JP2021190663A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放電を抑制することができる半導体装置を得る。【解決手段】チャネルストッパ電極１１の外端部とモニター電極９の内端部１０の間隔は第１の距離Ｄ１である。拡散層６と第１空乏化抑制領域７の間隔は第２の距離Ｄ２である。チャネルストッパ電極１１とモニター電極９の間の放電電圧が拡散層６と半導体基板５のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウン電圧よりも大きくなるように第１の距離Ｄ１及び第２の距離Ｄ２が設定されている。【選択図】図３

Description

本開示は、半導体装置に関する。
電力用半導体装置であるパワーデバイスは、家電製品、電気自動車及び鉄道といった分野から、再生可能エネルギーの発電として注目が高まっている太陽光発電及び風力発電の分野まで幅広く用いられている。これらの分野では、パワーデバイスで構築されたインバータ回路によって、誘導モータなどの誘導性負荷を駆動する場合が多い。誘導性負荷を駆動する構成においては、誘導性負荷の逆起電力により生じる電流を還流させるための還流ダイオード（以下「ＦＷＤ」と記す）が備えられる。なお、通常のインバータ回路は、複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」と記す）と複数のＦＷＤとによって構成される。
ところで、通常、半導体ウエハの製造が完了した後に、ウエハ状態でその性能がチェックされるが、例えばＩＧＢＴ、ＦＷＤの順方向電圧降下を測定する場合、測定技術の関係上、流すことができる電流に制約がある場合がある。その際、順方向電圧降下の測定は比較的低い電流で行なわれ、定格電流の順方向電圧降下を予測することになり、測定精度が落ちる。
また、ＦＷＤにおける順方向電圧降下は、性能に大きくかかわるため、ウエハ状態での性能を把握して製造工程へフィードバックすることが非常に重要である。複数の素子を並列接続する場合に、なるべく順方向電圧降下を均一にしておくことが望ましいことからも、ウエハ状態で性能を把握することは重要であるといえる。これに対して、低電流による順方向電圧降下特性の良好な測定精度を実現する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２００２−３５９３７７号公報
第１導電型のカソード領域と第２導電型のアノード領域の間のＩＲＲＭリーク測定を行う場合がある。この場合に、耐圧特性を確保するために外周領域に設けられたチャネルストッパ電極と外周領域よりも外側の終端領域に設けられたモニター電極の間に何らかの異常で電位差が発生し、放電が発生するという問題があった。
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、その目的は放電を抑制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、半導体素子が設けられた素子領域を有する第１導電型の半導体基板と、前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられた第２導電型の拡散層と、前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられ、前記拡散層よりも前記半導体基板の内側に前記拡散層から離れて配置された第１導電型の第１空乏化抑制領域と、前記第１空乏化抑制領域に電気的に接続されたチャネルストッパ電極と、前記拡散層に電気的に接続され、前記チャネルストッパ電極から離れているモニター電極と、前記チャネルストッパ電極の外端部と前記モニター電極の内端部を覆う絶縁膜とを備え、前記モニター電極の前記内端部が前記拡散層と前記第１空乏化抑制領域の間に位置し、前記チャネルストッパ電極の前記外端部と前記モニター電極の前記内端部の間隔は第１の距離であり、前記拡散層と前記第１空乏化抑制領域の間隔は第２の距離であり、前記チャネルストッパ電極と前記モニター電極の間の放電電圧が前記拡散層と前記半導体基板のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウン電圧よりも大きくなるように前記第１の距離及び前記第２の距離が設定されていることを特徴とする。
本開示では、チャネルストッパ電極とモニター電極の間の放電電圧が拡散層と半導体基板のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウン電圧より大きくなるように第１の距離及び第２の距離を設定する。これにより、放電を抑制することができる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す上面図である。 ＶＦモニター領域の周辺を拡大した上面図である。 図２のＡ−Ａ´に沿った断面図である。 図３の一部を拡大した断面図である。 比較例に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。
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上面図である。素子領域１にはダイオードが設けられている。素子領域１の外周に終端領域２とＶＦモニター領域３が設けられている。ＶＦモニター領域３は、長方形の半導体装置の四隅に設けられている。図２は、ＶＦモニター領域の周辺を拡大した上面図である。なお、図１には１つの半導体装置しか示されていないが、複数の半導体装置がウエハ上に設けられ、ダイシングライン４により互いに区切られている。
図３は、図２のＡ−Ａ´に沿った断面図である。図４は、図３の一部を拡大した断面図である。第１導電型の半導体基板５の表層に、第２導電型の拡散層６、第１導電型の第１空乏化抑制領域７、及び第１導電型の第２空乏化抑制領域８が設けられている。例えば第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。拡散層６は、素子領域１の半導体素子のアノード層と同時にＶＦモニター領域３に形成され、当該アノード層と不純物濃度及び深さが同じである。
第１空乏化抑制領域７は、拡散層６よりも半導体基板５の内側の終端領域２に配置され、拡散層６から距離Ｄ２だけ離れている。第２空乏化抑制領域８は、拡散層６よりも半導体基板５の外側のダイシングライン４に配置され、拡散層６から距離Ｄ３だけ離れている。第１空乏化抑制領域７及び第２空乏化抑制領域８の不純物濃度は半導体基板５よりも大きい。
半導体基板５の表面の上に酸化珪素などの層間膜１３が設けられている。層間膜１３には第１空乏化抑制領域７及び第２空乏化抑制領域８の一部を露出させる開口が設けられている。
モニター電極９が、層間膜１３の上に設けられ、層間膜１３の開口を介して拡散層６に電気的に接続されている。チャネルストッパ電極１１が、層間膜１３の上に設けられ、層間膜１３の開口を介して第１空乏化抑制領域７に電気的に接続されている。チャネルストッパ電極１１及び第１空乏化抑制領域７は、第１空乏化抑制領域よりも内側に配置されている終端領域２から外側に向かう空乏層の広がりを抑制するチャネルストッパである。裏面電極１２が半導体基板５の裏面に形成され、半導体基板５に電気的に接続されている。
モニター電極９とチャネルストッパ電極１１は、層間膜１３の上で最も近接する。モニター電極９の内端部１０とチャネルストッパ電極１１の外端部の距離はＤ１である。例えばＳＩｎＳｉＮからなる厚みｔの絶縁膜１４がモニター電極９の内端部１０とチャネルストッパ電極１１の外端部を覆っている。
プローブ針１５をモニター電極９に接触させてモニター電極９と裏面電極１２の間に電圧を印加し、ウエハ状態で逆耐圧又はダイオードの静特性をテストする。この際に、ある程度の耐圧を保持した上でモニター電極９とチャネルストッパ電極１１を電気的に分離しておく必要がある。そこで、半導体基板５の表面に沿った横方向において、モニター電極９の内端部１０を拡散層６と第１空乏化抑制領域７の間に配置する。同様に、モニター電極９の外端部を拡散層６と第２空乏化抑制領域８の間に配置する。
印加する電圧の大きさに応じて、拡散層６から第１空乏化抑制領域７及び第２空乏化抑制領域８に向かって空乏層が広がっていく。第１空乏化抑制領域７及び第２空乏化抑制領域８は裏面電極１２と同電位である。拡散層６から広がる空乏層が、第１空乏化抑制領域７又は第２空乏化抑制領域８に到達すると、電圧Ａで拡散層６と半導体基板５のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウンが発生する。アバランシェブレークダウンが発生すると、電荷はモニター電極９又は裏面電極１２から排出される。
図５は、比較例に係る半導体装置を示す断面図である。比較例ではアバランシェブレークダウンが発生するような設計になっていない。このため、絶縁膜１４で覆われたモニター電極９とチャネルストッパ電極１１の間に電圧が印加されると放電１８が発生することがある。
空乏層が保持する拡散層６と半導体基板５のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウン電圧Ａが、チャネルストッパ電極１１とモニター電極９の間の放電電圧Ｂよりも小さければ、チャネルストッパ電極１１とモニター電極９の間にかかる電圧が放電電圧Ｂに到達しない。そこで、本実施の形態では、放電電圧Ｂがアバランシェブレークダウン電圧Ａより大きくなるように距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を設定する。このようにモニターの耐圧特性を下げることで放電を抑制することができる。これにより、電流定格の高いチップにおいても、主に低電流による順方向電圧降下特性の良好な測定精度を実現することができる。
距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の関係は、以下の数式１と数式２を組み合わせることで定義できる。数式１は半導体基板５内部のアバランシェブレークダウン電圧の式である。数式２は二電極間の放電発生電圧の式である。
ＶＳｕｂ＝ＥＣＳｕｂ×Ｗ・・・（数式１）
Ｖ＝ＥＣ×Ｄ・・・（数式２）
ここで、ＶＳｕｂは半導体基板５内部のアバランシェブレークダウン電圧、ＥＣＳｕｂは半導体基板５の絶縁破壊電界強度、Ｗは空乏層の幅である。数式２のＶは放電電圧、ＥＣは二電極間に存在する空気などの物体の絶縁破壊電界強度、Ｄは二電極間の距離である。
なお、パワーデバイスで使用される６００Ｖ耐圧のＩＧＢＴ又はＤｉｏｄｅの場合、数式２で６００Ｖ＜０．０３ＭＶ／ｃｍ×Ｄ１となり、放電を防ぐために２００μｍ以上の距離Ｄ１が必要となる。１２００Ｖ耐圧ではその倍の４００μｍ以上の距離Ｄ１が必要となる。従って、アバランシェブレークダウンを用いずに放電を防ごうとすると、距離Ｄ１をかなり大きくしなければならず、装置の小型化の妨げとなる。
数式１の空乏層の幅Ｗを距離Ｄ２，Ｄ３、数式２の二電極間の距離ＤをＤ１−２ｔとし、アバランシェブレークダウン電圧が二電極間の放電開始電圧よりも下回る関係式を示したものが以下の数式３と数式４である。
Ｄ２＜（ＥＣＩｎｓ／ＥＣＳｕｂ）×２ｔ＋（ＥＣｂｅｔ／ＥＣＳｕｂ）×（Ｄ１−２ｔ）・・・（数式３）
Ｄ３＜（ＥＣＩｎｓ／ＥＣＳｕｂ）×２ｔ＋（ＥＣｂｅｔ／ＥＣＳｕｂ）×（Ｄ１−２ｔ）・・・（数式４）
ここで、ＥＣｂｅｔはモニター電極９の内端部とチャネルストッパ電極１１の外端部の間に存在する絶縁膜１４以外の物質の絶縁破壊電界強度、ＥＣＩｎｓは絶縁膜１４の絶縁破壊電界強度、ｔは絶縁膜１４の厚みである。
この関係式を満たす場合、モニター電極９とチャネルストッパ電極１１の間で放電が発生する電圧よりも低い値で半導体基板５内部でアバランシェブレークダウンに到達するため、二電極間での放電を抑制することができる。
例えば、半導体基板５をＳｉとし、Ｓｉの絶縁破壊電界強度を０．３ＭＶ／ｃｍ、絶縁膜１４を絶縁破壊強度が８ＭＶ／ｃｍの窒化膜とし、モニター電極９とチャネルストッパ電極１１の間の距離を２０μｍ、二電極間が絶縁破壊強度０．０３ＭＶ／ｃｍの空気で満たされ、絶縁膜１４の厚みｔが５００ｎｍであったとする。この場合、数式３から距離Ｄ２がおよそ２８μｍ以下であれば放電を抑制できることが分かる。なお、半導体基板５がＳｉＣなどのワイドバイドギャップ半導体であっても、放電を抑制できる距離Ｄ２を同様に求めることができる。また、空気の絶縁破壊電界強度は絶縁膜１４よりも２桁程度低いため、二電極間を満たす物体が空気である場合は数式３及び数式４の第２項は無視してもよい。絶縁膜１４の材料、配置する位置，配置の有無によって放電開始電圧及び距離Ｄ２，Ｄ３が変化することは明白である。
なお、第１空乏化抑制領域７と第２空乏化抑制領域８の何れかで放電電圧Ｂよりも低いアバランシェブレークダウン電圧Ａを実現できればよい。このため、第２空乏化抑制領域８は省略しても構わない。
また、本実施の形態において、拡散層６の不純物濃度が半導体基板５の不純物濃度よりも低いことが好ましい。この場合は、空乏層は拡散層６の内部に向かう方向へも広がる。従って、空乏化抑制領域の距離Ｄ２，Ｄ３で定義されるアバランシェブレークダウン電圧Ａよりも低い電圧でアバランシェブレークダウンするため、更に放電を抑制することができる。なお、素子領域１に設けられたダイオードをＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴなどの他の半導体素子に置き換えたとしても同様の効果が得られる。
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態１の第１空乏化抑制領域７及び第２空乏化抑制領域８の代わりに第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７が設けられている。
第１トレンチ１６は、拡散層６よりも半導体基板５の内側に配置され、拡散層６から距離Ｄ２だけ離れている。第２トレンチ１７は、拡散層６よりも半導体基板５の外側に配置され、拡散層６から距離Ｄ３だけ離れている。第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７は、素子領域に形成されたＩＧＢＴのトレンチゲートと同様の構造であり、例えば溝内にゲート絶縁膜を介してポリシリコンが埋め込まれたものである。ただし、このポリシリコンはゲートに接続されていないため、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７はダミートレンチゲートである。チャネルストッパ電極１１が第１トレンチ１６のポリシリコンに電気的に接続されている。
拡散層６から広がる空乏層の伸びが第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７で物理的に止まり、それ以上は広がらなくなる。数式１に示すように、空乏層の幅Ｗを制限することでアバランシェブレークダウン電圧ＶＳｕｂを低くすることができる。そこで、実施の形態１と同様に、チャネルストッパ電極１１とモニター電極９の間の放電電圧Ｂが拡散層６と半導体基板５のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウン電圧Ａより大きくなるように距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を設定する。これにより、放電を抑制することができる。
また、第１空乏化抑制領域７及び第２空乏化抑制領域８は不純物注入などによって形成するため、不純物の拡散を考慮して配置する場所を設計しなければならない。これに対して、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７は、パターンによって配置が一意的に決まるため、設計がしやすい。
なお、半導体基板５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 素子領域、５ 半導体基板、６ 拡散層、７ 第１空乏化抑制領域、１１ チャネルストッパ電極、９ モニター電極、１４ 絶縁膜、１０ 内端部、８ 第２空乏化抑制領域、１６ 第１トレンチ、１７ 第２トレンチ

Claims (8)

  1. 半導体素子が設けられた素子領域を有する第１導電型の半導体基板と、
    前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられた第２導電型の拡散層と、
    前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられ、前記拡散層よりも前記半導体基板の内側に前記拡散層から離れて配置された第１導電型の第１空乏化抑制領域と、
    前記第１空乏化抑制領域に電気的に接続されたチャネルストッパ電極と、
    前記拡散層に電気的に接続され、前記チャネルストッパ電極から離れているモニター電極と、
    前記チャネルストッパ電極の外端部と前記モニター電極の内端部を覆う絶縁膜とを備え、
    前記モニター電極の前記内端部が前記拡散層と前記第１空乏化抑制領域の間に位置し、
    前記チャネルストッパ電極の前記外端部と前記モニター電極の前記内端部の間隔は第１の距離であり、
    前記拡散層と前記第１空乏化抑制領域の間隔は第２の距離であり、
    前記チャネルストッパ電極と前記モニター電極の間の放電電圧が前記拡散層と前記半導体基板のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウン電圧よりも大きくなるように前記第１の距離及び前記第２の距離が設定されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられ、前記拡散層よりも前記半導体基板の外側に前記拡散層から離れて配置された第１導電型の第２空乏化抑制領域を更に備え、
    前記モニター電極の外端部が前記拡散層と前記第２空乏化抑制領域の間に位置し、
    前記拡散層と前記第２空乏化抑制領域の間隔は第３の距離であり、
    前記放電電圧が前記アバランシェブレークダウン電圧よりも大きくなるように前記第３の距離が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 半導体素子が設けられた素子領域を有する第１導電型の半導体基板と、
    前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられた第２導電型の拡散層と、
    前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられ、前記拡散層よりも前記半導体基板の内側に前記拡散層から離れて配置された第１トレンチと、
    前記第１トレンチに電気的に接続されたチャネルストッパ電極と、
    前記拡散層に電気的に接続され、前記チャネルストッパ電極から離れているモニター電極と、
    前記チャネルストッパ電極の外端部と前記モニター電極の内端部を覆う絶縁膜とを備え、
    前記モニター電極の前記内端部が前記拡散層と前記第１トレンチの間に位置し、
    前記チャネルストッパ電極の前記外端部と前記モニター電極の前記内端部の間隔は第１の距離であり、
    前記拡散層と前記第１トレンチの間隔は第２の距離であり、
    前記チャネルストッパ電極と前記モニター電極の間の放電電圧が前記拡散層と前記半導体基板のＰＮ接合部のアバランシェブレークダウン電圧よりも大きくなるように前記第１の距離及び前記第２の距離が設定されていることを特徴とする半導体装置。
  4. 前記素子領域の外周において前記半導体基板の表層に設けられ、前記拡散層よりも前記半導体基板の外側に前記拡散層から離れて配置された第２トレンチを更に備え、
    前記モニター電極の外端部が前記拡散層と前記第２トレンチの間に位置し、
    前記拡散層と前記第２トレンチの間隔は第３の距離であり、
    前記放電電圧が前記アバランシェブレークダウン電圧よりも大きくなるように前記第３の距離が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記第１の距離をＤ１、前記第２の距離をＤ２、前記絶縁膜の絶縁破壊電界強度をＥＣＩｎｓ、前記半導体基板の絶縁破壊電界強度をＥＣＳｕｂ、前記絶縁膜の厚みをｔ、前記チャネルストッパ電極の前記外端部と前記モニター電極の前記内端部の間に存在する前記絶縁膜以外の物質の絶縁破壊電界強度をＥＣｂｅｔとして、
    Ｄ２＜（ＥＣＩｎｓ／ＥＣＳｕｂ）×２ｔ＋（ＥＣｂｅｔ／ＥＣＳｕｂ）×（Ｄ１−２ｔ）
    を満たす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。
  6. 前記第１の距離をＤ１、前記第３の距離をＤ３、前記絶縁膜の絶縁破壊電界強度をＥＣＩｎｓ、前記半導体基板の絶縁破壊電界強度をＥＣＳｕｂ、前記絶縁膜の厚みをｔ、前記チャネルストッパ電極の前記外端部と前記モニター電極の前記内端部の間に存在する前記絶縁膜以外の物質の絶縁破壊電界強度をＥＣｂｅｔとして、
    Ｄ３＜（ＥＣＩｎｓ／ＥＣＳｕｂ）×２ｔ＋（ＥＣｂｅｔ／ＥＣＳｕｂ）×（Ｄ１−２ｔ）
    を満たすことを特徴とする請求項２又は４に記載の半導体装置。
  7. 前記拡散層の不純物濃度は前記半導体基板の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 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１〜７の何れか１項に記載の半導体装置。
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