JP4857458B2

JP4857458B2 - 高耐圧半導体装置

Info

Publication number: JP4857458B2
Application number: JP2000170465A
Authority: JP
Inventors: 浩島袋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2020-06-07
Also published as: JP2001352064A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プレーナ構造の高耐圧半導体装置で、主に、抵抗性フィールドプレート構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴあるいはダイオードなどのプレーナ型半導体素子の耐圧構造の一つに抵抗性フィールドプレートがある。この方法では一般的に耐圧構造部に位置する高抵抗導電膜は環状の単純パターンをしており、設計が容易であり、また、耐圧構造部の占有面積も小さくできるなどの利点がある。また、縦形素子のでも横形素子でも効果は同じである。特開平７−３２６７７５号公報では、単純パターンを改良した例である。単純パターンでは、高温環境下で、漏れ電流の増大が著しく、熱暴走を引き起こすおそれがあり、実用化を妨げると記している。そこで特開平７−３２６７７５号公報では、抵抗性フィールドプレートの抵抗値を増大させ漏れ電流を抑える為、抵抗性フィールドプレートとして帯状高抵抗導電膜７３を渦巻き状にすることが開示されている（図６）。
【０００３】
図７は、従来の半導体装置の耐圧構造の概略平面図である。ｐ拡散層５２とｎ^-層５１で形成される露出するｐｎ接合を覆うように耐圧構造６０が設けられる。この耐圧構造６０はｎ^-層５１内に形成される空乏層を横方向に広げて、ｎ^-層５１内の電界強度を低下させる働きがある。
図８は、図７のＥ部の拡大詳細図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線で切断した断面図である。図８の構造は、抵抗性フィールドプレートの耐圧構造である。一方の半導体基板（ｎ^-層５１）の表面層にはｐ拡散層５２と電気的に良好に接するフィールドプレート電極５４が、また、それと一定の間隔を隔てて対向するエンドプレート電極５５が配置されｎ^-層５１と電気的に接している。ｐ拡散層５２上とｎ^-層５１上にはフィールド酸化膜５３が形成され、前記の電極５４、５５はこのフィールド酸化膜５３上にはみ出すように形成される。両電極５４、５５と接してフィールド酸化膜５３上に高抵抗導電膜５６が形成される。同図（ａ）のａ〜ｉの箇所は同図（ｂ）のａ〜ｉの箇所と一致する。ａはフィールドプレート電極内端、ｂは高抵抗導電膜内端、ｃはフィールド酸化膜内端、ｄはｐｎ接合部、ｅはフィールドプレート電極外端、ｆはエンドプレート電極内端、ｇはフィールド酸化膜外端、ｈは高抵抗導電膜外端、ｉはエンドプレート電極外端である。
【０００４】
縦型ＭＯＳＦＥＴの場合、ｐ拡散層５２の図示しない別の領域にはソース電極やゲート電極が配置され、ｎ^-層５１の裏面には、つまり半導体基板の裏面には、図示しないドレイン電極が配置される。また、横型ＩＧＢＴの場合では、エンドプレート電極５５は、別に形成される図示しないｐ拡散層と接しコレクタ電極となる。
【０００５】
フィールドプレート電極５４とエンドプレート電極５５間には微弱な電流を流すことができる高抵抗導電膜５６があり、その下層にはフィールド酸化膜５３が配置されている。オフ状態で、フィールドプレート電極５４を基準にエンドプレート電極５５の電位を高い電位すると、半導体基板中のｐ拡散層５２とｎ^-層５１の間に電圧がかかり、主にｎ^-層内に空乏層がひろがり、半導体基板内部に電位分布ができる。この電位分布は半導体基板表面の耐圧構造にも及び、高抵抗導電膜５６と相互に影響し合い、結果的にフィールドプレート電極５４とエンドプレート電極５５間の高抵抗導電膜５６に微弱な電流が流れて、電位分布を均一化して、耐圧を安定化させることができる。
【０００６】
上記に示すように、抵抗性フィールドプレートである高抵抗導電膜５６は、半絶縁性膜に微弱な電流を流すことで生じる電位分布が半導体基板表面部の電位と作用し、結果として耐圧構造に広がる電位分布を均一化（電界強度を均一化）する働きがある。この為、高抵抗導電膜５６を採用することで、容易に、高耐圧の半導体装置を得ることが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の単純パターンの高抵抗導電膜を用いた耐圧構造では、湾曲部で電位分布が不均一となり、この電位分布の不均一により、漏れ電流の増大が著しくなり、熱暴走を引き起こすおそれがある。
図９は、従来の単純パターンの高抵抗導電膜で、フィールドプレート電極外端とエンドプレート電極内端の間の電位分布を計算した例である。III はフィールドプレート電極とエンドプレート電極の直線部（図８のＡ−Ａ線）で、IIは湾曲部（図８のＢ−Ｂ線）である。直線部では電位分布は一定で理想的であるのに対し、湾曲部では、フィールドプレート電極よりの電位分布が急激に変化している。この為、半導体基板内部の電位分布を広げる働きは、その分弱められ、設計上のマージンが小さく、わずかな寸法の変動に対しても、耐圧に大きな変動を引き起こす。また、湾曲部の高抵抗導電膜は電流が集中する上に電圧降下も大きい為、比較的電力消費が多くなる。その結果として湾曲部が破壊しやすくなる。
【０００８】
また、この弊害を防止した、特開平７−３２６７７５号公報で開示された帯状高抵抗導電膜を渦巻き状にしたパターンでは、耐圧構造の占有面積が多くなるという問題がある。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、単純なパターンの抵抗性フィールドプレートの耐圧構造で、湾曲部での電位分布を均一化し、安定した耐圧を確保できる半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、半導体基板の表面に形成される抵抗性フィールドプレートの耐圧構造で、ｐｎ接合上方に形成されるフィールドプレート電極である第１電極と、第１電極と対向して配置されるエンドプレート電極である第２電極と、該第１電極および該第２電極に接し、該第１電極と第２電極の間に形成される抵抗性導電膜とを有す高耐圧半導体装置において、
対向する前記第１電極端と第２電極端の周辺長さが異なる湾曲部で、周辺長が長い第２電極および該第２電極端と前記抵抗性導電膜とが選択的に接触しない箇所を設ける構成とする。
【００１０】
また、前記第２電極および該第２電極端と、前記抵抗性導電膜との間に絶縁膜を備えることで前記接触しない箇所を設けるとよい。
また、前記第２電極上および該第２電極端上の前記抵抗性導電膜に開口部を備えることで前記接触しない箇所を設けるとよい。
また、半導体基板の表面に形成される抵抗性フィールドプレートの耐圧構造で、ｐｎ接合上方に形成されるフィールドプレート電極である第１電極と、第１電極と対向して配置されるエンドプレート電極である第２電極と、該第１電極および該第２電極に接し、該第１電極と第２電極の間に形成される抵抗性導電膜とを有す高耐圧半導体装置において、
対向する前記第１電極と第２電極の周辺長さが異なる湾曲部で、前記第１電極と第２電極に挟まれた領域の前記抵抗性導電膜に複数の開口部を備える構成とするとよい。
【００１１】
また、前記開口部で挟まれた前記抵抗性導電膜の幅が第１電極側と第２電極側で等しい構成とするとよい。
また、前記開口部が前記第２電極に達してもよい。
また、前記開口部が前記第１電極および第２電極に達してもよい。
また、前記開口部で挟まれた抵抗性導電膜の形状がストライプ状であると効果的である。
【００１２】
前記のように、湾曲部の曲率半径の大きいエンドプレート電極と抵抗性導電膜との接触を妨げたり、抵抗性導電膜を一部除去することで、湾曲部での抵抗性導電膜を流れる電流の密度を、曲率の大きい側と曲率の小さい側で均一化を図り、電位勾配の一定化を図る。電流密度の均一化により、湾曲部での熱暴走を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１実施例の高耐圧半導体装置であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図である。図８と異なる点は、エンドプレート電極５と高抵抗導電膜６の間に一部絶縁膜７が配置されていることである。
【００１４】
図１において、ｎ^-層１（半導体基板）の表面層にｐ拡散層２を形成し、ｐ拡散層２上とｎ^-層１上にフィールド酸化膜３を形成する。ｐ拡散層２上とフィールド酸化膜３上にフィールドプレート電極４を形成し、ｎ^-層１上とフィールド酸化膜３上にエンドプレート電極５を形成する。フィールドプレート電極４とエンドプレート電極５とはそれぞれ対向し、その間隔は一定である。フィールドプレート電極４上とエンドプレート電極５上およびこれらの電極４、５に挟まれたフィールド酸化膜３上に高抵抗導電膜６を形成する。この高抵抗導電膜６の形成に当たっては、両電極４、５が湾曲する箇所（湾曲部Ｄ）では、エンドプレート電極５上と、フィールド酸化膜３上に選択的に絶縁膜７を形成し、この絶縁膜７を介して前記高抵抗導電膜６を形成する（同図（ｃ））。尚、図中のａ〜ｉは図８と同じである。また、ｊは扇状のエンドプレート電極内端ｆ側の端部、ｋはエンドプレート電極外端ｈ側の端部を示す。
【００１５】
さらに詳細に説明する。湾曲部Ｄは、角度が９０°（円の４分の１）で、フィールドプレート電極外端ｅの内径５０μｍ、エンドプレート電極内端ｆの内径が１１０μｍの曲率半径である。半導体基板（ｎ^-層１）の不純物濃度は５×１０¹⁶ｃｍ^-3（比抵抗＝６０Ω・ｃｍ）である。耐圧構造のフィールド酸化膜３の厚さは、０．７μｍである。フィールドプレート電極外端ｅと半導体基板内部のｐｎ接合部分ｄの距離は、１５μｍである。フィールドプレート電極４とフィールド酸化膜３およびエンドプレート電極５を覆う様に絶縁膜であるＳｉＮ膜を０．３μｍの厚さで成膜し、その後で、湾曲部Ｄに位置するエンドプレート電極５上の一部とその近傍のフィールド酸化膜３上にのみ絶縁膜７を残し、その他の箇所の絶縁膜は除去する。この絶縁膜７の形状は、エンドプレート電極内端ｆに沿った幅Ｗが１２μｍで、同電極５からフィールドプレート酸化膜３上にはみ出した長さＬ１は１０μｍであり、また、後工程で形成する高抵抗導電膜外周端ｈからのはみ出した長さＬ２も１０μｍである扇状をしている。この扇状の絶縁膜７はエンドプレート電極５を選択的に覆っている。また、ここでは絶縁膜７を３個均等に配置した。次に、図に示すように、これら電極４、５やフィールド酸化膜３および絶縁膜７を被うように、高抵抗導電膜６をａ−ＳｉをプラズマＣＶＤで約０．０６μｍ厚の膜で形成した。
【００１６】
この実施例の場合では、湾曲部Ｄのフィールドプレート電極４と接する高抵抗導電膜内端ｂの長さを約７８μｍに対し、エンドプレート電極５と接する高抵抗導電膜外端ｈの長さを約１２１μｍとした。これら長さにすることで、絶縁膜７が無い従来の場合と比べて、湾曲部Ｄでの電位分布が均一化される。尚、ここで示した絶縁膜７の形状、数、配置は変えても構わない。
【００１７】
また、フィールドプレート電極４とエンドプレート電極５の間隔を従来素子と同じにした場合は、素子耐圧の最大値は６５０Ｖと従来素子耐圧と同じであったが、最小値が従来素子では５５０Ｖであったものが６１０Ｖに上昇し、その結果ばらつきが従来素子では約１５％あったものが、６％に改善した。
また、信頼性試験として１５０℃下で５００Ｖ印加して放置したところ、従来品は６００時間までに５０個中３個耐圧に異常が見られたが、本発明品では、１０００時間経過しても問題の発生が無いことが分った。
【００１８】
図２は、高抵抗導電膜の電位分布を計算した例である。I は本発明の場合の湾曲部Ｄでの計算結果である。エンドプレート電極５と直接接していないを為、ＩＩの従来素子における湾曲部Ｄの電位分布に比べ、電位勾配が均一化されて、III のフィールドプレート電極４とエンドプレート電極５が直線部Ｃの電位分布に近づいている。これにより半導体基板（ｎ^-層１）内の空乏層を広げる効果が高くなり、また、電流集中が緩和されることから電力消費も押さえられ、さらに、素子破壊も防止できる。
【００１９】
図３は、この発明の第２実施例の高耐圧半導体装置であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図である。
図３において、ｎ^-層１の表面層にｐ拡散層２を形成し、ｐ拡散層２上とｎ^-層１上にフィールド酸化膜３を形成する。ｐ拡散層２上とフィールド酸化膜３上にフィールドプレート電極４を形成し、ｎ^-層１上とフィールド酸化膜３上にエンドプレート電極５を形成する。フィールドプレート電極４とエンドプレート電極５とはそれぞれ対向し、その間隔は一定である。フィールドプレート電極４上とエンドプレート電極５上およびこれらの電極４、５に挟まれたフィールド酸化膜３上に高抵抗導電膜６を形成する。この高抵抗導電膜６は、両電極４、５が湾曲する湾曲部Ｄでは、エンドプレート電極５上とフィールド酸化膜３上に選択的に開口部８が形成される（同図（ｃ））。
【００２０】
第１実施例では、エンドプレート電極５と高抵抗導電膜６の間に絶縁膜７がありこれを形成するために工数が増える。第２実施例では絶縁膜７にかえて同部分の高抵抗導電膜６に開口部８を形成して、選択的にエンドプレート電極５と高抵抗導電膜６が接しないようにする。開口部８の形状は、エンドプレート電極内端ｆに沿った長さが１２μｍで、同電極内端ｆからフィールドプレート酸化膜３上にはみ出した長さＬ１が１０μｍで、また、高抵抗導電膜外周端ｈから数μｍ内側にくるような扇状である。開口部８は３個均等に配置した。この開口部８は高抵抗導電膜６のパターニング工程およびエッチング工程で同時に形成できるので図１のように、工数を増やすことなく実施することができる。また、効果としては、第１実施例と同様である。尚、図中のｍは扇状のエンドプレート電極内端ｆ側の端部、ｎはエンドプレート電極外端ｈ側の端部を示す。
【００２１】
図４は、この発明の第３実施例の高耐圧半導体装置であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図である。この実施例は、耐圧構造の湾曲部Ｄの高抵抗導電膜６の一部を除去した構造で、第２実施例と違いは、エンドプレート電極５と接せず、この電極５近傍のフィールド酸化膜３に開口部９を設けた点である。この場合、フィールドプレート電極４とエンドプレート電極５の間隔が比較的離れている場合に効果的である。
【００２２】
この第３実施例では、開口部９に挟まれた高抵抗導電膜６の幅Ｌが、フィールドプレート電極４側に向かってほぼ等しいために、この箇所を流れる電流の密度はエンドプレート電極５側とフィールドプレート電極４側とでほぼ等しくなり、湾曲部Ｄでの電位分布が均一化される。
また、図４では、湾曲部Ｄでのフィールドプレート電極４の長さよりエンドプレート電極５の長さが長い場合を示したが、逆にフィールドプレート電極の長さがエンドプレート電極の長さより長い場合、つまり、図４のフィールドプレート電極４とエンドプレート電極５が入れ代わった場合でも図４のように開口部９を設けると有効である。尚、その場合は、図４のフィールドプレート電極外端ｅの位置は、入れ代わった場合のエンドプレート電極外端の位置となり、また、図４のエンドプレート電極内端ｆの位置は、入れ代わった場合のフィールドプレート電極内端の位置となる。当然、ｐｎ接合は、入れ代わった場合のフィールドプレート電極下にくる。
【００２３】
図５は、この発明の第４実施例の高耐圧半導体装置であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図である。この実施例は、第３実施例の方法をさらに進めて、湾曲部Ｄでの高抵抗導電膜６の形状を多数のストライプ状にして、各ストライプ状の高抵抗導電膜６の幅ｗをエンドプレート電極５側と、フィールドプレート電極４側で等しくする。こうすることで、このストライプ状の高抵抗導電膜１１を流れる電流の密度はエンドプレート電極５側からフィールドプレート電極４側に向かって一定となり、電位分布は直線部Ｃ並に均一化される。さらに、隣接するストライプ状の高抵抗導電膜１１との電位分布の均一化を図るために、点線で示すように、隣同士のストライプ状の高抵抗導電膜１１をブリッジ１２（橋）で接続するとよい。
【００２４】
また、フィールドプレート電極外端ｅと接触しないように開口部１０を設けることで、この箇所でのｎ^-層１内に広がる空乏層の伸びをよくする。また、開口部１０をフィールドプレート電極外端ｅと接触させる場合でも、できるだけ接触長さを短くするとよい（図では、矢印Ｆの先端で示すように、点線で示す三角形の頂点がフィールドプレート電極外端ｅと接している）。
【００２５】
また、図５のフィールドプレート電極４とエンドプレート電極５が入れ代わった場合は、開口部１０が、入れ代わった場合のフィールドプレート電極内端に接触しないようにするか、できるだけ接触長さを短くする。そうすることで、空乏層の伸びをよくする。
【００２６】
【発明の効果】
この発明では、選択的にフィールドプレート電極と高抵抗導電膜の間に絶縁膜を挟む方法、高抵抗導電膜に開口部を設ける方法、湾曲部の高抵抗導電膜を多数のストライプ状の帯にする方法を用いることで、単純パターンで、湾曲部での抵抗性フィールドプレートを流れる電流密度を均一化し、この湾曲部での電位分布の均一化を図ることができる。その結果、高耐圧半導体装置の耐圧構造の占有面積を縮小化し、湾曲部での耐圧破壊を防止できる。また、耐圧特性の信頼性の向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の高耐圧半導体装置であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図
【図２】高抵抗導電膜の電位分布図
【図３】この発明の第２実施例の高耐圧半導体装置であり、（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図
【図４】この発明の第３実施例の高耐圧半導体装置であり、（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図
【図５】この発明の第４実施例の高耐圧半導体装置であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ線で切断した要部断面図
【図６】従来の帯状高抵抗導電膜を有する耐圧構造を示す図
【図７】従来の半導体装置の耐圧構造の概略平面図
【図８】図７のＥ部の拡大詳細図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線で切断した断面図
【図９】従来の単純パターンの高抵抗導電膜で、フィールドプレート電極外端とエンドプレート電極内端の間の電位分布図
【符号の説明】
１ｎ^-層
２ｐ拡散層
３フィールド酸化膜
４フィールドプレート電極
５エンドプレート電極
６高抵抗導電膜
７絶縁膜
８、９、１０開口部
１１ストライプ状の高抵抗導電膜
Ｃ直線部
Ｄ湾曲部

Claims

半導体基板の表面に形成される抵抗性フィールドプレートの耐圧構造で、該半導体基板の表面と交わるｐｎ接合の上方に形成されるフィールドプレート電極である第１電極と、第１電極と対向して配置されるエンドプレート電極である第２電極と、該第１電極および該第２電極に接し、該第１電極と第２電極の間にされる抵抗性導電膜とを有す高耐圧半導体装置において、
対向する前記第１電極端と第２電極端の周辺長さが異なる湾曲部で、周辺長が長い第２電極および該第２電極端と前記抵抗性導電膜とが選択的に接触しない箇所を設けることを特徴とする高耐圧半導体装置。
前記第２電極および該第２電極端と、前記抵抗性導電膜との間に絶縁膜を備えることで前記接触しない箇所を設けることを特徴とする請求項１に記載の高耐圧半導体装置。
前記第２電極上および該第２電極端上の前記抵抗性導電膜に開口部を備えることで前記接触しない箇所を設けることを特徴とする請求項１に記載の高耐圧半導体装置。
半導体基板の表面に形成される抵抗性フィールドプレートの耐圧構造で、該半導体基板の表面と交わるｐｎ接合の上方に形成されるフィールドプレート電極である第１電極と、第１電極と対向して配置されるエンドプレート電極である第２電極と、該第１電極および該第２電極に接し、該第１電極と第２電極の間に形成される抵抗性導電膜とを有す高耐圧半導体装置において、
対向する前記第１電極と第２電極の周辺長さが異なる湾曲部で、前記第１電極と第２電極に挟まれた領域の前記抵抗性導電膜に複数の開口部を備えたことを特徴とする高耐圧半導体装置。
前記開口部で挟まれた前記抵抗性導電膜の幅が第１電極側と第２電極側で等しいことを特徴とする請求項４に記載の高耐圧半導体装置。
前記開口部が前記第２電極に達することを特徴とする請求項４または５に記載の高耐圧半導体装置。
前記開口部が前記第１電極および第２電極に達することを特徴とする請求項４または５に記載の高耐圧半導体装置。
前記開口部で挟まれた抵抗性導電膜の形状がストライプ状であることを特徴とする請求項４ないし７のいずれかに記載の高耐圧半導体装置。