JP5044950B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、トレンチ構造のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子を備えた半導体装置に関する。
従来、所謂トレンチ構造のIGBT素子を備えた半導体装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
このようなトレンチ構造のIGBTは、所謂プレーナ構造のIGBTに比べて、チャネル密度を大きくする(すなわちエミッタ−コレクタ間の飽和電圧(オン電圧)を低くする)ことができるので、近年普及しつつある。
特開2001−308327号公報
ところで、一般に、IGBTでは、高電流密度のターンオフ時にアバランシェ現象が発生しやすいということが周知であり、ブレークダウン電流によりIGBT素子が破壊されるという問題がある。なかでも、上述したトレンチ構造のIGBTにおいては、構造上、ゲートトレンチ底面での電界集中が大きくなるため、例えばトレンチ底面に局所的にブレークダウン電流が集中し、IGBT素子を構成するゲート絶縁膜が破壊されやすいことが、本発明者によっても確認されている。
本発明は上記問題点に鑑み、ブレークダウン電流によるIGBT素子の破壊を防止するする半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成する為に請求項1に記載の発明は、第1主面及び第2主面を有する第1導電型の半導体基板と、半導体基板の第1主面側表層に選択的に形成された第2導電型の第1半導体領域と、第1主面より第1半導体領域を貫通し、底面が半導体基板に達するゲートトレンチと、ゲートトレンチの底面及び側面上に形成されたゲート絶縁膜を介して、トレンチを埋めるゲート電極と、ゲートトレンチの側面部位に隣接し、第1半導体領域内の第1主面側表層に選択的に形成された第1導電型の第2半導体領域と、第2半導体領域に電気的に接続されたエミッタ電極と、半導体基板の第2主面側に形成された第2導電型の第3半導体領域と、第3半導体領域に電気的に接続されたコレクタ電極と、を含むIGBT素子を備えた半導体装置であって、半導体基板の第1主面側表層において、IGBT素子の形成領域周辺にIGBT素子よりも耐圧の低い低耐圧部が形成され、当該低耐圧部の周辺に、エミッタ電極と電気的に接続された第2導電型の第4半導体領域が形成されており、半導体基板の第1主面側表層に、第1半導体領域を取り囲むように選択的に形成された第2導電型のガードリングを備え、低耐圧部は、ガードリングと第1半導体領域との間に、第1半導体領域を取り囲むように第1主面より形成され、ゲート電極に対して電気的に独立したダミートレンチであり、ダミートレンチに近接する、ガードリングの端部及びゲートトレンチにより区画された第1半導体領域の端部の少なくとも一方が、第4半導体領域として、エミッタ電極と電気的に接続され、ダミートレンチは、ガードリングの端部及び第1半導体領域の端部のそれぞれと離間して形成されていることを特徴とする。
このように本発明によれば、アバランシェ現象が発生しても、半導体基板の第1主面側表層において、IGBT素子の周辺に形成された低耐圧部にブレークダウン電流が集中する。そして、低耐圧部の周辺に形成された第4半導体領域を介してキャリアが排出される。したがって、IGBT素子の構成要素、特にゲートトレンチの底面にブレークダウン電流が局所的に集中するのを防ぐことができる。すなわち、IGBT素子の破壊を防止することができる。
また、ガードリングを備えると、半導体基板と第1半導体領域との間のPN接合への逆バイアス印加により形成される空乏層が、IGBT素子の周辺へ広がるため、IGBT素子形成領域の端部における電界集中を抑制することができる。このようにガードリングを備えた構成においては、ガードリングの耐圧がIGBT素子よりも高いので、ガードリングの形成領域とIGBT素子の形成領域との間に低耐圧部を形成することで、ブレークダウン電流によるIGBT素子の破壊を防止することができる。
また、第2導電型のガードリングの端部と第2導電型の第1半導体領域の端部との間の領域は、第2導電型の領域が形成されていない分、ダミートレンチにおける電界集中が大きくなる(電界強度の等電位線の曲率半径が小さくなる)。したがって、ダミートレンチの構成がトレンチゲートと同様であり、ゲート電極に対して電気的に独立している点が異なるだけの違いであっても、ダミートレンチを低耐圧部とすることができる。
請求項2に記載のように、半導体基板と第3半導体領域との間に、第1導電型の第5半導体領域が形成された構成としても良い。
第5半導体領域(所謂フィールドストップ層)をIGBT素子の構成要素として備える場合、他のトレンチ構造(パンチスルー型、ノンパンチスルー型)に比べて、半導体装置の厚さを薄くすることができる。このような構造であっても、ブレークダウン電流によるIGBT素子の破壊を防止することができる。
なお、請求項3に記載のように、ダミートレンチを、ゲートトレンチよりも深く形成すると、ダミートレンチにおける電界集中をより大きくする(電界強度の等電位線の曲率半径をより小さくする)ことができる。また、請求項4に記載のように、ダミートレンチの底面角部の曲率半径を、ゲートトレンチの底面角部の曲率半径よりも小さくしても、ダミートレンチにおける電界集中をより大きくする(電界強度の等電位線の曲率半径をより小さくする)ことができる。これらの構成によれば、ダミートレンチの耐圧をさらに低下させることができる。
また、請求項1〜4いずれか1項に記載の発明においては、請求項5に記載のように、ガードリングの端部と第1半導体領域の端部との間に、ガードリング及び第1半導体領域よりも浅く形成され、エミッタ電極と電気的に接続された第2導電型の第6半導体領域を備え、ダミートレンチは、第1主面より第6半導体領域を貫通して底面が半導体基板に達するように形成された構成としても良い。
この場合、第2導電型の第6半導体領域をガードリング及び第1半導体領域よりも浅く形成するので、第2導電型の第6半導体領域をガードリング及び第1半導体領域とほぼ同じ深さとする場合に比べて、ダミートレンチにおける電界集中が大きくなる(電界強度の等電位線の曲率半径が小さくなる)。したがって、ダミートレンチを低耐圧部とすることができる。また、ブレークダウン電流のキャリアを、ダミートレンチの一部が貫通配置された第6半導体領域にて効率よく回収することができる。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の要部の概略構成を示す断面図である。また、図2は、半導体装置を構成する要素部分の配置関係を示した模式的な上面視平面図である。
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、トレンチゲート構造のFS(フィールドストップ)型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子を備えた半導体装置100である。先ず、IGBT素子形成領域について説明する。
ドリフト層となるN導電型(N−)の半導体基板101(FZウエハ)の第1主面側表層には、IGBT素子の形成領域において、第1半導体領域であるP導電型(P)のベース領域102が選択的に形成されている。このベース領域102に、IGBT素子のチャネルが構成される。
また、ベース領域102には、半導体基板101の第1主面よりベース領域102を貫通し、底面が半導体基板101に達するゲートトレンチ103が選択的に形成されている。そして、トレンチ底面及び側面上に形成されたゲート絶縁膜(図示略)を介して、ゲートトレンチ103内に例えばポリシリコンが充填され、ゲート電極104が構成されている。
また、ベース領域102には、ゲートトレンチ103(ゲート電極104)の側面部位に隣接して、第1主面側表層に第2の半導体領域であるN導電型(N+)のエミッタ領域105が選択的に形成されている。エミッタ領域105は例えばアルミニウム系材料を用いて構成されたエミッタ電極106と電気的に接続されている。
なお、本実施形態においては、図1に示すように、ゲートトレンチ103によって、ベース領域102が複数の領域102a〜102cに分断されている。ゲートトレンチ103で挟まれた領域のうち、間隔の狭い分断領域102aは、当該分断領域102a内に形成されたエミッタ領域105とともに、エミッタ電極106に共通に接触している。すなわち、分断領域102aは電位が固定される領域である。また、ゲートトレンチ103で挟まれた領域のうち、間隔の広い分断領域102bは、当該分断領域102b内にエミッタ領域105が形成されておらず、エミッタ電極106が接触していない。すなわち、分断領域102bは電位が固定されない浮遊電位領域である。このような構成を採用することにより、キャリアの蓄積効果を高め、ドリフト層である半導体基板101のオン電圧を低減している。本実施系においては、図1に示すように、半導体基板101の主面側表層において、分断領域102a,102bが、交互に配置されている。
また、分断領域102cは、ゲートトレンチ103によって区画されたベース領域102の端部分断領域であり、当該端部分断領域102c内にはエミッタ領域105が形成されていないものの、エミッタ電極106と電気的に接続されている。この端部分断領域102cが、本実施形態において、ブレークダウン電流のキャリアを排出するための第4半導体領域に相当する。
半導体基板101の第2主面側表層には、第3半導体領域であるP導電型(P+)のコレクタ層107が形成されている。そして、コレクタ領域107は例えばアルミニウム系材料を用いて構成されたエミッタ電極108と電気的に接続されている。
また、本実施形態においては、図1に示すように、ドリフト層としての半導体基板101とコレクタ層107との間に、第5半導体領域であるN導電型(N)のフィールドストップ層109が形成されている。このようにトレンチゲート構造のIGBT素子として、FS型IGBTを採用すると、他のトレンチ構造(パンチスルー型、ノンパンチスルー型)に比べて、半導体装置100の厚さを薄くすることができる。
次に、IGBT素子形成領域の周辺領域について説明する。図1,2に示すように、半導体基板101の周辺領域において、第1主面側表層には、ベース領域102を取り囲んで、電界集中抑制部としてのP導電型(P)のガードリング110が形成されている。このようにガードリング110を採用すると、半導体基板101とベース領域102との間のPN接合への逆バイアス印加により形成される空乏層が、IGBT素子の周辺へ広がるため、IGBT素子形成領域の端部における電界集中を抑制することができる。なお、本実施形態においては、複数のガードリング110によってベース領域102を取り囲んでおり、各ガードリング110の深さをベース領域102と略同等としている。図2においては、便宜上、複数のガードリング110をまとめてガードリング形成領域としている。
また、本実施形態においては、複数のガードリング110のうち、IGBT素子形成領域に近い端部のガードリング110aのみが、エミッタ電極106と電気的に接続されている。このガードリング110aも、本実施形態において、ブレークダウン電流のキャリアを排出するための第4半導体領域に相当する。また、ガードリング110a以外のガードリング110は電気的に浮いた状態となっている。
そして、半導体基板101の第1主面側表層には、図1,2に示すように、ベース領域102(IGBT素子形成領域)の周辺であって、ガードリング110(ガードリング形成領域)との間の境界領域に、IGBT素子よりも耐圧の低い低耐圧部としてのダミートレンチ111が形成されている。すなわち、ダミートレンチ111の周辺に、第4半導体領域としての分断領域102cとガードリング110aが配置されている。本実施形態に係るダミートレンチ111は、ゲートトレンチ103と同一の構成であり、その内部にゲート絶縁膜を介してポリシリコンが充填されている。しかしながら、ゲート電極104とは電気的に接続されておらず、浮いた状態となっている。このようなダミートレンチ111は、ゲートトレンチ103(ゲート電極104)と同時に形成することができる。
次に、低耐圧部としてのダミートレンチ111の効果について説明する。図1に示すように、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cとの間の境界領域(半導体基板101)は、第2導電型の領域が形成されていない。したがって、IGBT素子の構成要素、特にベース領域102に対して貫通形成されているゲートトレンチ103と比べて、ダミートレンチ111における電界集中が大きくなる(図2に示すように、電界強度の等電位線(2点鎖線)の曲率半径が小さくなる)。なお、耐圧としては、IGBT素子に対してガードリング110の耐圧は大きいため、半導体装置100において、IGBT素子形成領域の周辺に形成されたダミートレンチ111が最も耐圧の低い部位となる。
したがって、コレクタ電極108とエミッタ電極106との間にバイアスし、図1に示すようにアバランシェ現象が発生しても、半導体基板101の第1主面側表層において、IGBT素子の周辺に形成されたダミートレンチ111にブレークダウン電流が集中する。そして、ダミートレンチ111の周辺に形成されたガードリング110aと端部分断領域102cを介してキャリア(ホール)が排出される。このように本実施形態に係る半導体装置100によれば、IGBT素子の構成要素、特にゲートトレンチ103の底面にブレークダウン電流が局所的に集中するのを防ぐことができる。すなわち、IGBT素子の破壊を防止することができる。
なお、本実施形態においては、ダミートレンチ111の構成をゲートトレンチ103と略同等とする例を示した。このような構成とすると、製造工程を簡素化することができる。しかしながら、IGBT素子よりも耐圧が低くなるのであれば、ダミートレンチ111の構成をゲートトレンチ103と異なるものとしても良い。例えば、ダミートレンチ111を、ゲートトレンチ103よりも深く形成すると、ダミートレンチ111における電界集中をより大きくする(電界強度の等電位線の曲率半径をより小さくする)ことができる。また、ダミートレンチ111の底面角部の曲率半径を、ゲートトレンチ103の底面角部の曲率半径よりも小さくしても、ダミートレンチ111における電界集中をより大きくする(電界強度の等電位線の曲率半径をより小さくする)ことができる。これらによって、ダミートレンチ111の耐圧をさらに低下させることができる。
また、本実施形態においては、図1、2に示すように、環状のダミートレンチ111を1つのみ形成する例を示した。しかしながら、ダミートレンチ111の形状は図2に示すように環状に限定されるものではない。例えば、図2に示す構成において、少なくとも一部にスリットを有し、非環状としても良い。また、その個数も1つの限定されるものではない。例えば、環状のダミートレンチ111を複数(幾重に)有する構成を採用することもできる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を、図3に基づいて説明する。図3は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置100の要部の概略構成を示す断面図である。
第2実施形態に係る半導体装置100は、第1実施形態に係る半導体装置100と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
第1実施形態においては、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cとの間の境界領域(半導体基板101)には、第2導電型の領域が形成されておらず、この境界領域にダミートレンチ111が形成される例を示した。これに対し、本実施形態においては、図3に示すように、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cとの間の境界領域(半導体基板101)に、第6半導体領域として、ガードリング110a及び端部分断領域102cよりも浅く形成され、エミッタ電極106と電気的に接続されたP導電型(P)のキャリア回収領域112を有している。そして、ダミートレンチ111は、半導体基板101の第1主面よりキャリア回収領域112を貫通して底面が半導体基板101に達するように形成されている。
このようにガードリング110a及び端部分断領域102cよりも浅く、同一の導電型からなるキャリア回収領域112を形成した場合、境界領域に第2導電型の領域が形成されない場合より効果は薄まるものの、ダミートレンチ111における電界集中を大きくする(図3に示す電界強度の等電位線(2点鎖線)の曲率半径を小さくする)ことができる。
また、ダミートレンチ111がキャリア回収領域112に対して貫通配置されているので、第1実施形態に示す構成に比べて、ダミートレンチ111で降伏させたブレークダウン電流のキャリア(ホール)を効率よく排出することができる。
このように本実施形態に係る半導体装置100によっても、IGBT素子の構成要素、特にゲートトレンチ103の底面にブレークダウン電流が局所的に集中するのを防ぐことができる。すなわち、IGBT素子の破壊を防止することができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態を、図4に基づいて説明する。図4は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置100の要部の概略構成を示す断面図である。
第3実施形態に係る半導体装置100は、第1,2実施形態に係る半導体装置100と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
第1,2実施形態においては、低耐圧部として、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cとの間の境界領域に、ダミートレンチ111を形成する例を示した。これに対し、本実施形態においては、図4に示すように、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cとの間の境界領域に、第7半導体領域として、半導体基板の第1主面側表層にガードリング110a及びベース領域102よりも深く形成され、エミッタ電極106と電気的に接続されたP導電型(P)のウェル領域113を形成し、このウェル領域113を低耐圧部としている。
このように、ガードリング110a及びベース領域102と同一の導電型であるウェル領域113をガードリング110a及びベース領域102よりも深く形成すると、ウェル領域113における電界集中を大きくする(図4に示す電界強度の等電位線(2点鎖線)の曲率半径をより小さくする)ことができる。具体的には、FS型IGBTにおいて深いウェル領域113を形成すると、ウェル領域113の底面と対向するフィールドストップ層109との距離が短くなる。したがって、バイアス時に、半導体基板101とベース領域102との間に構成されるPN接合から広がる空乏層がフィールドストップ層109に達することで、ウェル領域113の電界集中が大きくなる。すなわち、IGBT素子よりも耐圧が低下する。
また、ウェル領域113で降伏させたブレークダウン電流のキャリア(ホール)を、ウェル領域113から効率よく排出することができる。
このように本実施形態に係る半導体装置100によっても、IGBT素子の構成要素、特にゲートトレンチ103の底面にブレークダウン電流が局所的に集中するのを防ぐことができる。すなわち、IGBT素子の破壊を防止することができる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態を、図5に基づいて説明する。図5は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置100の要部の概略構成を示す断面図である。
第4実施形態に係る半導体装置100は、第1〜3実施形態に係る半導体装置100と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
第1〜第3実施形態においては、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cとの間の境界領域に、低耐圧部を構成する例を示した。これに対し、本実施形態においては、コレクタ電極108とエミッタ電極106との間に、IGBT素子よりも耐圧の低いツェナーダイオード114を配置している。なお、図5において、符号115は、IGBT素子形成領域の周辺領域において、半導体基板101の第1主面表層に形成されたN導電型(N+)のコンタクト領域であり、ツェナーダイオード114のカソードと電気的に接続されている。
このように本実施形態に係る半導体装置100によれば、アバランシェ現象が発生しても、IGBT素子よりも耐圧の低いツェナーダイオード114にて先に降伏させるので、IGBT素子の構成要素、特にゲートトレンチ103の底面にブレークダウン電流が局所的に集中するのを防ぐことができる。すなわち、IGBT素子の破壊を防止することができる。
なお、本実施形態に係るツェナーダイオード114は、半導体基板101上に形成された配線部の一部として構成されている。すなわちIGBT素子とツェナーダイオード114が1チップに集積されている。しかしながら、ツェナーダイオード114を別チップ(回路基板)に構成し、電気的に接続する構成としても良い。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
本実施形態においては、IGBT素子の構成例として、フィールドストップ層109を備えるFS型のIGBTの例を示した。しかしながら、半導体装置100が、他のトレンチ構造(パンチスルー型、ノンパンチスルー型)のIGBT素子を含むものであっても、同様の効果を期待することができる。
本実施形態においては、IGBT素子形成領域の周辺に、電界集中抑制部としてガードリング110が形成される例を示した。しかしながら、電界集中抑制部はガードリングに限定されるものではない。それ以外の、接合終端における曲率部分の電界集中を改善する公知の構成(例えば、フィールドプレート構造、リサーフ構造等)を採用することもできる。
また、電界集中抑制部(ガードリング110)のない構成としても良い。IGBT素子形成領域の周辺に、IGBT素子、特にゲートトレンチ103よりも耐圧の低い低耐圧部が形成されれば良い。
また、本実施形態においては、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cを、キャリア回収用の第4半導体領域とする例を示した。しかしながら、端部のガードリング110aとベース領域102の端部分断領域102cとは別に、ベース領域102と同一の導電型からなり、エミッタ電極106と電気的に接続される第4半導体領域を、ダミートレンチ111の周辺に設けても良い。
また、本実施形態においては、第1導電型をN導電型、第2導電型をP導電型とする例を示したが、第1導電型をP導電型、第2導電型をN導電型としても良い。
本発明の第1実施形態に係る半導体装置の要部概略構成を示す断面図である。 半導体装置を構成する要素部分の配置関係を示した模式的な上面視平面図である。 本発明の第2実施形態に係る半導体装置の要部の概略構成を示す断面図である。 本発明の第3実施形態に係る半導体装置の要部の概略構成を示す断面図である。 本発明の第4実施形態に係る半導体装置の要部の概略構成を示す断面図である。
符号の説明
100・・・半導体装置
101・・・半導体基板
102・・・ベース領域(第1半導体領域)
102c・・・端部分断領域(第4半導体領域)
103・・・ゲートトレンチ
104・・・ゲート電極
105・・・エミッタ領域(第2半導体領域)
107・・・コレクタ層(第3半導体領域)
109・・・フィールドストップ層(第5半導体領域)
110・・・ガードリング(電界集中抑制部)
110a・・・端部のガードリング(第4半導体領域)
111・・・ダミートレンチ(低耐圧部)

Claims (5)

  1. 第1主面及び第2主面を有する第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の第1主面側表層に選択的に形成された第2導電型の第1半導体領域と、
    前記第1主面より前記第1半導体領域を貫通し、底面が前記半導体基板に達するゲートトレンチと、
    前記ゲートトレンチの底面及び側面上に形成されたゲート絶縁膜を介して、前記トレンチを埋めるゲート電極と、
    前記ゲートトレンチの側面部位に隣接し、前記第1半導体領域内の第1主面側表層に選択的に形成された第1導電型の第2半導体領域と、
    前記第2半導体領域に電気的に接続されたエミッタ電極と、
    前記半導体基板の第2主面側に形成された第2導電型の第3半導体領域と、
    前記第3半導体領域に電気的に接続されたコレクタ電極と、を含むIGBT素子を備えた半導体装置であって、
    前記半導体基板の第1主面側表層において、前記IGBT素子の形成領域周辺に前記IGBT素子よりも耐圧の低い低耐圧部が形成され、当該低耐圧部の周辺に、前記エミッタ電極と電気的に接続された第2導電型の第4半導体領域が形成されており、
    前記半導体基板の第1主面側表層に、前記第1半導体領域を取り囲むように選択的に形成された第2導電型のガードリングを備え、
    前記低耐圧部は、前記ガードリングと前記第1半導体領域との間に、前記第1半導体領域を取り囲むように前記第1主面より形成され、前記ゲート電極に対して電気的に独立したダミートレンチであり、
    前記ダミートレンチに近接する、前記ガードリングの端部及び前記ゲートトレンチにより区画された前記第1半導体領域の端部の少なくとも一方が、前記第4半導体領域として、前記エミッタ電極と電気的に接続され、
    前記ダミートレンチは、前記ガードリングの端部及び前記第1半導体領域の端部のそれぞれと離間して形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体基板と前記第3半導体領域との間に、第1導電型の第5半導体領域が形成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. 前記ダミートレンチは、前記ゲートトレンチよりも深く形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記ダミートレンチの底面角部の曲率半径が、前記ゲートトレンチの底面角部の曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記ガードリングの端部と前記第1半導体領域の端部との間に、前記ガードリング及び前記第1半導体領域よりも浅く形成され、前記エミッタ電極と電気的に接続された第2導電型の第6半導体領域を備え、
    前記ダミートレンチは、前記第1主面より前記第6半導体領域を貫通して底面が前記半導体基板に達するように形成されていることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載の半導体装置。
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