JP2017054928A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共存する二種類のコンタクトホールに起因する電流集中を抑制する。【解決手段】エミッタ領域５０は、トレンチと直交するストライプ状であって、基板上面の第１範囲では第１間隔Ｐ１で形成され、第２範囲では第１間隔よりも広い第２間隔で形成されている。第１コンタクトホールは、第１幅でトレンチと平行に伸びる開口形状を有し、第１範囲上でボディ領域４８とエミッタ領域とを交互に露出する。第２コンタクトホール２４は、第１幅よりも広い第２幅の開口形状を有し、第２範囲上でピラー領域を露出する。上面電極１２は、第１コンタクトホール内に位置するコンタクトプラグと、第２コンタクトホール２４内でピラー領域とショットキー接触する電極層とを有する。平面視したときに、第１範囲と第２範囲との境界に位置するエミッタ領域から、第２範囲へ突出する第１コンタクトホールの突出長さＬは、第１間隔の１／２以上である。【選択図】図１０

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体装置が記載されている。この半導体装置は、ＩＧＢＴが形成された半導体基板と、半導体基板の上面（以下、基板上面という）側に位置する上面電極と、半導体基板の下面（以下、基板下面という）側に位置する下面電極とを備える。基板上面には、複数のトレンチがストライプ状に形成されており、各々のトレンチ内には、ゲート絶縁膜を介して半導体基板に対向するゲート電極が設けられている。基板上面と上面電極との間には、ゲート電極を覆うように層間絶縁膜が設けられている。層間絶縁膜には複数のコンタクトホールが設けられており、上面電極はコンタクトホールを通じて基板上面と電気的に接続されている。

上記した構造の半導体装置では、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールの位置に合わせて、上面電極の上面に凹凸が生じ得る。上面電極の上面に凹凸が生じていると、半導体装置の動作時に生じる熱応力が不均一となり、例えば上面電極にクラックが生じるといった問題が想定される。そのことから、特許文献１に記載された半導体装置では、コンタクトホールをコンタクトプラグで埋めることによって、コンタクトホールに起因する凹凸の軽減を図っている。コンタクトプラグに用いられる材料としては、タングステンが知られている。タングステンは、ＣＶＤ（化学蒸着）による成膜が可能であることから、幅の狭いコンタクトホールを密に充填することができる。従って、微細化が進む半導体装置において好適に採用されている。

特許文献２には、逆導通ＩＧＢＴにショットキーバリアダイオードが組み込まれた半導体装置が記載されている。この半導体装置では、半導体基板に、ＩＧＢＴ構造が構成されたＩＧＢＴ領域と、ダイオード構造が設けられたダイオード領域とが形成されている。ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の少なくとも一方には、基板上面からバリア領域まで伸びるｎ型のピラー領域が形成されている。基板上面に露出するピラー領域には、上面電極がショットキー接触している。このような構成によると、バリア領域がピラー領域を介して上面電極に電気的に接続され、バリア領域の電位が上面電極の電位の近くに維持される。これにより、ボディ領域とバリア領域との間、又はアノード領域とバリア領域との間で構成される寄生ダイオード（ｐｎ接合）の順方向に加わる電圧が低く抑えられる。これにより、ボディ領域又はアノード領域からバリア領域を介してドリフト領域に注入される正孔量が低下し、ダイオード構造の逆回復特性が改善する。

特開２０１４−１９２３５１号公報 特開２０１３−４８２３０号公報

上述した技術を組み合わせた場合、次の課題が生じる。即ち、ＩＧＢＴ領域にショットキーバリアダイオードを組み合わせた場合、上面電極は、エミッタ領域及びボディ領域には低抵抗で接触する一方で、バリア領域にはショットキー接触する必要がある。低抵抗で接触する部分については、層間絶縁膜に幅の狭いコンタクトホールを形成し、そのなかにタングステンを利用したコンタクトプラグを設けることができる。その一方で、ショットキー接触する部分については、使用し得る金属の種類が制限されることになり、例えばアルミニウム系金属を用いる必要がある。このような金属は、タングステンと異なり、ＣＶＤ（化学蒸着）による成膜が困難であり、幅の狭いコンタクトホール内への充填が難しい。従って、ショットキー接触する部分については、例えばアルミニウム系金属をスパッタリングによって成膜することになるが、そのためには、層間絶縁膜に幅の広いコンタクトホールを形成する必要が生じる。その結果、層間絶縁膜には、開口形状が異なる二種類のコンタクトホールが共存する。

開口形状が異なる二種類のコンタクトホールが共存すると、その境界部分では、コンタクト開口率が有意に変化し得る。ここでいうコンタクト開口率とは、基板上面の単位面積あたりに存在するコンタクトホールの開口面積を意味する。特に、二種類のコンタクトホールが互いに離れて形成されていれば、その境界部分にはコンタクトホールが存在しないことになる。この場合、境界部分におけるコンタクト開口率は、他の部分におけるコンタクト開口率よりも小さくなる。その結果、特に幅の狭いコンタクトホールの端部では、電流が集中することがあり、例えば局所的な過熱といった問題が生じ得る。

上記の問題に対して、二種類のコンタクトホールを連続的に（即ち、一体に）形成することも考えられる。これによれば、境界部分においてコンタクトホールの密度が低下することがない。しかしながら、連続する二種類のコンタクトホール（即ち、実質的に一つのコンタクトホール）に、異なる電極材料を正確に充填し分けることは難しい。具体的には、先ず幅の狭いコンタクトホールの部分にタングステンを充填し、エッチングによって余分なタングステンを除去した後に、アルミニウム系金属等の電極層を残りの部分（即ち、幅の広いコンタクトホールの部分）に充填することが考えられる。このとき、上記したエッチングの工程では、二種類のコンタクトホールが接続する部分（即ち、幅の狭いコンタクトホールの端部）において、タングステンが過剰に除去されることが想定される。この場合、その後にアルミニウム系金属等の電極層の充填を行っても、幅の狭いコンタクトホールの端部まで充填することは難しく、そこに空洞等が生じることが考えられる。

本明細書は、ＩＧＢＴ領域にショットキーバリアダイオードを組み合わせた半導体装置において、共存する二種類のコンタクトホールに起因する電流集中を抑制し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板とゲート電極と層間絶縁膜と上面電極と下面電極とを備える。半導体基板は基板上面と基板下面とを有し、基板上面には複数のトレンチがストライプ状に形成されている。ゲート電極は、トレンチ内に位置するとともに、ゲート絶縁膜を介して半導体基板に対向している。層間絶縁膜は、基板上面においてゲート電極を覆うとともに、第１コンタクトホール及び第２コンタクトホールを含む複数のコンタクトホールを有する。上面電極は、基板上面側に位置しており、第１コンタクトホール及び第２コンタクトホールを通じて基板上面と電気的に接続されている。下面電極は、基板下面側に位置しており、基板下面と電気的に接続されている。

半導体基板には、ＩＧＢＴ構造が設けられたＩＧＢＴ領域と、ダイオード構造が設けられたダイオード領域とが形成されている。ＩＧＢＴ領域は、コレクタ領域とドリフト領域とバリア領域とボディ領域とエミッタ領域とピラー領域とを有する。コレクタ領域は、ｐ型の領域であって、基板下面に露出している。ドリフト領域は、ｎ型の領域であって、コレクタ領域の上方に位置する。バリア領域は、ドリフト領域よりも不純物濃度が高いｎ型の領域であって、ドリフト領域の上方に位置する。ボディ領域は、ｐ型の領域であって、バリア領域の上方に位置するとともに基板上面に露出している。エミッタ領域は、バリア領域よりも不純物濃度が高いｎ型の領域であって、基板上面に露出するとともに、ボディ領域によってバリア領域から隔てられている。そして、ピラー領域は、エミッタ領域よりも不純物濃度が低いｎ型の領域であって、基板上面からバリア領域まで伸びている。

基板上面に形成されたトレンチは、ドリフト領域に達する深さを有している。そして、トレンチ内のゲート電極は、ゲート絶縁膜を介して、エミッタ領域、ボディ領域、バリア領域及びドリフト領域に対向している。即ち、エミッタ領域、ボディ領域、バリア領域及びドリフト領域はトレンチの内面に露出している。エミッタ領域は、トレンチと直交する方向に伸びるストライプ状に形成されている。基板上面の第１範囲では、隣接する二つのエミッタ領域が第１間隔で離れており、基板上面の第２範囲では、隣接する二つのエミッタ領域が第１間隔よりも広い第２間隔で離れている。そして、ピラー領域は、第２範囲においてエミッタ領域から離れた位置に露出している。

第１コンタクトホールは、第１幅でトレンチと平行に伸びる開口形状を有し、基板上面の第１範囲上においてボディ領域とエミッタ領域とを交互に露出しており、かつ、その端部は基板上面の第２範囲上まで伸びている。第２コンタクトホールは、第１幅よりも広い第２幅の開口形状を有し、基板上面の第２範囲上においてピラー領域を露出しており、かつ、第１コンタクトホールから離間している。ここでいう幅とは、長さ（長手方向の寸法）の対義語であって、いわゆる短手方向の寸法を意味する。上面電極は、コンタクトプラブと電極層とを有する。コンタクトプラブは、第１コンタクトホール内に位置するとともに、少なくとも一部がタングステンで形成されている。電極層は、コンタクトプラグを覆うとともに、第２コンタクトホール内でピラー領域とショットキー接触している。

そして、平面視したときに、基板上面の第１範囲と第２範囲との境界に位置するエミッタ領域から、第２範囲へ突出する第１コンタクトホールの突出長さは、前述した第１範囲におけるエミッタ領域の第１間隔の１／２以上である。

上記した構造によると、下面電極に上面電極よりも高い電位が印加され、ゲート電極に閾値以上の電位が印加されると、トレンチに露出するボディ領域にチャネルが形成される。それにより、半導体基板のＩＧＢＴ構造がターンオンする。このとき、上面電極からは、エミッタ領域、ボディ領域のチャネル、バリア領域、ドリフト領域及びコレクタ領域を経由して、下面電極へ電子が流れる。一方、下面電極からは、コレクタ領域、ドリフト領域、バリア領域及びボディ領域を経由して、上面電極に正孔が流れる。即ち、ＩＧＢＴ構造がターンオンすると、下面電極から上面電極に向けて電流が流れる。

ＩＧＢＴ構造がターンオンしたときに、下面電極から上面電極に向かう正孔は、ｐ型のボディ領域内に形成されたｎ型のエミッタ領域を迂回するように流れる。エミッタ領域を迂回した正孔は、当該エミッタ領域に隣接するボディ領域を流れ、第１コンタクトホールから上面電極に流れ込む。即ち、第１コンタクトホールには、交互に露出するボディ領域とエミッタ領域とのうち、ボディ領域のみから正孔が流れ込む。従って、エミッタ領域５０の近傍では、第１コンタクトホールに露出するエミッタ領域の面積に対して、同じく第１コンタクトホールに露出するボディ領域の面積が大きいほど、流れる正孔の密度（即ち、電流密度）は緩和される。以下、第１コンタクトホールにおけるエミッタ領域の露出面積に対するボディ領域の露出面積を、第１コンタクトホールのボディ露出率ともいう。この点に関して、基板上面の第１範囲では、エミッタ領域が等間隔（第１間隔）で形成されており、かつ、第１コンタクトホールがエミッタ領域に交差する方向で一連に伸びている。従って、基板上面の第１範囲では、第１コンタクトホールのボディ露出率が一定となっており、流れる正孔の密度も概して一様となる。

それに対して、基板上面の第１範囲と第２範囲との境界に位置するエミッタ領域（以下、境界エミッタ領域ということがある）の近傍では、第２範囲側で第１コンタクトホールが途絶えている。従って、境界エミッタ領域の近傍では、第１コンタクトホールのボディ露出率が第１範囲に対して相違し得る。例えば、平面視したときに、境界エミッタ領域から第２範囲へ突出する第１コンタクトホールの突出長さ（以下、単に第１コンタクトホールの突出長さということがある）が、第１範囲におけるエミッタ領域の間隔（即ち、第１間隔）の１／２に等しいとする。この場合、境界エミッタ領域の近傍においても、第１コンタクトホールのボディ露出率は、第１範囲における当該露出率と等しくなる。それに対して、第１コンタクトホールの突出長さがそれよりも短ければ、境界エミッタ領域の近傍において第１コンタクトホールのボディ露出率が局所的に低下することになり、流れる正孔の密度も局所的に上昇する。即ち、電流の集中が生じる。この点に関して、本明細書が開示する半導体装置では、第１コンタクトホールの突出長さが、第１範囲におけるエミッタ領域の間隔（即ち、第１間隔）の１／２以上となっているので、電流の集中を避けることができる。

実施例の半導体装置１の全体レイアウトを模式的に示す。 ＩＧＢＴ領域１０（図１中のＩＩ部）の構造を模式的に示す斜視図。 ＩＧＢＴ領域１０の構造を便宜的に分解して示す斜視図。 ＩＧＢＴ領域１０の模式的な平面図。但し、上面電極１２は図示省略されており、かつ、層間絶縁膜２０に覆われた基板上面３０ａの構成が破線で図示されている。 図４中のＶ−Ｖ線における断面図。 図４中のＶＩ−ＶＩ線における断面図。 図４中のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図。 ダイオード領域８の構造を模式的に示す断面図であって、トレンチ３２が伸びる方向に対して垂直な断面図。 図４中のＩＸ部を拡大して示す図。図４と同じく、上面電極１２は図示省略されており、かつ、層間絶縁膜２０に覆われた基板上面３０ａの構成が破線で図示されている。 図９中のＸ−Ｘ線における断面図。

図面を参照して、実施例の半導体装置１を説明する。本実施例の半導体装置１は、逆導通ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）にショットキーバリアダイオードが組み込まれた構造を有する。図１に示すように、半導体装置１は、概して素子部４と終端部６とに区分される半導体基板３０を備える。素子部４は、電流が厚み方向に流れる部分であり、半導体基板３０の中央部分に位置している。素子部４には、ＩＧＢＴ構造が設けられたＩＧＢＴ領域１０と、ダイオード構造が設けられたダイオード領域８とが形成されている。終端部６は、半導体基板３０の周縁部分の電界を緩和する部分であり、半導体基板３０の周縁に沿って素子部４を取り囲んでいる。終端部６上には、ゲートパッド２等が設けられている。

図２〜図７はＩＧＢＴ領域１０の構造を説明する図であり、図８はダイオード領域８の構造を説明する図である。図２〜図８に示すように、半導体装置１は、上面電極１２、層間絶縁膜２０、半導体基板３０及び下面電極６０を備える。半導体基板３０は、基板上面３０ａ及び基板下面３０ｂを有する。基板上面３０ａには、複数のトレンチ３２がストライプ状に形成されている。複数のトレンチ３２は、互いに平行で、かつ、一定の間隔で設けられている。一例ではあるが、半導体基板３０はシリコン単結晶基板であり、その厚みは８０〜１６５μｍとすることができる。複数のトレンチ３２は、ダイオード領域８とＩＧＢＴ領域１０との両者に亘って等間隔で形成されている。

各々のトレンチ３２には、ゲート絶縁膜３４及びゲート電極３６が設けられている。ゲート電極３６は、トレンチ３２内に位置しており、ゲート絶縁膜３４を介して半導体基板３０に対向している。即ち、ゲート電極３６は、ゲート絶縁膜３４によって半導体基板３０から電気的に絶縁されている。一例ではあるが、ゲート電極３６はポリシリコンを用いて構成されている。また、トレンチ３２の深さは３〜７μｍとし、トレンチ３２のピッチ（隣接する二つのトレンチ３２の中心間距離）は４〜８μｍとすることができる。

層間絶縁膜２０は、基板上面３０ａにおいてゲート電極３６を覆っており、ゲート電極３６と上面電極１２との間を電気的に絶縁している。図２〜７に示すように、ＩＧＢＴ領域１０において、層間絶縁膜２０は、複数の第１コンタクトホール２２及び複数の第２コンタクトホール２４を有する。第１コンタクトホール２２及び第２コンタクトホール２４は、トレンチ３２と平行な方向において互いに離れている。一方、図８に示すように、層間絶縁膜２０は、ダイオード領域８において、複数の第３コンタクトホール２６を有する。一例ではあるが、層間絶縁膜２０は、酸化シリコンによって構成することができる。そして、各々のコンタクトホール２２、２４、２６は、エッチングによって形成することができる。

図３、４に示すように、第１コンタクトホール２２と第２コンタクトホール２４は、互いに異なる開口形状を有している。第１コンタクトホール２２は、概してスロット形状であり、第１幅Ｗ１でトレンチ３２と平行に伸びる開口形状を有する。第２コンタクトホール２４は、概して矩形形状であり、第１幅Ｗ１よりも広い第２幅Ｗ２の開口形状を有する。層間絶縁膜２０には、トレンチ３２と平行な方向に沿って、第１コンタクトホール２２と第２コンタクトホール２４とが交互に設けられている。また、トレンチ３２と直交する方向において、隣接する二つのトレンチ３２の間隙には、複数の第１コンタクトホール２２が並んで形成されている。

上面電極１２は、基板上面３０ａ側に位置している。図２〜７に示すように、ＩＧＢＴ領域１０では、上面電極１２が、第１コンタクトホール２２及び第２コンタクトホール２４を通じて、基板上面３０ａと電気的に接続されている。一方、図８に示すように、ダイオード領域８では、上面電極１２が、第３コンタクトホール２６を通じて、基板上面３０ａと電気的に接続されている。上面電極１２は、コンタクトプラグ１４と第１電極層１６と第２電極層１８とを有する。コンタクトプラグ１４は、第１コンタクトホール２２内に位置しており、基板上面３０ａに接触している。コンタクトプラグ１４は、その少なくとも一部がタングステンで構成されている。一例ではあるが、本実施例におけるコンタクトプラグ１４は、主にタングステンを用いて構成されているとともに、層間絶縁膜２０及び基板上面３０ａに接触する表層部には、バリアメタル層（チタンと窒化チタンの積層構造）が形成されている。

第１電極層１６は、ＩＧＢＴ領域１０及びダイオード領域８を含む素子部４のほぼ全域に亘って形成されている。第１電極層１６は、第１コンタクトホール２２の位置でコンタクトプラグ１４を覆うとともに（図５、図６参照）、第２コンタクトホール２４及び第３コンタクトホール２６の位置では基板上面３０ａに接触している（図７、図８参照）。第１電極層１６は、アルミニウム又はアルミニウムシリコンといったアルミニウム系金属を用いて構成されている。第２電極層１８は、第１電極層１６上に積層されている。一例であるが、本実施例における第２電極層１８は、ニッケルを用いて構成されている。図示省略するが、上面電極１２の上面には、第２コンタクトホール２４の位置に合わせて、僅かに窪んでいる。一方、第１コンタクトホール２２の位置では、第１コンタクトホール２２内にコンタクトプラグ１４が存在することによって、そのような窪みが抑制されている。

下面電極６０は、基板下面３０ｂ側に位置しており、基板下面３０ｂと電気的に接続されている。下面電極６０は、基板下面３０ｂのほぼ全域に亘って形成されている。一例ではあるが、下面電極６０は、アルミニウム系金属、チタン、ニッケル、金の積層電極とすることができる。

図５、図６、図７に示すように、ＩＧＢＴ領域１０において、半導体基板３０は、コレクタ領域４２、ドリフト領域４４、バリア領域４６、ボディ領域４８、エミッタ領域５０及びピラー領域５２を有する。コレクタ領域４２は、ｐ型の領域であって、基板下面３０ｂに露出している。ドリフト領域４４は、ｎ型の領域であって、コレクタ領域４２の上方に位置する。バリア領域４６は、ドリフト領域４４よりも不純物濃度が高いｎ型の領域であって、ドリフト領域４４の上方に位置する。ボディ領域４８は、ｐ型の領域であって、バリア領域４６の上方に位置するとともに基板上面３０ａに露出している。なお、ボディ領域４８の不純物濃度は、基板上面３０ａに露出する表層部で特に高められている。エミッタ領域５０は、バリア領域４６よりも不純物濃度が高いｎ型の領域であって、基板上面３０ａに露出するとともに、ボディ領域４８によってバリア領域４６から隔てられている。そして、ピラー領域５２は、エミッタ領域５０よりも不純物濃度が低いｎ型の領域であって、基板上面３０ａからバリア領域４６まで伸びている（図７参照）。

基板上面３０ａに形成されたトレンチ３２は、ドリフト領域４４に達する深さを有している。そして、トレンチ３２内のゲート電極３６は、ゲート絶縁膜３４を介して、エミッタ領域５０、ボディ領域４８、バリア領域４６及びドリフト領域４４に対向している。即ち、エミッタ領域５０、ボディ領域４８、バリア領域４６及びドリフト領域４４は、トレンチ３２の内面に露出している。図３、図４に示すように、エミッタ領域５０は、隣接する二つのトレンチ３２の間で、トレンチ３２と直交する方向に伸びるストライプ状に形成されている。即ち、隣接する二つのトレンチ３２の間の基板上面３０ａには、トレンチ３２に平行な方向に沿って、ボディ領域４８とエミッタ領域５０とが交互に露出している。ここで、図４に示すように、基板上面３０ａの第１範囲Ｘ１では、隣接する二つのエミッタ領域５０が第１間隔Ｐ１で離れている。一方、基板上面３０ａの第２範囲Ｘ２では、隣接する二つのエミッタ領域５０が、第１間隔Ｐ１よりも広い第２間隔Ｐ２で離れている。そして、ピラー領域５２は、第２範囲Ｘ２においてエミッタ領域５０から離れた位置に露出している。なお、ここでいう第１間隔Ｐ１及び第２間隔Ｐ２は、隣接する二つのエミッタ領域５０の間に存在する間隙の寸法を意味する（即ち、中心間距離ではない）。

図４に示すように、第１コンタクトホール２２は、基板上面３０ａの第１範囲Ｘ１上において、ボディ領域４８とエミッタ領域５０とを交互に露出する。従って、第１コンタクトホール２２内では、上面電極１２のコンタクトプラグ１４が、ボディ領域４８とエミッタ領域５０との両者に接触している。第１コンタクトホール２２の端部２２ａは、基板上面３０ａの第２範囲Ｘ２上まで伸びている。図示省略するが、第１コンタクトホール２２の反対側の端部についても、基板上面３０ａの第２範囲Ｘ２上まで伸びている。

一方、第２コンタクトホール２４は、基板上面３０ａの第２範囲Ｘ２上において、ピラー領域５２及びその周囲に位置するボディ領域４８を露出している。従って、図７に示すように、第２コンタクトホール２４内では、上面電極１２の第１電極層１６が、ピラー領域５２及びボディ領域４８と接触している。ここで、一例ではあるが、ピラー領域５２のｎ型不純物濃度は、１×１０^１４〜１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲内に調整されている。また、ピラー領域５２に接触する第１電極層１６は、アルミニウム系金属で構成されており、かつ、十分な厚みで形成されている。これにより、第１電極層１６とピラー領域５２は、互いにショットキー接触しており、両者の間にショットキーバリアダイオードが構成されている。

図８に示すように、ダイオード領域８において、半導体基板３０は、カソード領域５４、ドリフト領域４４、バリア領域４６、ボディ領域４８及びピラー領域５２を有する。カソード領域５４は、ｎ型の領域であって、基板下面３０ｂに露出している。ドリフト領域４４は、ｎ型の領域であって、カソード領域５４の上方に位置する。バリア領域４６は、ドリフト領域４４よりも不純物濃度が高いｎ型の領域であって、ドリフト領域４４の上方に位置する。アノード領域５６は、ｐ型の領域であって、バリア領域４６の上方に位置するとともに基板上面３０ａに露出している。ダイオード領域８のドリフト領域４４、バリア領域４６及びアノード領域５６は、それぞれ、ＩＧＢＴ領域１０のドリフト領域４４、バリア領域４６及びボディ領域４８と共通の層から形成されている。ピラー領域５２は、ＩＧＢＴ領域１０のものと同様の構成を有しており、ｎ型の領域であって、基板上面３０ａからバリア領域４６まで伸びている。ピラー領域５２は、第３コンタクトホール２６内で基板上面３０ａに露出している。第３コンタクトホール２６内では、上面電極１２の第１電極層１６が、ピラー領域５２及びアノード領域５６と接触している。ＩＧＢＴ領域１０と同じく、第１電極層１６とピラー領域５２は、互いにショットキー接触しており、両者の間にショットキーバリアダイオードが構成されている。

次に、半導体装置１の動作を説明する。下面電極６０に上面電極１２よりも高い電位が印加され、ゲート電極３６に閾値以上の電位が印加されると、ＩＧＢＴ領域１０においてトレンチ３２に露出するボディ領域４８にチャネルが形成される。これにより、ＩＧＢＴ領域１０のＩＧＢＴ構造がターンオンする。このとき、上面電極１２からは、エミッタ領域５０、ボディ領域４８のチャネル、バリア領域４６、ドリフト領域４４及びコレクタ領域４２を経由して、下面電極６０へ電子が流れる。一方、下面電極６０からは、コレクタ領域４２、ドリフト領域４４、バリア領域４６及びボディ領域４８を経由して、上面電極１２へ正孔が流れる。即ち、ＩＧＢＴ構造がターンオンすると、下面電極６０から上面電極１２に向けて電流が流れる。その後、ゲート電極３６の電位が閾値未満に低下すると、チャネルが消失して、ＩＧＢＴ構造がターンオフする。

一方、上面電極１２よりも下面電極６０に高い電位が印加されると、上面電極１２から下面電極６０に向けて、ダイオード領域８のダイオード構造に電流が流れる。ここで、基板上面３０ａに露出するピラー領域５２には、上面電極１２の第１電極層１６がショットキー接触している。このような構成によると、下面電極６０に対して上面電極１２の電位が徐々に上昇していくときに、第１電極層１６とピラー領域５２との間のショットキーバリアダイオードが先ず導通する。これにより、バリア領域４６の電位が上面電極１２の電位の近くに一時的に維持され、アノード領域５６とバリア領域４６との間（及びボディ領域４８とバリア領域４６との間）のｐｎダイオードが導通するタイミングが遅れる。従って、ダイオード構造が導通するときに、アノード領域５６（及びボディ領域４８）からドリフト領域４４に注入される正孔量が抑制される。その後、下面電極６０に上面電極１２よりも高い電位が印加されると、導通していたｐｎダイオードが逆回復動作を行う。このとき、アノード領域５６（及びボディ領域４８）からドリフト領域４４に注入された正孔量が抑制されているので、ダイオード構造のｐｎダイオードが逆回復動作するときの逆電流は小さい。

図９、図１０に示すように、ＩＧＢＴ構造がターンオンしたときに、下面電極６０から上面電極１２に向かう正孔は、ｐ型のボディ領域４８内に形成されたｎ型のエミッタ領域５０を迂回するように流れる。なお、図８中の矢印Ｆ群は、正孔の流れを模式的示している。エミッタ領域５０を迂回した正孔は、当該エミッタ領域５０に隣接するボディ領域４８を通過して、第１コンタクトホール２２から上面電極１２に流れ込む。即ち、第１コンタクトホール２２には、交互に露出するボディ領域４８とエミッタ領域５０とのうち、ボディ領域４８のみから正孔が流れ込む。従って、第１コンタクトホール２２に露出するエミッタ領域５０の面積に対して、同じく第１コンタクトホール２２に露出するボディ領域４８の面積が大きいほど、流れる正孔の密度（即ち、電流密度）は緩和される。以下、第１コンタクトホール２２におけるエミッタ領域５０の露出面積に対するボディ領域４８の露出面積を、第１コンタクトホール２２のボディ露出率ともいう。この点に関して、基板上面３０ａの第１範囲Ｘ１では、エミッタ領域５０が等間隔（第１間隔Ｐ１）で形成されており、かつ、第１コンタクトホール２２がエミッタ領域５０に交差する方向で一連に伸びている（図４参照）。従って、基板上面３０ａの第１範囲Ｘ１では、第１コンタクトホール２２のボディ露出率が一定となっており、流れる正孔の密度も概して一様となる。

それに対して、基板上面３０ａの第１範囲Ｘ１と第２範囲Ｘ２との境界に位置するエミッタ領域５０（以下、境界エミッタ領域５０ｘという）の近傍では、第２範囲Ｘ２側で第１コンタクトホール２２が途絶えている。従って、境界エミッタ領域５０ｘの近傍では、第１コンタクトホール２２のボディ露出率が第１範囲Ｘ１に対して相違し得る。例えば、図９の平面視に示すように、境界エミッタ領域５０ｘから第２範囲Ｘ２へ突出する第１コンタクトホール２２の突出長さＬが、第１範囲Ｘ１におけるエミッタ領域５０の間隔（即ち、第１間隔Ｐ１）の１／２に等しいとする。この場合、境界エミッタ領域５０ｘの近傍においても、第１コンタクトホール２２のボディ露出率は、第１範囲Ｘ１における当該露出率と等しくなる。それに対して、第１コンタクトホール２２の突出長さＬがそれよりも短ければ、境界エミッタ領域５０ｘの近傍では、第１コンタクトホール２２のボディ露出率が局所的に低下する。この場合、境界エミッタ領域５０ｘの近傍で流れる正孔の密度が局所的に上昇する。即ち、電流の集中が生じる。

上記の点に関して、本実施例の半導体装置１では、第１コンタクトホール２２の突出長さＬが、第１範囲Ｘ１におけるエミッタ領域５０の間隔（即ち、第１間隔Ｐ１）の１／２以上に設計されている。従って、境界エミッタ領域５０ｘの近傍における電流の集中が回避又は抑制される。

加えて、下面電極６０から上面電極１２に向かう正孔は、第１コンタクトホール２２又は第２コンタクトホール２４を通じて、上面電極１２に流れ込む。ここで、第１コンタクトホール２２及び第２コンタクトホール２４は、開口形状が互いに異なる。図９、図１０に示すように、開口形状が異なる二種類の第１コンタクトホール２２及び第２コンタクトホール２４が共存すると、その境界部分Ｂでは、コンタクト開口率が有意に変化し得る。ここでいうコンタクト開口率とは、基板上面３０ａの単位面積あたりに存在する第１及び第２コンタクトホール２２、２４の開口面積を意味する。特に、第１コンタクトホール２２と第２コンタクトホール２４は互いに離れて形成されているので、その境界部分Ｂにはコンタクトホールが存在しない。従って、境界部分Ｂにおけるコンタクト開口率は、他の部分におけるコンタクト開口率よりも小さくなる。その結果、図８に示すように、境界部分Ｂでは、特に幅の狭い第１コンタクトホール２２の端部２２ａにおいて、電流が集中することがある。

上記の点に関して、本実施例の半導体装置１では、第１コンタクトホール２２の端部２２ａから第２コンタクトホール２４までの距離Ｄが、第１コンタクトホール２２の間隔Ｐ３以下に設計されている。なお、ここでいう間隔Ｐ３は、隣接する二つのトレンチ３２の間に位置する複数の第１コンタクトホール２２において、隣接する二つの第１コンタクトホール２２の間隔（間隙の寸法）を意味する。このような構成によると、第１コンタクトホール２２の端部２２ａに対して、第２コンタクトホール２４が比較的に近くに位置し、境界部分Ｂにおけるコンタクト開口率の低下が抑制される。それにより、前述した第１コンタクトホール２２の端部２２ａにおける電流集中を緩和することができる。

以上、本技術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。本明細書又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、本明細書又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。

１：半導体装置
８：ダイオード領域
１０：ＩＧＢＴ領域
１２：上面電極
１４：コンタクトプラグ
１６：第１電極層
１８：第２電極層
２０：層間絶縁膜
２２：第１コンタクトホール
２２ａ：第１コンタクトホールの端部
２４：第２コンタクトホール
３０：半導体基板
３０ａ：基板上面
３０ｂ：基板下面
３２：トレンチ
３４：ゲート絶縁膜
３６：ゲート電極
４２：コレクタ領域
４４：ドリフト領域
４６：バリア領域
４８：ボディ領域
５０：エミッタ領域
５０ｘ：境界エミッタ領域
５２：ピラー領域
６０：下面電極
Ｐ１：第１間隔
Ｐ２：第２間隔
Ｗ１：第１幅
Ｗ２：第２幅
Ｘ１：第１範囲
Ｘ２：第２範囲

Claims (1)

1. 基板上面と基板下面とを有し、前記基板上面に複数のトレンチがストライプ状に形成された半導体基板と、
   前記トレンチ内に位置するとともに、ゲート絶縁膜を介して前記半導体基板に対向するゲート電極と、
   前記基板上面において前記ゲート電極を覆うとともに、第１コンタクトホール及び第２コンタクトホールを含む複数のコンタクトホールを有する層間絶縁膜と、
   前記基板上面側に位置しており、前記第１コンタクトホール及び前記第２コンタクトホールを通じて前記基板上面と電気的に接続された上面電極と、
   前記基板下面側に位置しており、前記基板下面と電気的に接続された下面電極と、
   を備え、
   前記半導体基板には、ＩＧＢＴ構造が設けられたＩＧＢＴ領域と、ダイオード構造が設けられたダイオード領域とが形成されており、
   前記ＩＧＢＴ領域には、前記基板下面に露出するｐ型のコレクタ領域と、前記コレクタ領域の上方に位置するｎ型のドリフト領域と、前記ドリフト領域の上方に位置するとともに前記ドリフト領域よりも不純物濃度が高いｎ型のバリア領域と、前記バリア領域の上方に位置するとともに前記基板上面に露出するｐ型のボディ領域と、前記基板上面に露出するとともに前記ボディ領域によって前記バリア領域から隔てられており、かつ、前記バリア領域よりも不純物濃度が高いｎ型のエミッタ領域と、前記基板上面から前記バリア領域まで伸びており、かつ、前記エミッタ領域よりも不純物濃度が低いｎ型のピラー領域とを有し、
   前記トレンチは前記ドリフト領域に達する深さを有しており、前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を介して前記エミッタ領域、前記ボディ領域、前記バリア領域及び前記ドリフト領域に対向しており、
   前記エミッタ領域は、前記トレンチと直交する方向に伸びるストライプ状に形成されており、前記基板上面の第１範囲では隣接する二つの前記エミッタ領域が第１間隔で離れており、前記基板上面の第２範囲では隣接する二つの前記エミッタ領域が前記第１間隔よりも広い第２間隔で離れており、前記ピラー領域は前記第２範囲において前記エミッタ領域から離れて露出しており、
   前記第１コンタクトホールは、第１幅で前記トレンチと平行に伸びる開口形状を有し、前記基板上面の前記第１範囲上において前記ボディ領域と前記エミッタ領域とを交互に露出しており、かつ、その端部は前記基板上面の前記第２範囲上まで伸びており、
   前記第２コンタクトホールは、前記第１幅よりも広い第２幅の開口形状を有し、前記基板上面の前記第２範囲上において前記ピラー領域を露出しており、かつ、前記第１コンタクトホールから離間しており、
   前記上面電極は、前記第１コンタクトホール内に位置するとともに少なくとも一部がタングステンで形成されたコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグを覆うとともに前記第２コンタクトホール内で前記ピラー領域とショットキー接合された電極層とを有し、
   平面視したときに、前記基板上面の前記第１範囲と前記第２範囲との境界に位置する前記エミッタ領域から、前記第２範囲へ突出する前記第１コンタクトホールの突出長さは、前記第１範囲における前記エミッタ領域の前記第１間隔の１／２以上である、
   半導体装置。

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