JP2018078153A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 オン電圧特性が半導体基板内において不均一となることを抑制する。【解決手段】 半導体装置１は、複数のＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３と複数のダイオード領域ＳＤ１−３に区画されている半導体基板１０を備える。ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３には、少なくとも第１ドリフト領域２４とボディ領域２５とエミッタ領域２６とトレンチ絶縁ゲート部３０が配置されている。ダイオード領域ＳＤ１−３には、少なくとも第２ドリフト領域２４とアノード領域２７が配置されている。中央部を含む範囲にダイオード領域ＳＤ１が配置されている。ダイオード領域ＳＤ１−３の各々の面積は、中央部から周辺に向けて減少する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、ＩＧＢＴ構造とダイオード構造が設けられている半導体基板を備える半導体装置に関する。

例えば車載用のパワーデバイスとして用いられる半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置の一例として、逆導通ＩＧＢＴが知られている。逆導通ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴ構造とダイオード構造が設けられている半導体基板を備える。ダイオード構造は、ＩＧＢＴ構造に対して逆並列に接続されており、フリーホイーリングダイオードとして動作する。特許文献１は、逆導通ＩＧＢＴと称される半導体装置の一例を開示する。

特開２０１１−０８２２２０号公報

この種の半導体装置は、モジュールとしてパッケージングされた後に、インバータ等の電力変換装置に実装される。このようなパッケージング及び実装工程は、半導体装置の半導体基板に応力を加える。半導体基板に加わる応力は、半導体基板の結晶構造の歪を増大させ、半導体装置の局所的なオン電圧特性（Ｖon特性）を変動させる。半導体基板に加わる応力は、中央部で最大値となる面内分布を有する。このため、この種の半導体装置では、半導体基板の中央部のオン電圧特性の変動が大きく、この結果、オン電圧特性が半導体基板内において不均一となる。

また、半導体装置のオン電圧特性は、温度にも強く依存する。このため、この種の半導体装置では、半導体基板内の温度差が大きいと、オン電圧特性が半導体基板内において不均一となる。

このような不均一なオン電圧特性は、局所的な電流集中を引き起こす原因となり得る。本明細書は、半導体基板に加わる応力及び半導体基板内の温度に起因した不均一なオン電圧特性を改善する技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、半導体基板と第１主面電極と第２主面電極を備える。半導体基板は、複数のＩＧＢＴ領域と複数のダイオード領域に区画されている。第１主面電極は、半導体基板の第１主面を被膜する。第２主面電極は、半導体基板の第２主面を被膜する。半導体基板に設けられているＩＧＢＴ構造は、第１導電型のコレクタ領域と第２導電型の第１ドリフト領域と第１導電型のボディ領域と第２導電型のエミッタ領域と絶縁ゲート部を有する。コレクタ領域は、第１主面電極に接する。第１ドリフト領域は、コレクタ領域上に設けられている。ボディ領域は、第１ドリフト領域上に設けられており、第２主面電極に接する。エミッタ領域は、ボディ領域によってドリフト領域から隔てられており、第２主面電極に接する。絶縁ゲート部は、ドリフト領域とエミッタ領域を隔てる部分のボディ領域に対向する。絶縁ゲート部は、トレンチ型であってもよく、プレーナー型であってもよい。半導体基板に設けられているダイオード構造は、第２導電型のカソード領域と第１導電型のアノード領域と第２導電型の第２ドリフト領域を有する。カソード領域は、第１主面電極に接する。アノード領域は、第２主面電極に接する。第２ドリフト領域は、カソード領域とアノード領域の間に設けられており、カソード領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度を含む。第２ドリフト領域は、第１ドリフト領域と同一の不純物濃度を有しており、第１ドリフト領域から連続した領域であってもよい。ＩＧＢＴ領域には、少なくとも第１ドリフト領域とボディ領域とエミッタ領域と絶縁ゲート部が配置されている。ダイオード領域には、少なくとも第２ドリフト領域とアノード領域とが配置されている。半導体基板を平面視したときに、中央部から周辺に向けてＩＧＢＴ領域とダイオード領域が交互に配置されている。中央部を含む範囲にはダイオード領域が配置されている。ダイオード領域の各々の面積は、中央部から周辺に向けて減少する。

ＩＧＢＴ領域はチャネルが形成される領域であることから、ＩＧＢＴ領域の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板に加わる応力及び温度変動に対して敏感である。一方、ダイオード領域はチャネルが形成される領域ではないことから、ダイオード領域の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板に加わる応力及び温度変動に対して鈍感である。上記実施形態の半導体装置では、半導体基板に加わる応力が最大となる中央部側にダイオード領域が多く配置されていることから、オン電圧特性の大きな変動が抑えられ、半導体基板内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。また、上記実施形態の半導体装置では、半導体基板を平面視したときに、中央部から周辺に向けてＩＧＢＴ領域とダイオード領域が交互に配置されている。ＩＧＢＴ領域の間にダイオード領域が介在することにより、ダイオード領域からの熱引きによってＩＧＢＴ領域の温度上昇が抑えられ、これにより、半導体基板内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。このように、上記実施形態の半導体装置は、半導体基板に加わる応力及び半導体基板内の温度に起因した不均一なオン電圧特性を改善することができる。

半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のＩ−Ｉ線に対応した要部断面図である。 半導体装置の半導体基板に形成されているＩＧＢＴ領域とダイオード領域のレイアウトを示す平面図である。 変形例の半導体装置の半導体基板に形成されているＩＧＢＴ領域とダイオード領域のレイアウトを示す平面図である。 変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のＩ−Ｉ線に対応した要部断面図である。 変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のＩ−Ｉ線に対応した要部断面図である。

図１及び図２に示されるように、半導体装置１は、複数のＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３と複数のダイオード領域ＳＤ１−３に区画されている半導体基板１０を備える。半導体基板１０を平面視したときに、中央部から周辺に向けてＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３とダイオード領域ＳＤ１−３が交互に配置されており、中央部を含む範囲にはダイオード領域ＳＤ１が配置されている。なお、図２に示す例では、複数のＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３と複数のダイオード領域ＳＤ２−３の各々がダイオード領域ＳＤ１の周囲を一巡して配置されている。この例に代えて、図３に示すように、複数のＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３と複数のダイオード領域ＳＤ１−３の各々の一部がゲート配線用の領域によって分断されていてもよい。

図１に示されるように、半導体装置１は、半導体基板１０の裏面を被覆するコレクタ電極３６及び半導体基板１０の表面を被覆するエミッタ電極３８を備える。半導体装置１はさらに、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々に設けられているトレンチ絶縁ゲート部３０、及び、ダイオード領域ＳＤ１−２の各々に設けられているダミートレンチ４０を備える。

半導体基板１０は、ｐ型のコレクタ領域２１、ｎ型のカソード領域２２、ｎ型のバッファ領域２３、ｎ^-型のドリフト領域２４、ｐ型のボディ領域２５、ｎ⁺型のエミッタ領域２６及びｐ型のアノード領域２７を有する。

コレクタ領域２１は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々に配置されている。コレクタ領域２１は、半導体基板１０の裏層部の一部に設けられており、半導体基板１０の裏面に露出する。コレクタ領域２１は、その不純物濃度が濃く、コレクタ電極３６にオーミック接触する。コレクタ領域２１は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏面からボロンを導入することで形成される。

カソード領域２２は、ダイオード領域ＳＤ１−３の各々に配置されている。カソード領域２２は、半導体基板１０の裏層部の一部に設けられており、半導体基板１０の裏面に露出する。カソード領域２２は、その不純物濃度が濃く、コレクタ電極３６にオーミック接触する。カソード領域２２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏面からリンを導入することで形成される。

バッファ領域２３は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３及びダイオード領域ＳＤ１−３の各々に配置されている。バッファ領域２３は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３において、コレクタ領域２１とドリフト領域２４の間に設けられている。バッファ領域２３は、ダイオード領域ＳＤ１−３において、コレクタ領域２１とドリフト領域２４の間に設けられている。バッファ領域２３は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏面からリンを導入することで形成される。

ドリフト領域２４は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３及びダイオード領域ＳＤ１−３の各々に配置されている。ドリフト領域２４は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３において、バッファ領域２３とボディ領域２５の間に設けられている。ドリフト領域２４は、ダイオード領域ＳＤ１−３において、バッファ領域２３とアノード領域２７の間に設けられている。ドリフト領域２４は、半導体基板１０に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である。

ボディ領域２５は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々に配置されている。ボディ領域２５は、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面に露出する。ボディ領域２５は、メインボディ領域２５ａとコンタクトボディ領域２５ｂを有する。コンタクトボディ領域２５ｂは、その不純物濃度がメインボディ領域２５ａの不純物濃度よりも濃く、エミッタ電極３８にオーミック接触する。ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々に配置されているボディ領域２５は、隣り合うトレンチ絶縁ゲート部３０の間に設けられており、隣り合うトレンチ絶縁ゲート部３０の双方の側面に接する。ボディ領域２５は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面からボロンを導入することで形成される。

エミッタ領域２６は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々に配置されている。エミッタ領域２６は、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面に露出する。エミッタ領域２６は、その不純物濃度が濃く、エミッタ電極３８にオーミック接触する。ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々に配置されているエミッタ領域２６は、隣り合うトレンチ絶縁ゲート部３０の間に複数個が設けられており、少なくとも１つのエミッタ領域２６が隣り合うトレンチ絶縁ゲート部３０の一方の側面に接しており、他の少なくとも１つのエミッタ領域２６が他方の側面に接する。エミッタ領域２６は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面からヒ素又はリンを導入することで形成される。

アノード領域２７は、ダイオード領域ＳＤ１−３の各々に配置されている。アノード領域２７は、半導体基板１０の表層部に設けられており、半導体基板１０の表面に露出する。アノード領域２７は、メインアノード領域２７ａとコンタクトアノード領域２７ｂを有する。コンタクトアノード領域２７ｂは、その不純物濃度がメインアノード領域２７ａの不純物濃度よりも濃く、エミッタ電極３８にオーミック接触する。ダイオード領域ＳＤ１−３の各々に配置されているアノード領域２７は、隣り合うダミートレンチ４０の間に設けられており、隣り合うダミートレンチ４０の双方の側面に接する。アノード領域２７は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面からボロンを導入することで形成される。

トレンチ絶縁ゲート部３０は、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々において、エミッタ領域２６及びボディ領域２５を貫通してドリフト領域２４に達するように深さ方向に伸びている。エミッタ領域２６及びボディ領域２５は、トレンチ絶縁ゲート部３０の側面に接する。ドリフト領域２４は、トレンチ絶縁ゲート部３０の側面及び底面に接する。トレンチ絶縁ゲート部３０は、ゲート絶縁膜３２とゲート電極３４を有する。ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２によって半導体基板１０から絶縁されている。ゲート電極３４は、ゲート配線に電気的に接続されており、ゲート電圧が印加可能に構成されている。

ダミートレンチ４０は、アノード領域２７を貫通してドリフト領域２４に達するように深さ方向に伸びている。アノード領域２７は、ダミートレンチ４０の側面に接する。ドリフト領域２４は、ダミートレンチ４０の側面及び底面に接する。ダミートレンチ４０は、ダミートレンチ絶縁膜４２とダミートレンチ電極４４を有する。ダミートレンチ電極４４は、ダミートレンチ絶縁膜４２によって半導体基板１０から絶縁されている。ダミートレンチ電極４４は、エミッタ電極３８に電気的に接続されている。この例に代えて、ダミートレンチ電極４４の電位は、フローティングであってもよい。

このように、半導体装置１では、コレクタ電極３６、コレクタ領域２１、バッファ領域２３、ドリフト領域２４、ボディ領域２５、エミッタ領域２６、エミッタ電極３８及びトレンチ絶縁ゲート部３０がＩＧＢＴ構造を構成しており、そのＩＧＢＴ構造がＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３に選択的に配置されている。半導体装置１では、コレクタ電極３６、カソード領域２２、バッファ領域２３、ドリフト領域２４、アノード領域２７、エミッタ電極３８及びダミートレンチ４０がダイオード構造を構成しており、そのダイオード構造がダイオード領域ＳＤ１−３に選択的に配置されている。コレクタ電極３６はダイオード構造におけるカソード電極として機能し、エミッタ電極３８はダイオード構造におけるアノード電極として機能する。

なお、図１に示す例では、全てのＩＧＢＴ構造がＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３に選択的に配置され、全てのダイオード構造がダイオード領域ＳＤ１−３に選択的に配置されている。しかしながら、裏面構造については、このようなレイアウトに限定されない。例えば、図４に示されるように、ダイオード領域ＳＤ１−３の裏面構造は、コレクタ領域２１とカソード領域２２の各々が面内に分散配置されていてもよい。この例では、ダイオード領域ＳＤ１−３におけるカソード領域２２の面積が少なくなるので、ダイオード動作時のキャリア注入量が抑えられる。また、図５に示されるように、コレクタ領域２１とカソード領域２２の各々が半導体基板１０の裏面全体に画一的に分散配置されていてもよい。

このように、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３とダイオード領域ＳＤ１−３は、表面構造によって区別される。ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３は、ＩＧＢＴ構造のうちの少なくともドリフト領域２４とボディ領域２５とエミッタ領域２６とトレンチ絶縁ゲート部３０が配置されている領域であり、チャネルが形成される領域である。ダイオード領域ＳＤ１−３は、ダイオード構造のうちの少なくともドリフト領域２４とアノード領域２７が配置されている領域でありチャネルが形成されない領域である。

次に、半導体装置１の動作を説明する。まず、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３のＩＧＢＴ構造の動作について説明する。コレクタ電極３６にエミッタ電極３８よりも高い電位が印加され、ゲート電極３４に閾値以上の電位が印加されると、ゲート絶縁膜３２の側面のボディ領域２５にチャネルが形成され、ＩＧＢＴ構造がターンオンする。このとき、エミッタ電極３８から、エミッタ領域２６、ボディ領域２５のチャネル、ドリフト領域２４、バッファ領域２３及びコレクタ領域２１を経由して、コレクタ電極３６に向けて電子が流れる。一方、コレクタ領域２１から、バッファ領域２３、ドリフト領域２４及びボディ領域２５を経由して、エミッタ電極３８に向けて正孔が流れる。このように、ＩＧＢＴ構造がターンオンすると、コレクタ電極３６からエミッタ電極３８に向けて電流が流れる。その後、ゲート電極３４の電位が閾値未満に低下すると、チャネルが消失し、ＩＧＢＴ構造がターンオフする。

次に、ダイオード領域ＳＤ１−３のダイオード構造の動作について説明する。エミッタ電極３８にコレクタ電極３６よりも高い電位が印加されると、ボディ領域２５とドリフト領域２４で構成されるｐｎ接合に順方向電圧が加わり、ボディ領域２５からドリフト領域２４に正孔が注入される。一方、カソード領域２２からドリフト領域２４に電子が注入される。このように、ダイオード構造のｐｎダイオードが導通し、還流電流が流れる。

次に、半導体装置１の特徴を説明する。図２に示されるように、半導体装置１は、半導体基板１０を平面視したときに、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３とダイオード領域ＳＤ１−３が存在する素子領域の中央部から周辺に向けてＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３とダイオード領域ＳＤ１−３が交互に配置されていることを特徴とする。さらに、中央部を含む範囲にダイオード領域ＳＤ−１が配置されていることを特徴とする。さらに、ダイオード領域ＳＤ−１の各々の面積は、中央部から周辺に向けて減少することを特徴とする。換言すると、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の各々の面積は、中央部から周辺に向けて増加することを特徴とする。

ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３はチャネルが形成される領域であることから、ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板１０に加わる応力及び温度変動に対して敏感である。一方、ダイオード領域ＳＤ１−３はチャネルが形成される領域ではないことから、ダイオード領域ＳＤ１−３の局所的なオン電圧特性の変動は、半導体基板１０に加わる応力及び温度変動に対して鈍感である。

背景技術でも説明したように、半導体装置１は、モジュールとしてパッケージングされた後に、インバータ等の電力変換装置に実装される。このようなパッケージング及び実装工程は、半導体装置１の半導体基板１０に応力を加える。半導体基板１０に加わる応力は、中央部で最大値となる面内分布を有する。半導体装置１では、半導体基板１０に加わる応力が最大となる中央部側にダイオード領域ＳＤ１−３が多く配置されている。このため、半導体装置１では、オン電圧特性の大きな変動が抑えられ、半導体基板１０内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。

また、半導体装置１では、半導体基板１０を平面視したときに、中央部から周辺に向けてＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３とダイオード領域ＳＤ１−３が交互に配置されている。ＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の間にダイオード領域ＳＤ１−３が介在することにより、ダイオード領域ＳＤ１−３からの熱引きによってＩＧＢＴ領域ＳＩ１−３の局所的な温度上昇が抑えられ、これにより、半導体基板１０内におけるオン電圧特性の変動が均一化される。

このように、半導体装置１は、半導体基板１０に加わる応力及び半導体基板１０内の温度に起因した不均一な電気特性を改善することができる。この結果、不均一な電気特性に起因した局所的な電流集中が抑えられ、半導体装置１は高い信頼性を有することができる。

半導体装置１は、例えば大容量化された電力変換装置に実装される場合に有用である。電力変換装置は、並列接続されたスイッチング素子によって大容量化される。この場合、並列接続されるスイッチング素子には、１つのスイッチング素子に電流集中が生じないように、電気特性の揃ったものを用いることが重要である。しかしながら、パッケージング及び実装工程によって電気特性の変動が生じることで、スイッチング素子間に電気特性の不均一が生じると、１つのスイッチング素子に電流が集中することがある。半導体装置１に適用される技術は、パッケージング及び実装工程に起因した電気特性の変動を抑えることができるので、半導体装置１の間の電気特性の変動も抑えることができる。このため、半導体装置１に適用される技術は、大容量化された電力変換装置の信頼性を高めることができる。

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。

１：半導体装置
１０：半導体基板
２１：コレクタ領域
２２：カソード領域
２３：バッファ領域
２４：ドリフト領域
２５：ボディ領域
２５ａ：メインボディ領域
２５ｂ：コンタクトボディ領域
２６：エミッタ領域
２７：アノード領域
２７ａ：メインアノード領域
２７ｂ：コンタクトアノード領域
３０：トレンチ絶縁ゲート部
３２：ゲート絶縁膜
３４：ゲート電極
３６：コレクタ電極
３８：エミッタ電極
４０：ダミートレンチ
４２：ダミートレンチ絶縁膜
４４：ダミートレンチ電極
ＳＤ１−３：ダイオード領域
ＳＩ１−３：ＩＧＢＴ領域

Claims (1)

1. 複数のＩＧＢＴ領域と複数のダイオード領域に区画されている半導体基板と、
   前記半導体基板の第１主面を被膜する第１主面電極と、
   前記半導体基板の第２主面を被膜する第２主面電極と、を備えており、
   前記半導体基板に設けられているＩＧＢＴ構造は、
   前記第１主面電極に接する第１導電型のコレクタ領域と、
   前記コレクタ領域上に設けられている第２導電型の第１ドリフト領域と、
   前記第１ドリフト領域上に設けられており、前記第２主面電極に接する第１導電型のボディ領域と、
   前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から隔てられており、前記第２主面電極に接する第２導電型のエミッタ領域と、
   前記ドリフト領域と前記エミッタ領域を隔てる部分の前記ボディ領域に対向する絶縁ゲート部と、を有しており、
   前記半導体基板に設けられているダイオード構造は、
   前記第１主面電極に接する第２導電型のカソード領域と、
   前記第２主面電極に接する第１導電型のアノード領域と、
   前記カソード領域と前記アノード領域の間に設けられており、前記カソード領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度を含む第２導電型の第２ドリフト領域と、を有しており、
   前記ＩＧＢＴ領域には、少なくとも前記第１ドリフト領域と前記ボディ領域と前記エミッタ領域と前記絶縁ゲート部が配置されており、
   前記ダイオード領域には、少なくとも前記第２ドリフト領域と前記アノード領域とが配置されており、
   前記半導体基板を平面視したときに、中央部から周辺に向けて前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域が交互に配置されており、
   前記中央部を含む範囲に前記ダイオード領域が配置されており、
   前記ダイオード領域の各々の面積は、前記中央部から周辺に向けて減少する、半導体装置。

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