JP2024097277A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。
特許文献1には、同一の半導体基板にIGBT領域とダイオード領域とが設けられた半導体装置が記載されている。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 国際公開第2014/125584号
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 国際公開第2014/125584号
同一の半導体基板にIGBT領域とFWD領域とが設けられた半導体装置において、ダイオードの逆回復損失を低減した半導体装置を提供する。
本発明の第1の態様においては、トランジスタ部とダイオード部とを備える半導体装置を提供する。前記トランジスタ部は、半導体基板に設けられた複数のトレンチ部と、前記半導体基板に設けられた第1導電型のドリフト領域と、前記ドリフト領域の上方に設けられた、第2導電型のベース領域と、前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記ドリフト領域よりもドーピング濃度の高い第1導電型のエミッタ領域と、前記ベース領域の上方において前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記ベース領域よりもドーピング濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、を有し、前記ダイオード部は、前記複数のトレンチ部と、前記第1導電型のドリフト領域と、前記ドリフト領域の上方に設けられた、前記ベース領域よりもドーピング濃度の低い第2導電型のアノード領域と、前記アノード領域の上方において前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記アノード領域よりもドーピング濃度の高い第2導電型領域と、を有し、前記ダイオード部は、前記半導体基板のおもて面に前記アノード領域が設けられたショットキー接合領域と、前記半導体基板のおもて面に前記アノード領域および前記第2導電型領域が設けられたオーミック接合領域とを有する。
前記アノード領域のドーピング濃度は、2.5E14cm-3以上、1E16cm-3以下であってよい。
前記ショットキー接合領域は、前記半導体基板の上面視で、前記ダイオード部において、前記トランジスタ部側の端部に設けられてよい。
前記ショットキー接合領域のトレンチ配列方向における幅は、70μm以下であってよい。
前記ショットキー接合領域には、前記第2導電型領域が設けられていなくてよい。
前記第2導電型領域は、トレンチ延伸方向において離散的に設けられてよい。
前記第2導電型領域は、前記半導体基板のメサ部において、トレンチ部の側壁から離間して設けられてよい。
前記第2導電型領域のドーピング濃度は、前記コンタクト領域のドーピング濃度よりも高くてよい。
前記ダイオード部は、前記ドリフト領域の上方に設けられた、前記アノード領域よりもドーピング濃度が高く、前記第2導電型領域よりもドーピング濃度が低い第2導電型のリーチスルー防止領域を有してよい。
前記リーチスルー防止領域は、前記アノード領域の下端と接して設けられてよい。
前記リーチスルー防止領域のドーピング濃度は、前記ベース領域のドーピング濃度よりも低くてよい。
前記リーチスルー防止領域のドーピング濃度は、2.5E14cm-3よりも高く、9E16cm-3以下であってよい。
前記トランジスタ部は、前記半導体基板の上面視で前記ダイオード部側の端部に、前記エミッタ領域が設けられていない境界領域を有してよい。
前記境界領域のトレンチ配列方向における幅は、前記ショットキー接合領域のトレンチ配列方向における幅よりも小さくてよい。
前記境界領域のトレンチ配列方向における幅は、1.7μm以上、2.3μm以下であってよい。
前記半導体基板の上面視で、前記境界領域において、前記コンタクト領域および前記ベース領域が、トレンチ延伸方向において交互に設けられてよい。
前記トランジスタ部は、前記ベース領域よりも下方に設けられた、前記ドリフト領域よりもドーピング濃度が高い第1導電型の蓄積領域を有してよい。
前記蓄積領域は、前記境界領域には設けられていなくてよい。
前記半導体基板のおもて面に設けられたトレンチコンタクト部を備え、前記トレンチコンタクト部の下端に、前記第2導電型領域が離散的に設けられてよい。
前記半導体基板には、前記半導体基板の深さ方向における中心よりもおもて面側において、ライフタイムキラーを含むライフタイム制御領域が設けられていなくてよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本明細書においては、半導体基板の深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。基板、層またはその他の部材の2つの主面のうち、一方の面をおもて面、他方の面を裏面と称する。「上」、「下」、「おもて」、「裏」の方向は重力方向、または、半導体装置の実装時における基板等への取り付け方向に限定されない。
本明細書では、X軸、Y軸およびZ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。本明細書では、半導体基板のおもて面と平行な面をXY面とし、半導体基板の深さ方向をZ軸とする。なお、本明細書において、Z軸方向に半導体基板を視た場合について上面視と称する。
各実施例においては、第1導電型をN型、第2導電型をP型とした例を示しているが、第1導電型をP型、第2導電型をN型としてもよい。この場合、各実施例における基板、層、領域等の導電型は、それぞれ逆の極性となる。
本明細書では、NまたはPを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、NやPに付す+および-は、それぞれ、それが付されていない層や領域よりも高ドーピング濃度および低ドーピング濃度であることを意味し、++は+よりも高ドーピング濃度、--は-よりも低ドーピング濃度であることを意味する。
本明細書においてドーピング濃度とは、ドナーまたはアクセプタ化したドーパントの濃度を指す。したがって、その単位は、/cm3である。本明細書において、ドナーおよびアクセプタの濃度差(すなわちネットドーピング濃度)をドーピング濃度とする場合がある。この場合、ドーピング濃度はSR法で測定できる。また、ドナーおよびアクセプタの化学濃度をドーピング濃度としてもよい。この場合、ドーピング濃度はSIMS法で測定できる。特に限定していなければ、ドーピング濃度として、上記のいずれを用いてもよい。特に限定していなければ、ドーピング領域におけるドーピング濃度分布のピーク値を、当該ドーピング領域におけるドーピング濃度としてよい。
また、本明細書においてドーズ量とは、イオン注入を行う際に、ウェハに注入される単位面積あたりのイオンの個数をいう。したがって、その単位は、/cm2である。なお、半導体領域のドーズ量は、その半導体領域の深さ方向にわたってドーピング濃度を積分した積分濃度とすることができる。その積分濃度の単位は、/cm2である。したがって、ドーズ量と積分濃度とを同じものとして扱ってよい。積分濃度は、半値幅までの積分値としてもよく、他の半導体領域のスペクトルと重なる場合には、他の半導体領域の影響を除いて導出してよい。
よって、本明細書では、ドーピング濃度の高低をドーズ量の高低として読み替えることができる。即ち、一の領域のドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度よりも高い場合、当該一の領域のドーズ量が他の領域のドーズ量よりも高いものと理解することができる。
図1Aは、実施例に係る半導体装置100の上面図の一例を示す。半導体装置100は、IGBT等のトランジスタ素子を含むトランジスタ部70と、還流ダイオード(FWD)等のダイオード素子を含むダイオード部80とを有する半導体基板を備える。例えば、半導体装置100は、逆導通IGBT(RC-IGBT:Reverse Conducting IGBT)である。
なお、本明細書で単に上面視と称した場合、半導体基板のおもて面側から見ることを意味している。本例では、上面視でトランジスタ部70およびダイオード部80の配列方向をX軸、半導体基板のおもて面においてX軸と垂直な方向をY軸、半導体基板のおもて面と垂直な方向をZ軸と称する。
トランジスタ部70およびダイオード部80は、それぞれ延伸方向に長手を有してよい。つまり、トランジスタ部70のY軸方向における長さは、X軸方向における幅よりも大きい。同様に、ダイオード部80のY軸方向における長さは、X軸方向における幅よりも大きい。トランジスタ部70およびダイオード部80の延伸方向と、後述する各トレンチ部の長手方向とは同一であってよい。
トランジスタ部70は、半導体基板の裏面側に設けられたコレクタ領域22を半導体基板のおもて面に投影した領域である。本例のコレクタ領域22は、一例としてP型である。トランジスタ部70は、IGBT等のトランジスタを含む。
トランジスタ部70は、半導体基板のおもて面に、N型のエミッタ領域12、P型のコンタクト領域15、ゲート導電部およびゲート絶縁膜を有するゲートトレンチ部40が周期的に配置されている。ここでいう半導体基板のおもて面側とは、半導体基板のZ軸方向における中心よりもおもて面側を意味してよい。
ダイオード部80は、半導体基板の裏面側に設けられたカソード領域82を半導体基板のおもて面に投影した領域である。本例のカソード領域82は、一例としてN型である。ダイオード部80は、半導体基板のおもて面においてトランジスタ部70と隣接して設けられた還流ダイオード(FWD:Free Wheel Diode)等のダイオードを含む。半導体基板の裏面には、カソード領域以外の領域には、P型のコレクタ領域が設けられてよい。
半導体基板は、シリコン基板であってよく、炭化シリコン基板であってよく、窒化ガリウム等の窒化物半導体基板等であってもよい。本例の半導体基板は、シリコン基板である。
本例の半導体装置100は、半導体基板のおもて面に設けられたゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30、エミッタ領域12、コンタクト領域15、ウェル領域17、アノード領域84、および第2導電型領域85を備える。ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30は、それぞれがトレンチ部の一例である。
また、本例の半導体装置100は、半導体基板のおもて面の上方に設けられたゲート金属層50およびエミッタ電極52を備える。エミッタ電極52およびゲート金属層50と、半導体基板のおもて面との間には層間絶縁膜が設けられているが、図1Aでは省略している。本例の層間絶縁膜には、コンタクトホール54、55および56が、当該層間絶縁膜を貫通して設けられている。図1Aにおいては、それぞれのコンタクトホールが破線で示されている。
エミッタ電極52は、ゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30、エミッタ領域12、コンタクト領域15、ウェル領域17、アノード領域84、および第2導電型領域85の上方に設けられている。エミッタ電極52は、コンタクトホール54を通って、半導体基板のおもて面におけるエミッタ領域12、コンタクト領域15、アノード領域84、および第2導電型領域85と電気的に接続する。
エミッタ電極52およびゲート金属層50は、金属を含む材料で形成される。エミッタ電極52の少なくとも一部の領域は、アルミニウム、またはアルミニウムを主成分とする合金(例えば、アルミニウム-シリコン合金、アルミニウム-シリコン-銅合金等)で形成されてよい。ゲート金属層50の少なくとも一部の領域は、アルミニウム、またはアルミニウムを主成分とする合金(例えば、アルミニウム‐シリコン合金、アルミニウム‐シリコン-銅合金等)で形成されてよい。さらに、エミッタ電極52およびゲート金属層50の表面には、めっき層を設けてもよい。
エミッタ電極52およびゲート金属層50は、アルミニウム等で形成された領域の下層にチタンやチタン化合物等で形成されたバリアメタルを有してよい。エミッタ電極52およびゲート金属層50は、互いに分離して設けられている。
コンタクトホール55は、トランジスタ部70のゲートトレンチ部40内のゲート導電部とゲート金属層50とを接続する。コンタクトホール55の内部には、バリアメタルを介して、タングステン等で形成されたプラグが設けられてもよい。
コンタクトホール56は、トランジスタ部70およびダイオード部80に設けられたダミートレンチ部30内のダミー導電部とエミッタ電極52とを接続する。コンタクトホール56の内部には、バリアメタルを介して、タングステン等で形成されたプラグが設けられてもよい。
ゲートトレンチ部40は、予め定められた配列方向(本例ではX軸方向)に沿って予め定められた間隔で配列される。本例のゲートトレンチ部40は、半導体基板のおもて面に平行であって配列方向と垂直な延伸方向(本例ではY軸方向)に沿って延伸する2つの延伸部分41と、2つの延伸部分41を接続する接続部分43とを有してよい。
接続部分43は、少なくとも一部が曲線状に形成されることが好ましい。ゲートトレンチ部40の2つの延伸部分41の端部を接続することで、延伸部分41の端部における電界集中を緩和できる。ゲートトレンチ部40の接続部分43において、ゲート金属層50がゲート導電部と接続されてよい。
ダミートレンチ部30は、その内部に設けられたダミー導電部がエミッタ電極52と電気的に接続されたトレンチ部である。ダミートレンチ部30は、ゲートトレンチ部40と同様に、予め定められた配列方向(本例ではX軸方向)に沿って予め定められた間隔で配列される。本例のダミートレンチ部30は、ゲートトレンチ部40と同様に、半導体基板のおもて面においてU字形状を有してよい。即ち、ダミートレンチ部30は、延伸方向に沿って延伸する2つの延伸部分31と、2つの延伸部分31を接続する接続部分33とを有してよい。
本例のトランジスタ部70は、1つのゲートトレンチ部40と2つのダミートレンチ部30を繰り返し配列させた構造を有する。即ち、本例のトランジスタ部70は、1:2の比率でゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30を有している。例えば、トランジスタ部70では、配列方向において、隣り合う2本の延伸部分41の間に2本の延伸部分31が配列されている。
但し、ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30の比率は本例に限定されない。ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30の比率は、1:1であってもよく、2:3であってもよい。あるいは、トランジスタ部70においてダミートレンチ部30を設けず、全てゲートトレンチ部40とした構造であってもよい。
ウェル領域17は、後述するドリフト領域18よりも半導体基板のおもて面側に設けられている。ウェル領域17は、半導体装置100のエッジ側に設けられているウェル領域の一例である。ウェル領域17は、一例としてP++型である。ウェル領域17は、ゲート金属層50が設けられた側の活性領域の端部から、予め定められた範囲に設けられている。
ウェル領域17の拡散深さは、ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30の深さよりも深くてよい。ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30の、ゲート金属層50側の一部の領域は、ウェル領域17に設けられている。ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30の延伸方向の端の底は、ウェル領域17に覆われていてよい。
コンタクトホール54は、トランジスタ部70において、エミッタ領域12およびコンタクト領域15の各領域の上方に設けられている。コンタクトホール54は、ダイオード部80において、アノード領域84および第2導電型領域85の上方にも設けられている。いずれのコンタクトホール54も、Y軸方向両端に設けられたウェル領域17の上方には設けられていない。このように、層間絶縁膜には、1または複数のコンタクトホール54が設けられている。本例のコンタクトホール54は、延伸方向に延伸して設けられてよい。
メサ部71およびメサ部81は、半導体基板のおもて面と平行な面内において、トレンチ部に隣接して設けられたメサ部である。メサ部とは、隣り合う2つのトレンチ部に挟まれた半導体基板の部分であって、半導体基板のおもて面から、各トレンチ部の最も深い底部の深さまでの部分であってよい。各トレンチ部の延伸部分を1つのトレンチ部としてよい。即ち、2つの延伸部分に挟まれる領域をメサ部としてよい。
メサ部71は、トランジスタ部70において、ダミートレンチ部30またはゲートトレンチ部40の少なくとも1つに隣接して設けられている。メサ部71は、半導体基板のおもて面側において、ウェル領域17と、エミッタ領域12と、ベース領域14と、コンタクト領域15とを有する。メサ部81は、ダイオード部80において、ダミートレンチ部30に隣接して設けられている。メサ部81は、半導体基板のおもて面において、ウェル領域17と、アノード領域84と、第2導電型領域85とを有する。
ベース領域14は、トランジスタ部70において、ドリフト領域18よりも半導体基板のおもて面側に設けられた領域である。アノード領域84は、ダイオード部80において、ドリフト領域18よりも半導体基板のおもて面側に設けられた領域である。一例として、本例のベース領域14はP+型であり、アノード領域84は、P型である。本例のアノード領域84のドーピング濃度は、2.5E14cm-3以上、1E16cm-3以下である。なお、Eは10のべき乗を意味し、例えば1E16cm-3は1×1016cm-3を意味する。アノード領域84のドーピング濃度は、ベース領域14のドーピング濃度よりも低い。本例では、アノード領域84のドーピング濃度を低くすることにより、逆回復時の正孔注入を抑制することができる。
エミッタ領域12は、ドリフト領域18と同じ導電型で、ドリフト領域18よりもドーピング濃度の高い領域である。本例のエミッタ領域12は、一例としてN+型である。エミッタ領域12のドーパントの一例はヒ素(As)である。エミッタ領域12は、メサ部71のおもて面において、ゲートトレンチ部40と接して設けられている。エミッタ領域12は、メサ部71を挟んだ2本のトレンチ部の一方から他方まで、X軸方向に延伸して設けられてよい。
また、エミッタ領域12は、ダミートレンチ部30と接してもよいし、接しなくてもよい。本例のエミッタ領域12は、ダミートレンチ部30と接している。エミッタ領域12は、メサ部81には設けられていない。
コンタクト領域15は、ベース領域14と同じ導電型で、ベース領域14よりもドーピング濃度が高い領域である。本例のコンタクト領域15は、一例としてP++型である。本例のコンタクト領域15は、メサ部71のおもて面に設けられている。コンタクト領域15は、メサ部71を挟んだ2本のトレンチ部の一方から他方まで、X軸方向に延伸して設けられている。本例のトランジスタ部70では、メサ部71のおもて面に、エミッタ領域12およびコンタクト領域15が、Y軸方向において交互に設けられている。コンタクト領域15は、メサ部81には設けられていない。
トランジスタ部70は、上面視でダイオード部80側の端部に、境界領域90を有してよい。境界領域90は、ダイオード部80の逆回復時に、トランジスタ部70からダイオード部80へのキャリアの回り込みを防止するために設けられている。
本例の境界領域90のメサ部71には、エミッタ領域12が設けられていない。境界領域90のメサ部71には、コンタクト領域15がY軸方向に延伸して設けられてよい。あるいは、境界領域90のメサ部71には、上面視で、コンタクト領域15およびベース領域14が、Y軸方向において交互に設けられてよい。
本例の境界領域90のX軸方向における幅は、1.7μm以上、2.3μm以下である。ここでいうX軸方向における幅は、その領域が1または複数のメサ部にわたって延伸する場合、X軸方向において当該1または複数のメサ部の両端部が接するトレンチ部の中心間距離とする。境界領域90のX軸方向における幅は、メサ部71の1本分の幅以下であってよい。
第2導電型領域85は、アノード領域84と同じ導電型で、アノード領域84よりもドーピング濃度の高い領域である。本例の第2導電型領域85は、一例としてP++型である。本例の第2導電型領域85のドーピング濃度は、1E16cm-3以上、1E19cm-3以下である。本例の第2導電型領域85のドーピング濃度は、コンタクト領域15のドーピング濃度よりも高い。
本例のダイオード部80は、上面視で、トランジスタ部70から離間したオーミック接合領域87と、オーミック接合領域87とトランジスタ部70との間に設けられたショットキー接合領域88とを有する。
オーミック接合領域87は、半導体基板とエミッタ電極52とがオーミック接合する領域である。オーミック接合領域87には、半導体基板のおもて面にアノード領域84および第2導電型領域85が設けられている。
本例のオーミック接合領域87において、メサ部81のおもて面には、第2導電型領域85がY軸方向において離散的に設けられている。また、第2導電型領域85は、ダミートレンチ部30の側壁から離間して設けられている。オーミック接合領域87において、第2導電型領域85は、メサ部81のおもて面に露出したアノード領域84に囲まれている。
第2導電型領域85のドーピング濃度はコンタクト領域15のドーピング濃度よりも高く、アノード領域84のドーピング濃度はベース領域14のドーピング濃度よりも低い。本例では、オーミック接合領域87において、メサ部81のおもて面に第2導電型領域85を離散的に設けることによってオーミック接合を確保しつつ、アノード領域84を設けることにより、ダイオード部80における正孔の総量を低減し、逆回復時の正孔注入を抑制することができる。
ショットキー接合領域88は、半導体基板とエミッタ電極52とがショットキー接合する領域である。ショットキー接合領域88は、半導体基板の上面視で、ダイオード部80において、トランジスタ部70側の端部に設けられている。本例のショットキー接合領域88のX軸方向における幅は、70μm以下である。ショットキー接合領域88のX軸方向における幅は、半導体基板10の厚さによって変化し、例えば、耐圧が1200V程度の場合は40μm以上、70μm以下である。ショットキー接合領域88のX軸方向における幅は、境界領域90のX軸方向における幅よりも大きい。
本例のショットキー接合領域88において、メサ部81のおもて面には、アノード領域84が設けられている。ショットキー接合領域88には、第2導電型領域85が設けられなくてよい。あるいは、ショットキー接合領域88には、上面視で、オーミック接合領域87と同様にY軸方向において離散的に、かつ、オーミック接合領域87よりも低い割合で、第2導電型領域85が設けられてもよい。
ショットキー接合領域88では、電子の注入および排出を妨げずに正孔の注入を抑制するので、キャリアの注入効率を低下させて、半導体基板のキャリア密度を低減することができる。また、ショットキー接合領域88をトランジスタ部70側の端部に設けることによって、トランジスタ部70からの正孔の注入およびダイオード部80への回り込みを抑制することができる。
このように、ダイオード部80にオーミック接合領域87およびショットキー接合領域88を設けることによって、境界領域90のX軸方向における幅をショットキー接合領域88のX軸方向における幅よりも小さくすることができるので、小さい無効領域で逆回復損失を低減し、チップ面積を小さくすることができる。
図1Bは、図1Aにおけるa-a'断面の一例を示す図である。a-a'断面は、コンタクト領域15および第2導電型領域85を通過するXZ面である。
本例の半導体装置100は、半導体基板10、層間絶縁膜38、エミッタ電極52およびコレクタ電極24を有する。エミッタ電極52は、半導体基板10および層間絶縁膜38の上方に設けられている。
ドリフト領域18は、半導体基板10に設けられた領域である。本例のドリフト領域18は、一例としてN-型である。ドリフト領域18は、半導体基板10において他のドーピング領域が形成されずに残存した領域であってよい。即ち、ドリフト領域18のドーピング濃度は半導体基板10のドーピング濃度であってよい。
バッファ領域20は、ドリフト領域18の下方に設けられた領域である。本例のバッファ領域20は、ドリフト領域18と同じ導電型であり、一例としてN型である。バッファ領域20のドーピング濃度は、ドリフト領域18のドーピング濃度よりも高い。バッファ領域20は、ベース領域14およびアノード領域84の下面側から広がる空乏層がコレクタ領域22およびカソード領域82に到達することを防ぐフィールドストップ層として機能してよい。
コレクタ領域22は、トランジスタ部70においてバッファ領域20の下方に設けられた、ドリフト領域18と異なる導電型の領域である。カソード領域82は、ダイオード部80においてバッファ領域20の下方に設けられた、ドリフト領域18と同じ導電型の領域である。コレクタ領域22とカソード領域82との境界は、トランジスタ部70とダイオード部80との境界である。
コレクタ電極24は、半導体基板10の裏面23に設けられている。コレクタ電極24は、金属等の導電材料で、または導電材料を積層して形成される。
ベース領域14は、メサ部71においてドリフト領域18の上方に設けられた、ドリフト領域18と異なる導電型の領域である。本例のベース領域14は、一例としてP+型である。ベース領域14は、ゲートトレンチ部40に接して設けられている。ベース領域14は、ダミートレンチ部30に接して設けられてよい。
アノード領域84は、ダイオード部80のメサ部81においてドリフト領域18の上方に設けられた、ドリフト領域18と異なる導電型の領域である。本例のアノード領域84は、一例としてP型である。本例のアノード領域84のドーピング濃度は、2.5E14cm-3以上、1E16cm-3以下である。アノード領域84のドーピング濃度は、ベース領域14のドーピング濃度よりも低い。アノード領域84は、ダミートレンチ部30に接して設けられている。
エミッタ領域12は、ベース領域14と半導体基板10のおもて面21との間に設けられている。本例のエミッタ領域12は、境界領域90以外のメサ部71に設けられており、境界領域90のメサ部71およびメサ部81には設けられていない。エミッタ領域12は、ゲートトレンチ部40と接して設けられている。エミッタ領域12は、ダミートレンチ部30と接してもよいし、接しなくてもよい。
コンタクト領域15は、ベース領域14と半導体基板10のおもて面21との間に設けられている。本例のコンタクト領域15は、メサ部71に設けられており、メサ部81には設けられていない。本例のコンタクト領域15は、上面視で、境界領域90以外のメサ部71において、エミッタ領域12とY軸方向において交互に設けられており、境界領域90のメサ部71において、Y軸方向に延伸して設けられている。コンタクト領域15は、ゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30と接して設けられている。
第2導電型領域85は、アノード領域84と半導体基板10のおもて面21との間に設けられている。本例の第2導電型領域85は、オーミック接合領域87のメサ部81に設けられており、メサ部71およびショットキー接合領域88のメサ部81には設けられていない。本例の第2導電型領域85は、上面視で、オーミック接合領域87のメサ部81において、Y軸方向において離散的に設けられている。第2導電型領域85は、オーミック接合領域87のメサ部81において、ダミートレンチ部30から離間して設けられている。本例の第2導電型領域85のドーピング濃度は、1E16cm-3以上、1E19cm-3以下である。第2導電型領域85のドーピング濃度は、コンタクト領域15のドーピング濃度よりも高い。
ダイオード部80が導通すると、カソード領域82からアノード領域84に電子電流が流れる。電子電流がアノード領域84に到達すると電導度変調が起き、アノード領域84から正孔電流が流れる。また、カソード領域82から拡散した電子電流により、トランジスタ部70のコンタクト領域15からの正孔注入も促進され、半導体基板10の正孔密度が上昇する。これにより、ダイオード部80のターンオフ時に正孔が消滅するまでの時間が長くなるので、逆回復ピーク電流が大きくなり、逆回復損失が増大する。
このような正孔電流を抑制する技術として、半導体基板のおもて面側に、ライフタイムキラーを含むライフタイム制御領域を設ける技術が知られている。ライフタイムキラーは、一例として、半導体基板全体に注入する電子線や所定の深さに注入されたヘリウム、電子線又はプロトン等であり、ライフタイム制御領域は、ライフタイムキラー注入によって半導体基板の内部に形成された結晶欠陥である。ライフタイム制御領域は、ダイオード部の導通時に発生する電子と正孔との再結合消滅を促進し、逆回復損失を低減する。
本例では、半導体基板10のおもて面21側にライフタイムキラーを含むライフタイム制御領域が設けられていない。本例では、メサ部81において、ドーピング濃度の高い第2導電型領域85を離散的に設け、アノード領域84のドーピング濃度をベース領域14のドーピング濃度よりも低くすることにより、ライフタイム制御領域が設けられていなくても、逆回復時の正孔注入を抑制することができる。
また、本例では、トランジスタ部70から離間するオーミック接合領域87でオーミック接合を確保しつつ、ショットキー接合領域88をトランジスタ部70側の端部に設けることによって、トランジスタ部70からの正孔の注入およびダイオード部80への回り込みを抑制することができる。
本例の境界領域90のX軸方向における幅DBは、1.7μm以上、2.3μm以下である。ショットキー接合領域88のX軸方向における幅DSは、例えば、40μm以上、70μm以下であり、半導体基板10の厚さによって変わる。X軸方向において、境界領域90の幅DBは、ショットキー接合領域88の幅DSよりも小さい。
このように、ダイオード部80にオーミック接合領域87およびショットキー接合領域88を設けることによって、逆回復損失を低減しつつ、無効領域である境界領域90を小さくして、チップ面積を小さくすることができる。
コンタクトホール54は、層間絶縁膜38を半導体基板10の深さ方向(Z軸方向)に貫通して設けられ、エミッタ電極52と半導体基板10とを電気的に接続する。コンタクトホール54の内部には、チタンまたはチタン化合物等で形成されたバリアメタルが設けられてよい。さらにコンタクトホール54の内部には、タングステン等で形成されたプラグがバリアメタルを介して設けられてもよい。
第2導電型領域85は、コンタクトホール54の下方に設けられている。例えば、第2導電型領域85は、コンタクトホール54の下端からボロン(B)等のドーパントをイオン注入することにより形成される。X軸方向において、第2導電型領域85の幅は、コンタクトホール54の下端の幅以上であってよい。
蓄積領域16は、ベース領域14の下方に設けられた領域である。本例の蓄積領域16はドリフト領域18と同じ導電型であり、一例としてN+型である。本例の蓄積領域16は、境界領域90およびダイオード部80には設けられていない。Z軸方向において、2段以上の蓄積領域16が設けられてよい。
また、蓄積領域16は、ゲートトレンチ部40に接して設けられている。蓄積領域16は、ダミートレンチ部30に接してもよいし、接しなくてもよい。蓄積領域16のドーピング濃度は、ドリフト領域18のドーピング濃度よりも高い。蓄積領域16を設けることで、キャリア注入促進効果(IE効果)を高めて、トランジスタ部70のオン電圧を低減することができる。
1つ以上のゲートトレンチ部40および1つ以上のダミートレンチ部30が、半導体基板10のおもて面21に設けられている。各トレンチ部は、半導体基板10のおもて面21からドリフト領域18まで、Z軸方向に延伸して設けられている。エミッタ領域12、ベース領域14、コンタクト領域15、蓄積領域16およびアノード領域84の少なくともいずれかが設けられた領域においては、各トレンチ部はこれらの領域も貫通して、ドリフト領域18に到達する。トレンチ部がドーピング領域を貫通するとは、ドーピング領域を形成してからトレンチ部を形成する順序で製造したものに限定されない。トレンチ部を形成した後に、トレンチ部の間にドーピング領域を形成したものも、トレンチ部がドーピング領域を貫通しているものに含まれる。
ゲートトレンチ部40は、半導体基板10のおもて面21に設けられたゲートトレンチ、ゲート絶縁膜42およびゲート導電部44を有する。ゲート絶縁膜42は、ゲートトレンチの内壁を覆って設けられている。ゲート絶縁膜42は、ゲートトレンチの内壁の半導体を酸化または窒化して形成してよい。ゲート導電部44は、ゲートトレンチの内部においてゲート絶縁膜42よりも内側に設けられている。ゲート絶縁膜42は、ゲート導電部44と半導体基板10とを絶縁する。ゲート導電部44は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。ゲートトレンチ部40は、半導体基板10のおもて面21において層間絶縁膜38により覆われている。
ゲート導電部44は、Z軸方向において、ゲート絶縁膜42を挟んでメサ部71側で隣接するベース領域14と対向する領域を含む。ゲート導電部44に所定の電圧が印加されると、ベース領域14のうちゲートトレンチに接する界面の表層に、電子の反転層によるチャネルが形成される。
ダミートレンチ部30は、ゲートトレンチ部40と同一の構造を有してよい。ダミートレンチ部30は、半導体基板10のおもて面21側に設けられたダミートレンチ、ダミー絶縁膜32およびダミー導電部34を有する。ダミー絶縁膜32は、ダミートレンチの内壁を覆って設けられている。ダミー導電部34は、ダミートレンチの内部に設けられ、且つ、ダミー絶縁膜32よりも内側に設けられている。ダミー絶縁膜32は、ダミー導電部34と半導体基板10とを絶縁する。ダミートレンチ部30は、半導体基板10のおもて面21において層間絶縁膜38により覆われている。
層間絶縁膜38は、半導体基板10のおもて面21に設けられている。層間絶縁膜38の上方には、エミッタ電極52が設けられている。層間絶縁膜38には、エミッタ電極52と半導体基板10とを電気的に接続するための1または複数のコンタクトホール54が設けられている。コンタクトホール55およびコンタクトホール56も同様に、層間絶縁膜38を貫通して設けられてよい。
図2Aは、比較例に係る半導体装置1100の上面図の一例を示す。図2Bは、図2Aにおけるb-b'断面の一例を示す図である。ここで説明する比較例において、実施例に係る半導体装置100と共通する要素には同じ参照番号を付し、共通する構成については説明を省略する。また、図2Aにおけるb-b'断面は、図1Aにおけるa-a'断面と同様に、コンタクト領域15および第2導電型領域85を通過するXZ面である。
半導体装置1100のダイオード部80において、メサ部81のおもて面には、第2導電型領域85がY軸方向において離散的に設けられ、第2導電型領域85は、メサ部71のおもて面に露出したアノード領域184に囲まれている。アノード領域184は、ダイオード部80において、半導体基板10のおもて面側に設けられた領域である。一例として、アノード領域184は、P+型である。半導体装置1100のアノード領域184のドーピング濃度は、半導体装置100のアノード領域84のドーピング濃度よりも高い。
半導体装置1100のダイオード部80において、メサ部81のおもて面構造は、実施例に係る半導体装置100のオーミック接合領域87におけるメサ部81のおもて面構造に類似する。半導体装置100のショットキー接合領域88に対応する領域は、半導体装置1100には設けられていない。
半導体装置1100のトランジスタ部70は、上面視で、ダイオード部80側の端部に境界領域90を有する。境界領域90は、複数のメサ部71を有する。境界領域90において、ダイオード部80から最も離間するメサ部71のおもて面には、コンタクト領域15がY軸方向に延伸して設けられている。境界領域90の他のメサ部71のおもて面には、第2導電型領域85がY軸方向において離散的に設けられ、第2導電型領域85は、メサ部71のおもて面に露出したアノード領域184に囲まれている。
つまり、半導体装置1100の境界領域90において、ダイオード部80から最も離間するメサ部71のおもて面構造は、半導体装置100の境界領域90のメサ部71のおもて面構造と共通している。一方、境界領域90他のメサ部71およびダイオード部80のメサ部81のおもて面構造は、半導体装置100のオーミック接合領域87のメサ部81のおもて面構造と類似する。半導体装置1100のダイオード部80にはショットキー接合領域88が設けられておらず、アノード領域184のドーピング濃度は半導体装置100のアノード領域84のドーピング濃度よりも高いので、正孔の総量は半導体装置100のダイオード部80よりも多い。
半導体装置1100では、境界領域90のメサ部71のうち、第2導電型領域85がY軸方向において離散的に設けられたメサ部の下方をカソード領域82にすると、ダイオード部80の逆回復時に、トランジスタ部70のコンタクト領域15からカソード領域82への正孔の回り込みが発生するため、当該メサ部の下方をコレクタ領域22とし、正孔の回り込みを抑制している。つまり、半導体装置1100では、境界領域90を無効領域化してダイオード機能を犠牲にすることにより、逆回復損失を低減している。
半導体装置1100の境界領域90のX軸方向における幅DBは、70μm以上である。なお、幅DBは、半導体基板10の厚さによって変わる。半導体装置1100の境界領域90のX軸方向における幅DBは、半導体装置100の境界領域90のX軸方向における幅DBよりも大きい。さらに、半導体装置1100の境界領域90のX軸方向における幅DBは、半導体装置100の境界領域90のX軸方向における幅DBとショットキー接合領域88のX軸方向における幅DSとの総和よりも大きい。
このように、比較例に係る半導体装置1100と比較して、実施例に係る半導体装置100では、ダイオード部80にオーミック接合領域87およびショットキー接合領域88を設けることにより、逆回復損失を低減しつつ、無効領域である境界領域90を小さくして、チップ面積を小さくすることができる。
図3は、図1Aにおけるa-a'断面の他の一例を示す図である。図3の例では、ダイオード部80にリーチスルー防止領域86が設けられている点で、図1Bの例と異なる。
リーチスルー防止領域86は、ダイオード部80において、ドリフト領域18の上方に設けられた領域である。本例のリーチスルー防止領域86は、一例としてP+型である。リーチスルー防止領域86のドーピング濃度は、2.5E14cm-3よりも高く、9E16cm-3以下である。リーチスルー防止領域86は、アノード領域84よりもドーピング濃度が高く、第2導電型領域85よりもドーピング濃度が低い。また、リーチスルー防止領域86のドーピング濃度は、ベース領域14のドーピング濃度よりも低い。
リーチスルー防止領域86は、メサ部81にわたって設けられている。リーチスルー防止領域86は、アノード領域84の下端と接して設けられてよい。あるいは、リーチスルー防止領域86は、アノード領域84内において、第2導電型領域85の下端よりも下方に設けられてもよい。
半導体基板10のおもて面21からボロン(B)等のドーパントをイオン注入して、半導体基板10のおもて面21側にドーピング濃度の異なるP型領域を形成する工程の一例を説明する。まず、リーチスルー防止領域86が、マスクを介してダイオード部80にドーパントを注入することにより形成される。次に、半導体基板10のおもて面21の全面からドーパントを注入することにより、ダイオード部80にアノード領域84が形成される。次に、マスクを介してトランジスタ部70にドーパントをイオン注入することにより、トランジスタ部70にベース領域14が形成される。次に、マスクを介してダイオード部80にドーパントをイオン注入することにより、ダイオード部80に第2導電型領域85が形成される。
本例では、ショットキー接合領域88においてアノード領域84がエミッタ電極52とショットキー接合するように、アノード領域84のドーピング濃度が低いので、ダイオード部80の逆回復時に、空乏層がアノード領域84に広がりやすい。そこで、リーチスルー防止領域86を設けることにより、空乏層の広がりを抑制し、半導体装置100の破壊を防止する。
図4は、図1Aにおけるa-a'断面の他の一例を示す図である。図4の例では、境界領域90に蓄積領域16が設けられている点で、図3の例と異なる。
本例の蓄積領域16は、境界領域90を含むトランジスタ部70全体に設けられている。これにより、IE効果をさらに高めて、トランジスタ部70のオン電圧を低減することができる。Z軸方向において、2段以上の蓄積領域16が設けられてよい。
図5は、図1Aにおけるa-a'断面の他の一例を示す図である。図5の例では、コンタクトホール54の下方にトレンチコンタクト部60が設けられている点で、図3の例と異なる。
トレンチコンタクト部60は、半導体基板10のおもて面21に設けられている。トレンチコンタクト部60は、エミッタ電極52と半導体基板とを電気的に接続する。トレンチコンタクト部60は、コンタクトホール54と連続的に設けられている。本例のトレンチコンタクト部60は、メサ部71およびメサ部81のそれぞれにおいて、Y軸方向に延伸して設けられている。
トレンチコンタクト部60は、コンタクトホール54に充填された導電性の材料を有する。トレンチコンタクト部60およびコンタクトホール54の内部には、チタンまたはチタン化合物等で形成されたバリアメタルが設けられてよい。さらにトレンチコンタクト部60およびコンタクトホール54の内部には、バリアメタルを介してタングステン等で形成されたプラグが設けられてもよい。
トレンチコンタクト部60を設けることにより、少数キャリア(例えば、正孔)を引き抜きやすくなる。これにより、少数キャリアに起因するラッチアップ耐量などの破壊耐量を向上することができる。
例えば、トレンチコンタクト部60は、層間絶縁膜38をエッチングすることにより形成される。トレンチコンタクト部60は、略平面形状の底面を有する。トレンチコンタクト部60は、側壁が傾斜したテーパ形状を有してもよい。あるいは、トレンチコンタクト部60の側壁は、半導体基板10のおもて面21に対して、略垂直に設けられてもよい。
第2導電型領域85は、トレンチコンタクト部60の下端から拡散して、トレンチコンタクト部60の側壁の少なくとも一部を覆ってよい。第2導電型領域85の下端は、コンタクト領域15の下端と同じ深さか、それよりも浅くてよい。
オーミック接合領域87において、トレンチコンタクト部60の下端には、第2導電型領域85が離散的に設けられている。これにより、接触抵抗が低減して正孔を引き抜きやすくなり、ラッチアップ耐量などの破壊耐量を向上することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
10・・・半導体基板、12・・・エミッタ領域、14・・・ベース領域、15・・・コンタクト領域、16・・・蓄積領域、17・・・ウェル領域、18・・・ドリフト領域、20・・・バッファ領域、21・・・おもて面、22・・・コレクタ領域、23・・・裏面、24・・・コレクタ電極、30・・・ダミートレンチ部、31・・・延伸部分、33・・・接続部分、32・・・ダミー絶縁膜、34・・・ダミー導電部、38・・・層間絶縁膜、40・・・ゲートトレンチ部、41・・・延伸部分、43・・・接続部分、42・・・ゲート絶縁膜、44・・・ゲート導電部、50・・・ゲート金属層、52・・・エミッタ電極、54・・・コンタクトホール、55・・・コンタクトホール、56・・・コンタクトホール、60・・・トレンチコンタクト部、70・・・トランジスタ部、71・・・メサ部、80・・・ダイオード部、81・・・メサ部、82・・・カソード領域、84・・・アノード領域、85・・・第2導電型領域、86・・・リーチスルー防止領域、87・・・オーミック接合領域、88・・・ショットキー接合領域、90・・・境界領域、100・・・半導体装置、184・・・アノード領域、1100・・・半導体装置
Claims (20)
- トランジスタ部とダイオード部とを備える半導体装置であって、
前記トランジスタ部は、
半導体基板に設けられた複数のトレンチ部と、
前記半導体基板に設けられた第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の上方に設けられた、第2導電型のベース領域と、
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記ドリフト領域よりもドーピング濃度の高い第1導電型のエミッタ領域と、
前記ベース領域の上方において前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記ベース領域よりもドーピング濃度の高い第2導電型のコンタクト領域と、
を有し、
前記ダイオード部は、
前記複数のトレンチ部と、
前記第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の上方に設けられた、前記ベース領域よりもドーピング濃度の低い第2導電型のアノード領域と、
前記アノード領域の上方において前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記アノード領域よりもドーピング濃度の高い第2導電型領域と、
を有し、
前記ダイオード部は、
前記半導体基板のおもて面に前記アノード領域が設けられたショットキー接合領域と、
前記半導体基板のおもて面に前記アノード領域および前記第2導電型領域が設けられたオーミック接合領域と
を有する
半導体装置。 - 前記アノード領域のドーピング濃度は、2.5E14cm-3以上、1E16cm-3以下である
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記ショットキー接合領域は、前記半導体基板の上面視で、前記ダイオード部において、前記トランジスタ部側の端部に設けられている
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記ショットキー接合領域のトレンチ配列方向における幅は、70μm以下である
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記ショットキー接合領域には、前記第2導電型領域が設けられていない
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第2導電型領域は、トレンチ延伸方向において離散的に設けられている
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第2導電型領域は、前記半導体基板のメサ部において、トレンチ部の側壁から離間して設けられている
請求項6に記載の半導体装置。 - 前記第2導電型領域のドーピング濃度は、前記コンタクト領域のドーピング濃度よりも高い
請求項6に記載の半導体装置。 - 前記ダイオード部は、前記ドリフト領域の上方に設けられた、前記アノード領域よりもドーピング濃度が高く、前記第2導電型領域よりもドーピング濃度が低い第2導電型のリーチスルー防止領域を有する
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記リーチスルー防止領域は、前記アノード領域の下端と接して設けられている
請求項9に記載の半導体装置。 - 前記リーチスルー防止領域のドーピング濃度は、前記ベース領域のドーピング濃度よりも低い
請求項9に記載の半導体装置。 - 前記リーチスルー防止領域のドーピング濃度は、2.5E14cm-3よりも高く、9E16cm-3以下である
請求項9に記載の半導体装置。 - 前記トランジスタ部は、前記半導体基板の上面視で前記ダイオード部側の端部に、前記エミッタ領域が設けられていない境界領域を有する
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記境界領域のトレンチ配列方向における幅は、前記ショットキー接合領域のトレンチ配列方向における幅よりも小さい
請求項13に記載の半導体装置。 - 前記境界領域のトレンチ配列方向における幅は、1.7μm以上、2.3μm以下である
請求項13に記載の半導体装置。 - 前記半導体基板の上面視で、前記境界領域において、前記コンタクト領域および前記ベース領域が、トレンチ延伸方向において交互に設けられている
請求項13に記載の半導体装置。 - 前記トランジスタ部は、前記ベース領域よりも下方に設けられた、前記ドリフト領域よりもドーピング濃度が高い第1導電型の蓄積領域を有する
請求項13に記載の半導体装置。 - 前記蓄積領域は、前記境界領域には設けられていない
請求項17に記載の半導体装置。 - 前記半導体基板のおもて面に設けられたトレンチコンタクト部を備え、
前記トレンチコンタクト部の下端に、前記第2導電型領域が離散的に設けられている
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記半導体基板には、前記半導体基板の深さ方向における中心よりもおもて面側において、ライフタイムキラーを含むライフタイム制御領域が設けられていない
請求項1に記載の半導体装置。
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2024097277A true JP2024097277A (ja) | 2024-07-18 |
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