JP2021125595A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】容量特性を改善することができる半導体装置を得る。
【解決手段】第1導電型の半導体基板1の上面側に複数のゲートトレンチ2が形成されている。ゲート電極3が複数のゲートトレンチ2に埋め込まれている。複数のダミーゲートトレンチ9が、半導体基板1の上面側において、隣り合うゲートトレンチ2の間に等間隔で形成されている。ダミーゲート電極10が複数のダミーゲートトレンチ9に埋め込まれ、エミッタ電極13に接続されている。隣り合うゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の間隔は、隣り合うダミーゲートトレンチ9同士の間隔よりも小さい。
【選択図】図1

Description

本開示は、半導体装置に関する。
隣り合うゲートトレンチの間に複数のダミートレンチが形成され、ゲートトレンチがダミートレンチより浅い半導体装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2019−186318号公報
従来の半導体装置では、ゲートトレンチとダミートレンチを含む全てのトレンチの間隔が一定であった。これにより、特異な容量特性波形を持つため、発振又はデバイスの誤動作を招く恐れがあった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は容量特性を改善することができる半導体装置を得るものである。
本開示に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の上面側に形成された複数のゲートトレンチと、前記複数のゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体基板との間に形成されたゲート絶縁膜と、前記半導体基板の上面側の表層部に形成された第2導電型のチャネル層と、前記チャネル層の表層部に形成され、前記チャネル層よりも不純物のピーク濃度の高い第2導電型のコンタクト層と、前記ゲートトレンチに隣接するように前記チャネル層の表層部に形成された第1導電型のエミッタ層と、前記コンタクト層に接続されたエミッタ電極と、前記半導体基板の上面側において、隣り合う前記ゲートトレンチの間に等間隔で形成された複数のダミーゲートトレンチと、前記複数のダミーゲートトレンチに埋め込まれ、前記エミッタ電極に接続されたダミーゲート電極と、前記ダミーゲート電極と前記半導体基板との間に形成されたダミーゲート絶縁膜とを備え、隣り合う前記ゲートトレンチと前記ダミーゲートトレンチの間隔は、隣り合う前記ダミーゲートトレンチ同士の間隔よりも小さいことを特徴とする。
本開示では、隣り合うゲートトレンチとダミーゲートトレンチの間隔が隣り合うダミーゲートトレンチ同士の間隔よりも小さい。これにより、ダミーゲートトレンチの間隔が均一化されるため、デバイスの平行板コンデンサー近似ができ、容量特性を改善することができる。
実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の等価回路を示す図である。 ゲートトレンチとダミーゲートトレンチの間隔の制限をモデリングするための図である。 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。 比較例と実施の形態1の実測容量波形を示す図である。 比較例と実施の形態1の容量のシミュレーション波形を示す図である。 比較例と実施の形態1の内部空乏層を比較した図である。 実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 エッチングマスクの開口幅とトレンチの深さの相関関係を示す図である。 N型キャリア蓄積層が無い場合の耐圧とダミーゲートトレンチ同士の間隔の相関関係を示す図である。
実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。ここで例示する半導体装置は3300Vの高耐圧クラスのIGBTであるが、耐圧クラスはこれに限定されない。
型半導体基板1のエミッタ側の主面を「上面」、コレクタ側の主面を「下面」と定義する。N型半導体基板1の上面側に複数のゲートトレンチ2が周期的に繰り返し形成されている。ポリシリコンからなるゲート電極3が複数のゲートトレンチ2に埋め込まれている。酸化シリコンからなるゲート絶縁膜4がゲート電極3とN型半導体基板1との間に形成されている。即ち、ゲート絶縁膜4はゲートトレンチ2の側壁と底に形成されている。
P型チャネル層5がN型半導体基板1の上面側の表層部に形成されている。P型チャネル層5よりも不純物のピーク濃度の高いP型コンタクト層6がP型チャネル層5の表層部に形成されている。N型エミッタ層7がゲートトレンチ2に隣接するようにP型チャネル層5の表層部に形成されている。N型キャリア蓄積層8がN型半導体基板1とP型チャネル層5の間に形成されている。ゲートトレンチ2の底はN型キャリア蓄積層8内に位置する。
複数のダミーゲートトレンチ9が、N型半導体基板1の上面側において、隣り合うゲートトレンチ2の間に等間隔で形成されている。ポリシリコンからなるダミーゲート電極10が複数のダミーゲートトレンチ9に埋め込まれている。酸化シリコンからなるダミーゲート絶縁膜11がダミーゲート電極10とN型半導体基板1との間に形成されている。即ち、ダミーゲート絶縁膜11はダミーゲートトレンチ9の側壁と底に形成されている。ダミーゲートトレンチ9の両脇にはN型エミッタ層7は形成されていない。ダミーゲートトレンチ9の底はN型キャリア蓄積層8よりも深い。
型半導体基板1の上面にはゲート電極3及びダミーゲート電極10を覆うように層間絶縁膜12が形成されている。層間絶縁膜12の上にエミッタ電極13が形成されている。エミッタ電極13は層間絶縁膜12のコンタクトホールを通してP型コンタクト層6及びN型エミッタ層7に接続されている。ダミーゲート電極10は不図示の領域でエミッタ電極13に接続されている。このため、ダミーゲート電極10はIGBTのゲート電極としては機能しない。
P型コレクタ層14がN型半導体基板1の下面側の表層部に形成されている。N型半導体基板1とP型コレクタ層14との間には、N型半導体基板1よりも不純物のピーク濃度の高いN型バッファ領域15が形成されている。コレクタ電極16がP型コレクタ層14に接続されている。エミッタ電極13及びコレクタ電極16は、例えばバリアメタルなどを含む複数の金属膜からなる積層構造でもよい。
下の表に各拡散層のピーク濃度の許容範囲を示す。
Figure 2021125595
図2から図13は、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図2に示すように、N型半導体基板1の上面側にN型キャリア蓄積層8及びP型チャネル層5を形成し、P型チャネル層5の表層部にN型エミッタ層7を形成する。N型半導体基板1の上に酸化シリコン膜17を形成する。
次に、図3に示すように、酸化シリコン膜17の上にレジスト18を形成し、写真製版とエッチングによりパターニングする。パターニングしたレジスト18をマスクとして用いて酸化シリコン膜17をエッチングする。次に、図4に示すように、レジスト18を除去する。次に、パターニングした酸化シリコン膜17をマスクとして用いてN型半導体基板1をエッチングしてダミーゲートトレンチ9を形成する。ダミーゲートトレンチ9はN型キャリア蓄積層8及びP型チャネル層5を貫通している。
次に、図5に示すように、酸化シリコン膜17を除去する。次に、ダミーゲートトレンチ9の内面を含む全面にダミーゲート絶縁膜11を形成する。次に、図6に示すように、ダミーゲートトレンチ9の内部をポリシリコンで埋め込んでダミーゲート電極10を形成する。次に、図7に示すように、ダミーゲートトレンチ9の内部以外のポリシリコンを除去する。
次に、図8に示すように、全面に酸化シリコン膜19を形成する。次に、図9に示すように、酸化シリコン膜19の上にレジスト20を形成し、写真製版とエッチングによりパターニングする。パターニングしたレジスト20をマスクとして用いて酸化シリコン膜19をエッチングする。
次に、図10に示すように、レジスト20を除去する。次に、パターニングした酸化シリコン膜19をマスクとして用いてN型半導体基板1をエッチングしてゲートトレンチ2を形成する。ゲートトレンチ2はN型エミッタ層7を貫通してN型キャリア蓄積層8に達している。次に、図11に示すように、酸化シリコン膜19を除去する。次に、ゲートトレンチ2の内面を含む全面にゲート絶縁膜4を形成する。
次に、図12に示すように、ゲートトレンチ2の内部をポリシリコンで埋め込んでゲート電極3を形成する。次に、図13に示すように、ゲートトレンチ2の内部以外のポリシリコンを除去する。その後、層間絶縁膜12、エミッタ電極13、N型バッファ領域15、P型コレクタ層14及びコレクタ電極16等を形成することで、実施の形態1に係る半導体装置が製造される。
図14は、実施の形態1に係る半導体装置の等価回路を示す図である。入力容量Ciesと帰還容量Cresが小さくなると、半導体装置のスイッチング動作が速くなり、スイッチングロスを低減できる。入力容量Ciesはゲート・コレクタ間容量Cgcとゲート・エミッタ間容量Cgeの和であり、主にCgeで決まる。出力容量Coesはコレクタ・エミッタ間容量Cceとゲート・コレクタ間容量Cgcの和である。帰還容量Cresはゲート・コレクタ間容量Cgcである。従って、出力容量Coesと帰還容量Cresはエミッタ又はゲートとコレクタとの間の寄生容量であり、N型半導体基板1内の空乏化にも依存する。
ゲートトレンチ2もダミーゲートトレンチ9も、半導体基板と絶縁膜と導体で構成されたMOS構造である。MOS構造では印加電圧によりトレンチ底で半導体基板側に空乏層が生じる。この空乏層をコーナー半径rのPN接合としてモデリングする。トレンチ底からの空乏層の幅rを以下のポアソン方程式(Poisson’s equation)から計算することができる。
Figure 2021125595
ここで、Vaは印加電圧、qは電気素量、Nはトレンチ底での不純物濃度、εSiはSiの誘電率、εは真空の誘電率、rはトレンチの幅の半値である。
図15は、ゲートトレンチとダミーゲートトレンチの間隔の制限をモデリングするための図である。なお、図15ではトレンチの底が丸い場合を示しているが、トレンチの底が四角い場合でも同様にモデリングできる。
式(1)から分かるように、印加電圧が大きくなるとゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の底の空乏層が広がる。隣り合うダミーゲートトレンチ9同士の底での空乏層が繋がる電圧で、ゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の底での空乏層も繋がるためには以下の式(2)と式(3)を満たす必要がある。
≦(r+r−d ・・・式(2)
2r=T ・・・式(3)
ここで、rはゲートトレンチ2の底から空乏層の端までの距離、rはダミーゲートトレンチ9の底から空乏層の端までの距離、dはダミーゲートトレンチ9とゲートトレンチ2の深さの差である。
r´=r−rと定義すると、式(2)(3)から以下の式(4)が導かれる。
≦(2r−r´)−d ・・・式(4)
また、図15に示すように一つのユニットセルについて以下の関係がある。
Figure 2021125595
ここで、Dは半導体装置のユニットセルに含まれるゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の合計本数であり2より大きい整数である。Wはユニットセルの幅である。
式(3)(4)(5)から以下の式(6)が導かれる。
Figure 2021125595
この式(6)は、隣り合うダミーゲートトレンチ9同士の底での空乏層が繋がる電圧でゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の底での空乏層も繋がるための条件である。従って、滑らかな容量波形を得るためには式(6)を満たす必要がある。
また、ゲートトレンチ2の底での不純物濃度をN、ダミーゲートトレンチ9の底での不純物濃度をNとして、ゲートトレンチ2の幅の半値をrt1、ダミーゲートトレンチ9の幅の半値をrt2とすると、式(1)から以下の式(7)が導かれる。
Figure 2021125595
式(2)と式(7)からr,rを計算することができる。ここで、ゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の幅が同じ場合、rt1=rt2である。また、N型キャリア蓄積層8がない場合、N=Nである。N=Nの場合、r=r、即ちr´=0でもよい。
また、間隔Tを小さくすると、ゲートトレンチ2の両側にあるダミーゲートトレンチ9同士の間隔2Tも小さくなる。2T=Tを満たすTの値が間隔Tの下限となる。間隔Tが下限を下回ると、容量特性を改善する効果が無くなる。また、間隔Tを小さくし過ぎると、エミッタ側でキャリアが蓄積し、ターンオフ遮断中に該当部でアバランシェ破壊又はラッチアップを招く恐れがある。従って、Tの最小値をT1,min、Tの最大値をT2,maxとして以下の式(8)を満たす必要がある。
Figure 2021125595
以上より、隣り合うゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の間隔Tは式(6)と式(8)を同時に満たす必要がある。このように間隔Tを制限することにより容量特性を更に改善することができる。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図16は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。比較例では、ゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9を含む全てのトレンチの間隔が同じ値Tである。
図17は、比較例と実施の形態1の実測容量波形を示す図である。図18は、比較例と実施の形態1の容量のシミュレーション波形を示す図である。なお、ゲート・コレクタ間電圧Vgcを0.1−50V、周波数を100kHz、温度を25℃とした。
デバイスがスイッチング動作の時にゲート・コレクタ間電圧Vgcがマイナスバイアスとプラスバイアスの間で変化する。比較例ではVgcが1〜2Vの間で容量が大きく変動する。アプリケーションの使用条件によって、このような容量の大きな変動は発振又はデバイスの誤動作を招く恐れがある。これに対して、実施の形態1では容量の変動が抑えられる。なお、隣り合うゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の間隔Tを制限しない場合はVgcが1〜2Vの間で容量が増加するが、間隔Tを制限した場合は滑らかな容量波形を得ることができる。
図19は、比較例と実施の形態1の内部空乏層を比較した図である。Vgcは0.1V、0.4V、1.0Vである。ゲートトレンチ2の底はダミーゲートトレンチ9の底より空乏化が少ないことが分かる。比較例では全てのトレンチの間隔が一定であるため、ダミーゲートトレンチ9だけを見ると、ゲートトレンチ2の有る領域でダミーゲートトレンチ9の間隔が不均一になる。印加電圧が大きくなると隣り合うダミーゲートトレンチ9の底での空乏層が繋がるが、隣り合うゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9のそれぞれの底での空乏層が繋がらない。比較例では、このようなダミーゲートトレンチ9の間隔の不均一性と空乏層繋がりの不均一性から、デバイスの平行板コンデンサー近似ができなくなり、特異な容量特性波形を招く。
一方、実施の形態1では隣り合うゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の間隔Tを隣り合うダミーゲートトレンチ9同士の間隔Tより小さくする。これにより、ダミーゲートトレンチ9の間隔が比較例より均一化されるため、デバイスの平行板コンデンサー近似ができ、容量特性を改善することができる。
また、隣り合うゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の間隔Tを制限することにより、隣り合うゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9のそれぞれ底での空乏層が繋がりやすくなる。これにより、空乏層の深さが更に均一になるため、特異な容量波形を防いで容量特性を更に改善することができる。
実施の形態2.
図20は、実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。ゲートトレンチ2の幅wがダミーゲートトレンチ9の幅wより小さい。その他の構成は実施の形態1と同様である。
図21から図25は、実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図21に示すように、酸化シリコン膜17の上にレジスト18を形成し、写真製版とエッチングによりパターニングする。パターニングしたレジスト18をマスクとして用いて酸化シリコン膜17をエッチングする。次に、図22に示すように、レジスト18を除去する。次に、パターニングした酸化シリコン膜17をマスクとして用いてN型半導体基板1をエッチングしてゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9を同時に形成する。
次に、図23に示すように、酸化シリコン膜17を除去する。次に、ゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の内面を含む全面に絶縁膜を堆積してゲート絶縁膜4とダミーゲート絶縁膜11を同時に形成する。次に、図24に示すように、ゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の内部をポリシリコンで埋め込んでゲート電極3とダミーゲート電極10を同時に形成する。次に、図25に示すように、ゲートトレンチ2とダミーゲートトレンチ9の内部以外のポリシリコンを除去する。その他の工程は実施の形態1と同様である。
図26は、エッチングマスクの開口幅とトレンチの深さの相関関係を示す図である。エッチングマスクの開口幅が大きくなるほど、エッチングにより形成されるトレンチが深くなることが分かる。
実施の形態2は、この相関関係を利用してダミーゲートトレンチ9とゲートトレンチ2を同じ写真製版とエッチング工程にて形成する。一方、実施の形態1ではダミーゲートトレンチ9とゲートトレンチ2を別々の写真製版とエッチング工程にて形成する。従って、実施の形態2は実施の形態1よりも製造コストを低減することができる。
図27は、N型キャリア蓄積層が無い場合の耐圧とダミーゲートトレンチ同士の間隔の相関関係を示す図である。隣り合うダミーゲートトレンチ9同士の間隔Tが大きくなると、耐圧が低下することが分かった。N型キャリア蓄積層8の注入量が0、間隔Tが15umの場合、耐圧が目標耐圧の約90%である。間隔Tが大き過ぎると、ダミーゲートトレンチ9間のフィールドプレート効果が弱くなり、ダミーゲートトレンチ9の底付近に電界集中してしまい、耐圧が低下する。N型キャリア蓄積層8のドーズ量が大きくなると、耐圧に対する間隔Tの影響が大きくなる。従って、N型キャリア蓄積層8が有る場合、目標耐圧の90%以上を保持するためには、間隔Tを15umより小さくする必要がある。
なお、半導体基板1は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された半導体装置は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された半導体装置を用いることで、この半導体装置を組み込んだ半導体モジュールも小型化・高集積化できる。また、半導体装置の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、半導体装置の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。
1 N型半導体基板、2 ゲートトレンチ、3 ゲート電極、4 ゲート絶縁膜、5 P型チャネル層、6 P型コンタクト層、7 N型エミッタ層、9 ダミーゲートトレンチ、10 ダミーゲート電極、11 ダミーゲート絶縁膜、13 エミッタ電極

Claims (5)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の上面側に形成された複数のゲートトレンチと、
    前記複数のゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極と、
    前記ゲート電極と前記半導体基板との間に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記半導体基板の上面側の表層部に形成された第2導電型のチャネル層と、
    前記チャネル層の表層部に形成され、前記チャネル層よりも不純物のピーク濃度の高い第2導電型のコンタクト層と、
    前記ゲートトレンチに隣接するように前記チャネル層の表層部に形成された第1導電型のエミッタ層と、
    前記コンタクト層に接続されたエミッタ電極と、
    前記半導体基板の上面側において、隣り合う前記ゲートトレンチの間に等間隔で形成された複数のダミーゲートトレンチと、
    前記複数のダミーゲートトレンチに埋め込まれ、前記エミッタ電極に接続されたダミーゲート電極と、
    前記ダミーゲート電極と前記半導体基板との間に形成されたダミーゲート絶縁膜とを備え、
    隣り合う前記ゲートトレンチと前記ダミーゲートトレンチの間隔は、隣り合う前記ダミーゲートトレンチ同士の間隔よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
  2. 隣り合う前記ダミーゲートトレンチ同士の間隔をT、前記ゲートトレンチの幅の半値をrt1、前記ダミーゲートトレンチの幅の半値をrt2、前記ゲートトレンチの底での前記半導体基板の不純物濃度をN、前記ダミーゲートトレンチの底での前記半導体基板の不純物濃度をNとして、前記ゲートトレンチの底から空乏層の端までの距離rと前記ダミーゲートトレンチの底から空乏層の端までの距離r
    Figure 2021125595
    を満たし、
    前記半導体装置のユニットセルに含まれる前記ゲートトレンチと前記ダミーゲートトレンチの合計本数をD、前記ユニットセルの幅をW、前記ダミーゲートトレンチと前記ゲートトレンチの深さの差をd、r´=r−rとして、隣り合う前記ゲートトレンチと前記ダミーゲートトレンチの間隔T
    Figure 2021125595
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ゲートトレンチの幅が前記ダミーゲートトレンチの幅より小さいことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体基板と前記チャネル層の間に形成されたN型キャリア蓄積層を更に備え、
    隣り合う前記ダミーゲートトレンチ同士の間隔は15umより小さいことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体基板はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体装置。
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