(57)【要約】【課題】  半導体装置のダイナミック特性を改善すること。【解決手段】  半導体装置１０は、中心領域の半導体基板２０の表面部分に形成されているアノード領域２７と、終端領域の半導体基板２０の表面部分の少なくとも一部に形成されているリサーフ層２５と、リサーフ層２５内の半導体基板２０の表面部分の少なくとも一部に形成されている表面局所半導体領域２６を備えている。リサーフ層２５は、アノード領域２７よりも深く形成されている。表面局所半導体領域２６の不純物濃度は、リサーフ層２５の不純物濃度よりも濃く形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域に区画されている半導体基板を有する半導体装置であって、
中心領域の半導体基板の表面部分に形成されており、半導体基板の表面に形成されている表面電極に電気的に接続しているとともに第１導電型の不純物を含む表面半導体領域と、
終端領域の半導体基板の表面部分の少なくとも一部に形成されており、一端が前記表面半導体領域の周縁に接しているとともに第１導電型の不純物を含むリサーフ層と、
前記リサーフ層内の半導体基板の表面部分の少なくとも一部に形成されており、第１導電型の不純物を含む表面局所半導体領域を備えており、
前記リサーフ層は、前記表面半導体領域よりも深く形成されており、
前記リサーフ層の不純物濃度は、前記表面半導体領域の不純物濃度よりも薄く、
前記表面局所半導体領域の不純物濃度は、前記リサーフ層の不純物濃度よりも濃いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記リサーフ層は、前記表面半導体領域の周縁のコーナー部を被覆していることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記表面局所半導体領域の不純物濃度は、中心領域側から反中心領域側に向けて減少していることを特徴とする請求項１又は２の半導体装置。
【請求項４】
前記表面局所半導体領域は、中心領域側に配置されている第１表面局所半導体領域と反中心領域側に配置されている第２表面局所半導体領域を有しており、
第１表面局所半導体領域の不純物濃度は、第２表面局所半導体領域の不純物濃度よりも濃いことを特徴とする請求項３の半導体装置。
【請求項５】
前記表面局所半導体領域と前記表面半導体領域は、前記リサーフ層によって隔てられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の終端領域に関する。本発明は特に、終端領域にリサーフ層が形成されている半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、半導体基板内に、回路素子が作り込まれている中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域を有している。中心領域には、ダイオード、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などが形成されている。終端領域は、中心領域の周囲を一巡して形成されており、回路素子が非導通状態のときに中心領域から終端領域の周縁に向けて空乏層を伸展させるための終端構造を備えている。終端構造は、回路素子に加わる電圧を横方向で負担しており、半導体装置の耐圧を向上させるために必要とされている。終端構造には、リサーフ層が広く用いられている。
【０００３】
以下、終端構造にリサーフ層が形成されている半導体装置において、回路素子がダイオードの場合を例に説明する。本明細書で開示される技術は、ダイオード以外の種類の回路素子であってもよく、以下の説明はダイオードの例に限定することを意図するものではない。
図５に、従来の半導体装置３００の要部縦断面図を模式的に示す。図５は、中心領域と終端領域の境界近傍を示している。半導体装置３００は、半導体基板３２０の裏面に形成されているカソード電極３２１と、半導体基板３２０の裏面部分に形成されているｎ＋型のカソード領域３２２と、そのカソード領域３２２上に形成されているｎ−型の高抵抗半導体領域３２３を備えている。半導体装置３００はさらに、半導体基板３２０の表面部分に形成されているｐ＋型のアノード領域３２７とｐ−型のリサーフ層３２５とｎ＋型のチャネルストッパ領域３２４を備えている。アノード領域３２７は、中心領域の半導体基板３２０の表面部分に形成されており、半導体基板３２０の表面に形成されているアノード電極３３６に電気的に接続している。リサーフ層３２５は、終端領域の半導体基板３２０の表面部分の少なくとも一部に形成されており、一端がアノード領域３２７の周縁に接している。チャネルストッパ領域３２４は、終端領域の周縁に形成されており、半導体基板３２０の表面に形成されているチャネルストッパ電極３３２に電気的に接続している。チャネルストッパ電極３３２は、カソード電極３２１と同電位に固定されており、終端領域の電位を安定させている。終端領域の半導体基板３２０の表面は、絶縁膜３３４で被覆されている。
【０００４】
この種の半導体装置３００では、半導体装置３００がオンからオフに切換わるまでの過渡期間（以下、ターンオフする過渡期間という）の特性、あるいは半導体装置３００がオフからオンに切換わるまでの過渡期間（ターンオンする過渡期間という）の特性を改善する技術が望まれている。これらの過渡期間の特性（ダイナミック特性という）は、キャリアの挙動に支配されている。
半導体装置３００では、アノード領域３２７の周縁のコーナー部１Ａが高抵抗半導体領域３２３に露出しており、このコーナー部１Ａに電界が集中し易い。半導体装置３００がターンオフする過渡期間では、逆回復電流に起因する高いサージ電圧が半導体装置３００に加わることがある。高いサージ電圧が半導体装置３００に加わると、高抵抗半導体領域３２３に蓄積していた多量のキャリアがアノード領域３２７のコーナー部１Ａに集中する。このため、コーナー部１Ａでアバランシェ現象が発生し、終端領域のチャージバランスが大きく崩れ、半導体装置３００の耐圧が急激に低下する。場合によっては半導体装置３００が破壊に至ることがある。
特許文献１は、コーナー部１Ａの一部の領域の不純物濃度を薄く形成することによって、この電界集中を緩和する技術を提案している。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３１６４８０（その公報の図２４等参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術を利用して電界集中を緩和したとしても、アバランシェ現象が発生してしまうと、終端領域のチャージバランスが大きく崩れ、リサーフ層３２５によって横方向に伸展させられていた空乏層が急激に収縮し、半導体装置３００に加わる電位を維持することができず、半導体装置３００の耐圧が急激に低下してしまう。即ち、従来の半導体装置は、アバランシェ現象が発生した後の急激な耐圧低下に対して、何ら対策を講じていない。
本発明は、アバランシェ現象が発生した後の急激な耐圧低下に着目し、この現象に対策を講じることを目的としている。本発明は、従来とは全く異なる新規で斬新な構造の半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される技術は、アバランシェ現象が発生したときに、空乏層の急激な収縮を抑制するための構造を提供する。半導体装置がターンオフする過渡期間、あるいは半導体装置がターンオンする過渡期間の間隔は極めて短い。したがって、空乏層の収縮をこの過渡期間だけでも抑制することによって、アバランシェ現象が発生した後の急激な耐圧低下を抑制することができる。
【０００８】
本明細書で開示される技術は、中心領域とその中心領域の周囲に形成されている終端領域に区画されている半導体基板を有する半導体装置に具現化することができる。半導体装置は、中心領域の半導体基板の表面部分に形成されており、半導体基板の表面に形成されている表面電極に電気的に接続しているとともに第１導電型の不純物を含む表面半導体領域を備えている。半導体装置はさらに、終端領域の半導体基板の表面部分の少なくとも一部に形成されており、一端が表面半導体領域の周縁に接しているとともに第１導電型の不純物を含むリサーフ層を備えている。半導体装置はさらに、リサーフ層内の半導体基板の表面部分の少なくとも一部に形成されており、第１導電型の不純物を含む表面局所半導体領域を備えている。本明細書で開示される半導体装置では、リサーフ層が、表面半導体領域よりも深く形成されている。リサーフ層の不純物濃度は、表面半導体領域の不純物濃度よりも薄く形成されている。さらに、表面局所半導体領域の不純物濃度が、リサーフ層の不純物濃度よりも濃く形成されている。
リサーフ層が表面半導体領域よりも深く形成されていると、電界が最も集中する箇所が表面半導体領域の周縁のコーナー部からリサーフ層の周縁のコーナー部に移動する。このため、半導体装置がターンオフする過渡期間、あるいは半導体装置がターンオンする過渡期間において、リサーフ層の周縁のコーナー部でアバランシェ現象が優先的に発生する。さらに、上記の半導体装置では、リサーフ層内に不純物濃度が濃い表面局所半導体領域が形成されている。この結果、リサーフ層の周縁のコーナー部でアバランシェ現象が発生したとしても、空乏層の収縮が表面局所半導体領域の周縁で瞬間的に抑えられる。空乏層の収縮が抑えられる時間間隔は、僅かなものかもしれない。しかし、半導体装置がターンオフする過渡期間、あるいは半導体装置がターンオンする過渡期間の間隔は極めて短い。したがって、空乏層の収縮がこの過渡期間だけ抑制されたとしても、半導体装置の耐圧低下は抑えられ、ダイナミック特性が大幅に改善する。
【０００９】
本明細書で開示される半導体装置では、リサーフ層が表面半導体領域の周縁のコーナー部を被覆していることが好ましい。
この形態の半導体装置によると、表面半導体領域の周縁のコーナー部の電界集中をさらに緩和することができる。このため、電界が最も集中する箇所をリサーフ層の周縁のコーナー部に移動させることができる。この結果、リサーフ層の周縁のコーナー部でアバランシェ現象を優先的に発生させることができ、上記した作用効果を確実に得ることができる。
【００１０】
本明細書で開示される半導体装置では、表面局所半導体領域の不純物濃度が、中心領域側から反中心領域側に向けて減少していることが好ましい。
不純物濃度の分布が上記の状態で形成されていると、アバランシェ現象が発生したときの空乏層の収縮を、さらにゆっくりと進行させることができる。この結果、半導体装置の急激な耐圧低下がさらに抑制され、ダイナミック特性がさらに改善される。
【００１１】
上記の不純物濃度の分布を形成するためには、表面局所半導体領域が、中心領域側に配置されている第１表面局所半導体領域と反中心領域側に配置されている第２表面局所半導体領域を有しているのが好ましい。第１表面局所半導体領域の不純物濃度は、第２表面局所半導体領域の不純物濃度よりも濃いことが好ましい。これにより、表面局所半導体領域の不純物濃度が中心領域側から反中心領域側に向けて減少した形態が得られる。
【００１２】
本明細書で開示される半導体装置では、表面局所半導体領域と表面半導体領域がリサーフ層によって隔てられていることが好ましい。
上記の形態によると、表面半導体領域の周縁のコーナー部に不純物濃度の薄いリサーフ層が配置される。したがって、表面半導体領域の周縁のコーナー部の電界集中を緩和することができる。このため、電界が最も集中する箇所をリサーフ層の周縁のコーナー部に移動させることができる。この結果、リサーフ層の周縁のコーナー部でアバランシェ現象を優先的に発生させることができ、上記した作用効果を確実に得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本明細書で開示される半導体装置によると、アバランシェ現象が発生したときに、空乏層の急激な収縮を抑制することができ、ダイナミック特性を大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本明細書で開示される技術の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴）
中心領域に形成される回路素子には、ダイオード、IGBT、MOSFET、UMOS、DMOS、トレンチIGBTなどが含まれる。
（第２特徴）
中心領域に形成される回路素子には、バイポーラで動作する回路素子が好ましい。回路素子がダイオードの場合、表面半導体領域はｐ型のアノード領域である。回路素子がIGBTの場合、ｐ型のボディ領域である。
（第３特徴）
表面局所半導体領域と高抵抗半導体領域は、リサーフ層によって隔てられているのが好ましい。
【実施例】
【００１５】
以下、図面を参照して実施例を説明する。以下の実施例では、半導体材料にシリコンが用いられた例を説明するが、その例に代えて、炭化シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム等の半導体材料を用いてもよい。
図１（ａ）に、半導体装置１０の要部縦断面図を模式的に示す。図１（ａ）は、中心領域と終端領域の境界部分を示している。半導体装置１０は、縦型のダイオードが作り込まれている中心領域と、その中心領域の周囲に形成されている終端領域を半導体基板２０内に有している。中心領域に作り込まれている縦型のダイオードは、電流を一方方向に整流するための構造である。中心領域は、半導体基板２０の中心側に区画されている。終端領域は、中心領域の周囲を一巡して半導体基板２０内に区画されている。終端領域は、中心領域のダイオードに加わる電圧を横方向で負担している。
【００１６】
半導体装置１０は、半導体基板２０の裏面に形成されているカソード電極２１を備えている。カソード電極２１には、アルミニウムが用いられている。半導体装置１０はさらに、半導体基板２０の裏面部分に形成されているｎ＋型のカソード領域２２と、そのカソード領域２２上に形成されているｎ−型の高抵抗半導体領域２３を備えている。カソード領域２２と高抵抗半導体領域２３の不純物には、リンが用いられている。カソード領域２２の不純物濃度は、約0.1〜1×1020cm-3である。高抵抗半導体領域２３の不純物濃度は、約0.1〜1×1014cm-3である。カソード電極２１とカソード領域２２と高抵抗半導体領域２３は、半導体基板２０の全体に亘って形成されており、中心領域と終端領域に連続して形成されている。
【００１７】
半導体装置１０はさらに、中心領域の半導体基板２０の表面部分に形成されているｐ＋型のアノード領域２７（表面半導体領域の一例）を備えている。アノード領域２７は、半導体基板２０の表面に形成されているアノード電極３６に電気的に接続している。アノード領域２７の不純物にはボロンが用いられており、その表面不純物濃度は約0.1〜1×1019cm-3である。アノード領域２７は、半導体基板２０の表面から1〜3μmの深さまで形成されている。アノード電極３６には、アルミニウムが用いられている。
【００１８】
半導体装置１０はさらに、終端領域の半導体基板２０の表面部分の一部に形成されているｐ−型のリサーフ層２５と、そのリサーフ層２５内に形成されているｐ型の表面局所半導体領域２６と、終端領域の周縁に形成されているｎ＋型のチャネルストッパ領域２４を備えている。リサーフ層２５と表面局所半導体領域の不純物には、ボロンが用いられている。チャネルストッパ領域２４の不純物には、リンが用いられている。
【００１９】
リサーフ層２５は、中心領域側の一端がアノード領域２７の周縁に接しており、反中心領域側の他端がチャネルストッパ領域２４から離反している。リサーフ層２５とチャネルストッパ領域２４は、高抵抗半導体領域２３によって隔てられている。リサーフ層２５は、平面視したときに、中心領域の周囲を一巡して形成されている。リサーフ層２５の不純物のドーズ量は約1.5×1012cm-2以下であり、その不純物濃度はアノード領域２７の不純物濃度よりも薄い。リサーフ層２５は、半導体基板２０の表面から2〜４μmの深さまで形成されており、アノード領域２７よりも深く形成されている。リサーフ層２５の深さは、中心領域側の一端から反中心領域側の他端まで略一定である。
【００２０】
表面局所半導体領域２６は、リサーフ層２５内の半導体基板２０の表面部分の一部に形成されている。表面局所半導体領域２６は、平面視したときに、中心領域の周囲をリサーフ層２５に沿って一巡して形成されている。表面局所半導体領域２６の中心領域側の一端は、アノード領域２７から離反している。即ち、表面局所半導体領域２６とアノード領域２７は、リサーフ層２５によって隔てられている。表面局所半導体領域２６の反中心領域側の他端は、高抵抗半導体領域２３から隔てられている。即ち、表面局所半導体領域２６と高抵抗半導体領域２３は、リサーフ層２５によって隔てられている。表面局所半導体領域２６の不純物のドーズ量は、リサーフ層２５のドーズ量と積算して約2〜2.7×1012cm-2である。表面局所半導体領域２６は、半導体基板２９の表面から2μm以下の深さまで形成されている。表面局所半導体領域２６の深さは、中心領域側の一端から反中心領域側の他端まで一定である。
【００２１】
チャネルストッパ領域２４は、終端領域の周縁を一巡して形成されており、チャネルストッパ電極３２に電気的に接続している。チャネルストッパ電極３２は、カソード電極２１と同電位に固定されており、終端領域の電位を安定させている。終端領域の半導体基板２０の表面は、絶縁膜３４で被覆されている。
【００２２】
次に、半導体装置１０の特徴を説明する。
半導体装置１０では、不純物濃度が薄いリサーフ層２５がアノード領域２７よりも深く形成されているので、アノード領域２７の周縁のコーナー部１Ａが高抵抗半導体領域２３に完全に露出していない。このため、半導体装置１０では、アノード領域２７の周縁のコーナー部１Ａにおける電界集中が緩和されている。この結果、電界が最も集中する箇所が、アノード領域２７の周縁のコーナー部１Ａからリサーフ層２５の周縁のコーナー部１Ｂに移動する。
半導体装置１０がターンオフする過渡期間では、高抵抗半導体領域２３に蓄積していた多量のホール（正孔）は、アノード電極３６に向けて移動する。このとき、多くのホールは、電界が集中するリサーフ層２５の周縁のコーナー部１Ｂに集中する。
【００２３】
ターンオフする過渡期間では、半導体装置１０が接続している配線のインダクタンス成分等に基づいて、半導体装置１０に高いサージ電圧が加わることがある。このサージ電圧が大きいと、リサーフ層２５の周縁のコーナー部１Ｂに過剰なホールが集中し、アバランシェ現象が発生する。
図１（ｂ）に示すように、リサーフ層２５の周縁のコーナー部１Ｂでアバランシェ現象が発生すると、終端領域のチャージバランスが崩れ、横方向に伸展していた空乏層（破線で示す）が収縮する。このとき、半導体装置１０では、表面局所半導体領域２６が電位を固定化するので、空乏層の収縮が表面局所半導体領域２６の周縁で抑えられる。したがって、アバランシェ現象が発生した直後においても、空乏層はある程度の広がりを維持することができ、チャージバランスの崩れが抑えられ、ダイナミック特性が大幅に改善する。
【００２４】
以下、いくつかの変形例を説明する。以下の変形例の半導体装置では、図１の半導体装置１０と実質的に同一の構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略することがある。
図２に、半導体装置１１の要部縦断面図を模式的に示す。
半導体装置１１は、リサーフ層１２５がアノード領域２７の周縁のコーナー部を被覆していることを特徴としている。リサーフ層１２５がアノード領域２７の周縁のコーナー部を被覆していると、アノード領域２７の周縁のコーナー部の電界集中をさらに緩和することができる。
【００２５】
図３に、半導体装置１２の要部縦断面図を模式的に示す。
半導体装置１２では、表面局所半導体領域１２６が、中心領域側に配置されている第１表面局所半導体領域１２６ａと反中心領域側に配置されている第２表面局所半導体領域１２６ｂを有している。第１表面局所半導体領域１２６ａの不純物濃度は、第２表面局所半導体領域１２６ｂの不純物濃度よりも濃い。この結果、表面局所半導体領域１２６の不純物濃度が、中心領域側から反中心領域側に向けて減少している。具体的には、第１表面局所半導体領域１２６ａの不純物のドーズ量は、リサーフ層２５のドーズ量と積算して約2〜2.7×1012cm-2であり、第２表面局所半導体領域１２６ｂの不純物のドーズ量は、リサーフ層２５のドーズ量と積算して約1〜1.5×1012cm-2である。
不純物濃度の分布が上記の状態で形成されていると、アバランシェ現象が発生したときの空乏層の収縮は、さらにゆっくりと進行するようになる。この結果、半導体装置１２では、急激な耐圧低下がさらに抑制され、ダイナミック特性がさらに改善される。
【００２６】
図４に、半導体装置１３の要部縦断面図を模式的に示す。
半導体装置１３では、リサーフ層２５内に複数の表面局所半導体領域２２６が形成されている。表面局所半導体領域２２６は、平面視したときに、中心領域の周囲をリサーフ層２５に沿って一巡して形成されている。各表面局所半導体領域２２６ａ、２２６ｂ、２２６ｃの不純物のドーズ量は、リサーフ層２５のドーズ量と積算して2.7×1012cm-2以下である。
表面局所半導体領域２２６が分散して形成されていると、アバランシェ現象が発生したときの空乏層の収縮が、多段的にゆっくりと進行するようになる。この結果、半導体装置１３では、急激な耐圧低下がさらに抑制され、ダイナミック特性がさらに改善される。
【００２７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）実施例の半導体装置の要部縦断面図を模式的に示す。（ｂ）アバランシェ現象が発生したときの空乏層の状態を示す。
【図２】第１の変形例の半導体装置の要部縦断面図を模式的に示す。
【図３】第２の変形例の半導体装置の要部縦断面図を模式的に示す。
【図４】第３の変形例の半導体装置の要部縦断面図を模式的に示す。
【図５】従来の半導体装置の要部縦断面図を模式的に示す。
【符号の説明】
【００２９】
２０：半導体基板
２１：カソード電極
２２：カソード領域
２３：高抵抗半導体領域
２４：チャネルストッパ領域
２５：リサーフ層
２６、１２６、２２６：表面局所半導体領域
２７：アノード領域
３２：チャネルストッパ電極
３６：アノード電極
【図１】
2008147362.tif 000003
【図２】
2008147362.tif 000004
【図３】
2008147362.tif 000005
【図４】
2008147362.tif 000006
【図５】
2008147362.tif 000007