特許 6615291 電力用半導体装置

(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】6615291

(24)【登録日】2019年11月15日

(45)【発行日】2019年12月4日

(54)【発明の名称】電力用半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/739 20060101AFI20191125BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 21/76 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/06 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/861 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/868 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/417 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/45 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 21/8249 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 27/06 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 27/088 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 27/04 20060101ALI20191125BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 655F

   H01L29/78 655G

   H01L29/78 653A

   H01L29/78 652J

   H01L29/78 652R

   H01L29/78 652P

   H01L29/06 301G

   H01L29/06 301V

   H01L29/78 653C

   H01L29/06 301F

   H01L29/91 D

   H01L29/78 657D

   H01L29/78 655D

   H01L29/91 F

   H01L29/78 652T

   H01L29/50 B

   H01L29/50 M

   H01L29/54

   H01L29/44 Y

   H01L29/44 L

   H01L27/06 321H

   H01L27/06 321F

   H01L27/088 E

   H01L27/04 C

   H01L27/04 R

   H01L29/06 301R

   H01L29/78 652Q

【請求項の数】11

【全頁数】46

(21)【出願番号】特願2018-172471(P2018-172471)

(22)【出願日】2018年9月14日

(62)【分割の表示】特願2017-100853(P2017-100853)の分割

【原出願日】2014年1月29日

(65)【公開番号】特開2019-12838(P2019-12838A)

(43)【公開日】2019年1月24日

【審査請求日】2018年9月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】中村 勝光

【審査官】 杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−２３２５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１５０８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０３５８１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／１３２５６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−０７３７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２５４１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１５３６６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１２５９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２２９７８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／７３９

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／０６

Ｈ０１Ｌ ２９／８６１

Ｈ０１Ｌ ２９／８６８

Ｈ０１Ｌ ２９／８７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アクティブエリアと、前記アクティブエリアの外周に設けられたインタフェースエリアと、前記インタフェースエリアの外周に設けられたエッジターミネーションエリアと、を含む電力用半導体装置であって、
第１の面と前記第１の面と反対の第２の面とを有する半導体基板を備え、前記第１および第２の面の各々は前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとに跨っており、前記半導体基板は、
前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとに跨って設けられ第１の導電型を有するドリフト領域と、
前記第１の面に設けられ少なくとも部分的に前記インタフェースエリアに含まれ前記第１の面において前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとの間に端部を有し前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するウエル領域と、
前記半導体基板の前記第２の面の前記アクティブエリアに設けられた、前記第１の導電型を有する第１導電型層と、
前記半導体基板の前記第２の面の前記インタフェースエリアに設けられた、前記第２の導電型を有する第２導電型層と、
を有し、前記電力用半導体装置はさらに
前記アクティブエリアに設けられ、前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアとの間に端部を有し、前記半導体基板の前記第１の面に接する第１の電極と、
前記半導体基板の前記第２の面に接する第２の電極と
を備え、
前記ウエル領域は、前記アクティブエリアのみで前記第１の電極と接続されており、前記第１の電極と前記ウエル領域の前記端部との間を前記第２の導電型の領域でつなぐバラスト抵抗領域を有する電力用半導体装置。

【請求項2】

前記バラスト抵抗領域は、前記第１の電極と前記ウエル領域の前記端部との間の幅が１００μｍ以上である、請求項１に記載の電力用半導体装置。

【請求項3】

アクティブエリアと、前記アクティブエリアの外周に設けられたインタフェースエリアと、前記インタフェースエリアの外周に設けられたエッジターミネーションエリアと、を含む電力用半導体装置であって、
第１の面と前記第１の面と反対の第２の面とを有する半導体基板を備え、前記第１および第２の面の各々は前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとに跨っており、前記半導体基板は、
前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとに跨って設けられ第１の導電型を有するドリフト領域と、
前記第１の面に設けられ少なくとも部分的に前記インタフェースエリアに含まれ前記第１の面において前記インタフェースエリアと前記エッジターミネーションエリアとの間に端部を有し前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するウエル領域と、
前記半導体基板の前記第２の面の前記アクティブエリアの全体に設けられた、前記第２の導電型を有するコレクタ層と、
を有し、前記電力用半導体装置はさらに
前記アクティブエリアに設けられ、前記アクティブエリアと前記インタフェースエリアとの間に端部を有し、前記半導体基板の前記第１の面に接する第１の電極と、
前記半導体基板の前記第２の面に接する第２の電極と、
を備え、
前記ウエル領域は、前記アクティブエリアのみで前記第１の電極と接続されており、前記第１の電極と前記ウエル領域の前記端部との間を前記第２の導電型の領域でつなぐバラスト抵抗領域を有し、
前記バラスト抵抗領域は、前記第１の電極と前記ウエル領域の前記端部との間の幅が１００μｍ以上である電力用半導体装置。

【請求項4】

前記半導体基板は、前記第１の面の前記エッジターミネーションエリアにおいて前記第２の導電型を有する複数のフィールドリミッティングリングをさらに有し、
前記第１の面上において前記フィールドリミッティングリングの各々の内側には前記ドリフト領域が位置し、前記フィールドリミッティングリングのそれぞれは、内側に位置する前記ドリフト領域と共に単位構造を構成しており、前記単位構造はより外側のものほどより小さい平均ドーズ量を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。

【請求項5】

前記半導体基板は、前記アクティブエリアにのみ設けられ前記第２の面を部分的に成し前記第２の導電型を有するコレクタ領域を含み、前記エッジターミネーションエリアにおいて前記第２の面は前記第１の導電型のみを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。

【請求項6】

前記半導体基板の前記第２の面において前記コレクタ領域は５５％以上７０％以下の面積を有する、請求項５に記載の電力用半導体装置。

【請求項7】

前記アクティブエリアにおいて前記半導体基板の前記第１の面は面積Ｓ_actを有し、前記インタフェースエリアにおいて前記半導体基板の前記第１の面で前記バラスト抵抗領域は面積Ｓ_abrを有し、面積Ｓ_abrは面積Ｓ_actの２％以上４０％以下である、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。

【請求項8】

前記フィールドリミッティングリング上に設けられたフローティング電極をさらに備える、請求項４に記載の電力用半導体装置。

【請求項9】

前記半導体基板は、前記第１の面の前記エッジターミネーションエリアにおいて前記ウエル領域から外側へ延び、前記ウエル領域よりも浅く、前記第２の導電型を有する延長領域を、前記フィールドリミッティングリングの内側に有する請求項４に記載の電力用半導体装置。

【請求項10】

前記延長領域を覆う層間絶縁膜と、
ゲート電極と、
前記層間絶縁膜を介して前記延長領域上に設けられ、前記ゲート電極と短絡されたゲート接続電極と
をさらに備える、請求項９に記載の電力用半導体装置。

【請求項11】

前記フィールドリミッティングリング上に設けられたフローティング電極と、
前記延長領域を覆う層間絶縁膜と、
ゲート電極と、
前記層間絶縁膜を介して前記延長領域上に設けられ、前記ゲート電極と短絡されたゲート接続電極と
をさらに備える、請求項９に記載の電力用半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力用半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特開２０１２−２３１０１１号公報（特許文献１）によれば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)において、トランジスタ領域とその周囲に配置された終端領域との間に抜き取り領域が配置されている。抜き取り領域において、ｎ^-型ドリフト層上にｐ型層が設けられている。ｐ型層はエミッタ電極に接続されている。ｐ型層上に絶縁膜を介してダミーゲート電極が設けられている。ダミーゲート電極はゲート電極に接続されている。抜き取り領域と終端領域との境界、すなわちｐ型層の外端は、ＩＧＢＴのターンオフ動作時に電流密度が増加しやすく、その結果、熱破壊が生じ得る。この現象により、ターンオフ動作時の電流遮断能力が制限を受ける。

【0003】

上記公報の記載によれば、終端領域に格子欠陥が導入される。これにより、終端領域に存在するキャリアが消滅し易くなるため、ＩＧＢＴのターンオフ動作時に抜き取り領域のキャリア濃度が下がる。従って、ｐ型層からコレクタ側への空乏化が促進され、電界強度が低下する。この結果、ＩＧＢＴのターンオフ動作時の電流遮断能力が向上する。一方、格子欠陥は抜き取り領域には導入されない。これは、オン電圧が上がることを避けることを意図したものである。以上のように、上記公報の技術は、ＩＧＢＴのオン電圧への悪影響なく、ターンオフ動作時の遮断能力を向上させることを意図している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−２３１０１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記技術によって、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を、ある程度確保することができる。しかしながら両者の間のトレードオフ関係はＩＧＢＴにおいて依然として改善が求められているものであり、さらなる技術が求められている。また類似の課題が他の電力用半導体装置においても存在しており、たとえばダイオードにおいて、低いオン電圧と、リカバリー動作時の高い遮断能力との間のトレードオフ関係の改善が求められている。加えて、上記のような基本性能を保障しながら半導体装置の製造コストを低減することが、強く求められている。もし性能を犠牲にすることなく半導体装置のチップサイズを小さくすることができれば、１枚のウエハから作製することができるチップの数が増えるので、製造コストを低減することができる。

【0006】

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い遮断能力を有する電力用半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一の態様に従う電力用半導体装置は、アクティブエリアと、アクティブエリアの外周に設けられたインタフェースエリアと、インタフェースエリアの外周に設けられたエッジターミネーションエリアと、を含むものである。電力用半導体装置は、半導体基板と、第１の電極と、第２の電極とを有する。半導体基板は、第１の面と第１の面と反対の第２の面とを有し、第１および第２の面の各々はアクティブエリアとインタフェースエリアとエッジターミネーションエリアとに跨っている。半導体基板は、第１の導電型のドリフト領域と、第１の導電型と異なる第２の導電型のウエル領域と、第１導電型層と、第２導電型層とを含む。ドリフト領域は、アクティブエリアとインタフェースエリアとエッジターミネーションエリアとに跨って設けられている。ウエル領域は、第１の面に設けられ、少なくとも部分的にインタフェースエリアに含まれ、第１の面においてインタフェースエリアとエッジターミネーションエリアとの間に端部を有する。第１導電型層は、半導体基板の第２の面のアクティブエリアに設けられており、第１の導電型を有している。第２導電型層は、半導体基板の第２の面のインタフェースエリアに設けられており、第２の導電型を有している。第１の電極は、アクティブエリアに設けられ、アクティブエリアとインタフェースエリアとの間に端部を有し、半導体基板の第１の面に接する。第２の電極は半導体基板の第２の面に接する。ウエル領域は、アクティブエリアのみで第１の電極と接続されており、第１の電極とウエル領域の端部との間を第２の導電型の領域でつなぐバラスト抵抗領域を有する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一の局面に従う電力用半導体装置によれば、インタフェースエリアとエッジターミネーションエリアとの境界での局所的な温度上昇を抑制し得る。これにより、高い遮断能力を有することができる。

【0009】

本発明の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置としてのＩＧＢＴの構造Ｂを概略的に示す平面図である。

【図2】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う概略部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｂ、構造Ｂ）。

【図3】図２における半導体基板の第２の面の構成を概略的に示す平面図である。

【図4】比較例のＩＧＢＴの構造Ａを図２と同様の視野で示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ａ、構造Ａ）。

【図5】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置としてのＩＧＢＴの構造Ｃを図２と同様の視野で概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｃ、構造Ｃ）。

【図6】本発明の実施の形態１における電力用半導体装置としてのＩＧＢＴの構造Ｄを図２と同様の視野で概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｄ、構造Ｄ）。

【図7】ＩＧＢＴのターンオフ動作のシミュレーションに用いた回路図である。

【図8】図７の回路を用いたシミュレーションによって得られたターンオフ波形を示すグラフ図である。

【図9】比較例の構造Ａ（破線）および実施例の構造Ｃ（実線）中の線Ｄ−Ｄ´におけるデバイス上面Ｓ１の温度分布を示すグラフ図である。

【図10】図９のピーク温度Ｔ_maxとバラスト抵抗領域幅（Ｌ_EEBR）との関係を示すグラフ図である。

【図11】構造Ａを有する比較例（破線）と、構造Ｄを有する実施例（実線）とにおける、コレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CEおよびコレクタ電流Ｉ_Cの各々のターンオフ波形を示すグラフ図である。

【図12A】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_ON（図１１）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を示す分布図である。

【図12B】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_peak（図１１）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を示す分布図である。

【図13A】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_ON（図１１）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を示す分布図である。

【図13B】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_peak（図１１）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を示す分布図である。

【図14A】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_ON（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す分布図である。

【図14B】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_ON（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す分布図である。

【図15A】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_peak（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す分布図である。

【図15B】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_peak（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す分布図である。

【図16A】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_tail（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す分布図である。

【図16B】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_tail（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す分布図である。

【図17A】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_ON（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す分布図である。

【図17B】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_ON（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す分布図である。

【図18A】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_peak（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す分布図である。

【図18B】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_peak（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す分布図である。

【図19A】比較例としての構造Ａのｔ＝ｔ_tail（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す分布図である。

【図19B】実施例としての構造Ｄのｔ＝ｔ_tail（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す分布図である。

【図20】構造Ｄにおけるｐコレクタ層の割合λと、諸電気特性、すなわち、飽和電流密度Ｊ_C(sat)、オン電圧Ｖ_CE(sat)、ターンオフ時最大遮断電流密度Ｊ_C(break)および短絡時の最大遮断エネルギＥ_SCとの関係の例を示すグラフ図である。

【図21】比較例としての構造Ａ（破線）および実施例としての構造Ｄ（実線）における、コレクタのドーズ量とターンオフ時最大遮断電流密度Ｊ_C(break)との関係を示すグラフ図である。

【図22】比較例としての構造Ａ（破線）および実施例としての構造Ｄ（実線）のＲＢＳＯＡ(Reverse Bias Safe Operating Area)を示すグラフ図である。

【図23】他の比較例としてのプレーナ型ＩＧＢＴの構成を、線ＩＩ−ＩＩ（図１）に対応する断面で示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｚ）。

【図24】実施例としての構造Ｄ（実線）、比較例としての構造Ａ（破線）、および他の比較例としてのプレーナ型ＩＧＢＴ（一点鎖線）における、オン電圧Ｖ_CE(sat)とターンオフ損失Ｅ_OFFとの間のトレードオフ特性を示すグラフ図である。

【図25】変形例の構造Ｅを図２と同様の視野で概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｅ、構造Ｅ）。

【図26】変形例の構造Ｆを概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｆ、構造Ｆ）。

【図27】本発明の実施の形態２における電力用半導体装置としてのＩＧＢＴの構造Ｇを概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｇ、構造Ｇ）。

【図28】図２７の領域ＸＸＶＩＩＩをより詳細に示す部分断面図である。

【図29】図２８のフィールドリミッティングリングによる疑似的ウエルの構成を概略的に示す部分断面図である。

【図30A】構造Ａを有する比較例（破線）と、構造Ｇを有する実施例（実線）とにおける、コレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CEおよびコレクタ電流密度Ｊ_Cの各々のターンオフ波形のシミュレーション結果を示すグラフ図である。

【図30B】構造Ａを有する比較例（破線）と、構造Ｇを有する実施例（実線）とにおける、デバイス内部のピーク温度のシミュレーション結果を示すグラフ図である。

【図31A】構造Ａを有する比較例と、構造Ｇを有する実施例とにおける、デバイス内部の温度のシミュレーション結果を示す分布図である。

【図31B】構造Ａを有する比較例と、構造Ｇを有する実施例とにおける、デバイス内部のインパクトイオン化率のシミュレーション結果を示す分布図である。

【図32A】構造Ａを有する比較例における、位置Ｘと、基板の上面での電界強度_Ｅedgeとの関係を、動的状態（実線）および静的状態（破線）の各々について示すグラフ図である。

【図32B】構造Ｇを有する実施例における、位置Ｘと、基板の上面での電界強度_Ｅedgeとの関係を、動的状態（実線）および静的状態（破線）の各々について示すグラフ図である。

【図33】構造Ａ（図４）を有する比較例（破線）と、構造Ｇ（図２７）を有する実施例（実線）とにおける、線Ｆ−Ｆ´に沿う位置Ｘ_edgeと、静的状態での電界強度Ｅとの関係を示すグラフ図である。

【図34】構造Ａを有する比較例と、構造Ｇを有する実施例とにおける、耐圧クラスＶ_classとエッジターミネーションエリアの必要幅Ｗ_edgeとの関係を示すグラフ図である。

【図35】図２８の変形例の構造Ｈを概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｈ、構造Ｈ）。

【図36A】図２８の変形例の構造Ｉを概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｉ、構造Ｉ）。

【図36B】図２８の変形例の構造Ｉを概略的に示す部分断面図である（ＩＧＢＴ９００Ｊ、構造Ｊ）。

【図37】本発明の実施の形態３における電力用半導体装置としてのダイオードの構成を概略的に示す部分断面図である（ダイオード８００Ａ）。

【図38】比較例のダイオードの構成を示す部分断面図である（ダイオード８００Ｚ）。

【図39】実施例（実線）および比較例（破線）の各々について、リカバリー動作時の電圧Ｖ_AKおよび電流密度Ｊ_Aの波形と、デバイス内部のピーク温度Ｔとを示すグラフ図である。

【図40A】実施例（実線）および比較例（破線）の各々について、時刻ｔ_ｄ（図３９）での、線Ｇ−Ｇ´（図３７および図３８）に沿う位置Ｘと、電流密度Ｊ_Aとの関係を示すグラフ図である。

【図40B】実施例（実線）および比較例（破線）の各々について、時刻ｔ_ｄ（図３９）での、線Ｇ−Ｇ´（図３７および図３８）に沿う位置Ｘと、デバイス上面Ｓ１の温度Ｔとの関係を示すグラフ図である。

【図41】図３７の幅Ｌ_ABRおよびＷ_p0と、時刻ｔ_ｄ（図３９）でのデバイス内部の温度との関係を示す分布図である。

【図42A】図３７の幅Ｌ_ABRおよびＷ_p0と、時刻ｔ_ｄ（図３９）でのデバイス内部の電流密度との関係を示す分布図である。

【図42B】図４２Ａの各破線領域の拡大図である。

【図43】アクティブエリアの面積Ｓ_{active cell}に対するバラスト抵抗領域の面積Ｓ_abrの割合γと、リカバリー動作時の最大遮断電流密度Ｊ_A(break)およびデバイス内部最大温度Ｔ_maxとの関係を示すグラフ図である。

【図44】アクティブエリアの面積Ｓ_{active cell}およびバラスト抵抗領域の面積Ｓ_abrについて説明する平面図である。

【図45A】本発明の実施の形態４における電力用半導体装置としてのダイオードの構成を概略的に示す部分断面図である（ダイオード８００Ｂ）。

【図45B】図４５Ａの変形例の構成を示す部分断面図である（ダイオード８００Ｃ）。

【図45C】図４５Ａの変形例の構成を示す部分断面図である（ダイオード８００Ｄ）。

【図45D】図４５Ａの変形例の構成を示す部分断面図である（ダイオード８００Ｅ）。

【図46A】実施例（実線）および比較例（破線）の各々について、リカバリー動作時の電圧Ｖ_AKおよび電流密度Ｊ_Aの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図である。

【図46B】実施例（実線）および比較例（破線）の各々について、リカバリー動作時のデバイス内部のピーク温度Ｔのシミュレーション結果を示すグラフ図である。

【図47A】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図47B】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₂（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図47C】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₃（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図47D】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₄（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図48A】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図48B】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₂（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図48C】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₃（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図48D】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₄（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図48E】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₅（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図48F】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₆（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図49A】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図49B】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₂（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図49C】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₃（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図49D】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₄（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図50A】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図50B】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₂（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図50C】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₃（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図50D】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₄（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図50E】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₅（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図50F】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₆（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図51A】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図51B】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₂（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図51C】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₃（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図51D】比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₄（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図52A】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図52B】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₂（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図52C】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₃（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図52D】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₄（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図52E】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₅（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図52F】実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５）における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₆（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示すグラフ図である。

【図53】比較例（三角形の点で表記）および実施例（円形の点で表記）におけるリカバリー安全動作領域を説明するグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

【0012】

＜実施の形態１＞
（ＩＧＢＴ９００Ｂについて）
図１を参照して、ＩＧＢＴ９００Ｂ（電力用半導体装置）は、アクティブエリアＡＲ１と、アクティブエリアＡＲ１の外周に設けられたインタフェースエリアＡＲ２と、インタフェースエリアＡＲ２の外周に設けられたエッジターミネーションエリアＡＲ３とを含むものである。アクティブエリアＡＲ１は、電力用半導体装置の基本的な機能を担う部分であり、本実施の形態においてはＩＧＢＴの基本的な機能を担う部分である。エッジターミネーションエリアＡＲ３は、電力用半導体装置の静的状態における耐圧特性の向上、安定化および信頼性向上と、動的状態における破壊耐量の確保のための部分である。インタフェースエリアＡＲ２は、アクティブエリアＡＲ１およびエッジターミネーションエリアＡＲ３とを互いに接合する部分であり、動的状態における破壊耐量の確保のために特に重要な部分である。

【0013】

ＩＧＢＴ９００ＢのアクティブエリアＡＲ１は、エミッタ電位のエミッタ電極１３ａと、ゲート電位のゲートパッド２９と、ゲートパッド２９から延びるゲート配線部２８と、を有する。

【0014】

図２を参照して、ＩＧＢＴ９００Ｂが有する構造（構造Ｂと称する）について説明する。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面構造を示す。ＩＧＢＴ９００Ｂは、基板ＳＢ（半導体基板）と、エミッタ電極１３ａ（第１の電極）と、ゲート接続電極１３ｂと、電極１３ｃおよび１３ｄと、コレクタ電極４（第２の電極）と、ゲート電極２２と、ゲート配線層２２ｗと、キャパシタ電極２３および３２と、トレンチ絶縁膜１０と、層間絶縁膜１２ａおよび１２ｂと、パッシベーション膜１４および１５とを有する。本実施の形態においては基板ＳＢはシリコン（Ｓｉ）から作られている。基板ＳＢは上面Ｓ１（第１の面）および下面Ｓ２（第１の面と反対の第２の面）とを有する。上面Ｓ１および下面Ｓ２の各々はアクティブエリアＡＲ１とインタフェースエリアＡＲ２とエッジターミネーションエリアＡＲ３とに跨っている。基板ＳＢは、ｎ^-ドリフト層１（ドリフト領域）と、ｎバッファ層２と、ｐコレクタ層３（コレクタ領域）と、ｎ⁺エミッタ層５と、ｐ⁺層６と、ｐベース層８と、ｎ層２４と、ｐガードリング９とを含む。

【0015】

ｎ^-ドリフト層１はアクティブエリアＡＲ１とインタフェースエリアＡＲ２とエッジターミネーションエリアＡＲ３とに跨って設けられている。ｎ^-ドリフト層１は、ｎ型（第１の導電型）を有し、たとえば１×１０¹²〜１×10¹⁵ｃｍ^-3程度の不純物濃度を有する。ｎ^-ドリフト層１は、フローティングゾーン（ＦＺ）法で製造するＦＺウエハ、またはエピタキシャル法で製造するエピタキシャルウエハによって準備され得る。この場合、基板ＳＢのうちｎ^-ドリフト層１以外の部分はイオン注入およびアニーリング技術によって形成され得る。

【0016】

ｎ層２４はｎ^-ドリフト層１およびｐベース層８の間に設けられている。ｎ層２４は、ｎ型を有し、ｎ^-ドリフト層１の不純物濃度に比して高濃度でｐベース層８に比して低濃度な不純物ピーク濃度を有し、たとえば１×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の不純物ピーク濃度を有する。ｎ層２４が達する基板ＳＢにおける上面Ｓ１からの深さ位置は、ｐベース層８より深く、たとえば０．５〜１．０μｍ程度深い。

【0017】

ｎバッファ層２は、アクティブエリアＡＲ１においてｎ^-ドリフト層１およびｐコレクタ層３の間に位置する部分を有し、また本実施の形態においてはインタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３においてｎ^-ドリフト層１およびコレクタ電極４の間に位置する部分を有する。ｎバッファ層２は、ｎ型を有し、かつｎ^-ドリフト層１の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有し、たとえば１×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の不純物ピーク濃度を有する。ｎバッファ層２が達する基板ＳＢにおける下面Ｓ２からの深さ位置は、たとえば１．５〜５０μｍ程度である。

【0018】

上述したｎ^-ドリフト層１、ｎ層２４およびｎバッファ層２は、全体として、ｎ型を有する領域（第１の領域）を構成している。なおｎ層２４およびｎバッファ層２の一方または両方は省略されてもよい。

【0019】

ｐベース層８（第２の領域）は、ｎ^-ドリフト層１およびｎ層２４を有する領域（第１の領域）上に設けられており、本実施の形態においてはｎ層２４の直上に設けられている。ｐベース層８が達する基板ＳＢにおける上面Ｓ１からの深さ位置は、ｎ⁺エミッタ層５より深く、ｎ層２４より浅い。ｐベース層８は、ｐ型（第１の導電型と異なる第２の導電型）を有し、たとえば不純物ピーク濃度１×１０¹⁶〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度を有する。

【0020】

ｎ⁺エミッタ層５（第３の領域）は、ｐベース層８上に設けられており、上面Ｓ１に配置されている。ｎ⁺エミッタ層５は、たとえば０．２〜１．０μｍ程度の深さを有する。ｎ⁺エミッタ層５は、ｎ型を有し、たとえば１×１０¹⁸〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度の不純物ピーク濃度を有する。

【0021】

ｐ⁺層６は、ｐベース層８上に設けられており、上面Ｓ１に配置されている。ｐ⁺層６は、たとえば表面不純物濃度１×１０¹⁸〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度を有する。ｐ⁺層６が達する基板ＳＢにおける上面Ｓ１からの深さ位置は、ｎ⁺エミッタ層５と同じかまたはより深いことが好ましい。

【0022】

ｐコレクタ層３は、アクティブエリアＡＲ１にのみ設けられ、下面Ｓ２を部分的に成している。ｐコレクタ層３は、ｐ型を有し、たとえば１×１０¹⁶〜１×１０²⁰ｃｍ^-3程度の表面不純物濃度を有する。ｐコレクタ層３の、基板ＳＢにおける下面Ｓ２からの深さは、たとえば０．３〜１．０μｍ程度である。

【0023】

ｐガードリング９は、上面Ｓ１に設けられ、ｐ型を有する。ｐガードリング９は、ｐウエル領域９ａおよびｐエッジ領域９ｂを有する。ｐウエル領域９ａは、アクティブエリアＡＲ１において上面Ｓ１に設けられたｐ⁺層６を介してエミッタ電極１３ａに接続されている。ｐウエル領域９ａは、少なくとも部分的にインタフェースエリアＡＲ２に含まれ、上面Ｓ１においてインタフェースエリアＡＲ２とエッジターミネーションエリアＡＲ３との間に端部を有する。ｐウエル領域９ａにより、ＩＧＢＴ９００Ｂの遮断能力がより高められる。

【0024】

ｐエッジ領域９ｂは、エッジターミネーションエリアＡＲ３に含まれており、インタフェースエリアＡＲ２から離れている。なお図２においてはｐエッジ領域９ｂは模式的に１つのみ示されているが、保持する電圧に応じて複数のｐエッジ領域９ｂを互いに離れて配置するような設計がなされる。

【0025】

アクティブエリアＡＲ１において基板ＳＢの上面Ｓ１上にゲートトレンチＴＧおよびキャパシタトレンチＴＣが設けられている。ゲートトレンチＴＧの側壁は、ｎ^-ドリフト層１およびｎ層２４（第１の領域）と、ｐベース層８と、ｎ⁺エミッタ層５と、の各々に面している。キャパシタトレンチＴＣの側壁は、本実施の形態においては、ｎ^-ドリフト層１とｎ層２４とｐベース層８との各々に面している。またアクティブエリアＡＲ１において最も外側に位置するキャパシタトレンチＴＣは、ｐガードリング９のｐウエル領域９ａ内に達している。トレンチ絶縁膜１０は基板ＳＢのゲートトレンチＴＧおよびキャパシタトレンチＴＣを覆っている。

【0026】

ゲート電極２２は、トレンチ絶縁膜１０を介してゲートトレンチＴＧに埋め込まれた部分を有し、トレンチ絶縁膜１０を介してｎ⁺エミッタ層５およびｎ層２４（第１の領域）の間のｐベース層８に対向している。キャパシタ電極２３は、トレンチ絶縁膜１０を介してキャパシタトレンチＴＣに埋め込まれた部分を有する。キャパシタ電極２３が設けられることで、ＩＧＢＴ９００Ｂの飽和電流密度が抑制され、かつ、ＩＧＢＴ９００Ｂの負荷が短絡された場合のゲート電圧の発振現象が抑制される。なおキャパシタトレンチＴＣおよびキャパシタ電極２３は省略されてもよい。

【0027】

層間絶縁膜１２ａは基板ＳＢの上面Ｓ１上に設けられている。層間絶縁膜１２ａ上には、エミッタ電極１３ａと、ゲート接続電極１３ｂと、電極１３ｃおよび１３ｄとが設けられている。エミッタ電極１３ａは、アクティブエリアＡＲ１に設けられ、基板ＳＢの上面Ｓ１に接している。具体的には、エミッタ電極１３ａは、層間絶縁膜１２ａに設けられたコンタクトホールを介して、ｎ⁺エミッタ層５およびｐ⁺層６の各々に接している。ゲート接続電極１３ｂはコンタクトホールを介してゲート配線層２２ｗに接している。よってゲート接続電極１３ｂはゲート電極２２と短絡されておりゲート電位を有する。電極１３ｃはコンタクトホールを介してｐウエル領域９ａに接している。電極１３ｃはエミッタ電極１３ａと短絡されていてもよい。電極１３ｄは、フローティング電極であり、ＩＧＢＴ９００Ｂにおいてはコンタクトホールを介してｐエッジ領域９ｂに接している。

【0028】

層間絶縁膜１２ｂは基板ＳＢの上面Ｓ１上に設けられている。層間絶縁膜１２ｂは基板ＳＢとゲート配線層２２ｗとを互いに絶縁している。層間絶縁膜１２ｂは、層間絶縁膜１２ａの一部と基板ＳＢとの間に位置する部分を有してもよい。

【0029】

コレクタ電極４は基板ＳＢの下面Ｓ２に設けられている。コレクタ電極４はアクティブエリアＡＲ１においてｐコレクタ層３に接している。コレクタ電極４は、図２に示すように、インタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３において、ｎバッファ層２（より一般的には、前述した第１の領域）に接していてもよい。

【0030】

エッジターミネーションエリアＡＲ３にはチャネルストップ構造ＣＳが設けられることが好ましい。本実施の形態においては、基板ＳＢの上面Ｓ１に、ｎ領域３４と、ｐ領域３８と、ｎ⁺領域３５とが順に形成されている。また上面Ｓ１に、これらの領域を貫通してｎ^-ドリフト層１に至るチャネルストップトレンチＴＳが設けられている。チャネルストップトレンチＴＳ内には、トレンチ絶縁膜１０を介してチャネルストップ電極３２が設けられている。チャネルストップ電極３２上にフローティング電位の電極１３ｄが設けられてもよい。なお上述したチャネルストップ構造ＣＳの代わりに他の構造が用いられてもよく、たとえば単純にｎ⁺領域３５からなる構造が用いられてもよい。

【0031】

図３を参照して、基板ＳＢの下面Ｓ２においてｐコレクタ層３が占める面積の割合をλとすると、λは５５％以上７０％以下であることが好ましい。つまり、５５≦１００×（Ｘ_p×Ｙ_p）／（Ｘ_n×Ｙ_n）≦７０が満たされることが好ましい。ここで、Ｘ_nおよびＹ_nがＩＧＢＴ９００Ｂのチップサイズを示す。λ＜５５％となると、ＩＧＢＴのアクティブエリアＡＲ１のｐコレクタ層３からのホール注入が不十分となり、オン電圧（Ｖ_CE(sat)）が上昇する。λ＞７０％となると、後述するようにＩＧＢＴのターンオフ動作時の局所的な温度上昇によるウィークスポット（図２の矢印ＷＳ）の電界強度がＩＧＢＴのオン状態からｐコレクタ層３からのキャリア注入が起こり、矢印ＷＳ部分にキャリアが存在することで緩和されず、遮断能力が低下する。以上より、λ値にはＩＧＢＴの性能バランスから、適切な領域が存在する。なお下面Ｓ２においてアクティブエリアＡＲ１およびインタフェースエリアＡＲ２が占める割合の合計は、７０％超であることが好ましく、たとえば７５％程度である。

【0032】

（ＩＧＢＴ９００Ａについて）
図４を参照して、比較例のＩＧＢＴ９００Ａには、上記ＩＧＢＴ９００Ｂと異なり、アクティブエリアＡＲ１以外にもｐコレクタ層３が設けられている。具体的には、基板ＳＢの下面Ｓ２全体にｐコレクタ層３が設けられている。これら以外の構成は、上述したＩＧＢＴ９００Ｂとほぼ同様である。

【0033】

ＩＧＢＴ９００Ａは、ターンオフ動作を繰り返すと、基板ＳＢの上面Ｓ１におけるアクティブエリアＡＲ１とインタフェースエリアＡＲ２との境界、すなわち矢印ＷＳ（図２）、の局所的温度上昇が特に生じやすい。この現象がＩＧＢＴ９００Ａの遮断能力を制限し得る。

【0034】

（ＩＧＢＴ９００Ｂの作用効果について）
ＩＧＢＴ９００Ａと異なり、図２に示すＩＧＢＴ９００Ｂによれば、ｐコレクタ層３がエッジターミネーションエリアＡＲ３およびインタフェースエリアＡＲ２に設けられていない。これにより、ＩＧＢＴ９００Ｂの遮断動作において、矢印ＷＳでの温度上昇が抑制される。またアクティブエリアＡＲ１の構成についてはＩＧＢＴ９００Ａと同様であるため、オン電圧が上昇するような悪影響はない。以上から、ＩＧＢＴ９００Ｂは、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有する。

【0035】

（ＩＧＢＴ９００Ｃについて）
図５を参照して、ＩＧＢＴ９００Ｃにおいては、ｐウエル領域９ａへの電極１３ｃのコンタクト（図４参照）が設けられていない。ｐウエル領域９ａは、上面Ｓ１においてエミッタ電極１３ａとｐウエル領域９ａの端部（図中、矢印ＷＳ）との間をｐ型の領域でつなぐ電気的経路を構成している。この電気的経路は、アクティブエリアＡＲ１およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の間でインタフェースエリアＡＲ２を横断しており、幅Ｌ_EEBRを有する抵抗領域を有する。この抵抗領域はその全体が層間絶縁膜１２ｂに覆われている。詳しくは後述するが、幅Ｌ_EEBRは、ＩＧＢＴの遮断動作時に抵抗領域の両端にて温度上昇を分担することで両端の一方での局所的な温度上昇を抑制するように定められている。ＩＧＢＴ９００Ａ（図４）では矢印ＷＳの箇所にて局所的な温度上昇が発生するところを、ＩＧＢＴ９００Ｃにおいては上記抵抗領域が設けられることで、抵抗領域の両端にて温度上昇が分担される。このような効果をバラスト抵抗と称し、また上記抵抗領域のことをバラスト抵抗領域とも称する。

【0036】

なお上記以外の構成は、上述したＩＧＢＴ９００Ｂとほぼ同様である。

【0037】

ＩＧＢＴ９００Ｃによれば、動作時に、インタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の境界の位置（図５の矢印ＷＳ）に対応するバラスト抵抗領域の一方端（図中、幅Ｌ_EEBRの右端）の位置だけでなく、他方端（図中、幅Ｌ_EEBRの左端）の位置においても局所的な昇温が生じる。これにより昇温が分散されるので、矢印ＷＳでの局所的な昇温を緩和することができる。ここで、アクティブエリアＡＲ１の構成についてはＩＧＢＴ９００Ａと同様であるため、オン電圧への悪影響はみられない。以上から、ＩＧＢＴ９００Ｃは、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有する。

【0038】

（ＩＧＢＴ９００Ｄについて）
図６を参照して、ＩＧＢＴ９００Ｄは、上述したＩＧＢＴ９００Ｂおよび９００Ｃの各々の特徴を有している。具体的には、ＩＧＢＴ９００Ｂと同様に、ｐコレクタ層３がアクティブエリアＡＲ１にのみ設けられている。またＩＧＢＴ９００Ｃと同様に、幅Ｌ_EEBRを有するバラスト抵抗領域が設けられている。これら以外の構成は、上述したＩＧＢＴ９００Ｂまたは９００Ｃとほぼ同様である。ＩＧＢＴ９００Ｄによれば、上述したＩＧＢＴ９００Ｂおよび９００Ｃの各々の作用によって、低いオン電圧と高い遮断能力との両方が得られる。

【0039】

（ＩＧＢＴ９００Ｃの効果の検証）
図７は、４５００ＶクラスＩＧＢＴのターンオフ動作のシミュレーションに用いた回路図である。図８は、図７の回路を用いて得られたターンオフ波形、すなわち時間ｔとコレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CEとの関係を示す。図９は、比較例としてのＩＧＢＴ９００Ａ（破線）と、Ｌ_EEBR＝２００μｍの実施例としてのＩＧＢＴ９００Ｃ（実線）の各々について、コレクタ電流密度Ｊ_Cが急激に低下する直前（図８の矢印に示す時点）での、線Ｄ−Ｄ´（図４および図５）に沿う座標Ｘにおける温度分布を示す。図１０は、デバイス内部のピーク温度Ｔ_maxとＬ_EEBRとの関係を示す。

【0040】

上記シミュレーションの結果から、バラスト抵抗領域で電圧分担が行われることで、デバイス内部のピーク温度Ｔ_maxを抑えられることができ、特にＬ_EEBRを１００μｍ以上とすることで、Ｔ_maxを８００Ｋ以下とすることができた。以上のように、バラスト抵抗領域を設けることで、発熱による破壊を防止することができること、言い換えればＩＧＢＴの遮断能力が高められることがわかった。

【0041】

（ＩＧＢＴ９００Ｂおよび９００Ｄの効果の検証）
図１１は、比較例としてのＩＧＢＴ９００Ａ（破線）と、実施例としてのＩＧＢＴ９００Ｄ（実線）との各々のターンオフ波形の例を示す。図１２Ａは、比較例のオン状態時（図１１のｔ_ON）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図４の視野で示す。図１２Ｂは、比較例のターンオフ中のコレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CEのピーク時（図１１の破線のｔ_peak）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図４の視野で示す。図１３Ａは、実施例のオン状態時（図１１のｔ_ON）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図６の視野で示す。図１３Ｂは、実施例のターンオフ中のコレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CEのピーク時（図１１の実線のｔ_peak）における電流ポテンシャルおよびホール濃度を図４の視野で示す。図１４Ａおよび図１４Ｂのそれぞれは、比較例および実施例のｔ＝ｔ_ON（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す。図１５Ａおよび図１５Ｂのそれぞれは、比較例および実施例のｔ＝ｔ_peak（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す。図１６Ａおよび図１６Ｂのそれぞれは、比較例および実施例のｔ＝ｔ_tail（図１１）におけるデバイス内部のキャリア濃度を示す。図１７Ａおよび図１７Ｂのそれぞれは、比較例および実施例のｔ＝ｔ_ON（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す。図１８Ａおよび図１８Ｂのそれぞれは、比較例および実施例のｔ＝ｔ_peak（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す。図１９Ａおよび図１９Ｂのそれぞれは、比較例および実施例のｔ＝ｔ_tail（図１１）におけるデバイス内部の電界強度を示す。

【0042】

図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂから、実施例のＩＧＢＴ９００Ｄ（構造Ｄ）のキャリア濃度は、アクティブエリアＡＲ１においては比較例のＩＧＢＴ９００Ａと同程度であるものの、エッジターミネーションエリアＡＲ３においては低くなった。これはｐコレクタ層３からのホール注入がインタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３では生じないためと考えられる。なおこの作用は、ＩＧＢＴ９００Ｄと同様のコレクタ構造を有するＩＧＢＴ９００Ｂ（構造Ｂ）においても同様と考えられる。

【0043】

また上記作用から、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、ターンオフ動作中のインタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３における電界緩和および空乏化が促進される。特に図１９Ａおよび図１９Ｂを参照して、上面Ｓ１におけるインタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の境界での電界緩和は、遮断能力の向上に寄与する。

【0044】

図２０を参照して、高い遮断能力と低いオン電圧との適切な均衡を取るには、基板ＳＢの下面Ｓ２においてｐコレクタ層３が有する面積の割合λが適切である必要がある。図中、λ＝１００％は、比較例のＩＧＢＴ９００Ａのコレクタ構造に対応する。図示された結果から、λは５５％以上７０％以下であることが好ましい。λ値を５５〜７０％とすることで、オン電圧Ｖ_CE(sat)を上昇させる悪影響なく、高いターンオフ時最大遮断電流密度Ｊ_C(break)との両方を実現することができる。

【0045】

なおグラフにおけるλ＝７５％の結果は、ｐコレクタ層３がアクティブエリアＡＲ１およびインタフェースエリアＡＲ２に設けられエッジターミネーションエリアＡＲ３には設けられない構造に対応している。λが７５％にまで増大すると、ターンオフ時最大遮断電流密度Ｊ_C(break)の顕著な低下が見られた。このことから、ｐコレクタ層３をインタフェースエリアＡＲ２に設けないことが、Ｊ_C(break)を高める上で重要であることが分かった。

【0046】

図２１は、比較例としてのＩＧＢＴ９００Ａ（破線）および実施例としてのＩＧＢＴ９００Ｄ（実線）における、ｐコレクタ層３の形成のためのイオン注入のドーズ量とターンオフ時最大遮断電流密度Ｊ_C(break)との関係の例を示す。図２２は、比較例（破線）および実施例（実線）のＲＢＳＯＡとして、電源電圧Ｖ_CCと、飽和電流密度Ｊ_C(sat)および最大パワー密度Ｐ_maxとの間の関係を示す。図２２中の各線で囲まれる領域がリカバリー安全動作領域（Safe Operating Area：ＳＯＡ）といわれる領域である。ＩＧＢＴのターンオフ時の遮断能力には、ｐコレクタ層３からのホール注入効率が影響する。またｐコレクタ層３のドーズ量は、ＩＧＢＴにおけるオン電圧Ｖ_CE(sat)とターンオフ損失Ｅ_OFFとの間のトレードオフ特性を制御するパラメータである。このＶ_CE(sat)とＥ_OFFとのトレードオフ特性の制御のためにｐコレクタ層３のドーズ量が調整される場合であっても、図２１から、比較例（破線）よりも実施例（実線）の方が高いＪ_C(break)を確保することができ、かつＪ_c(break)に対するｐコレクタ層３のドーズ量依存性が小さく、優れたＩＧＢＴである。その上、図２２より、実施例はＲＢＳＯＡを拡大し、かつターンオフ時の遮断するパワー密度が向上し、優れた効果を示す。

【0047】

下記の表１に、ＩＧＢＴ９００Ａ〜９００Ｄ（構造Ａ〜Ｄ）の構造上の特徴と、定格電流密度Ｊc(rated)を基準としたターンオフ時最大遮断電流密度Ｊ_C(break)との関係をまとめる。

【0048】

【表1】

【0049】

上記のように、構造Ａ（ＩＧＢＴ９００Ａ）に比して構造Ｂ〜Ｄ（ＩＧＢＴ９００Ｂ〜９００Ｄ）は、高いＪ_C(break)、すなわち高いターンオフ遮断能力を有し、特に構造Ｄ（ＩＧＢＴ９００Ｄ）は顕著に高い能力を有する。

【0050】

図２３は、他の比較例としてのＩＧＢＴ９００Ｚの構成を示す。ＩＧＢＴ９００Ｚは、上述したＩＧＢＴ９００Ａ〜９００Ｄと異なり、プレーナ型のゲート電極１１を有する。図２４は、実施例としてのＩＧＢＴ９００Ｄ（実線）、比較例としてのＩＧＢＴ９００Ａ（破線）およびＩＧＢＴ９００Ｚ（一点鎖線）における、オン電圧Ｖ_CE(sat)とターンオフ損失Ｅ_OFFとの間のトレードオフ特性を示す。この結果から、ＩＧＢＴ９００Ｄは、図２１および表１で説明したように高いターンオフ遮断能力を有しつつ、オン電圧Ｖ_CE(sat)およびターンオフ損失Ｅ_OFF間のトレードオフ特性においても優れたものであることがわかる。

【0051】

（ＩＧＢＴ９００Ｅおよび９００Ｆについて）
図２５を参照して、ＩＧＢＴ９００Ｄ（図６）の変形例のＩＧＢＴ９００Ｅにおいては、ｎバッファ層２がアクティブエリアＡＲ１にのみ設けられており、インタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３には設けられていない。ｎバッファ層２のパターンはｐコレクタ層３のパターンと同じであってもよい。なおこのような構造がＩＧＢＴ９００Ｄに代わりＩＧＢＴ９００Ｂと組み合わされてもよい。

【0052】

図２６を参照して、ＩＧＢＴ９００Ｂ（図２）の変形例のＩＧＢＴ９００Ｆにおいては、アクティブエリアＡＲ１は、ＭＩＳ(Metal Semiconductor Semiconductor)構造セルが配置されたＭＩＳ構造部分（図中、左部および右部）と、ＭＩＳ構造セルが配置されていない非ＭＩＳ構造部分（図中、中央部）とを有する。図中、中央部は、アクティブエリアＡＲ１におけるゲート配線部２８およびゲートパッド２９（図１）が設けられた部分ＡＲ１ｇである。部分ＡＲ１ｇにはｐコレクタ層３が設けられておらず、この結果、下面Ｓ２でバッファ層２とコレクタ電極４とが接している。ＭＩＳ構造は典型的にはＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)構造である。このような構造も、ＩＧＢＴ９００Ｄによるものと同様の効果を示す。

【0053】

＜実施の形態２＞
図２７を参照して、本実施の形態のＩＧＢＴ９００Ｇが有する構造（構造Ｇと称する）について説明する。

【0054】

構造Ｇにおいて基板ＳＢは、ｎ^-ドリフト層１と、ｎバッファ層２と、ｐコレクタ層３と、ｎ⁺エミッタ層５と、ｐ⁺層６と、ｐベース層８と、ｎ層２４と、ｐウエル領域９ａと、ｐ^-延長領域９ｊと、複数のｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇとを含む。ｐウエル領域９ａはインタフェースエリアＡＲ２において層間絶縁膜１２ｂに覆われている。

【0055】

ｐ^-延長領域９ｊは、上面Ｓ１においてｐウエル領域９ａから外側（図中、右側）へ延び、ｐウエル領域９ａよりも浅い。ｐ^-延長領域９ｊは、ｐ型を有し、ｐウエルに比して低いピーク不純物濃度および表面不純物濃度を有する。

【0056】

さらに図２８を参照して、ｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇはｐ型を有する。ｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇは、エッジターミネーションエリアＡＲ３においてｐ^-延長領域９ｊの外側に上面Ｓ１に設けられている。上面Ｓ１上においてｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇの各々の内側にはｎ^-ドリフト層１が位置し、ｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇのそれぞれは、内側に位置するｎ^-ドリフト層１と共に単位構造ＵＳ１〜ＵＳ６（総称してＵＳともいう）を構成している。また単位構造ＵＳの幅Ｗ_cellpitchは一定の値である。ｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇはより外側（図中、右側）のものほど上面Ｓ１上において単位構造ＵＳの幅Ｗ_cellpitchに対してより小さい割合の、ｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇの幅Ｗ_p-を有する。単位構造ＵＳはより外側のものほどより小さい平均ドーズ量を有する。ここで単位構造ＵＳの平均ドーズ量とは、特定の単位構造ＵＳのｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇの形成のために注入されたイオン数を、当該単位構造ＵＳが上面Ｓ１上において有する面積で除した数値である。言い換えれば、単位構造ＵＳの平均ドーズ量は、単位構造ＵＳの内部構造を無視した、より巨視的な観点でのドーズ量である。

【0057】

図２８で例示した構造においては、基板ＳＢの上面Ｓ１上において単位構造ＵＳの各々は一定の幅Ｗ_cellpitchを有する。またｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇはより外側（図中、右側）のものほど上面Ｓ１上において小さい幅Ｗ_p-を有する。このような単位構造ＵＳを得るには、たとえば、フィールドリミッティングリング９ｇを形成するためのイオン注入工程において、外側のものほどより小さい幅を有する複数の開口が一定ピッチで設けられたイオン注入マスクを用いればよい。なお、イオン注入がより狭い幅でなされたフィールドリミッティングリング９ｇほど、活性化アニール後、すなわち拡散後、の最終的な深さは小さくなる。なお図２８ではｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇは個々に存在するように示しているが、不純物領域として当初形成されていた複数のｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇのうちの１／３〜１／２程度が活性化アニールに起因してｐ^-延長領域９ｊとつながる。

【0058】

好ましくは、幅Ｗ_p-は、外側に向かって単位構造ＵＳごとに一定寸法だけ減じている。この場合、幅Ｗ_cellpitch一定という条件下では、単位構造ＵＳの平均ドーズ量は、外側に向かって単位構造ＵＳごとに線形に変化する。単位構造ＵＳの内部構造を無視した、より巨視的な観点では、図２９に示すように、図中矢印方向に一定の濃度勾配で不純物濃度が減少するような疑似的ｐ^-ウエル９ｐが設けられていることになる。この構成では、上面Ｓ１上において、ｐ^-延長領域９ｊ（図２７）では不純部濃度がおおよそ一定であるのに対して、その外側に位置する疑似的ｐ^-ウエル９ｐでは外側に向かって不純物濃度が線形に小さくなる。

【0059】

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１のＩＧＢＴ９００Ｄの構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

【0060】

本実施の形態によれば、エッジターミネーションエリアＡＲ３に設けられるｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇによって構成される単位構造ＵＳは、より外側のものほどより小さい平均ドーズ量を有する。この構成により、上述したような平均ドーズ量の制御がなされていないものに比してより小さいエッジターミネーションエリアＡＲ３であっても、インタフェースエリアＡＲ２における電界強度を十分に抑えることができる。よって、アクティブエリアＡＲ１の面積を大きく犠牲にすることなく、アクティブエリアＡＲ１とインタフェースエリアＡＲ２との境界での温度上昇を抑制し得る。すなわち、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有することができる。特に、単位構造ＵＳの各々が一定の幅Ｗ_cellpitchを有する場合、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を、より確実に得ることができる。

【0061】

次に上述した作用効果の検証結果について、以下に説明する。

【0062】

図３０Ａは、比較例（破線）としてのＩＧＢＴ９００Ａ（図４）と、実施例（実線）としてのＩＧＢＴ９００Ｇ（図２７）とにおける、コレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CEおよびコレクタ電流密度Ｊ_Cの各々のターンオフ波形のシミュレーション結果を示す。図３０Ｂは、これら比較例（破線）および実施例（実線）における、デバイス内部のピーク温度のシミュレーション結果を示すグラフ図である。図３０Ａおよび図３０Ｂにおける「×」はデバイスの破壊を意味する。図３０Ａの矢印で示す時点でのデバイス内部状態に関するより詳しいシミュレーション結果を図３１Ａおよび図３１Ｂに示す。図３１Ａは、比較例および実施例における、デバイス内部の温度を示す。図３１Ｂは、比較例および実施例におけるデバイス内部のインパクトイオン化率を示す。図３１Ａおよび図３１Ｂにおいて、矢印で示す破線部が、インタフェースエリアＡＲ２に対応している。このシミュレーション結果から、比較例に比して実施例の方がインタフェースエリアＡＲ２の局所的温度上昇が小さい。よって実施例の方が、ＩＧＢＴのターンオフ動作時のデバイス内部温度上昇が小さく、高い遮断能力を有すると考えられる。

【0063】

図３２Ａは、比較例としてのＩＧＢＴ９００Ａ（図４）における、位置Ｘと、基板の上面での電界強度Ｅ_edgeとの関係を、動的状態（実線）および静的状態（破線）の各々について示す。図３２Ｂは、実施例としてのＩＧＢＴ９００Ｇ（図２７）における、位置Ｘと、基板の上面での電界強度Ｅ_edgeとの関係を、動的状態（実線）および静的状態（破線）の各々について示す。ここで静的状態の条件としては、コレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CES＝３６００Ｖ、ゲート電圧Ｖ_G＝０Ｖ、温度Ｔ＝４２３Ｋを用いた。動的状態としては、図３０Ａにおいて矢印で示す状態を用いた。この結果から、ＩＧＢＴ９００Ａに比してＩＧＢＴ９００Ｇの方が、インタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の境界近傍において、電界強度Ｅ_edgeが、静的状態だけでなく動的状態においても小さくなる。このようにＩＧＢＴ９００ＧではＩＧＢＴ９００Ａより電界強度が抑制されることで、インパクトイオン化が抑制されることにより（図３１Ｂ）、局所的温度上昇が抑制される（図３１Ａ）と考えられる。

【0064】

上述したように本実施の形態によればターンオフ遮断能力を高めることができる。その上、アクティブエリアＡＲ１の構成は、比較例のＩＧＢＴ９００Ａ（図４）と同様とすることができるので、他の特性への特段の悪影響はない。よって本実施の形態においても、前述したＩＧＢＴ９００Ｄ（図６）と同程度の諸特性を確保することができる。

【0065】

また本実施の形態によれば、エッジターミネーションエリアＡＲ３の幅を小さくすることができる。シミュレーションによる見積もりでは、幅寸法を４０〜５０％程度低減することが可能である。このことについて、以下に説明する。

【0066】

図３３は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CES＝４５００Ｖかつ温度Ｔ＝２９８Ｋの下での、比較例（破線）としてのＩＧＢＴ９００Ａ（図４）と、実施例（実線）としてのＩＧＢＴ９００Ｇ（図２７）とにおける、線Ｆ−Ｆ´に沿う位置Ｘ_edgeと、電界強度Ｅとの関係を示す。この結果から、同じコレクタ・エミッタ電圧Ｖ_CESの保持時に、比較例に比して実施例の方が、電界強度Ｅをより抑制しつつ（図中、下向き矢印参照）、位置Ｘ_edgeに必要な寸法が抑制される（図中、左向き矢印参照）。

【0067】

図３４は、上記比較例（破線）および実施例（実線）における、耐圧クラスＶ_classとエッジターミネーションエリアＡＲ３の必要幅Ｗ_edgeとの関係を示すグラフ図である。比較例に比して実施例の方が、耐圧クラスＶ_classに関わらず、エッジターミネーションエリアＡＲ３の必要幅Ｗ_edgeを４０〜５０％小さくすることができる。つまり本実施例の図２７のデバイス構造により、半導体装置に占めるアクティブエリアＡＲ１のサイズを変えることなく、図３に示す半導体装置のチップサイズであるＸ_nおよびＹ_nを小さくする、チップサイズのシュリンク効果が見込まれる。つまり、本実施例により半導体装置を作り込むウエハ１枚当たりの半導体装置の数（理論チップ数）を増やすことができ、チップコストを低減することができる。

【0068】

次に変形例について説明する。図３５を参照して、ＩＧＢＴ９００Ｈは、ｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇの各々の上に層間絶縁膜１２ａおよび１２ｂを介してフローティング電極１３ｅを有する。フローティング電極１３ｅの各々は、幅方向（図３５における横方向）において、層間絶縁膜１２ａおよび１２ｂを介して直下にあるｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇの内側に配置されている。図３６Ａを参照して、ＩＧＢＴ９００Ｉにおいては、ゲート接続電極１３ｂ（図２７参照）が、ｐ^-延長領域９ｊを覆う層間絶縁膜１２ａおよび１２ｂを介して、ｐ^-延長領域９ｊ上にまで延びている。ただし幅方向（図中、横方向）において、ゲート接続電極１３ｂはｐ^-延長領域９ｊの内側に位置するように形成され、またフローティング電極１３ｅは前述したようにｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇの内側に位置するように形成される。図３６Ｂを参照して、ＩＧＢＴ９００Ｊは、ＩＧＢＴ９００Ｉ（図３６Ａ）においてフローティング電極１３ｅが省略された構造を有する。これらの構造により、図３２Ｂ、図３３中のＩＧＢＴ９００Ｇによる特徴的なエッジターミネーションエリアＡＲ３の電界強度分布を、ＩＧＢＴの性能を保障する動作温度範囲で、電気的なストレスが印加されても経時変化せず安定化させた上で、より高い耐圧やより高い遮断能力が得られる。

【0069】

＜実施の形態３＞
本実施の形態においては、実施の形態１で説明したバラスト抵抗領域（図５：ＩＧＢＴ９００Ｃにおけるｐウエル領域９ａの幅Ｌ_EEBRを有する部分）と同様の構成を有するダイオードについて説明する。なおＩＧＢＴ９００Ｃと同様の構成については、一部、説明を繰り返さない。

【0070】

図３７を参照して、本実施の形態のダイオード８００Ａ（電力用半導体装置）は、図１１に示すＩＧＢＴと同様に、アクティブエリアＡＲ１と、アクティブエリアの外周に設けられたインタフェースエリアＡＲ２と、インタフェースエリアＡＲ２の外周に設けられたエッジターミネーションエリアＡＲ３と、を含むものである。アクティブエリアＡＲ１は、本実施の形態においてはダイオードの基本的な機能を担う部分である。

【0071】

ダイオード８００Ａは、基板ＳＢ（半導体基板）と、アノード電極１３（第１の電極）と、カソード電極４Ｄ（第２の電極）と、層間絶縁膜１２とを有する。基板ＳＢは、ｎ^-ドリフト層１（ドリフト領域）と、ｎバッファ層２と、アノード層８Ｄと、ｐガードリング９と、ｐ層２６と、ｎ⁺層２７と、ｎ⁺領域３５とを含む。アノード電極１３は、アクティブエリアＡＲ１に設けられ、基板ＳＢの上面Ｓ１においてアノード層８Ｄに接している。アノード層８Ｄはｎ^-ドリフト層１上に設けられている。カソード電極４Ｄは基板ＳＢの下面Ｓ２において、ｐ層２６およびｎ⁺層２７からなる半導体層に接している。ｎ⁺層２７はアクティブエリアＡＲ１にのみ設けられている。ｎバッファ層２は、上記半導体層と、ｎ^-ドリフト層１との間に設けられている。層間絶縁膜１２は、アクティブエリアＡＲ１に開口を有する。

【0072】

アノード層８Ｄは、たとえば０．５〜１０μｍ程度の深さを有する。アノード層８Ｄは、ｐ型を有し、たとえば１×１０¹⁶〜１×10²⁰ｃｍ^-3程度のピーク不純物濃度を有する。ｐガードリング９は、たとえば５〜１０μｍ程度の深さを有する。ｐガードリング９は、たとえば１×１０¹⁶〜１×10²⁰ｃｍ^-3程度のピーク不純物濃度を有する。ｎ⁺領域３５は、たとえば０．２〜１μｍ程度の深さを有する。ｎ⁺領域３５は、ｎ型を有し、たとえば１×１０¹⁸〜１×10²¹ｃｍ^-3程度のピーク不純物濃度を有する。ｐ層２６は、たとえば０．３〜５μｍ程度の深さを有する。ｐ層２６は、たとえば１×１０¹⁶〜１×10²⁰ｃｍ^-3程度の表面不純物濃度を有する。ｎ⁺層２７は、たとえば０．３〜５μｍ程度の深さを有する。ｎ⁺層２７は、たとえば１×１０¹⁸〜１×10²⁰ｃｍ^-3程度の表面不純物濃度を有する。

【0073】

ダイオード８００Ａにおいてｐウエル領域９ａは、上面Ｓ１においてアノード電極１３とｐウエル領域９ａの端部（図中、右端）との間をｐ型の領域でつなぐ電気的経路を構成している。この電気的経路は、アクティブエリアＡＲ１およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の間でインタフェースエリアＡＲ２を横断しており、幅Ｌ_ABRを有する抵抗領域を有する。この抵抗領域はその全体が層間絶縁膜１２に覆われている。ｐウエル領域９ａは幅Ｗ_p0を有する。インタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の境界と、ｎ⁺層２７の外周端とは、幅Ｗ_GRの間隔を有する。

【0074】

幅Ｌ_ABR、Ｗ_p0およびＷ_GRは、ダイオード８００Ａの設計上、重要なパラメータである。幅Ｌ_ABRは、ダイオードのリカバリー動作時に抵抗領域の両端にて温度上昇を分担することで両端の一方での局所的な温度上昇を抑制する、バラスト抵抗効果が得られるように定められている。具体的には、図３７に示す矢印ＷＳでの局所的な電流集中による温度上昇が分担されることで、局所的な温度上昇が抑制される。この観点で幅Ｌ_ABRは、具体的には１００μｍ以上とされている。

【0075】

比較例のダイオード８００Ｚ（図３８）には、上述したバラスト抵抗領域が設けられていない。なお図３８においては模式的に１つのｐエッジ領域９ｂが示されているが、図３７と同様の複数のｐエッジ領域９ｂが存在する。ダイオード８００Ｚは、リカバリー動作時、基板ＳＢの上面Ｓ１におけるアクティブエリアＡＲ１とインタフェースエリアＡＲ２との境界、すなわち矢印ＷＳ、の局所的温度上昇が生じやすい。この現象がダイオード８００Ｚの遮断能力を制限する。

【0076】

これに対して本実施の形態によれば、ダイオードのリカバリー動作時に、後述する図４０Ａのように、インタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の境界の位置に対応するバラスト抵抗領域で電流分散することで、インタフェースエリアＡＲ２とエッジターミネーションエリアＡＲ３との境界での電流集中による局所的な温度上昇を抑制する。ここで、アクティブエリアＡＲ１の構成については従来のダイオードと同様とすることができるため、オン電圧上昇のような悪影響は見られない。以上のように、ＩＧＢＴ９００Ｃと同様、ダイオード８００Ａも、低いオン電圧と高い遮断能力との両方を有する。

【0077】

次に上述した作用効果の検証結果について、以下に説明する。

【0078】

図３９は、実施例（実線）としてのダイオード８００Ａおよび比較例（破線）としてのダイオード８００Ｚの各々について、リカバリー動作時の電圧Ｖ_AKおよび電流密度Ｊ_Aの波形と、デバイス内部のピーク温度Ｔとを示す。図４０Ａは、実施例（実線）および比較例（破線）の各々について、時刻ｔ_ｄ（図３９）での、線Ｇ−Ｇ´（図３７および図３８）に沿う位置Ｘと、電流密度Ｊ_Aとの関係を示し、図４０Ｂは位置Ｘと温度Ｔとの関係を示す。バラスト抵抗領域を設けていない比較例（破線）では、インタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３の境界近傍に位置するインタフェースエリアＡＲ２の端部にて、電流密度Ｊ_Aの集中が生じ、また温度Ｔの局所的上昇が生じる。その結果、図３９に示すように、ダイオード８００Ｚは遮断動作を完了することができずに破壊に至る。これに対してダイオード８００Ａは、電流密度Ｊ_AがインタフェースエリアＡＲ２内で極端な集中なしに分散され、またデバイス破壊の目安となる８００Ｋ以上の昇温が生じた箇所も存在しない。ダイオード８００Ａは、バラスト抵抗領域が電流を分担することで、破壊することなく遮断動作を行う。よって実施例のダイオードの遮断能力が向上する。

【0079】

図４１、図４２Ａおよび図４２Ｂは、ダイオード８００Ａの幅Ｌ_ABRおよびＷ_p0（図３７）と、時刻ｔ_ｄ（図３９）でのデバイス内部の温度および電流密度との関係を示す。この結果から、ダイオードの遮断能力向上のために電流密度の集中および局所的昇温を抑制するには、Ｌ_ABR＜Ｗ_p0とする必要がある。

【0080】

図４３は、アクティブエリアＡＲ１（図３７）の面積Ｓ_{active cell}（すなわちアノード電極１３の面積）に対するバラスト抵抗領域の面積Ｓ_abrの割合γと、リカバリー動作時の最大遮断電流密度Ｊ_A(break)およびデバイス内部最大温度Ｔ_maxとの関係を示す。図３７の例では、図４４に示すように、面積Ｓ_abrは実質的にインタフェースエリアＡＲ２の面積と同じである。Ｊ_A(break)は実デバイスでの実験結果であり、Ｔ_maxはシミュレーション結果である。シミュレーションによってＴ_maxが８００Ｋ以下となるγが選択されると（図中、安全領域ＳＺ）、高いＪ_A(break)を有する実デバイスが得られる。具体的には、γが２％以上４０％以下であることにより、高いＪ_A(break)が得られることが分かる。

【0081】

また図３７を参照して、幅Ｗ_GRは幅Ｗ_p0よりも大きくされることが好ましい。諸パラメータの議論をまとめると、ダイオード８００Ａの遮断能力を高めるためには、以下の関係を満たす必要がある。

【0082】

Ｌ_ABR ＜ Ｗ_p0
２％ ≦ γ ≦ ４０％
Ｗ_GR ＞ Ｗ_p0

【0083】

＜実施の形態４＞
本実施の形態においては、実施の形態２で説明したＩＧＢＴ９００Ｇ（図２８）が有する単位構造ＵＳと同様の構成を有するダイオードについて説明する。なおこのＩＧＢＴ９００Ｇ、または前述したダイオード８００Ａ（図３７）と同様の構成については、一部、説明を繰り返さない。

【0084】

図４５Ａを参照して、本実施の形態のダイオード８００Ｂは、基板ＳＢの上面Ｓ１上に層間絶縁膜１２ａおよび１２ｂをインタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３において有する。また基板ＳＢは、上面Ｓ１に設けられｐ型を有するアノード層８Ｄ（不純物層）を有する。また基板ＳＢは、エッジターミネーションエリアＡＲ３において上面Ｓ１にｐ^-延長領域９ｊおよび複数のｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇを有する。実施の形態３と同様に、上面Ｓ１上においてｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇの各々の内側にはｎ^-ドリフト層１が位置し、ｐ^-フィールドリミッティングリング９ｇのそれぞれは、内側に位置するｎ^-ドリフト層１と共に単位構造ＵＳ（図２８）を構成している。なお図４５Ｂ〜図４５Ｄのそれぞれは変形例のダイオード８００Ｃ〜８００Ｅを示す。ダイオード８００Ｃ（図４５Ｂ）はＩＧＢＴ９００Ｈ（図３５）と同様にフローティング電極１３ｅを有する。ダイオード８００Ｄ（図４５Ｃ）においては、ＩＧＢＴ９００Ｉ（図３６Ａ）のゲート接続電極１３ｂと同様に、アノード電極１３が層間絶縁膜１２ａおよび１２ｂを介してｐ^-延長領域９ｊ上にまで延びている。ダイオード８００Ｅ（図４５Ｄ）は、ダイオード８００Ｄ（図４５Ｃ）においてフローティング電極１３ｅが省略された構造を有する。

【0085】

図４６Ａは、実施例（実線）としてのダイオード８００Ｂと、比較例（破線）としてのダイオード８００Ｚ（図３８）との各々について、リカバリー動作時の電圧Ｖ_AKおよび電流密度Ｊ_Aの波形を示し、図４６Ｂはリカバリー動作時のデバイス内部のピーク温度Ｔを示す。比較例においては、ｔ＝５．５μｓでＶ_AKの急激な低下とＴ＞８００Ｋへの急激な温度上昇とが生じている。すなわちリカバリー動作途中でダイオードの破壊が生じている。これに対して実施例においては破壊なしに遮断が完了している。

【0086】

図４７Ａ〜図４７Ｄのそれぞれは、比較例の線Ｈ−Ｈ´（図３８）における位置Ｘと表面電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁〜ｔ₄（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示す。図４８Ａ〜図４８Ｆのそれぞれは、実施例の線Ｈ−Ｈ´（図４５Ａ）における位置Ｘと表面電界強度Ｅ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁〜ｔ₆（図４６Ａおよび図４６Ｂ）において示す。図４９Ａ〜図４９Ｄのそれぞれは、比較例の線Ｈ−Ｈ´における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁〜ｔ₄において示す。図５０Ａ〜図５０Ｆのそれぞれは、実施例の線Ｈ−Ｈ´における位置Ｘと電流密度ｊ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁〜ｔ₆において示す。図５１Ａ〜図５１Ｄのそれぞれは、比較例の線Ｈ−Ｈ´における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁〜ｔ₄において示す。図５２Ａ〜図５２Ｆのそれぞれは、実施例の線Ｈ−Ｈ´における位置Ｘとデバイス上面Ｓ１の温度Ｔ_surfaceとの関係をｔ＝ｔ₁〜ｔ₆において示す。

【0087】

これらの結果より、比較例に比して実施例においては、リカバリー動作中にインタフェースエリアＡＲ２およびエッジターミネーションエリアＡＲ３、特にインタフェースエリアＡＲ２、の電界強度が低く、またインタフェースエリアＡＲ２の温度上昇が抑制された。よってダイオード８００Ｂは、ＩＧＢＴ９００Ｇと同様に、高い遮断能力を有すると考えられる。この結果、ＳＯＡを拡大する効果が得られる。

【0088】

図５３は、比較例（三角形で表記）および実施例（円形で表記）におけるリカバリーＳＯＡを説明するグラフ図である。ここで、（ｄｊ／ｄｔ）_maxは、遮断時に許容される電流密度の時間微分の最大値であり、Ｐ_maxは最大パワー密度である。ｄｊ／ｄｔ値は、たとえば図４６Ａに示すような領域での電流密度波形の傾きであり、この値が大きいほどダイオードは高速でリカバリー動作が可能である（つまり、ダイオードのリカバリー動作時の遮断能力が大きい）。この結果から、実施例によれば、従来例より約３倍の大きなｄｊ／ｄｔ値により高速なリカバリー動作が可能でありまた５０倍以上の大きなパワー密度の遮断が可能なため、リカバリーＳＯＡが向上することがわかる。

【0089】

上記各実施の形態の電力用半導体装置は３３００〜６５００Ｖ程度の高耐圧クラスに特に適したものであるが、電力用半導体装置の耐圧の大きさは特に限定されるものではなく、たとえば６００Ｖ程度以上であってもよい。また半導体基板の材料はシリコンに限定されるものではなく、たとえば、炭化珪素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ材料であってもよい。また半導体基板の第１および第２の導電型としてのｎ型およびｐ型は互いに入れ替えられてもよい。

【0090】

本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

【符号の説明】

【0091】

１ ｎ^-ドリフト層（ドリフト領域）、２ ｎバッファ層（バッファ層）、３ ｐコレクタ層（コレクタ領域）、４ コレクタ電極（第２の電極）、４Ｄ カソード電極（第２の電極）、５ ｎ⁺エミッタ層、６ ｐ⁺層、８ ｐベース層、８Ｄ アノード層（不純物層）、９ ｐガードリング、９ａ ｐウエル領域、９ｂ ｐエッジ領域、９ｇ ｐ^-フィールドリミッティングリング、９ｊ ｐ^-延長領域、１０ トレンチ絶縁膜、１１ ゲート電極、１２，１２ａ，１２ｂ 層間絶縁膜、１３ アノード電極（第１の電極）、１３ａ エミッタ電極（第１の電極）、１３ｂ ゲート接続電極、１３ｃ，１３ｄ 電極、１３ｅ フローティング電極、１４，１５ パッシベーション膜、２２ ゲート電極、２２ｗ ゲート配線層、２３ キャパシタ電極、２４ ｎ層、２６ ｐ層、２７ ｎ⁺層、２８ ゲート配線部、２９ ゲートパッド、３２ チャネルストップ電極、３４ ｎ領域、３５ ｎ⁺領域、３８ ｐ領域、８００Ａ，８００Ｂ ダイオード、９００Ａ〜９００Ｉ ＩＧＢＴ、ＡＲ１ アクティブエリア、ＡＲ２ インタフェースエリア、ＡＲ３ エッジターミネーションエリア、ＣＳ チャネルストップ構造、Ｓ１ 上面（第１の面）、Ｓ２ 下面（第２の面）、ＳＢ 基板（半導体基板）、ＴＣ キャパシタトレンチ、ＴＧ ゲートトレンチ、ＴＳ チャネルストップトレンチ、ＵＳ，ＵＳ１〜ＵＳ６ 単位構造。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図16A】

【図16B】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】

【図19A】

【図19B】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30A】

【図30B】

【図31A】

【図31B】

【図32A】

【図32B】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36A】

【図36B】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40A】

【図40B】

【図41】

【図42A】

【図42B】

【図43】

【図44】

【図45A】

【図45B】

【図45C】

【図45D】

【図46A】

【図46B】

【図47A】

【図47B】

【図47C】

【図47D】

【図48A】

【図48B】

【図48C】

【図48D】

【図48E】

【図48F】

【図49A】

【図49B】

【図49C】

【図49D】

【図50A】

【図50B】

【図50C】

【図50D】

【図50E】

【図50F】

【図51A】

【図51B】

【図51C】

【図51D】

【図52A】

【図52B】

【図52C】

【図52D】

【図52E】

【図52F】

【図53】