(57)【要約】【課題】ＩＧＢＴセルとダイオードセルが同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、ＩＧＢＴセルの特性を損なうことなく、ダイオードセルのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない半導体装置を提供する。【解決手段】Ｎ導電型半導体基板１の主面側に、表面から内部に向って不純物濃度が低下するＰ導電型層２ａが形成され、Ｐ導電型層２ａ内に形成された主面側Ｎ導電型領域３ａとＰ導電型層２ａを貫通して、Ｎ導電型半導体基板１に達する第１トレンチＴ１が形成され、半導体基板１の裏面側に、裏面側Ｐ導電型領域５および裏面側Ｎ導電型領域６が形成され、Ｐ導電型層２ａの内部に達する第２トレンチＴ２が形成され、第２トレンチＴ２内に第２電極層１０が埋め込まれた第２電極層１０がＰ導電型層２ａに接続されてなる半導体装置１００とする。【選択図】図１
2007214541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＧＢＴセルとダイオードセルが、同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、
Ｎ導電型半導体基板の主面側の表層部に、表面から内部に向って不純物濃度が低下するＰ導電型層が形成され、
前記Ｐ導電型層内の表層部に、主面側Ｎ導電型領域が形成され、
前記Ｎ導電型半導体基板の裏面側の表層部に、裏面側Ｐ導電型領域と裏面側Ｎ導電型領域が形成され、
前記主面側Ｎ導電型領域とＰ導電型層を貫通して、前記Ｎ導電型半導体基板に達する第１トレンチが形成され、絶縁膜を介して前記第１トレンチ内に埋め込まれた第１電極層を前記ＩＧＢＴセルのゲート電極とし、
前記Ｎ導電型半導体基板の主面側の表面上に形成され、前記主面側Ｎ導電型領域およびＰ導電型層に電気的に接続する第２電極層を、前記ＩＧＢＴセルのエミッタ電極および前記ダイオードセルのアノード電極とし、
前記Ｎ導電型半導体基板の裏面側の表面上に形成され、前記裏面側Ｐ導電型領域および裏面側Ｎ導電型領域に電気的に接続する第３電極層を、前記ＩＧＢＴセルのコレクタ電極および前記ダイオードセルのカソード電極とし、
前記Ｐ導電型層の内部に達する第２トレンチが形成され、前記第２トレンチ内に前記第２電極層が埋め込まれて、第２電極層がＰ導電型層に電気的に接続されてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記Ｐ導電型層内の表層部に、主面側Ｐ導電型領域が形成され、
前記第２トレンチが、前記主面側Ｐ導電型領域を貫通して形成され、
前記第２電極層が、前記第２トレンチの側面で、前記主面側Ｐ導電型領域に電気的に接続されてな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】
前記第２電極層と主面側Ｐ導電型領域の電気的な接続が、オーミック接触であ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】
前記主面側Ｐ導電型領域が、前記主面側Ｎ導電型領域に隣接して配置されてなることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２トレンチの少なくとも底面における第２電極層とＰ導電型層の電気的な接続が、ショットキー接触であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２トレンチが、前記主面側Ｎ導電型領域を貫通して形成されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記Ｐ導電型層が、主面側表面より高濃度層と低濃度層の２層で構成され、
前記第２トレンチが、前記低濃度層に達して形成され、前記第２電極層が低濃度層に電気的に接続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】
前記ダイオードセルとは別位置の前記Ｐ導電型層が形成されていない領域において、前記Ｎ導電型半導体基板の主面側の表層部に、主面側第２Ｐ導電型領域が形成され、
前記第２電極層が、前記主面側第２Ｐ導電型領域に電気的に接続されてなり、
前記主面側第２Ｐ導電型領域と前記Ｎ導電型半導体基板および前記裏面側Ｎ導電型領域とで構成され、前記第２電極層をアノード電極とし前記第３電極層をカソード電極とする第２ダイオードセルが、前記ダイオードセルに併設されてなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記裏面側Ｐ導電型領域が、前記Ｐ導電型層の直下に形成され、前記裏面側Ｎ導電型領域が、前記主面側第２Ｐ導電型領域の直下に形成されてなることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記Ｎ導電型半導体基板における前記裏面側Ｐ導電型領域と前記裏面側Ｎ導電型領域上に、該領域を覆うようにして、Ｎ導電型半導体基板と裏面側Ｎ導電型領域の中間の不純物濃度を有する裏面側Ｎ導電型層が形成されてなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
ＩＧＢＴセルとダイオードセルが、同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、
Ｐ導電型半導体基板の主面側の表層部に、表面から内部に向って不純物濃度が低下するＮ導電型層が形成され、
前記Ｎ導電型層内の表層部に、主面側Ｐ導電型領域が形成され、
前記Ｐ導電型半導体基板の裏面側の表層部に、裏面側Ｎ導電型領域と裏面側Ｐ導電型領域が形成され、
前記主面側Ｐ導電型領域とＮ導電型層を貫通して、前記Ｐ導電型半導体基板に達する第１トレンチが形成され、絶縁膜を介して前記第１トレンチ内に埋め込まれた第１電極層を前記ＩＧＢＴセルのゲート電極とし、
前記Ｐ導電型半導体基板の主面側の表面上に形成され、前記主面側Ｐ導電型領域およびＮ導電型層に電気的に接続する第２電極層を、前記ＩＧＢＴセルのエミッタ電極および前記ダイオードセルのカソード電極とし、
前記Ｐ導電型半導体基板の裏面側の表面上に形成され、前記裏面側Ｎ導電型領域および裏面側Ｐ導電型領域に電気的に接続する第３電極層を、前記ＩＧＢＴセルのコレクタ電極および前記ダイオードセルのアノード電極とし、
前記Ｎ導電型層の内部に達する第２トレンチが形成され、前記第２トレンチ内に前記第２電極層が埋め込まれて、第２電極層がＮ導電型層に電気的に接続されてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
前記Ｎ導電型層内の表層部に、主面側Ｎ導電型領域が形成され、
前記第２トレンチが、前記主面側Ｎ導電型領域を貫通して形成され、
前記第２電極層が、前記第２トレンチの側面で、前記主面側Ｎ導電型領域に電気的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１３】
前記第２電極層と主面側Ｎ導電型領域の電気的な接続が、オーミック接触であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記主面側Ｎ導電型領域が、前記主面側Ｐ導電型領域に隣接して配置されてなることを特徴とする請求項１２または１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第２トレンチの少なくとも底面における第２電極層とＮ導電型層の電気的な接続が、ショットキー接触であることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記第２トレンチが、前記主面側Ｐ導電型領域を貫通して形成されてなることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記Ｎ導電型層が、主面側表面より高濃度層と低濃度層の２層で構成され、
前記第２トレンチが、前記低濃度層に達して形成され、前記第２電極層が低濃度層に電気的に接続されてなることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記ダイオードセルとは別位置の前記Ｎ導電型層が形成されていない領域において、前記Ｐ導電型半導体基板の主面側の表層部に、主面側第２Ｎ導電型領域が形成され、
前記第２電極層が、前記主面側第２Ｎ導電型領域に電気的に接続されてなり、
前記主面側第２Ｎ導電型領域と前記Ｐ導電型半導体基板および前記裏面側Ｐ導電型領域とで構成され、前記第２電極層をカソード電極とし前記第３電極層をアノード電極とする第２ダイオードセルが、前記ダイオードセルに併設されてなることを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記裏面側Ｎ導電型領域が、前記Ｎ導電型層の直下に形成され、前記裏面側Ｐ導電型領域が、前記主面側第２Ｎ導電型領域の直下に形成されてなることを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】
前記Ｐ導電型半導体基板における前記裏面側Ｎ導電型領域と前記裏面側Ｐ導電型領域上に、該領域を覆うようにして、Ｐ導電型半導体基板と裏面側Ｐ導電型領域の中間の不純物濃度を有する裏面側Ｐ導電型層が形成されてなることを特徴とする請求項１１乃至１９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項２１】
前記半導体装置が、インバータ回路に用いられる半導体装置であって、
前記ダイオードおよび前記第２ダイオードが、フリーホイールダイオードとして用いられることを特徴とする請求項１乃至２０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、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ等の負荷を駆動するためのインバータ回路は、直流と交流との交換機であり、直流電圧を交流電圧に変換して、負荷であるモータ等に給電する。誘導性のモータを駆動するためのインバータ回路は、スイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ、Insulated Gate Bipolar Transistor）とフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）で構成される。ここで、ＩＧＢＴは、スイッチング素子として用いられ、ＦＷＤは、ＩＧＢＴのオフ中にモータに流れる電流を迂回還流させ、モータを流れる電流自体がＩＧＢＴのスイッチングにより変化しないようにしている。より具体的には、直流電源とモータとを繋ぎ、モータに電圧を印加していたＩＧＢＴがオフすると、モータを流れていた電流がモータのＬに蓄積されているエネルギーによりＦＷＤを通って直流電流を逆流し、モータは、逆の直流電圧が印加されているのと等価な状態となる。これによって、モータの電流をＩＧＢＴのスイッチングにより急激に遮断することなく、スイッチングにより直流電源から交流電圧を給電することが出来る。インバータ回路は、この様な動作を行うため、当該ＩＧＢＴとは逆直列に、即ち、あるＩＧＢＴと対になる当該ＩＧＢＴに対して逆並列に接続されたＦＷＤを必要としている。
【０００３】
図８は、半導体装置９０の模式的な断面図で、上記したモータ等の負荷を駆動するためのインバータ回路に用いられ、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが同じ半導体基板に併設されてなる従来の半導体装置の代表例である。また、図９は、図８に示す半導体装置９０の等価回路図である。
【０００４】
図８に示す半導体装置９０では、Ｎ導電型（Ｎ−）半導体基板１の主面側の表層部にＰ導電型（Ｐ）層２が形成され、Ｐ導電型層２内の表層部に、不純物を高濃度に含有する主面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域３と主面側高濃度Ｐ導電型（Ｐ＋）領域４が形成されている。また、Ｎ導電型半導体基板１の裏面側の表層部には、不純物を高濃度に含有する裏面側Ｐ導電型（Ｐ＋）領域５と裏面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域６が形成されている。
【０００５】
図８の半導体装置９０では、主面側Ｎ導電型領域３とＰ導電型層２を貫通して、Ｎ導電型半導体基板１に達するトレンチＴ１が形成されている。
【０００６】
図８の半導体装置９０では、側壁に形成された絶縁膜７を介してトレンチＴ１内に埋め込まれたポリシリコン等からなる第１電極層８を、ＩＧＢＴセル９０ｉのゲート電極としている。Ｎ導電型半導体基板１の主面側の表面上には、層間絶縁膜９を介してアルミニウム等からなる第２電極層１０が形成されている。第２電極層１０は、主面側Ｎ導電型領域３および主面側Ｐ導電型領域４を介してＰ導電型層２に電気的に接続され、ＩＧＢＴセル９０ｉのエミッタ電極およびダイオードセル９０ｄのアノード電極となっている。また、Ｎ導電型半導体基板１の裏面側の表面上に形成され、裏面側Ｐ導電型領域５および裏面側Ｎ導電型領域６に電気的に接続する第３電極層１１を、ＩＧＢＴセル９０ｉのコレクタ電極およびダイオードセル９０ｄのカソード電極としている。
【０００７】
言い換えれば、半導体装置９０においては、主面側Ｎ導電型領域３がＩＧＢＴセル９０ｉのエミッタ領域、Ｐ導電型層２がＩＧＢＴセル９０ｉのチャネル形成層、裏面側Ｐ導電型領域５がＩＧＢＴセル９０ｉのコレクタ領域である。また、Ｎ導電型半導体基板１とＰ導電型層２の界面がダイオードセル９０ｄのＰＮ接合面、主面側Ｐ導電型領域４がダイオードセル９０ｄのアノード領域、裏面側Ｎ導電型領域６がダイオードセル９０ｄのカソード領域である。従って、図９の等価回路図で示すように、半導体装置９０では、ＩＧＢＴ９０ｉとダイオード９０ｄが並列接続されている。
【０００８】
図８および図９の半導体装置９０におけるダイオード９０ｄを前述したインバータ回路のＦＷＤとして用いる場合には、ダイオードをオン状態からオフ状態に変更した場合における、当該ダイオードの逆回復時の電流波形が重要である。
【０００９】
図１０（ａ）は、図８に示す半導体装置９０のダイオード９０ｄを流れる電流波形を測定評価するための回路図であり、図１０（ｂ）は、電流波形の一例を示す図である。
【００１０】
図１０（ａ）の測定回路図における半導体装置９０ａ，９０ｂは、図８に示す半導体装置９０と同じ構造のもので、半導体装置９０ａのＩＧＢＴ９０ａｉをスイッチング素子として用い、半導体装置９０ｂのＩＧＢＴを短絡してダイオード９０ｂｄを流れる電流Ｉｄの波形を測定している。
【００１１】
図１０（ｂ）に示すように、半導体装置９０ａのＩＧＢＴ９０ａｉのＯＦＦ時には、半導体装置９０ｂのダイオード９０ｂｄに循環電流Ｉｉｆが流れる。半導体装置９０ａのＩＧＢＴ９０ａｉがＯＮされると、半導体装置９０ｂのダイオード９０ｂｄには、逆方向に瞬間的な電流が流れる。この逆方向に流れる電流のピーク値が、リカバリー電流Ｉｒｒと呼ばれる。又、逆回復時にはダイオードに電源電圧が印加されていき、この電圧と電流との積がリカバリーロスと呼ばれる。一般に、整流用ダイオードとしては、リカバリー電流Ｉｒｒが小さくて、逆回復時のリカバリーロスが小さく、逆回復時の電流の回復が緩やか（ソフトリカバリー）なダイオードが、必要とされる。
【００１２】
図８に示す半導体装置９０では、ＩＧＢＴセル９０ｉと共に併設され、ＩＧＢＴセル９０ｉのＰ導電型層２とＮ導電型半導体基板１の界面をＰＮ接合面とするダイオードセル９０ｄが、ＦＷＤとして動作する。半導体装置９０のダイオードセル９０ｄは、一般的な高速リカバリーダイオードに比べ、ダイオードのＰ部に相当するＰ導電型層２の濃度が高くなる。このため、ダイオードセル９０ｄの順方向動作時にはホールが高濃度に注入され、リカバリー動作時にリカバリー電流Ｉｒｒが大きくなって、リカバリー特性が悪くなるといった課題がある。
【００１３】
ダイオードのリカバリー特性を良くするために、単体の高速ダイオードでは、表面パターンや不純物の濃度プロファイル、ライフタイム等を最適化するといった方法が選択できる。しかしながら、ＩＧＢＴセル９０ｉと共に併設される半導体装置９０のダイオードセル９０ｄでは、ダイオードセル９０ｄの性能向上のための変更がＩＧＢＴセル９０ｉの性能を損なう可能性があり、上記のような方法は選択できない。
【００１４】
上記課題を克服するための半導体装置の構造が、特開２００５−１０１５１４号公報（特許文献１）に開示されている。
【００１５】
図１１は、特許文献１に開示された半導体装置の構造を示す図で、半導体装置９１の模式的な断面図である。尚、図１１の半導体装置９１において、図８の半導体装置９０と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００１６】
図１１の半導体装置９１においては、ＩＧＢＴセル９１ｉのチャネルを形成するための領域を横方向拡散したＰ導電型領域２ｗで形成し、ダイオードセル９１ｄのＰＮ接合面を、横方向拡散したＰ導電型領域２ｗの横方向先端付近におけるＮ導電型（Ｎ−）半導体基板１の界面としている。Ｐ導電型領域２ｗの横方向先端付近では、不純物濃度が低くなっているため、これによってダイオードセル９１ｄの順方向動作時における注入ホール濃度が低減されて、リカバリー特性が改善される。
【特許文献１】特開２００５−１０１５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図１１に示す半導体装置９１では、図８に示す半導体装置９０と異なり、主面側Ｐ導電型（Ｐ＋）領域４が形成されていない。また、図１１の半導体装置９１における横方向拡散したＰ導電型領域２ｗは、図８の半導体装置９０におけるＰ導電型層２に較べて、不純物の表面濃度が低濃度となる。このため、図１１の半導体装置９１では、主面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域３、Ｐ導電型領域２ｗおよびＮ導電型半導体基板１で構成される寄生ＮＰＮトランジスタのベース抵抗となるチャネルＰ（Ｐ導電型領域２ｗ）のピンチ抵抗が大きくなってしまう。その結果、寄生ＮＰＮトランジスタの電流増幅率が大きくなるため、半導体装置９１に高電圧サージが印加されてアバランシェ電流がＰ導電型領域２ｗ内に流れる場合、寄生ＮＰＮトランジスタが動作し易く、半導体装置９１は高電圧サージで容易に破壊してしまう。すなわち、図１１の半導体装置９１は、ダイオードセル９１ｄのリカバリー特性は改善されるものの、破壊エネルギーが非常に小さく、低い耐サージ特性を持った半導体装置となってしまう。
【００１８】
そこで本発明は、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、ＩＧＢＴセルの特性を損なうことなく、ダイオードセルのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない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】
【００１９】
請求項１に記載の発明は、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが、同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、Ｎ導電型半導体基板の主面側の表層部に、表面から内部に向って不純物濃度が低下するＰ導電型層が形成され、前記Ｐ導電型層内の表層部に、主面側Ｎ導電型領域が形成され、前記Ｎ導電型半導体基板の裏面側の表層部に、裏面側Ｐ導電型領域と裏面側Ｎ導電型領域が形成され、前記主面側Ｎ導電型領域とＰ導電型層を貫通して、前記Ｎ導電型半導体基板に達する第１トレンチが形成され、絶縁膜を介して前記第１トレンチ内に埋め込まれた第１電極層を前記ＩＧＢＴセルのゲート電極とし、前記Ｎ導電型半導体基板の主面側の表面上に形成され、前記主面側Ｎ導電型領域およびＰ導電型層に電気的に接続する第２電極層を、前記ＩＧＢＴセルのエミッタ電極および前記ダイオードセルのアノード電極とし、前記Ｎ導電型半導体基板の裏面側の表面上に形成され、前記裏面側Ｐ導電型領域および裏面側Ｎ導電型領域に電気的に接続する第３電極層を、前記ＩＧＢＴセルのコレクタ電極および前記ダイオードセルのカソード電極とし、前記Ｐ導電型層の内部に達する第２トレンチが形成され、前記第２トレンチ内に前記第２電極層が埋め込まれて、第２電極層がＰ導電型層に電気的に接続されてなることを特徴としている。
【００２０】
上記半導体装置においては、Ｎ導電型半導体基板の主面側の表層部に形成された表面から内部に向って不純物濃度が低下するＰ導電型層が、ＩＧＢＴセルのチャネルとなり、ダイオードセルのＰ部となる。上記半導体装置におけるＩＧＢＴセルの構造は、従来の一般的なＩＧＢＴセルの単体構造と同様である。従って、上記半導体装置のＩＧＢＴセルでは、従来の一般的なＩＧＢＴセル単体の特性と同じ特性を確保することができる。
【００２１】
また、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが併設されてなる上記半導体装置では、主面側Ｎ導電型領域、Ｐ導電型層およびＮ導電型半導体基板で寄生ＮＰＮトランジスタが構成されるが、この寄生ＮＰＮトランジスタの構造も、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが併設されてなる従来の半導体装置と同様である。従って、上記半導体装置の耐サージ特性についても、従来の半導体装置と較べて、特に劣化することはない。
【００２２】
一方、従来のＩＧＢＴセルとダイオードセルが併設されてなる半導体装置のダイオードセルでは、アノード電極である第２電極層が、基板表面において主面側Ｐ導電型領域を介してＰ導電型層に接続されている。これに対して、上記半導体装置のダイオードセルでは、Ｐ導電型層の内部に達する第２トレンチ内に埋め込まれた第２電極層が、ダイオードセルのアノード電極として、Ｐ導電型層に接続されている。このアノード電極が接続されるＰ導電型層の内部は、表面に較べて低い不純物濃度となっている。これによって、上記半導体装置のダイオードセルでは、第２トレンチがなくアノード電極が基板表面で接続される従来のダイオードセルに較べて、順方向動作時における注入ホール濃度が低減される。従って、上記半導体装置のダイオードセルでは、逆回復時のリカバリー電流も小さくなり、リカバリーロスが低減されて、リカバリー特性が改善される。
【００２３】
以上のようにして、上記半導体装置は、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、ＩＧＢＴセルの特性を損なうことなく、ダイオードセルのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない半導体装置とすることができる。
【００２４】
請求項２に記載のように、上記半導体装置においては、前記Ｐ導電型層内の表層部に、主面側Ｐ導電型領域が形成され、前記第２トレンチが、前記主面側Ｐ導電型領域を貫通して形成され、前記第２電極層が、前記第２トレンチの側面で、前記主面側Ｐ導電型領域に電気的に接続されてなることが好ましい。また、請求項３に記載のように、前記第２電極層と主面側Ｐ導電型領域の電気的な接続は、オーミック接触であることが好ましい。
【００２５】
上記半導体装置の構造は、ＩＧＢＴセルのエミッタである第２電極層が、上記主面側Ｐ導電型領域に接続される構造となる。このため、当該半導体装置においては、ＩＧＢＴセルのチャネルであるＰ導電型層の電位を、確実に固定することができる。これによって、特に、Ｐ導電型層ピンチ抵抗が低減されるために、前述した寄生ＮＰＮトランジスタ動作はし難くなり、対サージ耐量が向上する。また、上記半導体装置の構造は、ダイオードセルのアノード電極でもある第２電極層が、第２トレンチの側面で主面側Ｐ導電型領域に接続され、第２トレンチの先端でＰ導電型層の内部に接続された構造でもある。このため、主面側Ｐ導電型領域が形成されることによって、ダイオードセルのリカバリー特性が悪化することもない。
【００２６】
尚、請求項４に記載のように、主面側Ｐ導電型領域は、主面側Ｎ導電型領域に隣接して配置されてなることが好ましい。これにより、主面側Ｐ導電型領域と主面側Ｎ導電型領域を離して配置する場合に較べて、ＩＧＢＴセルとダイオードセルの配置密度を高めることができ、当該半導体装置を小型化することができる。
【００２７】
一方、請求項５に記載のように、上記半導体装置においては、前記第２トレンチの少なくとも底面における第２電極層とＰ導電型層の電気的な接続が、ショットキー接触であることが好ましい。
【００２８】
ショットキー接触は、整流作用があり、ダイオード順方向動作時に電子電流のみを流して、オーミック接触部からのホールの注入を減らしてくれる。これによって、リカバリー時にはショットキー接触部がホールを抜き取ってくれるため、その結果リカバリー特性が改善される。このように、ダイオードセルのアノード電極の要部である第２トレンチの先端付近における少なくとも底面の第２電極層とＰ導電型層の接続に、整流作用のあるショットキー接触を取り入れることで、接続部の全てをオーミック接触とする場合に較べて、逆回復時のリカバリー電流が小さくなり、リカバリーロスを低減して、リカバリー特性を改善することができる。
【００２９】
請求項６に記載のように、上記半導体装置においては、前記第２トレンチが、前記主面側Ｎ導電型領域を貫通して、形成されてなることが好ましい。これにより、第２トレンチが主面側Ｎ導電型領域を貫通せずに別位置に配置される場合に較べて、ＩＧＢＴセルとダイオードセルの配置密度を高めることができ、当該半導体装置を小型化することができる。
【００３０】
また、請求項７に記載のように、上記半導体装置においては、前記Ｐ導電型層が、主面側表面より高濃度層と低濃度層の２層で構成され、前記第２トレンチが、前記低濃度層に達して形成され、前記第２電極層が低濃度層に電気的に接続されてなることが好ましい。
【００３１】
上記半導体装置においては、低濃度層と高濃度層の不純物濃度を独立に設定することができる。これによって、高濃度層の不純物濃度をＩＧＢＴセルのチャネルの閾値電圧に好適な不純物濃度に設定し、低濃度層の不純物濃度をダイオードセルのリカバリー電流低減に好適な不純物濃度に設定することが可能となる。従って、上記半導体装置におけるＩＧＢＴセルとダイオードセルの特性制御における互いの干渉を低減することができ、ＩＧＢＴセルとダイオードセルの特性制御が容易になる。
【００３２】
上記半導体装置は、請求項８に記載のように、前記ダイオードセルとは別位置の前記Ｐ導電型層が形成されていない領域において、前記Ｎ導電型半導体基板の主面側の表層部に、主面側第２Ｐ導電型領域が形成され、前記第２電極層が、前記主面側第２Ｐ導電型領域に電気的に接続されてなり、前記主面側第２Ｐ導電型領域と前記Ｎ導電型半導体基板および前記裏面側Ｎ導電型領域とで構成され、前記第２電極層をアノード電極とし前記第３電極層をカソード電極とする第２ダイオードセルが、前記ダイオードセルに併設されてなる構成としてもよい。
【００３３】
前記した半導体装置のＰ導電型層とＮ導電型半導体基板および裏面側Ｎ導電型領域とで構成されるダイオードセル（所謂、ボディダイオードセル）は、前述したようにリカバリー特性を改善できる反面、電流容量は、第２トレンチがなくアノード電極が基板表面で接続される従来のボディダイオードセルに較べて小さくなる。このため、上記半導体装置のように、前記ダイオードセルとは別位置に第２ダイオードセルを併設することで、必要な電流容量を確保することができる。尚、上記第２ダイオードセルでは、アノード電極が従来と同様に基板表面で主面側第２Ｐ導電型領域に接続されるが、主面側第２Ｐ導電型領域はＩＧＢＴセルから離れた位置に形成できると共に不純物濃度を適宜設定することができ、これによってリカバリー特性の悪化を抑制することができる。
【００３４】
上記第２ダイオードセルを併設する場合は、請求項９に記載のように、前記裏面側Ｐ導電型領域が、前記Ｐ導電型層の直下に形成され、前記裏面側Ｎ導電型領域が、前記主面側第２Ｐ導電型領域の直下に形成されてなるように構成することが好ましい。
【００３５】
これによれば、Ｐ導電型層の形成領域に配置されるＩＧＢＴセルと（ボディ）ダイオードセルに関して、ダイオードとしての機能を弱めて主としてＩＧＢＴとして機能させ、主面側第２Ｐ導電型領域の形成領域に配置される第２ダイオードセルを主たるダイオードとして機能させることができる。以上のように、主としてＩＧＢＴとして機能する部分と主としてダイオードとして機能する部分を明確に分離することで、上記半導体装置の設計が容易になると共に、設計自由度を高めることができる。
【００３６】
上記半導体装置においては、請求項１０に記載のように、前記Ｎ導電型半導体基板における前記裏面側Ｐ導電型領域と前記裏面側Ｎ導電型領域上に、該領域を覆うようにして、Ｎ導電型半導体基板と裏面側Ｎ導電型領域の中間の不純物濃度を有する裏面側Ｎ導電型層が形成されてなる構成としてもよい。
【００３７】
これによれば、上記裏面側Ｎ導電型層（所謂、フィールドストップ層）により、主面側のＰ導電型層と裏面側Ｐ導電型領域からＮ導電型半導体基板に伸びる空乏層でのパンチスルーを防止することができ、これによって高耐圧の半導体装置とすることができる。
【００３８】
上記請求項１〜１０に記載の半導体装置は、Ｎ導電型半導体基板の主面側の表層部にＰ導電型層が形成され、ＮチャネルのＩＧＢＴセルと主面側のＰ導電型層をアノードとするダイオードセルが形成された半導体装置である。一方、請求項１１〜２０に記載の半導体装置は、Ｐ導電型半導体基板の主面側の表層部にＮ導電型層が形成され、ＰチャネルのＩＧＢＴセルと主面側のＮ導電型層をカソードとするダイオードセルが形成された半導体装置である。請求項１１〜２０に記載の半導体装置は、請求項１〜１０に記載の半導体装置における各領域の導電型を全て逆転した半導体装置であり、上記した請求項１〜１０に記載の半導体装置に対する効果の説明は、請求項１１〜２０に記載の半導体装置にも同様に適用できることは言うまでもない。従って、請求項１１〜２０に記載の半導体装置も、ＩＧＢＴセルの特性を損なうことなく、ダイオードセルのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない半導体装置とすることができる。
【００３９】
以上に示したＩＧＢＴセルとダイオードセルが同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、ＩＧＢＴセルの特性を損なうことなく、ダイオードセルのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない上記半導体装置は、請求項２１に記載のように、インバータ回路に用いられる半導体装置であって、前記ダイオードおよび前記第２ダイオードが、フリーホイールダイオードとして用いられる場合に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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。
【００４１】
図１は、本発明の半導体装置の一例で、半導体装置１００の模式的な断面図である。尚、図１の半導体装置１００において、図８の半導体装置９０と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００４２】
図１に示す半導体装置１００は、ＩＧＢＴセル１００ｉとダイオードセル１００ｄが、同じ半導体基板１に併設されてなる半導体装置である。半導体装置１００では、Ｎ導電型（Ｎ−）半導体基板１の主面側の表層部に、表面から内部に向って不純物濃度が低下するＰ導電型（Ｐ）層２ａが形成され、Ｐ導電型層２ａ内の表層部には、不純物を高濃度に含有する主面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域３ａと主面側Ｐ導電型（Ｐ＋）領域４ａが形成されている。主面側Ｐ導電型領域４ａは、ＩＧＢＴセル１００ｉの以下に示すゲート電極の近傍において、Ｐ導電型層２ａと主面側Ｎ導電型領域３ａのＰＮ接合に届かないように拡散形成されている。
【００４３】
また、Ｎ導電型半導体基板１の裏面側の表層部には、不純物を高濃度に含有する裏面側Ｐ導電型（Ｐ＋）領域５と裏面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域６が形成されている。尚、図１の半導体装置１００のように、主面側Ｐ導電型領域４ａは、主面側Ｎ導電型領域３ａに隣接して配置することが好ましい。これにより、主面側Ｐ導電型領域４ａと主面側Ｎ導電型領域３ａを離して配置する場合に較べて、ＩＧＢＴセル１００ｉとダイオードセル１００ｄの配置密度を高めることができ、半導体装置を小型化することができる。
【００４４】
図１の半導体装置１００では、主面側Ｎ導電型領域３ａとＰ導電型層２ａを貫通して、Ｎ導電型半導体基板１に達する第１トレンチＴ１が形成されている。また、図１の半導体装置１００では、図８に示した従来の半導体装置９０と異なり、主面側Ｐ導電型領域４ａを貫通して、Ｐ導電型層２ａの内部に達する第２トレンチＴ２が形成されている。尚、図１の半導体装置１００においては、第２トレンチＴ２が、主面側Ｎ導電型領域３ａを貫通して、形成されている。これにより、第２トレンチＴ２が主面側Ｎ導電型領域３ａを貫通せずに別位置に配置される場合に較べて、ＩＧＢＴセル１００ｉとダイオードセル１００ｄの配置密度を高めることができ、半導体装置を小型化することができる。
【００４５】
図１の半導体装置１００では、側壁に形成された絶縁膜７を介して第１トレンチＴ１内に埋め込まれたポリシリコン等からなる第１電極層８を、ＩＧＢＴセル１００ｉのゲート電極としている。
【００４６】
図１の半導体装置１００では、Ｎ導電型半導体基板１の主面側の表面上には、層間絶縁膜９を介してアルミニウム等からなる第２電極層１０が形成されている。第２電極層１０は、第２トレンチＴ２内にも埋め込まれている。第２電極層１０は、主面側Ｎ導電型領域３ａおよび主面側Ｐ導電型領域４ａを貫通してＰ導電型層２ａに電気的に接続され、ＩＧＢＴセル１００ｉのエミッタ電極およびダイオードセル１００ｄのアノード電極となっている。第２電極層１０は、主面側Ｎ導電型領域３ａと主面側Ｐ導電型領域４ａにも接続され、これらを短絡している。従って、ＩＧＢＴセル１００ｉにおけるエミッタとチャネル間が電気的にショートして、チャネルの電位が固定され、ＩＧＢＴセル１００ｉの動作が安定する。
【００４７】
図１の半導体装置１００では、Ｎ導電型半導体基板１の裏面側の表面上に形成され、裏面側Ｐ導電型領域５および裏面側Ｎ導電型領域６に電気的に共通接続してこれらを短絡する第３電極層１１を、ＩＧＢＴセル１００ｉのコレクタ電極およびダイオードセル１００ｄのカソード電極としている。
【００４８】
図１に示す半導体装置１００においては、Ｎ導電型半導体基板１の主面側の表層部に形成された表面から内部に向って不純物濃度が低下するＰ導電型層２ａが、ＩＧＢＴセル１００ｉのチャネル形成層となり、ダイオードセル１００ｄのＰ部となる。半導体装置１００におけるＩＧＢＴセル１００ｉの構造は、従来の一般的なＩＧＢＴセルの単体構造と同様である。従って、半導体装置１００のＩＧＢＴセル１００ｉでは、従来の一般的なＩＧＢＴセル単体の特性と同じ特性を確保することができる。
【００４９】
また、ＩＧＢＴセル１００ｉとダイオードセル１００ｄが併設されてなる半導体装置１００では、主面側Ｎ導電型領域３ａ、Ｐ導電型層２ａおよびＮ導電型半導体基板１で寄生ＮＰＮトランジスタが構成されるが、この寄生ＮＰＮトランジスタの構造も、図８に示したＩＧＢＴセル９０ｉとダイオードセル９０ｄが併設されてなる従来の半導体装置９０と同様である。従って、図１の半導体装置１００の耐サージ特性についても、図８に示した従来の半導体装置９０と較べて、特に劣化することはない。
【００５０】
一方、図８に示した従来の半導体装置９０のダイオードセル９０ｄでは、アノード電極である第２電極層１０が、基板表面において主面側Ｐ導電型領域４を介してＰ導電型層２に電気的に接続されている。これに対して、図１の半導体装置１００のダイオードセル１００ｄでは、Ｐ導電型層２ａの内部に達する第２トレンチＴ２内に埋め込まれた第２電極層１０が、ダイオードセル１００ｄのアノード電極として、Ｐ導電型層２ａに電気的に接続されている。このアノード電極が接続されるＰ導電型層２ａの内部は、表面に較べて低い不純物濃度となっている。これによって、半導体装置１００のダイオードセル１００ｄでは、第２トレンチＴ２がなくアノード電極が基板表面で接続される図８に示した従来のダイオードセル９０ｄに較べて、順方向動作時における注入ホール濃度が低減される。従って、図１の半導体装置１００のダイオードセル１００ｄでは、後述するように、図１０で説明した逆回復時のリカバリー電流Ｉｒｒも小さくなり、リカバリーロスが低減されて、リカバリー特性が改善される。
【００５１】
以上のようにして、図１に示す半導体装置１００は、ＩＧＢＴセル１００ｉとダイオードセル１００ｄが同じ半導体基板１に併設されてなる半導体装置であって、ＩＧＢＴセル１００ｉの特性を損なうことなく、ダイオードセル１００ｄのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない半導体装置とすることができる。
【００５２】
尚、図１の半導体装置１００においては、Ｐ導電型層２ａ内の表層部に、主面側Ｐ導電型領域４ａが形成され、第２トレンチＴ２が、主面側Ｐ導電型領域４ａを貫通して形成されている。また、第２電極層１０は、第２トレンチＴ２の側面で主面側Ｐ導電型領域４ａに接続され、第２電極層１０と主面側Ｐ導電型領域４ａの接続が、オーミック接触となっている。主面側Ｐ導電型領域４ａの不純物濃度は、一般的に、１×１０１９ｃｍ−３以上であり、エミッタ電極と良好なオーミック接触となる。
【００５３】
上記半導体装置１００の構造は、ＩＧＢＴセル１００ｉのエミッタである第２電極層１０が、主面側Ｐ導電型領域４ａに接続された構造となる。このため、半導体装置１００においては、ＩＧＢＴセル１００ｉのチャネル形成層であるＰ導電型層２ａの電位を、確実に固定することができる。特に、主面側Ｐ導電型領域４ａの形成によってＰ導電型層ピンチ抵抗が低減されるために、前述した寄生ＮＰＮトランジスタ動作はし難くなり、対サージ耐量が向上する。また、上記半導体装置１００の構造は、ダイオードセル１００ｄのアノード電極でもある第２電極層１０が、第２トレンチＴ２の側面で主面側Ｐ導電型領域４ａに接続され、第２トレンチＴ２の先端でＰ導電型層２ａの内部に接続された構造でもある。このため、後述するように、主面側Ｐ導電型領域４ａが形成されることによって、ダイオードセル１００ｄのリカバリー特性が悪化することもない。
【００５４】
また、図１の半導体装置１００において、表面から内部に向って不純物濃度が低下するＰ導電型層２ａは、１重拡散による１層の構成としてもよいが、例えば２重拡散等を用いて、主面側表面より高濃度層２ａｈと低濃度層２ａｌの２層で構成することが好ましい。図１では、低濃度層２ａｌと高濃度層２ａｈを、細い破線で区分して示した。図１にあるように、Ｐ導電型層２ａを低濃度層２ａｌと高濃度層２ａｈの２層とした場合には、第２トレンチＴ２を、低濃度層２ａｌに達するように形成し、第２電極層１０を低濃度層２ａｌに電気的に接続する。
【００５５】
上記Ｐ導電型層２ａの２層構造により、図１の半導体装置１００においては、低濃度層２ａｌと高濃度層２ａｈの不純物濃度を独立に設定することができる。これによって、高濃度層２ａｈの不純物濃度をＩＧＢＴセル１００ｉのチャネルの閾値電圧に好適な不純物濃度に設定し、後述するように低濃度層２ａｌの不純物濃度をダイオードセル１００ｄのリカバリー電流低減に好適な不純物濃度に設定することが可能となる。従って、Ｐ導電型層２ａの２層構造により、半導体装置１００におけるＩＧＢＴセル１００ｉとダイオードセル１００ｄの特性制御における互いの干渉を低減することができ、ＩＧＢＴセル１００ｉとダイオードセル１００ｄの特性制御が容易になる。
【００５６】
次に、図１に示した半導体装置１００と同様の半導体装置をインバータ回路に用い、当該半導体装置のダイオードセルがフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）として用いられる場合について、ダイオードセルに流れる電流をシミュレートした結果を示す。
【００５７】
図２（ａ），（ｂ）は、それぞれ、シミュレーションに用いた半導体装置１０１，１０２を示す図で、不純物の等濃度線を入れた模式的な断面図である。図３（ａ）も、シミュレーションに用いた別の半導体装置１０３を示す図で、不純物の等濃度線を入れた模式的な断面図である。図３（ｂ）は、図２（ａ）と図３（ａ）の半導体装置１０１，１０３において、それぞれ、一点鎖線Ａ−Ａと一点鎖線Ｂ−Ｂでの不純物濃度の深さ分布をまとめて示した図である。尚、図２（ａ），（ｂ）および図３（ａ）に示す半導体装置１０１〜１０３において、図１の半導体装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００５８】
図２（ａ）のシミュレーションに用いた半導体装置１０１は、図１の半導体装置１００を簡略化したもので、Ｐ導電型層２ａを１重拡散の１層構造とし、主面側Ｐ導電型領域４ａを第２トレンチＴ２の周りに形成しない構造としている。尚、半導体装置１０１では、第２トレンチＴ２におけるＰ導電型層２ａ（および主面側Ｎ導電型領域３ａ）と第２電極層１０の電気的な接続を、全界面に渡ってオーミック接触としている。
【００５９】
図２（ｂ）のシミュレーションに用いた半導体装置１０２は、Ｐ導電型層２ａを、２重拡散により形成した低濃度層２ａｌと高濃度層２ａｈからなる２層構造としている。また、主面側Ｐ導電型領域４ａを、第２トレンチＴ２の先端にも形成した構造としている。尚、半導体装置１０２においても、第２トレンチＴ２における低濃度層２ａｌおよび高濃度層４ａ（ならびに主面側Ｎ導電型領域３ａ）と第２電極層１０の電気的な接続を、全界面に渡ってオーミック接触としている。
【００６０】
図３（ａ）のシミュレーションに用いた半導体装置１０３は、図１の半導体装置１００と同様の構造を有している。半導体装置１０３では、Ｐ導電型層２ａを２重拡散により形成した低濃度層２ａｌと高濃度層２ａｈからなる２層構造とし、第２トレンチＴ２の先端で、第２電極層１０が低濃度層２ａｌに接続する構造となっている。尚、半導体装置１０３では、低濃度層２ａｌの不純物濃度が低いため、第２トレンチＴ２の先端付近における少なくとも底面の低濃度層２ａｌと第２電極層１０の電気的な接続を、ショットキー接触としている。また、半導体装置１０３では、主面側Ｐ導電型領域４ａが主面側Ｎ導電型領域３ａに隣接して形成され、第２電極層１０が埋め込まれた第２トレンチＴ２の側面で、主面側Ｐ導電型領域４ａ（および主面側Ｎ導電型領域３ａ）と第２電極層１０の電気的な接続を、オーミック接触としている。
【００６１】
図４は、図２（ａ），（ｂ）と図３（ａ）の半導体装置１０１〜１０３において、シミュレーションにより求めた各ダイオードセルのリカバリー電流Ｉｒｒと第２トレンチＴ２の深さの関係をまとめて示した図である。また、図５は、図２（ａ）の半導体装置１０１と図３（ａ）の半導体装置１０３について、シミュレーションにより求めた各ダイオードセルの電流波形とリカバリー電流Ｉｒｒの一例をまとめて示した図である。
【００６２】
図４において、第２トレンチＴ２の深さ０μｍが図８に示した従来の半導体装置９０に相当し、３８０Ａのリカバリー電流Ｉｒｒが発生する。
【００６３】
これに対して、Ｐ導電型層２ａが１層構造で、Ｐ導電型層２ａと第２電極層１０の電気的な接続が全界面に渡ってオーミック接触である図２（ａ）の半導体装置１０１では、第２トレンチＴ２が深くなるに従ってリカバリー電流Ｉｒｒが減少する。半導体装置１０１では、第２トレンチＴ２の深さが１．７μｍで、リカバリー電流Ｉｒｒが従来に較べて２４０Ａに減少する。
【００６４】
一方、Ｐ導電型層２ａが２層構造で、主面側Ｐ導電型領域４ａを第２トレンチＴ２の先端にも形成した図２（ｂ）の半導体装置１０２では、半導体装置１０１と同様に第２トレンチＴ２が深くなるに従ってリカバリー電流Ｉｒｒが減少するものの、減少割合が緩やかである。半導体装置１０２では、第２トレンチＴ２の深さが１．７μｍで、リカバリー電流Ｉｒｒが従来の較べて３３０Ａに減少する。
【００６５】
Ｐ導電型層２ａが２層構造で、第２トレンチＴ２の先端で第２電極層１０が低濃度層２ａｌにショットキー接触する図３（ａ）の半導体装置１０３では、リカバリー電流Ｉｒｒの減少が最大となる。半導体装置１０３では、第２トレンチＴ２の深さが１．７μｍで、リカバリー電流Ｉｒｒが従来の較べて１８０Ａまで減少する。
【００６６】
図４のシミュレーション結果からわかるように、本発明の半導体装置においてダイオードセルのリカバリー電流Ｉｒｒを小さくするためには、第２トレンチＴ２の先端において、第２電極層１０が電気的に接続するＰ導電型層２ａの濃度は低いほうがよい。
【００６７】
また、第２トレンチＴ２の先端における第２電極層１０とＰ導電型層２ａの電気的な接続は、ショットキー接触であることが好ましい。  ショットキー接触は、整流作用があり、ダイオード順方向動作時に電子電流のみを流して、オーミック接触部からのホールの注入を減らしてくれる。これによって、リカバリー時にはショットキー接触部がホールを抜き取ってくれるため、その結果リカバリー特性が改善される。このように、ダイオードセルのアノード電極の要部である第２トレンチＴ２の先端の第２電極層１０とＰ導電型層２ａの電気的な接続に、整流作用のあるショットキー接触を取り入れることで、接続部の全てをオーミック接触とする場合に較べて、逆回復時のリカバリー電流が小さくなり、リカバリーロスを低減して、リカバリー特性を改善することができる。
【００６８】
図６は、別の半導体装置の例で、半導体装置１０４の模式的な断面図である。尚、図６の半導体装置１０４において、図１の半導体装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００６９】
図６に示す半導体装置１０４では、図１の半導体装置１００におけるＩＧＢＴセル１００ｉおよびダイオードセル１００ｄと同様のＩＧＢＴセル１０４ｉおよびダイオードセル１０４ｄが、Ｎ導電型半導体基板１に多数形成されている。
【００７０】
一方、図６の半導体装置１０４では、図１の半導体装置１００と異なり、Ｎ導電型半導体基板１における裏面側Ｐ導電型領域５と裏面側Ｎ導電型領域６上に、該領域５，６を覆うようにして、Ｎ導電型（Ｎ−）半導体基板１と裏面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域６の中間の不純物濃度を有する裏面側Ｎ導電型（Ｎ）層１ａが形成されている。この裏面側Ｎ導電型層（所謂、フィールドストップ層）１ａにより、主面側のＰ導電型層２ａと裏面側Ｐ導電型領域５からＮ導電型半導体基板１に伸びる空乏層でのパンチスルーを防止することができ、これによって高耐圧の半導体装置とすることができる。
【００７１】
図７も、別の半導体装置の例で、半導体装置１０５の模式的な断面図である。尚、図７の半導体装置１０５において、図６の半導体装置１０４と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００７２】
図７に示す半導体装置１０５では、図４の半導体装置１０４におけるＩＧＢＴセル１０４ｉおよびダイオードセル１０４ｄと同様のＩＧＢＴセル１０５ｉおよびダイオードセル１０５ｄが、Ｎ導電型半導体基板１に複数形成されている。また、図４の半導体装置１０４と同様に、Ｎ導電型半導体基板１における裏面側Ｐ導電型領域５と裏面側Ｎ導電型領域６上には、該領域５，６を覆うようにして、裏面側Ｎ導電型（Ｎ）層１ａが形成されている。
【００７３】
一方、図７の半導体装置１０５では、ダイオードセル１０５ｄとは別位置のＰ導電型層２ａが形成されていない領域において、Ｎ導電型半導体基板１の主面側の表層部に、主面側第２Ｐ導電（Ｐ）領域２ｂが形成されている。また、第２電極層１０は、Ｐ導電型層２ａだけでなく、主面側第２Ｐ導電型領域２ｂに電気的に接続されている。従って、半導体装置１０５では、主面側第２Ｐ導電型領域２ｂとＮ導電型半導体基板１および裏面側Ｎ導電型領域６とで構成され、第２電極層１０をアノード電極とし第３電極層１１をカソード電極とする第２ダイオードセル１０５ｄ２が、ダイオードセル１０５ｄに併設されてなる構成となっている。
【００７４】
図１および図６に示す半導体装置１００，１０４のＰ導電型層２ａとＮ導電型半導体基板１および裏面側Ｎ導電型領域６とで構成されるダイオードセル（所謂、ボディダイオードセル）１００ｉ，１０４ｉは、前述したようにリカバリー特性を改善できる反面、図８に示した第２トレンチＴ２がなくアノード電極１０が基板表面で接続される従来のボディダイオードセル９０ｄに較べて、電流容量が小さくなる。このため、図７に示す半導体装置１０５のように、（ボディ）ダイオードセル１０５ｄとは別位置に第２ダイオードセル１０５ｄ２を併設することで、必要な電流容量を確保することができる。尚、上記第２ダイオードセル１０５ｄでは、アノード電極１０が従来と同様に基板表面で主面側第２Ｐ導電型領域２ｂに接続されるが、主面側第２Ｐ導電型領域２ｂはＩＧＢＴセル１０５から離れた位置に形成できると共に不純物濃度を適宜設定することができ、これによってリカバリー特性の悪化を抑制することができる。
【００７５】
また、図７の半導体装置１０５では、裏面側Ｐ導電型領域５が、Ｐ導電型層２ａの直下に形成され、裏面側Ｎ導電型領域６が、主面側第２Ｐ導電型領域２ｂの直下に形成されている。これにより、Ｐ導電型層２ａの形成領域に配置されるＩＧＢＴセル１０５ｉと（ボディ）ダイオードセル１０５ｄに関して、ダイオードとしての機能を弱めて主としてＩＧＢＴとして機能させ、主面側第２Ｐ導電型領域２ｂの形成領域に配置される第２ダイオードセル１０５ｄ２を主たるダイオードとして機能させることができる。以上のように、主としてＩＧＢＴとして機能する部分と主としてダイオードとして機能する部分を明確に分離することで、半導体装置１０５の設計が容易になると共に、設計自由度を高めることができる。
【００７６】
尚、図１〜図７に示した半導体装置１００〜１０５は、Ｎ導電型半導体基板１の主面側の表層部にＰ導電型層２ａが形成され、ＮチャネルのＩＧＢＴセルと主面側のＰ導電型層２ａをアノードとするダイオードセルが形成された半導体装置である。一方、上記半導体装置１００〜１０５における各領域の導電型を全て逆転した半導体装置で、Ｐ導電型半導体基板の主面側の表層部にＮ導電型層が形成され、ＰチャネルのＩＧＢＴセルと主面側のＮ導電型層をカソードとするダイオードセルが形成された半導体装置についても、上記した半導体装置１００〜１０５に対する効果の説明が同様に適用できることは言うまでもない。従って、上記半導体装置１００〜１０５における各領域の導電型を全て逆転した半導体装置も、ＩＧＢＴセルの特性を損なうことなく、ダイオードセルのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない半導体装置とすることができる。
【００７７】
以上に示した本発明の半導体装置は、いずれも、ＩＧＢＴセルとダイオードセルが同じ半導体基板に併設されてなる半導体装置であって、ＩＧＢＴセルの特性を損なうことなく、ダイオードセルのリカバリー特性を改善することができると共に、耐サージ特性の劣化のない半導体装置となっている。従って、上記半導体装置は、インバータ回路に用いられる半導体装置であって、当該半導体装置においてＩＧＢＴと共に併設されるダイオードおよび第２ダイオードが、フリーホイールダイオードとして用いられる場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の半導体装置の一例で、半導体装置１００の模式的な断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、シミュレーションに用いた半導体装置１０１，１０２を示す図で、不純物の等濃度線を入れた模式的な断面図である。
【図３】（ａ）は、シミュレーションに用いた別の半導体装置１０３を示す図で、不純物の等濃度線を入れた模式的な断面図である。（ｂ）は、図２（ａ）と図３（ａ）の半導体装置１０１，１０３において、それぞれ、一点鎖線Ａ−Ａと一点鎖線Ｂ−Ｂでの不純物濃度の深さ分布をまとめて示した図である。
【図４】図２（ａ），（ｂ）と図３（ａ）の半導体装置１０１〜１０３において、シミュレーションにより求めた各ダイオードセルのリカバリー電流Ｉｒｒと第２トレンチＴ２の深さの関係をまとめて示した図である。
【図５】図２（ａ）の半導体装置１０１と図３（ａ）の半導体装置１０３について、シミュレーションにより求めた各ダイオードセルの電流波形とリカバリー電流Ｉｒｒの一例をまとめて示した図である。
【図６】別の半導体装置の例で、半導体装置１０４の模式的な断面図である。
【図７】別の半導体装置の例で、半導体装置１０５の模式的な断面図である。
【図８】従来の半導体装置９０の模式的な断面図である。
【図９】半導体装置９０の等価回路図である。
【図１０】（ａ）は、半導体装置９０のダイオード９０ｄを流れる電流波形を測定評価するための回路図であり、（ｂ）は、電流波形の一例を示す図である。
【図１１】特許文献１に開示された半導体装置の構造を示す図で、半導体装置９１の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
９０，９１，１００〜１０５  半導体装置
９０ｉ，９１ｉ，１００ｉ，１０４ｉ，１０５ｉ  ＩＧＢＴセル
９０ｄ，９１ｄ，１００ｄ，１０４ｄ，１０５ｄ  ダイオードセル
１０５ｄ２  第２ダイオードセル
１  Ｎ導電型（Ｎ−）半導体基板
１ａ  裏面側Ｎ導電型（Ｎ）層
２，２ａ  Ｐ導電型層
２ｂ  主面側第２Ｐ導電型（Ｐ）領域
２ａｌ  低濃度層
２ａｈ  高濃度層
２ｗ  Ｐ導電型領域
３，３ａ  主面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域
４，４ａ  主面側Ｐ導電型（Ｐ＋）領域
５  裏面側Ｐ導電型（Ｐ＋）領域
６  裏面側Ｎ導電型（Ｎ＋）領域
Ｔ１  第１トレンチ
Ｔ２  第２トレンチ
８  第１電極層
１０  第２電極層
１１  第３電極層
【図１】
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【図２】
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【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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