JP2016036009A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
耐圧を保持しつつ、オン抵抗を低減する1つの手段として、ドリフト領域にスーパージャンクション構造を用いる方法がある。スーパージャンクション構造では、複数のp形ピラー領域と、複数のn形ピラー領域と、が、基板面内方向に交互に設けられている。このスーパージャンクション構造においては、p形ピラー領域に含まれる不純物量とn形ピラー領域に含まれる不純物量とを等しくすることにより、耐圧を保持しつつ、ドリフト領域の不純物濃度を高めることが可能となる。
第1半導体領域は、第1導電形の半導体領域である。
第2半導体領域は、第1半導体領域上に選択的に設けられた第1導電形の半導体領域である。第2半導体領域は、第1半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高い第1導電形の不純物濃度を有する。第2半導体領域は、第1方向に延びている。第2半導体領域は、第1方向に直交する第2方向に、互いに離間して設けられている。
第3半導体領域は、第1部分と、第2部分と、を含む。第3半導体領域は、第1方向に延びている。第3半導体領域は、第2導電形の半導体領域である。
第1部分は、隣り合う第2半導体領域の間に設けられている。第1部分における第2導電形の不純物量は、隣接する第2半導体領域に含まれる第1導電形の不純物量よりも大きい。
第2部分は、第1半導体領域の一部と第2方向において並んでいる。第2部分に含まれる第2導電形の不純物量は、第1半導体領域の当該一部に含まれる第1導電形の不純物量よりも小さい。
第4半導体領域は、第3半導体領域上に設けられている。第4半導体領域は、第2導電形の半導体領域である。
第5半導体領域は、第4半導体領域中に設けられている。
ゲート電極は、ゲート絶縁膜を介して第4半導体領域上に設けられている。
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。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置の一部を表す斜視断面図である。
本実施形態では、第1導電形がn形、第2導電形がp形である場合について説明する。ただし、第1導電形をp形とし、第2導電形をn形としてもよい。
半導体装置100は、第1導電形の第1半導体領域と、複数の第1導電形の第2半導体領域と、複数の第2導電形の第3半導体領域と、第2導電形の第4半導体領域と、第1導電形の第5半導体領域と、ゲート電極と、を備える。
第1半導体領域は、例えば、n形半導体領域2である。第2半導体領域は、例えば、nピラー領域3である。第3半導体領域は、例えば、pピラー領域4である。第4半導体領域は、例えば、pベース領域5である。第5半導体領域は、例えば、ソース領域6である。
nピラー領域3は、n形半導体領域2上に選択的に設けられている。nピラー領域3の第1導電形の不純物濃度は、n形半導体領域2の第1導電形の不純物濃度よりも高い。nピラー領域3の第1導電形の不純物濃度は、ドレイン領域1の第1導電形の不純物濃度よりも低い。nピラー領域3は、Y方向(第1方向)に延びている。nピラー領域3は、Y方向に直交するZ方向(第2方向)に互いに離間して複数設けられている。
pピラー領域4は、Z方向において隣り合うnピラー領域3の間に位置するように、n形半導体領域2上に選択的に設けられている。すなわち、複数のnピラー領域3と複数のpピラー領域4は、Z方向において交互に設けられている。pピラー領域4の第2導電形の不純物濃度は、n形半導体領域2の第1導電形の不純物濃度よりも高い。pピラー領域4は、Y方向に延びている。pピラー領域4は、Z方向に互いに離間して複数設けられている。
nピラー領域3は、部分3aを含む。
pピラー領域4は、部分4a(第1部分)と、部分4b(第2部分)と、を含む。
pピラー領域4の部分4aは、部分4aに隣接するnピラー領域3の間に設けられている。部分4aは、nピラー領域3の部分3aと同じ深さに設けられている。すなわち、部分4aは、部分3aと、Z方向において並んでいる。
pピラー領域4の部分4bは、n形半導体領域2中に設けられている。ただし、pピラー領域4は、ドレイン領域1に到達していない。すなわち、pピラー領域4とドレイン領域1との間には、n形半導体領域2が存在する。部分4bは、n形半導体領域2の部分2aと同じ深さに設けられている。すなわち、部分4bは、部分2aと、Z方向において並んでいる。
一方で、pピラー領域4は、Z方向における寸法が、X方向において増加している。従って、部分4aのZ方向における寸法は、部分4bのZ方向における寸法よりも長い。
部分4aの第2導電形の不純物濃度は、部分4aとZ方向において並ぶ部分3aの第1導電形の不純物濃度と等しい。そして、部分4aのZ方向における寸法は、部分3aのZ方向における寸法よりも長い。このため、部分4aに含まれる第2導電形の不純物量は、部分3aに含まれる第1導電形の不純物量よりも大きい。
部分4bの第2導電形の不純物濃度は、部分4bとZ方向において並ぶ部分2aの第1導電形の不純物濃度より高い。部分4bのZ方向における寸法は、部分2aのZ方向における寸法よりも短い。部分4bに含まれる第2導電形の不純物量は、部分2aに含まれる第1導電形の不純物量よりも小さい。
各領域における不純物量は、例えば、各領域の不純物濃度と、各領域の体積と、の積により求めることができる。
従って、図1に表す例について、他の表現によると、部分3aにおいてZ方向の中心に位置する部分における第1導電形のキャリア濃度は、部分4aにおいてZ方向の中心に位置する部分における第2導電形のキャリア濃度と等しい。部分4aのZ方向における寸法は、部分3aのZ方向における寸法よりも長い。
また、部分4bにおいてZ方向の中心に位置する部分における第2導電形のキャリア濃度は、部分2aにおいてZ方向の中心に位置する部分における第1導電形のキャリア濃度よりも高い。部分4bのZ方向における寸法は、部分2aのZ方向における寸法よりも短い。
SCMを用いて、例えば、図1に表すA−A´線上におけるキャリア分布を調べることで、A−A´線上における、部分4aのZ方向の中心部分のキャリア濃度、部分3aのZ方向の中心部分のキャリア濃度、部分4aのZ方向の寸法、および部分3aのZ方向の寸法を調べることができる。
同様に、SCMを用いて、例えば、図1に表すB−B´線上におけるキャリア分布を調べることで、B−B´線上における、部分4bのZ方向の中心部分のキャリア濃度、部分2aのZ方向の中心部分のキャリア濃度、部分4bのZ方向の寸法、および部分2aのZ方向の寸法を調べることができる。
上述した各部分のキャリア濃度は、製造上のばらつきを含んでいてもよい。一方の部分におけるキャリア濃度が、他方の部分におけるキャリア濃度に対して0.85倍以上1.15倍以下であれば、これらの領域におけるキャリア濃度は、実質的に等しいとみなすことができる。
以下の説明において、nピラー領域3と部分4aからなり、スーパージャンクション構造を形成する領域を、ドリフト領域と称する。
ソース領域6は、pベース領域5中に設けられている。ソース領域6の第1導電形の不純物濃度は、nピラー領域3の第1導電形の不純物濃度よりも高い。pベース領域5およびソース領域6は、Y方向に延びている。pベース領域5およびソース領域6は、Z方向において複数設けられている。
ゲート電極9に閾値以上の電圧が加えられることで、MOSFETがオン状態となり、pベース領域5の表面にチャネル(反転層)が形成される。
MOSFETがオフ状態のときは、nピラー領域3とpピラー領域4のpn接合面からnピラー領域3およびpピラー領域4に空乏層が広がる。nピラー領域3およびpピラー領域4に広がる空乏層により、耐圧を向上させることができる。
ソース電極11は、ソース領域6上およびコンタクト領域7上に設けられ、これらの領域と接続されている。
図2は、第1実施形態に係る半導体装置100の製造工程を表す工程断面図である。
まず、図2(a)に表すように、第1導電形の半導体基板21を用意する。
次に、図2(b)に表すように、半導体基板21上に第1導電形の半導体層31をエピタキシャル成長させる。
次に、図2(c)に表すように、半導体基板21と、エピタキシャル成長された半導体層31と、にトレンチTを形成する。トレンチTは、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法により形成される。トレンチTは、トレンチTの上部における幅が、下部における幅よりも広くなるように、形成される。RIE法によりトレンチを形成する際の、反応性ガスの種類、反応性ガスの圧力、あるいは投入電力などを調整することで、トレンチTの上部における幅およびトレンチTの下部における幅を制御することができる。トレンチTを形成した後の半導体基板21は、n形半導体領域2に相当する。また、トレンチTを形成した後の半導体層31は、nピラー領域3に相当する。
次に、図2(d)に表すように、形成されたトレンチT内に、第2導電形の半導体層をエピタキシャル成長させ、pピラー領域4を形成する。
次に、ドリフト領域上に、ソース領域6、コンタクト領域7、ゲート絶縁膜8、ゲート電極9、およびソース電極11を形成する。そして、n形半導体領域2の、ドリフト領域と反対側の領域に、ドレイン領域1を形成し、ドレイン領域1上にドレイン電極10を形成することで、図1に表す半導体装置100が得られる。
まず、部分4aにおける第2導電形の不純物量を、部分4aとZ方向において並ぶnピラー領域3の部分3aにおける第1導電形の不純物量よりも大きくすることにより、ドリフト領域における電界を強めることができる。
次に、n形半導体領域2中に部分4bを設けることにより、n形半導体領域2における電界を強めることができる。このとき、n形半導体領域2における電界強度は、ドリフト領域における電界強度に影響される。このため、上述した、部分4aにおける不純物量を部分3aにおける不純物量よりも大きくすることに加えて、n形半導体領域2中に部分4bを設けることで、n形半導体領域2において強い電界が生じる。この結果、耐圧を大きく向上させることができる。
一方、部分4bにおける第2導電形の不純物量を、部分4bとZ方向において並ぶバッファ領域の部分2aにおける第1導電形の不純物量よりも小さくすることにより、オン抵抗の増加を抑制できる。すなわち、n形半導体領域2に部分4bを設けた場合であっても、部分4bからZ方向およびZ方向と反対の方向に向けて延びる空乏層の広がりを抑え、オン抵抗の増加を抑制することが可能となる。
そして、ドリフト領域およびn形半導体領域2で強められた電界は、n形半導体領域2の第1導電形の不純物濃度が低いため、n形半導体領域2における電界の減衰を抑制し、電界をよりn形半導体領域2の下部まで延ばすことが可能となる。
以上の通り、本実施形態によれば、オン抵抗の増加を抑制しつつ、ドリフト領域およびn形半導体領域2における電界を強めることで耐圧を向上させることができる。
1つ目の条件は、部分4aにおける第2導電形の不純物量は、部分4aとZ方向において並ぶnピラー領域3の部分3aにおける第1導電形の不純物量の1.1倍以下にすることである。
これは、部分4aにおける第2導電形の不純物量が、部分3aにおける第1導電形の不純物量の1.1倍を超える場合、部分4aにおける第2導電形の不純物量と、部分3aにおける第1導電形の不純物量と、の差が大きくなり、ドリフト領域における耐圧が改善され難くなるためである。
2つ目の条件は、部分4bにおける第2導電形の不純物量は、部分4bとZ方向において並ぶn形半導体領域2の部分2aにおける第1導電形の不純物量の0.9倍以下にすることである。
これは、部分4bにおける第2導電形の不純物量が、部分2aにおける第1導電形の不純物量の0.9倍を超える場合、n形半導体領域2におけるオン抵抗が増加しうるためである。
この理由は、以下の通りである。
ゲート電極9に閾値以上の電圧が加えられ、半導体装置100がオン状態になったとき、ドレイン電極10とソース電極11の間に電流が流れ出す。これに伴い、ドレイン電極10とソース電極11の間の電圧が増大する。そして、ドレイン電極10とソース電極11の間の電圧により、n形半導体領域2およびnピラー領域3と、pピラー領域4と、の間のpn接合面から空乏層が広がる。空乏層が広がることで、n形半導体領域2およびnピラー領域3における電流経路が狭くなる。このとき、空乏層が広がるほど、nピラー領域3における電流経路が狭くなり、飽和電流が小さくなってしまう。空乏層は、ソース電極11側よりも、ドレイン電極10側において広がりやすい。特に、本実施形態では、pピラー領域4の一部は、第1導電形の不純物濃度が低いn形半導体領域2に設けられているため、n形半導体領域2における空乏層が広がりやすい。
しかし、本実施形態のように、部分4bのZ方向における寸法を短くすることで、部分2aにおけるZ方向の寸法を長くすることができる。この結果、部分4aのZ方向における寸法が、部分4bのZ方向における寸法と等しい場合に比べて、半導体装置100がオン状態のときの、n形半導体領域2における電流経路の幅を広くすることができ、飽和電流を大きくすることが可能となる。
本発明の第2実施形態について、図3を用いて説明する。
図3は、第2実施形態に係る半導体装置200の一部を表す斜視断面図である。
以下の各実施形態の説明において、第1実施形態と同様の構造あるいは機能を有する部分についての説明は省略し、主として第1実施形態と異なる部分について説明する。
これに対して、本実施形態では、nピラー領域3の不純物濃度、およびpピラー領域4の不純物濃度を、X方向において変化させることで、各領域の不純物量をX方向において変化させている。
同様に、pピラー領域4も、Z方向の寸法が、X方向において一定である。従って、部分4aのZ方向における寸法は、部分4bのZ方向における寸法と等しい。
部分4aの第2導電形の不純物濃度は、部分3aの第1導電形の不純物濃度よりも高い。そして、部分4aのZ方向における寸法は、部分3aのZ方向における寸法と等しい。このため、部分4aにおける第2導電形の不純物量は、部分4aとZ方向において並ぶnピラー領域3の部分3aにおける第1導電形の不純物量よりも大きい。
部分4bの第2導電形の不純物濃度は、部分2aの第1導電形の不純物濃度よりも低い。そして、部分4bにおける第2導電形の不純物量は、部分4bとZ方向において並ぶバッファ領域の部分2aにおける第1導電形の不純物量よりも小さい。
また、部分4bにおいてZ方向の中心に位置する部分における第2導電形のキャリア濃度は、部分2aにおいてZ方向の中心に位置する部分における第1導電形のキャリア濃度よりも低い。部分4bのZ方向における寸法は、部分2aのZ方向における寸法と等しい。
例えば、図3に表す半導体装置200について、SCMを用いてA−A´線上におけるキャリア分布およびB−B´線上におけるキャリア分布を調べることで、それぞれの線分上における各半導体領域のキャリア濃度および寸法を調べることができる。
上述した各部分のZ方向における寸法は、製造上のばらつきを含んでいてもよい。一方の部分の寸法が、他方の部分の寸法の0.85倍以上1.15倍以下であれば、これらの部分における寸法は、実質的に等しいとみなすことができる。
次に、第2実施形態の変形例について、図4を用いて説明する。
図4は、第2実施形態の変形例に係る半導体装置250の一部を表す斜視断面図である。
本変形例において、nピラー領域3は、部分3aと部分3bを含む。部分3aは、部分3bよりも、X方向側に設けられている。すなわち、部分3bは、部分3aとn形半導体領域2との間に設けられている。部分3aの第1導電形の不純物濃度は、部分3bの第1導電形の不純物濃度よりも高い。
pピラー領域4は、部分4aと、部分4bと、部分4cと、を含む。部分4aは、部分3aと、Z方向において並んでいる。部分4cは、部分3bと、Z方向において並んでいる。部分4bは、n形半導体領域2中の部分2aと、Z方向において並んでいる。部分4aの第2導電形の不純物濃度は、部分4cの第2導電形の不純物濃度よりも高い。
部分4cの第2導電形の不純物濃度は、部分3bの第1導電形の不純物濃度よりも高い。そして、部分4cのZ方向における寸法は、部分3bのZ方向における寸法と等しい。このため、部分4cにおける第2導電形の不純物量は、部分4cとZ方向において並ぶnピラー領域3の部分3aにおける第1導電形の不純物量よりも大きい。ただし、部分4cにおける第2導電形の不純物量と、部分3aにおける第1導電形の不純物量と、の差は、部分4aにおける第2導電形の不純物量と、部分3aにおける第1導電形の不純物量と、の差よりも小さい。
一方で、部分4bにおける第2導電形の不純物量は、部分4bとZ方向において並ぶバッファ領域の部分2aにおける第1導電形の不純物量よりも小さい。
あるいは、nピラー領域3の不純物濃度は、部分3aおよび部分3bを含むように、X方向において、連続的に変化していてもよい。同様に、pピラー領域4の不純物濃度は、部分4aと、部分4bと、部分4cと、を含むように、X方向において、連続的に変化していてもよい。
ただし、部分4aにおける第2導電形の不純物濃度およびZ方向における寸法と、部分3aにおける第1導電形の不純物濃度およびZ方向における寸法は、部分4aにおける第2導電形の不純物量が、部分3aにおける第1導電形の不純物量よりも大きくなる範囲において、適宜変更可能である。
同様に、部分4bにおける第2導電形の不純物濃度およびZ方向における寸法と、部分2aにおける第1導電形の不純物濃度およびZ方向における寸法は、部分4bにおける第2導電形の不純物量が、部分2aにおける第1導電形の不純物量よりも小さくなる範囲において、適宜変更可能である。
Claims (8)
- 第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に選択的に設けられ、前記第1半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高い第1導電形の不純物濃度を有し、第1方向に延び、且つ前記第1方向に直交する第2方向に互いに離間して設けられた複数の第2半導体領域と、
隣り合う前記第2半導体領域の間に設けられ、隣接する前記第2半導体領域に含まれる第1導電形の不純物量よりも大きい第2導電形の不純物量を有する第1部分と、
前記第1半導体領域の一部と前記第2方向において並び、前記第1半導体領域の前記一部に含まれる第1導電形の不純物量よりも小さい第2導電形の不純物量を有する第2部分と、
を含み、前記第1方向に延びた複数の第2導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域中に設けられた第5半導体領域と、
ゲート絶縁膜を介して、前記第4半導体領域上に設けられたゲート電極と、
を備えた半導体装置。 - 前記第1部分の前記第2方向における寸法が、前記第2部分の前記第2方向における寸法よりも長い請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1部分の第2導電形の不純物濃度は、前記第2部分の第2導電形の不純物濃度と等しい請求項2記載の半導体装置。
- 前記第1部分の前記第2方向における寸法は、前記第2部分の前記第2方向における寸法と等しく、
前記第1部分の第2導電形の不純物濃度は、前記第2部分の第2導電形の不純物濃度よりも高い請求項1記載の半導体装置。 - 前記第2部分の、前記第1方向および前記第2方向に直交する第3方向における寸法は、4μm以上である請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記第1部分における第2導電形の不純物量は、隣接する前記第2半導体領域に含まれる第1導電形の不純物量の1.1倍以下であり、
前記第2部分における第2導電形の不純物量は、隣接する前記第1半導体領域に含まれる第1導電形の不純物量の0.9倍以下である請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に選択的に設けられ、第1方向に延び、且つ前記第1方向に直交する第2方向に互いに離間して設けられた複数の第2半導体領域と、
隣り合う前記第2半導体領域の間に設けられ、前記第2方向において、中心に位置する部分の第2導電形のキャリア濃度が、前記第2半導体領域の中心に位置する部分の第1導電形のキャリア濃度と等しく、前記第2半導体領域の寸法よりも長い寸法を有する第1部分と、
前記第1半導体領域の一部と前記第2方向において並び、前記第2方向において、中心に位置する部分の第2導電形のキャリア濃度が、前記第1半導体領域の前記一部の中心に位置する部分の第1導電形のキャリア濃度よりも高く、前記第1半導体領域の前記一部の寸法よりも短い寸法を有する第2部分と、
を含み、前記第1方向に延びた複数の第2導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域中に設けられた第5半導体領域と、
ゲート絶縁膜を介して、前記第4半導体領域上に設けられたゲート電極と、
を備えた半導体装置。 - 第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に選択的に設けられ、第1方向に延び、且つ前記第1方向に直交する第2方向に互いに離間して設けられた複数の第2半導体領域と、
隣り合う前記第2半導体領域の間に設けられ、前記第2方向において、中心に位置する部分の第2導電形のキャリア濃度が、前記第2半導体領域の中心に位置する部分の第1導電形のキャリア濃度よりも高く、前記第2半導体領域の寸法と等しい寸法を有する第1部分と、
前記第1半導体領域と前記第2方向において並び、前記第2方向において、中心に位置する部分の第2導電形のキャリア濃度が、前記第1半導体領域の前記一部の中心に位置する部分の第1導電形のキャリア濃度よりも低く、前記第1半導体領域の前記一部の寸法と等しい寸法を有する第2部分と、
を含み、前記第1方向に延びた複数の第2導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域上に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域中に設けられた第5半導体領域と、
ゲート絶縁膜を介して、前記第4半導体領域上に設けられたゲート電極と、
を備えた半導体装置。
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