JP4264316B2

JP4264316B2 - 半導体装置とその製造方法

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Publication number: JP4264316B2
Application number: JP2003308320A
Authority: JP
Inventors: 佐智子河路; 隆英杉山; 智幸庄司; 雅康石子; 幸司堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: CN1967869B; CN1316628C; CN1967869A; JP2005079359A; CN1591897A

Description

本発明は半導体装置を高耐圧化する技術に関する。特に、半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域を取囲むガードリングに関する。

電力制御用に、ＭＯＳ構造やＩＧＢＴ構造等の半導体スイッチング素子群を造り込んだ半導体装置が開発されている。図１２に、半導体スイッチング素子群を造り込んだ半導体装置の平面図を例示する。図示Ｍは中心領域を示し、半導体スイッチング素子群が形成されている。図示Ｎは周辺領域を示し、中心領域Ｍを取囲んでおり、半導体基板１３７の周辺に位置している。周辺領域Ｎには、半導体スイッチング素子群を取囲むガードリング群１３８が形成されている。ガードリング群１３８は、半導体装置の耐圧を高めるために形成されている。中心領域Ｍには、半導体スイッチング素子群をオンさせるゲート電極群（図示省略されている）が張り巡らされており、そのゲート電極群に接続されているゲート配線１４８が、周辺領域Ｎを横切って伸びている。

図１３は、図１２のXIII-XIII線断面図であり、中心領域Ｍと周辺領域Ｎの境界近傍を模式的に示している。なお、周辺領域Ｎのガードリングは、一般的には十数個形成されるがことが多いが、図１３では内周側の３個のガードリング１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃのみを示している。
図１３は、ＩＧＢＴ構造の半導体スイッチング素子群を造り込んだ半導体装置を例示しており、下から順に、コレクタ電極１２０と、そのコレクタ電極１２０に接する第１導電型（ｐ^＋型）の半導体基板１２２と、その半導体基板１２２上に積層された第２導電型（ｎ^＋型）のバッファ層１２４と、そのバッファ層１２４上に積層された第２導電型（ｎ⁻型）のドリフト層１２６と、そのドリフト層１２６内に形成された第１導電型（ｐ⁻型）のボディ領域１３４と、そのボディ領域１３４内に形成された第２導電型（ｎ^＋型）のエミッタ領域１３０と、そのボディ領域１３４内に形成された第１導電型（ｐ^＋型）のボディコンタクト領域１３２と、そのエミッタ領域１３０とドリフト層１２６の間に介在するボディ領域１３４に絶縁層１３６を介して対向するゲート電極１３５と、エミッタ領域１３０とボディコンタクト領域１３２に接するエミッタ電極１４４を備えている。
ドリフト層１２６は周辺領域Ｎに向けて伸びており、そのドリフト層１２６内にガードリング群１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃが形成されている。
エミッタ領域１３０と、ボディ領域１３４と、ドリフト層１２６、バッファ層１２４と、エミッタ領域１３０とドリフト層１２６の間に介在するボディ領域１３４に絶縁層１３６を介して対向するゲート電極１３５によって単位となるＩＧＢＴ構造が構成され、この単位となるＩＧＢＴ構造が、図示左方に繰返されている。

ガードリング１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃは、最外周の半導体スイッチング素子のゲート絶縁膜１３６に過度に等電位線が集中するのを緩和し、ガードリング１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃとドリフト層１２６のｐｎ接合面の広い範囲を等電位線が横切るようにする。即ち、周辺領域Ｎに空乏層を広げ、広く広がった空乏層で耐圧を確保するとともに、局所的な電界集中が生じないようにするために形成されている。
また、半導体スイッチング素子のオン時に、例えばサージ電圧等の高い電圧が半導体装置に印加された場合、図１３中の矢印に示すように、ドリフト層１２６に存在する余剰の正孔が、ガードリング１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃとドリフト層１２６の間のｐｎ接合面の近傍に形成される空乏層をブレークダウンしてガードリング１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃに流れ込み、最内周ガードリング１３８ａからボディ領域１３４とボディコンタクト領域１３２を経由して、エミッタ電極１４４に排出する。余剰の正孔は、相隣接するガードリングを亘って流れる。
正孔がスムーズに排出されるように、最内周に形成されるｐ^＋型のガードリング１３８ａは、最外周に形成されている半導体スイッチング素子のｐ⁻型ボディ層１３４と重なり合う位置に形成される。ゲート配線１４８は、絶縁層１４６を介して、最外周の半導体スイッチング素子のｐ⁻型ボディ層１３４と最内周のｐ^＋型のガードリング１３８ａの重複部分に対向している。

この種の半導体装置では、サージ電圧等の高い電圧が半導体装置に印加された場合、周辺領域Ｎで半導体装置が発熱し、半導体装置が熱破壊されることがあった。
本発明の目的は、周辺領域Ｎで発熱する原因を突きとめ、周辺領域で熱破壊されない半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、中心領域にＭＯＳ構造やＩＧＢＴ構造等の半導体スイッチング素子群を造り込み、周辺領域ガードリング群を造り込んだ半導体装置の周辺領域で発熱する現象を詳しく研究したところ、もっとも激しく発熱する部分は、最外周の半導体スイッチング素子のボディ領域と最内周のガードリングの重複領域であることを見出した。なかでも、絶縁層を介してゲート配線に対向する重複領域もっとも激しく発熱することを見出した。
そこでその原因を追求したところ、最外周のボディ領域と最内周のガードリングの重複領域を断面視すると、局所的に深さが浅くなる領域が存在し、正孔が通過できる断面積が減少することが一つの要因であることを見出した。さらに、ゲート配線に電圧が印加されていると、ゲート配線に対向する領域の上部に反転層が形成され、正孔が通過できる断面積がさらに減少することがもう一つの要因であることを見出した。現実の半導体装置では、最外周のボディ領域と最内周のガードリングの重複領域を横切るようにゲート配線が伸びていることから、ゲート配線に対向する重複領域では２つの要因が重なって生じ、これが激しい発熱をもたらすことを確認した。
本発明者らは、上記の新たな知見を得たことで、半導体装置が周辺領域で発熱して破壊されることを防止することに成功した。

本発明で創作された半導体装置は、半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その中心領域を取囲むガードリング群が形成されている周辺領域を有する。最外周に形成されている半導体スイッチング素子のボディ領域と、最内周に形成されているガードリングは重なって形成されており、半導体スイッチング素子群のゲート電極に接続されているゲート配線が、絶縁層を介して、ボディ領域とガードリングの重複領域に対向している構造を備えている。
本発明で創作された一つの半導体装置は、ボディ領域とガードリングの重複領域の幅（正確にいえば、半導体領域の表面に露出している重複領域を、中心領域から周辺領域に向けて測定した幅をいう）が、ガードリングの深さの１／３以上であるとともにボディ領域の深さの２／３以上であり、重複領域の最小深さが、ボディ領域の深さの１／２以上であることを特徴とする。

従来の半導体装置でも、最外周のボディ領域と最内周のガードリングは重複している。しかしながら、従来の半導体装置では、最外周のボディ領域と最内周のガードリングは接触しておればよく、あえて大きく重複させる必要が認識されていなかったことから、マスクあわせのずれがあっても接触する程度において重複させているに過ぎない。
少なくとも、ゲート配線に対向する部分に反転層が形成され、キャリアの通過断面積が減少することを見越して重複させるものではなかった。
従って、従来の半導体装置では重複が不充分であり、ボディ領域とガードリングの重複領域の幅は、ガードリングの深さの１／３に遠く及ばなかった。このために、ゲート配線に対向する重複領域では、前記した２つの要因によって激しい発熱が発生していた。
本発明者らの研究によって、ボディ領域とガードリングの重複領域の幅を、ガードリングの深さの１／３以上とするとともにボディ領域の深さの２／３以上にし、重複領域の最小深さを、ボディ領域の深さの１／２以上とすると、第１の要因に対して有効に対策することができ、ゲート配線に対向する領域に反転層が形成されてキャリアの通過断面積が狭められてもボディ領域とガードリングの間に充分なキャリアの通過断面積を確保することができ、激しい発熱を抑制できることが確認された。
ここでいう深さは拡散深さをいい、半導体領域の表面から、導電型が反転する深さまでの距離をいう。

本発明によって、ゲート配線にゲートオン電圧が印加されたときの、ゲート配線直下の重複領域における比抵抗が２０Ω・cm以下であることが重要であることが見出された。
ゲート配線にゲートオン電圧が印加されると、ボディ領域とガードリングの重複領域の上部（ゲート配線に対向する領域）に反転層が形成され、重複領域の抵抗が増大する。抵抗が増大した状態でも、ボディ領域とガードリングの重複領域の比抵抗が２０Ω・cm以下に抑えられている条件を満たしていると、キャリアの導通経路を十分に確保でき、激しい発熱を抑制することができる。

本発明では、ゲート配線直下の重複領域においてキャリアの導通経路を確保する他の様々な手法をも提供する。
本発明で創作された一つの半導体装置は、ゲート配線に対向するボディ領域とガードリングの重複領域を含む領域の上部に、ボディ領域とガードリングと同一導電型の不純物を高濃度に含む層が形成されていることを特徴とする。
この高濃度層は、ボディ領域とガードリングの表面近傍（ゲート配線に対向する部分）が反転することを禁止する層として働く。ゲート配線の電圧がボディ領域とガードリングの表面近傍に反転層を形成するために、キャリアの導通経路が狭められる事象の発生を抑制することができる。この高濃度層は、ゲート配線に対向し、しかも、ボディ領域とガードリングの重複する領域を含む領域に形成されておればよい。
高濃度層を利用すると、ボディ領域とガードリングの表面近傍が反転することが禁止されるために、ボディ領域とガードリングの重複範囲の制約が緩和され、重複領域の幅がボディ領域とガードリングの深い方の深さの１／３未満であってもキャリアの導通経路を十分に確保し、激しい発熱を抑制することができる。

本発明で創作された他の一つの半導体装置は、ゲート配線に対向するボディ領域とガードリングの重複領域を含む領域の上部に、ボディ領域とガードリングと異なる導電型の不純物を含む層が形成されていることを特徴とする。
この反対導電型の不純物層は、もともと反転した層であり、ゲート配線に電圧が印加されても、その下方にまで反転層が伸びることを規制する。従って、反対導電型の不純物層を形成しておけば、ゲート配線の電圧がボディ領域とガードリングの表面近傍に反転層を形成するために、キャリアの導通経路が狭められる事象の発生を抑制することができる。この反対導電型の不純物層は、ゲート配線に対向し、しかも、ボディ領域とガードリングの重複する領域を含む領域に形成されておればよい。
反対導電型の不純物層を利用すると、ボディ領域とガードリングの表面近傍が反転することが禁止されるために、ボディ領域とガードリングの重複範囲の制約が緩和され、重複領域の幅がボディ領域とガードリングの深い方の深さの１／３未満あってもキャリアの導通経路を十分に確保し、激しい発熱を抑制することができる。

本発明は、多量のキャリアが排出されるＩＧＢＴ構造の半導体スイッチング素子を造り込んだ半導体装置に適用したときに、特に有用な結果を実現する。この半導体装置は、造り込まれている半導体スイッチング素子が、コレクタ電極と、そのコレクタ電極に接する第１導電型の半導体基板と、その半導体基板上に積層された第２導電型のバッファ層と、そのバッファ層上に積層された第２導電型のドリフト層と、そのドリフト層内に形成された第１導電型のボディ領域と、そのボディ領域内に形成された第２導電型のエミッタ領域と、そのエミッタ領域とドリフト層の間に介在するボディ領域に絶縁層を介して対向するゲート電極と、エミッタ領域に接するエミッタ電極を有している。ドリフト層は周辺領域に向けて伸びており、そのドリフト層内に第１導電型のガードリング群が形成されていることを特徴とする。

上記の半導体装置は、ＩＧＢＴ構造の半導体スイッチング素子を利用しており、高い電圧が印加されると多量の正孔をガードリング群から最外周のボディ領域に排出する。上記したいずれかの構造を採用していると、最内周のガードリングと最外周のボディ領域の間に正孔の排出経路は広く確保されるため、半導体装置が周辺領域で発熱して破壊することを抑制することができる。

本発明はまた、耐圧の高い半導体装置を製造する新たな方法をも生み出した。１つの方法では、ボディ領域とガードリングが重複するとともにゲート配線に対向する領域を含む半導体領域の上部に、ボディ領域とガードリングを形成するときの注入深さよりも浅く、ボディ領域とガードリングと同一導電型の不純物イオンを注入して拡散する工程を実施する。また、他の１つの方法では、ボディ領域とガードリングが重複するとともにゲート配線に対向する領域を含む半導体領域の上部に、ボディ領域とガードリングを形成するときの注入深さよりも浅く、ボディ領域とガードリングと異なる導電型の不純物イオンを注入して拡散する工程を実施する。

上記工程を実施すると、ボディ領域とガードリングの表面近傍が反転するのを禁止ないし規制する反転防止層又は反転規制層が形成され、周辺領域で発熱して破壊することのない半導体装置が製造できる。

本発明の半導体装置によれば、半導体装置が周辺領域で発熱して熱破壊することを抑制することができ、半導体装置の耐圧を向上させることができる。

以下に記す実施例の主要な特徴を列記する。

（形態１）半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その中心領域を取囲むガードリング群が形成されている周辺領域を有する半導体装置であり、
個々の半導体スイッチング素子が、コレクタ電極と、そのコレクタ電極に接する第１導電型の半導体基板と、その半導体基板上に積層された第２導電型のバッファ層と、そのバッファ層上に積層された第２導電型のドリフト層と、そのドリフト層内に形成された第１導電型のボディ領域と、そのボディ領域内に形成された第２導電型のエミッタ領域と、そのボディ領域内に形成された第１導電型のボディコンタクト領域と、そのエミッタ領域とドリフト層の間に介在するボディ領域に絶縁層を介して対向するゲート電極と、エミッタ領域とボディコンタクト領域に接するエミッタ電極を有しており、
前記ドリフト層は周辺領域に向けて伸びており、
第１導電型のガードリング群が、そのドリフト層内に形成されており、
最外周に形成されている半導体スイッチング素子のボディ領域と、最内周に形成されているガードリングが重なって形成されており、
半導体スイッチング素子群のゲート電極に接続されているゲート配線が、絶縁層を介して、ボディ領域とガードリングの重複領域に対向している半導体装置。
（形態２）形態１の半導体装置であって、ボディ領域とガードリングの重複領域の幅がボディ領域とガードリングの深い方の深さの１／３以上であることを特徴とする。
（形態３）形態１の半導体装置であって、ボディ領域とガードリングの重複領域の最小深さが、ボディ領域の深さの１／２以上であることを特徴とする。
（形態４）形態１の半導体装置であって、ボディ領域とガードリングの重複領域の幅がボディ領域の深さの２／３以上であることを特徴とする。
（形態５）形態１の半導体装置であって、ゲート配線にゲートオン電圧が印加されたときの、ゲート配線直下のボディ領域とガードリングの重複領域における比抵抗が２０Ω・cm以下であることを特徴とする。
（形態６）形態１の半導体装置であって、ゲート配線に対向するボディ領域とガードリングの重複領域を含む領域の上部に、ボディ領域とガードリングと同一導電型の不純物を高濃度に含む層が形成されていることを特徴とする。
（形態７）形態１の半導体装置であって、ゲート配線に対向するボディ領域とガードリングの重複領域を含む領域の上部に、ボディ領域とガードリングと異なる導電型の不純物を含む層が形成されていることを特徴とする。

本発明を具体化した実施例を、図１〜図１１を参照して以下に詳細に説明する。

（第１実施例）第１実施例の半導体装置は、ＩＧＢＴ構造の半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その中心領域を取囲むガードリング群が形成されている周辺領域を有する。
図１は、中心領域Ｍの最外周に位置するＩＧＢＴ３３と、周辺領域Ｎに形成されている最内周ガードリング３８が重なっている領域の近傍を斜視して模式的に示している。
単位となるＩＧＢＴ３３は、裏面に形成されているアルミ製のコレクタ電極２０と、そのコレクタ電極２０に接する第１導電型（ｐ^＋型）の半導体基板２２と、その半導体基板２２上に積層された第２導電型（ｎ^＋型）のバッファ層２２と、そのバッファ層２２上に積層された第２導電型（ｎ⁻型）のドリフト層２６と、そのドリフト層２６内に形成された第１導電型（ｐ⁻型）のボディ領域３４と、そのボディ領域３４内に形成された第２導電型（ｐ^＋型）のエミッタ領域３０と、そのボディ領域３４内に形成された第１導電型（ｐ^＋型）のボディコンタクト領域３２と、そのエミッタ領域３０とドリフト層２６の間に介在するボディ領域３４ａに絶縁層３６を介して対向するゲート電極３５と、エミッタ領域３０とボディコンタクト領域３２に接するエミッタ電極を有している。エミッタ電極は図示されていない。
ドリフト層２６は周辺領域Ｎに向けて伸びており、その周辺領域Ｎに伸びたドリフト層２６内に第１導電型（ｐ^＋型）のガードリング３８が形成されている。中心領域Ｍ内の最外周に形成されているＩＧＢＴ３３のボディ領域３４と、周辺領域Ｎの最内周に形成されているガードリング３８は重なって形成されている。
ＩＧＢＴ３３のゲート電極３５に接続されているゲート配線４８は、絶縁層４６を介して、最外周のボディ領域３４と最内周のガードリング３８の重複領域３９に対向している。
ボディ領域３４はボロンがドープされており、その不純物濃度は典型的には１×１０^１５〜１×１０^１８cm^−３であり、その深さ方向の厚さは典型的には３〜６μmである。なお、第１実施例の不純物濃度は１×１０^１８cm^−３であり、その深さは６μmで設定されている。
図１はプレーナーゲート電極３５でスイッチングするタイプを例示しているが、トレンチゲート型であってもよい。ゲート電極３５は、金属またはポリシリコンで形成する。
周辺領域Ｎには、半導体装置を平面視したときに、周辺領域Ｎ内で一巡する複数個のガードリングが形成されており、図１にはそのうちの最内周のｐ^＋型のガードリング３８が示されている。ガードリング３８は、ボロンがドープされており、その不純物濃度は典型的には１×１０^１６〜１×１０^２０cm^−３であり、その深さ方向の厚さは４〜８μmである。なお、第１実施例の不純物濃度は４×１０^１８cm^−３であり、その深さは８μmで設定されている。ガードリング３８上には、絶縁層４６を介してゲート配線４８が配設されており、ゲート配線４８はゲート電極３５に接続されている。第１実施例ではゲート電極３５とゲート配線４８の間に区切りが表示されていない。平面視したときに、ゲート電極３５とゲート配線４８は明確に区分できる。

図１に示されるように、最外周のボディ領域３４と最内周のガードリング３８は、重なり合っており、各々の領域の輪郭線が、重複領域３９では、仮想線で示されている。重複領域とは、ボディ領域３４を形成する不純物と、ガードリング３８を形成する不純物がともに存在する領域を言い、二つの仮想線の間に位置する領域を言う。本発明者らの研究によって、半導体装置の耐圧を高くするためには、重複領域３９を最適に設計することが重要であることが判明した。
重複領域３９の幅という場合、半導体領域の表面４１に露出する重複領域３９の幅Ｖをいう。図１に示す二つの仮想線が半導体領域の表面４１に露出する間隔をいう。幅の方向は、中心領域Ｍから周辺領域Ｎへ向かっている。また重複領域の最小深さＷという場合、半導体領域の表面４１からボディ領域３４の輪郭線とガードリング３８の輪郭線が交差する位置までの距離のことをいう。
第１実施例の半導体装置では、ボディ領域３４よりもガードリング３８の方が深く、ガードリング３８の深さが、図１ではＸとして示されている。
第１実施例の半導体装置では、重複領域３９の半導体領域の表面４１における幅ｖが、ガードリングの深さＸの１／３以上で形成されている。

図２には、実施例１の半導体装置において、ボディ領域３４とガードリング３８の重複領域３９の幅Ｖを様々に変えた場合の、ゲート配線４８直下の重複領域３９の比抵抗の測定結果を示す。ここでは、ゲート配線４８にゲートオン電圧が印加した状態で比抵抗を測定した。図２の横軸は、重複領域３９の幅Ｖをガードリングの深さＸで除した値（オーバーラップ比）を示している。重複領域３９の比抵抗は、図１に示したボディコンタクト領域３２とガードリング３８の外周側端部に電極を形成し、その電極間に所定の電圧を印加して測定した。この場合、電極間では重複領域３９の比抵抗が最も高いことから、実質的には重複領域３９の比抵抗を測定することができる。
図２に示すように、オーバーラップ比が大きいほど、重複領域３９の比抵抗が小さくなることが分かる。なお、図２に示す点線は、半導体装置に熱破壊が生じる臨界点である。重複領域３９の比抵抗が点線よりも高い場合には、半導体装置は熱破壊が生じる。ゲート配線４８にゲートオン電圧が印加した状態で測定した重複領域３９の比抵抗が２０Ω・cm以下であると、半導体装置に熱破壊が生じることがない。図２から、１／３以上のオーバーラップ比を確保することが重要であることが分かる。

半導体装置に重複領域３９を作成する方法を、図３〜図５を用いて説明する。図３は、製造過程のある時点における断面を示し、ｎ⁻型のドリフト層２６の上部にｐ^＋型のガードリング３８が形成されており、ガードリング３８とドリフト層２６の表面に酸化膜５０が形成された状態を示している。図示されているガードリング３８は、最内周のガードリング３８である。なお、ここまでの製造工程は特に限定されず、一般的なエピタキシャル成長方法やイオン注入方法等によって形成すればよい。
次に図４に示すように、ボディ領域３４を形成する位置に開口を有するレジスト膜５２を塗布形成し、その開口からボロンをイオン注入する。イオン注入されたボロンは、その後の熱処理して拡散させるため、その拡散特性に合わして、イオン注入する深さを決定する。具体的には、ボロンは縦方向への拡散距離に比して横方向への拡散距離が約０．８倍であることを考慮してイオン注入を実施する。重複領域３９は、主として、注入されたボロンが横方向に拡散することによって形成される。
次に図５に示すように、熱処理することによって、イオン注入されたボロンを拡散させる。拡散したボロンはボディ領域３４内に浸入し、重複領域３９を作る。
なお、この種の半導体装置では、一般的に、ボディ領域３４よりもガードリング３８の方が深い。したがって、重複領域３９の表面における幅Ｖがガードリング３８の深さＸの１／３以上となるように、ボディ領域３４を形成する。重複領域３９の表面における幅ｖがガードリング３８の深さＸの１／３以上となるようにボディ領域３４を形成すると、重複領域３９の最小深さＷは、ボディ領域３４の深さＹの１／２以上となる。また、重複領域３９の表面における幅ｖがボディ領域３４の深さの２／３以上となる。この場合、重複領域３９の比抵抗は２０Ω・cm以下となり、半導体装置に熱破壊が生じることがない

（第２実施例）図６には、第２実施例の半導体装置の要部斜視図が模式的に示されている。第２実施例の特徴は、中心領域Ｍの最外周の半導体スイッチング素子に形成されるボディ領域３４と、周辺領域Ｎの最内周のガードリング３８との重複領域３９を含む領域の上部に、ボディ領域３４とガードリング３８と同一導電型の不純物を含む高濃度の層６０を配置していることである。
従来のこの種の半導体装置における課題の原因の一つは、ゲート電極３５に印加されるゲートオン電圧に対応し、ゲート電極３５と共通電位であるゲート配線４８にもゲートオン電圧が印加され、ゲート配線３５に対向するボディ領域３４とガードリング３８に反転層が形成されることであった。また、その反転層がゲート電極３５に印加されるゲートオン電圧に対してその幅が変化することが問題であった。とくに高いゲートオン電圧が印加される場合は、ドレイン層２２より供給され、ボディコンタクト領域３２に排出される正孔が増える一方で、反転層の幅も広くなり、正孔の導通経路が狭くなり正孔の過度の集中による素子破壊が顕著になるという問題があった。
第２実施例の半導体装置のように、ゲート配線４８直下の反転層が形成される領域に対応して、ボディ領域３４とガードリング３８と同一導電型の不純物濃度の高い層６０を形成することで、反転層の形成を禁止することができる。反転層が形成されないと正孔の導通経路が確保されるため、正孔の過度の集中による素子破壊を低減することができる。
なお、高濃度の層６０の構成位置や形状は特に限定されるものではなく、少なくとも重複領域３９の上部を含む位置に形成されていれば、熱破壊の原因となる反転層の形成を抑制できる。
また、このときのボディ領域３５やガードリング３８の構成や形状もとくに制約されなくとも同様の効果を有する半導体装置を具現化し得る。

第２実施例の半導体装置の製造方法を図７〜図９を用いて説明する。
図７は、製造過程のある時点における断面を示し、ｎ⁻型のドリフト層２６上にｐ^＋型のボディ領域３４とｐ^＋型のガードリング３８が形成され、その表面に酸化膜５０が形成され、さらにその酸化膜５０上に多結晶シリコン膜４７が積層された状態が示されている。なお、ガードリング３８は周辺領域Ｎの最内周のガードリング３８である。ここまでの製造工程は特に限定されず、一般的なエピタキシャル成長方法やイオン注入方法、またその他の製法によって形成すればよい。
まず、図７に示す多結晶シリコン膜４７に不純物をドープして低抵抗化することでゲート配線を形成する。このとき用いる不純物は、典型的にはリンが用いられる。リンは拡散係数が高く、外方拡散しにくい特徴を有するため、多結晶シリコン内部を均一に拡散することできる。したがって、中心領域のゲート電極がトレンチタイプである場合など、深い領域まで不純物を拡散したい場合にとくに有効である。通常のイオン注入法によって形成され、図８に示すように多結晶シリコン４７はゲート配線４８となる。
次に、図９に示すように、ボディ領域３４とガードリング３８と同一導電型の不純物濃度の高い層６０を形成したい領域に対応する箇所に、開口部を有するようにレジスト膜５４をパターニングし、その開口部に対してボロンをイオン注入する。
ボロンをイオン注入後に熱処理を施すと、図１０に示すように高濃度の層６０が形成される。

第２実施例の半導体装置が、ゲート配線４８直下の反転層が形成されるのを禁止するのに特に有効である理由を、製造の観点からも説明できる。図７に示すように、多結晶シリコン４７の低抵抗化する工程において、リンを多結晶シリコンにイオン注入すると、注入されたリンの一部は多結晶シリコン４７のみならず、その下方のボディ領域３４やガードリング３８にも拡散し易い。このため、リンが拡散したボディ領域３４やガードリング３８では、ゲート配線４８にゲートオン電圧が印加された場合に、ゲート配線４８直下に反転層が形成され易くなっており、その結果、正孔の導通経路を狭くしていた。
しかしながら、本発明の製造方法によれば、ボディ領域３４やガードリング３８に拡散したリンを、ボロンをイオン注入することで実質的にカウンタードーピングし、ｐ^＋型の不純物濃度の高い層６０を形成する。したがって、高濃度の層６０に対応する領域では反転層が形成され難くなり、正孔の導通経路を確保できるため、高耐圧化を実現する。

（第３実施例）図１１には、第３実施例の半導体装置の要部斜視図が模式的に示されている。第３実施例の特徴は、中心領域Ｍの最外周に形成されるボディ領域３４と周辺領域Ｎの最内周のガードリング３８との重複領域を含む位置の上部に、ボディ領域３４とガードリング３８と異なる導電型の高濃度の層６２を配置していることである。
第３実施例の半導体装置のように、ゲート配線４８直下の反転層が形成される領域に対応して、ボディ領域３４とガードリング３８と異なる導電型の不純物濃度の高い層６２をあらかじめ形成することで、ｎ型のキャリアの導通経路が形成される。ｎ型キャリアの導通経路を予め規定することで、ゲート配線４８に高いゲートオン電圧が印加される場合でも、反転層が高濃度の層６２よりも伸びることを規制でき、この結果、正孔の導通経路が狭くなることがない。正孔の導通経路が確保されるため、正孔の過度の集中による素子破壊を低減することができる。
なお、高濃度の層６２の構成位置や形状は特に限定されるものではなく、少なくとも重複領域３９の上部を含む位置に形成されていれば、熱破壊の原因となる反転層の形成を抑制できる。
また、このときのボディ領域３５やガードリング３８の構成や形状もとくに制約されなくとも同様の効果を有する半導体装置を具現化し得る。

上記の実施例の他に、本発明を具現化できる態様としては、重複領域を含む領域の不純物濃度を選択的に高くしてゲート配線直下の重複領域における比抵抗を下げる態様としてもよい。
また、重複領域を含む位置の上方の絶縁膜の深さを厚くすることで、反転層の形成を抑制する態様としてもよい。

以上の実施例には、ＩＧＢＴ半導体素子について記述しているが、他の素子（サイリスタ、バイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳ）等にも同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本発明の第１実施例の要部斜視図を示す。オーバーラップ比と寄生ＭＯＳの比抵抗の関係を示す。本発明の第１実施例の製造工程を示す（１）。本発明の第１実施例の製造工程を示す（２）。本発明の第１実施例の製造工程を示す（３）。本発明の第２実施例の要部斜視図を示す。本発明の第２実施例の製造工程を示す（１）。本発明の第２実施例の製造工程を示す（２）。本発明の第２実施例の製造工程を示す（３）。本発明の第２実施例の製造工程を示す（４）。本発明の第３実施例の要部斜視図を示す。従来の半導体装置の平面図を示す。従来の半導体装置の要部断面図を示す。

符号の説明

２０：コレクタ電極
２２：半導体基板
２４：バッファ層
２６：ドリフト層
３０：エミッタ領域
３２：ボディコンタクト領域
３４：ボディ領域
３５：ゲート電極
３６：ゲート絶縁膜
３８：ガードリング
３９：重複領域
４４：エミッタ電極
４６：絶縁層
４８：ゲート配線

Claims

半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その中心領域を取囲むガードリング群が形成されている周辺領域を有する半導体装置であり、
最外周に形成されている半導体スイッチング素子のボディ領域と、最内周に形成されているガードリングが重なって形成されており、
半導体スイッチング素子群のゲート電極に接続されているゲート配線が、絶縁層を介して、ボディ領域とガードリングの重複領域に対向しており、
前記重複領域の幅が、ガードリングの深さの１／３以上であるとともに、ボディ領域の深さの２／３以上であり、
前記重複領域の最小深さが、ボディ領域の深さの１／２以上であることを特徴とする半導体装置。
半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その中心領域を取囲むガードリング群が形成されている周辺領域を有する半導体装置であり、
最外周に形成されている半導体スイッチング素子のボディ領域と、最内周に形成されているガードリングが重なって形成されており、
半導体スイッチング素子群のゲート電極に接続されているゲート配線が、絶縁層を介して、ボディ領域とガードリングの重複領域に対向しており、
ゲート配線にゲートオン電圧が印加されたときの、ゲート配線直下の重複領域における比抵抗が２０Ω・cm以下であることを特徴とする半導体装置。
半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その中心領域を取囲むガードリング群が形成されている周辺領域を有する半導体装置であり、
最外周に形成されている半導体スイッチング素子のボディ領域と、最内周に形成されているガードリングが重なって形成されており、
半導体スイッチング素子群のゲート電極に接続されているゲート配線が、絶縁層を介して、ボディ領域とガードリングの重複領域に対向しており、
ゲート配線に対向する前記重複領域を含む領域の上部に、ボディ領域とガードリングと同一導電型の不純物を高濃度に含む層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その中心領域を取囲むガードリング群が形成されている周辺領域を有する半導体装置であり、
最外周に形成されている半導体スイッチング素子のボディ領域と、最内周に形成されているガードリングが重なって形成されており、
半導体スイッチング素子群のゲート電極に接続されているゲート配線が、絶縁層を介して、ボディ領域とガードリングの重複領域に対向しており、
ゲート配線に対向する前記重複領域を含む領域の上部に、ボディ領域とガードリングと異なる導電型の不純物を含む層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
半導体スイッチング素子が、コレクタ電極と、そのコレクタ電極に接する第１導電型の半導体基板と、その半導体基板上に積層された第２導電型のバッファ層と、そのバッファ層上に積層された第２導電型のドリフト層と、そのドリフト層内に形成された第１導電型のボディ領域と、そのボディ領域内に形成された第２導電型のエミッタ領域と、そのエミッタ領域とドリフト層の間に介在するボディ領域に絶縁層を介して対向するゲート電極と、エミッタ領域に接するエミッタ電極を有し、
前記ドリフト層は周辺領域に向けて伸びており、
第１導電型のガードリング群が、そのドリフト層内に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの半導体装置。
請求項３に記載の半導体装置を製造する方法であって、
ボディ領域とガードリングが重複するとともにゲート配線に対向する領域を含む半導体領域の上部に、ボディ領域とガードリングを形成するときの注入深さよりも浅く、ボディ領域とガードリングと同一導電型の不純物イオンを注入して拡散する工程を含む半導体装置の製造方法。
請求項４に記載の半導体装置を製造する方法であって、
ボディ領域とガードリングが重複するとともにゲート配線に対向する領域を含む半導体領域の上部に、ボディ領域とガードリングを形成するときの注入深さよりも浅く、ボディ領域とガードリングと異なる導電型の不純物イオンを注入して拡散する工程を含む半導体装置の製造方法。