JP2020150031A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アバランシェ耐量を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体部と、前記半導体部の表面上に選択的に設けられた第1電極と、前記表面側に設けられたトレンチ内に配置された制御電極と、前記表面上に設けられ前記制御電極に接続された制御配線と、を備える。前記制御電極は、前記半導体部の前記表面に沿った第1方向に延在し、前記第1方向における第1端部と、前記第1方向において前記第1端部とは反対側に位置する第2端部と、を有する。前記制御配線は、前記制御電極の前記第1端部に電気的に接続された第1配線部と、前記制御電極の前記第2端部に電気的に接続された第2配線部と、前記第1配線部と前記第2配線部との間に位置し、前記第1方向と交差する第2方向に延在し、前記制御電極と交差する第3配線部と、を含む。前記第3配線部は、前記制御電極と交差する位置において、前記制御電極と電気的に接続される。【選択図】図1

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
トレンチゲート構造を有する半導体装置では、ゲート端を高濃度の不純物を含む領域中に設ける構造を有するものが多い。これにより、ゲート端における電界集中を緩和し、静耐圧を大きくすることができる。しかしながら、ターンオフ時のインパクトイオン化に起因した電流が、ドリフト領域中に突き出た高濃度領域に集中し、アバランシェ耐量を低下させる場合がある。
特開2018−170456号公報
実施形態は、アバランシェ耐量を向上させた半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、第1導電形の第1半導体層を含む半導体部と、前記半導体部の表面上に選択的に設けられた第1電極と、前記半導体部の前記表面側に設けられたトレンチの内部に配置され、第1絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁された制御電極と、前記半導体部の前記表面上に設けられ、前記制御電極に電気的に接続された制御配線と、を備える。前記半導体部は、第2導電形の第2半導体層と、第1導電形の第3半導体層と、をさらに含む。前記第2半導体層は、前記第1電極と前記第1半導体層との間に位置する第1領域と、前記制御配線と前記第1半導体層との間に位置する第2領域と、を含む。前記第3半導体層は、前記第2半導体層の前記第1領域と前記第1電極との間に選択的に設けられる。前記制御電極は、前記半導体部の前記表面に沿った第1方向に延在し、前記第1絶縁膜を介して前記第1半導体層、前記第2半導体層および前記第3半導体層の少なくとも一部に向き合い、第2絶縁膜を介して前記第1電極から電気的に絶縁される。前記制御電極は、前記第1電極と前記半導体部との間に位置する部分と、前記制御配線と前記半導体部との間に位置する部分と、を含み、前記第1方向に位置する第1端部と、前記第1方向において前記第1端部とは反対側に位置する第2端部と、を有する。前記制御配線は、前記制御電極の前記第1端部に電気的に接続された第1配線部と、前記制御電極の前記第2端部に電気的に接続された第2配線部と、前記第1配線部と前記第2配線部との間に位置し、前記第1方向と交差する第2方向に、前記半導体部の前記表面に沿って延在し、前記第1端部と前記第2端部との間において前記第1方向に延在する一体の前記制御電極と交差する第3配線部と、を含む。前記第2領域は、前記第1半導体層と前記第3配線部との間に位置し、前記第3配線部は、前記制御電極と交差する位置において、前記制御電極と電気的に接続される。
実施形態に係る半導体装置を示す模式平面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す別の模式断面図である。 比較例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態の変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態の別の変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すX軸、Y軸およびZ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。X軸、Y軸、Z軸は、相互に直交し、それぞれX方向、Y方向、Z方向を表す。また、Z方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
図1は、実施形態に係る半導体装置1を示す模式平面図である。半導体装置1は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。なお、以下の実施形態は、例示であり、IGBTに限定される訳ではない。
半導体装置1は、例えば、半導体部10と、エミッタ電極20(第1電極)と、ゲート電極30と、ゲートパッド40と、ゲート配線50と、を備える。半導体部10は、例えば、シリコンである。エミッタ電極20、ゲートパッド40およびゲート配線50は、半導体部10の表面上に設けられる。
図1に示すように、エミッタ電極20は、半導体部10の表面上に選択的に設けられる。エミッタ電極20は、例えば、半導体部10の表面上に複数配置される。エミッタ電極20は、例えば、X方向に並べて配置される。
ゲートパッド40は、例えば、半導体部10の表面における四隅のうちの1つに配置される。ゲート配線50は、ゲートパッド40につながり、エミッタ電極20を囲むように配置される。ゲート配線50は、複数のエミッタ電極20を囲む配線部50aと、隣接するエミッタ電極20の間に配置される配線部50bと、を含む。配線部50bは、配線部50aにつながるように設けられる。
ゲート電極30は、X方向に延在し、半導体部10とエミッタ電極20との間に位置する部分と、半導体部10とゲート配線50との間に位置する部分と、を有する。ゲート電極30は、例えば、第1端部30eaと、第2端部30ebと、を有する。第2端部30ebは、X方向において第1端部30eaの反対側に位置する。
ゲート配線50の配線部50aは、第1配線部50aaと、第2配線部50abと、を含む。第1配線部50aaは、ゲート電極30の第1端部30eaに電気的に接続され、第2配線部50abは、第2端部30ebに電気的に接続される。配線部50b(第3配線部)は、第1配線部50aaと第2配線部50abとの間に位置し、ゲート電極30と交差する。配線部50bは、ゲート電極30と交差する位置において、ゲート電極30に電気的に接続される。第1配線部50aa、第2配線部50abおよび配線部50bは、それぞれY方向に延在する。
図2は、実施形態に係る半導体装置1を示す模式断面図である。図2は、図1中に示すA−A線に沿った断面を示す模式図である。図2に示すように、半導体装置1は、半導体部10の裏面上に設けられたコレクタ電極60をさらに備える。
半導体部10は、n形ベース層13と、p形ベース層15と、n形エミッタ層17と、を含む。p形ベース層15は、例えば、n形ベース層13とエミッタ電極20との間に設けられる。n形エミッタ層17は、p形ベース層15とエミッタ電極20との間に選択的に設けられる。n形エミッタ層17は、n形ベース層13のn形不純物よりも高濃度のn形不純物を含む。エミッタ電極20は、p形ベース層15およびn形エミッタ層17に電気的に接続される。
ゲート電極30は、半導体部10の表面側に設けられたゲートトレンチGTの内部に配置される。ゲート電極30は、半導体部10とエミッタ電極20との間に位置し、ゲート絶縁膜33を介して半導体部10から電気的に絶縁される。また、ゲート電極30は、層間絶縁膜35を介してエミッタ電極20から電気的に絶縁される。ゲート絶縁膜33および層間絶縁膜35は、例えば、シリコン酸化膜である。
ゲートトレンチGTは、半導体部10の表面からn形ベース層13に至る深さを有する。ゲート電極30は、ゲート絶縁膜33を介して、n形ベース層13、p形ベース層15およびn形エミッタ層17の少なくとも一部に向き合うように設けられる。
半導体部10は、p形コレクタ層18と、n形バッファ層19と、をさらに含む。p形コレクタ層18は、n形ベース層13とコレクタ電極60との間に設けられる。コレクタ電極60は、例えば、p形コレクタ層18に接し、p形コレクタ層18に電気的に接続される。n形バッファ層19は、n形ベース層13とp形コレクタ層18との間に設けられる。n形バッファ層19は、n形ベース層13のn形不純物よりも高濃度のn形不純物を含む。
図3(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1を示す別の模式断面図である。図3(a)は、図1中に示すB−B線に沿った断面を表す模式図である。図3(b)は、図1中に示すC−C線に沿った断面を表す模式図である。
図3(a)に示すように、p形ベース層15は、第1領域15a、第2領域15b、第3領域15cおよび第4領域15dを含む。第1領域15aは、n形ベース層13とエミッタ電極20との間に位置する。第2領域15bは、n形ベース層13と配線部50bとの間に位置する。第3領域15cは、n形ベース層13と第1配線部50aaとの間に位置する。第4領域15dは、n形ベース層13と第2配線部50abとの間に位置する。第2領域15b、第3領域15cおよび第4領域15dは、エミッタ電極20に直接接するか、もしくは、第1領域15aを介してエミッタ電極20に電気的に接続される。第1領域15aは、例えば、エミッタ電極20に接する部分に高濃度のp形不純物を含むコンタクト領域(図示しない)を含む。
第2領域15b、第3領域15cおよび第4領域15dは、第1領域15aのp形不純物よりも高濃度のp形不純物を含む。第1領域15aは、例えば、1×1016cm−3以上、1×1018cm−3未満の濃度範囲のp形不純物を含む。第2領域15b、第3領域15cおよび第4領域15dは、例えば、1×1018cm−3以上、1×1021cm−3未満の濃度範囲のp形不純物を含む。
半導体部10の表面に垂直な方向(Z方向)における第3領域15cの幅は、第1領域15aおよび第2領域15bのZ方向の幅よりも広い。また、第4領域15dのZ方向の幅は、第1領域15aおよび第2領域15bのそれぞれのZ方向の幅よりも広い。第2領域15bのZ方向の幅は、例えば、第1領域15aのZ方向の幅と同じか、もしくは、第1領域15aのZ方向の幅よりも広い。
ゲート配線50は、例えば、層間絶縁膜37を介して半導体部10から電気的に絶縁される。層間絶縁膜37は、p形ベース層15の第2領域15bと配線部50bとの間に位置する。層間絶縁膜37は、p形ベース層15の第3領域15cと第1配線部50aaとの間にも位置し、第4領域15dと第2配線部50abとの間にも位置する。また、ゲートパッド40は、図示しない部分において、層間絶縁膜37を介して半導体部10から電気的に絶縁される。
図3(b)に示すように、ゲート電極30は、ゲートトレンチGTの内部においてX方向に延在する。ゲート電極30は、n形ベース層13とエミッタ電極20との間に位置する部分と、n形ベース層13と配線部50bとの間に位置する部分と、を含む。また、ゲート電極30は、第1端部30eaと第2端部30ebとを含む。第1端部30eaは、n形ベース層13と第1配線部50aaとの間に位置する。第1端部30eaは、p形ベース層15の第3領域15c中に位置する。第2端部30ebは、n形ベース層13と第2配線部50abとの間に位置する。第2端部30ebは、p形ベース層15の第4領域15d中に位置する。
第3領域15cおよび第4領域15dは、それぞれゲート電極30のZ方向の幅よりも広いZ方向の幅を有する。第3領域15cおよび第4領域15dは、それぞれY方向に延伸する(図1参照)。すなわち、第3領域15cは、複数のゲート電極30の第1端部30eaの側面および底面を覆うように設けられる。第4領域15dは、複数のゲート電極30の第2端部30ebの側面および底面を覆うように設けられる。
第1領域15aおよび第2領域15bは、それぞれゲート電極30のZ方向の幅よりも狭いZ方向の幅を有する。第1領域15aおよび第2領域15bは、それぞれ複数設けられる。第1領域15aは、ゲートトレンチGTにより分断され、Y方向に相互に離間して並ぶ。また、第2領域15bは、ゲートトレンチGTにより分断され、Y方向に相互に離間して並ぶ。
図3(b)に示すように、第1配線部50aa、第2配線部50abおよび配線部50bは、コンタクトプラグ50cを介してゲート電極30に電気的に接続される。コンタクトプラグ50cは、例えば、層間絶縁膜37を貫いて、ゲート電極30に達するZ方向の長さを有する。これらを含むゲート配線50は、所謂、ダマシン配線であり、例えば、タングステンなどを含む。
図4(a)および(b)は、比較例に係る半導体装置2を示す模式断面図である。図4(a)は、図1中に示すB−B線に沿った断面に対応する断面を表す模式図である。図4(b)は、図1中に示すC−C線に沿った断面に対応する断面を表す模式図である。
図4(a)に示すように、半導体部10は、n形ベース層13と、p形ベース層25と、を含む。p形ベース層25は、第1領域25aおよび第2領域25bを含む。第1領域25aは、n形ベース層13とエミッタ電極20との間に位置する。第2領域25bは、n形ベース層13と第1配線部50aaとの間、n形ベース層13と第2配線部50abとの間、および、n形ベース層13と配線部50bとの間、にそれぞれ位置する。第2領域25bは、第1領域25aのp形不純物よりも高濃度のp形不純物を含む。また、第2領域25bのZ方向の幅は、第1領域15aのZ方向における幅よりも広い。
図4(b)に示すように、半導体装置2は、X方向に並んだ複数のゲート電極70を備える。ゲート電極70は、それぞれ、n形ベース層13とエミッタ電極20との間に位置する。ゲート電極70の端部は、n形ベース層13と第1配線部50aaとの間、n形ベース層13と第2配線部50abとの間、および、n形ベース層13と配線部50bとの間、にそれぞれ位置する。ゲート電極70の端部は、それぞれp形ベース層25の第2領域25b中に位置する。
第2領域25bは、ゲート電極70のZ方向の幅よりも広いZ方向の幅を有する。したがって、ゲート電極70の端部は、第2領域25bに覆われる。これにより、ゲート電極70の端部における電界集中を緩和し、半導体装置2のオフ時における静耐圧を上昇させることができる。
しかしながら、半導体装置2をターンオフさせる過程において、n形ベース層13中の空間電荷(正孔)は、p形ベース層25の第2領域25bを介してエミッタ電極20へ排出される。第2領域25bは、エミッタ電極20に直接接するか、もしくは、第1領域25aを介してエミッタ電極20に電気的に接続される。第2領域25bは、第1領域25aよりも高濃度のp形不純物を含み、n形ベース層13中に突出する形状を有し、第2領域25bは、第1領域25aと比べて電界集中が生じ易い。このため、ターンオフ時におけるアバランシェ電流が第2領域25bに集中し、半導体装置2のアバランシェ耐量を低下させる。
これに対し、半導体装置1では、ゲート電極30は、X方向に連続して延在し、その第1端部30eaおよび第2端部30ebは、p形ベース層15の第3領域15cおよび第4領域15dの中にそれぞれ位置する。
第3領域15cおよび第4領域15dは、第1領域15aよりも高濃度のp形不純物を含み、n形ベース層13中に突出する形状を有するが、第3領域15cおよび第4領域15dは、p形ベース層15およびゲート電極30を含む活性領域と、その周辺の終端領域との境界に位置する。このため、終端領域にガードリングやリサーフ構造などの電界緩和構造を設けることにより、第3領域15cおよび第4領域15dに流入するaバランシェ電流を抑制することが可能である。
さらに、半導体装置1では、第2領域15bは、ゲート電極30のZ方向の幅よりも狭いZ方向の幅を有するように設けられる。これにより、n形ベース層13と第2領域15bとの間のpn接合における電界が低減され、アバランシェ電流を抑制することができる。
このように、本実施形態に係る半導体装置1では、オフ時の静耐圧を向上させると共に、ターンオフ時におけるアバランシェ耐量を向上させることができる。
図5(a)および(b)は、実施形態の変形例に係る半導体装置3および4を示す模式断面図である。半導体装置3および4は、共に、第1領域15a、第2領域15b、第3領域15cおよび第4領域15dを含むp形ベース層15を有する。また、半導体装置3および4は、図3(b)に示す構成のゲート電極30を備える。
図5(a)に示すように、半導体装置3の半導体部10は、n形バリア層14をさらに含む。n形バリア層14は、n形ベース層13とp形ベース層15の第1領域15aとの間に設けられる。n形バリア層14は、例えば、n形ベース層13のn形不純物よりも高濃度のn形不純物を含む。また、n形バリア層14は、例えば、n形エミッタ層17(図2参照)のn形不純物よりも低濃度のn形不純物を含む。
半導体装置3では、n形バリア層14を設けることにより、第1領域15aとn形バリア層14との界面で正孔に対する障壁が生じる。これにより、n形ベース層13におけるキャリア蓄積効果を高め、オン抵抗を低減することが可能となる。
図5(b)に示すように、半導体装置4のp形コレクタ層18は、第1コレクタ領域18aと、第2コレクタ領域18bと、を含む。第1コレクタ領域18aは、エミッタ電極20とコレクタ電極60との間に位置する。第2コレクタ領域18bは、ゲート配線50とコレクタ電極60との間に位置する。また、第1コレクタ領域18aは、n形ベース層13を挟んで、p形ベース層15の第1領域15aの下方に位置する。第2コレクタ領域18bは、n形ベース層13を挟んで、p形ベース層15の第2領域15bの下方に位置する。また、第2コレクタ領域18bは、n形ベース層13を挟んで、p形ベース層15の第3領域15cおよび第4領域15dの下方に位置しても良い。
第2コレクタ領域18bは、第1コレクタ領域18aのp形不純物よりも低濃度のp形不純物を含む。このため、半導体装置4のオン時における第2コレクタ領域18bからn形ベース層13への正孔注入を抑制できる。その結果、半導体装置4のターンオフ時における正孔の排出量が低減され、アバランシェ電流を抑制することができる。これにより、半導体装置4のアバランシェ耐量を向上させることができる。
図6は、実施形態の別の変形例に係る半導体装置5を示す模式断面図である。半導体装置5は、第1領域15a、第2領域15b、第3領域15cおよび第4領域15dを含むp形ベース層15を有する。また、半導体装置5は、図3(b)に示す構成のゲート電極30を備える。
図6に示すように、半導体装置5の半導体部10は、n形バッファ層19とコレクタ電極60との間に配置された、n形逆導通層16およびp形コレクタ層18を含む。p形コレクタ層18は、エミッタ電極20とコレクタ電極60との間に位置する。n形逆導通層16は、ゲート配線50の配線部50bとコレクタ電極60との間に位置する。また、p形コレクタ層18は、n形ベース層13を挟んで、p形ベース層15の第1領域15aの下方に位置する。n形逆導通層16は、n形ベース層13を挟んで、p形ベース層15の第2領域15bの下方に位置する。
n形逆導通層16は、例えば、n形不純物であるリン(P)を選択的にイオン注入することにより形成される。p形コレクタ層18は、例えば、p形不純物であるボロン(B)を選択的にイオン注入することにより形成される。また、n形逆導通層16となる領域には、n形不純物を導入しなくても良い。すなわち、n形逆導通層16は、ベースとなるシリコンウェーハと同じ不純物濃度を有するように形成されても良い。n形逆導通層16は、例えば、n形ベース層13のn形不純物と略同一の濃度のn形不純物を含む。
この例では、n形逆導通層16を設けることにより、半導体装置5のターンオフ特性を向上させることができる。また、半導体装置5を用いる電力制御機器の回路構成を簡略化することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1、2、3、4、5…半導体装置、 10…半導体部、 13…n形ベース層、 14…n形バリア層、 15、25…p形ベース層、 15a、25a…第1領域、 15b、25b…第2領域、 15c…第3領域、 15d…第4領域、 16…n形逆導通層、 17…n形エミッタ層、 18…p形コレクタ層、 18a…第1コレクタ領域、 18b…第2コレクタ領域、 19…n形バッファ層、 20…エミッタ電極、 30、70…ゲート電極、 30ea…第1端部、 30eb…第2端部、 33…ゲート絶縁膜、 35、37…層間絶縁膜、 40…ゲートパッド、 50…ゲート配線、 50a、50b…配線部、 50aa…第1配線部、 50ab…第2配線部、 50c…コンタクトプラグ、 60…コレクタ電極、 GT…ゲートトレンチ

Claims (7)

  1. 第1導電形の第1半導体層を含む半導体部と、
    前記半導体部の表面上に選択的に設けられた第1電極と、
    前記半導体部の前記表面側に設けられたトレンチの内部に配置され、第1絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁された制御電極と、
    前記半導体部の前記表面上に設けられ、前記制御電極に電気的に接続された制御配線と、
    を備え、
    前記半導体部は、前記第1電極と前記第1半導体層との間に位置する第1領域と、前記制御配線と前記第1半導体層との間に位置する第2領域と、を含む第2導電形の第2半導体層と、前記第2半導体層の前記第1領域と前記第1電極との間に選択的に設けられた第1導電形の第3半導体層と、をさらに含み、
    前記制御電極は、前記半導体部の前記表面に沿った第1方向に延在し、前記第1絶縁膜を介して前記第1半導体層、前記第2半導体層および前記第3半導体層の少なくとも一部に向き合い、第2絶縁膜を介して前記第1電極から電気的に絶縁され、前記第1電極と前記半導体部との間に位置する部分と、前記制御配線と前記半導体部との間に位置する部分と、を含み、前記第1方向に位置する第1端部と、前記第1方向において前記第1端部とは反対側に位置する第2端部と、を有し、
    前記制御配線は、前記制御電極の前記第1端部に電気的に接続された第1配線部と、前記制御電極の前記第2端部に電気的に接続された第2配線部と、前記第1配線部と前記第2配線部との間に位置し、前記第1方向と交差する第2方向に、前記半導体部の前記表面に沿って延在し、前記第1端部と前記第2端部との間において前記第1方向に延在する一体の前記制御電極と交差する第3配線部と、を含み、
    前記第2領域は、前記第1半導体層と前記第3配線部との間に位置し、
    前記第3配線部は、前記制御電極と交差する位置において、前記制御電極と電気的に接続された半導体装置。
  2. 前記第1配線部および前記第2配線部は、前記第2方向に延在する請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第2半導体層の第2領域は、前記第1領域の第2導電形不純物よりも高濃度の第2導電形不純物濃度を含む請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記第2半導体層は、第3領域および第4領域をさらに含み、
    前記第3領域は、前記第1半導体層と前記第1配線部との間に位置し、前記第4領域は、前記第1半導体層と前記第2配線部との間に位置し、
    前記第3領域は、前記半導体部の前記表面に直交する第3方向において、前記制御電極の幅よりも広い幅を有し、
    前記制御電極の前記第1端部は、前記第3領域の中に位置し、
    前記第4領域は、前記第3方向において、前記制御電極の前記幅よりも広い幅を有し、
    前記制御電極の前記第2端部は、前記第4領域の中に位置する請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
  5. 前記第2領域は、前記第3方向において、前記制御電極の前記幅よりも狭い幅を有する請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記制御配線の前記第3配線部は、第3絶縁膜を介して前記制御電極上に設けられ、前記第3絶縁膜を貫くコンタクトプラグを介して前記制御電極に電気的に接続される請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体装置。
  7. 前記半導体部の裏面上に設けられた第2電極と、
    前記第1半導体層と前記第2電極との間に設けられた第2導電形の第4半導体層と、
    をさらに備えた請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体装置。
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