(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の深部半導体領域と、
その深部半導体領域上に設けられている第２導電型の中間部半導体領域と、
その中間部半導体領域を貫通しており、ゲート絶縁膜とそのゲート絶縁膜で被覆されているゲート電極を有しているトレンチゲートと、
前記中間部半導体領域によって前記深部半導体領域から隔てられており、前記トレンチゲートの側面に接するとともに前記トレンチゲートの長手方向に沿って分散している複数の第１導電型の表面部半導体領域と、
前記表面部半導体領域間の前記トレンチゲートの少なくとも一部に設けられており、前記トレンチゲートの側面に反転層が形成されるのを抑制する反転抑制部と、を備えており、
前記反転抑制部は、絶縁材料で構成されている半導体装置。
【請求項２】
前記反転抑制部は、前記トレンチゲートの前記ゲート絶縁膜の少なくとも一部で構成されており、前記反転抑制部を構成する前記ゲート絶縁膜の膜厚は、前記表面部半導体領域が接している範囲の前記ゲート絶縁膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記反転抑制部が、前記表面部半導体領域の前記長手方向の側面に接していることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ゲート絶縁膜の膜厚が、前記長手方向に沿って一方の前記表面部半導体領域から他方の前記表面部半導体領域まで厚いことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記反転抑制部が、前記表面部半導体領域と前記深部半導体領域の間に亘って伸びていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トレンチゲートを有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に、トレンチゲート１３０を有する従来のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１００の要部平面図を模式的に示す。図９に、図８のIX-IX線に対応した要部断面図を模式的に示す。
【０００３】
ＩＧＢＴ１００は、ｐ＋型のコレクタ領域１２１と、ｎ＋型のバッファ領域１２２と、ｎ型のドリフト領域１２３と、ｐ型のベース領域１２４と、ｎ＋型のエミッタ領域１２５と、トレンチゲート１３０を備えている。トレンチゲート１３０は、ベース領域１２４を貫通して伸びており、ゲート絶縁膜１３２とそのゲート絶縁膜１３２で被覆されているゲート電極１３４を有している。図８に示すように、エミッタ領域１２５は、トレンチゲート１３０の側面に接するとともに、トレンチゲート１３０の長手方向に沿って分散している。エミッタ領域１２５を分散させる技術は、例えば特許文献１に開示されている。エミッタ領域１２５を分散させると、ラッチアップ耐量を改善することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６９４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図９に示すように、ＩＧＢＴ１００がオンすると、エミッタ領域１２５から電子が注入される。電子は、トレンチゲート１３０の側面に沿ってベース領域１２４を通過し、ドリフト領域１２３に注入される。一方、コレクタ領域１２１からは正孔が注入される。正孔は、バッファ領域１２２を通過してドリフト領域１２３に注入される。
【０００６】
図１０に、トレンチゲート１３０の側面に沿って流れる電子の様子を示す。図１０に示すように、エミッタ領域１２５から注入された電子は、トレンチゲート１３０の側面に沿って拡散する。また、図９に示すように、拡散した電子は、トレンチゲート１３０の側面からトレンチゲート１３０の下方に移動する。このため、エミッタ領域１２５から注入された電子は、トレンチゲート１３０の下方の広い範囲に亘って存在することになる。一方、コレクタ領域１２１から注入された正孔は、その電子に引き寄せられるので、トレンチゲート１３０の下方に移動し、同様に、トレンチゲート１３０の下方の広い範囲に亘って存在することになる。トレンチゲート１３０の下方の広い範囲に亘って正孔が存在していると、ゲート容量が、経時的に変動する現象が顕著になる。例えば、ＩＧＢＴ１００がオフからオンに切換わるときに、ゲート容量が経時的に変動すると、コレクタ電流やコレクタ・エミッタ間電圧も経時的に変動し、その結果、サージ電圧を引き起こしてしまう。
【０００７】
本発明は、キャリアがトレンチゲートの下方の広い範囲に亘って存在するのを抑制し、高耐量な半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書で開示される半導体装置は、第１導電型の深部半導体領域と、その深部半導体領域上に設けられている第２導電型の中間部半導体領域と、その中間部半導体領域を貫通しているトレンチゲートと、中間部半導体領域によって深部半導体領域から隔てられている複数の第１導電型の表面部半導体領域を備えている。トレンチゲートは、ゲート絶縁膜とそのゲート絶縁膜で被覆されているゲート電極を有している。複数の表面部半導体領域は、トレンチゲートの側面に接するとともに、トレンチゲートの長手方向に沿って分散している。半導体装置はさらに、表面部半導体領域間のトレンチゲートの少なくとも一部に設けられている反転抑制部を備えている。反転抑制部は、トレンチゲートの側面に反転層が形成されるのを抑制する。さらに、反転抑制部は、絶縁材料で構成されている。
反転抑制部が設けられていると、トレンチゲートの長手方向に沿って反転層が連続して形成されることが抑制される。このため、表面部半導体領域から注入されたキャリアは、トレンチゲートの側面に沿って長手方向に拡散することが抑制される。したがって、注入されたキャリアは、長手方向への拡散が抑制されているので、トレンチゲートの側面を垂直方向に沿って移動する。これにより、注入されたキャリアは、トレンチゲートの下方の広い範囲に亘って存在することが抑制される。この結果、ゲート容量の経時的な変動が抑えられ、半導体装置は、高耐量な特性を得ることができる。
【０００９】
反転抑制部は、表面部半導体領域間のゲート絶縁膜の少なくとも一部で構成されているのが好ましい。この場合、反転抑制部を構成するゲート絶縁膜の膜厚は、表面部半導体領域が接している範囲のゲート絶縁膜の膜厚よりも厚いことを特徴としている。
ゲート絶縁膜の膜厚が厚い膜厚部では、ゲート電極にゲートオン電圧が印加されても、反転層が形成されない。このため、膜厚部は、反転層がトレンチゲートの側面に沿って連続するのを遮断することができる。膜厚部が設けられていると、膜厚部を越えてキャリアが移動するのを抑制することができる。反転抑制部をゲート絶縁膜の膜厚部を利用して構成すれば、ゲート絶縁膜の膜厚を調整することによって、半導体装置内に絶縁部を容易に形成することができる。
【００１０】
反転抑制部は、トレンチゲートの長手方向において、表面部半導体領域の側面に接していることが好ましい。この形態によると、表面部半導体領域の長手方向の側面に隣接して反転抑制部が存在することになる。このため、表面部半導体領域から注入されるキャリアがゲート絶縁膜の側面に沿って長手方向に拡散するのを良好に抑制することができる。
【００１１】
ゲート絶縁膜の膜厚が、長手方向に沿って一方の表面部半導体領域から他方の表面部半導体領域まで厚く形成されていてもよい。この形態によると、一方の表面部半導体領域から他方の表面部半導体領域に亘って反転層が形成されない。この形態によると、表面部半導体領域から注入されるキャリアが、ゲート絶縁膜の側面に沿って長手方向に拡散するのを極めて良好に抑制することができる。
【００１２】
反転抑制部は、表面部半導体領域と深部半導体領域の間に亘って伸びていることが好ましい。この形態によると、表面部半導体領域から注入されたキャリアは、表面部半導体から深部半導体領域に達するまで、ゲート絶縁膜の側面に沿って垂直方向に移動する。表面部半導体領域から注入されたキャリアが、ゲート絶縁膜の側面に沿って長手方向に拡散するのを良好に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）  本明細書で開示される技術は、バイポーラで動作する半導体装置に適用すると有用である。特に、本明細書で開示される技術は、ＩＧＢＴに適用すると有用である。
（第２特徴）  絶縁部は、ゲート絶縁膜と異なる絶縁材料で形成してもよく、ゲート絶縁膜と同種の絶縁材料で形成してもよい。好ましくは、絶縁部は、ゲート絶縁膜と同種の絶縁材料で形成するのが良い。この場合、ゲート絶縁膜と同一の製造工程で形成することが可能になり、絶縁部を形成するための専用の製造工程を追加する必要がない。
（第３特徴）  絶縁部は、エミッタ領域よりも深い位置にまで伸びている。
【実施例】
【００１４】
以下、図面を参照して各実施例を説明する。なお、各図面において、共通する構成要素に関しては共通の符号を付し、その説明を省略する。また、以下で説明する各実施例では、ノンパンチスルー（Non Punch Through）型のＩＧＢＴを例に説明するが、本明細書で開示される技術は、パンチスルー（Punch Through）型のＩＧＢＴにも適用可能である。また、以下で説明する各実施例のＩＧＢＴには、半導体材料にシリコンが用いられている。しかし、本明細書で開示される技術は、シリコン以外の半導体材料のＩＧＢＴにも適用可能である。例えば、半導体材料が窒化ガリウム系、炭化シリコン系、ガリウム砒素系等の化合物半導体のＩＧＢＴにも適用可能である。
【００１５】
（第１実施例）
図１に、ＩＧＢＴ１０の要部平面図を模式的に示す。図２及び図３に、ＩＧＢＴ１０の要部断面図を模式的に示す。図２は、図１のII-II線に対応した縦断面図であり、図３は図１のIII-III線に対応した縦断面図である。
【００１６】
ＩＧＢＴ１０は、ｐ＋型のコレクタ領域２１と、コレクタ領域２１上に設けられているｎ＋型のバッファ領域２２と、バッファ領域２２上に設けられているｎ型のドリフト領域２３（深部半導体領域の一例）と、ドリフト領域２３上に設けられているｐ型のベース領域２４（中間部半導体領域の一例）を備えている。コレクタ領域２１は、コレクタ電極に電気的に接続している。コレクタ領域２１とバッファ領域２２は、イオン注入技術を利用して、ドリフト領域２３の裏面に形成される。ベース領域２４も、イオン注入技術を利用して、ドリフト領域２３の表面に形成される。ｎ型のドリフト領域２３及びバッファ領域２２は、ｐ型のベース領域２４とコレクタ領域２１を隔てている。
【００１７】
ＩＧＢＴ１０はさらに、ベース領域２４の表面に設けられている複数のｎ＋型のエミッタ領域２５（表面部半導体領域の一例）を備えている。エミッタ領域２５とドリフト領域２６は、ベース領域２４によって隔てられている。エミッタ領域２５は、イオン注入技術を利用して、ベース領域２４の表面に形成される。エミッタ領域２５及びベース領域２４は、エミッタ電極に電気的に接続している。
【００１８】
ＩＧＢＴ１０はさらに、トレンチゲート３０を備えている。トレンチゲート３０は、エミッタ領域２５からドリフト領域２３に向けてベース領域２４を貫通して伸びている。トレンチゲート３０は、一端がエミッタ領域２５に接しており、他端がドリフト領域２３内に突出している。トレンチゲート３０は、ゲート絶縁膜３２と、そのゲート絶縁膜３２で被覆されているゲート電極３４を有している。ゲート絶縁膜３２には酸化シリコンが用いられており、ゲート電極３４には不純物を高濃度に含むポリシリコンが用いられている。
【００１９】
図１に示すように、複数のエミッタ領域２５は、トレンチゲート３０の側面に接するとともにトレンチゲート３０の長手方向に沿って分散している。この例では、複数のエミッタ領域２５は、トレンチゲート３０の長手方向に沿って等間隔に分散している。さらに、トレンチゲート３０の長手方向に直交する方向において、エミッタ領域２５が対向している。なお、複数のエミッタ領域２５の配置は、この例に限られない。複数のエミッタ領域２５の配置は、ＩＧＢＴ１０に要求される特性に応じて適宜変更することができる。このようにエミッタ領域２５を分散させると、ラッチアップ耐量を改善することができる。
【００２０】
図１及び図３に示すように、ＩＧＢＴ１０はさらに、複数の絶縁部３２ａ（反転抑制部の一例）を備えている。絶縁部３２ａは、トレンチゲート３０の側面に設けられており、トレンチゲート３０の長手方向に直交する方向に突出した形態を有している。絶縁部３２ａは、複数のエミッタ領域２５毎に設けられている。絶縁部３２ａは、トレンチゲート３０の長手方向において、エミッタ領域２５の両方の側面に接している。また、図３に示すように、絶縁部３２ａは、ベース領域２４を貫通しており、エミッタ領域２５とドリフト領域２３の間に亘って伸びている。
【００２１】
絶縁部３２ａは、絶縁材料で形成されており、電子の移動を妨げることができる。本実施例では、絶縁部３２ａは、ゲート絶縁膜３２の一部で構成されている。即ち、絶縁部３２ａは、ゲート絶縁膜３２と同一の絶縁材料で形成されており、同一の製造工程で形成されている。この例に代えて、絶縁部３２ａは、ゲート絶縁膜３２と異なる材料を用いて形成してもよい。
【００２２】
絶縁部３２ａは、ゲート絶縁膜３２のうちの膜厚の厚い部分と評価することもできる。ここで、ゲート絶縁膜３２及び絶縁部３２ａの膜厚とは、トレンチゲート３０の長手方向に直交する方向の厚みのことをいう。図１に示すように、エミッタ領域２５が接する範囲のゲート絶縁膜３２の膜厚は３２Ｔである。一方、絶縁部３２ａの膜厚は３２ａＴであり、前記膜厚３２Ｔよりも厚い。エミッタ領域２５が接する範囲のゲート絶縁膜３２の膜厚３２Ｔは、ゲート電極３４にゲートオン電圧が印加されたときに、ゲート絶縁膜３２の側面に反転層が形成される範囲に調整されている。一方、絶縁部３２ａの膜厚３２ａＴは、ゲート電極３４にゲートオン電圧が印加されたときに、絶縁部３２ａの側面に反転層が形成されない範囲に調整されている。このため、絶縁部３２ａは、反転層がトレンチゲート３０の側面に沿って長手方向に連続して形成されるのを遮断することができる。絶縁部３２ａが設けられていると、電子がトレンチゲート３０に沿って長手方向に移動するのを防止することができる。
【００２３】
図４に、トレンチゲート３０の側面に沿って流れる電子の様子を示す。図４に示すように、エミッタ領域２５から注入された電子は、ゲート電極３４の電位に引き寄せられるので、トレンチゲート３０の側面に沿って移動する。絶縁部３２ａが設けられているので、エミッタ領域２５から注入された電子は、トレンチゲート３０の長手方向への拡散が抑制される。このため、注入された電子は、トレンチゲート３０の側面を垂直方向に沿って移動する。注入された電子は、エミッタ領域２５に対応したトレンチゲート３０の下方にのみ存在し、トレンチゲート３０の下方の広い範囲に亘って存在することが抑制される。したがって、裏面のコレクタ領域２１から注入された正孔は、電子に引き寄せられて移動するので、エミッタ領域２５に対応したトレンチゲート３０の下方にのみ存在する。これにより、正孔がトレンチゲート３０の下方の広い範囲に亘って存在することも抑制される。この結果、ゲート容量の経時的な変動が抑えられ、ＩＧＢＴ１０は、高耐量な特性を得ることができる。
【００２４】
また、ＩＧＢＴ１０では、絶縁部３２ａがエミッタ領域２５の長手方向の側面に接している。このため、エミッタ領域２５から注入される電子がゲート絶縁膜３２の側面に沿って長手方向に拡散するのを良好に抑制することができる。
【００２５】
さらに、ＩＧＢＴ１０では、絶縁部３２ａがエミッタ領域２５とドリフト領域２３の間に亘って伸びている。このため、エミッタ領域２５から注入された電子は、エミッタ領域２５からドリフト領域２３に達するまで、ゲート絶縁膜３２の側面に沿って長手方向に拡散しない。これにより、エミッタ領域２５から注入される電子は、トレンチゲート３０の側面を垂直方向に沿ってのみ拡散し、エミッタ領域２５に対応したトレンチゲート３０の下方にのみ存在することができる。
【００２６】
また、絶縁部３２ａは、従来の製造工程と同時に作成できるという利点を有している。従来の製造工程でトレンチゲート３０を作成する場合、まず、半導体基板の表層部のゲート電極３４に対応した領域にトレンチを形成し、そのトレンチの内壁を熱酸化してゲート絶縁膜３２を形成し、ゲート電極３４をトレンチ内に充填することによって形成される。例えば、半導体基板の表層部にトレンチを形成するときに、その長手方向に直交する方向に伸びる細いトレンチを形成する。この細いトレンチは、絶縁部３２ａに対応した領域に形成する。次に、ゲート絶縁膜３２を形成するために熱酸化すると、絶縁部３２ａ用の細いトレンチは幅が狭いので、細いトレンチが熱酸化膜によって充填される。これにより、絶縁部３２ａを形成することができる。即ち、半導体基板の表層部にトレンチを形成するパターンを変更するだけで、絶縁部３２ａを形成することができる。従来の製造工程に新たな工程を追加することなく、絶縁部３２ａを形成することができる。
【００２７】
図５に、変形例のＩＧＢＴ１１の要部平面図を示す。図５に示すように、絶縁部３２ｂは、対向するトレンチゲート３０間に亘って伸びていてもよい。この場合でも、上記形態と同様の作用効果が得られる。
【００２８】
（第２実施例）
図６に、変形例のＩＧＢＴ１２の要部平面図を模式的に示す。ＩＧＢＴ１２の絶縁部３２ｃは、トレンチゲート３０の長手方向に沿って一方のエミッタ領域２５から隣接する他方のエミッタ領域２５まで設けられていることを特徴としている。即ち、ゲート絶縁膜３２の膜厚が、一方のエミッタ領域２５から隣接する他方のエミッタ領域２５に亘って厚く形成されている。ＩＧＢＴ１２では、一方のエミッタ領域２５から隣接する他方のエミッタ領域２５に亘って反転層が形成されない。ＩＧＢＴ１２によると、エミッタ領域２５から注入される電子が、ゲート絶縁膜３２の側面に沿って長手方向に拡散するのを極めて良好に抑制することができる。
【００２９】
ＩＧＢＴ１２の絶縁部３２ｃは、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）酸化技術を利用して形成される。図７に、絶縁部３２ｃを形成する工程を示す。
【００３０】
図７（Ａ）に示すように、まず、エッチング技術を利用して、半導体基板２０の表層部のゲート電極３４に対応した領域にトレンチ５０を形成する。次に、図７（Ｂ）に示すように、熱酸化技術を利用して、半導体基板２０の表面及びトレンチ５０の内壁に熱酸化膜５２を形成する。次に、図７（Ｃ）に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）技術を利用して、熱酸化膜５２の表面に窒化膜５４を形成する。次に、図７（Ｄ）に示すように、窒化膜５４の表面の一部にマスク５６を形成し、マスク５６で被覆されていない窒化膜５４を除去する。窒化膜５４が除去される領域は、絶縁部３２ｃが形成される範囲に一致している。次に、図７（Ｅ）に示すように、マスク５６を除去する。次に、図７（Ｆ）に示すように、ＬＯＣＯＳ酸化技術を利用して、窒化膜５４で被覆されていない熱酸化膜５２を酸化し、膜厚の厚いＬＯＣＯＳ酸化膜５８を形成する。このＬＯＣＯＳ酸化膜５８が、絶縁部３２ｃとなる。これらの工程を経て、図６に示すＩＧＢＴ１２の絶縁部３２ｃを形成することができる。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施例のＩＧＢＴの要部平面図を模式的に示す。
【図２】第１実施例のＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す（図１のII-II線に対応した断面図）。
【図３】第１実施例のＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す（図１のIII-III線に対応した断面図）。
【図４】第１実施例のＩＧＢＴにおいて、電子がトレンチゲートの側面を拡散する様子を示す。
【図５】第１実施例のＩＧＢＴの変形例の要部平面図を模式的に示す。
【図６】第２実施例のＩＧＢＴの要部平面図を模式的に示す。
【図７】第２実施例の絶縁部を形成する工程を示す。
【図８】従来のＩＧＢＴの要部平面図を模式的に示す。
【図９】従来のＩＧＢＴの要部断面図を模式的に示す（図８のIX-IX線に対応した断面図）。
【図１０】従来のＩＧＢＴにおいて、電子がトレンチゲートの側面を拡散する様子を示す。
【符号の説明】
【００３３】
２１：コレクタ領域
２２：バッファ領域
２３：ドリフト領域
２４：ベース領域
２５：エミッタ領域
２６：ドリフト領域
２８：ボディ領域
３０：トレンチゲート
３２：ゲート絶縁膜
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ：絶縁部
３４：ゲート電極
３２：ゲート絶縁膜
【図１】
0005394647.tif 000002
【図２】
0005394647.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005394647.tif 000008
【図８】
0005394647.tif 000009
【図９】
0005394647.tif 000010
【図１０】
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