JP2021040062A - 半導体装置 - Google Patents

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insulating film
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Shunsuke Nitta
峻介 新田
松岡 長
Takeru Matsuoka
長 松岡
浩史 大田
Hiroshi Ota
浩史 大田
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
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Abstract

【課題】安全動作領域を広く設定可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】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設けられた電極と、前記半導体部と前記電極との間に設けられた制御電極と、を備える。前記半導体部は、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2半導体層と、前記第2半導体層と前記第2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、をさらに含む。前記半導体部は、前記第2電極の中央部の下に位置する第1領域と、前記中央部の外側に位置する外周部の下に位置する第2領域と、を含む。前記第2半導体層は、前記第1領域において前記制御電極に向き合う第1部分と、前記第2領域において前記制御電極に向き合う第2部分とを含み、前記第1部分における第2導電形不純物の濃度は、前記第2領域における第2導電形不純物の濃度よりも低い。
【選択図】図1

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
電力制御用半導体装置は、その信頼性を向上させるために、冗長性を有する動作条件下、例えば、安全動作領域において使用されることが好ましい。しかしながら、安全動作領域を広く設定することには課題がある。
登録実用新案第3090132号公報
実施形態は、安全動作領域を広く設定可能な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、前記半導体部の裏面上に設けられた第1電極と、前記半導体部の表面上に設けられた第2電極と、前記半導体部と前記第2電極との間に設けられ、前記半導体部から第1絶縁膜を介して電気的に絶縁され、前記第2電極から第2絶縁膜を介して電気的に絶縁された制御電極と、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半導体層と前記第2電極との間に設けられ、前記制御電極と前記第1絶縁膜を介して向き合う。前記第3半導体層は、前記第2半導体層と前記第2電極との間に選択的に設けられ、前記第1絶縁膜に接する位置に配置される。前記第2電極は、中央部と、外周部と、を含み、前記外周部は、前記半導体部の前記表面に沿った方向において、前記中央部よりも外側に位置する。前記半導体部は、前記第2電極の前記中央部の下に位置する第1領域と、前記第2電極の前記外周部の下に位置する第2領域と、を含む。前記第2半導体層は、前記第1領域において前記制御電極に向き合う第1部分と、前記第2領域において前記制御電極に向き合う第2部分と、を有し、前記第1部分における第2導電形不純物の濃度は、前記第2部分における第2導電形不純物の濃度よりも低い。
実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。 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の特性を示す模式図である。 実施形態に係る半導体装置を示す模式平面図である。 実施形態の変形例に係る半導体装置を示す模式平面図である。 実施形態の他の変形例に係る半導体装置を示す模式図である。
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(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1を示す模式図である。図1(a)は、半導体装置1を示す斜視図である。図1(b)は、図1(a)中に示す破線Aに沿った断面を示す模式図である。
図1(a)に示すように、半導体装置1は、半導体チップ110と、マウントベース120と、ソースコネクタ130と、ゲートコネクタ140と、を備える。半導体チップ110は、例えば、MOSFETである。半導体チップ110は、マウントベース120の上に配置される。
半導体装置1は、ソース端子135と、ゲート端子145と、樹脂パッケージ150と、をさらに備える。ソース端子135は、ソースコネクタ130を介して、例えば、半導体チップ110のソース電極に電気的に接続される。ゲート端子145は、ゲートコネクタ140を介して、例えば、半導体チップ110のゲートパッドに電気的に接続される。
樹脂パッケージ150は、例えば、半導体チップ110、マウントベース120、ソースコネクタ130およびゲートコネクタ140を覆うように成形される。ソース端子135およびゲート端子145は、その一部が樹脂パッケージ150から延出するように配置される。また、マウントベース120は、その一部が、例えば、ドレイン端子(図示しない)として樹脂パッケージ150から延出するように配置される。
図1(b)に示すように、半導体チップ110は、接続部材160を介して、マウントベース120の上に配置される。マウントベース120は、例えば、銅もしくは銅合金を含む板状の金属部材である。接続部材160は、例えば、ハンダ材である。
ソースコネクタ130は、接続部材170を介して、半導体チップ110にボンディングされる。ソースコネクタ130は、例えば、銅もしくは銅合金を含む板状の金属部材である。接続部材170は、例えば、ハンダ材である。
図2(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1を例示する模式断面図である。図2(a)は、半導体チップ110Aの断面を示す模式図である。図2(b)は、半導体チップ110Bの断面を示す模式図である。
図2(a)に示すように、半導体チップ110Aは、半導体部10と、ドレイン電極20と、ソース電極30と、ゲート電極40と、を含む。半導体部10は、例えば、シリコンである。ドレイン電極20は、例えば、金、ニッケル、ゲルマニウム等を含む金属層である。ソース電極30は、例えば、タングステン、アルミニウム等を含む金属層である。
ドレイン電極20は、例えば、半導体部10の裏面上に設けられる。ソース電極30は、半導体部10の表面上に設けられる。ゲート電極40は、半導体部10とソース電極30との間に設けられる。
ゲート電極40は、例えば、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40は、絶縁膜43により半導体部10から電気的に絶縁される。また、ゲート電極40は、絶縁膜45によりソース電極30から電気的に絶縁される。ゲート電極40は、例えば、ポリシリコンを含む導電体である。絶縁膜43および絶縁膜45は、例えば、シリコン酸化膜である。
半導体部10は、例えば、n形ドリフト層11と、p形拡散層13と、n形ソース層15と、n形ドレイン層17と、を含む。n形ドリフト層11は、半導体部10の表面に沿ったX方向、Y方向に広がり、半導体部10の全体に設けられる。
p形拡散層13は、n形ドリフト層11とソース電極30との間に設けられる。p形拡散層13は、例えば、X方向において隣接するゲート電極40の間に位置する。p形拡散層13は、絶縁膜43を介して、ゲート電極40に向き合うチャネル部13Aを含む。
n形ソース層15は、p形拡散層13とソース電極30との間に選択的に設けられる。n形ソース層15は、絶縁膜43に接する位置に配置される。n形ソース層15は、n形ドリフト層11のn形不純物よりも高濃度のn形不純物を含む。
n形ドレイン層17は、n形ドリフト層11とドレイン電極20との間に設けられる。n形ドレイン層17は、n形ドリフト層11のn形不純物よりも高濃度のn形不純物を含む。ドレイン電極20は、例えば、n形ドレイン層17に接し、且つ、電気的に接続される。
図2(a)に示すように、ソース電極30は、n形ソース層15に接し、且つ、電気的に接続される。また、ソース電極30は、コンタクトトレンチCTの内部に延在する部分を有する。コンタクトトレンチCTは、例えば、n形ソース層15を分割し、p形拡散層13に至る深さを有する。ソース電極30は、コンタクトトレンチCTの内部において、p形拡散層13に電気的に接続される。
図2(b)に示す半導体チップ110Bは、ゲートトレンチGTの内部に配置された、ソースプレート50をさらに備える。ソースプレート50は、ゲート電極40とドレイン電極20との間に位置する。ソースプレート50は、n形ドリフト層11中に位置し、絶縁膜55によりn形ドリフト層11から電気的に絶縁される。ソースプレート50は、例えば、図示しない部分で、ソース電極30に電気的に接続される。ソースプレート50は、例えば、ポリシリコンを含む導電体である。絶縁膜55は、例えば、シリコン酸化膜である。
図3(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1の特性を示す模式図である。図3(a)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3(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3(a)に示す半導体チップ110は、ゲート電極40(図2(a)参照)の閾値電圧が異なる2つの領域(以下、低閾値領域LSRおよび高閾値領域HSR)を含む。低閾値領域LSRおよび高閾値領域HSRは、例えば、半導体部10の表面側に位置する。高閾値領域HSRに位置するゲート電極40は、低閾値領域LSRに位置するゲート電極40の閾値電圧VTH1よりも高い閾値電圧VTH2を有する。
p形拡散層13(図2(a)参照)は、例えば、低閾値領域LSRに位置する部分の濃度が、高閾値領域HSRに位置する部分の濃度と異なるように形成される。これにより、閾値電圧VTH1およびVTH2を実現することができる。すなわち、低閾値領域LSRに位置するp形拡散層13のp形不純物濃度は、高閾値領域HSRに位置するp形拡散層13のp形不純物濃度よりも低濃度である。例えば、高閾値領域HSRにおけるp形拡散層13のp形不純物濃度は、低閾値領域LSRにおけるp形拡散層13のp形不純物濃度の1.1〜1.5倍である。
また、絶縁膜43(図2(a)参照)を、低閾値領域LSRに位置する部分のX方向における膜厚が、高閾値領域HSRに位置する部分のX方向における膜厚と異なるように形成しても良い。これにより、閾値電圧VTH1およびVTH2を実現することができる。絶縁膜43は、ゲート電極40のゲート絶縁膜として機能する。すなわち、絶縁膜43は、低閾値領域LSRに位置する部分の膜厚が、高閾値領域HSRに位置する部分の膜厚よりも薄くなるように形成される。
低閾値領域LSRは、例えば、ソース電極30(図2(a)参照)のソースコネクタ130がボンディングされる領域(以下、ボンディング領域CBR)の下に位置する。例えば、接続部材170は、ボンディング領域CBRの上に位置する。高閾値領域HSRは、ソース電極30のボンディング領域CBRの外側に位置する部分の下に設けられる。また、図3(a)に示すように、高閾値領域HSRの一部は、ボンディング領域CBRの下に位置しても良い。
図3(b)に示す半導体装置2は、半導体チップ210を備える。半導体チップ210におけるゲート電極40の閾値電圧VTH1は一定である。例えば、半導体装置2をオン状態からオフ状態に移行させる過程(ターンオフ過程)において、ドレイン電流Iは、ゲート電極40が配置された領域に均一に流れる。
さらに、半導体装置2のターンオフ過程は、ドレイン電流Iが継続して流れ、ソースドレイン電極間の電圧が上昇する期間を含む。このため、ソースドレイン電極間の電圧が上昇するにつれて、半導体チップ210の内部において発生する熱量が多くなる。半導体チップ210内で発生した熱は、例えば、マウントベース120およびソースコネクタ130を介して外部に放散される。
図3(b)に示すように、マウントベース120と半導体チップ210との間に位置する接続部材160の内部にボイドVSが発生し、半導体チップ210からマウントベース120への熱の移動を阻害する場合がある。例えば、ボイドVSがマウントベース120とソースコネクタ130の間に位置する場合(図示しない)には、半導体チップ210の熱はソースコネクタ130を介して放散されるため、ボイドVSの熱伝導への影響は軽減される。
しかしながら、ソース電極30のボンディング領域CBRよりも外側の部分とマウントベース120との間に、ボイドVSが位置する場合には、ボイドVSによりマウントベース120への移動を阻害された熱は、ソースコネクタ130を介しても放散できなくなる。したがって、半導体チップ210のボイドVSの上に位置する領域では、局部的に温度上昇が生じ、その領域に位置するゲート電極40の閾値電圧を低下させる。このため、ボイドVSの上に位置する領域に流れるドレイン電流Iは加速的に増加し、半導体チップ210の破壊に至る場合がある。
これに対し、図3(a)に示す半導体装置1では、ターンオフ過程におけるドレイン電流Iは、マウントベース120とソースコネクタ130との間に位置する低閾値領域LSRに集中する。一方、高閾値領域HSRにおけるドレイン電流Iは、抑制される。このため、ボイドVSに起因した半導体チップ110の局部的な温度上昇は抑制され、ドレイン電流Iの加速的な増加を回避することができる。この結果、半導体チップ110の破壊を防ぐことが可能となり、半導体装置1の安全動作領域を拡大することができる。
なお、閾値電圧VTH1およびVTH2は、ターンオン時にゲート電極40に印加されるゲート電圧よりも小さい値である。したがって、半導体装置1のオン状態では、高閾値領域HSRにおいても、低閾値領域LSRと同じレベルのドレイン電流Iが流れる。すなわち、閾値電圧の異なる低閾値領域LSR、高閾値領域HSRを設けるとしても、半導体装置1におけるオン抵抗の上昇を回避することができる。
図4(a)および(b)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。図4(a)は、半導体チップ110における、低閾値領域LSRおよび高閾値領域HSRを示す模式平面図である。図4(b)は、半導体チップ110Cにおける、低閾値領域LSRおよび高閾値領域HSRを示す模式平面図である。図4(a)および(b)中に示す破線は、ボンディング領域CBRの外縁を示している。
図4(a)に示すように、低閾値領域LSRは、半導体チップ110の中央に設けられる。高閾値領域HSRは、低閾値領域LSRを囲むように設けられる。また、低閾値領域LSRは、ボンディング領域CBRの内側に位置し、高閾値領域HSRの一部は、ボンディング領域CBR中に位置する。
図4(b)に示す半導体チップ110Cでは、低閾値領域LSRの一部は、ボンディング領域CBRの外側にも位置する。高閾値領域HSRは、ボンディング領域CBRの外側において、低閾値領域LSRを囲むように設けられる。
ここで、ボンディング領域CBRは、ソースコネクタ130をボンディング可能な領域を表す。ボンディング領域CBRは、ソースコネクタ130が接続部材170を介してソース電極30上に実際にボンディングされた領域と、必ずしも一致する訳ではない。
図5(a)〜(c)は、実施形態の変形例に係る半導体装置の半導体チップ110D〜110Fを示す模式平面図である。図5(a)〜(c)は、低閾値領域LSR、高閾値領域HSRおよびボンディング領域CBRの配置を示す模式図である。
図5(a)に示す半導体チップ110Dでは、高閾値領域HSRは、ソース電極30上のボンディング領域CBRの四隅に配置される。高閾値領域HSRは、必ずしも、ボンディング領域CBRを囲むように設けられる訳ではなく、接続部材160にボイドVSが発生する確率が高い領域の上に設けられる。
図5(b)に示す半導体チップ110Eでは、高閾値領域HSRは、ソース電極30のいずれかの辺に沿って設けられる。例えば、X方向に延在する2つの高閾値領域HSRが設けられ、低閾値領域LSRは、2つの高閾値領域HSRの間に設けられる。
図5(c)に示す半導体チップ110Fでは、例えば、ソース電極30の辺に沿ってY方向に延在する2つの高閾値領域HSRが設けられる。低閾値領域LSRは、2つの高閾値領域HSRの間に設けられる。
図6は、実施形態の他の変形例に係る半導体装置3を示す模式図である。半導体装置3は、半導体チップ115を備える。半導体チップ115は、接続部材160を介して、マウントベース120の上に配置される。
半導体チップ115は、低閾値領域LSRと、高閾値領域HSRと、中間領域MSRと、を含む。中間領域MSRに位置するゲート電極40は、低閾値領域LSRにおける閾値電圧VTH1と、高閾値領域HSRにおける閾値電圧VTH2と、の間の中間の閾値電圧を有する。
この例でも、低閾値領域LSRは、ソース電極30におけるボンディング領域CBRの下に設けられる。高閾値領域HSRは、ソース電極30におけるボンディング領域CBRの外側に位置する部分の下に設けられる。中間領域MSRは、低閾値領域LSRと高閾値領域HSRとの間に設けられる。また、図6に示すように、高閾値領域HSRの一部は、ボンディング領域CBRの下に位置しても良い。
以上、いくつかの実施例を説明したが、実施形態はこれらに限定される訳ではない。例えば、ゲート電極40は、トレンチゲート構造に限定される訳ではなく、プレーナゲート構造であっても良い。
さらに、上記の実施形態では、n形チャネルMOSFETを例示したが、p形チャネルMOSFETにも適用可能である。なお、p形チャネル構造のMOSFTEでは、ゲート閾値電圧の大小関係が逆転することに留意すべきである。
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…半導体装置、 10…半導体部、 11…n形ドリフト層、 13…p形拡散層、 13A…チャネル部、 15…n形ソース層、 17…n形ドレイン層、 20…ドレイン電極、 30…ソース電極、 40…ゲート電極、 43、45、55…絶縁膜、 50…ソースプレート、 110、110A〜110F、115、210…半導体チップ、 120…マウントベース、 130…ソースコネクタ、 135…ソース端子、 140…ゲートコネクタ、 145…ゲート端子、 150…樹脂パッケージ、 160、170…接続部材、 CT…コンタクトトレンチ、 GT…ゲートトレンチ、 CBR…ボンディング領域、 HSR…高閾値領域、 LSR…低閾値領域、 MSR…中間領域、 I…ドレイン電流、 VS…ボイド

Claims (7)

  1. 第1導電形の第1半導体層を含む半導体部と、
    前記半導体部の裏面上に設けられた第1電極と、
    前記半導体部の表面上に設けられた第2電極と、
    前記半導体部と前記第2電極との間に設けられ、前記半導体部から第1絶縁膜を介して電気的に絶縁され、前記第2電極から第2絶縁膜を介して電気的に絶縁された制御電極と、
    を備え、
    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、をさらに含み、
    前記第2半導体層は、前記第1半導体層と前記第2電極との間に設けられ、前記制御電極と前記第1絶縁膜を介して向き合い、
    前記第3半導体層は、前記第2半導体層と前記第2電極との間に選択的に設けられ、前記第1絶縁膜に接する位置に配置され、
    前記第2電極は、中央部と、外周部と、を含み、前記外周部は、前記半導体部の前記表面に沿った方向において、前記中央部よりも外側に位置し、
    前記半導体部は、前記第2電極の前記中央部の下に位置する第1領域と、前記第2電極の前記外周部の下に位置する第2領域と、を含み、
    前記第2半導体層は、前記第1領域において、前記第1半導体層と前記第3半導体層の間に位置し、前記制御電極に向き合う第1部分と、前記第2領域において、前記第1半導体層と前記第3半導体層の間に位置し、前記制御電極に向き合う第2部分と、を有し、前記第1部分における第2導電形不純物の濃度は、前記第2部分における第2導電形不純物の濃度よりも低い半導体装置。
  2. 前記第2電極の前記中央部上に設けられた接続部材をさらに備えた請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第2領域は、前記第1領域を囲む請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体部は、前記第1領域と前記第2領域との間に位置する第3領域をさらに含み、
    前記第2半導体層は、前記第3領域において前記制御電極に向き合う第3部分をさらに有し、前記第3部分における第2導電形不純物濃度は、前記第2部分における前記第2導電形不純物濃度よりも低く、前記第1部分における前記第2導電形不純物濃度よりも高い請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
  5. 前記制御電極は、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る請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。
  6. 第1導電形の第1半導体層を含む半導体部と、
    前記半導体部の裏面上に設けられた第1電極と、
    前記半導体部の表面上に設けられた第2電極と、
    前記半導体部と前記第2電極との間に設けられ、前記半導体部から第1絶縁膜を介して電気的に絶縁され、前記第2電極から第2絶縁膜を介して電気的に絶縁された制御電極と、
    を備え、
    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、をさらに含み、
    前記第2半導体層は、前記第1半導体層と前記第2電極との間に設けられ、前記制御電極と前記第1絶縁膜を介して向き合い、
    前記第3半導体層は、前記第2半導体層と前記第2電極との間に選択的に設けられ、前記第1絶縁膜に接する位置に配置され、
    前記第2電極は、中央部と、外周部と、を含み、前記外周部は、前記半導体部の前記表面に沿った方向において、前記中央部よりも外側に位置し、
    前記半導体部は、前記第2電極の前記中央部の下に位置する第1領域と、前記第2電極の前記外周部の下に位置する第2領域と、を含み、
    前記制御電極は、前記第1領域において、前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に位置する前記第2半導体層に向き合う第1制御部と、前記第2領域において、前記第1半導体層と前記第3半導体層の間に位置する前記第2半導体層に向き合う第2制御部と、を有し、前記第1制御部における閾値電圧は、前記第2制御部における閾値電圧よりも低い半導体装置。
  7. 前記第1領域における前記第1絶縁膜の膜厚は、前記第2領域における前記第1絶縁膜の膜厚よりも薄い請求項6記載の半導体装置。
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