JP2526653B2 - 伝導度変調型mosfet - Google Patents

伝導度変調型mosfet

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、伝導度変調型MOSFET(以下、IGBTという)
に関し、ターンオフ時間を短くする構造を備えたIGBTに
関する。
〔従来の技術〕
従来、IGBTの基本構造は、第3図に示す如く、P+型基
板をドレイン層(コレクタ層)1とし、N+型バッファ層
2、N-型伝導度変調層(ベース層)3、島状のP型ベー
ス領域4、島状のN+型ソース領域(エミッタ領域)5、
ゲート酸化膜6、ポリシリコンゲート7及びソース電極
(エミッタ電極)8を有する縦型構造である。
正のゲート電圧を加えると、nチャネルが形成され、
N+型ソース領域からN-型ベースの伝導度変調層3に電子
が流れ込むが、流入した電子は伝導度変調層3の電圧を
下げるため、ドレイン側のp+n-接合を順バイアスし、こ
の結果p+のドレイン層1からN-の伝導度変調層3に正孔
が流れ込み、伝導度変調層3の抵抗が大幅に低下する。
このためIGBTのオン抵抗は小さくなる。
ゲート電圧を取り去ったターンオフ期間においては、
P型ベース領域4とN-の伝導度変調層3とが逆バイアス
され、空乏領域の拡大により電子はドレイン層1側に,
正孔はソース領域5側に掃き出され、その後伝導度変調
層3の非空乏領域に蓄積残存する電子の正孔の過剰電荷
は再結合により減少し、熱平衡状態に達する。
このターンオフ時間の短縮を図る技術として、残存す
る電子と正孔を再結合中心で速やかに再結合させるた
め、放射線照射で半導体内部に結晶欠陥を故意に作りこ
れを再結合中心とするものや、金や白金等の重金属原子
をドーピングしてこの不純物中心を再結合中心とするも
のがある。いずれの技術も禁止帯の中に局在準位が形成
され、これは再結合の場となることから、ライフタイム
キラーとして機能する。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記のライフタイムキラーの導入方法
は、縦型構造のIGBTにおいては、縦方向の各層に一様に
施されるため、ターンオフ時間は短縮されるものの、逆
にIGBTの特長たるオン抵抗の低減を阻害してしまう。
即ち、放射線照射は半導体基板の表裏面側に結合欠陥
を多く作るものの、加速エネルギ又はドーズ量を変えて
も、伝導度変調層3内の非空乏領域付近へ局所的に導入
することが困難であり、また重金属原子のドーピングで
は拡散温度や拡散時間で拡散深さ等を制御できるもの
の、やはり非空乏領域付近への局所的導入は困難であ
る。
そこで、本発明の課題は、積極的にライフタイムキラ
ーの導入をせずに、基板構造においてゲッタリング領域
となるべき第2のバッファ層を予め形成することによっ
て、その後のプロセスで重金属元素のゲッタリングを自
然進行させ、結果的に第2のバッファ層を局所的なライ
フタイムキラー領域として機能させて、低いオン抵抗を
維持しつつターンオフ時間の短縮化を実現し得る伝導度
変調型MOSFETを提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決するために本発明の講じた手段は、伝
導度変調型MOSFETに用いられる基板構造として、第1導
電型の半導体基板上に形成された第2導電型のバッファ
層と、このバッファ層の上に形成され、その不純物濃度
に比して高濃度でその厚さに比して薄い第2導電型の第
2バッファ領域と、この第2バッファ領域の上に形成さ
れ、第1バッファ層の不純物濃度に比して低濃度の第2
導電型の伝導度変調層と、この伝導度変調層の表面に選
択的に形成された第1導電型のベース領域と、このベー
ス領域の表面に選択的に形成された第2導電型のソース
領域とを備えたものである。
〔作用〕
かかる手段によれば、重金属原子の積極的導入又はプ
ロセス途中における自然汚染等によって、第2のバッフ
ァ領域はゲッタ作用で重金属原子を他の層に比して多く
捕捉し、ライフタイムキラー領域として機能する。第2
バッファ領域は第1バッファ領域の不純物濃度に比して
高濃度であるから、ターンオフ期間及び定常オン期間に
おいては電子及び正孔に対して電位障壁となるが、第2
バッファ層の厚さは第1バッファ層のそれに比して薄い
ので、オン抵抗の増大に殆ど影響しない。ターンオフ期
間においては、第1導電型半導体基板側から伝導度変調
層に対する少数キャリアの注入が第1バッファ層で抑制
されるが、一方伝導度変調層の非空乏領域に掃き出され
た電子及び正孔はライフタイムキラー領域と化した隣接
する第2バッファ領域の重金属原子に速やかに捕獲さ
れ、再結合で消滅する。したがって、ターンオフ時間が
短縮化される。
〔実施例〕
第1図は、本発明に係る伝導度変調型MOSFETの一実施
例における基本構造を示す断面図である。
1は不純物高濃度のP+型半導体基板のドレイン層(コ
レクタ層)で、少数キャリア注入層として機能する。こ
のP+型半導体基板1上には不純物高濃度のN+型第1バッ
ファ層2aが形成されている。第1バッファ層2aはターン
オフ時の正孔の注入を抑制するものである。この第1バ
ッファ層2a上にはその不純物濃度に比して更に高濃度の
N++型第2バッファ層2bが形成されている。N++型第2バ
ッファ層の厚さは数μmで、第1バッファ層2aの厚さに
比して薄い。3は第2バッファ層2b上に成長されたN-
エピタキシャル層の伝導度変調層(N-ベース層)であ
る。4は伝導度変調層3の上部に島状に形成されたP型
ベース領域(Pボディ)で、これには更に不純物高濃度
のN+型ソース領域(エミッタ領域)5が縦型島状に形成
されている。6はゲート酸化膜で、7はゲート電極とし
てのポリシリコンゲートであり、8は双方のN+型ソース
領域5,5をブリッジするソース電極(エミッタ電極)で
ある。
第2バッファ層2bは不純物が高濃度であるため、P型
ベース領域4の不純物拡散プロセス途中において汚染重
金属原子を自ずとゲッタリングするが、本実施例では伝
導度変調層3を形成した基板構造に対して裏面から金又
は白金の重金属原子を故意に導入した。この過剰の重金
属原子はそれ以後のプロセスにおける熱処理において第
2バッファ層2bに多く捕捉され、第2バッファ層2bは重
金属原子の濃度が他の層に比して高くなり、ライフタイ
ムキラー層ないし再結合中心層として主役的に機能する
ことになる。
次に、作成された伝導度変調型MOSFETの動作を説明す
る。ポリシリコンゲート7に正のゲート電圧が印加され
ると、MOS部にはnチャネルが形成され、N+型ソース領
域5からそのnチャネルを介してN-の伝導度変調層3に
多数キャリアの電子が流れ込む。このため、N-型の伝導
度変調層3内の多数キャリアたる電子密度が増大し、そ
の電位を下げるので、第2図(A)に示す如く、ドレイ
ン層1側のp+n-接合が順バイアスとなる。この結果、ド
レイン層1から少数キャリアの正孔が伝導度変調層3に
注入され、伝導度変調層3内には電子と正孔の濃度が急
激に増大し、伝導度変調状態を誘起する。これがターン
オン期間又は定常オン期間であるが、この期間において
第2バッファ層2bは第2図に示す如く電子及び正孔に対
して電位障壁として作用する。つまり、第2バッファ層
2bと第1バッファ層2aとのポテンシャル差は両キャリア
にとって電位障壁となるが、しかし第2バッファ層2bの
厚さが第1バッファ層のそれに比して薄いので、電子は
バッファ層2aへたやすく移り、また正孔は運動エネルギ
も手伝って伝導度変調層3へ支障なく移る。更に、本実
施例においては第2バッファ層2bの不純物濃度に比して
伝導度変調層3のそれが低いので、双方の移動が起こり
易い。したがって、本実施例の伝導度変調型MOSFETにお
けるオン抵抗は第2バッファ層2bが無い従来のものと同
等の低い値をもつ。
次に、ターンオフ期間を考察するに、ゲート電圧が零
となると、フェルミエネルギEFが一致し、第1バッファ
層2aとドレイン層1との間に高い電位障壁が発生する。
このため、ドレイン層1から第1バッファ層2aへの正孔
注入が阻止される。また第2バッファ層2bも正孔注入阻
止に寄与する。更にnチャネルの消滅により伝導度変調
層3への電子流れ込みも停止する。一方、第1図に示す
如く、伝導度変調層3内に空乏端3aが拡大し、電子及び
正孔を斜線部で示す非空乏領域3bへ掃き出し、ドレイン
電流は急激に減少する。そして非空乏領域3bを始めとし
て第2バッファ層2b及び第1バッファ層2aに残存する電
子及び正孔の過剰電荷は若干直接再結合による減少して
行くが、第2バッファ層2b内の他に比して高濃度の重金
属元素が原因となって形成される禁制帯中の局在準位Et
を介して、再結合が優勢的に働く。このため、キャリア
の寿命がすこぶる短縮し、ターンオフ時間が従来に比し
て相当短くなる。
上記実施例における伝導度変調層3はN型であるか
ら、深い不純物準位たる局在準位Etをアセプタ形とすれ
ば、第2バッファ層2bのポテンシャル穴に引き込まれる
電子はより速く局在準位Etの再結合中心に捕獲され易
く、ターンオフ時間の一層の短縮化に寄与する。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明に係る伝導度変調型MOSF
ETは、第1バッファ層と伝導度変調層との間に第1バッ
ファ層の不純物濃度に比して高濃度でその厚さに比して
薄い同電導型の第2バッファ領域を備えた基板を以て構
成した点に特長を有するものであるから、次の効果を奏
する。
即ち、重金属原子の積極的導入又はプロセス途中の自
然汚染で伝導度変調層下の第2バッファ領域が局部的な
ライフライムキラー領域として機能するから、ターンオ
ン期間及び定常オン期間においてはオン抵抗を従来と同
等に低く維持でき、一方、ターンオフ期間においては、
伝導度変調層内の非空乏領域の電子及び正孔を主体的に
再結合させるので、ターンオフ時間が従来に比して短縮
される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る伝導度変調型MOSFETの一実施例
における基本構造を示す断面図である。 第2図(A)は同実施例のターンオン期間におけるエネ
ルギバンド図で、第2図(B)は同実施例のターンオフ
期間におけるエネルギバンド図である。 第3図は、従来の伝導度変調型MOSFETの一例における基
本構造を示す断面図である。 1……P+型半導体基板のドレイン層、2a……N+型の第1
バッファ層、2b……ライフタイムキラー層としてのN++
型の第2バッファ層、3……N-型の伝導度変調型層、3a
……空乏端、3b……非空乏領域、4……P型ベース領
域、5……N++ソース領域、6……ゲート酸化膜、7…
…ポリシリコンゲート、8……ソース電極、EF……フェ
ルミエネルギ、EC……伝導帯の最小エネルギ、EV……充
満帯の最大エネルギ、Et……第2バッファ層の再結合中
心としての局在準位。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の半導体基板上に形成された第
    2導電型の第1バッファ層と、このバッファ層の上に形
    成され、その不純物濃度に比して高濃度にドープされ且
    つその厚さに比して薄い膜厚を有する第2導電型の第2
    バッファ領域と、この第2バッファ領域の上に形成さ
    れ、第1バッファ層の不純物濃度に比して低濃度の第2
    導電型の伝導度変調層と、この伝導度変調層の表面に選
    択的に形成された第1導電型のベース領域と、このベー
    ス領域の表面に選択的に形成された第2導電型のソース
    領域とを備えた基板構造を有することを特徴とする伝導
    度変調型MOSFET。
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