JP2014160720A

JP2014160720A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2014160720A
Application number: JP2013030109A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Torii; 克行鳥居
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-09-04

Abstract

【課題】負荷短絡耐量はオン電圧とトレードオフの関係を解消することによってオン抵抗を低減できる半導体装置及び半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基体１を有し、半導体基体１には、第１導電型の第1半導体領域２０と、第１半導体領域２０上に配置された第１導電型とは反対の導電型の第２半導体領域３０と、第２半導体領域３０上に配置された第１導電型の第３半導体領域４０と、第1半導体領域２０と前記第３半導体領域４０との間に第１導電型の不純物濃度が第1半導体領域よりも高い第４半導体領域２５と、第３半導体領域４０の上面から第２半導体領域３０及び第４半導体領域２５を貫通し、第４半導体領域２５の幅が上面よりも下面で広くなるように、深さ方向に傾斜する溝と、溝の底部及び側面に配置された絶縁膜５０と、絶縁膜５０の内側に配置された制御電極６０と、を含む半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴ構造を有する半導体装置に関する。

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、高入力インピーダンス、低オン電圧を有することから、モータ駆動回路などで使用されている。

このため、例えば、ベース領域のコレクタ領域に対向する面に密接し且つＮ−型ドリフト領域との間に配置され、Ｎ−型ドリフト領域よりも高い不純物濃度を有するＮ型の半導体領域をイオン注入と拡散により形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＮ型の高不純物濃度半導体領域を配置することによってコレクタ領域からベース領域に向かう正孔（ホール）の移動を制限し、更に、高不純物濃度半導体領域とドリフト領域との界面近傍のドリフト領域に正孔を蓄積することを目的としている。ドリフト領域に正孔が蓄積されると、耐圧とオン電圧のトレードオフを解消し、耐圧の低下を抑制しながらＩＧＢＴのオン電圧を低減することができる。

特開平０８−３１６４７９号公報

ＩＧＢＴに接続される装置の事故等でＩＧＢＴに過電流が流れることがある。この過電流がＩＧＢＴに流れ続けると、ＩＧＢＴが発熱し、遂には破壊に至る。この過電流の流れ始めから半導体装置の破壊に至るまでの時間が短絡耐量であり、ＩＧＢＴの特性を決める重要な要素の１つとなっている。一般的に、ＩＧＢＴの定格電流の数倍程度に過電流が制限されるように、ＩＧＢＴが制限をかける構造となっているが、この負荷短絡耐量はオン電圧とトレードオフの関係にある。

本発明は、負荷短絡耐量とオン電圧とのトレードオフの関係を解消することによってオン抵抗を低減できる半導体装置及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態によれば、半導体基体を有し、半導体基体には、第１導電型の第1半導体領域と、第１半導体領域上に配置された、第１導電型とは反対の導電型の第２半導体領域と、第２半導体領域上に配置された、第１導電型の第３半導体領域と、第1半導体領域と第３半導体領域との間に第１導電型の不純物濃度が第1半導体領域よりも高い第４半導体領域と、第３半導体領域の上面から第２半導体領域及び第４半導体領域を貫通し、第４半導体領域の幅が上面よりも下面で広くなるように、深さ方向に傾斜する溝と、溝の底部及び側面に配置された絶縁膜と、前記絶縁膜の内側に配置された制御電極と、を含む半導体装置が提供される。

本発明によれば、溝の側壁が傾斜し、溝側面のチャネル長が長くなることで、負荷短絡耐量を大きくすることができる。更に、溝の側壁が傾斜し、溝間の第４半導体領域の上面に比べて下面の幅を広くすることで、第４半導体領域と第１半導体領域との界面の面積を広げて、第４半導体領域と第１半導体領域との界面近傍に蓄積される正孔の量が増やすことで、半導体装置のオン電圧をより低下させることができる。これによって、オン電圧と負荷短絡耐量のトレードオフを解消することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の動作を説明するための模式的な断面図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）本発明の第１の実施形態に係る半導体装置は、図１に示すように、ｐ型のコレクタ領域１０と、コレクタ領域１０上に配置されたｎ型のドリフト領域２０と、ドリフト領域２０上に配置されたｐ型のベース領域３０と、ベース領域３０上に配置されたｎ型のエミッタ領域４０と、エミッタ領域４０の上面から延伸してエミッタ領域４０及びベース領域３０を貫通する溝の底面及び側面に配置されたゲート酸化膜５０と、ゲート酸化膜５０を介してベース領域３０と対向して溝の内部に埋め込まれたゲート電極６０とを半導体基体１に備える。

半導体装置は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であり、ゲート電極６０と対向するベース領域３０の表面がチャネル領域である。また、ゲート電極６０の上面には層間絶縁膜７０が配置され、層間絶縁膜７０の貫通孔を介してエミッタ領域４０とベース領域３０に接続するエミッタ電極８０が配置されている。

そして、図１に示すように、ドリフト領域２０とベース領域３０間に配置された、ドリフト領域２０よりも不純物濃度の高いｎ型の高不純物濃度領域２５を備える。溝はエミッタ領域４０とベース領域３０だけではなく高不純物濃度領域２５も貫通しており、溝及びゲート電極６０は高不純物濃度領域２５の下面よりもより深くまで延びている。つまり、溝及びゲート電極６０はドリフト領域２０にまで達している。高不純物濃度領域２５の不純物濃度は、高いところで５×１０¹⁴〜５×１０¹⁶ｃｍ^-3程度である。

また、溝の開口部の幅に比べて溝の底部の幅が狭く、溝の開口部から底部に向かって除々に溝の幅が狭くなっている。その結果、ベース領域３０、高不純物濃度領域２５及びドリフト領域２０における溝と接する側面は傾斜し、上方から見て、溝と溝で挟まれたベース領域３０、高不純物濃度領域２５では上面に比べて下面の面積が広くなっている。ドリフト領域２０では、深さ方向に幅が狭くなる溝の受け部を有する。

なお、本発明の第１の実施形態の半導体装置では、図１の構造が左右に複数繰り返し配置されており、全体としてセル領域が構成されている。

半導体装置１の動作について説明する。エミッタ電極８０とコレクタ電極９０間に所定のコレクタ電圧を印加し、エミッタ電極８０とゲート電極６０間に所定のゲート電圧を印加する。例えば、コレクタ電圧は３００Ｖ〜１６００Ｖ程度、ゲート電圧は１０Ｖ〜２０Ｖ程度である。このようにして半導体装置１をオン状態にすると、チャネル領域１００がｐ型からｎ型に反転してチャネルが生じる。生じたチャネルを通過して、エミッタ電極８０から電子がドリフト領域２０に注入される。この注入された電子により、コレクタ領域１０とドリフト領域２０との間が順バイアスされ、コレクタ領域１０から正孔（ホール）がドリフト領域２０、高不純物濃度領域２５、ベース領域３０、エミッタ電極８０の順に移動する。更に電流を増やしていくと、コレクタ領域１０からの正孔が増加し、ベース領域３０の下方に正孔が更に蓄積される。この結果、伝導度変調によってオン電圧が低下する。

ここで、高不純物濃度領域２５はドリフト領域２０よりも不純物濃度が高いため、コレクタ領域１０からドリフト領域２０を経由して高不純物濃度領域２５へ移動してきた正孔は、高不純物濃度領域２５とドリフト領域２０との界面でその移動を妨げられ、高不純物濃度領域２５との界面近傍のドリフト領域２０内で滞在する。この正孔の滞在によって、更にオン電圧を下げることができる。

本発明の第１の実施形態によれば、ベース領域３０、高不純物濃度領域２５及びドリフト領域２０における溝と接する側面が傾斜し、且つ溝の幅は深さ方向に狭くなっているので、エミッタ電極８０から溝に沿ってドリフト領域２０に注入される電子が溝の下のドリフト領域２０の領域へとより良好に拡散することができる。従って、コレクタ領域１０からドリフト領域２０へ移動する正孔も多くなり、半導体装置のオン電圧を低下させることができる。

更に、ドリフト領域２０から溝に沿って移動してきた正孔は、溝によってその移動を妨げられるため、溝と対向する高不純物濃度領域２５の側壁に沿って移動する量が多くなる。高不純物濃度領域２５における溝と接する側面が傾斜していることで、高不純物濃度領域２５において溝に沿って移動しようとする正孔の移動距離が長くなり、正孔がベース領域３０に達することを抑制し、より多くの正孔をドリフト領域２０内に滞在させることができる。その結果、半導体装置のオン電圧をより低下させることができる。

また、高不純物濃度領域２５における溝と接する側面は傾斜し、上方から見て、溝と溝で挟まれた高不純物濃度領域２５は上面に比べて下面で広くなっている。高不純物濃度領域２５と接するドリフト領域２０の面積が広がり、より多くの正孔をドリフト領域２０内に滞在させることができる。その結果、半導体装置のオン電圧をより低下させることができる。

ここで、ＩＧＢＴに接続される装置の故障等によりＩＧＢＴに過電流が流れた場合、ＩＧＢＴ自体が発熱によってＩＧＢＴ自体が破壊に至る。この過電流の流れ始めから破壊に至るまでの時間が負荷短絡耐量である。本発明の第１の実施形態によれば、チャネル領域１００が発生するゲート電極６０と対向するベース領域３０の表面が傾斜している。その結果、半導体装置のチャネル長が増加し、ＩＧＢＴに接続される装置の故障等によってＩＧＢＴに流れる過電流が減少し、負荷短絡耐量を向上させることができる。

一方、半導体装置１をオン状態からオフ状態にする場合には、ゲート電圧をしきい値電圧よりも低くし、例えば、ゲート電圧をエミッタ電圧と同じ接地電位又は逆バイアスとなるように制御してチャネル領域１００を消滅させる。これにより、エミッタ電極８０からドリフト領域２０への電子の注入が停止する。コレクタ電極９０の電位がエミッタ電極８０よりも高いので、ベース領域３０とドリフト領域２０との界面から空乏領域が広がっていくと共に、ドリフト領域２０に蓄積された正孔はエミッタ電極８０に抜けていく。

図２は、本発明の第１の実施形態のＩＧＢＴにおいて、コレクタ電極９０の電位を所定の値にした時の空乏領域の広がり方を点線で示したものである。本発明の第１の実施形態によれば、溝と接するドリフト領域２０及び／又は高不純物濃度領域２５の側面が傾斜していることで、溝の底部の角部近傍の空乏領域の広がりがなだらかになり、より良好に耐圧を確保することができる。

ここで、溝の底部の角部近傍の側面の傾斜角度（α）よりもベース領域３０の側面の傾斜角度（β）の方が急であることが望ましい。溝の底部の角部近傍の空乏領域との距離を確保できるため、より良好に耐圧を確保することができる。

１・・・半導体基体
１０・・・コレクタ領域２０・・・ドリフト領域２５・・・高不純物濃度領域３０・・・ベース領域４０・・・エミッタ領域６０・・・ゲート電極７０・・・層間絶縁膜８０・・・エミッタ電極９０・・・コレクタ電極

Claims

半導体基体を有し、前記半導体基体には、第１導電型の第1半導体領域と、前記第１半導体領域上に配置された、前記第１導電型とは反対の導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域上に配置された、第１導電型の第３半導体領域と、前記第1半導体領域と前記第３半導体領域との間に第１導電型の不純物濃度が前記第1半導体領域よりも高い第４半導体領域と、前記第３半導体領域の上面から前記第２半導体領域及び前記第４半導体領域を貫通し、前記第４半導体領域の幅が上面よりも下面で広くなるように、深さ方向に傾斜する溝と、前記溝の底部及び側面に配置された絶縁膜と、前記絶縁膜の内側に配置された制御電極と、を含む半導体装置。
前記溝の底部の角部の側面の傾斜角度よりも前記第３の半導体領域の側面の傾斜角度の方が急であることを特徴とする請求項１の半導体装置。