半導体装置
【課題】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、ダイオードのリカバリー損失を低減し、ＩＧＢＴのアバランシェ耐量とダイオードのリカバリー耐量を改善する。
【解決手段】ダイオード領域Ｊ２に形成されているｐ型のアノード層５０の中間深さに、ｎ型の分離層９２を設けて、上部アノード層５０ａと下部アノード層５０ｂに分離する。分離層９２が、アノード層５０からドリフト層６０に向けて過剰な正孔が注入されることを防止し、リカバリー損失が低減する。ＩＧＢＴ領域Ｊ１とダイオード領域Ｊ２における半導体構造が類似し、電流集中が緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。ダイオード領域に隣接する範囲Ｊ３の半導体基板の表面にｐ型層６２が配置されていることが多いために、分離層９２を挿入することによってｐｎｐｎのサイリスタ構造となってもダイオード動作する。
【解決手段】ダイオード領域Ｊ２に形成されているｐ型のアノード層５０の中間深さに、ｎ型の分離層９２を設けて、上部アノード層５０ａと下部アノード層５０ｂに分離する。分離層９２が、アノード層５０からドリフト層６０に向けて過剰な正孔が注入されることを防止し、リカバリー損失が低減する。ＩＧＢＴ領域Ｊ１とダイオード領域Ｊ２における半導体構造が類似し、電流集中が緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。ダイオード領域に隣接する範囲Ｊ３の半導体基板の表面にｐ型層６２が配置されていることが多いために、分離層９２を挿入することによってｐｎｐｎのサイリスタ構造となってもダイオード動作する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ等の電気的負荷に給電する給電装置は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）素子と、ＦＷＤ（free wheel diode）素子から構成される。従来は、別々に製造されたＩＧＢＴ素子とダイオード素子を配線することによって、給電装置を構成していた。そこで、同一の半導体基板内に、ＩＧＢＴが形成されている領域（ＩＧＢＴ領域）とＦＷＤが形成されている領域（ダイオード領域）が混在している半導体装置が開発された。ＩＧＢＴとＦＷＤが同一半導体基板内に形成されている半導体装置を利用すると、給電装置を小型化することができる。
【０００３】
特許文献１に、同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置が開示されている。特許文献１の図２２と図２３（本出願の図３に再掲する）に、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１の半導体基板内に形成されているｐ型のボディ層３２の中間深さに、ｎ型の分離層９０を設けて、上部ボディ層３２ａと下部ボディ層３２ｂに分離する技術が記載されている。ｐ型の上部ボディ層３２ａとｐ型の下部ボディ層３２ｂの間にｎ型の分離層９０を挿入すると、ＩＧＢＴのオン時に、正孔がドリフト層６０からボディ層３２とコンタクト領域２２を経て表面電極１に排出されてしまう現象を抑制できる。分離層９０を挿入することで、ドリフト層６０内における伝導度変調現象を活発化することができ、ＩＧＢＴのオン電圧を低下させることができる。
【０００４】
図３に再掲する半導体装置の場合、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１ではボディ層３２が形成されており、ダイオード領域Ｊ１２ではアノード層５０が形成されている。
研究の結果、ＩＧＢＴの特性を最適化するボディ層３２の不純物濃度に比して、ダイオードの特性を最適化するアノード層５０の不純物濃濃度の方が薄いことがわかってきた。すなわち、アノード層５０の不純物濃濃度をボディ層３２の不純物濃度に等しくすると、ダイオードに順方向の電流が流れている間にコンタクト領域４２とアノード層５０を経てドリフト層６０に注入される正孔が過剰となり、ダイオードに印加している電圧が順方向から逆方向に反転したときに生じるリカバリー損失が大きくなってしまう。特許文献１の技術では、アノード層５０の不純物濃濃度をボディ層３２の不純物濃度よりも薄く設定することで、リカバリー損失の増大を防いでいる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１４１２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている半導体装置を用いると、リカバリー損失の増大を防ぐことができる。しかしながら、そのために、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１の半導体構造とダイオード領域Ｊ１２の半導体構造を大きく変えている。すなわちＩＧＢＴ領域Ｊ１１では分離層９０が形成されているのに、ダイオード領域Ｊ１２では分離層９０が形成されていない。あるいは、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１ではボディ層３２の不純物濃度が濃いのに、ダイオード領域Ｊ１２ではアノード層５０の不純物濃度が薄い。
【０００７】
ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が大きく変化している場合、特定位置に大きな電流集中が生じやすい。
例えばＩＧＢＴのオン時に、ＩＧＢＴ領域内における電流分布が均一とならず、ＩＧＢＴ領域の中央付近において大きな電流集中が生じやすい。ＩＧＢＴのオン時に流れる電流がＩＧＢＴ領域の広い範囲に均一に分散されずに特定位置に集中すると、アバランシェ耐量が低下する。あるいはダイオード領域に順方向の電流が流れる場合に、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍のダイオード領域に大きな電流集中が生じやすい。ダイオードの順方向電流がダイオード領域の広い範囲に均一に分散されずに特定位置に集中すると、リカバリー耐量が低下する。
【０００８】
本発明では、電流集中によって生じるアバランシェ耐量の低下、あるいは電流集中によって生じるリカバリー耐量の低下に対策する。種々に検討した結果、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造を同一または類似する構造とすることで、ＩＧＢＴのオン時に流れる電流の集中現象と、ダイオードの順方向電流の集中現象が緩和されるという知見が得られた。本発明では、その知見を活用する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在しているとともに表面電極と裏面電極を備えている半導体装置に関する。
本発明の半導体装置では、ＩＧＢＴ領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｐ型のコレクタ層と、
（２）コレクタ層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部ボディ層と、
（４）下部ボディ層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部ボディ層と、
（６）半導体基板の表面から上部ボディ層と分離層と下部ボディ層を貫通してドリフト層に達しているとともに、表面電極と半導体基板の双方から絶縁されているトレンチゲート電極と、
（７）上部ボディ層と下部ボディ層によってドリフト層から隔てられているとともにトレンチゲート電極に隣接する範囲に形成されており、表面電極に導通しているｎ型のエミッタ領域を備えている。
またダイオード領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｎ型のカソード層と、
（２）カソード層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部アノード層と、
（４）下部アノード層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部アノード層と、
（６）半導体基板の表面から上部アノード層と分離層と下部アノード層を貫通してドリフト層に達しているとともに、少なくても半導体基板から絶縁されているトレンチゲート電極を備えている。
【００１０】
上記の半導体装置は、ＩＧＢＴ領域ではボディ層の中間深さに分離層が形成されることによって下部ボディ層と上部ボディ層に分離される構造となっており、ダイオード領域ではアノード層の中間深さに分離層が形成されることによって下部アノード層と上部アノード層に分離される構造となっている。ここでは、ボディ層とアノード層という別の名称で説明しているが、実際にはともにｐ型の層であり、同一または類似の半導体層ということができる。上記の半導体装置は、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または類似する構造であり、それゆえに、ＩＧＢＴのオン時に流れる電流の集中現象が緩和され、ダイオードの順方向に流れる電流の集中現象が緩和される。電流集中によってアバランシェ耐量が低下したり、あるいは電流集中によってリカバリー耐量が低下したりすることを防止できる。
【００１１】
アノード層の中間深さに分離層を形成することによって下部アノード層と上部アノード層に分離した構造とすると、ｐ型の上部アノード層、ｎ型の分離層、ｐ型の下部アノード層、ｎ型のドリフト層によって、ｐｎｐｎのサイリスタ構造となってしまう。
不用意にサイリスタ構造を採用すると、表面電極に裏面電極よりも高い電圧が印加されているのに、ダイオード領域に順方向電流が流れないという問題が生じる。特にマイナス４０度以下という低温環境で用いると、ｎ型の分離層とｐ型の下部アノード層の間に形成されるｎｐ界面のエネルギー障壁によって、表面電極から裏面電極に向かって流れて欲しい電流が流れないという現象が生じてしまう。
【００１２】
ダイオード領域に隣接する範囲の半導体基板の表面に臨む位置に、ｐ型の表面層が形成されていることが多い。例えば、ダイオード領域に隣接する範囲に耐圧保持領域が確保されている場合には、耐圧保持構造を構成するｐ型の表面層が形成されている。あるいは、ダイオード領域に隣接する範囲にゲート配線が配置されている場合も、ゲート配線に対応する範囲にｐ型の表面層が形成されている。ダイオード領域に隣接する範囲にパッド領域が配置されている場合も、パッド領域に対応する範囲にｐ型の表面層が形成されている。
【００１３】
半導体装置は小型化されており、ダイオード領域に隣接する範囲の半導体基板の表面に臨む位置に形成されているｐ型の表面層と、ダイオード領域に形成されているｎ型のカソード層の間隔が微細化している。この結果、表面電極に裏面電極より高い電圧が印加される場合には、ｐ型の表面層とｎ型のカソード層で形成される寄生ダイオードがオンし、ｐ型の表面層からｎ型のカソード層に正孔が注入される。この正孔が、ｎ型の分離層とｐ型の下部アノード層の間に形成されるｎｐ界面の近傍に蓄積され、ｎｐ界面のエネルギー障壁を低くする。この結果、表面電極に裏面電極より高い電圧が印加される場合には、ダイオード領域において表面電極から裏面電極に向けて電流が流れる現象（ダイオードの順方向に電流が流れる現象）が得られる。ｐｎｐｎのサイリスタ構造がダイオードとして動作する。
アノード層の中間深さに分離層を形成することによってｐｎｐｎのサイリスタ構造となってしまっても、半導体装置の小型化に伴って近接位置に配置されるようになったｐ型の表面層の影響によってサイリスタ構造がダイオードとして動作する現象が得られる。
【００１４】
ｐｎｐｎのサイリスタ構造が確実にダイオードとして作動するようにするためには、ｎ型のカソード層とｐ型の表面層の間隔を６０μｍ以下とすればよい。
この場合、ｎ型のカソード層とｐ型の表面層の間隔が正孔の拡散長以下となる。表面電極に裏面電極より高い電圧が印加される場合には、ｐ型の表面層とｎ型のカソード層で形成される寄生ダイオードが確実にオンし、ｎ型の分離層とｐ型の下部アノード層の間に形成されるｎｐ界面のエネルギー障壁を確実に下げ、表面電極から裏面電極に向けて電流が流れる現象を確実に得ることができる。
【００１５】
ＩＧＢＴ領域のドリフト層とダイオード領域のドリフト層が同一であり、ＩＧＢＴ領域の下部ボディ層とダイオード領域の下部アノード層が同一であり、ＩＧＢＴ領域の分離層とダイオード領域の分離層が同一であり、ＩＧＢＴ領域の上部ボディ層とダイオード領域の上部アノード層が同一であることが好ましい。
ここで、層が同一であるとは、層の深さが同一であり、かつ層に含まれる不純物の成分と濃度が等しいことをいう。すなわち、同一不純物濃度の層がＩＧＢＴ領域からダイオード領域にまで拡がっていることをいう。
上記構成が満たされていると、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または類似し、ＩＧＢＴのオン時にはＩＧＢＴ領域の広い範囲に均一に分散して電流が流れ、ダイオードに順方向電流が流れる時にはダイオード領域の広い範囲に均一に分散して順方向電流が流れる。電流集中が緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。
【００１６】
ｎ型のエミッタ領域がＩＧＢＴ領域のみならずダイオード領域にまで形成されていてもよい。この場合には、ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極を絶縁しておく。
ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極を絶縁しておけば、ダイオード領域にまでｎ型のエミッタ領域が形成されていても、ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極にオン電圧を印加した時にダイオード領域のトレンチゲート電極にはオン電圧が印加されないようにすることができるので、ダイオード領域がＩＧＢＴ領域として動作しないようにすることができる。ダイオード領域にまでｎ型のエミッタ領域を形成すると（ＩＧＢＴ領域におけるエミッタ領域と同種パターンの領域であるという意味ではエミッタ領域であるが、エミッタとして機能しないことからエミッタ領域ということはできない。本明細書では、エミッタ対応領域という）、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または極めて類似し、ＩＧＢＴにオン電流が流れる場合にはＩＧＢＴ領域の広い範囲に分散して電流が流れ、ダイオードに順方向電流が流れる場合にはダイオード領域の広い範囲に分散して順方向電流が流れる。電流集中が効果的に緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。
なおＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極が絶縁されている場合、ダイオード領域のトレンチゲート電極にエミッタ領域の電圧（すなわち表面電極の電圧）が印加されていると、ダイオード領域の動作が安定する。
【００１７】
ダイオード領域の半導体基板にはｎ型のエミッタ対応領域を形成しない構造としてもよい。この場合は、ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極を絶縁しておく必要が必ずしもない。この構造によると、ダイオード領域がＩＧＢＴ領域として作動しないようにできる。また、ｎ型のエミッタ領域の有無を除けば、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または類似する。ＩＧＢＴにオン電流が流れる場合にはＩＧＢＴ領域の広い範囲に分散して電流が流れ、ダイオードに順方向電流が流れる場合にはダイオード領域の広い範囲に分散して順方向電流が流れる。電流集中が効果的に緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置がダイオードとして動作する場合のリカバリー損失を減少させることができ、半導体装置のアバランシェ耐量とリカバリー耐量を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施例の半導体装置Ｂ１の要部断面図である。
【図２】第２実施例の半導体装置Ｂ２の要部断面図である。
【図３】従来の半導体装置の要部断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
（特徴１）アノード層の中間深さにあって上部アノード層と下部アノード層に分離する分離層が、表面ｐ型層６２の中間深さに沿って伸びている。
（特徴２）表面電極が、ＩＧＢＴ領域からダイオード領域まで伸びている。
（特徴３）裏面電極が、ＩＧＢＴ領域からダイオード領域まで伸びている。
【実施例】
【００２１】
（第１実施例）
図１を参照して本発明を具現化した第１実施例の半導体装置Ｂ１を説明する。本実施例の半導体装置Ｂ１では、同一半導体基板２内に、ＩＧＢＴ領域Ｊ１とダイオード領域Ｊ２と耐圧保持領域Ｊ３が混在している。
半導体基板２の表面に、表面電極１が形成されている。表面電極１は、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の表面からダイオード領域Ｊ２の表面を経て耐圧保持領域Ｊ３の表面にまで連続して伸びている。半導体基板２の裏面に、裏面電極３が形成されている。裏面電極３は、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の裏面からダイオード領域Ｊ２の裏面を経て耐圧保持領域Ｊ３の裏面にまで連続して伸びている。
この半導体装置Ｂ１の利用方法は、特許文献１に詳細に記載されており、重複記載を省略する。
【００２２】
ＩＧＢＴ領域Ｊ１の半導体基板２内に、裏面電極３に導通しているｐ+型のコレクタ層８０と、コレクタ層８０上に積層されているｎ-型のドリフト層６０ａと、ドリフト層６０ａ上に積層されているｐ-型の下部ボディ層３２ｂと、下部ボディ層３２ｂ上に積層されているｎ型の分離層９０と、分離層９０上に積層されているとともに表面電極１に導通しているｐ-型の上部ボディ層３２ａと、半導体基板２の表面から上部ボディ層３２ａと分離層９０と下部ボディ層３２ｂを貫通してドリフト層６０ａに達しているとともに表面電極１と半導体基板２の双方から絶縁されているトレンチゲート電極１２と、上部ボディ層３２ａと下部ボディ層３２ｂによってドリフト層６０ａから隔てられているとともにトレンチゲート電極１２に絶縁層１４を介して接する範囲に形成されているｎ+型のエミッタ領域２０を備えている。エミッタ領域２０は、表面電極１に導通している。図示の２２は、ｐ+型のコンタクト領域であり、ｐ-型の上部ボディ層３２ａと表面電極１に導通している。上部ボディ層３２ａは、コンタクト領域２２を介して、表面電極１に導通している。分離層９０は、ボディ層３２の中間高さに挿入されており、ボディ層３２を上部ボディ層３２ａと下部ボディ層３２ｂに分離している。分離層９０は、隣接する一対のトレンチゲート電極１２の間に存在する間隔の全域に亘って伸びている。トレンチゲート電極１２は、絶縁層１４によって半導体基板２から絶縁され、絶縁層１０によって表面電極１から絶縁されている。ＩＧＢＴ領域Ｊ１のトレンチゲート電極１２は、図示しない断面において、ゲート配線１３に接続されている。
【００２３】
ダイオード領域Ｊ２の半導体基板２内に、裏面電極３に導通しているｎ+型のカソード層７０と、カソード層７０上に積層されているｎ-型のドリフト層６０ｂと、ドリフト層６０ｂ上に積層されているｐ-型の下部アノード層５０ｂ、下部アノード層５０ｂ上に積層されているｎ型の分離層９２と、分離層９２上に積層されているとともに表面電極１に導通しているｐ-型の上部アノード層５０ａと、半導体基板２の表面から上部アノード層５０ａと分離層９２と下部アノード層５０ｂを貫通してドリフト層６０ｂに達しているとともに表面電極１と半導体基板２の双方から絶縁されているトレンチゲート電極９６と、表面電極１と上部アノード層５０ａの双方に導通しているｐ+型のコンタクト領域２１を備えている。トレンチゲート電極９６は、絶縁層９８によって半導体基板２から絶縁され、絶縁層９４によって表面電極１から絶縁されている。ダイオード領域Ｊ２のトレンチゲート電極９６も、図示しない断面において、ゲート配線１３に接続されている。ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２と、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６は、ゲート配線１３を介して導通しており、同一電圧が印加される。
【００２４】
ＩＧＢＴ領域Ｊ１のドリフト層６０ａとダイオード領域Ｊ２のドリフト層６０ｂは、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。ドリフト層６０ａとドリフト層６０ｂは、同時に製造される同一の層である。
下部ボディ層３２ｂと下部アノード層５０ｂは、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。下部ボディ層３２ｂと下部アノード層５０ｂは、同時に製造される同一の層である。
ＩＧＢＴ領域Ｊ１の分離層９０とダイオード領域Ｊ２の分離層９２は、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。分離層９０と分離層９２は、同時に製造される同一の層である。
上部ボディ層３２ａと上部アノード層５０ａは、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。上部ボディ層３２ａと上部アノード層５０ａは、同時に製造される同一の層である。
すなわち、ボディ層３２とアノード層５０は、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。ボディ層３２とアノード層５０は、同時に製造される同一の層である。
コンタクト領域２２とコンタクト領域２１は、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。コンタクト領域２２とコンタクト領域２１は、同時に製造される同一層である。
ダイオード領域Ｊ２では、ＩＧＢＴ領域Ｊ１と異なり、エミッタ領域２０に対応する位置に、ｎ+型の領域が形成されていない。エミッタ対応領域がない。
【００２５】
ＩＧＢＴをオンさせる場合には、トレンチゲート電極１２に正電圧を印加し、ボディ層３２のうちのトレンチゲート電極１２に対向する位置を反転させてｎ型チャンネルを形成する。この結果、上部ボディ層３２ａに形成されたｎ型の反転層、ｎ型の分離層９２、下部ボディ層３２ｂに形成されたｎ型の反転層によって、ｎ型のエミッタ領域２０とｎ型のドリフト層６０ａが導通する。裏面電極３の電位が表面電極１の電位よりも高ければ、ｎ型のエミッタ領域２０からｎ型のドリフト層６０ａに電子が注入される。この結果、コレクタ層８０からドリフト層６０ａに正孔が注入される。ドリフト層６０ａで活発な伝導度変調現象が発生し、ＩＧＢＴがオンする。このとき、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６にも正電圧が印加されてアノード層５０に反転層が形成されるが、ダイオード領域Ｊ２ではエミッタ対応領域が形成されていないことから、ダイオード領域Ｊ２内を電流が流れることはない。
ＩＧＢＴをオフする場合には、トレンチゲート電極１２に正電圧を印加するのを休止する。するとｎ型に反転して形成されていたチャンネルが消失し、ＩＧＢＴがオフする。このとき、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高ければ、後記するようにしてダイオード領域Ｊ２内を順方向電流が流れる。
【００２６】
耐圧保持領域Ｊ３では、半導体基板２の表面に臨む位置に、表面ｐ-型層６２が形成されている。耐圧保持領域Ｊ３では、半導体基板２の裏面に臨む位置にｐ+型の領域８５が形成されており、裏面電極３に導通している。
【００２７】
半導体装置Ｂ１の裏面電極３は、電源のプラス端子に接続して用いる。表面電極１は、モータ等の負荷Ｍに接続して用いる。モータ等の負荷Ｍに生じる誘導電圧によって、裏面電極３の電位が表面電極１の電位よりも高い場合もあれば、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高い場合もある。
裏面電極３の電位が表面電極１の電位よりも高い間にＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２に正電圧を印加してボディ層３２のうちのトレンチゲート電極１２に対向する範囲を反転させてｎ型チャンネルを形成すると、ＩＧＢＴがオンする。この状態では裏面電極３から表面電極１に電流が流れる。電源からモータ等の負荷に給電される。
モータ等の負荷に生じる誘導電圧によって、表面電極１の電位が裏面電極３の電位より高くなると、ダイオード領域Ｊ２に順方向の電圧がかかることになり、順方向の電流が流れる。すなわち、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れる。
【００２８】
実際には、ダイオード領域Ｊ２には、ｐ型の上部アノード層５０ａ、ｎ型の分離層９２、ｐ型の下部アノード層５０ｂ、ｎ型のドリフト層６０ｂによって、ｐｎｐｎのサイリスタ構造が形成されている。ｐ型のアノード層５０の中間深さにｎ型の分離層９２を挿入して、ｐ型の上部アノード層５０ａとｐ型の下部アノード層５０ｂに分離すると、ｐｎｐｎのサイリスタ構造が構成されてしまう。サイリスタ構造が構成されていると、表面電極１の電位が裏面電極３の電位より高くても、ｎ型の分離層９２とｐ型の下部アノード層５０ｂの間にあるｎｐ界面の障壁によって、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れない可能性がある。特に、低温環境下で用いた場合には、実際にも表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れないことがある。その一方において、ｎ型の分離層９２を挿入してサイリスタ構造を実現して低温環境下で用いた場合でも、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れることもある。すなわち、ダイオード領域Ｊ２が実際にもダイオードとして機能する場合もある。
【００２９】
本発明者らが、サイリスタ構造がサイリスタ動作してダイオード動作しない場合と、サイリスタ構造がサイリスタ動作せずにダイオード動作する場合を比較検討した結果、半導体装置が小型化して集積度が向上していると、サイリスタ構造がダイオード動作することを確認した。すなわち、集積度が向上している小型の半導体装置であれば、図１のＩＧＢＴ領域Ｊ１に分離層９０を挿入するだけでなく、ダイオード領域Ｊ２にまでｎ型の分離層９２を挿入してサイリスタ構造を実現しても、ダイオード領域Ｊ２がダイオードとして機能し、しかもリカバリー損失が低減できることが確認された。
【００３０】
同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置の場合、ダイオード領域に隣接する範囲に、耐圧保持領域、ゲート配線領域、あるいは電極パッド配置領域が配置されていることが多い。その場合、それらの領域において半導体基板の表面に臨む位置にはｐ型の表面層が形成されている。図１の場合、ダイオード領域Ｊ２に隣接する範囲に耐圧保持領域Ｊ３が配置され、耐圧保持領域Ｊ３では半導体基板２の表面に臨む位置にｐ型の表面層６２が形成されている場合を例示している。
このときに図１に示すように、ｎ＋型のカソード層７０とｐ型の表面層６２の間隔Ｌ１がホールの拡散長（この場合６０μｍ）以下であると、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高くなった時に、ｐ型の表面層６２とｎ＋型のカソード層７０で構成される寄生ダイオードがオン状態となり、ｐ型の表面層６２からｎ−型のドリフト層６０とｎ＋型のカソード層７０に向けて正孔が注入され、ｎ−型のドリフト層６０とｐ型の下部アノード層５０ｂとの間にあるｎｐ界面の近傍に位置するｎ−型ドリフト層６０に正孔が蓄積し、ｎ型の分離層９２とｐ型の下部アノード層５０ｂの間にあるｎｐ界面の障壁を下げる。この結果、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れる。ダイオード領域Ｊ２のｐ型のアノード層５０の中間深さにｎ型の分離層９２を挿入してｐｎｐｎのサイリスタ構造を実現しても、ｐ型の表面層６２とｎ＋型のカソード層７０の間隔が６０μｍ以下となるほどに小型化すれば、ｐｎｐｎのサイリスタ構造はダイオード動作する。
【００３１】
ダイオード領域Ｊ２のｐ型のアノード層５０の中間深さにｎ型の分離層９２を設けると、順方向電流の通電時に表面電極１からドリフト層６０ｂに注入される正孔の量が適量に抑制され、表面電極１よりも裏面電極３の電位が高くなった時に生じるリカバリー損失が抑制される。
【００３２】
半導体装置Ｂ１にリカバリー電流が流れる時に、半導体装置Ｂ１のトレンチゲート電極１２，９６に負のゲート電圧を印加するようにしてもよい。負電圧を印加すると、ドリフト層６０に残留していたホールがトレンチゲート電極９６に引き寄せられ、ホールがコンタクト領域２１に戻る速度を遅くすることができる。これにより、リカバリー電流の変化速度を抑制することができ、ソフト・リカバリ特性を実現することができる。リカバリー電流の変化速度に起因するサージ電圧を抑制することができる。また、リカバリー電流が大きな電流に発達することを防止することができる。
【００３３】
図１の半導体装置Ｂ１の場合、コレクタ層８０とカソード層７０の相違、ならびにエミッタ領域２０の有無を除けば、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の半導体構造とダイオード領域Ｊ２の半導体構造は同一である。すなわち、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の半導体構造とダイオード領域Ｊ２の半導体構造は類似している。このために、ＩＧＢＴのオン時に流れる電流は、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の広い範囲に比較的に均一に分散され、中央付近に集中する程度が緩和される。アバランシェ耐量が改善される。あるいはダイオードに順方向電流が流れる場合、ダイオード領域Ｊ２の広い範囲に比較的に均一に分散され、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍に集中する程度が緩和される。リカバリー耐量も改善される。
【００３４】
（第２実施例）
図２に示すように、分離層９２がｐ型の表面層６２内にまで延長していてもよい。この場合、分離層９２の突出端から、ダイオード領域Ｊ２と耐圧保持領域Ｊ３の間に位置しているトレンチゲート電極９６の左端までの距離Ｌ２を、正孔の拡散長である６０μm以下に設定する。分離層９２の右端からｎ＋型のカソード層７０までの間隔Ｌ２が６０μｍ以下であれば、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高くなった時に、ｐ型の表面層６２とｎ＋型のカソード層７０で構成される寄生ダイオードがオン状態となる現象が得られる。
【００３５】
図２に示すように、ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２と、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６が絶縁されており、異なる電圧が印加される場合、エミッタ領域２０に対応する位置にｎ+型の領域１９を形成してもよい。図２の場合、ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２はゲート配線１３に接続され、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６はゲート配線９５に接続され、異なる電圧が印加される。エミッタ領域２０とｎ+型の領域１９は、同じ不純物濃度の同じ領域としてもよい。ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６に正電圧を印加しなければ、ｎ+型の領域１９がエミッタ領域として機能することはない。
ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２と、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６が絶縁されている場合、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６にはエミッタ領域２０の電位を印加することが好ましい。絶縁層９４を設けなければ、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６は表面電極１に導通し、エミッタ領域２０の電位に等しくなる。
【００３６】
ダイオード領域Ｊ２内にまでｎ+型の領域１９を形成すると、ＩＧＢＴ領域Ｊ１とダイオード領域Ｊ２における半導体構造が極めて類似し、電流集中が一層に緩和される。アバランシェ耐量とリカバリー耐量が一層に改善される。
【００３７】
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。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、本明細書又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】
【００３８】
１：表面電極
２：半導体基板
３：裏面電極
１２：ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極
２０：エミッタ領域
２２：ボディコンタクト領域
３２：ボディ層
３２ａ：上部ボディ層
３２ｂ：下部ボディ層
５０：アノード層
５０ａ：上部アノード層
５０ｂ：下部アノード層
６０：ドリフト層
７０：カソード層
８０：コレクタ層
９０：分離層
９２：分離層
Ｊ１：ＩＧＢＴ領域
Ｊ２：ダイオード領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ等の電気的負荷に給電する給電装置は、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）素子と、ＦＷＤ（free wheel diode）素子から構成される。従来は、別々に製造されたＩＧＢＴ素子とダイオード素子を配線することによって、給電装置を構成していた。そこで、同一の半導体基板内に、ＩＧＢＴが形成されている領域（ＩＧＢＴ領域）とＦＷＤが形成されている領域（ダイオード領域）が混在している半導体装置が開発された。ＩＧＢＴとＦＷＤが同一半導体基板内に形成されている半導体装置を利用すると、給電装置を小型化することができる。
【０００３】
特許文献１に、同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置が開示されている。特許文献１の図２２と図２３（本出願の図３に再掲する）に、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１の半導体基板内に形成されているｐ型のボディ層３２の中間深さに、ｎ型の分離層９０を設けて、上部ボディ層３２ａと下部ボディ層３２ｂに分離する技術が記載されている。ｐ型の上部ボディ層３２ａとｐ型の下部ボディ層３２ｂの間にｎ型の分離層９０を挿入すると、ＩＧＢＴのオン時に、正孔がドリフト層６０からボディ層３２とコンタクト領域２２を経て表面電極１に排出されてしまう現象を抑制できる。分離層９０を挿入することで、ドリフト層６０内における伝導度変調現象を活発化することができ、ＩＧＢＴのオン電圧を低下させることができる。
【０００４】
図３に再掲する半導体装置の場合、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１ではボディ層３２が形成されており、ダイオード領域Ｊ１２ではアノード層５０が形成されている。
研究の結果、ＩＧＢＴの特性を最適化するボディ層３２の不純物濃度に比して、ダイオードの特性を最適化するアノード層５０の不純物濃濃度の方が薄いことがわかってきた。すなわち、アノード層５０の不純物濃濃度をボディ層３２の不純物濃度に等しくすると、ダイオードに順方向の電流が流れている間にコンタクト領域４２とアノード層５０を経てドリフト層６０に注入される正孔が過剰となり、ダイオードに印加している電圧が順方向から逆方向に反転したときに生じるリカバリー損失が大きくなってしまう。特許文献１の技術では、アノード層５０の不純物濃濃度をボディ層３２の不純物濃度よりも薄く設定することで、リカバリー損失の増大を防いでいる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１４１２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている半導体装置を用いると、リカバリー損失の増大を防ぐことができる。しかしながら、そのために、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１の半導体構造とダイオード領域Ｊ１２の半導体構造を大きく変えている。すなわちＩＧＢＴ領域Ｊ１１では分離層９０が形成されているのに、ダイオード領域Ｊ１２では分離層９０が形成されていない。あるいは、ＩＧＢＴ領域Ｊ１１ではボディ層３２の不純物濃度が濃いのに、ダイオード領域Ｊ１２ではアノード層５０の不純物濃度が薄い。
【０００７】
ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が大きく変化している場合、特定位置に大きな電流集中が生じやすい。
例えばＩＧＢＴのオン時に、ＩＧＢＴ領域内における電流分布が均一とならず、ＩＧＢＴ領域の中央付近において大きな電流集中が生じやすい。ＩＧＢＴのオン時に流れる電流がＩＧＢＴ領域の広い範囲に均一に分散されずに特定位置に集中すると、アバランシェ耐量が低下する。あるいはダイオード領域に順方向の電流が流れる場合に、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍のダイオード領域に大きな電流集中が生じやすい。ダイオードの順方向電流がダイオード領域の広い範囲に均一に分散されずに特定位置に集中すると、リカバリー耐量が低下する。
【０００８】
本発明では、電流集中によって生じるアバランシェ耐量の低下、あるいは電流集中によって生じるリカバリー耐量の低下に対策する。種々に検討した結果、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造を同一または類似する構造とすることで、ＩＧＢＴのオン時に流れる電流の集中現象と、ダイオードの順方向電流の集中現象が緩和されるという知見が得られた。本発明では、その知見を活用する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在しているとともに表面電極と裏面電極を備えている半導体装置に関する。
本発明の半導体装置では、ＩＧＢＴ領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｐ型のコレクタ層と、
（２）コレクタ層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部ボディ層と、
（４）下部ボディ層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部ボディ層と、
（６）半導体基板の表面から上部ボディ層と分離層と下部ボディ層を貫通してドリフト層に達しているとともに、表面電極と半導体基板の双方から絶縁されているトレンチゲート電極と、
（７）上部ボディ層と下部ボディ層によってドリフト層から隔てられているとともにトレンチゲート電極に隣接する範囲に形成されており、表面電極に導通しているｎ型のエミッタ領域を備えている。
またダイオード領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｎ型のカソード層と、
（２）カソード層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部アノード層と、
（４）下部アノード層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部アノード層と、
（６）半導体基板の表面から上部アノード層と分離層と下部アノード層を貫通してドリフト層に達しているとともに、少なくても半導体基板から絶縁されているトレンチゲート電極を備えている。
【００１０】
上記の半導体装置は、ＩＧＢＴ領域ではボディ層の中間深さに分離層が形成されることによって下部ボディ層と上部ボディ層に分離される構造となっており、ダイオード領域ではアノード層の中間深さに分離層が形成されることによって下部アノード層と上部アノード層に分離される構造となっている。ここでは、ボディ層とアノード層という別の名称で説明しているが、実際にはともにｐ型の層であり、同一または類似の半導体層ということができる。上記の半導体装置は、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または類似する構造であり、それゆえに、ＩＧＢＴのオン時に流れる電流の集中現象が緩和され、ダイオードの順方向に流れる電流の集中現象が緩和される。電流集中によってアバランシェ耐量が低下したり、あるいは電流集中によってリカバリー耐量が低下したりすることを防止できる。
【００１１】
アノード層の中間深さに分離層を形成することによって下部アノード層と上部アノード層に分離した構造とすると、ｐ型の上部アノード層、ｎ型の分離層、ｐ型の下部アノード層、ｎ型のドリフト層によって、ｐｎｐｎのサイリスタ構造となってしまう。
不用意にサイリスタ構造を採用すると、表面電極に裏面電極よりも高い電圧が印加されているのに、ダイオード領域に順方向電流が流れないという問題が生じる。特にマイナス４０度以下という低温環境で用いると、ｎ型の分離層とｐ型の下部アノード層の間に形成されるｎｐ界面のエネルギー障壁によって、表面電極から裏面電極に向かって流れて欲しい電流が流れないという現象が生じてしまう。
【００１２】
ダイオード領域に隣接する範囲の半導体基板の表面に臨む位置に、ｐ型の表面層が形成されていることが多い。例えば、ダイオード領域に隣接する範囲に耐圧保持領域が確保されている場合には、耐圧保持構造を構成するｐ型の表面層が形成されている。あるいは、ダイオード領域に隣接する範囲にゲート配線が配置されている場合も、ゲート配線に対応する範囲にｐ型の表面層が形成されている。ダイオード領域に隣接する範囲にパッド領域が配置されている場合も、パッド領域に対応する範囲にｐ型の表面層が形成されている。
【００１３】
半導体装置は小型化されており、ダイオード領域に隣接する範囲の半導体基板の表面に臨む位置に形成されているｐ型の表面層と、ダイオード領域に形成されているｎ型のカソード層の間隔が微細化している。この結果、表面電極に裏面電極より高い電圧が印加される場合には、ｐ型の表面層とｎ型のカソード層で形成される寄生ダイオードがオンし、ｐ型の表面層からｎ型のカソード層に正孔が注入される。この正孔が、ｎ型の分離層とｐ型の下部アノード層の間に形成されるｎｐ界面の近傍に蓄積され、ｎｐ界面のエネルギー障壁を低くする。この結果、表面電極に裏面電極より高い電圧が印加される場合には、ダイオード領域において表面電極から裏面電極に向けて電流が流れる現象（ダイオードの順方向に電流が流れる現象）が得られる。ｐｎｐｎのサイリスタ構造がダイオードとして動作する。
アノード層の中間深さに分離層を形成することによってｐｎｐｎのサイリスタ構造となってしまっても、半導体装置の小型化に伴って近接位置に配置されるようになったｐ型の表面層の影響によってサイリスタ構造がダイオードとして動作する現象が得られる。
【００１４】
ｐｎｐｎのサイリスタ構造が確実にダイオードとして作動するようにするためには、ｎ型のカソード層とｐ型の表面層の間隔を６０μｍ以下とすればよい。
この場合、ｎ型のカソード層とｐ型の表面層の間隔が正孔の拡散長以下となる。表面電極に裏面電極より高い電圧が印加される場合には、ｐ型の表面層とｎ型のカソード層で形成される寄生ダイオードが確実にオンし、ｎ型の分離層とｐ型の下部アノード層の間に形成されるｎｐ界面のエネルギー障壁を確実に下げ、表面電極から裏面電極に向けて電流が流れる現象を確実に得ることができる。
【００１５】
ＩＧＢＴ領域のドリフト層とダイオード領域のドリフト層が同一であり、ＩＧＢＴ領域の下部ボディ層とダイオード領域の下部アノード層が同一であり、ＩＧＢＴ領域の分離層とダイオード領域の分離層が同一であり、ＩＧＢＴ領域の上部ボディ層とダイオード領域の上部アノード層が同一であることが好ましい。
ここで、層が同一であるとは、層の深さが同一であり、かつ層に含まれる不純物の成分と濃度が等しいことをいう。すなわち、同一不純物濃度の層がＩＧＢＴ領域からダイオード領域にまで拡がっていることをいう。
上記構成が満たされていると、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または類似し、ＩＧＢＴのオン時にはＩＧＢＴ領域の広い範囲に均一に分散して電流が流れ、ダイオードに順方向電流が流れる時にはダイオード領域の広い範囲に均一に分散して順方向電流が流れる。電流集中が緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。
【００１６】
ｎ型のエミッタ領域がＩＧＢＴ領域のみならずダイオード領域にまで形成されていてもよい。この場合には、ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極を絶縁しておく。
ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極を絶縁しておけば、ダイオード領域にまでｎ型のエミッタ領域が形成されていても、ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極にオン電圧を印加した時にダイオード領域のトレンチゲート電極にはオン電圧が印加されないようにすることができるので、ダイオード領域がＩＧＢＴ領域として動作しないようにすることができる。ダイオード領域にまでｎ型のエミッタ領域を形成すると（ＩＧＢＴ領域におけるエミッタ領域と同種パターンの領域であるという意味ではエミッタ領域であるが、エミッタとして機能しないことからエミッタ領域ということはできない。本明細書では、エミッタ対応領域という）、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または極めて類似し、ＩＧＢＴにオン電流が流れる場合にはＩＧＢＴ領域の広い範囲に分散して電流が流れ、ダイオードに順方向電流が流れる場合にはダイオード領域の広い範囲に分散して順方向電流が流れる。電流集中が効果的に緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。
なおＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極が絶縁されている場合、ダイオード領域のトレンチゲート電極にエミッタ領域の電圧（すなわち表面電極の電圧）が印加されていると、ダイオード領域の動作が安定する。
【００１７】
ダイオード領域の半導体基板にはｎ型のエミッタ対応領域を形成しない構造としてもよい。この場合は、ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極を絶縁しておく必要が必ずしもない。この構造によると、ダイオード領域がＩＧＢＴ領域として作動しないようにできる。また、ｎ型のエミッタ領域の有無を除けば、ＩＧＢＴ領域の半導体構造とダイオード領域の半導体構造が同一または類似する。ＩＧＢＴにオン電流が流れる場合にはＩＧＢＴ領域の広い範囲に分散して電流が流れ、ダイオードに順方向電流が流れる場合にはダイオード領域の広い範囲に分散して順方向電流が流れる。電流集中が効果的に緩和され、アバランシェ耐量とリカバリー耐量が改善される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置がダイオードとして動作する場合のリカバリー損失を減少させることができ、半導体装置のアバランシェ耐量とリカバリー耐量を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施例の半導体装置Ｂ１の要部断面図である。
【図２】第２実施例の半導体装置Ｂ２の要部断面図である。
【図３】従来の半導体装置の要部断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
（特徴１）アノード層の中間深さにあって上部アノード層と下部アノード層に分離する分離層が、表面ｐ型層６２の中間深さに沿って伸びている。
（特徴２）表面電極が、ＩＧＢＴ領域からダイオード領域まで伸びている。
（特徴３）裏面電極が、ＩＧＢＴ領域からダイオード領域まで伸びている。
【実施例】
【００２１】
（第１実施例）
図１を参照して本発明を具現化した第１実施例の半導体装置Ｂ１を説明する。本実施例の半導体装置Ｂ１では、同一半導体基板２内に、ＩＧＢＴ領域Ｊ１とダイオード領域Ｊ２と耐圧保持領域Ｊ３が混在している。
半導体基板２の表面に、表面電極１が形成されている。表面電極１は、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の表面からダイオード領域Ｊ２の表面を経て耐圧保持領域Ｊ３の表面にまで連続して伸びている。半導体基板２の裏面に、裏面電極３が形成されている。裏面電極３は、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の裏面からダイオード領域Ｊ２の裏面を経て耐圧保持領域Ｊ３の裏面にまで連続して伸びている。
この半導体装置Ｂ１の利用方法は、特許文献１に詳細に記載されており、重複記載を省略する。
【００２２】
ＩＧＢＴ領域Ｊ１の半導体基板２内に、裏面電極３に導通しているｐ+型のコレクタ層８０と、コレクタ層８０上に積層されているｎ-型のドリフト層６０ａと、ドリフト層６０ａ上に積層されているｐ-型の下部ボディ層３２ｂと、下部ボディ層３２ｂ上に積層されているｎ型の分離層９０と、分離層９０上に積層されているとともに表面電極１に導通しているｐ-型の上部ボディ層３２ａと、半導体基板２の表面から上部ボディ層３２ａと分離層９０と下部ボディ層３２ｂを貫通してドリフト層６０ａに達しているとともに表面電極１と半導体基板２の双方から絶縁されているトレンチゲート電極１２と、上部ボディ層３２ａと下部ボディ層３２ｂによってドリフト層６０ａから隔てられているとともにトレンチゲート電極１２に絶縁層１４を介して接する範囲に形成されているｎ+型のエミッタ領域２０を備えている。エミッタ領域２０は、表面電極１に導通している。図示の２２は、ｐ+型のコンタクト領域であり、ｐ-型の上部ボディ層３２ａと表面電極１に導通している。上部ボディ層３２ａは、コンタクト領域２２を介して、表面電極１に導通している。分離層９０は、ボディ層３２の中間高さに挿入されており、ボディ層３２を上部ボディ層３２ａと下部ボディ層３２ｂに分離している。分離層９０は、隣接する一対のトレンチゲート電極１２の間に存在する間隔の全域に亘って伸びている。トレンチゲート電極１２は、絶縁層１４によって半導体基板２から絶縁され、絶縁層１０によって表面電極１から絶縁されている。ＩＧＢＴ領域Ｊ１のトレンチゲート電極１２は、図示しない断面において、ゲート配線１３に接続されている。
【００２３】
ダイオード領域Ｊ２の半導体基板２内に、裏面電極３に導通しているｎ+型のカソード層７０と、カソード層７０上に積層されているｎ-型のドリフト層６０ｂと、ドリフト層６０ｂ上に積層されているｐ-型の下部アノード層５０ｂ、下部アノード層５０ｂ上に積層されているｎ型の分離層９２と、分離層９２上に積層されているとともに表面電極１に導通しているｐ-型の上部アノード層５０ａと、半導体基板２の表面から上部アノード層５０ａと分離層９２と下部アノード層５０ｂを貫通してドリフト層６０ｂに達しているとともに表面電極１と半導体基板２の双方から絶縁されているトレンチゲート電極９６と、表面電極１と上部アノード層５０ａの双方に導通しているｐ+型のコンタクト領域２１を備えている。トレンチゲート電極９６は、絶縁層９８によって半導体基板２から絶縁され、絶縁層９４によって表面電極１から絶縁されている。ダイオード領域Ｊ２のトレンチゲート電極９６も、図示しない断面において、ゲート配線１３に接続されている。ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２と、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６は、ゲート配線１３を介して導通しており、同一電圧が印加される。
【００２４】
ＩＧＢＴ領域Ｊ１のドリフト層６０ａとダイオード領域Ｊ２のドリフト層６０ｂは、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。ドリフト層６０ａとドリフト層６０ｂは、同時に製造される同一の層である。
下部ボディ層３２ｂと下部アノード層５０ｂは、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。下部ボディ層３２ｂと下部アノード層５０ｂは、同時に製造される同一の層である。
ＩＧＢＴ領域Ｊ１の分離層９０とダイオード領域Ｊ２の分離層９２は、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。分離層９０と分離層９２は、同時に製造される同一の層である。
上部ボディ層３２ａと上部アノード層５０ａは、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。上部ボディ層３２ａと上部アノード層５０ａは、同時に製造される同一の層である。
すなわち、ボディ層３２とアノード層５０は、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。ボディ層３２とアノード層５０は、同時に製造される同一の層である。
コンタクト領域２２とコンタクト領域２１は、同一深さであり、不純物の成分と濃度が等しい。コンタクト領域２２とコンタクト領域２１は、同時に製造される同一層である。
ダイオード領域Ｊ２では、ＩＧＢＴ領域Ｊ１と異なり、エミッタ領域２０に対応する位置に、ｎ+型の領域が形成されていない。エミッタ対応領域がない。
【００２５】
ＩＧＢＴをオンさせる場合には、トレンチゲート電極１２に正電圧を印加し、ボディ層３２のうちのトレンチゲート電極１２に対向する位置を反転させてｎ型チャンネルを形成する。この結果、上部ボディ層３２ａに形成されたｎ型の反転層、ｎ型の分離層９２、下部ボディ層３２ｂに形成されたｎ型の反転層によって、ｎ型のエミッタ領域２０とｎ型のドリフト層６０ａが導通する。裏面電極３の電位が表面電極１の電位よりも高ければ、ｎ型のエミッタ領域２０からｎ型のドリフト層６０ａに電子が注入される。この結果、コレクタ層８０からドリフト層６０ａに正孔が注入される。ドリフト層６０ａで活発な伝導度変調現象が発生し、ＩＧＢＴがオンする。このとき、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６にも正電圧が印加されてアノード層５０に反転層が形成されるが、ダイオード領域Ｊ２ではエミッタ対応領域が形成されていないことから、ダイオード領域Ｊ２内を電流が流れることはない。
ＩＧＢＴをオフする場合には、トレンチゲート電極１２に正電圧を印加するのを休止する。するとｎ型に反転して形成されていたチャンネルが消失し、ＩＧＢＴがオフする。このとき、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高ければ、後記するようにしてダイオード領域Ｊ２内を順方向電流が流れる。
【００２６】
耐圧保持領域Ｊ３では、半導体基板２の表面に臨む位置に、表面ｐ-型層６２が形成されている。耐圧保持領域Ｊ３では、半導体基板２の裏面に臨む位置にｐ+型の領域８５が形成されており、裏面電極３に導通している。
【００２７】
半導体装置Ｂ１の裏面電極３は、電源のプラス端子に接続して用いる。表面電極１は、モータ等の負荷Ｍに接続して用いる。モータ等の負荷Ｍに生じる誘導電圧によって、裏面電極３の電位が表面電極１の電位よりも高い場合もあれば、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高い場合もある。
裏面電極３の電位が表面電極１の電位よりも高い間にＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２に正電圧を印加してボディ層３２のうちのトレンチゲート電極１２に対向する範囲を反転させてｎ型チャンネルを形成すると、ＩＧＢＴがオンする。この状態では裏面電極３から表面電極１に電流が流れる。電源からモータ等の負荷に給電される。
モータ等の負荷に生じる誘導電圧によって、表面電極１の電位が裏面電極３の電位より高くなると、ダイオード領域Ｊ２に順方向の電圧がかかることになり、順方向の電流が流れる。すなわち、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れる。
【００２８】
実際には、ダイオード領域Ｊ２には、ｐ型の上部アノード層５０ａ、ｎ型の分離層９２、ｐ型の下部アノード層５０ｂ、ｎ型のドリフト層６０ｂによって、ｐｎｐｎのサイリスタ構造が形成されている。ｐ型のアノード層５０の中間深さにｎ型の分離層９２を挿入して、ｐ型の上部アノード層５０ａとｐ型の下部アノード層５０ｂに分離すると、ｐｎｐｎのサイリスタ構造が構成されてしまう。サイリスタ構造が構成されていると、表面電極１の電位が裏面電極３の電位より高くても、ｎ型の分離層９２とｐ型の下部アノード層５０ｂの間にあるｎｐ界面の障壁によって、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れない可能性がある。特に、低温環境下で用いた場合には、実際にも表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れないことがある。その一方において、ｎ型の分離層９２を挿入してサイリスタ構造を実現して低温環境下で用いた場合でも、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れることもある。すなわち、ダイオード領域Ｊ２が実際にもダイオードとして機能する場合もある。
【００２９】
本発明者らが、サイリスタ構造がサイリスタ動作してダイオード動作しない場合と、サイリスタ構造がサイリスタ動作せずにダイオード動作する場合を比較検討した結果、半導体装置が小型化して集積度が向上していると、サイリスタ構造がダイオード動作することを確認した。すなわち、集積度が向上している小型の半導体装置であれば、図１のＩＧＢＴ領域Ｊ１に分離層９０を挿入するだけでなく、ダイオード領域Ｊ２にまでｎ型の分離層９２を挿入してサイリスタ構造を実現しても、ダイオード領域Ｊ２がダイオードとして機能し、しかもリカバリー損失が低減できることが確認された。
【００３０】
同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在している半導体装置の場合、ダイオード領域に隣接する範囲に、耐圧保持領域、ゲート配線領域、あるいは電極パッド配置領域が配置されていることが多い。その場合、それらの領域において半導体基板の表面に臨む位置にはｐ型の表面層が形成されている。図１の場合、ダイオード領域Ｊ２に隣接する範囲に耐圧保持領域Ｊ３が配置され、耐圧保持領域Ｊ３では半導体基板２の表面に臨む位置にｐ型の表面層６２が形成されている場合を例示している。
このときに図１に示すように、ｎ＋型のカソード層７０とｐ型の表面層６２の間隔Ｌ１がホールの拡散長（この場合６０μｍ）以下であると、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高くなった時に、ｐ型の表面層６２とｎ＋型のカソード層７０で構成される寄生ダイオードがオン状態となり、ｐ型の表面層６２からｎ−型のドリフト層６０とｎ＋型のカソード層７０に向けて正孔が注入され、ｎ−型のドリフト層６０とｐ型の下部アノード層５０ｂとの間にあるｎｐ界面の近傍に位置するｎ−型ドリフト層６０に正孔が蓄積し、ｎ型の分離層９２とｐ型の下部アノード層５０ｂの間にあるｎｐ界面の障壁を下げる。この結果、表面電極１から裏面電極３に向けて電流が流れる。ダイオード領域Ｊ２のｐ型のアノード層５０の中間深さにｎ型の分離層９２を挿入してｐｎｐｎのサイリスタ構造を実現しても、ｐ型の表面層６２とｎ＋型のカソード層７０の間隔が６０μｍ以下となるほどに小型化すれば、ｐｎｐｎのサイリスタ構造はダイオード動作する。
【００３１】
ダイオード領域Ｊ２のｐ型のアノード層５０の中間深さにｎ型の分離層９２を設けると、順方向電流の通電時に表面電極１からドリフト層６０ｂに注入される正孔の量が適量に抑制され、表面電極１よりも裏面電極３の電位が高くなった時に生じるリカバリー損失が抑制される。
【００３２】
半導体装置Ｂ１にリカバリー電流が流れる時に、半導体装置Ｂ１のトレンチゲート電極１２，９６に負のゲート電圧を印加するようにしてもよい。負電圧を印加すると、ドリフト層６０に残留していたホールがトレンチゲート電極９６に引き寄せられ、ホールがコンタクト領域２１に戻る速度を遅くすることができる。これにより、リカバリー電流の変化速度を抑制することができ、ソフト・リカバリ特性を実現することができる。リカバリー電流の変化速度に起因するサージ電圧を抑制することができる。また、リカバリー電流が大きな電流に発達することを防止することができる。
【００３３】
図１の半導体装置Ｂ１の場合、コレクタ層８０とカソード層７０の相違、ならびにエミッタ領域２０の有無を除けば、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の半導体構造とダイオード領域Ｊ２の半導体構造は同一である。すなわち、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の半導体構造とダイオード領域Ｊ２の半導体構造は類似している。このために、ＩＧＢＴのオン時に流れる電流は、ＩＧＢＴ領域Ｊ１の広い範囲に比較的に均一に分散され、中央付近に集中する程度が緩和される。アバランシェ耐量が改善される。あるいはダイオードに順方向電流が流れる場合、ダイオード領域Ｊ２の広い範囲に比較的に均一に分散され、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍に集中する程度が緩和される。リカバリー耐量も改善される。
【００３４】
（第２実施例）
図２に示すように、分離層９２がｐ型の表面層６２内にまで延長していてもよい。この場合、分離層９２の突出端から、ダイオード領域Ｊ２と耐圧保持領域Ｊ３の間に位置しているトレンチゲート電極９６の左端までの距離Ｌ２を、正孔の拡散長である６０μm以下に設定する。分離層９２の右端からｎ＋型のカソード層７０までの間隔Ｌ２が６０μｍ以下であれば、表面電極１の電位が裏面電極３の電位よりも高くなった時に、ｐ型の表面層６２とｎ＋型のカソード層７０で構成される寄生ダイオードがオン状態となる現象が得られる。
【００３５】
図２に示すように、ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２と、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６が絶縁されており、異なる電圧が印加される場合、エミッタ領域２０に対応する位置にｎ+型の領域１９を形成してもよい。図２の場合、ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２はゲート配線１３に接続され、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６はゲート配線９５に接続され、異なる電圧が印加される。エミッタ領域２０とｎ+型の領域１９は、同じ不純物濃度の同じ領域としてもよい。ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６に正電圧を印加しなければ、ｎ+型の領域１９がエミッタ領域として機能することはない。
ＩＧＢＴ領域Ｊ１内のトレンチゲート電極１２と、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６が絶縁されている場合、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６にはエミッタ領域２０の電位を印加することが好ましい。絶縁層９４を設けなければ、ダイオード領域Ｊ２内のトレンチゲート電極９６は表面電極１に導通し、エミッタ領域２０の電位に等しくなる。
【００３６】
ダイオード領域Ｊ２内にまでｎ+型の領域１９を形成すると、ＩＧＢＴ領域Ｊ１とダイオード領域Ｊ２における半導体構造が極めて類似し、電流集中が一層に緩和される。アバランシェ耐量とリカバリー耐量が一層に改善される。
【００３７】
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。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、本明細書又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】
【００３８】
１：表面電極
２：半導体基板
３：裏面電極
１２：ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極
２０：エミッタ領域
２２：ボディコンタクト領域
３２：ボディ層
３２ａ：上部ボディ層
３２ｂ：下部ボディ層
５０：アノード層
５０ａ：上部アノード層
５０ｂ：下部アノード層
６０：ドリフト層
７０：カソード層
８０：コレクタ層
９０：分離層
９２：分離層
Ｊ１：ＩＧＢＴ領域
Ｊ２：ダイオード領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在しているとともに、表面電極と裏面電極を備えている半導体装置であり、
ＩＧＢＴ領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｐ型のコレクタ層と、
（２）コレクタ層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部ボディ層と、
（４）下部ボディ層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部ボディ層と、
（６）半導体基板の表面から上部ボディ層と分離層と下部ボディ層を貫通してドリフト層に達しているとともに、表面電極と半導体基板の双方から絶縁されているトレンチゲート電極と、
（７）上部ボディ層と下部ボディ層によってドリフト層から隔てられているとともにトレンチゲート電極に隣接する範囲に形成されており、表面電極に導通しているｎ型のエミッタ領域を備えており、
ダイオード領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｎ型のカソード層と、
（２）カソード層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部アノード層と、
（４）下部アノード層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部アノード層と、
（６）半導体基板の表面から上部アノード層と分離層と下部アノード層を貫通してドリフト層に達しているとともに、少なくても半導体基板から絶縁されているトレンチゲート電極を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ダイオード領域に隣接する範囲の半導体基板の表面に臨む位置にｐ型の表面層が形成されており、
ｎ型のカソード層とｐ型の表面層の間隔が６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
ＩＧＢＴ領域のドリフト層とダイオード領域のドリフト層が同一であり、
ＩＧＢＴ領域の下部ボディ層とダイオード領域の下部アノード層が同一であり、
ＩＧＢＴ領域の分離層とダイオード領域の分離層が同一であり、
ＩＧＢＴ領域の上部ボディ層とダイオード領域の上部アノード層が同一である
ことを特徴とする請求項1または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
ダイオード領域の半導体基板がｎ型のエミッタ対応領域を備えており、
ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極が絶縁されていることを特徴とする請求項1から３のいずれかの1項に記載の半導体装置。
【請求項５】
ダイオード領域の半導体基板がｎ型のエミッタ対応領域を備えていないことを特徴とする請求項1から３のいずれかの1項に記載の半導体装置。
【請求項１】
同一半導体基板内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域が混在しているとともに、表面電極と裏面電極を備えている半導体装置であり、
ＩＧＢＴ領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｐ型のコレクタ層と、
（２）コレクタ層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部ボディ層と、
（４）下部ボディ層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部ボディ層と、
（６）半導体基板の表面から上部ボディ層と分離層と下部ボディ層を貫通してドリフト層に達しているとともに、表面電極と半導体基板の双方から絶縁されているトレンチゲート電極と、
（７）上部ボディ層と下部ボディ層によってドリフト層から隔てられているとともにトレンチゲート電極に隣接する範囲に形成されており、表面電極に導通しているｎ型のエミッタ領域を備えており、
ダイオード領域の半導体基板が、
（１）裏面電極に導通しているｎ型のカソード層と、
（２）カソード層上に積層されているｎ型のドリフト層と、
（３）ドリフト層上に積層されているｐ型の下部アノード層と、
（４）下部アノード層上に積層されているｎ型の分離層と、
（５）分離層上に積層されているとともに、表面電極に導通しているｐ型の上部アノード層と、
（６）半導体基板の表面から上部アノード層と分離層と下部アノード層を貫通してドリフト層に達しているとともに、少なくても半導体基板から絶縁されているトレンチゲート電極を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ダイオード領域に隣接する範囲の半導体基板の表面に臨む位置にｐ型の表面層が形成されており、
ｎ型のカソード層とｐ型の表面層の間隔が６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
ＩＧＢＴ領域のドリフト層とダイオード領域のドリフト層が同一であり、
ＩＧＢＴ領域の下部ボディ層とダイオード領域の下部アノード層が同一であり、
ＩＧＢＴ領域の分離層とダイオード領域の分離層が同一であり、
ＩＧＢＴ領域の上部ボディ層とダイオード領域の上部アノード層が同一である
ことを特徴とする請求項1または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
ダイオード領域の半導体基板がｎ型のエミッタ対応領域を備えており、
ＩＧＢＴ領域のトレンチゲート電極とダイオード領域のトレンチゲート電極が絶縁されていることを特徴とする請求項1から３のいずれかの1項に記載の半導体装置。
【請求項５】
ダイオード領域の半導体基板がｎ型のエミッタ対応領域を備えていないことを特徴とする請求項1から３のいずれかの1項に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−２６５３４（Ｐ２０１３−２６５３４Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１６２０（Ｐ２０１１−１６１６２０）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
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