JP6150976B2 - スーパージャンクション構造を有する半導体装置 - Google Patents
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1.実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100の構成
まず、実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100の構成を説明する。
図1は、実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100を説明するために示す図である。図1(a)は実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100の平面図であり、図1(b)は実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100の断面図である。図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。なお、図1(a)においては、理解を容易にするために、柱状埋込層118、環状柱状埋込層124、第2環状柱状埋込層136、ショットキーバリアメタル層132及び環状導電層142のみを示している。
次に、実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100を製造する方法を以下に示す各工程に沿って説明する。
図2〜図4は、実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置を製造する方法を説明するために示す図である。図2(a)〜図2(d)、図3(a)〜図3(d)及び図4(a)〜図4(d)は各工程図である。
まず、n+型半導体基板112と、n+型半導体基板112の表面側にエピタキシャル成長法により形成したn−型半導体層114とを有する半導体基体110を準備する(図2(a)参照。)。n+型半導体基板112としては、例えばシリコン基板を用いることができるが、炭化珪素SiCや窒化ガリウムGaNからなる基板を用いてもよい。
次に、活性領域R1に柱状埋込層118を形成し、耐圧領域R2に環状柱状埋込層124を形成するとともに、周辺領域R3に第2環状柱状埋込層136を形成する。各柱状埋込層形成工程は、トレンチ形成工程と、各柱状埋込層形成工程と、p型高濃度拡散領域形成工程とからなる(図2(b)〜図3(d)参照。)。
トレンチ形成工程においては、まず、n−型半導体層114を熱酸化することによりn−型半導体層114の上部にトレンチマスクとなる酸化膜M1を形成する(図2(b)参照。)。続いて、図示しないレジスト膜(厚さ:例えば0.8μm。)を形成し、写真工程を実施することにより、柱状埋込層118、環状柱状埋込層124及び第2環状柱状埋込層136の形成位置に開口部を設け、当該開口部における絶縁膜Mをドライエッチングにより除去する(図2(c)参照。)。次に、レジスト膜を取り除き、その後、絶縁膜Mをマスクとしてn−型半導体層114をドライエッチングすることにより、n−型半導体層114の表面に第1トレンチ116、第2トレンチ122及び第3トレンチ134を形成する(図2(d)参照。)。
各柱状埋込層形成工程においては、第1トレンチ116、第2トレンチ122及び第3トレンチ134の内面について、ケミカルドライエッチングや犠牲酸化、水素アニール等により、トレンチ形成工程のドライエッチングによるダメージ層除去を行った後、p型不純物を含むドーパントガスを導入しながら絶縁膜M表面の高さ位置を超える高さ位置までp型の単結晶半導体材料をエピタキシャル成長させる(図3(a)参照。)。その後、CMP法によって、形成されたキャップ部を絶縁膜Mの表面まで研磨し、その後、絶縁膜Mの開口部内に埋め込まれているp型の単結晶半導体材料を絶縁膜Mの底面まで絶縁膜Mをマスクとしてドライエッチングする。その後、絶縁膜Mをウェットエッチングにより除去する(図3(b)参照。)。
次に、p型高濃度オーミック拡散領域120,ショットキーバリアメタル電界緩和領域126、中継拡散領域128及びp型高濃度拡散領域138に対応する領域に開口部を有するマスクM2を形成し、このマスクM2を介して、イオン注入法によりp型不純物(例えばボロンイオン)を半導体基体110の表面に導入する(図3(c)参照。)。
その後、半導体基体110に熱処理を施すことにより、p型高濃度オーミック拡散領域120,ショットキーバリアメタル電界緩和領域126、中継拡散領域128及びp型高濃度拡散領域138を形成する(図3(d)参照。)。
次に、CVD法により厚さ500nmのシリコン酸化膜を形成した後、活性領域R1及び開口部140に対応する開口を有するマスクM3を用いてシリコン酸化膜のエッチングを行うことによりシリコン酸化膜を除去して、絶縁層130を形成する(図4(a)参照。)。
次に、半導体基体110の表面側から、スパッタ法により、例えば厚さ10nmの白金膜を形成し、所定形状にパターニングした後、半導体基体110を熱処理することにより、ショットキーバリアメタル層132を形成する(図4(b)参照。)。
次に、半導体基体110の表面側から、スパッタ法により、例えば厚さ3000nmのアルミニウム膜を形成し、所定形状にパターニングすることによって、アノード電極層133及び環状導電層142を形成する(図4(c)参照。)。
次に、半導体基体110の裏面側に位置するn+型半導体基板112の裏面側に、スパッタ法により、例えば厚さ500nmのニッケル膜を形成することにより、カソード電極層150を形成する(図4(d)参照。)。
実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100によれば、後述する実施例1及び2からも明らかなように、高温環境下で半導体装置に長時間逆バイアスを与えた場合であってもリーク電流が増加したり耐圧が低下したりすることがなくなる。
図6は、実施形態2に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100aの断面図である。
図7は、実施形態3に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100bの断面図である。
図8は、実施形態4に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100cの断面図である。
図9は、実施形態5に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100dの断面図である。
図10は、実施形態6に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100eの断面図である。
図11は、実施形態7に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置200の断面図である。実施形態7に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置200は、図11に示すように、n−型半導体層(第1導電型の半導体層)214と、活性領域R1におけるn−型半導体層214の表面に形成され、p型半導体材料(第2導電型の半導体材料)からなる複数の柱状埋込層218と、活性領域R1におけるn−型半導体層214の表面に形成されたp+型拡散層220と、活性領域R1におけるn−型半導体層214の表面上に形成されたアノード電極層(第1電極層)232と、活性領域R1を囲む耐圧領域R2におけるn−型半導体層214の表面に形成され、p型半導体材料からなる複数のガードリング(環状柱状埋込層)224と、耐圧領域R2及び当該耐圧領域R2を囲む周辺領域R3におけるn−型半導体層214の表面上に形成された絶縁層230と、カソード電極層250と、周辺領域R3におけるn−型半導体層214の表面に形成され、p型半導体材料からなる第2環状柱状埋込層236と、周辺領域R3における絶縁層230上に形成された環状導電層242とを備える、pnダイオードである。なお、図11中、符号212はn+型半導体基板を示し、符号210は半導体基体を示し、符号216,符号222及び符号234は溝を示し、符号220はp型高濃度オーミック拡散領域を示し、符号226はアノード電極電界緩和領域を示し、符号228は中継拡散領域を示す。
図12は、実施形態8に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置300の断面図である。実施形態8に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置300は、図12に示すように、n−型半導体層(第1導電型の半導体層)314と、活性領域R1におけるn−型半導体層314の表面に形成され、p型半導体材料(第2導電型の半導体材料)からなる複数の柱状埋込層318と、活性領域R1におけるn−型半導体層314の表面に形成されたp型ボディ領域360、p型ボディ領域360の表面に形成されたn+型ソース領域362及びp+型コンタクト領域364と、活性領域R1におけるn−型半導体層314の表面上に形成されたゲート絶縁層372、ゲート電極層370及び層間絶縁層374並びにソース電極層(第1電極層)332と、活性領域R1を囲む耐圧領域R2におけるn−型半導体層314の表面に形成され、p型半導体材料からなる複数のガードリング(環状柱状埋込層)324と、耐圧領域R2及び当該耐圧領域R2を囲む周辺領域R3におけるn−型半導体層314の表面上に形成された絶縁層330と、ドレイン電極層350と、周辺領域R3におけるn−型半導体層314の表面に形成され、第2導電型の半導体材料からなる第2環状柱状埋込層336と、周辺領域R3における絶縁層330上に形成された環状導電層342とを備える、パワーMOSFETである。なお、図12中、符号312はn+型半導体基板を示し、符号310は半導体基体を示し、符号316,符号322及び符号334は溝を示し、符号326はソース電極電界緩和領域を示し、符号328は中継拡散領域を示す。
実施例1は、本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体装置によれば、高温環境下で半導体装置に長時間逆バイアスを与えた場合であってもリーク電流が増加しないことを説明するための実施例である。
実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100を実施例1とした。一方、実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100から第2環状柱状埋込層136及び環状導電層142を除去した構造の、スーパージャンクション構造を有する半導体装置(すなわち従来のスーパージャンクション構造を有する半導体装置900)を比較例1とした。
実施例1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100及び比較例1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置900の評価は、実施例1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100及び比較例1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置900をそれぞれ10個準備し、これらをBT試験機にセットした後、高温環境下(150℃)で逆バイアス(250V)を印加した状態で300時間、リーク電流を測定することにより行った。
図13は、実施例1の評価結果を示す図である。
図13からも明らかなように、比較例1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置900においては、上記の条件でリーク電流が100倍から1000倍増加したのに対して、実施例1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100においては、上記した条件であっても全くリーク電流が増加しなかった。
実施例2は、本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体装置によれば、高温環境下で半導体装置に長時間逆バイアスを与えた場合であっても耐圧が低下しないことを示す実施例である。
実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100を実施例2とした。一方、実施形態1に係るスーパージャンクション構造を有する半導体100から第2環状柱状埋込層136及び環状導電層142を除去した構造の、スーパージャンクション構造を有する半導体装置(すなわち従来のスーパージャンクション構造を有する半導体装置900)を比較例2とした。
実施例2に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100及び比較例2に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置900の評価は、実施例2に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100及び比較例2に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置900をそれぞれ1個準備し、これらを高温環境下(150℃)で逆バイアス(250V)を印加した状態で長時間(63時間又は2042時間)保持する前と後で耐圧波形を測定することによりBT試験評価を行った。
図14は、実施例2の評価結果を示す図である。
図14からも明らかなように、比較例2に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置900においては、高温逆バイアス下で63時間保持したことにより、耐圧が360Vから250Vに低下したのに対して、実施例2に係るスーパージャンクション構造を有する半導体装置100においては、高温逆バイアス下で63時間又は2042時間保持した場合であっても耐圧が360Vのまま全く低下しなかった。
Claims (8)
- n型の半導体層と、
活性領域における前記半導体層の表面に形成され、p型の半導体材料からなる複数の柱状埋込層と、
前記活性領域における前記半導体層の表面上に形成された第1電極層と、
活性領域を囲む耐圧領域における前記半導体層の表面に形成され、p型の半導体材料からなる複数の環状柱状埋込層と、
前記耐圧領域及び当該耐圧領域を囲む周辺領域における前記半導体層の表面上に形成された絶縁層と、
前記周辺領域における前記半導体層の表面に形成され、p型の半導体材料からなる第2環状柱状埋込層と、
前記第2環状柱状埋込層の上方に前記絶縁層を介して形成された環状導電層とを備える、スーパージャンクション構造を有する半導体装置であって、
前記環状導電層は、前記周辺領域のみに形成されており、
前記第1電極層と前記環状導電層との間隔は、高温環境下で前記半導体装置に長時間逆バイアスを与えた場合に前記絶縁層の表面において生成することがある可動イオンが前記第1電極層と前記環状導電層との電位差によって前記第1電極層又は前記環状導電層のいずれかの電極に捕獲される間隔であり、
前記環状導電層は前記複数の環状柱状埋込層の表面には設けられておらず、前記環状導電層と前記活性領域との間に前記耐圧領域が設けられ、
前記第2環状柱状埋込層は周縁端部には設けられておらず、
前記環状導電層の下方に複数の前記第2環状柱状埋込層が設けられ、そのうちの少なくとも1つが前記環状導電層に接続されていることを特徴とする、スーパージャンクション構造を
有する半導体装置。 - 請求項1に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体装置において、
前記絶縁層は、前記周辺領域における前記第2環状柱状埋込層が形成されている領域において開口部を有し、
前記環状導電層は、前記開口部を介して、前記第2環状柱状埋込層に接続されていることを特徴とする、スーパージャンクション構造を有する半導体装置。 - 請求項2に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体装置において、
前記環状導電層に接続されている第2環状柱状埋込層の表面近傍には、p型の高濃度拡散領域が形成されていることを特徴とする、スーパージャンクション構造を有する半導体装置。 - 請求項1に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体装置において、
前記絶縁層は、前記周辺領域における前記第2環状柱状埋込層が形成されていない領域において開口部を有し、
前記環状導電層は、前記開口部を介して、前記半導体層に接続されており、
前記環状導電層に接続されている領域における前記半導体層の表面には、n型の高濃度拡散領域が形成されていることを特徴とする、スーパージャンクション構造を有する半導体装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載のスーパージャンクション構造を有する半導体装置において、
最外周の第2環状柱状埋込層よりも外周側に伸びる前記環状導電層の幅寸法は、第2環状柱状埋込層の深さ寸法よりも大きいことを特徴とする、スーパージャンクション構造を有する半導体装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載のスーパージャンクション構造を有する半導体装置において、
前記環状導電層として、複数の環状導電層を備えることを特徴とする、スーパージャンクション構造を有する半導体装置。 - 請求項1〜6のいずれかに記載のスーパージャンクション構造を有する半導体装置において、
前記第2環状柱状埋込層として、複数の第2環状柱状埋込層を備えることを特徴とする、スーパージャンクション構造を有する半導体装置。 - 請求項7に記載の、スーパージャンクション構造を有する半導体装置において、
前記環状導電層は、最内周の第2環状柱状埋込層に接続されていることを特徴とする、
スーパージャンクション構造を有する半導体装置。
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