JP5672766B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁ゲート型の半導体装置に関する。

従来より、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）領域とダイオード（Free Wheeling Diode）領域とが同じ半導体基板に形成された半導体装置が、例えば特許文献１、２で提案されている。

具体的に、特許文献１では、複数のＩＧＢＴ領域と複数のダイオード領域とが交互に繰り返し配置され、各ＩＧＢＴ領域の各ゲート電極と外部電極とを電気的に接続するゲート配線がＩＧＢＴ領域およびダイオード領域の各終端に沿って配置されている。また、ダイオード領域の活性領域の終端が、そのダイオード領域に並設されたＩＧＢＴ領域の活性領域の終端よりもゲート配線に近付いている構造が提案されている。

一方、特許文献２では、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域とが交互に繰り返し配置されており、ＩＧＢＴ領域のうち最もダイオード領域側の活性領域からトレンチの端部を迂回してダイオード領域に達するまでの距離Ｌを規定する構造が提案されている。

上記特許文献１、２のように、ＩＧＢＴ領域の活性領域とダイオード領域の活性領域との距離を取ることで、ダイオード領域の逆回復時にＩＧＢＴ領域へのホールの注入が少なくなる。また、ダイオード領域の動作時にＩＧＢＴ領域に多量のホールが流れ込むことはないので、寄生ＮＰＮトランジスタが作動して破壊が起こることも防止される。こうして、ダイオード領域の逆回復耐量が向上する。

特開２００８−２５８４０６号公報 特開２００９−７６７３３号公報

しかしながら、特許文献１、２では、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域との距離を取る構造としているので、ＩＧＢＴ領域の活性領域が小さくなってしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、ＩＧＢＴ領域の活性領域を確保しつつ、ダイオード逆回復耐量を向上することができる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１導電型のドリフト層（３０）と、ドリフト層（３０）の上に形成された第２導電型のチャネル層（３１）と、を含む半導体基板（３２）を備え、半導体基板（３２）のうちチャネル層（３１）側の一面（３３）とは反対側の他面（３４）側に、第２導電型のコレクタ層（５３）と第１導電型のカソード層（５４）とが同じ階層に形成され、これらコレクタ層（５３）およびカソード層（５４）の上にコレクタ電極（５５）が形成されており、半導体基板（３２）の一面（３３）の面方向において、コレクタ層（５３）が形成された領域がＩＧＢＴ素子として動作するＩＧＢＴ領域（１０）とされ、カソード層（５４）が形成された領域がダイオード素子として動作するダイオード領域（２０）とされており、ＩＧＢＴ領域（１０）とダイオード領域（２０）とが交互に繰り返し配置されている。

ＩＧＢＴ領域（１０）は、チャネル層（３１）を貫通してドリフト層（３０）に達すると共に、半導体基板（３２）の一面（３３）の面方向においてＩＧＢＴ領域（１０）とダイオード領域（２０）とが繰り返し交互に配置された繰り返し方向に対して垂直方向である延設方向に延設されたトレンチ（３５）と、ＩＧＢＴ領域（１０）とダイオード領域（２０）とが繰り返し交互に配置された繰り返し方向とは垂直方向に延設されたトレンチ（３５）と、トレンチ（３５）の表面に形成されたゲート絶縁膜（３６）と、トレンチ（３５）内において、ゲート絶縁膜（３６）の上に形成されたゲート電極（３７）と、チャネル層（３１）の表層部に形成され、当該チャネル層（３１）内においてトレンチ（３５）の側面に接するように形成された第１導電（Ｎ）型のエミッタ領域（３９）と、チャネル層（３１）の表層部に形成されると共にトレンチ（３５）の延設方向に沿って形成された第２導電型の第１コンタクト領域（４０）と、を備えている。

ダイオード領域（２０）は、チャネル層（３１）の表層部に形成されると共にトレンチ（３５）の延設方向に沿って形成された第２導電型の第２コンタクト領域（４７）を備えている。

さらに、ＩＧＢＴ領域（１０）およびダイオード領域（２０）は、ゲート電極（３７）上を含むと共に第１コンタクト領域（４０）に沿って開口した第１コンタクトホール（４２）と第２コンタクト領域（４７）に沿って開口した第２コンタクトホール（４８）とが設けられた層間絶縁膜（４１）と、第１コンタクトホール（４２）を介してＩＧＢＴ領域（１０）のエミッタ領域（３９）および第１コンタクト領域（４０）に電気的に接続されると共に、第２コンタクトホール（４８）を介してダイオード領域（２０）の第２コンタクト領域（４７）に電気的に接続されたエミッタ電極（４９）と、を備えている。

また、トレンチ（３５）の延設方向におけるＩＧＢＴ領域（１０）およびダイオード領域（２０）の周辺部それぞれに、ドリフト層（３０）内においてトレンチ（３５）よりも深く、チャネル層（３１）よりも面密度が小さく、トレンチ（３５）の延設方向でチャネル層（３１）とオーバーラップしている第２導電型のリサーフ領域（５６）を備えている。

そして、トレンチ（３５）の延設方向において、第１コンタクトホール（４２）のうちＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側の終端部（４２ａ）からチャネル層（３１）のうちＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側の終端部（３１ａ）までの距離をａとし、第２コンタクトホール（４８）のうちダイオード領域（２０）の周辺部側の終端部（４８ａ）からチャネル層（３１）のうちダイオード領域（２０）の周辺部側の終端部（３１ｂ）までの距離をｂとすると、ａ＞ｂの関係を満たしていることを特徴とする。

これによると、トレンチ（３５）の延設方向において、ＩＧＢＴ領域（１０）では、第１コンタクトホール（４２）の終端部（４２ａ）からリサーフ領域（５６）まで、リサーフ領域（５６）よりも不純物面密度の高いチャネル層（３１）が大抵を占めているので、このチャネル層（３１）を介してＩＧＢＴのターンオフ時にアバランシェにより発生するホールを効率良く抜くことができる。一方、ダイオード領域（２０）では、第２コンタクトホール（４８）の終端部（４８ａ）からリサーフ領域（５６）までの距離が短く、ダイオード領域（２０）の周辺部はチャネル層（３１）より面密度の低いリサーフ領域（５６）が大抵を占めているので、ダイオードのオン時に、周辺領域への過剰なホールの注入を少なくすることができる。すなわち、ダイオード素子の逆回復時に、第２コンタクトホール（４８）の終端部（４８ａ）にホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。したがって、ＩＧＢＴ領域（１０）の活性領域を確保しつつ、半導体装置の逆回復耐量およびターンオフ耐量を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、距離ａは、繰り返し方向においてダイオード領域（２０）から遠ざかるにつれて長くなるように、ＩＧＢＴ領域（１０）にチャネル層（３１）が設けられていることを特徴とする。

これによると、ＩＧＢＴ動作が主であるＩＧＢＴ領域（１０）のダイオード領域（２０）から遠い部分では、ＩＧＢＴのターンオフ時にアバランシェにより発生するホールを効率良く抜くことができる。また、ＩＧＢＴ領域（１０）のうち、ダイオードとしても機能するダイオード領域（２０）側では、リサーフ領域（５６）が広くなっていくので、ダイオードのオン時に、周辺領域への過剰なホールの注入を少なくすることができる。すなわち、ダイオード素子の逆回復時に、ＩＧＢＴ領域（１０）のうち、ダイオードとしても機能するダイオード領域（２０）側の第１コンタクトホール（４２）の終端部（４２ａ）にホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。

請求項３に記載の発明では、第１コンタクトホール（４２）の終端部（４２ａ）は、第２コンタクトホール（４８）の終端部（４８ａ）よりもＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側に位置している。

そして、トレンチ（３５）の延設方向において、第１コンタクトホール（４２）の終端部（４２ａ）からエミッタ領域（３９）のうちトレンチ（３５）の延設方向における終端部（３９ａ）までの距離をｃとし、エミッタ領域（３９）の終端部（３９ａ）を繰り返し方向に沿ってダイオード領域（２０）に延長したときに第２コンタクトホール（４８）の終端部（４８ａ）からエミッタ領域（３９）の終端部（３９ａ）の延長部分までの距離をｄとすると、ｃ＞ｄの関係を満たしていることを特徴とする。

これによると、ＩＧＢＴ領域（１０）の第１コンタクトホール（４２）によるコンタクト部分がダイオード領域（２０）の第２コンタクトホール（４８）によるコンタクト部分よりも広いので、ＩＧＢＴのターンオフ時にアバランシェにより発生するホールを効率良く抜くことができ、半導体装置のターンオフ耐量を向上させることができる。一方、ダイオード領域（２０）では、第２コンタクトホール（４８）によるコンタクト部分がＩＧＢＴ領域（１０）の第１コンタクトホール（４２）によるコンタクト部分よりも狭いので、ダイオードのオン時に、周辺領域への過剰なホールの注入を少なくすることができる。すなわち、ダイオード素子の逆回復時に、第２コンタクトホール（４８）の終端部（４８ａ）にホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。したがって、ＩＧＢＴ領域（１０）の活性領域を確保しつつ、半導体装置の逆回復耐量およびターンオフ耐量を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、距離ｃは、繰り返し方向においてダイオード領域（２０）から遠ざかるにつれて長くなるように、ＩＧＢＴ領域（１０）に第１コンタクト領域（４０）および第１コンタクトホール（４２）が複数設けられていることを特徴とする。

これによると、ＩＧＢＴ動作が主であるＩＧＢＴ領域（１０）のダイオード領域（２０）から遠い部分では、ＩＧＢＴのターンオフ時にアバランシェにより発生するホールを効率良く抜くことができる。また、ＩＧＢＴ領域（１０）のうち、ダイオードとしても機能するダイオード領域（２０）側では、第１コンタクトホール（４２）によるコンタクト部分が狭くなっていくので、ダイオードのオン時に、周辺領域への過剰なホールの注入を少なくすることができる。すなわち、ダイオード素子の逆回復時に、ＩＧＢＴ領域（１０）のうち、ダイオードとしても機能するダイオード領域（２０）側の第１コンタクトホール（４２）の終端部（４２ａ）にホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。

請求項５に記載の発明では、ＩＧＢＴ領域（１０）において、コレクタ層（５３）のうちトレンチ（３５）の延設方向における終端部（５３ａ）はチャネル層（３１）の終端部（３１ａ）よりもＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側に位置している。そして、トレンチ（３５）の延設方向において、コレクタ層（５３）の終端部（５３ａ）よりもＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側にはカソード層（５４）が設けられていることを特徴とする。

これによると、ＩＧＢＴ領域（１０）においてコレクタ層（５３）の終端部（５３ａ）よりも外側の周辺部をダイオード素子として使用することができる。

請求項６に記載の発明のように、コレクタ層（５３）の終端部（５３ａ）は、繰り返し方向においてダイオード領域（２０）から遠ざかるにつれてＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側に設けられていても良い。

請求項７に記載の発明では、ダイオード領域（２０）において、カソード層（５４）のうちトレンチ（３５）の延設方向における終端部（５４ａ）はＩＧＢＴ領域（１０）のチャネル層（３１）の終端部（３１ａ）よりもダイオード領域（２０）のチャネル層（３１）の終端部（３１ｂ）側に位置しており、トレンチ（３５）の延設方向において、カソード層（５４）の終端部（５４ａ）よりもダイオード領域（２０）の周辺部側にはコレクタ層（５３）が設けられていることを特徴とする。これにより、ダイオード素子として機能する範囲を規定することができる。

請求項８に記載の発明では、ダイオード領域（２０）は、チャネル層（３１）を貫通してドリフト層（３０）に達すると共に第２コンタクトホール（４８）に沿って形成されたトレンチ（３５）と、トレンチ（３５）の表面に形成されたゲート絶縁膜（３６）と、トレンチ（３５）内において、ゲート絶縁膜（３６）の上に形成されると共に層間絶縁膜（４１）に覆われたトレンチ電極（３８）と、を備えている。

そして、トレンチ電極（３８）は、半導体基板（３２）の一面（３３）の面方向においてダイオード領域（２０）に形成されたトレンチ（３５）の延設方向の端部でエミッタ電極（４９）に電気的に接続されていることを特徴とする。これにより、トレンチ電極（３８）をエミッタ接地することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図１のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面図である。 （ａ）は図２のプロファイル（１）であり、（ｂ）は図２のプロファイル（２）である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図４のＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈ断面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の平面図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体装置の平面図である。 本発明の第５実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図８のＩ−Ｊ−Ｋ−Ｌ断面図である。 本発明の第６実施形態に係る半導体装置の平面図である。 本発明の第７実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図１１のＭ−Ｎ−Ｏ−Ｐ断面図である。 本発明の第８実施形態に係る半導体装置の平面図である。 本発明の第９実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図１４のＱ−Ｒ−Ｓ−Ｔ断面図である。 他の実施形態に係る半導体装置の平面図である。 他の実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図１７のＵ−Ｖ−Ｗ−Ｘ断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。また、以下の各実施形態で示されるＮ型、Ｎ−型、Ｎ＋＋型は本発明の第１導電型に対応し、Ｐ型、Ｐ＋型、Ｐ＋型は本発明の第２導電型に対応している。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示される絶縁ゲート型の半導体装置は、例えば、インバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電源回路に使用されるパワースイッチング素子として用いられるものである。

図１は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。また、図２は、図１のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面図である。以下、図１および図２を参照して半導体装置の構成について説明する。

図１および図２に示されるように、半導体装置は、ＩＧＢＴ領域１０、このＩＧＢＴ領域１０に隣接するダイオード領域２０と、が交互に繰り返し配置されたＲＣ−ＩＧＢＴである。ＩＧＢＴ領域１０は多数のＩＧＢＴ素子が形成された領域であり、ダイオード領域２０はダイオード素子が形成された領域である。本実施形態では、ＩＧＢＴ領域１０とダイオード領域２０とが交互に繰り返された方向を繰り返し方向とする。

これらＩＧＢＴ領域１０およびダイオード領域２０は、図２に示されるように、ドリフト層として機能するＮ−型のドリフト層３０と、ドリフト層３０の表層部に形成されたＰ型のチャネル層３１と、を含む半導体基板３２を備えている。本実施形態では、ドリフト層３０の表面を半導体基板３２の一面３３とし、裏面を他面３４とする。ドリフト層３０としてはＮ−型のシリコンウェハが用いられ、このシリコンウェハの表層部にＰ型のチャネル層３１が例えば熱拡散で形成される。

このような半導体基板３２に対して、ＩＧＢＴ領域１０には、チャネル層３１を貫通してドリフト層３０まで達するように複数個のトレンチ３５が形成されている。各トレンチ３５は、半導体基板３２の一面３３の面方向のうち一方向を長手方向とし、この長手方向に平行に延設されている。ここで、トレンチ３５の長手方向（延設方向）とは繰り返し方向に対して垂直方向である。そして、トレンチ３５は例えば複数個等間隔に平行に形成されている。

各トレンチ３５の内壁には、各トレンチ３５の内壁表面を覆うようにゲート絶縁膜３６が形成されている。各トレンチ３５のうちＩＧＢＴ領域１０に形成されたトレンチ３５のゲート絶縁膜３６の上にはポリシリコン等のゲート電極３７が埋め込まれている。これにより、トレンチゲート構造が構成されている。一方、各トレンチ３５のうちダイオード領域２０に形成されたトレンチ３５のゲート絶縁膜３６の上にはポリシリコン等のトレンチ電極３８が埋め込まれている。これらゲート電極３７およびトレンチ電極３８はトレンチ３５の延設方向に沿ってそれぞれ形成されている。

トレンチ３５は例えばフォトリソグラフィ・エッチング工程により形成され、ゲート絶縁膜３６は熱酸化やＣＶＤ法等で形成される。また、ゲート電極３７およびトレンチ電極３８はＣＶＤ法等でトレンチ３５内に埋め込まれる。

ＩＧＢＴ領域１０では、チャネル層３１はチャネル領域を構成している。そして、チャネル領域であるチャネル層３１の表層部にＮ＋型のエミッタ領域３９が形成されている。このエミッタ領域３９が設けられた部分がＩＧＢＴ領域１０における活性領域である。また、当該チャネル層３１の表層部に、エミッタ領域３９に挟まれるようにＰ＋型の第１コンタクト領域４０が形成されている。

Ｎ＋型のエミッタ領域３９は、Ｎ−型のドリフト層３０よりも高不純物濃度で構成され、チャネル層３１内において終端しており、かつ、当該チャネル層３１内においてトレンチ３５の側面に接するように形成されている。一方、Ｐ＋型の第１コンタクト領域４０は、Ｐ＋型のチャネル層３１よりも高不純物濃度で構成され、エミッタ領域３９と同様に、チャネル層３１内において終端している。

具体的には、図１に示されるように、エミッタ領域３９は繰り返し方向に沿ってトレンチ３５間の領域に形成されていると共に、トレンチ３５の延設方向に等間隔に複数形成されている。また、第１コンタクト領域４０は、２つのトレンチ３５に挟まれてトレンチ３５の延設方向に沿って棒状に延設されている。これらエミッタ領域３９および第１コンタクト領域４０はそれぞれ専用のマスクが用いられてイオン注入により形成される。

さらに、チャネル層３１の上にはＰＳＧ等の層間絶縁膜４１がゲート電極３７上を含むように形成されていると共に、層間絶縁膜４１は第１コンタクト領域４０に沿って開口した第１コンタクトホール４２を有している。上述のように、第１コンタクト領域４０はトレンチ３５の延設方向に沿って形成されているので、第１コンタクトホール４２もトレンチ３５の延設方向に沿って形成されている。これにより、Ｎ＋型のエミッタ領域３９の一部およびＰ＋型の第１コンタクト領域４０が第１コンタクトホール４２から露出している。

また、図１に示されるように、層間絶縁膜４１で覆われたゲート電極３７のうちトレンチ３５の延設方向における端部がゲート引き出し電極４３に覆われている。このゲート引き出し電極４３は、ＩＧＢＴ領域１０およびダイオード領域２０の周辺部に設けられた電極であり、ＩＧＢＴ領域１０に対応した部分がトレンチ３５側に突出することでトレンチ３５の延設方向における端部を覆っていると共にゲート電極３７に接触している。

上記の層間絶縁膜４１やゲート引き出し電極４３は、例えばフォトリソグラフィ・エッチング工程により形成される。ゲート引き出し電極４３としてはＡｌ等の金属やポリシリコン等が採用される。

そして、図２に示されるように、ゲート引き出し電極４３の上に絶縁層４４およびゲート上部電極４５が順に形成されており、絶縁層４４に設けられたコンタクトホール４６を介してゲート引き出し電極４３とゲート上部電極４５とが電気的に接続されている。これにより、ゲート電極３７はゲート引き出し電極４３を介してゲート上部電極４５に電気的に接続されている。なお、ゲート上部電極４５は例えばフォトリソグラフィ・エッチング手法によりＡｌ等がパターニングされることで形成される。

一方、ダイオード領域２０では、ダイオード領域２０におけるチャネル層３１の表層部にＰ＋型の第２コンタクト領域４７が形成されている。この第２コンタクト領域４７の不純物濃度は、ＩＧＢＴ領域１０の第１コンタクト領域４０の不純物濃度とは異なる濃度になっている。つまり、第２コンタクト領域４７はダイオード特性に最適な不純物濃度に設定されている。

また、ダイオード領域２０では、トレンチ電極３８を覆うようにダイオード領域２０の全域に上記の層間絶縁膜４１が形成されている。この層間絶縁膜４１は第２コンタクト領域４７に沿って開口した第２コンタクトホール４８を有している。このような第２コンタクト領域４７は、専用のマスクが用いられてイオン注入により形成される。

そして、ＩＧＢＴ領域１０およびダイオード領域２０の両領域において半導体基板３２のチャネル層３１側にエミッタ電極４９が形成されている。具体的には、ＩＧＢＴ領域１０では、層間絶縁膜４１に設けられた第１コンタクトホール４２にエミッタ電極４９が埋め込まれてエミッタ電極４９とエミッタ領域３９および第１コンタクト領域４０とが電気的に接続されている。また、ダイオード領域２０では、層間絶縁膜４１に設けられた第２コンタクトホール４８にエミッタ電極４９が埋め込まれてエミッタ電極４９と第２コンタクト領域４７と電気的に接続されている。このようなエミッタ電極４９は、例えばフォトリソグラフィ・エッチング手法によりＡｌ等がパターニングされることで形成される。

さらに、ダイオード領域２０では、図１に示されるように、トレンチ３５の延設方向の端部を覆うようにトレンチ引き出し電極５０が形成されている。このトレンチ引き出し電極５０は、トレンチ電極３８のうちトレンチ３５の延設方向の端部の上に形成されると共にトレンチ電極３８に電気的に接続されている。なお、トレンチ引き出し電極５０は例えばフォトリソグラフィ・エッチング手法によりＡｌやポリシリコン等がパターニングされることで形成される。

さらに、トレンチ引き出し電極５０の上に絶縁層４４およびエミッタ電極４９が順に形成されており、絶縁層４４に設けられたコンタクトホール５１を介してトレンチ引き出し電極５０とエミッタ電極４９とが電気的に接続されている。これにより、トレンチ電極３８はトレンチ引き出し電極５０を介してエミッタ電極４９に電気的に接続されている。このため、ダイオード領域２０に形成されたトレンチ電極３８はエミッタ接地されている。

また、ＩＧＢＴ領域１０およびダイオード領域２０の全域において、半導体基板３２の他面３４にＮ＋型のフィールドストップ層５２が形成されている。そして、フィールドストップ層５２のうち、ＩＧＢＴ領域１０の領域の上にはＰ＋＋型のコレクタ層５３が形成され、ダイオード領域２０の領域の上にはＮ＋＋型のカソード層５４が形成されている。コレクタ層５３およびカソード層５４は同じ階層に形成され、これらコレクタ層５３およびカソード層５４の上にＡｌ等のコレクタ電極５５が形成されている。これにより、半導体基板３２の一面３３の面方向において、コレクタ層５３が形成された領域がＩＧＢＴ領域１０に該当すると共にＩＧＢＴ素子として動作し、カソード層５４が形成された領域がダイオード領域２０に該当すると共にダイオード素子として動作する。

フィールドストップ層５２は例えばシリコンウェハの裏面に形成され、フィールドストップ層５２のうちＩＧＢＴ領域１０に対応する領域にＰ型のコレクタ層５３が形成され、ダイオード領域２０に対応する領域にＮ型のカソード層５４が形成される。また、コレクタ電極５５は例えばスパッタリングの方法により形成される。なお、各構成要素が形成されたウェハがダイシングカットされることで半導体装置としての半導体チップが得られる。

上記構造において、トレンチ３５の延設方向におけるＩＧＢＴ領域１０およびダイオード領域２０の周辺部それぞれにＰ型のリサーフ領域５６が形成されている。このリサーフ領域５６は、専用のマスクが用いられてイオン注入によりトレンチ３５よりも深く形成されている。

また、リサーフ領域５６はチャネル層３１よりも面密度が小さい。これについて、図３を参照して説明する。図３（ａ）は図２のプロファイル（１）であり、図３（ｂ）は図２のプロファイル（２）である。図３に示される各図の横軸は半導体基板３２の一面３３を基準としたときの他面３４側への半導体基板３２の深さを示し、縦軸は不純物濃度を示している。

図３（ａ）に示されるように、リサーフ領域５６（リサーフＰ）はトレンチ３５よりも深く、図３（ｂ）に示されるように、チャネル層３１（チャネルＰ）はトレンチ３５よりも浅く形成されている。そして、図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、リサーフ領域５６はチャネル層３１に対して不純物濃度が低い領域になっている。このため、図３（ａ）に示されるリサーフ領域５６の領域を積分して得られるリサーフ領域５６の面密度は、図３（ｂ）に示されるチャネル層３１の領域を積分して得られるチャネル層３１の面密度よりも小さくなっている。

さらに、図１に示されるように、チャネル層３１とリサーフ領域５６とは、トレンチ３５の延設方向でオーバーラップしている。これにより、チャネル層３１によって形成される空乏層とリサーフ領域５６によって形成される空乏層とが滑らかに接続される。本実施形態では、リサーフ領域５６のうち第１コンタクトホール４２および第２コンタクトホール４８側の端部は、チャネル層３１のうちＩＧＢＴ領域１０の周辺部側の終端部３１ａおよびダイオード領域２０の周辺部側の終端部３１ｂに沿うように設けられている。

具体的に、トレンチ３５の延設方向において、第１コンタクトホール４２のうちＩＧＢＴ領域１０の周辺部側の終端部４２ａからチャネル層３１のうちＩＧＢＴ領域１０の周辺部側の終端部３１ａまでの距離をａとする。また、第２コンタクトホール４８のうちダイオード領域２０の周辺部側の終端部４８ａからチャネル層３１のうちダイオード領域２０の周辺部側の終端部３１ｂまでの距離をｂとする。そして、距離ａおよび距離ｂは、ａ＞ｂの関係を満たしている。

このような関係により、トレンチ３５の延設方向において、ＩＧＢＴ領域１０では、図２に示されるように第１コンタクトホール４２の終端部４２ａからリサーフ領域５６まで不純物面密度がリサーフ領域５６よりも高いチャネル層３１が大抵を占めることとなる。このため、ＩＧＢＴ領域１０ではこのチャネル層３１を介してＩＧＢＴ素子のターンオフ時にアバランシェにより発生するホールを効率良く抜くことができる。

一方、ダイオード領域２０では、第２コンタクトホール４８の終端部４８ａからリサーフ領域５６までの距離がＩＧＢＴ領域１０の場合よりも短く、ダイオード領域２０の周辺部はチャネル層３１より面密度の低いリサーフ領域５６が大抵を占めることとなる。このため、ダイオードのオン時に、周辺領域への過剰なホールの注入を少なくすることができる。すなわち、ダイオード素子の逆回復時に、第２コンタクトホール４８の終端部４８ａにホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。

以上により、ＩＧＢＴ領域１０の活性領域を確保しつつ、半導体装置の逆回復耐量およびターンオフ耐量を向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図４は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。また、図５は、図４のＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈ断面図である。

図４に示されるように、本実施形態では、リサーフ領域５６のうち第１コンタクトホール４２および第２コンタクトホール４８側の端部は、繰り返し方向に沿って設けられている。つまり、当該リサーフ領域５６の端部は、ＩＧＢＴ領域１０およびダイオード領域２０に関わらず繰り返し方向において同じ位置に設けられている。言い換えると、ＩＧＢＴ領域１０におけるチャネル層３１の終端部３１ａとダイオード領域２０におけるチャネル層３１の終端部３１ｂとの位置が異なるだけである。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図６は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。この図に示されるように、ＩＧＢＴ領域１０においてトレンチ３５の延設方向のチャネル層３１の終端部３１ａは、繰り返し方向においてＩＧＢＴ領域１０の中央側とダイオード領域２０側とで異なる。

具体的には、チャネル層３１の終端部３１ａのうち繰り返し方向におけるＩＧＢＴ領域１０の中央側が階段状に段階的にＩＧＢＴ領域１０の周辺部側に突出している。すなわち、トレンチ３５の延設方向において、第１コンタクトホール４２の終端部４２ａからチャネル層３１の終端部３１ａまでの距離ａは繰り返し方向においてダイオード領域２０から遠ざかるにつれて段階的に長くなるように、ＩＧＢＴ領域１０にチャネル層３１が設けられている。

なお、距離ａは、例えば第１コンタクトホール４２の終端部４２ａとチャネル層３１のうち繰り返し方向におけるＩＧＢＴ領域１０の中央側の終端部３１ａとの距離である。また、リサーフ領域５６の端部は、ＩＧＢＴ領域１０におけるチャネル層３１の終端部３１ａおよびダイオード領域２０におけるチャネル層３１の終端部３１ｂに沿って設けられている。

このようにＩＧＢＴ領域１０においてチャネル層３１の終端部３１ａの位置が段階的にＩＧＢＴ領域１０の周辺部側に位置することで、ＩＧＢＴ領域１０のターンオフ時にアバランシェにより発生するホール電流が最も流れ込んでくるＩＧＢＴ領域１０の中央側でホールを効率良く抜き取ることができる。また、ＩＧＢＴ領域１０においてダイオード領域２０側に向かって不純物面密度が低いリサーフ領域５６が広くなる。このため、ダイオードの逆回復時に、ＩＧＢＴ領域１０のうち、ダイオードとしても機能するダイオード領域２０側の第１コンタクトホール４２の終端部４２ａ、およびダイオード領域２０の第２コンタクトホール４８の終端部４８ａにホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態と異なる部分について説明する。図７は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。この図に示されるように、リサーフ領域５６の端部は、第２実施形態と同様に、繰り返し方向に沿って設けられていても良い。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図８は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。また、図９は、図８のＩ−Ｊ−Ｋ−Ｌ断面図である。

図８に示されるように、トレンチ３５の延設方向におけるＩＧＢＴ領域１０の周辺部側の第１コンタクトホール４２の終端部４２ａは、第２コンタクトホール４８の終端部４８ａよりもＩＧＢＴ領域１０の周辺部側に位置している。

そして、トレンチ３５の延設方向において、図９に示されるように、第１コンタクトホール４２の終端部４２ａからエミッタ領域３９のうちトレンチ３５の延設方向における終端部３９ａまでの距離をｃとする。また、エミッタ領域３９の終端部３９ａを繰り返し方向に沿ってダイオード領域２０に延長したときに第２コンタクトホール４８の終端部４８ａからエミッタ領域３９の終端部３９ａの延長部分までの距離をｄとする。これら距離ｃおよび距離ｄは、ｃ＞ｄの関係を満たしている。

このような関係により、ＩＧＢＴ領域１０の第１コンタクトホール４２によるコンタクト部分がダイオード領域２０の第２コンタクトホール４８によるコンタクト部分よりも広くなる。このため、ＩＧＢＴ領域１０の第１コンタクトホール４２で、ＩＧＢＴのターンオフ時にアバランシェにより発生するホールを効率良く抜くことができ、半導体装置のターンオフ耐量を向上させることができる。

（第６実施形態）
本実施形態では、第５実施形態と異なる部分について説明する。図１０は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。この図に示されるように、ＩＧＢＴ領域１０において各第１コンタクトホール４２の終端部４２ａは、ダイオード領域２０から遠ざかるにつれてＩＧＢＴ領域１０の周辺部側に位置するように設けられている。

したがって、第５実施形態で規定された距離ｃは、繰り返し方向においてダイオード領域２０から遠ざかるにつれて長くなっている。これにより、ＩＧＢＴ領域１０の繰り返し方向の中央部でホールを効率良く抜き取ることができる。

また、チャネル層３１の終端部３１ａも、各第１コンタクトホール４２の終端部４２ａの位置に対応して設けられている。このため、チャネル層３１の終端部３１ａはダイオード領域２０から遠ざかるにつれてＩＧＢＴ領域１０の周辺部側に位置する階段状になっている。そして、リサーフ領域５６の端部もチャネル層３１の終端部３１ａに沿っている。このため、ＩＧＢＴ領域１０のうちダイオードとしても機能するダイオード領域２０側では、ダイオード領域２０側に向かって不純物面密度が低いリサーフ領域５６が広くなっていく。このため、ダイオードの逆回復時に、ＩＧＢＴ領域１０のうち、ダイオードとしても機能するダイオード領域２０側の第１コンタクトホール４２の終端部４２ａ、およびダイオード領域２０の第２コンタクトホール４８の終端部４８ａにホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。

（第７実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図１１は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。また、図１２は、図１１のＭ−Ｎ−Ｏ−Ｐ断面図である。

図１１に示されるように、ＩＧＢＴ領域１０において、コレクタ層５３のうちトレンチ３５の延設方向における終端部５３ａはチャネル層３１の終端部３１ａよりも前記ＩＧＢＴ領域１０の周辺部側に位置している。例えば、トレンチ３５の延設方向におけるコレクタ層５３の終端部５３ａはゲート引き出し電極４３付近に位置している。そして、図１２に示されるように、トレンチ３５の延設方向において、コレクタ層５３の終端部５３ａよりもＩＧＢＴ領域１０の周辺部側にはカソード層５４が設けられている。これにより、コレクタ層５３の終端部５３ａよりも外側の周辺部をダイオード素子として使用することができる。

（第８実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図１３は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。この図に示されるように、コレクタ層５３の終端部５３ａは、繰り返し方向においてダイオード領域２０から遠ざかるにつれてＩＧＢＴ領域１０の周辺部側に突出するように設けられていても良い。

（第９実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図１４は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。また、図１５は、図１４のＱ−Ｒ−Ｓ−Ｔ断面図である。

図１４に示されるように、ダイオード領域２０において、カソード層５４のうちトレンチ３５の延設方向における終端部５４ａはＩＧＢＴ領域１０のチャネル層３１の終端部３１ａよりもダイオード領域２０のチャネル層３１の終端部３１ｂ側に位置している。そして、トレンチ３５の延設方向において、カソード層５４の終端部５４ａよりもダイオード領域２０の周辺部側にはコレクタ層５３が設けられている。

これにより、図１５にも示されるように、ダイオード素子として機能する範囲が周辺部において規定することができる。すなわち、周辺部でのダイオードの機能する範囲を狭めて、ダイオード領域２０の第２コンタクトホール４８の終端部４８ａにホールが集中的に流れ込まないようにすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された構造は一例であり、上記で示した構造に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構造とすることもできる。例えば、図１６に示されるように、ＩＧＢＴ領域１０の各第１コンタクトホール４２が図１０に示される配置において、ＩＧＢＴ領域１０およびダイオード領域２０のチャネル層３１の終端部３１ａ、３１ｂが繰り返し方向に沿っており、さらにリサーフ領域５６の端部も繰り返し方向に沿っていても良い。

また、図１７の平面図に示されるように、ダイオード領域２０にチャネル層３１が設けられておらず、その代わりにリサーフ領域５６が設けられていても良い。これにより、図１８に示されるように、チャネル層３１はＩＧＢＴ領域１０に設けられる一方、ダイオード領域２０にはリサーフ領域５６に設けられる。これにより、ダイオード領域２０のトレンチ３５はリサーフ領域５６内に形成されている。このように、ダイオード領域２０にはチャネル層３１ではなくリサーフ領域５６を設けても良い。

１０ ＩＧＢＴ領域
２０ ダイオード領域
３９ エミッタ領域
４０ 第１コンタクト領域
４７ 第２コンタクト領域
４２ 第１コンタクトホール
４８ 第２コンタクトホール
４１ 層間絶縁膜
４９ エミッタ電極
５６ リサーフ領域
４２ａ 第１コンタクトホールの終端部
３１ａ チャネル層の終端部
４８ａ 第２コンタクトホールの終端部
３１ｂ チャネル層の終端部
３９ａ エミッタ領域の終端部
５３ａ コレクタ層の終端部
５４ａ カソード層の終端部

Claims (8)

1. 第１導電型のドリフト層（３０）と、前記ドリフト層（３０）の上に形成された第２導電型のチャネル層（３１）と、を含む半導体基板（３２）を備え、
   前記半導体基板（３２）のうち前記チャネル層（３１）側の一面（３３）とは反対側の他面（３４）側に、第２導電型のコレクタ層（５３）と第１導電型のカソード層（５４）とが同じ階層に形成され、これらコレクタ層（５３）およびカソード層（５４）の上にコレクタ電極（５５）が形成されており、
   前記半導体基板（３２）の一面（３３）の面方向において、前記コレクタ層（５３）が形成された領域がＩＧＢＴ素子として動作するＩＧＢＴ領域（１０）とされ、前記カソード層（５４）が形成された領域がダイオード素子として動作するダイオード領域（２０）とされており、前記ＩＧＢＴ領域（１０）と前記ダイオード領域（２０）とが交互に繰り返し配置された半導体装置であって、
   前記ＩＧＢＴ領域（１０）は、
   前記チャネル層（３１）を貫通して前記ドリフト層（３０）に達すると共に、前記半導体基板（３２）の一面（３３）の面方向において前記ＩＧＢＴ領域（１０）と前記ダイオード領域（２０）とが繰り返し交互に配置された繰り返し方向に対して垂直方向である延設方向に延設されたトレンチ（３５）と、
   前記トレンチ（３５）の表面に形成されたゲート絶縁膜（３６）と、
   前記トレンチ（３５）内において、前記ゲート絶縁膜（３６）の上に形成されたゲート電極（３７）と、
   前記チャネル層（３１）の表層部に形成され、当該チャネル層（３１）内において前記トレンチ（３５）の側面に接するように形成された第１導電型のエミッタ領域（３９）と、
   前記チャネル層（３１）の表層部に形成されると共に前記トレンチ（３５）の延設方向に沿って形成された第２導電型の第１コンタクト領域（４０）と、を備え、
   前記ダイオード領域（２０）は、前記チャネル層（３１）の表層部に形成されると共に前記トレンチ（３５）の延設方向に沿って形成された第２導電型の第２コンタクト領域（４７）を備え、
   さらに、前記ＩＧＢＴ領域（１０）および前記ダイオード領域（２０）は、
   前記ゲート電極（３７）上を含むと共に前記第１コンタクト領域（４０）に沿って開口した第１コンタクトホール（４２）と前記第２コンタクト領域（４７）に沿って開口した第２コンタクトホール（４８）とが設けられた層間絶縁膜（４１）と、
   前記第１コンタクトホール（４２）を介して前記ＩＧＢＴ領域（１０）の前記エミッタ領域（３９）および前記第１コンタクト領域（４０）に電気的に接続されると共に、前記第２コンタクトホール（４８）を介して前記ダイオード領域（２０）の前記第２コンタクト領域（４７）に電気的に接続されたエミッタ電極（４９）と、を備えており、
   前記トレンチ（３５）の延設方向における前記ＩＧＢＴ領域（１０）および前記ダイオード領域（２０）の周辺部それぞれに、前記ドリフト層（３０）内において前記トレンチ（３５）よりも深く、前記チャネル層（３１）よりも面密度が小さく、前記トレンチ（３５）の延設方向で前記チャネル層（３１）とオーバーラップしている第２導電型のリサーフ領域（５６）を備え、
   前記トレンチ（３５）の延設方向において、前記第１コンタクトホール（４２）のうち前記ＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側の終端部（４２ａ）から前記チャネル層（３１）のうち前記ＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側の終端部（３１ａ）までの距離をａとし、前記第２コンタクトホール（４８）のうち前記ダイオード領域（２０）の周辺部側の終端部（４８ａ）から前記チャネル層（３１）のうち前記ダイオード領域（２０）の周辺部側の終端部（３１ｂ）までの距離をｂとすると、ａ＞ｂの関係を満たしていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記距離ａは、前記繰り返し方向において前記ダイオード領域（２０）から遠ざかるにつれて長くなるように、前記ＩＧＢＴ領域（１０）に前記チャネル層（３１）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１コンタクトホール（４２）の終端部（４２ａ）は、前記第２コンタクトホール（４８）の終端部（４８ａ）よりも前記ＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側に位置し、
   前記トレンチ（３５）の延設方向において、前記第１コンタクトホール（４２）の終端部（４２ａ）から前記エミッタ領域（３９）のうち前記トレンチ（３５）の延設方向における終端部（３９ａ）までの距離をｃとし、前記エミッタ領域（３９）の終端部（３９ａ）を前記繰り返し方向に沿って前記ダイオード領域（２０）に延長したときに前記第２コンタクトホール（４８）の終端部（４８ａ）から前記エミッタ領域（３９）の終端部（３９ａ）の延長部分までの距離をｄとすると、ｃ＞ｄの関係を満たしていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記距離ｃは、前記繰り返し方向において前記ダイオード領域（２０）から遠ざかるにつれて長くなるように、前記ＩＧＢＴ領域（１０）に前記第１コンタクト領域（４０）および前記第１コンタクトホール（４２）が複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記ＩＧＢＴ領域（１０）において、前記コレクタ層（５３）のうち前記トレンチ（３５）の延設方向における終端部（５３ａ）は前記チャネル層（３１）の終端部（３１ａ）よりも前記ＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側に位置しており、
   前記トレンチ（３５）の延設方向において、前記コレクタ層（５３）の終端部（５３ａ）よりも前記ＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側には前記カソード層（５４）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 前記コレクタ層（５３）の終端部（５３ａ）は、前記繰り返し方向において前記ダイオード領域（２０）から遠ざかるにつれて前記ＩＧＢＴ領域（１０）の周辺部側に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記ダイオード領域（２０）において、前記カソード層（５４）のうち前記トレンチ（３５）の延設方向における終端部（５４ａ）は前記ＩＧＢＴ領域（１０）のチャネル層（３１）の終端部（３１ａ）よりも前記ダイオード領域（２０）のチャネル層（３１）の終端部（３１ｂ）側に位置しており、
   前記トレンチ（３５）の延設方向において、前記カソード層（５４）の終端部（５４ａ）よりも前記ダイオード領域（２０）の周辺部側には前記コレクタ層（５３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
8. 前記ダイオード領域（２０）は、
   前記チャネル層（３１）を貫通して前記ドリフト層（３０）に達すると共に前記第２コンタクトホール（４８）に沿って形成されたトレンチ（３５）と、
   前記トレンチ（３５）の表面に形成されたゲート絶縁膜（３６）と、
   前記トレンチ（３５）内において、前記ゲート絶縁膜（３６）の上に形成されると共に前記層間絶縁膜（４１）に覆われたトレンチ電極（３８）と、を備え、
   前記トレンチ電極（３８）は、前記半導体基板（３２）の一面（３３）の面方向において前記ダイオード領域（２０）に形成されたトレンチ（３５）の延設方向の端部で前記エミッタ電極（４９）に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の半導体装置。

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