JP6158123B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
p形半導体領域およびn形半導体領域をIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とFWD(Free Wheeling Diode)とで共有化した半導体装置がある。p形半導体領域は、IGBTにとってはp形ベース領域となり、FWDにとってはp形アノード領域になっている。n形半導体領域は、IGBTおよびFWDにとってn形ベース領域になっている。
しかし、p形半導体領域の不純物濃度をIGBTのp形ベース領域の不純物濃度に合わせた場合、FWDにとってはアノード側からの正孔注入が過多になりFWDのリカバリー時間が長くなる場合がある。さらに、FWDのn形カソード領域を配置すると、IGBTでは、p形コレクタ領域からの正孔注入が低減すると負性抵抗が発生し易くなる。これにより、オン電圧が高くなる、また複数チップを並列した時にチップ間のバランスが崩れ破壊するなどの問題が乗じるなどの影響を与えてしまう。
米国特許出願公開2011/0254050号公報
負性抵抗を抑えた半導体装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第1導電形の第1半導体領域と、前記第1電極と前記第1半導体領域との間に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、前記第1電極と前記第2半導体領域との間に設けられ、前記第1電極から前記第2電極に向かう第1方向に対して交差する第2方向において並ぶ第2導電形の第3半導体領域および第1導電形の第4半導体領域と、前記第3半導体領域と前記第2電極との間に位置し、前記第1半導体領域と前記第2電極との間に設けられた第2導電形の第5半導体領域と、前記第4半導体領域と前記第2電極との間に位置し、前記第1半導体領域と前記第2電極との間に設けられた第2導電形の第6半導体領域と、前記第5半導体領域と前記第2電極との間に設けられた第1導電形の第7半導体領域と、前記第7半導体領域、前記第5半導体領域、および前記第1半導体領域に第1絶縁膜を介して接する第3電極と、を備える。
図1(a)は、第1実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図であり、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。 図2は、参考例に係る半導体装置の動作の一例を表す模式的断面図である。 図3(a)および図3(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の動作の一例を表す模式的断面図である。 図4は、第1実施形態に係る半導体装置の動作の一例を表す模式的断面図である。 図5は、第2実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。 図6は、第3実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。 図7(a)は、第4実施形態の第1例に係る半導体装置を表す模式的断面図であり、図7(b)は、第4実施形態の第2例に係る半導体装置を表す模式的断面図である。 図8(a)〜図8(c)は、第4実施形態の半導体装置を表す模式的平面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。また、実施形態では、特に断らない限り、n形、n形、n形の順でn形不純物元素の濃度が低くなることを表す。また、p形、p形の順でp形不純物元素の濃度が低くなることを表す。
(第1実施形態)
図1(a)は、第1実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図であり、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。
図1(a)には、図1(a)のA−A’線に沿った位置での断面が表されている。
半導体装置1は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が配置されたIGBT領域100と、FWD(Free Wheeling Diode)が配置されたFWD領域101とを備える。半導体装置1は、上下電極構造のIGBTおよびFWDを備える。
半導体装置1は、電極10(第1電極)と、電極11(第2電極)と、を備える。IGBT領域100において、電極10はコレクタ電極であり、電極11はエミッタ電極である。FWD領域101において、電極10はカソード電極であり、電極11はアノード電極である。
第1電極10と第2電極11との間には、n形のベース領域20が設けられている。電極10とベース領域20との間には、n形のバッファ領域21が設けられている。バッファ領域21の不純物濃度は、ベース領域20の不純物濃度よりも高い。なお、ベース領域20とバッファ領域21とをあわせて、第1半導体領域とする。電極10とバッファ領域21との間には、p形のシールド領域22(第2半導体領域)が設けられている。
電極10とシールド領域22との間には、p形のコレクタ領域23(第3半導体領域)およびn形のカソード領域24(第4半導体領域)が設けられている。p形のコレクタ領域23およびn形のカソード領域24は、電極10から電極11に向かうZ方向(第1方向)に対して交差するY方向(第2方向)において並んでいる。つまり、IGBT領域100には、p形のコレクタ領域23が配置され、FWD領域101には、n形のカソード領域24が配置されている。コレクタ領域23の不純物濃度は、シールド領域22の不純物濃度よりも高い。カソード領域24の不純物濃度は、バッファ領域21の不純物濃度よりも高い。
ベース領域20と第2電極11との間には、p形のベース領域30(第5半導体領域)が設けられている。ベース領域30は、コレクタ領域23と電極11との間に位置している。つまり、ベース領域30は、IGBT領域100に設けられている。
ベース領域20と電極11との間には、p形のアノード領域31(第6半導体領域)が設けられている。アノード領域31は、カソード領域24と電極11との間に位置している。つまり、アノード領域31は、FWD領域101に設けられている。アノード領域31は、電極11に、ショットキー接触をしているか、あるいは、低抵抗性接触をしている。
ベース領域30と電極11との間には、n形のエミッタ領域40(第7半導体領域)が設けられている。エミッタ領域40の不純物濃度は、ベース領域20の不純物濃度よりも高い。
エミッタ領域40、ベース領域30、およびベース領域20には、ゲート絶縁膜51(第1絶縁膜)を介してゲート電極50(第3電極)が接している。つまり、ゲート電極50は、IGBT領域100に設けられている。ゲート電極50は、IGBT領域100において複数、設けられ、複数のゲート電極50はY方向に並んでいる。ゲート電極50は、所謂トレンチゲートである。
アノード領域31およびベース領域20には、絶縁膜53(第2絶縁膜)を介して複数の電極52(第4電極)が接している。複数の電極52は、Y方向に並んでいる。なお、図示されていないが、電極52は、電極11と電気的に接続されていてもよい。
ベース領域30とアノード領域31とは、ウェーハプロセスによって同時に形成することができる。ベース領域30の不純物濃度とアノード領域31の不純物濃度は同じあってもよく、異なってもよい。
また、ゲート電極50とゲート絶縁膜51との組、または、電極52と絶縁膜53との組をトレンチ領域とした場合、ゲート電極50とゲート絶縁膜51とによるトレンチ領域と、電極52と絶縁膜53とによるトレンチ領域とはウェーハプロセスによって同時に形成することができる。IGBT領域100とFWD領域101とは、トレンチ領域を境にして区分けされている。すなわち、半導体装置1は、逆導通型のIGBTである。
電極10と電極11との間に設けられた、半導体領域のそれぞれの主成分は、例えば、ケイ素(Si)である。半導体領域のそれぞれの主成分は、シリコン炭化物(SiC)、窒化ガリウム(GaN)等であってもよい。n形、n形、n形等の導電形(第1導電形)の不純物元素としては、例えば、リン(P)、ヒ素(As)等が適用される。p形、p形等の導電形(第2導電形)の不純物元素としては、例えば、ホウ素(B)等が適用される。また、半導体装置1において、p形とn形の導電形を入れ替えても同様な効果が得られる。
電極10の材料および電極11の材料は、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、金(Au)等の群から選ばれる少なくとも1つを含む金属である。ゲート電極50、電極52の材料は、例えば、ポリシリコンを含む。また、絶縁膜の材料は、例えば、シリコン酸化物を含む。
半導体装置の動作を説明する前に、参考例に係る半導体装置の動作を説明する。
図2は、参考例に係る半導体装置の動作の一例を表す模式的断面図である。
ここで、半導体装置500には、上述したp形のシールド領域22が設けられていない。また、カソード領域24の全域上には、ゲート電極50とエミッタ領域40とが設けられている。すなわち、半導体装置500は、逆導通型のIGBTである。
半導体装置500においては、電極11(エミッタ電極)よりも電極10(コレクタ電極)に高い電位を印加し、ゲート電極50に閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜51に沿ってベース領域30にチャネルが形成しエミッタ・コレクタ間に電流が流れる。
ここで、n形のエミッタ領域40からp形のコレクタ領域23に向かって注入された電子(e)は、電極10側で最もポテンシャルが低いn形のカソード領域24に流れ込む。この際、電子(e)の大部分は、p形のコレクタ領域23上で横方向に移動し、カソード領域24に流れ込む。
この電子(e)の横方向の移動により、コレクタ領域23上では電圧降下が起き、p形のコレクタ領域23を正、バッファ領域21が負にバイアスされる。これにより、p形のコレクタ領域23からエミッタ側に向かって正孔(h)が注入される。
つまり、オン状態では、エミッタ側から電子(e)が、コレクタ側からは、正孔(h)が注入されて、エミッタ・コレクタ間に大電流が流れる。
しかし、電子電流による電圧降下を利用し、コレクタ領域23から正孔(h)を注入させるには、Y方向のコレクタ領域23の幅を、例えば、500μm以上にしなければならない。従って、参考例では、IGBTとFWDとが幅の広いピッチで集積化されることになる。ここで、コレクタ領域23の幅が広くなるほど、オン時においてIGBTから発する熱が半導体装置500内において分散し難くなる。逆に、Y方向におけるコレクタ領域23の幅を500μm以下に狭めると、コレクタ領域23からの正孔注入が減り、負性抵抗が発生し易くなる。
第1実施形態に係る半導体装置の動作の一例を説明する。
図3(a)および図3(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の動作の一例を表す模式的断面図である。
図3(a)、(b)には、半導体装置1の中、IGBTが動作をしているときの一例が示されている。
半導体装置1において、電極11(エミッタ電極)よりも電極10(コレクタ電極)に高い電位を印加し、ゲート電極50に閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜51に沿ってベース領域30にチャネルが形成しエミッタ・コレクタ間に電流が流れる。
ここで、コレクタ領域23の上およびカソード領域24の上には、p形のシールド領域22が設けられている。従って、n形のエミッタ領域40からp形のコレクタ領域23に向かって注入された電子(e)は、p形のシールド領域22内に流れ込む。つまり、電子(e)にとって、電極10側で最もポテンシャルが低いn形のカソード領域24に流れ込む前に、p形のシールド領域22内に流れ込む。すなわち、カソード領域24の上にあるシールド領域22により、電子(e)がカソード領域24に流れ込むことをシールドしていることになる。この電子(e)のp形のシールド領域22への注入により、p形のシールド領域22からも、エミッタ側に向かって、正孔(h)が注入される。この状態を、図3(a)に表す。
続いて、電子(e)の大部分は、p形のコレクタ領域23上で横方向に移動し、電子(e)にとって、電極10側で最もポテンシャルが低いn形のカソード領域24に流れ込む。
この電子(e)の横方向の移動により、コレクタ領域23上では電圧降下が起き、p形のコレクタ領域23が正、シールド領域22が負にバイアスされる。
これにより、p形のコレクタ領域23からも、エミッタ側に向かって、正孔(h)が注入される。このときに、電子(e)はシールド領域22からコレクタ領域23へ注入される。この状態を、図3(b)に表す。
すなわち、半導体装置1によれば、Y方向におけるコレクタ領域23の幅にかかわらず、シールド領域22に電子(e)が注入される際に正孔がシールド領域22から注入され、さらに、コレクタ領域23に電子(e)が注入される際にも正孔がコレクタ領域23から注入される。このように、半導体装置1では、低電流でコレクタ側からエミッタ側に正孔(h)が注入される。これにより、IGBTの順方向における負性抵抗は発生し難くなる。
図4は、第1実施形態に係る半導体装置の動作の一例を表す模式的断面図である。
図4には、半導体装置1の中、FWDが動作をしているときの一例が示されている。
上述したように、コレクタ領域23の上およびカソード領域24の上には、p形のシールド領域22が設けられている。従って、アノード領域31からベース領域20に注入された正孔(h)は、シールド領域22に流れ込む。
この後、正孔(h)の大部分は、n形のカソード領域24上で横方向に移動し、正孔(h)にとって、電極10側で最もポテンシャルが低いp形のコレクタ領域23に流れ込む。
この正孔(h)の横方向の移動により、カソード領域24上では電圧降下が起き、n形のカソード領域24が負、シールド領域22が正にバイアスされる。ここで、シールド領域22の不純物濃度をコレクタ領域23より十分に低く、更にバッファ領域21の不純物濃度程度、具体的には最大不純物濃度で1×1016cm−3以下にしておくと電圧降下が大きくなり容易に正バイアスされる。ここで、シールド領域22の不純物濃度は、バッファ領域21の不純物濃度と異なり、耐圧などと無関係に設計できる点が大きなメリットとなる。これにより、n形のカソード領域24から、エミッタ側に向かって、電子(e)が注入される。
このように、半導体装置1では、低電流でカソード側からアノード側に電子(e)が注入される。これにより、FWDの順方向における負性抵抗が発生し難くなる。
ここで、比較例として、IGBTのベース領域30とFWDのアノード領域31を同じp形領域にする方法がある。しかし、この方法では、共有化されたp形領域がIGBTのベース領域30の不純物濃度に設定されると、FWDとしてはアノード側からの正孔注入が過多になってしまう。すなわち、FWDにとっては、リカバリー時間が長くなってしまう。
また、共有化されたp形領域の下に、FWDの一部であるn形のカソード領域が存在してしまうと、p形のコレクタ領域の面積が減ってしまう。ここで、面積とは、p形のコレクタ領域とコレクタ電極との接触面積とする。これにより、p形のコレクタ領域からの正孔注入が低減して、IGBTの負性抵抗が発生し易くなる。
特に、IGBTをスイッチング素子に用いる場合、負性抵抗により予期せぬノイズを発振する可能性がある。また、負性抵抗にばらつきがあると、電流の立ち上がりの速い素子に電流が集中して、該素子が選択的に破壊する可能性がある。これにより、半導体装置の信頼性が低下してしまう。
これに対し、半導体装置1では、IGBT領域100とFWD領域101とを分けている。このため、ベース領域30の不純物濃度とアノード領域31の不純物濃度とそれぞれ別に調整することができる。つまり、FWDにとってはリカバリー時間が短くなるように、アノード領域31の不純物濃度を調整できる。また、IGBTにとっては、低電流でコレクタ側から正孔(h)が注入されるため、負性抵抗が発生し難くなる。
また、半導体装置1は、トレンチ領域を有しているため、IGBT、FWDでは、トレンチ領域の下端でアバランシェが起こり、アバランシェ耐量が増加する。
(第2実施形態)
図5は、第2実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
半導体装置2は、半導体装置1の構成のほか、電極10の側にn形の半導体領域25(第8半導体領域)と、p形の半導体領域26(第9半導体領域)と、を備える。
例えば、コレクタ領域23は、Y方向において複数の領域23a(第1領域)に分割されている。半導体領域25は、Y方向において隣り合う領域23aによって挟まれている。また、カソード領域24は、Y方向において複数の領域24a(第2領域)に分割されている。半導体領域26は、Y方向において隣り合う領域24aによって挟まれている。
このような構造であれば、IGBTにおいては、コレクタ領域23と電極10との接触面積が調整することができ、コレクタ側からの正孔の注入量が最適に調整される。これにより、IGBTのスイッチング速度をより高速にすることができる。また、FWDにおいては、カソード領域24と電極10との接触面積が調整することができ、カソード側からの電子の注入量が最適に調整される。これにより、FWDのリカバリー速度をより高速にすることができる。なお、Y方向においては、領域24aの幅を半導体領域25の幅よりも広くしてもよい。あるいは、領域24aと電極10との接触面積を半導体領域25と電極10との接触面積より大きくしてもよい。このようにすれば、IGBTとFWDの高速化を両立させることができる。FWDの電子の注入を抑制し過ぎるとスイッチング時に電圧振動を生じるからである。
(第3実施形態)
図6は、第3実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
半導体装置3は、半導体装置1の構成のほか、n形のベース領域20とp形のベース領域30との間、およびn形のベース領域20とp形のアノード領域31との間に、n形のバリア領域27が設けられている。
これにより、IGBTにおいては、オン時においてバリア領域27の下にキャリア(正孔)が溜まり易くなり、伝導変調が起き易くなる。これにより、オン抵抗がさらに低下する。
一方、FWDにおいては、バリア領域27の存在により、アノード領域31からのキャリア(正孔)注入が抑制される。これにより、FWDのリカバリー速度がより高速になる。
(第4実施形態)
図7(a)は、第4実施形態の第1例に係る半導体装置を表す模式的断面図であり、図7(b)は、第4実施形態の第2例に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
図7(a)に示す半導体装置4Aは、半導体装置1の構成のほか、p形の半導体領域32(第10半導体領域)を備える。
形の半導体領域32は、電極11とアノード領域31との間に設けられている。半導体領域32は、絶縁膜53に接している。半導体領域32の不純物濃度は、アノード領域31の不純物濃度よりも高い。
また、図7(b)に示すように、半導体領域32は、Y方向において絶縁膜53を介して隣り合う電極52に挟まれ、隣り合う電極52間で連続であってもよい。
図8(a)〜図8(c)は、第4実施形態の半導体装置を表す模式的平面図である。
半導体装置4Aを上面視したときの半導体領域32は、例えば、図8(a)に表すように、Z方向およびY方向に交差するX方向に並んでいる。さらに、X方向に並んだ半導体領域32の周期については、その全てを同じ位相で配置する必要はなく、図8(b)に表すように、位相をずらしてもよい。また、半導体装置4Bを上面視したときの半導体領域32は、図8(c)に示すように、X方向に並んでいる。このように、半導体領域32は、X方向において複数の領域として分割されている。
このような構造であれば、FWDにおいては、半導体領域32と電極10との接触面積とアノード領域31と電極10との接触面積との比を調整することができ、アノード側からの正孔の注入量が最適に調整される。これにより、FWDのリカバリー速度をより高速にすることができる。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1、2、3、4A、4B 半導体装置、 10 電極、 11 電極、 20 ベース領域、 21 バッファ領域、 22 シールド領域、 23 コレクタ領域、 23a 領域、 24 カソード領域、 24a 領域、 25 半導体領域、 26 半導体領域、 27 バリア領域、 30 ベース領域、 31 アノード領域、 32 半導体領域、 40 エミッタ領域、 50 ゲート電極、 51 ゲート絶縁膜、 52 電極、 53 絶縁膜、 100 IGBT領域、 101 FWD領域



Claims (6)

  1. 第1電極と、
    第2電極と、
    前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた第1導電形の第1半導体領域と、
    前記第1電極と前記第1半導体領域との間に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
    前記第1電極と前記第2半導体領域との間に設けられ、前記第1電極から前記第2電極に向かう第1方向に対して交差する第2方向において並ぶ第2導電形の第3半導体領域および第1導電形の第4半導体領域と、
    前記第3半導体領域と前記第2電極との間に位置し、前記第1半導体領域と前記第2電極との間に設けられた第2導電形の第5半導体領域と、
    前記第4半導体領域と前記第2電極との間に位置し、前記第1半導体領域と前記第2電極との間に設けられた第2導電形の第6半導体領域と、
    前記第5半導体領域と前記第2電極との間に設けられた第1導電形の第7半導体領域と、
    前記第7半導体領域、前記第5半導体領域、および前記第1半導体領域に第1絶縁膜を介して接する第3電極と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記第3半導体領域は、前記第2方向において複数の第1領域に分割され、
    前記第2方向において隣り合う前記第1領域によって挟まれた第1導電形の第8半導体領域をさらに備えた請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第4半導体領域は、前記第2方向において複数の第2領域に分割され、
    前記第2方向において隣り合う前記第2領域によって挟まれた第2導電形の第9半導体領域をさらに備えた請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記第6半導体領域および前記第1半導体領域に第2絶縁膜を介して接する複数の第4電極をさらに備え、
    前記複数の第4電極は、前記第2方向に並ぶ請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
  5. 前記第2電極と前記第6半導体領域との間に設けられ、前記第2絶縁膜に接し、前記第6半導体領域よりも不純物濃度が高い第2導電形の第10半導体領域をさらに備えた請求項記載の半導体装置。
  6. 前記第2方向において、前記第10半導体領域は、前記第2絶縁膜を介して隣り合う前記第4電極に挟まれ、
    前記第10半導体領域は、前記第1方向および前記第2方向に交差する第3方向において、複数の第3領域に分割されている請求項5に記載の半導体装置。




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