JP2020113566A

JP2020113566A - 半導体装置

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Publication number: JP2020113566A
Application number: JP2019000956A
Authority: JP
Inventors: 洋平岩橋; Yohei Iwahashi; 克博朽木; Katsuhiro Kuchiki; 泰浦上; Yasushi Uragami
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2020-07-27
Anticipated expiration: 2039-01-08
Also published as: JP7192504B2

Abstract

【課題】ボディコンタクト領域を形成するためのマスクのマスクずれ及びコンタクトホールを形成するためのマスクのマスクずれに抗して電気的特性が安定することができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置では、複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部が、半導体基板の一方の主面に対して直交する方向から見たときに、トレンチゲートの側面に向けて先細りとなる形態を有している。半導体装置ではさらに、半導体基板の一方の主面に対して直交する方向から見たときに、前記一方の主面のコンタクトホールの形成範囲に含まれる面積が、複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部と複数のボディコンタクト領域の他の少なくとも一部の間で異なっている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、トレンチゲートを備える半導体装置に関する。

トレンチゲートを備える半導体装置は、半導体基板の一方の主面にｎ型のソース領域とｐ型のボディコンタクト領域を備えている。ソース領域とボディコンタクト領域は、隣り合うトレンチゲートの間に配置されており、層間絶縁膜のコンタクトホールを介してソース電極に接触している。

特許文献１に開示される半導体装置は、半導体基板の一方の主面に対して直交する方向から見たときに、トレンチゲートの長手方向に対して直交する方向に伸びているソース領域とボディコンタクト領域を備えている。この半導体装置では、コンタクトホールを形成するためのマスクのマスクずれ（トレンチゲートの長手方向に対して直交する方向におけるマスクずれ）が生じても、コンタクトホールに露出するソース領域とボディコンタクト領域の面積が一定となり、これら領域とソース電極の間で安定したコンタクトが得られることが記載されている。

特開２０１２−２３２９１号公報

特許文献１の技術では、ボディコンタクト領域がトレンチゲートの側面に接触していることから、チャネル面積が低下するという問題がある。このようなチャネル面積の低下を避けるためには、ボディコンタクト領域をトレンチゲートの側面から離れて配置させることが望ましい。しかしながら、トレンチゲートの側面から離れた位置にボディコンタクト領域を形成すると、ボディコンタクト領域を形成するためのマスクのマスクずれ及びコンタクトホールを形成するためのマスクのマスクずれに基づいて半導体装置の電気的特性が変動するという問題がある。例えば、ボディコンタクト領域を形成するためのマスクのマスクずれによってボディコンタクト領域がトレンチゲートの側面に接触して形成されると、チャネル面積が低下し、半導体装置のオン抵抗が増加してしまう。また、コンタクトホールを形成するためのマスクのマスクずれが生じると、ボディコンタクト領域とソース電極の接触面積が変動し、これらの間のコンタクト抵抗が増加してしまう。

本願明細書は、ボディコンタクト領域を形成するためのマスクのマスクずれ及びコンタクトホールを形成するためのマスクのマスクずれに抗して電気的特性が安定することができる半導体装置を提供する。

本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面に設けられており、前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに少なくとも一方向に沿って伸びている複数のトレンチゲートと、を備えることができる。前記半導体基板は、隣り合う前記トレンチゲートの間であって前記一方の主面に設けられている第１導電型のソース領域と、隣り合う前記トレンチゲートの間であって前記一方の主面に設けられており、前記ソース領域に隣接して配置されている第２導電型の複数のボディコンタクト領域と、を有することができる。前記複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部は、前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに、前記トレンチゲートの側面に向けて先細りとなる形態を有している。前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに、前記一方の主面のコンタクトホールの形成範囲に含まれる面積が、前記複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部と前記複数のボディコンタクト領域の他の少なくとも一部の間で異なっている。ここで、前記複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部は、隣り合うトレンチゲートのうちの少なくとも一方のトレンチゲートの側面に向けて先細りとなるように形成されていればよい。また、先細りの形態では、その先端が必ずしも角を有する形態でなくてもよく、全体として前記トレンチゲートの側面に向けて細くなる限りにおいて、その先端が前記トレンチゲートの側面に対して平行な辺であってもよい。

上記実施形態の半導体装置では、前記複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部が、前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに、前記トレンチゲートの側面に向けて先細りとなる形態を有している。このため、前記複数のボディコンタクト領域を形成するためのマスクのマスクずれが生じても、前記ボディコンタクト領域と前記トレンチゲートの側面の接触面積が急激に増加することが抑えられ、前記半導体装置の電気的特性が急激に変動することが抑えられる。さらに、上記実施形態の半導体装置では、前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに、前記一方の主面のコンタクトホールの形成範囲に含まれる面積が、前記複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部と前記複数のボディコンタクト領域の他の少なくとも一部の間で異なっている。このため、前記コンタクトホールを形成するためのマスクのマスクずれが生じても、前記コンタクトホールに露出する前記複数のボディコンタクト領域の面積が急激に変動することが抑えられ、前記半導体装置の電気的特性が急激に変動することが抑えられる。

本実施形態の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のI-I線に対応した要部断面図である。本実施形態の半導体装置の要部平面図を模式的に示しており、半導体基板の表面上に設けられている層間絶縁膜及びソース電極を取り除いた要部平面図である。図２に対応した要部平面図を模式的に示しており、複数のボディコンタクト領域を形成するためのマスクのマスクずれが生じた場合の要部平面図である。図２に対応した要部平面図を模式的に示しており、複数のボディコンタクト領域を形成するためのマスクのマスクずれ及びコンタクトホールを形成するためのマスクのマスクずれの双方が生じた場合の要部平面図である。本実施形態の半導体装置の変形例の要部平面図を模式的に示しており、半導体基板の表面上に設けられている層間絶縁膜及びソース電極を取り除いた要部平面図である。本実施形態の半導体装置の変形例の要部平面図を模式的に示しており、半導体基板の表面上に設けられている層間絶縁膜及びソース電極を取り除いた要部平面図である。本実施形態の半導体装置の変形例の要部平面図を模式的に示しており、半導体基板の表面上に設けられている層間絶縁膜及びソース電極を取り除いた要部平面図である。本実施形態の半導体装置の変形例の要部平面図を模式的に示しており、半導体基板の表面上に設けられている層間絶縁膜及びソース電極を取り除いた要部平面図である。

図１に示されるように、半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）と称されるパワー半導体素子であり、半導体基板１０、半導体基板１０の裏面１０ａを被覆するドレイン電極２２、半導体基板１０の表面１０ｂを被覆するソース電極２４及び半導体基板１０の表層部に設けられている複数のトレンチゲート３０を備えている。図２に示されるように、複数のトレンチゲート３０の各々は、半導体基板１０の表面１０ｂに対して直交する方向から見たときに（以下、「平面視したときに」という）、一方向（この例では、ｙ方向）に沿って伸びている。このように、複数のトレンチゲート３０は、ストライプ状に配置されている。

図１に示されるように、半導体基板１０は、炭化珪素（ＳｉＣ）を材料とする基板であり、ｎ⁺型のドレイン領域１１、ｎ型のドリフト領域１２、ｐ型の電界緩和領域１３、ｎ⁺型のＪＦＥＴ抵抗低減領域１４、ｐ型のボディ領域１５、ｎ⁺型のソース領域１６及びｐ⁺型のボディコンタクト領域１７を有している。

ドレイン領域１１は、半導体基板１０の裏層部に配置されており、半導体基板１０の裏面１０ａに露出するように設けられている。ドレイン領域１１は、後述するドリフト領域１２がエピタキシャル成長するための下地基板でもある。ドレイン領域１１は、半導体基板１０の裏面１０ａを被覆するドレイン電極２２にオーミック接触している。

ドリフト領域１２は、ドレイン領域１１上に設けられている。ドリフト領域１２は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域１１の表面から結晶成長して形成される。ドリフト領域１２の不純物濃度は、半導体基板１０の厚み方向に一定である。

電界緩和領域１３は、トレンチゲート３０の底面を覆うように設けられており、トレンチゲート３０の底面に集中する電界を緩和することができる。この断面では、電界緩和領域１３がドリフト領域１２及びＪＦＥＴ抵抗低減領域１４によってボディ領域１５から隔てられている。しかしながら、図示しない断面において、電界緩和領域１３がボディ領域１５に接続されていてもよい。電界緩和領域１３は、イオン注入技術を利用して、トレンチゲート３０を形成するためのトレンチの底面に向けてアルミニウムをイオン注入し、そのトレンチの底面に形成される。

ＪＦＥＴ抵抗低減領域１４は、ドリフト領域１２とボディ領域１５の間に設けられており、ドリフト領域１２とボディ領域１５を隔てており、ドリフト領域１２よりもｎ型不純物の濃度が濃い領域である。ＪＦＥＴ抵抗低減領域１４は、隣り合うトレンチゲート３０の間において、一方のトレンチゲート３０の側面から他方のトレンチゲート３０の側面まで伸びている。ＪＦＥＴ抵抗低減領域１４は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面１０ｂに向けて窒素をイオン注入し、ドリフト領域１２とボディ領域１５の双方に接する位置に形成される。

ボディ領域１５は、ＪＦＥＴ抵抗低減領域１４上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されている。ボディ領域１５は、隣り合うトレンチゲート３０の間において、一方のトレンチゲート３０の側面から他方のトレンチゲート３０の側面まで伸びている。ボディ領域１５は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面１０ｂに向けてアルミニウムをイオン注入し、半導体基板１０の表層部に形成される。

ソース領域１６は、ボディ領域１５上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の表面１０ｂに露出している。ソース領域１６は、ボディ領域１５によってＪＦＥＴ抵抗低減領域１４から隔てられている。ソース領域１６は、隣り合うトレンチゲート３０の間に配置されており、トレンチゲート３０の側面に接している。ソース領域１６は、半導体基板１０の表面１０ｂ上に設けられている層間絶縁膜３６に形成されているコンタクトホール３６ａに露出しており、そのコンタクトホール３６ａを介して半導体基板１０の表面１０ｂを被覆するソース電極２４にオーミック接触している。ソース領域１６は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面１０ｂに向けて窒素をイオン注入し、半導体基板１０の表層部に形成される。

ボディコンタクト領域１７は、ボディ領域１５上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の表面１０ｂに露出しており、ボディ領域１５よりもｐ型不純物の濃度が濃い領域である。ボディコンタクト領域１７は、隣り合うトレンチゲート３０の間に配置されており、ソース領域１６に隣接している。ボディコンタクト領域１７も、層間絶縁膜３６のコンタクトホール３６ａに露出しており、そのコンタクトホール３６ａを介してソース電極２４にオーミック接触している。ボディコンタクト領域１７は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面１０ｂに向けてアルミニウムをイオン注入し、半導体基板１０の表層部に形成される。

図２に示されるように、隣り合うトレンチゲート３０の間に複数のボディコンタクト領域１７が配置されている。複数のボディコンタクト領域１７の各々は、平面視したときに、同一形態であって矩形状の形態を有しており、２組の対頂点のうちの一方の組がトレンチゲート３０の長手方向に沿って対向するように配置（対頂点の組を結ぶ線がトレンチゲート３０の長手方向に対して平行となるように配置）されており、２組の対頂点のうちの他方の組がトレンチゲート３０の長手方向に対して直交する方向に沿って対向するように配置（対頂点の組を結ぶ線がトレンチゲート３０の長手方向に対して直交するように配置）されている。このため、複数のボディコンタクト領域１７の各々は、平面視したときに、トレンチゲート３０の側面に向けて先細りの形態を有している。なお、この例では、複数のボディコンタクト領域１７の各々が矩形状であるが、この例に代えて、他の形態、例えばひし形であってもよい。この場合、２組の対頂点のうちの鋭角となる組がトレンチゲート３０の長手方向に対して直交する方向に沿って対向するように配置されていてもよい。

図２に示される破線は、層間絶縁膜３６に形成されているコンタクトホール３６ａの形成範囲を示している。複数のボディコンタクト領域１７は、トレンチゲート３０の長手方向に沿って平行となるように整列していないことから、コンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれる面積が、隣り合うボディコンタクト領域１７の間で異なっている。例えば、符号１７ａで示されるボディコンタクト領域は、コンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれる面積が比較的に大きい。そのボディコンタクト領域１７ａに隣り合う符号１７ｂのボディコンタクト領域は、コンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれる面積が比較的に小さい。

トレンチゲート３０は、半導体基板１０の表面１０ｂから半導体基板１０の深さ方向（紙面上下方向）に沿って伸びており、ゲート絶縁膜３２及びゲート電極３４を有している。トレンチゲート３０は、ソース領域１６とボディ領域１５とＪＦＥＴ抵抗低減領域１４を貫通してドリフト領域１２に達している。ゲート絶縁膜３２は、酸化シリコンである。ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２で被覆されており、不純物を含むポリシリコンである。

次に、図１を参照し、半導体装置１の動作を説明する。ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、トレンチゲート３０のゲート電極３４が接地されていると、半導体装置１はオフである。半導体装置１では、電界緩和領域１３がトレンチゲート３０の底面を覆うように設けられている。このため、トレンチゲート３０の底面のゲート絶縁膜３２における電界集中が緩和され、半導体装置１は高い耐圧を有することができる。

ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、トレンチゲート３０のゲート電極３４にソース電極２４よりも正となる閾値電圧以上の電圧が印加されていると、半導体装置１はオンである。このとき、ソース領域１６とＪＦＥＴ抵抗低減領域１４を隔てるボディ領域１５のうちのトレンチゲート３０の側面に対向する部分に反転層が形成される。ソース領域１６から供給される電子は、その反転層を経由してＪＦＥＴ抵抗低減領域１４に達する。ＪＦＥＴ抵抗低減領域１４に達した電子は、ＪＦＥＴ抵抗低減領域１４を経由してドリフト領域１２に流れる。このようなＪＦＥＴ抵抗低減領域１４が設けられていると、電界緩和領域１３からドリフト領域１２内に伸びてくる空乏層を迂回するように電流が流れることができる。このため、このような空乏層による抵抗の増加、即ち、ＪＦＥＴ抵抗の増加が抑えられる。このように、半導体装置１は、トレンチゲート３０のピッチ幅が狭い微細化構造に適した構造を有している。

図３に、複数のボディコンタクト領域１７を形成するためのマスクのマスクずれにより、複数のボディコンタクト領域１７がｘ軸方向の正の向きに位置ずれして形成された場合を示す。この場合、図３の円状破線で囲まれた部分で示されるように、ボディコンタクト領域１７の一部がトレンチゲート３０の側面に接触して形成されてしまう。このように、ボディコンタクト領域１７がトレンチゲート３０の側面に接触すると、その部分のチャネルが消失し、チャネル面積が減少する。このようなチャネル面積の減少により、半導体装置１のオン抵抗の増大が懸念される。しかしながら、本実施形態の半導体装置１では、複数のボディコンタクト領域１７の各々が、トレンチゲート３０の側面に向けて先細りに形成されている。このため、マスクずれによって複数のボディコンタクト領域１７が位置ずれして形成されたとしても、ボディコンタクト領域１７とトレンチゲート３０の側面の接触面積が急激に増加することが抑えられ、オン抵抗が急激に増加することが抑えられる。

図４に、複数のボディコンタクト領域１７を形成するためのマスクのマスクずれにより、複数のボディコンタクト領域１７がｘ軸方向の正の向きに位置ずれして形成された場合に加えて、コンタクトホール３６ａを形成するためのマスクのマスクずれにより、コンタクトホール３６ａの形成範囲がｘ軸方向の負の向きに位置ずれして形成された場合を示す。例えば、複数のボディコンタクト領域１７がトレンチゲート３０の長手方向に沿って平行に整列している場合、コンタクトホール３６ａの形成範囲が位置ずれしたときに、コンタクトホール３６ａの形成範囲に露出する複数のボディコンタクト領域１７の面積が急激に変動し、複数のボディコンタクト領域１７とソース電極２４のコンタクト抵抗が急激に変動してしまう。しかしながら、本実施形態の半導体装置１では、コンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれる面積が隣り合うボディコンタクト領域１７の間で異なるように、
複数のボディコンタクト領域１７が配置されている。このため、マスクずれによってコンタクトホール３６ａが位置ずれして形成されたとしても、コンタクトホール３６ａの形成範囲に露出する複数のボディコンタクト領域１７の面積が急激に変動することが抑えられ、複数のボディコンタクト領域１７とソース電極２４のコンタクト抵抗が急激に変動することが抑えられる。

（変形例）
上記実施形態では、コンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれる面積が隣り合うボディコンタクト領域１７の間で異なるように、複数のボディコンタクト領域１７が配置されていた。この例に代えて、図５に示されるように、コンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれる面積が、隣り合うボディコンタクト領域１７の間で一致するグループと、隣り合うボディコンタクト領域１７の間で異なるグループが存在していてもよい。コンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれる面積が隣り合うボディコンタクト領域１７の間で一致するグループは、コンタクトホール３６ａを形成するためのマスクのマスクずれが生じないときのコンタクトホール３６ａの形成範囲に含まれるように配置されている。この例でも、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、この例では、コンタクトホール３６ａを形成するためのマスクのマスクずれが生じないときに、複数のボディコンタクト領域１７とソース電極２４の接触面積を大きく確保することができるので、これらの間のコンタクト抵抗を低くすることができる。

上記実施形態では、複数のボディコンタクト領域１７が、平面視したときに、矩形状の形態を有していた。この例に代えて、図６に示されるように、複数のボディコンタクト領域１７が楕円形状であってもよい。また、図７に示されるように、複数のボディコンタクト領域１７が三角形状であってもよい。これらの例でも、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

上記実施形態では、複数のボディコンタクト領域１７の各々が、平面視したときに、トレンチゲート３０の側面に向けて先細りの形態を有していた。この例に代えて、図８に示されるように、複数のボディコンタクト領域１７のうちの一部が、トレンチゲート３０の側面に向けて先細りの形態でなくてもよい。この例でも、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

上記実施形態では、半導体基板の材料に炭化珪素が用いられた場合を例示した。本明細書が開示する技術は、様々な種類の半導体基板に適用可能であり、例えばシリコン、窒化ガリウムなどの半導体基板に適用可能である。また、上記実施形態では、半導体装置がＭＯＳＦＥＴの場合を例示した。本明細書が開示する技術は、他の種類の半導体装置にも適用可能であり、例えばＩＧＢＴにも適用可能である。

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：ドレイン領域
１２：ドリフト領域
１３：電界緩和領域
１４：ＪＦＥＴ抵抗低減領域
１５：ボディ領域
１６：ソース領域
１７：ボディコンタクト領域
２２：ドレイン電極
２４：ソース電極
３０：トレンチゲート
３２：ゲート絶縁膜
３４：ゲート電極

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面に設けられており、前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに、少なくとも一方向に沿って伸びている複数のトレンチゲートと、を備えており、
前記半導体基板は、
隣り合う前記トレンチゲートの間であって前記一方の主面に設けられている第１導電型のソース領域と、
隣り合う前記トレンチゲートの間であって前記一方の主面に設けられており、前記ソース領域に隣接して配置されている第２導電型の複数のボディコンタクト領域と、を有しており、
前記複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部は、前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに、前記トレンチゲートの側面に向けて先細りとなる形態を有しており、
前記一方の主面に対して直交する方向から見たときに、前記一方の主面のコンタクトホールの形成範囲に含まれる面積が、前記複数のボディコンタクト領域の少なくとも一部と前記複数のボディコンタクト領域の他の少なくとも一部の間で異なっている、半導体装置。