JP2007165635A - トレンチ構造半導体装置 - Google Patents

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Abstract

要約
【課題】破壊し難いIGBTを容易に形成することが困難であった。
【解決手段】半導体基板1は内側トレンチ2aと外側トレンチ2bとを有する。各トレンチ2a,2bに隣接してエミッタ領域3を設ける。エミッタ領域3及び各トレンチ2a,2bに隣接させてP型ベース領域4を設ける。内側トレンチ2aに隣接させて第1のN型ベース領域31を設ける。第1のN型ベース領域31よりも不純物濃度の低い第2のN型ベース領域32を外側トレンチ2bと第1のN型ベース領域31とに隣接して設ける。過電圧が印加された時に内側トレンチ2aの近傍にブレークダウンが生じ、電流の集中が緩和される。
【選択図】図2

Description

本発明は耐破壊性が改善された例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、又は絶縁ゲート型電界効果トランジスタ等のトレンチ構造半導体装置に関する。
高耐圧化を図るためのトレンチ構造を有するIGBTは、例えば特開2005−57028号公報(特許文献1)等に開示されている。典型的なトレンチ構造IGBTは、図1に示すように半導体基板1´の中に複数のトレンチ2を有する。半導体基板1´は、N型エミッタ領域3とP型ベース領域4とN-型ベース領域5とN+型バッファ領域6とP+型コレクタ領域7と周知のP-型リサーフ(RESURF)領域8とN+型チャネルストッパ領域9とを有する。トレンチ2の中にはゲート絶縁膜10とゲート電極機能を有するゲート導電体11とが配置されている。エミッタ電極12は、半導体基板1´の一方の主面21の凹部33,34の中及び絶縁膜36の上に形成され、N型エミッタ領域3とP型ベース領域4とに接続され、コレクタ電極13は半導体基板1´の他方の主面22においてP+型コレクタ領域7に接続されている。
図1のIGBTをオン動作させる時には、コレクタ電極13の電位をエミッタ電極12の電位よりも高くし、且つゲート導電体11の電位をエミッタ電極12の電位よりも高くする。これによりトレンチ2に隣接するP+型ベース領域4にチャネルが形成され、コレクタ電極13からエミッタ電極12に向かって電流が流れる。IGBTをオフにする時には、ゲート導電体11の電位をしきい値よりも低い値にする。これにより、P型ベース領域4のチャネルが消滅する。この結果、オフ時におけるコレクタ電極13とエミッタ電極12との間の電圧はオン時の電圧よりも高くなり、P型ベース領域4とN-型ベース領域5との間に比較的高い逆バイアス電圧が印加され、点線で示すように空乏層14´が広がる。
ところで、空乏層14´の広がりは、複数のトレンチ2の中で半導体基板1´の内側に配置された内側トレンチ2aの近傍と外側に配置された外側トレンチ2bとの近傍とで相違する。即ち、内側トレンチ2aの近傍では、この側面及び底面に沿って空乏層14´が良好に広がり、電界集中が良好に緩和される。これに対して外側トレンチ2bの外側では、これよりも外側にトレンチが無いので、空乏層14´の広がりが制限され、この外側トレンチ2bの近傍の電界強度が他の部分よりも大きくなり、外側トレンチ2bの近傍でブレークダウンが発生し易くなる。もし、ブレークダウンが発生すると、それに伴なう大電流が外側トレンチ2bの近傍に集中的に流れ、IGBTが破壊に至る虞がある。
外側トレンチ2bの近傍の電界強度を弱めるために、外側トレンチ2bの外側にP型ベース領域4の深い部分を形成することが考えられる。このP型ベース領域4の深い部分は空乏層14´を広げる作用を有するので、外側トレンチ2bの近傍での電界集中が緩和される。しかし、P型ベース領域4の深い部分はP型不純物の拡散によって形成しなければならず、このP型不純物の深い拡散を行うと、P型不純物は深さ方向(垂直方向)のみでなく、横方向(水平方向)にも拡散し、この深い拡散部分の表面積が大きくなり、半導体基板1´の平面サイズが大きくなる。
以上、従来のトレンチ構造IGBTについて述べたが、トレンチ構造を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ等の別の半導体装置においてもトレンチ構造IGBTと同様な問題を有する。
特開2005−57028号公報
本発明が解決しようとする課題は、破壊し難いトレンチ構造半導体装置が要求されていることであり、本発明の目的は、この要求に応えることができるトレンチ構造半導体装置を提供することである。
上記課題を解決するための本発明は、互いに対向している一方及び他方の主面と、前記一方の主面の内側部分において前記一方の主面から前記他方の主面に向かって延びている内側トレンチと、前記一方の主面の前記内側部分よりも外側の部分において前記一方の主面から前記他方の主面に向かって延びている外側トレンチとを有している半導体基板と、
前記半導体基板の中に形成され且つ前記内側トレンチに隣接配置され且つ前記半導体基板の前記一方の主面に露出している表面を有し且つ第1の導電型を有している第1の半導体領域(例えばエミッタ領域)と、
前記半導体基板の中に形成され且つ前記第1の半導体領域に隣接し且つ前記第1の半導体領域よりも深い位置で前記内側及び外側トレンチに隣接し且つ前記半導体基板の前記一方の主面に露出する表面を有し且つ第2の導電型を有している第2の半導体領域(例えばP型ベース領域)と、
前記半導体基板の中に形成され且つ前記第2の半導体領域と前記内側トレンチとの両方に隣接し且つ前記半導体基板の前記一方の主面を基準にして前記内側トレンチよりも深く形成され且つ第1の導電型を有している第3の半導体領域(例えば第1のN型ベース領域)と、
前記半導体基板の中に形成され且つ前記2及び第3の半導体領域と前記外側トレンチとに隣接し且つ前記外側トレンチよりも外側において前記半導体基板の前記一方の主面に露出する表面を有し且つ第1の導電型を有し且つ前記第3の半導体領域よりも低い不純物濃度を有している第4の半導体領域(例えば第2のN型ベース領域)と、
前記内側及び外側トレンチの壁面に設けられた絶縁膜と、
前記内側及び外側トレンチの中に配置され且つ前記絶縁膜を介して前記内側及び外側トレンチの壁面に対向しているトレンチ導電体と、
前記第1の半導体領域に電気的に接続された第1の主電極(例えばエミッタ電極)と、
前記第4の半導体領域に直接に又は別の半導体領域を介して電気的に接続された第2の主電極(例えばコレクタ電極)と、
前記トレンチ導電体に電気的に接続されたゲート電極と
を備えていることを特徴とするトレンチ構造半導体装置に係わるものである。
なお、請求項2に示すように、更に、前記第4の半導体領域と前記半導体基板の前記他方の主面との間に配置され且つ第2導電型を有している第5の半導体領域を備え、且つ前記第2の主電極は前記第5の半導体領域に電気的に接続されていることが望ましい。
また、請求項3に示すように、更に、前記第4の半導体領域と前記第5の半導体領域との間に配置され且つ第1導電型を有し且つ前記第4の半導体領域よりも高い不純物濃度を有している第6の半導体領域を備えていることが望ましい。
また、請求項4に示すように、前記第2の主電極を、前記第4の半導体領域にシヨトッキー接触している金属電極をすることができる。
本発明に従う第1導電型の第3の半導体領域(例えば第1のN型ベース領域)は、第1導電型の第4の半導体領域(例えば第2のN型ベース領域)よりも高い不純物濃度を有している。従って、オン動作時における第2導電型の第2の半導体領域と第1導電型の第3の半導体領域との間のPN接合に基づく空乏層の広がりが、本発明に従う第3の半導体領域を設けない従来装置の第2の半導体領域と第4の半導体領域との間のPN接合に基づく空乏層の広がりよりも悪くなる。この結果、半導体基板の内側トレンチを含む部分がブレークダウンし易くなる。一般的には、内側トレンチの外周縁の合計の長さは、外側トレンチの外周縁の合計の長さよりも長いので、ブレークダウンし易い箇所が従来よりも多くなる。これにより、半導体基板の内側部分にブレークダウンをほぼ均一に生じさせることができ、ブレークダウンによる電流集中を抑制することができる。この結果、破壊し難いトレンチ構造半導体装置を提供することができる。
次に、図1〜図7を参照して本発明の実施形態を説明する。
図2は本発明の実施例1に従うトレンチ構造半導体装置としてのIGBTの一部を示している。この図2において図1と実質的に同一の部分には同一の参照符号が付されている。図3は図2のIGBTを構成する半導体基板1の表面を概略的又は原理的に示している。なお、図2は図3のA―A線に相当する部分を示している。
例えばシリコンから成る半導体基板1は、互いに対向する一方の主面21と他方の主面22とを有し、且つ一方の主面21から他方の主面22に向かって延びている凹状溝即ちトレンチ2を有する。半導体基板1の一方の主面21は図3に示すように互いに対向する第1及び第2の辺23、24と、これ等に対して直角に延び且つ互いに対向している第3及び第4の辺25、26とを有し、四角形に形成されている。
この実施例1のトレンチ2は、図3に示すように格子状の平面パターンを有し、半導体基板1の一方の主面21の内側部分にストライプ状に配置された複数(この例では5本)の内側トレンチ2aと、第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12と、半導体基板1の一方の主面21の内側トレンチ2a及び第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12を含む内側部分の図3で左右の外側部分に配置された第1及び第2の外側トレンチ2b、2cと、内側トレンチ2aと第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12との上下に配置された第3及び第4の外側トレンチ2d、2eとから成る。この実施例では、トレンチ2を構成する内側トレンチ2a、第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12、第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eが連続的に形成されているので、内側トレンチ2aを内側トレンチ部分、外側トレンチ2b〜2eを外側トレンチ部分と呼ぶことも可能である。また、内側トレンチ2aと第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eとを幾何学的に分離して構成することもできる。
複数の内側トレンチ2aは、平面的に見て半導体基板1の一方の主面21の第1及び第2の辺23、24に平行に配置され且つ相互に所定間隔(好ましくは一定間隔)を有している。第1の外側トレンチ2bは内側トレンチ2aと第1の辺23との間に配置され且つ内側トレンチ2aに対して平行に延びている。第2の外側トレンチ2cは、内側トレンチ2aと第2の辺24との間に配置されている。この第2の外側トレンチ2cは、半導体基板1のゲートパッド電極形成領域27を得るために凹状部分28を有する。第2の外側トレンチ2cに凹状部分28を設けたことに起因して凹状部分28の底部と第3及び第4の外側トレンチ2d、2eとの間に第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12が形成されている。勿論第2の外側トレンチ2cを第1の外側トレンチ2bと同様に直線状に形成することもできる。第3及び第4の外側トレンチ2d、2eは、第3及び第4の辺25、26と内側トレンチ2aとの間において第3及び第4の辺25、26に平行に配置され、第1及び第2の外側トレンチ2b、2cに連結されている。
複数の内側トレンチ2aの相互間隔、内側トレンチ2aと第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12との間隔、第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eと内側トレンチ2a並びに第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12との間隔は、それぞれ同一に決定されている。また、内側トレンチ2a、第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12、及び第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eの深さは互いに同一である。
半導体基板1は、第1導電型を有する第1の半導体領域と呼ぶこともできるN型エミッタ領域3と、第2導電型を有する第2の半導体領域と呼ぶこともできるP型ベース領域4と、ドリフト領域と呼ぶこともできるN型ベース領域5と、第2導電型の第5の半導体領域と呼ぶこともできるP+型コレクタ領域7と、第1導電型の第6の半導体領域と呼ぶこともできるN+型バッファ領域6と、P-型のリサーフ領域8と、N+型のチャネルストッパ領域9とを有する。N型ベース領域5は、本発明において第1導電型の第3の半導体領域と呼ばれているものに相当するN型の第1のN型ベース領域31と本発明において第1導電型の第4の半導体領域と呼ばれているものに相当するN-型の第2のN型ベース領域32との組合せで構成されている。以下、各領域を詳しく説明する。
N+型エミッタ領域3は、半導体基板1の一方の主面21に露出するように形成され、且つ内側トレンチ2a 、第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12、及び第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eの入口に隣接するように配置されている。このN+型エミッタ領域3は、周知のN型不純物拡散によって形成されている。
P型ベース領域4は、N+型エミッタ領域3に隣接していると共に、内側トレンチ2、第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12、及び第1〜第3の外側トレンチ2b〜2eに隣接するように形成されている。P型ベース領域4は、その外周端が半導体基板1の一方の主面21に露出するように全体として島状に形成されている。このP型ベース領域は、第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eよりも外側において半導体基板1の一方の主面21に露出する表面を有する。また、半導体基板1の一方の主面21において内側トレンチ2aの相互間に凹部33が形成され、且つ第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eの外周側に凹部34が形成されている。これ等の凹部33、34は、P型ベース領域4を露出させるように形成されている。半導体基板1の一方の主面21を基準にしたP型ベース領域の最大深さは、トレンチ2の最大深さよりの浅い。従って、トレンチ2はP型ベース領域4を貫通している。これにより、この実施例のP型ベース領域4は、複数の部分に分割されている。IGBTのオン動作時に、P型ベース領域4のトレンチ2に隣接する部分にN型チャネル(電流通路)が形成されている。従って、P型ベース領域4をチャネル形成領域と呼ぶこともできる。このP型ベース領域4のP型不純物の濃度は、N型ベース領域5の第1及び第2のN型ベース領域31,32のN型不純物濃度よりも高い値(例えば、1×1017cm-3)を有する。
N型ベース領域5の一部を構成する第1のN型ベース領域31は、本発明に従って空乏層の広がりを抑制するためのものであって、N型補助ドリフト領域と呼ぶこともできる部分であり、半導体基板1の一方の主面21を基準にしてP型ベース領域4よりも深い位置に配置され且つP型ベース領域4に隣接していると共に内側トレンチ2aと第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12にも隣接している。この第1のN型ベース領域31は図3で点線で区画して示すように内側トレンチ2aと第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12とを含む半導体基板1の内側部分(第1の部分)のみに限定的に形成されている。半導体基板1の一方の主面21を基準にした第1のN型ベース領域31の最大の深さは、トレンチ2よりの深い。従って、内側トレンチ2aと第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12の先端は第1のN型ベース領域31の中に位置している。この第1のN型ベース領域31のN型不純物濃度は、後述する第2のN型ベース領域32のN型不純物濃度よりも高く且つP型ベース領域4のP型不純物濃度よりも低い値(例えば1×1016cm-3)を有する。前述した特許文献1のN型ベース領域もN型の第1の領域とN-型の第2の領域とを有するが、N型の第1の領域が最外周の外側トレンチ2bに相当するものの先端を覆うように形成されている点で本実施例の第1のN型ベース領域31と相違している。なお、N型の第1のベース領域31は、半導体基板1の一方の主面21からN型不純物を拡散することによって形成されている。
N型ベース領域5を構成するN-型の第2のN型ベース領域32は、N+型バッファ領域6の上にN-型シリコンをエピタキシャル成長させた層に基づくものであり、第1のN型ベース領域31に隣接していると共に、第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eの近傍においてP型ベース領域4に隣接し且つ第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eのP型ベース領域4から下方に突出した部分に隣接し、更にP-型リサーフ領域8及びN+型チャネルストッパ領域9に隣接し、且つリサーフ領域8とチャネルストッパ領域9との間で半導体基板1の一方の主面21に露出している。この第2のN型ベース領域32は、図1の従来のN型ベース領域5´と同様に周知の伝導度変調を生じさせる機能を有し、第1のN型のベース領域31のN型不純物濃度よりも低いN型不純物濃度(例えば1×1015cm-3)を有し、且つ半導体基板1の一方の主面21を基準にして第1のN型ベース領域31よりも深く形成されている。
本発明で第2導電型の第5の半導体領域と呼ばれているものに相当するP+型コレクタ領域7は半導体基板1の他方の主面22に露出し、その下面に配置されているコレクタ電極13に電気的に接続されている。P+型コレクタ領域7は、順方向バイアス時に正孔を供給し、第1及び第2のベース領域31、32に周知の伝導度変調を起こさせる機能を有する。このP+型コレクタ領域7は、後述のN+型バッファ領域6、及びこの上の領域をエピタキシャル成長させるための基板としての機能も有する。
P+型コレクタ領域7と第2のN+型ベース領域32との間に配置されたN+型バッファ領域6は、P+型コレクタ領域7上に周知のエピタキシャル成長法によって形成されたものであり、その上に形成されている第1及び第2のN型ベース領域31、32よりも高い不純物濃度を有する。このN+型バッファ領域6は、P+型コレクタ領域7から第2のN型ベース領域32に注入される正孔注入量を抑制し、ラッチアップ等を起こり難くする機能を有する。なお、N+型バッファ領域6は、エピタキシャル成長で形成する代わりに、P+型コレクタ領域7を構成するP方半導体基板にN型不純物を拡散して形成しても良い、また、N+型バッファ領域6をN型ベース領域5の一部と考えることもできる。また、N+型バッファ領域6を省くこともできる。この場合には第2のN型ベース領域32をP+型コレクタ領域7に直接に隣接させる。
P-型リサーフ領域8は、半導体基板1の一方の主面21における電荷バランスを均一化するためのものであって、P型ベース領域4の外周端に隣接配置され、P型ベース領域4よりも低い不純物濃度とを有する。
N+型のチャネルストッパ領域9は、リサーフ領域8よりも外周側において半導体基板1の一方の主面21に露出するように形成されている。
トレンチ2の壁面にゲート絶縁膜10が形成されている。なお、このゲート絶縁膜10はN+型エミッタ領域3の上に延在している。トレンチ2の中に例えば導電性を有するポリシリコンから成るゲート導電体11が配置されている。このゲート導電体11はゲート絶縁膜10を介してP型ベース領域4に対向しているので、P型ベース領域4にチャネルを形成するためのゲート電極として機能する。内側トレンチ2a、第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12及び第1〜第4の外側トレンチ2b〜2eと同様にこれ等の中のゲート導電体11は相互に電気的に接続されており、且つ図3において破線で示すゲートパッド電極35に接続される。
半導体基板1の一方の主面21の凹部33,34にエミッタ電極12が形成されている。このエミッタ電極12は、凹部33の側壁に露出しているN+型エッタ領域3に接続されていると共に凹部33及び34の底面に露出しているP型ベース領域に接続されている。また、トレンチ2によって分割されている複数のN+型エミッタ領域3を相互に接続するために、ゲート導電体11とN+型エミッタ領域3との上を覆う絶縁膜36が設けられ、この上にエミッタ電極12が延在している。
図2に示すIGBTは、第1のN型ベース領域31を除いて図1の従来のIGBTと実質的に同一に形成されている。従って、図2のIGBTの基本的動作は、図1の従来のIGBTと同一であり、第2の主電極としてのコレクタ電極13の電位を第1の主電極としてのエミッタ電極12の電位よりも高くし、且つゲート導電体11とエミッタ電極12との間にしきい値以上のゲート電圧を印加すると、IGBTがオン状態となり、P型ベース領域4にN型チャネルが形成され、コレクタ電極13、P+型コレクタ領域7、バッファ領域6、N型ベース領域5、P型ベース領域4のチャネル、エミッタ領域3及びエミッタ電極12の経路に電流が流れる。
上述のオン状態において、ゲート導電体11とエミッタ電極12との間のゲート制御電圧をしきい値以下に低下させると、P型ベース領域4のチャネルが消滅し、IGBTはオフ状態に成る。エミッタ電極12とコレクタ電極13との間には、抵抗等の回路要素を介して直流電源電圧が印加されているので、IGBTがオフ状態の時には、コレクタ電極13の電位がエミッタ電極12の電位よりも高くなり、P型ベース領域4と第1及び第2のN型ベース領域31、32との間のPN接合に逆バイアス電圧が印加される。従って、これ等のPN接合から主として第1及び第2のN型ベース領域31、32側に図2で点線で示すように空乏層14が広がる。この時、内側トレンチ2aの先端側部分は第2のN型ベース領域32よりも不純物濃度の高い第1のN型ベース領域31で囲まれているので、ここでの空乏層の広がりは、外側トレンチ2bに隣接する第2のN型ベース領域32における空乏層の広がりよりも悪くなる。即ち、内側トレンチ2aの先端における空乏層の幅W1は、外側トレンチ2bの先端における空乏層の幅W2と同一又はこれよりも小さくなる。従って、IGBTのオフ期間にコレクタ電極13とエミッタ電極12との間に高い電圧が印加されると、外側トレンチ2bの近傍よりも先に又は同時に内側トレンチ2aの近傍でブレークダウンが生じる。内側トレンチ2a及び第1及び第2の追加内側トレンチ2a11、2a12の長手方向の両側の縁の長さLの合計Aは5×2×L=10×Lであり、第1及び第2の外側トレンチ2b、2cの内側トレンチ2aに平行に延びている部分の外縁の長さの合計Bは2×Lであり、合計Aは合計Bよりも大きいので、図2の本実施例のIGBTの内側トレンチ2aで生じるブレークダウン箇所の合計を図1の従来のIGBTの外側トレンチ2bで生じるブレークダウン箇所の合計よりも多くすることができる。このようにブレークダウン箇所が多いと、ブレークダウンに基づく電流も分散して流れ、電流の集中が抑制され、IGBTの破壊耐量が向上する。
次に、図4を参照して実施例2のIGBTを説明する。但し、図4及び後述する図5〜図7において図2〜図3と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図4のIGBTは、図2の半導体基板1からN+型バッファ領域6とP+型コレクタ領域7とを省いた半導体基板1aを設け、且つ第2のN型ベース領域32にショットキーバリア接触しているショットキーバリア電極13aを設け、この他は図2と同一に形成したものである。IGBTのオン動作時において、ショットキーバリア電極13aの電位はエミッタ電極12の電位よりも高いので、ショットキーバリアが順方向バイアス状態となり、ショットキーバリア電極13aから第1及び第2のN型ベース領域31,32に正孔が注入され、図2のIGBTと同様に周知の伝導度変調が生じ、コレクタ電極として機能するショットキーバリア電極13aとエミッタ電極12との間の順方向電圧が小さくなる。
図4の変形されたIGBTは、図2のIGBTと同様に第1及び第2のN型ベース領域31,32を有するので、図2の実施例1と同一の効果を有する。
図5には実施例3に従うトレンチ構造絶縁ゲート型電界効果トランジスタ即ちFETが示されている。このFETの半導体基板1bは、図2のIGBTの半導体基板1のN+型バッファ領域6とP+型コレクタ領域7とをN+型ドレイン領域40に置き換えたものに相当する。図5のN+型ソース領域3´、P型ベース領域4´、N型ドレイン領域31´、N-型ドレイン領域32´は図4のN+型エミッタ領域3、P+型ベース領域4、第1のN型ベース領域31、及び第2のN型ベース領域32と同様に形成されている。図2のエミッタ電極12に対応する図5のソース電極12´は、N+型ソース領域3´とP型ベース領域4´に接続されている。図2のコレクタ電極13に対応する図5のドレイン電極13´は、N+型ドレイン領域40に接続されている。
図5のFETのN型ドレイン領域31´とN-型ドレイン領域32´は、図2のIGBTの第1及び第2のN型ベース領域31,32と同様にオフ動作時における空乏層14の広がりに関与する。従って、図5の実施例3によれば、高耐圧を有し且つ破壊し難いトレンチ構造FETを提供することができる。
図6は実施例4のIGBTの半導体基板1cを概略的に示す。この実施例4のIGBTは、図2及び図3に示す半導体基板1の内側トレンチ2a、外側トレンチ2b〜2e、エミッタ領域3、P型ベース領域4、リサーフ領域8、チャネルストッパ領域9、第1及び第2のN型ベース領域31,32の平面形状を変えた他は、図2及び図3と実質的に同一に形成したものである。
図6の4個の内側トレンチ2a1と12個の外側トレンチ2b1は、互いに分離され且つ網目状に規則正しく配置されている。図示の都合上、内側トレンチ2a1が4個のみ示されているが、実際には更に多い数(例えば36個)の内側トレンチ2a1を有し、また、更に多い数(例えば28個)の外側トレンチ2b1を有する。また、実際には、内側トレンチ2a1の合計が外側トレンチ2b1の合計よりも多い。N+型エミッタ領域3aは、四角型の内側トレンチ2a1及び外側トレンチ2b1を環状に囲むパターンを有する。P型ベース領域4aは内側トレンチ2a1、外側トレンチ2b1、及びエミッタ領域3aを囲む格子状パターンを有する。点線で示す第1のN型ベース領域31bは、平面的に見て内側トレンチ2a1を囲むように形成されている。N-型の第2のN型ベース領域32bは、P-型のリサーフ領域8aとN+型のチャネルストッパ領域9aとの間において一方の主面10環状に露出している。なお、図6の半導体基板1cの内側トレンチ2a1及び外側トレンチ2b1を横切る縦断面の形状は図2と本質的に同一である。
内側トレンチ2a1と外側トレンチ2b1とは同一の深さを有し、且つ実質的に同一のパターンを有する。内側トレンチ2a1及び外側トレンチ2b1の1辺の長さをL1とすれば、例えば28個の外側トレンチ2b1の外側の2辺の長さの合計は2×28×L1=56×L1であり、例えば36個の内側トレンチ2a1の4辺の長さの合計は4×36×L1=144×L1であり、内側トレンチ2a1の外周縁の長さの合計が外側トレンチ2b1の外側縁の長さの合計よりも長い。図6において第1のN型ベース領域31bは図2の第1のN型ベース領域31と同様な原理で形成されているので、内側トレンチ2a1の近傍においてブレークダウンが生じ易く、且つこのブレークダウンが均一に生じ易い。従って、図6の実施例4によってもブレークダウン時の電流の集中を抑制することができ、図2及び図3の実施例1と同様な効果を得ることができる。
図7は実施例5のIGBTの半導体基板1dを示す。この実施例5のIGBTは、図2の実施例1のIGBTの内側トレンチ2a、外側トレンチ2b、エミッタ領域3、P型ベース領域4、第1及び第2のN型ベース領域31,32、リサーフ領域8、及びチャネルストッパ領域9のパターンをそれぞれ変形し、これ等に対応する内側トレンチ2a2、外側トレンチ2b2、エミッタ領域3b、P型ベース領域4b、第1及び第2のN型ベース領域31c,32c、リサーフ領域8b、チャネルストッパ領域9bを設け、この他は図1及び図2と同様に形成したものである。
直線的に伸びている5個の内側トレンチ2a2は、互いに平行に配置されている。外側トレンチ2b2は内側トレンチ2a2を環状に囲むように形成されている。エミッタ領域3bは内側トレンチ2a2を囲むように形成されていると共に、外側トレンチ2b2の内側に環状に配置されている。しかし、エミッタ領域3bを内側トレンチ2a2の長手方向における両側のみに配置することもできる。また、外側トレンチ2b2に隣接するエミッタ領域3bを省くこともできる。P型ベース領域4bは、内側エミッタ領域3bを囲むように半導体基板1dの一方の主面に露出していると共に、外側トレンチ2b2を環状に囲むように露出している。第1のN+型ベース領域31cは、点線で区画して示すように平面的に見て内側トレンチ3bの全部を囲むように配置されている。半導体基板1dの一方の主面において環状リサーフ領域8bと環状チャネルストッパ領域9bとの間に第2のN型ベース領域32cが露出している。図7の半導体基板1dを含むIGBTの断面は、図2と本質的に同一である。
図7において内側トレンチ2a2の長手方向の長さをLa、外側トレンチ2b2の内側トレンチ2a2と同一方向に延びる部分の長さをLbとした時に、5個の内側トレンチ2a2の長手方向の縁の長さの合計5×2×Laは、外側トレンチ2b2の内側トレンチ2a2と同一方向に延びる部分の外周縁の長さの合計2×Lbよりも大きい。また、第1のN型ベース領域31cが図2及び図3と同様に内側トレンチ2a2の先端部分に隣接するように形成されている。従って、図7の半導体基板1dを使用したIGBTにおいても、図2の実施例1と同様に半導体基板1dの内部トレンチ2a2が形成されている内部部分(第1の部分)においてブレークダウンが起り易い。この結果、実施例5によっても実施例1と同一の効果を得ることができる。
本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
(1) 図6の内側トレンチ2a1と外側トレンチ2b1とのパターン、及び図7の内側トレンチ2a2と外側トレンチ2b2とのパターンをFETにも適用可能である。
(2) 図2及び図4のIGBTにおいて外側トレンチ2bの外側にもN+型エミッタ領域3を設けることができる。また、図2及び図4において外側トレンチ2bの内側に隣接するN+型のエミッタ領域3を省くこともできる。
(3) 図5のFETにおいて、外側トレンチ2bの外側にもN+型ソース領域3´を設けることができる。また、図5において外側トレンチ2bの内側に隣接するN+型ソース領域3´を省くこともできる。
(4) 図6において、外側トレンチ2b1を囲むN+型エミッタ領域3aを省くことができる。
(5) 半導体基板1,1a,1b,1cの中の各領域の導電型を実施例と逆にすることができる。
(6) 外側トレンチ2b,2b1,2b2の外側に周知のガードリング領域又はフィールドプレート又はこれ等の両方を設けることができる。
(7) 図2のP+型コレクタ領域7、図5のN+型ドレイン領域40を半導体基板1,1bの一方の主面21側に導出し、コレクタ電極13、ドレイン電極13´を、半導体基板1,1bの一方の主面21側に設けることができる。
(8)P型ベース領域4の下面は平坦であることが望ましいが、場合によっては前述の特許文献1に示されているように突出部分を有することもできる。
(9)図2の幅W1,W2の関係はW1<W2であることが望ましいが、W1=W2とすることもできる。
従来のIGBTの一部を示す断面図である。 本発明に従う実施例1のIGBTの一部を図2のA−A線に相当する部分で示す断面図である。 図2の半導体基板を示す平面図である。 本発明の実施例2のIGBTの一部を図2と同様に示す断面図である。 本発明の実施例3のFETの一部を図2と同様に示す断面図である。 本発明の実施例4に従うIGBTの半導体基板を概略的に示す平面図である。 本発明の実施例5に従うIGBTの半導体基板を概略的に示す平面図である。
符号の説明
1〜1d 半導体基板
2 トレンチ
2a,2a1,2a2 内側トレンチ
2b,2c,2d,2b1,2b2 外側トレンチ
3 エミッタ領域
4 P型ベース領域
5 N型ベース領域
31 第1のN型ベース領域
32 第2のN型ベース領域

Claims (4)

  1. 互いに対向している一方及び他方の主面と、前記一方の主面の内側部分において前記一方の主面から前記他方の主面に向かって延びている内側トレンチと、前記一方の主面の前記内側部分よりも外側の部分において前記一方の主面から前記他方の主面に向かって延びている外側トレンチとを有している半導体基板と、
    前記半導体基板の中に形成され且つ前記内側トレンチに隣接配置され且つ前記半導体基板の前記一方の主面に露出している表面を有し且つ第1の導電型を有している第1の半導体領域と、
    前記半導体基板の中に形成され且つ前記第1の半導体領域に隣接し且つ前記第1の半導体領域よりも深い位置で前記内側及び外側トレンチに隣接し且つ前記半導体基板の前記一方の主面に露出する表面を有し且つ第2の導電型を有している第2の半導体領域と、
    前記半導体基板の中に形成され且つ前記第2の半導体領域と前記内側トレンチとの両方に隣接し且つ前記半導体基板の前記一方の主面を基準にして前記内側トレンチよりも深く形成され且つ第1の導電型を有している第3の半導体領域と、
    前記半導体基板の中に形成され且つ前記2及び第3の半導体領域と前記外側トレンチとに隣接し且つ前記外側トレンチよりも外側において前記半導体基板の前記一方の主面に露出する表面を有し且つ第1の導電型を有し且つ前記第3の半導体領域よりも低い不純物濃度を有している第4の半導体領域と、
    前記内側及び外側トレンチの壁面に設けられた絶縁膜と、
    前記内側及び外側トレンチの中に配置され且つ前記絶縁膜を介して前記内側及び外側トレンチの壁面に対向しているトレンチ導電体と、
    前記第1の半導体領域に電気的に接続された第1の主電極と、
    前記第4の半導体領域に直接に又は別の半導体領域を介して電気的に接続された第2の主電極と、
    前記トレンチ導電体に電気的に接続されたゲート電極と
    を備えていることを特徴とするトレンチ構造半導体装置。
  2. 更に、前記第4の半導体領域と前記半導体基板の前記他方の主面との間に配置され且つ第2導電型を有している第5の半導体領域を備え、且つ前記第2の主電極は前記第5の半導体領域に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載のトレンチ構造半導体装置。
  3. 更に、前記第4の半導体領域と前記第5の半導体領域との間に配置され且つ第1導電型を有し且つ前記第4の半導体領域よりも高い不純物濃度を有している第6の半導体領域を備えていることを特徴とする請求項2記載のトレンチ構造半導体装置。
  4. 前記第2の主電極は、前記第4の半導体領域にショットキー接触している金属電極であることを特徴とする請求項1記載のトレンチ構造半導体装置。
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