JP2014170780A - 逆導通ｉｇｂｔ - Google Patents

Abstract

【課題】 逆導通ＩＧＢＴにおいて、ゲート干渉を抑制する技術を提供すること。
【解決手段】 逆導通ＩＧＢＴ１のボディ領域１４は、エミッタ領域１５間に位置するコンタクト領域１４ｂと、コンタクト領域１４ｂがトレンチゲート３０に接する部分の下方に位置する突出領域１６と、を含んでいる。突出領域１６のトレンチゲート３０に対する深さは、エミッタ領域１５がトレンチゲート３０に接する部分の下方に位置するボディ領域１４の深さよりも深い。
【選択図】図２

Description

本発明は、逆導通ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）に関する。

ＩＧＢＴ構造が形成されている半導体層内にダイオード構造を一体化させた逆導通ＩＧＢＴが開発されている。図８に示されるように、この種の逆導通ＩＧＢＴは、３相インバータを構成する６つのトランジスタＴｒ１−６に用いられることが多く、ダイオード構造がフリーホイールダイオード（Free Wheeling Diode：FWD）として動作する。

図９に、トランジスタＴｒ１-６の各々に入力するゲート信号のタイミングチャートを示す。上下のトランジスタのゲート信号の位相は約１８０度ずれており、Ｕ相とＶ相のトランジスタのゲート信号の位相は約１２０度ずれており、Ｖ相とＷ相のトランジスタのゲート信号の位相は約１２０度ずれている。

例えば、時間ｔ１では、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３，Ｔｒ６のＩＧＢＴ構造を介して電流が流れる。時間ｔ３では、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ６のＩＧＢＴ構造を介して電流が流れる。ここで、時間ｔ１から時間ｔ３に移行する過渡期である時間ｔ２では、トランジスタＴｒ２のダイオード構造を介して還流電流が流れるとともに、トランジスタＴｒ２のゲート信号がオンである。このように、３相インバータでは、ダイオード構造に還流電流が流れているときに、対応するゲートにゲート電圧が印加されるモードが存在する。

ゲートにゲート電圧が印加されると、チャネルを介してｎ型ドリフト領域とｎ型エミッタ領域が接続される。ｎ型エミッタ領域とｐ型ボディ領域の双方は共通のエミッタ電極に接続されている。このため、ゲートにゲート電圧が印加されると、ｐ型ボディ領域とｎ型ドリフト領域で構成されるダイオード構造の順方向に十分な電圧が印加され難くなる。図１０に示されるように、この現象はゲート干渉と呼ばれており、ゲート信号のオン・オフに依存して、ダイオード構造の順方向電圧が大きく変動する。

特許文献１には、このようなゲート干渉に対策するために、ダイオード構造に還流電流が流れていることを検出してゲート信号を遮断するように構成された外部回路を設ける技術が提案されている。

特開２００８−７２８４８号公報

特許文献１のように、外部回路を設ける技術では、制御が複雑となり、コスト増加も問題となる。本願明細書では、逆導通ＩＧＢＴの内部構造を工夫することによってゲート干渉を改善する技術を提供することを目的としている。

本願明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴの一実施形態は、半導体層、及び半導体層の表層部に設けられているトレンチゲートを備えている。半導体層は、トレンチゲートの底面に接している第１導電型のドリフト領域、ドリフト領域上に設けられているとともにトレンチゲートの側面に接している第２導電型のボディ領域、ボディ領域上に設けられている第１導電型の複数のエミッタ領域を有する。複数のエミッタ領域は、トレンチゲートの側面に接しており、トレンチゲートの長手方向に沿って分散して設けられている。ボディ領域は、エミッタ領域間に位置するコンタクト領域、及びコンタクト領域がトレンチゲートに接する部分の下方に位置する突出領域を含んでいる。突出領域のトレンチゲートに対する深さは、エミッタ領域がトレンチゲートに接する部分の下方に位置するボディ領域の深さよりも深い。

上記実施形態の逆導通ＩＧＢＴでは、突出領域が設けられていることによって、ドリフト領域とトレンチゲートの接する部分が少なくなるので、ゲート干渉時の寄生抵抗動作が起こり難くなる。したがって、ボディ領域とドリフト領域で構成されるダイオード構造に順方向電圧が十分に印加され、ダイオード構造が良好に動作し、ゲート干渉が抑えられる。

図１は、実施例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図であり、図４のI-I線に対応した縦断面図である。 図２は、実施例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図であり、図４のII-II線に対応した縦断面図である。 図３は、実施例の逆導通ＩＧＢＴの要部断面図であり、図４のIII-III線に対応した縦断面図である。 図４は、実施例の逆導通ＩＧＢＴの半導体層の要部平面図である。 図５は、シミュレーション用の逆導通ＩＧＢＴの単位構造の要部斜視図である。 図６は、アノード・カソード間電圧とアノード電流の関係において、突出領域の単位幅依存性を示すシミュレーション結果である。 図７は、アノード・カソード間電圧とアノード電流の関係において、突出領域の不純物濃度依存性を示すシミュレーション結果である。 図８は、インバータ回路の回路構成を示す。 図９は、インバータ回路を構成するトランジスタに対するゲート信号のタイミングチャートを示す。 図１０は、逆導通ＩＧＢＴに含まれるダイオード構造の順方向電圧と順方向電流において、ゲート干渉の影響を説明する図である。

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。
（特徴１）本明細書で開示される技術は、ＩＧＢＴ構造が形成されている半導体層内にダイオード構造を一体化させた逆導通ＩＧＢＴに具現化される。
（特徴２）本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴは、半導体層の表層部に設けられているトレンチゲートを備えていてもよい。トレンチゲートは、半導体層を平面視したときに、長手方向を有して伸びていてもよい。トレンチゲートのレイアウトは特に限定されない。一例では、トレンチゲートのレイアウトにストライプ状のレイアウトを採用してもよい。
（特徴３）半導体層は、トレンチゲートの底面に接している第１導電型のドリフト領域、ドリフト領域上に設けられているとともにトレンチゲートの側面に接している第２導電型のボディ領域、及びボディ領域上に設けられている第１導電型の複数のエミッタ領域を有していてもよい。複数のエミッタ領域は、トレンチゲートの側面に接しており、トレンチゲートの長手方向に沿って分散して設けられていてもよい。半導体層はさらに、ドリフト領域下の一部に設けられている第２導電型のコレクタ領域、及びドリフト領域下の他の一部に設けられている第１導電型のカソード領域をさらに備えていてもよい。ドリフト領域下に設けられるコレクタ領域とカソード領域のレイアウトは特に限定されない。一例では、半導体層を特定の断面で観測したときに、コレクタ領域とカソード領域が交互に配置されるレイアウトであってもよい。
（特徴４）本明細書で開示される逆導通ＩＧＢＴでは、ボディ領域が、エミッタ領域間に位置するコンタクト領域、及びコンタクト領域がトレンチゲートに接する部分の下方に位置する突出領域を含んでいてもよい。突出領域のトレンチゲートに対する深さは、エミッタ領域がトレンチゲートに接する部分の下方に位置するボディ領域の深さよりも深い。突出領域の不純物濃度は特に限定されない。突出領域が設けられていることによって、ドリフト領域とトレンチゲートの接する部分が少なくなるので、ゲート干渉時の寄生抵抗動作が起こり難くなる。このため、トレンチゲートにゲート電圧が印加されていても、内蔵されるダイオード構造に十分な順方向電圧が印加されるので、ゲート干渉が抑制される。
（特徴５）ボディ領域の突出領域は、トレンチゲートを覆うように構成されていてもよい。この形態によると、突出領域が設けられている部分においてチャネルが形成されない。このため、トレンチゲートにゲート電圧が印加されていても、内蔵されるダイオード構造に十分な順方向電圧が印加されるので、ゲート干渉が良好に抑制される。
（特徴６）ボディ領域の突出領域は、トレンチゲートの長手方向に沿って分散して設けられていてもよい。この形態によると、トレンチゲートの多くの部分でゲート干渉を抑えることができる。
（特徴７）半導体層を平面視したときに、コレクタ領域が存在する範囲をＩＧＢＴ範囲とし、カソード領域が存在する範囲をダイオード範囲としたときに、ボディ領域の突出領域は、少なくともダイオード範囲に設けられていてもよい。より好ましくは、ボディ領域の突出領域は、ＩＧＢＴ範囲にも設けられていてもよい。

図１に示されるように、逆導通ＩＧＢＴ１は、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲に区画された半導体層１０、半導体層１０の裏面を被覆するコレクタ電極２２、半導体層１０の表面を被覆するエミッタ電極２４、及び半導体層１０の表層部に形成されている複数のトレンチゲート３０を備えている。一例では、コレクタ電極２２の材料にアルミニウムが用いられており、エミッタ電極２４の材料にアルミニウムが用いられている。トレンチゲート３０は、ポリシリコンを材料とするトレンチゲート電極３２と、そのトレンチゲート電極３２を被覆する酸化シリコンを材料とするゲート絶縁膜３４を有している。図４に示されるように、トレンチゲート３０は、紙面上下方向を長手方向として伸びており、ストライプ状に配置されている。

図１に示されるように、半導体層１０は、シリコン基板であり、ｐ型のコレクタ領域１１、ｎ型のカソード領域１２、ｎ型のドリフト領域１３、ｐ型のボディ領域１４、及びｎ型の複数のエミッタ領域１５を含んでいる。

コレクタ領域１１は、ドリフト領域１３下の一部に設けられており、ＩＧＢＴ範囲に配置されている。コレクタ領域１１の不純物濃度は濃く、コレクタ電極２２にオーミック接触している。コレクタ領域１１は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏層部の一部にボロンを導入することで形成されている。

カソード領域１２は、ドリフト領域１３下の一部に設けられており、ダイオード範囲に配置されている。カソード領域１２の不純物濃度は濃く、コレクタ電極２２にオーミック接触している。カソード領域１２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の裏層部の一部にリンを導入することで形成されている。なお、この例では、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲が明確に区画されるように、複数のトレンチゲート３０に対応して１つのコレクタ領域１１が配置され、複数のトレンチゲート３０に対応して１つのカソード領域１２が配置されている。このレイアウトは一例であり、この例に代えて、様々なレイアウトを採用することができる。例えば、複数のカソード領域１２がコレクタ領域１１に対して分散して配置されたレイアウトであってもよい。

ドリフト領域１３は、コレクタ領域１１とボディ領域１４の間、及びカソード領域１２とボディ領域１４の間に設けられており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されている。ドリフト領域１３は、トレンチゲート３０の底面に接している。換言すると、トレンチゲート３０は、ボディ領域１４を貫通してドリフト領域１３に接している。ドリフト領域１３は、半導体層１０に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である。

ボディ領域１４は、ドリフト領域１３上に設けられており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されている。ボディ領域１４は、トレンチゲート３０の側面に接している。ボディ領域１４は、不純物濃度が相対的に薄いメインボディ領域１４ａと不純物濃度が相対的に濃いコンタクト領域１４ｂを有している。メインボディ領域１４ａは、コンタクト領域１４ｂを取り囲んで設けられている。コンタクト領域１４ｂは、半導体層１０の表面に露出して設けられており、エミッタ電極２４にオーミック接触している。ボディ領域１４は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表層部にボロンを導入することで形成されている。また、メインボディ領域１４ａ内に、電位がフローティングのｎ型のキャリア蓄積層が設けられていてもよい。

複数のエミッタ領域１５は、ボディ領域１４上に設けられており、ＩＧＢＴ範囲とダイオード範囲の双方に配置されている。複数のエミッタ領域１５は、半導体層１０の表層部に分散して設けられており、半導体層１０の表面に露出している。複数のエミッタ領域１５の不純物濃度は濃く、エミッタ電極２４にオーミック接触している。複数のエミッタ領域１５は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の表層部にリンを導入することで形成されている。

図４に示されるように、複数のエミッタ領域１５は、トレンチゲート３０の側面に接しており、トレンチゲート３０の長手方向（紙面上下方向）に沿って分散して配置されている。ボディ領域１４のコンタクト領域１４ｂは、エミッタ領域１５の間においてトレンチゲート３０の側面に接している。換言すると、トレンチゲート３０には、エミッタ領域１５に接する部分とコンタクト領域１４ｂに接する部分が長手方向に沿って交互に繰り返し設けられている。また、トレンチゲート３０の長手方向に直交する方向（紙面左右方向）に観測したときに、複数のトレンチゲート３０の各々のエミッタ領域１５に接する部分が一致するように配置されており、同様に、複数のトレンチゲート３０の各々のコンタクト領域１４ｂに接する部分が一致するように配置されている。即ち、半導体層１０には、トレンチゲート３０の長手方向に沿ってエミッタ形成範囲Ａ１５とコンタクト形成範囲Ａ１４が交互に配置されている。

図２及び図３に示されるように、ボディ領域１４は、トレンチゲート３０よりも深く形成されているとともにトレンチゲート３０の底面を覆う突出領域１６をさらに有している。突出領域１６は、コンタクト形成範囲Ａ１４（図４参照）に選択的に設けられており、エミッタ形成範囲Ａ１５（図４参照）に設けられていない。このため、ボディ領域１４は、トレンチゲート３０の長手方向に沿って観測したときに、トレンチゲート３０よりも浅い部分とトレンチゲート３０よりも深い部分が交互に設けられている。なお、この例では、突出領域１６がメインボディ領域１４ａの一部として例示しているが、突出領域１６の不純物濃度がメインボディ領域１４ａの不純物濃度よりも濃く形成されているのが望ましい。突出領域１６は、例えば、イオン注入技術を利用して、トレンチゲート３０を形成するためのトレンチの底部にリンを導入することで形成されている。

逆導通ＩＧＢＴ１では、コレクタ領域１１、ドリフト領域１３、ボディ領域１４、エミッタ領域１５、及びトレンチゲート３０によってＩＧＢＴ構造が構成されている。また、逆導通ＩＧＢＴ１では、カソード領域１２、ドリフト領域１３、ボディ領域１４によってダイオード構造が構成されている。逆導通ＩＧＢＴ１では、ダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作する。

背景技術で説明したように、逆導通ＩＧＢＴ１が３相インバータに用いられた場合、ダイオード構造に還流電流が流れているときにトレンチゲート３０にゲート電圧が印加されるモードが存在する。

例えば、突出領域１６が設けられていない例では、トレンチゲート３０にゲート電圧が印加されると、トレンチゲート３０の側面の全体にチャネルが形成される。このため、このチャネルを介してエミッタ領域１５とドリフト領域１３が接続され、ボディ領域１４とドリフト領域１３で構成されるダイオード構造の順方向に十分な電圧が印加され難くなるゲート干渉が強く現れる。

一方、本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、図２に示されるように、突出領域１６がコンタクト形成範囲Ａ１４（図４参照）においてトレンチゲート３０よりも深く設けられている。このため、この部分では、トレンチゲート３０の側面に形成されるチャネルがドリフト領域１３と接続されることが回避される。したがって、コンタクト形成範囲Ａ１４（図４参照）のダイオード構造では、トレンチゲート３０にゲート電圧が印加されていても、順方向電圧が印加され、ゲート干渉が抑えられる。

以下、逆導通ＩＧＢＴ１の他の特徴を列記する。
（１）本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、突出領域１６がトレンチゲート３０の底面を被覆するように深く形成されている。この例に代えて、突出領域１６がトレンチゲート３０の底面を被覆しないように構成されていてもよい。この場合でも、突出領域１６は、コンタクト形成範囲Ａ１４（図４参照）に選択的に設けられており、エミッタ形成範囲Ａ１５（図４参照）のボディ領域１４よりも深く形成されていることを特徴としている。このような突出領域１６が設けられているコンタクト形成範囲Ａ１４では、突出領域１６によって、ドリフト領域とトレンチゲートの接する部分が少なくなるので、エミッタ形成範囲Ａ１５に比してゲート干渉時の寄生抵抗動作が起こり難い。したがって、このような形態であっても、コンタクト形成範囲Ａ１４（図４参照）のダイオード構造では、トレンチゲート３０にゲート電圧が印加されていても、順方向電圧が印加され、ゲート干渉が抑えられる。

（２）本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、エミッタ形成範囲Ａ１５には突出領域１６が設けられていない。このため、ＩＧＢＴ構造のオン状態を阻害することがない。また、本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、ダイオード範囲においても、エミッタ形成範囲Ａ１５に突出領域１６が設けられていない。このため、ＩＧＢＴ構造がオン状態において、ダイオード範囲のエミッタ領域１５からも電子を注入することができるので、低いオン電圧が実現される。

（３）本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、突出領域１６がトレンチゲート３０の長手方向に沿って分散して設けられている。このため、トレンチゲート３０の多くの範囲にゲート干渉が抑えられたダイオード構造が配置されているので、還流電流を低い順方向電圧で流すことができる。

（４）本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、突出領域１６がダイオード範囲とＩＧＢＴ範囲の双方に設けられている。例えば、突出領域１６がダイオード範囲のみに設けられていても、逆導通ＩＧＢＴ１は、ゲート干渉を抑える効果を奏することができる。好ましくは、突出領域１６がダイオード範囲とＩＧＢＴ範囲の双方に設けられているのが望ましい。ゲート干渉を抑える効果が高い。

（５）本実施例の逆導通ＩＧＢＴ１では、半導体層１０にシリコン基板を用いた例を例示したが、半導体層１０の半導体材料は特に限定されない。例えば、半導体層１０の半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドが用いられてもよい。

（シミュレーション結果）
図５に、突出領域１６の効果を検証するためのシミュレーションに用いた逆導通ＩＧＢＴの単位構造の概略斜視図を示す。なお、上記した実施例と共通する構成要素に関しては共通した符号を付す。突出領域１６は、コンタクト領域１４ｂの下方に選択的に形成されており、エミッタ領域１５の下方には形成されていない。トレンチゲート３０の長手方向に沿って観測したときに、コンタクト領域１４ｂの単位幅Ｗ１４が３μｍであり、エミッタ領域１５の単位幅Ｗ１５が１μｍである。また、トレンチゲート３０の単位幅Ｗ３０は０．５μｍである。また、コンタクト領域１４ｂの不純物濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３であり、メインボディ領域１４ａの不純物濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３であり、エミッタ領域１５の不純物濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３である。

図６に、突出領域１６の単位幅Ｗ１６を０．７μｍ、１．２μｍ、２．０μｍとしたときのアノード・カソード間電圧とアノード電流の関係を示す。なお、このときの突出領域１６の不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３であり、ゲート電圧は１５Ｖである。図７に、突出領域１６の不純物濃度を１．５×１０^１６ｃｍ^−３、３×１０^１６ｃｍ^−３、５×１０^１６ｃｍ^−３としたときのアノード・カソード間電圧とアノード電流の関係を示す。なお、このときの突出領域１６の単位幅Ｗ１６は０．７μｍであり、ゲート電圧は１５Ｖである。また、図中の比較例は、突出領域１６が設けられていない例であり、Ｖｇ＝０Ｖはゲート信号が入力していない例であり、Ｖｇ＝１５Ｖはゲート信号が入力している例である。

図６に示されるように、突出領域１６の単位幅Ｗ１６が増加すると、ダイオード構造の順方向電圧が低下することが確認された。特に、突出領域１６の単位幅Ｗ１６が増加すると、ダイオード構造のスナップバック電圧が顕著に低下しており、ダイオード構造が低い順方向電圧で動作を開始することが確認された。

また、図７に示されるように、突出領域１６の不純物濃度が増加しても、ダイオード構造の順方向電圧が低下することが確認された。特に、突出領域１６の不純物濃度が増加すると、ダイオード構造のスナップバック電圧が顕著に低下しており、ダイオード構造が低い順方向電圧で動作を開始することが確認された。

図６及び図７の結果から、ゲート干渉を抑制するためには、突出領域１６を形成することが有効であることが確認された。

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。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。

１０：半導体層
１１：コレクタ領域
１２：カソード領域
１３：ドリフト領域
１４：ボディ領域
１４ａ：メインボディ領域
１４ｂ：コンタクト領域
１５：エミッタ領域
１６：突出領域
３０：トレンチゲート
３２：トレンチゲート電極
３４：ゲート絶縁膜

Claims (6)

1. 逆導通ＩＧＢＴであって、
   半導体層と、
   前記半導体層の表層部に設けられているトレンチゲートと、を備えており、
   前記半導体層は、
   前記トレンチゲートの底面に接している第１導電型のドリフト領域と、
   前記ドリフト領域上に設けられており、前記トレンチゲートの側面に接している第２導電型のボディ領域と、
   前記ボディ領域上に設けられており、前記トレンチゲートの側面に接しており、前記トレンチゲートの長手方向に沿って分散して設けられている第１導電型の複数のエミッタ領域と、を有しており、
   前記ボディ領域は、
   前記エミッタ領域間に位置するコンタクト領域と、
   前記コンタクト領域が前記トレンチゲートに接する部分の下方に位置する突出領域と、を含んでおり、
   前記突出領域の前記トレンチゲートに対する深さは、前記エミッタ領域が前記トレンチゲートに接する部分の下方に位置する前記ボディ領域の深さよりも深い逆導通ＩＧＢＴ。
2. 前記突出領域は、前記トレンチゲートの底面を覆う請求項１に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
3. 前記突出領域は、前記トレンチゲートの長手方向に沿って分散して設けられている請求項１又は２に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
4. 前記半導体層は、
   前記ドリフト領域下の一部に設けられている第２導電型のコレクタ領域と、
   前記ドリフト領域下の他の一部に設けられている第１導電型のカソード領域と、をさらに有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
5. 前記半導体層を平面視したときに、前記コレクタ領域が存在する範囲をＩＧＢＴ範囲とし、前記カソード領域が存在する範囲をダイオード範囲としたときに、前記突出領域は、少なくとも前記ダイオード範囲に設けられている請求項４に記載の逆導通ＩＧＢＴ。
6. 前記突出領域は、前記ＩＧＢＴ範囲にも設けられている請求項５に記載の逆導通ＩＧＢＴ。

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