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公開番号2024124702
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-13
出願番号2023032572
出願日2023-03-03
発明の名称半導体装置
出願人サンケン電気株式会社
代理人個人,個人
主分類H01L 29/78 20060101AFI20240906BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】ターンオフ時間が短いRC-IGBTを得る。
【解決手段】この半導体装置1も、平面視において、IGBTとして機能するIGBT領域100、ダイオードとして機能するダイオード領域200、耐圧改善のために設けられる耐圧改善領域300が同様に設けられる。また、ここで用いられる半導体基板10においても、n^-層11、n^-層11の下側のn層13が同様に設けられる。n層13の下側に、IGBT領域100においては、IGBTのコレクタ層となるp⁺層14が形成され、ダイオード領域200においては、ダイオードのカソード層となるn⁺層15が形成される。IGBT領域100とダイオード領域200においては、平面視において、p⁺層14は、図1における最も外側(左側)のトレンチ構造T1のトレンチTの外側には設けられず、この外側にはn⁺層15が位置する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１導電型の第１半導体領域を有する半導体基板中に絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードが形成された半導体装置であって、
平面視において、前記半導体基板には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタが形成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域と、前記ダイオードが形成されたダイオード領域と、が設けられ、
前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成された、前記第１導電型と逆の第２導電型の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の表面側に局所的に形成された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第３半導体領域から前記第２半導体領域を貫通し第１の方向に沿って延伸する溝の内部において前記第２半導体領域と絶縁層を介して対向するゲート電極が設けられ、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って複数形成された第１トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第４半導体領域と、
を具備し、
前記ダイオード領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成された、前記第２導電型の第５半導体領域と、
表面から前記第５半導体領域を貫通し溝の内部において前記第５半導体領域と絶縁層を介して対向する第１補助電極が設けられた、複数の第２トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成され平面視において前記第４半導体領域と隣接する前記第１導電型の第６半導体領域と、
を具備し、
前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第５半導体領域と電気的に接続されたエミッタ電極と、前記第４半導体領域及び前記第６半導体領域と電気的に接続されたコレクタ電極と、が設けられ、
平面視において、前記第４半導体領域の前記第６半導体領域側の端は、最も前記ダイオード領域側にある前記第１トレンチ構造の前記溝の前記ダイオード領域側の側面よりも、前記ダイオード領域側からみて遠い側にあることを特徴とする半導体装置。
続きを表示（約 910 文字）【請求項２】
隣り合う前記第２のトレンチ構造の間隔は、隣り合う前記第１のトレンチ構造の間隔よりも広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】
隣り合う前記第２のトレンチ構造の間隔は、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域から離れるに従って狭いことを特徴とする請求項２の半導体装置。
【請求項４】
平面視において、前記ダイオード領域は前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域を囲んで形成され、かつ耐圧改善領域が前記ダイオード領域を囲んで形成され、
前記耐圧改善領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成され、前記第２導電型であり、前記エミッタ電極とは直接接さない第７半導体領域と、
表面から前記第７半導体領域を貫通し延伸する溝の内部において前記第７半導体領域と絶縁層を介して対向する第２補助電極が設けられ、複数形成された第３トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第８半導体領域と、
を具備し、
前記第３トレンチ構造における溝によって分割された前記第７半導体領域は、それぞれ前記第２補助電極との間で容量結合することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第５半導体領域の不純物濃度が前記第２半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１補助電極は前記エミッタ電極、前記ゲート電極、前記コレクタ電極のいずれからも絶縁されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
平面視において、最も前記耐圧改善領域側の前記第２トレンチ構造よりも前記耐圧改善領域側にある前記第５半導体領域と、最も前記ダイオード領域側の前記第３トレンチ構造よりも前記ダイオード領域側にある前記第７半導体領域とは、互いに連続的に形成されたことを特徴とする請求項４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（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）とフリーホイールダイオードとが同一半導体基板に形成された半導体装置の構造に関する。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
大電力での高速スイッチング動作が可能であるスイッチング素子は、例えばモータの制御用に広く用いられている。一方、このようなスイッチング素子にＩＧＢＴを用いる場合、ＩＧＢＴのオフ時におけるフライバック電圧の発生を抑制するためにＩＧＢＴのオン時と逆向きの電流を流すフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）とを組み合わせる場合が多い。このような半導体装置の１つとして、ＩＧＢＴと同一の半導体基板上にフリーホイールダイオード（ダイオード）が形成されたＲＣ－ＩＧＢＴ（ＲｅｖｅｒｓｅＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇＩＧＢＴ）が知られている。
【０００３】
ＲＣ－ＩＧＢＴの基本構造は通常のＩＧＢＴの一部を変更すれば実現することができる。平面視において、ＩＧＢＴが形成された領域（ＩＧＢＴ領域：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域）の外側に前記のダイオードが形成された領域（ダイオード領域）を設け、更に外側に耐圧を向上させるためのエッジ終端部（耐圧改善領域）を設けることができる。特許文献１には、このような構造のＲＣ－ＩＧＢＴが記載されている。
【０００４】
ここで、ＩＧＢＴ領域におけるＩＧＢＴとしては、トレンチ内にゲート電極が設けられたトレンチ型のものが用いられる。また、ダイオード領域においては、トレンチ内に補助電極が設けられたトレンチ型のものが設けられ、このトレンチはダイオードの耐圧の改善に寄与する。耐圧改善領域にはＩＧＢＴやダイオードは設けられず、半導体装置の耐圧改善に寄与している。
【０００５】
図５は、この半導体装置９の構造を示す断面図である。ここでは、図中右側のＩＧＢＴ領域１００においてＩＧＢＴが形成され、図中中央のダイオード領域２００においてダイオードが形成され、図中左側に耐圧改善領域３００が形成される。実際にはＩＧＢＴ領域は半導体基板７０の中央側に設けられ、ダイオード領域はその外側、耐圧改善領域は更にその外側に設けられ、図１においてはこの場合における半導体基板７０の中央側から左側の端部までの範囲が模式的に示されている。
【０００６】
図５において、シリコンで形成された半導体基板７０においては、ＩＧＢＴにおけるドリフト層となる厚いｎ
－
層（ｎ型の第１半導体領域）１１上において、局所的にｐ層（ＩＧＢＴ領域１００においては第２半導体領域、ダイオード領域２００においては第５半導体領域）１２が形成されている。ＩＧＢＴ領域１００においては半導体基板７０の表面側には、紙面の上下方向（ｚ方向）に沿って表面からｐ層１２を貫通してｎ
－
層１１に達する溝構造（トレンチ構造：第１トレンチ構造）Ｔ１が形成されており、ダイオード領域２００においても同様にトレンチ構造（第２トレンチ構造）Ｔ２が形成されている。トレンチ構造Ｔ１、Ｔ２は、図５における紙面と垂直方向（ｘ方向：第１の方向）に延伸し、図中左右方向（ｙ方向：第２の方向）において複数形成されている。また、トレンチ構造Ｔ１の側面に隣接してエミッタ領域（図視せず）が形成されている。実際にはトレンチ構造Ｔ１、Ｔ２の周囲には上記の半導体領域とは異なる半導体層（半導体領域）等も局所的に形成されているが、これらの記載は図５では省略され、これらの層も含めたトレンチ構造Ｔ１、Ｔ２の構造については後述する。
【０００７】
また、半導体基板７０の表面（図中上側）には、エミッタ電極９１が形成されている。エミッタ電極９１は、ＩＧＢＴ領域１００においてはＩＧＢＴのエミッタ領域と接続されると共に、ダイオード領域２００においてはダイオードのアノード領域（第５半導体領域１２）と接続される。このため、エミッタ電極９１によってＩＧＢＴとダイオードが接続される。
【０００８】
また、半導体基板７０において、ｎ
－
層１１の下側にはフィールドストップ層となる薄いｎ層１３が形成され、ＩＧＢＴ領域１００においてはその下側にＩＧＢＴのコレクタ層となるｐ
＋
層（第４半導体領域）１４が形成され、ダイオード領域２００においてはダイオードのカソード層となるｎ
＋
層（第６半導体領域）１５が形成される。裏面側において全面に形成されたコレクタ電極９２は、ＩＧＢＴ領域１００においてはｐ
＋
層１４と接し、ダイオード領域２００においてはｎ
＋
層１５と接する。以上により、ＩＧＢＴとダイオードが接続された構成が実現される。
【０００９】
一方、耐圧改善領域３００においてはｐ層１２やトレンチ構造は形成されず、代わりにｐ
＋
層であるガードリング層７５が互いに離間して複数形成されている。ガードリング層７５にはエミッタ電極９１とは別の電極層９３が接続される。複数のガードリング層７５が形成された更に外側の最外周部には、特に耐圧改善領域３００におけるｎ
－
層１１の電位を制御するために、局所的に形成されたｎ
＋
層７６を介して、エミッタ電極９１及び電極層９３とは別の電極層９４が形成される。また、耐圧改善領域３００の裏面側においては、ｐ
＋
層１４と同様のｐ
＋
層１４Ａが形成され、裏面側でこのｐ
＋
層１４Ａがコレクタ電極９２と接する。
【００１０】
図６（ａ）は、図５におけるトレンチ構造Ｔ１、図６（ｂ）はトレンチ構造Ｔ２の断面図をそれぞれ示し、ここでは、これらのトレンチ構造を中心とした周辺の各半導体層等も含めた構造も詳細に示されている。図６（ａ）のトレンチ構造Ｔ１においては、上下方向（ｚ方向）に沿って表面側のｐ層１２を貫通しｎ
－
層１１に達する溝Ｔが紙面垂直方向（ｘ方向）に延伸して形成されており、溝Ｔの内側には、薄い酸化膜（ゲート絶縁膜）１７が一様に形成された上で、ゲート電極９５が溝Ｔを埋め込むように形成されている。また、表面側における溝Ｔの周囲にはＭＯＳＦＥＴのソース領域として機能するｎ
＋
層（第３半導体領域）１８が形成され、エミッタ電極９１は、ｎ
＋
層１８及びｐ層１２と接する。また、トレンチＴのゲート電極９５の上側には層間絶縁層１９が形成されることによって、ゲート電極９５はエミッタ電極９１とは絶縁され、図５に示されるように、全てのトレンチ構造Ｔ１におけるゲート電極９５は図示の範囲外で並列に接続された上で、その電位（ゲート電位）が適切に制御される。これにより、ゲート電極９５、酸化膜１７、ｐ層１２によってＭＯＳ構造が形成され、これがＩＧＢＴの一部として機能する。このため、エミッタ電極９１、コレクタ電極９２、ゲート電極９５の電位を制御することによって、このＩＧＢＴは動作する。
（【００１１】以降は省略されています）

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