JP2011165971A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐圧の低下が抑制された半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 半導体装置１００は、トレンチゲート３０とダミートレンチ２４を備える。ダミートレンチ２４は、トレンチゲート３０よりも半導体層１６の深い位置まで伸びている。半導体層１６は、ボディ領域１３と、ボディ領域１３上に選択的に設けられているともにエミッタ電極１８に電気的に接続する第１半導体領域１４を有している。ボディ領域１３は、第１深さＤ１２を有する第１ボディ領域１２と、第１深さＤ１２よりも深い第２深さＤ１０を有する第２ボディ領域１０を有している。第１ボディ領域１２は、トレンチゲート３０の側面に接している。第２ボディ領域１０は、ダミートレンチ２４の側面の少なくとも一部に接している。第１半導体領域１４は、トレンチゲート３０の側面に接している。
【選択図】図１

Description

本発明は、トレンチゲートとダミートレンチを有する半導体装置に関する。

トレンチゲートを有する半導体装置の特性を改善するために、ダミートレンチを設ける技術が知られている。その一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１には、ダミートレンチがトレンチゲートよりも深い位置まで伸びているＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が開示されている。特許文献１に開示されるＩＧＢＴは、ダミートレンチをトレンチゲートよりも深く形成することにより、トレンチゲートの底面の電界集中を緩和し、トレンチゲート近傍の正孔（ホール）のキャリア密度を低減させ、ラッチアップの発生を抑制させている。

特開２００８−２１９１８号公報

しかしながら、ダミートレンチがトレンチゲートよりも深く形成されていると、ボディ領域からダミートレンチの底面までの距離が長くなり、ダミートレンチの底面の電界強度が高くなる。そのため、電界強度が許容値を越えると、ダミートレンチの絶縁膜が破壊されてしまう。本明細書は、ダミートレンチがトレンチゲートよりも深く形成された半導体装置において、ダミートレンチの底面の電界強度を低下させる技術を提供することを目的とする。

本明細書で開示される技術は、異なる深さのボディ領域を形成することを特徴としている。浅いボディ領域がトレンチゲートに対応して設けられており、深いボディ領域がダミートレンチに対応して設けられている。このような構造を採用することにより、ボディ領域からダミートレンチの底面までの距離を短く維持することができ、ダミートレンチの底部の電界強度を低く抑えることができる。

すなわち、本明細書に開示する半導体装置は、半導体層と主電極とトレンチゲートとダミートレンチを備えている。半導体層は、第１主面と第２主面を有している。主電極は、半導体層の第１主面上に設けられている。トレンチゲートは、半導体層の第１主面から第２主面に向けて伸びている。ダミートレンチは、半導体層の第１主面から第２主面に向けて伸びているとともに、トレンチゲートよりも深い位置まで伸びている。半導体層は、第１導電型のボディ領域と、そのボディ領域上に選択的に設けられているともに主電極に電気的に接続される第２導電型の第１半導体領域を有している。ボディ領域は、第１深さの第１ボディ領域と、その第１深さよりも深い第２深さの第２ボディ領域を有している。第１ボディ領域は、トレンチゲートの側面に接している。第２ボディ領域は、ダミートレンチの側面の少なくとも一部に接している。第１半導体領域は、トレンチゲートの側面に接している。なお、この技術分野では、ボディ領域のことをベース領域と称することもある。

上記の半導体装置では、ボディ領域が異なる深さの第１ボディ領域と第２ボディ領域を有している。浅い第１ボディ領域がトレンチゲートに対応して設けられており、深い第２ボディ領域がダミートレンチに対応して設けられている。これにより、第１ボディ領域では、トレンチゲートとの間で所望のチャネル特性を得るために、その第１深さを設定することができる。また、第２ボディ領域では、ダミートレンチの底面の電界強度を低下させるために、その第２深さを設定することができる。ボディ領域が異なる深さの第１ボディ領域と第２ボディ領域を有することにより、トレンチゲートのチャネル特性とダミートレンチの電界強度の双方を考慮した設計が可能になる。なお、第２ボディ領域は、ダミートレンチの側面の少なくとも一部に形成されていればよい。例えば、ダミートレンチの底面のうちの電界強度が特に強い場所に応じて第２ボディ領域が形成されていてもよい。

上記の半導体装置では、第２ボディ領域の底面が、深さ方向に観測したときに、トレンチゲートの底面とダミートレンチの底面の間に位置することが好ましい。第２ボディ領域の第２深さは深いほうが望ましいが、ダミートレンチよりも深く形成されていると、帰還容量の増加が問題となる。したがって、第２ボディ領域の底面が上記範囲に形成されていると、ダミートレンチゲートの底面の電界強度を低下させることと、帰還容量の増加を抑制することの双方を両立させることができる。

深さ方向における第２ボディ領域の最大不純物濃度が、深さ方向における第１ボディ領域の最大不純物濃度よりも薄いことが好ましい。上記した半導体装置では、第２ボディ領域が第１ボディ領域よりも深いので、半導体層内のキャリアは、第１ボディ領域よりも第２ボディ領域に移動し易い。このため、半導体層内のキャリア濃度を上昇させ、オン電圧を低減させるためには、第２ボディ領域内でキャリアを蓄積させることが効果的である。第２ボディ領域の最大不純物濃度を第１ボディ領域の最大不純物濃度よりも薄くすれば、第２ボディ領域内に多くのキャリアを効果的に蓄積させることができ、この結果、半導体層内のキャリア濃度が上昇し、オン電圧を低減させることができる。

上記のように、第１ボディ領域よりも深く形成されているとともに、第１ボディ領域の最大不純物濃度よりも薄い最大不純物濃度を有する第２ボディ領域を形成するためには、イオン注入技術を利用して、第２ボディ領域を形成することが望ましい。さらに、導入されるイオンのピーク位置を半導体層内に設定することが望ましい。この結果、深さ方向における第２ボディ領域の不純物濃度が、極大値を有することとなる。すなわち、第２ボディ領域の不純物濃度が、半導体層の第１主面から第２主面に向けて単調減少するのではなく、半導体層の第１主面から第２主面に向けて増加した後に減少することが好ましい。第２ボディ領域がこのような濃度分布を有すると、第２ボディ領域内にさらに多くのキャリアを蓄積することができ、オン電圧をさらに低減することができる。

第２ボディ領域の不純物濃度が極大値を有する場合、半導体層は、第２導電型のキャリア蓄積層をさらに有していることが好ましい。そのキャリア蓄積層は、第２ボディ領域上に設けられていることが好ましい。この場合、主電極とダミートレンチが電気的に接続されていることが好ましい。第２ボディ領域の不純物濃度が極大値を有するように形成されていると、半導体層の表面における第２ボディ領域の不純物濃度が低くなる。この結果、第２ボディ領域の表面の導電型を容易に反転させることができるので、キャリア蓄積層を容易に形成することができる。キャリア蓄積層が設けられていると、第２ボディ領域内におけるキャリアの蓄積をさらに向上させることができ、オン電圧をさらに低減させることができる。

なお、第２導電型のキャリア蓄積層は、半導体層内に第１導電型の不純物を注入して第２ボディ領域を形成するときに、半導体層の表層に注入する第１導電型の不純物の濃度を低く抑えることによって形成されてもよい。これにより、半導体層の表層に注入される第１導電型の不純物の濃度が、半導体層に元々含まれる第２導電型の不純物の濃度よりも薄くなり、第２導電型のキャリア蓄積層が形成される。あるいは、キャリア蓄積層は、第２導電型の不純物を第１導電型の第２ボディ領域の表層に注入し、第２ボディ領域の表層を第２導電型に反転させることによって形成されてもよい。

本明細書で開示される技術によると、ダミートレンチがトレンチゲートよりも深く形成されている半導体装置において、ダミートレンチの底面の電界強度を低下させることができる。

図１は、実施例１の半導体装置の要部断面図を示す。 図２は、実施例１の半導体装置の要部斜視図を示す。 図３は、第１ボディ領域と第２ボディ領域の深さ方向における不純物濃度分布を示す。 図４は、実施例１の半導体装置について、ダミートレンチの深さとトレンチゲートの深さとの差を変化させたときの、半導体装置の耐圧に関するシミュレーション結果を示す。 図５は、実施例１の半導体装置について、ダミートレンチの深さとトレンチゲートの深さとの差を変化させたときの、半導体装置の耐圧に関するシミュレーション結果を示す。 図６は、実施例１の半導体装置について、ダミートレンチの深さとトレンチゲートの深さとの差に対する第２ボディ領域の深さの割合と、半導体装置の耐圧の関係を示す。 図４は、実施例１の半導体装置について、ダミートレンチの深さとトレンチゲートの深さとの差を変化させたときの、半導体装置のオン電圧に関するシミュレーション結果を示す。 図８は、ダミートレンチの深さとトレンチゲートの深さとの差を変化させたときの、半導体装置の帰還容量に関するシミュレーション結果を示す。 図９は、実施例２の半導体装置の要部斜視図を示す。 図１０は、実施例３の半導体装置の要部斜視図を示す。 図１１は、実施例４の半導体装置の要部斜視図を示す。 図１２は、実施例５の半導体装置の要部斜視図を示す。 図１３は、実施例６の半導体装置の要部斜視図を示す。 図１４は、実施例７の半導体装置の要部斜視図を示す。 図１５は、実施例８の半導体装置の要部斜視図を示す。 図１６は、比較例の半導体装置の要部断面図を示す。

実施例を説明する前に、実施例の技術的特徴の幾つかを以下に簡潔に記す。
（特徴１）半導体装置は、トレンチゲートとトレンチゲートよりも長いダミートレンチを備えている。トレンチゲートとダミートレンチは、平面視したときに、素子領域の一端から他端に向けて第１方向に沿って伸びており、ストライプ状に配置されていることが望ましい。また、平面視において、第１方向に直交する第２方向に観測したときに、トレンチゲートとトレンチゲートの間に複数のダミートレンチが配置されていることが望ましい。トレンチゲートとダミートレンチは、半導体層の表面からボディ領域を貫通してドリフト領域に達している。トレンチゲートとダミートレンチの間には、第１深さを有する第１ボディ領域が設けられていることが望ましい。ダミートレンチとダミートレンチの間には、第１深さよりも深い第２深さを有する第２ボディ領域が設けられていることが望ましい。
（特徴２）第２ボディ領域は、ダミートレンチの側面に接しており、ダミートレンチとともに第１方向に沿って伸びていることが望ましい。
（特徴３）本明細書で開示される半導体装置の形態は、ホールの移動経路を制御し、ラッチアップの抑制にも効果を奏することができる。このため、本明細書で開示される半導体装置は、縦型のＩＧＢＴであることが望ましい。第２ボディ領域が深く形成されていると、ホールが第２ボディ領域内に移動しやすいので、ホールが、トレンチゲートの周囲ではなく、ダミートレンチの周囲に集中する。その結果、寄生ｎｐｎトランジスタが動作することが抑制され、ラッチアップの発生が抑制される。

図１及び図２を参照し、半導体装置１００について説明する。なお、図２に示すI-I線に対応する断面が図１の断面図である。また、図２の斜視図では、半導体装置の平面レイアウトを明瞭化するために、エミッタ電極１８が除去されて図示されている。

半導体装置１００は、縦型のＩＧＢＴであり、半導体層１６と、半導体層１６の第１主面１７上に設けられているエミッタ電極１８と、半導体層１６の第２主面３上に設けられているコレクタ電極２とを備えている。半導体層１６の半導体材料には、シリコン単結晶が用いられている。エミッタ電極１８の材料には、アルミニウムが用いられている。コレクタ電極２は、アルミニウム，チタン，ニッケル及び金の積層体である。

半導体層１６は、ｐ型のコレクタ領域４とｎ^＋型のバッファ領域６とｎ型のドリフト領域８とｐ型のボディ領域１３とｎ^＋型のエミッタ領域１４とを備えている。

コレクタ領域４は、半導体層１６の裏層部に形成されており、コレクタ電極２に接触して電気的に接続されている。コレクタ領域４は、イオン注入技術を利用して、半導体層１６の裏面からホウ素（Ｂ）を注入することにより形成されている。コレクタ領域４の最大不純物濃度はおよそ１×１０^１８ｃｍ^−３である。

バッファ領域６は、コレクタ領域４とドリフト領域８の間に設けられている。バッファ領域６は、イオン注入技術を利用して、半導体層１６の裏面からリン（Ｐ）を注入することにより形成されている。バッファ領域６の最大不純物濃度はおよそ１×１０^１７ｃｍ^−３である。

ドリフト領域８は、バッファ領域６とボディ領域１３の間に設けられている。ドリフト領域８は、用意された半導体層１６を、所望の厚さに研磨されることで形成されている。ドリフト領域８の不純物としてリンが用いられており、その不純物濃度は厚み方向（ｚ方向）で一定であり、およそ６×１０^１３ｃｍ^−３である。

ボディ領域１３は、半導体層１６の表層部に形成されており、ドリフト領域８上に設けられている。ボディ領域１３は、第１ボディ領域１２と第２ボディ領域１０を備えている。第１ボディ領域１２は第１深さＤ１２を有しており、第２ボディ領域１０は第２深さＤ１０を有している。第２ボディ領域１０の深さＤ１０は、第１ボディ領域１２の深さＤ１２よりも深い。第１ボディ領域１２は、イオン注入技術を利用して、半導体層１６の第１主面からホウ素を注入することで形成されており、その最大不純物濃度はおよそ２×１０^１７ｃｍ^−３である。第２ボディ領域１０は、イオン注入技術を利用して、半導体層１６の第１主面からホウ素を注入することによって形成されており、その最大不純物濃度はおよそ１×１０^１５ｃｍ^−３である。

図３に、第１ボディ領域１２と第２ボディ領域１０の深さ方向（ｚ方向）における不純物濃度分布を示す。図３に示されるように、第１ボディ領域１２は、半導体層１６の第１主面１７で最大不純物濃度を有し、深さ方向（ｚ方向）に単調減少する。第２ボディ領域１０は、深さ方向（ｚ方向）における不純物濃度が極大値を有する。すなわち、第２ボディ領域１０は、その不純物濃度が半導体層１６の第１主面１７から極大値に向けて増大し、極大値から第２主面３に向けて減少する。第２ボディ領域１０の最大不純物濃度は、第１ボディ領域１２の最大不純物濃度よりも薄い。さらに、第２ボディ領域１０の最大不純物濃度は、その深さにおける第１ボディ領域１２の不純物濃度よりも薄い。第１ボディ領域１２は、１回のイオン注入で形成される。第２ボディ領域１０は、異なる注入エネルギーのイオン注入を複数回行うことにより形成される。イオン注入を複数回行うことにより、第２ボディ領域１０では、その深さＤ１０が第１ボディ領域１２の深さＤ１２よりも深くなるとともに、上記した濃度関係が得られる。

エミッタ領域１４は、半導体層１６の表層部に選択的に設けられている。エミッタ領域１４は、請求項に記載の第１半導体領域に相当する。エミッタ領域１４は、第１ボディ領域１２上に設けられており、第２ボディ領域１０上には設けられていない。また、図２に示されるように、エミッタ領域１４は、トレンチゲート３０及びダミートレンチ２４の長手方向に沿って分散して設けられており、第１ボディ領域１２上の一部分に設けられている。エミッタ領域１４は、エミッタ電極１８に接触して電気的に接続されている。エミッタ領域１４は、イオン注入技術を利用して、半導体層１６の第１主面からリンを注入することによって形成されており、その最大不純物濃度はおよそ１×１０^２０ｃｍ^−３である。

トレンチゲート３０は、トレンチゲート電極２８と、トレンチゲート電極２８を被覆するゲート絶縁膜２６を備えている。トレンチゲート電極２８の材料はポリシリコンであり、ゲート絶縁膜２６の材料は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。トレンチゲート３０は、半導体層１６の第１主面１７から第２主面３に向けて伸びており、第１ボディ領域１２を貫通してドリフト領域８に達している。トレンチゲート３０の両側面に第１ボディ領域１２及びエミッタ領域１４が接している。トレンチゲート電極２８は、ゲート絶縁膜２６を介して、エミッタ領域１４とドリフト領域８を分離している第１ボディ領域１２に対向している。トレンチゲート電極２８の表面に絶縁分離膜３２が設けられており、トレンチゲート電極２８とエミッタ電極１８が絶縁されている。トレンチゲート３０の深さＤ３０は、第１ボディ領域１２の深さＤ１２よりも深い。

ダミートレンチ２４は、ダミートレンチ電極２２と、ダミートレンチ電極２２を被覆するダミー絶縁膜２０を備えている。ダミートレンチ電極２２の材料はポリシリコンであり、ダミー絶縁膜２０の材料は酸化シリコンである。ダミートレンチ電極２２は、エミッタ電極１８に接触して電気的に接続されている。ダミートレンチ２４は、半導体層１６の第１主面１７から第２主面３に向けて伸びており、第１ボディ領域１２及び第２ボディ領域１０を貫通してドリフト領域８に達している。ダミートレンチ２４の一方の側面には第２ボディ領域１０が接しており、他方の側面には第１ボディ領域１２が接している。ダミートレンチ２４の深さＤ２４は、第１ボディ領域１２の深さＤ１２及び第２ボディ領域１０の深さＤ１０よりも深い。そのため、ダミートレンチ２４の底部がボディ領域１３に覆われることはない。

トレンチゲート３０及びダミートレンチ２４は、長手方向（ｙ方向）に沿って、素子領域の一端から他端まで連続して伸びている。トレンチゲート３０は、幅方向（ｘ方向）で隣り合うダミートレンチ２４の間に配置されている。トレンチゲート３０とダミートレンチ２４の間には、第１ボディ領域１２が配置されており、第２ボディ領域１０は配置されていない。第２ボディ領域１０は、ダミートレンチ２４とダミートレンチ２４の間に配置されている。第１ボディ領域１２及び第２ボディ領域１０は、ｙ方向に沿って素子領域の一端から他端まで連続して伸びている。

半導体装置１００の動作について説明する。コレクタ電極２に正電圧が印加されているとともにエミッタ電極１８が接地された状態で、トレンチゲート電極２８に閾値電圧よりも高い正電圧が印加されると、電子のチャネルがエミッタ領域１４とドリフト領域８を隔てている第１ボディ領域１２に形成され、半導体装置１００がオン状態となる。半導体装置１００のオン状態では、電子がエミッタ領域１４からドリフト領域８に注入され、ホールがコレクタ領域４からドリフト領域８に注入される。ドリフト領域８内に注入されたホールと電子によって伝動度変調が生じ、ドリフト領域８内の抵抗が小さくなる。

トレンチゲート電極２８に印加する電圧が閾値電圧よりも小さくなると、第１ボディ領域１２に形成されていた電子のチャネルが消失し、半導体装置１００はオフ状態となる。半導体装置１００がオフすると、ドリフト領域８内に蓄積していた電子がコレクタ電極２に排出され、ドリフト領域８に蓄積していたホールがエミッタ電極１８に排出される。半導体装置１００がオフすると、ボディ領域１３からドリフト領域８に向けて空乏層が伸び、その空乏化された領域でコレクタ電極２とエミッタ電極１８の間の電位差を負担する。

従来技術のように深い第２ボディ領域１０が形成されていない場合を考える。この場合、空乏化領域内の電位線分布が深いダミートレンチ近傍で屈曲し、電界強度が高くなる。一方、半導体装置１００では、深い第２ボディ領域１０がダミートレンチ２４に対応して設けられているので、空乏化領域内の電位線分布がダミートレンチ２４の近傍で屈曲する現象が抑えられ、電界強度が低くなる。これにより、ダミートレンチ２４の底部の電界集中が緩和され、ダミートレンチ２４の絶縁破壊が抑制され、半導体装置１００の耐圧が高くなる。

半導体装置１００はさらに、以下の特徴をも有する。上記したように、第２ボディ領域１０の深さＤ１０は、第１ボディ領域１２の深さＤ１２よりも深い。そのため、コレクタ領域４からドリフト領域８に注入されたホールは、第１ボディ領域１２よりも第２ボディ領域１０に移動しやすい。第１ボディ領域１２にホールが集中することが抑制されるので、ｎ型のエミッタ領域１４とｐ型の第１ボディ領域１２とｎ型のドリフト領域８の寄生ｎｐｎトランジスタが動作することが抑制され、ラッチアップの発生が抑制される。なお、第２ボディ領域１０側にホールが集中するが、第２ボディ領域１０には寄生ｎｐｎトランジスタが存在しないので、ラッチアップの発生が抑制される。

半導体装置１００では、ダミートレンチ２４の間にトレンチゲート３０が配置されている。そのため、半導体装置１００は、帰還容量（ゲート−コレクタ間容量）の一部をコレクタ−エミッタ間容量に置換することができる。そのため、半導体装置１００は、ダミートレンチ２４が配置されていない半導体装置に比べ、帰還容量が小さく、スイッチング速度が速い（スイッチング損失が小さい）。なお、ダミートレンチ２４の深さＤ２４をトレンチゲート３０の深さＤ３０に対して深くするほど、半導体装置１００の帰還容量が小さくなる。すなわち、ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０の差Ｄ３８が大きくなるほど、半導体装置１００の帰還容量が小さくなる。

また、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を短くするほど、半導体装置の帰還容量が小さくなる。特に、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を３μｍ以下とすれば、帰還容量を十分に小さくすることができる。但し、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を１μｍ以下にすると、第１ボディ領域１２からホールが排出されにくくなり、ラッチアップの問題が生じる。そのため、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔は、１μｍ〜３μｍであることが好ましい。

また、上記したように、ホールは、第１ボディ領域１２よりも第２ボディ領域１０に移動しやすい。そして、第２ボディ領域１０の最大不純物濃度は、第１ボディ領域１２の最大不純物濃度よりも薄い。第２ボディ領域１０のホールに対する抵抗が高いので、第２ボディ領域１０内に多くのホールを蓄積させることができ、オン電圧を低減することができる。さらに、第２ボディ領域１０は、深さ方向（ｚ方向）において不純物濃度が極大値を有する。この不純物分布によると、半導体層１６の表層部における第２ボディ領域１０の不純物濃度が極めて薄くなるので、第２ボディ領域１０の表層部からホールが抜けにくくなる。この結果、第２ボディ領域１０内に多くのホールを蓄積させることができ、オン電圧を低減することができる。

図４は、半導体装置１００について、ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０との差Ｄ３８を変化させたときの、耐圧に関するシミュレーション結果を示す。グラフの横軸は差Ｄ３８の長さ（μｍ）を示し、縦軸は半導体装置１００の耐圧（Ｖ）を示す。横軸の目盛０は、Ｄ２４＝Ｄ３０である場合であり、ダミートレンチ２４の深さとトレンチゲート３０の深さが等しいことを示す。曲線６０は第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３の結果を示し、曲線６２は第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３の結果を示す。曲線６４は比較例であり、第２ボディ領域１０が設けられていない例（すなわち、ボディ領域１３の深さが、第１ボディ領域１２の深さＤ１２で一定）である。なお、曲線６０及び６２で示す本実施例のシミュレーションでは、第２ボディ領域１０の深さＤ１０がダミートレンチ２４の深さＤ２４と同一とした（すなわち、ダミートレンチ２４が深くなれば、第２ボディ領域１０もそれに伴って深く設定されている）。また、本シミュレーションでは、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を０．５μｍとした。

曲線６４の比較例では、差Ｄ３８が大きくなるに従って耐圧が顕著に低下する。すなわち、トレンチゲート３０に対するダミートレンチ２４の深さが深くなるに従って耐圧が顕著に低下する。これは、ダミートレンチ２４がトレンチゲートよりも深くなることで、ダミートレンチ２４の底面に電界が集中し、ダミートレンチ２４のダミー絶縁膜２０が破壊されたことが原因である。一方、曲線６０及び６２の本実施例の半導体装置１００では、トレンチゲート３０に対するダミートレンチ２４の深さが深くなっても、耐圧の低下が抑えられている。これは、深い第２ボディ領域１０が設けられていることにより、ダミートレンチ２４の底部の電界集中が緩和されたからである。なお、曲線６０，曲線６２に示すように、第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が変化しても、半導体装置１００の耐圧に顕著な差はみられなかった。

図５は、半導体装置１００について、ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０との差Ｄ３８を変化させたときの、耐圧に関するシミュレーション結果を示す。グラフの横軸は差Ｄ３８の長さ（μｍ）を示し、縦軸は半導体装置１００の耐圧（Ｖ）を示す。曲線７１〜７６は、ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０との差Ｄ３８に対する、第２ボディ領域１０の深さＤ１０の割合が異なる。なお、本シミュレーションでも、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を０．５μｍとした。

曲線７１は、深さＤ１０が差Ｄ３８に対して１００％である。すなわち、第２ボディ領域１０の深さＤ１０がダミートレンチ２４の深さＤ２４と同じである。曲線７２は、深さＤ１０が差Ｄ３８に対して８０％である。曲線７３は、深さＤ１０が差Ｄ３８に対して６０％である。曲線７４は、深さＤ１０が差Ｄ３８に対して４０％である。曲線７５は、深さＤ１０が差Ｄ３８に対して２０％である。曲線７６は、深さＤ１０が差Ｄ３８に対して０％である。すなわち、第２ボディ領域１０の深さＤ１０が第１ボディ領域１２の深さＤ１２と同じである。これは、図１５に示す半導体装置９００の結果を示す。

曲線７１〜７６に示すように、差Ｄ３８に対する第２ボディ領域１０の深さＤ１０の割合が大きくなるほど（曲線７６，７５，７４，７３，７２，７１の順に）、耐圧が向上している。これは、第２ボディ領域１０の深さＤ１０がダミートレンチ２４の深さＤ２４に近づくに従って、ダミートレンチ２４近傍の電界強度が低くなることを示している。なお、差Ｄ３８に対する第２ボディ領域１０の深さＤ１０の割合が小さくなるほど（曲線７１，７２，７３，７４，７５，７６の順に）、差Ｄ３８の長さに伴って耐圧の低下が著しくなる。この結果より、耐圧の低下を抑制しつつトレンチゲート３０に対するダミートレンチ２４の深さを深くするためには、第２ボディ領域１０の深さＤ１０をダミートレンチ２４の深さＤ２４に近づけることが望ましい。第２ボディ領域１０の深さＤ１０をダミートレンチ２４の深さＤ２４に近づけるに従って、トレンチゲート３０に対するダミートレンチ２４の深さを深くでき、帰還容量を低減させることができる。なお、第２ボディ領域１０の深さＤ１０をダミートレンチ２４の深さＤ２４よりも深くすると、ダミートレンチ２４の底部が第２ボディ領域１０で覆われることがある。ダミートレンチ２４の底部が第２ボディ領域１０で覆われると、半導体装置１００の帰還容量を低減させることができない。そのため、第２ボディ領域１０の深さＤ１０は、ダミートレンチ２４の深さＤ２４以下であることが好ましい。

図６は、図６の横軸の数値（差Ｄ３８）が３μｍのときの、差Ｄ３８に対する第２ボディ領域１０の深さＤ１０の割合と、半導体装置１００の耐圧との関係を示す。グラフの横軸は、差Ｄ３８に対する深さＤ１０の割合（％）を示している。縦軸は、半導体装置１００の耐圧（Ｖ）を示している。図５で説明したように、差Ｄ３８に対する深さＤ１０の割合が大きくなるほど、半導体装置１００の耐圧の耐圧が高くなる。なお、差Ｄ３８（ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０との差）が３μｍ以上になると、帰還容量の低減が顕著となる。そのことについては、図８に示すシミュレーション結果で後述する。

図７は、半導体装置１００について、ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０との差Ｄ３８を変化させたときの、オン電圧に関するシミュレーション結果を示す。グラフの横軸は差Ｄ３８の長さ（μｍ）を示し、縦軸は半導体装置１００に流れる電流が２００Ａのときのオン電圧（Ｖ）を示す。曲線５０は第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３の結果を示し、曲線５２は第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３の結果を示し、曲線５０は第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３の結果を示す。なお、本シミュレーションでは、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を０．５μｍとした。また、第２ボディ領域１０の深さＤ１０は、ダミートレンチ２４の深さＤ２４と同一とした。

曲線５０，５２，５４が示すとおり、第２ボディ領域１０の最大不純物濃度を薄くするほど、オン電圧が低下した。これは、第２ボディ領域１０の最大不純物濃度を薄くすれば、ホールが第２ボディ領域１０内に蓄積され易くなることを示す。上記したように、第１ボディ領域１０の最大不純物濃度はおよそ２×１０^１７ｃｍ^−３である。第２ボディ領域１０の最大不純物濃度を第１ボディ領域１０の最大不純物濃度よりも薄くすることにより、半導体装置１００のオン電圧を低減させることができる。

第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が濃いほど（曲線５０，５２，５４の順に）、差Ｄ３８が大きくなるに従って、オン電圧が上昇する傾向がみられる。換言すると、第２ボディ領域１０の最大不純物濃度が薄いほど、オン電圧を低く維持しつつ、ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０との差Ｄ３８を大きくすることができる。

図８に、ダミートレンチ２４の深さＤ２４とトレンチゲート３０の深さＤ３０との差Ｄ３８を変化させたときの、半導体装置の帰還容量に関するシミュレーション結果を示す。なお、本シミュレーションは、図１６に示す半導体装置９００についての結果を示す。グラフの横軸は、差Ｄ３８の長さ（μｍ）を示す。グラフの縦軸は、半導体装置９００の帰還容量（ｎＦ）を示す。曲線４０がオン電圧を示し、曲線４２が帰還容量を示す。なお、本シミュレーションでも、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を０．５μｍとした。なお、半導体装置９００は、深さが一定のボディ領域９１３が半導体層９１６の表層部に形成されている。

図８に示すように、差Ｄ３８が長くなるほど、半導体装置９００の帰還容量が小さくなる。特に、差Ｄ３８が０μｍから１μｍに変化する間は、帰還容量の低下が著しい。差Ｄ３８が１μｍを越えると、帰還容量の低下はなだらかになる。そのため、差Ｄ３８が１μｍ以上であれば、十分に帰還容量を低減することができる。図８のグラフから、特に、差Ｄ３８が３μｍ以上になると、帰還容量の低減が顕著となる。

図９を参照し、半導体装置２００について説明する。半導体装置２００は半導体装置１００の変形例であり、半導体装置１００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置２００では、第２ボディ領域１０上に、ｎ^＋型のキャリア蓄積層３３が選択的に設けられている。キャリア蓄積層３３のｙ方向の長さは、エミッタ領域１４のｙ方向の長さと同じである。また、キャリア蓄積層３３の不純物濃度は、エミッタ領域１４の不純物濃度と同じである。そのため、キャリア蓄積層３３は、エミッタ領域１４と共通の製造工程で同時に形成してもよい。

半導体装置２００では、キャリア蓄積層３３が、第２ボディ領域１０内のホールが半導体装置２００外に排出されることを阻害する。そのため、半導体装置１００に比べ、第２ボディ領域１０内にホールを多く蓄積することができる。半導体装置２００は、半導体装置１００よりもオン電圧を小さくすることができる。なお、第２ボディ領域１０内にホールが蓄積されることにより、ｎ^＋型のキャリア蓄積層３３とｐ型の第２ボディ領域１０とｎ型のドリフト領域８の寄生トランジスタが動作すると思われるかもしれない。しかしながら、第２ボディ領域１０は、第１ボディ領域１２よりも深く形成されており、キャリア蓄積層３３とドリフト領域８の距離が離れている。そのため、第２ボディ領域１０内にホールが蓄積されても、ラッチアップが発生し易くなることはない。

図１０を参照し、半導体装置３００について説明する。半導体装置３００は半導体装置２００の変形例であり、半導体装置２００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置３００は、キャリア蓄積層３３ａのｙ方向の長さが、エミッタ領域１４のｙ方向の長さよりも長い。半導体装置３００は、半導体装置２００よりもキャリア蓄積層３３ａの面積が大きく、半導体装置２００よりもオン電圧を小さくすることができる。

上記実施例２及び３において、第２ボディ領域１０の表層部に注入されるｐ型不純物（ホウ素）の濃度を、ドリフト領域８に含まれているｎ型不純物（リン）の濃度よりも薄くすることにより、第２ボディ領域１０の表層部にキャリア蓄積層３３，３３ａを形成してもよい。その場合、キャリア蓄積層３３，３３ａのｎ型不純物の濃度が、エミッタ領域１４のｎ型不純物の濃度と異なることがある。

図１１を参照し、半導体装置４００について説明する。半導体装置４００は半導体装置１００又は２００の変形例であり、半導体装置１００，２００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置４００では、絶縁膜３４が、第２ボディ領域１０の表面を覆っている。そのため、第２ボディ領域１０とエミッタ電極１８（図１を参照）との間が絶縁される。絶縁膜３４によって、第２ボディ領域１０内のホールが半導体装置４００外に排出されることを物理的に阻害することができる。半導体装置４００は、半導体装置１００よりもオン電圧を小さくすることができる。

図１２を参照し、半導体装置５００について説明する。半導体装置５００は半導体装置４００の変形例であり、半導体装置４００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置５００では、第２ボディ領域１０上の絶縁膜３４の一部に開口３６が設けられている。そのため、第２ボディ領域１０の一部がエミッタ電極１８（図１を参照）に接触して電気的に接続することができる。半導体装置４００（図１１を参照）のように第２ボディ領域１０の表面を絶縁膜３４で覆っても、実際には、第２ボディ領域１０とエミッタ電極１８との間に部分的な電流経路が確保される。絶縁膜３４の一部に開口３６を設けると、その電流経路の位置を制御することができ、エミッタ電極１８の電位を全体的に均一にすることができる。それにより、第２ボディ領域１０の電位を固定することができ、半導体装置５００のスイッチング動作を安定させることができる。なお、開口３６のサイズを調整することにより、第２ボディ領域１０に蓄積されるホール量を調整することができる。半導体装置５００は、第２ボディ領域１０におけるホールの蓄積と排出のバランスをとることにより、オン抵抗を小さく維持しつつスイッチング動作を安定させることができる。

図１３を参照し、半導体装置６００について説明する。半導体装置６００は半導体装置１００の変形例であり、半導体装置１００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置６００では、ダミートレンチ２４ａが、ｙ方向において素子領域の一端から他端まで連続していない。換言すると、ｙ方向において、ダミートレンチ２４ａの一部が分断されている。これにより、第１ボディ領域１２と第２ボディ領域１０が、ｙ方向において部分的に連結される。半導体装置１００の微細化を推し進めると、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔が狭くなりすぎることがある。前述したように、半導体装置１００では、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔を１μｍ以下にすると、第１ボディ領域１２からホールが排出されにくくなる。その結果、第１ボディ領域１２内にホールが過剰に蓄積し、第１ボディ領域１２の電位が不安定になることがある。

半導体装置６００は、ダミートレンチ２４とトレンチゲート３０のｘ方向の間隔が狭くなっても、第１ボディ領域１２内のホールを第２ボディ領域１０から排出することができる。そのため、第１ボディ領域１２内にホールが過剰に蓄積することを抑制することができる。また、第１ボディ領域１２の電位を固定し、スイッチング動作を安定させることもできる。半導体装置６００は、第２ボディ領域１０におけるホールの蓄積と排出のバランスをとることにより、オン抵抗を小さく維持しつつスイッチング動作を安定させることができる。なお、ｙ方向においてダミートレンチ２４ａの一部を分断する技術は、トレンチゲート３０とダミートレンチ２４の間ｘ方向の間隔が１μｍ以下のときに特に有用である。

図１４を参照し、半導体装置７００について説明する。半導体装置７００は半導体装置２００の変形例であり、半導体装置２００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置７００では、ダミートレンチ２４ｂのｙ方向の長さが、トレンチゲート３０のｙ方向の長さよりも短い。これにより、第１ボディ領域１２と第２ボディ領域１０が、ｙ方向において部分的に連結される。半導体装置７００は、半導体装置６００と同様に、トレンチゲート３０とダミートレンチ２４ｂの間隔が狭くなっても、第１ボディ領域１２の電位を固定し、スイッチング動作を安定させることができる。半導体装置７００も、第２ボディ領域１０におけるホールの蓄積と排出のバランスをとることにより、オン抵抗を小さく維持しつつスイッチング動作を安定させることができる。なお、ｙ方向におけるダミートレンチ２４ｂの長さをトレンチゲート３０の長さよりも短くする技術も、トレンチゲート３０とダミートレンチ２４の間ｘ方向の間隔が１μｍ以下のときに特に有用である。

図１５を参照し、半導体装置８００について説明する。半導体装置８００は半導体装置４００又は６００の変形例であり、半導体装置４００及び６００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置８００では、ｙ方向においてダミートレンチ２４の一部が分断されており、さらに、隣り合うダミートレンチ２４ｂの間において第２ボディ領域１０の表面に絶縁膜３４ａが設けられている。換言すると、半導体装置８００は、半導体装置４００のダミートレンチ２４及び絶縁膜３４を、ｙ方向において分断している。半導体装置８００も、半導体装置６００及び７００と同様に、トレンチゲート３０とダミートレンチ２４ｂの間隔が狭くなっても、第１ボディ領域１２の電位を固定し、スイッチング動作を安定させることができる。半導体装置８００も、第２ボディ領域１０におけるホールの蓄積と排出のバランスをとることにより、オン抵抗を小さく維持しつつスイッチング動作を安定させることができる。なお、ダミートレンチ２４及び絶縁膜３４をｙ方向において分断する技術も、トレンチゲート３０とダミートレンチ２４の間ｘ方向の間隔が１μｍ以下のときに特に有用である。

上記実施例では、半導体材料にシリコンを用いた半導体装置を例にして説明した。しかしながら、本明細書で開示される技術は、シリコン以外の半導体材料、例えば、窒化ガリウム、炭化珪素、ガリウム砒素等の化合物半導体を用いた半導体装置にも有用である。

上記実施例では、第２ボディ領域は、ダミートレンチの側面に沿ってストライプ状に伸びている。第２ボディ領域は、ダミートレンチの側面に部分的に設けられていてもよい。例えば、ｙ方向において、第１ボディ領域と第２ボディ領域とを交互に設けてもよい。

上記実施例では、ダミートレンチとトレンチゲートの間には、第１ボディ領域が設けられている。ダミートレンチの側面からダミートレンチとトレンチゲートの中間まで第２ボディ領域を設け、その中間からトレンチゲートの側面まで第１ボディ領域を設けてもよい。ダミートレンチの両側面に第２ボディ領域が配置されるので、ダミートレンチの底部の電界集中がより緩和される。

上記実施例の半導体装置は、第２ボディ領域１０の深さＤ１０が、第１ボディ領域１２の深さＤ１２よりも深いという共通の特徴を有している。半導体装置内の全ての領域において、この共通した特徴が用いられていなくてもよい。例えば、半導体装置の中心領域にだけ上記実施例の特徴を採用し、半導体装置の周辺領域では上記実施例の特徴を採用しなくてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。また、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合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合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の目的を同時に達成し得るものであり、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。

２：コレクタ電極（主電極）
３：第２主面
１０：第２ボディ領域
１２：第１ボディ領域
１３：ボディ領域
１４：エミッタ領域（第１半導体領域）
１６：半導体層
１７：第１主面
２４：ダミートレンチ
３０：トレンチゲート
３２，３２ａ：キャリア蓄積層
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００：半導体装置

Claims (5)

1. 第１主面と第２主面を有する半導体層と、
   前記半導体層の前記第１主面上に設けられている主電極と、
   前記半導体層の前記第１主面から前記第２主面に向けて伸びているトレンチゲートと、
   前記半導体層の前記第１主面から前記第２主面に向けて伸びているとともに、前記トレンチゲートよりも深い位置まで伸びているダミートレンチと、を備えており、
   前記半導体層は、第１導電型のボディ領域と、そのボディ領域上に選択的に設けられているともに主電極に電気的に接続される第２導電型の第１半導体領域とを有し、
   前記ボディ領域は、第１深さの第１ボディ領域と、その第１深さよりも深い第２深さの第２ボディ領域とを有し、
   前記第１ボディ領域は、前記トレンチゲートの側面に接しており、
   前記第２ボディ領域は、前記ダミートレンチの側面の少なくとも一部に接しており、
   前記第１半導体領域は、前記トレンチゲートの側面に接している半導体装置。
2. 前記第２ボディ領域の底面が、深さ方向に観測したときに、前記トレンチゲートの底面と前記ダミートレンチの底面の間に位置する請求項１に記載の半導体装置。
3. 深さ方向における前記第２ボディ領域の最大不純物濃度が、深さ方向における前記第１ボディ領域の最大不純物濃度よりも薄い請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 深さ方向における前記第２ボディ領域の不純物濃度が、極大値を有する請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記半導体層は、第２導電型のキャリア蓄積層をさらに有しており、
   前記キャリア蓄積層は、前記第２ボディ領域上に設けられており、
   前記主電極と前記ダミートレンチが電気的に接続されている請求項４に記載の半導体装置。

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