JP4915481B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)素子領域とダイオード素子領域とが同一半導体基板に形成された半導体装置に関する。
特許文献1に、IGBT素子領域と還流用のダイオード素子領域とが同一半導体基板に形成された半導体装置が開示されている。半導体基板には、裏面層、N層、N層、P層が順に積層されており、P層の表面の一部にN層が設けられている。半導体基板の表面側から、P層およびN層を貫通し、N層に達するトレンチゲートが設けられている。トレンチゲートは、N層と接している。裏面層としては、P層もしくはN層が形成されている。裏面層がP層となっている領域がIGBT素子領域となり、裏面層がN層となっている領域がダイオード素子領域となる。IGBT素子領域では、ドリフト領域となるN層とボディ領域となるP層との間に設けられているN層によって、P層との界面近傍のN層に正孔が蓄積される。その結果、IGBT動作時のオン電圧が低減される。
特開2005−57235号公報
IGBT素子領域とダイオード素子領域との境界近傍においては、IGBT素子領域とダイオード素子領域との間でキャリアが移動する場合がある。例えば、IGBT動作時には、IGBT素子領域において、ボディ領域との界面近傍のドリフト領域に引き寄せられたキャリアが、ダイオード素子領域のアノード領域側に移動する。その結果、IGBT素子領域のドリフト領域におけるキャリア密度が減少してドリフト領域の抵抗が大きくなり、IGBT動作時のオン電圧が高くなってしまう。また、ダイオード素子領域に還流電流が流れている状態でIGBT素子領域をオン状態に切換えると、ダイオード素子領域に逆回復電流が流れる。このダイオードの逆回復時には、ダイオード素子領域の外部に蓄積されたキャリアがダイオード素子領域へと移動する。その結果、ダイオードの逆回復電流が大きくなって、素子破壊が起こり易くなる。
本発明の半導体装置では、IGBT素子領域と、ダイオード素子領域と、IGBT素子領域とダイオード素子領域との間に設けられた境界領域とが同一半導体基板内に形成されている。IGBT素子領域は、第1導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第2導電型の第1ドリフト領域と、第1ドリフト領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第1導電型の第1ボディ領域と、第1ボディ領域の表面に設けられた第2導電型のエミッタ領域と、第1ボディ領域内に設けられ、第1ボディ領域によって第1ドリフト領域およびエミッタ領域と隔離されている第2導電型のキャリア蓄積領域と、半導体基板の表面側から第1ボディ領域を貫通して第1ドリフト領域に達するトレンチゲートとを備えている。ダイオード素子領域は、第2導電型のカソード領域と、カソード領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第2導電型の第2ドリフト領域と、第2ドリフト領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第1導電型の第2ボディ領域とを備えている。境界領域は、第2導電型の第1拡散領域と、第1拡散領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第1導電型の第2拡散領域と、第2拡散領域内に設けられ、第2拡散領域によって第1拡散領域と隔離されている第2導電型の第3拡散領域とを備えている。IGBT素子領域の第1ドリフト領域が境界領域の第1拡散領域に接しており、ダイオード素子領域の第2ドリフト領域が境界領域の第1拡散領域に接している。IGBT素子領域の第1ボディ領域が境界領域の第2拡散領域に接しており、ダイオード素子領域の第2ボディ領域が境界領域の第2拡散領域に接している。
上記の半導体装置によれば、境界領域では、第1導電型の第2拡散領域内に第2導電型の第3拡散領域が設けられている。これによって、IGBT動作時には、半導体基板の裏面側から表面側に移動するキャリアが、境界領域を通過して、ダイオード素子領域へ移動することを抑制することができる。その結果、IGBT素子領域において、ボディ領域近傍のドリフト領域におけるキャリア蓄積量を高くし、オン電圧を低減させることができる。
また、ダイオード動作時には、半導体基板の表面側から裏面側に移動するキャリアが、境界領域に移動することを抑制することができる。その結果、境界領域のドリフト領域におけるキャリア蓄積量を低くすることができる。このため、ダイオードの逆回復時には、逆回復電流を低減することができ、素子破壊が起こりにくくなる。
上記の半導体装置では、境界領域の第3拡散領域が、IGBT素子領域のキャリア蓄積領域に接するまで伸びていることが好ましい。IGBT動作時のキャリア移動抑制効果をより向上させることができる。
上記の半導体装置では、境界領域の第3拡散領域と、IGBT素子領域のキャリア蓄積領域とは、同一の半導体層によって形成されていてもよい。半導体装置の製造工程において、キャリア蓄積領域と第3拡散領域とを同時に形成することができるため、半導体装置の製造工程の手間やコストを増大させることがない。
実施例1の半導体装置の断面図である。 図1の半導体装置のIGBT動作時の状態を模式的に示す図である。 図1の半導体装置のダイオード動作時の状態を模式的に示す図である。 変形例の半導体装置の断面図である。
以下、本発明の実施例1について、図面を参照しながら説明する。本実施例では、第1導電型をP型とし、第2導電型をN型とした場合を例示して説明する。図1は、本実施例に係る半導体装置100の断面図である。図2は、図1に示す半導体装置100のIGBT動作時の状態を模式的に示す図であり、図3は、図1に示す半導体装置100のダイオード動作時の状態を模式的に示す図である。図2、図3では、図1に示す半導体装置100の各構成について符号を省略している。図2、図3において、丸で囲んだプラス記号は、正孔を示している。
半導体装置100は、半導体基板10、裏面電極40、ダイオード表面電極41、IGBT表面電極42とを備えている。半導体装置100は、半導体基板10に形成された、ダイオード素子領域1と、IGBT素子領域2と、境界領域3と、周辺耐圧部4とを備えている。半導体基板10は、第1N層11と、第1N層11に隣接する第1P層12と、第1N層11および第1P層12の表面に積層された第1N層13およびN層14とを備えている。
図1に示すように、ダイオード素子領域1は半導体基板10の第1N層11の上面側の領域であって、その裏面側には裏面電極40が設けられており、その表面側にはダイオード表面電極41が設けられている。ダイオード素子領域1では、第2ドリフト領域としてのN層14の表面に第2ボディ領域としての第1P層151が積層されている。第1P層151の表面には、アノード領域としての第2P層171が設けられている。
ダイオード素子領域1では、第1N層11はカソード領域、第1N層13、N層14、第1P層151は導電領域、第2P層171はアノード領域として利用される。
図1に示すように、IGBT素子領域2は半導体基板10の第1P層12の上面側の領域であって、その裏面側には裏面電極40が設けられており、その表面側にはIGBT表面電極42が設けられている。IGBT素子領域2では、N層14の表面に第2P層152、第2N層161、第3P層153が積層されている。第3P層153の表面には、第3P層172と第2N層181が設けられている。すなわち、IGBT素子領域2では、第2N層161は、第2P層152によってN層14と隔離されており、第3P層153によって第3P層172および第2N層181と隔離されている。IGBT素子領域2と周辺耐圧部4との境界には、半導体基板10の表面側からN層14まで伸びる第4P層301が設けられている。第4P層301の下端は、第2P層152の下端よりも深くまで伸びている。
IGBT素子領域2では、半導体基板10の上表面からN層14に向けて、複数のトレンチゲート19が設けられている。トレンチゲート19の下端部の深さは、第2P層152の下端部よりも深く、第4P層301の下端部よりも浅い。トレンチゲート19は、トレンチ191内に形成されたゲート絶縁膜192、およびその内部に充填されているゲート電極193を備えている。ゲート電極193とIGBT表面電極42との間には、層間絶縁膜32が設けられている。第2N層181はトレンチゲート19に接している。
IGBT素子領域2では、第1P層12はコレクタ領域、第1N層13はバッファ領域、N層14は第1ドリフト領域、第2P層152および第3P層153は第1ボディ領域、第2N層181はエミッタ領域、第3P層172はボディコンタクト領域として利用される。また、第2N層161は、キャリア蓄積領域として利用される。
境界領域3は、ダイオード素子領域1とIGBT素子領域2との間に設けられた不活性領域である。境界領域3においては、半導体基板10の表面側に表面電極とのコンタクトが形成されていない。本実施例においては、境界領域3内には、第1N層11と第1P層12との境界があり、その境界の上層側には、第1N層13、N層14が積層されている。本実施例では、境界領域3には、半導体基板10の表面側からN層14まで伸びる第5P層302が設けられている。第5P層302は、境界領域3とIGBT素子領域2との境界、および、境界領域3とダイオード素子領域1との境界に沿って、半導体基板10の表面側から裏面側へと伸びている。第5P層302を半導体基板10の平面方向(図1に示す横方向)に貫通する第3N層162が設けられており、第3N層162のIGBT素子領域2側の端部は、IGBT素子領域2に設けられた第2N層161に接するまで伸びている。第3N層162のダイオード素子領域1側の端部は、ダイオード素子領域1の一部に侵入している。上記のとおり、境界領域3は、N型の第1拡散領域としてのN層14と、N層14に対して半導体基板10の表面側に設けられたP型の第2拡散領域としての第5P層302と、N型の第3拡散領域としての第3N層162とを備えている。第3N層162は、第5P層302内に設けられており、第5P層302によって、N層14と第3N層162とは隔離されている。また、第3N層162が、IGBT素子領域2に設けられたN型のキャリア蓄積領域としての第2N層161に接するまで伸びている。
尚、本実施例では、第2N層161と第3N層162は、同一の層として半導体基板10に形成されている。半導体装置100の製造工程において、第2N層161を形成する工程で同時に第3N層162を形成することができるため、製造工程での手間やコストが大幅に増大することがない。
上記のとおり、半導体装置は100、IGBT素子領域2と、ダイオード素子領域1と、IGBT素子領域2とダイオード素子領域1との間に設けられた境界領域3とを同一半導体基板10に備えている逆導通型の半導体装置である。IGBT素子領域2の第1ドリフト領域、ダイオード素子領域1の第2ドリフト領域、境界領域3の第1拡散領域は、同一の層であるN層14として半導体基板10に形成されている。これによって、IGBT素子領域の第1ドリフト領域が境界領域の第1拡散領域に接しており、ダイオード素子領域の第2ドリフト領域が境界領域の第1拡散領域に接している状態となっている。IGBT素子領域2の第1ボディ領域である第2P層152および第3P層153は、境界領域3の第2拡散領域である第5P層302に接しており、ダイオード素子領域1の第2ボディ領域である第1P層151は、境界領域3の第2拡散領域である第5P層302に接している。そして、境界領域3に設けられたN型の第3拡散領域としての第3N層162が、IGBT素子領域2に設けられたN型のキャリア蓄積領域としての第2N層161に接するまで伸びている。
次に、半導体装置100の動作について説明する。
<IGBT動作時>
裏面電極40の電位Vaをダイオード表面電極41の電位Vb、IGBT表面電極42の電位Vcよりも高電位とし(Va>Vb,Vc)、ゲート電極193に正電圧(正バイアス)を印加すると、IGBT素子領域2では、第1ボディ領域である第2P層152および第3P層153において、トレンチゲート19の近傍にチャネルが形成される。このチャネルを通って、多数キャリアである電子がエミッタ領域である第2N層181から第1ドリフト領域であるN層14に注入される。また、コレクタ領域である第1P層12から第1N層13及びN層14へ正孔が注入される。少数キャリアである正孔がN層14に注入されると、ドリフト領域であるN層14において伝導率変調が起こり、N層14の抵抗が低くなる。このように電子と正孔が移動することによって、半導体装置の裏面側(コレクタ領域側)から表面側(エミッタ領域側)に向かうIGBT電流が流れる。一方、ダイオード素子領域1では電流は流れない。
上記のように、ゲート電極193に正電圧を印加すると、トレンチゲート19の近傍に電子密度が高い領域が形成される。この電子密度の高い領域にさらに正孔が引き寄せられ、図2に示すように、IGBT素子領域2では、第2P層152との境界近傍のN層14に正孔密度が高い領域が形成される。本実施例では、ボディ領域である第2P層152と第3P層153の間に、キャリア蓄積層としての第2N層161が設けられている。このため、第2N層161が設けられていない場合と比較して、第2P層152との境界近傍のN層14における正孔密度を高くすることができる。
本実施例では、さらに、境界領域3に第3N層162が設けられており、第3N層162と、IGBT素子領域2に設けられた第2N層161とが接している。このため、図2に破線で示す正孔の移動を抑制することができる。すなわち、第3N層162が境界領域3に設けられていることによって、正孔が、第5P層302等を通過してダイオード素子領域1の第2P層171に移動することを抑制することができる。境界領域3に第3N層162が設けられていない場合と比較して、第2P層152との境界近傍のN層14における正孔密度をより高くすることができる。
<ダイオード動作時>
次に、IGBT素子領域2をオン状態からオフ状態に切り換え、ダイオード素子領域1を動作させて、還流電流が流れるようにする。裏面電極40の電位Vaをダイオード表面電極41の電位Vb、IGBT表面電極42の電位Vcよりも低くすると(Va<Vb,Vc)、図3に示すように、ダイオード素子領域1では、アノード領域である第2P層171から、第2ボディ領域である第1P層151を介して、第2ドリフト領域であるN層14に正孔が注入される。これによって、第2P層171(アノード領域)から第1P層151、N層14、第1N層13を介して第1N層11(カソード領域)へダイオード電流(還流電流)が流れる。IGBT素子領域2では電流は流れない。
本実施例では、さらに、境界領域3に第3N層162が設けられており、第3N層162と、IGBT素子領域2に設けられた第2N層161とが接している。このため、図3に破線で示す正孔の移動を抑制することができる。すなわち、第3N層162が境界領域3に設けられていることによって、正孔が、第5P層302等を通過してダイオード素子領域1から境界領域3のN層14へ移動することを抑制することができる。IGBT素子領域2に第2N層161が設けられており、境界領域3に第3N層162が設けられていない場合と比較して、境界領域3のN層14に正孔が蓄積することが抑制される。
<ダイオード逆回復時>
次に、ダイオード素子領域に還流電流が流れている状態でIGBT素子領域をオン状態に切換える。すなわち、裏面電極40の電位Vaをダイオード表面電極41の電位Vb、IGBT表面電極42の電位Vcよりも高電位とし(Va>Vb,Vc)、ゲート電極193に正電圧(正バイアス)を印加する。この場合、ダイオード素子領域1に逆回復電流が流れる。ダイオードの逆回復時には、ダイオード素子領域1の外部に蓄積されたキャリアがダイオード素子領域1へと移動する。ダイオードの逆回復時には、N層14に蓄積した正孔は、第1P層151および第2P層171の側に排出され、N層14に蓄積した電子は、第1N層13、第1N層11側に排出される。この逆回復時のキャリアの移動によって発生する電流を、逆回復電流という。逆回復電流は、N層14に蓄積したキャリア量が多いほど大きくなる。逆回復電流が大きくなり過ぎると、素子破壊が起こり易くなる。
本実施例によれば、ダイオード動作時に、境界領域3のN層14に正孔が蓄積することが抑制されるため、ダイオード逆回復時に、逆回復電流を小さくすることができる。これによって、ダイオードの逆回復時の素子破壊を抑制することができる。
尚、境界領域3の構成は、上記の実施例に限定されない。例えば、境界領域3の構成は、図4に示すような構成であってもよい。図4に示す半導体装置400は、図1に示す半導体装置100と、境界領域3の構成が異なっている。図4に示す境界領域3では、第6P層312は、ダイオード素子領域1の第1P層151、IGBT素子領域2の第2P層152と同じ深さに形成されている。第6P層312内には、第3N層162が形成されており、第6P層312によって、第3N層162と、N層14とは隔離されている。さらに、第6P層312には、半導体基板10の表面側から第6P層312、第3N層162を貫通し、N層14に達するトレンチ39が設けられている。半導体装置400のその他の構成については、半導体装置100と同様であるため、重複説明を省略する。
境界領域は、半導体基板と表面電極とのコンタクトが形成されていない不活性領域であり、ダイオード素子領域とIGBT素子領域との間に設けられている。境界領域においては、半導体基板は、第2導電型の第1拡散領域と、第1導電型の第2拡散領域と、第2拡散領域内に設けられ、第2拡散領域によって第1拡散領域と隔離されている第2導電型の第3拡散領域とを備えていればよい。境界領域に設けられた、「半導体基板と表面電極とのコンタクトが形成されていない領域」の面積は、ダイオード素子領域やIGBT素子領域といった活性領域に設けられた「半導体基板と表面電極とのコンタクトが形成されていない領域」の面積と比べて、大きい。
具体的には、境界領域においては、半導体基板は、第2導電型の第1拡散領域の表面側に、第1導電型の第2拡散領域が積層され、その第2拡散領域内に、第2拡散領域によって第1拡散領域と隔離されている第2導電型の第3拡散領域が設けられているものであって、例えば、下記の(a)〜(c)のうち、少なくとも1つを満たす構成を備えていればよい。
(a)第2拡散領域は、IGBT素子領域の第1ボディ領域の下端(図1では、第2P層152の下端)およびダイオード素子領域の第2ボディ領域の下端(図1では、第1P層151の下端)よりも深い位置まで形成された拡散領域(図1では、第5P層302)である。
(b)第2拡散領域は、IGBT素子領域の第1ボディ領域(図4では、第2P層152)、ダイオード素子領域の第2ボディ領域(図4では、第1P層151)と同じ深さに形成された拡散領域(図4では、第6P層312)である。かつ、半導体基板の表面側から第2拡散領域(図4では第6P層312)を貫通し、第1拡散領域(図4ではN層14)に達するトレンチ(図4ではトレンチ39)が形成されている。
(c)第1拡散領域の裏面側(第2拡散領域と接しない側)に、ダイオード素子領域のカソード領域となる第2導電型の拡散領域(実施例1では、第1N層11)と、IGBT素子領域のコレクタ領域となる第1導電型の拡散領域(実施例1では、第1P層12)との境界がある。
尚、境界領域の第3拡散領域と、IGBT素子領域のキャリア蓄積領域とが接していない場合であっても、第3拡散領域が境界領域に設けられていることによって、キャリアが移動する経路を狭くすることができる。このため、IGBT動作時のオン電圧低減効果や、ダイオードの逆回復電流の低減効果を得ることはできる。また、第3拡散領域は、IGBT素子領域と境界領域との境界から、ダイオード素子領域と境界領域の境界に達するまで形成されている必要はなく、その一部に形成されているものであってもよい。この場合、第3拡散領域は、よりIGBT素子領域に近い側に形成されることが好ましい。また、上記の実施例では、第3拡散領域は、IGBT素子領域のキャリア蓄積領域と同一の半導体層によって形成されていたが、第3拡散領域とキャリア蓄積領域は、別の半導体層によって形成されていてもよい。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、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。
本明細書また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、出願時請求項記載の組合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。

Claims (3)

  1. IGBT素子領域と、
    ダイオード素子領域と、
    IGBT素子領域とダイオード素子領域との間に設けられた境界領域とが同一半導体基板内に形成されている半導体装置であって、
    IGBT素子領域は、
    第1導電型のコレクタ領域と、
    コレクタ領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第2導電型の第1ドリフト領域と、
    第1ドリフト領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第1導電型の第1ボディ領域と、
    第1ボディ領域の表面に設けられた第2導電型のエミッタ領域と、
    第1ボディ領域内に設けられ、第1ボディ領域によって第1ドリフト領域およびエミッタ領域と隔離されている第2導電型のキャリア蓄積領域と、
    半導体基板の表面側から第1ボディ領域を貫通して第1ドリフト領域に達するトレンチゲートとを備えており、
    ダイオード素子領域は、
    第2導電型のカソード領域と、
    カソード領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第2導電型の第2ドリフト領域と、
    第2ドリフト領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第1導電型の第2ボディ領域とを備えており、
    境界領域は、
    第2導電型の第1拡散領域と、
    第1拡散領域に対して半導体基板の表面側に設けられた第1導電型の第2拡散領域と、
    第2拡散領域内に設けられ、第2拡散領域によって第1拡散領域と隔離されている第2導電型の第3拡散領域とを備えており、
    IGBT素子領域の第1ドリフト領域が境界領域の第1拡散領域に接しており、ダイオード素子領域の第2ドリフト領域が境界領域の第1拡散領域に接しており、
    IGBT素子領域の第1ボディ領域が境界領域の第2拡散領域に接しており、ダイオード素子領域の第2ボディ領域が境界領域の第2拡散領域に接している半導体装置。
  2. 境界領域の第3拡散領域は、IGBT素子領域のキャリア蓄積領域に接するまで伸びている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 境界領域の第3拡散領域と、IGBT素子領域のキャリア蓄積領域とは、同一の半導体層によって形成されている請求項2に記載の半導体装置。
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