特許 6092760 縦型半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6092760

(24)【登録日】2017年2月17日

(45)【発行日】2017年3月8日

(54)【発明の名称】縦型半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/739 20060101AFI20170227BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20170227BHJP

   H01L 29/861 20060101ALI20170227BHJP

   H01L 29/868 20060101ALI20170227BHJP

   H01L 29/417 20060101ALI20170227BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20170227BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 655B

   H01L29/78 655D

   H01L29/78 655A

   H01L29/78 653A

   H01L29/91 K

   H01L29/91 C

   H01L29/50 M

   H01L29/44 S

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-251994(P2013-251994)

(22)【出願日】2013年12月5日

(65)【公開番号】特開2015-109369(P2015-109369A)

(43)【公開日】2015年6月11日

【審査請求日】2016年1月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】町田 悟

(72)【発明者】

【氏名】山下 侑佑

(72)【発明者】

【氏名】妹尾 賢

(72)【発明者】

【氏名】大河原 淳

(72)【発明者】

【氏名】平林 康弘

(72)【発明者】

【氏名】細川 博司

【審査官】 恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０５９７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０６５７３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１００７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０３７３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−１６２３９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／７３９

Ｈ０１Ｌ ２９／４１

Ｈ０１Ｌ ２９／４１７

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８６１

Ｈ０１Ｌ ２９／８６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

縦型半導体装置であって、
半導体層と、
前記半導体層の第１主面を被膜する第１主電極と、
前記半導体層の第２主面を被膜する第２主電極と、を備えており、
前記半導体層は、
バッファ層と、
前記バッファ層に接しており、前記バッファ層よりも前記第２主面側に配置されている第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層に接しており、前記第１半導体層よりも前記第２主面側に配置されている第２導電型の第２半導体層と、を有しており、
前記バッファ層は、
前記第１主面から第１深さに形成されており、その不純物濃度が前記第１半導体層の不純物濃度よりも濃い第１導電型の第１バッファ領域と
前記第１主面から前記第１深さよりも浅い第２深さに形成されており、その不純物濃度が前記第１半導体層の不純物濃度よりも濃い第１導電型の第２バッファ領域と、を有しており、
前記第１バッファ領域は、前記半導体層の前記第１深さの面内に開口を画定しており、
前記第２バッファ領域は、前記半導体層の前記第２深さの面内に開口を画定しており、
前記第１バッファ領域で画定される開口は、前記第１バッファ領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度の第１導電型の領域であり、
前記第２バッファ領域で画定される開口は、前記第２バッファ領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度の第１導電型の領域であり、
前記半導体層の深さ方向に沿って観測したときに、前記第１バッファ領域で画定される開口の位置と前記第２バッファ領域で画定される開口の位置が一致しない縦型半導体装置。

【請求項2】

前記半導体層の深さ方向に沿って観測したときに、前記第１バッファ領域で画定される開口の位置と前記第２バッファ領域で画定される開口の位置が重複しない請求項１に記載の縦型半導体装置。

【請求項3】

前記バッファ層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層の接合面から伸びる空乏層が前記バッファ層を超えて伸びるのを防止する請求項１又は２に記載の縦型半導体装置。

【請求項4】

前記縦型半導体装置がＩＧＢＴである請求項１〜３のいずれか一項に記載の縦型半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される技術は、縦型半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

縦型半導体装置の一例として、パンチスルー型のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)が知られている。パンチスルー型のＩＧＢＴがターンオフすると、ｎ型のドリフト層とｐ型のベース層の接合面から伸びる空乏層がドリフト層を越えてｎ⁺型のバッファ層に達する。このため、ターンオフ時にドリフト層内のキャリアが瞬時に枯渇し、電流が急速に減少する。ドリフト層のキャリアが枯渇すると、パンチスルー型のＩＧＢＴが空乏層容量を有するキャパシタと等価となり、このキャパシタが回路内の寄生インダクタンスとの間で共振現象を起こす。この結果、パンチスルー型のＩＧＢＴのターンオフ時には、共振現象に起因してコレクタ・エミッタ間電圧が発振する。

【0003】

特許文献１は、このコレクタ・エミッタ間電圧の発振を抑えるために、半導体層の厚み方向に離れて設けられた２つのバッファ領域を備えたパンチスルー型のＩＧＢＴを開示する。このパンチスルー型のＩＧＢＴがターンオフしたときに、ｎ型のドリフト層とｐ型のベース層の接合面から伸びる空乏層の伸展は、接合面に近い側に配置されたバッファ領域で停止する。このため、２つのバッファ領域間にキャリアが残存するので、ターンオフ時の電流の減少が緩やかになり、コレクタ・エミッタ間電圧の発振が抑えられる。

【0004】

ターンオフ時の電流の減少を緩やかにするためには、２つのバッファ領域間に残存したキャリアをドリフト層に適度に流入させることが肝要である。特許文献２は、接合面に近い側に配置されたバッファ領域（特許文献２ではｎ＋型拡散領域として示される）が半導体層の面内方向に分散配置されたパンチスルー型のＩＧＢＴを開示する。接合面に近い側に配置されたバッファ領域が分散配置されていると、残存キャリアがそれらのバッファ領域の間を介してドリフト層内に流入し易くなる。これにより、ターンオフ時の電流の減少が緩やかになり、コレクタ・エミッタ間電圧の発振が抑えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−１９３２１２号公報（特に、図５参照）

【特許文献2】特開２００９−２１８５４３号公報（特に、図２０参照）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ターンオフ時の残存キャリアをさらに増加させ、発振現象をさらに抑えることが望まれている。本明細書は、発振現象が抑えられた縦型半導体装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書で開示される縦型半導体装置の一実施形態は、半導体層、半導体層の第１主面を被膜する第１主電極及び半導体層の第２主面を被膜する第２主電極を備える。半導体層は、バッファ層、第１導電型の第１半導体層及び第２導電型の第２半導体層を有する。第１半導体層は、バッファ層に接しており、バッファ層よりも第２主面側に配置されている。第２半導体層は、第１半導体層に接しており、第１半導体層よりも第２主面側に配置されている。バッファ層は、第１導電型の第１バッファ領域と第１導電型の第２バッファ領域を有する。第１バッファ領域は、第１主面から第１深さに形成されており、その不純物濃度が第１半導体層の不純物の濃度よりも濃い。また、第１バッファ領域は、半導体層の第１深さの面内に開口を画定している。第２バッファ領域は、第１主面から第１深さよりも浅い第２深さに形成されており、その不純物濃度が第１半導体層の不純物の濃度よりも濃い。第２バッファ領域は、半導体層の第２深さの面内に開口を画定している。

【0008】

上記実施形態の縦型半導体装置では、第１バッファ領域と第２バッファ領域の間の残存キャリアが、第１バッファ領域で画定される開口を介して適度に第１半導体層に流入することができる。このため、ターンオフ時の電流の減少が緩やかとなり、コレクタ・エミッタ間電圧の発振が抑えられる。さらに、上記実施形態の縦型半導体装置では、第２バッファ領域も開口を画定している。このため、ターンオフ時に、第２バッファ領域で画定される開口にもキャリアが残存することができる。このため、ターンオフ時に多量のキャリアが残存するので、コレクタ・エミッタ間電圧の発振がさらに抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

【図2】第１実施例の半導体装置の厚み方向の不純物濃度のプロファイルを示す。

【図3A】第１比較例のバッファ領域近傍の要部断面図を示す。

【図3B】図３Ａの構造のターンオフ時のコレクタ・エミッタ間電圧の推移を示す。

【図4A】第２比較例のバッファ領域近傍の要部断面図を示す。

【図4B】図４Ａの構造のターンオフ時のコレクタ・エミッタ間電圧の推移を示す。

【図5A】第３比較例のバッファ領域近傍の要部断面図を示す。

【図5B】図５Ａの構造のターンオフ時のコレクタ・エミッタ間電圧の推移を示す。

【図6A】第１実施例のバッファ領域近傍の要部断面図を示す。

【図6B】図６Ａの構造のターンオフ時のコレクタ・エミッタ間電圧の推移を示す。

【図7】第１実施例の半導体装置において、バッファ領域の開口幅と発振時間の関係を示す。

【図8】第１実施例の変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

【図9】第２実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

【0011】

本明細書で開示される縦型半導体装置の一実施形態は、半導体層、半導体層の第１主面を被膜する第１主電極及び半導体層の第２主面を被膜する第２主電極を備えていてもよい。半導体層は、バッファ層、第１導電型の第１半導体層及び第２導電型の第２半導体層を備えていてもよい。第１半導体層は、バッファ層に接しており、バッファ層よりも第２主面側に配置されている。第２半導体層は、第１半導体層に接しており、第１半導体層よりも第２主面側に配置されている。ここで、本明細書で開示される縦型半導体装置の種類は、特に限定されるものではない。一例では、縦型半導体装置は、ＩＧＢＴ、ダイオード及びＭＯＳＦＥＴを含む。縦型半導体装置がＩＧＢＴの場合、第１主電極がコレクタ電極であり、第２主電極がエミッタ電極であり、第１半導体層がドリフト層であり、第２半導体層がベース層であってもよい。縦型半導体装置がダイオードの場合、第１主電極がカソード電極であり、第２主電極がアノード電極であり、第１半導体層がドリフト層であり、第２半導体層がアノード層であってもよい。縦型半導体装置がＭＯＳＦＥＴの場合、第１主電極がドレイン電極であり、第２主電極がソース電極であり、第１半導体層がドリフト層であり、第２半導体層がボディ層であってもよい。

【0012】

バッファ層は、第１導電型の第１バッファ領域及び第１導電型の第２バッファ領域を有していてもよい。第１バッファ領域は、第１主面から第１深さに形成されており、その不純物濃度が第１半導体層の不純物濃度よりも濃い。第２バッファ領域は、第１主面から第１深さよりも浅い第２深さに形成されており、その不純物濃度が第１半導体層の不純物濃度よりも濃い。第１バッファ領域は、半導体層の第１深さの面内に開口を画定している。第２バッファ領域は、半導体層の第２深さの面内に開口を画定している。第１バッファ領域と第２バッファ領域の間の領域は、第１バッファ領域及び第２バッファ領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度の第１導電型の領域であるのが望ましい。この場合、第１バッファ領域と第２バッファ領域の間の領域は、多量のキャリアを残存させることができる。

【0013】

第１バッファ領域は、第１主面から第１深さに不純物濃度のピークを有していてもよい。第１バッファ領域で画定される開口は、第１バッファ領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度の第１導電型の領域であるのが望ましい。この場合、第１バッファ領域で画定される開口は、残存キャリアを第１半導体層に適度に流入させることができる。

【0014】

第２バッファ領域は、第１主面から第２深さに不純物濃度のピークを有していてもよい。第２バッファ領域で画定される開口は、第２バッファ領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度の第１導電型の領域であるのが望ましい。この場合、第２バッファ領域で画定される開口は、多量のキャリアを残存させることができる。

【0015】

半導体層の深さ方向に沿って観測したときに、第１バッファ領域で画定される開口の位置と第２バッファ領域で画定される開口の位置が一致しないのが望ましい。この場合、縦型半導体層のターンオフ時に、第１半導体層と第２半導体層の接合面から伸びる空乏層が第１バッファ領域の開口及び第２バッファ領域の開口を越えて伸びるのを抑制することができる。

【実施例1】

【0016】

図１に示されるように、半導体装置１は、縦型のIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、半導体層２０、半導体層２０の第１主面２０ａを被膜するコレクタ電極１２、半導体層２０の第２主面２０ｂを被膜するエミッタ電極１４及び絶縁ゲート部１７を備えている。一例では、半導体層２０の材料がシリコンである。

【0017】

図１及び図２に示されるように、半導体層２０は、ｐ⁺型のコレクタ層２１、バッファ層２３、ｎ型のドリフト層２５、ｐ型のベース層２７及びｎ⁺型のエミッタ領域２９を有している。

【0018】

コレクタ層２１は、半導体層２０の裏層部に位置しており、コレクタ電極１２に接触している。一例では、コレクタ層２１は、１×１０¹⁷〜５×１０²⁰ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。

【0019】

バッファ層２３は、コレクタ層２１上に位置しており、コレクタ層２１とドリフト層２５を隔てている。バッファ層２３は、第１バッファ領域２３ａ及び第２バッファ領域２３ｂを有する。第１バッファ領域２３ａは、バッファ層２３のうちのドリフト層２５側に位置しており、ドリフト層２５に接している。第２バッファ領域２３ｂは、バッファ層２３のうちのコレクタ層２１側に位置しており、コレクタ層２１に接している。

【0020】

第１バッファ領域２３ａは、半導体層２０の第１主面２０ａから第１深さＤ１に不純物濃度のピークを有する。一例では、第１バッファ領域２３ａの不純物濃度のピーク値は、１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。ここで、第１バッファ領域２３ａは、不純物濃度のピーク値が１桁低下するまでの範囲によって規定される。一例では、第１バッファ領域２３ａの厚みは、０．５〜５．０μｍである。第１バッファ領域２３ａは、半導体層２０の第１深さＤ１の面内に開口２４ａを画定している。換言すれば、半導体層２０の第１深さＤ１の面内には、不純物濃度が濃い高濃度部分と不純物濃度が低い低濃度部分が存在しており、高濃度部分が第１バッファ領域２３ａに対応しており、低濃度部分が開口２４ａに対応している。一例では、半導体層２０の厚み方向に沿って観測したときに、複数の第１バッファ領域２３ａが、ストライプ状に配置されていてもよく、ドット状に分散配置されていてもよい。あるいは、半導体層２０の厚み方向に沿って観測したときに、１つの第１バッファ領域２３ａ内に複数の開口２４ａが分散配置されていてもよい。この例では、複数の第１バッファ領域２３ａが、ストライプ状に配置されている。一例では、第１バッファ領域２３ａの面方向の幅２３Ｗａは、０．５〜５０μｍである。一例では、第１バッファ領域２３ａで画定される開口２４ａの幅２４Ｗａ（隣合う第１バッファ領域２３ａの間の距離）は、０．５〜５μｍである。

【0021】

第２バッファ領域２３ｂは、半導体層２０の第１主面２０ａから第２深さＤ２に不純物濃度のピークを有する。第１主面２０ａから計測すると、第２深さＤ２は、第１深さＤ１よりも浅い。一例では、第２バッファ領域２３ｂの不純物濃度のピーク値は、１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。ここで、第２バッファ領域２３ｂは、不純物濃度のピーク値が１桁低下するまでの範囲によって規定される。一例では、第２バッファ領域２３ｂの厚みは、０．５〜５．０μｍである。第２バッファ領域２３ｂは、半導体層２０の第２深さＤ２の面内に開口２４ｂを画定している。換言すれば、半導体層２０の第２深さＤ２の面内には、不純物濃度が濃い高濃度部分と不純物濃度が低い低濃度部分が存在しており、高濃度部分が第２バッファ領域２３ｂに対応しており、低濃度部分が開口２４ｂに対応している。一例では、半導体層２０の厚み方向に沿って観測したときに、複数の第２バッファ領域２３ｂが、ストライプ状に配置されていてもよく、ドット状に分散配置されていてもよい。あるいは、半導体層２０の厚み方向に沿って観測したときに、１つの第２バッファ領域２３ｂ内に複数の開口２４ｂが分散配置されていてもよい。この例では、複数の第２バッファ領域２３ｂが、ストライプ状に配置されている。一例では、第２バッファ領域２３ｂの面方向の幅２３Ｗｂは、０．５〜５０μｍである。一例では、第２バッファ領域２３ｂの開口２４ｂの幅２４Ｗｂ（隣合う第２バッファ領域２３ｂの間の距離）は、０．５〜５μｍである。

【0022】

第１バッファ領域２３ａ及び第２バッファ領域２３ｂは、イオン注入技術を利用して、半導体層２０の第１主面２０ａから異なる飛程距離となるように不純物を導入することで形成することができる。このため、不純物が導入されなかったバッファ層２３の一部は、半導体層２０に初めから含まれる不純物濃度を有しており、その不純物濃度が１×１０¹²〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3である。一例では、第１バッファ領域２３ａの不純物濃度のピークの深さＤ１と第２バッファ領域２３ｂの不純物濃度のピークの深さＤ２の間の距離Ｄ３は、０．５〜５．０μｍである。また、第１バッファ領域２３ａを形成するためのマスクのパターン（開口２４ａのパターンに対応する）と第２バッファ領域２３ｂを形成するためのマスクのパターン（開口２４ｂのパターンに対応する）が一致していない。このため、半導体層２０の厚み方向に沿って観測したときに、第１バッファ領域２３ａで画定される開口２４ａの範囲と第２バッファ領域２３ｂで画定される開口２４ｂの範囲が重複していない。

【0023】

ドリフト層２５は、バッファ層２３上に位置しており、バッファ層２３とベース層２７を隔てている。ドリフト層２５は、半導体層２０に各拡散領域を形成した残部である。一例では、ドリフト層２５は、半導体層２０に初めから含まれる不純物濃度を有しており、その不純物濃度が１×１０¹²〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3である。なお、ドリフト層２５は、特許請求の範囲に記載の第１半導体層の一例である。

【0024】

ベース層２７は、ドリフト層２５上に位置しており、コンタクトベース領域２７ａとメインベース領域２７ｂを有する。コンタクトベース領域２７ａは、ベース層２７のうちのエミッタ電極１４側に位置しており、エミッタ電極１４に接している。メインベース領域２７ｂは、ベース層２７のうちのドリフト層２５側に位置しており、ドリフト層２５に接している。コンタクトベース領域２７ａとメインベース領域２７ｂは、イオン注入技術を利用して、半導体層２０の第２主面２０ｂから異なる飛程距離となるように不純物を導入することで形成することができる。一例では、コンタクトベース領域２７ａは、１×１０¹⁷〜５×１０²⁰ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。一例では、メインベース領域２７ｂは、１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。なお、ベース層２７は、特許請求の範囲に記載の第２半導体層の一例である。

【0025】

エミッタ領域２９は、半導体層２０の第２主面２０ｂに位置している。エミッタ領域２９は、イオン注入技術を利用して、ベース層２７の表面に形成されてもよい。一例では、エミッタ領域２９は、１×１０¹⁷〜５×１０²⁰ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。

【0026】

コレクタ電極１２は、半導体層２０の第１主面２０ａを被膜している。一例では、コレクタ電極１２の材料がアルミニウムである。コレクタ電極１２は、コレクタ層２１にオーミック接触している。

【0027】

エミッタ電極１４は、半導体層２０の第２主面２０ｂを被膜している。一例では、エミッタ電極１４の材料がアルミニウムである。エミッタ電極１４は、コンタクトベース領域２７ａ及びエミッタ領域２９にオーミック接触している。

【0028】

絶縁ゲート部１７は、半導体層２０の第２主面２０ｂからエミッタ領域２９、メインベース領域２７ｂを貫通してドリフト層２５に達するトレンチ内に形成されている。絶縁ゲート部１７は、ドリフト層２５とエミッタ領域２９を隔てているメインベース領域２７ｂに対向している。絶縁ゲート部１７は、ゲート絶縁膜１５及びゲート絶縁膜１５に被覆されているトレンチゲート電極１６を有している。一例では、ゲート絶縁膜１５の材料がシリコン酸化膜である。一例では、トレンチゲート電極１６の材料がポリシリコンである。

【0029】

半導体装置１は、コレクタ電極１２にエミッタ電極１４よりも高い電圧が印加され、且つトレンチゲート電極１６に閾値電圧よりも高い電圧が印加されると、オン状態となる。オン状態では、絶縁ゲート部１７が対向するメインベース領域２７ｂに反転層が形成され、コレクタ電極１２とエミッタ電極１４の間が導通する。一方、半導体装置１は、コレクタ電極１２にエミッタ電極１４よりも高い電圧が印加され、且つトレンチゲート電極１６に閾値電圧以下の電圧が印加されると、反転層が消失し、オフ状態となる。このように、半導体装置１は、トレンチゲート電極１６に印加する電圧に基づいてオンとオフが切り換えられるスイッチング素子として機能する。

【0030】

次に、図３〜６を参照し、本実施例の半導体装置１の特性を説明する。なお、以下で説明する比較例において、本実施例の半導体装置１と対応する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0031】

図３Ａは、第１比較例を示しており、バッファ層２３の厚み方向のピーク濃度が１つの例を示している。図４Ａは、第２比較例を示しており、バッファ層２３の厚み方向のピーク濃度が２つの例を示している。第２比較例のバッファ層２３は、厚み方向に離れて配置されている第１バッファ領域２３ａと第２バッファ領域２３ｂを有する。図５Ａは、第３比較例を示しており、バッファ層２３の厚み方向のピーク濃度が２つの例を示している。第３比較例のバッファ層２３は、厚み方向に離れて配置されている第１バッファ領域２３ａと第２バッファ領域２３ｂを有する。さらに、第１バッファ領域２３ａは、開口２４ａを画定している。図６Ａは、本実施例を示しており、バッファ層２３の厚み方向のピーク濃度が２つの例を示している。本実施例のバッファ層２３は、厚み方向に離れて配置されている第１バッファ領域２３ａと第２バッファ領域２３ｂを有する。さらに、第１バッファ領域２３ａが開口２４ａを画定しており、第２バッファ領域２３ｂが開口２４ｂを画定している。

【0032】

図３Ｂに示されるように、第１比較例では、ターンオフ時に伸展する空乏層がバッファ層２３に達し、ドリフト層２５内のキャリアが瞬時に枯渇し、電流が急速に減少する。このため、第１比較例のターンオフ時には、コレクタ・エミッタ間電圧が大きく発振する。

【0033】

図４Ｂに示されるように、第２比較例では、ターンオフ時に伸展する空乏層が第１バッファ領域２３ａで停止するので、第１バッファ領域２３ａと第２バッファ領域２３ｂの間にキャリアが残存する。このため、第２比較例のターンオフ時には、電流の減少が緩やかになり、コレクタ・エミッタ間電圧の発振が抑えられる。しかしながら、第２比較例のターンオフ時には、コレクタ・エミッタ間電圧の発振が観測される。

【0034】

図５Ｂに示されるように、第３比較例では、ターンオフ時に伸展する空乏層が第１バッファ領域２３ａで停止するので、第１バッファ領域２３ａと第２バッファ領域２３ｂの間にキャリアが残存する。さらに、第３比較例のターンオフ時には、残存キャリアが第１バッファ領域２３ａで画定される開口２４ａを介して適度にドリフト層２５内に流入するので、電流の減少が緩やかになり、コレクタ・エミッタ間の発振が抑えられる。しかしながら、第３比較例のターンオフ時には、コレクタ・エミッタ間電圧の発振が観測される。

【0035】

図６Ｂに示されるように、本実施例では、ターンオフ時に伸展する空乏層が第１バッファ領域２３ａで停止するので、第１バッファ領域２３ａと第２バッファ領域２３ｂの間にキャリアが残存する。さらに、本実施例のターンオフ時には、残存キャリアが第１バッファ領域２３ａで画定される開口２４ａを介して適度にドリフト層２５内に流入するので、電流の減少が緩やかになり、コレクタ・エミッタ間の発振が抑えられる。さらに、本実施例では、第２バッファ領域２３ｂが開口２４ｂを画定しているので、ターンオフ時に、第２バッファ領域２３ｂの開口２４ｂにもキャリアが残留することができる。このため、本実施例では、ターンオフ時に多量のキャリアが残存するので、コレクタ・エミッタ間電圧の発振がさらに抑えられる。本実施例のターンオフ時には、コレクタ・エミッタ間電圧の発振がほぼ観測されない。

【0036】

図７に、第１バッファ領域２３ａの開口幅２４Ｗａ及び第２バッファ領域２３ｂの開口幅２４Ｗｂをパラメータとしたときの発振時間の結果を示す。なお、第１バッファ領域２３ａの幅２３Ｗａと開口幅２４Ｗａの合計が８μｍに設定されており、第２バッファ領域２３ｂの幅２３Ｗｂと開口幅２４Ｗｂの合計が８μｍに設定されている。したがって、開口幅２４Ｗａ，２４Ｗｂが「０」とは、第１バッファ領域２３ａ及び第２バッファ領域２３ｂの双方に開口が形成されていない例(上記の第２比較例に相当する）である。開口幅２４Ｗａ，２４Ｗｂが「１」とは、第１バッファ領域２３ａの開口幅２４Ｗａ及び第２バッファ領域２３ｂの開口幅２４Ｗｂの各々が１μｍであり、第１バッファ領域２３ａの幅２３Ｗａ及び第２バッファ領域２３ｂの幅２３Ｗｂの各々が７μｍの例である。さらに、図７では、第１バッファ領域２３ａの不純物濃度のピークの深さＤ１と第２バッファ領域２３ｂの不純物濃度のピークの深さＤ２の間の距離Ｄ３もパラメータとしている。

【0037】

図７に示されるように、開口幅２４Ｗａ，２４Ｗｂが広がると発振時間が低下する。ただし、開口幅２４Ｗａ，２４Ｗｂが広すぎると、発振時間の低下効果が小さくなる。これは、開口幅２４Ｗａ，２４Ｗｂが広すぎると、ターンオフ時に伸展する空乏層が第１バッファ領域２３ａを越えて伸びることで、残存キャリア量が減少するからだと考えられる。このため、開口幅２４Ｗａ，２４Ｗｂは、１〜３μｍが望ましい。換言すると、半導体層２０の厚み方向に沿って観測したときに、第１バッファ領域２３ａ及び第２バッファ領域２３ｂに対する開口２４ａ，２４ｂの割合は、１５〜６０％であるのが望ましい。

【0038】

第１バッファ領域２３ａの不純物濃度のピークの深さＤ１と第２バッファ領域２３ｂの不純物濃度のピークの深さＤ２の間の距離Ｄ３については、大きいほど発振時間が低下する。しかしながら、第１バッファ領域２３ａ及び第２バッファ領域２３ｂを半導体層２０の第１主面２０ａからレーザーアニールで活性化させる場合を考慮すると、第１バッファ領域２３ａの深さＤ１は３μｍ以下が望ましい。また、コレクタ層２１の厚みに少なくとも０．５μｍ程度が必要だとすると、第２バッファ領域２３ｂの深さＤ２は０．５μｍ以上となる。この場合でも、距離Ｄ３を十分に確保することができるので、発振時間は低下することが確認できる。

【0039】

本実施例の半導体装置１は、さらに以下の特徴を有する。
（１）図１に示されるように、半導体装置１では、半導体層２０の厚み方向に観測したときに、第１バッファ領域２３ａで画定される開口２４ａの範囲と第２バッファ領域２３ｂで画定される開口２４ｂの範囲が重複していない。このため、半導体装置１がターンオフしたときに、ドリフト層２５とベース層２７の接合面から伸びる空乏層がコレクタ層２１に達することが確実に防止される。これにより、ベース層２７とコレクタ層２１の間のパンチスルーの発生が防止され、リーク電流の増大が抑制される。

【0040】

（２）第１バッファ領域２３ａで画定される開口２４ａの開口幅２４Ｗａが、第２バッファ領域２３ｂで画定される開口２４ｂの開口幅２４Ｗｂよりも小さいのが望ましい。この形態によると、ターンオフ時に伸展する空乏層が第１バッファ領域２３ａを越えて伸びることが抑えられるとともに、第２バッファ領域２３ｂの開口２４ｂにキャリアを多量に残留させることができ、コレクタ・エミッタ間電圧の発振が効果的に抑えられる。

【0041】

（３）図８に示されるように、本実施例の技術は、逆導通ＩＧＢＴである半導体装置２に適用することができる。半導体装置２では、コレクタ層２１の一部がｎ⁺型のカソード層２２に置換されている。半導体装置２では、ＩＧＢＴ構造のターンオフ時及びダイオード構造の逆バイアス時の双方において、発振現象が抑えられる。

【実施例2】

【0042】

図９に示されるように、半導体装置３は、縦型のダイオードであり、半導体層１２０、半導体層１２０の第１主面１２０ａを被膜するカソード電極１１２及び半導体層１２０の第２主面１２０ｂを被膜するアノード電極１１４を備えている。一例では、半導体層１２０の材料がシリコンである。

【0043】

半導体層１２０は、ｎ⁺型のカソード層１２１、バッファ層１２３、ｎ型のドリフト層１２５及びｐ型のアノード層１２７を有している。

【0044】

カソード層１２１は、半導体層１２０の裏層部に位置しており、カソード電極１１２に接触している。一例では、カソード層１２１は、１×１０¹⁷〜５×１０²⁰ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。

【0045】

バッファ層１２３は、カソード層１２１上に位置しており、カソード層１２１とドリフト層１２５を隔てている。バッファ層１２３は、第１バッファ領域１２３ａ及び第２バッファ領域１２３ｂを有する。第１バッファ領域１２３ａは、バッファ層１２３のうちのドリフト層１２５側に位置しており、ドリフト層１２５に接している。第２バッファ領域１２３ｂは、バッファ層１２３のうちのカソード層１２１側に位置しており、カソード層１２１に接している。

【0046】

第１バッファ領域１２３ａは、半導体層１２０の第１主面１２０ａから第１深さＤ１１に不純物濃度のピークを有する。一例では、第１バッファ領域１２３ａの不純物濃度のピーク値は、１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。ここで、第１バッファ領域１２３ａは、不純物濃度のピーク値が１桁低下するまでの範囲によって規定される。一例では、第１バッファ領域１２３ａの厚みは、０．５〜５．０μｍである。第１バッファ領域１２３ａは、半導体層１２０の第１深さＤ１１の面内に開口１２４ａを画定している。換言すれば、半導体層１２０の第１深さＤ１１の面内には、不純物濃度が濃い高濃度部分と不純物濃度が低い低濃度部分が存在しており、高濃度部分が第１バッファ領域１２３ａに対応しており、低濃度部分が開口１２４ａに対応している。一例では、半導体層１２０の厚み方向に沿って観測したときに、複数の第１バッファ領域１２３ａが、ストライプ状に配置されていてもよく、ドット状に分散配置されていてもよい。あるいは、半導体層１２０の厚み方向に沿って観測したときに、１つの第１バッファ領域１２３ａ内に複数の開口１２４ａが分散配置されていてもよい。この例では、複数の第１バッファ領域１２３ａが、ストライプ状に配置されている。一例では、第１バッファ領域１２３ａの面方向の幅１２３Ｗａは、０．５〜５０μｍである。一例では、第１バッファ領域１２３ａの開口１２４ａの幅１２４Ｗａ（隣合う第１バッファ領域１２３ａの間の距離）は、０．５〜５μｍである。

【0047】

第２バッファ領域１２３ｂは、半導体層１２０の第１主面１２０ａから第２深さＤ１２に不純物濃度のピークを有する。第１主面２０ａから計測すると、第２深さＤ１２は、第１深さＤ１１よりも浅い。一例では、第２バッファ領域１２３ｂの不純物濃度のピーク値は、１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。ここで、第２バッファ領域１２３ｂは、不純物濃度のピーク値が１桁低下するまでの範囲によって規定される。一例では、第２バッファ領域１２３ｂの厚みは、０．５〜５．０μｍである。第２バッファ領域１２３ｂは、半導体層１２０の第２深さＤ１２の面内に開口１２４ｂを画定している。換言すれば、半導体層１２０の第２深さＤ１２の面内には、不純物濃度が濃い高濃度部分と不純物濃度が低い低濃度部分が存在しており、高濃度部分が第２バッファ領域１２３ｂに対応しており、低濃度部分が開口１２４ｂに対応している。一例では、半導体層１２０の厚み方向に沿って観測したときに、複数の第２バッファ領域１２３ｂが、ストライプ状に配置されていてもよく、ドット状に分散配置されていてもよい。あるいは、半導体層１２０の厚み方向に沿って観測したときに、１つの第２バッファ領域１２３ｂ内に複数の開口１２４ｂが分散配置されていてもよい。この例では、複数の第２バッファ領域１２３ｂが、ストライプ状に配置されている。一例では、第２バッファ領域１２３ｂの面方向の幅１２３Ｗｂは、０．５〜５０μｍである。一例では、第２バッファ領域１２３ｂの開口１２４ｂの幅１２４Ｗｂ（隣合う第２バッファ領域１２３ｂの間の距離）は、０．５〜５μｍである。

【0048】

第１バッファ領域１２３ａ及び第２バッファ領域１２３ｂは、イオン注入技術を利用して、半導体層１２０の第１主面１２０ａから異なる飛程距離となるように不純物を導入することで形成することができる。このため、不純物が導入されなかったバッファ層１２３の一部は、半導体層１２０に初めから含まれる不純物濃度を有しており、その不純物濃度が１×１０¹²〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3である。一例では、第１バッファ領域１２３ａの不純物濃度のピークの深さＤ１１と第２バッファ領域１２３ｂの不純物濃度のピークの深さＤ１２の間の距離Ｄ１３は、０．５〜５．０μｍである。また、第１バッファ領域１２３ａを形成するためのマスクのパターン（開口１２４ａのパターンに対応する）と第２バッファ領域１２３ｂを形成するためのマスクのパターン（開口１２４ａのパターンに対応する）が一致していない。このため、半導体層１２０の厚み方向に沿って観測したときに、第１バッファ領域１２３ａで画定される開口１２４ａの範囲と第２バッファ領域１２３ｂで画定される開口１２４ｂの範囲が重複していない。

【0049】

ドリフト層１２５は、バッファ層１２３上に位置しており、バッファ層１２３とアノード層１２７を隔てている。ドリフト層１２５は、半導体層１２０に各拡散領域を形成した残部である。一例では、ドリフト層１２５は、半導体層１２０に初めから含まれる不純物濃度を有しており、その不純物濃度が１×１０¹²〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3である。

【0050】

アノード層１２７は、ドリフト層１２５上に位置しており、高濃度アノード領域１２７ａと低濃度アノード領域１２７ｂを有する。高濃度アノード領域１２７ａは、アノード層１２７のうちのアノード電極１１４側に位置しており、アノード電極１１４に接している。低濃度アノード領域１２７ｂは、アノード層１２７のうちのドリフト層１２５側に位置しており、ドリフト層１２５に接している。高濃度アノード領域１２７ａと低濃度アノード領域１２７ｂは、イオン注入技術を利用して、半導体層１２０の第２主面１２０ｂから異なる飛程距離となるように不純物を導入することで形成することができる。一例では、高濃度アノード領域１２７ａは、１×１０¹⁷〜５×１０²⁰ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。一例では、低濃度アノード領域１２７ｂは、１×１０¹⁶〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。

【0051】

カソード電極１１２は、半導体層１２０の第１主面１２０ａを被膜している。一例では、カソード電極１１２の材料がアルミニウムである。カソード電極１１２は、カソード層１２１にオーミック接触している。

【0052】

アノード電極１１４は、半導体層１２０の第２主面１２０ｂを被膜している。一例では、アノード電極１１４の材料がアルミニウムである。アノード電極１１４は、高濃度アノード領域１２７ａにオーミック接触している。

【0053】

半導体装置３は、アノード電極１１４にカソード電極１１２よりも高い電圧が印加されて順バイアスされると、オン状態となる。一方、半導体装置３は、カソード電極１１２にアノード電極１１４よりも高い電圧が印加されて逆バイアスされると、オフ状態となる。このように、半導体装置３は、整流素子として機能する。

【0054】

半導体装置３では、逆バイアス時にドリフト層１２５とアノード層１２７の接合面から伸展する空乏層が第１バッファ領域１２３ａで停止するので、第１バッファ領域１２３ａと第２バッファ領域１２３ｂの間にキャリアが残存する。さらに、半導体装置３の逆バイアス時には、残存キャリアが第１バッファ領域１２３ａで画定される開口１２４ａを介して適度にドリフト層１２５内に流入するので、電流の減少が緩やかになり、アノード・カソード間の発振が抑えられる。さらに、半導体装置３では、第２バッファ領域１２３ｂが開口１２４ｂを画定しているので、逆バイアス時に、第２バッファ領域１２３ｂの開口１２４ｂにもキャリアが残留することができる。このため、半導体装置３では、逆バイアス時に多量のキャリアが残存するので、アノード・カソード間電圧の発振がさらに抑えられる。

【0055】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。

【0056】

例えば、上記実施例で開示されるバッファ層に係る技術をＭＯＳＦＥＴに適用することができる。ＭＯＳＦＥＴは、ｎ型のドリフト層とｐ型のボディ層によって寄生ダイオードを内蔵している。この寄生ダイオードが還流ダイオードとして動作する場合、上記バッファ層に係る技術が適用されていると、発振が抑えられる。

【0057】

また、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合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合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し得るものであり、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。

【符号の説明】

【0058】

１：半導体装置 １２：コレクタ電極 １４：エミッタ電極 １５：ゲート絶縁膜 １６：トレンチゲート電極 １７：絶縁ゲート部 ２０：半導体層 ２０ａ：第１主面 ２０ｂ：第２主面 ２１：コレクタ層 ２２：カソード層 ２３：バッファ層 ２３ａ：第１バッファ領域 ２３ｂ：第２バッファ領域 ２４ａ，２４ｂ：開口 ２５：ドリフト層 ２７：ベース層 ２７ａ：コンタクトベース領域 ２７ｂ：メインベース領域 ２９：エミッタ領域

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】