JP2009123914A - 逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＮ、ＳｉＣを半導体層に用いても、高い逆耐圧と低いオン電圧とをリーク電流を大きくせずに得られる逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を提供すること。
【解決手段】ＧａＮ半導体またはＳｉＣ半導体を主たる半導体結晶とする半導体基板からなるｎ^-型ドリフト層１０４の一方の表面層にゲート電極１１０とエミッタ電極１２３を含むＭＯＳゲート構造を備え、チップ化のための切断端面が、前記ｎ^-型ドリフト層１０４の表面と裏面とを連結するｐ型保護領域１０５を有し、前記ｎ^-型ドリフト層１０４の裏面に接触するコレクタ電極１１２がショットキー性金属膜１１１を有する逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化ガリウム半導体または炭化珪素半導体を用いた半導体装置に関し、詳しくは、窒化ガリウム半導体（以下、ＧａＮと略記する）または炭化珪素半導体（以下、ＳｉＣと略記する）を用いた、大電流、大電圧を制御するパワー半導体装置であって、コレクタ・エミッタ間に電圧が逆方向に印加された場合でも、所定の耐圧を維持できる逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置に関する。

従来、交流から任意の電圧と周波数の交流を発生させて、モーターを駆動したり、電力変換する装置として、図８（ａ）にあるようなインバーターが用いられている。最近、これと異なるタイプのマトリクスコンバーターと呼ばれる図８（ｂ）のような構成で、交流から直接交流へ変換する装置が開発されている。マトリクスコンバーターは、インバーターがいったん交流からダイオードで全波整流し、さらにコンデンサーで平滑化した直流の中間電圧をつくってから、さらに交流に変換するのに対して、直接交流から交流を作るために、その電力変換効率が高く、さらに直流を使わないことから中間に入るダイオード、コンデンサーを必要としないことが特徴である。また、通常のインバーターではこのコンデンサーに電解コンデンサーを使用しており、その寿命がインバーター装置の寿命を決めることが以前から問題となっている。さらに、マトリクスコンバーターは電力を双方向に送るのに最適な構成であり、基本的には昨今の省エネ世論に適う電力回生が容易にできる装置となっている。
また、マトリクスコンバーターは複雑な制御を必要とするが、最近ではマイコンによる制御が著しく発展して、複雑な制御も容易に瞬時に可能になったことから、マトリクスコンバーターへの期待が高まっている。

このような電力変換装置において必要とされるパワーデバイスは、図８の３０で示すように双方向に電流を流すことの可能な双方向スイッチ機能を有する半導体装置である。このようなパワーデバイスは単体では構成することはできないが、図９（ａ）に示すように、ダイオード２個、トランジスタ２個によって構成可能である。このとき、ダイオード３１はトランジスタ３２に逆方向電圧が印加されたときにも耐圧を維持できるようにと付加されるものである。これは、図９において、トランジスタ３２は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと略記する）を想定しているが、通常のＩＧＢＴをはじめとするスイッチング用パワーデバイスは、一般に逆方向の耐圧を保障することを想定していないからである。
最近、この逆耐圧を改善する手段として、新しいタイプのパワーデバイスが開発されている。これは逆阻止型ＩＧＢＴと呼ばれるもので、デバイス単体で逆方向の耐圧機能を有している。電気的特性としては図１１の電流−電圧波形図に示す特性を持っている。すなわち、順方向（図の第一象限）では通常のＩＧＢＴと同じ動作をし、逆方向（図の第３象限）では、順方向と同じ程度の耐圧を維持することのできるデバイスである。これまでの報告では６００Ｖ、１２００Ｖに対応する逆阻止型ＩＧＢＴが開発されている。また、それぞれの前記耐圧に対応するシリコン半導体基板（以下、シリコン基板と略記する）の厚さは１００μｍ、２００μｍ程度である。

逆阻止型ＩＧＢＴを用いると、図９（ｂ）のように、２個のスイッチング用半導体装置３３で双方向スイッチが構成できるので、素子数が少なくなって、電力損失も小さくなる。かつ全体のサイズが小さくなるというメリットが生じる。このことから、低コストでコンパクトなマトリクスコンバーターを提供することが可能となる。
このような逆阻止型ＩＧＢＴは図１０の断面図に示されるデバイス構造が知られている。基本的には主電流を流す活性領域３６の構造は従来の通常の逆阻止型でないＩＧＢＴと同じである。活性領域３６の表面層には、ｐウエル領域７と、ｐウエル領域７の表面層に選択的に形成されるｎ⁺エミッタ領域８と、半導体基板からなるｎ^-ドリフト層４の表面とｎ⁺エミッタ領域８の表面とに挟まれる前記ｐウエル領域７の表面にゲート酸化膜９を介して設けられる導電性ポリシリコンゲート電極１０などからなるＭＯＳゲート構造と、前記ｎ⁺エミッタ領域８と前記ｐウエル領域７の表面とに共通に接触するエミッタ電極２３などが形成される。前記半導体チップの切断面がある切断端面２４に沿って、半導体基板の表面２５と裏面側のコレクタ領域３４とを繋ぐようにｐ型の保護領域５を表面２５からの長時間の熱拡散により形成することにより、コレクタ領域３４のｐｎ接合面の端部が、切断端面２４には露出せず、半導体基板の表面２５側の耐圧構造領域３５に露出させる構造とするものである。したがって、半導体基板の表面２５側でデバイスの活性領域３６を耐圧構造領域３５で取り巻く形状を有し、デバイス全体的にもｐ型コレクタ領域３４と半導体基板の切断端面２４に沿って形成されるｐ型保護領域５が活性領域３６内のＭＯＳゲート構造を包み込むような構造となっている。このｐ型保護領域５は前述のように表面からの深い拡散によって形成されるため、半導体基板の主面方向にも深さと同程度に広がる結果、特に基板の表面２５側で広い幅を必要とする。

この逆阻止型ＩＧＢＴのコレクタ側のｐｎ接合に逆バイアスが印加された場合、空乏層１４の先端は主としてコレクタ領域３４側のｐｎ接合３７から図１０に示す点線３８まで広がる。空乏層１４が半導体基板表面２５と交差するところは半導体基板の表面２５側に設けられる耐圧構造領域３５内の表面となる。この耐圧構造領域３５の表面近傍には、図示しないガードリングなどの耐圧構造を維持するために電界を緩和する構造と酸化膜、絶縁膜などの表面不活性化処理を施すことで、全体として順逆耐圧を維持することができる。その他、符号１２はコレクタ電極であり、符号１、２、３はそれぞれ、エミッタ、ゲート、コレクタの各端子である（非特許文献１、２）。
このような逆阻止型ＩＧＢＴに関しては、他に、炭化珪素基板を用いた逆阻止型ＩＧＢＴが文献の記載により知られている。逆方向阻止用のヘテロ接合ダイオードを形成することも記載されている（特許文献１、２、３）。半導体基板の裏面のコレクタ側にショットキー接合を備えた逆阻止型ＩＧＢＴが知られている（特許文献４）。トレンチを形成し、このトレンチにｐ型のエピタキシャル成長をさせて逆阻止型ＩＧＢＴの分離層を形成することが記載されている文献がある（特許文献５）。
Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ， ｅｔ ａｌ．， "１２００Ｖ ｃｌａｓｓ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ ＩＧＢＴ （ＲＢ−ＩＧＢＴ） ｆｏｒ ＡＣ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＆ ＩＣｓ， Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕ， ｐ．１２１ Ｔ．Ｎａｉｔｏ， ｅｔ ａｌ．， "１２００Ｖ Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ ＩＧＢＴ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｌｏｓｓ ｆｏｒ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＆ ＩＣｓ， Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕ， ｐ．１２５ 特開２００７−８８３８３号公報 特開２００６−１８６３０７号公報 特開平７−３０７４６９号公報 特開２００３−２１８３５４号公報 特開２００６−１９０７３０号公報

しかしながら、従来の逆阻止型ＩＧＢＴには以下に述べるように４つの課題がある。
第一の課題は、従来の逆阻止型ＩＧＢＴはシリコン基板を主要材料としていることである。すなわち、シリコン半導体装置は高耐圧になるほど、シリコン基板の抵抗を大きく、厚さを増加させる必要がある。その結果、導通時とオンオフ時のエネルギー損失が大きくなるなど、全体的に効率が低下し易い。また、デバイスサイズも非常に大きくなって、実用性が低下する傾向がある。これらの問題はシリコン半導体材料に起因する根本的な問題であり、シリコン半導体材料を使う限りこれらの問題から派生する制約から免れることはできない。
第二の課題は、炭化珪素半導体（以下ＳｉＣと略記する）や窒化ガリウム半導体（以下ＧａＮと略記する）などのいわゆるワイドバンドギャップ材料を用いるパワーデバイスが開発されているが、これらの材料においては、ｐｎ接合のビルトイン電圧が大きいことから、これらの材料でＩＧＢＴを構成するとオン電圧が大きくなり易いという問題である。
第三の課題は、逆阻止型ＩＧＢＴにおいては、フライホイーリングダイオードとしての動作も要求される。したがって、ＩＧＢＴとしての最適なデバイス構造とダイオードとしての最適な構造をひとつの構造で実現する必要がある。この場合、ＩＧＢＴの順方向に電圧が印加された場合、ドリフト層を薄くするために通常設けられる、空乏層の延びをコレクタ側で止めるｎ型高濃度層いわゆるフィールドストップ層を設けることができず、ドリフト層を厚く設定する必要がある。そのため、ＩＧＢＴもダイオードもドリフト層が厚くなり、スイッチング特性やオン電圧が逆阻止型でない通常のＩＧＢＴよりも悪化し易いという問題である。

第四の課題は、逆阻止型ＩＧＢＴでは、逆方向に電圧が印加された場合、表面側のｐ型領域（ｐウエル領域７）が高濃度であることに起因して、リーク電流が増幅され、大きなリーク電流が流れ易いという問題である。
本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、前述の４つの課題を解決すると共に、ＧａＮ、ＳｉＣを半導体層に用いても、高い逆耐圧と低いオン電圧とをリーク電流を大きくせずに得られる逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を提供することである。

前記課題を解決するために本発明では、ＧａＮ半導体またはＳｉＣ半導体を主たる半導体結晶とする半導体基板からなる一導電型ドリフト層の一方の表面層にゲート電極とエミッタ電極を含むＭＯＳゲート構造を備え、チップ化のための切断端面が、前記一導電型ドリフト層の表面と裏面とを連結する他導電型保護領域を有し、前記一導電型ドリフト層の裏面に接触するコレクタ電極がショットキー性金属膜を有する逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。
前記スイッチング用半導体装置で、さらに、前記一導電型ドリフト層の裏面の表面層に選択的に形成される他導電型領域を備える逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。
前記スイッチング用半導体装置で、さらに、前記一導電型ドリフト層の裏面の表面層に選択的に形成される他導電型領域が島状または縞状の表面パターンを有する逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。
また、前記課題を解決するために本発明では、高濃度Ｓｉ半導体基板の一方の主面上にＧａＮ半導体またはＳｉＣ半導体を主たる半導体結晶とする一導電型ドリフト層を備え、該一導電型ドリフト層の表面層に、ゲート電極とエミッタ電極を含むＭＯＳゲート構造と、前記高濃度Ｓｉ半導体基板の裏面に接触するコレクタ電極とを備え、チップ化する際に形成される切断端面が、前記一導電型ドリフト層の表面から高濃度Ｓｉ半導体基板にかけて連結される、ＧａＮ半導体またはＳｉＣ半導体からなる他導電型保護領域を有する逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。

前記半導体装置で、さらに前記高濃度Ｓｉ半導体基板が一導電型である逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。
前記半導体装置で、さらに前記高濃度Ｓｉ半導体基板が他導電型である逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。
前記半導体装置で、さらに前記切断端面が、前記一導電型ドリフト層の表面から高濃度Ｓｉ半導体基板にかけて連結される、Ｓｉ半導体からなる他導電型保護領域を有する逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。
以上のいずれかの半導体装置で、さらに前記切断端面が、前記一導電型ドリフト層の表面から高濃度Ｓｉ半導体基板にかけて連結される、前記一導電型ドリフト層を取り巻く他導電型保護領域の外側に形成されている逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を特徴とする。

本発明によれば、前述の４つの課題を解決すると共に、ＧａＮ、ＳｉＣを半導体層に用いても、高い逆耐圧と低いオン電圧とをリーク電流を大きくせずに得られる逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
図１〜図４、図６は、それぞれ、本発明にかかる実施例１〜４、５の逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である。図５はＳｉ基板上にＧａＮ半導体層を形成した場合に形成されるヘテロ接合のエネルギーバンド構造図である。図７は本発明にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの製造方法を示す主要な製造工程ごとの断面図である。

図１は、本発明の実施例１にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である。主たる半導体基板１０４の材料はＧａＮもしくはＳｉＣであり、半導体基板１０４の表面側には、前述の図１０に示す従来の逆阻止型ＩＧＢＴと同様にｐ型ウエル領域１０７と、その表面層にｎ⁺型エミッタ領域１０８が形成されている。このエミッタ領域１０８の表面と前記半導体基板１０４の表面とに挟まれるｐ型ウエル領域１０７の表面にゲート絶縁膜１０９を介してゲート電極１１０が積層される。半導体基板１０４の裏面側にはコレクタ電極１１２が形成される。エミッタ電極−コレクタ電極間にコレクタ電極１１２を正にバイアスした状態で、このゲート電極１１０に閾値以上のゲート電圧が印加されると、前記ゲート絶縁膜１０９直下のｐ型ウエル領域１０７の表面にｎチャネル層（図示せず）が形成されて、エミッタ電極１２３から電子がｎ⁺型エミッタ領域１０８を経由して前記ｎチャネル層を通って半導体基板からなるドリフト層１０４に注入されると、このＩＧＢＴはオン状態になる。前記ゲート電圧印加が閾値以下になると前記ｎチャネル層が消えてオフ状態となる。このＩＧＢＴの切断端面１２４には半導体基板１０４の表面１２５と裏面のコレクタ電極１１２との間を繋げるように形成されるｐ型保護領域１０５によって保護され、さらに、このＩＧＢＴの半導体基板１０４の裏面にはショットキー性金属膜１１１とｎ型ドリフト層１０４とが接触してショットキー接合１１３が形成されている。前記ｐ型保護領域１０５は、空乏層１１４がこのＩＧＢＴの切断端面１２４にまで広がって露出することを防止するためのものであるから、半導体基板からなるドリフト層１０４よりも少なくとも高濃度に形成される必要がある。前記ｐ型保護領域１０５の形成はドリフト層１０４の表面１２５から形成されるトレンチへの前記ドリフト層とは反対導電型のｐ型結晶層の埋め込みによる。１０００Ｖ耐圧クラスのＳｉＣやＧａＮではドリフト層１０４の濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度であるため、前記ｐ型保護領域１０５の不純物濃度はその１桁以上高い濃度であることが好ましい。１０ｋＶ程度になると、この濃度は一桁ほど低くなる。またドリフト層１０４の厚さは、ドリフト層の厚さに相当するので１０００Ｖ耐圧クラスで約１０μｍ程度で、１０ｋＶでは１００μｍほどになる。半導体基板１０４の裏面には外部との電気的接触をとるためにショットキー性金属膜１１１にオーミック電極１１２が積層される。ショットキー性金属膜１１１としては、たとえばＴｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｏなどが使用可能であり、また、これらの合金でも良い。

逆阻止型ＩＧＢＴのエミッタ端子１０１の電位に対して裏面側コレクタ端子１０３の電位を負とする逆電圧が印加された場合、コレクタ１０３側のショットキー接合１１３と、ｐ型保護領域１０５とドリフト層１０４との間に形成されるｐｎ接合１３９とに逆バイアスが加わり、図１に先端を点線１３８で示す空乏層１１４のように主として接合の低濃度側であるドリフト層１０４内に広がる。さらに、前記ｐ型保護領域１０５の表面１２５側にｐ型領域１０６を活性領域に形成されるｐ型ウエル領域１０７と同時に形成しておくことが好ましい。ｐ型領域１０６を形成することにより、切断端面から耐圧構造領域１４０を遠ざけることができ、切断端面近傍に生じ易いクラック、割れ、欠けなどによる耐圧劣化の影響を少なくすることができる。
また、図１に示すように、空乏層１１４の終端部が半導体基板表面１２５と交差する場所は、半導体基板表面１２５の耐圧構造領域１４０内である。この耐圧構造領域１４０の表面部分には、図示しないガードリングやフィールドプレートなどの電界緩和機構および同表面上に形成される酸化膜や絶縁膜などの表面不活性化膜により、所定の電圧を維持する構造を有している。このようにして形成された逆耐圧を有するパワー半導体装置である逆阻止型ＩＧＢＴは、半導体基板の主要材料としてＧａＮやＳｉＣを用いることで、オン抵抗を小さくすることができるとともに、これらの材料ではバンドギャップがＳｉより広いことから、図１０に示すような従来の逆阻止型ＩＧＢＴ構造ではビルトイン電圧が約３Ｖ近く高まってしまう問題を、ショットキー接合１１３とすることで１Ｖ程度に抑えることができるようになり、いっそうオン抵抗を小さくできる。また、ショットキー接合１１３とすることによって、フライホイーリングダイオードとして使用するときでも、ｐｎ接合ダイオードではなく、ショットキーダイオードとしての動作が利用でき、そのため高速のスイッチングができるという利点も生み出される。

図２に示す実施例２にかかる逆阻止型ＩＧＢＴは、図１に示す実施例１とは、コレクタ側ショットキー接合１１３におけるリーク特性を改善するために、コレクタ側のｎ^-ドリフト層１０４の表面層に島状または縞状にｐ型領域１１５を有する点が異なる。実施例２の逆阻止型ＩＧＢＴでは、逆バイアス時に、追加されたｐ型領域１１５からも空乏層が広がることで、隣接するｐ型領域１１５との間で空乏層がピンチオフし、ショットキー接合からのリーク電流を抑えることが可能となる。

図３に示す実施例３にかかる逆阻止型ＩＧＢＴは、耐圧劣化の惧れを無くすために切断端面１２４に形成されるｐ型保護領域１０５の幅を十分に確保することが困難である場合に、図３に示すように、ＩＧＢＴの切断端面１２４を前記ｐ型保護領域１０５のさらに外側に設ける構造である。後述の図７で製造方法について説明するが、ｐ型保護領域１０５の幅とウエハのダイシングで必要とする幅（すなわち、ダイシング後の壁開、クラック、割れ、欠けなどによる耐圧への影響が無くなる幅）とは必ずしも一致していない。たとえば保護領域の幅はトレンチ形成で必要な２〜４μｍ程度であるのに対して、ダイシングでは５０μｍ程度の幅が耐圧を安全に確保するために必要なのが普通である。このため、ダイシング幅よりも保護領域幅が狭い場合にはドリフト層１０４の側面の一部が切断端面に露出する危険性がある。これを防止するため、ダイシングは保護領域１０５よりも外側に別にダイシング領域１１６を設けて切断することが好ましい。

図４に示す実施例４にかかる逆阻止型ＩＧＢＴでは、ドリフト層を形成する主たる半導体はｎ型ＧａＮであり、ｎ⁺型シリコン基板１１７上にＧａＮ層がエピタキシャル成長により形成される。コレクタの裏面側では、このｎ⁺型シリコン基板１１７とｎ型ＧａＮドリフト層１０４との間のヘテロ接合によって、逆方向に電圧印加した場合に耐圧を維持するようにしている。図５にｎ⁺シリコン半導体層とｎ⁺ＧａＮ半導体層の間のヘテロ接合のエネルギーバンド構造図を示した。図５にあるように、ｎ⁺ＧａＮ／ｎ⁺Ｓｉ間のヘテロ接合における電子に対するエネルギー障壁は約０．８ｅＶあり、コレクタ側に負バイアスが印加された場合に耐圧を維持することができるようになっている。
図４に示す逆阻止ＩＧＢＴの構造では、シリコン基板１１７内部は直列抵抗成分となるため、できるだけ低抵抗であるほうが好ましい。たとえば、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高濃度層であることが望ましい。導電型はｎ型でもｐ型であってもかまわないが、ｎ型の場合、導通状態で少数キャリアの注入と蓄積が無いので、上記ショットキー接合と同様な効果が得られる。一方、ｐ型の場合には少数キャリアの注入と蓄積が発生するため、伝導度変調によりトランジスタのオン電圧は低くすることができるが、オンオフ時に残留キャリアがドリフト層から排除されるかまたは再結合により消滅する時間を必要とするので、ダイオードのスイッチング特性が劣化する。そのため、適用装置に求められるスイッチング特性を考慮してｐ型かｎ型かを選択するのがよい。

図６に示す実施例５にかかる逆阻止型ＩＧＢＴは、前記図４におけるｐ型保護領域１０５の半導体結晶をドリフト層と同じＧａＮまたはＳｉＣではなく、シリコン半導体１１７で構成することにより、コレクタ側の逆阻止接合をすべてヘテロ接合として逆耐圧を維持するようにしたものである。コレクタ側ｐｎ接合はＩＧＢＴ部を構成し、コレクタ側からの少数キャリアの注入が行なわれる。このため、ターンオフ時に電流集中などによる破壊が発生する可能性があることから、側壁もヘテロ接合とすることで、少数キャリアの注入を抑え、端部での電流集中による破壊を回避できる。
図７は、本発明にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの製造方法を説明するための、主要な製造工程ごとの半導体基板の断面図である。図７（１）では基板結晶１１８の上に同系列結晶のＧａＮやＳｉＣのｎ^-ドリフト層１０４をエピタキシャル成長により形成する。図７（２）ではｎ^-ドリフト層１０４の表面からトレンチ１１９を形成する。この工程段階では、トレンチ１１９は基板１１８に到達してもしなくてもかまわないが、ウエハの最終工程段階では裏面側へ露出するプロセスにする必要がある。図７（３）ではｎ^-ドリフト層１０４とは同じ半導体結晶で反対導電型のｐ型結晶層１２０を成長させてトレンチ１１９を埋める。ただし、前記実施例５の逆阻止型ＩＧＢＴの作製では、ｐ型結晶層１２０の結晶体をＳｉとする。このトレンチ１１９内を埋めるｐ型結晶層１２０の不純物濃度は少なくともドリフト層よりは高不純物濃度とする。図７（４）では、ドリフト層１０４の表面側に堆積したｐ型結晶層１２０を研磨やエッチングなどによりｎ^-ドリフト層１０４の表面が露出するまで除去して平坦にする。トレンチ１１９内に残ったｐ型結晶層１２０をｐ型保護領域１０５とする。このようにして形成した基板を用い、図７（５）では、ｎ^-ドリフト層１０４の表面にいわゆるウエハプロセスによって、ＭＯＳゲート構造１０７を形成する。図７（６）で、基板１１８の裏面側を少なくともトレンチ１１９の底面が露出する厚さまで削り込み、前記ｐ型保護領域１０５を露出させる。基板１１８の機能はｎ^-ドリフト層１０４を支持することであるので、裏面の削り込み後に完全に無くしてもよい。ただし、前記実施例５の逆阻止型ＩＧＢＴの作製では、基板１１８としてＳｉ基板を用い、トレンチ１１９の深さをこのＳｉ基板１１８に到達させると共に、Ｓｉ基板１１８の裏面からの削り込みの際に、トレンチ１１９底面の下に、Ｓｉ基板１１８の薄層を残すようにする。この裏面側に図７（７）では、ショットキー性金属の被着によるショットキー電極１１１を、続いてオーミック性金属による電極１１２を積層させる。最後に図７（８）において、矢印の位置（１２１、１２２）でダイシングを行う。このとき、ｐ型保護領域１０５内の表面１２１でダイシングしても、あるいはその外側の領域の表面１２２でダイシングしてもよいが、耐圧劣化の惧れがある場合は、外側領域表面１２２でダイシングして、前記実施例３の逆阻止ＩＧＢＴのようにする。

なお、これまで特に断らなかったが、ＳｉＣおよびＧａＮはヘキサゴナル結晶を用いるのが一般的だが、ＳｉＣにおいては３Ｃ−ＳｉＣでも良い。３Ｃ−ＳｉＣはシリコン上に成長できるという利点を有しており、コスト的に安価なデバイスを提供することが可能である。
以上説明した逆阻止型ＩＧＢＴの製造方法によれば、ＧａＮやＳｉＣを主たる半導体材料ととする半導体基板のｎ^-ドリフト層１０４の厚さ方向を、ｐ型保護領域１０５で取り囲むように形成すると共に、コレクタ側の接合にショットキー接合もしくはＧａＮ／Ｓｉのヘテロ接合を用いることにより、ビルトイン電圧を小さくすることが可能となる。この結果、ＩＧＢＴのオン電圧を小さく保つことができ、スイッチング損失を小さく抑えることが可能である。また、コレクタ側接合がショットキー接合またはヘテロ接合であることから、少数キャリアの注入と蓄積が無く、したがってダイオードとして使用するときに高速で低損失の特性が得られるという効果も得られる。また、コレクタ側のショットキー接合においては、そのショットキー接合に接してｎ^-ドリフト層１０４側表面に選択的にｐ型領域１１５を設けてショットキー接合のリーク電流を小さく抑えることが可能となる。また、ＧａＮにおいては、ｐ型保護領域１０５をもＳｉとすることにより、コレクタ接合をすべてＧａＮ／Ｓｉのヘテロ接合として、逆方向耐圧を維持することも可能である。この場合においては、シリコンを基板として用いるので、より安価なデバイスが提供できるという効果もある。さらに、保護領域の外にダイシング領域を設けることで、狭いｐ型保護領域１０５の幅は狭くしても、耐圧特性に悪影響を及ぼすことなく、安全にダイシングができるようになる。

産業や自動車分野の電力変換装置、あるいはモーター駆動システムで使われる電力用半導体装置のうち、交流から直接任意の交流を発生させるマトリクスコンバーターに使用される。

本発明の実施例１にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である（その１）。 本発明の実施例２にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である（その２）。 本発明の実施例３にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である（その３）。 本発明の実施例４にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である（その４）。 ＧａＮ／Ｓｉ間ヘテロ接合のエネルギーバンド構造図である。 本発明の実施例５にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である（その５）。 本発明の実施例３にかかる逆阻止型ＩＧＢＴの製造方法を示す主要な製造工程ごとの断面図である。 従来の電力変換回路とマトリックスコンバーター回路図である。 双方向スイッチング半導体装置の等価回路図である。 従来の逆阻止型ＩＧＢＴの断面図である。 逆阻止型ＩＧＢＴの電流―電圧波形図である。

符号の説明

１０１： エミッタ端子
１０３： コレクタ端子
１０４： ドリフト層、ｎ^-ドリフト層
１０５： ｐ型保護領域
１０６： ｐ型領域
１０７： ｐウェル領域
１０８： ｎ⁺エミッタ領域
１０９： ゲート絶縁膜
１１０：ゲート電極
１１１：ショットキー電極
１１２：オーミック用電極
１１３：ショットキー接合
１１４：空乏層
１１５：ｐ型領域
１１６：ダイシング領域
１１７：シリコン半導体
１１８：基板結晶
１１９：トレンチ
１２０：ｐ型結晶層
１２１：保護領域へのダイシング
１２２：外側の領域の表面
１２３：エミッタ電極
１２４：切断端面
１２５：表面。

Claims (8)

1. ＧａＮ半導体またはＳｉＣ半導体を主たる半導体結晶とする半導体基板からなる一導電型ドリフト層の一方の主面の表面層に、選択的に形成される他導電型ウエル領域と、該ウエル領域の表面層に選択的に形成される一導電型エミッタ領域と、該一導電型エミッタ領域表面と前記一導電型ドリフト層表面とに挟まれる前記他導電型ウエル領域の表面に絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記他導電型ウエル領域と前記一導電型エミッタ領域との両表面に共通に接触するエミッタ電極と、前記一導電型ドリフト層の他方の主面に接触するコレクタ電極とを備え、前記エミッタ電極とコレクタ電極の間に加わる前記エミッタ電極を正とする逆バイアスに対する逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置において、チップ化する際に形成される切断端面が、前記一導電型ドリフト層の一方の主面から他方の主面にかけて、他導電型領域で連結される他導電型保護領域を有し、前記一導電型ドリフト層の他方の主面に接触するコレクタ電極がショットキー接合を形成する金属膜を有することを特徴とする逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
2. 前記一導電型ドリフト層の他方の主面の表面層に選択的に形成される他導電型領域を備えることを特徴とする請求項１記載の逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
3. 前記一導電型ドリフト層の他方の主面の表面層に選択的に形成される他導電型領域が島状または縞状の表面パターンを有することを特徴とする請求項２記載の逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
4. 高濃度Ｓｉ半導体基板の一方の主面上にＧａＮ半導体またはＳｉＣ半導体を主たる半導体結晶とする一導電型ドリフト層を備え、該一導電型ドリフト層の表面層に選択的に形成される他導電型ウエル領域と、該ウエル領域の表面層に選択的に形成される一導電型エミッタ領域と、該一導電型エミッタ領域表面と前記一導電型ドリフト層表面とに挟まれる前記他導電型ウエル領域の表面に絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記他導電型ウエル領域と前記一導電型エミッタ領域との両表面に共通に接触するエミッタ電極と、前記高濃度Ｓｉ半導体基板の他方の主面に接触するコレクタ電極とを備え、前記エミッタ電極とコレクタ電極の間に加わる、前記エミッタ電極を正とする逆バイアスに対する逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置において、チップ化する際に形成される切断端面が、前記一導電型ドリフト層の表面から高濃度Ｓｉ半導体基板にかけて連結される、ＧａＮ半導体またはＳｉＣ半導体からなる他導電型保護領域を有することを特徴とする逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
5. 前記高濃度Ｓｉ半導体基板が一導電型であることを特徴とする請求項４記載の逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
6. 前記高濃度Ｓｉ半導体基板が他導電型であることを特徴とする請求項４記載の逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
7. 前記切断端面が、前記一導電型ドリフト層の表面から高濃度Ｓｉ半導体基板にかけて連結される、Ｓｉ半導体からなる他導電型保護領域を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
8. 前記切断端面が、前記一導電型ドリフト層の表面から高濃度Ｓｉ半導体基板にかけて連結される、前記一導電型ドリフト層を取り巻く他導電型保護領域の外側に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の逆耐圧を有するスイッチング用半導体装置。
   
   

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