JP2018026450A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】SJ構造の半導体装置において、本体領域と電流検出領域とを分離しつつ、耐圧低下を抑制する。【解決手段】半導体基板と、半導体基板の内部に形成された1以上の動作用セルを含む本体領域と、半導体基板の内部に形成された1以上の電流検出用セルを含む電流検出領域と、半導体基板の内部において本体領域と電流検出領域との間に設けられ、耐圧構造部を含む中間領域とを備え、本体領域、電流検出領域および中間領域において、第1導電型のカラムおよび第2導電型のカラムが等間隔で交互に配置された半導体装置を提供する。【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体装置において、素子として駆動する本体領域と、電流を検出するための電流検出領域とを有する構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2010−219258号公報
電流検出領域を、フィールドプレート等の耐圧構造で囲む場合がある。耐圧構造を有する装置において、本体領域と電流検出領域とに超接合構造を形成すると、超接合構造のp型およびn型の不純物のチャージバランスが崩れて耐圧が低下する場合がある。
本発明の一つの態様においては、半導体基板を備える半導体装置を提供する。半導体装置は、半導体基板の内部に形成された1以上の動作用セルを含む本体領域を備えてよい。半導体装置は、半導体基板の内部に形成された1以上の電流検出用セルを含む電流検出領域を備えてよい。半導体装置は、半導体基板の内部において本体領域と電流検出領域との間に設けられ、耐圧構造部を含む中間領域を備えてよい。本体領域、電流検出領域および中間領域において、第1導電型のカラムおよび第2導電型のカラムが等間隔で交互に配置されてよい。
中間領域は、半導体基板の上方に形成された形成されたフィールドプレートを有してよい。中間領域は、本体領域に隣接する領域と、電流検出領域に隣接する領域とにダイオード部が形成されていてよい。
半導体基板の内部には、第1導電型のベース領域と、ベース領域の下方に形成された第2導電型のドリフト領域とが形成されてよい。本体領域および電流検出領域は、半導体基板の上面からベース領域の下側まで延伸して形成され、同一の間隔で配置された複数のトレンチ部を有してよい。本体領域および電流検出領域は、それぞれのトレンチ部の間の領域におけるベース領域の上方に形成された第2導電型の高濃度領域を有してよい。中間領域には、高濃度領域が形成されていなくてよい。
本体領域に隣接するダイオード部と、電流検出領域に隣接するダイオード部は、共通のベース領域を有してよい。本体領域に隣接するダイオード部と、電流検出領域に隣接するダイオード部は、分離したベース領域を有してよい。中間領域は、本体領域に隣接するダイオード部のベース領域と、電流検出領域に隣接するダイオード部のベース領域との間に、分離したベース領域を更に有してよい。
半導体装置は、本体領域の少なくとも一部の領域の上方に形成された上面側電極を備えてよい。半導体装置は、電流検出領域の少なくとも一部の領域の上方に形成された電流検出用電極を備えてよい。本体領域に隣接するダイオード部は、上面側電極に接続されてよい。電流検出領域に隣接するダイオード部は、電流検出用電極に接続されてよい。第1導電型のカラムおよび第2導電型のカラムは、本体領域、電流検出領域および中間領域において、同じ不純物濃度であってよい。
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
本発明の実施形態に係る半導体装置100の上面の模式図である。 図1におけるA−A'断面の一例を示す図である。 図1におけるA−A'断面の他の例を示す図である。 図1におけるA−A'断面の他の例を示す図である。 図1における電流検出用電極12の角部の近傍のB部を拡大した模式図である。 図1における電流検出用電極12の角部の近傍のB部を拡大した模式図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本明細書においては半導体基板の深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。基板、層またはその他の部材の2つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は重力方向に限定されない。
本明細書においては「ソース」、「ドレイン」の用語を用いているが、半導体装置はMOSFETに限定されない。IGBT等のバイポーラトランジスタにおける「エミッタ」および「コレクタ」も、本明細書における「ソース」および「ドレイン」の用語の範囲に含まれ得る。
各実施例においては、第1導電型をp型、第2導電型をn型とした例を示しているが、基板、層、領域等の導電型は、それぞれ逆の極性であってもよい。
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の上面の模式図である。半導体装置100は、半導体基板30を備える。半導体基板30は、シリコン基板であってよく、窒化物半導体または炭化珪素等の化合物半導体基板であってもよい。半導体基板30の上面の上方には、ソース電極11および電流検出用電極12が形成されている。ソース電極11は上面側電極の一例である。半導体基板30の上面の上方には、ゲート電極13が更に形成されてよい。
一例としてソース電極11、電流検出用電極12およびゲート電極13は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料で形成される。ソース電極11、電流検出用電極12およびゲート電極13は互いに分離して設けられる。本例の半導体装置100は、半導体基板30の深さ方向に主電流が流れる縦型デバイスである。本例の半導体基板30の下面には、ドレイン電極が形成される。
半導体基板30の内部には、本体領域21、電流検出領域22および中間領域24が形成される。本体領域21は、半導体装置100の主電流が流れる領域である。本体領域21に流れる主電流は、ソース電極11を介して外部に流れる。ソース電極11は、本体領域21の少なくとも一部の領域の上方に形成される。
電流検出領域22は、被検出電流が流れる領域である。被検出電流は、電流検出用電極12を介して外部の電流検出装置に流れる。電流検出用電極12は、電流検出領域22の少なくとも一部の領域の上方に形成される。半導体基板30の上面において、電流検出用電極12が覆う面積は、ソース電極11が覆う面積よりも小さい。
電流検出装置は、被検出電流の電流値を検出する。電流検出装置は、検出した電流値に基づいて、半導体装置100を制御してよい。例えば電流検出装置は、検出した電流値が所定の閾値を超えた場合に、半導体装置100をオフ状態に制御する。
中間領域24は、本体領域21および電流検出領域22の間に設けられ、本体領域21および電流検出領域22を分離する。中間領域24には、フィールドプレート等の耐圧構造が設けられる。
半導体基板30の外周に沿って、耐圧構造領域23が形成されていてもよい。耐圧構造領域23は、本体領域21、電流検出領域22および中間領域24の外側に形成される。耐圧構造領域23には、ガードリングまたはフィールドプレート等の耐圧構造が形成される。中間領域24は、耐圧構造領域23と同様の構造を有してよい。
図2は、図1におけるA−A'断面の一例を示す図である。図2に示す各構成は、図2の紙面と垂直な方向に延伸して形成されてよい。図2においては、一例として、半導体装置100の下面側においては、n型の不純物がドープされたn+型のドレイン領域33およびドレイン電極14が形成されている。
本体領域21には、主電流が流れる1以上の動作用セル52が形成されている。電流検出領域22には、被検出電流が流れる1以上の電流検出用セル54が形成されている。本例の動作用セル52および電流検出用セル54は、半導体基板30の深さ方向に電流を流すか否かを切り替えるトランジスタとして機能する。動作用セル52および電流検出用セル54は、同一の構造、同一の不純物濃度を有することが好ましい。
半導体基板30の上面において、電流検出領域22が占める面積は、本体領域21が占める面積よりも小さい。電流検出領域22が占める面積は、本体領域21が占める面積の10分の1以下であってよく、100分の1以下であってもよい。
中間領域24は、本体領域21および電流検出領域22の間において、半導体基板30の内部に形成される。中間領域24は、電流検出領域22を取り囲むように、フィールドプレート72等を有する。
中間領域24における半導体基板30の内部には、トレンチ部40、動作用セル52および電流検出用セル54が形成されていない。本例では、中間領域24には、トランジスタとして動作する領域が形成されていない。本例の中間領域24には、少なくとも本体領域21に隣接する領域と、電流検出領域22に隣接する領域とに、ダイオード部58が形成されている。
本体領域21に隣接するダイオード部58は、ソース電極11に電気的に接続される。電流検出領域22に隣接するダイオード部58は、電流検出用電極12に電気的に接続される。また、それぞれのダイオード部58は、共通のベース領域34を有する。
本例の半導体基板30には、本体領域21、電流検出領域22および中間領域24において、下面側から順番にn+型のドレイン領域33およびn−型のドリフト領域32が形成されている。また、ドリフト領域32の表面層にはp型のベース領域34が形成されている。また、本体領域21および電流検出領域22には、ベース領域34を貫通して、半導体基板30の上面からベース領域34の下側まで延伸してドリフト領域32に達するトレンチ部40が形成されている。
それぞれのトレンチ部40に挟まれるメサ領域が、動作用セル52および電流検出用セル54のいずれかとして機能する。本例ではトレンチ部40の短手方向の幅の中心をそれぞれのセルの境界とする。本例の動作用セル52および電流検出用セル54においては、ベース領域34の上方にn+型のソース領域38が形成される。ソース領域38には、ドリフト領域32よりも高濃度に不純物がドープされている。ソース領域38は高濃度領域の一例である。これにより動作用セル52および電流検出用セル54はトランジスタとして機能する。本例では、トランジスタとして機能するセルのうち、ソース電極11の下方に形成されるセルを動作用セル52とし、電流検出用電極12の下方に形成されるセルを電流検出用セル54とする。
これに対して中間領域24では、ベース領域34の上方にソース領域38が形成されない。中間領域24におけるベース領域34は、ドリフト領域32(n型のカラム62)とのpn接合ダイオードとして機能する。中間領域24により、本体領域21と電流検出領域22とを分離して、被検出電流を精度よく検出できる。
また、動作用セル52および電流検出用セル54においては、半導体基板30の上面に露出する領域にp+型のp+領域36が形成されてもよい。p+領域36には、ベース領域34よりも不純物が高濃度にドープされている。これにより、各セルと、ソース電極11等の電極との接触抵抗を低減できる。また、中間領域24におけるベース領域34は、ソース電極11の下方に位置する領域と、電流検出用電極12の下方に位置する領域とを有する。ベース領域34の、各電極の下方に位置する領域には、p+領域36が形成されてよい。これにより、ベース領域34と、ソース電極11等との接触抵抗を低減し、トランジスタセル内の寄生バイポーラトランジスタの動作を抑制できる。
フィールドプレート72は、中間領域24のベース領域34の上方に形成される。フィールドプレート72は、例えば不純物が添加されたポリシリコンで形成される。フィールドプレート72と半導体基板30の上面との間にはゲート絶縁膜42よりも厚い絶縁膜70が形成される。また、フィールドプレート72を覆う層間絶縁膜74が更に形成される。
フィールドプレート72は、ソース電極11またはゲート電極(電極部44)と同電位が与えられてよい。フィールドプレート72等の耐圧構造を、電流検出領域22を囲むように中間領域24に設けることで、中間領域24近傍における電界集中を緩和できる。
本例のトレンチ部40は、半導体基板30の上面からドリフト領域32まで達するトレンチと、トレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜42と、トレンチ内に設けられゲート絶縁膜42に覆われる電極部44とを有する。
一例としてゲート絶縁膜42は、トレンチの内壁に露出する半導体基板30を熱酸化した酸化膜である。一例として電極部44は、不純物がドープされたポリシリコン等で形成される。本例の電極部44は、図1に示したゲート電極13と電気的に接続される。電極部44に印加されるゲート電圧に応じて、電極部44と対向するベース領域34にチャネルが形成される。これにより、動作用セル52および電流検出用セル54におけるソース領域38と、ドリフト領域32との間で電流が流れる。なお、電極部44とフィールドプレート72は同時に形成してもよい。
半導体装置100がIGBTを含む場合、一部の電極部44は、ソース電極11(IGBTにおけるエミッタ電極)と電気的に接続されてもよい。ソース電極11に接続されたトレンチ部40は、ダミートレンチとして機能する。これにより、キャリアの注入促進効果(IE効果)が生じてオン電圧を低減できる。
それぞれのトレンチ部40は、当該断面の動作用セル52および電流検出用セル54において同一の間隔で配置されている。複数のトレンチ部40は、当該断面と垂直な方向にストライプ状に延伸して形成されてよい。
半導体基板30の上面には、ゲート絶縁膜42の一部が形成されている。ただし、それぞれのセルにおけるp+領域36およびソース領域38は、少なくとも部分的にゲート絶縁膜42に覆われていない。
半導体基板30の上面およびゲート絶縁膜42の上面には、層間絶縁膜26が形成される。ただし、各セルにおけるp+領域36およびソース領域38が露出するように、層間絶縁膜26には開口が形成されている。これらの開口内には、ソース電極11または電流検出用電極12が充填される。
本体領域21、電流検出領域22および中間領域24のドリフト領域32には、p型のカラム60およびn型のカラム62が、等間隔で交互に配置されている。カラム60およびカラム62は超接合が形成できるように、不純物濃度および幅が調節されている。このような構造により、カラム60およびカラム62の境界から空乏層が横方向に広がるので、n型領域の不純物濃度を高くしてオン抵抗を下げても、高耐圧を維持することができる。
本例では、カラム60は、各領域のベース領域34の下面から下側に突出して形成される。カラム60の間のドリフト領域32がカラム62として機能する。それぞれのカラム60の間隔は、各セルの間隔と同一である。カラム60は、動作用セル52および電流検出用セル54のそれぞれに対して形成される。また、中間領域24におけるベース領域34の下側にも、本体領域21および電流検出領域22と同一の間隔でカラム60が形成されている。中間領域24においては、一つのベース領域34の下面から、複数のカラム60が延伸してよい。
半導体装置100においては、本体領域21、電流検出領域22および中間領域24に、同一の間隔でカラム60およびカラム62が配置されている。このため、本体領域21、電流検出領域22および中間領域24に同一構造の超接合が形成できる。本体領域21、電流検出領域22および中間領域24における超接合の各カラムの不純物濃度は同一である。
このような構造により、本体領域21および電流検出領域22を分離する中間領域24を設けつつ、超接合のカラム60およびカラム62を均等な間隔で配置することができる。このため、超接合におけるp型およびn型の不純物のチャージバランスを保ちやすく、耐圧を維持することができる。
図3は、図1におけるA−A'断面の他の例を示す図である。本例では、中間領域24に、互いに分離した複数のベース領域34が形成されている。他の構造は、図2に示した例と同一である。
本例の中間領域24のソース電極11、および電流検出用電極12に接続されるそれぞれのダイオード部58は、互いに分離したベース領域34を有する。それぞれのダイオード部58におけるベース領域34には、p+領域36が形成されている。それぞれのベース領域34の少なくとも一部は、フィールドプレート72の下方以外の領域に形成されてよい。
また、それぞれのダイオード部58のベース領域34の間に、更に分離したベース領域34が形成されていてもよい。それぞれのベース領域34は、イオン注入および熱処理により形成してよい。
中間領域24におけるベース領域34は、カラム60と同一の間隔で配置される。なお、中間領域24において、ソース電極11および電流検出用電極12のいずれにも接続されないベース領域34には、p+領域36が形成されない。p+領域36が形成されていないベース領域34は、フィールドプレート72の下方に配置されてよい。
このような構造によっても、本体領域21および電流検出領域22を分離する中間領域24を設けつつ、超接合のカラム60およびカラム62を均等な間隔で配置することができる。このため、超接合におけるp型およびn型の不純物のチャージバランスを保ちやすく、耐圧を維持することができる。
図4は、図1におけるA−A'断面の他の例を示す図である。本例では、図3に示した中間領域24のそれぞれのベース領域34が接続されている。本例のベース領域34の下面には、イオン注入および拡散により凹凸が形成されている。ただし、中間領域24のベース領域34は、下側に突出する部分が、カラム60と同一の間隔で配置されている。
このような構造によっても、本体領域21および電流検出領域22を分離する中間領域24を設けつつ、超接合のカラム60およびカラム62を均等な間隔で配置することができる。このため、超接合におけるp型およびn型の不純物のチャージバランスを保ちやすく、耐圧を維持することができる。
図5は、図1に示す半導体装置100の上面における、電流検出用電極12の角部の近傍のB部を拡大した模式図である。図5は、図2に示した構造に対応している。図5は、トレンチ部40、電極部44、ベース領域34、ソース領域38、p+領域36、フィールドプレート72、ソース電極11および電流検出用電極12を示しており、他の構造を省略している。
複数のトレンチ部40は、本体領域21および電流検出領域22において、所定の配列方向に沿って一定の間隔で配置されている。本例のトレンチ部40は、中間領域24には形成されない。それぞれのトレンチ部40は、所定の延伸方向に沿って延伸して設けられる。
それぞれのトレンチ部40の間におけるメサ領域には、ベース領域34が形成されている。ただし、本体領域21および電流検出領域22においては、半導体基板30の上面において、ソース領域38およびp+領域36が延伸方向に沿ってストライプ状に延伸して形成されている。これに代えて、ソース領域38およびp+領域36が、延伸方向に沿って交互に形成されていてもよい。
中間領域24は、延伸方向および配列方向の双方において、本体領域21および電流検出領域22の間に設けられる。中間領域24における半導体基板30の上面近傍には、ベース領域34が形成され、半導体基板30の上面の上方にはフィールドプレート72が形成されている。配列方向における、中間領域24と他の領域との境界近傍には、延伸方向に沿ってp+領域36が形成されてよい。
また、中間領域24には、ソース領域38が形成されていない。これにより、延伸方向において本体領域21、電流検出領域22および中間領域24が存在するメサ領域において、本体領域21および電流検出領域22のソース領域38を分離している。本体領域21、電流検出領域22および中間領域24が存在するメサ領域において、電流検出用電極12の下側に形成される中間領域24の長さL1は、ソース電極11の下側に形成される中間領域24の長さL2よりも大きくてよい。これにより、ソース電極11に下側に形成される中間領域24の面積を小さくすることができる。
図6は、半導体装置100の上面における、電流検出用電極12の角部の近傍のB部を拡大した模式図である。図6の例では、フィールドプレート72を、動作用セル52および電流検出用セル54のトレンチ部40にゲート絶縁膜42を介して埋め込まれる電極部44と同時に形成している。また、フィールドプレート72と、動作用セル52および電流検出用セル54のトレンチ部40にゲート絶縁膜42を介して埋め込まれる電極部44がトレンチ部40の長手方向(図中の延伸方向)に平行な方向において接続している。その他の構造は図5と同じであり、図5の例と同様な効果を得ることができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
なお、本発明の実施の形態は、トレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜42と、トレンチ部40内に設けられゲート絶縁膜42に覆われる電極部44とを有するトレンチゲート構造について記載しているが、半導体基板の表面層に選択的に配置されたベース領域と、ベース領域内に選択的に配置されたソース領域とを備え、半導体基板の表面にゲート絶縁膜を配置してゲート絶縁膜上に電極部を備えたプレーナーゲート構造としてもよい。
また、ベース領域34およびトレンチ部40は図5、図6に示すように平面形状をストライプ状としたが、ベース領域34の平面形状を島状にし、トレンチ部40の平面形状をベース領域34の島状の間に配置する格子状として電極部44を格子状としてもよい。上述したプレーナーゲート構造においても同様にベース領域の平面形状を島状とし、電極部の平面形状をベース領域の島状の間を跨ぐように配置された格子状としてもよい。なお、ベース領域を島状に形成する場合は、p型のカラムも平面形状が島状に配置される。
11・・・ソース電極、12・・・電流検出用電極、13・・・ゲート電極、14・・・ドレイン電極、21・・・本体領域、22・・・電流検出領域、23・・・耐圧構造領域、24・・・中間領域、26・・・層間絶縁膜、30・・・半導体基板、32・・・ドリフト領域、33・・・ドレイン領域、34・・・ベース領域、36・・・p+領域、38・・・ソース領域、40・・・トレンチ部、42・・・ゲート絶縁膜、44・・・電極部、52・・・動作用セル、54・・・電流検出用セル、58・・・ダイオード部、60・・・カラム、62・・・カラム、70・・・絶縁膜、72・・・フィールドプレート、74・・・層間絶縁膜、100・・・半導体装置

Claims (9)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の内部に形成された1以上の動作用セルを含む本体領域と、
    前記半導体基板の内部に形成された1以上の電流検出用セルを含む電流検出領域と、
    前記半導体基板の内部において前記本体領域と前記電流検出領域との間に設けられ、耐圧構造部を含む中間領域と
    を備え、
    前記本体領域、前記電流検出領域および前記中間領域において、第1導電型のカラムおよび第2導電型のカラムが等間隔で交互に配置された
    半導体装置。
  2. 前記中間領域は、前記半導体基板の上方に形成された形成されたフィールドプレートを有する
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記中間領域は、前記本体領域に隣接する領域と、前記電流検出領域に隣接する領域とにダイオード部が形成されている
    請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体基板の内部には、
    第1導電型のベース領域と、
    前記ベース領域の下方に形成された第2導電型のドリフト領域と
    が形成され、
    前記本体領域および前記電流検出領域は、
    前記半導体基板の上面から前記ベース領域の下側まで延伸して形成され、同一の間隔で配置された複数のトレンチ部と、
    それぞれのトレンチ部の間の領域における前記ベース領域の上方に形成された第2導電型の高濃度領域と
    を有し、
    前記中間領域には、前記高濃度領域が形成されていない
    請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記本体領域に隣接する前記ダイオード部と、前記電流検出領域に隣接する前記ダイオード部は、共通の前記ベース領域を有する
    請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記本体領域に隣接する前記ダイオード部と、前記電流検出領域に隣接する前記ダイオード部は、分離した前記ベース領域を有する
    請求項4に記載の半導体装置。
  7. 前記中間領域は、前記本体領域に隣接する前記ダイオード部の前記ベース領域と、前記電流検出領域に隣接する前記ダイオード部の前記ベース領域との間に、分離した前記ベース領域を更に有する
    請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記本体領域の少なくとも一部の領域の上方に形成された上面側電極と、
    前記電流検出領域の少なくとも一部の領域の上方に形成された電流検出用電極と
    を更に備え、
    前記本体領域に隣接する前記ダイオード部は、前記上面側電極に接続され、
    前記電流検出領域に隣接する前記ダイオード部は、前記電流検出用電極に接続される
    請求項3から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記第1導電型のカラムおよび前記第2導電型のカラムは、前記本体領域、前記電流検出領域および前記中間領域において、同じ不純物濃度であることを特徴とする
    請求項1に記載の半導体装置。
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