(57)【要約】絶縁ゲートバイポーラスイッチは、いくつかのフローティングメサ（１１８）及びトレンチゲート（１１６）と交互嵌合したいくつかのトレンチＩＧＢＴ構造（１０５）を含む。ＩＧＢＴメサ幅とフローティングメサ幅は異なり、これによってスイッチは、所望のＶＦＤ、ＳＣＳＯＡ及びＲＢＳＯＡの値を提供することが可能になる。好ましい実施形態では、ＩＧＢＴメサは幅が広く、フローティングメサは幅が狭い。トレンチゲートの底部に沿って形成される蓄積チャネル（１５２）は、電子注入効率を向上させ、ＶＦＤを低く維持する。広いＩＧＢＴメサといくつかのフローティングメサは、反転チャネル密度を低減し、したがって飽和レベルを下げ、それによってＳＣＳＯＡを改善する。狭いフローティングメサは一様性を改善し、逆バイアス誘導電場のピークを下げ、それによってＲＢＳＯＡと逆破壊電圧特性を改善する。ＲＢＳＯＡと逆破壊電圧特性は、ＩＧＢＴメサにおいて、トレンチゲートの底部をＰベース領域の深度まで延長することによって、さらに改善される。メサ幅と、単位セルあたりのフローティングメサの数とは、所望の特性を有するスイッチを提供するように、必要に応じて調節される。
2004511105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ゲートバイポーラスイッチであって、
Ｐ層（１０２）と、
前記Ｐ層と接し、コレクタ接続をこのスイッチに提供する第１電極（１０４）と、
前記コレクタと対向する、前記Ｐ層の上のＮ−ドリフト層（１００）と、
前記Ｎ−ドリフト層内に凹んだ複数のゲート（１１６）であって、それぞれがトレンチ構成に配置されており、
前記トレンチの側壁及び底部を形成する酸化物層（１２０、１２２）と、
前記トレンチの中にあり、前記トレンチの上部に印加された電圧を前記酸化物層に伝える導電材料（１２４）と、
を備えている複数のゲート（１１６）と、
前記トレンチそれぞれの中の前記導電材料と接し、ゲート接続をこのスイッチに提供する第２電極（１２６）と、
それぞれが上面にわたる酸化物層を有しており、前記トレンチゲートのそれぞれの対の間に挟まれた複数のフローティングメサ（１１８）と、
少なくとも１つのＩＧＢＴ構造（１０５）であって、それぞれが、
前記Ｎ−ドリフト層上のＰベース領域（１０６）と、
オーミックコンタクトを前記Ｐベース領域に提供する、前記Ｐベース領域上のＰ＋領域（１１０）と、
前記Ｐベース領域の一部と接するＮ＋領域（１０８）であって、前記Ｐベース領域と前記Ｐ＋領域とこのＮ＋領域とは、１対の前記トレンチゲートの間に挟まれて導電メサを形成しており、前記Ｐベース領域及びＮ＋領域は、前記導電メサに隣接する前記トレンチゲートの少なくとも１つと接するように構成されている、Ｎ＋領域（１０８）と、
を備えている少なくとも１つのＩＧＢＴ構造（１０５）と、
前記少なくとも１つのＩＧＢＴ構造のそれぞれのＰ＋オーミックコンタクトとＮ＋領域とに接し、エミッタ接続をこのスイッチに提供する第３電極（１１２）と、
を備えており、前記導電メサはそれぞれが、前記導電メサに隣接するトレンチゲートの間の距離によって画定された幅を有し、前記フローティングメサのそれぞれの幅は前記導電メサの幅とは異なり、
前記エミッタ接続に関して正である電圧を前記ゲート接続に印加すると、前記Ｐベース領域にわたる反転チャネル（１５０）と前記Ｎ−ドリフト層にあり前記トレンチゲート底部に隣接する蓄積チャネル（１５２）とが形成され、前記コレクタと前記エミッタとの間の電圧が十分に高いときには、前記反転チャネルは、前記Ｎ＋領域から前記Ｎ−ドリフト層内に電子を注入してこのスイッチをオンにすることを可能にする導電性経路を、前記Ｎ＋領域と前記Ｎ−ドリフト層との間に提供し、よって電流が前記ＩＧＢＴ構造を介して前記コレクタ接続と前記エミッタ接続との間に流れることが可能になり、ゼロ又は負のゲート電圧が前記反転チャネルを排除し、このスイッチを介する導通を終了させるように構成されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記フローティングメサのそれぞれの幅は約１〜２μｍであることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項３】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記ＩＧＢＴ構造を複数備えており、前記ＩＧＢＴ構造のそれぞれの対は、前記フローティングメサと交互になっている前記トレンチゲートを備えている構造のパターンによって分離されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項４】
請求項３記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記パターンは８ないし１０の前記フローティングメサを備えていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項５】
請求項３記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記導電メサのそれぞれの幅は前記構造のパターンの幅よりも狭いことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項６】
請求項３記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記導電メサのそれぞれは約２４μｍであり、前記トレンチゲートのそれぞれは約１〜３μｍの幅であり、前記フローティングメサのそれぞれが約１〜２μｍの幅であることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項７】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記Ｐベース領域のそれぞれは一様な深度を有し、前記トレンチゲートのそれぞれの深度は前記Ｐベース領域の一様な深度にほぼ等しいことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項８】
請求項７記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記トレンチゲートの底部は前記Ｐベース領域の一様な深度の０．２μｍ以内にあり、前記Ｐベース領域はそれぞれの導電メサに制限されることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項９】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記フローティングメサはそれぞれの一様な幅を有し、前記導電メサはそれぞれの一様な幅を有し、前記導電メサの一様な幅が前記フローティングメサの一様な幅より大きいことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１０】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記フローティングメサは、最も近いＩＧＢＴ構造からの距離が増大するにつれて次第に狭くなる変動幅を有することを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１１】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記導電材料は、ドナーが大量にドープされたポリシリコンであることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１２】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記Ｎ−ドリフト層はバルク基板材料であり、前記Ｐ層は前記Ｎ−ドリフト層の背面内に埋め込まれている又は拡散されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１３】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記Ｐ層はバルク基板材料であり、前記Ｎ−ドリフト層は前記Ｐ層の上に成長したエピタキシャル層であることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１４】
請求項１記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記トレンチゲートの底部のコーナは、逆バイアス誘導電場の影響を受けるときに、破壊の受けやすさを低減するように丸められていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１５】
絶縁ゲートバイポーラスイッチであって、
Ｎ層（２０２）と、
前記Ｎ層と接し、エミッタ接続をこのスイッチに提供する第１電極（２０４）と、
前記エミッタと対向する、前記Ｎ層の上のＰ−ドリフト層（２００）と、
前記Ｐ−ドリフト層内に凹んだ複数のゲート（２１６）であって、それぞれがトレンチ構成に配置されており、
前記トレンチの側壁及び底部を形成する酸化物層（２２０、２２２）と、
前記トレンチの中にあり、前記トレンチの上部に印加された電圧を前記酸化物層に伝える導電材料（２２４）と、
を備えている複数のゲート（２１６）と、
前記トレンチそれぞれの中の前記導電材料と接し、ゲート接続をこのスイッチに提供する第２電極（２２６）と、
それぞれが上面にわたる酸化物層を有しており、前記トレンチゲートのそれぞれの対の間に挟まれた複数のフローティングメサ（２１８）と、
少なくとも１つのＩＧＢＴ構造（２０５）であって、それぞれが、
前記Ｐ−ドリフト層上のＮベース領域（２０６）と、
オーミックコンタクトを前記Ｎベース領域に提供する、前記Ｎベース領域上のＮ＋領域（２１０）と、
前記Ｎベース領域の一部と接するＰ＋領域（２０８）であって、前記Ｎベース領域と前記Ｎ＋領域とこのＰ＋領域とは、１対の前記トレンチゲートの間に挟まれて導電メサを形成しており、前記Ｎベース領域及びＰ＋領域は、前記導電メサに隣接する前記トレンチゲートの少なくとも１つと接するように構成されている、Ｐ＋領域（２０８）と、
を備えている少なくとも１つのＩＧＢＴ構造（２０５）と、
前記少なくとも１つのＩＧＢＴ構造のそれぞれのＮ＋オーミックコンタクトとＰ＋領域とに接し、コレクタ接続をこのスイッチに提供する第３電極（２１２）と、
を備えており、前記導電メサはそれぞれが、前記導電メサに隣接するトレンチゲートの間の距離によって画定された幅を有し、前記フローティングメサのそれぞれの幅は前記導電メサの幅とは異なり、
前記コレクタ接続に関して負である電圧を前記ゲート接続に印加すると、前記Ｎベース領域にわたる反転チャネルと前記Ｐ−ドリフト層にあり前記トレンチゲート底部に隣接する蓄積チャネルとが形成され、前記コレクタと前記エミッタとの間の電圧が十分に高いときには、前記反転チャネルは、前記Ｐ＋領域から前記Ｐ−ドリフト層内に正孔を注入してこのスイッチをオンにすることを可能にする導電性経路を、前記Ｐ＋領域と前記Ｐ−ドリフト層との間に提供し、よって電流が前記ＩＧＢＴ構造を介して前記コレクタ接続と前記エミッタ接続との間に流れることが可能になり、ゼロ又は負のゲート電圧が前記反転チャネルを排除し、このスイッチを介する導通を終了させるように構成されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１６】
請求項１５記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記ＩＧＢＴ構造を複数備えており、前記ＩＧＢＴ構造のそれぞれの対は、前記フローティングメサと交互になっている前記トレンチゲートを備えている構造のパターンによって分離されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１７】
請求項１６記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記導電メサのそれぞれの幅は前記構造のパターンの幅よりも狭いことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１８】
請求項１５記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記フローティングメサはそれぞれの一様な幅を有し、前記導電メサはそれぞれの一様な幅を有し、前記導電メサの一様な幅が前記フローティングメサの一様な幅より大きいことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項１９】
請求項１５記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記導電材料は、アクセプタが大量にドープされたポリシリコンであることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２０】
請求項１５記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記トレンチゲートの底部のコーナは丸められていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２１】
請求項１５記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記フローティングメサは、最も近いＩＧＢＴ構造からの距離が増大するにつれて次第に狭くなる変動幅を有することを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２２】
絶縁ゲートバイポーラスイッチであって、
Ｐ層（３３８）と、
前記Ｐ層と接し、コレクタ接続をこのスイッチに提供する第１電極（３４０）と、
前記コレクタと対向する、前記Ｐ層の上のＮ−ドリフト層（３３６）と、
前記Ｎ−ドリフト層内に凹んだ複数のゲート（３３２）であって、それぞれがトレンチ構成に配置されており、
前記トレンチの側壁及び底部を形成する酸化物層と、
前記トレンチの中にあり、前記トレンチの上部に印加された電圧を前記酸化物層に伝える導電材料と、
を備えている複数のゲート（３３２）と、
前記トレンチそれぞれの中の前記導電材料と接し、ゲート接続をこのスイッチに提供する第２電極（３４４）と、
それぞれが上面にわたる酸化物層を有しており、前記トレンチゲートのそれぞれの対の間に挟まれた複数のフローティングメサ（３３４）と、
複数のＩＧＢＴ構造（３３０）であって、それぞれが、
前記Ｎ−ドリフト層上のＰベース領域と、
オーミックコンタクトを前記Ｐベース領域に提供する、前記Ｐベース領域上のＰ＋領域と、
前記Ｐベース領域の一部と接するＮ＋領域であって、前記Ｐベース領域と前記Ｐ＋領域とこのＮ＋領域とは、１対の前記トレンチゲートの間に挟まれて導電メサを形成しており、前記Ｐベース領域及びＮ＋領域は、前記導電メサに隣接する前記トレンチゲートの少なくとも１つと接するように構成されている、Ｎ＋領域と、
を備えており、前記ＩＧＢＴ構造のそれぞれの対は、前記トレンチゲートと交互になっているフローティングメサを備えている構造のパターンによって分離されている、複数のＩＧＢＴ構造（３３０）と、
前記ＩＧＢＴ構造のそれぞれのＰ＋オーミックコンタクトとＮ＋領域とに接し、エミッタ接続をこのスイッチに提供する第３電極（３４２）と、
を備えており、前記導電メサはそれぞれが、前記導電メサに隣接するトレンチゲートの間の距離によって画定された一様な幅を有し、前記フローティングメサのそれぞれの幅は前記導電メサの一様な幅とは異なり、
前記エミッタ接続に関して正である電圧を前記ゲート接続に印加すると、前記Ｐベース領域にわたる反転チャネルと前記Ｎ−ドリフト層にあり前記トレンチゲート底部に隣接する蓄積チャネルとが形成され、前記コレクタと前記エミッタとの間の電圧が十分に高いときには、前記反転チャネルは、前記Ｎ＋領域から前記Ｎ−ドリフト層内に電子を注入してこのスイッチをオンにすることを可能にする導電性経路を、前記Ｎ＋領域と前記Ｎ−ドリフト層との間に提供し、よって電流が前記ＩＧＢＴ構造を介して前記コレクタ接続と前記エミッタ接続との間に流れることが可能になり、ゼロ又は負のゲート電圧が前記反転チャネルを排除し、このスイッチを介する導通を終了させるように構成されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２３】
請求項２２記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記フローティングメサは一様な幅を有し、前記導電メサの一様な幅は前記フローティングメサの一様な幅よりも広いことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２４】
請求項２２記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記フローティングメサは変動幅を有することを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２５】
請求項２２記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記パターンは８ないし１０の前記フローティングメサを含むことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２６】
請求項２２記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記導電メサはそれぞれが約２４μｍの幅であり、前記トレンチゲートのそれぞれは約１〜３μｍの幅であり、前記フローティングメサのそれぞれは約１〜２μｍの幅であることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２７】
請求項２２記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、ダイの上にあり、前記Ｐ層と前記Ｎ−ドリフト層とは前記ダイの長さと幅とに沿っていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２８】
請求項２７記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記ＩＧＢＴ構造と前記ゲートとは、トレンチ形であり、前記ダイの長さに沿い、前記ダイの幅にわたって周期的に間隔をおいて配置されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【請求項２９】
請求項２７記載の絶縁ゲートバイポーラスイッチにおいて、前記ＩＧＢＴ構造と前記フローティングメサとは円筒形であり、前記ダイの長さと幅とにわたって周期的に間隔をおいて配置されていることを特徴とする絶縁ゲートバイポーラスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチ装置の分野に関し、具体的には、ハイパワースイッチ回路において使用されるスイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、支障なく高電流及び／又は高電圧に対処することが、ますます必要とされている。パルス幅変調モータ制御回路など、多くの応用例では、ハイパワースイッチ装置が必要である。ハイパワースイッチにおいて必要な高電流と逆阻止特性を提供するために、いくつかの装置が開発された。これらの利用可能な装置は、順電圧降下ＶＦＤ及び安全動作域（ＳＯＡ）など、関心対象である主要パラメータについて、様々なレベルの性能を提供する。ＳＯＡは、その内部であれば破壊的な故障をせずにパワースイッチ装置を動作させることができる電流電圧境界として定義され、通常、短絡（ＳＣＳＯＡ）動作条件と逆バイアス（ＲＢＳＯＡ）動作条件の両方について指定される。
【０００３】
１つのそのようなハイパワースイッチとして、トレンチゲート構造を使用する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）がある。そのような装置は、Ｈ．−Ｒ．ＣｈａｎｇとＢ．Ｂａｌｉｇａによる、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．９、１９８９年９月、１８２４〜１８２８ページの「トレンチゲート構造を有する５００Ｖ　ｎチャネル絶縁ゲートバイポーラトランジスタ」に記載されている。トレンチゲート構造を使用することにより、ＩＧＢＴは、非常に高い「反転チャネル密度」を有することが可能になる。反転チャネル密度は、単位面積あたりの反転チャネルの数として定義される。これによって非常に高い飽和電流レベルを有する装置が得られる。しかし、残念なことに、そのような装置では、短絡が生じると、高飽和電流レベルにより、装置の故障が生じることがある。このように、装置のＳＣＳＯＡは不十分である傾向がある。この問題の１つの可能な解決法は、外部的な短絡保護回路を使用することである。しかし、そのような回路を用いると、望ましくないコストと複雑さが装置に追加される。
【０００４】
他のパワー半導体スイッチが、Ｋｉｔａｇａｗａらへの米国特許第５，３２９，１４２号に記載されている。この装置は、いくつかのＩＧＢＴ構造を使用し、各ＩＧＢＴは、いくつかのトレンチゲートと「フローティングメサ」（すなわち、酸化物層でキャップされた隣接するゲート間の領域）で、隣接するＩＧＢＴから分離されている。ＩＧＢＴメサとフローティングメサは、幅が等しく、すべて狭い。フローティングメサと深いトレンチとを使用することは、装置のＶＦＤを改善するのに役立つ。しかし、メサが狭いことの結果として、高チャネル密度となり、したがって、非常に高い飽和電流レベルと不十分なＳＣＳＯＡとが生じてしまう。
【０００５】
さらに、深いトレンチにより、スイッチの逆破壊電圧特性が不十分になる。装置に逆バイアスをかけたとき、深いトレンチにより、逆バイアス誘導電場は一様でなくなり、非常に高いピークは、トレンチ底部のコーナにあり、これによって装置が早すぎる破壊に通じることがある。
【０００６】
記述した装置は、トレンチゲートの底部よりかなり上で終端するＰベース領域も使用する。これも、高いピークを有する非一様反転バイアス誘導電場の形成と、不十分な破壊特性とに寄与する。
【０００７】
【発明の概要】
上述した問題を克服する絶縁ゲートバイポーラスイッチを提示する。この新規のスイッチは、ハイパワースイッチの応用分野に特に適しており、簡略化した装置作成プロセスを使用して、簡単なスイッチゲート電圧制御、低いＶＦＤ、及び堅牢なＳＣＳＯＡとＲＢＳＯＡを提供する。
【０００８】
この新規の構造には、いくつかのトレンチ−ＩＧＢＴ構造が含まれるが、ＩＧＢＴ構造の間に、多数のフローティングメサとトレンチゲートとを交互嵌合することによって、従来のトレンチＩＧＢＴ装置の反転チャネル密度は低減される。低減された反転チャネル密度により、飽和電流レベルが下がり（全体がＩＧＢＴである実施態様と比較したとき）、したがってＳＣＳＯＡが改善される。ＩＧＢＴメサ幅とフローティングメサ幅とは等しくなくなり、これによって、スイッチが所望のＶＦＤ、ＳＣＳＯＡ、及びＲＢＳＯＡの特性を提供することが可能になる。
【０００９】
好ましい実施形態では、ＩＧＢＴメサは広く、フローティングメサは狭い。トレンチゲートの底部に沿って形成される蓄積チャネルは、電子注入効率を向上させ、それによりスイッチの順方向電圧降下ＶＦＤを低く維持する。狭いフローティングメサは、一様性を改善し、逆バイアス誘導電場のピークを下げ、それによってＲＢＳＯＡを改善する。ＲＢＳＯＡは、トレンチゲートの深度をＩＧＢＴメサにおけるＰベース領域の深度に等しくすることによって、さらに改善される。メサ幅と単位セルあたりのフローティングメサの数とは、所望の１組の特性を有する装置を提供するように、必要に応じて調節される。
【００１０】
本発明の他の特徴と利点は、添付の図面を参照することにより、以下の詳細な記述から、当業者には明らかになるであろう。
【００１１】
［発明の詳細な説明］
本発明による絶縁ゲートバイポーラスイッチの例示的な実施形態を図１に示す。装置の基礎は、Ｐ層１０２の上のＮドリフト層１００から形成される。電極１０４はＰ層１０２と接し、装置のコレクタ端子Ｃとして働く。
【００１２】
トレンチＩＧＢＴと、トレンチゲートと、フローティングメサの３つのタイプの構造が、この基礎の上に構築される。トレンチＩＧＢＴ構造１０５は、Ｎ−ドリフト層１００の上の１対のトレンチゲート１０７の間に挟まれたＰベース領域１０６と、Ｐベース領域の上方コーナの少なくとも１つを占有するＮ＋領域１０８とで形成される。Ｐベース領域１０６の上の浅いＰ＋領域１１０は、オーミックコンタクトをＰベースに提供する。電極１１２は、Ｐ＋オーミックコンタクトと各ＩＧＢＴのＮ＋領域との両方に接し、装置のエミッタ端子Ｅとして働く。本明細書で使用するように、「＋」（すなわちＰ＋又はＮ＋）は少なくとも１×１０１８／ｃｍ３のキャリア濃度を表し、「−」は５×１０１６／ｃｍ３未満のキャリア濃度を表す。
【００１３】
複数の追加のトレンチゲート１１６は、トレンチＩＧＢＴ１０５の間において、Ｎ−ドリフト層１１０内に凹んでおり、隣接するゲートは、それぞれのフローティングメサ１１８によって分離される。各トレンチゲート１０７と１１６には、酸化物側壁１２０と酸化物底部１２２とを含む、トレンチ内に形成された酸化物層が含まれる。トレンチゲート底部のコーナは、丸められていることが好ましく、これによって逆バイアス誘導電場にさらされたときの破壊の受けやすさが低減される。各トレンチは、導電材料１２４で充填され、電極１２６は各トレンチの導電材料と接し、ゲート端子Ｇを提供する。導電材料１２４は、ゲート端子Ｇに印加された電圧を酸化物側壁１２０と酸化物底部１２２に伝え、ならびに平面装置表面を提供する。導電材料は、トレンチを容易に充填し、かつ平坦な装置表面を提供するので、導電材料１２４は、ドナーが大量にドープされたポリシリコンであることが好ましい。しかし、トレンチを充填し、かつ良好な導電性を提供する他の材料も使用することができる。
【００１４】
各フローティングメサ１１８は、それぞれのトレンチゲート１１６の対の間に挟まれた材料からなり、材料には、たとえば、構造の他の部分で使用されるＮ−ドリフト、Ｐベース、及び／又はＰ＋の材料を含むことができる。各フローティングメサの上面にわたる酸化物層１２８は、フローティングメサをスイッチのその他から電気的に絶縁する。したがって、フローティングメサ１１８と交互になっているトレンチゲート１１６を備える構造のパターン１３０は、トレンチＩＧＢＴ構造１０５の各対の間に配置される。あるトレンチＩＧＢＴ構造１０５と、それと次のＩＧＢＴ構造との間に配置された構造１３０のパターンとは、「単位セル」１３２を形成する。実用的なハイパワー装置には、所望の電流定格を達成するようにダイにわたって複製された多数の単位セルが含まれる。
【００１５】
スイッチをオンにする機構を図２に示す。エミッタ１１２に関して正である電圧をゲート端子Ｇに印加する。トレンチＩＧＢＴ構造１０５のＰベース領域１０６に隣接するゲート側壁１２０の存在により、Ｎ型反転チャネル１５０が、Ｎ＋領域１０８とＮ−ドリフト層１００の間のＰベース領域にわたって形成される。また、正のゲート電圧により、Ｎ−ドリフト層１００に接するゲート側壁１２０とゲート底部１２２とに隣接して、蓄積チャネル１５２も形成される。反転チャネル１５０により、電子はＮ＋領域１０８からＮ−ドリフト層１００まで流れて（矢印１５４によって示したように）、ベース駆動をトレンチＩＧＢＴ構造１０５に提供することが可能になる。これに応答して、ホール（正孔）がコレクタからＮ−ドリフト層１００に注入される（矢印１５５）。蓄積チャネル１５２は、高いチャネル移動度を有し、これは、電子注入効率を向上させ、かつチャネルの抵抗を低減するのに役立つ。矢印１５６によって示したように、電流は、注入されたホールがＮ−ドリフト層を横断する際に、蓄積チャネル１５２とトレンチＩＧＢＴ構造１０５の付近の装置を通って流れ、エミッタにおいて収集される。
【００１６】
蓄積チャネルによって提供された改善電子注入効率は、ＶＦＤを下げるのに役立つ。これによって従来の技術として説明したものより浅いトレンチ深度を有する装置を作成することが可能になり、装置の作成がより簡単になる。
【００１７】
再び図１を参照すると、トレンチゲート１０７の間に挟まれたＩＧＢＴ構造１０５の部分は、本明細書では、「導電メサ」１６０と呼ぶ。導電メサの幅は、ＩＧＢＴ構造１０５の側面と境界をなすゲート１０７の間の距離によって画定される。
【００１８】
本発明では、フローティングメサ１２４の幅が導電メサ１６０の幅と異なることが必要である。これを行うことによって、結果として得られるスイッチは、ＶＦＤ、ＳＣＳＡＯ、及びＲＢＳＯＡの特性の所望の組合せを提供することが可能になる。上述したように、トレンチゲート１０７と１１６の底部にわたって形成された蓄積チャネル１５２は、チャネルの抵抗を低減し、装置の電子注入効率を向上させ、それによってＶＦＤを低く維持する。導電メサ１６０の間の複数のフローティングメサ１２４を使用することにより、特に導電メサを広くしたとき、スイッチの反転チャネル密度が低減される。これは、飽和電流レベルを下げ、かつＳＣＳＡＯを改善するのに役立つ。内部短絡保護が必要でない場合、導電メサは狭くすることができ、これによって飽和電流レベルが上がり、ＶＦＤをさらに下げる。
【００１９】
堅牢なＲＢＳＯＡが望ましいときは、フローティングメサ１１８を狭くする。ゲート１０７及び１１６の酸化物側壁はフィールドプレートとして作用し、これにより、装置の両端に逆電圧によって誘導された電場のピークはフローティングメサにわたってより一様に分布し、メサ領域のピークフィールドを効果的に下げる。フィールドプレートによって提供された保護は、フローティングメサが狭いとき最大となる。
【００２０】
ＲＢＳＯＡは、トレンチゲートの底部をＰベース領域１０６の底部まで延長することによって、さらに改善される。トレンチゲートの底部のコーナは、装置に逆バイアスをかけたときに遭遇する高ピーク電場のために特に早すぎる破壊を起こしやすい。トレンチゲートの深度が、Ｐベース１０６領域の深度にほぼ等しいとき（約０．２μｍの範囲内であることが好ましい）、逆電圧によって誘導された電場はより一様になり、ゲートがＰベース領域より下に延びる場合より低いピークを有する。これによって装置のＲＢＳＯＡが効果的に増強され、逆破壊電圧特性を改善する。Ｐベース領域は、隣接するトレンチゲートの底部より下に延びる場合、導電メサ領域に制限されたままでなければならず、Ｐベース領域が導電メサの外部に延びて、隣接するトレンチゲートの下に蓄積チャネルが形成されるのを防止する場合、スイッチの性能は悪影響を受けることに留意されたい。
【００２１】
好ましいスイッチは、低いＶＦＤ、堅牢なＳＣＳＯＡ及びＲＢＳＯＡ、ならびに良好な逆破壊電圧特性を提供するように構成される。これは、導電メサ１６０と構造のパターン１３０を広くし、フローティングメサ１１８を狭くし、トレンチゲート１０７及び１１６をＰベース領域１０６の底部まで延長することによって達成される。低いＶＦＤは、広い導電メサと、トレンチゲートの底部にわたって形成された蓄積チャネルとによって提供される。広い導電メサと広い構造パターンが反転チャネル密度を下げ、狭いフローティングメサと延長されたゲート深度がＲＢＳＯＡと逆破壊電圧特性を改善するので、ＳＣＳＯＡは改善される。
【００２２】
上述した特性の良好な組合せを提供する１つのスイッチは、それぞれ約２４μｍの一様な幅を有する導電メサ１６０を有するトレンチＩＧＢＴ構造１０５と、それぞれ約２μｍの一様な幅を有する８〜１０のフローティングメサと交互になっている、それぞれ約３μｍの一様な幅を有する７〜９のトレンチゲート１１６を含む構造パターン１３０とで作成される。トレンチゲート１０７及び１１６の深度は、Ｐベース領域１０６の深度にほぼ等しくする。これらの寸法の結果、単位セルは幅が約６７μｍになり、これによって低い反転チャネル密度と堅牢なＳＣＳＯＡが提供される。狭いフローティングメサと等しいＰベース／トレンチ深度は、上述したＲＢＳＯＡと逆破壊電圧特性を改善するように作用する。
【００２３】
Ｐベース領域１０６の深度はスイッチの所望の電圧定格に依存し、より深いＰベース領域はより高い電圧定格を提供する。たとえば、２．５〜３μｍのＰベース深度は、約１２００ボルトの電圧定格を提供する。Ｐベース領域１０６の深度が決定された後、トレンチゲート１０７及び１１６は、以前に言及した利点を提供するようにＰベース領域の深度に等しい深度を有することが好ましい。Ｐベース領域がトレンチ深度より浅い場合、トレンチのコーナはさらに暴露され、装置の信頼性が悪影響を受けることがある。一方、Ｐベース領域がトレンチ深度より深い場合、蓄積チャネルのいくつかは、ＶＦＤが増大するように短縮される。
【００２４】
上記で与えた構造の寸法は、単に例示であることに留意されたい。メサとトレンチゲートの幅、ゲートの深度、及びパターン１３０の構成はすべて、所望の１組のスイッチ特性を提供するように選択される。
【００２５】
本発明による絶縁ゲートバイポーラスイッチの「反対極性」の実施形態を図３に示す。装置の基礎は、Ｎ層２０２の上のＰ−ドリフト層２００から形成される。電極２０４はＮ層２０２と接し、装置のエミッタ端子Ｅとして働く。ＩＧＢＴ構造２０５は、１対のトレンチゲート２０７の間に挟まれたＮベース領域２０６をＰ−ドリフト層上に追加することで形成され、Ｐ＋領域２０８がＮベース領域の上方コーナを通常占有する。Ｎベース領域２０６の上の浅いＮ＋領域２１０は、オーミックコンタクトをＮベースに提供する。電極２１２は、Ｎ＋オーミックコンタクトと、ＩＧＢＴ２０５のＰ＋領域との両方に接し、装置のコレクタ端子Ｃとして働く。
【００２６】
複数のトレンチゲート構造２１６はＩＧＢＴ２０５の間のＰ−ドリフト層２００内に凹んでおり、ゲートの各対はそれぞれのフローティングメサ２１８によって分離される。各ゲート２１６には、酸化物側壁２２０と酸化物底部２２２を含むトレンチ内に形成された酸化物層が含まれる。正方形のコーナが図示されているが、トレンチゲート底部のコーナは丸められていることが好ましい。各トレンチは導電材料２２４で充填され、電極２２６は、ゲート端子Ｇを提供するように各トレンチの導電材料と接する。導電材料２２４は、アクセプタが大量にドープされたポリシリコンであることが好ましい。
【００２７】
各フローティングメサ２１８は、トレンチゲート２１６のそれぞれの対の間に挟まれたＰ−ドリフト層２００などの材料からなり、酸化物層２２８が各フローティングメサの上面にわたる。したがって、フローティングメサ２１８と交互になっているトレンチゲート２１６を備える構造のパターン２３０は、ＩＧＢＴ構造２０５の各対の間に配置される。ＩＧＢＴ構造２０５と、このＩＧＢＴ構造と次のＩＧＢＴ構造との間に配置された構造のパターン２３０とが、単位セル２３２を形成する。
【００２８】
装置は、コレクタに関して負である電圧をゲート端子Ｇに印加することによってスイッチがオンになり、これによってＰ型反転チャネルが、Ｐ＋領域２０８とＰ−ドリフト層２００の間のＮベース領域にわたって形成される。また、負のゲート電圧により、Ｐ−ドリフト層２００と接するゲート側壁２２０とゲート底部２２２とに隣接して、蓄積チャネルも形成される。反転チャネルにより、ホールがＰ＋領域２０８からＰ−ドリフト層２００に流れて、ベース駆動をＩＧＢＴ構造２０５に提供することが可能になる。これに応答して、電子がエミッタからＰドリフト層２００に注入される。蓄積チャネルは高いチャネル移動度を有し、これはホール注入効率を向上させ、かつチャネルの抵抗を低減するのに役立つ。
【００２９】
ＩＧＢＴ構造２０５のゲート２０７の間に挟まれている部分は、導電メサ２６０を形成する。本発明では、結果として得られるスイッチが、ＶＦＤ、ＳＣＳＯＡ、及びＲＢＳＯＡの特性の所望の組合せを提供できるように、フローティングメサ２１８の幅が導電メサ２６０の幅と異なることが必要である。
【００３０】
本発明のスイッチに対するいくつかの可能な変形形態を図４に示す。上述した場合のように、各ＩＧＢＴ構造３００には、Ｎ−ドリフト層３０６の上の１対のトレンチゲート３０４の間に挟まれたＰベース領域３０２が含まれ、Ｐ＋層３０８がオーミックコンタクトをＰベースに提供し、Ｐ層３０９とコレクタ端子ＣがＮ−ドリフト層３０６の反対側面上にある。しかし、ＩＧＢＴ構造３００の両方のコーナにＮ＋領域を有する代わりに、１つだけＮ＋領域３１０が存在する。これによって正のゲート電圧が印加されたとき、Ｐベース領域３０２のそれぞれにわたって、反転チャネルが１つだけ形成される。これによって電子注入効率は低下するが、依然として機能的な装置が提供される。
【００３１】
フローティングメサ３１２とトレンチゲート３１４のパターンは、ＩＧＢＴ構造３００の間で依然として使用されるが、この場合、フローティングメサには、図１と２に示したＮ−ドリフト材料の代わりに、Ｐベース３１６とＰ＋層３１８が含まれる。各フローティングメサは、上面にわたる酸化物３２０の層でスイッチのそれ以外の部分から電気的に絶縁されているので、フローティングメサを作成する材料は、装置の性能にほとんど、又はまったく影響を与えない。
【００３２】
また、フローティングメサは一様な幅を有する必要がないことに留意されたい。図４に示したように、幅が変化するフローティングメサを使用することが可能である。逆バイアス誘導電場の強度は、ＩＧＢＴ構造３００から遠ざかるにつれて増大する。したがって、最も近くのＩＧＢＴ構造からの距離が増大するにつれて（最小のメサ幅は、製作プロセスによって制限される）幅が次第に狭くなるフローティングメサ３１２は、電場をより一様にし、それによって装置のＲＢＳＯＡと破壊電圧特性を改善する。
【００３３】
ここで説明しているスイッチは、パンチスルーウエハ（ＥＰＩ）の上に作成することができ、この場合、ドリフト層（Ｎ−ドリフト層１００など）は、所望の厚さまで成長し、かつバルク基板材料（Ｐ層１０２）の上に適切なドーピングレベルを有するエピタキシャル層を備える。また、スイッチは非パンチスルー（ＮＰＴ）ウエハの上に製作することもできるが、この場合には、ドリフト領域（Ｎ−ドリフト層３０６など）はバルク基板材料であり、Ｐ層（図４のＰ層３０９など）は、背面から埋め込まれた又は拡散されたホウ素がドープされた材料の薄い層である。どのタイプのウエハを使用するかを決定するときには、いくつかのファクタを考慮すべきである。ＥＰＩウエハはＮＰＴウエハより高価であるが、エピタキシャル層が、制御された厚さとドーピング濃度を有するので、ＥＰＩウエハはより低い順方向電圧降下を提供する。ＮＰＴベースの装置は、ＥＰＩベースの装置より低いホール又は電子の注入効率を有し（装置の極性に応じて）、この特性を使用して貯蔵電荷を操作し、より良好なスイッチ特性を提供することができる。対照的に、ＥＰＩベースの装置では、寿命制御を使用して貯蔵電荷を調節する。装置の遮断電圧は、ドリフト層のドーピングレベルの厚さよって影響を受ける。少なくとも６００ボルトの遮断電圧を提供するのに十分なドーピングレベルと厚さが好ましい。
【００３４】
上述したように、高電流を搬送することができる実用的な装置を創出するために、上述したいくつかの単位セルがダイの上に製作される。そのような複数セル装置の一実施形態を図５に示す。この場合、トレンチＩＧＢＴ（３３０）と、トレンチゲート（３３２）と、フローティングメサ構造（３３４）とが、ダイの長さと幅に沿ったＮ−ドリフト層３３６とＰ層３３８とから作成された基礎の上に構築される。構造３３０、３３２、及び３３４のそれぞれはトレンチ形であり、ダイの長さに沿い、ダイの幅にわたって周期的に間隔をおいて配置される。Ｐ層３３８に接した電極３４０は、装置のコレクタＣとして働き、電極３４２は、装置のエミッタＥを形成するようにＩＧＢＴ構造のそれぞれと接し、電極３４４は、装置のゲート接続Ｇを形成するようにゲート構造のそれぞれと接する。単位セルあたりのフローティングメサの数と、ゲート、不動メサ、及びＩＧＢＴ構造の幅及び深度は、特定の応用例に合わせてスイッチの性能を調節するように、必要に応じて選択することができる。
【００３５】
交互嵌合構造の形状は、図５に示したトレンチ形ストライプの形状に限定されない。１つの可能な代替実施形態を図６の平面図に示す（エミッタ、コレクタ、及びゲート電極は、わかりやすくするために図示していない）。この場合、円筒ＩＧＢＴ構造３５０は、円筒フローティングメサ３５２と交互嵌合する。各ＩＧＢＴ構造は、上述したようなものであり、浅いＰ＋領域３５４が、それより下のＰベース領域にオーミックコンタクトを提供し（図示せず）、Ｎ＋領域３５６とトレンチゲートの円筒酸化物側壁３５８によって囲まれ、Ｐ層３６２の上のＮ−ドリフト層３６０から作成された基礎の上に構築される。各フローティングメサ３５２も、トレンチゲートの円筒酸化物側壁３６４で囲まれる。トレンチゲート構造は、各円筒ＩＧＢＴとフローティングメサを酸化物側壁で囲み、酸化物壁の間の領域を横断する水平方向の酸化物底部（図示せず）を有することによって形成される。
【００３６】
図１〜６に示した構成は、単なる例示である。多くの他の構造形状（たとえば正方形、六角形、及び矩形を含む）、サイズ、及び比率を使用して、機能的な装置を提供することができる。図５のトレンチ形のストライプ構造は、良好な性能を提供し、また製作が容易であるので、好ましい。
【００３７】
スイッチの性能は、トレンチゲートとフローティングメサの幅によって影響を受ける。約１〜３μｍのトレンチ幅と、約１〜２μｍのフローティングメサ幅は、良好な性能を提供し、また製作が容易であるので、好ましい。
【００３８】
本発明の特定の実施形態について示し、記述してきたが、当業者なら、多くの変形形態と代替実施形態を思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲においてのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による絶縁ゲートバイポーラスイッチの断面図である。
【図２】
スイッチをオンにする機構を示す、図１のスイッチの断面図である。
【図３】
図１の装置の反対極性バージョンの断面図である。
【図４】
図１のスイッチに対するいくつかの可能な変形形態を示す断面図である。
【図５】
本発明による絶縁ゲートバイポーラスイッチの複数セル実施態様の一実施形態の透視図である。
【図６】
本発明による絶縁ゲートバイポーラスイッチの複数セル実施態様の一実施形態の平面図である。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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