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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024124702
(43)【公開日】2024-09-13
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 29/78 20060101AFI20240906BHJP
H01L 29/06 20060101ALI20240906BHJP
H01L 29/739 20060101ALI20240906BHJP
【ＦＩ】
H01L29/78 657D
H01L29/78 652P
H01L29/78 653A
H01L29/06 301M
H01L29/06 301V
H01L29/06 301G
H01L29/78 655F
H01L29/78 655B
H01L29/78 655D
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023032572
(22)【出願日】2023-03-03
(71)【出願人】
【識別番号】000106276
【氏名又は名称】サンケン電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100097113
【弁理士】
【氏名又は名称】堀 城之
(74)【代理人】
【識別番号】100162363
【弁理士】
【氏名又は名称】前島 幸彦
(72)【発明者】
【氏名】劉 会涛
(57)【要約】
【課題】ターンオフ時間が短いＲＣ－ＩＧＢＴを得る。
【解決手段】この半導体装置１も、平面視において、ＩＧＢＴとして機能するＩＧＢＴ領域１００、ダイオードとして機能するダイオード領域２００、耐圧改善のために設けられる耐圧改善領域３００が同様に設けられる。また、ここで用いられる半導体基板１０においても、ｎ－層１１、ｎ－層１１の下側のｎ層１３が同様に設けられる。ｎ層１３の下側に、ＩＧＢＴ領域１００においては、ＩＧＢＴのコレクタ層となるｐ＋層１４が形成され、ダイオード領域２００においては、ダイオードのカソード層となるｎ＋層１５が形成される。ＩＧＢＴ領域１００とダイオード領域２００においては、平面視において、ｐ＋層１４は、図１における最も外側（左側）のトレンチ構造Ｔ１のトレンチＴの外側には設けられず、この外側にはｎ＋層１５が位置する。
【選択図】図１
【解決手段】この半導体装置１も、平面視において、ＩＧＢＴとして機能するＩＧＢＴ領域１００、ダイオードとして機能するダイオード領域２００、耐圧改善のために設けられる耐圧改善領域３００が同様に設けられる。また、ここで用いられる半導体基板１０においても、ｎ－層１１、ｎ－層１１の下側のｎ層１３が同様に設けられる。ｎ層１３の下側に、ＩＧＢＴ領域１００においては、ＩＧＢＴのコレクタ層となるｐ＋層１４が形成され、ダイオード領域２００においては、ダイオードのカソード層となるｎ＋層１５が形成される。ＩＧＢＴ領域１００とダイオード領域２００においては、平面視において、ｐ＋層１４は、図１における最も外側（左側）のトレンチ構造Ｔ１のトレンチＴの外側には設けられず、この外側にはｎ＋層１５が位置する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１導電型の第１半導体領域を有する半導体基板中に絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードが形成された半導体装置であって、
平面視において、前記半導体基板には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタが形成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域と、前記ダイオードが形成されたダイオード領域と、が設けられ、
前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成された、前記第１導電型と逆の第２導電型の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の表面側に局所的に形成された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第３半導体領域から前記第２半導体領域を貫通し第１の方向に沿って延伸する溝の内部において前記第２半導体領域と絶縁層を介して対向するゲート電極が設けられ、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って複数形成された第１トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第４半導体領域と、
を具備し、
前記ダイオード領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成された、前記第２導電型の第５半導体領域と、
表面から前記第５半導体領域を貫通し溝の内部において前記第５半導体領域と絶縁層を介して対向する第１補助電極が設けられた、複数の第２トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成され平面視において前記第４半導体領域と隣接する前記第１導電型の第６半導体領域と、
を具備し、
前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第５半導体領域と電気的に接続されたエミッタ電極と、前記第４半導体領域及び前記第６半導体領域と電気的に接続されたコレクタ電極と、が設けられ、
平面視において、前記第４半導体領域の前記第６半導体領域側の端は、最も前記ダイオード領域側にある前記第１トレンチ構造の前記溝の前記ダイオード領域側の側面よりも、前記ダイオード領域側からみて遠い側にあることを特徴とする半導体装置。
平面視において、前記半導体基板には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタが形成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域と、前記ダイオードが形成されたダイオード領域と、が設けられ、
前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成された、前記第１導電型と逆の第２導電型の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の表面側に局所的に形成された、前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第３半導体領域から前記第２半導体領域を貫通し第１の方向に沿って延伸する溝の内部において前記第２半導体領域と絶縁層を介して対向するゲート電極が設けられ、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って複数形成された第１トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第４半導体領域と、
を具備し、
前記ダイオード領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成された、前記第２導電型の第５半導体領域と、
表面から前記第５半導体領域を貫通し溝の内部において前記第５半導体領域と絶縁層を介して対向する第１補助電極が設けられた、複数の第２トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成され平面視において前記第４半導体領域と隣接する前記第１導電型の第６半導体領域と、
を具備し、
前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第５半導体領域と電気的に接続されたエミッタ電極と、前記第４半導体領域及び前記第６半導体領域と電気的に接続されたコレクタ電極と、が設けられ、
平面視において、前記第４半導体領域の前記第６半導体領域側の端は、最も前記ダイオード領域側にある前記第１トレンチ構造の前記溝の前記ダイオード領域側の側面よりも、前記ダイオード領域側からみて遠い側にあることを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
隣り合う前記第２のトレンチ構造の間隔は、隣り合う前記第１のトレンチ構造の間隔よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
隣り合う前記第２のトレンチ構造の間隔は、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域から離れるに従って狭いことを特徴とする請求項２の半導体装置。
【請求項4】
平面視において、前記ダイオード領域は前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域を囲んで形成され、かつ耐圧改善領域が前記ダイオード領域を囲んで形成され、
前記耐圧改善領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成され、前記第２導電型であり、前記エミッタ電極とは直接接さない第７半導体領域と、
表面から前記第７半導体領域を貫通し延伸する溝の内部において前記第７半導体領域と絶縁層を介して対向する第２補助電極が設けられ、複数形成された第３トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第８半導体領域と、
を具備し、
前記第３トレンチ構造における溝によって分割された前記第７半導体領域は、それぞれ前記第２補助電極との間で容量結合することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
前記耐圧改善領域において、前記半導体基板は、
前記第１半導体領域の上に形成され、前記第２導電型であり、前記エミッタ電極とは直接接さない第７半導体領域と、
表面から前記第７半導体領域を貫通し延伸する溝の内部において前記第７半導体領域と絶縁層を介して対向する第２補助電極が設けられ、複数形成された第３トレンチ構造と、
前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第８半導体領域と、
を具備し、
前記第３トレンチ構造における溝によって分割された前記第７半導体領域は、それぞれ前記第２補助電極との間で容量結合することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第５半導体領域の不純物濃度が前記第２半導体領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第１補助電極は前記エミッタ電極、前記ゲート電極、前記コレクタ電極のいずれからも絶縁されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項7】
平面視において、最も前記耐圧改善領域側の前記第２トレンチ構造よりも前記耐圧改善領域側にある前記第５半導体領域と、最も前記ダイオード領域側の前記第３トレンチ構造よりも前記ダイオード領域側にある前記第７半導体領域とは、互いに連続的に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）とフリーホイールダイオードとが同一半導体基板に形成された半導体装置の構造に関する。
【背景技術】
【0002】
大電力での高速スイッチング動作が可能であるスイッチング素子は、例えばモータの制御用に広く用いられている。一方、このようなスイッチング素子にＩＧＢＴを用いる場合、ＩＧＢＴのオフ時におけるフライバック電圧の発生を抑制するためにＩＧＢＴのオン時と逆向きの電流を流すフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）とを組み合わせる場合が多い。このような半導体装置の１つとして、ＩＧＢＴと同一の半導体基板上にフリーホイールダイオード（ダイオード）が形成されたＲＣ－ＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＩＧＢＴ）が知られている。
【0003】
ＲＣ－ＩＧＢＴの基本構造は通常のＩＧＢＴの一部を変更すれば実現することができる。平面視において、ＩＧＢＴが形成された領域（ＩＧＢＴ領域：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域）の外側に前記のダイオードが形成された領域（ダイオード領域）を設け、更に外側に耐圧を向上させるためのエッジ終端部（耐圧改善領域）を設けることができる。特許文献１には、このような構造のＲＣ－ＩＧＢＴが記載されている。
【0004】
ここで、ＩＧＢＴ領域におけるＩＧＢＴとしては、トレンチ内にゲート電極が設けられたトレンチ型のものが用いられる。また、ダイオード領域においては、トレンチ内に補助電極が設けられたトレンチ型のものが設けられ、このトレンチはダイオードの耐圧の改善に寄与する。耐圧改善領域にはＩＧＢＴやダイオードは設けられず、半導体装置の耐圧改善に寄与している。
【0005】
図５は、この半導体装置９の構造を示す断面図である。ここでは、図中右側のＩＧＢＴ領域１００においてＩＧＢＴが形成され、図中中央のダイオード領域２００においてダイオードが形成され、図中左側に耐圧改善領域３００が形成される。実際にはＩＧＢＴ領域は半導体基板７０の中央側に設けられ、ダイオード領域はその外側、耐圧改善領域は更にその外側に設けられ、図１においてはこの場合における半導体基板７０の中央側から左側の端部までの範囲が模式的に示されている。
【0006】
図５において、シリコンで形成された半導体基板７０においては、ＩＧＢＴにおけるドリフト層となる厚いｎ－層（ｎ型の第１半導体領域）１１上において、局所的にｐ層（ＩＧＢＴ領域１００においては第２半導体領域、ダイオード領域２００においては第５半導体領域）１２が形成されている。ＩＧＢＴ領域１００においては半導体基板７０の表面側には、紙面の上下方向（ｚ方向）に沿って表面からｐ層１２を貫通してｎ－層１１に達する溝構造（トレンチ構造：第１トレンチ構造）Ｔ１が形成されており、ダイオード領域２００においても同様にトレンチ構造（第２トレンチ構造）Ｔ２が形成されている。トレンチ構造Ｔ１、Ｔ２は、図５における紙面と垂直方向（ｘ方向：第１の方向）に延伸し、図中左右方向（ｙ方向：第２の方向）において複数形成されている。また、トレンチ構造Ｔ１の側面に隣接してエミッタ領域（図視せず）が形成されている。実際にはトレンチ構造Ｔ１、Ｔ２の周囲には上記の半導体領域とは異なる半導体層（半導体領域）等も局所的に形成されているが、これらの記載は図５では省略され、これらの層も含めたトレンチ構造Ｔ１、Ｔ２の構造については後述する。
【0007】
また、半導体基板７０の表面（図中上側）には、エミッタ電極９１が形成されている。エミッタ電極９１は、ＩＧＢＴ領域１００においてはＩＧＢＴのエミッタ領域と接続されると共に、ダイオード領域２００においてはダイオードのアノード領域（第５半導体領域１２）と接続される。このため、エミッタ電極９１によってＩＧＢＴとダイオードが接続される。
【0008】
また、半導体基板７０において、ｎ－層１１の下側にはフィールドストップ層となる薄いｎ層１３が形成され、ＩＧＢＴ領域１００においてはその下側にＩＧＢＴのコレクタ層となるｐ＋層（第４半導体領域）１４が形成され、ダイオード領域２００においてはダイオードのカソード層となるｎ＋層（第６半導体領域）１５が形成される。裏面側において全面に形成されたコレクタ電極９２は、ＩＧＢＴ領域１００においてはｐ＋層１４と接し、ダイオード領域２００においてはｎ＋層１５と接する。以上により、ＩＧＢＴとダイオードが接続された構成が実現される。
【0009】
一方、耐圧改善領域３００においてはｐ層１２やトレンチ構造は形成されず、代わりにｐ＋層であるガードリング層７５が互いに離間して複数形成されている。ガードリング層７５にはエミッタ電極９１とは別の電極層９３が接続される。複数のガードリング層７５が形成された更に外側の最外周部には、特に耐圧改善領域３００におけるｎ－層１１の電位を制御するために、局所的に形成されたｎ＋層７６を介して、エミッタ電極９１及び電極層９３とは別の電極層９４が形成される。また、耐圧改善領域３００の裏面側においては、ｐ＋層１４と同様のｐ＋層１４Ａが形成され、裏面側でこのｐ＋層１４Ａがコレクタ電極９２と接する。
【0010】
図６（ａ）は、図５におけるトレンチ構造Ｔ１、図６（ｂ）はトレンチ構造Ｔ２の断面図をそれぞれ示し、ここでは、これらのトレンチ構造を中心とした周辺の各半導体層等も含めた構造も詳細に示されている。図６（ａ）のトレンチ構造Ｔ１においては、上下方向（ｚ方向）に沿って表面側のｐ層１２を貫通しｎ－層１１に達する溝Ｔが紙面垂直方向（ｘ方向）に延伸して形成されており、溝Ｔの内側には、薄い酸化膜（ゲート絶縁膜）１７が一様に形成された上で、ゲート電極９５が溝Ｔを埋め込むように形成されている。また、表面側における溝Ｔの周囲にはＭＯＳＦＥＴのソース領域として機能するｎ＋層（第３半導体領域）１８が形成され、エミッタ電極９１は、ｎ＋層１８及びｐ層１２と接する。また、トレンチＴのゲート電極９５の上側には層間絶縁層１９が形成されることによって、ゲート電極９５はエミッタ電極９１とは絶縁され、図５に示されるように、全てのトレンチ構造Ｔ１におけるゲート電極９５は図示の範囲外で並列に接続された上で、その電位（ゲート電位）が適切に制御される。これにより、ゲート電極９５、酸化膜１７、ｐ層１２によってＭＯＳ構造が形成され、これがＩＧＢＴの一部として機能する。このため、エミッタ電極９１、コレクタ電極９２、ゲート電極９５の電位を制御することによって、このＩＧＢＴは動作する。
【0011】
一方、図６（ｂ）のトレンチ構造Ｔ２においても、トレンチ構造Ｔ１（ａ）と同様に、酸化膜１７、補助電極（第１補助電極）９６が形成されているが、トレンチＴの補助電極９６の上側には層間絶縁層１９は形成されておらず、かつｎ＋層１８も形成されていない。このため、トレンチ構造Ｔ２において補助電極９６はエミッタ電極９１と接し、この部分はＩＧＢＴとしては機能せず、ダイオード領域２００はｐ層１２側をアノード、ｎ＋層１５側をカソードとするダイオードとして機能する。ただし、トレンチ構造Ｔ１、Ｔ２は上記のような共通の構造を具備するために、製造時にこれらを同時に形成することができる。特許文献１に記載されるように、ダイオードとして機能する部分にこのようなトレンチ構造Ｔ２を設けることによって、ダイオードの逆バイアス時に流れる電流経路を制限し、アバランシェブレークダウンの発生を抑制することができる。
【0012】
図５においては半導体基板７０の厚さ方向の断面が示されているが、平面視においては、ＩＧＢＴ領域１００内ではトレンチ構造Ｔ１は図５のｙ方向に沿って複数されている。一方、平面視においてはダイオード領域２００はＩＧＢＴ領域１００の周囲を囲んで隣接し、更に耐圧改善領域３００は更に外側でダイオード領域２００を囲んで隣接する形態とされる。
【0013】
トレンチ構造Ｔ２、ガードリング層７５はダイオード領域２００、耐圧改善領域３００の形状に沿って形成される。このため、図５の断面構造においては、トレンチ構造Ｔ１、トレンチ構造Ｔ２、ガードリング層７５はそれぞれ紙面垂直方向（ｘ方向）に沿って形成されているが、実際には、トレンチ構造Ｔ２等、ガードリング層７５は平面視において環状に形成される。このため、トレンチ構造Ｔ１の延伸方向をｘ方向とした場合に、平面構造においては、トレンチ構造Ｔ２等、ガードリング層７５の延伸方向がｘ方向ではない（例えばｙ方向である）箇所も存在する。トレンチ構造Ｔ２、ガードリング層７５が配列される方向（図５においてはｙ方向）は、この延伸方向と垂直な方向となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】特開２０１８－４６１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
ＲＣ－ＩＧＢＴのターンオフ動作（ＩＧＢＴをオンの状態からオフの状態にする動作）において、動作電流が充分に小さくなるまでのターンオフ時間を短くするためには、ＩＧＢＴ領域１００においてドリフト層となるｎ－層１１中でオン時において電流に寄与したホールが速やかに消滅することが要求される。
【0016】
これに対して、ＩＧＢＴ領域１００とダイオード領域２００を隣接して設けた図５の構造では、ｎ－層１１はＩＧＢＴ領域１００とダイオード領域２００にかけて連続的に形成されるため、ダイオード領域２００におけるｎ－層１１中においてもホールが残存し、このホールによるターンオフ電流が無視できず、ターンオフ時間を短くすることが困難であった。
【0017】
このため、ＩＧＢＴのターンオフ時間が短いＲＣ－ＩＧＢＴが望まれた。
【0018】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0019】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、第１導電型の第１半導体領域を有する半導体基板中に絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードが形成された半導体装置であって、平面視において、前記半導体基板には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタが形成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域と、前記ダイオードが形成されたダイオード領域と、が設けられ、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域において、前記半導体基板は、前記第１半導体領域の上に形成された、前記第１導電型と逆の第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の表面側に局所的に形成された、前記第１導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域から前記第２半導体領域を貫通し第１の方向に沿って延伸する溝の内部において前記第２半導体領域と絶縁層を介して対向するゲート電極が設けられ、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って複数形成された第１トレンチ構造と、前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第４半導体領域と、を具備し、前記ダイオード領域において、前記半導体基板は、前記第１半導体領域の上に形成された、前記第２導電型の第５半導体領域と、表面から前記第５半導体領域を貫通し溝の内部において前記第５半導体領域と絶縁層を介して対向する第１補助電極が設けられた、複数の第２トレンチ構造と、前記第１半導体領域の下に形成され平面視において前記第４半導体領域と隣接する前記第１導電型の第６半導体領域と、を具備し、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第５半導体領域と電気的に接続されたエミッタ電極と、前記第４半導体領域及び前記第６半導体領域と電気的に接続されたコレクタ電極と、が設けられ、平面視において、前記第４半導体領域の前記第６半導体領域側の端は、最も前記ダイオード領域側にある前記第１トレンチ構造の前記溝の前記ダイオード領域側の側面よりも、前記ダイオード領域側からみて遠い側にあることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、第１導電型の第１半導体領域を有する半導体基板中に絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードが形成された半導体装置であって、平面視において、前記半導体基板には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタが形成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域と、前記ダイオードが形成されたダイオード領域と、が設けられ、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ領域において、前記半導体基板は、前記第１半導体領域の上に形成された、前記第１導電型と逆の第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の表面側に局所的に形成された、前記第１導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域から前記第２半導体領域を貫通し第１の方向に沿って延伸する溝の内部において前記第２半導体領域と絶縁層を介して対向するゲート電極が設けられ、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って複数形成された第１トレンチ構造と、前記第１半導体領域の下に形成された前記第２導電型の第４半導体領域と、を具備し、前記ダイオード領域において、前記半導体基板は、前記第１半導体領域の上に形成された、前記第２導電型の第５半導体領域と、表面から前記第５半導体領域を貫通し溝の内部において前記第５半導体領域と絶縁層を介して対向する第１補助電極が設けられた、複数の第２トレンチ構造と、前記第１半導体領域の下に形成され平面視において前記第４半導体領域と隣接する前記第１導電型の第６半導体領域と、を具備し、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、及び前記第５半導体領域と電気的に接続されたエミッタ電極と、前記第４半導体領域及び前記第６半導体領域と電気的に接続されたコレクタ電極と、が設けられ、平面視において、前記第４半導体領域の前記第６半導体領域側の端は、最も前記ダイオード領域側にある前記第１トレンチ構造の前記溝の前記ダイオード領域側の側面よりも、前記ダイオード領域側からみて遠い側にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明は以上のように構成されているので、ターンオフ時間が短いＲＣ－ＩＧＢＴを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る半導体装置における第３トレンチ構造の断面図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る半導体装置の部分的な平面図である。
【図4】本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例の構造を示す断面図である。
【図5】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図6】従来の半導体装置における第１トレンチ構造（ａ）、第２トレンチ構造（ｂ）の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置は、トレンチ型のＩＧＢＴとフリーホイールダイオード（ダイオード）とが共通の半導体基板に形成されたＲＣ－ＩＧＢＴである。
【0023】
図１は、実施の形態に係る半導体装置１の断面図である。平面視において、ＩＧＢＴとして機能するＩＧＢＴ領域１００、ダイオードとして機能するダイオード領域２００、耐圧改善のために設けられる耐圧改善領域３００が設けられる。また、半導体基板１０において、ｎ－層（ｎ型の第１半導体領域）１１、ｎ－層１１の下側のフィールドストップ層となるｎ層１３が設けられる。ｎ－層１１上のｐ層（ＩＧＢＴ領域１００においてはｐ型の第２半導体領域、ダイオード領域２００においては第５半導体領域）が設けられるが、詳細については後述する。
【0024】
また、ｎ層１３の下側に、ＩＧＢＴ領域１００においては、ＩＧＢＴのコレクタ層となるｐ＋層（第４半導体領域）１４が形成され、ダイオード領域２００においては、ダイオードのカソード層となるｎ＋層（第６半導体領域）１５が形成される。耐圧改善領域３００においてはｎ＋層１５は設けられずにｐ＋層（第８半導体領域）１４Ａが設けられる。耐圧改善領域３００の構造については後述する。
【0025】
また、図６に示されたトレンチ構造Ｔ１、Ｔ２も、ＩＧＢＴ領域１００、ダイオード領域２００にそれぞれ設けられる。図１においては、トレンチ構造Ｔ１、Ｔ２は４つずつのみが記載されているが、実際にはこれらの数は適宜設定され、より多くされていてもよい。ＩＧＢＴ領域１００のトレンチ構造Ｔ１においては、溝Ｔ、酸化膜（ゲート絶縁膜）１７、ゲート電極９５、ｎ＋層（第３半導体領域）１８、トレンチＴの上側の層間絶縁層１９が形成される。ダイオード領域２００のトレンチ構造Ｔ２において、酸化膜１７、補助電極（第１補助電極）９６が設けられ、ｎ＋層１８、層間絶縁層１９は設けられていない。ＩＧＢＴ領域１００における各トレンチ構造Ｔ１中のゲート電極９５同士は電気的に接続され、ｎ＋層（第３半導体領域）１８とｐ型の第２半導体領域１２Ａがエミッタ電極９１と電気的に接続するよう設けられ、ｐ＋層（第４半導体領域）１４とｎ＋層（第６半導体領域）１５がコレクタ電極９２と電気的に接続するよう設けられる。
【0026】
また、図１においてはトレンチ構造Ｔ１、Ｔ２は共に紙面垂直方向（ｘ方向：第１の方向）に沿って延伸し、かつこれと垂直な第２の方向（ｙ方向：第２の方向）に沿って複数形成されている。しかしながら、これについても、図５の半導体装置９と同様に、トレンチ構造Ｔ２の延伸方向はｘ方向であるとは限らず、この延伸方向が例えばｙ方向でありこれが配列される方向がｘ方向となる領域も平面構造においては存在する。このため、ここではトレンチ構造Ｔ２の延伸方向を第３の方向、トレンチＴ２が配列される方向を第４の方向とする。このような平面構造については後述する。
【0027】
以上より、図１の半導体装置１も、ＩＧＢＴ領域１００におけるＩＧＢＴとダイオード領域２００におけるダイオードが接続されたＲＣ－ＩＧＢＴとして動作する。ただし、この半導体装置１で用いられる半導体基板１０においては、図５の半導体装置９で用いられる半導体基板９０とは、ｎ－層１１上のｐ層（ＩＧＢＴ領域１００においては第２半導体領域、ダイオード領域２００においては第５半導体領域）、ｐ＋層（第４半導体領域）１４、ｎ＋層（第６半導体領域）１５の構成が異なる。
【0028】
ここでは、ＩＧＢＴ領域１００におけるｎ－層１１上のｐ層とダイオード領域２００におけるこのｐ層は同一の不純物濃度とはされずに、ＩＧＢＴ領域１００においては不純物濃度が比較的高く形成されたｐ層（第２半導体領域）１２Ａとされ、ダイオード領域２００においてはｐ層１２Ａよりも不純物濃度が低く形成されたｐ層（第５半導体領域）１２Ｂとされる。図１で示すように、ｐ層１２Ｂはｐ層１２Ａより深く形成してもよい。ｐ層１２Ａ、１２Ｂは別の製造工程で、例えば選択拡散によってｎ－層１１の表面側に形成される。なお、実際にはＩＧＢＴ領域１００のトレンチＴ又はダイオード領域２００のトレンチＴを介しての場合もあるが、ｐ層１２Ａとｐ層１２Ｂは連続的に形成されるため、これらの境界部分における不純物濃度や深さは徐々に変化する。また、ダイオード領域２００のトレンチＴ又は耐圧改善領域３００のトレンチＴを介しての場合もあるが、後述するようにｐ層１２Ｂは耐圧改善領域３００にまで連続的に形成されている。
【0029】
ＩＧＢＴの短絡耐量を大きくするという観点から、ＩＧＢＴ領域１００においてベース領域（第２の半導体領域）となるｐ層１２Ａの不純物濃度は高いことが好ましい。一方、ダイオード領域２００においてアノード領域（第５の半導体層）となるｐ層１２Ｂの不純物濃度がＩＧＢＴの特性から定められるｐ層１２Ａの不純物濃度と同様に高い場合には、ダイオードの逆方向電流（逆方向ピーク電流）が大きくなるため、フリーホイールダイオードとしては好ましくない。また、ｐ型層１２Ｂの不純物濃度が高いとダイオードのオン時にｎ－層１１に注入されるホールが多くなるために、このダイオードのリカバリー特性が悪くなる。このため、ｐ層１２Ａとｐ層１２Ｂを同一の不純物濃度、深さとはせずに、ｐ層１２Ｂの不純物濃度をｐ層１２Ａの不純物濃度よりも低く、ｐ層１２Ｂをｐ層１２Ａよりも深くまで形成している。また、半導体装置を平面的に見て、ＩＧＢＴ領域１００はダイオード領域２００よりも広い面積を占めている。ｐ層１２Ｂの不純物濃度をｐ層１２Ａの不純物濃度よりも低くすることで、面積の広いＩＧＢＴ領域１００側でアバランシェ降伏させることができ、電流集中による焼損を抑制することができる。
【0030】
また、この半導体装置１で用いられる半導体基板１０においては、図５の半導体装置９で用いられる半導体基板９０とは、ｐ＋層（第４半導体領域）１４、ｎ＋層（第６半導体領域）１５の境界の位置が異なる。
【0031】
ＩＧＢＴ領域１００において、ＩＧＢＴのオン時には、ｐ＋層１４からｎ－層１１に注入されたホールが、このＩＧＢＴのバイポーラトランジスタとしての動作に寄与する。一方、このＩＧＢＴのターンオフ時間を短くするためには、このホールは、ＩＧＢＴのオフ時には速やかに消滅することが好ましい。これに対して、図５の構造では、最もダイオード領域２００側のトレンチ構造Ｔ１の側壁直下よりもダイオード領域２００側までｐ＋層１４が延びている。ホールは、ＩＧＢＴ領域１００内だけでなく、ダイオード領域２００におけるＩＧＢＴ領域１００近傍においても、下側のｐ＋層１４からｎ－層１１に注入される。ターンオフ時間を短くするためには、ダイオード領域２００内におけるこのようなホールを減少させることが好ましい。
【0032】
このため、この半導体基板１０においては、ＩＧＢＴ領域１００とダイオード領域２００においては、平面視において、ｐ＋層１４は、図１における最も外側（左側）のトレンチ構造Ｔ１のトレンチＴの側壁直下よりも外側には設けられず、最も外側（左側）のトレンチ構造Ｔ１のトレンチＴの側壁直下にはｎ＋層１５が位置する。図１において、ＩＧＢＴ領域１００とダイオード領域２００におけるｐ＋層１４とｎ＋層１５の境界の位置Ｄは、最も外側のトレンチ構造Ｔ１のトレンチＴの外側の側面の位置Ｈよりも内側（図中右側：半導体基板１０の終端部よりも遠い側）に位置する。すなわち、ｐ＋層１４のｎ＋層１５側の端はトレンチ構造Ｔ１のダイオード領域２００側の側面よりもダイオード領域２００側からみて遠い側にある。
【0033】
これにより、ＩＧＢＴとして機能するトレンチ構造Ｔ１の直下にはｐ＋層１４は存在するため、ＩＧＢＴのオン時に大電流を流すことができる。一方で、ＩＧＢＴのターンオフ時において、ダイオード領域２００内のｎ－層１１の部分に残存するホールは比較的少ないため、ターンオフ時にダイオード領域２００内のｎ－層１１の部分に存在するホールは比較的速やかに移動または少なくなり、ターンオフ時間を短くすることができる。
【0034】
次に、耐圧改善領域３００内の構造について説明する。この耐圧改善領域３００内においては、図５におけるガードリング層（ｐ＋層）７５は設けられておらず、代わりに、実質的には前記のｐ層１２Ｂと同一の不純物濃度と深さをもつｐ層１２Ｃ（第７半導体領域）と、トレンチ構造（第３トレンチ構造）Ｔ３が設けられる。図２に、このトレンチ構造Ｔ３の断面図を図６に対応させて示す。このトレンチ構造Ｔ３においても、トレンチを介する場合もあるがｐ層１２Ｂから繋がるｐ層１２Ｃを貫通する溝Ｔ内に、酸化膜１７、補助電極（第２補助電極）９７が形成されている。ただし、ダイオード領域２００においてはトレンチ構造Ｔ２内の補助電極９６はエミッタ電極９１に接続されたのに対し、このトレンチ構造Ｔ３における溝Ｔの上部には層間絶縁層１９が形成されるため、トレンチ構造Ｔ３内の補助電極９７は浮遊状態（フローティング状態）となる。トレンチ構造Ｔ３は図１においては６つ設けられているが、実際にはこの数は適宜設定される。
【0035】
また、図１においてはトレンチ構造Ｔ３は、トレンチ構造Ｔ１、Ｔ２と同様にｘ方向（第１の方向）に沿って延伸し、ｙ方向（第２の方向）に沿って複数配列されている。しかしながら、トレンチ構造Ｔ２と同様に、トレンチ構造Ｔ３の延伸方向、配列される方向はトレンチ構造Ｔ１の延伸方向、配列される方向と等しいとは限らない。ただし、この場合でも、トレンチ構造Ｔ２とトレンチ構造Ｔ３は平行とされる。このため、トレンチ構造Ｔ２、Ｔ３の延伸方向、配列される方向はそれぞれ等しく、この延伸方向は第２の方向、配列される方向は第３の方向となる。このような平面構造については後述する。
【0036】
このような耐圧改善領域３００の構造は、国際公開第２０２０／１２１５０８号に記載されている。すなわち、このようなトレンチ構造Ｔ３を用いることにより、隣接するダイオード領域２００におけるダイオードの逆バイアス時におけるｎ－層１１中の電位分布における等電位面の間隔が局所的に狭くなる領域が発生することを抑制し、耐圧を向上させることができる。
【0037】
また、エミッタ電極９１は、ＩＧＢＴ領域１００、ダイオード領域２００においては表面のｐ型層（ｐ層１２Ａ、１２Ｂ）と接するが、図１におけるＩＧＢＴ領域１００の外側（左側）において、エミッタ電極９１が表面側のｐ型層と直接接する領域はｐ層１２Ｂであり、この領域はダイオードとして機能する。エミッタ電極９１がこのようにｐ型層と直接接する領域の端部（図１における左側の端部）は、図１において、最も左側のトレンチ構造Ｔ２と最も右側のトレンチ構造Ｔ３の間に位置する。すなわち、図１においては耐圧改善領域３００でエミッタ電極９１がｐ型層と接しておらず、層間絶縁層１９の右側の端部が、ダイオード領域２００と耐圧改善領域３００の境界となる。
【0038】
また、半導体基板１０の最外周部（図１における左側）には、国際公開２０２０／１２１５０８号と同様にｎ＋層であるチャネルストッパ層２０と、これに接続されるチャネルストッパ電極９８が接続されている。図１においてチャネルストッパ層２０は紙面垂直方向（ｘ方向）に延伸するが、実際にはこの延伸方向はトレンチ構造Ｔ３（Ｔ２）の延伸方向と平行とされる。
【0039】
図３は、この半導体装置１（半導体基板１０）の平面構造を簡略化して示す図である。この半導体装置１は平面視においては略矩形形状であり、ここではこの一つの頂点（左下側）周りの領域の構造が模式的に示され、トレンチ構造Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びチャネルストッパ層２０の平面形状が示されている。また、特にトレンチ構造Ｔ２は２つ、トレンチ構造Ｔ３は３つのみ設けられたものとして記載されている。図１の断面は、図３におけるＥ－Ｅ方向の断面に対応する。半導体装置１の実際の平面構造は、図３の構造におけるトレンチ構造Ｔ１以外を９０°、１８０°、２７０°回転させた構造を組み合わせて環状とした形状の中に、図３に示されたようにトレンチ構造Ｔ１を複数平行に配列させた形態となる。このため、平面視においては図１におけるＩＧＢＴ領域１００は中央で略矩形形状とされ、ダイオード領域２００はこれを囲む環状とされ、耐圧改善領域３００は更にダイオード領域２００を囲む環状とされる。
【0040】
このため、トレンチ構造Ｔ２、Ｔ３、チャネルストッパ層２０の延伸方向（第３の方向）は図３の左上側の領域ではｘ方向となり、トレンチ構造Ｔ２、Ｔ３が配列される方向（第４の方向）はｙ方向となるのに対し、トレンチ構造Ｔ２、Ｔ３、チャネルストッパ層２０の延伸方向（第３の方向）は図３の右下側の領域ではｙ方向となり、トレンチ構造Ｔ２、Ｔ３が配列される方向（第４の方向）はｘ方向となる。ただし、周方向のどの領域においても、トレンチ構造Ｔ２、Ｔ３、チャネルストッパ層２０は平行に形成されている。
【0041】
このため、図１において、ＩＧＢＴ領域１００においてｐ層１２Ａは一体化されているのに対して、ダイオード領域２００、耐圧改善領域３００においてｐ層１２Ｂ、１２Ｃは、トレンチ構造Ｔ２、Ｔ３によって環状に分断される。この構造においては、最外周部と、エミッタ電極９１と接続された最も外側のｐ層１２Ｂと連続したｐ層１２Ｃとの間は、ｐ層１２Ｃとｐ層１２Ｃに隣接するトレンチ構造Ｔ３内の補助電極９７との間に生じる容量結合によって、分断された各ｐ層１２Ｃと各補助電極９７の電位が決定され、空乏層の広がりを緩やかにし、耐圧改善を行わせることができる。
【0042】
ここで、このようにｐ層１２Ｂ、ｐ層１２Ｃはトレンチ構造Ｔ２、Ｔ３で分断されているものの、図１において、最も左側（耐圧改善領域３００側）のトレンチ構造Ｔ２と最も右側のトレンチ構造Ｔ３との間においては、表面のｐ型層１２Ｂとｐ層１２Ｃは連続的に形成されている。更に、最も外側のトレンチ構造Ｔ２内の補助電極９６はエミッタ電極９１に接続されている。これにより、そこから耐圧改善領域３００のダイオード領域２００側のトレンチＴ内の補助電極９７との容量結合を良好にすることができ、ダイオード領域２００で広がる空乏層を耐圧改善領域３００内において緩やかにすることができる。
【0043】
また、図１において、ダイオード領域２００におけるトレンチ構造Ｔ２の間隔が狭く隣接するトレンチＴ間の半導体領域が狭い場合には、トレンチＴ間の半導体領域を流れるホール密度が高くなり、ダイオードのオン時の電流あるいはダイオードの順方向電圧が大きくなる。このため、ダイオード領域２００におけるトレンチＴの間隔は、ＩＧＢＴ領域１００におけるトレンチＴの間隔よりも広くすることが好ましい。ただし、図１においてダイオードのオン時に半導体基板１０の上下方向に流れる電流は、ダイオード領域２００における耐圧改善領域３００側（左側）よりもＩＧＢＴ領域１００側（右側）において比較的大きくなる。このため、図１に示されるように、ダイオード領域２００におけるトレンチＴの間隔は、ＩＧＢＴ領域１００側（右側）で広く、耐圧改善領域３００側（左側）で狭くしてもよい。この場合には、前記のようにダイオードの順方向特性を良好にしつつ、図１におけるダイオード領域２００の幅を小さくし、半導体装置１の小型化を図ることができる。ダイオード領域２００におけるエミッタ電極９１とｐ層１２Ｂの接続面積においても、ＩＧＢＴ領域１００側（右側）で広く、耐圧改善領域３００側（左側）で狭くしてもよい。
【0044】
同様に、国際公開第２０２０／１２１５０８号に記載されたように、エッジ中端部３００のダイオード領域２００に近い側（右側）において電界集中が発生しやすいため、耐圧改善領域３００におけるトレンチ構造Ｔ３の間隔は、ダイオード領域２００に近い側で広くすることが好ましい。このため、図１に示されるように、トレンチ構造Ｔ３の間隔も、ダイオード領域２００側（右側）で広く、終端側（左側）で狭くしてもよい。この場合にも、前記のような耐圧改善領域３００における耐圧改善の効果を維持しながら、半導体装置１の小型化を図ることができる。
【0045】
次に、上記の半導体装置１の変形例について説明する。図４は、この変形例となる半導体装置２の構造を示す、図１に対応した断面図である。この半導体装置２においては、ダイオード領域２００におけるトレンチ構造Ｔ２の上側の構造が前記の半導体装置１と異なる。ここでは、ＩＧＢＴ領域１００におけるトレンチ構造Ｔ１と同様に、トレンチ構造Ｔ２の上側においても層間絶縁層１９が形成される。このため、トレンチ構造Ｔ２における補助電極９６は耐圧改善領域３００のトレンチ構造Ｔ３における補助電極９７と同様に浮遊状態となる。
【0046】
この選択は、上記のようなトレンチ構造Ｔ２（図６（ｂ））の補助電極９６上の層間絶縁層１９の有無によって容易に行うことができる。なお、この場合には、ダイオード領域２００におけるトレンチ構造Ｔ２と耐圧改善領域３００におけるトレンチ構造Ｔ３は実質的に同様の構造となるが、前記の通り、エミッタ電極９１が表面のｐ型層と直接接する部分の端部がダイオード領域２００と耐圧改善領域３００の境界となる点については同様である。
【0047】
なお、上記の半導体装置（ＲＣ－ＩＧＢＴ）で用いられる半導体基板において、他の層を適宜追加することができる。また、上記の例において、半導体基板中のｐ型とｎ型を全て逆転させた場合においても、同様の構成を適用できる。
【符号の説明】
【0048】
１、２、９ 半導体装置
１０、７０ 半導体基板
１１ ｎ－層（第１半導体領域）
１２ ｐ層（第２半導体領域、第５半導体領域）
１２Ａ ｐ層（第２半導体領域）
１２Ｂ ｐ層（第５半導体領域）
１２Ｃ ｐ層（第７半導体領域）
１３ ｎ層（フィールドストップ層）
１４ ｐ＋層（第４半導体領域）
１４Ａ ｐ＋層（第８半導体領域）
１５ ｎ＋層（第６半導体領域）
１７ 酸化膜（ゲート絶縁膜）
１８ ｎ＋層（第３半導体領域）
１９ 層間絶縁層
２０ ｎ＋層（チャネルストッパ層）
７５ ガードリング層
７６ ｎ＋層
９１ エミッタ電極
９２ コレクタ電極
９３、９４ 電極層
９５ ゲート電極
９６ 補助電極（第１補助電極）
９７ 補助電極（第２補助電極）
９８ チャネルストッパ電極
１００ ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）領域
２００ ダイオード領域
３００ 耐圧改善領域
Ｔ 溝
Ｔ１ トレンチ構造（第１トレンチ構造）
Ｔ２ トレンチ構造（第２トレンチ構造）
Ｔ３ トレンチ構造（第３トレンチ構造）
１０、７０ 半導体基板
１１ ｎ－層（第１半導体領域）
１２ ｐ層（第２半導体領域、第５半導体領域）
１２Ａ ｐ層（第２半導体領域）
１２Ｂ ｐ層（第５半導体領域）
１２Ｃ ｐ層（第７半導体領域）
１３ ｎ層（フィールドストップ層）
１４ ｐ＋層（第４半導体領域）
１４Ａ ｐ＋層（第８半導体領域）
１５ ｎ＋層（第６半導体領域）
１７ 酸化膜（ゲート絶縁膜）
１８ ｎ＋層（第３半導体領域）
１９ 層間絶縁層
２０ ｎ＋層（チャネルストッパ層）
７５ ガードリング層
７６ ｎ＋層
９１ エミッタ電極
９２ コレクタ電極
９３、９４ 電極層
９５ ゲート電極
９６ 補助電極（第１補助電極）
９７ 補助電極（第２補助電極）
９８ チャネルストッパ電極
１００ ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）領域
２００ ダイオード領域
３００ 耐圧改善領域
Ｔ 溝
Ｔ１ トレンチ構造（第１トレンチ構造）
Ｔ２ トレンチ構造（第２トレンチ構造）
Ｔ３ トレンチ構造（第３トレンチ構造）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】