JP5458595B2 - 半導体装置、スイッチング装置、及び、半導体装置の制御方法。 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＧＢＴとダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置に関する。

特許文献１には、ＩＧＢＴとダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置が開示されている。この半導体装置では、ＩＧＢＴのエミッタ領域及びボディ領域とダイオードのアノード領域が上部電極と導通しており、ＩＧＢＴのコレクタ領域とダイオードのカソード領域が下部電極と導通している。すなわち、ＩＧＢＴとダイオードが逆向きに並列接続されている。この半導体装置は、インバータ回路等に用いられる。ＩＧＢＴは、スイッチングすることによって、モータの電流を制御する。ダイオードは、ＩＧＢＴのオフ時に電流を還流することによって、ＩＧＢＴを保護する。

特開２００８−５３６４８号 特開２００８−１９２７３７号

ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられるときには、ダイオードに流れていた順電流が低下し、その後、ダイオードに逆電流が流れる。すなわち、順電圧の低下に伴って、ダイオードの順電流は低下する。その後、逆電圧が印加されると、ダイオードのカソード領域内に存在しているホールが逆電圧の印加によって上部電極に排出される。これによって、ダイオードに逆電流が流れる。逆電流は、ホールの排出が進むに従って減衰し、やがてゼロとなる。逆電流は瞬間的に大電流となり、また、逆電流が流れる際にダイオードに印加される逆電圧も極めて高くなることから、逆電流が流れる際にダイオードで高い損失が発生する。逆電流によって生じる損失は、逆回復損失と呼ばれる。
逆回復損失を低減する技術として、ダイオードのカソード領域内に軽イオンや電子線を打ち込んで、カソード領域内に結晶欠陥を形成する技術が知られている。結晶欠陥はキャリアの再結合中心として作用する。このため、カソード領域内に結晶欠陥を形成すると、逆電流が流れる際に、カソード領域内のホールが結晶欠陥近傍で電子と再結合する。これによって、ホールが消滅し、逆電流を早く減衰させることができる。しかしながら、この技術をＩＧＢＴとダイオードを有する半導体装置に適用すると、ＩＧＢＴのドリフト領域内にも結晶欠陥が形成される。すると、ＩＧＢＴのオン時にドリフト領域内でホールが再結合し易くなり、ＩＧＢＴのオン電圧が上昇してしまう。特許文献２には、ＩＧＢＴとダイオードを有しており、ダイオードのカソード領域にのみ結晶欠陥を形成することで、ＩＧＢＴのオン電圧を上昇させずにダイオードの逆回復損失を低減する技術が開示されている。しかしながら、軽イオンや電子線の打ち込み範囲の正確な制御は困難であり、実際にはダイオードのカソード領域にのみ結晶欠陥を形成することは困難であった。このため、特許文献２の技術では、量産時に半導体装置の特性が安定しないという問題が生じる。
以上に説明したように、従来のＩＧＢＴとダイオードを有する半導体装置においては、ＩＧＢＴのオン電圧を上昇させることなくダイオードの逆回復損失を低減することが困難であった。

本発明は上述した実情を鑑みて創作されたものであり、オン電圧が低いＩＧＢＴと、逆回復損失が低いダイオードを有する半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、上面に上部電極が形成されており、下面に下部電極が形成されており、縦型のＩＧＢＴと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備えている。ＩＧＢＴは、上部電極と導通しているｎ型のエミッタ領域と、上部電極と導通しており、エミッタ領域に隣接しているｐ型のボディ領域と、ボディ領域に隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域に隣接しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されており、下部電極と導通しているｐ型のコレクタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を有している。ダイオードは、上部電極と導通しているｐ型のアノード領域と、アノード領域と隣接しており、下部電極と導通しており、ＩＧＢＴのドリフト領域と連続しているｎ型のカソード領域と、カソード領域に絶縁膜を介して対向している制御電極を有している。そして、カソード領域の絶縁膜に接する範囲内に、その周囲のカソード領域よりもｎ型不純物濃度が高い高濃度領域が形成されている。

この半導体装置において、ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられるときには、ダイオードの順電流が低下し、次に、ダイオードに逆電流が流れ、その後、ダイオードの逆電流が減衰する。この半導体装置を使用する際には、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの期間のうちの少なくとも一部の期間において、制御電極に負電位（上部電極の電位より低い電位）を印加することができる。これによって、カソード領域内に電界を発生させる。すると、カソード領域内に存在するホールが、電界によって制御電極側に引き寄せられる。制御電極の周囲の絶縁膜と接する範囲内には、高濃度にｎ型不純物を含有する（すなわち、高濃度に電子が存在する）高濃度領域が形成されている。このため、制御電極側に引き寄せられたホールは、高濃度領域内に流入し、高濃度領域内で電子と再結合して消滅する。これによって、カソード領域内のホールが減少し、逆電流を短時間で減衰させることができる。したがって、この半導体装置では、ダイオードで生じる逆回復損失が小さい。
また、この半導体装置の構造によれば、ＩＧＢＴのドリフト領域内に高濃度領域を形成しないで、ダイオードのカソード領域内にのみ高濃度領域を形成することができる。例えば、半導体基板のダイオードの領域にカソード領域に達するトレンチを形成し、そのトレンチの底部近傍に高濃度領域を形成し、その後、そのトレンチ内に制御電極を形成することで、ＩＧＢＴ側に高濃度領域を形成することなくダイオード側にのみ高濃度領域を形成することができる。このようにダイオード側にのみ高濃度領域を形成すれば、ＩＧＢＴのオン時にドリフト領域内でホールが再結合することが防止され、ＩＧＢＴのオン電圧が上昇してしまうことはない。このように、この半導体装置は、ＩＧＢＴとダイオードを容易に作り分けることができ、ＩＧＢＴのオン電圧を低減することができる。
また、半導体基板にダイオードとＩＧＢＴとを間隔を設けることなく隣接して形成することもできる。この場合には、ＩＧＢＴのドリフト領域の近傍にダイオードの高濃度領域が形成されるが、この場合にもＩＧＢＴのオン電圧の上昇を抑制することができる。すなわち、この場合には、ＩＧＢＴの通電時に、ダイオードの制御電極に上部電極の電位以上の電位を印加する。すると、制御電極への印加電位によりカソード領域内に電界が生じ、この電界によってホールが高濃度領域に流入することが抑制される。すなわち、ホールが再結合することが抑制される。これによって、ＩＧＢＴのオン電圧を低減することができる。
なお、ＩＧＢＴのボディ領域とダイオードのアノード領域は、共通化することができる。また、ＩＧＢＴのドリフト領域とダイオードのカソード領域は、共通化することができる。また、ＩＧＢＴのゲート電極とダイオードの制御電極は、共通化することができる。このように、各部を共通化する場合にも、ＩＧＢＴの通電時に、制御電極に上部電極以上の電位を印加することで、ＩＧＢＴのオン電圧を低減することができる。

本発明は、上述した半導体装置を有するスイッチング装置も提供する。このスイッチング装置は、上述した半導体装置と電位制御装置を備えている。電位制御装置は、ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられるときに、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの期間のうちの少なくとも一部の期間において、制御電極に上部電極の電位より低い電位を印加する。
このスイッチング装置によれば、ＩＧＢＴのオン電圧を低減することができるとともに、ダイオードの逆回復損失を低減することができる。

上述したスイッチング装置は、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの上記期間を除く期間においてダイオードに順電流が流れているときに、電位制御装置が、制御電極に上部電極の電位以上の電位を印加することが好ましい。
電流を還流させるためにダイオードに順電流が流れている際に、カソード領域内でホールの再結合が生じると、ダイオードの順電圧が上昇してダイオードの損失が大きくなる。このスイッチング装置では、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの期間を除く期間においてダイオードに順電流が流れているときに（すなわち、電流を還流させるために順電流が流れているときに）、電位制御装置が、ダイオードの制御電極に上部電極の電位以上の電位を印加する。このため、カソード領域内のホールが制御電極に引き寄せられず、ホールが高濃度領域に流入して再結合により消滅することが抑制される。したがって、順電流通電時におけるダイオードでの損失を抑制することができる。

上述したスイッチング装置は、ＩＧＢＴの通電時に、電位制御装置が、制御電極に上部電極の電位以上の電位を印加することが好ましい。
ＩＧＢＴの通電時にダイオードの制御電極に上部電極の電位以上の電位を印加することで、ＩＧＢＴのドリフト領域内のホールがダイオードの高濃度領域に引寄せられず、ホールが高濃度領域に流入して再結合により消滅することをより抑制することができる。したがって、このスイッチング装置によれば、ＩＧＢＴのオン電圧をより低減することができる。

また、本発明は、上述した半導体装置の制御方法をも提供する。この制御方法では、ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられるときに、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの期間のうちの少なくとも一部の期間において、ダイオードの制御電極に上部電極の電位より低い電位を印加する。
この制御方法によれば、ダイオードの逆回復損失を低減することができる。

上述した制御方法は、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの上記期間を除く期間においてダイオードに順電流が流れているときに、制御電極に上部電極の電位以上の電位を印加することが好ましい。
この制御方法によれば、順電流通電時におけるダイオードの損失を低減することができる。

上述した制御方法は、ＩＧＢＴの通電時に、ダイオードの制御電極に上部電極の電位以上の電位を印加することが好ましい。
この制御方法によれば、ＩＧＢＴのオン電圧をより低減することができる。

本発明によれば、オン電圧が低いＩＧＢＴと、逆回復損失が低いダイオードを有する半導体装置を提供することができる。

第１実施例の半導体装置１０の断面図。 インバータ回路７０の回路図。 インバータ回路７０の回路図。 ダイオード４０の逆回復時における各値のグラフ。 第２実施例の半導体装置１１０の断面図。 第３実施例の半導体装置２１０の断面図。 第４実施例の半導体装置３１０の断面図。

下記に詳細に説明する実施例の構成を最初に列記する。
（特徴１）高濃度領域は、カソード層とアノード層の境界近傍に形成されている。
（特徴２）ダイオードには、半導体基板の上面からアノード層を貫通してカソード層に達するトレンチが形成されており、そのトレンチの内面に絶縁膜が形成されており、トレンチ内に制御電極が形成されている。高濃度領域は、トレンチの底部の絶縁膜に接する範囲に形成されている。

第１実施例の半導体装置について、図面を参照して説明する。図１は、第１実施例の半導体装置１０の概略断面図を示している。図１に示すように、半導体装置１０は、主にシリコンからなる半導体基板１２を備えている。半導体基板１２には、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０が形成されている。

ＩＧＢＴ領域２０の半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ３０が形成されている。トレンチ３０の壁面には、絶縁膜３２が形成されている。トレンチ３０内には、ゲート電極３４が形成されている。ゲート電極３４の上部にはキャップ絶縁膜３６が形成されている。ＩＧＢＴ領域２０の半導体基板１２の上面１２ａに臨む領域には、ｎ型のエミッタ領域２２と、ｐ型のボディ領域２４が選択的に形成されている。エミッタ領域２２は、絶縁膜３２と接するように形成されている。ボディ領域２４は、エミッタ領域２２を覆うように形成されている。ボディ領域２４は、ｐ型不純物濃度が高いボディコンタクト領域２４ａと、ｐ型不純物濃度が低い低濃度ボディ領域２４ｂを備えている。ボディコンタクト領域２４ａは、ボディ領域２４のうち上面１２ａに臨む領域に形成されている。低濃度ボディ領域２４ｂは、エミッタ領域２２とボディコンタクト領域２４ａの下側に形成されている。低濃度ボディ領域２４ｂは、エミッタ領域２２の下側で絶縁膜３２と接するように形成されている。低濃度ボディ領域２４ｂは、トレンチ３０の下端より浅い位置まで形成されている。ボディ領域２４の下側には、ｎ型のドリフト層２６が形成されている。ドリフト層２６は、ボディ領域２４によってエミッタ領域２２から分離されている。ドリフト層２６は、ｎ型不純物濃度が低い低濃度ドリフト層２６ａと、ｎ型不純物濃度が高いバッファ層２６ｂを備えている。低濃度ドリフト層２６ａは、ボディ領域２４の下側に形成されている。バッファ層２６ｂは、低濃度ドリフト層２６ａの下側に形成されている。ドリフト層２６の下側の、半導体基板１２の下面１２ｂに臨む領域には、ｐ型のコレクタ層２８が形成されている。コレクタ層２８は、ドリフト層２６によってボディ領域２４から分離されている。ＩＧＢＴ領域２０には、エミッタ領域２２、ボディ領域２４、ドリフト層２６、コレクタ層２８、及び、ゲート電極３４によって、多数のＩＧＢＴが形成されている。以下では、ＩＧＢＴ領域２０に形成されているＩＧＢＴを、ＩＧＢＴ２０という。

ダイオード領域４０の半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ５０が形成されている。トレンチ５０は、トレンチ３０と略同じ深さまで伸びている。トレンチ５０の壁面には、絶縁膜５２が形成されている。トレンチ５０内には、トレンチ電極５４が形成されている。トレンチ電極５４の上部にはキャップ絶縁膜５６が形成されている。ダイオード領域４０の半導体基板１２の上面１２ａに臨む領域には、ｐ型のアノード層４２が形成されている。アノード層４２は、ｐ型不純物濃度が高いアノードコンタクト領域４２ａと、ｐ型不純物濃度が低い低濃度アノード層４２ｂを備えている。アノードコンタクト領域４２ａは、半導体基板１２の上面１２ａに臨む領域のうち、２つのトレンチ５０の中間部に位置する領域に形成されている。低濃度アノード層４２ｂは、アノードコンタクト領域４２ａを覆うように形成されている。低濃度アノード層４２ｂは、ＩＧＢＴ領域２０の低濃度ボディ領域２４ｂと略同じ深さまで形成されている。アノード層４２の下側には、ｎ型のカソード層４４が形成されている。カソード層４４は、カソードドリフト層４６と、高濃度領域４７と、カソードコンタクト層４８を備えている。カソードドリフト層４６は、アノード層４２の下側に形成されている。カソードドリフト層４６はＩＧＢＴ２０の低濃度ドリフト層２６ａと連続しており、カソードドリフト層４６のｎ型不純物濃度は低濃度ドリフト層２６ａのｎ型不純物濃度と略等しい。カソードコンタクト層４８は、カソードドリフト層４６の下側の半導体基板１２の下面１２ｂに臨む領域に形成されている。カソードコンタクト層４８はＩＧＢＴ２０のバッファ層２６ｂと連続しており、カソードコンタクト層４８のｎ型不純物濃度はバッファ層２６ｂのｎ型不純物濃度と略等しい。高濃度領域４７は、トレンチ５０の下端近傍のカソードドリフト層４６内（絶縁膜５２と接する領域）に形成されている。高濃度領域４７のｎ型不純物濃度は、カソードドリフト層４６のｎ型不純物濃度より高い。ダイオード領域４０には、アノード層４２とカソード層４４によって、ダイオードが形成されている。以下では、ダイオード領域４０に形成されているダイオードを、ダイオード４０という。

半導体基板１２の下面１２ｂ上には、全面に亘って下部電極６０が形成されている。下部電極６０は、コレクタ層２８及びカソードコンタクト層４８とオーミック接触している。
半導体基板１２の上面１２ａには、上部電極６４が形成されている。上部電極６４は、キャップ絶縁膜３６、５６を覆うように形成されている。上部電極６４は、ゲート電極３４及びトレンチ電極５４から絶縁されている。上部電極６４は、エミッタ領域２２、ボディコンタクト領域２４ａ及びアノードコンタクト領域４２ａとオーミック接触している。
各ゲート電極３４は、図示しない位置で半導体基板１２の上面１２ａ上に形成されている電極と接続されている。各トレンチ電極５４は、図示しない位置で半導体基板１２の上面１２ａ上に形成されている電極と接続されている。ゲート電極３４とトレンチ電極５４は導通していない。

図２は、半導体装置１０を有するインバータ回路７０を示している。インバータ回路７０は、６個の半導体装置１０（すなわち、半導体装置１０ａ〜１０ｆ）を備えている。図２においては、各半導体装置１０の上側の端子が図１の下部電極６０であり、下側の端子が図１の上部電極６４である。半導体装置１０ａは、電源ライン７４（電源電位Ｖｃｃに接続されているライン）とモータ８０の第１相ライン７１の間に接続されている。半導体装置１０ｂは、電源ライン７４とモータ８０の第２相ライン７２の間に接続されている。半導体装置１０ｃは、電源ライン７４とモータ８０の第３相ライン７３の間に接続されている。半導体装置１０ｄは、グランドライン７５（接地されているライン）とモータ８０の第１相ライン７１の間に接続されている。半導体装置１０ｅは、グランドライン７５とモータ８０の第２相ライン７２の間に接続されている。半導体装置１０ｆは、グランドライン７５とモータ８０の第３相ライン７３の間に接続されている。各ＩＧＢＴ２０のゲート電極３４は、電位制御装置８２に接続されている。電位制御装置８２によって、各ＩＧＢＴ２０のゲート電極３４の電位が制御され、これによって各ＩＧＢＴ２０のオン−オフが制御される。各ＩＧＢＴ２０が適切なタイミングでオン−オフされることで、モータ８０に三相交流電流が供給され、モータ８０が回転する。各ダイオード４０のトレンチ電極５４は、電位制御装置８２に接続されている。電位制御装置８２は、各ダイオード４０のトレンチ電極５４の電位も制御する。

図２の矢印９０は、ＩＧＢＴ２０ａ、２０ｅ、２０ｆがオンしており、ＩＧＢＴ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄがオフしているときの電流経路を示し手いる。矢印９０に示すように、この状態では、電源ライン７４から、第１相ライン７１（すなわち、ＩＧＢＴ２０ａ）を介してモータ８０に電流が供給される。モータ８０に入力された電流は、第２相ライン７２（すなわち、ＩＧＢＴ２０ｅ）と第３相ライン７３（すなわち、ＩＧＢＴ２０ｆ）のそれぞれを介して、グランドライン７５へと流れる。
図２の状態において、ＩＧＢＴ２０ａをオンからオフに切り換えると、図３の矢印９２に示すように電流が流れる。すなわち、ＩＧＢＴ２０ａをオフすると、モータ８０への電流の供給が停止される。すると、モータ８０の端子間に誘導起電力が生じる。ＩＧＢＴ２０ｅ、２０ｆがオンしているので、モータ８０の誘導起電力によって、ダイオード４０ｄに順電圧が印加される。これによって、矢印９２に示すように、モータ８０から、第２相ライン７２（すなわち、ＩＧＢＴ２０ｅ）及び第３相ライン７３（すなわち、ＩＧＢＴ２０ｆ）と、グランドライン７５と、ダイオード４０ｄと、第１相ライン７１を介してモータ８０に戻るように電流が還流する。
図３の状態からＩＧＢＴ２０ａをオンすると、再度、図２の矢印９０に示すように電流が流れる。ＩＧＢＴ２０ａが適宜オン−オフされることによって、図２の状態と図３の状態が適宜切り換えられる。これによって、モータ８０への供給電流が制御される。図３の状態から図２の状態に切り換えられるときには、ダイオード４０ｄに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられる。この際に、ダイオード４０ｄに逆電流が流れる。

次に、ダイオード４０への印加電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられる際の半導体装置１０の動作について説明する。なお、各半導体装置１０は略同様に制御されるので、以下では、半導体装置１０ｄの動作について説明する。
図４は、図３に示す状態から図２に示す状態へ切り換える際（すなわち、図３に示す状態においてＩＧＢＴ２０ａをオフからオンに切り換える際）における、各値のグラフを示している。グラフＡ１は、ＩＧＢＴ２０ａのゲート電極３４への印加電位ＶＧＩを示している。グラフＡ２は、ダイオード４０ｄを流れる電流ＩＤを示している。グラフＡ３は、ダイオード４０ｄのトレンチ電極５４への印加電位ＶＧＤを示している。

タイミングＴ１以前の期間では、電位ＶＧＩが０ＶとされることでＩＧＢＴ２０ａはオフしており、インバータ回路７０が図３に示すように動作している。この状態では、ダイオード４０ｄに順電流が流れている。この状態（電流還流のための順電流通電時）においては、電位制御装置８２は、電位ＶＧＤを０Ｖとしている。

タイミングＴ１において電位ＶＧＩがオン電位に上昇すると、ＩＧＢＴ２０ａがオンする。ＩＧＢＴ２０ａがオンすると、第１相ライン７１の電位が徐々に上昇し、タイミングＴ２においてダイオード４０ｄを流れる電流ＩＤが減少し始める。そして、タイミングＴ４において、ダイオード４０ｄのカソードドリフト層４６内に存在するホールの上部電極６４への排出が開始されて、ダイオード４０ｄに逆電流が流れ始める。逆電流は、徐々に上昇してピーク値となり、その後は、カソードドリフト層４６内のホールの排出に伴って減衰してタイミングＴ５で０となる。
電位制御装置８２は、電位ＶＧＩが０ＶとなるタイミングＴ１から所定時間経過後のタイミングＴ３において、電位ＶＧＤを負電位（グランド電位より低い電位）に制御する。タイミングＴ３は、電流ＩＤが減少を始めるタイミングＴ２よりも少し遅いタイミングに設定されている。電位制御装置８２は、逆電流が０に減衰するタイミングＴ５まで電位ＶＧＤを負電位に制御し、その後、電位ＶＧＤを０Ｖに切り換える。
電流ＩＤが減少を始めるタイミングＴ２から逆電流が減衰するタイミングＴ５の間の期間において、トレンチ電極５４に負電位が印加されていると、以下の減少が起こる。すなわち、トレンチ電極５４に負電位が印加されると、カソードドリフト層４６内に存在するホールが、トレンチ電極５４に引寄せられる。上述したように、カソードドリフト層４６内のトレンチ５０の下端近傍には、高濃度領域４７が形成されている。このため、トレンチ電極５４に引寄せられたホールが、高濃度領域４７内に流入する。高濃度領域４７は高濃度にｎ型不純物を含有しているので、高濃度領域４７内には多数の電子が存在している。このため、高濃度領域４７に流入したホールは電子と再結合して消滅する。これによって、カソードドリフト層４６内のホールが減少し、ホールの排出により生じる逆電流が低減される。図４の例では、タイミングＴ２と略等しいタイミングＴ３からタイミングＴ５の間の期間においてトレンチ電極５４に負電位を印加しており、これによって、逆電流を低減している。その結果、逆電流のピーク値が低減されているとともに、逆電流が発生してから減衰するまでの時間（タイミングＴ４からＴ５までの時間）が短縮化されている。これによって、ダイオード４０ｄの逆回復損失が低減されている。

また、電位制御装置８２は、タイミングＴ１以前の期間（すなわち、電流還流のためにダイオード４０ｄに順電流が流れている期間）において、トレンチ電極５４への印加電位ＶＧＤを０Ｖ（すなわち、上部電極６４と同じ電位）とする。このため、ダイオード４０ｄの順方向通電時には、カソードドリフト層４６内のホールはトレンチ電極５４側に引寄せられない。これによって、順方向通電時にホールが高濃度領域４７内に流入して再結合することが抑制されている。これによって、順方向通電時においてダイオード４０ｄで生じる損失が低減されている。
なお、第１実施例では、電流還流のためにダイオード４０ｄに順電流が流れている期間において、トレンチ電極５４への印加電位ＶＧＤを０Ｖとした。しかしながら、このときの印加電位ＶＧＤは、０Ｖ以上（すなわち、上部電極６４の電位以上）であれば何れの値であってもよい。電位ＶＧＤを０Ｖ以上とすることで、ホールの高濃度領域４７への流入を抑制することができる。

一方、半導体装置１０ｄでは、ＩＧＢＴ１０ｄのオン電圧の低減が図られている。すなわち、半導体装置１０ｄでは、ダイオード４０ｄのカソードドリフト層４６内にのみ高濃度領域４７が形成されており、ＩＧＢＴ２０ｄのドリフト層２６内に高濃度領域４７が形成されていない。したがって、ＩＧＢＴ２０ｄの通電時に、ドリフト層２６内のホールがダイオード４０ｄの高濃度領域４７に流入し難い。これによって、ＩＧＢＴ２０ｄの通電時に、ドリフト層２６内のホールが再結合により消滅することが抑制され、ＩＧＢＴ２０ｄのオン電圧が低減されている。
また、電位制御装置８２は、ＩＧＢＴ２０ｄの通電時には、ダイオード４０ｄのトレンチ電極５４への印加電位ＶＧＤを０Ｖ（すなわち、上部電極６４と同じ電位）とする。このようにトレンチ電極５４の電位を制御することで、ＩＧＢＴ２０ｄの通電時に、ＩＧＢＴ２０ｄのドリフト層２６内のホールが、ダイオード４０ｄの高濃度領域４７に接近することを防止することができる。これによって、ドリフト層２６内のホールが再結合により消滅することをさらに抑制することができ、ＩＧＢＴ２０ｄのオン電圧をより低減することができる。
なお、第１実施例では、ＩＧＢＴ２０ｄの通電時において、ダイオード４０ｄのトレンチ電極５４への印加電位ＶＧＤを０Ｖとした。しかしながら、このときの印加電位ＶＧＤは、０Ｖ以上（すなわち、上部電極６４の電位以上）であれば何れの値であってもよい。電位ＶＧＤを０Ｖ以上とすることで、ホールの高濃度領域４７への流入を抑制することができる。

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。
半導体装置１０は、低濃度ドリフト層２６ａ及びカソードドリフト層４６と略同じ濃度のｎ型不純物を含有するシリコンウエハから製造される。
最初に、イオン注入及び熱拡散等によって、シリコンウエハの上面に、ボディ領域２４、エミッタ領域２２、及び、アノード層４２を形成する。
次に、ＣＶＤ法等によって、シリコンウエハ上にトレンチ３０に対応するパターンのマスクを形成する。そして、シリコンウエハの上面をＲＩＥ法によりエッチングして、ＩＧＢＴ２０側のトレンチ３０を形成する。トレンチ３０を形成したら、トレンチ３０の内面に熱酸化膜を形成し、その熱酸化膜をウェットエッチングにより除去することで、トレンチ３０の内面を表面処理する。このウェットエッチングの際に、マスクも除去する。
次に、トレンチ３０の内面に熱酸化膜を成長させて、絶縁膜３２を形成する。そして、ＣＶＤ法によりトレンチ３０内にポリシリコンを充填する。その後、ポリシリコンをエッチバックしてトレンチ３０内にのみポリシリコンを残存させることによって、ゲート電極３４を形成する。ゲート電極３４の形成後に、熱酸化膜によりゲート電極３４上にキャップ絶縁膜３６を形成する。
次に、ＣＶＤ法等によって、シリコンウエハ上にトレンチ５０に対応するパターンのマスクを形成する。そして、シリコンウエハの上面をＲＩＥ法によりエッチングして、ダイオード４０側のトレンチ５０を形成する。トレンチ５０を形成したら、トレンチ５０の内面に薄い熱酸化膜を形成する。
次に、シリコンウエハの上面に向けて、リンイオンを注入する。トレンチ５０の底面は薄い酸化膜に覆われているが、リンイオンはその酸化膜を貫通して半導体層中に注入される。一方、イオンの注入方向とトレンチ５０の側面は略平行であり、トレンチ５０の側面は熱酸化膜に覆われているため、トレンチ５０の側面ではリンイオンは全て熱酸化膜中で停止する。また、シリコンウエハの上面のうち、トレンチ５０以外の領域はマスクに覆われているため、この領域ではリンイオンはマスク中で停止する。したがって、リンイオンは、トレンチ５０の底面近傍でのみ半導体層中に注入される。リンイオンを注入したら、熱処理により注入したリンイオンを熱拡散させる。これによって、トレンチ５０の下端近傍にのみ高濃度領域４７が形成される。この熱処理の際に、トレンチ５０の内面に熱酸化膜を成長させて、絶縁膜５２を形成する。その後、シリコンウエハの上面のマスクをウェットエッチングにより除去する。
次に、ＣＶＤ法によりトレンチ５０内にポリシリコンを充填する。その後、ポリシリコンをエッチバックしてトレンチ５０内にのみポリシリコンを残存させることによって、トレンチ電極５４を形成する。トレンチ電極５４の形成後に、熱酸化膜によりトレンチ電極５４上にキャップ絶縁膜５６を形成する。
その後、従来公知の方法によって、バッファ層２６ｂ、コレクタ層２８、カソードコンタクト層４８、上部電極６４、及び、下部電極６０を形成することで、図１の半導体装置１０が完成する。

以上に説明したように、ＩＧＢＴ２０のドリフト層２６内に高濃度領域４７が形成されておらず、ダイオード４０のカソードドリフト層４６内にのみ高濃度領域４７が形成されている構造は、容易に形成することができる。このようにして、ダイオード４０の逆回復損失が低く、ＩＧＢＴ２０のオン電圧が低い半導体装置１０が製造される。

図５は、第２実施例の半導体装置１１０を示している。半導体装置１１０では、ＩＧＢＴ２０のゲート電極３４の下端近傍（すなわち、ドリフト層２６内）にも高濃度領域４７が形成されている。その他の構造は、第１実施例の半導体装置１０と等しい。

この半導体装置１１０では、トレンチ電極５４への印加電位の制御は、第１実施例の半導体装置１０と同様に行われる。したがって、ダイオード４０の逆回復損失が低減されている。
また、ＩＧＢＴ２０のオン時においては、ゲート電極３４にオン電位（上部電極６４の電位より高い電位）が印加される。ゲート電極３４へのオン電位の印加によって、ボディ領域２４にチャネルが形成される。これによって、電子が、エミッタ領域２２から、チャネルとドリフト層２６を介して、コレクタ層２８へ流れる。また、ホールが、コレクタ層２８から、ドリフト層２６内に流入する。これによって、ドリフト層２６内で伝導度変調現象が起こり、ＩＧＢＴ２０内を低損失で電流が流れる。このとき、ゲート電極３４にオン電位が印加されていることによってドリフト層２６内に電界が発生する。この電界によって、ドリフト層２６内のホールがゲート電極３４の近傍に向かって流れることが防止される。すなわち、ホールがドリフト層２６内の高濃度領域４７に流入して再結合することが防止される。したがって、半導体装置１１０においても、ＩＧＢＴ２０のオン時に、ドリフト層２６内のホールが再結合により消滅することが防止される。半導体装置１１０においても、ＩＧＢＴ２０のオン電圧は低減されている。

このように、高濃度領域４７がゲート電極３４の下端近傍に形成されていても、ＩＧＢＴ２０のオン電圧は低減される。また、このようにゲート電極３４の下端近傍にも高濃度領域４７を形成すると、ゲート電極３４とトレンチ電極５４を同一工程で製造することが可能となり、半導体装置１１０の製造がより容易となる。

図６は、第３実施例の半導体装置２１０を示している。半導体装置２１０では、ＩＧＢＴ２０とダイオード４０が交互に形成されている。そして、ＩＧＢＴ２０のゲート電極３４とダイオード４０のトレンチ電極５４が共有化されている。全てのゲート電極３４の下端近傍には、高濃度領域４７が形成されている。

この半導体装置２１０では、ＩＧＢＴ２０のオフ時においては、ゲート電極３４への印加電位の制御は、第１実施例のトレンチ電極５４と同様に行われる。したがって、ダイオード４０の逆回復損失が低減されている。
また、ＩＧＢＴ２０のオン時においては、ゲート電極３４にオン電位が印加される。したがって、第２実施例と同様にして、ドリフト層２６内のホールが再結合により消滅することが防止される。半導体装置２１０においても、ＩＧＢＴ２０のオン電圧は低減される。

図７は、第４実施例の半導体装置３１０を示している。半導体装置３１０では、上面側の構造が全てＩＧＢＴの構造となっている。その他の構造は、第３実施例の半導体装置２１０と同様である。この半導体装置３１０では、ＩＧＢＴ２０のボディ領域２４とダイオード４０のアノード層４２が共有化されている。また、ＩＧＢＴ２０の低濃度ドリフト層２６ａとダイオード４０のカソードドリフト層４６が共有化されている。

この半導体装置３１０では、ＩＧＢＴ２０のオフ時においては、ゲート電極３４への印加電位の制御は、第１実施例のトレンチ電極５４と同様に行われる。したがって、ダイオード４０の逆回復損失が低減されている。
また、ＩＧＢＴ２０のオン時においては、ゲート電極３４にオン電位が印加される。したがって、第２実施例と同様にして、ドリフト層２６内のホールが再結合により消滅することが防止される。半導体装置３１０においても、ＩＧＢＴ２０のオン電圧は低減される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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み合わ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み合わ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するものであり、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。

１０：半導体装置
１２：半導体基板
１２ａ：上面
１２ｂ：下面
２０：ＩＧＢＴ
２２：エミッタ領域
２４：ボディ領域
２４ａ：ボディコンタクト領域
２４ｂ：低濃度ボディ領域
２６：ドリフト層
２６ａ：低濃度ドリフト層
２６ｂ：バッファ層
２８：コレクタ層
３０：トレンチ
３２：絶縁膜
３４：ゲート電極
３６：キャップ絶縁膜
４０：ダイオード
４２：アノード層
４２ａ：アノードコンタクト領域
４２ｂ：低濃度アノード層
４４：カソード層
４６：カソードドリフト層
４７：高濃度領域
４８：カソードコンタクト層
５０：トレンチ
５２：絶縁膜
５４：トレンチ電極
５６：キャップ絶縁膜
６０：下部電極
６４：上部電極
７０：インバータ回路
７１：第１相ライン
７２：第２相ライン
７３：第３相ライン
７４：電源ライン
７５：グランドライン
８０：モータ
８２：電位制御装置
１１０：半導体装置
２１０：半導体装置
３１０：半導体装置

Claims (7)

1. 上面に上部電極が形成されており、下面に下部電極が形成されており、縦型のＩＧＢＴと縦型のダイオードが形成されている半導体基板を備える半導体装置であって、
   ＩＧＢＴは、
   前記上部電極と導通しているｎ型のエミッタ領域と、
   前記上部電極と導通しており、エミッタ領域に隣接しているｐ型のボディ領域と、
   ボディ領域に隣接しており、ボディ領域によってエミッタ領域から分離されているｎ型のドリフト領域と、
   ドリフト領域に隣接しており、ドリフト領域によってボディ領域から分離されており、前記下部電極と導通しているｐ型のコレクタ領域と、
   エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極、
   を有しており、
   ダイオードは、
   前記上部電極と導通しているｐ型のアノード領域と、
   アノード領域と隣接しており、前記下部電極と導通しており、ＩＧＢＴのドリフト領域と連続しているｎ型のカソード領域と、
   カソード領域に絶縁膜を介して対向している制御電極、
   を有しており、
   カソード領域の絶縁膜に接する範囲内に、その周囲のカソード領域よりもｎ型不純物濃度が高い高濃度領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置と、
   ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられるときに、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの期間のうちの少なくとも一部の期間において、ダイオードの制御電極に前記上部電極の電位より低い電位を印加する電位制御装置を備えていることを特徴とするスイッチング装置。
3. ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの上記期間を除く期間においてダイオードに順電流が流れているときに、電位制御装置が、ダイオードの制御電極に前記上部電極の電位以上の電位を印加することを特徴とする請求項２に記載のスイッチング装置。
4. ＩＧＢＴの通電時に、電位制御装置が、ダイオードの制御電極に前記上部電極の電位以上の電位を印加することを特徴とする請求項２または３に記載のスイッチング装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置の制御方法であって、
   ダイオードに印加される電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられるときに、ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの期間のうちの少なくとも一部の期間において、ダイオードの制御電極に前記上部電極の電位より低い電位を印加することを特徴とする制御方法。
6. ダイオードの順電流の低下が開始してからダイオードの逆電流が減衰するまでの上記期間を除く期間においてダイオードに順電流が流れているときに、ダイオードの制御電極に前記上部電極の電位以上の電位を印加することを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
7. ＩＧＢＴの通電時に、ダイオードの制御電極に前記上部電極の電位以上の電位を印加することを特徴とする請求項５または６に記載の制御方法。

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