(57)【要約】【課題】オン抵抗およびリカバリ電流に対する耐性を変更することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、第１電極に対向する第２電極と、第１電極から第２電極に向かう第１方向に交差する第２方向において、第１導電形の第１半導体領域と第２導電形の第２半導体領域とが交互に配列された構造を有し、第１電極上に設けられた第１半導体層と、第１半導体層の上に設けられ、第２半導体領域に接する第２導電形の第２半導体層と、第１領域において、第２半導体層の上に設けられ、第２電極に接続された第１導電形の第３半導体層と、第１領域において、第２半導体層に絶縁膜を介して接する第３電極と、を有する。第１領域において、第１半導体領域は、第１電極側に位置し、水素を含有する第１部分と、第１部分と第２半導体層とに挟まれ、第１部分よりも低い不純物濃度を有する第２部分と、を含む。【選択図】図１
2015018951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極に対向する第２電極と、
前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に交差する第２方向において、第１導電形の第１半導体領域と第２導電形の第２半導体領域とが交互に配列された構造を有し、前記第１電極上に設けられた第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、前記第２半導体領域に接する第２導電形の第２半導体層と、
第１領域において、前記第２半導体層の上に設けられ、前記第２電極に接続された第１導電形の第３半導体層と、
前記第１領域において、前記第２半導体層に絶縁膜を介して接する第３電極と、
を有し、
前記第１領域および第２領域において、
前記第１半導体領域は、前記第１電極側に位置し水素を含有する第１部分と、前記第１部分と前記第２半導体層とに挟まれ、前記第１部分よりも低い不純物濃度を有する第２部分と、を含む半導体装置。
【請求項２】
第１電極と、
前記第１電極に対向する第２電極と、
前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に交差する第２方向において、第１導電形の第１半導体領域と第２導電形の第２半導体領域とが交互に配列された構造を有し、前記第１電極上に設けられた第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、前記第２半導体領域に接する第２導電形の第２半導体層と、
第１領域において、前記第２半導体層の上に設けられ、前記第２電極に接続された第１導電形の第３半導体層と、
前記第１領域において、前記第２半導体層に絶縁膜を介して接する第３電極と、
を有し、
前記第１領域において、
前記第１半導体領域は、前記第１電極側に位置し水素を含有する第１部分と、前記第１部分と前記第２半導体層とに挟まれ、前記第１部分よりも低い不純物濃度を有する第２部分と、を含む半導体装置。
【請求項３】
前記第１領域を囲む第２領域において、
前記第１半導体領域は、前記第１電極側に位置し水素を含有する第１部分と、前記第１部分と前記第２半導体層とに挟まれ、前記第１部分よりも低い不純物濃度を有する第２部分と、を含む請求項２に半導体装置。
【請求項４】
第１電極と、
前記第１電極に対向する第２電極と、
前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に交差する第２方向において、第１導電形の第１半導体領域と第２導電形の第２半導体領域とが交互に配列された構造を有し、前記第１電極上に設けられた第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、前記第２半導体領域に接する第２導電形の第２半導体層と、
第１領域において、前記第２半導体層の上に設けられ、前記第２電極に接続された第１導電形の第３半導体層と、
前記第１領域において、前記第２半導体層に絶縁膜を介して接する第３電極と、
を有し、
前記第１領域を囲む第２領域において、
前記第１半導体領域は、前記第１電極側に位置し水素を含有する第１部分と、前記第１部分と前記第２半導体層とに挟まれ、前記第１部分よりも低い不純物濃度を有する第２部分と、を含む半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速スイッチング特性と数１０〜数百Ｖの逆方向阻止電圧（耐圧）を有する半導体装置（パワー半導体装置）は、家庭用電気機器、通信機器、車載用モータ等における電力変換、制御等に用いられている。このような半導体装置なかで、高耐圧および低オン抵抗を兼ね備えたスーパージャンクション構造の半導体装置が注目されている。
【０００３】
スーパージャンクション構造の半導体装置では、ドリフト層であるｎ形ピラー領域の不純物濃度を高く設定するほど、そのオン抵抗は低くなる。しかし、ｎ形ピラー領域の不純物濃度は、ウェーハプロセスで使用する半導体ウェーハの仕様、またはスーパージャンクション構造を形成するプロセス条件で決定されている。また、スーパージャンクション構造を形成した後においては、事後的にオン抵抗を変更することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０２４６９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、スーパージャンクション構造を形成した後に、オン抵抗およびリカバリ電流に対する耐性を変更することが可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体装置は、第１電極と、前記第１電極に対向する第２電極と、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に交差する第２方向において、第１導電形の第１半導体領域と第２導電形の第２半導体領域とが交互に配列された構造を有し、前記第１電極上に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられ、前記第２半導体領域に接する第２導電形の第２半導体層と、第１領域において、前記第２半導体層の上に設けられ、前記第２電極に接続された第１導電形の第３半導体層と、前記第１領域において、前記第２半導体層に絶縁膜を介して接する第３電極と、を有する。前記第１領域において、前記第１半導体領域は、前記第１電極側に位置し、水素を含有する第１部分と、前記第１部分と前記第２半導体層とに挟まれ、前記第１部分よりも低い不純物濃度を有する第２部分と、を含む半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。
【図３】図３は、第２実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
【図４】図４は、第３実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【０００９】
（第１実施形態）  
図１は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。  
図２は、第１実施形態に係る半導体装置を表す模式的平面図である。
【００１０】
図１には、図２に表す半導体装置１の活性領域１ａ（第１領域）におけるＡ−Ａ’線の断面、および半導体装置１の周辺領域１ｐ（第２領域）におけるＢ−Ｂ’線の断面が表されている。また、図１左には、半導体装置１がオフ時の活性領域１ａおよび周辺領域１ｐにおける、深さと電界強度との関係が表されている。半導体装置１の深さとは、後述するｎ形の半導体領域１３ｎとｐ形の半導体領域１３ｐとの接合部付近での深さを意味している。
【００１１】
本実施形態では、ドレイン電極５０から半導体層１５（もしくは、ソース電極５１）に向かう方向をＺ方向（第１方向）とし、Ｚ方向に対して交差する方向をＹ方向（第２方向）とし、Ｚ方向およびＹ方向に交差する方向をＸ方向としている。
【００１２】
第１実施形態に係る半導体装置１は、上下電極構造のパワー半導体装置である。半導体装置１は、活性領域１ａと、周辺領域１ｐと、を備える。周辺領域１ｐは、活性領域１ａを取り囲んでいる。活性領域１ａには、複数のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が配置されている。ドレイン電極５０とソース電極５１とは、半導体を挟み対向している。半導体装置１においては、ゲート電極の電圧が制御されることによって、ドレイン電極５０とソース電極５１との間を通電したり（オン状態）、通電しなかったりする（オフ状態）。オン状態では、活性領域１ａを経由してソース・ドレイン間に電流が流れる。
【００１３】
半導体装置１においては、ドレイン電極５０（第１電極）の上に、ｎ＋形のドレイン層１０が設けられている。ドレイン電極５０の上側には、半導体層１５（第１半導体層）が設けられている。ドレイン層１０は、ドレイン電極５０と半導体層１５との間に設けられている。
【００１４】
半導体層１５は、例えば、Ｙ方向においてｎ形の半導体領域１３ｎ（第１半導体領域）とｐ形の半導体領域１３ｐ（第２半導体領域）とが交互に配列されたスーパージャンクション構造を有している。半導体領域１３ｎは、ＭＯＳＦＥＴのドリフト層である。Ｙ方向において、半導体領域１３ｐの幅と、半導体領域１３ｐによって挟まれた半導体領域１３ｎの幅と、は同じである。半導体領域１３ｐは、Ｘ方向に延在している。
【００１５】
半導体層１５の上には、ｐ形のベース層２０（第２半導体層）設けられている。ベース層２０は、スーパージャンクション構造の半導体領域１３ｐに接している。
【００１６】
また、活性領域１ａにおいては、ベース層２０の上にｎ＋形のソース層２１（第３半導体層）が設けられている。ソース層２１の上には、ソース電極５１（第２電極）が設けられている。活性領域１ａにおいては、ソース層２１は、ソース電極５１に接続されている。周辺領域１ｐには、ソース電極５１が設けられていない。活性領域１ａにおいては、ゲート電極３０（第３電極）は、半導体領域１３ｎ、ベース層２０、およびソース層２１にゲート絶縁膜３１を介して接している。ゲート電極３０は、Ｘ方向に延在している。ゲート電極３０は、ゲートパッド５２に電気的に接続されている。
【００１７】
活性領域１ａおよび周辺領域１ｐにおいて、半導体領域１３ｎは、ドレイン電極５０側に位置する第１部分１１ｎと、第１部分１１ｎとベース層２０とによって挟まれた第２部分１２ｎと、を有している。
【００１８】
本実施形態では、ｎ＋形、ｎ形を「第１導電形」と呼び、ｐ形を「第２導電形」と呼ぶ。また、ｎ＋形、ｎ形の順で、不純物濃度が低くなっていることを意味する。ｎ＋形、ｎ形の不純物元素としては、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等があげられる。ｐ形の不純物元素としては、例えば、ホウ素（Ｂ）等があげられる。
【００１９】
例えば、活性領域１ａおよび周辺領域１ｐにおいて、スーパージャンクション構造の半導体領域１３ｎには、リン（Ｐ）が注入されている。また、半導体領域１３ｐには、ホウ素（Ｂ）が注入されている。さらに、第１部分１１ｎには、水素（プロトン（Ｈ＋））が注入され、熱処理が行われている。水素は、スーパージャンクション構造が形成された後にドレイン層１０の側から注入される。第２部分１２ｎには、水素は注入されていない。
【００２０】
第１部分１１ｎに水素が注入されたことにより、第１部分の不純物濃度は、第２部分１２ｎの不純物濃度よりも高くなっている。また、水素の濃度プロファイルは、ドレイン電極５０側ほど濃くなっている。第２部分１２ｎの不純物濃度は、半導体領域１３ｐの不純物濃度と同じである。
【００２１】
ここで、「不純物濃度」とは、半導体材料の導電性に寄与する不純物元素の実効的な濃度をいう。例えば、半導体材料にドナーとなる不純物元素とアクセプタとなる不純物元素とが含有されている場合には、活性化した不純物元素のうち、ドナーとアクセプタとの相殺分を除いた濃度を不純物濃度とする。
【００２２】
これにより、第２部分１２ｎと半導体領域１３ｐとの接合部の電界強度は、Ｚ方向（深さ方向）において一定の値を示している。また、第１部分１１ｎと半導体領域１３ｐとの接合部の電界強度は、Ｚ方向において勾配を形成している。
【００２３】
ドレイン層１０、半導体領域１３ｎ、１３ｐ、ベース層２０、およびソース層２１の材料は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）等を含む。ドレイン層１０、半導体領域１３ｎ、１３ｐ、ベース層２０、およびソース層２１には、上述した不純物元素が導入されている。また、ドレイン層１０、半導体領域１３ｎ、１３ｐ、ベース層２０、およびソース層２１には、不純物元素を活性にするためのアニール処理が施されている。
【００２４】
ソース電極５１およびドレイン電極５０の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の少なくともいずれかの金属を含む。
【００２５】
ゲート電極３０の材料は、不純物元素が導入された半導体（例えば、ホウ素添加ポリシリコン）、もしくは金属（例えば、タングステン）を含む。ゲート絶縁膜３１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）等を含む。
【００２６】
半導体装置１は、シリコンウェーハに複数の半導体装置１をウェーハプロセスによって形成した後、これら複数の半導体装置１のそれぞれを個片化することにより形成される。シリコンウェーハは、いわゆる市販品であり、シリコンウェーハの不純物濃度は、その仕様によって予め決められた濃度になっている。
【００２７】
また、ウェーハプロセスにおいてスーパージャンクション構造を形成する際にも、スーパージャンクション構造に含まれる不純物濃度を変更することはできる。しかし、不純物濃度とプロセス条件との対応付けをするには、予め、実験、シミュレーション等が必要になる。また、この対応付けは、半導体装置の設計変更があると、また振り出しに戻る場合もある。ここで、設計変更とは、例えば、半導体装置の寸法変更等である。さらに、スーパージャンクション構造を形成した後においては、その不純物濃度を変更することができなくなる。
【００２８】
これに対し、第１実施形態においては、シリコンウェーハの仕様およびスーパージャンクション構造を形成するプロセス条件とは独立して、水素を半導体領域１３ｎに導入し、熱処理（温度：３００℃〜５００℃（以下同じ））を行うことにより、第１部分１１ｎの濃度を簡便に変更することができる。つまり、オン抵抗をシリコンウェーハの仕様およびスーパージャンクション構造のプロセス条件とは関わりなく制御することができる。例えば、第１部分１１ｎに含まれる水素濃度を高く設定することにより、低オン抵抗の半導体装置が実現する。また、スーパージャンクション構造を形成した後においても、事後的に第１部分１１ｎの濃度を変更することができる。
【００２９】
また、第１実施形態においては、第１部分１１ｎに水素を含有させることにより、ドリフト層におけるキャリア寿命を制御することができる。例えば、寄生ダイオードが通電オン状態になると、寄生ダイオードから注入された正孔がドリフト層に溜まる可能性がある。ここで、寄生ダイオードとは、例えば、ベース層２０と第２部分１２ｎとによるｐｎダイオードである。
【００３０】
寄生ダイオードが通電オフ状態（逆回復時、リカバリ時）になると、正孔ｈは、例えば、ベース層２０を経由してソース電極５１に排出される。このときの正孔電流をリカバリ電流と呼ぶ。ここで、正孔電流に対してドリフト層が充分な耐性を持たないとき、半導体装置１が破壊する可能性がある。
【００３１】
半導体装置１では、正孔を素早く消滅する方法として、第１部分１１ｎに水素を含有させている。これにより、第１部分１１ｎにおける正孔の寿命が短命になり、内蔵ダイオードへの正孔注入が抑制される。その結果、高いリカバリ電流耐量を有する半導体装置１が実現する。
【００３２】
（第２実施形態）  
図３は、第２実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
【００３３】
図３左には、半導体装置２がオフ時の活性領域１ａにおける、深さと電界強度との関係が表されている。図３右には、半導体装置２がオフ時の周辺領域１ｐにおける、深さと電界強度との関係が表されている。
【００３４】
半導体装置２では、活性領域１ａに水素を選択的に注入し、熱処理を行っている。つまり、半導体装置２では、活性領域１ａにおいて半導体領域１３ｎが第１部分１１ｎと第２部分１２ｎと有している。周辺領域１ｐでは、半導体領域１３ｎが第１部分１１ｎを有していない。周辺領域１ｐでは、半導体領域１３ｎが第２部分１２ｎからなる。
【００３５】
周辺領域１ｐにおいては、半導体領域１３ｎの不純物濃度と半導体領域１３ｐの不純物濃度とがＺ方向において均衡している。このため、周辺領域１ｐにおいては、半導体領域１３ｎと半導体領域１３ｐとの接合部の電界強度が深さ方向において一定の値になる。換言すれば、半導体装置２のオフ時には、半導体領域１３ｎに延びる空乏層の長さと半導体領域１３ｐに延びる空乏層の長さとが同じになる。従って、半導体装置２では、オフ時における周辺領域１ｐの耐圧が半導体装置１に比べてさらに上昇している。
【００３６】
（第３実施形態）  
図４は、第３実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。
【００３７】
図４左には、半導体装置３がオフ時の活性領域１ａにおける、深さと電界強度との関係が表されている。図４右には、半導体装置３がオフ時の周辺領域１ｐにおける、深さと電界強度との関係が表されている。
【００３８】
半導体装置３では、周辺領域１ｐに水素を選択的に注入し、熱処理を行っている。つまり、半導体装置３では、周辺領域１ｐにおいて半導体領域１３ｎが第１部分１１ｎと第２部分１２ｎと有している。活性領域１ａでは、半導体領域１３ｎが第１部分１１ｎを有していない。活性領域１ａでは、半導体領域１３ｎが第２部分１２ｎからなる。
【００３９】
上述した正孔電流は、周辺領域１ｐに溜まりやすい。周辺領域１ｐには、正孔電流を排出できるソース電極５１がないからである。従って、半導体装置３では、周辺領域１ｐにおいて正孔を素早く消滅する方法として、周辺領域１ｐに水素を含有させている。これにより、周辺領域１ｐでは第１部分１１ｎにおける正孔の寿命が短命になる。その結果、周辺領域１ｐで高いリカバリ電流耐量を有する半導体装置３が実現する。
【００４０】
（第４実施形態）  
ドレイン側から注入する水素は、半導体領域１３ｎのほか、半導体領域１３ｐにも注入される。この後、熱処理が行われる。このため、水素を注入した後、半導体領域１３ｐに含まれるｐ形不純物が水素によって相殺されて、半導体領域１３ｐの不純物濃度が低下する場合がある。
【００４１】
このような場合は、半導体領域１３ｐの不純物濃度プロファイルがドレイン側ほど濃くなるように、半導体領域１３ｐの不純物濃度を予め調整すればよい。
【００４２】
また、実施形態では、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」と表現された場合の「の上に」とは、部位Ａが部位Ｂに接触して、部位Ａが部位Ｂの上に設けられている場合の他に、部位Ａが部位Ｂに接触せず、部位Ａが部位Ｂの上方に設けられている場合との意味で用いられる場合がある。また、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」は、部位Ａと部位Ｂとを反転させて部位Ａが部位Ｂの下に位置した場合や、部位Ａと部位Ｂとが横に並んだ場合にも適用される場合がある。これは、実施形態に係る半導体装置を回転しても、回転前後において半導体装置の構造は変わらないからである。
【００４３】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００４４】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１、２、３  半導体装置、  １ａ  活性領域（第１領域）、  １ｐ  周辺領域（第２領域）、  １０  ドレイン層、  １１ｎ  第１部分、  １２ｎ  第２部分、  １３ｎ  半導体領域（第１半導体領域）、  １３ｐ  半導体領域（第２半導体領域）、  １５  半導体層（第１半導体層）、  ２０  ベース層（第２半導体層）、  ２１  ソース層（第３半導体層）、  ３０  ゲート電極（第３電極）、  ３１  ゲート絶縁膜、  ５０  ドレイン電極（第１電極）、  ５１  ソース電極（第２電極）、  ５２  ゲートパッド
【図１】
2015018951.tif 000003
【図２】
2015018951.tif 000004
【図３】
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【図４】
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