JP7241656B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置であるRC-IGBTの構成を示す断面図である。
IGBT領域1aの半導体基板1の裏面側には、表側に向かってコレクタ層2及びバッファ層3がこの順に配設されている。バッファ層3のN型の不純物濃度は、ドリフト層として機能する半導体基板1の残部のN型の不純物濃度よりも高くなっている。バッファ層3は、必須ではないが、電界がコレクタ層2に達することを抑制することができ、例えば耐圧や耐量を良好に保つことができる。コレクタ層2は、コレクタ電極15と接続されている。
ダイオード領域1bの半導体基板1の裏面側には、表側に向かってカソード層11及びバッファ層3がこの順に配設されている。カソード層11のN型の不純物濃度は、バッファ層3のN型の不純物濃度よりも高くなっている。バッファ層3は、必須ではないが、電界がカソード層11に達することを抑制することができ、例えば耐圧や耐量を良好に保つことができる。カソード層11は、コレクタ電極15と接続される。なお、コレクタ電極15はカソード電極としても機能し、エミッタ電極9はアノード電極としても機能する。
一般的に、リカバリー損失を低減するためには、還流中にダイオード内に蓄積されるキャリアを抑制して、リカバリー電流を低減することが考えられる。このキャリアの抑制は、ダイオード領域1bのアノード層12の不純物濃度を低くして、または、アノード層12の全体を浅くして、還流中にダイオード内の電子キャリアの排出を効果的に促進することによって実現可能である。しかしながら、アノード層12の不純物濃度を低くした構成、または、アノード層12の全体を浅くした構成では、還流時のオン電圧が高くなる問題がある。またこれらの構成では、還流中にダイオード内に蓄積されたホールと、リカバリー動作中に高電界によりインパクトイオン化で発生したホールとを排出する際の抵抗が増加し、またリカバリー中の高電界にてアノード層12の空乏層が電極まで到達しやすくなる。この結果として、リカバリー耐量が低下する問題がある。
図3は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置であるRC-IGBTの構成を示す断面図である。以下、本実施の形態2に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
ダイオード領域1bに、高濃度の第2コンタクト層22を配設することにより、アノード層12とエミッタ電極9との接続性を高めることができる。これにより、還流動作時のオン電圧を低減することができ、リカバリー時のリカバリー耐量を良好に保つことができる。
本発明の実施の形態3に係る半導体装置であるRC-IGBTの構成を示す断面図は、図3の断面図と概ね同じであることから、その図示は省略する。以下、本実施の形態3に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
図7は、リカバリー損失について、図6(a)及び図6(b)のシミュレーション結果を示す図である。本実施の形態3に係るRC-IGBTに対応する図6(a)のモデルのシミュレーション結果は、実線で示され、対比RC-IGBTに対応する図6(b)のモデルのシミュレーション結果は、破線で示されている。
本発明の実施の形態4は、実施の形態1~3に係るRC-IGBTを、製造コストの増大を抑制しつつ製造可能な製造方法に関する。図8は、本実施の形態4に係るRC-IGBTの製造方法を示す断面図である。以下、本実施の形態4に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付して説明する。
一般的なRC-IGBTでは、リカバリー損失を抑制できるように、ダイオード領域1bに形成されるアノード層12に必要な不純物濃度は、IGBT領域1aに形成されるベース層4の不純物濃度に必要な不純物濃度よりも低い。このため、ベース層4の不純物注入工程とアノード層12の不純物注入工程とを一工程で行うと、製造コストの増大を抑制することはできるが、アノード層12の不純物濃度が比較的高くなるため、リカバリー損失が大きくなる。
以上の説明では、IGBT領域1aに設けられたIGBTは、Nチャネルタイプの素子であることを前提としていたが、上記IGBTにおいて全てのP型とN型とが反転された、Pチャネルタイプの素子であっても、上記と同様の効果が得られる。
Claims (4)
- 平面視においてIGBT領域及びダイオード領域が規定された第1導電型の半導体基板と、
前記IGBT領域の前記半導体基板の裏面側に配設された第2導電型のコレクタ層と、
前記IGBT領域の前記半導体基板の表面側に配設された第2導電型のベース層と、
前記ベース層の上部に選択的に配設された第1導電型のエミッタ層と、
前記ベース層の上部に選択的に配設され、前記ベース層よりも不純物濃度が高い第2導電型の第1コンタクト層と、
前記エミッタ層から前記ベース層を介して前記半導体基板に達する複数の第1トレンチ内に複数の第1絶縁膜を介してそれぞれ配設された複数の第1トレンチ電極と、
前記エミッタ層及び前記第1コンタクト層と電気的に接続されたエミッタ電極と、
前記ダイオード領域の前記半導体基板の裏面側に配設され、前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第1導電型のカソード層と、
前記ダイオード領域の前記半導体基板の表面側に配設された第2導電型のアノード層と、
前記アノード層から前記半導体基板に達する複数の第2トレンチ内に複数の第2絶縁膜を介してそれぞれ配設され、平面視において前記アノード層を挟む複数の第2トレンチ電極と、
を備え、
前記複数の第1トレンチ電極の少なくともいずれか一つは、ゲート電極と電気的に接続され、
前記複数の第2トレンチ電極のそれぞれは、前記ゲート電極または前記エミッタ電極と電気的に接続され、
前記アノード層は、前記ベース層の下端と同じ位置か、前記ベース層の下端よりも上方に位置する下端を有する第1部分と、前記第1部分に平面視で隣接し、前記第1部分の下端よりも下端が上方に位置する第2部分とを含み、
前記アノード層の前記第2部分の上部の少なくとも一部は、前記エミッタ電極に覆われ、当該エミッタ電極と電気的に接続されており、
前記第2部分の上部の前記少なくとも一部以外の前記アノード層の上部に配設され、前記アノード層よりも不純物濃度が高い第2導電型の第2コンタクト層をさらに備え、
平面視において1組の前記第2トレンチ電極の間に挟まれた前記第2コンタクト層及び前記アノード層の合計面積に対する、当該第2コンタクト層の面積の割合は、80%以下である、半導体装置。 - 平面視においてIGBT領域及びダイオード領域が規定された第1導電型の半導体基板と、
前記IGBT領域の前記半導体基板の裏面側に配設された第2導電型のコレクタ層と、
前記IGBT領域の前記半導体基板の表面側に配設された第2導電型のベース層と、
前記ベース層の上部に選択的に配設された第1導電型のエミッタ層と、
前記ベース層の上部に選択的に配設され、前記ベース層よりも不純物濃度が高い第2導電型の第1コンタクト層と、
前記エミッタ層から前記ベース層を介して前記半導体基板に達する複数の第1トレンチ内に複数の第1絶縁膜を介してそれぞれ配設された複数の第1トレンチ電極と、
前記エミッタ層及び前記第1コンタクト層と電気的に接続されたエミッタ電極と、
前記ダイオード領域の前記半導体基板の裏面側に配設され、前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第1導電型のカソード層と、
前記ダイオード領域の前記半導体基板の表面側に配設された第2導電型のアノード層と、
前記アノード層から前記半導体基板に達する複数の第2トレンチ内に複数の第2絶縁膜を介してそれぞれ配設され、平面視において前記アノード層を挟む複数の第2トレンチ電極と、
を備え、
前記複数の第1トレンチ電極の少なくともいずれか一つは、ゲート電極と電気的に接続され、
前記複数の第2トレンチ電極のそれぞれは、前記ゲート電極または前記エミッタ電極と電気的に接続され、
前記アノード層は、前記ベース層の下端と同じ位置か、前記ベース層の下端よりも上方に位置する下端を有する第1部分と、前記第1部分に平面視で隣接し、前記第1部分の下端よりも下端が上方に位置する第2部分とを含み、
前記アノード層の前記第2部分の上部の少なくとも一部は、前記エミッタ電極に覆われ、当該エミッタ電極と電気的に接続されており、
前記第2部分の上部の前記少なくとも一部以外の前記アノード層の上部に配設され、前記アノード層よりも不純物濃度が高い第2導電型の第2コンタクト層をさらに備え、
平面視において1組の前記第2トレンチ電極の間に挟まれた前記第2コンタクト層及び前記アノード層の合計面積に対する、当該第2コンタクト層の面積の割合は、30%以上である、半導体装置。 - 請求項2に記載の半導体装置であって、
平面視において1組の前記第2トレンチ電極の間に挟まれた前記第2コンタクト層及び前記アノード層の合計面積に対する、当該第2コンタクト層の面積の割合は、80%以下である、半導体装置。 - 半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置は、
平面視においてIGBT領域及びダイオード領域が規定された第1導電型の半導体基板と、
前記IGBT領域の前記半導体基板の裏面側に配設された第2導電型のコレクタ層と、
前記IGBT領域の前記半導体基板の表面側に配設された第2導電型のベース層と、
前記ベース層の上部に選択的に配設された第1導電型のエミッタ層と、
前記ベース層の上部に選択的に配設され、前記ベース層よりも不純物濃度が高い第2導電型の第1コンタクト層と、
前記エミッタ層から前記ベース層を介して前記半導体基板に達する複数の第1トレンチ内に複数の第1絶縁膜を介してそれぞれ配設された複数の第1トレンチ電極と、
前記エミッタ層及び前記第1コンタクト層と電気的に接続されたエミッタ電極と、
前記ダイオード領域の前記半導体基板の裏面側に配設され、前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第1導電型のカソード層と、
前記ダイオード領域の前記半導体基板の表面側に配設された第2導電型のアノード層と、
前記アノード層から前記半導体基板に達する複数の第2トレンチ内に複数の第2絶縁膜を介してそれぞれ配設され、平面視において前記アノード層を挟む複数の第2トレンチ電極と、
を備え、
前記複数の第1トレンチ電極の少なくともいずれか一つは、ゲート電極と電気的に接続され、
前記複数の第2トレンチ電極のそれぞれは、前記ゲート電極または前記エミッタ電極と電気的に接続され、
前記アノード層は、前記ベース層の下端と同じ位置か、前記ベース層の下端よりも上方に位置する下端を有する第1部分と、前記第1部分に平面視で隣接し、前記第1部分の下端よりも下端が上方に位置する第2部分とを含み、
前記アノード層の前記第2部分の上部の少なくとも一部は、前記エミッタ電極に覆われ、当該エミッタ電極と電気的に接続されており、
前記ダイオード領域の前記半導体基板の表面上にレジストを選択的に形成し、
前記IGBT領域の前記半導体基板の表面と、前記ダイオード領域の前記半導体基板の表面のうち前記レジストから露出された部分とに第2導電型の不純物を注入し、
前記不純物を熱拡散することにより、前記IGBT領域に前記ベース層を形成し、前記ダイオード領域の前記不純物が注入された部分の少なくとも一部に前記第1部分を形成し、当該少なくとも一部に平面視で隣接する部分に前記第2部分を形成する、半導体装置の製造方法。
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