JP2011086710A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の間の境界領域における逆電流を抑制することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０が形成されている半導体基板１２を備える半導体装置１０であって、アノードコンタクト領域２４がアノード電極２２にオーミック接続されているコンタクト部のＩＧＢＴ領域側の端部１６と、エミッタ領域４４とボディコンタクト領域４６からなる半導体領域がエミッタ電極４２にオーミック接続されているコンタクト部のダイオード領域側の端部１８との間の境界領域７０内であり、かつ、アノード領域２６の下端及びボディ領域４９の下端よりも深い深さ範囲内に、ｐ型であり、ドリフト領域９０によってアノード領域２６、ボディ領域４７、４９、及び、コレクタ領域５２から分離されているフローティング領域９２が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域を有する半導体基板を備える半導体装置に関する。

特許文献１には、１つの半導体基板にダイオード領域とＩＧＢＴ領域が形成された半導体装置が開示されている。ダイオードとＩＧＢＴとを１つの半導体基板に形成することで、半導体装置の小型化が図られている。

特開２００８−２３５４０５号公報

上述した半導体装置では、ダイオード領域のドリフト領域とＩＧＢＴ領域のドリフト領域が、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域との間の境界領域においてつながっている。ダイオード領域に順電圧が印加されると、アノード領域からドリフト領域にホールが流入する。これによって、ドリフト領域が低抵抗化し、ダイオード領域に順電流が流れる。このとき、境界領域内のドリフト領域にもホールが流入し、境界領域内のドリフト領域にも順電流が流れる。その後、ダイオード領域に印加される電圧が逆電圧に切り換えられると、ダイオード領域が逆回復動作する。すなわち、ドリフト領域に存在しているホールがアノード領域を介してアノード電極へ流れ、これによってダイオード領域に逆電流が流れる。このとき、境界領域内のドリフト領域に存在しているホールもアノード領域を介してアノード電極へ流れるため、境界領域にも逆電流が流れる。このように、特許文献１の半導体装置では、境界領域に逆電流が流れるため、ダイオード領域の逆回復動作時における損失が大きいという問題があった。また、ダイオード領域の逆回復動作時には、境界領域近傍のアノード領域に、ダイオード領域内のドリフト領域からホールが流入するとともに、境界領域内のドリフト領域からもホールが流入する。このため、境界領域近傍のアノード領域に逆電流が集中するという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みて創作されたものである。本発明は、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の間の境界領域における逆電流を抑制することができる半導体装置を提供する。

本発明の半導体装置は、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域が形成されている半導体基板を備えている。ダイオード領域内の半導体基板の上面には、アノード電極が形成されている。ＩＧＢＴ領域内の半導体基板の上面には、エミッタ電極が形成されている。半導体基板の下面には、共通電極が形成されている。半導体基板には、ダイオード領域からＩＧＢＴ領域に跨って、ｎ型のドリフト領域が形成されている。ダイオード領域には、アノードコンタクト領域と、アノード領域と、カソード領域が形成されている。アノードコンタクト領域は、ｐ型であり、アノード電極にオーミック接続されている。アノード領域は、ｐ型であり、アノードコンタクト領域よりｐ型不純物濃度が低く、アノードコンタクト領域の下側かつドリフト領域の上側に形成されている。カソード領域は、ｎ型であり、ドリフト領域よりｎ型不純物濃度が高く、ドリフト領域の下側に形成されており、共通電極にオーミック接続されている。ＩＧＢＴ領域には、エミッタ領域と、ボディコンタクト領域と、ボディ領域と、コレクタ領域と、ゲート電極が形成されている。エミッタ領域は、ｎ型であり、エミッタ電極にオーミック接続されている。ボディコンタクト領域は、ｐ型であり、エミッタ電極にオーミック接続されている。ボディ領域は、ｐ型であり、ボディコンタクト領域よりｐ型不純物濃度が低く、エミッタ領域及びボディコンタクト領域の下側かつドリフト領域の上側に形成されている。コレクタ領域は、ｐ型であり、ドリフト領域の下側に形成されており、共通電極にオーミック接続されている。ゲート電極は、エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向している。ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の間には、境界領域が存在している。境界領域は、アノードコンタクト領域とアノード電極とのコンタクト部のうちＩＧＢＴ領域側の端部となるコンタクト部と、エミッタ領域とボディコンタクト領域からなる半導体領域とエミッタ電極とのコンタクト部のうちダイオード領域側の端部となるコンタクト部の間の領域である。境界領域内であり、かつ、アノード領域の下端及びボディ領域の下端よりも深い深さ範囲内には、ｐ型であり、ドリフト領域によってアノード領域、ボディ領域、及び、コレクタ領域から分離されているフローティング領域が形成されている。

この半導体装置では、境界領域内のドリフト領域内に、フローティング領域が形成されている。ｐ型のフローティング領域とｎ型のドリフト領域との間には、エネルギー障壁が存在する。ダイオードに順電圧が印加されたときには、このエネルギー障壁によって、境界領域に電流が流れることが抑制される。このため、ダイオードの逆回復動作の開始時に、境界領域内のドリフト領域に存在するホールが少ない。したがって、ダイオードの逆回復動作時に境界領域に逆電流が流れ難い。これによって、境界領域に流れる逆電流による損失を低減できる。また、境界領域近傍のアノード領域に逆電流が集中することが抑制される。

境界領域には、半導体基板の上面からアノード領域の下端及びボディ領域の下端より深い深さまでの深さ範囲に亘って、ｐ型であり、アノード領域及びボディ領域に接している分離領域が形成されることがある。
例えば、半導体装置の製造時には、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域に不純物が注入されることがある。このとき、注入された不純物の一部が境界領域内に拡散することがある。このように境界領域内に拡散した不純物の影響を取り除くために、境界領域に分離領域が形成される場合がある。
また、分離領域は、境界領域近傍における電界集中を抑制するために形成される場合もある。例えば、境界領域に分離領域が形成されていない場合には、ＩＧＢＴのオフ時に境界領域内のドリフト領域に空乏層が広がり難いので、境界領域近傍で電界が集中し易い。境界領域にｐ型の分離領域を設けると、境界領域内のドリフト領域に空乏層が広がり易くなり、境界領域近傍における電界集中が抑制される。
このような分離領域が形成されている半導体装置では、フローティング領域が、分離領域の下側に形成されていることが好ましい。

分離領域はアノード領域及びボディ領域よりもドリフト領域側（下側）に突出しているので、分離領域には逆電流が流れ易い。分離領域の下側にフローティング領域を形成することで、分離領域に逆電流が流れることを抑制することができる。

分離領域が形成されている半導体装置においては、フローティング領域のダイオード領域側の端部からＩＧＢＴ領域側の端部までの幅が、分離領域のダイオード領域側の端部からＩＧＢＴ領域側の端部までの幅よりも広いことが好ましい。

このような構成によれば、境界領域に流れる逆電流がフローティング領域を迂回して流れることを防止することができる。したがって、境界領域に流れる逆電流をさらに抑制することができる。

上述した半導体装置は、ＩＧＢＴ領域内の半導体基板の上面にはトレンチが形成されており、ゲート電極はトレンチ内に形成されていてもよい。この場合、フローティング領域が、ゲート電極の下端の深さを含む深さ範囲に形成されていることが好ましい。

ＩＧＢＴのオフ時には、フローティング領域からドリフト領域内に空乏層が広がる。上述した構成によれば、フローティング領域からゲート電極の下端近傍まで空乏層を伸展させることができる。これにより、ＩＧＢＴのオフ時に、境界領域近傍のゲート電極の下端に電界が集中することを抑制することができる。

上述した半導体装置においては、カソード領域とコレクタ領域が互いに接した状態で形成される場合がある。この場合、半導体装置の量産時に、製造誤差によってカソード領域とコレクタ領域の境界の位置にばらつきが生じると、ダイオード及びＩＧＢＴの特性にばらつきが生じる。このため、カソード領域とコレクタ領域とが互いに接している半導体装置においては、カソード領域とコレクタ領域の境界がフローティング領域の下に位置していることが好ましい。

フローティング領域の下の領域では、上側に分離領域が形成されているため、電流が流れ難い。したがって、カソード領域とコレクタ領域の境界がフローティング領域の下に位置していると、製造誤差によりこの境界の位置がずれたとしても、ダイオード及びＩＧＢＴの特性に与える影響が小さい。したがって、この半導体装置は、特性のばらつきが生じ難い。

上述した半導体装置は、以下のように構成されていることが好ましい。ダイオード領域内のドリフト領域内には、ダイオードライフタイム制御領域が形成されている。ダイオードライフタイム制御領域のキャリアライフタイムは、ダイオードライフタイム制御領域外のダイオード領域内のドリフト領域のキャリアライフタイムより短い。ダイオードライフタイム制御領域のＩＧＢＴ領域側の端部は、フローティング領域の下に位置している、

ダイオードライフタイム制御領域は、キャリアライフタイムが短縮化された領域であり、例えば、荷電粒子の打ち込みによって結晶欠陥が形成された領域等が含まれる。ダイオード領域内のドリフト領域内にダイオードライフタイム制御領域を形成することで、ダイオードの逆回復時にダイオード領域内のドリフト領域内に存在するキャリアが再結合により消滅し易くなる。これにより、ダイオードの逆回復時にダイオード領域に流れる逆電流を抑制することができる。ダイオードライフタイム制御領域の端部がダイオード領域内に存在していると、製造誤差によりダイオードライフタイム制御領域の面積にばらつきが生じたときに、ダイオードの逆回復特性にばらつきが生じる。上述した半導体装置では、ダイオードライフタイム制御領域のＩＧＢＴ領域側の端部が分離領域の下に位置しているので、端部の位置にばらつきが生じたとしても、ダイオード領域内におけるダイオードライフタイム制御領域の面積は変わらない。したがって、この半導体装置は、ダイオードの逆回復特性にばらつきが生じ難い。

上述した半導体装置は、以下のように構成されていることが好ましい。ＩＧＢＴ領域内のドリフト領域内には、ＩＧＢＴライフタイム制御領域が形成されている。ＩＧＢＴライフタイム制御領域のキャリアライフタイムは、ＩＧＢＴライフタイム制御領域外のＩＧＢＴ領域内のドリフト領域のキャリアライフタイムより短い。ＩＧＢＴライフタイム制御領域のダイオード領域側の端部は、フローティング領域の下に位置している、

ＩＧＢＴライフタイム制御領域は、キャリアライフタイムが短縮化された領域であり、例えば、荷電粒子の打ち込みによって結晶欠陥が形成された領域等が含まれる。ＩＧＢＴ領域内のドリフト領域内にＩＧＢＴライフタイム制御領域を形成することで、ＩＧＢＴのターンオフ時にＩＧＢＴ領域内のドリフト領域内に存在するキャリアが再結合により消滅し易くなる。これにより、ＩＧＢＴのターンオフ速度を向上させることができる。ＩＧＢＴライフタイム制御領域の端部がＩＧＢＴ領域内に存在していると、製造誤差によりＩＧＢＴライフタイム制御領域の面積にばらつきが生じたときに、ＩＧＢＴのターンオフ速度にばらつきが生じる。上述した半導体装置では、ＩＧＢＴライフタイム制御領域のダイオード領域側の端部が分離領域の下に位置しているので、端部の位置にばらつきが生じたとしても、ＩＧＢＴ領域内におけるＩＧＢＴライフタイム制御領域の面積は変わらない。したがって、この半導体装置は、ＩＧＢＴのターンオフ速度にばらつきが生じ難い。

実施例１の半導体装置１０の縦断面図。 実施例２の半導体装置１００の縦断面図。 実施例３の半導体装置２００の縦断面図。 実施例４の半導体装置３００の縦断面図。

実施例１に係る半導体装置について説明する。

（半導体装置の構造）
図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成されている金属層及び絶縁層等を備えている。半導体基板１２には、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０が形成されている。

ダイオード領域２０内の半導体基板１２の上面には、アノード電極２２が形成されている。ＩＧＢＴ領域４０内の半導体基板１２の上面には、エミッタ電極４２が形成されている。半導体基板１２の下面には、共通電極６０が形成されている。

ダイオード領域２０には、アノードコンタクト領域２４、アノード層２６、ダイオードドリフト層２８、カソード層３０が形成されている。

アノードコンタクト領域２４は、ｐ型の領域であり、その不純物濃度は高い。アノードコンタクト領域２４は、半導体基板１２の上面を含む範囲に島状に形成されている。アノードコンタクト領域２４は、アノード電極２２に対してオーミック接続されている。

アノード層２６は、ｐ型の領域である。アノード層２６の不純物濃度は、アノードコンタクト領域２４の不純物濃度より低い。アノード層２６は、アノードコンタクト領域２４の下側及び側方に形成されており、アノードコンタクト領域２４を覆っている。

ダイオードドリフト層２８は、ｎ型の領域であり、その不純物濃度は低い。ダイオードドリフト層２８は、アノード層２６の下側に形成されている。

カソード層３０は、ｎ型の領域である。カソード層３０の不純物濃度は、ダイオードドリフト層２８の不純物濃度よりも高い。カソード層３０は、ダイオードドリフト層２８の下側に形成されている。カソード層３０は、半導体基板１２の下面を含む範囲に形成されており、共通電極６０に対してオーミック接続されている。

ダイオード領域２０には、アノードコンタクト領域２４、アノード層２６、ダイオードドリフト層２８、カソード層３０によってダイオードが形成されている。以下では、ダイオード領域２０に形成されているダイオードを、ダイオード２０という。

ＩＧＢＴ領域４０には、エミッタ領域４４、ボディコンタクト領域４６、上部ボディ層４７、ホールストッパ層４８、下部ボディ層４９、ＩＧＢＴドリフト層５０、コレクタ層５２、及び、ゲート電極５４等が形成されている。

ＩＧＢＴ領域４０内の半導体基板１２の上面には、複数のトレンチが形成されている。各トレンチの内面には、ゲート絶縁膜５６が形成されている。各トレンチの内部に、ゲート電極５４が形成されている。ゲート電極５４の上面は絶縁膜５８により覆われている。絶縁膜５８によって、ゲート電極５４は、エミッタ電極４２から絶縁されている。

エミッタ領域４４は、ｎ型の領域であり、その不純物濃度は高い。エミッタ領域４４は、半導体基板１２の上面を含む範囲に島状に形成されている。エミッタ領域４４は、ゲート絶縁膜５６に接する範囲に形成されている。エミッタ領域４４は、エミッタ電極４２に対してオーミック接続されている。

ボディコンタクト領域４６は、ｐ型の領域であり、その不純物濃度は高い。ボディコンタクト領域４６は、半導体基板１２の上面を含む範囲に島状に形成されている。ボディコンタクト領域４６は、２つのエミッタ領域４４の間に形成されている。ボディコンタクト領域４６は、エミッタ電極４２に対してオーミック接続されている。

上部ボディ層４７は、ｐ型の領域である。上部ボディ層４７の不純物濃度は、ボディコンタクト領域４６よりも低い。上部ボディ層４７は、エミッタ領域４４及びボディコンタクト領域４６の下側に形成されている。

ホールストッパ層４８は、ｎ型の領域である。ホールストッパ層４８は、上部ボディ層４７の下側に形成されている。ホールストッパ層４８は、上部ボディ層４７によってエミッタ領域４４から分離されている。

下部ボディ層４９は、ｐ型の領域である。下部ボディ層４９の不純物濃度は、上部ボディ層４７の不純物濃度と略等しい。下部ボディ層４９は、ホールストッパ層４８の下側に形成されている。下部ボディ層４９の下端は、ゲート電極５４の下端よりも上側に位置している。上部ボディ層４７及び下部ボディ層４９によって、エミッタ領域４４がＩＧＢＴドリフト層５０から分離されている。ゲート電極５４は、エミッタ領域４４とＩＧＢＴドリフト層５０を分離している範囲の上部ボディ層４７及び下部ボディ層４９にゲート絶縁膜５６を介して対向している。

ＩＧＢＴドリフト層５０は、ｎ型の領域である。ＩＧＢＴドリフト層５０は、下部ボディ層４９の下側に形成されている。ＩＧＢＴドリフト層５０は、ドリフト層５０ａとバッファ層５０ｂを備えている。ドリフト層５０ａは、下部ボディ層４９の下側に形成されている。ドリフト層５０ａの不純物濃度は、ダイオードドリフト層２８と略等しい。ドリフト層５０ａは、ダイオードドリフト層２８と連続する層である。バッファ層５０ｂは、ドリフト層５０ａの下側に形成されている。バッファ層５０ｂは、ドリフト層５０ａよりも不純物濃度が高い。ダイオードドリフト層２８とＩＧＢＴドリフト層５０は連続するｎ型の層である。以下では、ダイオードドリフト層２８とＩＧＢＴドリフト層５０をまとめて、ドリフト層９０という場合がある。

コレクタ層５２は、ｐ型の領域であり、その不純物濃度は高い。コレクタ層５２は、ＩＧＢＴドリフト層５０の下側に形成されている。コレクタ層５２は、半導体基板１２の下面を含む範囲に形成されており、共通電極６０に対してオーミック接続されている。

ＩＧＢＴ領域４０には、エミッタ領域４４、ボディコンタクト領域４６、上部ボディ層４７、ホールストッパ層４８、下部ボディ層４９、ＩＧＢＴドリフト層５０、コレクタ層５２、及び、ゲート電極５４によって、ＩＧＢＴが形成されている。以下では、ＩＧＢＴ領域４０に形成されているＩＧＢＴを、ＩＧＢＴ４０という。

ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０の間には、境界領域７０が形成されている。なお、境界領域７０は、アノードコンタクト領域２４とアノード電極２２とのコンタクト部のうちＩＧＢＴ領域４０側の端部１６と、エミッタ領域４４とボディコンタクト領域４６からなる半導体領域とエミッタ電極４２とのコンタクト部のうちダイオード領域２０側の端部１８との間の領域である。

境界領域７０内の半導体基板１２の上面を含む範囲には、分離領域６８が形成されている。分離領域６８は、ｐ型の領域である。分離領域６８の不純物濃度は、上部ボディ層４７及び下部ボディ層４９の不純物濃度より高い。分離領域６８は、ダイオード領域２０側でアノード層２６に接している。分離領域６８は、ＩＧＢＴ領域４０側で、上部ボディ層４７、ホールストッパ層４８、及び、下部ボディ層４９に接している。分離領域６８の下側では、ダイオードドリフト層２８とドリフト層５０ａが連続している。分離領域６８の下端は、アノード層２６の下端及び下部ボディ層４９の下端より深い位置にあり、ゲート電極５４の下端よりも浅い位置にある。分離領域６８は、ホールストッパ層４８を終端させるために形成されている。すなわち、ホールストッパ層４８は、ｎ型不純物を半導体基板１２に注入し、注入したｎ型不純物を熱拡散させることにより形成される。このとき、一部のｎ型不純物が境界領域７０内に拡散する。境界領域７０内に拡散したｎ型不純物によりホールストッパ層４８とドリフト層５０ａが繋がると、ＩＧＢＴ４０が正常に動作できなくなる。このため、半導体装置１０では、境界領域７０内に拡散したｎ型不純物の影響を打ち消すために、境界領域７０内にｐ型不純物濃度が比較的高い分離領域６８が形成されている。分離領域６８によって、ホールストッパ層４８のダイオード領域２０側の端部が終端されている。

分離領域６８の下側のドリフト層９０内には、フローティング領域９２が形成されている。フローティング領域９２は、ｐ型の領域である。フローティング領域９２は、周囲をドリフト層９０に囲まれている。これによって、フローティング領域９２は、他のｐ型の領域から分離されている。フローティング領域９２は、ゲート電極５４の下端の深さを含む深さ範囲に形成されている。図１に示すように、フローティング領域９２のダイオード領域２０側の端部からＩＧＢＴ領域４０側の端部までの幅は、分離領域６８のダイオード領域２０側の端部からＩＧＢＴ領域４０側の端部までの幅よりも広い。

ダイオード領域２０のカソード層３０は、境界領域７０内まで延出されており、ＩＧＢＴ領域４０のコレクタ層５２は、境界領域７０内まで延出されている。カソード層３０は、フローティング領域９２の下側で、コレクタ層５２と接している。すなわち、カソード層３０とコレクタ層５２の境界７２が、フローティング領域９２の下側に位置している。図１に示す境界領域７０の構造は、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０の間に沿って延設されている。すなわち、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０の間において、境界７２はフローティング領域９２に沿って伸びている。

ダイオードドリフト層２８内には、ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９が形成されている。ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９内には、半導体基板１２に荷電粒子を打ち込むことによって形成された結晶欠陥が存在している。ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９内の結晶欠陥密度は、その周囲のダイオードドリフト層２８に比べて極めて高い。ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９は、アノード層２６の近傍の深さであり、フローティング領域９２の下端より深い深さに形成されている。参照番号３９ａは、ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９のＩＧＢＴ領域４０側の端部を示している。端部３９ａより外側（ＩＧＢＴ領域４０側）においては、結晶欠陥は深さ方向（図１の縦方向）に沿って分布している。これは、荷電粒子を打ち込む際に、マスクの開口部の外周近傍において荷電粒子の打ち込み深さが変化するためである。深さ方向に沿って分布している結晶欠陥は密度が低く、半導体装置１０の特性にほとんど影響を与えない。ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９の端部３９ａは、フローティング領域９２の下側に位置し、フローティング領域９２に沿って伸びている。すなわち、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０の間において、ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９の端部３９ａが、フローティング領域９２に沿って伸びている。

ドリフト層５０ａ内には、ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９が形成されている。ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９内には、半導体基板１２に荷電粒子を打ち込むことによって形成された結晶欠陥が存在している。ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９内の結晶欠陥密度は、その周囲のドリフト層５０ａに比べて極めて高い。ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９は、バッファ層５０ｂの近傍の深さに形成されている。参照番号５９ａは、ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９のダイオード領域２０側の端部を示している。端部５９ａの外側（ダイオード領域２０側）においては、結晶欠陥は深さ方向に沿って分布している。これは、荷電粒子を打ち込む際に、マスクの開口部の外周近傍において荷電粒子の打ち込み深さが変化するためである。深さ方向に沿って分布している結晶欠陥は密度が低く、半導体装置１０の特性にほとんど影響を与えない。ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９の端部５９ａは、フローティング領域９２の下側に位置し、フローティング領域９２に沿って伸びている。すなわち、ダイオード領域２０とＩＧＢＴ領域４０の間において、ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９の端部５９ａが、フローティング領域９２に沿って伸びている。

（半導体装置のダイオードの動作）
半導体装置１０のダイオード２０の動作について説明する。なお、半導体装置１０は、エミッタ電極４２とアノード電極２２が導通した状態で使用される。アノード電極２２と共通電極６０の間に、アノード電極２２がプラスとなる電圧（すなわち、順電圧）が印加されると、ダイオードがオンする。すなわち、ダイオード領域２０内では、図１の矢印８０に示すように、アノード電極２２から、アノードコンタクト領域２４、アノード層２６、ダイオードドリフト層２８、及び、カソード層３０を経由して、共通電極６０に向かって電流が流れる。

また、境界領域７０では、図１の矢印８１〜８４に示す経路で電流が流れる。経路８１は、アノード層２６から境界領域７０内のドリフト層９０に電流（ホール）が流れる経路である。経路８２は、アノード層２６から分離領域６８に流れた電流（ホール）が、分離領域６８の底部を通ってドリフト層９０に流れる経路である。経路８３は、上部ボディ層４７または下部ボディ層４９から分離領域６８に流れた電流（ホール）が、分離領域６８の底部を通ってドリフト層９０に流れる経路である。経路８４は、下部ボディ層４９から境界領域７０内のドリフト層９０に電流（ホール）が流れる経路である。経路８３及び８４に示す電流は、アノード電極２２を高電位とすると、アノード電極２２と導通しているエミッタ電極４２も高電位となることによって流れる電流である。

半導体装置１０では、分離領域６８の下側にフローティング領域９２が形成されているので、経路８２、８３で流れる電流はフローティング領域９２を通過する。フローティング領域９２とドリフト層９０の間にはエネルギー障壁が存在するため、経路８２、８３では電流が流れ難い。また、半導体装置１０では、フローティング領域９２の幅が分離領域６８よりも広いので、経路８１、８４で流れる電流もフローティング領域９２を通過する。このため、経路８１、８４においても電流が流れ難くなっている。したがって、半導体装置１０では、経路８１〜８４で流れる電流は小さい。すなわち、ダイオード２０がオンしているときに、境界領域７０内に存在しているホールは少ない。

ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられると、ダイオードが逆回復動作を行う。すなわち、順電圧印加時にダイオードドリフト層２８内に存在していたホールがアノード電極２２に排出され、順電圧印加時にダイオードドリフト層２８内に存在していた電子が共通電極６０に排出される。これによって、ダイオード２０に逆電流が流れる。すなわち、図１の矢印８０と逆向きに電流（逆電流）が流れる。逆電流は、短時間で減衰し、その後は、ダイオードに流れる電流は略ゼロとなる。また、ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９内の結晶欠陥は、キャリアの再結合中心として機能する。したがって、逆回復動作時に、ダイオードドリフト層２８内のキャリアの多くが、ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９内で再結合により消滅する。したがって、半導体装置１０では、ダイオード領域２０内に流れる逆電流が小さい。

ダイオードの逆回復動作時には、境界領域７０でも逆電流が流れる。すなわち、境界領域７０内のドリフト層９０内に存在するホールが矢印８１〜８４の逆向きに流れることで、逆電流が流れる。しかしながら、上述したように、ダイオード２０がオンしているときに経路８１〜８４で流れる電流は小さい。すなわち、ダイオード２０の逆回復動作の開始時において、境界領域７０内のドリフト層９０内に存在するホールは少ない。このため、境界領域７０に流れる逆電流は小さい。また、境界領域７０に流れる逆電流は、フローティング領域９２を通過するので、フローティング領域９２とドリフト層９０の間のエネルギー障壁によっても逆電流が流れることが抑制される。

（半導体装置のＩＧＢＴの動作）
半導体装置１０のＩＧＢＴ４０の動作について説明する。エミッタ電極４２と共通電極６０の間に共通電極６０がプラスとなる電圧が印加された状態において、ゲート電極５４にオン電位が印加されると、ＩＧＢＴ４０がオンする。すなわち、ゲート電極５４へのオン電位の印加によって、上部ボディ層４７及び下部ボディ層４９のゲート絶縁膜５６に接している領域に電子が集まり、チャネルが形成される。すると、エミッタ電極４２から、エミッタ領域４４、チャネル、ＩＧＢＴドリフト層５０、及び、コレクタ層５２を経由して、共通電極６０に向かって電子が流れる。同時に、共通電極６０から、コレクタ層５２、ＩＧＢＴドリフト層５０、下部ボディ層４９、ホールストッパ層４８、上部ボディ層４７、及び、ボディコンタクト領域４６を経由して、エミッタ電極４２に向かってホールが流れる。すなわち、共通電極６０からエミッタ電極４２に向かって電流が流れる。ＩＧＢＴドリフト層５０内には電子とホールが存在している状態となるので、ＩＧＢＴドリフト層５０の電気抵抗は伝導度変調現象により低下する。したがって、電流が流れる際にＩＧＢＴ４０で発生する損失は小さい。特に、半導体装置１０では上部ボディ層４７と下部ボディ層４９の間にホールストッパ層４８が形成されているので、ホールが下部ボディ層４９から上部ボディ層４７に向かって流れ難い。このため、ＩＧＢＴドリフト層５０内に多量のホールが蓄積された状態となり、ＩＧＢＴドリフト層５０の電気抵抗は極めて低くなる。これにより、ＩＧＢＴ４０で生じる損失がより低減されている。

なお、ＩＧＢＴ４０がオンしているときには、境界領域７０にも電流が流れる。しかしながら、境界領域７０に流れる電流はフローティング領域９２を通過するので、境界領域７０に流れる電流は小さい。

ゲート電極５４の電位が、オン電位からオフ電位に切り換えられると、チャネルが消失し、ＩＧＢＴがターンオフする。このとき、オン時にＩＧＢＴドリフト層５０内に存在していたホールが共通電極６０に排出され、オン時にＩＧＢＴドリフト層５０内に存在していた電子がエミッタ電極４２に排出される。これによって、ＩＧＢＴに逆電流が流れる。逆電流は、短時間で減衰し、その後は、ＩＧＢＴに流れる電流は略ゼロとなる。なお、ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９内の結晶欠陥は、キャリアの再結合中心として機能する。したがって、ターンオフ動作時に、ＩＧＢＴドリフト層５０内のキャリアの多くが、ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９内で再結合により消滅する。したがって、半導体装置１０では、ターンオフ動作時に生じる逆電流が抑制される。これにより、ＩＧＢＴのターンオフ速度が向上されている。

なお、ＩＧＢＴ４０がターンオフするときには、境界領域７０にも逆電流が流れる。しかしながら、ＩＧＢＴがオンしているときに境界領域７０に流れる電流が小さいため、ＩＧＢＴ４０のターンオフの開始時に境界領域７０内に存在するホールは少ない。また、境界領域７０に流れる逆電流はフローティング領域９２を通過する。したがって、境界領域７０に流れる逆電流は小さい。

ＩＧＢＴ４０がオフすると、ＩＧＢＴ領域４０内では、下部ボディ層４９からＩＧＢＴドリフト層５０内に空乏層が広がる。ダイオード領域２０内では、アノード層２６からダイオードドリフト層２８内に空乏層が広がる。境界領域７０では、分離領域６８及びフローティング領域９２からドリフト層９０内に空乏層が広がる。フローティング領域９２はゲート電極５４の下端の深さを含む深さ範囲に形成されているので、フローティング領域９２からドリフト層９０内に広がる空乏層はゲート電極５４の下端近傍の深さ範囲に形成される。フローティング領域９２から空乏層が広がることによって、境界領域７０で空乏層が薄くなることが防止される。これにより、境界領域７０近傍のゲート電極５４の下端近傍で空乏層が薄くなることが防止され、境界領域７０近傍のゲート電極５４の下端近傍に電界が集中することが抑制される。

（ダイオード及びＩＧＢＴの特性のばらつき）
半導体装置１０では、フローティング領域９２の下にカソード層３０とコレクタ層５２の境界７２が位置している。上述したように、フローティング領域９２を通って流れる電流は小さい。このため、製造誤差により境界７２の位置（図１の左右方向の位置）がフローティング領域９２の下側の範囲内でずれたとしても、ダイオード及びＩＧＢＴの特性が変動し難い。すなわち、半導体装置１０の量産時に、ダイオードのオン電圧及びＩＧＢＴのオン電圧がばらつき難い。

また、半導体装置１０では、フローティング領域９２の下にダイオードキャリアライフタイム制御領域３９の端部３９ａが位置している。製造誤差によりフローティング領域９２の幅内で端部３９ａの位置（図１の左右方向の位置）がずれたとしても、ダイオード領域２０内におけるダイオードキャリアライフタイム制御領域３９の面積は変わらない。また、上述したように、フローティング領域９２を通って流れる電流は小さい。したがって、ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９の端部３９ａの位置がずれることによって境界領域７０（フローティング領域９２の下方）のドリフト層９０の特性が変化しても、ダイオード２０の逆回復特性に与える影響は小さい。このため、半導体装置１０は、ダイオードキャリアライフタイム制御領域３９の端部３９ａの位置がずれても、ダイオードの逆回復特性が変動し難い。すなわち、半導体装置１０の量産時に、ダイオードの逆回復特性がばらつき難い。

また、半導体装置１０では、フローティング領域９２の下にＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９の端部５９ａが位置している。製造誤差によりフローティング領域９２の幅内で端部５９ａの位置（図１の左右方向の位置）がずれたとしても、ＩＧＢＴ領域４０内におけるＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９の面積は変わらない。また、上述したように、フローティング領域９２の下のドリフト層９０に流れる電流は小さい。したがって、ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９の端部５９ａの位置がずれることによりフローティング領域９２の下方のドリフト層９０の特性が変化しても、ＩＧＢＴ４０のターンオフ速度に与える影響は小さい。このため、半導体装置１０は、ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域５９の端部５９ａの位置がずれても、ＩＧＢＴのターンオフ速度が変動し難い。すなわち、半導体装置１０の量産時に、ＩＧＢＴのターンオフ速度がばらつき難い。

次に、実施例２の半導体装置について説明する。図２は、実施例２の半導体装置１００の断面図を示している。なお、実施例２の半導体装置１００の各部のうち、実施例１の半導体装置１０の各部と同様の機能を有する部分には、実施例１の半導体装置１０の各部と同じ参照番号を付している。

実施例２の半導体装置１００では、ＩＧＢＴ領域４０にホールストッパ層４８が形成されておらず、エミッタ領域４４及びボディコンタクト領域４６の下側に一層のボディ層４７が形成されている。また、実施例２の半導体装置１００では、分離領域６８が、半導体基板１２の上面からゲート電極５４の下端よりも深い深さまでの深さ範囲に形成されている。フローティング領域９２は、分離領域６８の下側（ゲート電極５４の下端よりも深い位置）に形成されている。実施例２の半導体装置１００のフローティング領域９２は、実施例１の半導体装置１０のフローティング領域９２よりもｐ型不純物濃度が低い。実施例２の半導体装置１００のその他の構成は、実施例１の半導体装置１０の構成と略等しい。

実施例２の半導体装置１００でも、実施例１の半導体装置１０と同様に、ダイオード２０がオンしているときに境界領域７０に流れる電流、ダイオード２０の逆回復動作時に境界領域７０に流れる逆電流、ＩＧＢＴ４０がオンしているときに境界領域７０に流れる電流、及び、ＩＧＢＴ４０のターンオフ時に境界領域７０に流れる逆電流が、フローティング領域９２によって抑制される。

ＩＧＢＴ４０がオフしているときには、境界領域７０では、分離領域６８からドリフト層９０内に空乏層が広がる。分離領域６８はゲート電極５４の下端よりも深い深さまで形成されているので、境界領域７０でゲート電極５４の下端よりも深い深さまで空乏層が形成される。これにより、境界領域７０近傍のゲート電極５４の下端近傍に電界が集中することが抑制される。なお、フローティング領域９２のｐ型不純物濃度は比較的低いので、フローティング領域９２からドリフト層９０に空乏層が広がる範囲は狭い。これによって、境界領域７０内の空乏層が極端に厚くなることが防止され、空乏層の形状が歪むことが防止されている。

次に、実施例３の半導体装置について説明する。図３は、実施例３の半導体装置２００の断面図を示している。なお、実施例３の半導体装置２００の各部のうち、実施例１の半導体装置１０の各部と同様の機能を有する部分には、実施例１の半導体装置１０の各部と同じ参照番号を付している。

実施例３の半導体装置２００では、ＩＧＢＴ領域４０にホールストッパ層４８が形成されておらず、エミッタ領域４４及びボディコンタクト領域４６の下側に一層のボディ層４７が形成されている。また、実施例３の半導体装置２００では、分離領域６８が形成されておらず、アノード層２６とボディ層４７の間にはドリフト層９０が形成されている。これによって、アノード層２６とボディ層４７が互いに分離されている。フローティング領域９２は、アノード層２６とボディ層４７を分離しているドリフト層９０の下側に形成されている。すなわち、フローティング領域９２は、アノード層２６の下端及びボディ層４７の下端よりも深い位置に形成されている。実施例３の半導体装置２００のその他の構成は、実施例１の半導体装置１０の構成と略等しい。

実施例３の半導体装置２００では、ダイオード２０がオンしているときに、図３の矢印１８１、１８２に示す経路で境界領域７０に電流が流れる。この電流はフローティング領域９２を通過するので、境界領域７０に流れる電流は小さい。このため、ダイオード２０の逆回復動作時に、境界領域７０を矢印１８１、１８２の逆向きに流れる逆電流は小さい。また、ＩＧＢＴ４０がオンしているときに境界領域７０に流れる電流、及び、ＩＧＢＴ４０のターンオフ時に境界領域７０に流れる電流は、実施例１の半導体装置１０と同様に、フローティング領域９２によって低減される。

また、ＩＧＢＴ４０がオフしているときには、フローティング領域９２からドリフト層９０に空乏層が広がることによって、境界領域７０近傍のゲート電極５４の下端近傍に電界が集中することが抑制される。

次に、実施例４の半導体装置について説明する。図４は、実施例４の半導体装置３００の断面図を示している。なお、実施例４の半導体装置３００の各部のうち、実施例３の半導体装置２００の各部と同様の機能を有する部分には、実施例３の半導体装置２００の各部と同じ参照番号を付している。

実施例４の半導体装置３００では、境界領域７０において、アノード層２６とボディ層４７がつながっている。実施例４の半導体装置３００のその他の構成は、実施例３の半導体装置２００の構成と略等しい。

実施例４の半導体装置３００でも、実施例３の半導体装置２００と同様に、ダイオード２０がオンしているときに境界領域７０に流れる電流、ダイオード２０の逆回復動作時に境界領域７０に流れる逆電流、ＩＧＢＴ４０がオンしているときに境界領域７０に流れる電流、及び、ＩＧＢＴ４０のターンオフ時に境界領域７０に流れる逆電流が、フローティング領域９２によって抑制される。また、実施例４の半導体装置３００でも、実施例３の半導体装置２００と同様に、フローティング領域９２からドリフト層９０に空乏層が広がる。これによって、境界領域７０近傍のゲート電極５４の下端近傍に電界が集中することが抑制される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体装置
１２：半導体基板
２０：ダイオード領域
２２：アノード電極
２４：アノードコンタクト領域
２６：アノード層
２８：ダイオードドリフト層
３０：カソード層
３９：ダイオードキャリアライフタイム制御領域
４０：ＩＧＢＴ領域
４２：エミッタ電極
４４：エミッタ領域
４６：ボディコンタクト領域
４７：上部ボディ層
４８：ホールストッパ層
４９：下部ボディ層
５０：ＩＧＢＴドリフト層
５０ａ：ドリフト層
５０ｂ：バッファ層
５２：コレクタ層
５４：ゲート電極
５９：ＩＧＢＴキャリアライフタイム制御領域
６０：共通電極
６８：分離領域
７０：境界領域
９２：フローティング領域

Claims (7)

1. ダイオード領域とＩＧＢＴ領域が形成されている半導体基板を備える半導体装置であって、
   ダイオード領域内の半導体基板の上面にアノード電極が形成されており、
   ＩＧＢＴ領域内の半導体基板の上面にエミッタ電極が形成されており、
   半導体基板の下面に共通電極が形成されており、
   半導体基板には、ダイオード領域からＩＧＢＴ領域に跨って、ｎ型のドリフト領域が形成されており、
   ダイオード領域には、
   ｐ型であり、アノード電極にオーミック接続されているアノードコンタクト領域と、
   ｐ型であり、アノードコンタクト領域よりｐ型不純物濃度が低く、アノードコンタクト領域の下側かつドリフト領域の上側に形成されているアノード領域と、
   ｎ型であり、ドリフト領域よりｎ型不純物濃度が高く、ドリフト領域の下側に形成されており、共通電極にオーミック接続されているカソード領域、
   が形成されており、
   ＩＧＢＴ領域には、
   ｎ型であり、エミッタ電極にオーミック接続されているエミッタ領域と、
   ｐ型であり、エミッタ電極にオーミック接続されているボディコンタクト領域と、
   ｐ型であり、ボディコンタクト領域よりｐ型不純物濃度が低く、エミッタ領域及びボディコンタクト領域の下側かつドリフト領域の上側に形成されているボディ領域と、
   ｐ型であり、ドリフト領域の下側に形成されており、共通電極にオーミック接続されているコレクタ領域と、
   エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
   が形成されており、
   アノードコンタクト領域とアノード電極とのコンタクト部のうちＩＧＢＴ領域側の端部となるコンタクト部と、エミッタ領域とボディコンタクト領域からなる半導体領域とエミッタ電極とのコンタクト部のうちダイオード領域側の端部となるコンタクト部の間の境界領域内であって、アノード領域の下端及びボディ領域の下端よりも深い深さ範囲内に、ｐ型であり、ドリフト領域によってアノード領域、ボディ領域、及び、コレクタ領域から分離されているフローティング領域が形成されている、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 境界領域には、ｐ型であり、半導体基板の上面からアノード領域の下端及びボディ領域の下端より深い深さまでの深さ範囲に亘って形成されており、アノード領域及びボディ領域に接している分離領域が形成されており、
   フローティング領域が、分離領域の下側に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. フローティング領域のダイオード領域側の端部からＩＧＢＴ領域側の端部までの幅が、分離領域のダイオード領域側の端部からＩＧＢＴ領域側の端部までの幅よりも広いことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. ＩＧＢＴ領域内の半導体基板の上面にはトレンチが形成されており、
   ゲート電極はトレンチ内に形成されており、
   フローティング領域が、ゲート電極の下端の深さを含む深さ範囲内に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. カソード領域とコレクタ領域は互いに接しており、
   カソード領域とコレクタ領域の境界が、フローティング領域の下に位置している、
   ことを特徴とする半導体装置。
6. ダイオード領域内のドリフト領域内に、ダイオードライフタイム制御領域が形成されており、
   ダイオードライフタイム制御領域のキャリアライフタイムが、ダイオードライフタイム制御領域外のダイオード領域内のドリフト領域のキャリアライフタイムより短く、
   ダイオードライフタイム制御領域のＩＧＢＴ領域側の端部が、フローティング領域の下に位置している、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. ＩＧＢＴ領域内のドリフト領域内に、ＩＧＢＴライフタイム制御領域が形成されており、
   ＩＧＢＴライフタイム制御領域のキャリアライフタイムが、ＩＧＢＴライフタイム制御領域外のＩＧＢＴ領域内のドリフト領域のキャリアライフタイムより短く、
   ＩＧＢＴライフタイム制御領域のダイオード領域側の端部が、フローティング領域の下に位置している、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。

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