(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に設けられた、第1導電型と反対の第２導電型の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域上に設けられた、第1導電型の第３半導体領域と、
前記第1半導体領域から見て前記第２半導体領域と反対側に設けられた、第２導電型の第４半導体領域と、
トレンチゲート構造と、
を含む活性領域と、
前記第２半導体領域と前記第３半導体領域とに電気的に接続した上側電極と、
前記第1半導体領域と前記第４半導体領域とに電気的に接続した下側電極と、
活性領域の外側に設けられた耐圧改善領域と、
前記耐圧改善領域の外側であって、前記第1半導体領域の前記下側電極と反対側に設けられた、前記第1半導体領域よりも不純物濃度が高い第1導電型の第５半導体領域と、
を備え、
前記第1半導体領域と前記下側電極との間に前記第1半導体領域よりも不純物濃度が高い第1導電型の第６半導体領域を備え、
前記第６半導体領域は、前記第４半導体領域と横方向で交互に配置され、
前記第６半導体領域と前記第４半導体領域は、前記活性領域から前記耐圧改善領域の外側まで延伸して配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第1半導体領域と、前記第２半導体領域と、前記第３半導体領域と、前記第４半導体領域とを含むように、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成し、
前記第1半導体領域と、前記第２半導体領域と、前記第６半導体領域とを含むように、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第１のダイオードを構成し、
前記第1半導体領域と、前記第２半導体領域と、前記第５半導体領域とを含むように、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの第２のダイオードを構成することを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記第６半導体領域の幅は前記第５半導体領域よりも狭いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第５半導体領域の幅は５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第５半導体領域上に配置され、前記下側電極と電気的に接続した補助電極とを備え、
前記補助電極は前記下側電極と異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか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(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、個別半導体として形成されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）およびダイオード（Ｄｉｏｄｅ）を組み合わせて、コンバータやインバータ等の電力変換装置に用いられている。このような電力変換装置において、ＩＧＢＴはスイッチング素子として用いられ、ダイオードはＩＧＢＴのオフ時に電流を迂回還流させるために用いられている。
近年、ＩＧＢＴとＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：フリーホイールダイオード）とを同一の半導体基板に形成したＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ−ＩＧＢＴ：逆導通型ＩＧＢＴ）が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
ＲＣ−ＩＧＢＴは、例えば図４で示すように、ｎドリフト領域１０１となる半導体基板のおもて面には、ｐベース領域１０２、エミッタ領域１０３、ゲート絶縁膜１０４、ゲート電極１０５からなるＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造が設けられている。ダイオード領域１１０に設けられたｐベース領域がアノード領域１１２である。エミッタ電極１０６は、ｐベース領域１０２およびエミッタ領域１０３に接する。また、エミッタ電極１０６は、アノード領域１１２に接し、アノード電極として機能する。
【０００４】
ｎドリフト領域１０１となる半導体基板の裏面には、ＩＧＢＴ領域１００にｐコレクタ領域１０７が設けられ、ダイオード領域１１０にｎカソード領域１１７が設けられている。コレクタ電極１０８は、ｐコレクタ領域１０７と電気的に接続する。また、コレクタ電極１０８は、ｎカソード領域１１７と電気的に接続し、カソード電極としても機能する。このように同一の半導体基板内にＩＧＢＴおよびダイオードを設けることにより、それぞれ個別素子を組み合わせて用いる場合に比べて小型化および低コスト化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９７３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＲＣ−ＩＧＢＴに設けられたダイオード領域は、順方向に回生電流を流している状態では、ＩＧＢＴ領域１００は導通しないが、ダイオード領域１１０は順バイアスとなっている。この時、ダイオード領域１１０のアノード領域１１２からホールが注入され、ｎドリフト領域１０１に多くのキャリア（正孔）が蓄積された状態になる。
ＲＣ−ＩＧＢＴが回生動作を終了して逆回復動作（リカバリー動作）に移行すると、ダイオード領域１１０は逆バイアスとなる。すると、ｎドリフト領域１０１内に空乏層が広がり、ｎドリフト領域１０１に蓄積されたキャリアはホールがアノード領域１１２に、電子がｎカソード領域１１７に引き出されて、逆回復電流（リカバリー電流）が生じる。
短時間にｎドリフト領域１０１の部分に空乏層が生じてしまうと、コレクタ電極１０８とエミッタ電極１０６間に逆回復電流の絶対値（大きなノイズ）が流れてしまい、これによってＲＣ−ＩＧＢＴと接続した回路が誤動作する場合がある。
【０００７】
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、スイッチング特性を改善することができる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、
第1導電型の第1半導体領域と、第1半導体領域上に設けられた、第1導電型と反対の第２導電型の第２半導体領域と、第２半導体領域上に設けられた、第1導電型の第３半導体領域と、第1半導体領域から見て第２半導体領域と反対側に設けられた、第２導電型の第４半導体領域と、を含む活性領域と、第２半導体領域と第３半導体領域とに電気的に接続した上側電極と、第1半導体領域と第４半導体領域とに電気的に接続した下側電極と、活性領域の外側に設けられた耐圧改善領域と、耐圧改善領域の外側であって、第1半導体領域の下側電極と反対側に設けられた、第1半導体領域よりも不純物濃度が高い第1導電型の第５半導体領域と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかる半導体装置によれば、スイッチング特性を改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１にかかる半導体装置を示す断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体装置を示す平面図である。
【図３】実施の形態１にかかる半導体装置の動作を示す図である。
【図４】従来の半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の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。
【００１２】
（実施の形態１）
実施の形態１の半導体装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして機能する部分（ＩＧＢＴ）とＩＧＢＴのオフ時に電流を迂回還流させるためのダイオードとして機能する部分とが一体で形成された半導体装置であって、図１で示すように構成される。
【００１３】
図１で示す半導体装置において、ＩＧＢＴとして機能する部分は、Ｎ型半導体領域１の一方の面側に形成されたＰ型ベース領域２と、Ｐ型ベース領域２上にＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が高いＮ型不純物がドープされたＮ型エミッタ領域３と、Ｎ型エミッタ領域３とＮ型半導体領域１で挟まれたＰ型ベース領域２上に形成されたゲート絶縁膜４と、ゲート絶縁膜４を介してＰ型ベース領域２に対向するように形成されたゲート電極５と、ゲート電極５とは層間絶縁膜６により絶縁され且つＮ型エミッタ領域３及びＰ型ベース領域２と電気的に接続するように形成されたエミッタ電極７と、Ｎ型半導体領域１の他方の面に形成されたＰ型コレクタ領域８と、Ｐ型コレクタ領域８と電気的に接続するように形成されたコレクタ電極９とを含み、Ｎ型半導体領域１の一部をＮ型ベース領域１ａとすることによって構成されている。図１で示す半導体装置において、ＩＧＢＴとして機能する部分を含む箇所が活性領域２０である。なお、Ｐ型ベース領域２上のＮ型エミッタ領域３は、Ｐ型ベース領域２の上面の一部にＮ型エミッタ領域３が形成された場合も含まれる。
【００１４】
また、実施の形態１の半導体装置では、Ｎ型半導体領域１の他方の面において、Ｐ型コレクタ領域８に隣接してＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が高いＮ型半導体領域からなる第1のカソード領域１０を形成し、その第1のカソード領域１０と電気的に接続するようにコレクタ電極９を形成することにより、Ｐ型ベース領域２とＮ型ベース領域１ａのＰＮ接合を利用して、エミッタ電極７とコレクタ電極９の間にＩＧＢＴのオフ時に電流を迂回還流させるための第1のダイオードを構成している。尚、エミッタ電極７は第1のダイオードとして機能する部分のアノード電極としても機能し、コレクタ電極９は第1のダイオードとして機能する部分のカソード電極としても機能する。
【００１５】
また、実施の形態１の半導体装置では、Ｎ型半導体領域１の一方の面側において、Ｐ型ベース領域２よりも外側に、複数のＰ型半導体領域１１が配置され、Ｎ型ベース領域１ａと複数のＰ型領域１１とでｐｎ接合を構成した耐圧改善領域３０が構成されている。図２で示すように、実施の形態１の半導体装置を平面的に見て、この耐圧改善領域３０は活性領域２０を取り囲むように構成されている。つまり、複数のＰ型半導体領域１１は活性領域２０を取り囲むように構成されている。なお、耐圧改善領域３０として周知のガードリング構造を例として挙げたが、１つのＰ型半導体領域１１を設けたリサーフ構造、Ｎ型半導体領域１の一方の面上に設けた周知のフィールドプレート構造、又はこれらの何れかを組合せた耐圧改善領域３０を採用しても良いことは勿論である。
【００１６】
また、実施の形態１の半導体装置では、耐圧改善領域３０の外側であって、Ｎ型半導体領域１の一方の面側に、Ｎ型ベース領域１ａよりも不純物濃度が高いＮ型半導体領域からなる第２のカソード領域１２を備える。実施の形態１の半導体装置を平面的に見て、第２のカソード領域１２は耐圧改善領域３０を囲むように環状に形成しても良いし、図２で示すように第２のカソード領域１２は半導体装置の角部側のみに三角形状に形成してもよい。また、第２のカソード領域１２は半導体装置の少なくとも１つの角部側のみに形成しても良い。また、実施の形態１の半導体装置を平面的に見て、第２のカソード領域１２は半導体装置の角部の間であって、且つ耐圧改善領域３０の外側の領域に形成しても良い。
第２のカソード領域１２上に補助電極１３を設けて、補助電極１３とコレクタ電極９とをワイヤ等の導体で電気的に接続しても良い。その場合、補助電極１３は平面的に見て第２のカソード領域１２の全面に形成されていなくてもよい。
【００１７】
実施の形態１の半導体装置は、第２のカソード領域１２、Ｎ型ベース領域１ａ、及びＰ型ベース領域２との構成を利用して、エミッタ電極７と補助電極１３の間にＩＧＢＴのオフ時に電流を迂回還流させるための第２のダイオードを構成している。尚、エミッタ電極７は第２のダイオードのアノード電極として機能する部分としても機能し、補助電極１３は第２のダイオードとして機能する部分のカソード電極として機能する。
なお、第２のカソード領域１２と第１のカソード領域１０がＮ型ベース領域１ａを介して電気的に接続されていることから、補助電極１３を設けて補助電極１３をコレクタ電極９と電気的に接続しなくても第２のダイオードとして機能させることができる。また、補助電極１３はコレクタ電極９とは異なる材料としても良い。コレクタ電極９はＰ型コレクタ領域及び第1のカソード領域１０と比較的オーミック性の高い電極材料から選定する必要はあるが、補助電極１３は第２のカソード領域１２と比較的オーミック性の高い電極材料で構成すればよい。コレクタ電極９は例えばＰｄ又は合金化したＡｌ又はこれらの何れ１つの上にＴｉ／Ｎｉ／Ａｕを更に積層した電極から成り、補助電極１３は例えばＡｌ電極又はＡｌ／Ｎｉ／Ａｕ電極から成る。
【００１８】
第２のカソード領域１２直下のＮ型ベース領域１ａの少なくとも一部は完全に空乏化せず、未空乏となる。
ここで、第２のカソード領域１２は第1のカソード領域１０よりも幅を広く形成することが望ましく、第２のカソード領域１２の幅は５０μｍ以上且つ６００μｍ以下であることが望ましい。第２のカソード領域１２の幅を５０ｎｍ以上とすることで、半導体装置が回生動作からリカバリーモードに移行した際に、第２のカソード領域１２直下に設けられたＮ型ベース領域１ａの領域の少なくとも一部は完全に空乏化せず、未空乏とすることができる。その結果、Ｎ型ベース領域１ａ内に残留したキャリアが再結合して消滅するまでにある程度の時間を要するので、半導体装置が回生動作からリカバリーモードに移行した際に発生するノイズが抑制され、半導体装置のスイッチング特性を改善することができる。なお、第２のカソード領域１２又は／及び第１のカソード領域１０を半導体装置の角部のみに形成する場合、図２で示すように半導体装置の対角線方向の長さを幅ｗとして定義する。
【００１９】
また、活性領域２０の面積を同じとして第1のカソード領域１０を広くした場合、逆にＰ型コレクタ領域８が小さくなり、活性領域２０に占めるＩＧＢＴとして機能する部分も小さくなってしまう。特に図１のようにＰ型コレクタ領域８に挟まれるように第1のカソード領域１０を設ける場合、その影響がより顕著となる。Ｎ型半導体領域１の一方の面側の耐圧改善領域３０の外側に第2のカソード領域１２を設けることによって、第1のカソード領域１０を広くすることもなく、ダイオードとして機能する部分を広げることができる。
【００２０】
また、第２のダイオードとして機能する部分を実質的に横方向の電流の流れとすることで、縦方向のＩＧＢＴの電流の流れと分離することができる。これにより、ＩＧＢＴの耐圧を確保するために所望の比較的厚いＮ型ベース領域１ａを採用したとしても、第２のダイオードとして機能する部分の抵抗値を実質悪化させてしまう心配が無い。
【００２１】
＜実施の形態１の半導体装置の動作の説明＞
図１で示す実施の形態１の半導体装置において、ゲート電極５にしきい値以上の正のバイアスを印加して、コレクタ電極９にエミッタ電極７よりも高い所定の電圧を印加すると、絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして機能する部分がＯＮ状態となり、伝導度変調によって、Ｐ型コレクタ領域８、Ｎ型ベース層１ａ、Ｐ型ベース層２及びＮ型エミッタ領域３を経由するように電流が流れる。この時、第1のダイオード及び第2のダイオードとして機能する部分は逆バイアスとなるので、オフ（逆バイアス）状態となっている。
【００２２】
また、図１の半導体装置において、ゲート電極５に閾値電圧以下のバイアスを印加して、エミッタ電極７にコレクタ電極９よりも高い所定の電圧を印加すると、絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして機能する部分は導通しないが、第1のダイオードとして機能する部分は順バイアスとなり、エミッタ電極７からＰ型ベース領域２、Ｎ型ベース領域１ａ、及びカソード領域１０を経由してコレクタ電極９に電流が流れる。また、第２のダイオードとして機能する部分は順バイアスとなり、エミッタ電極７からＰ型ベース領域２、Ｎ型ベース領域１ａ、及びＮ型半導体領域１２を経由して補助電極１３（又はコレクタ電極９）に電流が流れる。
第1及び第2のダイオードがオンした状態では、アノード層であるＰ型ベース層２からホールの注入が必要以上に過剰に起こり、Ｎ型ベース層１ａにキャリア（正孔）が過剰に蓄積された状態になる。
【００２３】
その後、ゲート電極５に閾値電圧以下のバイアスを印加した状態で、コレクタ電極９にエミッタ電極７よりも高い電圧を印加すると、半導体装置の第1及び第2のダイオードが回生動作から逆回復動作（リカバリー動作）に移行して、第1及び第2のダイオード部は逆バイアスとなり、第1及び第2のダイオード部は導通しない。この時、半導体装置は、Ｐ型ベース領域２とＮ型ベース領域１ａとの界面から広がる空乏層が図３のように広がり、Ｎ型ベース領域１ａに蓄積されたキャリアはホールがＰ型ベース領域２に、電子が第1のカソード領域１０及び第2のカソード領域１２に引き出されて、逆回復電流（リカバリー電流）として半導体装置から引き出される。このとき、Ｎ型半導体領域１２直下のＮ型ベース領域１ａの少なくとも一部は完全に空乏化せず、Ｎ型ベース領域１ａ内にキャリアが残存した未空乏領域が残っている。このキャリアが再結合で消滅するまでにある程度の時間を要するので、第１のダイオード及び第２のダイオードにおける逆回復電流の立ち上がり波形が緩やかになり、半導体装置が回生動作からリカバリー動作に移行した際のノイズが抑制され、スイッチング特性を改善することができる。
【００２４】
なお、リカバリー時において、逆回復電流が流れた後、直ぐには電流がゼロにはならず、時定数の大きいリバースリカバリー電流が流れる。このリバースリカバリー電流を抑制のために、第1のカソード領域１０及び第2のカソード領域１２を設けることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００２６】
１・・・Ｎ型半導体領域
２・・・Ｐ型ベース領域
３・・・Ｎ型エミッタ領域
４・・・ゲート絶縁膜
５・・・ゲート電極
６・・・層間絶縁膜
７・・・エミッタ電極
８・・・Ｐ型コレクタ領域
９・・・コレクタ電極
１０・・第1のカソード領域
１１・・Ｐ型半導体領域
１２・・第２のカソード領域
１３・・補助電極
２０・・活性領域
３０・・耐圧改善領域
【図１】
0006561496.tif 000002
【図２】
0006561496.tif 000003
【図３】
0006561496.tif 000004
【図４】
0006561496.tif 000005