(57)【要約】【課題】低オン電圧で、スイッチング特性の良好な電力用半導体素子を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１電極、第１半導体層、第２半導体層、第３半導体層、第４半導体層、第２電極、第１制御電極及び第１絶縁膜を備えた電力用半導体素子が提供される。第１半導体層は、第１電極の上に設けられる。第２半導体層は、第１半導体層の上に設けられる。第３半導体層は、第１半導体層の上に、第２半導体層と離間して設けられる。第４半導体層は、第３半導体層の上に設けられる。第２電極は、第４半導体層の上に設けられ、第４半導体層と電気的に接続される。第１制御電極は、第２半導体層と第３半導体層との間に、第３半導体層側に寄せて設けられる。第１絶縁膜は、第１半導体層と第１制御電極との間、第２半導体層と第１制御電極との間、及び、第３半導体層と第１制御電極との間に設けられる。【選択図】図１
2014063931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、電気的にフローティングの状態にある第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層の上に、前記第２半導体層と離間して設けられた第２導電形の第３半導体層と、
前記第３半導体層の上に設けられた第１導電形の第４半導体層と、
前記第４半導体層の上に設けられ、前記第４半導体層と電気的に接続された第２電極と、
前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に、前記第３半導体層側に寄せて設けられ、前記第１半導体層と前記第２半導体層と前記第３半導体層と前記第４半導体層との積層方向に沿って延伸し、前記第３半導体層よりも上に位置する上端と、前記第３半導体層よりも下に位置する下端と、を有する第１制御電極と、
前記第１制御電極と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第３電極と、
前記第１制御電極と前記第３電極との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第４電極と、
前記第１半導体層と前記第１制御電極との間、前記第２半導体層と前記第１制御電極との間、前記第３半導体層と前記第１制御電極との間、前記第１半導体層と前記第３電極との間、前記第２半導体層と前記第３電極との間、前記第１制御電極と前記第３電極との間、前記第１半導体層と前記第４電極との間、前記第１制御電極と前記第４電極との間、及び、前記第２制御電極と前記第４電極との間に設けられた第１絶縁膜と、
前記第１半導体層の上に、前記第２半導体層に対して前記第３半導体層と反対側に離間して設けられた第２導電形の第５半導体層と、
前記第５半導体層の上に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第１導電形の第６半導体層と、
前記第２半導体層と前記第５半導体層との間に、前記第５半導体層側に寄せて設けられた第２制御電極と、
前記第１半導体層と前記第２制御電極との間、前記第２半導体層と前記第２制御電極との間、及び、前記第５半導体層と前記第２制御電極との間に設けられた第２絶縁膜と、
前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第１導電部と、
前記第１導電部と前記第２制御電極との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第２導電部と、
前記第１導電部と前記第２導電部との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第３導電部と、
前記第１半導体層と前記第１導電部との間、前記第２半導体層と前記第１導電部との間、前記第１半導体層と前記第２導電部との間、前記第２半導体層と前記第２導電部との間、前記第１半導体層と前記第３導電部との間、前記第１導電部と前記第３導電部との間、及び、前記第２導電部と前記第３導電部との間に設けられた第３絶縁膜と、
前記第１半導体層と前記第３半導体層との間に設けられ、前記第１半導体層よりも不純物の濃度が高い第７半導体層と、
を備え、
前記第２半導体層と前記第１電極との間の距離は、前記第３半導体層と前記第１電極との間の距離よりも短い電力用半導体素子。
【請求項２】
第１電極と、
前記第１電極の上に設けられた第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層の上に、前記第２半導体層と離間して設けられた第２導電形の第３半導体層と、
前記第３半導体層の上に設けられた第１導電形の第４半導体層と、
前記第４半導体層の上に設けられ、前記第４半導体層と電気的に接続された第２電極と、
前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に、前記第３半導体層側に寄せて設けられた第１制御電極と、
前記第１半導体層と前記第１制御電極との間、前記第２半導体層と前記第１制御電極との間、及び、前記第３半導体層と前記第１制御電極との間に設けられた第１絶縁膜と、
を備えた電力用半導体素子。
【請求項３】
前記第１制御電極と前記第２半導体層との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第３電極をさらに備え、
前記第１絶縁膜は、前記第１半導体層と前記第３電極との間、前記第２半導体層と前記第３電極との間、及び、前記第１制御電極と前記第３電極との間に延在する請求項２記載の電力用半導体素子。
【請求項４】
前記第１制御電極と前記第３電極との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第４電極をさらに備え、
前記第１絶縁膜は、前記第１半導体層と前記第４電極との間、前記第１制御電極と前記第４電極との間、及び、前記第２制御電極と前記第４電極との間に延在する請求項３記載の電力用半導体素子。
【請求項５】
前記第２半導体層と前記第１電極との間の距離は、前記第３半導体層と前記第１電極との間の距離よりも短い請求項２〜４のいずれか１つに記載の電力用半導体素子。
【請求項６】
前記第２半導体層は、電気的にフローティングの状態にある請求項２〜５のいずれか１つに記載の電力用半導体素子。
【請求項７】
前記第１半導体層の上に、前記第２半導体層に対して前記第３半導体層と反対側に離間して設けられた第２導電形の第５半導体層と、
前記第５半導体層の上に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第１導電形の第６半導体層と、
前記第２半導体層と前記第５半導体層との間に、前記第５半導体層側に寄せて設けられた第２制御電極と、
前記第１半導体層と前記第２制御電極との間、前記第２半導体層と前記第２制御電極との間、及び、前記第５半導体層と前記第２制御電極との間に設けられた第２絶縁膜と、
をさらに備えた請求項２〜６のいずれか１つに記載の電力用半導体素子。
【請求項８】
前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に設けられ、前記第２電極と電気的に接続された第１導電部と、
前記第１半導体層と前記第１導電部との間、及び、前記第２半導体層と前記第１導電部との間に設けられた第３絶縁膜と、
をさらに備えた請求項７記載の電力用半導体素子。
【請求項９】
前記第１導電部と前記第２制御電極との間に設けられた第２導電部と、
前記第１導電部と前記第２導電部との間に設けられた第３導電部と、
をさらに備え、
前記第３絶縁膜は、前記第１半導体層と前記第２導電部との間、前記第２半導体層と前記第２導電部との間、前記第１半導体層と前記第３導電部との間、前記第１導電部と前記第３導電部との間、及び、前記第２導電部と前記第３導電部との間に延在する請求項８記載の電力用半導体素子。
【請求項１０】
前記第２導電部及び前記第３導電部は、前記第２電極と電気的に接続されている請求項９記載の電力用半導体素子。
【請求項１１】
前記第２導電部は、前記第２電極と電気的に接続され、
前記第３導電部は、前記第１制御電極と電気的に接続されている請求項９記載の電力用半導体素子。
【請求項１２】
前記第１半導体層と前記第３半導体層との間に設けられ、前記第１半導体層よりも不純物の濃度が高い第７半導体層をさらに備えた請求項２〜１１のいずれか１つに記載の電力用半導体素子。
【請求項１３】
前記第１制御電極は、前記第１半導体層と前記第２半導体層と前記第３半導体層と前記第４半導体層との積層方向に沿って延伸し、前記第３半導体層よりも上に位置する上端と、前記第３半導体層よりも下に位置する下端と、を有する請求項２〜１２のいずれか１つに記載の電力用半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力用半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などがある。ＩＧＢＴのオン電圧を低減させる方法として、ＩＥ効果（carrier injection enhancement effect）を利用する方法がある。ＩＥ効果を利用すれば、ホールの排出抵抗を高めてエミッタ電極側のキャリア濃度を高めることにより、低オン電圧を実現することができる。ＩＥ効果は、例えば、ｎ形のベース層とエミッタ電極との間に、ｐ形のフローティング層を設け、ｐ形のベース領域の面積を相対的に減少させることによって生じさせることができる。しかしながら、フローティング層を設けると、スイッチング特性が劣化する。例えば、ターンオフ時にゲート電圧が発振する。ターンオン時にスイッチングノイズが発生しやすくなる。このように、オン電圧の低減とスイッチング特性の向上とは、トレードオフの関係にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−５４９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、低オン電圧で、スイッチング特性の良好な電力用半導体素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１電極と、第１半導体層と、第２半導体層と、第３半導体層と、第４半導体層と、第２電極と、第１制御電極と、第１絶縁膜と、を備えた電力用半導体素子が提供される。前記第１半導体層は、前記第１電極の上に設けられ、第１導電形である。前記第２半導体層は、前記第１半導体層の上に設けられ、第２導電形である。前記第３半導体層は、前記第１半導体層の上に、前記第２半導体層と離間して設けられ、第２導電形である。前記第４半導体層は、前記第３半導体層の上に設けられ、第１導電形である。前記第２電極は、前記第４半導体層の上に設けられ、前記第４半導体層と電気的に接続される。前記第１制御電極は、前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に、前記第３半導体層側に寄せて設けられる。前記第１絶縁膜は、前記第１半導体層と前記第１制御電極との間、前記第２半導体層と前記第１制御電極との間、及び、前記第３半導体層と前記第１制御電極との間に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式図である。
【図３】第１の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する等価回路図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、電力用半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の製造方法の手順を例示する工程順模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｄ）は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の製造方法の手順を例示する工程順模式的断面図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の製造方法の手順を例示する工程順模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）は、第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の製造方法の手順を例示する工程順模式的断面図である。
【図１０】第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図１１】第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第２の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る電力用半導体素子の別の構成を例示する模式的断面図である。
【図１４】第２の実施形態に係る電力用半導体素子の別の構成を例示する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式図である。  
図２（ａ）は、模式的平面図である。図２（ｂ）は、模式的断面図である。図１は、図２（ａ）のＡ１−Ａ２線断面を表す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ１−Ｂ２線断面を表す。
【０００９】
図１に表したように、ＩＧＢＴ１１０（電力用半導体素子）は、エミッタ電極１１（第２電極）と、コレクタ電極１２（第１電極）と、ｎ−ベース層２１（第１半導体層）と、フローティング層２２（第２半導体層）と、ｐベース層２３（第３半導体層）と、ｎ＋エミッタ層２４（第４半導体層）と、ゲート電極３１（第１制御電極）と、ゲート絶縁膜４１（第１絶縁膜）と、を備える。ＩＧＢＴ１１０は、例えば、トレンチゲート型構造である。
【００１０】
ｎ−ベース層２１は、エミッタ電極１１と、コレクタ電極１２と、の間に設けられる。すなわち、ｎ−ベース層２１は、コレクタ電極１２の上に設けられ、エミッタ電極１１は、ｎ−ベース層２１の上に設けられる。ｎ−ベース層２１は、ｎ形（第１導電形）である。第１導電形は、ｐ形でもよい。この場合は、第２導電形がｎ形となる。
【００１１】
ここで、エミッタ電極１１とコレクタ電極１２とｎ−ベース層２１との積層方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向（第１方向）をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１２】
フローティング層２２は、ｐ形であり、エミッタ電極１１とｎ−ベース層２１との間に設けられる。フローティング層２２は、ｎ−ベース層２１の上に設けられる。フローティング層２２は、Ｙ軸方向に沿って延伸する。フローティング層２２は、電気的にフローティングの状態にある。すなわち、フローティング層２２は、エミッタ電極１１、コレクタ電極１２及びゲート電極３１のそれぞれと電気的に接続されていない。
【００１３】
ｐベース層２３は、ｐ形であり、エミッタ電極１１とｎ−ベース層２１との間に設けられ、Ｘ軸方向においてフローティング層２２と離間する。ｐベース層２３は、ｎ−ベース層２１の上に、フローティング層２２と離間して設けられる。ｐベース層２３は、Ｙ軸方向に沿って延伸する。フローティング層２２とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ１は、ｐベース層２３とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ２よりも短い。すなわち、フローティング層２２の拡散深さは、ｐベース層２３の拡散深さよりも深い。距離Ｌ２−Ｌ１は、例えば、０．５μｍ以上５μｍ以下である。
【００１４】
ｎ＋エミッタ層２４は、ｎ形であり、エミッタ電極１１とｐベース層２３との間に設けられる。ｎ＋エミッタ層２４は、ｐベース層２３の上に設けられる。ｎ＋エミッタ層２４は、Ｙ軸方向に沿って延伸する。ｎ＋エミッタ層２４の不純物の濃度は、ｎ−ベース層２１の不純物の濃度よりも高い。ｎ＋エミッタ層２４は、エミッタ電極１１と電気的に接続されている。ｎ＋エミッタ層２４は、例えば、エミッタ電極１１と接触することによって、エミッタ電極１１と電気的に接続される。本願明細書において、「電気的に接続」とは、直接接触して接続されることの他に、他の導電部材などを介して接続されることを含む。
【００１５】
エミッタ電極１１には、例えば、アルミニウムが用いられる。コレクタ電極１２には、例えば、Ｖ、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＳｎなどの金属材料が用いられる。ｎ−ベース層２１、フローティング層２２、ｐベース層２３、及び、ｎ＋エミッタ層２４には、例えば、シリコンなどの半導体、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）もしくは窒化ガリウム（ＧａＮ）などの化合物半導体、または、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体などが用いられる。
【００１６】
ゲート電極３１は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とｐベース層２３との間に設けられる。ゲート電極３１は、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。ゲート電極３１の上端３１ａは、ｐベース層２３よりも上に位置する。ゲート電極３１の下端３１ｂは、ｐベース層２３よりも下に位置する。すなわち、ゲート電極３１は、Ｘ軸方向においてｐベース層２３のＺ軸方向の全体と対向する。フローティング層２２とゲート電極３１との間のＸ軸方向に沿う距離Ｌ３は、ｐベース層２３とゲート電極３１との間のＸ軸方向に沿う距離Ｌ４よりも長い。すなわち、ゲート電極３１は、ｐベース層２３側に寄せて設けられる。ゲート電極３１には、例えば、ポリシリコンが用いられる。
【００１７】
ゲート絶縁膜４１は、ｎ−ベース層２１とゲート電極３１との間、フローティング層２２とゲート電極３１との間、ｐベース層２３とゲート電極３１との間、及び、ｎ＋エミッタ層２４とゲート電極３１との間に設けられる。ゲート絶縁膜４１は、ｎ−ベース層２１とゲート電極３１とを電気的に絶縁し、フローティング層２２とゲート電極３１とを電気的に絶縁し、ｐベース層２３とゲート電極３１とを電気的に絶縁し、ｎ＋エミッタ層２４とゲート電極３１とを電気的に絶縁する。ゲート絶縁膜４１には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、または、シリコン酸窒化膜などが用いられる。
【００１８】
ゲート電極３１の下端３１ｂとｎ−ベース層２１との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ５は、距離Ｌ４よりも長い。すなわち、ゲート電極３１の下端３１ｂとｎ−ベース層２１との間のゲート絶縁膜４１のＺ軸方向に沿う厚さは、ゲート電極３１とｐベース層２３との間のゲート絶縁膜４１のＸ軸方向に沿う厚さよりも厚い。これにより、例えば、ゲート−コレクタ間に生じる寄生容量Ｃｇｃを小さくできる。なお、ゲート電極３１の下端３１ｂとｎ−ベース層２１との間のＺ軸方向に沿う距離は、Ｘ軸方向において変化している。距離Ｌ５は、例えば、ゲート電極３１の下端３１ｂとｎ−ベース層２１との間のＺ軸方向に沿う距離の平均値とする。
【００１９】
距離Ｌ３は、例えば、０．６μｍ以上２．０μｍ以下である。距離Ｌ４は、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。距離Ｌ５は、例えば、０．５μｍ以上４μｍ以下である。また、フローティング層２２の下端２２ｕとゲート絶縁膜４１の下端４１ａとの間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ９は、例えば、０．１μｍ以上１μｍ以下である。
【００２０】
ＩＧＢＴ１１０は、ｐ＋コレクタ層５０と、ｐ＋コンタクト層５１と、絶縁膜６０と、トレンチ６１と、をさらに備える。  
ｐ＋コレクタ層５０は、ｐ形であり、コレクタ電極１２とｎ−ベース層２１との間に設けられる。ｐ＋コレクタ層５０は、コレクタ電極１２及びｎ−ベース層２１と電気的に接続される。
【００２１】
ｐ＋コンタクト層５１は、ｐ形であり、エミッタ電極１１とｐベース層２３との間に設けられる。ｐ＋コンタクト層５１は、Ｙ軸方向に沿って延伸する。ｐ＋コンタクト層５１の不純物の濃度は、ｐベース層２３の不純物の濃度よりも高い。ｐ＋コンタクト層５１は、エミッタ電極１１及びｐベース層２３と電気的に接続される。これにより、ｐベース層２３が、ｐ＋コンタクト層５１を介してエミッタ電極１１と電気的に接続される。これにより、例えば、ｐベース層２３に蓄積されたホールが、エミッタ電極１１に排出されやすくなる。
【００２２】
絶縁膜６０は、エミッタ電極１１とフローティング層２２との間に設けられ、エミッタ電極１１とフローティング層２２とを電気的に絶縁する。
【００２３】
トレンチ６１は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とｐベース層２３との間に設けられる。トレンチ６１は、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。ゲート電極３１及びゲート絶縁膜４１は、トレンチ６１の内部に設けられる。
【００２４】
ｎ＋エミッタ層２４は、Ｘ軸方向においてゲート絶縁膜４１とｐ＋コンタクト層５１との間に設けられる。ｎ＋エミッタ層２４は、ゲート絶縁膜４１（トレンチ６１）に近接して配置される。ｎ＋エミッタ層２４は、例えば、Ｘ軸方向においてゲート絶縁膜４１と接触する。
【００２５】
ＩＧＢＴ１１０は、電極１３（第３電極）と、電極１４（第４電極）と、をさらに備える。  
電極１３と電極１４とは、トレンチ６１の内部に設けられる。すなわち、ゲート電極３１と電極１３と電極１４との３つの電極が、トレンチ６１の内部に設けられる。
【００２６】
電極１３は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とゲート電極３１との間に設けられ、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。電極１３は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。電極１３のＺ軸方向に沿う長さは、ゲート電極３１のＺ軸方向に沿う長さと実質的に同じである。
【００２７】
電極１４は、Ｘ軸方向においてゲート電極３１と電極１３との間に設けられ、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。電極１４は、Ｘ軸方向においてゲート電極３１のＺ軸方向の全体と対向する。電極１４は、Ｘ軸方向において電極１３のＺ軸方向の全体と対向する。電極１４は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。電極１３及び電極１４には、例えば、ポリシリコンが用いられる。
【００２８】
ゲート絶縁膜４１は、ｎ−ベース層２１と電極１３との間、フローティング層２２と電極１３との間、ｎ−ベース層２１と電極１４との間、ゲート電極３１と電極１４との間、及び、電極１３と電極１４との間に延在する。
【００２９】
ＩＧＢＴ１１０は、電極１５と、電極１６と、ｐベース層２５（第５半導体層）と、ｎ＋エミッタ層２６（第６半導体層）と、ゲート電極３２（第２制御電極）と、ゲート絶縁膜４２（第２絶縁膜）と、ｐ＋コンタクト層５２と、トレンチ６２と、をさらに備える。
【００３０】
ｐベース層２５は、ｐ形であり、エミッタ電極１１とｎ−ベース層２１との間に設けられ、Ｘ軸方向においてフローティング層２２と離間する。フローティング層２２は、Ｘ軸方向においてｐベース層２３とｐベース層２５との間に設けられる。すなわち、ｐベース層２５は、ｎ−ベース層２１の上に設けられ、フローティング層２２に対し、Ｘ軸方向においてｐベース層２３と反対側に離間する。ｐベース層２５は、Ｙ軸方向に沿って延伸する。フローティング層２２とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ１は、ｐベース層２５とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ６よりも短い。すなわち、フローティング層２２の拡散深さは、ｐベース層２５の拡散深さよりも深い。距離Ｌ６は、例えば、距離Ｌ２と実質的に同じである。
【００３１】
ｎ＋エミッタ層２６は、エミッタ電極１１とｐベース層２５との間に設けられる。ｎ＋エミッタ層２６は、ｐベース層２５の上に設けられる。ｎ＋エミッタ層２６は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。ゲート電極３２は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とｐベース層２５との間に設けられる。フローティング層２２とゲート電極３２との間のＸ軸方向に沿う距離Ｌ７は、ｐベース層２５とゲート電極３２との間のＸ軸方向に沿う距離Ｌ８よりも長い。すなわち、ゲート電極３２は、ｐベース層２５側に寄せて設けられる。
【００３２】
ゲート絶縁膜４２は、ｎ−ベース層２１とゲート電極３２との間、フローティング層２２とゲート電極３１との間、ｐベース層２５とゲート電極３２との間、及び、ｎ＋エミッタ層２６とゲート電極３２との間に設けられる。ｐ＋コンタクト層５２は、エミッタ電極１１とｐベース層２５との間に設けられる。
【００３３】
トレンチ６２は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とｐベース層２５との間に設けられる。電極１５は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とゲート電極３２との間に設けられる。電極１６は、Ｘ軸方向においてゲート電極３２と電極１５との間に設けられる。フローティング層２２のＸ軸方向に沿う距離（幅）Ｌ１０は、例えば、５μｍ以上５０μｍ以下である。距離Ｌ１０は、換言すると、トレンチ６１とトレンチ６２との間のＸ軸方向に沿う距離である。
【００３４】
電極１５、電極１６、ｐベース層２５、ｎ＋エミッタ層２６、ゲート電極３２、ゲート絶縁膜４２、ｐ＋コンタクト層５２、及び、トレンチ６２のそれぞれの構成は、電極１３、電極１４、ｐベース層２３、ｎ＋エミッタ層２４、ゲート電極３１、ゲート絶縁膜４１、ｐ＋コンタクト層５１、及び、トレンチ６１のそれぞれの構成と実質的に同じである。このため、電極１５、電極１６、ｐベース層２５、ｎ＋エミッタ層２６、ゲート電極３２、ゲート絶縁膜４２、ｐ＋コンタクト層５２及びトレンチ６２についての詳細な説明は省略する。
【００３５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、ＩＧＢＴ１１０は、素子領域７０と、終端領域７２とを有する。素子領域７０は、エミッタ電極１１とコレクタ電極１２との間で電流の流れる領域である。終端領域７２は、例えば、Ｘ−Ｙ平面において素子領域７０を囲む。なお、図２（ａ）では、エミッタ電極１１や絶縁膜６０などの図示を便宜的に省略している。
【００３６】
終端領域７２には、第１エミッタ配線７３と、第２エミッタ配線７４と、ゲート配線７５と、終端絶縁膜７６と、終端トレンチ７７と、が設けられる。  
第１エミッタ配線７３は、ｎ−ベース層２１と絶縁膜６０との間に設けられる。第１エミッタ配線７３には、例えば、ポリシリコンなどの導電材料が用いられる。エミッタ電極１１には、Ｚ軸方向に沿って延伸し、第１エミッタ配線７３に接するプラグ部１１ａが設けられる。これにより、第１エミッタ配線７３は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００３７】
第１エミッタ配線７３には、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に沿って延伸するプラグ部７３ａが設けられる。電極１４は、Ｙ軸方向に沿って延伸し、プラグ部７３ａに接する。電極１６は、Ｙ軸方向に沿って延伸し、プラグ部７３ａに接する。これにより、電極１４及び電極１６が、第１エミッタ配線７３を介してエミッタ電極１１と電気的に接続される。この例においては、電極１４及び電極１６は、プラグ部７３ａと連続する。
【００３８】
終端絶縁膜７６は、ｎ−ベース層２１と第１エミッタ配線７３との間に設けられ、ｎ−ベース層２１と第１エミッタ配線７３とを電気的に絶縁する。終端絶縁膜７６には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、または、シリコン酸窒化膜などが用いられる。
【００３９】
終端トレンチ７７は、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に沿って延伸する。トレンチ６１及びトレンチ６２は、終端トレンチ７７に接する。プラグ部７３ａは、終端トレンチ７７の内部に設けられる。終端絶縁膜７６の一部は、終端トレンチ７７の内部に設けられ、ｎ−ベース層２１とプラグ部７３ａとを電気的に絶縁する。
【００４０】
第２エミッタ配線７４は、ｎ−ベース層２１と絶縁膜６０との間に設けられ、第１エミッタ配線７３と離間して配置される。また、第２エミッタ配線７４は、電極１３の一部の上、及び、電極１５の一部の上に設けられる。
【００４１】
終端絶縁膜７６及びゲート絶縁膜４１が、第２エミッタ配線７４と電極１３との間に設けられる。終端絶縁膜７６及びゲート絶縁膜４２が、第２エミッタ配線７４と電極１５との間に設けられる。第２エミッタ配線７４には、例えば、ポリシリコンなどの導電材料が用いられる。エミッタ電極１１には、Ｚ軸方向に沿って延伸し、第２エミッタ配線７４に接するプラグ部１１ｂが設けられる。これにより、第２エミッタ配線７４は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００４２】
第２エミッタ配線７４には、Ｚ軸方向に沿って延伸し、電極１３に接するプラグ部７４ａが設けられる。また、第２エミッタ配線７４には、Ｚ軸方向に沿って延伸し、電極１３に接するプラグ部（図示は省略）が設けられる。これにより、電極１３及び電極１５が、第２エミッタ配線７４を介してエミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００４３】
ゲート配線７５は、ｎ−ベース層２１と絶縁膜６０との間に設けられ、第１エミッタ配線７３及び第２エミッタ配線７４と離間して配置される。また、ゲート配線７５は、ゲート電極３１の一部の上、及び、ゲート電極３２の一部の上に設けられる。ゲート配線７５とゲート電極３１との間には、終端絶縁膜７６及びゲート絶縁膜４１が設けられる。ゲート配線７５とゲート電極３２との間には、終端絶縁膜７６及びゲート絶縁膜４２が設けられる。ゲート配線７５には、例えば、ポリシリコンなどの導電材料が用いられる。
【００４４】
ゲート配線７５には、Ｚ軸方向に沿って延伸し、ゲート電極３１に接するプラグ部が設けられる。ゲート配線７５には、Ｚ軸方向に沿って延伸し、ゲート電極３２に接するプラグ部が設けられる。これにより、ゲート電極３１とゲート電極３２とは、ゲート配線７５を介して互いに電気的に接続される。ゲート配線７５は、終端領域７２において、図示を省略した金属電極に電気的に接続される。
【００４５】
図３は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する等価回路図である。  図３に表したように、ＩＧＢＴ１１０に、ゲート電極３１及びゲート電極３２に電気的に接続されるゲート抵抗Ｒｇと、ゲート−エミッタ間に生じる寄生容量Ｃｇｅと、ゲート−コレクタ間に生じる寄生容量Ｃｇｃと、エミッタ−コレクタ間の出力抵抗Ｒ２と、が設けられる。容量Ｃｇｅは、エミッタ電極１１とゲート電極３１との間に生じる寄生容量Ｃｇｅ１と、エミッタ電極１１とゲート電極３２との間に生じる寄生容量Ｃｇｅ２と、電極１３とゲート電極３１との間に生じる寄生容量Ｃｇｅ３と、電極１４とゲート電極３１との間に生じる寄生容量Ｃｇｅ４と、電極１５とゲート電極３２との間に生じる寄生容量Ｃｇｅ５と、電極１６とゲート電極３２との間に生じる寄生容量Ｃｇｅ６と、を含む。容量Ｃｇｅは、例えば、Ｃｇｅ１＋Ｃｇｅ２＋Ｃｇｅ３＋Ｃｇｅ４＋Ｃｇｅ５＋Ｃｇｅ６である。
【００４６】
このように、電極１３〜１６を設けることにより、容量Ｃｇｅを大きくできる。例えば、ゲート電極３１のうちの電極１３と対向する部分の面積の調整、または、ゲート電極３１のうちの電極１４と対向する部分の面積の調整によって、容量Ｃｇｅを調整できる。
【００４７】
次に、ＩＧＢＴ１１０の動作について説明する。  
例えば、コレクタ電極１２にプラスの電圧を印加し、エミッタ電極１１を接地し、ゲート電極３１及びゲート電極３２にプラスの電圧を印加する。これにより、エミッタ電極１１とコレクタ電極１２との間に電流が流れる。ゲート電極３１及びゲート電極３２に閾値電圧以上の電圧を印加すると、ｐベース層２３のうちのゲート絶縁膜４１の近傍の領域、及び、ｐベース層２５のうちのゲート絶縁膜４２の近傍の領域に、反転チャネルが形成される。電流は、例えば、コレクタ電極１２から、ｐ＋コレクタ層５０、ｎ−ベース層２１、反転チャネル、ｎ＋エミッタ層２４及びｎ＋エミッタ層２６を経由して、エミッタ電極１１に流れる。
【００４８】
次に、ＩＧＢＴ１１０の効果について説明する。  
フローティング層２２を設けることにより、エミッタ電極１１に流れるホールの排出抵抗を高くできる。すなわち、ＩＥ効果が得られる。これにより、エミッタ電極１１からの電子の注入効率が高められ、エミッタ電極１１側のキャリア濃度が高められる。これにより、高耐圧と低オン電圧とを実現できる。ＩＥ効果を利用したＩＧＢＴ１１０は、ＩＥＧＴ（injection-Enhanced Gate Bipolar Transistor）と呼ばれる場合もある。
【００４９】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、電力用半導体素子の特性を例示するグラフ図である。  
これらの図は、ＩＧＢＴ１１０のターンオフ時の特性を表す。これらの図において、実線は、実施形態に係るＩＧＢＴ１１０の特性であり、破線は、参考例のＩＧＢＴの特性である。
【００５０】
参考例においては、トレンチ６１内にゲート電極３１のみを設け、距離Ｌ３を距離Ｌ４と実質的に同じとするとともに、トレンチ６２内にゲート電極３２のみを設け、距離Ｌ７を距離Ｌ８と実質的に同じとするものである。
【００５１】
これらの図において、横軸は時間ｔであり、図４（ａ）の縦軸は、ゲート電圧Ｖｇであり、図４（ｂ）の縦軸はコレクタ電流Ｉｃであり、図４（ｃ）の縦軸はコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖｃｅである。
【００５２】
図４（ａ）に破線で表したように、参考例のＩＧＢＴにおいては、例えば、ターンオフの際に、ゲート電圧Ｖｇがマイナス側に大きく振れる。すなわち、参考例では、ターンオフの際に、ゲート電圧Ｖｇが発振する。ゲート電圧Ｖｇがマイナス側に振れる場合、ＩＧＢＴを駆動する回路において、マイナス側の電圧への対策を施さなければならない。このため、回路の複雑化を招く。また、参考例のＩＧＢＴには、ターンオン時のコレクタ−エミッタ間電圧の時間変化率（ｄＶ／ｄｔ）が大きいという問題もある。大きなｄＶ／ｄｔは、ターンオン時間を短縮できる反面、スイッチングノイズを発生させ易い。このように、参考例のＩＧＢＴは、スイッチング特性に問題を持つ。
【００５３】
本願発明者は、ターンオフ時のゲート電圧Ｖｇの発振が、フローティング層２２に蓄積されたホールに起因していることを見出した。例えば、フローティング層２２は、ターンオン状態のときに、多数のホールを蓄積する。フローティング層２２に蓄積されたホールは、ターンオフのときに、電圧Ｖｃｅの上昇にともなって、ｐベース層２３及びｐ＋コンタクト層５１を介してエミッタ電極１１に流れ込む。このとき、フローティング層２２の電位が急激に変化する。ホールの移動にともなって、フローティング層２２の電位が急激に低下する。フローティング層２２の電位変化にともなう変位電流が、ゲート電極３１に流れ、ゲート電圧Ｖｇを発振させる。
【００５４】
本実施形態に係るＩＧＢＴ１１０では、フローティング層２２とゲート電極３１との間のＸ軸方向に沿う距離Ｌ３が、ｐベース層２３とゲート電極３１との間のＸ軸方向に沿う距離Ｌ４よりも長い。これにより、ゲート電極３１に流れる変位電流が抑えられる。
【００５５】
これにより、図４（ａ）に実線で表したように、ターンオフ時のゲート電圧Ｖｇの発振が抑えられる。フローティング層２２からゲートへ与えられる影響が抑制され、スイッチング時の動作が安定する。ＩＧＢＴ１１０では、低オン電圧で、スイッチング特性の良好な電力用半導体素子が得られる。
【００５６】
実施形態においては、電極１３及び電極１４は、エミッタ電極１１に電気的に接続される。このため、電極１３及び電極１４は、例えば、接地電位に設定される。電極１３及び電極１４の電位は、フローティング層２２に蓄積されたホールに対して障壁となる。これにより、フローティング層２２に蓄積されたホールが、エミッタ電極１１に流れ込むことを適切に抑えられる。
【００５７】
ゲート電圧Ｖｇの発振は、式（１）の条件を満たす場合に発生する。  
【数１】
2014063931.tif 000003
（１）式に表したように、ゲート電圧Ｖｇの発振は、ＩＧＢＴ１１０の相互コンダクタンスｇｍ、ゲート抵抗Ｒｇ、出力抵抗Ｒ２、容量Ｃｇｅ及び容量Ｃｇｃと相関する。ゲート電圧Ｖｇの発振は、相互コンダクタンスｇｍの大きさに比例する。相互コンダクタンスｇｍが、（１）式の不等式の右辺部分よりも大きいほど、より顕著にゲート電圧Ｖｇが発振する。
【００５８】
ＩＧＢＴ１１０では、電極１３〜１６により、容量Ｃｇｅを大きくできる。また、ゲート電極３１の下端３１ｂとｎ−ベース層２１との間のゲート絶縁膜４１を厚くすることにより、容量Ｃｇｃを小さくできる。ＩＧＢＴ１１０では、（１）式の不等式の右辺部分を大きくできる。これにより、フローティング層２２の電位変化にともなってゲート電極３１に変位電流が流れた場合にも、ゲート電圧Ｖｇの発振を抑えられる。
【００５９】
また、容量Ｃｇｅ、すなわち入力容量を大きくすることにより、ｄＶ／ｄｔを低減できる。これにより、大きなｄＶ／ｄｔにともなうスイッチングノイズの発生も抑えられる。
【００６０】
次に、ＩＧＢＴ１１０の製造方法について説明する。  
図５（ａ）〜図５（ｄ）、図６（ａ）〜図６（ｄ）、及び、図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第１の実施形態に係る電力用半導体素子の製造方法の手順を例示する工程順模式的断面図である。  
図５（ａ）に表したように、フォトリソグラフ処理及びエッチング処理により、ｎ−ベース層２１となるｎ形半導体基板２１ｆに、トレンチ６１及びトレンチ６２を形成する。
【００６１】
図５（ｂ）に表したように、ｎ形半導体基板２１ｆの上に、ゲート絶縁膜４１の一部及びゲート絶縁膜４２の一部となる絶縁層８０を形成する。絶縁層８０の一部は、トレンチ６１の内壁に沿う。絶縁層８０の別の一部は、トレンチ６２の内壁に沿う。
【００６２】
図５（ｃ）に表したように、トレンチ６１内の残余の空間及びトレンチ６２内の残余の空間に導電材料を埋め込むことにより、電極１４と電極１６とを形成する。電極１６は、電極１４と別に形成してもよい。
【００６３】
図５（ｄ）に表したように、フォトリソグラフ処理及びエッチング処理により、トレンチ６１内の一部８０ａ及びトレンチ６２内の一部８０ｂを残して、絶縁層８０を除去する。ｎ形半導体基板２１ｆの上に、ゲート絶縁膜４１の一部及びゲート絶縁膜４２の一部となる絶縁層８１を形成する。絶縁層８１の一部は、トレンチ６１の内壁に沿う。これにより、一部８０ａと絶縁層８１とによって、ゲート絶縁膜４１が形成される。一部８０ｂと絶縁層８１とによって、ゲート絶縁膜４２が形成される。絶縁層８１の別の一部は、トレンチ６２の内壁に沿う。絶縁層８１の厚さは、絶縁層８０の厚さよりも薄くする。これにより、距離Ｌ５を距離Ｌ４よりも長くできる。
【００６４】
図６（ａ）に表したように、トレンチ６１内の残余の空間及びトレンチ６２内の残余の空間に導電材料を埋め込むことにより、ゲート電極３１とゲート電極３２と電極１３と電極１５とを形成する。これにより、距離Ｌ３を距離Ｌ４よりも長くできる。距離Ｌ７を距離Ｌ８よりも長くできる。このように、トレンチ６１の内部及びトレンチ６２の内部に、３つの電極を設けることにより、距離Ｌ３と距離Ｌ４、及び、距離Ｌ７と距離Ｌ８とを、適切に設定できる。ゲート電極３１とゲート電極３２と電極１３と電極１５とは、それぞれ個別に形成してもよい。
【００６５】
図６（ｂ）に表したように、フォトリソグラフ処理及びイオン注入処理により、ｎ形半導体基板２１ｆのトレンチ６１とトレンチ６２との間の領域の少なくとも一部に、フローティング層２２を形成する。
【００６６】
図６（ｃ）に表したように、フォトリソグラフ処理及びイオン注入処理により、ｎ形半導体基板２１ｆの上側の領域の一部に、ｐベース層２３となるｐ形部２３ｆ及びｐベース層２５となるｐ形部２５ｆを形成する。トレンチ６１は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とｐ形部２３ｆとの間に設けられる。トレンチ６２は、Ｘ軸方向においてフローティング層２２とｐ形部２５ｆとの間に設けられる。ｐ形部２５ｆは、ｐ形部２３ｆと別に形成してもよい。
【００６７】
図６（ｄ）に表したように、フォトリソグラフ処理及びイオン注入処理により、ｐ＋コンタクト層５１とｐ＋コンタクト層５２とを形成する。ｐ＋コンタクト層５１は、ｐ形部２３ｆの上側の領域の一部に設けられ、Ｘ軸方向においてトレンチ６１と離間する。ｐ＋コンタクト層５２は、ｐ形部２５ｆの上側の領域の一部に設けられ、Ｘ軸方向においてトレンチ６２と離間する。ｐ＋コンタクト層５２は、ｐ＋コンタクト層５１と別に形成してもよい。
【００６８】
図７（ａ）に表したように、フォトリソグラフ処理及びイオン注入処理により、ｎ＋エミッタ層２４とｎ＋エミッタ層２６とを形成する。ｎ＋エミッタ層２４は、Ｘ軸方向においてｐ＋コンタクト層５１とトレンチ６１との間に設けられる。ｎ＋エミッタ層２６は、Ｘ軸方向においてｐ＋コンタクト層５２とトレンチ６２との間に設けられる。これにより、ｐ形部２３ｆからｐベース層２３が形成され、ｐ形部２５ｆからｐベース層２５が形成される。ｎ＋エミッタ層２６は、ｎ＋エミッタ層２４と別に形成してもよい。
【００６９】
図７（ｂ）に表したように、例えばイオン注入処理により、ｎ形半導体基板２１ｆの下側の領域に、ｐ＋コレクタ層５０を形成する。これにより、ｎ形半導体基板２１ｆからｎ−ベース層２１が形成される。例えばエピタキシャル成長処理により、ｎ形半導体基板２１ｆの下に、ｐ＋コレクタ層５０を形成してもよい。フローティング層２２、ｐベース層２３、ｎ＋エミッタ層２４、ｐベース層２５、ｎ＋エミッタ層２６、ｐ＋コレクタ層５０、ｐ＋コンタクト層５１及びｐ＋コンタクト層５２の形成順序は、任意であり、適宜入れ替え可能である。
【００７０】
フォトリソグラフ処理及び成膜処理により、フローティング層２２、トレンチ６１及びトレンチ６２の上に、絶縁膜６０を形成する。
【００７１】
図７（ｃ）に表したように、例えばスパッタリング処理などにより、ｎ＋エミッタ層２４、ｎ＋エミッタ層２６、ｐ＋コンタクト層５１、ｐ＋コンタクト層５２及び絶縁膜６０の上に、エミッタ電極１１を形成する。例えばスパッタリング処理などにより、ｐ＋コレクタ層５０の下に、コレクタ電極１２を形成する。  
以上により、ＩＧＢＴ１１０が完成する。
【００７２】
次に、第１の実施形態の第１の変形例について説明する。  
図８は、第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図８に表したように、ＩＧＢＴ１１１においては、ゲート電極３１と電極１３との２つの電極が、トレンチ６１の内部に設けられる。ゲート電極３２と電極１５との２つの電極が、トレンチ６２の内部に設けられる。
【００７３】
ＩＧＢＴ１１１においても、距離Ｌ３を距離Ｌ４よりも長くし、距離Ｌ７を距離Ｌ８よりも長くし、電極１３及び電極１５をエミッタ電極１１に電気的に接続することによって、低オン電圧で、スイッチング特性の良好な電力用半導体素子が得られる。
【００７４】
次に、ＩＧＢＴ１１１の製造方法について説明する。  
図９（ａ）〜図９（ｄ）は、第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の製造方法の手順を例示する工程順模式的断面図である。  
図９（ａ）に表したように、トレンチ６１及びトレンチ６２をｎ形半導体基板２１ｆに形成した後、成膜処理、フォトリソグラフ処理及びエッチング処理により、トレンチ６１内の底部に絶縁膜８３を形成し、トレンチ６２内の低部に絶縁膜８４を形成する。絶縁膜８４は、絶縁膜８３と別に形成してもよい。
【００７５】
成膜処理により、ｎ形半導体基板２１ｆの上、絶縁膜８３の上、及び、絶縁膜８４の上に、絶縁層８５を形成する。絶縁層８５の一部は、トレンチ６１の内壁に沿う。絶縁層８５の別の一部は、トレンチ６２の内壁に沿う。これにより、距離Ｌ５を距離Ｌ４よりも長くできる。
【００７６】
図９（ｂ）に表したように、成膜処理により、絶縁層８５の上に、ポリシリコン層８６を形成する。ポリシリコン層８６の一部は、トレンチ６１内の残余の空間に埋め込まれる。ポリシリコン層８６の別の一部は、トレンチ６２内の残余の空間に埋め込まれる。
【００７７】
図９（ｃ）に表したように、フォトリソグラフ処理及びエッチング処理によって、ポリシリコン層８６の一部を除去することにより、ゲート電極３１、ゲート電極３２、電極１３及び電極１５を形成する。ポリシリコン層８６のエッチングには、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの異方性のエッチングを用いる。
【００７８】
図９（ｄ）に表したように、トレンチ６１内の残余の空間及びトレンチ６２内の残余の空間に絶縁性材料を埋め込むことにより、絶縁膜８７と絶縁膜８８とを形成する。これにより、絶縁膜８３と絶縁層８５と絶縁膜８７とによってゲート絶縁膜４１が形成される。絶縁膜８４と絶縁層８５と絶縁膜８８とによってゲート絶縁膜４２が形成される。
【００７９】
以下、ＩＧＢＴ１１０の場合と同様に、フローティング層２２の形成、ｐベース層２３及びｐベース層２５の形成、ｐ＋コンタクト層５１及びｐ＋コンタクト層５２の形成、ｎ＋エミッタ層２４及びｎ＋エミッタ層２６の形成、ｐ＋コレクタ層５０の形成、絶縁膜６０の形成、エミッタ電極１１の形成、及び、コレクタ電極１２の形成を行う。  
これにより、ＩＧＢＴ１１１が完成する。
【００８０】
次に、第１の実施形態の第２の変形例について説明する。  
図１０は、第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１０に表したように、ＩＧＢＴ１１２においては、ゲート電極３１のみが、トレンチ６１の内部に設けられ、ゲート電極３２のみが、トレンチ６２の内部に設けられる。
【００８１】
ＩＧＢＴ１１２においても、距離Ｌ３を距離Ｌ４よりも長くし、距離Ｌ７を距離Ｌ８よりも長くすることによって、低オン電圧で、スイッチング特性の良好な電力用半導体素子が得られる。なお、トレンチ６１の内部及びトレンチ６２の内部に設けられる電極の数は、４つ以上でもよい。
【００８２】
次に、第１の実施形態の第３の変形例について説明する。  
図１１は、第１の実施形態に係る別の電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１１に表したように、ＩＧＢＴ１１３においては、フローティング層２２とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ１が、ｐベース層２３とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ２と実質的に同じである。ＩＧＢＴ１１３においては、フローティング層２２の下端２２ｕとゲート絶縁膜４１の下端４１ａとの間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ９が、例えば、０．１μｍ以上１μｍ以下である。
【００８３】
ＩＧＢＴ１１３においても、ＩＧＢＴ１１０と同様に、低オン電圧で、スイッチング特性の良好な電力用半導体素子が得られる。ＩＧＢＴ１１３のフローティング層２２の厚さは、ＩＧＢＴ１１０のフローティング層２２の厚さよりも薄い。このため、ＩＧＢＴ１１３では、例えば、ＩＧＢＴ１１０に比べて、フローティング層２２の形成にともなうイオン注入の時間を短縮できる。ＩＧＢＴ１１３では、ＩＧＢＴ１１０よりも製造時間を短縮できる。一方、ＩＧＢＴ１１０では、例えば、ＩＧＢＴ１１３よりもアバランシェ耐量を高められる。
【００８４】
ＩＧＢＴ１１３において、エミッタ電極１１とコレクタ電極１２との間に電圧を印加する。これにより、ｎ−ベース層２１とフローティング層２２とのｐｎ接合部分、ｎ−ベース層２１とｐベース層２３とのｐｎ接合部分、及び、ｎ−ベース層２１とｐベース層２５とのｐｎ接合部分から、コレクタ電極１２側に向かって空乏層ＤＬが延伸する。
【００８５】
ＩＧＢＴ１１３では、電極１３〜電極１６が、エミッタ電極１１と電気的に接続されている。このため、空乏層ＤＬのうちの電極１３〜電極１６の近傍の部分は、空乏層ＤＬのうちのｎ−ベース層２１のＸ軸方向の中央付近の部分に比べて、コレクタ電極１２側に延びやすい。
【００８６】
また、ＩＧＢＴ１１３では、フローティング層２２のＸ軸方向に沿う距離Ｌ１０が比較的長い（例えば５μｍ以上５０μｍ以下）。このため、空乏層ＤＬのうちの電極１３側から電極１５に向かって延伸する部分は、空乏層ＤＬのうちの電極１５側から電極１３に向かって延伸する部分と接しにくい。すなわち、空乏層ＤＬのうちの電極１３〜電極１６の近傍の部分の厚さ（Ｚ軸方向に沿う距離）が、空乏層ＤＬのうちのｎ−ベース層２１のＸ軸方向の中央付近の部分の厚さよりも厚い。このため、空乏層ＤＬのうちの電極１３〜電極１６の近傍の部分に電界が集中しやすい。空乏層ＤＬのうちの電極１３〜電極１６の近傍の部分において、アバランシェ降伏が発生しやすい。
【００８７】
ＩＧＢＴ１１０においては、距離Ｌ１が、距離Ｌ２よりも短く、距離Ｌ９が、例えば、０．１μｍ以上１μｍ以下である。これにより、ＩＧＢＴ１１０では、ＩＧＢＴ１１３に比べ、電極１３〜電極１６の近傍の部分の空乏層ＤＬの厚さと、ｎ−ベース層２１のＸ軸方向の中央付近の部分の空乏層ＤＬの厚さと、の差を抑えられる（図１参照）。これにより、ＩＧＢＴ１１０では、ＩＧＢＴ１１３に比べ、アバランシェ耐量を高められる。
【００８８】
（第２の実施形態）  
次に、第２の実施形態について説明する。  
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、第２の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。  
図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の一部を抜き出して拡大した部分拡大図である。  
図１２（ａ）に表したように、ＩＧＢＴ１２０は、電極９１（第１導電部）、電極９２（第２導電部）、電極９３（第３導電部）、電極９４〜電極９６、絶縁膜４３、絶縁膜４４、トレンチ６３、及び、トレンチ６４をさらに備える。
【００８９】
電極９１は、Ｘ軸方向においてゲート電極３１とゲート電極３２との間に設けられる。電極９１は、Ｚ軸方向に沿って延伸するとともに、Ｙ軸方向に沿って延伸する。電極９１は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００９０】
電極９２は、Ｘ軸方向において電極９１とゲート電極３２との間に設けられ、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。電極９２は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００９１】
電極９３は、Ｘ軸方向において電極９１と電極９２との間に設けられ、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。電極９３は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００９２】
絶縁膜４３（第３絶縁膜）は、ｎ−ベース層２１と電極９１との間、フローティング層２２と電極９１との間、ｎ−ベース層２１と電極９２との間、フローティング層２２と電極９２との間、ｎ−ベース層２１と電極９３との間、電極９１と電極９３との間、及び、電極９２と電極９３との間に設けられる。電極９１〜電極９３及び絶縁膜４３は、トレンチ６３の内部に設けられる。
【００９３】
電極９４は、Ｘ軸方向において電極９１とゲート電極３２との間に設けられる。より具体的には、電極９４が、Ｘ軸方向において電極９２とゲート電極３２との間に設けられる。電極９４は、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。電極９４は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００９４】
電極９５は、Ｘ軸方向において電極９４とゲート電極３２との間に設けられ、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。電極９４は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００９５】
電極９６は、Ｘ軸方向において電極９４と電極９５との間に設けられ、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に沿って延伸する。電極９６は、エミッタ電極１１と電気的に接続される。
【００９６】
絶縁膜４４は、ｎ−ベース層２１と電極９４との間、フローティング層２２と電極９４との間、ｎ−ベース層２１と電極９５との間、フローティング層２２と電極９５との間、ｎ−ベース層２１と電極９６との間、電極９４と電極９６との間、及び、電極９５と電極９６との間に設けられる。電極９４〜電極９６及び絶縁膜４４は、トレンチ６４の内部に設けられる。
【００９７】
ＩＧＢＴ１２０においては、フローティング層２２が、第１部分２２ａと、第２部分２２ｂと、第３部分２２ｃと、を含む。第１部分２２ａは、Ｘ軸方向においてゲート絶縁膜４１と絶縁膜４３との間の部分である。第２部分２２ｂは、Ｘ軸方向において絶縁膜４３とゲート絶縁膜４２との間の部分である。より具体的には、第２部分２２ｂは、Ｘ軸方向において絶縁膜４３と絶縁膜４４との間の部分である。第３部分２２ｃは、Ｘ軸方向において絶縁膜４４とゲート絶縁膜４２との間の部分である。第１部分２２ａのＸ軸方向に沿う距離Ｌ１１、第２部分２２ｂのＸ軸方向に沿う距離Ｌ１２、及び、第３部分２２ｃのＸ軸方向に沿う距離Ｌ１３のそれぞれは、例えば、０．５μｍ以上４μｍ以下である。
【００９８】
ＩＧＢＴ１２０においては、フローティング層２２とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ１が、ｐベース層２３とコレクタ電極１２との間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ２と実質的に同じであり、フローティング層２２の下端２２ｕとゲート絶縁膜４１の下端４１ａとの間のＺ軸方向に沿う距離Ｌ９が、例えば、０．１μｍ以上１μｍ以下であり、フローティング層２２の厚さが、例えば、０．３μｍ以上４μｍ以下である。
【００９９】
ＩＧＢＴ１２０において、エミッタ電極１１とコレクタ電極１２との間に電圧を印加する。  
図１２（ａ）に表したように、電圧を印加した直後においては、空乏層ＤＬのうちの電極１３〜電極１６及び電極９１〜９６の近傍の部分の厚さが、空乏層ＤＬのうちの第１部分２２ａのＸ軸方向の中央付近の部分の厚さ、第２部分２２ｂのＸ軸方向の中央付近の部分の厚さ、及び、第３部分２２ｃのＸ軸方向の中央付近の部分の厚さよりも厚い。
【０１００】
図１２（ｂ）に表したように、空乏層ＤＬのうちの電極１３側から電極９１に向かって延伸する部分と、空乏層ＤＬのうちの電極９１側から電極１３に向かって延伸する部分とが、互いに徐々に近づく。やがて、２つの部分が、接する。これは、距離Ｌ１１、距離Ｌ１２及び距離Ｌ１３を、例えばＩＧＢＴ１１３の距離Ｌ１０などよりも短くしたことに起因する。
【０１０１】
図１２（ｃ）に表したように、２つの部分が接すると、空乏層ＤＬのうちの第１部分２２ａのＸ軸方向の中央付近の部分の厚さが、接する前よりも厚くなる。空乏層ＤＬのうちの第２部分２２ｂのＸ軸方向の中央付近の部分の厚さが、接する前よりも厚くなる。空乏層ＤＬのうちの第３部分２２ｃのＸ軸方向の中央付近の部分の厚さが、接する前よりも厚くなる。これにより、ＩＧＢＴ１２０では、空乏層ＤＬのうちの電極１３〜電極１６及び電極９１〜９６の近傍の部分における電界の集中が抑えられる。ＩＧＢＴ１２０では、例えば、ＩＧＢＴ１１３に比べ、アバランシェ耐量を高められる。
【０１０２】
また、トレンチ６３及びトレンチ６４は、トレンチ６１及びトレンチ６２と同時に形成できる。電極９３及び電極９６は、電極１４及び電極１６と同時に形成できる。電極９１、電極９２、電極９４及び電極９５は、ゲート電極３１、ゲート電極３２、電極１３及び電極１５と同時に形成できる。このため、ＩＧＢＴ１２０では、電極９１〜電極９６などの形成にともなう製造時間の増加が抑えられる。ＩＧＢＴ１２０では、例えばＩＧＢＴ１１０に比べて、フローティング層２２の形成にともなうイオン注入の時間を短縮させ、製造時間を短縮できる。
【０１０３】
トレンチ６１とトレンチ６２との間に設けるトレンチの数は、１つでもよいし、３つ以上でもよい。トレンチの数は、例えば、トレンチ６１とトレンチ６２との間の距離や必要とするアバランシェ耐量などに応じて適宜設定される。
【０１０４】
次に、第２の実施形態の第１の変形例について説明する。  
図１３は、第２の実施形態に係る電力用半導体素子の別の構成を例示する模式的断面図である。  
図１３に表したように、ＩＧＢＴ１２１においては、電極９３及び電極９６が、ゲート電極３１及びゲート電極３２と電気的に接続されている。これにより、ＩＧＢＴ１２１では、電極９１と電極９３との間に生じる寄生容量、電極９２と電極９３との間に生じる寄生容量、電極９４と電極９６との間に生じる寄生容量、及び、電極９５と電極９６との間に生じる寄生容量により、ＩＧＢＴ１１０やＩＧＢＴ１２０などに比べて、容量Ｃｇｅをさらに大きくできる。例えば、ターンオフ時のゲート電圧Ｖｇの発振がより適切に抑えられる。
【０１０５】
ＩＧＢＴ１２１では、ターンオン特性も向上できる。ターンオン時のコレクタ−エミッタ間電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）は、ゲート抵抗Ｒｇと容量Ｃｇｅとの積（Ｒｇ・Ｃｇｅ）で決定される。Ｒｇ・Ｃｇｅを大きくすると、ターンオン時間が短くなる反面、スイッチングノイズの要因となる。このため、Ｒｇ・Ｃｇｅは、ターンオン時間とスイッチングノイズとのトレードオフを考慮した値に設定される。ＩＧＢＴ１２１では、Ｃｇｅを大きくできるため、Ｒｇを小さくできる。また、ターンオン時のコレクタ電圧の立ち下がり時間は、ゲート抵抗Ｒｇと容量Ｃｇｃとの積（Ｒｇ・Ｃｇｃ）で決定される。ＩＧＢＴ１２１では、Ｒｇを小さくできるから、Ｒｇ・Ｃｇｃも小さくできる。Ｒｇ・Ｃｇｃを小さくすると、ターンオン時のコレクタ電圧の立ち下がり時間が短くなる。すなわち、ＩＧＢＴ１２１では、コレクタ電圧の立ち下がり時間が短くし、ターンオン損失を低減できる。
【０１０６】
次に、第２の実施形態の第２の変形例について説明する。  
図１４は、第２の実施形態に係る電力用半導体素子の別の構成を例示する模式的断面図である。  
図１４に表したように、ＩＧＢＴ１２２は、ｎバリア層２７（第７半導体層）及びｎバリア層２８を、さらに備える。  
ｎバリア層２７は、ｎ形であり、Ｚ軸方向においてｎ−ベース層２１とｐベース層２３との間に設けられる。ｎバリア層２７の不純物の濃度は、ｎ−ベース層２１の不純物の濃度よりも高い。ｎバリア層２８は、ｎ形であり、Ｚ軸方向においてｎ−ベース層２１とｐベース層２５との間に設けられる。ｎバリア層２８の不純物の濃度は、ｎ−ベース層２１の不純物の濃度よりも高い。
【０１０７】
ｎバリア層２７及びｎバリア層２８を設けることにより、エミッタ電極１１に流れるホールの排出抵抗を、より高くできる。ＩＥ効果をより促進させ、オン電圧をさらに低減できる。ＩＧＢＴ１１０の構成において、ｎバリア層２７及びｎバリア層２８を設けてもよい。
【０１０８】
上記各実施形態では、トレンチゲート型構造のＩＧＢＴを電力用半導体素子として示している。電力用半導体素子は、例えば、トレンチゲート型構造のＭＯＳＦＥＴでもよい。ＭＯＳＦＥＴとする場合には、例えば、第２電極をソース電極とし、第１電極をドレイン電極とし、第４半導体層をｎソース層とし、ｐ＋コレクタ層５０をｎ＋ドレイン層とする。
【０１０９】
実施形態によれば、低いオン電圧で、スイッチング特性の良好な電力用半導体素子が提供される。
【０１１０】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
【０１１１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、電力用半導体素子に含まれる、第１〜第４電極、第１〜第７半導体層、第１、第２制御電極、第１〜第３絶縁膜、及び、第１〜第３導電部、などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１１２】
その他、本発明の実施の形態として上述した電力用半導体素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての電力用半導体素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１１３】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１１４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１１５】
１１…エミッタ電極（第２電極）、  １１ａ、１１ｂ…プラグ部、  １２…コレクタ電極（第１電極）、  １３…電極（第３電極）、  １４…電極（第４電極）、  １５、１６…電極、  ２１…ｎ−ベース層（第１半導体層）、  ２１ｆ…ｎ形半導体基板、  ２２…フローティング層（第２半導体層）、  ２２ｕ…下端、  ２２ａ…第１部分、  ２２ｂ…第２部分、  ２２ｃ…第３部分、  ２３…ｐベース層（第３半導体層）、  ２３ｆ…ｐ形部、  ２４…ｎ＋エミッタ層（第４半導体層）、  ２５…ｐベース層（第５半導体層）、  ２５ｆ…ｐ形部、  ２６…ｎ＋エミッタ層（第６半導体層）、  ２７…ｎバリア層（第７半導体層）、  ２８…ｎバリア層、  ３１…ゲート電極（第１制御電極）、  ３１ａ…上端、  ３１ｂ…下端、  ３２…ゲート電極（第２制御電極）、  ４１…ゲート絶縁膜（第１絶縁膜）、  ４１ａ…下端、  ４２…ゲート絶縁膜（第２絶縁膜）、  ４２ａ…下端、  ４３…絶縁膜（第３絶縁膜）、  ４４…絶縁膜、  ５０…ｐ＋コレクタ層、  ５１、５２…ｐ＋コンタクト層、  ６０…絶縁膜、  ６１〜６４…トレンチ、  ７０…素子領域、  ７２…終端領域、  ７３…第１エミッタ配線、  ７３ａ…プラグ部、  ７４…第２エミッタ配線、  ７４ａ…プラグ部、  ７５…ゲート配線、  ７６…終端絶縁膜、  ７７…終端トレンチ、  ８０…絶縁層、  ８０ａ、８０ｂ…一部、  ８１…絶縁層、  ８３、８４…絶縁膜、  ８５…絶縁層、  ８６…ポリシリコン層、  ８７、８８…絶縁膜、  ９１…電極（第１導電部）、  ９２…電極（第２導電部）、  ９３…電極（第３導電部）、  ９４〜９６…電極、  １１０、１１１、１１２、１１３、１２０、１２１、１２２…ＩＧＢＴ（電力用半導体素子）、  Ｃｇｃ、Ｃｇｅ、Ｃｇｅ１〜Ｃｇｅ６…容量、  ＤＬ…空乏層、  Ｌ１〜Ｌ１３…距離、  Ｒ２…出力抵抗、  Ｒｇ…ゲート抵抗
【図１】
2014063931.tif 000004
【図２】
2014063931.tif 000005
【図３】
2014063931.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014063931.tif 000011
【図９】
2014063931.tif 000012
【図１０】
2014063931.tif 000013
【図１１】
2014063931.tif 000014
【図１２】
2014063931.tif 000015
【図１３】
2014063931.tif 000016
【図１４】
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