JP2021103708A - 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 矩形トレンチを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、ラッチアップを抑制する。【解決手段】 絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、半導体基板の上面に設けられた矩形トレンチと、前記矩形トレンチ内に配置されたゲート絶縁膜及びゲート電極と、エミッタ電極と、矩形半導体領域の中央で前記エミッタ電極に接しているｐ型のコンタクト領域と、前記矩形半導体領域内に配置されたｎ型のエミッタ領域と、前記コンタクト領域と前記エミッタ領域に対して下から接するｐ型のボディ領域と、前記ボディ領域の下側に配置されたｎ型のドリフト領域、を有する。前記ドリフト領域のうちの前記矩形半導体領域内の部分が、前記矩形半導体領域の角部で前記ゲート絶縁膜に接する高濃度領域と、前記高濃度領域に対して横から接する低濃度領域を有している。【選択図】図４

Description

本明細書に開示の技術は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタに関する。

特許文献１に開示の絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、半導体基板の上面に設けられており、その上面において矩形に伸びる矩形トレンチを有している。矩形トレンチ内に、ゲート絶縁膜とゲート電極が配置されている。矩形トレンチに囲まれた矩形半導体領域内に、ｐ型のコンタクト領域、ｎ型のエミッタ領域、ｐ型のボディ領域が配置されている。コンタクト領域は、矩形半導体領域の中央でエミッタ電極に接している。エミッタ領域は、ゲート絶縁膜に接している。ボディ領域は、コンタクト領域とエミッタ領域に対して下から接している。ボディ領域は、エミッタ領域の下側でゲート絶縁膜に接している。ボディ領域の下側に、ｎ型のドリフト領域が配置されている。

特開２０１２−１９０９３８号公報

特許文献１の絶縁ゲートバイポーラトランジスタがオンすると、矩形領域の角部近傍に位置するドリフト領域においてホールの濃度が高くなる。角部近傍のドリフト領域内のホールは、ボディ領域を介してコンタクト領域へ流れる。角部近傍のドリフト領域から矩形半導体領域の中央に位置するコンタクト領域までの距離が長いので、ホールがボディ領域内を流れるときの電流経路が長く、その電流経路におけるボディ領域の電気抵抗が高い。したがって、ホールがボディ領域を流れるときにボディ領域の電位が上昇し易い。その結果、ボディ領域からエミッタ領域にホールが流入し、ラッチアップが生じる場合がある。本明細書では、矩形トレンチを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、ラッチアップを抑制する技術を提案する。

本明細書が開示する絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、半導体基板と、矩形トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、エミッタ電極と、コンタクト領域と、エミッタ領域と、ボディ領域と、ドリフト領域を有する。前記矩形トレンチは、前記半導体基板の上面に設けられており、前記上面において矩形に伸びている。前記ゲート絶縁膜は、前記矩形トレンチの内面を覆っている。前記ゲート電極は、前記矩形トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されている。前記エミッタ電極は、前記半導体基板の前記上面を覆っている。前記コンタクト領域は、前記矩形トレンチによって囲まれた矩形半導体領域内に配置されており、前記矩形半導体領域の中央で前記エミッタ電極に接しているｐ型領域である。前記エミッタ領域は、前記矩形半導体領域内に配置されており、前記ゲート絶縁膜と前記エミッタ電極に接しているｎ型領域である。前記ボディ領域は、前記矩形半導体領域内に配置されており、前記コンタクト領域と前記エミッタ領域に対して下から接しており、前記エミッタ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記コンタクト領域よりも低いｐ型不純物濃度を有するｐ型領域である。前記ドリフト領域は、前記ボディ領域の下側に配置されており、前記矩形半導体領域内で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型領域である。前記ドリフト領域のうちの前記矩形半導体領域内の部分が、高濃度領域と低濃度領域を有する。前記高濃度領域は、前記矩形半導体領域の角部で前記ゲート絶縁膜に接している。前記低濃度領域は、前記高濃度領域に対して横から接しており、前記高濃度領域よりも低いｎ型不純物濃度を有する。

この絶縁ゲートバイポーラトランジスタがオンすると、角部近傍のドリフト領域においてホールの濃度が高くなる。角部近傍のドリフト領域内のホールは、ボディ領域を介してコンタクト領域へ流れる。このとき、角部近傍のドリフト領域内のホールは、高濃度領域を避け、低濃度領域を介してボディ領域へ流入する。すなわち、ホールが、高濃度領域よりもコンタクト領域に近い低濃度領域からボディ領域に流入する。このため、ホールがボディ領域内を流れるときの経路が従来よりも短くなり、その経路の電気抵抗が従来よりも低くなる。したがって、ホールがボディ領域を流れるときにボディ領域の電位が上昇し難い。その結果、ボディ領域からエミッタ領域へのホールの流入が抑制され、ラッチアップが抑制される。

実施形態のＩＧＢＴの平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。 図１のＩＶ−ＩＶ線における断面図。 矩形半導体領域２４の拡大平面図。 図２〜４のＶＩ−ＶＩ線における断面図。

図１〜４は、実施形態の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）という）１０を示している。図２〜４に示すように、ＩＧＢＴ１０は、半導体基板２０と、エミッタ電極５０と、コレクタ電極６０を有している。エミッタ電極５０は、半導体基板２０の上面２０ａを覆っている。コレクタ電極６０は、半導体基板２０の下面２０ｂを覆っている。なお、図１では、エミッタ電極５０等の上面２０ａよりも上側の構造の図示を省略している。以下では、半導体基板２０の厚み方向をＺ方向といい、半導体基板２０の上面２０ａに平行な一方向をＸ方向といい、Ｚ方向及びＸ方向に対して垂直な方向をＹ方向という。

図１〜４に示すように、半導体基板２０の上面２０ａには、トレンチ７０ａ及び７０ｂ（以下、これらをまとめてトレンチ７０という場合がある）が形成されている。図２〜４に示すように、トレンチ７０は、半導体基板２０の上面２０ａに対して略垂直に（すなわち、Ｚ方向に沿って）伸びている。図１に示すように、トレンチ７０ａは、半導体基板２０の上面２０ａを平面視したときに、Ｘ方向に直線状に伸びている。トレンチ７０ｂは、半導体基板２０の上面２０ａを平面視したときに、Ｙ方向に直線状に伸びている。トレンチ７０ａとトレンチ７０ｂは、三差路状に交差している。トレンチ７０ａとトレンチ７０ｂによって、格子状に伸びるトレンチ７０が構成されている。トレンチ７０ａとトレンチ７０ｂの接続箇所において、トレンチ７０は９０度に折れ曲がっている。トレンチ７０によって、半導体基板２０の上面２０ａが、矩形の領域に仕切られている。以下では、トレンチ７０のうちの矩形に伸びている部分を矩形トレンチという。また、以下では、矩形トレンチによって囲まれた半導体領域を、矩形半導体領域２４という。図１に示すように、各矩形半導体領域２４は、４つの角部７１を有している。

図１〜４に示すように、トレンチ７０の内面（すなわち、底面と内壁面）は、ゲート絶縁膜７６に覆われている。トレンチ７０内には、ゲート電極８０が形成されている。ゲート電極８０は、トレンチ７０に沿って格子状に伸びている。ゲート電極８０は、ゲート絶縁膜７６を介して半導体基板２０に対向している。ゲート電極８０は、ゲート絶縁膜７６によって半導体基板２０から絶縁されている。図２〜４に示すように、ゲート電極８０の上面は層間絶縁膜７８に覆われており、その層間絶縁膜７８を覆うようにエミッタ電極５０が形成されている。層間絶縁膜７８によって、ゲート電極８０はエミッタ電極５０から絶縁されている。

次に、半導体基板２０の内部の構造について説明する。図５は、１つの矩形半導体領域２４を拡大視した平面図を示している。また、図６は、図２〜４のＶＩ−ＶＩ線の位置における断面図を示している。図２〜６に示すように、半導体基板２０は、エミッタ領域２２と、コンタクト領域２６と、ボディ領域２８と、ドリフト領域３４と、コレクタ領域３６を有している。

コンタクト領域２６は、ｐ型不純物濃度が高いｐ型半導体により構成されている。図２、４に示すように、コンタクト領域２６は、半導体基板２０の上面２０ａに露出する範囲に配置されている。図５に示すように、半導体基板２０の上面２０ａを見たときに、コンタクト領域２６は矩形半導体領域２４の中央を含む範囲に配置されている。コンタクト領域２６は、矩形半導体領域２４の中央においてエミッタ電極５０に対してオーミック接触している。コンタクト領域２６は、ゲート絶縁膜７６には接していない。

エミッタ領域２２は、ｎ型不純物濃度が高いｎ型半導体により構成されている。図５に示すように、１つの矩形半導体領域２４の中に４つのエミッタ領域２２が形成されている。図２、３に示すように、各エミッタ領域２２は、半導体基板２０の上面２０ａに露出する範囲に配置されている。各エミッタ領域２２は、エミッタ電極５０に対してオーミック接触している。図５に示すように、各エミッタ領域２２は、コンタクト領域２６の周囲に配置されている。各エミッタ領域２２は、トレンチ７０が直線状に伸びている部分（角部７１以外の部分）でゲート絶縁膜７６に接している。

ボディ領域２８は、コンタクト領域２６よりもｐ型不純物濃度が低いｐ型半導体により構成されている。図３〜５に示すように、ボディ領域２８は、コンタクト領域２６及びエミッタ領域２２が存在しない範囲で、半導体基板２０の上面２０ａに露出している。ボディ領域２８は、エミッタ電極５０に対してショットキー接触している。図５に示すように、ボディ領域２８は、角部７１とその周辺でゲート絶縁膜７６に接している。図３、４に示すように、ボディ領域２８は、上面２０ａからコンタクト領域２６とエミッタ領域２２よりも下側の範囲まで分布している。ボディ領域２８は、コンタクト領域２６とエミッタ領域２２に対して下側から接している。ボディ領域２８は、コンタクト領域２６を介してエミッタ電極５０と導通している。図２に示すように、ボディ領域２８は、エミッタ領域２２の下側でゲート絶縁膜７６に接している。

ドリフト領域３４は、ｎ型半導体により構成されている。図２〜４に示すように、ドリフト領域３４は、ボディ領域２８の下側に配置されている。ドリフト領域３４は、半導体基板２０の横方向の全域に亘って分布している。ドリフト領域３４は、矩形半導体領域２４（すなわち、トレンチ７０の下端よりも上側の範囲）からトレンチ７０の下端よりも下側の範囲まで分布している。トレンチ７０の下端よりも下側では、ドリフト領域３４は、複数の矩形領域２４の下側の範囲に跨って分布している。ドリフト領域３４は、矩形半導体領域２４内で、ボディ領域２８に対して下側から接している。ドリフト領域３４は、ボディ領域２８の下側でゲート絶縁膜７６に接している。ドリフト領域３４は、ボディ領域２８によってコンタクト領域２６及びエミッタ領域２２から分離されている。

コレクタ領域３６は、ｐ型半導体により構成されている。図２〜４に示すように、コレクタ領域３６は、ドリフト領域３４の下側に配置されている。コレクタ領域３６は、ドリフト領域３４に対して下側から接している。コレクタ領域３６は、半導体基板２０の下面２０ｂに露出する範囲に配置されている。コレクタ領域３６は、コレクタ電極６０に対してオーミック接触している。コレクタ領域３６は、ドリフト領域３４によってボディ領域２８から分離されている。

図４、６に示すように、ドリフト領域３４は、低濃度領域３４ａと、複数の高濃度領域３４ｂを有している。各高濃度領域３４ｂのｎ型不純物濃度は、低濃度領域３４ａのｎ型不純物濃度よりも高い。各高濃度領域３４ｂは、矩形半導体領域２４内に配置されている。図６に示すように、各高濃度領域３４ｂは、角部７１に隣接する位置に配置されている。各高濃度領域３４ｂは、角部７１とその周辺でゲート絶縁膜７６に接している。図４に示すように、低濃度領域３４ａは、矩形半導体領域２４からトレンチ７０の下端よりも下側の範囲まで分布している。低濃度領域３４ａは、矩形半導体領域２４内のドリフト領域３４のうちの高濃度領域３４ｂを除く全域に分布している。低濃度領域３４ａは、高濃度領域３４ｂに対して横から接している。図６に示すように、矩形半導体領域２４内では、低濃度領域３４ａは、トレンチ７０が直線状に伸びている部分（角部７１以外の部分）でゲート絶縁膜７６に接している。図４に示すように、低濃度領域３４ａは、ボディ領域２８に対して下側から接している。低濃度領域３４ａは、高濃度領域３４ｂの上側にも分布しており、高濃度領域３４ｂをボディ領域２８から分離している。但し、他の実施形態では、高濃度領域３４ｂがボディ領域２８に接していてもよい。低濃度領域３４ａは、トレンチ７０の下端よりも下側の範囲では、ドリフト領域３４の全体に分布している。

次に、ＩＧＢＴ１０の動作について説明する。ＩＧＢＴ１０をオンさせる際には、コレクタ電極６０とエミッタ電極５０の間にコレクタ電極６０がプラスとなる電圧を印加した状態で、ゲート電極８０に閾値以上の電圧を印加する。すると、ゲート絶縁膜７６に接している範囲のボディ領域２８が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、エミッタ電極５０から、エミッタ領域２２とチャネルを通ってドリフト領域３４に流入する。これと同時に、ホールが、コレクタ電極６０から、コレクタ領域３６を通ってドリフト領域３４に流入する。すると、ドリフト領域３４の電気抵抗が伝導度変調現象によって低下する。ドリフト領域３４に流入した電子は、ドリフト領域３４とコレクタ領域３６を通過して、コレクタ電極６０へと流れる。このようにして、電子がエミッタ電極５０からコレクタ電極６０に流れることで、ＩＧＢＴ１０に電流が流れる。

また、ドリフト領域３４に流入したホールは、ボディ領域２８とコンタクト領域２６を介してエミッタ電極５０へ流れる。図４の破線矢印１０２は、ドリフト領域３４内におけるホールの流れを示している。矢印１０２に示すように、ドリフト領域３４内のホールは、トレンチ７０を避けるように流れる。このようにホールがトレンチ７０を避けて流れるため、トレンチ７０近傍のドリフト領域３４にホールが集中する。特に、角部７１近傍（高濃度領域３４ｂの直下）の位置Ｘでは、トレンチ７０ａを避けたホールとトレンチ７０ｂを避けたホールが集まるので、ホールの濃度が高くなる。このため、位置Ｘにおいてドリフト領域３４の電気抵抗が極めて低くなり、電子が低損失でドリフト領域３４を通過することが可能となる。したがって、ＩＧＢＴ１０のオン電圧は低い。

図４、５の矢印１０４、１０６は、位置Ｘからコンタクト領域２６に向かって流れるホールの経路を示している。また、図４の矢印１１４、１１６は、高濃度領域３４ｂがない場合（すなわち、ドリフト領域３４全体が低濃度領域３４ａである場合）にホールが流れる経路を示している。高濃度領域３４ｂがない場合には、位置Ｘに存在するホールの多くは、図４の矢印１１４に示すように真上に向かって流れてボディ領域２８に流入する。そして、図４、５の矢印１１６に示すように、ボディ領域２８内を対角線方向（矩形半導体領域２４の対角線の方向）に沿って流れてコンタクト領域２６に流入する。これに対し、本実施形態の場合（すなわち、高濃度領域３４ｂがある場合）には、ホールが低濃度領域３４ａから高濃度領域３４ｂに流入し難いので、ホールが高濃度領域３４ｂを避けて流れる。すなわち、図４の矢印１０４に示すように、位置Ｘに存在するホールは、高濃度領域３４ｂを避けて斜め上方向に向かって流れてボディ領域２８に流入する。このため、矢印１０４の場合には、矢印１１４の場合よりも、ホールがボディ領域２８に流入する位置がコンタクト領域２６に近い。ボディ領域２８に流入したホールは、図４、５の矢印１０６に示すように、コンタクト領域２６まで流れる。図４、５において矢印１０６と矢印１１６を比較することで明らかなように、高濃度領域３４ｂがある場合には、高濃度領域３４ｂがない場合よりも、ボディ領域２８内をホールが流れる経路の長さが短く、その経路における電気抵抗が低い。したがって、高濃度領域３４ｂがある場合には、高濃度領域３４ｂがない場合よりも、ボディ領域２８の電位が上昇し難い。このため、高濃度領域３４ｂがある場合には、高濃度領域３４ｂがない場合よりも、ボディ領域２８からエミッタ領域２２にホールが流入し難く、ラッチアップが生じ難い。このように、実施形態のＩＧＢＴ１０によれば、ラッチアップを抑制することができる。

なお、他の実施形態においては、コレクタ領域３６の一部を高濃度のｎ型のカソード領域に置き換えてもよい。すなわち、ドリフト領域３４よりもｎ型不純物濃度が高いカソード領域によって、ドリフト領域３４とコレクタ電極６０を接続してもよい。このようにカソード領域を設けると、半導体基板２０の内部にダイオードを形成することができる。この場合、エミッタ電極５０とコレクタ電極６０の間にエミッタ電極５０がプラスとなる電圧を印加すると、エミッタ電極５０から、コンタクト領域２６、ボディ領域２８、ドリフト領域３４、及び、カソード領域を介してコレクタ電極６０へ電流が流れる。すなわち、ボディ領域２８とドリフト領域３４の界面のｐｎ接合によって構成されたダイオードがオンする。ダイオードがオンしている状態では、ボディ領域２８からドリフト領域３４へ多量のホールが流入する。その後、エミッタ電極５０とコレクタ電極６０の間に印加する電圧を逆向きの電圧（すなわち、コレクタ電極６０がプラスとなる電圧）に切り換えると、ドリフト領域３４内に存在するホールが短時間の間にエミッタ電極５０へ排出され、ダイオードにリカバリ電流が流れる。リカバリ電流が大きいと、ダイオードの動作時に生じる損失が大きくなる。

上述したように、実施形態のＩＧＢＴ１０では、高濃度領域３４ｂを設けることでラッチアップを抑制する。ラッチアップを抑制する別の構造として、コンタクト領域２６の面積を拡大した構造が考えられる。コンタクト領域２６の面積を拡大することで、ＩＧＢＴがオンしているときにホールがボディ領域２８内を流れる経路の長さを短くすることができ、その結果、ラッチアップが抑制される。しかしながら、上述したダイオードを内蔵するＩＧＢＴでは、コンタクト領域２６の面積を大きくすると、ダイオードとして動作するときにボディ領域２８からドリフト領域３４に流入するホールが多くなる。その結果、リカバリ電流がより大きくなる。これに対し、高濃度領域３４ｂを設けた構造では、リカバリ電流の増大を招くことなく、ラッチアップを抑制することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

２０ ：半導体基板
２２ ：エミッタ領域
２４ ：矩形半導体領域
２６ ：コンタクト領域
２８ ：ボディ領域
３４ ：ドリフト領域
３４ａ ：低濃度領域
３４ｂ ：高濃度領域
３６ ：コレクタ領域
５０ ：エミッタ電極
６０ ：コレクタ電極
７０ ：トレンチ
７１ ：角部
７６ ：ゲート絶縁膜
７８ ：層間絶縁膜
８０ ：ゲート電極

Claims (1)

1. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタであって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の上面に設けられており、前記上面において矩形に伸びる矩形トレンチと、
   前記矩形トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、
   前記矩形トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されたゲート電極と、
   前記半導体基板の前記上面を覆うエミッタ電極と、
   前記矩形トレンチによって囲まれた矩形半導体領域内に配置されており、前記矩形半導体領域の中央で前記エミッタ電極に接しているｐ型のコンタクト領域と、
   前記矩形半導体領域内に配置されており、前記ゲート絶縁膜と前記エミッタ電極に接しているｎ型のエミッタ領域と、
   前記矩形半導体領域内に配置されており、前記コンタクト領域と前記エミッタ領域に対して下から接しており、前記エミッタ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記コンタクト領域よりも低いｐ型不純物濃度を有するｐ型のボディ領域と、
   前記ボディ領域の下側に配置されており、前記矩形半導体領域内で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のドリフト領域、
   を有しており、
   前記ドリフト領域のうちの前記矩形半導体領域内の部分が、
   前記矩形半導体領域の角部で前記ゲート絶縁膜に接する高濃度領域と、
   前記高濃度領域に対して横から接しており、前記高濃度領域よりも低いｎ型不純物濃度を有する低濃度領域、
   を有している、
   絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。

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