特開 2023-121077 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023121077

(43)【公開日】2023-08-30

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/78 20060101AFI20230823BHJP

   H01L 29/861 20060101ALI20230823BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20230823BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652C

H01L29/78 653A

H01L29/78 652J

H01L29/78 657D

H01L29/91 C

H01L29/78 652T

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022024321

(22)【出願日】2022-02-18

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山下 侑佑

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 順

(57)【要約】

【課題】セルフターンオンを抑制する技術を提供する。
【解決手段】半導体装置の半導体層は、第１導電型のドリフト領域と、ドリフト領域上に設けられており、トレンチゲート部の側面に接している第２導電型のベース領域と、ベース領域上に設けられており、半導体層の上面に露出する位置に配置されている第１導電型のソース領域と、ベース領域に接しており、半導体層の上面に露出する位置に配置されており、ベース領域よりも第２導電型不純物の濃度が高い第２導電型のコンタクト領域と、ベース領域内に設けられており、ベース領域によってドリフト領域とソース領域から隔てられており、トレンチゲート部の側面に接している第１導電型の分離領域と、を有している。分離領域は、平面視したときに、ソース領域が存在する範囲の少なくとも一部に配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体層と、
前記半導体層の下面に被膜されている第１主電極と、
前記半導体層の上面に被膜されている第２主電極と、
前記半導体層の上層部に設けられているトレンチゲート部と、を備えており、
前記半導体層は、
第１導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられており、前記トレンチゲート部の側面に接している第２導電型のベース領域と、
前記ベース領域上に設けられており、前記半導体層の上面に露出する位置に配置されており、前記第２主電極に電気的に接続されている第１導電型のソース領域と、
前記ベース領域に接しており、前記半導体層の上面に露出する位置に配置されており、前記第２主電極に電気的に接続されており、前記ベース領域よりも第２導電型不純物の濃度が高い第２導電型のコンタクト領域と、
前記ベース領域内に設けられており、前記ベース領域によって前記ドリフト領域と前記ソース領域から隔てられており、前記トレンチゲート部の側面に接している第１導電型の分離領域と、を有しており、
前記分離領域は、平面視したときに、前記ソース領域が存在する範囲の少なくとも一部に配置されているとともに、前記コンタクト領域が存在する範囲の少なくとも一部に配置されていない、半導体装置。

【請求項2】

前記分離領域は、平面視したときに、前記ソース領域が存在する範囲を全て含むように配置されている、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記ベース領域は、
前記分離領域の下方に配置されている下側ベース領域部分と、
前記分離領域の上方に配置されている上側ベース領域部分と、
前記コンタクト領域の下面に接するとともに、前記コンタクト領域の前記下面から前記下側ベース領域部分よりも深く延びている接続ベース領域部分と、を含んでいる、請求項１又は２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記分離領域は、前記接続ベース領域部分に接している、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記半導体層が炭化珪素である、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】

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、トレンチゲート部を備えたＭＯＳＦＥＴと称される種類の半導体装置の一例を開示する。このような半導体装置にはダイオードが内蔵されている。半導体装置の内蔵ダイオードに順バイアスが印加されると、ｎ型のドレイン領域からｎ型のドリフト領域に電子が注入され、ｐ型のベース領域からドリフト領域に正孔が注入される。内蔵ダイオードに印加される電圧が順バイアスから逆バイアスに変化すると、順バイアスのときにドリフト領域に注入された電子と正孔はそれぞれ、順バイアスのときとは逆向きに移動する。このような電子と正孔の逆向きの流れはリカバリ電流と呼ばれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－２３６１８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この内蔵ダイオードのリカバリ動作では、ドリフト領域内に注入されていた正孔がベース領域を経由してソース電極に排出される。このときの正孔電流に起因してベース領域の電位が上昇すると、バックゲート効果によってゲート閾値電圧が低下し、セルフターンオンが発生してしまう。この結果、リカバリ電流が増加し、リカバリ損失が増加する。本明細書は、セルフターンオンを抑制する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、半導体層と、前記半導体層の下面に被膜されている第１主電極と、前記半導体層の上面に被膜されている第２主電極と、前記半導体層の上層部に設けられているトレンチゲート部と、を備えることができる。前記半導体層は、第１導電型のドリフト領域と、前記ドリフト領域上に設けられており、前記トレンチゲート部の側面に接している第２導電型のベース領域と、前記ベース領域上に設けられており、前記半導体層の上面に露出する位置に配置されており、前記第２主電極に電気的に接続されている第１導電型のソース領域と、前記ベース領域に接しており、前記半導体層の上面に露出する位置に配置されており、前記第２主電極に電気的に接続されており、前記ベース領域よりも第２導電型不純物の濃度が高い第２導電型のコンタクト領域と、前記ベース領域内に設けられており、前記ベース領域によって前記ドリフト領域と前記ソース領域から隔てられており、前記トレンチゲート部の側面に接している第１導電型の分離領域と、を有することができる。前記分離領域は、平面視したときに、前記ソース領域が存在する範囲の少なくとも一部に配置されているとともに、前記コンタクト領域が存在する範囲の少なくとも一部に配置されていない。この半導体装置によると、逆バイアスのときに前記ドリフト領域から前記ベース領域に流れてきたキャリアは、前記分離領域によって移動が遮られるので、前記分離領域を迂回するように移動して前記コンタクト領域から前記第２主電極に排出される。このため、前記分離領域と前記ソース領域の間に位置する前記ベース領域の部分では、前記キャリアの移動が抑制されるので、その部分におけるバックゲート効果が抑えられる。この結果、本実施形態の半導体装置では、バックゲート効果によってゲート閾値電圧が低下することが抑制されるので、セルフターンオンの発生も抑制される。

【0006】

前記分離領域は、平面視したときに、前記ソース領域が存在する範囲を全て含むように配置されていてもよい。この半導体装置によると、より効果的にセルフターンオンの発生が抑制される。

【0007】

前記ベース領域は、前記分離領域の下方に配置されている下側ベース領域部分と、前記分離領域の上方に配置されている上側ベース領域部分と、前記コンタクト領域の下面に接するとともに、前記コンタクト領域の前記下面から前記下側ベース領域部分よりも深く延びている接続ベース領域部分と、を含んでいてもよい。この場合、前記分離領域は、前記接続ベース領域部分に接していてもよい。前記分離領域を迂回するように移動する前記キャリアは、前記接続ベース領域部分を介して前記コンタクト領域から前記第２主電極にスムーズに排出される。

【0008】

前記半導体層が炭化珪素であってもよい。前記半導体層が炭化珪素の場合、特に低温のときに前記ベース領域の抵抗が大きくなる。このため、前記分離領域を有していない従来構造では、前記ベース領域内を前記キャリアが移動したときの電位変動が大きいことから、バックゲート効果によるセルフターンオンが問題となり易い。本明細書が開示する技術は、このようなセルフターンオンを抑制することができるので、前記半導体層が炭化珪素である場合に特に有用である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

【図2】比較例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

【図3】変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図１を参照して、ダイオードを内蔵したＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である半導体装置１を説明する。半導体装置１は、例えば、交流モータに交流電力を供給するインバータ装置に用いられ、内蔵ダイオードがフリーホイールダイオードとして動作する。

【0011】

図１に示されるように、半導体装置１は、半導体層１０と、半導体層１０の下面を被覆しているドレイン電極２２と、半導体層１０の上面を被覆しているソース電極２４と、半導体層１０の上層部に設けられているトレンチゲート部３０と、を備えている。なお、ドレイン電極２２が第１主電極の一例であり、ソース電極２４が第２主電極の一例である。ここで、半導体層１０の厚み方向がｚ方向であり、その厚み方向に直交するとともに単位セルの繰返し方向がｘ方向（以下、半導体層１０の横方向という）であり、ｚ軸方向とｘ方向の双方に直交する方向がｙ方向である。

【0012】

半導体層１０は、特に限定されるものではないが、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）であってもよい。半導体層１０は、ｎ型のドレイン領域１１と、ｎ型のドリフト領域１２と、ｐ型のベース領域１３と、ｎ型の分離領域１４と、ｎ型のソース領域１５と、ｐ型のコンタクト領域１６と、を有している。

【0013】

ドレイン領域１１は、半導体層１０の下面に露出する位置に配置されており、ドレイン電極２２にオーミック接触している。ドレイン領域１１は、例えば面方位が（０００１）の炭化珪素基板である。

【0014】

ドリフト領域１２は、ドレイン領域１１とベース領域１３の間に配置されており、ドレイン領域１１とベース領域１３の双方に接している。ドリフト領域１２は、ドレイン領域１１によってドレイン電極２２から隔てられており、ベース領域１３によってソース電極２４から隔てられている。ドリフト領域１２は、トレンチゲート部３０の底面及び側面の下端部に接している。ドリフト領域１２は、そのｎ型不純物の濃度がドレイン領域１１よりも低い。

【0015】

ベース領域１３は、ドリフト領域１２の上面に接して設けられている。ベース領域１３は、ドリフト領域１２とソース領域１５の間に配置されており、ドリフト領域１２とソース領域１５を隔てている。ベース領域１３は、ドリフト領域１２と分離領域１４の間に位置する下側ベース領域部分１３ａと、分離領域１４とソース領域１５の間に位置する上側ベース領域部分１３ｂと、を含む。これら下側ベース領域部分１３ａと上側ベース領域部分１３ｂは、トレンチゲート部３０の側面に接しており、これらの部分にチャネルが形成される。半導体装置１では、トレンチゲート部３０に印加されるゲート電圧に応じてチャネルを流れる電流量が制御される。

【0016】

分離領域１４は、ベース領域１３内に設けられており、下側ベース領域部分１３ａによってドリフト領域１２から隔てられており、上側ベース領域部分１３ｂによってソース領域１５から隔てられている。分離領域１４は、半導体層１０の所定深さに形成されており、トレンチゲート部３０の側面からトレンチゲート部３０の側面に直交する方向（半導体層１０の横方向（ｘ方向））に延びている。分離領域１４は、隣り合うトレンチゲート部３０の間の一部に形成されておらず、即ち、隣り合うトレンチゲート部３０の間で連続して形成されていない。

【0017】

分離領域１４は、一端がトレンチゲート部３０の側面に接している。分離領域１４は、平面視したときに、ソース領域１５が存在する範囲の少なくとも一部に配置されている。この例の分離領域１４は、平面視したときに、ソース領域１５が存在する範囲の全てを含むように配置されている。また、分離領域１４は、平面視したときに、コンタクト領域１６が存在する範囲の少なくとも一部に配置されていない。

【0018】

ソース領域１５は、ベース領域１３の上面に接して設けられており、半導体層１０の上面に露出する位置に配置されており、ソース電極２４にオーミック接触している。ソース領域１５は、トレンチゲート部３０の側面の上端部に接している。

【0019】

コンタクト領域１６は、ベース領域１３の上面に接しており、半導体層１０の上面に露出する位置に配置されており、ソース電極２４にオーミック接触している。コンタクト領域１６のｐ型不純物の濃度は、ベース領域１３のｐ型不純物の濃度よりも高い。

【0020】

トレンチゲート部３０は、半導体層１０の上面からドリフト領域１２に達するトレンチ内に設けられているゲート電極３２及びゲート絶縁膜３４を有している。ゲート電極３２は、ゲート絶縁膜３４で被膜されたトレンチ内に充填して形成されている。

【0021】

半導体装置１では、ドレイン領域１１をアノード領域とし、ベース領域１３をカソード領域とするダイオードが内蔵している。ドレイン電極２２よりもソース電極２４が高電位となるようにドレイン電極２２とソース電極２４の間に順バイアスが印加されると、ドレイン領域１１からドリフト領域１２に電子が注入され、ベース領域１３からドリフト領域１２に正孔が注入され、ソース電極２４からドレイン電極２２に電流が流れる。このように、半導体装置１の内蔵ダイオードは、フリーホイールダイオードとして動作することができる。ドレイン電極２２よりもソース電極２４が低電位となるようにドレイン電極２２とソース電極２４の間に逆バイアスが印加されると、順バイアスのときにドリフト領域１２に注入された電子と正孔はそれぞれ、順バイアスのときとは逆向きに移動する。このような電子と正孔の逆向きの流れはリカバリ電流と呼ばれる。

【0022】

図２に、比較例の半導体装置１００を示し、リカバリ電流のうちの正孔電流（Ｉ_ｈ）の流れを示す。なお、図１の半導体装置１と共通する構成要素には「１００」を加算した符号を付す。

【0023】

正孔電流Ｉ_ｈは、ドリフト領域１１２内に注入されていた正孔がベース領域１１３を経由してコンタクト領域１１６からソース電極１２４に排出されるときの電流である。ベース領域１１３の抵抗をＲ_ｂとすると、以下の数式に示すように、正孔電流Ｉ_ｈに起因してベース領域１１３の電位Ｖ_ｂが上昇する。

【数1】

【0024】

ここで、
ｑ：電子素量
ε：半導体の誘電率
Ｎ_ａ：ベース領域１１３のp型不純物の濃度
Ψ_ｂ：フェルミポテンシャル
Ｃ_ｏｘ：ゲート絶縁膜１３４の容量
とすると、ゲート閾値電圧Ｖ_ｔｈは、以下の数式で表すことができる。

【数2】

【0025】

上記数式からも明らかに、ベース領域１１３の電位Ｖ_ｂが上昇すると、ゲート閾値電圧Ｖ_ｔｈが低下する。このようなゲート閾値電圧の低下をバックゲート効果という。比較例の半導体装置１００では、バックゲート効果によってゲート閾値電圧が低下し、セルフターンオンが発生してしまう。この結果、リカバリ電流が増加し、リカバリ損失が増加する。

【0026】

一方、図１に示す半導体装置１では、正孔電流Ｉ_ｈの移動が分離領域１４によって遮られる。正孔電流Ｉ_ｈは、分離領域１４を迂回するように移動してコンタクト領域１６からソース電極２４に排出される。このため、上側ベース領域部分１３ｂでは、正孔電流Ｉ_ｈの移動が抑制されるので、その部分の電位の上昇が抑えられる。この結果、半導体装置１では、上側ベース領域部分１３ｂに対応する部分では、バックゲート効果によるゲート閾値電圧Ｖ_ｔｈの低下が抑制されるので、セルフターンオンの発生も抑制される。

【0027】

ここで、
μ_ｈ：正孔移動度
ｐ_ｂ：下側ベース領域部分１３ａのｐ型不純物の濃度
Ｗ_ｂ：下側ベース領域部分１３ａの奥行方向（ｙ方向）の長さ
ｄ_ｂ：下側ベース領域部分１３ａの厚み方向（ｚ方向）の膜厚
Ｎ_ｎ：分離領域１４のｎ型不純物の濃度
ｄ_ｎ：分離領域１４の厚み方向（ｚ方向）の膜厚
Ｌ_ｂ：トレンチゲート部３０の側面からの分離領域１４の横方向（ｘ方向）の長さ
ｎ_ｉ：真性キャリア密度
とすると、下側ベース領域部分１３ａの抵抗Ｒ_ｂと分離領域１４の抵抗Ｒ_ｎはそれぞれ、下記数式に表すことができる。

【数3】

【数4】

【0028】

半導体装置１において、下側ベース領域部分１３ａの抵抗Ｒ_ｂが分離領域１４の抵抗Ｒ_ｎよりも小さいと、正孔電流Ｉ_ｈが分離領域１４を迂回するように移動し、正孔電流Ｉ_ｈが上側ベース領域部分１３ｂを流れることが抑制される。このため、バックゲート効果によるセルフターンオンの発生がより効果的に抑えられる。半導体装置１では、上記数式を満たすように下側ベース領域部分１３ａと分離領域１４が形成されている。

【0029】

半導体装置１では、半導体層１０が炭化珪素である。炭化珪素では、特に低温のときに正孔移動度が大きく低下する。このため、図２に示す比較例の半導体装置１００の場合、ベース領域１１３の抵抗が大きくなり、正孔電流Ｉ_ｈがベース領域１１３を流れたときの電位変動が大きく、バックゲート効果によるセルフターンオンが問題となり易い。本実施形態の半導体装置１は、半導体層１０が炭化珪素であっても、このようなセルフターンオンを抑制することができる。本明細書が開示する技術は、半導体層１０が炭化珪素の場合に特に有用である。

【0030】

図３に、変形例の半導体装置２を示す。この半導体装置２では、ベース領域１３がさらに、接続ベース領域１３ｃを有している。接続ベース領域１３ｃは、コンタクト領域１６の下面に接するとともに、コンタクト領域１６の下面から下側ベース領域部分１３ａよりも深く延びている。この例ではさらに、接続ベース領域１３ｃは、トレンチゲート部３０よりも深く形成されている。接続ベース領域１３ｃのｐ型不純物の濃度は、下側ベース領域部分１３ａ及び上側ベース領域部分１３ｂのｐ型不純物の濃度よりも高くてもよい。このような接続ベース領域１３ｃが設けられていると、半導体装置２がオフしたときに、トレンチゲート部３０の底面の電界を緩和することができる。

【0031】

半導体装置２では、分離領域１４が接続ベース領域１３ｃに接している。半導体装置２では、逆バイアスのときに分離領域１４を迂回するように流れる正孔電流Ｉ_ｈは、接続ベース領域１３ｃを介してコンタクト領域１６からソース電極２４にスムーズに排出される。このため、より効果的にセルフターンオンの発生が抑制される。

【0032】

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】

【0033】

１：半導体装置、 １０：半導体層、 １１：ドレイン領域、 １２：ドリフト領域、 １３：ベース領域、 １３ａ：下側ベース領域部分、 １３ｂ：上側ベース領域部分、 １３ｃ：接続ベース領域、 １４：分離領域、 １５：ソース領域、 １６：コンタクト領域、 ２２：ドレイン電極、 ２４：ソース電極、 ３０：トレンチゲート部、 ３２：ゲート電極、 ３４：ゲート絶縁膜

【図1】

【図2】

【図3】