(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-23
(45)【発行日】2023-10-31
(54)【発明の名称】半導体装置とその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 29/78 20060101AFI20231024BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20231024BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20231024BHJP
H01L 29/06 20060101ALI20231024BHJP
【FI】
H01L29/78 652N
H01L29/78 652T
H01L29/78 652J
H01L29/78 652M
H01L29/78 658E
H01L29/78 658F
H01L29/06 301V
H01L29/06 301F
(21)【出願番号】P 2022073728
(22)【出願日】2022-04-27
(62)【分割の表示】P 2017168940の分割
【原出願日】2017-09-01
【審査請求日】2022-05-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(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】大川 峰司
【審査官】恩田 和彦
(56)【参考文献】
【文献】特開2012-079795(JP,A)
【文献】特開2010-225615(JP,A)
【文献】特開2010-258329(JP,A)
【文献】特開2015-185646(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 29/78
H01L 29/12
H01L 21/336
H01L 29/06
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ワイドギャップ半導体基板を備える半導体装置であって、
前記ワイドギャップ半導体基板が、
半導体素子が形成されている素子領域と、
前記素子領域の周囲に配置されている外周領域、
を備えており、
前記ワイドギャップ半導体基板が、
前記素子領域と前記外周領域に跨って分布しているn型のドリフト層と、
前記素子領域内であって前記ドリフト層上に配置されているp型のボディ層、
を備えており、
前記外周領域内の前記ワイドギャップ半導体基板の上面に、前記素子領域を多重に囲むように環状に伸びている複数の特定トレンチが設けられており、
前記外周領域内で前記素子領域を多重に囲むように環状に伸びている複数の外周電極であって、それぞれが対応する前記特定トレンチ内で前記ドリフト層にショットキー接触している複数の外周電極を備えており、
前記ボディ層の下端が、前記各外周電極の下端よりも下側に位置して
おり、
前記ボディ層が、
前記ドリフト層上に配置されたp型の高濃度ボディ層と、
前記高濃度ボディ層上に配置されており、前記高濃度ボディ層よりも低いp型不純物濃度を有するp型の低濃度ボディ層、
を備えており、
前記素子領域内の前記ワイドギャップ半導体基板の前記上面に、前記低濃度ボディ層を貫通して前記高濃度ボディ層に達する所定トレンチが設けられており、
前記所定トレンチ内で前記低濃度ボディ層と前記高濃度ボディ層にオーミック接触しているボディコンタクト電極を備えている、
半導体装置。
【請求項2】
請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記ワイドギャップ半導体基板の前記上面に複数の前記特定トレンチと前記所定トレンチを同時に形成する工程と、
複数の前記外周電極と前記ボディコンタクト電極を同時に形成する工程、
を有する製造方法。
【請求項3】
ワイドギャップ半導体基板を備える半導体装置であって、
前記ワイドギャップ半導体基板が、
半導体素子が形成されている素子領域と、
前記素子領域の周囲に配置されている外周領域、
を備えており、
前記ワイドギャップ半導体基板が、
前記素子領域と前記外周領域に跨って分布しているn型のドリフト層と、
前記素子領域内であって前記ドリフト層上に配置されているp型のボディ層、
を備えており、
前記外周領域内の前記ワイドギャップ半導体基板の上面に、前記素子領域を多重に囲むように環状に伸びている複数の特定トレンチが設けられており、
前記外周領域内で前記素子領域を多重に囲むように環状に伸びている複数の外周電極であって、それぞれが対応する前記特定トレンチ内で前記ドリフト層にショットキー接触している複数の外周電極を備えており、
前記ボディ層の下端が、前記各外周電極の下端よりも下側に位置しており、
前記外周領域内で前記ドリフト層が前記ワイドギャップ半導体基板の前記上面に露出している、
半導体装置。
【請求項4】
ワイドギャップ半導体基板を備える半導体装置であって、
前記ワイドギャップ半導体基板が、
半導体素子が形成されている素子領域と、
前記素子領域の周囲に配置されている外周領域、
を備えており、
前記ワイドギャップ半導体基板が、
前記素子領域と前記外周領域に跨って分布しているn型のドリフト層と、
前記素子領域内であって前記ドリフト層上に配置されているp型のボディ層と、
前記ドリフト層の下側に配置されており、前記素子領域と前記外周領域に跨って分布しており、前記ドリフト層よりも高いn型不純物濃度を有するn型のドレイン層と、
前記素子領域内に配置されており、前記ボディ層によって前記ドリフト層から分離されているn型のソース層
と、
前記素子領域内の前記ワイドギャップ半導体基板の上面から前記ボディ層を貫通して前記ドリフト層に達するように伸びているn型のピラー層、
を備えており、
前記素子領域内の前記ワイドギャップ半導体基板の前記上面に設けられており、前記ソース層の表面と前記ボディ層の表面と前記ピラー層の表面を覆っているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられており、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート絶縁膜の下部の前記ソース層、前記ボディ層及び前記ピラー層に対向しているゲート電極と、
前記ワイドギャップ半導体基板の上側に配置されており、前記ソース層と前記ボディ層に電気的に接続されているソース電極と、
前記ワイドギャップ半導体基板の下側に配置されており、前記ドレイン層に電気的に接続されているドレイン電極、
をさらに備えて
おり、
前記外周領域内の前記ワイドギャップ半導体基板の前記上面に、前記素子領域を多重に囲むように環状に伸びている複数の特定トレンチが設けられており、
前記外周領域内で前記素子領域を多重に囲むように環状に伸びている複数の外周電極であって、それぞれが対応する前記特定トレンチ内で前記ドリフト層にショットキー接触している複数の外周電極を備えており、
前記ボディ層の下端が、前記各外周電極の下端よりも下側に位置している、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。
【0002】
特許文献1には、素子領域と外周領域を備える半導体装置が知られている。素子領域には、スイッチング素子やダイオード等の半導体素子が形成されている。外周領域は、素子領域の周囲に配置されている。外周領域には、素子領域と半導体基板の外周端の間に印加される電圧を保持するための耐圧構造が設けられる。特許文献1には、耐圧構造の一種として、FLR(Field Limiting Ring)が開示されている。FLRは、p型の半導体領域であり、素子領域を囲むように設けられている。FLRからその周囲に空乏層が伸びることで、外周領域の耐圧が確保される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年では、半導体基板として、GaN等によって構成されたワイドギャップ半導体基板が用いられる場合がある。ワイドギャップ半導体基板では、イオン注入によってp型領域を形成することが困難な場合があり、上述したFLRを形成できない場合がある。したがって、本明細書では、ワイドギャップ半導体基板を用いる半導体装置に適用可能であって、外周領域の耐圧を向上させることが可能な技術を提供する。
【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は、ワイドギャップ半導体基板を備える。前記ワイドギャップ半導体基板が、半導体素子が形成されている素子領域と、前記素子領域の周囲に配置されている外周領域を備えている。前記半導体装置は、前記外周領域内で前記ワイドギャップ半導体基板にショットキー接触する外周電極を備えている。
【0006】
この半導体装置では、素子領域と半導体基板の外周端の間に電圧が印加されると、外周電極とワイドギャップ半導体基板の界面(すなわち、ショットキー界面)からワイドギャップ半導体基板の内部(すなわち、外周電極の周囲の半導体層)に空乏層が伸びる。これによって、外周領域の耐圧が確保される。この構造では、FLRのようなp型領域ではなく外周電極によって外周領域の耐圧を向上させることができる。したがって、この構造は、ワイドギャップ半導体基板を備える半導体装置の耐圧を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【
図3】実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。
【
図4】実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。
【
図5】実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。
【
図6】実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。
【
図7】実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。
【
図8】実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
図1に示す実施形態の半導体装置10は、半導体基板12を有している。半導体基板12は、窒化物半導体(例えば、GaN等)によって構成されている。半導体基板12は、素子領域14と外周領域16を備えている。素子領域14には、MOSFETが形成されている。素子領域14は、半導体基板12をその厚み方向に沿って平面視したときに、半導体基板12の中央に位置する。外周領域16は、素子領域14と半導体基板12の外周端12cの間に配置されている。外周領域16は、素子領域14の周囲に配置されている。外周領域16は、素子領域14の周囲全体を囲むように配置されている。
【0009】
素子領域14の内部には、ドレイン層20、ドリフト層22、高濃度ボディ層24、低濃度ボディ層26、ソース層28及びピラー層23が設けられている。
【0010】
ドレイン層20は、n型領域であり、半導体基板12の下面12bの略全域に露出している。ドリフト層22は、ドレイン層20よりもn型不純物濃度が低いn型領域である。ドリフト層22は、ドレイン層20上に配置されている。
【0011】
高濃度ボディ層24は、p型領域であり、ドリフト層22上に配置されている。低濃度ボディ層26は、高濃度ボディ層24よりもp型不純物濃度が低いp型領域である。低濃度ボディ層26は、高濃度ボディ層24上に配置されている。
【0012】
低濃度ボディ層26に囲まれた範囲に、複数のソース層28が設けられている。各ソース層28は、ドリフト層22よりもn型不純物濃度が高いn型領域である。各ソース層28は、低濃度ボディ層26に囲まれるとともに半導体基板12の上面12aに露出する範囲に配置されている。各ソース層28は、低濃度ボディ層26及び高濃度ボディ層24によってドリフト層22から分離されている。
【0013】
ピラー層23は、ドリフト層22と同程度のn型不純物濃度を有するn型領域である。ピラー層23は、半導体基板12の上面12aから下方向に伸びている。ピラー層23は、低濃度ボディ層26と高濃度ボディ層24を貫通してドリフト層22に達するように伸びている。
【0014】
外周領域16内には、ドレイン層20とドリフト層22が設けられている。ドレイン層20とドリフト層22は、素子領域14内から外周領域16内まで連続して分布している。ドレイン層20とドリフト層22は、半導体基板12の外周端12cに達する位置まで分布している。外周領域16内でも、ドレイン層20が下面12bに露出しており、ドリフト層22はドレイン層20上に配置されている。外周領域16内には、高濃度ボディ層24、低濃度ボディ層26及びソース層28が設けられていない。外周領域16内では、ドリフト層22が半導体基板12の上面12aに露出している。
【0015】
半導体基板12の上面12a側には、層間絶縁膜60、62、ソースコンタクト電極46、ボディコンタクト電極48、ゲート電極44、外周電極50及びソース電極42が配置されている。
【0016】
層間絶縁膜60は、半導体基板12の上面12aを覆っている。層間絶縁膜60には多数の開口部が設けられている。
【0017】
ソースコンタクト電極46は、金属により構成されており、ソース層28の上部で層間絶縁膜60に設けられた開口部内に設けられている。各ソースコンタクト電極46は、対応するソース層28にオーミック接触している。
【0018】
2つのソースコンタクト電極46の間に挟まれた範囲の層間絶縁膜60は、ソース層28の表面と、低濃度ボディ層26の表面と、ピラー層23の表面を覆っている。以下では、この部分の層間絶縁膜60を、ゲート絶縁膜60aという。ゲート絶縁膜60a上に、ゲート電極44が配置されている。ゲート電極44は、ゲート絶縁膜60aを介して、その下部のソース層28、低濃度ボディ層26及びピラー層23に対向している。ゲート電極44は、ゲート絶縁膜60aによって半導体基板12から絶縁されている。
【0019】
素子領域14内の上面12aには、低濃度ボディ層26が露出する範囲に複数のトレンチ48aが設けられている。各トレンチ48aは、低濃度ボディ層26の上部で層間絶縁膜60に設けられた開口部内に設けられている。各トレンチ48aは、低濃度ボディ層26を貫通して高濃度ボディ層24に達するように伸びている。各トレンチ48a内に、ボディコンタクト電極48が配置されている。各ボディコンタクト電極48は、ニッケル、金、パラジウムまたは白金等のような仕事関数の高い金属によって構成されている。各ボディコンタクト電極48は、トレンチ48a内で、低濃度ボディ層26と高濃度ボディ層24にオーミック接触している。
【0020】
外周領域16内の上面12aには、複数のトレンチ50aが設けられている。各トレンチ48aは、外周領域16内で層間絶縁膜60に設けられた開口部内に設けられている。各トレンチ50aは、素子領域14内のトレンチ48aと略同じ深さを有している。半導体基板12の厚み方向に沿って上面12aを平面視したときに、各トレンチ50aは、素子領域14を囲むように環状に伸びている。各トレンチ50a内に、外周電極50が配置されている。各外周電極50は、ニッケル、金、パラジウムまたは白金等のような仕事関数の高い金属によって構成されている。各外周電極50は、ボディコンタクト電極48と同種の金属によって構成されている。各外周電極50は、トレンチ50aに沿って設けられている。したがって、各外周電極50は、素子領域14を囲むように環状に伸びている。各外周電極50は、トレンチ50a内で、ドリフト層22にショットキー接触している。各外周電極50は、他の外周電極50から分離されている。
【0021】
層間絶縁膜62は、層間絶縁膜60、ゲート電極44、ボディコンタクト電極48及び外周電極50を覆っている。層間絶縁膜62には、ソースコンタクト電極46の上部とボディコンタクト電極48の上部に開口部が設けられている。
【0022】
ソース電極42は、層間絶縁膜62を覆っている。ソース電極42は、層間絶縁膜62に設けられた開口部を介して、ソースコンタクト電極46及びボディコンタクト電極48に接続されている。ソース電極42は、層間絶縁膜62によって、ゲート電極44及び外周電極50から絶縁されている。
【0023】
半導体基板12の下面12bは、ドレイン電極40に覆われている。ドレイン電極40は、ドレイン層20にオーミック接触している。
【0024】
素子領域14内には、MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)が形成されている。ボディコンタクト電極48によって低濃度ボディ層26及び高濃度ボディ層24がソース電極42に接続されているので、低濃度ボディ層26及び高濃度ボディ層24の電位はソース電極42と略同電位となる。ゲート電極44の電位をゲート閾値以上に引き上げると、ゲート絶縁膜60aに接する範囲の低濃度ボディ層26にチャネルが形成される。チャネルによって、ソース層28がピラー層23に接続される。その結果、ソース電極42から、ソースコンタクト電極46、ソース層28、チャネル、ピラー層23、ドリフト層22及びドレイン層20を介してドレイン電極40へ電子が流れる。すなわち、MOSFETがオンする。ゲート電極44の電位をゲート閾値未満に引き下げると、チャネルが消失する。これによって、電子の流れが停止し、MOSFETがオフする。
【0025】
MOSFETがオフすると、素子領域14内では、高濃度ボディ層24とドリフト層22の界面のpn接合に逆電圧が印加される。このため、このpn接合からドリフト層22に空乏層が広がる。素子領域14内では、pn接合からドリフト層22に広がった空乏層によって電圧が保持される。
【0026】
また、MOSFETがオフすると、半導体基板12の外周端12cがドレイン電極40と略同電位となる。このため、外周領域16内では、内周側(素子領域14側)が低電位であり、外周側(外周端12c側)が高電位となるように電位が分布する。この電位差によって、複数の外周電極50の間では、内周側の外周電極50ほど電位が低く、外周側の外周電極50ほど電位が高くなるように、電位が分布する。このように外周領域16内で電位差が生じることで、各外周電極50とその周辺のドリフト層22の間に電位差が生じる。その結果、各外周電極50からその周辺のドリフト層22に空乏層が広がる。外周領域16内では、各外周電極50からドリフト層22に広がった空乏層によって電圧が保持される。
【0027】
以上に説明したように、実施形態の半導体装置10では、MOSFETがオフしたときに、各外周電極50からドリフト層22に空乏層が広がることで、外周領域16の耐圧が確保される。
図2は、
図1のA-A線(すなわち、外周電極50の下端近傍のドリフト層22内)に相当する位置おける電界分布のシミュレーション結果を示している。なお、
図2は、
図1よりも外周電極50の数が多い場合(より詳細には、外周電極50を10個設けた場合)のシミュレーション結果を示している。
図2では、破線の位置が、各外周電極50の外周端の位置を示している。
図2から、外周電極50の間の範囲で電位差が生じており、外周電極50から広がる空乏層によって電圧が保持されていることが分かる。
図2に示す電界分布は、一般的なFLRで得られる電界分布に類似した分布である。
図2から、外周電極50によってFLRと同様の耐圧向上効果が得られることを確認することができる。
【0028】
次に、半導体装置10の製造方法について説明する。まず、
図3に示すようにドレイン層20、ドリフト層22、高濃度ボディ層24及び低濃度ボディ層26が積層された半導体基板12を準備する。
図3に示す半導体基板12は、以下のように形成される。まず、窒化物半導体によって構成されているドレイン層20上に、窒化物半導体によって構成されているドリフト層22をエピタキシャル成長させる。次に、ドリフト層22上に、窒化物半導体によって構成されている高濃度ボディ層24をエピタキシャル成長させる。次に、高濃度ボディ層24上に、窒化物半導体によって構成されている低濃度ボディ層26をエピタキシャル成長させる。これによって、
図3に示す半導体基板12が得られる。
【0029】
次に、
図4に示すように、半導体基板12の上面12aを部分的にエッチングすることで、半導体基板12の上面12aにトレンチ23aとメサ部16aを形成する。トレンチ23aとメサ部16aは、ドリフト層22に達する深さで形成される。トレンチ23aとメサ部16aは、略同じ深さに形成される。
【0030】
次に、
図5に示すように、トレンチ23aとメサ部16a内にドリフト層22と略同じn型不純物濃度のn型の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、その後、上面12aを平坦化する。トレンチ23a内に成長したn型層はピラー層23となる。また、メサ部16a内に成長したn型層は、外周領域16内のドリフト層22(上面12aに露出する部分のドリフト層22)となる。
【0031】
次に、半導体基板12の上面12aに層間絶縁膜60を形成する。次に、層間絶縁膜60に部分的に開口部を設け、その開口部内で半導体基板12の上面12aをエッチングすることで、トレンチ48a及びトレンチ50aを形成する。
【0032】
次に、トレンチ48a内及びトレンチ50a内に、金属層52を形成する。金属層52は、層間絶縁膜60上にも形成される。金属層52は、ニッケル、金、パラジウムまたは白金等のような仕事関数の高い金属によって構成されている。仕事関数が高い金属層52は、低濃度のn型であるドリフト層22に対してショットキー接触するとともに、p型である高濃度ボディ層24及び低濃度ボディ層26に対してオーミック接触する。このため、金属層52は、トレンチ50a内でドリフト層22に対してショットキー接触する一方で、トレンチ48a内では高濃度ボディ層24及び低濃度ボディ層26に対してオーミック接触する。
【0033】
次に、
図8に示すように、層間絶縁膜60上の金属層52を選択的にエッチングすることで、各トレンチ48a、50a内の金属層52を互いから分離させる。これによって、各ボディコンタクト電極48及び各外周電極50が完成する。
【0034】
その後、ソース層28、ソースコンタクト電極46、ゲート電極44、層間絶縁膜62、ソース電極42及びドレイン電極40を従来公知の方法で形成する。次に、半導体基板12をダイシングして複数のチップに分割することで、
図1に示す半導体装置10が完成する。
【0035】
このように、半導体装置10ではFLRではなく外周電極50によって外周領域16の耐圧を向上させるので、半導体装置10の製造工程においてp型不純物のイオン注入を行う必要がない。このため、ワイドギャップ半導体基板を備える半導体装置10を容易に製造することができる。
【0036】
また、上述した製造方法では、金属層52を成長させることによって、p型のボディ層24、26にオーミック接触するボディコンタクト電極48と、n型のドリフト層22にショットキー接触する外周電極50を、同時に形成することができる。したがって、この方法によれば、効率的に半導体装置10を製造することができる。
【0037】
本明細書が開示する一例の製造方法について、以下に説明する。一例においては、半導体装置の製造方法は、基板準備工程とトレンチ形成工程と金属電極形成工程を備えていてもよい。前記基板準備工程では、素子領域内にp型領域が設けられており、前記素子領域の周囲に配置されている外周領域内にn型領域が設けられおり、表面に前記p型領域と前記n型領域が露出しているワイドギャップ半導体基板を準備してもよい。前記トレンチ形成工程では、前記p型領域が露出する範囲の前記表面に第1トレンチを形成するとともに、前記n型領域が露出する範囲の前記表面に第2トレンチを形成してもよい。前記金属電極形成工程では、前記第1トレンチ内と前記第2トレンチ内に金属電極を形成してもよい。前記金属電極が、前記第1トレンチ内で前記p型領域にオーミック接触するとともに前記第2トレンチ内で前記n型領域にショットキー接触してもよい。
【0038】
この製造方法によれば、共通の金属電極によって、p型領域にオーミック接触する電極と、n型領域にショットキー接触する電極を形成することができる。したがって、効率的に半導体装置を製造することができる。p型領域にオーミック接触する電極は、p型領域の電位を制御する電極として用いることができる。n型領域にショットキー接触する電極は、外周領域の耐圧を向上させる電極として用いることができる。
【0039】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0040】
10:半導体装置
12:半導体基板
14:素子領域
16:外周領域
20:ドレイン層
22:ドリフト層
23:ピラー層
24:高濃度ボディ層
26:低濃度ボディ層
28:ソース層
40:ドレイン電極
42:ソース電極
44:ゲート電極
46:ソースコンタクト電極
48:ボディコンタクト電極
50:外周電極
60:層間絶縁膜
62:層間絶縁膜