TWI251346B - Semiconductor device and driving circuit for semiconductor device - Google Patents
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Description
1251346 五、發明說明(i) 【發明所屬之技術領域】 此發明是有關於内含絕緣閘極型雙載子電晶體 (IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))的半導體 裝置及半導體裝置的驅動電路。 【先前技術】 在非專利文獻1中所揭示的半導體裝置中說明了附加 有控制用PM0S電晶體來使内含在n型IGBT内的PNP雙载子電 晶體的基極與射極間在關閉時短路的半導體裝置的一個 [非特許文獻] Η. P. Yee, P. 〇. Lauritzen and Robert B.
Darling, "The Fast Turn Off Advanced IGBT, a New
Dev ice Concept, The 6th International Symposium on Power Semiconductor Devices and Ics, pp. 63-67 1 994 5 【發明内容】 發明所欲解決的課題: 但疋’在附加P Μ 0 S電晶體來控制的構成中的問題點是 很難維持低等效阻抗及低開關損失來驅動IGBT。 此發明疋為了解決上述問題點而被發明,目的是要得 到動作控制簡單且確實的元件構造的IGBT的半導體裝置, Π日寸維持低專效導通阻抗及低開關損失來驅動半導體裝置
1251346 五、發明說明(2) 的半導體裝置的驅動電路 解決課題的手段: 包括此=:及的第;第1 連項:第,^導雜裝” 閘極型電晶體與第2冑電型^等///1導電型❾第1絕緣 -BT ; , , ^ ^ 基極與射極間短路的第2 $ ^雙載子電晶體的 將上述第2絕緣閘枉Λ ί電型的第2絕緣閘極型電晶體; 4罘ζ '巴、.冬閘極型電晶體的閘極 滿足上述IGBT的元件耐壓以 _水膜的膜厚叹疋成 至Μ上的特疋疋件耐壓的膜厚。 發明的效果: 此發明中的申請專利範圍第i 將第2絕緣閘極型電晶俨& „ & ^ 4妁牛導體裝置, T「RT沾-处W 的閘極氧化膜的膜厚設定成滿足 、兀而、堊以上的特定元件耐壓的膜厚。由於 用與加到IGBT的第1與第2主電極上同杵 絕緣閘極型電晶體的動作, 』冤I來控制弟2 實現本發明中的半導體:置比較簡單的結構來 【實施方式】 〈前提技術〉 圖1 2是說明在N型(笙】憎兩…λ + ΡΝΡ雔葡早雷日弟導電型)的1GBT(NM0S電晶體 又 電日日體)上附加上控制用的P型(第2導雷 電晶體的半導體裝置的1構造的剖的面^(。弟2導電型则 第7頁 2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 1251346 五、發明說明(3) 如同圖中所示,在P-基板1上形成N_磊晶層2(基極 層)。在N-磊晶層2的下層部上選擇性地形成p擴散區域3, 在N-磊晶層2的上層部上形成電極用擴散區域之p擴散區域 4。P擴散區域4的一部份在深度方向上與與p擴散區域3相 鄰接來形成。電極用擴散區域之N+擴散區域7在p擴散區域 4的表面上選擇性地被形成。 、 一 另一方面,在N-磊晶層2的上層部上與p擴散區域4獨 立地,分別選擇性地形成電極用擴散區域之p擴散區域5及 P擴政區域6。在P擴散區域5與P擴散區域6之間的磊晶層 2上經由閘極氧化膜17來形成導電膜1〇,在導電膜1〇的上曰 面設置第2閘極電極15。在p擴散區域5上設置集極電極 1 2 (第1主電極)。 此外,在N-磊晶層2的上層部上,與p擴散區域6相鄰 接來形成輔助擴散區域之N+擴散區域8,從p擴散區域6的 一部分到N+擴散區域8的一部分上形成浮動電極13。 另一方面,從N+擴散區域7的一部分,到p擴散區域4 ΓΓΠΓ及N—蟲晶層2的一部分上面,形成間極氧化膜 1門朽化膜16上形成導電膜9,在導電膜9上形成第 ί閑極電極14。此外,與導電膜9獨立地,從p擴散區剌的 一部分到N+擴散區域7的一部分上形成射極電極u (第2主 電極)。 第1閘極端子P1與第1閘極電極14在電性上 閑極端子P2與第2閘極電極15在電性上連接,射極端子p3 與射極電極11在電性上連接,集極端子P4與集極電極财 2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 第8頁 1251346 五、發明說明(4) 電性上連接。 P擴散區域3從平面上來看時,是包圍著N—磊晶層2來 形成’一般來說是成為以N _磊晶層2的右端作為圓心之同 心圓構造。 圖13是說明圖12中所示的半導體裝置的等效電路之電 路圖。如該圖中所示,是由PNP雙載子電晶體T1 0,NMOS電 晶體Q11,以及PMOS電晶體Q12所形成。 PNP雙載子電晶體T1〇的主要部分是由p擴散區域5 (射 極區域)’ Ν—磊晶層2(基極層),及ρ擴散區域4(第1集極區 域)所構成,輔助部分是由Ρ擴散區域5(射極區域),Ν一磊 晶層2(基極層),及ρ擴散區域6(第1集極區域)所構成。在 ΡΝΡ雙載子電晶體no的ρ擴散區域5上設置IGBT的集極電極 12 ’在PNP雙載子電晶體T1〇的ρ擴散區域4上設置IGBT的射 極電極11。 NMOS電晶體Qii基本上是由N+擴散區域7,N—磊晶層 2(源極與汲極區域),及電1閘極電極14所構成。pM〇s電晶 體Q12基本上是由ρ擴散區域5與6(源極與汲極區域),及第 2閘極電極1 5所構成。 在PNP雙載子電晶體τιο的射極與第2集極之間*** PMOS電晶體Q12,在PNP雙載子電晶體T1〇的第2集極與第1 集極之間***NMOS電晶體Qi 1。 圖3中,在第1閘極端子ρ丨(參照圖丨2 )上加入第i閘極 Vgl,在第2閘極端子P2(參照圖12)上加入第2閘極“2。在 射極端子P3(參照圖12)上加上射極電壓^,在集極端子
第9頁 五、發明說明(5) P 4 (參照圖1 2 )上加上集極電塵v c的情況。 在此-構成的半導體裝置中,當在關閉 1閘極電壓Vgl為0V ’使MOS電晶體Q11關閉來維梏于^吏第 這時空乏層會從P-基板1延伸到N_磊晶層2,使 X ’ 達N -磊晶層2的表面來實現高耐壓。一般將其 工 曰1 RESURFUEduced SURFace)效果。此外,又為了 壓,可以圈住P擴散區域5與6來形成N井,以防止:7电 (Punch Through)到P擴散區域5與6,或者也可以二 :區。:。散區域5左侧的…層2的表面上另外形成廣 m #1打開狀態時’將们閘 到正的特定電麼,藉由供給PNP雙載子電晶 以 流,使PNP雙載子電晶體T1〇動作來驅動IGBT。的丞柽電 此處的MP雙載子電晶體T1〇是具有们及第2集極 集極構造,在PM0S電晶體Q12上所流的成分會經由ν+擴散 區域8,最後流到NM0S電晶體Q11,對“訂的動作沒幫 ^因此,可以抑制在PM〇s電晶體㈣上所流的電流成 但是,當IGBT動作時,需要使pM〇s電晶 閉狀態。其原因是當IGBT動作時1是PM 二以 打開的狀態’PNP雙載子電晶體n〇的 ?為 路,使得爾雙載子電晶體T1G的動作停止 1 = ?=電二?12會成為電性上串聯連接^^ 作,使付導通阻抗變得非常大。 1251346 五、發明說明(6) 禮道2GBT在打開狀態時,N_蟲晶層2的大部分因為受到 又§周變,當打開狀態時,第!閘極電壓Vgl回到〇v的情 Ϊ \ ί之後殘存載子流*的時間内會維持在打開的狀 心以上所述地,空乏層會擴張而成為關閉狀態。 隼2 ^說明圖12及圖13中所示的1咖的關閉動作時的 關Pit,中:斤示,當在關閉期間,蘭電晶體Q12成為 =狀心,P擴散區域5與^蟲晶層2之間的pN接面 者雙載子電晶體T i 0上所流的電流而一直維持在正向偏 壓,使得集極電流卜要經過一些時間才會成為"〇", 是所謂的開關損失。 圖15是說明IGBT在關閉動作時的集極電流 電壓(Vc)理想波形的說明圖。 )及集極 若是在關閉期㈤,PM0S電晶體Q12成為打開狀態時, 殘存的載子會經由PMOS電晶體Q12流動,可以避免上 接面成為正向偏壓的現象。因此,如圖15所示,在
存载子的同時,集極電壓Vc會上升,可以抑制開關損失。 因此,在IGBTCPNP雙載子電晶體T1〇 + NM〇S 上附加PMOS電晶體Q12後的構成的半導體裝置的情況^ PM0S電晶體Q12的閘極驅動(開關控制)非常重要。, P Μ 0 S電晶體Q1 2的閘極驅動會有困難。 其原因S ’ PM0S電晶體Q12的閘極通常是以集極電極 12作為基準之閘極電壓來㈣’需要以相對 的閘極電壓來驅動。 τ π % @ v e m 2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 1251346 五、發明說明(7) 圖16是說明第1閘極電壓Vgl及第2閘極電壓Vg2的驅動 例子之電路圖。如該圖所示,在集極電極12與"〇3電晶體 Q12的閘極電極之間***有二極體D1〇(正極是pM〇s電晶體 Q12的閘極電極側),在題⑽電晶體QU與…⑽電晶體Q12的 閘極電極之間***電容(;丨〇。 在此種構成中,因為第1閘極電壓Vgl與集極電極12是 以電容輕合,由於集極電壓Vc的"/(11:,所以無法避免電 流流到第1閘極電壓Vgi的驅動電路,而容易造成第j閘極 電壓Vgl的驅動電路的造成誤動作。 本發明便是要改良上述的先前技術,來實現具有動作 控制簡單且確實的元件構造的1(;訂之半導體裝置,以及維 持低專效導通阻抗及低開關損失來驅動上述半導體裝置的 半導體裝置的驅動電路。 〈實施形態1 > 圖1是說明具有本發明的實施形態1之IGBT的半導體裝 置^構成剖面圖。如該圖中所示,pM〇S電晶體Q2是由p擴 散區域5,P擴散區域6,及P擴散區域5與1)擴散區域6之間 的N-磊晶層2的表面上隔著閘極氧化膜21的導電膜丨〇及第2 閘極電極1 5所構成。 閘極氧化膜21如通常的厚氧化膜等一般,是以具有 IGBT,元件耐壓以上的閘極耐壓的膜厚來形成。亦^,將 閘極氧化膜21的膜厚設定成滿足IGBT的元件耐壓以上的特 定耐壓的膜厚。因此,當在IGBT動作時,可以用與射極電 極11與集極電極12之間所產生的電位差相同電位的電位差
1251346 五、發明說明(8) 來驅動PMOS電晶體Q2的閘極電極也不會有問題。其他的構 成則與圖1 2中所示的先前技術相同。 圖2是說明圖1中所示的半導體裝置的驅動電路的電路 圖。如同圖中所示,實施形態1的半導體裝置是由PNP雙載 子電晶體Tl,NMOS電晶體Q1,及PMOS電晶體Q2所構成。 PNP雙載子電晶體T1與先前技術(圖1 2,圖1 3)中所說 明的Μ P雙載子電晶體τ 1 0相同地,主要的部份是由p擴散 區域5(射極區域),Ν -磊晶層2(基極層)及Ρ擴散區域4(第1 集極區域)所構成,補助部份是由ρ擴散區域5(射極區 域),Ν_蠢晶層2(基極層),及ρ擴散區域第2集極區域) 所構成。 / NMOS電晶體Q1與先前技術(圖12,圖13)所說明的nm〇s 電晶體Ql 1相同地,基本上是由Ν+擴散區域7,Ν—磊晶層 2(源極與汲極區域),第!閘極電極14,閘極氧化膜16 7及 Ρ擴散區域4所構成。 ' 如圖2中所示,在ΡΝΡ雙載子電晶體η的射極及第2集 極間***PMOS電晶體Q2,在PNP雙載子電晶體n的第2集極 及第1集極之間***NM0S電晶體Q1。 在圖2中’在第丨閘極端子P1(參照圖丨)上加上
Vg2在射極编子P3(參照圖丨)上加上射極電壓^, 端子P 4 (參照圖1 )上加上集極電壓v c。 ” 11 另-方面’用來驅動實施型態!的半導體裝置的反 裔驅動電路18經由信號線41 (第丨控制信號賦予裝置)來將
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第1閘極電壓Vgl賦予到NM〇s電晶體Q1的閘極電極上。 此外’反相器驅動電路18是藉由NMOS電晶體Q3與Q4, PMOS電晶體Q5與Q6,電源線19,及反相器31來構成第2控 制信號賦予裝置。在電源線丨9與接地電位之間,分別串聯 ***PMOS電晶體Q5與NMOS電晶體Q3,以及PMOS電晶體Q6盥 NMOS電晶體Q4。 ^ 在NMOS電晶體Q3的閘極上加上第1閘極電壓“1,在 NMOS電晶體Q4的閘極上加上第1閘極電壓以1經反相器31後 所得到之第1閘極電壓Vgl的反轉信號。PM〇s電晶體q5的閘 極與PM0S電晶體Q6的沒極相連接,pm〇s電晶體Q6的閘極與 PM0S電晶體Q5的汲極相連接。pm〇s電晶體⑽的汲極(nm〇S 電晶體Q4的汲極)與PMOS電晶體Q2的閘極電極相連接。 在電源線19上加上與集極電壓yc同程度或者集極電壓 Vc以上的定電壓Vh。當使定電壓Vh與集極電壓Vc相同程度 時’也可以在電源線1 9上加上集極電壓v c。 此外’ NMOS電晶體Q3與Q4是使用與閘極氧化膜耐壓非 常大的NMOS電晶體Ql,PMOS電晶體q5及Q6相同程度元件耐 壓的NMOS電晶體。 在此種構成中,當IGBT在打開狀態時(經由信號線41 加上正的特定電壓的第1閘極電壓Vgl時),反相器驅動電 路18内的第2控制信號賦予裝置,對第1閘極電壓“1反 應,來將第2閘極電壓Vg2設定成定電壓Vh(使pM〇s電晶體 Q2關閉之第1電壓)’所以可以使pmos電晶體Q2確實地成為 關閉狀態。這時’如以上所述,因為使PM〇s電晶體q2的閘
2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 第14頁 1251346 五、發明說明αο) 極氧化膜2 1的膜厚充分地加厚來加強耐壓,所以即使以比 較高電壓的定電壓Vh來驅動PMOS電晶體Q2也不會破壞ρΜΩς 電晶體Q 2的閘極氧化膜2 1。 另一方面,當IGBT關閉時(經由信號線41所得的第1閘 極電壓Vgl從正的特定電壓變化到ov時),在反相器驅 ^ 路1胃8内的上述第2控制信號賦予裝置,因為可以將第2閘極 電壓Vg2没疋在接地電位(使pm〇s電晶體Q2打開的第2電° 壓),所以可以使PMOS電晶體Q2確實地打開。 如此地,實施形態1的反相器驅動電路丨8會對第!閘極 電壓Vgl反應來產生第2閘極電壓“2,當1(^7在打開狀態 時,驅動PMOS電晶體Q2成為關閉狀態,當IGBT在關閉狀離 時,驅動PMOS電晶體Q2成為打開狀態,所以可以維持低g 等效導通阻抗及低的開關損失來驅動實施形態丨的 裝置。 圖3是說明本發明的實施形態2中的半導體裝置的驅動 電路的電路圖。如同圖中所示,對實施形態1中的半導體 裝置(PNP雙載子電晶體π,NMOS電晶體Q1,及pm〇S電晶體 Q 2)加上新的線圈l 1。 藉由控制信號賦予裝置之信號線42,在NM〇s電晶體Q1 =閘極上加上第閘極電壓V g 1,藉由固定電位賦予裝置之 f波線43 ’在PMOS電晶體Q2的閘極上加上接地電位來作為 第2閘極電壓vg2。在線圈L1的一端上加上定電壓vh,另一 端則與PNP雙載子電晶體T1的射極及pM〇s電晶體Q2的源極 相連接。線圈L1的阻抗可以是例如1〇〇mH。
五、發明說明(11) 在圖3中說明在第i閘極端子?1(參照圖丨)上加上第1閘 極電壓vgi,在第2閘極端子?2(參照圖丨)上加上第2閘極電 ,Vg2(接地電位),在射極端子p3(參照圖u上加上射極電 ,在集極端子P4(參照圖丨)上加上集極電壓以的情 、在此種構成中,當IGBT在關閉狀態時(第工閘極電壓 vgi為ον),因為集極電壓Vc與定電壓几 ? = = ;為同電位,所以閘極電位接地使 日日體Q2確貝地成為打開的狀態。其原 使歷電晶體Q2向打開的方向,使定電㈣=曰 Vth以上移動的電位。 电登 ㈣打開時(第1開極電叫1從0v向正的特定電壓 ΐ化W,因為在打開狀態_S電晶體Q2上會流動 ^所=圈L1上以咖的成分來消耗大曰部^ 使侍集極電壓VC快速地降低到接地電位附告 極電壓VC低於P雷曰辦虽集 ㈣2合杰Γ二的間值電壓Vth的同時,0S電曰 細會成為關閉,使得IGBT開始動作。 電日日 另方面MIGBT關閉時(第;i閘極電壓yi 定電壓向0V變化時),古?•丨M石B 电反Vgl攸正的特 被排出為止,會維持在―二層2的大部分的殘存載子 極電壓Vc再度開妗上并二盔恕,當殘存載子減少而集
電晶體= 間值電壓Vth以上時,PM0S 載子幾乎完全消失,當集極電壓時之;歹;存 經沒有電洞供給’所以會非常快地變成關閉=因為已 1251346 五、發明說明(12) ---- ^此地,在PNP雙載子電晶體n的射極側上設置線圈 L1,藉著加上固疋電壓(接地電位)來作為第2閘極電壓 之實施形態2的驅動電路’與實施形態丨的反相器驅動電路 18相同地,可以對實施形態i的半導體裝置,維持低的等 效導通阻抗及低開關損失來加以驅動。 〈實施形態3> 基本上,因為是以PMOS電晶體Q2的閾值電壓Vth與集 極電壓Vc之間的電位差來決定pm〇s電晶體q2的打開或關 閉,所以可以選擇使得PMOS電晶體Q2的閥值電壓vth最佳 化,或者不將閾值電壓Vth最佳化,而是使第2閘極電壓 Vg2不像實施形態2 —般地成為固定電壓,而是當1(;^打開 與關閉時會改變的可變電壓來進行調整。本實施型態3便# 是使用比較簡單的電路結構來使得第2閘極電壓“2成為可 變電壓。 # 圖4是說明此發明的實施形態3中的半導體裝置的驅動 電路的電路圖。如同圖中所示,與實施形態2相同地,對 實施形態1的半導體裝置附加上新的線圈L1。 如圖4所示,藉由控制信號賦予裝置之信號線44,在 NMOS電晶體Q1的閘極上加上第1閘極電壓Vgi,在pM〇s電晶 體Q2的閘極上也加上第1閘極電壓vgi來作為第2閘極電壓03 Vg2。在線圈L1的一端上加上定電壓Vh,另一端則與pNp雙 載子電晶體T1的射極及PMOS電晶體Q2的源極相連接。 在圖4中說明了在第1閘極端子P1上加上第1閘極電壓 Vgl,在第2閘極端子P2上加上第1閘極電壓Vgi,在射極端
1251346 五、發明說明(13) 上射極電壓k ’在集極端子Μ上加上集極電壓^ v 1 jvl種構成中’當1GBT在關閉狀態時(第1閘極電壓 ®集極電壓〜與定電®Vh(>Vth(PM0S電晶體 & 成為同電位’所以PM0S電晶體Q2會確實地 成為打開的狀態。 胃^ s t r山當I(?T打開時(從第1閘極電MVgl的GV向正的特定電 Λ疋i.5V)變化時),因為在打開狀態的PM0S電晶體 定電;=J Γ…ί線圈U的的成分來消耗掉 ^ σ卩为’使得集極電壓V c快速地降低到接地電 0^ :占k 1集極電壓化低於Vth + 15V的同時,PM0S電晶體 W會成為關閉,而IGBT開始動作。 另方面,當1GBT關閉時(第1閘極電壓Vgi從1 5V變化 直到…層2的大部…殘存載g子被丄 止,a維持在打開狀態,當殘存載子減少,而集極電壓Vc 升到超過閥值電壓vth時,PM0S電晶體的會成為打 開狀悲而遮斷電洞的供給。然後,殘存載子幾乎完全、肖 失,當集極電壓Vc快速地上升時,因為已經沒有g二的供 給’所以會非常快速地變成關閉狀態。 如此地,藉著在PNP雙载子電晶體T1的射極側上設置 線圈L1,賦予第}閘極電壓Vgl來作為第2閘極電壓Vg2之實 施形態3的驅動電路,也可以與實施形態丨及實施形離2相、 同地,對實施形態1的半導體裝置,維持低的等效導通阻 抗與低的開關損失來加以驅動。 2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 1251346 画丨· 五、發明說明(14) 此外,當PMOS電晶體Q2打開時,集極電屢yc = i5V十 V t h以下時會關閉’當在關閉時,則當集極電遷v。= y丨匕以 上時打開。因為當PMOS電晶體Q2在打開狀態時,i(jBT動作 會停止,所以最好是在較高電位的集極電壓。時關閉pM〇s 電晶體Q9。另一方面,因為PM〇s電晶體Q2在關閉狀態時 IGBT會開始動作,所以最好在較低電位的集極電壓以時使 PM0S電晶體Q2打開。 因此,實施形態3藉著使用第1閘極電壓Vgl來作為第2 閘極電MVg2 ’可以滿足上述的要求,具有改善在第^^閉極 電壓Vgl開關時的電位差(15V)的效果。 此外,藉著將閥值電壓Vth設定在〇v附近,因為當使 第2閘極電壓Vg2(第1閘極電壓Vgl )在〇¥時,pM〇s電晶體的 會很快地成為打開狀態,對於降低關閉損失相當有效。 在本實施形態中,因為使用第1閘極電壓Vgl來作為第 2閘極電壓Vg2完全沒有問題,所以是使用第丨閘極電壓^ 來作為第2閘極電壓Vg2的構成,但也可以藉著調整㈣⑽電 ,體Q2的閥值電壓Vth或者與第!閘極電壓Vgl無關的第2閘 極電壓V g 2來得到同樣的效果。 :如說,可以在打開時用正的特定電壓,在 負的特定電壓…偏μ驅動來作冑第2問極 制,以進一步改善上述的兩難。 t 〈實施形態4> 圖5是說明具有本發明的實施形態4中的I(JBT的半導體 裝置構成之剖面圖。如同圖中所示,在N_磊晶層2的上層 2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 第19頁 1251346
部的P擴散區域4與5之間,進一步形成有作為補助擴散區 域之P擴散區域22及P-擴散區域23。 P-擴散區域23夾著導電膜9下的N—磊晶層2被形成在擴 散區域4對面,P擴散區域22與p—擴散區域23相鄰接,且與 P擴散區域4分開,被形成在p擴散區域“與卩擴散區域4之 間的N -蠢晶層2的上層部上。 在P擴散區域22上形成有導電膜25,導電膜25與射極 知子P3在電性上連接。因此,射極電極丨丨與導電膜9會成 為短路。其他的構成則與圖i所示的半導體裝置相同。 、此種構成的實施型態4的半導體裝置,當丨GBT在關閉 狀態時,隨,N-磊晶層2的空乏化,p—擴散區域23也會同 時空乏化’藉此可以得到耐高壓的雙RESURF構造。因此, 較先前的RESURF構造的導通阻抗低,當在關閉時,由於可 =經由P-擴散區域23來排出電洞電流,所以對於降低開關 才貝失也相當有效。 此外’P擴散區域22是被設置來作為使p—擴散區域23 ΐί化的電極(導電膜25)連接區域。藉著將P擴散區域22 口又疋為較Ρ -擴散區域2 3高濃度,除了可以降低接觸阻抗, 也可以阻止貫通電流(punch thr〇ugh)流入電極。 〈實施形態5> 圖6是說明具有本發明的實施形態5 iIGBT之半導體裝 置的構成的剖面圖。如同圖中所示,在N_磊晶層2的上層 ^上覆蓋上P擴散區域6及N+擴散區域全體,來形成補助擴 散區域之N擴散區域26。此外,其他的構成與圖1中所示的
1251346 五、發明說明(16) 半導體裝置相同。 在實施形態5 Φ,l ^ IGBT的PNP雙載子電日二圖2的等效電路圖中所示,構成 晶體Q2側所^的隼極曰曰Λ ,為多集極構造,因為在剛8電 姑宝知a 果極電對IGBT的動作沒有幫助,所以會 妨¥ IGBT動作的效率。 N擴散區域2 6因為备# a 的電位障礙,所以可W成為從?擴散區域5所注入的電洞 . . . M 斤了以抑制電洞流入P擴散區域6。亦即, 口為存在N擴散區诚?β PMOS雷曰驊η9 士 、由 以降低與ΡΝΡ雙載子電晶體T1的 曰曰—Q相連接的第2集極側的電流放大率hFE:,使得 原本的IGBT的動作更有效率的進行。 〈實施形態6> 圖7疋巩明具有此發明的實施形態6之丨gbt的半導體裝 成之剖面圖。如同圖中所示,另外設置獨立於p—基板 ,在1"—基板51上設置相當於PM0S電晶體Q2的 =電曰曰體構造,可以從P基板1上除去上述PMOS電晶體構 在P基板1側上,在N—磊晶層2 (第i基極層)的上層部 上,獨立於P擴散區域4選擇性地形成p擴散區域5。在磊 晶層2的上層部上,獨立於p擴散區域5來形成^擴散區域 8、’$在P擴散區域5上設置集極電極1 2,在N+擴散區域8上形 成導電膜27。此外,NMOS電晶體Q1的構造(第i閘極電極 14,P擴散區域4等)的構造與圖!所示的實施形態1相同。 在P-基板51側上,在p-基板51上形成N—磊晶層52(第2 基極層),在N-磊晶層52的上層部上選擇性地分別形成電
2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 第21頁 1251346 五、發明說明(17) 極用擴散區域之P擴散區域5a,6a,6b,5b。然後,在P擴 散區域5a與6a之間的N-磊晶層52上,經由閘極氧化膜21a 來形成導電膜10a,在導電膜1〇8上設置第2閘極電極15&。 而,’在P擴散區域5b與6b之間的N -磊晶層52上,經由閘 極氧化膜21b來形成導電膜,在導電膜1〇上設置第2閘 極電極15b。
在N-蠢晶層52的上層部的p擴散區域以與⑼之間,與p ,散區域6a及6b兩者相鄰接來形成N+擴散區域8〇,從p擴 散區域6a的一部份開始到…擴散區域8〇上及p擴散區域⑽ 的一部份上為止,形成導電膜33。 / 、在P擴散區域5a上形成導電膜32a,在p擴整區域5b上 形成導電膜32b。接著,第2閘極電極15a與15b共通地與第 2閘極端子P2在電性上相連接,p—基板ι側的集極電極與 P一基板5 1側的導電膜32a及321)共通地與集極端子p4在電性 ^相連接。而且’ P—基板i側的導電膜27與?—基板51側的 導電膜33短路。
亦即’在1"—基板51側,藉著將複數個PM0S電晶體構造 =擴散區域5a,6a與第2閘極電極丨5a所形成的pM〇s電晶 胁及P擴散區域“,6b與第2閘極電極所形成的電晶 體)加以,f連接來實現一個單位的⑽⑽電晶體。 圖8疋祝明圖7中所示的實施形態6的半導體裝置的等 ^路之電路圖。如同圖中所#,實施形態6的半導體裝 二由PNP雙载子電晶體T2,NM〇s電晶體,及pM〇s晶 體Q7所槿点。
1251346 五、發明說明(18) m雙載子電晶飢2是在P_基板丨上,pmos電晶體 γ疋在P-基板51上被分別獨立地形成,所以PNP雙載子電 BB體T2成為單射極構造。而pM〇s電晶體Q7則是如圖7所、 示,是將複數PMOS電晶體並列連接所構成之一單位的pM〇s 電晶體。 如圖8所示,在PNP雙載子電晶體T2的射極及集極之 間,串聯***PMOS電晶體Q7及MOS電晶體Q1,PM〇s電晶體 Q7的源極與PNP雙載子電晶體T2的射極,NM〇s電晶體曰的 源極與PNP雙載子電晶體T2的集極相連接。 如此地,實施的形態6的半導體裝置是將pNp雙載子電 晶體T2及PMOS電晶體Q7,在相互獨立地設置的基極層之\一 磊晶層2及N-磊晶層52上形成。因此,來自p擴散區域5的 電洞全部用在IGBT的動作上,由於電洞會流到pM〇s電晶體 Q7,所以不會有損耗。這便意味著除去圖8的等效電路中 的點線上所流的電流成分。 〈實施的形態7> 圖9是說明具有此發明的實施形態7之丨GBT的半導體裝 置的構成之剖面圖。如同圖中所示,在N—磊晶層2的上層、 部的P擴散區域4與P擴散區域5之間的p擴散區域5的附近區 域上’形成第2補助擴散區域之N+擴散區域8&,在N+擴散 區域8a上設置浮動電極13a,浮動電極13a與第}補助擴散 區域之N+擴散區域8上所形成的浮動電極丨3以鋁配線34來 加以短路。此外的其他構成與圖1所示的半導體裝置相 同0
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五、發明說明(19) 圖1 〇是說明考慮了寄生阻抗後的實施形態1的半導體 裝置的等效電路圖。如同圖中所示,在實施形態1的半導 體裝置中,從P擴散區域5的正下方開始到糾擴散傾城8 止’存在有寄生阻抗R 1 (在圖9中以模式來記載)。因此: 會使得PMOS電晶體Q2的導通阻抗惡化,使得導通狀態時’、 PMOS電晶體q2的短路機能減弱。因此,最好是能 ^柄= 生阻抗R1。 低寄 在實施形態7的半導體裝置中,藉著設置n+擴散區域 8a,可以確保從n+擴散區域仏到“擴散區域8之間直接的 電流路徑(鋁配線34),可以達到實質上去除上述寄 R1的效果。 ^ N+擴散區域8a在耐壓保持狀態時,由於具有防止空乏 層到達P擴散區域5之空乏層抑制功能,所以只要設置有n + 擴散區域8a,便可以同時達到抑制空乏層的效果及去除寄 生阻抗的效果。亦即,藉著形成N+擴散區域“,便可以很 有效率地達到上述的2個效果。 〈實施形態8> 另 圖11是說明具有此發明的實施形態8之I GBT的半導體 ,置構^之剖面圖。如同圖中所示,在N_磊晶層2的上層 4上從平面上來看時’使P擴散區域5與6迁迴地,從P擴 散區域4與P擴散區域5之間的p擴散區域5的附近區域之N+、 擴散區域部81a(相當於圖9的N+擴散區域8a),延伸到與P 擴政區域6相鄰接來形成的“擴散區域部81b(相當於圖9的 N+擴放區域8) ’ 一體地形成“擴散區域81(共通補助擴散
1251346 五、發明說明(20) ' ·^一 區域)。其他的構成則與圖9中所示的實施形態7的構造相 同。 如此地,在實施形態8中,藉著設置N+擴散區域81, 可以與實施形態7相同地,具有實質上去除寄生阻抗R1的 效果。 此外,藉著形成N+擴散區域部81a與81b所一體構成的 N+擴散區域81,可以不需要實施形態7中所需的鋁配線 34,使得構造更簡單化。 〈其他〉 此外,若是將實施形態1的反相器驅動電路1 8以及實 施形態2及實施形態3的驅動電路,應用在實施形態4〜實 施形態8的半導體裝置上,當然也可以得到相同的效果。
2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 第25頁 1251346 圖式簡單說明 [圖1 ]說明具有此發明的實施形態1之I GBT的半導體裝 置的構成剖面圖。 [圖2 ]說明圖1中所示的半導體裝置的驅動電路之電路 圖。 [圖3 ]說明此發明的實施形態2中的半導體裝置的驅動 電路之電路圖。 [圖4 ]說明此發明的實施形態3中的半導體裝置的驅動 電路之電路圖。 [圖5 ]說明具有此發明的實施形態4之I GBT的半導體裝 置的構成剖面圖。 [圖6 ]說明具有此發明的實施形態5之I GBT的半導體裝 置的構成剖面圖。 [圖7 ]說明具有此發明的實施形態6之I GBT的半導體裝 置的構成剖面圖。 [圖8 ]說明圖7中所示的實施形態6的半導體裝置的等 效電路之電路圖。 [圖9 ]說明具有此發明的實施形態7之I GBT的半導體裝 置的構成剖面圖。 [圖1 0 ]說明考慮了寄生阻抗後的實施形態1的半導體 裝置的等效電路之電路圖。 [圖1 1 ]說明具有此發明的實施形態8之I GBT的半導體 裝置的構成剖面圖。 [圖12]說明在IGBT上附加上控制用PMOS電晶體後的半 導體裝置的一般構造之剖面圖。
2108-638I-PF(N2):Ahddub..pid 第 26 頁 1251346 圖式簡單說明 [圖1 3 ]說明圖1 2中所示的半導體裝置的等效電路之電 路圖。 [圖1 4 ]說明圖1 2及圖1 3中所示的I GBT的關閉動作之說 明圖。 [圖1 5 ]說明理想之I GBT的關閉動作的說明圖。 [圖1 6 ]說明第1閘極電壓及第2閘極電壓的驅動例子之 電路圖。 【符號說明】 1、51 P-基板; 2、52 N-磊晶層; 1 8 反相器驅動電路; 2 2 P擴散區域; 23 P-擴散區域; 26 N擴散區域; ΤΙ、T2雙載子電晶體; 80 N+擴散區域;
Ql、Q3、Q4 NMOS 電晶體; L1 線圈; 7、8、8a、81 N+擴散區域; Q2、Q5、Q6、Q7 PMOS 電晶體; 1 6、2 1、2 1 a、2 1 b 閘極氧化膜; 4〜6、5a、5b、6a、6b P擴散區域。
2108-6381-PF(N2);Ahddub.ptd 第27頁
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- 拍.i.u Mi ? * -r ' - -一.· ·· * i ' - ------- ^ 1251346 -1 案號一9册1七835 修正: 六、申請專利範圍 1· 一種半導體裝置,包括: 第1導電型的絕緣閘極型替 及第2主電極之間,連接第丨莫雙雷載f電晶體dGBT),在第1 體與第2導電型的雙载子電晶體而里的·第1絕緣閘極型電晶 第2導電型的第2絕緣閘θ3極型 ’ A IGBT關閉時,使上述雙載子 j ,加上來使當該 路; 卞冤日日體的基極與射極之間短 其特徵在於: 將上述苐2絕緣閘極型雷#雜 定成滿足上述IG_元件耐壓緣膜的膜厚^ 厚。 T T座以上的特定元件耐壓之膜 2.如申請專利範圍第丨項戶斤述 雙載子電晶體包括:第1導電型的 表1 ,、中該 層的上層部上被選擇性地形成的]及在上述基極 極用擴散區域; 成的第2導電型的第1及第2電 抒門層的上層部的上述第1及第2電極用擴散區 域間权有弟2導電型的補助擴散區域。 狀 3·如申請專利範圍第i項所述的 雙載子電晶體包括··第!導電型的基極層,U上述:: 層的上層部上被選擇性地形成之第2土 極用擴散區域; n # z $ 該第2絕緣閘極型電晶體包括··上述基極層 電極用擴散區域,在上述基極層的上層部上被選擇性地 成之第2導電型的第3電極用擴散區域,及在上述第2與第g2108-6381-PFl(N2).ptc 第28頁 Ϊ251346案號9311( 六、申請專利範圍 1極用擴散區域之間的上述基極層上’經由上述閘極絕緣 膜所形成的閘極電極; 散的/層部上’覆蓋著上述第3電極用擴 域’权置有第丨導電型的不純物濃度較上述基極層高 之第1導電型的補助擴散區域。 4. 如申請專利範圍第i項所述的半導體裝置,苴 雙載子電晶體包括:第i導電型的第i基極層,及在上述^ 1基極層的上層部上被選擇性地形成之第2導電型的第,及 第2電極用擴散區域; 該第2絕緣閘極型電晶體包括:第j導電型的第2基極 層,在該第2基極層的上層部上被選擇性地形成之第2 及第4電極用擴散區域,在±述第3與第4 f區域之間的上述第2基極層上經由上述間極絕緣膜所形、 成的閘極電極; 上述第1及第2基極層是相互獨立地來設置。 5. 如申請專利範圍第丨項所述的半導體裝置,其 樓第1導電型的基極層,及在上述基極 層的上層部上被選擇性地形成之第2導電型的第丨及 極用擴散區域; 电 該第1絕緣閘極型電晶體包括:上述基極層,在該 電極用擴散區域的上層部上被選擇性地形成之第丨導^ 的第3電極^廣散區域,在上述基極層及上述第3電極用 政區域之間的該第i電極用擴散區域上,與該閘極絕緣膜八 經由不同的閘極絕緣膜來形成之第丨閘極電極; 、2108-6381-PF1(N2).ptc 第29頁 1251346 案號 93116835 六、申請專利範圍 該第2絕緣閘極型電晶體包括··上述基極層,上述第2 電極用擴散區域’在上述基極層的上層部上被選擇性地形 成之第2導電型的第4電極用擴散區域,及在上述第2與第4 電極用擴散區域之間的上述基極層上,經由上述 膜所形成的第2閘極電極; ' V 在該基極層的上層部上與上述第4電極用擴散區域相 鄰接所形成,第1導電型的不純物濃度較上述基極層高之 第1導電型的第1補助擴散區域; 曰 在上述基極層的上層部的上述第1與第2電極用擴散區 域之間,進一步具有第1導電型的不純物濃度較上述基極 層高之第1導電型的第2補助擴散區域; 上述第1及第2補助擴散區域具有相互在電性上連接的 關係。 6·如申請專利範圍第5項所述的半導體裝置,其中更 具有使該第1及第2補助擴散區域之間在電性上連接之金屬 配線。7·如申請專利範圍第5項所述的半導體裝置,其中該 第1及第2補助擴散區域包括··在上述基極層的上層部上, 從平面來看’從上述第1與第2電極用擴散區域間的區域延 伸到與上述第4電極用擴散區域相鄰接的區域,被一體地 形成的共通補助擴散區域。 8. —種半導體裝置的驅動電路,係對半導體裝置的驅 動電路,其中該半導體裝置包括: 第1導電型的絕緣閘極型雙載子電晶體(IGBT),在第i1251346 修正 案號931168邡 六、申請專利範圍 及第2主電極之間’連接第1導電型的第1絕緣閘極型電晶 體與,2導電型的雙載子電晶體而成;及 第2導電型的第2絕緣閘極型電晶體,附加上來使當該 I GBT關閉時’使上述雙載子電晶體的基極與射極之間短 路, 將違第2絕緣閘極型電晶體的閘極絕緣膜的膜厚設定 成滿足上述IGBT的元件耐壓以上的特定元件耐壓之膜厚; 該驅動電路包括: 第1控制信號賦予裝置,在上述第1絕緣閘極型電晶體 的閘極電極上賦予第1控制信號;以及 第2控制信號賦予裝置,將對上述第1控制信號反應所 得到之第2控制信號,賦予到上述第2絕緣閘極型電晶體的 閘極電極上; 該第2控制信號賦予裝置,當上述第1控制信號指示上 述第1絕緣閘極型電晶體打開時,產生用來關閉上述第2絕 緣閘極型電晶體的第1電壓,及當上述第丨控制信號指示上 述第1絕緣閘極型電晶體關閉時,產生使上述第2絕緣閘極 型電晶體打開之第2電壓來作為上述第2控制信號。 9. 一種半導體裝置的驅動電路,係對半導體裝置的驅 動電路,其中該半導體裝置包括: 第1導電型的絕緣閘極型雙載子電晶體(IGBT),在第丄 及第2主電極之間,連接第1導電型的第丨絕緣閘極塑電晶 體與第2導電型的雙載子電晶體而成;及 第2導電型的第2絕緣閘極型電晶體,附加上來使當該1251346 Ά 修正 曰 ---——_案號 fmiifi奶ς 六、申請專利範圍 』Β;Τ關閉時’使上述雙载子電晶體的基極與射極之間短 成滿二緣:極/電晶⑽ 該驅;電路包的:件❹以上的特定元件耐屋之膜厚; 的射=到…,另-端與上述雙載子電晶體 門朽ΞΓ信號賦予裝置’對上述第1絕緣間極型電曰體的 間極電極賦予第1控制信號,·以Λ m電曰曰體的 =定電壓賦予裝置,在上述第2 閘極電極上,加上由上述定電壓 窀阳體的 極型電晶辦打卩卩夕士 a / 者使传上述第2絕緣閘 尘*€ BB體打開之方向位移而得之固定電位。 10· —種半導體裝置的驅動電路 驅動電路,其中該半導體裝置包括·予對牛導體裝置的 第1導電型的絕緣閘極型雙載子 及第2主電極之間,連接第1導電型的第T),在第1 體與第2導電型的雙載子電晶體而成的第』、、、邑緣閉極型電晶 第2導電型的第2絕緣閘極型雷曰 IGBT關閉時,使上述雙載子電曰 |寸加上來使當該 路; 〖雙戰子電-體的基極與射極之間短 將該第2絕緣閘極型電晶體的間極 成滿足上述I GBT的元件耐壓以上的彳_ 、的膜厚s又疋 該驅動電路包括: 上的特疋疋件耐壓之膜厚; 線圈,-端接到定電壓,另—端與上述雙載子電晶體 第32頁 2108-6381-PFl(N2).ptc 1251346 案號93116835, 年月日 修正_ 六、申請專利範圍 … ^ 的射極電極相連接;以及 控制信號賦予裝置,對上述第1絕緣閘極型電晶體及 上述第2絕緣閘極型電晶體的閘極電極共通地賦予相同的 控制信號。2108-6381-PFl(N2).ptc 第33頁
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