JP2023143682A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＩＧＢＴの閾値や負荷短絡耐量を低下させることなく、逆導通型ＩＧＢＴの逆方向ピーク電流（Irpeak）を低減した半導体装置を提供する。【解決手段】ＩＧＢＴ領域のベース領域の不純物濃度よりもダイオード領域の不純物濃度を低減する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴとＦＷＤとを逆並列に接続した半導体装置において、逆方向ピーク電流（Irpeak）を低減した半導体装置に関する。
モータなどを駆動するスイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とを逆並列に接続した半導体装置が知られている。ＩＧＢＴに逆並列に接続されたＦＷＤは、モータ等のコイルで生じる逆起電力による還流電流からＩＧＢＴを保護する役割がある。
ＩＧＢＴ領域とＦＷＤ領域を同一半導体基板上に形成し、小型化とボンディングワイヤを削減した逆導通型ＩＧＢＴ（ＲＣ－ＩＧＢＴ）が知られている。逆導通型ＩＧＢＴの動作特性を向上させるためには、同一半導体基板に形成されるＩＧＢＴ領域とＦＷＤ領域とのそれぞれの動作特性を向上させることが必要となる。特許文献１の逆導通型ＩＧＢＴはＦＷＤ領域において、アノード領域３４より不純物濃度が高いＰアノード層３６とＮ＋キャリア制御層４４を設ける例が開示されている。これにより、ＦＷＤ領域の順方向電流を増加させ、ＦＷＤ動作時のスイッチング速度が向上し、高速化を図ることができることが記載されている。
特開２０１５－１０９３４１号公報
しかし、特許文献１の半導体装置においてＦＷＤ領域の逆方向ピーク電流（Irpeak）を低減しようとすると、ベース領域の不純物濃度も下げる必要がある。そうすると、ＩＧＢＴの閾値電圧や負荷短絡耐量が低下してしまう。
そこで、本発明の課題は、ＩＧＢＴの閾値電圧や負荷短絡耐量を低下させることなく、逆導通型ＩＧＢＴの逆方向ピーク電流（Irpeak）を低減した半導体装置を提供することである。
本発明の半導体装置は、第１導電型の第１半導体領域と、第１半導体領域上であって第１導電型と反対の導電型である第２導電型の第２半導体領域と、第２半導体領域上であって第１導電型の第３半導体領域と、第１半導体領域上であって第２半導体領域とは反対側に設けられ、第２導電型の第４半導体領域と、第２半導体領域と対向して絶縁膜を介して配置された制御電極とを含むＩＧＢＴ領域と、第１半導体領域上であって第２導電型の第５半導体領域と、を含むダイオード領域を備え、第５半導体領域の不純物濃度は第２半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする。
本発明によれば、ＩＧＢＴの閾値や負荷短絡耐量を低下させることなく、逆導通型ＩＧＢＴの逆方向ピーク電流（Irpeak）を低減した半導体装置を実現することができる。
本発明の実施例１を示すための断面図である。 本発明の実施例１の不純物濃度分布を示すための断面図である。 本発明の実施例の半導体装置におけるＩＧＢＴ領域１９の不純物濃度（点線）とダイオード領域２０の不純物濃度（実線）を示す図である。 従来の半導体装置におけるＩＧＢＴ領域１９の不純物濃度（点線）とダイオード領域２０の不純物濃度（実線）を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図を参照して詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載に何ら限定されるものではない。
図面を参照しながら、複数の実施形態について詳細に説明する。図面の記載は模式的なものであり、厚みと寸法の関係、各層の厚みも比率等は一例であり、発明の技術思想を限定するものではない。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる場合がある。以下の説明で、部材の位置関係を説明する際に、「上部」「下部」「右側」「左側」等は参照する図面の向きに基づいて必要に応じて使用されるが、発明の技術的思想を限定するものではない。また「上部」「下部」「右側」「左側」等の説明は部材が接していなくとも用いられる場合がある。また、「不純物濃度」とは、半導体の導電性に寄与する不純物元素の実効的な濃度を意味するものとする。例えば、半導体にドナーとなるｎ型不純物元素と、アクセプタとなるｐ型不純物元素が含有されている場合、他方の元素による相殺分を除いた一方の不純物元素の濃度を「不純物濃度」と定義する。また、半導体層または半導体領域の不純物濃度とは、特にことわりのない限り、各半導体層または各半導体領域における最大不純物濃度を意味するものとする。
本発明の実施例１に係る半導体装置を説明する。図１は、本発明による半導体装置の素子構造を示す図である。半導体装置はＩＧＢＴ領域１９とＦＷＤのダイオード領域２０が設けられており、図１の半導体装置のようにＩＧＢＴ領域１９に挟まれるようにダイオード領域２０を設けられている。なお、ＩＧＢＴ領域１９とダイオード領域２０を交互に設けてもよいし、半導体装置を平面的に見てＩＧＢＴ領域１９の少なくとも一部を外側からダイオード領域２０が囲むようにＩＧＢＴ領域１９とダイオード領域２０を設けてもよい。
ＩＧＢＴ領域１９は、第1導電型（Ｎ型）のドリフト領域１と、ドリフト領域１上の第２導電型（Ｐ型）のベース領域２と、ベース領域２上の第１導電型（Ｎ型）のエミッタ領域３とを備える。第１のトレンチ２１がベース領域２を貫通するように形成され、第１のトレンチ２１の側壁にはエミッタ領域３が形成されている。
ドリフト領域１の下方に第２導電型（Ｐ型）のコレクタ領域４を備え、ドリフト領域１とコレクタ領域４との間にドリフト領域１よりも不純物濃度が高い第１導電型（Ｎ型）のフィールドストップ（ＦＳ）層５を備える。エミッタ領域３と側壁で隣接する第１のトレンチ２１とそれと隣り合う第１のトレンチ２１との間には、ベース領域２よりも不純物濃度が高い第２導電型（Ｐ型）のコンタクト領域９が設けられている。また、ドリフト領域１よりも不純物濃度が高い第１導電型（Ｎ型）のキャリア蓄積層８がベース領域２とドリフト領域１との間に設けられている。
第１のトレンチ２１内には絶縁膜１７を介して制御電極１５を備える。第１の主電極１３がエミッタ領域３と電気的に低抵抗接続し、第２の主電極１４がコレクタ領域４と電気的に低抵抗接続している。コンタクト領域９は第１の主電極１３と電気的に接続していてもよい。
ダイオード領域２０は、ドリフト領域１と、ドリフト領域１上の第２導電型（Ｐ型）のアノード領域６とを備える。第２のトレンチ２２がアノード領域６を貫通するように形成され、第２のトレンチ２２の開口部側の側壁には第２導電型（Ｐ型）の半導体領域１１が形成されている。隣接する第２のトレンチ２２間には、半導体領域１１と隣接してドリフト領域１よりも不純物濃度が高い第１導電型（Ｎ型）の半導体領域１２が設けられている。
ダイオード領域２０のアノード領域６と反対側のドリフト領域１上にはＩＧＢＴ領域１９と同じくＦＳ層５が設けられている。
ドリフト領域１の下方にコレクタ領域の代わりにＦＳ層５よりも不純物濃度が高い第１導電型（Ｎ型）のカソードコンタクト領域７が設けられている。カソードコンタクト領域７はＦＳ層５の下側に設けられている。
第２のトレンチ２２内には絶縁膜１８を介して補助電極１６を備える。図１の半導体装置において、補助電極１６は第１の主電極１３と電気的に接続している。第１の主電極１３が半導体領域１１と電気的に低抵抗接続し、第２の主電極１４がカソードコンタクト領域７と電気的に低抵抗接続している。半導体領域１２は第１の主電極１３と電気的に接続している。
ダイオード領域２０のアノード領域６の不純物濃度がＩＧＢＴ領域１９のベース領域２の不純物濃度よりも低くなっている。つまり、アノード領域６の最大の不純物濃度がＩＧＢＴ領域１９のベース領域２の最大の不純物濃度よりも低くなっている。ＩＧＢＴ領域１９のベース領域２の不純物濃度は短絡耐量やＩＧＢＴの閾値が変化する問題があるので、比較的高めることが望ましい。しかし、ダイオード領域２０のアノード領域６の不純物濃度を同様に高めてしまうと、逆方向ピーク電流（Irpeak）が大きくなってしまう。そこで、ベース領域２の不純物濃度とダイオード領域２０のアノード領域６の不純物濃度を同じとせず、アノード領域６の不純物濃度をＩＧＢＴ領域１９のベース領域２の不純物濃度よりも低くする。これにより、半導体装置はＩＧＢＴの閾値や負荷短絡耐量を低下させることなく、逆導通型ＩＧＢＴの逆方向ピーク電流（Irpeak）を低減することができる。アノード領域６は例えば選択拡散で形成される。アノード領域６とする領域の上面側からイオン注入される量をマスクで限定し、第２のトレンチ２２の側壁から斜めイオン注入と熱拡散でアノード領域６を形成する場合、アノード領域６を形成するイオン注入とベース領域２を形成するイオン注入とを同時に行うことができる。
本発明の実施例の半導体装置の不純物濃度分布を図２に示す。また、本発明の実施例の半導体装置のドリフト領域１およびその上方におけるＩＧＢＴ領域１９とダイオード領域２０の不純物濃度分布を図３に示す。また、比較例として従来のＩＧＢＴ領域とダイオード領域のドリフト領域１およびその上方における不純物濃度分布を図４で示す。なお、図３と図４において、点線がＩＧＢＴ領域１９におけるエミッタ領域３上面からドリフト領域１までの不純物濃度分布を示し、実線がダイオード領域２０における半導体領域１１からドリフト領域１までの不純物濃度分布を示す。実施例の半導体装置において、図２と図３をみるとわかるように、アノード領域６の不純物濃度は、ＩＧＢＴ領域１９のベース領域２の不純物濃度よりも低くなっており、アノード領域６の不純物濃度はベース領域２の不純物濃度に対し、１／２０～１／２の範囲となっている。
ここで、ＩＧＢＴ領域１９には（Ｎ型）のキャリア蓄積層８を設けてもよいが、ダイオード領域２０のアノード領域６とドリフト領域１との間に（Ｎ型）のキャリア蓄積層８を設けないことが望ましい。ダイオード領域２０にキャリア蓄積層８を設ける場合、キャリア蓄積層８は一般的に基板表面側からイオン注入して形成されるため、アノード領域６が形成される領域の不純物濃度はキャリア蓄積層８よりも高くなる。すると、アノード領域６がＰ型であって且つ低い不純物濃度で安定して形成することが困難となる。そこで、ダイオード領域２０にキャリア蓄積層８を設けないことが望ましい。さらに、ダイオード領域２０にキャリア蓄積層８を設けると、アノード領域６側に空乏層がより広がりやすくなる。アノード領域６を低不純物濃度とすることで空乏層がより広がりやすくなっていることに合算して、空乏層が広がりやすくなってしまう。ゆえに、そこで、ダイオード領域２０にキャリア蓄積層８を設けないことが望ましい。
ここで、アノード領域６と第１の主電極１３とが接触させると、アノード領域６が低い不純物濃度であるため、接触抵抗が大きくなり、ダイオード領域２０の順電圧が上昇してしまう。そこで、アノード領域６よりも不純物濃度が高い半導体領域１１をアノード領域６と第１の主電極１３との間の第２の溝２２の側面に形成し、半導体領域１１と第１の主電極１３とを電気的に接続する。 これにより、ダイオード領域２０の順電圧が上昇してしまうことを抑制することができる。さらに、ダイオード領域２０のアノード領域６の不純物濃度を下げると、ダイオード領域２０の第２の溝２２の側面で空乏層が延び易くなる。そのため、半導体領域１１がチャネルストッパとして半導体領域１１に達した空乏層が更に広がることを抑制することができる。ここで、第２の溝２２の開口部から半導体領域１１の上面上には、第２の溝２２から延びる絶縁膜１８が形成されている。絶縁膜１８が形成されていることで、第２の溝２２の開口部近傍でアノード領域６が第１の主電極１３と直接接しておらず、ダイオード領域２０の耐圧を向上することができる。
また、補助電極１６は制御電極１５と同じく、Ｎ型のポリシリコンで形成されている。
半導体領域１１を設けると、ダイオード領域２０のＰ型不純物濃度が上昇してしまう。
そこで、ダイオード領域２０の表面にＮ型の半導体領域１２が設けられている。Ｎ型の半導体領域１２はエミッタ領域３と同一工程で形成しても良く、ドリフト領域１やキャリア蓄積層８よりも不純物濃度が高い。これにより、ダイオードが順方向動作した時のダイオード領域２０の表面のホール（キャリア）を少なく保つことができる。ダイオード領域２０の表面のホール濃度を低く保つため、半導体領域１２の不純物濃度はＰ型の半導体領域１１よりも高く、且つ半導体領域１２の底部はＰ型の半導体領域１１の底部より深くなるよう形成することが望ましい。つまり、半導体領域１２とアノード領域６との界面は半導体領域１１とアノード領域６との界面よりも深くまで形成されている。これにより、ダイオード領域２０の表面のホールをより少なく保つことができ、逆導通型ＩＧＢＴの逆方向ピーク電流（Irpeak）を低減することができる。
１ ドリフト領域
２ ベース領域
３ エミッタ領域
４ コレクタ領域
５ ＦＳ層
６ アノード領域
７ カソードコンタクト領域
８ チャネル蓄積層
９ コンタクト領域
１１ 第２導電型（Ｐ型）の半導体領域
１２ 第１導電型（Ｎ型）の半導体領域
１３ 第１の主電極
１４ 第２の主電極
１５ 制御電極
１６ 補助電極
１７ 絶縁膜
１８ 絶縁膜
１９ ＩＧＢＴ領域
２０ ダイオード領域
２１ 第１の溝
２２ 第２の溝

Claims (4)

  1. 第１導電型の第１半導体領域と、
    前記第１半導体領域上であって第１導電型と反対の導電型である第２導電型の第２半導体領域と、
    前記第２半導体領域上であって第１導電型の第３半導体領域と、
    前記第１半導体領域上であって第２半導体領域とは反対側に設けられ、第２導電型の第４半導体領域と、
    第２半導体領域と対向して絶縁膜を介して配置された制御電極とを含むＩＧＢＴ領域と、
    前記第１半導体領域上であって第２導電型の第５半導体領域と、
    を含むダイオード領域を備え、
    前記第５半導体領域の不純物濃度は前記第２半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に前記第１半導体領域よりも不純物濃度が高い第６半導体領域を含み、
    前記第１半導体領域と前記第５半導体領域との間に前記第６半導体領域を含まないことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記制御電極は前記第２半導体領域を貫通する第１の溝内に設けられており、
    前記第５半導体領域を貫通するように第２の溝と前記第２の溝内に絶縁された補助電極とが設けられており、
    前記第５半導体領域上の前記第２の溝の側面には前記第５半導体領域より不純物濃度が高い第２導電型の第７半導体領域と、
    前記第５半導体領域上であって前記第７半導体領域に隣接して配置され、前記第１半導体領域よりも不純物濃度が高い第１導電型の第８半導体領域と、を含み、
    前記第８半導体領域と前記第５半導体領域との界面は前記第７半導体領域と前記第５半導体領域との界面よりも深いことを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の半導体装置。
  4. 前記補助電極は第１導電型のポリシリコンからなることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
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