JP2015176992A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで低オン抵抗を実現させた半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも不純物濃度が高く、選択的に設けられたシリサイド層を有する第１導電形の第２半導体領域と、前記第１半導体領域と前記第２電極との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
ｐｉｎダイオードにおいては、アノード側から注入される正孔の量と、カソード側から注入される電子の量とがつり合わないと、アノード側からカソード側に向かう方向において、平坦なキャリア濃度分布プロファイルが得られず、リカバリー速度が低下する場合がある。これに対して、どちらか一方の極側の半導体領域（ｐ形半導体領域またはｎ形半導体領域）を分離して注入されるキャリア量を抑え、双方の電極から注入されるキャリア量のバランスを取ることにより平坦なキャリア濃度分布プロファイルを得る方法がある。
しかし、この方法では、分離した半導体領域を形成するためのマスク層形成工程が必要になり、低コスト化を図ることができない。また、半導体領域を複数の領域に分離してしまうと、電流パスが減少してオン抵抗が上昇する可能性がある。
特表２００９−５０９３３９号公報
本発明が解決しようとする課題は、リカバリ速度の向上とオン抵抗を低減させることができる半導体装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも不純物濃度が高く、選択的に設けられたシリサイド層を有する第１導電形の第２半導体領域と、前記第１半導体領域と前記第２電極との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、を備える。
図１（ａ）は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図であり、図１（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。 図２は、第１実施形態に係るシリサイド層を形成する方法を表す模式的断面図である。 図３（ａ）は、第１参考例に係る半導体装置の作用を表す模式的断面図であり、図３（ｂ）は、第２参考例に係る半導体装置の作用を表す模式的断面図である。 図４は、第１実施形態に係る半導体装置の作用を表す模式的断面図である。 図５は、第２実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図であり、図１（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。
ここで、図１（ａ）には、図１（ｂ）のＡ−Ａ’線における断面が表されている。
半導体装置１は、上下電極構造のｐｉｎダイオードである。
半導体装置１は、カソード電極１０（第１電極）と、アノード電極１１（第２電極）と、を備える。カソード電極１０とアノード電極１１との間には、ｎ−形の半導体領域２０（第１半導体領域）が設けられている。半導体領域２０は、ｐｉｎダイオードのｉ領域に相当する。カソード電極１０と半導体領域２０との間には、ｎ＋形の半導体領域２１（第２半導体領域）が設けられている。半導体領域２１の不純物濃度は、半導体領域２０の不純物濃度よりも高い。半導体領域２１は、カソード電極１０に接している。
半導体領域２１は、カソード電極１０側に複数のシリサイド層２１ｓを有している。複数のシリサイド層２１ｓは、カソード電極１０からアノード電極１１に向かう方向（Ｚ方向）に交差する方向（Ｙ方向）に並んでいる。複数のシリサイド層２１ｓは、カソード電極１０にオーミック接触している。半導体領域２１がカソード電極１０に直接する部分は、必ずしもオーミック接触である必要はない。例えば、複数のシリサイド層２１ｓとカソード電極１０との間の接触抵抗は、半導体領域２１とカソード電極１０との間の接触抵抗に比べて低くなっている。
半導体領域２０とアノード電極１１との間には、ｐ＋形の半導体領域３０（第３半導体領域）が設けられている。半導体領域３０は複数の領域３０ａからなり、複数の領域３０ａのそれぞれは、Ｙ方向において並んでいる。半導体領域３０およびシリサイド層２１ｓは、Ｚ方向とＹ方向とに交差するＸ方向に延在している（図１（ｂ））。
図２は、第１実施形態に係るシリサイド層を形成する方法を表す模式的断面図である。
複数のシリサイド層２１ｓは、カソード電極１０と半導体領域２１との接合部２８へのレーザ照射によって形成される。局所的にレーザによって照射される接合部２８の場所がレーザ加熱によって、半導体領域２１のシリコン成分がカソード電極１０との金属成分と反応する。これにより、シリサイド層２１ｓが形成される。
なお、実施形態において、ｎ＋形、ｎ形およびｎ−形については、第１導電形、ｐ＋形、およびｐ形については、第２導電形と、称してもよい。ここで、ｎ＋形、ｎ形、ｎ−形の順、およびｐ＋形、ｐ形の順に、不純物濃度が低くなることを意味している。
上述した「不純物濃度」とは、半導体材料の導電性に寄与する不純物元素の実効的な濃度をいう。例えば、半導体材料にドナーとなる不純物元素とアクセプタとなる不純物元素とが含有されている場合には、活性化した不純物元素のうち、ドナーとアクセプタとの相殺分を除いた濃度を不純物濃度とする。
半導体領域２０、半導体領域２１、および半導体領域３０のそれぞれの主成分は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素（Ｓｉ）等である。
半導体装置１の半導体材が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分とするとき、第１導電形の不純物元素としては、例えば、窒素（Ｎ）等が適用される。第２導電形の不純物元素としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等が適用される。
半導体装置１の半導体材が、ケイ素（Ｓｉ）を主成分とするとき、第１導電形の不純物元素としては、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等が適用される。第２導電形の不純物元素としては、例えば、ホウ素（Ｂ）等が適用される。
カソード電極１０およびアノード電極１１の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の群から選ばれる少なくとも１つを含む金属である。これらの金属については、積層構造であってもよい。
また、シリサイド層２１ｓは、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の群から選ばれる少なくとも１つの金属をシリサイド化した層である。
半導体装置１の作用を説明する前に、参考例に係る半導体装置の作用について説明する。
図３（ａ）は、第１参考例に係る半導体装置の作用を表す模式的断面図であり、図３（ｂ）は、第２参考例に係る半導体装置の作用を表す模式的断面図である。
図３（ａ）に表す半導体装置１００では、アニール処理によって、半導体領域２１の全域がカソード電極１０にオーミック接触している。半導体装置１００において、アノード電極１１とカソード電極１０との間に、アノード電極１１がカソード電極１０よりも電位が高くなる順バイアス電圧を印加する。この場合、半導体装置１００は、アノード電極１１からは正孔が半導体領域２０に注入され、カソード電極１０からは電子が半導体領域２０に注入されるバイポーラ動作をする。
半導体装置１００では、半導体領域２１の全域がカソード電極１０にオーミック接触している。このような構造では、図３（ａ）の右図に示すキャリア濃度プロファイルのように、アノード側から注入される正孔の量と、カソード側から注入される電子の量とがつり合わず（正孔量＜電子量）、平坦なキャリア濃度分布プロファイルが得られない場合がある。これにより、半導体装置１００がターンオン状態からターンオフ状態に移行した後のリカバリー動作時には、半導体装置内に残存したキャリアが双方の電極に効率よく排出されず、リカバリー速度が低下する場合がある。
これを防止するため、図３（ｂ）に表す半導体装置１０１では、半導体領域２１がＹ方向において分離されている。このような構造であれば、半導体領域２１の容積が図３（ａ）に比べて減少したので、カソード側からの電子注入が抑制される。従って、図３（ａ）に比べれば、より平坦なキャリア濃度分布プロファイルが得られると推測できる。
しかし、カソード電極１０から注入される電子（ｅ）は、電子にとって最もポテンシャルの低い半導体領域２１に集中してから半導体領域２０に流れる。このため、ターンオン時には、抵抗が高くなる可能性がある。
図４は、第１実施形態に係る半導体装置の作用を表す模式的断面図である。
図４に表す半導体装置１において、アノード電極１１とカソード電極１０との間に、アノード電極１１がカソード電極１０よりも電位が高くなる順バイアス電圧を印加する。この場合、半導体装置１は、アノード電極１１からは正孔が半導体領域に注入され、カソード電極１０からは電子が半導体領域に注入されるバイポーラ動作をする。
半導体装置１では、カソード電極１０にオーミック接触する複数のシリサイド層２１ｓを分離させて半導体領域２１に配置している。このような構造であれば、オーミック接触する接合面積が図３（ａ）に比べて減少したので、カソード側からの電子注入が抑制される。従って、図３（ａ）に比べれば、より平坦なキャリア濃度分布プロファイルが得られると推測できる（図４右図）。これにより、より迅速なリカバリー速度が得られる。
また、カソード電極１０から注入される電子（ｅ）は、オーミック接触性の領域を経由した直後に、高濃度の半導体領域２１、すなわち、低抵抗の半導体領域２１に到達する。この低抵抗の半導体領域２１内では、電子がＸ方向およびＹ方向にも拡散し易く、その後に半導体領域２０に流れるため、ターンオン時における抵抗がより低くなる。すなわち、半導体装置１では、リカバリー速度がより速く、ターンオン時における抵抗がより低くなる。
なお、半導体装置１において、半導体領域２１とカソード電極１０とが直接接触する部分については、例えば、半導体装置１にサージ電流が流れた場合、このサージ電流が迅速に電極に排出できる程度のエネルギー障壁に調整することもできる。これにより、サージ電流による素子破壊が防止される。このエネルギー障壁の調整もレーザ照射によって調整することができる。
また、シリサイド層２１ｓの形成については、ＰＥＰ（Photo Engraving Process）工程を利用することもできる。例えば、半導体領域２１の裏面側に、ニッケル膜を選択的に形成した後、半導体領域２１とニッケル膜とを加熱して、半導体領域２１の裏面側にシリサイド層２１ｓを形成する方法である。第１実施形態では、この方法も実施形態に含む。
しかし、レーザ照射では、シリサイド層２１ｓを事後的に設計変更することもでき、設計の自由度が高い。例えば、シリサイド層２１ｓを、一旦形成しても、再びレーザ照射を行うことで、その幅を簡便に拡大させることができる。また、レーザ照射によれば、ＰＥＰ工程を要しない。従って、低コスト化が実現する。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
レーザ照射によって形成されるシリサイド層は、ダイオードのみならず、スイッチング素子にも適用される。
図５に表す半導体装置２は、上下電極構造のＩＧＢＴである。半導体装置２は、コレクタ電極１０（第１電極）と、エミッタ電極１１（第２電極）と、を備える。コレクタ電極１０とエミッタ電極１１との間には、ｎ−形のドリフト領域２０（第１半導体領域）が設けられている。コレクタ電極１０とドリフト領域２０との間には、ｎ＋形のコレクタ領域２１（第２半導体領域）が設けられている。コレクタ領域２１の不純物濃度は、ドリフト領域２０の不純物濃度よりも高い。
コレクタ電極１０とコレクタ領域２１との間には、ｐ＋形のコレクタ領域２２（第３半導体領域）が設けられている。コレクタ領域２２は、複数のシリサイド層２２ｓを有する。複数のシリサイド層２２ｓは、コレクタ電極１０に接しコレクタ電極１０からエミッタ電極１１に向かうＺ方向に交差するＹ方向に並んでいる。複数のシリサイド層２２ｓとコレクタ電極１０との間の接触抵抗は、コレクタ領域２２とコレクタ電極１０との間の接触抵抗に比べて低い。
ドリフト領域２０とエミッタ電極１１との間には、ｐ形のベース領域３０（第４半導体領域）が設けられている。ベース領域３０の不純物濃度は、コレクタ領域２２の不純物濃度よりも低い。ベース領域３０とエミッタ電極１１との間には、ｎ＋形のエミッタ領域４０（第５半導体領域）が設けられている。エミッタ領域４０の不純物濃度は、ドリフト領域２０の不純物濃度よりも高い。また、エミッタ領域４０には、ｐ＋形のホール抜き領域３５が接している。
エミッタ領域４０、ベース領域３０、およびドリフト領域２０には、ゲート絶縁膜５１を介してゲート電極５０（第３電極）が接している。
半導体装置２においても、複数のシリサイド層２２ｓは、コレクタ電極１０とコレクタ領域２２との接合部へのレーザ照射によって形成される。
ドリフト領域２０、コレクタ領域２１、コレクタ領域２２、ベース領域３０、エミッタ領域４０、ホール抜き領域３５のそれぞれの主成分は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素（Ｓｉ）等である。
半導体装置２の半導体材が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分とするとき、第１導電形の不純物元素としては、例えば、窒素（Ｎ）等が適用される。第２導電形の不純物元素としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等が適用される。
半導体装置２の半導体材が、ケイ素（Ｓｉ）を主成分とするとき、第１導電形の不純物元素としては、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等が適用される。第２導電形の不純物元素としては、例えば、ホウ素（Ｂ）等が適用される。
コレクタ電極１０およびエミッタ電極１１の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の群から選ばれる少なくとも１つを含む金属である。これらの金属については、積層構造であってもよい。
また、シリサイド層２２ｓは、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の群から選ばれる少なくとも１つの金属をシリサイド化した層である。
ゲート電極５０は、不純物元素が導入されたポリシリコン、金属等を含む。また、実施形態において、絶縁膜とは、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）等を含む絶縁膜である。
半導体装置２において、コレクタ電極１０とエミッタ電極１１との間に、コレクタ電極１０がエミッタ電極１１よりも電位が高くなるように電圧を印加する。そして、ゲート電極５０に閾値電位以上の電位を供給し、ゲート絶縁膜５１に沿ってベース領域３０にチャネルを形成する。すなわち、半導体装置２をオン状態にする。
この場合、半導体装置２では、コレクタ電極１０からは正孔がドリフト領域２０に注入され、エミッタ電極１１からはチャネルを経由して電子がドリフト領域２０に注入されるバイポーラ動作をする。
半導体装置２では、コレクタ電極１０にオーミック接触する複数のシリサイド層２２ｓを分離させてコレクタ領域２２に配置している。このような構造であれば、オーミック接触する接合面積は、半導体装置１と同様に減少するので、コレクタ側からの正孔注入が抑制される。従って、平坦なキャリア濃度分布プロファイルが得られると推測できる。これにより、より迅速なスイッチング速度が得られる。
また、コレクタ電極１０から注入される電子（ｅ）は、オーミック接触性の領域を経由した直後に、高濃度、すなわち、低抵抗のコレクタ領域２２に到達する。この低抵抗のコレクタ領域２２内では、正孔がＸ方向およびＹ方向にも拡散し易く、その拡散を経てからドリフト領域２０に流れるため、オン時における抵抗がより低くなる。すなわち、半導体装置２では、スイッチング速度がより速く、オン時における抵抗がより低くなる。
上記の実施形態では、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」と表現された場合の「の上に」とは、部位Ａが部位Ｂに接触して、部位Ａが部位Ｂの上に設けられている場合の他に、部位Ａが部位Ｂに接触せず、部位Ａが部位Ｂの上方に設けられている場合との意味で用いられる場合がある。また、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」は、部位Ａと部位Ｂとを反転させて部位Ａが部位Ｂの下に位置した場合や、部位Ａと部位Ｂとが横に並んだ場合にも適用される場合がある。これは、実施形態に係る半導体装置を回転しても、回転前後において半導体装置の構造は変わらないからである。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、２、１００、１０１ 半導体装置、 １０ カソード電極、コレクタ電極、 １１ アノード電極、エミッタ電極、 ２０ 半導体領域、ドリフト領域、 ２１ 半導体領域、コレクタ領域、 ２１ｓ シリサイド層、 ２２ コレクタ領域、 ２２ｓ シリサイド層、 ２８ 接合部、 ３０ 半導体領域、ベース領域、 ３０ａ 領域、 ３５ ホール抜き領域、 ４０ エミッタ領域、 ５０ ゲート電極、 ５１ ゲート絶縁膜

Claims (9)

  1. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
    前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも不純物濃度が高く、選択的に設けられたシリサイド層を有する第１導電形の第２半導体領域と、
    前記第１半導体領域と前記第２電極との間に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記シリサイド層と前記第１電極との間の接触抵抗は、前記第２半導体領域と前記第１電極との間の接触抵抗に比べて低い請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第３半導体領域は複数の領域からなり、前記複数の領域のそれぞれは、前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に交差する方向において並んでいる請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記シリサイド層は複数個あり、それぞれの前記シリサイド層が前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に交差する方向に並んでいる請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
  5. 前記シリサイド層を、前記第１電極と前記第２半導体領域との接合部へのレーザ照射によって形成する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
  6. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１導電形の第１半導体領域と、
    前記第１電極と前記第１半導体領域との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも不純物濃度が高い第１導電形の第２半導体領域と、
    前記第１電極と第２半導体領域との間に設けられ、選択的に設けられたシリサイド層を有する第２導電形の第３半導体領域と、
    前記第１半導体領域と前記第２電極との間に設けられ、前記第３半導体領域よりも不純物濃度が低い第２導電形の第４半導体領域と、
    前記第４半導体領域と前記第２電極との間に設けられ、前記第１半導体領域よりも不純物濃度が高い第１導電形の第５半導体領域と、
    前記第５半導体領域、前記第４半導体領域、および前記第１半導体領域に絶縁膜を介して接する第３電極と、
    を備えた半導体装置。
  7. 前記シリサイド層と前記第１電極との間の接触抵抗は、前記第３半導体領域と前記第１電極との間の接触抵抗に比べて低い請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記シリサイド層を、前記第１電極と前記第３半導体領域との接合部へのレーザ照射によって形成する請求項６または７に記載の半導体装置。
  9. 前記シリサイド層は複数個あり、それぞれの前記シリサイド層が前記第１電極から前記第２電極に向かう方向に交差する方向に並んでいる請求項６〜８のいずれか１つに記載の半導体装置。
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