(57)【要約】【課題】トレンチゲート構造を有する半導体装置を提供する。【解決手段】第１導電型の半導体基板と、半導体基板のおもて面側に形成され、半導体基板の不純物濃度よりも高濃度である第１導電型の蓄積層と、半導体基板のおもて面に形成されたトレンチ部とを備え、トレンチ部は、第１導電部と、第１導電部の下方であって、蓄積層の深さ方向における中心位置よりも下方に形成された第２導電部と、第１導電部の側面および第２導電部の周囲を覆う絶縁膜とを有し、トレンチ部は、絶縁膜が第１導電部と第２導電部との間を絶縁するスプリット構造、又は、絶縁膜が第１導電部の側面よりも第２導電部の側面に厚く形成された厚膜構造の少なくとも一方を有する半導体装置を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板のおもて面側に形成され、前記半導体基板の不純物濃度よりも高濃度である第１導電型の蓄積層と、
前記半導体基板のおもて面に形成されたトレンチ部と
を備え、
前記トレンチ部は、
第１導電部と、
前記第１導電部の下方であって、前記蓄積層の深さ方向における中心位置よりも下方に形成された第２導電部と、
前記第１導電部の側面および前記第２導電部の周囲を覆う絶縁膜と
を有し、
前記トレンチ部は、前記絶縁膜が前記第１導電部と前記第２導電部との間を絶縁するスプリット構造、又は、前記絶縁膜が前記第１導電部の側面よりも前記第２導電部の側面に厚く形成された厚膜構造の少なくとも一方を有する
半導体装置。
【請求項２】
前記第２導電部の下端は、前記蓄積層の下端よりも下方に形成されている
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２導電部の上端は、前記蓄積層の下端よりも下方に形成されている
請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１導電部の下端は、前記蓄積層の下端よりも下方に形成されている
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記トレンチ部のトレンチ幅は、メサ幅よりも大きい
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記メサ幅は、０．５μｍ以下である
請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記蓄積層の不純物濃度は、１Ｅ１６ｃｍ−３以上、１Ｅ１８ｃｍ−３以下である
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記トレンチ部は、前記スプリット構造を有し、
前記絶縁膜の膜厚は、前記第１導電部の側面および前記第２導電部の側面において同一である
請求項１から７のいずれか一項に記載に半導体装置。
【請求項９】
前記トレンチ部は、前記スプリット構造を有し、
前記絶縁膜の膜厚は、前記第１導電部の側面よりも前記第２導電部の側面の方が大きい
請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記絶縁膜の膜厚は、前記第２導電部の側面において、０．０５μｍ以上、０．２μｍ以下μｍである
請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記トレンチ部のトレンチ幅は、０．５μｍ以上、１．５μｍ以下である
請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記トレンチ部の下端のトレンチ幅は、前記トレンチ部の上端のトレンチ幅よりも小さい
請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記トレンチ部は、ゲートトレンチ部およびエミッタトレンチ部を有し、
前記ゲートトレンチ部および前記エミッタトレンチ部は、前記スプリット構造又は前記厚膜構造のうち同一の構造を有する
請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記トレンチ部は、ゲートトレンチ部およびエミッタトレンチ部を有し、
前記ゲートトレンチ部は、前記スプリット構造および前記厚膜構造のいずれか一方を有し、前記エミッタトレンチ部は、前記スプリット構造又は前記厚膜構造のうち、前記ゲートトレンチ部の構造と異なる構造を有する
請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
ゲート電極と、
前記ゲート電極と、前記スプリット構造の前記ゲートトレンチ部に形成された前記第１導電部とを電気的に接続するゲートコンタクト部と、
エミッタ電極と、
前記エミッタ電極と、前記スプリット構造の前記ゲートトレンチ部に形成された前記第２導電部とを電気的に接続する複数のエミッタコンタクト部と
を更に備え、
前記複数のエミッタコンタクト部は、平面視で、前記ゲートトレンチ部において、隣接する前記複数のエミッタコンタクト部の間に前記ゲートコンタクト部を有するように配置される
請求項１３又は１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記ゲートトレンチ部は、ループ型構造又はＩ型構造を有し、
前記複数のエミッタコンタクト部は、前記ゲートトレンチ部の長手方向の中心位置に形成される
請求項１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
第２導電型のウェル領域を更に備え、
前記複数のエミッタコンタクト部は、前記ウェル領域の上方に形成されている
請求項１６に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記ゲートトレンチ部は、Ｉ型構造を有し、
前記ゲートコンタクト部は、前記ゲートトレンチ部の両端に形成される
請求項１５から１７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記ゲートトレンチ部に隣接して形成された第１導電型のエミッタ領域と、
前記ゲートトレンチ部に隣接して形成され、前記エミッタ領域と交互に形成された第２導電型のコンタクト領域と
を更に備え、
前記複数のエミッタコンタクト部は、前記コンタクト領域に対応して設けられる
請求項１５から１８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、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トレンチゲート構造を有する半導体装置において、トレンチゲート構造に挟まれたＰ型ベース層の下部にＮ型の高濃度不純物層を設けることが知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
特許文献１  米国特許第８４４１０４６号明細書
特許文献２  特開２０１４−６０３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の半導体装置は、Ｎ型の高濃度不純物層がゲートコレクタ間にあるので、ターンオン時のＣＧ間容量が過渡的に増加し、ゲート制御性が悪化する。そのため、ターンオン損失Ｅｏｎが増加する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、第１導電型の半導体基板と、半導体基板のおもて面側に形成され、半導体基板の不純物濃度よりも高濃度である第１導電型の蓄積層と、半導体基板のおもて面に形成されたトレンチ部とを備える半導体装置を提供する。また、トレンチ部は、第１導電部と、第１導電部の下方であって、蓄積層の深さ方向における中心位置よりも下方に形成された第２導電部と、第１導電部の側面および第２導電部の周囲を覆う絶縁膜とを有してよい。トレンチ部は、絶縁膜が第１導電部と第２導電部との間を絶縁するスプリット構造、又は、絶縁膜が第１導電部の側面よりも第２導電部の側面に厚く形成された厚膜構造の少なくとも一方を有してよい。
【０００５】
第２導電部の下端は、蓄積層の下端よりも下方に形成されてよい。
【０００６】
第２導電部の上端は、蓄積層の下端よりも下方に形成されてよい。
【０００７】
第１導電部の下端は、蓄積層の下端よりも下方に形成されてよい。
【０００８】
トレンチ部のトレンチ幅は、メサ幅よりも大きくてよい。
【０００９】
メサ幅は、０．５μｍ以下であってよい。
【００１０】
蓄積層の不純物濃度は、１Ｅ１６ｃｍ−３以上、１Ｅ１８ｃｍ−３以下であってよい。
【００１１】
トレンチ部は、スプリット構造を有し、絶縁膜の膜厚は、第１導電部の側面および第２導電部の側面において同一であってよい。
【００１２】
トレンチ部は、スプリット構造を有し、絶縁膜の膜厚は、第１導電部の側面よりも第２導電部の側面の方が大きくてよい。
【００１３】
絶縁膜の膜厚は、第２導電部の側面において、０．０５μｍ以上、０．２μｍ以下μｍであってよい。
【００１４】
トレンチ部のトレンチ幅は、０．５μｍ以上、１．５μｍ以下であってよい。
【００１５】
トレンチ部の下端のトレンチ幅は、トレンチ部の上端のトレンチ幅よりも小さくてよい。
【００１６】
トレンチ部は、ゲートトレンチ部およびエミッタトレンチ部を有し、ゲートトレンチ部およびエミッタトレンチ部は、スプリット構造又は厚膜構造のうち同一の構造を有してよい。
【００１７】
トレンチ部は、ゲートトレンチ部およびエミッタトレンチ部を有し、ゲートトレンチ部は、スプリット構造および厚膜構造のいずれか一方を有し、エミッタトレンチ部は、スプリット構造又は厚膜構造のうち、ゲートトレンチ部の構造と異なる構造を有してよい。
【００１８】
半導体装置は、ゲート電極と、ゲート電極と、スプリット構造のゲートトレンチ部に形成された第１導電部とを電気的に接続するゲートコンタクト部と、エミッタ電極と、エミッタ電極と、スプリット構造のゲートトレンチ部に形成された第２導電部とを電気的に接続する複数のエミッタコンタクト部とを更に備えてよい。また、複数のエミッタコンタクト部は、平面視で、ゲートトレンチ部において、隣接する複数のエミッタコンタクト部の間にゲートコンタクト部を有するように配置されてよい。
【００１９】
ゲートトレンチ部は、ループ型構造又はＩ型構造を有し、複数のエミッタコンタクト部は、ゲートトレンチ部の長手方向の中心位置に形成されてよい。
【００２０】
半導体装置は、第２導電型のウェル領域を更に備え、複数のエミッタコンタクト部は、ウェル領域の上方に形成されてよい。
【００２１】
ゲートトレンチ部は、Ｉ型構造を有し、ゲートコンタクト部は、ゲートトレンチ部の両端に形成されてよい。
【００２２】
半導体装置は、ゲートトレンチ部に隣接して形成された第１導電型のエミッタ領域と、ゲートトレンチ部に隣接して形成され、エミッタ領域と交互に形成された第２導電型のコンタクト領域とを更に備えてよい。複数のエミッタコンタクト部は、コンタクト領域に対応して設けられてよい。
【００２３】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。
【図２】実施例１に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。
【図３】実施例１に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。
【図４】実施例１に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す。
【図５】比較例に係る半導体装置５００の一例を示す平面図である。
【図６】比較例１に係る半導体装置５００のｄ−ｄ'断面の一例を示す。
【図７】比較例２に係る半導体装置５００のｄ−ｄ'断面の一例を示す。
【図８】実施例２に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。
【図９】実施例２に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。
【図１０】実施例２に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。
【図１１】実施例３に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。
【図１２】実施例３に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。
【図１３】実施例３に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。
【図１４】実施例３に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す。
【図１５】実施例４に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。
【図１６】実施例４に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。
【図１７】実施例４に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。
【図１８】実施例４に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す。
【図１９】実施例５に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。
【図２０】実施例５に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。
【図２１】実施例５に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。
【図２２】実施例６に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。
【図２３】実施例６に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。
【図２４】実施例６に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。
【図２５】実施例６に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す。
【図２６】スプリット構造の具体的な構造の一例を示す。
【図２７】半導体装置１００におけるコンタクトホールの配置箇所の一例を示す。
【図２８】半導体装置１００におけるコンタクトホールの配置箇所の一例を示す。
【図２９】順電圧Ｖｆと動的損失との関係を示す。
【図３０】オン電圧Ｖｏｎと順電圧Ｖｆの和と、動的損失との関係を示す。
【図３１】メサ幅ＷＭを変えた場合の空乏層４９のシミュレーション結果を示す。
【図３２】メサ幅ＷＭを変えた場合の電子電流密度のシミュレーション結果を示す。
【図３３】半導体装置１００の静特性の一例を示す。
【図３４】半導体装置１００の静特性の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２６】
［実施例１］
図１は、実施例１に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。本例の半導体装置１００は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタを含むトランジスタ部７０、および、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ  Ｗｈｅｅｌ  Ｄｉｏｄｅ）等のダイオードを含むダイオード部８０を有する半導体チップである。図１においてはチップ端部周辺のチップ表面を示しており、他の領域を省略している。
【００２７】
また、図１においては半導体装置１００における半導体基板の活性領域を示すが、半導体装置１００は、活性領域を囲んでエッジ終端領域を有してよい。活性領域は、半導体装置１００をオン状態に制御した場合に電流が流れる領域を指す。エッジ終端領域は、一例において、半導体基板のおもて面側の電界集中を緩和する。エッジ終端領域は、例えばガードリング、フィールドプレート、リサーフおよびこれらを組み合わせた構造を有する。
【００２８】
本例の半導体装置１００は、チップのおもて面側において、ゲート電極５０、エミッタ電極５２、ゲートトレンチ部４０、ダミートレンチ部３０、エミッタトレンチ部６０、ウェル領域１７、エミッタ領域１２、ベース領域１４、コンタクト領域１５、コンタクトホール５４およびコンタクトホール５５を有する。
【００２９】
ゲートトレンチ部４０、ダミートレンチ部３０、エミッタトレンチ部６０、ウェル領域１７、エミッタ領域１２、ベース領域１４およびコンタクト領域１５は、半導体基板のおもて面側の内部に形成され、エミッタ電極５２およびゲート電極５０は、半導体基板のおもて面の上方に設けられる。エミッタ電極５２およびゲート電極５０と、半導体基板のおもて面との間には層間絶縁膜が形成されるが、図１では省略している。
【００３０】
コンタクトホール５４，５５、５６，５７は、半導体基板の上方に形成された層間絶縁膜を貫通して形成される。コンタクトホール５４，５５、５６，５７を形成する位置は特に本例に限られない。
【００３１】
エミッタ電極５２は、ゲートトレンチ部４０、ダミートレンチ部３０、エミッタトレンチ部６０、ウェル領域１７、エミッタ領域１２、ベース領域１４およびコンタクト領域１５の上方に形成される。エミッタ電極５２は、コンタクトホール５４，５６，５７を通って半導体基板と接触する。エミッタ電極５２は、金属を含む材料で形成される。一例において、エミッタ電極５２の少なくとも一部の領域はアルミで形成される。エミッタ電極５２は、タングステンを含む材料で形成される領域を有してもよい。本例のエミッタ電極５２は、トランジスタ部７０およびダイオード部８０にそれぞれ対応して設けられている。
【００３２】
ゲート電極５０は、コンタクトホール５５を通って半導体基板と接触する。但し、ゲート電極５０は、ダミートレンチ部３０およびエミッタトレンチ部６０の上方には形成されない。ゲート電極５０は、金属を含む材料で形成される。一例において、ゲート電極５０の少なくとも一部の領域はアルミで形成される。ゲート電極５０は、タングステンを含む材料で形成される領域を有してもよい。本例のゲート電極５０は、トランジスタ部７０およびダイオード部８０にそれぞれ対応して設けられている。本例のゲート電極５０は、エミッタ電極５２と同一の材料で形成される。但し、ゲート電極５０は、エミッタ電極５２と異なる材料で形成されてもよい。
【００３３】
ダミートレンチ部３０は、半導体基板のおもて面において予め定められた延伸方向に延伸して形成される。ダミートレンチ部３０は、トランジスタ部７０の領域において所定の配列方向に沿って、ゲートトレンチ部４０と所定の間隔で１つ以上配列されている。本例におけるダミートレンチ部３０は直線形状を有しており、配列方向とは垂直な方向に延伸して形成される。
【００３４】
ゲートトレンチ部４０は、対向部４１および突出部４３を有する。対向部４１は、ダミートレンチ部３０と対向する範囲において、上述した延伸方向に延伸して形成される。つまり、対向部４１は、ダミートレンチ部３０と平行に形成される。突出部４３は、対向部４１から更に延伸して、ダミートレンチ部３０と対向しない範囲に形成される。本例において、ダミートレンチ部３０の両側に設けられた２つの対向部４１が、１つの突出部４３により接続される。突出部４３の少なくとも一部は曲線形状を有してよい。
【００３５】
本例のゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０は、所定の配列方向において交互に配置される。また、各トレンチ部は一定の間隔で配置されてよい。但し、各トレンチの配置は上記の例に限定されない。２つのダミートレンチ部３０の間に複数のゲートトレンチ部４０が配置されてよい。また、それぞれのダミートレンチ部３０の間に設けられるゲートトレンチ部４０の数は一定でなくともよい。
【００３６】
コンタクトホール５５は、突出部４３を覆う絶縁層に形成される。コンタクトホール５５は、突出部４３において対向部４１から最も離れた領域に対応して形成されてよい。本例の突出部４３は、対向部４１から最も離れた領域において、対向部４１とは直交する方向に延伸する部分を有する。コンタクトホール５５は、突出部４３の当該部分に対応して形成されてよい。
【００３７】
エミッタトレンチ部６０は、ダイオード部８０の領域に設けられる。エミッタトレンチ部６０は、ゲートトレンチ部４０と同様の形状を有してよい。但し、エミッタトレンチ部６０の延伸方向における長さは、ゲートトレンチ部４０よりも短くてよい。本例のエミッタトレンチ部６０の長さは、ダミートレンチ部３０と同一である。
【００３８】
ウェル領域１７は、ゲート電極５０が設けられる側の半導体基板の端部から、所定の範囲で形成される。ダミートレンチ部３０、エミッタトレンチ部６０および対向部４１の、ゲート電極５０側の一部の領域はウェル領域１７に形成される。突出部４３は、全体がウェル領域１７に形成されてよい。半導体基板は第１導電型を有し、ウェル領域１７は半導体基板とは異なる第２導電型を有する。本例の半導体基板はＮ−型であり、ウェル領域１７はＰ＋型である。本例においては、第１導電型をＮ型として、第２導電型をＰ型として説明する。但し、第１導電型をＰ型として、第２導電型をＮ型としてもよい。
【００３９】
ベース領域１４は、各トレンチ部に挟まれる領域に形成される。ベース領域１４は、ウェル領域１７よりも不純物濃度の低い第２導電型である。本例のベース領域１４はＰ−型である。
【００４０】
コンタクト領域１５は、ベース領域１４のおもて面において、ベース領域１４よりも不純物濃度の高い第２導電型の領域である。本例のコンタクト領域１５はＰ＋型である。エミッタ領域１２は、トランジスタ部７０において、コンタクト領域１５のおもて面の一部に、半導体基板よりも不純物濃度が高い第１導電型の領域として選択的に形成される。本例のエミッタ領域１２はＮ＋型である。
【００４１】
コンタクト領域１５およびエミッタ領域１２のそれぞれは、隣接する一方のトレンチ部から、他方のトレンチ部まで形成される。トランジスタ部７０の１以上のコンタクト領域１５および１以上のエミッタ領域１２は、各トレンチ部に挟まれる領域において、トレンチ部の延伸方向に沿って交互に露出するように形成される。
【００４２】
コンタクトホール５４は、トランジスタ部７０において、コンタクト領域１５、エミッタ領域１２およびダミートレンチ部３０の各領域の上方に形成される。本例のコンタクトホール５４は、エミッタ領域１２とコンタクト領域１５とにまたがって形成されている。コンタクトホール５４は、エミッタ領域１２のおもて面の全範囲を露出させるように形成されてよい。また、コンタクトホール５４は、コンタクト領域１５のおもて面の全範囲も露出させるように形成されてよい。但し、コンタクトホール５４は、ベース領域１４およびウェル領域１７に対応する領域には形成されない。
【００４３】
また、コンタクトホール５４は、ダイオード部８０において、コンタクト領域１５、ベース領域１４およびエミッタトレンチ部６０の各領域の上方に形成される。本例においてトランジスタ部７０のコンタクトホール５４と、ダイオード部８０のコンタクトホール５４とは、各トレンチ部の延伸方向において同一の長さを有する。
【００４４】
図２は、実施例１に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す図である。本例の半導体装置１００は、当該断面において、半導体基板１０、エミッタ電極５２およびコレクタ電極２４を有する。エミッタ電極５２は、半導体基板１０のおもて面に形成される。エミッタ電極５２は、エミッタ端子５３と電気的に接続される。
【００４５】
コレクタ電極２４は、半導体基板１０の裏面に形成される。コレクタ電極２４は、コレクタ端子と電気的に接続される。コレクタ電極２４は、金属等の導電材料で形成される。また本明細書において、基板、層、領域等の各部材のエミッタ電極５２側の面をおもて面、コレクタ電極２４側の面を裏面または底部と称する。エミッタ電極５２とコレクタ電極２４とを結ぶ方向を深さ方向と称する。
【００４６】
半導体基板１０は、シリコン基板であってよく、炭化シリコン基板、窒化物半導体基板等であってもよい。半導体基板１０のおもて面側には、Ｐ−型のベース領域１４が形成される。また、Ｎ＋型のエミッタ領域１２が、ベース領域１４のおもて面側における一部の領域に選択的に形成される。また、半導体基板１０は、Ｎ＋型の蓄積層１６、Ｎ−型のドリフト領域１８、Ｎ−型のバッファ領域２０、Ｐ＋型のコレクタ領域２２、および、Ｎ＋型のカソード領域８２を更に有する。
【００４７】
蓄積層１６は、ベース領域１４の裏面側に形成される。蓄積層１６は、半導体基板１０の不純物濃度よりも高濃度に形成される。より具体的には、蓄積層１６の不純物濃度は、ドリフト領域１８の不純物濃度よりも高い。一例において、蓄積層１６の不純物濃度は、１Ｅ１６ｃｍ−３以上、１Ｅ１８ｃｍ−３以下である。例えば、蓄積層１６は、半導体基板１０のおもて面側からリン等のＮ型不純物を注入することにより形成される。なお、Ｅは１０のべき乗を意味し、例えば１Ｅ１６ｃｍ−３は１×１０１６ｃｍ−３を意味する。
【００４８】
また、蓄積層１６は、隣接するトレンチ間に形成される。例えば、蓄積層１６は、トランジスタ部７０において、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０の間に形成される。蓄積層１６は、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０の間の全領域を覆うように設けられてよい。蓄積層１６を設けることにより、オン状態においてコレクタ領域２２からドリフト領域１８に注入された正孔のベース領域１４への流れ込みが抑制されるので、エミッタ領域１２からベース領域１４への電子の注入促進効果が高まる。これにより、半導体装置１００のオン電圧が低減される。
【００４９】
ドリフト領域１８は、蓄積層１６の裏面側に形成される。バッファ領域２０は、ドリフト領域１８の裏面側に形成される。バッファ領域２０の不純物濃度は、ドリフト領域１８の不純物濃度よりも高い。バッファ領域２０は、ベース領域１４の裏面側から広がる空乏層が、コレクタ領域２２およびカソード領域８２に到達することを防ぐフィールドストップ層として機能してよい。
【００５０】
コレクタ領域２２は、トランジスタ部７０の領域において、バッファ領域２０の裏面側に形成される。カソード領域８２は、ダイオード部８０の領域において、バッファ領域２０の裏面側に形成される。また、コレクタ領域２２およびカソード領域８２の裏面にはコレクタ電極２４が設けられる。
【００５１】
半導体基板１０のおもて面側には、１以上のゲートトレンチ部４０、１以上のダミートレンチ部３０、および、１以上のエミッタトレンチ部６０が形成される。各トレンチ部は、半導体基板１０のおもて面から、ベース領域１４を貫通して、ドリフト領域１８に到達する。本例においてゲートトレンチ部４０およびダミートレンチ部３０は、半導体基板１０のおもて面から、エミッタ領域１２、ベース領域１４および蓄積層１６を貫通して、ドリフト領域１８に到達する。また、エミッタトレンチ部６０は、半導体基板１０のおもて面から、ベース領域１４および蓄積層１６を貫通して、ドリフト領域１８に到達する。
【００５２】
ゲートトレンチ部４０は、半導体基板１０のおもて面側に形成された絶縁膜４２、ゲート導電部４４およびゲートスプリット部４６を有する。即ち、本例のゲートトレンチ部４０は、スプリット構造を有する。
【００５３】
ゲート導電部４４は、ゲートトレンチ部４０において、半導体基板１０のおもて面側に形成される。ゲート導電部４４は、少なくとも隣接するベース領域１４と対向する領域を含む。それぞれのゲート導電部４４は、ゲート端子５１に電気的に接続される。本例では、図１に示したように突出部４３においてゲート導電部４４がゲート電極５０と電気的に接続する。また、ゲート電極５０がゲート端子５１に電気的に接続する。ゲート端子５１を介してゲート導電部４４に所定の電圧が印加されると、ベース領域１４のうちゲートトレンチ部４０に接する界面の表層にチャネルが形成される。本例のゲート導電部４４は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。ゲート導電部４４は、ゲートトレンチ部４０における第１導電部の一例である。
【００５４】
ゲートスプリット部４６は、ゲートトレンチ部４０の下方において、ゲート導電部４４と離間して設けられる。ゲートスプリット部４６は、絶縁膜４２によりゲート導電部４４と絶縁されている。本例のゲートスプリット部４６は、エミッタ電位に設定されている。ゲートスプリット部４６は、ゲートトレンチ部４０における第２導電部の一例である。なお、本明細書において、下方とは、半導体基板の深さ方向の裏面側を指す。例えば、半導体基板１０において、ゲート電極５０およびエミッタ電極５２が形成されるおもて面側を上方と称し、コレクタ電極２４が形成される裏面側を下方と称する。
【００５５】
絶縁膜４２は、ゲート導電部４４の側面およびゲートスプリット部４６の周囲を覆うように形成される。即ち、絶縁膜４２は、ゲート導電部４４およびゲートスプリット部４６と、半導体基板１０とを絶縁する。本例の絶縁膜４２は、ゲート導電部４４の側面およびゲートスプリット部４６の側面において、同一の膜厚を有する。絶縁膜４２は、ゲートトレンチの内壁の半導体を酸化または窒化して形成されてよい。絶縁膜４２は、ゲートトレンチ部４０がスプリット構造を有する場合、ゲート導電部４４とゲートスプリット部４６との間を絶縁する。
【００５６】
ダミートレンチ部３０は、半導体基板１０のおもて面側に形成された絶縁膜３２、ダミー導電部３４およびダミースプリット部３６を有する。即ち、本例のダミートレンチ部３０は、ゲートトレンチ部４０と同一のスプリット構造を有する。
【００５７】
ダミー導電部３４は、ダミートレンチ部３０において、半導体基板１０のおもて面側に形成される。ダミー導電部３４は、ゲート導電部４４と同一の材料で形成されてよい。例えば、ダミー導電部３４は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。ダミー導電部３４は、深さ方向においてゲート導電部４４と同一の長さを有してよい。ダミー導電部３４は、ダミートレンチ部３０における第１導電部の一例である。
【００５８】
ダミースプリット部３６は、ダミートレンチ部３０の下方において、ダミー導電部３４と離間して設けられる。ダミースプリット部３６は、半導体基板１０のおもて面の上方に形成されたエミッタ電極５２の領域と同一の材料で形成されてよく、異なる材料で形成されてもよい。一例として、ダミースプリット部３６はタングステンを含む材料で形成され、ダミースプリット部３６以外のエミッタ電極５２はタングステンを含まない材料で形成される。ダミースプリット部３６をタングステンを含む材料で形成することにより、微細なダミートレンチの内部にもダミースプリット部３６を容易に形成することができる。ダミースプリット部３６は、ダミートレンチ部３０における第２導電部の一例である。
【００５９】
絶縁膜３２は、ダミー導電部３４の側面およびダミースプリット部３６の周囲を覆うように形成される。即ち、絶縁膜３２は、ダミー導電部３４およびダミースプリット部３６と、半導体基板１０とを絶縁する。本例の絶縁膜３２は、ダミー導電部３４の側面およびダミースプリット部３６の側面において、同一の膜厚を有する。絶縁膜３２は、ダミートレンチの内壁の半導体を酸化または窒化して形成されてよい。絶縁膜３２は、ダミートレンチ部３０がスプリット構造である場合、ダミー導電部３４とダミースプリット部３６との間を絶縁する。
【００６０】
ダイオード部８０は、トランジスタ部７０と隣接した領域に設けられる。ダイオード部８０は、トランジスタ部７０と同一層のベース領域１４、蓄積層１６、ドリフト領域１８およびバッファ領域２０を有する。ダイオード部８０のバッファ領域２０の裏面側にはカソード領域８２が設けられる。また、ダイオード部８０は、１以上のエミッタトレンチ部６０を有する。但し、ダイオード部８０には、エミッタ領域１２が形成されない。
【００６１】
エミッタトレンチ部６０は、ベース領域１４のおもて面側からベース領域１４および蓄積層１６を貫通して、ドリフト領域１８まで到達して形成される。それぞれのエミッタトレンチ部６０は、絶縁膜６２、エミッタ導電部６４およびエミッタスプリット部６６を備える。エミッタトレンチ部６０のダミートレンチ部３０と同一である。
【００６２】
エミッタ導電部６４は、エミッタトレンチ部６０において、半導体基板１０のおもて面側に形成される。エミッタ導電部６４は、エミッタ端子５３に電気的に接続される。
【００６３】
エミッタスプリット部６６は、エミッタトレンチ部６０の下方において、ダミー導電部３４と絶縁膜６２により離間して設けられる。
【００６４】
絶縁膜６２は、エミッタ導電部６４の側面およびエミッタスプリット部６６の周囲を覆うように形成される。また、絶縁膜６２は、エミッタトレンチの内壁を覆って形成される。本例の絶縁膜６２は、エミッタ導電部６４の側面およびエミッタスプリット部６６の側面において、同一の膜厚を有する。絶縁膜６２は、エミッタトレンチ部６０の内壁の半導体を酸化または窒化して形成されてよい。絶縁膜６２は、エミッタトレンチ部６０がスプリット構造である場合、エミッタ導電部６４とエミッタスプリット部６６との間を絶縁する。
【００６５】
図３は、実施例１に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す図である。本例の半導体装置１００は、当該断面において、半導体基板１０、層間絶縁膜２６、ゲート電極５０、エミッタ電極５２およびコレクタ電極２４を有する。層間絶縁膜２６は、ゲート電極５０およびエミッタ電極５２と、半導体基板１０との間に形成される。層間絶縁膜２６には、コンタクトホール５４およびコンタクトホール５５が形成される。
【００６６】
コンタクトホール５５は、半導体基板１０のおもて面において、ゲートトレンチ部４０の少なくとも一部を露出させる。ゲート電極５０は、コンタクトホール５５および層間絶縁膜２６の貫通孔を通過して、ゲートコンタクト部５９と接続される。ゲートコンタクト部５９は、ゲート導電部４４と接続されている。
【００６７】
コンタクトホール５６は、半導体基板１０のおもて面において、ダミートレンチ部３０の少なくとも一部を露出させる。エミッタ電極５２は、コンタクトホール５６および層間絶縁膜２６の貫通孔を通過して、エミッタコンタクト部６９と接続される。
【００６８】
ゲートコンタクト部５９は、ゲート電極５０とゲート導電部４４とを電気的に接続する。ゲートコンタクト部５９は、ゲート導電部４４と同一の材料で形成されてよい。また、ゲートコンタクト部５９は、ゲート導電部４４と同一のプロセスにより形成されてよい。
【００６９】
エミッタコンタクト部６９は、エミッタ電極５２とダミースプリット部３６とを電気的に接続する。エミッタコンタクト部６９は、ダミースプリット部３６と同一の材料で形成されてよい。エミッタコンタクト部６９は、少なくともウェル領域１７の上方に形成されている。これにより、半導体装置１００は、ダミースプリット部３６の近傍の電界集中を緩和できる。
【００７０】
図４は、実施例１に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す図である。本例の半導体装置１００は、当該断面において、半導体基板１０、層間絶縁膜２６、エミッタ電極５２およびコレクタ電極２４を有する。層間絶縁膜２６は、エミッタ電極５２と半導体基板１０との間に形成される。層間絶縁膜２６には、コンタクトホール５６が形成される。
【００７１】
コンタクトホール５６は、半導体基板１０のおもて面において、ゲートトレンチ部４０の少なくとも一部を露出させる。エミッタ電極５２は、コンタクトホール５６および層間絶縁膜２６の貫通孔を通過して、エミッタコンタクト部６９と接続される。
【００７２】
エミッタコンタクト部６９は、エミッタ電極５２とゲートスプリット部４６とを電気的に接続する。エミッタコンタクト部６９は、ゲートスプリット部４６と同一の材料で形成されてよい。本例のエミッタコンタクト部６９は、両端がゲートスプリット部４６と接続されている。これにより、半導体装置１００の面内において、ゲートスプリット部４６の電位を均一に設定できる。また、本例のダミースプリット部３６は、ウェル領域１７に隣接して形成されている。これにより、半導体装置１００は、ゲートスプリット部４６の近傍の電界集中を緩和できる。
【００７３】
図５は、比較例に係る半導体装置５００の平面図である。半導体装置５００は、平面視において、半導体装置１００とほぼ同様の構造を有している。同図において、図１のａ−ａ'断面に対応する位置に、ｄ−ｄ'断面が規定されている。半導体装置５００は、トランジスタ部５７０およびダイオード部５８０を備える。なお、半導体装置１００と共通する符号で示される構成については、半導体装置１００の場合と同様の機能を有してよい。なお、本明細書において、平面視とは、半導体基板１０のおもて面側から裏面側を見た場合の視点を指す。
【００７４】
［比較例１］
図６は、比較例１に係る半導体装置５００のｄ−ｄ'断面の一例を示す。半導体装置５００は、半導体基板５１０に形成されたダミートレンチ部５３０およびゲートトレンチ部５４０を備える。ダミートレンチ部５３０およびゲートトレンチ部５４０は、スプリット構造を有さない。よって、本例の半導体装置５００は、スプリット構造を有さない点で実施例１に係る半導体装置１００と異なる。なお、半導体装置１００と共通する符号で示される構成については、半導体装置１００の場合と同様の機能を有してよい。
【００７５】
ダミートレンチ部５３０は、絶縁膜５３２およびダミー導電部５３４を有する。ダミー導電部５３４は、半導体基板５１０のおもて面側から、蓄積層１６よりも深い位置まで伸びる。ダミートレンチ部５３０は、エミッタ端子５３に接続されている。絶縁膜５３２は、ダミー導電部５３４と半導体基板５１０との間を絶縁する。
【００７６】
ゲートトレンチ部５４０は、絶縁膜５４２およびゲート導電部５４４を有する。ゲート導電部５４４は、半導体基板５１０のおもて面側から、蓄積層１６よりも深い位置まで伸びる。ゲートトレンチ部５４０は、ゲート端子５１に接続されている。絶縁膜５４２は、ゲート導電部５４４と半導体基板５１０との間を絶縁する。
【００７７】
本例の半導体装置５００は、トレンチ部同士の間隔を狭くしつつ、メサ領域にＮ＋型の蓄積層１６を形成することにより、ＩＥ効果を高めて、オン電圧を低減している。しかしながら、本例の半導体装置５００は、蓄積層１６が等価的にゲートとコレクタ間にあるため、ターンオン時にコンタクト・ゲート間容量（即ち、ＣＧ間容量）が過渡的に増加して、ゲート制御性が悪化する。これにより、半導体装置５００は、ターンオンｄｉ／ｄｔが高くなり、同一のターンオンｄｉ／ｄｔで比較した場合に、ターンオン損失が増加する場合がある。
【００７８】
［比較例２］
図７は、比較例２に係る半導体装置５００のｄ−ｄ'断面の一例を示す。半導体装置５００は、スプリット構造を有さないダミートレンチ部５３０およびゲートトレンチ部５４０を備える。本例の半導体装置５００は、スプリット構造を有さない点で実施例１に係る半導体装置１００と異なる。また、本例の半導体装置５００は、ダミートレンチ部５３０およびゲートトレンチ部５４０のトレンチ深さが、比較例１に係る半導体装置５００よりも深く形成されている点で異なる。
【００７９】
本例の半導体装置５００は、比較例１に係る半導体装置５００よりも、ダミートレンチ部５３０およびゲートトレンチ部５４０のトレンチ深さを深く形成することにより、ＩＥ効果を高めて、オン電圧を低減している。しかしながら、本例の半導体装置５００は、比較例１に係る半導体装置５００よりもトレンチ深さが深いために、ＣＧ間容量が大きく、さらにターンオン損失Ｅｏｎが大きくなる。半導体装置５００は、微細化してゲート密度が高くなると、飽和電流が高くなり、短絡耐量が弱くなる場合がある。
【００８０】
［実施例２］
図８は、実施例２に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。図９は、実施例２に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。図１０は、実施例２に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。本例の半導体装置１００は、スプリット構造の替わりに、厚膜構造を有する点で実施例１に係る半導体装置１００と異なる。
【００８１】
ダミートレンチ部３０は、絶縁膜３２、ダミー導電部３４および厚膜導電部３８を備える。ダミー導電部３４は、第１導電部の一例である。厚膜導電部３８は、第２導電部の一例である。
【００８２】
厚膜導電部３８は、ダミートレンチ部３０において、ダミー導電部３４の下方に形成されている。また、本例の厚膜導電部３８は、蓄積層１６の深さ方向における中心位置よりも下方に形成されている。即ち、厚膜導電部３８の少なくとも一部は、蓄積層１６の深さ方向における中心位置よりも深い位置に形成されている。また、厚膜導電部３８は、ダミー導電部３４の幅よりも小さい幅を有する。厚膜導電部３８は、ダミー導電部３４と電気的に接続されている。厚膜導電部３８は、ダミー導電部３４と同一の材料で形成されてよい。また、厚膜導電部３８は、ダミー導電部３４と連続して、同一のプロセスにより形成されてよい。
【００８３】
絶縁膜３２は、ダミー導電部３４の側面および厚膜導電部３８の周囲を覆う。絶縁膜３２は、ダミートレンチ部３０が厚膜構造である場合、ダミー導電部３４の側面よりも厚膜導電部３８の側面が厚くなるように形成される。また、絶縁膜３２は、厚膜導電部３８の底面において、厚膜導電部３８の側面と同一の厚さで形成されてもよいし、異なる厚さで形成されてもよい。
【００８４】
ゲートトレンチ部４０は、絶縁膜４２、ゲート導電部４４および厚膜導電部４８を備える。ゲート導電部４４は、第１導電部の一例である。厚膜導電部４８は、第２導電部の一例である。本例のゲートトレンチ部４０は、ダミートレンチ部３０と同一の厚膜構造を有する。
【００８５】
厚膜導電部４８は、ゲートトレンチ部４０において、ゲート導電部４４の下方に形成されている。また、本例の厚膜導電部４８は、蓄積層１６の深さ方向における中心位置よりも下方に形成されている。即ち、厚膜導電部４８の少なくとも一部は、蓄積層１６の深さ方向における中心位置よりも深い位置に形成されている。また、厚膜導電部４８は、ゲート導電部４４の幅よりも小さい幅を有する。厚膜導電部４８は、ゲート導電部４４と電気的に接続されている。厚膜導電部４８は、ゲート導電部４４と同一の材料で形成されてよい。また、厚膜導電部４８は、ゲート導電部４４と連続して、同一のプロセスにより形成されてよい。
【００８６】
絶縁膜４２は、ゲート導電部４４の側面および厚膜導電部４８の周囲を覆う。絶縁膜４２は、ゲートトレンチ部４０が厚膜構造である場合、ゲート導電部４４の側面よりも厚膜導電部４８の側面が厚くなるように形成される。また、絶縁膜４２は、厚膜導電部４８の底面において、厚膜導電部４８の側面と同一の厚さで形成されてもよいし、異なる厚さで形成されてもよい。
【００８７】
エミッタトレンチ部６０は、絶縁膜６２、エミッタ導電部６４および厚膜導電部６８を備える。このように、エミッタトレンチ部６０は、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０と同様に厚膜構造を有してもよい。
【００８８】
半導体装置１００は、厚膜構造を有することにより、ＣＧ間容量を低減することができる。半導体装置１００は、厚膜構造を有する場合、トレンチ近傍において空乏化されにくくなる場合がある。また、半導体装置１００は、第２導電部の近傍に高濃度のＮ＋層である蓄積層１６があるとさらに空乏化しにくくなる場合がある。しかしながら、本例の半導体装置１００は、第２導電部が蓄積層１６の深さ方向における中心位置よりも下方に形成されるので、厚膜構造を設けた場合であっても空乏化しやすい。
【００８９】
なお、本例のエミッタコンタクト部６９は、エミッタ電極５２とダミー導電部３４とを電気的に接続している。但し、エミッタコンタクト部６９を設けずに、エミッタ電極５２とダミー導電部３４とが直接接続されてもよい。
【００９０】
［実施例３］
図１１は、実施例３に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。図１２は、実施例３に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。本例の半導体装置１００は、スプリット構造と厚膜構造の両方を有する。
【００９１】
ダミートレンチ部３０は、絶縁膜３２、ダミー導電部３４および厚膜導電部３８を備える。また、ゲートトレンチ部４０は、絶縁膜４２、ゲート導電部４４および厚膜導電部４８を備える。即ち、本例の半導体装置１００は、ダミートレンチ部３０を厚膜構造とし、ゲートトレンチ部４０をスプリット構造としている。半導体装置１００は、スプリット構造および厚膜構造のうち少なくともいずれかの構造を有していればよい。
【００９２】
但し、半導体装置１００は、スプリット構造および厚膜構造のいずれか一方を有するゲートトレンチ部４０と、スプリット構造又は厚膜構造のうちゲートトレンチ部４０の構造と異なる構造を有するダミートレンチ部３０とを有してよい。一例において、半導体装置１００は、ダミートレンチ部３０をスプリット構造とし、ゲートトレンチ部４０を厚膜構造とする。半導体装置１００は、ダミートレンチ部３０がスプリット構造を有する領域と、ダミートレンチ部３０が厚膜構造を有する領域の２つの領域を形成してもよい。また、半導体装置１００は、ゲートトレンチ部４０についても同様に、ゲートトレンチ部４０がスプリット構造を有する領域と、ゲートトレンチ部４０が厚膜構造を有する領域の２つの領域を形成してもよい。エミッタトレンチ部６０も同様にスプリット構造および厚膜構造の少なくとも一方を有していればよい。
【００９３】
図１３は、実施例３に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。本例の半導体装置１００のｂ−ｂ'断面は、厚膜構造を有するダミートレンチ部３０と、スプリット構造を有するゲートトレンチ部４０とを示している。
【００９４】
図１４は、実施例３に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す。本例の半導体装置１００のｃ−ｃ'断面は、スプリット構造を有するゲートトレンチ部４０を示している。半導体装置１００のｃ−ｃ'断面は、実施例１に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面と基本的に同一の構造を有する。
【００９５】
図１５は、実施例４に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。図１６は、実施例４に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。図１７は、実施例４に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。図１８は、実施例４に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す。本例の半導体装置１００は、トレンチ部の下端のトレンチ幅がトレンチ部の上端のトレンチ幅よりも小さい点で実施例１に係る半導体装置１００と異なる。本例では、実施例１との相違点について主に説明する。
【００９６】
ダミートレンチ部３０は、絶縁膜３２、ダミー導電部３４およびダミースプリット部３６を備える。即ち、ダミートレンチ部３０は、スプリット構造を有する。本例のダミートレンチ部３０の下端のトレンチ幅は、ダミートレンチ部３０の上端のトレンチ幅よりも小さい。例えば、ダミートレンチ部３０のトレンチ幅は、ドリフト領域１８において、ダミートレンチ部３０の上端のトレンチ幅よりも小さくなる。一方、エミッタ領域１２、ベース領域１４および蓄積層１６に対応する領域において、ダミートレンチ部３０のトレンチ幅は等しい。
【００９７】
絶縁膜３２の膜厚は一定に形成されているが、異なっていてもよい。例えば、ダミースプリット部３６に接する絶縁膜３２の厚さは、ダミー導電部３４とベース領域１４に接する絶縁膜３２の厚さよりも厚い。また、ゲートスプリット部４６に接する絶縁膜４２の厚さは、ゲート導電部４４とベース領域１４に接する絶縁膜４２の厚さよりも厚くてよい。
【００９８】
ゲートトレンチ部４０は、絶縁膜４２、ゲート導電部４４およびゲートスプリット部４６を備える。即ち、ゲートトレンチ部４０は、スプリット構造を有する。本例のゲートトレンチ部４０の下端のトレンチ幅は、ゲートトレンチ部４０の上端のトレンチ幅よりも小さい。例えば、ゲートトレンチ部４０のトレンチ幅は、ドリフト領域１８において、ゲートトレンチ部４０の上端のトレンチ幅よりも小さくなる。
【００９９】
一方、エミッタ領域１２、ベース領域１４および蓄積層１６に対応する領域において、ゲートトレンチ部４０のトレンチ幅は等しい。絶縁膜４２の膜厚は一定に形成されているが、異なっていてもよい。
【０１００】
本例のダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０は、トレンチ下端のトレンチ幅を小さくすることにより、電流経路を大きくしている。これにより、半導体装置１００は、オン電圧の上昇を抑制できる。また、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０は、エミッタ領域１２、ベース領域１４および蓄積層１６においてチャネル幅を維持している。つまり、ＩＥ効果に寄与するチャネル近傍のメサ幅を維持しているので、本例の半導体装置１００は、ＩＥ効果を高めて、オン電圧を低減している。
【０１０１】
これに加えて、本例の半導体装置１００は、実施例１の場合と同様に、スプリット構造を有することによる効果も奏する。即ち、本例の半導体装置１００は、スプリット構造を有することにより、ＣＧ間容量を低減することにより、ゲート制御性が向上する。これにより、半導体装置１００は、ターンオンｄｉ／ｄｔが低くなり、同一のターンオンｄｉ／ｄｔで比較した場合に、ターンオン損失を低減できる。
【０１０２】
図１９は、実施例５に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。図２０は、実施例５に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。図２１は、実施例５に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。本例の半導体装置１００は、トレンチ部の下端のトレンチ幅がトレンチ部の上端のトレンチ幅よりも小さい点で実施例２に係る半導体装置１００と異なる。本例では、実施例２との相違点について主に説明する。
【０１０３】
ダミートレンチ部３０は、絶縁膜３２、ダミー導電部３４および厚膜導電部３８を備える。即ち、ダミートレンチ部３０は、厚膜構造を有する。本例のダミートレンチ部３０の下端のトレンチ幅は、ダミートレンチ部３０の上端のトレンチ幅よりも小さい。但し、絶縁膜３２の膜厚は、ドリフト領域１８において、ダミートレンチ部３０の側面で厚くなる。つまり、本例の絶縁膜３２は、ダミートレンチ部３０のトレンチ下端においてトレンチ幅が小さくなっているものの、トレンチ上端よりもトレンチ下端において絶縁膜３２の膜厚が厚くなっている。
【０１０４】
ゲートトレンチ部４０は、絶縁膜４２、ゲート導電部４４および厚膜導電部４８を備える。即ち、ゲートトレンチ部４０は、厚膜構造を有する。本例のゲートトレンチ部４０の下端のトレンチ幅は、ゲートトレンチ部４０の上端のトレンチ幅よりも小さい。
但し、絶縁膜４２の膜厚は、ドリフト領域１８において、ゲートトレンチ部４０の側面で厚くなる。つまり、本例の絶縁膜４２は、ゲートトレンチ部４０のトレンチ下端においてトレンチ幅が小さくなっているものの、トレンチ上端よりもトレンチ下端において絶縁膜４２の膜厚が厚くなっている。
【０１０５】
本例のダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０は、トレンチ下端のトレンチ幅を小さくすることにより、電流経路を大きくしている。これにより、本例の半導体装置１００は、オン電圧の上昇を抑制できる。
【０１０６】
また、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０は、エミッタ領域１２、ベース領域１４および蓄積層１６においてチャネル幅を維持している。つまり、ＩＥ効果に寄与するチャネル近傍のメサ幅を維持しているので、本例の半導体装置１００は、ＩＥ効果を高めて、オン電圧を低減している。
【０１０７】
これに加えて、本例の半導体装置１００は、実施例２の場合と同様に、厚膜構造を有することによる効果も奏する。即ち、本例の半導体装置１００は、厚膜構造を有するので、ＣＧ間容量を低減することにより、ゲート制御性を向上できる。
【０１０８】
図２２は、実施例６に係る半導体装置１００の一例を示す平面図である。図２３は、実施例６に係る半導体装置１００のａ−ａ'断面の一例を示す。図２４は、実施例６に係る半導体装置１００のｂ−ｂ'断面の一例を示す。図２５は、実施例６に係る半導体装置１００のｃ−ｃ'断面の一例を示す。
【０１０９】
ダミートレンチ部３０は、絶縁膜３２、ダミー導電部３４および厚膜導電部３８を備える。また、ゲートトレンチ部４０は、絶縁膜４２、ゲート導電部４４および厚膜導電部４８を備える。即ち、本例の半導体装置１００は、ダミートレンチ部３０を厚膜構造とし、ゲートトレンチ部４０をスプリット構造としている。半導体装置１００は、スプリット構造および厚膜構造のうち少なくともいずれかの構造を有していればよい。
【０１１０】
但し、半導体装置１００は、スプリット構造および厚膜構造のいずれか一方を有するゲートトレンチ部４０と、スプリット構造又は厚膜構造のうちゲートトレンチ部４０の構造と異なる構造を有するダミートレンチ部３０とを有してよい。一例において、半導体装置１００は、ダミートレンチ部３０をスプリット構造とし、ゲートトレンチ部４０を厚膜構造とする。
【０１１１】
半導体装置１００は、ダミートレンチ部３０がスプリット構造を有する領域と、ダミートレンチ部３０が厚膜構造を有する領域の２つの領域を形成してもよい。また、半導体装置１００は、ゲートトレンチ部４０についても同様に、ゲートトレンチ部４０がスプリット構造を有する領域と、ゲートトレンチ部４０が厚膜構造を有する領域の２つの領域を形成してもよい。エミッタトレンチ部６０も同様にスプリット構造および厚膜構造の少なくとも一方を有していればよい。
【０１１２】
図２６は、スプリット構造を有するトレンチ部の近傍を拡大した構造の一例を示す。同図は、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０の近傍の寸法を説明するために、一部の構造のみを抜き出して図示している。
【０１１３】
半導体装置１００は、一例において、メサ幅ＷＭよりも大きなトレンチ幅ＷＴを有する。本明細書において、トレンチ幅ＷＴとは、ダミートレンチ部３０の幅およびゲートトレンチ部４０の幅を指す。本例のダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０は、互いに等しいトレンチ幅ＷＴを有する。また、本明細書において、メサ幅ＷＭとは、隣接するトレンチ部同士の間の半導体基板１０の幅を指す。
【０１１４】
例えば、本例の半導体装置１００は、０．５μｍ以上、１．５μｍ以下のトレンチ幅ＷＴと、０．５μｍ以下のメサ幅ＷＭを有する。また、本例の半導体装置１００は、２μｍ以上、８μｍ以下のトレンチ深さＤＴを有する。トレンチ深さＤＴとは、ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０の深さ方向の長さである。そして、ダミースプリット部３６の側面を覆う絶縁膜３２の膜厚ＷＩは、０．０５μｍ以上、０．２μｍ以下であってよい。ゲートスプリット部４６の側面を覆う絶縁膜４２の膜厚ＷＩも同様に０．０５μｍ以上、０．２μｍ以下であってよい。
【０１１５】
本例のダミートレンチ部３０は、蓄積層１６の位置に応じた深さのダミー導電部３４およびダミースプリット部３６を備える。一例において、ダミースプリット部３６の下端は、蓄積層１６の下端よりも下方に形成されている。ダミースプリット部３６の上端は、蓄積層１６の下端よりも下方に形成されてよい。また、ダミー導電部３４の下端は、蓄積層１６の下端よりも下方に形成されていることが好ましい。即ち、エミッタ端子５３と接続されたダミースプリット部３６の位置を深く形成することにより、フィールドプレートと同様の効果が生じ、耐圧が向上する。
【０１１６】
また、本例のゲートトレンチ部４０は、蓄積層１６の位置に応じた深さのゲート導電部４４およびゲートスプリット部４６を備える。一例において、ゲートスプリット部４６の下端は、蓄積層１６の下端よりも下方に形成されている。ゲートスプリット部４６の上端は、蓄積層１６の下端よりも下方に形成されてよい。また、ゲート導電部４４の下端は、蓄積層１６の下端よりも下方に形成されていることが好ましい。即ち、エミッタ端子５３と接続されたゲートスプリット部４６の位置を深く形成することにより、フィールドプレートと同様の効果が生じ、耐圧が向上する。
【０１１７】
ダミートレンチ部３０およびゲートトレンチ部４０は、それぞれスプリット構造と厚膜構造の両方を有する。即ち、ダミートレンチ部３０は、ダミースプリット部３６を有し、且つ、ダミー導電部３４の側面よりもダミースプリット部３６の側面の方が厚い絶縁膜３２を有する。また、ゲートトレンチ部４０は、ゲートスプリット部４６を有し、且つ、ゲート導電部４４の側面よりもゲートスプリット部４６の方が厚い絶縁膜４２を有する。このように、各トレンチ部は、スプリット構造と厚膜構造の両方の構造を有することもできる。
【０１１８】
エミッタ深さＤＥは、第２導電部の上端からトレンチ部の下端までの深さを示す。エミッタ深さＤＥは、ダミートレンチ部３０において、ダミースプリット部３６の上端から、ダミートレンチ部３０の下端までの深さで規定される。また、エミッタ深さＤＥは、ゲートトレンチ部４０において、ゲートスプリット部４６の上端から、ゲートトレンチ部４０の下端までの深さで規定される。エミッタ深さＤＥは、トレンチ深さＤＴの半分以下の大きさであることが好ましい。例えば、エミッタ深さＤＥは、４μｍ以下の深さを有する。
【０１１９】
図２７は、半導体装置１００におけるコンタクトホールの配置箇所の一例を示す。本例の半導体装置１００は、ループ型のゲートトレンチ部４０と、ゲートトレンチ部４０内にＩ型のダミートレンチ部３０が設けられる場合について示している。ループ型のゲートトレンチ部４０とは、延伸する２つのゲートトレンチが端部で接続されることにより、Ｏ型の構造を有するものである。本例のゲートトレンチ部４０は、スプリット構造を有する。
【０１２０】
複数のコンタクトホール５７は、平面視で、ゲートトレンチ部４０の長手方向の中心位置にそれぞれ形成されている。ゲートトレンチ部４０の長手方向は、本例においてゲートトレンチ部４０の延伸方向に対応する。コンタクトホール５７は、ゲートトレンチ部４０において、エミッタ電極５２とゲートスプリット部４６とを接続するために形成されている。
【０１２１】
コンタクトホール５５ａおよびコンタクトホール５５ｂは、ゲートトレンチ部４０の両端に設けられている。言い換えると、ゲートコンタクト部５９がゲートトレンチ部４０の両端に設けられている。ここで、ゲートトレンチ部４０は、図４に示した通り、コンタクトホール５７によって、ゲート導電部４４の電気的な接続がエミッタコンタクト部６９の両端で途切れる。つまり、コンタクトホール５５ａは、図中の一点鎖線で示された領域において、ゲートコンタクト部５９を介してゲート導電部４４とゲート電極５０とを導通させる。一方、コンタクトホール５５ｂは、図中の二点鎖線で示された領域において、ゲートコンタクト部５９を介してゲート導電部４４とゲート電極５０とを導通させる。即ち、半導体装置１００が複数のコンタクトホール５７を有する場合、ゲートトレンチ部４０上において、コンタクトホール５７が連続して形成され、コンタクトホール５７の間にゲート電極５０と導通させるためのコンタクトホール５５が形成されない場合、コンタクトホール５７が連続する区間のゲート導電部４４が孤立してしまう。
【０１２２】
本例のコンタクトホール５７は、複数のコンタクトホール５７の間に少なくとも１つのコンタクトホール５５が形成されるように配置される。言い換えると、複数のエミッタコンタクト部６９は、平面視で、ゲートトレンチ部４０において、隣接する複数のエミッタコンタクト部６９の間にゲートコンタクト部５９を有するように配置される。よって、エミッタコンタクト部６９の両端でゲート導電部４４が途切れた場合でも、ゲート導電部４４が孤立されない。そのため、半導体装置１００は、トランジスタ部７０の面内において均一にゲート制御できる。また、コンタクトホール５７は、ゲートトレンチ部４０の長手方向の中心位置に形成されているので、ゲートの内部抵抗が低減される。
【０１２３】
また、コンタクトホール５７は、エミッタ領域１２およびコンタクト領域１５との関係において、コンタクト領域１５と対応して設けられていることが好ましい。本明細書において、コンタクト領域１５と対応して設けるとは、コンタクト領域１５と対向して形成されるが、エミッタ領域１２と対向して形成されていないことを指す。コンタクトホール５７を設けた領域において、エミッタコンタクト部６９が形成されるので、ゲート導電部４４が途切れて、ゲート制御できない領域が生じる。つまり、コンタクトホール５７をコンタクト領域１５と対応して設けておけば、ゲート制御できない領域が生じない。
【０１２４】
図２８は、半導体装置１００におけるコンタクトホールの配置箇所の一例を示す。本例の半導体装置１００は、Ｉ型のゲートトレンチ部４０を備える。また、本例のゲートトレンチ部４０は、スプリット構造を有する。ゲートトレンチ部４０には、２つのコンタクトホール５５ａ，５５ｂと１つのコンタクトホール５７が形成されている。
【０１２５】
コンタクトホール５７は、平面視で、ゲートトレンチ部４０の長手方向の中心位置にそれぞれ形成されている。コンタクトホール５７は、ゲートトレンチ部４０において、エミッタ電極５２とゲートスプリット部４６とを接続するために形成されている。
【０１２６】
コンタクトホール５５ａおよびコンタクトホール５５ｂは、ゲートトレンチ部４０の両端に設けられている。コンタクトホール５５ａおよびコンタクトホール５５ｂは、ゲート電極５０とゲート導電部４４とを接続するために形成されている。ここで、ゲートトレンチ部４０は、図４に示した通り、コンタクトホール５７によって、ゲート導電部４４の電気的な接続がエミッタコンタクト部６９の両端で途切れる。つまり、コンタクトホール５５ａは、図中の一点鎖線で示された領域において、ゲート導電部４４とゲート電極５０とを導通させる。一方、コンタクトホール５５ｂは、図中の二点鎖線で示された領域において、ゲート導電部４４とゲート電極５０とを導通させる。即ち、半導体装置１００がＩ型構造のゲートトレンチ部４０を形成している場合、コンタクトホール５７をゲートトレンチ部４０の中心位置に設け、コンタクトホール５５をゲートトレンチ部４０の両端に形成することが好ましい。これにより、半導体装置１００は、ゲートトレンチ部４０の面内において、ゲート電位を均一に制御できる。また、コンタクトホール５７は、ゲートトレンチ部４０の長手方向の中心位置に形成されているので、ゲートの内部抵抗が低減される。
【０１２７】
図２９は、順電圧Ｖｆと動的損失の関係を示す。より具体的には、順電圧Ｖｆ［Ｖ］と、ターンオン損失Ｅｏｎ［ｍＪ］との関係が示されている。実施例１および２に係る半導体装置１００は、比較例１および２に係る半導体装置５００よりもターンオン損失Ｅｏｎ［ｍＪ］が低減されている。これは、半導体装置１００の第２導電部（即ち、ダミースプリット部３６、厚膜導電部３８、ゲートスプリット部４６および厚膜導電部４８のいずれか）が、蓄積層１６の深さ方向における中心位置よりも下方に形成されているため、ＣＧ間容量を低減することにより、ターンオン損失Ｅｏｎが低減されたことによる。
【０１２８】
図３０は、オン電圧Ｖｏｎと順電圧Ｖｆの和と、動的損失との関係を示す。より具体的には、オン電圧Ｖｏｎと順電圧Ｖｆの和［Ｖ］と、ターンオフ損失Ｅｏｆｆとターンオン損失Ｅｏｎと逆回復損失Ｅｒｒとの和［ｍＪ］との関係が示されている。実施例１および２に係る半導体装置１００は、比較例１および２に係る半導体装置５００よりもターンオフ損失Ｅｏｆｆ［ｍＪ］とターンオン損失Ｅｏｎ［ｍＪ］と逆回復損失Ｅｒｒ［ｍＪ］との和が低減されている。これは、半導体装置１００の第２導電部が、蓄積層１６の深さ方向における中心位置よりも下方に形成されているため、ＣＧ間容量を低減することにより、ターンオン損失Ｅｏｎが低減されたことによる。
【０１２９】
図３１は、メサ幅ＷＭを変えた場合の空乏層４９のシミュレーション結果を示す。同図の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれメサ幅ＷＭを０．５μｍ、０．３μｍ、０．１μｍに変化させ、トレンチ幅ＷＴを０．５μｍ、０．７μｍ、０．９μｍに変化させた場合に対応する。また、本例のシミュレーションは、ゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅ＝１５Ｖで、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ＝２０Ｖに設定されている。破線で示された領域は、ゲートトレンチ部４０から広がる空乏層４９を示している。本例のシミュレーション結果より、メサ幅ＷＭが狭くなるにつれて、トレンチ間において空乏層４９の占める割合が増えていることが分かる。また、図３１（ｃ）においては、隣接するゲートトレンチ部４０からの空乏層４９が接続され、空乏層４９がピンチオフしていることが分かる。
【０１３０】
図３２は、メサ幅ＷＭを変えた場合の電子電流密度のシミュレーション結果を示す。同図の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれメサ幅ＷＭを０．５μｍ、０．３μｍ、０．１μｍに変化させ、トレンチ幅ＷＴを０．５μｍ、０．７μｍ、０．９μｍに変化させた場合に対応する。また、本例のシミュレーションでは、ゲート・エミッタ間電圧Ｖｇｅ＝１５Ｖで、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ＝２０Ｖに設定されている。破線で囲まれた領域Ａは、ゲートトレンチ部４０付近の特に電子電流密度の高い領域を示しており、領域Ｂは、次に電子電流密度の高い領域を示している。本例のシミュレーション結果より、メサ幅ＷＭが狭くなるにつれて、ゲートトレンチ部４０の近傍の電子電流密度が低減していることが分かる。これは、図３１に示したように、トレンチ間で空乏層４９がピンチオフしていることに起因する。
【０１３１】
図３３は、半導体装置１００の静特性の一例を示す。縦軸はコレクタ電流［Ａ］を示し、横軸はコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ［Ｖ］を示す。本例の破線および鎖線で示した各曲線２２１〜２２４は、メサ幅ＷＭとトレンチ幅ＷＴを変化させた場合の静特性の一例である。曲線２２１は、メサ幅ＷＭを０．５μｍとし、トレンチ幅ＷＴを０．５μｍとした場合である。曲線２２２は、メサ幅ＷＭを０．３μｍとし、トレンチ幅ＷＴを０．７μｍとした場合である。曲線２２３は、メサ幅ＷＭを０．１μｍとし、トレンチ幅ＷＴを０．９μｍとした場合である。実線で示した曲線２２４は、メサ幅ＷＭを０．１μｍ、トレンチ幅ＷＴを０．９μｍとして、蓄積層１６の不純物濃度を高くすることによりチャネル密度を大きくした場合に対応する。曲線２２１〜２２３に着目すると、メサ幅ＷＭを小さくすることにより、飽和電流が減少していることが分かる。一方、曲線２２４は、メサ幅ＷＭが０．１ｍｍと微細化されているにもかかわらず、蓄積層１６の不純物濃度を高くすることにより、飽和電流を大きくなることを示す。
【０１３２】
図３４は、半導体装置１００の静特性の一例を示す。縦軸はコレクタ電流［Ａ］を示し、横軸はコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ［Ｖ］を示す。同図は、図３３の破線の円で示された領域Ｃに対応する拡大図である。即ち、各曲線２２１〜２２４の条件は、図３３の場合と同一である。同図より、曲線２２４で示される実施例は、曲線２２３で示される実施例よりも、定格電流領域におけるオン電圧Ｖｏｎをおよそ０．１Ｖ低減している。このように、半導体装置１００は、蓄積層１６の不純物濃度を高くすることにより、チャネル密度を高くし、オン電圧Ｖｏｎをさらに低減することができる。
【０１３３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１３４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１３５】
１０・・・半導体基板、１２・・・エミッタ領域、１４・・・ベース領域、１５・・・コンタクト領域、１６・・・蓄積層、１７・・・ウェル領域、１８・・・ドリフト領域、２０・・・バッファ領域、２２・・・コレクタ領域、２４・・・コレクタ電極、２６・・・層間絶縁膜、３０・・・ダミートレンチ部、３２・・・絶縁膜、３４・・・ダミー導電部、３６・・・ダミースプリット部、３８・・・厚膜導電部、４０・・・ゲートトレンチ部、４１・・・対向部、４２・・・絶縁膜、４３・・・突出部、４４・・・ゲート導電部、４６・・・ゲートスプリット部、４８・・・厚膜導電部、４９・・・空乏層、５０・・・ゲート電極、５１・・・ゲート端子、５２・・・エミッタ電極、５３・・・エミッタ端子、５４・・・コンタクトホール、５５・・・コンタクトホール、５６・・・コンタクトホール、５９・・・ゲートコンタクト部、６０・・・エミッタトレンチ部、６２・・・絶縁膜、６４・・・エミッタ導電部、６６・・・エミッタスプリット部、６８・・・厚膜導電部、６９・・・エミッタコンタクト部、７０・・・トランジスタ部、８０・・・ダイオード部、８２・・・カソード領域、１００・・・半導体装置、２２１・・・曲線、２２２・・・曲線、２２３・・・曲線、２２４・・・曲線、５００・・・半導体装置、５１０・・・半導体基板、５３０・・・ダミートレンチ部、５３２・・・絶縁膜、５３４・・・ダミー導電部、５４０・・・ゲートトレンチ部、５４２・・・絶縁膜、５４４・・・ゲート導電部、５７０・・・トランジスタ部、５８０・・・ダイオード部
【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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【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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