JP4166102B2 - 高耐圧電界効果型半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,ゲート電極による電界効果を受けるボディ領域と,その下方に位置するドリフト領域とを有する電界効果型半導体装置に関する。さらに詳細には,ボディ領域にかかる電界を緩和することにより,オン電圧を犠牲にすることなく高耐圧化を図った高耐圧電界効果型半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から,パワーデバイス等に電界効果型半導体装置が用いられている(例えば特許文献1等)。この種の電界効果型半導体装置は一般的に,図20に示すような構成を有している。図20中のE−E箇所の断面図は,図1中の各符号を「1**」から「9**」に変更したものと同じである。以下,従来技術の説明において図1に言及するときは,このように符号を読み替えるものとする。図20は,図1中のA−A箇所の断面図である。この電界効果型半導体装置は,トレンチ型のゲート電極906を有している。この電界効果型半導体装置は,概略,半導体基板の一面(図20中の上方の面)側にエミッタ領域(900,904)やゲート電極906などを設け,他面(図20中の下方の面)側にコレクタ領域901等を設けた構造を有している。
【0003】
すなわち,半導体基板の一面側には,トレンチ型のゲート電極906の他,p+エミッタ領域900およびn+エミッタ領域904が設けられている。ゲート電極906は,ゲート絶縁膜905および層間絶縁膜907により,半導体基板から絶縁されている。それらの上方には,エミッタ電極909が設けられている。エミッタ電極909は,ゲート電極906と平行な帯状のコンタクト開口908の部分で半導体基板に接している。これによりエミッタ電極909は,p+ エミッタ領域900およびn+エミッタ領域904の双方に導通している。p+エミッタ領域900およびn+ エミッタ領域904の下方には,pボディ領域903が設けられている。pボディ領域903の下端は,ゲート電極906の下端より浅い。
【0004】
pボディ領域903の下方には,nドリフト領域902が形成されている。nドリフト領域902の大部分は,ゲート電極906の下端より深い位置にあり,半導体基板のほぼ全面にわたって繋がっている。nドリフト領域902のさらに下方には,p+コレクタ領域901が設けられている。そして,p+コレクタ領域901のさらに下方に接して,コレクタ電極910が形成されている。この電界効果型半導体装置では,ゲート電極906への電圧印加によりpボディ領域903に電界効果を起こさせて,エミッタ電極909とコレクタ電極910との間の導通を操作する。
【0005】
【特許文献1】
特開9−283754号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,前記した従来の電界効果型半導体装置には,次のような問題点があった。すなわち,エミッタ−コレクタ間の高耐圧化を図ろうとすると,nドリフト領域902の厚さ(図20中に「T」で示す)を厚くすることとなる。これにより,pボディ領域903およびnドリフト領域902の電界が緩和され高耐圧化できるのである。しかしこれでは,nドリフト領域902の寄生抵抗が厚さTの分だけ大きいことになる。このことは,オン電圧がその分高いということを意味する。さらに,スイッチオフ後にnドリフト領域902内に残存するキャリアもその分多いこととなる。これは,ターンオフ時間が長いということを意味する。このこと自体,操作性が悪いということであるし,また,スイッチング損失が大きいということでもある。よって,発熱による素子破壊のおそれがある。これを防ぐためには素子サイズを大きくして電流密度を下げる必要があった。
【0007】
本発明は,前記した従来の電界効果型半導体装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,ドリフト領域の厚さを増すことなく半導体基板内の電界を緩和し,オン電圧やスイッチオフ特性,コンパクト性等の犠牲なく高耐圧化を達成した高耐圧電界効果型半導体装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の高耐圧電界効果型半導体装置は,半導体基板中のボディ領域と,ボディ領域に対面するとともに,ゲート絶縁膜により半導体基板から絶縁されたゲート電極と,半導体基板中のボディ領域より下方に位置し,ボディ領域とは逆導電型のドリフト領域と,ボディ領域とドリフト領域との間に全面にわたって位置し,ドリフト領域と同じ導電型でこれより低不純物濃度の電界分散領域とを有しており,電界分散領域の下端がゲート絶縁膜の下端より浅いものである。なお,本出願において「半導体基板」というときは,一般的にウェハとして提供される半導体の単結晶基板そのものの他,その基板上にエピタキシャル成長技術等により半導体層を形成した場合にはその全体をいうこととする。
【0009】
この高耐圧電界効果型半導体装置では,ゲート電極への電圧印加による電界効果により,半導体基板内の導通を操作する。ここで,本発明の高耐圧電界効果型半導体装置では,ボディ領域とドリフト領域との間に,ドリフト領域と同じ導電型でこれより低不純物濃度の電界分散領域が設けられている。このため,スイッチオフ直後において,ボディ領域と電界分散領域との間のpn接合から電界分散領域へ向けて空乏層が伸びやすい。このため,ボディ領域およびドリフト領域にかかる電界が緩和される。したがって,ボディ領域とドリフト領域との間の耐圧が高い。ここで,ドリフト領域の厚さを特に厚くする必要はない。また,素子サイズを大きくする必要もない。このため,オン電圧やスイッチオフ特性,コンパクト性等を犠牲にしていない。
【0010】
本発明の高耐圧電界効果型半導体装置では,電界分散領域の厚さが,1μm以上あることが望ましい。電界分散領域が薄すぎると効果が低いからである。
【0011】
ここで,ゲート電極がトレンチ構造のものである場合には,電界分散領域が,ゲート電極の下部にも及んで形成されているようにすることもできる。トレンチ構造のゲート電極の下部,特に肩部はそもそも電界が集中する箇所である。この箇所が電界分散領域の一部とされていると,電界の緩和による耐圧向上の効果が大きいのである。
【0012】
そして本発明の高耐圧電界効果型半導体装置は,ボディ領域を挟んでドリフト領域の反対側に,ゲート電極のライン方向に対して離散的に形成され,ボディ領域とは逆導電型のエミッタ領域を有し,電界分散領域は,エミッタ領域に対応して離散的に形成されているものであってもよい。このようにすると,離散的に形成されたエミッタ領域の下部にのみ,電界分散領域が存在することになる。すなわち,エミッタ領域とエミッタ領域の間の隙間の部分の下部には,電界分散領域が存在しない。このためこの部分ではボディ領域とドリフト領域とが直に接している。したがってこの部分では,ボディ領域とドリフト領域との境界が,ボディ領域のキャリアに対する電位障壁をなしている。その電位障壁は,ボディ領域と電界分散領域との境界の電位障壁より高い。このため電位障壁の低下が防止されており,オン電圧が低い。また,ボディ領域の界面に占める電界分散領域の面積比により,ボディ領域のキャリアの,ドリフト領域への引き抜き量を調整することができる。このため,設計上,オン電圧と耐圧とを個別に制御できる。
【0013】
なお,ドリフト領域を挟んでボディ領域の反対側に位置し,ドリフト領域と同じ導電型でこれより低不純物濃度の第2電界分散領域を有してもよい。特に,ドリフト領域を挟んでボディ領域の反対側に位置し,ドリフト領域と同じ導電型のバッファ領域を有する場合には,ドリフト領域とバッファ領域との間に第2電界分散領域を有することが望ましい。このようにすると,スイッチオフ後にボディ領域と電界分散領域との間のpn接合からドリフト領域側へ伸びてきた空乏層が,第2電界分散領域に至ってもなお伸びやすい。このことにより,ドリフト領域内のキャリアが速やかに排出されるので,ターンオフ時間が短い。
【0014】
なお,ボディ領域とドリフト領域との間に電界分散領域がなく,ドリフト領域を挟んでボディ領域の反対側にのみ第2電界分散領域が存在する構造では,スイッチオフ後に素子破壊が生じやすい。アバランシェ降伏により寄生トランジスタの総増幅率が1を超え,制御不能となる場合があるからである。しかし本発明では,ボディ領域とドリフト領域との間の電界分散領域により電界が緩和されるので,そのような事態にはならない。
【0015】
ここにおいて,バッファ領域を有する場合にはさらに,少なくともバッファ領域を包含するキャリア寿命制御領域を有することが望ましい。このようにすると,バッファ領域内の少数キャリアの寿命が短い。このため,ターンオフ時間がさらに短い。
【0016】
ここにおいて,バッファ領域の不純物濃度は,コレクタ領域の不純物濃度の1/2以下であり,バッファ領域の厚さは,少数キャリアの拡散長以下であることが望ましい。こうすると,オン電圧の温度係数が正の値となる。このため,並列接続性が良く,発熱による素子破壊が防止される。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下,本発明を具体化した実施の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0018】
[第1の形態]
第1の形態に係る高耐圧電界効果型半導体装置の構造を,図1〜図3に示す。図2は,図1中のA−A箇所の断面図である。図3は,図1中のB−B箇所の断面図である。図1は,図2および図3中のE−E箇所(本出願ではこのレベルを「表面」と呼んでいる)の断面図である。この高耐圧電界効果型半導体装置は,絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)と呼ばれるものであり,トレンチ構造のゲート電極106を有している。この高耐圧電界効果型半導体装置は,概略,半導体基板の一面(図2および図3中の上方の面)側にn+ エミッタ領域100,104やゲート電極106などを設け,他面(図2および図3中の下方の面)側にp+コレクタ領域101等を設けた構造を有している。
【0019】
すなわち,半導体基板の一面側には,トレンチ構造のゲート電極106の他,p+エミッタ領域100およびn+エミッタ領域104が設けられている。ゲート電極106は,ゲート絶縁膜105および層間絶縁膜107により,半導体基板から絶縁されている。p+エミッタ領域100およびn+エミッタ領域104の下方には,図2および図3において左右のゲート絶縁膜105を介してゲート電極106と対面するpボディ領域103が設けられている。pボディ領域103の下端は,ゲート電極106の下端より浅い。p+エミッタ領域100,n+エミッタ領域104,ゲート電極106の上方には,エミッタ電極109が設けられている。エミッタ電極109は,図2(A−A箇所)では,コンタクト開口108にてp+エミッタ領域100およびn+エミッタ領域104の双方に接触している。そして図3(B−B箇所)ではn+エミッタ領域104に接触している。
【0020】
図2および図3のいずれの箇所においても,pボディ領域103の下方には,n-電界分散領域111が形成されている。n-電界分散領域111の下端は,ゲート絶縁膜105の下端より浅い。n- 電界分散領域111の下方には,nドリフト領域102が形成されている。n- 電界分散領域111の不純物濃度は,nドリフト領域102の不純物濃度の8割以下である。n- 電界分散領域111の不純物濃度は,i型と俗称されるほど低くてもよい。ただしp型であってはならない。n- 電界分散領域111の厚さは,1μmよりやや厚い程度である。nドリフト領域102の大部分は,ゲート絶縁膜105の下端より深い位置にあり,半導体基板のほぼ全面にわたって繋がっている。nドリフト領域102のさらに下方には,p+コレクタ領域101が設けられている。そして,p+コレクタ領域101のさらに下方に接して,コレクタ電極110が形成されている。
【0021】
本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,図1に見るように,ゲート電極106が,図1中上下方向にライン状に形成されている。そして,ゲート電極106とゲート電極106の間の帯状の領域が,n+ エミッタ領域104とされている。コンタクト開口108は,n+ エミッタ領域104の幅より狭い。そして,さらにその中にp+エミッタ領域100が島状に設けられている。
【0022】
本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,ゲート電極106への電圧印加により,エミッタ電極109とコレクタ電極110との間の電流を制御する。すなわち,ゲート電極106の電圧により,pボディ領域103の表面(図2,図3中ゲート電極106の側壁に対向する面)付近の導電型を反転させ,電子電流の経路を形成させるのである。これがオン状態である。ゲート電圧印加をオフすると,高耐圧電界効果型半導体装置はオフ状態となる。スイッチオフ後には,pボディ領域103とn- 電界分散領域111との間のpn接合から空乏層が広がってゆく。ここで,当該pn接合に接しているn型半導体領域は,低濃度のn- 電界分散領域111である。このためスイッチオフ直後において空乏層が伸びやすい。このことにより次のような効果がある。すなわち,ゲート電圧がオフされても,エミッタ電極109とコレクタ電極110との間には電圧がかかったままである。ここで,スイッチオフ直後に空乏層が伸びやすいことにより,半導体基板内の電界が緩和されるのである。
【0023】
スイッチオフ後における,pボディ領域103〜nドリフト領域102の部分の電界分布を図4のグラフに示す。このグラフでは,比較のため,図20に示した従来例の場合をも合わせて示している。破線で示す従来例の場合には,pボディ領域903とnドリフト領域902との境界の箇所にて電界強度がピークをなしている。これに対し,実線で示す本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,n- 電界分散領域111の電界緩和作用により,電界強度のピーク値が低くなっているのである。このため本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,nドリフト領域102をあまり厚くしておかなくても,コレクタ−エミッタ間の耐圧が高いのである。具体的には,図2中のnドリフト領域102とn- 電界分散領域111との合計厚Hが,図20中のnドリフト領域902の厚さTより薄くても十分である。
【0024】
また,nドリフト領域102が薄くて済む分,オン電圧が低いという利点もある。図5のグラフに,コレクタ−エミッタ間電圧とコレクタ−エミッタ間電流との関係を,本形態と従来例とで比較して示す。図5のグラフにおける従来例は,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置と同等の耐圧が得られるほどnドリフト領域902を厚く作ったものである。このグラフから,同じコレクタ−エミッタ間電流を得るために,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,従来例のものと比較して,低いコレクタ−エミッタ間電圧しか要しないことが理解できる。
【0025】
本形態の電界効果型半導体装置の製法を,図6〜図9により説明する。本形態の高耐圧電界効果型半導体装置の製造にあっては,p+ シリコンウェハを出発基板とする。このウェハのp+シリコンは,p+コレクタ領域101となる。そしてその表面上にエピタキシャル成長により,n型シリコン層を形成する。このn型シリコン層は,nドリフト領域102となる。この,シリコンウェハ上にエピタキシャル成長により半導体層を形成した全体のことを,本出願では「半導体基板」と呼んでいるのである。あるいは,n型シリコンウェハを出発基板とすることもできる。その場合にはウェハのn型シリコンがnドリフト領域102となる。そして,その裏面側の表面からp型不純物を導入するか,裏面側の表面上にp型シリコン層を堆積することにより,p+コレクタ領域101を形成すればよい。
【0026】
次に,n型シリコン層の表面に,厚さ700nm程度の熱酸化膜を温度1000℃のパイロジェニック酸化により形成する。そして,この熱酸化膜をフォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングする。これによりその熱酸化膜は,ウェハの縁辺の部分のみ残される。このため素子が形成される部分の全体にわたって,n型シリコン層が露出した開口が形成される。次に,n型シリコン層(nドリフト領域102)の表面に再び熱酸化膜107bを形成する。温度は900℃で膜厚は18nmとする。図6はこの状態の断面図(A−A箇所およびB−B箇所)を示している。
【0027】
そして,加速電圧300kVのイオン注入によりボロンを注入する。このイオン注入は,n-電界分散領域111の形成のための処理である。ドーズ量は,1.0×1011cm-2とする。このドーズ量は,その範囲内のn型シリコン層(nドリフト領域102)をp型に反転させるには至らない程度のドーズ量である。次に,加速電圧60kVのイオン注入によりボロンをさらに注入する。このイオン注入は,pボディ領域103の形成のための処理である。ドーズ量は,4.7×1013cm-2とする。このドーズ量は,その範囲内のn型シリコン層(nドリフト領域102)をp型に反転させる程度のドーズ量である。その後,窒素雰囲気中で温度1150℃の熱処理による拡散を行う。これにより,図7に示すように,pボディ領域103およびn- 電界分散領域111が形成される。pボディ領域103の深さは5μmである。n- 電界分散領域111はその直下に位置しており,その厚さは前述のように1μmよりやや厚い程度である。
【0028】
なお,n- 電界分散領域111およびpボディ領域103の形成は,前述のような,nドリフト領域102をイオン注入により改質する方法の他にも種々の方法により可能である。例えば,エピタキシャル成長の際に不純物の組成を順次変更することにより,nドリフト領域102,n- 電界分散領域111,およびpボディ領域103を順次形成してもよい。あるいは,同様にエピタキシャル成長により,nドリフト領域102およびn-電界分散領域111を順次形成し,n-電界分散領域111の一部をイオン注入により改質してpボディ領域103としてもよい。
【0029】
そして,酸化膜107b上にCVD法によりさらに酸化膜107cを堆積する。厚さは400nmとする。そして酸化膜107bおよび107cを,パターンエッチングする。ここで形成するパターンは,ゲート電極106が形成されるべき部分を開口とするパターンである。残った酸化膜107bおよび107cは,トレンチの形成のためのエッチングマスクとして用いられる。そして,この酸化膜マスクを利用して,RIE法によりシリコンをエッチングする。これにより,トレンチが形成される。深さは,6μm強で,n- 電界分散領域111がトレンチにより完全に分断される程度とする。そして,形成されたトレンチの側壁を,CDE法によりエッチングする。その後,温度1100℃でトレンチの壁面に熱酸化膜を形成し,その酸化膜を除去する。これにより,トレンチの側壁の欠陥を除去する。その後,温度1100℃でトレンチの壁面に厚さ100nmの熱酸化膜を形成する。この酸化膜がゲート絶縁膜105となる。この状態での断面図が図8である。
【0030】
そして,CVD法により厚さ800nmの多結晶シリコン膜を堆積する。続いて,オキシ塩化リン雰囲気で温度950℃で熱処理する。これにより,多結晶シリコン膜にリンを拡散させる。その後,フォトリソグラフィおよびエッチングにより,余分な多結晶シリコンや残っている酸化膜マスクを除去する。除去される多結晶シリコンは,トレンチ開口レベルより上の部分である。ただし,ゲート電極106への配線(以下,ゲート配線という)となる部分は残す。これにより,トレンチ構造のゲート電極106およびそのための配線を形成する。次に,pチャネル領域103およびゲート電極106の表面に,温度950℃で熱酸化膜を形成する。膜厚は30nmとする。
【0031】
そして,ボロンのイオン注入を行い,さらにリンのイオン注入を行う。ボロンのイオン注入は,p+ エミッタ領域100の形成のための処理である。このため,適切なパターンマスクを介して,加速電圧70kVおよびドーズ量4×1015cm-2の条件で行う。リンのイオン注入は,n+ エミッタ領域104の形成のための処理である。このため,加速電圧120kVおよびドーズ量5×1015cm-2の条件で行う。そして,酸化膜上にCVD法によりBPSG膜を堆積する。膜厚は1.5μmとする。このBPSG膜は,層間絶縁膜107となる。その後,窒素雰囲気中で温度950℃の熱処理を行う。これにより,層間絶縁膜107が平坦化されるとともに,イオン注入された元素の熱拡散により,p+ エミッタ領域100およびn+エミッタ領域104が形成される。
【0032】
次に,層間絶縁膜107をフォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングする。これにより,コンタクト開口108に相当する部分およびゲート電極106のコンタクト箇所の層間絶縁膜107を除去する。これにより,コンタクト開口108のp+エミッタ領域100およびn+エミッタ領域104を露出させる。この状態でのA−A箇所の断面図を図9に示す。この状態ではまた,ゲート配線のコンタクト箇所も露出している。そして,露出した箇所の上および残っている層間絶縁膜107の上に,スパッタリング法により,チタンを主成分とするバリアメタル層およびその上のアルミ層を積層する。その後,フォトリソグラフィおよびエッチング(ウェットエッチングおよびRIE)により,バリアメタル層およびアルミ層をパターニングする。これにより,エミッタ電極109が形成される。また,ゲート配線の上部配線も形成される。次に,裏面のp+ コレクタ領域101上に,スパッタリング法によりコレクタ電極110を形成する。以上で,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置が製造される。
【0033】
なお,n型シリコンウェハを出発基板とする場合には,エミッタ面側の構造(ゲート電極106,p+エミッタ領域100,n+エミッタ領域104,エミッタ電極109等)を先に形成し,p+ コレクタ領域101の形成はその後で行ってもよい。
【0034】
以上詳細に説明したように本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,pボディ領域103とnドリフト領域102との間に,nドリフト領域102より低不純物濃度のn- 電界分散領域111を設けている。これにより,スイッチオフ後における,半導体基板内の電界の緩和を図っている。したがって,コレクタ−エミッタ間の高い耐圧と,低いオン電圧とを両立させた高耐圧電界効果型半導体装置が実現されている。
【0035】
[第2の形態]
第2の形態に係る高耐圧電界効果型半導体装置の構造を,図10〜図12に示す。図11は,図10および図12中のA−A箇所の断面図である。図10は,図11中のE−E箇所の断面図である。図12は,図11中のF−F箇所の断面図である。また,図10および図12中のB−B箇所の断面図は,第1の形態の図3中の各符号を「1**」から「2**」に変更したものと同じである。以下,本形態の説明において図3に言及するときは,このように符号を読み替えるものとする。本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,トレンチゲート型である点で前述の第1の形態のものと共通する。そして,エミッタ部分およびn- 電界分散領域111の構造を除き,他の部分の構造は第1の形態のものと同じである。また,エミッタ部分中,p+ エミッタ領域200については,第1の形態のものと同じである。本形態と第1の形態との違いは,n+ エミッタ領域204およびn-電界分散領域211の構造にある。
【0036】
そこで,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置におけるこれらの領域の構造を説明する。まずn+エミッタ領域204について説明する。本形態におけるn+エミッタ領域204は,図10中上下方向に離散的に,p+ エミッタ領域200と交互に設けられている。ただし図10中左右方向には,p+ エミッタ領域200と異なりゲート電極106からゲート電極106に至る全幅にわたっている。そして,p+ エミッタ領域200図10中左右両側の箇所では,pボディ領域203が半導体基板の表面に現れている。したがって本形態の高耐圧電界効果型半導体装置ではエミッタ電極209は,コンタクト開口208にて,pボディ領域203,p+エミッタ領域200,およびn+エミッタ領域204のすべてに接触している。
【0037】
次にn-電界分散領域211について説明する。図12に見るように,n-電界分散領域211もn+ エミッタ領域204と同様の離散状をなしている。そして,図11に見るように,n+エミッタ領域204がない位置の下方にはn-電界分散領域211もない(A−A箇所)。一方図3に見るように,n+ エミッタ領域204がある位置の下方にはn-電界分散領域211がある。
【0038】
本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,次の点を除き,第1の形態の高耐圧電界効果型半導体装置と同様の製造方法で製造される。すなわち,n- 電界分散領域111の形成のためのイオン注入およびn+ エミッタ領域204の形成のためのイオン注入を,適切なパターンマスクを介して行うのである。前述の離散状のパターンを実現するためである。
【0039】
上記の構成を有する本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,第1の形態で説明した効果に加えて,次の効果を有する。すなわち,pボディ領域203の,コレクタ側のpn接合(図11等における下側)に,ホールに対する電位障壁の低い箇所と高い箇所とが交互に存在する。電位障壁の低い箇所はn- 電界分散領域111の箇所である。電位障壁の高い箇所は,pボディ領域203とnドリフト領域202とが直接に接している箇所である。そして,電位障壁の高い箇所の上方にはp+ エミッタ領域200が存在している。つまり,pボディ領域203からエミッタ側へホールが引き抜かれる箇所において,コレクタ側の電位障壁を高くしているのである。これにより,オン電圧の上昇が防止されている。
【0040】
ここにおいて,n+エミッタ領域204の図10中上下方向の幅と,n-電界分散領域211の図12中上下方向の幅とは,同じである必要はない。このため設計上,n- 電界分散領域211の幅により,高耐圧電界効果型半導体装置のオン電圧をコントロールできる。むろんこのコントロールは,高耐圧化とは独立にできる。
【0041】
[第3の形態]
第3の形態に係る高耐圧電界効果型半導体装置の構造を,図13および図14に示す。図13および図14中のE−E箇所の断面図は,第2の形態の図10中の各符号を「2**」から「3**」に変更したものと同じである。以下,本形態の説明において図10に言及するときは,このように符号を読み替えるものとする。図13は,図10中のA−A箇所の断面図である。図14は,図10中のB−B箇所の断面図である。本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,トレンチゲート型である点で前述の第1および第2の形態のものと共通する。そして,n- 電界分散領域311の構造を除き,他の部分の構造は第2の形態のものと同じである。
【0042】
そこで,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置におけるn- 電界分散領域311の構造を説明する。本形態におけるn- 電界分散領域311は,図10中上下方向に連続的に形成されている。この点では第1の形態のn- 電界分散領域111に近い。しかし本形態のn- 電界分散領域311は,ゲート電極306およびゲート絶縁膜305の下部にもわたって形成されている。このため,半導体基板の広い範囲にわたって連続している。
【0043】
本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,次のようにして実現される。すなわち,第1および第2の形態のものの製造プロセスにおいて,n- 電界分散領域311をやや厚めに形成するか,ゲート電極306のトレンチをやや浅めに形成すればよいのである。
【0044】
上記の構成を有する本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,第1の形態で説明した効果に加えて,次の効果を有する。すなわち,ゲート電極306の端部がn- 電界分散領域311に覆われているのである。このため,スイッチオフ後に,ゲート電極306の端部が早期に空乏層で覆われる。これにより,ゲート電極306とコレクタ電極310との間の耐圧が高い。すなわち本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,コレクタ−エミッタ間の耐圧ばかりでなくゲート−コレクタ間の耐圧も高いのである。
【0045】
むろん,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置においても,第2の形態のように,n-電界分散領域311およびn+エミッタ領域304を図10中上下方向に離散的にして,オン電圧の上昇を抑制してもよい。また,n- 電界分散領域311は,ゲート電極306の底面の全体を覆う必要は必ずしもない。肩部さえ覆っていれば,ある程度の高耐圧化が達成される。
【0046】
[第4の形態]
第4の形態に係る高耐圧電界効果型半導体装置の構造を,図15および図16に示す。図15および図16中のE−E箇所の断面図は,第2の形態の図10中の各符号を「2**」から「4**」に変更したものと同じである。以下,本形態の説明において図10に言及するときは,このように符号を読み替えるものとする。図15は,図10中のA−A箇所の断面図である。図16は,図10中のB−B箇所の断面図である。本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,トレンチゲート型である点で前述の第1ないし第3の形態のものと共通する。そして,コレクタ側の構造を除き,他の部分の構造は第2の形態のものと同じである。
【0047】
そこで,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置におけるコレクタ側の構造を説明する。本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,nドリフト領域402とp+コレクタ領域401との間に,n-第2電界分散領域412と,n+ バッファ領域413とが設けられている。n- 第2電界分散領域412はnドリフト領域402と接しており,n+バッファ領域413はp+コレクタ領域401と接している。n- 第2電界分散領域412の不純物濃度は,nドリフト領域402の不純物濃度の8割以下である。n- 第2電界分散領域412の不純物濃度は,i型と俗称されるほど低くてもよい。ただしp型であってはならない。n+ バッファ領域413の不純物濃度は,p+コレクタ領域401の不純物濃度の1/2以下である。ただしnドリフト領域402の不純物濃度より高くなければならない。
【0048】
また,n+ バッファ領域413の厚さSは,少数キャリアであるホールの拡散長L以下でなければならい。拡散長Lは,次式で与えられる。
L = (Dp*τ)1/2
ここでτは,ホールのライフタイムである。Dpは,ホールの拡散係数であり,次式で与えられる。
Dp = (k*t/q)μp
ここでkはボルツマン定数であり,tは温度(絶対温度)であり,qは電子の電荷であり,μpはホールの移動度である。
【0049】
また本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,pボディ領域403を中心とする寄生バイポーラトランジスタの増幅率αnpnと,nドリフト領域402を中心とする寄生バイポーラトランジスタの増幅率αpnpとの間に,
αnpn+αpnp < 1
なる関係が成り立つ必要がある。ラッチアップを防ぐためである。これは,n- 第2電界分散領域412の厚さを調整することにより達成できる。
【0050】
なお,n-電界分散領域411がなく,n-第2電界分散領域412のみが存在する構造では,スイッチオフ後に素子破壊が生じやすい。アバランシェ降伏によりαnpn+αpnpが1を超え,ラッチアップして制御不能となる場合があるからである。しかし本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,pボディ領域403とnドリフト領域402との間のn- 電界分散領域411により電界が緩和されるので,そのような事態にはならない。
【0051】
本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,次のようにして実現される。すなわち,第1および第2の形態のものの製造プロセスにおいて,出発基板であるp+ シリコンウェハ上にエピタキシャル成長により,高濃度n型シリコン,低濃度n型シリコン,中濃度n型シリコン,と順次形成し,n+バッファ領域413,n-第2電界分散領域412,nドリフト領域402とすればよい。n- 第2電界分散領域411等については,さらにエピタキシャル成長で形成してもよいし,nドリフト領域402の一部をイオン注入で改質して形成してもよい。
【0052】
上記の構成を有する本形態の高耐圧電界効果型半導体装置では,第1の形態で説明した効果に加えて,次の効果を有する。すなわち,スイッチオフ後のターンオフ時間がより短いのである。なぜなら,スイッチオフ後には,pボディ領域403とn- 電界分散領域411との間のpn接合から空乏層が広がってゆく。ここで,nドリフト領域402とn+バッファ領域413との間にn-第2電界分散領域412が設けられているので,空乏層がその伸びの終期に至っても伸びやすいのである。結果的にはn- 第2電界分散領域412の全体が空乏化するところまで空乏層が伸びる。このため,スイッチオフ後の残存キャリアが速やかにエミッタ側あるいはコレクタ側に吐き出されるのである。
【0053】
本形態の高耐圧電界効果型半導体装置ではまた,オン電圧の温度特性が必ず正となる。これは,n+バッファ領域413の不純物濃度がp+コレクタ領域401の不純物濃度の1/2以下であることと,n+バッファ領域413の厚さSが少数キャリアの拡散長L以下であることとによる。この条件により,コレクタ−エミッタ間電圧が低い状況でもp+ コレクタ領域401のホールがnドリフト領域402へ高効率で注入される。この効果により,低温時,高温時とも,伝導度変調が低電流域から効率よく起こるのである。一方,大電流域では,高温になるにつれてキャリアの散乱等の要因によりキャリアの移動度が低下する。このため,温度上昇とともにオン電圧も上昇する正の温度特性が得られるのである。この効果により,並列接続されている複数の素子間で,温度バランスの自己制御が働く。したがって,各素子の温度が均一化されるので,発熱以上による素子破壊が防止される。
【0054】
さらに,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,図17に示すように,n+ バッファ領域413を包含するように形成された欠陥領域414を有していてもよい。図17は図10中のB−B箇所の断面図であるが,A−A箇所においても,欠陥領域414に関しては同様である。欠陥領域414は,高濃度の格子欠陥が分布している領域である。この領域では,格子欠陥が分布していない場合と比較して,少数キャリアのライフタイムが短い。格子欠陥の深い準位が電子とホールの再結合を促進するからである。この領域は,電子等の荷電粒子を照射し,その後300℃以上の温度でアニールすることにより形成される。荷電粒子の照射の際の加速電圧や照射量その他の条件により,欠陥領域414が形成される深さやその厚さ,格子欠陥濃度のコントロールが可能である。欠陥領域414の格子欠陥濃度は,少数キャリアのライフタイムが,格子欠陥が分布していない場合と比較して,1/4以下となるようにする。
【0055】
このようにすると,スイッチオフ後のターンオフ時間がさらに短い高耐圧電界効果型半導体装置が得られる。n+ バッファ領域413内の少数キャリアであるホールが,スイッチオフ後に速やかに消滅するからである。
【0056】
むろん,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置においても,第2の形態のように,n-電界分散領域411およびn+エミッタ領域404を図10中上下方向に離散的にして,オン電圧の上昇を抑制してもよい。また,第3の形態のように,n- 電界分散領域411がゲート電極406の底面を覆うようにしてもよい。また,n+ バッファ領域413を持たない構造であってもよい。この場合でも,p+ コレクタ領域401とn- 第2電界分散領域412との界面付近に欠陥領域を設けることにより,ターンオフ時間の短縮の効果が得られる。
【0057】
[第5の形態]
第5の形態に係る高耐圧電界効果型半導体装置の構造を,図18に示す。図18中のE−E箇所の断面図は,第1の形態の図1中の各符号を「1**」から「5**」に変更したものと同じである。以下,本形態の説明において図1に言及するときは,このように符号を読み替えるものとする。図18は,図1中のA−A箇所の断面図である。本形態の高耐圧電界効果型半導体装置は,トレンチゲート型である点で前述の各形態のものと共通する。そして,p+ コレクタ領域501の構造を除き,他の部分の構造は第1の形態のものと同じである。なお,図18はA−A箇所の断面図であるが,B−Bにおいてもp+ コレクタ領域501の構造に関しては同様である。
【0058】
そこで,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置におけるp+ コレクタ領域501の構造を説明する。本形態のp+ コレクタ領域501は,島状に形成されている。p+ コレクタ領域501のない箇所では,nドリフト領域とコレクタ電極510とが直接に接している。すなわち本形態は,第1の形態の高耐圧電界効果型半導体装置をコレクタショート型に変形したものである。このようなものでも,n-電界分散領域511の電界分散作用による耐圧向上の効果が得られる。
【0059】
本形態のp+ コレクタ領域501は,n型シリコンウェハを出発基板とし,その裏面側に適切なパターンマスクを介してイオン注入を行うことにより形成することができる。n- 電界分散領域511およびそれより情報の構造については,前述の各形態で説明した方法により形成することができる。
【0060】
むろんコレクタショート型のものでも,図19に示すように,n- 第2電界分散領域612やn+バッファ領域613を備えることができる。この場合にp+コレクタ領域601のない箇所でコレクタ電極610と直接に接しているのは,n+バッファ領域613である。図19においてn+バッファ領域613を持たない構造も可能である。その場合にp+ コレクタ領域601のない箇所でコレクタ電極610と直接に接するのは,n- 第2電界分散領域612である。これらのようなものでも,n-電界分散領域611による耐圧向上の効果に加えて,n-第2電界分散領域612によるターンオフ時間の短縮の効果が得られる。また,n+ バッファ領域613の不純物濃度や厚さの設定により,オン電圧の温度特性が必ず正となる効果が得られる。
【0061】
むろん,本形態の高耐圧電界効果型半導体装置においても,第2の形態のように,n-電界分散領域511,611およびn+エミッタ領域504,604を離散的にして,オン電圧の上昇を抑制してもよい。また,第3の形態のように,n- 電界分散領域511,611がゲート電極506,606の底面を覆うようにしてもよい。また,図19のようにn+バッファ領域613を持つ場合には,n+バッファ領域613を包含する欠陥領域を設けてもよい。
【0062】
なお,上述の実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって,本発明は当然に,各形態中に記載した以外にも,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。
【0063】
例えば,pボディ領域側のn- 電界分散領域*11(*は1〜6の任意の自然数,以下同じ)とコレクタ側のn- 第2電界分散領域*12との間に,第3の,さらには第4のn- 電界分散領域を設けてもよい。これにより,さらにコレクタ−エミッタ間の耐圧を高めることができる。また,n- 第2電界分散領域*12を持たないもの(第1〜第3の形態,第5の形態のうち図18のもの)において,p+コレクタ領域*01に接するn+バッファ領域を設けてもよい。また,nドリフト領域*02における不純物濃度は,均一である必要はない。また,MOSコントロールサイリスタ等,異なる種類の電界効果型半導体装置にも適用できる。特に,第1〜第3の形態のものについては,パワーMOSへの適用も可能である。
【0064】
また,ゲート電極*06以外の半導体領域については,p型とn型とを入れ替えてもよい。ゲート電極*06については,他の半導体領域とは独立に,p型半導体または金属で置き換えてもよい。また,各部の絶縁膜については,酸化膜に限らず,窒化膜等の他の種類の絶縁膜でもよいし,複合膜でもよい。また,半導体についても,シリコンに限らず,他の種類の半導体(SiC,GaN,GaAs等)であってもよい。また,ゲート電極*06の平面形状は,円形,楕円形,多角形等でもよい。さらには,トレンチ型に限らず,プレーナ型,あるいはコンケーブ型であってもよい。
【0065】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば,ドリフト領域の厚さを増すことなく半導体基板内の電界を緩和して,オン電圧やスイッチオフ特性,コンパクト性等の犠牲なく高耐圧化を達成した高耐圧電界効果型半導体装置が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す平面断面図(E−E箇所)である。
【図2】第1の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(A−A箇所)である。
【図3】第1の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(B−B箇所)である。
【図4】スイッチオフ後における半導体基板内の電界分布を,第1の形態と従来例とで比較して示すグラフである。
【図5】コレクタ−エミッタ間電圧とコレクタ−エミッタ間電流との関係を,第1の形態と従来例とで比較して示すグラフである。
【図6】第1の形態に係る電界効果型半導体装置の製造過程を示す立面断面図(その1,A−A箇所およびB−B箇所)である。
【図7】第1の形態に係る電界効果型半導体装置の製造過程を示す立面断面図(その2,A−A箇所およびB−B箇所)である。
【図8】第1の形態に係る電界効果型半導体装置の製造過程を示す立面断面図(その3,A−A箇所およびB−B箇所)である。
【図9】第1の形態に係る電界効果型半導体装置の製造過程を示す立面断面図(その4,A−A箇所)である。
【図10】第2の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す平面断面図(E−E箇所)である。
【図11】第2の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(A−A箇所)である。
【図12】第2の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す平面断面図(F−F箇所)である。
【図13】第3の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(A−A箇所)である。
【図14】第3の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(B−B箇所)である。
【図15】第4の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(A−A箇所)である。
【図16】第4の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(B−B箇所)である。
【図17】第4の形態の変形例に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(B−B箇所)である。
【図18】第5の形態に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(B−B箇所)である。
【図19】第5の形態の変形例に係る電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(B−B箇所)である。
【図20】従来の電界効果型半導体装置の構造を示す立面断面図(A−A箇所)である。
【符号の説明】
102〜602 nドリフト領域
103〜603 pボディ領域
104〜604 n+エミッタ領域
106〜606 ゲート電極
111〜611 n-電界分散領域
412,612 n-第2電界分散領域
413,613 n+バッファ領域
414 欠陥領域
Claims (7)
- 半導体基板中のボディ領域と,
前記ボディ領域に対面するとともに,ゲート絶縁膜により半導体基板から絶縁されたゲート電極と,
半導体基板中の前記ボディ領域より下方に位置し,前記ボディ領域とは逆導電型のドリフト領域と,
前記ボディ領域と前記ドリフト領域との間に全面にわたって位置し,前記ドリフト領域と同じ導電型でこれより低不純物濃度の電界分散領域とを有し,
前記電界分散領域の下端が前記ゲート絶縁膜の下端より浅いことを特徴とする高耐圧電界効果型半導体装置。 - 半導体基板中のボディ領域と,
前記ボディ領域に対面するライン状のゲート電極と,
半導体基板中の前記ボディ領域より下方に位置し,前記ボディ領域とは逆導電型のドリフト領域と,
前記ボディ領域を挟んで前記ドリフト領域の反対側に前記ゲート電極のライン方向に対して離散的に形成された,前記ボディ領域とは逆導電型のエミッタ領域と,
前記ボディ領域と前記ドリフト領域との間に位置し,前記ドリフト領域と同じ導電型でこれより低不純物濃度の電界分散領域とを有し,
前記電界分散領域は,前記エミッタ領域に対応して離散的に形成されていることを特徴とする高耐圧電界効果型半導体装置。 - 半導体基板中のボディ領域と,
前記ボディ領域に対面するゲート電極と,
半導体基板中の前記ボディ領域より下方に位置し,前記ボディ領域とは逆導電型のドリフト領域と,
前記ボディ領域と前記ドリフト領域との間に位置し,前記ドリフト領域と同じ導電型でこれより低不純物濃度の電界分散領域と,
前記ドリフト領域を挟んで前記ボディ領域の反対側に位置し,前記ドリフト領域と同じ導電型のバッファ領域と,
前記ドリフト領域と前記バッファ領域との間に位置し,前記ドリフト領域と同じ導電型でこれより低不純物濃度の第2電界分散領域とを有することを特徴とする高耐圧電界効果型半導体装置。 - 請求項3に記載する高耐圧電界効果型半導体装置において,
少なくとも前記バッファ領域を包含するキャリア寿命制御領域を有することを特徴とする高耐圧電界効果型半導体装置。 - 請求項3または請求項4に記載する高耐圧電界効果型半導体装置において,
前記バッファ領域を挟んで前記ドリフト領域の反対側に位置し,前記ドリフト領域とは逆導電型のコレクタ領域を有し,
前記バッファ領域の不純物濃度が,前記コレクタ領域の不純物濃度の1/2以下であり,
前記バッファ領域の厚さが,少数キャリアの拡散長以下であることを特徴とする高耐圧電界効果型半導体装置。 - 請求項2から請求項5までのいずれか1つに記載する高耐圧電界効果型半導体装置において,
前記ゲート電極がトレンチ構造のものであり,
前記電界分散領域が,前記ゲート電極の下部にも及んで形成されていることを特徴とする高耐圧電界効果型半導体装置。 - 請求項3から請求項6までのいずれか1つに記載する高耐圧電界効果型半導体装置において,
前記ボディ領域を挟んで前記ドリフト領域の反対側に離散的に形成され,前記ボディ領域とは逆導電型のエミッタ領域を有し,
前記電界分散領域は,前記エミッタ領域に対応して離散的に形成されていることを特徴とする高耐圧電界効果型半導体装置。
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