JP6181594B2

JP6181594B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6181594B2
Application number: JP2014088306A
Authority: JP
Inventors: 克博朽木; 佐智子青井; 渡辺　行彦; 行彦渡辺; 明高添野; 真一朗宮原
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: JP2015207702A

Description

本明細書で開示される技術は、半導体装置に関する。

半導体装置は、活性部とその活性部の周囲に配置されている終端部を有する半導体層を備える。活性部は、主電流の流れる領域である。終端部は、半導体装置がオフしたときに、空乏層を側方に伸ばして電界を緩和する領域である。終端部には複数の終端耐圧構造が形成されている。従来の半導体装置では、複数の終端耐圧構造の各々が、活性部の周囲を一巡して設けられている。

活性部は、半導体層を平面視したときに、矩形の形状を有していることが多い。この場合、終端部は、活性部の矩形の辺に対応する４つの直線範囲とその矩形の角に対応する４つのコーナー範囲に区画される。終端部のコーナー範囲では、電界集中によってアバランシェ降伏が発生することが知られている。このため、半導体装置の耐圧を向上させるためには、終端部のコーナー範囲の電界を緩和することが肝要である。特許文献１は、終端部のコーナー範囲において、終端耐圧構造の間にｎ型の拡散領域を設ける技術を開示する。

特開２０１３−６９７８４号公報

本発明者らは、終端部のコーナー範囲を詳細に解析した結果、最内周の終端耐圧構造において最も電界が集中するという知見を得た。この理由は、最内周の終端耐圧構造のコーナー部の曲率半径が最も小さくなるからだと考えられる。本明細書で開示される技術は、このような新規な知見を契機として創作されたものであり、半導体装置の耐圧を向上させることを目的としている。

本明細書で開示される半導体装置の最内周の終端耐圧構造は、終端部の直線範囲にのみ形成されていることを特徴とする。換言すると、最内周の終端耐圧構造は、終端部のコーナー範囲に形成されていないことを特徴とする。終端耐圧構造は、電界緩和を目的として設けられているものの、最内周の終端耐圧構造については、終端部のコーナー範囲において電界集中の原因となっている。終端部のコーナー範囲に最内周の終端耐圧構造が形成されないことで、終端部のコーナー範囲の電界集中が緩和され、半導体装置の耐圧が向上する。

即ち、本明細書で開示される半導体装置の一実施形態は、半導体層、半導体層の第１主面上に設けられている第１電極及び半導体層の第１主面とは反対側の第２主面上に設けられている第２電極を備える。半導体層は、活性部と終端部を有する。活性部は、電流の流れる領域である。終端部は、平面視したときに、活性部の周囲を囲むように第１主面側に設けられている複数の終端耐圧構造が形成されている領域である。終端部は、複数の直線範囲と、直線範囲と直線範囲の間に配置されているコーナー範囲と、を含む。最内周の終端耐圧構造は、直線範囲に設けられている直線部分のみで構成される。

図１は、実施例の半導体装置の半導体層の平面図を模式的に示す。図２は、図１のII-II線に対応しており、実施例の半導体装置を示しており、終端部の直線範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。図３は、図１のIII-III線に対応しており、実施例の半導体装置を示しており、終端部のコーナー範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。図４は、図１のII-II線に対応しており、変形例の終端耐圧構造を示しており、終端部の直線範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。図５は、図１のIII-III線に対応しており、変形例の終端耐圧構造を示しており、終端部のコーナー範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。図６は、変形例の半導体装置の半導体層の平面図を模式的に示す。図７は、図６のVII-VII線に対応しており、変形例の半導体装置を示しており、終端部のコーナー範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

本明細書で開示される半導体装置の一実施形態は、半導体層、半導体層の第１主面上に設けられている第１電極及び半導体層の第１主面とは反対側の第２主面上に設けられている第２電極を備えていてもよい。半導体層は、活性部及び終端部を有していてもよい。第１電極が活性部に対応して設けられており、第２主電極が活性部と終端部の双方に対応して設けられていてもよい。活性部は、電流の流れる領域である。ここで、半導体装置は、第１電極と第２電極の間を電流が流れるので、電流が活性部の厚み方向に流れる縦型である。一例では、上記実施形態の半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電力用半導体装置であってもよい。終端部には、平面視したときに、活性部の周囲を囲むように第１主面側に設けられている複数の終端耐圧構造が形成されている。終端耐圧構造は、半導体装置がオフしたときに、空乏層を側方に向けて伸ばすものであり、その種類は特に制限されるものではない。一例では、終端耐圧構造は、ガードリングであってもよい。あるいは、終端耐圧構造は、第１主面から深さ方向に沿って伸びるトレンチ内に設けられており、導体部とその導体部を被覆する絶縁部を有していてもよい。終端部は、複数の直線範囲と、直線範囲と直線範囲の間に配置されているコーナー範囲と、を含む。最内周の終端耐圧構造は、直線範囲に設けられている直線部分のみで構成されてもよい。

本実施形態の半導体装置では、全ての終端耐圧構造の各々が、直線範囲に設けられている直線部分のみで構成されていてもよい。終端部のコーナー範囲の電界集中がさらに緩和されるので、半導体装置の耐圧がさらに向上する。

本実施形態の半導体装置では、終端部がコーナー範囲の第１主面側に設けられているリサーフ領域をさらに含んでいてもよい。終端部のコーナー範囲にリサーフ領域が設けられていると、終端部のコーナー範囲の電界集中がさらに緩和されるので、半導体装置の耐圧がさらに向上する。

図１〜３に示されるように、半導体装置１は、炭化珪素の半導体層１０、半導体層１０の第１主面１０Ａの一部を被覆するソース電極２２及び半導体層１０の第２主面１０Ｂの全面を被覆するドレイン電極２４を備える。本実施例の半導体装置１は、縦型のＭＯＳＦＥＴであり、電力用半導体装置として利用される。半導体層１０は、活性部１２と終端部１４を有する。図２及び図３に示されるように、活性部１２と終端部１４の境界は、活性部１２に形成されているｐ型のボディ領域３４の周縁によって画定される。

図１に示されるように、活性部１２は、半導体層１０を平面視したときに、半導体層１０の中央部に配置されている。半導体層１０の活性部１２の第１主面１０Ａ側には、半導体層１０を平面視したときに、ストライプ状に配置されている複数のトレンチゲート構造１２ｇが形成されている。複数のトレンチゲート構造１２ｇの各々は、一方向（紙面上下方向）に沿って伸びている。活性部１２を流れる主電流は、トレンチゲート構造１２ｇに印加される電圧に基づいて制御される。

図１に示されるように、終端部１４は、半導体層１０を平面視したときに、半導体層１０の周縁部に配置されており、活性部１２の周囲を取り囲む。終端部１４は、半導体装置１がオフしたときに、空乏層を側方に伸ばして電界を緩和する領域である。半導体層１０の終端部１４の第１主面１０Ａ側には、終端構造４０が形成されている。終端構造４０は、半導体層１０を平面視したときに、活性部１２の周囲を囲むように設けられている複数の終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを含む。この例では、４つの終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが例示されるが、より多くの終端耐圧構造が終端部に形成されていてもよい。

図２及び図３に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、半導体層１０の第１主面１０Ａに形成されているｐ型のガードリング４２を有する。ガードリング４２は、最内周のガードリング４２がソース電極２２に短絡しており、最内周以外のガードリング４２がフローティングである。一例では、ガードリング４２は、アルミニウム又はボロンがドーパントとして導入されている。ガードリング４２は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の第１主面１０Ａからドーパントを導入することで形成することができる。

図１に示されるように、半導体装置１の活性部１２は、半導体層１０を平面視したときに、矩形の形状を有する。このため、半導体装置１の終端部１４は、矩形の辺に対応する４つの直線範囲１４Ａと矩形の角に対応する４つのコーナー範囲１４Ｂに区画される。なお、図１では、図面の明瞭化のために、４つの直線範囲１４Ａのうちの１つのみを示し、４つのコーナー範囲１４Ｂのうちの１つのみを示す。

図１に示されるように、最内周の終端耐圧構造４０ａは、終端部１４の直線範囲１４Ａにのみ形成されており、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂには形成されていない。即ち、最内周の終端耐圧構造４０ａは、活性部１２の周囲を一巡していない。具体的には、最内周の終端耐圧構造４０ａは、終端部１４の直線範囲１４Ａにおいて、活性部１２のトレンチゲート構造１２ｇと並行な方向（紙面上下方向）に沿って伸びる一対の部分と直交する方向（紙面左右方向）に沿って伸びる一対の部分で構成されている直線部分のみを有する。

図１に示されるように、最内周の終端耐圧構造４０ａ以外の終端耐圧構造４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、終端部１４の直線範囲１４Ａ及びコーナー範囲１４Ｂの双方に形成されており、活性部１２の周囲を一巡する。具体的には、外側の終端耐圧構造４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、終端部１４の直線範囲１４Ａにおいて、活性部１２のトレンチゲート構造１２ｇと並行な方向（紙面上下方向）に沿って伸びる一対の部分と直交する方向（紙面左右方向）に沿って伸びる一対の部分で構成されている直線部分を有する。さらに、外側の終端耐圧構造４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂにおいて、直交関係にある直線部分を結ぶように、所定の曲率半径を有して湾曲する４つのコーナー部分を有する。終端耐圧構造４０ｂのコーナー部分の曲率半径は、終端耐圧構造４０ｃのコーナー部分の曲率半径よりも小さい。終端耐圧構造４０ｃのコーナー部分の曲率半径は、終端耐圧構造４０ｄのコーナー部分の曲率半径よりも小さい。

半導体装置１は、ソース電極２２に接地電圧が印加され、ドレイン電極２４に正電圧が印加されて用いられる。半導体装置１は、トレンチゲート構造１２ｇに正電圧が印加されるとターンオンし、トレンチゲート構造１２ｇに接地電圧が印加されるとターンオフする。半導体装置１がターンオンすると、活性部１２において、半導体層１０の縦方向に主電流が流れる。半導体装置１がターンオフすると、主電流が停止し、終端部１４の側方に向けて空乏層が伸びる。隣り合う終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの距離は、活性部１２側から伸びる空乏層が途切れないように、適宜調整されている。

半導体装置１は、最内周の終端耐圧構造４０ａが終端部１４のコーナー範囲１４Ｂに形成されていないことを特徴とする。例えば、最内周の終端耐圧構造４０ａが終端部１４のコーナー範囲１４Ｂにも形成されている場合、そのコーナー部分の曲率半径が最も小さくなり、そのコーナー部分の電界集中によってアバランシェ降伏が発生する。一方、半導体装置１では、最内周の終端耐圧構造４０ａが終端部１４のコーナー範囲１４Ｂに形成されていないので、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの電界集中が緩和される。なお、半導体装置１では、最内周の終端耐圧構造４０ａが終端部１４のコーナー範囲１４Ｂに形成されていないので、１つ外側の終端耐圧構造４０ｂのコーナー部分に電界集中するが、その曲率半径は最内周の終端耐圧構造４０ａが形成されていた場合のコーナー部分の曲率半径よりも大きい。このため、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの最大電界強度は、最内周の終端耐圧構造４０ａが形成されていた場合に比して低下する。このように、半導体装置１では、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの電界集中が緩和され、耐圧が向上する。

図４及び図５に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、半導体層１０の第１主面１０Ａから深部に向けて伸びるトレンチ内に設けられており、導体部４４とその導体部４４を被覆する絶縁部４５を有していてもよい。一例では、導体部４４の材料がポリシリコンであり、絶縁部４５の材料が酸化シリコンである。終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、ドライエッチング技術を利用して半導体層１０の第１主面１０Ａからｎ型のドリフト領域３２の一部を除去してトレンチを形成し、熱酸化技術を利用してトレンチの内壁に絶縁部４５を被膜し、蒸着技術を利用してトレンチ内に導体部４４を充填することで形成することができる。終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、活性部１２のトレンチゲート構造１２ｇと同一工程で形成してもよい。図４に示されるように、最内周の終端耐圧構造４０ａの導体部４４はソース電極２２に電気的に接続されており、その他の終端耐圧構造４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの導体部４４はフローティングである。

図４及び図５に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々はさらに、トレンチの底部に設けられているｐ型領域４３を有していてもよい。ｐ型領域４３は、フローティングである。一例では、ｐ型領域４３は、アルミニウム又はボロンがドーパントとして導入されている。ｐ型領域４３は、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを形成するためのトレンチを形成した後に、イオン注入技術を利用してそのトレンチの底面にｐ型ドーパントを導入することで形成することができる。ｐ型領域４３は、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの底部の電界集中を緩和することができる。

トレンチ型の終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄも、最内周の終端耐圧構造４０ａが終端部１４のコーナー範囲１４Ｂに形成されていないことを特徴とする。このため、半導体装置１では、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの電界集中が緩和され、耐圧が向上する。

図６及び図７に示されるように、変形例の半導体装置２は、全ての終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが終端部１４のコーナー範囲１４Ｂに形成されていないことを特徴とする。具体的には、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、終端部１４の直線範囲１４Ａにおいて、活性部１２のトレンチゲート構造１２ｇと並行な方向（紙面上下方向）に沿って伸びる一対の部分と直交する方向（紙面左右方向）に沿って伸びる一対の部分で構成されている直線部分のみを有する。半導体装置２はさらに、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂに形成されているｐ型のリサーフ領域４６を有する。リサーフ領域４６は、フローティングである。一例では、リサーフ領域４６は、アルミニウム又はボロンがドーパントとして導入されている。リサーフ領域４６は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の第１主面１０Ａからドーパントを導入することで形成することができる。リサーフ領域４６は、活性部１２のボディ領域３４の底面の深さと同一の深さ又はそれよりも深く形成されるのが望ましい。

変形例の半導体装置２では、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが終端部１４の直線範囲１４Ａにおいて空乏層を側方に伸ばす役割を担い、リサーフ領域４６が終端部１４のコーナー範囲１４Ｂにおいて空乏層を側方に伸ばす役割を担う。変形例の半導体装置２では、全ての終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが終端部１４のコーナー範囲に形成されていないので、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの電界集中がさらに緩和され、耐圧が向上する。

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。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。

１０：半導体層、１０Ａ：第１主面、１０Ｂ：第２主面、１２：活性部、１２ｇ：トレンチゲート構造、１４：終端部、１４Ａ：直線範囲、１４Ｂ：コーナー範囲、４０：終端構造、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ：終端耐圧構造

Claims

半導体層と、
前記半導体層の第１主面上に設けられている第１電極と、
前記半導体層の前記第１主面とは反対側の第２主面上に設けられている第２電極と、を備え、
前記半導体層は、
電流の流れる活性部と、
平面視したときに、前記活性部の周囲を囲むように前記第１主面側に設けられている複数の終端耐圧構造が形成されている終端部と、を有し、
前記終端部は、複数の直線範囲と、前記直線範囲と前記直線範囲の間に配置されているコーナー範囲と、を含み、
最内周の前記終端耐圧構造は、前記直線範囲に設けられている直線部分のみで構成される、半導体装置。
全ての前記終端耐圧構造の各々は、前記直線範囲に設けられている直線部分のみで構成される、請求項１に記載の半導体装置。
前記終端部は、前記コーナー範囲の前記第１主面側に設けられているリサーフ領域をさらに含む、請求項２に記載の半導体装置。
前記終端耐圧構造は、ガードリングである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記終端耐圧構造は、前記第１主面から深さ方向に沿って伸びるトレンチ内に設けられており、導体部とその導体部を被覆する絶縁部を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。