JP2021077813A

JP2021077813A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2021077813A
Application number: JP2019205018A
Authority: JP
Inventors: やよい岩島; Yayoi Iwashima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-12
Also published as: JP7439465B2

Abstract

【課題】ＩＧＢＴ領域からダイオード領域へのホールの流入を抑えながら、電流集中を緩和する技術を提供する。【解決手段】ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に区画された半導体基板を備える半導体装置は、前記ＩＧＢＴ領域に対応した前記半導体基板の一方の主面に露出する位置に設けられたｐ型のコレクタ領域と、前記ダイオード領域に対応した前記半導体基板の前記一方の主面に露出する位置に設けられたｎ型のカソード領域と、を備えており、前記コレクタ領域のｐ型不純物の濃度が、前記半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、前記ＩＧＢＴ領域の周辺部及び中央部がそれらの間の部分よりも薄い、及び／又は、前記カソード領域のｎ型不純物の濃度が、前記半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、前記ダイオード領域の周辺部及び中央部がそれらの間の部分よりも薄い。【選択図】図２

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には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）領域とダイオード領域に区画された半導体基板を備える半導体装置が開示されている。この半導体装置では、半導体基板の上面に上部電極が設けられており、半導体基板の下面に下部電極が設けられている。ＩＧＢＴ領域内には、上部電極がエミッタ電極となり、下部電極がコレクタ電極となるように、ＩＧＢＴが設けられている。ダイオード領域内には、上部電極がアノード電極となり、下部電極がカソード電極となるようにダイオードが設けられている。

このような半導体装置では、還流電流がダイオード領域を流れるモードにおいて、ＩＧＢＴ領域からダイオード領域にホールが流入することが知られている。このようなＩＧＢＴ領域からダイオード領域に流入するホールによって、ダイオード領域の逆回復特性が悪化し、スイッチング損失が増加することが問題となっている。

特許文献１では、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界部分に、ＩＧＢＴ領域のｐ型コレクタ領域よりもｐ型不純物の濃度が薄い領域、及び／又は、ダイオード領域のｎ型カソード領域よりもｎ型不純物の濃度が薄い領域を設ける技術を開示する。このような高抵抗領域を設けることにより、ＩＧＢＴ領域からダイオード領域に流入するホールの流入量を抑制することができる。

国際公開第２０１１／１２５１５６号

特許文献１の半導体装置では、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界部分に、例えば、ｐ型コレクタ領域よりもｐ型不純物の濃度が薄い領域が設けられている場合、ＩＧＢＴがオンしたときにＩＧＢＴ領域を流れる電流は、半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、ＩＧＢＴ領域の周辺部で少なく、ＩＧＢＴ領域の中央部で多くなる。即ち、ＩＧＢＴ領域を流れる電流は、ＩＧＢＴ領域の中央部を局所的に流れることとなる。一方、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界部分に、例えば、ｎ型カソード領域よりもｎ型不純物の濃度が薄い領域が設けられている場合、ダイオードがオンしたときにダイオード領域を流れる電流は、半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、ダイオード領域の周辺部で少なく、ダイオード領域の中央部で多くなる。即ち、ダイオード領域を流れる電流は、ダイオード領域の中央部を局所的に流れることとなる。このような局所的な電流集中は、熱破壊の原因となることが懸念される。

本明細書は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に区画された半導体基板を備える半導体装置を開示する。この半導体装置は、前記ＩＧＢＴ領域に対応した前記半導体基板の一方の主面に露出する位置に設けられたｐ型のコレクタ領域と、前記ダイオード領域に対応した前記半導体基板の前記一方の主面に露出する位置に設けられたｎ型のカソード領域と、を備えることができる。この半導体装置では、前記コレクタ領域のｐ型不純物の濃度が、前記半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、前記ＩＧＢＴ領域の周辺部及び中央部がそれらの間の部分よりも薄い、及び／又は、前記カソード領域のｎ型不純物の濃度が、前記半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、前記ダイオード領域の周辺部及び中央部がそれらの間の部分よりも薄い。

上記半導体装置では、前記コレクタ領域のｐ型不純物の濃度が、前記ＩＧＢＴ領域の周辺部及び中央部でそれらの間の部分よりも薄く調整されていてもよい。この場合、前記コレクタ領域のｐ型不純物の濃度が前記ＩＧＢＴ領域の周辺部で薄いので、前記ＩＧＢＴ領域から前記ダイオード領域に流入するホールの流入量を抑制することができる。さらに、前記コレクタ領域のｐ型不純物の濃度が前記ＩＧＢＴ領域の中央部で薄いので、ＩＧＢＴがオンしたときに前記ＩＧＢＴ領域を流れる電流が均一化されて局所的な電流集中が緩和される。また、上記半導体装置では、前記カソード領域のｎ型不純物の濃度が、前記ダイオード領域の周辺部及び中央部でそれらの間の部分よりも薄く調整されていてもよい。この場合、前記カソード領域のｎ型不純物の濃度が前記ダイオード領域の周辺部で薄いので、前記ＩＧＢＴ領域から前記ダイオード領域に流入するホールの流入量を抑制することができる。さらに、前記カソード領域のｎ型不純物の濃度が前記ダイオード領域の中央部で薄いので、前記ダイオード領域を流れる電流が均一化されて局所的な電流集中が緩和される。

本実施形態の半導体装置の平面図を模式的に示す。図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図を模式的に示す。ｙ方向におけるカソード領域のｐ型不純物の濃度分布を示す。

図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、シリコン製の基板である。なお、以下では、半導体基板１２の厚み方向をｚ方向といい、半導体基板１２の上面１２ａに平行な一方向をｘ方向といい、半導体基板１２の上面１２ａに平行かつｘ方向に直交する方向をｙ方向という。図１に示すように、半導体基板１２は、２つの素子領域１８と、素子領域１８の周囲に配置されている耐圧領域１９を有している。各素子領域１８は、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０に区画されている。各素子領域１８内において、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０が、ｙ方向に交互に設けられている。ＩＧＢＴ領域２０内にはＩＧＢＴを構成するための構造が設けられており、ダイオード領域４０内にはダイオードを構成するための構造が設けられている。

図２に示すように、半導体装置１０は、上部電極１４と、下部電極１６を有している。上部電極１４は、半導体基板１２の上面１２ａ（表面）に配置されている。下部電極１６は、半導体基板１２の下面１２ｂ（裏面）に配置されている。このように、半導体装置１０は、縦型デバイスとして構成されている。上部電極１４は、ＩＧＢＴのエミッタ電極とダイオードのアノード電極を兼ねている。下部電極１６は、ＩＧＢＴのコレクタ電極とダイオードのカソード電極を兼ねている。

半導体基板１２内には、コレクタ領域３０とカソード領域４８が設けられている。半導体基板１２の下面１２ｂに露出する位置に、コレクタ領域３０とカソード領域４８が設けられている。コレクタ領域３０は、ｐ型不純物を含むｐ型領域であり、下部電極１６にオーミック接触している。カソード領域４８は、ｎ型不純物を含むｎ型領域であり、下部電極１６にオーミック接触している。半導体基板１２の下面１２ｂに露出する位置において、ＩＧＢＴ領域２０の全体にコレクタ領域３０が設けられており、ダイオード領域４０の全体にカソード領域４８が設けられている。言い換えると、半導体基板１２をｚ方向（半導体基板１２の厚み方向）に沿ってみたときに、ＩＧＢＴ領域２０に対応する半導体基板１２の下面に露出する位置にコレクタ領域３０が設けられており、ダイオード領域４０に対応する半導体基板１２の下面に露出する位置にカソード領域４８が設けられている。

半導体基板１２は、さらに、バッファ領域２８、ドリフト領域２６、バリア領域２５、ボディ領域２４、ボディコンタクト領域２３、エミッタ領域２２、アノード領域４２、及び、アノードコンタクト領域４１を有している。

バッファ領域２８は、カソード領域４８よりもｎ型不純物を含むｎ型領域である。バッファ領域２８は、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０に跨って分布している。バッファ領域２８は、ＩＧＢＴ領域２０内では、コレクタ領域３０の上部に配置されており、コレクタ領域３０に接している。バッファ領域２８は、ダイオード領域４０内では、カソード領域４８の上部に配置されており、カソード領域４８に接している。

ドリフト領域２６は、バッファ領域２８よりもｎ型不純物濃度が低いｎ型領域である。ドリフト領域２６は、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０に跨って分布している。ドリフト領域２６は、ＩＧＢＴ領域２０及びダイオード領域４０内において、バッファ領域２８の上部に配置されており、バッファ領域２８に接している。

ボディ領域２４は、ｐ型不純物を含むｐ型領域である。ボディ領域２４は、ＩＧＢＴ領域２０内に配置されている。ボディ領域２４は、ドリフト領域２６の上部に配置されており、ドリフト領域２６に接している。

ボディコンタクト領域２３は、ボディ領域２４よりもｐ型不純物濃度が高いｐ型領域である。ボディコンタクト領域２３は、ＩＧＢＴ領域２０内に配置されている。ボディコンタクト領域２３は、ボディ領域２４の上部に部分的に配置されており、ボディ領域２４に接している。ボディコンタクト領域２３は、ボディ領域２４によってドリフト領域２６から分離されている。ボディコンタクト領域２３は、半導体基板１２の上面１２ａに露出する位置に配置されており、上部電極１４に対してオーミック接触している。

エミッタ領域２２は、ドリフト領域２６よりもｎ型不純物濃度が高いｎ型領域である。エミッタ領域２２は、ＩＧＢＴ領域２０内に配置されている。エミッタ領域２２は、ボディ領域２４の上部に部分的に配置されており、ボディ領域２４に接している。エミッタ領域２２は、ボディ領域２４によってドリフト領域２６から分離されている。エミッタ領域２２は、ボディコンタクト領域２３が存在しない範囲であって、半導体基板１２の上面１２ａに露出する位置に配置されている。エミッタ領域２２は、上部電極１４に対してオーミック接触している。

アノード領域４２は、ｐ型不純物を含むｐ型領域である。アノード領域４２は、ダイオード領域４０内に配置されている。アノード領域４２は、ドリフト領域２６の上部に配置されており、ドリフト領域２６に接している。

アノードコンタクト領域４１は、アノード領域４２よりもｐ型不純物濃度が高いｐ型領域である。アノードコンタクト領域４１は、ダイオード領域４０内に配置されている。アノードコンタクト領域４１は、アノード領域４２の上部に部分的に配置されており、アノード領域４２に接している。アノードコンタクト領域４１は、アノード領域４２によってドリフト領域２６から分離されている。アノードコンタクト領域４１は、半導体基板１２の上面１２ａを含む範囲に配置されており、上部電極１４に対してオーミック接触している。

バリア領域２５は、ｎ型不純物を含むｎ型領域である。バリア領域２５は、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０に跨って分布している。バリア領域２５は、ＩＧＢＴ領域２０内において、ボディ領域２４を上下に分離するように、半導体基板１２の面内方向（ｘｙ平面に平行な面内方向）に沿って延びて設けられている。バリア領域２５は、ダイオード領域４０内において、アノード領域４２を上下に分離するように、半導体基板１２の面内方向に沿って延びて設けられている。

半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ５０が設けられている。各トレンチ５０は、ｘ方向に長く伸びている。複数のトレンチ５０は、ｙ方向に間隔を開けて配列されている。ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０のそれぞれに、複数のトレンチ５０が設けられている。各トレンチ５０は、半導体基板１２の上面１２ａからドリフト領域２６に達する深さまで伸びている。

ＩＧＢＴ領域２０内の各トレンチ５０の内面は、ゲート絶縁膜３２によって覆われている。ＩＧＢＴ領域２０内の各トレンチ５０内には、ゲート電極３４が配置されている。各ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２によって半導体基板１２から絶縁されている。各ゲート電極３４の上部には、層間絶縁膜３６が配置されている。各ゲート電極３４は、層間絶縁膜３６によって上部電極１４から絶縁されている。

ドリフト領域２６は、トレンチ５０の下端部で、ゲート絶縁膜３２に接している。ボディ領域２４及びバリア領域２５は、ドリフト領域２６の上部でゲート絶縁膜３２に接している。エミッタ領域２２は、ボディ領域２４の上部でゲート絶縁膜３２に接している。したがって、各ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２を介して、エミッタ領域２２、ボディ領域２４、バリア領域２５及びドリフト領域２６に対向している。

ダイオード領域４０内の各トレンチ５０の内面は、絶縁膜５２によって覆われている。ダイオード領域４０内の各トレンチ５０内には、制御電極５４が配置されている。各制御電極５４は、絶縁膜５２によって半導体基板１２から絶縁されている。各制御電極５４の上部には、層間絶縁膜５６が配置されている。各制御電極５４は、層間絶縁膜５６によって上部電極１４から絶縁されている。制御電極５４の電位は、ゲート電極３４の電位から独立している。例えば、制御電極５４の電位を、上部電極１４と同電位に固定してもよい。

ドリフト領域２６は、トレンチ５０の下端部で、絶縁膜５２に接している。アノード領域４２及びバリア領域２５は、ドリフト領域２６の上部で絶縁膜５２に接している。したがって、各制御電極５４は、絶縁膜５２を介して、アノード領域４２、バリア領域２５及びドリフト領域２６に対向している。

図３は、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度分布を示す。図３の符号３８は、ｙ方向（ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０の繰返し方向）におけるＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０の境界を示す（図２参照）。図３に示すように、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度は、ダイオード領域４０の周辺部と中央部が薄く調整されており、ダイオード領域４０の周辺部と中央部の間の部分がピークとなるように調整されている。ここで、ダイオード領域４０の周辺部とは、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０の境界３８の近傍の範囲に対応する。ダイオード領域４０の中央部は、ダイオード領域４０のｙ方向の中央位置を含む範囲である。なお、図３に示す濃度分布の具体的な数値（例えば、ダイオード領域４０の周辺部及び中央部のｙ方向の幅、及び、カソード領域４８の濃度）は、要求される特性に応じて適宜に調整される。

このような濃度分布を有するカソード領域４８を形成するために、例えば、イオン注入技術を利用してｎ型不純物をドーピングするためのマスクの開口率を変えてもよい。半導体基板１２の下面１２ｂに、ダイオード領域４０の周辺部と中央部で開口率が小さく、それらの間の部分で開口率が大きいマスクを成膜し、そのマスクを介してｎ型不純物を半導体基板１２の下面１２ｂにイオン注入すると、開口率が小さい周辺部及び中央部には低濃度のカソード領域４８が形成され、開口率の大きい部分には高濃度のカソード領域４８が形成される。この手法を利用すれば、１枚のマスクで図３に示す濃度分布を有するカソード領域４８を形成することができる。

次に、半導体装置１０において、還流電流が流れるモードについて説明する。ダイオード領域４０の上部電極１４と下部電極１６の間には、アノードコンタクト領域４１、アノード領域４２、ドリフト領域２６、バッファ領域２８及びカソード領域４８によってダイオードが形成されている。上部電極１４に下部電極１６よりも高い電位が印加されると、ダイオードがオンする。すなわち、下部電極１６から、カソード領域４８、バッファ領域２８、ドリフト領域２６、アノード領域４２及びアノードコンタクト領域４１を介して上部電極１４へ向かって電子が流れる。同時に、上部電極１４から、アノードコンタクト領域４１及びアノード領域４２を介してドリフト領域２６へホールが流れる。このように、半導体装置１０では、還流電流が流れるモードにおいて、ダイオード領域４０の上部電極１４から下部電極１６に向けて還流電流が流れる。

また、ダイオード領域４０とＩＧＢＴ領域２０の境界３８には、ボディコンタクト領域２３、ボディ領域２４、ドリフト領域２６、バッファ領域２８及びカソード領域４８によって、寄生ダイオードが形成されている。このため、還流電流が流れるモードにおいて、寄生ダイオードもオンし、ＩＧＢＴ領域２０からダイオード領域４０にホールが流入する。このようなホールの流入量が多いと、後述するように、スイッチング損失が増加してしまう。半導体装置１０では、図３に示すように、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度が周辺部で薄く調整されており、カソード領域４８の周辺部が高抵抗となっている。このため、ＩＧＢＴ領域２０からダイオード領域４０に流入するホールの流入量が抑えられる。

ダイオードがオンした後に、上部電極１４の電位を下部電極１６の電位よりも低い電位まで引き下げると、ダイオードがリカバリ動作を行う。すなわち、ドリフト領域２６内に存在するホールが、上部電極１４へ排出される。このため、ダイオードに、瞬間的にリカバリ電流（逆電流）が流れる。上述したように、半導体装置１０では、ＩＧＢＴ領域２０からダイオード領域４０に流入するホールの流入量が抑えられているので、リカバリ電流が抑えられる。これにより、半導体装置１０では、リカバリ電流に起因したスイッチング損失の増加が抑えられる。

また、半導体装置１０では、図３に示すように、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度が中央部で薄く調整されている。仮に、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度を周辺部のみで薄くした場合、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度のピークが中央部となる。このため、ダイオードがオンしたときに流れる電流は、ダイオード領域４０の中央部を多く流れる。このような局所的な電流集中は、熱破壊の原因となることが懸念される。一方、半導体装置１０では、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度が中央部で薄く調整されており、その中央部の周囲にピークが分散している。これにより、ダイオードがオンしたときに流れる電流は、ダイオード領域４０を均一化して流れることができる。このように、半導体装置１０では、局所的な電流集中が緩和され、熱破壊が抑制される。

なお、上述した実施形態では、カソード領域４８のｎ型不純物の濃度分布が調整されていた。これに代えて、またはこれに加えて、コレクタ領域３０のｐ型不純物の濃度分布を調整してもよい。図３に示すカソード領域４８の濃度分布と同様に、コレクタ領域３０のｐ型不純物の濃度が、周辺部と中央部が薄く調整され、周辺部と中央部の間の部分がピークとなるように調整されていてもよい。この場合も同様に、コレクタ領域３０のｐ型不純物の濃度がＩＧＢＴ領域２０の周辺部で薄いので、ＩＧＢＴ領域２０からダイオード領域４０に流入するホールの流入量を抑制することができ、スイッチング損失の増加を抑えることができる。さらに、コレクタ領域３０のｐ型不純物の濃度がＩＧＢＴ領域２０の中央部で薄いので、ＩＧＢＴがオンしたときにＩＧＢＴ領域２０を流れる電流が均一化され、局所的な電流集中が緩和される。

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：半導体装置
１２：半導体基板
１４：上部電極
１６：下部電極
２０：ＩＧＢＴ領域
２２：エミッタ領域
２３：ボディコンタクト領域
２４：ボディ領域
２５：バリア領域
２６：ドリフト領域
２８：バッファ領域
３０：コレクタ領域
３２：ゲート絶縁膜
３４：ゲート電極
３６：層間絶縁膜
３８：境界
４０：ダイオード領域
４１：アノードコンタクト領域
４２：アノード領域
４８：カソード領域
５０：トレンチ
５２：絶縁膜
５４：制御電極
５６：層間絶縁膜

Claims

ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に区画された半導体基板を備える半導体装置であって、
前記ＩＧＢＴ領域に対応した前記半導体基板の一方の主面に露出する位置に設けられたｐ型のコレクタ領域と、
前記ダイオード領域に対応した前記半導体基板の前記一方の主面に露出する位置に設けられたｎ型のカソード領域と、を備えており、
前記コレクタ領域のｐ型不純物の濃度が、前記半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、前記ＩＧＢＴ領域の周辺部及び中央部がそれらの間の部分よりも薄い、及び／又は、前記カソード領域のｎ型不純物の濃度が、前記半導体基板をその厚み方向に沿って平面視したときに、前記ダイオード領域の周辺部及び中央部がそれらの間の部分よりも薄い、半導体装置。