WO2013046578A1 - 半導体装置 - Google Patents

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WO2013046578A1
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emitter
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trench
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安史 樋口
深津　重光
正清 住友
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株式会社デンソー
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Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device in which an insulated gate bipolar transistor (hereinafter simply referred to as IGBT) having a trench gate structure is formed.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the semiconductor device on which the IGBT is formed is used in an electronic circuit for driving an inductive load such as a motor.
  • a semiconductor device in which a general IGBT is formed is configured as follows.
  • N - P-type base layer is formed in the surface layer of type drift layer
  • a mold emitter layer is formed.
  • a plurality of trenches that extend through the P-type base layer and the N + emitter layer and reach the N ⁇ drift layer are formed in stripes.
  • a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on the wall surface of each trench, and a trench gate composed of the trench, the gate insulating film, and the gate electrode is configured.
  • An emitter electrode is provided on the P-type base layer and the N + -type emitter layer via an interlayer insulating film, and the P-type base layer and the N + are connected via a contact hole formed in the interlayer insulating film.
  • the emitter layer and the emitter electrode are electrically connected.
  • a collector electrode electrically connected to the collector is provided on the back surface of the collector layer.
  • an N-type inversion layer is formed in a portion of the P-type base layer in contact with the gate insulating film disposed in the trench.
  • an electron storage layer is formed in a portion of the N ⁇ drift layer in contact with the gate insulating film disposed in the trench. Then, electrons flow from the N + emitter layer to the N ⁇ drift layer through the inversion layer and the accumulation layer, and holes flow from the collector layer to the N ⁇ drift layer, and the resistance value decreases due to conductivity modulation. Is turned on.
  • a semiconductor device in which such an IGBT is formed can achieve a lower on-voltage than a semiconductor device in which a MOSFET is formed.
  • further reduction of on-voltage has been demanded.
  • Patent Document 1 discloses that the width of the adjacent gate electrode is extremely narrow, 0.55 nm to 0.3 ⁇ m.
  • Patent Document 2 by forming the widened portion located in the N ⁇ -type drift layer of the trench gate so as to be wider than the width other than the widened portion, the widened portion of the adjacent trench gate is formed. It is disclosed that the interval is narrower than the portion other than the widened portion.
  • N - passes between the trench gate holes flowing into the -type drift layer is adjacent hardly go off the P-type base layer, N - -type drift layer Many holes can be accumulated. Thereby, the supply amount of electrons flowing from the N + type emitter layer to the N ⁇ type drift layer through the inversion layer and the accumulation layer can be increased, and the electron mobility is higher than the hole mobility. Since it is large, the on-voltage can be further reduced.
  • Patent Documents 1 and 2 a low on-voltage can be realized.
  • a semiconductor device that realizes a low on-voltage and further improves the load short-circuit tolerance.
  • an object of the present disclosure is to provide a semiconductor device capable of improving the load short-circuit tolerance while realizing a low on-voltage.
  • a semiconductor device includes a collector layer of a first conductivity type layered along an xy plane defined by an x direction and a y direction orthogonal to each other, and a collector layer
  • the second conductivity type drift layer formed on the upper surface, the first conductivity type base layer formed on the drift layer, the trench gate, and the surface layer of the base layer formed on the side of the trench gate.
  • An emitter layer of the second conductivity type, a collector electrode formed on the back surface of the collector layer opposite to the surface on which the drift layer is formed, electrically connected to the collector layer, and electrically connected to the emitter layer and the base layer Connected emitter electrodes.
  • the trench gate has a plurality of trenches extending in a stripe shape in the y direction, a gate insulating film formed on the wall surface of the trench, and a gate electrode formed on the gate insulating film.
  • the trench reaches the middle of the drift layer from the surface along the xy plane of the base layer through the base layer in the z direction perpendicular to the xy plane.
  • the trench gate includes a bottom portion formed in the drift layer and a communication portion formed to communicate with the bottom portion from the surface of the base layer.
  • the interval in the x direction between adjacent bottom portions is shorter than the interval in the x direction between adjacent communicating portions.
  • the gate insulating film is thicker at the bottom than at the communicating portion.
  • a voltage is applied to the gate electrode in the y direction, corresponding to an effective region corresponding to an emitter layer that becomes a source of charge injection into the drift layer by applying a voltage to the gate electrode.
  • L 1 ⁇ 2 (D 1 ) is the interval between invalid regions in the y direction
  • D 1 is the length in the z direction of the communicating portion
  • D 2 is the length in the z direction of the bottom portion. + D 2 ) is satisfied.
  • the interval between adjacent trench gates is not constant in the z direction. That is, the length of the surface layer portion of the base layer sandwiched between adjacent trench gates is not constant. Specifically, the interval between adjacent bottom portions is shorter than the interval between adjacent communicating portions. This limits the movement of holes injected into the drift layer compared to the case where the distance between adjacent trench gates is constant at the length of the surface layer portion of the base layer sandwiched between adjacent trench gates. can do. That is, many holes can be accumulated in the drift layer. The accumulated holes can increase the supply amount of electrons injected from the emitter layer to the drift layer through the inversion layer and the accumulation layer, and can reduce the on-voltage.
  • the interval between the adjacent bottom portions is shorter than the interval between the adjacent communicating portions, in other words, the length of the surface layer portion of the base layer sandwiched between the adjacent communicating portions is larger than the interval between the adjacent bottom portions. Is that it has been long. Therefore, the following effects can be obtained as compared with a semiconductor device in which the interval between adjacent trench gates is constant at a very narrow interval, for example, the semiconductor device described in Patent Document 1. That is, it can suppress that the adjacent inversion layer formed at the time of ON joins mutually, and can suppress the increase in saturation current.
  • the contact area between the emitter layer and the base layer connected to the emitter electrode can be increased, and the contact resistance can be lowered, so that the on-voltage can be lowered.
  • the contact area of the emitter layer and the base layer connected to the emitter electrode can be increased, alignment adjustment at the time of electrode formation can be facilitated, and the manufacturing process can be simplified.
  • the gate insulating film has a thickness of a portion formed on the wall surface constituting the bottom portion of the trench, and a thickness of a portion formed on the wall surface constituting the communication portion of the trench. Thicker than that. For this reason, compared to the case where the thickness of the gate insulating film is constant at the thickness of the portion of the gate insulating film formed on the wall surface constituting the communicating portion, it is formed in the trench gate in the drift layer. The thickness of the storage layer formed in the portion in contact with the gate insulating film thus formed can be reduced. That is, the saturation current can be reduced and the load short-circuit tolerance can be improved.
  • the effective region is divided and provided in the extending direction of the trench gate, that is, in the y direction.
  • the ratio of the width of the effective region to the trench gate length in the y direction is smaller than that of the conventional structure in which the effective region is continuous. That is, the current density due to electrons injected from the emitter layer into the drift layer is smaller than that of a structure in which the effective region is continuous. Therefore, the saturation current of the IGBT can be reduced.
  • the IGBT has a structure satisfying the relationship of L 1 ⁇ 2 (D 1 + D 2 ).
  • the movement path of electrons moving from the emitter layer to the drift layer of each divided effective region is not more than the depth corresponding to the length (D 1 + D 2 ) of the trench gate in the z direction.
  • Overlapping in shallow position That is, in the drift layer, the voltage drop in the portion deeper than the length (D 1 + D 2 ) in the z direction from the surface of the base layer can be made substantially equivalent to the structure in which the effective region is continuous.
  • the ratio of the drift layer to the voltage drop component is high.
  • the on-voltage of the IGBT can be efficiently reduced. Therefore, it is possible to reduce the saturation current and improve the load short-circuit withstand capability by adopting a structure having an effective region and an ineffective region while suppressing a rise in on-voltage by reducing a voltage drop in the drift layer. Can do.
  • the active region among the regions between the adjacent trench gates having a region corresponding to the emitter layer, which is formed by dividing into plural at intervals L 1 in the y-direction
  • the invalid region can be configured to have a region sandwiched between adjacent effective regions in the y direction.
  • the emitter layer is divided and provided in the extending direction of the trench gate, that is, in the y direction.
  • the base layer is provided between the adjacent emitter layers in the y direction.
  • a voltage is applied to the gate electrode, electrons are injected from the emitter layer into the drift layer in the region where the emitter layer is formed.
  • the region where the emitter layer is not formed electrons are not injected from the surface layer portion of the base layer in contact with the trench gate into the drift layer. That is, in the y direction, a region where an emitter layer as an electron injection source is formed corresponds to an effective region, and a region between adjacent effective regions corresponds to an ineffective region.
  • the ratio of the width of the emitter layer to the trench gate length in the y direction is smaller than that of a structure in which the emitter layer is continuous. That is, the current density due to electrons injected from the emitter layer into the drift layer is smaller than that of a structure in which the emitter layers are continuous. Therefore, the saturation current of the IGBT can be reduced.
  • the voltage drop in the portion deeper than the length (D 1 + D 2 ) in the z direction from the surface of the base layer may be made substantially equal to the structure in which the emitter layer is continuous. it can. Therefore, the saturation current can be reduced and the load short-circuit withstand capability can be improved by using the split emitter structure while reducing the voltage drop in the drift layer and suppressing the rise of the on-voltage.
  • the first high-concentration base region of the first conductivity type having a higher impurity concentration than the base layer is formed in the surface layer portion of the base layer in the ineffective region.
  • the contact resistance between the emitter layer and the emitter electrode formed on the surface of the base layer and the base layer can be lowered as compared with the configuration in which the first high-concentration base region is not formed. For this reason, the electric potential of a base layer can be stabilized and the tolerance with respect to an electric surge can be improved.
  • the emitter layer continuously extends in the y direction along the trench gate, and is in contact with the emitter layer in the z direction of the base layer as the ineffective region, and in the x direction. in a position in contact with the trench gate is formed by intermittently divided with the length of the interval L 1 in the y direction, higher impurity concentration than the base layer, an impurity concentration lower than the emitter layer, the first conductivity type It has a region where the second high concentration base region is formed, and has a region sandwiched between adjacent second high concentration base regions as an effective region.
  • the second high-concentration base region is divided and formed in the y direction at a position in contact with the emitter layer in the z direction and in contact with the trench gate in the x direction.
  • the second high concentration base region has a higher impurity concentration than the base layer. For this reason, the second high-concentration base region is less likely to be inverted than the base layer when a voltage is applied to the gate electrode. That is, in the y direction, a region in which the second high-concentration base region is formed between adjacent trench gates in the y direction is an ineffective region where electrons are not injected from the region in contact with the trench gate into the drift layer. .
  • this region is an effective region using the emitter layer as an injection source.
  • the invalid area is divided and formed, that is, the effective area is also divided and formed.
  • the ratio of the width of the emitter layer as the implantation source to the trench gate length in the y direction is smaller than that of the structure in which the effective regions are continuous. That is, the current density due to electrons injected from the emitter layer into the drift layer is smaller than that of a structure in which the effective region is continuous. Therefore, the saturation current of the IGBT can be reduced.
  • the voltage drop in a portion deeper than the length (D 1 + D 2 ) in the z direction from the surface of the base layer in the drift layer is substantially equal to the structure in which the emitter layer is continuous. Can do. Therefore, the saturation current can be reduced while the voltage drop in the drift layer is reduced to suppress the rise of the on-voltage, and the load short-circuit tolerance can be improved.
  • the electron movement path moving from the emitter layer of each divided effective regions toward the drift layer overlaps at a shallow position below the depth corresponding to the z-direction of the length D 1 of the through-portion .
  • electron movement paths overlap in the base layer.
  • L 1 and D 1 satisfy the relationship of D 1 ⁇ L 1 . If the structure satisfies the relationship of D1 ⁇ L1, the saturation current can be effectively reduced. Saturation current, decreases with increasing L 1. The rate of change, that is, the absolute value of the slope, increases as L 1 increases and becomes constant in the region of D 1 ⁇ L 1 . Therefore, the saturation current can be effectively reduced by satisfying the relationship of D 1 ⁇ L 1 between L 1 and D 1 .
  • the effective region has a periodic structure in which L 1 and the length L 2 in the y direction in the effective region are respectively constant lengths.
  • the surface layer portion of the base layer is formed between adjacent trench gates and between the emitter layers to a position deeper than the emitter layer, and in the x direction.
  • a base contact layer of the first conductivity type is formed, the length of which is longer than the interval between adjacent bottoms.
  • the length in the x direction is larger than the interval between the adjacent bottom portions. Compared to the case where the gate electrode is formed short, holes can be easily removed when the voltage is not applied to the gate electrode. Therefore, occurrence of latch-up can be suppressed.
  • the drawing 1 is an overhead view of a semiconductor device according to a first embodiment. It is sectional drawing of the xz plane of a semiconductor device. It is a graph which shows the emitter width dependence of a saturation current.
  • 2 is an overhead view schematically showing an electron movement path in a semiconductor device.
  • FIG. It is a graph which shows the emitter width dependence of the ON voltage in the drift layer adjacent to a 2nd trench. It is a graph which shows the emitter space
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of the xy plane on the surface of the base layer
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the xz plane along the XB-XB line
  • c) is a cross-sectional view of the xz plane along line XC-XC.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the yz plane along the line XV-XV in FIG. 14 of the semiconductor device according to the sixth embodiment. It is a bird's-eye view of the semiconductor device concerning a 7th embodiment.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the xz plane along the line XVII-XVII in FIG. 16 of the semiconductor device according to the seventh embodiment.
  • FIG. 14A is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an eighth embodiment, where FIG. 10A is a cross-sectional view of the xy plane on the surface of the base layer, and FIG. c) is a cross-sectional view of the xz plane along the line XVIIIC-XVIIIC.
  • FIG. 1 it has a predetermined thickness in the z direction, and has a predetermined thickness in the z direction on the surface of the P + -type collector layer 11 formed along the xy plane.
  • an N + type buffer layer 12 is formed.
  • An N ⁇ type drift layer 13 having an impurity concentration lower than that of the buffer layer 12 is formed on the surface of the buffer layer 12, and a P type base layer 14 is formed on the surface of the drift layer 13. . That is, the collector layer 11, the buffer layer 12, and the drift layer 13 are laminated in this order.
  • a plurality of trenches 15 extending from the surface of the base layer 14 to the drift layer 13 through the base layer 14 are extended in a stripe shape in the y direction.
  • the trench 15 is repeatedly formed in the x direction with the same gate pitch (for example, 5.0 ⁇ m).
  • a gate insulating film 16 made of an oxide film or the like and a gate electrode 17 made of Poly-Si or the like are sequentially formed on the side walls of the trench 15. That is, a trench gate 18 including the trench 15, the gate insulating film 16, and the gate electrode 17 is formed.
  • Each trench gate 18 has a bottom portion 18b in the drift layer 13 and a communication portion 18a formed from the surface of the base layer 14 so as to communicate with the bottom portion 18b.
  • the bottom portion 18b is widened in the x direction with respect to the communication portion 18a. That is, the interval in the x direction between adjacent bottom portions 18b (A in FIG. 1) is shorter than the interval in the x direction between communication portions 18a (B in FIG. 1).
  • a ⁇ 0.5 ⁇ m and B ⁇ 1.5 ⁇ m can be set.
  • the interval in the x direction of the communication portion 18a is, in other words, the length in the x direction of the base layer 14 sandwiched between adjacent trench gates 18.
  • the drift layer 13 is provided with the bottom portion 18b.
  • the bottom portion 18b is formed from the base layer 14 to the drift layer 13. Including cases.
  • the bottom 18 b is formed from the base layer 14 to the drift layer 13.
  • the z direction length of the communicating portion 18a and D 1 the z direction length of the bottom portion 18b
  • the trench 15 constituting the trench gate 18 includes a second trench 15b formed in the drift layer 13, and a first trench 15a formed in communication with the second trench 15b from the surface of the base layer 14. have.
  • the first trench 15a the interval between the opposing wall surfaces in the x direction is shorter than the interval between the opposing wall surfaces of the second trench 15b. That is, the opening width of the first trench 15a is shorter than the opening width of the second trench 15b, and the trench 15 has a so-called bowl shape.
  • the trench gate 18 is formed by a gate insulating film 16 formed in the first trench 15 a, the second trench 15 b, and a gate electrode 17 embedded in the trench 15.
  • the thickness of the portion formed on the wall surface constituting the second trench 15b is made larger than the thickness of the portion formed on the wall surface constituting the first trench 15a.
  • the thickness of the portion formed on the wall surface constituting the first trench 15a and the second trench 15b refers to the thickness of the gate insulating film 16 in the direction perpendicular to the y direction.
  • the thickness of the portion formed on the wall surface constituting the first trench 15a is approximately 100 nm
  • the thickness of the portion formed on the wall surface constituting the second trench 15b is approximately 200 nm. It can be.
  • an N + -type emitter layer 19 having an impurity concentration higher than that of the drift layer 13 is formed on the side of the trench gate 18 in the surface layer of the base layer 14.
  • the emitter layer 19 has a length L 2 in the y direction of the emitter layer 19 (hereinafter referred to as emitter width) and a distance L 1 in the y direction between the divided emitter layers 19 (hereinafter referred to as emitter spacing).
  • L 1 is defined so as to satisfy the relationship of D 1 ⁇ L 1 ⁇ 2 (D 1 + D 2 ).
  • L 1 is a distance that satisfies 3 ⁇ m ⁇ L 1 ⁇ 10 ⁇ m.
  • L 1 only needs to satisfy the above relationship, and is not limited to a specific value. In the present embodiment, for example, L 1 ⁇ 6.0 ⁇ m and L 2 ⁇ 2.0 ⁇ m can be set.
  • the region of the length L 2 in which the emitter layer 19 is formed in the y direction corresponds to an effective region (indicated as P in FIG. 1) described in the claims. . Further, in the y direction, the region of the length L 1 between the effective regions P adjacent corresponds to ineffective area described in the claims (shown as Q in Fig. 1).
  • a P + -type base contact layer 20 having an impurity concentration higher than that of the base layer 14 is formed between the adjacent trench gates 18 and between the emitter layers 19 formed on the sides of the trench gates 18. ing.
  • the base contact layer 20 is formed from the surface of the base layer 14 to a position deeper than the emitter layer 19. Further, the length of the base contact layer 20 in the x direction (C in FIG. 1) is longer than the interval between the adjacent bottom portions 18b in the x direction (A in FIG. 1). In this embodiment, for example, C ⁇ 0.8 ⁇ m.
  • an interlayer insulating film 21 is formed on one surface of the base layer 14 on which the emitter layer 19 and the like are formed.
  • a contact hole is formed in the interlayer insulating film 21, and the emitter electrode 22 is electrically connected to the emitter layer 19, the base layer 14, and the base contact layer 20 through the contact hole.
  • the gate electrode 17 and the emitter electrode 22 are insulated by the interlayer insulating film 21.
  • a collector electrode 23 that is electrically connected to the collector layer 11 is formed on the back side of the collector layer 11.
  • the semiconductor device 10 when a predetermined gate voltage is applied to the gate electrode 17, an N-type portion of the base layer 14 is in contact with the gate insulating film 16 formed on the side wall of the trench 15.
  • the inversion layer is formed.
  • an electron accumulation layer is formed in a portion of the drift layer 13 in contact with the gate insulating film 16 formed on the sidewall of the trench 15. Electrons flow into the drift layer 13 from the emitter layer 19 through the inversion layer and the accumulation layer, and holes flow into the drift layer 13 from the collector layer 11. For this reason, the resistance value of the drift layer 13 is lowered due to the conductivity modulation and is turned on.
  • the interval A in the x direction between the adjacent bottom portions 18b is shorter than the interval B in the x direction between the adjacent communicating portions 18a.
  • drift layer 13 It is possible to limit the movement of holes injected into the. That is, many holes can be accumulated in the drift layer 13. The accumulated holes can increase the supply amount of electrons injected from the emitter layer 19 to the drift layer 13 through the inversion layer and the accumulation layer. Therefore, the on-voltage can be reduced.
  • the gate insulating film 16 is formed such that the thickness of the portion formed in the second trench 15b is larger than the thickness of the portion formed in the first trench 15a. For this reason, compared with the case where the thickness of the gate insulating film 16 is made constant by the thickness of the gate insulating film formed in the 1st trench 15a, the thickness of an accumulation
  • the emitter layer 19, the emitter width L 2, with a an emitter interval L 1, is divided into a plurality, it is periodically formed in the y-direction.
  • the base layer 14 is provided between the adjacent emitter layers 19 in the y direction.
  • the ratio of the width of the emitter layer 19 to the length of the trench gate 18 in the y direction is smaller than that of the structure in which the emitter layer 19 is continuous. That is, the current density due to electrons injected from the emitter layer 19 into the drift layer 13 is smaller than that of a structure in which the emitter layer 19 is continuous. Therefore, the saturation current of the semiconductor device 10 can be reduced, and the load short-circuit tolerance can be improved.
  • FIG. 3 shows a simulation result regarding the saturation current Ice (sat) when the gate-emitter voltage Vg is 15 V, the collector-emitter voltage Vce is 20 V, and the operating temperature is 150 ° C.
  • This simulation is performed with the pitch (L 1 + L 2 ) of the emitter layer 19 in the y direction being constant and the emitter width L 2 as a variable.
  • the pitch by reducing the emitter width L 2 (the larger emitter interval L 1), it can be seen that it is possible to reduce the saturation current Ice (sat).
  • the movement path 24 of electrons injected from the emitter layer 19 to the drift layer 13 includes not only the z direction but also a direction parallel to the xy plane. That is, since the emitter layer 19 has a divided structure, the electron movement path 24 also exists in the drift layer 13 immediately below the base layer 14 where the emitter layer 19 does not exist in the surface layer portion. In the y direction, the voltage drop at a place deeper than the overlapping depth of the electron movement paths 24 moving from the adjacent emitter layers 19 is substantially the same as the structure in which the emitter layers are continuous.
  • FIG. 5 is a simulation result regarding the on-voltage Von in the drift layer 13 adjacent to the second trench 15b when the gate-emitter voltage Vg is 15 V, the collector current is 400 A / cm 2 , and the operating temperature is 150 ° C. is there.
  • This simulation is performed with the pitch (L 1 + L 2 ) of the emitter layer 19 in the y direction being constant and the emitter width L 2 as a variable.
  • the ON voltage Von in the drift layer 13 adjacent to the trench 15, reducing the emitter width L 2, although increasing, nearly independent it can be seen that is kept substantially constant . That is, it can be seen that even if the emitter layer 19 has a divided structure, an increase in on-voltage can be suppressed.
  • the emitter interval L 1 is defined so as to satisfy the relationship of L 1 ⁇ 2 (D 1 + D 2 ).
  • the movement path 24 of the electrons moving from the divided emitter layers 19 toward the drift layer 13 has a depth corresponding to the length (D 1 + D 2 ) of the trench gate 18 in the z direction. It overlaps at the following shallow positions. That is, in the drift layer 13, the voltage drop at a portion deeper than the length (D 1 + D 2 ) in the z direction from the surface of the base layer 14 can be made substantially equivalent to the structure in which the emitter layer 19 is continuous.
  • the ratio of the voltage drop in the drift layer 13 out of the voltage drop component is high.
  • the emitter interval L 1 so as to satisfy the relationship of L 1 ⁇ 2 (D 1 + D 2 )
  • the voltage drop in the drift layer 13 is reduced, and the rise in on-voltage is suppressed. can do.
  • the structure satisfies the relationship of D 1 ⁇ L 1 .
  • the saturation current depends on the current density due to electrons moving from the emitter layer 19 to the drift layer 13 through the inversion layer. That is, when the pitch (L 1 + L 2 ) of the emitter layer 19 is constant, it depends on the emitter interval L 1 . Then, as described in detail below with reference to FIG. 6, when the structure satisfies the relationship of D 1 ⁇ L 1 , the saturation current can be effectively reduced.
  • the horizontal axis of FIG. 3 and FIG. 5 is an emitter interval L 1, and the ON voltage Von in the drift layer 13 adjacent to the trench 15 is obtained by biaxially display the saturation current Ice (sat).
  • the ON voltage Von increased, the saturation current Ice (sat) is decreased.
  • the on-voltage Von is linearly related to the emitter interval L 1 when L 1 > 2 (D 1 + D 2 ), but the emitter interval L 1 is 2 (D 1 + D 2 ) or less. As it becomes smaller, the value approaches the minimum value of Von (approximately 0.17 V in this embodiment).
  • the saturation current can be reduced while realizing a low ON voltage by adopting a configuration that satisfies the relationship of D 1 ⁇ L 1 ⁇ 2 (D 1 + D 2 ) as in this embodiment. That is, the load short-circuit tolerance can be improved.
  • the on-voltage Von in the drift layer 13 adjacent to the trench 15 is the minimum value (substantially in this embodiment). It becomes constant at 0.17V). That is, an increase in on-voltage can be suppressed more effectively.
  • the drift layer 13 adjacent to the trench 15 is the same as in the first embodiment.
  • the on-voltage Von at becomes constant at its minimum value (approximately 0.14 V in this embodiment). Therefore, it is possible to more effectively suppress an increase in on-voltage.
  • the present embodiment As shown in FIG. 8, an example in which the emitter layer 19 is continuous in the x direction between adjacent trench gates 18 is shown.
  • the emitter layer 19 is a surface layer of the base layer 14 and is continuously formed in the x direction between adjacent trench gates 18.
  • the base contact layer 20 has a width in the x direction of C ⁇ 0.8 ⁇ m as in the first embodiment, and is formed away from the trench gate 18.
  • the thickness in the z direction from the base layer 14 is the same as that of the emitter layer 19.
  • the emitter layer 19 and the base contact layer 20 are formed from the surface of the base layer 14 to the same depth, and are alternately arranged in the y direction.
  • the region corresponding to the emitter layer 19 among the regions between the adjacent trench gates 18 corresponds to the effective region P. Further, in the y direction, a region between adjacent emitter layers 19, that is, a region where the base contact layer 20 is exposed on the surface of the base layer 14 corresponds to the invalid region Q.
  • the contact area between the emitter layer 19 and the emitter electrode 22 can be made larger than the configurations of the above embodiments. Therefore, the contact resistance between the emitter layer 19 and the emitter electrode 22 can be reduced, and the on-voltage can be reduced. Therefore, heat generation and power consumption during element operation can be reduced.
  • the base contact layer 20 is formed from the surface of the base layer 14 to the same depth as the emitter layer 19. However, as shown in FIG. It may be formed to a deeper position.
  • the base contact layers 20 are integrally formed continuously in the y direction. That is, it is formed not only in the region between the emitter layers 19 but also directly under the emitter layers 19 in the y direction. Thereby, the y-direction dependency can be reduced for the potentials of the base contact layer 20 and the base layer 14, and the potential can be stabilized. Therefore, compared with the case where the base contact layer 20 is divided and formed in the y direction, the resistance against the electric surge can be improved.
  • the emitter electrode 22 is connected to the base layer 14, the emitter layer 19, and the base contact layer 20 on the surface of the base layer 14.
  • the present embodiment an example in which the emitter electrode 22 is formed to substantially the same depth as the emitter layer 19 is shown.
  • the emitter layer 19 is formed discontinuously in the x direction, as in the first and second embodiments.
  • the base contact layer 20 is formed to a position deeper than the emitter layer 19 in the base layer 14 as in the first and second embodiments.
  • a contact trench 25 is provided between the adjacent trench gates 18 and in a region sandwiched between the emitter layers 19 in the base layer 14, that is, in a region where the base contact layer 20 is formed in this embodiment. ing.
  • the contact trench 25 is formed extending from the surface of the base layer 14 in the y direction while having substantially the same depth as the emitter layer 19.
  • the side surface of the emitter layer 19 is in contact with the side surface of the contact trench 25, and the base contact layer 20 is in contact with the bottom surface of the contact trench 25.
  • the base contact layer 20 is in contact with the side surface and the bottom surface of the contact trench 25.
  • the emitter electrode 22 is formed in the surface of the base layer 14 and in the contact trench 25.
  • the interlayer insulating film 21 is formed on the surface of the gate electrode 17 in the trench gate 18 so that the gate electrode 17 and the emitter electrode 22 are insulated.
  • a region where the emitter layer 19 is formed in the y direction among the adjacent trench gates 18 corresponds to the effective region P described in the claims.
  • a region between adjacent effective regions P corresponds to the invalid region Q described in the claims.
  • the emitter electrode 22 contacts the side surface parallel to the yz plane in addition to the xy plane parallel to the surface of the base layer 14 in the emitter layer 19. That is, the contact area between the emitter layer 19 and the emitter electrode 22 can be increased as compared with the case where the connection is made only on the xy plane parallel to the surface of the base layer 14. Thereby, the contact resistance between the emitter layer 19 and the emitter electrode 22 can be reduced, and the on-voltage can be reduced. Therefore, heat generation and power consumption during element operation can be reduced. Also, the contact area between the base contact layer 20 and the emitter electrode 22 can be increased as compared with the case where the connection is made only on the xy plane parallel to the surface of the base layer 14.
  • each emitter layer 19 formed by being divided on the side of one trench gate 18 between adjacent trench gates 18 is formed on the adjacent trench gate 18.
  • An example is shown in which each emitter layer 19 formed on the side of each is formed at the same position in the y direction.
  • the emitter layers 19 described above are not limited to the configuration formed at the same position in the y direction.
  • the emitter layers 19 are alternately formed. That is, in the emitter layer 19, L 1 and L 2, being respectively the same as L 1 and L 2 of the emitter layer 19 adjacent to the x-direction, the emitter layer 19 to each other are formed shifted in the y-direction.
  • the region where the emitter layer 19 is formed corresponds to the effective region P, and the region between the adjacent emitter layers 19 in the y direction corresponds to the ineffective region Q.
  • the dependence of the current density between the emitter and the drift in the xy plane can be reduced as compared with the configuration of each of the above embodiments. That is, the current between the emitter and the drift can be made uniform regardless of the position on the xy plane. Thereby, the dispersion
  • the present embodiment an example in which the emitter layers 19 adjacent in the x direction are alternately formed has been described. However, the present invention is not limited to this example.
  • L 1 and L 2 may be different in length from L 1 and L 2 of the emitter layer 19 adjacent in the x direction, respectively, and the amount shifted in the y direction is also limited. is not.
  • FIG. 11 shows an example in which the emitter layer 19 is formed on either side of the two trench gates 18 in the region between the adjacent trench gates 18 in the x direction.
  • the present invention is not limited to this. It is not something.
  • the emitter layer 19 may be formed only on one side of the trench gate 18.
  • the emitter layer 19 may be formed on one side of each trench gate in the x direction and on the same side.
  • FIG. 11 shows an example in which the emitter layer 19 is formed on either side of the two trench gates 18 in the region between the adjacent trench gates 18 in the x direction.
  • the present invention is not limited to this. It is not something.
  • the emitter layer 19 may be formed only on one side of the trench gate 18.
  • the emitter layer 19 may be formed on one side of each trench gate in the x direction and on the same
  • the trench gates 18 in which the emitter layers 19 are formed on both sides and the trench gates 18 in which the emitter layers 19 are not formed may be alternately arranged in the x direction.
  • the area ratio of the emitter layer 19 can be reduced as compared with the configuration shown in FIG. 11, so that the saturation current can be further reduced.
  • the configuration in which the base contact layer 20 is exposed on the surface of the base layer 14 between the emitter layers 19 adjacent in the y direction is shown.
  • the base contact layer 20 in each embodiment described above is formed to extend through the effective region P and the ineffective region Q in the y direction, and does not contact the trench gate 18.
  • the P + -type first high-concentration base region 26 having a higher concentration than the base layer 14 and a lower concentration than the emitter layer 19 is an invalid region. It is formed on the surface layer of the base layer 14 in Q.
  • the first high-concentration base region 26 is formed from the surface of the base layer 14 to a position deeper than the emitter layer 19 and is in contact with the side portion of the trench gate 18.
  • the emitter layer 19 in the effective region P is continuously formed in the x direction on the surface layer of the base layer 14 between the adjacent trench gates 18.
  • the contact resistance between the emitter electrode 19 formed on the surfaces of the emitter layer 19 and the base layer 14 and the base layer 14 can be lowered as compared with the configuration in which the first high-concentration base region 26 is not formed. it can. For this reason, the electric potential of the base layer 14 can be stabilized and the tolerance with respect to an electric surge can be improved.
  • the high-concentration base region 26 is not necessarily formed in contact with the trench gate 18, but as in the present embodiment, the first high-concentration base region 26 is formed so as to be in contact with the trench gate 18 in the x direction. As a result, the base layer 14 (first high-concentration base region 26) in the vicinity of the trench gate 18 in the ineffective region Q can be made difficult to reverse.
  • the high-concentration base region 26 is not necessarily formed to a position deeper than the emitter layer 19.
  • the base contact layer 20 may be formed.
  • the base contact layer 20 is preferably formed so as to penetrate the effective region P and the ineffective region Q in the y direction so as to be in contact with the emitter layer 19 and not in contact with the trench gate 18 in the z direction.
  • the first high-concentration base region 26 is formed from the surface of the base layer 14 to a position deeper than the emitter layer 19. For this reason, as shown in FIG. 15, the dopant in the first high-concentration base region 26 may thermally diffuse to the lower portion 27 of the emitter layer 19, that is, a position in contact with a part of the emitter layer 19 in the z direction. . As a result, as shown in FIG. 15, the lower portion 27 of the emitter layer 19 in the base layer 14 may have a higher impurity concentration than the base layer 14 other than this portion.
  • the effective width L 3 in the y direction of the injection source (emitter layer 19) for injecting electrons into the drift layer 13 can be made smaller than the actual width L 2 of the emitter layer 19. Thereby, a saturation current can be reduced.
  • the example in which the region corresponding to the emitter layer 19 formed by being divided in the y direction is the effective region P has been described.
  • the emitter layer 19 is continuously extended in the y direction.
  • the surface portion of the base layer 14 between the trench gate 18 adjacent, second high concentration base region 28 with a distance L 1 in the y-direction are formed. Since portions other than the emitter layer 19 and the second high-concentration base region 28 have the same configuration as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • the second high-concentration base region 28 is a P + type having a higher impurity concentration than the base layer 14, and its concentration is lower than that of the emitter layer 19.
  • the second high-concentration base region 28 is formed at a position in contact with the emitter layer 19 in the z direction and in contact with the trench gate 18 in the x direction. Then, and is formed by dividing with a distance L 2 in the y-direction. As shown in FIG. 17, the second high-concentration base region 28 is formed to a position deeper than the emitter layer 19 and is in contact with the trench gate 18.
  • the region between the emitter layer 19 and the drift layer 13 has a second high-concentration base region 28.
  • the region corresponding to the second high-concentration base region 28 is an ineffective region Q in which electrons are not injected into the drift layer 13.
  • a region between adjacent invalid regions Q in the y direction is an effective region P in which electrons are injected from the emitter layer 19 to the drift layer 12 by applying a voltage to the gate electrode 17.
  • the base contact layer 20 is formed so as to extend in the y direction through the effective region P and the ineffective region Q.
  • the effective region P is divided at an interval of length L 1 in the y-direction. For this reason, there can exist an effect similar to 1st Embodiment and 2nd Embodiment. (Eighth embodiment)
  • the emitter electrode 22 is formed to substantially the same depth as the emitter layer 19 is shown in the seventh embodiment.
  • the emitter layer 19 is continuously extended in the y direction as in the seventh embodiment.
  • the base contact layer 20 is formed to a position deeper than the emitter layer 19 in the base layer 14 as in the seventh embodiment.
  • a contact trench 25 is provided between the adjacent trench gates 18 and in a region sandwiched between the emitter layers 19 in the base layer 14, that is, in a region where the base contact layer 20 is formed in this embodiment. ing.
  • the contact trench 25 is formed extending from the surface of the base layer 14 in the y direction while having substantially the same depth as the emitter layer 19.
  • the side surface of the emitter layer 19 is in contact with the side surface of the contact trench 25, and the base contact layer 20 is in contact with the bottom surface of the contact trench 25.
  • the base contact layer 20 is formed to a position deeper than the emitter layer 19 in the base layer 14 as shown in FIG.
  • the second high-concentration base region 28 is formed to a position deeper than the emitter layer 19 and is formed so as to contact the emitter layer 19 and the side of the trench gate 18.
  • the interlayer insulating film 21 is formed on the surface of the gate electrode 17 in the trench gate 18 so that the gate electrode 17 and the emitter electrode 22 are insulated.
  • the effective area P is divided and formed in the y direction.
  • a trench contact 25 is formed as in the fourth embodiment. For this reason, the effect similar to the effect of 4th Embodiment can be show
  • the configuration having the first high concentration base region 26 in the invalid region Q is shown.
  • the emitter layer 19 as the effective region P is continuously formed in the x direction between the adjacent trench gates and on the surface layer of the base layer 14.
  • the emitter layer 19 is not necessarily formed continuously in the x direction.
  • the emitter layer 19 may be divided and formed in the x direction, and the invalid region Q may include the first high-concentration base region 26.
  • the buffer layer 12 is formed on the collector layer 11 as the substrate on which the IGBT element is formed is shown, but the present invention is not limited to the above example.
  • a field stop layer may be formed in place of the buffer layer 12, or the buffer layer 12 may not be formed.

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Abstract

　半導体装置において、トレンチゲート（１８）は、ドリフト層（１３）に形成された底部（１８ｂ）と、ベース層（１４）の表面から、前記底部に連通して形成された連通部（１８ａ）と、を備える。隣り合う前記底部のｘ方向の間隔が、隣り合う前記連通部のｘ方向の間隔より短い。ゲート絶縁膜（１６）の厚さは、前記底部より前記連通部で厚い。隣り合う前記トレンチゲートの間の領域が、ｙ方向において、ゲート電圧印加により前記ドリフト層への電荷の注入源となるエミッタ層に対応する有効領域（Ｐ）と、ゲート電圧印加によっても電荷の注入源を生じない無効領域（Ｑ）と、に分割されている。ｙ方向の前記無効領域の間隔をＬ１、前記連通部のｚ方向の長さをＤ１、前記底部のｚ方向の長さをＤ２とすると、Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）。ｘ方向とｙ方向は互いに直交し、z方向はｘ方向とｙ方向で規定されるｘ－ｙ平面に直交する。

Description

半導体装置 関連出願の相互参照
　本開示は、２０１１年９月２７日に出願された日本出願番号２０１１－２１１０７２号及び２０１２年９月６日に出願された日本出願番号２０１２－１９６５４９号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、トレンチゲート構造の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、単にＩＧＢＴという）が形成された半導体装置に関する。
　ＩＧＢＴが形成された半導体装置は、モータ等の誘導性負荷を駆動させるための電子回路に使用される。一般的なＩＧＢＴが形成された半導体装置は次のように構成されている。
　すなわち、Ｐ＋型のコレクタ層の上に、Ｎ－型ドリフト層が形成されており、Ｎ－型ドリフト層の表層部にＰ型ベース層が形成され、Ｐ型ベース層の表層部にＮ＋型エミッタ層が形成されている。また、Ｐ型ベース層およびＮ＋エミッタ層を貫通してＮ－ドリフト層に達する複数のトレンチがストライプ状に延設されている。そして、各トレンチの壁面にはゲート絶縁膜とゲート電極とが順に形成され、これらのトレンチ、ゲート絶縁膜、ゲート電極からなるトレンチゲートが構成されている。また、Ｐ型ベース層およびＮ＋型エミッタ層上には、層間絶縁膜を介してエミッタ電極が設けられており、層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して、Ｐ型ベース層およびＮ＋エミッタ層とエミッタ電極とが電気的に接続されている。また、コレクタ層の裏面には、該コレクタと電気的に接続されるコレクタ電極が備えられている。
　このような半導体装置では、ゲート電極に対して所定のゲート電圧が印加されると、Ｐ型ベース層のうち、トレンチに配置されたゲート絶縁膜と接する部分にＮ型となる反転層が形成されるとともに、Ｎ－ドリフト層のうち、トレンチに配置されたゲート絶縁膜と接する部分に電子の蓄積層が形成される。そして、Ｎ＋エミッタ層から反転層および蓄積層を介して電子がＮ－ドリフト層に流入するとともに、コレクタ層から正孔がＮ－型ドリフト層に流入し、伝導度変調により抵抗値が低下してオン状態となる。
　このようなＩＧＢＴが形成された半導体装置では、ＭＯＳＦＥＴが形成された半導体装置に較べて、より低いオン電圧を実現することができる。しかしながら、近年では、更なるオン電圧の低減が求められている。
　このため、例えば、特許文献１には、隣接するゲート電極の幅を０．５５ｎｍ～０．３μｍと、極めて狭くすることが開示されている。
　また、特許文献２には、トレンチゲートのうち、Ｎ－型ドリフト層に位置する拡幅部の幅が、拡幅部以外の幅より広くなるように形成することにより、隣接するトレンチゲートの拡幅部の間隔が、拡幅部以外の部分よりも狭くなるようにすることが開示されている。
　これら特許文献１、２のような半導体装置では、Ｎ－型ドリフト層に流入した正孔が隣接するトレンチゲートの間を通過してＰ型ベース層内に抜けにくくなり、Ｎ－型ドリフト層内に多くの正孔を蓄積することができる。これにより、Ｎ＋型エミッタ層から、反転層および蓄積層を介して、Ｎ－型ドリフト層に流入する電子の供給量を増加させることができ、電子の移動度は正孔の移動度よりも大きいため、さらにオン電圧を低減させることができる。
　上記特許文献１および２では、低いオン電圧を実現することができる。しかしながら、近年では、低いオン電圧を実現しつつ、更に負荷短絡耐量を向上させた半導体装置が望まれている。
　すなわち、このような半導体装置は、負荷短絡時において、素子が制限する飽和電流まで電流が流れることになる。そして、この飽和電流に比例するジュール熱が発生して半導体装置の温度を上昇させ、半導体装置が破壊されてしまう虞がある。
特開２００７－４３１２３号公報 特開２００８－１５３３８９号公報
　そこで本開示は、低いオン電圧を実現しつつ、負荷短絡耐量を向上させることのできる半導体装置を提供することを目的とする。
　本開示の第１の態様によれば、半導体装置は、互いに直交するｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ－ｙ平面に沿って層状にされた第１導電型のコレクタ層と、コレクタ層上に形成された第２導電型のドリフト層と、該ドリフト層上に形成された第１導電型のベース層と、トレンチゲートと、ベース層の表層における、トレンチゲートの側部に形成された第２導電型のエミッタ層と、コレクタ層におけるドリフト層が形成された面と反対側の裏面に形成され、コレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極と、エミッタ層およびベース層に電気的に接続されたエミッタ電極と、を備える。トレンチゲートは、ｙ方向にストライプ状に延設された複数のトレンチ、トレンチの壁面に形成されたゲート絶縁膜、およびゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極を有する。トレンチは、ベース層のｘ－ｙ平面に沿う表面から、ベース層をx-y平面に直交するｚ方向に貫通して、ドリフト層の途中まで達する。トレンチゲートは、ドリフト層に形成された底部と、ベース層の表面から、底部に連通して形成された連通部とを備える。隣り合う底部のｘ方向の間隔が、隣り合う連通部のｘ方向の間隔より短い。ゲート絶縁膜は、底部における厚さが、連通部における厚さより厚い。隣り合うトレンチゲートの間の領域が、ｙ方向において、ゲート電極に電圧が印加されることによってドリフト層への電荷の注入源となるエミッタ層に対応する有効領域と、ゲート電極に電圧が印加されることによっても電荷の注入源を生じない無効領域と、に分割されている。ｙ方向における無効領域の間隔をＬ１（＞０）、前記連通部のｚ方向の長さをＤ１、前記底部のｚ方向の長さをＤ２とするとき、Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たす。
　第１の態様では、隣り合うトレンチゲートの間隔が、ｚ方向において一定ではない。すなわち、隣り合うトレンチゲートで挟まれたベース層の表層部の長さで一定ではない。具体的には、隣り合う底部の間隔が、隣り合う連通部の間隔より短くされている。このため、隣り合うトレンチゲートの間隔が、隣り合うトレンチゲートで挟まれたベース層の表層部の長さで一定とされている場合と較べて、ドリフト層に注入された正孔の移動を制限することができる。すなわち、ドリフト層に多くの正孔を蓄積することができる。そして、この蓄積された正孔により、反転層および蓄積層を通じてエミッタ層からドリフト層に注入される電子の供給量を増加させることができ、オン電圧を低減することができる。
　ところで、隣り合う底部の間隔が、隣り合う連通部の間隔より短くされているとは、換言すると、隣り合う連通部で挟まれたベース層の表層部の長さが、隣り合う底部の間隔よりも長くされているということである。このため、隣り合うトレンチゲートの間隔が極めて狭い間隔で一定とされている半導体装置、例えば、特許文献１に記載の半導体装置と比較して、次の効果を得ることができる。すなわち、オン時に形成される隣り合う反転層が互いに接合してしまうことを抑制することができ、飽和電流の増加を抑制することができる。また、エミッタ電極と接続されるエミッタ層およびベース層のコンタクト面積を広くすることができ、接触抵抗を下げることができるため、オン電圧を下げることができる。加えて、エミッタ電極と接続されるエミッタ層およびベース層のコンタクト面積を広くすることができることから、電極形成時のアライメント調整等を行いやすくすることができ、製造工程を簡略化することができる。
　また、第１の態様では、ゲート絶縁膜は、トレンチのうち、底部を構成する壁面に形成されている部分の厚さが、トレンチのうち連通部を構成する壁面に形成されている部分の厚さより厚くされている。このため、ゲート絶縁膜の厚さが、連通部を構成する壁面に形成されているゲート絶縁膜の部分の厚さで一定とされている場合に較べて、ドリフト層のうち、トレンチゲートに形成されたゲート絶縁膜と接する部分に形成される蓄積層の厚さを薄くすることができる。すなわち、飽和電流を低下することができ、負荷短絡耐量を向上させることができる。
　また、第１の態様では、トレンチゲートの延設方向、すなわちｙ方向において、有効領域が分割して設けられている。換言すれば、ｙ方向において、隣り合う有効領域の間に無効領域を有する。このため、ｙ方向におけるトレンチゲート長に対する有効領域の幅の占める割合は、有効領域が連続した従来の構造に較べて小さくなる。すなわち、エミッタ層からドリフト層に注入される電子による電流密度は、有効領域が連続した構造に較べて小さくなる。したがって、ＩＧＢＴの飽和電流を低減することができる。
　また、第１の態様では、ＩＧＢＴの構成として、Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たすような構造となっている。このような構成においては、分割された各有効領域のエミッタ層からドリフト層へ向かって移動する電子の移動経路が、トレンチゲートのｚ方向の長さ（Ｄ１＋Ｄ２）に相当する深さ以下の浅い位置で重なる。すなわち、ドリフト層のうち、ベース層の表面からｚ方向の長さ（Ｄ１＋Ｄ２）よりも深い部分における電圧降下を、有効領域が連続した構造と略同等とすることができる。一般に、ＩＧＢＴ素子では、その電圧降下成分のうち、ドリフト層が占める割合が高い。ドリフト層におけるオン電圧を低減することにより、ＩＧＢＴのオン電圧を効率良く低減することができる。したがって、ドリフト層における電圧降下を低減してオン電圧の上昇を抑制しつつ、有効領域と無効領域とを有する構造とすることにより、飽和電流を低減することができ、負荷短絡耐量を向上させることができる。
　本開示の第２の態様によれば、有効領域として、隣り合うトレンチゲートの間の領域のうち、ｙ方向に間隔Ｌ１をもって複数に分割して形成されたエミッタ層に対応する領域を有し、無効領域として、ｙ方向において、隣り合う有効領域に挟まれた領域を有する構成とすることができる。
　第２の態様では、トレンチゲートの延設方向、すなわちｙ方向において、エミッタ層が分割して設けられている。換言すれば、ｙ方向において、隣り合うエミッタ層の間にベース層を有する。ゲート電極に電圧を印加した際に、エミッタ層が形成された領域では、エミッタ層からドリフト層へ電子が注入される。一方、エミッタ層が形成されていない領域では、トレンチゲートに接するベース層表層部からドリフト層への電子の注入は生じない。すなわち、ｙ方向において、電子の注入源としてのエミッタ層が形成された領域が有効領域に相当し、隣り合う有効領域の間の領域が無効領域に相当する。この構成においては、ｙ方向におけるトレンチゲート長に対するエミッタ層の幅の占める割合が、エミッタ層が連続した構造に較べて小さくなる。すなわち、エミッタ層からドリフト層に注入される電子による電流密度は、エミッタ層が連続した構造に較べて小さくなる。したがって、ＩＧＢＴの飽和電流を低減することができる。
　このような構成においては、ドリフト層のうち、ベース層の表面からｚ方向の長さ（Ｄ１＋Ｄ２）よりも深い部分における電圧降下を、エミッタ層が連続した構造と略同等とすることができる。したがって、ドリフト層における電圧降下を低減してオン電圧の上昇を抑制しつつ、分割エミッタ構造とすることにより飽和電流を低減することができ、負荷短絡耐量を向上させることができる。
　本開示の第３の態様によれば、無効領域におけるベース層の表層部に、ベース層よりも不純物濃度の高い第１導電型の第１高濃度ベース領域が形成されている。
　この構成では、エミッタ層およびベース層の表面に形成されるエミッタ電極と、ベース層との間の接触抵抗を、第１高濃度ベース領域が形成されない構成に較べて下げることができる。このため、ベース層の電位を安定化させることができ、電気サージに対する耐性を向上させることができる。
　本開示の第４の態様によれば、エミッタ層は、トレンチゲートに沿ってｙ方向に連続的に延設され、無効領域として、ベース層のうち、ｚ方向においてエミッタ層と接し、且つｘ方向においてトレンチゲートに接する位置に、ｙ方向に間隔Ｌ１の長さをもって断続的に分割して形成され、ベース層よりも不純物濃度が高く、エミッタ層よりも不純物濃度の低い、第１導電型の第２高濃度ベース領域が形成された領域を有し、有効領域として、隣り合う第２高濃度ベース領域に挟まれた領域を有する。
　第４の態様では、ｚ方向においてエミッタ層と接し、且つｘ方向においてトレンチゲートに接する位置に、第２高濃度ベース領域がｙ方向に分割して形成されている。第２高濃度ベース領域は、ベース層よりも不純物濃度が高い。このため、第２高濃度ベース領域は、ゲート電極に電圧を印加した際に、ベース層よりも反転しにくい。すなわち、ｙ方向において、隣り合うトレンチゲートの間に領域のうち、第２高濃度ベース領域が形成された領域は、トレンチゲートに接する領域からドリフト層への電子の注入が生じない無効領域である。そして、ｙ方向において、隣り合う第２高濃度ベース領域の間の領域では、エミッタ層からドリフト層への電子の注入が生じる。すなわち、この領域は、エミッタ層を注入源とする有効領域である。この構成においても、無効領域が分割されて形成されている、すなわち、有効領域も分割されて形成されている。このため、ｙ方向におけるトレンチゲート長に対する注入源としてのエミッタ層の幅の占める割合が、有効領域が連続した構造に較べて小さくなる。すなわち、エミッタ層からドリフト層に注入される電子による電流密度は、有効領域が連続した構造に較べて小さくなる。したがって、ＩＧＢＴの飽和電流を低減することができる。
　また、第４の態様では、ドリフト層のうち、ベース層の表面からｚ方向の長さ（Ｄ１＋Ｄ２）よりも深い部分における電圧降下を、エミッタ層が連続した構造と略同等とすることができる。したがって、ドリフト層における電圧降下を低減してオン電圧の上昇を抑制しつつ、飽和電流を低減することができ、負荷短絡耐量を向上させることができる。
　本開示の第５の態様によれば、Ｌ１≦２Ｄ１の関係を満たす。
　第５の態様では、分割された各有効領域のエミッタ層からドリフト層へ向かって移動する電子の移動経路が、貫通部のｚ方向の長さＤ１に相当する深さ以下の浅い位置で重なる。換言すると、電子の移動経路はベース層において重なる。これにより、ドリフト層全域およびドリフト層より深い部分における電圧降下を、有効領域が連続した構造と略同等とすることができる。すなわち、底部に対応するドリフト層における電圧降下を、より効果的に抑制することができる。したがって、有効領域が分割された構造とすることにより飽和電流を低減させつつ、オン電圧の上昇を抑制することができる。
　本開示の第６の態様によれば、Ｌ１とＤ１とが、Ｄ１≦Ｌ１の関係を満たす。Ｄ１≦Ｌ１の関係を満たす構造とすると、飽和電流を効果的に低減することができる。飽和電流は、Ｌ１の増加に伴って減少する。その変化率、すなわち傾きの絶対値は、Ｌ１の増加に伴って増加し、Ｄ１≦Ｌ１の領域で一定となる。したがって、Ｌ１とＤ１とが、Ｄ１≦Ｌ１の関係を満たすことにより、飽和電流を効果的に低減できる。
　本開示の第７の態様によれば、有効領域は、Ｌ１と有効領域におけるｙ方向の長さＬ２とが、それぞれ一定の長さとなる周期構造を有する。
　この構成では、ｘ－ｙ平面において、オン電圧および飽和電流の位置依存性を小さくすることができる。したがって、オン電圧および飽和電流を安定させることができる。
　本開示の第８の態様によれば、ベース層の表層部のうち、隣り合うトレンチゲートの間であって、エミッタ層の間に、エミッタ層よりも深い位置まで形成されて、かつ、ｘ方向の長さが、隣り合う底部の間隔より長くされている第１導電型のベースコンタクト層が形成されている。
　このような構成とすると、ベースコンタクト層が形成されていない場合、または、ベースコンタクト層がエミッタ層よりも浅い位置に形成されている場合、およびｘ方向の長さが隣り合う底部の間隔よりも短く形成されている場合に較べて、ゲート電極に電圧が印加されないオフ時に、正孔を抜けやすくすることができる。したがって、ラッチアップの発生を抑制することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
第１実施形態に係る半導体装置の俯瞰図である。 半導体装置のｘ－ｚ平面の断面図である。 飽和電流のエミッタ幅依存性を示すグラフである。 半導体装置において電子の移動経路を模式的に表した俯瞰図である。 第２トレンチに隣接するドリフト層におけるオン電圧のエミッタ幅依存性を示すグラフである。 飽和電流および第２トレンチに隣接するドリフト層におけるオン電圧のエミッタ間隔依存性を示すグラフである。 第２実施形態において、第２トレンチに隣接するドリフト層のオン電圧に対するエミッタ間隔依存性を示すグラフである。 第３実施形態に係る半導体装置の俯瞰図である。 第３実施形態の変形例におけるｘ－ｚ平面の断面図である。 第４実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ａ）はベース層の表面におけるｘ－ｙ平面の断面図、（ｂ）はＸＢ－ＸＢ線に沿うｘ－ｚ平面の断面図、（ｃ）はＸＣ－ＸＣ線に沿うｘ－ｚ平面の断面図である。 第５実施形態に係る半導体装置のベース層の表面におけるｘ－ｙ平面の断面図である。 第５実施形態の変形例に係る半導体装置のベース層の表面におけるｘ－ｙ平面の断面図である。 第５実施形態の変形例に係る半導体装置のベース層の表面におけるｘ－ｙ平面の断面図である。 第６実施形態に係る半導体装置の俯瞰図である。 第６実施形態に係る半導体装置の、図１４におけるＸＶ－ＸＶ線に沿うｙ－ｚ平面の断面図である。 第７実施形態に係る半導体装置の俯瞰図である。 第７実施形態に係る半導体装置の、図１６におけるＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線の沿うｘ－ｚ平面の断面図である。 第８実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ａ）はベース層の表面におけるｘ－ｙ平面の断面図、（ｂ）はＸＶＩＩＩＢ－ＸＶＩＩＩＢ線に沿うｘ－ｚ平面の断面図、（ｃ）はＸＶＩＩＩＣ－ＸＶＩＩＩＣ線に沿うｘ－ｚ平面の断面図である。
　以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、方向の定義について、互いに直交するｘ方向とｙ方向によって規定される平面をｘ－ｙ平面とし、ｘ－ｙ平面に直交する方向をｚ方向とする。また、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。
（第１実施形態）
　最初に、図１および図２を参照して、本実施形態に係る半導体装置１０の構成について説明する。
　図１に示すように、ｚ方向に所定の厚さを有し、ｘ－ｙ平面に沿って形成されたＰ＋型のコレクタ層１１の表面上に、ｚ方向に所定の厚さを有してＮ＋型のバッファ層１２が形成されている。そして、バッファ層１２の表面上に、バッファ層１２よりも不純物濃度の低いＮ－型のドリフト層１３が形成され、該ドリフト層１３の表面上に、Ｐ型のベース層１４が形成されている。すなわち、コレクタ層１１、バッファ層１２およびドリフト層１３が、この順で積層されている。
　また、ベース層１４の表面から、ベース層１４を貫通してドリフト層１３に達する複数のトレンチ１５がｙ方向にストライプ状に延設されている。本実施形態において、このトレンチ１５は、同じゲートピッチ（例えば５．０μｍ）を以ってｘ方向に繰り返し形成されている。そして、このトレンチ１５の側壁には、それぞれ酸化膜等からなるゲート絶縁膜１６とＰｏｌｙ－Ｓｉ等からなるゲート電極１７とが順に形成されている。すなわち、トレンチ１５、ゲート絶縁膜１６、ゲート電極１７からなるトレンチゲート１８が形成されている。
　各トレンチゲート１８は、ドリフト層１３に底部１８ｂを有するとともに、ベース層１４の表面から、底部１８ｂに連通して形成された連通部１８ａを有している。そして、底部１８ｂは連通部１８ａに対してｘ方向に拡幅している。すなわち、隣り合う底部１８ｂのｘ方向の間隔（図１中Ａ）は、連通部１８ａのｘ方向の間隔（図１中Ｂ）よりも短くされている。特に限定されるものではないが、例えば、Ａ≒０．５μｍ、Ｂ≒１．５μｍとすることができる。
　なお、連通部１８ａのｘ方向の間隔とは、換言すると、隣り合うトレンチゲート１８で挟まれたベース層１４のｘ方向の長さのことである。また、ドリフト層１３に底部１８ｂを備えているとは、底部１８ｂがドリフト層１３のみに形成されている場合に加えて、底部１８ｂが、ベース層１４からドリフト層１３に渡って形成されている場合を含むものである。本実施形態において、底部１８ｂは、ベース層１４からドリフト層１３に渡って形成されている。
　また、特に限定されるものではないが、例えば、トレンチゲート１８のうち、連通部１８ａのｚ方向の長さをＤ１とし、底部１８ｂのｚ方向の長さをＤ２とすると、Ｄ１≒３．０μｍ、Ｄ２≒２．０μｍとすることができる。
　本実施形態において、トレンチゲート１８を構成するトレンチ１５は、ドリフト層１３に形成された第２トレンチ１５ｂと、ベース層１４の表面から第２トレンチ１５ｂに連通して形成された第１トレンチ１５ａとを有している。そして、第１トレンチ１５ａは、対向する壁面のｘ方向の間隔が、第２トレンチ１５ｂの対向する壁面の間隔よりも短くされている。すなわち、第１トレンチ１５ａの開口幅は第２トレンチ１５ｂの開口幅よりも短くされており、トレンチ１５はいわゆる壺形状とされている。トレンチゲート１８は、第１トレンチ１５ａと、第２トレンチ１５ｂに形成されたゲート絶縁膜１６と、トレンチ１５に埋め込まれたゲート電極１７とにより形成されている。
　また、ゲート絶縁膜１６は、第２トレンチ１５ｂを構成する壁面に形成されている部分の厚さが、第１トレンチ１５ａを構成する壁面に形成されている部分の厚さよりも厚くされている。ここで、第１トレンチ１５ａおよび第２トレンチ１５ｂを構成する壁面に形成されている部分の厚さとは、ゲート絶縁膜１６におけるｙ方向に垂直な方向の厚さのことを指している。特に限定されるものではないが、第１トレンチ１５ａを構成する壁面に形成されている部分の厚さを略１００ｎｍ、第２トレンチ１５ｂを構成する壁面に形成されている部分の厚さを略２００ｎｍとすることができる。
　また、ベース層１４の表層のうち、トレンチゲート１８の側部に、ドリフト層１３よりも不純物濃度の高いＮ＋型のエミッタ層１９が形成されている。このエミッタ層１９は、エミッタ層１９のｙ方向の長さＬ２（以下、エミッタ幅と示す）と、分割された各エミッタ層１９間のｙ方向の間隔Ｌ１（以下、エミッタ間隔と示す）とをもって、複数に分割され、ｙ方向に周期的に形成されている。そして、本実施形態では、Ｄ１≦Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たすように、Ｌ１が規定されている。すなわち、本実施形態では、Ｄ１≒３．０μｍ、Ｄ２≒２．０μｍであるから、Ｌ１は、３μｍ≦Ｌ１≦１０μｍを満たすような距離となっている。Ｌ１は前記の関係を満足すればよく、特定の値に限定されるものではないが、本実施形態では、例えば、Ｌ１≒６．０μｍ、Ｌ２≒２．０μｍとすることができる。
　隣り合うトレンチゲート１８の間のうち、ｙ方向において、エミッタ層１９が形成された長さＬ２の領域が、特許請求の範囲に記載の有効領域（図１中にＰと示す）に相当する。また、ｙ方向において、隣り合う有効領域Ｐの間の長さＬ１の領域が、特許請求の範囲に記載の無効領域（図１中にＱと示す）に相当する。
　また、隣り合うトレンチゲート１８の間であって、トレンチゲート１８の側部に形成されたエミッタ層１９の間に、ベース層１４よりも不純物濃度の高いＰ＋型のベースコンタクト層２０が形成されている。本実施形態において、このベースコンタクト層２０は、ベース層１４の表面からエミッタ層１９よりも深い位置まで形成されている。また、ベースコンタクト層２０のｘ方向の長さ（図１中Ｃ）が、隣り合う底部１８ｂのｘ方向の間隔（図１中Ａ）よりも長くされている。本実施形態では、例えば、Ｃ≒０．８μｍとすることができる。
　また、図２に示すように、ベース層１４におけるエミッタ層１９などが形成された一面上には、層間絶縁膜２１が形成されている。この層間絶縁膜２１にはコンタクトホールが形成されており、エミッタ電極２２は、このコンタクトホールを介してエミッタ層１９、ベース層１４およびベースコンタクト層２０と電気的に接続されている。なお、ゲート電極１７とエミッタ電極２２とは、層間絶縁膜２１により絶縁されている。そして、コレクタ層１１の裏面側には、該コレクタ層１１と電気的に接続されるコレクタ電極２３が形成されている。
　次に、図３～図６を参照して、本実施形態に係る半導体装置１０の作用効果について説明する。
　本実施形態における半導体装置１０では、ゲート電極１７に対して、所定のゲート電圧が印加されると、ベース層１４のうち、トレンチ１５に側壁に形成されたゲート絶縁膜１６と接する部分にＮ型の反転層が形成される。また、ドリフト層１３のうち、トレンチ１５の側壁に形成されたゲート絶縁膜１６と接する部分に電子の蓄積層が形成される。そして、エミッタ層１９から反転層および蓄積層を介して、電子がドリフト層１３内に流れ込むとともに、コレクタ層１１から正孔がドリフト層１３内に流れ込む。このため、伝導度変調によりドリフト層１３の抵抗値が低下してオン状態となる。
　本実施形態においては、隣り合う底部１８ｂのｘ方向の間隔Ａが、隣り合う連通部１８ａのｘ方向の間隔Ｂより短くされている。このため、隣り合うトレンチゲート１８の間隔が、ｚ方向において、隣り合うトレンチゲート１８で挟まれたベース層１４の表層部の長さＢでほぼ均一とされている場合に較べて、ドリフト層１３に注入された正孔の移動を制限することができる。すなわち、ドリフト層１３に多くの正孔を蓄積させることができる。そして、この蓄積された正孔により、反転層および蓄積層を通じてエミッタ層１９からドリフト層１３に注入される電子の供給量を増加させることができる。したがって、オン電圧を低減することができる。
　また、本実施形態において、ゲート絶縁膜１６は、第２トレンチ１５ｂに形成された部分の厚さが、第１トレンチ１５ａに形成された部分の厚さよりも厚くされている。このため、ゲート絶縁膜１６の厚さが、第１トレンチ１５ａに形成されたゲート絶縁膜の厚さで一定とされている場合に較べて、蓄積層の厚さを薄くすることができる。したがって、コレクタ－エミッタ間電流の電流経路を狭くすることができ、飽和電流を下げることができる。すなわち、負荷短絡耐量を向上させることができる。
　さらに、本実施形態において、エミッタ層１９は、エミッタ幅Ｌ２と、エミッタ間隔Ｌ１とをもって、複数に分割され、ｙ方向に周期的に形成されている。換言すれば、ｙ方向において、隣り合うエミッタ層１９の間にベース層１４を有する。このため、ｙ方向におけるトレンチゲート１８の長さに対するエミッタ層１９の幅の占める割合は、エミッタ層１９が連続した構造に較べて小さくなる。すなわち、エミッタ層１９からドリフト層１３に注入される電子による電流密度は、エミッタ層１９が連続した構造に較べて小さくなる。したがって、半導体装置１０の飽和電流を低減することができ、負荷短絡耐量を向上させることができる。図３は、ゲート－エミッタ間電圧Ｖｇを１５Ｖとし、コレクタ－エミッタ間電圧Ｖｃｅを２０Ｖとし、使用温度を１５０℃としたときの、飽和電流Ｉｃｅ（ｓａｔ）に関するシミュレーション結果である。このシミュレーションは、エミッタ層１９のｙ方向のピッチ（Ｌ１＋Ｌ２）を一定とし、エミッタ幅Ｌ２を変数として実施されている。図３では、本実施形態の構成（Ｌ１＋Ｌ２＝８μｍ）の他に、Ｌ１＋Ｌ２＝１２μｍの場合も示してある。図３に示すように、ピッチに対して、エミッタ幅Ｌ２を小さくする（エミッタ間隔Ｌ１を大きくする）ことにより、飽和電流Ｉｃｅ（ｓａｔ）を低減できていることがわかる。
　また、図４に示すように、エミッタ層１９からドリフト層１３へ注入される電子の移動経路２４には、ｚ方向だけでなく、ｘ－ｙ平面と平行な方向も含まれる。すなわち、エミッタ層１９が分割された構造であるために、表層部にエミッタ層１９が存在しないベース層１４の直下のドリフト層１３にも電子の移動経路２４が存在する。そして、ｙ方向において、隣り合うエミッタ層１９から移動する電子の移動経路２４が重なる深さよりも深い場所における電圧降下は、エミッタ層が連続した構造と略同等となる。
　図５は、ゲート－エミッタ間電圧Ｖｇを１５Ｖとし、コレクタ電流を４００Ａ/ｃｍ２、使用温度を１５０℃としたときの、第２トレンチ１５ｂに隣接するドリフト層１３におけるオン電圧Ｖｏｎに関するシミュレーション結果である。このシミュレーションは、エミッタ層１９のｙ方向のピッチ（Ｌ１＋Ｌ２）を一定とし、エミッタ幅Ｌ２を変数として実施されている。図５では、本実施形態の構成（Ｌ１＋Ｌ２＝８μｍ）の他に、Ｌ１＋Ｌ２＝１２μｍの場合も示してある。図５に示すように、トレンチ１５に隣接するドリフト層１３におけるオン電圧Ｖｏｎは、エミッタ幅Ｌ２を小さくすると、増加傾向にあるものの、ほとんど依存せず、ほぼ一定に保たれていることがわかる。すなわち、エミッタ層１９を分割構造としても、オン電圧の上昇を抑制することができていることがわかる。
　本実施形態では、Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たすように、エミッタ間隔Ｌ１が規定されている。このような構成においては、分割された各エミッタ層１９からドリフト層１３へ向かって移動する電子の移動経路２４が、トレンチゲート１８のｚ方向の長さ（Ｄ１＋Ｄ２）に相当する深さ以下の浅い位置で重なる。すなわち、ドリフト層１３のうち、ベース層１４の表面からｚ方向の長さ（Ｄ１＋Ｄ２）よりも深い部分における電圧降下を、エミッタ層１９が連続した構造と略同等とすることができる。一般に、ＩＧＢＴ素子では、その電圧降下成分のうち、ドリフト層１３における電圧降下が占める割合が高い。本実施形態では、Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たすように、エミッタ間隔Ｌ１が規定されることにより、ドリフト層１３における電圧降下を低減して、オン電圧の上昇を抑制することができる。
　また、本実施形態では、Ｄ１≦Ｌ１の関係を満たすような構造となっている。エミッタ層１９が分割された構造において、飽和電流は、エミッタ層１９から反転層を経てドリフト層１３に移動する電子による電流密度に依存する。すなわち、エミッタ層１９のピッチ（Ｌ１＋Ｌ２）が一定である場合には、エミッタ間隔Ｌ１に依存する。そして、以下、図６を参照して詳述するように、Ｄ１≦Ｌ１の関係を満たす構造とすると、飽和電流を効果的に低減することができる。
　図６は、図３および図５の横軸をエミッタ間隔Ｌ１とし、トレンチ１５に隣接するドリフト層１３におけるオン電圧Ｖｏｎと、飽和電流Ｉｃｅ（ｓａｔ）を二軸表示したものである。前述したように、エミッタ間隔Ｌ１を大きくする（エミッタ幅Ｌ２を小さくする）と、オン電圧Ｖｏｎは増加し、飽和電流Ｉｃｅ（ｓａｔ）は減少する。図６に示すように、オン電圧Ｖｏｎは、Ｌ１＞２（Ｄ１＋Ｄ２）の場合にエミッタ間隔Ｌ１と線形関係にあるが、エミッタ間隔Ｌ１が２（Ｄ１＋Ｄ２）以下になるように小さくしていくと、Ｖｏｎの最小値（本実施形態では略０．１７Ｖ）に近づく。すなわち、Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たすことにより、オン電圧Ｖｏｎの上昇を抑制することができる。また、飽和電流Ｉｃｅ（ｓａｔ）は、Ｌ１の増加に伴って減少する。その変化率、すなわち傾きの絶対値は、Ｌ１の増加に伴って増加し、その後、一定（線形）となる。この一定となった領域の直線と、エミッタ間隔Ｌ１がゼロ（エミッタ層が分割されていない従来構造）の点における接線の交点は、そのエミッタ間隔Ｌ１がＤ１と略同等となる。したがって、Ｌ１とＤ１とが、Ｄ１≦Ｌ１の関係を満たすことにより、飽和電流を効果的に低減できる。したがって、本実施形態のように、Ｄ１≦Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たす構成とすることにより、低いオン電圧を実現しつつ、飽和電流を低減することができる。すなわち、負荷短絡耐量を向上させることができる。
　なお、本実施形態では、エミッタ間隔Ｌ１≒６．０μｍであり、Ｄ１≦Ｌ１≦２Ｄ１の関係を満たしている。図６に示すように、エミッタ間隔Ｌ１がＤ１≦Ｌ１≦２Ｄ１の関係を満たす領域では、トレンチ１５に隣接するドリフト層１３におけるオン電圧Ｖｏｎが、その最小値（本実施形態では略０．１７Ｖ）で一定になり始める。すなわち、より効果的にオン電圧の上昇を抑制することができる。
（第２実施形態）
　第１実施形態では、連通部１８ａおよび底部１８ｂのｚ方向の長さを、それぞれ、Ｄ１≒３．０μｍ、Ｄ２≒２．０μｍとする例を示した。これに対して、本実施形態では、Ｄ１≒２．４μｍ、Ｄ２≒１．６μｍ（第１実施形態の寸法に対して０．８倍）とし、ベース層１４、エミッタ層１９、ベースコンタクト層２０が形成されるベース層１４の表面からの深さも０．８倍とした例を示す。
　なお、上記寸法以外の構成については、第１実施形態と同じであるため、詳細の記載を省略する。また、作用効果に関し、オン電圧以外の要素については、Ｄ１、Ｄ２、および、ベース層１４、エミッタ層１９、ベースコンタクト層２０が形成されるベース層１４の表面からの深さに対する依存性が、オン電圧と較べて小さく、第１実施形態の場合と同じであるため、詳細の記載を省略する。よって、ここでは、本実施形態におけるオン電圧に関して、詳細を説明する。
　図７に示すように、本実施形態における、トレンチ１５に隣接するドリフト層１３におけるオン電圧Ｖｏｎのエミッタ間隔Ｌ１依存性も、第１実施形態と同様の傾向を示す。すなわち、オン電圧Ｖｏｎは、Ｌ１＞２（Ｄ１＋Ｄ２）の場合にエミッタ間隔Ｌ１と線形関係にあるが、エミッタ間隔Ｌ１が２（Ｄ１＋Ｄ２）以下になるように小さくしていくと、Ｖｏｎの最小値（本実施形態では略０．１４Ｖ）に近づく。本実施形態でも、Ｌ１＝６μｍであり、オン電圧Ｖｏｎは線形関係から外れて、Ｖｏｎの最小値０．１４Ｖに近づく領域にある。すなわち、Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たす。したがって、オン電圧Ｖｏｎの上昇を抑制することができる。
　なお、図７に示すように、本実施形態においても、Ｌ１≦２Ｄ２の関係を満たすようにエミッタ間隔Ｌ１を決めれば、第１実施形態と同様に、トレンチ１５に隣接するドリフト層１３におけるオン電圧Ｖｏｎが、その最小値（本実施形態では略０．１４Ｖ）で一定になり始める。したがって、より効果的にオン電圧の上昇を抑制することができる。
（第３実施形態）
　上記の各実施形態では、隣り合うゲートトレンチ１８の間において、ベース層１４が隣り合うエミッタ層１９に挟まれた例を示した。これに対して、本実施形態では、図８に示すように、エミッタ層１９が、隣り合うトレンチゲート１８間で、ｘ方向に連続した例を示す。
　本実施形態で、エミッタ層１９は、ベース層１４の表層であって、隣り合うトレンチゲート１８間において、ｘ方向に連続して形成されている。ベースコンタクト層２０は、ｘ方向の幅が、第１実施形態と同じく、Ｃ≒０．８μｍとされ、トレンチゲート１８から離間して形成されている。そして、ベース層１４からのｚ方向の厚さは、エミッタ層１９と同じとされている。このように、ｙ方向において、エミッタ層１９およびベースコンタクト層２０は、互いにベース層１４の表面から同じ深さまで形成され、ｙ方向に交互に並んで形成されている。
　本実施形態に係る構成では、隣り合うトレンチゲート１８の間の領域のうち、エミッタ層１９に対応する領域が有効領域Ｐに相当する。また、ｙ方向において、隣り合うエミッタ層１９の間の領域、すなわち、ベース層１４の表面にベースコンタクト層２０が露出している領域が無効領域Ｑに相当する。
　この構成によれば、エミッタ層１９とエミッタ電極２２との接触面積を、上記各実施形態の構成よりも大きくすることができる。これにより、エミッタ層１９とエミッタ電極２２との接触抵抗を小さくすることができ、オン電圧を低減することができる。したがって、素子動作時の発熱や消費電力を低減することができる。
　なお、本実施形態におけるベースコンタクト層２０は、ベース層１４の表面からエミッタ層１９と同じ深さまで形成された例を示したが、図９に示すように、ベースコンタクト層２０は、エミッタ層１９よりも深い位置まで形成されていてもよい。この構成では、各ベースコンタクト層２０は、ｙ方向において連続して一体的に形成される。すなわち、ｙ方向において、エミッタ層１９の間の領域だけでなく、エミッタ層１９の直下にも形成されている。これにより、ベースコンタクト層２０およびベース層１４の電位について、ｙ方向依存性を小さくすることができ、電位を安定化させることができる。したがって、ベースコンタクト層２０がｙ方向に分割して形成されている場合に較べて、電気サージに対する耐性を向上することができる。
（第４実施形態）
　上記の各実施形態では、エミッタ電極２２が、ベース層１４の表面において、ベース層１４、エミッタ層１９およびベースコンタクト層２０に接続されている例を示した。これに対して、本実施形態では、エミッタ電極２２が、エミッタ層１９と概ね同じ深さまで形成された例を示す。
　図１０（ａ）に示すように、本実施形態において、エミッタ層１９は、第１実施形態および第２実施形態と同様に、ｘ方向に不連続に形成されている。また、図１０（ｂ）に示すように、ベースコンタクト層２０は、第１実施形態および第２実施形態と同様に、ベース層１４のうちエミッタ層１９よりも深い位置まで形成されている。そして、隣り合うトレンチゲート１８の間であって、ベース層１４におけるエミッタ層１９に挟まれた領域、すなわち、本実施形態ではベースコンタクト層２０が形成された領域には、コンタクトトレンチ２５が設けられている。このコンタクトトレンチ２５は、ベース層１４の表面からエミッタ層１９と概ね同じ深さを有しつつ、ｙ方向に延びて形成されている。このコンタクトトレンチ２５の側面には、エミッタ層１９の側面が接し、コンタクトトレンチ２５の底面には、ベースコンタクト層２０が接している。一方、ｙ方向において、エミッタ層１９の間の領域では、コンタクトトレンチ２５の側面および底面にベースコンタクト層２０が接しており、ベースコンタクト層２０は、図１０（ｃ）に示すように、ｘ－ｚ断面においてコの字型になっている。そして、エミッタ電極２２は、ベース層１４の表面およびコンタクトトレンチ２５内に形成されている。なお、トレンチゲート１８におけるゲート電極１７の表面には、第１実施形態および第２実施形態と同様に、層間絶縁膜２１が形成されて、ゲート電極１７とエミッタ電極２２とが絶縁されている。
　第１および第２実施形態と同様に、隣り合うトレンチゲート１８の間のうち、ｙ方向において、エミッタ層１９が形成された領域が、特許請求の範囲に記載の有効領域Ｐに相当する。また、ｙ方向において、隣り合う有効領域Ｐの間の領域が、特許請求の範囲に記載の無効領域Ｑに相当する。
　このような構成においては、エミッタ電極２２が、エミッタ層１９におけるベース層１４の表面に平行なｘ－ｙ平面に加えて、ｙ－ｚ平面に平行な側面にも接する。すなわち、エミッタ層１９とエミッタ電極２２との接触面積を、ベース層１４の表面に平行なｘ－ｙ平面のみで接続する場合に較べて大きくすることができる。これにより、エミッタ層１９とエミッタ電極２２との接触抵抗を小さくすることができ、オン電圧を低減することができる。したがって、素子動作時の発熱や消費電力を低減することができる。また、ベースコンタクト層２０とエミッタ電極２２との接触面積についても、ベース層１４の表面に平行なｘ－ｙ平面のみで接続する場合に較べて大きくすることができる。これにより、ベース層１４およびベースコンタクト層２０の電位を安定化させることができ、電気サージに対する耐性を向上することができる。
（第５実施形態）
　第４実施形態を除く、上記した各実施形態では、隣り合うトレンチゲート１８の間において、一つのトレンチゲート１８の側部に分割されて形成された各エミッタ層１９が、その隣のトレンチゲート１８の側部に形成された各エミッタ層１９と、ｙ方向において同一位置に形成された例を示した。しかしながら、上記の各エミッタ層１９は、ｙ方向において同一位置に形成される構成に限定されない。
　本実施形態では、図１１に示すように、隣り合うトレンチゲート１８の間において、一つのトレンチゲート１８の側部に形成されたエミッタ層１９と、その隣のトレンチゲート１８の側部に形成されたエミッタ層１９とが互い違いに形成されている。すなわち、エミッタ層１９において、Ｌ１およびＬ２が、それぞれｘ方向に隣り合うエミッタ層１９のＬ１およびＬ２と同一にされつつ、エミッタ層１９同士がｙ方向にずれて形成されている。
　本実施形態においては、エミッタ層１９が形成された領域が有効領域Ｐに相当し、ｙ方向において、隣り合うエミッタ層１９の間の領域が無効領域Ｑに相当する。
　このような構成においては、エミッタ－ドリフト間の電流密度の、ｘ－ｙ平面内依存性を、上記の各実施形態の構成に較べて小さくすることができる。すなわち、エミッタ－ドリフト間の電流を、ｘ－ｙ平面の位置に依らず均一にすることができる。これにより、ＩＧＢＴ素子の飽和電流およびオン電圧の、素子間のばらつきを抑制することができる。なお、本実施形態では、ｘ方向に隣り合うエミッタ層１９が互い違いに形成された例をしめしたが、この例に限定されるものではない。例えば、エミッタ層１９において、Ｌ１およびＬ２が、それぞれｘ方向に隣り合うエミッタ層１９のＬ１およびＬ２と異なる長さとされてもよいし、ｙ方向にずらされる量も限定されるものではない。また、図１１では、ｘ方向において、隣り合うトレンチゲート１８の間の領域において、２つのトレンチゲート１８のいずれの側部にもエミッタ層１９が形成された例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示すように、トレンチゲート１８の片方の側部のみにエミッタ層１９が形成されていてもよい。具体的には、ｘ方向において、各トレンチゲートの一方の側部であり、互いに同一の側の側部にエミッタ層１９が形成されていてもよい。若しくは、図１３に示すように、エミッタ層１９が両側部に形成されたトレンチゲート１８と、エミッタ層１９が形成されていないトレンチゲート１８とをｘ方向に交互に配置する構成としてもよい。図１２および図１３に示した構成では、図１１に示した構成に較べてエミッタ層１９の面積割合を小さくすることができるため、飽和電流をより低減させることができる。
（第６実施形態）
　上記した各実施形態では、ｙ方向において隣り合うエミッタ層１９の間のベース層１４の表面にベースコンタクト層２０が露出した構成を示した。上記した各実施形態におけるベースコンタクト層２０は、ｙ方向において、有効領域Ｐおよび無効領域Ｑを貫くように延びて形成されており、トレンチゲート１８に接しない。これに対して、本実施形態では、図１４に示すように、ベース層１４よりも高濃度であってエミッタ層１９よりも低濃度のＰ＋型の第１高濃度ベース領域２６が、無効領域Ｑにおけるベース層１４の表層に形成されている。この第１高濃度ベース領域２６は、ベース層１４の表面からエミッタ層１９よりも深い位置まで形成され、且つ、トレンチゲート１８の側部に接して形成されている。なお、有効領域Ｐにおけるエミッタ層１９は、隣り合うトレンチゲート１８の間であってベース層１４の表層にｘ方向に連続に形成されている。
　この構成では、エミッタ層１９およびベース層１４の表面に形成されるエミッタ電極２２と、ベース層１４との間の接触抵抗を、第１高濃度ベース領域２６が形成されない構成に較べて下げることができる。このため、ベース層１４の電位を安定化させることができ、電気サージに対する耐性を向上させることができる。なお、高濃度ベース領域２６は必ずしもトレンチゲート１８に接して形成されなくてもよいが、本実施形態のように、第１高濃度ベース領域２６が、ｘ方向においてトレンチゲート１８に接するように形成されることにより、無効領域Ｑにおいてトレンチゲート１８近傍のベース層１４（第１高濃度ベース領域２６）を反転しにくくすることができる。また、高濃度ベース領域２６は必ずしもエミッタ層１９よりも深い位置まで形成されていなくてもよい。また、本実施形態は、ベースコンタクト層２０を有さない構成であるが、ベースコンタクト層２０が形成されていてもよい。その場合、ベースコンタクト層２０は、ｚ方向において、エミッタ層１９に接しつつ、トレンチゲート１８に接しないように、有効領域Ｐと無効領域Ｑをｙ方向に貫いて形成されるとよい。
　本実施形態では、この第１高濃度ベース領域２６は、ベース層１４の表面からエミッタ層１９よりも深い位置まで形成されている。このため、図１５に示すように、第１高濃度ベース領域２６のドーパントが、エミッタ層１９の下部２７、すなわち、ｚ方向においてエミッタ層１９の一部に接する位置、に熱拡散することがある。これにより、図１５に示すように、ベース層１４のうちエミッタ層１９の下部２７が、この部分以外のベース層１４よりも不純物濃度が高くなることがある。これにより、ドリフト層１３へ電子を注入する注入源（エミッタ層１９）の、実効的なｙ方向の幅Ｌ３を、実際のエミッタ層１９の幅Ｌ２よりも小さくすることができる。これにより、飽和電流を低減させることができる。
（第７実施形態）
　上記した各実施形態では、ｙ方向に分割して形成されたエミッタ層１９に対応する領域を有効領域Ｐとする例を示した。これに対して、本実施形態では、図１６に示すように、エミッタ層１９がｙ方向に連続的に延設されている。そして、隣り合うトレンチゲート１８の間のベース層１４の表層部に、ｙ方向の距離Ｌ１をもって第２高濃度ベース領域２８が形成されている。エミッタ層１９および第２高濃度ベース領域２８を除く部分については、第１実施形態と同様の構成であるため、詳細の記載を省略する。
　第２高濃度ベース領域２８は、ベース層１４よりも不純物濃度の高いＰ＋型とされ、その濃度はエミッタ層１９よりも低くされている。また、第２高濃度ベース領域２８は、ｚ方向においてエミッタ層１９と接し、且つ、ｘ方向においてトレンチゲート１８に接する位置に形成されている。そして、ｙ方向に間隔Ｌ２をもって分割して形成されている。図１７に示すように、第２高濃度ベース領域２８は、エミッタ層１９よりも深い位置まで形成され、トレンチゲート１８に接している。第２高濃度ベース領域２８はベース層１４よりも高濃度とされているため、ゲート電極１７に電圧が印加された際に、エミッタ層１９とドリフト層１３との間の領域は、第２高濃度ベース領域２８を有さない場合に較べて反転しにくい。これにより、第２高濃度ベース領域２８に対応する領域は電子がドリフト層１３に注入されない無効領域Ｑである。そして、ｙ方向において、隣り合う無効領域Ｑの間の領域は、ゲート電極１７への電圧の印加によってエミッタ層１９からドリフト層１２へ電子が注入される有効領域Ｐである。なお、本実施形態では、図１６および図１７に示すように、ベースコンタクト層２０が有効領域Ｐおよび無効領域Ｑを貫いて、ｙ方向に延びて形成されている。
　本実施形態においても、有効領域Ｐがｙ方向の長さＬ１の間隔をもって分割して形成されている。このため、第１実施形態および第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
（第８実施形態）
　本実施形態では、第１実施形態に対する第４実施形態のように、第７実施形態に対して、エミッタ電極２２が、エミッタ層１９と概ね同じ深さまで形成された例を示す。
　図１８（ａ）に示すように、本実施形態において、エミッタ層１９は、第７実施形態と同様に、ｙ方向に連続に延設されている。また、図１８（ｂ）に示すように、有効領域Ｐにおいて、ベースコンタクト層２０は、第７実施形態と同様に、ベース層１４のうちエミッタ層１９よりも深い位置まで形成されている。そして、隣り合うトレンチゲート１８の間であって、ベース層１４におけるエミッタ層１９に挟まれた領域、すなわち、本実施形態ではベースコンタクト層２０が形成された領域には、コンタクトトレンチ２５が設けられている。このコンタクトトレンチ２５は、ベース層１４の表面からエミッタ層１９と概ね同じ深さを有しつつ、ｙ方向に延びて形成されている。このコンタクトトレンチ２５の側面には、エミッタ層１９の側面が接し、コンタクトトレンチ２５の底面には、ベースコンタクト層２０が接している。一方、無効領域Ｑにおいて、エミッタ層１９の間の領域では、図１８（ｃ）に示すように、ベースコンタクト層２０が、ベース層１４のうちエミッタ層１９よりも深い位置まで形成されている。そして、第２高濃度ベース領域２８が、エミッタ層１９よりも深い位置まで形成され、エミッタ層１９とトレンチゲート１８の側部に接するように形成されている。なお、トレンチゲート１８におけるゲート電極１７の表面には、第１実施形態および第２実施形態と同様に、層間絶縁膜２１が形成されて、ゲート電極１７とエミッタ電極２２とが絶縁されている。
　この構成においても、有効領域Ｐがｙ方向において分割して形成されている。加えて、第４実施形態と同様に、トレンチコンタクト２５が形成されている。このため、第４実施形態の作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
（その他の実施形態）
　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態や構造に限定されるものではない。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
　第６実施形態では、無効領域Ｑに第１高濃度ベース領域２６を有する構成を示した。第６実施形態では、有効領域Ｐとしてのエミッタ層１９が、隣り合うトレンチゲートの間であってベース層１４の表層に、ｘ方向に連続して形成されている。しかしながら、第１高濃度ベース領域２６を有する構成として、エミッタ層１９は必ずしもｘ方向に連続して形成されていなくともよい。第１実施形態のように、エミッタ層１９がｘ方向において分割して形成されつつ、無効領域Ｑにおいて、第１高濃度ベース領域２６を有する構成としてもよい。
　また、上記した各実施形態では、ＩＧＢＴ素子が形成される基板として、コレクタ層１１上にバッファ層１２が形成された例を示したが、上記例に限定されるものではない。例えば、バッファ層１２に替えてフィールドストップ層が形成されてもよいし、バッファ層１２が形成されない構成としてもよい。

Claims (8)

  1. 　互いに直交するｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ－ｙ平面、および該ｘ－ｙ平面に直交するｚ方向に対して、
    　前記ｘ－ｙ平面に沿って層状にされた第１導電型のコレクタ層（１１）と
    　該コレクタ層上に形成された第２導電型のドリフト層（１３）と
    　該ドリフト層上に形成された第１導電型のベース層（１４）と、
    　前記ベース層のｘ－ｙ平面に沿う表面から、前記ベース層をｚ方向に貫通して、前記ドリフト層の途中まで達し、ｙ方向にストライプ状に延設された複数のトレンチ（１５）、該トレンチの壁面に形成されたゲート絶縁膜（１６）、および前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極（１７）を有するトレンチゲート（１８）と、
    　前記ベース層の表層における、前記トレンチゲートの側部に形成された第２導電型のエミッタ層（１９）と、
    　前記コレクタ層における前記ドリフト層が形成された面と反対側の裏面に形成され、前記コレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極（２３）と、
    　前記エミッタ層および前記ベース層に電気的に接続されたエミッタ電極（２２）と、
    　を備えた半導体装置であって、
    　前記トレンチゲートは、前記ドリフト層に形成された底部（１８ｂ）と、前記ベース層の表面から、前記底部に連通して形成された連通部（１８ａ）と、を備え、
    　隣り合う前記底部のｘ方向の間隔が、隣り合う前記連通部のｘ方向の間隔より短くされ、
    　前記ゲート絶縁膜は、前記底部における厚さが、前記連通部における厚さより厚くされ、
    　隣り合う前記トレンチゲートの間の領域が、ｙ方向において、
    　前記ゲート電極に電圧が印加されることによって前記ドリフト層への電荷の注入源となる前記エミッタ層に対応する有効領域（Ｐ）と、
    　前記ゲート電極に電圧が印加されることによっても電荷の注入源を生じない無効領域（Ｑ）と、に分割され、
    　ｙ方向における前記無効領域の間隔をＬ１（＞０）、前記連通部のｚ方向の長さをＤ１、前記底部のｚ方向の長さをＤ２とするとき、
    　Ｌ１≦２（Ｄ１＋Ｄ２）の関係を満たす半導体装置。
  2. 　前記有効領域として、隣り合う前記トレンチゲートの間の領域のうち、ｙ方向に前記間隔Ｌ１をもって複数に分割して形成された前記エミッタ層に対応する領域を有し、
    　前記無効領域として、ｙ方向において、隣り合う前記有効領域に挟まれた領域を有する請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記無効領域における前記ベース層の表層部に、前記ベース層よりも不純物濃度の高い第１導電型の第１高濃度ベース領域（２６）が形成される請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　前記エミッタ層は、前記トレンチゲートに沿ってｙ方向に連続的に延設され、
    　前記無効領域として、前記ベース層のうち、ｚ方向において前記エミッタ層と接し、且つｘ方向において前記トレンチゲートに接する位置に、ｙ方向に前記間隔Ｌ１の長さをもって断続的に分割して形成され、前記ベース層よりも不純物濃度が高く、前記エミッタ層よりも不純物濃度の低い、第１導電型の第２高濃度ベース領域（２８）が形成された領域を有し、
    　前記有効領域として、隣り合う前記第２高濃度ベース領域に挟まれた領域を有する請求項１に記載の半導体装置。
  5. 　前記Ｌ１と、前記Ｄ１とが、Ｌ１≦２Ｄ１の関係を満たす請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 　前記Ｌ１と、前記Ｄ１とが、Ｄ１≦Ｌ１の関係を満たす請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 　前記有効領域は、前記Ｌ１と、前記有効領域におけるｙ方向の長さＬ２とが、それぞれ一定の長さとなる周期構造を有する請求項１～６いずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 　前記ベース層の表層部のうち、隣り合う前記トレンチゲートの間であって、前記エミッタ層の間に、前記エミッタ層よりも深い位置まで形成されて、かつ、ｘ方向の長さが、隣り合う前記底部の間隔より長くされている第１導電型のベースコンタクト層（２０）が形成されている請求項１～７いずれか１項に記載の半導体装置。
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