JP7142606B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力用半導体装置などの半導体装置に関する。
高耐圧を有する電力用半導体装置について様々な技術が提案されている。例えば特許文献1には、半導体基板の表面の終端部において複数のP層を配設することにより、半導体装置を高耐圧化する技術が提案されている。
特開2013-38329号公報
しかしながら、特許文献1の技術では、リーク電流が比較的大きいことから、導体装置のオフ状態の発熱が大きくなったり、エネルギーの損失も大きくなったりするという問題があった。
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、半導体装置のリーク電流を低減可能な技術を提供する。
本発明に係る半導体装置は、セル部と、前記セル部を囲繞する終端部とが規定された表面を有し、第1導電型を有する半導体基板と、前記終端部のうち前記セル部と逆側の端部に、前記セル部を囲繞して配設された、前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第1導電型を有する第1不純物層と、前記終端部のうち前記端部以外の部分に、互いに離間しつつ、前記セル部を囲繞して配設された、第2導電型を有する複数の第2不純物層と、前記終端部のうち前記複数の第2不純物層の間に配設された、前記第2不純物層よりも不純物濃度が低い第2導電型を有する1つ以上の第3不純物層と、前記終端部のうち最外周の前記第2不純物層と前記第1不純物層との間に、最外周の前記第2不純物層と接続されるが、前記第1不純物層と離間された状態で配設された、前記第2不純物層よりも不純物濃度が低い第2導電型を有する第4不純物層と、前記終端部の少なくとも一部上に配設された、前記第1不純物層上に第1開口部を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に配設され、前記第1開口部を介して前記第1不純物層と接続された電極と、半絶縁膜とを備え、前記第4不純物層の深さは、前記第2不純物層の深さよりも小さく、前記第4不純物層は、前記絶縁膜及び前記半絶縁膜の少なくともいずれか1つと接続されている。
本発明によれば、第4不純物層は、最外周の前記第2不純物層と接続されるが、前記第1不純物層と離間され、電極は、絶縁膜上に配設され、第1開口部を介して第1不純物層と接続されている。このような構成によれば、半導体装置のリーク電流を低減することができる。
関連半導体装置の構成を示す平面図である。 関連半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 耐圧クラスと距離との関係を示す図である。 実施の形態1に係る半導体装置のプロファイルを示す図である。 実施の形態1に係る半導体装置のプロファイルを示す図である。 耐圧と規格化された実効ドーズ量との相関関係を示す図である。 実施の形態1に係る半導体装置の製造方法の一例を示す図である。 実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態3に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態1に係る半導体装置の電界分布を示す図である。 実施の形態3の変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 実施の形態4に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
<関連半導体装置>
まず、本発明の実施の形態に係る半導体装置について説明する前に、これと関連する半導体装置(以下、「関連半導体装置」と記す)について説明する。以下、第1導電型はN型であり、第2導電型はP型である構成を例にして説明する。しかしながらこれに限ったものではなく、第1導電型がP型であり、第2導電型がN型であってもよい。
図1は関連半導体装置の構成を示す平面図であり、図2は、図1のA1-A2線に沿った、当該構成を示す断面図である。
図1及び図2に示すように、半導体基板3は、セル部1と終端部2とが規定された表面を有している。セル部1には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、SBD(Schottky barrier diode)、PND(PN junction diode)などの半導体素子が配設される。なお、半導体素子の一例として、図2にはIGBTが示されている。
終端部2は、セル部1を囲繞する。この終端部2には、関連半導体装置の耐圧を保持する構造が配設される。
図2に示すように、関連半導体装置は、上記半導体基板3と、絶縁膜4と、P+層5aと、P++層5bと、ゲート配線5cと、半絶縁膜7と、絶縁膜8と、複数のP層9と、1つ以上のP-層10aと、P-層10bと、N++層11とを備える。なお、図2には、空乏層31の境界が示されており、この境界に対して、セル部1側は高抵抗領域32となり、N++層11側は低抵抗領域33となる。
半導体基板3は、N-型、つまりN型を有する。なお、半導体基板3は、概ねN型を有していればよく、部分的にP型を有していてもよい。半導体基板3は、通常の半導体ウェハから構成されてもよいし、エピタキシャル成長層から構成されてもよい。
P+層5a及びP++層5bは、半導体基板3のセル部1及び終端部2に跨って配設されている。ゲート配線5cは、絶縁膜4を介してP+層5a上に配設されている。
第1不純物層であるN++層11は、半導体基板3の終端部2のうちセル部1と逆側の端部である外周部に、セル部1を囲繞して配設されている。N++層11は、N型を有しており、半導体基板3よりもN型の不純物濃度が高くなっている。
複数の第2不純物層である複数のP層9は、終端部2のうち外周部以外の部分に、互いに離間しつつ、セル部1を囲繞して配設されている。複数のP層9は、例えば一定のピッチで配設される。なお、セル部1側のP層9のセル部1側の部分は、P+層5aと重なっており、セル部1側のP層9の範囲は、他のP層9の範囲よりも大きくなっている。
1つ以上の第3不純物層である1つ以上のP-層10aは、終端部2のうち複数のP層9の間に配設されている。P-層10aは、互いに隣り合うP層9の間の一部分に配設されてもよいし、互いに隣り合うP層9の間の全部分に配設されてもよいし、セル部1を囲繞して配設されてもよい。P-層10aは、P型を有しており、P層9よりもP型の不純物濃度が低くなっている。また、P-層10aの深さは、P層9の深さよりも小さくなっている。
P-層10bは、終端部2のうち最外周のP層9とN++層11との間の全部に配設されており、最外周のP層9と接続され、かつN++層11と接続された状態で配設されている。P-層10bは、セル部1を囲繞して配設されてもよい。P-層10bは、P型を有しており、P層9よりもP型の不純物濃度が低くなっている。また、P-層10bの深さは、P層9の深さよりも小さくなっている。
絶縁膜4は、終端部2の少なくとも一部上に配設されており、N++層11上に第1開口部4aを有している。半絶縁膜7は、絶縁膜4上に配設され、第1開口部4aを介してN++層11と接続されている。絶縁膜8は、半絶縁膜7を覆って配設されている。
ここで、P-層10a,10bを備えない半導体装置では、絶縁膜4中に存在する電荷によって、絶縁膜4と接する半導体基板3の最表面の不純物濃度が高くなる。この結果、耐圧保持する際の空乏層の伸びが阻害され、耐圧が低下する。
これに対して、関連半導体装置では、P-層10a,10bによって、絶縁膜4と接する半導体基板3の最表面の不純物濃度が高くなることを抑制することができる。このため、耐圧保持する際の空乏層31を伸ばすことができ、例えば6500Vの高耐圧クラスの半導体装置を実現することができる。
次に、関連半導体装置の問題点について説明する。関連半導体装置のモードが耐圧モードであるとき、半導体基板3内部の空乏層31がセル部1の表面から半導体基板3の端に向かって広がるが、空乏層31が端に到達するとリーク電流が急増してしまう。このため関連半導体装置では、半導体基板3のサイズを十分大きくしておくことにより、空乏層31が半導体基板3の端まで伸びないようにしている。この結果、終端部2の外周部などが、空乏層31とならない低抵抗領域33となる。
しかしながら、関連半導体装置では、P-層10bは、終端部2のうち最外周のP層9とN++層11との間の全部に配設されているため、関連半導体装置のモードが耐圧モードであるときに、P-層10bと低抵抗領域33とが接触することがある。P-層10bと低抵抗領域33とが接触すると、半導体基板3の裏面から、低抵抗領域33、P-層10b、P層9、及び、P-層10aなどを経由して、セル部1に達するリーク電流の経路(図2の破線矢印)が生じる。
この結果、関連半導体装置では、リーク電流が大きくなることにより、関連半導体装置のオフ状態の発熱が大きくなったり、エネルギーの損失も大きくなったりするという問題があった。これに対して、以下で説明する実施の形態に係る半導体装置によれば、このような問題を解決することが可能となっている。
<実施の形態1>
図3は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図2の断面図に対応する図である。以下、本実施の形態1に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
図3に示すように、本実施の形態1では、第4不純物層であるP-層10bは、終端部2のうち最外周のP層9とN++層11との間に、最外周のP層9と接続されるが、N++層11と離間された状態で配設されている。つまり、P-層10bとN++層11との間には半導体基板3が有するN-型の部分が挟まれている。なお、P-層10bのN++層11側の端は、耐圧モードのときの低抵抗領域33と十分離間されるように、P-層10bは設計される。また、本実施の形態1に係る半導体装置は電極6をさらに備えている。この電極6は、絶縁膜4上に配設され、第1開口部4aを介してN++層11と接続されている。
以上のような本実施の形態1によれば、P-層10bはN++層11と離間されるように構成されている。このため、半導体装置のモードが耐圧モードであるときに、P-層10bと低抵抗領域33とが接触することが抑制されるので、リーク経路の形成を抑制することができ、その結果として、半導体装置のリーク電流を低減することができる。
また、外部電荷が、P-層10bが形成されていない部分に影響を与える対策として、本実施の形態1では、P-層10bが形成されていない部分上に絶縁膜4を介して配設された電極6を備える。この電極6は、N++層11とチップの端で接続されているので、電源電圧と同電位を取ることができる。これによって生じる電極6のシールド効果により、半導体基板3外部の外部電荷の影響を抑制することができる。
ここで、本実施の形態1では、最外周のP層9の電極6側の端と、電極6のセル部1側の端との間の距離W1は、5μm以上である。このような構成によれば、空乏層31が電極6のセル部1側の端まで伸びる場合に生じる、電極6直下の電界集中を抑制することができる。なお、距離W1の最小値は図4に示すように耐圧クラスによって変更してもよい。
図5は、本実施の形態1に係るP層9及びP-層10a,10bのプロファイルを示す図であり、図6は、図5の一部を拡大した図である。図5及び図6において、丸印はP層9のプロファイルを示し、太実線は濃度が高いP-層10a,10bのプロファイルを示し、細破線は濃度が真ん中であるP-層10a,10bのプロファイルを示し、細実線は濃度が低いP-層10a,10bのプロファイルを示す。
本実施の形態1では、P-層10a,10bのP型のピークの不純物濃度が、P層9のP型のピークの不純物濃度の0.001倍以上0.1倍以下であり、P-層10a,10bの深さは0.5μm以下である。P-層10a,10bのピークの不純物濃度及び深さが上記を満たす場合には、P-層10a,10bの形成に必要な実効注入量の増加、耐圧低下などの耐圧における悪影響、P層9形成のプロセスマージン減少、などを低減することができる。
図7は、耐圧と規格化された実効ドーズ量との相関関係を示す図である。規格化された実効ドーズ量とは、P層9の実効ドーズ量>>P-層10a,10bの実効ドーズ量が成り立つ条件下で、P層9の実効ドーズ量とP-層10a,10bの実効ドーズ量との和を最適ドーズ量で割った値である。ここで本実施の形態1では、上述したように、P-層10a,10bの実効ドーズ量(P型不純物量)は、P層9の実効ドーズ量(P型不純物量)よりも遥かに小さい。このため、P-層10a,10bの実効ドーズ量を実質的に考慮せずに、P層9の実効ドーズ量=最適ドーズ量が成り立つように、これらの実効ドーズ量を設定することができる。
<製造方法>
P-層10a,10bの形成には、例えば、50keV以下のRTP(Rapid Thermal Process)を用いた低エネルギー注入、ガスドーピング、及び、液処理などが用いられる。図8に示すように各形成方法にはメリット及びデメリットがあるから、半導体装置のスペック、製造フロー、及び、製造環境などを考慮して、いずれかの形成方法を選ぶことが好ましい。
<実施の形態1のまとめ>
以上のような本実施の形態1に係る半導体装置によれば、1つ以上のP-層10aと、N++層11から離間されたP-層10bと、絶縁膜4上に配設された電極6とを備える。このような構成によれば、半導体装置の耐圧を高めることができ、かつ、リーク電流を低減することができる。
また、最外周のP層9の電極6側の端と、電極6のセル部1側の端との間の距離W1は、5μm以上である。このような構成によれば、空乏層31が電極6周辺まで伸びる場合に生じる、電極6直下の電界集中を抑制することができる。
<実施の形態2>
図9は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図2の断面図に対応する図である。以下、本実施の形態2に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
図9の本実施の形態2に係る半導体装置の構成は、図3の実施の形態1に係る半導体装置の構成に、高濃度の多結晶半導体膜12を追加した構成と同様である。なお、多結晶半導体膜12の濃度の範囲は、例えば1E19~1E21cm-3である。
多結晶半導体膜12は、第1開口部4a周辺の絶縁膜4上に配設されている。電極6は、絶縁膜4及び多結晶半導体膜12上に配設され、多結晶半導体膜12と接続されている。最外周のP層9の多結晶半導体膜12側の端と、多結晶半導体膜12のセル部1側の端との間の距離W1は5μm以上である。
<実施の形態2のまとめ>
以上のような本実施の形態2に係る半導体装置によれば、実施の形態1と同じ構成要素を備えるので実施の形態1と同様に、半導体装置の耐圧を高めることができ、かつ、リーク電流を低減することができる。
また本実施の形態2によれば、多結晶半導体膜12が、絶縁膜4を介して、多結晶半導体膜12近傍の半導体基板3の表面にN型の蓄積層を生成するため、表面における空乏層の不要な伸びを止めることができる。このため、終端部2の幅を縮小することができる。この結果、半導体基板3の面積を縮小することができるので、チップコストの低減及び電流密度増加が可能となる。
また、最外周のP層9の電極6側の端と、多結晶半導体膜12のセル部1側の端との間の距離W1は、5μm以上である。このような構成によれば、空乏層31が多結晶半導体膜12周辺まで伸びる場合に生じる、多結晶半導体膜12直下の電界集中を抑制することができる。
<実施の形態3>
図10は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図2の断面図に対応する図である。以下、本実施の形態3に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
本実施の形態3では、絶縁膜4は、第1開口部4aを有するだけでなく、実施の形態1と異なり複数のP層9上に1つの第2開口部4bを有している。そして、半絶縁膜7は、第2開口部4bを介して、複数のP層9と接続されている。
ここで、実施の形態1に係る半導体装置(図3)のように、P層9上に絶縁膜4が存在する構成では、連続的な電圧印加中にホットエレクトロンが絶縁膜4に注入されて、絶縁膜4がチャージアップする場合があり、そのような場合には耐圧劣化を招く恐れがある。
図11は、上述した実施の形態1に係る半導体装置(図3)の半導体基板3表面の電界分布を示す図である。なお、図11の横軸は、図3のB1-B2線に沿った位置を示す。図11の実線は、絶縁膜4がチャージアップする前の電界分布を示し、破線は、絶縁膜4がチャージアップした後の電界分布を示す。
半導体装置に電圧が印加されると、図3の破線の丸印、及び、図11の実線に示すように、電界がP-層10a,10bのセル部1側の端に集中する。この場合に、高電界によって加速されたホットエレクトロンが、トンネル現象によって絶縁膜4に注入されて蓄積されると、チャージアップした絶縁膜4が、半導体基板3内部の電界分布に影響を与える。この結果、図11の破線に示すように、電界が局所的に集中して、アバランシェ破壊、ひいては耐圧劣化を引き起こす可能性がある。なお図11では電界の集中が、セル部1側にシフトしているが、これとは異なり、終端部2側にシフトする場合もある。
これに対して本実施の形態3に係る半導体装置では、P層9上には絶縁膜4ではなく半絶縁膜7が配設されているため、上記のような耐圧劣化を抑制することができる。
また本実施の形態3では、第2開口部4bのセル部1側の端と、1つ以上のP-層10aのうちセル部1側のP-層10aのセル部1側の端との間の距離W2は、0より大きくなっている。このような構成によれば、耐圧劣化をさらに抑制することができる。
<実施の形態3のまとめ>
以上のような本実施の形態3に係る半導体装置によれば、実施の形態1と同じ構成要素を備えるので実施の形態1と同様に、半導体装置の耐圧を高めることができ、かつ、リーク電流を低減することができる。
また本実施の形態3によれば、半絶縁膜7は、第2開口部4bを介して、複数のP層9と接続されているので、ホットエレクトロンの注入による耐圧劣化を抑制することができる。
また本実施の形態3によれば、第2開口部4bのセル部1側の端と、1つ以上のP-層10aのうちセル部1側のP-層10aのセル部1側の端との間の距離W2は、0より大きいので、耐圧劣化をさらに抑制することができる。
<実施の形態3の変形例>
実施の形態3では、絶縁膜4は、複数のP層9上に1つ第2開口部4bを有していた。しかしながら、絶縁膜4は、これに限ったものではなく、図12に示すように、複数のP層9上に複数の第2開口部4bをそれぞれ有していてもよい。具体的には、複数の第2開口部4bが、ホットエレクトロンが注入される、P-層10a,10bのセル部1側の端上に設けられてもよい。そして、半絶縁膜7が、複数の第2開口部4bを介して、複数のP層9と接続されてもよい。この場合でも、実施の形態3と同様にホットエレクトロンの注入による耐圧劣化を抑制することができる。
<実施の形態4>
図13は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図2の断面図に対応する図である。以下、本実施の形態4に係る構成要素のうち、上述の構成要素と同じまたは類似する構成要素については同じまたは類似する参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
本実施の形態4に係る半導体装置の構成は、実施の形態2に係る半導体装置の構成と、実施の形態3に係る半導体装置の構成とを組み合わせた構成と同様である。すなわち、本実施の形態4では、多結晶半導体膜12は、第1開口部4a周辺の絶縁膜4上に配設され、電極6は、絶縁膜4及び多結晶半導体膜12上に配設され、多結晶半導体膜12と接続されている。また、絶縁膜4は、複数のP層9上に第2開口部4bを有し、半絶縁膜7は、第2開口部4bを介して、複数のP層9と接続されている。
このような本実施の形態4に係る半導体装置によれば、実施の形態2に係る半導体装置の効果と、実施の形態3に係る半導体装置の効果とを得ることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1 セル部、2 終端部、3 半導体基板、4 絶縁膜、4a 第1開口部、4b 第2開口部、6 電極、7 半絶縁膜、9 P層、10a,10b P-層、11 N++層、12 多結晶半導体膜。

Claims (8)

  1. セル部と、前記セル部を囲繞する終端部とが規定された表面を有し、第1導電型を有する半導体基板と、
    前記終端部のうち前記セル部と逆側の端部に、前記セル部を囲繞して配設された、前記半導体基板よりも不純物濃度が高い第1導電型を有する第1不純物層と、
    前記終端部のうち前記端部以外の部分に、互いに離間しつつ、前記セル部を囲繞して配設された、第2導電型を有する複数の第2不純物層と、
    前記終端部のうち前記複数の第2不純物層の間に配設された、前記第2不純物層よりも不純物濃度が低い第2導電型を有する1つ以上の第3不純物層と、
    前記終端部のうち最外周の前記第2不純物層と前記第1不純物層との間に、最外周の前記第2不純物層と接続されるが、前記第1不純物層と離間された状態で配設された、前記第2不純物層よりも不純物濃度が低い第2導電型を有する第4不純物層と、
    前記終端部の少なくとも一部上に配設された、前記第1不純物層上に第1開口部を有する絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に配設され、前記第1開口部を介して前記第1不純物層と接続された電極と
    半絶縁膜と
    を備え
    前記第4不純物層の深さは、前記第2不純物層の深さよりも小さく、前記第4不純物層は、前記絶縁膜及び前記半絶縁膜の少なくともいずれか1つと接続されている、半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記第1開口部周辺の前記絶縁膜上に配設された多結晶半導体膜をさらに備え、
    前記電極は、前記多結晶半導体膜と接続されている、半導体装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の半導体装置であって、
    前記1つ以上の第3不純物層及び前記第4不純物層の第2導電型のピークの不純物濃度が、前記第2不純物層の第2導電型のピークの不純物濃度の0.001倍以上0.1倍以下である、半導体装置。
  4. 請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記1つ以上の第3不純物層及び前記第4不純物層の深さは、0.5μm以下である、半導体装置。
  5. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    最外周の前記第2不純物層の前記電極側の端と、前記電極の前記セル部側の端との間の距離は、5μm以上である、半導体装置。
  6. 請求項2に記載の半導体装置であって、
    最外周の前記第2不純物層の前記多結晶半導体膜側の端と、前記多結晶半導体膜の前記セル部側の端との間の距離は、5μm以上である、半導体装置。
  7. 請求項1から請求項6のうちのいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記絶縁膜は、前記複数の第2不純物層上に第2開口部をさらに有し、
    前記半絶縁膜は、前記第2開口部を介して前記複数の第2不純物層と接続されている、半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置であって、
    前記第2開口部の前記セル部側の端と、前記1つ以上の第3不純物層のうち前記セル部側の第3不純物層の前記セル部側の端との間の距離は、0より大きい、半導体装置。
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