JP2009170462A - 半導体装置 - Google Patents

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Sachiko Aoi
佐智子 青井
Takeshi Nishiwaki
剛 西脇
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Abstract

【課題】 高耐圧で微細化に優れた半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置100は、第1導電型の不純物を含んでいる第1半導体領域4と、第1半導体領域4を取り囲んでいるとともに第2導電型の不純物を含んでいる第2半導体領域14と、第2半導体領域14を取り囲んでいるとともに第1導電型の不純物を含んでいる第3半導体領域16と、第1半導体領域4と第3半導体領域16を隔てている第2半導体領域14にゲート絶縁膜6を介して対向しているプレーナー型ゲート電極8と、第2半導体領域14と第3半導体領域16の間の少なくとも一部に設けられているとともに半導体基板24の表面から深部に向けて伸びている絶縁性の拡散防止膜10を備えている。拡散防止膜10の一端はゲート絶縁膜6に接しており、拡散防止膜10の他端の少なくとも一部は第3半導体領域16に接している。
【選択図】 図1

Description

本発明は、プレーナー型のゲート電極を備えている半導体装置に関する。
図7に、半導体装置500の要部断面図を模式的に示す。図7に示す半導体装置500は、一般的なIGBTを例示しており、例えば特許文献1にこの種のIGBTの一例が開示されている。半導体装置500は縦型の素子であり、エミッタ電極502が半導体基板524の表面上に設けられており、コレクタ電極522が半導体基板524の裏面上に設けられている。半導体装置500は、半導体基板524の表面に選択的に設けられている複数のn型のエミッタ領域504及びp型のボディコンタクト領域512と、そのエミッタ領域504及びボディコンタクト領域512を取り囲んでいるp型の複数のボディ領域514と、そのボディ領域514を取り囲んでいるn型のドリフト領域516を備えている。エミッタ領域504及びボディコンタクト領域512は、エミッタ電極502に直接的に接している。ボディ領域514は、ボディコンタクト領域512を介してエミッタ電極502に電気的に接続している。エミッタ電極502は、接地電位に固定されている。半導体装置500はさらに、半導体基板524の裏面に設けられているn型のバッファ領域518及びp型のコレクタ領域520を備えている。コレクタ領域520は、コレクタ電極522に直接的に接している。ドリフト領域516は、コレクタ領域520及びバッファ領域518を介してコレクタ電極522に電気的に接続している。コレクタ電極522は、正電位に固定されている。
半導体装置500はさらに、半導体基板524の表面上に設けられているプレーナー型ゲート電極508を備えている。プレーナー型ゲート電極508は、エミッタ領域504とドリフト領域516を隔てているボディ領域514にゲート絶縁膜506を介して対向している。
半導体装置500では、プレーナー型ゲート電極508に正の電圧を印加するか否かによって、オン・オフが切換えられる。プレーナー型ゲート電極508に電圧が印加されていないときは、エミッタ領域504とドリフト領域516の間にボディ領域514が介在しており、電子がエミッタ領域504からドリフト領域516に流れることができない。プレーナー型ゲート電極508に電圧が印加されていないときは、半導体装置500がオフである。プレーナー型ゲート電極508に正の電圧が印加されると、プレーナー型ゲート電極508に対向しているボディ領域514が反転してチャネルが形成される。電子は、そのチャネルを介してエミッタ領域504からドリフト領域516に流れることができる。プレーナー型ゲート電極508に正の電圧が印加されているときは、半導体装置500がオンである。
特開平9−260662号公報
半導体装置500がオンからオフに移行すると、ドリフト領域516に蓄積していたホール(正孔)の一部は、図7に示すように、ボディ領域514を横方向に移動した後に、ボディコンタクト領域512を介してエミッタ電極502に排出される。ホールがボディ領域514を横方向に移動すると、ボディ領域514の抵抗によってボディ領域514の電位が上昇する。この電位上昇が大きいと、エミッタ領域504とボディ領域514とドリフト領域516で構成されるnpn寄生トランジスタがラッチアップされてしまう。このラッチアップ現象は、半導体装置500の耐圧低下の1つの原因である。
このラッチアップ現象を抑制するためには、ボディ領域514を深く形成し、エミッタ領域504の下方に位置するボディ領域514の厚みD514を厚くするのが望ましい。これにより、ボディ領域514の抵抗が低下し、ラッチアップの発生を抑えることができる。しかしながら、ボディ領域514はイオン注入及び熱拡散によって形成されるのが一般的であり、ボディ領域514の厚みD514を厚くしようとすると、ボディ領域514の横方向の幅W514も大きくなってしまう。ボディ領域514の横方向の幅W514が大きいと、半導体装置500の微細化の妨げとなる。
本発明は、高耐圧で微細化に優れ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半導体装置は、プレーナー型ゲート電極の下方において、半導体基板の表面から深部に向けて伸びている絶縁性の拡散防止膜を備えていることを特徴としている。この拡散防止膜は、ボディ領域をイオン注入及び熱拡散で形成したときに、ボディ領域が拡散防止膜を超えて更に横方向へ拡散するのを防止する。このため、拡散防止膜が設けられていると、ボディ領域の横方向の拡散を規制しながら、ボディ領域を深く形成することができる。この結果、高耐圧で微細化に優れた半導体装置を提供することができる。また、このような手順でボディ領域を形成すると、拡散防止膜を挟んでボディ領域とドリフト領域が対峙する形態が得られる。ボディ領域とドリフト領域の間には電位差があるので、ボディ領域が接する拡散防止膜の側面には、電子が走行可能な第2のチャネルが形成される。前記したように、拡散防止膜はプレーナー型ゲート電極の下方に設けられている。このため、プレーナー型ゲート電極によって半導体基板の表面に誘起されるチャネルと、拡散防止膜の側面に誘起される第2のチャネルが連続する。これにより、エミッタ領域から供給される電子は、チャネル及び第2のチャネルを介してドリフト領域にまで流れることができる。拡散防止膜を設けたとしても、半導体装置をオンさせるのに支障がない。
すなわち、本明細書で開示される半導体装置は、半導体基板の表面の一部に設けられているとともに第1導電型の不純物を含んでいる第1半導体領域と、その第1半導体領域を取り囲んでいるとともに第2導電型の不純物を含んでいる第2半導体領域と、その第2半導体領域を取り囲んでいるとともに第1導電型の不純物を含んでいる第3半導体領域と、半導体基板の表面上に設けられているとともに第1半導体領域と第3半導体領域を隔てている第2半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向しているプレーナー型ゲート電極と、第2半導体領域と第3半導体領域の間の少なくとも一部に設けられているとともに半導体基板の表面から深部に向けて伸びている絶縁性の拡散防止膜を備えている。拡散防止膜の一端はゲート絶縁膜に接しており、拡散防止膜の他端の少なくとも一部は第3半導体領域に接している。また、第1半導体領域と第2半導体領域が電源の一方の極性に電気的に接続するとともに、第3半導体領域が電源の他方の極性に電気的に接続する。
ここで、上記半導体装置には、例えばIGBT、MOSFET、MOSゲートサイリスタ等が含まれる。
また、「電極の一方又は他方の極性に電気的に接続する」とは、外付けの電源を用意したときの接続関係を表しており、電源自体は本発明の構成要素ではない。
本明細書で開示される半導体装置は、拡散防止膜の厚みが、ゲート絶縁膜の厚みよりも薄いことが好ましい。
拡散防止膜は第2半導体領域と第3半導体領域の間に設けられており、拡散防止膜には第2半導体領域と第3半導体領域の電位差が印加される。ゲート絶縁膜は第2半導体領域とプレーナー型ゲート電極の間に設けられており、ゲート絶縁膜には第2半導体領域とプレーナー型ゲート電極の電位差が印加される。前者の電位差は、後者の電位差に比して小さい。ゲート絶縁膜は、印加される電位差によって破壊されないために、ある程度の厚みを必要としている。一方、拡散防止膜は、第2半導体領域の拡散を防止できれば十分であり、それほど厚みを必要としない。また、拡散防止膜は、第2のチャネルを良好に誘起させるために、その厚みが薄い方が望ましい。したがって、拡散防止膜の厚みとゲート絶縁膜の厚みの間に上記関係が存在していると、優れた特性を有する半導体装置を提供することができる。
本明細書で開示される技術によると、高耐圧で微細化に優れた半導体装置を実現することができる。
以下に説明する実施例の特徴について記載する。
(特徴1) 半導体基板として、シリコン基板を使用している。
シリコン基板内に半導体構造を形成する場合、一般的に、シリコン基板に対して不純物をイオン注入して拡散領域を形成する手法が用いられる。その場合、不純物を活性化させるためにシリコン基板を熱処理すると、シリコン基板内を不純物が拡散する。本実施例で開示される技術は、不純物が拡散して微細化の妨げになることに対策する技術であり、シリコン基板内に半導体構造が設けられている半導体装置に特に有用である。
以下に説明する各実施例では、実質的に同じ構造については同じ符号を付すことにより、重複説明を省略する。
(第1実施例)
図1に、半導体装置100の縦断面図を模式的に示す。図1は、半導体装置100の単位構造を示しており、この単位構造が紙面左右方向に繰り返し設けられている。
半導体装置100は縦型のIGBTであり、Alを主材料とするエミッタ電極2が半導体基板24の表面上に設けられており、Al、Ni、Auを主材料とするコレクタ電極22が半導体基板24の裏面上に設けられている。半導体装置100は、半導体基板24の表面に選択的に設けられている複数のn型のエミッタ領域(第1半導体領域の一例)4及びp型のボディコンタクト領域12と、そのエミッタ領域4及びボディコンタクト領域12を取り囲んでいるp型の複数のボディ領域(第2半導体領域の一例)14と、そのボディ領域14を取り囲んでいるn型のドリフト領域(第3半導体領域の一例)16を備えている。
ここで、エミッタ領域4の不純物濃度は、およそ1×1020cm−3に調整されており、ボディコンタクト領域12の不純物濃度は、およそ1×1019cm−3に調整されており、ドリフト領域16の不純物濃度は、およそ1×1013cm−3に調整されている。ボディ領域14の不純物濃度は、およそ2×1017cm−3に調整されており、エミッタ領域4の下方に位置するボディ領域14の厚みD14は、3μmに調整されている。
エミッタ領域4及びボディコンタクト領域12は、エミッタ電極2に直接的に接している。ボディ領域14は、ボディコンタクト領域12を介してエミッタ電極2に電気的に接続している。そのため、ボディ領域14とエミッタ電極2の接触抵抗を小さくすることができる。エミッタ電極2は、電源の低電圧(電源の一方の極性の一例)に電気的に接続する。すなわち、エミッタ領域4及びボディ領域14は、電源の低電圧に電気的に接続する。本実施例の半導体装置100では、エミッタ電極2は、接地電位に固定される。
半導体装置100はさらに、半導体基板24の裏面に設けられているn型のバッファ領域18及びp型のコレクタ領域20を備えている。コレクタ領域20は、コレクタ電極22に直接的に接している。ドリフト領域16は、コレクタ領域20及びバッファ領域18を介してコレクタ電極22に電気的に接続している。コレクタ電極22は、電源の高電圧(電源の他方の極性の一例)に電気的に接続する。すなわち、ドリフト領域16は、電源の高電圧に電気的に接続する。バッファ領域18の不純物濃度は、およそ1×1017cm−3に調整されており、コレクタ領域20の不純物濃度は、およそ1×1019cm−3に調整されている。
半導体装置100はさらに、半導体基板24の表面上に設けられているプレーナー型ゲート電極8を備えている。プレーナー型ゲート電極8は、エミッタ領域4の間に連続して設けられており、ゲート絶縁膜6を介して、エミッタ領域4の間のボディ領域14とドリフト領域16に対向している。ゲート電極8は多結晶シリコンを主材料としており、その厚みW16は、600nmである。
半導体装置100はさらに、プレーナー型ゲート電極8の下方において、半導体基板24の表面から深部に向けて伸びている絶縁性の拡散防止膜10を備えている。拡散防止膜10は、ボディ領域14とドリフト領域16の間に設けられており、半導体基板24の表面に直交する方向に伸びている。拡散防止膜10の厚みW10は、0.08μmである。すなわち、拡散防止膜10の厚みW10は、ゲート絶縁膜6の厚みW16よりも薄い。半導体装置100では、拡散防止膜10が、半導体装置100の紙面奥行き方向に連続して設けられている。
図2に、拡散防止膜10の周囲の拡大図を示している。ここでは、図面の明瞭化のため、一部のハッチングを省略している。
拡散防止膜10は、一端10a、他端10c、及び側面10b、10dを有している。一端10aは、ゲート絶縁膜6に接しており、他端10cはドリフト領域16に接している。また、側面10bの一部はボディ領域14に接しており、側面10dはドリフト領域16に接している。符号14aは、プレーナー型ゲート電極8によって半導体基板24の表面に誘起されるチャネル14aを示している。符号14bは、ボディ領域14とドリフト領域14の間の電位差によって誘起される第2のチャネル14bを示している。
なお図3に示すように、拡散防止膜10の他端10cの一部がボディ領域14に接していてもよい。他端10cの少なくとも一部がドリフト領域16に接していれば、第2のチャネル14bを形成することができる。
半導体装置100の動作を説明する。
プレーナー型ゲート電極8に電圧が印加されていないときは、エミッタ領域4とドリフト領域16の間にボディ領域14が介在しており、電子がエミッタ領域4からドリフト領域16に流れることができない。すなわち、プレーナー型ゲート電極8に電圧が印加されていないときは、半導体装置100がオフしている。
プレーナー型ゲート電極8に正の電圧が印加されると、プレーナー型ゲート電極8に対向しているボディ領域14が反転してチャネル14a(図2及び図3を参照)が形成される。電子は、そのチャネル14aを移動することができる。また、上記したように、拡散防止膜10は、ボディ領域14とドリフト領域16の間に設けられている。ボディ領域14が電源の低電圧に電気的に接続し、ドリフト領域16が電源の高電圧に電気的に接続しているので、ボディ領域14とドリフト領域16の間に電位差が生じる。その結果、ボディ領域14が接する拡散防止膜10の側面10bには、電子が走行可能な第2のチャネル14b(図2及び図3を参照)が形成される。
拡散防止膜10の一端10aはゲート絶縁膜6に接しているので、プレーナー型ゲート電極8によって誘起されるチャネル14aと拡散防止膜10の側面10bに誘起される第2のチャネル14bが連続する。また、拡散防止膜10の他端10cはドリフト領域16に接している。その結果、エミッタ領域4から供給される電子は、チャネル14a及び第2のチャネル14bを介してドリフト領域16に流れることができる。すなわち、プレーナー型ゲート電極8に正の電圧が印加されているときは、半導体装置100がオンしている。
上記したように、半導体装置100では、ボディ領域14とドリフト領域16の間に、拡散防止膜10が設けられている。ボディ領域14は、半導体基板24にp型の不純物をイオン注入し、その後熱拡散することによって形成される。半導体装置100では、ボディ領域14が拡散防止膜10を超えて横方向に拡散することを防止することができる。すなわち、ボディ領域14の厚みを厚くして、エミッタ領域4の下方に位置するボディ領域14の厚みD14を厚くしても、ボディ領域14の幅W14は長くならない。厚みD14を厚くすると、半導体装置100の耐圧を高くすることができる。半導体装置100は、拡散防止膜10が設けられているので、高耐圧で微細化に優れた半導体装置ということができる。
ここで、半導体装置100と従来の半導体装置500(図7を参照)を比較する。
半導体装置100と半導体装置500を比較すると、半導体装置100には拡散防止膜10が設けられており、半導体装置500には拡散防止膜が設けられていないという点が異なる。
半導体装置100のエミッタ領域4の下方に位置するボディ領域14の厚みD14と、半導体装置500のエミッタ領域504の下方に位置するボディ領域514の厚みD514は同じである。そのため、半導体装置100と半導体装置500は、ほぼ同じ耐圧である。しかしながら、半導体装置100のボディ領域14の幅W14は、半導体装置500のボディ領域514の幅W514よりも短い。すなわち、半導体装置100は、半導体装置500と同程度の耐圧でありながら微細化を進めることが可能である。
上記半導体装置100は、本発明の技術の一例を示しているものであり、下記のような変形例も挙げられる。
例えば、上記実施例の半導体装置100では、プレーナー型ゲート電極8は、2つのエミッタ領域4の間に連続して設けられている。しかしながら、プレーナー型ゲート電極8は、エミッタ領域4とドリフト領域16を隔てているボディ領域14にさえ対向していればよい。この場合でも、プレーナー型ゲート電極8に対向しているボディ領域14にチャネル14a(図2及び図3を参照)が形成されるので、半導体装置100がオンすることに支障がない。
また、拡散防止膜10は、半導体装置100の紙面奥行き方向に連続して設けられていなくてもよい。換言すると、半導体装置100の紙面奥行き方向に部分的に設けられていてもよい。この場合、拡散防止膜10が形成されていない領域では第2のチャネル14bが形成されないので、ボディ領域14からドリフト領域16に電子が流れることができない。しかしながら、電子は、拡散防止膜10が形成されている領域を流れることができるので、半導体装置100がオンすることに支障がない。
(第2実施例)
図4に、半導体装置200の縦断面図を模式的に示す。半導体装置200は半導体装置100の変形例である。
半導体装置200では、ボディ領域14とドリフト領域16の間に、ドリフト領域16よりも高濃度のn型不純物を含んでいるn型半導体領域226が設けられている。n型半導体領域226は、ドリフト領域16からボディ領域14へのホールの移動を妨げることができるので、ドリフト領域16内にホールを高濃度に蓄積することができる。半導体装置200は、n型半導体領域26が設けられていない半導体装置100と比べ、ドリフト領域16内のホール濃度を高くすることができるので、オン抵抗を小さくすることができる。
(第3実施例)
図5に、半導体装置300の縦断面図を模式的に示す。半導体装置300は半導体装置100の変形例である。
半導体装置300では、拡散防止膜10間のドリフト領域16の一部に、高濃度のn型不純物を含んでいる高濃度ドリフト領域328が設けられている。高濃度ドリフト領域328は、拡散防止膜10の側面とゲート絶縁膜6に接している。なお、本実施例では、高濃度ドリフト領域328が、拡散防止膜10を介してボディ領域14の一部に対向している。しかしながら、本実施例の高濃度ドリフト領域328に代えて、高濃度ドリフト領域が、拡散防止膜10を介してボディ領域14の全面に対向してもよい。
半導体装置300は、高濃度ドリフト領域328が設けられているので、高濃度ドリフト領域328が設けられていない場合と比べて、拡散防止膜10で挟まれているドリフト領域の電位を上昇させることができる。そのため、ボディ領域14と高濃度ドリフト領域328の間には、大きな電位差が生じる。ボディ領域14が接する拡散防止膜10の側面に、電子が走行可能な第2のチャネルがより形成されやすくなる。
なお、高濃度ドリフト領域328がボディ領域14の全面に対向していれば、ボディ領域14の全面に第2のチャネルがより形成されやすくなるので、オン抵抗を小さくすることができる。
(第4実施例)
図6に、半導体装置400の縦断面図を模式的に示す。半導体装置400は半導体装置100、300の変形例である。
半導体装置400でも、拡散防止膜10間のドリフト領域16の一部に、高濃度のn型不純物を含んでいる高濃度ドリフト領域428が設けられている。また、半導体装置400ではさらに、高濃度ドリフト領域428とドリフト領域16の間に、p型不純物を含んでいるp型ドリフト領域430が設けられている。p型ドリフト領域430も拡散防止膜10間に設けられている。p型ドリフト領域430の不純物濃度は、およそ1×1015cm−3に調整されている。p型ドリフト領域430は、高濃度ドリフト領域428から伸びる空乏層によって空乏化されている。そのため、ボディ領域14と、n型半導体領域428とp型半導体領域430とドリフト領域16の間に電位差が生じる。ボディ領域14が接する拡散防止膜10の側面に、電子が走行可能な第2のチャネルが形成される。
半導体装置400は、拡散防止膜10を介してボディ領域14に対向するドリフト領域内に、p型不純物を含んでいる領域が存在していてもよいことを示している。ボディ領域14とドリフト領域の間に電位差が生じる関係であれば、ドリフト領域の不純物濃度は一定でなくてもよいことを示している。
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。
上記実施例では、第1導電型がn型で、第2導電型がp型の例について説明した。しかしながら、第1導電型がp型で、第2導電型がn型であってもよい。
また、上記実施例では、第2半導体領域と第3半導体領域の間に設けられている拡散防止膜が、半導体基板の表面に直交する方向に伸びている。拡散防止膜は、その一端がゲート絶縁膜に接しており、第2半導体領域と第3半導体領域の間に設けられていればよく、必ずしも半導体基板の表面に直交する方向に伸びていなくてもよい。
また、本発明の技術はIGBTに限定されるものではない。例えばMOSFET、MOSゲートサイリスタ等にも適用することができる。
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、出願時の請求項に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の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縦断面図を示す。 第1実施例の半導体装置の部分拡大図を示す。 第1実施例の半導体装置の変形例の部分拡大図を示す。 第2実施例の半導体装置の縦断面図を示す。 第3実施例の半導体装置の縦断面図を示す。 第4実施例の半導体装置の縦断面図を示す。 従来の半導体装置の縦断面図を示す。
符号の説明
2、502:エミッタ電極
4、504:エミッタ領域(第1半導体領域)
6、506:ゲート絶縁膜
8、508:プレーナー型ゲート電極
10、510:拡散防止膜
14、514:ボディ領域(第2半導体領域)
16、516:ドリフト領域(第3半導体領域)
22、522:コレクタ電極
24、524:半導体基板
100、200、300、400、500:半導体装置

Claims (2)

  1. 半導体基板の表面の一部に設けられているとともに第1導電型の不純物を含んでいる第1半導体領域と、
    その第1半導体領域を取り囲んでいるとともに第2導電型の不純物を含んでいる第2半導体領域と、
    その第2半導体領域を取り囲んでいるとともに第1導電型の不純物を含んでいる第3半導体領域と、
    半導体基板の表面上に設けられているとともに第1半導体領域と第3半導体領域を隔てている第2半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向しているプレーナー型ゲート電極と、
    第2半導体領域と第3半導体領域の間の少なくとも一部に設けられているとともに半導体基板の表面から深部に向けて伸びている絶縁性の拡散防止膜を備えており、
    拡散防止膜の一端はゲート絶縁膜に接しており、拡散防止膜の他端の少なくとも一部は第3半導体領域に接しており、
    第1半導体領域と第2半導体領域が電源の一方の極性に電気的に接続するとともに、第3半導体領域が電源の他方の極性に電気的に接続する半導体装置。
  2. 拡散防止膜の厚みが、ゲート絶縁膜の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06319204A (ja) * 1993-04-30 1994-11-15 Aqueous Res:Kk 電動車両装置

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