JP5983658B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
例えば、特許文献1には、横型のMISFETを備える半導体装置が開示されている。この半導体装置では、n型活性領域の上面側に、半導体基板の上面に臨む範囲に形成され、n型活性領域よりもn型不純物濃度が低いn型ドリフト領域を備える。これにより、オン動作時に電流が半導体基板の上面領域を集中して流れることの抑制が図られている。
特開2012−209459号公報
しかしながら、特許文献1の半導体装置では、オン動作時に、n型活性領域の上面近傍に電流が集中して流れる傾向がある。n型活性領域の上面近傍に電流が集中して流れることにより、半導体装置が局所的に発熱し易くなる。
本発明は、局所的な発熱を抑制することができる半導体装置を提供する。
本発明の第1態様における半導体装置は、ソース電極と、ゲート電極と、ドレイン電極と、第1導電型の第1領域と、第2導電型の第2領域と、第1導電型の第3領域と、第1導電型の第4領域を有している。第1領域は、半導体基板における上面に臨む範囲に形成されており、ソース電極と接続されている。第2領域は、上面に臨む範囲に形成されており、第1領域に接しており、ゲート電極に対してゲート絶縁膜を介して対向している。第3領域は、上面に臨む範囲に形成されており、ドレイン電極と接続されている。第4領域は、上面に臨む範囲に形成されており、第2領域と第3領域の間に形成されており、第2領域と第3領域の間における上面に臨む範囲に形成されている第1ドリフト領域と、第1導電型不純物濃度が第1ドリフト領域よりも高く、第2領域と第3領域の間における第1ドリフト領域に接している第2ドリフト領域と、第1導電型不純物濃度が第1ドリフト領域よりも低く、第2領域と第2ドリフト領域の間に形成されている低濃度ドリフト領域、を有しており、第1ドリフト領域と第2ドリフト領域は、それぞれ第3領域と接しており、第1ドリフト領域が第2ドリフト領域よりも第2領域側に突出している。
上記態様により、局所的な発熱を抑制することができる。
上記態様において、第2ドリフト領域が、第1ドリフト領域における前記半導体基板の上面に平行な平面上における横側に形成されていてもよい。この構成によると、半導体装置のオン動作時に電流が流れる経路を、横方向に分散させることができる。
上記態様において、第1ドリフト領域が、第2領域に接していてもよい。この構成によると、チャネルを通過した後に第1ドリフト領域にキャリアが導入されるまでの間の抵抗が小さくなる。これにより、半導体装置を低損失化することができる。
第1実施例の半導体装置の断面図を示す。 第1実施例の半導体装置のオン動作時の状態を模式的に示す。 第1実施例におけるドーパント量の平均値の分布を概略的に表すグラフ及び電界強度を概略的に表すグラフを示す。 第2実施例の半導体装置の平面図を模式的に示す。 図4の半導体装置のV‐V断面図を示す。 図4の半導体装置のVI‐VI断面図を示す。 図4の半導体装置のVII‐VII断面図を示す。 図4の半導体装置のオン動作時の状態を模式的に示す。
(第1実施例)
図1に示すように、本実施例の半導体装置10は、主にSiからなる半導体基板11を有している。半導体基板11は、裏面層12と、裏面層12の上面側(図1の上側)に形成されている埋込絶縁膜14と、埋込絶縁膜14の上面側に形成されている半導体層16とを有している。また、半導体基板11の上面には、ゲート絶縁膜60と、LOCOS酸化膜62と、ソース電極70と、ゲート電極80と、ドレイン電極90と、金属配線等(図示しない)とが設けられている。本実施例の半導体装置10は、横型のnチャネル型MOSFETである。
半導体層16内には、n型のソース領域20と、p型のボディ領域30と、n型のドレイン領域40と、n型のドリフト領域50とが設けられている。ソース領域20、ボディ領域30、ドレイン領域40、ドリフト領域50は、それぞれ、半導体層16の上面に臨む範囲に形成されている。また、ドリフト領域50は、ボディ領域30とドレイン領域40の間に設けられている。
ソース領域20は、半導体層16の上面に露出する範囲に形成されている。ソース領域20のn型不純物濃度は、ドリフト領域50のn型不純物濃度よりも高い。ソース領域20の上面には、ソース電極70が接続されている。
ボディ領域30はp型不純物濃度が高い高濃度領域34と、高濃度領域34に比べてp型不純物濃度が低い低濃度領域32とを有している。ボディ領域30は、ソース領域20に接している。また、ボディ領域30は、埋込絶縁膜14の上面に接する深さまで形成されている。ボディ領域30は、ゲート電極80に対してゲート絶縁膜60を介して対向している。ボディ領域30は、ソース電極70に接続されている。
ドリフト領域50は、ボディ領域30とドレイン領域40に接している。ドリフト領域50は、ボディ領域30によってソース領域20から分離されている。ドリフト領域50は、第1ドリフト領域52と、第2ドリフト領域54と、第3ドリフト領域56と、低濃度ドリフト領域58とを有している。第1ドリフト領域52のn型不純物濃度N1と、第2ドリフト領域54のn型不純物濃度N2と、第3ドリフト領域56のn型不純物濃度N3と、低濃度ドリフト領域58のn型不純物濃度N4の関係は、N4<N1<N2<N3である。
第1ドリフト領域52は、ボディ領域30とドレイン領域40との間の半導体層16の上面に臨む範囲に形成されている。第1ドリフト領域52は、ドレイン領域40に接している。第1ドリフト領域52は、第2ドリフト領域52よりもボディ領域30側に突出している。また、第1ドリフト領域52は、ボディ領域30に接している。
第2ドリフト領域54は、第1ドリフト領域52の下方に設けられており、第1ドリフト領域52に接している。ここで、「下方」とは、半導体基板11の上面から遠い側を意味する。以下本明細書において同様である。また、第2ドリフト領域54は、ドレイン領域40にも接している。第2ドリフト領域54は、第3ドリフト領域56よりもボディ領域30側に突出している。ただし、第2ドリフト領域54は、ボディ領域30には接していない。
第3ドリフト領域56は、第2ドリフト領域54の下方に設けられており、第2ドリフト領域54に接している。また、第3ドリフト領域56は、ドレイン領域40にも接している。第3ドリフト領域56も、ボディ領域30には接していない。
低濃度ドリフト領域58は、ボディ領域30と第2ドリフト領域54の間、及び、ボディ領域30と第3ドリフト領域56の間に形成されている。
ドレイン領域40は、n型不純物濃度が高い高濃度領域44と、高濃度領域44に比べてn型不純物濃度が低い低濃度領域42とを有している。ドレイン領域40は、埋込絶縁膜14の上面に接する深さまで形成されている。また、ドレイン領域40は、ドリフト領域50に接している。ドレイン領域40の上面には、ドレイン電極90が接続されている。
本実施例では、上記の第1ドリフト領域52、第2ドリフト領域54、及び、第3ドリフト領域56は、ドレイン領域40のうちの低濃度領域42に接している。低濃度領域42のn型不純物濃度は、第1ドリフト領域52、第2ドリフト領域54、及び、第3ドリフト領域56のそれぞれのn型不純物濃度よりも高い。ただし、低濃度領域42のn型不純物濃度は、第1ドリフト領域52、第2ドリフト領域54、及び、第3ドリフト領域56のいずれか、またはすべてのn型不純物濃度よりも低くてもよい。
図1に示すように、ゲート絶縁膜60は、ボディ領域30の上面と、ドリフト領域50の一部の上面に亘って形成されている。LOCOS酸化膜62は、ゲート絶縁膜60が形成されていない部分のドリフト領域50の上面に形成されている。ゲート電極80は、ゲート絶縁膜60の上面、及び、LOCOS酸化膜62の一部の上面に亘って形成されている。上記の通り、ゲート電極80は、ゲート絶縁膜60を介して、ソース領域20と第1ドリフト領域52を分離している範囲のボディ領域30と対向する。
次に、本実施例の半導体装置10の動作を説明する。ソース電極70とドレイン電極90の間に、ドレイン電極90がプラスとなる電圧(即ち、半導体装置10に対する順電圧)を印加し、ゲート電極80に所定のオン電位を印加すると、半導体装置10がオンする。即ち、ソース領域20とドリフト領域50の間のボディ領域30の上面付近にn型のチャネル(図示省略)が形成され、ソース領域20からチャネルを通ってドリフト領域50及びドレイン領域40に向けてキャリア(電子)が移動する。これにより、ドレイン電極90からソース電極70に電流が流れる。
図2を参照して、半導体装置10のオン動作時の電子の動きについて詳しく説明する。チャネルを通過した電子は、第1ドリフト領域52に導入される。上記の通り、第1ドリフト領域52は、ボディ領域30とドレイン領域40との間の半導体層16の上面に臨む範囲に形成されている。言い換えると、第1ドリフト領域52は、ボディ領域30に形成されるチャネルに近い位置に形成されている。さらに、第1ドリフト領域52は、ボディ領域30に接している。また、第1ドリフト領域52のn型不純物濃度N1は、低濃度ドリフト領域58のn型不純物濃度N4よりも高い。n型不純物濃度が高い第1ドリフト領域52は、n型不純物濃度が低い低濃度ドリフト領域258に比べて電子が流れやすい(即ち、抵抗が小さい)。従って、n型チャネルを通過した電子の大部分は、低濃度ドリフト領域58ではなく、第1ドリフト領域52に導入される。
第1ドリフト領域52に導入された電子のうちの一部は、第1ドリフト領域52内を通過し、ドレイン領域40内に導入される。一方、第1ドリフト領域52に導入された電子のうちの他の一部は、第1ドリフト領域54と接している第2ドリフト領域54内に導入される。上記の通り、第2ドリフト領域54のn型不純物濃度N2は、第1ドリフト領域52のn型不純物濃度N1よりも高い。そのため、第2ドリフト領域54は、第1ドリフト領域52に比べて電子が流れやすい(即ち、抵抗が小さい)。従って、第1ドリフト領域52に導入された電子のうちの他の一部は、第2ドリフト領域54内に導入される。
同様に、第2ドリフト領域54に導入された電子のうちの一部は、第2ドリフト領域54内を通過し、ドレイン領域40内に導入される。第2ドリフト領域54に導入された電子のうちの他の一部は、第2ドリフト領域54と接している第3ドリフト領域56内に導入される。第3ドリフト領域56内に導入された電子は、第3ドリフト領域56内を通過し、ドレイン領域40内に導入される。
このように、本実施例の半導体装置10では、オン動作時にn型チャネルを通過した電子が、第1ドリフト領域52、第2ドリフト領域54、及び、第3ドリフト領域56に分散されてドレイン領域40に導入される。その結果、ドリフト領域50とドレイン領域40との境界における電界集中が緩和される。さらに、半導体装置10のオン動作時に電流が流れる経路が上下に分散され、半導体装置10の局所的な発熱を抑制することができる。
図3のグラフ104は、ソース領域20とドレイン領域40の間の半導体層16内の深さ方向におけるドーパント量の平均値の分布を概略的に示している。また、図3のグラフ100は、半導体装置10がオフしているときにおけるソース領域20とドレイン領域40の間の半導体層16の電界強度を概略的に示している。上述したように、ドリフト領域50内において、n型不純物濃度が高い第2ドリフト領域54及び第3ドリフト領域56がドレイン領域40側に偏って配置されている。このため、グラフ104に示すように、ドリフト領域50内の深さ方向におけるドーパント量の平均値は、ドレイン領域40に近づくほど高くなる。このようにドーパント量の平均値が分布していることにより、半導体装置10がオフしているときに、グラフ100に示すように半導体層16内に電界が分布する。
また、図3のグラフ102は、比較例の半導体装置がオフしているときにおけるソース領域20とドレイン領域40の間の半導体層16の電界強度を概略的に示している。なお、比較例の半導体装置では、ドリフト領域50内において深さ方向におけるn型不純物濃度(ドーパント量)の平均値が一定である。このようにドーパント量の平均値が分布していると、半導体装置がオフしているときに、グラフ102に示すように電界が分布する。
グラフ100とグラフ102を比較することで明らかなように、比較例の半導体装置では、本実施例の半導体装置10に比べて、ボディ領域30とドリフト領域50との境界部分に電界が集中し易い。すなわち、実施例の半導体装置10では、半導体層16内における電界集中が抑制される。これは、グラフ104に示すようにドリフト領域50内のドーパント量がドレイン領域40側ほど高くなっているためである。そのため、実施例の半導体装置10では、耐圧が高い。
また、本実施例の半導体装置10では、第1ドリフト領域52が、ボディ領域30に接しているため、第1ドリフト領域52が、ボディ領域30に接していない場合に比べて、チャネルを通過した後に第1ドリフト領域52にキャリアが導入されるまでの間の抵抗が小さい。そのため、半導体装置10のオン動作時における損失が小さい。
なお、上述した実施例において、低濃度ドリフト層58のn型不純物濃度N4は、例えば、1×1015atoms/cm未満である。また、第1ドリフト層52のn型不純物濃度N1は、例えば、1×1015atoms/cm以上かつ1×1016atoms/cm未満である。また、第2ドリフト層54のn型不純物濃度N2は、例えば、1×1016atoms/cm以上かつ1×1017atoms/cmである。また、第3ドリフト層56のn型不純物濃度N3は、例えば、1×1017atoms/cm以上である。
以上、本実施例の半導体装置10の構造及び動作について説明した。本実施例のソース領域20が「第1領域」の一例である。ボディ領域30が「第2領域」の一例である。ドレイン領域40が「第3領域」の一例である。ドリフト領域50が「第4領域」の一例である。
(第2実施例)
続いて、図4〜図8を参照して、第2実施例の半導体装置200について、第1実施例と異なる点を中心に説明する。本実施例の半導体装置200も、その基本構成は第1実施例と共通する。ただし、本実施例の半導体装置200は、ドリフト領域250の構造が、第1実施例とは異なる。
図4に示すように、本実施例のドリフト領域250も、第1ドリフト領域252と、第2ドリフト領域254a、254bと、第3ドリフト領域256a、256bと、低濃度ドリフト領域258とを有している。本実施例でも、第1ドリフト領域252のn型不純物濃度N1と、第2ドリフト領域254a、254bのn型不純物濃度N2と、第3ドリフト領域256a、256bのn型不純物濃度N3と、低濃度ドリフト領域258のn型不純物濃度N4の関係は、N4<N1<N2<N3である。ただし、本実施例では、図4〜図7に示すように、第1ドリフト領域252の両側方に第2ドリフト領域254a、254bが設けられ、第2ドリフト領域254aの側方に第3ドリフト領域256aが設けられ、第2ドリフト領域254bの側方には第3ドリフト領域256bが設けられている点が第1実施例とは異なる。ここで、「側方」とは、前記半導体基板11の上面に平行な平面上における横側を意味する。以下、本明細書において同様である。なお、図4では、ゲート絶縁膜、LOCOS酸化膜、各種電極等の図示を省略している。
図4及び図5に示すように、第1ドリフト領域252は、ボディ領域30とドレイン領域40との間の半導体層16の上面に臨む範囲に形成されている。第1ドリフト領域252は、ドレイン領域40に接している。第1ドリフト領域252は、第2ドリフト領域252よりもボディ領域30側に突出している。また、第1ドリフト領域252は、ボディ領域30に接している。
図4に示すように、本実施例では、第1ドリフト領域252の一方の側方に第2ドリフト領域254aが設けられ、他方の側方に第2ドリフト領域254bが設けられている。第2ドリフト領域254a、254bは、いずれも第1ドリフト領域252に接している。また、図4及び図6に示すように、第2ドリフト領域254a、254bは、ドレイン領域40にも接している。第2ドリフト領域254a、254bは、第3ドリフト領域256a、256bよりもボディ領域30側に突出している。ただし、第2ドリフト領域254a、254bは、ボディ領域30には接していない。
図4に示すように、本実施例では、第2ドリフト領域254aのうちの第1ドリフト領域252と接している側と反対側に第3ドリフト領域254aが設けられている。同様に、第2ドリフト領域254bのうちの第1ドリフト領域252と接している側と反対側に第3ドリフト領域254bが設けられている。第3ドリフト領域256a、256bは、それぞれ、第2ドリフト領域254a、254bに接している。また、図4及び図7に示すように、第3ドリフト領域256a、256bは、ドレイン領域40にも接している。第3ドリフト領域56も、ボディ領域30には接していない。
本実施例でも、低濃度ドリフト領域258のn型不純物濃度は、第1ドリフト領域252のn型不純物濃度よりも低い。低濃度ドリフト領域258は、ボディ領域30とドレイン領域40の間に形成されている。
次に、図8を参照して、本実施例の半導体装置200のオン動作時の電子の動きについて詳しく説明する。本実施例でも、n型チャネルを通過した電子は、第1ドリフト領域252に導入される。上記の通り、第1ドリフト領域252は、ボディ領域30とドレイン領域40との間の半導体層16の上面に臨む範囲に形成されている(図5参照)。即ち、第1ドリフト領域252は、ボディ領域30に形成されるチャネルに近い位置に形成されている。さらに、第1ドリフト領域252は、ボディ領域30に接している。また、第1ドリフト領域252のn型不純物濃度N1は、低濃度ドリフト領域258のn型不純物濃度N4よりも高い。そのため、第1ドリフト領域252は、低濃度ドリフト領域258に比べて電子が流れやすい(即ち、抵抗が小さい)。従って、チャネルを通過した電子の大部分は、低濃度ドリフト領域258ではなく、第1ドリフト領域252に導入される。
第1ドリフト領域252に導入された電子のうちの一部は、第1ドリフト領域252内を通過し、ドレイン領域40内に導入される。一方、第1ドリフト領域252に導入された電子のうちの他の一部は、第1ドリフト領域252と接している第2ドリフト領域254a、254b内に導入される。上記の通り、第2ドリフト領域254a、254bのn型不純物濃度N2は、第1ドリフト領域252のn型不純物濃度N1よりも高い。そのため、第2ドリフト領域254a、254bは、第1ドリフト領域252に比べて電子が流れやすい。従って、第1ドリフト領域252に導入された電子のうちの他の一部は、第2ドリフト領域254a、254b内に導入される。
同様に、第2ドリフト領域254a、254bに導入された電子のうちの一部は、それぞれ、第2ドリフト領域254a、254b内を通過し、ドレイン領域40内に導入される。第2ドリフト領域254a、254bに導入された電子のうちの他の一部は、それぞれ、第2ドリフト領域254a、254bと接している第3ドリフト領域256a、256b内に導入される。第3ドリフト領域256a、256b内に導入された電子は、第3ドリフト領域256a、256b内を通過し、ドレイン領域40内に導入される。
このように、本実施例の半導体装置200では、オン動作時にチャネルを通過した電子が、第1ドリフト領域252、第2ドリフト領域254a、254b、及び、第3ドリフト領域256a、256bに分散されてドレイン電極90方向へ移動する。その結果、半導体装置10のオン動作時に電流が流れる経路が横方向に分散され、半導体装置200の局所的な発熱を抑制することができる。
なお、上述した実施例において、低濃度ドリフト層258のn型不純物濃度N4は、例えば、1×1015atoms/cm未満である。また、第1ドリフト層252のn型不純物濃度N1は、例えば、1×1015atoms/cm以上かつ1×1016atoms/cm未満である。また、第2ドリフト層254a、254bのn型不純物濃度N2は、例えば、1×1016atoms/cm以上かつ1×1017atoms/cmである。また、第3ドリフト層256a、256bのn型不純物濃度N3は、例えば、1×1016atoms/cm以上である。
以上、本明細書に開示の技術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、以下の変形例を採用してもよい。
(変形例1)上記の各実施例では、第1ドリフト領域52、252は、ボディ領域30に接している。これに限られず、第1ドリフト領域52、252は、第2ドリフト領域54、254a、254bよりもボディ領域30側に突出していれば、ボディ領域30と接していなくてもよい。即ち、第1ドリフト領域52、252とボディ領域30の間に、低濃度ドリフト領域58、258の一部が存在していてもよい。この場合、半導体装置10、200のオン動作時において、チャネルを通過した電子の大部分は、一度、半導体層16の上面付近の低濃度ドリフト領域58、258に導入された後、第1ドリフト領域52、252に導入される。
(変形例2)上記の各実施例では、ドリフト領域50、250内に、n型不純物濃度が異なる第1ドリフト領域52、252、第2ドリフト領域54、254a、254b、及び、第3ドリフト領域56、256a、256bを有している。ドリフト領域50、250内に設けられるn型不純物濃度が異なる領域の数は、3つには限られず、2つ以上であれば、任意の数であってもよい。一般的に言うと、第4領域は、第2領域と第3領域の間における上面に臨む範囲に形成されている第1ドリフト領域と、第1導電型不純物濃度が第1ドリフト領域よりも高く、第2領域と第3領域の間における第1ドリフト領域に接している第2ドリフト領域と、第1導電型不純物濃度が第1ドリフト領域よりも低く、第2領域と第2ドリフト領域の間に形成されている低濃度ドリフト領域を有しており、第1ドリフト領域が第2ドリフト領域よりも第2領域側に突出していればよい。
(変形例3)上記の各実施例では、半導体装置10、200が、いずれも横型のnチャネル型MOSFETである例について説明した。半導体装置は、横型のnチャネル型MOSFETに限られず、横型のpチャネル型MOSFETであってもよい。pチャネル型MOSFETである場合も、上記の各実施例の技術を適用することができる。
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するものであり、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。
10、200:半導体装置
11:半導体基板
12:裏面層
14:埋込絶縁膜
16:半導体層
20:ソース領域
30:ボディ領域
32:低濃度領域
34:高濃度領域
40:ドレイン領域
42:低濃度領域
44:高濃度領域
50、250:ドリフト領域
52、252:第1ドリフト領域
54、254a、254b:第2ドリフト領域
56、256a、256b:第3ドリフト領域
58、258:低濃度ドリフト領域
60:ゲート絶縁膜
62:LOCOS酸化膜
70:ソース電極
80:ゲート電極
90:ドレイン電極

Claims (2)

  1. 半導体装置であって、
    ソース電極と、
    ゲート電極と、
    ドレイン電極と、
    半導体基板における上面に臨む範囲に形成されており、前記ソース電極と接続されている第1導電型の第1領域と、
    前記上面に臨む範囲に形成されており、前記第1領域に接しており、前記ゲート電極に対してゲート絶縁膜を介して対向している第2導電型の第2領域と、
    前記上面に臨む範囲に形成されており、前記ドレイン電極と接続されている第1導電型の第3領域と、
    前記上面に臨む範囲に形成されており、前記第2領域と前記第3領域の間に形成されており、前記第2領域と前記第3領域の間における前記上面に臨む範囲に形成されている第1ドリフト領域と、第1導電型不純物濃度が前記第1ドリフト領域よりも高く、前記第2領域と前記第3領域の間における前記第1ドリフト領域に接している第2ドリフト領域と、第1導電型不純物濃度が前記第1ドリフト領域よりも低く、前記第2領域と前記第2ドリフト領域の間に形成されている低濃度ドリフト領域、を有しており、前記第1ドリフト領域と前記第2ドリフト領域は、それぞれ前記第3領域と接しており、前記第1ドリフト領域が前記第2ドリフト領域よりも前記第2領域側に突出しており、前記第2ドリフト領域が、前記第1ドリフト領域における前記半導体基板の上面に平行な平面上における横側に形成されている、第1導電型の第4領域と、
    を有している、
    半導体装置。
  2. 前記第1ドリフト領域が、前記第2領域に接している、請求項1の半導体装置。
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