JP2016225560A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置をターンオンしたときの２段オン現象を抑制できる技術を提供する。
【解決手段】ＩＧＢＴ領域３は、ドリフト領域１３の表面側に形成されているｐ型のボトムボディ領域１４と、ボトムボディ領域１４の表面側に形成されているｎ型のバリア領域１５と、バリア領域１５の表面側に形成されているｐ型のトップボディ領域１６を備えている。ダイオード領域４は、ドリフト領域１３の表面側に形成されているｐ型のボトムアノード領域２２と、ボトムアノード領域２２の表面側に形成されているｎ型のバリア領域２５と、バリア領域２５の表面側に形成されているｐ型のトップアノード領域２３を備えている。ダイオード領域４は、半導体基板２の表面からトップアノード領域２３を貫通してバリア領域２５に達する位置まで延びており、表面電極５とバリア領域２５に接続されているｎ型のピラー領域２０を備えている。トップボディ領域１６の不純物濃度がボトムアノード領域２２の不純物濃度より低い。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。
特許文献１に開示されている半導体装置は、図８に示すように、半導体基板１０２と、半導体基板１０２の表面に形成されている金属からなる表面電極１０５を備えている。半導体基板１０２は、ＩＧＢＴ領域１０３とダイオード領域１０４を備えている。表面電極１０５は、例えばチタン（Ｔｉ）等のバリアハイトが低い金属から形成されている。
ＩＧＢＴ領域１０３は、ｎ型のドリフト領域１１３と、ドリフト領域１１３の表面側に形成されているｐ型のボトムボディ領域１１４と、ボトムボディ領域１１４の表面側に形成されているｎ型のバリア領域１１５と、バリア領域１１５の表面側に形成されているｐ型のトップボディ領域１１６と、トップボディ領域１１６の表面側に形成されているｎ型のエミッタ領域１１７を備えている。また、ＩＧＢＴ領域１０３は、半導体基板１０２の表面からトップボディ領域１１６を貫通してバリア領域１１５に達する位置まで延びており、表面電極１０５とバリア領域１１５に接続されているｎ型のピラー領域１２０を備えている。表面電極１０５とピラー領域１２０がショットキー接続している。また、ＩＧＢＴ領域１０３は、半導体基板１０２の表面からエミッタ領域１１７とトップボディ領域１１６とバリア領域１１５とボトムボディ領域１１４を貫通してドリフト領域１１３に達する位置まで延びているゲートトレンチ１３０を備えている。
ダイオード領域１０４は、ｎ型のドリフト領域１１３と、ドリフト領域１１３の表面側に形成されているｐ型のボトムアノード領域１２２と、ボトムアノード領域１２２の表面側に形成されているｎ型のバリア領域１２５と、バリア領域１２５の表面側に形成されているｐ型のトップアノード領域１２３を備えている。また、ダイオード領域１０４は、半導体基板１０２の表面からトップアノード領域１２３を貫通してバリア領域１２５に達する位置まで延びており、表面電極１０５とバリア領域１２５に接続されているｎ型のピラー領域１２０を備えている。表面電極１０５とピラー領域１２０がショットキー接続している。また、ダイオード領域１０４は、半導体基板１０２の表面からトップアノード領域１２３とバリア領域１２５とボトムアノード領域１２２を貫通してドリフト領域１１３に達する位置まで延びているゲートトレンチ１３０を備えている。
特許文献１の半導体装置をターンオンすると、ゲートトレンチ１３０に接する範囲のボトムボディ領域１１４とトップボディ領域１１６のそれぞれにチャネルが形成される。そして、電子が、表面電極１０５から、エミッタ領域１１７、トップボディ領域１１６に形成されたチャネル、バリア領域１１５、及び、ボトムボディ領域１１４に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１１３に流れる。また、半導体装置をターンオンすると、ゲートトレンチ１３０に接する範囲のボトムアノード領域１２２にもチャネルが形成される。
特開２０１３−０４８２３０号公報
上記のような半導体装置において、半導体基板１０２に各領域を形成するときは、一般的に、半導体基板１０２にｐ型又はｎ型の不純物を注入する。よって、半導体基板１０２にボトムボディ領域１１４とトップボディ領域１１６のそれぞれを形成するときは、ボトムボディ領域１１４とトップボディ領域１１６のそれぞれに対応する位置にｐ型の不純物を注入する。また、半導体基板１０２にボトムアノード領域１２２とトップアノード領域１２３のそれぞれを形成するときは、ボトムアノード領域１２２とトップアノード領域１２３のそれぞれに対応する位置にｐ型の不純物を注入する。
ＩＧＢＴ領域１０３のボトムボディ領域１１４とトップボディ領域１１６を形成するために半導体基板１０２に不純物を注入する際、ボトムボディ領域１１４の位置がトップボディ領域１１６の位置よりも深い位置にあるので、ボトムボディ領域１１４の位置に不純物を注入する方が、トップボディ領域１１６の位置に不純物を注入するよりも難くなっている。したがって、半導体基板１０２に不純物を注入してボトムボディ領域１１４とトップボディ領域１１６を形成すると、通常は、ボトムボディ領域１１４の不純物濃度がトップボディ領域１１６の不純物濃度より低くなる。
また、ダイオード領域１０４のボトムアノード領域１２２とＩＧＢＴ領域１０３のトップボディ領域１１６を比較すると、ボトムアノード領域１２２の位置がトップボディ領域１１６の位置よりも深い位置にあるので、ボトムアノード領域１２２の位置に不純物を注入する方が、トップボディ領域１１６の位置に不純物を注入するよりも難くなっている。したがって、半導体基板１０２に不純物を注入してボトムアノード領域１２２とトップボディ領域１１６を形成すると、通常は、ボトムアノード領域１２２の不純物濃度がトップボディ領域１１６の不純物濃度より低くなる。
また、一般的に、半導体基板１０２に不純物を注入するときに注入深さがばらつき難いトップボディ領域１１６の不純物濃度を高くすることによって、半導体装置をターンオンするときの閾値電圧がトップボディ領域１１６によって決定されるようにしている。
ＩＧＢＴ領域１０３のボトムボディ領域１１４の不純物濃度がトップボディ領域１１６の不純物濃度より低いと、ボトムボディ領域１１４にチャネルを形成するための閾値が、トップボディ領域１１６にチャネルを形成するための閾値よりも低くなる。したがって、半導体装置をターンオンすると、トップボディ領域１１６よりも先にボトムボディ領域１１４にチャネルが形成される。ボトムボディ領域１１４に先にチャネルが形成されると、図８に矢印Ｑ１１で示すように、ＩＧＢＴ領域１０３において、電子が、表面電極１０５から、ピラー領域１２０、バリア領域１１５、及び、ボトムボディ領域１１４に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１１３に流れる。すなわち、電子が、トップボディ領域１１６を迂回して流れる。その後、トップボディ領域１１６にチャネルが形成されると、図８に矢印Ｑ２で示すように、電子が、表面電極１０５から、エミッタ領域１１７、トップボディ領域１１６に形成されたチャネル、バリア領域１１５、及び、ボトムボディ領域１１４に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１１３に流れる。すなわち、電子が、トップボディ領域１１６を迂回せずに流れる。
また、ダイオード領域１０４のボトムアノード領域１２２とＩＧＢＴ領域１０３のトップボディ領域１１６を比較したときに、ボトムアノード領域１２２の不純物濃度がトップボディ領域１１６の不純物濃度より低いと、ボトムアノード領域１２２にチャネルを形成するための閾値が、トップボディ領域１１６にチャネルを形成するための閾値よりも低くなる。したがって、半導体装置をターンオンすると、トップボディ領域１１６よりも先にボトムアノード領域１２２にチャネルが形成される。ボトムアノード領域１２２に先にチャネルが形成されると、図８に矢印Ｑ１２で示すように、ダイオード領域１０４において、電子が、表面電極１０５から、ピラー領域１２０、バリア領域１２５、及び、ボトムアノード領域１２２に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１１３に流れる。すなわち、電子が、トップボディ領域１１６とは異なる領域で流れる。その後、トップボディ領域１１６にチャネルが形成されると、図８に矢印Ｑ２で示すように、ＩＧＢＴ領域１０３において、電子が、表面電極１０５から、エミッタ領域１１７、トップボディ領域１１６に形成されたチャネル、バリア領域１１５、及び、ボトムボディ領域１１４に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１１３に流れる。すなわち、電子が、トップボディ領域１１６を迂回せずに流れる。
このように、半導体装置をターンオンしたときに、第１段階として電子がトップボディ領域１１６を迂回して流れ、その後、第２段階として電子がトップボディ領域１１６を迂回せずに流れる。これによって、電子が２段階で流れるので、図９に示すように、ゲート電圧Ｖｇの増加に対して電流Ｉｃが２段階で増加してしまい、いわゆる２段オンと呼ばれている現象が生じてしまう。このような２段オン現象は、誤作動、ノイズ及び不良品判断ミス等の原因になる。
また、上記の半導体装置では、ＩＧＢＴ領域１０３にピラー領域１２０が形成されていたが、ＩＧＢＴ領域１０３にピラー領域１２０が形成されていない構成でも同様の問題が生じていた。この構成では、半導体装置をターンオンすると、ＩＧＢＴ領域１０３のトップボディ領域１１６よりも先にダイオード領域１０４のボトムアノード領域１２２にチャネルが形成され、図８に示す矢印Ｑ１２と同様に、ダイオード領域１０４において、電子が、表面電極１０５から、ピラー領域１２０、バリア領域１２５、及び、ボトムアノード領域１２２に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１１３に流れる。その後、トップボディ領域１１６にチャネルが形成されると、図８に示す矢印Ｑ２と同様に、ＩＧＢＴ領域１０３において、電子が、表面電極１０５から、エミッタ領域１１７、トップボディ領域１１６に形成されたチャネル、バリア領域１１５、及び、ボトムボディ領域１１４に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１１３に流れる。このように、電子が２段階で流れ、２段オン現象が生じてしまう。
そこで本明細書は、半導体装置をターンオンしたときの２段オン現象を抑制できる技術を提供する。
本明細書に開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面に形成されている金属からなる表面電極を備えている。半導体基板は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域を備えている。ＩＧＢＴ領域は、ｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域の表面側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、ボトムボディ領域の表面側に形成されているｎ型のバリア領域と、バリア領域の表面側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、トップボディ領域の表面側に形成されているｎ型のエミッタ領域を備えている。また、ＩＧＢＴ領域は、半導体基板の表面からエミッタ領域とトップボディ領域とバリア領域とボトムボディ領域を貫通してドリフト領域に達する位置まで延びているゲートトレンチを備えている。ダイオード領域は、ｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域の表面側に形成されているｐ型のボトムアノード領域と、ボトムアノード領域の表面側に形成されているｎ型のバリア領域と、バリア領域の表面側に形成されているｐ型のトップアノード領域を備えている。また、ダイオード領域は、半導体基板の表面からトップアノード領域を貫通してバリア領域に達する位置まで延びており、表面電極とバリア領域に接続されているｎ型のピラー領域を備えている。また、ダイオード領域は、半導体基板の表面からトップアノード領域とバリア領域とボトムアノード領域を貫通してドリフト領域に達する位置まで延びているゲートトレンチを備えている。この半導体装置では、トップボディ領域の不純物濃度がボトムアノード領域の不純物濃度より低い。
このような構成によれば、ＩＧＢＴ領域のトップボディ領域の不純物濃度がダイオード領域のボトムアノード領域の不純物濃度より低いので、トップボディ領域にチャネルを形成するための閾値が、ボトムアノード領域にチャネルを形成するための閾値がよりも低くなる。したがって、半導体装置をターンオンすると、ダイオード領域のボトムアノード領域よりも先にＩＧＢＴ領域のトップボディ領域にチャネルが形成され、その後、ボトムアノード領域にチャネルが形成される。また、ＩＧＢＴ領域のボトムボディ領域にもチャネルが形成される。そして、ＩＧＢＴ領域において、電子が、表面電極から、エミッタ領域、トップボディ領域に形成されたチャネル、バリア領域、及び、ボトムボディ領域に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域に流れる。これによって、上述の従来技術のようにトップボディ領域よりも先にボトムアノード領域にチャネルが形成されることがないので、電子がトップボディ領域を迂回して流れることがなく、電子が２段階で流れることがない。したがって、半導体装置をターンオンしたときの２段オン現象を抑制できる。
実施例に係る半導体装置の断面図である。 ボトムボディ領域における不純物濃度の分布とトップボディ領域における不純物濃度の分布を模式的に示す図である。 ボトムアノード領域における不純物濃度の分布とトップアノード領域における不純物濃度の分布を模式的に示す図である。 ボトムアノード領域における不純物濃度の分布とトップボディ領域における不純物濃度の分布を模式的に示す図である。 実施例に係る半導体装置の上面図である。 実施例に係る半導体装置のＩｃ−Ｖｇ特性を示す図である。 他の実施例に係る半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置のＩｃ−Ｖｇ特性を示す図である。
図１に示すように、実施例に係る半導体装置１は、半導体基板２と、半導体基板２の表面５０に形成されている表面電極５と、半導体基板２の裏面６０に形成されている裏面電極６を備えている。
半導体基板２は、ＩＧＢＴ領域３とダイオード領域４を備えている。ＩＧＢＴ領域３とダイオード領域４は、隣接して形成されている。ＩＧＢＴ領域３とダイオード領域４は、横方向（ｘ方向）に並んで形成されている。半導体基板２には半導体素子が形成されている。半導体基板２のＩＧＢＴ領域３にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が形成されている。半導体基板２のダイオード領域４にＦＷＤ（Free Wheeling Diode）が形成されている。同一の半導体基板２にＩＧＢＴとＦＷＤが形成されている。ＩＧＢＴとＦＷＤは、逆並列の状態で形成されている。これによって、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）が形成されている。
表面電極５と裏面電極６は、例えばチタン（Ｔｉ）、アルミシリコン（ＡｌＳｉ）、又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属から形成されている。表面電極５は、半導体基板２の表面５０を覆っている。裏面電極６は、半導体基板２の裏面６０を覆っている。表面電極５と裏面電極６のそれぞれは、半導体基板２のＩＧＢＴ領域３とダイオード領域４にわたって形成されている。
半導体基板２のＩＧＢＴ領域３には、裏面６０側から表面５０側に向かって順に、コレクタ領域１１、バッファ領域１２、ドリフト領域１３、ボトムボディ領域１４、バリア領域１５、トップボディ領域１６、エミッタ領域１７、及び、ボディコンタクト領域１８が形成されている。また、半導体基板２のダイオード領域４には、裏面６０側から表面５０側に向かって順に、カソード領域２１、バッファ領域１２、ドリフト領域１３、ボトムアノード領域２２、バリア領域２５、トップアノード領域２３、及び、アノードコンタクト領域２４が形成されている。バッファ領域１２とドリフト領域１３は、ＩＧＢＴ領域３とダイオード領域４に共通して形成されている。また、半導体基板２には、複数のピラー領域２０が形成されている。また、半導体基板２には、複数のゲートトレンチ３０が形成されている。
［ＩＧＢＴ領域３］
コレクタ領域１１は、ｐ型の領域である。コレクタ領域１１は、不純物濃度が高い。コレクタ領域１１は、ドリフト領域１３の裏面側に形成されている。コレクタ領域１１は、半導体基板２の裏面６０に露出する範囲に形成されている。コレクタ領域１１は、裏面電極６にオーミック接触する。
バッファ領域１２は、ｎ型の領域である。バッファ領域１２は、コレクタ領域１１の表面側に形成されている。バッファ領域１２は、コレクタ領域１１とドリフト領域１３の間に形成されている。
ドリフト領域１３は、ｎ型の領域である。ドリフト領域１３の不純物濃度は、バッファ領域１２の不純物濃度より低い。ドリフト領域１３は、バッファ領域１２の表面側に形成されている。ドリフト領域１３は、バッファ領域１２とボトムボディ領域１４の間に形成されている。
ボトムボディ領域１４は、ｐ型の領域である。ボトムボディ領域１４の不純物濃度は、コレクタ領域１１の不純物濃度より低い。ボトムボディ領域１４は、ドリフト領域１３の表面側に形成されている。ボトムボディ領域１４は、ドリフト領域１３とバリア領域１５の間に形成されている。ボトムボディ領域１４は、ゲートトレンチ３０に接する範囲に形成されている。ゲートトレンチ３０内のゲート電極３２がオン電位になると、ゲートトレンチ３０に接するボトムボディ領域１４にチャネルが形成される。
バリア領域１５は、ｎ型の領域である。バリア領域１５の不純物濃度は、ドリフト領域１３の不純物濃度より高い。バリア領域１５は、ボトムボディ領域１４の表面側に形成されている。バリア領域１５は、ボトムボディ領域１４とトップボディ領域１６の間に形成されている。バリア領域１５は、ゲートトレンチ３０に接する範囲に形成されている。
トップボディ領域１６は、ｐ型の領域である。トップボディ領域１６は、バリア領域１５の表面側に形成されている。トップボディ領域１６は、バリア領域１５とエミッタ領域１７及びボディコンタクト領域１８との間に形成されている。トップボディ領域１６は、ゲートトレンチ３０に接する範囲に形成されている。ゲートトレンチ３０内のゲート電極３２がオン電位になると、ゲートトレンチ３０に接するトップボディ領域１６にチャネルが形成される。
トップボディ領域１６の不純物濃度は、ボトムボディ領域１４の不純物濃度より低い（ボトムボディ領域１４の不純物濃度がトップボディ領域１６の不純物濃度より高い）。トップボディ領域１６の不純物濃度とボトムボディ領域１４の不純物濃度の比較は、例えば平均不純物濃度の対比によって行うことができる。各領域に不純物を注入するときのエネルギーを調整することによって、トップボディ領域１６の不純物濃度とボトムボディ領域１４の不純物濃度を調整することができる。
ボトムボディ領域１４内には、不純物の濃度分布がある。図２に示すように、半導体基板２を断面視したときにボトムボディ領域１４内には相対的に不純物濃度が高い部分と低い部分がある。また、トップボディ領域１６内にも、不純物の濃度分布がある。図２に示すように、半導体基板２を断面視したときにトップボディ領域１６内にも相対的に不純物濃度が高い部分と低い部分がある。ボトムボディ領域１４における不純物濃度の分布範囲とトップボディ領域１６における不純物濃度の分布範囲は、重なり合わない。すなわち、トップボディ領域１６における不純物濃度が最も高い部分における不純物濃度ＴＢが、ボトムボディ領域１４における不純物濃度が最も低い部分における不純物濃度ＢＢより低い。
エミッタ領域１７は、ｎ型の領域である。エミッタ領域１７の不純物濃度は、バリア領域１５の不純物濃度より高い。エミッタ領域１７は、トップボディ領域１６の表面側に形成されている。エミッタ領域１７は、ゲートトレンチ３０に接する範囲に形成されている。エミッタ領域１７は、半導体基板２の表面５０に露出する範囲に島状に形成されている。エミッタ領域１７は、表面電極５にオーミック接触する。
ボディコンタクト領域１８は、ｐ型の領域である。ボディコンタクト領域１８の不純物濃度は、トップボディ領域１６の不純物濃度より高い。ボディコンタクト領域１８は、トップボディ領域１６の表面側に形成されている。ボディコンタクト領域１８は、半導体基板２の表面５０に露出する範囲に島状に形成されている。ボディコンタクト領域１８は、表面電極５にオーミック接触する。
［ダイオード領域４］
カソード領域２１は、ｎ型の領域である。カソード領域２１の不純物濃度は、バッファ領域１２の不純物濃度より高い。カソード領域２１は、バッファ領域１２の裏面側に形成されている。カソード領域２１は、半導体基板２の裏面６０に露出する範囲に形成されている。カソード領域２１は、裏面電極６にオーミック接触する。
バッファ領域１２は、カソード領域２１の表面側に形成されている。バッファ領域１２は、カソード領域２１とドリフト領域１３の間に形成されている。ドリフト領域１３は、バッファ領域１２とバリア領域２５の間に形成されている。バッファ領域１２とドリフト領域１３は、ＩＧＢＴ領域３とダイオード領域４にわたって形成されている。 ボトムアノード領域２２は、ｐ型の領域である。ボトムアノード領域２２の不純物濃度は、ボトムボディ領域１４の不純物濃度と同等である。ボトムアノード領域２２は、ドリフト領域１３の表面側に形成されている。ボトムアノード領域２２は、ドリフト領域１３とバリア領域２５の間に形成されている。ボトムアノード領域２２は、ゲートトレンチ３０に接する範囲に形成されている。ゲートトレンチ３０内のゲート電極３２がオン電位になると、ゲートトレンチ３０に接するボトムアノード領域２２にチャネルが形成される。
バリア領域２５は、ｎ型の領域である。バリア領域２５の不純物濃度は、ドリフト領域１３の不純物濃度より高い。バリア領域２５は、ボトムアノード領域２２の表面側に形成されている。バリア領域２５は、ボトムアノード領域２２とトップアノード領域２３の間に形成されている。バリア領域２５は、ゲートトレンチ３０に接する範囲に形成されている。
トップアノード領域２３は、ｐ型の領域である。トップアノード領域２３の不純物濃度は、トップボディ領域１６の不純物濃度と同等である。トップアノード領域２３は、バリア領域２５の表面側に形成されている。トップアノード領域２３は、バリア領域２５とアノードコンタクト領域２４の間に形成されている。トップアノード領域２３は、ゲートトレンチ３０に接する範囲に形成されている。
トップアノード領域２３の不純物濃度は、ボトムアノード領域２２の不純物濃度より低い（ボトムアノード領域２２の不純物濃度がトップアノード領域２３の不純物濃度より高い）。トップアノード領域２３の不純物濃度とボトムアノード領域２２の不純物濃度の比較は、例えば平均不純物濃度の対比によって行うことができる。各領域に不純物を注入するときのエネルギーを調整することによって、トップアノード領域２３の不純物濃度とボトムアノード領域２２の不純物濃度を調整することができる。
ボトムアノード領域２２内には、不純物の濃度分布がある。図３に示すように、半導体基板２を断面視したときにボトムアノード領域２２内には相対的に不純物濃度が高い部分と低い部分がある。また、トップアノード領域２３内にも、不純物の濃度分布がある。図３に示すように、半導体基板２を断面視したときにトップアノード領域２３内にも相対的に不純物濃度が高い部分と低い部分がある。ボトムアノード領域２２における不純物濃度の分布範囲とトップアノード領域２３における不純物濃度の分布範囲は、重なり合わない。すなわち、トップアノード領域２３における不純物濃度が最も高い部分における不純物濃度ＴＡが、ボトムボディ領域１４における不純物濃度が最も低い部分における不純物濃度ＢＡより低い。
また、ＩＧＢＴ領域３におけるトップボディ領域１６の不純物濃度と、ダイオード領域４におけるボトムアノード領域２２の不純物濃度とを比較すると、トップボディ領域１６の不純物濃度は、ボトムアノード領域２２の不純物濃度より低い（ボトムアノード領域２２の不純物濃度がトップボディ領域１６の不純物濃度より高い）。トップボディ領域１６の不純物濃度とボトムアノード領域２２の不純物濃度の比較は、例えば平均不純物濃度の対比によって行うことができる。各領域に不純物を注入するときのエネルギーを調整することによって、トップボディ領域１６の不純物濃度とボトムアノード領域２２の不純物濃度を調整することができる。
図４に示すように、トップボディ領域１６における不純物濃度の分布範囲とボトムアノード領域２２における不純物濃度の分布範囲を比較すると、両者は重なり合わない。すなわち、トップボディ領域１６における不純物濃度が最も高い部分における不純物濃度ＴＢが、ボトムアノード領域２２における不純物濃度が最も低い部分における不純物濃度ＢＡより低い。
アノードコンタクト領域２４は、ｐ型の領域である。アノードコンタクト領域２４の不純物濃度は、トップアノード領域２３の不純物濃度より高い。アノードコンタクト領域２４は、トップアノード領域２３の表面側に形成されている。アノードコンタクト領域２４は、半導体基板２の表面５０に露出する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、表面電極５にオーミック接触する。
ピラー領域２０は、ｎ型の領域である。ピラー領域２０の不純物濃度は、バリア領域１５の不純物濃度と同等である。ピラー領域２０の不純物濃度は、ドリフト領域１３の不純物濃度より高い。ＩＧＢＴ領域３では、ピラー領域２０は、半導体基板２の表面５０からトップボディ領域１６を貫通してバリア領域１５に達する位置まで延びている。ダイオード領域４では、ピラー領域２０は、半導体基板２の表面５０からトップアノード領域２３を貫通してバリア領域２５に達する位置まで延びている。ピラー領域２０は、表面電極５とバリア領域１５又は２５に接続されている。ピラー領域２０は、表面電極５にショットキー接触する。
表面電極５の材料としてチタン（Ｔｉ）を用いたときの表面電極５とピラー領域２０の間のバリアハイトは、表面電極５の材料としてアルミシリコン（ＡｌＳｉ）を用いたときの表面電極５とピラー領域２０の間のバリアハイトより低い。また、表面電極５の材料としてアルミシリコン（ＡｌＳｉ）を用いたときの表面電極５とピラー領域２０の間のバリアハイトは、表面電極５の材料としてアルミニウム（Ａｌ）を用いたときの表面電極５とピラー領域２０の間のバリアハイトより低い。表面電極５の材料としてチタン（Ｔｉ）を用いると、表面電極５とピラー領域２０の間のバリアハイトが低いので、表面電極５からピラー領域２０に電子が流れやすくなる。
ゲートトレンチ３０は、半導体基板２の表面５０から裏面６０側に（ｚ方向に）延びている。ＩＧＢＴ領域３では、ゲートトレンチ３０は、半導体基板２の表面５０からエミッタ領域１７とトップボディ領域１６とバリア領域１５とボトムボディ領域１４を貫通してドリフト領域１３に達する位置まで延びている。ダイオード領域４では、ゲートトレンチ３０は、半導体基板２の表面５０からアノードコンタクト領域２４とトップアノード領域２３とバリア領域２５とボトムアノード領域２２を貫通してドリフト領域１３に達する位置まで延びている。ゲートトレンチ３０の内部には、ゲート電極３２とゲート絶縁膜３１が形成されている。
図５に示すように、半導体基板２の表面５０を上面視したときに、各ゲートトレンチ３０がｙ方向に延びている。複数のゲートトレンチ３０は、ｙ方向に並行して延びている。複数のゲートトレンチ３０は、ｘ方向に等間隔で形成されている。
図１に示すように、ゲート電極３２は、ゲートトレンチ３０の内部に収容されている。ゲート電極３２は、ゲート絶縁膜３１より内側に収容されている。ゲート電極３２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）から形成されている。ゲート電極３２の上に層間絶縁膜３３が配置されている。層間絶縁膜３３は、ゲート電極３２と表面電極５を絶縁している。
ゲート絶縁膜３１は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成されている。ゲート絶縁膜３１は、ゲートトレンチ３０の内面を覆っている。ゲート絶縁膜３１は、ゲート電極３２と半導体基板２の間に配置されている。ゲート絶縁膜３１は、ゲート電極３２と半導体基板２を絶縁している。
次に、上記の構成を備える半導体装置の動作について説明する。半導体装置１を使用するときは、表面電極５と裏面電極６の間に裏面電極６がプラスとなる電圧（すなわち、ＩＧＢＴに対する順方向の電圧）を印加する。また、ゲート電極３２にオン電位（ＩＧＢＴ領域３のボトムボディ領域１４とトップボディ領域１６並びにダイオード領域４のボトムアノード領域２２にチャネルが形成されるのに必要な電位以上の電位）を印加する。これによって、半導体装置１のＩＧＢＴがターンオンする。
半導体装置１のＩＧＢＴがターンオンすると、ゲートトレンチ３０に接する範囲のボトムボディ領域１４とトップボディ領域１６のそれぞれにチャネルが形成される。また、ゲートトレンチ３０に接する範囲のボトムアノード領域２２にもチャネルが形成される。このとき、トップボディ領域１６の不純物濃度がボトムボディ領域１４の不純物濃度より低いので、トップボディ領域１６にチャネルを形成するための閾値が、ボトムボディ領域１４にチャネルを形成するための閾値よりも低くなっている。したがって、半導体装置１をターンオンすると、ボトムボディ領域１４よりも先にトップボディ領域１６にチャネルが形成され、その後、ボトムボディ領域１４にチャネルが形成される。また、トップボディ領域１６の不純物濃度がボトムアノード領域２２の不純物濃度より低いので、トップボディ領域１６にチャネルを形成するための閾値が、ボトムアノード領域２２にチャネルを形成するための閾値よりも低くなっている。したがって、半導体装置１をターンオンすると、ボトムボトムアノード領域２２よりも先にトップボディ領域１６にチャネルが形成され、その後、ボトムアノード領域２２にチャネルが形成される。そして、図１に矢印Ｐ１で示すように、電子が、表面電極５から、エミッタ領域１７、トップボディ領域１６に形成されたチャネル、バリア領域１５、及び、ボトムボディ領域１４に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域１３に流れる。その後、電子は、バッファ領域１２、及び、コレクタ領域１１を介して、裏面電極６に流れる。また、正孔が、裏面電極６から、コレクタ領域１１、バッファ領域１２、ドリフト領域１３、ボトムボディ領域１４、バリア領域１５、トップボディ領域１６、及び、ボディコンタクト領域１８を介して、表面電極５に流れる。
次に、ゲート電極３２の電位をオン電位からオフ電位に切り換えると、ボトムボディ領域１４とトップボディ領域１６に形成されていたチャネルが消滅する。また、ボトムボトムアノード領域２２に形成されていたチャネルも消滅する。これによって、半導体装置１のＩＧＢＴがターンオフする。また、表面電極５と裏面電極６の間に表面電極５がプラスとなる電圧（すなわち、ＦＷＤに対する順方向の電圧）を印加する。これによって、半導体装置１のＦＷＤがターンオンする。ＦＷＤがターンオンすると、ホールが、表面電極５から、アノードコンタクト領域２４、トップアノード領域２３、バリア領域２５、ボトムアノード領域２２、ドリフト領域１３、バッファ領域１２、及び、カソード領域２１を介して、裏面電極６に流れる。また、電子が、裏面電極６から、カソード領域２１、バッファ領域１２、ドリフト領域１３、ボトムアノード領域２２、バリア領域２５、トップアノード領域２３、及び、アノードコンタクト領域２４を介して、表面電極５に流れる。
上述の説明から明らかなように、上記の半導体装置１では、ＩＧＢＴ領域３のトップボディ領域１６の不純物濃度がボトムボディ領域１４の不純物濃度より低い。これによって、トップボディ領域１６にチャネルを形成するための閾値が、ボトムボディ領域１４にチャネルを形成するための閾値がよりも低くなるので、半導体装置１のＩＧＢＴをターンオンすると、ボトムボディ領域１４よりも先にトップボディ領域１６にチャネルが形成され、その後、ボトムボディ領域１４にチャネルが形成される。
また、ＩＧＢＴ領域３のトップボディ領域１６の不純物濃度が、ダイオード領域４のボトムアノード領域２２の不純物濃度より低い。これによって、トップボディ領域１６にチャネルを形成するための閾値が、ボトムアノード領域２２にチャネルを形成するための閾値がよりも低くなるので、半導体装置１のＩＧＢＴをターンオンすると、ボトムアノード領域２２よりも先にトップボディ領域１６にチャネルが形成され、その後、ボトムアノード領域２２にチャネルが形成される。
上述した従来の特許文献１の技術では、本明細書に開示する技術とは逆に、ボトムボディ領域の不純物濃度がトップボディ領域の不純物濃度より低いので、半導体装置のＩＧＢＴをターンオンすると、トップボディ領域よりも先にボトムボディ領域にチャネルが形成され、その後、トップボディ領域にチャネルが形成されていた。また、ボトムアノード領域の不純物濃度がトップボディ領域の不純物濃度より低いので、半導体装置のＩＧＢＴをターンオンすると、トップボディ領域よりも先にボトムアノード領域にチャネルが形成され、その後、トップボディ領域にチャネルが形成されていた。
その結果、半導体装置のＩＧＢＴをターンオンしたときに、第１段階として電子がトップボディ領域を迂回して流れ、その後、第２段階として電子がトップボディ領域を迂回せずに流れることによって、電子が２段階で流れて２段オンと呼ばれる現象が生じていた。しかしながら、本明細書に開示する技術では、半導体装置１のＩＧＢＴをターンオンしたときに、ボトムアノード領域２２とボトムボディ領域１４よりも先にトップボディ領域１６にチャネルが形成されるので、電子がトップボディ領域１６を迂回せずに流れる。これによって、図６に示すように、半導体装置１のＩＧＢＴをターンオンしたときに電子が２段階で流れることがないので、２段オン現象を抑制できる。
また、表面電極５の材料としてチタン（Ｔｉ）を用いると、表面電極５とピラー領域２０の間のバリアハイトが低くなるので、表面電極５からピラー領域２０に電子が流れやすくなり、電子がトップボディ領域１６を迂回しやすくなる。よって、表面電極５の材料としてチタン（Ｔｉ）を用いる場合は、電子がトップボディ領域１６を迂回することを抑制するために、上記のトップボディ領域１６の不純物濃度がボトムボディ領域１４の不純物濃度より低い構成が特に有効になる。
以上、一実施例について詳細に説明したが、具体的な態様は上記の実施例に限定されるものではない。例えば、上記の実施例では、ＩＧＢＴ領域３にピラー領域２０が形成されていたが、この構成に限定されるものではなく、図７に示すように、ＩＧＢＴ領域３にピラー領域２０が形成されていなくてもよい。すなわち、ＩＧＢＴ領域３では、ピラー領域２０を省略することができる。
図７に示す半導体装置では、ＩＧＢＴ領域３のトップボディ領域１６の不純物濃度が、ダイオード領域４のボトムアノード領域２２の不純物濃度より低い。これによって、トップボディ領域１６にチャネルを形成するための閾値が、ボトムアノード領域２２にチャネルを形成するための閾値がよりも低くなるので、半導体装置１のＩＧＢＴをターンオンすると、ボトムアノード領域２２よりも先にトップボディ領域１６にチャネルが形成され、その後、ボトムアノード領域２２にチャネルが形成される。
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。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、出願時請求項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。
以下に本明細書が開示する技術要素の一例について説明する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、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る。
表面電極がＴｉから形成されていてもよい。
表面電極がＴｉから形成されていると、表面電極とピラー領域の間のバリアハイトが低くなるので、表面電極からピラー領域に電子が流れやすくなる。したがって、電子が、ピラー領域、バリア領域、及び、ボトムボディ領域に形成されたチャネルを介して、ドリフト領域に流れやすくなる。すなわち、電子が、トップボディ領域を迂回して流れやすくなる。このような構成では、電子がトップボディ領域を迂回して流れないようにするために、ボトムボディ領域よりも先にトップボディ領域にチャネルが形成される構成が特に有効になる。
１ ：半導体装置
２ ：半導体基板
３ ：ＩＧＢＴ領域
４ ：ダイオード領域
５ ：表面電極
６ ：裏面電極
１１ ：コレクタ領域
１２ ：バッファ領域
１３ ：ドリフト領域
１４ ：ボトムボディ領域
１５ ：バリア領域
１６ ：トップボディ領域
１７ ：エミッタ領域
１８ ：ボディコンタクト領域
２０ ：ピラー領域
２１ ：カソード領域
２２ ：ボトムアノード領域
２３ ：トップアノード領域
２４ ：アノードコンタクト領域
２５ ：バリア領域
３０ ：ゲートトレンチ
３１ ：ゲート絶縁膜
３２ ：ゲート電極
３３ ：層間絶縁膜
５０ ：表面
６０ ：裏面

Claims (2)

  1. 半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成されている金属からなる表面電極を備えている半導体装置であって、
    前記半導体基板は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域を備えており、
    前記ＩＧＢＴ領域は、
    ｎ型のドリフト領域と、
    前記ドリフト領域の表面側に形成されているｐ型のボトムボディ領域と、
    前記ボトムボディ領域の表面側に形成されているｎ型のバリア領域と、
    前記バリア領域の表面側に形成されているｐ型のトップボディ領域と、
    前記トップボディ領域の表面側に形成されているｎ型のエミッタ領域と、
    前記半導体基板の表面から前記エミッタ領域と前記トップボディ領域と前記バリア領域と前記ボトムボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に達する位置まで延びているゲートトレンチを備えており、
    前記ダイオード領域は、
    ｎ型のドリフト領域と、
    前記ドリフト領域の表面側に形成されているｐ型のボトムアノード領域と、
    前記ボトムアノード領域の表面側に形成されているｎ型のバリア領域と、
    前記バリア領域の表面側に形成されているｐ型のトップアノード領域と、
    前記半導体基板の表面から前記トップアノード領域を貫通して前記バリア領域に達する位置まで延びており、前記表面電極と前記バリア領域に接続されているｎ型のピラー領域と、
    前記半導体基板の表面から前記トップアノード領域と前記バリア領域と前記ボトムアノード領域を貫通して前記ドリフト領域に達する位置まで延びているゲートトレンチを備えており、
    前記トップボディ領域の不純物濃度が前記ボトムアノード領域の不純物濃度より低い半導体装置。
  2. 前記表面電極がチタンから形成されている請求項１に記載の半導体装置。
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