JP6139355B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。
特許文献1には、半導体基板に素子領域及び終端領域が形成された半導体装置が開示されている。素子領域には、複数の直線状のトレンチゲート電極が形成されており、終端領域には、複数のトレンチゲート電極の周囲を一巡する複数の終端トレンチが形成されている。終端トレンチの底面にはp型のフローティング領域が形成されている。フローティング領域の周囲はn型のドリフト領域によって囲まれている。この半導体装置は、隣接するフローティング領域の間隔を最適化することにより、終端領域における耐圧の均一性を向上している。
特開2008−135522号公報
近年、低損失の半導体装置の開発が望まれている。半導体装置を低損失化する1つの手段として、オン抵抗を低減することが挙げられる。オン抵抗を低減するためには、ドリフト領域における不純物濃度を高くすることが考えられる。しかしながら、ドリフト領域の不純物濃度を高くすると、素子領域及び終端領域における耐圧がそれぞれ低下する虞がある。終端領域の耐圧が素子領域の耐圧以下となると、アバランシェ降伏は終端領域で発生する。一般に、終端領域は素子領域よりも面積が小さいため、終端領域に降伏電流が流れると、終端領域は容易に高温となり好ましくない。従って、終端領域の耐圧を素子領域の耐圧より高くして、アバランシェ降伏が発生する箇所を素子領域にしたいという要望がある。
本明細書では、ドリフト領域の不純物濃度が比較的に高い場合においても、終端領域で耐圧を保持することができる技術を提供する。
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板を備える。半導体基板は、素子領域と、素子領域を取り囲む終端領域を有する。素子領域には、第1導電型の第1ボディ領域と、第2導電型の第1ドリフト領域と、複数の第1導電型の第1フローティング領域が形成されている。第1ボディ領域は、半導体基板の上面に臨む範囲に配置されている。第1ドリフト領域は、第1ボディ領域の下面に接している。第1フローティング領域は、その周囲が第1ドリフト領域によって囲まれている。終端領域には、第2導電型の第2ドリフト領域と、複数の第1導電型の第2フローティング領域が形成されている。第2フローティング領域は、その周囲が第2ドリフト領域によって囲まれている。第2フローティング領域は、素子領域の外周を取り囲んでいる。第1ドリフト領域の中央となる深さを基準深さとしたときに、少なくとも1つの第2フローティング領域が、第1フローティング領域のそれぞれよりも基準深さ側に配置されている。
上記の半導体装置では、素子領域に複数の第1フローティング領域が形成されており、終端領域に複数の第2フローティング領域が形成されている。この半導体装置に逆バイアス電圧を印加すると、第1フローティング領域と第1ドリフト領域との接合面、及び第2フローティング領域と第2ドリフト領域との接合面にそれぞれ電界強度のピークが形成される。この半導体装置では、第2フローティング領域の少なくとも1つは、第1フローティング領域のそれぞれよりも、基準深さ側に配置されている(以下では、基準深さ側に配置されている第2フローティング領域を「基準深さ側第2フローティング領域」とも称する)。このため、基準深さ側第2フローティング領域のほうが、第1フローティング領域よりも、電界を半導体基板の厚み方向により均等に分布させることができる。従って、基準深さ側第2フローティング領域の電界強度のピーク値は、第1フローティング領域の電界強度のピーク値よりも低くなる。この結果、終端領域の耐圧を素子領域の耐圧よりも相対的に高くすることができ、ドリフト領域の不純物濃度が比較的に高い場合においても、終端領域で耐圧を保持することができる。
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明を実施するための形態、及び、実施例にて詳しく説明する。
実施例1の半導体装置の平面図を示す。 実施例1の半導体装置の縦断面図を示す。 ドリフト領域の電界強度とドリフト領域の深さとの関係を示す。 変形例1の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例2の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例3の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例4の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例5の半導体装置の縦断面図を示す。 実施例2の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例6の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例7の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例8の半導体装置の縦断面図を示す。 変形例9の半導体装置の縦断面図を示す。
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、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。
(特徴1) 本明細書が開示する半導体装置では、終端領域の一部に、半導体基板の上面に臨む範囲に配置され、第1ボディ領域から連続する第1導電型の第2ボディ領域が形成されていてもよい。第2ドリフト領域は、第2ボディ領域の下面及び側面に接していてもよい。半導体基板を平面視したときに、複数の第2フローティング領域の少なくとも1つが、第2ボディ領域と重なる部分を有していてもよい。半導体装置に逆バイアス電圧を印加すると、第2ボディ領域と第2ドリフト領域との接合面の電界強度が高くなる。特徴1によると、複数の第2フローティング領域の少なくとも1つが、半導体基板を平面視したときに、第2ボディ領域と重なる部分を有する(以下では、この第2フローティング領域を第2ボディ領域下方第2フローティング領域とも称する)。これにより、半導体基板の厚み方向における電界を、第2ボディ領域と、第2ボディ領域下方第2フローティング領域との2箇所で分担することができる。このため、第2ボディ領域と第2ドリフト領域との接合面の電界強度を低くすることができる。
(特徴2) 本明細書が開示する半導体装置では、半導体基板を平面視したときに、少なくとも2つの第2フローティング領域が互いに重なる部分を有していてもよい。特徴2によると、上記の重なる部分では、半導体基板の厚み方向における電界が、これらの複数の第2フローティング領域によって分担される。このため、終端領域の耐圧を素子領域の耐圧よりも相対的に高くすることができる。
(特徴3) 本明細書が開示する半導体装置では、半導体基板を平面視したときに、最も素子領域側に配置されている少なくとも2つの第2フローティング領域が互いに重なる部分を有していてもよい。終端領域の素子領域側の領域は、電界が集中し易く耐圧低下が生じやすい。特徴3によると、上記の重なる部分では、半導体基板の厚み方向における電界が、これらの複数の第2フローティング領域によって分担される。このため、終端領域の素子領域側の領域の耐圧を向上できる。
(特徴4) 本明細書が開示する半導体装置では、半導体基板を平面視したときに、少なくとも1つの第1フローティング領域と、少なくとも1つの第2フローティング領域とが互いに重なる部分を有していてもよい。素子領域と終端領域との境界部分では、耐圧が低下してアバランシェ降伏が発生し易い。特徴4によると、上記の境界部分では、半導体基板の厚み方向における電界が、第1フローティング領域及び第2フローティング領域によって分担される。このため、上記の境界部分の耐圧を向上でき、アバランシェ降伏の発生を抑制できる。
(特徴5) 本明細書が開示する半導体装置では、第1フローティング領域が、半導体基板の厚み方向における所定の深さ(以下では、「第1フローティング領域深さ」とも称する)に、素子領域側から終端領域側に向かって所定の間隔(以下では、「第1フローティング領域間間隔」とも称する)を空けて配置されていてもよい。特徴5によると、各第1フローティング領域間で、隣接する第1フローティング領域から広がる空乏層がつながるタイミングが、ほぼ同時となる。このため、素子領域の耐圧を均一にできる。素子領域の中で局所的に耐圧が低い箇所をなくすことができる。
(特徴6) 本明細書が開示する半導体装置では、隣接する第1フローティング領域と第2フローティング領域との間隔が、第1フローティング領域間間隔の2分の1以下であってもよい。特徴6によると、隣接する第1フローティング領域から広がる空乏層がつながるよりも先に、最も終端領域側に配置されている第1フローティング領域から広がる空乏層が、最も素子領域側に配置されている第2フローティング領域に到達する。このため、終端領域の耐圧を優先的に保持することができ、終端領域の耐圧を素子領域の耐圧よりも相対的に高くすることができる。
(特徴7) 本明細書が開示する半導体装置では、終端領域に少なくとも1つのダミートレンチと、ダミートレンチ内に配置されている絶縁体と、第1導電型の第3フローティング領域が形成されていてもよい。ダミートレンチは、第2ボディ領域を貫通して第2ドリフト領域にまで延びていてもよい。第3フローティング領域は、ダミートレンチの底部又は下方に配置されていてもよい。ダミートレンチは、素子領域の外周を取り囲んでいてもよい。第3フローティング領域は、第1フローティング領域深さに配置され、その周囲が第2ドリフト領域によって囲まれていてもよい。少なくとも第3フローティング領域とその第3フローティング領域の反素子領域側に隣接する第2フローティング領域との間隔が、第1フローティング領域間間隔の2分の1以下であってもよい。特徴7によると、ダミートレンチを形成することにより終端領域の耐圧を向上できる。また、第3フローティング領域が第2ボディ領域の下方に配置されることにより、第2ボディ領域の耐圧を向上できる。また、隣接する第1フローティング領域からそれぞれ広がる空乏層がつながるよりも先に、第3フローティング領域から広がる空乏層が、反素子領域側に隣接する第2フローティング領域に到達する。このため、終端領域の耐圧を優先的に保持することができる。
(特徴8) 本明細書が開示する半導体装置では、第3フローティング領域は、ダミートレンチの底部を囲んでいてもよい。
(特徴9) 本明細書が開示する半導体装置では、素子領域にゲート電極と、絶縁体が形成されていてもよい。ゲート電極は、第1ボディ領域を貫通して第1ドリフト領域にまで延びるゲートトレンチ内に配置され、第1ボディ領域と対向していてもよい。絶縁体は、ゲート電極とゲートトレンチの内壁との間に配置されていてもよい。素子領域における第1フローティング領域は、ゲートトレンチの底部を囲んでいてもよい。
実施例1の半導体装置10について図1〜3を参照して説明する。図1では図を見易くするために半導体基板11上の絶縁膜及び電極の図示を省略している。図1に示すように、半導体装置10は半導体基板11に形成されている。半導体基板11には、素子領域12と、終端領域14が形成されている。終端領域14は素子領域12を取り囲んでいる。半導体基板11にはSiC基板が用いられる。なお、以下の実施例(変形例を含む)における半導体装置10〜1010の縮尺は実際の縮尺とは異なっている点に注意されたい。
素子領域12には、6つのゲート電極16が形成されている。6つのゲート電極16は、図1のy方向に延びており、図1のx方向に所定の間隔を空けて配列されている。終端領域14には1つのダミートレンチ25が形成されている。ダミートレンチ25は、素子領域12の周囲を一巡している。
ここで、素子領域12の構成について説明する。図2に示すように、素子領域12には、絶縁ゲート型半導体素子が形成されている。即ち、素子領域12には、半導体基板11の上面に臨む領域に、n+型のソース領域40とp+型のボディコンタクト領域38が形成されている。ボディコンタクト領域38は、ソース領域40に接するように形成されている。
ソース領域40とボディコンタクト領域38の下側には、p−型のボディ領域36aが形成されている。ボディ領域36aの不純物濃度は、ボディコンタクト領域38の不純物濃度より低くされている。ボディ領域36aは、ソース領域40及びボディコンタクト領域38に接している。このため、ソース領域40は、ボディ領域36a及びボディコンタクト領域38によって囲まれている。ボディ領域は、終端領域14の一部にまで形成されている。以下では、終端領域14に形成されているp−型のボディ領域を「ボディ領域36b」と称し、ボディ領域36aとボディ領域36bをまとめて「ボディ領域36」と称する。ボディ領域36aとボディ領域36bは連続した領域であり、一体的に形成される。このため、ボディ領域36aの下面とボディ領域36bの下面とは、z方向の同じ高さに位置している。本実施例では、ボディ領域36の厚みは約1〜2μmとされる。なお、p−型のボディ領域36a及びボディコンタクト領域38は「第1ボディ領域」の一例に相当し、ボディ領域36b及びボディコンタクト領域39(後述)は「第2ボディ領域」の一例に相当する。
ボディ領域36aの下側には、n−型のドリフト領域32aが形成されている。ドリフト領域は、半導体基板11の全面に形成されている。以下では、終端領域14に形成されているn−型のドリフト領域を、「ドリフト領域32b」と称し、ドリフト領域32aとドリフト領域32bをまとめて「ドリフト領域32」と称する。ドリフト領域32aとドリフト領域32bは連続した領域であり、一体的に形成される。本実施例では、ドリフト領域32aの厚みは約10μmとされる(即ち、ドリフト領域32bの厚みは約11〜12μmとされる)。なお、ドリフト領域32の厚みはこれに限られず、半導体装置10の目標耐圧に応じて適宜変更してもよい。本実施例では上記の厚みを有することにより、約1200Vの耐圧を維持することができるが、ドリフト領域の厚みを厚くすることで、より大きい耐圧を確保することができる。ドリフト領域32aは、ボディ領域36aの下面に接している。ドリフト領域32aは、ボディ領域36aによってソース領域40から分離されている。ドリフト領域32a内には、後述するゲートトレンチ24の底部を囲む範囲にp−型の拡散領域34が形成されている。拡散領域34は、ゲート電極16の下方(即ち、ゲートトレンチ24の底部)の絶縁体26に接している。拡散領域34の周囲は、ドリフト領域32aに囲まれている。これによって、拡散領域34は、ボディ領域36aから分離されている。拡散領域34は、ボディ領域36aの下面から深さd1の位置に、間隔aを空けて形成されている。なお、n−型のドリフト領域32aは「第1ドリフト領域」の一例に相当し、ドリフト領域32bは「第2ドリフト領域」の一例に相当し、拡散領域34は「第1フローティング領域」の一例に相当する。
半導体基板11の下面に臨む範囲には、n+型のドレイン領域30が形成されている。ドレイン領域30は半導体基板11の全面に形成されている。ドレイン領域30の不純物濃度は、ドリフト領域32中の不純物濃度より高くされている。本実施例では、ドレイン領域30の厚みは約350μmとされる。ドレイン領域30は、ドリフト領域32の下面に接している。ドレイン領域30は、ドリフト領域32によってボディ領域36から分離されている。なお、ドレイン領域30には、市販のSiC基板を用いることができる。その場合、ドリフト領域32(ボディ領域36を含む)となる半導体層をエピタキシャル成長により形成することができる。そして、エピタキシャル成長により形成した半導体層にイオン注入を行うことによって、ボディ領域36を形成することができる。このため、半導体基板11は、市販のSiC基板と、そのSiC基板上にエピタキシャル成長された半導体層によって構成されることとなる。
半導体基板11の上面にはゲートトレンチ24が形成されている。ゲートトレンチ24は、ソース領域40及びボディ領域36aを貫通し、その下端はドリフト領域32aまで延びている。本実施例では、ゲートトレンチ24の深さは約3μmとされる。ゲートトレンチ24内には、ゲート電極16が形成されている。ゲート電極16は、その下端がボディ領域36aの下面より僅かに深くなるように形成されている。ゲートトレンチ24の壁面とゲート電極16の間(即ち、ゲート電極16の側方及び下方)には絶縁体26が充填されている。このため、ゲート電極16は、絶縁体26を介してボディ領域36a及びソース領域40に対向している。また、ゲート電極16の上面には、キャップ絶縁膜45が形成されている。
半導体基板11の下面にはドレイン電極28が形成されている。ドレイン電極28は、半導体基板11の全面に形成されている。ドレイン電極28は、ドレイン領域30とオーミック接触している。半導体基板11の上面には、ソース電極46が形成されている。ソース電極46は、素子領域12、及び終端領域14の一部に形成されている。素子領域12では、ソース電極46はソース領域40及びボディコンタクト領域38とオーミック接触している。終端領域14では、ソース電極46はボディコンタクト領域39(後述)とオーミック接触している。ソース電極46は、キャップ絶縁膜45によってゲート電極16から絶縁されている。
次に、終端領域14について説明する。図2に示すように、終端領域14には、1つのダミートレンチ25、1つの拡散領域35、及び6つの拡散領域37が形成されている。終端領域14の一部には、半導体基板11の上面に臨む範囲にボディコンタクト領域39が形成されている。ボディコンタクト領域39の下側には、ボディ領域36bが形成されている。ボディ領域36bはボディコンタクト領域39の下面及び側面に接している。ボディ領域36bの下側には、ドリフト領域32bが形成されている。ドリフト領域32bはボディ領域36bの下面及び側面に接している。ダミートレンチ25は、ボディコンタクト領域39及びボディ領域36bを貫通し、その下端がドリフト領域32bまで延びている。ダミートレンチ25の下端は、ゲートトレンチ24の下端と同一の深さとなっている。ダミートレンチ25内には、絶縁体27が充填されている。ダミートレンチ25の底部を囲む範囲には、p−型の拡散領域35が形成されている。このため、拡散領域35も素子領域12の周囲を一巡している。拡散領域35の周囲は、ドリフト領域32bに囲まれている。拡散領域35は、拡散領域34と略同一の深さ(即ち、深さd1)に形成されている。拡散領域35は、素子領域12の最も終端領域14側に形成されている拡散領域34(以下では、端部側拡散領域34aとも称する)から、間隔cを空けて形成されている。なお、拡散領域35は「第3フローティング領域」の一例に相当する。
終端領域14には、ドリフト領域32b内に、6つのp−型の拡散領域37が形成されている。以下では、各拡散領域37を、x方向に向かって順に、拡散領域37a、拡散領域37b、・・・、拡散領域37fと称する。拡散領域37の周囲は、ドリフト領域32bに囲まれている。本実施例では、拡散領域37a〜37fはボディ領域36bの下面から深さd2の位置に、略均等に形成されている。半導体基板11を平面視すると、拡散領域37a〜37fは、拡散領域35の外周を取り囲んでいる。また、拡散領域37aは、ボディ領域36bの下面の下方に配置されている。別言すると、拡散領域37aは、半導体基板11を平面視したときに、ボディ領域36aの下面と重なっている。なお、拡散領域37は、「第2フローティング領域」の一例に相当する。
ここで、図2を参照して拡散領域34,35,37の位置関係について説明する。破線lは、ボディ領域36aの下面から深さd3の位置を示す。ボディ領域36aの下面からドレイン領域30の上面までの深さをd4とすると、d4=2×d3の関係が成り立つ。即ち、破線lは、ドリフト領域32aの厚みの中央を示す。以下では、深さd3を、「基準深さ」とも称する。なお、破線lはドリフト領域32aの厚みの中央を示す線であり、ドリフト領域32bの厚みの中央を示す線ではないことに注意されたい。図2に示すように、拡散領域37a〜37fと破線lとの距離(d3−d2)は、拡散領域34、35と破線lとの距離(d3−d1)よりも短くなっている。別言すれば、拡散領域37a〜37fは、いずれも拡散領域34及び拡散領域35よりも基準深さ側に配置されている。このため、拡散領域37aは、拡散領域35に対して斜め下方に配置されることになる。拡散領域37aは、素子領域12の周囲を一巡するにあたり、拡散領域35から常に間隔bを空けて配置されている。また、上述したように、隣接する拡散領域34は間隔aを空けて均等に配置されている。間隔aと間隔bとの間には、2×b≦aの関係が成り立っている。また、本実施例では端部側拡散領域34aと拡散領域35との間隔cは、間隔aと略同一となっている。しかしながら、これに限られず、例えばc<aであってもよい。
ここで、拡散領域34,35,37の形成方法について説明する。一般に、拡散領域はイオン注入により形成される。拡散領域34及び拡散領域35は、ゲートトレンチ24の底部及びダミートレンチ25の底部からそれぞれイオン注入することにより形成される。これにより、拡散領域34,35を略同一の深さに形成することができる。一方、拡散領域37は半導体基板11の上面からイオン注入することにより形成される。本実施例では、拡散領域34の深さd1は、ドリフト領域32aの深さd4の3分の1以下となるように形成される(即ち、d1≦(1/3)*d4)。
終端領域14の半導体基板11の上面には絶縁膜44が形成されている。絶縁膜44は、ボディコンタクト領域39の上面の一部及びボディ領域36bの上面の一部と、ドリフト領域32bの上面を覆っている。
上述した半導体装置10を使用するときは、ドレイン電極28が電源電位に接続され、ソース電極46がグランド電位に接続される。ゲート電極16に印加される電位が閾値電位未満である場合は、半導体装置10はオフしている。半導体装置10がオフした状態では、ボディ領域36とドリフト領域32とのpn接合から空乏層が広がる。上記のpn接合から広がる空乏層が拡散領域34、35に到達すると、拡散領域34とドリフト領域32aとのpn接合、及び拡散領域35とドリフト領域32bとのpn接合からそれぞれ空乏層が広がる。
ゲート電極16に印加される電位が閾値電位以上となると、半導体装置10はオンする。半導体装置10がオンすると、絶縁体26に接している範囲のボディ領域36aにチャネルが形成される。これによって、電子が、ソース電極46からソース領域40、ボディ領域36aのチャネル、ドリフト領域32a、及びドレイン領域30を通ってドレイン電極28に流れる。即ち、ドレイン電極28からソース電極46に電流が流れる。
次に、実施例1の半導体装置10の利点を説明する。図3の実線Aは、拡散領域37が形成されているドリフト領域32bの電界分布を示し、破線Bは、拡散領域34が形成されているドリフト領域32aの電界分布を示す。図3に示すように、ドリフト領域32bでは、拡散領域37が形成されている深さd2の位置で電界強度のピークが形成されており、その値はP1となっている。また、ドリフト領域32aでは、拡散領域34が形成されている深さd1の位置で電界強度のピークが形成されており、その値はP2となっている。実施例1では、拡散領域37は、拡散領域34よりも基準深さ側に配置されている。このため、拡散領域37のほうが、拡散領域34よりも、ドリフト領域32にかかる電界をより均等に分布させることができ、拡散領域37の位置における電界強度のピークP1を拡散領域34の位置における電界強度のピークP2よりも小さくすることができる。別言すれば、拡散領域を基準深さ側に配置することにより、拡散領域を基準深さから離れた位置に配置する場合と比較して、電界強度のピークを低減することができる。このため、終端領域14の電界強度を素子領域12の電界強度よりも低減することができる。従って、ドリフト領域32の濃度が比較的に高い場合であっても、終端領域14の耐圧を素子領域12の耐圧よりも相対的に高くすることができ、終端領域14で適切に耐圧を保持することができる。結果として、アバランシェ降伏が発生する箇所を素子領域12とすることができる。素子領域12は終端領域14と比較して広い面積を有するため、温度が上がり難く、大きな降伏電流を許容できる。このため、半導体装置10のアバランシェ耐量を増加することができる。
また、本実施例では終端領域14の一部にもボディ領域36bを形成している。ボディ領域36bは、ダミートレンチ25より半導体基板11の端部側(x方向)にまで及んでいる。トレンチには電界が集中し易いため、上記のようにボディ領域36bを形成することにより、ダミートレンチ25への電界集中を抑制することができる。ダミートレンチ25が形成されていない場合は、最も終端領域14側のゲートトレンチ24への電界集中を抑制することができる。また、本実施例では、拡散領域37aがボディ領域36bの下方に配置されている。一般に、半導体装置10に逆バイアス電圧を印加すると、ボディ領域36bとドリフト領域32bとのpn接合に電界が集中し、このpn接合の耐圧が低下し易い。しかしながら、拡散領域37aを配置することにより、上記pn接合の電界集中を緩和し、耐圧低下を抑制することができる。
さらに、本実施例では、6つの拡散領域34を同一の深さd1に、間隔aを空けて配置している。また、1つの拡散領域35も拡散領域34と略同一の深さd1に配置している。逆バイアス電圧を印加すると、ボディ領域36とドリフト領域32とのpn接合から空乏層が広がる。拡散領域34、35を同一の深さに配置することにより、空乏層はこれらの拡散領域34、35にほぼ同じタイミングで到達する。空乏層が拡散領域34、35に到達すると、拡散領域34とドリフト領域32aとのpn接合、及び拡散領域35とドリフト領域32bとのpn接合からもそれぞれ空乏層が広がる。空乏層は拡散領域34及び拡散領域35からほぼ等速度で広がる。6つの拡散領域34は均等に配置されているため、隣接する拡散領域34から広がる空乏層がつながるタイミングは、各拡散領域34間でほぼ同時となる。このタイミングを第1タイミングとする。空乏層は隣接する拡散領域34間のほぼ中央でつながる。一方、拡散領域35から広がる空乏層は、拡散領域35に隣接する拡散領域37aに到達する。このタイミングを第2タイミングとする。本実施例では、拡散領域35と拡散領域37aとの間隔bを、隣接する拡散領域34同士の間隔aの2分の1以下に設定している。このため、第2タイミングの方が第1タイミングよりも先に訪れる。即ち、拡散領域35と拡散領域37aの間は、隣接する拡散領域34の間よりも早く空乏化する。従って、終端領域14の耐圧を優先的に保持することができ、終端領域14の耐圧を素子領域12の耐圧よりも相対的に高くすることができる。また、本実施例では端部側拡散領域34aと拡散領域35との間隔cを間隔aと同一としているため、隣接する拡散領域34の間が空乏化するのとほぼ同時に、端部側拡散領域34aと拡散領域35の間が空乏化する。このため、終端領域14の耐圧をより適切に保持することができる。
拡散領域37aに空乏層が到達すると、拡散領域37aから空乏層が広がり、拡散領域37bに到達する。すると、拡散領域37bから空乏層が広がり、拡散領域37cに到達する。こうして空乏層は拡散領域37fまで広がっていく。なお、本実施例では拡散領域37a〜37fを均等に配置したが、各拡散領域37間の間隔は異なっていてもよく、例えばx方向(基板端部に向う方向)に向かうにつれて大きくされてもよい。また、拡散領域37の数は6つに限られない。拡散領域37を多数形成するほど、終端領域14の耐圧を高くできる。終端領域14で保持したい耐圧の値に応じて各拡散領域37間の間隔及び数を調整することにより、素子領域12よりも終端領域14の耐圧を相対的に高くすることが可能となる。
なお、本明細書が開示する技術は、半導体基板11に用いられるSiCの物性を活かすために提案されたものである。即ち、SiCはSiに比べて広いバンドギャップを有し、Siの約10倍の絶縁破壊強度を有する。半導体基板の絶縁破壊強度はドリフト領域のドーピング濃度の2分の1乗に比例するため、絶縁破壊強度がSiの10倍であれば、ドーピング濃度はSiの100倍にすることが可能である。従って、SiC基板を用いることにより、オン抵抗を大幅に低減することが可能となる。しかしながら、ドリフト領域の不純物濃度を高くすると、空乏層の広がる速度が遅くなってしまう。このため、終端領域で耐圧を保持するためには、終端領域に形成される拡散領域の間隔を短くする必要がある。しかしながら、加工精度の観点から、拡散領域の間隔を短くすることにも限界があり、従来の終端構造ではドリフト領域の不純物濃度を大幅に高くすることができなかった。即ち、SiCの物性を有効に活用しきれていなかった。本明細書が開示する技術は、上記の問題を解決するために提案されたものである。この技術を用いることにより、ドリフト領域の不純物濃度が高い場合であっても、終端領域で耐圧を保持することができる。このため、広いバンドギャップを有するSiCの物性を最大限に活かすことができ、低損失の半導体装置を実現できる。なお、本明細書が開示する技術はSi基板にも適用できることは言うまでもない。例えば、耐圧が低い半導体装置では、空乏層が広がる速度が遅くてもよいため、ドリフト領域の濃度を高くすることができる。この場合、本明細書が開示する技術を用いることにより、低オン抵抗であり、かつ終端領域で耐圧を保持できる半導体装置を実現できる。
(変形例1)
次に、図4を参照して変形例1について説明する。以下では、実施例1と相違する点についてのみ説明し、実施例1と同一の構造や動作については詳細な説明を省略する。その他の実施例及び変形例についても同様とする。
変形例1の半導体装置110では、ダミートレンチ25及び拡散領域35が形成されていない。また、端部側拡散領域34aと、拡散領域37aとの間隔b2が、隣接する拡散領域34同士の間隔aの2分の1以下となっている。この構成によると、半導体装置110に逆バイアス電圧を印加すると、ボディ領域36とドリフト領域32とのpn接合から広がる空乏層が各拡散領域34に到達し、各拡散領域34から空乏層が広がる。このとき、端部側拡散領域34aから広がる空乏層とこれに隣接する拡散領域34から広がる空乏層とがつながるよりも先に、端部側拡散領域34aから広がる空乏層が拡散領域37aに到達する。この構成によっても、実施例1と同様の作用効果を奏する。
(変形例2)
次に、図5を参照して変形例2について説明する。変形例2の半導体装置210では、終端領域14の一部に、メサ領域200が形成されている。メサ領域200は半導体基板211の上面の一部を−z方向に窪ませた形状を有する。メサ領域200は素子領域12の周囲を一巡している。メサ領域200はボディ領域36bの下面よりも深い位置まで窪んでいる。メサ領域200の内周面は、ボディ領域36bの下面と接触している。別言すれば、メサ領域200を形成することにより、半導体装置210にはボディ領域36bの側面及び角部(ボディ領域の側面と下面をつなぐ部分)が形成されないことになる。一般に、ボディ領域の側面や角部からは空乏層が広がり難い。このため、メサ領域200を形成してボディ領域36bの側面及び角部を形成しないことにより、電界がボディ領域36bの側面及び角部に集中することを抑制することができる。従って、この構成によると、実施例1と同様の作用効果を奏すると共に、終端領域14の半導体基板211の上面側の電界強度を低減することができる。
(変形例3)
次に、図6を参照して変形例3について説明する。変形例3の半導体装置310では、終端領域14の半導体基板311の上面に臨む範囲に、複数のp+型のFLR領域300が、素子領域12の周囲を一巡するように形成されている。FLR領域300の不純物濃度は、ボディ領域36の不純物濃度よりも高くされている。この構成によっても、実施例1と同様の作用効果を奏すると共に、終端領域14の半導体基板311の上面側の電界強度を低減することができる。
(変形例4)
次に、図7を参照して変形例4について説明する。変形例4の半導体装置410では、終端領域14にボディ領域404及び6つの終端トレンチ400が形成されている。終端トレンチ400はダミートレンチ25の周囲を一巡している。終端トレンチ400はボディ領域404を貫通し、その下端がドリフト領域32bまで延びている(厳密には、最も素子領域12側の終端トレンチ400は、ボディ領域36bとボディ領域404を分離している)。このため、ボディ領域404はフローティング電位となる。終端トレンチ400の下端は、ゲートトレンチ24及びダミートレンチ25の下端よりも深くされている。終端トレンチ400内には、絶縁体402が充填されている。終端トレンチ400の底部を囲む範囲には、拡散領域37が形成されている。この構成によっても、実施例1と同様の作用効果を奏する。また、フローティング電位を有するボディ領域404が形成されるため、終端領域14の半導体基板411の上面側の電界強度を低減することができる。なお、ボディ領域404は形成されなくてもよい。
(変形例5)
次に、図8を参照して変形例5について説明する。変形例5の半導体装置510では、ゲートトレンチ524の下端は、ゲートトレンチ24の下端よりも浅くされている。このため、ゲートトレンチ524の底部と拡散領域34とはドリフト領域32aによって分離されている。同様に、ダミートレンチ525の下端は、ダミートレンチ25の下端よりも浅くされており、ダミートレンチ525の底部と拡散領域35とはドリフト領域32bによって分離されている。半導体装置510に逆バイアス電圧を印加した際のボディ領域36からの空乏層の広がり方は、実施例1の半導体装置10と同様である。このため、この構成によっても、実施例1と同様の作用効果を奏する。
次に、図9を参照して実施例2について説明する。実施例2の半導体装置610では、終端領域14に形成される拡散領域637a〜637fの位置が実施例1と異なっている。即ち、拡散領域637a、637c〜637fは、ボディ領域36aの下面から深さd5の位置に形成されている。拡散領域637bはボディ領域36aの下面から深さd1の位置(即ち、拡散領域34、35と同一の深さ)に形成されている。拡散領域637a、637c〜637fは、拡散領域34、35よりも基準深さ側に配置されている。別言すれば、d5−d3<d3−d1が成り立つ。拡散領域637aは、拡散領域637b〜637fに比べてx方向の幅(厳密には、素子領域12側から半導体基板611の端部に向かう方向の幅)が大きくされている。また、拡散領域637aは、拡散領域637bの下方に配置されている。別言すれば、拡散領域637aと拡散領域637bとは、半導体基板611を平面視したときに重なるように配置されている。この構成によると、拡散領域637aと拡散領域637bとが重なる部分では、電界強度のピークは拡散領域637aと拡散領域637bの2箇所に形成される。このため、電界強度のピークが1箇所に形成される場合と比較して、電界強度のピークの最大値をより低減することが可能となる。従って、終端領域14の耐圧をより確実に保持することができる。また、本実施例では拡散領域637aのx方向の幅を大きくしている。このため、拡散領域637の形成工程で、仮に拡散領域637a、637bの位置がずれても、拡散領域637aをより確実に拡散領域637bの下方に形成することができる。また、拡散領域637a、637bは、最も素子領域12側に配置されている拡散領域である。終端領域14では、素子領域12側の領域の方が耐圧が低下し易いため、拡散領域637a,637bが重なる構成にすることにより、終端領域14の耐圧をより適切に保持できる。なお、本実施例では、拡散領域637bの全体が拡散領域637aと重なる構成としたが、これに限られず、拡散領域637bの一部が拡散領域637aと重なる構成であってもよい。
拡散領域637a、637c〜637fは、ドリフト領域32のエピタキシャル成長を一旦停止し、途中まで成長したドリフト領域32の上面からイオン注入を行い、エピタキシャル成長を再開することにより形成される。電界強度のピークの最大値を低減するためには、拡散領域637a、637bは、ドリフト領域32aの厚みを等分する位置に形成されることが好ましい。実施例1で述べたように、拡散領域34、35は、d1≦(1/3)*d4を満たす位置に形成される。このため、拡散領域637bもd1≦(1/3)*d4を満たす位置に形成される。従って、電界強度のピークの最大値を低減できる拡散領域637aの好適な位置の範囲は、必然的に拡散領域637aが拡散領域637bよりも基準深さ側に位置する範囲となる(即ちd5−d3<d3−d1を満たす範囲)。
しかしながら、本明細書が開示する半導体装置では、拡散領域34,35(即ち、拡散領域637b)のほうが、拡散領域637a、637c〜637fよりも基準深さd3側に配置されていてもよい。即ち、拡散領域34,35の深さd1(即ち、拡散領域637bの深さd1)がドリフト領域32aの厚みの3分の1よりも深い位置に形成される場合(即ち、d1>(1/3)*d4)は、拡散領域637a、637c〜637fの深さd5が、d5−d3>d3−d1となるような位置に形成されてもよい。これにより、拡散領域637aと拡散領域637bとの間には一定の間隔が確保される。このため、拡散領域637aと拡散領域637bとが重なる部分では、電界強度のピークの最大値を低減できる。これは、以下の変形例についても同様である(即ち、拡散領域34,35の方が、後述する拡散領域737よりも基準深さd3側に配置され、d5−d3>d3−d1となってもよい)。
(変形例6)
次に、図10を参照して変形例6について説明する。変形例6の半導体装置710では、拡散領域737a〜737fはいずれもボディ領域36aの下面から深さd5の位置に形成されている。拡散領域737aは、端部側拡散領域34a、拡散領域35の下方に位置するように、そのx方向の幅が大きくされている。一般に、素子領域12と終端領域14との境界部分では耐圧が低下し易い。変形例6の構成によると、境界部分において、電界強度のピークが端部側拡散領域34aと拡散領域737aの2箇所(あるいは拡散領域35と拡散領域737aの2箇所)に形成されるため、電界強度のピークの最大値を低減できる。このため、実施例2と同様の作用効果を奏すると共に、特に境界部分における耐圧低下を抑制することができる。なお、変形例6では端部側拡散領域34の全体が拡散領域737aと重なる構成としたが、これに限られず、端部側拡散領域34の一部が拡散領域737aと重なる構成であってもよい。あるいは、拡散領域737aが、2つ以上の拡散領域34と重なる構成であってもよい。以下の変形例についても同様である。
(変形例7)
次に、図11を参照して変形例7について説明する。変形例7の半導体装置810は、変形例6の半導体装置710の終端領域14の一部に、メサ領域800が形成された半導体装置である。メサ領域800は、変形例2のメサ領域200と略同一の構造を有する。この構成によると、実施例2と同様の作用効果を奏すると共に、終端領域14の半導体基板811の上面側の電界強度を低減することができる。
(変形例8)
次に、図12を参照して変形例8について説明する。変形例8の半導体装置910は、変形例6の半導体装置710の終端領域14に、複数のp+型のFLR領域900が形成された半導体装置である。FLR領域900は、変形例3のFLR領域300と略同一の構造を有する。この構成によっても、実施例2と同様の作用効果を奏すると共に、終端領域14の半導体基板911の上面側の電界強度を低減することができる。
(変形例9)
次に、図13を参照して変形例9について説明する。変形例9の半導体装置1010では、ゲートトレンチ1024の下端はゲートトレンチ24の下端よりも浅くされており、ゲートトレンチ1024の底部と拡散領域34とはドリフト領域32aによって分離されている。同様に、ダミートレンチ1025の下端はダミートレンチ25の下端よりも浅くされており、ダミートレンチ1025の底部と拡散領域35とはドリフト領域32bによって分離されている。この構成によっても、実施例2と同様の作用効果を奏する。
以上、本明細書が開示する技術の実施例について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、本明細書が開示する半導体装置は、上記の実施例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、全ての拡散領域37が拡散領域34、35よりも基準深さ側に配置される必要はない。終端領域14の耐圧が素子領域12の耐圧より相対的に高くなる構成であれば、拡散領域34、35よりも基準深さ側に配置される拡散領域37は1つであってもよい。また、拡散領域37は略均等に配置される必要はない。また、ボディ領域36bの下面の下方には2つ以上の拡散領域37が配置されてもよい。また、全ての拡散領域37が拡散領域35の外周側に配置される必要はない。例えば、拡散領域37aが拡散領域35よりも素子領域12側に配置されていてもよい。
また、各拡散領域34の深さが同じである必要はない。この場合、少なくとも1つの拡散領域37を、最も基準深さ側に配置されている拡散領域34よりもさらに基準深さ側に配置することにより、終端領域14の耐圧が素子領域12の耐圧より相対的に高くなるように拡散領域37の位置を調整してやればよい。
また、拡散領域637a、637c〜637f及び拡散領域737の深さd5は、基準深さd3よりも深くされているが、これに限られない。上述した条件d5−d3<d3−d1を満たす限り、深さd5が基準深さd3より浅くてもよい。本実施例では、拡散領域34,35(及び拡散領域637b)はd1≦(1/3)*d4を満たす位置に形成される。このため、拡散領域637a、637c〜637f及び拡散領域737の深さd5が基準深さd3より浅い位置に形成されても、拡散領域637aと拡散領域637bとの間には一定の間隔が確保される。同様に、拡散領域34,35と拡散領域737aとの間にも一定の間隔が確保される。このため、この構成によっても、半導体基板を平面視した際に拡散領域637aと拡散領域637bとが重なる部分、及び拡散領域34,35と拡散領域737aとが重なる部分では、電界強度のピークの最大値を低減できる。
また、ダミートレンチ25及び拡散領域35の数は2つ以上であってもよい。ダミートレンチ25の内部には導電体がさらに形成されていてもよい。また、半導体基板11には2つ以上の素子領域12が形成されてもよい。また、本明細書が開示する技術は、MOSに限られず、IGBTを始めとする大電力スイッチング素子全般に適用され得る。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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:半導体装置
11:半導体基板
12:素子領域
14:終端領域
16:ゲート電極
24:ゲートトレンチ
25:ダミートレンチ
26、27:絶縁体
28:ドレイン電極
30:ドレイン領域
32a,32b:ドリフト領域
34、35、37:拡散領域
36a,36b:ボディ領域
38、39:ボディコンタクト領域
40:ソース領域
44:絶縁膜
46:ソース電極

Claims (8)

  1. 素子領域と、素子領域を取り囲む終端領域を有する半導体基板を備えており、
    素子領域には、
    半導体基板の上面に臨む範囲に配置されている第1導電型の第1ボディ領域と、
    第1ボディ領域の下面に接している第2導電型の第1ドリフト領域と、
    その周囲が第1ドリフト領域によって囲まれている複数の第1導電型の第1フローティング領域と、が形成されており、
    終端領域には、
    第2導電型の第2ドリフト領域と、
    その周囲が第2ドリフト領域によって囲まれている複数の第1導電型の第2フローティング領域と、が形成されており、
    第2フローティング領域は、素子領域の外周を取り囲んでおり、
    半導体基板の厚み方向における第1ドリフト領域の中央となる深さを基準深さとしたときに、少なくとも1つの第2フローティング領域が、複数の第1フローティング領域のうち最も基準深さ側に配置される第1フローティング領域よりも基準深さ側に配置されており、
    半導体基板を平面視したときに、少なくとも2つの第2フローティング領域が互いに重なる部分を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 素子領域と、素子領域を取り囲む終端領域を有する半導体基板を備えており、
    素子領域には、
    半導体基板の上面に臨む範囲に配置されている第1導電型の第1ボディ領域と、
    第1ボディ領域の下面に接している第2導電型の第1ドリフト領域と、
    その周囲が第1ドリフト領域によって囲まれている複数の第1導電型の第1フローティング領域と、が形成されており、
    終端領域には、
    第2導電型の第2ドリフト領域と、
    その周囲が第2ドリフト領域によって囲まれている複数の第1導電型の第2フローティング領域と、が形成されており、
    第2フローティング領域は、素子領域の外周を取り囲んでおり、
    半導体基板の厚み方向における第1ドリフト領域の中央となる深さを基準深さとしたときに、少なくとも1つの第2フローティング領域が、複数の第1フローティング領域のうち最も基準深さ側に配置される第1フローティング領域よりも基準深さ側に配置されており、
    半導体基板を平面視したときに、最も素子領域側に配置されている少なくとも2つの第2フローティング領域が互いに重なる部分を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 素子領域と、素子領域を取り囲む終端領域を有する半導体基板を備えており、
    素子領域には、
    半導体基板の上面に臨む範囲に配置されている第1導電型の第1ボディ領域と、
    第1ボディ領域の下面に接している第2導電型の第1ドリフト領域と、
    その周囲が第1ドリフト領域によって囲まれている複数の第1導電型の第1フローティング領域と、が形成されており、
    終端領域には、
    第2導電型の第2ドリフト領域と、
    その周囲が第2ドリフト領域によって囲まれている複数の第1導電型の第2フローティング領域と、が形成されており、
    素子領域と終端領域には、素子領域と終端領域との両方に亘って配置され、その周囲が第1ドリフト領域及び第2ドリフト領域に囲まれている第3フローティング領域が形成されており、
    第2フローティング領域及び第3フローティング領域の終端領域に配置される部分は、素子領域の外周を取り囲んでおり、
    半導体基板の厚み方向における第1ドリフト領域の中央となる深さを基準深さとしたときに、第3フローティング領域が、複数の第1フローティング領域のうち最も基準深さ側に配置される第1フローティング領域よりも基準深さ側に配置されており、
    半導体基板を平面視したときに、少なくとも1つの第1フローティング領域と、第3フローティング領域とが互いに重なる部分を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 第1フローティング領域は、前記厚み方向における所定の深さに、素子領域側から終端領域側に向かって所定の間隔を空けて配置されていることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 隣接する第1フローティング領域と第2フローティング領域との間隔は、前記所定の間隔の2分の1以下であることを特徴とする、請求項に記載の半導体装置。
  6. 終端領域にはさらに、
    第2ボディ領域を貫通して第2ドリフト領域にまで延びる少なくとも1つのダミートレンチと、
    ダミートレンチ内に配置されている絶縁体と、
    ダミートレンチの底部又は下方に配置された第1導電型の第フローティング領域と、が形成されており、
    ダミートレンチは、素子領域の外周を取り囲んでおり、
    フローティング領域は、前記所定の深さに配置され、その周囲が第2ドリフト領域によって囲まれており、
    フローティング領域とその第フローティング領域の反素子領域側に隣接する第2フローティング領域との間隔が少なくとも、前記所定の間隔の2分の1以下であることを特徴とする、請求項に記載の半導体装置。
  7. フローティング領域は、ダミートレンチの底部を囲んでいることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。
  8. 素子領域にはさらに、
    第1ボディ領域を貫通して第1ドリフト領域にまで延びるゲートトレンチ内に配置され、第1ボディ領域と対向しているゲート電極と、
    ゲート電極とゲートトレンチの内壁との間に配置されている絶縁体と、が形成されており、
    素子領域における第1フローティング領域は、ゲートトレンチの底部を囲んでいることを特徴とする請求項1からのいずれか一項に記載の半導体装置。
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