WO2017033636A1 - 半導体装置 - Google Patents

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diode
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広光 田邊
河野　憲司
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株式会社デンソー
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    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
    • H01L21/26506—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device in which an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a diode are formed on the same semiconductor substrate.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • RC-IGBT reverse conducting insulated gate bipolar transistor
  • ion irradiation is focused on a diode cell. According to this, the ON voltage of the IGBT can be reduced as compared with the case where ion irradiation is performed over the entire surface of the semiconductor substrate while realizing the lifetime control in the diode cell. Further, in this semiconductor device, the ion irradiation portion extends from the diode cell to the IGBT cell, and the lattice defect layer due to the ion irradiation suppresses the injection of charges from the IGBT cell to the diode cell. According to this, switching loss and recovery loss can be reduced.
  • the amount of the lattice defect layer formed by ion irradiation to the IGBT cell is small, the effect of reducing the switching loss and the recovery loss cannot be sufficiently exhibited.
  • the amount of protrusion of the lattice defect layer to the IGBT cell is large, the on-voltage characteristics may be deteriorated.
  • An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device capable of reducing switching loss and recovery loss while reducing on-voltage.
  • a semiconductor device includes an IGBT cell having a collector region in a surface layer of a second main surface, a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface on the back surface thereof, and a surface layer of the second main surface And a diode cell having a cathode region, provided with a drift region serving as a charge transfer path between the first main surface and the second main surface, and further formed in the drift region of the diode cell by ion irradiation.
  • a first defect layer which is a lattice defect layer formed, and a second defect layer formed simultaneously with the first defect layer and extending so that the first defect layer extends from the diode cell to the IGBT cell side; Is provided.
  • the diode cell In the drift region, the interface between the IGBT cell and the diode cell orthogonal to the first main surface and the boundary between the collector region and the cathode region and passing through the boundary line along the interface of the drift region of the collector region, When a region surrounded by a plane intersecting with the main surface at an angle of 45 degrees is defined as a boundary region, the diode cell has an area S occupied by the boundary region on the first main surface side surface in the drift region, and the diode cell. Are formed so as to satisfy the relationship of S DI > S.
  • the sum of the switching loss (Eon) and the recovery loss (Err) can be reduced as compared with the conventional configuration by forming the diode cell so as to satisfy the relationship of S DI > S. .
  • the same effect as described above can be obtained by increasing the ratio of the amount of charge accumulated in the diode cell to the total amount of charge accumulated in the diode cell and the boundary region.
  • a semiconductor device includes an IGBT cell having a collector region in a surface layer of a second main surface, a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface on the back surface of the first main surface; A diode cell having a cathode region on the surface layer is provided, and a drift region serving as a charge transfer path is provided between the first main surface and the second main surface.
  • a first defect layer which is a lattice defect layer formed by the above, and a second defect layer formed simultaneously with the first defect layer and extending so that the first defect layer extends from the diode cell to the IGBT cell side.
  • the IGBT cell and the diode cell are formed so that the current density flowing in the drift region is higher in the operation of the diode cell than in the operation of the IGBT cell, and the amount of ion irradiation for forming the lattice defect layer is Based on the forward voltage-loss characteristic during the operation of the diode cell, the total charge amount accumulated in the drift region is determined to be a predetermined amount.
  • the amount of ion irradiation for forming the lattice defect layer is determined based on the forward voltage-loss characteristic during the operation of the diode cell. Specifically, the ion irradiation amount is determined so that a predetermined amount of electric charge defined in advance is accumulated in the drift region. That is, since the ratio of the amount of charge accumulated in the diode cell can be increased while keeping the total charge amount in the drift region constant, the loss due to the charge accumulated near the boundary between the diode cell and the IGBT cell can be reduced. Increase can be suppressed. In other words, it is possible to suppress injection of extra charges from the IGBT cell to the diode region. Thereby, Eon + Err can be reduced without increasing the amount of protrusion of the second defect layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a top view showing the relationship between the area of the IGBT cell and the diode cell in the semiconductor device.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a simulation result.
  • FIG. 4 is a diagram showing a simulation result.
  • FIG. 5 is a top view showing the relationship between the area of the IGBT cell and the diode cell in the semiconductor device according to the first modification.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the semiconductor device according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a semiconductor device according to a second modification.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the semiconductor device according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a semiconductor device according to a third modification.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a semiconductor device according to a fourth modification.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the semiconductor device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a semiconductor device according to a fifth modification.
  • the semiconductor device 100 is a reverse conducting IGBT, so-called RC-IGBT, in which an IGBT cell 10 and a diode cell 20 are formed on one semiconductor substrate 50.
  • the semiconductor device 100 includes a base region 11, a trench gate 12, an emitter region 13, a collector region 14, and a lattice defect layer 15 as components of the IGBT cell 10.
  • an anode region 21 and a cathode region 22 are provided as components of the diode cell 20.
  • the semiconductor device 100 includes a base contact region 16 a formed surrounded by the base region 11 and an anode contact region 16 b formed surrounded by the anode region 21.
  • the base contact region 16a and the anode contact region 16b may be collectively referred to as the contact region 16.
  • a drift region 17 is formed between the base region 11 and the collector region 14 and between the anode region 21 and the cathode region 22.
  • the semiconductor substrate 50 is made of n conductivity type by doping silicon with impurities.
  • the semiconductor substrate 50 is cut from a silicon wafer and has a first main surface 50a and a second main surface 50b which is the back surface thereof. By performing ion implantation on each main surface, the IGBT cell 10 and the diode cell are formed. 20 is built.
  • the portion having the collector region 14 is referred to as an IGBT cell 10
  • the portion having the cathode region 22 is referred to as a diode cell 20.
  • the base region 11 is formed in the surface layer on the first main surface 50a side of the semiconductor substrate 50 in the IGBT cell 10.
  • the base region 11 has a p conductivity type by doping boron as an impurity, for example.
  • the base region 11 generates a channel when a predetermined voltage is applied to a trench gate 12 described later. As a result, a current flows between the emitter region 13 and the collector region 14.
  • the trench gate 12 is formed to extend in the depth direction of the semiconductor substrate 50 from the first main surface 50a.
  • the trench gate 12 is formed so as to penetrate the base region 11 and reach a later-described drift region 17.
  • the trench gate 12 has a structure in which the inner wall of the trench dug in the first main surface 50a of the semiconductor substrate 50 is covered with an insulating film and the inside of the trench is filled with polysilicon. Therefore, details are not shown in FIG.
  • the trench gate 12 is connected to a gate terminal which is a control terminal of the IGBT cell 10 and is used for switching control.
  • the emitter region 13 is selectively formed on the surface layer on the first main surface 50a side.
  • the emitter region 13 has an n conductivity type by doping arsenic or phosphorus as impurities, for example.
  • the emitter region 13 is formed so as to contact the trench gate 12 and cover the base region 11. Note that the emitter region 13 is formed only in a portion corresponding to the IGBT cell 10 and is connected to an emitter terminal which is an output terminal of the IGBT cell 10 and is set at, for example, a GND potential.
  • the collector region 14 is formed on the surface layer of the IGBT cell 10 on the second main surface 50b side.
  • the collector region 14 is of a p conductivity type by doping boron as an impurity, for example. Note that the impurity concentration of the collector region 14 is higher than the impurity concentration of the base region 11.
  • the collector region 14 is connected to a collector terminal which is an output terminal of the IGBT cell 10, and a collector current flows between the collector region 14 and the emitter region 13.
  • the anode region 21 is formed on the surface layer of the semiconductor substrate 50 on the first main surface 50a side in the diode cell 20.
  • the anode region 21 has a p conductivity type by doping boron as an impurity, for example.
  • the anode region 21 can be formed in the same process as the base region 11 in the IGBT cell 10, and the depth and impurity concentration from the first main surface 50 a where the anode region 21 is formed are the same as the base region 11. is there.
  • the anode region 21 forms a PN junction with a cathode region 22 and a drift region 17 described later, and exhibits a function as a diode.
  • the cathode region 22 is formed on the surface layer of the diode cell 20 on the second main surface 50b side.
  • the cathode region 22 has an n conductivity type by doping arsenic or phosphorus as impurities, for example.
  • the impurity concentration in the cathode region 22 is set higher than the impurity concentration in the semiconductor substrate 50.
  • the lattice defect layer 15 is a layer that adjusts the amount of accumulated charge by shortening the lifetime of the charge moving through the drift region 17.
  • the lattice defect layer 15 is formed by damaging the crystal structure of the semiconductor substrate 50 by ion irradiation and causing lattice defects.
  • protons, helium ions, or argon ions can be used as the ion species irradiated to the semiconductor substrate 50.
  • the lattice defect layer 15 includes a first defect layer 15a formed on the first main surface 50a side of the diode cell 20 in the drift region 17, and an overhang continuously from the first defect layer 15a to the IGBT cell 10 side. And the third defect layer 15c formed on the second main surface 50b side across the IGBT cell 10 and the diode cell 20.
  • the first defect layer 15a controls the forward voltage (VF) and the recovery loss (Err) during the operation of the diode cell.
  • the second defect layer 15b functions as a barrier for preventing unintentional injection of charges from the IGBT cell 10 side during the operation of the diode cell.
  • the 2nd defect layer 15b shall be 300 micrometers or less as an overhang
  • FIG. The third defect layer 15c is formed on the IGBT cell 10 side in order to control the on-voltage (Von) and switching loss (Eon) of the IGBT, and on the diode cell 20 side, the forward voltage (VF) and the recovery loss are formed. It is formed to control (Err).
  • the lifetime of charges can be shortened. That is, the designer can adjust the characteristics of Von, Eon, VF, and Err according to the ion irradiation amount. Conversely, the ion irradiation amount must be set so as to satisfy the required Von, Eon, VF, and Err.
  • the ion irradiation amount of the first defect layer 15a, the second defect layer 15b, and the third defect layer 15c in other words, the ion irradiation time can be optimized depending on the required use, in the present embodiment, for example, 0.01 ⁇ s each. It is set to about 10 ⁇ s.
  • the base contact region 16a and the anode contact region 16b are p conductivity type semiconductor regions having an impurity concentration higher than that of the base region 11 and the anode region 21, respectively.
  • the contact region 16 functions as an anode when the semiconductor device 100 operates as a diode, and the charge injected from the collector region 14 into the semiconductor substrate 50 when the semiconductor device 100 operates as an IGBT is efficiently turned off. It functions as well.
  • the drift region 17 is a region defined by forming the base region 11, the collector region 14, the anode region 21, and the cathode region 22 on the semiconductor substrate 50. Specifically, it is a region between the base region 11 and the collector region 14 and a region between the anode region 21 and the cathode region 22. Needless to say, it is of n conductivity type, and the impurity concentration is the semiconductor substrate 50. Is the same.
  • the boundary area is defined as follows. That is, as indicated by hatching in FIG. 1, the boundary between the surface Pa of the drift region 17 on the first main surface 50 a side, the interface Pb between the IGBT cell 10 and the diode cell 20, and the collector region 14 and the cathode region 22.
  • a region surrounded by a plane Pc passing through a boundary line along the interface between the drift region 17 and the collector region 14 and intersecting the first main surface 50a at an angle of 45 degrees is defined as a boundary region R.
  • the boundary region R is a three-dimensional region and is formed along the interface between the IGBT cell 10 and the diode cell 20. From the above definition, the amount of protrusion of the surface Pa from the diode cell 20 in the boundary region R is the same as the thickness L of the drift region 17 because the plane Pc intersects the first main surface 50a at about 45 degrees. The angle 45 degrees with respect to the first major surface 50a of the plane Pc depends on the spread of charges injected from the cathode region 22 into the drift region 17 being approximately 45 degrees. As shown in FIG. 2, with the definition of the boundary region R, the area S occupied by the boundary region in the surface of the drift region 17 on the first main surface 50a side can be defined. The area S depends on the thickness L of the drift region 17 and the shape of the diode cell 20 when the first main surface 50a is viewed from the front.
  • the diode cell 20 in the present embodiment has a rectangular shape when the first main surface 50a is viewed from the front.
  • the area is indicated as SDI .
  • the boundary region R is formed in an annular shape along the outer edge of the diode cell 20.
  • the diode cell 20 in the present embodiment is formed so that the area S and the area S DI satisfy the relationship of S DI > S.
  • FIG. 3 shows the result of the simulation. According to FIG. 3, it was found that Eon + Err can be significantly reduced under the condition of S DI / S> 1, without increasing the amount of protrusion of the second defect layer 15 b to the IGBT cell 10.
  • the switching loss Eon and the recovery loss Err are determined by the total charge amount accumulated in the drift region 17 during diode operation and the injection amount from the IGBT cell 10.
  • the condition of S DI / S> 1 means that the ratio of the charge amount in the boundary region R occupying the total charge amount is reduced, and has an influence on the loss of the charge injected from the IGBT cell 10 to the diode cell 20. This is a sufficiently small condition.
  • the semiconductor device 100 can exhibit the effect of reducing Eon + Err by forming the diode cell 20 so as to satisfy the relationship of S ⁇ S DI ⁇ 5S.
  • Eon + Err depends on the amount of protrusion of the second defect layer 15b.
  • the amount of reduction of Eon + Err by increasing S DI / S becomes significant when the amount of protrusion of the second defect layer 15b is 300 ⁇ m or less. That is, setting the amount of overhanging of the second defect layer 15b to 300 ⁇ m or less has a great effect of reducing loss by increasing S DI / S in this embodiment.
  • this boundary region R is defined independently of the second defect layer 15b, and it is not always necessary to adjust the amount of protrusion of the second defect layer 15b in order to adjust Eon + Err. That is, if the semiconductor device 100 according to the present embodiment is employed, Eon + Err can be reduced without increasing the on-voltage (Von) during the operation of the IGBT cell 10.
  • the IGBT cell is formed by forming the diode cell 20 so as to satisfy a predetermined condition regarding the relationship between the area SDI along the first main surface 50a of the boundary region R and the area S of the diode cell 20.
  • the example in which the injection of charges from 10 to the diode cell 20 is suppressed has been described. That is, the example in which the charge amount accumulated in the boundary region R occupying the total charge amount has been described.
  • the same effect can be obtained by increasing the ratio of the amount of charge accumulated in the diode cell 20 with respect to the total amount of charge.
  • the formation conditions of the diode cell 20 that do not depend on the area ratio S DI / S will be described.
  • the semiconductor device 200 includes a base region 11, a trench gate 12, an emitter region 13, a collector region 14, and a lattice defect layer as constituent elements of the IGBT cell 10, as shown in FIG. 15 is provided. Further, an anode region 21 and a cathode region 22 are provided as components of the diode cell 20. A contact region 16 is provided so as to be surrounded by the base region 11 or the anode region 21. A drift region 17 is formed between the base region 11 and the collector region 14 and between the anode region 21 and the cathode region 22.
  • the requirements except for the impurity concentration of the anode region 21, the ion irradiation amount for forming the first defect layer 15 a and the second defect layer 15 b in the lattice defect layer 15, and the area ratio S DI / S are as follows. Since it is the same as that of the semiconductor device 100 according to the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • the impurity concentration of the anode region 21 is higher than that of the base region 11. That is, in this embodiment, the base region 11 and the anode region 21 are not formed in the same process, but are formed in separate and independent processes.
  • the ion irradiation amount for forming the first defect layer 15a and the second defect layer 15b is set to be larger than that in the first embodiment.
  • the ion irradiation amount is set so as not to change the recovery loss (Err) with respect to the first embodiment in the forward voltage-loss characteristic during the operation of the diode cell 20. That is, the total charge amount accumulated in the drift region 17 during the diode operation is set to a predetermined value. Thereby, the ion irradiation amount for forming the second defect layer 15b is relatively increased as compared with the first embodiment. Due to this increased defect, the semiconductor device 200 can suppress the amount of charge injected from the IGBT cell 10 to the diode cell 20 without defining the condition of the area ratio S DI / S.
  • the semiconductor device 200 according to the second embodiment is configured such that the impurity concentration of the anode region 21 in the diode cell 20 is uniformly high with respect to the base region 11 in the IGBT cell 10. However, it is not necessary that the concentration of the entire anode region 21 is higher than that of the base region 11.
  • the impurity concentration in the portion closer to the IGBT cell 10 in the anode region 21 is lower than that in the other anode regions 21.
  • the impurity concentration on the side close to the IGBT cell 10 in the anode region 21 is the same as that of the base region 11 in the IGBT cell 10.
  • the semiconductor device 210 in the present modification can suppress the absolute amount of charge during diode operation as compared with the semiconductor device 200 of the second embodiment, the IGBT cell 10 changes to the diode cell 20. The amount of charges injected can be suppressed.
  • the semiconductor device 300 in the present embodiment has no condition for the area ratio S DI / S. Instead, as shown in FIG. 8, the semiconductor device 300 includes the charge storage layer 18 in addition to the semiconductor device 100 of the first embodiment.
  • the charge storage layer 18 is of an n conductivity type having an impurity concentration higher than that of the drift region 17 and is formed at a position in contact with the base region 11 on the first main surface 50a side of the second defect layer 15b in the IGBT cell 10. Has been.
  • the charge storage layer 18 Since the charge storage layer 18 has a higher impurity concentration than the drift region 17, the built-in potential between the base region 11 and the charge storage layer 18 is higher than the built-in potential between the base region 11 and the drift region 17. Become. As a result, the amount of charge (holes) injected from the IGBT cell 10 to the diode cell 20 can be suppressed, and the amount of charge accumulated in the diode cell 20 with respect to the total amount of charge accumulated in the drift region 17 when the diode is conductive is reduced.
  • the ratio can be made higher than that of the IGBT cell 10. That is, Eon + Err can be reduced by suppressing the injection amount of charges (holes) from the IGBT cell 10 to the diode cell 20.
  • the semiconductor device 300 according to the third embodiment has a configuration in which the charge storage layer 18 is provided only in the IGBT cell 10.
  • the semiconductor device 310 in the present modification has a structure in which the charge storage layer 18 is extended from the IGBT cell 10 to a partial region of the drift region 17 on the diode cell 20 side. Yes.
  • the semiconductor device 310 in the present modification can suppress the absolute amount of charge during diode operation as compared with the semiconductor device 300 of the third embodiment, the IGBT cell 10 changes to the diode cell 20. The amount of charges injected can be further suppressed.
  • the semiconductor device 400 there is no condition for the area ratio S DI / S. Instead, as shown in FIG. 10, the first main surface 50a side of the IGBT cell 10 forms a buried contact structure.
  • the semiconductor device 400 having a buried contact structure has a trench contact 19 in addition to the structure of the IGBT cell 10 in the first embodiment.
  • the trench contact 19 is a conductor that is disposed between adjacent trench gates 12 and extends from the first main surface 50a in the thickness direction of the semiconductor substrate 50, and is made of, for example, tungsten.
  • the extended tip of the trench contact 19 is connected to the base contact region 16a.
  • Emitter region 13 is formed between trench contact 19 and trench gate 12, and base region 11 and base contact region 16a are not exposed to first main surface 50a.
  • the base region 11 and the base contact region 16 a have a structure embedded in the semiconductor substrate 50. For this reason, the emitter region 13 in the semiconductor device 400 is formed to a deeper position as viewed from the first main surface 50a than in the first embodiment.
  • the ratio of the charge amount stored in the diode cell 20 to the total charge amount stored in the drift region 17 when the diode is conductive can be made higher than that of the IGBT cell 10. That is, similarly to the third embodiment, the amount of charge injected from the IGBT cell 10 to the diode cell 20 can be suppressed as compared with the first embodiment, and Eon + Err can be reduced.
  • the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment is a form that adopts a buried contact structure only in the IGBT cell 10.
  • the semiconductor device 410 according to this modification has a structure in which a buried contact structure is extended from the IGBT cell 10 to a partial region on the diode cell 20 side, as shown in FIG.
  • the semiconductor device 410 in this modification can suppress the absolute amount of charge during diode operation, compared to the semiconductor device 400 of the fourth embodiment, the IGBT cell 10 changes to the diode cell 20. The amount of charges injected can be further suppressed.
  • the semiconductor device 500 in the present embodiment has no condition for the area ratio S DI / S, and instead has a thinning portion 30 on the first main surface 50a side in the IGBT cell 10, as shown in FIG.
  • the thinning portion 30 has a structure in which the emitter region 13 and the base contact region 16a are not formed in the region between the adjacent trench gates 12, and the base region 11 is exposed to the first main surface 50a.
  • the impurity concentration of the base region 11 of the thinning portion 30 is set lower than that of the base region 11 excluding the thinning portion 30.
  • the ratio of the charge amount stored in the diode cell 20 to the total charge amount stored in the drift region 17 when the diode is conductive can be made higher than that of the IGBT cell 10. Therefore, the amount of charge injected from the IGBT cell 10 to the diode cell 20 can be suppressed as compared with the first embodiment, and Eon + Err can be reduced.
  • the semiconductor device 500 according to the fifth embodiment has a configuration in which the thinning portion 30 is formed only in the IGBT cell 10.
  • the impurity concentration in the portion near the IGBT cell 10 in the anode region 21 is the impurity concentration in the base region 11 in the thinned portion 30. It is equivalent to.
  • the impurity concentration on the side close to the IGBT cell 10 in the anode region 21 is the same as that of the base region 11 in the thinning-out portion 30.
  • the semiconductor device 510 in the present modification can suppress the absolute amount of charge during diode operation as compared with the semiconductor device 500 of the fifth embodiment, the IGBT cell 10 changes to the diode cell 20. The amount of charges injected can be suppressed.
  • the diode cell 20 may be formed so as to satisfy the area relationship S DI > S.
  • the charge storage layer 18 as described in the third embodiment is formed in the IGBT cell 10 while increasing the concentration of the anode region 21 in the diode cell 20. Also good.
  • the configuration having the third defect layer 15c has been described.
  • the third defect layer 15c is not always necessary, and the on-voltage and switching loss of the IGBT cell 10 and the forward voltage of the diode cell 20 are not necessarily required. And can be formed as appropriate in response to a request for recovery loss. Needless to say, the third defect layer 15 c may be partially formed in the IGBT cell 10 and the diode cell 20.
  • the first embodiment and the second to fifth embodiments reduce the proportion of the amount of charge near the boundary between the IGBT cell 10 and the diode cell 20 in the total amount of charge accumulated during diode operation.
  • the semiconductor device is based on the same technical idea of increasing the charge amount ratio of the diode cell 20. Therefore, in each embodiment and each modification, the trench gate type RC-IGBT having the trench gate 12 has been described as an example. However, even in the case of a planar type RC-IGBT, based on the same idea, The embodiment can be applied to a planar RC-IGBT.

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Abstract

半導体装置は、第１主面（５０ａ）およびその裏面の第２主面（５０ｂ）を有する半導体基板（５０）に、コレクタ領域（１４）を有するＩＧＢＴセル（１０）と、カソード領域（２２）を有するダイオードセル（２０）とが併設され、ドリフト領域（１７）に第１欠陥層（１５ａ）と、第２欠陥層（１５ｂ）と、を備える。ドリフト領域において、ＩＧＢＴセルとダイオードセルとの、第１主面に直交する界面（Ｐｂ）と、コレクタ領域とカソード領域との境界であって、コレクタ領域のドリフト領域の界面に沿う境界線を通り、第１主面と角度４５度で交わる平面（Ｐｃ）と、により囲まれる領域を境界領域として定義するとき、ダイオードセルは、ドリフト領域における第１主面側の表面のうち、境界領域が占める面積Ｓと、ダイオードセルが占める面積ＳＤＩと、がＳＤＩ＞Ｓの関係を満たすように形成される。

Description

半導体装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１５年８月２１日に出願された日本出願番号２０１５－１６３９２４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、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とダイオードとが同一の半導体基板に形成された半導体装置に関する。
　ＩＧＢＴとダイオードが同一の半導体基板に形成される、いわゆる逆導通絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＣ－ＩＧＢＴ）では、しばしばイオン照射によるライフタイム制御が行われる。
　特許文献１に記載の半導体装置は、ダイオードセルに重点的にイオン照射がされている。これによれば、ダイオードセルにおけるライフタイムの制御を実現しつつ、半導体基板の全面に亘ってイオン照射される場合に較べてＩＧＢＴのオン電圧を低減できる。さらにこの半導体装置では、イオン照射する箇所をダイオードセルからＩＧＢＴセルに張り出すようにしており、イオン照射による格子欠陥層がＩＧＢＴセルからダイオードセルへの電荷の注入を抑制するようになっている。これによれば、スイッチング損失やリカバリ損失を低減できる。
　しかしながら、イオン照射による格子欠陥層の、ＩＧＢＴセルへの張り出し量が小さいと、スイッチング損失やリカバリ損失の低減効果が十分に発揮されない。また、格子欠陥層のＩＧＢＴセルへの張り出し量が大きいと、オン電圧の特性が悪化してしまう虞がある。
特開２０１１－２１６８２５号公報
　本開示は、オン電圧を低減しつつスイッチング損失およびリカバリ損失を低減可能な半導体装置を提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係る半導体装置は、第１主面およびその裏面の第２主面を有する半導体基板に、第２主面の表層にコレクタ領域を有するＩＧＢＴセルと、第２主面の表層にカソード領域を有するダイオードセルとが併設され、第１主面と第２主面との間に電荷の移動経路となるドリフト領域を備え、さらに、ダイオードセルにおけるドリフト領域に形成され、イオン照射により形成された格子欠陥層である第１欠陥層と、第１欠陥層と同時に形成され、第１欠陥層がダイオードセルからＩＧＢＴセル側に延長するように張り出して形成された第２欠陥層と、を備える。ドリフト領域において、ＩＧＢＴセルとダイオードセルとの、第１主面に直交する界面と、コレクタ領域とカソード領域との境界であって、コレクタ領域のドリフト領域の界面に沿う境界線を通り、第１主面と角度４５度で交わる平面と、により囲まれる領域を境界領域として定義するとき、ダイオードセルは、ドリフト領域における第１主面側の表面のうち、境界領域が占める面積Ｓと、ダイオードセルが占める面積ＳＤＩと、がＳＤＩ＞Ｓの関係を満たすように形成される。
　発明者のデバイスシミュレーションの結果によれば、ＳＤＩ＞Ｓの関係を満たすようにダイオードセルを形成することにより、スイッチング損失（Ｅｏｎ）とリカバリ損失（Ｅｒｒ）の和を従来構成に較べて小さくできる。これは、ダイオードセルおよび境界領域に蓄積される総電荷量に占める、境界領域に蓄積される電荷量の割合を小さくできるためである。つまり、上記半導体装置を採用すれば、ＩＧＢＴセルの動作時におけるオン電圧を増大させることなく、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒを低減することができる。したがって、第２欠陥層のＩＧＢＴセルに占める面積を過剰に大きくすることなく、ダイオードのリカバリ損失を抑制することができる。換言すれば、ＩＧＢＴのオン電圧とダイオードのリカバリ損失のトレードオフを解消することができる。
　一方、ダイオードセルおよび境界領域に蓄積される総電荷量に占める、ダイオードセルに蓄積される電荷量の割合を大きくすることによっても、上記と同様の効果を奏することができる。
　本開示の別の態様に係る半導体装置は、第１主面およびその裏面の第２主面を有する半導体基板に、第２主面の表層にコレクタ領域を有するＩＧＢＴセルと、第２主面の表層にカソード領域を有するダイオードセルとが併設され、第１主面と第２主面との間に電荷の移動経路となるドリフト領域を備え、さらに、ダイオードセルにおけるドリフト領域に形成され、イオン照射により形成された格子欠陥層である第１欠陥層と、第１欠陥層と同時に形成され、第１欠陥層がダイオードセルからＩＧＢＴセル側に延長するように張り出して形成された第２欠陥層と、を備える。ＩＧＢＴセルおよびダイオードセルは、ダイオードセルの動作時において、ＩＧＢＴセルの動作時に比較して、ドリフト領域を流れる電流密度が高くなるように形成され、格子欠陥層を形成するためのイオン照射の量は、ダイオードセルの動作時における順電圧－損失特性に基づいて、ドリフト領域に蓄積される総電荷量が予め規定された所定の量となるように決定される。
　これによれば、格子欠陥層を形成するためのイオン照射の量は、ダイオードセルの動作時における順電圧－損失特性に基づいて決定される。具体的には、ドリフト領域に予め規定された所定の電荷量が蓄積されるようにイオン照射量が決定される。すなわち、ドリフト領域の総電荷量を一定にしつつ、ダイオードセルに蓄積される電荷量の割合を大きくすることができるので、ダイオードセルとＩＧＢＴセルとの間の境界近傍に蓄積された電荷による損失の増加を抑制することができる。換言すれば、ＩＧＢＴセルからダイオード領域への余分な電荷の注入を抑制することができる。これにより、第２欠陥層の張り出し量を増加させることなく、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒを低減することができる。
　これは、視点を変えれば、第１欠陥層の形成にかかるイオン照射の量を従来構成に較べて大きくする必要があることを意味している。つまり、第２欠陥層を形成するためのイオン照射の量は、従来に較べて大きくなるので、ＩＧＢＴセルからダイオードセルへの電荷の注入量が境界領域により抑制され、ダイオードセルの動作時においてリカバリ損失を低減することができる。したがって、第２欠陥層のＩＧＢＴセルに占める面積を過剰に大きくすることなくダイオードのリカバリ損失も抑制することができる。換言すれば、ＩＧＢＴのオン電圧とダイオードのリカバリ損失のトレードオフを解消することができる。
　本開示における上記あるいは他の目的、構成、利点は、下記の図面を参照しながら、以下の詳細説明から、より明白となる。図面において、
図１は、第１実施形態にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、半導体装置におけるＩＧＢＴセルとダイオードセルの面積の関係を示す上面図である。 図３は、シミュレーション結果を示す図である。 図４は、シミュレーション結果を示す図である。 図５は、第１変形例にかかる半導体装置におけるＩＧＢＴセルとダイオードセルの面積の関係を示す上面図である。 図６は、第２実施形態にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図７は、第２変形例にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図８は、第３実施形態にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図９は、第３変形例にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１０は、第４実施形態にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１１は、第４変形例にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１２は、第５実施形態にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１３は、第５変形例にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。
　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、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の概略構成について説明する。
　図１に示すように、この半導体装置１００は、ＩＧＢＴセル１０とダイオードセル２０とが一つの半導体基板５０に形成されて成る逆通電型ＩＧＢＴ、所謂ＲＣ－ＩＧＢＴである。この半導体装置１００は、ＩＧＢＴセル１０の構成要素として、ベース領域１１、トレンチゲート１２、エミッタ領域１３、コレクタ領域１４および格子欠陥層１５を備えている。
　また、ダイオードセル２０の構成要素として、アノード領域２１およびカソード領域２２を備えている。
　さらに、本実施形態における半導体装置１００は、ベース領域１１に囲まれて形成されたベースコンタクト領域１６ａ、および、アノード領域２１に囲まれて形成されたアノードコンタクト領域１６ｂを備えている。なお、以降の説明において、ベースコンタクト領域１６ａとアノードコンタクト領域１６ｂをまとめてコンタクト領域１６と云うことがある。
　そして、ベース領域１１とコレクタ領域１４の間、および、アノード領域２１とカソード領域２２の間にドリフト領域１７が形成されている。
　半導体基板５０は、シリコンに不純物がドープされてｎ導電型とされている。半導体基板５０はシリコンウェハから切りだされ、第１主面５０ａとその裏面である第２主面５０ｂとを有しており、各主面にイオン注入を行うことにより、ＩＧＢＴセル１０およびダイオードセル２０が作り込まれる。なお、本実施形態では、第１主面５０ａを正面視した場合に、コレクタ領域１４を有する部分をＩＧＢＴセル１０と称し、カソード領域２２を有する部分をダイオードセル２０と称する。
　ベース領域１１は、ＩＧＢＴセル１０において、半導体基板５０の第１主面５０ａ側の表層に形成されている。ベース領域１１は、例えば、不純物としてホウ素がドープされることによってｐ導電型とされている。このベース領域１１は、後述するトレンチゲート１２に所定に電圧が印加されることによってチャネルを生じる。これによってエミッタ領域１３とコレクタ領域１４との間で電流が流れる。
　トレンチゲート１２は、第１主面５０ａから半導体基板５０の深さ方向に延びて形成されている。トレンチゲート１２はベース領域１１を貫通して後述のドリフト領域１７まで到達するように形成されている。トレンチゲート１２は、半導体基板５０の第１主面５０ａに掘られたトレンチの内壁を絶縁膜で被覆し、トレンチ内部をポリシリコンで埋めた構造をしているが、一般的によく知られる構造であるため、図１では詳細を図示していない。トレンチゲート１２は、ＩＧＢＴセル１０の制御端子であるゲート端子に接続されて、スイッチングの制御に用いられる。
　エミッタ領域１３は、第１主面５０ａ側の表層に選択的に形成されている。エミッタ領域１３は、例えば、不純物としてヒ素やリンがドープされることによってｎ導電型とされている。エミッタ領域１３はトレンチゲート１２に接触し、且つ、ベース領域１１の覆われるように形成されている。なお、エミッタ領域１３は、ＩＧＢＴセル１０に相当する部分にのみ形成されており、ＩＧＢＴセル１０の出力端子であるエミッタ端子に接続され、例えばＧＮＤ電位とされている。
　コレクタ領域１４は、ＩＧＢＴセル１０における第２主面５０ｂ側の表層に形成されている。コレクタ領域１４は、例えば、不純物としてホウ素がドープされることによってｐ導電型とされている。なお、コレクタ領域１４の不純物濃度は、ベース領域１１の不純物濃度よりも高くされている。コレクタ領域１４はＩＧＢＴセル１０の出力端子であるコレクタ端子に接続され、エミッタ領域１３との間でコレクタ電流が流れる。
　アノード領域２１は、ダイオードセル２０において、半導体基板５０の第１主面５０ａ側の表層に形成されている。アノード領域２１は、例えば、不純物としてホウ素がドープされることによってｐ導電型とされている。なお、アノード領域２１は、ＩＧＢＴセル１０におけるベース領域１１と同一の工程で形成することができ、アノード領域２１が形成される第１主面５０ａからの深さや不純物濃度はベース領域１１と同一である。アノード領域２１は、後述のカソード領域２２およびドリフト領域１７との間でＰＮ接合を成し、ダイオードとしての機能を発揮する。
　カソード領域２２は、ダイオードセル２０における第２主面５０ｂ側の表層に形成されている。カソード領域２２は、例えば、不純物としてヒ素やリンがドープされることによってｎ導電型とされている。なお、カソード領域２２の不純物濃度は、半導体基板５０の不純物濃度よりも高くされている。
　格子欠陥層１５は、ドリフト領域１７を移動する電荷のライフタイムを短くすることにより、電荷の蓄積量を調整する層である。格子欠陥層１５は、イオン照射によって半導体基板５０の結晶構造にダメージを与え、格子欠陥を生じさせることで形成される。半導体基板５０に照射するイオン種としては、例えば、プロトンやヘリウムイオン、アルゴンイオンを採用することができる。
　本実施形態における格子欠陥層１５は、ドリフト領域１７においてダイオードセル２０の第１主面５０ａ側に形成された第１欠陥層１５ａと、第１欠陥層１５ａから連続的にＩＧＢＴセル１０側に張り出して形成された第２欠陥層１５ｂと、ＩＧＢＴセル１０とダイオードセル２０に跨って第２主面５０ｂ側に形成された第３欠陥層１５ｃとを有している。第１欠陥層１５ａはダイオードセルの動作時における順電圧（ＶＦ）およびリカバリ損失（Ｅｒｒ）を制御している。第２欠陥層１５ｂはダイオードセルの動作時において、意図せずＩＧＢＴセル１０側から電荷が注入されることを防止するための障壁として作用している。なお、第２欠陥層１５ｂは、ＩＧＢＴセル１０とダイオードセル２０との界面Ｐｂからの張り出し量として、３００μｍ以下とされることが好ましい。また、第３欠陥層１５ｃは、ＩＧＢＴセル１０側ではＩＧＢＴのオン電圧（Ｖｏｎ）およびスイッチング損失（Ｅｏｎ）を制御するために形成されており、ダイオードセル２０側では順電圧（ＶＦ）およびリカバリ損失（Ｅｒｒ）を制御するために形成されている。
　なお、照射するイオンの量が多ければ多いほど格子欠陥層１５におけるダメージが大きくなるため、電荷のライフタイムを短くすることができる。つまり、設計者は、イオン照射量によってＶｏｎ、Ｅｏｎ、ＶＦ、Ｅｒｒの各特性を調整することができる。逆にいえば、イオン照射量は、要求されるＶｏｎ、Ｅｏｎ、ＶＦ、Ｅｒｒを満たすように設定されなければならない。第１欠陥層１５ａ、第２欠陥層１５ｂおよび第３欠陥層１５ｃのイオン照射量、換言すればイオン照射時間は求められる用途によって最適化されうるが、本実施形態では、例えば、それぞれ０．０１μｓ～１０μｓ程度に設定されている。
　ベースコンタクト領域１６ａおよびアノードコンタクト領域１６ｂは、それぞれベース領域１１およびアノード領域２１よりも不純物濃度が高くされたｐ導電型の半導体領域である。コンタクト領域１６は、半導体装置１００がダイオードとして動作する際にアノードとして機能するとともに、半導体装置１００がＩＧＢＴとして動作する際に、コレクタ領域１４から半導体基板５０に注入された電荷を、ターンオフ時において効率よく抜き取るように機能している。
　ドリフト領域１７は、半導体基板５０にベース領域１１、コレクタ領域１４、アノード領域２１およびカソード領域２２が形成されることにより規定される領域である。具体的には、ベース領域１１とコレクタ領域１４との間の領域、および、アノード領域２１とカソード領域２２との間の領域であり、言うまでもなくｎ導電型であって、不純物濃度は半導体基板５０と同一である。
　以降の説明のため、境界領域を次のように定義する。すなわち、図１に斜線にて示すように、ドリフト領域１７の第１主面５０ａ側の表面Ｐａと、ＩＧＢＴセル１０とダイオードセル２０との界面Ｐｂと、コレクタ領域１４とカソード領域２２との境界であってドリフト領域１７とコレクタ領域１４との界面に沿う境界線を通り、第１主面５０ａと角度４５度で交わる平面Ｐｃと、に囲まれた領域を境界領域Ｒと定義する。
　境界領域Ｒは三次元的な領域であって、ＩＧＢＴセル１０とダイオードセル２０の界面に沿って形成されることになる。また、上記定義から、境界領域Ｒにおける表面Ｐａのダイオードセル２０からの張り出し量は、平面Ｐｃが第１主面５０ａと略４５度で交わるからドリフト領域１７の厚さＬと同一である。平面Ｐｃの第１主面５０ａに対する角度４５度は、カソード領域２２からドリフト領域１７に注入される電荷の広がりが略４５度となることに依る。図２に示すように、境界領域Ｒの定義にともなって、ドリフト領域１７における第１主面５０ａ側の表面のうち境界領域が占める面積Ｓを定義することができる。面積Ｓは、ドリフト領域１７の厚さＬと、第１主面５０ａを正面視したときのダイオードセル２０の形状に依存する。
　本実施形態におけるダイオードセル２０は、第１主面５０ａを正面視したときに長方形を成している。そしてその面積をＳＤＩと示す。境界領域Ｒはダイオードセル２０の外縁に沿って環状に形成されることになる。本実施形態におけるダイオードセル２０は、面積Ｓと面積ＳＤＩがＳＤＩ＞Ｓの関係を満たすように形成されている。
　次に、図３および図４を参照して、本実施形態にかかる半導体装置１００の作用効果について説明する。
　発明者は、ダイオードセル２０に基づく面積ＳＤＩと、境界領域Ｒに基づく面積Ｓと、の比ＳＤＩ／Ｓに対する、スイッチング損失（Ｅｏｎ）とリカバリ損失（Ｅｒｒ）の和の変化についてシミュレーションを実施した。図３はシミュレーションの結果を示している。図３によれば、第２欠陥層１５ｂのＩＧＢＴセル１０への張り出し量を大きくすることなく、ＳＤＩ／Ｓ＞１の条件において優位にＥｏｎ＋Ｅｒｒを低減することができることが判った。
　スイッチング損失Ｅｏｎとリカバリ損失Ｅｒｒは、ダイオード動作時にドリフト領域１７に蓄積される総電荷量と、ＩＧＢＴセル１０からの注入量によって決まる。ＳＤＩ／Ｓ＞１の条件とは、総電荷量に占める境界領域Ｒにおける電荷量の割合を小さくすることを意味し、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０へ注入される電荷の損失に与える影響が十分小さくなる条件である。
　また、ＳＤＩ／Ｓを大きくしすぎるとダイオードのリカバリ耐量が低下するなどの背反があり、ＳＤＩ／Ｓ＞５の範囲ではＥｏｎ＋Ｅｒｒが一定の値に漸近するため、必要以上にダイオードセル２０に基づく面積ＳＤＩを大きくする必要はない。つまり、ＳＤＩ／Ｓ＜５が好適である。以上のように、半導体装置１００は、ダイオードセル２０が、Ｓ＜ＳＤＩ＜５Ｓの関係を満たすように形成されることにより、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒの低減効果を発揮することができる。
　なお、図４に示すように、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒは第２欠陥層１５ｂの張り出し量に依存する。ＳＤＩ／Ｓを大きくすることによるＥｏｎ＋Ｅｒｒの低減量は、第２欠陥層１５ｂの張り出し量が３００μｍ以下の場合に顕著になる。すなわち、第２欠陥層１５ｂの張り出し量を３００μｍ以下とすることが、本実施例においてＳＤＩ／Ｓを大きくすることによる損失低減の効果が大きい。
　しかしながら、この境界領域Ｒは第２欠陥層１５ｂとは独立に定義されているものであり、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒの調整のために第２欠陥層１５ｂの張り出し量を必ずしも調整する必要はない。つまり、本実施形態にかかる半導体装置１００を採用すれば、ＩＧＢＴセル１０の動作時におけるオン電圧（Ｖｏｎ）を増大させることなく、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒを低減させることができる。
　（第１変形例）
　ＳＤＩ／Ｓ＞１の条件を満たすためには、ダイオードセル２０の形状を、面積Ｓに対して面積ＳＤＩができるだけ小さくなるように設定することが好ましい。図５に示すように、ダイオードセル２０は、第１主面５０ａから正面視したときに、その形状が真円になるように形成されていると、同一面積を有するその他の形状に較べて、境界領域Ｒに基づく面積ＳＤＩを最小にすることができる。
　（第２実施形態）
　第１実施形態では、境界領域Ｒの第１主面５０ａに沿う面積ＳＤＩと、ダイオードセル２０の面積Ｓとの関係について、所定の条件を満たすようにダイオードセル２０を形成することでＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入を抑制する例について説明した。すなわち、総電荷量に占める境界領域Ｒに蓄積される電荷量を小さくする例について説明した。これに対して、総電荷量に対してダイオードセル２０に蓄積される電荷量の割合を大きくすることによっても同様の効果を奏することができる。本実施形態では、面積比ＳＤＩ／Ｓに依らないダイオードセル２０の形成条件について説明する。
　本実施形態の半導体装置２００は、第１実施形態と同様、図６に示すように、ＩＧＢＴセル１０の構成要素として、ベース領域１１、トレンチゲート１２、エミッタ領域１３、コレクタ領域１４および格子欠陥層１５を備えている。また、ダイオードセル２０の構成要素として、アノード領域２１およびカソード領域２２を備えている。そして、ベース領域１１あるいはアノード領域２１に囲まれて形成されたコンタクト領域１６を備えている。また、ベース領域１１とコレクタ領域１４の間、および、アノード領域２１とカソード領域２２の間にドリフト領域１７が形成されている。
　なお、アノード領域２１の不純物濃度、格子欠陥層１５のうち第１欠陥層１５ａと第２欠陥層１５ｂを形成するためのイオン照射量、および面積比ＳＤＩ／Ｓの条件を除く要件は、第１実施形態における半導体装置１００と同様であるため、詳しく説明を省略する。
　本実施形態における半導体装置２００では面積比ＳＤＩ／Ｓに条件はなく、代わりに、アノード領域２１の不純物濃度が、ベース領域１１よりも高くされている。すなわち、本実施形態では、ベース領域１１とアノード領域２１とを同一工程で形成せず、それぞれ独立の別の工程で形成している。
　また、第１欠陥層１５ａと第２欠陥層１５ｂを形成するためのイオン照射量が、第１実施形態に較べて大きく設定されている。
　この半導体装置２００では、アノード領域２１の不純物濃度がベース領域１１よりも高くされているので、アノード領域２１の不純物濃度がベース領域１１と同一である条件に較べて、ダイオード導通時の蓄積電荷量は大きくなる。このため、リカバリ損失（Ｅｒｒ）が増大してしまう。しかしながら、上記したように、第１欠陥層１５ａと第２欠陥層１５ｂを形成するためのイオン照射量が第１実施形態に較べて大きく設定されているので、Ｅｒｒの増大を抑制することができる。
　上記したように、イオン照射量は、ダイオードセル２０の動作時における順電圧－損失特性において、第１実施形態に対してリカバリ損失（Ｅｒｒ）を変えないように設定されている。すなわち、ダイオード動作時においてドリフト領域１７に蓄積される総電荷量が所定の値になるように設定されている。これにより第２欠陥層１５ｂを形成するためのイオン照射量が第１実施形態に較べて相対的に増大することになる。この増大した欠陥によって、この半導体装置２００では、面積比ＳＤＩ／Ｓの条件を規定することなく、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入量を抑制することができる。
　（第２変形例）
　第２実施形態における半導体装置２００は、ダイオードセル２０におけるアノード領域２１の不純物濃度を、ＩＧＢＴセル１０におけるベース領域１１に対して一律に高濃度とする形態である。しかしながら、アノード領域２１の全領域に亘ってベース領域１１に較べて高濃度である必要はない。
　図７に示すように、第２実施形態の半導体装置２００に対して、アノード領域２１のうち、ＩＧＢＴセル１０に近い側の部分において、その他のアノード領域２１に較べて不純物濃度を低濃度としてもよい。本変形例における半導体装置２１０では、例えば、アノード領域２１のうちＩＧＢＴセル１０に近い側の不純物濃度がＩＧＢＴセル１０におけるベース領域１１と同一とされている。
　これによれば、本変形例における半導体装置２１０は、第２実施形態の半導体装置２００に較べて、ダイオード動作時の電荷の絶対量を抑制することができるので、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入量を抑制することができる。
　（第３実施形態）
　本実施形態では、総電荷量に対してダイオードセル２０に蓄積される電荷量の割合を大きくする例について説明する。
　本実施形態における半導体装置３００は面積比ＳＤＩ／Ｓに条件はなく、代わりに、図８に示すように、第１実施形態の半導体装置１００に加えて電荷蓄積層１８を備えている。電荷蓄積層１８は、ドリフト領域１７よりも不純物濃度の高いｎ導電型とされ、ＩＧＢＴセル１０において、第２欠陥層１５ｂよりも第１主面５０ａ側であってベース領域１１に接する位置に形成されている。
　電荷蓄積層１８は、ドリフト領域１７よりも高い不純物濃度を有しているので、ベース領域１１－電荷蓄積層１８間の内蔵電位は、ベース領域１１－ドリフト領域１７間の内蔵電位に較べて高くなる。これにより、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷（ホール）の注入量を抑制することができ、ダイオード導通時のドリフト領域１７に蓄積する総電荷量に対するダイオードセル２０に蓄積される電荷量の割合をＩＧＢＴセル１０よりも高くできる。すなわち、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷（ホール）の注入量の抑制によってＥｏｎ＋Ｅｒｒを低減することができる。
　（第３変形例）
　第３実施形態における半導体装置３００は、ＩＧＢＴセル１０にのみ電荷蓄積層１８を備える形態である。これに対して、本変形例における半導体装置３１０は、図９に示すように、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０側のドリフト領域１７の一部領域に電荷蓄積層１８が延長された構造とされている。
　これによれば、本変形例における半導体装置３１０は、第３実施形態の半導体装置３００に較べて、ダイオード動作時の電荷の絶対量を抑制することができるので、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入量をより抑制することができる。
　（第４実施形態）
　本実施形態では、第３実施形態同様、総電荷量に対してダイオードセル２０に蓄積される電荷量の割合を大きくする例について説明する。
　本実施形態における半導体装置４００は面積比ＳＤＩ／Ｓに条件はなく、代わりに、図１０に示すように、ＩＧＢＴセル１０における第１主面５０ａ側が埋め込みコンタクト構造を成している。
　埋め込みコンタクト構造とされた半導体装置４００は、第１実施形態におけるＩＧＢＴセル１０の構造に加えて、トレンチコンタクト１９を有している。トレンチコンタクト１９は、隣り合うトレンチゲート１２の間に配置され、第１主面５０ａから半導体基板５０の厚さ方向に延びて形成された導体であり、例えばタングステンより成る。トレンチコンタクト１９の延びた先端がベースコンタクト領域１６ａに接続されている。トレンチコンタクト１９とトレンチゲート１２との間にエミッタ領域１３が形成されており、ベース領域１１およびベースコンタクト領域１６ａは第１主面５０ａに露出しないようになっている。換言すれば、ベース領域１１およびベースコンタクト領域１６ａは半導体基板５０の内部に埋め込まれた構造をしている。このため、この半導体装置４００におけるエミッタ領域１３は第１実施形態に較べて第１主面５０ａから見て深い位置まで形成されることになる。
　これにより、ダイオード導通時のドリフト領域１７に蓄積する総電荷量に対するダイオードセル２０に蓄積される電荷量の割合をＩＧＢＴセル１０よりも高くできる。つまり、第３実施形態と同様に、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入量が第１実施形態に較べて抑制することができ、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒを低減することができる。
　（第４変形例）
　第４実施形態における半導体装置４００は、ＩＧＢＴセル１０にのみ埋め込みコンタクト構造を採用する形態である。これに対して、本変形例における半導体装置４１０は、図１１に示すように、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０側の一部領域に埋め込みコンタクト構造が延長された構造とされている。
　これによれば、本変形例における半導体装置４１０は、第４実施形態の半導体装置４００に較べて、ダイオード動作時の電荷の絶対量を抑制することができるので、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入量をより抑制することができる。
　（第５実施形態）
　本実施形態では、第３および第４実施形態同様、総電荷量に対してダイオードセル２０に蓄積される電荷量の割合を大きくする例について説明する。
　本実施形態における半導体装置５００は面積比ＳＤＩ／Ｓに条件はなく、代わりに、図１２に示すように、ＩＧＢＴセル１０における第１主面５０ａ側に間引き部３０を有している。間引き部３０は、隣り合うトレンチゲート１２の間の領域において、エミッタ領域１３およびベースコンタクト領域１６ａが形成されておらず、ベース領域１１が第１主面５０ａに露出した構造を成している。間引き部３０のベース領域１１の不純物濃度は、間引き部３０を除くベース領域１１よりも低くされている。
　これにより、ダイオード導通時のドリフト領域１７に蓄積する総電荷量に対するダイオードセル２０に蓄積される電荷量の割合をＩＧＢＴセル１０よりも高くできる。したがって、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入量が第１実施形態に較べて抑制することができ、Ｅｏｎ＋Ｅｒｒを低減することができる。
　（第５変形例）
　第５実施形態における半導体装置５００は、ＩＧＢＴセル１０にのみ間引き部３０が形成される形態である。これに対して、本変形例の半導体装置５１０は、図１３に示すように、アノード領域２１のうち、ＩＧＢＴセル１０に近い側の部分の不純物濃度が、間引き部３０におけるベース領域１１の不純物濃度と同等にされている。本変形例における半導体装置５１０では、例えば、アノード領域２１のうちＩＧＢＴセル１０に近い側の不純物濃度が間引き部３０におけるベース領域１１と同一とされている。
　これによれば、本変形例における半導体装置５１０は、第５実施形態の半導体装置５００に較べて、ダイオード動作時の電荷の絶対量を抑制することができるので、ＩＧＢＴセル１０からダイオードセル２０への電荷の注入量を抑制することができる。
　（その他の実施形態）
　以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上記した実施形態になんら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
　第１実施形態およびその変形例では、ダイオードセル２０の形状として長方形あるいは真円を採用する例について説明したが、その形状は任意である。ダイオードセル２０は、面積の関係ＳＤＩ＞Ｓを満たすように形成されていれば良い。
　第２～第５実施形態および第２～第５変形例については、種々組み合わせて実施することが可能である。例えば、第２実施形態において説明したように、ダイオードセル２０におけるアノード領域２１を高濃度化しつつ、ＩＧＢＴセル１０には、第３実施形態において説明したような電荷蓄積層１８を形成するようにしても良い。
　また、上記した各実施形態においては、第３欠陥層１５ｃを有する構成について説明したが、第３欠陥層１５ｃは必ずしも必要ではなく、ＩＧＢＴセル１０のオン電圧やスイッチング損失、ダイオードセル２０の順電圧やリカバリ損失の要求に応じて適宜形成することができる。言うまでもなく、第３欠陥層１５ｃはＩＧＢＴセル１０およびダイオードセル２０において部分的に形成されていても良い。
　なお、第１実施形態と、第２～第５実施形態とは、ダイオード動作時において蓄積される総電荷量に占める、ＩＧＢＴセル１０とダイオードセル２０の境界近傍の電荷量の割合を小さくする、換言すれば、ダイオードセル２０の電荷量の割合を大きくする、という同一の技術思想に基づく半導体装置の形態である。よって、各実施形態および各変形例において、トレンチゲート１２を有するトレンチゲート型ＲＣ－ＩＧＢＴを例に説明したが、プレーナ型のＲＣ－ＩＧＢＴであっても、同思想に基づいて、各実施形態の態様をプレーナ型ＲＣ－ＩＧＢＴに適用することができる。

Claims (12)

  1. 　第１主面（５０ａ）およびその裏面の第２主面（５０ｂ）を有する半導体基板（５０）に、
    　前記第２主面の表層にコレクタ領域（１４）を有するＩＧＢＴセル（１０）と、前記第２主面の表層にカソード領域（２２）を有するダイオードセル（２０）とが併設され、前記第１主面と前記第２主面との間に電荷の移動経路となるドリフト領域（１７）を備え、
    　さらに、前記ダイオードセルにおける前記ドリフト領域に形成され、イオン照射により形成された格子欠陥層（１５）である第１欠陥層（１５ａ）と、
    　前記第１欠陥層と同時に形成され、前記第１欠陥層が前記ダイオードセルから前記ＩＧＢＴセル側に延長するように張り出して形成された第２欠陥層（１５ｂ）と、を備える半導体装置であって、
    　前記ドリフト領域において、前記ＩＧＢＴセルと前記ダイオードセルとの、前記第１主面に直交する界面（Ｐｂ）と、前記コレクタ領域と前記カソード領域との境界であって、前記コレクタ領域の前記ドリフト領域の界面に沿う境界線を通り、前記第１主面と角度４５度で交わる平面（Ｐｃ）と、により囲まれる領域を境界領域として定義するとき、前記ダイオードセルは、前記ドリフト領域における第１主面側の表面のうち、前記境界領域が占める面積Ｓと、前記ダイオードセルが占める面積ＳＤＩと、がＳＤＩ＞Ｓの関係を満たすように形成される半導体装置。
  2. 　前記ダイオードセルは、ＳＤＩ＜５Ｓを満たすように形成される請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記ダイオードセルは、前記第１主面を正面視したとき、真円状に形成される請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　第１主面（５０ａ）およびその裏面の第２主面（５０ｂ）を有する半導体基板（５０）に、
    　前記第２主面の表層にコレクタ領域（１４）を有するＩＧＢＴセル（１０）と、前記第２主面の表層にカソード領域（２２）を有するダイオードセル（２０）とが併設され、前記第１主面と前記第２主面との間に電荷の移動経路となるドリフト領域（１７）を備え、
    　さらに、前記ダイオードセルにおける前記ドリフト領域に形成され、イオン照射により形成された格子欠陥層（１５）である第１欠陥層（１５ａ）と、
    　前記第１欠陥層と同時に形成され、前記第１欠陥層が前記ダイオードセルから前記ＩＧＢＴセル側に延長するように張り出して形成された第２欠陥層（１５ｂ）と、を備える半導体装置であって、
    　前記ＩＧＢＴセルおよび前記ダイオードセルは、前記ダイオードセルの動作時において、前記ＩＧＢＴセルの動作時に比較して、前記ドリフト領域を流れる電流密度が高くなるように形成され、
    　前記格子欠陥層を形成するためのイオン照射の量は、前記ダイオードセルの動作時における順電圧－損失特性に基づいて、前記ドリフト領域に蓄積される総電荷量が予め規定された所定の量となるように決定される半導体装置。
  5. 　前記ＩＧＢＴセルは前記第１主面の表層に形成されるベース領域（１１）を有するとともに、前記ダイオードセルは前記第１主面の表層に形成されるアノード領域（２１）を有し、
    　前記ベース領域の不純物濃度は、予め規定された前記ＩＧＢＴセルの動作にかかる閾値電圧に基づいて決定され、
    　前記アノード領域の不純物濃度は、前記ベース領域の不純物濃度よりも高濃度とされる請求項４に記載の半導体装置。
  6. 　前記アノード領域のうち、前記ＩＧＢＴセルに隣接する領域の不純物濃度が、前記ベース領域の不純物濃度と同一とされる請求項５に記載の半導体装置。
  7. 　前記ＩＧＢＴセルの前記ドリフト領域において、前記第２欠陥層よりも前記第１主面側に、第１導電型の電荷蓄積層（１８）を備える請求項４～６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 　前記電荷蓄積層は、前記ダイオードセルの一部の領域に張り出して形成される請求項７に記載の半導体装置。
  9. 　前記ＩＧＢＴセルは、前記第１主面の表層に形成されたベース領域（１１）と、前記第１主面に直交して前記半導体基板の深さ方向に延びて形成されたトレンチゲート（１２）と、隣り合う前記トレンチゲートの間であって前記第１主面から深さ方向に延びて形成されたトレンチコンタクト（１９）と、を有し、
    　前記ＩＧＢＴセルにおいて、前記コレクタ領域との間で電流の経路となるエミッタ領域（１３）が、前記トレンチゲートと前記トレンチコンタクトとの間に形成されることにより、前記ベース領域が前記第１主面に露出しないようにされた埋め込みコンタクト構造を成す請求項４～８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 　前記ダイオードセルは、前記第１主面の表層に、前記カソード領域との間で電流の経路となるアノード領域（２１）を有し、
    　前記ダイオードセルのうち前記ＩＧＢＴセルに隣接する一部の領域が前記埋め込みコンタクト構造を成すことにより、前記埋め込みコンタクト構造とされた前記アノード領域が前記第１主面に露出しない請求項９に記載の半導体装置。
  11. 　前記ＩＧＢＴセルは間引き部（３０）を有し、
    　前記間引き部は、前記コレクタ領域との間で電流の経路となるエミッタ領域（１３）を有さず、且つ、前記間引き部における前記第１主面の表層に形成されたベース領域（１１）の不純物濃度が、前記間引き部を除く前記ベース領域の不純物濃度より低濃度とされる請求項４～１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 　前記ダイオードセルにおいて前記カソード領域との間で電流の経路となるアノード領域（２１）のうち、前記ＩＧＢＴセルに隣接する領域の不純物濃度が、前記間引き部における前記ベース領域の不純物濃度と同一とされる請求項１１に記載の半導体装置。
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