JP6221974B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
特許文献１には、ダイオードとＩＧＢＴが同一半導体基板に形成されている半導体装置（いわゆる、ＲＣ−ＩＧＢＴ）が開示されている。
国際公開第ＷＯ／２０１３／０３０９４３号公報
ＲＣ−ＩＧＢＴでは、ダイオードの通電時に、ダイオードに隣接するＩＧＢＴのボディ領域からダイオードのドリフト領域にホールが流れ込む。このホールがダイオードの電流に寄与するため、このホールが流れるとダイオードの順電圧は低くなる。また、ダイオードの通電中にＩＧＢＴのゲートにオン電圧が印加されると、ＩＧＢＴのボディ領域からダイオードのドリフト領域に流れ込むホールが減少する。これにより、ダイオードの順電圧が上昇する。以下では、ＩＧＢＴのゲート電極の電圧に応じてダイオードの順電圧が変動する現象を、ゲート干渉と呼ぶ。ゲート干渉は、ダイオードの順電圧特性を不安定化するため、問題となる。
特許文献１には、ゲート干渉を抑制するために、ＩＧＢＴのボディ領域のコンタクト部（電極に対して導通する部分）を、ダイオードのアノード領域のコンタクト部よりも小さくする技術が開示されている。この構成によれば、ＩＧＢＴのボディ領域からダイオードのドリフト領域に流れ込むホールが減少するため、ゲート干渉の影響を小さくすることができる。しかしながら、この構成では、アノード領域のコンタクト部が大きいため、ダイオードの動作時にアノード領域からドリフト領域に高濃度のホールが流入し、ドリフト領域におけるホールの濃度が高くなる。このため、ダイオードの逆回復特性が悪化する。すなわち、順電圧が印加されているダイオードの印加電圧を逆電圧に切り換えると、ダイオードのドリフト領域中に存在するホールがアノード電極に排出され、瞬間的にダイオードに逆電流が流れる。順電圧印加時にドリフト領域中に存在するホールの濃度が高いと、逆電圧印加時にアノード電極に排出されるホールの電流密度も高くなる。その結果、ダイオードの応答速度が遅くなる。したがって、本明細書では、ダイオードの応答速度が速く、かつ、ゲート干渉の影響が小さい半導体装置を提供する。
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された表面電極と、前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極を備えている。前記表面に、第１境界トレンチと、前記第１境界トレンチに沿って伸びる第１トレンチと、前記第１境界トレンチを挟んで前記第１トレンチの反対側に配置されているとともに前記第１境界トレンチに沿って伸びる第２境界トレンチと、前記第２境界トレンチを挟んで前記第１境界トレンチの反対側に配置されているとともに前記第１境界トレンチに沿って伸びる第２トレンチが形成されている。前記半導体基板が、前記第１トレンチと前記第１境界トレンチの間に位置する第１ＩＧＢＴ領域と、前記第１境界トレンチと前記第２境界トレンチの間に位置するダイオード領域と、前記第２トレンチと前記第２境界トレンチの間に位置する第２ＩＧＢＴ領域を備えている。前記第１トレンチ及び前記第２トレンチのそれぞれの内部に、ゲート絶縁膜と、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が配置されている。前記各ゲート電極と前記表面電極の間に、層間絶縁膜が配置されている。前記第１境界トレンチ及び前記第２境界トレンチのそれぞれの内部に絶縁層が配置されている。前記第１ＩＧＢＴ領域及び前記第２ＩＧＢＴ領域の夫々に、前記表面電極と前記ゲート絶縁膜に接しているｎ型のエミッタ領域と、前記表面電極に接するとともに前記エミッタ領域の裏面側で前記ゲート絶縁膜に接しているｐ型のボディ領域が形成されている。前記各ボディ領域が、前記表面におけるｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるとともに前記表面電極に接しているボディコンタクト部を有している。前記ダイオード領域に、前記表面電極に接しているｐ型のアノード領域が形成されている。前記アノード領域が、前記表面におけるｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるとともに前記表面電極に接しているアノードコンタクト部を有している。前記各ボディ領域及び前記アノード領域の裏面側の領域に、前記第１ＩＧＢＴ領域、前記第２ＩＧＢＴ領域及び前記ダイオード領域に跨って伸びるｎ型領域が形成されている。前記ｎ型領域が、前記ダイオード領域内の少なくとも一部で前記裏面電極に接している。前記第１ＩＧＢＴ領域内の前記ｎ型領域の裏面側の領域の少なくとも一部、及び、前記第２ＩＧＢＴ領域内の前記ｎ型領域の裏面側の領域の少なくとも一部に、前記裏面電極に接するｐ型のコレクタ領域が形成されている。前記第１境界トレンチと前記第２境界トレンチの間の間隔が２００μｍ以上である。前記ダイオード領域内の前記表面に占める前記アノードコンタクト部の面積の比率が、前記第１ＩＧＢＴ領域内の前記表面に占める前記ボディコンタクト部の面積の比率、及び、前記第２ＩＧＢＴ領域内の前記表面に占める前記ボディコンタクト部の面積の比率の何れよりも低い。
なお、本明細書において、所定表面に占める所定部分の面積の比率は、所定部分の面積を、所定表面の面積で除算した値を意味する。例えば、「前記ダイオード領域内の前記表面に占める前記アノードコンタクト部の面積の比率」は、アノードコンタクト部の面積を、ダイオード領域内の表面の面積で除算した値を意味する。また、上記の「前記第１境界トレンチと前記第２境界トレンチの間の間隔」は、半導体基板の前記表面を平面視した場合における前記第１境界トレンチのセンターラインと前記第２境界トレンチのセンターラインの間の距離を意味する。
このように、第１境界トレンチと第２境界トレンチの間の間隔（すなわち、ダイオード領域の幅）を２００μｍ以上と広くすることで、ダイオードの通電時にアノード領域からドリフト領域に流入するホールの量が多くなる。また、ダイオードの通電時にボディ領域からドリフト領域に流入するホールは、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域の境界近傍でのみ流れるため、ダイオード領域の幅を広くしても増加しない。したがって、ダイオード領域の幅を広くすることで、ボディ領域を経由して流れるホールのアノード領域を経由して流れるホールに対する比率を減らすことができる。これによって、ボディ領域を経由して流れるホール（すなわち、ゲート干渉により流量が変動するホール）の影響が低減され、ダイオードの順電圧が安定する。また、上記のようにアノード領域のコンタクト部の面積比率をボディ領域のコンタクト部の面積比率に比べて小さくすることで、ダイオードの動作時にアノード領域からドリフト領域に供給されるホールによってドリフト領域内のホールの濃度が過剰に上昇することを防止することができる。これによって、ダイオードの逆回復特性を改善することができる。
半導体装置１０の平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線における縦断面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における縦断面図。 トレンチ２２ｃ近傍の半導体基板１０の拡大平面図。 Ｖｆｐ−Ｖｆａと間隔Ｗ１の関係を示すグラフ。 実施例２の半導体装置のトレンチ２２ｃ近傍の半導体基板１０の拡大平面図。
最初に、実施例の半導体装置の特徴を列記する。なお、以下の各特徴は、何れも、独立して有用なものである。
（特徴１） ダイオード領域内の表面に、第１境界トレンチに沿って伸びる複数の第３トレンチが形成されていてもよい。ダイオード領域内の複数の第３トレンチと、第１境界トレンチと、第２境界トレンチのいずれか２つに挟まれたダイオードセル領域の夫々に、前記アノードコンタクト部を含む前記アノード領域が形成されていてもよい。
（特徴２） 第１ＩＧＢＴ領域内及び第２ＩＧＢＴ領域内の夫々に、第１境界トレンチに沿って伸びる複数の第４トレンチが形成されていてもよい。第４トレンチの夫々の内部に、ゲート絶縁膜とゲート電極が形成されていてもよい。複数の第４トレンチと、第１境界トレンチと、第２境界トレンチのいずれか２つに挟まれたＩＧＢＴセル領域の夫々に、エミッタ領域と、ボディコンタクト部を含むボディ領域が形成されていてもよい。
（特徴３） 各ダイオードセル領域内において、ダイオードセル領域内の表面に占めるアノードコンタクト部の面積の比率が、ＩＧＢＴセル領域内の表面に占めるボディコンタクト部の面積の比率の何れよりも低くてもよい。
（特徴４） 各アノードコンタクト部が、第３トレンチに沿って伸びていてもよい。
（特徴５） 各ダイオードセル領域が、互いから分離された複数のアノードコンタクト部を有していてもよい。複数のアノードコンタクト部が、各ダイオードセル領域において、第３トレンチに沿って配列されていてもよい。
（特徴６） 第１境界トレンチに隣接するダイオードセル領域内の各アノードコンタクト部が、第１境界トレンチに隣接するＩＧＢＴセル領域内のエミッタ領域から見て第１境界トレンチの幅方向の位置に配置されている。
図１に示す半導体装置１０は、シリコン製の半導体基板１２を有している。なお、図１では、半導体基板１２の表面（おもて面）１２ａ上に形成された電極、絶縁層等の図示を省略している。図１に示すように、半導体基板１２の表面１２ａには、複数のトレンチ２２が形成されている。複数のトレンチ２２は、表面１２ａの平面視において互いに平行に伸びている。以下では、図１におけるトレンチ２２の長手方向をｙ方向といい、図１においてｙ方向に直交する方向をｘ方向という。
半導体基板１２は、表面１２ａの平面視において、第１ＩＧＢＴ領域１４、ダイオード領域１６、第２ＩＧＢＴ領域１８及び外周領域２０に区画することができる。なお、図１においては、第１ＩＧＢＴ領域１４及び第２ＩＧＢＴ領域１８を斜線のハッチングにより示しており、ダイオード領域１６をドットのハッチングにより示している。後に詳述するが、第１ＩＧＢＴ領域１４及び第２ＩＧＢＴ領域１８にはＩＧＢＴが形成されており、ダイオード領域１６にはダイオードが形成されている。
第１ＩＧＢＴ領域１４は、複数のトレンチ２２のうちのトレンチ２２ａとトレンチ２２ｃの間に形成されている。より詳細には、第１ＩＧＢＴ領域１４は、表面１２ａの平面視において、トレンチ２２ａ、トレンチ２２ｃ、及び、トレンチ２２ａとトレンチ２２ｃの両端部を繋ぐ直線によって囲まれた領域である。第１ＩＧＢＴ領域１４内の表面１２ａには、複数のトレンチ２２のうちの一部のトレンチ（複数のトレンチ２２ｂ）が形成されている。
第２ＩＧＢＴ領域１８は、複数のトレンチ２２のうちのトレンチ２２ｅとトレンチ２２ｇの間に形成されている。より詳細には、第２ＩＧＢＴ領域１８は、表面１２ａの平面視において、トレンチ２２ｅ、トレンチ２２ｇ、及び、トレンチ２２ｅとトレンチ２２ｇの両端部を繋ぐ直線によって囲まれた領域である。第２ＩＧＢＴ領域１８内の表面１２ａには、複数のトレンチ２２のうちの一部のトレンチ（複数のトレンチ２２ｆ）が形成されている。
ダイオード領域１６は、複数のトレンチ２２のうちのトレンチ２２ｃとトレンチ２２ｅの間に形成されている。より詳細には、ダイオード領域１６は、表面１２ａの平面視において、トレンチ２２ｃ、トレンチ２２ｅ、及び、トレンチ２２ｃとトレンチ２２ｅの両端部を繋ぐ直線によって囲まれた領域である。ダイオード領域１６は、第１ＩＧＢＴ領域１４と第２ＩＧＢＴ領域１８の間に配置されている。ダイオード領域１６内の表面１２ａには、複数のトレンチ２２のうちの一部のトレンチ（複数のトレンチ２２ｄ）が形成されている。
外周領域２０は半導体基板１２の外周端近傍の領域である。外周領域２０は、第１ＩＧＢＴ領域１４、ダイオード領域１６及び第２ＩＧＢＴ領域１８の周囲に形成されている。
図２、３に示すように、各トレンチ２２（すなわち、トレンチ２２ａ〜２２ｇ）は、半導体基板１２の表面１２ａから半導体基板１２の厚み方向に伸びている。各トレンチ２２の内部には、絶縁膜２４が形成されている。絶縁膜２４は、各トレンチ２２の底面及び側面を覆っている。トレンチ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｆ及び２２ｇ内には、ゲート電極２６が配置されている。ゲート電極２６は、絶縁膜２４によって半導体基板１２から絶縁されている。トレンチ２２ｄ内には、制御電極２８が配置されている。制御電極２８は、絶縁膜２４によって半導体基板１２から絶縁されている。各ゲート電極２６は、図示しない配線によってゲートパッドに接続されている。ゲート電極２６の電位は、制御電極２８の電位から独立して制御可能とされている。制御電極２８は、エミッタ電極３２に接続されている。ゲート電極２６の上面は、層間絶縁膜３０に覆われている。なお、以下では、第１ＩＧＢＴ領域１４内及び第２ＩＧＢＴ領域１８内の半導体領域のうち、２つのトレンチ２２に挟まれた半導体領域をセル領域４０と呼ぶ。また、以下では、ダイオード領域１６内の半導体領域のうち、２つのトレンチ２２に挟まれた半導体領域をセル領域４２と呼ぶ。
図２、３に示すように、半導体基板１２の表面１２ａには、アルミニウム製の表面電極３２が形成されている。表面電極３２は、層間絶縁膜３０によって各ゲート電極２６及び各制御電極２８から絶縁されている。半導体基板１２の裏面１２ｂには、アルミニウム製の裏面電極３４が形成されている。
図４は、トレンチ２２ｃ近傍のセル領域４０、４２の表面１２ａを示している。なお、図４では、図の見易さのため、トレンチ２２を斜線のハッチングにより示している。以下では、トレンチ２２ｃに隣接するセル領域４０をセル領域４０ａと呼び、トレンチ２２ｃに隣接するセル領域４２をセル領域４２ａと呼ぶ。
図２〜４に示すように、セル領域４２ａには、ｐ型のアノード領域５０が形成されている。アノード領域５０は、半導体基板１２の表面１２ａに露出している。アノード領域５０は、表面１２ａからゲート電極２６の下端及び制御電極２８の下端よりも浅い位置（表面１２ａ側の位置）まで広がっている。アノード領域５０は、ｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である高濃度領域５０ａと、ｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である低濃度領域５０ｂを有している。高濃度領域５０ａは、表面１２ａ近傍にのみ形成されている。高濃度領域５０ａは、セル領域４２ａのｘ方向の中央部に形成されている。高濃度領域５０ａは、表面１２ａに露出している。高濃度領域５０ａは、トレンチ２２に沿ってｙ方向に長く伸びている。低濃度領域５０ｂは、高濃度領域５０ａの側方において表面１２ａに露出している。低濃度領域５０ｂは、高濃度領域５０ａの下側にも形成されている。高濃度領域５０ａと低濃度領域５０ｂは、表面１２ａにおいて、表面電極３２に接している。高濃度領域５０ａのｐ型不純物濃度が高いため、高濃度領域５０ａと表面電極３２の間に存在する障壁は小さい。すなわち、高濃度領域５０ａは表面電極３２に対してオーミック接続されている。以下では、高濃度領域５０ａと表面電極３２との接触面を、コンタクト部５０ｃと呼ぶ。図４に示すように、コンタクト部５０ｃは、トレンチ２２に沿ってｙ方向に長く伸びている。他方、低濃度領域５０ｂのｐ型不純物濃度が低いため、低濃度領域５０ｂと表面電極３２の間には高い障壁が存在する。すなわち、低濃度領域５０ｂは表面電極３２に対してショットキー接続されている。
各セル領域４２は、上述したセル領域４２ａと同じ構造を有している。なお、各セル領域４２には、後述するエミッタ領域５２のように、表面電極３２及び絶縁膜２４に接するｎ型領域は形成されていない。言い換えると、トレンチ２２に挟まれた領域のうち、表面電極３２及び絶縁膜２４に接するｎ型領域が形成されていない領域がダイオード領域１６に相当する。なお、実施例１では、アノード領域５０の内部にｎ型領域が形成されていないが、表面電極３２及び絶縁膜２４に接するｎ型領域以外のｎ型領域がアノード領域５０の内部に形成されていてもよい。例えば、絶縁膜２４に接するが、表面電極３２に接しないｎ型領域がアノード領域５０の内部に形成されていてもよい。
図２〜４に示すように、セル領域４０ａには、エミッタ領域５２とボディ領域５４が形成されている。
エミッタ領域５２は、ｎ型であり、半導体基板１２の表面１２ａに露出している。エミッタ領域５２は、表面１２ａ近傍にのみ形成されている。セル領域４０ａ内には、ｙ方向に間隔を開けて複数のエミッタ領域５２が形成されている。エミッタ領域５２は、表面１２ａにおいて、表面電極３２に接している。エミッタ領域５２のｎ型不純物濃度が高いため、エミッタ領域５２と表面電極３２の間に存在する障壁は小さい。すなわち、エミッタ領域５２は表面電極３２に対してオーミック接続されている。また、エミッタ領域５２は、セル領域４０ａの両側のトレンチ２２内の絶縁膜２４に接している。
ボディ領域５４は、ｐ型であり、エミッタ領域５２が形成されていない位置で表面１２ａに露出している。ボディ領域５４は、表面１２ａからゲート電極２６の下端及び制御電極２８の下端よりも浅い位置まで広がっている。ボディ領域５４は、セル領域４０ａの両側のトレンチ２２内の絶縁膜２４に接している。ボディ領域５４は、エミッタ領域５２の下側にも形成されている。ボディ領域５４は、エミッタ領域５２の下側で、セル領域４０ａの両側のトレンチ２２内の絶縁膜２４に接している。
ボディ領域５４は、ｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である高濃度領域５４ａと、ｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である低濃度領域５４ｂを有している。高濃度領域５４ａは、表面１２ａ近傍にのみ形成されている。高濃度領域５４ａは、表面１２ａに露出している。低濃度領域５４ｂは、高濃度領域５４ａの側方において表面１２ａに露出している。また、エミッタ領域５２及び高濃度領域５４ａよりも裏面１２ｂ側のボディ領域５４は、低濃度領域５４ｂである。高濃度領域５４ａのｐ型不純物濃度が高いため、高濃度領域５４ａと表面電極３２の間に存在する障壁は小さい。すなわち、高濃度領域５４ａは表面電極３２に対してオーミック接続されている。以下では、高濃度領域５４ａと表面電極３２との接触面を、コンタクト部５４ｃと呼ぶ。低濃度領域５４ｂのｐ型不純物濃度が低いため、低濃度領域５４ｂと表面電極３２の間には高い障壁が存在する。すなわち、低濃度領域５４ｂは表面電極３２に対してショットキー接続されている。
なお、ボディ領域５４の高濃度領域５４ａとアノード領域５０の高濃度領域５０ａは、ｐ型イオンの注入によって一度に形成される。このため、高濃度領域５４ａのｐ型不純物濃度は高濃度領域５０ａのｐ型不純物濃度と略等しい。また、高濃度領域５４ａの深さは高濃度領域５０ａの深さと略等しい。
各セル領域４０は、上述したセル領域４０ａと同じ構造を有している。各セル領域４０ａ内において、エミッタ領域５２とボディ領域５４のｙ方向の位置は等しい。したがって、表面１２ａを平面視すると、エミッタ領域５２とボディ領域５４が、トレンチ２２を横切ってｘ方向に伸びているように見える。
アノード領域５０及びボディ領域５４の裏面１２ｂ側の領域には、ｎ型のドリフト領域５６が形成されている。ドリフト領域５６のｎ型不純物濃度は低い。ドリフト領域５６は、第１ＩＧＢＴ領域１４、ダイオード領域１６及び第２ＩＧＢＴ領域１８の間に跨って伸びている。すなわち、第１ＩＧＢＴ領域１４、ダイオード領域１６及び第２ＩＧＢＴ領域１８の間でドリフト領域５６が連続している。ドリフト領域５６は、ボディ領域５４によってエミッタ領域５２から分離されている。ドリフト領域５６は、アノード領域５０及びボディ領域５４に接している。また、ドリフト領域５６は、各トレンチ２２の下端近傍の絶縁膜２４に接している。したがって、各ゲート電極２６及び各制御電極２８は、絶縁膜２４を介してエミッタ領域５２、ボディ領域５４及びドリフト領域５６に対向している。
ダイオード領域１６内のドリフト領域５６の裏面１２ｂ側の領域には、ｎ型のカソード領域６０が形成されている。カソード領域６０は、ドリフト領域５６よりも高いｎ型不純物濃度を有している。カソード領域６０は、ドリフト領域５６に接している。カソード領域６０は、裏面１２ｂに露出している。カソード領域６０は、裏面１２ｂにおいて裏面電極３４に接している。カソード領域６０は、裏面電極３４に対してオーミック接続されている。
第１ＩＧＢＴ領域１４内のドリフト領域５６の裏面１２ｂ側の領域には、ｐ型のコレクタ領域５８が形成されている。コレクタ領域５８は、ドリフト領域５６に接している。コレクタ領域５８は、裏面１２ｂに露出している。コレクタ領域５８は、裏面１２ｂにおいて裏面電極３４に接している。コレクタ領域５８は、裏面電極３４に対してオーミック接続されている。
第２ＩＧＢＴ領域１８内のドリフト領域５６の裏面１２ｂ側の領域には、ｐ型のコレクタ領域６２が形成されている。コレクタ領域６２は、ドリフト領域５６に接している。コレクタ領域６２は、裏面１２ｂに露出している。コレクタ領域６２は、裏面１２ｂにおいて裏面電極３４に接している。コレクタ領域６２は、裏面電極３４に対してオーミック接続されている。
ダイオード領域１６内には、アノード領域５０、ドリフト領域５６及びカソード領域６０によってダイオードが形成されている。第１ＩＧＢＴ領域１４及び第２ＩＧＢＴ領域１８内には、エミッタ領域５２、ボディ領域５４、ドリフト領域５６、コレクタ領域５８、ゲート電極２６及び絶縁膜２４によってＩＧＢＴが形成されている。
図１〜３に示す間隔Ｗ１は、トレンチ２２ｃとトレンチ２２ｅの間の間隔を示す。より詳細には、間隔Ｗ１は、表面１２ａを平面視したときのトレンチ２２ｃの中心線とトレンチ２２ｅの中心線との間の間隔を示す。間隔Ｗ１は、ダイオード領域１６の幅を表す。間隔Ｗ１は、２００μｍ以上である。
次に、各領域のコンタクト面積比率について説明する。コンタクト面積比率は、所定の領域内においてコンタクト部が占める割合である。以下では、各セル領域４２（すなわち、２つのトレンチ２２に挟まれたダイオード領域１６内の半導体領域）の表面１２ａにおける面積をＳ１、各セル領域４２内のコンタクト部５０ｃの面積をＳ２、各セル領域４０（すなわち、２つのトレンチ２２に挟まれたＩＧＢＴ領域１４、１８内の半導体領域）の表面１２ａにおける面積をＳ３、各セル領域４０内のコンタクト部５４ｃの面積をＳ４とする。また、第１ＩＧＢＴ領域１４の表面１２ａにおける面積をＳＩ１、ダイオード領域１６の表面１２ａにおける面積をＳｄ、第２ＩＧＢＴ領域１８の表面１２ａにおける面積をＳＩ２とする。また、第１ＩＧＢＴ領域１４内のコンタクト部５４ｃの総面積をΣＳ２−１とし、第２ＩＧＢＴ領域１８内のコンタクト部５４ｃの総面積をΣＳ２−２とし、ダイオード領域１６内のコンタクト部５０ｃの総面積をΣＳ４とする。
セル領域４２のコンタクト面積比率はＳ２／Ｓ１であり、セル領域４０のコンタクト面積比率はＳ４／Ｓ３である。誤差等によりセル領域４２毎にコンタクト面積比率Ｓ２／Ｓ１は多少異なるが、各セル領域４２のコンタクト面積比率Ｓ２／Ｓ１は互いに略等しい。また、誤差等によりセル領域４０毎にコンタクト面積比率Ｓ４／Ｓ３は多少異なるが、各セル領域４０のコンタクト面積比率Ｓ４／Ｓ３は互いに略等しい。半導体装置１０では、Ｓ２／Ｓ１＜Ｓ４／Ｓ３が満たされている。すなわち、各セル領域４２のコンタクト面積比率Ｓ２／Ｓ１が、各セル領域４０のコンタクト面積比率Ｓ４／Ｓ３の何れよりも低い。
また、第１ＩＧＢＴ領域１４のコンタクト面積比率は、ΣＳ２−１／ＳＩ１である。第２ＩＧＢＴ領域１８のコンタクト面積比率は、ΣＳ２−２／ＳＩ２である。Ｓ２／Ｓ１＜Ｓ４／Ｓ３が満たされているため、半導体装置１０では、Ｓ２／Ｓ１＜ΣＳ２−１／ＳＩ１が満たされるとともに、Ｓ２／Ｓ１＜ΣＳ２−２／ＳＩ２が満たされる。すなわち、各セル領域４２のコンタクト面積比率Ｓ２／Ｓ１が、第１ＩＧＢＴ領域１４のコンタクト面積比率ΣＳ２−１／ＳＩ１と第２ＩＧＢＴ領域１８のコンタクト面積比率ΣＳ２−２／ＳＩ２の何れよりも低い。
また、ダイオード領域１６のコンタクト面積比率は、ΣＳ４／Ｓｄである。Ｓ２／Ｓ１＜Ｓ４／Ｓ３が満たされているため、半導体装置１０では、ΣＳ４／Ｓｄ＜ΣＳ２−１／ＳＩ１が満たされるとともに、ΣＳ４／Ｓｄ＜ΣＳ２−２／ＳＩ２が満たされる。すなわち、ダイオード領域１６のコンタクト面積比率ΣＳ４／Ｓｄが、第１ＩＧＢＴ領域１４のコンタクト面積比率ΣＳ２−１／ＳＩ１と第２ＩＧＢＴ領域１８のコンタクト面積比率ΣＳ２−２／ＳＩ２の何れよりも低い。また、半導体装置１０では、ΣＳ４／Ｓｄ＜Ｓ４／Ｓ３も満たされる。すなわち、ダイオード領域１６のコンタクト面積比率ΣＳ４／Ｓｄが、各セル領域４０のコンタクト面積比率Ｓ４／Ｓ３の何れよりも低い。
次に、半導体装置１０の動作について説明する。まず、ＩＧＢＴの動作について説明する。裏面電極３４と表面電極３２の間に裏面電極３４が高電位となる電圧が印加され、ゲート電極２６の電位（すなわち、ゲート電位）を閾値以上に上昇させると、第１ＩＧＢＴ領域１４内及び第２ＩＧＢＴ領域１８内のＩＧＢＴがオンする。より詳細には、閾値以上のゲート電位が印加されると、絶縁膜２４近傍のボディ領域５４にチャネルが形成される。すると、電子が、エミッタ領域５２から、ボディ領域５４とドリフト領域５６を介してコレクタ領域５８へ流れる。また、ホールが、コレクタ領域５８から、ドリフト領域５６を介してボディ領域５４へ流れる。このため、裏面電極３４から表面電極３２に向かって電流が流れる。ゲート電位を閾値未満に低下させると、チャネルが消失し、電流が停止する。すなわち、ＩＧＢＴがオフする。
次に、ダイオードの順方向動作について説明する。表面電極３２と裏面電極３４の間に表面電極３２が高電位となる電圧（以下、順電圧）が印加されると、ダイオード領域１６内のダイオードがオンする。すなわち、図２、３において実線の矢印で示すように、ホールが、各アノード領域５０からドリフト領域５６を介してカソード領域６０に流れる。また、電子が、カソード領域６０からドリフト領域５６を介して各アノード領域５０に流れる（すなわち、図３の実線の矢印と逆向きに流れる。）。このため、電流が、表面電極３２から裏面電極３４に向かって流れる。以下では、図２、３の実線の矢印に示すように流れる電流を、主電流という。
また、第１ＩＧＢＴ領域１４とダイオード領域１６の境界部には、ボディ領域５４と、ドリフト領域５６と、カソード領域６０によって寄生的なダイオードが形成されている。第２ＩＧＢＴ領域１８とダイオード領域１６の境界部にも、同様にして寄生的なダイオードが形成されている。順電圧が印加されると、これらの寄生的なダイオードがオンし、図２の点線の矢印で示す経路でもホールが流れる。すなわち、ホールが、ボディ領域５４からドリフト領域５６を介してカソード領域６０に流れる。以下では、図２の点線の矢印で示す経路で流れるホールによる電流を、寄生電流という。また、ダイオードがオンしている間に、閾値以上のゲート電位が印加される場合がある。すると、ダイオードの動作中にボディ領域５４にチャネルが形成される。チャネルが形成されると、ボディ領域５４の下端と表面電極３２の間の電位差が小さくなる。このため、寄生的なダイオードにほとんどホールが流れなくなり、寄生電流が小さくなる。このように、寄生電流は、ゲート電位に応じて増減する。このため、ダイオードに所定電流が流れるときの順電圧Ｖｆは、ゲート電位に応じて変化する。この現象は、ゲート干渉と呼ばれる。しかしながら、実施例１の半導体装置１０では、ゲート干渉により順電圧Ｖｆが変動し難い。以下に、その理由を説明する。
上述したように、実施例１の半導体装置１０では、間隔Ｗ１（すなわち、ダイオード領域１６の幅）が、２００μｍ以上である。このようにダイオード領域１６の幅が広いと、ダイオード領域１６の面積が広がり、ダイオードのオン時にダイオード領域１６に流れる主電流が多くなる。これに対し、図２に示すように、寄生電流はダイオード領域１６とＩＧＢＴ領域１４、１８との境界近傍にのみ流れる。したがって、間隔Ｗ１を広くしても、寄生電流は増加しない。したがって、間隔Ｗ１を広くすることで、主電流に対する寄生電流の割合が低下する。このように寄生電流の割合が低くなると、ゲート干渉による順電圧Ｖｆへの影響が小さくなる。このため、半導体装置１０では、ゲート干渉により順電圧Ｖｆが変動し難い。
図５は、間隔Ｗ１を変更したときにおける順電圧Ｖｆｐと順電圧Ｖｆａの差の変化を表している。なお、順電圧Ｖｆｐは、ゲート電位が閾値以上であるとき（ゲート干渉が起きているとき）にダイオードに３０Ａの電流を流したときの順電圧であり、順電位Ｖｆａは、ゲート電位が閾値未満であるとき（ゲート干渉が起きていないとき）にダイオードに３０Ａの電流を流した時の順電圧である。順電圧Ｖｆｐは順電圧Ｖｆａよりも高い。電圧差Ｖｆｐ−Ｖｆａが大きいほど、ゲート干渉の影響が大きい。図５から、間隔Ｗ１が小さいほど、ゲート干渉の影響が大きくなることが分かる。また、図５から、間隔Ｗ１が２００μｍ以上であれば、電圧差Ｖｆｐ−Ｖｆａが低い値で略一定となり、ゲート干渉の影響を最小化できることが分かる。実施例１の半導体装置１０は、間隔Ｗ１が２００μｍ以上であるので、ゲート干渉により順電圧Ｖｆが変動することが抑制される。なお、図５からあきらかなように、間隔Ｗ１を２５０μｍ以上とすると、より順電圧Ｖｆが安定するため、好ましい。
次に、ダイオードの逆回復動作について説明する。ダイオードへの印加電圧が順電圧から逆電圧（すなわち、順電圧と逆向きの電圧）に切り換えられると、ダイオード領域１６内のダイオードが逆回復動作を行う。より詳細には、順電圧印加時には、ドリフト領域５６に多くのホールが存在している。印加電圧が順電圧から逆電圧に切り換えられると、ドリフト領域５６内のホールが、アノード領域５０を経由して表面電極３２に排出される。このため、ダイオードに逆電流が流れる。ドリフト領域５６からのホールの排出が進行するに従って、逆電流は減衰する。このとき、ドリフト領域５６内に高濃度にホールが存在していると、ホールがなかなか排出されず、逆電流の減衰速度が遅くなる。このため、ダイオードの応答速度が遅くなる。しかしながら、実施例１の半導体装置１０では、逆回復動作時の逆電流が短時間で減衰する。以下に、その理由を説明する。
上述したように、実施例１の半導体装置１０では、ダイオード領域１６のコンタクト面積比率ΣＳ４／Ｓｄが、第１ＩＧＢＴ領域１４のコンタクト面積比率ΣＳ２−１／ＳＩ１と第２ＩＧＢＴ領域１８のコンタクト面積比率ΣＳ２−２／ＳＩ２の何れよりも低い。特に、ダイオード領域１６内の各セル領域４２のコンタクト面積比率Ｓ２／Ｓ１が、ＩＧＢＴ領域１４、１８内の各セル領域４０のコンタクト面積比率Ｓ４／Ｓ３の何れよりも低い。このようにダイオード領域１６内でコンタクト面積比率が低くなっているため、順電圧印加時に表面電極３２からコンタクト部５０ｃを介してドリフト領域５６に供給されるホールの濃度が低い。このように、順電圧印加時にドリフト領域５６に存在するホールの濃度が低いため、逆回復動作時に逆電流として流れるホールの濃度（すなわち、電流密度）が低い。したがって、逆電流は短時間で減衰する。このため、実施例１の半導体装置１０では、ダイオードの応答速度が速い。
以上に説明したように、実施例１の半導体装置１０では、ダイオード領域１６の幅Ｗ１が広いため、ダイオードに流れるホール電流の密度を高くすることなく、ダイオードに流れる主電流を高くすることが実現されている。これによって、寄生電流の影響が減少し、ゲート干渉による順電圧の変動が抑制される。また、実施例１の半導体装置１０では、ダイオード領域１６のコンタクト面積比率が低いため、ダイオードに流れるホール電流の密度が低く、ダイオードの良好な応答速度が実現される。
なお、上述した実施例１では、カソード領域６０とコレクタ領域５８の境界がダイオード領域１６と第１ＩＧＢＴ領域１４の境界と一致しており、カソード領域６０とコレクタ領域６２の境界がダイオード領域１６と第２ＩＧＢＴ領域１８の境界と一致していた。しかしながら、必ずしもこのように形成されている必要はなく、表面１２ａ側と裏面１２ｂ側とで各境界の位置がずれていてもよい。カソード領域６０は、ダイオード領域１６内の少なくとも一部に形成されていればよく、コレクタ領域５８は第１ＩＧＢＴ領域１４の少なくとも一部に形成されていればよく、コレクタ領域６２は第２ＩＧＢＴ領域１８の少なくとも一部に形成されていればよい。
また、上述した実施例１では、ゲート電極２６の電位が制御電極２８の電位から独立して制御可能とされていた。しかしながら、ゲート電極２６と制御電極２８の両方がゲートパッドに接続されていてもよい。また、ダイオード領域１６内のトレンチ２２ｄの内部に制御電極２８が配置されておらず、トレンチ２２ｄが絶縁層で埋め込まれていてもよい。また、境界部のトレンチ２２ｃ、２２ｅの内部にゲート電極２６が配置されておらず、トレンチ２２ｃ、２２ｅが絶縁層で埋め込まれていてもよい。
また、各アノード領域５０は、トレンチ２２によって互いから分離されていてもよいし、図示しない位置で互いに繋がっていてもよい。また、各ボディ領域５４は、トレンチ２２によって互いから分離されていてもよいし、図示しない位置で互いに繋がっていてもよい。また、アノード領域５０とボディ領域５４は、トレンチ２２によって互いから分離されていてもよいし、図示しない位置で互いに繋がっていてもよい。
また、上述した実施例１では、半導体基板１２に、１つのダイオード領域１６と２つのＩＧＢＴ領域１４、１８が形成されていた。しかしながら、半導体基板の表面の平面視において、複数のダイオード領域と複数のＩＧＢＴ領域が交互に繰り返し形成されていてもよい。この場合にも、２つのＩＧＢＴ領域に挟まれたダイオード領域の幅を２００μｍ以上とし、ダイオード領域のコンタクト面積比率を隣接する２つのＩＧＢＴ領域のコンタクト面積比率より低くすることで、実施例１と同様の効果を得ることができる。
実施例１の半導体装置の構成要素と、請求項の構成要素との対応関係について説明する。実施例１のトレンチ２２ｃは請求項の第１境界トレンチの一例であり、実施例１のトレンチ２２ａは請求項の第１トレンチの一例であり、実施例１のトレンチ２２ｅは請求項の第２境界トレンチの一例であり、実施例１のトレンチ２２ｇは請求項の第２トレンチの一例であり、実施例１のドリフト領域５６及びカソード領域６０は、請求項のｎ型領域の一例であり、実施例１のトレンチ２２ｄは請求項の第３トレンチの一例であり、実施例１のセル領域４２は請求項のダイオードセル領域の一例であり、実施例１のトレンチ２２ｂ、２２ｆは請求項の第４トレンチの一例であり、実施例１のセル領域４０は請求項のＩＧＢＴセル領域の一例である。
図６に示すように、実施例２の半導体装置は、１つのセル領域４２内に、複数の高濃度領域５０ａが形成されている。すなわち、１つのセル領域４２内に、複数のコンタクト部５０ｃが形成されている。セル領域４２内において、複数のコンタクト部５０ｃは、ｙ方向に沿って一列に配列されている。また、各コンタクト部５０ｃは、エミッタ領域５２に対してｘ方向の位置に配置されている。実施例２の半導体装置のその他の構成は、実施例１の半導体装置と等しい。実施例２の構成でも、ダイオード領域１６のコンタクト面積比率がＩＧＢＴ領域１４、１８のコンタクト面積比率より小さい。したがって、ダイオードの応答速度が速い。また、ダイオード領域１６の幅Ｗ１が２００μｍ以上であるため、ゲート干渉による順電圧の変動が抑制される。また、このような構成によれば、各コンタクト部５０ｃの間の間隔を広げることによってコンタクト部５０ｃの面積比率を小さくすることができる。このため、コンタクト部５０ｃの幅を狭くすることなく、コンタクト部５０ｃの面積比率を小さくすることができる。また、各コンタクト部５０ｃがエミッタ領域５２から見てｘ方向の位置に配置されているので、ＩＧＢＴがターンオフするときに、エミッタ領域５２の裏面側のドリフト領域５６内に存在するホールが、ダイオード領域１６内のコンタクト部５０ｃを通って表面電極に排出される。したがって、このようにエミッタ領域５２に対してｘ方向の位置にコンタクト部５０ｃを配置することで、ＩＧＢＴの良好なスイッチング速度を実現することができる。
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
１２ａ：表面
１２ｂ：裏面
１４：第１ＩＧＢＴ領域
１６：ダイオード領域
１８：第２ＩＧＢＴ領域
２０：外周領域
２２：トレンチ
２４：絶縁膜
２６：ゲート電極
２８：制御電極
３０：層間絶縁膜
３２：表面電極
３４：裏面電極
４０：セル領域
４２：セル領域
５０：アノード領域
５０ａ：高濃度領域
５０ｂ：低濃度領域
５０ｃ：コンタクト部
５２：エミッタ領域
５４：ボディ領域
５４ａ：高濃度領域
５４ｂ：低濃度領域
５４ｃ：コンタクト部
５６：ドリフト領域
５８：コレクタ領域
６０：カソード領域
６２：コレクタ領域

Claims (7)

  1. 半導体装置であって、
    半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された表面電極と、前記半導体基板の裏面に形成された裏面電極を備えており、
    前記表面に、第１境界トレンチと、前記第１境界トレンチに沿って伸びる第１トレンチと、前記第１境界トレンチを挟んで前記第１トレンチの反対側に配置されているとともに前記第１境界トレンチに沿って伸びる第２境界トレンチと、前記第２境界トレンチを挟んで前記第１境界トレンチの反対側に配置されているとともに前記第１境界トレンチに沿って伸びる第２トレンチが形成されており、
    前記半導体基板が、前記第１トレンチと前記第１境界トレンチの間に位置する第１ＩＧＢＴ領域と、前記第１境界トレンチと前記第２境界トレンチの間に位置するダイオード領域と、前記第２トレンチと前記第２境界トレンチの間に位置する第２ＩＧＢＴ領域を備えており、
    前記第１トレンチ及び前記第２トレンチのそれぞれの内部に、ゲート絶縁膜と、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が配置されており、
    前記各ゲート電極と前記表面電極の間に、層間絶縁膜が配置されており、
    前記第１境界トレンチ及び前記第２境界トレンチのそれぞれの内部に絶縁層が配置されており、
    前記第１ＩＧＢＴ領域及び前記第２ＩＧＢＴ領域の夫々に、前記表面電極と前記ゲート絶縁膜に接しているｎ型のエミッタ領域と、前記表面電極に接するとともに前記エミッタ領域の裏面側で前記ゲート絶縁膜に接しているｐ型のボディ領域が形成されており、
    前記各ボディ領域が、前記表面におけるｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるとともに前記表面電極に接しているボディコンタクト部を有しており、
    前記ダイオード領域に、前記表面電極に接しているｐ型のアノード領域が形成されており、
    前記アノード領域が、前記表面におけるｐ型不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるとともに前記表面電極に接しているアノードコンタクト部を有しており、
    前記各ボディ領域及び前記アノード領域の裏面側の領域に、前記第１ＩＧＢＴ領域、前記第２ＩＧＢＴ領域及び前記ダイオード領域に跨って伸びるｎ型領域が形成されており、
    前記ｎ型領域が、前記ダイオード領域内の少なくとも一部で前記裏面電極に接しており、
    前記第１ＩＧＢＴ領域内の前記ｎ型領域の裏面側の領域の少なくとも一部、及び、前記第２ＩＧＢＴ領域内の前記ｎ型領域の裏面側の領域の少なくとも一部に、前記裏面電極に接するｐ型のコレクタ領域が形成されており、
    前記第１境界トレンチと前記第２境界トレンチの間の間隔が２００μｍ以上であり、
    前記ダイオード領域内の前記表面に占める前記アノードコンタクト部の面積の比率が、前記第１ＩＧＢＴ領域内の前記表面に占める前記ボディコンタクト部の面積の比率、及び、前記第２ＩＧＢＴ領域内の前記表面に占める前記ボディコンタクト部の面積の比率の何れよりも低い、
    半導体装置。
  2. 前記ダイオード領域内の前記表面に、前記第１境界トレンチに沿って伸びる複数の第３トレンチが形成されており、
    前記ダイオード領域内の前記複数の第３トレンチと、前記第１境界トレンチと、前記第２境界トレンチのいずれか２つに挟まれたダイオードセル領域の夫々に、前記アノードコンタクト部を含む前記アノード領域が形成されている、
    請求項１の半導体装置。
  3. 前記第１ＩＧＢＴ領域内及び前記第２ＩＧＢＴ領域内の夫々に、前記第１境界トレンチに沿って伸びる複数の第４トレンチが形成されており、
    前記第４トレンチの夫々の内部に、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極が形成されており、
    前記複数の第４トレンチと、前記第１境界トレンチと、前記第２境界トレンチのいずれか２つに挟まれたＩＧＢＴセル領域の夫々に、前記エミッタ領域と、前記ボディコンタクト部を含む前記ボディ領域が形成されている、
    請求項２の半導体装置。
  4. 前記各ダイオードセル領域内において、前記ダイオードセル領域内の前記表面に占める前記アノードコンタクト部の面積の比率が、前記ＩＧＢＴセル領域内の前記表面に占める前記ボディコンタクト部の面積の比率の何れよりも低い請求項３の半導体装置。
  5. 前記各アノードコンタクト部が、前記第３トレンチに沿って伸びている請求項２〜４のいずれか一項の半導体装置。
  6. 前記各ダイオードセル領域が、互いから分離された複数の前記アノードコンタクト部を有しており、
    前記複数のアノードコンタクト部が、前記各ダイオードセル領域において、前記第３トレンチに沿って配列されている請求項２〜４のいずれか一項の半導体装置。
  7. 前記第１境界トレンチに隣接する前記ダイオードセル領域内の前記各アノードコンタクト部が、前記第１境界トレンチに隣接する前記ＩＧＢＴセル領域内の前記エミッタ領域から見て前記第１境界トレンチの幅方向の位置に配置されている請求項６の半導体装置。
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