(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板において、
絶縁ゲートトレンチにより前記半導体基板の主面側の表層部に形成された第２導電型のベース層が分断され、前記分断されたベース層の領域で、エミッタ電極に接続されるボディ領域とエミッタ電極に接続されないフローティング領域とが構成され、前記半導体基板の裏面側の表層部に第２導電型の第１拡散層が形成されてなる間引きチャネル型ＩＧＢＴと、
前記ＩＧＢＴに逆並列に接続されるダイオードであって、前記半導体基板の主面側の表層部に第２導電型の拡散領域が形成され、前記半導体基板の裏面側の表層部に第１導電型で該半導体基板より不純物濃度の高い第２拡散層が形成されてなるダイオードとが、
それぞれ、セルの集合体として形成されてなり、
前記第２拡散層上における前記ダイオードのセルの集合体でダイオードセル領域が構成され、
前記第１拡散層上における前記ＩＧＢＴのセルの集合体でＩＧＢＴセル領域が構成され、
前記ＩＧＢＴセル領域が、単位セルが繰り返し配置されてなる単位セル領域と、前記ダイオードセル領域に隣接する境界セル領域とからなり、
前記境界セル領域における隣り合った前記絶縁ゲートトレンチの間隔が、前記単位セル領域において前記フローティング領域を構成する前記絶縁ゲートトレンチの間隔に較べて狭く設定され、
前記境界セル領域が、前記ボディ領域を含むように構成されてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチの間隔が、
前記単位セル領域において前記ボディ領域を構成する絶縁ゲートトレンチの間隔に等し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】
前記境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチの間隔が、
前記ダイオードセル領域に近づくほど狭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４】
前記境界セル領域が、
前記ボディ領域のみで構成されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記境界セル領域において、
前記ボディ領域と前記フローティング領域が交互に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記境界セル領域において、前記フローティング領域を構成する絶縁ゲートトレンチの間隔が、
前記ダイオードセル領域に近づくほど狭いことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記境界セル領域における絶縁ゲートトレンチが、
前記単位セル領域における絶縁ゲートトレンチと同じ深さで形成されてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記境界セル領域における絶縁ゲートトレンチが、
前記単位セル領域における絶縁ゲートトレンチより浅く形成されてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記ダイオードセル領域において、
前記単位セル領域における前記絶縁ゲートトレンチと同じ深さで同じ断面構造の絶縁トレンチが形成されてなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記絶縁トレンチが、前記ダイオードセル領域において、繰り返し配置されてなることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記ＩＧＢＴセル領域における前記ベース層が、前記ダイオードセル領域に延設されて前記拡散領域として機能し、
前記単位セル領域における前記絶縁ゲートトレンチと同じ深さで同じ断面構造の第２絶縁ゲートトレンチが、前記ダイオードセル領域に形成されてなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記ダイオードセル領域における前記半導体基板の主面側に、前記単位セル領域における前記半導体基板の主面側と同じ前記単位セルの断面構造が、繰り返し形成されてなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第２絶縁ゲートトレンチが、前記ＩＧＢＴセル領域における前記絶縁ゲートトレンチと並列接続されてなることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第２絶縁ゲートトレンチが、前記エミッタ電極に短絡されてなることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記ダイオードセル領域における前記半導体基板の主面側に、第１導電型のエミッタ領域を除いて前記単位セル領域における前記半導体基板の主面側と同じ前記単位セルの断面構造が、繰り返し形成されてなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記ダイオードセル領域における前記ベース層の一部に、前記第２絶縁ゲートトレンチに隣接して第１導電型のエミッタ領域が形成され、
前記ベース層の一部が、前記エミッタ領域を除いて、前記エミッタ電極に接続されてなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体装置が、
インバータ回路の構成に用いられる半導体装置であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記半導体装置が、
車載用の半導体装置であることを特徴とする請求項１乃至１７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、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧を交流電圧に変換して誘導性のモータ等（インダクタンスＬ）に給電するインバータ回路は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ、Insulated Gate BipolarTransistor）と該ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードとからなる半導体装置で構成される。
【０００３】
図２３は、上記インバータ回路の基本構成要素を示す図で、図２３（ａ）は、ＩＧＢＴ１００ｉとダイオード１００ｄが逆並列に接続された半導体装置１００の等価回路図である。
【０００４】
図２３（ｂ）は、例えば３相交流を発生するインバータ回路において、１相分に相当するユニットの基本構成を示す図である。半導体装置１０１，１０２は、図２３（ａ）の半導体装置１００と同じものである。インバータ回路においては、図２３（ｂ）に示すように、半導体装置１０１，１０２が、直流電源と接地電位の間に２個直列に接続されて用いられる。ここで、各半導体装置１０１，１０２におけるＩＧＢＴは、スイッチング素子として用いられる。また、各半導体装置１０１，１０２におけるダイオードは、ＩＧＢＴのオフ中に出力に接続されている負荷インダクタンスＬ（図示省略）に流れる電流を迂回還流させ、インダクタンスＬを流れる電流がＩＧＢＴのスイッチングによって急激に変化しないようにしている。このような動作を行うため、ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードは、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ、FreeWheel Diode）と呼ばれている。
【０００５】
図２３（ａ）に示す半導体装置１００は、ＩＧＢＴ１００ｉとダイオード１００ｄをそれぞれ別の半導体基板（半導体チップ）に形成して構成することも可能であるが、小型化のためには、ＩＧＢＴ１００ｉとダイオード１００ｄが同じ半導体基板に形成されてなることが好ましい。このＩＧＢＴとダイオードが同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置が、例えば、特開２００５−１０１５１４号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００６】
図２４は、特許文献１に開示されている半導体装置（ＦＷＤ内蔵型の絶縁ゲート型トランジスタ）９１の模式的な断面図である。
【０００７】
図２４の半導体装置９１においては、ＩＧＢＴセル毎に、ウエル状のＰベース層２が形成され、その直下の裏面側部分にコレクタＰ＋層５及びカソードＮ＋層４が形成されている。各ＩＧＢＴセルのＰベース層２は、絶縁ゲートトレンチ６によってその底部が貫通され且つエミッタ領域３を有する平坦領域２ＦＲと、平坦領域２ＦＲを挟み込む第１及び第２サイド拡散領域２ＳＤＲ１，２ＳＤＲ２を有している。第１サイド拡散領域２ＳＤＲ１は、カソードＮ＋層４の直上に位置している。半導体装置９１のＩＧＢＴユニットにおいては、Ｎ＋カソード層４が、Ｐ＋コレクタ層５に隣接する様に形成されており、Ｎ＋カソード層４、Ｎ−基板１およびＰベース層２とで、ダイオード部が構成される。このダイオード部のアノード電極とカソード電極は、それぞれＩＧＢＴユニットのエミッタ電極１０とコレクタ電極１１と共通化されており、ＩＧＢＴユニットに対して逆並列に接続された構成となっている。
【０００８】
半導体装置９１におけるＩＧＢＴセルは、トレンチ型ゲート電極を有するＩＧＢＴである。トレンチ型ゲート電極を有するＩＧＢＴは、ウエハ表面にゲート電極を設けるいわゆるプレーナ型ＩＧＢＴに比べ、絶縁ゲートトレンチ６の両脇にチャネルを形成してチャネル密度を大きくすることができ、オン電圧を低くすることができる。一方、トレンチ型ＩＧＢＴにおいて、オン電圧だけでなくスイッチング損失も低くしてトータルの発生損失を低減したＩＧＢＴが、例えば、特開２００１−３０８３２７号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００９】
図２５は、特許文献２に開示されているＩＧＢＴ（絶縁ゲート型半導体装置）９２ｉの模式的な断面図である。
【００１０】
図２５のＩＧＢＴ９２ｉは、シリコン基板２１、低不純物濃度のＮ型ドリフト層２２、Ｐ型ベース領域２３、ｎ＋ソース領域２４、Ｐ型ベース領域２３を貫通する溝に配設されたゲート酸化膜２５とゲート電極２６、層間絶縁膜２７、ｎ＋ソース領域２４に接続するエミッタ電極２８、およびシリコン基板２１の他面に接続するコレクタ電極２９とを備えている。絶縁ゲートトレンチ２６で分断されたＰ型ベース領域２３の領域のうち、トレンチ溝にはさまれたｎ＋ソース領域２４が形成されているボディ領域２３ａは、エミッタ電極２８に接続されており、ＩＧＢＴのチャネル形成領域として機能する。また、ｎ＋ソース領域２４が形成されておらず、エミッタ電極２８に接続されていないフローティング領域２３ｂは、キャリアを蓄積する領域として機能する。上記構造ため、図２５のＩＧＢＴ９２ｉは、間引きチャネル型ＩＧＢＴと呼ぶことができる。特許文献２によれば、ボディ領域２３ａとフローティング領域２３ｂの幅の比が１：２〜１：７である場合に、オン電圧だけでなくスイッチング損失も低くして、ＩＧＢＴ９２ｉのトータルの発生損失を低減することができる。
【特許文献１】特開２００５−１０１５１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３０８３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記したように、図２５に示す間引きチャネル型ＩＧＢＴ９２ｉは、図２４の半導体装置９１におけるフローティング領域を持たない通常のＩＧＢＴに較べて、オン電圧だけでなくスイッチング損失も低減することができる。一方、間引きチャネル型ＩＧＢＴをインバータ回路に適用するにあたっては、特に、図２４に示す半導体装置９１のように、ダイオード内蔵型のＩＧＢＴからなる半導体装置とすることが好ましい。しかしながら、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板に形成された半導体装置については、これまでのところ、十分な検討がなされていない。
【００１２】
そこで本発明は、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板に形成された半導体装置であって、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードの相互干渉を抑制することができ、小型で安価に製造することのできる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】
【００１３】
請求項１に記載の半導体装置は、第１導電型の半導体基板において、絶縁ゲートトレンチにより前記半導体基板の主面側の表層部に形成された第２導電型のベース層が分断され、前記分断されたベース層の領域で、エミッタ電極に接続されるボディ領域とエミッタ電極に接続されないフローティング領域とが構成され、前記半導体基板の裏面側の表層部に第２導電型の第１拡散層が形成されてなる間引きチャネル型ＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴに逆並列に接続されるダイオードであって、前記半導体基板の主面側の表層部に第２導電型の拡散領域が形成され、前記半導体基板の裏面側の表層部に第１導電型で該半導体基板より不純物濃度の高い第２拡散層が形成されてなるダイオードとが、それぞれ、セルの集合体として形成されてなり、前記第２拡散層上における前記ダイオードのセルの集合体でダイオードセル領域が構成され、前記第１拡散層上における前記ＩＧＢＴのセルの集合体でＩＧＢＴセル領域が構成され、前記ＩＧＢＴセル領域が、単位セルが繰り返し配置されてなる単位セル領域と、前記ダイオードセル領域に隣接する境界セル領域とからなり、前記境界セル領域における隣り合った前記絶縁ゲートトレンチの間隔が、前記単位セル領域において前記フローティング領域を構成する前記絶縁ゲートトレンチの間隔に較べて狭く設定され、前記境界セル領域が、前記ボディ領域を含むように構成されてなることを特徴としている。
【００１４】
上記半導体装置は、フローティング領域を持った間引きチャネル型ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードとが第１導電型の同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置である。
【００１５】
一般的に、ＩＧＢＴとダイオードを逆並列に接続して同じ半導体基板に形成する場合、ＩＧＢＴのエミッタ電極に接続される第２導電型のボディ領域はダイオードのアノード領域である前記拡散領域と同じ導電型となり、ダイオードのアノード電極とＩＧＢＴのエミッタ電極は共通接続される。このため、ＩＧＢＴのボディ領域は寄生のボディダイオードとして動作し、ＩＧＢＴとダイオードの相互干渉が起きる。逆並列に接続されたＩＧＢＴとダイオードとからなる半導体装置は、例えばインバータ回路において２個一組として用いられるが、この場合においては、上記したＩＧＢＴとダイオードの相互干渉のうち、ダイオードのリカバリ特性が特に問題となる。すなわち、インバータ回路においてダイオードをフリーホイールダイオード（ＦＷＤ、FreeWheel Diode）として機能させた場合、該ＦＷＤがオンからオフへ切り替わる際に、逆方向にオーバーシュート電流が流れる。このオーバーシュート電流は、通常のＩＧＢＴとダイオードの組み合わせからなる半導体装置においては、ＩＧＢＴのボディダイオードがオンの時に蓄積したキャリアが、オフへ切り替わる際に外部に掃き出されて生じる電流であることがわかっている。
【００１６】
一方、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードの組み合わせからなる半導体装置については、前述したようにこれまでほとんど検討がなされておらず、また幅の広いフローティング領域を有しているため、それらの相互干渉については知られていなかった。発明者らは、上記半導体装置についてシミュレーションを行った結果、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードを単純に隣接して配置した場合には、ダイオードに最も近いＩＧＢＴのボディダイオードにおいて、ホール電流密度の集中が起きることがわかった。すなわち、該ボディダイオードの絶縁ゲートトレンチ下部においてリカバリ動作時に電界集中が生じ、ＩＧＢＴの耐圧より遥かに低い電圧でアバランシェを誘発して、電流集中によりＩＧＢＴセルの破壊が起きてしまうことが判明した。
【００１７】
このため、上記半導体装置においては、前記第２拡散層上におけるダイオードセル領域と前記第１拡散層上におけるＩＧＢＴの単位セル領域の間を境界セル領域として、当該境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチの間隔が、単位セル領域においてフローティング領域を構成する絶縁ゲートトレンチの間隔に較べて狭くなるようにすると共に、境界セル領域がボディ領域を含むように構成している。シミュレーションによれば、上記半導体装置においては、境界セル領域を設けずに間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードを単純に隣接して配置した半導体装置に較べて、ダイオードに近いＩＧＢＴの単位セル領域のボディダイオードにおいてホール電流密度の集中が緩和され、全体としてオーバーシュート電流も低減される。すなわち、上記半導体装置においては、絶縁ゲートトレンチが単位セル領域のフローティング領域よりも狭いピッチで配置されてなる境界セル領域を使用して、絶縁ゲートトレンチ下部においてアバランシェによって発生する逆方向に流れる電流を分散して、ＩＧＢＴセルのリカバリ時における破壊耐量を改善することができる。
【００１８】
以上のようにして、上記半導体装置は、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板に形成された半導体装置であって、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードの相互干渉を抑制した破壊耐量の高い半導体装置とすることができる。
【００１９】
上記半導体装置は、例えば請求項２に記載のように、前記境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチの間隔が、前記単位セル領域において前記ボディ領域を構成する絶縁ゲートトレンチの間隔に等しいように構成することができる。
【００２０】
これによれば、当該半導体装置の境界セル領域において、ほぼ均一な電界強度分布が得られることとなる。このため、当該境界セル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流を一様に分散させて、ダイオードに近いＩＧＢＴの単位セル領域のボディダイオードにおける電流密度の集中を緩和することができる。
【００２１】
また、上記半導体装置は、請求項３に記載のように、前記境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチの間隔が、前記ダイオードセル領域に近づくほど狭いように構成してもよい。
【００２２】
これによれば、当該半導体装置の境界セル領域において、電界強度分布がダイオードからＩＧＢＴの単位セル領域に近づくに従って、連続的に変化することとなる。このため、当該境界セル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流を連続的に変化するように分散させて、ダイオードに近いＩＧＢＴの単位セル領域のボディダイオードにおける電流密度の集中を緩和することができる。
【００２３】
上記半導体装置においては、請求項４に記載のように、前記境界セル領域が、前記ボディ領域のみで構成されてなることが好ましい。この場合には、該境界セル領域の全体がＩＧＢＴの電流容量拡大に寄与するため、小型の半導体装置とすることができる。
【００２４】
また、上記半導体装置においては、請求項５に記載のように、前記境界セル領域において、前記ボディ領域と前記フローティング領域が交互に配置されてなるようにしてもよい。さらに、この場合には、例えば請求項６に記載のように、前記境界セル領域において、前記フローティング領域を構成する絶縁ゲートトレンチの間隔が、前記ダイオードセル領域に近づくほど狭いように構成してもよい。
【００２５】
この場合には、該境界セル領域においても間引きチャネル型ＩＧＢＴの構造を保ったままで、電界強度分布をダイオードからＩＧＢＴの単位セル領域に近づくに従って連続的に変化させることができる。
【００２６】
上記半導体装置においては、請求項７に記載のように、前記境界セル領域における絶縁ゲートトレンチが、前記単位セル領域における絶縁ゲートトレンチと同じ深さで形成されてなるこが好ましい。これによれば、絶縁ゲートトレンチを境界セル領域において上記所定の配置関係となるように設定するだけで、特別な工程を追加することなく上記半導体装置を製造することができる。このため、上記半導体装置を、安価な半導体装置とすることができる。
【００２７】
一方、上記半導体装置においては、請求項８に記載のように、前記境界セル領域における絶縁ゲートトレンチが、前記単位セル領域における絶縁ゲートトレンチより浅く形成されてなるように構成することもできる。この場合には、単位セル領域と境界セル領域の絶縁ゲートトレンチを同じ深さで形成する場合に較べて、境界セル領域における電界強度が低減されることとなる。このため、当該境界セル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流の密度を低減して、電流集中を緩和することができる。
【００２８】
また、上記半導体装置は、請求項９に記載のように、前記ダイオードセル領域において、前記単位セル領域における前記絶縁ゲートトレンチと同じ深さで同じ断面構造の絶縁トレンチが形成されてなる構成としてもよい。
【００２９】
これによれば、上記絶縁トレンチを形成しない場合に較べて、ダイオードセル領域における電界強度が増大することとなる。このため、リカバリ時の逆方向に流れる電流は、上記絶縁トレンチを形成しない場合に較べて、ダイオードセル領域において増大し、ＩＧＢＴセル領域において減少する。これによって、リカバリ時の逆方向に流れる電流を当該半導体装置に全体に亘って分散させ、電流集中を緩和することができる。
【００３０】
この場合、請求項１０に記載のように、前記絶縁トレンチが、前記ダイオードセル領域において、繰り返し配置されてなることが好ましい。これによれば、上記ダイオードセル領域において、均一な電界強度分布が得られることとなる。このため、上記ダイオードセル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流を一様に分散させて、電流密度の集中を緩和することができる。
【００３１】
一方、上記半導体装置は、請求項１１に記載のように、前記ＩＧＢＴセル領域における前記ベース層が、前記ダイオードセル領域に延設されて前記拡散領域として機能し、前記単位セル領域における前記絶縁ゲートトレンチと同じ深さで同じ断面構造の第２絶縁ゲートトレンチが、前記ダイオードセル領域に形成されてなる構成とすることもできる。
【００３２】
これによれば、上記ベース層がダイオードのアノード領域である前記拡散領域として機能するため、例えばダイオードセル領域にダイオード専用のアノード領域である前記拡散領域を形成する場合に較べて、製造コストを低減することができる。
【００３３】
この場合、例えば請求項１２に記載のように、前記ダイオードセル領域における前記半導体基板の主面側に、前記単位セル領域における前記半導体基板の主面側と同じ前記単位セルの断面構造が、繰り返し形成されてなる構成とすることができる。
【００３４】
この場合には、半導体基板の主面側がＩＧＢＴセル領域の単位セル領域とダイオードセル領域で同じ構造となるため、設計・製造が簡単になり、これによっても製造コストを低減することができる。
【００３５】
また、この場合、請求項１３に記載のように、前記第２絶縁ゲートトレンチが、前記ＩＧＢＴセル領域における前記絶縁ゲートトレンチと並列接続されてなる構成とすることもできるし、請求項１４に記載のように、前記第２絶縁ゲートトレンチが、前記エミッタ電極に短絡されてなる構成とすることもできる。
【００３６】
前者の第２絶縁ゲートトレンチをＩＧＢＴセル領域の絶縁ゲートトレンチと並列接続する場合には、ダイオードセル領域における主面側に形成された構造部分もＩＧＢＴとして機能させることができ、該構造部分をＩＧＢＴの電流容量拡大に寄与させることができる。一方、後者の第２絶縁ゲートトレンチをエミッタ電極に短絡する場合には、ダイオードセル領域における主面側に形成された構造部分はＩＧＢＴとして機能せず、該構造部分をダイオード専用に機能させることができる。これによって、ダイオード設計が容易になる。
【００３７】
上記したダイオードセル領域をダイオード専用に機能させる別の方法として、例えば請求項１５に記載のように、前記ダイオードセル領域における前記半導体基板の主面側に、第１導電型のエミッタ領域を除いて前記単位セル領域における前記半導体基板の主面側と同じ前記単位セルの断面構造が、繰り返し形成されてなる構成としてもよい。これによれば、ＩＧＢＴセル領域の単位セル領域と同じゲート配線パターンをダイオードセル領域に用いることができ、ダイオード設計がさらに容易になる。
【００３８】
また、請求項１６に記載のように、前記ダイオードセル領域における前記ベース層の一部に、前記第２絶縁ゲートトレンチに隣接して第１導電型のエミッタ領域が形成され、前記ベース層の一部が、前記エミッタ領域を除いて、前記エミッタ電極に接続されてなる構成としてもよい。これによっても、ダイオードセル領域をダイオード専用に機能させることができ、ダイオード設計が容易になる。
【００３９】
以上のようにして、上記半導体装置は、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板に形成された半導体装置であって、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードの相互干渉を抑制することができ、破壊耐量が高く、小型で安価に製造することのできる半導体装置となっている。
【００４０】
従って、上記半導体装置は、請求項１７に記載のように、インバータ回路の構成に用いられる半導体装置として好適である。
【００４１】
また、自動車等の車両においては、直流電源が使用されると共に、モータ等に給電するための高電圧で大電流容量のインバータ回路が必要である。このため、小型で安価に製造することのできる上記半導体装置は、請求項１８に記載のように、車載用の半導体装置として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。
【００４３】
本発明は、フローティング領域を持つ間引きチャネル型ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードとが同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置に関する。当該半導体装置における間引きチャネル型ＩＧＢＴは、図２５において説明したように、フローティング領域を持たない通常のＩＧＢＴに較べて、オン電圧だけでなく、スイッチング損失も低減できる長所がある。
【００４４】
一般的に、ＩＧＢＴとダイオードを逆並列に接続して第１導電型の同じ半導体基板に形成する場合、ＩＧＢＴのエミッタ電極に接続されるボディ領域（チャネル形成領域）はダイオードのアノード領域と同じ第２導電型となり、ダイオードのアノード電極とＩＧＢＴのエミッタ電極が共通接続される。このため、図２４の半導体装置９１に見られるように、ＩＧＢＴのボディ領域（チャネル形成領域）２が寄生のボディダイオードとして動作し、ＩＧＢＴとダイオードの相互干渉が起きる。
【００４５】
逆並列に接続されたＩＧＢＴとダイオードとからなる半導体装置は、例えばインバータ回路において２個一組として用いられるが、この場合においては、上記したＩＧＢＴとダイオードの相互干渉のうち、ダイオードのリカバリ特性が特に問題となる。すなわち、インバータ回路においてダイオードをフリーホイールダイオード（ＦＷＤ、FreeWheel Diode）として機能させた場合、該ＦＷＤがオンからオフへ切り替わる際に、逆方向にオーバーシュート電流が流れる。このオーバーシュート電流は、通常のＩＧＢＴとダイオードの組み合わせからなる半導体装置においては、ＩＧＢＴのボディダイオードがオンの時に蓄積したキャリアが、オフへ切り替わる際に外部に掃き出されて生じる電流であることがわかっている。
【００４６】
フローティング領域を持たない通常のＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置は、これまで種々の検討がなされてきている。一方、本発明にかかる間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードの組み合わせからなる半導体装置は、これまでほとんど検討されてこなかった。また、間引きチャネル型ＩＧＢＴは、通常、幅の広いフローティング領域を有しており、上記したＩＧＢＴとダイオードの相互干渉に係る問題も明らかにされていない。
【００４７】
そこで、最初に、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードを単純に隣接して配置した半導体装置について、素子特性をシミュレートした。
【００４８】
図１は、上記間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードを単純に隣接して配置した、半導体装置１１０の模式的な断面図である。
【００４９】
図１に示す半導体装置１１０は、間引きチャネル型ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに逆並列に接続されてなるダイオードとが、それぞれ、セルの集合体として、同じＮ導電型（Ｎ−）の半導体基板３１に形成されてなる半導体装置である。半導体装置１１０においては、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが、単純に隣接して配置されている。すなわち、半導体装置１１０においては、図１に示すように、半導体基板３１の裏面側の表層部にＮ導電型で該半導体基板３１より不純物濃度の高い第２拡散層（Ｎ導電型（Ｎ＋）層）３６上におけるダイオードのセルの集合体でダイオードセル領域が構成され、半導体基板３１の裏面側の表層部に形成されたＰ導電型の第１拡散層（Ｐ導電型（Ｐ＋）層）３３上におけるＩＧＢＴの単位セルの集合体でＩＧＢＴセル領域が構成されており、ダイオードセル領域とＩＧＢＴセル領域が隣接して配置されている。
【００５０】
半導体装置１１０のＩＧＢＴセル領域では、半導体基板３１の主面側の表層部に形成されたＰ導電型（Ｐ）のベース層３２が、絶縁ゲートトレンチＧＴにより分断されている。この分断されたベース層３２の各領域で、それぞれ、エミッタ電極Ｅに接続されるボディ領域３２ｂとエミッタ電極Ｅに接続されないフローティング領域３２ｆとが構成されている。尚、絶縁ゲートトレンチＧＴに隣接してボディ領域３２ｂ内に形成されているＮ導電型（Ｎ＋）領域３７が、ＩＧＢＴのエミッタ領域となっている。また、ベース層３２に対向して、半導体基板３１の裏面側の表層部に、ＩＧＢＴのコレクタ電極Ｃに接続するＰ導電型（Ｐ＋）層３３が形成されている。尚、Ｐ導電型層３３上に形成されているＮ導電型（Ｎ）層３４は、ＩＧＢＴのフィールドストップ（ＦＳ）層となっている。
【００５１】
半導体装置１１０のダイオードセル領域では、半導体基板３１の主面側の表層部に、ダイオードのアノード電極Ａに接続するＰ導電型（Ｐ＋）領域３５が形成されている。また、Ｐ導電型領域３５に対向して、半導体基板３１の裏面側の表層部に、ダイオードのカソード電極Ｋに接続するＮ導電型（Ｎ＋）層３６が形成されている。
【００５２】
半導体装置１１０においては、図１に示すように、ＩＧＢＴのエミッタ電極Ｅとダイオードのアノード電極Ａが共通化されており、ＩＧＢＴのコレクタ電極Ｃとダイオードのカソード電極Ｋが共通化されている。従って、図１の半導体装置１１０は、ＩＧＢＴとダイオードが逆並列に接続された半導体装置となっている。
【００５３】
図２は、シミュレーションに用いるインバータ回路の回路モデルの一例で、回路モデルＭ１の等価回路図である。
【００５４】
図２の回路モデルＭ１にある一点鎖線で囲った半導体装置１０１，１０２は、図２３（ｂ）の半導体装置１０１，１０２に相当するものである。図２の回路モデルＭ１においては、半導体装置１０２のダイオード１０２ｄがオンからオフに切り替わる瞬間（半導体装置１０１のＩＧＢＴ１０１ｉがオフからオンに切り替わる瞬間）をシミュレートするため、半導体装置１０２におけるＩＧＢＴのゲート端子とエミッタ端子が短絡されている。このシミュレーションにおいては、半導体装置１０１におけるＩＧＢＴ１０１ｉがスイッチング素子として機能し、半導体装置１０２におけるダイオード１０２ｄが、前述したフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）として機能することとなる。
【００５５】
図３は、図２の回路モデルＭ１にある半導体装置１０１，１０２に図１の半導体装置１１０を適用した場合のシミュレーション結果の一例で、図２に示す電流Ｉｄおよび半導体装置１１０の温度Ｔの時間変化を示した図である。図３では、長い破線と短い破線で、それぞれダイオードとＩＧＢＴを流れる電流Ｉｄｄ，Ｉｄｉを示し、実線で、半導体装置１１０の全体に流れる電流Ｉｄを示した。また、図４（ａ），（ｂ）と図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図３のＰ１〜Ｐ４の各時点での半導体装置１１０におけるホール電流密度分布を示した図である。図４（ａ），（ｂ）と図５（ａ），（ｂ）においては、ホール電流密度の等密度線に重ねて、半導体装置１１０に流れる電流の密度分布イメージを、白抜き矢印の長さと太さを変えて模式的に示してある。尚、電流は電子とホールの２成分からなるが、図１の半導体装置１１０において電流集中による破壊が問題となるのは、Ｎ導電型（Ｎ−）の半導体基板３１に蓄積されたホールが上方に流れ去る時にデバイス構造に起因して集中することが原因している。このため、図４（ａ），（ｂ）と図５（ａ），（ｂ）に示すホール電流密分布が、電流集中による破壊に対して特に重要である。
【００５６】
半導体装置１１０においては、図３に示すように、ダイオード（ＦＷＤ）がオン状態にある時に、長い破線で示した３０６Ａの電流がダイオード（ＦＷＤ）に流れるだけでなく、短い破線で示した１００Ａの電流がＩＧＢＴに流れる。このＩＧＢＴに流れる１００Ａの電流は、図４（ａ）に示すように、寄生のボディダイオードとして動作する図１のボディ領域３２ｂに流れている。ダイオード（ＦＷＤ）がオフすると、図３に示すように、電流Ｉｄが負となるリカバリ動作時においては、逆方向に全体として最大−１４７Ａのオーバーシュート電流が流れる。このオーバーシュート電流の大部分は、短い破線で示した最大−１２１ＡのＩＧＢＴに流れる電流からなる。このオーバーシュート電流の電流密度分布は、図５（ｂ）に示すように、ダイオードセル領域に近いほど大きな電流密度となっており、ダイオードに最も近いＩＧＢＴセルのボディダイオードにおいてホール電流密度が４６８９７Ａ／ｃｍ２となり、電流集中が起きていることがわかる。
【００５７】
図６（ａ），（ｂ）は、半導体装置１１０のＩＧＢＴセル領域とダイオードセル領域の境界付近において、それぞれ、図３のＰ４の時点における電界強度分布と衝突イオン化によるキャリア発生量の分布を拡大して示した図である。
【００５８】
図６（ａ），（ｂ）に示すように、図３のＰ４の時点では、ダイオードに最も近いＩＧＢＴセルの絶縁ゲートトレンチ下部における電界強度が最大０．５３ＭｅＶ／ｃｍとなり、衝突イオン化によるキャリア発生量が最大３．２×１０２７ｐａｉｒｓ／ｃｍ３ｓｅｃとなる。このように、図１の半導体装置１１０では、リカバリ動作時にダイオードに最も近いＩＧＢＴのボディダイオードの絶縁ゲートトレンチ下部において電界集中が生じ、ＩＧＢＴの耐圧より遥かに低い電圧でアバランシェを誘発して、電流集中によりＩＧＢＴセルの破壊が起きてしまうことが判明した。
【００５９】
以上の基礎的な検討結果をもとにして、次に、本発明にかかる半導体装置を説明する。
【００６０】
図７は、本発明の半導体装置の一例で、半導体装置２００の模式的な断面図である。尚、図７に示す半導体装置２００において、図１の半導体装置１１０と同様の部分については、同じ符号を付けた。
【００６１】
図７に示す半導体装置２００も、図１の半導体装置１１０と同様に、間引きチャネル型ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに逆並列に接続されてなるダイオードとが、それぞれ、セルの集合体として、同じＮ導電型（Ｎ−）の半導体基板３１に形成されてなる半導体装置である。一方、図１の半導体装置１１０では、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが単純に隣接して配置されていた。これに対して、図７の半導体装置２００においては、第１拡散層（Ｐ導電型（Ｐ＋）層）３３上におけるＩＧＢＴセル領域が、単位セルが繰り返し配置されてなる単位セル領域と、第２拡散層（Ｎ導電型（Ｎ＋）層）３６上におけるダイオードセル領域に隣接する境界セル領域とで構成されている。また、図７に示すように、境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘが、単位セル領域においてフローティング領域３２ｆを構成する絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｆに較べて狭く設定されている。
【００６２】
特に、図７の半導体装置２００においては、後述する半導体装置と異なり、境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘが、単位セル領域においてボディ領域３２ｂを構成する絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｂに等しく設定されている。また、境界セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴにより分断されたベース層３２の各領域には、絶縁ゲートトレンチＧＴに当接してＮ導電型領域３７が形成されており、それぞれ、エミッタ電極Ｅに接続されている。言い換えれば、図７に示す半導体装置２００の境界セル領域は、ＩＧＢＴのボディ領域３２ｂのみで構成されていると言える。
【００６３】
図８は、図２の回路モデルＭ１にある半導体装置１０１，１０２に図７の半導体装置２００を適用した場合のシミュレーション結果の一例で、図２に示す電流Ｉｄおよび半導体装置２００の温度Ｔの時間変化を示した図である。図８に示す半導体装置２００のシミュレーション結果は、図３に示した半導体装置１１０のシミュレーション結果と対応している。図８においても、長い破線と短い破線で、それぞれダイオードとＩＧＢＴを流れる電流Ｉｄｄ，Ｉｄｉを示し、実線で、半導体装置２００の全体に流れる電流Ｉｄを示している。
【００６４】
図９は、図８のＰ５の時点での半導体装置２００におけるホール電流密度分布を示した図である。図９に示す半導体装置２００のシミュレーション結果は、図５（ｂ）に示した半導体装置１１０のシミュレーション結果と対応している。図９においても、ホール電流密度の等密度線に重ねて、半導体装置２００に流れる電流の密度分布イメージを、白抜き矢印の長さと太さを変えて模式的に示してある。
【００６５】
また、図１０（ａ），（ｂ）は、半導体装置２００のＩＧＢＴセル領域とダイオードセル領域の境界付近において、それぞれ、図８のＰ５の時点における電界強度分布と衝突イオン化によるキャリア発生量の分布を拡大して示した図である。図１０（ａ），（ｂ）に示す半導体装置２００のシミュレーション結果は、図６（ａ），（ｂ）に示した半導体装置１１０のシミュレーション結果と対応している。
【００６６】
図８に示す半導体装置２００のシミュレーション結果を図３に示す半導体装置１１０のそれと比較した場合、ダイオード（ＦＷＤ）がオン状態では、全体電流Ｉｄは変わらないものの、長い破線で示したダイオード（ＦＷＤ）に流れる電流Ｉｄｄが２６０Ａに低減し、短い破線で示したＩＧＢＴに流れる電流Ｉｄｉが１４５Ａに増大している。また、ダイオード（ＦＷＤ）がオフした後のリカバリ動作時においては、全体としてのオーバーシュート電流ＩｄおよびＩＧＢＴに流れるオーバーシュート電流が、それぞれ、最大−１２６Ａと−１０７Ａに低減される。このオーバーシュート電流の電流密度分布は、図９に示すように、境界セル領域において連続的に緩やかに変化し、図５（ｂ）に示した半導体装置１１０の密度分布に較べて、特に、ダイオードセル領域に近い単位セル領域でのホール電流密度の集中が緩和されている。ホール電流密度の最大は、境界セル領域から２つ目のボディダイオードにおいて発生しており、最大値２３３００Ａ／ｃｍ２で、図５（ｂ）の約１／２に低減されている。
【００６７】
また、図７の半導体装置２００では境界セル領域に絶縁ゲートトレンチＧＴが狭いピッチで配置されているため、図８のＰ５の時点で絶縁ゲートトレンチ下部において最大となる電界強度が、図１０（ａ）に示すように境界セル領域の全体に亘って高い電界強度の状態で連続的に分散されている。これによって、オーバーシュート電流の電流密度分布も、境界セル領域の全体に亘って比較的高い密度で連続的に分散され、単位セル領域での電流密度の集中が緩和されると考えられる。
【００６８】
このように、シミュレーションによれば、図７の半導体装置２００においては、境界セル領域を設けずに間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードを単純に隣接して配置した図１の半導体装置１１０に較べて、ダイオードに近いＩＧＢＴの単位セル領域のボディダイオードにおいてホール電流密度の集中が緩和され、全体としてオーバーシュート電流も低減される。すなわち、図７の半導体装置２００においては、絶縁ゲートトレンチが単位セル領域のフローティング領域よりも狭いピッチで配置されてなる境界セル領域を移用して、絶縁ゲートトレンチ下部においてアバランシェによって発生する逆方向に流れる電流を分散して、ＩＧＢＴセルのリカバリ時における破壊耐量を改善することができる。
【００６９】
以上のようにして、図７に示す半導体装置２００は、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板３１に形成された半導体装置であって、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードの相互干渉を抑制した破壊耐量の高い半導体装置とすることができる。
【００７０】
次に、図７に示す半導体装置２００の変形例について説明する。
【００７１】
図１１は、別の半導体装置の例で、半導体装置２０１の模式的な断面図である。尚、図１１の半導体装置２０１において、図７の半導体装置２００と同様の部分については、同じ符号を付けた。
【００７２】
図７の半導体装置２００においては、境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘが、単位セル領域においてボディ領域３２ｂを構成する絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｂに等しいように構成されていた。これによれば、前述したように、当該半導体装置２００の境界セル領域において、ほぼ均一な電界強度分布が得られることとなる。このため、境界セル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流を一様に分散させて、ダイオードに近いＩＧＢＴのボディダイオードにおける電流密度の集中を緩和することができる。
【００７３】
図１１に示す半導体装置２０１においても、境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘは、単位セル領域においてフローティング領域３２ｆを構成する絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｆに較べて狭く設定されている。しかしながら、境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘは、等間隔ではなく、ダイオードセル領域に近づくほど狭くなるように構成されている。
【００７４】
図１１に示す半導体装置２０１においても、境界セル領域に配置された絶縁ゲートトレンチＧＴの下部で電界集中が起きるが、半導体装置２０１の境界セル領域においては、絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘがダイオードセル領域に近づくほど連続的に狭くなっているため、電界強度分布も、ダイオードからＩＧＢＴの単位セル領域に近づくに従って、連続的に弱く変化することとなる。これによって、当該境界セル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流を連続的に変化するように分散させて、ダイオードに近いＩＧＢＴの単位セル領域のボディダイオードにおける電流密度の集中を緩和することができる。
【００７５】
図１２と図１３は、本発明ではないが参考とする半導体装置の例で、半導体装置２０２，２０３の模式的な断面図である。図１２と図１３に示す半導体装置２０２，２０３は、それぞれ、図７と図１１に示す半導体装置２００，２０１に対応した半導体装置となっており、境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘが、対応する半導体装置と同じ間隔になっている。
【００７６】
図７と図１１に示す半導体装置２００，２０１の境界セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴにより分断されたベース層３２の各領域には、絶縁ゲートトレンチＧＴに隣接してＮ導電型領域３７が形成されており、境界セル領域は、どちらも、ＩＧＢＴのボディ領域のみで構成されていた。一方、図１２と図１３に示す半導体装置２０２，２０３の境界セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴにより分断されたベース層３２の各領域には、Ｎ導電型領域３７が形成されておらず、エミッタ電極Ｅとも接続されていない。言い換えれば、図１２と図１３に示す半導体装置２０２，２０３の境界セル領域は、ＩＧＢＴのフローティング領域のみで構成されていると言える。
【００７７】
図７と図１１に示す半導体装置２００，２０１では、境界セル領域がＩＧＢＴのボディ領域のみで構成されており、該境界セル領域の全体がＩＧＢＴの電流容量拡大に寄与する。このため同じ許容電流とする場合、図７と図１１に示す半導体装置２００，２０１は、図１２と図１３に示す半導体装置２０２，２０３に較べて、小型の半導体装置とすることができる。しかしながら、境界セル領域のリカバリ時における電流分散効果は主として、狭いピッチで配置された絶縁ゲートトレンチＧＴに起因している。このため、図７と図１１に示す半導体装置２００，２０１に限らず、図１２と図１３に示す半導体装置２０２，２０３についても、境界セル領域のリカバリ時における電流分散効果が得られ、ダイオードに近いＩＧＢＴのボディダイオードにおける電流密度の集中を緩和することができる。
【００７８】
図１４と図１５は、別の半導体装置の例で、半導体装置２０４，２０５の模式的な断面図である。
【００７９】
図１４と図１５に示す半導体装置２０４，２０５では、単位セル領域におけるボディ領域３２ｂとフローティング領域３２ｆを交互に配置する構成が、境界セル領域においても維持されている。図１４の半導体装置２０４は、図７の半導体装置２００に対応しており、境界セル領域における隣り合った絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘが、単位セル領域においてボディ領域３２ｂを構成する絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｂに等しいように構成されている。従って、図１４の半導体装置２０４では、境界セル領域においても間引きチャネル型ＩＧＢＴのボディ領域とフローティング領域の繰り返し構造を保ったままで、図７の半導体装置２００と同様にして、境界セル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流を一様に分散させて、ダイオードに近いＩＧＢＴのボディダイオードにおける電流密度の集中を緩和することができる。
【００８０】
また、図１５の半導体装置２０５は、境界セル領域においてエミッタ電極Ｅに接続されないフローティング領域を構成する絶縁ゲートトレンチＧＴの間隔Ｗｘが、ダイオードセル領域に近づくほど狭いように構成されている。この場合にも、境界セル領域においても間引きチャネル型ＩＧＢＴのボディ領域とフローティング領域の繰り返し構造を保ったままで、電界強度分布をダイオードからＩＧＢＴの単位セル領域に近づくに従って連続的に変化させて、電流密度を分散させることができる。
【００８１】
図１６は、別の半導体装置の例で、半導体装置２０６の模式的な断面図である。
【００８２】
図７の半導体装置２００においては、境界セル領域と単位セル領域の絶縁ゲートトレンチＧＴが、全て同じ深さで形成されていた。これによれば、絶縁ゲートトレンチＧＴを境界セル領域において上記した所定の配置関係となるように設定するだけで、特別な工程を追加することなく半導体装置２００を製造することができる。このため、図７の半導体装置２００は、安価な半導体装置とすることができる。
【００８３】
一方、図１６に示す半導体装置２０６においては、単位セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴ１と境界セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴ２が異なる深さｄ１，ｄ２となっており、境界セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴ２が単位セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴ１より浅く形成されてなるように構成されている（ｄ１＞ｄ２）。この場合には、図７の半導体装置２００のように単位セル領域と境界セル領域の絶縁ゲートトレンチＧＴを同じ深さで形成する場合に較べて、境界セル領域における電界強度が低減されることとなる。このため、図１６の半導体装置２０６は、図７の半導体装置２００に較べて、境界セル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流の密度を低減して、電流集中を緩和することができる。尚、図１１〜図１５に示した半導体装置２０１〜２０５についても、境界セル領域における絶縁ゲートトレンチを単位セル領域における絶縁ゲートトレンチより浅く形成することで、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８４】
次に、図７の半導体装置２００のＩＧＢＴセル領域の構造はそのままにして、ダイオードセル領域の構造を変更した半導体装置について説明する。
【００８５】
図１７は、別の半導体装置の例で、半導体装置２０７の模式的な断面図である。
【００８６】
図１７の半導体装置２０７においては、ＩＧＢＴセル領域だけでなく、ダイオードセル領域においても、ＩＧＢＴセル領域の単位セル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴと同じ深さで同じ断面構造の絶縁トレンチＺＴが形成されている。この絶縁トレンチＺＴは、ダイオードセル領域において、繰り返し配置されている。これによれば、リカバリ時にダイオードセル領域の絶縁トレンチＺＴ下部にも電界集中が置きるため、絶縁トレンチＺＴを形成していない図７の半導体装置２００に較べて、ダイオードセル領域における電界強度が増大することとなる。このため、図１７の導体装置２０７においては、リカバリ時の逆方向に流れる電流が、図７の半導体装置２００に較べて、ダイオードセル領域において増大し、ＩＧＢＴセル領域において減少する。これによって、リカバリ時の逆方向に流れる電流を当該半導体装置２０７に全体に亘って分散させ、電流集中を緩和することができる。
【００８７】
ダイオードセル領域における絶縁トレンチＺＴは、図１７の半導体装置２０７のように、繰り返し配置されてなることが好ましい。これによれば、ダイオードセル領域において、均一な電界強度分布が得られることとなる。このため、ダイオードセル領域においてリカバリ時の逆方向に流れる電流を一様に分散させて、電流密度の集中を緩和することができる。尚、図１１〜図１６に示した半導体装置２０１〜２０６についても、ダイオードセル領域に絶縁トレンチを形成することで、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８８】
図１８は、別の半導体装置の例で、半導体装置２０８の模式的な断面図である。
【００８９】
図１８に示す半導体装置２０８は、ＩＧＢＴセル領域におけるベース層３２が、ダイオードセル領域に延設され、単位セル領域における絶縁ゲートトレンチ１と同じ深さで同じ断面構造の第２絶縁ゲートトレンチＧＴ３が、ダイオードセル領域にも形成されている。半導体装置２０８においては、ベース層３２をダイオードのアノード領域としても利用できるため、例えば図７に示した半導体装置２００のようにダイオードセル領域にダイオード専用のアノード領域３５を形成する場合に較べて、製造コストを低減することができる。
【００９０】
特に、図１８に示す半導体装置２０８は、ダイオードセル領域における半導体基板３１の主面側に、ＩＧＢＴの単位セル領域における半導体基板３１の主面側と同じ単位セルの断面構造が、繰り返し形成された構造となっている。このように、半導体基板３１の主面側がＩＧＢＴセル領域の単位セル領域とダイオードセル領域で同じ構造となるため、設計・製造が簡単になり、これによっても製造コストを低減することができる。
【００９１】
図１９と図２０は、図１８に示した半導体装置２０８のより具体的な応用例で、それぞれ、半導体装置２０９，２１０の模式的な断面図である。
【００９２】
図１９に示す半導体装置２０９では、ダイオードセル領域における第２絶縁ゲートトレンチＧＴ３が、ＩＧＢＴセル領域における絶縁ゲートトレンチＧＴ１と並列接続されている。このため、ダイオードセル領域における主面側に形成された構造部分もＩＧＢＴとして機能させることができ、該構造部分をＩＧＢＴの電流容量拡大に寄与させることができる。
【００９３】
一方、図２０に示す半導体装置２１０では、ダイオードセル領域における第２絶縁ゲートトレンチＧＴ３が、エミッタ電極Ｅに短絡されている。このため、ダイオードセル領域における主面側に形成された構造部分はＩＧＢＴとして機能せず、該構造部分をダイオード専用に機能させることができる。これによって、ダイオード設計が容易になる。
【００９４】
図２１と図２２は、上記したダイオードセル領域をダイオード専用に機能させる別の半導体装置を示す図で、それぞれ、半導体装置２１１，２１２の模式的な断面図である。
【００９５】
図２１に示す半導体装置２１１は、ダイオードセル領域における半導体基板３１の主面側に、Ｎ導電型（Ｎ＋）のエミッタ領域３７を除いて単位セル領域における半導体基板３１の主面側と同じ単位セルの断面構造が、繰り返し形成されている。これによれば、ＩＧＢＴセル領域の単位セル領域と同じゲート配線パターンをダイオードセル領域に用いることができ、ダイオード設計がさらに容易になる。
【００９６】
また、図２２に示す半導体装置２１２では、ダイオードセル領域におけるベース層３２の一部に第２絶縁ゲートトレンチＧＴ３に隣接してＮ導電型（Ｎ＋）のエミッタ領域３７が形成されているが、ダイオードセル領域における前記ベース層３２の一部は、エミッタ領域３７を除いて、エミッタ電極Ｅに接続されている。これによっても、ダイオードセル領域をダイオード専用に機能させることができ、ダイオード設計が容易になる。
【００９７】
尚、図１８〜図２１に示した半導体装置２０８〜２１１では、ダイオードセル領域にＩＧＢＴセル領域の単位セル領域と同じ主面側の断面構造が繰り返し形成された例を示した。しかしながらこれに限らず、それぞれ、ダイオードセル領域における第２絶縁ゲートトレンチＧＴ３の配線方法やエミッタ領域３７の有無が同じであれば、図２２に示した半導体装置２１２のように、ダイオードセル領域における主面側の断面構造が、ＩＧＢＴセル領域の単位セル領域における主面側の断面構造と異なっていてもよい。
【００９８】
また、図１７〜図２２に示した半導体装置２０７〜２１２は、図７の半導体装置２００におけるＩＧＢＴセル領域の構造をそのままにして、ダイオードセル領域の構造を変更した半導体装置である。従って、図１７〜図２２に示した半導体装置２０７〜２１２は、図７に示した半導体装置２００と同じ境界セル領域の構造を有しており、前述したように破壊耐量が高く小型で安価な半導体装置とすることができる。また、図１７〜図２２に示した半導体装置２０７〜２１２のダイオードセル領域における主面側の断面構造は、図１１〜図１６に示した半導体装置２０１〜２０６と同じ境界セル領域を持つ半導体装置のダイオードセル領域にも適用することができ、上述した半導体装置２０７〜２１２と同様の効果を発揮させることができる。
【００９９】
以上のようにして、図７〜図２２の半導体装置２００〜２１２により例示した本発明の半導体装置は、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードとが同じ半導体基板に形成された半導体装置であって、間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードの相互干渉を抑制することができ、破壊耐量が高く、小型で安価に製造することのできる半導体装置となっている。
【０１００】
従って、本発明の半導体装置は、インバータ回路の構成に用いられる半導体装置として好適である。
【０１０１】
また、自動車等の車両においては、直流電源が使用されると共に、モータ等に給電するための高電圧で大電流容量のインバータ回路が必要である。このため、小型で安価に製造することのできる本発明の半導体装置は、車載用の半導体装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】間引きチャネル型ＩＧＢＴとダイオードを単純に隣接して配置した、半導体装置１１０の模式的な断面図である。
【図２】シミュレーションに用いるインバータ回路の回路モデルの一例で、回路モデルＭ１の等価回路図である。
【図３】図２の回路モデルＭ１にある半導体装置１０１，１０２に図１の半導体装置１１０を適用した場合のシミュレーション結果の一例で、図２に示す電流Ｉｄおよび半導体装置１１０の温度Ｔの時間変化を示した図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図３のＰ１とＰ２の各時点での半導体装置１１０におけるホール電流密度分布を示した図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図３のＰ３とＰ４の各時点での半導体装置１１０におけるホール電流密度分布を示した図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、半導体装置１１０のＩＧＢＴセル領域とダイオードセル領域の境界付近において、それぞれ、図３のＰ４の時点における電界強度分布と衝突イオン化によるキャリア発生量の分布を拡大して示した図である。
【図７】本発明の半導体装置の一例で、半導体装置２００の模式的な断面図である。
【図８】図２の回路モデルＭ１にある半導体装置１０１，１０２に図７の半導体装置２００を適用した場合のシミュレーション結果の一例で、図２に示す電流Ｉｄおよび半導体装置２００の温度Ｔの時間変化を示した図である。
【図９】図８のＰ５の時点での半導体装置２００におけるホール電流密度分布を示した図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、半導体装置２００のＩＧＢＴセル領域とダイオードセル領域の境界付近において、それぞれ、図８のＰ５の時点における電界強度分布と衝突イオン化によるキャリア発生量の分布を拡大して示した図である。
【図１１】別の半導体装置の例で、半導体装置２０１の模式的な断面図である。
【図１２】本発明ではないが参考とする半導体装置の例で、半導体装置２０２の模式的な断面図である。
【図１３】本発明ではないが参考とする半導体装置の例で、半導体装置２０３の模式的な断面図である。
【図１４】別の半導体装置の例で、半導体装置２０４の模式的な断面図である。
【図１５】別の半導体装置の例で、半導体装置２０５の模式的な断面図である。
【図１６】別の半導体装置の例で、半導体装置２０６の模式的な断面図である。
【図１７】別の半導体装置の例で、半導体装置２０７の模式的な断面図である。
【図１８】別の半導体装置の例で、半導体装置２０８の模式的な断面図である。
【図１９】図１８に示した半導体装置２０８のより具体的な応用例で、半導体装置２０９の模式的な断面図である。
【図２０】図１８に示した半導体装置２０８のより具体的な応用例で、半導体装置２１０の模式的な断面図である。
【図２１】ダイオードセル領域をダイオード専用に機能させる別の半導体装置を示す図で、半導体装置２１１の模式的な断面図である。
【図２２】ダイオードセル領域をダイオード専用に機能させる別の半導体装置を示す図で、半導体装置２１２の模式的な断面図である。
【図２３】インバータ回路の基本構成要素を示す図で、（ａ）は、ＩＧＢＴ１００ｉとダイオード１００ｄが逆並列に接続された半導体装置１００の等価回路図である。（ｂ）は、インバータ回路において、１相分に相当するユニットの基本構成を示す図である。
【図２４】特許文献１に開示されている半導体装置（ＦＷＤ内蔵型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）９１の模式的な断面図である。
【図２５】特許文献２に開示されているＩＧＢＴ（絶縁ゲート型半導体装置）９２ｉの模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１１０，２００〜２１２  半導体装置
３１  半導体基板
３２  ベース層
ＧＴ，ＧＴ１，ＧＴ２  絶縁ゲートトレンチ
ＧＴ３  第２絶縁ゲートトレンチ
３２ｂ  ボディ領域
３２ｆ  フローティング領域
３７  Ｎ導電型（Ｎ＋）領域（エミッタ領域）
Ｅ  エミッタ電極
３３  Ｐ導電型（Ｐ＋）層（コレクタ領域、第１拡散層）
Ｃ  コレクタ電極
３４  Ｎ導電型（Ｎ）層（フィールドストップ層）
３５  Ｐ導電型（Ｐ＋）領域
Ａ  アノード電極
３６  Ｎ導電型（Ｎ＋）層（第２拡散層）
Ｋ  カソード電極
ＺＴ  絶縁トレンチ
【図１】
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【図２】
0004605251.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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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