JP5423018B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ベース領域の抵抗を下げてラッチアップを抑制する半導体装置に関する。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などに代表されるパワーデバイスと呼ばれる半導体装置は高耐圧、大電流化が進められ例えば新幹線その他の運輸・交通分野、産業用機器分野などの電力を制御する装置に幅広く用いられている。
このような半導体装置はターンオン、ターンオフのスイッチング動作を行うことにより大電流を制御する。スイッチング動作の際にはSOA(S図10e Operation Area)とよばれる領域でスイッチングを行うことが求められる。SOAとは半導体装置がターンオン、ターンオフする際の安全動作領域を規定するものである。具体的にはSOAは、コレクタ電流(Ic)とコレクタ−エミッタ電圧(Vce)の動作軌跡が納まるべき範囲を規定するものである。SOAはIcの定格とVceの定格とから規定される。特にターンオフ時のIc−Vce動作軌跡を規定するSOAはRBSOA(Reverse Bias SOA)と呼ばれている。実際のIGBTなどの半導体装置ではこのSOAを超えないようにスナバ回路などの設計が行われる。
このようにRBSOAなどのSOAの範囲内で半導体装置のスイッチングを行うことは半導体装置の安全動作の観点から必須要件となる。しかしながら、例えばp型のベース層にホールが蓄積されてベース層がチャージアップする場合がある。そしてこのチャージアップの結果、半導体装置に寄生的に形成されたサイリスタがターンオンしてラッチアップ現象を起こすことが考えられる。このような場合には前述のSOAを逸脱し半導体装置にダメージを与えることが考えられる。
前述のラッチアップを抑制する方法として、例えば特許文献1にはp型の高濃度領域をボディ領域に形成して寄生サイリスタのオン動作を抑制する構成が開示されている。
特開2001−308328号公報 特開平08−330589号公報 特開2004−095962号公報 特開2003−101019号公報 特開2004−303964号公報 特開2001−168333号公報
前述した特許文献1の方法によるラッチアップ現象の抑制はベース領域に新たなP+層を形成するものである。このP+層の付加は半導体装置の閾値電圧などの諸特性へ影響を及ぼす。これは特許文献1に開示される構成だけでなく、例えばベース層そのものの不純物濃度を高めてベース領域の低抵抗化を図る場合も同様である。このように、ベース層の不純物プロファイル変化に伴う諸特性の変動を考慮したうえで上述したP+層の形成を行う必要がある。従って半導体装置の諸特性を最適化することを犠牲にしてラッチアップ抑制を行うか、十分なラッチアップ抑制を犠牲にして諸特性の最適化を行うかというトレードオフの問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体装置の閾値電圧などの諸特性に影響を与えることなくラッチアップの抑制を行い、RBSOAの改善ができる半導体装置を提供することを目的とする。
本願の発明にかかる半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面に形成された第2導電型のベース領域と、該ベース領域の表面に形成された第1導電型のソース領域と、該半導体基板の裏面に形成された第2導電型のコレクタ領域と、該ソース領域および該ベース領域を貫通するように形成されたトレンチ溝内にゲート絶縁膜を介して形成されたトレンチゲートと、該ソース領域の一部を貫通するように形成されたコンタクト溝内に形成された導電層と、該導電層及び該ソース領域と接するソース電極と、該導電層と接して該ベース領域に形成された、不純物濃度が該ベース領域より高い第2導電型のラッチアップ抑制領域と、平面視で該コンタクト溝が形成されない部分に、該ソース電極及び該ベース領域と接するように形成された、不純物濃度が該ベース領域より高い第2導電型の高濃度不純物領域と、を備える。そして、該ゲート絶縁膜と該ラッチアップ抑制領域との距離は、該トレンチゲートが該ベース領域に形成する最大空乏層幅以上であることを特徴とする。
本願の発明にかかる他の半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の表面に形成された第2導電型のベース領域と、該ベース領域の表面に形成された第1導電型のソース領域と、該ベース領域の表面に該ソース領域と接して形成された、不純物濃度が該ベース領域より高い第2導電型の高濃度不純物領域と、該半導体基板の裏面に形成された第2導電型のコレクタ領域と、該ソース領域を貫通するように該ベース領域に形成されたトレンチ溝内にゲート絶縁膜を介して形成されたトレンチゲートと、該高濃度不純物領域よりも該トレンチゲート側に該トレンチゲートと平行に形成されたダミートレンチと、該高濃度不純物領域及び該ソース領域と接するソース電極とを備える。そして、該ダミートレンチは切れ間を有して形成され、該ソース領域は該ダミートレンチの切れ間にまで及ぶことを特徴とする。

本発明により半導体装置の特性への影響を抑制してラッチアップを抑制できる。
実施の形態1
本実施形態は半導体装置の特性への影響を抑制してラッチアップを抑制できる半導体装置に関する。図1〜5は本実施形態の半導体装置を説明する図である。これらの図において同一の符号が付された部分は同一概念でまとめられる部分、あるいは同一の材料からなるものであるから重複して説明しない場合がある。他の実施形態で説明する図についても同様である。
図1は本実施形態の半導体装置の平面図である。ゲート駆動信号が伝送されるトレンチゲート20はゲート絶縁膜22と接して形成される。ゲート絶縁膜22と接してソース領域24が形成される。ソース領域24はn型の不純物がドープされている領域である。さらに、ソース領域24と接してP+領域26が形成される。P+領域26は高濃度不純物領域でありp型の不純物が高濃度でドープされた領域である。なお、高濃度不純物領域とは、後述するベース層より高濃度の不純物がドープされた領域であって、主にベース層の電位を定めるための領域である。本実施形態では高濃度不純物領域はP+領域26である。
さらに、ソース領域24にはコンタクト溝30が形成されている。コンタクト溝30は図1において破線で表されている。コンタクト溝30は導電層31で埋められた溝である。導電層31は導電体で形成されていれば特に限定されないが、典型的にはP+ポリシリコンで形成される。このような導電層31を備えるコンタクト溝30は、トレンチゲート20と他のトレンチゲート20との間に形成される。以後、図2を参照して本実施形態の半導体装置について説明する。
図2は上述したコンタクト溝30の断面などについて説明する図である。図2は図1の2−2線における断面図である。図2においては説明の便宜上、図1に記載がない絶縁膜66とソース電極68が記載されている。図1では、ソース電極68がP+領域26又はソース領域24などと接してコンタクトが取られている部分をコンタクト28として囲みで表されている。
そして、本実施形態の半導体装置は周知の縦型パワーデバイスの構成と同様に、n型であって伝導度変調領域である半導体基板60を備える。半導体基板60の表面にはベース領域32が形成される。ベース領域32はp型の半導体層である。ベース領域32は前述のトレンチゲート20と共にMOS構造を形成し、周知の縦型パワーデバイスのオンオフ動作を行う領域である。一方半導体基板60の裏面にはn型のキャリア抑制領域62が形成される。またキャリア抑制領域62と接してp型のコレクタ領域64が形成される。これらの構成および機能については周知であるから詳細には説明しない。
図2に示される通り本実施形態ではコンタクト溝30がソース領域24を貫通してベース領域32にまで達している。そして、ベース領域32には、コンタクト溝30内に形成された導電層31と接してラッチアップ抑制領域34が形成される。ラッチアップ抑制領域34はp型の半導体層であって、前述のベース領域32よりは不純物濃度が高くなるように不純物注入が行われる領域である。ラッチアップ抑制領域34は導電層31を介してソース電極68と接続される。ゆえに、後述するとおり、ラッチアップ抑制領域34によりベース領域32の抵抗を低減することができる。
ラッチアップ抑制領域34の形成方法としては以下の方法が例示される。すなわちラッチアップ抑制領域34はコンタクト溝30が形成された後導電層31によってコンタクト溝30が埋め込まれる前にイオン注入を行うことによって形成される。このイオン注入は工程短縮のために、コンタクト溝30を開口する際に用いたレジストパターンなどをマスクにして行う。このようにしてソース領域24よりも深いベース領域32に、導電層31と接したラッチアップ抑制領域34が形成される。
ラッチアップ抑制領域34形成のためのイオン注入は適宜斜め注入などが実施される。本実施形態では、ラッチアップ抑制領域34のプロファイルがラッチアップ抑制領域34とゲート絶縁膜22との間隔が以下の条件を満たすように定められる。すなわちラッチアップ抑制領域34とゲート絶縁膜22との距離Dは以下の式を満たす。
Figure 0005423018
上述の式は、ラッチアップ抑制領域34とゲート絶縁膜22との距離Dが最大空乏層幅xdmaxよりも大きい値となることを規定する式である。この最大空乏層幅xdmaxとは、トレンチゲート20に前述のMOS構造の閾値電圧相当の電圧が印加された際にベース領域32に形成される空乏層の幅である。IGBTなどのパワーデバイスにおいてxdmaxの典型値を算出すると、3936/√N(/cm3)×1E4[μm]程度となる。ここで、一般的なパワーデバイスのベース濃度(ベース領域のキャリア密度)は1.0E16〜1.0E18/cm3である。また、ゲート絶縁膜の膜厚(Tox)は0.1μm程度である。フェルミポテンシャルΦは0.6V程度である。図5は、これらを前提としてxdmaxのNA依存性をグラフ化したものである。図5から、ベース濃度が1.0E16〜1.0E18/cm3の範囲においてはxdmaxはToxの4倍以下であることが分かる。このように、ラッチアップ抑制領域34は、トレンチゲート20がベース領域32に形成する空乏層の到達することのない場所に形成される。次に、図3を参照してラッチアップ抑制領域34の形成されていない領域について説明する。
図3は図1の3−3線における断面図である。この断面においては、ソース領域24と接してベース領域32上にP+領域26が形成されている。P+領域26はエミッタ電極68と接続され、ベース領域32の電位を定める際のエミッタ電極68とベース領域32との間の抵抗を低減する。次に、トレンチゲート20の長手方向に沿った断面図である図4について説明する。
図4は図1の4−4線における断面図である。図4におけるラッチアップ抑制領域34の幅は、ラッチアップ抑制領域34のトレンチゲート20長手方向の広がりを表す。トレンチゲート20長手方向には前述の式1のような制限はないので、ラッチアップ抑制領域34は比較的幅が広く形成されている。このように幅を広く形成することによりベース領域32の低抵抗化を促進できる。
本実施形態の主要な特徴はコンタクト溝30を埋める導電層31と接して、ベース領域32に形成されるラッチアップ抑制領域34を備える点にある。ベース領域32におけるホールは、ラッチアップ抑制領域34を通じてベース領域32の外へ抜けることができる。従って、ソース領域24−ベース領域32−半導体基板60−コレクタ領域64からなる寄生サイリスタがラッチアップする要因となるベース領域32のチャージアップを抑制できる。
特に、ソース領域24直下のベース領域32におけるホールは、その近傍にホールのパスがないためベース領域32に留まりがちである。ところが本実施形態の構成によれば、ラッチアップ抑制領域34を経由してソース領域24直下のベース領域32におけるホールが速やかにソース領域24の外へ排出されるためソース領域24が低抵抗化される。よってラッチアップ耐量を高めることができる。
このように、ベース領域32に新たなP+領域であるラッチアップ抑制領域34を形成することは半導体装置の他特性へ影響することも考えられる。具体的には、トレンチゲート20及びゲート絶縁膜22及びベース領域32からなるMOS構造の閾値電圧への影響などが挙げられる。しかしながら本実施形態の構成によれば、先に定義した距離Dだけラッチアップ抑制領域34とゲート絶縁膜22とが離間しているため、ベース領域32に形成される空乏層がラッチアップ抑制領域34に到達することはない。よってラッチアップ抑制領域34を形成しても半導体装置の他の特性へ有意な影響を与えることはない。このことは、例えばベース領域全体の不純物ドープ量を増加させベース領域の低抵抗化をしようとする場合には他特性への影響を考慮して十分な低抵抗化ができないところ、そういったトレードオフの問題を解消する利点がある。
また、本発明のようにラッチアップを抑制することは、半導体層の諸特性への影響なくRBSOAを向上させることが出来る点においても有意義である。
ここで、反転層が形成されチャネルに可動電荷が発生するときにゲート(トレンチゲート)に印加される電圧である閾値電圧Vthは以下の式で表される。
Figure 0005423018
この式で、上述した距離Dを与える式と同一の記号は前述した通りである。最大空乏層幅xdmaxは表面ポテンシャルがフェルミポテンシャルの2倍となるときに得られる。これはベース領域に反転層が形成されることと対応する。Qはベース領域における空乏層が伸びている領域の単位面積当たりの電荷量である。従って空乏層が伸びている領域の単位面積当たりの電荷量(Q)によってVthが定められることになる。すなわち、ベース電位とソース電位が等しい場合には、最大空乏層幅xdmaxよりも外側の不純物濃度がVthに影響を与えることはない。よって本実施形態の構成のようにラッチアップ抑制領域34がゲート絶縁膜22とxdmaxで定められる値よりも離間していることで、Vthに影響を与えることなしにベース領域を低抵抗化できる。なお、本実施形態の効果を得るためには、ベース電位がソース電位と等しいことが理想であるが、両者の差があってもラッチアップ抑制領域がVthに与える影響が無視しえるような場合には本実施形態の効果を得ることができる。
本実施形態のラッチアップ抑制領域34はベース領域32に形成されるがその深さは特に限定されない。例えば、コンタクト溝30が、ベース領域32とソース領域24の界面まで達するように、ソース領域24を貫通して形成されている場合であってもベース領域32にラッチアップ抑制領域34を形成できるから本発明の効果を失わない。よってコンタクト溝30の深さは本発明の効果を得ることが出来るかぎりにおいて任意である。
しかしながらラッチアップ抑制領域34を、P+領域26より深い場所に形成するとベース領域32の低抵抗化に効果的である。この場合コンタクト溝30を所望の深さまで形成すればよい。コンタクト溝30をベース領域32にまで及ぶように形成すると、コンタクト溝30がベース領域32とソース領域24の界面まで形成される場合と比較してラッチアップ抑制領域34を形成するためのイオン注入の注入エネルギーを低くできる。注入エネルギーを下げてラッチアップ抑制領域34を形成すると、ラッチアップ抑制領域34の広がりの制御性が高まり、安定して上述の「距離D」を確保したラッチアップ抑制領域34の形成ができる。
本実施形態では導電型を特定したが特に上述した導電型の組み合わせに限定されない。そのほか本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて様々な変形が可能である。
実施の形態2
本実施形態はダミートレンチに切れ間を形成することでベース領域の低抵抗化を行う半導体装置に関する。本実施形態は図6〜図17を参照して説明する。
図6は本実施形態の半導体装置の平面図である。図6から把握されるように、ダミートレンチ23が切れ間を有して不連続かつ直線的に形成されている。ダミートレンチ23は通常はトレンチゲート20と並行に形成される。そして、ソース領域24はゲート絶縁膜22に沿って形成されている。ソース領域24はゲート絶縁膜22からダミートレンチ23へ向かう方向に、短く形成された部分と長く形成された部分を備える。前述の長く形成された部分は、ダミートレンチ23の切れ間にまで達するように形成されている。
図7はこのようなダミートレンチ23の切れ間について説明する図である。ここで、ダミートレンチ23は間引きされたトレンチゲートのことであり、ゲート駆動信号の供給を受けない。ダミートレンチ23は専ら飽和電流の抑制と短絡耐量を高めるために形成されるものである。すなわち、ダミートレンチ23は本来トレンチゲートとして用いることができるものの、MOS部の総チャネル長を減じて飽和電流を適正な値とするためにゲート電極と接続されないトレンチである。図7は図6の7−7線における断面図である。図7においては説明の便宜上、図6に記載がない絶縁膜66とソース電極68が記載されている。図6では、ソース電極68がP+領域26又はソース領域24などと接してコンタクトが取られている部分をコンタクト28として囲みで表されている。
図7から把握されるようにダミートレンチ23の切れ間において、ソース領域24の直下のベース領域32は高濃度不純物領域であるP+領域26と電気的に繋がりホールの排出経路が確保されている。
図8はダミートレンチ23の配置された断面を示す、図6の8−8断面である。また図9は、図6の9−9断面である。図8から把握されるように、ベース領域32の一部は、ダミートレンチ23とトレンチゲート20とによって挟まれる。ダミートレンチ23は深さ方向にはトレンチゲート20と同様に、半導体基板60にまで到達するように形成されている。
実施の形態1で説明したとおり、ラッチアップ抑制のためには、素子のターンオフ時などにソース領域24の直下のベース領域32におけるホールを速やかに排出する必要がある。本実施形態ではダミートレンチ23に切れ間を設けてソース領域24の直下のベース領域32におけるホールの排出先を新たに形成する。
ここで、例えばダミートレンチに切れ間がない場合は、図6のソース領域24が長く形成された部分の直下のホールはトレンチゲート20の長手方向と平行方向に形成されたP+領域26へ走行しベース領域32外へ排出される。すなわち図6で矢印Aと矢印Bで示される方向にホールが抜け得る。ところが本実施形態の構成ではダミートレンチ23が切れ間を有しているため、ソース領域24直下のベース領域32におけるホールが図6の矢印Cで示す方向にも排出され得る。よってベース領域32の低抵抗化ができ、半導体装置のラッチアップを抑制できる。
上述の通り、本実施形態は、切れ間を有するダミートレンチ23をP+領域26の一部よりもトレンチゲート20側に配置することを特徴とする。これによりソース領域24直下のホールを、ダミートレンチ23の切れ間を通じてダミートレンチ23からトレンチゲート20へ向かう方向と反対方向のP+領域26へ排出できる。本実施形態はこのようにして、ダミートレンチを連続して形成していた場合には成しえなかったベース領域32の低抵抗化を実現できるものである。次に、本発明の変形例を図10−12及び図14−16を用いて説明する。
図10−12はトレンチゲートとダミートレンチが1:1の比で配置されている場合に本発明を応用した半導体装置の構成を説明する図である。図10はこの変形例の平面図を説明する図である。直線的かつ不連続に切れ間を有して形成される1のダミートレンチ23は、トレンチゲート20から伸びるソース領域24及び別のトレンチゲート(図示しない)から伸びるソース領域24に対してそれぞれ異なる切れ間を供給する。よってダミートレンチ23から見て左右に配置される別個のソース領域24に対してそれぞれホールの排出経路を提供できる。なお、図11は図10の11−11線における断面図である。図12は図10の12−12線における断面図である。図13は図10の13−13線における断面図である。
図14−16はソース領域24の形状を凹形状としてベース領域の低抵抗化を行う半導体装置を説明する図である。図14はこの変形例の平面図を説明する図である。ダミートレンチ23が切れ間を有していることは前述したとおりである。この変形例ではさらにソース領域24の平面図で見た形状が凹形状であることが特徴である。半導体装置の飽和電流を適正な値とするために、ソース領域24の長く形成された部分を比較的広範囲に渡って形成することがある。そのような場合、ソース領域24が長く形成された部分の中央部分直下のベース領域32におけるホールは特に排出が困難である。ところが本実施形態のように十分なソース領域24を確保し、かつソース領域24を凹形状とすると、ソース領域24が長く形成された部分の中央部分直下のベース領域32におけるホールも容易にP+領域26へ排出される。よってベース領域32を低抵抗化する効果が高まる。なお、図15は図14の15−15線における断面図である。図16は図14の16−16線における断面図である。図17は図14の17−17線における断面図である。
上述の通り、本発明はダミートレンチに切れ間を有してベース層の低抵抗化を図ったり、ソース領域24の形状を例えば凹形状としたりすることによりソース領域24の低抵抗化を行うものであり、半導体装置の諸特性に有意な影響を与えるものではない。そして本発明は、この発明の範囲を逸脱しない限りにおいて様々な変形が可能である。例えば、ソース領域24の長く形成された部分はダミートレンチの切れ間にまで及ぶこととしたがこれに限定されない。すなわちソース領域24直下のベース領域32におけるホールがダミートレンチ23の切れ間を通過してP+領域26へ排出され得る限りにおいてソース領域24の形状は限定されない。
実施の形態1の半導体装置の平面図である。 図1の2−2断面を示す図であって、ラッチアップ抑制領域を説明する図である。 図1の3−3断面を示す図である。 図1の4−4断面を示す図である。 最大空乏層幅のベース濃度依存性を説明する図である。 実施の形態2の半導体装置の平面図である。 図6の7−7断面を示す図であって、ダミートレンチの切れ間について説明する図である。 図6の8−8断面を示す図である。 図6の9−9断面を示す図である。 ダミートレンチとトレンチゲートが交互に配置される半導体装置の平面図である。 図10の11−11断面を示す図であり、ダミートレンチの切れ間について説明する図である。 図10の12−12断面を示す図である。 図10の13−13断面を示す図である。 ソース領域を凹形状に形成した半導体装置の平面図である。 図14の15−15断面を示す図である。 図14の16−16断面を示す図である。 図14の17−17断面を示す図である。
20 トレンチゲート、 22 ゲート絶縁膜、 23 ダミートレンチ、 24 ソース領域、 26 P+領域、 30 コンタクト溝、 31 導電層、 32 ベース領域、 34 ラッチアップ抑制領域、 60 半導体基板、 64 コレクタ領域、 68 ソース電極

Claims (5)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成された第2導電型のベース領域と、
    前記ベース領域の表面に形成された第1導電型のソース領域と、
    前記半導体基板の裏面に形成された第2導電型のコレクタ領域と、
    前記ソース領域および前記ベース領域を貫通するように形成されたトレンチ溝内にゲート絶縁膜を介して形成されたトレンチゲートと、
    前記ソース領域の一部を貫通するように形成されたコンタクト溝内に形成された導電層と、
    前記導電層及び前記ソース領域と接するソース電極と、
    前記導電層と接して前記ベース領域に形成された、不純物濃度が前記ベース領域より高い第2導電型のラッチアップ抑制領域と
    平面視で前記コンタクト溝が形成されない部分に、前記ソース電極及び前記ベース領域と接するように形成された、不純物濃度が前記ベース領域より高い第2導電型の高濃度不純物領域と、を備え、
    前記ゲート絶縁膜と前記ラッチアップ抑制領域との距離は、前記トレンチゲートが前記ベース領域に形成する最大空乏層幅以上であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記コンタクト溝の深さは前記ベース領域に及ぶことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成された第2導電型のベース領域と、
    前記ベース領域の表面に形成された第1導電型のソース領域と、
    前記ベース領域の表面に前記ソース領域と接して形成された、不純物濃度が前記ベース領域より高い第2導電型の高濃度不純物領域と、
    前記半導体基板の裏面に形成された第2導電型のコレクタ領域と、
    前記ソース領域を貫通するように前記ベース領域に形成されたトレンチ溝内にゲート絶縁膜を介して形成されたトレンチゲートと、
    前記高濃度不純物領域よりも前記トレンチゲート側に前記トレンチゲートと平行に形成されたダミートレンチと、
    前記高濃度不純物領域及び前記ソース領域と接するソース電極とを備え、
    前記ダミートレンチは切れ間を有して形成され
    前記ソース領域は前記ダミートレンチの切れ間にまで及ぶことを特徴とする半導体装置。
  4. 前記ダミートレンチの深さは、前記ベース領域と前記半導体基板の界面に及ぶことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記ソース領域は、平面視で凹形状となる部分を有することを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。
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