JP5129943B2

JP5129943B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5129943B2
Application number: JP2006284814A
Authority: JP
Inventors: 隆司鈴木; 雅康石子; 順斎藤; 剛西脇
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: JP2008103530A

Description

本発明は、半導体装置の終端領域に関する。

半導体装置は、半導体基板内に回路素子が作り込まれている中心領域と、その中心領域の周囲に形成されている終端領域を有している。回路素子には、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、IGBT（Insulator Gate Bipolar Transistor）、ダイオードなどが用いられる。通常の終端領域は、中心領域から終端領域に亘って連続して形成されているｎ⁻型の不純物を含むドリフト領域を備えている。終端領域はさらに、終端領域のうちの中心領域側のドリフト領域の表面に形成されており、回路素子が非導通状態のときに中心領域から終端領域の外縁に向けて空乏層を伸展させるｐ型の不純物を含む耐圧確保領域を備えている。耐圧確保領域には、ガードリング、リサーフ層などが用いられる。終端領域はさらに、終端領域の外縁のドリフト領域の表面に形成されているｎ型の不純物を高濃度に含むチャネルストッパ領域を備えている。チャネルストッパ領域は、回路素子の高電位側電極（ドレイン電極、コレクタ電極など）に電気的に接続しており、終端領域のドリフト領域の電位を安定させている。
一般的に、耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間には、100μm程度の間隔が残されている。この間隔は、中心領域側から伸展してくる空乏層がチャネルストッパ領域にまで達してしまうリーチスルー現象が発生するのを防止するために必要とされている。したがって、耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間の半導体基板の表面には、ドリフト領域が配置されている。

この種の従来公報を以下に列記する。

特開平６−２３２４２６号公報

半導体装置の半導体基板上には、回路素子を外部環境から保護するために、絶縁性の保護膜が形成されている。保護膜の材料には、ポリイミド等のイミド系樹脂材料、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、リンガラス等が用いられる。保護膜は、半導体装置の製造工程、半導体装置の輸送工程及び半導体装置の実装工程等を通して、その表面及び内部に電荷（以下、外部電荷という）を蓄積する。保護膜の表面及び内部に外部電荷が蓄積すると、蓄積した外部電荷に引き寄せられて半導体基板の表面に反対の極性を有する電荷が集積してくる。本発明者らは、反対電荷が集積してくる現象を詳細に検討したところ、集積した反対電荷の影響を受け易い箇所が耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間であることを突き止めた。前記したように、耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間の半導体基板の表面には、不純物濃度が低濃度のドリフト領域が配置されている。このため、その部分のドリフト領域に反対電荷が蓄積すると、ドリフト領域の電荷バランスが大きく崩れてしまう。この結果、半導体装置の耐圧が低下するなどの問題が発生してしまう。
本発明は、耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間の電荷バランスの崩れを抑制する技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間に絶縁体領域を設けることを特徴としている。絶縁体領域内は、電荷が自由に移動できない領域である。したがって、耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間に絶縁体領域が設けられていると、その部分に電荷が集積してくる現象が抑えられ、電荷バランスの崩れが抑制される。

本明細書で開示される半導体装置は、回路素子が作り込まれている中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域を半導体基板内に有している。終端領域は、中心領域から終端領域に亘って連続して形成されている第１導電型の不純物を含む半導体領域を備えている。終端領域はさらに、終端領域のうちの中心領域側の半導体領域の表面に形成されており、回路素子が非導通状態のときに中心領域から終端領域の外縁に向けて空乏層を伸展させる第２導電型の不純物を含む耐圧確保領域を備えている。終端領域はさらに、終端領域の外縁の半導体領域の表面に形成されており、終端領域の半導体領域の電位を安定させる第１導電型の不純物を高濃度に含むチャネルストッパ領域を備えている。本明細書で開示される半導体装置は、耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間の半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている絶縁体領域を備えていることを特徴としている。
上記形態の半導体装置の終端領域の表面には、耐圧確保領域と絶縁体領域とチャネルストッパ領域が設けられている。耐圧確保領域とチャネルストッパ領域は、不純物濃度が比較的濃い部分である。このため、電荷が集積したとしても電荷バランスの崩れは相対的に小さい。絶縁体領域内は、電荷が自由に移動できない領域である。このため、電荷が集積してくる現象が抑えられ、電荷バランスの崩れが抑制される。したがって、終端領域の表面の大部分は、電荷バランスの崩れが小さい。この結果、外部電荷の影響によって半導体装置の耐圧が低下するこを抑制することができる。

本明細書で開示される半導体装置では、絶縁体領域と耐圧確保領域が接しており、絶縁体領域の半導体基板の表面からの深さが耐圧確保領域の半導体基板の表面からの深さよりも深いことが好ましい。
上記形態の半導体装置によると、耐圧確保領域のコーナー部の電界集中が緩和される。したがって、半導体装置のアバランシェ耐量が向上する。

本明細書で開示される半導体装置では、絶縁体領域とチャネルストッパ領域が接しており、絶縁体領域の半導体基板の表面からの深さがチャネルストッパ領域の半導体基板の表面からの深さよりも深いことが好ましい。
上記形態の半導体装置によると、チャネルストッパ領域のコーナー部の電界集中が緩和される。したがって、半導体装置のアバランシェ耐量が向上する。

本明細書で開示される半導体装置では、様々な種類の耐圧確保領域を採用することができる。典型的には、耐圧確保領域にガードリングを用いてもよい。
また、本明細書で開示される半導体装置では、絶縁体の材料に様々な種類を採用することができる。なお、本明細書でいう絶縁体とは、電気抵抗が大きく、絶縁性に優れた特性を備えているものをいう。典型的には、絶縁体領域に酸化シリコンを用いる。

本明細書で開示される半導体装置によると、終端領域の表面の大部分で電荷バランスの崩れが小さい。この結果、半導体装置の耐圧低下を抑制することができる。

本発明の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴）回路素子には、MISFET、MOSFET、IGBT、ダイオード、SIC、UMOSFET等を用いるのが好ましい。
（第２特徴）絶縁体領域には、酸化シリコン、窒化シリコン（Si₃N₄）、シリカビーズ、SOB、GaN、SiCなどを用いるのが好ましい。
（第３特徴）絶縁体領域は、エッチング技術を利用して半導体基板の表面に溝を形成した後に、CVD法、塗布法、インクジェット法等を利用してその溝内に充填することによって形成するのが好ましい。

以下、図面を参照して実施例を説明する。以下の実施例では、半導体材料にシリコンが用いられた例を説明するが、その例に代えて、炭化シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム等の半導体材料を用いてもよい。
図１に、半導体装置１０の要部断面図を模式的に示す。半導体装置１０は、縦型のMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：回路素子の一例）が作り込まれている中心領域１０Ａと、その中心領域１０Ａの周囲に形成されている終端領域１０Ｂを半導体基板２１内に有している。中心領域１０Ａは、半導体基板２１の中心側に形成されている。中心領域１０Ａに作り込まれている縦型のMOSFETは、電流のオン・オフを経時的に切替えるための構造である。終端領域１０Ｂは、中心領域１０Ａの周囲を一巡して形成されており、縦型のMOSFETに加わる電圧を横方向で負担している。図１は、中心領域１０Ａと終端領域１０Ｂの境界部分を示している。

半導体装置１０は、半導体基板２１の裏面に形成されているドレイン電極２２を備えている。ドレイン電極２２には、アルミニウムが用いられている。半導体装置１０はさらに、ｎ^＋型のドレイン領域２４とｎ⁻型のドリフト領域２６（半導体領域の一例）を備えている。ドレイン領域２４とドリフト領域２６の不純物には、リンが用いられている。ドレイン領域２４は、ドレイン電極２２とドリフト領域２６の間に介在している。ドレイン領域２４とドリフト領域２６は半導体基板２１に形成されており、中心領域１０Ａから終端領域１０Ｂに亘って連続して形成されている。

終端領域１０Ｂは、複数のｐ型のガードリング４４（耐圧確保領域の一例）と、ｎ^＋型のチャネルストッパ領域３２と、ガードリング４４とチャネルストッパ領域３２の間に形成されている酸化シリコンの絶縁体領域４２を備えている。ガードリング４４の不純物にはボロンが用いられており、チャネルストッパ領域３２の不純物にはリンが用いられている。
ガードリング４４は、終端領域１０Ｂのうちの中心領域１０Ａ側のドリフト領域２６の表面に形成されている。ガードリング４４は、半導体基板２１の表面から深部に向けて伸びている。それぞれのガードリング４４は、ドリフト領域２６によって他のガードリング４４から隔てられている。複数のガードリング４４は、所定の間隔を隔てて、中心領域１０Ａ側から終端領域１０Ｂ側の方向に向けて並んでいる。ガードリング４４は、平面視したときに、中心領域１０Ａの周囲を一巡して形成されている。ガードリング４４は、ガードリング電極４６に電気的に接続している。ガードリング電極４６は、フローティング状態にある。ガードリング４４は、中心領域１０ＡのMOSFETがオフしたときに、中心領域１０Ａから終端領域１０Ｂの外縁に向けて空乏層を伸展させる。

チャネルストッパ領域３２は、終端領域１０Ｂの外縁のドリフト領域２６の表面に形成されている。チャネルストッパ領域３２は、平面視したときに、終端領域１０Ｂの外縁に沿って一巡して形成されている。チャネルストッパ領域３２は、チャネルストッパ電極３４に電気的に接続されている。チャネルストッパ電極３４は、ドレイン電極２２と同電位に固定されている。チャネルストッパ領域３２は、終端領域１０Ｂのドリフト領域２６の電位を安定させている。

絶縁体領域４２は、ドリフト領域２６の表面に形成されており、ガードリング４４とチャネルストッパ領域３２の間に配置されている。絶縁体領域４２は、半導体基板２１の表面を含む位置に形成されている。絶縁体領域４２は、半導体基板２１の縦断面視において、矩形状の形態を有している。絶縁体領域４２は、平面視すると、中心領域１０Ａの周囲をガードリング４４とチャネルストッパ領域３２の間に沿って一巡して形成されている。絶縁体領域４２は、エッチング技術を利用して半導体基板２１の表面に溝を形成した後に、インクジェット法を利用してその溝内に酸化シリコンを充填することによって形成することができる。絶縁体領域４２と最外周のガードリング４４は接している。絶縁体領域４２とチャネルストッパ領域３２は接している。絶縁体領域４２の半導体基板２１の表面からの深さは、ガードリング４４及びチャネルストッパ領域３２の半導体基板２１の表面からの深さよりも深い。

絶縁体領域４２と最外周のガードリング４４が接するとともに、絶縁体領域４２の深さがガードリング４４の深さよりも深く形成されていると、絶縁体領域４２の側面とガードリング４４のコーナー部４３が接する形態が得られる。酸化シリコンの絶縁体領域４２は、シリコンよりも電界を負担する能力が大きい。このため、絶縁体領域４２内に電界が分散し、ガードリング４４のコーナー部４３に加わる電界が小さくなる。この結果、ガードリング４４のコーナー部４３における電界集中が緩和され、コーナー部４３でのアバランシェブレークダウンの発生が抑制され、半導体装置１０のアバランシェ耐量が向上する。
また、絶縁体領域４２とチャネルストッパ領域３２が接するとともに、絶縁体領域４２の深さがチャネルストッパ領域３２の深さよりも深く形成されていると、絶縁体領域４２の側面とチャネルストッパ領域３２が接する形態が得られる。このため、絶縁体領域４２内に電界が分散し、チャネルストッパ領域３２のコーナー部３１に加わる電界が小さくなる。この結果、チャネルストッパ領域３２のコーナー部３１における電界集中が緩和され、コーナー部３１でのアバランシェブレークダウンの発生が抑制され、半導体装置１０のアバランシェ耐量が向上する。

中心領域１０Ａは、ドリフト領域２６の表面に、ｐ型のボディ領域５２と、ｐ^＋型のボディコンタクト領域５３と、ｎ^＋型のソース領域５４と、酸化シリコンのゲート絶縁膜５５と、ポリシリコンのトレンチゲート電極５６を備えている。ソース領域５４とボディコンタクト領域５３には、ソース電極５７が電気的に接続している。ボディ領域５２とボディコンタクト領域５３の不純物には、ボロンが用いられている。ソース領域５４の不純物にはリンが用いられている。ソース電極５７には、アルミニウムが用いられている。
半導体装置１０はさらに、半導体基板２１の表面を覆っている保護膜３６を備えている。保護膜３６の材料には、プラズマCVD膜が用いられている。保護膜３６は、中心領域１０ＡのMOSFETを機械的応力、不純物の侵入、湿気などから保護するために設けられている。

次に、半導体装置１０の特徴を説明する。
保護膜３６には、半導体装置１０の製造工程、輸送工程及び実装工程等を通して、その表面及び内部に正の外部電荷が蓄積する。保護膜３６の表面及び内部に正の外部電荷が蓄積すると、蓄積した正の外部電荷に引き寄せられて半導体基板２１の表面に負の電荷が集積してくる。半導体装置１０は、終端領域１０Ｂにおいて、この負の電荷の移動に伴う影響を低減する対策が施されている。
図１に示すように、半導体装置１０の終端領域１０Ｂの表面には、ガードリング４４と絶縁体領域４２とチャネルストッパ領域３２が設けられている。ガードリング４４とチャネルストッパ領域３２は、不純物濃度が比較的濃い部分である。このため、この部分に負の電荷が集積したとしても、相対的に電荷バランスの崩れが小さくなる。一方、絶縁体領域４２内は、電荷が自由に移動できない領域である。このため、絶縁体領域４２では、電界が移動する現象が抑えられ、電荷バランスの崩れが抑制される。したがって、終端領域１０Ｂの表面の大部分は、電荷バランスの崩れが小さい。この結果、保護膜３６に正の外部電界が蓄積したとしても、半導体装置１０の耐圧低下を抑制することができる。

また、絶縁体領域４２は、半導体基板２１を終端領域１０Ｂの外縁に沿ってダイシングしたときに、その外縁から内側に向かって伸びてくるクラックの伸展を防止する効果もある。この結果、半導体装置１０の破損、特性劣化を防止することができる。

前記したように、絶縁体領域４２は、ガードリング４４のコーナー部４４及びチャネルストッパ領域３２のコーナー部３１の電界集中の緩和にも有効である。即ち、終端領域１０Ｂに絶縁体領域４２を設けることによって、電荷バランスの崩れを抑制する効果と電界集中の緩和の両者を同時に得ることができる。絶縁体領域４２は、終端領域１０Ｂの特性を改善するために極めて有用な技術である。
また、絶縁体領域４２は電界を負担する能力が大きいことから、絶縁体領域４２が設けられていると、ガードリング４４とチャネルストッパ領域３２の間の間隔を狭くすることができる。この結果、半導体装置１０の面積を小さくすることができ、小型化にも有用である。

以下、図２〜図４を参照して、半導体装置１０の変形例を示す。
図２に、半導体装置１００の要部断面図を模式的に示す。半導体装置１００の絶縁体領域４２は、複数個の部分絶縁体領域４２ａを備えている。部分絶縁体領域４２ａは、半導体基板２１の半径方向に分割されている。それぞれの部分絶縁体領域４２ａは、平面視したときに、中心領域１０Ａの周囲をガードリング４４とチャネルストッパ領域３２の間に沿って一巡して形成されている。
半導体装置１００では、部分絶縁体領域４２ａとそれに隣合う部分絶縁体領域４２ａの間において、ドリフト領域２６の一部が半導体基板２１の表面に露出している。しかし、部分絶縁体領域４２ａとそれに隣合う部分絶縁体領域４２ａの間で電荷バランスが崩れたとしても、半導体装置１０の耐圧に与える影響は実質的に無視できるほど軽微なものである。したがって、半導体装置１００でも、耐圧低下を抑制することができる。

図３に、半導体装置２００の要部断面図を模式的に示す。半導体装置２００は、ガードリングに代えて、リサーフ層１４４を備えている。
リサーフ層１４４は、ガードリング４４と同様に、不純物濃度が比較的濃い部分である。このため、この部分に負の電荷が集積したとしても、相対的に電荷バランスの崩れが小さくなる。したがって、半導体装置２００でも、終端領域１０Ｂの表面の大部分において電荷バランスの崩れが小さい。この結果、半導体装置２００でも、耐圧低下を抑制することができる。

図４に、半導体装置３００の要部断面図を模式的に示す。半導体装置３００のリサーフ層１４４は、不純物濃度が異なる部分リサーフ層１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃで構成されている。部分リサーフ層１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃは、中心領域１０Ａ側から終端領域１０Ｂの外縁に向けて不純物濃度が薄くなっている。
リサーフ層１４４が不純物濃度分布を有していると、リサーフ層１４４の不純物濃度が設計値から変動した値で導入されたとしても、複数の部分リサーフ層１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃによってその不純物濃度の変動を補償することができる。リサーフ層１４４は、製造交差による不純物濃度の変動を補償することができる。

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。

実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。実施例の半導体装置の変形例の一例の要部断面図を模式的に示す。実施例の半導体装置の変形例の他の一例の要部断面図を模式的に示す。実施例の半導体装置の変形例の他の一例の要部断面図を模式的に示す。

符号の説明

１０Ａ：中心領域
１０Ｂ：終端領域
２１：半導体基板
２４：ドレイン領域
２６：ドリフト領域
３２：チャネルストッパ領域
３４：チャネルストッパ電極
３６：保護膜
４２：絶縁体領域
４４：ガードリング
４６：ガードリング電極
１４４：リサーフ層

Claims

回路素子が作り込まれている中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域を半導体基板内に有する半導体装置であって、
終端領域は、
中心領域から終端領域に亘って連続して形成されている第１導電型の不純物を含む半導体領域と、
終端領域のうちの中心領域側の前記半導体領域の表面に形成されており、回路素子が非導通状態のときに中心領域から終端領域の外縁に向けて空乏層を伸展させる第２導電型の不純物を含む耐圧確保領域と、
終端領域の外縁の前記半導体領域の表面に形成されており、終端領域の前記半導体領域の電位を安定させる第１導電型の不純物を高濃度に含むチャネルストッパ領域と、
耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間の半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている絶縁体領域と、を備えており、
絶縁体領域と耐圧確保領域が接しており、
絶縁体領域の前記半導体基板の表面からの深さが、耐圧確保領域の前記半導体基板の表面からの深さよりも深いことを特徴とする半導体装置。
絶縁体領域とチャネルストッパ領域が接しており、
絶縁体領域の前記半導体基板の表面からの深さが、チャネルストッパ領域の前記半導体基板の表面からの深さよりも深いことを特徴とする請求項１の半導体装置。
回路素子が作り込まれている中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域を半導体基板内に有する半導体装置であって、
終端領域は、
中心領域から終端領域に亘って連続して形成されている第１導電型の不純物を含む半導体領域と、
終端領域のうちの中心領域側の前記半導体領域の表面に形成されており、回路素子が非導通状態のときに中心領域から終端領域の外縁に向けて空乏層を伸展させる第２導電型の不純物を含む耐圧確保領域と、
終端領域の外縁の前記半導体領域の表面に形成されており、終端領域の前記半導体領域の電位を安定させる第１導電型の不純物を高濃度に含むチャネルストッパ領域と、
耐圧確保領域とチャネルストッパ領域の間の半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている絶縁体領域と、を備えており、
絶縁体領域とチャネルストッパ領域が接しており、
絶縁体領域の前記半導体基板の表面からの深さが、チャネルストッパ領域の前記半導体基板の表面からの深さよりも深いことを特徴とする半導体装置。
耐圧確保領域が、ガードリングであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの半導体装置。
絶縁体領域の材料は、酸化シリコンであ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。