JP2018067624A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】同一の半導体基板内に閾値電圧が異なる素子領域を有する半導体装置を提供する。【解決手段】本半導体装置は、第1素子領域10Aと第2素子領域10Bとが同一の半導体基板に形成されている。第1素子領域および第2素子領域は、トレンチゲート140A、140Bと、ドリフト層32のうち、トレンチ40A、40Bの下端の深さとドリフト層の上面の間に位置するドリフト層を含む範囲に形成されたライフタイム制御領域32aと、半導体基板の上面に形成され、層間絶縁膜47A、47Bによってゲート電極44A、44Bから絶縁された上面電極22、24と、を備える。第1素子領域に形成される上面電極は、半導体基板の上面に配置されるバリア層と、バリア層の上面に配置されるAl系電極層とを含み、第2素子領域に形成される上面電極は、半導体基板の上面に配置されるAl系電極層を含む。【選択図】図3
Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置およびその製造方法に関する。
特許文献1に、同一の半導体基板にメイン素子領域とセンス素子領域が設けられている半導体装置が開示されている。その半導体装置では、センス素子領域内に形成するエミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積を、メイン素子領域内に形成するエミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積から変化させることによって、センス素子領域での閾値電圧をメイン素子領域での閾値電圧よりも高くしている。
従来技術では、エミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積を変化させることによって、同一の半導体基板内に閾値電圧が異なる素子領域を作り分ける。種々の事情によって、エミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積を変化させることが難しい場合がある。本発明者らは、上記手法とは異なる新たな手法によって、同一の半導体基板内に閾値電圧が異なる素子領域を作り分ける技術を検討した。
本明細書では、同一の半導体基板に閾値電圧が異なる素子領域を有する半導体装置を開示する。
本明細書に開示する半導体装置は、第1素子領域と第2素子領域とが同一の半導体基板に形成されている。前記第1素子領域および前記第2素子領域は、半導体基板の上面に臨む範囲に形成されている第1導電型の第1半導体領域と、第1半導体領域の下面側に形成されており、第1半導体領域に接する第2導電型の第2半導体層と、第2半導体層の下面側に形成されており、第2半導体層によって第1半導体領域から分離されている第1導電型の第3半導体層と、半導体基板の上面に形成されており、第1半導体領域と第2半導体層を貫通して、第3半導体層に達するトレンチと、トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、トレンチの内部に配置されており、ゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているゲート電極と、第3半導体層のうち、トレンチの下端の深さと第3半導体層の上面の間に位置する第3半導体層を含む範囲に形成されたライフタイム制御領域と、半導体基板の上面に形成され、層間絶縁膜によってゲート電極から絶縁された上面電極とを備える。第1素子領域に形成される上面電極は、半導体基板の上面に配置されるバリア層と、バリア層の上面に配置されるAl系電極層とを含み、第2素子領域に形成される上面電極は、半導体基板の上面に配置されるAl系電極層を含む、半導体装置。
なお、上記の「バリア層」の材料は、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、チタンタングステン(TiW)等の従来公知のバリアメタルとして用いられる材料を用いることができる。
また、上記の「Al系電極層」は、Al、AlSi等のアルミニウムを主成分とする電極材料によって形成されており、これらの電極材料は、水素原子の供給性が高いことで知られる。
また、上記の「Al系電極層」は、Al、AlSi等のアルミニウムを主成分とする電極材料によって形成されており、これらの電極材料は、水素原子の供給性が高いことで知られる。
上記の半導体装置は、ライフタイム制御領域を有するため、ゲート絶縁膜と半導体基板との間に、界面準位ができる。また、上記の半導体装置において、第1素子領域に形成される上面電極は、バリア層を介して半導体基板の上面に配置されるAl系電極層を含み、第2素子領域に形成される上面電極は、バリア層を介さずに半導体基板の上面に配置されるAl系電極層を含む。したがって、Al系電極層から拡散される水素原子は、第1素子領域にでは、バリア層によって吸着され、第2素子領域では、半導体基板内に供給される。すなわち、第1素子領域では、界面準位が終端されないため、界面準位に電子が捕獲される。従って、第1素子領域10Aのゲート閾値は、第2素子領域10Bのゲート閾値に比べ、捕捉された電子の分だけ低くなる。
上記の半導体装置によると、素子領域毎にエミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積を変えることが困難な場合でも、同一の半導体基板に閾値電圧が異なる素子領域を作り分けることが可能となる。なお本構造は、エミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積を変えることが困難な場合にのみ有用性を持つものでなく、エミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積を変えるのに代えて、あるいはエミッタ領域またはボディコンタクト領域の面積を変えるのに加えて実施する場合にも有用である。
図1は、実施形態に係る半導体装置1の回路図の概略を示す。図1に示すように、半導体装置1は、メインスイッチング素子SW1及びセンススイッチング素子SW2から構成される半導体素子20、メインエミッタ電極22、センスエミッタ電極24、コレクタ電極28及びゲートパッド26を有する。メインエミッタ電極22は、外部電源44に接続される。センスエミッタ電極24は、センス抵抗R1を介して外部電源44に接続される。
図2は、実施形態に係る半導体装置1の平面図を示す。図2に示すように、半導体装置1は、半導体基板10を有する。半導体基板10の上面には、複数のメインエミッタ電極22、センスエミッタ電極24及びゲートパッド26が形成されている。半導体基板10の下面には、コレクタ電極28が形成されている。メインエミッタ電極22が形成されている範囲が、メイン素子領域10Aに対応し、センスエミッタ電極24が形成されている範囲が、センス素子領域10Bに対応する。センス素子領域10Bの面積は、メイン素子領域の面積10Aよりも小さい。
図3は、図2のIII−III線に対応した断面図である。図4は、図2の領域IVに対応した拡大平面図である。図3に示すように、メインエミッタ電極22が形成されているメイン素子領域10Aに対応する範囲の半導体基板10にメインスイッチング素子SW1が形成されており、センスエミッタ電極24が形成されているセンス素子領域10Bに対応する範囲の半導体基板10にセンススイッチング素子SW2が形成されている。メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2は、半導体素子20(本実施形態ではIGBT)を構成する。メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bの間には、スイッチング素子が形成されていない分離領域10Cが存在する。
図3に示すように、半導体基板10の上面には、メイン素子領域10Aにおいて、複数のトレンチ40Aが凹状に形成されている。図4に示すように、各トレンチ40Aは、互いに平行に伸びている。各トレンチ40Aの内面は、ゲート絶縁膜42Aに覆われている。各トレンチ40Aの内部には、ゲート電極44Aが配置されている。ゲート電極44Aは、ゲート絶縁膜42Aによって半導体基板10から絶縁されている。ゲート電極44Aの上面には、キャップ絶縁膜46Aに覆われている。また、キャップ絶縁膜46Aの上には、層間絶縁膜47Aが形成されている。ゲート電極44Aは、ゲートパッド26に接続可能とされている。(図示省略)ゲート絶縁膜42A、ゲート電極44A、キャップ絶縁膜46A及び層間絶縁膜47Aを総称し、絶縁トレンチゲート140Aと称する。
同様に、センス素子領域10Bにおいて、複数のトレンチ40Bが凹状に形成されている。図4に示すように、各トレンチ40Bは、互いに平行に伸びている。各トレンチ40Bの内面は、ゲート絶縁膜42Bに覆われている。各トレンチ40Bの内部には、ゲート電極44Bが配置されている。ゲート電極44Bは、ゲート絶縁膜42Bによって半導体基板10から絶縁されている。ゲート電極44Bの上面には、キャップ絶縁膜46Bに覆われている。また、キャップ絶縁膜46Bの上には、層間絶縁膜47Bが形成されている。ゲート電極44Bは、ゲートパッド26に接続可能とされている。(図示省略)ゲート絶縁膜42B、ゲート電極44B、キャップ絶縁膜46B及び層間絶縁膜47Bを総称し、絶縁トレンチゲート140Bと称する。
同様に、センス素子領域10Bにおいて、複数のトレンチ40Bが凹状に形成されている。図4に示すように、各トレンチ40Bは、互いに平行に伸びている。各トレンチ40Bの内面は、ゲート絶縁膜42Bに覆われている。各トレンチ40Bの内部には、ゲート電極44Bが配置されている。ゲート電極44Bは、ゲート絶縁膜42Bによって半導体基板10から絶縁されている。ゲート電極44Bの上面には、キャップ絶縁膜46Bに覆われている。また、キャップ絶縁膜46Bの上には、層間絶縁膜47Bが形成されている。ゲート電極44Bは、ゲートパッド26に接続可能とされている。(図示省略)ゲート絶縁膜42B、ゲート電極44B、キャップ絶縁膜46B及び層間絶縁膜47Bを総称し、絶縁トレンチゲート140Bと称する。
メイン素子領域10Aにおいて、半導体基板10の上面には、メインエミッタ電極22が形成されている。メインエミッタ電極22は、バリア層22aとAl系電極層22bの二層からなる。バリア層22aは、半導体基板10の上面に形成され、例えばチタン化合物(Ti、TiN、TiW等)からなる。Al系電極層22bは、バリア層22aの上面に形成され、アルミニウム合金(Al、AlSi等)からなる。メインエミッタ電極22は、キャップ絶縁膜46Aと層間絶縁膜47Aによってゲート電極44Aから絶縁されている。
センス素子領域10Bにおいて、半導体基板10の上面には、センスエミッタ電極24が形成されている。センスエミッタ電極24、Al系電極層24bは一層からなる。Al系電極層24bは、アルミニウム合金(Al、AlSi等)からなる。センスエミッタ電極24は、キャップ絶縁膜46Bと層間絶縁膜47Bによってゲート電極44Bから絶縁されている。半導体基板10の下面には、コレクタ電極28が形成されている。
センス素子領域10Bにおいて、半導体基板10の上面には、センスエミッタ電極24が形成されている。センスエミッタ電極24、Al系電極層24bは一層からなる。Al系電極層24bは、アルミニウム合金(Al、AlSi等)からなる。センスエミッタ電極24は、キャップ絶縁膜46Bと層間絶縁膜47Bによってゲート電極44Bから絶縁されている。半導体基板10の下面には、コレクタ電極28が形成されている。
半導体基板10の内部には、メイン素子領域10Aにおいて、エミッタ領域12A、ボディコンタクト領域15A、ボディ層14Aが形成されている。同様に、センス素子領域10Bにおいて、エミッタ領域12B、ボディコンタクト領域15B、ボディ層14B、が形成されている。また、メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bの両方に跨って、ドリフト層32、バッファ層34及びコレクタ層36が形成されている。
図3に示すように、エミッタ領域12A及びエミッタ領域12Bは、n型であり、半導体基板10の上面に露出する範囲に形成されている。エミッタ領域12Aは、メインエミッタ電極22に接続されている。エミッタ領域12Bは、センスエミッタ電極24に接続されている。図4に示すように、エミッタ領域12Aは、ゲート電極44Aに直交する方向に長く延びている。エミッタ領域12Aはゲート絶縁膜42Aと接している。同様に、エミッタ領域12Bは、ゲート電極44Bに直交する方向に長く延びている。エミッタ領域12Bはゲート絶縁膜42Bと接している。
図3に示すように、ボディコンタクト領域15A及びボディコンタクト領域15Bは、高濃度のp型不純物を有するp型領域であり、半導体基板10の上面に露出する範囲に形成されている。図4に示すように、ボディコンタクト領域15Aは、ゲート電極44Aに直交する方向に長く伸びている。ボディコンタクト領域15Aは、エミッタ領域12Aに接している。ボディコンタクト領域15Aは、メインエミッタ電極22に接続されている。同様に、ボディコンタクト領域15Bは、ゲート電極44Bに直交する方向に長く伸びている。ボディコンタクト領域15Bは、エミッタ領域12Bに接している。ボディコンタクト領域15Bは、センスエミッタ電極24に接続されている。
ボディ層14A及びボディ層14Bは、ボディコンタクト領域15A及びボディコンタクト領域15Bよりもp型不純物濃度が低いp型領域である。図3に示すように、ボディ層14Aは、エミッタ領域12Aとボディコンタクト領域15Aの下側に形成されており、エミッタ領域12Aの下側において、ゲート絶縁膜42Aに接している。同様に、ボディ層14Bは、エミッタ領域12Bとボディコンタクト領域15Bの下側に形成されており、エミッタ領域12Bの下側において、ゲート絶縁膜42Bに接している。
ドリフト層32は、低濃度のn型不純物を含有するn型領域である。ドリフト層32は、ボディ層14Aの下側に形成されている。ドリフト層32は、トレンチ40Aの下端に位置するゲート酸化膜42Aと接している。同様に、ドリフト領域32は、ボディ層14Bの下側に形成されいる。ドリフト領域32は、トレンチ40Bの下端に位置するゲート酸化膜42Bと接している。
ドリフト層32には、ライフタイム制御領域32aが形成される。ライフタイム制御領域32aは、その周囲に比べて結晶欠陥密度が高い領域である。ライフタイム領域32aは、半導体基板10の上面側から荷電粒子を照射することによって形成される。ライフタイム制御領域32a内では、効果的にキャリアのライフタイムが減衰される。
バッファ層34は、高濃度のn型不純物を含有するn型領域である。バッファ層34は、ドリフト層32の下側に形成されている。
コレクタ層36は、高濃度のp型不純物を含有するp型領域である。コレクタ層36は、バッファ層34の下側に形成されている。コレクタ層36は、半導体基板10の下面に臨む範囲の全面に形成されている。コレクタ層32は、コレクタ電極28に接続されている。
次に、半導体装置1の製造方法を説明する。なお、この製造方法はメインエミッタ電極22及びセンスエミッタ電極24の形成に特徴を有するので、メインエミッタ電極22及びセンスエミッタ電極24の形成に関連する工程について以下に説明し、その他の工程については説明を省略する。
図5は、半導体装置1の製造方法に係る半導体基板610の断面図を示す図である。図5に示す半導体基板610は、半導体装置1のメインエミッタ電極22、センスエミッタ電極24、ライフタイム制御領域32a、バッファ層34、コレクタ層36及びコレクタ電極28が形成される前の状態を示すものであり、それ以外の半導体装置1の素子構造は既に形成されている。
まず、半導体基板610の上面に、メインエミッタ電極22及びセンスエミッタ電極24を形成する。図6に示すように、メイン素子領域10Aにおいて、スパッタリング等によってチタン合金膜を成膜し、バリア層22aを形成する。その後、メイン素子領域10Aにおいて、バリア層22aの上面に、スパッタリング等によってアルミニウム合金(AlSi)を成膜し、Al系電極層22bを形成する。これより、半導体基板610の上面に、バリア層22a及びAl系電極層22bからなるメインエミッタ電極22が形成される。センス素子領域10Bにおいて、半導体基板610の上面に、スパッタリング等によってアルミニウム合金(AlSi)を成膜し、Al系電極層24bを形成する。これより、半導体基板610の上面に、Al系電極層24bからなるセンスエミッタ電極24が形成される。
次に、図7に示すように、イオン注入等によって、半導体基板610の下面側に、p型のイオン注入層636、n型のイオン注入層634を形成する。
次に、図8に示すように、半導体基板610の上面側から、ドリフト層32内に荷電粒子を照射し、結晶欠陥を形成する。図8中の「・」は、荷電粒子が通過してダメージを受けた層であり、「×」は荷電粒子の打ち込んだ終端である。このとき、一部の荷電粒子が、ゲート絶縁膜42A及びゲート絶縁膜42Bと半導体基板610の界面に注入される。その結果、ゲート絶縁膜42A及びゲート絶縁膜42Bと半導体基板610との間に界面準位ができる。
次に、図9に示すように、結晶欠陥を安定化させるためのアニールを行い、ライフタイム制御領域32aを形成する。このアニール工程において、p型のコレクタ層36及びn型のバッファ層34が形成される。また、このようにアルミニウム合金からなるAl系電極層22b及びAl系電極層24bが存在する状態でアニール工程を行うと、Al系電極層22b及びAl系電極層24bから、半導体基板610に向かって水素原子が拡散される。メイン素子領域10Aにおいては、拡散された水素原子がバリア層22aによって吸着される。一方で、センス素子領域10Bにはバリア層が存在しないため、半導体基板610内に水素原子が供給される。供給された水素原子によって、ゲート絶縁膜42Bと半導体基板610との境界に存在する界面準位が終端化される。
次に、半導体基板610の下面にコレクタ電極26を形成する。以上により、図3に示す半導体装置1の構造が得られる。
上記したように、メインスイッチング素子SW1は、メインエミッタ電極22、エミッタ領域12A、ボディコンタクト領域15A、ボディ層14A、絶縁トレンチゲート140A、ドリフト層32、バッファ層34、コレクタ層36及びコレクタ電極28によって構成されている。センススイッチング素子SW2は、センスエミッタ電極24、エミッタ領域12B、ボディコンタクト領域15B、ボディ層14B、絶縁トレンチゲート140B、ドリフト層32、バッファ層34、コレクタ層36及びコレクタ電極28によって構成されている。メインスイッチング素子SW1は、ゲート電極44Aに印加されるゲート電極に基づいて、コレクタ電極28とメインエミッタ電極22の間を流れる電流をスイッチングする。センススイッチング素子SW2は、ゲート電極44Bに印加されるゲート電極に基づいて、コレクタ電極28とセンスエミッタ電極24の間を流れる電流をスイッチングする。
次に半導体装置1の動作について説明する。メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2を同時にオンさせると、コレクタ電極28から外部電源44(図1参照)に向かって電流が流れる。電流の大部分は、メインスイッチング素子SW1(すなわち、メインエミッタ電極22)を経由して流れる。電流の一部は、センススイッチング素子SW2(すなわち、センスエミッタ電極24)を経由して流れる。センススイッチング素子SW2に流れる電流は、センス抵抗R1の両端の電位差によって測定することができる。また、メインスイッチング素子SW1に流れる電流とセンススイッチング素子SW2に流れる電流の比は、メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bにそれぞれ形成される総チャネル長と略等しい。したがって、センススイッチング素子SW2の電流を検出することで、メインスイッチング素子SW1の電流を検出することができる。
半導体装置1では、メイン素子領域10Aでは、ゲート絶縁膜42Aと半導体基板10との間に界面準位が存在する。界面準位には電子が捕捉される。一方で、センス素子領域10Bでは、ゲート絶縁膜42Bと半導体基板10との間の界面準位は、Al系電極層24bから供給された水素原子により、終端されている。そのため、電子が捕捉されない。従って、メイン素子領域10Aのゲート閾値は、センス素子領域10Bのゲート閾値に比べ、捕捉された電子の分だけ低くなる。これにより、メインスイッチング素子SW1が、センススイッチング素子SW2よりも早期にターンオンする。従って、センススイッチング素子SW2への電流集中を抑制できる。よって、メインスイッチング素子SW1に流れる電流が過大であると誤検出することを防止できる。
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
1 :半導体装置
10 :半導体基板
10A :メイン素子領域(第1素子領域)
10B :センス素子領域(第2素子領域)
10C :分離領域
12A :エミッタ領域(第1半導体領域)
12B :エミッタ領域(第1半導体領域)
14A :ボディ層(第2半導体層)
14B :ボディ層(第2半導体層)
15A :ボディコンタクト領域
15B :ボディコンタクト領域
20 :半導体素子
22 :メインエミッタ電極(上面電極)
24 :センスエミッタ電極(上面電極)
26 :ゲートパッド
28 :コレクタ電極
32 :ドリフト層(第3半導体領域)
32a :ライフタイム制御領域
34 :バッファ層
36 :コレクタ層
40A :トレンチ
40B :トレンチ
42A :ゲート絶縁膜
42B :ゲート絶縁膜
44A :ゲート電極
44B :ゲート電極
46A :キャップ絶縁膜
46B :キャップ絶縁膜
47A :層間絶縁膜
47B :層間絶縁膜
140A :絶縁トレンチゲート
140B :絶縁トレンチゲート
610 :半導体基板
634 :n型のイオン注入層
636 :p型のイオン注入層
632a :結晶欠陥
SW1:メインスイッチング素子
SW2:センススイッチング素子
R1:外部抵抗
10 :半導体基板
10A :メイン素子領域(第1素子領域)
10B :センス素子領域(第2素子領域)
10C :分離領域
12A :エミッタ領域(第1半導体領域)
12B :エミッタ領域(第1半導体領域)
14A :ボディ層(第2半導体層)
14B :ボディ層(第2半導体層)
15A :ボディコンタクト領域
15B :ボディコンタクト領域
20 :半導体素子
22 :メインエミッタ電極(上面電極)
24 :センスエミッタ電極(上面電極)
26 :ゲートパッド
28 :コレクタ電極
32 :ドリフト層(第3半導体領域)
32a :ライフタイム制御領域
34 :バッファ層
36 :コレクタ層
40A :トレンチ
40B :トレンチ
42A :ゲート絶縁膜
42B :ゲート絶縁膜
44A :ゲート電極
44B :ゲート電極
46A :キャップ絶縁膜
46B :キャップ絶縁膜
47A :層間絶縁膜
47B :層間絶縁膜
140A :絶縁トレンチゲート
140B :絶縁トレンチゲート
610 :半導体基板
634 :n型のイオン注入層
636 :p型のイオン注入層
632a :結晶欠陥
SW1:メインスイッチング素子
SW2:センススイッチング素子
R1:外部抵抗
Claims (1)
- 第1素子領域と第2素子領域とが同一の半導体基板に形成された半導体装置であって、
前記第1素子領域および前記第2素子領域は、
前記半導体基板の上面に臨む範囲に形成されている第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の下面側に形成されており、前記第1半導体領域に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の下面側に形成されており、前記第2半導体層によって前記第1半導体領域から分離されている第1導電型の第3半導体層と、
前記半導体基板の上面に形成されており、前記第1半導体領域と前記第2半導体層を貫通して、前記第3半導体層に達する、トレンチと、
前記トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、
前記トレンチの内部に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極と、
第3半導体層のうち、前記トレンチの下端の深さと前記第3半導体層の上面の間に位置する第3半導体層を含む範囲に形成された、ライフタイム制御領域と、
前記半導体基板の上面に形成され、層間絶縁膜によって前記ゲート電極から絶縁された上面電極と
を備え、
前記第1素子領域に形成される前記上面電極は、前記半導体基板の上面に配置されるバリア層と、前記バリア層の上面に配置されるAl系電極層とを含み、
前記第2素子領域に形成される前記上面電極は、前記半導体基板の上面に直接配置されるAl系電極層を含む、半導体装置。
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