JP2018098402A

JP2018098402A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2018098402A
Application number: JP2016243007A
Authority: JP
Inventors: 悟町田; Satoru Machida; 侑佑山下; Yusuke Yamashita
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: JP6784164B2

Abstract

【課題】ショットキーバリアダイオードを内蔵する半導体装置において、パンチスルー現象を抑える技術を提供すること。【解決手段】半導体装置は、半導体層の表面に露出する露出部分を有する第１導電型のドリフト領域と、前記ドリフト領域の前記露出部分を間に置いて設けられている第２導電型のボディ領域と、前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から隔てられている第１導電型のソース領域と、前記ドリフト領域と前記ソース領域を隔てている部分の前記ボディ領域に対向するゲート部と、前記半導体層の前記表面を被覆しており、前記ドリフト領域の前記露出部分にショットキー接触する表面電極と、を備えており、前記ボディ領域は、前記半導体層の前記表面に露出するとともに不純物濃度が残部よりも濃いコンタクト領域を有しており、前記コンタクト領域は、前記ソース領域と前記ドリフト領域の前記露出部分の間の位置から前記ソース領域の底面の一部を覆うように設けられている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、ショットキーバリアダイオード（SBD：Schottky Barrier Diode）を内蔵する半導体装置に関する。

電界効果トランジスタにショットキーバリアダイオードを内蔵させた半導体装置が提案されており、その一例が特許文献１に開示されている。特許文献１は、隣り合うＭＯＳ構造の間にショットキーバリアダイオードを内蔵させた半導体装置を開示する。この半導体装置では、ｎ型のドリフト領域の露出部分が半導体層の表面に露出し、表面電極がその露出部分にショットキー接触するように構成されている。ショットキーバリアダイオードの順方向電流は、このドリフト領域の露出部分を介して流れる。

特開２０１４−１２７５５号公報

隣り合うＭＯＳ構造の間に内蔵されているショットキーバリアダイオードの順方向電圧を低下させるためには、ドリフト領域の露出部分の幅を広くするのが望ましい。一方、この種の半導体装置では、オン電圧を低く抑えるために、隣り合うＭＯＳ構造の間隔を狭くしてチャネルの高密度化を図っている。このため、ドリフト領域の露出部分の幅を広くすると、相対的にＭＯＳ構造のボディ領域の面積が小さくなる。これにより、半導体装置がオフしたときに、ボディ領域とドリフト領域の接合面からボディ領域内に伸展する空乏層がソース領域に達するパンチスルー現象が問題となる。特に、この種の半導体装置では、ドリフト領域の露出部分の存在により、半導体装置がオフしたときに横方向からもボディ領域が空乏化されるので、パンチスルー現象を抑える技術が特に必要とされている。

本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、半導体層の表面に露出する露出部分を有する第１導電型のドリフト領域、ドリフト領域の露出部分を間に置いて設けられている第２導電型のボディ領域、ボディ領域によってドリフト領域から隔てられている第１導電型のソース領域、ドリフト領域とソース領域を隔てている部分のボディ領域に対向するゲート部及びドリフト領域の露出部分にショットキー接触する表面電極を備えることができる。ここで、半導体装置の一例には、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が挙げられる。この実施形態の半導体装置では、表面電極がドリフト領域の露出部分にショットキー接触することで、そのドリフト領域の露出部分にショットキーバリアダイオードが内蔵されている。ゲート部の構造は特に限定されるものではなく、典型的には、トレンチゲート又はプレーナーゲートを採用することができる。ボディ領域は、半導体層の表面に露出するとともに不純物濃度が残部よりも濃いコンタクト領域を有する。コンタクト領域は、ソース領域とドリフト領域の露出部分の間の位置からソース領域の底面の一部を覆うように設けられている。この実施形態の半導体装置では、不純物濃度が濃いコンタクト領域が設けられていることにより、ドリフト領域とボディ領域の接合面からボディ領域内に伸展する空乏層の幅が抑えられ、その空乏層がソース領域に達することが抑えられる。これにより、パンチスルー現象が抑えられる。

上記実施形態の半導体装置では、ゲート部が、半導体層の表面から深部に向けて伸びるトレンチゲートを有することができる。トレンチゲートは、ソース領域及びボディ領域を貫通してドリフト領域に達する。コンタクト領域は、トレンチゲートの側面から離れている。トレンチゲートの側面からコンタクト領域までの距離が、トレンチゲートの側面からソース領域の露出部分側の端部までの距離よりも小さい。この実施形態の半導体装置は、トレンチ型のＭＯＳ構造を有しており、低いチャネル抵抗によって低いオン電圧を有することができる。また、コンタクト領域はトレンチゲートの側面に接していないので、ＭＯＳ構造の動作に支障をきたすことが抑えられている。さらに、隣り合うＭＯＳ構造の間隔を狭くしてチャネルの高密度化を図ったとしても、この実施形態の半導体装置では、パンチスルー現象が抑えられる。これにより、この実施形態の半導体装置は、低いオン電圧とパンチスルー現象の抑制を両立することができる。

上記実施形態の半導体装置は、トレンチゲートと表面電極を隔てる層間絶縁膜をさらに備えることができる。層間絶縁膜は、半導体層の表面に直交する方向から見たときに、トレンチゲートの側面から張り出している。トレンチゲートの側面からコンタクト領域までの距離が、トレンチゲートの側面から層間絶縁膜の露出部分側の端部までの距離よりも小さい。この実施形態の半導体装置では、コンタクト領域がトレンチゲートの側面に近接している。このため、ソース領域の底面の大部分がコンタクト領域で覆われているので、パンチスルー現象が良好に抑えられる。

上記実施形態の半導体装置では、半導体層の半導体材料を炭化珪素とすることができる。

半導体装置の一実施形態の要部斜視図を模式的に示す（ソース電極の一部が取り除かれて図示されている）。図１のII-II線に対応した要部断面図を模式的に示す。ＭＯＳ構造の要部拡大断面図を模式的に示す。

以下、図面を参照して、ショットキーバリアダイオードを内蔵したＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である半導体装置１を説明する。半導体装置１は、例えば、交流モータに交流電力を供給するインバータ装置に用いられ、ショットキーバリアダイオードがフリーホイールダイオードとして動作する。図１及び図２に示されるように、半導体装置１は、ドレイン電極１０、炭化珪素層２０、ソース電極３０、トレンチゲート４０及び層間絶縁膜５０を備える。

ドレイン電極１０は、炭化珪素層２０の裏面を被膜するように形成されており、炭化珪素層２０の裏面にオーミック接触している。ドレイン電極１０の材料には、例えば、Al、Ni、Ti、Mo又はCoが用いられる。

炭化珪素層２０は、ｎ型の基板２１、ｎ型のドリフト領域２２、ｐ型のボディ領域２３及びｎ型のソース領域２４を有する。ｎ型の基板２１は、面方位が［０００１］面の炭化珪素基板であり、ドレイン領域とも称される。基板２１の裏面は、ドレイン電極１０にオーミック接触している。

ドリフト領域２２は、基板２１上に設けられており、凸状の露出部分２６を上部に有する。ドリフト領域２２は、露出部分２６以外の部分でトレンチゲート４０に接する。露出部分２６の上面は、炭化珪素層２０の表面の一部に露出している。露出部分２６は、ストライプ状に配置されたトレンチゲート４０の長手方向（以下、奥行き方向という）に対して平行に伸びている。ドリフト領域２２は、エピタキシャル成長技術を利用して、基板２１から結晶成長して形成されている。

ボディ領域２３は、ドリフト領域２２の露出部分２６を間に置いて配置されており、コンタクト領域２５を上部に有している。コンタクト領域２５は、ソース領域２４とドリフト領域２２の露出部分２６の間に設けられており、炭化珪素層２０の表面の一部に露出しており、不純物濃度が相対的に濃い部分である。コンタクト領域２５は、奥行き方向に対して平行に伸びている。ボディ領域２３は、コンタクト領域２５以外の部分でトレンチゲート４０の側面に接する。ボディ領域２３は、飛程距離を変えた複数回のイオン注入技術を利用して、炭化珪素層２０の表面からｐ型不純物（一例では、アルミニウム）を導入することで形成されている。

ソース領域２４は、ボディ領域２３上に設けられており、ボディ領域２３によってドリフト領域２２から隔てられており、炭化珪素層２０の表面の一部に露出している。ソース領域２４は、トレンチゲート４０の側面に接する。ソース領域２４は、奥行き方向に対して平行に伸びている。ソース領域２４の不純物濃度は、コンタクト領域２５の不純物濃度よりも濃い。ソース領域２４は、イオン注入技術を利用して、炭化珪素層２０の表面からｎ型不純物（一例では、リン）を導入することで形成されている。

ソース電極３０は、炭化珪素層２０の表面を被覆しており、炭化珪素層２０の表面に露出しているソース領域２４、ボディ領域２３のコンタクト領域２５及びドリフト領域２２の露出部分２６に接触している。ソース電極３０は、ソース領域２４とボディ領域２３のコンタクト領域２５に対してオーミック接触しており、ドリフト領域２２の露出部分２６に対してショットキー接触している。ソース電極３０の材料には、例えば、Al、Ni、Ti又はMoが用いられる。なお、ソース電極３０は、この例に代えて、ソース領域２４とボディ領域２３のコンタクト領域２５に対してオーミック接触する部分とドリフト領域２２の露出部分２６に対してショットキー接触する部分が異なる材料で構成されていてもよい。

トレンチゲート４０は、ドリフト領域２２とソース領域２４を隔てる部分のボディ領域２３に対向している。トレンチゲート４０は、炭化珪素層２０の表面からソース領域２４及びボディ領域２３を貫通してドリフト領域２２に達するトレンチ内に設けられているトレンチゲート電極４２及びゲート絶縁膜４４を含む。トレンチゲート電極４２は、ＣＶＤ技術を利用して、ゲート絶縁膜４４で被膜されたトレンチ内に充填して形成される。ゲート絶縁膜４４は、ＣＶＤ技術を利用して、トレンチの内壁を被膜して形成されている。

層間絶縁膜５０は、トレンチゲート４０とソース電極３０の間に設けられており、両者を絶縁分離する。層間絶縁膜５０は、炭化珪素層２０の表面に直交する方向から見たときに、トレンチゲート４０の側面から張り出している。このため、層間絶縁膜５０は、ソース領域２４の一部を覆うように形成されている。

図３に、ＭＯＳ構造の要部拡大断面図を示す。コンタクト領域２５は、ソース領域２４よりも深く形成されており、ソース領域２４とドリフト領域２２の露出部分２６の間に設けられている。さらに、コンタクト領域２５は、ソース領域２４とドリフト領域２２の露出部分２６の間の位置からソース領域２４の底面２４Ｂの一部を覆うようにソース領域２４の下方に延びている。即ち、コンタクト領域２５は、ソース領域２４の底面２４Ｂと側面２４Ｓの間のコーナー部を覆うように設けられている。また、コンタクト領域２５は、トレンチゲート４０の側面４０Ｓに接していない。

図３に示されるように、コンタクト領域２５はソース領域２４の底面２４Ｂに接しており、コンタクト領域２５のトレンチゲート４０側の端部とソース領域２４の底面２４Ｂの接合部分が２５ａとして示されている。トレンチゲート４０の側面４０Ｓに直交する方向（紙面左右方向）において、トレンチゲート４０の側面４０Ｓからコンタクト領域２５の接合部分２５ａまでの距離がＤ１である。炭化珪素層２０の表面に直交する方向（紙面上下方向）から見たときに、層間絶縁膜５０はトレンチゲート４０の側面４０Ｓからドリフト領域２２の露出部分２６側に向けて張り出しており、この露出部分２６側の端部が３２ａとして示されている。トレンチゲート４０の側面４０Ｓに直交する方向において、トレンチゲート４０の側面４０Ｓから層間絶縁膜３２の端部３２ａまでの距離がＤ２である。ソース領域２４は炭化珪素層２０の表面に露出しており、炭化珪素層２０の表面に露出するソース領域２４のうちのドリフト領域２２の露出部分２６側の端部が２４ａとして示されている。トレンチゲート４０の側面４０Ｓに直交する方向において、トレンチゲート４０の側面４０Ｓからソース領域２４の端部２４ａまでの距離がＤ３である。半導体装置１では、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係が成立する。

Ｄ１＜Ｄ３の関係が成立する半導体装置１は、コンタクト領域２５がソース領域２４の底面２４Ｂと側面２４Ｓの間のコーナー部を覆うという特徴を有する。半導体装置１では、オフのときにドリフト領域２２とボディ領域２３の接合面からボディ領域２３内に空乏層が伸展しようとする。特に、半導体装置１では、隣り合うＭＯＳ構造の間にドリフト領域２２の露出部分２６が設けられているので、横方向からもボディ領域２３内を空乏層が伸展しようとする。この空乏層がソース領域２４に達すると、パンチスルー現象が発生し、耐圧が大幅に低下する。半導体装置１では、ボディ領域２３が高濃度のコンタクト領域２５を有しており、そのコンタクト領域２５がソース領域２４のコーナー部を覆うように設けられている。これにより、コンタクト領域２５は、半導体装置１がオフのときにボディ領域２３内に伸展する空乏層がソース領域２４に達するのを抑制することができるので、パンチスルー現象が抑えられる。

Ｄ１＜Ｄ２の関係が成立する半導体装置１は、コンタクト領域２５がソース領域２４の底面２４Ｂの大部分を覆うという特徴を有する。層間絶縁膜５０は、トレンチゲート４０とソース電極３０の絶縁分離を確実に確保するために、炭化珪素層２０の表面に直交する方向から見たときに、トレンチゲート４０の側面４０Ｓから張り出して形成されており、その距離Ｄ２は０．１μｍよりも大きく、且つ１．０μｍ以下である。コンタクト領域２５は、この距離Ｄ２よりもトレンチゲート４０の側面４０Ｓの近く位置する。このように、コンタクト領域２５は、ソース領域２４の底面２４Ｂの大部分を覆っているので、半導体装置１がオフのときにボディ領域２３内に伸展する空乏層がソース領域２４に達するのを良好に抑制することができる。なお、コンタクト領域２５は、トレンチゲート４０の側面４０Ｓから離れているのが望ましく、距離Ｄ１が０．１μｍ以上であるのが望ましい。この場合、コンタクト領域２５の影響でトレンチゲート４０の閾値電圧及びチャネル抵抗が変動することが抑えられ、ＭＯＳ構造の動作に支障をきたすことが抑えられる。

半導体装置１では、内蔵されているショットキーバリアダイオードの順方向電圧を低下させるために、ドリフト領域２２の露出部分２６の幅が広く形成されている。一方、半導体装置１では、オン電圧を低く抑えるために、隣り合うＭＯＳ構造の間隔を狭くしてチャネルの高密度化を図っている。このため、半導体装置１では、相対的にＭＯＳ構造のボディ領域２３の面積が小さい。しかしながら、半導体装置１では、上記したように、ボディ領域２３の面積が小さい場合でもパンチスルー現象が抑えられている。このため、半導体装置１は、ショットキーバリアダイオードの低い順方向電圧と低いオン電圧を両立することができる。

１０：ドレイン電極
２０：炭化珪素層
２１：基板
２２：ドリフト領域
２３：ボディ領域
２４：ソース領域
２５：コンタクト領域
２６：露出部分
３０：ソース電極
４０：トレンチゲート
４２：トレンチゲート電極
４４：ゲート絶縁膜
５０：層間絶縁膜

Claims

半導体層の表面に露出する露出部分を有する第１導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の前記露出部分を間に置いて設けられている第２導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から隔てられている第１導電型のソース領域と、
前記ドリフト領域と前記ソース領域を隔てている部分の前記ボディ領域に対向するゲート部と、
前記半導体層の前記表面を被覆しており、前記ドリフト領域の前記露出部分にショットキー接触する表面電極と、を備えており、
前記ボディ領域は、前記半導体層の前記表面に露出するとともに不純物濃度が残部よりも濃いコンタクト領域を有しており、
前記コンタクト領域は、前記ソース領域と前記ドリフト領域の前記露出部分の間の位置から前記ソース領域の底面の一部を覆うように設けられている、半導体装置。
前記ゲート部は、前記半導体層の前記表面から深部に向けて伸びるトレンチゲートを有しており、
前記トレンチゲートは、前記ソース領域及び前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に達しており、
前記コンタクト領域は、前記トレンチゲートの側面から離れており
前記トレンチゲートの側面から前記コンタクト領域までの距離が、前記トレンチゲートの側面から前記ソース領域の前記露出部分側の端部までの距離よりも小さい、請求項１に記載の半導体装置。
前記トレンチゲートと前記表面電極を隔てる層間絶縁膜をさらに備えており、
前記層間絶縁膜は、前記半導体層の前記表面に直交する方向から見たときに、前記トレンチゲートの前記側面から張り出しており、
前記トレンチゲートの前記側面から前記コンタクト領域までの距離が、前記トレンチゲートの前記側面から前記層間絶縁膜の前記露出部分側の端部までの距離よりも小さい、請求項２に記載の半導体装置。
前記半導体層の半導体材料が炭化珪素である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。