JP6053050B2 - 逆導通ｉｇｂｔ - Google Patents

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Description

本明細書で開示する技術は、逆導通ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）に関する。
ＩＧＢＴが形成されている半導体層内にダイオードを内蔵させた逆導通ＩＧＢＴが開発されている。この種の逆導通ＩＧＢＴは、３相インバータを構成する６つのトランジスタに用いられることが多く、ダイオードがフリーホイールダイオード（Free Wheeling Diode：FWD）として動作する。
逆導通ＩＧＢＴに内蔵されるダイオードの逆回復特性を改善することで、逆導通ＩＧＢＴのスイッチング損失を低減することが望まれている。内蔵ダイオードの逆回復特性を改善するためには、内蔵ダイオードが順バイアスされているときにボディ領域（内蔵ダイオードにおけるアノード領域）から注入される正孔量を抑制することが重要である。
特許文献１は、内蔵ダイオードの逆回復特性を改善する技術を提案する。図９に、特許文献１に開示される逆導通ＩＧＢＴ１００の概略を示す。この逆導通ＩＧＢＴ１００は、ボディ領域１１５から注入される正孔量を抑制するために、ｐ型のボディ領域１１５内に設けられているｎ型のバリア領域１１８を備える。バリア領域１１８よりも上方に配置されるボディ領域１１５を上側ボディ領域１１５ａといい、バリア領域１１８よりも下方に配置されるボディ領域１１５を下側ボディ領域１１５ｂという。バリア領域１１８は、半導体層の表面から伸びるとともにエミッタ電極１２４にショットキー接触するｎ型のピラー領域１１９を介してエミッタ電極１２４に電気的に接続される。
内蔵ダイオードが順バイアスされると、バリア領域１１８とエミッタ電極１２４は、ピラー領域１１９を介して短絡する。このとき、バリア領域１１８の電位は、ピラー領域１１９とエミッタ電極１２４のショットキー接合の順方向電圧に相当する分だけエミッタ電極１２４の電位よりも低くなる。ショットキー接合の順方向電圧は、上側ボディ領域１１５ａとバリア領域１１８で構成されるＰＮダイオードのビルトイン電圧よりも小さい。このため、バリア領域１１８が設けられていると、上側ボディ領域１１５ａとバリア領域１１８で構成されるＰＮダイオードに十分な順方向電圧が印加されないので、上側ボディ領域１１５ａから注入される正孔量が抑制される。
特開２０１３−４８２３０号公報
逆導通ＩＧＢＴ１００では、図９の破線に示されるように、バリア領域１１８が絶縁トレンチゲート部１３０の側面に接しているので、バリア領域１１８と下側ボディ領域１１５ｂとドリフト領域１１４で構成される寄生のＮＭＯＳが絶縁トレンチゲート部１３０の側面に存在する。このため、絶縁トレンチゲート部１３０に正電圧が印加されると、閾値に達するよりも先に寄生ＮＭＯＳがオンする。これにより、図１０に示されるように、ゲート電圧Ｖｇの増加に対してコレクタ電流Ｉｃが２回に分けて立ち上がる（以下、この現象を「２段オン現象」という）。このような２段オン現象は、誤動作、ノイズ及び不良品判断ミスの原因となる。
本明細書は、２段オン現象の発生が抑制される逆導通ＩＧＢＴを提供する。
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、半導体層、半導体層の一方の主面を被膜するエミッタ電極、及び、半導体層の一方の主面から半導体層板内に向けて伸びる絶縁トレンチゲート部を備える。半導体層は、第１導電型のドリフト領域、第２導電型のボディ領域、及び、第１導電型のバリア領域を有する。ドリフト領域は、絶縁トレンチゲート部に接する。ボディ領域は、ドリフト領域上に設けられており、絶縁トレンチゲート部に接する。バリア領域は、ボディ領域内に設けられており、半導体層の一方の主面から伸びるピラー部を介してエミッタ電極と電気的に接続されている。本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態では、バリア領域が、絶縁トレンチゲート部の側面に接していない。
上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、バリア領域が絶縁トレンチゲート部の側面に接していないので、絶縁トレンチゲート部の側面には、バリア領域とボディ領域とドリフト領域で構成される寄生のＮＭＯＳが存在しない。このため、上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、２段オン現象の発生が抑制される。
実施例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。 図１のII-II線に対応した要部断面図を模式的に示す。 図１のIII-III線に対応した要部断面図を模式的に示す。 変形例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。 変形例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。 変形例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。 変形例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。 変形例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。 従来の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す。 従来の逆導通ＩＧＢＴのＩｃ−Ｖｇ特性を示す。
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、半導体層、半導体層の一方の主面を被膜するエミッタ電極、及び、半導体層の一方の主面から半導体層内に向けて伸びる絶縁トレンチゲート部を備えていてもよい。半導体層に用いられる材料は、特に限定されるものではない。例えば、半導体層には、シリコン、炭化珪素、窒化物半導体、又は、その他の化合物半導体が用いられてもよい。半導体層は、第１導電型のドリフト領域、第２導電型のボディ領域、及び、第１導電型のバリア領域を有していてもよい。ドリフト領域は、絶縁トレンチゲート部に接する。ボディ領域は、ドリフト領域上に設けられており、絶縁トレンチゲート部に接する。バリア領域は、ボディ領域内に設けられており、半導体層の一方の主面から伸びるピラー部を介してエミッタ電極と電気的に接続されている。ピラー部は、逆導通ＩＧＢＴがオンするときに、ボディ領域から注入されるキャリア量が抑制されるように、バリア領域とエミッタ電極を電気的に接続してバリア領域の電位を調整するように構成されている。例えば、ピラー部は、エミッタ電極にショットキー接触する第１導電型の半導体領域であってもよい。この実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、バリア領域が、絶縁トレンチゲート部の側面に接していないことを特徴とする。バリア領域が絶縁トレンチゲート部の側面から離れる距離は、絶縁トレンチゲート部の側面に形成される反転層の幅よりも長いのが望ましい。
半導体層は、電位がフローティングの第１導電型のフローティング領域をさらに有していてもよい。フローティング領域は、ボディ領域内に設けられている。フローティング領域は、半導体層の一方の主面に直交する方向から観測したときに、絶縁トレンチゲート部の側面とバリア領域の間の範囲の少なくとも一部に配置されている。フローティング領域は、絶縁トレンチゲート部の側面に接していてもよく、絶縁トレンチゲート部から離れていてもよい。フローティング領域は、絶縁トレンチゲート部の側面とバリア領域の間において、分散配置されていてもよい。フローティング領域が設けられていると、逆導通ＩＧＢＴのオン電圧が低下する。
フローティング領域は、半導体層の深さ方向において、バリア領域よりも下方に配置されていてもよい。この実施形態によると、逆導通ＩＧＢＴのオン電圧がさらに低下する。
フローティング領域は、半導体層の一方の主面に直交する方向から観測したときに、絶縁トレンチゲート部の側面からバリア領域と重複する位置まで伸びていてもよい。この実施形態によると、逆導通ＩＧＢＴのオン電圧がさらに低下する。
以下、図面を参照して、逆導通ＩＧＢＴ１を説明する。逆導通ＩＧＢＴ１は、３相インバータを構成する６つのトランジスタに用いられており、内蔵するダイオードがフリーホイールダイオード（Free Wheeling Diode：FWD）として動作する。
図１に示されるように、逆導通ＩＧＢＴ１は、シリコン単結晶の半導体層１０、半導体層１０の裏面１０Ａを被覆するコレクタ電極２２（ダイオードにおけるカソード電極）、半導体層１０の表面１０Ｂを被覆するエミッタ電極２４（ダイオードにおけるアノード電極）、及び、半導体層１０の表層部に形成されている複数の絶縁トレンチゲート部３０を備える。半導体層１０は、ｐ型のコレクタ領域１１、ｎ型のカソード領域１２、ｎ型のバッファ領域１３、ｎ型のドリフト領域１４、ｐ型のボディ領域１５（ダイオードにおけるアノード領域）、ｎ型のエミッタ領域１６、ｐ型のボディコンタクト領域１７、ｎ型のバリア領域１８及びｎ型のピラー領域１９を備える。
コレクタ領域１１は、半導体層１０の裏層部に配置されており、半導体層１０の裏面１０Ａに露出する。コレクタ領域１１は、ボロンを高濃度に含んでおり、コレクタ電極２２にオーミック接触する。コレクタ領域１１は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面１０Ａから半導体層１０の裏層部の一部にボロンを導入することで形成されている。
カソード領域１２は、半導体層１０の裏層部に配置されており、半導体層１０の裏面１０Ａに露出する。カソード領域１２は、リンを高濃度に含んでおり、コレクタ電極２２にオーミック接触する。カソード領域１２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面１０Ａから半導体層１０の裏層部の一部にリンを導入することで形成されている。
逆導通ＩＧＢＴ１は、半導体層１０の裏層部にコレクタ領域１１及びカソード領域１２が形成されていることを特徴とする。コレクタ領域１１及びカソード領域１２は、半導体層１０の裏層部において、同一の面内に配置されている。これにより、逆導通ＩＧＢＴ１は、ＩＧＢＴとして動作するとともに、ダイオードとしても動作することができる。なお、半導体層１０の裏層部におけるコレクタ領域１１とカソード領域１２のレイアウトは、特に限定されるものではなく、様々なレイアウトを採用することができる。
バッファ領域１３は、半導体層１０の裏層部に配置されている。バッファ領域１３は、コレクタ領域１１及びカソード領域１２上に配置されている。バッファ領域１３は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面１０Ａから半導体層１０の裏層部の一部にリンを導入することで形成されている。バッファ領域１３の不純物濃度は、ドリフト領域１４の不純物濃度よりも濃い。
ドリフト領域１４は、バッファ領域１３とボディ領域１５の間に配置されている。ドリフト領域１４は、半導体層１０に各半導体領域を形成した残部であり、不純物濃度は低い。
ボディ領域１５は、半導体層１０の表層部に配置されている。ボディ領域１５は、ドリフト領域１４上に配置されており、エミッタ領域１６、ボディコンタクト領域１７、バリア領域１８及びピラー領域１９を取り囲む。ボディ領域１５は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面１０Ｂから半導体層１０の表層部の一部にボロンを導入することで形成されている。ボディ領域１５は、バリア領域１８よりも上方に配置される上側ボディ領域１５ａ及びバリア領域１８よりも下方に配置される下側ボディ領域１５ｂに区別される。
エミッタ領域１６は、半導体層１０の表層部に配置されている。エミッタ領域１６は、ボディ領域１５上に配置されており、半導体層１０の表面１０Ｂに露出する。エミッタ領域１６は、リンを高濃度に含んでおり、エミッタ電極２４にオーミック接触する。エミッタ領域１６は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面１０Ｂから半導体層１０の表層部の一部にリンを導入することで形成されている。
ボディコンタクト領域１７は、半導体層１０の表層部に配置されている。ボディコンタクト領域１７は、ボディ領域１５上に配置されており、半導体層１０の表面１０Ｂに露出する。ボディコンタクト領域１７は、ボロンを高濃度に含んでおり、エミッタ電極２４にオーミック接触する。ボディコンタクト領域１７は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面１０Ｂから半導体層１０の表層部の一部にボロンを導入することで形成されている。
絶縁トレンチゲート部３０は、半導体層１０の表面１０Ｂからエミッタ領域１６及びボディ領域１５を貫通してドリフト領域１４に達するトレンチ内に形成されている。絶縁トレンチゲート部３０は、ドリフト領域１４、ボディ領域１５及びエミッタ領域１６に接する。絶縁トレンチゲート部３０は、トレンチゲート電極、及び、そのトレンチゲート電極を被覆するゲート絶縁膜を有する。図２に示されるように、絶縁トレンチゲート部３０は、半導体層１０の表面１０Ｂに直交する方向から観測したときに、ストライプ状に配置されている。これは一例であり、絶縁トレンチゲート部３０のレイアウトは、特に限定されるものではなく、様々なレイアウトを採用することができる。
図１に示されるように、バリア領域１８は、半導体層１０の表層部に配置されている。バリア領域１８は、ボディ領域１５内に配置されており、ボディ領域１５によってドリフト領域１４、エミッタ領域１６及びボディコンタクト領域１７から隔てられており、半導体層１０の表面１０Ｂに平行な面内を延びた形態を有する。バリア領域１８は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面１０Ｂから半導体層１０の表層部の一部にリンを導入することで形成されている。バリア領域１８は、半導体層１０の所定深さに配置されている。図３に示されるように、バリア領域１８は、半導体層１０の表面１０Ｂに直交する方向から観測したときに、絶縁トレンチゲート部３０の長手方向に沿って延びた形態を有しており、ストライプ状の絶縁トレンチゲート部３０に対応してストライプ状に配置されている。バリア領域１８は、絶縁トレンチゲート部３０の側面に接していない。絶縁トレンチゲート部３０のバリア領域１８の間には、ボディ領域１５が介在する。バリア領域１８が絶縁トレンチゲート部３０の側面から離れる距離は、絶縁トレンチゲート部３０の側面に形成される反転層の幅よりも長い。
図１に示されるように、ピラー領域１９は、半導体層１０の表層部に配置されている。ピラー領域１９は、半導体層１０の表面１０Ｂからボディコンタクト領域１７及び上側ボディ領域１５ａを貫通してバリア領域１８に達するまで伸びており、半導体層１０の表面１０Ｂに直交する方向に延びた形態を有する。ピラー領域１９は、リンを含んでおり、エミッタ電極２４にショットキー接触する。ピラー領域１９は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面１０Ｂから半導体層１０の表層部の一部にリンを導入することで形成されている。
次に、逆導通ＩＧＢＴ１の動作を説明する。コレクタ電極２２に正電圧が印加され、エミッタ電極２４に接地電圧が印加され、絶縁トレンチゲート部３０に正電圧が印加されると、絶縁トレンチゲート部３０の側面のボディ領域１５に反転層が形成され、その反転層を介してエミッタ領域１６からドリフト領域１４に電子が注入される。一方、コレクタ領域１１からドリフト領域１４に正孔が注入される。これにより、逆導通ＩＧＢＴ１がオンとなり、コレクタ電極２２とエミッタ電極２４の間にコレクタ電流が流れる。
背景技術で説明したように（図９参照）、バリア領域１８が絶縁トレンチゲート部３０の側面に接していると、バリア領域１８と下側ボディ領域１５ｂとドリフト領域１４で構成される寄生のＮＭＯＳが絶縁トレンチゲート部３０の側面に存在してしまう。この寄生のＮＭＯＳが閾値に達するよりも先にオンすることで、２段オン現象が発生する。特に、ボディ領域１５が拡散領域として形成されているので、下側ボディ領域１５ｂの不純物濃度が上側ボディ領域１５ａよりも薄い。このため、寄生のＮＭＯＳは、絶縁トレンチゲート部３０に印加される正電圧が閾値よりも小さいときにオンしてしまう。
一方、本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、バリア領域１８が絶縁トレンチゲート部３０の側面に接していないので、絶縁トレンチゲート部３０の側面に寄生のＮＭＯＳが存在しない。このため、本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、２段オン現象の発生が抑制される。
次に、コレクタ電極２２よりもエミッタ電極２４に高い電圧が印加され、絶縁トレンチゲート部３０に接地電圧が印加されると、ボディ領域１５とドリフト領域１４とバッファ領域１３とカソード領域１２で構成される内蔵ダイオードが順バイアスされる。内蔵ダイオードが順バイアスされると、バリア領域１８とエミッタ電極２４は、ピラー領域１９を介して短絡する。ピラー領域１９はエミッタ電極２４にショットキー接触しているので、バリア領域１８の電位は、ピラー領域１９とエミッタ電極２４のショットキー接合の順方向電圧に相当する分だけエミッタ電極２４の電位よりも低くなる。ショットキー接合の順方向電圧は、上側ボディ領域１５ａとバリア領域１８で構成されるＰＮダイオードのビルトイン電圧よりも小さい。このため、バリア領域１８が設けられていると、上側ボディ領域１５ａとバリア領域１８で構成されるＰＮダイオードに十分な順方向電圧が印加されないので上側ボディ領域１５ａから注入される正孔量が抑制される。
次に、コレクタ電極２２に正電圧が印加され、エミッタ電極２４に接地電圧が印加され、絶縁トレンチゲート部３０に接地電圧が印加されると、内蔵ダイオードが逆バイアスされる。上記したように、内蔵ダイオードでは、順バイアスのときに上側ボディ領域１５ａから注入される正孔量が抑制されているので、逆回復電流が小さく、逆回復時間が短い。このように、バリア領域１８を有する逆導通ＩＧＢＴ１は、ドリフト領域１４のライフタイム制御を行うことなく、低いスイッチング損失を得ることができる。
（変形例）
図４に、変形例の逆導通ＩＧＢＴ２を示す。逆導通ＩＧＢＴ２の半導体層１０は、電位がフローティングであるｎ型のフローティング領域４２を備えていることを特徴とする。フローティング領域４２は、半導体層１０の表層部に配置されている。フローティング領域４２は、ボディ領域１５内に配置されており、絶縁トレンチゲート部３０の側面に接しており、ボディ領域１５によってドリフト領域１４、エミッタ領域１６、ボディコンタクト領域１７、バリア領域１８及びピラー領域１９から隔てられている。フローティング領域４２は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面１０Ｂから半導体層１０の表層部の一部にリンを導入することで形成されている。
逆導通ＩＧＢＴ２がオンすると、コレクタ領域１１からドリフト領域１４に注入された正孔の多くは、絶縁トレンチゲート部３０の側面に沿ってボディ領域１５内を流れた後に、ボディコンタクト領域１７を介して排出される。フローティング領域４２が設けられていると、絶縁トレンチゲート部３０の側面を流れる正孔に対して障壁が形成されるので、ドリフト領域１４及びボディ領域１５内の正孔濃度が増加し、逆導通ＩＧＢＴ２のオン電圧が低下する。
図５に、変形例の逆導通ＩＧＢＴ３を示す。逆導通ＩＧＢＴ３では、フローティング領域４２が、バリア領域１８と絶縁トレンチゲート部３０の間において分散配置されていることを特徴とする。所望する特性に応じて、フローティング領域４２のレイアウトは適宜に調整される。
図６に、変形例の逆導通ＩＧＢＴ４を示す。逆導通ＩＧＢＴ４では、フローティング領域４２が、半導体層１０の厚み方向（紙面上下方向）において、バリア領域１８よりも下方に配置されていることを特徴とする。この例では、フローティング領域４２とドリフト領域１４の距離が近いので、ドリフト領域１４の正孔濃度が顕著に増加する。これにより、ドリフト領域１４における伝導度変調が活発化し、逆導通ＩＧＢＴ４のオン電圧が顕著に低下する。
図７に、変形例の逆導通ＩＧＢＴ５を示す。逆導通ＩＧＢＴ５では、フローティング領域４２が、半導体層１０の表面１０Ｂに直交する方向から観測したときに、絶縁トレンチゲート部３０の側面からバリア領域１８と重複する位置まで伸びていることを特徴とする。この例では、フローティング領域４２の下方からボディコンタクト領域１７までの正孔排出経路の距離が長くなるので、ドリフト領域１４の正孔濃度が顕著に増加する。これにより、ドリフト領域１４における伝導度変調が活発化し、逆導通ＩＧＢＴ５のオン電圧が顕著に低下する。
図８に、変形例の逆導通ＩＧＢＴ６を示す。逆導通ＩＧＢＴ６では、フローティング領域４２が、半導体層１０の表面１０Ｂに直交する方向から観測したときに、隣合う絶縁トレンチゲート部３０の間において、一方の絶縁トレンチゲート部３０の側面から他方の絶縁トレンチゲート部３０の側面まで伸びていることを特徴とする。この例では、フローティング領域４２がコレクタ領域１１から注入された正孔に対して確実に障壁を形成することができるので、ドリフト領域１４の正孔濃度が顕著に増加する。これにより、ドリフト領域１４における伝導度変調が活発化し、逆導通ＩＧＢＴ６のオン電圧が顕著に低下する。
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。
１０：半導体層、 １０Ａ：裏面、 １０Ｂ：表面、 １１：コレクタ領域、 １２：カソード領域、 １３：バッファ領域、 １４：ドリフト領域、 １５：ボディ領域、 １６：エミッタ領域、 １７：ボディコンタクト領域、 １８：バリア領域、 １９：ピラー領域、 ２２：コレクタ電極、 ２４：エミッタ電極、 ３０：絶縁トレンチゲート部、 ４２：フローティング領域

Claims (5)

  1. 逆導通ＩＧＢＴであって、
    半導体層と、
    前記半導体層の一方の主面を被膜するエミッタ電極と、
    前記半導体層の一方の主面から前記半導体層内に向けて伸びる絶縁トレンチゲート部と、を備え、
    前記半導体層は、
    前記絶縁トレンチゲート部に接する第１導電型のドリフト領域と、
    前記ドリフト領域上に設けられており、前記絶縁トレンチゲート部に接する第２導電型のボディ領域と、
    前記ボディ領域内に設けられており、前記半導体層の一方の主面から伸びるピラー部を介して前記エミッタ電極と電気的に接続されている第１導電型のバリア領域と、を備え、
    前記バリア領域が、前記絶縁トレンチゲート部の側面に接していない、逆導通ＩＧＢＴ。
  2. 前記バリア領域が前記絶縁トレンチゲート部の側面から離れる距離は、前記絶縁トレンチゲート部の側面に形成される反転層の幅よりも長い、請求項１に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
  3. 前記半導体層は、
    前記ボディ領域内に設けられており、電位がフローティングの第１導電型のフローティング領域をさらに有し、
    前記フローティング領域は、前記半導体層の一方の主面に直交する方向から観測したときに、前記絶縁トレンチゲート部の側面と前記バリア領域の間の範囲の少なくとも一部に配置されている、請求項１又は２に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
  4. 前記フローティング領域は、前記半導体層の深さ方向において、前記バリア領域よりも下方に配置されている、請求項３に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
  5. 前記フローティング領域は、前記半導体層の一方の主面に直交する方向から観測したときに、前記絶縁トレンチゲート部の側面から前記バリア領域と重複する位置まで伸びている、請求項４に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
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