JP2016174030A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アバランシェ耐量の向上を可能とする半導体装置を提供する。【解決手段】SiCによるセル領域、ゲートパッド領域、セル端領域を備える。セル領域は、n+型ドレイン領域20と、nドリフト領域16と、pベース領域14と、nソース領域12と、pベース領域14内に設けられ、pベース領域14よりも濃度の高いpコンタクト領域18と、ゲート絶縁膜22と、セルゲート電極24と、ソース電極26と、ドレイン電極28と、を有する。ゲートパッド領域は、フィールド絶縁膜32と、p型不純物のピーク濃度が1×1018cm−3以上であるフィールド領域36と、を有する。セル端領域は、フィールド領域36に接続されるp型領域40と、p型領域40よりも濃度の高いp+型領域42と、p+型領域42に第2のコンタクト部Bで接するソース電極26と、を有する。第2のコントタクト部Bでソース電極26が接する面の全面がp型のSiC領域である。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
次世代の半導体デバイス用の材料としてSiC(炭化珪素)が期待されている。SiCはSi(シリコン)と比較して、バンドギャップが3倍、破壊電界強度が約10倍、および熱伝導率が約3倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば低損失かつ高温動作可能な半導体デバイスを実現することができる。
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の電極間にサージ電圧が印加されると、アバランシェ降伏が生じる。アバランシェ降伏が、例えば、セル領域以外の設計上予期せぬ箇所で生じるとデバイスの破壊につながる恐れがある。
SiCはSiと比較して、例えば、p型不純物領域のシート抵抗や、p型不純物領域へのコンタクト抵抗が高いという特殊性がある。デバイスのアバランシェ耐量を向上させる上でも、上記SiCの特殊性を考慮したデバイス設計が求められる。
特開2013−152981号公報
本発明が解決しようとする課題は、アバランシェ耐量の向上を可能とする半導体装置を提供することにある。
実施形態の半導体装置は、セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域と、前記セル領域と前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域との間のセル端領域を備える半導体装置であって、前記セル領域は、第1の面と第2の面を備えるSiC基板と、前記SiC基板内の前記第1の面に設けられたn型の第1のSiC領域と、前記第1のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたp型の第2のSiC領域と、前記第2のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたn型の第3のSiC領域と、前記第2のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第2のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第4のSiC領域と、前記第2のSiC領域上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、前記第1の面上に設けられ、前記第1のSiC領域及び前記第4のSiC領域に第1のコンタクト部で接する第1の電極と、第2の面上に設けられた第2の電極と、を有し、前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域は、前記第1の面上に設けられ、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いフィールド絶縁膜と、前記フィールド絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、前記第3のSiC領域と前記フィールド絶縁膜との間に設けられ、前記第1の面に接し、p型不純物のピーク濃度が1×1018cm−3以上であるp型の第5のSiC領域と、を有し、前記セル端領域は、前記第5のSiC領域に接続されるp型の第6のSiC領域と、前記第6のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第6のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第7のSiC領域と、前記第7のSiC領域に第2のコンタクト部で接する前記第1の電極と、を有し、前記第2のコントタクト部で前記第1の電極が接する前記第1の面の全面がp型のSiC領域である。
第1の実施形態の半導体装置の模式断面図。 比較形態の半導体装置の模式断面図。 第2の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第3の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第4の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第5の実施形態の半導体装置の模式断面図。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
また、以下の説明において、n、n、n及び、p、p、pの表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちnはnよりもn型の不純物濃度が相対的に高く、nはnよりもn型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、pはpよりもp型の不純物濃度が相対的に高く、pはpよりもp型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、n型、n型を単にn型、p型、p型を単にp型と記載する場合もある。
不純物濃度は、例えば、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定することが可能である。また、不純物濃度の相対的な高低は、例えば、SCM(Scanning Capacitance Microscopy)で求められるキャリア濃度の高低から判断することも可能である。
本明細書中、「SiC基板」とは、例えば、基板上にエピタキシャル成長により形成されたSiC層も含む概念である。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域と、セル領域とゲートパッド領域又はゲート配線領域との間のセル端領域を備える半導体装置であって、セル領域は、第1の面と第2の面を備えるSiC基板と、SiC基板内の第1の面に設けられたn型の第1のSiC領域と、第1のSiC領域と第2の面との間に設けられたp型の第2のSiC領域と、第2のSiC領域と第2の面との間に設けられたn型の第3のSiC領域と、第2のSiC領域内の第1の面に設けられ、第2のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第4のSiC領域と、第1の面の第2のSiC領域上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、第1の面上に設けられ、第1のSiC領域及び第4のSiC領域に第1のコンタクト部で接する第1の電極と、第2の面上に設けられた第2の電極と、を有し、ゲートパッド領域又はゲート配線領域は、第1の面上に設けられ、ゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、第3のSiC領域と、フィールド絶縁膜との間に設けられ、第1の面に接するp型の第5のSiC領域と、を有し、セル端領域は、第5のSiC領域に接続されるp型の第6のSiC領域と、第6のSiC領域内に設けられ、第6のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第7のSiC領域と、第7のSiC領域に第2のコンタクト部で接する第1の電極と、を有し、第2のコントタクト部で第1の電極が接する第1の面の全面がp型のSiC領域である。
図1は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置はMOSFETである。
MOSFET100は、SiC基板10を用いて形成されている。MOSFET100には、セル領域と、セル端領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域とが設けられている。
セル領域は、縦型のMOSFETのセルが複数規則的に配列される領域である。各セルの形状、配置は特に限定されるものではない。
ゲートパッド領域は、MOSFETの各セルのゲート電極に電圧を印加するための金属のパッド電極が形成された領域である。また、ゲート配線領域は、MOSFETの各セルのゲート電極に電圧を印加するための金属のゲート配線が形成された領域である。ゲート配線を用いて、MOSFETの各セルのゲート電極とパッド電極が接続される。ゲート配線領域は、ゲートフィンガー領域とも称される。ゲートパッド領域とゲート配線領域との層構造は、基本的に同様である。したがって、以下、ゲートパッド領域を例に説明する。
セル端領域は、セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域との間の領域である。セル領域内のMOSFETの各セルのゲート電極を、ゲートパッド領域又はゲート配線領域まで引き出すための構造が設けられる。
MOSFET100は、セル領域に、SiC基板10、n型のソース領域(第1のSiC領域)12、p型のベース領域(第2のSiC領域)14、n型のドリフト領域(第3のSiC領域)16、p型のコンタクト領域(第4のSiC領域)18、n型のドレイン領域20、ゲート絶縁膜22、セルゲート電極(第1のゲート電極)24、ソース電極(第1の電極)26、ドレイン電極(第2の電極)28、及び、層間絶縁膜30を備える。
また、ゲートパッド領域に、フィールド絶縁膜32、引き出しゲート電極(第2のゲート電極)34、p型のフィールドp領域(第5のSiC領域)36、ゲートパッド電極38を備える。
更に、セル端領域に、p型のセル端p領域(第6のSiC領域)40、及び、p型のセル端コンタクト領域(第7のSiC領域)42を備える。
SiC基板10は、第1の面と、第2の面とを備える。図1中、第1の面とはSiC基板10の上側の面である。また、図1中、第2の面とはSiC基板10の下側の面である。SiC基板10は、例えば、4H−SiC構造のSiCである。SiC基板10の厚さは、例えば、250μm以上500μm以下である。
型のソース領域(第1のSiC領域)12は、SiC基板10の第1の面に設けられる。n型のソース領域12は、n型不純物を含有する。n型不純物は、例えば、窒素(N)である。n型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1019cm−3以上5×1020cm−3以下である。n型のソース領域12の深さは、例えば、0.1μm以上0.3μm以下である。
p型のベース領域(第2のSiC領域)14は、n型のソース領域12と第2の面との間に設けられる。ベース領域14は、MOSFET100のチャネル領域として機能する。ベース領域14は、p型不純物を含有する。p型不純物は、例えば、アルミニウム(Al)である。p型不純物の不純物濃度は、ベース領域14の表面では、例えば、1×1016cm−3以上5×1017cm−3以下である。p型不純物の不純物濃度は、ピーク濃度では、例えば、1×1018cm−3以上1×1019cm−3以下である。ベース領域14の深さは、例えば、0.6μm以上1.0μm以下である。
型のドリフト領域(第3のSiC領域)16は、ベース領域14と第2の面との間に設けられる。ドリフト領域16は、n型不純物を含有する。n型不純物は、例えば、窒素(N)である。ドリフト領域16のn型不純物の不純物濃度、深さは、要求される素子耐圧によって異なる。例えば、1200V定格の素子として耐圧1400V〜1700Vを得ようとすれば、不純物濃度は7×1015以上1×1016cm−3以下程度である。また、この場合、ドリフト領域16の深さは、例えば、9μm以上11μm以下であることが望ましい。
型のコンタクト領域(第4のSiC領域)18は、ベース領域14内の第1の面に設けられる。コンタクト領域18は、ソース電極26のベース領域14へのコンタクト抵抗を低減する機能を備える。
コンタクト領域18は、p型不純物を含有する。コンタクト領域18は、p型のベース領域14よりもp型不純物濃度が高い。p型不純物は、例えば、アルミニウム(Al)である。p型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1019cm−3以上5×1020cm−3以下である。コンタクト領域18の深さは、例えば、0.1μm以上0.3μm以下である。
型のドレイン領域20は、SiC基板10の第2の面に設けられる。ドレイン領域20は、n型不純物を含有する。n型不純物は、例えば、窒素(N)である。n型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1018以上1×1020cm−3以下である。ドレイン領域20の厚さは、例えば、100μm以上500μm以下である。
ゲート絶縁膜22は、SiC基板10の第1の面上に設けられる。ゲート絶縁膜22は、p型のベース領域14上に設けられる。ゲート絶縁膜22は、例えば、シリコン酸化膜である。
セルゲート電極(第1のゲート電極)24は、ゲート絶縁膜22上に設けられる。セルゲート電極24は、例えば、不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。
層間絶縁膜30は、セルゲート電極24上に設けられる。層間絶縁膜30は、例えば、シリコン酸化膜である。
ソース電極(第1の電極)26は、SiC基板10の第1の面側に設けられる。ソース電極26は、層間絶縁膜30上に設けられる。ソース電極26は、セル領域の第1のコンタクト部Aで、ソース領域12とコンタクト領域18に同時に接する。
ソース電極26は、例えば、金属である。ソース電極26は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層膜である。
ソース電極26のソース領域12又はコンタクト領域18と接する部分にシリサイド層が設けられても構わない。シリサイド層は、例えば、ニッケルシリサイドである。ソース電極26と、ソース領域12及びコンタクト領域18とのコンタクトは、オーミックコンタクトであることが望ましい。
ドレイン電極(第2の電極)28は、SiC基板10の第2の面に接して設けられる。ドレイン電極28は、ドレイン領域20に接して設けられる。
ドレイン電極28は、例えば金属である。ドレイン電極28は、例えば、チタン(Ti)とニッケル(Ni)の積層膜である。
ドレイン電極28のドレイン領域20と接する部分にシリサイド層が設けられても構わない。シリサイド層は、例えば、ニッケルシリサイドである。ドレイン電極28とドレイン領域20とのコンタクトは、オーミックコンタクトであることが望ましい。
フィールド絶縁膜32は、ゲートパッド領域の第1の面上に設けられる。フィールド絶縁膜32は、ゲート絶縁膜22よりも膜厚が厚い。フィールド絶縁膜32は、SiC基板10と引き出しゲート電極(第2のゲート電極)34との間を絶縁する機能を備える。フィールド絶縁膜32は、例えば、酸化膜である。フィールド絶縁膜32は、例えば、シリコン酸化膜である。
引き出しゲート電極(第2のゲート電極)34は、フィールド絶縁膜32上に設けられる。引き出しゲート電極34は、セルゲート電極24をセル領域からゲートパッド領域に引き出すために設けられる。引き出しゲート電極34は、例えば、不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。引き出しゲート電極34は、図1の紙面の奥又は手前でセルゲート電極24に接続される。接続には、例えば、多結晶シリコン単体、又は、多結晶シリコンに金属膜を積層した構造が用いられる。
p型のフィールドp領域(第5のSiC領域)36は、ドリフト領域16とフィールド絶縁膜32との間に設けられる。フィールドp領域36は、MOSFET100のオフ時に、フィールド絶縁膜32に印加される電界を緩和し、フィールド絶縁膜32の絶縁破壊を抑制する機能を備える。
フィールドp領域36は、p型不純物を含有する。p型不純物は、例えば、アルミニウム(Al)である。フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度は1×1018cm−3以上である。
フィールド絶縁膜32に印加される電界を緩和するためには、MOSFET100のオフ時に、フィールドp領域36が完全に空乏化しないことが必要である。完全空乏化を抑制する観点から、フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度は1×1018cm−3以上である必要がある。フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度は5×1018cm−3以上であることが望ましく、1×1019cm−3以上であることが、より望ましい。
フィールドp領域36の深さは、例えば、0.4μm以上1.0μm以下である。
ゲートパッド電極38は、ゲートパッド領域の層間絶縁膜30上に設けられる。ゲートパッド電極38は、セルゲート電極24にゲート電位を与える機能を備える。ゲートパッド電極38は、引き出しゲート電極34に接続される。
ゲートパッド電極38は、例えば、金属である。ゲートパッド電極38は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層膜である。
p型のセル端p領域(第6のSiC領域)40は、セル端領域に設けられる。セル端p領域40は、フィールドp領域36に接続される。セル端p領域40は、p型不純物を含有する。p型不純物は、例えば、アルミニウム(Al)である。p型不純物の不純物濃度は、セル端p領域40の表面では、例えば、1×1016cm−3以上5×1017cm−3以下である。p型不純物の不純物濃度は、ピーク濃度では、例えば、1×1018cm−3以上1×1019cm−3以下である。セル端p領域40の深さは、例えば、0.6μm以上1.0μm以下である。セル端p領域40は、例えば、セル領域のベース領域14と略同一のp型不純物濃度及び深さを備える。
p型のセル端コンタクト領域(第7のSiC領域)42は、セル端p領域40内に設けられる。セル端コンタクト領域42は、第1の面に設けられる。セル端コンタクト領域42は、ソース電極26のセル端p領域40へのコンタクト抵抗を低減する機能を備える。
セル端コンタクト領域42は、p型不純物を含有する。セル端コンタクト領域42は、セル端p領域40よりもp型不純物濃度が高い。p型不純物は、例えば、アルミニウム(Al)である。p型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1019cm−3以上5×1020cm−3以下である。セル端コンタクト領域42の深さは、例えば、0.1μm以上0.3μm以下である。セル端コンタクト領域42は、例えば、コンタクト領域18と略同一のp型不純物濃度及び深さを備える。
ソース電極26は、セル端領域の第2のコンタクト部Bで、セル端コンタクト領域42に接する。第2のコンタクト部Bで、ソース電極26が接する第1の面の全面が、p型のSiC領域である。言い換えれば、ソース電極26が接する第1の面にはn型のSiC領域が無い。
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。図2は、比較形態の半導体装置の模式断面図である。
比較形態の半導体装置はMOSFETである。MOSFET900は、セル端領域の第2のコンタクト部Bにおいて、ソース電極26が接する第1の面に、n型のセル端コンタクト領域44が設けられること以外は、第1の実施形態のMOSFET100と同様である。
MOSFET900の第2のコンタクト部Bの下の不純物領域の構成は、第1のコンタクト部Aの下の不純物領域の構成と同じである。セル領域とセル端領域のプロセス整合性をあげるため、同じ構成の不純物領域が形成されている。
ゲートパッド領域のフィールドp領域36は、セル領域のベース領域14と比較して、幅が広い。そして、フィールドp領域36の電位を抑えるためのソース電極26のコンタクトは、セル端領域の第2のコンタクト部Bに設けられるのみである。
このため、MOSFET900のソース電極26とドレイン電極28との間にサージ電圧が印加されると、特に、第2のコンタクト部Bから遠いフィールドp領域36の電位が持ち上がり、ゲートパッド領域でアバランシェ降伏が生じる恐れがある。この場合、第2のコンタクト部Bに大電流が集中し、第2のコンタクト部Bでデバイスの破壊が生じる恐れがある。よって、MOSFET900のアバランシェ耐量が低下する。
また、ゲートパッド領域でアバランシェ降伏が生じると、第2のコンタクト部Bに流れる正孔電流に起因して、セル端領域の寄生トランジスタが動作する恐れがある。この場合も、第2のコンタクト部Bに大電流が集中し、第2のコンタクト部Bでデバイスの破壊が生じる恐れがある。よって、MOSFET900のアバランシェ耐量が低下する。
なお、セル端領域の寄生トランジスタとは、n型のセル端コンタクト領域44、p型のセル端p領域40、及び、n型のドリフト領域16で構成されるnpnトランジスタである。npnトランジスタのベースに相当し、フィールドp領域36に接続されるセル端p領域40に正孔電流が流れることによりnpnトランジスタがオンする恐れがある。
特に、SiCでは、Siと比較して、例えば、p型不純物領域のシート抵抗や、p型不純物領域へのコンタクト抵抗を低減させることが困難である。このため、フィールドp領域36のシート抵抗の低減も困難であり、ゲートパッド領域でのアバランシェ降伏が生じやすい。また、第2のコンタクト部Bのコンタクト抵抗の低減も困難であり、大電流が流れた際の破壊を抑制することが困難である。
本実施形態のMOSFET100では、第2のソース電極26が接する第1の面にはn型のSiC領域が無い。具体的には、第2のソース電極26は、p型のセル端コンタクト領域42のみに接触している。したがって、比較形態のMOSFET900に比べ、セル端p領域40への実効的なコンタクト抵抗が低減する。
このため、仮に、第2のコンタクト部Bに大電流が流れたとしても、第2のコンタクト部Bでのデバイスの破壊が抑制される。よって、MOSFET100のアバランシェ耐量が向上する。
また、セル端p領域40への実効的なコンタクト抵抗の低減により、フィールドp領域36の電位が持ち上がることを抑えることが可能となる。したがって、ゲートパッド領域でのアバランシェ降伏が生じにくくなる。よって、MOSFET100のアバランシェ耐量が向上する。
本実施形態のMOSFET100によれば、アバランシェ降伏時のセル端領域のコンタクト部の破壊が抑制される。また、フィールドp領域36の電位が持ち上がることを抑えることが可能となる。したがって、アバランシェ耐量の高いMOSFET100が実現される。
また、ベース領域14とドリフト領域16との間、及び、セル端p領域40とドリフト領域16との間に、ドリフト領域16よりもn型不純物濃度の高いn型領域を設けることが望ましい。n型領域を設けることで、セル領域及びセル端領域の耐圧を低下する。したがって、ゲートパッド領域でのアバランシェ降伏が生じにくくなる。よって、MOSFET100のアバランシェ耐量が更に向上する。n型領域は、例えば、窒素(N)のイオン注入により形成することが可能である。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域と、セル領域とゲートパッド領域又はゲート配線領域との間のセル端領域を備える半導体装置であって、セル領域は、第1の面と第2の面を備えるSiC基板と、SiC基板内の第1の面に設けられたn型の第1のSiC領域と、第1のSiC領域と第2の面との間に設けられたp型の第2のSiC領域と、第2のSiC領域と第2の面との間に設けられたn型の第3のSiC領域と、第2のSiC領域内の第1の面に設けられ、第2のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第4のSiC領域と、第1の面の第2のSiC領域上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、第1の面上に設けられ、第1のSiC領域及び第4のSiC領域に第1のコンタクト部で接する第1の電極と、第2の面上に設けられた第2の電極と、を有し、ゲートパッド領域又はゲート配線領域は、第1の面上に設けられ、ゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、第3のSiC領域と、フィールド絶縁膜との間に設けられ、第1の面に接し、p型不純物濃度が第1のゲート電極と第2の面との間の第2のSiC領域のp型不純物濃度よりも高く、p型不純物のピーク濃度が1×1018cm−3以上であるp型の第5のSiC領域と、を有し、セル端領域は、第5のSiC領域に接続されるp型の第6のSiC領域と、第6のSiC領域内の第1の面に設けられ、第6のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第7のSiC領域と、第7のSiC領域に第2のコンタクト部で接する第1の電極と、を有する。
本実施形態の半導体装置は、第5のSiC領域のp型不純物濃度が第1のゲート電極と第2の面との間の第2のSiC領域のp型不純物濃度よりも高い点で、第1の実施形態と異なっている。また、第2のコンタクト部Bに、n型のセル端コンタクト領域が設けられる点で、第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図3は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置はMOSFETである。
MOSFET200は、p型のフィールドp領域(第5のSiC領域)36のp型不純物濃度が、セルゲート電極(第1の電極)24と第2の面との間のp型のベース領域(第2のSiC領域)14のp型不純物濃度よりも高い。具体的には、MOSFET200は、p型のフィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度が、セルゲート電極24下方のドリフト領域16との間に存在するp型のベース領域14のp型不純物のピーク濃度よりも高い。又は、p型のフィールドp領域36のp型不純物の平均濃度が、セルゲート電極24下方のドリフト領域16との間に存在するp型のベース領域14のp型不純物の平均濃度よりも高い。
フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度は1×1018cm−3以上である。フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度は、5×1018cm−3以上であることが望ましく、1×1019cm−3以上であることが、より望ましい。
フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度を上記範囲に設定することにより、シート抵抗の低減効果が得られる。また、フィールドp領域36の完全空乏化抑制効果も得られる。
一方、セルゲート電極24下方のドリフト領域16までの間に存在するp型のベース領域14のp型不純物のピーク濃度は、1×1018cm−3以上であることが望ましく、5×1018cm−3以上であることがより望ましく、1×1019cm−3以上であることが更に望ましい。
本実施形態のMOSFET200によれば、フィールドp領域36のp型不純物濃度の濃度を高くすることにより、フィールドp領域36のシート抵抗が低減される。フィールドp領域36のシート抵抗がベース領域14のシート抵抗よりも低くなる。したがって、ソース電極26とドレイン電極28との間にサージ電圧が印加されてもフィールドp領域36の電位が持ち上がりにくくなる。したがって、ゲートパッド領域又はセル端領域でアバランシェ降伏が生じることが抑制される。
もっとも、SiC基板上の絶縁膜、特に、シリコン酸化膜の絶縁破壊耐圧は、SiC基板との界面のp型不純物濃度、特に、アルミニウム(Al)濃度が高くなると、劣化することが知られている。
したがって、フィールドp領域36の第1の面のp型不純物濃度を低下させ、フィールド酸化膜32の絶縁破壊耐圧を劣化させない観点から、フィールドp領域36のp型不純物濃度のピーク位置の第1の面からの距離が、0.1μm以上であることが望ましい。また、高濃度の領域をイオン注入で容易に形成する観点から、ピーク位置の第1の面からの距離が、0.3μm以下であることが望ましい。
また、フィールド酸化膜32の絶縁破壊耐圧を劣化させない観点から、フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度は、1×1020cm−3以下であることが望ましく、5×1019cm−3以下であることがより望ましい。
また、フィールド酸化膜32の絶縁破壊耐圧を劣化させない観点から、フィールドp領域36の第1の面におけるp型不純物濃度が、5×1018cm−3以下であることが望ましく、1×1018cm−3以下であることがより望ましい。
本実施形態のMOSFET200によれば、ゲートパッド領域又はゲート配線領域でアバランシェ降伏が生じることが抑制される。したがって、アバランシェ耐量の高いMOSFET200が実現される。
また、ベース領域14とドリフト領域16との間、及び、セル端p領域40とドリフト領域16との間に、ドリフト領域16よりもn型不純物濃度の高いn型領域を設けることが望ましい。n型領域を設けることで、セル領域及びセル端領域の耐圧を低下する。したがって、ゲートパッド領域でのアバランシェ降伏が生じにくくなる。よって、MOSFET200のアバランシェ耐量が更に向上する。n型領域は、例えば、窒素(N)のイオン注入により形成することが可能である。
(第3の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域と、セル領域とゲートパッド領域又はゲート配線領域との間のセル端領域を備える半導体装置であって、セル領域は、第1の面と第2の面を備えるSiC基板と、SiC基板内の第1の面に設けられたn型の第1のSiC領域と、第1のSiC領域と第2の面との間に設けられたp型の第2のSiC領域と、第2のSiC領域と第2の面との間に設けられたn型の第3のSiC領域と、第2のSiC領域内の第1の面に設けられ、第2のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第4のSiC領域と、第1の面の第2のSiC領域上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、第1の面上に設けられ、第1のSiC領域及び第4のSiC領域に第1のコンタクト部で接する第1の電極と、第2の面上に設けられた第2の電極と、を有し、ゲートパッド領域又はゲート配線領域は、第1の面上に設けられ、ゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いフィールド絶縁膜と、フィールド絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、第3のSiC領域と、フィールド絶縁膜との間に設けられ、第1の面に接し、第2のSiC領域の深さよりも浅く、p型不純物のピーク濃度が1×1018cm−3以上であるp型の第5のSiC領域と、を有し、セル端領域は、第5のSiC領域に接続されるp型の第6のSiC領域と、第6のSiC領域内の第1の面に設けられ、第6のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第7のSiC領域と、第7のSiC領域に第2のコンタクト部で接する第1の電極と、を有する。
本実施形態の半導体装置は、第5のSiC領域の深さが、第2のSiC領域の深さよりも浅い点で、第1の実施形態と異なっている。また、第2のコンタクト部Bに、n型のセル端コンタクト領域が設けられる点で、第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図4は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置はMOSFETである。
MOSFET300は、p型のフィールドp領域(第5のSiC領域)36の深さ(図4中の“d”)が、p型のベース領域(第2のSiC領域)14の深さ(図4中の“d”)よりも浅い。
したがって、フィールドp領域36下のドリフト領域16の厚さが、ベース領域14下の、ドリフト領域16の厚さよりも厚くなる。
本実施形態のMOSFET300によれば、ゲートパッド領域又はゲート配線領域下のドリフト領域16の厚さが、セル領域のドリフト領域16の厚さに比べ厚くなる。したがって、ゲートパッド領域又はゲート配線領域のジャンクション耐圧が高くなる。よって、ゲートパッド領域又はゲート配線領域でアバランシェ降伏が生じることが抑制される。
ゲートパッド領域又はゲート配線領域のジャンクション耐圧を高くする観点から、フィールドp領域36の深さ(図4中の“d”)が、ベース領域14の深さ(図4中の“d”)の半分以下であることが望ましい。
ゲートパッド領域又はゲート配線領域のジャンクション耐圧を高くする観点から、フィールドp領域36の深さ(図4中の“d”)が、ベース領域14の深さ(図4中の“d”)よりも0.1μm以上浅いことが好ましく、0.3μm以上浅いことがより望ましい。
フィールドp領域36と比較して、低耐圧領域となるp型のセル端p領域(第6のSiC領域)40の幅を狭くする観点から、第2のコンタクト部Bとフィールドp領域36との距離は、5μnm以下であることが望ましく、3μm以下であることがより望ましい。
フィールドp領域36の完全空乏化を抑制する観点から、フィールドp領域36のp型不純物のピーク濃度は、5×1018cm−3以上であることが望ましく、1×1019cm−3以上であることが、より望ましい。
本実施形態のMOSFET300によれば、ゲートパッド領域又はゲート配線領域でアバランシェ降伏が生じることが抑制される。したがって、アバランシェ耐量の高いMOSFET300が実現される。
(第4の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第2のコンタクト部Bに、n型のセル端コンタクト領域が設けられないこと以外は、第2の実施形態と同様である。したがって、第2の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図5は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置はMOSFETである。
MOSFET400は、p型のフィールドp領域(第5のSiC領域)36のp型不純物濃度が、セルゲート電極(第1の電極)24と第2の面との間のp型のベース領域(第2のSiC領域)14のp型不純物濃度よりも高い。
また、第2のコンタクト部Bで、ソース電極26が接する第1の面の全面が、p型のSiC領域である。言い換えれば、ソース電極26が接する第1の面にはn型のSiC領域が無い。
本実施形態のMOSFET400によれば、第2の実施形態と同様の効果により、ゲートパッド領域又はゲート配線領域でアバランシェ降伏が生じることが抑制される。また、第1の実施形態と同様の効果により、アバランシェ降伏時のセル端領域のコンタクト部の破壊が抑制される。したがって、アバランシェ耐量の高いMOSFET400が実現される。
(第5の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第2のコンタクト部Bに、n型のセル端コンタクト領域が設けられないこと以外は、第3の実施形態と同様である。したがって、第3の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図6は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置はMOSFETである。
MOSFET500は、p型のフィールドp領域(第5のSiC領域)36の深さ(図6中の“d”)が、p型のベース領域(第2のSiC領域)14の深さ(図6中の“d”)よりも浅い。
また、第2のコンタクト部Bで、ソース電極26が接する第1の面の全面が、p型のSiC領域である。言い換えれば、ソース電極26が接する第1の面にはn型のSiC領域が無い。
本実施形態のMOSFET500によれば、第3の実施形態と同様の効果により、ゲートパッド領域又はゲート配線領域でアバランシェ降伏が生じることが抑制される。また、第1の実施形態と同様の効果により、アバランシェ降伏時のセル端領域のコンタクト部の破壊が抑制される。したがって、アバランシェ耐量の高いMOSFET500が実現される。
第1乃至第5の実施形態では、プレーナ型のMOSFETを例に説明したが、本発明はトレンチ内にゲート電極を備えるトレンチ型のMOSFETにも適用することが可能である。
第1乃至第5の実施形態では、MOSFETを例に説明したが、本発明はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)にも適用することが可能である。
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。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。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。
10 SiC基板
12 n型のソース領域(第1のSiC領域)
14 p型のベース領域(第2のSiC領域)
16 n型のドリフト領域(第3のSiC領域)
18 p型のコンタクト領域(第4のSiC領域)
22 ゲート絶縁膜
24 セルゲート電極(第1のゲート電極)
26 ソース電極(第1の電極)
28 ドレイン電極(第2の電極)
30 層間絶縁膜
32 フィールド絶縁膜
34 引き出しゲート電極(第2のゲート電極)
36 p型のフィールドp領域(第5のSiC領域)
40 p型のセル端p領域(第6のSiC領域)
42 p型のセル端コンタクト領域(第7のSiC領域)
100 MOSFET(半導体装置)
200 MOSFET(半導体装置)
300 MOSFET(半導体装置)
400 MOSFET(半導体装置)
500 MOSFET(半導体装置)

Claims (11)

  1. セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域と、前記セル領域と前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域との間のセル端領域を備える半導体装置であって、
    前記セル領域は、
    第1の面と第2の面を備えるSiC基板と、
    前記SiC基板内の前記第1の面に設けられたn型の第1のSiC領域と、
    前記第1のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたp型の第2のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたn型の第3のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第2のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第4のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域上に設けられたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、
    前記第1の面上に設けられ、前記第1のSiC領域及び前記第4のSiC領域に第1のコンタクト部で接する第1の電極と、
    第2の面上に設けられた第2の電極と、を有し、
    前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域は、
    前記第1の面上に設けられ、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いフィールド絶縁膜と、
    前記フィールド絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、
    前記第3のSiC領域と前記フィールド絶縁膜との間に設けられ、前記第1の面に接し、p型不純物のピーク濃度が1×1018cm−3以上であるp型の第5のSiC領域と、を有し、
    前記セル端領域は、
    前記第5のSiC領域に接続されるp型の第6のSiC領域と、前記第6のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第6のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第7のSiC領域と、
    前記第7のSiC領域に第2のコンタクト部で接する前記第1の電極と、を有し、
    前記第2のコントタクト部で前記第1の電極が接する前記第1の面の全面がp型のSiC領域である半導体装置。
  2. 前記第5のSiC領域のp型不純物濃度が、前記第1のゲート電極と前記第2の面との間の前記第2のSiC領域のp型不純物濃度よりも高い請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第5のSiC領域のp型不純物濃度のピーク位置の前記第1の面からの距離が、0.1μm以上0.3μm以下である請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記第5のSiC領域の深さが、前記第2のSiC領域の深さよりも浅い請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記第5のSiC領域の深さが、前記第2のSiC領域の深さの半分以下である請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記フィールド絶縁膜がシリコン酸化膜である請求項1乃至請求項5いずれか一項記載の半導体装置。
  7. 前記第5のSiC領域のp型不純物がアルミニウム(Al)である請求項1乃至請求項6いずれか一項記載の半導体装置。
  8. セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域と、前記セル領域と前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域との間のセル端領域を備える半導体装置であって、
    前記セル領域は、
    第1の面と第2の面を備えるSiC基板と、
    前記SiC基板内の前記第1の面に設けられたn型の第1のSiC領域と、
    前記第1のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたp型の第2のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたn型の第3のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第2のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第4のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域上に設けられたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、
    前記第1の面上に設けられ、前記第1のSiC領域及び前記第4のSiC領域に第1のコンタクト部で接する第1の電極と、
    前記第2の面上に設けられた第2の電極と、を有し、
    前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域は、
    前記第1の面上に設けられ、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いフィールド絶縁膜と、
    前記フィールド絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、
    前記第3のSiC領域と前記フィールド絶縁膜との間に設けられ、前記第1の面に接し、p型不純物濃度が前記第1のゲート電極と前記第2の面との間の前記第2のSiC領域のp型不純物濃度よりも高く、p型不純物のピーク濃度が1×1018cm−3以上であるp型の第5のSiC領域と、を有し、
    前記セル端領域は、
    前記第5のSiC領域に接続されるp型の第6のSiC領域と、前記第6のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第6のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第7のSiC領域と、
    前記第7のSiC領域に第2のコンタクト部で接する前記第1の電極と、を有する半導体装置。
  9. 前記第5のSiC領域のp型不純物濃度のピーク位置の前記第1の面からの距離が、0.1μm以上0.3μm以下である請求項8記載の半導体装置。
  10. セル領域と、ゲートパッド領域又はゲート配線領域と、前記セル領域と前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域との間のセル端領域を備える半導体装置であって、
    前記セル領域は、
    第1の面と第2の面を備えるSiC基板と、
    前記SiC基板内の前記第1の面に設けられたn型の第1のSiC領域と、
    前記第1のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたp型の第2のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域と前記第2の面との間に設けられたn型の第3のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第2のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第4のSiC領域と、
    前記第2のSiC領域上に設けられたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1のゲート電極と、
    前記第1の面上に設けられ、前記第1のSiC領域及び前記第4のSiC領域に第1のコンタクト部で接する第1の電極と、
    前記第2の面上に設けられた第2の電極と、を有し、
    前記ゲートパッド領域又は前記ゲート配線領域は、
    前記第1の面上に設けられ、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いフィールド絶縁膜と、
    前記フィールド絶縁膜上に設けられた第2のゲート電極と、
    前記第3のSiC領域と前記フィールド絶縁膜との間に設けられ、前記第1の面に接し、前記第2のSiC領域の深さよりも浅く、p型不純物のピーク濃度が1×1018cm−3以上であるp型の第5のSiC領域と、を有し、
    前記セル端領域は、
    前記第5のSiC領域に接続されるp型の第6のSiC領域と、前記第6のSiC領域内の前記第1の面に設けられ、前記第6のSiC領域よりもp型不純物濃度の高いp型の第7のSiC領域と、
    前記第7のSiC領域に第2のコンタクト部で接する前記第1の電極と、を有する半導体装置。
  11. 前記第5のSiC領域の深さが、前記第2のSiC領域の深さの半分以下である請求項10記載の半導体装置。
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