JP6658955B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
複数のセルアレイを有するパワーIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が知られている。セル密度が他のセルアレイ領域より低いセルアレイ領域においては、注入されたホール(正孔)がソース電極を通じて除去されにくい。これにより、ホールの電流密度が高くなり、ラッチアップ動作の原因となり得る。したがって、低密度のセルアレイ領域における基板の裏面側のP型のドーピング濃度を他のセルアレイ領域における基板の裏面側のP型のドーピング濃度より低くしたり、低密度のセルアレイ領域における基板の裏面側にN型のドーパントをドープしたりして、ラッチアップを防止する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2012−182470号公報
解決しようとする課題
トランジスタ部のベース領域より深いウェル領域を備える半導体装置においては、深いウェル領域が設けられる部分での耐圧が低くなる。特に、逆導通型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(RC−IGBT)のように、トランジスタ部とダイオード部とを有する半導体装置においては、深いウェル領域が設けられる部分と、高耐圧のダイオード部との間の耐圧差が大きくなる。したがって、半導体装置全体の耐圧を高めるためには、深いウェル領域が設けられる部分での耐圧を高めることが望ましい。
一般的開示
本発明の第1の態様においては、トランジスタ部とダイオード部とを備える半導体装置を提供する。トランジスタ部は、第1導電型のドリフト領域、第2導電型のベース領域、および第2導電型のコレクタ領域を有してよい。ドリフト領域は、半導体基板の内部に形成されてよい。ベース領域は、半導体基板の内部においてドリフト領域の上方に設けられてよい。コレクタ領域は、半導体基板の内部においてドリフト領域の下方に設けられてよい。半導体装置は、第2導電型のウェル領域を有してよい。第2導電型のウェル領域は、半導体基板の内部において、ベース領域より下方まで設けられてよい。半導体装置は、ウェル領域の下方の少なくとも一部の領域において、注入量制限部を有してよい。注入量制限部は、単位面積あたりの第2導電型のキャリア注入量がコレクタ領域に比べて小さくてよい。
トランジスタ部は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含んでよい。ダイオード部は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタに電気的に接続される還流ダイオードを含んでよい。
半導体装置は、信号パッド領域を有してよい。信号パッド領域は、トランジスタ部またはダイオード部に隣接してよい。信号パッド領域は、絶縁膜を有してよい。絶縁膜は、半導体基板のおもて面に形成されてよい。信号パッド領域は、導電部を有してよい。導電部は、絶縁膜上に形成されてよい。ウェル領域は、導電部の下方に設けられてよい。
注入量制限部は、第1導電型の導電層を含んでよい。第1導電型の導電層は、ウェル領域の下方においてコレクタ領域と同じ深さに設けられてよい。
第1導電型の導電層は、ドリフト領域における第1導電型のドーピング濃度より高い第1導電型のドーピング濃度を有してよい。
注入量制限部は、第2導電型の導電層を含んでよい。第2導電型の導電層は、ウェル領域の下方において設けられてよい。第2導電型の導電層は、コレクタ領域における第2導電型のドーピング濃度より低い第2導電型のドーピング濃度を有してよい。
トランジスタ部は、裏面電極を有してよい。裏面電極は、半導体基板の裏面に設けられてコレクタ領域と電気的に接続してよい。注入量制限部は、絶縁膜を含んでよい。絶縁膜は、半導体基板と裏面電極との間に設けられてよい。
ウェル領域は、ベース領域の第2導電型のドーピング濃度より高い第2導電型のドーピング濃度を有してよい。
注入量制限部は、ウェル領域の下方全域に設けられてよい。
注入量制限部は、トランジスタ部と、ダイオード部と、信号パッド領域との境界点の下方において設けられてよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の実施形態に係る半導体装置100のおもて面を模式的に示す図である。 図1におけるA−A'断面の一例を示す図である。 図1におけるB−B'断面の一例を示す図である。 図1におけるC−C'断面の一例を示す図である。 比較例における半導体装置300の断面の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置100における伝導電流の分布とインパクトイオン化率の分布についてのシミュレーション結果を示す図である。 比較例の半導体装置300における伝導電流の分布とインパクトイオン化率の分布についてのシミュレーション結果を示す図である。 P+ウェル領域110と、コレクタ領域22との位置関係を示す図である。 注入量制限部28の幅wと、P+ウェル領域110の端部112における温度との関係の一例を示す図である。 本発明の第2実施形態における半導体装置100におけるC−C'断面の一例を示す図である。 本発明の第3実施形態における半導体装置100におけるC−C'断面の一例を示す図である。 本発明の第4実施液体における半導体装置100におけるC−C'断面の一例を示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本例においてX軸およびY軸は、半導体基板の上面と平行な面内において互いに直交する軸である。また、X軸およびY軸と直交する軸をZ軸とする。なお、本明細書においては、Z軸と平行な方向を半導体基板の深さ方向と称する場合がある。
なお、本明細書において、「上」、「下」、「上方」および「下方」の用語は、重力方向における上下方向に限定されない。これらの用語は、予め定められた軸に対する相対的な方向を指すに過ぎない。
本明細書および添付図面においては、NまたはPと記載した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、NおよびPに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高ドーピング濃度および低ドーピング濃度であることを意味する。
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100のおもて面を模式的に示す図である。本例の半導体装置100は、トランジスタ部70およびダイオード部80を備える半導体チップである。トランジスタ部70は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含んでよい。ダイオード部80は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)に電気的に接続される還流ダイオード(FWD)を含んでよい。
トランジスタ部70とダイオード部80とは活性領域において周期的に形成されてよい。ダイオード部80は、半導体基板のおもて面においてトランジスタ部70と隣接して設けられる。FWDは、IGBTに逆並列に接続されている。半導体装置100は、活性領域を取り囲むエッジ終端構造50を備えてよい。エッジ終端構造50は、ガードリング、フィールドプレート、リサーフおよびこれらを組み合わせた構造の一つ以上を有する。半導体装置100は、トランジスタ部70またはダイオード部80と隣接する信号パッド領域90を備える。半導体装置100において、トランジスタ部70と、ダイオード部80と、信号パッド領域90との境界点97が存在してよい。図1は、境界点97の一例を示す。
信号パッド領域90は、半導体基板のおもて面に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成された導電部と、半導体基板の内部において導電部の下方に設けられた第2導電型のウェル領域とを備える。一例として、半導体基板は、Si基板であってよく、炭化シリコンSiCおよび窒化ガリウムGaN等の化合物半導体基板であってよい。一例として、絶縁膜は、シリコン酸化膜等の酸化膜またはシリコン窒化膜等の窒化膜であってよい。導電部は、一例として、金属材料で形成される。信号パッド領域90は、このような絶縁膜、導電部、およびウェル領域が形成された領域であれば、導電部としてパッド以外の配線が形成された領域も含まれる。一例として、信号パッド領域90は、センサ用パッド領域91、92、93、ゲート用パッド領域94、温度センサ配線領域95、およびゲートランナー領域96のうちの少なくとも一つを含んでよい。
センサ用のパッド領域91、92は、温度検出部用のパッドが形成された領域である。センサ用のパッド領域93は、電流検出用のパッドが形成された領域である。ゲート用パッド領域94は、トランジスタ部70のゲート金属層と接続するゲートパッドが形成される領域である。温度センサ配線領域95は、温度センサ自体が形成される領域であってもよく、温度センサに接続される配線が形成される領域であってもよい。ゲートランナー領域96は、トランジスタ部70のゲート金属層と接続するゲートランナーが形成される領域である。
図2は、図1におけるA−A'断面の一例を示す図である。図2は、トランジスタ部70の構造の一例を示す。トランジスタ部70は、エミッタ領域12、ベース領域14、コンタクト領域15、ドリフト領域18、バッファ領域20、コレクタ領域22、裏面電極24、およびトレンチゲート30を備える。トランジスタ部70の定義として、活性領域において、おもて面側に対して、半導体基板10の裏面に垂直にコレクタ領域22を投影したときの投影領域であって、エミッタ領域12およびコンタクト領域15を含む所定の単位構成が規則的に配置された領域とする。
ドリフト領域18は、半導体基板10の内部に形成される。ドリフト領域18は、N−型である。本例においては、第1導電型をN型として、第2導電型をP型とする。ただし、他の例においては、第1導電型をP型として、第2導電型をN型としてもよい。コレクタ領域22は、半導体基板10の内部においてドリフト領域18の下方に設けられる。コレクタ領域22は、P型である。本例では、ドリフト領域18の下面にはN型のバッファ領域20が設けられる。バッファ領域20のドーピング濃度は、ドリフト領域18のドーピング濃度より高くてよい。バッファ領域20は、フィールドストップ層として機能してもよい。フィールドストップ層は、ベース領域14の下面から広がる空乏層が、コレクタ領域22に到達することを防ぐ。コレクタ領域22は、バッファ領域20の下面に設けられてよい。
ベース領域14は、半導体基板10の内部においてドリフト領域18の上方に設けられる。ベース領域14は、P型である。エミッタ領域12は、半導体基板10の内部においてベース領域14の上方に設けられる。ベース領域14のおもて面に、コンタクト領域15が形成されてよい。コンタクト領域15は、ドーピング濃度がベース領域14より高いP+型であってよい。コンタクト領域15は、ベース領域14とエミッタ電極52とのコンタクト抵抗を低減する。
トレンチゲート30は、半導体基板10のおもて面からベース領域14を貫通して、ドリフト領域18に達する。トランジスタ部70においては、複数のトレンチゲート30が、予め定められた間隔で設けられている。トレンチゲート30は、半導体基板10に設けられたゲートトレンチ33、ゲート絶縁膜32、およびゲート導電部34を有する。ゲート絶縁膜32は、ゲートトレンチ33の内壁を覆って設けられる。ゲート絶縁膜32は、ゲートトレンチ33の内壁の半導体を酸化または窒化することにより形成してよい。
ゲート導電部34は、ゲートトレンチ33の内部においてゲート絶縁膜32よりも内側に設けられる。つまりゲート絶縁膜32は、ゲート導電部34と半導体基板10とを絶縁する。ゲート導電部34は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。ゲートトレンチ33は、半導体基板10のおもて面において、層間絶縁膜38によって覆われる。エミッタ電極52が、半導体基板10のおもて面上および層間絶縁膜38上に位置する。層間絶縁膜38は、エミッタ電極52とトレンチゲート30との間を電気的に絶縁する。エミッタ電極52は、金属等の導電材料で形成される。
トレンチゲート30内のゲート導電部34は、ゲートランナー領域96に形成されるゲートランナーを介してゲート金属層に電気的に接続される。裏面電極24は、半導体基板10の裏面に設けられる。裏面電極24は、P+型のコレクタ領域22と接触してよい。裏面電極24は、P+型のコレクタ領域22と電気的に接続されてコレクタ電極として機能する。裏面電極24は、金属等の導電材料で形成される。
図3は、図1におけるB−B'断面の一例を示す図である。図3は、ダイオード部80の構造の一例を示す。上述したP型のベース領域14、ドリフト領域18、バッファ領域20、層間絶縁膜38、およびエミッタ電極52は、トランジスタ部70からダイオード部80まで設けられている。ダイオード部80は、トレンチ部40およびカソード領域82を備える。ダイオード部80には、N+型のエミッタ領域12およびP+型のコンタクト領域15は設けられていない。
なお、ダイオード部80の定義として、活性領域において、カソード領域82に一致する裏面の領域、または、おもて面側に対して、半導体基板の裏面に垂直にカソード領域82を投影したときの投影領域とする。P型のベース領域14は、半導体基板10の内部においてドリフト領域18の上方に設けられる。ダイオード部80においては、P型のベース領域14は、FWDのP型のアノード領域を兼ねる。また、エミッタ電極52の一部は、アノード電極を兼ねており、ベース領域14に接する。
トレンチ部40は、半導体基板10のおもて面からベース領域14(アノード領域)を貫通して、ドリフト領域18に達する。ダイオード部80においては、複数のトレンチ部40が、予め定められた間隔で設けられている。トレンチ部40は、半導体基板10に設けられたトレンチ43、トレンチ絶縁膜42、およびトレンチ導電部44を有する。トレンチ絶縁膜42は、トレンチ43の内壁を覆って設けられる。トレンチ絶縁膜42は、トレンチ43の内壁の半導体を酸化または窒化することにより形成してよい。
トレンチ導電部44は、トレンチ43の内部においてトレンチ絶縁膜42よりも内側に設けられる。トレンチ絶縁膜42は、トレンチ導電部44と半導体基板10とを絶縁する。トレンチ導電部44は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。トレンチ部40内のトレンチ導電部44は、ゲートランナーには接続されない。トレンチ導電部44は、コンタクトホール等を通じて、アノード電極として機能するエミッタ電極52に電気的に接続される。ダイオード部80は、半導体基板10の内部においてドリフト領域18の下方にカソード領域82を備える。カソード領域82は、N+型である。カソード領域82は、バッファ領域20の下面に設けられる。
半導体装置100は、図2および図3で示されるトランジスタ部70とダイオード部80とが周期的に配置された構造を有する。トランジスタ部70における複数のトレンチゲート30等のピッチが広い場合には、トレンチゲート30に依存して活性領域の等電位面も周期的に変化し、トレンチゲート30の底部の電界強度が高くなる。したがって、トレンチゲート30の底部の部分の耐圧が低くなるため、半導体装置100全体の耐圧も、活性領域内の耐圧で決まる場合が多い。しかしながら、トレンチゲート30のピッチが微細化されると、等電位面が大きく変化しないため、活性領域での耐圧が高くなる。したがって、信号パッド領域90における耐圧が、半導体装置100全体の耐圧を決定する場合が生じる。そこで、本例の半導体装置100は、信号パッド領域90における耐圧を向上して、半導体装置100全体の耐圧を高める。
図4は、図1におけるC−C'断面の一例を示す図である。図4は、主として、信号パッド領域90における構造を示している。信号パッド領域90は、絶縁膜56、導電部54、およびP+ウェル領域110を有する。P+ウェル領域110は、エミッタ電極52と電気的に接続されて、エミッタ電位が与えられてよい。また、信号パッド領域90は、上述したドリフト領域18および裏面電極24を有してよい。したがって、ドリフト領域18および裏面電極24は、信号パッド領域90とトランジスタ部70とにまたがって広がってよい。
絶縁膜56は、半導体基板10のおもて面に形成されている。絶縁膜56は、図2で説明したゲート絶縁膜32と一体的に形成されてよい。この場合、絶縁膜56とゲート絶縁膜32と同一材料であってよく、ゲート絶縁膜32と同一の厚さを有してよい。絶縁膜56は、半導体基板10のおもて面を酸化または窒化することにより形成してよい。導電部54は、半導体基板10のおもて面に絶縁膜56を介して設けられる。導電部54は、金属またはポリシリコン等の導電性材料で形成されてよい。本例では、導電部54は、アルミニウム等の金属膜である。導電部54は、パッド層であってもよく、配線であってもよく、センサ部であってもよい。
P+ウェル領域110は、半導体基板10の内部において、導電部54の下方に設けられる。P+ウェル領域110は、半導体基板10のおもて面から下方に向かって形成されてよい。P+ウェル領域110は、トランジスタ部70におけるベース領域14より下方まで設けられる。すなわち、P+ウェル領域110は、半導体基板10の厚み方向(Z軸方向)の深さが、トランジスタ部70おけるベース領域14より深くてよい。P+ウェル領域110は、トランジスタ部70におけるP型のベース領域14のP型のドーピング濃度より高いP+型のドーピング濃度を有してよい。
P+ウェル領域110の下方の少なくとも一部の領域において、半導体装置100は、単位面積あたりの第2導電型のキャリア注入量がコレクタ領域22に比べて小さい注入量制限部28を有する。本例では、注入量制限部28は、P+ウェル領域110の下方においてコレクタ領域22と同じ深さに設けられたN型の導電層を含む。同じ深さとは、半導体基板10の厚み方向(Z軸方向)における、それぞれのおもて面および裏面が一致する場合のみならず、半導体基板10の厚み方向(Z軸方向)の何れかの位置で共に領域が存在する場合が含まれる。
本例では、N型の導電層として、バッファ領域20が設けられる。信号パッド領域90におけるバッファ領域20は、第1バッファ領域21と第2バッファ領域23とを含んでよい。第1バッファ領域21は、トランジスタ部70におけるバッファ領域20と同じ深さに設けられる。第2バッファ領域23は、コレクタ領域22と同じ深さに設けられて裏面電極24に接触する。
P+ウェル領域110の下方においてコレクタ領域22と同じ深さに設けられたN型の導電層は、ドリフト領域18におけるN型のドーピング濃度より高いN型のドーピング濃度を有してよい。本例では、第2バッファ領域23のN型のドーピング濃度が、ドリフト領域18におけるN型のドーピング濃度より高い。これにより、N型の導電層と裏面電極24との間のコンタクト抵抗が低くできる。第1バッファ領域21および第2バッファ領域23の双方のN型のドーピング濃度が、ドリフト領域18におけるN型のドーピング濃度より高くてもよい。
コレクタ領域22と同じ深さに設けられたN型の導電層は、バッファ領域20に限られない。半導体装置100が、バッファ領域20を有しない場合には、ドリフト領域18が、コレクタ領域22と同じ深さに設けられたN型の導電層であってよい。
本例においては、注入量制限部28は、P+ウェル領域110の下方全域に設けられる。上面視において、P+ウェル領域110を少なくとも包含するように注入量制限部28は区画されてよい。上面視において、注入量制限部28の端部114の位置が、P+ウェル領域110の端部112の位置と一致してよい。上面視とは、半導体基板10のおもて面から見る場合を意味する。
本例によれば、P+ウェル領域110が設けられている。P+ウェル領域110によって抵抗率を下げることができる。抵抗率が下がることによって電流が流れるときの電圧降下(起電力)も低くなる。したがって、隣接するトランジスタ部70から、絶縁膜56の平行する面(XY平面)に沿って電流が流れる場合に生じる起電力も低くなるため、信号パッド領域90の絶縁膜56が損傷を受けることを防止することができる。
P+ウェル領域110は、トランジスタ部70におけるベース領域14よりも深く形成されているので、P+ウェル領域110が設けられる信号パッド領域90での耐圧が低くなりやすい。しかし、本例の半導体装置100によれば、P+ウェル領域110の下方の領域においては、コレクタ領域22が存在しない。換言すれば、半導体装置100は、P+ウェル領域110の下方の少なくとも一部の領域において、単位面積あたりの第2導電型のキャリア注入量がコレクタ領域22に比べて小さい注入量制限部28を有する。
P+ウェル領域110の下方の領域への裏面電極24からの第2導電型のキャリアの注入量が減ると、耐圧が高くなる。半導体基板10の内部において、空乏層はキャリアのない部分に広がりやすい。したがって、裏面電極24から第2導電型のキャリアの注入があると、空乏層が広がりにくくなる。これにより、裏面電極24から第2導電型のキャリアの注入がある場合における耐圧はキャリアの注入のない場合における耐圧と比べて低下する。逆に、局所的に裏面電極24から第2導電型のキャリア注入がない部分を作れば、空乏層が広がる。したがって、その部分で耐圧が高くなる。
本例の半導体装置100によれば、P+ウェル領域110の存在によって耐圧が低くなりやすい領域において、第2導電型のキャリアの注入が抑制される。したがって、P+ウェル領域110の存在によって耐圧が低くなりやすい領域における耐圧を高めることができる。これにより、半導体装置100内での耐圧差を軽減し、半導体装置100内の耐圧を高くすることができる。
注入量制限部28は、必ずしも、信号パッド領域90の全体に設けなくてもよい。注入量制限部28は、トランジスタ部70と、ダイオード部80と、信号パッド領域90との境界点97の下方において少なくとも設けられてよい。特に、半導体装置100がRC−IGBTである場合、裏面電極24側からのキャリアの注入がないダイオード部80の耐圧が高いので、図1に示したような境界点97において耐圧差が生じやすい。境界点97の下方において、注入量制限部28を設けることによって、半導体装置100内での耐圧差を少なくすることができる。
本例の半導体装置100の製造方法の一例を説明する。まず、半導体装置100のおもて面において、エミッタ領域12およびベース領域14などのドーパント領域が形成される。また、P+ウェル領域110等のドーパント領域も形成される。エミッタ領域12は、リン等のドーパントを注入することによって形成されてよい。ベース領域14は、ボロン等のドーパントを注入することによって形成されてよい。P+ウェル領域110は、ボロン等のドーパントを注入して形成されてよい。また、ドーパント領域が形成された後にトレンチゲート30等形成される。そして、各トレンチゲート30を覆う層間絶縁膜38を形成される。
次に、エミッタ電極52が形成される。エミッタ電極52はスパッタリングにより形成してよい。スパッタリングの際、半導体基板10の温度を350℃から450℃程度としてよい。次に、半導体基板10のおもて面と反対側の面を研削して、半導体基板10の厚みを調整する。半導体基板10の厚みは、半導体装置100が有するべき耐圧に応じて設定される。
次に、半導体装置100の裏面構造を形成する。下面構造とは、例えばコレクタ領域22およびカソード領域82である。コレクタ領域22は、ボロン等のP型ドーパントを注入して形成してよい。コレクタ領域22の形成時に、P+ウェル領域110の下方に相当する領域、すなわち、信号パッド領域90には、ボロン等のP型ドーパントが注入されないようにマスクが形成されてよい。この結果、P+ウェル領域110の下方にはコレクタ領域22が形成されない。次に、半導体基板10の裏面からプロトンを注入して、バッファ領域20を形成する。半導体基板10をアニールして、バッファ領域20に注入したプロトンを活性化させる。
以上のように構成される本例の半導体装置100の効果を説明する。本例の半導体装置100の効果を説明するにために比較例を参照する。図5は、比較例における半導体装置300の断面の一例を示す図である。半導体装置300では、P型のコレクタ領域22が、P+ウェル領域110の下方まで設けられている。
図6は、本発明の実施形態に係る半導体装置100における伝導電流の分布とインパクトイオン化率の分布についてのシミュレーション結果を示す図である。図6の上段は、電圧クランプした状態における伝導電流の分布を示す。図6の下段は、電圧クランプした状態におけるインパクトイオン化率の分布を示す。同様に、図7は、比較例の半導体装置300における伝導電流の分布とインパクトイオン化率の分布についてのシミュレーション結果を示す図である。図6および図7において、縦軸は深さ方向(Z軸方向)を示し、横軸は半導体基板10のおもて面における面内方向(X方向)を示す。
区分201が最も小さい伝導電流の区分を示し、区分201、区分202、区分203、区分204、および区分205の順で伝導電流が大きくなる。区分205が最も大きい伝導電流を示す。図7に示されるように、比較例の半導体装置300においては、P+ウェル領域110が存在する信号パッド領域90における伝導電流は、最も大きい値の区分205を示す。これに対して、図6に示されるように、本例の半導体装置100においては、P+ウェル領域110が存在する信号パッド領域90における伝導電流は、区分201および区分202を示す。
アバランシェ現象等のブレークダウンの指標になるインパクトイオン化率については、区分211が最も低い区分を示し、区分211、区分212、区分213、区分214、区分215、および区分216の順でインパクトイオン化率が大きくなる。区分216が最も高いインパクトイオン化率を示す。図7に示されるように、比較列の半導体装置300においては、P+ウェル領域110が存在する信号パッド領域90におけるインパクトイオン化率は、最も高い値の区分216を示す。これに対して、図6に示されるように、本例の半導体装置100においては、P+ウェル領域110が存在する信号パッド領域90におけるインパクトイオン化率は、区分211および区分212を示す。
図7に示される比較例の半導体装置300は、P+ウェル領域110が存在する信号パッド領域90において、インパクトイオン化率が高値を示すことから、アバランシェ現象が起こっていることを示している。この結果、比較例の半導体装置300では、P+ウェル領域110が存在する領域に電流が集中する。一方、図6に示される本実施形態の半導体装置100では、アバランシェ現象が防止されており、P+ウェル領域110が存在する領域への電流集中を避けることがきる。
図8は、P+ウェル領域110と、コレクタ領域22との位置関係を示す図である。本例では、P+ウェル領域110は、幅が36.5μmのマスクを用いてイオン注入し、イオン注入後のアニール処理により形成された場合を一例として示している。P+ウェル領域110の幅dは、アニール処理による拡散部分を含めて、予め定められた値に設定される。本例では、P+ウェル領域110の幅dは43μmである。注入量制限部28の幅wは、コレクタ領域22がない部分の幅に対応する。
注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅dより小さい場合には、コレクタ領域22が、P+ウェル領域110の下方の領域まで拡がっている。したがって、上面視においてコレクタ領域22とP+ウェル領域110とが重なる。そして、注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅dに近づくように増加するにしたがって、上面視においてコレクタ領域22とP+ウェル領域110とが重なる部分が小さくなる。注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅d以上である場合には、P+ウェル領域110の下方の領域全体において、コレクタ領域22がない。換言すれば、注入量制限部28は、P+ウェル領域110の下方全域に設けられる。この場合、上面視においてコレクタ領域22とP+ウェル領域110とが重ならない。
図9は、注入量制限部28の幅wと、P+ウェル領域110の端部112における温度との関係の一例を示す図である。注入量制限部28の幅wがゼロの場合、すなわち、P型のコレクタ領域22が、P+ウェル領域110の下方全域に設けられている場合には、P+ウェル領域110の端部112の温度は、200℃程度に上昇する。これは、図5に示された比較例の半導体装置300に対応する。P+ウェル領域110が存在する領域に電流が集中することで、温度上昇が生じる。
注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅dに近づくように増加するにしたがって、P+ウェル領域110の端部112の温度が減少する。すなわち、上面視においてコレクタ領域22とP+ウェル領域110とが重なる部分が小さくなるにつれて、P+ウェル領域110の端部112の温度が減少する。そして、注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅dに達すると、上面視においてコレクタ領域22とP+ウェル領域110とが重ならなくなり、P+ウェル領域110の端部112の温度は最低値を示す。
本例によれば、注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅dの60%の場合、すなわち、注入量制限部28が、P+ウェル領域110の下方の領域の60%の領域に設けられる場合には、P+ウェル領域110の端部112の温度を100℃以下に抑えることができる。注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅dの90%の場合、すなわち、注入量制限部28がP+ウェル領域110の下方の領域の90%の領域に設けられる場合には、P+ウェル領域110の端部112の温度を50℃以下に抑えることができる。さらに、注入量制限部28の幅wがP+ウェル領域110の幅d以上の場合、すなわち、注入量制限部28がP+ウェル領域110の下方全域に設けられる場合には、P+ウェル領域110の端部112の温度は室温程度に抑制できる。したがって、注入量制限部28は、好ましくは、P+ウェル領域110を半導体基板10の裏面に投影したときの投影領域の60%以上の領域に設けられ、より好ましくは、投影領域の90%以上の領域に設けられ、さらに好ましくは、投影領域の90%以上の全域に設けられる。
本例の半導体装置100によれば、電流集中による発熱を抑制して、発熱に伴う信号パッド領域90の損傷を未然に防止することができる。特に、電流集中による発熱による絶縁膜56の損傷を未然に防止することができる。この結果、耐量を改善することができる。また、信号パッド領域90においてのみ、コレクタ領域22を設けないようにしているので、トランジスタ部70におけるIGBT特性への影響は少ない。
図10は、本発明の第2実施形態における半導体装置100におけるC−C'断面の一例を示す図である。第1実施形態の半導体装置100では、P+ウェル領域110の下方においてコレクタ領域22と同じ深さに設けられた第1導電型の導電層を含む場合を説明した。これに対し、本例では、注入量制限部は、P+ウェル領域110の下方において設けられた第2導電型の導電層29を備える。第2導電型の導電層29は、コレクタ領域22における第2導電型のドーピング濃度より低いP型のドーピング濃度より低い第2導電型のドーピング濃度を有する。導電層29は、P型である。
本例においては、注入量制限部として機能する第2導電型の導電層29は、P+ウェル領域110の下方全域に設けられる。上面視において、P+ウェル領域110を少なくとも包含するように第2導電型の導電層29は区画されてよい。上面視において、導電層29の端部の位置が、P+ウェル領域110の端部112の位置と一致してよい。本例では、導電層29は、コレクタ領域22と同じ深さに設けられる。導電層29は、裏面電極24と接触してよい。注入量制限部の構造を除いて、本例の半導体装置100は、第1実施形態の半導体装置100の構造と同様である。したがって、繰り返しの説明は省略する。
本例の半導体装置100は、種々の製造方法により製造することができる。例えば、半導体装置100の裏面構造を形成するときに、コレクタ領域22と、P+ウェル領域110の下方に相当する領域(すなわち、信号パッド領域90)に共通に第1のドーピング濃度となるようにP型ドーパントを注入する。次いで、P+ウェル領域110の下方に相当する領域、すなわち、信号パッド領域90を覆うマスクが形成される。次いで、コレクタ領域22に追加的にP型ドーパントを注入して、第1のドーピング濃度より高い第2のドーピング濃度としてよい。このような製造方法によって第2実際形態の半導体装置100を製造することがきる。
本例の半導体装置100において、導電層29は、第2導電型のP型ドーパントのドーピング濃度がコレクタ領域22に比べて低い。P型ドーパントのドーピング濃度の違いに起因して、導電層29は、単位面積あたりの第2導型のキャリア注入量がコレクタ領域22に比べて小さい。したがって、導電層29は、注入量制限部として機能する。本例によっても、P+ウェル領域110が設けられた部分への第2導電型のキャリアの注入量が低減することで、耐圧を高めることができる。
図11は、本発明の第3実施形態における半導体装置100におけるC−C'断面の一例を示す図である。本例では、注入量制限部は、P+ウェル領域110の下方において、半導体基板10と裏面電極24との間に設けられた絶縁膜27を含む。絶縁膜27は、一例として、シリコン酸化膜等の酸化膜またはシリコン窒化膜等の窒化膜で形成される。
本例においては、注入量制限部として機能する絶縁膜27は、P+ウェル領域110の下方全域に設けられる。上面視において、P+ウェル領域110を少なくとも包含するように絶縁膜27は区画されてよい。上面視において、絶縁膜27の端部116の位置が、P+ウェル領域110の端部112の位置と一致してよい。本例では、P型のコレクタ領域22は、P+ウェル領域110の下方まで設けられてよい。絶縁膜27は、コレクタ領域22に接触するように設けられてよい。注入量制限部の構造を除いて、本例の半導体装置100は、第1および第2実施形態の半導体装置100の構造と同様である。したがって、繰り返しの説明は省略する。
本例の半導体装置100は、種々の製造方法により製造することができる。例えば、半導体装置100の裏面にコレクタ領域22を形成した後、コレクタ領域22に絶縁膜を形成する。絶縁膜をパターニングして信号パッド領域90に絶縁膜27を残す。これにより、トランジスタ部70では、コレクタ領域22が露出する。露出したコレクタ領域22と絶縁膜27を覆うにように裏面電極24が形成される。必要に応じて裏面電極24は平坦化されてもよい。絶縁膜27と裏面電極24との間は電気的に導通しない。したがって、絶縁膜27が設けられた領域においては、裏面電極24を設けないようにしてもよい。
本例の半導体装置100によれば、P+ウェル領域110が設けられた部分への第2導電型のキャリアの注入が絶縁膜27によって制限される。したがって、本例によっても、耐圧を高めることができる。
図12は、本発明の第4実施形態における半導体装置100におけるC−C'断面の一例を示す図である。本例では、注入量制限部28は、P+ウェル領域110の下方においてコレクタ領域22と同じ深さに設けられたN型の導電層を含む。本例では、N型の導電層として、バッファ領域20が設けられる。本例では、注入量制限部28が設けられる領域が、P+ウェル領域110を半導体基板10の裏面に投影したときの投影領域よりも広い。この結果、注入量制限部28の端部114は、P+ウェル領域110の端部112よりも、トランジスタ部70側に位置している。したがって、トランジスタ部70においても、部分的にコレクタ領域22が存在しない部分がある。注入量制限部28の端部114(コレクタ領域22の端部)と、P+ウェル領域110の端部112とは、上面視で距離Qだけ離れている。距離Qは、0μm以上、50μm以下であってよい。距離Qが50μm以上となると、トランジスタ部70の特性に影響する場合があるので、距離Qは、50μm以下であることが望ましい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。各実施の形態は組み合わされてもよい。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
10・・・半導体基板、12・・・エミッタ領域、14・・・ベース領域、15・・・コンタクト領域、18・・・ドリフト領域、20・・・バッファ領域、21・・・第1バッファ領域、22・・・コレクタ領域、23・・・第2バッファ領域、24・・・裏面電極、27・・・絶縁膜、28・・・注入量制限部、29・・・導電層、30・・・トレンチゲート、32・・・ゲート絶縁膜、33・・・ゲートトレンチ、34・・・ゲート導電部、38・・・層間絶縁膜、40・・・トレンチ部、42・・・トレンチ絶縁膜、43・・・トレンチ、44・・・トレンチ導電部、50・・・エッジ終端構造、52・・エミッタ電極、54・・・導電部、56・・・絶縁膜、70・・・トランジスタ部、80・・・ダイオード部、82・・・カソード領域、90・・・信号パッド領域、91・・・パッド領域、92・・・パッド領域、93・・・パッド領域、94・・・ゲート用パッド領域、95・・・温度センサ配線領域、96・・・ゲートランナー領域、97・・・境界点、100・・・半導体装置、110・・・P+ウェル領域、112・・・端部、114・・・端部、116・・・端部、201・・・区分、202・・・区分、203・・・区分、204・・・区分、205・・・区分、211・・・区分、212・・・区分、213・・・区分、214・・・区分、215・・・区分、216・・・区分、300・・・半導体装置

Claims (9)

  1. トランジスタ部とダイオード部とを備える半導体装置であって、
    前記トランジスタ部は、半導体基板の内部に形成される第1導電型のドリフト領域と、前記半導体基板の内部において前記ドリフト領域の上方に設けられた第2導電型のベース領域と、前記半導体基板の内部において前記ドリフト領域の下方に設けられた第2導電型のコレクタ領域と、を有しており、
    前記半導体基板の内部において、前記ベース領域より下方まで設けられた第2導電型のウェル領域と、
    前記ウェル領域の下方の少なくとも一部の領域において、単位面積あたりの第2導電型のキャリア注入量が前記コレクタ領域に比べて小さい注入量制限部を有し、
    前記トランジスタ部は、前記半導体基板の裏面に設けられて前記コレクタ領域と電気的に接続する裏面電極を更に備え、
    前記注入量制限部は、前記半導体基板と前記裏面電極との間に設けられた絶縁膜を含む
    半導体装置。
  2. トランジスタ部とダイオード部とを備える半導体装置であって、
    前記トランジスタ部は、半導体基板の内部に形成される第1導電型のドリフト領域と、前記半導体基板の内部において前記ドリフト領域の上方に設けられた第2導電型のベース領域と、前記半導体基板の内部において前記ドリフト領域の下方に設けられた第2導電型のコレクタ領域と、を有しており、
    前記半導体基板の内部において、前記ベース領域より下方まで設けられた第2導電型のウェル領域と、
    前記ウェル領域の下方の少なくとも一部の領域において、単位面積あたりの第2導電型のキャリア注入量が前記コレクタ領域に比べて小さい注入量制限部を有し、
    前記半導体装置は、前記トランジスタ部または前記ダイオード部に隣接した信号パッド領域を有し、
    前記信号パッド領域は、
    前記半導体基板のおもて面に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成された導電部と、を有し、
    前記ウェル領域は、前記導電部の下方に設けられる、
    前記注入量制限部は、前記トランジスタ部と、前記ダイオード部と、前記信号パッド領域との境界点の下方において設けられている、
    半導体装置
  3. 前記トランジスタ部は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、
    前記ダイオード部は、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタに電気的に接続される還流ダイオードを含む、
    請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記トランジスタ部または前記ダイオード部に隣接した信号パッド領域を有し、
    前記信号パッド領域は、
    前記半導体基板のおもて面に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成された導電部と、を有し、
    前記ウェル領域は、前記導電部の下方に設けられる、
    請求項に記載の半導体装置。
  5. 前記注入量制限部は、前記ウェル領域の下方において前記コレクタ領域と同じ深さに設けられた第1導電型の導電層を含む、
    請求項に記載の半導体装置。
  6. 前記第1導電型の導電層は、前記ドリフト領域における第1導電型のドーピング濃度より高い第1導電型のドーピング濃度を有する、
    請求項に記載の半導体装置。
  7. 前記注入量制限部は、前記ウェル領域の下方において設けられた第2導電型の導電層を含み、
    前記第2導電型の導電層は、前記コレクタ領域における第2導電型のドーピング濃度より低い第2導電型のドーピング濃度を有する、
    請求項に記載の半導体装置。
  8. 前記ウェル領域は、前記ベース領域の第2導電型のドーピング濃度より高い第2導電型のドーピング濃度を有する、
    請求項1から7の何れか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記注入量制限部は、前記ウェル領域の下方全域に設けられている、
    請求項1から8の何れか1項に記載の半導体装置。
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