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JPWO2018016543A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

半導体基板と、半導体基板に形成された第1導電型のドリフト領域と、ドリフト領域の上方に形成され、ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型の蓄積領域と、蓄積領域の上方に形成された第2導電型のベース領域と、ベース領域および蓄積領域を貫通して、半導体基板の上面からドリフト領域まで延伸して形成されたゲートトレンチ部とを備え、蓄積領域におけるドーピング濃度の最大値は、ベース領域におけるドーピング濃度の最大値よりも大きい半導体装置を提供する。

Description

本発明は、半導体装置に関する。
従来、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体装置において、トレンチゲート構造を有する装置が知られている(例えば、特許文献1および2参照)。
特許文献1 特開2010−114136号公報
特許文献2 特開2008−205015号公報
解決しようとする課題
トレンチゲート構造を有するIGBTでは、伝導度変調によりコレクタから注入された正孔の密度は、エミッタに近づくにつれて低下する。この結果、キャリア密度がエミッタ側で低くなり、オン抵抗を十分に小さくすることができない。P型のベース領域の下にN型の蓄積領域を設けることで、エミッタ側におけるキャリア密度を向上させることができる。しかし、従来の蓄積領域では正孔の蓄積が十分ではなかった。
一般的開示
本発明の一つの態様においては、半導体装置を提供する。半導体装置は、半導体基板を備えてよい。半導体装置は、半導体基板に形成された第1導電型のドリフト領域を備えてよい。半導体装置は、ドリフト領域の上方に形成され、ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型の蓄積領域を備えてよい。半導体装置は、蓄積領域の上方に形成された第2導電型のベース領域を備えてよい。半導体装置は、ベース領域および蓄積領域を貫通して、半導体基板の上面からドリフト領域まで延伸して形成されたゲートトレンチ部を備えてよい。蓄積領域におけるドーピング濃度の最大値は、ベース領域におけるドーピング濃度の最大値よりも大きくてよい。
蓄積領域におけるドーピング濃度の最大値は、ベース領域におけるドーピング濃度の最大値の5倍以下であってよい。蓄積領域におけるドーピング濃度の最大値は、ベース領域におけるドーピング濃度の最大値の1.5倍以上であってよい。
蓄積領域のドーピング濃度を半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度は、ベース領域のドーピング濃度を半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度の4倍以下であってよい。蓄積領域のドーピング濃度を半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度は、ベース領域のドーピング濃度を半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度より小さくてよい。
蓄積領域の深さ方向におけるドーピング濃度分布は複数のピークを有し、複数のピークのうち、最もベース領域側のピークのドーピング濃度は、最もドリフト領域側のピークのドーピング濃度よりも低くてよい。ベース領域の深さ方向におけるドーピング濃度分布は複数のピークを有してよい。ベース領域のドーピング濃度分布の複数のピークのうち、最も半導体基板の上面側のピークのドーピング濃度は、最も蓄積領域側のピークのドーピング濃度よりも高くてよい。ベース領域の深さ方向における中央よりも上側においてベース領域のドーピング濃度を積分した上側積分濃度が、ベース領域の深さ方向における中央よりも下側においてベース領域のドーピング濃度を積分した下側積分濃度よりも高くてよい。蓄積領域においてドーピング濃度が最大値となる深さ位置は、蓄積領域の深さ方向における中央よりもドリフト領域側であってよい。
半導体装置は、ベース領域および蓄積領域を貫通して、半導体基板の上面からドリフト領域まで延伸して形成されたダミートレンチ部を更に備えてよい。蓄積領域においてダミートレンチ部に隣接する部分のドーピング濃度が、ゲートトレンチ部に隣接する部分のドーピング濃度よりも高くてよい。
蓄積領域の深さ方向における長さは、ベース領域の深さ方向における長さ以下であってよい。蓄積領域の深さ方向における長さは、ゲートトレンチ部が、蓄積領域の下端よりも下側に突出する長さ以下であってよい。
蓄積領域は、横方向に並んだ2つのゲートトレンチ部に挟まれた領域に形成されてよい。蓄積領域の深さ方向における長さは、2つのゲートトレンチ部の横方向の中央部の間隔よりも小さくてよい。蓄積領域の深さ方向のドーピング濃度分布におけるピーク濃度に対応する深さ位置で、横方向に蓄積領域のドーピング濃度を積分した積分値が、蓄積領域の臨界積分濃度の半値より大きくてよい。
ゲートトレンチ部は、ベース領域および蓄積領域を貫通して、半導体基板の上面からドリフト領域まで延伸して形成されたトレンチと、トレンチの内壁に形成された絶縁膜と、トレンチ内において、ベース領域と対向して形成されたゲート導電部と、ゲート導電部の下方に形成され、ゲート導電部と絶縁されたダミー導電部とを有してよい。蓄積領域の少なくとも一部の領域は、ダミー導電部と対向して形成されてよい。蓄積領域は、ドリフト領域と接していてよい。
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
本発明の一つの実施形態に係る半導体装置100の断面を示す図である。 半導体基板10の深さ方向における、ドーピング濃度分布の一例を示す図である。 一つの実施例における、エミッタ領域12、ベース領域14、蓄積領域16およびドリフト領域18のドーピング濃度および深さ位置を示す図である。 蓄積領域16におけるドーピング濃度を変化させた各実施例および比較例のドーピング濃度分布の一例を示す図である。 各実施例および比較例の、オン時におけるコレクタエミッタ間電圧Vceと、コレクタ電流Icとの関係を示す図である。 各実施例および比較例の、ゲート電圧がしきい値以下、例えば0V印加時におけるコレクタエミッタ間電圧Vceと、コレクタ電流Icとの関係を示す図である。 蓄積領域16における不純物の総ドーズ量を変化させた各実施例および比較例の耐圧の一例を示す図である。 ゲート電圧がしきい値以下、例えば0V時の、各実施例および比較例の深さ方向における電界強度分布を示している。 半導体装置100のFBSOA耐量低下現象を示す図である。 蓄積領域16の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。 蓄積領域16の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。 ベース領域14の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。 ベース領域14の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。 ゲートトレンチ部40の近傍を拡大した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体装置200の断面を示す図である。 各トレンチ部に挟まれた蓄積領域16の、横方向におけるドーピング濃度分布を示す図である。 ゲートトレンチ部40の他の構造例を示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本明細書においては半導体基板の深さ方向と平行な方向における一方の側を「上」、他方の側を「下」と称する。また、基板、層またはその他の部材の2つの主面のうち、一方の面を上面、他方の面を下面と称する。「上」、「下」の方向は重力方向に限定されない。各実施形態においては、第1導電型をN型、第2導電型をP型とした例を示しているが、基板、層、領域等の導電型は、それぞれ逆の極性であってもよい。
本明細書においてドーピング濃度とは、ドナーまたはアクセプタ化した不純物の濃度を指す。本明細書においてドナーおよびアクセプタの濃度差をドーピング濃度とする場合がある。また、ドーピング領域におけるドーピング濃度分布のピーク値を、当該ドーピング領域におけるドーピング濃度とする場合がある。
図1は、本発明の一つの実施形態に係る半導体装置100の断面を示す図である。図1に示す各部材は、図面の紙面と垂直な方向に延伸して形成されている。半導体装置100は、伝導度変調によりオン抵抗(オン電圧)を低減する装置である。図1には半導体装置100の一例として、IGBTが形成された半導体チップを示している。本例の半導体装置100は、当該断面において半導体基板10、層間絶縁膜26、エミッタ電極28およびコレクタ電極24を有する。
半導体基板10の上面には、層間絶縁膜26が形成される。層間絶縁膜26は、例えばリンが添加されたシリケートガラス膜(PSG膜)、または、リンおよびボロンが添加されたシリケートガラス膜(BPSG膜)である。
半導体基板10の上面の上方には、エミッタ電極28が形成される。本例のエミッタ電極28は、層間絶縁膜26の上面に形成される。エミッタ電極28は、半導体基板10の上面の一部の領域と接触してよい。本例の層間絶縁膜26は、半導体基板10の上面近傍に形成されたエミッタ領域12を露出させる開口を有する。エミッタ電極28は、当該開口内にも形成され、エミッタ領域12と接触する。層間絶縁膜26は、エミッタ電極28と、ゲート導電部44とを絶縁する。
半導体基板10の下面には、コレクタ電極24が形成される。エミッタ電極28およびコレクタ電極24は、金属等の導電材料で形成される。例えばエミッタ電極28およびコレクタ電極24は、アルミニウムを含む導電材料で形成されてよい。また、エミッタ電極28およびコレクタ電極24において、絶縁膜の開口内等の微細な領域に形成される部分は、タングステンを含む導電材料で形成されてもよい。本明細書において、基板、層、領域等の各部材のエミッタ電極28側の面を上面、コレクタ電極24側の面を下面と称する。また、エミッタ電極28とコレクタ電極24とを結ぶ方向を、半導体基板10の深さ方向と称する。
半導体基板10は、シリコン基板であってよく、炭化シリコン基板、窒化物半導体基板等の化合物半導体基板であってもよい。半導体基板10の内部には、半導体基板10の上面側から順番に、N+型のエミッタ領域12、P型のベース領域14、N型の蓄積領域16、N−型のドリフト領域18およびP+型のコレクタ領域22が形成される。また、ドリフト領域18およびコレクタ領域22の間には、N型のバッファ領域20が形成されてもよい。
本例のドリフト領域18は、N−型である。一例として、N−型の半導体基板10において、エミッタ領域12、ベース領域14、蓄積領域16、バッファ領域20およびコレクタ領域22等が形成されずに残存した領域がドリフト領域18として機能する。
エミッタ領域12、蓄積領域16およびバッファ領域20は、ドリフト領域18と同一の導電型を有しており、ドリフト領域18よりもドーピング濃度が高い。ベース領域14およびコレクタ領域22は、ドリフト領域18とは逆の導電型を有する。ベース領域14とドリフト領域18の間に、高濃度の蓄積領域16を設けることで、コレクタ側からドリフト領域18に注入された正孔が、半導体基板10の上面側に抜けることを抑制して、ドリフト領域18の上面側におけるキャリア密度を高くできる。キャリア密度を高くすることで、半導体装置100を伝導度変調して、半導体装置100のオン抵抗を低減できる。
本例の蓄積領域16は、ドリフト領域18と接して設けられている。例えば、蓄積領域16とドリフト領域18との間には、P型の領域が形成されていない。
また、コレクタ領域22とドリフト領域18との間に、高濃度のバッファ領域20を設けることで、ベース領域14の下面側から広がる空乏層が、コレクタ領域22に到達することを抑制できる。つまり本例のバッファ領域20は、フィールドストップ層として機能する。
また、半導体基板10の内部には、エミッタ領域12、ベース領域14および蓄積領域16を貫通して、半導体基板10の上面からドリフト領域18まで延伸する1以上のゲートトレンチ部40が形成されている。それぞれのゲートトレンチ部40は、半導体基板10の上面からドリフト領域18まで形成されたトレンチと、当該トレンチの内壁に形成されたゲート絶縁膜42と、トレンチ内においてゲート絶縁膜42に囲まれて形成されたゲート導電部44とを有する。複数のゲートトレンチ部40は、半導体基板10の上面においてストライプ状に形成されてよい。図1に示す断面において、2つのゲートトレンチ部40に挟まれた半導体基板10の領域には、エミッタ領域12、ベース領域14および蓄積領域16が形成されている。半導体基板10の上面において、2つのゲートトレンチ部40に挟まれた領域には、N+型のエミッタ領域12と、P+型のコンタクト領域とが設けられてよい。エミッタ領域12とコンタクト領域とは、図1の紙面と垂直な方向において交互に配置されてよい。エミッタ領域12は、隣り合う2つのゲートトレンチ部40にそれぞれ接してよい。図1の紙面と垂直な方向でエミッタ領域12に接するコンタクト領域も、隣り合う2つのゲートトレンチ部40にそれぞれ接してよい。
一例としてゲート絶縁膜42は、トレンチの内壁を熱酸化して形成した酸化膜、または、トレンチの内壁を窒化して形成した窒化膜である。ゲート絶縁膜42は、ゲート導電部44と半導体基板10とを絶縁する。一例としてゲート導電部44は、不純物が添加されたポリシリコンで形成される。ゲート導電部44の上面は、層間絶縁膜26で覆われている。ただし、図1に示す断面とは異なる位置において、層間絶縁膜26にはゲート導電部44を露出させる開口が形成される。当該開口には、半導体基板10の上方に形成される金属材料のゲート電極の一部が形成される。これにより、ゲート導電部44がゲート電極と電気的に接続する。
ゲート導電部44は、少なくとも隣接するベース領域14と対向する領域を含む。ゲート導電部44に所定の電圧が印加されると、ベース領域14のうちゲートトレンチ部40に接する界面の表層にチャネルが形成される。本例のゲート導電部44は、蓄積領域16の下面よりも、半導体基板10の下面側に突出する部分を有する。
図2Aは、半導体基板10の深さ方向における、ドーピング濃度分布の一例を示す図である。図2Aにおいて横軸は、半導体基板10の上面からの深さを示しており、縦軸は、単位体積当たりのドーピング濃度を対数で示している。
また、図2Aにおいては、図1におけるA−A断面のように、エミッタ領域12、ベース領域14、蓄積領域16およびドリフト領域18におけるドーピング濃度分布を示している。図2Aにおいては、エミッタ領域12とベース領域14との境界の深さをD1、ベース領域14と蓄積領域16との境界の深さをD2、蓄積領域16とドリフト領域18との境界の深さをD3としている。深さD1、D2、D3は、半導体基板10の上面からの深さを指す。
本例では、蓄積領域16におけるドーピング濃度の最大値P2は、ベース領域14におけるドーピング濃度の最大値P1よりも大きい。これにより、蓄積領域16におけるキャリア蓄積効果が向上して、オン抵抗を低減できる。
図2Bは、一つの実施例における、エミッタ領域12、ベース領域14、蓄積領域16およびドリフト領域18のドーピング濃度および深さ位置を示す図である。本例のエミッタ領域12は、半導体基板10の上面近傍(すなわち、深さ0μm近傍)で最大のドーピング濃度を示す。本例におけるエミッタ領域12のドーピング濃度の最大値は、1.0×1020/cm以上である。
本実施例において、エミッタ領域12およびベース領域14の境界位置は、半導体基板10の上面から0.5μm以上、1μm以下の範囲内に配置されている。本実施例において、ベース領域14のドーピング濃度の最大値は、5.0×1016/cm以上、5.0×1017/cm以下である。本実施例において、ベース領域14のドーピング濃度が最大となる深さ位置は、半導体基板10の上面から0.8μm以上、1.8μm以下の範囲内に配置されている。
本実施例において、ベース領域14および蓄積領域16の境界位置は、半導体基板10の上面から1.5μm以上、2.5μm以下の範囲内に配置されている。本実施例において、蓄積領域16のドーピング濃度の最大値は、5.0×1017/cm以上、5.0×1018/cm以下である。本実施例において、蓄積領域16のドーピング濃度が最大となる深さ位置は、半導体基板10の上面から2μm以上、3μm以下の範囲内に配置されている。
本実施例において、蓄積領域16およびドリフト領域18の境界位置は、半導体基板10の上面から3μm以上、4μm以下の範囲内に配置されている。本実施例においてドリフト領域18は概ね一定のドーピング濃度を有する。本実施例においてドリフト領域18のドーピング濃度は、5.0×1013/cm以上、5.0×1014/cm以下である。
図3は、蓄積領域16におけるドーピング濃度を変化させた各実施例および比較例のドーピング濃度分布の一例を示す図である。図3において横軸は、半導体基板10の上面からの深さを示しており、縦軸は、単位体積当たりのドーピング濃度を対数で示している。各実施例において、ベース領域14のドーピング濃度の最大値P1は同一である。一例としてベース領域14のドーピング濃度の最大値P1は、1.0×1017/cm以上、5.0×1017/cm以下程度である。
第1実施例における蓄積領域16−1のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の1.7倍程度である。第2実施例における蓄積領域16−2のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の最大値の3倍程度である。第3実施例における蓄積領域16−3のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の最大値の5倍程度である。第4実施例における蓄積領域16−4のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の最大値の7倍程度である。第5実施例における蓄積領域16−5のドーピング濃度の最大値は、ベース領域のドーピング濃度の最大値の10倍程度である。比較例における蓄積領域116のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の最大値の0.2倍程度である。
図4は、各実施例および比較例の、オン時におけるコレクタエミッタ間電圧Vceと、コレクタ電流Icとの関係を示す図である。図4に示すように、各実施例におけるオン電圧(Vce)が、同一のコレクタ電流Icを流した場合の比較例(116)のオン電圧よりも小さくなっていることがわかる。蓄積領域16のドーピング濃度の最大値が大きくなるほど、オン電圧は低下する。蓄積領域16におけるドーピング濃度の最大値は、ベース領域14におけるドーピング濃度の最大値の1.5倍以上であってよく、2倍以上であってもよい。
図5は、各実施例および比較例の、ゲート電圧がしきい値以下、例えば0Vにおけるコレクタエミッタ間電圧Vceと、コレクタ電流Icとの関係を示す図である。図5においてコレクタ電流Icが急峻に立ち上がる電圧が、半導体装置100の耐圧を示す。図5における縦軸および横軸は、図4における縦軸および横軸とはオーダーが異なる。例えば、図4における横軸の最大値は数V程度であるのに対し、図5における横軸の最大値は数百Vから数千V程度である。
図5に示すように、蓄積領域16のドーピング濃度の最大値が大きくなりすぎると、耐圧が急激に低下する。図5の例では、第5実施例(16−5)程度にドーピング濃度の最大値を大きくすると、半導体装置100の耐圧が非常に小さくなる。このため、蓄積領域16のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の最大値の7倍以下であってよい。
第4実施例(16−4)においても、比較的に耐圧が小さくなっている。このため、蓄積領域16のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の最大値の5倍以下であってもよい。また、第1実施例(16−1)および第2実施例(16−2)では、耐圧の低下がほとんど見られない。このため、蓄積領域16のドーピング濃度の最大値は、ベース領域14のドーピング濃度の最大値の3倍以下であってもよい。
図6は、蓄積領域16における不純物の総ドーズ量を変化させた各実施例および比較例の耐圧の一例を示す図である。図6における耐圧は、図5に示したグラフにおいて、コレクタ電流Icが急峻に立ち上がるコレクタエミッタ間電圧Vceを指す。図6における横軸は、総ドーズ量を対数で示している。例えば1.0E(A)は、1.0×10を示している。
各実施例において、ベース領域14の不純物の総ドーズ量は一定である。一例としてベース領域14の不純物の総ドーズ量は、5.0×1012/cm以上、5.0×1013/cm以下である。一例として、図6の横軸において、A=12であってよい。なお、ベース領域14における総ドーズ量は、ベース領域14におけるドーピング濃度を半導体基板10の深さ方向に積分した積分濃度に対応する。例えば、積分濃度は、総ドーズ量に所定の活性化率を乗じた値に対応する。活性化率は、半導体基板10に添加された不純物イオンがドナーまたはアクセプタ化する割合を示す。同様に、蓄積領域16における総ドーズ量は、蓄積領域16におけるドーピング濃度を、ベース領域14との境界からドリフト領域18との境界まで、半導体基板10の深さ方向に積分した積分濃度に対応する。
実施例aの蓄積領域16−aにおける総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の半分程度である。実施例bの蓄積領域16−bにおける総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の1.2倍程度である。実施例cの蓄積領域16−cにおける総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の2倍程度である。実施例dの蓄積領域16−dにおける総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の2.5倍程度である。実施例eの蓄積領域16−eにおける総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の4倍程度である。実施例fの蓄積領域16−fにおける総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の5倍程度である。実施例gの蓄積領域16−gにおける総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の7倍程度である。比較例の蓄積領域116における総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の1/4程度である。
実施例f(16−f)における耐圧は、実施例e(16−e)の耐圧に比べて大きく減少している。このため、蓄積領域16における総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の4倍以下であることが好ましい。同様に、蓄積領域16のドーピング濃度を深さ方向に積分した積分濃度は、ベース領域14における積分濃度の4倍以下であることが好ましい。
なお、蓄積領域16における総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の0.5倍以上であってよく、1倍以上であってよく、2倍以上であってもよい。ただし、蓄積領域16におけるドーピング濃度の最大値は、ベース領域14におけるドーピング濃度の最大値よりも高い。これにより、蓄積領域16におけるドーピング濃度を高めてオン抵抗を低減しつつ、耐圧低下を抑制できる。
また、実施例aからd(16−aから16−d)においては、耐圧の低下がより小さい。このため、蓄積領域16における総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量の2.5倍以下であってよい。同様に、蓄積領域16のドーピング濃度を深さ方向に積分した積分濃度は、ベース領域14における積分濃度の2.5倍以下であってよい。これにより、耐圧低下を更に抑制して、オン抵抗を低減できる。
また、実施例a(16−a)の耐圧は、比較例(116)の耐圧とほとんど同一である。一方、実施例b(16−b)の耐圧は、わずかではあるが、比較例(116)の耐圧と比べて下がっている。このため、蓄積領域16における総ドーズ量は、ベース領域14における総ドーズ量より少なくてもよい。同様に、蓄積領域16のドーピング濃度を深さ方向に積分した積分濃度は、ベース領域14における積分濃度より小さくてよい。これにより、耐圧を低下させずに、オン抵抗を低減できる。
図7は、ゲート電圧がしきい値以下、例えば0V時の、各実施例および比較例の深さ方向における電界強度分布を示している。図7では、実施例d〜gの電界強度分布60−d〜60−gを示しているが、実施例a〜cの電界強度分布60−a〜60−cは、比較例の電界強度分布62と、実施例dの電界強度分布60−dとの間の分布になる。
蓄積領域16における総ドーズ量が、ベース領域14における総ドーズ量より十分大きくなると、蓄積領域16が空乏化されづらくなる。このため図7に示すように、蓄積領域16とベース領域14との界面(深さD2)に電界が集中して、耐圧が低下する。上述したように、蓄積領域16における総ドーズ量は、耐圧が確保できる範囲で設定することが好ましい。一例として、蓄積領域16とベース領域14との界面における電界が、ゲートトレンチ部40の下端における電界よりも小さくなるように、蓄積領域16における総ドーズ量を設定してよい。
図8は、半導体装置100のFBSOA(Forward Bias Safe Operating Area)耐量低下現象を示す図である。図8は、オン動作時におけるVce−Ic特性を示す。図8の特性64は、通常の半導体装置100の特性であって、動耐圧が低下していない場合を示し、特性66は、動耐圧が低下した場合の半導体装置の特性を示す。動耐圧とは、ゲート・エミッタ間に、ゲート閾値(Vth)以上の電圧(Vge)を印加させた状態でコレクタ・エミッタ間に電圧を印加するときに、コレクタ・エミッタ間に所定の電流が流れたときの、コレクタ・エミッタ間電圧Vceと定義する。ゲート閾値以上の電圧をゲートに印加させた状態でコレクタ・エミッタ間に電圧を印加するときに、アバランシェが発生すると、アバランシェ電流がIcに重畳され、半導体装置の動耐圧が低下する。蓄積領域16における総ドーズ量を増大させると、ベース領域14と蓄積領域16との界面D2におけるアバランシェが発生しやすくなる。その結果、低いVceでコレクタ・エミッタ間電流Icが増加し、特性66のように動耐圧が低下する。すなわち、FBSOA耐量が低下する。
図9は、蓄積領域16の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。図9は、N型不純物の濃度分布を示している。本例の蓄積領域16におけるドーピング濃度分布は、複数のピーク50を有する。図9では、2つのピーク50−1および50−2を示している。ピーク50は、深さ方向におけるドーピング濃度分布において、ドーピング濃度が極大値となる位置を示す。
複数のピーク50のうち、最もベース領域14側のピーク50−1のドーピング濃度P21は、最もドリフト領域18側のピーク50−2のドーピング濃度P22よりも低い。ドーピング濃度P22は、ドーピング濃度P21の半分以下であってよい。本例において、ベース領域14と蓄積領域16との境界位置D2におけるN型不純物の濃度B1は、ドリフト領域18におけるN型不純物の濃度B2よりも高い。
ピーク50−1は、蓄積領域16の深さ方向における中央(すなわち、境界位置D2および境界位置D3の間の中央)よりもベース領域14側に配置されてよい。ピーク50−2は、蓄積領域16の深さ方向における中央よりもドリフト領域18側に配置されてよい。
本例のように、ピーク50−1のドーピング濃度P21を、ピーク50−2のドーピング濃度P22よりも低くすることで、ベース領域14と蓄積領域16との境界近傍における電界集中を緩和することができる。これにより、蓄積領域16のドーピング濃度を高くしてオン電圧を下げつつ、半導体装置100の耐圧低下を抑制できる。さらに、動耐圧の低下も抑制できる。
図10は、蓄積領域16の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。本例の蓄積領域16は、深さ方向における中央よりも上側においてドーピング濃度を積分した上側積分濃度が、深さ方向における中央よりも下側においてドーピング濃度を積分した下側積分濃度よりも低い。
つまり、蓄積領域16は、ベース領域14側のドーピング濃度が、ドリフト領域18側のドーピング濃度よりも低い。このようなドーピング濃度分布によっても、ベース領域14と蓄積領域16との境界近傍における電界集中を緩和することができる。
一例として、蓄積領域16の深さ方向におけるドーピング濃度分布は、単一のピーク50を有する。ピーク50の深さ位置D5は、蓄積領域16の深さ方向における中央よりも、ドリフト領域18側に配置されてよい。本例において、ベース領域14と蓄積領域16との境界位置D2におけるN型不純物の濃度は、ドリフト領域18におけるN型不純物の濃度よりも高い。これにより、蓄積領域16のドーピング濃度を高くしてオン電圧を下げつつ、半導体装置100の耐圧低下を抑制できる。さらに、動耐圧の低下も抑制できる。
図11は、ベース領域14の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。図11は、P型不純物の濃度分布を示している。本例のベース領域14におけるドーピング濃度分布は、複数のピーク52を有する。図11では、2つのピーク52−1および52−2を示している。
複数のピーク52のうち、最も半導体基板10の上面側のピーク52−1のドーピング濃度P11は、最も蓄積領域16側のピーク52−2のドーピング濃度P12よりも高い。ドーピング濃度P12は、ドーピング濃度P11の半分以下であってよい。
ピーク52−1は、ベース領域14の深さ方向における中央(すなわち、境界位置D1および境界位置D2の間の中央)よりも半導体基板10の上面側に配置されてよい。ピーク52−2は、ベース領域14の深さ方向における中央よりも蓄積領域16側に配置されてよい。
本例のように、ピーク52−2のドーピング濃度P12を、ピーク52−1のドーピング濃度P11よりも低くすることで、ベース領域14と蓄積領域16との境界近傍における電界集中を緩和することができる。これにより、蓄積領域16のドーピング濃度を高くしてオン電圧を下げつつ、半導体装置100の耐圧低下を抑制できる。さらに、動耐圧の低下も抑制できる。
図12は、ベース領域14の深さ方向におけるドーピング濃度分布の他の例を示す図である。本例のベース領域14は、深さ方向における中央よりも上側においてドーピング濃度を積分した上側積分濃度が、深さ方向における中央よりも下側においてドーピング濃度を積分した下側積分濃度よりも高い。
つまり、ベース領域14は、蓄積領域16側のドーピング濃度が、半導体基板10の上面側のドーピング濃度よりも低い。このようなドーピング濃度分布によっても、ベース領域14と蓄積領域16との境界近傍における電界集中を緩和することができる。
一例として、ベース領域14の深さ方向におけるドーピング濃度分布は、単一のピーク52を有する。ピーク52の深さ位置D6は、ベース領域14の深さ方向における中央よりも、半導体基板10の上面側に配置されてよい。なお、図11および図12に示したベース領域14のそれぞれのドーピング濃度分布は、図1から図10に示した蓄積領域16のそれぞれのドーピング濃度分布と組み合わせることができる。
図13は、ゲートトレンチ部40の近傍を拡大した断面図である。本例では、2つのゲートトレンチ部40における中央部の間隔をW1、2つのゲートトレンチ部40に挟まれたメサ領域の幅をW2、半導体基板10の上面から深さ方向におけるエミッタ領域12とベース領域14との境界D1までの長さをL1、境界D1からベース領域14と蓄積領域16との境界までの長さをL2、境界D2から蓄積領域16とドリフト領域18との境界D3までの長さをL3、蓄積領域16の下面よりも下側に突出するゲートトレンチ部40の長さをL4とする。
上述したように、蓄積領域16におけるドーピング濃度の最大値を高くすることで、半導体装置100のオン抵抗およびオン電圧を小さくすることができる。一方で、蓄積領域16における総ドーズ量を多くしすぎると、半導体装置100の耐圧、動耐圧が低下する。このため、蓄積領域16の長さL3が小さい方が、半導体装置100の耐圧低下および動耐圧低下の抑制と、オン抵抗等の低減を両立しやすい。
一例として蓄積領域16の長さL3は、エミッタ領域12およびベース領域14の長さの和L1+L2以下である。蓄積領域16の長さL3は、ベース領域14の長さL2以下であってもよい。また、蓄積領域16の長さL3は、ゲートトレンチ部40の突出部の長さL4以下であってよく、L4の半分以下であってもよい。ただし、蓄積領域16は、キャリア蓄積効果が生じる程度の長さを有する。一例として蓄積領域16の長さL3は、ベース領域14の長さL2の半分以上である。
蓄積領域16の長さL3は、横方向に並んだ2つのゲートトレンチ部40の横方向の中央部の間隔W1よりも小さくてよい。蓄積領域16の長さL3は、ゲートトレンチ部40の幅(W1−W2)よりも小さくてよい。また、メサ幅W2は、ゲートトレンチ部40の幅(W1−W2)より小さくてよい。また、蓄積領域16の長さL3は、メサ幅W2よりも小さくてよい。
また、蓄積領域16について、2つのゲートトレンチ部40に挟まれた区間で、蓄積領域16の深さ方向のドーピング濃度分布におけるピーク濃度に対応する深さ位置で、横方向に蓄積領域16のドーピング濃度を積分した積分値Aが、蓄積領域16の臨界積分濃度nの半値より大きくてよい。さらに積分値Aが、臨界積分濃度nより大きくてよい。さらにまた、積分値Aが、臨界積分濃度nの10倍より大きくてよい。さらにまた、積分値Aが、臨界積分濃度nの30倍より大きくてよい。
ここで臨界積分濃度とは、以下の通りである。アバランシェ降伏が発生する電界強度の値は、臨界電界強度(Critical Electric Field Strength)と呼ばれる。アバランシェ降伏は、半導体の構成元素と、半導体にドーピングされた不純物と、不純物の濃度とに依存する。ドナー濃度をN、臨界電界強度をEとすると、シリコン(Si)におけるインパクトイオン化係数を用いてイオン化積分をすると、臨界電界強度Eは数式1で表される。
Figure 2018016543
数式1からわかるように、ドナー濃度Nが決まれば、臨界電界強度Eは定まる。また、ポアソンの式は、1次元方向(x方向とする)のみを考慮した場合、数式2で表される。
Figure 2018016543
ここで、qは電荷素量(1.062×1015[C])、εは真空の誘電率(8.854×10−14[F/cm])、εは物質の比誘電率である。シリコンの場合は、ε=11.9である。pは正孔濃度、nは電子濃度、Nはアクセプタ濃度である。
片側階段接合でn型層のみを考慮するのでアクセプタが存在しない(N=0)とする。さらに、正孔および電子が存在しない完全空乏化された(n=p=0)空乏層を仮定すると、数式2を深さxで積分すれば、数式3が得られる。
Figure 2018016543
pn接合の位置を原点0、n型層においてpn接合とは反対側の位置における空乏層の端部の位置をxとする。そして、空乏層全体を0からxで積分すると、数式3のEは、電界強度分布の最大値となる。これをEとすると、Eは数式4で表される。
Figure 2018016543
電界強度分布の最大値Eが、臨界電界強度Eに達したとすると、数式4は数式5で表される。
Figure 2018016543
数式5は、両辺とも定数である。数式5の右辺は、n型層において完全空乏化した範囲であるので、本明細書において記載した定義より、臨界積分濃度nと表す。これにより次の数式6を得る。数式6は、臨界積分濃度nと臨界電界強度Eとの対応を示す。このように、臨界積分濃度nは、臨界電界強度Eに対応する定数となる。
Figure 2018016543
なお、上記計算においては、ドナー濃度Nはn型層のx方向の濃度分布が一様であると仮定している。臨界電界強度Eはn型層のドナー濃度Nに依存するので(数式5)、臨界積分濃度nもn型層のドナー濃度にNに依存する。ドナー濃度Nが1×1013(/cm)から1×1015(/cm)の範囲では、臨界積分濃度nは1.1×1012(/cm)から2.0×1012(/cm)となる。ドナー濃度が数桁に亘る濃度範囲であることを踏まえると、臨界積分濃度nはほぼ定数であると見なすことができる。
例えば、実施形態の半導体装置100の定格電圧が1200Vの例では、ベース領域14のドナー濃度Nを6.1×1013(/cm)とすると、数式6から臨界積分濃度nは約1.4×1012(/cm)と評価できる。また、定格電圧が600Vの例では、ベース領域14のドナー濃度Nを1.4×1014(/cm)とすると、数式6から臨界積分濃度nは約1.55×1012(/cm)と評価できる。また、上述の臨界総不純物量の議論は、シリコンに限らず、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ダイアモンド、酸化ガリウム(Ga)等のワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。すなわち、数式1を導出するためにはインパクトイオン化係数に、数式2においては比誘電率に、各物質の値を用いればよい。
L4がL3より十分長い場合、コレクタ・エミッタ間電圧がゼロのときに、2つのゲートトレンチ部40で挟まれかつ深さがL4で示されるドリフト領域18に広がる空乏層の横方向の幅Bは、フラットバンド電圧で決まる値となる。そこで、当該空乏層の幅Bよりも、W2の半値が小さければ、L4で示されるドリフト領域18は、コレクタ・エミッタ間電圧がゼロでも十分空乏化できる。これによって、ベース領域14と蓄積領域16とのpn接合の電界強度も十分低くできる。
図14は、本発明の他の実施形態に係る半導体装置200の断面を示す図である。半導体装置200は、半導体装置100の構成における一部のゲートトレンチ部40に代えて、ダミートレンチ部30を備える。他の構成は、半導体装置100と同一である。
ダミートレンチ部30は、ゲートトレンチ部40と同様の構造を有する。ダミートレンチ部30は、エミッタ領域12、ベース領域14および蓄積領域16を貫通して、半導体基板10の上面からドリフト領域18まで延伸して形成されている。ダミートレンチ部30は、トレンチ内壁に形成されたダミー絶縁膜32およびダミー導電部34を有する。ただし、ダミー導電部34は、エミッタ電極28と電気的に接続される。
一部のゲートトレンチ部40に代えてダミートレンチ部30を設けることで、電子注入促進効果(IE効果)が生じて、オン抵抗が低下する。ダミートレンチ部30とゲートトレンチ部40は交互に配置されてよい。2つのゲートトレンチ部40の間には、2以上のダミートレンチ部30が配置されてもよい。図14においては、ダミートレンチ部30およびゲートトレンチ部40が配列されている方向を横方向とする。横方向は、深さ方向と垂直であり、且つ、半導体基板10の上面においてストライプ状に形成された各トレンチ部が延伸する方向と垂直である。
図15は、各トレンチ部に挟まれた蓄積領域16の、横方向におけるドーピング濃度分布の一例を示す図である。本例の蓄積領域16において、ダミートレンチ部30に隣接する部分のドーピング濃度が、ゲートトレンチ部40に隣接する部分のドーピング濃度よりも高い。蓄積領域16において、ダミートレンチ部30に隣接する部分のドーピング濃度は、ゲートトレンチ部40に隣接する部分のドーピング濃度の2倍以上であってよい。
一例として、2つのダミートレンチ部30に挟まれる蓄積領域16における横方向のドーピング濃度分布の傾きは、ダミートレンチ部30とゲートトレンチ部40に挟まれる蓄積領域16における横方向のドーピング濃度分布の傾きよりも小さい。ダミートレンチ部30とゲートトレンチ部40に挟まれる蓄積領域16における横方向のドーピング濃度は、連続的に変化することが好ましい。
ゲートトレンチ部40に隣接する蓄積領域16の部分のドーピング濃度を低くすることで、蓄積領域16とベース領域14との界面のうち、ゲートトレンチ部40に隣接する部分における電界集中を緩和できる。これにより、半導体装置100の耐圧を向上させることができる。
図16は、ゲートトレンチ部40の他の構造例を示す図である。ゲートトレンチ部40以外の構成は、図1から図15において説明したいずれかの態様の半導体装置100と同様である。図16においては、半導体装置200におけるゲートトレンチ部40を示しているが、半導体装置100におけるゲートトレンチ部40も同様の構造を有してよい。
本例のゲートトレンチ部40は、ゲート導電部44の下方に形成されたダミー導電部34を更に備える。ダミー導電部34は、例えば不純物が添加されたポリシリコンで形成される。ダミー導電部34は、エミッタ電極28と電気的に接続されることが好ましい。このような構成により、ゲートトレンチ部40の下端部における電界集中を緩和することができる。
蓄積領域16の少なくとも一部の領域は、ダミー導電部34と対向して形成される。本例において、蓄積領域16の大部分は、ダミー導電部34と対向して形成される。蓄積領域16の深さ方向における半分以上の領域がダミー導電部34と対向して形成されてよく、3/4以上の領域がダミー導電部34と対向して形成されてもよい。
ダミー導電部34は、蓄積領域16の下面よりも下側に突出する部分を有する。ダミー導電部34の深さ方向における半分以上の部分が、蓄積領域16よりも下側に突出してよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
10・・・半導体基板、12・・・エミッタ領域、14・・・ベース領域、16・・・蓄積領域、18・・・ドリフト領域、20・・・バッファ領域、22・・・コレクタ領域、24・・・コレクタ電極、26・・・層間絶縁膜、28・・・エミッタ電極、30・・・ダミートレンチ部、32・・・ダミー絶縁膜、34・・・ダミー導電部、40・・・ゲートトレンチ部、42・・・ゲート絶縁膜、44・・・ゲート導電部、50・・・ピーク、52・・・ピーク、60・・・電界強度分布、62・・・電界強度分布、64・・・特性、66・・・特性、100・・・半導体装置、116・・・蓄積領域、200・・・半導体装置

Claims (16)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板に形成された第1導電型のドリフト領域と、
    前記ドリフト領域の上方に形成され、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型の蓄積領域と、
    前記蓄積領域の上方に形成された第2導電型のベース領域と、
    前記ベース領域および前記蓄積領域を貫通して、前記半導体基板の上面から前記ドリフト領域まで延伸して形成されたゲートトレンチ部と
    を備え、
    前記蓄積領域におけるドーピング濃度の最大値は、前記ベース領域におけるドーピング濃度の最大値よりも大きい半導体装置。
  2. 前記蓄積領域におけるドーピング濃度の最大値は、前記ベース領域におけるドーピング濃度の最大値の5倍以下である
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記蓄積領域におけるドーピング濃度の最大値は、前記ベース領域におけるドーピング濃度の最大値の1.5倍以上である
    請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記蓄積領域のドーピング濃度を前記半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度は、前記ベース領域のドーピング濃度を前記半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度の4倍以下である
    請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記蓄積領域のドーピング濃度を前記半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度は、前記ベース領域のドーピング濃度を前記半導体基板の深さ方向に積分した積分濃度より小さい
    請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記蓄積領域の深さ方向におけるドーピング濃度分布は複数のピークを有し、
    前記複数のピークのうち、最も前記ベース領域側のピークのドーピング濃度は、最も前記ドリフト領域側のピークのドーピング濃度よりも低い
    請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記ベース領域の深さ方向におけるドーピング濃度分布は複数のピークを有し、
    前記ベース領域のドーピング濃度分布の複数のピークのうち、最も前記半導体基板の上面側のピークのドーピング濃度は、最も前記蓄積領域側のピークのドーピング濃度よりも高い
    請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記ベース領域の深さ方向における中央よりも上側において前記ベース領域のドーピング濃度を積分した上側積分濃度が、前記ベース領域の深さ方向における中央よりも下側において前記ベース領域のドーピング濃度を積分した下側積分濃度よりも高い
    請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記蓄積領域においてドーピング濃度が最大値となる深さ位置は、前記蓄積領域の深さ方向における中央よりも前記ドリフト領域側である
    請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  10. 前記ベース領域および前記蓄積領域を貫通して、前記半導体基板の上面から前記ドリフト領域まで延伸して形成されたダミートレンチ部を更に備え、
    前記蓄積領域において前記ダミートレンチ部に隣接する部分のドーピング濃度が、前記ゲートトレンチ部に隣接する部分のドーピング濃度よりも高い
    請求項1から9のいずれか一項に記載の半導体装置。
  11. 前記蓄積領域の深さ方向における長さは、前記ベース領域の深さ方向における長さ以下である
    請求項1から10のいずれか一項に記載の半導体装置。
  12. 前記蓄積領域の深さ方向における長さは、前記ゲートトレンチ部が、前記蓄積領域の下端よりも下側に突出する長さ以下である
    請求項1から11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  13. 前記蓄積領域は、横方向に並んだ2つの前記ゲートトレンチ部に挟まれた領域に形成され、
    前記蓄積領域の深さ方向における長さは、2つの前記ゲートトレンチ部の横方向の中央部の間隔よりも小さい
    請求項1から12のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記蓄積領域は、横方向に並んだ2つの前記ゲートトレンチ部に挟まれた領域に形成され、
    前記蓄積領域の深さ方向のドーピング濃度分布におけるピーク濃度に対応する深さ位置で、横方向に前記蓄積領域のドーピング濃度を積分した積分値が、前記蓄積領域の臨界積分濃度の半値より大きい
    請求項1から13のいずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記ゲートトレンチ部は、
    前記ベース領域および前記蓄積領域を貫通して、前記半導体基板の上面から前記ドリフト領域まで延伸して形成されたトレンチと、
    前記トレンチの内壁に形成された絶縁膜と、
    前記トレンチ内において、前記ベース領域と対向して形成されたゲート導電部と、
    前記ゲート導電部の下方に形成され、前記ゲート導電部と絶縁されたダミー導電部と
    を有し、
    前記蓄積領域の少なくとも一部の領域は、前記ダミー導電部と対向して形成される
    請求項1から14のいずれか一項に記載の半導体装置。
  16. 前記蓄積領域は、前記ドリフト領域と接している
    請求項1から15のいずれか一項に記載の半導体装置。
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