JP5186868B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、同一の半導体基板にIGBTとダイオードが形成されてなる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
従来、同一の半導体基板にIGBTとダイオードが形成されてなる半導体装置の一例として、特許文献1に示されるものがあった。
特許文献1には、一方の面にはトランジスタセルとダイオードセルとが形成されると共に、外周部の裏面側には、例えば、ダイオードのカソード(N)とIGBTのコレクタ(P)とを配置する例が示されている。
米国特許第7112868号明細書
しかしながら、特許文献1に示されるような半導体装置は、IGBT動作時には外周のコレクタ(P)からホールが注入される。したがって、内部のIGBTより外周付近のIGBTはより多くの電流が流れる。さらに、スイッチ動作時には外周に蓄積されたホールがIGBTセルに向かって移動することになり、周辺のIGBT域はより多くの電流が流れ、スイッチの破壊耐量が周辺で弱くなるという問題があった。
同様に、外周にカソード(N)があるとダイオード動作時には内部のダイオードより、外周付近のダイオードはより多くの電流が流れる。また、逆回復動作時には、外周に蓄積されたホールを排出するためリカバリ破壊耐量が低下するという問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、同一の半導体基板にIGBTとダイオードが形成されてなる半導体装置においてスイッチ破壊耐量を向上できると共に、ダイオードのリカバリ破壊耐量を向上できる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために請求項1に記載の半導体装置は、IGBTとダイオードが、同じ第1導電型の半導体基板に形成されてなる半導体装置であって、半導体基板は、IGBTとダイオードとが形成される素子領域と、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域とを含み、素子領域は、半導体基板の主面側の表層部に、IGBTのトレンチゲートと、IGBTのチャネル形成領域となる第2導電型の第1半導体領域と、IGBTのエミッタ領域となる第1導電型の第2半導体領域と、ダイオードのアノード領域となる第2導電型の第3半導体領域とが形成され、半導体基板の裏面側の表層部に、第1導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層と、このフィールドストップ層の裏面にIGBTのコレクタ領域となる第2導電型の第4半導体領域と、ダイオードのカソード領域となる第1導電型の第5半導体領域とが形成され、高耐圧化領域は、半導体基板の主面側の表層部に、第2導電型のガードリングが形成され、半導体基板の裏面側の表層部には、素子領域に形成されたフィールドストップ層よりも厚い、第1導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層のみが形成されていることを特徴とするものである。
このようにすることによって、IGBT動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にホールを注入するコレクタがないためホールが注入されない。従って、ホールの蓄積が起こりにくいことから、高耐圧化領域における電流集中が起こらず、スイッチ破壊耐量を向上させることができる。
同様に、ダイオード動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にカソードが無いことから電子が注入されにくいので、電子と中和させるホールも高耐圧化領域に溜まり難い。従って、ダイオードのリカバリ動作時に、高耐圧化領域にホールによる電流集中は起こらず、リカバリ破壊耐量を向上させることができる。
また、請求項2に示すように、半導体基板の裏面側の表層部において、第4半導体領域と、第5半導体領域と接触し、高耐圧化領域を除く位置に形成される裏面電極を備えるようにしてもよい。
このように、高耐圧化領域の裏面側には、第4半導体領域(コレクタ領域)と第5半導体領域(カソード領域)のみならず、裏面電極も形成されないので、高耐圧化領域に流れる電流をより一層削減することでさらに破壊耐量(スイッチ破壊耐量、リカバリ破壊耐量)を向上させることができる。
また、上記目的を達成するために請求項3に記載の半導体装置の製造方法は、IGBTとダイオードが、同じ第1導電型の半導体基板に形成されてなる半導体装置の製造方法であって、半導体基板は、IGBTとダイオードとが形成される素子領域と、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域とを含み、素子領域における半導体基板の主面側の表層部にIGBTのトレンチゲートを形成する第1工程と、素子領域における半導体基板の主面側の表層部にIGBTのチャネル形成領域となる第2導電型の第1半導体領域を形成する第2工程と、素子領域における半導体基板の主面側の表層部にIGBTのエミッタ領域となる第1導電型の第2半導体領域を形成する第3工程と、素子領域における半導体基板の主面側の表層部にダイオードのアノード領域となる第2導電型の第3半導体領域を形成する第4工程と、高耐圧化領域における半導体基板の主面側の表層部に第2導電型のガードリングを形成する第5工程と、素子領域及び高耐圧化領域における半導体基板の裏面側の表層部に第1導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層を形成する第6工程と、フィールドストップ層内にIGBTのコレクタ領域となる第2導電型の第4半導体領域とダイオードのカソード領域となる第1導電型の第5半導体領域とを形成する第7工程と、高耐圧化領域においてフィールドストップ層を残しつつ第4半導体領域と第5半導体領域とを除去する第8工程とを備えることを特徴とするものである。
このようにすることによって、高耐圧化領域における半導体基板の裏面側の表層部には、第1導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層のみが形成される半導体装置を製造することができる。このような半導体装置は、IGBT動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にホールを注入するコレクタがないためホールが注入されない。従って、ホールの蓄積が起こりにくいことから、高耐圧化領域における電流集中が起こらず、スイッチ破壊耐量を向上させることができる。
同様に、ダイオード動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にカソードが無いことから電子が注入されにくいので、電子と中和させるホールも高耐圧化領域に溜まり難い。従って、ダイオードのリカバリ動作時に、高耐圧化領域にホールによる電流集中は起こらず、リカバリ破壊耐量を向上させることができる。
つまり、請求項3に示すようにすることによって、スイッチ破壊耐量及びリカバリ破壊耐量が向上した半導体装置を製造することができる。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置100は、トレンチゲート構造のFS(フィールドストップ)型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とFWD(Free Wheeling Diode)を同一の半導体基板に形成してなるものである。より具体的には、本実施の形態における半導体装置は、インバータモジュールに使われるダイオード内蔵電力スイッチング素子(Reverse Conducting IGBT)に適用されるものである。
つまり、本実施形態に係る半導体装置100のIGBTは、スイッチング素子として用いられ、FWDは、IGBTのオフ中にモータに流れる電流を迂回還流させ、モータを流れる電流自体がIGBTのスイッチングにより変化しないようにしている。より具体的には、直流電源とモータを繋ぎ、モータに電圧を印加していたIGBTがオフすると、モータを流れていた電流がモータのLに蓄積されているエネルギーによりFWDを通って直流電流を逆流し、モータは、逆の直流電圧が印加されているのと等価な状態となる。これによって、モータの電流はIGBTのスイッチングにより急激に遮断することがないため、直流電源からスイッチングにより実質的に交流電圧を給電することができる。インバータモジュールは、この様な動作を行うため、IGBTとは逆直列に、即ち、あるIGBTと対になるIGBTに対して逆並列に接続されたFWDを必要とする。
半導体基板101は、ドリフト層となるN導電型(N)のFZウエハであり、例えば濃度が1×10E14cm−3程度である。また、半導体基板101は、IGBTとFWD(ダイオード)とが形成される素子領域(図1のIGBT、FWD領域)と、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域(図1の外周ガードリング領域)とを含む。つまり、高耐圧化領域は、素子領域以外の領域である。そして、半導体基板101の第1主面側表層(主面側の表層部)には、素子領域において、第1半導体領域であるP導電型(P)のチャネル領域102が選択的に形成されている。
チャネル領域102には、半導体基板101の第1主面(主面側)よりチャネル領域102を貫通し、底面が半導体基板101に達するトレンチが選択的に形成されている。本実施形態においては、直径略1μm、深さ略5μmのトレンチが形成されている。そして、トレンチ底面及び側面上に形成されたゲート絶縁膜(例えば酸化膜)を介して、トレンチ内に例えば濃度が1×10E20cm−3程度のポリシリコンが充填されトレンチゲート103が構成されている。
また、チャネル領域102には、トレンチゲート103の側面部位に隣接して、第1主面側表層に第2の半導体領域であるN導電型(N)のエミッタ領域105が選択的に形成されている。本実施形態において、エミッタ領域105は、厚さ0.5μm程度、濃度が1×10E19cm−3程度である。そして、エミッタ領域105は、例えばアルミニウム系材料を用いて構成されたエミッタ電極106と電気的に接続されている。
また、チャネル領域102には、第1主面側表層に第3の半導体領域であり、エミッタ電極106と電気的に接続されるP導電型(P)のコンタクト領域104が選択的に形成されている。この、コンタクト領域104は、FWDのアノード兼IGBTのボディー領域である。本実施形態において、コンタクト領域104は、厚さ0.8μm程度、濃度が1×10E19cm−3程度である。
IGBT、FWDの形成領域における半導体基板101の第2主面側表層(裏面側の表層部)には、第4半導体領域であるP導電型(P)のコレクタ領域108が選択的に形成されている。本実施形態において、コレクタ領域108は、厚さ0.5μm程度、濃度が1×10E18cm−3程度である。また、IGBT、FWDの形成領域における半導体基板101の第2主面側表層には、コレクタ領域108の形成範囲を除いて、第5半導体領域であるN導電型(N)のカソード領域107が選択的に形成されている。本実施形態において、カソード領域107は、厚さ0.5μm程度、濃度が1×10E18cm−3程度である。そして、コレクタ領域108及びカソード領域107は、例えばアルミニウム系材料を用いて構成された裏面電極(コレクタ電極)114と電気的に接続(接触)されている。
また、本実施形態においては、図1に示すように、ドリフト層としての半導体基板101とコレクタ領域108及びカソード領域107との間に、N導電型(N)のフィールドストップ層109が形成されている。このようにトレンチゲート構造のIGBTとして、空乏層を止めるフィールドストップ層109を備えたIGBTを採用すると、他のトレンチ構造(パンチスルー型、ノンパンチスルー型)に比べて、半導体基板101(半導体装置100)の厚さを薄くすることができる。したがって、過剰キャリアが少なく、空乏層が伸びきった状態での中性領域の残り幅が少ないため、SW損失を低減することができる。なお、図1に示すチャネル領域102の表面(半導体基板101の第1主面)からコレクタ領域108の表面(半導体基板101の第2主面)までの厚さは、略130μmである。
一方、半導体基板101の高耐圧化領域における第1主面側表層(主面側の表層部)には、素子領域を囲むようにP導電型(P)のガードリング110,111がチャネル領域102と同じ不純物濃度で、同じ深さに形成されている。このガードリング110,111の表面には、絶縁膜112,113が形成されている。また、ガードリング110は、例えば、絶縁膜112を介して、IGBTのゲート配線(図示省略)やパッド電極(図示省略)の下に配置される領域で、N導電型の半導体基板101との間にPN接合を形成して、耐圧の向上のために形成される領域である。また、チャネル領域102、コンタクト領域104及びガードリング110は、電極112aなどを介して電気的に共通接続される。
また、ガードリング111は、ガードリング110を囲んで囲むように形成される。そして、ガードリング111は、ガードリング110と電気的に接続されておらず、電気的に浮いた状態となっている。このガードリング111を形成することで、半導体装置100では、ガードリング111を形成しない場合に較べてダイオードが阻止状態のときに空乏層が周辺部へ広がり、電界集中が抑制される。
また、半導体基板101の高耐圧化領域における第2主面側表層(裏面側の表層部)には、フィールドストップ層109のみが形成されている。つまり、IGBT、FWD動作時に過剰な電流が流れないように、半導体基板101の高耐圧化領域における第2主面側表層(裏面側の表層部)には、素子領域に形成されているコレクタ領域(P)108及びカソード領域(N)107が形成されていない。したがって、フィールドストップ層109は、直接裏面電極114に接触している。
次に、上記構成の半導体装置100におけるIGBTの動作を説明する。エミッタ電極106とコレクタ電極(裏面電極)114間に所定のコレクタ電圧を、エミッタ電極106とゲート電極(トレンチゲート103)間に所定のゲート電圧を印加する(すなわち、ゲートをオンする)と、エミッタ領域105と半導体基板101との間の部分(チャネル領域102)がN型に反転してチャネルが形成される。このチャネルを通じて、エミッタ電極106より電子が半導体基板101に注入される。そして、注入された電子により、コレクタ領域108と半導体基板101が順バイアスされ、これによりコレクタ領域108からホールが注入されて半導体基板101の抵抗が大幅に下がり、IGBTの電流容量が増大する。また、エミッタ電極106とゲート電極(トレンチゲート103)間にオン状態で印加されていた、ゲート電圧を0V又は逆バイアス(すなわち、ゲートをオフする)と、N型に反転していたチャネル領域102がP型の領域に戻り、エミッタ電極106からの電子の注入が止まる。この注入停止により、コレクタ領域108からのホールの注入も止まる。その後、半導体基板101に蓄積されていたキャリア(電子とホール)が、それぞれコレクタ電極114とエミッタ電極106から排出されるか、又は、互いに再結合して消滅する。
また、半導体装置100におけるFWDの動作を説明する。コンタクト領域104とチャネル領域102の一部がFWDのアノード領域となり、エミッタ電極106がアノード電極も兼ねている。エミッタ電極106(アノード電極)と半導体基板101との間にアノード電圧(順バイアス)を印加し、アノード電圧が閾値を超えると、アノード領域と半導体基板101が順バイアスされ、ダイオードが導電する。エミッタ電極106(アノード電極)と半導体基板101との間に逆バイアスを印加すると、アノード領域より空乏層が半導体基板101側へ伸びることで、逆方向耐圧を保持することができる。
このようにすることによって、IGBT動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にホールを注入するコレクタ領域(P)108がないためホールが注入されない。従って、ホールの蓄積が起こりにくいことから、高耐圧化領域における電流集中が起こらず、スイッチ破壊耐量(スイッチング時の破壊耐量)を向上させることができる。
同様に、ダイオード動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にカソード領域(N)107が無いことから電子が注入されにくいので、電子と中和させるホールも高耐圧化領域に溜まり難い。従って、FWDのリカバリ動作時に、高耐圧化領域にホールによる電流集中は起こらず、リカバリ破壊耐量を向上させることができる。
なお、本実施の形態においては、NチャネルIGBTを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。P及びNの導電型を逆にしたPチャネルIGBTでも適用することができる。
(変形例1)
次に、変形例1における半導体装置に関して説明する。図2は、本発明の実施の形態の変形例1における半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、変形例1は、上述の実施の形態と同等な箇所が多いため、同等な箇所に関しては同一の符号を付与して説明を省略し、異なる箇所を重点的に説明する。
図2に示すように、変形例1における半導体装置100aは、高耐圧化領域(図2の外周ガードリング領域)を除く位置に裏面電極(コレクタ電極)114aを形成する。
つまり、裏面電極(コレクタ電極)114aは、コレクタ領域108及びカソード領域107のみと電気的に接続(接触)させ、高耐圧化領域におけるフィールドストップ層109とは接触させないようにする。
このように、高耐圧化領域の裏面側には、コレクタ領域108及びカソード領域107のみならず、裏面電極(コレクタ電極)114aも形成されないので、高耐圧化領域に流れる電流をより一層削減することでさらに破壊耐量(スイッチ破壊耐量、リカバリ破壊耐量)を向上させることができる。
(変形例2)
次に、変形例2における半導体装置に関して説明する。図3は、本発明の実施の形態の変形例2における半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、変形例2は、上述の実施の形態と同等な箇所が多いため、同等な箇所に関しては同一の符号を付与して説明を省略し、異なる箇所を重点的に説明する。
図3に示すように、変形例2における半導体装置100bは、高耐圧化領域(図2の外周ガードリング領域)における第2主面側表層(裏面側の表層部)をエッチングによって除去する。
つまり、半導体装置100bの製造方法は、素子領域(図1のIGBT、FWD領域)における半導体基板101の第1主面側表層(主面側の表層部)にIGBTのトレンチゲート103を形成する第1工程と、素子領域における半導体基板101の第1主面側表層にP導電型のチャネル領域102を形成する第2工程と、素子領域における半導体基板101の第1主面側表層にN導電型のエミッタ領域105を形成する第3工程と、素子領域における半導体基板101の第1主面側表層にP導電型のアノード領域104を形成する第4工程と、高耐圧化領域における半導体基板101の第1主面側表層にP導電型のガードリング110,111を形成する第5工程と、素子領域及び高耐圧化領域における半導体基板101の裏面側の表層部にN導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層109aを形成する第6工程と、フィールドストップ層109a内にP導電型のコレクタ領域108とN導電型のカソード領域107とを形成する第7工程と、高耐圧化領域においてフィールドストップ層109aを残しつつカソード領域107とコレクタ領域108とを除去する第8工程とを備える。
このようにすることによって、上述の実施の形態と同様に、高耐圧化領域における半導体基板101の第2主面側表層にはフィールドストップ層109aのみが形成される半導体装置を製造することができる。このような半導体装置は、上述の実施の形態にて説明したように、IGBT動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にホールを注入するコレクタ領域108がないためホールが注入されない。従って、ホールの蓄積が起こりにくいことから、高耐圧化領域における電流集中が起こらず、スイッチ破壊耐量を向上させることができる。同様に、ダイオード動作時には、素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域の裏面側にカソード領域107が無いことから電子が注入されにくいので、電子と中和させるホールも高耐圧化領域に溜まり難い。従って、ダイオードのリカバリ動作時に、高耐圧化領域にホールによる電流集中は起こらず、リカバリ破壊耐量を向上させることができる。
つまり、変形例2に示すようにすることによって、スイッチ破壊耐量及びリカバリ破壊耐量が向上した半導体装置100bを製造することができる。
なお、変形例2においては、フィールドストップ層109aを残しつつカソード領域107とコレクタ領域108とを除去するため、エッチングで除去されても電界緩和に支障がないよう予めフィールドストップ層109aを十分に深く形成させておく必要がある。
本発明の実施の形態における半導体装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例1における半導体装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例2における半導体装置の概略構成を示す断面図である。
符号の説明
100 半導体装置、101 半導体基板、102 チャネル領域(第1半導体領域)、103 トレンチゲート、104 コンタクト領域(第3半導体領域)、105 エミッタ領域(第2半導体領域)、106 エミッタ電極、107 カソード領域(第5半導体領域)、108 コレクタ領域(第4半導体領域)、109 フィールドストップ層、110,111 ガードリング、112 絶縁膜、113 絶縁膜、114 裏面電極

Claims (3)

  1. IGBTとダイオードとが同じ第1導電型の半導体基板に形成されてなる半導体装置であって、
    前記半導体基板は、前記IGBTと前記ダイオードとが形成される素子領域と、前記素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域とを含み、
    前記素子領域は、
    前記半導体基板の主面側の表層部に、前記IGBTのトレンチゲートと、前記IGBTのチャネル形成領域となる第2導電型の第1半導体領域と、前記IGBTのエミッタ領域となる第1導電型の第2半導体領域と、前記ダイオードのアノード領域となる第2導電型の第3半導体領域とが形成され、
    前記半導体基板の裏面側の表層部に、第1導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層と、該フィールドストップ層の裏面に前記IGBTのコレクタ領域となる第2導電型の第4半導体領域と、前記ダイオードのカソード領域となる第1導電型の第5半導体領域とが形成され、
    前記高耐圧化領域は、
    前記半導体基板の主面側の表層部に、第2導電型のガードリングが形成され、
    前記半導体基板の裏面側の表層部には、前記素子領域に形成された前記フィールドストップ層よりも厚い、第1導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層のみが形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体基板の裏面側の表層部において、前記第4半導体領域と、前記第5半導体領域と接触し、前記高耐圧化領域を除く位置に形成される裏面電極を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. IGBTとダイオードが、同じ第1導電型の半導体基板に形成されてなる半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板は、前記IGBTと前記ダイオードとが形成される素子領域と、前記素子領域を囲うように形成される高耐圧化領域とを含み、
    前記素子領域における前記半導体基板の主面側の表層部に、前記IGBTのトレンチゲートを形成する第1工程と、
    前記素子領域における前記半導体基板の主面側の表層部に、前記IGBTのチャネル形成領域となる第2導電型の第1半導体領域を形成する第2工程と、
    前記素子領域における前記半導体基板の主面側の表層部に、前記IGBTのエミッタ領域となる第1導電型の第2半導体領域を形成する第3工程と、
    前記素子領域における前記半導体基板の主面側の表層部に、前記ダイオードのアノード領域となる第2導電型の第3半導体領域を形成する第4工程と、
    前記高耐圧化領域における前記半導体基板の主面側の表層部に、第2導電型のガードリングを形成する第5工程と、
    前記素子領域及び前記高耐圧化領域における前記半導体基板の裏面側の表層部に、第1導電型からなる電界緩和用のフィールドストップ層を形成する第6工程と、
    前記フィールドストップ層内に前記IGBTのコレクタ領域となる第2導電型の第4半導体領域と前記ダイオードのカソード領域となる第1導電型の第5半導体領域とを形成する第7工程と、
    前記高耐圧化領域において、前記フィールドストップ層を残しつつ、前記第4半導体領域と前記第5半導体領域とを除去する第8工程と、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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