JP2020031155A

JP2020031155A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2020031155A
Application number: JP2018156613A
Authority: JP
Inventors: 圭佑木村; Keisuke Kimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2020-02-27

Abstract

【課題】ライフタイム制御領域が形成されている半導体装置であって、電気的特性の悪化が抑えられた半導体装置を提供すること。【解決手段】ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が半導体基板内に一体化された半導体装置であって、ドリフト領域には、半導体基板の同一面内に位置するライフタイム制御領域が形成されており、ライフタイム制御領域は、半導体基板の表面に直交する方向から見たときに、トレンチゲートに重複する位置には配置されておらず、半導体基板の厚み方向の結晶欠陥密度は、ライフタイム制御領域より深い側よりもライフタイム制御領域より浅い側が多い。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１及び特許文献２は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が半導体基板内に一体化された逆導通ＩＧＢＴ（Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）と称される種類の半導体装置を開示する。この種の半導体装置は、半導体基板の表層部にトレンチゲートが形成されており、半導体基板の裏層部にｐ型のコレクタ領域とｎ型のカソード領域が形成されている。ｐ型のコレクタ領域が設けられている範囲がＩＧＢＴ領域となり、ｎ型のカソード領域が設けられている範囲がダイオード領域となる。逆導通ＩＧＢＴでは、ダイオード領域に形成されたダイオード構造がフリーホイールダイオードとして動作する。

このような逆導通ＩＧＢＴでは、ダイオード領域のダイオード構造の電気的特性を調整するために、ドリフト領域内にライフタイム制御領域を形成することが行われている。ライフタイム制御領域は、結晶欠陥が多量に形成された領域であり、キャリア再結合中心となる領域である。

特開２０１１−２３８８７２号公報特開２０１５−１３８８０１号公報

ダイオード領域のドリフト領域のみにライフタイム制御領域を形成すると、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の境界部分において、オフのときに電界が集中することが懸念される。このため、ダイオード領域とＩＧＢＴ領域の双方のドリフト領域に亘ってライフタイム制御領域を一様に形成することが行われている。

このようなライフタイム制御領域は、半導体基板に対してヘリウムイオン等の荷電粒子を照射することで形成されることが多い。このような荷電粒子は、半導体基板の表面から照射されることもあれば、半導体基板の裏面から照射されることもある。しかしながら、半導体基板の裏面から荷電粒子を照射すると、半導体基板の裏面から所定深さまでの広い範囲に亘って結晶欠陥が形成されるので、リーク電流が増加することが懸念される。このため、ライフタイム制御領域を形成するためには、半導体基板の表面から荷電粒子を照射することが望ましい。

通常、ライフタイム制御領域を形成するための荷電粒子の照射工程は、トレンチゲートのような半導体装置の表面構造を半導体基板に形成した後に実施される。従来技術では、半導体基板の表面全体に向けて荷電粒子を照射することで、ライフタイム制御領域を形成している。このような製造方法によると、半導体基板の表層部に形成されているトレンチゲートを通過する荷電粒子によってトレンチゲートにダメージが加えられることが懸念される。これにより、半導体装置の電気的特性が悪化することが懸念される。本明細書は、ライフタイム制御領域が形成されている半導体装置であって、電気的特性の悪化が抑えられた半導体装置を提供することを目的とする。

本願明細書が開示する半導体装置は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が半導体基板内に一体化された半導体装置である。前記ＩＧＢＴ領域に構成されるＩＧＢＴ構造は、前記半導体基板の裏層部に形成されている第１導電型のコレクタ領域と、前記半導体基板の表層部に形成されている第１導電型のボディ領域と、前記半導体基板に形成されており、前記コレクタ領域と前記ボディ領域の間に設けられている第２導電型のドリフト領域と、前記半導体基板の表面から前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に達するトレンチゲートと、を備えることができる。前記ドリフト領域には、前記半導体基板の同一面内に位置するライフタイム制御領域が形成されている。前記ライフタイム制御領域は、前記半導体基板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に重複する位置には配置されていない。さらに、前記半導体基板の厚み方向の結晶欠陥密度は、前記ライフタイム制御領域より深い側よりも前記ライフタイム制御領域より浅い側が多い。

まず、上記半導体装置では、前記半導体基板の厚み方向の結晶欠陥密度が、前記ライフタイム制御領域より深い側よりも前記ライフタイム制御領域より浅い側が多い。このため、前記ライフタイム制御領域を形成するための荷電粒子が、前記半導体基板の表面から照射されている。上記半導体装置ではさらに、前記ライフタイム制御領域が、前記半導体基板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に重複する位置には配置されていない。換言すると、前記ライフタイム制御領域を形成するために照射された荷電粒子が、前記トレンチゲートを通過していない。このため、上記半導体装置では、前記ライフタイム制御領域を形成するために前記半導体基板の表面から荷電粒子を照射しても、トレンチゲートにダメージが加えられていない。したがって、上記半導体装置は、前記ライフタイム制御領域を形成するために前記半導体基板の表面から荷電粒子を照射することによる電気的特性の悪化が抑えられた構造を有している。

半導体装置の概要を表す平面図を模式的に示す。図１のII-II線に対応した断面図であり、半導体装置の要部縦断面図を模式的に示す。半導体基板の厚み方向における結晶欠陥密度の分布を示す。結晶欠陥を形成する工程中の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

図１に示されるように、半導体装置１は、逆導通ＩＧＢＴと称される種類の半導体装置であり、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂに区画された素子領域２を有する半導体基板１０を備えている。この例では、素子領域２内のＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂが、一方向に沿って交互に繰り返すように区画されている。

図２に示されるように、半導体装置１は、半導体基板１０の裏面１０Ａを被覆するコレクタ電極２２、半導体基板１０の表面１０Ｂを被覆するエミッタ電極２４、半導体基板１０の表層部のうちのＩＧＢＴ領域２ａに形成されている複数のトレンチゲート３０、及び、半導体基板１０の表層部のうちのダイオード領域２ｂに形成されている複数のダミートレンチゲート４０を備えている。一例では、コレクタ電極２２及びエミッタ電極２４は、Ａｌ（またはＡｌＳｉ）、Ｔｉ、Ｎｉ及びＡｕが順に積層した電極である。

半導体基板１０は、シリコン基板であり、ｐ⁺型のコレクタ領域１１、ｎ⁺型のカソード領域１２、ｎ⁺型のバッファ領域１３、ｎ型のドリフト領域１４、ｐ型のボディ領域１５、ｎ型のキャリア蓄積層１６、ｐ⁺型のボディコンタクト領域１７、及び、ｎ⁺型のエミッタ領域１８を有している。

コレクタ領域１１は、半導体基板１０の裏層部の一部に設けられており、半導体基板１０の裏面１０Ａに露出している。また、コレクタ領域１１は、ドリフト領域１４の下方の一部に設けられており、ＩＧＢＴ領域２ａに配置されている。半導体基板１０では、コレクタ領域１１が存在する範囲をＩＧＢＴ領域２ａという。コレクタ領域１１は、その不純物濃度が濃く、コレクタ電極２２にオーミック接触している。コレクタ領域１１は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏面１０Ａからボロンを導入することで形成されている。

カソード領域１２は、半導体基板１０の裏層部の一部に設けられており、コレクタ領域１１に隣接しており、半導体基板１０の裏面１０Ａに露出している。また、カソード領域１２は、ドリフト領域１４の下方の一部に設けられており、ダイオード領域２ｂに配置されている。半導体基板１０では、カソード領域１２が存在する範囲をダイオード領域２ｂという。カソード領域１２は、その不純物濃度が濃く、コレクタ電極２２にオーミック接触している。カソード領域１２は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏面１０Ａからリンを導入することで形成されている。

バッファ領域１３は、コレクタ領域１１とドリフト領域１４の間、及びカソード領域１２とドリフト領域１４の間に設けられており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの双方に配置されている。バッファ領域１３は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の裏面からリンを導入することで形成されている。

ドリフト領域１４は、バッファ領域１３とボディ領域１５の間に設けられており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの双方に配置されている。ドリフト領域１４は、ＩＧＢＴ領域２ａにおいてトレンチゲート３０の底部に接しており、ダイオード領域２ｂにおいてダミートレンチゲート４０の底部に接している。ドリフト領域１４は、半導体基板１０に他の領域を形成した残部であり、不純物濃度は厚み方向に一定である。

ボディ領域１５は、ドリフト領域１４の上方に設けられており、ドリフト領域１４に接しており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの双方に配置されている。ボディ領域１５は、ＩＧＢＴ領域２ａにおいてトレンチゲート３０の側面に接しており、ダイオード領域２ｂにおいてダミートレンチゲート４０の側面に接している。ボディ領域１５は、キャリア蓄積層１６よりも下側に位置する部分をボトムボディ領域１５ａといい、キャリア蓄積層１６よりも上側に位置する部分をトップボディ領域１５ｂという。ボディ領域１５は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面からボロンを導入することで形成されている。

キャリア蓄積層１６は、ボトムボディ領域１５ａとトップボディ領域１５ｂの間に設けられており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの双方に配置されている。キャリア蓄積層１６は、ＩＧＢＴ領域２ａにおいてトレンチゲート３０の側面に接しており、ダイオード領域２ｂにおいてダミートレンチゲート４０の側面に接している。キャリア蓄積層１６の電位はフローティングである。この例に代えて、キャリア蓄積層１６は、ＩＧＢＴ領域２ａに選択的に設けられていてもよい。キャリア蓄積層１６は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面からリンを導入することで形成されている。

複数のボディコンタクト領域１７は、ボディ領域１５の上方に設けられており、ボディ領域１５に接しており、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの双方に配置されており、半導体基板１０の表面１０Ｂに露出している。ボディコンタクト領域１７は、その不純物濃度がボディ領域１５よりも濃く、エミッタ電極２４にオーミック接触している。複数のボディコンタクト領域１７は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面からボロンを導入することで形成されている。

複数のエミッタ領域１８は、ボディ領域１５の上方に設けられており、ボディ領域１５に接しており、ＩＧＢＴ領域２ａに配置されており、トレンチゲート３０の側面に接しており、半導体基板１０の表面１０Ｂに露出している。エミッタ領域１８は、その不純物濃度が濃く、エミッタ電極２４にオーミック接触している。複数のエミッタ領域１８は、例えば、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面からリンを導入することで形成されている。

複数のトレンチゲート３０は、ＩＧＢＴ領域２ａに配置されており、半導体基板１０の表面１０Ｂからトップボディ領域１５ｂ、キャリア蓄積層１６及びボトムボディ領域１５ａを貫通してドリフト領域１４に達して形成されている。トレンチゲート３０は、ポリシリコンを材料とするトレンチゲート電極３２と、そのトレンチゲート電極３２を被覆する酸化シリコンを材料とするゲート絶縁膜３４を有している。一例では、複数のトレンチゲート３０は、半導体基板１０の表面１０Ｂに直交する方向から観測したときに、ストライプ状に配置されている

複数のダミートレンチゲート４０は、ダイオード領域２ｂに配置されており、半導体基板１０の表面１０Ｂからトップボディ領域１５ｂ、キャリア蓄積層１６及びボトムボディ領域１５ａを貫通してドリフト領域１４に達して形成されている。ダミートレンチゲート４０は、ポリシリコンを材料とするダミートレンチゲート電極４２と、そのダミートレンチゲート電極４２を被覆する酸化シリコンを材料とするダミーゲート絶縁膜４４を有している。ダミートレンチゲート電極４２は、エミッタ電極２４に短絡している。一例では、複数のダミートレンチゲート４０は、半導体基板１０の表面１０Ｂに直交する方向から観測したときに、ストライプ状に配置されている。

半導体装置は、コレクタ電極２２、コレクタ領域１１、バッファ領域１３、ドリフト領域１４、ボディ領域１５、キャリア蓄積層１６、ボディコンタクト領域１７、エミッタ領域１８、エミッタ電極２４及びトレンチゲート３０がＩＧＢＴ構造を構成する。半導体装置では、コレクタ電極２２、カソード領域１２、バッファ領域１３、ドリフト領域１４、ボディ領域１５、キャリア蓄積層１６及びエミッタ電極２４がダイオード構造を構成する。ダイオード構造においては、コレクタ電極２２がカソード電極として機能し、エミッタ電極２４がアノード電極として機能する。なお、この例では、ダイオード領域にキャリア蓄積層１６及びダミートレンチゲート４０が設けられているが、これらが設けられていなくてもよい。

図２に示されるように、半導体装置１では、ドリフト領域１４内に複数のライフタイム制御領域５２が形成されている。複数のライフタイム制御領域５２は、半導体基板１０の所定深さにおいて同一面内に配置されている。複数のライフタイム制御領域５２は、トレンチゲート３０及びダミートレンチゲート４０の底部よりも深い位置であって、ドリフト領域１４のうちのボディ領域１５側、換言すると、ボディ領域１５までの距離がバッファ領域１３までの距離よりも短い位置に配置されている。複数のライフタイム制御領域５２は、半導体基板１０の表面１０Ｂに直交する方向から見たときに、トレンチゲート３０及びダミートレンチゲート４０と重複する位置に形成されておらず、トレンチゲート３０とトレンチゲート３０の間、ダミートレンチ４０とダミートレンチ４０の間、及び、トレンチゲート３０とダミートレンチ４０の間に選択的に形成されている。

ライフタイム制御領域５２は、結晶欠陥が多量に形成された領域であり、キャリア再結合中心となる領域である。ライフタイム制御領域５２は、ダイオード領域２ｂのダイオード構造の電気的特性を調整するために形成されている。ライフタイム制御領域５２は、ダイオード構造の電気的特性の調整だけを考慮すれば、ダイオード領域２ｂのみに形成することも考えられる。しかしながら、そのような構成では、ダイオード領域２ｂとＩＧＢＴ領域２ａの境界部分において、オフのときに電界が集中することが懸念される。このため、半導体装置１では、ダイオード領域２ｂとＩＧＢＴ領域２ａの双方のドリフト領域１４に亘ってライフタイム制御領域５２が一様に形成されている。

図３に、半導体基板１０の表面１０Ｂからの深さにおける結晶欠陥密度の分布を示す。横軸の原点が、半導体基板１０の表面１０Ｂに対応する。図中の結晶欠陥密度のピーク位置がライフタイム制御領域５２の位置である。なお、本願明細書では、ライフタイム制御領域５２の範囲は、結晶欠陥密度のピーク値から２分の１までの結晶欠陥密度となる範囲と定義されてもよい。図３に示されるように、半導体基板１０の厚み方向の結晶欠陥密度は、ライフタイム制御領域５２より深い側よりもライフタイム制御領域５２より浅い側が多い。より詳細には、ライフタイム制御領域５２より浅い側における結晶欠陥密度の厚み方向の平均値は、ライフタイム制御領域５２より深い側における結晶欠陥密度の厚み方向の平均値よりも高い。後述するように、ライフタイム制御領域５２は、半導体基板１０の表面１０Ｂからヘリウムイオンを照射することで形成される。このため、ヘリウムイオンが通過する半導体基板１０の表層部には、半導体基板１０の表面１０Ｂから所定深さまで略一様に結晶欠陥が形成されている。このため、図３に示すような結晶欠陥密度の分布が形成される。

次に、半導体装置１の製造方法のうちのライフタイム制御領域５２を形成する工程について説明する。なお、ライフタイム制御領域５２の形成工程は、半導体装置１の表面構造を形成した後に実施される。これは、半導体装置１の表面構造を形成するためのクリーンルーム内に、ヘリウムイオンの照射装置を導入できないからである。

図４に、ヘリウムイオンを照射して結晶欠陥を形成する工程中の半導体装置１の要部断面図を模式的に示す。なお、図示明瞭化のために、半導体装置１の各構成要素の符号については省略している。図４に示されるように、半導体基板１０の表面１０Ｂの上方に遮蔽マスク６２が配置される。遮蔽マスク６２は、半導体基板１０の表面１０Ｂに直交する方向から見たときに、全てのトレンチゲート３０及びダミートレンチゲート４０を遮蔽するとともに、トレンチゲート３０とトレンチゲート３０の間、ダミートレンチ４０とダミートレンチ４０の間、及び、トレンチゲート３０とダミートレンチ４０の間が開口するような形態を有している。次に、そのような遮蔽マスク６２越しに、ヘリウムイオンを半導体基板１０の表面１０Ｂに向けて照射する。ヘリウムイオンは、ドリフト領域１４内に結晶欠陥のピークが形成される大きさのエネルギーで照射される。照射されたヘリウムイオンは、エミッタ電極２４及び半導体基板１０の表層部を貫通して半導体基板１０の所定深さに残留する。これにより、その所定深さにおいて結晶欠陥密度がピークとなり、ライフタイム制御領域５２が形成される。

上記したように、遮蔽マスク６２は、トレンチゲート３０及びダミートレンチゲート４０を遮蔽するような形態を有している。このため、照射されたヘリウムイオンは、トレンチゲート３０及びダミートレンチゲート４０を通過しない。特に、照射されたヘリウムイオンがトレンチゲート３０を通過しないことにより、少なくとも以下のような効果の１つが得られる。

（１）トレンチゲート３０のトレンチゲート電極３２とエミッタ領域１８の間のゲート絶縁膜３４、及び、トレンチゲート３０のトレンチゲート電極３２とトップボディ領域１５ｂの間のゲート絶縁膜３４にヘリウムイオン照射によるダメージが加えられないことから、入力容量のばらつきが抑えられる。これにより、閾値電圧（Ｖｔｈ）のばらつきが抑えられ、飽和電流のばらつきも抑えられることから、半導体装置１の耐量が改善される。

（２）トレンチゲート３０のトレンチゲート電極３２とボトムボディ領域１５ａの間のゲート絶縁膜３４、及び、トレンチゲート３０のトレンチゲート電極３２とドリフト領域１４の間のゲート絶縁膜３４にヘリウムイオン照射によるダメージが加えられないことから、帰還容量のばらつき及び増加が抑えられる。これにより、スイッチング損失の増大、サージ電圧の増大が抑えられることから、半導体装置１の信頼性が向上する。

（３）トレンチゲート３０の底部近傍のドリフト領域１４にヘリウムイオン照射によるダメージが加えられないことから、その部分の欠陥形成が抑えられる。これにより、オフのときのトレンチゲート３０の底部近傍における電界保持能の低下が抑えられることから、半導体装置１の耐圧が向上する。

（４）トレンチゲート３０のトレンチゲート電極３２及びゲート絶縁膜３４にヘリウムイオン照射によるダメージが加えられないことから、これらの部分に対する欠陥形成が抑えられる。これにより、ゲートリーク電流が抑えられることから、半導体装置１の信頼性が向上する。

（５）トレンチゲート３０のゲート絶縁膜３４にヘリウムイオン照射によるダメージが加えられないことから、ゲート絶縁膜３４の全体の容量（Ｑｇ）の増大が抑えられる。これにより、ゲート駆動電力を低く抑えることができることから、ゲートドライバの小型化によるコスト低下に寄与することができる。

上記実施形態は、図１に示すように、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂがストライプ状にレイアウトされた例であった。本明細書が開示するライフタイム制御領域５２は、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの様々なレイアウトに採用することができる。例えば、ダイオード領域２ｂがＩＧＢＴ領域２ａ内に島状に分散したレイアウトであってよい。また、上記実施形態では、本明細書が開示するライフタイム制御領域５２が、ＩＧＢＴ領域２ａとダイオード領域２ｂの全範囲に適用されていた。この例に代えて、本明細書が開示するライフタイム制御領域５２は、ＩＧＢＴ領域２ａの少なくとも一部の範囲に適用されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：半導体装置
１０：半導体基板
１１：コレクタ領域
１２：カソード領域
１３：バッファ領域
１４：ドリフト領域
１５：ボディ領域
１５ａ：ボトムボディ領域
１５ｂ：トップボディ領域
１６：キャリア蓄積層
１７：ボディコンタクト領域
１８：エミッタ領域
２２：コレクタ電極
２４：エミッタ電極
３０：トレンチゲート
３２：トレンチゲート電極
３４：ゲート絶縁膜
５２：ライフタイム制御領域

Claims

ＩＧＢＴ領域とダイオード領域が半導体基板内に一体化された半導体装置であって、
前記ＩＧＢＴ領域に構成されるＩＧＢＴ構造は、
前記半導体基板の裏層部に形成されている第１導電型のコレクタ領域と、
前記半導体基板の表層部に形成されている第１導電型のボディ領域と、
前記半導体基板に形成されており、前記コレクタ領域と前記ボディ領域の間に設けられている第２導電型のドリフト領域と、
前記半導体基板の表面から前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に達するトレンチゲートと、を備えており、
前記ドリフト領域には、前記半導体基板の同一面内に位置するライフタイム制御領域が形成されており、
前記ライフタイム制御領域は、前記半導体基板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に重複する位置には配置されておらず、
前記半導体基板の厚み方向の結晶欠陥密度は、前記ライフタイム制御領域より深い側よりも前記ライフタイム制御領域より浅い側が多い、半導体装置。