JP5696536B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、トレンチゲートを備える半導体装置に関する。

トレンチゲートを備える半導体装置の一例として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が知られている。この種のＩＧＢＴは、例えば直流電圧を交流電圧に変換する車両用のインバータに用いられており、その特性には低いオン電圧と低いスイッチング損失が望まれている。

特許文献１には、トレンチゲートを備えるＩＧＢＴにおいて、低いオン電圧と低いスイッチング損失を実現する技術の一例が開示されている。図１４に、特許文献１に開示されるＩＧＢＴの概略を示す。縦型ＩＧＢＴ１００は、半導体層１３０と、半導体層１３０の裏面に形成されているコレクタ電極１２０と、半導体層１３０の表面に形成されているエミッタ電極１５０と、半導体層１３０の表層部に形成されているトレンチゲート１４０を備えている。半導体層１３０は、ｐ^＋型のコレクタ領域１３１とｎ^＋型のバッファ領域１３２とｎ⁻型のドリフト領域１３３とｐ型のボディ領域１３４とｎ^＋型のエミッタ領域１３５を有している。トレンチゲート１４０は、絶縁部１４２と、その絶縁部１４２内に設けられている導電部１４４を有している。

縦型ＩＧＢＴ１００では、トレンチゲート１４０の幅Ｗｔｒが幅広に形成されていることを１つの特徴としている。さらに、縦型ＩＧＢＴ１００では、導電部１４４がトレンチゲート１４０の側面近傍に偏在して設けられていることを１つの特徴としている。

トレンチゲート１４０の幅Ｗｔｒが幅広に形成されていると、コレクタ領域１３１から供給された正孔は、幅広なトレンチゲート１４０によってエミッタ電極１５０への排出が抑制される。このため、ドリフト領域１３３内の正孔濃度が上昇し、低いオン電圧が実現される。

また、導電部１４４がトレンチゲート１４０の側面近傍に偏在して設けられていると、偏在して設けられていない場合（すなわち、トレンチゲートの中央部にも導電部が設けられている場合）に比して、導電部１４４とドリフト領域１３３の対向面積が小さく構成される。このため、導電部１４４とドリフト領域１３３の間に構成されるゲート・コレクタ間容量が小さくなる。さらに、導電部１４４がトレンチゲート１４０の側面近傍に偏在して設けられていると、導電部１４４とエミッタ電極１５０の対向面積も小さく構成される。このため、導電部１４４とエミッタ電極１５０の間に構成されるゲート・エミッタ間容量も小さくなる。このように、導電部１４４がトレンチゲート１４０の側面近傍に偏在して設けられていると、ゲート・コレクタ間容量とゲート・エミッタ間容量が小さくなるので、スイッチング速度が向上し、スイッチング損失が低く抑えられる。このように、縦型ＩＧＢＴ１００では、トレンチゲート１４０の形態を工夫することにより、低いオン電圧と低いスイッチング損失を両立した特性が実現されている。

特開２００５−３４０６２６号公報（特に、図１２参照）

しかしながら、導電部１４４がトレンチゲート１４０の側面近傍に偏在して設けられていると、トレンチゲート１４０の底面において電界が局所的に集中してしまう（図１４の破線部参照）。このため、縦型ＩＧＢＴ１００では、耐圧が低いという問題がある。

本願明細書では、スイッチング損失を低く維持しながら、トレンチゲートの底面の電界集中による耐圧低下も抑制可能な半導体装置を提供することを目的としている。

本願明細書で開示される半導体装置では、側面近傍に偏在して設けられている導電部が、トレンチゲートの底面に沿ってトレンチゲートの中央に向けて伸びていることを特徴としている。導電部がトレンチゲートの底面に沿って伸びていると、トレンチゲートの底面における電界集中が緩和され、耐圧低下が抑制される。また、本発明者らの検討によると、トレンチゲートの底面に沿って伸びている導電部が、トレンチゲートの側面と中央の間の中間位置を越えていなければ、スイッチング損失が低く維持されることが確認されている。このため、上記形態の導電部を有する半導体装置では、スイッチング損失を低く維持しながら、電界集中による耐圧低下も抑制され得る。

すなわち、本願明細書で開示される半導体装置は、トレンチゲートを備えている。そのトレンチゲートは、絶縁部と、その絶縁部内に設けられている導電部を有している。導電部は、第１導電部と第２導電部を有している。第１導電部は、トレンチゲートの上面側の第１端部からトレンチゲートの底面側の第２端部までトレンチゲートの側面に沿って伸びている。第２導電部は、トレンチゲートの側面側の第３端部からトレンチゲートの中央側の第４端部までトレンチゲートの底面に沿って伸びている。第１導電部の第２端部と第２導電部の第３端部が接触している。第２導電部は、平面視したときに、第１導電部からトレンチゲートの中央に向けて突出していることを特徴としている。さらに、第２導電部は、平面視したときに、トレンチゲートの側面と中央の間の中間位置を越えて中央に向けて突出していないことを特徴としている。

本願明細書で開示される半導体装置では、第２導電部の第４端部が、トレンチゲートの中央に向けて、トレンチゲートの底面との距離が大きくなるように形成されているのが望ましい。第２導電部の第４端部において集中する電界がさらに緩和され、半導体装置の耐圧がさらに向上する。

本明細書で開示される半導体装置の製造方法は、トレンチゲートを形成するトレンチゲート形成工程を備えている。そのトレンチゲート形成工程は、第１工程と第２工程と第３工程と第４工程を有する。第１工程では、トレンチの中央部に空間を残すように、トレンチの内壁に第１絶縁層と導電層と犠牲層をこの順で形成する。第２工程では、第１工程を実施した後に、トレンチの空間の底面に位置する導電層と犠牲層を選択的に除去する。第３工程では、第２工程を実施した後に、トレンチ内に残存する犠牲層を選択的に除去する。第４工程では、第３工程を実施した後に、トレンチ内に第２絶縁層を充填する。上記製造方法を実施すると、トレンチ内にはトレンチの底面に沿って伸びる導電層が形成される。上記製造方法によると、本明細書で開示される半導体装置を簡便な方法で形成することができる。

本願明細書で開示される半導体装置は、スイッチング損失が低く維持されながら、トレンチゲートの底面の電界集中による耐圧低下も抑制され得る。

図1は、縦型ＩＧＢＴの要部断面図を示す。 図２は、図１のII-II線に対応した断面図を示す。 図３は、図１のIII-III線に対応した断面図を示す。 図４は、トレンチゲートの要部拡大断面図（参照符号付き）を示す。 図５は、トレンチゲートの要部拡大断面図（参照符号無し）を示す。 図６は、トレンチゲートの底面に加わる最大電界強度を示す。 図７は、縦型ＩＧＢＴのターンオン損失を示す。 図８は、変形例のトレンチゲートの要部拡大断面図（参照符号付き）を示す。 図９は、縦型ＩＧＢＴの製造過程における要部断面図を示す（１）。 図１０は、縦型ＩＧＢＴの製造過程における要部断面図を示す（２）。 図１１は、縦型ＩＧＢＴの製造過程における要部断面図を示す（３）。 図１２は、縦型ＩＧＢＴの製造過程における要部断面図を示す（４）。 図１３は、縦型ＩＧＢＴの製造過程における要部断面図を示す（５）。 図１４は、従来の縦型ＩＧＢＴの要部断面図を示す。

図１〜図３に示す縦型ＩＧＢＴ１０は、直流電圧を交流電圧に変換する車両用の３相インバータを構成する回路素子として用いられている。図１に示されるように、縦型ＩＧＢＴ１０は、シリコン単結晶の半導体層３０と、半導体層３０の裏面に形成されているアルミニウムのコレクタ電極２０と、半導体層３０の表面に形成されているアルミニウムのエミッタ電極５０と、半導体層３０の表層部に形成されているトレンチゲート４０を備えている。

半導体層３０は、ｐ^＋型のコレクタ領域３１とｎ^＋型のバッファ領域３２とｎ⁻型のドリフト領域３３とｐ型のボディ領域３４とｎ^＋型のエミッタ領域３５を有している。コレクタ領域３１は、イオン注入技術を利用して、半導体層３０の裏層部に形成される。コレクタ領域３１は、コレクタ電極２０と電気的に接続している。バッファ領域３２は、イオン注入技術を利用して、半導体層３０の裏層部に形成される。バッファ領域３２は、コレクタ領域３１とドリフト領域３３の間に設けられている。ドリフト領域３３は、半導体層３０に他の半導体領域を形成した残部である。ドリフト領域３３は、バッファ領域３２とボディ領域３４の間に設けられている。ボディ領域３４は、イオン注入技術を利用して、半導体層３０の表層部に形成される。ボディ領域３４は、ドリフト領域３３とエミッタ領域３５の間に設けられている。エミッタ領域３５は、イオン注入技術を利用して、半導体層３０の表層部に形成される。エミッタ領域３５は、ボディ領域３４上に分散して設けられている。

トレンチゲート４０は、酸化シリコンの絶縁部４２と、その絶縁部４２内に埋設して設けられているポリシリコンの導電部４４を有する。導電部４４は、図示しない断面において、ゲート配線に電気的に接続されている。図２及び図３に示されるように、トレンチゲート４０はｚ軸方向に長く伸びており、その長手方向を共通とする複数のトレンチゲート４０がストライプ状に配置されている。図１に示されるように、縦型ＩＧＢＴ１０では、トレンチゲート４０の幅Ｗｔｒ（長手方向に直交する断面における横方向の幅）が幅広に形成されていることを１つの特徴としている。トレンチゲート４０の幅Ｗｔｒが幅広に形成されていると、コレクタ領域３１から供給された正孔は、幅広なトレンチゲート４０によってエミッタ電極５０への排出が抑制される。このため、縦型ＩＧＢＴ１０では、ドリフト領域３３内の正孔濃度が上昇し、低いオン電圧が実現される。

さらに、縦型ＩＧＢＴ１０では、導電部４４がトレンチゲート４０の側面近傍に偏在して設けられていることを１つの特徴としている。縦型ＩＧＢＴ１０のトレンチゲート４０は、一対の導電部４４を有しており、一方の導電部４４がトレンチゲートの一方の側面に偏在しており、他方の導電部４４がトレンチゲート４０の他方の側面に偏在している。一方の導電部４４と他方の導電部４４は、絶縁部４２によって分離されている。

図４に、トレンチゲート４０の一方の側面近傍の拡大断面図を示す。図４に示されるように、絶縁部４２は、ゲート絶縁部４２Ａと中央絶縁部４２Ｂを有している。ゲート絶縁部４２Ａは、導電部４４と半導体層３０の間に設けられている。ゲート絶縁部４２Ａの厚み（特に、導電部４４とボディ領域３４の間の厚み）等に基づいて、トレンチゲート４０のゲート閾値が調整される。中央絶縁部４２Ｂは、トレンチゲート４０の中央部に設けられている。中央絶縁部４２Ｂは、隣接する導電部４４を分離しており、トレンチゲート４０の底面においてドリフト領域３３に直接的に接触している。

図４に示されるように、導電部４４は、第１導電部４４ａと第２導電部４４ｂを有している。第１導電部４４ａは、トレンチゲート４０の側面４２ａに沿ってその側面４２ａに対して平行に伸びており、平板状の形態を有している。第１導電部４４ａは、トレンチゲート４０の上面４２ｃ側に位置する第１端部４４Ａと、トレンチゲート４０の底面４２ｂ側に位置する第２端部４４Ｂを有する。第１導電部４４ａは、トレンチゲート４０の長手方向（ｚ軸方向）に直交する断面において、第１端部４４Ａから第２端部４４Ｂまで伸びている。第２導電部４４ｂは、トレンチゲート４０の底面４２ｂに沿ってその底面４２ｂに対して平行に伸びており、平板状の形態を有している。第２導電部４４ｂは、トレンチゲート４０の側面４２ａ側に位置する第３端部４４Ｃと、トレンチゲート４０の中央側に位置する第４端部４４Ｄを有している。第２導電部４４ｂは、トレンチゲート４０の長手方向（ｚ軸方向）に直交する断面において、第３端部４４Ｃから第４端部４４Ｄまで伸びている。

第１導電部４４ａの第２端部４４Ｂと第２導電部４４ｂの第３端部４４Ｃが接触している。第２導電部４４ｂは、平面視したときに（ｘ方向から観測したときに）、第１導電部４４ａからトレンチゲート４０の中央に向けて突出している。図１に示されるように、第２導電部４４ｂの第４端部４４Ｄは、平面視したときに（ｘ方向から観測したときに）、トレンチゲート４０の側面４２ａと中央４１の間の中間位置４３を越えてトレンチゲート４０の中央に向けて突出していない。換言すると、第２導電部４４ｂは、トレンチゲート４０の幅方向（ｙ軸方向）において、トレンチゲート４０の側面４２ａからトレンチゲートの幅Ｗｔｒに対して２５％の範囲内に選択的に設けられている。

図６に、ＩＧＢＴ１０において、トレンチゲート４０の底面に加わる最大電界強度を示す。縦軸は、トレンチゲート４０の底面に加わる最大電界強度を示しており、第２導電部４４ｂの突き出し長さが「０」のときの最大電界強度を「１」として整理している。横軸は、平面視したときに、第２導電部４４ｂが第１導電部４４ａから突き出す長さを示す。突き出す長さとは、具体的には、図５に示されるように、第１導電部４４ａの横方向（ｙ軸方向）の幅をＷａとし、第２導電部４４ｂの横方向（ｙ軸方向）の幅をＷｂとしたときに、Ｗｂ−Ｗａに相当する。

図６に示されるように、第２導電部４４ｂの突き出す長さが大きくなるほど、トレンチゲート４０の底面に加わる最大電界強度が低下する。すなわち、縦型ＩＧＢＴ１０では、第２導電部４４ｂがトレンチゲート４０の中央に向けて突出していれば、トレンチゲート４０の底面に加わる最大電界強度が小さくなり、この結果、縦型ＩＧＢＴ１０の耐圧が向上する。

図７に、縦型ＩＧＢＴ１０のターンオン損失を示す。縦軸は、縦型ＩＧＢＴ１０のターンオン損失を示しており、第２導電部４４ｂの突き出し長さが「０」のときのターンオン損失を「１」として整理している。横軸は、トレンチゲート４０の側面と中央の間において、第２導電部４４ｂが占める割合を示す。第２導電部４４ｂが占める割合とは、図１を参照すると、トレンチゲート４０の側面から中央４１までの長さを基準としたときの、第２導電部４４ｂの長さの割合を示す。例えば、横軸の５０％は、第２導電部４４ｂがトレンチゲート４０の側面から中間位置４３まで伸びていることを示す（なお、ゲート絶縁膜の厚みは十分に薄いので、この結果に与える影響を無視してよい）。また、図７では、トレンチゲート４０の幅Ｗｔｒ及び第１導電部４４ａの横方向（ｙ軸方向）の幅Ｗａをパラメーターとして変化させている。

図７に示されるように、ターンオン損失は、トレンチゲート４０の側面４２ａと中央４１の間において、第２導電部４４ｂが５０％以上の範囲を占めていると急激に悪化する。このことは、トレンチゲート４０の幅Ｗｔｒ及び第１導電部４４ａの幅Ｗａに関わらず、一般的な事象である。すなわち、ターンオン損失は、第２導電部４４ｂがトレンチゲート４０の側面４１ａと中央４１の間の中間位置４３を越えない限り、低く維持される。

これらの結果から、縦型ＩＧＢＴ１０では、第２導電部４４がトレンチゲート４０の側面４２ａと中央４１の間の中間位置を４３越えない限りにおいて、トレンチゲート４０の底面４２ｂに沿って伸びていると、ターンオン損失を低く維持しながら、トレンチゲート４０の底面における電界集中を緩和して耐圧を向上させることができる。

図８に、縦型ＩＧＢＴ１０の変形例を示す。変形例の縦型ＩＧＢＴ１０では、第２導電部４４ｂの第４端部４４Ｄが、トレンチゲート４０の中央に向けて、トレンチゲート４０の底面４２ｂとの距離が大きくなるように曲面で形成されている。このような形態を有していると、第２導電部４４ｂの第４端部４４Ｄにおける最大電界強度がさらに緩和され、縦型ＩＧＢＴ１０の耐圧がさらに向上する。

（縦型ＩＧＢＴ１０の製造方法）
図９〜図１３を参照し、縦型ＩＧＢＴ１０の製造方法を説明する。以下では、トレンチゲート４０の製造工程のみを説明する。縦型ＩＧＢＴ１０に係る他の製造工程は、通常のＩＧＢＴの製造工程を利用することができる。

図９に示されるように、トレンチゲート４０を形成する領域を露出するように、半導体層３０の表面にレジスト層６２をパターニングする。

次に、図１０に示されるように、ドライエッチング技術を利用して、レジスト層６２から露出する半導体層３０をエッチングし、トレンチ４５を形成する。トレンチ４５は、ボディ領域３４を貫通してドリフト領域３３に達している。次に、熱酸化技術を利用して、トレンチ４５の内壁に熱酸化膜４６（請求項に記載の第１絶縁層に対応する）を形成する。この熱酸化膜４６のうちのトレンチ４５の側壁に形成されている部分は、図４及び８に示されるゲート絶縁部４２Ａとなる。熱酸化の後に、レジスト層６２が除去される。

次に、図１１に示されるように、半導体層３０の表面及びトレンチ４５の内壁に、ポリシリコンの導電部４４（請求項に記載の導電層に対応する）と窒化シリコン層６４（請求項に記載の犠牲層に対応する）を堆積する。この段階では、図１１に示されるように、熱酸化膜４６と導電部４４と窒化シリコン層６４の積層がトレンチ４５の内壁に沿って被膜されており、トレンチ４５はその積層によって完全に充填されておらず、トレンチ４５の中央部には空間が残されている。

次に、図１２に示されるように、ドライエッチング技術を利用して、導電部４４と窒化シリコン層６４をエッチバックし、破線で囲まれた部分の導電部４４と窒化シリコン層６４を選択的に除去する。特に、トレンチ４５内では、トレンチ４５の空間の底面に位置する導電部４４と窒化シリコン層６４が除去され、トレンチ４５の空間の側面に位置する導電部４４と窒化シリコン層６４が残存する。この後に、ウェットエッチング技術を利用して、トレンチ４５内に残存している窒化シリコン層６４を除去する。この結果、トレンチ４５内にＬ字形の導電部４４が形成される。

次に、図１３に示されるように、トレンチ４５内に酸化シリコン層４８（請求項に記載の第２絶縁層に対応する）を充填する。この後に、酸化シリコン４８の表面を平坦化することにより、図１に示されるトレンチゲート４０が形成される。

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。
例えば、上記の例では、半導体材料にシリコンを用いているが、シリコン以外の半導体材料でも本願明細書で開示される技術は有用である。シリコン以外の半導体材料としては、炭化珪素、ガリウム砒素、窒化ガリウム等の化合物半導体が挙げられる。
本明細書で開示される技術は、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等の半導体装置に適用可能である。特に、本明細書で開示される技術は、ＩＧＢＴに適用されるのが望ましい。ＩＧＢＴでは、低いオン電圧を実現するために、幅広なトレンチゲートを用いることがある。このようなトレンチゲートでは、本明細書で開示される技術を用いると、スイッチング損失を低く維持しながら、トレンチゲートの底面の電界集中による耐圧低下も抑制することができる。
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。

４０：トレンチゲート
４２：絶縁部
４４：導電部
４４ａ：第１導電部
４４ｂ：第２導電部
４４Ａ：第１端部
４４Ｂ：第２端部
４４Ｃ：第３端部
４４Ｄ：第４端部

Claims (2)

1. トレンチゲートを備える半導体装置であって、
   前記トレンチゲートは、絶縁部と、その絶縁部内に設けられている導電部を有しており、
   前記導電部は、前記トレンチゲートの上面側に位置する第１端部から前記トレンチゲートの底面側に位置する第２端部まで前記トレンチゲートの側面に沿って伸びている第１導電部と、前記トレンチゲートの側面側に位置する第３端部から前記トレンチゲートの中央側に位置する第４端部まで前記トレンチゲートの底面に沿って伸びている第２導電部を有しており、
   前記第１導電部の前記第２端部と前記第２導電部の前記第３端部が接触しており、
   前記第２導電部は、平面視したときに、前記第１導電部から前記トレンチゲートの中央に向けて突出しているとともに、前記トレンチゲートの側面と中央の間の中間位置を越えて中央に向けて突出しておらず、
   前記第２導電部の前記第４端部は、前記トレンチゲートの中央に向けて、前記トレンチゲートの底面との距離が大きくなるように形成されている、半導体装置。
2. 前記第２導電部の前記第４端部は、前記トレンチゲートの中央に向けて、前記トレンチゲートの底面との距離が大きくなるように曲面で形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
   

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