JP2011243695A

JP2011243695A - 半導体装置

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Publication number: JP2011243695A
Application number: JP2010113386A
Authority: JP
Inventors: Masaki Koyama; 雅紀小山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】低損失でありながら電気的破壊を防止することができるダイオード内蔵型の半導体装置を提供する。
【解決手段】トレンチ２１の端部２１ａの延設方向が、セル領域２０を区画する辺２２の長手方向に対して９０°に傾けられるように、セル領域２０にトレンチ２１を形成する。これにより、外周領域３０に溜まったホールがセル領域２０側に流れる場合、セル領域２０を区画するどの辺２２においても、ホールはトレンチ２１に妨げられることなくトレンチ２１の端部２１ａの延設方向に沿って活性領域側に流れる。この場合、ホールはセル領域２０の内部方向に分散して流れるため、ホールがトレンチ２１に沿って設けられた活性領域の一箇所に集中することはない。したがって、セル領域２０内で無効領域を設けることなく電気的破壊を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、セル領域の外周に外周領域が設けられた半導体装置に関する。

従来より、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）領域とダイオード（Free Wheeling Diode）領域とが同じ半導体基板に形成された半導体装置が、例えば特許文献１で提案されている。

具体的に、特許文献１では、セル領域内にトレンチゲート構造が形成されたＩＧＢＴ領域とダイオード領域とが交互に配置されたダイオード内蔵ＩＧＢＴを備えた半導体装置が提案されている。そして、ＩＧＢＴ領域のうち最もダイオード領域側の活性領域から最もダイオード領域側のトレンチの端部を迂回してダイオード領域に達するまでの距離Ｌが規定されている。

このように、ＩＧＢＴ領域の活性領域とダイオード領域の活性領域との距離Ｌを取ることで、ダイオード領域の逆回復時に外周領域からＩＧＢＴ領域へのホールの注入が少なくなり、ダイオード領域のリカバリ耐量が向上する。

特開２００９−７６７３３号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域との距離を取る構造としているので、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域との間にＩＧＢＴ素子としてもダイオード素子としても機能しない無効領域を作ることになる。このため、半導体基板の厚み方向に電流が流れるように構成されたＩＧＢＴ素子やダイオード素子の面積が小さくなってオン抵抗が高くなってしまい、これによる損失が大きくなってしまうという問題がある。

なお、上記ではセル領域内にＩＧＢＴ領域とダイオード領域とが設けられたいわゆるダイオード内蔵ＩＧＢＴについて説明したが、セル領域に形成される半導体素子はダイオード内蔵ＩＧＢＴに限られず、セル領域にトレンチが形成されたものについて共通して上記の問題が生じる。

本発明は上記点に鑑み、低損失でありながら電気的破壊を防止することができる半導体装置を提供することを目的とする。

発明者らは、ダイオード内蔵ＩＧＢＴが形成された半導体装置のリカバリ破壊試験により破壊箇所を調査したところ、何れも半導体素子が形成されたセル領域の終端部で破壊しやすいが、なかでもセル領域を区画する境界線に対して平行に走るトレンチが設けられた境界部分で破壊しやすいことがわかった。

これは、リカバリ時に外周領域からセル領域への多量のホールが活性領域終端部に集中して流れ込む際に、境界線に垂直方向に配置されているトレンチの端部については、ホールが活性領域内部方向に分散されて流れるが、境界線に平行方向に配置されたトレンチについては、トレンチが壁となってホールが活性領域内部方向に流れにくいからであると発明者らは考えた。

そこで、請求項１に記載の発明では、一面（１１）を有する半導体基板（１０）に、縞状に形成された複数のトレンチ（２１）と半導体素子として機能する活性領域とを含むセル領域（２０）が形成されている。

また、セル領域（２０）は、前記半導体基板（１０）の一面（１１）に四角形状にレイアウトされている。さらに、半導体基板（１０）の一面（１１）の面方向において、トレンチ（２１）のうちセル領域（２０）とこのセル領域（２０）の周囲に位置する外周領域（３０）とを区画する辺（２２）側に位置する端部（２１ａ）は少なくとも直線状に延設されている。そして、トレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向は、辺（２２）の長手方向に対して傾けられていることを特徴とする。

これによると、セル領域（２０）を区画するどの辺（２２）においても外周領域（３０）のホールがトレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向に沿って活性領域側に流れる。この場合、ホールは活性領域においてセル領域（２０）の内部方向に分散して流れるため、ホールが活性領域の一箇所に集中することはなく、電気的破壊を防止することができる。

このため、セル領域（２０）に設けられた複数の半導体素子の領域についてそれぞれ距離を取ることなく電気的破壊を防止できるので、セル領域（２０）内の半導体素子のオン抵抗が高くなり、これによる損失が大きくなることもない。以上により、半導体装置において低損失でありながら電気的破壊を防止することができる。

請求項２に記載の発明では、トレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向は、辺（２２）の長手方向に対して４５°以上１３５°以下で傾けられていることを特徴とする。

これによると、辺（２２）の長手方向に対して垂直な方向においてホールの流れがトレンチ（２１）という壁に邪魔されにくくなるので、ホールは活性領域においてセル領域（２０）の内部方向に分散して流れる。したがって、ホールが活性領域のうちセル領域（２０）の辺（２２）側の一箇所に集中しないようにすることができ、電気的破壊を防止することができる。

請求項３に記載の発明では、トレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向は、辺（２２）の長手方向に対して９０°に傾けられていることを特徴とする。

これによると、ホールはトレンチ（２１）に妨げられることなくセル領域（２０）の内部方向に分散して流れる。したがって、辺（２２）の長手方向に対してトレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向を９０°に傾けたときに最もホールを抜き取りやすくすることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の平面図である。図１のＡ部拡大図である。本発明の第２実施形態に係る半導体装置の平面図である。図３のＢ部拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。また、図２は、図１のＡ部拡大図である。以下、図１および図２を参照して半導体装置について説明する。

図１に示されるように、半導体装置は一面１１を有する半導体基板１０に形成されたものである。半導体基板１０としては、例えばＮ−型ドリフト層が採用される。

また、半導体基板１０には、セル領域２０と、このセル領域２０の周囲に設けられた外周領域３０と、が設けられている。セル領域２０は例えばＩＧＢＴ素子やダイオード素子等の半導体素子が形成された領域であり、外周領域３０は外周耐圧部が形成された領域である。

セル領域２０はＮ−型ドリフト層の表層部にＰ型ベース層が形成された領域であり、半導体基板１０の一面１１に四角形状にレイアウトされている。そして、この四角形状の領域内に上述のＩＧＢＴ素子が形成されたＩＧＢＴ領域やダイオード素子が形成されたダイオード領域が例えば交互に設けられている。なお、ＩＧＢＴ領域は半導体基板１０の他面側に例えばＰ＋型のコレクタ層が設けられた領域に対応し、ダイオード領域は半導体基板１０の他面側にコレクタ層と同じ階層に例えばＮ＋型のカソード層が設けられた領域に対応する。

そして、セル領域２０には、図１に示されるように、縞状に形成された複数のトレンチ２１が形成されている。このトレンチ２１はＩＧＢＴ素子の一部であり、半導体基板１０のＰ型ベース層を貫通してＮ−型ドリフト層に達するように形成されている。

本実施形態では、トレンチ２１のうちセル領域２０の周囲に位置する外周領域３０とを区画する辺２２側の端部２１ａが直線状に延設されており、トレンチ２１の端部２１ａの延設方向は辺２２の長手方向に対して９０°に傾けられている。すなわち、トレンチ２１の一方の端部２１ａが一つの辺２２に対して９０°に配置され、トレンチ２１の中間部が直角に折り曲げられ、トレンチ２１の他方の端部２１ａが一つの辺２２に接続された他方の辺２２に対して９０°に配置されている。このように、トレンチ２１の中間部が折り曲げられているので、全てのトレンチ２１の端部２１ａの延設方向がセル領域２０を区画する各辺２２の長手方向に対してそれぞれ９０°に配置されている。

なお、「セル領域２０の辺２２」とは、セル領域２０と外周領域３０との境界線を指している。また、本実施形態では、複数のトレンチ２１のうち中間部が折れ曲がっておらずに全体が直線状になっているものがある。しかしながら、対向する２つの辺２２に対してトレンチ２１の端部２１ａの延設方向が対向する２つの辺２２の長手方向に対してそれぞれ９０°に傾けられているので、中間部が直線状のトレンチ２１の端部２１ａと辺２２との関係と中間部が９０°に折れ曲がったトレンチ２１の端部２１ａと辺２２との関係は同じである。

各トレンチ２１には、図２に示されるように、ＳｉＯ_２等のゲート絶縁膜２３とＰｏｌｙＳｉ等のゲート電極２４とが順に形成され、これらトレンチ２１、ゲート絶縁膜２３、ゲート電極２４からなるトレンチゲート構造が構成されている。

なお、図２はＩＧＢＴ領域の一部を示しているが、ダイオード領域の場合にはトレンチ２１の壁面にゲート絶縁膜２３が形成されるが、このゲート絶縁膜２３の上にはゲート電極２４とは異なるトレンチ電極が形成される。

ＩＧＢＴ領域についてはトレンチ２１間のベース層の表層部に図示しないＮ＋型のエミッタ領域がトレンチ２１の側面に接するように形成されている。また、エミッタ領域の間には例えばＰ＋型のコンタクト領域２５がトレンチ２１の延設方向に沿って形成されている。一方、ダイオード領域についてはトレンチ２１間のベース層の表層部に図示しないＰ＋型のコンタクト領域が形成されている。これらエミッタ領域やコンタクト領域が設けられた部分が半導体素子として機能する活性領域である。

また、ベース層の上にはＰＳＧ等の図示しない層間絶縁膜がゲート電極２４やトレンチ電極上を含むように形成されている。さらに、図２に示されるように、層間絶縁膜はコンタクト領域２５に沿って開口したコンタクトホール２６を有している。ダイオード領域についても同様である。

そして、コンタクトホール２６を埋めるように層間絶縁膜の上に図示しないエミッタ電極が形成されている。一方、半導体基板１０の裏面側には図示しないコレクタ電極が形成されている。

外周領域３０は、上記のセル領域２０の周囲に設けられている。この外周領域３０には、Ｎ−型ドリフト層の表層部にＰ型ウェル領域等の外周耐圧領域が形成されている。また、ＩＧＢＴ素子やダイオード素子の配線を引き回すための領域として利用され、図１に示されるようにゲート電極２４やトレンチ電極と外部とを電気的に接続するためのパッド３１が複数設けられている。すなわち、ゲート電極２４やトレンチ電極は各パッド３１にそれぞれ電気的に接続されている。

次に、上述したように、トレンチ２１の端部２１ａの延設方向が、セル領域２０を区画する辺２２の長手方向に対して９０°に傾けられていることの作用効果について説明する。

このようにトレンチ２１の端部２１ａがセル領域２０の辺２２に対して傾けられるということは、図２に示されるように、トレンチ２１に沿って設けられたコンタクトホール２６の長手方向もセル領域２０の辺２２の長手方向に対して９０°に傾けられる。つまり、トレンチ２１間の活性領域が、辺２２の長手方向に対して垂直な方向においてトレンチ２１という壁に邪魔されることなく外周領域３０と繋がる。

このため、外周領域３０に溜まったキャリア（ホール）がダイオード素子のリカバリ時にセル領域２０側に流れる場合、セル領域２０を区画するどの辺２２においても、ホールはトレンチ２１という壁に妨げられることなくトレンチ２１の端部２１ａの延設方向に沿って活性領域側に流れる。この場合、図２に示されるように、ホール（図２中の「○」）はセル領域２０の内部方向に流れる。すなわち、ホールは活性領域においてセル領域２０の内部方向に分散して流れるため、ホールがトレンチ２１に沿って設けられた活性領域の一箇所に集中することはない。したがって、リカバリ破壊を防止することができる。

特に、本実施形態では、トレンチ２１の端部２１ａの延設方向とセル領域２０を区画する辺２２の長手方向とが９０°に傾けられている。このため、辺２２の長手方向に対して垂直な方向においてはトレンチ２１が存在しないので、ホールはトレンチ２１に妨げられることなくセル領域２０の内部方向に分散して流れる。したがって、ホールを活性領域に最も分散して流すことができ、最もホールを抜き取りやすくすることができる。

そして、半導体基板１０の一面１１の面方向において、セル領域２０を区画する各辺２２に対して全てのトレンチ２１の端部２１ａが９０°に傾けられているので、セル領域２０のすべての辺２２においてホールを効率良くエミッタ電極に抜き取ることができる。

以上により、セル領域２０のすべての辺２２においてリカバリ破壊を防止することができる。したがって、セル領域２０に設けられた複数のＩＧＢＴ領域やダイオード素子についてそれぞれ距離を取る必要がないので、セル領域２０内に無効領域を設ける必要もない。そして、無効領域が設けられないので、ＩＧＢＴ素子やダイオード素子の面積が小さくならずに済み、半導体基板１０の厚み方向に電流が流れるように構成されたセル領域２０内のＩＧＢＴ素子やダイオード素子のオン抵抗が高くならないようにすることができる。このため、オン抵抗が高くなったことによる損失が大きくなることもない。

また、トレンチ２１は中間部が折り曲げられているものの、全体的に縞状に延設されているので、ホールがセル領域２０の内部方向に分散して流れることができるようになっている。つまり、メッシュ状のトレンチが形成された場合では辺２２の長手方向に沿ったトレンチの一部が存在するため、ホールのセル領域２０の内部方向への流れがメッシュ状のトレンチによって妨げられるが、本実施形態に係るトレンチ２１は縞状であるのでそのようなホールの流れの妨げは起こらない。さらに、メッシュ状のトレンチは微細加工が必要であるが、本実施形態に係る縞状のトレンチ２１にはそのような微細加工も必要ないため、製造しやすいという利点もある。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図３は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。また、図４は、図３のＢ部拡大図である。

図３に示されるように、本実施形態では、トレンチ２１はセル領域２０全域で所定の間隔で平行に形成されている。また、図４に示されるように、トレンチ２１の端部２１ａの延設方向は、辺２２の長手方向に対して４５°（１３５°）で傾けられている。

このように、トレンチ２１の端部２１ａの延設方向とセル領域２０を区画する辺２２の長手方向とが４５°に傾けられていても良い。この場合でも、辺２２の長手方向に対して垂直な方向においてホールの流れがトレンチ２１という壁に邪魔されにくくなる。したがって、ホールは活性領域においてセル領域２０の内部方向に分散して流れ、ホールが活性領域のうちセル領域２０の辺２２側の一箇所に集中することはない。したがって、リカバリ破壊を防止することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された構造は一例であり、上記で示した構造に限定されることなく、本発明の特徴を含んだ他の構造とすることもできる。例えば、セル領域２０に形成される半導体素子は、ダイオード内蔵ＩＧＢＴの他、ＤＭＯＳやトレンチ入りダイオードとしても良い。また、トレンチ２１は、半導体素子の一部として機能するように構成されていても良いし、ダミートレンチとして設けられたものでも良い。

上記第１実施形態では、トレンチ２１の中間部が直角に折り曲げられていたが、これはトレンチ２１の中間部の一形態を示したものであり、他の形状でも良い。例えば、トレンチ２１の中間部は丸く折り曲げられた形状でも良い。

上記第２実施形態では、トレンチ２１の端部２１ａの延設方向は、辺２２の長手方向に対して４５°（１３５°）で傾けられていたが、これは角度の一例であり、他の角度でも良い。トレンチ２１がホールの流れを妨げないようにするためには、トレンチ２１の端部２１ａの延設方向は、辺２２の長手方向に対して４５°以上１３５°以下で傾けられていることが好ましい。

１０半導体基板
１１半導体基板一面
２０セル領域
２１トレンチ
２１ａトレンチの端部
２２セル領域の辺
３０外周領域

Claims

一面（１１）を有する半導体基板（１０）に、縞状に形成された複数のトレンチ（２１）と半導体素子として機能する活性領域とを含むセル領域（２０）が形成された半導体装置であって、
前記セル領域（２０）は、前記半導体基板（１０）の一面（１１）に四角形状にレイアウトされ、
前記半導体基板（１０）の一面（１１）の面方向において、前記トレンチ（２１）のうち前記セル領域（２０）とこのセル領域（２０）の周囲に位置する外周領域（３０）とを区画する辺（２２）側に位置する端部（２１ａ）は少なくとも直線状に延設されており、
前記トレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向は、前記辺（２２）の長手方向に対して傾けられていることを特徴とする半導体装置。
前記トレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向は、前記辺（２２）の長手方向に対して４５°以上１３５°以下で傾けら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。
前記トレンチ（２１）の端部（２１ａ）の延設方向は、前記辺（２２）の長手方向に対して９０°に傾けら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。