JP4566470B2

JP4566470B2 - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ

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Publication number: JP4566470B2
Application number: JP2001216135A
Authority: JP
Inventors: 英介末川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: DE10226908B4; DE10226908A1; JP2003031809A; US7250639B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータなどに使用される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以後、「ＩＧＢＴ」と呼ぶ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、第１の従来技術におけるＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。図７に示すように、ｎ型の半導体基板であるｎ半導体層１の一方の主面１００内に、所定距離を成してｐ不純物領域２，２０が選択的に形成されている。そして、ｐ不純物領域２の表面内に、所定距離を成してｎ⁺不純物領域３ａ，３ｂが選択的に形成されている。同様に、ｐ不純物領域２０の表面内に、所定距離を成してｎ⁺不純物領域３０ａ，３０ｂが選択的に形成されている。
【０００３】
また、ｎ⁺不純物領域３ｂとｎ⁺不純物領域３０ａとで挟まれるｎ半導体層１の主面１００上には、絶縁膜４０が形成されており、さらにその上にはゲート電極５０が形成されている。そして、ゲート電極５０を覆って層間絶縁膜７０が形成されている。同様に、絶縁膜４１は、ｎ⁺不純物領域３ａと、図７には図示していないｎ⁺不純物領域とで挟まれるｎ半導体層１の主面１００上に形成されており、ゲート電極５１は、その絶縁膜４１上に形成されている。そして、ゲート電極５１を覆って層間絶縁膜７１が形成されている。また、絶縁膜４２は、ｎ⁺不純物領域３０ｂと、図７には図示していないｎ⁺不純物領域とで挟まれるｎ半導体層１の主面１００上に形成されており、ゲート電極５２は、その絶縁膜４２上に形成されている。そして、ゲート電極５２を覆って層間絶縁膜７２が形成されている。
【０００４】
そして、ｎ半導体層１の主面１００上及び層間絶縁膜７０〜７２上にエミッタ電極６が形成されており、当該エミッタ電極６はｎ⁺不純物領域３ａ，３ｂ，３０ａ，３０ｂ及びｐ不純物領域２，２０と接続されている。
【０００５】
ｎ半導体層１の主面１００とは反対側の主面１０１上には、ｎ半導体層１よりも不純物濃度が高いｎ⁺バッファ層８が形成され、ｎ半導体層１とは反対側のｎ⁺バッファ層８の主面上には、略均一な不純物濃度を有するｐ⁺半導体層であるコレクタ層９０が形成されている。そして、ｎ⁺バッファ層８とは反対側のコレクタ層９０の主面上にはコレクタ電極１０が形成されている。
【０００６】
上述のような構造を備える第１の従来技術のおけるＩＧＢＴでは、オフ状態において、ｐ⁺半導体層であるコレクタ層９０からの正孔の注入量が多いため、高温時におけるオフ状態の漏れ電流（以後、単に「漏れ電流」と呼ぶ）が多いという問題があった。また、一般的に、高耐圧のＩＧＢＴのオン電圧、ターンオフ損失などの特性を改善するためには、ｎ半導体層１の薄膜化が非常に有効であるが、ｎ半導体層１の薄膜化の反作用として、オフ状態における内蔵ｐｎｐトランジスタのｈＦＥが増大するため、漏れ電流が増大する。特に、第１の従来技術におけるＩＧＢＴでは、上述のように、オフ状態におけるコレクタ層９０からの正孔の注入量が多いため、ｎ半導体層１の薄膜化を行うと、漏れ電流が大幅に増加するといった問題があった。なお、第１の従来技術において「内蔵ｐｎｐトランジスタ」とは、ｎ半導体層１及びｎ⁺バッファ層８をベース領域とし、ｐ不純物領域２あるいはｐ不純物領域２０をコレクタ領域とし、コレクタ層９０をエミッタ領域として把握されるｐｎｐバイポーラトランジスタのことを意味している。また、「オフ状態」とは、例えば、エミッタ電極６とゲート電極５０〜５２とを同電位に設定し、コレクタ電極１０にエミッタ電極６及びゲート電極５０〜５２よりも高い電位を印加した状態であって、ＩＧＢＴがオフしている状態である。また、「漏れ電流」とは、オフ状態におけるコレクタ電極１０とエミッタ電極６との間に流れる電流を意味している。
【０００７】
そこで、上述の問題を解決するために、第２の従来技術が提案されている。図８は第２の従来技術におけるＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。上述の第１の従来技術におけるコレクタ層９０は、略均一な不純物濃度を有するｐ⁺半導体層であったが、第２の従来技術におけるコレクタ層９１は、ｎ⁺不純物領域であるコレクタショート領域１２０と、ｐ⁺不純物領域９２とを交互に有している。
【０００８】
具体的には、図８に示すように、コレクタ層９１は、コレクタショート領域１２０とｐ⁺不純物領域９２とを有しており、ｎ半導体層１とは反対側のｎ⁺バッファ層８の主面上に、コレクタショート領域１２０とｐ⁺不純物領域９２とが交互に形成されている。そして、ｎ⁺バッファ層８とは反対側のコレクタ層９１の主面上に、コレクタ電極１０が形成されている。言い換えれば、コレクタショート領域１２０とｐ⁺不純物領域９２とを覆って、コレクタ電極１０は形成されている。なお、このような構造は「コレクタショート構造」と呼ばれている。
【０００９】
上述のような構造を備える第２の従来技術におけるＩＧＢＴでは、オフ状態において、エミッタ電極６側からリークした電子電流のほとんどが、コレクタショート領域１２０を介して、コレクタ電極１０に流れ込むため、ｐ⁺不純物領域９２からの正孔の注入量を低減することができる。そのため、第１の従来技術よりも漏れ電流を低減することができるし、ｎ半導体層１の薄膜化を行った際に生じる漏れ電流の増加も低減することができる。
【００１０】
また、上述の第２の従来技術におけるＩＧＢＴとは別の構造で、第１の従来技術よりも漏れ電流を低減する第３の従来技術が提案されている。
【００１１】
図９は第３の従来技術におけるＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。
上述の第１の従来技術におけるコレクタ層９０は、略均一な不純物濃度を有するｐ⁺半導体層であったが、第３の従来技術におけるコレクタ層９３は、ｐ⁺不純物領域９４と、ｐ⁺不純物領域９４よりも不純物濃度が低いｐ^-不純物領域９５とを交互に有している。
【００１２】
具体的には、図９に示すように、コレクタ層９３は、ｐ⁺不純物領域９４とｐ^-不純物領域９５とを有しており、ｎ半導体層１とは反対側のｎ⁺バッファ層８の主面上に、ｐ⁺半導体層９４とｐ^-不純物領域９５とが交互に形成されている。そして、ｎ⁺バッファ層８とは反対側のコレクタ層９３の主面上に、コレクタ電極１０が形成されている。言い換えれば、ｐ⁺不純物領域９４とｐ^-不純物領域９５とを覆って、コレクタ電極１０は形成されている。
【００１３】
上述のような構造を備える第３の従来技術におけるＩＧＢＴでは、コレクタ層９３の全体としての不純物量が、第１の従来技術におけるコレクタ層９０よりも少なく、オフ状態において、エミッタ電極６側からリークした電子電流が、不純物濃度の薄いｐ^-不純物領域９５を介して、コレクタ電極１０に流れ込み易くなるため、コレクタ層９３からの正孔の注入を低減することができる。そのため、第１の従来技術よりも漏れ電流を低減することができるし、ｎ半導体層１の薄膜化を行った際に生じる漏れ電流の増加も、第１の従来技術より低減することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第２の従来技術におけるＩＧＢＴでは、コレクタショート構造にすることにより、例えば、ｐ不純物領域２と、ｎ半導体層１と、ｎ⁺バッファ層８と、コレクタショート領域１２０とで構成される寄生ダイオードが内蔵されており、当該ＩＧＢＴをインバータ等に使用した場合、還流モードにより当該ＩＧＢＴが破壊するという問題があった。
【００１５】
また、第３の従来技術におけるＩＧＢＴでは、ターンオフ時にエミッタ電極６側から流れてきた電子電流が、不純物濃度の低いｐ^-不純物領域９５を介して、コレクタ電極１０に素早く流れ込むため、ＩＧＢＴのコレクタ電流におけるテイル電流が急峻に減衰し、ターンオフ損失は低減できるものの、当該テイル電流が急峻に減衰するタイミングでコレクタ・エミッタ間電圧が発振することがあった。そのため、当該ＩＧＢＴが誤動作したり、最悪のケースでは当該ＩＧＢＴが破壊するという問題があった。
【００１６】
また、第２の従来技術におけるコレクタショート領域１２０や、第３の従来技術におけるｐ^-不純物領域９５のようなコレクタ層内で電子電流が流れやすい領域を形成する位置及び数量によっては、ＩＧＢＴがオンしている際のエミッタ電極６側から流れる電子電流が、ＩＧＢＴ内部で集中し、ＩＧＢＴの特性が劣化するという問題があった。図１０は第２の従来技術におけるＩＧＢＴの内部で電子電流が流れる様子を示す図であって、図１１は第３の従来技術におけるＩＧＢＴの内部で電子電流が流れる様子を示す図である。
【００１７】
図１０に示すように、ＩＧＢＴがオンしている際のエミッタ電極６側からの電子電流３００は、コレクタ層９１に向かって流れるが、コレクタ層９１はｎ⁺不純物領域であるコレクタショート領域１２０を有しているため、当該電子電流３００の大部分がコレクタショート領域１２０に流れる。そのため、図１０に示すように、コレクタショート領域１２０を形成する位置及び数量によっては、第２の従来技術におけるＩＧＢＴ内部で電子電流３００の集中が生じる。なお、図１０では正孔電流３０１がＩＧＢＴ内部で流れる様子も示している。
【００１８】
また、図１１に示すように、ＩＧＢＴがオンしている際のエミッタ電極６側からの電子電流３００は、コレクタ層９３に向かって流れるが、コレクタ層９３は不純物濃度の薄いｐ^-不純物領域９５を部分的に有しているため、当該電子電流３００の大部分がｐ^-不純物領域９５に流れる。そのため、図１１に示すように、ｐ^-不純物領域９５を形成する位置及び数量によっては、第３の従来技術におけるＩＧＢＴ内部で電子電流３００の集中が生じる。
【００１９】
そこで、本発明は上述のような問題を解決するために成されたものであり、漏れ電流を低減し、ＩＧＢＴ内部での電子電流の集中を確実に緩和し、安定して動作するＩＧＢＴを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項１に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の前記第１の主面上に形成された第２導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層とは反対側の前記第２の半導体層の主面内に、前記第１の半導体層とは接続されずに選択的に形成された複数の前記第１導電型の第１の不純物領域と、各前記第１の不純物領域の表面を覆って、前記第２の半導体層の前記主面上に形成されたコレクタ電極と、前記第１の半導体層の前記第２の主面内に、前記第２の半導体層とは接続されずに選択的に形成された前記第２導電型の第２の不純物領域、前記第２の不純物領域の表面内に、前記第１の半導体層と接続されずに選択的に形成された前記第１導電型の第３の不純物領域、前記第３の不純物領域と前記第１の半導体層とで挟まれた前記第２の不純物領域の前記表面内に規定されるチャネル領域、前記チャネル領域上に形成された絶縁膜、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極、及び、前記第２，３の不純物領域に接続されたエミッタ電極を有する構造とを備え、前記構造は複数備えられ、前記第１の不純物領域は、前記構造の各前記チャネル領域に対応して形成され、かつ前記チャネル領域の下方のみに形成されているものである。
【００２１】
また、この発明のうち請求項２に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、請求項１に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであって、各前記第１の不純物領域の前記表面及び前記第２の半導体層の前記主面と接するポリシリコン層を更に備え、前記コレクタ電極は、前記ポリシリコン層を介して、各前記第１の不純物領域の前記表面を覆って、前記第２の半導体層の前記主面上に形成されるものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施の形態１に係るＩＧＢＴは、ｎ型の半導体基板であるｎ半導体層１を備えている。ｎ半導体層１の一方の主面１０１上には、ｎ半導体層１よりも不純物濃度が高いｎ⁺バッファ層８が形成されている。そして、ｎ半導体層１とは反対側のｎ⁺バッファ層８の主面１０２上には、略均一な不純物濃度を有するｐ⁺半導体層１２が形成されている。ｐ⁺半導体層１２は、例えば、エピタキシャル成長にて厚さ６〜１０μｍ程度、不純物濃度１Ｅ１８ｃｍ^-3程度で形成されている。一般的に、ｎ半導体層１にｎ⁺バッファ層８を設けることによって、ｎ半導体層１の薄膜化を図ることができ、その結果、ＩＧＢＴのオン電圧を低減することができる。本実施の形態１においては、ｎ⁺バッファ層８をｎ半導体層１に設けているが、ｎ⁺バッファ層８を設けるか否かは、本発明の特徴部分ではないため、以後、ｎ半導体層１とｎ⁺バッファ層８とをまとめて、「ｎ型半導体層８０」と呼ぶ。そのため、ｎ半導体層１の主面１００を、「ｎ型半導体層８０の主面１００」と呼び、ｎ⁺バッファ層８の主面１０２を、「ｎ型半導体層８０の主面１０２」と呼ぶ。そして、ｎ型半導体層８０を用いて上述の内容を言い換えれば、ｐ⁺半導体層１２はｎ型半導体層８０の主面１０２上に形成されている。
【００２３】
また、ｎ型半導体層８０とは反対側のｐ⁺半導体層１２の主面１０３内には、ｎ型半導体層８０とは接続されずに、複数のｎ⁺不純物領域１１が選択的に形成されている。ここで、ｎ⁺不純物領域１１は、ｐ⁺半導体層１２の主面１０３側からのｎ型の不純物の注入・拡散によって形成される。また、ｎ⁺不純物領域１１の拡散深さは、例えば３〜５μｍ程度であって、ｎ⁺不純物領域１１の不純物濃度は例えば２Ｅ１８ｃｍ^-3程度である。
【００２４】
そして、ｐ⁺半導体層１２の主面１０３上には、各ｎ⁺不純物領域１１の表面１０５を覆って、コレクタ電極１０が形成されている。なお、ｐ⁺半導体層１２とｎ⁺不純物領域１１とを合わせて、「コレクタ層９」と呼ぶ。
【００２５】
また、ｎ型半導体層８０の主面１０２とは反対側の主面１００内に、ｐ⁺半導体層１２とは接続されずに、ｐ不純物領域２，２０が選択的に形成されており、ｐ不純物領域２とｐ不純物領域２０とは所定距離を成している。そして、ｐ不純物領域２の表面１０４ａ内に、ｎ型半導体層８０とは接続されずにｎ⁺不純物領域３ａ，３ｂが選択的に形成され、ｎ⁺不純物領域３ａとｎ⁺不純物領域３ｂとは所定距離を成している。同様に、ｐ不純物領域２０の表面１０４ｂ内に、ｎ型半導体層８０とは接続されずにｎ⁺不純物領域３０ａ，３０ｂが選択的に形成され、ｎ⁺不純物領域３０ａとｎ⁺不純物領域３０ｂとは所定距離を成している。
【００２６】
そして、ｎ⁺不純物領域３ｂとｎ型半導体層８０とで挟まれたｐ不純物領域２の表面１０４ａ内には、チャネル領域ＣＨ１ａが規定されている。また、ｎ⁺不純物領域３０ａとｎ型半導体層８０とで挟まれたｐ不純物領域２０の表面１０４ｂ内には、チャネル領域ＣＨ１ｃが規定されている。そして、チャネル領域ＣＨ１ａ，１ｃ上には、例えばシリコン酸化膜である絶縁膜４０が形成され、さらにその上には例えばポリシリコンからなるゲート電極５０が形成され、当該ゲート電極５０を覆って層間絶縁膜７０が形成されている。
【００２７】
また、ｎ⁺不純物領域３ａとｎ型半導体層８０とで挟まれたｐ不純物領域２の表面１０４ａ内には、チャネル領域ＣＨ１ｂが規定されており、当該チャネル領域ＣＨ１ｂ上には、例えばシリコン酸化膜である絶縁膜４１が形成されている。
そして、絶縁膜４１上には例えばポリシリコンから成るゲート電極５１が形成され、当該ゲート電極５１を覆って層間絶縁膜７１が形成されている。また、ｎ⁺不純物領域３０ｂとｎ型半導体層８０とで挟まれたｐ不純物領域２０の表面１０４ｂ内には、チャネル領域ＣＨ１ｄが規定されており、当該チャネル領域ＣＨ１ｄ上には、例えばシリコン酸化膜である絶縁膜４２が形成されている。そして、絶縁膜４１上には例えばポリシリコンから成るゲート電極５２が形成され、当該ゲート電極５２を覆って層間絶縁膜７２が形成されている。
【００２８】
なお、ｎ⁺不純物領域３ａ，３ｂ，３０ａ，３０ｂをまとめて「ｎ⁺不純物領域３００」、ｐ不純物領域２，２０をまとめて「ｐ不純物領域２００」、絶縁膜４０，４１，４２をまとめて「絶縁膜４００」、ゲート電極５０，５１，５２をまとめて「ゲート電極５００」、層間絶縁膜７０，７１，７２をまとめて「層間絶縁膜７００」、チャネル領域ＣＨ１ａ〜ＣＨ１ｄをまとめて「チャネル領域ＣＨ１」と呼ぶ場合がある。また、上述のチャネル領域ＣＨ１とは、ゲート電極５００に所定電圧を印加した際に、反転層が形成される領域である。
【００２９】
そして、ｎ型半導体層８０の主面１００上及び層間絶縁膜７００上にエミッタ電極６が形成され、当該エミッタ電極６はｎ⁺不純物領域３００及びｐ不純物領域２００に接続されている。
【００３０】
ここで、図１に示す本実施の形態１に係るＩＧＢＴにおいて、ｐ不純物領域２と、ｎ⁺不純物領域３ｂと、チャネル領域ＣＨ１ａと、絶縁膜４０と、ゲート電極５０と、エミッタ電極６とをまとめて、構造２００ａと呼ぶ。言い換えれば、構造２００ａは、ｎ型半導体層８０の主面１００内に、ｐ半導体層１２とは接続されずに選択的に形成されたｐ不純物領域２と、ｐ不純物領域２の表面１０４ａ内に、ｎ型半導体層８０と接続されずに選択的に形成されたｎ⁺不純物領域３ｂと、ｎ⁺不純物領域３ｂとｎ型半導体層８０とで挟まれたｐ不純物領域２の表面１０４ａ内に規定されるチャネル領域ＣＨ１ａと、チャネル領域ＣＨ１ａ上に形成された絶縁膜４０と、絶縁膜４０上に形成されたゲート電極５０と、ｐ不純物領域２及びｎ⁺不純物領域３ｂに接続されたエミッタ電極６とを有している。
【００３１】
また、ｐ不純物領域２と、ｎ⁺不純物領域３ａと、チャネル領域ＣＨ１ｂと、絶縁膜４１と、ゲート電極５１と、エミッタ電極６とをまとめて、構造２００ｂと呼び、ｐ不純物領域２０と、ｎ⁺不純物領域３０ａと、チャネル領域ＣＨ１ｃと、絶縁膜４０と、ゲート電極５０と、エミッタ電極６とをまとめて、構造２００ｃと呼び、ｐ不純物領域２０と、ｎ⁺不純物領域３０ｂと、チャネル領域ＣＨ１ｄと、絶縁膜４２と、ゲート電極５２と、エミッタ電極６とをまとめて、構造２００ｄと呼ぶ。つまり、本実施の形態１に係るＩＧＢＴは、構造２００ａ〜２００ｄを備えている。なお、構造２００ａ〜２００ｄをまとめて、「構造２００」と呼ぶ場合がある。また、ｎ型半導体層８０と、コレクタ層９と、コレクタ電極１０と、構造２００のうちの一つ、例えば構造２００ａとを備えれていれば、ＩＧＢＴとして動作することは言うまでもない。
【００３２】
次に、ｎ⁺ 不純物領域１１について詳細に説明する。図２は本実施の形態１に係るＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図であって、構造２００のチャネル領域ＣＨ１と、ｎ⁺不純物領域１１との位置関係を示している。
【００３３】
図２に示すように、コレクタ層９のｎ⁺不純物領域１１は、構造２００の各チャネル領域ＣＨ１ａ〜ＣＨ１ｄに対応して形成されており、かつチャネル領域ＣＨ１ａ〜ＣＨ１ｄの下方のみに形成されている。言い換えれば、ｎ型半導体層８０の主面１００側から、当該主面１００に対して垂直方向にｎ⁺不純物領域１１を見た場合、各チャネル領域ＣＨ１ａ〜ＣＨ１ｄに対応して設けられたｎ⁺不純物領域１１は、チャネル領域ＣＨ１ａ〜ＣＨ１ｄと重なる位置にのみ形成されている。さらに言い換えれば、各チャネル領域ＣＨ１ａ〜ＣＨ１ｄに対応して設けられたｎ⁺不純物領域１１は、チャネル領域ＣＨ１ａ〜ＣＨ１ｄから、ｎ型半導体層８０の主面１００に対して垂直な方向に引いた直線上にのみ位置している。
なお、ｎ⁺不純物領域１１がチャネル領域ＣＨ１の下方のみに形成されている様子を、図２では、一点鎖線の矢印で示している。
【００３４】
次に、上述のような構造を備える本実施の形態１に係るＩＧＢＴの動作について簡単に説明する。コレクタ電極１０の電位をエミッタ電極６の電位よりも高く設定した状態で、ゲート電極５００にエミッタ電極６よりも高い電位を印加すると、ＩＧＢＴはオン状態となる。具体的には、チャネル領域ＣＨ１に反転層が形成され、この反転層を通じて、エミッタ電極６からｎ型半導体層８０へ電子が注入される。そして、ｎ型半導体層８０への電子の注入によって、コレクタ層９から正孔がｎ型半導体層８０に注入される。その結果、ｎ型半導体層８０内で伝導度変調が生じ、ｎ型半導体層８０の抵抗が大幅に低下し、コレクタ電極１０とエミッタ電極６と間に電流が流れる。
【００３５】
また、ゲート電極５００の電位とエミッタ電極６の電位とを同じすると、ＩＧＢＴはオフ状態となり、コレクタ電極１０とエミッタ電極６間には、ほとんど電流が流れなくなる。
【００３６】
上述のような構造を備える本実施の形態１に係るＩＧＢＴでは、ｎ⁺不純物領域１１は、ｐ⁺半導体層１２の主面１０３内に、ｎ型半導体層８０に接続されずに選択的に形成されているため、ｎ⁺不純物領域１１上のｐ⁺半導体層１２の濃度が実効的に低くなる。言い換えれば、コレクタ層９にｎ⁺不純物領域１１が形成されているため、コレクタ層９の全体としてのｐ型の不純物量が、第１の従来技術におけるコレクタ層９０よりも少ない。そのため、オフ状態において、コレクタ層９からの正孔の注入量が低減される。その結果、上述の第１の従来技術よりも漏れ電流を低減することができるし、ｎ半導体層１の薄膜化を行った際に生じる漏れ電流の増加も、第１の従来技術より低減することができる。
【００３７】
図３は、本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの特性を示す図であって、コレクタ・エミッタ間電圧と漏れ電流との関係を示している。曲線６１は第１の従来技術におけるＩＧＢＴの特性を示しており、曲線６２は第２の従来技術におけるＩＧＢＴの特性を示しており、曲線６３は第３の従来技術におけるＩＧＢＴの特性を示しており、曲線６４は本実施の形態１に係るＩＧＢＴの特性を示している。また、図３の曲線６１〜６３は、第１，２，３の従来技術におけるＩＧＢＴのコレクタ層の厚さ及び不純物濃度を以下のように設定したときの特性を示している。つまり、第１の従来技術におけるコレクタ層９０は、厚さ６〜１０μｍ程度、不純物濃度１Ｅ１８ｃｍ^-3程度で形成されている。また、第２の従来技術におけるコレクタ層９１は、厚さ６〜１０μｍ程度で形成されており、そのｐ⁺不純物領域９２の不純物濃度は１Ｅ１８ｃｍ^-3程度、コレクタショート領域１２０の不純物濃度は１Ｅ１７ｃｍ^-3程度である。また、第３の従来技術におけるコレクタ層９３は、厚さ６〜１０μｍ程度で形成されており、そのｐ⁺不純物領域９４の不純物濃度は１Ｅ１８ｃｍ^-3程度、ｐ^-不純物領域９５の不純物濃度は１Ｅ１６〜１Ｅ１７ｃｍ^-3程度である。本実施の形態１に係るＩＧＢＴと、第１，２，３の従来の技術におけるＩＧＢＴとは、コレクタ層以外の構造については同じである。
【００３８】
図３に示すように、本実施の形態１に係るＩＧＢＴの漏れ電流（曲線６４）は、上述の第１の従来技術におけるＩＧＢＴの漏れ電流（曲線６１）よりも低減されている。
【００３９】
また、本実施の形態１に係るＩＧＢＴでは、ｐ⁺半導体層１２におけるｐ型の不純物濃度は略均一であるため、ターンオフ時にエミッタ電極６側から流れてきた電子電流はコレクタ電極１０に略均一に流れ込む。そのため、上述の第３の従来技術のように、部分的に不純物濃度が薄い領域を有することによって生じていたコレクタ電流におけるテイル電流の急峻な減衰を抑えることができ、コレクタ・エミッタ間電圧が発振することを抑制することができる。その結果、安定して動作するＩＧＢＴを提供することができる。
【００４０】
図４は本実施の形態１に係るＩＧＢＴの特性を示す図であって、ターンオフ時におけるコレクタ・エミッタ間電圧及びコレクタ電流の特性を示している。曲線７１は第３の従来技術におけるＩＧＢＴのコレクタ電流を示しており、曲線７３は本実施の形態１に係るＩＧＢＴのコレクタ電流を示している。また、曲線７２は第３の従来技術におけるＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧を示しており、曲線７４は本実施の形態１に係るＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧を示している。
【００４１】
図４の部分Ａに示すように、第３の従来技術におけるＩＧＢＴでは、コレクタ層９３に部分的に不純物濃度が薄い領域を有しているため、ターンオフ時に、コレクタ電流におけるテイル電流が急峻に減衰する。そのため、部分Ｂに示すように、当該テイル電流が急峻に減衰するタイミングでコレクタ・エミッタ間電圧が発振する。しかし、本実施の形態１に係るＩＧＢＴでは、部分Ａに示すように、コレクタ層９におけるｐ⁺半導体層１２の不純物濃度は略均一であるため、ターンオフ時に、コレクタ電流におけるテイル電流が急峻に減衰することが無いため、部分Ｂに示すように、コレクタ・エミッタ間電圧が発振することを抑制することができる。
【００４２】
また、本実施の形態１に係るＩＧＢＴにおいて、仮に、ｎ⁺不純物領域１１がｎ型半導体層８０と接続されて形成された場合、上述の第２の従来技術におけるＩＧＢＴと同様に、例えば、ｐ不純物領域２と、ｎ型半導体層８０と、ｎ⁺不純物領域１１とで構成される寄生ダイードが内蔵される。しかし、本実施の形態１に係るＩＧＢＴでは、ｎ⁺不純物領域１１は、ｐ⁺半導体層１２の主面１０３内に、ｎ型半導体層８０に接続されずに選択的に形成されているため、ｎ⁺不純物領域１１とｎ型半導体層８０とが接続された場合に形成される寄生ダイオードは形成されない。そのため、本実施の形態１に係るＩＧＢＴをインバータ等に使用した場合であっても、本実施の形態１に係るＩＧＢＴは安定して動作することができる。
【００４３】
また、本実施の形態１に係るＩＧＢＴでは、コレクタ層９のｎ⁺不純物領域１１は、構造２００の各チャネル領域ＣＨ１に対応して形成されており、かつチャネル領域ＣＨ１の下方のみに形成されている。そのため、ＩＧＢＴ内部での電子電流の集中を確実に緩和することができる。
【００４４】
図５は本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの内部で電子電流が流れる様子を示す図である。電子電流３００ａはチャネル領域ＣＨ１ａの下方で流れる電子電流であって、電子電流３００ｂはチャネル領域ＣＨ１ｂの下方で流れる電子電流であって、電子電流３００ｃはチャネル領域ＣＨ１ｃの下方で流れる電子電流であって、電子電流３００ｄはチャネル領域ＣＨ１ｄの下方で流れる電子電流である。
【００４５】
通常、ＩＧＢＴにおいて、エミッタ電極側からの電子電流の大部分は、チャネル領域の下方からコレクタ電極に向けて流れる。また、上述の第２の従来技術で述べたように、通常、コレクタ層にｎ型の不純物領域が形成されている場合、エミッタ電極６側からの電子電流の大部分は、当該ｎ型の不純物領域に向かって流れる。
【００４６】
本実施の形態１に係るＩＧＢＴでは、電子電流が流れやすい領域であるｎ⁺不純物領域１１は、構造２００の各チャネル領域ＣＨ１に対応して設けられており、かつチャネル領域ＣＨ１の下方のみに形成されているため、電子電流３００ａの大部分は、チャネル領域ＣＨ１ａの下方に形成されているｎ⁺不純物領域１１に向かって流れる。同様に、電子電流３００ｂは、チャネル領域ＣＨ１ｂの下方に形成されているｎ⁺不純物領域１１に向かって流れ、電子電流３００ｃは、チャネル領域ＣＨ１ｃの下方に形成されているｎ⁺不純物領域１１に向かって流れ、電子電流３００ｄは、チャネル領域ＣＨ１ｄの下方に形成されているｎ⁺不純物領域１１に向かって流れる。そのため、コレクタ層内において電子電流が流れやすい領域を形成する位置及び数量によっては発生していたＩＧＢＴ内部での電子電流の集中を、確実に緩和することができる。その結果、電流集中によるＩＧＢＴの特性の劣化を確実に低減することができる。
【００４７】
実施の形態２．
図６は本実施の形態２に係るＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態２に係るＩＧＢＴは、上述の実施の形態１に係るＩＧＢＴにおいて、ポリシリコン層１４を更に備え、コレクタ電極１０が、ポリシリコン層１４を介して、コレクタ層９上に形成されたものである。
【００４８】
図６に示すように、本実施の形態２に係るＩＧＢＴでは、ポリシリコン層１４は、各ｎ⁺不純物領域１１の表面１０５を覆って、ｐ⁺半導体層１２の主面１０３上に形成されている。つまり、ポリシリコン層１４は、各ｎ⁺不純物領域１１の表面１０５及びｐ⁺半導体層１２の主面１０３と接している。そして、コレクタ電極１０は、ｐ⁺半導体層１２とは反対側のポリシリコン層１４の主面上に形成されている。つまり、コレクタ電極１０は、ポリシリコン層１４を介して、ｎ⁺不純物領域１１の表面１０５を覆って、ｐ⁺半導体層１２の主面１０３上に形成される。
【００４９】
通常、ＩＧＢＴの製造プロセス中に導入される汚染不純物、例えば重金属はＩＧＢＴにおける少数キャリアのライフタイムを低下させる。そして、ライフタイムの低下によって、ＩＧＢＴのオン電圧及び漏れ電流が増加する。上述のような構造を備える本実施の形態２に係るＩＧＢＴでは、ポリシリコン層１４が、各ｎ⁺不純物領域１１の表面１０５及びｐ⁺半導体層１２の主面１０３と接しているため、ポリシリコン層１４とコレクタ層９との接触面で生じる応力場によって、重金属が捕獲される。つまり、ポリシリコン層１４と、ｎ⁺不純物領域１１及びｐ半導体層１２との接触面でゲッタリング効果が生じる。そのため、重金属によるライフタイムの低下を低減することができる。その結果、ライフタイムの低下によるオン電圧及び漏れ電流の増加を低減することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態１，２において、各不純物領域及び各半導体層の不純物の導電型（ｐ型、ｎ型）を入れ替えても良い。
【００５１】
【発明の効果】
この発明のうち請求項１に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタによれば、第１の不純物領域が、第２の半導体層の第３の主面内に、第１の半導体層とは接続されずに選択的に形成されているため、第１の不純物領域上の第２の半導体層の濃度が実効的に低くなる。そのため、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とした場合に、エミッタ電極及びゲート電極とを同電位に設定し、コレクタ電極にエミッタ電極及びゲート電極よりも高い電位を印加した状態（オフ状態）において、第２の半導体層からの正孔の注入量が低減される。その結果、漏れ電流を低減することができる。
【００５２】
また、第１の不純物領域は第１の半導体層とは接続されていないため、第１の不純物領域と第１の半導体層とが接続されたときに形成される寄生ダイオードは形成されない。そのため、請求項１に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタをインバータ等に使用した場合であっても、当該絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは安定して動作することができる。
【００５３】
また、部分的に不純物濃度が薄い領域を含まずに、言い換えれば略均一な不純物濃度を有する第２の半導体層を形成し、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とした場合、ターンオフ時にエミッタ電極側から流れてきた電子電流はコレクタ電極に均一に流れ込む。そのため、ターンオフ時に、部分的に不純物濃度が薄い領域を有することによって生じていたコレクタ電流におけるテイル電流の急峻な減衰を抑えることができ、コレクタ・エミッタ間電圧が発振することを抑制することができる。その結果、安定して動作するＩＧＢＴを提供することができる。
【００５４】
また、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型とした場合に、電子電流が流れやすい領域である第１の不純物領域は、各チャネル領域に対応して設けられており、かつチャネル領域の下方のみに形成されているため、請求項１に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタがオンしているときに、チャネル領域の下方で流れる各電子電流は、チャネル領域の下方に形成されている各第１の不純物領域に向かって流れる。そのため、電子電流が流れやすい領域を形成する位置及び数量によっては発生していた内部での電子電流の集中を、確実に緩和することができる。その結果、電流集中による特性の劣化を確実に低減することができる。
【００５５】
また、この発明のうち請求項２に係る絶縁ゲート型バイポーラトランジスタによれば、ポリシリコン層が、第１の不純物領域の表面及び第２の半導体層の主面と接しているため、ポシリコン層と、第１の不純物領域及び第２の半導体層との接触面でゲッタリング効果が生じる。そのため、製造プロセス中に導入される重金属によるライフタイムの低下を低減することができる。その結果、ライフタイムの低下によって生じるオン電圧及び漏れ電流の増加を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの特性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るＩＧＢＴの内部で電子電流が流れる様子を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。
【図７】第１の従来技術におけるＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。
【図８】第２の従来技術におけるＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。
【図９】第３の従来技術におけるＩＧＢＴの構造を模式的に示す断面図である。
【図１０】第２の従来技術におけるＩＧＢＴの内部で電子電流が流れる様子を示す図である。
【図１１】第３の従来技術におけるＩＧＢＴの内部で電子電流が流れる様子を示す図である。
【符号の説明】
２，２０ｐ不純物領域、３ａ，３ｂ，３０ａ，３０ｂｎ⁺不純物領域、６エミッタ電極、１０コレクタ電極、１１ｎ⁺不純物領域、１２ｐ⁺半導体層、４０〜４２絶縁膜、５０〜５２ゲート電極、８０ｎ型半導体層、１００〜１０３主面、１０４ａ，１０４ｂ，１０５表面、２００ａ〜２００ｄ構造。

Claims

第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面上に形成された第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層とは反対側の前記第２の半導体層の主面内に、前記第１の半導体層とは接続されずに選択的に形成された複数の前記第１導電型の第１の不純物領域と、
各前記第１の不純物領域の表面を覆って、前記第２の半導体層の前記主面上に形成されたコレクタ電極と、
前記第１の半導体層の前記第２の主面内に、前記第２の半導体層とは接続されずに選択的に形成された前記第２導電型の第２の不純物領域、前記第２の不純物領域の表面内に、前記第１の半導体層と接続されずに選択的に形成された前記第１導電型の第３の不純物領域、前記第３の不純物領域と前記第１の半導体層とで挟まれた前記第２の不純物領域の前記表面内に規定されるチャネル領域、前記チャネル領域上に形成された絶縁膜、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極、及び、前記第２，３の不純物領域に接続されたエミッタ電極を有する構造と
を備え、
前記構造は複数備えられ、
前記第１の不純物領域は、前記構造の各前記チャネル領域に対応して形成され、かつ前記チャネル領域の下方のみに形成されている、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
各前記第１の不純物領域の前記表面及び前記第２の半導体層の前記主面と接するポリシリコン層を更に備え、
前記コレクタ電極は、前記ポリシリコン層を介して、各前記第１の不純物領域の前記表面を覆って、前記第２の半導体層の前記主面上に形成される、請求項１に記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。