JP2008147361A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部電荷の影響を軽減した半導体装置を提供すること。
【解決手段】 半導体装置１０は、n型MOSFETが作り込まれている中心領域１０Ａとその中心領域１０Ａの周囲に形成されている終端領域１０Ｂを半導体基板２１内に有している。終端領域１０Ｂは、中心領域１０Ａと終端領域１０Ｂを連続して形成されているｎ⁻型のドリフト領域２６と、ｐ型のガードリング４２と、隣接するガードリング４２の間であってドリフト領域２６の表面の少なくとも一部に形成されている絶縁体領域４４を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置の終端領域に関する。本発明は特に、終端領域にガードリングが形成されている半導体装置に関する。

半導体装置は、半導体基板内に、回路素子が作り込まれている中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域を有している。中心領域には、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、IGBT（Insulator Gate Bipolar Transistor）、ダイオードなどが形成されている。終端領域は、中心領域の周囲を一巡して形成されており、回路素子が非導通状態のときに中心領域から終端領域の外縁に向けて空乏層を伸展させるための終端構造を備えている。終端構造は、回路素子に加わる電圧を横方向で負担しており、半導体装置の耐圧を向上させるために必要とされている。終端構造には、ガードリングが広く用いられている。

以下、終端構造にガードリングが用いられている半導体装置において、回路素子がｎ型MOSFETの場合を例に説明する。本明細書で開示される技術は、ｎ型MOSFET以外の種類の回路素子であってもよく、以下の説明はｎ型MOSFETの例に限定することを意図するものではない。
半導体装置の終端領域は、中心領域から終端領域に亘って連続して形成されているｎ⁻型の不純物を含むドリフト領域を備えている。半導体装置の終端領域はさらに、ｐ型の不純物を含む複数個のガードリングを備えている。ガードリングは、ドリフト領域の表面に形成されており、平面視したときに、中心領域の周囲を一巡して形成されている。隣接するガードリングの間には、ドリフト領域が介在している。ドリフト領域は、隣接するガードリングの間において、半導体基板の表面に臨んでいる。隣接するガードリングの間の距離には、半導体装置の耐圧を向上させるために好適な数値が存在するとされている。特許文献１は、その距離に関する技術を開示している。

特開平１０−１２８６１号公報

半導体装置の半導体基板上には、半導体装置を外部環境から保護するために、絶縁性の保護膜が形成されている。保護膜の材料には、ポリイミド等のイミド系樹脂材料、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、リンガラス等が用いられる。保護膜は、半導体装置の製造工程、輸送工程及び実装工程等を通して、その表面及び内部に電荷（以下、外部電荷という）を蓄積する。保護膜の表面及び内部に外部電荷が蓄積すると、蓄積した外部電荷に引き寄せられて半導体基板の表面に反対の極性を有する電荷が集積してくる。

前記したように、隣接するガードリングの間には、不純物濃度が低濃度のドリフト領域が形成されている。このため、その部分のドリフト領域に反対電荷が蓄積すると、ドリフト領域の電荷バランスが大きく崩れてしまう。この結果、半導体装置の耐圧が低下するなどの問題が発生してしまう。
本発明は、ガードリングが設けられている終端領域において、電荷バランスの崩れを抑制する技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、隣接するガードリングの間に絶縁体領域を設けることを特徴としている。絶縁体領域内は、電荷が自由に移動できない領域である。したがって、隣接するガードリングの間に絶縁体領域が設けられていると、外部電荷が蓄積したとしても、その外部電荷に引き寄せられて反対電荷が集積してくる現象が抑えられ、電荷バランスの崩れが抑制される。

本明細書で開示される半導体装置は、回路素子が作り込まれている中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域を半導体基板内に有している。終端領域は、中心領域から終端領域に亘って連続して形成されている第１導電型の不純物を含む半導体領域を備えている。終端領域はさらに、半導体領域の表面に分散して形成されており、第２導電型の不純物を含む複数個のガードリングを備えている。終端領域はさらに、隣接するガードリングの間であって半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている絶縁体領域を備えている。
上記形態の半導体装置では、隣接するガードリングの間に絶縁体領域が設けられている。絶縁体領域内は、電荷が自由に移動できない領域である。このため、外部電荷が蓄積したとしても、隣接するガードリングの間の領域には、その外部電荷に引き寄せられて反対電荷が集積してくる現象が抑えられ、電荷バランスの崩れが抑制される。この結果、外部電荷の影響によって半導体装置の耐圧の低下が抑制される。

本明細書で開示される半導体装置では、絶縁体領域が、隣接するガードリングの双方に接していることが好ましい。
上記形態の半導体装置によると、隣接するガードリングの間の範囲が絶縁体領域で充填される。この結果、隣接するガードリングの間の全範囲において電荷バランスの崩れが抑制され、半導体装置の耐圧の低下が抑制される。

本明細書で開示される半導体装置では、絶縁体の材料に様々な種類を採用することができる。なお、本明細書でいう絶縁体とは、誘電体の特性を備えているものをいう。誘電体の特性を備えていれば、外部電荷に引き寄せられて反対電荷が集積してくる現象が抑えられると評価することができる。典型的には、絶縁体領域に酸化シリコンを用いる。

本明細書で開示される半導体装置によると、隣接するガードリングの間において電荷バランスの崩れが小さい。この結果、半導体装置の耐圧低下を抑制することができる。

本発明の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴） 回路素子には、MISFET、MOSFET、IGBT、ダイオード、UMOS等を用いるのが好ましい。
（第２特徴） 絶縁体領域には、酸化シリコン、シリカ、シリカビーズ、スピンオングラス（SOG）、低誘電率絶縁膜（SiOF、SiOC、有機ポリマー系材料）などを用いるのが好ましい。
（第３特徴） 絶縁体領域は、エッチング技術を利用して半導体基板の表面に溝を形成した後に、CVD法、塗布法、インクジェット法等を利用してその溝内に充填することによって形成するのが好ましい。
（第４特徴）絶縁体領域の深さ方向の厚みが、ガードリングの深さ方向の厚みの０．５〜１倍の範囲であることが好ましい。隣接するガードリングの間に絶縁体領域が設けられていると、外部電荷の蓄積の有無に左右されずに半導体装置の耐圧を高く維持することができる。

以下、図面を参照して実施例を説明する。以下の実施例では、半導体材料にシリコンが用いられた例を説明するが、その例に代えて、炭化シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム等の半導体材料を用いてもよい。
図１に、半導体装置１０の要部断面図を模式的に示す。半導体装置１０は、縦型のn
型MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：回路素子の一例）が作り込まれている中心領域１０Ａと、その中心領域１０Ａの周囲に形成されている終端領域１０Ｂを半導体基板２１内に有している。中心領域１０Ａは、半導体基板２１の中心側に形成されている。中心領域１０Ａに作り込まれている縦型のn型MOSFETは、電流のオン・オフを経時的に切替えるための構造である。終端領域１０Ｂは、中心領域１０Ａの周囲を一巡して形成されており、縦型のn型MOSFETに加わる電圧を横方向で負担している。図１は、中心領域１０Ａと終端領域１０Ｂの境界部分を示している。

半導体装置１０は、半導体基板２１の裏面に形成されているドレイン電極２２を備えている。ドレイン電極２２には、アルミニウムが用いられている。半導体装置１０はさらに、ｎ^＋型のドレイン領域２４とｎ⁻型のドリフト領域２６（半導体領域の一例）を備えている。ドレイン領域２４とドリフト領域２６の不純物には、リンが用いられている。ドレイン領域２４は、ドレイン電極２２とドリフト領域２６の間に介在している。ドレイン領域２４とドリフト領域２６は半導体基板２１に形成されており、中心領域１０Ａから終端領域１０Ｂに亘って連続して形成されている。

終端領域１０Ｂは、複数のｐ型のガードリング４２と、ｎ^＋型のチャネルストッパ領域３２と、隣接するガードリング４２の間に形成されている酸化シリコンの絶縁体領域４４を備えている。ガードリング４２の不純物には、ボロンが用いられており、チャネルストッパ領域３２の不純物にはリンが用いられている。
ガードリング４２は、終端領域１０Ｂのドリフト領域２６の表面に分散して形成されている。ガードリング４２は、半導体基板２１の表面から深部に向けて伸びている。複数のガードリング４２は、所定の間隔を隔てて、中心領域１０Ａ側から終端領域１０Ｂ側の方向に向けて並んでいる。ガードリング４２は、平面視したときに、中心領域１０Ａの周囲を一巡して形成されている。ガードリング４２は、ガードリング電極４６に電気的に接続している。ガードリング電極４６は、フローティング状態である。ガードリング４２は、中心領域１０Ａのn型MOSFETがオフしたときに、中心領域１０Ａから終端領域１０Ｂの外縁に向けて空乏層を伸展させる。

チャネルストッパ領域３２は、終端領域１０Ｂの外縁のドリフト領域２６の表面に形成されている。チャネルストッパ領域３２は、平面視したときに、終端領域１０Ｂの外縁に沿って一巡して形成されている。チャネルストッパ領域３２は、チャネルストッパ電極３４に電気的に接続されている。チャネルストッパ電極３４は、ドレイン電極２２と同電位に固定されている。チャネルストッパ領域３２は、終端領域１０Ｂのドリフト領域２６の電位を安定させている。

絶縁体領域４４は、ドリフト領域２６の表面に形成されており、隣接するガードリング４２の間に形成されている。絶縁体領域４４は、半導体基板２１の表面から深部に向けて伸びている。絶縁体領域４４の側面は、隣接するガードリング４２の双方の側面に接している。絶縁体領域４４は、隣接するガードリング４２の間において、半導体基板２１の表面に臨んでいる。絶縁体領域４４は、半導体基板２１の縦断面において、矩形状の形態を有している。絶縁体領域４４は、平面視すると、中心領域１０Ａの周囲を隣接するガードリング４２の間に沿って一巡して形成されている。絶縁体領域４４は、エッチング技術を利用して半導体基板２１の表面に溝を形成した後に、インクジェット法とCVD法を利用してその溝内に酸化シリコンを充填することによって形成することができる。

中心領域１０Ａは、ｐ型のボディ領域５２と、ｐ^＋型のボディコンタクト領域５３と、ｎ^＋型のソース領域５４と、酸化シリコンのゲート絶縁膜５５と、ポリシリコンのトレンチゲート電極５６を備えている。ソース領域５４とボディコンタクト領域５３には、ソース電極５７が電気的に接続している。ボディ領域５２とボディコンタクト領域５３の不純物には、ボロンが用いられている。ソース領域５４の不純物には、リンが用いられている。ソース電極５７には、アルミニウムが用いられている。
ボディ領域５２とガードリング４２の間にも絶縁体領域４５が形成されている。この絶縁体領域４５の側面は、ボディ領域５２の側面とガードリング４２の側面の双方に接している。この絶縁体領域４５は、隣接するガードリング４２の間の絶縁体領域４４と同一の製造工程を利用して形成される。
半導体装置１０はさらに、半導体基板２１の表面を覆っている酸化膜４７と保護膜３６を備えている。酸化膜４７の材料には、酸化シリコンが用いられており、その厚みは１〜２μｍである。保護膜３６の材料には、CVD法で形成された窒化シリコン又はポリイミド等が用いられており、その厚みは２〜１０μｍである。保護膜３６は、中心領域１０ＡのMOSFETを機械的応力、不純物の侵入、湿気などから保護するために設けられている。

次に、半導体装置１０の特徴を説明する。
酸化膜４７及び／又は保護膜３６には、半導体装置１０の製造工程、輸送工程及び実装工程等を通して、その表面及び内部に正又は負の外部電荷が蓄積する。保護膜３６の表面及び内部に正又は負の外部電荷が蓄積すると、蓄積した正又は負の外部電荷に引き寄せられて半導体基板２１の表面に反対の極性を有する負又は正の反対電荷が集積してくる。半導体装置１０は、終端領域１０Ｂにおいて、この反対電荷の移動に伴う影響を低減する対策が施されている。
図１に示すように、半導体装置１０は、隣接するガードリング４２の間に絶縁体領域４４が設けられている。絶縁体領域４４内は、電荷が自由に移動できない領域である。このため、酸化膜４７及び／又は保護膜３６に外部電荷が蓄積したとしても、隣接するガードリング４２の間に反対電荷が集積してくる現象が抑えられ、電荷バランスの崩れが抑制される。この結果、外部電荷の影響によって半導体装置１０の耐圧が低下することを抑制することができる。

次に、絶縁体領域４４の深さと半導体装置１０の耐圧の関係を説明する。図２に、絶縁体領域４４とガードリング４２が形成されている領域の拡大断面図を示す。図２に示すように、絶縁体領域４４の厚み４４Ｄとは、半導体基板２１の表面から絶縁体領域４４の底面までの絶縁体領域４４の長さをいう。絶縁体領域４４の幅４４Ｗとは、中心領域１０Ａ側から終端領域１０Ｂ側の方向の絶縁体領域４４の長さを言う。ガードリング４２の厚み４２Ｄとは、半導体基板２１の表面からガードリング４２の底面までのガードリング４２の長さをいう。ガードリング４２の幅４２Ｗとは、中心領域１０Ａ側から終端領域１０Ｂ側の方向のガードリング４２の幅をいう。ここで、ガードリング４２と認められる領域は、ｐ型の表面不純物濃度が1×10¹⁸cm^-3以上の領域をいう。

図３に、半導体装置１０がオフしているときのドレイン−ソース間電圧とドレイン電流の間の関係を示す。図中１０が半導体装置１０の結果であり、図中１１は絶縁体領域４４が形成されていない比較例の結果である。この実験例では、保護膜３６と酸化膜４７の界面に負の外部電荷が5×10¹¹cm^-2の濃度で蓄積したときの結果である。なお、この結果は、絶縁体領域４４の厚み４４Ｄが4μmであり、絶縁体領域４４の幅４４Ｗが5〜13μmであり、ガードリング４２の厚み４２Ｄが8μmであり、ガードリング４２の幅４２Ｗが35μmのときの結果である。さらに、ガードリング４２の本数が、図１の場合と異なり、１０本に増加したときの結果である。
図３に示すように、絶縁体領域４４が設けられていない場合（図中１１）は、ドレイン−ソース間電圧が180Vでブレークダウンしている。一方、絶縁体領域４４が設けられている場合（図中１０）は、ドレイン−ソース間電圧が1110Vでブレークダウンしている。半導体装置１０の耐圧は、絶縁体領域４４が設けられていることによって顕著に増加することが確認された。

図４に、絶縁体領域４４の厚み４４Dと耐圧の関係を示す。図中１０ａは保護膜３６と酸化膜４７の界面に蓄積した正の外部電荷が5×10¹⁰cm^-2の濃度の結果であり、図中１０ｂは保護膜３６と酸化膜４７の界面に蓄積した負の外部電荷が5×10¹¹cm^-2の濃度の結果である。図中１０ａの外部電荷の濃度は、実質的に外部電荷が蓄積していないと評価できる数値である。即ち、図中１０ａは、外部電荷が蓄積しないときの半導体装置１０の耐圧と絶縁体領域４４の厚み４４Ｄの関係を示している。図中１０ｂは、外部電荷が蓄積したときの半導体装置１０の耐圧と絶縁体領域４４の厚み４４Ｄの関係を示している。なお、絶縁体領域４４とガードリング４２の形状に係る条件のうちの絶縁体領域４４の厚み４４Ｄ以外の条件は、図３の場合と同一である。
図４の図中１０ａに示すように、外部電荷が実質的に蓄積していない場合は、絶縁体領域４４の厚み４４Ｄを増加すると、半導体装置１０の耐圧が低下してしまう。しかし、その耐圧の低下量は小さい。一方、図中１０ｂに示すように、外部電界が蓄積している場合は、絶縁体領域４４の厚み４４Ｄを増加すると、半導体装置１０の耐圧が顕著に増加する。
即ち、絶縁体領域４４を設けたときに外部電荷の蓄積が実質的に無かったとしても、半導体装置１０の耐圧は維持される。それよりも、絶縁体領域４４を設ければ、外部電荷が蓄積したときの半導体装置１０の耐圧の低下が顕著に抑制される。図４に示すように、絶縁体領域４４の厚み４４Ｄが2μm（ガードリング４２の厚み４２Ｄに対して0.25倍）を超えると、外部電荷が蓄積したときの半導体装置１０の耐圧を改善する効果が大きい。さらに、絶縁体領域４４の厚み４４Ｄが4μm（ガードリング４２の厚み４２Ｄに対して0.5倍）を超えると、外部電荷の蓄積が実質的に無い場合と外部電荷が蓄積した場合のいずれの場合にも耐圧が1000Vを超えることができる。
なお、絶縁体領域４４の厚み４４Ｄがガードリング４２の厚み４２Ｄを超えると、空乏層の横方向へ伸展させる作用が低下するので好ましくない。
これらの結果から、絶縁体領域４４の深さ方向の厚み４４Ｄが、ガードリング４２の深さ方向の厚み４２Ｄの0.25〜１倍、より好ましくは0.5〜１倍の範囲であることが好ましい。

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。

実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置の要部拡大断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置のドレイン−ソース間電圧とドレイン電流の関係を示す。 実施例の半導体装置の耐圧と絶縁体領域の厚みの関係を示す。

符号の説明

１０Ａ：中心領域
１０Ｂ：終端領域
２１：半導体基板
２４：ドレイン領域
２６：ドリフト領域
３２：チャネルストッパ領域
３４：チャネルストッパ電極
３６：保護膜
４４：絶縁体領域
４２：ガードリング
４６：ガードリング電極

Claims (3)

1. 回路素子が作り込まれている中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域を半導体基板内に有する半導体装置であって、
   終端領域は、
   中心領域から終端領域に亘って連続して形成されている第１導電型の不純物を含む半導体領域と、
   前記半導体領域の表面に分散して形成されており、第２導電型の不純物を含む複数個のガードリングと、
   隣接するガードリングの間であって前記半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている絶縁体領域を備えていることを特徴とする半導体装置。
2. 絶縁体領域が、隣接するガードリングの双方に接していることを特徴とする請求項１の半導体装置。
3. 絶縁体領域の材料は、酸化シリコンであることを特徴とする請求項１又は２の半導体装置。
   

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