JP2010171179A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＧＢＴとダイオードが１つの半導体基板に形成されている半導体装置であって、ＩＧＢＴの短絡耐量が高いとともに、ダイオードの通電時の損失が小さい半導体装置を提供する。
【解決手段】 ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が形成されている半導体基板を有する半導体装置。ＩＧＢＴ領域には、エミッタ領域とボディ領域が半導体基板の第１表面に面しており、コレクタ領域が半導体基板の第２表面に面しているＩＧＢＴが形成されている。ダイオード領域には、アノード領域が半導体基板の第１表面に面しており、カソード領域が半導体基板の第２表面に面しているダイオードが形成されている。ダイオード領域内には、半導体基板の厚さがＩＧＢＴ領域の半導体基板の厚さより薄い薄板部が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が形成されている半導体基板を有する半導体装置に関する。

特許文献１には、ＩＧＢＴとダイオードが１つの半導体基板に形成されている半導体装置が開示されている。ＩＧＢＴのコレクタ電極とダイオードのカソード電極は共通化されており、ＩＧＢＴのエミッタ電極とダイオードのアノード電極は共通化されている。この半導体装置では、ＩＧＢＴに印加される電圧が順電圧となる方向に電圧を印加し、ＩＧＢＴのゲート電圧を制御することで、電流のスイッチングを行うことができる。これによって、半導体装置に接続されている装置（以下、制御対象装置という）への供給電流を制御することができる。また、この半導体装置では、ＩＧＢＴに印加される電圧が逆電圧となる方向に電圧が印加されたときには、ダイオードがオンして、電流が還流される。これによって、ＩＧＢＴに逆方向の過電圧が印加されることが防止される。

特開２００７−１８４４８６号

制御対象装置は、その動作状態によって短絡することがある。例えば、モータは、負荷が過大であるために回転が停止している状態では短絡状態となる。制御対象装置が短絡しているときにＩＧＢＴをオンすると、ＩＧＢＴに大電流が流れる。また、ＩＧＢＴが実装されている回路の誤動作等によっても、ＩＧＢＴに大電流が流れる。ＩＧＢＴに大電流が流れると、ＩＧＢＴが発熱によりラッチアップして破壊に至る。したがって、大電流が流れた場合には、ラッチアップする前にＩＧＢＴをオフする必要がある。このため、ＩＧＢＴには、大電流が流れた際に破壊し難い（より詳細には、大電流が流れてから破壊に至るまでの時間が長い）という特性（以下、短絡耐量という）が要求される。短絡耐量を向上させるためには、大電流が流れたときに半導体基板の温度上昇を抑制する必要がある。しがたって、熱容量を確保するため（すなわち、温度上昇を抑制するため）に、ＩＧＢＴには厚い半導体基板が用いられる。
特許文献１の半導体装置では、ＩＧＢＴとダイオードを１つの半導体基板に形成している。半導体基板の厚さは、ＩＧＢＴの短絡耐量を確保するのに十分な厚さとする必要がある。一方、ダイオードの半導体基板の厚さは、逆耐圧を確保できる程度の厚さであれば十分であり、ＩＧＢＴほどの厚さは必要ない。逆に、ダイオードの半導体基板の厚さが必要以上に厚いと、ダイオード通電時の半導体基板内の電流経路が長くなり、その電流経路の電気抵抗が高くなる。このため、ダイオードで生じる損失が大きくなる。このように、特許文献１の半導体装置では、ＩＧＢＴとダイオードを１つの半導体基板に形成するために、ダイオードの半導体基板が必要以上に厚くなり、ダイオードで生じる損失が大きくなるという問題があった。

本発明は、上述した実情に鑑みて創作されたものであり、ＩＧＢＴとダイオードが１つの半導体基板に形成されている半導体装置であって、ＩＧＢＴの短絡耐量が高いとともに、ダイオードの通電時の損失が小さい半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が形成されている半導体基板を有する半導体装置を提供する。ＩＧＢＴ領域には、エミッタ領域とボディ領域が半導体基板の第１表面に面しており、コレクタ領域が半導体基板の第２表面に面しているＩＧＢＴが形成されている。ダイオード領域には、アノード領域が半導体基板の第１表面に面しており、カソード領域が半導体基板の第２表面に面しているダイオードが形成されている。そして、ダイオード領域内に、半導体基板の厚さがＩＧＢＴ領域の半導体基板の厚さより薄い薄板部が形成されている。
この半導体装置では、ダイオード領域内に、半導体基板が薄い薄板部が形成されているので、ダイオードでの損失が抑制される。また、ＩＧＢＴ領域では半導体基板が厚いので、ＩＧＢＴの短絡耐量が確保される。

上述した半導体装置は、半導体基板の第２表面に凹部が形成されていることによって、薄板部が形成されていることが好ましい。
また、この場合、凹部の側面と底面が曲面状に接続されていることが好ましい。
このような構成によれば、半導体装置の製造時等に、凹部の側面と底面との境界部に応力が集中することが抑制される。また、凹部の側面と底面との境界部を曲面状に形成することで、半導体装置の使用時に、その境界部近傍で電界が集中することが抑制される。

本発明によれば、ＩＧＢＴの短絡耐量が高く、ダイオードの損失が小さい半導体装置が提供される。

半導体装置１０の縦断面図。

実施形態に係る半導体装置について説明する。図１は、本実施形態の半導体装置１０の縦断面図を示している。図１に示すように、半導体装置１０は、主にシリコンからなる半導体基板１２と、半導体基板１２の表面に形成されている絶縁膜、金属層等によって構成されている。半導体基板１２には、ＩＧＢＴ領域２０とダイオード領域４０が形成されている。

ＩＧＢＴ領域２０の半導体基板１２の上面（第１表面）１２ａには、複数のトレンチ３０が形成されている。トレンチ３０の壁面には、絶縁膜３２が形成されている。トレンチ３０内には、ゲート電極３４が形成されている。ＩＧＢＴ領域２０の半導体基板１２の上面１２ａに臨む領域には、ｎ型のエミッタ領域２２と、ｐ型のボディ領域２４が選択的に形成されている。エミッタ領域２２は、絶縁膜３２と接するように形成されている。ボディ領域２４は、エミッタ領域２２を覆うように形成されている。ボディ領域２４は、エミッタ領域２２の下側で絶縁膜３２と接するように形成されている。ボディ領域２４は、トレンチ３０の下端より浅い位置まで形成されている。ボディ領域２４のうち上面１２ａに臨む領域には、ボディコンタクト領域２４ａが形成されている。ボディコンタクト領域２４ａは、ボディ領域２４の他部２４ｂ（以下、低濃度ボディ領域２４ｂという場合がある）よりもｐ型不純物濃度が高い。ボディ領域２４の下側には、ｎ型のドリフト層２６が形成されている。ドリフト層２６は、ボディ領域２４によってエミッタ領域２２から分離されている。ドリフト層２６の下側の、半導体基板１２の下面（第２表面）１２ｂに臨む領域には、全面に亘ってｐ型のコレクタ層２８が形成されている。コレクタ層２８は、ドリフト層２６によってボディ領域２４から分離されている。ＩＧＢＴ領域２０には、エミッタ領域２２、ボディ領域２４、ドリフト層２６、コレクタ層２８、及び、ゲート電極３４によって、多数のＩＧＢＴが形成されている。以下では、ＩＧＢＴ領域２０に形成されているＩＧＢＴを、ＩＧＢＴ２０という。

ダイオード領域４０の半導体基板１２の上面１２ａに臨む領域には、全面に亘ってｐ型のアノード層４２が形成されている。アノード層４２は、ＩＧＢＴ領域２０のボディ領域２４と同じ深さまで形成されている。アノード層４２の下側には、ドリフト層２６が形成されている。ドリフト層２６の下側（半導体基板１２の下面１２ｂに臨む領域）には、カソードコンタクト層４８が形成されている。カソードコンタクト層４８は、ドリフト層２６よりもｎ型不純物濃度が高い。以下では、ダイオード領域４０内のドリフト層２６とカソードコンタクト層４８をまとめて、カソード層４４という。ダイオード領域４０には、アノード層４２とカソード層４４によって、ダイオードが形成されている。以下では、ダイオード領域４０に形成されているダイオードを、ダイオード４０という。

半導体基板１２の下面１２ｂには、凹部５０が形成されている。凹部５０は、ダイオード領域４０の略全面に形成されている。上述したカソードコンタクト層４８は、凹部５０の底面５０ａと側面５０ｂに沿って形成されている。凹部５０が形成されているため、ダイオード領域４０における半導体基板１２の厚さは、ＩＧＢＴ領域２０における半導体基板１２の厚さより薄い。すなわち、ダイオード領域４０の全体が、ＩＧＢＴ領域２０より半導体基板１２が薄い薄板部となっている。凹部５０の底面５０ａと側面５０ｂの境界部には、曲面部５０ｃが形成されている。底面５０ａと側面５０ｂは、曲面部５０ｃによって滑らかに接続されている。

半導体基板１２の下面１２ｂには、全面に亘って下部電極６０が形成されている。上記の凹部５０の内部には、下部電極６０が充填されている。下部電極６０は、コレクタ層２８及びカソードコンタクト層４８とオーミック接触している。
半導体基板１２の上面１２ａのうち、トレンチ３０の上部には、絶縁膜６２が形成されている。各ゲート電極３４は、図示しない位置で半導体基板１２の上面１２ａ上に形成されている電極と接続されている。
半導体基板１２の上面１２ａには、上部電極６４が形成されている。上部電極６４は、絶縁膜６２を覆うように形成されている。上部電極６４は、ゲート電極３４から絶縁されている。上部電極６４は、エミッタ領域２２、ボディコンタクト領域２４ａ及びアノード層４２とオーミック接触している。

次に、半導体装置１０の動作について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、上部電極６４が外部装置７０（例えば、モータ）等を介してグランド電位に接続され、下部電極６０が電源電位に接続されて使用される。以下では、下部電極６０と上部電極６４間に印加される下部電極６０がプラスとなる電圧を順方向電圧といい、その逆の電圧を逆方向電圧という。

図１に示すように、半導体装置１０に順方向電圧が印加されると、ダイオード４０ではアノード側（上部電極６４）が低電位となり、カソード側（下部電極６０）が高電位となる。すなわち、ダイオード４０に逆電圧が印加される。このため、ダイオード４０はオンしない。
一方、ＩＧＢＴ２０では、エミッタ側（上部電極６４）が低電位となり、コレクタ側（下部電極６０）が高電位となる。この状態において、ゲート電極３４にプラスの電位を印加すると、絶縁膜３２と接している範囲の低濃度ボディ領域２４ｂが、ｐ型からｎ型に反転し、チャネルが形成される。チャネルが形成されると、電子が、上部電極６４から、エミッタ領域２２、低濃度ボディ領域２４ｂ内のチャネル、ドリフト層２６、コレクタ層２８を経由して、下部電極６０に流れる。また、ホールが、下部電極６０から、コレクタ層２８を通って、ドリフト層２６に流入する。すると、ドリフト層２６で伝導度変調現象が生じ、ドリフト層２６の電気抵抗が大きく低下する。したがって、電子が低損失でＩＧＢＴ２０内を流れる。すなわち、ＩＧＢＴ２０がオンする。ゲート電極３４への電位の印加を停止すると、チャネルが消失し、ＩＧＢＴ２０がオフする。ＩＧＢＴ２０のスイッチングによって、外部装置７０への供給電流を制御することができる。

また、外部装置７０は、その動作状態等によって短絡する場合がある。ＩＧＢＴ２０のオン時に外部装置７０が短絡すると、電源電圧の全てがＩＧＢＴ２０に印加され、ＩＧＢＴ２０に大電流が流れる。ＩＧＢＴ２０に大電流を流し続けると、ＩＧＢＴ２０の発熱に伴ってボディ領域２４の電位が上昇し、ボディ領域２４とエミッタ領域２２の間のＰＮ接合に順電圧が印加される。これによって、このＰＮ接合が導通し、ＩＧＢＴ２０がラッチアップして破壊に至る。このため、ＩＧＢＴ２０に大電流が流れたときには、短絡耐量として定められた時間以内にゲート電圧を低下させてＩＧＢＴ２０をオフさせる必要がある。本実施形態の半導体装置１０では、ＩＧＢＴ領域２０内の半導体基板１２の厚さが十分に厚く、これによってＩＧＢＴ領域２０内の半導体基板１２の熱容量が確保されている。これによって、外部装置７０が短絡してＩＧＢＴ２０に大電流が流れたときに、ＩＧＢＴ領域２０内の半導体基板１２が温度上昇することが抑制される。このため、ＩＧＢＴ２０はラッチアップし難く、短絡耐量が高い。

また、外部装置７０の動作状態によっては、上部電極６４が下部電極６０より高電位となる場合がある。すなわち、半導体装置１０に逆方向電圧が印加される場合がある。この場合、ＩＧＢＴ２０では、エミッタ側（上部電極６４）が高電位となり、コレクタ側（下部電極６０）が低電位となる。すなわち、ＩＧＢＴ２０に逆電圧が印加される。したがって、ＩＧＢＴはオンしない。
一方、ダイオード４０では、アノード側（上部電極６４）が高電位となり、カソード側（下部電極６０）が低電位となる。すなわち、ダイオード４０に順電圧が印加される。したがって、ダイオード４０はオンする。このように、半導体装置１０に逆方向電圧が印加されたときには、ダイオード４０がオンするので、ＩＧＢＴ２０に高い逆電圧が印加されることが防止される。また、上述したように、ダイオード領域４０では半導体基板１２が薄いので、ダイオード領域４０内の電流経路は短い。このため、電流経路の電気抵抗が小さく、ダイオード領域４０内を電流が流れるときに損失が生じ難い。

以上に説明したように、本実施形態の半導体装置１０では、ＩＧＢＴ領域２０内の半導体基板１２が厚く、これによってＩＧＢＴ２０の短絡耐量が確保されている。また、ダイオード領域４０内では半導体基板１２がＩＧＢＴ領域２０より薄く、これによってダイオード４０の通電時の損失が低減されている。このように、本実施形態によれば、ＩＧＢＴ２０とダイオード４０を備えており、ＩＧＢＴ２０の短絡耐量が高いとともにダイオード４０の通電損失が低い半導体装置１０が提供される。
なお、上述した実施形態の半導体装置１０では、ダイオード領域４０内の半導体基板１２の下面１２ｂ全体が凹部５０となっていた。しかしながら、ダイオード領域４０内の半導体基板１２の下面１２ｂに部分的に凹部５０を形成してもよい。このような構成によっても、多くの電流がダイオード領域４０内の半導体基板１２が薄い部分を流れるので、ダイオード４０での損失が低減される。また、このように凹部５０が形成される部分を減少させることで、半導体基板１２の強度を向上させることができる。

また、上述した半導体装置１０のように、半導体基板１２の下面１２ｂに凹部５０を形成することで、半導体基板１２と下部電極６０との接触面積が大きくなる。このため、半導体基板１２から下部電極６０に放熱され易い。これによっても、半導体基板１２の温度上昇が抑制され、ＩＧＢＴ２０の短絡耐量が向上されている。
なお、凹部５０は、半導体基板１２の上面１２ａに形成してもよいが、半導体基板１２の下面１２ｂに形成する方が好ましい。すなわち、上部電極６４は、通常は、ワイヤーボンディングによって外部の電極と接続される。このため、上部電極６４から外部の電極へは熱が伝わり難い。一方、下部電極６０は、外部の電極にハンダや導電性ペーストによって接続される電極である。このため、下部電極６０から外部の電極に熱が伝わり易い。半導体基板１２の下面１２ｂに凹部５０を形成すると、半導体基板１２から下部電極６０を介して外部の電極に熱が伝わり易くなる。このため、半導体基板１２の温度上昇がより抑制される。このように、凹部５０を、ハンダや導電性ペーストにより外部と接続される側の表面に形成することで、半導体基板１２の温度上昇がさらに抑制される。

また、ＩＧＢＴ２０のオフ時には、ドリフト層２６内に空乏層が広がるため、ドリフト層２６内に電界分布が生じる。このとき、ドリフト層２６内に突出する領域が存在すると、その領域の角部に電界が集中し易い。上述した半導体装置１０では、凹部５０が形成されていることによって、アノードコンタクト領域がドリフト層２６内に突出するように形成されている。しかしながら、凹部５０の底面５０ａと側面５０ｂが曲面状に接続されているため、その曲面部５０ｃ近傍でカソードコンタクト層４８が曲面状に分布している。したがって、カソードコンタクト層４８との境界面近傍のドリフト層２６内に電界が集中することが抑制されている。
また、製造時等に半導体基板１２を取り扱う際には、凹部５０の底面５０ａと側面５０ｂの境界部に応力が集中し易い。しかしながら、半導体装置１０では、底面５０ａと側面５０ｂが曲面状に接続されているので、その境界部に応力が集中することが抑制されている。これによって、製造時等に半導体基板１２が破損することが防止されている。

なお、半導体装置１０は、以下のようにして形成することができる。まず、ドリフト層２６と略同じｎ型不純物を含有する半導体基板の上面に、上面側の素子構造（エミッタ領域２２、ボディ領域２４、アノード層４２、ゲート３４、及び、上部電極６４）を形成する。次に、半導体基板の下面に、凹部５０を形成する。凹部５０の形成には、フッ酸と硝酸の混合液による等方性エッチングや、ＴＭＡＨやＫＯＨなどのアルカリ性溶液による結晶異方性エッチング等のウェットエッチングを用いることができる。また、フッ素を含むガスによる反応性イオンエッチングや、スパッタエッチング等のドライエッチングを用いることができる。また、レーザ加工やサンドブラスト等の加工を用いてもよい。凹部５０を形成したら、半導体基板の下面にコレクタ層２８とカソードコンタクト層４８を形成する。コレクタ層２８とカソードコンタクト層４８は、イオン注入によって形成してもよいし、イオンを含む溶液を下面に塗布して加熱することによって、半導体基板中にイオンを拡散させて形成してもよい。コレクタ層２８とカソードコンタクト層４８を形成したら、半導体基板の下面に下部電極６０を形成する。これにより、半導体装置１０を製造することができる。

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。

１０：半導体装置
１２：半導体基板
２０：ＩＧＢＴ領域
２２：エミッタ領域
２４：ボディ領域
２４ａ：ボディコンタクト領域
２４ｂ：低濃度ボディ領域
２６：ドリフト層
２８：コレクタ層
３０：トレンチ
３２：絶縁膜
３４：ゲート電極
４０：ダイオード領域
４２：アノード層
４４：カソード層
４８：カソードコンタクト層
５０：凹部
５０ａ：底面
５０ｂ：側面
５０ｃ：曲面部
６０：下部電極
６２：絶縁膜
６４：上部電極

Claims (3)

1. ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が形成されている半導体基板を有する半導体装置であって、
   ＩＧＢＴ領域には、エミッタ領域とボディ領域が半導体基板の第１表面に面しており、コレクタ領域が半導体基板の第２表面に面しているＩＧＢＴが形成されており、
   ダイオード領域には、アノード領域が半導体基板の第１表面に面しており、カソード領域が半導体基板の第２表面に面しているダイオードが形成されており、
   ダイオード領域内に、半導体基板の厚さがＩＧＢＴ領域の半導体基板の厚さより薄い薄板部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 半導体基板の第２表面に凹部が形成されていることによって、薄板部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 凹部の底面と側面が曲面状に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。

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