JP2023026911A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】特性調整を行い易い半導体装置を得ることを目的とする。【解決手段】本開示に係る半導体装置は、IGBT領域と、ダイオード領域と、を有する基板と、前記基板の上面に設けられた表面電極と、前記基板の上面と反対側の裏面に設けられた裏面電極と、を備え、前記ダイオード領域は、前記基板の上面が凹むことで前記IGBT領域よりも薄く形成された第1部分と、前記第1部分の一方の側に設けられ前記第1部分よりも厚い第2部分と、を有する。【選択図】図1

Description

本開示は、半導体装置に関する。
特許文献1には、隣り合うIGBT領域及びダイオード領域が規定された半導体基板を備える半導体装置が開示されている。IGBT表面にトレンチが配設され、半導体基板の表面のうちのダイオード表面は、半導体基板の表面のうちのIGBT表面から窪んでいる。半導体基板の表面の反対側の裏面とトレンチの下端との間の距離は、半導体基板の裏面とダイオード表面との間の距離に対応している。
特開2021-28922号公報
特許文献1の半導体装置では、ダイオード領域の全体で基板が薄い。このため、特性調整が難しくなるおそれがある。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、特性調整を行い易い半導体装置を得ることを目的とする。
本開示に係る半導体装置は、IGBT領域と、ダイオード領域と、を有する基板と、前記基板の上面に設けられた表面電極と、前記基板の上面と反対側の裏面に設けられた裏面電極と、を備え、前記ダイオード領域は、前記基板の上面が凹むことで前記IGBT領域よりも薄く形成された第1部分と、前記第1部分の一方の側に設けられ前記第1部分よりも厚い第2部分と、を有する。
本開示に係る半導体装置では、ダイオード領域はIGBT領域よりも薄く形成された第1部分と、第1部分よりも厚い第2部分とを有する。このため、特性調整を行い易い。
実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態1の変形例に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態3に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態4に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態5に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態6に係る半導体装置の断面図である。 実施の形態7に係る半導体装置の断面図である。
各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。以下の説明において、nおよびpは半導体の導電型を示す。各実施の形態で説明する導電型は逆であっても良い。また、n-は不純物濃度がnよりも低いことを示し、n+は不純物濃度がnよりも高いことを示す。同様に、p-は不純物濃度がpよりも低いことを示し、p+は不純物濃度がpよりも高いことを示す。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体装置100の断面図である。半導体装置100は、IGBT領域10と、ダイオード領域20とを有する基板を備える。半導体装置100は、RC-IGBT(Reverse Conducting IGBT)である。IGBT領域10およびダイオード領域20を合わせてセル領域と呼ぶ。セル領域の周囲には、半導体装置100の耐圧保持のために図示しない終端領域が設けられている。
IGBT領域10には、アクティブトレンチゲート11とダミートレンチゲート12が設けられる。アクティブトレンチゲート11は、基板に形成されたトレンチ内にゲートトレンチ絶縁膜11bを介してゲートトレンチ電極11aを有する。ダミートレンチゲート12は、基板に形成されたトレンチ内に、ダミートレンチ絶縁膜12bを介してダミートレンチ電極12aを有する。ゲートトレンチ電極11aは、図示しないゲートパッドに電気的に接続される。ダミートレンチ電極12aは、基板の上面に設けられた表面電極6と電気的に接続される。表面電極6はエミッタ電極である。
基板は、n-型ドリフト層1を有している。IGBT領域10において基板は、n+型ソース層13およびp+型コンタクト層14からp型コレクタ層16までの範囲である。IGBT領域10では、n-型ドリフト層1の上面側に、n型キャリア蓄積層2が設けられている。なお、n型キャリア蓄積層2は設けられなくても良い。n型キャリア蓄積層2とn-型ドリフト層1とを合わせてドリフト層と呼んでも良い。
n型キャリア蓄積層2の上面側には、p型ベース層15が設けられている。n+型ソース層13およびp+型コンタクト層14は基板の上面を構成している。n+型ソース層13がゲートトレンチ絶縁膜11bに接して設けられる。隣り合った2つのダミートレンチゲート12の間にはp+型コンタクト層14が設けられる。なお、p+型コンタクト層14とp型ベース層15とを合わせてp型ベース層と呼んでも良い。
n-型ドリフト層1の裏面側には、n型バッファ層3が設けられている。n型バッファ層3は設けられなくても良い。n型バッファ層3とn-型ドリフト層1とを合わせてドリフト層と呼んでも良い。n型バッファ層3の裏面側には、p型コレクタ層16が設けられている。p型コレクタ層16は基板の裏面を構成している。p型コレクタ層16は、IGBT領域10だけでなく、終端領域にも設けられている。
アクティブトレンチゲート11の上には層間絶縁膜4が設けられている。IGBT領域10の上面のうち、層間絶縁膜4が設けられていない領域の上および層間絶縁膜4の上には、バリアメタル5が形成されている。バリアメタル5は、n+型ソース層13、p+型コンタクト層14およびダミートレンチ電極12aにオーミック接触する。バリアメタル5の上には、表面電極6が設けられる。基板の上面と反対側の裏面には、裏面電極7が設けられる。裏面電極7はコレクタ電極である。裏面電極7は、p型コレクタ層16にオーミック接触する。
半導体装置100は、ダイオード領域20においてもn-型ドリフト層1を有している。ダイオード領域20のn-型ドリフト層1とIGBT領域10のn-型ドリフト層1とは連続して一体的に構成されている。ダイオード領域20において、基板は、p+型コンタクト層24からn+型カソード層26までの範囲である。n-型ドリフト層1の上面側には、p型アノード層25およびp+型コンタクト層24が設けられている。p+型コンタクト層24とp型アノード層25とを合わせてp型アノード層と呼んでも良い。
ダイオード領域20には、n型バッファ層3の裏面側に、n+型カソード層26が設けられている。n+型カソード層26は基板の裏面を構成している。ダイオード領域20において、表面電極6はアノード電極となり、裏面電極7はカソード電極となる。
ダイオード領域20は、基板の上面が凹むことでIGBT領域10よりも薄く形成された第1部分20aを有する。さらにダイオード領域20は、第1部分20aの一方の側に設けられ第1部分20aよりも厚い第2部分20bと、第1部分20aの他方の側に設けられ第1部分20aよりも厚い第3部分20cを有する。第2部分20bはIGBT領域10と隣接している。
p型アノード層25は、第1部分20aの上面に沿って設けられた部分25aを有する。また、p型アノード層25は、第1部分20aと第2部分20b、第3部分20cとを繋ぐ基板の側面に沿って設けられた部分25b、25cを有する。
本実施の形態では、ダイオード領域20において、表面電極6とp型アノード層25が接触する平面が複数存在する。第1部分20aの深さは任意であり選択可能である。第1部分20aの深さは、マスク処理におけるマスクパターンとエッチング処理条件により変更することができる。また、マスクパターンの幅を変化させることで、第1部分20aの深さを調整する事も可能である。
本実施の形態では、ダイオード領域20が薄い部分と厚い部分を有する。このとき、p型アノード層25を深さ方向に広く分布させることができる。これにより、p型アノード層25の各部の濃度を調整し易くできる。p型アノード層25の深さおよび濃度を調整することで、p型アノード層25からのホールの注入量を調整できる。これにより、順方向動作時のオン電圧とリカバリ特性を調整することができる。従って、本実施の形態では特性調整を行い易くできる。
また、ダイオード領域全面でシリコン厚みが薄い場合、IGBT領域とダイオード領域の境界領域または電流が集中する領域で破壊が生じやすくなる可能性がある。電流が集中する領域は、例えばダイオード領域の中心またはワイヤの直下である。また、チップ割れが生じる可能性がある。また、IGBT領域とダイオード領域の間に広範囲に段差が形成され、製造が困難となる可能性がある。
これに対し本実施の形態では、基板の薄い領域を限定することができる。これにより、ウエハ反り量を抑制できる。また、電流の集中による破壊またはチップ割れを抑制でき、歩留まりを改善できる。さらに、段差部を限定することで、写真製版マスク処理時のデフォーカスを回避でき、エッチング後の残渣を低減できる。従って、半導体装置100の製造を容易にできる。以上から、本実施の形態では、特性調整の容易化、破壊耐量の向上および製造工程の容易化を実現できる。
また、図1に示されるように、第2部分20bの上面とIGBT領域10の上面は同一平面を形成していても良い。IGBT領域10とダイオード領域20の境界領域に段差が存在すると、段差部において局所的に電界が高くなる可能性がある。このとき、耐圧が低下し、スイッチング動作、リカバリ動作時に破壊が生じやすくなるおそれがある。IGBT領域10とダイオード領域20の境界に段差が無いことで、電界集中を抑制して、逆バイアス時の耐量を向上させることができる。
図1の例では、第2部分20bの上面に層間絶縁膜4が形成される。これに限らず、第2部分20bは表面電極6と接触しても良い。また、p+型コンタクト層24の代わりに、p型アノード層25が形成されていても良い。このとき、IGBT領域10と隣接するp型アノード層25に濃度勾配が設けられても良い。p型アノード層25の濃度はIGBT領域に向かって低下することが好ましい。また、IGBT領域10とダイオード領域20の境界のトレンチは無くても良い。
また、IGBT領域10において基板の裏面側に設けられたp型コレクタ層16は、ダイオード領域20にはみ出していても良い。つまり、ダイオード領域20において、IGBT領域と隣接する部分の裏面側は、p型コレクタ層16であっても良い。
IGBT領域10と隣接する境界領域の裏面構造がn+型カソード層26の場合、ダイオードの順方向動作時にキャリアが境界領域に溜まり易くなることがある。このため、リカバリ動作の際に破壊が生じ易くなるおそれがある。また、IGBTのオン時にn+型カソード層26に電子が流れ、p型コレクタ層16からホールが注入され難くなり、IGBTがオンしないというスナップバック現象が発生する可能性がある。p型コレクタ層16をダイオード領域へ広げることで、このようなIGBTとダイオードのキャリアの干渉を抑制することができる。
p型コレクタ層16のダイオード領域20へのはみだし量U1は、例えばウエハ厚と同じである。一般に、電流は45°の角度範囲内を流れる。このため、はみだし量U1としてウエハ厚と同じ距離を確保すれば、電流の干渉を抑制できる。これに限らず、はみだし量U1は任意に設定できる。p型コレクタ層16とp型アノード層25は、平面視で重なっていても良く、重なっていなくても良い。
p型アノード層25の各部分25a、25b、25cは、互いに濃度が異なっても良い。p型アノード層25は深さに応じて濃度勾配を有しても良い。
図2は、実施の形態1の変形例に係る半導体装置200の断面図である。p型アノード層25のうち、部分25a、25b、25cは、離れていても良い。つまり、表面電極6とp型アノード層25が接触する複数の平面ごとに、アノードを形成しても良い。マスク処理におけるマスクパターンの設定またはエッチング処理後に注入を行うことで、平面ごとにアノードを形成できる。
また、本実施の形態ではダイオード領域20の高さが2段階になっている。これに限らず、ダイオード領域20の高さは3段階以上であっても良い。
ダイオード領域20において第1部分20aは、1箇所のみに設けられても良く、複数箇所に設けられても良い。第1部分20aの平面視でのパターンとしてあらゆる形状を採用できる。第1部分20aの平面視でのパターンは、ストライプ型、アイランド型または円形でも良い。第1部分20aの形状は、マスク処理時のマスクパターンにより適宜変更することができる。また、ダイオード領域20は、第1部分20aと、第1部分20aの一方の側に設けられた第2部分または第3部分を有すれば良い。つまり、ダイオード領域20のうち第1部分20aより厚い部分は、少なくとも第1部分20aの片側に設けられれば良い。
また、図1の例では、第1部分20aはアクティブトレンチゲート11と同等の深さまで掘り下げられている。第1部分20aの深さはこれに限定されない。第1部分20aがアクティブトレンチゲート11よりも下方まで掘り下げられることで、損失をさらに抑制できる。また、第1部分20aの上面をアクティブトレンチゲート11の底部と同等とすることで、基板が薄くなり製造コストが上昇することを抑制できる。
半導体装置100において、基板はワイドバンドギャップ半導体から形成されていても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。本実施の形態によれば、適切な特性調整により、ワイドバンドギャップ半導体から形成された基板に安定して高電流を流すことができる。
これらの変形は、以下の実施の形態に係る半導体装置について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置については実施の形態1との共通点が多いので、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
実施の形態2.
図3は、実施の形態2に係る半導体装置300の断面図である。半導体装置300は第1部分20aの構造が半導体装置100と異なる。他の構成は半導体装置100の構成と同じである。半導体装置300の第1部分20aは、最上層にp型アノード層25とショットキー接触層40とを有する。ショットキー接触層40にはn型のP(リン)が注入されていても良い。
第1部分20aでは、n-型ドリフト層1が薄いため、電流が集中し易い。第1部分20aにおいて、p型アノード層25の一部をショットキー接触層40にする事で、順方向動作時のホールの注入量を抑制できる。これにより、リカバリ時の損失を低減することができる。また、p型アノード層25とショットキー接触層40のパターンを変えることで、順方向オン電圧とリカバリ損失のTrade-offを調整することができる。また、逆バイアス時の空乏層がp型アノード層25から伸びてショットキー接触層40を覆うように、p型アノード層25の幅、濃度または深さを調整しても良い。これにより、リーク電流を抑制できる。
p型アノード層25とショットキー接触層40の面積比率は任意である。平面視におけるp型アノード層25およびショットキー接触層40のパターンは、ストライプ型、アイランド型、ハニカム構造または円形であっても良い。
実施の形態3.
図4は、実施の形態3に係る半導体装置400の断面図である。半導体装置400はダイオード領域20の構造が半導体装置100と異なる。他の構成は半導体装置100の構成と同じである。半導体装置400において、第1部分20aは最上層にp型アノード層25を有し、第3部分20cは、最上層にショットキー接触層40を有する。
一般に、ショットキー接触層40は逆バイアス時のリーク電流が大きい。このため、実施の形態4のように、p型アノード層25から伸びる空乏層でリーク電流をブロックするために、パターン形状が制約される可能性がある。本実施の形態では、第1部分20aの上面をp型アノード層25、第2部分20bまたは第3部分20cの上面をショットキー接触層40とすることで、逆バイアス時に空乏層がショットキー接触層40を覆い易くなる。従って、リーク電流を低減する事ができる。
p型アノード層25とショットキー接触層40の面積比率は任意である。平面視におけるp型アノード層25およびショットキー接触層40のパターンは、ストライプ型、アイランド型、ハニカム構造または円形であっても良い。また、第1部分20aと第2部分20bまたは第3部分20cとを繋ぐ基板の側面は、p型アノード層25であってもショットキー接触層40であっても良い。
実施の形態4.
図5は、実施の形態4に係る半導体装置500の断面図である。半導体装置500において、第1部分20aと第2部分20b、第3部分20cとを繋ぐ基板の側面は、酸化膜42に覆われている。他の構造は半導体装置400の構造と同じである。
酸化膜42の厚さは任意である。酸化膜42は、例えば熱酸化またはCDV(Chemical Vapor Deposition)により形成される。また、CVD処理後に、異方性エッチングを行い、基板の側面にのみ酸化膜42を残すことができる。また、酸化膜42は複合膜構造を有しても良い。複合膜構造では、例えば酸化膜、ポリシリコン、酸化膜が積層する。
本実施の形態では、基板の段差部が酸化膜42で覆われている。このため、段差部に電流が流れない。従って、リカバリ時の破壊耐量を向上できる。
図5に示される例では、段差部の全体が酸化膜42に覆われる。これに限らず、第1部分20aと第2部分20b、第3部分20cとを繋ぐ基板の側面のうち、少なくとも一部が酸化膜42に覆われれば良い。例えば、基板の側面の上側の角部または下側の角部のみが酸化膜42に覆われても良い。この場合も、角部に電流が集中することを抑制でき、リカバリ時の破壊耐量を向上できる。
実施の形態5.
図6は、実施の形態5に係る半導体装置600の断面図である。半導体装置600では、第1部分20aと第2部分20bとを繋ぐ基板の側面は、外側に凸の曲面から形成される。他の構成は半導体装置100の構成と同じである。このような段差部の形状は、例えば等方性エッチングで形成できる。また、マスクパターンの細さを位置により変更して、エッチングの深さを調整することができる。
本実施の形態では、実施の形態1と比較してp型アノード層25の厚さを均一に近づけることができる。特に、第1部分20aと第2部分20b、第3部分20cとの間の段差の下側の角部において、p型アノード層25が薄くなることを抑制できる。このため、パンチスルーにより耐圧が低下することを抑制できる。また、リカバリ時に角部に電流が集中する事を抑制でき、RRSOA(Reverse Recovery Safe Operation Area)を向上できる。
基板の側面の曲率は任意である。基板の側面の曲率を大きく設定するほど、角部でp型アノード層25が薄くなることを抑制できる。基板の側面の曲率がp型アノード層25の曲率と同等以上であれば十分な効果が得られる。
実施の形態6.
図7は、実施の形態6に係る半導体装置700の断面図である。ダイオード領域20は、基板の裏面側にn+型カソード層26を有する。半導体装置700において、n+型カソード層26は間引かれている。なお、図7では基板の上面側の構造として実施の形態2の構造が採用されているが、他の実施の形態の構造が採用されても良い。
次に、このようなn+型カソード層26の形成方法を説明する。まず、基板の裏面全体に注入を行い、p型コレクタ層16を形成する。次に、マスクパターンを用いて選択的に注入を行うことで、n+型カソード層26を形成する。n+型カソード層26の注入量は、p型コレクタ層16の注入量よりも大きく設定される。さらに、レーザーアニールで再結晶化を行う。濃度の差によって、n+型カソード層26として注入が行われた領域では、p型コレクタ層16が打ち消される。これにより、p型コレクタ層16とn+型カソード層26のパターンを形成できる。平面視でのパターンは、ストライプ型でも、アイランド型でも、円形でも良い。
n+型カソード層26を間引くことにより、n+型カソード層26からの電子の注入が抑えられる。従って、リカバリ時のテール電流を小さくすることができる。また、p型コレクタ層16とn+型カソード層26のパターンの比率を変えることにより、順方向オン電圧とリカバリ損失のTrade-offを調整することができる。
また、n+型カソード層26は、IGBT領域10側ほど多く間引かれていても良い。このとき、IGBT領域10に向かって間引き率に傾斜をつけても良い。また、IGBT領域10との境界領域のみで、n+型カソード層26を大きく間引いても良い。これにより、IGBT領域10側で基板裏面でのキャリア濃度を低下させることができる。従って、リカバリ電流がダイオード領域20の段差の角部に集中することを抑制できる。これにより、RRSOAを向上できる。
実施の形態7.
図8は、実施の形態7に係る半導体装置800の断面図である。本実施の形態では、n+型カソード層26の構造が実施の形態6と異なる。半導体装置800においてn+型カソード層26は、第1部分20aのp型アノード層25の直下を避けて設けられる。なお、図8では基板の上面側の構造として実施の形態3の構造が採用されているが、他の実施の形態の構造が採用されても良い。
基板裏面に近い第1部分20aのp型アノード層25の下にn+型カソード層26があると、p型アノード層25から注入されたホールと、n+型カソード層26から注入された電子による伝導度変調効果が大きくなる。このため、リカバリ損失が大きくなる可能性がある。本実施の形態では、p型アノード層25のうち最も裏面側の部分の直下にn+型カソード層26を形成しない。これにより、リカバリ損失を低減できる。
また、本実施の形態では、p型アノード層25のうち最も裏面側の部分と、n-型ドリフト層1と、p型コレクタ層16がpnp構造を形成する。リカバリ動作中に電圧が上昇すると、このpnpトランジスタが動作し、サージ電圧を抑制することができる。
なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。
1 n-型ドリフト層、2 n型キャリア蓄積層、3 n型バッファ層、4 層間絶縁膜、5 バリアメタル、6 表面電極、7 裏面電極、10 IGBT領域、11 アクティブトレンチゲート、11a ゲートトレンチ電極、11b ゲートトレンチ絶縁膜、12 ダミートレンチゲート、12a ダミートレンチ電極、12b ダミートレンチ絶縁膜、13 型ソース層、14 型コンタクト層、15 p型ベース層、16 p型コレクタ層、20 ダイオード領域、20a 第1部分、20b 第2部分、20c 第3部分、24 型コンタクト層、25 p型アノード層、25a 部分、25b 部分、26 n+型カソード層、40 ショットキー接触層、42 酸化膜、100、200、300、400、500、600、700、800 半導体装置

Claims (15)

  1. IGBT領域と、ダイオード領域と、を有する基板と、
    前記基板の上面に設けられた表面電極と、
    前記基板の上面と反対側の裏面に設けられた裏面電極と、
    を備え、
    前記ダイオード領域は、前記基板の上面が凹むことで前記IGBT領域よりも薄く形成された第1部分と、前記第1部分の一方の側に設けられ前記第1部分よりも厚い第2部分と、を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ダイオード領域は、前記第1部分の他方の側に設けられ前記第1部分よりも厚い第3部分を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ダイオード領域のアノード層は、前記第1部分の上面、および、前記第1部分と前記第2部分とを繋ぐ前記基板の側面に沿って設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記アノード層のうち、前記第1部分の上面に沿って設けられた部分と、前記第1部分と前記第2部分とを繋ぐ前記基板の側面に沿って設けられた部分は、離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2部分は前記IGBT領域と隣接し、
    前記第2部分の上面と前記IGBT領域の上面は同一平面を形成することを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記IGBT領域は前記基板の裏面側にコレクタ層を有し、
    前記コレクタ層は、前記ダイオード領域にはみ出していることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記第1部分は、最上層にアノード層とショットキー接触層とを有することを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記第1部分は最上層にアノード層を有し、
    前記第2部分は、最上層にショットキー接触層を有することを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記第1部分と前記第2部分とを繋ぐ前記基板の側面の少なくとも一部は酸化膜に覆われていることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記第1部分と前記第2部分とを繋ぐ前記基板の側面は、外側に凸の曲面から形成されることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記ダイオード領域は、前記基板の裏面側にカソード層を有し、
    前記カソード層は間引かれていることを特徴とする請求項1から10の何れか1項に記載の半導体装置。
  12. 前記カソード層は、前記IGBT領域側ほど多く間引かれていることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。
  13. 前記ダイオード領域は、前記基板の裏面側にカソード層を有し、
    前記カソード層は、前記第1部分のアノード層の直下を避けて設けられることを特徴とする請求項1から10の何れか1項に記載の半導体装置。
  14. 前記基板はワイドバンドギャップ半導体から形成されていることを特徴とする請求項1から13の何れか1項に記載の半導体装置。
  15. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
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