JP6514035B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書で開示する技術は、トレンチゲートを備える半導体装置に関する。

特許文献１は、トレンチゲートを備える半導体装置を開示する。トレンチゲートは、半導体基板の上面から深部に向けて伸びている。トレンチゲートの側面のうちの半導体基板の上面近傍は、電界が集中することで知られている。このため、この部分に設けられているｎ型のソース領域から注入される電子が、ゲート絶縁膜を超えてゲート電極にリークすることがある。特許文献１は、半導体基板の表面近傍のゲート絶縁膜の膜厚を選択的に厚くする技術を開示する。半導体基板の上面近傍のゲート絶縁膜の膜厚が選択的に厚く形成されていると、この部分でのリークが抑えられる。

特開２０１３−１２６４７号公報

しかしながら、高品質なゲート絶縁膜を厚く形成することが難しい。本明細書は、トレンチゲートの側面のうちの半導体基板の上面近傍のリークを抑える技術を提供することを目的とする。

本明細書で開示する半導体装置の一実施形態は、半導体基板及びトレンチゲートを備える。トレンチゲートは、半導体基板の上面から深部に向けて伸びている。半導体基板は、第１導電型のドリフト領域、第２導電型のボディ領域、第１導電型のソース領域及び第２導電型の上面領域を有する。ドリフト領域は、トレンチゲートに接する。ボディ領域は、ドリフト領域上に設けられており、トレンチゲートに接する。ソース領域は、ボディ領域上に設けられており、半導体基板の上面に露出しており、トレンチゲートに接する。上面領域は、ソース領域上に設けられており、半導体基板の上面に露出しており、トレンチゲートに接する。

上記実施形態の半導体装置は、トレンチゲートの側面のうちの半導体基板の上面近傍に、ソース領域とは反対導電型の上面領域を有する。このため、上面領域は、ソース領域から注入されるキャリアがゲート絶縁膜を超えてゲート電極にリークすることを抑えることができる。上記実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの側面のうちの半導体基板の上面近傍のリークが抑えられる。

実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図３のI-I線に対応した断面図である。 実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図３のII-II線に対応した断面図である。 実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のIII-III線に対応した断面図である。 変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

本明細書で開示する半導体装置としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が例示される。これらの半導体装置の一実施形態は、半導体基板及び半導体基板の上面から深部に向けて伸びるトレンチゲートを備えていてもよい。これら半導体装置の一実施形態は、典型的には縦型であり、半導体基板の上面及び下面の各々に一対の主電極を備えていてもよい。半導体基板の材料は特に限定するものではないが、後述するように、本明細書で開示される技術は、半導体基板の材料が炭化珪素の場合に特に有用である。半導体基板は、第１導電型のドリフト領域、第２導電型のボディ領域、第１導電型のソース領域及び第２導電型の上面領域を有していてもよい。ドリフト領域は、トレンチゲートに接する。ボディ領域は、ドリフト領域上に設けられており、トレンチゲートに接する。ソース領域は、ボディ領域上に設けられており、半導体基板の上面に露出しており、トレンチゲートに接する。上面領域は、ソース領域上に設けられており、半導体基板の上面に露出しており、トレンチゲートに接する。

上面領域は、半導体基板の表面に直交する方向から観測したときに、トレンチゲートの長手方向に平行な側面に接してもよい。上面領域は、その長手方向の全範囲において、トレンチゲートの側面に接するのが望ましい。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの長手方向に平行な側面におけるリークが抑えられる。

上面領域はさらに、半導体基板の上面に直交する方向から観測したときに、トレンチゲートの長手方向の端部を取り囲むようにも設けられていてもよい。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの長手方向の端部におけるリークが抑えられる。

上記実施形態の半導体装置は、第２導電型の高濃度上面領域をさらに備えていてもよい。高濃度上面領域は、半導体基板の上面に露出しており、上面領域よりも不純物濃度が濃い。高濃度上面領域は、半導体基板の上面に直交する方向から観測したときに、トレンチゲートの長手方向の端部において、長手方向に平行な一対の側面を結ぶ端部側面に接する。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの長手方向の端部側面におけるリークが抑えられる。

トレンチゲートは、ゲート絶縁膜及びゲート絶縁膜で被覆されるゲート電極を有していてもよい。ゲート絶縁膜は、上面領域及びソース領域と接する部分の膜厚が、ボディ領域と接する部分の膜厚よりも厚い。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの側面のうちの半導体基板の上面近傍のリークがさらに抑えられる。

半導体基板の材料が炭化珪素であってもよい。半導体基板が炭化珪素の半導体装置では、トレンチゲートのゲート絶縁膜の品質が低いことが多く、トレンチゲートにおけるリークが問題となる。このため、本明細書で開示する技術は、半導体基板が炭化珪素の場合に特に有用である。

図１に示されるように、半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴと称されるパワー半導体素子であり、半導体基板１０及びトレンチゲート２０を備える。

半導体基板１０は、炭化珪素（ＳｉＣ）を材料とする基板であり、ｎ⁺型のドレイン領域１１、ｎ^-型のドリフト領域１２、ｐ^-型のボディ領域１３、ｐ⁺型のボディコンタクト領域１４、ｎ⁺型のソース領域１５及びｐ⁺型の上面領域１６を有する。

ドレイン領域１１は、半導体基板１０の裏層部に配置されており、半導体基板１０の下面１０ｂに露出する。ドレイン領域１１は、後述するドリフト領域１２がエピタキシャル成長するための下地基板でもある。ドレイン領域１１は、半導体基板１０の下面１０ｂを被膜するドレイン電極（図示省略）にオーミック接触する。一例では、ドレイン領域１１の不純物濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であるのが望ましい。

ドリフト領域１２は、ドレイン領域１１上に設けられている。ドリフト領域１２は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域１１の表面から結晶成長して形成される。ドリフト領域１２の不純物濃度は、半導体基板１０の厚み方向に一定である。一例では、ドリフト領域１２の不純物濃度は約１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-3であるのが望ましい。

ボディ領域１３は、ドリフト領域１２上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されている。ボディ領域１３は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。一例では、ボディ領域１３のドーズ量は約１×１０¹¹〜１×１０¹³ｃｍ^-2であり、ピーク濃度が約１×１０¹⁶〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3であるのが望ましい。なお、ボディ領域１３は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドリフト領域１２の表面から結晶成長して形成されてもよい。

ボディコンタクト領域１４は、ボディ領域１３上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の上面１０ａに露出する。ボディコンタクト領域１４は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。ボディコンタクト領域１４は、半導体基板１０の上面１０ａを被膜するソース電極（図示省略）にオーミック接触する。一例では、ボディコンタクト領域１４のドーズ量は約１×１０¹⁴〜１×１０¹⁵ｃｍ^-2であり、ピーク濃度が約１×１０¹⁹〜２×１０²⁰ｃｍ^-3であるのが望ましい。なお、ボディコンタクト領域１４は、後述する上面領域１６と同一工程で形成されてもよい。この場合、製造工数が削減され、製造コストが低減される。また、上面領域１６と同一工程で形成されたボディコンタクト領域１４は、上面領域１６と同一の深さを有することとなる。

ソース領域１５は、ボディ領域１３上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の上面１０ａに露出する。ソース領域１５は、ボディ領域１３によってドリフト領域１２から隔てられている。ソース領域１５は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部に窒素又はリンを導入して形成される。ソース領域１５は、半導体基板１０の上面１０ａを被膜するソース電極（図示省略）にオーミック接触する。一例では、ソース領域１５のドーズ量は約１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2であり、ピーク濃度が約１×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3であるのが望ましい。

上面領域１６は、ソース領域１５上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の上面１０ａに露出する。上面領域１６は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。上面領域１６は、半導体基板１０の上面１０ａを被膜するソース電極（図示省略）にオーミック接触する。一例では、上面領域１６のドーズ量は約１×１０¹⁴〜５×１０¹⁵ｃｍ^-2であり、ピーク濃度が約１×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3であるのが望ましい。

トレンチゲート２０は、半導体基板１０の上面１０ａから深部に向けて伸びるトレンチ２０ａ内に設けられており、ゲート絶縁膜２２及びゲート電極２４を有する。トレンチゲート２０は、上面領域１６、ソース領域１５及びボディ領域１３を貫通してドリフト領域１２に達する。上面領域１６、ソース領域１５及びボディ領域１３はトレンチゲート２０の側面に接しており、ドリフト領域１２はトレンチゲート２０の側面及び底面に接する。ゲート絶縁膜２２は、トレンチ２０ａの内壁上に設けられており、酸化シリコンである。ゲート絶縁膜２２は、ＣＶＤ技術を利用して、トレンチ２０ａの内壁に堆積される。ゲート電極２４は、ゲート絶縁膜２２で被覆されており、不純物を含むポリシリコンである。ゲート電極２４は、トレンチ２０ａの内壁にゲート絶縁膜２２を形成した後に、ＣＶＤ技術を利用して、トレンチ２０ａ内に充填される。

図２及び図３に示されるように、半導体基板１０は、トレンチゲート２０が設けられている中心領域及びその中心領域を取り囲む終端領域に区画されている。なお、この例では、１つのトレンチゲート２０を図示するが、半導体基板１０の中心領域には複数のトレンチゲート２０が設けられている。複数のトレンチゲート２０は、半導体基板１０の上面１０ａに直交する方向から観測したときに、ストライプ状のレイアウトを有する。

図３に示されるように、トレンチゲート２０は、長手方向（紙面上下方向）に平行な一対の側面２０Ａ，２０Ｂ及びそれら一対の側面２０Ａ，２０Ｂの間を延びる端部側面２０Ｃを含む。ソース領域１５及び上面領域１６は、トレンチゲート２０の一対の側面２０Ａ，２０Ｂの全範囲に接触して設けられている。この例に代えて、ソース領域１５及び上面領域１６は、トレンチゲート２０の一対の側面２０Ａ，２０Ｂの一部範囲に接触して設けられていてもよい。上面領域１６はさらに、トレンチゲート２０の端部を取り囲むようにも設けられており、図２に示されるように、トレンチゲート２０の端部側面２０Ｃに接する。また、上面領域１６は、終端領域において、ボディコンタクト領域１４に接触する。

図２に示されるように、終端領域の半導体基板１０の上面１０ａには、層間絶縁膜２６を介してゲート引き出し配線２８が設けられている。ゲート引き出し配線２８は、終端領域に沿って配設されており、ゲートパッド（図示省略）にまで延びている。ゲート電極２４は、トレンチゲート２０の長手方向の端部において、ゲート引き出し配線２８に接続されている。

図２及び図３に示されるように、半導体基板１０は、トレンチゲート２０の長手方向の端部近傍に設けられているｐ⁺⁺型の高濃度上面領域１７をさらに有する。高濃度上面領域１７は、上面領域１６上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の上面１０ａに露出する。高濃度上面領域１７は、トレンチゲート２０の端部側面２０Ｃに接触する。高濃度上面領域１７の不純物濃度は、上面領域１６の不純物濃度よりも濃い。高濃度上面領域１７は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。一例では、高濃度上面領域１７のドーズ量は約１×１０¹³〜１×１０¹⁵ｃｍ^-2であり、ピーク濃度が約１×１０¹⁸〜２×１０²⁰ｃｍ^-3であるのが望ましい。

次に、図１を参照し、半導体装置１の動作を説明する。ドレイン領域１１に接続するドレイン電極（図示省略）に正電圧が印加され、ボディコンタクト領域１４及びソース領域１５に接続するソース電極（図示省略）が接地され、トレンチゲート２０のゲート電極２４が接地されていると、半導体装置１はオフである。ドレイン領域１１に接続するドレイン電極（図示省略）に正電圧が印加され、ボディコンタクト領域１４及びソース領域１５に接続するソース電極（図示省略）が接地され、トレンチゲート２０のゲート電極２４にソース電極（図示省略）よりも正となる電圧が印加されると、ドリフト領域１２とソース領域１５を隔てるボディ領域１３のうちのトレンチゲート２０の側面に反転層が形成され、その反転層を介して電流が流れ、半導体装置１がオンとなる。

トレンチゲート２０のゲート電極２４に正電圧が印加されると、トレンチゲート２０の一対の側面２０Ａ，２０Ｂのうちの半導体基板１０の上面１０ａ近傍では、電界が集中する。半導体装置１では、この部分に対応して上面領域１６が設けられている。上面領域１６は、ソース領域１５とは反対導電型で構成されている。このため、上面領域１６は、この電界が集中する箇所において、ソース領域１５から注入される電子がゲート絶縁膜２２を超えてゲート電極２４に流れることを抑えることができる。

さらに、図２に示されるように、半導体装置１では、トレンチゲート２０の端部側面２０Ｃに接触するように上面領域１６及び高濃度上面領域１７が設けられている。この部分は、トレンチゲート２０のゲート電極２４に印加されると正電圧とゲート引き出し配線２８に印加される正電圧により、電界が特に集中する。半導体装置１では、この電界が特に集中する箇所において、ソース領域１５が設けられていないとともに、上面領域１６及び高濃度上面領域１７が設けられている。このため、半導体装置１では、この電界が特に集中する箇所におけるリークも抑えられている。

また、半導体装置１の半導体基板１０は、炭化珪素を材料としている。半導体基板１０が炭化珪素の半導体装置１では、トレンチゲート２０のゲート絶縁膜２２の品質が低い。これは、理論値で比較しても、炭化珪素と酸化シリコンの障壁（φＢ）が、シリコンと酸化シリコンの障壁（φＢ）よりも低いこと、さらに、形状的な効果（トレンチ凸部への電界集中）によること、が理由である。しかしながら、半導体装置１では、上面領域１６及び高濃度上面領域１７が設けられているので、低品質なゲート絶縁膜２２であってもリークが抑えられる。このように、上面領域１６及び高濃度上面領域１７を設ける技術は、半導体基板１０の材料が炭化珪素の場合に特に有用である。

また、半導体装置１は、終端領域において上面領域１６がボディコンタクト領域１４と接触するように構成されている。上面領域１６は、ソース領域１５よりも狭い幅で構成されており、半導体基板１０の上面１０ａを被覆するソース電極（図示省略）と直接的に接触することが困難となることがある。そのような場合でも、半導体装置１では、上面領域１６とソース電極（図示省略）がボディコンタクト領域１４を介して電気的に接続可能に構成されている。

図４に、変形例の半導体装置２を示す。この半導体装置２では、トレンチゲート２０のゲート絶縁膜２２について、上面領域１６及びソース領域１５と接する部分の膜厚が、ボディ領域１３と接する部分の膜厚よりも厚く構成されている。さらに、トレンチゲート２０のゲート絶縁膜２２について、ドリフト領域１２と接する部分の膜厚が、ボディ領域１３と接する部分の膜厚よりも厚く構成されている。ゲート絶縁膜２２の膜厚が上面領域１６及びソース領域１５と接する部分で厚く構成されていることにより、この部分でのリークがさらに抑えられる。ゲート絶縁膜２２の膜厚がドリフト領域１２と接する部分で厚く構成されていることにより、この部分でのリークがさらに抑えられる。一方、ゲート絶縁膜２２の膜厚がボディ領域１３と接する部分で薄く構成されていることにより、閾値電圧の増大が抑えられる。

ゲート絶縁膜２２の膜厚については、図４の半導体装置２のように内面側に凹部が設けられていてもよく、図５の半導体装置３のように内面側及び外面側の双方に凹部が設けられていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：半導体基板
１１：ドレイン領域
１２：ドリフト領域
１３：ボディ領域
１４：ボディコンタクト領域
１５：ソース領域
１６：上面領域
１７：高濃度上面領域
２０：トレンチゲート
２２：ゲート絶縁膜
２４：ゲート電極

Claims (3)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上面から深部に向けて伸びるトレンチゲートと、を備え、
   前記半導体基板は、
   前記トレンチゲートに接する第１導電型のドリフト領域と、
   前記ドリフト領域上に設けられており、前記トレンチゲートに接する第２導電型のボディ領域と、
   前記ボディ領域上に設けられており、前記半導体基板の前記上面に露出しており、前記トレンチゲートに接する第１導電型のソース領域と、
   前記ソース領域上に設けられており、前記半導体基板の前記上面に露出しており、前記トレンチゲートに接する第２導電型の上面領域と、
   前記半導体基板の前記上面に露出しており、前記上面領域よりも不純物濃度が濃い第２導電型の高濃度上面領域と、を有しており、
   前記上面領域は、前記半導体基板の前記上面に直交する方向から観測したときに、前記トレンチゲートの長手方向に平行な側面に接しており、
   前記上面領域はさらに、前記半導体基板の前記上面に直交する方向から観測したときに、前記トレンチゲートの前記長手方向の端部を取り囲むように設けられており、
   前記高濃度上面領域は、前記半導体基板の前記上面に直交する方向から観測したときに、前記トレンチゲートの前記長手方向の端部において、前記長手方向に平行な一対の側面を結ぶ端部側面に接する、半導体装置。
2. 前記トレンチゲートは、
   ゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜で被覆されるゲート電極と、を有し、
   前記ゲート絶縁膜は、前記上面領域及び前記ソース領域と接する部分の膜厚が、前記ボディ領域と接する部分の膜厚よりも厚い、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体基板の材料が炭化珪素である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
   

Images