JP6789177B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

実施形態は、半導体装置に関する。
貼り合わせSOI(Silicon On Insulator)ウェーハを使用した高耐圧横型ダイオードにおいてはシリコン活性層が厚いほど耐圧が高くなるが、これとトレードオフの関係で導通時のキャリアが増え、逆回復電荷Qrrが大きくなるという問題がある。
特許第2564935号公報
実施形態は、シリコン層を厚くせずに耐圧を上げ、且つ逆回復電荷Qrrを低減することが可能な半導体装置を提供する。
実施形態によれば、半導体装置は、基板と、前記基板上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた第1導電型の第1シリコン層と、前記第1シリコン層の表面に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域に対して離間して、前記第1シリコン層の表面に設けられた第2導電型または第1導電型の第2半導体領域と、前記第1半導体領域に接続された第1電極と、前記第2半導体領域に接続された第2電極と、を備えている。前記第1シリコン層における前記絶縁層との境界付近の底部の水素濃度は、前記第1シリコン層における前記底部よりも上の部分の水素濃度よりも高く、前記第1シリコン層における前記底部の抵抗率は、前記第1シリコン層における前記底部よりも上の前記部分の抵抗率よりも低い。
(a)は実施形態の半導体装置の模式平面図であり、(b)は図1(a)におけるA−A断面図。 (a)は実施形態の半導体装置の模式平面図であり、(b)は図2(a)におけるB−B断面図。 (a)は実施形態の半導体装置の模式平面図であり、(b)は図3(a)におけるC−C断面図。 (a)および(b)は、図1(a)および(b)に示す半導体装置における逆バイアス時の空乏層の伸びを示す模式断面図。 (a)は実施形態の半導体装置におけるドリフト層の厚さ方向の抵抗率を示すグラフであり、(b)は横型ダイオードのターンオフ時の逆回復電流波形図。 (a)および(b)は、実施形態の半導体装置のチップ内構成の模式図。 実施形態の半導体装置の模式断面図。 図7に示す半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
以下の実施形態では第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、第1導電型をp型、第2導電型をn型としてもよい。
また、以下の実施形態において、不純物濃度はキャリア濃度に置き換えて言うことができる。
図1(a)は、実施形態の半導体装置50の模式平面図である。
図1(b)は、図1(a)におけるA−A断面図である。
半導体装置50は、例えば、貼り合わせSOI(Silicon On Insulator)ウェーハを用いて得られた横型のFRD(Fast Recovery Diode)構造を有する。
図1(b)に示すように、半導体装置50は、基板(支持体)1と、基板1上に設けられた絶縁層2と、絶縁層2上に設けられたドリフト層4とを有する。
基板1はシリコン基板であり、絶縁層2はシリコン酸化層であり、ドリフト層4はn型のシリコン層である。
ドリフト層4内に、p型のシリコン領域であるベース領域7と、n型のシリコン領域であるバッファ領域5が設けられている。ベース領域7とバッファ領域5は互いに横方向(基板1の主面に対して平行な方向)に離間している。
バッファ領域5の表面に、n型のシリコン領域であるカソード領域6が設けられている。カソード領域6のn型不純物濃度は、ドリフト層4のn型不純物濃度よりも高い。バッファ領域5は、カソード領域6のn型不純物濃度とドリフト層4のn型不純物濃度との間のn型不純物濃度をもつ。
ベース領域7の表面に、p型のシリコン領域であるアノード領域9と、n型のシリコン領域であるコンタクト領域8が設けられている。アノード領域9のp型不純物濃度は、ベース領域7のp型不純物濃度よりも高い。
図1(a)に示すように、アノード領域9は、カソード領域6の周囲を連続して囲んでいる。
ドリフト層4の表面上には絶縁膜10が設けられている。絶縁膜10上には、ドリフト層4の表面側の電界を緩和する電極11が設けられている。電極11は、例えば多結晶シリコンからなる。
カソード領域6の表面は、絶縁膜10から露出し、カソード領域6上に設けられた金属のカソード電極102に接続している。
アノード領域9およびコンタクト領域8は、絶縁膜10から露出し、それらアノード領域9およびコンタクト領域8上に設けられた金属のアノード電極101に接続している。
ドリフト層4における絶縁層2との境界付近の底部には、欠陥層(低抵抗層)13が設けられている。図1(b)に示す各要素を形成した後、後述するように、ウェーハの表面側(ドリフト層4の表面側)から水素イオンまたはヘリウムイオンをドリフト層4の底部に照射する。
このイオンの照射によりドリフト層4の底部に結晶欠陥が形成される。したがって、欠陥層13の欠陥密度は、その欠陥層13よりも上の部分(シリコン領域)の欠陥密度よりも高い。
欠陥層13の水素濃度は、ドリフト層4における欠陥層13よりも上の部分の水素濃度よりも高い。または、欠陥層13のヘリウム濃度は、ドリフト層4における欠陥層13よりも上の部分のヘリウム濃度よりも高い。この濃度(atoms/cm3)は、例えばSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)等で解析可能である。
ドリフト層4の底部(欠陥層13)に打ち込まれた水素イオンまたはヘリウムイオンは、ドーパントとして機能し、欠陥層13における不純物濃度(水素濃度またはヘリウム濃度)は、ドリフト層4における欠陥層13よりも上の部分の不純物濃度よりも高くなる。したがって、欠陥層13の抵抗率は、ドリフト層4における欠陥層13よりも上の部分の抵抗率よりも低い。これは、例えばSRA(Spreading Resistance Analysis)等で解析可能である。
図5(a)は、ドリフト層4の厚さ(表面からの深さ)方向の抵抗率(Ω・cm)を測定した実験結果を示すグラフである。
実線は、上記したようにドリフト層4の底部にイオン(ヘリウムイオン)照射を行った場合(実施形態)を示す。破線は、そのイオン照射を行わなかった場合(比較例)を示す。
実施形態によれば、上記イオン照射により、図5(a)に示すように、ドリフト層4の底部(欠陥層13)における抵抗率を、比較例に比べて低くすることができる。ドリフト層4は、欠陥層13内に抵抗率の最低値をもつ。
図4(a)および(b)は、図1(a)および(b)に示す半導体装置(FRD)50における逆バイアス時の空乏層の伸びを示す模式断面図である。空乏層90を模式的にグレーで表している。
半導体装置(FRD)50に対する逆バイアス時、アノード電極101および基板1には0Vが印加される。そして、カソード電極102に印加される電位(アノード電位)が上昇するにしたがって、ベース領域7とドリフト層4とのpn接合、およびドリフト層4と絶縁層2との境界から、空乏層90が伸びていく(広がっていく)。アノード電位が例えば数百Vでドリフト層4が完全空乏化する。
ドリフト層4が完全空乏化したときの空乏層90にかかる電圧で耐圧が決まる。実施形態によれば、ドリフト層4の底部(欠陥層13)の不純物濃度を高くすることで、ドリフト層4と絶縁層2との境界からの空乏層の伸びを抑制することができる。これは、ドリフト層4の完全空乏化を遅らせ、耐圧を高める。
図5(b)は、半導体装置(FRD)50のターンオフ時の実験結果による逆回復電流波形図である。実線は、上記したようにドリフト層4の底部にイオン(ヘリウムイオン)照射を行った場合(実施形態)を示す。破線は、そのイオン照射を行わなかった場合(比較例)を示す。
逆回復電荷Qrrは、順バイアス時にドリフト層4内に蓄積されたキャリア数と、そのキャリアのライフタイムとに依存する。逆回復電荷Qrrが大きいとターンオフが遅くなり、特にモーターを駆動する用途などでは損失が多くなるため、できるだけ逆回復電荷Qrrを小さくすることが望ましい。
実施形態によれば、水素イオンまたはヘリウムイオンの照射により、ドリフト層4の底部に欠陥層13を形成することで、その欠陥層13にキャリアの再結合中心が形成され、比較例よりも、キャリアライフタイムを短くして逆回復電荷Qrrを小さくすることができる。これは、ターンオフ速度を速くする。
図2(a)は、他の実施形態の半導体装置40の模式平面図である。
図2(b)は、図2(a)におけるB−B断面図である。
半導体装置40は、横型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)構造を有する。この半導体装置40も、図1(a)および(b)に示す半導体装置(FRD)50と同様に、基板1と、基板1上に設けられた絶縁層2と、絶縁層2上に設けられたドリフト層4とを有するSOI構造をもつ。
ドリフト層4内に、p型のシリコン領域であるベース領域17と、n型のシリコン領域であるバッファ領域15が設けられている。ベース領域17とバッファ領域15は互いに横方向(基板1の主面に対して平行な方向)に離間している。
バッファ領域15の表面に、p型のシリコン領域であるコレクタ領域16が設けられている。コレクタ領域16のp型不純物濃度は、ベース領域17のp型不純物濃度よりも高い。
ベース領域17の表面に、n型のシリコン領域であるエミッタ領域18が設けられている。エミッタ領域18のn型不純物濃度は、ドリフト層4のn型不純物濃度よりも高い。
ベース領域17には、p型シリコン領域であるコンタクト領域19も設けられている。コンタクト領域19のp型不純物濃度は、ベース領域17のp型不純物濃度よりも高い。
図2(a)に示すように、ベース領域17は、コレクタ領域16の周囲を連続して囲んでいる。
ドリフト層4の表面上には絶縁膜10が設けられている。絶縁膜10上には、ドリフト層4の表面側の電界を緩和する電極11が設けられている。
コレクタ領域16の表面は、絶縁膜10から露出し、コレクタ領域16上に設けられた金属のコレクタ電極103に接続している。
エミッタ領域18およびコンタクト領域19は、絶縁膜10から露出し、それらエミッタ領域18およびコンタクト領域19上に設けられた金属のエミッタ電極104に接続している。
エミッタ領域18に隣接するベース領域17(エミッタ領域18とドリフト層4との間のベース領域17)の表面上、およびそのベース領域17に隣接するドリフト層4の表面上には、ゲート絶縁膜21を介して、ゲート電極105が設けられている、ゲート電極105は、例えば多結晶シリコンからなる。ゲート電極105の一部は、絶縁膜10上にも延在し、電極11としても機能する。
図2(a)に示すように、ゲート電極105は、コレクタ領域16の周囲を連続して囲んでいる。
コレクタ電極103とエミッタ電極104との間に電圧が印加される。コレクタ電極103に与えられる電位は、エミッタ電極104に与えられる電位よりも高い。IGBTのオン動作時には、ゲート電極105にしきい値以上の電位が与えられ、ベース領域17におけるゲート電極105に対向する領域に反転層(n型のチャネル)が形成される。そして、コレクタ領域16、バッファ領域15、ドリフト層4、チャネル、およびエミッタ領域18を通じて、コレクタ電極103とエミッタ電極104との間を電流が流れる。このとき、p型のコレクタ領域16からドリフト層4に正孔が供給され、ドリフト層4に電子および正孔の高密度状態が作り出され、低いオン抵抗が得られる。
この半導体装置(IGBT)40においても、ドリフト層4における絶縁層2との境界付近の底部に欠陥層13が設けられている。したがって、半導体装置(IGBT)40においても、ターンオフ時、ドリフト層4の完全空乏化を遅らせ、耐圧を高めることができる。さらに、欠陥層13によってキャリアライフタイムを短くして、逆回復電荷Qrrを小さくし、ターンオフ速度を速くすることができる。
図3(a)は、さらに他の実施形態の半導体装置60の模式平面図である。
図3(b)は、図3(a)におけるC−C断面図である。
半導体装置60は、横型のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)構造を有する。この半導体装置60も、基板1と、基板1上に設けられた絶縁層2と、絶縁層2上に設けられたドリフト層4とを有するSOI構造をもつ。
ドリフト層4内に、p型のシリコン領域であるベース領域17と、n型のシリコン領域であるバッファ領域15が設けられている。ベース領域17とバッファ領域15は互いに横方向(基板1の主面に対して平行な方向)に離間している。
バッファ領域15の表面に、n型のシリコン領域であるドレイン領域26が設けられている。ドレイン領域26のn型不純物濃度は、ドリフト層4のn型不純物濃度よりも高い。バッファ領域15は、ドレイン領域26のn型不純物濃度とドリフト層4のn型不純物濃度との間のn型不純物濃度をもつ。
ベース領域17の表面に、n型のシリコン領域であるソース領域28が設けられている。ソース領域28のn型不純物濃度は、ドリフト層4のn型不純物濃度よりも高い。
ベース領域17には、p型シリコン領域であるコンタクト領域19も設けられている。コンタクト領域19のp型不純物濃度は、ベース領域17のp型不純物濃度よりも高い。
図3(a)に示すように、ベース領域17は、ドレイン領域26の周囲を連続して囲んでいる。
ドリフト層4の表面上には絶縁膜10が設けられている。絶縁膜10上には、ドリフト層4の表面側の電界を緩和する電極11が設けられている。
ドレイン領域26の表面は、絶縁膜10から露出し、ドレイン領域26上に設けられた金属のドレイン電極106に接続している。
ソース領域28およびコンタクト領域19は、絶縁膜10から露出し、それらソース領域28およびコンタクト領域19上に設けられた金属のソース電極107に接続している。
ソース領域28に隣接するベース領域17(ソース領域28とドリフト層4との間のベース領域17)の表面上、およびそのベース領域17に隣接するドリフト層4の表面上には、ゲート絶縁膜21を介して、ゲート電極105が設けられている、ゲート電極105は、例えば多結晶シリコンからなる。ゲート電極105の一部は、絶縁膜10上にも延在し、電極11としても機能する。
図3(a)に示すように、ゲート電極105は、ドレイン領域26の周囲を連続して囲んでいる。
ドレイン電極106とソース電極107との間に電圧が印加される。ドレイン電極106に与えられる電位は、ソース電極107に与えられる電位よりも高い。MOSFETのオン動作時には、ゲート電極105にしきい値以上の電位が与えられ、ベース領域17におけるゲート電極105に対向する領域に反転層(n型のチャネル)が形成される。そして、ドレイン領域26、バッファ領域15、ドリフト層4、チャネル、およびソース領域28を通じて、ドレイン電極106とソース電極107との間を電流が流れる。
この半導体装置(MOSFET)60においても、ドリフト層4における絶縁層2との境界付近の底部に欠陥層13が設けられている。したがって、半導体装置(MOSFET)60においても、ターンオフ時、ドリフト層4の完全空乏化を遅らせ、耐圧を高めることができる。さらに、欠陥層13によってキャリアライフタイムを短くして、逆回復電荷Qrrを小さくし、ターンオフ速度を速くすることができる。
以上説明したように、実施形態によれば、FRD、IGBT、およびMOSFETの各素子において、ドリフト層4を厚くせずに耐圧を上げ、且つ逆回復電荷Qrrを低減することができる。
図6(a)および(b)は、実施形態の半導体装置のチップ内構成の模式図である。
図6(a)に示す半導体装置によれば、1つのチップ内に、制御回路30と、図2(a)および(b)に示すIGBT40と、図1(a)および(b)に示すFRD50とが集積混載されている。制御回路30、IGBT40、およびFRD50が、共通のSOIウェーハに形成される。これら各素子どうしは、図1(b)、図2(b)、図7に示す絶縁膜(例えば埋め込みシリコン酸化膜)12、および絶縁層2によってアイソレーションされている。
制御回路30は、例えばCMOS回路を含むIC(Integrated Circuit)である。制御回路30は、IGBT40やMOSFET60のゲート電位を制御する。
図6(b)に示す半導体装置によれば、1つのチップ内に、制御回路30と、図3(a)および(b)に示すMOSFET60とが集積混載されている。制御回路30およびMOSFET60が、共通のSOIウェーハに形成される。これら各素子どうしは、図3(b)、図7に示す絶縁膜(例えば埋め込みシリコン酸化膜)12、および絶縁層2によってアイソレーションされている。
例えば、制御回路30の耐圧は20Vであり、IGBTの耐圧は600Vであり、FRDの耐圧は600Vであり、MOSFETの耐圧は600Vである。
図6(a)または図6(b)に示すチップ構成の半導体装置は、例えばモーターを駆動するドライバとして用いることができる。
図7は、例えばFRD50と制御回路30が混載された部分の模式断面図である。
制御回路30が形成される領域における絶縁層2上には、シリコン層81が設けられている。シリコン層81にはベース領域82が形成され、そのベース領域82の表面にドレイン領域83とソース領域84が形成されている。
図7には、制御回路30のCMOSにおける1つのMOSFETを示す。nチャネル型MOSFETの場合、ベース領域82はp型シリコン領域であり、ドレイン領域83およびソース領域84はn型シリコン領域である。pチャネル型MOSFETの場合、ベース領域82はn型シリコン領域であり、ドレイン領域83およびソース領域84はp型シリコン領域である。
ドレイン領域83とソース領域84との間におけるベース領域82の表面上には、ゲート絶縁膜85を介してゲート電極110が設けられている。
シリコン層81の表面上に絶縁膜10が設けられている。ドレイン領域83は、絶縁膜10から露出し、ドレイン領域83上に設けられた金属のドレイン電極108に接続している。ソース領域84は、絶縁膜10から露出し、ソース領域84上に設けられた金属のソース電極109に接続している。
制御回路30のシリコン層81における絶縁層2側の底部には、イオン照射が行われず、欠陥層が形成されない。
例えば貼り合わせSOI技術を用いて、図7に示す各要素(欠陥層13を除く)がウェーハ状態で形成される。
FRD50のドリフト層4と制御回路30のシリコン層81とは同時に形成される。FRD50のドリフト層4と、制御回路30のシリコン層81との間には絶縁膜12が設けられる。
例えば、制御回路30のnチャネル型MOSFETのp型ベース領域82と、FRD50のp型ベース領域7とは同時に形成される。例えば、制御回路30のnチャネル型MOSFETのn型ドレイン領域83およびn型ソース領域84と、FRD50のn型コンタクト領域8とは同時に形成される。例えば、制御回路30のpチャネル型MOSFETのp型ドレイン領域83およびp型ソース領域84と、FRD50のp型アノード9とは同時に形成される。
各シリコン領域を形成するために注入された不純物を活性化させるアニールは、欠陥層13を形成する前にすでに行われている。
図7に示す各要素(欠陥層13を除く)を形成した後、図8に示すように、ウェーハの表面側に、例えばアルミニウムのマスク200がセットされる。マスク200は、制御回路30が形成された領域を覆う。この状態で、ウェーハの表面側からドリフト層4の底部に向けて水素イオンまたはヘリウムイオンを照射する。FRD50のドリフト層4の底部に、図7に示すように欠陥層13が形成される。
制御回路30が形成された部分はマスク200で遮蔽され、制御回路30が形成された部分にはイオンが打ち込まれない。したがって、制御回路30のシリコン層81には欠陥層が形成されない。
その後、マスク200を取り外して、アニールを行う。上記水素イオンまたはヘリウムイオンの照射により形成された欠陥層13の結晶欠陥が回復しない温度(400℃より低い温度)でアニールする。例えば380℃でアニールする。
このアニールの後、ウェーハの裏面(基板1の裏面)を研削して薄くする。この後、ウェーハをダイシングして、複数のチップに個片化する。
図2(b)に示すIGBT40および図3(b)に示すMOSFET60においても、FRD50と同様に、欠陥層13が形成される。
すなわち、図2(b)または図3(b)に示す各要素(欠陥層13を除く)を形成した後、制御回路30が形成された領域をマスクで遮蔽して、ドリフト層4の底部に水素イオンまたはヘリウムイオンを照射する。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…基板、2…絶縁層、4…ドリフト層、5…バッファ領域、6…カソード領域、7…ベース領域、8…型コンタクト領域、9…アノード領域、13…欠陥層、15…バッファ層、16…コレクタ領域、17…ベース領域、18…エミッタ領域、19…コンタクト領域、26…ドレイン領域、28…ソース領域、101…アノード電極、102…カソード電極、103…コレクタ電極、104…エミッタ電極、105…ゲート電極、106…ドレイン電極、107…ソース電極

Claims (4)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層上に設けられた第1導電型の第1シリコン層と、
    前記第1シリコン層の表面に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域に対して離間して、前記第1シリコン層の表面に設けられた第2導電型または第1導電型の第2半導体領域と、
    前記第1半導体領域に接続された第1電極と、
    前記第2半導体領域に接続された第2電極と、
    を備え、
    前記第1シリコン層における前記絶縁層との境界付近の底部の水素濃度は、前記第1シリコン層における前記底部よりも上の部分の水素濃度よりも高く、
    前記第1シリコン層における前記底部の抵抗率は、前記第1シリコン層における前記底部よりも上の前記部分の抵抗率よりも低い半導体装置。
  2. 基板と、
    前記基板上に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層上に設けられた第1導電型の第1シリコン層と、
    前記第1シリコン層の表面に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域に対して離間して、前記第1シリコン層の表面に設けられた第2導電型または第1導電型の第2半導体領域と、
    前記第1半導体領域に接続された第1電極と、
    前記第2半導体領域に接続された第2電極と、
    を備え、
    前記第1シリコン層における前記絶縁層との境界付近の底部のヘリウム濃度は、前記第1シリコン層における前記底部よりも上の部分のヘリウム濃度よりも高く、
    前記第1シリコン層における前記底部の抵抗率は、前記第1シリコン層における前記底部よりも上の前記部分の抵抗率よりも低い半導体装置。
  3. 前記第1半導体領域と前記第1シリコン層との間に設けられた第2導電型の第1ベース領域と、
    前記第1ベース領域の上に設けられた第1ゲート電極と、
    前記第1ベース領域と前記第1ゲート電極との間に設けられた第1ゲート絶縁膜と、
    をさらに備えた請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記絶縁層上に設けられた第2シリコン層と、
    前記第1シリコン層と前記第2シリコン層との間に設けられた絶縁膜と、
    前記第2シリコン層内に設けられた第2ベース領域と、
    前記第2ベース領域の表面に設けられたドレイン領域と、
    前記ドレイン領域に対して離間して、前記第2ベース領域の表面に設けられたソース領域と、
    前記ドレイン領域と前記ソース領域との間における前記第2ベース領域上に設けられた第2ゲート電極と、
    前記第2ベース領域と前記第2ゲート電極との間に設けられた第2ゲート絶縁膜と、
    をさらに備えた請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
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