(57)【要約】【課題】半導体装置の耐圧を向上させること。【解決手段】半導体装置１の半導体層１０は、活性部１２と終端部１４を有する。終端部１４には、平面視したときに、活性部１２の周囲を囲むように設けられている複数の終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが形成されている。最内周の終端耐圧構造４０ａは、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂにおいて、曲率半径が大きくなるような形態を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の第１主面上に設けられている第１電極と、
前記半導体層の前記第１主面とは反対側の第２主面上に設けられている第２電極と、を備え、
前記半導体層は、
電流の流れる活性部と、
平面視したときに、前記活性部の周囲を囲むように前記第１主面側に設けられている複数の終端耐圧構造が形成されている終端部と、を有し、
前記終端部は、第１直線範囲と、第２直線範囲と、前記第１直線範囲と前記第２直線範囲の間に配置されているコーナー範囲と、を少なくとも含み、
最内周の前記終端耐圧構造は、前記第１直線範囲に設けられている第１直線部分と、前記第２直線範囲に設けられている第２直線部分と、前記コーナー範囲に設けられているコーナー部分と、を有しており、
前記コーナー部分の曲率半径をＲ１とし、
前記第１直線部分の前記コーナー範囲側の第１端部及び前記第２直線部分の前記コーナー範囲側の第２端部を通過し、前記第１端部と前記第２端部を線分の両端とする前記線分の二等分線上に中心点を有し、その中心角が９０°となる円弧の曲率半径をＲ２とし、
Ｒ２＜Ｒ１の関係が成立する、半導体装置。
【請求項２】
前記コーナー範囲に設けられている終端耐圧構造間の距離は、前記第１直線範囲及び前記第２直線範囲に設けられている終端耐圧構造間の距離よりも短い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記終端部は、前記コーナー範囲の前記第１主面側に設けられているとともに前記最内周の終端耐圧構造よりも内側に配置されているリサーフ領域をさらに含む、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記終端耐圧構造は、ガードリングである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記終端耐圧構造は、前記第１主面から深さ方向に沿って伸びるトレンチ内に設けられており、導体部とその導体部を被覆する絶縁部を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、活性部とその活性部の周囲に配置されている終端部を有する半導体層を備える。活性部は、主電流の流れる領域である。終端部は、半導体装置がオフしたときに、空乏層を側方に伸ばして電界を緩和する領域である。終端部には複数の終端耐圧構造が形成されている。従来の半導体装置では、複数の終端耐圧構造の各々が、活性部の周囲を一巡して設けられている。
【０００３】
活性部は、半導体層を平面視したときに、矩形の形状を有していることが多い。この場合、終端部は、活性部の矩形の辺に対応する４つの直線範囲とその矩形の角に対応する４つのコーナー範囲に区画される。終端部のコーナー範囲では、電界集中によってアバランシェ降伏が発生することが知られている。このため、半導体装置の耐圧を向上させるためには、終端部のコーナー範囲の電界を緩和することが肝要である。特許文献１は、終端部のコーナー範囲において、終端耐圧構造の間にｎ型の拡散領域を設ける技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−６９７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、終端部のコーナー範囲を詳細に解析した結果、最内周の終端耐圧構造において最も電界が集中するという知見を得た。この理由は、最内周の終端耐圧構造のコーナー部の曲率半径が最も小さくなるからだと考えられる。本明細書で開示される技術は、このような新規な知見を契機として創作されたものであり、半導体装置の耐圧を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示される半導体装置の最内周の終端耐圧構造は、終端部のコーナー範囲において、曲率半径が大きくなるような形態を有していることを特徴とする。終端部のコーナー範囲に設けられる最内周の終端耐圧構造の曲率半径が大きくなるように構成されていると、終端部のコーナー範囲の電界集中が緩和され、半導体装置の耐圧が向上する。
【０００７】
即ち、本明細書で開示される半導体装置の一実施形態は、半導体層、半導体層の第１主面上に設けられている第１電極及び半導体層の第１主面とは反対側の第２主面上に設けられている第２電極を備える。半導体層は、活性部と終端部を有する。活性部は、電流の流れる領域である。終端部は、平面視したときに、活性部の周囲を囲むように第１主面側に設けられている複数の終端耐圧構造が形成されている領域である。終端部は、第１直線範囲と、第２直線範囲と、第１直線範囲と第２直線範囲の間に配置されているコーナー範囲と、を少なくとも含む。最内周の終端耐圧構造は、第１直線範囲に設けられている第１直線部分と、第２直線範囲に設けられている第２直線部分と、コーナー範囲に設けられているコーナー部分と、を有する。ここで、最内周の終端耐圧構造のコーナー部分の曲率半径をＲ１とする。また、第１直線部分のコーナー範囲側の第１端部及び第２直線部分のコーナー範囲側の第２端部を通過する円弧を仮定する。この円弧は、第１端部と第２端部を線分の両端とする線分の２等分線上に中心点を有し、その中心角が９０°である。この円弧の曲率半径をＲ２とする。本明細書で開示される半導体装置の一実施形態では、Ｒ２＜Ｒ１の関係が成立する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例の半導体装置の半導体層の平面図を模式的に示す。
【図２】図２は、実施例の半導体装置であり、図１のII-II線に対応しており、終端部の直線範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。
【図３】図３は、実施例の半導体装置であり、図１のIII-III線に対応しており、終端部のコーナー範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。
【図４】図４は、実施例の半導体装置であり、終端部のコーナー範囲の要部拡大平面図を示す。
【図５】図５は、変形例の終端耐圧構造であり、図１のIII-III線に対応しており、終端部のコーナー範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。
【図６】図６は、変形例の半導体装置の半導体層の平面図を模式的に示す。
【図７】図７は、変形例の半導体装置であり、図６のVII-VII線に対応しており、終端部のコーナー範囲に対応した要部断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００１０】
本明細書で開示される半導体装置の一実施形態は、半導体層、半導体層の第１主面上に設けられている第１電極及び半導体層の第１主面とは反対側の第２主面上に設けられている第２電極を備えていてもよい。半導体層は、活性部及び終端部を有していてもよい。第１電極が活性部に対応して設けられており、第２主電極が活性部と終端部の双方に対応して設けられていてもよい。活性部は、電流の流れる領域である。ここで、半導体装置は、第１電極と第２電極の間を電流が流れるので、活性部を縦方向に電流が流れる縦型である。一例では、上記実施形態の半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電力用半導体装置であってもよい。終端部には、平面視したときに、活性部の周囲を囲むように第１主面側に設けられている複数の終端耐圧構造が形成されている。終端耐圧構造は、半導体装置がオフしたときに、空乏層を側方に向けて伸ばすものであり、その種類は特に制限されるものではない。一例では、終端耐圧構造は、ガードリングであってもよい。あるいは、終端耐圧構造は、第１主面から深さ方向に沿って伸びるトレンチ内に設けられており、導体部とその導体部を被覆する絶縁部を有していてもよい。終端部は、第１直線範囲と、第２直線範囲と、第１直線範囲と第２直線範囲の間に配置されているコーナー範囲と、を少なくとも含んでいてもよい。最内周の終端耐圧構造は、第１直線範囲に設けられている第１直線部分と、第２直線範囲に設けられている第２直線部分と、コーナー範囲に設けられているコーナー部分と、を有していてもよい。ここで、最内周の終端耐圧構造のコーナー部分の曲率半径をＲ１とする。また、第１直線部分のコーナー範囲側の第１端部及び第２直線部分のコーナー範囲側の第２端部を通過する円弧を仮定する。この円弧は、第１端部と第２端部を線分の両端とする線分の２等分線上に中心点を有し、その中心角が９０°である。この円弧の曲率半径をＲ２とする。本明細書で開示される半導体装置の一実施形態では、Ｒ２＜Ｒ１の関係が成立してもよい。
【００１１】
本実施形態の半導体装置では、コーナー範囲に設けられている終端耐圧構造間の距離が、第１直線範囲及び第２直線範囲に設けられている終端耐圧構造間の距離よりも短くてもよい。この実施形態の半導体装置では、チップ面積の増大を抑えながら、最内周の終端耐圧構造のコーナー部分の曲率半径を大きくすることができる。
【００１２】
本実施形態の半導体装置では、終端部がリサーフ領域をさらに含んでいてもよい。リサーフ領域は、コーナー範囲の第１主面側に設けられているとともに最内周の終端耐圧構造よりも内側に配置されていてもよい。終端部のコーナー範囲にリサーフ領域が設けられていると、終端部のコーナー範囲の電界集中がさらに緩和されるので、半導体装置の耐圧がさらに向上する。
【実施例１】
【００１３】
図１〜３に示されるように、半導体装置１は、炭化珪素の半導体層１０、半導体層１０の第１主面１０Ａの一部を被覆するソース電極２２及び半導体層１０の第２主面１０Ｂの全面を被覆するドレイン電極２４を備える。本実施例の半導体装置１は、縦型のＭＯＳＦＥＴであり、電力用半導体装置として利用される。半導体層１０は、活性部１２と終端部１４を有する。図２及び図３に示されるように、活性部１２と終端部１４の境界は、活性部１２に形成されているｐ型のボディ領域３４の周縁によって画定される。
【００１４】
図１に示されるように、活性部１２は、半導体層１０を平面視したときに、半導体層１０の中央部に配置されている。半導体層１０の活性部１２の第１主面１０Ａには、半導体層１０を平面視したときに、ストライプ状に配置されている複数のトレンチゲート構造１２ｇが形成されている。複数のトレンチゲート構造１２ｇの各々は、一方向（紙面上下方向）に沿って伸びている。活性部１２を流れる主電流は、トレンチゲート構造１２ｇに印加される電圧に基づいて制御される。
【００１５】
図１に示されるように、終端部１４は、半導体層１０を平面視したときに、半導体層１０の周縁部に配置されており、活性部１２の周囲を取り囲む。終端部１４は、半導体装置１がオフしたときに、空乏層を側方に伸ばして電界を緩和する領域である。半導体層１０の終端部１４の第１主面１０Ａ側には、終端構造４０が形成されている。終端構造４０は、半導体層１０を平面視したときに、活性部１２の周囲を囲むように設けられている複数の終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを含む。この例では、４つの終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが例示されるが、より多くの終端耐圧構造が終端部に形成されていてもよい。
【００１６】
図２及び図３に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、半導体層１０の第１主面１０Ａに形成されているｐ型のガードリング４２を有する。ガードリング４２については、最内周のガードリング４２が後述する直線範囲１４Ａにおいてソース電極２２に短絡しており、最内周以外のガードリング４２がフローティングである。一例では、ガードリング４２は、アルミニウム又はボロンがドーパントとして導入されている。ガードリング４２は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の第１主面１０Ａからドーパントを導入することで形成することができる。
【００１７】
図１に示されるように、半導体装置１の活性部１２は、半導体層１０を平面視したときに、矩形の形状を有する。このため、半導体装置１の終端部１４は、矩形の辺に対応する４つの直線範囲１４Ａと矩形の角に対応する４つのコーナー範囲１４Ｂに区画される。なお、図１では、図面の明瞭化のために、４つの直線範囲１４Ａのうちの１つのみを示し、４つのコーナー範囲１４Ｂのうちの１つのみを示す。
【００１８】
図１に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、終端部１４の直線範囲１４Ａ及びコーナー範囲１４Ｂの双方に形成されており、活性部１２の周囲を一巡する。具体的には、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、終端部１４の直線範囲１４Ａにおいて、活性部１２のトレンチゲート構造１２ｇと並行な方向（紙面上下方向）に沿って伸びる一対の部分と直交する方向（紙面左右方向）に沿って伸びる一対の部分で構成されている直線部分を有する。さらに、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂにおいて、直交関係にある直線部分を結ぶように、所定の曲率半径を有して湾曲する４つのコーナー部分を有する。
【００１９】
図４に、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの近傍の要部拡大平面図を示す。ここで、説明の便宜の上で、このコーナー範囲１４Ｂに対して紙面下側の直線範囲１４Ａを第１直線範囲１４１Ａとし、紙面左側の直線範囲１４Ａを第２直線範囲１４２Ａとする。図４に示されるように、最内周の終端耐圧構造４０ａは、終端部１４の第１直線範囲１４１Ａに設けられている第１直線部分１４１、第２直線範囲１４２Ａに設けられている第２直線部分１４２及びコーナー範囲１４Ｂに設けられているコーナー部分１４３を有する。
【００２０】
最内周の終端耐圧構造４０ａのコーナー部分１４３は、第１直線範囲１４１Ａの第１直線部分１４１をコーナー範囲１４Ｂに向けて長手方向に沿って伸ばしたときの仮想線と第２直線範囲１４２Ａの第２直線部分１４２をコーナー範囲１４Ｂに向けて長手方向に沿って伸ばしたときの仮想線の仮想交点５８よりも外側を通過するように湾曲する。最内周の終端耐圧構造４０ａのコーナー部分１４３は、仮想交点５８よりも外側を通過する部分において、中心角が１８０°以上の円弧を有する。コーナー部分１４３の円弧の曲率半径は、Ｒ１である。
【００２１】
ここで、最内周の終端耐圧構造４０ａの第１直線部分１４１は、コーナー範囲１４Ｂ側であって、コーナー部分１４３との境界となる第１端部１４１ａを含む。最内周の終端耐圧構造４０ａの第２直線部分１４２は、コーナー範囲１４Ｂ側であって、コーナー部分１４３との境界となる第２端部１４２ａを含む。第１直線部分１４１の第１端部１４１ａと第２直線部分１４２の第２端部１４２ａを通過する円弧５２は、従来の最内周の終端耐圧構造のレイアウトを示す。この円弧５２は、第１直線部分１４１の第１端部１４１ａと第２直線部分１４２の第２端部１４２ａを線分の両端とするその線分の２等分線５４上に中心点５６を有し、その中心角が９０°である。従来構造に対応する円弧５２の曲率半径は、Ｒ２である。
【００２２】
図４に示されるように、半導体装置１では、コーナー部分１４３の円弧の曲率半径Ｒ１は、従来構造に対応する円弧５２の曲率半径Ｒ２よりも大きい。
【００２３】
半導体装置１は、ソース電極２２に接地電圧が印加され、ドレイン電極２４に正電圧が印加されて用いられる。半導体装置１は、トレンチゲート構造１２ｇに正電圧が印加されるとターンオンし、トレンチゲート構造１２ｇに接地電圧が印加されるとターンオフする。半導体装置１がターンオンすると、活性部１２において、半導体層１０の縦方向に主電流が流れる。半導体装置１がターンオフすると、主電流が停止し、終端部１４の側方に向けて空乏層が伸びる。隣り合う終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの距離は、活性部１２側から伸びる空乏層が途切れないように、適宜調整されている。
【００２４】
半導体装置１は、コーナー部分１４３の円弧の曲率半径Ｒ１が、従来構造に対応する円弧５２の曲率半径Ｒ２に比して大きくなるように構成されていることを特徴とする。このため、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの電界集中は、従来構造に比して緩和されるので、半導体装置１の耐圧が向上する。
【００２５】
さらに、半導体装置１では、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの終端耐圧構造間の距離１４３Ｗが、終端部１４の第１直線範囲１４１Ａ及び第２直線範囲１４２Ａの終端耐圧構造間の距離１４１Ｗ，１４２Ｗよりも短い。このような関係が成立すると、チップ面積の増大を抑えながら、コーナー部分１４３の円弧の曲率半径Ｒ１を大きくすることができる。
【００２６】
図５に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々は、半導体層１０の第１主面１０Ａから深部に向けて伸びるトレンチ内に設けられており、導体部４４とその導体部４４を被覆する絶縁部４５を有していてもよい。一例では、導体部４４の材料がポリシリコンであり、絶縁部４５の材料が酸化シリコンである。終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、ドライエッチング技術を利用して半導体層１０の第１主面１０Ａからｎ型のドリフト領域３２の一部を除去してトレンチを形成し、熱酸化技術を利用してトレンチの内壁に絶縁部４５を被膜し、蒸着技術を利用してトレンチ内に導体部４４を充填することで形成することができる。終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄは、活性部１２のトレンチゲート構造１２ｇと同一工程で形成してもよい。図５に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄについては、最内周の終端耐圧構造４０ａがソース電極２２に直線範囲において短絡しており、最内周以外の終端耐圧構造４０ｂ，４０ｃ，４０ｄがフローティングである。
【００２７】
図５に示されるように、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの各々はさらに、トレンチの底部に設けられているｐ型領域４３を有していてもよい。ｐ型領域４３は、フローティングである。一例では、ｐ型領域４３は、アルミニウム又はボロンがドーパントとして導入されている。ｐ型領域４３は、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを形成するためのトレンチを形成した後に、イオン注入技術を利用してそのトレンチの底面にｐ型ドーパントを導入することで形成することができる。ｐ型領域４３は、終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの底部の電界集中を緩和することができる。
【００２８】
トレンチ型の終端耐圧構造４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄも、最内周の終端耐圧構造４０ａのコーナー部分の円弧の曲率半径が大きくなるように構成されている。このため、半導体装置１では、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの電界集中が緩和され、耐圧が向上する。
【００２９】
図６及び図７に示されるように、変形例の半導体装置２は、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂにｐ型のリサーフ領域４６を有することを特徴とする。リサーフ領域４６は、最内周の終端耐圧構造４０ａよりも内側に配置されている。リサーフ領域４６は、フローティングである。一例では、リサーフ領域４６は、アルミニウム又はボロンがドーパントとして導入されている。リサーフ領域４６は、イオン注入技術を利用して、半導体層１０の第１主面１０Ａからドーパントを導入することで形成することができる。リサーフ領域４６は、活性部１２のボディ領域３４の底面の深さと同一の深さ又はそれよりも深く形成されるのが望ましい。
【００３０】
終端部１４のコーナー範囲１４Ｂでは、最内周の終端耐圧構造４０ａのコーナー部分の曲率半径を大きくするために、最内周の終端耐圧構造４０ａのコーナー部分と活性部１２の間の距離が長くなっている。リサーフ領域４６が、最内周の終端耐圧構造４０ａのコーナー部分よりも内側に配置されることにより、この部分で空乏層を側方に伸ばす役割を担うことができる。これにより、変形例の半導体装置２では、終端部１４のコーナー範囲１４Ｂの電界集中がさらに緩和され、耐圧が向上する。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３２】
１０：半導体層、  １０Ａ：第１主面、  １０Ｂ：第２主面、  １２：活性部、  １２ｇ：トレンチゲート構造、  １４：終端部、  １４Ａ：直線範囲、  １４Ｂ：コーナー範囲、  ４０：終端構造、  ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ：終端耐圧構造
【図１】
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【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】
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【図７】
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