JP2016046416A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速・低損失であるだけでなく、耐圧および短絡耐量性能を高め、さらにソフトなスイッチング特性を有する半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置100のゲート絶縁膜11は、P+ベース層4の少なくとも一部に接する第1ゲート絶縁膜11aと、N-ドリフト層1の少なくとも一部に接する第2ゲート絶縁膜11bと、からなり、第2ゲート絶縁膜11bの厚さは第1ゲート絶縁膜11aの厚さよりも厚く、かつ第2ゲート絶縁膜11bは第1ゲート絶縁膜11aよりも半導体装置100の第1主面と平行方向に張り出している。また、N-ドリフト層1とP+ベース層4との界面から第1ゲート絶縁膜11aと第2ゲート絶縁膜11bとの境界までの距離は2μm以上5μm以下である。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置100のゲート絶縁膜11は、P+ベース層4の少なくとも一部に接する第1ゲート絶縁膜11aと、N-ドリフト層1の少なくとも一部に接する第2ゲート絶縁膜11bと、からなり、第2ゲート絶縁膜11bの厚さは第1ゲート絶縁膜11aの厚さよりも厚く、かつ第2ゲート絶縁膜11bは第1ゲート絶縁膜11aよりも半導体装置100の第1主面と平行方向に張り出している。また、N-ドリフト層1とP+ベース層4との界面から第1ゲート絶縁膜11aと第2ゲート絶縁膜11bとの境界までの距離は2μm以上5μm以下である。
【選択図】図1
Description
この発明は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等の半導体装置に関する。
電力用半導体装置として、600V、1200Vまたは1700V等の耐圧クラスのダイオードやIGBT等がある。近時、これらのデバイスの特性改善が進んでいる。電力用半導体装置は、高効率で省電力なコンバータ−インバータ等の電力変換装置に用いられており、回転モータやサーボモータの制御に不可欠である。
このような電力制御装置には、低損失で省電力であり、また高速、高効率であり、さらに環境に優しい、すなわち周囲に対して悪影響を及ぼさないという特性が要求されている。このような要求に対して、慣用の半導体基板(たとえばシリコンウエハ)の表面側領域を形成後に裏面側を研削等により薄くした後に、その研削面側から所定の濃度で元素をイオン注入し、熱処理をおこなう方法が公知である(たとえば、下記特許文献1参照)。
ここで、半導体装置の低損失化のためには、ターンオフ損失と導通損失(オン電圧)のトレードオフ関係を改善する必要がある。具体的には、表面ゲート構造をたとえばトレンチゲート構造にすることでトレードオフ関係が改善される。また、P+コレクタ層からN-ドリフト層への少数キャリアの注入を抑制し、N-ドリフト層のキャリア濃度を低下することで、トレードオフ関係が改善される。さらに、耐圧が減少しない程度に、N-ドリフト層を薄くすることでもトレードオフ関係が改善される。
たとえば、トレンチゲート構造の半導体装置において、エミッタ側のキャリア濃度を増加させた構造が提案されている(たとえば、下記特許文献2参照)。この構造の半導体装置は、トレンチピッチを微細にすることによって、トレンチゲート構造でありながら平面PN接合の理想耐圧値の90%以上の耐圧を有する。さらに、この構造の半導体装置は、フローティング領域をなくしてゲート−コレクタ間容量を小さくすることで、ターンオン電流の増加率のゲート制御性を向上させている。このため、低損失なだけでなく、リンギングを抑制して低EMIノイズ化を達成している。
また、トレンチ内に厚さの異なるゲート絶縁膜を形成した半導体装置や(たとえば、下記特許文献3および4参照)、チャネル領域の下部に同領域より厚いゲート絶縁膜を形成した半導体装置が提案されている(たとえば、特許文献5および非特許文献1参照)。非特許文献1の半導体装置は、トレンチ底部がN+層に接しており、N-ドリフト層がトレンチゲートで完全に挟まれている。
ピー・モークン(P.Mocns)他7名、「Record−low on−Resistance for 0.35μm based integrated XtreMOS Transistors(レコード−ロー・オン−レジスタンス・フォー・0.35μm・ベースド・インテグレイティッド・XtreMOSトランジスタ)」、2007年、Proceedings of the 19th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs、p57−60
しかしながら、上述した特許文献2の半導体装置では、オフ時の電流阻止状態において、シリコン基板中の電界強度が最大になる箇所はトレンチ底部である。このため、キャリアの注入を促進させる効果を得るためにトレンチを深くすると、その分耐圧が減少するという問題点がある。また、ゲート−エミッタ間容量が増加するため飽和電流値が高くなり、その結果、短絡耐量が著しく低下するという問題点がある。また、トレンチ絶縁膜を厚くすると、閾値が増加してオン電圧が高くなる。したがって、オン電圧と耐圧の両方を向上させるには、セルピッチを小さくしなければならない。しかし、セルピッチを小さくするとセル密度が増加するため、この場合も飽和電流値が増加して短絡耐量が低下するという問題点がある。
また、上述した特許文献3の半導体装置では、ゲート絶縁膜の薄い部分と、その下の厚い部分とでトレンチ幅が同じである。したがって、厚い方の酸化膜をさらに厚くする必要がある場合、トレンチ幅を広くしなければならずセルピッチが増大する。セルピッチが増大すると、キャリアの注入を促進する効果が低くなりオン電圧が増加する他、電流阻止時の空乏層がピンチオフしにくくなり、耐圧が低下するという問題点がある。
また、上述した非特許文献1の半導体装置では、トレンチゲートの深さがN-ドリフト層の厚さよりも深くなっている。このような構造では、キャリアの実効的なパスがトレンチによって狭くなり、オン電圧が増加してしまう。この現象は、IGBTにおいてより顕著となる。また、トレンチ深さが100μmを超えるため、その形成は現段階の最新技術をもっても困難である。さらに、電流阻止状態において電界強度が最大となる箇所はトレンチ底部であるため、このように深いトレンチは素子耐圧を著しく低下させる。よって、非特許文献1の半導体装置では、オン電圧と耐圧、ターンオフ損失のいずれも向上させることが困難である。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、高速かつ低損失な半導体装置を提供することを目的とする。また、この発明は、耐圧の高い半導体装置を提供することを目的とする。また、この発明は、短絡耐量性能の高い半導体装置を提供することを目的とする。また、この発明は、ソフトなスイッチング特性を有する半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置は、第1導電型の半導体基体の第1主面側に形成された第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層よりも高濃度で、かつ前記第1半導体層の前記第1主面側表面層に選択的に設けられた第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層よりも高濃度で、かつ前記第2半導体層に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体層と、前記第1半導体層よりも高濃度で、かつ前記半導体基体の第2主面側で前記第1半導体層に接して設けられた第1導電型の第4半導体層と、前記第1半導体層よりも高濃度で、かつ前記第4半導体層に接して前記半導体基体の第2主面側表面層に設けられた第2導電型の第5半導体層と、前記第3半導体層の少なくとも一部に接触する第1電極と、前記第5半導体層の少なくとも一部に接触する第2電極と、前記第2半導体層および前記第3半導体層を貫通し、前記第1半導体層に達するトレンチ内に設けられたゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接するゲート電極とからなるトレンチゲート構造と、を備える半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜は、前記第2半導体層の少なくとも一部に接する第1ゲート絶縁膜と、前記第1半導体層の少なくとも一部に接する第2ゲート絶縁膜と、からなり、前記第2ゲート絶縁膜の厚さは前記第1ゲート絶縁膜の厚さよりも厚く、前記第2ゲート絶縁膜が設けられた部分における前記トレンチの幅は前記第1ゲート絶縁膜が設けられた部分における前記トレンチの幅よりも広く、前記トレンチの底面は、前記第1半導体層の内部に位置し、前記第2ゲート絶縁膜に接する前記ゲート電極の底部は、前記第2ゲート絶縁膜を挟んで底面が曲面状の前記トレンチ底部に沿って形成され、前記第1ゲート絶縁膜が設けられた部分から、前記第2ゲート絶縁膜が設けられた部分に至る遷移部の前記トレンチの側面は、前記第2半導体層の底面に対して斜めに傾いている半導体装置とする。
前記第5半導体層から、前記第2ゲート絶縁膜が設けられた前記トレンチ底部までの距離は、前記第1主面から、前記第2ゲート絶縁膜が設けられた前記トレンチ底部までの距離よりも長くてもよい。前記遷移部における前記ゲート電極の側面は、前記第2半導体層の底面に対して斜めに傾いていてもよい。
本発明にかかる半導体装置によれば、高速かつ低損失な半導体装置を得られるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置によれば、耐圧の高い半導体装置を得られるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置によれば、短絡耐量性能の高い半導体装置を得られるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置によれば、ソフトなスイッチング特性を有する半導体装置を得られるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下、実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、NまたはPを冠した半導体は、それぞれ電子、正孔が多数キャリアであることを意味する。N+やN-などのように、NやPに付す「+」または「−」は、それぞれそれらが付されていない半導体の不純物濃度よりも比較的高濃度または比較的低濃度であることを表す。また、以下の説明においては第1導電型をN型とし、第2導電型をP型としたが、本発明は第1導電型をP型とし、第2導電型をN型としても同様に成り立つ。
(実施の形態)(半導体装置の構造)
図1は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図2は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す斜視図である。半導体装置100は、半導体基板にN-ドリフト層1が設けられている。N-ドリフト層1のおもて面(第1主面)側には、P+ベース層4が設けられている。P+ベース層4の表面には、P+コンタクト層5およびN+エミッタ層6が選択的に設けられている。また、N-ドリフト層1の裏面(第2主面)側には、N+フィールドストップ層2が設けられている。N+フィールドストップ層2の表面には、P+コレクタ層3が設けられている。
図1は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図2は、実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す斜視図である。半導体装置100は、半導体基板にN-ドリフト層1が設けられている。N-ドリフト層1のおもて面(第1主面)側には、P+ベース層4が設けられている。P+ベース層4の表面には、P+コンタクト層5およびN+エミッタ層6が選択的に設けられている。また、N-ドリフト層1の裏面(第2主面)側には、N+フィールドストップ層2が設けられている。N+フィールドストップ層2の表面には、P+コレクタ層3が設けられている。
半導体基板の第1主面側には、N-ドリフト層1に至るトレンチT(T1,T2)が設けられている。トレンチTはその表面をゲート絶縁膜11(11a,11b)で覆われている。トレンチT内には、ゲート電極10としてN型の低抵抗ポリシリコンが充填されている。また、トレンチTの開口部には層間絶縁膜9が設けられている。
トレンチTは第1トレンチT1と第2トレンチT2の2段構造になっている。第1トレンチT1は、半導体装置の第1主面側に形成されている。第2トレンチT2は、第1トレンチT1よりも深い位置に形成されている。第2トレンチT2を覆う第2ゲート絶縁膜11bは、第1トレンチT1を覆う第1ゲート絶縁膜11aよりも厚くなっている。それによって、電位をゲート絶縁膜11の内部に取り込み、電圧阻止状態におけるトレンチ底部の電界強度を緩和することができる。また、トレンチTを2段構造にして、その深さを深くすることによって、キャリアの注入量を増やすことができる。なお、本実施の形態では、第1トレンチT1の深さをたとえば5μmとし、第1ゲート絶縁膜11aの厚さをたとえば0.1μmとし、第2トレンチT2の深さをたとえば3μm、5μmまたは10μmとし、第2ゲート絶縁膜11bの厚さをたとえば0.2〜2.0μmとした。また、P+ベース層4とN-ドリフト層1との界面から第1ゲート絶縁膜11aと第2ゲート絶縁膜11bとの境界までの距離をDとする。
また、半導体基板の第1主面側において、P+コンタクト層5、N+エミッタ層6、層間絶縁膜9の表面を覆うようにエミッタ電極8が設けられている。また、半導体基板の第2主面側において、P+コレクタ層3の表面にはコレクタ電極7が設けられている。なお、図2ではエミッタ電極8および層間絶縁膜9の図示は省略されている。
(半導体装置の製造プロセス)
つぎに、半導体装置100の製造プロセスについて説明する。半導体装置100は、半導体基板に標準的なトレンチゲート型MOSデバイスの形成工程によって、P+ベース層4、P+コンタクト層5、N+エミッタ層6、コレクタ電極7、エミッタ電極8、層間絶縁膜9、ゲート電極10、ゲート絶縁膜11を形成するが、ここでは、特にトレンチゲートの形成プロセスについて図示して詳細に説明する。
つぎに、半導体装置100の製造プロセスについて説明する。半導体装置100は、半導体基板に標準的なトレンチゲート型MOSデバイスの形成工程によって、P+ベース層4、P+コンタクト層5、N+エミッタ層6、コレクタ電極7、エミッタ電極8、層間絶縁膜9、ゲート電極10、ゲート絶縁膜11を形成するが、ここでは、特にトレンチゲートの形成プロセスについて図示して詳細に説明する。
図3〜図10は、実施の形態にかかる半導体装置の製造プロセスを示す図である。以下、一例として、図1に例示した寸法の半導体装置(耐圧:1200Vクラス、定格電流:75A)を製造する場合について説明する。まず、図3に示すように、半導体基板として、比抵抗が40〜80Ωcm、たとえば60Ωcmの、径が6インチのN型FZウエハ20を用意して、FZウエハ20の第1主面に酸化膜のマスク21を形成する。そして、図4に示すように、エッチングによってFZウエハ20にたとえば深さ5μmの第1トレンチT1を形成する。
つぎに、図5に示すように、トレンチT1の内面およびマスク21の表面にたとえば厚さ0.1μmの第1酸化膜22を形成する。この第1酸化膜22は、第1ゲート絶縁膜11a(図1参照)となる。つづいて、図6に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)によって、第1酸化膜22の表面にたとえば厚さ0.3μmの窒化膜23を成長させる。そして、図示しないレジストを用いて第1トレンチT1底部のみを開口するようマスキングをおこなった上でドライエッチングをおこない、第1トレンチT1底部の第1酸化膜22および窒化膜23を除去する。
つづいて、レジストを除去して、残った窒化膜23をマスクとして2回目のエッチングをおこない、図7に示すように第1トレンチT1の底部に第2トレンチT2を形成する。ここで、第2トレンチT2の深さは、たとえば3μm、5μmまたは10μmとする。つぎに、図8に示すように、第2トレンチT2の内面に第2酸化膜24を形成する。この第2酸化膜24は、第2ゲート絶縁膜11b(図1参照)となる。第2酸化膜24の厚さは、第1酸化膜22よりも厚く、たとえば0.2〜2.0μmのいずれかであるとよい。このとき、第1酸化膜22は、窒化膜23に覆われているために成長しない。つまり、第2酸化膜24の形成時に第1酸化膜22は厚くならない。そして、図9に示すように窒化膜23を除去し、さらにマスク21を除去する。次いで、図10に示すように、第1トレンチT1および第2トレンチT2内にN型にドープされた低抵抗ポリシリコン25を堆積してエッチバックする。
このようにトレンチ構造部を形成した後、FZウエハ20の第1主面にP+ベース層4、P+コンタクト層5、N+エミッタ層6を形成する。その後、FZウエハ20の第2主面に対して研削やウェットエッチングをおこない、FZウエハ20を所定の厚さにする。1200Vクラスの場合、この段階でのFZウエハ20の厚さは、典型的には100〜160μmである。本実施の形態では、この段階でのFZウエハ20の厚さは、たとえば140μmである。
つづいて、FZウエハ20の第2主面に対して、プロトン(H+)を照射する。その際、加速電圧は、たとえば1MeVであり、プロトンのドーズ量は、たとえば1×1014atoms/cm2である。そして、FZウエハ20の第2主面にボロンイオン(B+またはBF2)をイオン注入する。その際、加速電圧は、たとえば50keVであり、ドーズ量は、たとえば1×1013atoms/cm2である。そして、FZウエハ20の第2主面に対して、YAG2ωレーザ(波長:532nm)とGaAs系の半導体レーザ(波長:808nm)を同時に照射する。レーザ光を照射する際のエネルギーは、たとえば、YAG2ωレーザが200mJ/cm2であり、半導体レーザが4000mJ/cm2である。
そして、プロトン照射でできた結晶欠陥を回復してN+フィールドストップ層2を形成する。また、ボロンを電気的に活性化してP+コレクタ層3を形成する。N+フィールドストップ層2の厚さは最大で16μmであり、ネットドーピング濃度は最大で1×1015atoms/cm3である。P+コレクタ層3の厚さは0.5μmであり、ネットドーピング濃度は最大で1×1017atoms/cm3である。その後、P+コレクタ層3の表面にポリイミド膜を、たとえば5μmの厚さで塗布して、パターニングすることで、図示しないエッジ領域にパッシベーション膜を形成する。最後に、P+コレクタ層3の表面に、アルミニウム、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)および金(Au)の順に金属を成膜してコレクタ電極7を形成し、図1および図2に示す半導体装置100が完成する。
(半導体装置の特性)
つぎに、半導体装置100の特性について説明する。図11は、半導体装置の耐圧と第2ゲート絶縁膜の厚さとの関係を示すグラフである。図11において、縦軸は半導体装置のブレークダウン電圧(V)であり、横軸は第2ゲート絶縁膜の厚さ(μm)である。また、図11は、実施の形態にかかる半導体装置100(以下、本発明の半導体装置という)の第2トレンチT2の深さ(TRD2)を3μm、5μm、10μmとした場合(第1トレンチT1の深さはいずれも5μm)について、それぞれの特性をプロットしている。また、比較のため、深さ(TRD)5μm、7μm、10μm、15μmのトレンチのみを設けた従来例の半導体装置について、それぞれの特性を示した。
つぎに、半導体装置100の特性について説明する。図11は、半導体装置の耐圧と第2ゲート絶縁膜の厚さとの関係を示すグラフである。図11において、縦軸は半導体装置のブレークダウン電圧(V)であり、横軸は第2ゲート絶縁膜の厚さ(μm)である。また、図11は、実施の形態にかかる半導体装置100(以下、本発明の半導体装置という)の第2トレンチT2の深さ(TRD2)を3μm、5μm、10μmとした場合(第1トレンチT1の深さはいずれも5μm)について、それぞれの特性をプロットしている。また、比較のため、深さ(TRD)5μm、7μm、10μm、15μmのトレンチのみを設けた従来例の半導体装置について、それぞれの特性を示した。
まず、従来例の半導体装置の場合、トレンチ深さが5μm(TRD=5μm)の時のブレークダウン電圧は1270V程度である。トレンチを深くすると(TRD=7μm、10μm、15μm)、ブレークダウン電圧は徐々に低下して、TRD=15μmのとき1200V程度となる。
一方、本発明の半導体装置の場合、第2トレンチT2の深さがいずれの場合においても(TRD2=3μm、5μm、10μm)、第2ゲート絶縁膜11bの厚さが1.0μm程度までは、従来例と比較してブレークダウン電圧が高くなっている。たとえば、第2トレンチT2の深さを10μmとすると、第1トレンチT1と第2トレンチT2の深さの合計は15μmとなるが、第2ゲート絶縁膜11bの厚さが1.0μmのときは従来例と比較してブレークダウン電圧が高くなっている。しかし、第2ゲート絶縁膜11bの厚さが約1.3μm以上になると、本発明の半導体装置のブレークダウン電圧は急激に低下して従来例よりも低くなっている。
つぎに、従来例の半導体装置と本発明の半導体装置の内部電界強度および静電ポテンシャル分布について説明する。図12−1は、従来例の半導体装置の内部電界強度分布を示す説明図であり、図12−2は、従来例の半導体装置の静電ポテンシャル分布を示す説明図である。図12−1および図12−2において、トレンチの深さは5μmである。また、ゲート電圧は0V、コレクタ−エミッタ間の電圧は1200Vである。縦軸はトレンチ開口部から深さ方向の距離(μm)であり、横軸はトレンチ開口部の中心からの距離(μm)である(以下、図15−2まで同じ)。
図12−2に示すように、従来例の半導体装置では、等電位線がトレンチ底部で曲がり、密に分布している。よって、図12−1に示すように、電界強度が最大となるのはトレンチ底部である。このため、従来例の半導体装置の耐圧は、トレンチ底部の電界強度で決まる。図11に示したように、従来例の半導体装置ではトレンチの深さを5μm、7μm、10μm、15μmと変化させても耐圧はおよそ50V程度しか変化しないが、これはトレンチ底部の電界強度が2.5×105V/cm以上と既に十分高い(図12−1参照)ためである。
図13−1は、第2トレンチを深さ(TDR2)5μm、第2ゲート絶縁膜を厚さ(TOX2)0.2μmで形成した半導体装置の内部電界強度分布を示す説明図であり、図13−2は、同半導体装置の静電ポテンシャル分布を示す説明図である。また、図14−1は、第2トレンチを深さ(TDR2)5μm、第2ゲート絶縁膜を厚さ(TOX2)0.5μmで形成した半導体装置の内部電界強度分布を示す説明図であり、図14−2は、同半導体装置の静電ポテンシャル分布を示す説明図である。図13−1に示すように、第2トレンチT2を設けた場合、トレンチ底部の最大電界強度が2.2×105V/cm程度まで低くなっている。なお、図13−1では、トレンチ底面の電界強度が2.0×105V/cm〜2.5×105V/cmの範囲では、0.1×105V/cm刻みに線を引いている。
さらに、第2ゲート絶縁膜11bの厚さを0.5μmに厚くすると、図14−1に示すように、トレンチ底部の高電界領域はゲート絶縁膜11内に吸収され、トレンチ底部の電界強度は1.8×105V/cm程度まで下がっている。なお、図14−1では、トレンチ底面の電界強度が1.5×105V/cm〜2.0×105V/cmの範囲では、0.1×105V/cm刻みに線を引いている。この場合、半導体装置の耐圧を、平面PN接合の理想値と同程度にすることができる。上述したように、従来の半導体装置では、トレンチを深くすると耐圧が減少してしまうが、本発明の半導体装置では、トレンチを深くすることによって耐圧を高めることが可能となる。
図15−1は、第2トレンチを深さ(TDR2)5μm、第2ゲート絶縁膜を厚さ(TOX2)1.3μmで形成した半導体装置の内部電界強度分布を示す説明図であり、図15−2は、同半導体装置の静電ポテンシャル分布を示す説明図である。図15では、第2ゲート絶縁膜11bがトレンチの幅よりも厚く成長しており、第2ゲート絶縁膜11bでトレンチ内部が埋められている。このため、第2トレンチT2内に低抵抗ポリシリコン(ゲート電極10)を埋め込むことができなくなっている。
第2トレンチT2内にポリシリコンが埋め込まれている場合、この領域がフィールドプレートの役割を果たし、等電位線はトレンチ底部に集中する。これは、シリコン酸化膜の比誘電率は3.9であり、シリコンの比誘電率11.9に対して約3分の1であるためである。一方、トレンチ内にポリシリコンが埋め込まれていないと、図15−2に示すように、等電位線がゲート絶縁膜の内部に引き寄せられ、その近傍のシリコンにも等電位線が集中し、電界強度が高くなる。この結果、空乏層がコレクタ側に十分広がる前に臨界電界強度(約2.5×105V/cm)に達し、低い電圧でアバランシェ倍増が生じる。図11に示したように第2ゲート絶縁膜11bの厚さが1.3μm程度以上となると半導体装置の耐圧が大きく低下するのはこのためである。
図16は、半導体装置のオン電圧と第2ゲート絶縁膜の厚さとの関係を示すグラフである。図16において、電流密度は150A/cm2である。縦軸は半導体装置のオン電圧(V)であり、横軸は第2ゲート絶縁膜の厚さ(μm)である。また、図16は、第2トレンチT2の深さ(TRD2)を3μm、5μm、10μmとした場合(第1トレンチT1の深さはいずれも5μm)について、それぞれの特性をプロットしている。また、比較のため、深さ(TRD)5μm、7μmのトレンチのみを設けた従来例の半導体装置について、それぞれの特性を示した。
図16に示すように、第2ゲート絶縁膜の厚さが0.7μm以下の場合、本発明の半導体装置のオン電圧は従来例の半導体装置よりも低くなっている。一方、第2ゲート絶縁膜の厚さが1.3μm以上となると、本発明の半導体装置のオン電圧は大幅に増加している。これは、上述のように、第2ゲート絶縁膜11bで第2トレンチT2内部が埋められて第2トレンチT2内にポリシリコンを埋め込むことができないためである。
図17〜図20は、半導体装置のオン状態における等電位分布を示す説明図である。図17は第2ゲート絶縁膜11bの厚さが0.2μmの半導体装置、図18は第2ゲート絶縁膜11bの厚さが1.2μmの半導体装置、図19は第2ゲート絶縁膜11bの厚さが1.3μmの半導体装置、図20は第2トレンチを設けない従来例の半導体装置である。図17および図18に示すように、第2ゲート絶縁膜11bの厚さが1.2μm以下の場合、第2トレンチT2内にポリシリコンが埋め込まれているので、フィールドプレート効果により、第2トレンチT2側面のシリコン部分の電圧降下は0.3V程度である。
一方、図19に示すように、第2ゲート絶縁膜11bの厚さが1.3μmの場合、第2トレンチT2内にはポリシリコンが埋め込まれていないので、フィールドプレート効果が得られず、誘電率が低い酸化膜の影響で等電位線が第2トレンチT2内部に引き寄せられている。このため、図19では第2トレンチT2側面のシリコン部分の電圧降下が0.4V近くまで増加している。なお、図20に示す従来例の半導体装置では、トレンチ下部(第2トレンチが形成される領域付近)の電圧降下は約0.12Vであり、図19に示すような電圧降下は生じていない。
図21は、半導体装置のコレクタ電流密度とコレクタ−エミッタ電圧との関係(I−Vカーブ)を示すグラフである。図21は、ゲート電圧15V(閾値7.2V)におけるオン状態のI−Vカーブである。また、縦軸はコレクタ電流密度(A/cm2)であり、横軸はコレクタ−エミッタ電圧(V)である。また、図21は、本発明の半導体装置において第2トレンチT2の深さ(TRD2)を10μm、第2ゲート絶縁膜11bの厚さ(TOX2)を0.2μmとした場合、および第2トレンチT2の深さ(TRD2)を10μm、第2ゲート絶縁膜11bの厚さ(TOX2)を1.2μmとした場合について、それぞれの特性を示している。また、比較のため、深さ(TRD)5μmのトレンチのみを設けた従来例の半導体装置の特性も示した。
図21において、本発明の半導体装置においてTOX2=0.2μmとした場合、コレクタ電流密度が150A/cm2のとき、従来例の半導体装置よりもコレクタ−エミッタ電圧が約0.2V低くなっている。また、本発明の半導体装置においてTOX2=0.2μmとした場合の方が、従来例の半導体装置よりも微分コンダクタンス(dI/dV)が小さくなっており、これにより飽和電流密度を低減することができる。たとえば、本発明の半導体装置においてTOX2=0.2μmとした場合の飽和電流密度は500A/cm2、従来例の半導体装置の飽和電流密度は800A/cm2である。このように、本発明の半導体装置は、オン電圧のみならず飽和電流密度も低くでき、短絡耐量も高くすることができる。
図22は、半導体装置内部のキャリア濃度分布を示すグラフである。図22において、縦軸はキャリア濃度(atoms/cm3)であり、横軸はエミッタ電極表面からの距離(μm)を示す。また、図22は、本発明の半導体装置において第1トレンチT1および第2トレンチT2の合計深さTsを10μm(第1トレンチ5μm、第2トレンチ5μm)とし、第2ゲート絶縁膜11bの厚さ(TOX2)を0.2μm、1.2μm、1.3μm、1.5μmとした場合について、それぞれの特性を示している。また、比較のため、深さ(TRD)5μmのトレンチのみを設けた従来例の半導体装置の特性も示した。本発明の半導体装置でTOX2=0.2μmとした場合、エミッタ電極側のキャリア濃度分布は従来例の半導体装置のおよそ1.6倍になっている。このように、エミッタ電極側のキャリア濃度分布を増加させることによって低オン電圧化を図ることができる。
ここで、P+ベース層4とN-ドリフト層1との界面から第1ゲート絶縁膜11aと第2ゲート絶縁膜11bとの境界までの距離をDとすると(図1参照)、深さDとオン電圧および耐圧との関係は、以下のようになる。図23は、深さDとオン電圧および耐圧との関係を示すグラフである。図23において、左縦軸はオン電圧(V)、右縦軸はブレークダウン電圧(V)、横軸は深さD(μm)である。まず、オン電圧は深さDが約2μmよりも浅くなると急激に増加する。これは、電子の蓄積層となるトレンチがN-ドリフト層1へ突き出す領域が短くなることで、チャネルからの電子注入の促進効果が弱まり、その結果、裏面からのホールの注入が減少してしまうことによる。一方、深さDが約5μmを超えると耐圧は減少する。これは、トレンチ底部の電界強度の緩和が弱くなり、アバランシェ倍増が低い電圧で生じるためである。以上から、深さDは2μm以上、5μm以下であることが望ましい。
図24〜図28は、半導体装置のターンオフ波形を示すグラフである。図24は、深さ(TRD)5μmのトレンチのみを設けた従来例の半導体装置のターンオフ波形、図25は、深さ(TRD)7μmのトレンチのみを設けた従来例の半導体装置のターンオフ波形、図26は本発明の半導体装置において第1トレンチT1および第2トレンチT2の合計深さTsを8μm(第1トレンチ5μm、第2トレンチ3μm)、第2ゲート絶縁膜11bの厚さを0.2μmとした半導体装置のターンオフ波形、図27はトレンチの合計深さTsを8μm(第1トレンチ5μm、第2トレンチ3μm)、第2ゲート絶縁膜11bの厚さを0.5μmとした半導体装置のターンオフ波形、図28はトレンチの合計深さTsを15μm(第1トレンチ5μm、第2トレンチ10μm)、第2ゲート絶縁膜11bの厚さを0.5μmとした半導体装置のターンオフ波形をそれぞれ示す。図24〜図28は、ゲート抵抗値Rgが2Ω、5Ω、10Ω、20Ωの場合について、それぞれ波形を示しており、電流密度は150A/cm2、コレクタ−エミッタ間電圧は600Vである。
図24と図25とを比較すると、図25ではストレージ時間がおよそ2倍となっている。このことから、従来例の半導体装置においてトレンチを深くすると、ミラー容量が増加することがわかる。一方、図24と図26とを比較すると、第2ゲート絶縁膜11bの厚さを0.2μmとした半導体装置は、従来例の半導体装置と比較してミラー容量が10%程度大きい。しかし、図27に示すように、第2ゲート絶縁膜11bの厚さを0.5μmと厚くすると、ミラー容量が低減し、ストレージ時間は従来例の半導体装置と同程度となる。また、図28に示すようにトレンチをさらに深くしても、ストレージ時間は短く、ミラー容量は小さいままである。このように、本発明の半導体装置は、ミラー容量を増加させることなく、オン電圧を小さくできる。また、トレンチの合計深さが8〜15μmであっても、十分耐圧を維持しながら低オン電圧を達成できる。
図29は、半導体装置のオン電圧とターンオフ損失とのトレードオフ特性を示すグラフである。図29は、本発明の半導体装置においてウエハ厚120μmで第2トレンチT2の深さ(TRD2)3μm、第2ゲート絶縁膜の厚さ(TOX2)0.2μmとした場合、ウエハ厚120μmでTRD2=5μm、TOX2=0.2μmとした場合、ウエハ厚120μmでTRD2=10μm、TOX2=0.2μmとした場合、ウエハ厚110μmでTRD2=3μm、TOX2=0.5μmとした場合、ウエハ厚110μmでTRD2=3μm、TOX2=0.2μmとした場合、また、従来例の半導体装置においてウエハ厚120μmで深さ(TRD)5μmのトレンチのみを設けた場合、ウエハ厚120μmでTRD=7μmのトレンチのみを設けた場合のトレードオフ特性をそれぞれ示している。
オン電圧とターンオフ損失とのトレードオフを改善するためには、N-ドリフト層1の厚さを薄くする必要があるが、N-ドリフト層1の厚さを薄くすると半導体装置の耐圧が低下してしまう。しかし、本発明の半導体装置では、従来例の半導体装置と比較して耐圧を向上させることができるので、N-ドリフト層1の厚さを薄くしても耐圧を維持することができる。図29に示すように、本発明の半導体装置では、ウエハの厚さを薄くしても耐圧を維持することができるので、同程度の耐圧の半導体装置と比較してターンオフ特性を20%以上低減することができる。
図30〜図33は、本発明の半導体装置の適用例を示す図である。図30および図31に示すコンバータ−インバータ回路は、効率良く誘導電動機やサーボモータ等を制御することが可能で、産業や電気鉄道等で広く用いられる。図30は、コンバータ部にダイオードを適用した例であり、図31は、コンバータ部にIGBTを適用した例である。インバータ部には共にIGBTを適用している。IGBTにはフリーホイリングダイオード(FWD)がそれぞれ並列に接続されている。
また、図32に示す力率改善回路(PFC回路)は、AC−AC変換の入力電流を正弦波状に制御して波形改善をはかる回路であり、スイッチング電源用に用いられる。図33の回路図は、マトリクスコンバータ回路の全体図およびマトリクスコンバータ回路のスイッチング部の構成を示している。
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、実施の形態中に記載した寸法や濃度、電圧値や電流値、温度や時間等の処理条件などの種々の値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力用半導体装置に有用であり、特に、IGBTモジュールに適している。
1 N-ドリフト層(第1半導体層)
2 N+フィールドストップ層(第4半導体層)
3 P+コレクタ層(第5半導体層)
4 P+ベース層(第2半導体層)
5 P+コンタクト層
6 N+エミッタ層(第3半導体層)
7 コレクタ電極(第2電極)
8 エミッタ電極(第1電極)
9 層間絶縁膜
10 ゲート電極(第3電極)
11 ゲート絶縁膜
11a 第1ゲート絶縁膜
11b 第2ゲート絶縁膜
100 半導体装置
2 N+フィールドストップ層(第4半導体層)
3 P+コレクタ層(第5半導体層)
4 P+ベース層(第2半導体層)
5 P+コンタクト層
6 N+エミッタ層(第3半導体層)
7 コレクタ電極(第2電極)
8 エミッタ電極(第1電極)
9 層間絶縁膜
10 ゲート電極(第3電極)
11 ゲート絶縁膜
11a 第1ゲート絶縁膜
11b 第2ゲート絶縁膜
100 半導体装置
Claims (3)
- 第1導電型の半導体基体の第1主面側に形成された第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層よりも高濃度で、かつ前記第1半導体層の前記第1主面側表面層に選択的に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層よりも高濃度で、かつ前記第2半導体層に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体層と、
前記第1半導体層よりも高濃度で、かつ前記半導体基体の第2主面側で前記第1半導体層に接して設けられた第1導電型の第4半導体層と、
前記第1半導体層よりも高濃度で、かつ前記第4半導体層に接して前記半導体基体の第2主面側表面層に設けられた第2導電型の第5半導体層と、
前記第3半導体層の少なくとも一部に接触する第1電極と、
前記第5半導体層の少なくとも一部に接触する第2電極と、
前記第2半導体層および前記第3半導体層を貫通し、前記第1半導体層に達するトレンチ内に設けられたゲート絶縁膜と当該ゲート絶縁膜に接するゲート電極とからなるトレンチゲート構造と、を備える半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記第2半導体層の少なくとも一部に接する第1ゲート絶縁膜と、前記第1半導体層の少なくとも一部に接する第2ゲート絶縁膜と、からなり、
前記第2ゲート絶縁膜の厚さは前記第1ゲート絶縁膜の厚さよりも厚く、
前記第2ゲート絶縁膜が設けられた部分における前記トレンチの幅は前記第1ゲート絶縁膜が設けられた部分における前記トレンチの幅よりも広く、
前記トレンチの底面は、前記第1半導体層の内部に位置し、
前記第2ゲート絶縁膜に接する前記ゲート電極の底部は、前記第2ゲート絶縁膜を挟んで底面が曲面状の前記トレンチ底部に沿って形成され、
前記第1ゲート絶縁膜が設けられた部分から、前記第2ゲート絶縁膜が設けられた部分に至る遷移部の前記トレンチの側面は、前記第2半導体層の底面に対して斜めに傾いていることを特徴とする半導体装置。 - 前記第5半導体層から、前記第2ゲート絶縁膜が設けられた前記トレンチ底部までの距離は、前記第1主面から、前記第2ゲート絶縁膜が設けられた前記トレンチ底部までの距離よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記遷移部における前記ゲート電極の側面は、前記第2半導体層の底面に対して斜めに傾いていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
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JP2014170388A Withdrawn JP2016046416A (ja) | 2014-08-25 | 2014-08-25 | 半導体装置 |
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-
2014
- 2014-08-25 JP JP2014170388A patent/JP2016046416A/ja not_active Withdrawn
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20160427 |