JP2009246037A - 横型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バイポーラで動作する横型半導体装置において、オン電圧を低くする技術を提供する。
【解決手段】 半導体装置１０は、半導体層５４の表面に設けられている第１主電極２０と第２主電極２を備えている。半導体層５４は、第１主電極２０に接触しているｎ型の第１半導体領域２４と、第２主電極２に接触しているｐ型の第２半導体領域５８と、第１半導体領域２４と第２半導体領域５８の間に設けられているｎ型の第３半導体領域１２を有している。第３半導体領域１２は、第１半導体領域２４と第２半導体領域５８を結ぶ第１方向に沿って伸びている第１層８と第２層４０を有している。第１層８と第２層４０は、第１方向に直交する第２方向に並んでいる。第１層８は、不純物濃度が第１方向に均一である。第２層４０は、第１層８よりも不純物濃度が濃く、不純物濃度が第１半導体領域２４側から第２半導体領域５８側に向けて増加している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バイポーラで動作する横型半導体装置に関する。

特許文献１に、横型のＬＤＭＯＳ（Laterally Diffused MOS）が開示されている。特許文献１に開示される横型ＬＤＭＯＳは、ドリフト領域の不純物濃度がソース側からドレイン側に向けて横方向に増加していることを特徴としている。ドリフト領域の不純物濃度が横方向に増加していると、オフ状態において、ドリフト領域内の電界分布を横方向に均一化することができる。ドリフト領域の不純物濃度を横方向に増加させる技術は、耐圧を向上させる点で有用である。

特開平４−３０９２３４号公報

しかし、上記技術をバイポーラで動作する横型半導体装置に適用すると、以下の問題点が存在する。

バイポーラで動作する横型半導体装置は、オン状態において、ドリフト領域で伝導度変調を活発化させることによって低いオン電圧（オン抵抗）を得ることを特徴としている。伝導度変調は、不純物濃度が薄い領域において活発化する。上記技術では、ドリフト領域の不純物濃度が横方向に向けて増加しているので、ドリフト領域の一方端で不純物濃度が濃い領域が存在する。ドリフト領域の一部に不純物濃度が濃い領域が存在していると、伝導度変調が活発化しない。ドリフト領域の他の部分の不純物濃度が薄くても、横方向の一部に不純物濃度が濃い領域が存在していると、伝導度変調が活発化しない。このため、特許文献１の技術をバイポーラで動作する横型半導体装置にそのまま適用すると、オン電圧（オン抵抗）が著しく悪化してしまう。

本発明は、バイポーラで動作する横型半導体装置において、耐圧を確保しながらオン電圧（オン抵抗）を低くする技術を提供することを目的とする。

本明細書で開示される横型の半導体装置は、ドリフト領域の横方向に不純物濃度が増加する層と、不純物濃度が薄く調整された層を並存させる。不純物濃度が増加する層は、横型半導体装置がオフしたときに、ドリフト領域内の横方向の電界分布を均一化する。不純物濃度が薄く調整された層は、横型半導体装置がオンしたときに、ドリフト領域において伝導度変調を活発化する。不純物濃度が横方向に増加する層と不純物濃度が薄く調整された層を並存させることによって、横型半導体装置の耐圧とオン電圧（オン抵抗）を同時に改善することができる。

本明細書で開示される半導体装置は、バイポーラで動作する横型の半導体装置であって、半導体層と、半導体層の表面の一部に設けられている第１主電極と、半導体層の表面の他の一部に設けられている第２主電極を備えている。半導体層は、第１主電極に接触している第１導電型の第１半導体領域と、第２主電極に接触している第２導電型の第２半導体領域と、第１半導体領域と第２半導体領域の間に設けられている第１導電型の第３半導体領域を有している。第３半導体領域は、第１半導体領域と第２半導体領域を結ぶ第１方向に沿って伸びている第１層と第２層を有している。第１層と第２層は、第１方向に直交する第２方向に並んでいる。第１層は、不純物濃度が第１方向に均一である。第２層は、第１層よりも不純物濃度が濃く、不純物濃度が第１半導体領域側から第２半導体領域側に向けて増加している。なお、「第１層と第２層が第１方向に直交する第２方向に並ぶ」とは、第１層と第２層が、第２方向に繰返し出現する形態も含む。

本明細書で開示される半導体装置では、前記半導体層が、半導体基板と埋込み絶縁層と活性層で構成された積層基板の活性層であることが好ましい。積層基板の活性層を利用すると、より高耐圧の半導体装置が得られる。

上記積層基板の活性層を利用する場合、第２層が埋込み絶縁層に接しており、第１層が第２層上に設けられていることが好ましい。すなわち、第１層が、活性層の表面側に設けられていることが好ましい。上記したように、第１層の不純物濃度は第２層の不純物濃度よりも薄いので、伝導度変調は、第２層よりも第１層の方が起こりやすい。また、横型の半導体装置の場合、主電極（例えば、エミッタ電極とコレクタ電極）が、活性層の表面に設けられる。電流が通過する最短経路において、伝導度変調を起こりやすくすることができる。

本発明によると、バイポーラで動作する横型半導体装置において、耐圧を確保しながらオン電圧を低くすることができる。そのため、損失の少ない高耐圧の横型半導体装置を提供することができる。

以下に説明する実施例の特徴について記載する。
（特徴１） 第２層の不純物濃度は、コレクタ領域側に向けて不連続に（階段状に）増加している。すなわち、第２層にイオン注入された不純物を活性化させるために、高温で長時間の熱処理を必要としない。半導体装置の製造工程を簡略にすることができる。
（特徴２） 第２層は、積層基板の活性層に不純物をイオン注入して形成される。第１層は、ドリフト領域のうち、第２層が形成されなかった範囲である。第２層を形成することによって、結果的に第１層と第２層が形成される。

（第１実施例）
図１に、半導体装置１０の要部断面図を模式的に示す。
半導体装置１０は、ｐ型の半導体基板５０と、半導体基板５０上に設けられている埋込み絶縁層５２と、埋込み絶縁層５２上に設けられている活性層５４を備えている。半導体基板５０の主材料はシリコンであり、不純物濃度はおよそ３×１０^１８ｃｍ^−３に調整されている。半導体基板５０は、接地電位に固定されている。埋込み絶縁層５２の主材料は酸化シリコンであり、その厚みはおよそ４μｍである。活性層５４の主材料はシリコンであり、半導体構造が作りこまれる前の不純物濃度はおよそ１×１０^１５ｃｍ^−３に調整されている。半導体装置１０は、積層基板５７の活性層５４内に不純物をイオン注入することによって製造される。

半導体装置１０は横型ＩＧＢＴであり、ｎ^＋型のエミッタ領域２４と、ｐ^＋型のコレクタ領域５８と、ｎ型のドリフト領域１２を備えている。エミッタ領域２４は、活性層５４の表面の一部に設けられている。ｐ型のボディ領域２６がエミッタ領域２４を囲っており、エミッタ領域２４とドリフト領域１２を分離している。ボディ領域２６は、活性層５４の表面から裏面に亘る範囲に形成されている。ボディコンタクト領域２２が、活性層５４の表面で、ボディ領域２６の内部に設けられている。エミッタ領域２４とボディコンタクト領域２２は、エミッタ電極（第１主電極の一例）２０に接触している。すなわち、エミッタ領域２４とボディコンタクト領域２２は、エミッタ電極２０に電気的に接続している。ここで、エミッタ領域２４の不純物濃度はおよそ１×１０^１９〜１×１０^２１ｃｍ^−３に調整されている。ボディ領域２６の不純物濃度はおよそ５×１０^１６〜５×１０^１７ｃｍ^−３に調整されている。ボディコンタクト領域２２の不純物濃度はおよそ１×１０^１９〜１×１０^２１ｃｍ^−３に調整されている。

コレクタ領域５８は、活性層５４の表面の一部に設けられている。コレクタ領域５８は、コレクタ電極２に接触している。すなわち、エミッタ領域２４とボディコンタクト領域２２は、エミッタ電極２０に電気的に接続している。ｎ型のバッファ領域５６がコレクタ領域５８を囲っており、コレクタ領域５８とドリフト領域１２を分離している。バッファ領域５６は、活性層５４の表面から裏面に至る範囲に形成されている。バッファ領域５６の不純物濃度はおよそ５×１０^１６〜５×１０^１７ｃｍ^−３に調整されている。

ドリフト領域１２は、エミッタ領域２４とコレクタ領域２の間に設けられている。ドリフト領域１２の一端はボディ領域２６に接しており、他端はバッファ領域５６に接している。ドリフト領域１２は、横方向に伸びている第１層８と第２層４０を有している。ドリフト領域１２のうち、不純物がイオン注入された範囲が第２層４０であり、不純物がイオン注入されなかった範囲が第１層８である。そのため、第１層８の不純物濃度はおよそ１×１０^１５ｃｍ^−３である。第２層４０の不純物濃度は、コレクタ領域５８側に向かうに従って濃くなっている。すなわち、範囲４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７の順に、第２層４０の不純物濃度が濃くなっている。本実施例では、第２層４０の不純物濃度がコレクタ領域５８側に向けて不連続に（階段状に）増加しているが、第２層４０の不純物濃度がコレクタ領域５８側に向けて連続的に増加していてもよい。ドリフト領域１２の表面の一部には、フィールド絶縁膜６が設けられている。

ゲート電極１４が、ゲート絶縁膜１６を介して、エミッタ領域２４とドリフト領域１２を分離しているボディ領域２６に対向している。ゲート電極１４は多結晶シリコンであり、不純物（リン）がイオン注入されている。ゲート電極１４の不純物濃度はおよそ１×１０^２０ｃｍ^−３に調整されているので、ゲート電極１４は導体とみなすことができる。ゲート電極１４に、ゲート配線１８が接続されている。活性層５４の表面には、層間絶縁膜４が設けられている。層間絶縁膜４によって、エミッタ電極２０、コレクタ電極２及びゲート電極１４が短絡することを防止することができる。

ドリフト領域１２について詳細に説明する。
上記したように、第２層４０は、ドリフト領域１２に不純物（リン）をイオン注入して形成される。第２層４０の不純物濃度は、コレクタ領域５８に向けて７個の範囲（範囲４１〜４７）に不連続に変化している。ドリフト領域１２のうち、ボディ領域２６の近傍は不純物がイオン注入されていない。第２層４０は、ドリフト領域１２のイオン注入されていない範囲を含め、８個の範囲に不連続に変化しているともいえる。第２層４０は、３回のイオン注入により形成することができる。まず、範囲４１、４３、４５及び４７に対して、リンイオンをドーズ量５×１０^１１ｃｍ^−２、加速電圧１．４ＭｅＶで注入する。次いで、範囲４２、４３、４６及び４７に対してリンイオンをドーズ量１×１０^１２ｃｍ^−２、加速電圧１．４ＭｅＶで注入する。最後に、範囲４４、４５、４６及び４７に対してリンイオンをドーズ量２×１０^１２ｃｍ^−２、加速電圧１．４ＭｅＶで注入する。この結果、範囲４１〜４７は、イオン注入ドーズ量が５×１０^１１ｃｍ^−２ずつ変化する。

図２は、図１のＡ−Ａ線に沿ったドリフト領域１２内の不純物濃度分布を模式的に示している。グラフの縦軸はドリフト領域１２内の深さ方向の位置を示し、横軸は不純物濃度を示している。図２では、紙面右方向に向かうに従って不純物濃度が濃いことを示している。
図２から明らかなように、第２層４０の不純物濃度は、第１層８の不純物濃度よりも濃い。なお、第１層８と第２層４０の境界は、第２層４０の不純物濃度が第２層４０の埋込み絶縁層５２との接合面における不純物濃度に対して１桁以上低下する位置である。

半導体装置１０の動作について説明する。
ゲート電極１４に電圧が印加されていないときは、エミッタ領域２４とドリフト領域１２の間にボディ領域２６が介在している。電子が、エミッタ領域２４からドリフト領域１２に移動することができない。そのため、ゲート電極１４に電圧が印加されていないときは、半導値装置１０がオフしている。半導体装置１０は、ノーマリーオフ型の半導体装置である。半導体装置１０がオフしている間、電圧が、コレクタ電極２に印加されている。コレクタ領域５８からエミッタ領域２４に向けて電位差が生じる。一般的に、電界強度を一定割合毎に示す等電位線を作成すると、その等電位線の密度は、高電圧側で密になり低電圧側で疎になる。しかしながら、半導体装置１０では、第２層４０の不純物濃度が、コレクタ領域５８側に向かうに従って増加している。そのため、等電位線の間隔が、ドリフト領域１２の横方向の全体に亘って均一になる。その結果、ドリフト領域１２内に局所的に電界が集中することを防止することができ、半導体装置１０の耐圧を高くすることができる。

ゲート電極１４に電圧を印加すると、電子のチャネルが、エミッタ領域２４とドリフト領域１２を隔てているボディ領域２６に形成される。電子がエミッタ領域２４からドリフト領域１２に移動可能になるので、半導体装置１０がオンする。半導体装置１０がオンすると、正孔が、コレクタ領域５８からドリフト領域１２に移動する。ドリフト領域１２内では、エミッタ領域２４から注入された電子と、コレクタ領域５８から注入された正孔によって伝導度変調が生じ、電気伝導度が高くなる。すなわち、キャリア（電子と正孔）の移動抵抗が小さくなる。半導体装置１０では、ドリフト領域１２内の横方向に亘って、不純物濃度が薄い第１層８を備えている。そのため、半導体装置１０をオンしたときに、伝導度変調が活発化する。第１層８の不純物濃度が第２層４０の不純物濃度よりも薄いので、伝導度変調は、第２層４０内よりも第１層８内で起りやすい。すなわち、ドリフト領域１２の表面側の方が、裏面側よりも伝導度変調が起りやすい。換言すると、エミッタ領域２４とコレクタ領域５８を結ぶ最短経路（ドリフト領域１２の表面側）において、伝導度変調が起りやすい。第１層８がドリフト領域１２の裏面側（埋込み絶縁層５２側）に形成されている場合よりも、キャリアの移動抵抗を小さくすることができる。

図３は、半導体装置１０がオンしているときのドリフト領域１２内の電流分布を模式的に示している。グラフの縦軸はドリフト領域１２内の深さ方向の位置を示し、横軸は電流の大きさ（電流密度）を示している。紙面の右側に向かうに従って電流が多く流れていることを示している。曲線６０は正孔電流を示しており、曲線６２は電子電流を示している。図３から明らかなように、正孔電流及び電子電流の双方ともに、電流密度は、第２層４０よりも第１層８の方が大きい。すなわち、ドリフト領域１２内において、伝導度変調が、不純物濃度が薄い層（第１層８）で起りやすいことを示している。

上記したように、半導体装置１０では、ドリフト領域１２が、第１層８と第２層４０を備えている。その結果、半導体装置１０がオフしているときの耐圧を高くすることができるとともに、半導体装置１０がオンしているときのオン電圧を低くすることができる。

第１層８と第２層４０の位置関係について説明する。
図４に、半導体装置１０のドリフト領域１２の斜視図を示す。図４では、ドリフト領域１２のうち、第１層８と第２層４０が形成されている部分のみを示している。なお、符号５５は、埋込み絶縁層５２とフィールド絶縁膜６の隙間を示している（図１も参照）。また、図中のＸ、Ｙ、Ｚは座標を示している。Ｘ方向は、エミッタ領域２４とコレクタ領域５８を結ぶ方向（第１方向）を示している。Ｙ、Ｚ方向は、Ｘ方向（第１方向）に直交する方向を示している。なお、Ｚ方向は、活性層５６の厚さ方向を示している。
図４に示すように、第１層８は、第２層４０上に設けられている。すなわち、第１層８と第２層４０は、第２方向に並んでいる。なお、第１層８と第２層４０の位置関係は、図４に示す位置関係に限定されず、図５に示す位置関係でもよい。図５では、Ｚ方向においては、第１層１０８と第２層１４０の各々が隙間５５の全域に設けられている。その一方において、第１層１０８と第２層１４０が、Ｙ方向に交互に設けられている。Ｙ方向もまたＸ方向に直交している。この場合も、第１層１０８と第２層１４０は、第２方向に並んでいる。

（シミュレーション結果１）
半導体装置１０と図８に示す半導体装置３００について、オン電圧（単位：Ｖ）の比較を行った。半導体装置３００は従来の半導体装置であり、ドリフト領域３１２の不純物濃度が、エミッタ領域３２４からコレクタ領域３５８に向けて増加していることを特徴としている。他の構成は、半導体装置１０と実質的に同一であり、下二桁に同じ符号を付している。本シミュレーションでは、エミッタ−コレクタ間に所定の電流密度（５０Ａ／ｃｍ^２、１００Ａ／ｃｍ^２、１５０Ａ／ｃｍ^２）が流れたときのエミッタ−コレクタ間に印加した電圧（オン電圧）を測定した。また、エミッタ領域とドリフト領域を隔てているボディ領域の長さ（以下ゲート長さと称する）を３条件（１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ）に変化させ、各々の条件におけるオン電圧を測定した。なお、半導体装置１０の耐圧は６９２Ｖであり、半導体装置３００の耐圧は６７５Ｖである。すなわち、半導体装置１０と３００の耐圧は、ほぼ等しく調整されている。結果を表１に示す。

表１に示すように、ゲート長さが同じ条件を比較すると、半導体装置１０は、半導体装置３００よりもオン電圧が低い。特に、エミッタ−コレクタ間に流れる電流密度が大きくなるほど、その差が顕著になる。本シミュレーションにより、半導体装置１０が、半導体装置３００よりもオン電圧を低くすることができることが証明された。特に、半導体装置１０は、大電流を流すときにオン電圧を低くすることができる。

（シミュレーション結果２）
半導体装置１０と半導体装置３００について、電流−電圧特性の比較を行った。図６のグラフの縦軸はエミッタ−コレクタ間に流れる電流密度（単位：Ａ／ｃｍ^２）を示しており、縦軸はエミッタ−コレクタ間に印加する電圧（単位：Ｖ）を示している。なお、本シミュレーションにおいても、ゲート長さを３条件（１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ）に変化させた。
曲線７１はゲート長さ１．０μｍの半導体装置１０の結果を示し、
曲線７２はゲート長さ１．５μｍの半導体装置１０の結果を示し、
曲線７３はゲート長さ２．０μｍの半導体装置１０の結果を示し、
曲線７４はゲート長さ１．０μｍの半導体装置３００の結果を示し、
曲線７５はゲート長さ１．５μｍの半導体装置３００の結果を示し、
曲線７６はゲート長さ２．０μｍの半導体装置３００の結果を示している。なお、ゲート電極に印加する電圧は、全て１５Ｖとした。

図６に示すように、ゲート長さが１．０μｍの場合、電流密度の最大値は、半導体装置１０と半導体装置３００でほぼ等しい（曲線７１、７４を参照）。しかしながら、電流密度が最大値に到達するまでの傾きは、半導体装置３００よりも半導体装置１０の方が大きい。すなわち、半導体装置１０は、半導体装置３００と比べて、スイッチング特性が改善されている。この傾向は、ゲート長さが１．５μｍの場合も同じである。また、ゲート長さが２．０μｍの場合、電流密度の最大値は、半導体装置３００よりも半導体装置１０の方が大きい。これは、半導体装置１０はドリフト領域１２内に第１層８を備えているので、ドリフト領域１２内で伝導度変調が起こりやすく、ドリフト領域１２内に流れる電流が増大することを示している。半導体装置１０は、半導体装置３００よりも大電流を流すことができる。

（第２実施例）
図７に、半導体装置２００の要部断面図を示している。半導体装置２００は、半導体装置１０の変形例である。
半導体装置２００では、ドリフト領域１２の表面の一部とバッファ領域５６の表面の一部に、絶縁膜２８０が設けられている。さらに、フィールド絶縁膜６の表面の一部と絶縁膜２８０の表面に、フィールドプレート２８２が設けられている。フィールドプレート２８２は、コレクタ電極２０２に電気的に接続している。半導体装置２００では、コレクタ領域５８に印加される電圧がフィールドプレート２８２にも印加される。そのため、電界が、コレクタ領域５８近傍に集中することを抑制することができる。その結果、半導体装置の耐圧を、より高くすることができる。

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、出願時の請求項に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の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。

第１実施例の半導体装置の要部断面図を示す。 図１のＡ−Ａ線に沿ったドリフト領域内の不純物濃度分布を示す。 第１実施例のドリフト領域内の電流分布を示す。 第１実施例のドリフト領域の斜視図を示す。 ドリフト領域の変形例の斜視図を示す。 第１実施例の半導体装置と従来の半導体装置についての、電流−電圧特性の比較結果を示す。 第２実施例の半導体装置の要部断面図を示す。 従来の半導体装置の要部断面図を示す。

符号の説明

２、２０２、３０２：第２主電極（コレクタ電極）
４、３０４：第３半導体領域（ドリフト領域）
８：第１層
１０、２００、３００：半導体装置
１２、３１２：ドリフト領域
２０、３２０：第１主電極（エミッタ電極）
２４、３２４：第１半導体領域（エミッタ領域）
４０：第２層
５０：半導体基板
５２：埋込み絶縁層
５４：活性層（半導体層）
５７：積層基板
５８、３５８：第２半導体領域（コレクタ領域）

Claims (3)

1. バイポーラで動作する横型の半導体装置であって、
   半導体層と、半導体層の表面の一部に設けられている第１主電極と、半導体層の表面の他の一部に設けられている第２主電極を備えており、
   前記半導体層は、
   前記第１主電極に接触している第１導電型の第１半導体領域と、
   前記第２主電極に接触している第２導電型の第２半導体領域と、
   前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の間に設けられている第１導電型の第３半導体領域とを有しており、
   前記第３半導体領域は、前記第１半導体領域と第２半導体領域を結ぶ第１方向に沿って伸びている第１層と第２層を有しており、その第１層と第２層は前記第１方向に直交する第２方向に並んでおり、
   前記第１層は、不純物濃度が前記第１方向に均一であり、
   前記第２層は、第１層よりも不純物濃度が濃く、不純物濃度が前記第１半導体領域側から第２半導体領域側に向けて増加していることを特徴とする横型半導体装置。
2. 前記半導体層は、半導体基板と埋込み絶縁層と活性層で構成された積層基板の活性層であることを特徴とする請求項１に記載の横型半導体装置。
3. 前記第２層が埋込み絶縁層に接しており、前記第１層が第２層上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の横型半導体装置。

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