(57)【要約】【課題】低オン電圧を維持したまま、更なる破壊耐量の向上を図ることが可能な半導体装置を提供する【解決手段】  一方の主面と他方の主面を有する半導体基板と、前記半導体基板内に形成されたｐ型のベース領域と、前記半導体基板内において前記ベース領域とｐｎ接合を構成する前記ベース領域上に互いに離間して部分的に配置されたｎ型のエミッタ領域と、前記半導体基板の一方の主面から前記エミッタ領域及び前記ベース領域を貫通する複数の溝とを備え、前記ベース領域と前記エミッタ領域の双方が前記半導体基板の一方の主面において前記溝の延伸する側壁面に交互に接しており、前記溝と前記溝との間に前記溝から離間して前記溝の延伸する方向と並行に延伸し、前記半導体基板の一方の主面から前記エミッタ領域を貫通する深さの孔を有する。【選択図】図３
2014157883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面と他方の主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板内に形成されたｐ型のコレクタ領域と、
前記半導体基板内において前記コレクタ領域上に配置されたｎ型のドリフト領域と、
前記半導体基板内において前記ドリフト領域上に配置されたｐ型のベース領域と、
前記半導体基板内において前記ベース領域とｐｎ接合を構成する前記ベース領域上に互いに離間して部分的に配置されたｎ型のエミッタ領域と、
前記半導体基板の一方の主面から前記エミッタ領域及び前記ベース領域を貫通する複数の溝と、
前記溝の底面及び側面に配置されたゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜を介して前記ベース領域と対向して前記溝の内部に埋め込まれたゲート電極と、を備え、
前記ベース領域と前記エミッタ領域の双方が前記半導体基板の一方の主面において前記溝の延伸する側壁面に交互に接しており、
前記溝と前記溝との間に前記溝から離間して前記溝の延伸する方向と並行に延伸し、前記半導体基板の一方の主面から前記エミッタ領域を貫通する深さの孔を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記溝の延伸方向における、前記エミッタ領域の幅に対する前記ベース領域の幅の比率が０．８〜９．０である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】
前記孔の側壁は、前記溝の延伸方向において、前記エミッタ領域と前記ベース領域が交互に形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記孔が前記溝の延伸方向に複数形成されており、前記孔は、対向する一対の第一の側壁部と、上方から見て前記第一の側壁部の間にわたって設けられた一対の第二の側壁部によって構成され、前記第一の側壁部は前記エミッタ領域を含んで形成され、前記第二の側壁部はベース領域によって形成されていることを特徴とする請求項２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、ＩＧＢＴ構造を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、主にモータ駆動回路などにおけるスイッチング素子として使用されている。このようなＩＧＢＴの構造として、基板表面にゲート電極が埋設されたトレンチを備えた構造が広く知られている。
【０００３】
従来のトレンチゲート構造を有するＩＧＢＴは、図１に示すように半導体基板１と、エミッタ電極２と、コレクタ電極３と、ゲート電極４と、凹部又は溝から成るトレンチ５の壁面に設けられたゲート絶縁膜６と、層間絶縁膜７とを有している。
【０００４】
半導体基板１は、Ｐ+ 型コレクタ領域８と、Ｎ+ 型バッファ領域９と、Ｎ- 型ドリフト領域１０と、Ｐ型ベース領域１１と、Ｎ型エミッタ領域１２とを有する。なお、Ｎ- 型ドリフト領域１ ０、又はＮ- 型ドリフト領域１０とＮ+ 型バッファ領域９との組み合せをＮ型ベース領域と呼ぶこともできる。
【０００５】
トレンチ５は半導体基板１の一方の主面１３から他方の主面１４に向って延びており且つＰ
型ベース領域１１よりも深く形成されている。導電性を有する多結晶シリコン等から成るゲート電極４はゲート絶縁膜６を介してトレンチ５の壁面に対向している。Ｐ型ベース領域１１はトレンチ５に露出しているので、Ｐ型ベース領域１１のトレンチ５に沿った部分がチャネル部分となる。
【０００６】
半導体基板１の一方の主面１３のトレンチ５の相互間にエミッタ領域１２の側面とＰ型ベース領域１１とを露出させるための凹部１５が形成されている。エミッタ電極２は凹部１５を埋めるように配置され、エミッタ領域１２及びＰ型ベース領域１１に接続されている。コレクタ電極３は半導体基板１の他方の主面１４に配置され、Ｐ型コレクタ領域８に接続されている。
【０００７】
このＩＧＢＴのゲート電極４にエミッタ電極２よりも高い電圧を印加すると、Ｐ型ベース領域１１のトレンチ５に沿う部分にＮチャネルが形成され、コレクタ電極３とエミッタ電極２との間に電流が流れる。上述のようなＩＧＢＴは例えば次の特許文献１で公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】２００９−１５２３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このようなＩＧＢＴの特性としては、低オン電圧で、且つ、より破壊耐量を向上させることが望まれるが、この両立を図ることが困難であった。このような問題点に鑑み、本発明は、低オン電圧を維持したまま、更なる破壊耐量の向上を図ることが可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、一方の主面と他方の主面を有する半導体基板と、前記半導体基板内に形成されたｐ型のコレクタ領域と、前記半導体基板内において前記コレクタ領域上に配置されたｎ型のドリフト領域と、前記半導体基板内において前記ドリフト領域上に配置されたｐ型のベース領域と、前記半導体基板内において前記ベース領域とｐｎ接合を構成する前記ベース領域上に互いに離間して部分的に配置されたｎ型のエミッタ領域と、前記半導体基板の一方の主面から前記エミッタ領域及び前記ベース領域を貫通する複数の溝と、前記溝の底面及び側面に配置されたゲート酸化膜と、前記ゲート酸化膜を介して前記ベース領域と対向して前記溝の内部に埋め込まれたゲート電極と、を備え、前記ベース領域と前記エミッタ領域の双方が前記半導体基板の一方の主面において前記溝の延伸する側壁面に交互に接しており、前記溝と前記溝との間に前記溝から離間して前記溝の延伸する方向と並行に延伸し、前記半導体基板の一方の主面から前記エミッタ領域を貫通する深さの孔を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低オン電圧を維持したまま、更なる破壊耐量の向上を図ることが可能な半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来のＩＧＢＴの断面図である。
【図２】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な斜視図である。
【図４】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な上面図である。
【図５】図４に示した半導体装置のＡ−Ａ方向に沿った模式的な断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各領域の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
この半導体装置（ＩＧＢＴ）には、半導体基板中に形成された溝（トレンチ）中にゲートが形成された構成を具備するトレンチゲート型の素子である。図２において、この半導体基板５０においては、コレクタ領域となるｐ＋領域（第４の半導体領域）２１の上に、バッファ領域となるｎ＋領域４０、ドリフト領域となるｎ−領域（第１の半導体領域）２２と、ベース領域となるｐ−領域（第２の半導体領域）２３が順次形成されている。半導体基板５０の一方の主面には、当該主面からｐ−領域２３（第２の半導体領域）を貫通してｎ−領域（第１の半導体領域）２２に達する溝（トレンチ）３０が形成されている。溝３０は、図２における紙面と垂直方向に延伸して並行に複数形成されている。溝３０の内面（側面）にはゲート酸化膜２６が一様に形成された上で、ゲート電極２７が溝３０を埋め込むように形成されている。  
【００１５】
半導体基板５０の一方の主面においては、溝３０の両側に、エミッタ領域となるｎ＋領域（第３の半導体領域）２４が形成されている。半導体基板５０の他方の主面には、コレクタ領域２１と電気的に接続してコレクタ電極（裏面電極）２９が形成されている。半導体基板５０の一方の主面上には、エミッタ電極（共通電極）２８が形成されている。ただし、溝３０の上部においては層間絶縁膜２５がゲート電極２７（溝３０）を覆うように形成されているため、エミッタ電極（共通電極）２８は、層間絶縁膜２５の開口部を通じてエミッタ領域２４とベース領域２３の両方に電気的に接続し、ゲート電極２７とは絶縁される。  
【００１６】
この半導体装置においては、溝３０毎に、ゲート電極２７に印加された電圧によって溝３０の側面におけるベース領域２３でチャネルが生じ、このチャネルを介して電流を流すことができる。このため、ドリフト領域２２とエミッタ領域２４の間でｎチャネルのＭＯＳＦＥＴとして動作する。このＭＯＳＦＥＴがオンとされた場合、通常のＭＯＳＦＥＴとしての動作に加え、コレクタ領域２１からホールが、ドリフト領域側に注入されるため、ドリフト領域における伝導度変調が生じ、ＩＧＢＴのオン抵抗が特に小さくなる。このため、特に大電流を流すことができる。すなわち、ゲート電極２７に印加する電圧によって、エミッタ電極（共通電極）２８とコレクタ電極（裏面電極）２９との間の電流のオン・オフを制御することができる。
【００１７】
隣り合う溝３０の間には、エミッタ接続開口部として孔３１が示されている。エミッタ電極２８と半導体基板５０とは、この孔３１で直接接する。孔３１は、半導体基板５０の一方の主面からエミッタ領域２４の下面よりも深く、その底部はベース領域２３の一部が露出する深さまで掘り下げられている。
【００１８】
図２に示した断面図における構成は、図１に示す従来のＩＧＢＴと同様な構成であるが、上面斜視からの透視図である図３において、本発明の特徴部分が開示される。図３では、エミッタ電極２８を透視した場合の図である。図３では、溝３０の延伸する方向に孔３１が形成されるが、溝３０の延伸する方向において、エミッタ領域２４とベース領域２３が、溝３０の側面と接するように交互に配置され、半導体基板５０の一方の主面に形成される。このように、溝３０の延伸する方向において、エミッタ領域２４の領域を間引いて孔３１の側壁部に露出するベース領域２３ａを形成することで、エミッタ電極２８とベース領域の接触面積が増大し、ＩＧＢＴをオフした時のホールの引き抜き間口が増えることになるため、ＩＧＢＴをオフした時の残存ホール量が減少する。したがって、ＩＧＢＴをオフした時の残存ホールによる破壊耐量の向上に寄与することになる。  
【００１９】
なお、エミッタ領域２４を溝３０方向に沿って間引かずに、孔３１を深く掘り下げることでもエミッタ電極２８と接するベース領域２３の面積を増やすことは可能ではあるが、孔３１を半導体基板５０の表面からあまりに深く掘り下げることは望ましくない。その理由として第一に、孔３１にはエミッタ電極２８が埋め込まれるが、孔３１が深く形成されると、孔３１の底部までエミッタ電極２８が到達せず、ベース領域２３との十分に低いコンタクトがとれず、ＩＧＢＴをオフした時の残存ホールを良好に引き抜きできないことが考えられるからである。第二に、ベース領域２３を不純物の拡散により形成した場合には、半導体基板５０の一方の主面側の濃度は濃く、半導体基板５０の内部に向かって徐々に薄くなっていく。孔３１はベース領域２３を形成した後のエッチングにより形成するため、孔３１を深く掘り下げるほど、孔３１の底部には、不純物濃度の低い部分が露出することになり、不純物濃度の低い箇所では、エミッタ電極２８と十分に低いコンタクトをとることができず、ＩＧＢＴをオフした時の残存ホールを良好に引き抜きできないからである。よって、孔３１は、半導体基板５０の一方の主面からエミッタ領域２４の下面よりも深く、その底部はベース領域２３の一部が露出する深さまで掘り下げれば十分である。
【００２０】
次に、溝３０の延伸方向におけるエミッタ領域２４を間引く間隔について説明する。図４は、本発明に係るＩＧＢＴを上面方向から、エミッタ電極２８及び層間絶縁膜２５を透視したものである。半導体基板５０の一方の主面には、エミッタ領域２４とベース領域２３ａが、溝３０の側面と接するように交互に配置されている。また、エミッタ領域２４は、上面から見て溝３０に対し、溝３０及び孔３１を挟んで垂直方向に伸びている。
ここで、エミッタ領域２４における溝３０方向の幅をＷ１とし、エミッタ領域に挟まれるベース領域２３ａにおける溝３０方向の幅をＷ２とした場合のＷ１とＷ２の比は、Ｗ１を１としたときに、Ｗ２は０．８〜９．０とすることが好ましく、より好ましくは０．８〜６．０とするとよい。なぜなら、Ｗ１に対してＷ２を０．８より狭くしすぎると、エミッタ領域２４に挟まれるベース領域２３ａが小さくなるため、エミッタ電極２８との接触面積も小さくなり、ＩＧＢＴのオフ時においてホールを引き抜く間口が狭まることになり、破壊耐量の低下につながるからである。
他方で、Ｗ１に対してＷ２を９．０より広くしすぎると、ＩＧＢＴのオン時において溝３０の側面に形成されるチャネル領域における電流経路が減少し、オン電圧が高くなってしまうからである。このメカニズムについて、もう少し詳しく次に述べる
【００２１】
図５は、図４におけるＡ−Ａ方向に沿った断面図である。このＩＧＢＴのゲート電極２７にエミッタ電極２８よりも高い電圧を印加すると、Ｐ型ベース領域２３の溝３０に沿う部分にＮチャネル領域６０が形成され、コレクタ電極２９とエミッタ電極２８との間に電流が流れる。ここで、周知のようにエミッタ領域２４から電子が供給されるが、図５に示すように、エミッタ領域２４の斜め下方向に向かっても広がるように電子が移動する。そのため、エミッタ領域２４に挟まれるベース領域２３ａの下部においても、隣同士のエミッタ領域２４からの電子の供給により電流経路となる。これにより、電流経路を確保してオン電圧を低く維持できる一方で、エミッタ領域を間引くことで形成されるベース領域２３ａにより、ＩＧＢＴオフ時におけるホールの引き抜きの間口が広がるため、破壊耐量を向上させることができる。
【００２２】
しかし、複数のエミッタ領域２４に挟まれるベース領域２３ａの幅（Ｗ２）を広くしすぎた場合、エミッタ領域に挟まれるベース領域２３ａの下部には、電流経路が形成されない領域が生じてしまう。隣同士のエミッタ領域２４から斜め下方向に向かって広がるように電子が移動しても、ベース領域２３ａの幅（Ｗ２）が広い場合は、ベース領域２３ａの下部に形成されているチャネル領域６０の全体にわたって電子が広がりきらず、その部分には電流経路が確保されないからである。このため、オン電圧が上昇するという不都合が生じることになる。よって、Ｗ１の幅を１としたときに、Ｗ２の幅は０．８〜９．０とすることが好ましく、より好ましくはＷ２の幅を０．８〜６．０とするとよい。これにより、オン電圧を低く維持しつつ、且つ破壊耐量が向上したＩＧＢＴが実現できる。
【００２３】
図６は、この発明の第２の実施例を示したものである。第２の実施例に係るＩＧＢTは、第１の実施例に係るものと比較して、孔３１の形状が異なるのみである。第１の実施例に係るＩＧＢTでは、溝３０と溝３０間には、溝３０から離間して１つの孔３１が形成されており、孔３１の側壁にはエミッタ領域２４とベース領域２３ａが同一面上に交互に配置されている。これに対し、図６に示す第２の実施例に係るＩＧＢTでは、溝３０と溝３０間には、溝３０から離間して孔３１が溝３０の延伸方向に複数形成されており、孔３１は、対向する一対の第一の側壁部７０と、上方から見て第一の側壁部７０の間にわたって設けられた一対の第二の側壁部８０によって構成され、第一の側壁部７０はエミッタ領域２４と、その両側のベース領域２３ａの一部を有し、第二の側壁部８０はベース領域２３によって形成されている。ただし、第一の側壁部７０はエミッタ領域２４を含んでいればよく、必ずしもその両側にベース領域２３ａの一部を有していなくてもよい。
【００２４】
言いかえると、第２の実施例においては、孔３１はエミッタ領域２４と同様に、溝３０の延伸方向に間引かれて形成されている。実施例１のＩＧＢTと比較して、孔３１が形成される領域を減少させ、半導体基板５０の一方の主面におけるベース領域２３の面積を大きくさせた構造である。これにより、半導体基板５０の一方の主面においては、上述した通り、孔３１の底部よりも不純物濃度が高いため、エミッタ電極２８と接続する際に、エミッタ電極２８との十分なオーミック性を確保でき、良好なコンタクトをとることができ、
。このため、側壁にはエミッ側壁にはエミッタ領域２４が露出れる。より信頼性を高めることができる。
さらに、孔３１の第二の側壁部にはベース領域が露出しているため、エミッタ電極２８と接するベース領域を十分に確保でき、第１の実施例に係るＩＧＢTと比較しても破壊耐量が低下することもない。
すなわち、第２の実施例に係るＩＧＢＴは、第１の実施例に係るＩＧＢＴと同様に低オン電圧を維持したまま破壊耐量を向上させることができ、第１の実施例に係るＩＧＢＴよりもさらに信頼性を向上させたものである。
【００２５】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００２６】
２１・・・コレクタ領域
２２・・・ドリフト領域
２３，２３ａ・・・ベース領域
２４・・・エミッタ領域
２５・・・層間絶縁膜
２６・・・ゲート酸化膜
２７・・・ゲート電極
２８・・・エミッタ電極
２９・・・コレクタ電極
３０・・・溝
３１・・・孔
４０・・・バッファ領域
５０・・・半導体基板
６０・・・チャネル領域
７０・・・第一の側壁部
８０・・・第二の側壁部
【図１】
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【図２】
2014157883.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014157883.tif 000007
【図６】
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