(57)【要約】【課題】  半導体層にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置において、寄生ダイオードの動作を抑制する技術を提供する。【解決手段】  半導体装置１００は、素子範囲と、素子範囲を囲む終端範囲に区画された半導体層１５を有する。素子範囲には、ＩＧＢＴ領域１０とダイオード領域１２が形成されている。半導体層１５のうちのダイオード領域１２の裏面部は、ｎ型のカソード領域が形成されているカソード部分３８ａと、上記ｎ型のカソード領域が形成されていない非カソード部分３８ｂを有している。半導体装置１００では、非カソード部分３８ｂがダイオード領域１２の中心側よりも端部側に相対的に多く存在する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子範囲とその素子範囲を囲む終端範囲に区画された半導体層を有する縦型の半導体装置であって、
前記素子範囲には、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が形成されており、
前記半導体層のうちの前記ダイオード領域の裏面部は、ｎ型のカソード領域が形成されているカソード部分と、前記ｎ型のカソード領域が形成されていない非カソード部分を有しており、
前記非カソード部分が前記ダイオード領域の中心側よりも端部側において相対的に多く存在する半導体装置。
【請求項２】
前記半導体層のうちの前記ダイオード領域の裏面部は、中心を含んで前記カソード部分が連続して形成されている中央範囲と、その中央範囲の周囲に存在する端部範囲に区画され、
前記端部範囲では、端部側から中心側に向けて観測したときに、前記カソード部分と前記非カソード部分が繰り返し現れる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記非カソード部分は、ｐ型の半導体領域を有する請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体層のうちの前記ＩＧＢＴ領域の裏面部は、ｐ型のコレクタ領域を有しており、
前記ｐ型のコレクタ領域に含まれるｐ型不純物と前記非カソード部分のｐ型の半導体領域に含まれるｐ型不純物は、前記半導体層の厚み方向の濃度プロファイルが同一である請求項３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（Insulated Gate Bipolar Transistor)領域とダイオード領域を有する半導体層を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共通の半導体層にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在しているモノリシック型の半導体装置が知られており、その一例が特許文献１に開示されている。通常、この種のモノリシック型の半導体装置では、半導体層の素子範囲にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が形成され、その素子範囲を囲むように終端範囲が設けられている。なお、半導体層の終端範囲の表面部には、ｐ型のリサーフ層、ｐ型のガードリング等のｐ型の半導体領域が形成されていることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４１２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らの検討の結果、この種のモノリシック型の半導体装置では、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の境界、又は、ダイオード領域と終端範囲の境界に、寄生ダイオードが形成され、その寄生ダイオードを介して注入されるキャリアによってスイッチング損失が増大していることが分かってきた。ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の境界では、寄生ダイオードが、半導体層のダイオード領域の裏面部に形成されているｎ型のカソード領域と、ＩＧＢＴ領域の表面部のｐ型のボディ領域により形成されている。ダイオード領域と終端範囲の境界では、寄生ダイオードが、半導体層のダイオード領域の裏面部に形成されているｎ型のカソード領域と、終端範囲の表面部に形成されているｐ型の半導体領域に形成されている。ダイオード領域が順方向にバイアスされているときに、これらの寄生ダイオードを介して過剰にキャリアが注入され、逆回復電荷量が増大し、スイッチング損失が増大する。
【０００５】
本明細書は、共通の半導体層にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置において、寄生ダイオードの動作を抑制する技術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】
【０００６】
本明細書で開示される技術は、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の境界、又は、ダイオード領域と終端範囲の境界に寄生ダイオードが形成されているという新規な知見を契機として創作された。すなわち、本明細書で開示される技術は、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の境界、及び、ダイオード領域と終端範囲の境界の少なくとも一方において、ダイオード領域のｎ型のカソード領域の存在部位を選択的に減少させ、寄生ダイオードの動作を抑制することを特徴とする。
【０００７】
本明細書で開示される半導体装置は、縦型であり、素子範囲とその素子範囲を囲む終端範囲に区画された半導体層を有する。素子範囲には、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が形成されている。半導体層のうちのダイオード領域の裏面部は、ｎ型のカソード領域が形成されているカソード部分と、ｎ型のカソード領域が形成されていない非カソード部分を有している。非カソード部分は、ダイオード領域の中心側よりも端部側において相対的に多く存在する。このように、ダイオード領域の裏面部にカソード部分と非カソード部分を設けることにより、ｎ型のカソード領域の体積が減少し、キャリアの注入量を抑制することができる。また、非カソード部分をダイオード領域の中心側よりも端部側に多く設けることにより、他の領域に設けられているｐ型の不純物領域と、カソード領域との間に寄生ダイオードが形成されにくくなる。その結果、ダイオードのスイッチング損失を低減することができる。
【０００８】
本明細書で開示される半導体装置では、半導体層のうちのダイオード領域の裏面部は、中心を含んでカソード部分が連続して形成されている中央範囲と、その中央範囲の周囲に存在する端部範囲に区画されていてもよい。この場合、端部範囲では、端部側から中心側に向けて観測したときに、カソード部分と非カソード部分が繰り返し現れていてもよい。このように、端部範囲にカソード部分と非カソード部分が繰り返し設けられていると、ダイオードが順バイアスされているときに、寄生ダイオードが動作することを抑えながら、順方向電流をカソード領域の面内において略均一に流すことができる。
【０００９】
本明細書で開示する半導体装置では、非カソード部分が、ｐ型の半導体領域を有していてもよい。ｐ型の半導体領域は、カソード領域として動作しない。この場合、半導体装置の他の領域にｐ型の不純物を注入する工程と同時に、非カソード部分を形成してもよい。例えば、ＩＧＢＴ領域のコレクタ領域を形成する工程と同時に非カソード部分を形成してもよい。本明細書で開示する半導体装置では、半導体層のうちのＩＧＢＴ領域の裏面部は、ｐ型のコレクタ領域を有している。ＩＧＢＴ領域のコレクタ領域を形成する工程と同時に非カソード部分を形成すれば、ｐ型のコレクタ領域に含まれるｐ型不純物と非カソード部分のｐ型の半導体領域に含まれるｐ型不純物は、半導体層の厚み方向の濃度プロファイルが同一となる。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書で開示される技術によると、共通の半導体層にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在する半導体装置において、ダイオードのカソード領域と他の領域との間に形成される寄生ダイオードを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の半導体装置の平面レイアウトを示す。
【図２】図１のII−II線に沿った断面を示す。
【図３】図２のIII-III線沿った断面を示す。
【図４】裏面領域の変形例を示す（１）。
【図５】裏面領域の変形例を示す（２）。
【図６】裏面領域の変形例を示す（３）。
【図７】裏面領域の変形例を示す（４）。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１及び図２に示すように、半導体層１５は、素子範囲１３と、素子範囲１３を囲む終端範囲１４に区画されている。素子範囲１３には、ＩＧＢＴ領域１０とダイオード領域１２が隣接して交互に形成されている。半導体装置１００は、ＩＧＢＴ領域１０とダイオード領域１２が混在している縦型であり、半導体層１５と、半導体層１５の裏面に設けられている裏面電極２と、半導体層１５の表面に設けられている表面電極１８を備えている。半導体層１５の材料は単結晶シリコンであり、裏面電極２の材料はＡｌＳｉであり、表面電極１８の材料はＡｌである。なお、裏面電極２の材料はＡｌ又はＴｉであってもよい。表面１８の材料はＡｌＳｉであってもよい。
【００１３】
ＩＧＢＴ領域１０において、半導体層１５は、ｐ＋型のコレクタ領域３６とｎ＋型のバッファ領域６とｎ−型の低濃度領域８とｐ型のボディ領域３４とｎ型のキャリア蓄積層３５とｎ＋型のエミッタ領域３２を有する。コレクタ領域３６とバッファ領域６は、イオン注入技術を利用して、半導体層１５の裏層側に形成されている。ボディ領域３４とキャリア蓄積層３５とエミッタ領域３２は、イオン注入技術を利用して、半導体層１５の表層側に形成されている。
【００１４】
キャリア蓄積層３５は、ボディ領域３４内に設けられており、ボディ領域３４によって低濃度領域８及びエミッタ領域３２から隔てられている。そのため、キャリア蓄積層３５の電位はフローティングである。キャリア蓄積層３５は、ＩＧＢＴ領域１０の全域に亘って設けられている。低濃度領域８は、半導体層１５に他の半導体領域を形成した残部である。
【００１５】
ダイオード領域１２において、半導体層１５は、裏面領域３８とｎ＋型のバッファ領域６とｎ−型の低濃度領域８とｐ型のアノード領域２５を有している。裏面領域３８は、カソード領域として機能するｎ＋型のカソード部分３８ａと、カソード領域として機能しないｐ＋型の非カソード部分３８ｂを有する。ダイオード領域１２は、ダイオード領域１２の中心を含んでカソード部分３８ａが連続している中央範囲１２ｂと、中央範囲１２ｂの周囲に存在する端部範囲１２ａに区画することができる。端部範囲１２ａでは、カソード部分３８ａと非カソード部分３８ｂが交互に繰り返し形成されている。
【００１６】
非カソード部分３８ｂは、ダイオード領域１２の端部範囲１２ａに設けられており、中央範囲１２ｂには設けられていない。カソード部分３８ａ，非カソード部分３８ｂは、イオン注入技術を利用して、半導体層１５の裏層側に形成されている。バッファ領域６も、イオン注入技術を利用して、半導体層１５の裏層側に形成されている。なお、カソード部分３８ａにはリン（Ｐ）がイオン注入されており、非カソード部分３８ｂにはボロン（Ｂ）がイオン注入されている。バッファ領域６にはリンがイオン注入されており、表層側（カソード部分３８ａ又は非カソード部分３８ｂに接する側）の不純物濃度は、カソード部分３８ａの表層の不純物濃度よりも低い。バッファ領域６の不純物濃度は、カソード部分３８ａの不純物濃度よりも低い。そのため、バッファ領域６は、カソード領域として機能しない。アノード領域２５は、イオン注入技術を利用して、半導体層１５の表層側に形成されている。低濃度領域８は、半導体層１５に他の半導体領域を形成した残部である。
【００１７】
図３に示すように、カソード部分３８ａと非カソード部分３８ｂは、図２の紙面奥行き方向にストライプ状に伸びている。なお、図４に示すように、非カソード部分３８ｂが、図２の紙面奥行き方向に間隔をおいてドット状に形成されていてもよい。あるいは、図５に示すように、カソード部分３８ａと非カソード部分３８ｂが図２の紙面奥行き方向にストライプ状に伸びている部分と、非カソード部分３８ｂが図２の紙面奥行き方向に間隔をおいてドット状に形成されている部分が混在していてもよい。あるいは、図６に示すように、カソード部分３８ａと非カソード部分３８ｂが図２の紙面奥行き方向に交互に形成されていてもよい。図６に示すように、非カソード部分３８ｂの幅（紙面奥行き方向の長さ）が、カソード部分３８ａの幅より短くてもよい。なお、図６のような形態の場合、図２の端部範囲１２ａには、カソード部分３８ａ又は非カソード部分３８ｂが現れる。
【００１８】
終端範囲１４において、半導体層１５は、ｐ＋型の裏面領域４０とｎ＋型のバッファ領域６とｎ−型の低濃度領域８とｐ型の表面領域１６を有する。裏面領域４０とｎ＋型のバッファ領域６は、イオン注入技術を利用して、半導体層１５の裏層側に形成されている。表面領域１６は、イオン注入技術を利用して、半導体層１５の表層側に形成されている。表面領域１６は、アノード領域２５よりも半導体層１５の深部にまで形成されている。終端範囲１４では、横方向の電界の拡がりを考慮した、電界の集中を避ける構造が適用されている。これにより、半導体装置１００の耐圧が低下することが抑制される。
【００１９】
コレクタ領域３６と非カソード部分３８ｂと裏面領域４０は、同一の製造工程で作製される。そのため、コレクタ領域３６と非カソード部分３８ｂと裏面領域４０の厚み方向のｐ型不純物の濃度分布は、コレクタ領域３６と非カソード部分３８ｂと裏面領域４０において一致している。また、バッファ領域６は、ＩＧＢＴ領域１０とダイオード領域１２と終端範囲１４において共通であり、同一の製造工程で作製される。そのため、バッファ領域６の厚み方向の濃度分布は、ＩＧＢＴ領域１０とダイオード領域１２と終端範囲１４において一致している。ボディ領域３４とアノード領域２５も、同一の製造工程で作製される。そのため、ボディ領域３４の厚み方向の濃度分布とアノード領域２５の厚み方向の濃度分布は一致している。
【００２０】
半導体装置１００はさらに、ＩＧＢＴ領域１０に設けられている複数のトレンチゲート３０と、ダイオード領域１２に設けられている複数のダミートレンチゲート２４を備えている。ＩＧＢＴ領域１０とダイオード領域１２の境界に設けられているトレンチゲート３０を特に、境界トレンチゲート３０ａと称する。境界トレンチゲート３０ａでは、一方の側面にはエミッタ領域３２が接しており、他方の側面にはエミッタ領域３２が接していない。
【００２１】
ダイオード領域１２と終端範囲１４の境界の設けられているダミートレンチゲート２４を特に、境界ダミートレンチゲート２４ａと称する。境界ダミートレンチゲート２４ａでは、一方の側面にはアノード領域２５が接しており、他方の側面にはアノード領域２５よりも深いｐ型の表面領域１６が接している。
【００２２】
境界トレンチゲート３０ａに隣接するダミートレンチゲート２４、及び、境界ダミートレンチゲート２４ａに隣接するダミートレンチゲート２４を特に、端部ダミートレンチゲート２４ｂと称する。隣り合うトレンチゲート３０の間隔、隣り合うダミートレンチゲート２４の間隔、及び、境界トレンチゲート３０ａと端部ダミートレンチゲート２４ｂとの間隔は、いずれも一定である。
【００２３】
以下の説明では、ダイオード領域１２において、境界トレンチゲート３０ａと端部ダミートレンチゲート２４ｂの間の範囲、及び、境界ダミートレンチゲート２４ａと端部ダミートレンチゲート２４ｂの間の範囲を特に、境界範囲１２ｃと称する。また、ダイオード領域１２において、端部ダミートレンチゲート２４ｂ，２４ｂ間の範囲を特に、非境界範囲１２ｄと称する。境界範囲１２ｃは、非境界範囲１２ｄの周囲に存在する。半導体装置１００では、非カソード部分３８ｂは、境界範囲１２ｃにのみ形成されており、非境界範囲１２ｄには形成されていない。半導体装置１００では、端部範囲１２ａは、境界範囲１２ｃに含まれる。
【００２４】
トレンチゲート３０は、ポリシリコンのゲート電極２８と、ゲート電極２８を被覆している酸化シリコンのゲート絶縁膜２６を有している。ゲート電極２８は、ゲート配線（図示省略）に電気的に接続されており、駆動電圧が供給される。ゲート電極２８は、エミッタ領域３２と低濃度領域８の間のボディ領域３４に、ゲート絶縁膜２６を介して対向している。
【００２５】
ダミートレンチゲート２４は、ポリシリコンの導電部２２と、導電部２２を被覆する酸化シリコンの絶縁膜２０を有している。導電部２２は、表面電極１８に電気的に接続されている。なお、導電部２２は、ゲート電極２８と同様に、図示しないゲート配線に電気的に接続されていてもよく、あるいは、その他の配線に接続されていてもよい。トレンチゲート３０とダミートレンチゲート２４は、同一の製造工程で作製される。
【００２６】
ＩＧＢＴ領域１０，ダイオード領域１２及び終端範囲１４について説明する。ＩＧＢＴ領域１０とは、半導体層１５の裏面にコレクタ領域３６が形成されており、半導体層１５の表面にエミッタ領域３２が分散して形成されている範囲のことをいう。半導体層１５の裏面にコレクタ領域３６が形成されており、半導体層１５の表面にキャリア蓄積層３５が形成されている範囲ということもできる。または、ＩＧＢＴ領域１０とは、半導体層１５を平面視したときに、境界トレンチゲート３０ａ，３０ａの間の範囲ということもできる。
【００２７】
ダイオード領域１２とは、半導体層１５の裏面にカソード部分３８ａ又は非カソード部分３８ｂが形成されており、半導体層１５の表面にエミッタ領域３２及びキャリア蓄積層３５が形成されていない範囲のことをいう。または、ダイオード領域１２とは、半導体層１５を平面視したときに、境界トレンチゲート３０ａと境界ダミートレンチゲート２４ａの間の範囲ということもできる。
【００２８】
終端範囲１４とは、半導体層１５の裏面にｐ＋型の裏面領域４０が形成されており、半導体層１５の表面にアノード領域２５よりも深いｐ型の表面領域１６が形成されている範囲のことをいう。または、終端範囲１４とは、半導体層１５を平面視したときに、境界ダミートレンチゲート２４ａよりも外側の範囲ということもできる。
【００２９】
半導体装置１００の動作について説明する。半導体装置１００は、例えば、モータの負荷に接続されるインバータ回路等に用いられる。インバータ回路では、ＩＧＢＴ１０がオフしているときに、ダイオード領域１２に還流電流が流れる。このときに、裏面領域３８のカソード部分３８ａから低濃度領域８に電子が供給され、アノード領域２５から低濃度領域８に正孔が供給される。ダイオード領域１２に逆バイアスが印加されると、電子がカソード部分３８ａから排出され、正孔がアノード領域２５から排出される。
【００３０】
半導体装置１００では、非カソード部分３８ｂが、ダイオード領域１２の端部側に設けられている。そのため、ダイオード領域１２の端部側では、ｎ型のカソード部分３８ａが相対的に減少する。ＩＧＢＴ領域１２のｐ型のボディ領域３４と裏面領域３８で形成される寄生ダイオードの動作を抑制することができる。同様に、終端範囲１４のｐ型の表面領域１６と裏面領域３８で形成される寄生ダイオードの動作を抑制することができる。そのため、半導体装置１００では、キャリアが、寄生ダイオードを介して低濃度領域８に過剰に注入されることが抑制され、スイッチング損失を低減することができる。また、ダイオード領域１２の端部側において、カソード部分３８ａと非カソード部分３８ｂが繰り返し現れている。カソード部分３８ａがダイオード領域１２の端部側で分散されるので、寄生ダイオードが動作することを抑えながら、順方向電流を低濃度領域８の全体に流すことができ、電流が偏って流れることを抑制することができる。
【００３１】
図７は、裏面領域３８の変形例を示す。図７では、非カソード部分３８ｂが、ダイオード領域１２の中心に形成されている。そのため、図２〜図６に示すような中央範囲１２ｂが存在しない。しかしながら、非カソード部分３８ｂが非境界範囲１２ｄよりも境界範囲１２ｃに多く存在するので、裏面領域３８と、ＩＧＢＴ１０のボディ領域３４，終端範囲１４の表面領域１６で形成される寄生ダイオードの動作を抑制することができる。なお、非境界範囲１２ｄに形成されている非カソード部分３８ｂの幅は、境界範囲１２ｃに形成されている非カソード部分３８ｂの幅よりも広くてよい。非境界範囲１２ｄに幅広の非カソード部分３８ｂが形成されていても、順方向電流を低濃度領域８の全体に流すことができる。
【００３２】
非カソード部分３８ｂは、カソード領域として機能しない材料であればよい。例えば、非カソード部分３８ｂは、絶縁膜，高抵抗層であってもよい。非カソード部分３８ｂが絶縁膜の場合、非カソード部分３８ｂは、ダイオード領域１２の裏面領域３８に選択的に溝を形成し、その溝内に絶縁体を埋め込んで作製してもよい。非カソード部分３８ｂが高抵抗層の場合、ダイオード領域１２の裏面領域３８の全面にｎ型の不純物をイオン注入し、さらに裏面領域３８に選択的にｐ型の不純物をイオン注入して作製してもよい。この場合、ｐ型の不純物がイオン注入されなかった部分が、カソード部分３８ａに相当する。なお、高抵抗層は、カソード領域として機能しなければ、ｎ型であってもｐ型であってもよい。また、非カソード部分３８ｂは、ＩＧＢＴ領域１０に隣接する側のダイオード領域１２にだけ設けられていてもよいし、終端範囲１４に隣接する側のダイオード領域１２にだけ設けられていてもよい。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３４】
１０：ＩＧＢＴ領域
１２：ダイオード領域
１２ａ：端部範囲
１２ｂ：中央範囲
１３：素子範囲
１４：終端範囲
１５：半導体層
３６：コレクタ領域
３８：裏面部
３８ａ：カソード部分
３８ｂ：非カソード部分
１００：半導体装置
【図１】
2013080796.tif 000003
【図２】
2013080796.tif 000004
【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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