(57)【要約】【課題】本発明は、耐圧向上のための構造を外周領域に有し、且つ素子領域に形成した半導体素子の破壊を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。を提供する。【解決手段】素子領域及び外周領域に配置された第１導電型の第１半導体領域と、素子領域の第１半導体領域の上面に互いに離間してドット状に配置された、内径が０．５μｍ乃至２０μｍの複数の第２導電型の第２半導体領域と、外周領域の第１半導体領域の上面に素子領域を囲んで配置された第２導電型の第３半導体領域と、第２半導体領域及び第３半導体領域の上面と接して第１半導体領域上に配置され、第２半導体領域とショットキー接合を形成する第１電極とを備える。【選択図】図１
2015065216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が配置された素子領域と前記素子領域の周囲に配置された外周領域を有する半導体装置において、
前記素子領域及び前記外周領域に配置された第１導電型の第１半導体領域と、
前記素子領域の前記第１半導体領域の上面に互いに離間してドット状に配置された、内径が０．５μｍ乃至２０μｍの複数の第２導電型の第２半導体領域と、
前記外周領域の前記第１半導体領域の上面に前記素子領域を囲んで配置された第２導電型の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域の上面と接して前記第１半導体領域上に配置され、前記第２半導体領域とショットキー接合を形成する第１電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２半導体領域の内径をｒ、前記第２半導体領域の厚さをＸであるとして、前記第２半導体領域の相互の間隔Ｒが、
｛（ｒ／２＋０．８×Ｘ）／（Ｒ／２）｝2＜０．５
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２半導体領域の不純物濃度が５Ｅ１７／ｃｍ3乃至１Ｅ１９／ｃｍ3であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２半導体領域の厚さが、前記第１半導体領域の厚さの２０％乃至６０％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第３半導体領域の前記素子領域側の平面方向から見た外縁形状が、前記素子領域の最外縁に配置された前記第２半導体領域の外縁の形状と整合していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２半導体領域の平面方向から見た形状が円形状、四角形状、六角形状のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
複数の前記第２半導体領域が、平面方向から見て正方形又は正三角形の頂点にそれぞれ位置するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２半導体領域の上面の位置が、前記第１半導体領域の上面の位置よりも０．０５μｍ乃至１μｍ低いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１半導体領域の不純物濃度が１Ｅ１７ｃｍ3以下であり、且つ、前記第１半導体領域の厚みが０．５μｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１電極が配置された上面と対向する前記第１半導体領域の裏面上に配置された第２電極を更に有し、前記半導体素子が前記第１電極と前記第２電極をそれぞれアノード電極とカソード電極とするショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外周領域に耐圧向上のための構造が形成される半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などの半導体素子を有する半導体装置の耐圧向上のために、種々の技術が採用されている。例えば、ＳＢＤが配置された素子領域を囲む外周領域にｐ+領域を点在させたりストライプ状に配置させたりすることによって、電界緩和が図られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１２０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、外周領域に耐圧向上のための構造を形成することによって耐圧を向上できる一方で、ブレークダウン後にアバランシェ電流が外周領域に集中するという問題があった。外周領域にアバランシェ電流が集中することで半導体装置の温度が局所的に上昇し、半導体素子が破壊されてしまう。
【０００５】
上記問題点に鑑み、本発明は、耐圧向上のための構造を外周領域に有し、且つ素子領域に形成した半導体素子の破壊を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、半導体素子が配置された素子領域と素子領域の周囲に配置された外周領域を有する半導体装置において、（ア）素子領域及び外周領域に配置された第１導電型の第１半導体領域と、（イ）素子領域の第１半導体領域の上面に互いに離間してドット状に配置された、内径が０．５μｍ乃至２０μｍの複数の第２導電型の第２半導体領域と、（ウ）外周領域の第１半導体領域の上面に素子領域を囲んで配置された第２導電型の第３半導体領域と、（エ）第２半導体領域及び第３半導体領域の上面と接して第１半導体領域上に配置され、第２半導体領域とショットキー接合を形成する第１電極とを備える半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、耐圧向上のための構造を外周領域に有し、且つ素子領域に形成した半導体素子の破壊を抑制できる半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の第２半導体領域の曲率と耐圧との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の第２半導体領域の内径と耐圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体装置の第２半導体領域の配置例を示す模式的な平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体装置と比較例に関する耐圧と電流の関係を示すグラフである。
【図６】半導体装置のブレークダウンする位置の例を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体装置の第２半導体領域の構成例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
本発明の実施形態に係る半導体装置１は、図１に示すように、半導体素子が配置された素子領域１０１と素子領域１０１の周囲に配置された外周領域１０２を有する。半導体装置１は、素子領域１０１及び外周領域１０２に配置された第１導電型の第１半導体領域１０と、素子領域１０１の第１半導体領域１０の上面に互いに離間して配置された複数の第２導電型の第２半導体領域２０と、外周領域１０２の第１半導体領域１０の上面に素子領域１０１を囲んで配置された第２導電型の第３半導体領域３０と、第２半導体領域２０及び第３半導体領域３０の上面と接して第１半導体領域１０上に配置された第１電極４０とを備える。第２半導体領域２０は、後述するように平面的に見てドット状に配置されている。第２半導体領域２０は第１半導体領域１０の上部に端面を露出して埋め込まれた管状の半導体領域であり、内径ｒが０．５μｍ〜２０μｍである。
【００１２】
なお、第１導電型と第２導電型とは互いに反対導電型である。すなわち、第１導電型がｎ型であれば、第２導電型はｐ型であり、第１導電型がｐ型であれば、第２導電型はｎ型である。以下では、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の場合を説明する。
【００１３】
第１電極４０は、第２半導体領域２０とショットキー接合を形成する金属膜などから構成されている。第１電極４０は、例えばアルミニウム膜などを採用可能である。また、第１電極４０と第３半導体領域３０とは低抵抗接触している。なお、外周領域１０２の最外縁部には第１半導体領域１０の上面に絶縁膜５０が配置され、絶縁膜５０上に第１電極４０の端部が配置されている。絶縁膜５０は、例えば酸化シリコン膜などである。
【００１４】
第１電極４０が配置された上面と対向する第１半導体領域１０の裏面には、ｎ型の基体６０を介して第２電極７０が配置されている。つまり、素子領域１０１には、第１電極４０と第２電極７０をそれぞれアノード電極とカソード電極とするショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）が半導体素子として形成されている。第２電極７０には基体６０と低抵抗接触する金属膜などが使用され、例えばチタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）膜などを採用可能である。
【００１５】
第３半導体領域３０は、耐圧向上のために配置されるガードリングやＦＬＲとして機能する。例えば図１に示すように第３半導体領域３０をガードリングとして機能させるために、第３半導体領域３０が素子領域１０１の周囲に環状に配置される。
【００１６】
半導体装置１においては、ＳＢＤを構成する第２半導体領域２０の内径が０．５μｍ〜２０μｍに設定されている。これは、外周領域１０２に形成したガードリングなどの耐圧向上のための構造物（以下において「耐圧構造物」という。）よりも、ＳＢＤのブレークダウン電圧を低くするためである。つまり、ドット状の第２半導体領域２０の内径を小さくことによって、第２半導体領域２０の曲率を小さくし、外周領域１０２の耐圧構造物よりもブレークダウンする電圧を低くする。なお、第２半導体領域２０の内径をｒ、厚さをＸとして、曲率はｒ／Ｘで表される。
【００１７】
図２に、第２半導体領域２０の曲率と耐圧の関係を示す。図２中の点Ａは、第２半導体領域２０でのブレークダウンを考慮しない場合の耐圧構造物のみによって決まる耐圧である。特性Ｂは、第２半導体領域２０のブレークダウンによって決まる耐圧である。半導体装置１では、特性Ｂで表される第２半導体領域２０の曲率でブレークダウンするように、第２半導体領域２０のサイズを規定している。
【００１８】
図３に示すように、第２半導体領域２０の内径ｒが０．５μｍ〜２０μｍの場合に、耐圧構造物によるブレークダウンではなく第２半導体領域２０によるブレークダウンよって半導体装置１の耐圧が確実に決まることを、本発明者らは新たな知見として得た。この範囲を外れると、耐圧構造物によってブレークダウンする可能性がある。
【００１９】
なお、半導体装置１の耐圧を外周領域１０２の耐圧構造物に依存する耐圧よりも確実に低くし、且つ、動作抵抗を下げるために多数の第２半導体領域２０を配置することによって、ＳＢＤのアバランシェ耐量を向上させる。
【００２０】
図４に示すように、第２半導体領域２０は平面方向から見てドット状に配置される。図４は、第１電極４０を透視した平面図である。図４に示した例では、ｐ型の第２半導体領域２０とその周囲のｎ型の周辺領域を１つの六角形状のセルユニット２００とした構成である。つまり、複数のセルユニット２００が隣接して素子領域１０１に配置されている。周辺領域は、第１半導体領域１０の第２半導体領域２０が形成された領域の残余の領域である。なお、図１は、図４のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。
【００２１】
図４では第２半導体領域２０の平面方向から見た平面形状が円形状である例を示した。しかし、第２半導体領域２０の平面形状は、四角形状や六角形状などの多角形状であってもよい。つまり、第２半導体領域２０は、断面が円形や多角形の柱状に形成可能である。
【００２２】
また、図４では第２半導体領域２０が平面方向から見て正三角形の頂点に位置するように配置されている例を示した。しかし、正方形などの他の形状をなすように第２半導体領域２０を規則的に配列してもよい。第２半導体領域２０の平面的な相互の間隔Ｒは一定である。
【００２３】
第２半導体領域２０の相互の間隔Ｒは、以下の式（１）を満たすように第２半導体領域２０が配置される：
｛（ｒ／２＋０．８×Ｘ）／（Ｒ／２）｝2＜０．５  ・・・（１）
式（１）の関係を満たす値以上に間隔Ｒを設定することにより、第２半導体領域２０の曲率でブレークダウンさせることができることを、本発明者らは実験や検討を重ねて見出した。
【００２４】
なお、第２半導体領域２０と耐圧構造物との境界部において耐圧を確保するために、耐圧構造物の素子領域１０１側の平面方向から見た外縁形状は、素子領域１０１の最外縁に配置された第２半導体領域２０の外縁の形状と整合させることが好ましい。つまり、第３半導体領域３０の素子領域１０１側の外縁と素子領域１０１の最外縁に配置された第２半導体領域２０の外縁との間隔が一定であるように、第３半導体領域３０は配置される。例えば図４に示した例では、六角形状のセルユニット２００が連続して形成される素子領域１０１の外縁に整合させて、第３半導体領域３０の素子領域１０１側の外縁は波型に延伸する。
【００２５】
第１半導体領域１０は、例えばｎ型の基体６０上にエピタキシャル成長などによって形成される。第１半導体領域１０の不純物濃度は基体６０よりも低く、例えば１Ｅ１７ｃｍ3以下である。また、第１半導体領域１０の厚みは５μｍ〜１５μｍである。本発明者らの調査により、第１半導体領域１０の不純物濃度及び厚さを上記の値とすることにより、ＳＢＤのブレークダウン電圧を耐圧構造物よりも低くすることができ、耐圧構造物によるブレークダウンではなく第２半導体領域２０によるブレークダウンよって半導体装置１の耐圧が確実に決まる良好な結果が得られた。
【００２６】
第２半導体領域２０及び第３半導体領域３０は、例えばフォトリソグラフィ技術により形成したマスクを用いた第１半導体領域１０への選択的なイオン注入と拡散によって形成される。第２半導体領域２０の不純物濃度は、５Ｅ１７／ｃｍ3〜１Ｅ１９／ｃｍ3である。
【００２７】
また、第２半導体領域２０の厚さＸは、第１半導体領域１０の厚さＤの２０％〜６０％であることが好ましい。この範囲から外れると、耐圧構造物でブレークダウンする可能性があることが実験的に得られている。
【００２８】
なお、第２半導体領域２０と第３半導体領域３０を同時に形成することによって、半導体装置１の製造工程を短縮できる。この場合、第２半導体領域２０と第３半導体領域３０の厚さは同じである。
【００２９】
図５に、半導体装置１と比較例についての耐圧と電流との関係を示す。比較例は、第２半導体領域２０の曲率によるブレークダウンではなく、耐圧構造物によるブレークダウンよって耐圧が決まる半導体装置である。図５において、特性Ｓ１が半導体装置１の特性であり、特性Ｓ２が比較例の特性である。
【００３０】
図５中に示したＰ１〜Ｐ３は、図６に示す半導体装置の位置Ｐ１〜Ｐ３においてブレークダウンが発生した場合の特性の変化点を示す。即ち、比較例では、ガードリングとして機能する第３半導体領域３０の外縁部の位置Ｐ２でのブレークダウンによって、電流が流れ始める。電流が増加すると、第３半導体領域３０の内縁部である位置Ｐ１でのブレークダウン、及び第３半導体領域３０の中央部の位置Ｐ３でのブレークダウンによって電流の流れ方に偏りが生じる。その結果、特性Ｓ２のような乱れた波形になることが、シミュレーションにより新たな知見として得られた。この偏りは、紙面横方向だけではなく、奥行き方向でも発生すると容易に予想できる。耐圧構造物のみの比較例では、電流の集中による発熱が生じ、これにより半導体素子が破壊される。
【００３１】
一方、素子領域１０１を有する半導体装置１では、素子領域１０１でブレークダウン電流を流し、且つ多数のポイントの第２半導体領域２０が配置されている。このため、位置Ｐ１でのブレークダウンによって電流が流れ始めた後、特性Ｓ１として示すように波形の乱れが生じない。したがって、同じ大きさの電流を流した場合でも、比較例の半導体装置は破壊されるが、半導体装置１は破壊されない。つまり、半導体装置１のアバランシェ耐量は、比較例に比べて大きい。このように、半導体装置１では、電流の集中が生じないために半導体素子の破壊が抑制される。
【００３２】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る半導体装置１によれば、外周領域１０２に配置したガードリングなどの耐圧構造物によるブレークダウンではなく、素子領域１０１に配置した第２半導体領域２０によるブレークダウンよって半導体装置１の耐圧が決まる。このため、第３半導体領域３０での電流集中などが発生せず、アバランシェ耐量が向上する。その結果、素子領域１０１に配置された半導体素子の破壊を抑制することができる。つまり、耐圧向上のための構造を外周領域に有し、且つ半導体素子の破壊を抑制できる半導体装置１を提供することができる。
【００３３】
＜変形例＞
図１では、第２半導体領域２０の上面の位置と第１半導体領域１０の上面の位置が一致している例を示した。しかし、図７に示すように、第２半導体領域２０の上面の位置を、第１半導体領域１０の上面の位置よりも低くしてもよい。
【００３４】
例えば、第２半導体領域２０を配置する位置について、第１半導体領域１０の上面の一部を予め選択的にエッチング除去しておく。そして、エッチングにより形成された第１半導体領域１０の上面の凹部にｐ型不純物を選択的に注入することによって、図７に示した形状に第２半導体領域２０が形成される。
【００３５】
第２半導体領域２０の上面の位置を第１半導体領域１０の上面の位置よりも低くすることにより、半導体装置１においてｐ型不純物を深く注入することができる。例えば、第１半導体領域１０の上面の位置から第２半導体領域２０の上面の位置までの距離ｔは、０．０５μｍ〜１μｍ程度とする。ブレークダウンは、第２半導体領域２０の曲率のほかに、第２半導体領域２０の底部から基体６０までの第１半導体領域１０の距離Ｗにも依存する。つまり、ｐ型不純物を深く注入して距離Ｗを狭くすることよって、第２半導体領域２０をブレークダウンさせて素子領域１０１でブレークダウン電流を流すことができる。
【００３６】
（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３７】
例えば、上記ではガードリングを外周領域１０２に配置する例を示したが、耐圧構造物として電界緩和リング（Field Limiting Ring：ＦＬＲ）を外周領域１０２に配置してもよい。
【００３８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１…半導体装置
１０…第１半導体領域
２０…第２半導体領域
３０…第３半導体領域
４０…第１電極
５０…絶縁膜
６０…基体
７０…第２電極
１０１…素子領域
１０２…外周領域
【図１】
2015065216.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015065216.tif 000008
【図７】
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