JP2012064727A - 半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体素子1は、n型エピタキシャル層8と、n型エピタキシャル層8の表層部に形成されたボディ領域12と、ボディ領域12の表層部に形成されたn型ソース領域16と、n型エピタキシャル層8上に形成されたゲート絶縁膜19と、ゲート絶縁膜19上に形成されたゲート電極20およびゲート保護ダイオード30とを含む。ゲート保護ダイオード30は、第1のp型領域31とn型領域32と第2のp型領域33とを含む。第1のp型領域31とn型領域32によって第1のダイオード30Aが構成されている。n型領域32と第2のp型領域33によって第2のダイオード30Bが構成されている。第1のp型領域31はゲート電極20に接続されている。第2のp型領域33はソース電極27を介してソース電極27に接続されている。
【選択図】図2
Description
MOSFETの閾値が上昇すると、オン抵抗が上昇し、最悪の場合には、ゲートにゲート電圧を印加してもMOSFETがオンしなくなるおそれがある。一方、MOSFETの閾値が低下すると、ゲートにゲート電圧を印加しなくても、MOSFETがオンとなるおそれがある。
2つのダイオードのうち、ゲートからソースまたはエミッタ領域に向かう方向が順方向となるように接続された一方のダイオードを第1ダイオードとし、ソースまたはエミッタ領域からゲートに向かう方向が順方向となるように接続された他方のダイオードを第2ダイオードとする。この構成では、ゲートとソースまたはエミッタ領域の間に印加される一方向の電圧は第1ダイオードの逆方向ブレークダウン電圧に制限され、ゲートとソースまたはエミッタ領域の間に印加される他方向の電圧は第2ダイオードの逆方向ブレークダウン電圧に制限される。これにより、ゲート閾値の変動を抑制または防止することができる。
この発明の一実施形態では、前記ダイオードが、前記ゲートと前記ソースまたはエミッタ領域の間に印加される電圧を、当該ソースまたはエミッタ領域を基準として、正の第1制限電圧と、負の第2制限電圧との間に制限するように構成されている。そして、前記第1制限電圧の絶対値が前記第2制限電圧の絶対値よりも大きく定められている(請求項4)。
この発明の一実施形態では、前記第2制限電圧が−7V以上である(請求項7)。この構成では、ゲートとソースまたはエミッタ領域の間に印加される負の電圧が−7V以上の第2制限電圧によって制限される。これにより、ゲート閾値の変動を抑制または防止することができる。
この発明の一実施形態では、前記ダイオードが、前記半導体素子の外周部に形成されている(請求項9)。
図1Aおよび図1Bは、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の模式的な平面図である。図1Aは全体図、図1Bは内部構成の拡大図をそれぞれ示す。図2は、図1Bの切断線II−IIでの切断面を示す断面図である。
半導体素子1は、SiCを用いたプレーナゲート型MOSFETであり、たとえば、図1Aに示すように、平面視正方形のチップ状である。この半導体素子1は、たとえば、図1Aの紙面における上下左右方向の長さがそれぞれ数mm程度である。
次に、半導体素子1の内部構造について説明する。
半導体素子1は、n+型(たとえば、n型不純物濃度が1×1018cm−3〜1×1022cm−3)のSiC基板5を備えている。SiC基板5は、この実施形態では、半導体素子1のドレイン領域として機能し、その表面6(上面)がSi面(シリコン面)であり、その裏面7(下面)がC面(カーボン面)である。SiC基板5の表面6は、オフ角が0度〜10度(好ましくは0度〜5度)のSi面である。
各ボディ領域12の表層部には、その中央部にp+型ボディコンタクト領域15が形成されており、このボディコンタクト領域15を取り囲むようにn+型ソース領域16が形成されている。ボディコンタクト領域15は、平面視正方形状であり、たとえば、図1Bの紙面における上下左右方向の長さがそれぞれ1.6μm程度である。ボディコンタクト領域15の深さは、たとえば、0.35μm程度である。
エピタキシャル層8の表面9上には、ボディコンタクト領域15およびその周辺領域を除く領域に、格子状のゲート絶縁膜19(図1Bでは図示を省略)が形成されている。ゲート絶縁膜19は、酸化膜(たとえば酸化シリコン膜)からなっていてもよいし、窒素を含有する酸化膜(たとえば窒化酸化シリコン膜)からなっていてもよい。
ソース電極27は、エピタキシャル層8との接触側から順にTi/TiN層28と、Al層29とが積層された構造を有していてもよい。Ti/TiN層28は、密着層としてのTi層をエピタキシャル層8側に有し、このTi層にバリア層としてのTiN層を積層した積層膜である。バリア層は、Al層29の構成原子(Al原子)がエピタキシャル層8側へと拡散することを防ぐ。
図3は、図1に示される半導体素子の電気回路図である。
閾値電圧Vthの大きな変動を抑制または防止できることが分かる。したがって、本実施形態の半導体素子1において、負の第1制限電圧−VBR1を−7V以上とすれば、閾値電圧Vthの大きな変動を抑制または防止できることがわかる。
図6は、前記半導体素子1と同様な構造なMOSFETを有するがゲート保護ダイオード30が設けられていない半導体素子(比較例)の試料を作成し、その試料のゲートーソース間に複数種類の正電圧を印加して、閾値電圧Vthの経時的変化を調べる実験を行った結果を示す。MOSFETのドレイン−ソース間への印加電圧Vdsは1Vであり、MOSFETのドレイン−ソース間の電流Idsは1mAである。また、雰囲気温度は150℃である。ゲートーソース間に印加される電圧の種類は、24V、33V、34V、35V、36V、37Vおよび38Vの7種類である。
図7A〜図7Kは、半導体素子1の製造方法を説明するため模式的な断面図である。
その後、図7Gに示すように、堆積したポリシリコン材料64の不要部分(ゲート電極20およびゲート保護ダイオード30を形成すべき領域以外の部分)がドライエッチングにより除去される。これにより、ポリシンコン材料64のうち、ゲート電極20およびゲート保護ダイオード30を形成すべき領域が残される。
そして、図7Kに示すように、層間絶縁膜25およびゲート絶縁膜19が連続してパターニングされることにより、コンタクトホール26が形成される。
その後は、たとえば、層間絶縁膜25上に、Ti、TiNおよびAlが順にスパッタされて、ソース電極27が形成される。また、たとえば、SiC基板5の裏面7に、Ti、Ni、AuおよびAgが順にスパッタされて、ドレイン電極40が形成される。
図8は、本発明の第2の実施形態に係る半導体素子の模式的な断面図である。第2の実施形態に係る半導体素子の平面図は、図1Aおよび図1Bとほぼ同様である。図8は、図2の断面図に対応する断面図である。図8において、図2の各部に対応する部分には、図2と同じ参照符号を付して示す。
エピタキシャル層8の表面9上には、ボディコンタクト領域15およびその周辺領域に対応する部分を除く領域に、格子状のゲート絶縁膜19が形成されている。ゲート絶縁膜19上には、ボティ間領域17にほぼ対応する位置にゲート電極20が形成されている。ゲート電極20は、格子状のゲート絶縁膜19に沿って格子状に形成されている。ゲート電極20は、ゲート絶縁膜19を挟んで、ボティ間領域17に対応するエピタキシャル層8、ボティ領域12およびソース領域16に跨る領域に対向している。したがって、ゲート電極20は平面視において、ソース領域16とオーバーラップしている。
n型領域132上には、ゲート保護ダイオード130の第2のp型領域133が全周にわたって形成されている。第2のp型領域133は、たとえば、ポリシリコンからなり、p型不純物が導入されている。また、第2のp型領域133の厚さは、たとえば、6000Å程度である。第1のp型領域131、n型領域132および第2のp型領域133の幅は、たとえば、1μm〜10μm程度である。第1のp型領域131、n型領域132および第2のp型領域133によってゲート保護ダイオード130が構成されている。
前述した半導体素子1の製造方法における図7A〜図7Eは、この半導体素子1Aの製造方法においても共通している。そこで、エピタキシャル層8の表面にゲート絶縁膜19が形成された後の工程について説明する。
エピタキシャル層8の表面にゲート絶縁膜19が形成されると、図9Aに示すように、CVD法により、ポリシリコン材料81がエピタキシャル層8上に堆積される。
次いで、図9Cに示すように、ゲート電極20ならびにゲート保護ダイオード130の第1のp型領域131を形成すべき領域に開口を有するSiO2マスク82を用いて、p型不純物(たとえばB(ホウ素))が、ポリシンコン材料81にインプランテーション(注入)される。これにより、ゲート電極20と、ゲート保護ダイオード130の第1のp型領域131とが形成される。
この後、図9Eに示すように、n型不純物(たとえばP(リン))が、第1のp型領域131上に堆積されたポリシンコン材料84にインプランテーション(注入)される。これにより、ゲート保護ダイオード130におけるn型領域132が形成される。
この後、図9Gに示すように、p型不純物(たとえばB(ホウ素))が、n型領域132上に堆積されたポリシンコン材料85にインプランテーション(注入)される。これにより、ゲート保護ダイオード130における第2のp型領域133が形成される。これにより、第1のp型領域131、n型領域132および第2のp型領域133を含むゲート保護ダイオード130が形成される。前述したように、第1のp型領域131とn型領域132とによって、第1のダイオード130Aが構成され、n型領域132と第2のp型領域133とによって、第2のダイオード130Bが構成される。
そして、図9Iに示すように、層間絶縁膜125およびゲート絶縁膜19が連続してパターニングされることにより、第1のコンタクトホール126Aおよび第2のコンタクトホール126Bが形成される。
この後、層間絶縁膜(図示略)、ソースパッド、ゲートパッドなどが形成されることにより、図2に示す半導体素子1Aが得られる。
この半導体素子1Bは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。この半導体素子1Bは、図1A、図1Bおよび図2に示す半導体素子1とほぼ同様な構造を有している。この半導体素子1Bでは、基板として、p+型のSiC基板5Aが用いられている。そして、このSiC基板5A上に、n+型のSiCからなるエピタキシャル層5Bが積層されている。そして、このエピタキシャル層5B上に、n−型のSiCからなるエピタキシャル層8が積層されている。また、この半導体素子1Bでは、SiC基板5Aの裏面に形成された電極40がコレクタ電極となり、層間絶縁膜25上に形成された電極27がエミッタ電極となる。
半導体素子1Bは、IGBT200と、IGBT200のゲートG(ゲート電極20)とエミッタE(エミッタ電極27)との間に接続されたゲート保護ダイオード30とを備えている。ゲート保護ダイオード30は、逆直列接続された第1のダイオード30Aと第2のダイオード30Bとを含む。第1のダイオード30AのアノードはIGBT200のゲートGに接続され、第1のダイオード30Aのカソードは第2のダイオード30Bのカソードに接続されている。第2のダイオード30Bのアノードは、IGBT200のエミッタEに接続されている。
この半導体素子1Cは、IGBTである。この半導体素子1Cは、図8に示す半導体素子1Aとほぼ同様な構造を有している。この半導体素子1Cでは、基板として、p+型のSiC基板5Aが用いられている。そして、このSiC基板5A上に、n+型のSiCからなるエピタキシャル層5Bが積層されている。そして、このエピタキシャル層5B上に、n−型のSiCからなるエピタキシャル層8が積層されている。また、この半導体素子1Cでは、SiC基板201の裏面に形成された電極40がコレクタ電極となり、層間絶縁膜25上に形成された電極127がエミッタ電極となる。
また、前述の実施形態では、各半導体素子1、1A、1B、1Cは、SiCデバイスであるが、Si(シリコン)を半導体材料として用いたSiデバイスであってもよい。
12 ボディ領域
13 p型ウェル領域
14 ドリフト領域
15 ボディコンタクト領域
16 ソース領域
19 ゲート絶縁膜
20 ゲート電極
25,125 層間絶縁膜
26,126A,126B コンタクトホール
27,127 ソース電極(エミッタ電極)
30,130 ゲート保護ダイオード
31,131 第1のp型領域
32,132 n型領域
33,133 第2のp型領域
30A,130A 第1のダイオード
30B,130B 第2のダイオード
40 ドレイン電極(コレクタ電極)
Claims (9)
- SiC半導体からなるソースまたはエミッタ領域およびドレインまたはコレクタ領域と、
SiC半導体からなり、前記ソースまたはエミッタ領域およびドレインまたはコレクタ領域の間に配置されたチャネル領域と、
前記チャネル領域にゲート絶縁膜を介して対向するゲートと、
前記ゲートと前記ソースまたはエミッタ領域との間に接続されたダイオードとを含む、半導体素子。 - 前記ダイオードが、前記ゲートと前記ソースまたはエミッタ領域の間に逆直列接続された2つのダイオードを含む、請求項1に記載の半導体素子。
- 前記ダイオードが、前記ゲートと前記ソースまたはエミッタ領域の間に印加される電圧を制限するように構成されている、請求項1または2に記載の半導体素子。
- 前記ダイオードが、前記ゲートと前記ソースまたはエミッタ領域の間に印加される電圧を、当該ソースまたはエミッタ領域を基準として、正の第1制限電圧と、負の第2制限電圧との間に制限するように構成されており、前記第1制限電圧の絶対値が前記第2制限電圧の絶対値よりも大きく定められている、請求項1または2に記載の半導体素子。
- 前記ダイオードが、前記ゲートと前記ソースまたはエミッタ領域の間に印加される電圧を、当該ソースまたはエミッタ領域を基準として、正の第1制限電圧以下に制限するように構成されており、前記第1制限電圧が、前記ソースまたはエミッタ領域およびドレインまたはコレクタ領域間を導通させるための閾値電圧よりも高く、かつ、前記ゲート絶縁膜の耐圧よりも低く定められている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 前記第1制限電圧が33V以下である、請求項4または5に記載の半導体素子。
- 前記第2制限電圧が−7V以上である、請求項4に記載の半導体素子。
- 前記ダイオードが、Siを主とする材料で構成されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 前記ダイオードが、前記半導体素子の外周部に形成されている、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体素子。
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