JP2012221976A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の表面に形成されている第１主電極領域と第２主電極領域を隔てている半導体領域によって、第１主電極領域と第２主電極領域の間に大きな電圧が印加されている状態に維持する場合、半導体基板の表面において電界集中が発生し、耐圧が低下しやすい。そこでフィールド絶縁膜の表面に、一端が第１主電極領域に導通しているとともに他端が第２主電極領域に導通している螺旋形状のフィールドプレートを設けて半導体基板表面の電界集中を緩和する。それでも、フィールドプレートの電位分布と半導体基板表面の電位分布が一致しないために、フィールドプレートによる耐圧向上効果が低い。
【解決手段】フィールドプレートを、外端に接近するにつれて線間間隔が拡大する対数螺旋形状に形成する。フィールドプレートの電位分布と半導体基板表面の電位分布がよく一致するので、フィールドプレートによる耐圧向上効果が増大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に形成されている第１主電極領域と第２主電極領域の間を半導体領域で隔てておき、その半導体領域の性質を利用して第１主電極領域と第２主電極領域の間の抵抗を変化させる半導体装置に関する。例えば、第１主電極領域と第２主電極領域の間に順方向の電圧が作用する際には半導体領域の抵抗が低いことから順方向に電流を流す一方において、逆方向の電圧が作用する際には半導体領域の抵抗が高いことから逆方向に電流が流れることを禁止するダイオードに関する。あるいは、ゲート電極に印加する電圧の高低によって、第１主電極領域と第２主電極領域の間の抵抗を高低させるスイッチング素子に関する。

なかでも、第１主電極領域と第２主電極領域が半導体基板の表面に臨む領域に形成されている横型の半導体装置に関する。横型の半導体装置の場合、第１主電極領域と第２主電極領域を隔てている半導体領域もまた半導体基板の表面に臨んでいる。第１主電極領域と第２主電極領域を隔てている半導体領域が半導体基板の表面に望んでいる場合、高抵抗状態にある半導体領域を利用して第１主電極領域と第２主電極領域の間に大きな電圧が印加されている状態を維持する場合、半導体基板の表面において電界集中が発生しやすく、耐圧が破れやすい。例えば、ダイオードの第１主電極領域と第２主電極領域の間に逆方向の電圧が作用している状態で逆方向に電流が流れることを禁止している場合、半導体基板の表面において電界集中が発生してダイオードに逆方向の電流が流れてしまうことがある。あるいは、スイッチング素子のゲート電極にオフ電圧を印加しているにもかかわらず、半導体基板の表面において電界集中が発生して第１主電極領域と第２主電極領域の間が導通してしまうことがある。

そこで、半導体基板の表面における電界集中を緩和して半導体装置の耐圧を向上させる技術が開発された。その技術が特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載の半導体装置を、図５と図６に再掲する。図６は、図５のVI―VI線断面図である。図中の５３はＳＯＩ基板であり、Ｓｉ基板５１とＳｉＯ_２膜５２とＳｉ層５４の積層体で構成されている。図５と図６に示す半導体装置はダイオードであり、中心に形成されているカソード領域５６と、カソード領域５６から所定距離だけ離れた範囲を一巡しているアノード領域５５を備えている。図示の６３はカソード電極であり、５９はコンタクト領域であり、６２はアノード電極であり、５８はコンタクト領域である。

カソード電極６３にアノード電極６２より高電位が印加された場合、カソード領域５６とアノード領域５５を隔てている領域に存在しているＳｉ層５４が絶縁体となり、カソード電極６３からアノード電極６２に電流が流れることを阻止する。その際には、カソード領域５６とアノード領域５５を隔てているＳｉ層５４に電位分布が発生する。その電位分布によって、カソード領域５６とアノード領域５５を隔てているＳｉ層５４の表面において電界集中が発生しやすい。Ｓｉ層５４の表面で生じた電界集中によって、カソード電極６３からアノード電極６２に電流が流れてしまうことがある。Ｓｉ層５４の表面で生じる電界集中がダイオードの耐圧を低下させる。

そこで、図５と図６の半導体装置では、カソード領域５６とアノード領域５５を隔てているＳｉ層５４の表面を覆っているフィールド絶縁膜６０の表面に、高抵抗性のフィールドプレート６１を配置している。なお、参照番号６４は、層間絶縁膜である。

図５に示すように、フィールドプレート６１は、内側円板領域６１ａと、外側環状領域６１ｃと、螺旋領域６１ｂで構成されている。内側円板領域６１ａは、カソード電極６３に導通し、外側環状領域６１ｃはアノード電極６２に導通し、螺旋領域６１ｂの内側端は内側円板領域６１ａに導通し、螺旋領域６１ｂの外側端は外側環状領域６１ｃに導通している。フィールドプレート６１は導電性のポリシリコンで形成されている。

カソード電極６３にアノード電極６２より高電位が印加された場合、フィールドプレート６１にも電流が流れる。フィールドプレート６１は細くて長い螺旋領域６１ｂを備えていることから高抵抗であり、フィールドプレート６１に流れる電流は微弱なものである。微弱でも電流が流れることから、螺旋領域６１ｂでは電位分布が生じる。

図５と図６の半導体装置では、カソード電極６３にアノード電極６２より高電位が印加された場合に、フィールド絶縁膜６０の表面と裏面において電位分布が生じる。カソード電極６３にアノード電極６２より高電位が印加された場合に、フィールド絶縁膜６０の裏面では、カソード領域５６側で高電位であり、アノード領域５５側で低電位な電位分布が生じる。同様に、フィールド絶縁膜６０の表面では、フィールドプレート６１によって、カソード電極６３側で高電位であり、アノード電極６２側で低電位な電位分布が生じる。フィールド絶縁膜６０の表面と裏面に、類似する電位分布が加えられる。フィールド絶縁膜６０の表面と裏面に類似する電位分布が加えられると、Ｓｉ層５４の表面に生じる電界集中が緩和される。フィールドプレート６１を利用すると、半導体装置の耐圧低下が抑制される。

特開２００５−５４４３号公報

図５と図６の場合、フィールド絶縁膜６０の表面と裏面に類似する電位分布が加えられるものの、その類似の程度が低い。そのためにフィールドプレート６１による耐圧低下の防止効果が十分に利用されない。
カソード電極６３にアノード電極６２より高電位が印加された場合、カソード領域５６とアノード領域５５を隔てている領域に存在しているＳｉ層５４の生じる電位分布は、カソード領域５６からの距離に比例して低下する電位となる。図６の直線６８は、Ｓｉ層５４の表面に生じる電位分布を示している。
フィールドプレート６１の螺旋領域６１ｂに生じる電位分布は、内側端からの旋回長さに比例して低下する電位となる。図５から明らかに、螺旋領域６１ｂは、アルキメデスの螺旋であり、線間間隔ｄが一様である。アルキメデスの螺旋の場合、角度が２πだけ変化して中心から半径方向に測定した距離が線間間隔ｄだけ変化するのに要する旋回長さは、螺旋内の位置によって変化する。例えば、ポイントｂ１からｂ２までの半径方向の距離も線間間隔ｄであり、ポイントｂ３からｂ４までの半径方向の距離も線間間隔ｄであるのに対し、ポイントｂ１からｂ２までの旋回長さよりもポイントｂ３からｂ４までの旋回長さの方が長い。従って、ポイントｂ１とｂ２間の電位差に比して、ポイントｂ３とｂ４間の電位差が大きい。同じ半径方向の距離であっても、外側端に近づくほど、旋回長さは長くなり、電圧降下幅（電位差）は大きくなる。図６のカーブ６９は、フィールドプレート６１よってフィールド絶縁膜６０の表面に生じる電位分布を示している。
明らかに、フィールド絶縁膜６０の裏面に生じる電位分布６８と表面に生じる電位分布６９は、ずれている。

本発明では、フィールド絶縁膜の裏面に生じる電位分布と、フィールド絶縁膜の表面に生じる電位分布をよりよく一致させる技術を提案する。よりよく一致すれば、電界集中がよりよく緩和され、フィールドプレートによる耐圧低下防止効果がよりよく発揮される。

本発明の半導体装置は、第１主電極領域と、第２主電極領域と、第１主電極領域と第２主電極領域を隔てている領域に形成されている半導体領域と、半導体領域の表面を覆っているフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜の表面に形成されているフィールドプレートを備えている。第１主電極領域と第２主電極領域は、半導体基板の表面に臨む別の領域に形成されている。第１主電極領域と第２主電極領域は、カソードとアノード、アノードとカソード、エミッタとコレクタ、コレクタとエミッタ、ソースとドレイン、あるいはドレインとソース等である。
フィールドプレートは、内端が第１主電極領域に導通しているとともに外端が第２主電極領域に導通している螺旋形状であって、外端に接近するにつれて線間間隔が拡大する螺旋形状に形成されていることを特徴とする。すなわち線間間隔が一様なアルキメデス螺旋でなく、外端に接近するにつれて線間間隔が拡大する螺旋形状が採用されている。

螺旋の場合、角度が２πだけ変化する間の旋回長さは、螺旋内の位置によって変化し、外側端に接近するほど長くなる。アルキメデスの螺旋の場合、角度が２πだけ変化する間の旋回長さ／角度が２πだけ変化することによる半径方向距離（線間間隔）の値は、外側端に接近するにつれて増大する。分子の値は外側端に接近するにつれて増大するのに、分母の値は一定だからである。図６のカーブ６９に示すように、線間間隔で生じる電位差は外側端に近づくほど増大し、電位勾配は急なものとなる。
外側端に接近するにつれて線間間隔が拡大する螺旋形状を採用すると、角度が２πだけ変化する間の旋回長さ／角度が２πだけ変化することによる半径方向距離（線間間隔）の値が、螺旋内の位置によって変化しづらくなる。分子も分母も、外側端に接近するにつれて増大するからである。この結果、フィールドプレートによって得られる電位分布は、図６のカーブ６９に示すものから直線６８に示すものに近づく。
外側端に接近するにつれて線間間隔が拡大する螺旋形状を採用すると、第１主電極領域と第２主電極領域を隔てている半導体領域に生じる電位分布（フィールド絶縁膜の裏面に生じる電位分布）と、フィールドプレートによって得られる電位分布（フィールド絶縁膜の表面に生じる電位分布）がよく一致することになる。フィールドプレートによる耐圧低下の防止効果がよりよく発揮される。

フィールドプレートの螺旋形状が、線幅が一様な対数螺旋形状であることが好ましい。対数螺旋形状は自己相似形状であり、角度が２πだけ変化する間の旋回長さ／角度が２πだけ変化することによる半径方向距離（線間間隔）の値が、螺旋内の位置によって変わらない。すなわち、上記の分数の値が一定であり、フィールドプレートによって得られる電位分布は、図６の直線６８に一致する。フィールドプレートによる耐圧低下防止効果がよりよく発揮される。

フィールドプレートが、中心を共有する複数本の対数螺旋形状で形成されていることがさらに好ましい。半径方向に観測した場合に、フィールドプレートとフィールドプレートの間隔を狭めることができ、製造プロセスのロバスト性を高めることができる。

本明細書に開示されている技術によると、フィールドプレートによる耐圧低下防止効果を高めることができる。耐圧特性に優れた半導体装置を実現することができる。

実施例の半導体装置が用いる対数螺旋形状のフィールドプレートを示す。 図１の半導体装置の一部の断面図を示す。 図１の半導体装置の第１主電極と第２主電極の間に印加した電圧と電流の関係を示す。 第２実施例の半導体装置が用いる対数螺旋形状のフィールドプレートを示す。 従来の半導体装置が用いる螺旋形状のフィールドプレートを示す。 図５の半導体装置の一部の断面図を示す。

下記で説明する実施例の主要な特長を以下に例示する。
（特徴１）フィールドプレートの線幅と対数螺旋のピッチと対数螺旋の本数が、第１主電極と第２主電極の間に許容される電流値に基づいて選択されている。

図１は、第１実施例の半導体装置に用いるフィールドプレートを示している。図２は、図１の半導体装置の一部の断面図を示している。第１実施例の半導体装置は、フィールドプレートの形状以外は、図５と図６に図示した半導体装置と同じなので、重複記載と重複図示を省略する。なお参照番号１１はＳｉ基板、１２はＳｉＯ_２膜、１３はＳＯＩ基板、１４はＳｉ層、１５はアノード領域、１６はカソード領域、１８はコンタクト領域、１９もコンタクト領域、２０はフィールド絶縁膜、２１はフィールドプレート、２２はアノード電極、２３はカソード電極、２４は層間絶縁膜である。

図１に示すように、フィールドプレート２１は、内側円板領域２１ａと、外側環状領域２１ｃと、螺旋領域２１ｂで構成されている。内側円板領域２１ａはカソード電極２３に導通し、外側環状領域２１ｃはアノード電極２２に導通し、螺旋領域２１ｂの内側端は内側円板領域２１ａに導通し、螺旋領域２１ｂの外側端は外側環状領域２１ｃに導通している。螺旋領域２１ｂは、対数螺旋形状をしている。すなわち、ｒ＝ａ×ｅ^ｂθで現される形状をしている。フィールドプレート２１は導電性のポリシリコンで形成されている。ポリシリコンに代えて、金属等の導体を用いることもできる。対数螺旋形状をしているフィールドプレート２１のピッチと線幅は、カソード電極２３にアノード電極２２よりも高電位が印加された際に、カソード電極２３からアノード電極２２に向けて流れてもよい許容電流に基づいて選択されている。

対数螺旋形状は自己相似形状であり、角度が２πだけ変化する間の旋回長さ／角度が２πだけ変化することによる半径方向距離（線間間隔）の値は、螺旋内の位置によらないで一定である。すなわち、図１、図２に関して、下記の式が成立する。
ｆ１からｆ２までの旋回長さｅ１／ｆ１からｆ２までの直線距離ｒ１
＝ｆ２からｆ３までの旋回長さｅ２／ｆ２からｆ３までの直線距離ｒ２
＝ｆ３からｆ４までの旋回長さｅ３／ｆ３からｆ４までの直線距離ｒ３
＝ｆ４からｆ５までの旋回長さｅ４／ｆ４からｆ５までの直線距離ｒ４。
フィールドプレート２１の線幅は一様であるから、電圧降下幅は旋回長さに比例する。したがって下記の式が成立する。
ｆ１とｆ２の電位差Δｖ１／ｆ１からｆ２までの直線距離ｒ１
＝ｆ２とｆ３の電位差Δｖ２／ｆ２からｆ３までの直線距離ｒ２
＝ｆ３とｆ４の電位差Δｖ３／ｆ３からｆ４までの直線距離ｒ３
＝ｆ４とｆ５の電位差Δｖ４／ｆ４からｆ５までの直線距離ｒ４。
以上の結果、半径方向の距離とフィールドプレート２１内の電位の関係は、図２のライン２８に示すように直線となる。図２のライン２８と、図６のライン６８は同一である。
フィールドプレート２１に対数螺旋形状を用いると、カソード領域（第１主電極領域）１６とアノード領域（第２主電極領域）１５を隔てている半導体領域１４に生じる電位分布（フィールド絶縁膜２０の裏面に生じる電位分布）と、フィールドプレート２１によって得られる電位分布（フィールド絶縁膜２０の表面に生じる電位分布）がよく一致することになる。フィールドプレート２１による耐圧低下防止効果が高められる。

図３は、横軸にカソード電極２３とアノード電極２２の電位差（ただしカソード電位＞アノード電位）をとり、縦軸にカソード電極２３からアノード電極２２に向けて流れる電流（いわゆる逆方向電流）の大きさをとったシミュレーション結果を示す。カソード電極２３とアノード電極２２の半径方向の間隔は５０μｍであり、螺旋の線幅は２μｍである。図３の正方形は、フィールドプレートに、線間間隔が３μｍのアルキメデス螺旋を用いた従来の半導体装置での測定結果を示し、８１４ボルトで耐圧が破れて逆方向電流が流れたことを示している。菱形は、フィールドプレートに対数螺旋を用いた実施例の半導体装置での測定結果を示し、９２１ボルトまで耐圧することを示している。
実際に、フィールドプレートに対数螺旋を用いると、半導体領域１４の表面における電界集中が緩和されることも確認される。

図４は、内側円板領域３１ａと外側環状領域３１ｃの間に、６本の対数螺旋形状３１ｂ１，３１ｂ２，３１ｂ３，３１ｂ４，３１ｂ５，３１ｂ６を配置したフィールドプレートを示している。６本の対数螺旋形状３１ｂ１〜３１ｂ６の中心位置は共通である。６本の対数螺旋形状３１ｂ１〜３１ｂ６の内側円板領域３１ａとの接続点は、６０度ずつずれている。
上記によると、第１主電極と第２主電極を接続するフィールドプレートの抵抗を下げることができる。複数本の対数螺旋を用いると、本数、ピッチ、線幅等の選択条件が緩和され、最適値に調整しやすい。

１本の螺旋を用いる場合、局所的な膜質の不均質性等の影響を受けやすい。複数本の対数螺旋を用いると、局所的な膜質の不均質性等の影響を受けにくい。複数本の対数螺旋を用いると、フィールドプレートの製造条件に関するロバスト性が向上する。管理条件が緩和される。

上記では、アノード領域（第２主電極領域）が円環状であり、対数螺旋形状の外側に配置されている外側環状領域が円環状である場合について説明した。第２主電極領域は、円環状でなく、例えば正六角形の辺に沿って伸びている形状であってもよい。この場合、複数個の半導体装置を同一基板内に最密に充填することができる。
上記では、第１主電極領域がカソード領域であり、第２主電力領域がアノード領域である場合を例示したが、第１主電極領域と第２誌電力領域は、カソード領域とアノード領域の組み合わせに限られず、エミッタ領域とコレクタ領域の組み合わせ、あるいはソース領域とドレイン領域に組み合わせであってもよい。なお、ＭＯＳの場合、半導体の構造によってはソース領域とドレイン領域が決まらず、通電方向によって第１主電極領域がソース領域となったりドレイン領域となったりする。本発明は、第１主電極領域に第２主電極領域よりも高い電圧が印加された状態で第１主電極領域と第２主電極領域の間を絶縁状態に維持する必要のある半導体装置に対して適用することができる。

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み合わ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み合わ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するものであり、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。
また下記に記載する特許請求の範囲の技術的範囲は、実施例に限定されない。実施例はあくまで実施例を例示するものである。

１１：Ｓｉ基板
１２：ＳｉＯ_２膜
１３：ＳＯＩ基板
１４：Ｓｉ層
１５：アノード領域
１６：カソード領域
１８：コンタクト領域
１９：コンタクト領域
２０：フィールド絶縁膜
２１：フィールドプレート
２１ａ：内側円板領域
２１ｂ：螺旋領域
２１ｃ：外側環状領域
２２：アノード電極
２３：カソード電極
２４：層間絶縁膜

Claims (3)

1. 半導体基板の表面に臨む領域に形成されている第１主電極領域と、
   半導体基板の表面に臨む他の領域に形成されている第２主電極領域と、
   第１主電極領域と第２主電極領域を隔てている領域に形成されている半導体領域と、
   半導体領域の表面を覆っているフィールド絶縁膜と、
   フィールド絶縁膜の表面に形成されているフィールドプレートを備えており、
   フィールドプレートは、内端が第１主電極領域に導通しているとともに外端が第２主電極領域に導通している螺旋形状であって、外端に接近するにつれて線間間隔が拡大する螺旋形状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記螺旋形状が、線幅が一様な対数螺旋形状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記フィールドプレートが、中心を共有する複数本の対数螺旋形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。

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