(57)【要約】【課題】  ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍を電流経路として有効に活用することで、逆導通ＩＧＢＴのオン電圧を低下させる技術を提供する。【解決手段】  ＩＧＢＴ領域２ａの中心からＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界までの半導体層１０を中心から境界までの距離の３等分で分割したときに、境界側の分割領域５１に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第１面積Ｓ１が中心側の分割領域５２に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第２面積Ｓ２よりも大きく、境界側の分割領域５１と中心側の分割領域５２の間の分割領域５３に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第３面積Ｓ３が、第２面積Ｓ２以上であって第１面積Ｓ１以下である。【選択図】図４
2017098359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆導通ＩＧＢＴであって、
ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に区画されている素子領域を有する半導体層と、
前記半導体層の第１主面に設けられている第１主電極と、
前記半導体層の第２主面に設けられている第２主電極と、
前記半導体層の前記ＩＧＢＴ領域の前記第２主面側に設けられているトレンチゲートと、を備えており、
前記半導体層は、
前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域の双方に連続して設けられている第１導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられており、前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域の双方に連続して設けられており、前記半導体層の前記第２主面に露出する第２導電型領域と、を有しており、
前記トレンチゲートは、前記第２導電型領域を貫通して前記ドリフト領域に突出しており、
前記ＩＧＢＴ領域の中心から前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域の境界までの前記半導体層を前記中心から前記境界までの距離の３等分で分割したときに、前記境界側の分割領域に含まれる前記トレンチゲートが前記ドリフト領域に突出する側面の合計である第１面積が前記中心側の分割領域に含まれる前記トレンチゲートが前記ドリフト領域に突出する側面の合計である第２面積よりも大きく、前記境界側の分割領域と前記中心側の分割領域の間の分割領域に含まれる前記トレンチゲートが前記ドリフト領域に突出する側面の合計である第３面積が、前記第２面積以上であって前記第１面積以下である、逆導通ＩＧＢＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される技術は、逆導通ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されるように、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域を半導体層内に一体化させた逆導通ＩＧＢＴが開発されている。このような逆導通ＩＧＢＴでは、半導体層の裏面に第１主電極が設けられ、半導体層の表面に第２主電極が設けられ、半導体層の表面側にトレンチゲートが設けられている。第１主電極は、ＩＧＢＴ領域においてコレクタ電極として機能し、ダイオード領域においてカソード電極として機能する。第２主電極は、ＩＧＢＴ領域においてエミッタ電極として機能し、ダイオード領域においてアノード電極として機能する。逆導通ＩＧＢＴでは、トレンチゲートに印加される電位に応じて第１主電極と第２主電極の間を流れる電流量が制御される。また、逆導通ＩＧＢＴでは、ダイオード領域に形成されているダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１３４９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＩＧＢＴ領域のＩＧＢＴ構造がオンしているときの半導体層内のキャリア分布を詳細に検討したところ、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍のキャリア量が、ＩＧＢＴ領域の中心のキャリア量よりも顕著に低いことが分かってきた。この検討結果から、従来の逆導通ＩＧＢＴでは、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍を電流経路として有効に活用できていないことが分かってきた。本明細書は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍を電流経路として有効に活用することで、逆導通ＩＧＢＴのオン電圧を低下させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に区画されている素子領域を有する半導体層、半導体層の第１主面に設けられている第１主電極、半導体層の第２主面に設けられている第２主電極及び半導体層のＩＧＢＴ領域の第２主面側に設けられているトレンチゲートを備える。半導体層は、第１導電型のドリフト領域及び第２導電型領域を有する。ドリフト領域は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の双方に連続して設けられている。第２導電型領域は、ドリフト領域上に設けられており、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の双方に連続して設けられており、半導体層の第２主面に露出する。トレンチゲートは、第２導電型領域を貫通してドリフト領域に突出する。ＩＧＢＴ領域の中心からＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界までの半導体層を中心から境界までの距離の３等分で分割したときに、境界側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第１面積が中心側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第２面積よりも大きく、境界側の分割領域と中心側の分割領域の間の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第３面積が、第２面積以上であって第１面積以下である。
【０００６】
上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、トレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の面積が、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界側で大きくなるように構成されていることを１つの特徴とする。これにより、第１主電極と第２主電極の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界側で低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域のＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍の半導体層内のキャリア量が増加する。上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】逆導通ＩＧＢＴの概要を表す平面図を模式的に示す。
【図２】図１及び図３のII-II線に対応した断面図であり、逆導通ＩＧＢＴの要部縦断面図の一例を模式的に示す。
【図３】図２のIII-III線に対応した断面図であり、逆導通ＩＧＢＴの要部横断面図を模式的に示す。
【図４】図１及び図３のII-II線に対応した断面図であり、トレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の面積の各分割領域間での対比を説明するための図を示す。
【図５】逆導通ＩＧＢＴの要部縦断面図の他の一例を模式的に示す。
【図６】変形例の逆導通ＩＧＢＴの要部横断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に示されるように、逆導通ＩＧＢＴ１は、シリコン単結晶の半導体層１０を備える。半導体層１０は、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂに区画されている素子領域２を有する。素子領域２の範囲は、後述する第２主電極が被膜される範囲に概ね一致する。この例では、素子領域２内のＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂが、一方向に沿って交互に繰り返すように区画されている。
【０００９】
図２に示されるように、逆導通ＩＧＢＴ１は、半導体層１０の裏面（第１主面の一例）を被覆する第１主電極２２、半導体層１０の表面（第２主面の一例）を被覆する第２主電極２４、半導体層１０のＩＧＢＴ領域２ａの表面側に設けられているトレンチゲート２６及び半導体層１０のダイオード領域２ｂの表面側に設けられているダミートレンチ２８を備える。
【００１０】
第１主電極２２は、ＩＧＢＴ領域２ａにおいてコレクタ電極として機能し、ダイオード領域２ｂにおいてカソード電極として機能する。第２主電極２４は、ＩＧＢＴ領域２ａにおいてエミッタ電極として機能し、ダイオード領域２ｂにおいてアノード電極として機能する。一例では、第１主電極２２及び第２主電極２４の材料にアルミニウムが用いられている。図３に示されるように、トレンチゲート２６及びダミートレンチ２８はいずれも、半導体層１０の表面に対して直交する方向から観測したときに、ストライプ状のレイアウトを有する。
【００１１】
図２及び図３に示されるように、半導体層１０は、ｐ+型のコレクタ領域１１、ｎ+型のカソード領域１２、ｎ+型のバッファ領域１３、ｎ型のドリフト領域１４、ｐ型領域１５、ｎ+型のエミッタ領域１６、ｎ型のバリア領域１７及びｐ+型のコンタクト領域１８を有する。
【００１２】
図２に示されるように、コレクタ領域１１は、半導体層１０の裏面側の一部に設けられている。また、コレクタ領域１１は、ドリフト領域１４の下方の一部に設けられており、ＩＧＢＴ領域２ａに選択的に配置されている。半導体層１０では、コレクタ領域１１が存在する範囲をＩＧＢＴ領域２ａという。コレクタ領域１１は、その不純物濃度が濃く、第１主電極２２にオーミック接触する。コレクタ領域１１は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面からボロンを導入することで形成されている。
【００１３】
図２に示されるように、カソード領域１２は、半導体層１０の裏面側の一部に設けられている。また、カソード領域１２は、ドリフト領域１４の下方の一部に設けられており、ダイオード領域２ｂに選択的に配置されている。半導体層１０では、カソード領域１２が存在する範囲をダイオード領域２ｂという。カソード領域１２は、その不純物濃度が濃く、第１主電極２２にオーミック接触する。カソード領域１２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面からリンを導入することで形成されている。
【００１４】
図２に示されるように、バッファ領域１３は、コレクタ領域１１とドリフト領域１４の間、及び、カソード領域１２とドリフト領域１４の間に設けられており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂを連続して双方に配置されている。バッファ領域１３は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏面からリンを導入することで形成されている。
【００１５】
図２に示されるように、ドリフト領域１４は、バッファ領域１３とｐ型領域１５の間に設けられており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂを連続して双方に配置されている。ドリフト領域１４は、半導体層１０に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である。ドリフト領域１４の上層部には、Ｈｅ照射によって結晶欠陥が高密度に調整されたライフタイム制御領域１４ａが形成されている。
【００１６】
図２に示されるように、ｐ型領域１５は、ドリフト領域１４の上方に設けられており、ドリフト領域１４に接しており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂを連続して双方に配置されており、半導体層１０の表面に露出する。ｐ型領域１５は、ＩＧＢＴ領域２ａにおいてボディ領域として機能し、ダイオード領域２ｂにおいてアノード領域として機能する。ｐ型領域１５は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面からボロンを導入することで形成されている。なお、ｐ型領域１５は、特許請求の範囲に記載の第２導電型領域の一例である。
【００１７】
図２に示されるように、エミッタ領域１６は、ｐ型領域１５の上方に設けられており、ｐ型領域１５に接しており、ＩＧＢＴ領域２ａに選択的に配置されており、トレンチゲート２６の側面に接しており、半導体層１０の表面に露出する。図３に示されるように、エミッタ領域１６は、トレンチゲート２６の長手方向に直交する方向に伸びた形態を有する。また、エミッタ領域１６は、トレンチゲート２６の長手方向に沿って分散して配置されている。エミッタ領域１６は、その不純物濃度が濃く、第２主電極２４にオーミック接触する。エミッタ領域１６は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面からリンを導入することで形成されている。
【００１８】
図２に示されるように、バリア領域１７は、ｐ型領域１５内に設けられており、ｐ型領域１５によってドリフト領域１４から隔てられており、ｐ型領域１５によってエミッタ領域１６からも隔てられており、ＩＧＢＴ領域２ａに選択的に配置されており、トレンチゲート２６の側面に接する。バリア領域１７の電位はフローティングである。バリア領域１７は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面からリンを導入することで形成されている。なお、バリア領域１７は、ドリフト領域１４とｐ型領域１５の間に介在するように設けられていてもよい。この場合、バリア領域１７の不純物濃度は、ドリフト領域１４の不純物濃度よりも濃くなるように調整される。
【００１９】
図３に示されるように、コンタクト領域１８は、ｐ型領域１５の上方に設けられており、ｐ型領域１５に接しており、ＩＧＢＴ領域２ａに選択的に配置されており、半導体層１０の表面に露出する。コンタクト領域１８は、トレンチゲート２６の長手方向に沿って分散して配置されている。コンタクト領域１８は、その不純物濃度がｐ型領域１５よりも濃く、第２主電極２４にオーミック接触する。コンタクト領域１８は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表面からボロンを導入することで形成されている。
【００２０】
図２に示されるように、トレンチゲート２６及びダミートレンチ２８はいずれも、ポリシリコンを材料とする電極部と酸化シリコンを材料とする絶縁膜を有しており、電極部が絶縁膜を介して半導体層１０に対向する。トレンチゲート２６の電極部は、層間絶縁膜によって第２主電極２４から分離されており、ゲート電位が印加可能に構成されている。ダミートレンチの電極部は、第２主電極２４に接触しており、第２主電極２４と同電位となるように構成されている。
【００２１】
図２に示されるように、トレンチゲート２６は、半導体層１０の表面から深部に向けて伸びており、ｐ型領域１５を貫通してドリフト領域１４に突出するように構成されている。エミッタ領域１６及びバリア領域１７は、トレンチゲート２６の側面に接する。ダミートレンチ２８も、半導体層１０の表面から深部に向けて伸びており、ｐ型領域１５を貫通してドリフト領域１４に突出するように構成されている。
【００２２】
図２に示されるように、トレンチゲート２６は、半導体層１０の厚み方向に沿ってドリフト領域１４に突出する長さが異なるように構成されている。トレンチゲート２６は、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど、ドリフト領域１４に突出する長さが長くなるように構成されている。換言すると、次のように説明することができる。図４に示されるように、ＩＧＢＴ領域２ａの中心からＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界までの半導体層１０を中心から境界までの距離の３等分で分割し、境界側分割領域５１、中心側分割領域５２、境界側分割領域５１と中心側分割領域５２の間の中間分割領域５３を規定する。境界側分割領域５１に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第１面積Ｓ１が中心側分割領域５２に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第２面積Ｓ２よりも大きい。さらに、中間分割領域５３に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第３面積Ｓ３が、第２面積Ｓ２以上であり第１面積Ｓ１以下である。なお、この例では、第３面積Ｓ３が、第２面積Ｓ２よりも大きく、第１面積Ｓ１よりも小さい。
【００２３】
この例では、トレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する長さが、ＩＧＢＴ領域２ａの中心からＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界に向けて漸次増加するように設定されている。しかしながら、最もダイオード領域２ｂ側にあるトレンチゲート２６の突出長さが中心にあるトレンチゲート２６の突出長さよりも長い関係が得られている限りにおいて、それらの間にあるトレンチゲート２６の突出長さは、全てが一定に設定されていてもよく、あるいは、一部が一定の長さで階段状に増加するように設定されていてもよい。即ち、最もダイオード領域２ｂ側にあるトレンチゲート２６の突出長さが中心にあるトレンチゲート２６の突出長さよりも長く、且つ、それらの間のトレンチゲート２６の突出長さは、中心にあるトレンチゲート２６の突出長さ以上であって最もダイオード領域２ｂ側にあるトレンチゲート２６の突出長さ以下であり、さらに、隣り合うトレンチゲート２６の突出長さを比較したときに、ダイオード領域２ｂ側のトレンチゲート２６の突出長さが中心側のトレンチゲート２６の突出長さ以上である。
【００２４】
逆導通ＩＧＢＴ１では、第１主電極２２、コレクタ領域１１、バッファ領域１３、ドリフト領域１４、ｐ型領域１５、エミッタ領域１６、バリア領域１７、コンタクト領域１８、第２主電極２４及びトレンチゲート２６がＩＧＢＴ構造を構成する。逆導通ＩＧＢＴ１では、第１主電極２２、カソード領域１２、バッファ領域１３、ドリフト領域１４、ｐ型領域１５及び第２主電極２４がダイオード構造を構成する。
【００２５】
逆導通ＩＧＢＴ１では、第１主電極２２に第２主電極２４よりも正となる電圧が印加され、トレンチゲート２６の電極部に第２主電極２４よりも正となる電圧が印加されると、ＩＧＢＴ領域２ａのＩＧＢＴ構造がターンオンする。上記したように、逆導通ＩＧＢＴ１では、トレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する長さが、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど長くなるように構成されていることを１つの特徴とする。これにより、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍では、トレンチゲート２６の側面に沿うように正孔が多く流入する。第１主電極２２と第２主電極２４の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域２ａのＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域２ａの中心よりもＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍に電流が多く流れ、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍の半導体層１０内のキャリア量が増加する。逆導通ＩＧＢＴ１では、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
【００２６】
また、逆導通ＩＧＢＴ１では、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍を流れる電流が増加するので、この部分での発熱量が増加する。従来の逆導通ＩＧＢＴ（トレンチゲートの長さ及びピッチが一定）では、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍の電流が小さいことから、半導体層の熱分布は、ＩＧＢＴ領域の中心をピークとしてダイオード領域の中心に向けて急峻に低下し、不均一なものとなる。このような熱分布の不均一は、逆導通ＩＧＢＴの電気特性を不均一なものとし、逆導通ＩＧＢＴの信頼性を低下させる。一方、逆導通ＩＧＢＴ１では、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍を流れる電流が増加するので、この部分での発生した熱が効率的にダイオード領域２ｂに放熱され、これにより、半導体層１０の熱分布が均一化される。逆導通ＩＧＢＴ１では、半導体層１０の熱分布が均一化され、電気特定も安定し、信頼性が向上する。
【００２７】
さらに、逆導通ＩＧＢＴ１は、バリア領域１７を有することを１つの特徴とする。バリア領域１７は、ＩＧＢＴ領域２ａのＩＧＢＴ構造がオンしているときに、正孔が第２主電極２４に排出されるのを抑制し、半導体層１０内に正孔を蓄積させ、オン電圧を低下させる。逆導通ＩＧＢＴ１では、上記したトレンチゲート２６の形状効果によって、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍に多くの正孔が流入する。この正孔は、バリア領域１７によって効果的に蓄積される。換言すると、上記したトレンチゲート２６の形状効果は、バリア領域１７の正孔蓄積効果を向上させることができる。これにより、逆導通ＩＧＢＴ１では、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍が電流経路として極めて有効に活用され、オン電圧が顕著に低下する。
【００２８】
図５に、変形例の逆導通ＩＧＢＴ１Ａを示す。この逆導通ＩＧＢＴ１Ａでは、隣り合うトレンチゲート２６間のピッチ幅が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど短くなるように構成されていることを特徴とする。図示は省略するが、逆導通ＩＧＢＴ１Ａでも、ＩＧＢＴ領域２ａの中心からＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界までの半導体層１０を中心から境界までの距離の３等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第１面積が中心側分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域１４に突出する側面の合計である第２面積よりも大きく、さらに、中間分割領域に含まれるトレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の合計である第３面積が、第２面積以上であり第１面積以下である。また、最もダイオード領域２ｂ側で隣り合うトレンチゲート２６間のピッチ幅が最も中心側で隣り合うトレンチゲート２６間のピッチ幅よりも短く、且つ、最もダイオード領域２ｂ側にあるトレンチゲート２６と中心にあるトレンチゲート２６の間のトレンチゲート２６間のピッチ幅は、最もダイオード領域２ｂ側で隣り合うトレンチゲート２６のピッチ幅以上であって最も中心側で隣り合うトレンチゲート２６のピッチ幅以下であり、さらに、各々のトレンチゲート２６間のピッチ幅を比較すると、ダイオード領域２ｂ側のトレンチゲート２６間のピッチ幅が中心側のトレンチゲート２６間のピッチ幅以上である、と言うこともできる。逆導通ＩＧＢＴ１Ａではさらに、トレンチゲート２６が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど、ドリフト領域１４に突出する長さが長くなるように構成されていてもよい。
【００２９】
上記したように、逆導通ＩＧＢＴ１Ａでは、隣り合うトレンチゲート２６間のピッチ幅が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど短くなるように構成されている。これにより、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍では、トレンチゲート２６の側面に沿うように正孔が多く流入する。第１主電極２２と第２主電極２４の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域２ａのＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域２ａの中心よりもＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍に電流が多く流れ、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍の半導体層１０内のキャリア量が増加する。逆導通ＩＧＢＴ１では、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
【００３０】
さらに、逆導通ＩＧＢＴ１Ａでも、バリア領域１７を有することを１つの特徴とする。逆導通ＩＧＢＴ１Ａでは、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍において、トレンチゲート２６のピッチ幅が狭いので、この部分から排出される正孔に対する電気抵抗値が高い。さらに、バリア領域１７が設けられているので、この部分から排出される正孔に対する電気抵抗値がさらに高くなる。このように、逆導通ＩＧＢＴ１Ａでは、トレンチゲート２６とバリア領域１７の相乗効果によって、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍の正孔蓄積効果が顕著に向上する。これにより、逆導通ＩＧＢＴ１では、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界が電流経路として極めて有効に活用され、オン電圧が顕著に低下する。
【００３１】
図６に、変形例の逆導通ＩＧＢＴ１Ｂを示す。この逆導通ＩＧＢＴ１Ｂは、半導体層１０の表面に露出するエミッタ領域１６の面積が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていることを特徴とする。図示は省略するが、変形例の逆導通ＩＧＢＴ１Ｂでも、ＩＧＢＴ領域２ａの中心からＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界までの半導体層１０を中心から境界までの距離の３等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域の半導体層１０の表面に露出するエミッタ領域１６の合計である第１面積が中心側分割領域の半導体層１０の表面に露出するエミッタ領域１６の合計である第２面積よりも大きく、さらに、中間分割領域の半導体層１０の表面に露出するエミッタ領域１６の合計である第３面積が、第２面積以上であり第１面積以下である。この変形例に代えて、エミッタ領域１６の不純物濃度が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。図示は省略するが、この場合でも、ＩＧＢＴ領域２ａの中心からＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界までの半導体層１０を中心から境界までの距離の３等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域のエミッタ領域１６の不純物濃度の第１濃度が中心側分割領域のエミッタ領域１６の不純物濃度の第２濃度よりも濃く、さらに、中間分割領域のエミッタ領域１６の不純物濃度の第３濃度が、第２濃度以上であり第１濃度以下である。あるいは、エミッタ領域１６は、これらの特徴を組合せたように構成されていてもよい。エミッタ領域１６がこのように構成されていると、エミッタ領域１６と第２主電極２４のコンタクト抵抗の低下及び／又はエミッタ領域１６からの電子の注入量の増加により、第１主電極２２と第２主電極２４の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域２ａのＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域２ａの中心よりもＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍に電流が多く流れ、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍の半導体層１０内のキャリア量が増加する。逆導通ＩＧＢＴ１Ａでは、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界が電流経路としてさらに有効に活用され、オン電圧がさらに低下する。
【００３２】
また、ＩＧＢＴ領域２ａに設けられているコレクタ領域１１の不純物濃度が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。図示は省略するが、この場合でも、ＩＧＢＴ領域２ａの中心からＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界までの半導体層１０を中心から境界までの距離の３等分で分割し、境界側分割領域、中心側分割領域、中間分割領域を規定したときに、境界側分割領域のコレクタ領域１１の不純物濃度の第１濃度が中心側分割領域のコレクタ領域１１の不純物濃度の第２濃度よりも濃く、さらに、中間分割領域のコレクタ領域１１の不純物濃度の第３濃度が、第２濃度以上であり第１濃度以下である。コレクタ領域１１がこのように構成されていると、コレクタ領域１１からの正孔の注入量の増加により、第１主電極２２と第２主電極２４の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域２ａのＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域２ａの中心よりもＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍に電流が多く流れ、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界近傍の半導体層１０内のキャリア量が増加する。逆導通ＩＧＢＴ１，１Ａでは、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界が電流経路としてさらに有効に活用され、オン電圧がさらに低下する。
【００３３】
上記例では、図１に示されるように、素子領域２内のＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂが、一方向に沿って交互に繰り返すように区画されている場合を例示した。ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂのレイアウトには、この例に限られず、様々なものを採用することができる。例えば、ＩＧＢＴ領域２ａに囲まれるように、１つ又は複数のダイオード領域２ｂが分散配置されていてもよく、その囲まれるダイオード領域２ｂが矩形状、多角形状、円状、楕円状の形態を有していてもよい。
【００３４】
上記例では、ＩＧＢＴ領域２ａに７本のトレンチゲート２６が設けられている場合を例示した。ＩＧＢＴ領域２ａに設けられるトレンチゲート２６の本数は、この例に限られるものではない。ただし、ＩＧＢＴ領域２ａの中心とＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界との間でトレンチゲート２６の形態上の相違を生じさせるために、ＩＧＢＴ領域２ａに設けられるトレンチゲート２６の本数が少なくとも３本であるのが望ましい。
【００３５】
上記例では、ＩＧＢＴ領域２ａに設けられているトレンチゲート２６が、図２に示す断面において、ＩＧＢＴ領域２ａの中心に対して線対称となるように構成されている場合を例示した。これに代えて、ＩＧＢＴ領域２ａに設けられているトレンチゲート２６は、図２に示す断面において、ＩＧＢＴ領域２ａの中心に対して非対称となるように構成されていてもよい。例えば、ＩＧＢＴ領域２ａの中心に対して一方の側にあるトレンチゲート２６の突出長さが他方の側にあるトレンチゲート２６の突出長さよりも長くなるように構成されていてもよい。
【００３６】
上記例では、ＩＧＢＴ領域２ａの全範囲において、トレンチゲート２６がドリフト領域１４に突出する側面の単位体積当たりの面積が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されている場合を例示した。この場合、ＩＧＢＴ領域２ａの全体が電流経路として有効に活用されるので、オン電圧の低下効果が大きい。しかしながら、本明細書で開示される技術は、このような構成が適用されるトレンチゲート２６が、ＩＧＢＴ領域２ａの少なくとも一部の範囲に設けられている場合でも有用である。この場合でも、そのＩＧＢＴ領域２ａの少なくとも一部の範囲において、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
【００３７】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００３８】
本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域に区画されている素子領域を有する半導体層、半導体層の第１主面に設けられている第１主電極、半導体層の第２主面に設けられている第２主電極及び半導体層のＩＧＢＴ領域の第２主面側に設けられているトレンチゲートを備えていてもよい。半導体層は、第１導電型のドリフト領域及び第２導電型領域を有する。ドリフト領域は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の双方に連続して設けられている。第２導電型領域は、ドリフト領域上に設けられており、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の双方に連続して設けられており、半導体層の第２主面に露出する。トレンチゲートは、第２導電型領域を貫通してドリフト領域に突出する。ＩＧＢＴ領域の中心からＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界までの半導体層を中心から境界までの距離の３等分で分割したときに、境界側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第１面積が中心側の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第２面積よりも大きく、境界側の分割領域と中心側の分割領域の間の分割領域に含まれるトレンチゲートがドリフト領域に突出する側面の合計である第３面積が、第２面積以上であって第１面積以下である。より望ましくは、第３面積が、第２面積よりも大きく、第１面積よりも小さい。
【００３９】
ＩＧＢＴ領域の少なくとも一部の範囲に設けられているトレンチゲートは、最もダイオード領域側にあるトレンチゲートがドリフト領域に突出する突出長さが、ＩＧＢＴ領域の中心にあるトレンチゲートがドリフト領域に突出する突出長さよりも長く構成されていてもよい。さらに、最もダイオード領域側にあるトレンチゲートと中心にあるトレンチゲートの間のトレンチゲートがドリフト領域に突出する突出長さは、中心にあるトレンチゲートの突出長さ以上であって最もダイオード領域側にあるトレンチゲートの突出長さ以下となるように構成されていてもよい。さらに、隣り合うトレンチゲートの突出長さを比較したときに、ダイオード領域側のトレンチゲートの突出長さが中心側のトレンチゲートの突出長さ以上となるように構成されていてもよい。より望ましくは、トレンチゲートの突出長さが、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていてもよい。また、ＩＧＢＴ領域の少なくとも一部の範囲に設けられているトレンチゲートは、最もダイオード領域側で隣り合うトレンチゲート間のピッチ幅が最も中心側で隣り合うトレンチゲート間のピッチ幅よりも短く構成されていてもよい。さらに、最もダイオード領域側にあるトレンチゲートと中心にあるトレンチゲートの間にあるトレンチゲート間のピッチ幅は、最もダイオード領域側で隣り合うトレンチゲートのピッチ幅以上であって最も中心側で隣り合うトレンチゲートのピッチ幅以下となるように構成されていてもよい。さらに、各々のトレンチゲート間のピッチ幅を比較すると、ダイオード領域側のトレンチゲート間のピッチ幅が中心側のトレンチゲート間のピッチ幅以上となるように構成されていてもよい。より望ましくは、隣り合うトレンチゲート間のピッチ幅が、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていてもよい。あるいは、トレンチゲートは、これらの特徴を組合せたように構成されていてもよい。これらの態様の逆導通ＩＧＢＴによると、第１主電極と第２主電極の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域のＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近い半導体層内のキャリア量が増加する。上記態様の逆導通ＩＧＢＴでは、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
【００４０】
上記態様の逆導通ＩＧＢＴでは、半導体層が、第１導電型のエミッタ領域をさらに有していてもよい。エミッタ領域は、ドリフト領域上に設けられており、ＩＧＢＴ領域に設けられており、トレンチゲートの側面に接しており、半導体層の第２主面に露出する。この場合、半導体層の第２主面に露出するエミッタ領域の面積が、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど大きくなるように構成されていてもよい。また、エミッタ領域の不純物濃度が、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。あるいは、エミッタ領域は、これらの特徴を組合せたように構成されていてもよい。これらの態様の逆導通ＩＧＢＴによると、第１主電極と第２主電極の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域のＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近い半導体層内のキャリア量が増加する。上記態様の逆導通ＩＧＢＴでは、ＩＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
【００４１】
上記態様の逆導通ＩＧＢＴでは、半導体層が、第２導電型のコレクタ領域を有していてもよい。コレクタ領域は、ＩＧＢＴ領域に設けられており、半導体層の第１主面に露出する。この場合、コレクタ領域の不純物濃度が、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど濃くなるように構成されていてもよい。この態様の逆導通ＩＧＢＴによると、第１主電極と第２主電極の間の電気抵抗値は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近いほど低くなる。このため、ＩＧＢＴ領域のＩＧＢＴ構造がオンしているとき、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界からの距離が近い半導体層内のキャリア量が増加する。上記態様の逆導通ＩＧＢＴでは、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界が電流経路として有効に活用され、オン電圧が低下する。
【００４２】
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、出願時請求項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】
【００４３】
１：逆導通ＩＧＢＴ
２ａ：ＩＧＢＴ領域
２ｂ：ダイオード領域
１０：半導体層
１１：コレクタ領域
１２：カソード領域
１３：バッファ領域
１４：ドリフト領域
１５：ｐ型領域
１６：エミッタ領域
１７：バリア領域
１８：コンタクト領域
１９：ピラー領域
２２：第１主電極
２４：第２主電極
２８：ダミートレンチ
【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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