JP5978031B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に、高い逆方向回復耐量を有する高耐圧MOSFET、高耐圧ダイオードの素子構造に関する。
高耐圧のスイッチング動作回路を構成する素子として、高耐圧LDMOSFET(Laterally Diffused MOS FET)が挙げられる。
図1にLDMOSFETの適用例として、出力ドライバ回路の構成図を示す。本回路は、スイッチ素子1−1(n型チャネルLMOSFETで構成されることが多い) とスイッチ素子1−2(p型チャネルLDMOSFETで構成されることが多い) が交互にスイッチングするよう、各々のゲート電圧が、論理回路2により制御される。
図2は通常動作時の出力点3の電圧変化を模式的に示したものである。スイッチ素子1−2がON、スイッチ素子1−1がOFFのときに、出力点3は、電源線4−2にかかる正電位に上昇し、スイッチ素子1−1がON、スイッチ素子1−2がOFFのときに、出力点3は、電源線4−1にかかる負電位に降下する。よって、出力点3は、高圧電源線4−1、4−2の電位が、スイッチ素子1−1、1−2のON,OFFのタイミングで、上昇、降下するような動作をする。
以上の動作原理から本回路は大きなゲインを有し、超音波パルサICといった高圧電源を使用する装置に適用され、またこの回路の実現可否は、構成するLDMOSFETの性能に大きく関わる。
図3に従来のp型チャネルLDMOSFETの断面構造を示す。ドレインソース領域間の高電位差に耐えるため、ドレインソース領域間に薄い濃度のドリフト層6を有し、この部位で、高電圧が印加された際の電界を緩和し、高耐圧化させるのがLDMOSFETの特徴である。
また、本素子の特徴として、p型ドリフト層6と、n型半導体基板5で構成されるpn接合ダイオードが、寄生的に存在する。本ダイオードにより、ソース電位がドレイン電位に対し高くなった場合ドレイン領域17からソース領域16へ、電荷が流れる。図1に示すような出力ドライバ回路においては、出力点3に容量やインダクタンスを接続させるのが一般的使用環境であり、この容量やインダクタンスによって、スイッチ素子1−2がOFFからONに推移する際、スイッチ素子1−2のドレイン電位がソース電位以上に上昇する場合がある。この際、スイッチ素子1−2は上述した寄生ダイオードが動作し順方向電流が流れる。
図4は本動作時の出力点3の電圧変化を模式的に示したものである。期間101において、スイッチ素子1−2の寄生ダイオードは順方向状態であり、期間102において、スイッチ素子1−2の寄生ダイオードは逆方向状態となる。順方向状態直後に、スイッチ素子1−2がONからOFFに推移するため、寄生ダイオードには急激に逆方向電圧が印加される。この際、寄生ダイオードにはしばらくの間、逆方向に電流が流れる。これは、キャリアの伝導度変調によってダイオード内に蓄えられた少数キャリアが、急激な逆方向電圧の印加により高いエネルギーを持って引き戻されるからである。この逆方向電流はダイオードの「逆方向回復(リカバリ)電流」といわれる。この電流があるしきい値を超えると、過電流による発熱により破壊に至る。このため、寄生ダイオードには流すことの出来る順方向電流が制限され、破壊されない最大の順方向電流を一般に「逆方向回復耐量」という。pn接合ダイオードの逆方向回復耐量向上という課題に対しては、従来技術として、特許文献1に示すように、pn接合ダイオードのアノード側の表面にショットキー接触界面を持つ領域を設け、順方向時、少数キャリアの注入制限することで、逆方向時の逆電流量を低減、耐性向上する技術がある。また、特許文献2に示すように、半導体表面にアノード領域とカソード領域を選択的に形成した高耐圧ダイオードにおいて、アノード長とカソード長を異にすることで、アノード端部に、逆回復時に回りこむ電流量を低減し、電流集中による破壊を防ぎ、実質的に破壊耐量を向上が図れる技術が存在する。
特開2011−003727号公報 特開2003−224133号公報
本発明者らは、LDMOSの寄生ダイオードにおける逆方向回復耐量向上に際する課題をデバイスシミュレーションにおいて抽出した。
図5は、従来のLDMOSFETにおいて、寄生ダイオード動作に関わる平面レイアウト部位を模擬した、計算対象のプロファイル分布である。n型ドリフト層内部に、部分的にp型給電層からなるアノード領域と、n型給電層からなるカソード領域を形成した。ここで、n型ドリフト層18は、6.0E13cm-2のボロンドープのp型半導体基板に2.0E15cm-2のリンを拡散させ、p-ドリフト層19は1.0E16cm-2のボロンを拡散させ、p型給電層20は1.0E16cm-2のボロンを拡散させた。また、n型給電層21は1.0E19cm-2のリンを拡散させた。p型給電層20とn型給電層21の間隔は12.0μmとした。
図5に示す高耐圧ダイオードについて算出した逆方向回復時の等電位線(図6)、ホール分布(図7)、温度分布(図8)を示す。
逆方向回復状態は、p型給電層20に接続したアノード電極47、周辺電極48を0Vに固定した状態で、n型給電層21に接続したカソード電極46に-3Vを印加して順方向電流を流した状態から、100nsでカソード電極46を100Vに上昇させることで評価した。
図7に示すように、p型給電層20の長辺方向の端部に向けてホールが流れる。
また、図6に示すように、p型給電層20の長辺方向の端部から素子分離領域22にかけての電位勾配が急であり、電界強度が高くなっている。これはp型給電層と素子分離層22の間の領域が完全に空乏化していないためである。これらにより、p型給電層20の長辺方向の端部にて電流集中し、発熱する。
図8に示すように、p型給電層20の長辺方向の端部にて集中的に温度上昇がみられており、この部位が破壊し易いと考えられる。
以上の結果から、寄生ダイオードの逆方向回復耐性の向上に関し、アノードから注入されるホール量を抑制し、また、アノード領域端部へのホール電荷量を低減することが、有効であることを本発明者らは見出した。
従って、特許文献1および特許文献2に示されるダイオードに向けた技術をLDMOSの寄生ダイオードに適用することは、耐量向上に効果を有すると考える。
しかしながら、これら公知技術によるならば、副作用としてMOSFETの電流性能の低下を招く。具体的に、アノード部位をショットキー接合化した場合、給電部の抵抗が上昇することで、MOSFETのオン抵抗が上昇し、単位サイズ当たりの性能低下、素子サイズ増加等の副作用を招く。また、アノード長とカソード長を異にした場合、素子分離領域との間にある性能に寄与しない部位、デッドスペース領域の増加を招き、単位サイズ当たりの性能低下、素子サイズ増加等の副作用を招く。
本発明の目的は、LDMOSFETの電流性能に副作用を及ぼすことが少なく、LDMOS寄生ダイオードのアノード層からのキャリア注入量を抑え、寄生ダイオードの逆方向回復耐量を向上させることのできる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明のLDMOSFETは、半導体領域の表面層に、選択的にフィールド酸化膜が形成され、フィールド酸化膜が存在しない位置において、第1導電型の給電領域から形成される第1半導体領域と、反対の導電型である第2導電型のウェル領域および、その上層に形成された第1導電型および第2導電型の給電領域から形成される第2半導体領域を備えた半導体基板と、ゲート酸化膜を介して前記ウェル領域に対向するように配置されたゲート電極を有し、
上記給電領域は、長手方向端部において、フィールド酸化膜に対し、距離を空けて給電領域が形成されており、望ましくは、上記給電領域は、長手方向に、所定の間隔を置いて、断続的に形成され、本給電領域が、第1半導体領域に適用されることを特徴とする。
本発明によれば、高耐圧LDMOSFETの電流性能の低下を抑制し、かつ、寄生ダイオードの逆方向回復耐量を向上することが可能である。 また、従来に比べて素子サイズの縮小が可能である。
さらに、高耐圧ダイオードに適用した場合、同様に逆方向回復耐量を向上することが可能である。
高圧出力ドライバの回路図である。 高圧出力ドライバ回路、通常動作時の出力点3の電圧変化の模式図である。 従来のp型チャネルLDMOSFET構造を示す断面図である。 高圧出力ドライバ回路、特異動作時の出力点3の電圧変化の模式図である。 従来のp型チャネルLDMOSFET構造平面図であり、寄生ダイオード動作を示す部位を抽出した図である。 従来のp型チャネルLDMOSFET、寄生ダイオード、逆方向回復時の電位分布を示す図である。 従来のp型チャネルLDMOSFET、寄生ダイオード、逆方向回復時のホール分布を示す図である。 従来のp型チャネルLDMOSFET、寄生ダイオード、逆方向回復時の素子温度分布を示す図である。 本発明の第1実施形態に係るp型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、平面図を示す。 本発明の第1実施形態に係るp型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、(a)に図9の断面図(A−A’)、(b)に図9の断面図(B−B’)を示す。 図10の断面図であって、LDMOSFETの寄生ダイオードの逆方向回復耐量を実測する評価回路の回路図である。 本発明の第1実施形態に係るp型チャネルLDMOSFET構造の効果を示す実測結果を示す図である。 本発明の第1実施形態に係るp型チャネルLDMOSFET構造の効果、副作用の無い点を示す実測結果を示す図である。 本発明の第2実施形態に係るp型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、平面図示す。 図14の断面図であって、本発明の第2実施形態に係るp型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、(a)に断面図(A−A’)、(b)に断面図(B−B’)を示す。 本発明の第2実施形態に係るp型チャネルLDMOSFET構造の効果を示す実測結果を示す図である。 本発明の第2実施形態に係るp型チャネルLDMOSFET構造の効果、副作用の無い点を示す実測結果を示す図である。 本発明の第3実施形態に係るn型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、平面図を示す。 図18の断面図であって、本発明の第3実施形態に係るn型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、(a)に断面図(A−A’)、(b)に断面図(B−B’)を示す。 本発明の第4実施形態に係るダイオードの構造を示す図であり、平面図示す。 図20の断面図であって、本発明の第4実施形態に係るダイオードの構造を示す図であり、(a)に断面図(A−A’)、(b)に断面図(B−B’)を示す。 本発明の第5実施形態に係るn型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、平面図を示す。 図22の断面図であって、本発明の第5実施形態に係るn型チャネルLDMOSFETの構造を示す図であり、(a)に断面図(A−A’)、(b)に断面図(B−B’)を示す。
以下の説明の導電型は一例であり、それぞれの実施例におけるn型、p型それぞれを逆極性としても同様の効果が期待できるものである。
図9は本発明の第1の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す平面図、図10は本発明の第1の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す断面図(図9の断面図である。)である。n型基板23表面上にフィールド酸化膜を選択的に形成し、薄い濃度のp型ドリフト層24をインプラ・拡散により形成する。
次に、ゲート酸化膜32、ゲート電極31をパターニングして形成するにより、ゲート領域を形成する。
さらに、ゲート領域に対し、n型ウェル層26をセルフアラインでインプラ、拡散させることにより、チャネル領域を形成する。更にn型ウェル層26のn型給電層27、ソースp型給電層28、ドレインp型給電層25をインプラ、拡散により形成する。
ここで、ドレインp型給電層25はドレイン端部をマスクしてインプラ形成することで、ドレインp型給電層25とフィールド酸化膜11の間に、p型給電層の無いスペースとしての領域36(以下、これを「スペース」とも言う。)を設ける。また、素子分離層30を形成する。
最後に、n型ウェル給電層27とソースp型給電層28に電気的に接続したソースプラグを通してソース電極33を形成し、ドレインp型給電層25に電気的に接続したドレインプラグを通してドレイン電極32を形成することで、本発明ポイント1を適用したp型チャネルLDMOSFETが形成される。
図12は、逆方向回復耐量を実測にて確認した結果である。
図11に測定方法を示す。ドレイン領域端部の給電領域とフィールド酸化膜間距離をパラメータとしたLDMOSFETに対し、ドレイン端子に、電源39によりパルス電圧を印加する。一方、ゲート端子を短絡させたソース端子には、DC電源40で150Vの電圧を印加する。本測定により、LDMOSFETの寄生ダイオード38が、パルス電圧印加時に、順方向状態となり、順方向電流が流れ、パルス電圧が立ち下がる際、逆方向状態に推移、即ち、逆方向回復状態に陥る。
そして、本測定においては、破壊直前に流せる最大順方向電流を逆方向回復耐量とした。ドレイン領域端部の給電領域、フィールド酸化膜間の距離を増大させると逆方向回復耐量が増加することがわかる。
本結果は、寄生ダイオードのアノードとして動作するドレイン領域の給電p+層端部の濃度が減少し、順方向時に本部位から注入されるホール量が減少、逆方向回復時に本部位に集中するホール量が減少することで、電流の集中が避けられた効果である。
図13は、本発明を適用したLDMOSFETの電流性能の実測結果である。ドレインp型給電層をドレイン端部フィールド酸化膜から距離を空けて形成した場合でも、FET電流性能は変化しない点が確認できる。これは、FET全体のオン抵抗に対し、ドレイン端部の給電部位の抵抗が占める割合が非常に小さいためである。以上より、高耐圧LDMOSFETの電流性能に影響を及ぼすことなく、本実施例によれば、寄生ダイオードの逆方向回復耐量を向上することができる。
図14は本発明の第2の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す平面、図15は本発明の第2の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す断面図(図14の断面図である。)である。
n型基板23表面上にフィールド酸化膜を選択的に形成し、薄い濃度のp型ドリフト層24をインプラ・拡散により形成する。
次に、ゲート酸化膜32、ゲート電極31のパターニングにより、ゲート領域を形成する。
次に、ゲート領域に対し、n型ウェル層26をセルフアラインでインプラ、拡散させることで、チャネル領域を形成する。
更にn型ウェル層26のn型給電層27、ソースp型給電層28、ドレインp型給電層25をインプラ、拡散により形成する。
ここで、ドレインp型給電層25はドレイン端部をマスクしてインプラ形成することで、ドレインp型給電層25とフィールド酸化膜11の間に、p型給電層の無いスペース領域36を設ける。
さらに、ドレイン領域中央部においても、所定の間隔を置いてマスクしてインプラ形成することで、p型給電層が存在する部位と存在しない部位を交互に、断続状に形成する。そして、素子分離層30を形成する。最後に、n型ウェル給電層27とソースp型給電層28に電気的に接続したソースプラグを通してソース電極33を形成し、ドレインp型給電層25に電気的に接続したドレインプラグを通してドレイン電極32を形成することで、本発明ポイント1を適用したp型チャネルLDMOSFETが形成される。
図16は、逆方向回復耐量を実測にて確認した結果である。
ここで、ドレイン給電層26の幅/間隔をパラメータとして測定を実施した。ドレイン中央部給電領域において、間隔に対する幅の割合を縮小させる(つまり、スペースを増大させる。)と、逆方向回復耐量が増加することがわかる。本結果は、寄生ダイオードのアノードとして動作するドレイン領域の給電p+層の濃度が減少し、順方向時に注入されるホール量が減少、逆方向回復時に給電層に戻るホール量が減少することで、電流の集中を低減できた効果を示すものである。また、電流が集中しやすい、アノードの端部が、給電層を断続形成する事で、増加し、1つの端部当たりの集中電流量が減少、破壊耐性が向上した効果である。
図17は、本発明を適用したLDMOSFETの電流性能の実測結果である。ドレインp型給電層を断続化した場合でも、FET電流性能は変化しない点が確認できる。これは、FET全体のオン抵抗に対し、ドレインの給電部位の抵抗が占める割合が非常に小さいためである。以上より、高耐圧LDMOSFETの電流性能に影響を及ぼすことが実質的にないことがわかる。本実施例によれば、寄生ダイオードの逆方向回復耐量を向上する。
図18は本発明の第3の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す平面、図19は本発明の第3の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す断面図(図18の断面図である。)である。
n型基板23の表面上にフィールド酸化膜11を選択的に形成する。
次に、ゲート酸化膜32、ゲート電極31のパターニングにより、ゲート領域を形成する。
次に、ゲート領域に対し、p型ウェル層41をセルフアラインでインプラ、拡散させる事で、チャネル領域を形成する。更にp型ウェル層41のp型給電層28、ソースn型給電層27、ドレインn型給電層38をインプラ、拡散により形成する。ここで、ソース領域のp型給電層28はソース端部をマスクしてインプラ形成することで、ソースn型給電層27とゲート電極31の間に、p型給電層の無いスペース36を設ける。
さらに、ソース領域中央部においても、所定の間隔を置いてマスクしてインプラ形成することで、p型給電層が存在する部位と存在しない部位を交互に、断続状に形成する。
そして、素子分離層30を形成する。最後に、p型ウェル給電層28とソースn型給電層27に電気的に接続したソースプラグを通してソース電極33を形成し、ドレインn型給電層38に電気的に接続したドレインプラグを通してドレイン電極32を形成することで、本発明ポイント1を適用したn型チャネルLDMOSFETが形成される。
図20は本発明の第4の実施例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す平面、図21は本発明の第4の実施例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図(図20の断面図である。)である。n型基板23表面上にフィールド酸化膜を選択的に形成し、薄い濃度のp型ドリフト層24をインプラ・拡散により形成する。
次に、ゲート酸化膜32、ゲート電極33をパターニング、形成する。次に、ゲート電極31に対し、n型ウェル層26をセルフアラインでインプラ、拡散させる。更にn型ウェル層26のn型給電層27、アノードp型給電層25をインプラ、拡散により形成する。ここで、アノードp型給電層25はアノード端部をマスクしてインプラ形成することで、アノードp型給電層25とフィールド酸化膜11の間に、p型給電層の無いスペース36を設ける。さらに、アノード領域中央部においても、所定の間隔を置いてマスクしてインプラ形成することで、p型給電層が存在する部位と存在しない部位を交互に、断続状に形成する。
そして、素子分離層30を形成する。最後に、n型ウェル給電層27に電気的に接続したカソードプラグを通してカソード電極42を形成し、アノードp型給電層25に電気的に接続したアノードプラグを通してアノード電極44を形成し、ゲート電極31をカソード電極42に電気的に接続することで、本発明ポイント1を適用した高耐圧ダイオードが形成される。
図22は本発明の第5の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す平面、図23は本発明の第5の実施例に係る高耐圧LDMOSFETの素子構造を示す断面図(図22の断面図である。)である。
n型基板23の表面上にフィールド酸化膜11を選択的に形成する。
次に、ゲート酸化膜32、ゲート電極31のパターニングにより、ゲート領域を形成する。
次に、ゲート領域に対し、p型ウェル層41をセルフアラインでインプラ、拡散させる事で、チャネル領域を形成する。更にp型ウェル層41のp型給電層28、ソースn型給電層27、ドレインn型給電層38をインプラ、拡散により形成する。ここで、ソース領域のp型給電層28はソース端部をマスクしてインプラ形成することで、ソースn型給電層27とゲート電極31の間に、p型給電層の無いスペース36を設ける。
そして、素子分離層30を形成する。最後に、p型ウェル給電層28とソースn型給電層27に電気的に接続したソースプラグを通してソース電極33を形成し、ドレインn型給電層38に電気的に接続したドレインプラグを通してドレイン電極32を形成することで、本発明ポイント1を適用したn型チャネルLDMOSFETが形成される。
1−1 スイッチ素子(n型LDMOSFET)
1−2 スイッチ素子(p型LDMOSFET)
3 出力点
4−1 負高圧電源線
4−2 正高圧電源線
5 n型半導体基板
6 p型ドリフト層
7 p型給電層
8 n型ウェル層
9 p型給電層
10 n型給電層
11 フィールド酸化膜
12 ゲート電極
13 ゲート酸化膜
14 ソース電極
15 ドレイン電極
16 ソース領域
17 ドレイン領域
18 n型ドリフト層
19 p型ドリフト層
20 p型給電層
21 n型給電層
22 素子分離領域
23 高温領域
24 p型ドリフト層
25 p型給電層
26 n型ウェル層
27 n型給電層
28 p型給電層
29 ゲート電極
30 素子分離領域
31 ゲート電極
32 ゲート酸化膜
33 ソース電極
34 ドレイン領域
35 ソース領域
36 端部スペース
37 ドレイン領域端部の給電領域とフィールド酸化膜間距離をパラメータとしたLDMOSFET
38 寄生ダイオード
39 高電圧パルス電源
40 高電圧DC電源
41 p型ウェル層
42 カソード電極
43 カソード領域
44 アノード電極
45 アノード領域
46 カソード電極
47 アノード電極
48 素子周辺電極

Claims (6)

  1. 半導体基板と、
    半導体基板上に存在する半導体領域の表面部分に選択的に設けられたフィールド酸化膜と、
    前記フィールド酸化膜の近傍に設けられ、かつ、p型の給電を有するp型ドレインと、
    前記フィールド酸化膜の近傍に設けられ、かつ、p型の給電層(28)を有するp型のソースと、
    ゲート酸化膜を介して、かつ、ウェル領域に対向するように設けられたゲート電極とを有し、
    前記p型の給電層には、前記半導体基板上のp型ドリフト領域上に選択的にp+層が設けられ
    前記p型給電層の前記p+層が設けられた部分および前記p+層が設けられずに前記p型ドリフト領域が表れている部分の両方と前記ドレイン電極とが電気的に接続していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記p型ドリフト領域は、前記フィールド酸化膜に接して設けられ、かつ、前記フィールド酸化膜に対して前記半導体基板側に設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記p型給電層は幅よりもその幅方向と直角な長手方向の寸法の方が大きい細長い層形状となっており、そのp型給電層の両端部およびそれに近い領域には前記p+層が設けられずに前記p型ドリフト層が表れている部分とし、かつ、前記p型給電層の中間部分の領域を前記p+層が設けられた部分とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記p型給電層は幅よりもその幅方向と直角な長手方向の寸法の方が大きい細長い形状となっており、
    前記p+層が設けられた部分が複数あり、
    前記p+層が設けられずに前記p型ドリフト領域が表れている部分が複数あり、
    前記長手方向に向かって、前記p+層が設けられた部分と前記p+層が設けられずに前記p型ドリフト領域が表れている部分とが交互に設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. アノード電極、ゲート電極およびカソード電極とを有し、前記ゲート電極および前記カソード電極とを電気的に接続することにより、ダイオードとして機能することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  6. 前記半導体基板がSOI基板であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
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