JPWO2014097454A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

本明細書は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が同一半導体基板に形成されている半導体装置を開示する。ＩＧＢＴ領域は、コレクタ層と、ＩＧＢＴドリフト層と、ボディ層と、ゲート電極と、エミッタ層を備えている。ダイオード領域は、カソード層と、ダイオードドリフト層と、アノード層と、トレンチ電極と、アノードコンタクト層を備えている。ダイオード領域は、ゲート電極またはトレンチ電極によって、単位ダイオード領域に区画されている。ＩＧＢＴ領域と隣接する単位ダイオード領域において、半導体基板の表面を平面視したときに、アノード層とアノードコンタクト層が混在して配置されており、少なくともゲート電極を挟んでエミッタ層と対向する箇所に、アノードコンタクト層が配置されている。

Description

本明細書に記載の技術は、半導体装置に関する。
日本国特許公開公報２０１２−４３８９０号には、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が同一半導体基板に形成されている半導体装置が開示されている。半導体基板の表面には表面電極が設けられており、半導体基板の裏面には裏面電極が設けられている。ＩＧＢＴ領域は、裏面電極に接している第１導電型のコレクタ層と、コレクタ層に対して半導体基板の表面側に設けられた、第２導電型のＩＧＢＴドリフト層と、ＩＧＢＴドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられており、表面電極に接している第１導電型のボディ層と、半導体基板の表面からＩＧＢＴドリフト層まで達するトレンチの内部に配置されており、絶縁膜によって半導体基板と表面電極から絶縁されたゲート電極と、ボディ層と表面電極の間に部分的に設けられており、ゲート電極の絶縁膜と表面電極に接している第２導電型のエミッタ層を備えている。ダイオード領域は、裏面電極に接している高い第２導電型のカソード層と、カソード層に対して半導体基板の表面側に設けられており、不純物濃度がカソード層よりも低い第２導電型のダイオードドリフト層と、ダイオードドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられており、表面電極に接している第１導電型のアノード層と、半導体基板の表面からダイオードドリフト層まで達するトレンチの内部に配置されており、絶縁膜によって半導体基板から絶縁されたトレンチ電極と、アノード層と表面電極の間に設けられており、表面電極に接している、不純物濃度がアノード層よりも高い第１導電型のアノードコンタクト層を備えている。ダイオード領域は、ゲート電極またはトレンチ電極によって、単位ダイオード領域に区画されている。
ダイオード領域においてアノードコンタクト層が広く形成されていると、ダイオード動作時に、アノードコンタクト層からダイオードドリフト層への正孔注入量が多くなり、スイッチング損失が増大してしまう。このため、ダイオード動作時のスイッチング損失を改善するためには、ダイオード領域においてアノードコンタクト層が占める割合を低減することが好ましい。しかしながら、単純にアノードコンタクト層を縮小すると、ダイオード動作時に、ゲート干渉による順方向電圧の変動が大きくなってしまう。
本明細書は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が同一半導体基板に形成されている半導体装置を開示する。半導体基板の表面には表面電極が設けられており、半導体基板の裏面には裏面電極が設けられている。ＩＧＢＴ領域は、裏面電極に接している第１導電型のコレクタ層と、コレクタ層に対して半導体基板の表面側に設けられた、第２導電型のＩＧＢＴドリフト層と、ＩＧＢＴドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられており、表面電極に接している第１導電型のボディ層と、半導体基板の表面からＩＧＢＴドリフト層まで達するトレンチの内部に配置されており、絶縁膜によって半導体基板と表面電極から絶縁されたゲート電極と、ボディ層と表面電極の間に部分的に設けられており、ゲート電極の絶縁膜と表面電極に接している第２導電型のエミッタ層を備えている。ダイオード領域は、裏面電極に接している高い第２導電型のカソード層と、カソード層に対して半導体基板の表面側に設けられており、不純物濃度がカソード層よりも低い第２導電型のダイオードドリフト層と、ダイオードドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられており、表面電極に接している第１導電型のアノード層と、半導体基板の表面からダイオードドリフト層まで達するトレンチの内部に配置されており、絶縁膜によって半導体基板から絶縁されたトレンチ電極と、アノード層と表面電極の間に部分的に設けられており、表面電極に接している、不純物濃度がアノード層よりも高い第１導電型のアノードコンタクト層を備えている。ダイオード領域は、ゲート電極またはトレンチ電極によって、単位ダイオード領域に区画されている。ＩＧＢＴ領域と隣接する単位ダイオード領域において、半導体基板の表面を平面視したときに、アノード層とアノードコンタクト層が混在して配置されており、少なくともゲート電極を挟んでエミッタ層と対向する箇所に、アノードコンタクト層が配置されている。
上記の半導体装置では、ＩＧＢＴ領域に隣接する単位ダイオード領域において、アノードコンタクト層が、全面的に形成されているわけではなく、部分的に形成されている。このような構成とすることによって、ダイオード動作時の、アノードコンタクト層からダイオードドリフト層への正孔の注入量が低減される。ダイオード領域の逆回復特性を向上し、スイッチング損失を低減することができる。
また、上記の半導体装置によれば、ダイオード動作時のゲート干渉の影響を抑制することができる。すなわち、ダイオード動作時に、ＩＧＢＴ領域のゲート電極にゲート電圧が印加されて、ゲート電極の近傍にエミッタ層とＩＧＢＴドリフト層を接続するチャネルが形成される場合であっても、ＩＧＢＴ領域に隣接する単位ダイオード領域において、ゲート電極を挟んでエミッタ層と対向する箇所にアノードコンタクト層が形成されているため、チャネルの形成に起因する正孔の低減を抑制することができる。これによって、ダイオード動作時のゲート干渉による順方向電圧の変動を抑制することができる。
実施例１に係る半導体装置の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 変形例に係る半導体装置の平面図である。 変形例に係る半導体装置の平面図である。 変形例に係る半導体装置の平面図である。 変形例に係る半導体装置の平面図である。
本明細書が開示する半導体装置は、ＩＧＢＴ領域と隣接する単位ダイオード領域において、半導体基板の表面を平面視したときに、ゲート電極が伸びる方向に関して、アノードコンタクト層とアノード層が交互に配置されているように構成することができる。
上記の半導体装置によれば、ＩＧＢＴ領域に隣接する単位ダイオード領域において、ゲート電極を挟んでエミッタ層と対向する箇所にアノードコンタクト層を残存させつつ、単位ダイオード領域においてアノードコンタクト層が占める割合を低減させることができる。
本明細書が開示する半導体装置は、ＩＧＢＴ領域と隣接する単位ダイオード領域において、半導体基板の表面を平面視したときに、ゲート電極が伸びる方向に直交する方向に関して、ゲート電極の近傍にアノードコンタクト層が配置されており、単位ダイオード領域の中央にアノード層が配置されているように構成することができる。
上記の半導体装置によれば、ＩＧＢＴ領域に隣接する単位ダイオード領域において、ゲート電極を挟んでエミッタ層と対向する箇所にアノードコンタクト層を残存させつつ、単位ダイオード領域においてアノードコンタクト層が占める割合を低減させることができる。
図１−図３に示す半導体装置２は、ＩＧＢＴとダイオードが同一の半導体基板４に形成されたＲＣ−ＩＧＢＴである。なお、図１に示す平面図は、半導体基板４の表面に形成された表面電極６の図示を省略しており、半導体基板４の表面を図示している。また、半導体装置２は、複数のＩＧＢＴ領域と複数のダイオード領域が交互に配置されており、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界を複数有している。図１−図３は、複数のＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界のうちの１つを図示しており、半導体装置２の複数の境界は、いずれも図１−図３と同様の構成を有している。
半導体装置２は、半導体基板４と、半導体基板４の表面側に形成されたダミーゲート８，絶縁ゲート１０および表面絶縁膜１２と、半導体基板４の表面に接する表面電極６と、半導体基板４の裏面に接する裏面電極１４とを備えている。ダミーゲート８と絶縁ゲート１０は、略一定の間隔で半導体基板４に形成されている。半導体基板４は、ダイオード領域１６と、ＩＧＢＴ領域１８とを備えている。
図２および図３に示すように、ダイオード領域１６には、不純物濃度の高いｐ型半導体からなるアノードコンタクト層２０と、ｐ型半導体からなるアノード層２２と、不純物濃度の低いｎ型半導体からなるドリフト層２４と、ｎ型半導体からなるバッファ層２６と、不純物濃度の高いｎ型半導体からなるカソード層２８が形成されている。アノードコンタクト層２０、アノード層２２は、半導体基板４の表面に露出しており、表面電極６に接触している。アノードコンタクト層２０は、アノード層２２の表層部分に部分的に形成されている。ドリフト層２４は、アノード層２２の裏面に形成されている。バッファ層２６は、ドリフト層２４の裏面に形成されている。カソード層２８は、バッファ層２６の裏面に形成されている。カソード層２８は半導体基板４の裏面に露出しており、裏面電極１４に接触している。
ＩＧＢＴ領域１８には、不純物濃度の高いｐ型半導体からなるボディコンタクト層３０と、不純物濃度の高いｎ型半導体からなるエミッタ層３２と、ｐ型半導体からなるボディ層３４と、不純物濃度の低いｎ型半導体からなるドリフト層２４と、ｎ型半導体からなるバッファ層２６と、不純物濃度の高いｐ型半導体からなるコレクタ層３６が形成されている。ボディコンタクト層３０、エミッタ層３２、ボディ層３４は、半導体基板４の表面に露出しており、表面電極６に接触している。ボディコンタクト層３０およびエミッタ層３２は、ボディ層３４の表層部分に部分的に形成されている。ドリフト層２４は、ボディ層３４の裏面に形成されている。バッファ層２６は、ドリフト層２４の裏面に形成されている。コレクタ層３６は、バッファ層２６の裏面に形成されている。コレクタ層３６は半導体基板４の裏面に露出しており、裏面電極１４に接触している。
半導体装置２では、ダイオード領域１６のドリフト層２４（ダイオードドリフト層ともいう）と、ＩＧＢＴ領域１８のドリフト層２４（ＩＧＢＴドリフト層ともいう）が、共通の層として形成されている。半導体装置２では、ダイオード領域１６のバッファ層２６とＩＧＢＴ領域１８のバッファ層２６が、共通の層として形成されている。また、半導体装置２では、ダイオード領域１６のアノード層２２とＩＧＢＴ領域１８のボディ層３４が、共通の層として形成されている。言い換えると、ダイオード領域１６のアノード層２２とＩＧＢＴ領域１８のボディ層３４は、半導体基板４の表面からの深さや、不純物濃度が共通している。
ダミーゲート８は、ダイオード領域１６において、半導体基板４の表面側からアノード層２２を貫通し、ドリフト層２４の内部まで達している。ダミーゲート８は、半導体基板４の表面側に形成されたトレンチ３８の内側に形成されたダミーゲート絶縁膜４０と、ダミーゲート絶縁膜４０に覆われてトレンチ３８内に充填されているダミーゲート電極４２とを備えている。ダミーゲート電極４２は、表面電極６に接触しており、表面電極６と電気的に接続されている。
絶縁ゲート１０は、ＩＧＢＴ領域１８において、半導体基板４の表面側からボディ層３４を貫通し、ドリフト層２４の内部まで達している。絶縁ゲート１０は、半導体基板４の表面側に形成されたトレンチ４４の内壁に形成されたゲート絶縁膜４６と、ゲート絶縁膜４６に覆われてトレンチ４４内に充填されているゲート電極４８とを備えている。ゲート電極４８は、表面絶縁膜１２によって、表面電極６と隔離されている。ゲート電極４８は、図示しないゲート電極端子と電気的に接続されている。
ダイオード領域１６は、ダミーゲート８のトレンチ３８または絶縁ゲート１０のトレンチ４４によって区画された複数の単位ダイオード領域から構成されている。ＩＧＢＴ領域１８は、絶縁ゲート１０のトレンチ４４によって区画された複数の単位ＩＧＢＴ領域から構成されている。以下では、特に、ＩＧＢＴ領域１８に隣接する単位ダイオード領域を単位ダイオード領域１６ａと表記し、単位ダイオード領域１６ａに隣接する単位ＩＧＢＴ領域を単位ＩＧＢＴ領域１８ａと表記する。
以下では、図１に示すように半導体基板４を上面視したときの配置の特徴について述べる。ＩＧＢＴ領域１８において、エミッタ層３２は、並んで配置された２つの絶縁ゲート１０の間で、一方の絶縁ゲート１０から他方の絶縁ゲート１０まで、絶縁ゲート１０が伸びる方向（図のＹ方向）に対して直交する方向（図のＸ方向）に伸びるように配置されている。半導体基板４を上面視したときに、ボディ層３４は、絶縁ゲート１０とエミッタ層３２によって、矩形の範囲に区画されており、ボディコンタクト層３０は、区画されたボディ層３４の中央付近に配置されている。ダイオード領域１６において、アノードコンタクト層２０は、絶縁ゲート１０またはダミーゲート８に近接する領域にのみ配置されている。アノードコンタクト層２０は、ＩＧＢＴ領域１８においてエミッタ層３２が伸びる方向の延長線上にのみ配置されている。すなわち、ＩＧＢＴ領域１８に隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、アノードコンタクト層２０は、単位ダイオード領域１６ａに隣接する単位ＩＧＢＴ領域１８ａのエミッタ層３２と、絶縁ゲート１０を挟んで対向する位置に配置されている。本実施例では、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、絶縁ゲート１０の近傍において、絶縁ゲート１０が伸びる方向（図のＹ方向）に関して、アノードコンタクト層２０とアノード層２２が交互に配置されている。また、本実施例では、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、絶縁ゲート１０が伸びる方向に直交する方向（図のＸ方向）に関して、絶縁ゲート１０の近傍にアノードコンタクト層２０が配置されており、単位ダイオード領域１６ａの中央にアノード層２２が配置されている。
アノードコンタクト層２０をアノード層２２の一部として捉える場合、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａでは、絶縁ゲート１０を挟んでエミッタ層３２と対向する箇所のアノード層２２の不純物濃度が、その単位ダイオード領域１６ａにおけるアノード層２２の平均的な不純物濃度よりも高い。あるいは、絶縁ゲート１０が伸びる方向（Ｙ方向）に関して、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおけるアノード層２２の不純物濃度は、絶縁ゲート１０を挟んでエミッタ層３２と対向する箇所で極大値を有する。
本実施例の半導体装置２では、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、絶縁ゲート１０を挟んでエミッタ層３２と対向する箇所に、アノードコンタクト層２０が形成されている。このような構成とすることによって、半導体装置２がＩＧＢＴ動作をしており、ＩＧＢＴ領域１８がオンからオフに切り換わる際、単位ダイオード領域１６ａのドリフト層２４に蓄積した正孔が単位ＩＧＢＴ領域１８ａのボディコンタクト層３０に集中して流れることを防ぐことができる。単位ＩＧＢＴ領域１８ａのターンオフ時のボディコンタクト層３０への正孔電流が抑制されることで、エミッタ層３２に起因するラッチアップを抑制し、半導体装置２のＲＢＳＯＡ耐量を向上することができる。
また、本実施例の半導体装置２では、ダイオード動作時のゲート干渉の影響を抑制することができる。すなわち、ダイオード動作時に、単位ＩＧＢＴ領域１８ａのゲート電極４８にゲート電圧が印加されて、絶縁ゲート１０の近傍にエミッタ層３２とドリフト層２４を接続するチャネルが形成される場合であっても、単位ダイオード領域１６ａの絶縁ゲート１０を挟んでエミッタ層３２と対向する位置にアノードコンタクト層２０が形成されているため、チャネルの形成に起因する正孔の低減を抑制することができる。これによって、ダイオード動作時のゲート干渉による順方向電圧の変動を抑制することができる。
本実施例の半導体装置２では、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、アノードコンタクト層２０が、全面的に形成されているわけではなく、部分的に形成されている。このような構成とすることによって、ダイオード動作時の、アノードコンタクト層２０からドリフト層２４への正孔の注入量が低減される。ダイオード領域１６の逆回復特性を向上し、スイッチング損失を低減することができる。
（変形例）
ダイオード領域１６におけるアノードコンタクト層２０の配置は、上記の実施例のものに限られるものではない。例えば、図４に示す変形例の半導体装置５０のように、アノードコンタクト層２０は、絶縁ゲート１０またはダミーゲート８が伸びる方向（図のＹ方向）に対して直交する方向（図のＸ方向）に伸びるように配置されていてもよい。図４に示す変形例では、アノードコンタクト層２０は、ＩＧＢＴ領域１８においてエミッタ層３２が伸びる方向の延長線上にのみ配置されている。図４に示す変形例では、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、絶縁ゲート１０が伸びる方向（図のＹ方向）に関して、アノードコンタクト層２０とアノード層２２が交互に配置されている。
あるいは、図５に示す変形例の半導体装置５２のように、アノードコンタクト層２０が部分的な開口を有する梯子状に形成されていてもよい。図５に示す変形例では、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、単位ダイオード領域１６ａの中央において、絶縁ゲート１０が伸びる方向（図のＹ方向）に関して、アノードコンタクト層２０とアノード層２２が交互に配置されている。また、図５に示す変形例では、単位ＩＧＢＴ領域１８ａに隣接する単位ダイオード領域１６ａにおいて、絶縁ゲート１０が伸びる方向に直交する方向（図のＸ方向）に関して、絶縁ゲート１０の近傍にアノードコンタクト層２０が配置されており、単位ダイオード領域１６ａの中央にアノード層２２が配置されている。
ＩＧＢＴ領域１８におけるエミッタ層３２の配置は、上記の実施例のものに限られない。例えば、図６に示す変形例の半導体装置５４のように、エミッタ層３２が、格子状に配置されていてもよい。あるいは、図７に示す変形例の半導体装置５６に示すように、エミッタ層３２が、部分的な開口を有する梯子状に配置されていてもよい。図６に示す変形例では、ダイオード領域１６のアノードコンタクト層２０は、絶縁ゲート１０を挟んでエミッタ層３２と対向する箇所に配置されている。図７に示す変形例では、ダイオード領域１６のアノードコンタクト層２０は、絶縁ゲート１０またはダミーゲート８に近接する箇所において、絶縁ゲート１０またはダミーゲート８が伸びる方向（Ｙ方向）と平行に伸びるように配置されている。
本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された半導体装置を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。
また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、特許請求の範囲に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。
本明細書及び／又は特許請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び／又は特許請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに特許請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに特許請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。
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。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。

Claims (3)

  1. ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が同一半導体基板に形成されている半導体装置であって、
    半導体基板の表面には表面電極が設けられており、半導体基板の裏面には裏面電極が設けられており、
    ＩＧＢＴ領域は、
    裏面電極に接している第１導電型のコレクタ層と、
    コレクタ層に対して半導体基板の表面側に設けられた、第２導電型のＩＧＢＴドリフト層と、
    ＩＧＢＴドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられており、表面電極に接している第１導電型のボディ層と、
    半導体基板の表面からＩＧＢＴドリフト層まで達するトレンチの内部に配置されており、絶縁膜によって半導体基板と表面電極から絶縁されたゲート電極と、
    ボディ層と表面電極の間に部分的に設けられており、ゲート電極の絶縁膜と表面電極に接している第２導電型のエミッタ層を備えており、
    ダイオード領域は、
    裏面電極に接している高い第２導電型のカソード層と、
    カソード層に対して半導体基板の表面側に設けられており、不純物濃度がカソード層よりも低い第２導電型のダイオードドリフト層と、
    ダイオードドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられており、表面電極に接している第１導電型のアノード層と、
    半導体基板の表面からダイオードドリフト層まで達するトレンチの内部に配置されており、絶縁膜によって半導体基板から絶縁されたトレンチ電極と、
    アノード層と表面電極の間に部分的に設けられており、表面電極に接している、不純物濃度がアノード層よりも高い第１導電型のアノードコンタクト層を備えており、
    ダイオード領域は、ゲート電極またはトレンチ電極によって、単位ダイオード領域に区画されており、
    ＩＧＢＴ領域と隣接する単位ダイオード領域において、半導体基板の表面を平面視したときに、アノード層とアノードコンタクト層が混在して配置されており、少なくともゲート電極を挟んでエミッタ層と対向する箇所に、アノードコンタクト層が配置されている、半導体装置。
  2. ＩＧＢＴ領域と隣接する単位ダイオード領域において、半導体基板の表面を平面視したときに、ゲート電極が伸びる方向に関して、アノードコンタクト層とアノード層が交互に配置されている、請求項１の半導体装置。
  3. ＩＧＢＴ領域と隣接する単位ダイオード領域において、半導体基板の表面を平面視したときに、ゲート電極が伸びる方向に直交する方向に関して、ゲート電極の近傍にアノードコンタクト層が配置されており、単位ダイオード領域の中央にアノード層が配置されている、請求項１または２の半導体装置。
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