JP2020136543A

JP2020136543A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2020136543A
Application number: JP2019029823A
Authority: JP
Inventors: 将久保; Susumu Kubo; 幸多大井; Kota Oi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Denso Corp
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Denso Corp
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: JP7200739B2

Abstract

【課題】遮断状態の維持を妨げられにくい半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１の半導体基板１０には、トレンチ２０として、駆動電圧を印加可能な主トレンチ部２０ａと、駆動電圧を印加不能なダミートレンチ部２０ｂとが形成されている。また半導体基板１０には、エミッタ領域４６およびドリフト領域４１が形成されている。エミッタ領域４６からドリフト領域４１までの深さ寸法が、主トレンチ部２０ａの壁面よりも、ダミートレンチ部２０ｂの壁面において大きくなるように設定されている。【選択図】図３

Description

本開示は、ダミートレンチを有する半導体装置に関する。

特許文献１には、スイッチング素子の制御電極としてのゲート電極を、半導体基板に形成されたトレンチ内に配置したトレンチゲート型の半導体装置が開示されている。特許文献１の半導体装置におけるトレンチには、主トレンチと、ダミートレンチとが含まれる。主トレンチは、ゲート電極の配置されたトレンチであり、半導体装置の外部から電圧制御を受けるトレンチである。ダミートレンチは、例えばエミッタ電位に固定される電極などの設けられたトレンチであり、外部からの電圧制御を受けないトレンチである。

こうした半導体装置においては、エミッタ電極などの半導体基板の主面に配置される主電極に、設計と異なる形状に形成された異常形成部が発生する場合がある。異常形成部の周辺では、主電極の形成に用いられるメッキ液中の不純物イオンの拡散などに起因して、半導体基板の内部における各導電型の領域の配置が、部分的に設計と異なる配置に変化しやすい。すなわち、半導体基板の内部には、各導電型の領域が、あらかじめ不純物を意図的に注入することにより、設計に従う配置で形成されている。こうした各領域の配置が、主電極を形成する工程およびそれ以降に拡散した不純物により、意図しない配置に変化しうる。

主トレンチ周辺における配置変化は、ゲート電極の電圧と、スイッチング素子に流れる電流との対応関係を変化させる。故に、主トレンチ周辺に異常形成部の生じた半導体装置は、電圧と電流との関係を検査することにより検出および除去できる。

特開２００２−３５３４５６号公報

しかし、ダミートレンチ周辺の配置変化は、電圧と電流との関係を変化させない場合がある。故に、ダミートレンチ周辺に異常形成部の生じた半導体装置は、上述の検査により検出および除去できない場合がある。

異常形成部の生じた半導体装置において、異常形成部からの拡散の継続に伴う配置変化の進行は、半導体基板全体としての遮断状態の維持を妨げうる。従って特許文献１の半導体装置は、配置変化の進行に伴い、遮断状態の維持を妨げられるおそれがあった。

本開示は、遮断状態の維持を妨げられにくい半導体装置の提供を目的とする。

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、本開示の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として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って、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するための本開示の一つの半導体装置は、半導体基板（１０）と、半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、半導体基板は、第一主電極と第二主電極との間の導通状態を駆動電圧に従って制御するスイッチング素子部（１１）を有する半導体装置であって、半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、ドリフト領域の第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、第一主面からベース領域を貫通してドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、第一主電極およびトレンチに隣接すると共に、ベース領域によりドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、トレンチは、駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）が設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、ゲート電極が設けられていないダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、ダミートレンチ部の壁面における主電極領域からドリフト領域までの深さ寸法が、主トレンチ部の壁面における主電極領域からドリフト領域までの深さ寸法よりも大きい。

以上の構成によれば、ダミートレンチ部の周辺においては、主電極領域からドリフト領域までの深さ寸法が大きい。故に、ダミートレンチ部の周辺においては、配置変化として主電極領域の拡大を生じた場合であっても、主電極領域とドリフト領域との導通を可能とする状態まで拡大しにくい。従って半導体装置は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

本開示の他の一つの半導体装置は、半導体基板（１０）と、半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、半導体基板は、第一主電極と第二主電極と間の導通状態を駆動電圧に従って制御するスイッチング素子部（１１）を有する半導体装置であって、半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、ドリフト領域の第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、第一主面からベース領域を貫通してドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、第一主電極およびトレンチに隣接すると共に、ベース領域によりドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、トレンチは、駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）を設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、ゲート電極を設けられていないダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、ベース領域には、低濃度領域（４５ｂ）と、低濃度領域よりも不純物濃度が高く、ダミートレンチ部に接すると共に、低濃度領域により主トレンチ部から分離されている高濃度領域（４５ａ）と、が含まれる。

以上の構成によれば、高濃度領域は、低濃度領域と比較して、不純物の拡散を受けた場合であっても導電型の変化を生じにくい。故に、高濃度領域の接しているダミートレンチ部周辺に異常形成部が発生した場合であっても、不純物の拡散の継続による配置変化の進行が抑制されうる。従って半導体装置は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

本開示の更に他の一つの半導体装置は、半導体基板（１０）と、半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、半導体基板は、第一主電極と第二主電極と間の導通状態を駆動電圧に従って制御するスイッチング素子部（１１）を有する半導体装置であって、半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、ドリフト領域の第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、第一主面からベース領域を貫通してドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、第一主電極およびトレンチに隣接すると共に、ベース領域によりドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、トレンチは、駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）を設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、駆動電圧の印加されないダミー電極（２３）を設けられたダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、ダミートレンチ部の壁面におけるベース領域の最大不純物濃度位置からダミー電極までの離間距離が、主トレンチ部の壁面におけるベース領域の最大不純物濃度位置からゲート電極までの離間距離よりも大きい。

以上の構成によれば、ダミー電極は、ゲート電極と比較してトレンチの壁面における最大不純物濃度位置からの離間距離を大きく設定されている。従って、ダミー電極に電位の変動が生じた場合であっても、ダミートレンチ部の壁面における最大不純物濃度位置における電位が影響を受けにくい。故に、異常形成部からの不純物の拡散を受けていても、最大不純物濃度位置における反転層の形成が抑制されうる。従って半導体装置は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

本開示の更に他の一つの半導体装置は、半導体基板（１０）と、半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、第一主電極と第二主電極と間の導通状態を駆動電圧に従って制御する半導体装置であって、半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、ドリフト領域の第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、第一主面からベース領域を貫通してドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、第一主電極およびトレンチに隣接すると共に、ベース領域によりドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、トレンチは、駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）を設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、ゲート電極が設けられていないダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、ダミートレンチ部には、全体に絶縁材（２４）が充填されている。

以上の構成によれば、ダミートレンチ部には、全体に絶縁材が充填されている。従って、ダミートレンチ部の壁面における反転層の形成が抑制されうる。故に、ダミートレンチ部周辺において異常形成部からの不純物の拡散によりベース領域の厚さ寸法が減少していても、反転層による貫通が抑制されうる。従って半導体装置は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

半導体装置の概略を示す図である。第一主面を正面視した図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。異常形成部の発生した半導体装置の例を示す図である。駆動セル周辺の異常形成部による駆動電圧と主電流との関係変化を示す図である。第二実施形態の半導体装置を示す図である。主トレンチ壁面における不純物濃度の分布例を示す図である。ダミートレンチ壁面における不純物濃度の分布例を示す図である。第三実施形態の半導体装置を示す図である。第四実施形態の半導体装置を示す図である。

以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において、対応する構成要素には同一番号の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりでなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても部分的に構成を組み合わせることも可能である。

＜第一実施形態＞
本開示の第一実施形態による半導体装置１を図面に沿って説明する。図１に示す半導体装置１は、半導体基板１０を主体として構成されている半導体チップである。半導体基板１０は、第一主面１０ａと第二主面１０ｂとを有する矩形板状に形成された、シリコンなどの半導体による基板である。以下の説明において、互いに直交する三方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向により規定される平面をＸＹ平面と表す。Ｘ方向およびＹ方向は、それぞれ第一主面１０ａの直交する二つの辺のいずれか一方に沿った方向である。Ｚ方向は、半導体基板１０の板厚方向に沿った方向である。半導体基板１０は、ＩＧＢＴ部１１、ダイオード部１２、および信号パッド１３を備える。

ＩＧＢＴ部１１は、半導体基板１０のうち、絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして機能する「スイッチング素子部」に相当する部分である。ＩＧＢＴ部１１には、Ｚ方向に主電流を流す縦型のＩＧＢＴ素子に相当する構造のセルが、並列接続される配置で多数形成されている。すなわちＩＧＢＴ部１１は、印加された駆動電圧に従い、第一主面１０ａと、第二主面１０ｂとの間の導通状態を通電状態と遮断状態との間で切換え制御する機能を発揮する。より具体的には、ＩＧＢＴ部１１は、第一主面１０ａをエミッタとし、第二主面１０ｂをコレクタとする配置の多数のＩＧＢＴ素子を含んでいる。ＩＧＢＴ部１１は、後述のトレンチ２０内にゲートに相当する電極を配置したトレンチゲート型の構成である。

ダイオード部１２は、半導体基板１０のうち、ＩＧＢＴ部１１のフリーホイールダイオードとして機能する部分である。すなわち、ＩＧＢＴ部１１のエミッタ側に相当する第一主面１０ａから、コレクタ側に相当する第二主面１０ｂに向かって順方向となるように形成されている。すなわち本実施形態の半導体装置１は、いわゆるトレンチゲート型の逆導通絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして機能する半導体チップである。

信号パッド１３は、半導体基板１０の表面に部分的に金属箔を設けることにより形成された信号の入出力部である。半導体装置１に複数設けられた信号パッドには、駆動パッドが含まれる。駆動パッドは、ＩＧＢＴ部１１の導通状態を切り換えるための駆動電圧の入力を受ける信号パッド１３である。駆動パッドは、制御装置または検査装置などの半導体装置１の外部の装置と電気的に接続され、駆動電圧の入力を受ける。

半導体装置１の詳細な構造を説明する。図２および図３に示すように、半導体基板１０の表面には、トレンチ２０が形成されていると共に、層間絶縁膜３１、エミッタ電極３２、およびコレクタ電極３５が積層されている。また半導体基板１０の内部には、図３および図４に示すように、多数キャリアの種類や濃度の異なる複数の領域が形成されている。半導体基板１０内部の各領域は、半導体基板１０の表面に形成された各構成の形成前に、不純物を意図的に注入することにより形成されている。各領域は、半導体基板１０の内部においてＸＹ平面に沿って広がり、Ｚ方向に積層される配置で形成されている。具体的には、半導体基板１０には、ドリフト領域４１、フィールドストップ領域４２、コレクタ領域４３、カソード領域４４、ベース領域４５、エミッタ領域４６、および抑制領域４７が形成されている。

トレンチ２０は、第一主面１０ａから第二主面１０ｂに向けて所定の深さで形成された、Ｘ方向に沿って延伸している断面略矩形の溝である。トレンチ２０は、ＩＧＢＴ部１１およびダイオード部１２に相当する部分の全体に、例えばＹ方向において実質的に均等な所定の間隔で多数形成されている。本実施形態のトレンチ２０の間隔は、２．３μｍに設定されている。各トレンチ２０は、ベース領域４５を貫通してドリフト領域４１に到達する深さで形成されている。各トレンチ２０の内部には、トレンチ絶縁膜２１が設けられている。またトレンチ２０は、主トレンチ部２０ａとダミートレンチ部２０ｂとを含む。

トレンチ絶縁膜２１は、例えば酸化シリコンを主体とする絶縁材料により形成された、各トレンチ２０の底面および壁面の全面に設けられている絶縁膜である。トレンチ絶縁膜２１は、トレンチ２０の内部を、トレンチ２０の底面および壁面に露出した半導体基板１０から絶縁している。

主トレンチ部２０ａは、トレンチ２０のうち、内部にゲート電極２２を配置されている部分である。ゲート電極２２は、ポリシリコンを主体とする導電材料により形成された電極である。ゲート電極２２は、トレンチ絶縁膜２１に覆われた状態でトレンチ２０の内部に配置されている。ゲート電極２２のＺ方向における両端部のうち、トレンチ２０の開口側の端部は、第一主面１０ａと実質的に同一平面に位置している。各ゲート電極２２は、駆動パッドと電気的に接続されている。従って各ゲート電極２２は、駆動パッドへの駆動電圧の入力により、駆動電圧の提供を受ける。

本実施形態では、ＩＧＢＴ部１１に並ぶ多数のトレンチ２０のうち、二つおきに選ばれたトレンチ２０が主トレンチ部２０ａとして設定されている。半導体基板１０のうちＹ方向において主トレンチ部２０ａと隣のトレンチ２０とに挟まれた部分は、キャリアの濃度分布に駆動パッドへ入力される駆動電圧に応じた変化を生じる。従ってこの部分は、ＩＧＢＴとして駆動可能な駆動セルと言える。

ダミートレンチ部２０ｂは、トレンチ２０のうち、内部にゲート電極２２を配置されていない部分である。すなわちダミートレンチ部２０ｂは、主トレンチ部２０ａを除くすべてのトレンチ２０である。本実施形態のダミートレンチ部２０ｂの内部には、ゲート電極２２に替えてダミー電極２３が配置されている。

ダミー電極２３は、ゲート電極２２と同様の導電材料により形成された電極である。各ダミー電極２３は、主トレンチと同様にトレンチ絶縁膜２１に覆われた状態でトレンチ２０の内部に配置されている。ダミー電極２３は、いずれの信号パッド１３にも電気的に接続されていない。従ってダミー電極２３は、駆動パッドへの駆動電圧の入力によりゲート電極２２に駆動電圧が提供されている場合であっても、駆動電圧の提供を受けない。

本実施形態のダミー電極２３は、エミッタ電極３２と電気的に接続されている。故に、ダミー電極２３のエミッタ電極３２に対する電圧は、実質的に０Ｖに固定されており、半導体装置１の外部から自由に変動させることができない。半導体基板１０のうちＹ方向においてダミートレンチ部２０ｂに挟まれた部分は、キャリアの濃度分布に駆動パッドへ入力される駆動電圧に応じた変化を実質的に生じない。従ってこの部分は、駆動不能な非駆動セルと言える。

層間絶縁膜３１は、例えば酸化シリコンを主体とする絶縁材料により形成された、第一主面１０ａに積層されている絶縁膜である。層間絶縁膜３１は、各トレンチ２０の開口を覆い、各トレンチ２０の内部を外部から絶縁している。層間絶縁膜３１は、トレンチ絶縁膜２１と合わせて、各トレンチ２０の内部を外部から絶縁する略筒状となっている。層間絶縁膜３１には、Ｚ方向に貫通するコンタクトホールが部分的に形成されている。コンタクトホールは、各トレンチ２０の間の第一主面１０ａを部分的に露出させる配置で形成され、露出した第一主面１０ａにエミッタ電極３２を接続可能としている。

本実施形態のコンタクトホールは、トレンチ２０の間ごとに、Ｘ方向に延びるスリット状に形成されている。従って層間絶縁膜３１は、Ｘ方向に延伸する複数の帯状となるようにスリットにより分割され、各トレンチ２０を個別に覆う配置とも言える。各トレンチ２０を覆う層間絶縁膜３１の幅は、トレンチ２０の幅よりも大きい。従ってコンタクトホールのＹ方向における寸法は、トレンチ２０の間隔よりも小さい。

エミッタ電極３２は、第一主面１０ａに電気的に接続された、「第一主電極」に相当する電極である。エミッタ電極３２は、第一主面１０ａのうち、ＩＧＢＴ部１１のエミッタに相当するエミッタ領域４６、およびダイオード部１２のアノードに相当する領域の露出した部分に電気的に接続されている。エミッタ電極３２は、コンタクト部３３と、電極層３４とを含んでいる。

コンタクト部３３は、エミッタ電極３２のうち、層間絶縁膜３１に形成されたスリット状のコンタクトホール内に配置されている部分である。コンタクト部３３は、例えばタングステンを主体とする導電材料を、主として化学気相成長法などにより堆積させることにより形成されている。コンタクト部３３は、図示しないバリアメタル層を介して第一主面１０ａに接している。コンタクト部３３は、Ｙ方向において各層間絶縁膜３１の間に配置された、Ｘ方向に沿って延伸する帯板状に形成されている。各コンタクト部３３の第一主面１０ａとの接触部におけるＹ方向の幅寸法は、トレンチ２０の間隔よりも小さく、例えば１μｍ以下となっている。

電極層３４は、エミッタ電極３２のうち、層間絶縁膜３１およびコンタクト部３３を挟んで第一主面１０ａに積層された部分である。電極層３４は、例えばアルミニウムを主体とする導電材料を、主として電気メッキで積層することにより形成されている。電極層３４は、層間絶縁膜３１およびコンタクト部３３により第一主面１０ａから分離されている。電極層３４の両面は、ＸＹ平面に沿った平滑な面となっている。

コレクタ電極３５は、第二主面１０ｂと電気的に接続された、「第二主電極」に相当する電極である。コレクタ電極３５は、例えば電極層３４と同様の導電材料により形成されている。コレクタ電極３５は、第二主面１０ｂに図示しないバリアメタル層を介して積層されている。コレクタ電極３５は、第二主面１０ｂのうち、ＩＧＢＴ部１１のコレクタに相当するコレクタ領域４３、およびダイオード部１２のカソードに相当するカソード領域４４の露出した部分に接続されている。

ドリフト領域４１は、主電流の流れるｎ型半導体の層である。ｎ型半導体となっている領域、すなわち電子を多数キャリアとする導電型の領域が、「第一導電型」の領域に相当する。ドリフト領域４１は、ＩＧＢＴ部１１およびダイオード部１２に相当する部分全体に広がって形成されている。ドリフト領域４１の第一主面１０ａ側の境界面は、第一主面１０ａからの深さ寸法が実質的に均一な平面状となっている。

フィールドストップ領域４２は、ドリフト領域４１の第二主面１０ｂ側に隣接して形成されたｎ型半導体の層である。フィールドストップ領域４２の不純物濃度は、ドリフト領域４１の不純物濃度よりも高い状態となっている。フィールドストップ領域４２は、ドリフト領域４１における第二主面１０ｂ側への空乏層の拡大を抑制する機能を発揮する。

コレクタ領域４３は、ＩＧＢＴ部１１において、フィールドストップ領域４２と第二主面１０ｂとの間に形成されたｐ型半導体の層である。コレクタ領域４３は、コレクタ電極３５と電気的に接続されている。

カソード領域４４は、ダイオード部１２において、フィールドストップ領域４２と第二主面１０ｂとの間に形成されたｎ型半導体の層である。カソード領域４４は、例えばバリアメタル層を介してコレクタ電極３５と電気的に接続されている。

ベース領域４５は、ドリフト領域４１の第一主面１０ａ側に隣接して形成されているｐ型半導体の層である。ｐ型半導体となっている領域、すなわち正孔を多数キャリアとする導電型の領域が、「第二導電型」の領域に相当する。ベース領域４５は、ＩＧＢＴ部１１およびダイオード部１２に相当する部分全体に広がって形成されている。ベース領域４５は、各トレンチ２０によりＺ方向に貫通されている。従ってベース領域４５は、各トレンチ２０によりＸ方向に延びるスリットを形成された状態である。換言すれば、ベース領域４５は、各トレンチ２０の間をＸ方向に延びる帯状の層となっている。

ベース領域４５は、エミッタ領域４６に覆われていない部分において、第一主面１０ａに露出している。第一主面１０ａのうちダイオード部１２に相当する部分に露出したベース領域４５は、ダイオード部１２のアノードに相当している。ベース領域４５の主トレンチ部２０ａ周辺は、ゲート電極２２への駆動電圧印加に伴うドリフト領域４１からエミッタ領域４６まで貫通する反転層の形成により、主電流を通過させるチャネルとなる。

エミッタ領域４６は、ＩＧＢＴ部１１の一部において、ベース領域４５と第一主面１０ａとの間に形成されたｎ型半導体の層である。エミッタ領域４６は、ベース領域４５によりドリフト領域４１から分離されており、ドリフト領域４１に接触しない配置である。

エミッタ領域４６は、Ｘ方向に所定の間隔で複数並んだＹ方向に延びる帯状の層を、各トレンチ２０により分断することにより形成されている。従って各トレンチ２０の間のエミッタ領域４６は、両側のトレンチ２０に接触している。またエミッタ領域４６の第一主面１０ａに露出した部分は、エミッタ電極３２のうちコンタクト部３３に接している。従ってエミッタ領域４６は、エミッタ電極３２および各トレンチ２０に隣接した「主電極領域」に相当する領域である。

第一主面１０ａのうち、エミッタ領域４６の露出していない部分には、ベース領域４５が露出している。従って第一主面１０ａのうち各トレンチ２０の間に位置する部分には、ベース領域４５およびエミッタ領域４６が、Ｘ方向において交互に並ぶ配置で露出している。こうしたＸ方向に交互に並ぶ配置により、露出したベース領域４５およびエミッタ領域４６のそれぞれが、Ｙ方向の幅寸法の小さいコンタクト部３３に対する接続を確保される。

本実施形態では、エミッタ領域４６のＺ方向における厚さ寸法が、ダミートレンチ部２０ｂに対する接触部分と主トレンチ部２０ａに接触する部分とで異なっている。換言すれば、ダミートレンチ部２０ｂの壁面に相当する部分における第一主面１０ａからのエミッタ領域４６の深さ寸法と、主トレンチ部２０ａの壁面に相当する部分におけるエミッタ領域４６の深さ寸法とが異なっている。より具体的には、ダミートレンチ部２０ｂの壁面におけるエミッタ領域４６の深さ寸法は、主トレンチ部２０ａの壁面におけるエミッタ領域４６の深さ寸法よりも小さい。主トレンチ部２０ａ周辺のエミッタ領域４６は、例えばダミートレンチ部２０ｂ周辺と同時の不純物注入前に、主トレンチ部２０ａ周辺のみに不純物注入を行って形成されている。主トレンチ部２０ａ周辺のエミッタ領域４６は、例えばダミートレンチ部２０ｂ周辺の二倍程度の厚さ寸法となっている。

この結果、ダミートレンチ部２０ｂの壁面におけるエミッタ領域４６からドリフト領域４１までの深さ寸法が、主トレンチ部２０ａの壁面におけるエミッタ領域４６からドリフト領域４１までの深さ寸法よりも大きくなっている。換言すれば、エミッタ領域４６とドリフト領域４１との間のベース領域４５の厚さ寸法が、主トレンチ部２０ａとの接触部分よりもダミートレンチ部２０ｂとの接触部分で大きくなっている。

抑制領域４７は、ベース領域４５の内部に部分的に形成された、ドリフト領域４１および第一主面１０ａから離間した配置のｎ型半導体の層である。抑制領域４７は、ダミートレンチ部２０ｂと主トレンチ部２０ａとに挟まれたベース領域４５の内部に形成されている。抑制領域４７は、Ｚ方向の投影視において、各エミッタ領域４６のＸ方向における中間に位置している。抑制領域４７は、ダミートレンチ部２０ｂに接触すると共に、主トレンチ部２０ａから離間している。具体的には、ダミートレンチ部２０ｂから、ダミートレンチ部２０ｂと主トレンチ部２０ａとの中央付近まで広がって形成されている。抑制領域４７の形成される深さ範囲は、例えばエミッタ領域４６のダミートレンチ部２０ｂ周辺における最大深さから、エミッタ領域４６の主トレンチ部２０ａ周辺における最大深さまでの範囲に設定されている。

［第一実施形態のまとめ］
以上、説明した第一実施形態によれば、ダミートレンチ部２０ｂの壁面におけるエミッタ領域４６からドリフト領域４１までの深さ寸法は、主トレンチ部２０ａの壁面におけるエミッタ領域４６からドリフト領域までの深さ寸法よりも大きい。故に、ダミートレンチ部２０ｂの周辺においては、配置変化としてエミッタ領域４６にＺ方向において第二主面１０ｂ側への拡大を生じた場合であっても、エミッタ領域４６とドリフト領域４１との導通が生じにくい。

図５および図６を用いて、エミッタ領域４６の拡大について具体的に説明する。図５に示すように、半導体装置１の製造上のばらつきとして、電極層３４には、第一主面１０ａに接近する方向に部分的に突出した異常形成部３６が発生しうる。異常形成部３６の周辺では、異常形成部３６からの不純物の拡散により、エミッタ領域４６は、第二主面１０ｂ側、すなわちドリフト領域４１に向けて拡大しうる。

駆動セルに異常形成部３６によるエミッタ領域４６の拡大が生じた場合には、図６に示すように、ゲート電極２２へ印加される駆動電圧Ｖと、半導体装置１に流れる主電流Ｉとの関係が変化する。従って、駆動電圧Ｖと主電流Ｉとの関係の検査により、駆動セル周辺に異常形成部３６の発生した半導体装置１は、検出および除去可能である。

一方、図５に示すように非駆動セルに異常形成部３６によるエミッタ領域４６の拡大が生じた場合には、駆動電圧Ｖと主電流Ｉとの関係に実質的に変動が生じない。従って非駆動セル周辺に異常形成部３６の発生した半導体装置１は、検出および除去不能である場合がある。

こうした非駆動セル周辺の異常形成部３６およびエミッタ領域４６に対し、本実施形態では、非駆動セルにおいて、エミッタ領域４６からドリフト領域４１までの深さ寸法が駆動セルよりも大きく設計されている。この結果、非駆動セルにおいてエミッタ領域４６がドリフト領域４１に向けて拡大した場合であっても、エミッタ領域４６とドリフト領域４１との間のベース領域４５を挟んで離間した状態や、その離間距離が維持されやすい。故に、エミッタ領域４６とドリフト領域４１とのｐｎ接合を介さない直接的な接触や、ベース領域４５に発生した反転層を介した接続による、エミッタ領域４６とドリフト領域４１との導通の発生が抑制される。従って半導体装置１は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

また本実施形態では、ベース領域４５の内部に、主トレンチ部２０ａから離間し、ダミートレンチ部２０ｂに接する抑制領域４７が形成されている。こうした抑制領域４７により、Ｙ方向において、ベース領域４５の主トレンチ部２０ａからの幅寸法が、部分的に削減される。こうした幅寸法の部分的な削減は、ベース領域４５の主トレンチ部２０ａから離れた部分の電流の流れを抑制する。従って半導体装置１は、ラッチアップの発生を抑制可能である。

＜第二実施形態＞
図７に示す第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。第二実施形態における半導体装置１では、エミッタ領域４６の配置が第一実施形態における配置と異なっている。具体的には、第二実施形態のエミッタ領域４６は、全体にわたって実質的に均等な厚さ寸法で形成されている。また、第二実施形態におけるベース領域４５は、内部に抑制領域４７が形成されておらず、高濃度領域４５ａと低濃度領域４５ｂとを含んでいる。

高濃度領域４５ａは、ベース領域４５のうち、低濃度領域４５ｂよりも相対的に不純物濃度の高い領域である。ただし、低濃度領域４５ｂは、高濃度領域４５ａを除いた残りの部分である。高濃度領域４５ａおよび低濃度領域４５ｂは、ＸＹ平面に沿って広がっている。高濃度領域４５ａは、低濃度領域４５ｂに対して第一主面１０ａ側に積層される配置である。

高濃度領域４５ａは、各ダミートレンチ部２０ｂに接触すると共に、低濃度領域４５ｂにより主トレンチ部２０ａから分離されている。具体的には、高濃度領域４５ａは、Ｙ方向において各主トレンチ部２０ａから両側の所定距離までの範囲を除いた、ＩＧＢＴ部１１およびダイオード部１２の全体に広がって形成されている。所定距離は、例えばトレンチ２０の間隔の半分に設定されている。すなわち高濃度領域４５ａは、ＩＧＢＴ部１１の非駆動セルおよびダイオード部１２の全体に形成されるとともに、ＩＧＢＴ部１１の駆動セルの一部に形成されている。

不純物濃度の分布例を図８および図９に示す。図８は、主トレンチ部２０ａの壁面における分布例である。高濃度領域４５ａが接触していないため、ｐ型の不純物濃度が緩やかに変化している。図９は、ダミートレンチの壁面における分布例である。高濃度領域４５ａの形成のため追加で注入されたｐ型の不純物により、高濃度領域４５ａと低濃度領域４５ｂとの境界に相当する深さでｐ型の不純物濃度が急激に変化している。

［第二実施形態のまとめ］
高濃度領域４５ａは、不純物の拡散による導電型の変化、すなわちｎ型半導体への変化を、低濃度領域４５ｂと比較して生じにくい。故に、ダイオード部１２を含めた非駆動セルの周辺に異常形成部３６が発生した場合であっても、不純物の拡散の継続による配置変化が抑制されうる。従って、エミッタ領域４６とドリフト領域４１との間のベース領域４５を挟んだ離間距離が維持されやすい。故に、エミッタ領域４６とドリフト領域４１とのｐｎ接合を介さない直接的な接触や、ベース領域４５に発生した反転層を介した接続による、エミッタ領域４６とドリフト領域４１との導通の発生が抑制される。従って半導体装置は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

＜第三実施形態＞
図１０に示す第三実施形態は、第一実施形態の別の変形例である。第三実施形態における半導体装置１では、第二実施形態と同様に、エミッタ領域４６が全体にわたって実質的に均等な厚さ寸法で形成されており、またベース領域４５の内部に抑制領域４７が形成されていない。第三実施形態においては、ダミー電極２３の構成が第一実施形態と異なっている。

第三実施形態のダミー電極２３は、層間絶縁膜３１およびトレンチ絶縁膜２１により、表面全体を覆われている。すなわちダミー電極２３は、駆動パッドおよびエミッタ電極３２を含めた半導体装置１の表面のいずれの位置とも電気的に接続されておらず、フロート電位となっている。

第三実施形態のダミー電極２３は、Ｚ方向における両端部のうち、トレンチ２０の開口側の端部が、図８に示した最大濃度深さＤｄｍａｘよりも深い位置となっている。最大濃度深さＤｄｍａｘは、ｐ型の不純物濃度が最大となる深さを示す。すなわち、ベース領域４５におけるｐ型の不純物濃度が最大となる深さである。ダミー電極２３の開口側の端部は、例えば最大濃度深さＤｄｍａｘの二倍程度の深さに位置している。従って、ダミートレンチ部２０ｂの壁面における最大不純物濃度位置からダミー電極２３までの離間距離が、主トレンチ部２０ａの壁面における最大不純物濃度位置からゲート電極２２までの離間距離よりも大きくなっている。

［第三実施形態のまとめ］
以上、説明した第三実施形態によれば、ダミー電極２３は、ゲート電極２２よりも、トレンチ２０の壁面における最大不純物濃度位置から離間している。この結果、ダミートレンチ部２０ｂに接するベース領域４５の最大不純物濃度位置における電位は、ダミー電極２３における電圧変動の影響を受けにくい。故に、ダミートレンチ内に設けられた電極における電圧変動が生じた場合においても、ベース領域４５の最大不純物濃度位置には、反転層が形成されにくい。このため、ダミー電極２３の電位の変動により最大不純物濃度位置を除く部分に反転層が形成される場合であっても、反転層によるベース領域４５の貫通が生じにくい。従って半導体装置は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

＜第四実施形態＞
図１１に示す第四実施形態は、第一実施形態の別の変形例である。第四実施形態における半導体装置１では、第二実施形態と同様に、エミッタ領域４６が全体にわたって実質的に均等な厚さ寸法で形成されており、またベース領域４５の内部に抑制領域４７が形成されていない。第四実施形態においては、ダミートレンチ部２０ｂの構成が第一実施形態と異なっている。

第四実施形態のダミートレンチ部２０ｂには、ダミー電極２３に替えて、全体にわたってトレンチ絶縁膜２１と同様の絶縁材料による絶縁材２４が充填されている。すなわち、第四実施形態のダミートレンチ部２０ｂには、トレンチ絶縁膜２１に相当する絶縁材料が十分な厚さで配置されているともいえる。

［第四実施形態のまとめ］
以上、説明した第四実施形態によれば、ダミートレンチ部２０ｂには、絶縁材２４が充填されており、電極が配置されていない。こうした構成に反してダミートレンチ部２０ｂに電極が配置されている場合には、ダミートレンチ部２０ｂの電極における電位が変動した場合に、ダミートレンチ部２０ｂに接するベース領域４５に、反転層が発生しうる。故に、異常形成部３６によりエミッタ領域４６の拡大に伴いベース領域４５の厚さ寸法が減少していた場合、反転層によるベース領域４５の貫通が生じうる。こうした懸念に対し本実施形態では、ダミートレンチ部２０ｂには電極が配置されていない。この結果、ダミートレンチ部２０ｂに接するベース領域４５における、反転層の発生が抑制される。故に、反転層によるベース領域４５の貫通が生じにくい。従って半導体装置は、遮断状態の維持を妨げられにくい。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本開示の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

上述の第一実施形態においては、ベース領域４５の内部に抑制領域４７が形成されていた。しかし、抑制領域４７が形成されていなくてもよい。

上述の実施形態においては、半導体基板１０には、フリーホイールダイオードとして機能するダイオード部１２が形成されていた。しかし、ダイオード部１２が形成されていなくてもよい。

上述の実施形態においては、ドリフト領域４１の第二主面１０ｂ側には、不純物濃度の調整によりフィールドストップ領域４２が形成されていた。しかし、フィールドストップ領域４２は形成されていなくてもよい。また逆に各領域は、不純物濃度の調整により、より細分化された領域に区分する構成を採用可能である。

上述の実施形態においては、ダミー電極２３は、いずれの信号パッド１３にも電気的に接続されていなかった。しかし、駆動電圧の印加を受けない状態であれば、ダミー電極２３の接続関係はこれに限られない。例えば、ダミー電極２３の接続された信号パッドを、エミッタ電極３２と接続された信号パッドとワイヤボンディングで接続する構成であってもよい。こうした構成であっても、ダミー電極２３は、エミッタ電極３２に対する電圧を実質的に０Ｖに固定され、駆動電圧の印加を受けない状態となる。

上述の実施形態においては、半導体基板１０には、「スイッチング素子部」としてＩＧＢＴ部１１が設けられていた。しかし、「スイッチング素子部」として、ＭＯＳＦＥＴが設けられていてもよい。すなわち、半導体基板１０のドリフト領域４１と第二主面１０ａとの間に、コレクタ領域４３に替えて、ＭＯＳＦＥＴのドレインに相当するドレイン領域が形成されていてもよい。ドレイン領域は、ドリフト領域４１と導電型の一致する領域である。この場合、実施形態のエミッタ領域４６は、ＭＯＳＦＥＴのソースに相当するソース領域となる。

１半導体装置、１０半導体基板、１０ａ第一主面、１０ｂ第二主面、１１ＩＧＢＴ部（スイッチング素子部）、２０トレンチ、２０ａ主トレンチ部、２０ｂダミートレンチ部、２２ゲート電極、２３ダミー電極、２４絶縁材、３２エミッタ電極（第一主電極）、３５コレクタ電極（第二主電極）、４１ドリフト領域、４５ベース領域、４５ａ高濃度領域、４５ｂ低濃度領域、４６エミッタ領域（主電極領域）、４７抑制領域

Claims

半導体基板（１０）と、前記半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、前記半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、前記半導体基板は、前記第一主電極と前記第二主電極との間の導通状態を駆動電圧に従って制御するスイッチング素子部（１１）を有する半導体装置であって、
前記半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、前記ドリフト領域の前記第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、前記第一主面から前記ベース領域を貫通して前記ドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、前記第一主電極および前記トレンチに隣接すると共に、前記ベース領域により前記ドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、
前記トレンチは、前記駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）が設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、前記ゲート電極が設けられていないダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、
前記ダミートレンチ部の壁面における前記主電極領域から前記ドリフト領域までの深さ寸法が、前記主トレンチ部の壁面における前記主電極領域から前記ドリフト領域までの深さ寸法よりも大きい半導体装置。
前記半導体基板には、前記ベース領域の内部において、前記ドリフト領域、前記主電極領域、および前記主トレンチ部から離間し、前記ダミートレンチ部に隣接した第一導電型の抑制領域（４７）が形成されている請求項１に記載の半導体装置。
半導体基板（１０）と、前記半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、前記半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、前記半導体基板は、前記第一主電極と前記第二主電極と間の導通状態を駆動電圧に従って制御するスイッチング素子部（１１）を有する半導体装置であって、
前記半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、前記ドリフト領域の前記第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、前記第一主面から前記ベース領域を貫通して前記ドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、前記第一主電極および前記トレンチに隣接すると共に、前記ベース領域により前記ドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、
前記トレンチは、前記駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）を設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、前記ゲート電極を設けられていないダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、
前記ベース領域には、低濃度領域（４５ｂ）と、前記低濃度領域よりも不純物濃度が高く、前記ダミートレンチ部に接すると共に、前記低濃度領域により前記主トレンチ部から分離されている高濃度領域（４５ａ）と、が含まれる半導体装置。
半導体基板（１０）と、前記半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、前記半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、前記半導体基板は、前記第一主電極と前記第二主電極と間の導通状態を駆動電圧に従って制御するスイッチング素子部（１１）を有する半導体装置であって、
前記半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、前記ドリフト領域の前記第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、前記第一主面から前記ベース領域を貫通して前記ドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、前記第一主電極および前記トレンチに隣接すると共に、前記ベース領域により前記ドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、
前記トレンチは、前記駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）を設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、前記駆動電圧の印加されないダミー電極（２３）を設けられたダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、
前記ダミートレンチ部の壁面における前記ベース領域の最大不純物濃度位置から前記ダミー電極までの離間距離が、前記主トレンチ部の壁面における前記ベース領域の最大不純物濃度位置から前記ゲート電極までの離間距離よりも大きい半導体装置。
半導体基板（１０）と、前記半導体基板の第一主面（１０ａ）に接続された第一主電極（３２）と、前記半導体基板の第二主面（１０ｂ）に接続された第二主電極（３５）と、を備え、前記第一主電極と前記第二主電極と間の導通状態を駆動電圧に従って制御する半導体装置であって、
前記半導体基板には、第一導電型のドリフト領域（４１）と、前記ドリフト領域の前記第一主面側に隣接する第二導電型のベース領域（４５）と、前記第一主面から前記ベース領域を貫通して前記ドリフト領域に到達するトレンチ（２０）と、前記第一主電極および前記トレンチに隣接すると共に、前記ベース領域により前記ドリフト領域から分離されている第一導電型の主電極領域（４６）と、が形成されており、
前記トレンチは、前記駆動電圧を印加されるゲート電極（２２）を設けられた主トレンチ部（２０ａ）と、前記ゲート電極が設けられていないダミートレンチ部（２０ｂ）と、を含み、前記ダミートレンチ部には、全体に絶縁材（２４）が充填されている半導体装置。