WO2015008458A1 - 半導体装置 - Google Patents

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high concentration
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semiconductor device
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吉川　功
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Fuji Electric Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a technique effective when applied to a semiconductor device having a reverse blocking insulated gate bipolar transistor.
  • a DC smoothing circuit composed of an electric field capacitor, a DC reactor, or the like is not required in power converters using semiconductor elements such as AC (AC) / AC conversion, AC / DC (DC) conversion, and DC / AC conversion.
  • a direct conversion circuit for example, a matrix converter is known.
  • the matrix converter is composed of a plurality of AC switches. Since an AC voltage is applied to the AC switch, a configuration having both forward and reverse breakdown voltages (hereinafter referred to as a forward breakdown voltage and a reverse breakdown voltage) is required.
  • Bidirectional switching elements are attracting attention from the viewpoints of higher efficiency, faster response, and lower cost.
  • a bidirectional switching element for example, a switch configured by connecting two reverse-blocking insulated gate bipolar transistors (hereinafter referred to as reverse-blocking IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) in antiparallel is known.
  • the reverse blocking IGBT When the reverse blocking IGBT is used as a switching element connected in reverse parallel, the reverse blocking IGBT has the functions of an IGBT and a diode.
  • an ON signal is given to the gate of the IGBT so that the channel is always opened.
  • a pn diode is constituted by the p collector region-n drift region-n channel region-n emitter region of the reverse blocking IGBT.
  • An ON signal is applied to the gate of the reverse blocking IGBT to set the diode mode, and a forward current flows through the diode. Due to this forward current, excess carriers are accumulated in the drift region of the diode.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a conventional reverse blocking IGBT.
  • the reverse blocking IGBT is provided with a separation portion 330 surrounding the active region 310 at the outer peripheral end portion of the n ⁇ type semiconductor substrate.
  • the active region 310 includes a vertical IGBT including an n ⁇ type drift region 201, a p type base region 202, an n + type emitter region 203, and a p type collector region 210.
  • a p-type separation region 231 that penetrates from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate is provided.
  • the isolation region 231 is in contact with the collector region 210 provided on the back surface of the active region 310.
  • a breakdown voltage structure region 320 is provided between the isolation part 330 and the active region 310. The breakdown voltage structure region 320 relaxes the electric field strength on the pn junction surface constituting the semiconductor device and realizes a desired breakdown voltage.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing in detail the active region 310 of the reverse blocking IGBT shown in FIG.
  • a p-type base region 202 is selectively provided on the surface of a drift region 201 made of an n ⁇ -type semiconductor substrate.
  • Base region 202 has a higher impurity concentration than drift region 201.
  • An n + -type emitter region 203 and a p + -type body region 204 are selectively provided on the surface of the base region 202.
  • the gate electrode 207 covers part of the emitter region 203 and the base region 202 with the gate insulating film 206 interposed therebetween.
  • Emitter electrode 209 is in contact with emitter region 203 and body region 204.
  • the emitter electrode 209 is electrically insulated from the gate electrode 207 by the interlayer insulating film 208.
  • a p-type collector region 210 and a collector electrode 211 are provided on the second main surface Y2 (back surface) of the drift region 201.
  • Such a reverse blocking IGBT uses a silicon (Si) substrate manufactured by a floating zone melting (FZ) method, so that a depletion layer that spreads from the emitter side when turned off does not reach the collector side ( NPT: Non Punch Through) type.
  • FZ floating zone melting
  • NPT Non Punch Through
  • the thickness of the silicon substrate is reduced to about 100 ⁇ m when the rated voltage of the IGBT is 600 V, for example, to about 180 ⁇ m when the rated voltage is 1200 V. Because you can.
  • the NPT type IGBT is configured such that the collector region is thin and the impurity concentration of the collector region is low, thereby reducing the efficiency of minority carrier injection from the collector region and increasing the transport efficiency.
  • the NPT type reverse blocking IGBT improves the problem due to the trade-off relationship between the on-voltage characteristics and the turn-off loss, and realizes both the reduction of the on-voltage and the reduction of the turn-off loss.
  • a p base region is formed on the surface of the semiconductor substrate, an n + emitter region is formed on the surface of the p base region, and a p base region is formed on the outer peripheral portion and the back surface side of the semiconductor substrate.
  • a device has been proposed in which a p + collector region (p + region formed on the side surface and p + collector region formed on the side surface) is formed so as to surround, and the thickness of the p + collector region on the back surface is about 1 ⁇ m (for example, , See Patent Document 1 below).
  • the following device has been proposed.
  • the semiconductor substrate has at least a forward and reverse breakdown voltage pn junction formed on both sides of the layer including the semiconductor substrate, and the breakdown junction termination structure of both the pn junctions is on the first main surface side of the semiconductor substrate by the isolation diffusion region
  • the layer including the semiconductor substrate has a substantially constant impurity concentration distribution or a region in which the impurity concentration decreases toward the inside from the first main surface.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing another example of a conventional reverse blocking IGBT.
  • an n-type shell region 301 is provided between the drift region 201 and the base region 202. Shell region 301 has a higher impurity concentration than drift region 201.
  • An n-type buffer region 302 is provided between the drift region 201 and the collector region 210. The buffer region 302 has a higher impurity concentration than the drift region 201.
  • Other configurations are the same as those of the reverse blocking IGBT shown in FIG.
  • the impurity concentration at the interface between the drift region 201 and the base region 202, the interface between the drift region 201 and the collector region 210, or both interfaces is the same conductivity type as that of the drift region 201 and higher than that of the drift region 201.
  • IGBTs whose characteristics are improved by providing these regions (shell region 301 and buffer region 302) are known.
  • IGBTs composed of overlapping regions of different conductivity types are dimensioned for punch-through and have two buffer layers.
  • the buffer layer has the same conductivity type as the drift region and is doped with a high impurity concentration. Thereby, the structural elements are cut off in contrast. Moreover, it can be set as IGBT from which a forward breakdown voltage and a reverse breakdown voltage become the substantially same value (for example, refer the following patent document 3).
  • the following device has been proposed.
  • a high concentration region having the same conductivity type as that of the n drift region and a higher impurity concentration is provided at least at a part of the boundary between the p base region and the n drift region. This shortens the channel length and reduces the voltage drop in the on state (see, for example, Patent Document 5 below).
  • the following device has been proposed.
  • a high concentration region having the same conductivity type as that of the n drift region and a higher impurity concentration is provided in the vicinity of the p base region of the n drift region. Thereby, the voltage drop of an ON state is reduced (for example, refer the following patent document 6).
  • a short-life region is formed in a portion near the p collector region of the n base layer.
  • the short-life region is n-type and is doped at a higher concentration than the n base layer. Thereby, the leakage current of NPT type IGBT is reduced (for example, refer to the following patent document 7).
  • the following device has been proposed.
  • a high concentration region having the same conductivity type as that of the n drift region and a higher impurity concentration is provided in a portion near the p collector region of the n base layer.
  • the electric field rapidly increases in a region near the interface between the base region 202 and the shell region 301.
  • the electric field rapidly increases in a region near the interface between the collector region 210 and the buffer region 302. For this reason, the forward breakdown voltage and the reverse breakdown voltage are often reduced. That is, there is a possibility that the forward breakdown voltage and the reverse breakdown voltage that can be actually obtained cannot be realized by the shell region 301 and the buffer region 302.
  • the reverse blocking IGBT has a characteristic (reverse recovery characteristic) in which a large current flows transiently when switching from the ON state to the reverse blocking state.
  • a voltage waveform and a current waveform during reverse recovery (hereinafter referred to as a reverse recovery waveform) are likely to vibrate.
  • a reverse recovery waveform When the turn-off waveform and the reverse recovery waveform vibrate, noise may be generated, or the semiconductor device may be destroyed when the vibration of the voltage waveform becomes very large.
  • This invention is intended to reduce the reverse leakage current in order to eliminate the above-mentioned problems caused by the prior art.
  • a semiconductor device includes a first conductivity type drift having a first main surface and a second main surface located on opposite sides.
  • a second conductivity type channel formation region selectively provided on the first main surface of the drift region, and a first conductivity type first main electrode region selectively provided on the channel formation region
  • the second conductivity type second main electrode region provided on the second main surface of the drift region, and the first conductivity type high concentration region provided in the drift region below the channel formation region away from the channel formation region
  • a pressure-resistant structure region including a structure and a reverse pressure-resistant structure, and an outer periphery of the pressure-resistant structure region, provided at an outer peripheral end of the drift region, penetrating from the first main surface to the second main surface of the drift region,
  • a second conductivity type isolation region in contact with the two main electrode regions, the high concentration region has a higher impurity concentration than the drift region, and the total impurity amount of the first conductivity type impurities in the high concentration region is It has an impurity concentration of 2.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 or less.
  • the semiconductor device according to the present invention has an effect of reducing the reverse leakage current.
  • FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view showing in detail an active region of the semiconductor device of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view showing in detail a breakdown voltage structure region of the semiconductor device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an impurity concentration profile diagram showing an impurity concentration distribution along a cutting line YY in FIG.
  • the semiconductor device of FIG. 1 it is a characteristic view shown about the relationship between the total dose amount of a high concentration area
  • the “main electrode region” means a semiconductor region having a low specific resistance which becomes either an emitter region or a collector region in an IGBT.
  • FET field effect transistor
  • the “one semiconductor region” is defined as a “first main electrode region”
  • the “other semiconductor region” becomes a “second main electrode region”.
  • the “second main electrode region” is a semiconductor region that is either an emitter region or a collector region that is not the first main electrode region in the IGBT, and a source region that is not the first main electrode region in the FET. Alternatively, it means a semiconductor region that becomes one of the drain regions.
  • the description will be given focusing on the reverse blocking IGBT, so that the emitter region is referred to as a “first main electrode region” and the collector region is referred to as a “second main electrode region”.
  • the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type will be described as an example.
  • the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
  • it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively.
  • + and ⁇ attached to n and p mean a semiconductor region having a relatively high or low impurity concentration as compared with a semiconductor region where + and ⁇ are not added.
  • the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is a planar gate type reverse blocking IGBT mainly composed of a semiconductor substrate to be a first conductivity type (n ⁇ type) drift region 1.
  • the semiconductor device (reverse blocking IGBT) according to the first embodiment of the present invention includes an active region 100 and a breakdown voltage structure region 120 provided outside the active region 100 on a semiconductor substrate serving as the drift region 1. And a separation portion 130 provided outside the pressure-resistant structure region 120.
  • the thickness of the semiconductor substrate may be, for example, 90 ⁇ m or more so as not to adversely affect the characteristics of the reverse blocking IGBT having a 600V breakdown voltage class.
  • the semiconductor substrate for example, a semiconductor substrate made of single crystal silicon is used.
  • the first main surface Y1 (front surface) and the second main surface Y2 (back surface) located on opposite sides of the drift region 1 are provided on the surface layer portion on the first main surface Y1 side.
  • Two-conductivity (p-type) channel formation region 2 first conductivity-type (n + -type) first main electrode region 3, and second main surface Y2 of drift region 1 (surface layer portion on the back surface side of the semiconductor substrate)
  • a vertical IGBT composed of the second main electrode region 10 of the second conductivity type (p-type) provided in the first is formed.
  • Channel formation region 2 means a base region in an IGBT, but in a semiconductor device other than an IGBT, it means a region where a channel is formed on a surface equivalent to the base region of the IGBT.
  • the “first main electrode region 3” and the “second main electrode region 10” mean the emitter region and the collector region of the IGBT as described at the beginning. A detailed description of the active region 100 will be described later.
  • the breakdown voltage structure region 120 surrounds the active region 100 between the active region 100 and the isolation part 130.
  • the breakdown voltage structure region 120 relaxes the electric field strength on the surface of the pn junction constituting the semiconductor device and realizes a desired breakdown voltage. A detailed description of the breakdown voltage structure region 120 will be described later.
  • the separation unit 130 is provided at the outer peripheral end of the semiconductor substrate and surrounds the active region 100. In addition, the separation unit 130 separates, for example, crystal defects generated on the side surface of the semiconductor substrate and the active region 100 when dicing into individual chips.
  • the isolation part 130 is provided with a second conductivity type (p-type) isolation region 31.
  • the isolation region 31 is provided at the outer peripheral end of the drift region 1 and penetrates from the first main surface Y1 to the second main surface Y2 (from the front surface to the back surface) of the drift region 1.
  • the isolation region 31 is in contact with the p-type second main electrode region 10 as a collector region provided on the back surface of the active region 100.
  • the isolation region 31 when a reverse voltage is applied, the depletion layer is isolated from the second main electrode region (collector region) 10 provided on the back surface of the semiconductor substrate (the second main surface Y2 side of the drift region 1). It extends along the region 31. For this reason, it is possible to prevent the depletion layer from reaching the cut surface of the semiconductor substrate, thereby preventing the occurrence of leakage current.
  • the semiconductor device (reverse blocking IGBT) according to the first embodiment of the present invention can obtain a reverse breakdown voltage.
  • the semiconductor device (reverse blocking IGBT) according to the first embodiment of the present invention includes a first conductivity type (n-type) high concentration region (lifetime control region) 5 provided in the drift region 1.
  • the active region 100 of the semiconductor device (reverse blocking IGBT) according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
  • the active region 100 has a second conductivity type (p-type) channel as a base region on the surface of the semiconductor substrate to be the drift region 1 (on the first main surface Y1 side of the drift region 1).
  • a formation region 2 is selectively provided.
  • Channel formation region 2 has a higher impurity concentration than drift region 1.
  • a first conductive type (n + type) first main electrode region 3 as an emitter region and a second conductive type (p + type) body region 4 are selectively provided on the channel forming region 2. ing.
  • the body region 4 occupies a part of the region below the first main electrode region 3.
  • the body region 4 has a higher impurity concentration than the channel formation region 2.
  • the n-type high concentration region 5 is provided on the channel formation region 2 side in the drift region 1.
  • the n-type high concentration region 5 is preferably provided so as to occupy a region below the channel formation region 2.
  • the n-type high concentration region 5 is preferably provided so as to inhibit the depletion layer extending from the second main electrode region (collector region) 10 from approaching the p-type channel formation region 2. The reason is that the depletion layer extending from the second main electrode region (collector region) 10 toward the channel formation region 2 can be shortened to reduce the transport efficiency. This is because the leakage current when the reverse voltage is applied can be reduced.
  • the n-type high concentration region 5 is irradiated with a predetermined amount of high energy protons from the first main surface Y1 side or the second main surface Y2 (the front surface side or the back surface side of the semiconductor substrate) of the drift region 1.
  • the drift region 1 can be formed at an arbitrary depth and at an arbitrary concentration.
  • a proton shield for example, aluminum or resist
  • the n-type high concentration region 5 has a higher impurity concentration than the drift region 1.
  • the n-type high concentration region 5 has an impurity concentration that is completely depleted when a depletion layer spreads from the channel formation region 2 toward the second main electrode region (collector region) 10.
  • the total impurity amount of the n-type high concentration region 5 needs to be 2.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 or less at the maximum when the drift region 1 is silicon.
  • the maximum total impurity amount of the n-type high concentration region 5 is expressed as follows from the one-dimensional Poisson equation.
  • Equation (2) E: electric field strength
  • Ecrit critical electric field strength
  • q elementary charge
  • N D donor concentration
  • x distance extended by the depletion layer
  • ⁇ Si relative dielectric constant of silicon
  • ⁇ 0 dielectric constant of vacuum
  • N D x Total impurity amount
  • the n-type high-concentration region 5 may be contained in the n-type high-concentration region 5 so that the total impurity amount of the n-type impurities contained in the whole is 2.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 or less. It does not depend on the impurity concentration distribution.
  • the first electrode as the first electrode is interposed through the gate insulating film 6 as the insulating film so as to straddle the drift region 1 from the first main electrode region 3.
  • a gate electrode 7 is provided.
  • the emitter electrode 9 as the second electrode is in contact with the first main electrode region 3.
  • the emitter electrode 9 is electrically connected to the channel forming region 2 through the body region 4.
  • the emitter electrode 9 is electrically insulated from the gate electrode 7 by the interlayer insulating film 8.
  • the second main electrode region 10 is provided on the second main surface 2Y (the back surface of the semiconductor substrate) of the drift region 1 as described above.
  • the collector electrode 11 as the third electrode is in contact with the second main electrode region 10.
  • a deep p + -type extraction region (well region) 23 having the same potential as that of the emitter electrode 9 is formed at a terminal portion of the active region 100 with a predetermined width.
  • the extraction region 23 is electrically connected to the emitter electrode 9 and is electrically connected to the first main electrode region 3 through the emitter electrode 9.
  • the extraction region 23 is often formed at the same time as the channel formation region 2 and is an extraction region that functions to efficiently extract carriers in the breakdown voltage structure region 120 when a forward voltage is applied.
  • the breakdown voltage structure region 120 includes a first conductivity surface Y1 (surface of the semiconductor substrate) of the drift region 1 and a second conductivity type (p-type) field limiting ring region (hereinafter referred to as FLR: Field Limiting) which is a floating region.
  • FLR Field Limiting
  • a plurality of rings 21 are provided.
  • the FLR 21 is provided in a ring shape so as to surround the active region 100.
  • the surface of the first main surface Y1 (front surface) of the drift region 1 where the FLR 21 is not provided is covered with an interlayer insulating film 8.
  • FP Field Plate
  • the FP 22 contacts the FLR 21.
  • a field plate (hereinafter referred to as equipotential FP) 32 having the same potential as that of the isolation region 31 is provided on the interlayer insulating film 8 from the breakdown voltage structure region 120 to the isolation part 130.
  • the equipotential FP 32 is in contact with and electrically connected to the separation region 31.
  • the side close to the active region is referred to as a forward breakdown voltage structure region 121
  • the side close to the isolation region 31 is referred to as a reverse breakdown voltage structure region 122 for convenience.
  • the two breakdown voltage structure regions 121 and 122 are not overlapped for convenience, but can be overlapped with each other in an actual element.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the electric field strength E in the active region 100 of the semiconductor device (reverse blocking IGBT) according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows the relationship between the height y from the bottom surface of the semiconductor substrate and the electric field E in the active region 100 of the semiconductor device (reverse blocking IGBT) according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the depletion layer can be stopped near the n-type high concentration region 5 at the time of reverse bias (dotted line in FIG. 4). It is.
  • the n-type high concentration region 5 suppresses the extension width of the depletion layer to some extent, but a predetermined breakdown voltage can be maintained. This is because the n-type high concentration region 5 is provided under the above-described conditions.
  • FIG. 5 is an impurity concentration profile diagram showing the distribution of impurity concentration along the cutting line YY in FIG.
  • the impurity concentration in the semiconductor substrate was measured. From this impurity concentration, the total dose amount of the n-type high concentration region 5 was calculated.
  • the total dose amount of the n-type high-concentration region 5 is a dose amount of the ion implantation when the n-type high-concentration region 5 is formed by a single ion implantation, and is obtained by a plurality of ion implantations. In the case where an n-type high concentration region is formed, it means the total dose amount of each ion implantation.
  • the first measurement result 41 is the impurity concentration distribution in the drift region 1.
  • the second measurement result 42 is a distribution of impurity concentrations in the channel formation region 2 and the body region 4.
  • the third measurement result 43 is an impurity concentration distribution in the second main electrode region 10.
  • the fourth measurement result 44 is an impurity concentration distribution of the n-type high concentration region 5. This shows that the n-type high concentration region 5 is formed at a position of about 10 ⁇ m from the surface.
  • the impurity concentration at each depth of the fourth measurement result 44 was integrated to calculate the total dose amount of the n-type high concentration region 5.
  • the distribution of the impurity concentration shown in FIG. 5 indicates what impurity concentration the conductivity type impurity exists in the depth direction in the semiconductor substrate.
  • the impurity concentration is low in a region close to the substrate surface, the impurity concentration increases as the distance from the region decreases, and the impurity concentration decreases again. Therefore, by integrating the impurity concentration for each depth of the fourth measurement result 44, the total impurity amount of the n-type high concentration region 5 per unit area can be calculated.
  • the total impurity amount of the entire n-type high concentration region 5 can be calculated.
  • a value obtained by subtracting the total impurity amount of the high concentration region 5 portion of the drift region 1 from the total impurity amount of the n type high concentration region 5 thus calculated is the total dose amount of the n type high concentration region 5.
  • the region 40 (shaded portion in FIG. 5) in the distribution shape of the impurity concentration distribution of the fourth measurement result 44 shown in FIG. 5 is the total dose amount of the n-type high concentration region 5.
  • the total impurity amount of the high concentration region 5 portion of the drift region 1 is the total impurity amount of the drift region 1 in the region where the n-type high concentration region 5 is provided.
  • the total impurity amount in the drift region 1 is calculated by the same method as that for the n-type high concentration region 5.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the total dose of the n-type high concentration region 5 and the forward breakdown voltage.
  • the total dose amount of the n-type high concentration region 5 was variously changed, and a plurality of reverse blocking IGBTs of Examples were prepared.
  • the total dose of the n-type high concentration region 5 is 1 ⁇ 10 11 to 1.2 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2, and the position of the n-type high concentration region 5 is 10 ⁇ m from the channel formation region 2. did.
  • Each forward breakdown voltage was measured with the gate-emitter short-circuited.
  • a reverse blocking IGBT without the n-type high concentration region 5 was prepared (hereinafter referred to as a comparative example), and the forward breakdown voltage was measured.
  • a comparative example a reverse blocking IGBT without the n-type high concentration region 5 was prepared (hereinafter referred to as a comparative example), and the forward breakdown voltage was measured.
  • a comparative example a reverse blocking IGBT without
  • the reverse blocking IGBT of the comparative example is shown as a total dose amount of zero. From the results shown in FIG. 6, it was found that the forward breakdown voltage is reduced by providing the n-type high concentration region 5. The reason is that a depletion layer extending in the drift region 1 from the channel formation region 2 toward the second main electrode region 10 by providing the n-type high concentration region 5 in a region near the channel formation region 2 of the drift region 1. Is shortened. It was found that when the total dose of the n-type high concentration region 5 is 4 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 or less, the rated voltage or more can be secured.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the total dose of the n-type high concentration region 5 and the reverse leakage current.
  • the reverse blocking IGBT of the example used in FIG. 6 the reverse leakage current was measured.
  • the reverse blocking IGBT of the comparative example is shown as a total dose amount of zero.
  • the collector-emitter voltage was set to -600 V, and the measurement was performed with the gate-emitter short-circuited. From the results shown in FIG. 7, it was found that the reverse leakage current is reduced by providing the n-type high concentration region 5.
  • the reverse leakage current sharply decreases until the total dose of the n-type high concentration region 5 is about 4.0 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2, and the reverse leakage current exceeds 4.0 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 or more. It was found that the decrease in From the results of FIGS. 6 and 7, it can be said that the total dose amount of the n-type high concentration region 5 is preferably 4.0 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 or less and close to 4.0 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 .
  • the breakdown voltage structure region 120 is from the outer peripheral end of the extraction region 23 having the same potential as the emitter electrode 9 to the inner peripheral end of the isolation region 31 having the same potential as the collector electrode 11, and the end of the n-type high concentration region 5.
  • the position of the part is represented by a relative position with respect to the pressure-resistant structure region 120. That is, the end of the n-type high concentration region 5 when the outer peripheral end of the extraction region 23 having the same potential as the emitter electrode 9 is 0 and the inner peripheral end of the isolation region 31 having the same potential as the collector electrode 11 is 1.
  • the position of the part was represented as L (FIG. 3).
  • a negative value of the position L of the end portion of the n-type high concentration region 5 indicates that the n-type high concentration region 5 ends under the active region, and the end portion of the n-type high concentration region 5 ends.
  • the position L of 1 is larger than 1 indicates that the n-type high concentration region 5 projects outward from the inner peripheral edge of the separation region 31.
  • FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the end position L of the n-type high concentration region 5 and the forward breakdown voltage.
  • FIG. 9 is opposite to the end position L of the n-type high concentration region 5. It is a characteristic view which shows the relationship with a direction leakage current.
  • the total dose amount of the n-type high concentration region 5 is 2 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 .
  • the withstand voltage structure region 120 includes the forward withstand voltage structure region 121 and the reverse withstand voltage structure region 122, and is optimum so as to obtain predetermined forward withstand voltage, reverse withstand voltage, and charge resistance, respectively. Designed to become. From FIG.
  • the forward breakdown voltage shows the highest value when the position L of the end portion of the n-type high concentration region 5 is in the active region or slightly on the active region side from the end portion of the active region.
  • the position where the forward breakdown voltage starts to decrease is the position where the n-type high concentration region 5 starts to be applied to the extraction region 23. Further, it was found that even if the n-type high concentration region 5 is provided up to the end of the active region, the amount of decrease in the forward breakdown voltage is about 1%. Further, when the n-type high concentration region 5 is projected from the forward breakdown voltage structure region 121 side to 36% or more of the width W of the breakdown voltage structure region 120, the forward breakdown voltage is reduced to about 12%. However, it turned out that it took a stable value.
  • the reverse leakage current decreases even when the position L of the end portion of the n-type high concentration region 5 is inside the end portion of the active region 100.
  • the amount of decrease in reverse leakage current begins to moderate.
  • the width W is in the range of + 10% to ⁇ 10%, it is possible to reduce the reverse leakage current while suppressing the decrease in the forward breakdown voltage.
  • the width W of the pressure-resistant structure region 120 is in the range of + 5% to ⁇ 5%.
  • the position L of the end portion of the n-type high concentration region 5 to be 36% or more of the width W of the breakdown voltage structure region 120, even when the width of the n-type high concentration region 5 varies, it can be stably performed. The forward breakdown voltage and reverse leakage current can be maintained.
  • the first main electrode region (emitter region) 3, the second main electrode region (collector region) 10 By providing an n-type high concentration region 5 having a predetermined concentration in a region close to the channel formation region (base region) 2 of the drift region 1 between the two regions, reverse leakage is maintained while maintaining a predetermined forward breakdown voltage. The current can be reduced.
  • the forward breakdown voltage is 600 V and the reverse leakage current can be reduced by about 60% compared to the case where the n-type high concentration region 5 is not provided.
  • a neutral region remains between the n-type high concentration region 5 and the channel formation region 2.
  • Residual carriers provide soft recovery and suppress voltage and current waveform vibration during reverse recovery. It was also found that by providing the n-type high concentration region 5 up to the end of the active region 100, it is possible to reduce the reverse leakage current while suppressing the amount of decrease in the forward breakdown voltage. Further, by providing the n-type high concentration region 5 up to 36% or more of the width W of the breakdown voltage structure region 120, even if the width of the n-type high concentration region 5 varies, the forward breakdown voltage and the reverse direction can be stabilized. It was found that leakage current can be obtained.
  • the drift region 1 has a resistivity at which a depletion layer extending from the second main electrode region 10 toward the extraction region 23 (extraction region) does not reach this extraction region when a reverse voltage equal to the rated voltage is applied.
  • the planar gate type reverse blocking IGBT is used as a model.
  • it is good also as a structure which reversed all the n-type and p-type.
  • the n-type high concentration region 5 can be formed by, for example, selective proton irradiation and donor formation by heat treatment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2, and is a cross-sectional view showing a configuration of the active region when the active region 100 of the planar gate type reverse blocking IGBT of FIG. 1 is a trench gate type IGBT.
  • the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention is a trench gate type reverse blocking IGBT mainly composed of a semiconductor substrate which becomes a drift region 1a of the first conductivity type (n ⁇ type). is there.
  • the semiconductor device (reverse blocking IGBT) according to the second embodiment of the present invention is not shown in detail, but becomes the drift region 1a as in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • An active region 100 shown in FIG. 1, a breakdown voltage structure region 120 provided outside the active region 100, and a separation unit 130 provided outside the breakdown voltage structure region 120 are provided on a semiconductor substrate.
  • the structure of the breakdown voltage structure region is the same as that of the above-described planar gate type reverse blocking IGBT.
  • a plurality of trench grooves 12 are formed at a predetermined interval on the front surface (first main surface Y1 of the drift region 1a) of the semiconductor substrate to be the first conductivity type (n ⁇ type) drift region 1a. Is provided.
  • a second conductivity type (p-type) channel formation region 2 a is provided so as to be sandwiched between the trench grooves 12.
  • the p-type channel formation region 2a has a higher impurity concentration than the n ⁇ -type drift region 1a.
  • the first main electrode region 3 a of the first conductivity type (n + type) and the second main electrode region 3 a are formed on the surface layer on the substrate front surface side of the p-type channel formation region 2 a.
  • Conductive type (p + type) body region 4a is selectively provided.
  • the p + type body region 4a has a higher impurity concentration than the p type channel formation region 2a.
  • a portion having a configuration in which an n + -type first main electrode region 3a and a p + -type body region 4a are provided From the configuration, portions having a configuration without the n + -type first main electrode region 3a are alternately arranged.
  • the n-type high concentration region 5 is provided in a region close to the surface between the n ⁇ -type drift region 1a and the p-type channel formation region 2a.
  • the emitter electrode 9a as the second electrode is in common contact with the surfaces of the n + -type first main electrode region 3a and the p + -type body region 4a.
  • the emitter electrode 9a is electrically insulated from the gate electrode 7a as the first electrode by the interlayer insulating film 8a.
  • the second main surface 2Y of the drift region 1 is provided with a second main electrode region 10a as a collector region.
  • a collector electrode 11a as a third electrode provided on the second main surface 2Y side (the back surface of the semiconductor substrate) of the drift region 1 is in contact with the second main electrode region 10a.
  • the structure of the trench groove 12 will be further described.
  • the trench groove 12 must have a depth that penetrates the n + -type first main electrode region 3a and the p-type channel formation region 2a, but for the n-type high concentration region 5 described above,
  • the intermediate depth of the n-type high concentration region 5 may be a depth that penetrates or a depth that does not reach.
  • the MOS gate structure (trench gate MOS structure) formed in the trench groove 12 is provided with a gate insulating film 6a as an insulating film along the inner wall of the trench groove 12 in the same manner as in the prior art.
  • a gate electrode 7a as a first electrode made of polysilicon is buried via a gate insulating film 6a.
  • the n + type first main electrode region 3a and the p + type are provided between the adjacent trench grooves 12 as the surface structure.
  • the portion of the structure provided with the body region 4a and the portion of the structure without the n + -type first main electrode region 3a are alternately arranged. If formed, the effect of forming the n-type high-concentration region 5 can be obtained even if the trench gate type IGBT has another configuration.
  • the semiconductor device according to the present invention is useful for a semiconductor element that requires a withstand voltage characteristic with respect to forward and reverse voltages, such as a switch used in a series conversion circuit such as a matrix converter.

Landscapes

  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

　半導体装置は、第１導電型のドリフト領域（１）と、ドリフト領域の第１主面に選択的に設けられた第２導電型のチャネル形成領域（２）と、チャネル形成領域の上部に選択的に設けられた第１導電型の第１主電極領域（３）と、ドリフト領域の第２主面に設けられた第２導電型の第２主電極領域（１０）と、チャネル形成領域の下のドリフト領域にチャネル形成領域から離れて設けられた第１導電型の高濃度領域（５）とを備えている。そして、高濃度領域は、ドリフト領域よりも高い不純物濃度であり、かつ、高濃度領域中の第１導電型不純物の総不純物量が２．０×１０１２ｃｍ－２以下となる不純物濃度を有する。

Description

半導体装置
　この発明は、半導体装置に関し、特に、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する半導体装置に適用して有効な技術に関する。
　近年、半導体素子を用いた、ＡＣ（交流）/ＡＣ変換やＡＣ/ＤＣ（直流）変換，ＤＣ/ＡＣ変換などの電力変換装置において、電界コンデンサや直流リアクトルなどで構成される直流平滑回路が不要な直接変換回路として、例えばマトリクスコンバータが公知である。
　マトリクスコンバータは、複数の交流スイッチから構成されている。交流スイッチには、交流電圧が印加されるため、順方向および逆方向の双方の耐圧（以下、順方向耐圧および逆方向耐圧とする）を有する構成が要求され、回路の小型化、軽量化、高効率化、高速応答化および低コスト化等の観点から、双方向スイッチング素子が着目されている。
　このような双方向スイッチング素子として、例えば、逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、逆阻止ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒとする）を２つ逆並列に接続して構成されたスイッチが公知である。
　逆阻止ＩＧＢＴを逆並列接続したスイッチ素子として用いる場合には、逆阻止ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴとダイオードの働きを合わせ持つ。逆阻止ＩＧＢＴをダイオードとして働かせる場合はＩＧＢＴのゲートにオン信号を与え、チャネルを常に開いた状態にしておく。これによって、逆阻止ＩＧＢＴのｐコレクタ領域－ｎドリフト領域－ｎチャネル領域－ｎエミッタ領域により、ｐｎダイオードが構成される。
　逆阻止ＩＧＢＴのゲートにオン信号を印加して、ダイオードモードにして、このダイオードに順電流を流す。この順電流によりダイオードのドリフト領域には過剰キャリアが蓄積される。その後で、ダイオードに逆電圧を印加すると、蓄積した過剰キャリアが掃き出されて、逆回復電流が流れて逆回復電圧が発生する。過剰キャリアが素早く掃き出され残留キャリアが少ないと逆回復電圧・電流は振動する。この振動が大きくなると、逆回復破壊が起こるので、この振動を小さく抑制することが望まれる。
　図１１は、従来の逆阻止ＩＧＢＴを示す断面図である。図１１に示すように、逆阻止ＩＧＢＴは、ｎ－型の半導体基板の外周端部に、活性領域３１０を囲む分離部３３０が設けられている。活性領域３１０には、ｎ－型のドリフト領域２０１、ｐ型のベース領域２０２、ｎ＋型のエミッタ領域２０３およびｐ型のコレクタ領域２１０からなる縦型のＩＧＢＴが構成されている。分離部３３０には、例えば半導体基板のおもて面から裏面まで貫通するｐ型の分離領域２３１が設けられている。分離領域２３１は、活性領域３１０の裏面に設けられたコレクタ領域２１０に接する。分離部３３０と活性領域３１０との間には、耐圧構造領域３２０が設けられている。耐圧構造領域３２０は、半導体装置を構成するｐｎ接合表面の電界強度を緩和し、所望の耐圧を実現する。
　図１２は、図１１に示す逆阻止ＩＧＢＴの活性領域３１０について詳細に示す断面図である。活性領域３１０には、ｎ－型の半導体基板からなるドリフト領域２０１の表面に、ｐ型のベース領域２０２が選択的に設けられている。ベース領域２０２は、ドリフト領域２０１よりも高い不純物濃度を有する。ベース領域２０２の表面には、ｎ＋型のエミッタ領域２０３およびｐ＋型のボディ領域２０４が選択的に設けられている。ゲート電極２０７は、ゲート絶縁膜２０６を介して、エミッタ領域２０３およびベース領域２０２の一部を覆う。エミッタ電極２０９は、エミッタ領域２０３およびボディ領域２０４に接する。また、エミッタ電極２０９は、層間絶縁膜２０８によってゲート電極２０７と電気的に絶縁されている。ドリフト領域２０１の第２主面Ｙ２（裏面）には、ｐ型のコレクタ領域２１０およびコレクタ電極２１１が設けられている。
　このような逆阻止ＩＧＢＴは、浮遊帯域溶融（ＦＺ：Ｆｌｏａｔｉｎｇ　Ｚｏｎｅ）法によって作製されたシリコン（Ｓｉ）基板を用いることで、オフ時にエミッタ側から拡がる空乏層がコレクタ側に到達しないノンパンチスルー（ＮＰＴ：Ｎｏｎ　Ｐｕｎｃｈ　Ｔｈｒｏｕｇｈ）型とすることができる。ＦＺ法によって作製されたシリコン基板を研削する技術が向上したことにより、シリコン基板の厚さを、例えばＩＧＢＴの定格電圧を６００Ｖとした場合に１００μｍ程度、１２００Ｖとした場合に１８０μｍ程度まで薄くすることができるからである。ＮＰＴ型ＩＧＢＴは、コレクタ領域の厚さを薄く、かつコレクタ領域の不純物濃度を低く形成することで、コレクタ領域からの少数キャリアの注入効率を下げ、輸送効率を上げる構成となっている。このように、ＮＰＴ型の逆阻止ＩＧＢＴとすることで、オン電圧特性とターンオフ損失とのトレードオフ関係による問題を改善し、オン電圧の低減およびターンオフ損失の低減をともに実現している。
　このような逆阻止ＩＧＢＴとして、半導体基板の表面にｐベース領域を形成し、このｐベース領域の表面にｎ＋エミッタ領域を形成し、この半導体基板の外周部と裏面側に、ｐベース領域を取り囲むようにｐ＋コレクタ領域（側面に形成されるｐ＋領域と裏面側ｐ＋コレクタ領域）が形成され、裏面のｐ＋コレクタ領域の厚さを１μｍ程度とした装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
　また、別の装置として、次のような装置が提案されている。半導体基板が該半導体基板を一層とする層の両側に形成される順逆耐圧用ｐｎ接合を少なくとも備え、これらの両ｐｎ接合の耐圧接合終端構造が分離拡散領域により前記半導体基板の第一主面側に備える高耐圧半導体装置において、前記半導体基板を一層とする層が第一主面から内部に向かって実質的に一定の不純物濃度分布または不純物濃度が内部に向かって減少する領域を有している（例えば、下記特許文献２参照）。
　図１３は、従来の逆阻止ＩＧＢＴの別の一例を示す断面図である。図１３に示す逆阻止ＩＧＢＴでは、ドリフト領域２０１とベース領域２０２の間に、ｎ型のシェル領域３０１が設けられている。シェル領域３０１は、ドリフト領域２０１よりも高い不純物濃度を有する。ドリフト領域２０１とコレクタ領域２１０の間には、ｎ型のバッファ領域３０２が設けられている。バッファ領域３０２は、ドリフト領域２０１よりも高い不純物濃度を有する。それ以外の構成は、図１１に示す逆阻止ＩＧＢＴと同様である。このように、ドリフト領域２０１とベース領域２０２との界面、またはドリフト領域２０１とコレクタ領域２１０との界面、もしくはその両方の界面に、ドリフト領域２０１と同一導電型で、ドリフト領域２０１より高い不純物濃度の領域（シェル領域３０１，バッファ領域３０２）を設けることで、特性向上を図ったＩＧＢＴが公知である。
　このようなＩＧＢＴとして、次のような装置が提案されている。導電型が交互に異なる互いに重なり合う領域からなるＩＧＢＴは、パンチスルーに対して寸法決定されており、２つの緩衝層を備えている。緩衝層は、ドリフト領域と同じ導電型で高不純物濃度にドープされている。それによって、構造素子は、対照的に遮断されるようになっている。また、順方向耐圧および逆方向耐圧がほぼ同様の値となるＩＧＢＴとすることができる（例えば、下記特許文献３参照）。
　また別の装置として、次のような装置が提案されている。上記緩衝層を有するＩＧＢＴであって、順方向・逆方向ともにパンチスルーしないように寸法決定されており、緩衝層は、ドリフト領域と同じ導電型で高不純物濃度にドープされている（例えば、下記特許文献４参照）。
　また別の装置として、次のような装置が提案されている。ｐベース領域とｎドリフト領域との境界の少なくとも一部にｎドリフト領域と同じ導電型で、より高不純物濃度の高濃度領域を設けている。これにより、チャネル長を短縮し、オン状態の電圧降下を低減する（例えば、下記特許文献５参照）。
　また、別の装置として、次のような装置が提案されている。ｎドリフト領域のｐベース領域近傍にｎドリフト領域と同じ導電型で、より高不純物濃度の高濃度領域を設けている。これにより、オン状態の電圧降下を低減する（例えば、下記特許文献６参照）。
　また、別の装置として、次のような装置が提案されている。ｎベース層のｐコレクタ領域に近い部分に短寿命領域を形成する。短寿命領域は、ｎ型でｎベース層よりも高濃度にドープされている。これにより、ＮＰＴ型ＩＧＢＴの漏れ電流を低減する（例えば、下記特許文献７参照）。
　また、別の装置として、次のような装置が提案されている。ｎベース層のｐコレクタ領域に近い部分にｎドリフト領域と同じ導電型で、より高不純物濃度の高濃度領域を設けている。これにより、コレクタ領域に部分的な欠損があっても、オン状態の電圧降下特性の上昇や耐圧特性の低下に影響が出にくくする（例えば、下記特許文献８参照）。
　また、別の装置として、ＮＰＴ型ＩＧＢＴにおいて、ｐベース領域側のｎ－ドリフト領域にｎ＋領域を設けることでオン電圧とオフ電圧（順方向電圧）の双方を改善できることが記載されている（例えば、下記特許文献９参照）。
　しかしながら、上述した特許文献４に示す技術では、ＩＧＢＴのラッチアップ耐量向上の目的でｐベース層ないに形成される高濃度ｐ型ボディ領域の影響で、順方向漏れ電流に対して、逆方向漏れ電流が大きくなるという問題点がある。
　また、上述した特許文献３に示す技術では、次に示すような問題が生じる。図１３に示した基板底面からの高さｙと電界強度Ｅとの関係を示す特性図を用いて説明する。図１３に示す逆阻止ＩＧＢＴでは、シェル領域３０１およびバッファ領域３０２が設けられていることで、半導体基板内の電界が急激に高くなってしまう。例えば、順バイアス時（図１３の実線）、ベース領域２０２とシェル領域３０１の界面近傍の領域で、電界が急激に高くなってしまう。一方、逆バイアス時（図１３の点線）、コレクタ領域２１０とバッファ領域３０２の界面近傍の領域で、電界が急激に高くなってしまう。このため、順方向耐圧および逆方向耐圧が低減してしまうことが多い。すなわち、シェル領域３０１およびバッファ領域３０２により、実際に得ることができるはずの順方向耐圧および逆方向耐圧を実現することができない恐れが生じる。
　このような問題は、ドリフト領域の不純物濃度を低くすることで回避することができることが知られている。しかしながら、ドリフト領域の不純物濃度を低くすることで、半導体装置の動作中に空乏層がバッファ領域３０２に達し、リーチスルー現象が発生してしまう。このため、ターンオフ時の電圧波形および電流波形（以下、ターンオフ波形とする）が振動してしまうという問題が生じる。また、逆阻止ＩＧＢＴは、オン状態から逆阻止状態に切り換わるとき、過渡的に大きな電流が流れる特性（逆回復特性）を有する。このため、逆回復時の電圧波形および電流波形（以下、逆回復波形とする）が振動しやすいという問題が生じる。ターンオフ波形および逆回復波形が振動した場合、ノイズが発生してしまったり、電圧波形の振動が非常に大きくなったときに半導体装置が破壊されたりする恐れが生じる。
　また、上述した特許文献３に示す技術では、ｎ型シェル領域２０１に重なるようにｐ型ベース領域を形成するために、ｎ型シェル領域２０１の濃度および深さ制御が困難であるという問題点を有する。また、一般的にターンオフ耐量向上の目的で活性領域端部に形成される、エミッタ電極に接続された深いｐ型領域の部分に関する記述がなく、深いｐ型領域を覆うようにｎ型シェル領域２０１を形成するためには形成プロセスの煩雑化を生じることが懸念され、深いｐ型領域を覆うようにｎ型シェル領域２０１を形成しない場合には、逆漏れ電流の低減が限定的であることが懸念される。
　同様の懸念点は、上述した特許文献６に示す技術を逆阻止ＩＧＢＴに用いても考慮可能である。
　また、上述の特許文献９に示す技術では、逆阻止ＩＧＢＴについての記載はない。したがって、逆電圧が印加されたときのｎ＋領域の作用および逆漏れ電流については記載されていない。
特開２００２－３１９６７６号公報 特開２００６－０８０２６９号公報 特表２００２－５３２８８５号公報 特開２０１１－１５５２５７号公報 特開平０９－３２６４８６号公報 特開２００７－３１１６２７号公報 特開平０９－２６０６６２号公報 特開２００２－２４６５９７号公報 特開２００８－２５８２６２号公報
　この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、逆方向漏れ電流を低減することを目的とする。
　上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の一態様に係る半導体装置は、互いに反対側に位置する第１主面及び第２主面を有する第１導電型のドリフト領域と、ドリフト領域の第１主面に選択的に設けられた第２導電型のチャネル形成領域と、チャネル形成領域の上部に選択的に設けられた第１導電型の第１主電極領域と、ドリフト領域の第２主面に設けられた第２導電型の第２主電極領域と、チャネル形成領域の下のドリフト領域にチャネル形成領域から離れて設けられた第１導電型の高濃度領域と、ドリフト領域の外周であってチャネル形成領域を取り囲むように設けられ、第１主電極領域に接続された第２導電型の引き抜き領域と、引き抜き領域の外周であって引き抜き領域を取り囲むように設けられ、順方向耐圧構造と逆方向耐圧構造とを含む耐圧構造領域と、耐圧構造領域の外周であって、ドリフト領域の外周端部に設けられ、ドリフト領域の第１主面から第２主面まで貫通し、第２主電極領域に接する第２導電型の分離領域と、を備え、高濃度領域は、ドリフト領域よりも高い不純物濃度であり、かつ、高濃度領域中の第１導電型不純物の総不純物量が２．０×１０１２ｃｍ－２以下となる不純物濃度を有することを特徴としている。
　本発明に係る半導体装置によれば、逆方向漏れ電流を低減することができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）の概略構成を示す要部断面図である。 図１の半導体装置の活性領域について詳細に示す要部断面図である。 図１の半導体装置の耐圧構造領域について詳細に示す要部断面図である。 図１の半導体装置の活性領域における電界強度を示す特性図である。 図２の切断線Ｙ－Ｙにおける不純物濃度の分布を示す不純物濃度プロファイル図である。 図１の半導体装置において、第１導電型の高濃度領域の総ドーズ量と順方向耐圧との関係について示す特性図である。 図１の半導体装置において、第１導電型の高濃度領域の総ドーズ量と逆方向漏れ電流との関係について示す特性図である。 図１の半導体装置において、第１導電型の高濃度領域の端部の位置と、順方向耐圧との関係を示す特性図である。 図１の半導体装置において、第１導電型の高濃度領域の端部の位置と、逆方向漏れ電流との関係を示す特性図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）の概略構成を示す要部断面図である。 従来の逆阻止ＩＧＢＴを示す断面図である。 図１１に示す逆阻止ＩＧＢＴの活性領域について詳細に示す断面図である。 従来の逆阻止ＩＧＢＴの別の一例を示す断面図である。
　以下、本発明の第１および第２の実施形態に係る半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。
　本明細書において、「主電極領域」とは、ＩＧＢＴにおいてエミッタ領域又はコレクタ領域の何れか一方となる低比抵抗の半導体領域を意味する。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）においては、ソース領域又はドレイン領域の何れか一方となる半導体領域を意味するので「半導体装置」に依拠した名称となる。より具体的には、上記の「一方となる半導体領域」を「第１主電極領域」として定義すれば、「他方の半導体領域」は、「第２主電極領域」となる。すなわち、「第２主電極領域」とはＩＧＢＴにおいては第１主電極領域とはならないエミッタ領域又はコレクタ領域の何れか一方となる半導体領域、ＦＥＴにおいては上記第１主電極領域とはならないソース領域又はドレイン領域の何れか一方となる半導体領域を意味する。以下の第１及び第２の実施形態では、逆阻止ＩＧＢＴに着目して説明するので、エミッタ領域を「第１主電極領域」、コレクタ領域を「第２主電極領域」と呼ぶ。
　以下の第１および第２の実施形態の説明では、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の場合について例示的に説明するが、導電型を逆の関係に選択して、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても構わない。
　また、本明細書および添付図面においては、ｎ又はｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および－は、＋および－の付記されていない半導体領域に比してそれぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。
　なお、以下の第１および第２の実施形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　また、第１および第２の実施形態で説明される添付図面は、見易く又は理解し易くするために正確なスケール、寸法で描かれていない。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する第１および第２の実施形態の記載に限定されるものではなない。
　以下の第１の実施形態では、本発明の「半導体装置」としてプレーナゲート型の逆阻止ＩＧＢＴに着目して例示的に説明し、以下の第２の実施形態では、本発明の「半導体装置」としてトレンチゲート型逆阻止ＩＧＢＴに着目して例示的に説明する。
（第１の実施形態）
　図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置は、第１導電型（ｎ－型）のドリフト領域１となる半導体基板を主体にしたプレーナゲート型の逆阻止ＩＧＢＴである。また、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）は、ドリフト領域１となる半導体基板上に、活性領域１００と、活性領域１００の外側に設けられた耐圧構造領域１２０と、耐圧構造領域１２０の外側に設けられた分離部１３０とを備えている。半導体基板の厚さは、例えば６００Ｖ耐圧クラスの逆阻止ＩＧＢＴの特性に悪影響を及ぼさないためには、例えば９０μｍ以上であればよい。半導体基板としては、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板が用いられている。
　活性領域１００には、ドリフト領域１の互いに反対側に位置する第１主面Ｙ１（表面）及び第２主面Ｙ２（裏面）のうちの第１主面Ｙ１側の表層部に設けられた第２導電型（ｐ型）のチャネル形成領域２、第１導電型（ｎ＋型）の第１主電極領域３、およびドリフト領域１の第２主面Ｙ２（半導体基板の裏面側の表層部）に設けられた第２導電型（ｐ型）の第２主電極領域１０からなる縦型のＩＧＢＴが構成されている。「チャネル形成領域２」は、ＩＧＢＴにおいてはベース領域を意味するが、ＩＧＢＴ以外の半導体装置においてはＩＧＢＴのベース領域に等価な表面にチャネルが形成される領域を意味する。また、「第１主電極領域３」、「第２主電極領域１０」は、冒頭で述べたとおりＩＧＢＴのそれぞれエミッタ領域、コレクタ領域を意味する。活性領域１００の詳細な説明については後述する。
　耐圧構造領域１２０は、活性領域１００と分離部１３０との間で、活性領域１００を囲む。耐圧構造領域１２０は、半導体装置を構成するｐｎ接合表面の電界強度を緩和し所望の耐圧を実現している。耐圧構造領域１２０の詳細な説明については後述する。
　分離部１３０は、半導体基板の外周端部に設けられ、活性領域１００を囲む。また、分離部１３０は、例えば個々のチップにダイシングされる際に半導体基板の側面に生じた結晶欠陥と活性領域１００とを分離する。分離部１３０には、第２導電型（ｐ型）の分離領域３１が設けられている。分離領域３１は、ドリフト領域１の外周端部に設けられ、ドリフト領域１の第１主面Ｙ１から第２主面Ｙ２（表面から裏面）まで貫通する。また、分離領域３１は、活性領域１００の裏面に設けられたコレクタ領域としてのｐ型の第２主電極領域１０に接する。分離領域３１を設けることで、逆方向電圧の印加時、空乏層が半導体基板の裏面（ドリフト領域１の第２主面Ｙ２側）に設けられた第２主電極領域（コレクタ領域）１０から分離領域３１に沿って伸びる。このため、空乏層が半導体基板の切断面に到達することを防ぐことができ、漏れ電流の発生を防止する。これにより、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）は逆方向耐圧を得ることができる。
　本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）は、ドリフト領域１に設けられた第１導電型（ｎ型）の高濃度領域（ライフタイム制御領域）５を備えている。
　次に、図１に示す本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）の活性領域１００について、図２を用いて説明する。
　図２に示すように、活性領域１００には、ドリフト領域１となる半導体基板の表面（ドリフト領域１の第１主面Ｙ１側）に、ベース領域としての第２導電型（ｐ型）のチャネル形成領域２が選択的に設けられている。チャネル形成領域２は、ドリフト領域１よりも高い不純物濃度を有する。チャネル形成領域２の上部には、エミッタ領域としての第１導電型（ｎ＋型）の第１主電極領域３、および第２導電型（ｐ＋型）のボディ領域４が選択的に設けられている。ボディ領域４は、第１主電極領域３の下の領域の一部を占める。また、ボディ領域４は、チャネル形成領域２よりも高い不純物濃度を有する。
　ｎ型の高濃度領域５は、ドリフト領域１中のチャネル形成領域２側に設けられている。また、ｎ型の高濃度領域５は、チャネル形成領域２の下の領域を占めるように設けられるのがよい。つまり、ｎ型の高濃度領域５は、第２主電極領域（コレクタ領域）１０から広がる空乏層がｐ型のチャネル形成領域２に近づくのを阻害するように設けられるのがよい。その理由は、第２主電極領域（コレクタ領域）１０からチャネル形成領域２へ向かって広がる空乏層の伸びを短くし、輸送効率を低減することができるからである。これによって、逆方向電圧印加時の漏れ電流を低減することができるからである。このようなｎ型の高濃度領域５は、ドリフト領域１の第１主面Ｙ１側もしくは第２主面Ｙ２（半導体基板の表面側もしくは裏面側）から所定の量の高エネルギのプロトンを照射し、所定の熱処理を行うことでドリフト領域１の任意の深さに任意の濃度で形成することが可能である。また、ドリフト領域１の一部にのみｎ型の高濃度領域５を形成する場合には、プロトン遮蔽物（たとえば、アルミニウムやレジスト等）を所定の場所におくことで可能である。
　また、ｎ型の高濃度領域５は、ドリフト領域１よりも高い不純物濃度を有する。そして、ｎ型の高濃度領域５は、チャネル形成領域２から第２主電極領域（コレクタ領域）１０に向かって空乏層が広がった場合に、完全に空乏化する不純物濃度を有する。ｎ型の高濃度領域５の総不純物量は、ドリフト領域１がシリコンの場合、最高でも２．０×１０１２ｃｍ－２以下にする必要がある。ｎ型の高濃度領域５の最大の総不純物量は１次元のポアソン方程式から、下記のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　したがって、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｅ：電界強度、Ｅｃｒｉｔ：臨界電界強度、ｑ：素電荷、ＮＤ：ドナー濃度、ｘ：空乏層の伸びる距離、εＳｉ：シリコンの比誘電率、ε０：真空の誘電率、ＮＤｘ：総不純物量
　式（２）に物性値を代入すれば、総不純物量≒２．０×１０１２ｃｍ－２が求まる。
　さらに、ｎ型の高濃度領域５はｎ型の高濃度領域５中の不純物量がｎ型の高濃度領域５中のある領域に片寄って分布されていたとしても、ｎ型の高濃度領域５全体に含まれるｎ型不純物の総不純物量が２．０×１０１２ｃｍ－２以下となるようにｎ型の高濃度領域５中に含まれていればよく、ｎ型の高濃度領域５の不純物濃度分布によらない。
　半導体基板の表面（ドリフト領域１の第１主面Ｙ１）上には、第１主電極領域３からドリフト領域１を跨ぐように、絶縁膜としてのゲート絶縁膜６を介して第１電極としてのゲート電極７が設けられている。第２電極としてのエミッタ電極９は、第１主電極領域３に接する。また、エミッタ電極９は、ボディ領域４を介してチャネル形成領域２に電気的に接続されている。エミッタ電極９は、層間絶縁膜８によってゲート電極７と電気的に絶縁されている。また、ドリフト領域１の第２主面２Ｙ（半導体基板の裏面）には、上述したように第２主電極領域１０が設けられている。第３電極としてのコレクタ電極１１は、第２主電極領域１０に接する。
　次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）の耐圧構造領域１２０について、図３を用いて説明する。
　活性領域１００の終端部にはエミッタ電極９と同電位の深いｐ＋型の引き抜き領域（ウェル領域）２３が所定の幅で形成されている。この引き抜き領域２３は、エミッタ電極９と電気的に接続され、かつ、エミッタ電極９を介して第１主電極領域３と電気的に接続されている。この引き抜き領域２３はチャネル形成領域２と同時に形成されることが多く、順電圧が印加されたとき耐圧構造領域１２０のキャリアを効率的に引き抜く働きをする引き抜き領域である。この耐圧構造領域１２０には、ドリフト領域１の第１主面Ｙ１（半導体基板の表面）に、フローティング領域である第２導電型（ｐ型）のフィールドリミッティングリング領域（以下、ＦＬＲ：Ｆｉｅｌｄ　Ｌｉｍｉｔｉｎｇ　Ｒｉｎｇとする）２１が複数設けられている。ＦＬＲ２１は、活性領域１００を囲むようにしてリング状に設けられている。ドリフト領域１の第１主面Ｙ１（おもて面）の、ＦＬＲ２１が設けられていない表面は、層間絶縁膜８で覆われている。層間絶縁膜８の上には、フローティングの導電膜であるフィールドプレート（以下、ＦＰ：Ｆｉｅｌｄ　Ｐｌａｔｅとする）２２が設けられている。ＦＰ２２は、ＦＬＲ２１に接する。耐圧構造領域１２０から分離部１３０にかけて、層間絶縁膜８の上には、分離領域３１と同じ電位を有するフィールドプレート（以下、等電位ＦＰとする）３２が設けられている。等電位ＦＰ３２は、分離領域３１に接し、電気的に接続されている。また、耐圧構造領域１２０は、活性領域に近い側を順方向耐圧構造領域１２１、分離領域３１に近い側を逆方向耐圧構造領域１２２と便宜的に称することにする。ここでは両耐圧構造領域１２１，１２２は便宜的にオーバーラップさせていないが、実素子では互いにオーバッラップすることもできる。
　図４は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）の活性領域１００における電界強度Ｅを示す特性図である。図４では、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）の活性領域１００における、半導体基板底面からの高さｙと電界Ｅとの関係を示す。図２に示す本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）では、逆バイアス時（図４の点線）、ｎ型の高濃度領域５の近傍で空乏層をとめることが可能である。チャネル形成領域２に到達しなければ、ｎ型の高濃度領域５を超えて、チャネル形成領域２側に伸びても良いし、ｎ型の高濃度領域５よりチャネル形成領域２には、電界が及ばないようにすることもできる。一方、順バイアス時（図４の実線）、ｎ型の高濃度領域５によって、ある程度、空乏層の伸び幅が抑制されるが、所定の耐圧を維持することができる。その理由は、上述した条件でｎ型の高濃度領域５が設けられているからである。
　次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）の電流特性について検証した。本発明の第１の実施形態に従い、逆阻止ＩＧＢＴを準備した（以下、実施例とする）。定格電圧は６００Ｖとした。半導体基板の抵抗率および厚さを、それぞれ３０Ωｃｍおよび１００μｍとした。つまり、ドリフト領域１の抵抗率を３０Ωｃｍとしている。以下、図５～図９において同様の逆阻止ＩＧＢＴを用いている。
　さらに詳細にｎ型不純物の総不純物量の与える影響に関して調査した結果を図５から図７に示す。図５は、図２の切断線Ｙ－Ｙにおける不純物濃度の分布を示す不純物濃度プロファイル図である。実施例の６００Ｖクラス逆阻止ＩＧＢＴにおいて、半導体基板中の不純物濃度を測定した。この不純物濃度から、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量を算出した。ここで、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量とは、ｎ型の高濃度領域５を１回のイオン注入で形成する場合はそのイオン注入のドーズ量であり、複数回のイオン注入によりｎ型の高濃度領域を形成する場合は各々のイオン注入のドーズ量の総和のことである。
　図５において、第１測定結果４１は、ドリフト領域１の不純物濃度の分布である。第２測定結果４２は、チャネル形成領域２およびボディ領域４の不純物濃度の分布である。第３測定結果４３は、第２主電極領域１０の不純物濃度の分布である。第４測定結果４４は、ｎ型の高濃度領域５の不純物濃度の分布である。これより、ｎ型の高濃度領域５は表面から約１０μｍの位置に形成されていることがわかる。
　ついで、第４測定結果４４の深さごとの不純物濃度を積分し、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量を算出した。図５に示す不純物濃度の分布は、半導体基板中で、導電型不純物が深さ方向にどのような不純物濃度で存在しているかを示している。図５の第４測定結果４４では、基板面に近い領域で不純物濃度が低く、そこから離れるほど不純物濃度が高くなり、再び、不純物濃度が低くなっている。このため、第４測定結果４４の深さごとの不純物濃度を積分することで、単位面積当たりのｎ型の高濃度領域５の総不純物量を算出することができる。つまり、ｎ型の高濃度領域５内の不純物濃度の分布が深さ方向に均一でない場合でも、ｎ型の高濃度領域５全体の総不純物量を算出することができる。このように算出したｎ型の高濃度領域５の総不純物量から、ドリフト領域１の高濃度領域５部分の総不純物量を減算した値が、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量となる。
　すなわち、図５に示す第４測定結果４４の不純物濃度の分布の分布形状内の領域４０（図５の斜線部）が、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量である。ここで、ドリフト領域１の高濃度領域５部分の総不純物量とは、ｎ型の高濃度領域５が設けられる領域中の、ドリフト領域１の総不純物量である。ドリフト領域１の総不純物量は、ｎ型の高濃度領域５と同様の方法で算出している。
　図６は、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量と順方向耐圧との関係について示す特性図である。ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量を種々変更し、実施例の逆阻止ＩＧＢＴを複数準備した。ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量を、それぞれ１×１０１１～１．２×１０１２ｃｍ－２とし、ｎ型の高濃度領域５の位置は、チャネル形成領域２から１０μｍの位置とした。そして、それぞれ順方向耐圧を、ゲート－エミッタを短絡した状態で測定した。また、比較として、ｎ型の高濃度領域５が設けられていない逆阻止ＩＧＢＴを準備し（以下、比較例とする）、順方向耐圧を測定した。図６では、比較例の逆阻止ＩＧＢＴを、総ドーズ量ゼロとして示している。
　図６に示す結果より、ｎ型の高濃度領域５を設けることで、順方向耐圧が低減することがわかった。その理由は、ドリフト領域１のチャネル形成領域２に近い領域にｎ型の高濃度領域５を設けることで、チャネル形成領域２から第２主電極領域１０に向かってドリフト領域１中を伸びる空乏層が短くなるためである。ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量は、４×１０１１ｃｍ－２以下とすることで定格電圧以上を確保可能なことがわかった。
　図７は、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量と逆方向漏れ電流との関係について示す特性図である。図６で用いた実施例の逆阻止ＩＧＢＴにおいて、逆方向漏れ電流を測定した。図７では、比較例の逆阻止ＩＧＢＴを、総ドーズ量ゼロとして示している。また、コレクタ－エミッタ電圧を－６００Ｖとし、ゲート－エミッタを短絡した状態で測定した。
　図７に示す結果より、ｎ型の高濃度領域５を設けることによって、逆方向漏れ電流が小さくなることがわかった。また、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量が約４．０×１０１１ｃｍ－２程度までは逆漏れ電流が急激に減少し、４．０×１０１１ｃｍ－２以上では逆漏れ電流の減少が緩やかであることがわかった。
　図６および図７の結果より、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量は４．０×１０１１ｃｍ－２以下で４．０×１０１１ｃｍ－２に近いことが望ましいといえる。
　次に、ｎ型の高濃度領域５の形成領域の与える影響に関して調査した結果を図８および図９に示す。ここでは、耐圧構造領域１２０をエミッタ電極９と同電位となる引き抜き領域２３の外周端からコレクタ電極１１と同電位となる分離領域３１の内周端までとし、ｎ型の高濃度領域５の端部の位置を耐圧構造領域１２０に対する相対位置で表した。すなわち、エミッタ電極９と同電位となる引き抜き領域２３の外周端部を０、コレクタ電極１１と同電位となる分離領域３１の内周端を１とした時のｎ型の高濃度領域５の端部の位置をＬとして表した（図３）。従って、ｎ型の高濃度領域５の端部の位置Ｌが負の値は、活性領域下でｎ型の高濃度領域５が終わっていることを表し、ｎ型の高濃度領域５の端部の位置Ｌが１より大きい事は、ｎ型の高濃度領域５が、分離領域３１の内周端より外側に張り出していることを表している。
　図８は、ｎ型の高濃度領域５の端部の位置Ｌと、順方向耐圧との関係を示す特性図であり、図９はｎ型の高濃度領域５の端部の位置Ｌと逆方向漏れ電流との関係を示す特性図である。ここで、ｎ型の高濃度領域５の総ドーズ量は２×１０１１ｃｍ－２である。また、耐圧構造領域１２０は上述したように順方向耐圧構造領域１２１と逆方向耐圧構造領域１２２からなり、各々、所定の順方向耐圧、逆方向耐圧、および、耐電荷性が得られるように最適化して設計される。
　図８より、順方向耐圧はｎ型の高濃度領域５の端部の位置Ｌが活性領域端部より活性領域内部あるいはわずかに活性領域側にある時に最も高い値を示している。順方向耐圧が低下し始める位置は、ｎ型の高濃度領域５が引き抜き領域２３にかかりはじめる位置であった。また、ｎ型の高濃度領域５を活性領域端部まで設けても順方向耐圧の低下量は１％程度であることがわかった。また、順方向耐圧構造領域１２１側から耐圧構造領域１２０の幅Ｗの３６％以上までｎ型の高濃度領域５を張り出した場合に、順方向耐圧は１２％程度まで低下するが、これ以上張り出しても安定した値を取ることがわかった。
　図９より、逆方向漏れ電流はｎ型の高濃度領域５の端部の位置Ｌが活性領域１００の端部より内側にあっても低下している。しかし、ｎ型の高濃度領域５が活性領域１００の端部から張り出す（Ｌが＋になると）と逆方向漏れ電流の減少量は緩やかになり始める。ｎ型の高濃度領域５を活性領域端部（Ｌ＝０）まで設けた場合（任意スケールで０．９基準にした場合）の逆方向漏れ電流の低減量は２３％（（０．９－０．６９）／０．９）×１００）であり、最大低減量（２８％＝（（０．９－０．６５）／０．９）×１００））の８２％＝（（２３／２８）×１００）で８０％以上であった。また、耐圧構造領域１２０の幅Ｗの３６％以上になった場合に２８％程度減少し、これ以上張り出してもほとんど変化しなくなることが分かった。
　図８および図９の結果から、ｎ型の高濃度領域５を活性領域端部まで設けて、端部の位置Ｌを活性領域の端部を基準（Ｌ＝０）にして、耐圧構造領域１２０の幅Ｗの＋１０％から－１０％の範囲にすることで、順方向耐圧の低下量を抑制しながら、逆方向漏れ電流の低減を図ることができる。さらに、好ましくは、耐圧構造領域１２０の幅Ｗの＋５％から－５％の範囲にするとよい。
　また、ｎ型の高濃度領域５の端部の位置Ｌを耐圧構造領域１２０の幅Ｗの３６％以上とすることで、ｎ型の高濃度領域５の幅がばらついた場合でも、安定的に順方向耐圧と逆方向漏れ電流を維持できる。
　以上、説明したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）によれば、第１主電極領域（エミッタ領域）３と第２主電極領域（コレクタ領域）１０との間におけるドリフト領域１のチャネル形成領域（ベース領域）２に近い領域に、所定の濃度のｎ型の高濃度領域５を設けることで、所定の順方向耐圧を維持したままで、逆方向漏れ電流を低減することが可能となる。実施例では、図６に示すように、ｎ型の高濃度領域５中のｎ型不純物の総ドーズ量が４．０×１０１１ｃｍ－２となる不純物濃度を有するｎ型の高濃度領域５を設けることで、ｎ型の高濃度領域５を設けない場合に対して、順方向耐圧が６００Ｖで、逆方向漏れ電流を約６０％低減することが可能である。
　また、第２主電極領域（コレクタ領域）１０から、チャネル形成領域２に向かって空乏層が伸びた場合に、ｎ型の高濃度領域５とチャネル形成領域２の間に中性領域が残り過剰キャリアの残留することでソフトリカバリーとなり、逆回復時の電圧・電流波形の振動が抑制される。
　また、ｎ型の高濃度領域５を活性領域１００の端部まで設けることで、順方向耐圧の低下量を抑制しながら、逆方向漏れ電流を低減することが可能であることが分かった。また、ｎ型の高濃度領域５を耐圧構造領域１２０の幅Ｗの３６％以上まで設けることで、ｎ型の高濃度領域５の幅がばらついた場合でも、安定的に順方向耐圧と逆方向漏れ電流が得られることがわかった。
　尚、ドリフト領域１は、定格電圧と等しい逆方向電圧が印加された時、第２主電極領域１０から引き抜き領域２３（引き抜き領域）に向かって拡がる空乏層がこの引き抜き領域に到達しない抵抗率を有するようにする。
　以上、実施例の説明では、プレーナーゲート型逆阻止ＩＧＢＴをモデルとしたが、ゲート電極がドリフト領域１に形成された溝内に埋設されているトレンチゲート型逆阻止ＩＧＢＴであってもかまわない。また、本発明では、ｎ型とｐ型をすべて逆転した構成としてもよい。
　尚、上述のｎ型の高濃度領域５は、例えば、選択的なプロトン照射と熱処理によるドナー化によって形成することができる。
（第２の実施形態）
　本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を、図１０を用いて説明する。図１０は、図２に相当する断面図であり、図１のプレーナゲート型の逆阻止ＩＧＢＴの活性領域１００をトレンチゲート型ＩＧＢＴにした場合の活性領域の構成を示す断面図である。
　図１０に示すように、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置は、第１導電型（ｎ－型）のドリフト領域１ａとなる半導体基板を主体にしたトレンチゲート型の逆阻止ＩＧＢＴである。また、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置（逆阻止ＩＧＢＴ）は、詳細に図示していないが、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置と同様に、ドリフト領域１ａとなる半導体基板上に、図１に示す活性領域１００と、活性領域１００の外側に設けられた耐圧構造領域１２０と、耐圧構造領域１２０の外側に設けられた分離部１３０とを備えている。
　耐圧構造領域の構成は、上述のプレーナゲート型の逆阻止ＩＧＢＴと同様である。活性領域１００には、第１導電型（ｎ－型）のドリフト領域１ａとなる半導体基板のおもて面（ドリフト領域１ａの第１主面Ｙ１）に、複数のトレンチ溝１２が所定の間隔で設けられている。半導体基板のおもて面の表面層には、第２導電型（ｐ型）のチャネル形成領域２ａがトレンチ溝１２に挟まれるように設けられている。ｐ型のチャネル形成領域２ａは、ｎ－型のドリフト領域１ａよりも高い不純物濃度を有する。隣り合うトレンチ溝１２に挟まれた部分においてｐ型のチャネル形成領域２ａの基板おもて面側の表面層には、第１導電型（ｎ＋型）の第１主電極領域３ａおよび第２導電型（ｐ＋型）のボディ領域４ａが選択的に設けられる。ｐ＋型のボディ領域４ａは、ｐ型のチャネル形成領域２ａよりも高い不純物濃度を有する。ｐ型のチャネル形成領域２ａの、隣り合うトレンチ溝１２に挟まれた部分には、ｎ＋型の第１主電極領域３ａおよびｐ＋型のボディ領域４ａが設けられた構成の部分と、この構成からｎ＋型の第１主電極領域３ａがない構成の部分とが交互に並んで設けられている。
　ｎ型の高濃度領域５は、ｎ－型のドリフト領域１ａとｐ型のチャネル形成領域２ａとの間の表面に近い領域に設けられる。第２電極としてのエミッタ電極９ａは、ｎ＋型の第１主電極領域３ａおよびｐ＋型のボディ領域４ａの表面に共通に接する。また、エミッタ電極９ａは、層間絶縁膜８ａによって第１電極としてのゲート電極７ａとは電気的に絶縁されている。
　ドリフト領域１の第２主面２Ｙには、コレクタ領域としての第２主電極領域１０ａが設けられている。この第２主電極領域１０ａには、ドリフト領域１の第２主面２Ｙ側（半導体基板の裏面）に設けられた第３電極としてのコレクタ電極１１ａが接している。
　前述のトレンチ溝１２の構造について、さらに説明する。トレンチ溝１２は、ｎ＋型の第１主電極領域３ａおよびｐ型のチャネル形成領域２ａを貫通する深さを必ず必要とするが、前述のｎ型の高濃度領域５に対しては、このｎ型の高濃度領域５の中間の深さでも、貫通する深さであっても、到達しない深さであってもよい。トレンチ溝１２内に形成されるＭＯＳゲート構造（トレンチゲートＭＯＳ構造）は、従来と同様に、トレンチ溝１２の内壁に沿って絶縁膜としてのゲート絶縁膜６ａが設けられ、トレンチ溝１２の内部にゲート絶縁膜６ａを介してポリシリコンからなる第１電極としてのゲート電極７ａが埋設される構造である。
　本発明の第２の実施形態に係る半導体装置では、トレンチゲート型ＩＧＢＴの表面構造として、隣り合うトレンチ溝１２に挟まれた部分には、ｎ＋型の第１主電極領域３ａおよびｐ＋型のボディ領域４ａが設けられた構成の部分と、この構成からｎ＋型の第１主電極領域３ａがない構成の部分とが交互に並んで設けられている例をあげたが、トレンチゲートが形成されていれば、他の構成のトレンチゲート型ＩＧＢＴであってもｎ型の高濃度領域５を形成した場合の効果を得ることができる。
　以上のように、本発明にかかる半導体装置は、例えばマトリックスコンバータなどの直列変換回路に用いられるスイッチなど、順方向および逆方向の電圧に対する耐圧特性が要求される半導体素子に有用である。
　１　ドリフト領域
　２　チャネル形成領域
　３　第１主電極領域
　５　高濃度領域
　６　ゲート絶縁膜
　７　ゲート電極
　８　層間絶縁膜
　９　エミッタ電極
　１０　第２主電極領域
　１１　コレクタ電極
　２３　引き抜き領域
　３１　分離領域
　１００　活性領域
　１２０　耐圧構造領域
　１２１　順方向耐圧構造領域
　１２２　逆方向耐圧構造領域
　１３０　分離部

Claims (9)

  1. 　互いに反対側に位置する第１主面及び第２主面を有する第１導電型のドリフト領域と、
    　前記ドリフト領域の第１主面に選択的に設けられた第２導電型のチャネル形成領域と、
    　前記チャネル形成領域の上部に選択的に設けられた第１導電型の第１主電極領域と、
    　前記ドリフト領域の第２主面に設けられた第２導電型の第２主電極領域と、
    　前記チャネル形成領域の下の前記ドリフト領域に前記チャネル形成領域から離れて設けられた第１導電型の高濃度領域と、
    　前記ドリフト領域の外周であって前記チャネル形成領域を取り囲むように設けられ、前記第１主電極領域に接続された第２導電型の引き抜き領域と、
    　前記引き抜き領域の外周であって前記引き抜き領域を取り囲むように設けられ、順方向耐圧構造と逆方向耐圧構造とを含む耐圧構造領域と、
    　前記耐圧構造領域の外周であって、前記ドリフト領域の外周端部に設けられ、前記ドリフト領域の第１主面から第２主面まで貫通し、前記第２主電極領域に接する第２導電型の分離領域と、を備え、
    　前記高濃度領域は、前記ドリフト領域よりも高い不純物濃度であり、かつ、前記高濃度領域中の第１導電型不純物の総不純物量が２．０×１０１２ｃｍ－２以下となる不純物濃度を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 　前記第１主電極領域から前記ドリフト領域の第１主面に跨るように、絶縁膜を介して設けられた第１電極と、
    　前記チャネル形成領域および前記第１主電極領域に接続された第２電極と、
    　前記第１主電極領域に接する第３電極と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記チャネル形成領域の上部から前記チャネル形成領域を貫通し、前記ドリフト領域に達するように形成された溝と、
    　前記溝内に絶縁膜を介して埋設された第１電極と、
    　前記チャネル形成領域および前記第１主電極領域に接続された第２電極と、
    　前記第２主電極領域に接する第３電極と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 　前記高濃度領域は、前記ドリフト領域よりも高い不純物濃度であり、かつ、前記高濃度領域中の第１導電型不純物の総ドーズ量が４．０×１０１１ｃｍ－２以下となる不純物濃度を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 　前記高濃度領域の端部が、前記引き抜き領域の外周端を基準にして前記耐圧構造領域の長さの＋１０％～－１０％の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. 　前記高濃度領域の端部が、前記引き抜き領域の外周端を基準にして前記耐圧構造領域の長さの＋５％～－５％の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
  7. 　前記高濃度領域の端部が、前記引き抜き領域の外周端を基準にして前記耐圧構造領域の長さの＋３６％以上にあることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 　前記耐圧構造領域の前記ドリフト領域の表面に、前記引き抜き領域を囲むように互いに離れて設けられた複数の第２導電型のフィールドリミッティングリング領域を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
  9. 　前記ドリフト領域は、定格電圧と等しい逆方向電圧が印加された時、前記第２主電極領域から前記引き抜き領域に向かって拡がる空乏層が前記引き抜き領域に到達しない抵抗率を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体装置。
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