JP7475251B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
以下の説明において、n型およびp型は半導体の導電型を示し、本開示においては、第1導電型をp型、第2導電型をn型として説明するが、第1導電型をn型、第2導電型をp型としてもよい。また、n-型は不純物濃度がn型よりも低濃度であることを示し、n+型は不純物濃度がn型よりも高濃度であることを示す。同様に、p-型は不純物濃度がp型よりも低濃度であることを示し、p+型は不純物濃度がp型よりも高濃度であることを示す。
<装置構成>
図1は、実施の形態1に係るRC-IGBT100のチップ全体を示す平面図であり、図2は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。図1に示すRC-IGBT100は、IGBT領域101(トランジスタ領域)とFWD領域102(ダイオード領域)とがストライプ状に並んで設けられたものであり、「ストライプ型」と呼称される。
RC-IGBT100の動作について説明する。まず、RC-IGBT100がIGBTとして動作する場合を説明する。IGBTのオン状態は、埋め込みゲート電極8に正の電圧が印加され、n-型ドリフト層1、p型チャネルドープ層2、n+型エミッタ層3、ゲート絶縁膜7および埋め込みゲート電極8で構成されるnチャネルMOSFETがオンすることにより開始される。すなわち、n+型エミッタ層3から電子が注入され、p+型コレクタ層11から正孔が流れ込み、n-型ドリフト層1で導電率変調が起こることで、エミッタ-コレクタ間電圧が下がりIGBTのオン状態が実現する。
次に、図7~図10を用いて、実施の形態2に係るRC-IGBT200について説明する。なお、RC-IGBT200のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図7は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図7に示すA-A線での矢示方向断面図を図8に、B-B線での矢示方向断面図を図9に、C-C線での矢示方向断面図を図10に、D-D線での矢示方向断面図を図11に示す。なお、図7~図10においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図12~図16を用いて、実施の形態3に係るRC-IGBT300について説明する。なお、RC-IGBT300のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図12は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図12に示すA-A線での矢示方向断面図を図13に、B-B線での矢示方向断面図を図14に、C-C線での矢示方向断面図を図15に、D-D線での矢示方向断面図を図16に示す。なお、図12~図16においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図17~図21を用いて、実施の形態4に係るRC-IGBT400について説明する。なお、RC-IGBT400のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図17は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図17に示すA-A線での矢示方向断面図を図18に、B-B線での矢示方向断面図を図19に、C-C線での矢示方向断面図を図20に、D-D線での矢示方向断面図を図21に示す。なお、図17~図21においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図22~図26を用いて、実施の形態5に係るRC-IGBT500について説明する。なお、RC-IGBT500のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図22は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図22に示すA-A線での矢示方向断面図を図23に、B-B線での矢示方向断面図を図24に、C-C線での矢示方向断面図を図25に、D-D線での矢示方向断面図を図26に示す。なお、図22~図26においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図27~図31を用いて、実施の形態6に係るRC-IGBT600について説明する。なお、RC-IGBT600のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図27は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図27に示すA-A線での矢示方向断面図を図28に、B-B線での矢示方向断面図を図29に、C-C線での矢示方向断面図を図30に、D-D線での矢示方向断面図を図31に示す。なお、図27~図31においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図32~図36を用いて、実施の形態7に係るRC-IGBT700について説明する。なお、RC-IGBT700のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図32は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図32に示すA-A線での矢示方向断面図を図33に、B-B線での矢示方向断面図を図34に、C-C線での矢示方向断面図を図35に、D-D線での矢示方向断面図を図36に示す。なお、図32~図36においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図37~図41を用いて、実施の形態8に係るRC-IGBT800について説明する。なお、RC-IGBT800のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図37は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図37に示すA-A線での矢示方向断面図を図38に、B-B線での矢示方向断面図を図39に、C-C線での矢示方向断面図を図40に、D-D線での矢示方向断面図を図41に示す。なお、図37~図41においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図42~図46を用いて、実施の形態9に係るRC-IGBT900について説明する。なお、RC-IGBT900のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図42は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図42に示すA-A線での矢示方向断面図を図43に、B-B線での矢示方向断面図を図44に、C-C線での矢示方向断面図を図45に、D-D線での矢示方向断面図を図46に示す。なお、図42~図46においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、図42では、IGBT領域101に隣接するFWDユニットセル領域106において、p+型コンタクト層6の幅を広くした構成を示したが、これに限定されるものではなく、複数のFWDユニットセル領域106においてp+型コンタクト層6の幅を広くしても良い。また、IGBT領域101に隣接するFWDユニットセル領域106のp+型コンタクト層6の幅を最も広くし、IGBT領域101から離れる方向(X方向)において、p+型コンタクト層6の幅を段階的に狭くするようにしてもよい。
次に、図47~図51を用いて、実施の形態10に係るRC-IGBT1000について説明する。なお、RC-IGBT1000のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図47は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図47に示すA-A線での矢示方向断面図を図48に、B-B線での矢示方向断面図を図49に、C-C線での矢示方向断面図を図50に、D-D線での矢示方向断面図を図51に示す。なお、図47~図51においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、図47では、IGBT領域101に隣接するFWDユニットセル領域106において、p+型コンタクト層6の幅を狭くした構成を示したが、これに限定されるものではなく、複数のFWDユニットセル領域106においてp+型コンタクト層6の幅を狭くしても良い。IGBT領域101との境界にあるダイオードがIGBT領域101の寄生ダイオードの影響を受けるのは、平面的距離で、境界から基板厚み程度から基板厚みの1.5倍程度の距離であるので、この範囲のp+型コンタクト層6の幅を、この範囲外のp+型コンタクト層6の幅10~30%程度狭くすることで、寄生ダイオードからの影響を低減できる。
次に、図52~図57を用いて、実施の形態11に係るRC-IGBT1100について説明する。なお、RC-IGBT1100のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図52は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図52に示すA-A線での矢示方向断面図を図53に、B-B線での矢示方向断面図を図54に、C-C線での矢示方向断面図を図55に、D-D線での矢示方向断面図を図56に、E-E線での矢示方向断面図を図57に示す。なお、図52~図57においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、図52では、FWD領域102に隣接するIGBTユニットセル領域105がn+型エミッタ層3、p+型コンタクト層4およびp型チャネルドープ層2で構成された例を示したが、これに限定されるものではなく、複数のIGBTユニットセル領域105において同様の構成としても良い。
次に、図58~図62を用いて、実施の形態12に係るRC-IGBT1200について説明する。なお、RC-IGBT1200のチップ全体を示す平面図は図1と同じであり、図58は、図1中の破線で囲まれた領域Xを示す平面図である。また、図58に示すA-A線での矢示方向断面図を図59に、B-B線での矢示方向断面図を図60に、C-C線での矢示方向断面図を図61に、D-D線での矢示方向断面図を図62に示す。なお、図58~図62においては、図2~図6を用いて説明したRC-IGBT100と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、図58では、FWD領域102に隣接するIGBTユニットセル領域105のうち、p型ウェル層16に接するp+型コンタクト層4の面積を増やしているが、当該IGBTユニットセル領域105の領域全体で、n+型エミッタ層3の面積を減らし、p+型コンタクト層4の面積を増やすことも可能である。
以下、RC-IGBTの他の構成例について示す。図63は、RC-IGBTである半導体装置2000を示す平面図である。また、図64は、RC-IGBTである半導体装置2001を示す平面図である。図63に示す半導体装置2000は、IGBT領域110とダイオード領域120とがストライプ状に並んで設けられたものであり、単に「ストライプ型」と呼んでよい。図64に示す半導体装置2001は、ダイオード領域120が縦方向と横方向に複数設けられ、ダイオード領域120の周囲にIGBT領域110が設けられたものであり、単に「アイランド型」と呼んでよい。
図63において、半導体装置2000は、1つの半導体装置内にIGBT領域110とダイオード領域120とを備えている。IGBT領域110およびダイオード領域120は、半導体装置2000の一端側から他端側に延伸し、IGBT領域110およびダイオード領域120の延伸方向と直交する方向に交互にストライプ状に設けられている。図63では、IGBT領域110を3個、ダイオード領域120を2個で示し、全てのダイオード領域120がIGBT領域110で挟まれた構成で示しているが、IGBT領域110とダイオード領域120の数はこれに限るものでなく、IGBT領域110の数は3個以上でも3個以下でもよく、ダイオード領域120の数も2個以上でも2個以下でもよい。また、図63のIGBT領域110とダイオード領域120の場所を入れ替えた構成であってもよく、全てのIGBT領域110がダイオード領域120に挟まれた構成であってもよい。また、IGBT領域110とダイオード領域120とがそれぞれ1つずつ互いに隣り合って設けられた構成であってもよい。
図64において、半導体装置2001は、1つの半導体装置内にIGBT領域110とダイオード領域120とを備えている。ダイオード領域120は、半導体装置内に平面視で縦方向および横方向にそれぞれ複数並んで配置されており、ダイオード領域120は周囲をIGBT領域110に取り囲まれている。つまり、IGBT領域110内に複数のダイオード領域120がアイランド状に設けられている。図64では、ダイオード領域120は紙面左右方向に4列、紙面上下方向に2行のマトリクス状に設けた構成で示しているが、ダイオード領域120の個数および配置はこれに限るものではなく、IGBT領域110内に1つまたは複数のダイオード領域120が点在して設けられ、それぞれのダイオード領域120が周囲をIGBT領域110に囲まれた構成であればよい。
図65は、図63に示した半導体装置2000または図64に示した半導体装置2001におけるIGBT領域110の破線で囲った領域182を拡大して示す部分平面図である。図65に示すように、IGBT領域110には、アクティブトレンチゲート111とダミートレンチゲート112とがストライプ状に設けられている。半導体装置2000では、アクティブトレンチゲート111およびダミートレンチゲート112は、IGBT領域110の長手方向に延伸しておりIGBT領域110の長手方向がアクティブトレンチゲート111およびダミートレンチゲート112の長手方向となっている。一方、半導体装置2001では、IGBT領域110に長手方向と短手方向の区別が特段にないが、紙面左右方向をアクティブトレンチゲート111およびダミートレンチゲート112の長手方向としてもよく、紙面上下方向をアクティブトレンチゲート111およびダミートレンチゲート112の長手方向としてもよい。
図66は図65におけるA-A線での矢示方向断面図である。図66に示すように、半導体装置2000または半導体装置2001は、半導体基板からなるn-型ドリフト層91を有している。n-型ドリフト層91は、n型不純物として例えばヒ素(As)またはリン(P)等を有する半導体層であり、n型不純物の濃度は1.0×1012/cm3~1.0×1015/cm3である。半導体基板は、図66においては、IGBT領域110においては、n+型ソース層113およびp+型コンタクト層114からp型コレクタ層116までの範囲である。
<部分平面構成>
図68は、図63に示した半導体装置2000または図54に示した半導体装置2001におけるダイオード領域120の破線で囲った領域183を拡大して示す部分平面図である。図68に示すように、ダイオード領域120には、ダイオードトレンチゲート121が、半導体装置2000または半導体装置2001の第1主面に沿ってセル領域であるダイオード領域120の一端側から対向する他端側に向かって延伸している。ダイオードトレンチゲート121は、ダイオード領域120の半導体基板に形成されたトレンチ内にダイオードトレンチ絶縁膜121bを介してダイオードトレンチ電極121aが設けられることで構成される。ダイオードトレンチ電極121aはダイオードトレンチ絶縁膜121bを介してn-型ドリフト層91に対向している。隣接する2つのダイオードトレンチゲート121の間には、p+型コンタクト層124およびp型アノード層125が設けられている。
図69は図68におけるC-C線での矢示方向断面図である。図69に示すように半導体装置2000または半導体装置2001は、ダイオード領域120においてもIGBT領域110と同じく半導体基板からなるn-型ドリフト層1を有している。ダイオード領域120のn-型ドリフト層1とIGBT領域110のn-型ドリフト層1とは連続して一体的に構成されたものであり、同一の半導体基板によって構成されている。図69において半導体基板は、p+型コンタクト層124からn+型カソード層126までの範囲である。図69においてp+型コンタクト層124の紙面上端を半導体基板の第1主面、n+型カソード層126の紙面下端を半導体基板の第2主面と呼ぶ。ダイオード領域120の第1主面とIGBT領域110の第1主面は同一面であり、ダイオード領域120の第2主面とIGBT領域110の第2主面は同一面である。
図72は、図63に示した半導体装置2000または図64に示した半導体装置2001におけるE-E線での矢示方向断面図であり、IGBT領域110と終端領域130の境界部分の構成を示している。
Claims (16)
- トランジスタとダイオードとが共通の半導体基板に形成された半導体装置であって、
前記半導体基板は、
前記トランジスタが形成されたトランジスタ領域と、
前記ダイオードが形成されたダイオード領域と、
前記トランジスタ領域および前記ダイオード領域を含むセル領域を囲む外周領域と、を有し、
前記トランジスタ領域は、
ストライプ状の複数のゲート電極によって、複数のトランジスタユニットセル領域に区分され、
前記ダイオード領域は、
前記複数のゲート電極によって、複数のダイオードユニットセル領域に区分され、
前記複数のトランジスタユニットセル領域は、
前記半導体基板の第2主面側に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層上に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層よりも前記半導体基板の第1主面側に設けられた第1導電型の第3半導体層と、
前記第3半導体層の上層部に選択的に設けられた第2導電型の第4半導体層と、
前記第4半導体層と側面どうしが接するように選択的に設けられた第1導電型の第5半導体層と、
前記第1半導体層に電気的に接続された第1電極と、
コンタクトホールを介して、前記第4半導体層および前記第5半導体層に電気的に接続された第2電極と、を有し、
前記複数のダイオードユニットセル領域は、
前記半導体基板の第2主面側に設けられた第2導電型の第6半導体層と、
前記第6半導体層上に設けられた前記第2半導体層と、
前記第2半導体層よりも前記半導体基板の第1主面側に設けられた第1導電型の第7半導体層と、
前記第7半導体層の上層部に選択的に設けられた第1導電型の第8半導体層と、
前記第6半導体層に電気的に接続された前記第1電極と、
前記コンタクトホールを介して、前記第7半導体層および前記第8半導体層に電気的に接続された前記第2電極と、を有し、
前記トランジスタ領域の前記第5半導体層は、前記外周領域に設けられ前記セル領域との境界を規定する第1導電型の不純物層内に侵入するように設けられ、前記コンタクトホールは、前記外周領域の前記不純物層の上部まで延在するように設けられる、半導体装置。 - トランジスタとダイオードとが共通の半導体基板に形成された半導体装置であって、
前記半導体基板は、
前記トランジスタが形成されたトランジスタ領域と、
前記ダイオードが形成されたダイオード領域と、
前記トランジスタ領域および前記ダイオード領域を含むセル領域を囲む外周領域と、を有し、
前記トランジスタ領域は、
ストライプ状の複数のゲート電極によって、複数のトランジスタユニットセル領域に区分され、
前記ダイオード領域は、
メッシュ状のゲート電極によって、矩形状の複数のダイオードユニットセル領域に区分され、
前記複数のトランジスタユニットセル領域は、
前記半導体基板の第2主面側に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層上に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層よりも前記半導体基板の第1主面側に設けられた第1導電型の第3半導体層と、
前記第3半導体層の上層部に選択的に設けられた第2導電型の第4半導体層と、
前記第4半導体層と側面どうしが接するように選択的に設けられた第1導電型の第5半導体層と、
前記第1半導体層に電気的に接続された第1電極と、
コンタクトホールを介して、前記第4半導体層および前記第5半導体層に電気的に接続された第2電極と、を有し、
前記複数のダイオードユニットセル領域は、
前記半導体基板の第2主面側に設けられた第2導電型の第6半導体層と、
前記第6半導体層上に設けられた前記第2半導体層と、
前記第2半導体層よりも前記半導体基板の第1主面側に設けられた第1導電型の第7半導体層と、
前記第7半導体層の上層部に選択的に設けられた第1導電型の第8半導体層と、
前記第6半導体層に電気的に接続された前記第1電極と、
前記コンタクトホールを介して、前記第7半導体層および前記第8半導体層に電気的に接続された前記第2電極と、を有し、
前記トランジスタ領域の前記第5半導体層は、前記外周領域に設けられ前記セル領域との境界を規定する第1導電型の不純物層内に侵入するように設けられ、前記コンタクトホールは、前記外周領域の前記不純物層の上部まで延在するように設けられる、半導体装置。 - 前記ダイオード領域の前記第8半導体層は、
前記外周領域の前記不純物層に接しないように設けられ、前記コンタクトホールは、前記外周領域の前記不純物層の上部まで延在するように設けられる、請求項1または請求項2記載の半導体装置。 - 前記ダイオード領域の前記第8半導体層は、
前記外周領域の前記不純物層と接するように設けられ、前記コンタクトホールは、前記外周領域の前記不純物層の上部まで延在するように設けられる、請求項1記載の半導体装置。 - 前記ダイオード領域の前記第8半導体層は、
平面視形状が、前記複数のゲート電極の延在方向に延在する連続した一本のライン状となるように設けられる、請求項1記載の半導体装置。 - 前記ダイオード領域の前記第8半導体層は、
平面視形状が、前記複数のゲート電極の延在方向に延在する細長い矩形状を有して複数設けられ、その長手方向に一列となるように間隔を開けて配置され、
前記間隔は、前記長手方向の長さより短くなるように設定される、請求項1記載の半導体装置。 - 前記複数のダイオードユニットセル領域は、
前記第8半導体層を有さない第1ダイオードユニットセル領域と、
前記第8半導体層を有する第2ダイオードユニットセル領域と、を含み、
前記第1ダイオードユニットセル領域と前記第2ダイオードユニットセル領域とが、前記複数のゲート電極の配列方向において交互に配置され、
前記第2ダイオードユニットセル領域は、
前記第7半導体層と前記第8半導体層とが、前記複数のゲート電極の延在方向において交互に配置される、請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1ダイオードユニットセル領域の両側の前記第2ダイオードユニットセル領域は、前記第8半導体層の配置位置が前記複数のゲート電極の延在方向で互いに異なる、請求項7記載の半導体装置。
- 前記複数のダイオードユニットセル領域は、
それぞれのダイオードユニットセル領域において、前記第7半導体層と前記第8半導体層とが、前記複数のゲート電極の延在方向において交互に配置される、請求項1記載の半導体装置。 - 前記第8半導体層は、
前記複数のダイオードユニットセル領域のそれぞれのダイオードユニットセル領域における前記第7半導体層および前記第8半導体層の平面視での合計面積に対する平面視での面積の比率が、前記第7半導体層の平面視での面積の比率より小さい、請求項1または請求項2記載の半導体装置。 - 前記複数のダイオードユニットセル領域のそれぞれのダイオードユニットセル領域における前記第7半導体層および前記第8半導体層の平面視での合計面積に対する前記第8半導体層の平面視での面積の比率は、
前記複数のトランジスタユニットセル領域のそれぞれのトランジスタユニットセル領域における前記第4半導体層および前記第5半導体層の平面視での合計面積に対する前記第5半導体層の平面視での面積の比率より小さい、請求項10記載の半導体装置。 - 前記ダイオード領域の前記複数のゲート電極の配設間隔は、
前記トランジスタ領域の前記複数のゲート電極の配設間隔よりも広い、請求項1記載の半導体装置。 - 前記複数のダイオードユニットセル領域のうち、前記トランジスタ領域と隣接するダイオードユニットセル領域における前記第7半導体層および前記第8半導体層の平面視での合計面積に対する前記第8半導体層の平面視での面積の比率は、
前記トランジスタ領域と隣接していないダイオードユニットセル領域における前記第7半導体層および前記第8半導体層の平面視での合計面積に対する前記第8半導体層の平面視での面積の比率よりも大きい、請求項1記載の半導体装置。 - 前記複数のダイオードユニットセル領域のうち、前記トランジスタ領域と隣接するダイオードユニットセル領域における前記第7半導体層および前記第8半導体層の平面視での合計面積に対する前記第8半導体層の平面視での面積の比率は、
前記トランジスタ領域と隣接していないダイオードユニットセル領域における前記第7半導体層および前記第8半導体層の平面視での合計面積に対する前記第8半導体層の平面視での面積の比率よりも小さい、請求項1記載の半導体装置。 - 前記複数のトランジスタユニットセル領域のうち、前記ダイオード領域と隣接するトランジスタユニットセル領域における前記第4半導体層および前記第5半導体層の平面視での合計面積に対する前記第5半導体層の平面視での面積の比率は、
前記ダイオード領域と隣接していないトランジスタユニットセル領域における前記第4半導体層および前記第5半導体層の平面視での合計面積に対する前記第5半導体層の平面視での面積の比率よりも小さい、請求項1記載の半導体装置。 - 前記複数のトランジスタユニットセル領域のうち、前記ダイオード領域と隣接するトランジスタユニットセル領域における前記第4半導体層および前記第5半導体層の平面視での合計面積に対する前記第5半導体層の平面視での面積の比率は、
前記ダイオード領域と隣接していないトランジスタユニットセル領域における前記第4半導体層および前記第5半導体層の平面視での合計面積に対する前記第5半導体層の平面視での面積の比率より大きい、請求項1記載の半導体装置。
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