(57)【要約】【課題】トレンチゲートを備える半導体装置において、電界集中によるトレンチゲートの絶縁破壊に対策する技術を提供する。【解決手段】  半導体装置１のトレンチゲート２０は、中心領域に設けられているメイン部２０Ａ及び終端領域に設けられているとともにメイン部２０Ａに連結する連結部２０Ｂを有する。トレンチゲート２０の連結部２０Ｂがゲートパッドである。【選択図】図４
2016213421.tif 000002
【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を取り囲む終端領域に区画されている半導体基板と、
前記半導体基板の上面から深部に向けて伸びているトレンチゲートと、を備え、
前記トレンチゲートは、
前記中心領域に設けられているメイン部と、
前記終端領域に設けられており、前記メイン部に連結する連結部と、を有し、
前記トレンチゲートの前記連結部がゲートパッドである、半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板は、
前記トレンチゲートに接する第１導電型のボディ領域と、
前記中心領域に配置されており、前記ボディ領域上に設けられており、前記トレンチゲートの前記メイン部に接する第２導電型のソース領域と、
前記終端領域に配置されており、前記トレンチゲートの前記連結部に接しており、前記ボディ領域の不純物濃度よりも濃い不純物濃度の第１導電型の高濃度領域と、を有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記高濃度領域は、前記トレンチゲートの前記連結部の側面及び底面の双方に接する、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記トレンチゲートは、ゲート絶縁膜及びそのゲート絶縁膜で被覆されているゲート電極を含み、
前記トレンチゲートの前記連結部の前記ゲート絶縁膜の膜厚が、前記トレンチゲートの前記メイン部の前記ゲート絶縁膜の膜厚よりも厚い、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】
前記半導体基板の材料が炭化珪素である、請求項１〜４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】
本明細書で開示する技術は、トレンチゲートを備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トレンチゲートを備える半導体装置の開発が進められている。この種の半導体装置は、中心領域とその中心領域の周囲を取り囲む終端領域に区画されている半導体基板を備える。トレンチゲートは、半導体基板の中心領域に設けられており、例えば、ストライプ状のレイアウトを有する。
【０００３】
図７に、従来の半導体装置のトレンチゲートの端部の様子を示す。このように、トレンチゲート１２０のゲート電極は、半導体基板の終端領域上に設けられているゲートパッド１２２に接続される。このため、トレンチゲート１２０の端部にはコーナー部１２４が形成される。このトレンチゲート１２０の端部のコーナー部１２４には、電界が集中することが知られている。この電界集中は、トレンチゲート１２０のゲート電極とゲートパッド１２２の双方に印加される電圧によって生じる電界が横方向と上下方向から影響を及ぼすからだと考えられている。このような電界集中によるトレンチゲートの絶縁破壊を抑制するために、特許文献１は、トレンチゲートの端部のゲート絶縁膜を選択的に厚くする技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高品質なゲート絶縁膜を厚く形成することが難しい。本明細書は、トレンチゲートを備える半導体装置において、電界集中によるトレンチゲートの絶縁破壊を抑制する技術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、半導体基板及びトレンチゲートを備える。半導体基板は、中心領域とその中心領域を取り囲む終端領域に区画されている。トレンチゲートは、半導体基板の上面から深部に向けて伸びている。トレンチゲートは、メイン部及び連結部を有する。メイン部は、中心領域に設けられている。連結部は、終端領域に設けられており、メイン部に連結する。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの連結部がゲートパッドである。
【０００７】
上記実施形態の半導体装置は、トレンチゲートの連結部がゲートパッドとして利用されることを特徴とする。このため、上記実施形態の半導体装置では、メイン部と連結部の間にコーナー部が形成されない。これにより、上記実施形態の半導体装置では、従来の半導体装置で問題となっていた電界集中がそもそも生じないので、トレンチゲートの絶縁破壊が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図４のI-I線に対応した断面図である。
【図２】実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図４のII-II線に対応した断面図である。
【図３】実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図４のIII-III線に対応した断面図である。
【図４】実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図１のIV-IV線に対応した断面図である。
【図５】変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図４のII-II線に対応した断面図である。
【図６】変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図４のIII-III線に対応した断面図である。
【図７】従来の半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、トレンチゲートの長手方向に沿った断面図である。
【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、半導体基板及びトレンチゲートを備えていてもよい。これら半導体装置の一実施形態は、典型的には縦型であり、半導体基板の上面及び下面の各々に一対の主電極を備えていてもよい。半導体基板の材料は特に限定するものではないが、後述するように、本明細書で開示される技術は、半導体基板の材料が炭化珪素の場合に特に有用である。半導体基板は、中心領域とその中心領域を取り囲む終端領域に区画されている。トレンチゲートは、半導体基板の上面から深部に向けて伸びている。トレンチゲートは、メイン部と連結部を有する。メイン部は、中心領域に設けられている。メイン部のレイアウトは、特に限定するものではないが、例えば、ストライプ状及び格子状等が例示される。連結部は、終端領域に設けられており、メイン部に連結する。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの連結部がゲートパッドである。
【００１１】
半導体基板は、第１導電型のボディ領域、第２導電型のソース領域及び第１導電型の高濃度領域を有していてもよい。ボディ領域は、トレンチゲートに接する。ソース領域は、中心領域に配置されており、ボディ領域上に設けられており、トレンチゲートのメイン部に接する。高濃度領域は、終端領域に配置されており、トレンチゲートの連結部に接しており、ボディ領域の不純物濃度よりも濃い不純物濃度である。このような高濃度領域がトレンチゲートの連結部に接していると、高濃度領域が設けられている部分において、ゲートリークが抑えられる。
【００１２】
高濃度領域は、トレンチゲートの連結部の側面及び底面の双方に接してもよい。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの連結部におけるゲートリークがさらに抑えられる。
【００１３】
トレンチゲートは、ゲート絶縁膜及びそのゲート絶縁膜で被覆されているゲート電極を有していてもよい。トレンチゲートの連結部のゲート絶縁膜の膜厚が、トレンチゲートのメイン部のゲート絶縁膜の膜厚よりも厚い。この実施形態の半導体装置では、トレンチゲートの連結部における絶縁破壊がさらに抑制される。
【００１４】
半導体基板の材料が炭化珪素であってもよい。半導体基板が炭化珪素の半導体装置では、トレンチゲートのゲート絶縁膜の品質が低いことが多く、電界集中によるトレンチゲートの絶縁破壊が問題となる。このため、本明細書で開示する技術は、半導体基板が炭化珪素の場合に特に有用である。
【実施例１】
【００１５】
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及びトレンチゲート２０を備える。
【００１６】
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１１、ｎ型のドリフト領域１２、ｐ型のボディ領域１３、ｐ+型のボディコンタクト領域１４及びｎ+型のソース領域１５を有する。
【００１７】
ドレイン領域１１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の下面１０ｂに露出する。ドレイン領域１１は、後述するドリフト領域１２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１１は、半導体基板１０の下面１０ｂを被膜するドレイン電極（図示省略）にオーミック接触する。一例では、ドレイン領域１１の不純物濃度は約１×１０19ｃｍ-3以上であるのが望ましい。
【００１８】
ドリフト領域１２は、ドレイン領域１１上に設けられている。ドリフト領域１２は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域１１の表面から結晶成長して形成される。ドリフト領域１２の不純物濃度は、半導体基板１０の厚み方向に一定である。一例では、ドリフト領域１２の不純物濃度は約１×１０15〜５×１０16ｃｍ-3であるのが望ましい。
【００１９】
ボディ領域１３は、ドリフト領域１２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１３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。一例では、ボディ領域１３のドーズ量は約１×１０11〜１×１０13ｃｍ-2であり、ピーク濃度が約１×１０16〜１×１０18ｃｍ-3であるのが望ましい。なお、ボディ領域１３は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドリフト領域１２の表面から結晶成長して形成されてもよい。
【００２０】
ボディコンタクト領域１４は、ボディ領域１３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の上面１０ａに露出する。ボディコンタクト領域１４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１４は、半導体基板１０の上面１０ａを被膜するソース電極（図示省略）にオーミック接触する。一例では、ボディコンタクト領域１４のドーズ量は約１×１０14〜１×１０15ｃｍ-2であり、ピーク濃度が約１×１０19〜２×１０20ｃｍ-3であるのが望ましい。
【００２１】
ソース領域１５は、ボディ領域１３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の上面１０ａに露出する。ソース領域１５は、ボディ領域１３によってドリフト領域１２から隔てられている。ソース領域１５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１５は、半導体基板１０の上面１０ａを被膜するソース電極（図示省略）にオーミック接触する。一例では、ソース領域１５のドーズ量は約１×１０14〜５×１０15ｃｍ-2であり、ピーク濃度が約１×１０19〜５×１０20ｃｍ-3であるのが望ましい。
【００２２】
トレンチゲート２０は、半導体基板１０の上面１０ａから深部に向けて伸びるトレンチ２０ａ内に設けられており、ゲート絶縁膜２２及びゲート電極２４を有する。ゲート絶縁膜２２は、トレンチ２０ａの内壁上に設けられており、酸化シリコンである。ゲート絶縁膜２２は、ＣＶＤ技術を利用して、トレンチ２０ａの内壁に堆積される。ゲート電極２４は、ゲート絶縁膜２２で被覆されており、不純物を含むポリシリコンである。ゲート電極２４は、トレンチ２０ａの内壁にゲート絶縁膜２２を形成した後に、ＣＶＤ技術を利用して、トレンチ２０ａ内に充填される。
【００２３】
ここで、半導体基板１０は、中心領域及びその中心領域を取り囲む終端領域に区画されている。例えば、半導体基板１０を平面視したときに、中心領域は矩形状に区画されており、終端領域はその中心領域の周囲を一巡するように区画されている。なお、半導体基板１０の中心領域は、半導体基板１０の下面１０ｂを被覆するドレイン電極（図示省略）と半導体基板１０の上面１０ａを被覆するソース電極（図示省略）の間を流れる電流の経路となる領域であり、ソース領域１５が配置されている範囲に対応する。また、中心領域は、アクティブ領域とも称される。
【００２４】
図４に、中心領域と終端領域の境界の一部の様子を示す。図４に示されるように、トレンチゲート２０は、中心領域に設けられているメイン部２０Ａ及び終端領域に設けられている連結部２０Ｂを有する。メイン部２０Ａは、半導体基板１０の上面１０ａに直交する方向から観測したときに、ストライプ状のレイアウトを有する。連結部２０Ｂは、メイン部２０Ａに連結しており、ゲート配線部２０Ｂａ及びゲートパッド部２０Ｂｂを含む。図１，２及び３に示されるように、トレンチゲート２０のメイン部２０Ａと連結部２０Ｂは、同一深さで形成されている。即ち、トレンチゲート２０のメイン部２０Ａと連結部２０Ｂは、半導体基板１０の表層部に同一の製造工程で形成されたトレンチ２０ａ内に形成されており、中心領域に対応する部分がメイン部２０Ａとなり、終端領域に対応する部分が連結部２０Ｂとなる。
【００２５】
図１に示されるように、トレンチゲート２０のメイン部２０Ａは、ソース領域１５及びボディ領域１３を貫通してドリフト領域１２に達する。ソース領域１５及びボディ領域１３はトレンチゲート２０のメイン部２０Ａの側面に接しており、ドリフト領域１２はトレンチゲート２０のメイン部２０Ａの側面及び底面に接する。
【００２６】
図４に示されるように、ソース領域１５は、トレンチゲート２０のメイン部２０Ａの長手方向に平行な一対の側面の全範囲に接するように設けられている。この例に代えて、ソース領域１５は、トレンチゲート２０のメイン部２０Ａの長手方向に平行な一対の側面の一部に接するように、即ち、分散して配置されていてもよい。トレンチゲート２０のメイン部２０Ａの端部は、トレンチゲート２０の連結部２０Ｂのゲート配線部２０Ｂａ又はゲートパッド部２０Ｂｂに連結する。
【００２７】
トレンチゲート２０の連結部２０Ｂのゲート配線部２０Ｂａは、終端領域に沿って中心領域の周囲を一巡して設けられている。連結部２０Ｂのゲート配線部２０Ｂａの幅２０Ｗａ（中心領域と終端領域の境界に直交する方向の幅）は幅広であり、メイン部２０Ａの幅２０Ｗよりも広い。トレンチゲート２０の連結部２０Ｂのゲートパッド部２０Ｂｂは、中心領域の周囲の一部に設けられている。連結部２０Ｂのゲートパッド部２０Ｂｂの幅２０Ｗｂ（中心領域と終端領域の境界に直交する方向の幅）は幅広であり、メイン部２０Ａの幅２０Ｗよりも広く、ゲート配線部２０Ｂａの幅２０Ｗａよりも広い。換言すると、連結部２０Ｂのゲートパッド部２０Ｂｂは、ゲート配線部２０Ｂａの一部の幅が広くなった領域でもある。連結部２０Ｂのゲートパッド部２０Ｂｂにはゲートワイヤがボンディングされる（図２参照）。
【００２８】
図２，３及び４に示されるように、半導体基板１０は、終端領域に設けられているｐ+型の高濃度領域１６をさらに有する。高濃度領域１６は、半導体基板１０の表層部に配置されており、半導体基板１０の上面１０ａに露出する。高濃度領域１６は、トレンチゲート２０の連結部２０Ｂの側面及び底面の双方に接する。高濃度領域１６の不純物濃度は、ボディ領域１３の不純物濃度よりも濃い。高濃度領域１６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。一例では、高濃度領域１６のドーズ量は約１×１０13〜１×１０15ｃｍ-2であり、ピーク濃度が約１×１０18〜２×１０20ｃｍ-3であるのが望ましい。
【００２９】
次に、図１を参照し、半導体装置１の動作を説明する。ドレイン領域１１に接続するドレイン電極（図示省略）に正電圧が印加され、ボディコンタクト領域１４及びソース領域１５に接続するソース電極（図示省略）が接地され、トレンチゲート２０のゲート電極２４が接地されていると、半導体装置１はオフである。ドレイン領域１１に接続するドレイン電極（図示省略）に正電圧が印加され、ボディコンタクト領域１４及びソース領域１５に接続するソース電極（図示省略）が接地され、トレンチゲート２０のゲート電極２４にソース電極（図示省略）よりも正となる電圧が印加されると、ドリフト領域１２とソース領域１５を隔てるボディ領域１３のうちのトレンチゲート２０の側面に反転層が形成され、その反転層を介して電流が流れ、半導体装置１がオンとなる。
【００３０】
図７に例示したように、従来の半導体装置では、トレンチゲートの端部にコーナー部が形成されており、トレンチゲートのゲート電極に正電圧が印加されると、そのコーナー部において電界が集中していた。一方、本実施例の半導体装置１では、トレンチゲートのメイン部２０Ａと連結部２０Ｂが連続しており、その連結部２０Ｂにゲートパッド部２０Ｂｂが設けられている。このため、半導体装置１では、トレンチゲート２０のメイン部２０Ａと連結部２０Ｂの間にコーナー部が存在しない。これにより、半導体装置１では、従来の半導体装置で問題となっていた電界集中がそもそも生じないので、トレンチゲート２０の絶縁破壊が抑制される。
【００３１】
さらに、図２，３に示されるように、半導体装置１では、トレンチゲート２０の連結部２０Ｂの側面及び底面の双方に接するように高濃度領域１６が設けられている。連結部２０Ｂの側面及び底面は、トレンチゲート２０の端部に対応しており、メイン部２０Ａに比して電界が集中し易い。半導体装置１では、このような部分に高濃度領域１６が設けられているので、この部分におけるゲートリークが抑えられる。
【００３２】
また、半導体装置１の半導体基板１０は、炭化珪素を材料としている。半導体基板１０が炭化珪素の半導体装置１では、トレンチゲート２０のゲート絶縁膜２２の品質が低い。これは、理論値で比較しても、炭化珪素と酸化シリコンの障壁（φＢ）が、シリコンと酸化シリコンの障壁（φＢ）よりも低いこと、さらに、形状的な効果（トレンチ凸部への電界集中）によること、が理由である。しかしながら、半導体装置１では、トレンチゲート２０のメイン部２０Ａと連結部２０Ｂの間にコーナー部が存在しないので、低品質なゲート絶縁膜２２であっても絶縁破壊が抑制される。このように、トレンチゲート２０の連結部２０Ｂをゲートパッドとする技術は、半導体基板１０の材料が炭化珪素の場合に特に有用である。
【００３３】
また、図５，６に示すように、トレンチゲート２０のゲート絶縁膜２２について、連結部２０Ｂの膜厚がメイン部２０Ａの膜厚よりも厚く構成されていてもよい。このように構成されていることにより、連結部２０Ｂにおける絶縁破壊がさらに抑制される。
【００３４】
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】
【００３５】
１：半導体装置
１０：半導体基板
１１：ドレイン領域
１２：ドリフト領域
１３：ボディ領域
１４：ボディコンタクト領域
１５：ソース領域
１６：高濃度領域
２０：トレンチゲート
２０Ａ：メイン部
２０Ｂ：連結部
２０Ｂａ：ゲートパッド部
２０Ｂｂ：ゲート配線部
２２：ゲート絶縁膜
２４：ゲート電極
【図１】
2016213421.tif 000003
【図２】
2016213421.tif 000004
【図３】
2016213421.tif 000005
【図４】
2016213421.tif 000006
【図５】
2016213421.tif 000007
【図６】
2016213421.tif 000008
【図７】
2016213421.tif 000009