[发明专利]半导体装置及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体装置，尤其是涉及能够以大电流进行开关动作的半导体装置的结构。此外，涉及使该电流从截止状态变成导通状态的驱动方法。

背景技术

近年来，作为开关元件，使用了能够以大电流进行驱动的功率MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管）、绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor：下面，简称为IGBT）。

在这些功率半导体元件中，利用栅电压控制工作电流的导通/截止。在功率MOSFET中，该工作电流为源极/漏极间的电流，在IGBT中，除了与功率MOSFET相同的动作之外，还同时进行双极晶体管的动作，该工作电流流过发射极-集电极之间。

图15是示出现有IGBT的结构的一例的剖视图。该IGBT是在形成于半导体衬底的槽（沟槽）中形成有栅极的沟槽栅型元件。在图15中，在该半导体衬底80中，在作为集电极区域的p⁺层（第4半导体区域）81上，依次形成有作为缓冲区域的n⁺层82、作为漂移区域的n^-层（第1半导体区域）83、蓄积电荷（载流子）的n^-层（蓄积层）84、作为基极区域的p^-层（第2半导体区域）85。在半导体衬底80的表面侧，形成有贯穿p^-层85的槽（沟槽）86。槽86在与图15的纸面垂直的方向上延伸，并排地形成有多个。在槽86的内面（两侧面），均匀地形成有氧化膜（栅绝缘膜）87，并且栅电极88以嵌入槽86的方式形成。在半导体衬底80的表面侧，在槽86的两侧形成有作为发射极区域的n⁺层89。在半导体衬底80的背面的整个面上，以与p⁺层（集电极区域）81接触的方式形成有集电极电极（背面电极）90。在半导体衬底80的表面形成有发射极电极（公共电极）91。其中，在槽86的表面侧，以覆盖槽86的方式形成有层间绝缘膜92，因此，发射极电极91与n⁺层89和p^-层85的双方接触，与栅电极88绝缘。因此，对于每个槽86，由于施加给栅电极88的电压，在槽86的侧面的p^-层85中产生沟道，在n^-层83与n⁺层89之间作为n沟道的MOSFET进行动作。

在该MOSFET导通的情况下，除了作为通常的MOSFET的动作之外，由于从作为集电极层的p⁺层（第4半导体区域）81向作为漂移区域的n^-层83侧注入了空穴，因此，在漂移区域中产生电导率调制，IGBT的导通电阻很小。因此，尤其是能够流过大电流。此时，为了提高电导率调制的效果流过大电流，使空穴不易流过发射极电极91侧是有效的。因此，在n^-层83上形成有n⁺层84，该n⁺层84作为容易蓄积空穴的电荷蓄积层发挥作用。根据上述方式，利用施加给栅电极88的电压，能够控制流过发射极电极91与集电极电极90之间的大电流的导通/截止。

如图15所示，并排地形成有多个槽86及其周围的结构，各栅电极88在图示范围外并联连接。因此，按每个槽86而形成的IGBT全部并联连接，因而能够使大电流流过发射极电极（公共电极）91-集电极电极（背面电极）90之间，能够利用施加给栅电极88的电压控制其导通/截止。

此外，如专利文献1所记载的那样，不需要统一全部槽中（或者其周围）的结构，可对每个槽采用多种结构来进行优化。例如，在图15的结构中，构成为与全部槽86对应地形成n⁺层89，在全部槽86中形成沟道，但是有时也如专利文献1的图23等所记载的那样，形成未形成与槽86对应的n⁺层89的槽（虚拟沟槽）。在该情况下，虚拟沟槽自身不作为产生MOSFET的沟道的栅极发挥作用，但是通过设置虚拟沟槽，得到提高耐压、提高负载短路耐受量等效果。

图16是示出这样的结构的一例的剖视图。在图16中，在从左侧起第2个槽86、第4个槽86的周围，未形成n⁺层89，在该部分中形成有槽86等，但是不产生沟道。此外，这样的结构不限于IGBT，对于在栅极周边具有相同结构的功率MOSFET，也起到相同的效果。