JP5156238B2

JP5156238B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5156238B2
Application number: JP2007029427A
Authority: JP
Inventors: 佐智子田中; 順斎藤; 未浩中川; 剛西脇
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: JP2008198652A

Description

本発明は、バイポーラで動作する半導体装置に関する。

図５に、バイポーラで動作する縦型のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)１００の要部断面図を模式的に示す。ＩＧＢＴ１００は、裏面から順に、ｐ⁺型のコレクタ領域３２２と、ｎ⁺型のバッファ領域３２４と、ｎ^-型のドリフト領域３２６を備えている。コレクタ領域３２２は、図示しないコレクタ電極に電気的に接続されている。ＩＧＢＴ１００はさらに、ドリフト領域３２６に接するｐ型のボディ領域３３２と、ボディ領域３３２によってドリフト領域３２６から隔てられているｎ⁺型のエミッタ領域３３４と、ドリフト領域３２６とボディ領域３３２とエミッタ領域３３４にゲート絶縁膜３４２を介して対向しているプレーナー型のゲート電極３４４を備えている。ボディ領域３３２とエミッタ領域３３４は、図示しないエミッタ電極に電気的に接続されている。

コレクタ電極に正の電圧が印加され、エミッタ電極が接地され、ゲート電極３４４に正の電圧が印加されると、ゲート電極３４４に対向するボディ領域３３２に反転層が形成される。電子は、この反転層を経由してエミッタ領域３３４からドリフト領域３２６に供給される。一方、正孔は、裏面のコレクタ領域３２２からドリフト領域３２６に供給される。この結果、電子と正孔がドリフト領域３２６内に多量に供給され、ドリフト領域３２６内で伝導度変調現象が発生し、ドリフト領域３２６の抵抗が低減される。この種のＩＧＢＴ１００は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００１−３３２７２９号公報

図５に示すように、エミッタ領域３３４から反転層を経由してドリフト領域３２６に供給された電子は、裏面のコレクタ領域３２２に向けてドリフト領域３２６内を移動する。電子の移動経路が反転層によって制限されているので、電子は、反転層とドリフト領域３２６が接する部分１００Ｌに集中し易い。さらに、コレクタ領域３２２から供給された正孔は、電子に引き寄せられるので、反転層とドリフト領域３２６が接する部分１００Ｌに集中し易い。

この結果、反転層とドリフト領域３２６が接する部分１００Ｌには、電子と正孔の両者が集中する。電子と正孔の両者が過剰に集中すると、その部分で電流集中による温度上昇が大きくなり、場合によってはＩＧＢＴ１００が破壊されてしまう。なお、この現象は、プレーナー型のゲート電極３４４に限らず、トレンチ型のゲート電極においても起こり得る。
本発明は、電子と正孔の集中を抑制し、半導体装置が破壊されるのを抑制する技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、バイポーラで動作する半導体装置に具現化することができる。本明細書で開示される半導体装置は、第１導電型の不純物を含むドリフト領域と、ドリフト領域に接するとともに第２導電型の不純物を含むボディ領域と、ボディ領域によってドリフト領域から隔てられているとともに第１導電型の不純物を含むエミッタ領域と、ドリフト領域とボディ領域とエミッタ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えている。本明細書で開示される半導体装置はさらに、第１付加半導体領域を備えている。第１付加半導体領域は、第２導電型の不純物を含んでおり、ゲート絶縁膜に接するとともにドリフト領域によってボディ領域から隔てられているドリフト領域内に配置されている。この結果、ゲート絶縁膜に沿って、ドリフト領域、第１付加半導体領域、ドリフト領域、ボディ領域、エミッタ領域が順に並んでいる。
上記形態の半導体装置では、第２導電型の第１付加半導体領域がゲート電極に対向しているので、第１付加半導体領域内にもチャネルが形成される。このため、エミッタ領域からボディ領域を経由してドリフト領域に供給されたキャリアは、第１付加半導体領域を横断して移動することができる。エミッタ領域から供給されたキャリアは、ボディ領域と第１付加半導体領域の間のドリフト領域内を移動する第１経路と、第１半付加半導体領域を横断した後にドリフト領域内を移動する第２経路に少なくとも分断される。したがって、エミッタ領域から供給されたキャリアは、複数の経路に分流して移動するので、キャリアの集中が抑制され、半導体装置の破壊が抑制される。
さらに、本明細書で開示される技術では、第１付加半導体領域の不純物濃度が、ボディ領域の不純物濃度よりも薄い。第１付加半導体領域の不純物濃度がボディ領域の不純物濃度よりも薄いと、第１付加半導体領域内に反転層が形成され易くなり、エミッタ領域から供給されたキャリアは、第１付加半導体領域を横断してからドリフト領域に達する第２経路を利用するようになる。したがって、上記の濃度関係が存在していると、エミッタ領域から供給されたキャリアの経路は、第１経路と第２経路の間でより良好に分流するようになる。

本明細書で開示される半導体装置では、第２付加半導体領域をさらに備えているのが好ましい。第２付加半導体領域は、第２導電型の不純物を含んでおり、ゲート絶縁膜に接するとともにドリフト領域によって第１付加半導体領域から隔てられているドリフト領域内に配置されている。この結果、ゲート絶縁膜に沿って、ドリフト領域、第２付加半導体領域、ドリフト領域、第１付加半導体領域、ドリフト領域、ボディ領域、エミッタ領域が順に並んでいる。
上記形態の半導体装置によると、エミッタ領域から供給されたキャリアは、さらに複数の経路に分流して移動するので、キャリアの集中がさらに抑制され、半導体装置の破壊がさらに抑制される。

本明細書で開示される技術では、ボディ領域と第１付加半導体領域の間の距離が、第１付加半導体領域と第２付加半導体領域の間の距離よりも短いことが好ましい。
ボディ領域と第１付加半導体領域の間の距離が短いと、エミッタ領域から供給されたキャリアにとって、ボディ領域と第１付加半導体領域の間の第１経路の抵抗が高くなる。このため、エミッタ領域から供給されたキャリアは、第１付加半導体領域を横断してドリフト領域に達する第２経路を利用するようになる。したがって、上記の距離関係が存在していると、エミッタ領域から供給されたキャリアの経路は、第１経路と第２経路の間でより良好に分流するようになる。

本明細書で開示される技術では、前記した付加半導体領域が、ボディ領域に電気的に接続されていてもよく、あるいはフローティング状態であってもよい。

本明細書で開示される技術によると、電子と正孔の集中を抑制することができ、半導体装置が破壊されるのを抑制することができる。

本明細書で開示される技術の好ましい形態を列記する。
（第１形態）本明細書で開示される技術は、ＩＧＢＴに用いられるのが好ましい。
（第２形態）プレーナー型のゲート電極の場合は、プレーナーゲート電極の底面に沿って、ドリフト領域、第２付加半導体領域、ドリフト領域、第１付加半導体領域、ドリフト領域、ボディ領域、エミッタ領域が順に並んでいる。
（第３形態）トレンチ型のゲート電極の場合は、トレンチゲート電極の側面に沿って、ドリフト領域、第２付加半導体領域、ドリフト領域、第１付加半導体領域、ドリフト領域、ボディ領域、エミッタ領域が順に並んでいる。

以下、図面を参照して各実施例を説明する。以下の実施例では、半導体材料にシリコンを用いた例を説明するが、シリコンに代えて炭化シリコン、ガリウム砒素、窒化ガリウム等の半導体材料を用いてもよい。
（第１実施例）
図１（ａ）に、バイポーラで動作する縦型のＩＧＢＴ１０の要部断面図を模式的に示す。図１（ｂ）に、ＩＧＢＴ１０の要部平面図を模式的に示す。なお、図１（ｂ）の要部平面図は、半導体基板の表面に形成されている電極等を取り除いた状態を図示している。図１に示す構造は、ＩＧＢＴ１０の基本構造であり、実際は図１に示す基本構造が左右方向に繰返し形成されている。
ＩＧＢＴ１０は、裏面から順にｐ⁺型のコレクタ領域２２と、ｎ⁺型のバッファ領域２４と、ｎ^-型のドリフト領域２６を備えている。コレクタ領域２２は、図示しないコレクタ電極に電気的に接続されている。コレクタ領域２２は、必要に応じて分散して形成してもよい。バッファ領域２４も、必要に応じて分散して形成してもよく、あるいは完全に除去してもよい。

ＩＧＢＴ１０はさらに、ドリフト領域２６に接するｐ型のボディ領域３２と、ボディ領域３２によってドリフト領域２６から隔てられているｎ⁺型のエミッタ領域３４と、ドリフト領域２６とボディ領域３２とエミッタ領域３４にゲート絶縁膜４２を介して対向しているプレーナー型のゲート電極４４を備えている。プレーナー型のゲート電極４４は、隣合うボディ領域３２の間を伸びており、隣合うボディ領域３２の間のドリフト領域２６に対向している。ゲート絶縁膜４２の材料は酸化シリコンであり、ゲート電極４４の材料はポリシリコンである。ボディ領域３２とエミッタ領域３４は、図示しないエミッタ電極に電気的に接続されている。

ＩＧＢＴ１０はさらに、ゲート電極４４とドリフト領域２６が対向する範囲に設けられているｐ型の第１付加半導体領域３６と、ｐ型の第２付加半導体領域３８を備えている。第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８を総称して付加半導体領域３０という。第１付加半導体領域３６は、ボディ領域３２に近い側に配置されている。第２付加半導体領域３８は、第１付加半導体領域３６よりもボディ領域３２から離れた側に配置されている。

第１付加半導体領域３６は、ドリフト領域２６によってボディ領域３２から隔てられているとともにゲート絶縁膜４２に接している。第１付加半導体領域３６は、ドリフト領域２６によって取り囲まれている。したがって、第１付加半導体領域３６とボディ領域３２の間のドリフト領域２６は、他の大部分のドリフト領域２６と連続している。第２付加半導体領域３８は、ドリフト領域２６によって第１付加半導体領域３６から隔てられているとともにゲート絶縁膜４２に接している。第２付加半導体領域３８も、ドリフト領域２６によって取り囲まれている。したがって、第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８の間のドリフト領域２６も、他の大部分のドリフト領域２６と連続している。ＩＧＢＴ１０では、ゲート絶縁膜４２の底面を横方向に沿って、ドリフト領域２６、第２付加半導体領域３８、ドリフト領域２６、第１付加半導体領域３６、ドリフト領域２６、ボディ領域３２、エミッタ領域３４が順に並んでいる。

図１（ａ）に示すように、ボディ領域３２と第１付加半導体領域３６の間の距離Ｄ１が、第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８の間の距離Ｄ２よりも短く形成されている。
図１（ｂ）に示すように、第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８は、ストライプ状に配置されている。第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８は、対向するボディ領域３２を結ぶ方向（紙面左右方向）に直交する方向（紙面上下方向）に伸びている。また、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８は、ボディ領域３２と接している。即ち、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８は、ボディ領域３２に電気的に接続されており、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８の電位はボディ領域３２の電位に固定されている。

次に、ＩＧＢＴ１０の動作を説明する。
コレクタ電極に正の電圧が印加され、エミッタ電極が接地され、ゲート電極４４に正の電圧が印加されると、ゲート電極４４に対向するボディ領域３２に反転層が形成される。電子は、この反転層を経由してエミッタ領域３４からドリフト領域２６に供給される。ＩＧＢＴ１０では、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８がゲート電極４４に対向しているので、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８内にもチャネルが形成される。このため、エミッタ領域３４から供給された電子は、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８を横断して移動することができる。図１（ａ）に示すように、エミッタ領域３４から供給された電子は、ボディ領域３２と第１付加半導体領域３６の間のドリフト領域２６内を移動する第１経路と、第１付加半導体領域３６を横断した後に第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８の間のドリフト領域２６内を移動する第２経路と、第２付加半導体領域３８を横断した後にドリフト領域２６内を移動する第３経路に分断される。したがって、エミッタ領域３４から供給された電子は、複数の経路に分流して移動するので、電子の集中が抑制される。さらに、裏面のコレクタ領域２２から供給された正孔も、電子の集中が抑制されているので、電子に引き寄せられることによる集中が抑制される。この結果、電子と正孔の集中を抑制することができ、ＩＧＢＴ１０が破壊されるのを抑制することができる。

ＩＧＢＴ１０は、さらに以下の特徴を備えている。
（１）ＩＧＢＴ１０では、ボディ領域３２と第１付加半導体領域３６の間の距離Ｄ１が、第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８の間の距離Ｄ２よりも短く形成されている。ボディ領域３２と第１付加半導体領域３６の間の距離Ｄ１の具体的な数値は、ＩＧＢＴ１０の形態によって様々な値である。距離Ｄ１は、ドリフト領域２６の不純物濃度、第１付加半導体領域３６の不純物濃度及び横方向の幅等によって決定される。少なくとも距離Ｄ１が距離Ｄ２よりも短いと、ボディ領域３２と第１付加半導体領域３６の間の第１経路の電子に対する抵抗が、第１付加半導体領域３６と第２付加半導体領域３８の間の第２経路の電子に対する抵抗よりも高くなる。このため、エミッタ領域３４から供給された電子は、第１付加半導体領域３６を横断して第２経路を利用するようになる。したがって、上記の距離関係が存在していると、電子の経路は、第１経路と第２経路の間で良好に分流するようになる。なお、この技術は、下記の他の変形例及び実施例においても有用である。
（２）ＩＧＢＴ１０では、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８の不純物濃度が、ボディ領域３２の不純物濃度よりも薄く形成されている。第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８の不純物濃度がボディ領域３２の不純物濃度よりも薄いと、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８内に反転層が形成され易くなる。このため、エミッタ領域３４から供給された電子は、第１付加半導体領域３６を横断して第２経路、さらには第２付加半導体領域３８を横断して第３経路を利用するようになる。したがって、上記の濃度関係が存在していると、電子の経路は、第１経路と第２経路と第３経路の間で良好に分流するようになる。なお、この技術は、下記の他の変形例及び実施例においても有用である。
（３）また、図２に、ＩＧＢＴ１０の変形例の要部平面図を示す。図２に示すように、この変形例では、付加半導体領域３０が、ボディ領域３２から電気的に絶縁され、フローティング状態である。即ち、第１付加半導体領域３６及び第２付加半導体領域３８がフローティング状態である。この場合も同様に、上記した作用効果を得ることができる。
（４）また、図３に、ＩＧＢＴ１０の他の変形例の要部平面図を示す。図３に示すように、この変形例は、エミッタ領域１３４、ボディ領域１３２、第１経路用のドリフト領域１２６、第１付加半導体領域１３６、第２経路用のドリフト領域１２６、第２付加半導体領域１３８、第３経路用のドリフト領域１２６が同心円状に配置されている例である。この場合も同様に、上記した作用効果を得ることができる。

（第２実施例）
図４に、バイポーラで動作する縦型のＩＧＢＴ１１の要部断面図を模式的に示す。
ＩＧＢＴ１１は、裏面から順にｐ⁺型のコレクタ領域２２２と、ｎ⁺型のバッファ領域２２４と、ｎ^-型のドリフト領域２２６を備えている。コレクタ領域２２２は、図示しないコレクタ電極に電気的に接続されている。コレクタ領域２２２は、必要に応じて分散して形成してもよい。バッファ領域２２４は、必要に応じて分散して形成してもよく、あるいは完全に除去してもよい。

ＩＧＢＴ１１はさらに、ドリフト領域２２６に接するｐ型のボディ領域２３２と、ボディ領域２３２によってドリフト領域２２６から隔てられているｎ⁺型のエミッタ領域２３４と、ドリフト領域２２６とボディ領域２３２とエミッタ領域２３４にゲート絶縁膜２４２を介して対向しているトレンチ型のゲート電極２４４を備えている。ゲート電極２４４は、ドリフト領域２２６内の深い位置まで侵入して伸びている。ボディ領域２３２とエミッタ領域２３４は、図示しないエミッタ電極に電気的に接続されている。

ＩＧＢＴ１１はさらに、ゲート電極２４４とドリフト領域２２６が対向する範囲に設けられているｐ型の第１付加半導体領域２３６と、第２付加半導体領域２３８を備えている。第１付加半導体領域２３６と第２付加半導体領域２３８を総称して付加半導体領域２３０という。第１付加半導体領域２３６と第２付加半導体領域２３８は、ドリフト領域２２６内に侵入しているゲート電極２４４の側面に対向している。第１付加半導体領域２３６は、ボディ領域２３２側に配置されている。第２付加半導体領域２３８は、第１付加半導体領域２３６よりもボディ領域２３２から離れた側に配置されている。

第１付加半導体領域２３６は、ドリフト領域２２６によってボディ領域２３２から隔てられているとともにゲート絶縁膜２４２に接している。第１付加半導体領域２３６は、ドリフト領域２２６によって取り囲まれている。したがって、第１付加半導体領域２３６とボディ領域２３２の間のドリフト領域２２６は、他の大部分のドリフト領域２２６と連続している。第２付加半導体領域２３８は、ドリフト領域２２６によって第１付加半導体領域２３６から隔てられているとともにゲート絶縁膜２４２に接している。第２付加半導体領域２３８も、ドリフト領域２２６によって取り囲まれている。したがって、第１付加半導体領域２３６と第２付加半導体領域２３８の間のドリフト領域２２６は、他の大部分のドリフト領域２２６と連続している。ＩＧＢＴ１１では、ゲート絶縁膜２４２の側面を縦方向に沿って、ドリフト領域２２６、第２付加半導体領域２３８、ドリフト領域２２６、第１付加半導体領域２３６、ドリフト領域２２６、ボディ領域２３２、エミッタ領域２３４が順に並んでいる。

次に、ＩＧＢＴ１１の動作を説明する。
コレクタ電極に正の電圧が印加され、エミッタ電極が接地され、ゲート電極２４４に正の電圧が印加されると、ゲート電極２４４に対向するボディ領域２３２に反転層が形成される。電子は、この反転層を経由してエミッタ領域２３４からドリフト領域２２６に供給される。ＩＧＢＴ１１では、第１付加半導体領域２３６及び第２付加半導体領域２３８がゲート電極２４４に対向しているので、第１付加半導体領域２３６及び第２付加半導体領域２３８内にもチャネルが形成される。このため、エミッタ領域２３４から供給された電子は、第１付加半導体領域２３６及び第２付加半導体領域２３８を横断して移動することができる。図４に示すように、エミッタ領域２３４から供給された電子は、ボディ領域２３２と第１付加半導体領域２３６の間のドリフト領域２２６内を移動する第１経路と、第１付加半導体領域２３６を横断した後に第１付加半導体領域２３６と第２付加半導体領域２３８の間のドリフト領域２２６内を移動する第２経路と、第２付加半導体領域２３８を横断した後にドリフト領域２２６内を移動する第３経路に分断される。したがって、エミッタ領域２３４から供給された電子は、複数の経路に分流して移動するので、電子の集中が抑制される。さらに、裏面のコレクタ領域２２２から供給された正孔も、電子の集中が抑制されているので、電子に引き寄せられることによる集中が抑制される。この結果、電子と正孔の集中を抑制することができ、ＩＧＢＴ１１が破壊されるのを抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、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。
また、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。

（ａ）第１実施例のＩＧＢＴ１０の要部断面図を模式的に示す。（ｂ）第１実施例のＩＧＢＴ１０の要部平面図を模式的に示す。第１実施例のＩＧＢＴ１０の変形例の要部平面図を示す。第１実施例のＩＧＢＴ１０の変形例の要部平面図を示す。第２実施例のＩＧＢＴ１１の要部断面図を模式的に示す。従来のＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。

符号の説明

２２、２２２：コレクタ領域
２４、２２４：バッファ領域
２６、１２６、２２６：ドリフト領域
３０、１３０、２３０：付加半導体領域
３２、１３２、２３２：ボディ領域
３４、１３４、２３４：エミッタ領域
３６、１３６、２３６：第１付加半導体領域
３８、１３８、２３８：第２付加半導体領域
４２、２４２：ゲート絶縁膜
４４、２４４：ゲート電極

Claims

バイポーラで動作する半導体装置であって、
第１導電型の不純物を含むドリフト領域と、
ドリフト領域に接するとともに第２導電型の不純物を含むボディ領域と、
ボディ領域によってドリフト領域から隔てられているとともに第１導電型の不純物を含むエミッタ領域と、
ドリフト領域とボディ領域とエミッタ領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、
第１付加半導体領域を備えており、
第１付加半導体領域は、第２導電型の不純物を含んでおり、ゲート絶縁膜に接するとともにドリフト領域によってボディ領域から隔てられているドリフト領域内に配置されており、
ゲート絶縁膜に沿って、ドリフト領域、第１付加半導体領域、ドリフト領域、ボディ領域、エミッタ領域が順に並んでおり、
第１付加半導体領域の不純物濃度が、ボディ領域の不純物濃度よりも薄いことを特徴とする半導体装置。
第２付加半導体領域をさらに備えており、
第２付加半導体領域は、第２導電型の不純物を含んでおり、ゲート絶縁膜に接するとともにドリフト領域によって第１付加半導体領域から隔てられているドリフト領域内に配置されており、
ゲート絶縁膜に沿って、ドリフト領域、第２付加半導体領域、ドリフト領域、第１付加半導体領域、ドリフト領域、ボディ領域、エミッタ領域が順に並んでいることを特徴とする請求項１の半導体装置。
ボディ領域と第１付加半導体領域の間の距離が、第１付加半導体領域と第２付加半導体領域の間の距離よりも短いことを特徴とする請求項２の半導体装置。
前記付加半導体領域が、ボディ領域に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの半導体装置。