JP7201288B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置、特に高耐圧の半導体装置の周辺構造に関するものである。
高耐圧用途の半導体装置では、耐圧の改善を図るためにフィールドプレートを設ける場合がある。フィールドプレートとは電界の分布を制御する電極状の構成であり、通常電界の集中を回避する電界緩和のために設けられる。
フィールドプレートに関する文献として、例えば特許文献1が知られている。特許文献1には、第1導電型のコレクタ領域と、コレクタ領域内に形成された第2導電型のベース領域と、コレクタ領域内にベース領域と所定距離離隔されて形成され、コレクタ領域と同一の第1導電型で形成され、コレクタ領域より高濃度で形成された少なくとも一つのフィールド強化領域と、ベース領域とコレクタ領域との接合部とフィールド強化領域上に絶縁膜を介在して形成されたフィールドプレートとを具備することを特徴とする電力用半導体素子が開示されている。すなわち、特許文献1には、高耐圧半導体装置のフィールドプレートの下部にフィールド強化領域を設けることで、電界の集中領域を分散し、高耐圧半導体装置の周辺構造のブレークダウン耐圧を向上させる発明が開示されている。
特開平10-335631号公報
上記のように、特許文献1にはフィールドプレートの下部にフィールド強化領域を設け、半導体装置の耐圧の向上を図ることが開示されている。しかしながら、特許文献1に係る電力用半導体素子の主眼は基板面に対して垂直な方向の断面構造にあり、半導体装置の平面的なレイアウトにより耐圧を向上させるという着想はない。昨今のように半導体装置の高集積化が進む趨勢下、半導体層のレイアウト面積、特に周辺領域のレイアウト面積の増加を最小限に抑制しつつ耐圧を向上させるとことが喫緊の課題となっている。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、フィールドプレートを有する半導体装置において、レイアウト面積の増大を抑制しつつ耐圧の低下が抑制された半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、主面にセル領域と前記セル領域を囲む外周領域とを備えた第1導電型の半導体基板と、前記外周領域内に配置され、前記セル領域を囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1拡散層と、前記外周領域内に配置され、絶縁部材に設けられた開口部を介して前記主面に接するとともに前記第1拡散層に接続された電極と、前記主面に対し垂直な方向から見た場合に前記電極に内包される領域の前記主面に前記第1拡散層から離間して形成され、かつ第1の幅を有する直線部と前記第1の幅より広い第2の幅の部分を有する屈曲部とを含む前記第1導電型の第2拡散層と、を備えることを特徴とするものである。
一方、本発明に係る他の態様の半導体装置は、主面にセル領域と前記セル領域を囲む外周領域とを備えた第1導電型の半導体基板と、前記外周領域内に配置され、前記セル領域を囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1拡散層と、前記外周領域内に配置され、絶縁部材に設けられた開口部を介して前記主面に接するとともに前記第1拡散層に接続された電極と、前記主面に対し垂直な方向から見た場合に前記電極に内包される領域の前記主面に前記第1拡散層から離間して形成され、かつ第1の不純物濃度を有する直線部と、前記第1の不純物濃度より低い第2の不純物濃度を有する屈曲部とを含む前記第1導電型の第2拡散層と、を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、フィールドプレートを有する半導体装置において、レイアウト面積の増大を抑制しつつ耐圧の低下が抑制された半導体装置が提供される、という効果を奏する。
実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す、(a)は平面図、(b)は断面図である。 第1の実施の形態に係る電界緩和構造体の構成の一例を示す、(a)は平面図、(b)、(c)は断面図である。 第1の実施の形態の変形例に係る電界緩和構造体の構成の一例を示す平面図である。 第2の実施の形態に係る電界緩和構造体の構成の一例を示す平面図である。
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1(a)は、本実施の形態に係る半導体装置1の構成を示す平面図、図1(b)は、図1(a)におけるX-X線に沿った断面図である。本実施の形態において、半導体装置1は、矩形形状の主面を有するプレーナ型でかつNPN型のバイポーラトランジスタを構成している。
コレクタ層11は、N型の半導体基板(図示省略)にアンチモン等の添加不純物を高濃度でドープすることにより形成されたN型半導体層であり、トランジスタのコレクタ領域を構成する。コレクタ層11は、半導体装置1の裏面側に形成されている。エピタキシャル層12は、コレクタ層11の表面に例えばシラン化合物とリン化合物を高温で分解反応させる気相成長法によって形成される比較的低濃度のN型半導体層である。
ベース拡散層13は、エピタキシャル層12の表面にパターニング用のマスク(図示省略)を介してホウ素などを添加した後、不純物を熱拡散させることにより形成されるP型半導体層であり、トランジスタのベース領域を構成する。エミッタ拡散層14は、ベース拡散層13の表面にパターニング用のマスク(図示省略)を介してリンなどの添加不純物を熱拡散させることにより形成される比較的高濃度のN型半導体層である。上面視において、ベース拡散層13は、エミッタ拡散層14全体を囲むように形成される。ベース拡散層13およびエミッタ拡散層14は矩形形状を有する半導体装置1の辺に沿った辺を有する多角形形状を有するが、逆バイアス時における電界集中を緩和することを目的として、各コーナー部は緩やかな弧を描くように湾曲している。
エミッタ電極15は、アルミニウム等の導電体からなり、エミッタ拡散層14の表面を覆うように形成される。ベース電極16は、エミッタ電極15と同様、アルミニウム等の導電体からなりベース拡散層13の表面を覆うように形成される。エミッタ電極15とベース電極16との間には例えばSiO等の絶縁膜17が設けられており、エミッタ電極15とベース電極16は電気的に分離されている。
図1(a)に示すように、半導体装置1は、矩形形状の主面18(図2(b)、(c)参照)においてエミッタ電極15およびベース電極16が露出している。エミッタ電極15は、エミッタ拡散層14の形状と略同様の形状を有しており、各コーナー部が緩やかな弧を描くように湾曲している。また、エミッタ電極15は、それ自体がボンディングワイヤを接続するためのボンディングパッドを構成している。一方、ベース電極16は、ベース拡散層13の外縁に沿って形成されており、エミッタ電極15全体を囲む環状パターンを有するとともに、この環状パターンに接続されたボンディングワイヤを接続するためのボンディングパッド16aを有する。ベース電極16もエミッタ電極15と同様、各コーナー部が緩やかな弧を描くように湾曲している。ベース電極16の外側には、例えばSiO等の絶縁膜17が延在している。
本実施の形態に係る半導体装置1において、ベース拡散層13およびベース電極16の内側の領域が、トランジスタ動作が行われる活性領域A1とされ、ベース拡散層の外側の領域が不活性領域A2とされる。なお、本実施の形態において活性領域とは半導体装置の主たる機能を発揮するための動作が行われる領域をいい、不活性領域とは活性領域の周囲の半導体装置の機能には直接関係しない領域をいう。本実施の形態に係る半導体装置1において、活性領域A1の外縁を画定するベース拡散層13およびベース電極16は、上記したように各コーナー部が丸みを帯びるように湾曲している。なお、活性領域A1、不活性領域A2が各々本発明に係る「セル領域」、「外周領域」の一例である。
半導体装置1では、さらに電界緩和構造体50を備えている。後述するように電界緩和構造体50は半導体装置1の主面18に形成された拡散層と、フィールドプレートとしての機能を有する電極とから構成されている。本実施の形態に係る電界緩和構造体50は、図1(a)、(b)に示すようにベース電極16の外周に沿って環状に配置されている。
図2(a)から(c)を参照し本実施の形態に係る電界緩和構造体50についてより詳細に説明する。図2(a)は電界緩和構造体50のうち図1(a)に表された領域Sの部分を拡大して示した平面図である。また図2(b)は図2(a)のA-A線に沿った断面図であり、図2(c)は図2(a)のB-B線に沿った断面図である。電界緩和構造体50は図1(b)に示す不活性領域A2に形成されている。なお、図1(a)に示す領域S以外の3つの角部(コーナー部)についても図2と同様の構成の電界緩和構造体50が配置されている。
図2(a)に示すように、電界緩和構造体50は相対的に活性領域A1に近い位置に形成されたP型拡散層52、P型拡散層52の外周に沿って形成されたN型拡散層54、およびフィールドプレート56を含んで構成されている。本実施の形態ではN型拡散層54の不純物濃度はエピタキシャル層12の不純物濃度より高くされている。P型拡散層52とフィールドプレート56とは、絶縁膜17に設けられ開口部に形成されたコンタクト58を介して接続されている。図2(b)に示すように、P型拡散層52、およびN型拡散層54はN型のエピタキシャル層12内に形成されている。なお、図2(a)におけるR1、R6はフィールドプレート56の平面視での両端部の半径を示し、R2、R3はP型拡散層52の両端部の半径を示し、R4、R5はN型拡散層54の両端部の半径を示している。図2(a)において、半径R1、R2、R3、R4の中心は同じ位置にあり、半径R5、R6の中心は同じ位置にある。
ここで、半導体装置の耐圧を向上させる手法として、半導体装置の各部に発生する電界の集中を緩和するという手法がある。電界が集中するということは当該集中部分に印加される電圧が高くなることと等価だからである。一方、電界の集中を緩和する手段として半導体装置内に発生する空乏層を拡大して電界を分散させる手段があり、電界を分散させる技術としてガードリング、フィールドプレート等の技術が知られている。
一般にN型拡散層とP型拡散層とが接するとPN接合が形成され、PN接合に逆バイアスが印加されると空乏層が発生する。空乏層はP型拡散層の端部で縮まるが、端部から若干の距離をおいて別のP型拡散層を配置すると、PN接合の界面が横に延び、空乏層が外に広がるので、電界集中を緩和することができる。この場合のP型拡散層が一般にガードリングと呼ばれるものである。本実施の形態に係るP型拡散層52は該ガードリングとしての機能を有し、P型のベース拡散層13とN型のエピタキシャル層12との間に形成される空乏層を、P型のベース拡散層13から延伸させている。
フィールドプレートの主たる機能も空乏層の拡大にある。フィールドプレートとは半導体基板の主面18にMOS(Metal Oxide Semiconductor)デバイスに類似した構成を形成し空乏層を横に延伸させる技術である。空乏層が縮みやすいP型拡散層(本実施の形態ではベース拡散層13)の端にMOS類似構造を形成し、N型拡散層(本実施の形態ではコレクタ層11)より低い電圧の逆バイアスをかけることで、MOS類似構造直下を空乏化させ耐圧を向上させる。本実施の形態に係るフィールドプレート56はこのような機能を有し、空乏層を拡大させて電界分布を分散させている。フィールドプレート56は例えば配線工程においてアルミニウム等の材料によって形成される。
一方、P型拡散層52、フィールドプレート56を用いて空乏層を拡大させることは電界の集中緩和という観点からは好ましい。しかしながら、半導体装置1のレイアウト面積の拡大につながるので、必要以上に空乏層を拡大させることは回避したい。この空乏層の延伸を制御しているのがN型拡散層54である。すなわち、N型拡散層54は活性領域A1の側からの空乏層の延伸を抑制させる機能を有する。本実施の形態では空乏層にN型拡散層54を介在させることにより半導体装置1のレイアウトを所望の形状に抑えている。
換言すると、空乏層を停止させたN型拡散層54は電界の集中領域(電界が高い領域、以下「電界集中領域」という場合がある)の1つを構成している。そして、電界集中領域を構成するN型拡散層54は、特定方向の長さを長くすることによってさらに電界の集中を緩和することができる。
ここで、本実施の形態に係る電界緩和構造体50における電界集中領域について検討する。図2(b)に示すように、電界緩和構造体50おける主たる電界集中領域は、フィールドプレート56の不活性領域A2側の端部に対応するエピタキシャル層12の主面の領域である領域P1、N型拡散層54の内部の領域であるP2、P型拡散層52の不活性領域A2側の端部である領域P3の3箇所となっている。換言すれば、本実施の形態に係る電界緩和構造体50では電界の集中を3箇所(P型拡散層52、N型拡散層54、フィールドプレート56)に分散し、電界緩和構造体50全体で電界を受ける構成となっている。そして、電界の集中を3箇所に分散するために、平面視において、N型拡散層54はフィールドプレート56の端部に接することなく、フィールドプレート56に内包される主面の領域に配置されることが好ましい。
本実施の形態に係る半導体装置1では、半導体装置1の外形の角部(コーナー部)でN型拡散層54およびフィールドプレート56の幅を拡大している。すなわち、図2(c)を2(b)と比較して明らかなようにコーナー部ではN型拡散層54、フィールドプレート56の幅が拡大されている(拡幅されている)。一般に導体の先鋭部では電界が集中するので本実施の形態ではP型拡散層52、N型拡散層54、フィールドプレート56はコーナー部において緩やかな弧を描くように形成されているが、さらに本実施の形態に係る半導体装置1ではコーナー部においてN型拡散層54、フィールドプレート56を拡幅し、コーナー部を構成する弧の中点と弧の中心を通る2等分線の位置(図2(a)におけるB-B線の位置)においてN型拡散層54、フィールドプレート56の幅を最大としている。さらに、図2(a)に示すようにN型拡散層54の外周上に点C、D、そしてN型拡散層54の内周上にE、Fを仮想した場合に、点Cと点Dとを結ぶ直線C-Dは、点Eと点Fとを結ぶ直線E-Fより長くなっている。ただし、点CはN型拡散層54の外周上の1点であり、点Eは点Cの位置に対応する内周上の1点であり、点Dは外周において直線からコーナー部に切り替わる点であり、点Fは内周において直線からコーナー部に切り替わる点である。このことにより、本実施の形態に係る半導体装置1ではフィールドプレートを有する半導体装置において、レイアウト面積の増大を抑制しつつ耐圧の低下が抑制される。以下では、電界緩和構造体50の図2(b)の断面構成を有する領域を「直線部60」とよび、図2(c)に示すように、図2(b)の構成からN型拡散層54、フィールドプレート56を拡幅させた領域を「屈曲部62」とよぶ。
以上詳述したように、本実施の形態に係る半導体装置によれば、フィールドプレートに対応する(下部に位置する)半導体基板の主面にP型拡散層、N型拡散層を設け、フィールドプレート端部に生じる電界集中を緩和させているので、半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。さらに、屈曲部のN型拡散層の幅を直線部のN型拡散層の幅より広くすることで、屈曲部に生じる電界集中をさらに緩和している。つまり、フィールドプレートの拡幅を半導体装置のコーナー部のみとすることでレイアウト面積の増加を抑制しつつ、電界集中により耐圧の低下が発生しやすいコーナー部の耐圧の向上を実現している。
換言すれば、フィールドプレートの幅を広げることは有効な耐圧向上の手段となるが、単純に拡幅したのではチップサイズの拡大をもたらす。そこで本実施の形態では、緩やかな弧状に形成している屈曲部62を有効に活用し、レイアウト面積の増大を招くことなく耐圧の向上を図っている。
<第1の実施の形態の変形例>
図3を参照して、本実施の形態に係る半導体装置について説明する。本実施の形態に係る半導体装置は、上述した半導体装置1の電界緩和構造体50を電界緩和構造体50aに置き換えたものであり、半導体装置の構成は図1と同様である。従って、必要な場合は図1を参照することとし詳細な説明を省略する。図3に示す電界緩和構造体50aは、環状の電界緩和構造体50aのうちの図1(a)に示す領域Sの部分を示している。なお、図1(a)に示す領域S以外の3つの角部(コーナー部)についても図3と同様の構成の電界緩和構造体50aが配置されている。
電界緩和構造体50aの平面的なレイアウトは図2(a)に示す電界緩和構造体50とほぼ同様であるが、電界緩和構造体50では図2(a)に示すN型拡散層54がN型拡散層54aに置き換えられている。そして、図3に示すようにN型拡散層54aは不純物濃度の異なる2つの領域から構成されている。すなわち、相対的に濃度の高い領域である高濃度領域54a-1と相対的に濃度の低い領域である低濃度領域54a-2である。そして、高濃度領域54a-1は直線部60に対応して配置され、低濃度領域54a-2は屈曲部62に対応して配置されている。
本実施の形態に係る電界緩和構造体50aでは、コーナー部における電界を緩和をするためにコーナー部の濃度を低くしている。一方、コーナー部の濃度を低くすると空乏層が伸びやすくなるので、半径R6に対応するフィールドプレート56の角部の電界を十分に緩和するためコーナー部のN型拡散層54a-2の幅を広げている。つまり、不純物濃度が直線部60、屈曲部62にかけて均一の場合は電界が相対的に屈曲部62のコーナー部に集中しやすい。そこで本実施の形態では不純物濃度を意図的にアンバランスにしてコーナー部での電界が緩和されるようにしている。このことによりさらなる耐圧の向上がもたらされる。
以上のように、本実施の形態に係る半導体装置によれば、上記実施の形態に係る半導体装置1と同様の効果を奏する上に、さらに、屈曲部62におけるN拡散層54a-2の不純物濃度を直線部60のN型拡散層54a-1の不純物濃度より低くすることで、コーナー部に生じる電界集中をさらに緩和している。そのためフィールドプレートの面積の増加を抑制しつつ、電界集中のためより耐圧の低下を発生しやすいコーナー部の耐圧の向上を実現することがより確実となっている。
[第2の実施の形態]
図4を参照して本実施の形態に係る半導体装置について説明する。本実施の形態に係る半導体装置は、上述した半導体装置1の電界緩和構造体50を電界緩和構造体50bに置き換えたものであり、半導体装置の構成は図1と同様である。従って、必要な場合は図1を参照することとし詳細な説明を省略する。図4に示す電界緩和構造体50bは、環状の電界緩和構造体50bのうちの図1(a)に示す領域Sの部分を示している。なお、図1(a)に示す領域S以外の3つの角部(コーナー部)についても図4と同様の構成の電界緩和構造体50bが配置されている。
本実施の形態に係る電界緩和構造体50bは、図3に示す電界緩和構造体50aの屈曲部62を屈曲部62aに置き換え、N型拡散層54aをN型拡散層54bに置き換えたものとなっている。N型拡散層54bは相対的に不純物濃度が高い高濃度領域54b-1、および相対的に不純物濃度が低い低濃度領域54b-2を含んで構成されており、高濃度領域54b-1は直線部60に対応して配置され、低濃度領域54b-2は屈曲部62に対応して配置されている。N型拡散層54bの屈曲部62aは屈曲部62のように拡幅部を有さず、直線部60から幅を変えずに自然に屈曲させた形状となっている。
本実施の形態に係る半導体装置によれば、フィールドプレートに対応する(下部に位置する)半導体基板の主面にP型拡散層、N型拡散層を設け、フィールドプレート端部に生じる電界集中を緩和させているので、半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。
本実施の形態に係る半導体装置ではさらに、屈曲部62のN型拡散層54bを低濃度領域54b-2とし、直線部60のN型拡散層54bを高濃度領域54b-2として、屈曲部62におけるN型拡散層54bの不純物濃度を、直線部60におけるN型拡散層54bの不純物濃度より低くしている。このことにより、電界緩和構造体50bのコーナー部に生じる電界集中を緩和し、フィールドプレートの面積の増加を抑制しつつ、電界集中により耐圧の低下を生じやすいコーナー部の耐圧の向上を実現することが可能となっている。
なお、上記各実施の形態では本発明に係る半導体装置としてNPN型のバイポーラトランジスタを例示して説明したが、これに限られず本発明をPNP型のバイポーラトランジスタに適用してもよい。この場合P型拡散層52、N型拡散層54等の不純物型は逆になる。また、活性領域A1に配置する半導体素子はバイポーラトランジスタに限られず、例えばMOSトランジスタ、ダイオード等であってもよい。
また、上記各実施の形態ではP型拡散層52が1層の場合を例示して説明したが、これに限られず、複数層を互いに環状に(入れ子状に)配置した形態としてもよい。このことにより、耐圧がさらに向上した半導体装置が得られる。
1 半導体装置
11 コレクタ層
12 エピタキシャル層
13 ベース拡散層
14 エミッタ拡散層
15 エミッタ電極
16 ベース電極
16a ボンディングパッド
17 絶縁膜
18 主面
50、50a 電界緩和構造体
52 P型拡散層
54、54a、54b N型拡散層
54a-1、54b-1 高濃度領域
54a-2、54b-2 低濃度領域
56 フィールドプレート
58 コンタクト
60 直線部
62、62a 屈曲部
A1 活性領域
A2 不活性領域
P1~P3 領域
S 領域

Claims (7)

  1. 主面にセル領域と前記セル領域を囲む外周領域とを備えた第1導電型の半導体基板と、 前記外周領域内に配置され、前記セル領域を囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1拡散層と、
    前記外周領域内に配置され、絶縁部材に設けられた開口部を介して前記主面に接するとともに前記第1拡散層に接続された電極と、
    前記主面に対し垂直な方向から見た場合に前記電極に内包される領域の前記主面に前記第1拡散層から離間して形成され、かつ第1の幅を有する直線部と前記第1の幅より広い第2の幅の部分を有する屈曲部とを含む前記第1導電型の第2拡散層と、
    を備え
    前記第2拡散層の不純物濃度は前記半導体基板の不純物濃度より高い
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記電極が前記セル領域の周囲を囲んで配置された
    請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第2拡散層が前記第1拡散層の周囲を囲んで配置された
    請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記直線部は第1の不純物濃度を有し、前記屈曲部は前記第1の不純物濃度より低い第2の不純物濃度を有する
    請求項1から請求項のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 主面にセル領域と前記セル領域を囲む外周領域とを備えた第1導電型の半導体基板と、 前記外周領域内に配置され、前記セル領域を囲む前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1拡散層と、
    前記外周領域内に配置され、絶縁部材に設けられた開口部を介して前記主面に接するとともに前記第1拡散層に接続された電極と、
    前記主面に対し垂直な方向から見た場合に前記電極に内包される領域の前記主面に前記第1拡散層から離間して形成され、かつ第1の不純物濃度を有する直線部と、前記第1の不純物濃度より低い第2の不純物濃度の部分を有する屈曲部とを含む前記第1導電型の第2拡散層と、
    を備え
    前記第2拡散層の不純物濃度は前記半導体基板の不純物濃度より高い
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記電極が前記セル領域の周囲を囲んで配置された
    請求項に記載の半導体装置。
  7. 前記第2拡散層が前記第1拡散層の周囲を囲んで配置された
    請求項5または請求項6に記載の半導体装置。
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