JP2008258262A - Ｉｇｂｔ - Google Patents

Abstract

【課題】オン電圧が低いとともに耐圧が高いＩＧＢＴを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のＩＧＢＴは、第１導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域上に積層された第２導電型のドリフト領域と、ドリフト領域によってコレクタ領域から分離されている第１導電型のボディ領域と、ボディ領域によってドリフト領域から分離されている第２導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域とを分離しているボディ領域と絶縁膜を介して対向しているゲート電極とを備えている。ドリフト領域は、不純物濃度が低く、ボディ領域と接する第１低濃度領域と、不純物濃度が高く、第１低濃度領域と接するとともに第１低濃度領域によってボディ領域から分離されており、半導体基板の平面方向に層状に広がる高濃度領域と、不純物濃度が低く、高濃度領域と接するとともに高濃度領域をコレクタ領域から分離している第２低濃度領域を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴに関する。

第１導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域上に積層されている第２導電型のドリフト領域と、ドリフト領域によってコレクタ領域から分離されている第１導電型のボディ領域と、ボディ領域によってドリフト領域から分離されている第２導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えたＩＧＢＴが知られている。このＩＧＢＴのゲート電極にオン電圧を印加すると、ボディ領域にチャネルが形成される。これによって、第２キャリア（第２導電型半導体の多数キャリア）がエミッタ電極からエミッタ領域とボディ領域を通過してドリフト領域に流入する。ドリフト領域に流入した第２キャリアは、コレクタ領域を通過してコレクタ電極へと流れる。また、第２キャリアがドリフト領域に流入すると、それに応じて、第１キャリア（第１導電型半導体の多数キャリア）がコレクタ電極からコレクタ領域を通過してドリフト領域に流入する。第１キャリアと第２キャリアがドリフト領域に流入することによって、ドリフト領域内で伝導度変調現象が活発化し、ドリフト領域の抵抗が低下する。ドリフト領域に流入した第１キャリアは、ボディ領域を通過してエミッタ電極へと流れる。これによって、ＩＧＢＴがオンする。

特許文献１には、オン時にドリフト領域内に蓄積するホールの量を増大させることによってドリフト領域の抵抗をより低下させ、ＩＧＢＴのオン電圧をより低減させる技術が開示されている。特許文献１のＩＧＢＴは、ドリフト領域を下記の三層で構成する。
コレクタ領域と接する範囲には不純物濃度が高いバッファ領域を設ける。ボディ領域と接する範囲にも不純物濃度が高いバリア領域を設ける。バッファ領域とバリア領域の間に不純物濃度が低いベース領域を設ける。
このＩＧＢＴでは、オン時に、ホールがコレクタ電極からコレクタ領域とバッファ領域を通過してベース領域に流入する。ベース領域に流入したホールは、バリア領域とボディ領域を通ってエミッタ電極へ流れようとする。しかしながら、ベース領域とバリア領域の界面が障壁となって、ホールがバリア領域へ流入することが抑制される。したがって、ベース領域内により多くのホールが蓄積されることとなる。ベース領域内のホールの数が多くなると、ベース領域での伝導度変調現象が活発化して抵抗が低くなる。したがって、特許文献１のＩＧＢＴは、オン電圧が低い。

特開２００３−２７３３５９号公報

特許文献１のＩＧＢＴでは、ボディ領域に不純物濃度が比較的高いバリア領域が接している。したがって、ＩＧＢＴのオフ時に、空乏層がドリフト領域とボディ領域の界面からドリフト領域側へ伸び難い。このために、特許文献１のＩＧＢＴは、耐圧が低いという問題があった。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、オン電圧が低いとともに耐圧が高いＩＧＢＴを提供することを目的とする。

本発明のＩＧＢＴは、第１導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域上に積層されている第２導電型のドリフト領域と、ドリフト領域によってコレクタ領域から分離されている第１導電型のボディ領域と、ボディ領域によってドリフト領域から分離されている第２導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域とドリフト領域とを分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えている。本発明のＩＧＢＴのドリフト領域は、第１低濃度領域と高濃度領域と第２低濃度領域を備えている。第１低濃度領域は、ボディ領域に接するとともに、不純物濃度が低い。高濃度領域は、第１低濃度領域に接しており、第１低濃度領域によってボディ領域から分離されており、半導体基板の表面と平行な方向に層状に広がっているとともに、不純物濃度が高い。第２低濃度領域は、高濃度領域に接しており、高濃度領域をコレクタ領域から分離しているとともに、不純物濃度が低い。

上記ＩＧＢＴで生じる現象をつぎに説明する。説明の便宜のために、最初は、コレクタ領域がｐ型であり、エミッタ領域がｎ型である場合を説明する。
ＩＧＢＴがオンすると、ホールがコレクタ電極からコレクタ領域を通過して第２低濃度領域に流入する。第２低濃度領域に流入したホールは、高濃度領域と第１低濃度領域を通過してボディ領域へ流れようとする。しかしながら、不純物濃度が低い第２低濃度領域と不純物濃度が高い高濃度領域の界面が障壁となって、ホールが高濃度領域内へ流入することが抑制される。したがって、第２低濃度領域内により多くのホールが蓄積され、第２低濃度領域での伝導度変調現象が活発化して抵抗が低くなる。したがって、このＩＧＢＴのオン電圧は低い。
また、ＩＧＢＴのオフ時には、ボディ領域と第１低濃度領域の界面に空乏層が形成される。ボディ領域と接する第１低濃度領域は不純物濃度が低いので、空乏層は前記界面から第１低濃度領域内に十分に広がることができる。したがって、空乏層の厚さが薄くなることが抑制される。すなわち、このＩＧＢＴは十分な耐圧を有している。
コレクタ領域がｎ型であり、エミッタ領域がｐ型である場合も、キャリアの導電型を反転した現象が生じる。この場合も、第２低濃度領域での伝導度変調現象が活発化して抵抗が低くなる。このＩＧＢＴでも、オン電圧は低い。

上述したＩＧＢＴでは、ボディ領域がアイランド領域内に形成されており、高濃度領域が半導体基板の表面と平行な方向に層状に広がるとともに、ボディ領域下部の所定範囲内では高濃度領域が形成されていないことが好ましい。
このような構成によれば、ＩＧＢＴをターンオフさせるときに、第２低濃度領域内に蓄積されていた第１キャリアが、高濃度領域が形成されていない所定範囲を通過してボディ領域に流れることができる。したがって、ＩＧＢＴのターンオフ速度を向上させることができる。

上記形式のＩＧＢＴでは、ボディ領域とエミッタ領域の上面にエミッタ電極が形成されており、ボディ領域のうちのエミッタ電極と接する範囲に、その範囲外のボディ領域より不純物濃度が高いボディコンタクト領域が形成されており、そのボディコンタクト領域の下部に高濃度領域が形成されていない所定範囲が確保されていることが好ましい。
このような構成によれば、ＩＧＢＴのターンオフ速度をより向上させることができる。また、第１キャリアがエミッタ領域を流れることがなく、寄生サイリスタがオンする現象の発生を防止することができる。

上述したＩＧＢＴは、高濃度領域が、半導体基板を平面視したときに、ＩＧＢＴのオン時にチャネルが形成される領域とドリフト領域と重なる範囲全体に形成されていることが好ましい。高濃度領域は、前記範囲の全体に亘っておればよく、それ以上の範囲に広がっていてもよい。
ドリフト領域のうち、チャネル領域と重なる範囲は最も多くの第２キャリアが流れる領域である。このＩＧＢＴでは、チャネル領域とドリフト領域が重なる範囲全体に高濃度領域が形成されているので、その範囲の第２低濃度領域に第１キャリアが蓄積される。すなわち、第２低濃度領域のうちで第２キャリアが最も多く流れる範囲の抵抗が下がる。したがって、高濃度領域が形成されていない範囲を形成したとしても、ＩＧＢＴのオン電圧を十分低くすることができる。

（第１実施例）
本発明の第１実施例に係るＩＧＢＴについて図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施例のＩＧＢＴ１０の概略構成を示す断面図である。図示するように、ＩＧＢＴ１０は、シリコン基板１２と、コレクタ電極２０と、エミッタ電極４０と、絶縁膜４２に覆われたゲート電極４４を備えている。コレクタ電極２０は、シリコン基板１２の下面１２ｂの略全面に形成されている。ゲート電極４４は、シリコン基板１２の上面１２ａに形成されており、シリコン基板１２と絶縁膜４２を介して対向している。エミッタ電極４０は、シリコン基板１２の上面１２ａの略全面に、ゲート電極４４を覆うように形成されている。ゲート電極４４とエミッタ電極４０は、絶縁膜４２によって絶縁されている。

シリコン基板１２の下面１２ｂに臨む領域には、ｐ型のコレクタ層２２が形成されている。コレクタ層２２の上側には、ｎ型のドリフト層３０が形成されている。ドリフト層３０は、コレクタ層２２と接する第１ドリフト層２４と、第１ドリフト層２４の上側に形成されている第２ドリフト層２６と、第２ドリフト層２６の上側に形成されている第３ドリフト層２８によって構成されている。第１ドリフト層２４と第３ドリフト層２８のｎ型不純物濃度は略等しい。第２ドリフト層２６は、第１ドリフト層２４及び第３ドリフト層２８よりｎ型不純物濃度が高い。シリコン基板１２の上面１２ａに臨む領域には、ｎ型のエミッタ領域３６と、ｐ型のボディ領域３２が選択的に形成されている。ボディ領域３２は、アイランド領域内に形成されている。エミッタ領域３６は、絶縁膜４２及びエミッタ電極４０と接するように形成されている。ボディ領域３２は、エミッタ領域３６を覆うように形成されている。ボディ領域３２によって、エミッタ領域３６はドリフト層３０から分離されている。ボディ領域３２は、絶縁膜４２及びエミッタ電極４０と接するように形成されている。ボディ領域３２のうちの絶縁膜４２を介してゲート電極４４と対向している範囲は、ゲート電極４４にオン電圧が印加されたときに、チャネルが形成されるチャネル形成領域３３である。ボディ領域３２のうちエミッタ電極４０と接する部分には、ボディ領域３２の他部よりもｐ型不純物濃度が高いボディコンタクト領域３４が形成されている。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面におけるドリフト層３０内のｎ型不純物濃度Ｎの分布を示している。図示するように、第１ドリフト層２４及び第３ドリフト層２８内では、ｎ型不純物は約１×１０^１３／ｃｍ^２の略一定の濃度で存在している。また、第２ドリフト層２６内では、ｎ型不純物濃度が局所的に高くなっている。図示するように、第２ドリフト層２６内では、ｎ型不純物濃度が１×１０^１５／ｃｍ^２以上の濃度となっている。

ＩＧＢＴ１０のコレクタ電極２０−エミッタ電極４０間に順電圧を印加し、ゲート電極４４にオン電圧を印加すると、ＩＧＢＴ１０はオンする。すなわち、ボディ領域３２中のチャネル形成領域３３にチャネルが形成される。すると、電子が、エミッタ電極４０からエミッタ領域３６とボディ領域３２のうちのチャネル形成領域３３を通過してドリフト層３０内に流入する。ドリフト層３０内に流入した電子は、ドリフト層３０とコレクタ層２２を通過してコレクタ電極２０へと流れる。
また、電子がドリフト層３０内に流入すると、ホールがコレクタ電極２０からコレクタ層２２を通過して第１ドリフト層２４内に流入する。第１ドリフト層２４内に流入したホールは第２ドリフト層２６内へと流れようとする。しかしながら、第１ドリフト層２４と第２ドリフト層２６の界面が障壁となってホールが第２ドリフト層２６内へ流れることが抑制される。したがって、第２ドリフト層２６内へ流れるホールは比較的少量となり、第１ドリフト層２４内におけるホールの濃度が高くなる。すると、第１ドリフト層２４内で伝導度変調現象が活発化して第１ドリフト層２４の抵抗が非常に小さくなる。したがって、電子はほとんど損失を発生させることなく第１ドリフト層２４内を流れることができる。
なお、第２ドリフト層２６内へ流入した比較的少量のホールは、第３ドリフト層２８とボディ領域３２を通過してボディコンタクト領域３４からエミッタ電極４０へ流れる。

ゲート電極４４に印加している電圧をオフすると、チャネル形成領域３３に形成されていたチャネルが消失し、ＩＧＢＴ１０がオフする。ＩＧＢＴ１０がオフすると、ボディ領域３２と第３ドリフト層２８との界面に電圧が印加されるので、その界面近傍に空乏層が広がる。ボディ領域３２に接している第３ドリフト層２８のｎ型不純物濃度は低いので、空乏層は第３ドリフト層２８内に十分に広がることができる。すなわち、空乏層の厚さが極端に薄くなることが無い。したがって、ＩＧＢＴ１０は、十分な耐圧を有している。

以上に説明したように、ＩＧＢＴ１０では、第２ドリフト層２６のｎ型不純物濃度が第１ドリフト層２４よりも高い。したがって、第１ドリフト層２４に流入したホールが第２ドリフト層２６内に流入し難く、第１ドリフト層２４の抵抗をより低くすることができる。すなわち、ＩＧＢＴ１０のオン電圧が低減されている。また、第２ドリフト層２６とボディ領域３２の間にｎ型不純物濃度が第２ドリフト層２６より低い第３ドリフト層２８が形成されている。したがって、ＩＧＢＴ１０のオフ時にボディ領域３２と第３ドリフト層２８の界面から第３ドリフト層２８内に空乏層が広がり、空乏層が薄くならない。したがって、ＩＧＢＴ１０のオフ時の耐圧が高い。

なお、第２ドリフト層２６のｎ型不純物濃度は、１×１０^１５／ｃｍ^２以上であることが好ましく、第１ドリフト層２４のｎ型不純物濃度は、１×１０^１３／ｃｍ^２以下であることが好ましい。このような濃度でｎ型不純物が分布していると、ＩＧＢＴ１０のオン時に第１ドリフト層２４内のホールの濃度を十分に高くすることができる。

また、第３ドリフト層２８のｎ型不純物濃度は、１×１０^１３／ｃｍ^２以下であることが好ましい。このように第３ドリフト層２８が形成されていると、空乏層が第３ドリフト層２８内に十分に広がることができる。

なお、第１実施例のＩＧＢＴ１０においては、第２ドリフト層２６は略同一深さに形成されていたが、図３に示すように、第２ドリフト層２６が形成されている深さがシリコン基板１２の平面方向の位置によって変化していても良い。また、図４に示すように、第２ドリフト層２６の厚さがシリコン基板１２の平面方向の位置によって変化していても良い。このように第２ドリフト層２６が形成されていても、ＩＧＢＴ１０のオン電圧を低減させることができる。

また、第１実施例のＩＧＢＴ１０においては、第１ドリフト層２４がコレクタ層２２と接していた。しかしながら、ドリフト層３０が、第１ドリフト層２４とコレクタ層２２の間に形成されているとともにｎ型不純物濃度が高いバッファ層を有していてもよい。

（第２実施例）
次に第２実施例のＩＧＢＴについて説明する。第２実施例では、オン電圧が低減され、耐圧が向上されているとともに、ターンオフ速度が高速化されているＩＧＢＴについて説明する。

図５は、第２実施例のＩＧＢＴ１００の概略構成を示している。図５に示すように、第２実施例のＩＧＢＴ１００は、ドリフト層３０を除いて第１実施例のＩＧＢＴ１０と同様に構成されている。

図５に示すように、ＩＧＢＴ１００では、ボディコンタクト領域３４の下部の範囲Ｃ１においては第２ドリフト層２６が形成されていない。すなわち、範囲Ｃ１においては、第１ドリフト層２４と第３ドリフト層２８が直接、接しており、ホールがボディコンタクト領域３４に流れることを妨げる高濃度領域２６が形成されていない。その他の範囲においては、第２ドリフト層２６が形成されており、ドリフト層３０内のｎ型不純物の濃度分布は図２に示す分布となっている。

ＩＧＢＴ１０のコレクタ電極２０−エミッタ電極４０間に順電圧を印加し、ゲート電極４４にオン電圧を印加すると、電子が、エミッタ電極４０からエミッタ領域３６とボディ領域３２のチャネル形成領域３３を通過してドリフト層３０内に流入する。ドリフト層３０内に流入した電子は、ドリフト層３０とコレクタ層２２を通過してコレクタ電極２０へと流れる。

また、電子がドリフト層３０内に流入すると、ホールが、コレクタ電極２０からコレクタ層２２を通過して第１ドリフト層２４内に流入する。第１ドリフト層２４内に流入したホールは第３ドリフト層２８側へ流れようとする。このとき、第２ドリフト層２６が形成されている範囲（すなわち、範囲Ｃ１を除く範囲）では、第１ドリフト層２４と第２ドリフト層２６の界面が障壁となってホールが第３ドリフト層２８側へ流れることが抑制される。したがって、第２ドリフト層２６の下部の第１ドリフト層２４内のホールの濃度が高くなる。したがって、その範囲の第１ドリフト層２４内で伝導度変調現象が活発化して抵抗が下がる。ドリフト層３０のうちチャネル形成領域３３の下部は、最も多くの電子が流れる範囲である。チャネル形成領域３３の下部には第２ドリフト層２６が形成されているので、チャネル形成領域３３の下部の第１ドリフト層２４は抵抗が低くなっている。したがって、電子はほとんど損失を発生させることなく第１ドリフト層２４内を流れることができる。

上述したように、ボディコンタクト領域３４の下部の範囲Ｃ１には、第２ドリフト層２６が形成されていない。したがって、範囲Ｃ１では、ホールが第１ドリフト層２４から第３ドリフト層２８へ容易に流れることができる。したがって、範囲Ｃ１の下部の第１ドリフト層２４では、ホールの濃度があまり高くならず、抵抗が比較的高くなっている。しかしながら、範囲Ｃ１の下部の第１ドリフト層２４には、電子がそれほど多く流れないので、抵抗が高くてもほとんど問題とならない。

ゲート電極４４に印加する電圧をオフすると、チャネル形成領域３３に形成されているチャネルが消失する。すると、シリコン基板１２内の電子がコレクタ電極２０へ排出され、ホールがエミッタ電極４０へ排出される。

第１ドリフト層２４内のホールは、第２ドリフト層２６内へ流入し難い。しかしながら、ＩＧＢＴ１００では、ボディコンタクト領域３４の下部の範囲Ｃ１に第２ドリフト層２６が形成されていない。したがって、第１ドリフト層２４内のホールは、範囲Ｃ１を通過して第３ドリフト層２８内へ流れることができる。第３ドリフト層２８内へ流入したホールは、ボディ領域３２を通過して、ボディコンタクト領域３４からエミッタ電極４０へ流れる。すなわち、ＩＧＢＴ１００のターンオフ時に、第１ドリフト層２４内のホールが素早くエミッタ電極４０に排出される。特に、範囲Ｃ１がボディコンタクト領域３４の下部（すなわち、ボディコンタクト領域３４に最も近い位置）に形成されているので、第１ドリフト層２４内のホールがより高速でエミッタ電極４０へ排出される。したがって、ＩＧＢＴ１００は、高速でターンオフすることができる。

以上に説明したように、第２実施例のＩＧＢＴ１００では、ボディコンタクト領域３４の下部の範囲Ｃ１に第２ドリフト層２６が形成されていない。したがって、ＩＧＢＴ１００は高速でターンオフすることができる。
また、ＩＧＢＴ１００では、チャネル形成領域３３の下部に第２ドリフト層２６が形成されている。したがって、ＩＧＢＴ１００のオン時に、第１ドリフト層２４のうちの多くの電子が流れる範囲の抵抗が低くなる。これによって、ＩＧＢＴ１００のオン電圧が低減されている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。
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み合わ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み合わ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するものであり、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。

第１実施例のＩＧＢＴ１０の概略断面図。 ドリフト層３０の厚さ方向のｎ型不純物の濃度分布を示すグラフ。 変形例のＩＧＢＴ１０の概略断面図。 変形例のＩＧＢＴ１０の概略断面図。 第２実施例のＩＧＢＴ１００の概略断面図。

符号の説明

１０：ＩＧＢＴ
１２：シリコン基板
２０：コレクタ電極
２２：コレクタ層
２４：第１ドリフト層
２６：第２ドリフト層
２８：第３ドリフト層
３０：ドリフト層
３２：ボディ領域
３３：チャネル形成領域
３４：ボディコンタクト領域
３６：エミッタ領域
４０：エミッタ電極
４２：絶縁膜
４４：ゲート電極
１００：ＩＧＢＴ

Claims (4)

1. ＩＧＢＴであって、
   第１導電型のコレクタ領域と、
   コレクタ領域上に積層されている第２導電型のドリフト領域と、
   ドリフト領域によってコレクタ領域から分離されている第１導電型のボディ領域と、
   ボディ領域によってドリフト領域から分離されている第２導電型のエミッタ領域と、
   エミッタ領域とドリフト領域を分離している範囲のボディ領域に絶縁膜を介して対向しているゲート電極と、
   を備えており、
   前記ドリフト領域は、
   ボディ領域に接するとともに、不純物濃度が低い第１低濃度領域と、
   第１低濃度領域に接しており、第１低濃度領域によってボディ領域から分離されており、半導体基板の表面と平行な方向に層状に広がっているとともに、不純物濃度が高い高濃度領域と、
   高濃度領域に接しており、高濃度領域をコレクタ領域から分離しているとともに、不純物濃度が低い第２低濃度領域と、
   を有することを特徴とするＩＧＢＴ。
2. 前記ボディ領域は、アイランド領域内に形成されており、
   前記高濃度領域は、半導体基板の表面と平行な方向に層状に広がるとともに、ボディ領域下部の所定範囲内では形成されていないことを特徴とする請求項１に記載のＩＧＢＴ。
3. ボディ領域とエミッタ領域の上面にエミッタ電極が形成されており、
   ボディ領域のうちのエミッタ電極と接する範囲に、その範囲外のボディ領域より不純物濃度が高いボディコンタクト領域が形成されており、
   前記高濃度領域が形成されていない所定範囲が、ボディコンタクト領域の下部に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のＩＧＢＴ。
4. 高濃度領域は、少なくとも、半導体基板を平面視したときに、ＩＧＢＴのオン時にチャネルが形成される領域とドリフト領域が重なる範囲全体に形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のＩＧＢＴ。

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