JP2021034543A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。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。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
以下の説明及び図面において、n+、n−及びp+、pの表記は、各不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、「+」が付されている表記は、「+」及び「−」のいずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に高く、「−」が付されている表記は、いずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に低いことを示す。これらの表記は、それぞれの領域にp形不純物とn形不純物の両方が含まれている場合には、それらの不純物が補償しあった後の正味の不純物濃度の相対的な高低を表す。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のp形とn形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置を表す平面図である。
図2は、図1のII−II断面を含む斜視断面図である。
第1実施形態に係る半導体装置は、例えばMOSFETである。図1及び図2に表したように、第1実施形態に係る半導体装置100は、n−形(第1導電形)ドリフト領域1(第1半導体領域)、p形(第2導電形)ベース領域2(第2半導体領域)、n+形ソース領域3(第3半導体領域)、n+形ドレイン領域4、p+形コンタクト領域5、ゲート電極10、ドレイン電極11(第1電極)、FP電極12(第2電極)、ソース電極13(第3電極)、ゲートパッド14、第1絶縁部21、第2絶縁部22、及び接続部31を有する。
図3に表したように、第2絶縁部22の第1方向D1における長さL1は、n−形ドリフト領域1とFP電極12との間の第1絶縁部21の厚さT1よりも長い。また、第2絶縁部22の第2方向D2における長さL2は、厚さT1の2倍よりも短い。長さL2が第1方向D1において変化している場合、第2方向D2において最も長い部分の長さを、長さL2として用いる。
第1絶縁部21は、一対の側面S1及び一対の湾曲面S2を有する。第2絶縁部22は、一対の側面S3を有する。側面S1は、第1方向D1に沿う。すなわち、側面S1の第1方向D1に対する傾きは、側面S1の第2方向D2に対する傾きよりも小さい。湾曲面S2の上端は、第1方向D1に沿い、側面S1と連なる。湾曲面S2の下端は、第2方向D2に沿い、側面S3と連なる。すなわち、湾曲面S2の第1方向D1に対する傾きは、下方に向かうほど、大きくなっている。一方、側面S3の上端の第1方向D1に対する傾きは、側面S3の上端の第2方向D2に対する傾きよりも小さい。従って、湾曲面S2と側面S3との間には、第1方向D1に対する傾きが第2方向D2に対する傾きよりも小さくなる点Pが存在する。一対の湾曲面S2と一対の側面S3との間で、それぞれ点Pを求める。これらの点Pを結んで得られる面を、第1絶縁部21と第2絶縁部22の境界と定義できる。第2絶縁部22の長さL1は、この境界を基準にして求めることができる。
ソース電極13に対してドレイン電極11に正電圧が印加された状態で、ゲート電極10に閾値以上の電圧を印加する。これにより、p形ベース領域2にチャネル(反転層)が形成され、半導体装置100がオン状態となる。電子は、チャネルを通ってソース電極13からドレイン電極11へ流れる。その後、ゲート電極10に印加される電圧が閾値よりも低くなると、p形ベース領域2におけるチャネルが消滅し、半導体装置100がオフ状態になる。
n−形ドリフト領域1、p形ベース領域2、n+形ソース領域3、n+形ドレイン領域4、及びp+形コンタクト領域5は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。半導体材料としてシリコンが用いられる場合、n形不純物として、ヒ素、リン、またはアンチモンを用いることができる。p形不純物として、ボロンを用いることができる。
ゲート電極10及びFP電極12は、ポリシリコンなどの導電材料を含む。導電材料には、不純物が添加されていても良い。
第1絶縁部21及び第2絶縁部22は、酸化シリコンなどの酸化物系の絶縁材料を含む。
ドレイン電極11、ソース電極13、及びゲートパッド14は、アルミニウム又は銅などの金属を含む。
接続部31は、タングステンなどの金属を含む。
図4〜図8は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を表す工程断面図である。図4〜図8は、第1方向D1及び第2方向D2に平行な断面における製造工程を表す。
第1実施形態に係る半導体装置100は、第1絶縁部21の下において、第1絶縁部21と連なる第2絶縁部22を有する。第1絶縁部21及び第2絶縁部22は、図5(a)に表したように、半導体の熱酸化又は酸化物のCVDにより形成される。これらの方法により形成された第1絶縁部21及び第2絶縁部22は、圧縮応力を有する。このため、第1絶縁部21及び第2絶縁部22を形成した際、第1絶縁部21同士の間、及び第2絶縁部22同士の間に位置するn−形半導体層1sに、第1絶縁部21及び第2絶縁部22の圧縮応力圧縮応力によって、第1方向D1に引っ張り応力が加わる。この引っ張り応力は、半導体装置100の製造が完了した後も残存する。この結果、図2に表した半導体装置100において、第1絶縁部21同士の間、及び第2絶縁部22同士の間に位置するn−形ドリフト領域1には、引っ張りひずみが生じる。
半導体装置100がオン状態のとき、キャリアは第1方向D1に沿って流れる。換言すると、引っ張りひずみは、キャリアが流れる方向に沿って生じる。キャリアが流れる方向に沿って引っ張りひずみが生じると、キャリアの移動度が向上する。すなわち、n−形ドリフト領域1に引っ張りひずみが生じることで、半導体装置100のオン抵抗を低減できる。例えば、第1絶縁部21及び第2絶縁部22の両方が設けられることで、第1絶縁部21のみしか設けられていない場合に比べて、n−形ドリフト領域1のより広い範囲に引っ張りひずみを発生させることができる。
また、第2絶縁部22が設けられていると、第1絶縁部21よりも下方の領域において、電流が流れる経路が狭くなる。半導体装置100では、第2絶縁部22の第2方向D2における長さL2が、厚さT1の2倍よりも短い。このため、n−形ドリフト領域1の第2部分1bの長さL4を、n−形ドリフト領域1の第1部分1aの長さL5よりも長くできる。これにより、第2絶縁部22が設けられている場合でも、第2絶縁部22同士の間における電流経路の幅が狭くなることを抑制できる。
すなわち、上述した長さL1、長さL2、及び厚さT1の関係によれば、第2絶縁部22に起因した引っ張りひずみに基づくオン抵抗の低減の効果を、第2絶縁部22を設けることによるオン抵抗の増加の効果よりも大きくできる。従って、第1絶縁部21のみしか設けられていない場合に比べて、半導体装置100のオン抵抗を低減できる。
FP電極12の第1方向D1における長さL6(図3に示す)に対する長さL1の比は、0.5以上2.0以下である。FP電極12の第2方向D2における長さL7に対する長さL2の比は、0.5以上2.0以下である。ドレイン電極11とp形ベース領域2との間の第1方向D1における距離Di1(図2に示す)に対する、ドレイン電極11と第2絶縁部22との間の第1方向D1における距離Di2の比は、0.1以上0.5以下である。
長さL7に対する長さL2の比については、比が小さすぎると、発生するひずみが小さくなり、オン抵抗の低減効果が小さくなる。一方で、比が大きすぎると、電流経路が狭小になり、オン抵抗が増加する。
距離Di1に対する距離Di2の比については、比が小さすぎると、電流経路が狭小となり、オン抵抗が増加する。一方で、比が大きすぎると、発生するひずみが小さくなり、オン抵抗の低減効果が小さくなる。
図9は、第1実施形態の第1変形例に係る半導体装置の一部を表す斜視断面図である。
図9に表した半導体装置110では、複数の第2絶縁部22の少なくとも一部に、ボイドVが設けられている。ボイドVは、第2絶縁部22の内部に存在する空洞である。例えば、ボイドVの第1方向D1における寸法は、ボイドVの第2方向D2における寸法よりも長い。ボイドVは、第1方向D1に沿って線状に設けられていても良い。
図10は、第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置の一部を表す斜視断面図である。
図10に表した半導体装置120では、1つの第1絶縁部21の下に、複数の第2絶縁部22が設けられている。複数の第2絶縁部22は、第3方向D3において互いに離れている。このため、半導体装置100がオン状態のとき、第3方向D3において隣り合う第2絶縁部22同士の間をキャリアが移動できる。
図11は、第2実施形態に係る半導体装置を表す平面図である。
図12は、図11の部分XIIを表す平面図である。図12では、ソース電極13、絶縁層41、及び絶縁層42が省略されている。
図13は、図12のXIII−XIII断面図である。図14は、図12のXIV−XIV断面図である。図15は、図12のXV-XV断面図である。
第2実施形態に係る半導体装置200は、半導体装置100と比べて、ゲート配線層15、接続部32、接続部33、絶縁層41、及び絶縁層42をさらに有する。
第2部分1bの第2方向D2における長さL4は、第1部分1aの第2方向D2における長さL5よりも長い。第4部分1dの第3方向D3における長さL9は、第3部分1cの第3方向D3における長さL10よりも長い。
また、長さL2及びL8のそれぞれが厚さT1の2倍よりも短いと、第2絶縁部22の形成が容易となり、半導体装置200の歩留まりを向上できる。
Claims (11)
- 第1電極と、
前記第1電極の上に設けられ、前記第1電極と電気的に接続された第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の上に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第3半導体領域と、
前記第1電極から前記第1半導体領域に向かう第1方向に垂直な第2方向において、前記第1半導体領域の一部、前記第2半導体領域、及び前記第3半導体領域と並ぶ第1絶縁部と、
前記第1絶縁部中に設けられ、前記第2方向において前記第1半導体領域と対向する部分を有する第2電極と、
前記第1絶縁部中に設けられ、前記第2方向においてゲート絶縁層を介して前記第2半導体領域と対向し、前記第2電極と電気的に分離されたゲート電極と、
前記第1絶縁部と連なり、前記第1方向における長さが前記第1半導体領域と前記第2電極との間の前記第1絶縁部の厚さよりも長く、前記第2方向における長さが前記第1絶縁部の厚さの2倍よりも短い第2絶縁部と、
前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域の上に設けられ、前記第2半導体領域、前記第3半導体領域、及び前記第2電極と電気的に接続された第3電極と、
を備えた半導体装置。 - 前記第1電極と前記第1半導体領域との間に設けられた第1導電形の第4半導体領域をさらに備え、
前記第4半導体領域における第1導電形の不純物濃度は、前記第1半導体領域における第1導電形の不純物濃度よりも高く、
前記第2絶縁部の下端は、前記第1方向において前記第4半導体領域から離れている請求項1記載の半導体装置。 - 前記第2絶縁部の前記第2方向における長さは、下方に向かうほど短い請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記第1絶縁部、前記第2絶縁部、前記ゲート電極、及び前記第2電極のそれぞれは、前記第2方向において複数設けられ、
前記第1半導体領域は、
前記第2方向において隣り合う前記第1絶縁部同士の間に位置する第1部分と、
前記第2方向において隣り合う前記第2絶縁部同士の間に位置する第2部分と、
を有し、
前記第2部分の前記第2方向における長さは、前記第1部分の前記第2方向における長さよりも長い請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記第1絶縁部、前記第2絶縁部、前記ゲート電極、及び前記第2電極のそれぞれは、さらに、前記第1方向に垂直であり且つ前記第2方向と交差する第3方向において複数設けられ、
前記第2絶縁部の前記第3方向における長さは、前記第1絶縁部の厚さの2倍よりも短い請求項4記載の半導体装置。 - 前記第1半導体領域は、
前記第3方向において隣り合う前記第1絶縁部同士の間に位置する第3部分と、
前記第3方向において隣り合う前記第2絶縁部同士の間に位置する第4部分と、
を有し、
前記第4部分の前記第3方向における長さは、前記第3部分の前記第3方向における長さよりも長い請求項5記載の半導体装置。 - 前記第2絶縁部にボイドが設けられた請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記第1絶縁部及び前記第2絶縁部は、酸化シリコンを含む請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記第2電極の前記第1方向における長さに対する、前記第2絶縁部の前記第1方向における前記長さの比は、0.5以上2.0以下である請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記第2電極の前記第2方向における長さに対する、前記第2絶縁部の前記第2方向における前記長さの比は、0.5以上2.0以下である請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記第1電極と前記第2半導体領域との間の前記第1方向における距離に対する、前記第1電極と前記第2絶縁部との間の前記第1方向における距離の比は、0.1以上0.5以下である請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体装置。
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