JP2020136452A - 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＧＢＴの高い耐圧と低いオン電圧を実現する。【解決手段】 ＩＧＢＴであって、半導体基板を有する。前記半導体基板が、ｎ型のエミッタ領域と、ｐ型のボディ領域と、ｎ型のドリフト領域と、ｐ型のコレクタ領域と、ｎ型のバッファ領域と、ｎ型のバイパス領域を有している。前記バッファ領域は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域の間に配置されており、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域に接しており、前記ドリフト領域よりも高いｎ型不純物濃度を有している。前記バイパス領域は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域の間に配置されており、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域と前記バッファ領域に接しており、前記バッファ領域よりも低いｎ型不純物濃度を有している。前記ドリフト領域から前記コレクタ領域に向かう方向に沿って見たときの前記バイパス領域の幅が２μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタに関する。

特許文献１には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）という）が開示されている。特許文献１のＩＧＢＴは、ドリフト領域とコレクタ領域の間にバッファ領域を有している。ＩＧＢＴがオフしているときには、ボディ領域からドリフト領域に空乏層が伸展する。空乏層の伸展は、バッファ領域で停止する。これによって、空乏層がコレクタ領域に達すること（いわゆる、パンチスルー）が抑制される。

特開２０１３−０６５７３５号公報

特許文献１のＩＧＢＴでは、バッファ領域が、第１バッファ領域と第２バッファ領域を有している。第１バッファ領域と第２バッファ領域のそれぞれが、ドリフト領域とコレクタ領域の間に配置されている。第１バッファ領域のｎ型不純物濃度が高い一方で、第２バッファ領域のｎ型不純物濃度は低い。このため、ＩＧＢＴがオフしているときに、ドリフト領域に伸展する空乏層が、ｎ型不純物濃度が低い第２バッファ領域内まで伸展する。ＩＧＢＴに印加される電圧が高いと、第２バッファ領域内の空乏層がコレクタ領域に達し、パンチスルーが生じる。このため、引用文献１のＩＧＢＴは耐圧が低い。

バッファ領域全体のｎ型不純物濃度を高くすれば、ＩＧＢＴの耐圧を向上させることができる。しかしながら、ｎ型不純物濃度が高いバッファ領域によってドリフト領域とコレクタ領域が分離されると、ＩＧＢＴがオンするときに、コレクタ領域からドリフト領域へホールが流入し難い。このため、ＩＧＢＴのオン電圧が高くなる。

本明細書では、高い耐圧と低いオン電圧を実現可能なＩＧＢＴの構造を提案する。

本明細書が開示する絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、半導体基板と、前記半導体基板に接するエミッタ電極と、前記半導体基板に接するコレクタ電極と、前記半導体基板に接するゲート絶縁膜と、前記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、を有している。前記半導体基板が、前記エミッタ電極と前記ゲート絶縁膜に接しているｎ型のエミッタ領域と、前記ゲート絶縁膜に接しているｐ型のボディ領域と、前記ゲート絶縁膜に接しているとともに前記ボディ領域によって前記エミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、前記コレクタ電極に接しているｐ型のコレクタ領域と、バッファ領域と、バイパス領域を有している。前記バッファ領域は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域の間に配置されており、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域に接しており、前記ドリフト領域よりも高いｎ型不純物濃度を有しているｎ型領域である。前記バイパス領域は、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域の間に配置されており、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域と前記バッファ領域に接しており、前記バッファ領域よりも低いｎ型不純物濃度を有しているｎ型領域である。前記ドリフト領域から前記コレクタ領域に向かう方向に沿って見たときの前記バイパス領域の幅が２μｍ以下である。

このＩＧＢＴでは、ドリフト領域とコレクタ領域の間に、ｎ型不純物濃度が高いバッファ領域とｎ型不純物濃度が低いバイパス領域が配置されている。バイパス領域の幅は、２μｍ以下とされている。このようにバイパス領域の幅が狭いと、ＩＧＢＴがオフするときに、バイパス領域内に空乏層が伸展し難く、パンチスルーが生じ難い。このため、このＩＧＢＴは、高い耐圧を有する。また、このＩＧＢＴがオンするときには、バイパス領域を介してコレクタ領域からドリフト領域にホールが流入する。このため、このＩＧＢＴは、低いオン電圧を有する。

実施形態のＩＧＢＴの断面図。 バッファ領域とバイパス領域の配置を示す図。 ＩＧＢＴのオン特性を示すグラフ。 ＩＧＢＴの耐圧を示すグラフ。 変形例のバッファ領域とバイパス領域の配置を示す図。 ＩＧＢＴのオン特性を示すグラフ。 変形例のバイパス領域の交点の形状を示す図。 変形例のバッファ領域とバイパス領域の配置を示す図。 変形例のバッファ領域とバイパス領域の配置を示す図。

図１は、実施形態のＩＧＢＴ１０を示している。ＩＧＢＴ１０は、半導体基板１２と、エミッタ電極６０と、コレクタ電極６２を有している。エミッタ電極６０は、半導体基板１２の上面１２ａを覆っている。コレクタ電極６２は、半導体基板１２の下面１２ｂを覆っている。以下の説明では、半導体基板１２の上面１２ａに平行な一方向をｘ方向といい、上面１２ａに平行でｘ方向に直交する方向をｙ方向といい、半導体基板１２の厚み方向をｚ方向という。

半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ４０が設けられている。各トレンチ４０は、上面１２ａにおいてｙ方向に長く伸びている。複数のトレンチ４０は、互いに平行であり、ｘ方向に間隔を開けて配置されている。各トレンチ４０の内面は、ゲート絶縁膜４２によって覆われている。各トレンチ４０内に、ゲート電極４４が配置されている。ゲート電極４４は、ゲート絶縁膜４２によって半導体基板１２から絶縁されている。ゲート電極４４の上面及び半導体基板１２の上面１２ａは、層間絶縁膜４６によって覆われている。層間絶縁膜４６は、エミッタ電極６０によって覆われている。ゲート電極４４は、層間絶縁膜４６によってエミッタ電極６０から絶縁されている。層間絶縁膜４６には、複数のコンタクトホール４６ａが設けられている。エミッタ電極６０は、コンタクトホール４６ａ内で半導体基板１２の上面１２ａに接している。

半導体基板１２は、エミッタ領域２０、ボディコンタクト領域２２、上部ボディ領域２４、バリア領域２６、下部ボディ領域２８、ドリフト領域３０、バッファ領域３２、バイパス領域３４及びコレクタ領域３６を有している。

エミッタ領域２０は、ｎ型領域である。エミッタ領域２０は、半導体基板１２の上面１２ａに露出する範囲に複数個形成されている。各エミッタ領域２０は、エミッタ電極６０にオーミック接触している。各エミッタ領域２０は、トレンチ４０の上端部でゲート絶縁膜４２に接している。

ボディコンタクト領域２２は、ｐ型領域である。ボディコンタクト領域２２は、半導体基板１２の上面１２ａに露出する範囲に複数個形成されている。各ボディコンタクト領域２２は、エミッタ電極６０にオーミック接触している。

上部ボディ領域２４は、ｐ型領域である。上部ボディ領域２４のｐ型不純物濃度は、ボディコンタクト領域２２のｐ型不純物濃度よりも低い。上部ボディ領域２４は、エミッタ領域２０とボディコンタクト領域２２の下部に配置されている。上部ボディ領域２４は、エミッタ領域２０の下側でゲート絶縁膜４２に接している。

バリア領域２６は、ｎ型領域である。バリア領域２６は、上部ボディ領域２４の下部に配されている。バリア領域２６は、上部ボディ領域２４によってエミッタ領域２０から分離されている。バリア領域２６は、上部ボディ領域２４の下側でゲート絶縁膜４２に接している。

下部ボディ領域２８は、ｐ型領域である。下部ボディ領域２８のｐ型不純物濃度は、ボディコンタクト領域２２のｐ型不純物濃度よりも低い。下部ボディ領域２８は、バリア領域２６の下部に配置されている。下部ボディ領域２８は、バリア領域２６によって上部ボディ領域２４から分離されている。下部ボディ領域２８は、バリア領域２６の下側でゲート絶縁膜４２に接している。

ドリフト領域３０は、ｎ型領域である。ドリフト領域３０のｎ型不純物濃度は、エミッタ領域２０のｎ型不純物濃度よりも低い。ドリフト領域３０は、下部ボディ領域２８の下部に配置されている。ドリフト領域３０は、下部ボディ領域２８によってバリア領域２６から分離されている。ドリフト領域３０は、下部ボディ領域２８の下側でゲート絶縁膜４２に接している。

バッファ領域３２とバイパス領域３４は、ドリフト領域３０の下部に配置されている。バッファ領域３２とバイパス領域３４のそれぞれが、ドリフト領域３０に対して下側から接している。バッファ領域３２のｎ型不純物濃度は、ドリフト領域３０のｎ型不純物濃度よりも高い。バイパス領域３４のｎ型不純物濃度は、ドリフト領域３０のｎ型不純物濃度と略等しい。すなわち、バイパス領域３４は、ドリフト領域３０と一体化した領域である。バイパス領域３４は、ｘ方向においてバッファ領域３２に挟まれている。バイパス領域３４は、ｘ方向の両側でバッファ領域３２に接している。図２は、ＩＧＢＴ１０のｘｙ平面に沿う断面であって、バッファ領域３２とバイパス領域３４の深さにおける断面を示している。すなわち、図２は、ｚ方向に沿って見たときのバッファ領域３２とバイパス領域３４の形状を示している。図２に示すように、バッファ領域３２とバイパス領域３４は、ｙ方向にストライプ状に伸びている。図２に示すようにドリフト領域３０からコレクタ領域３６に向かう方向に沿って見たときに、バイパス領域３４の幅Ｗ１（図２では、ｘ方向の寸法）は２μｍ以下である。本実施形態では、バイパス領域３４のすべての部分において、その幅Ｗ１が２μｍ以下である。

図１に示すように、コレクタ領域３６は、バッファ領域３２及びバイパス領域３４の下部に配置されている。コレクタ領域３６は、バッファ領域３２とドリフト領域３０に対して下側から接している。すなわち、バッファ領域３２とバイパス領域３４のそれぞれは、ドリフト領域３０とコレクタ領域３６の間に配置されており、ドリフト領域３０とコレクタ領域３６に接している。コレクタ領域３６は、半導体基板１２の下面１２ｂに露出する範囲に配置されている。コレクタ領域３６は、コレクタ電極６２にオーミック接触している。

ＩＧＢＴ１０の使用時には、コレクタ電極６２にエミッタ電極６０よりも高い電位が印加される。ゲート電極４４に閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜４２に接する範囲で、上部ボディ領域２４と下部ボディ領域２８にチャネルが形成される。チャネルとバリア領域２６によって、エミッタ領域２０とドリフト領域３０が接続される。すると、電子が、エミッタ領域２０から、上部ボディ領域２４のチャネル、バリア領域２６、及び、下部ボディ領域２８のチャネルを介してドリフト領域３０へ流入する。ドリフト領域３０に電子が流入するのと同時に、ホールが、コレクタ領域３６から、バッファ領域３２とバイパス領域３４を介してドリフト領域３０へ流入する。このとき、バッファ領域３２のｎ型不純物濃度が高いので、ホールはバッファ領域３２へ流入し難い。しかしながら、バッファ領域３２の隣にｎ型不純物濃度が低いバイパス領域３４が設けられている。したがって、多くのホールは、バイパス領域３４を通ってドリフト領域３０へ流入する。バイパス領域３４によって、ドリフト領域３０に多数のホールが供給される。ドリフト領域３０に電子とホールが流入すると、電導度変調現象によってドリフト領域３０の抵抗が下がる。このため、電子は、ドリフト領域３０内を低損失で流れることができる。電子は、バッファ領域３２とバイパス領域３４を介してコレクタ領域３６へ流れる。このように、エミッタ領域２０からコレクタ領域３６へ電子が流れることで、ＩＧＢＴ１０がオンする。

以上に説明したように、ＩＧＢＴ１０がオンするときには、バイパス領域３４を介してコレクタ領域３６からドリフト領域３０へ多くのホールが流入するので、ドリフト領域３０の抵抗を低下させることができる。したがって、ＩＧＢＴ１０のオン電圧は低い。

ゲート電極４４の電位を閾値より低い電位まで低下させると、チャネルが消失し、電子の流れが停止する。すなわち、ＩＧＢＴ１０がオフする。ＩＧＢＴ１０がオフすると、下部ボディ領域２８からドリフト領域３０内に空乏層が伸展する。空乏層は、ドリフト領域３０内を下側へ伸展する。空乏層は、ｎ型不純物濃度が高いバッファ領域３２内にはほとんど進入することができない。したがって、バッファ領域３２が存在する部分では、ドリフト領域３０の下端で空乏層の伸展が停止する。また、バイパス領域３４の幅Ｗ１が２μｍ以下と狭いので、バイパス領域３４の全体の電位がバイパス領域３４に接するバッファ領域３２と略同電位となる。このため、バイパス領域３４のｎ型不純物濃度は低いにもかかわらず、空乏層は、バイパス領域３４内にほとんど進入することができない。したがって、バイパス領域３４が存在する部分でも、ドリフト領域３０の下端で空乏層の伸展が停止する。すなわち、バッファ領域３２とバイパス領域３４によって、空乏層がドリフト領域３０の下端よりも下側へ伸展することが抑制される。このため、空乏層がコレクタ領域３６に到達することが抑制される。すなわち、パンチスルーが抑制される。

以上に説明したように、バイパス領域３４の幅Ｗ１が２μｍ以下であるので、空乏層の下方向への伸展がバッファ領域３２とバイパス領域３４によって抑制される。これによって、パンチスルーが抑制される。したがって、ＩＧＢＴ１０は、高い耐圧を有する。

図３、４は、バイパス領域３４の幅を変化させたときのＩＧＢＴの特性の変化を示している。なお、図３、４の「バイパス領域なし」は、バイパス領域３４が形成されておらず、ドリフト領域３０とコレクタ領域３６の間にバッファ領域３２のみが形成されている場合を示している。

図３は、共通のゲート電圧（固定値）が印加されることで各ＩＧＢＴがオンしているときの電流−電圧特性を示している。図３に示すように、一定のコレクタ−エミッタ間電流Ｉｃｅ（例えば、図３の電流Ｉｃｅ１）で比較した場合、「バイパス領域なし」でコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅが最大となり、バイパス領域３４の幅Ｗ１が広くなるほどコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅが低くなる。すなわち、バイパス領域３４の幅Ｗ１が広くなるほどオン電圧が低くなる。これは、バイパス領域３４の幅Ｗ１が広くなるほど、ドリフト領域３０に多くのホールが流入するためと考えられる。

図４は、ＩＧＢＴがオフしているときの電流−電圧特性を示している。図４は、コレクタ−エミッタ間に漏れ電流Ｉｃｅｓが流れ始めるときのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅを示している。すなわち、図４は、ＩＧＢＴの耐圧を示している。なお、図４では、「バイパス領域なし」のグラフと、Ｗ１＝２μｍのグラフが重なっている。図４に示すように、「バイパス領域なし」では、ＩＧＢＴは約１３００Ｖの耐圧を有する。バイパス領域３４の幅Ｗ１が２μｍの場合でも、「バイパス領域なし」の場合と同様に、ＩＧＢＴは約１３００Ｖの耐圧を有する。これに対し、幅Ｗ１が３μｍ、４μｍの場合には、「バイパス領域なし」の場合に比べて、耐圧が低下する。幅Ｗ１を２μｍより広くすると、幅Ｗ１が広くなるほど耐圧が低下する。図４から、バイパス領域３４の幅Ｗ１を２μｍ以下とすることで、バイパス領域３４が無い場合と同等の耐圧が得られることが分かる。

図３、４から明らかなように、バイパス領域３４の幅Ｗ１を２μｍ以下とすることで、耐圧を低下させることなく、オン電圧を低くすることができる。したがって、実施形態のＩＧＢＴ１０は、高い耐圧と低いオン電圧を有する。

なお、上述した実施形態では、図２のように、バイパス領域３４がストライプ状に伸びていた。しかしながら、図５のように、バイパス領域３４が、格子状に伸びていてもよい。この場合でも、バイパス領域３４の幅Ｗ１を２μｍ以下とすることで、耐圧を低下させずに、オン電圧を低くすることができる。なお、図６は、ストライプ状のバイパス領域３４を設けた場合と格子状のバイパス領域３４を設けた場合とで、ＩＧＢＴのオン電圧を比較している。図６に示すように、格子状のバイパス領域３４を設けることで、ストライプ状のバイパス領域３４を設ける場合よりもさらにオン電圧を低下させることができる。

なお、格子状のバイパス領域３４を設ける場合、図７に示すように、交点の位置にカットオフ部３４ａを設けてもよい。カットオフ部３４ａを設けることで、交点の位置においてバイパス領域３４の幅（図７の幅Ｗａ）が広くなることを防止することができる。

また、図８に示すように、バイパス領域３４が、ｘ方向及びｙ方向に沿って伸びる破線状に設けられていてもよい。また、図９に示すように、バイパス領域３４が、ストライプと破線を組み合わせた形状を有していてもよい。

また、上述した実施形態のＩＧＢＴでは、バリア領域によってボディ領域が上部ボディ領域と下部ボディ領域に分離されていたが、バリア領域が設けられていなくてもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：ＩＧＢＴ
１２ ：半導体基板
２０ ：エミッタ領域
２２ ：ボディコンタクト領域
２４ ：上部ボディ領域
２６ ：バリア領域
２８ ：下部ボディ領域
３０ ：ドリフト領域
３２ ：バッファ領域
３４ ：バイパス領域
３６ ：コレクタ領域
４０ ：トレンチ
４２ ：ゲート絶縁膜
４４ ：ゲート電極
４６ ：層間絶縁膜
６０ ：エミッタ電極
６２ ：コレクタ電極

Claims (1)

1. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板に接するエミッタ電極と、
   前記半導体基板に接するコレクタ電極と、
   前記半導体基板に接するゲート絶縁膜と、
   前記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、
   を有しており、
   前記半導体基板が、
   前記エミッタ電極と前記ゲート絶縁膜に接しているｎ型のエミッタ領域と、
   前記ゲート絶縁膜に接しているｐ型のボディ領域と、
   前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域によって前記エミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、
   前記コレクタ電極に接しているｐ型のコレクタ領域と、
   前記ドリフト領域と前記コレクタ領域の間に配置されており、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域に接しており、前記ドリフト領域よりも高いｎ型不純物濃度を有しているｎ型のバッファ領域と、
   前記ドリフト領域と前記コレクタ領域の間に配置されており、前記ドリフト領域と前記コレクタ領域と前記バッファ領域に接しており、前記バッファ領域よりも低いｎ型不純物濃度を有しているｎ型のバイパス領域、
   を有しており、
   前記ドリフト領域から前記コレクタ領域に向かう方向に沿って見たときの前記バイパス領域の幅が２μｍ以下である、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

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