JP2016174031A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】信頼性の向上を可能とする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の面と第2の面を有するSiC基板と、SiC基板に設けられる素子領域と、素子領域の周囲の第1の面上に設けられる絶縁膜と、SiC基板内の第1の面側に絶縁膜と接して設けられるp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るn型の第2のSiC領域と、絶縁膜上に設けられ、第1のSiC領域と電気的に接続するためのコンタクト部を有する第1の電極と、第2の面に接して設けられる第2の電極と、を備え、コンタクト部の中央部直下のSiC基板のp型不純物濃度が、コンタクト部の端部直下のSiC基板のp型不純物濃度よりも高い。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
半導体デバイスの信頼性を劣化させる要因として、絶縁膜中に含まれる電荷による特性変動が知られている。例えば、電荷が半導体デバイスの動作中に絶縁膜にトラップされ、半導体デバイスの耐圧の変動やリーク電流の変動を引き起こす。
特開2009−4668号公報
本発明が解決しようとする課題は、信頼性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、第1の面と第2の面を有するSiC基板と、前記SiC基板に設けられる素子領域と、前記素子領域の周囲の前記第1の面上に設けられる絶縁膜と、前記SiC基板内の前記第1の面側に前記絶縁膜と接して設けられるp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るn型の第2のSiC領域と、前記絶縁膜上に設けられ、前記第1のSiC領域と電気的に接続するためのコンタクト部を有する第1の電極と、前記第2の面に接して設けられる第2の電極と、を備え、前記コンタクト部の中央部直下の前記SiC基板のp型不純物濃度が、前記コンタクト部の端部直下の前記SiC基板のp型不純物濃度よりも高い。
第1の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第1の実施形態の半導体装置の模式平面図。 第1の実施形態のコンタクト部の拡大断面図。 比較形態のコンタクト部の拡大断面図。 第1の実施形態の変形例の模式平面図。 第2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。
また、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層も含む概念とする。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の面と第2の面を有するSiC基板と、SiC基板に設けられる素子領域と、素子領域の周囲の第1の面上に設けられる絶縁膜と、SiC基板内の第1の面側に絶縁膜と接して設けられるp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るn型の第2のSiC領域と、絶縁膜上に設けられ、第1のSiC領域と電気的に接続するためのコンタクト部を有する第1の電極と、第2の面に接して設けられる第2の電極と、を備え、コンタクト部の中央部直下のSiC基板のp型不純物濃度が、コンタクト部の端部直下のSiC基板のp型不純物濃度よりも高い。
図1は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。図2は、本実施形態の半導体装置の模式平面図である。図2は、SiC基板10直上の絶縁膜のパターンを示す。図1は、図2のAA’断面を示す。本実施形態の半導体装置はPINダイオードである。
PINダイオード100は、素子領域(活性領域)と、素子領域を囲む終端領域とを備える。素子領域と終端領域はSiC基板に設けられる。素子領域は、PINダイオード100の順方向バイアス時に主に電流が流れる領域として機能する。終端領域は、PINダイオード100の逆方向バイアス時に、素子領域の端部に印加される電界の強度を緩和し、PINダイオード100の素子耐圧を向上させる領域として機能する。
PINダイオード100は、SiC(炭化珪素)基板10、p型のアノード領域12、p型のアノード領域14、p型のリサーフ領域(第1のSiC領域)16、p型のコンタクト領域(第3のSiC領域)18、p型のリサーフ領域(第4のSiC領域)20、n型のドリフト領域(第2のSiC領域)22、n型のカソード領域24、フィールド酸化膜(絶縁膜)26、アノード電極(第1の電極)28、及び、カソード電極(第2の電極)30を備える。
SiC基板10は、第1の面と、第1の面に対向する第2の面を備えている。図1においては、第1の面とは図の上側の面であり、第2の面とは図の下側の面である。
SiC基板10は、例えば、4H−SiC構造のSiC基板である。SiC基板10の膜厚は、例えば、5μm以上100μm以下である。
p型のアノード領域12は、SiC基板10内の第1の面側の素子領域に設けられる。p型のアノード領域12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、例えば、1×1018cm−3以上2×1019cm−3以下である。
型のアノード領域14は、SiC基板10の第1の面側の素子領域に設けられる。p型のアノード領域14は、p型のアノード領域12内に設けられる。p型のアノード領域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、例えば、3×1019cm−3以上1×1020cm−3以下である。
p型のリサーフ領域(第1のSiC領域)16は、SiC基板10内の第1の面側に、素子領域を囲んで設けられる。p型のリサーフ領域16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型のリサーフ領域16のp型不純物濃度は、例えば、p型のアノード領域12のp型不純物濃度よりも低い。p型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1017cm−3以上1×1019cm−3以下である。また、p型のリサーフ領域16の深さは、例えば、p型のアノード領域12よりも浅い。
型のコンタクト領域(第3のSiC領域)18は、p型のリサーフ領域16内に設けられる。p型のコンタクト領域18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。
型のコンタクト領域18のp型不純物濃度は、p型のリサーフ領域16のp型不純物濃度よりも高い。p型のコンタクト領域18のp型不純物濃度は、p型のリサーフ領域16のp型不純物濃度より一桁以上高いことが望ましい。p型のコンタクト領域18のp型不純物濃度は、例えば、3×1019cm−3以上1×1020cm−3以下である。
型のリサーフ領域(第4のSiC領域)20は、p型のリサーフ領域16の周囲にp型のリサーフ領域16に接して設けられる。p型のリサーフ領域20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。
型のリサーフ領域20のp型不純物濃度は、例えば、p型のリサーフ領域16のp型不純物濃度よりも低い。p型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1017cm−3以上5×1018cm−3以下である。また、p型のリサーフ領域20の深さは、例えば、p型のリサーフ領域16よりも浅い。
型のリサーフ領域20を設けることにより、PINダイオード100の耐圧を向上させることが可能となる。
型のドリフト領域(第2のSiC領域)22は、p型のリサーフ領域16及びp型のアノード領域12と、第2の面との間に設けられる。n型のドリフト領域14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、5×1015以上2×1016cm−3以下である。
型のカソード領域24は、SiC基板10の第2の面側に設けられる。n型のカソード領域24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、1×1019以上1×1021cm−3以下である。
フィールド酸化膜(絶縁膜)26は、素子領域の周囲の第1の面上に設けられる。フィールド酸化膜26は、p型のリサーフ領域16上に設けられる。言い換えれば、p型のリサーフ領域16は、SiC基板10内の第1の面側にフィールド酸化膜26に接して設けられる。
フィールド酸化膜26は、素子領域に開口部を備える。また、フィールド酸化膜26は、p型のリサーフ領域16上に開口部(コンタクトホール)を備える。フィールド酸化膜26は、例えば、シリコン酸化膜である。フィールド酸化膜26の膜厚は、例えば、0.2μm以上0.6μm以下である。
アノード電極(第1の電極)28は、フィールド酸化膜26上に設けられる。アノード電極28は、素子領域の開口部で、p型のアノード領域14に電気的に接続される。アノード電極28とp型のアノード領域14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。
アノード電極28は、p型のリサーフ領域16に電気的に接続するためのコンタクト部32を備える。コンタクト部32はフィールド酸化膜26に設けられた開口部(コンタクトホール)内に形成されたアノード電極28である。
アノード電極28は、p型のコンタクト領域18にコンタクト部32で電気的に接続される。コンタクト部32とp型のコンタクト領域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。
コンタクト部32は、終端領域のp型のリサーフ領域16の電位を固定するために設けられる。また、コンタクト部32は、終端領域でジャンクションのブレークダウンが生じた場合、電荷、例えば、ホールをアノード電極28側に引き抜くために設けられる。
コンタクト部32のサイズは、例えば、10μm×10μmである。コンタクト部32の中央部直下のSiC基板10のp型不純物濃度は、例えば、3×1019cm−3以上である。
アノード電極28は金属である。アノード電極28は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造である。
カソード電極30は、SiC基板10の第2の面に接して設けられる。カソード電極28は、n型のカソード領域24に接して設けられる。カソード電極30とn型のカソード領域24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。
カソード電極30は金属である。カソード電極30は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造である。
図3は、本実施形態の半導体装置のコンタクト部の拡大断面図である。アノード電極28は、バリアメタル層28aと金属層28bとの積層構造である。バリアメタル層28aは、例えば、チタン(Ti)である。金属層28bは、例えば、アルミニウム(Al)である。
コンタクト部32とSiC基板10との間に、シリサイド層34が設けられる。コンタクト部32とp型のコンタクト領域18の間に、シリサイド層34が設けられる。
シリサイド層34は、アノード電極28とp型のコンタクト領域18との間のコンタクト抵抗を低減する。シリサイド層34は、例えば、ニッケルシリサイド(NiSi)である。
型のコンタクト領域18の幅(図3中の“W”)は、コンタクト部32の幅(図3中の“W”)よりも狭い。コンタクト部32の幅とは、フィールド酸化膜26の開口部の幅である。言い換えれば、コンタクト部32の幅とは、フィールド酸化膜26の開口部に埋め込まれたアノード電極28の幅である。また、第1の面でのp型のコンタクト領域18の面積は、コンタクト部32がSiC基板10に接する部分の面積よりも小さい。
コンタクト部32の中央部直下のSiC基板10のp型不純物濃度は、コンタクト部32の端部直下のSiC基板10のp型不純物濃度よりも高い。
コンタクト部32は中央部でp型のコンタクト領域18に接続される。そして、コンタクト部32は端部でp型のリサーフ領域16に接続される。
シリサイド層34の幅も、コンタクト部32の幅よりも狭い。
型のコンタクト領域18は、コンタクト部32の端部から所定の距離(図3中の“d”)だけ離れている。p型のコンタクト領域18のコンタクト部32の端部からの距離dは、1μm以上であることが望ましく、2μm以上であることがより望ましい。
シリサイド層34も、コンタクト部32の端部から所定の距離だけ離れている。
次に、本実施形態のPINダイオード100の作用及び効果について説明する。
図4は、比較形態のコンタクト部の拡大断面図である。比較形態では、p型のコンタクト領域18の幅(図3中の“W”)は、コンタクト部32の幅(図3中の“W”)よりも広い。言い換えれば、コンタクト部32の中央部直下のSiC基板10のp型不純物濃度が、コンタクト部32の端部直下のSiC基板10のp型不純物濃度と略同一である。
終端領域でジャンクションのブレークダウンが生じると、コンタクト部32に大電流が流れる。この際、図4に示すように、コンタクト部32近傍のフィールド酸化膜26中、又は、SiC基板10とフィールド酸化膜26との界面に、ホール(電荷)がトラップされる。
フィールド酸化膜26中、又は、界面にホールがトラップされることにより、終端領域におけるチャージバランスが崩れる。終端領域におけるチャージバランスが崩れると、終端領域における耐圧変動が生じる。よって、PINダイオードの耐圧が変動する。
SiCを用いたデバイスでは、例えば、Si(シリコン)を用いたデバイスに比べ、高い耐圧を備えるデバイスが実現可能である。高い耐圧を備えたデバイスでは、ジャンクションがブレークダウンした際に、終端領域のコンタクト部に流れる電流量や電流密度が大きくなる。このため、上述の電界トラップに起因する耐圧の変動による信頼性不良が顕在化する。
本実施形態のPINダイオード100では、p型のコンタクト領域18の幅を、コンタクト部32の幅よりも狭くする。これにより、コンタクト部32の端部の下のSiC基板抵抗が、コンタクト部32の中央部の下のSiC基板抵抗よりも高くなる。また、コンタクト部32の端部でのアノード電極28とSiC基板10との間のコンタクト抵抗が、コンタクト部32の中央部でのアノード電極28とSiC基板10との間のコンタクト抵抗よりも高くなる。
このため、終端領域でジャンクションのブレークダウンが生じた場合に、コンタクト部32に流れる電流は、コンタクト部32の中央部近傍に集中し、コンタクト部32の端部近傍に流れる電流量が少なくなる。したがって、フィールド酸化膜26中、又は、界面にホールがトラップされることが抑制される。よって、終端領域における耐圧変動が防止される。
コンタクト部32の端部近傍に流れる電流量を十分に抑制する観点から、p型のコンタクト領域18のコンタクト部32の端部からの距離dは、1μm以上であることが望ましく、2μm以上であることがより望ましい。
また、コンタクト部32の端部近傍に流れる電流量を十分に抑制する観点から、p型のコンタクト領域18のp型不純物濃度は、p型のリサーフ領域16のp型不純物濃度より一桁以上高いことが望ましい。言い換えれば、コンタクト部32の中央部直下のSiC基板10のp型不純物濃度が、コンタクト部32の端部直下のp型不純物濃度よりも一桁以上高いことが望ましい。
本実施形態では、アノード電極28とp型のコンタクト領域18の間に、コンタクト抵抗低減のためのシリサイド層34を設ける。シリサイド層34の幅も、コンタクト部32の幅よりも狭くすることで、コンタクト部32の端部のコンタクト抵抗と、コンタクト部32の中央部のコンタクト抵抗の差が大きくなる。したがって、コンタクト部32の端部近傍に流れる電流量が更に抑制される。
図5は、本実施形態の変形例の模式平面図である。図5は、SiC基板10直上の絶縁膜のパターンを示す。コンタクト部32は、図5に示すように素子領域を囲む環状であっても構わない。
本実施形態では、p型のリサーフ領域16が、p型のアノード領域12と異なる不純物濃度を有し、深さも異なる場合を例に説明したが、p型のリサーフ領域16とp型のアノード領域12とは同一の不純物濃度で、同一の深さであっても構わない。例えば、p型のリサーフ領域16とp型のアノード領域12とが、同一のプロセスで形成される不純物領域であっても構わない。
本実施形態によれば、終端領域のフィールド酸化膜26中の電荷のトラップを抑制することにより、耐圧の変動が抑制され、信頼性の向上を可能とするPINダイオード100が実現される。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、PINダイオードではなくショットキーバリアダイオード(SBD)である以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、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ショットキーバリアダイオード(SBD)である。
SBD200は、素子領域(素子領域)と、素子領域を囲む終端領域とを備える。素子領域は、SBD200の順方向バイアス時に主に電流が流れる領域として機能する。終端領域は、SBD200の逆方向バイアス時に、素子領域の端部に印加される電界の強度を緩和し、SBD200の素子耐圧を向上させる領域として機能する。
SBD200は、SiC基板10、p型のリサーフ領域(第1のSiC領域)16、p型のコンタクト領域(第3のSiC領域)18、p型のリサーフ領域(第4のSiC領域)20、n型のドリフト領域(第2のSiC領域)22、n型のカソード領域24、フィールド酸化膜(絶縁膜)26、アノード電極(第1の電極)28、及び、カソード電極(第2の電極)30を備える。
フィールド酸化膜26は、素子領域に開口部を備える。また、フィールド酸化膜26は、p型のリサーフ領域16上に開口部を備える。
アノード電極28は、フィールド酸化膜26上に設けられる。アノード電極28は、素子領域の開口部で、n型のドリフト領域22に電気的に接続される。アノード電極28とn型のドリフト領域22とのコンタクトは、ショットキーコンタクトであることが望ましい。
アノード電極28は、p型のリサーフ領域16に電気的に接続するためのコンタクト部32を備える。また、アノード電極28は、p型のコンタクト領域18にコンタクト部32で電気的に接続される。
SBD200のコンタクト部32の構造は、第1の実施形態と同様である。
本実施形態によれば、終端領域のフィールド酸化膜26中の電荷のトラップを抑制することにより、耐圧の変動が抑制され、信頼性の向上を可能とするSBD200が実現される。
以上、実施形態では、SiCの結晶構造として4H−SiCの場合を例に説明したが、本発明は6H−SiC、3C−SiC等、その他の結晶構造のSiCを用いたデバイスに適用することも可能である。
また、実施形態では、PINダイオード及びSBDを例に説明したが、素子領域の周囲に終端領域を備えるデバイスであれば、MISFET(Metal Iusulator Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等、その他のデバイスにも本発明を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
16 p型のリサーフ領域(第1のSiC領域)
18 p型のコンタクト領域(第3のSiC領域)
20 p型のリサーフ領域(第4のSiC領域)
22 n型のドリフト領域(第2のSiC領域)
26 フィールド酸化膜(絶縁膜)
28 アノード電極(第1の電極)
30 カソード電極(第2の電極)
32 コンタクト部
34 シリサイド層
100 PINダイオード(半導体装置)
200 SBD(半導体装置)

Claims (9)

  1. 第1の面と第2の面を有するSiC基板と、
    前記SiC基板に設けられる素子領域と、
    前記素子領域の周囲の前記第1の面上に設けられる絶縁膜と、
    前記SiC基板内の前記第1の面側に前記絶縁膜と接して設けられるp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るn型の第2のSiC領域と、
    前記絶縁膜上に設けられ、前記第1のSiC領域と電気的に接続するためのコンタクト部を有する第1の電極と、
    前記第2の面に接して設けられる第2の電極と、を備え、
    前記コンタクト部の中央部直下の前記SiC基板のp型不純物濃度が、前記コンタクト部の端部直下の前記SiC基板のp型不純物濃度よりも高い半導体装置。
  2. 前記コンタクト部の中央部直下の前記第1のSiC領域内に設けられ、前記第1のSiC領域のp型不純物濃度よりも高いp型不純物濃度を有し、前記コンタクト部の幅よりも幅の狭いp型の第3のSiC領域を、更に備える請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記コンタクト部の端部から前記第3のSiC領域までの距離が1μm以上である請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記第1のSiC領域の周囲に前記第1のSiC領域に接して設けられ、前記第1のSiC領域よりもp型不純物濃度の低いp型の第4のSiC領域を、更に備える請求項1乃至請求項3いずれか一項記載の半導体装置。
  5. 前記コンタクト部と前記SiC基板との間にシリサイド層が設けられる請求項1乃至請求項4いずれか一項記載の半導体装置。
  6. 前記コンタクト部の中央部直下の前記SiC基板のp型不純物濃度が、前記コンタクト部の端部直下の前記SiC基板のp型不純物濃度よりも一桁以上高い請求項1乃至請求項5いずれか一項記載の半導体装置。
  7. 前記コンタクト部の中央部直下の前記SiC基板のp型不純物濃度は、3×1019cm−3以上である請求項1乃至請求項6いずれか一項記載の半導体装置。
  8. 前記絶縁膜はシリコン酸化膜である請求項1乃至請求項7いずれか一項記載の半導体装置。
  9. 前記シリサイド層の幅が、前記コンタクト部の幅よりも狭い請求項5記載の半導体装置。
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