物の双方が含まれている半導体領域では、同濃度ずつの不純物が、実質的には相殺されるとみることができる。そして、その半導体領域は、濃度が高い方の不純物と同じ導電型の半導体領域となる。
したがって、図14に示すように、表面111aから浅い領域では、p型不純物の拡散領域P11によるp型半導体領域が形成されている。この領域がボディ領域150となる。ボディ領域150の下部には、n型不純物の拡散領域N11によるn型半導体領域が形成される。この領域がキャリア移動抑制領域170となる。
なお、この図14では、半導体基板111にもともと含まれているn型不純物の濃度は薄いので、省略して記載してある。
FIG. 14 shows the impurity concentration M corresponding to the depth D from the
Here, in a semiconductor region containing both p-type impurities and n-type impurities, it can be considered that impurities of the same concentration are substantially offset. The semiconductor region becomes a semiconductor region having the same conductivity type as the impurity having a higher concentration.
Therefore, as shown in FIG. 14, in a region shallow from the
In FIG. 14, since the concentration of the n-type impurity contained in the
従来の技術では、図11、図12に示すように、キャリア移動抑制領域170を形成するために、n型不純物の拡散領域N11を形成している。拡散領域N11を形成する工程では、n型不純物を表面111aに注入し、熱処理を行なうことによって注入した不純物を表面111aから深い位置まで拡散している。したがって、熱処理を長い時間にわたって行なう必要がある。
本発明は、上記の問題点を解決するために創案された。すなわち、本発明は、オン電圧を低減化する半導体装置であって、製造に要する時間を短縮化する技術を提供する。
In the conventional technique, as shown in FIGS. 11 and 12, an n-type impurity diffusion region N <b> 11 is formed in order to form the carrier
The present invention has been devised to solve the above problems. That is, the present invention provides a technique for shortening the time required for manufacturing a semiconductor device that reduces the on-voltage.
本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体層の表面から第2導電型の不純物を注入し、半導体層の表面から所定の深さまでの領域に第2導電型のボディ領域を形成する工程と、ボディ領域の表面から、その底面が第1導電型の半導体層に突出する複数個の第1トレンチを形成する工程と、隣接する第1トレンチの間に、ボディ領域の表面から、その底面がボディ領域内に位置する第2トレンチを形成する工程と、第2トレンチにおいて開口するマスクでボディ領域の表面を覆う工程と、マスク越しに第2トレンチの内面に向けて第1導電型の不純物を注入し、第2トレンチの底面の周囲に、第1導電型のキャリア移動抑制領域を形成する工程と、マスクを除去する工程と、ボディ領域の表面に臨むとともに第1トレンチに接する範囲に、第1導電型の不純物を注入し、第1導電型のエミッタ領域を形成する工程とを備えている。第1トレンチ内には、既知の方法で、ゲート絶縁層とトレンチゲート電極を形成する。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a second conductivity type impurity is implanted from the surface of the first conductivity type semiconductor layer, and a second conductivity type body region is formed in a region from the surface of the semiconductor layer to a predetermined depth. A step of forming a plurality of first trenches whose bottom surfaces protrude from the surface of the body region to the first conductivity type semiconductor layer, and a surface of the body region between adjacent first trenches. A step of forming a second trench whose bottom surface is located in the body region; a step of covering the surface of the body region with a mask opened in the second trench; A step of forming a first conductivity type carrier movement suppression region around the bottom surface of the second trench, a step of removing the mask, and facing the surface of the body region and in contact with the first trench. In circumference, the first conductivity type impurity is implanted, and a step of forming an emitter region of the first conductivity type. A gate insulating layer and a trench gate electrode are formed in the first trench by a known method.
上記工程を実施する順序は、上記した記載の順序に限定されるものではない。
第1トレンチを形成する工程と第2トレンチを形成する工程は、同時に実施してもよいし、別々に実施してもよい。
第2トレンチの底面が位置している「ボディ領域内」とは、第2トレンチの底面がボディ領域と第1導電型の半導体層との界面に一致している場合を含む。
隣接する第1トレンチの間には、1個の第2トレンチを形成してもよいし、複数個の第2トレンチを形成してもよい。
複数個の第2トレンチの底面の深さは、全て同じ深さに位置していてもよい。あるいは、複数個の第2トレンチにおいて、底面の深さが相違する複数種類の第2トレンチが含まれていてもよい。例えば、ボディ領域内の第1深さに底面が位置する第2トレンチと、ボディ領域内の第2深さに底面が位置する第2トレンチの双方を形成する場合、それらの内面に不純物を注入して形成するキャリア移動抑制領域を、第1深さの領域と第2深さの領域の双方に形成することができる。
また、キャリア移動抑制領域は、隣接する第1トレンチ間に亘って連続していてもよいし、連続していなくてもよい。
The order in which the above steps are performed is not limited to the order described above.
The step of forming the first trench and the step of forming the second trench may be performed simultaneously or separately.
“Inside the body region” where the bottom surface of the second trench is located includes the case where the bottom surface of the second trench coincides with the interface between the body region and the first conductivity type semiconductor layer.
One second trench may be formed between adjacent first trenches, or a plurality of second trenches may be formed.
The depths of the bottom surfaces of the plurality of second trenches may be all located at the same depth. Alternatively, a plurality of types of second trenches having different bottom depths may be included in the plurality of second trenches. For example, when forming both the second trench whose bottom surface is located at the first depth in the body region and the second trench whose bottom surface is located at the second depth in the body region, impurities are implanted into the inner surfaces thereof. Thus, the carrier movement suppression region to be formed can be formed in both the first depth region and the second depth region.
Further, the carrier movement suppression region may be continuous between adjacent first trenches or may not be continuous.
従来の技術の半導体装置も、少数キャリア(nチャネル型IGBTの場合にはホール)の移動を抑制してドリフト領域にキャリアを蓄積し易くするために、キャリア移動抑制領域を備えている。従来の半導体装置では、このキャリア移動抑制領域を形成するための第1導電型の拡散領域を、半導体層の表面に第1導電型の不純物を注入して形成している。そして、熱処理を行なうことによって注入した不純物を表面から深い位置に至るまで拡散させている。このため、熱処理に要する時間が長かった。
本明細書で開示している半導体装置の製造方法では、半導体層の表面から、その底面がボディ領域内に位置する第2トレンチを形成している。そして、第2トレンチの内面に向けて第1導電型の不純物を注入することによってキャリア移動抑制領域を形成している。第2トレンチを用いてボディ領域内の表面から深い領域に、不純物を直接注入している。したがって、注入した不純物の拡散に要する熱処理の時間を短縮化することができる。
The semiconductor device of the prior art also includes a carrier movement suppression region in order to suppress the movement of minority carriers (holes in the case of an n-channel IGBT) and easily accumulate carriers in the drift region. In the conventional semiconductor device, the first conductivity type diffusion region for forming the carrier movement suppression region is formed by implanting the first conductivity type impurity into the surface of the semiconductor layer. Then, the implanted impurities are diffused from the surface to a deep position by performing heat treatment. For this reason, the time required for heat treatment was long.
In the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in this specification, a second trench is formed from the surface of the semiconductor layer, the bottom surface of which is located in the body region. A carrier movement suppression region is formed by implanting a first conductivity type impurity toward the inner surface of the second trench. Impurities are directly implanted into the deep region from the surface in the body region using the second trench. Therefore, the heat treatment time required for diffusion of the implanted impurities can be shortened.
本発明は、新規な半導体装置を実現する。
この半導体装置は、第1導電型の複数個のエミッタ領域と、第2導電型のボディ領域と、第1導電型のドリフト領域と、第1導電型のキャリア移動抑制領域と、第1トレンチと、ゲート絶縁層と、トレンチゲート電極と、第2トレンチを備えている。エミッタ領域は、半導体層の表面の一部に臨んで形成されている。ボディ領域は、エミッタ領域を取り囲んでいるとともに、半導体層の表面から所定の深さまでの領域に形成されている。ドリフト領域は、ボディ領域の下部に形成されており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されている。キャリア移動抑制領域は、ボディ領域内の中間深さの領域および/またはボディ領域とドリフト領域に挟まれている領域に形成されており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されている。第1トレンチは、各エミッタ領域の表面からボディ領域を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域に突出している。ゲート絶縁層は、第1トレンチの内面を覆っている。トレンチゲート電極は、ゲート絶縁層で取り囲まれた状態で第1トレンチ内に収容されている。第2トレンチは、隣接している第1トレンチ間に形成されているとともに、ボディ領域の表面からキャリア移動抑制領域内に至るまで伸びている。
上記半導体装置によれば、第2トレンチの内面に向けて不純物を注入することによって、キャリア移動抑制領域を形成する第1導電型の不純物拡散領域を短時間に容易に形成することができる。
The present invention realizes a novel semiconductor device.
The semiconductor device includes a plurality of first conductivity type emitter regions, a second conductivity type body region, a first conductivity type drift region, a first conductivity type carrier movement suppression region, a first trench, A gate insulating layer, a trench gate electrode, and a second trench. The emitter region is formed facing a part of the surface of the semiconductor layer. The body region surrounds the emitter region and is formed in a region from the surface of the semiconductor layer to a predetermined depth. The drift region is formed below the body region, and is separated from the emitter region by the body region. The carrier movement suppression region is formed in an intermediate depth region in the body region and / or a region sandwiched between the body region and the drift region, and is separated from the emitter region by the body region. The first trench extends from the surface of each emitter region through the body region, and its bottom surface projects into the drift region. The gate insulating layer covers the inner surface of the first trench. The trench gate electrode is accommodated in the first trench in a state surrounded by the gate insulating layer. The second trench is formed between the adjacent first trenches, and extends from the surface of the body region to the carrier movement suppression region.
According to the semiconductor device described above, by implanting impurities toward the inner surface of the second trench, the first conductivity type impurity diffusion region for forming the carrier movement suppression region can be easily formed in a short time.
上記キャリア移動抑制領域が、第1導電型の不純物を含んでおり、その不純物の濃度が、第2トレンチに近づくほど高い構成となっていてもよい。
上記キャリア移動抑制領域が、隣接している第1トレンチ間に連続して伸びていることが好ましい。
上記構成のキャリア移動抑制領域を備えることにより、少数キャリアがエミッタ領域に接続されているエミッタ電極へ移動することを充分に抑制することができる。したがって、ドリフト領域内に充分な少数キャリアを蓄積することができる。
The carrier movement suppression region may include a first conductivity type impurity, and the concentration of the impurity may be higher as it approaches the second trench.
The carrier movement suppression region preferably extends continuously between adjacent first trenches.
By providing the carrier movement suppression region having the above configuration, it is possible to sufficiently suppress the movement of minority carriers to the emitter electrode connected to the emitter region. Therefore, sufficient minority carriers can be accumulated in the drift region.
さらに、第2トレンチの内面を覆っている絶縁層と、絶縁層で取り囲まれた状態で第2トレンチ内に収容されている導電性部材と、トレンチゲート電極と前記導電性部材に接続されているゲート電極を備えていてもよい。
また、第2トレンチの内面を覆っている絶縁層と、絶縁層で取り囲まれた状態で第2トレンチ内に収容されている導電性部材と、トレンチゲート電極と接続されているゲート電極と、エミッタ領域と前記導電性部材に接続されているエミッタ電極を備えていてもよい。
なお、第2トレンチ内は、絶縁層で充填されていてもよい。この構成によると、半導体装置のゲート容量を低減化することができる。
Further, the insulating layer covering the inner surface of the second trench, the conductive member enclosed in the second trench in a state surrounded by the insulating layer, the trench gate electrode, and the conductive member are connected. A gate electrode may be provided.
An insulating layer covering the inner surface of the second trench; a conductive member enclosed in the second trench in a state surrounded by the insulating layer; a gate electrode connected to the trench gate electrode; and an emitter An emitter electrode connected to the region and the conductive member may be provided.
Note that the second trench may be filled with an insulating layer. According to this configuration, the gate capacitance of the semiconductor device can be reduced.
本発明によると、オン電圧の低い半導体装置を短時間で製造することが可能となる。 According to the present invention, a semiconductor device having a low on-voltage can be manufactured in a short time.
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
(第1特徴) 半導体装置はトレンチゲート電極を備えている縦型のIGBTである。
(第2特徴) キャリア移動抑制領域70が、ボディ領域50の中間深さの領域に形成されている(図1)。
(第3特徴) キャリア移動抑制領域70aが、ボディ領域50とドリフト領域20に挟まれている領域に形成されている(図8)。
(第4特徴) 複数個の第2トレンチの底面がボディ領域内の同じ深さに位置している。
(第5特徴) ボディ領域内の第1深さに底面が位置する第2トレンチと、ボディ領域内の第2深さに底面が位置する第2トレンチを備えている(図9)。
(第6特徴) トレンチ30の開口がダミートレンチ35(第2トレンチ)の開口よりも大きい。
(第7特徴) トレンチ30とダミートレンチ35(第2トレンチ)を同時に形成する。
(第8特徴) ダミートレンチ35(第2トレンチ)の底面37にn型不純物を注入し、キャリア移動抑制領域70のためのn型不純物の拡散領域を形成する。
(第9特徴) ダミートレンチ35(第2トレンチ)の底面37の近傍の側面にn型不純物を斜めに注入し、キャリア移動抑制領域70のためのn型不純物の拡散領域を形成する。
The main features of the embodiments described below are listed.
(First Feature) The semiconductor device is a vertical IGBT having a trench gate electrode.
(Second Feature) The carrier
(3rd characteristic) The carrier movement suppression area |
(4th characteristic) The bottom face of several 2nd trench is located in the same depth in a body area | region.
(Fifth feature) A second trench having a bottom surface located at a first depth in the body region and a second trench having a bottom surface located at a second depth in the body region are provided (FIG. 9).
(Sixth feature) The opening of the
(Seventh feature) The
(Eighth Feature) An n-type impurity is implanted into the
(Ninth Feature) An n-type impurity is implanted obliquely into the side surface in the vicinity of the
(第1実施例)
本発明を具現化した半導体装置とその製造方法の実施例を、図1〜図7を参照して説明する。本実施例は、本発明をトレンチゲート型の縦型IGBTに適用したものである。本実施例の半導体装置10の特徴は、図1に示すように、ボディ領域50の中間深さ領域にキャリア移動抑制領域70が形成されていることである。また、半導体基板11の表面11aからキャリア移動抑制領域70内に至っているダミートレンチ35(第2トレンチの実施例)が形成されている。キャリア移動抑制領域70は、ダミートレンチ35の内面に向けてn型の不純物を注入することにって形成する。
(First embodiment)
Embodiments of a semiconductor device embodying the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the present invention is applied to a trench gate type vertical IGBT. A feature of the
図1の断面図を参照して半導体装置10の構成を説明する。
半導体装置10は、半導体基板11の表面11aに接続されているエミッタ電極Eを備えている。半導体装置10は、半導体基板11の表面11aに臨んでいるとともに、エミッタ電極Eと接続している複数個のn+型エミッタ領域60を備えている。また、半導体装置10は、特に図示していないが、p+型のボディコンタクト領域を備えている。ボディコンタクト領域は、図1の断面の奥行き方向の位置に形成されており、半導体基板11の表面11aに臨んでいる。ボディコンタクト領域は、エミッタ領域60とともにエミッタ電極Eに接続されている。さらに、半導体装置10は、エミッタ領域60とボディコンタクト領域とを取り囲んでいるとともに、表面11aから所定の深さまでの領域に連続的に形成されているp型ボディ領域50を備えている。ボディ領域50の下部には、ボディ領域50によってエミッタ領域60から分離されているn−型ドリフト領域20が形成されている。
The configuration of the
The
ボディ領域50内の中間深さの領域53には、n型のキャリア移動抑制領域70が形成されている。キャリア移動抑制領域70は、隣接するトレンチ30(第1トレンチの実施例)間に連続して形成されている。キャリア移動抑制領域70のn型不純物の濃度は、エミッタ領域60よりも低く、ドリフト領域20よりも高い。キャリア移動抑制領域70は、ボディ領域50によってエミッタ領域60とドリフト領域20から分離されている。ここで、キャリア移動抑制領域70の上に配置されているボディ領域50を上部ボディ領域51という。また、キャリア移動抑制領域70の下に配置されているボディ領域50を下部ボディ領域52という。
In the
トレンチ30(第1トレンチの実施例)は、エミッタ領域60の表面から半導体基板11の深さ方向(図1の下方向)に伸びている。トレンチ30は、ボディ領域50を貫通しているとともに、その底面31がドリフト領域20に突出している。また、トレンチ30は、紙面の奥行き方向に長く伸びている。トレンチ30の内面は、ゲート絶縁膜32で覆われている。その内部にポリシリコンが充填されている。そのポリシリコンがトレンチゲート電極34を構成している。トレンチゲート電極34は、ゲート絶縁膜32で取り囲まれた状態で、トレンチ30内に収容されている。トレンチゲート電極34は、ゲート絶縁膜32を介してボディ領域50に対向している。トレンチゲート電極34は、ゲート電極Gに接続されており、エミッタ電極Eから絶縁されている。
The trench 30 (an example of the first trench) extends from the surface of the
また、半導体装置10は、さらにダミートレンチ35(第2トレンチの実施例)を備えている。ダミートレンチ35は、隣接しているトレンチ30の間に複数個が形成されている。ダミートレンチ35は。ボディ領域50の表面からキャリア移動抑制領域70内に至るまで伸びている。なお、図1では、模式的に隣接するトレンチ30間に3個のダミートレンチ35を記載してあるが、実際には、隣接するトレンチ30間にはさらに多くのダミートレンチ35が形成されている。ダミートレンチ35の内面は、絶縁膜36で覆われている。その内部にポリシリコン(導電性部材38)が充填されている。導電性部材38は、絶縁膜36で取り囲まれた状態で、ダミートレンチ35内に収容されている。
The
さらに、半導体装置10は、ドリフト領域20の裏面側にドリフト領域20と接するn+型のバッファ領域40を備えている。また、半導体装置10は、バッファ領域40と接するp+型のコレクタ領域42とを備えている。そのコレクタ領域42は、半導体基板11の裏面11bに形成されているコレクタ電極Cに接続されている。
Further, the
図2〜図7を参照して半導体装置10の製造方法を説明する。なお、図7には、半導体装置10の半導体基板11の表面11aからの深さDに対応する不純物濃度Mを示す。図7では、実線のグラフでn型不純物の拡散領域N1の濃度を示す。また、一点鎖線のグラフでp型不純物の拡散領域P1の濃度を示す。
半導体装置10を製造するために、n−型の半導体基板11を準備する。
まず、図2に示すように、半導体基板11の表面11aからp型不純物を注入する。その後熱処理を行なうことにより、図7に示す濃度プロファイルのp型不純物の拡散領域P1が形成される。拡散領域P1は、表面11aから約4.5μmの深さまで形成されている。
A method for manufacturing the
In order to manufacture the
First, as shown in FIG. 2, p-type impurities are implanted from the
次に、表面11aにトレンチ30とダミートレンチ35を同時に形成するためのマスクを形成する。このマスクには、トレンチ30とダミートレンチ35を形成する位置にそれぞれ開口が形成されている。マスクRのダミートレンチ35用の開口幅H2は、マスクRのトレンチ30用の開口幅H1の1/4程度とする。この状態で異方性エッチングによってトレンチ30とダミートレンチ35を同時に形成する。また、ダミートレンチ35の開口幅H2は、トレンチ30の開口幅H1よりも狭い。このため、トレンチ30とダミートレンチ35を同時に形成しても、トレンチ30の底面31よりもダミートレンチ35の底面37の方が、表面11aから浅い位置に形成される。これにより、図3に示すように、表面11aからボディ領域50を貫通してドリフト領域20に突出しているトレンチ30と、底面31がドリフト領域20内に留まっているダミートレンチ35が形成される。
なお、上記工程により、トレンチ30の深さは、約5.5μmとなるように形成する。トレンチ30の開口幅は、約2μmとなるように形成する。ダミートレンチ35の深さは、約2.5μmとなるように形成する。ダミートレンチ35の開口幅は、約0.5μmとなるように形成する。隣接するトレンチ30間でダミートレンチ35はピッチが約1μmとなるように形成する。
Next, a mask for simultaneously forming the
By the above process, the
次に、図4に示すように、マスクRを除去し、トレンチ30及びダミートレンチ35の内面に、約0.1μmの熱酸化膜を形成する。なお、表面11aに形成された熱酸化膜は除去する。トレンチ30の内面に形成された熱酸化膜がゲート絶縁膜32となる。
Next, as shown in FIG. 4, the mask R is removed, and a thermal oxide film of about 0.1 μm is formed on the inner surfaces of the
次に、図5に示すように、ダミートレンチ35に対応する箇所において開口するステンシルマスクLを表面11a上に配置する。そして、ステンシルマスクL越しに、ダミートレンチ35の内面に向けてn型不純物を注入する。n型不純物は、図5に示すように斜め方向に注入し、ダミートレンチ35の底面37と底面37近傍の側面の半導体層に導入される。
その後熱処理を行なうことにより、図7に示すように、n型不純物の拡散領域N1が形成される。なお、本実施例では、n−型の半導体基板11を用いているので、半導体基板11には、元々、n型不純物が少量含まれている。このため、図7では、拡散領域N1のn型不純物の濃度と、半導体基板11に元々含まれているn型不純物の濃度が連続しているグラフを記載している。
Next, as shown in FIG. 5, a stencil mask L that opens at a location corresponding to the
Then, heat treatment is performed to form an n-type impurity diffusion region N1 as shown in FIG. In this embodiment, since the n −
ここで、p型不純物とn型不純物の双方が含まれている半導体領域では、同濃度ずつの不純物が実質的には相殺されるとみることができる。そして、その半導体領域は、濃度が高い方の不純物と同じ導電型の半導体領域となる。
図7の拡散領域N1の不純物濃度と拡散領域P1の不純物濃度のグラフは、深さx1で交差している。深さx1よりも表面側ではp型不純物の濃度の方が高く、この領域はp型半導体領域となる。このp型半導体領域が上部ボディ領域51となる。
また、拡散領域N1の不純物濃度と拡散領域P1の不純物濃度のグラフは、深さx2で交差している。深さx1よりも深部側であるとともに深さx2よりも表面側ではn型不純物の濃度の方が高く、この領域はn型半導体領域となる。このn型半導体領域がキャリア移動抑制領域70となる。
また、深さx3で、元々半導体基板11に含まれているn型不純物濃度が、拡散領域P1のp型不純物濃度をうわまわっている。深さx2よりも深部側であるとともに深さx3よりも表面側でp型不純物の濃度の方が高く、この領域はp型半導体領域となる。このp型半導体領域が下部ボディ領域52となる。
そして、深さx3よりも深部側のn−型半導体領域が、ドリフト領域20となる。
これにより、キャリア移動抑制領域70がボディ領域50の中間深さの領域53(併せて図5参照)に形成される。
なお、図7は、図1に示す断面で、図1に示す横方向の所定の位置で分断した面における不純物濃度を示している。図1に示す横方向について、拡散領域N1(また、拡散領域N1によって形成されるキャリア移動抑制領域70)のn型不純物の濃度を観察すると(図示していない。)、ダミートレンチ35に近づくほど濃度が高くなっている。これは、ダミートレンチ35の内面に向けてn型不純物を注入していることに由来する。
Here, in a semiconductor region containing both p-type impurities and n-type impurities, it can be considered that impurities of the same concentration are substantially offset. The semiconductor region becomes a semiconductor region having the same conductivity type as the impurity having a higher concentration.
The graph of the impurity concentration of the diffusion region N1 and the impurity concentration of the diffusion region P1 in FIG. 7 intersects at the depth x1. The p-type impurity concentration is higher on the surface side than the depth x1, and this region becomes a p-type semiconductor region. This p-type semiconductor region becomes the
Further, the graph of the impurity concentration of the diffusion region N1 and the impurity concentration of the diffusion region P1 intersect at a depth x2. The n-type impurity concentration is higher on the deeper side than the depth x1 and on the surface side than the depth x2, and this region becomes an n-type semiconductor region. This n-type semiconductor region becomes the carrier
Further, at the depth x3, the n-type impurity concentration originally included in the
The n − type semiconductor region deeper than the depth x 3 becomes the
Thereby, the carrier
FIG. 7 shows the impurity concentration in the cross section shown in FIG. 1 and divided at a predetermined position in the horizontal direction shown in FIG. When the concentration of the n-type impurity in the diffusion region N1 (and the carrier
次に、図6に示すように、トレンチ30及びダミートレンチ35内にポリシリコンを堆積させる。表面11aに堆積したポリシリコンは除去し、表面11aに層間絶縁膜80を形成する。層間絶縁膜80には、図6に示す断面で、エミッタ領域60の表面を露出させるコンタクトホールが形成されている。また、図6の奥行き方向のいずれかの断面で、ボディコンタクト領域の表面を露出させるコンタクトホールが形成されている。これらのコンタクトホールを介してエミッタ領域60とボディコンタクト領域に接続するエミッタ電極Eが形成されている。また、層間絶縁膜80には、図6の奥行き方向のいずれかの断面で、トレンチゲート電極34の表面と、ダミートレンチ35に収容されている導電性部材38を露出させるコンタクトホールが形成されている。これらのコンタクトホールを介してトレンチゲート電極34と導電性部材38に接続するゲート電極Gが形成されている。
また、半導体基板11を裏面から所望の厚さまで削り、裏面11bから各不純物を注入し、n型のバッファ領域40とp型のコレクタ領域42を形成する。そして、コレクタ領域42に接続するコレクタ電極Cを形成する。
各工程を実施する順序は、上記した順序に限定されるものではない。また、不純物注入後の熱処理は、少なくとも一部をまとめて実施してもよい。また、熱酸化膜を形成する際の熱処理が不純物注入後の熱処理を兼ねてもよい。
Next, as shown in FIG. 6, polysilicon is deposited in the
Further, the
The order in which the steps are performed is not limited to the order described above. In addition, the heat treatment after the impurity implantation may be performed at least partially. Further, the heat treatment for forming the thermal oxide film may also serve as the heat treatment after the impurity implantation.
半導体装置10は、エミッタ電極Eを接地し、コレクタ電極Cに数百V〜1000V程度の正電圧を印加した状態で、トレンチゲート電極34に印加するゲート電圧をオン・オフする。これにより、エミッタ電極Eとコレクタ電極C間を流れる電流がオン・オフする。
以下に、半導体装置10がオン状態のときの動作を説明する。
トレンチゲート電極34に閾値以上のゲート電圧を印加すると、トレンチゲート電極34にゲート絶縁膜32を介して対向しているp型のボディ領域50がn型に反転し、チャネル領域が形成される。これにより、n+型のエミッタ領域60から流出した電子が、チャネル領域を介してドリフト領域20に注入される。また、p+型のコレクタ領域42からは、ドリフト領域20に向けてホールが移動する。ドリフト領域20には電子とホールが注入されて伝導度変調現象が起こり、半導体装置10が低いオン電圧でオン状態となる。ホールは、電子と再結合して消滅するか、ボディ領域50と前述したボディコンタクト領域を経由してエミッタ電極Eへと排出される。
The
Hereinafter, an operation when the
When a gate voltage equal to or higher than the threshold value is applied to the
半導体装置10には、上部ボディ領域51と下部ボディ領域52に挟まれているとともに、エミッタ領域60とドリフト領域20の双方から分離されているn型のキャリア移動抑制領域70が形成されている。キャリア移動抑制領域70と上部ボディ領域51の界面に形成されるポテンシャル障壁によって、エミッタ電極Eへと排出される少数キャリアがドリフト領域20内に溜まり易くなる。これにより、エミッタ・コレクタ電極間の少数キャリア濃度が大きくなり、オン電圧が低減化される。
In the
従来の半導体装置でも、図12〜図14に示すように、ホールの移動を抑制してドリフト領域120にホールを蓄積し易くするために、n型不純物の拡散領域N11によるキャリア移動抑制領域170を備えている。しかしながら、従来の技術では、このキャリア移動抑制領域170を形成するために、半導体層の表面にn型不純物を注入し、表面111aから深い位置までn型不純物を拡散させていた。したがって、不純物の拡散のための熱処理を実施する時間が長かった。
本実施例の半導体装置10では、図1に示すように、半導体基板11の表面11aから、その底面37がボディ領域50内に位置するダミートレンチ35を形成している。そして、キャリア移動抑制領域70を形成するために、ダミートレンチ35の内面に向けてn型の不純物を注入してn型の拡散領域を形成している。ダミートレンチ35を用いて表面11aからボディ領域50内の深い位置に不純物を直接注入することができる。したがって、注入した不純物を長時間にわたって熱処理して拡散をする必要がなく、熱処理を実施する時間を短縮化することができる。
Also in the conventional semiconductor device, as shown in FIGS. 12 to 14, in order to suppress the movement of holes and easily accumulate the holes in the
In the
また、従来の技術では、注入したn型の不純物を表面111aから深い位置に至るまで拡散させるので、拡散のための熱処理の条件や個体差等により、キャリア移動抑制領域70の濃度プロファイルにバラツキが生じ易い。また、従来の技術では、半導体基板111の表面111aにn型の不純物を注入し、表面から深い位置に至るまで拡散させているので、この拡散領域N11は、表面111aで最も濃度が高い拡散領域しか形成することができない。
本発明で開示している半導体装置10の製造方法では、キャリア移動抑制領域70を形成するボディ領域50の中間深さの領域53に直接的に不純物を注入しているので、容易に所望の範囲に所望の濃度プロファイルを有するキャリア移動抑制領域70を形成することができる。また、このように形成されたキャリア移動抑制領域70の不純物の濃度分布にばらつきが少ない。
In the conventional technique, since the implanted n-type impurity is diffused from the
In the manufacturing method of the
なお、従来より、高エネルギーで半導体層の内部に不純物を注入する高エネルギーインプラント技術が知られている。高エネルギーインプラントを実施すると、半導体層内に結晶欠陥が発生しやすい。この結晶欠陥によってコレクタ・エミッタ間のリーク電流が増加してしまう。
本発明で開示している半導体装置10の製造方法では、高エネルギーインプラントを実施することなく、表面11aからボディ領域50内の深い位置にn型不純物を注入している。したがって、結晶欠陥を増加させない。本実施例の半導体装置10を用いると、リーク電流を抑制することができる。
Conventionally, a high energy implant technique for injecting impurities into a semiconductor layer with high energy is known. When a high energy implant is performed, crystal defects are likely to occur in the semiconductor layer. This crystal defect increases the leakage current between the collector and the emitter.
In the method for manufacturing the
本実施例の半導体装置10では、キャリア移動抑制領域70が隣接するトレンチ30間に亘って連続している場合について説明したが、キャリア移動抑制領域70はトレンチ30間に亘って連続していなくてもよい。キャリア移動抑制領域70は、ドリフト領域20のホールの蓄積効果が上がる形状で形成されていればよい。
In the
本実施例の半導体装置10では、ダミートレンチ35内に収容されている導電性部材38が、ゲート電極Gに接続されている場合について説明したが、導電性部材38はエミッタ電極Eと接続されていてもよい。
本実施例の半導体装置10では、ダミートレンチ35内に導電性部材38が配置されている場合について説明したが、ダミートレンチ35内は、絶縁膜で充填されていてもよい。この構成によると、半導体装置のゲート容量を低減化することができる。
In the
In the
(第2実施例)
本発明を具現化した半導体装置の第2実施例を、図8を参照して説明する。なお、図1の半導体装置10と略同一の構成に関しては、同一の番号を付してその説明を省略する。
第2実施例の半導体装置10aの特徴としては、図8の要部断面図に示すように、キャリア移動抑制領域70aが、ボディ領域50とドリフト領域20に挟まれて形成されている。このためには、ダミートレンチ35aを形成する工程で、ダミートレンチ35aを、その底面がボディ領域50とドリフト領域20の界面に配置されるように形成する。
(Second embodiment)
A second embodiment of the semiconductor device embodying the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the structure substantially the same as the
As a feature of the
(第3実施例)
本発明を具現化した半導体装置の第3実施例を、図9を参照して説明する。なお、図1の半導体装置10と略同一の構成に関しては、同一の番号を付してその説明を省略する。
第3実施例の半導体装置10aの特徴としては、図9の要部断面図に示すように、ダミートレンチ35と、ダミートレンチ35と深さが相違するダミートレンチ35bを備えている。ダミートレンチ35bの底面37bの方が、ダミートレンチ35の底面37よりも表面11aから深い位置に存在する。したがって、ダミートレンチ35とダミートレンチ35bの双方の内面に向けて不純物を注入して形成するキャリア移動抑制領域70bは、隣接するトレンチ30間で一様な深さに形成されておらず、図9の上下方向に湾曲している。
(Third embodiment)
A third embodiment of the semiconductor device embodying the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the structure substantially the same as the
As a feature of the
本実施例では、キャリア移動抑制領域70bが湾曲している場合について説明した。例えば、底面37が第1深さにあるダミートレンチ35と、底面37bが第2深さにあるダミートレンチ35bを交互に形成するとともに、ダミートレンチ35及びダミートレンチ35bを密集して形成すると、第1深さの周囲で連続している第1のキャリア移動抑制領域や、第2深さの周囲で連続している第2のキャリア移動抑制領域を形成することができる。
In the present embodiment, the case where the carrier
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:半導体装置
11:半導体基板
11a:表面
11b:裏面
20:ドリフト領域
30:トレンチ
31:底面
32:ゲート絶縁膜
34:トレンチゲート電極
35:ダミートレンチ
36:絶縁膜
37:底面
38:導電性部材
40:バッファ領域
42:コレクタ領域
50:ボディ領域
51:上部ボディ領域
52:下部ボディ領域
60:エミッタ領域
70:キャリア移動抑制領域
80:層間絶縁膜
C:コレクタ電極
E:エミッタ電極
G:ゲート電極
H1,H2:開口幅
L:ステンシルマスク
N1:拡散領域
P1:拡散領域
R:マスク
10: Semiconductor device 11:
Claims (6)
ボディ領域の表面から、その底面が第1導電型の半導体層に突出する複数個の第1トレンチを形成する工程と、
隣接する第1トレンチの間に、ボディ領域の表面から、その底面がボディ領域内に位置する第2トレンチを形成する工程と、
第2トレンチにおいて開口するマスクでボディ領域の表面を覆う工程と、
マスク越しに第2トレンチの内面に向けて第1導電型の不純物を注入し、第2トレンチの底面の周囲に第1導電型のキャリア移動抑制領域を形成する工程と、
マスクを除去する工程と、
ボディ領域の表面に臨むとともに第1トレンチに接する範囲に、第1導電型の不純物を注入し、第1導電型のエミッタ領域を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Injecting a second conductivity type impurity from the surface of the first conductivity type semiconductor layer to form a second conductivity type body region in a region from the surface of the semiconductor layer to a predetermined depth;
Forming a plurality of first trenches whose bottom surfaces protrude from the surface of the body region to the first conductivity type semiconductor layer;
Forming a second trench having a bottom surface located in the body region from the surface of the body region between the adjacent first trenches;
Covering the surface of the body region with a mask opened in the second trench;
Implanting a first conductivity type impurity through the mask toward the inner surface of the second trench, and forming a first conductivity type carrier movement suppression region around the bottom surface of the second trench;
Removing the mask;
A step of implanting a first conductivity type impurity in a range facing the surface of the body region and in contact with the first trench to form a first conductivity type emitter region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
エミッタ領域を取り囲んでいるとともに、半導体層の表面から所定の深さまでの領域に形成されている第2導電型のボディ領域と、
ボディ領域の下部に形成されており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されている第1導電型のドリフト領域と、
ボディ領域内の中間深さの領域および/またはボディ領域とドリフト領域に挟まれている領域に形成されており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されている第1導電型のキャリア移動抑制領域と、
各エミッタ領域の表面からボディ領域を貫通して伸びており、その底面がドリフト領域に突出している第1トレンチと、
第1トレンチの内面を覆っているゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層で取り囲まれた状態で第1トレンチ内に収容されているトレンチゲート電極と、
隣接している第1トレンチ間に形成されているとともに、ボディ領域の表面からキャリア移動抑制領域内に至るまで伸びている第2トレンチと、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 A plurality of first conductivity type emitter regions formed facing a part of the surface of the semiconductor layer;
A second conductivity type body region surrounding the emitter region and formed in a region from the surface of the semiconductor layer to a predetermined depth;
A drift region of a first conductivity type formed under the body region and separated from the emitter region by the body region;
An intermediate depth region in the body region and / or a region sandwiched between the body region and the drift region and separated from the emitter region by the body region;
A first trench extending from the surface of each emitter region through the body region and having a bottom surface protruding into the drift region;
A gate insulating layer covering the inner surface of the first trench;
A trench gate electrode housed in the first trench in a state surrounded by a gate insulating layer;
A second trench formed between the adjacent first trenches and extending from the surface of the body region to the carrier movement suppression region;
A semiconductor device comprising:
絶縁層で取り囲まれた状態で前記第2トレンチ内に収容されている導電性部材と、
前記トレンチゲート電極と前記導電性部材に接続されているゲート電極と、
を備えていることを特徴とする請求項2〜4のいずれかの半導体装置。 An insulating layer covering an inner surface of the second trench;
A conductive member housed in the second trench in a state surrounded by an insulating layer;
A gate electrode connected to the trench gate electrode and the conductive member;
The semiconductor device according to claim 2, further comprising:
絶縁層で取り囲まれた状態で前記第2トレンチ内に収容されている導電性部材と、
前記トレンチゲート電極と接続されているゲート電極と、
前記エミッタ領域と前記導電性部材に接続されているエミッタ電極と、
を備えていることを特徴とする請求項2〜4のいずれかの半導体装置。 An insulating layer covering an inner surface of the second trench;
A conductive member housed in the second trench in a state surrounded by an insulating layer;
A gate electrode connected to the trench gate electrode;
An emitter electrode connected to the emitter region and the conductive member;
The semiconductor device according to claim 2, further comprising:
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