(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
ｎ型のドリフト領域とｐ型のボディ領域が積層する部分を有する炭化珪素の半導体基板と、
前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に達する複数のトレンチゲートと、
前記半導体基板内に設けられており、前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から隔てられている温度センス部と、を備えており、
前記温度センス部は、
前記ボディ領域に接するｎ型のカソード領域と、
前記カソード領域によって前記ボディ領域から隔てられているｐ型のアノード領域と、を有しており、
前記温度センス部は、隣り合うトレンチゲートの間に配置されており、前記ボディ領域によって前記トレンチゲートから隔てられている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、温度センス部を備える半導体装置を開示する。温度センス部は、半導体基板の表面を被覆する分離絶縁膜上に設けられており、ｐｎダイオードとして構成されている。ｐｎダイオードは、分離絶縁膜上を被膜するポリシリコンにｐ型不純物とｎ型不純物を導入することで形成されている。温度センス部は、ｐｎダイオードの順方向電圧の温度依存性を利用して、半導体装置の温度を検出するように構成されている。このような温度センス部では、ｐｎダイオードを構成するポリシリコンを層間絶縁膜で被覆したときに、ポリシリコンの角部を層間絶縁膜で良好に被覆することが難しいという問題（カバレッジ不良）がある。
【０００３】
特許文献２は、半導体基板内に温度センス部を設ける技術を開示する。温度センス部のｐｎダイオードは、絶縁膜で被覆された状態で半導体基板内に埋設されている。特許文献２の技術によれば、上述のカバレッジ不良という問題が回避される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２０１３５７号公報
【特許文献２】特開２００８−２３５６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２の温度センス部のｐｎダイオードは、絶縁膜で被覆された状態で半導体基板内に埋設されている。このような温度センス部では、絶縁膜が熱抵抗となることから、半導体基板の温度変化に高速で追随することができず、応答性が低いという問題がある。本明細書は、高い応答性を有する温度センス部を備え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】
本明細書で開示する半導体装置の一実施形態は、炭化珪素の半導体基板及び温度センス部を備える。半導体基板は、ｎ型のドリフト領域とｐ型のボディ領域が積層する部分を有する。温度センス部は、半導体基板内に設けられており、ボディ領域によってドリフト領域から隔てられている。温度センス部は、ｎ型のカソード領域及びｐ型のアノード領域を有する。カソード領域は、ボディ領域に接する。アノード領域は、カソード領域によってボディ領域から隔てられている。
【０００７】
上記実施形態の温度センス部では、カソード領域が半導体基板のボディ領域に直接的に接している。即ち、温度センス部のｐｎダイオードが絶縁膜で被覆されていない。このため、温度センス部のｐｎダイオードと半導体基板の間に熱抵抗となるものが存在しないので、温度センス部は、高い応答性を有することができる。また、カソード領域とボディ領域の間には逆方向のｐｎダイオードが構成されているので、温度センス部のｐｎダイオードを流れる電流がボディ領域にリークすることが抑制されている。このため、温度センス部は、リーク電流によって温度検知が不正確になるという事態が抑えられている。また、上記実施形態の半導体装置では、半導体基板の材料が炭化珪素である。炭化珪素の半導体基板は、不純物の拡散係数が低いという特徴を有する。このため、温度センス部のｐｎダイオードを構成するカソード領域及びアノード領域の不純物が半導体基板に拡散することが抑えられる。これにより、温度センス部のｐｎダイオードは、製造工程中の温度条件のバラツキに対して高いロバスト性があり、所望の温度検知特性を有することができる。例えば、半導体基板の材料がシリコンの場合、温度センス部のｐｎダイオードが半導体基板に直接的に接していると、温度センス部のｐｎダイオードを構成するカソード領域及びアノード領域の不純物が半導体基板に拡散する。このため、温度センス部のｐｎダイオードは、製造工程中の温度条件のバラツキに依存してその形状が大きく異なることとなる。これにより、温度センス部の温度検知特性は、製造工程中の温度条件のバラツキによって大きくばらついてしまう。換言すると、半導体基板の材料がシリコンの場合、温度センス部のｐｎダイオードを所望の形状で形成するためには、温度センス部のｐｎダイオードを絶縁膜で被覆する必要性がある。一方、上記実施形態の半導体装置は、半導体基板の材料に炭化珪素を採用したことにより、温度センス部のｐｎダイオードが半導体基板の直接的に接していても、製造工程中の温度条件のバラツキに依存せずに、所望の形状で形成される。このため、上記実施形態の半導体装置の温度センス部は、安定した温度検知特性を有することができる。即ち、上記実施形態の半導体装置の温度センス部は、半導体基板の材料に炭化珪素を採用したことにより、高い応答性と安定した温度検知特性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本明細書で開示する半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のI-I線に対応した断面図である。
【図２】本明細書で開示する半導体装置の概略平面図であって、トレンチゲート及び温度センス部のレイアウトを示す図である。
【図３】本明細書で開示する半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のIII-III線に対応した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示されるように、半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴと称されるパワー半導体素子であり、半導体基板１０、半導体基板１０の裏面１０ａを被覆するドレイン電極２２、半導体基板１０の表面１０ｂを被覆するソース電極２４及び半導体基板１０の上層部に設けられているトレンチゲート３０を備える。トレンチゲート３０は、半導体基板１０の表面１０ｂに対して直交する方向から観測したときに、ストライプ状に配置されている（図２参照）。
【００１０】
半導体基板１０は、炭化珪素（ＳｉＣ）を材料とする基板であり、ｎ+型のドレイン領域１２、ｎ-型のドリフト領域１４、ｐ型のボディ領域１６、ｐ+型のボディコンタクト領域１７及びｎ+型のソース領域１８を有する。
【００１１】
ドレイン領域１２は、半導体基板１０の裏層部に配置されており、半導体基板１０の裏面１０ａに露出する。ドレイン領域１２は、後述するドリフト領域１４がエピタキシャル成長するための下地基板でもある。ドレイン領域１２は、半導体基板１０の裏面１０ａを被膜するドレイン電極２２にオーミック接触する。
【００１２】
ドリフト領域１４は、ドレイン領域１２上に設けられている。ドリフト領域１４は、トレンチゲート３０の底面及び側面に接する。ドリフト領域１４は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域１２の表面から結晶成長して形成される。ドリフト領域１４の不純物濃度は、半導体基板１０の厚み方向に一定である。
【００１３】
ボディ領域１６は、ドリフト領域１４上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されている。ボディ領域１６は、トレンチゲート３０の側面に接する。ボディ領域１６は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドリフト領域１４の表面から結晶成長して形成される。
【００１４】
ボディコンタクト領域１７は、ボディ領域１６上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の表面１０ｂに露出する。ボディコンタクト領域１７は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。ボディコンタクト領域１７は、半導体基板１０の表面１０ｂを被膜するソース電極２４にオーミック接触する。
【００１５】
ソース領域１８は、ボディ領域１６上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の表面１０ｂに露出する。ソース領域１８は、ボディ領域１６によってドリフト領域１４から隔てられている。ソース領域１８は、トレンチゲート３０の側面に接する。ソース領域１８は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部に窒素又はリンを導入して形成される。ソース領域１８は、半導体基板１０の表面１０ｂを被膜するソース電極２４にオーミック接触する。
【００１６】
トレンチゲート３０は、半導体基板１０の表面１０ｂから深部に向けて伸びるトレンチ３０Ｔ内に充填されており、ゲート絶縁膜３２及びゲート電極３４を有する。トレンチゲート３０は、ソース領域１８及びボディ領域１６を貫通してドリフト領域１４に達する。ソース領域１８及びボディ領域１６はトレンチゲート３０の側面に接しており、ドリフト領域１４はトレンチゲート３０の底面及び側面に接する。ゲート絶縁膜３２は、酸化シリコンである。ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２で被覆されており、不純物を含むポリシリコンである。また、ゲート電極３４は、分離絶縁膜５２によってソース電極２４から絶縁分離されている。
【００１７】
半導体装置１はさらに、半導体基板１０内に設けられている温度センス部４０を備える。温度センス部４０は、半導体基板１０の表面１０ｂから深部に向けて伸びるトレンチ４０Ｔ内に充填されており、ボディ領域１６によってドリフト領域１４、ソース領域１８及びトレンチゲート３０から隔てられている。温度センス部４０は、隣り合うトレンチゲート３０の間に配置されており、ｐ+型のアノード領域４２及びｎ+型のカソード領域４４を有する。アノード領域４２とカソード領域４４が、ｐｎダイオードを構成する。
【００１８】
アノード領域４２は、カソード領域４４によってボディ領域１６から隔てられている。カソード領域４４は、ボディ領域１６に接しており、ボディ領域１６によってドリフト領域１４、ソース領域１８及びトレンチゲート３０から隔てられている。アノード領域４２は、ボロンを含むポリシリコンで形成されている。カソード領域４４は、リンを含むポリシリコンで形成されている。温度センス部４０は、ドライエッチング技術を利用して半導体基板１０の表層部にトレンチ４０Ｔを形成し、ＣＶＤ技術を利用してそのトレンチ４０Ｔ内にｎ型のポリシリコンを充填した後に、イオン注入技術を利用してポリシリコンにｐ型不純物を導入することで形成される。また、アノード領域４２及びカソード領域４４は、分離絶縁膜５２によってソース電極２４から絶縁分離されている。
【００１９】
図２に示されるように、温度センス部４０は、半導体基板１０の表面１０ｂに直交する方向から観測したときに、複数のトレンチゲート３０が設けられているアクティブ領域１０Ａの概ね中央に配置されているとともに、トレンチゲート３０の長手方向に沿って伸びている。このレイアウトは一例であり、温度センス部４０は、アクティブ領域１０Ａ内の複数箇所に分散して配置されていてもよい。
【００２０】
図３に、温度センス部４０の長手方向の端部近傍の要部断面図を示す。温度センス部４０のアノード領域４２は、分離絶縁膜５２の開口５２ａにおいてアノード電極４２ａにオーミック接触する。温度センス部４０のカソード領域４４は、分離絶縁膜５２の開口５２ａとは異なる開口５２ｂにおいてカソード電極４４ａにオーミック接触する。この例では、アノード領域４２とアノード電極４２ａが接する部分は温度センス部４０の長手方向の中央部近傍に配置されており、カソード領域４４とカソード電極４４ａが接する部分は温度センス部４０の長手方向の端部近傍に配置されている。この配置は一例であり、アノード領域４２とアノード電極４２ａが接する部分とカソード領域４４とカソード電極４４ａが接する部分が温度センス部４０の長手方向に沿って交互に配置されるように、アノード領域４２とアノード電極４２ａが接する部分が複数箇所で形成されており、カソード領域４４とカソード電極４４ａが接する部分が複数箇所で形成されていてもよい。
【００２１】
次に、半導体装置１の動作を説明する。ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、トレンチゲート３０のゲート電極３４が接地されていると、半導体装置１はオフである。ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、トレンチゲート３０のゲート電極３４にソース電極２４よりも正となる電圧が印加されていると、半導体装置１はオンである。このとき、ソース領域１８とドリフト領域１４を隔てるボディ領域１６のうちのトレンチゲート３０の側面に対向する部分に反転層が形成される。ソース領域１８から供給される電子は、その反転層を経由してドリフト領域１４に達する。このように、半導体装置１では、ドレイン電極２２、ドレイン領域１２、ドリフト領域１４、ボディ領域１６の反転層、ソース領域１８及びソース電極２４の順に主電流が流れる。半導体装置１は、トレンチゲート３０のゲート電極３４に印加する電圧に応じて、オンとオフを繰り返すスイッチング動作を行うことができる。
【００２２】
次に、温度センス部４０の動作を説明する。温度センス部４０のアノード電極４２ａとカソード電極４４ａは、外部の制御部（図示省略）に接続されている。制御部は、アノード電極４２ａにカソード電極４４ａよりも正となる電圧を印加し、アノード電極４２ａとカソード電極４４ａの間に一定電流を流すように制御する。半導体装置１がスイッチング動作を行うと、半導体基板１０の温度が上昇する。すると、温度センス部４０のｐｎダイオードの順方向電圧が、半導体基板１０の温度に依存して変化する。制御部は、温度センス部４０のｐｎダイオードの順方向電圧を測定し、その測定値から温度を検知する。
【００２３】
半導体装置１の温度センス部４０では、カソード領域４４が半導体基板１０のボディ領域１６に直接的に接していることを１つの特徴とする。このため、温度センス部４０のｐｎダイオードと半導体基板１０の間に熱抵抗となるものが存在しないので、温度センス部４０は、高い応答性を有することができる。また、カソード領域４４とボディ領域１６の間には逆方向のｐｎダイオードが構成されているので、温度センス部４０のｐｎダイオードを流れる電流がボディ領域１６にリークすることが抑制されている。このため、温度センス部４０は、リーク電流によって温度検知が不正確になるという事態が抑えられている。
【００２４】
また、半導体装置１は、温度センス部４０がボディ領域１６によってドリフト領域１４、ソース領域１８及びトレンチゲート３０（即ち、ボディ領域１６の反転層）から隔てられていることを１つの特徴とする。このため、半導体装置１を流れる主電流が温度センス部４０に流入することが抑えられている。特に、ボディ領域１６内を流れる主電流は、トレンチゲート３０の側面に形成される反転層を流れることから、この反転層からボディ領域１６によって隔てられている温度センス部４０に主電流が流入することが抑えられている。したがって、温度センス部４０は、半導体装置１を流れる主電流の影響により温度検知が不正確になるという事態が抑えられている。
【００２５】
さらに、半導体装置１は、半導体基板１０の材料が炭化珪素であることを１つの特徴とする。炭化珪素の半導体基板１０は、不純物の拡散係数が低いという特徴を有する。このため、温度センス部４０のｐｎダイオードを構成するアノード領域４２及びカソード領域４４の不純物が半導体基板１０に拡散することが抑えられる。これにより、温度センス部４０のｐｎダイオードは、製造工程中の温度条件にバラツキがあっても、所望の形状で形成される。したがって、温度センス部４０のｐｎダイオードは、製造工程中の温度条件にバラツキがあっても、所望の温度検知特性を有することができる。このように、半導体装置１は、半導体基板１０の材料に炭化珪素を採用したことにより、温度センス部４０のｐｎダイオードが半導体基板１０に直接的に接していても、安定した温度検知特性を有することができる。
【００２６】
また、炭化珪素の半導体基板１０を採用したことにより、ｐｎダイオードを構成するアノード領域４２及びカソード領域４４の不純物が半導体基板１０に拡散することが抑えられるので、温度センス部４０を少ない面積で半導体基板１０内に形成することができる。図１に示されるように、半導体装置１では、隣り合うトレンチゲート３０の間の狭い領域に温度センス部４０を配置することができる。換言すると、温度センス部４０が形成されていても、隣り合うトレンチゲート３０のピッチ幅を狭くすることができる。これにより、半導体装置１のアクティブ領域１０Ａの減少によるオン抵抗の増加を抑えながら、温度センス部４０を搭載することができる。
【００２７】
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。
【００２８】
本明細書で開示する半導体装置としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が例示される。これらの半導体装置の一実施形態は、炭化珪素の半導体基板及び温度センス部を備えていてもよい。半導体基板は、ｎ型のドリフト領域とｐ型のボディ領域が積層する部分を有する。ドリフト領域とボディ領域の間の他の領域が介在していてもよい。温度センス部は、半導体基板内に設けられており、ボディ領域によってドリフト領域から隔てられている。温度センス部は、ｎ型のカソード領域及びｐ型のアノード領域を有する。カソード領域は、ボディ領域に接する。アノード領域は、カソード領域によってボディ領域から隔てられている。
【００２９】
上記実施形態の半導体装置はさらに、ボディ領域を貫通してドリフト領域に達する複数のトレンチゲートを備えていてもよい。この場合、温度センス部は、隣り合うトレンチゲートの間に配置されており、ボディ領域によってトレンチゲートから隔てられている。上記実施形態の温度センス部は、炭化珪素の半導体基板の採用による不純物拡散の抑制効果により、少ない面積で半導体基板内に設けられ得る。このため、上記実施形態の温度センス部は、隣り合うトレンチゲートの間の狭い領域にも配置され得る。このため、上記実施形態の半導体装置は、オン抵抗の増加を抑えながら、温度センス部を有することができる。
【００３０】
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】
【００３１】
１：半導体装置
１０：半導体基板
１２：ドレイン領域
１４：ドリフト領域
１６：ボディ領域
１７：ボディコンタクト領域
１８：ソース領域
２２：ドレイン電極
２４：ソース電極
３０：トレンチゲート
３２：ゲート絶縁膜
３４：ゲート電極
４０：温度センス部
４２：アノード領域
４４：カソード領域
５２：分離絶縁膜
【図１】
0006659418.tif 000002
【図２】
0006659418.tif 000003
【図３】
0006659418.tif 000004