JP7193371B2 - 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。
トレンチゲート型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)では、例えば、ソース・ドレイン間の電圧変動に起因した高電圧が終端領域のゲート絶縁膜に印加され、絶縁破壊を生じさせることがある。これを防ぐために、終端領域のゲート絶縁膜を厚くすると、隣接するゲート電極間に位置する半導体領域の幅が狭くなり、ソース電極を半導体領域にコンタクトさせることが難しくなる。
特開2015-76414号公報
実施形態は、終端領域に位置するトレンチゲートの絶縁破壊を回避できる半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、第1導電形の第1半導体層を含む半導体部と、前記半導体部の表面上に設けられた第1電極と、前記半導体部の前記表面側に設けられた第1トレンチの内部に配置され、第1絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁された第1制御電極と、前記半導体部の前記表面側において、前記第1トレンチに隣接した第2トレンチの内部に配置され、第2絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁された第2制御電極と、前記半導体部の前記表面上に第3絶縁膜を介して設けられ、前記第1制御電極および前記第2制御電極に電気的に接続された第2電極と、を備える。前記第2電極は、前記第1電極から離間して配置され、前記第1制御電極および前記第2制御電極は、前記半導体部と前記第1電極との間に位置する第1部分と、前記半導体部と前記第2電極との間に位置する第2部分と、前記第1部分および前記第2部分につながった第3部分と、をそれぞれ有する。前記半導体部は、前記第1制御電極と前記第2制御電極との間に設けられた、第2導電形の第2半導体層と、第1導電形の第3半導体層と、第2導電形の第4半導体層と、をさらに含む。前記第2半導体層は、前記第1半導体層上に設けられ、前記第1制御電極および前記第2制御電極の前記第1部分、前記第3部分および前記第2部分に沿って延在し、前記第3半導体層は、前記第2半導体層と前記第1電極との間に選択的に設けられる。前記第4半導体層は、前記第2半導体層上に選択的に設けられ、前記第1制御電極および前記第2制御電極の延在方向に、前記第1制御電極および前記第2制御電極の前記第3部分および前記第2部分に沿って延在する。前記第4半導体層は、前記第2半導体層の第2導電形不純物よりも高濃度の第2導電形不純物を含む。
実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す別の模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。 比較例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態の変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すX軸、Y軸およびZ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。X軸、Y軸、Z軸は、相互に直交し、それぞれX方向、Y方向、Z方向を表す。また、Z方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
図1および図2は、実施形態に係る半導体装置1を示す模式断面図である。半導体装置1は、トレンチゲート構造を有するMOSFETである。図1は、半導体装置1の終端領域の断面構造を示す模式図である。図2は、半導体装置1の活性領域の断面構造を示す模式図である。
図1に示すように、半導体装置1は、半導体部10と、第1電極(以下、ソース電極20)と、ドレイン電極30と、第2電極(以下、ゲートパッド40)と、を含む。ソース電極20およびゲートパッド40は、半導体部10の表面側に設けられ、ドレイン電極30は、半導体部10の裏面上に設けられる。ゲートパッド40は、終端領域に位置し、ソース電極20から半導体部10の表面に沿った方向に離間して設けられる。ゲートパッド40は、絶縁膜25により半導体部10から電気的に絶縁される。絶縁膜25は、終端領域において半導体部10の表面を覆うように設けられる。絶縁膜25は、ソース電極20の端と半導体部10の間に位置する部分と、ゲートパッド40と半導体部10との間に位置する部分と、を含む。
半導体部10は、例えば、シリコンであり、第1~第4半導体層を含む。第1半導体層は、例えば、n形ドリフト層11である。第2半導体層は、例えば、p形ベース層13である。第3半導体層は、例えば、n形ソース層14(図2参照)である。第4半導体層は、例えば、p形高濃度層15である。
n形ドリフト層11は、活性領域および終端領域の全体に設けられる。p形ベース層13は、n形ドリフト層11の上に設けられ、活性領域から終端領域中に延びる。p形高濃度層15は、終端領域において、p形ベース層13の上に選択的に設けられる。ここで、活性領域は、n形ソース層14が設けられた領域(図3(a)参照)であり、終端領域は、活性領域から外側に向かってX方向に延びる。
p形高濃度層15は、例えば、X方向に延在し、p形ベース層13のp形不純物よりも高濃度のp形不純物を含む。p形高濃度層15は、p形ベース層13とゲートパッド40との間に位置する部分を含む。また、p形高濃度層15は、p形ベース層13とソース電極20の端との間に位置する部分を含んでも良い。絶縁膜25は、p形高濃度層15とソース電極20の端との間に位置する部分を含む。さらに、p形高濃度層15は、ソース電極20に接するように設けられても良い。
ソース電極20は、例えば、コンタクト層20aと、バリア層20bと、埋め込み層20cと、ボンディング層20dと、を含む多層構造を有する。コンタクト層20aは、例えば、チタニウム層であり、n形ソース層14およびp形コンタクト層16(図2参照)にコンタクトする。コンタクト層20aは、例えば、10~30ナノメートル(nm)の厚さを有する。バリア層20bは、例えば、窒化チタニウム層であり、10~50nmの厚さを有する。埋め込み層20cは、例えば、タングステン層であり、100~300nmの厚さを有する。ボンディング層20dは、例えば、アルミニウム層であり、例えば、4マイクロメートル(μm)の厚さを有する。
ゲートパッド40も、例えば、コンタクト層40aと、バリア層40bと、埋め込み層40cと、ボンディング層40dと、を含む多層構造を有する。コンタクト層40aは、例えば、チタニウム層であり、ゲート電極45にコンタクトする(図3(b)参照)。バリア層40bは、例えば、窒化チタニウム層である。埋め込み層40cは、例えば、タングステン層である。ボンディング層40dは、例えば、アルミニウム層である。
ゲートパッド40は、例えば、ソース電極20と同時に形成される。コンタクト層40aは、例えば、10~30nmの厚さを有し、バリア層40bは、例えば、10~50nmの厚さを有する。埋め込み層40cは、例えば、100~300nmの厚さを有し、ボンディング層40dは、例えば、4μmの厚さを有する。
図2に示すように、半導体装置1は、ゲートトレンチGTの内部に設けられた制御電極(以下、ゲート電極45)と、フィールドプレート47と、をさらに含む。ゲート電極45は、例えば、導電性のポリシリコンまたは金属である。フィールドプレート47は、例えば、導電性のポリシリコンである。
ゲートトレンチGTは、半導体部10の表面側に設けられる。ゲート電極45およびフィールドプレート47は、ゲートトレンチGTの内部に設けられた絶縁膜27により半導体部10から電気的に絶縁される。また、ゲート電極45およびフィールドプレート47は、絶縁膜27により相互に電気的に絶縁される。絶縁膜27は、例えば、シリコン酸化膜である。絶縁膜27は、例えば、熱酸化もしくはCVD(Chemical Vapor Deposition)、または、その両方を用いて形成される。
フィールドプレート47は、例えば、Z方向において、n形ドリフト層11とゲート電極45との間に位置する。ゲート電極45は、ソース電極20とフィールドプレート47との間に位置する。ゲート電極45は、絶縁膜25によりソース電極20から電気的に絶縁される。絶縁膜25は、例えば、1μmの厚さを有する。
p形ベース層13は、隣接するゲート電極45間において、n形ドリフト層11とソース電極20との間に設けられる。n形ソース層14は、p形ベース層13とソース電極20との間に選択的に設けられる。n形ソース層14は、ソース電極20に電気的に接続される。P形ベース層13とゲート電極45との間に位置する絶縁膜27の一部は、ゲート絶縁膜27gとして機能する。
半導体部10は、p形コンタクト層16と、n形ドレイン層17と、を含む。p形コンタクト層16は、例えば、p形ベース層13中に設けられ、p形ベース層13のp形不純物よりも高濃度のp形不純物を含む。
ソース電極20は、p形コンタクト層16に接するように設けられる。例えば、ソース電極20の一部20eは、半導体部10の表面側に設けられたコンタクトトレンチCTの内部に延在し、p形コンタクト層16に接する。コンタクトトレンチCTは、隣接するゲート電極45の間に設けられ、例えば、n形ソース層14を分断し、p形ベース層13に達する深さを有する。ソース電極20は、p形コンタクト層16に電気的に接続される。また、ソース電極20は、p形ベース層13にも電気的に接続される。
n形ドレイン層17は、n形ドリフト層11とドレイン電極30との間に設けられる。n形ドレイン層17は、n形ドリフト層11のn形不純物よりも高濃度のn形不純物を含み、ドレイン電極30に電気的に接続される。
図3(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1を示す模式図である。図3(a)は、半導体部10の表面を模式的に表す平面図である。図3(b)は、図3(a)中に示すA-A線に沿った断面構造を表す模式図である。
図3(a)では、ソース電極20、ゲートパッド40および絶縁膜25が省略されている。例えば、図1は、図3(a)中に示すB-B線に沿った断面を表す模式図である。図2は、図3(a)中に示すC-C線に沿った断面を表す模式図である。
図3(a)に示すように、p形高濃度層15は、終端領域において、隣り合うゲートトレンチGTの間に設けられ、ゲート電極45に沿ってX方向に延びる。p形高濃度層15は、ゲート電極45の端45eよりもX方向に突出するように設けられる。すなわち、p形高濃度層15の端15eは、X方向においてゲート電極45の端45eよりも外側に位置する。
また、p形ベース層13の端13eは、X方向においてp形高濃度層15の端15eの外側に位置する。これにより、終端領域の端における電界集中を緩和し、終端領域の耐圧を向上させることができる。
図3(a)に示すように、フィールドプレート47は、ゲートトレンチGTの内部において、ゲート電極45の外側に位置する端部47eを含む。p形ベース層13は、例えば、Y方向において隣接するフィールドプレート47の端部47e間に位置する部分を含む。さらに、p形高濃度層15は、Y方向において隣接するフィールドプレート47の端部47e間に位置する部分を含むように設けられても良い。p形ベース層13およびp形高濃度層15は、これらの端13eおよび15eがX方向においてフィールドプレート47の外側に位置しないように設けられる。
図3(b)に示すように、ゲート電極45は、ゲートトレンチGT内において、X方向に連続して延びるように設けられる。ゲート電極45は、n形ドリフト層11とソース電極20との間位置する第1部分45aと、n形ドリフト層11とゲートパッド40との間に位置する第2部分45bと、第1部分45aおよび第2部分45bにつながる第3部分45cと、を含む。
ゲート電極45は、絶縁膜25を介してソース電極20から電気的に絶縁され、ゲートパッド40に電気的に接続される。ゲートパッド40は、絶縁膜25に設けられたコンタクトホールCHの内部に延在する部分40eを介してゲート電極45の第2部分45bに電気的に接続される。
p形高濃度層15は、例えば、ゲート電極45の第1部分45a、第3部分45cおよび第2部分45bに沿ってX方向に延びる(図1参照)。また、p形高濃度層15は、少なくとも第3部分45cおよび第2部分45bに沿ってX方向に延びる(図5(a)参照)。
フィールドプレート47は、n形ドリフト層11とゲート電極45との間に位置する部分47mと、ゲート電極45の外側に位置する端部47eと、を含む。フィールドプレート47は、例えば、図示しない部分において、ソース電極20に電気的に接続される。
図4(a)および(b)は、比較例に係る半導体装置2を示す模式断面図である。図4(a)は、図1に示す断面に対応する断面を示す模式図である。図4(b)は、半導体部10の表面を模式的に示す平面図である。
図4(a)に示すように、半導体装置2では、p形高濃度層15(図1参照)が設けられない。例えば、半導体装置2をスイッチング動作させる場合、ソース・ドレイン間の電圧変動により変位電流IDSが流れる。半導体装置2の終端領域にはp形高濃度層15が設けられていないので、p形ベース層13の寄生抵抗Rが大きい。したがって、変位電流IDSが流れると、p形ベース層13中に大きな電位差が生じる。これにより、ゲート電極45とp形ベース層13との間のゲート絶縁膜中に高電界が誘起され、絶縁破壊を生じさせる場合がある。
図4(b)に示すように、半導体装置2は、例えば、終端領域におけるゲート絶縁膜27fを厚くした構造を有する。これにより、変位電流IDSに起因した絶縁破壊を回避することが可能となる。
しかしながら、半導体装置2は、例えば、オン抵抗を低減するために製造上の限界近くまで微細化されたトレンチゲート構造を有する。このため、ゲート電極45のY方向の幅を狭くすることは難しい。したがって、ゲート絶縁膜27fを厚くすれば、ゲートトレンチGTのY方向の幅が広くなり、半導体部10のゲート電極45間に位置する部分のY方向の幅10が狭くなる。
一方、活性領域に形成されるゲート絶縁膜27gのY方向の幅は、終端領域におけるゲート絶縁膜27fのY方向の幅よりも狭い。例えば、製造限界のサイズまで微細化されたゲートトレンチGTにおいて、ゲート絶縁膜27gおよび27fのそれぞれの幅に対応させてY方向のトレンチ幅を変化させることは難しい。したがって、ゲートトレンチGTのY方向の幅は、活性領域および終端領域において同じであり、半導体部10も活性領域および終端領域において同じY方向の幅10Wを有するように形成される。このため、終端領域のゲート絶縁膜27fを厚くすれば、活性領域における半導体部10の幅10も狭くなる。この結果、ゲート電極45間に位置するn形ソース層14およびp形コンタクト層16にソース電極20をコンタクトさせることが難しくなる。これを避けるために、半導体部10のY方向の幅10Wを広くすれば、ゲートチャネルの高密度化が阻害され、オン抵抗を低減することが難しくなる。
これに対し、半導体装置1では、p形ベース層13上にp形高濃度層15を設けることにより、寄生抵抗Rを小さくすることができる。これにより、p形ベース層13中の電位差を低減し、終端領域におけるゲート絶縁膜27f(図4(b)参照)に高電界が誘起されることを回避することができる。したがって、半導体装置1では、終端領域におけるゲート絶縁膜27fのY方向の膜厚を活性領域におけるゲート絶縁膜27gのY方向の膜厚と同じにすることができる。これにより、ゲート電極45間に位置する半導体部10の幅10を広くすることが可能となり、n形ソース層14およびp形コンタクト層16にソース電極20をコンタクトさせることが容易となる。ここで「膜厚が同じ」とは、例えば、膜厚が同じとなるように形成されるが、製造上のバラツキ等に起因した差異を含む「略同一」であることを意味する。
また、ゲートトレンチGTの微細化が、ゲート絶縁膜27fのY方向の膜厚とゲート絶縁膜27gのY方向の膜厚とが異なることを許容できるレベルである場合には、ゲート絶縁膜27fのY方向の膜厚をゲート絶縁膜27gのY方向の膜厚よりも厚くすることが好ましい。これにより、p形高濃度層15を設ける効果に加えて、終端領域におけるゲート絶縁膜27fの絶縁耐圧が高くなり、より効果的に絶縁破壊を回避することが可能となる。
図5(a)および(b)は、実施形態の変形例に係る半導体装置3および4を示す模式断面図である。図5(a)および(b)は、図1に示す断面に対応する断面構造を示す模式図である。
図5(a)に示す半導体装置3では、p形高濃度層15は、p形ベース層13とソース電極20との間に位置する部分を有しない。すなわち、p形高濃度層15は、p形ベース層13を介してソース電極20に電気的に接続されていれば良く、ソース電極20に直接接しなくても良い。半導体装置3では、p形高濃度層15は、ゲート電極45の第3部分45cおよび第2部分45bに沿ってX方向に延びる(図3(b)参照)。
半導体装置3においても、p形高濃度層15によりp形ベース層13の寄生抵抗Rを低減することが可能であり、終端領域におけるゲート絶縁膜27fの絶縁破壊を回避できる。
図5(b)に示す半導体装置4では、p形高濃度層15は、例えば、p形コンタクト層16と同じ深さ、もしくは、p形コンタクト層16よりも深く形成される。すなわち、p形ベース層13とp形高濃度層15との境界13fは、p形ベース層13とp形コンタクト層16との境界16fのZ方向のレベルと同じか、または、より深い位置に設けられる。これにより、p形ベース層13の寄生抵抗Rをさらに低減することができる。
また、図5(b)に示すように、p形高濃度層15は、ソース電極20に直接コンタクトするように形成されても良く、p形コンタクト層16につながっても良い。これにより、変位電流IDSに起因したp形ベース層13中の電位差をさらに低減できる。
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、2、3、4…半導体装置、 10…半導体部、 10W…幅、 11…n形ドリフト層、 13…p形ベース層、 13e、15e、45e…端、 13f、16f…境界、 14…n形ソース層、 15…p形高濃度層、 16…p形コンタクト層、 17…n形ドレイン層、 20…ソース電極、 25、27…絶縁膜、 27f、27g…ゲート絶縁膜、 30…ドレイン電極、 40…ゲートパッド、 45 ゲート電極、 45a…第1部分、 45b…第2部分、 45c…第3部分、 47…フィールドプレート、 47e…端部、 CH…コンタクトホール、 CT…コンタクトトレンチ、 GT…ゲートトレンチ

Claims (7)

  1. 第1導電形の第1半導体層を含む半導体部と、
    前記半導体部の表面上に設けられた第1電極と、
    前記半導体部の前記表面側に設けられた第1トレンチの内部に配置され、第1絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁された第1制御電極と、
    前記半導体部の前記表面側において、前記第1トレンチに隣接した第2トレンチの内部に配置され、第2絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁された第2制御電極と、
    前記半導体部の前記表面上に第3絶縁膜を介して設けられ、前記第1制御電極および前記第2制御電極に電気的に接続された第2電極と、
    を備え、
    前記第2電極は、前記第1電極から離間して配置され、
    前記第1制御電極および前記第2制御電極は、前記半導体部と前記第1電極との間に位置する第1部分と、前記半導体部と前記第2電極との間に位置する第2部分と、前記第1部分および前記第2部分につながった第3部分と、をそれぞれ有し、
    前記半導体部は、前記第1制御電極と前記第2制御電極との間に設けられた、第2導電形の第2半導体層と、第1導電形の第3半導体層と、第2導電形の第4半導体層と、をさらに含み、
    前記第2半導体層は、前記第1半導体層上に設けられ、前記第1制御電極および前記第2制御電極の前記第1部分、前記第3部分および前記第2部分に沿って延在し、
    前記第3半導体層は、前記第2半導体層と前記第1電極との間に選択的に設けられ、
    前記第4半導体層は、前記第2半導体層上に選択的に設けられ、前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜に接し、前記第1制御電極および前記第2制御電極の延在方向に、前記第1制御電極および前記第2制御電極の前記第3部分および前記第2部分に沿って延在し、前記第2半導体層の第2導電形不純物よりも高濃度の第2導電形不純物を含む半導体装置。
  2. 前記第1トレンチの内部に設けられ、前記第1制御電極と前記第1半導体層との間に位置する第1フィールドプレートと、
    前記第2トレンチの内部に設けられ、前記第2制御電極と前記第1半導体層との間に位置する第2フィールドプレートと、
    をさらに備えた請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1フィールドプレートは、前記第1制御電極および前記第2制御電極の延在方向である第1方向において、前記第1制御電極よりも外側に位置する第1端部を有し、
    前記第2フィールドプレートは、前記第1方向において、前記第2制御電極よりも外側に位置する第2端部を有し、
    前記第2半導体層および前記第4半導体層は、前記第1制御電極および前記第2制御電極よりも前記第1方向に突出した部分をそれぞれ含む請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記第4半導体層は、前記第2半導体層と前記第1電極との間に位置する部分を含み、前記第1電極に電気的に接続される請求項1~3のいずれか1つに記載の半導体装置。
  5. 前記第2電極は、前記第3絶縁膜中に延び、前記第1制御電極および前記第2制御電極のそれぞれの第部分に電気的に接続された部分を含む請求項1~4のいずれか1つに記載の半導体装置。
  6. 前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜は、前記第1制御電極から前記第2制御電極に向かう第2方向における、前記第2半導体層と前記第1部分との間に位置する部分の第1膜厚と、前記第2半導体層と前記第2部分との間に位置する部分の第2膜厚と、前記第2半導体層と前記第3部分との間に位置する部分の第3膜厚と、をそれぞれ有し、
    前記第1膜厚、前記第2膜厚および前記第3膜厚は、同一である請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。
  7. 前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜は、前記第1制御電極から前記第2制御電極に向かう第2方向における、前記第2半導体層と前記第1部分との間に位置する部分の第1膜厚と、前記第2半導体層と前記第2部分との間に位置する部分の第2膜厚と、前記第2半導体層と前記第3部分との間に位置する部分の第3膜厚と、をそれぞれ有し、
    前記第1膜厚は、前記第2膜厚および前記第3膜厚よりも薄い請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。
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