JP2008227237A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置のダイナミック特性を改善すること。
【解決手段】 半導体装置１０は、IGBTが作り込まれている中心領域１０Ａとその中心領域１０Ａの周囲に設けられている終端領域１０Ｂに区画されている。半導体装置１０は、中心領域１０Ａから終端領域１０Ｂに亘って連続しているｎ⁻型のドリフト領域２６と、中心領域１０Ａのドリフト領域２６上に設けられているｐ型のボディ領域５２と、終端領域１０Ｂのドリフト領域２６上に設けられているｐ型のリサーフ層４２と、そのリサーフ層４２内に設けられているｎ型の半導体領域４４を備えている。半導体領域４４は、ドリフト領域２６よりも不純物を高濃度に含んでいる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。本発明は特に、終端領域にリサーフ層が設けられている半導体装置に関する。

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設けられている終端領域に区画されている。回路素子には、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ダイオードなどが用いられることが多い。終端領域は、中心領域の周囲を一巡しており、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周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、リサーフ層が広く用いられている。
この種の半導体装置は、特許文献１に記載されている。

特開平３−９４４６９号公報

この種の半導体装置では、半導体装置がオンからオフに切換わるまでの過渡期間（以下、ターンオフする過渡期間という）の特性を改善する技術が望まれている。このターンオフする過渡期間の特性（ダイナミック特性という）は、キャリアの挙動に支配されている。
半導体装置がオフしているときは、空乏層がリサーフ層の周縁を越えて終端領域の広い範囲に広がっている。この種の半導体装置では、リサーフ層の周縁のコーナー部で電界が集中し易い。このため、半導体装置がターンオフする過渡期間において、高いサージ電圧が半導体装置に加わると、リサーフ層のコーナー部の電界が強くなる。このため、半導体装置がターンオフする過渡期間では、リサーフ層のコーナー部でアバランシェ現象が発生し、リサーフ層のコーナー部で多量のキャリアが発生する。これにより、終端領域のチャージバランスが大きく崩れ、空乏層が中心領域側に向けて収縮する。この結果、半導体装置がターンオフする過渡期間では、半導体装置の耐圧が急激に変動する。

この様子を図５に示す。半導体装置に加わる印加電圧が大きくなると、図中１Ａにおいて、リサーフ層のコーナー部でアバランシェ現象が発生する。アバランシェ現象が発生すると、アバランシェ電流が増加し、終端領域のチャージバランスが大きく崩れ、空乏層が中心領域側に向けて収縮する。図中１Ｂに示すように、空乏層が急激に収縮することによって、半導体装置の耐圧が急激に低下する（図中１Ｃ）。
なお、場合によっては、アバランシェ現象が発生してチャージバランスが崩れると、半導体装置の耐圧が急激に増加することもあり得る。いずれの場合も、ターンオフする過渡期間において、半導体装置の耐圧が変動することによって半導体装置のダイナミック特性が不安定になってしまう。

半導体装置の耐圧を向上させるためには、ドリフト領域の不純物濃度を薄く調整するのが望ましい。しかし、ドリフト領域の不純物濃度を薄く調整すると、前記したように、アバランシェ現象が発生したときのチャージバランスの崩れが大きく、半導体装置がターンオフする過渡期間の耐圧変動が大きくなってしまう。このため、半導体装置のダイナミック特性が不安定になってしまう。
本発明は、安定したダイナミック特性を備えた半導体装置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、リサーフ層内にリサーフ層とは反対導電型の半導体領域が設けられていることを特徴とする。さらに、この半導体領域は、不純物濃度が濃く調整されていることを特徴としている。このため、リサーフ層のコーナー部でアバランシェ現象が発生したとしても、チャージバランスの崩れが相対的に小さく抑えられる。このため、空乏層の急激な変動が抑えられ、半導体装置の耐圧変動が小さくなる。この結果、半導体装置は、安定したダイナミック特性を得ることができる。

即ち、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設けられている終端領域に区画されている。半導体装置は、中心領域から終端領域に亘って連続しており、第１導電型の不純物を含んでいる第１半導体領域を備えている。半導体装置はさらに、中心領域の第１半導体領域上に設けられており、第２導電型の不純物を含んでいる第２半導体領域を備えている。半導体装置はさらに、終端領域の第１半導体領域上に設けられており、一方の側面が第２半導体領域の側面に接しており、第２導電型の不純物を第２半導体領域よりも低濃度に含んでいるリサーフ層を備えている。半導体装置はさらに、そのリサーフ層内に設けられており、第１導電型の不純物を第１半導体領域よりも高濃度に含んでいる第３半導体領域を備えている。
上記の形態の半導体装置は、リサーフ層内に第３半導体領域が設けられている。第３半導体領域は、第１半導体領域よりも不純物濃度が濃く調整されている。このため、リサーフ層のコーナー部でアバランシェ現象が発生したとしても、第１半導体領域とリサーフ層の間のチャージバランスの崩れが、第３半導体領域が存在することによって相対的に小さく抑えられる。このため、空乏層の急激な変動が抑えられ、半導体装置の耐圧変動が小さくなる。この結果、半導体装置は、安定したダイナミック特性を得ることができる。

本明細書で開示される半導体装置では、第３半導体領域が、リサーフ層の上面と下面の間の所定深さに位置している面内を延びていることが好ましい。
この形態によると、第３半導体領域は、リサーフ層内を横方向に沿って設けられているので、第１半導体領域とリサーフ層の間のチャージバランスの崩れを良好に抑えることができる。

本明細書で開示される半導体装置では、第３半導体領域が、リサーフ層の一方の側面から他方の側面まで延びていることが好ましい。
この形態によると、第３半導体領域は、リサーフ層の全体に亘って横方向に沿って設けられているので、リサーフ層の全体に亘って第１半導体領域とリサーフ層の間のチャージバランスの崩れを良好に抑えることができる。

本明細書で開示される半導体装置では、リサーフ層の不純物濃度が、中心領域側から反中心領域側に向けて減少していることが好ましい。リサーフ層の不純物濃度は、連続的に減少していてもよく、多段的に減少していてもよい。
この形態によると、リサーフ層のコーナー部での電界集中が緩和される。このため、高耐圧な半導体装置を得ることができる。

リサーフ層の不純物濃度が中心領域側から反中心領域側に向けて減少している場合、第３半導体領域の不純物濃度は、中心領域側から反中心領域側に向けて増加していることが好ましい。第３半導体領域の不純物濃度は、連続的に増加していてもよく、多段的に増加していてもよい。
この形態によると、半導体装置の耐圧変動が極めて小さくなることが本発明者らの検討によって確認されている。

本明細書で開示される半導体装置はさらに、第４半導体領域と表面電極とキャリア蓄積層を備えていてもよい。第４半導体領域は、第２半導体領域によって前記第１半導体領域から隔てられており、第１導電型の不純物を含んでいる。表面電極は、第４半導体領域に電気的に接続されている。キャリア蓄積層は、第２半導体領域によって第１半導体領域及び第４半導体領域から隔てられており、第１導電型の不純物を含んでいる。この場合、キャリア蓄積層と第３半導体領域は、同一面内に設けられていることが好ましい。
キャリア蓄積層は、中心領域において、第２半導体領域内にキャリアを蓄積することによってオン電圧を低減するために設けられている。上記の形態の半導体装置では、このキャリア蓄積層と第３半導体領域が同一面内に設けられている。即ち、キャリア蓄積層と第３半導体領域が同一の製造工程を利用して作製されている。上記の半導体装置は、製造工程数の増加を抑えながら、キャリア蓄積層と第３半導体領域を同時に作製することに適した形態を有している。

本明細書で開示される半導体装置によると、ターンオフする過渡期間の耐圧変動が抑えられ、安定したダイナミック特性を実現することができる。

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、IGBT、MISFET、MOSFET、ダイオード、SIT、UMOSFET等を用いるのが好ましい。
（第２特徴） リサーフ層の不純物濃度は、中心領域側から反中心領域側に向けて減少している。第３半導体領域の不純物濃度は、中心領域側から反中心領域側に向けて増加している。
（第３特徴） 第２特徴において、第３半導体領域は、イオン注入技術を利用して、不純物濃度が中心領域側から反中心領域側に向けて減少しているリサーフ層内に形成される。このとき、第３半導体領域を形成するためのドーズ量は、中心領域側から反中心領域側に向けて一定である。しかし、第３半導体領域の不純物の一部は、リサーフ層の不純物によって相殺されるので、形成される第３半導体領域の不純物濃度は、中心領域側から反中心領域側に向けて増加している。

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。

（第１実施例）
図１に、半導体装置１０の要部縦断面図を模式的に示す。半導体装置１０は、縦型のn型IGBT（Insulated Gate Bipolar 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の周囲に設けられている終端領域１０Ｂに区画されている。中心領域１０Ａは、半導体基板２１の中心側に配置されている。終端領域１０Ｂは、中心領域１０Ａの周囲を一巡して配置されている。中心領域１０Ａに作り込まれている縦型のn型IGBT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、縦型のn型IGBT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コレクタ電極２２を備えている。コレクタ電極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、ｐ^＋型のコレクタ領域２３と、ｎ^＋型のバッファ領域２４と、ｎ⁻型のドリフト領域２６（第１半導体領域の一例）を備えている。コレクタ領域２３、バッファ領域２４及びドリフト領域２６は、半導体基板２１内に形成されている。コレクタ領域２３、バッファ領域２４及びドリフト領域２６は、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。コレクタ領域２３の不純物には、ボロンが用いられている。バッファ領域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。

終端領域１０Ｂは、ｐ型のリサーフ層４２と、ｎ^＋型のチャネルストッパ領域３２を備えている。
リサーフ層４２は、終端領域１０Ｂのドリフト領域２６上の一部に形成されている。リサーフ層４２の一方の側面は、ボディ領域５２の側面に接している。リサーフ層４２の他方の側面は、チャネルストッパ領域３２から離反している。リサーフ層４２とチャネルストッパ領域３２は、ドリフト領域２６によって隔てられている。リサーフ層４２は、平面視したときに、終端領域１０Ｂに沿って中心領域１０Ａの周囲を一巡して設けられている。リサーフ層４２の不純物濃度は、ボディ領域２７の不純物濃度よりも薄い。リサーフ層４２は、中心領域１０Ａのn型IGBTがオフしたときに、中心領域１０Ａから終端領域１０Ｂの周縁に向けて空乏層を伸展させる。リサーフ層４２の不純物には、ボロンが用いられている。

チャネルストッパ領域３２は、終端領域１０Ｂの周縁のドリフト領域２６上に設けられている。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の周縁に沿って中心領域１０Ａの周囲を一巡している。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、コレクタ電極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。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。

中心領域１０Ａは、ｐ型のボディ領域５２（第２半導体領域の一例）と、ｐ^＋型のボディコンタクト領域５３と、ｎ^＋型のエミッタ領域５４（第４半導体領域の一例）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と、アルミニウムのエミッタ電極５７を備えている。
ボディ領域５２は、中心領域１０Ａのドリフト領域２６上に設けられており、中心領域１０Ａの全範囲に亘って設けられている。ボディコンタクト領域５３は、ボディ領域５２よりも不純物濃度が濃く調整されており、エミッタ電極５７に電気的に接続されている。エミッタ領域５４は、ボディ領域５２によってドリフト領域２６から隔てられており、エミッタ電極５７に電気的に接続されている。トレンチゲート電極５６は、半導体基板２１の表面から深部に向けて伸びており、ドリフト領域２６とエミッタ領域５４を隔てているボディ領域５２にゲート絶縁膜５５を介して対向している。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。エミッタ領域５４の不純物には、リンが用いられている。

半導体装置１０はさらに、終端領域１０Ｂの半導体基板２１上に形成されている酸化シリコンのフィールド酸化膜３６と、半導体基板２１の表面を覆っている保護膜３８を備えている。フィールド酸化膜３６の厚みは約1μm以上である。フィールド酸化膜３６の表面の一部には、ソース電極５７の一部が張り出しており、フィールドプレート電極を構成している。保護膜３８の材料には、プラズマ絶縁膜が用いられている。保護膜３８は、半導体装置１０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。

半導体装置１０はさらに、中心領域１０Ａのボディ領域５２内に設けられているｎ型のキャリア蓄積層５８と、終端領域１０Ｂのリサーフ層４２内に設けられているｎ型の半導体領域４４（第３半導体領域の一例）を備えている。
キャリア蓄積層５８は、ボディ領域５２によってドリフト領域２６及びソース領域５４から隔てられている。キャリア蓄積層５８は、ボディ領域５２の所定深さに位置する面内を延びている。キャリア蓄積層５８は、中心領域１０Ａの全体に亘って設けられている。キャリア蓄積層５８は、ボディ領域５２内において正孔に対するエネルギー障壁を形成し、ボディ領域５２内の正孔濃度を上昇させ、半導体装置１０のオン電圧を低減することができる。なお、キャリア蓄積層５８に係る技術は、例えば、本出願人が出願した国際公開番号ＷＯ２００５／１０９５２１に詳しく記載されている。
半導体領域４４は、リサーフ層４２の上面と下面の間の所定深さに位置している面内を延びている。半導体領域４４は、リサーフ層４２の一方の側面から他方の側面まで延びており、一方の側面でキャリア蓄積層５８に接しており、他方の側面でドリフト領域２６に接している。半導体領域４４の不純物濃度は、ドリフト領域２６の不純物濃度よりも濃く調整されている。半導体領域４４の不純物濃度は、ドリフト領域２６の不純物濃度よりも１桁〜２桁程度濃く調整されているのが好ましい。
キャリア蓄積層５８と半導体層４４は、同一面内に設けられている。したがって、キャリア蓄積層５８と半導体層４４は、同一の製造工程を利用して同時に作製することができる。なお、キャリア蓄積層５８と半導体層４４を作製するときに、マスクの開口率を変えることによって、キャリア蓄積層５８の不純物濃度と半導体層４４の不純物濃度を異なるようにしてもよい。

次に、半導体装置１０の特徴を説明する。
半導体装置１０がオフしているときは、空乏層がリサーフ層４２の周縁を越えてドリフト領域２６内の広い範囲に広がっている。半導体装置１０では、リサーフ層４２の周縁のコーナー部４２ａで電界が集中し易い。このため、半導体装置１０がターンオフする過渡期間において、高いサージ電圧が半導体装置１０に加わると、リサーフ層４２のコーナー部４２ａの電界が強くなる。このため、半導体装置１０がターンオフする過渡期間では、リサーフ層４２のコーナー部４２ａでアバランシェ現象が発生し、リサーフ層４２のコーナー部４２ａでキャリアが多量に発生する。このとき、リサーフ層４２内にドリフト領域２６よりも不純物濃度が濃い半導体領域４４が設けられていると、リサーフ層４２のコーナー部４２ａでアバランシェ現象が発生したとしても、ドリフト領域２６とリサーフ層４２の間のチャージバランスの崩れが、半導体領域４４が存在することによって相対的に小さく抑えられる。このため、空乏層の急激な収縮が抑えられ、半導体装置１０の耐圧変動が小さく抑えられる。この結果、半導体装置１０は、安定したダイナミック特性を得ることができる。

図２に、半導体装置１０に印加される電圧と、ボディコンタクト領域５３とチャネルストッパ領域３２の間を流れるアバランシェ電流の関係を示す。なお、図２は、以下の条件のときの結果である。リサーフ層４２は、そのドーズ量が１．５×１０^１２ｃｍ^−２であり、拡散深さが４．６μｍである。半導体領域４４は、その不純物濃度が５×１０^１５ｃｍ^−３であり、その位置は半導体基板２１の表面から２μｍの深さを中心に幅が０．８μｍである。ドリフト領域２６の不純物濃度は５．７×１０^１３ｃｍ^−３である。なお、比較例は、半導体領域４４が設けられていない場合である。
図２に示すように、半導体領域４４が設けられていると、アバランシェ現象が発生した後の耐圧変動の幅１０Ｃが、比較例の耐圧変動の幅１００Ｃよりも小さくなっていることが分かる。即ち、半導体装置１０は、安定したダイナミック特性を得ていることが確認された。

（第２実施例）
図３に、第２実施例の半導体装置１００の要部断面図を模式的に示す。なお、図１の半導体装置１０と実質的に同一の作用効果を示す構成要素に関しては、同一符号を付し、その説明を省略する。
半導体装置１００は、リサーフ層１４２が、３つのリサーフ領域１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃを備えていることを特徴としている。第１リサーフ領域１４２ａ、第２リサーフ領域１４２ｂ、第３リサーフ領域１４２ｃは、半導体基板２１の水平方向に沿って配置されている。第１リサーフ領域１４２ａは中心領域１０Ａ側に配置されており、第３リサーフ領域１４２ｃは反中心領域側に配置されており、第２リサーフ領域１４２ｂは第１リサーフ領域１４２ａと第３リサーフ領域１４２ｃの間に配置されている。各リサーフ領域１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃは、平面視したときに、終端領域１０Ｂに沿って中心領域１０Ａの周囲を一巡して形成されている。

リサーフ層１４２の不純物濃度は、中心領域１０Ａから反中心領域１０Ａ側に向けて、即ち中心領域１０Ａから遠ざかるにつれて減少している。第１リサーフ領域１４２ａの不純物濃度が最も濃く、第３リサーフ領域１４２ｃの不純物濃度が最も薄い。第１リサーフ領域１４２ａは、そのドーズ量が２．５×１０^１２ｃｍ^−２であり、拡散深さが４．５μｍである。第２リサーフ領域１４２ｂは、そのドーズ量が１．５×１０^１２ｃｍ^−２であり、拡散深さが４．２μｍである。第３リサーフ層１４２ｃは、そのドーズ量が１．０×１０^１２ｃｍ^−２であり、拡散深さが４．０μｍである。

半導体領域１４４は、イオン注入技術を利用して、リサーフ層１４２内に形成される。このとき、半導体領域１４４を形成するためのドーズ量は、中心領域側から反中心領域側に向けて一定である。しかし、半導体領域１４４の不純物の一部は、リサーフ層１４２の不純物によって相殺されるので、形成される半導体領域１４４の不純物濃度は、中心領域１０Ａ側から反中心領域１０Ａ側に向けて増加している。即ち、半導体領域１４４の不純物濃度は、第３リサーフ領域１４２ｃに相当する領域で最も濃く、第１リサーフ層１４２ａに相当する領域で最も薄い。半導体領域１４４の不純物濃度は、中心領域１０Ａから反中心領域１０Ａ側に向けて、即ち中心領域１０Ａから遠ざかるにつれて多段的に増加している。

図４に、半導体装置１００に印加される電圧と、ボディコンタクト領域５３とチャネルストッパ領域３２の間を流れるアバランシェ電流の関係を示す。図４には、半導体領域１４４の不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３、５×１０^１５ｃｍ^−３、１×１０^１６ｃｍ^−３の結果が示されている。なお、半導体領域１４４の不純物は、実際にはリサーフ層１４２の不純物によって一部が相殺されているので、半導体領域１４４の不純物濃度は上記値よりも薄くなっており、中心領域１０Ａ側から反中心領域１０Ａ側に向けて増加している。なお、その他の条件は、第１実施例の半導体装置１０の場合と同一である。

図４に示すように、リサーフ層１４４の不純物濃度に分布が存在すると、比較例に比して半導体装置１００の耐圧変動が顕著に改善されていることが分かる。即ち、濃度分布を有するリサーフ層１４２と半導体領域１４４の組み合わせは、安定したダイナミック特性を得る技術として極めて有用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。

第１実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 第１実施例の半導体装置の印加電圧とアバランシェ電流の関係を示す。 第２実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 第２実施例の半導体装置の印加電圧とアバランシェ電流の関係を示す。 従来の半導体装置の印加電圧とアバランシェ電流の関係を示す。

符号の説明

１０Ａ：中心領域
１０Ｂ：終端領域
２１：半導体基板
２２：コレクタ電極
２３：コレクタ領域
２４：バッファ領域
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
４２、１４２：リサーフ層
４４、１４４：半導体領域
５８：キャリア蓄積層

Claims (6)

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設けられている終端領域に区画されている半導体装置であって、
   中心領域から終端領域に亘って連続しており、第１導電型の不純物を含んでいる第１半導体領域と、
   中心領域の第１半導体領域上に設けられており、第２導電型の不純物を含んでいる第２半導体領域と、
   終端領域の第１半導体領域上に設けられており、一方の側面が前記第２半導体領域の側面に接しており、第２導電型の不純物を第２半導体領域よりも低濃度に含んでいるリサーフ層と、
   そのリサーフ層内に設けられており、第１導電型の不純物を第１半導体領域よりも高濃度に含んでいる第３半導体領域と、を備えている半導体装置。
2. 前記第３半導体領域は、前記リサーフ層の上面と下面の間の所定深さに位置している面内を延びていることを特徴とする請求項１の半導体装置。
3. 前記第３半導体領域は、前記リサーフ層の一方の側面から他方の側面まで延びていることを特徴とする請求項２の半導体装置。
4. 前記リサーフ層の不純物濃度は、中心領域側から反中心領域側に向けて減少していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの半導体装置。
5. 前記第３半導体領域の不純物濃度は、中心領域側から反中心領域側に向けて増加していることを特徴とする請求項４の半導体装置。
6. 前記第２半導体領域によって前記第１半導体領域から隔てられており、第１導電型の不純物を含んでいる第４半導体領域と、
   前記第４半導体領域に電気的に接続されている表面電極と、
   前記第２半導体領域によって前記第１半導体領域及び前記第４半導体領域から隔てられており、第１導電型の不純物を含んでいるキャリア蓄積層と、をさらに備えており、
   前記キャリア蓄積層と前記第３半導体領域は、同一面内に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの半導体装置。
   
   

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