TW201535725A - 半導體裝置 - Google Patents

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TW201535725A
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TW103125366A
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Tsuneo Ogura
Tomoko Matsudai
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Toshiba Kk
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Abstract

本發明提供一種可提高破壞耐量之半導體裝置。 實施形態之半導體裝置包括：第1電極；第2電極；第2導電型之第1半導體區域，其設置於上述第1電極與上述第2電極之間；第1導電型之第2半導體區域，其設置於上述第1半導體區域與上述第2電極之間；第2導電型之第3半導體區域，其設置於上述第2半導體區域與上述第2電極之間；第1導電型之第4半導體區域及第1導電型之第5半導體區域，其等設置於上述第3半導體區域與上述第2電極之間，沿相對於自上述第1電極朝向上述第2電極之第1方向交叉之第2方向排列，且上述第5半導體區域之雜質濃度低於上述第4半導體區域；及第3電極，其介隔絕緣膜與上述第2半導體區域、上述第3半導體區域、上述第4半導體區域、及上述第5半導體區域接觸。

Description

半導體裝置 [相關申請案]
本申請案享受以日本專利申請案2014-50090號(申請日：2014年3月13日)為基礎申請案之優先權。本申請案藉由參照該基礎申請案而包含基礎申請案之全部內容。
本發明之實施形態係關於一種半導體裝置。
作為大於等於600V之耐壓之功率裝置，廣泛地使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極性電晶體)。IGBT雖然設計為於沿順方向以穩定狀態通電電流之情形時電流不會飽和而引發閂鎖效應，但於斷開時電流集中之情形時，有因電流集中而引發閂鎖效應而引起破壞之可能性。尤其，為了縮小晶片之大小而實現小型化，必須使電流密度增大，於此情形時，避免斷開時之破壞現象變得重要。
本發明提供一種可提高破壞耐量之半導體裝置。
實施形態之半導體裝置包括：第1電極；第2電極；第2導電型之第1半導體區域，其設置於上述第1電極與上述第2電極之間；第1導電型之第2半導體區域，其設置於上述第1半導體區域與上述第2電極之間；第2導電型之第3半導體區域，其設置於上述第2半導體區域與上述第2電極之間；第1導電型之第4半導體區域及第1導電型之第5半導 體區域，其等設置於上述第3半導體區域與上述第2電極之間，沿相對於自上述第1電極朝向上述第2電極之第1方向交叉之第2方向排列，且上述第5半導體區域之雜質濃度低於上述第4半導體區域；及第3電極，其介隔絕緣膜與上述第2半導體區域、上述第3半導體區域、上述第4半導體區域、及上述第5半導體區域接觸。
1、2、3、4、5、100‧‧‧半導體裝置
10‧‧‧集電極
11‧‧‧發射電極
20‧‧‧集電極區域
21‧‧‧基底區域
30‧‧‧基底區域
35‧‧‧接點區域
40H‧‧‧發射極區域
40L‧‧‧發射極區域
50‧‧‧閘極電極
51‧‧‧閘極絕緣膜
e‧‧‧電子
h‧‧‧電洞
圖1係表示第1實施形態之半導體裝置之模式性立體圖。
圖2(a)~圖2(c)係表示第1實施形態之半導體裝置之模式性剖面圖。
圖3係表示第1實施形態之半導體裝置之發射極區域40L及基底區域30間之雜質濃度分佈之模式圖。
圖4(a)及圖4(b)係表示參考例之半導體裝置之動作之一例之模式性剖面圖。
圖5(a)及圖5(b)係表示第1實施形態之半導體裝置之動作之一例的模式性剖面圖。
圖6係表示第2實施形態之半導體裝置之模式性立體圖。
圖7係表示第3實施形態之半導體裝置之模式性立體圖。
圖8係表示第3實施形態之半導體裝置之動作之一例的模式性剖面圖。
圖9係表示第4實施形態之半導體裝置之模式性剖面圖。
圖10係表示第5實施形態之半導體裝置之模式性剖面圖。
以下，一面參照圖式，一面對實施形態進行說明。以下說明中，對相同之構件標附相同之符號，對已說明過一次之構件等適當地省略其說明。
(第1實施形態)
圖1係表示第1實施形態之半導體裝置之模式性立體圖。
圖2(a)~圖2(c)係表示第1實施形態之半導體裝置之模式性剖面圖。
此處，圖2(a)中，表示沿圖1之A-A'線將半導體裝置1沿Z方向切斷後之切斷面。圖2(b)中，表示沿圖1之B-B'線將半導體裝置1沿Z方向切斷後之切斷面。圖2(c)中，表示沿圖1之C-C'線將半導體裝置1沿Z方向切斷後之切斷面。再者，圖1中，未表示圖2(a)~圖2(c)中所示之發射電極11。
半導體裝置1係上下電極構造之IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。半導體裝置1包括集電極10(第1電極)、及發射電極11(第2電極)。於集電極10與發射電極11之間，設置有p+型之集電極區域20(第1半導體區域)。集電極區域20與集電極10歐姆接觸。
於集電極區域20與發射電極11之間，設置有n-型之基底區域21(第2半導體區域)。
於基底區域21與發射電極11之間，設置有p型之基底區域30(第3半導體區域)。基底區域30與發射電極11歐姆接觸。
於基底區域30與發射電極11之間，設置有n+型之發射極區域40H(第4半導體區域)及n型之發射極區域40L(第5半導體區域)。發射極區域40H與發射電極11歐姆接觸。發射極區域40L與發射電極11歐姆接觸或蕭特基接觸。發射極區域40L與發射極區域40H鄰接。
發射極區域40L之雜質濃度低於發射極區域40H之雜質濃度。即，半導體裝置1之發射極區域具有雜質(摻雜劑)為高濃度之發射極區域40H、及雜質(摻雜劑)為低濃度之發射極區域40L。
發射極區域40H及發射極區域40L沿相對於自集電極10朝向發射電極11之Z方向(第1方向)交叉之X方向(第2方向)排列。又，於X方向上，發射極區域40H之寬度較發射極區域40L之寬度窄。又，X方向上 之發射極區域40L之寬度較發射極區域40H之n型之雜質因晶圓製程中之加熱處理而於半導體中擴散之長度寬。
例如，於X方向上，發射極區域40L之寬度為1~5μm，發射極區域40H之寬度為0.1~1μm。
又，於將與電極接觸之面之半導體中所含之雜質之濃度設為表面雜質濃度之情形時，集電極區域20之表面雜質濃度大於3×1017cm-3(atoms/cm3)，例如大於等於1×1018cm-3。基底區域21之雜質濃度例如小於等於1×1015cm-3，可根據元件之耐壓設計設定為任意之雜質濃度。基底區域30之表面雜質濃度例如大於等於1×1017cm-3。發射極區域40H之表面雜質濃度較理想為大於等於5×1018cm-3。發射極區域40L之表面雜質濃度較理想為小於等於1×1018cm-3。關於該等濃度，既可設定為隨著朝向電極而變高，又，亦可於膜厚之中間具有最大值。尤其，為了產生本實施形態之效果，較為有效的是發射極區域40H之最大雜質濃度大於等於5×1018cm-3，發射極區域40L之最大雜質濃度小於等於1×1018cm-3。其原因在於：藉由其濃度差而實現上述因電位之差產生之效果。又，該關係不依賴於元件之耐壓及其他設計項目。其原因在於：無論元件之耐壓如何，上述因電位之差產生之效果均相同。
閘極電極50(第3電極)介隔閘極絕緣膜51與基底區域21、基底區域30、發射極區域40H、及發射極區域40L接觸。閘極電極50及閘極絕緣膜51沿X方向延伸。發射極區域40H及發射極區域40L沿與X方向及Z方向交叉之Y方向延伸。即，閘極電極50與發射極區域40H及發射極區域40L正交。
集電極區域20、基底區域21、基底區域30、發射極區域40H、40L各者之主要成分例如為矽(Si)。作為n+型、n型、n-型等導電型(第1導電型)之雜質，例如應用磷(P)、砷(As)等。作為p+型、p型等導電 型(第2導電型)之雜質，例如應用硼(B)等。又，集電極區域20、基底區域21、基底區域30、發射極區域40H、40L各者之主要成分除矽(Si)外，亦可為矽碳化物(SiC)、氮化鎵(GaN)等。
又，實施形態中，只要未特別說明，以n+型、n型、n-型之順序表示n型雜質之濃度降低。又，以p+型、p型之順序表示p型雜質之濃度降低。又，於半導體裝置1中，即便置換p與n之導電型，亦可獲得同樣之效果。
又，只要未特別說明，所謂n+型半導體區域之雜質濃度高於n型半導體區域之雜質濃度，係指n+型半導體區域之與電極接觸之面之n+型半導體區域之雜質濃度高於n型半導體區域之雜質濃度之情形亦包含於實施形態中。又，所謂p+型半導體區域之雜質濃度高於p型半導體區域之雜質濃度，係指p+型半導體區域之與電極接觸之面之p+型半導體區域之雜質濃度高於p型半導體區域之與電極接觸之面之p型半導體區域之雜質濃度之情形亦包含於實施形態中。
集電極10之材料及發射電極11之材料例如為包含選自鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鎢(W)、金(Au)等之群中之至少1種之金屬。閘極電極50之材料例如包含多晶矽。又，絕緣膜之材料例如包含矽氧化物。
於半導體裝置1中，若對集電極10施加高於發射電極11之電位，且對閘極電極50施加大於等於閾值之電位，則沿閘極絕緣膜51於基底區域30形成通道而電流於發射極、集極間流動。
圖3係表示第1實施形態之半導體裝置之發射極區域40L及基底區域30間之雜質濃度分佈之模式圖。
圖3之橫軸係圖1之點X與點X'之間的距離，縱軸係雜質濃度(單位：a.u.(arbitrary unit，任意單位))。
此處，所謂「雜質濃度」係指有助於半導體材料之導電性之雜質之實效濃度。例如，於在半導體材料中含有成為施體之雜質與成為 受體之雜質之情形時，將除去經活化之雜質中施體與受體之抵消量之濃度設為雜質濃度。
例如，於半導體裝置1中，基底區域30中所包含之雜質濃度之最大值與發射極區域40L中所包含之雜質濃度之最大值大致相等。
於對半導體裝置1之作用進行說明之前，以參考例之半導體裝置(IGBT)之動作之一例進行說明。
圖4(a)及圖4(b)係表示參考例之半導體裝置之動作之一例之模式性剖面圖。
圖4(a)及圖4(b)中，表示對應於上述圖2(c)之朝向之剖面。圖4(a)及圖4(b)中所示之半導體裝置100中，作為發射極區域，僅設置有高濃度之發射極區域40H。其他構成與半導體裝置1相同。
於參考例之半導體裝置100中，若對集電極10施加高於發射電極11之電位，且對閘極電極50施加大於等於閾值之電位，則亦沿閘極絕緣膜51於基底區域30形成通道而電流於發射極、集極間流動。
例如，如圖4(a)所示，自發射極區域40H經由通道向集電極區域20注入電子(e)，自集電極區域20向發射極區域40H及基底區域30注入電洞(h)。又，亦存在因雪崩而產生之電洞(h)向發射極區域40H及基底區域30流動之情形。
如圖4(b)所示，電洞於基底區域21中移行而流入基底區域30。其後，電洞(h)到達發射極區域40H之正下方。電洞(h)並未越過基底區域30與發射極區域40H之間之能量阻障，而沿橫向移動，經由電位較低之基底區域30後，流向發射電極11。
藉由該電洞(h)之橫向移動，於發射極區域40H之下方之基底區域30，產生電壓下降。藉此，以位於發射極區域40H之下方之基底區域30相對於發射極區域40H成為正極之方式偏壓。
藉由該偏壓，發射極區域40H與基底區域30之間的能量阻障對於 電子(e)而言變低。藉此，將電子(e)自發射極區域40H注入基底區域30。
即，半導體裝置100中，除於基底區域30形成通道而電子電流流動以外，亦產生發射極區域40H與基底區域30之間的能量阻障變低而將電子(e)注入基底區域30之閂鎖效應。若產生閂鎖效應，則無法進行藉由閘極電極50之啟閉控制。
相對於此，對第1實施形態之半導體裝置1之作用進行說明。
圖5(a)及圖5(b)係表示第1實施形態之半導體裝置之動作之一例的模式性剖面圖。
圖5(a)及圖5(b)中，表示有對應於上述圖2(c)之朝向之剖面。
半導體裝置1中，若對集電極10施加高於發射電極11之電位，且對閘極電極50施加大於等於閾值之電位，則沿閘極絕緣膜51於基底區域30形成通道而電流於發射極、集極間流動。
例如，如圖5(a)所示，將電子(e)自發射極區域40H、40L經由通道向集電極區域20注入，將電洞(h)自集電極區域20向發射極區域40H及基底區域30注入。又，亦存在因雪崩而電洞(h)向發射極區域40H、40L及基底區域30流動之情形。
如圖5(b)所示，電洞(h)於基底區域21中移行而流入基底區域30。其後，電洞(h)到達發射極區域40H、40L之正下方。電洞(h)並未越過基底區域30與發射極區域40H之間之能量阻障，而經由電位低於發射極區域40H之發射極區域40L後流入發射電極11。又，一部分電洞於基底區域21中移行而流入基底區域30。
此處，於發射極區域40L與發射電極11之接合部，對於電子(e)而言形成有歐姆接觸或蕭特基阻障。然而，即便為蕭特基阻障，對於電洞(h)而言仍不能成為能量阻障。
因此，電洞(h)之橫向移動僅發生於寬度較窄之發射極區域40H之 下方，其後，電洞(h)經由發射極區域40L或基底區域21被排出至發射電極11。藉此，半導體裝置1中，與半導體裝置100相比，難以於發射極區域40H之下方之基底區域30發生電壓下降。
即，與參考例相比，難以對位於發射極區域40H之下方之基底區域30施加偏壓電壓。藉此，自發射極區域40H向基底區域30之電子注入得到抑制。
如此，於半導體裝置1中，可藉由使閘極電極50之電位大於等於閾值而於基底區域30形成通道以供電子電流流動。進而，於半導體裝置1中，可確實地抑制電子(e)自發射極區域40H注入基底區域30而引起之閂鎖效應。即，根據第1實施形態，形成可靠性較高之半導體裝置。
又，發射極區域40L與發射極區域40H接觸。因此，於半導體裝置1導通時，自高濃度之發射極區域40H經由發射極區域40L注入基底區域30。即，X方向上之發射極區域之實質之寬度成為發射極區域40L之寬度加上發射極區域40H之寬度後之寬度。因此，半導體裝置1中，即便使發射極區域40H之寬度較窄，通道密度亦不會降低。即，藉由本實施形態首次揭示了即便使破壞耐量提高，半導體裝置1之導通電阻亦不會增加。
(第2實施形態)
圖6係表示第2實施形態之半導體裝置之模式性立體圖。
圖6中，未表示發射電極11。
半導體裝置2除半導體裝置1之構成以外，進而包括p+型之接點區域35(第6半導體區域)。接點區域35設置於基底區域30上，即，設置於基底區域30與發射電極11之間。接點區域35之雜質濃度高於基底區域30之雜質濃度。半導體裝置2中，於X方向上，發射極區域40L夾在發射極區域40H與接點區域35之間。
此處，X方向上之發射極區域40L之寬度較發射極區域40H之n型之雜質因晶圓製程中之加熱處理而於半導體中擴散之長度寬。例如，於X方向上，發射極區域40L之寬度為1~5μm，發射極區域40H之寬度為0.1~1μm，接點區域35之寬度為1~10μm。
根據半導體裝置2，可將因雪崩而產生之電洞經由p+型之接點區域35排出至發射電極11。即，半導體裝置2中，除半導體裝置1之效果以外，進而，雪崩耐量增加。
(第3實施形態)
圖7係表示第3實施形態之半導體裝置之模式性立體圖。
圖7中，未表示發射電極11。
半導體裝置3除半導體裝置1之構成以外，亦包括p+型之接點區域35。進而，於半導體裝置3中，在X方向上，發射極區域40H夾在發射極區域40L與接點區域35之間。於X方向上，發射極區域40L之寬度較發射極區域40H之寬度寬。
此處，X方向上之發射極區域40L之寬度較發射極區域40H之n型雜質因晶圓製程中之加熱處理而於半導體中擴散之長度寬。例如，於X方向上，發射極區域40L之寬度為1~5μm，發射極區域40H之寬度為0.1~1μm，接點區域35之寬度為1~10μm。
圖8係表示第3實施形態之半導體裝置之動作之一例的模式性剖面圖。
圖8中，表示沿圖7之C-C'線將半導體裝置3沿Z方向切斷後之切斷面。表示(對應於上述圖2(c)之朝向之剖面)。圖8中，表示有將電洞(h)排出至發射電極11側時之情況。
於半導體裝置3中，配置成在Z方向上，發射極區域40H夾在發射極區域40L與接點區域35之間。換言之，於Z方向上，高濃度之發射極區域40H位於低濃度之發射極區域40L之兩側，進而，於其外側配 置有接點區域35。
於基底區域21移行而流入基底區域30之電洞(h)到達發射極區域40H、40L之正下方。電洞(h)並未越過基底區域30與發射極區域40H之間的能量阻障，而經由發射極區域40L後流入發射電極11。即，電洞(h)經由隔著發射極區域40H之發射極區域40L被排出至發射電極11。又，未經由發射極區域40L之電洞(h)經由基底區域30與接點區域35而被排出至發射電極11。
即，於半導體裝置3中，與半導體裝置2相比，使電洞(h)排出至發射電極11之路徑於X方向上被分散。藉此，發射極區域40H、40L之下方之電洞密度進一步降低。因此，於半導體裝置3中，與半導體裝置2相比，發射極區域40H、40L之下方之基底區域30之電壓下降進一步得到抑制。藉此，自發射極區域40H向基底區域30之電子注入進一步得到抑制。
如此，於半導體裝置3中，亦確實地抑制電子(e)自發射極區域40H注入基底區域30而引起之閂鎖效應。即，根據第3實施形態，形成可靠性較高之半導體裝置。
又，X方向上之發射極區域之實質之寬度成為發射極區域40L之寬度加上發射極區域40H之寬度後之寬度。因此，半導體裝置3中，即便使發射極區域40H之寬度變窄，通道密度亦不會降低。即，藉由本實施形態首次揭示了即便使破壞耐量提高，半導體裝置3之導通電阻亦不增加。
(第4實施形態)
圖9係表示第4實施形態之半導體裝置之模式性剖面圖。
圖9中，表示對應於圖8之朝向之剖面。半導體裝置4具有與半導體裝置3相同之構件。但是，於半導體裝置4中，在Z方向上，發射極區域40L(發射極區域40L之一部分)設置於發射極區域40H與基底區域 30之間。即，半導體裝置4具有基底區域30與發射極區域40L接觸但未與發射極區域40H接觸之構造。
若為此種構造，則基底區域30不與高濃度之發射極區域40H及低濃度之發射極區域40L接觸，而與低濃度之發射極區域40L接觸。因此，於基底區域30與發射極區域之接合部中之雜質濃度中，難以產生橫向分佈(產生於發射極區域40H與發射極區域40L之間的差)，閘極電極50之閾值電壓(Vth)更加穩定。
(第5實施形態)
圖10係表示第5實施形態之半導體裝置之模式性剖面圖。
圖10中，表示對應於圖8之朝向之剖面。半導體裝置5具有與半導體裝置3相同之構件。若藉由晶圓製程實施雜質之活化處理(加熱處理)，則雜質濃度越高之區域，雜質越容易擴散。此種實施例中，有使製造步驟簡化之優點。
因此，於半導體裝置5中，高濃度之發射極區域40H形成得較低濃度之發射極區域40L深。此種實施例亦包含於本實施形態中。
於使以上所說明之半導體裝置為上下電極構造之MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金屬半場效電晶體)之情形時，可將集電極區域20置換為n+型之汲極區域。於使半導體裝置為MOSFET之情形時，可分別將發射極換稱為源極，將集極換稱為汲極。又，基底區域21成為漂移區域。又，亦可將第1導電型與第2導電型置換。此種實施形態亦包含於本實施形態中。
以上，一面參照具體例一面對實施形態進行說明。然而，實施形態不限定於該等具體例。即，只要具備實施形態之特徵，業者對該等具體例適當加以設計變更而成者亦包含於實施形態之範圍內。上述各具體例所具備之各要素及其配置、材料、條件、形狀、尺寸等不限定於所例示者，可適當變更。
又，只要技術上可能，便可使上述各實施形態所具備之各要素複合，只要包含實施形態之特徵，組合該等而成者亦包含於實施形態之範圍內。此外，應瞭解於實施形態之思想之範疇內，只要為業者，便可想到各種變更例及修正例，該等變更例及修正例亦屬於實施形態之範圍。
已對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為示例而提示者，並不意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施形態能夠以其他各種形態進行實施，可於不脫離發明之主旨之範圍內進行各種省略、置換、變更。該等實施形態或其變化包含於發明之範圍或主旨內，並且包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。
1‧‧‧半導體裝置
10‧‧‧集電極
20‧‧‧集電極區域
21‧‧‧基底區域
30‧‧‧基底區域
40H‧‧‧發射極區域
40L‧‧‧發射極區域
50‧‧‧閘極電極
51‧‧‧閘極絕緣膜

Claims (6)

  1. 一種半導體裝置，其包括：第1電極；第2電極；第2導電型之第1半導體區域，其設置於上述第1電極與上述第2電極之間；第1導電型之第2半導體區域，其設置於上述第1半導體區域與上述第2電極之間；第2導電型之第3半導體區域，其設置於上述第2半導體區域與上述第2電極之間；第1導電型之第4半導體區域及第1導電型之第5半導體區域，其等設置於上述第3半導體區域與上述第2電極之間，沿相對於自上述第1電極朝向上述第2電極之第1方向交叉之第2方向排列，且上述第5半導體區域之雜質濃度低於上述第4半導體區域；及第3電極，其介隔上述絕緣膜與第2半導體區域、上述第3半導體區域、上述第4半導體區域、及上述第5半導體區域接觸。
  2. 如請求項1之半導體裝置，其中於上述第2方向上，上述第4半導體區域之寬度較上述第5半導體區域之寬度窄。
  3. 如請求項1之半導體裝置，其中上述第4半導體區域之雜質濃度之最大值高於5×1018cm-3，上述第5半導體區域之雜質濃度之最大值小於等於1×1018cm-3。
  4. 如請求項1之半導體裝置，其進而於上述第3半導體區域與上述第2電極之間包括雜質濃度高於上述第3半導體區域之第2導電型之第6半導體區域； 於上述第2方向上，上述第5半導體區域夾在上述第4半導體區域與上述第6半導體區域之間。
  5. 如請求項1之半導體裝置，其進而於上述第3半導體區域與上述第2電極之間包括雜質濃度高於上述第3半導體區域之第2導電型之第6半導體區域；於上述第2方向上，上述第4半導體區域夾在上述第5半導體區域與上述第6半導體區域之間。
  6. 如請求項4或5之半導體裝置，其中上述第5半導體區域於自上述第1電極朝向上述第2電極之第1方向上設置於上述第4半導體區域與上述第3半導體區域之間。
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