JP2023090486A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、縦型の半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a vertical semiconductor device.
特許文献1には、プレーナゲートを備えた縦型の半導体装置の一例が開示されている。
プレーナゲート構造では、半導体層の表面にチャネル領域が形成されている。素子オフ時の逆バイアス電圧の印加時に半導体層の表面で電界が高くなると、チャネル領域に電界集中してしまうため、耐圧が低下してしまう。 In the planar gate structure, a channel region is formed on the surface of the semiconductor layer. If the electric field increases on the surface of the semiconductor layer when a reverse bias voltage is applied when the element is turned off, the electric field concentrates in the channel region, resulting in a decrease in breakdown voltage.
本明細書に開示する半導体装置の一実施形態は、半導体層と、半導体層の上面に配置されているゲート電極およびソース電極と、を備える縦型の半導体装置である。半導体層は、第1導電型のドリフト領域を備える。半導体層は、ドリフト領域上に配置されており、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JFET領域を備える。半導体層は、ドリフト領域上に配置されており、JFET領域に隣接しており、上面に露出する位置に配置されている第2導電型のボディ領域を備える。半導体層は、ボディ領域によってドリフト領域及びJFET領域から隔てられており、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を備える。半導体層は、半導体層の上面からソース領域およびボディ領域を貫通してドリフト領域に到達しているトレンチを備える。ゲート電極は、JFET領域の上面、および、JFET領域とソース領域を隔てている部分のボディ領域の上面に、ゲート絶縁膜を介して配置されている。ソース電極は、ソース領域と電気的に接続されている。トレンチ内に露出しているドリフト領域の全体が、トレンチ絶縁膜で覆われている。トレンチの内部には、トレンチ絶縁膜を介して導電体が配置されている。導電体はソース電極に電気的に接続している。 One embodiment of the semiconductor device disclosed in this specification is a vertical semiconductor device that includes a semiconductor layer, and a gate electrode and a source electrode that are arranged on an upper surface of the semiconductor layer. The semiconductor layer comprises a drift region of first conductivity type. The semiconductor layer is disposed on the drift region and includes a first conductivity type JFET region disposed at a position exposed to the top surface of the semiconductor layer. A semiconductor layer is disposed on the drift region, adjacent to the JFET region, and includes a body region of a second conductivity type disposed at a position exposed to the top surface. The semiconductor layer is separated from the drift region and the JFET region by a body region and includes a source region of a first conductivity type located at an exposed top surface. The semiconductor layer includes a trench extending from the top surface of the semiconductor layer through the source and body regions to the drift region. The gate electrode is arranged on the upper surface of the JFET region and on the upper surface of the body region separating the JFET region and the source region via a gate insulating film. A source electrode is electrically connected to the source region. The entire drift region exposed in the trench is covered with a trench insulating film. A conductor is arranged inside the trench via a trench insulating film. A conductor is electrically connected to the source electrode.
トレンチの内部には、トレンチ絶縁膜を介して導電体が配置されている。導電体は、ソース電極に電気的に接続している。これにより、トレンチの底面にフィールドプレート構造を形成することができる。このフィールドプレート構造により、半導体層の表面の内部側において空乏層を広げることができるため、表面から離れた位置で電界を分担することができる。半導体層の表面に配置されているチャネル領域への電界集中を緩和することができるため、高耐圧化が可能となる。 A conductor is arranged inside the trench via a trench insulating film. A conductor is electrically connected to the source electrode. Thereby, a field plate structure can be formed on the bottom surface of the trench. Due to this field plate structure, the depletion layer can be spread inside the surface of the semiconductor layer, so that the electric field can be shared at positions away from the surface. Since electric field concentration in the channel region arranged on the surface of the semiconductor layer can be alleviated, a high breakdown voltage can be achieved.
ドリフト領域は、トレンチの底面および側面の下方側に露出していてもよい。トレンチの側面において、露出しているドリフト領域の上側には、ボディ領域が露出していてもよい。トレンチ絶縁膜は、露出しているボディ領域の一部を覆っていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The drift region may be exposed below the bottom and sides of the trench. A body region may be exposed on the sides of the trench above the exposed drift region. A trench insulating film may cover a portion of the exposed body region. Details of the effect will be described in Examples.
トレンチの側面において、トレンチ絶縁膜は、トレンチの底面から、露出しているボディ領域の下面と上面との間の中間点までの領域を覆っていてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 On the sides of the trench, the trench insulating film may cover an area from the bottom of the trench to a midpoint between the bottom and top surfaces of the exposed body region. Details of the effect will be described in Examples.
半導体層の上面からトレンチの底面までの距離は、半導体層の上面からドリフト領域とボディ領域との境界までの距離に対して、1倍~3倍の範囲内であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The distance from the top surface of the semiconductor layer to the bottom surface of the trench may be in the range of 1 to 3 times the distance from the top surface of the semiconductor layer to the boundary between the drift region and the body region. Details of the effect will be described in Examples.
トレンチの底面のコーナー部に配置されているトレンチ絶縁膜の厚さは、トレンチの側面および底面に配置されているトレンチ絶縁膜の厚さよりも厚くてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The thickness of the trench insulating film arranged at the corners of the bottom surface of the trench may be thicker than the thickness of the trench insulating film arranged on the side surfaces and the bottom surface of the trench. Details of the effect will be described in Examples.
導電体の材料は、ソース電極の材料と同一であってもよい。 The material of the conductor may be the same as the material of the source electrode.
(半導体装置1の構造)
図1に、実施例1に係る半導体装置1の要部断面図を示す。半導体装置1は、プレーナゲート構造を有する縦型のMOSFETである。半導体装置1は、ドレイン電極22、半導体層10、トレンチT、トレンチ絶縁膜23、埋込電極24、ソース電極25、ゲート絶縁膜26、ゲート電極27、を備えている。
(Structure of semiconductor device 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of essential parts of a
半導体層10は、Ga2O3(酸化ガリウム)を材料とする。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、n型のJFET(Junction Field Effect Transistor)領域13と、p型のボディ領域14と、n+型のソース領域15と、を有している。ドレイン領域11は、半導体層10の裏面に露出する位置に設けられており、ドレイン電極22にオーミック接触している。ドリフト領域12は、ドレイン領域11上に設けられており、ドレイン領域11とJFET領域13の間、且つ、ドレイン領域11とボディ領域14の間に配置されている。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。
The
JFET領域13は、ドリフト領域12上に設けられており、ドリフト領域12の表面から半導体層10の表面10aまで半導体層10の厚み方向(+z方向)に沿って伸びており、ドリフト領域12の表面から突出した形態を有している。換言すると、JFET領域13は、半導体層10の表面10aからボディ領域14を貫通してドリフト領域12まで伸びている。本実施例では、ドリフト領域12の不純物濃度は5×1016(cm-3)とし、JFET領域13の不純物濃度は5×1017(cm-3)とした。
The JFET
ボディ領域14は、ドリフト領域12上に設けられており、JFET領域13を間に置いて配置されており、JFET領域13の側面に隣接している。ソース領域15は、ボディ領域14上に設けられており、ボディ領域14によってドリフト領域12及びJFET領域13から隔てられている。
トレンチTは、半導体層10の表面10aからソース領域15およびボディ領域14を貫通して、ドリフト領域12に到達している。トレンチTの底面Tbには、ドリフト領域12が露出している。底面Tbの全体が、トレンチ絶縁膜23によって覆われている。またトレンチTの側面Tsには、下方側から順に、ドリフト領域12、ボディ領域14、ソース領域15が露出している。ここで、側面Tsに露出しているボディ領域14の下面と上面との間を、中間点HPと定義する。側面Tsにおいて、底面Tbから中間点HPまでの領域が、トレンチ絶縁膜23によって覆われている。
Trench T extends from
トレンチTの内部には、トレンチ絶縁膜23を介して埋込電極24が配置されている。これにより、トレンチTの底面にフィールドプレート構造を形成することができる。本実施例では、埋込電極24の材料は、ソース電極25の材料と同一である。また本実施例では、ソース電極25の材料はアルミニウムである。埋込電極24は、ソース電極25と一体に形成されていてもよい。
A buried
トレンチ絶縁膜23によって、トレンチT内に露出しているドリフト領域12の全体が覆われている。これにより、ドリフト領域12は、埋込電極24から絶縁されている。またトレンチ絶縁膜23によって、トレンチT内に露出しているボディ領域14の下側部分が覆われている。これにより、ボディ領域14の上側部分と埋込電極24とが接触している構造が形成されている。この接触部分は、正孔引き抜き領域HEとして機能する。正孔引き抜き領域HEの動作は、後述する。
The
トレンチTのコーナー部Tcに配置されているトレンチ絶縁膜23の厚さは、側面Tsおよび底面Tbに配置されているトレンチ絶縁膜23の厚さよりも厚い。効果を説明する。トレンチTがフィールドプレートとして機能する場合には、コーナー部Tcに電界集中する。そのコーナー部Tcのトレンチ絶縁膜23の膜厚を選択的に厚くすることで、コーナー部Tcの耐圧を高めることが可能となる。
The thickness of the
トレンチ絶縁膜23の材料は、比誘電率が23以下の材料が適している。本実施例では、トレンチ絶縁膜23の材料はSiO2(酸化シリコン)とした。なお、酸化シリコンを用いる場合のトレンチ絶縁膜23の厚さは、耐圧の観点から、0.2μm以上が好ましい。
A material having a dielectric constant of 23 or less is suitable for the material of the
ソース電極25は、半導体層10の表面10aの上方に配置されている。ソース電極25は、埋込電極24に接触しており、埋込電極24と電気的に接続されている。ソース電極25は、埋込電極24を介してソース領域15とオーミック接触している。
The
ゲート電極27は、半導体層10の表面10a上にゲート絶縁膜26を介して配置されている。ゲート電極27は、プレーナ型の電極である。ゲート電極27は、JFET領域13の全体にゲート絶縁膜26を介して対向している。ゲート電極27はさらに、JFET領域13とソース領域15を隔てる部分のボディ領域14に、ゲート絶縁膜26を介して対向している。ゲート電極27は、紙面奥行き方向(+y方向)に伸びており、不図示のゲート電極配線と接触している。本実施例では、ゲート絶縁膜26は酸化シリコンとし、ゲート電極27はポリシリコンとした。
The
(半導体装置1の動作)
JFET領域13とソース領域15を隔てる部分のボディ領域14の表面近傍には、チャネル領域CRが形成されている。半導体装置1の使用時には、ドレイン電極22に正電圧が印加され、ソース電極25が接地される。ゲート電極27にゲート閾値電圧よりも高い正電圧が印加されると、チャネル領域CRに反転層が形成され、半導体装置1がターンオンする。このとき、反転層を経由してソース領域15からJFET領域13に電子が流入する。JFET領域13に流入した電子は、JFET領域13とドリフト領域12を縦方向に流れてドレイン電極22に向かう。これにより、ドレイン電極22とソース電極25が導通する。ゲート電極27が接地されると、チャネル領域CRの反転層が消失し、半導体装置1がターンオフする。このように、半導体装置1は、ゲート電極27に印加する電圧に基づいてスイッチング動作を実行することができる。
(Operation of semiconductor device 1)
A channel region CR is formed in the vicinity of the surface of the
(効果)
プレーナゲート構造では、半導体層10の表面10a近傍にチャネル領域CRが形成されている。半導体装置1オフ時の逆バイアス電圧の印加時に、半導体層10の表面10aで電界が高くなると、チャネル領域CRに電界集中してしまうため、耐圧が低下してしまう。そこで本明細書の半導体装置1は、トレンチTの底面にフィールドプレート構造を備えている。このフィールドプレート構造により、半導体層10の表面10aの内部側(すなわち-z方向側)において空乏層を広げることができる。表面10aでの電界が高くなる前に、表面10aから離れた位置であるトレンチTの底面Tb近傍で、電界を分担することができる。半導体層10の表面10aに配置されているチャネル領域CRへの電界集中を緩和することができるため、高耐圧化が可能となる。
(effect)
In the planar gate structure, a channel region CR is formed near the
酸化ガリウムや炭化ケイ素などのワイドギャップ半導体では、バンドギャップがSiに比して大きいため、比誘電率が小さく、空乏層が広がりにくい。よって、半導体層10の表面10aにフィールドプレート構造を設けても、Siのようにフィールドプレートの効果を得ることが難しい。本明細書の技術では、トレンチTの底面Tbに埋め込み型のフィールドプレートを形成することで、空乏層が広がりにくいワイドギャップ半導体においても、フィールドプレートの効果を十分に得ることが可能となる。
Wide-gap semiconductors such as gallium oxide and silicon carbide have a larger bandgap than Si, and therefore have a lower dielectric constant and a depletion layer that is less likely to spread. Therefore, even if a field plate structure is provided on the
半導体装置1がターンオフするときに、サージ等の高電圧が印加されると、ドリフト領域12とボディ領域14の間のpn接合に隣接するトレンチTの近傍において、アバランシェ降伏が発生する場合がある。本明細書の技術では、このアバランシェ降伏で発生した正孔を、正孔引き抜き領域HEおよび埋込電極24を介して、速やかにソース電極25に排出することができる。これにより、高いアバランシェ耐量を有することが可能となる。
When a high voltage such as a surge is applied when the
(トレンチTの深さと耐圧との関係)
半導体層10の表面10aからトレンチTの底面Tbまでの距離を、トレンチ深さDtと定義する。また、表面10aからドリフト領域12とボディ領域14との境界までの距離を、ボディ領域深さDpと定義する。ボディ領域深さDpに対するトレンチ深さDtの比(Dt/Dp比)を変化させた場合の半導体装置1の耐圧を、シミュレーションにより計算した。図2に、計算結果を示す。縦軸は、ブレイクダウンが発生する耐圧BV(V)である。横軸は、Dt/Dp比である。シミュレーションでは、ボディ領域深さDpを1.0μmで固定し、トレンチ深さDtを1~10μmの範囲で変化させた。
(Relationship between depth of trench T and breakdown voltage)
A distance from the
トレンチTを備えない従来の半導体装置では、トレンチ深さDtが0のため、Dt/Dp比が0となる。このときの耐圧を、従来耐圧BV0と定義する。従来耐圧BV0は、図2の白丸のプロットで示すように、920(V)であった。 In a conventional semiconductor device having no trench T, the trench depth Dt is zero, so the Dt/Dp ratio is zero. The breakdown voltage at this time is defined as the conventional breakdown voltage BV0. The conventional breakdown voltage BV0 was 920 (V), as indicated by the plotted white circles in FIG.
一方、トレンチTを備える本明細書の半導体装置1では、Dt/Dp比は1~10の範囲となる。。この時の耐圧を、図2の黒丸のプロットで示す。Dt/Dp比が1.5のときに、耐圧BVが最大値を取ることが分かる。また、Dt/Dp比が1~3の範囲であるとき(すなわち、トレンチ深さDtがボディ領域深さDpに対して1倍~3倍の範囲内にあるとき)に、耐圧BVを従来耐圧BV0に比して30%以上向上させることができることが分かる(領域A1参照)。また、より好適には、Dt/Dp比が1~2の範囲であるときに、耐圧BVを従来耐圧BV0に比して40-50%向上させることができることが分かる。
On the other hand, the Dt/Dp ratio is in the range of 1-10 in the
(半導体装置1の製造方法)
ドレイン領域11、ドリフト領域12、JFET領域13、ボディ領域14、ソース領域15が形成された半導体層10を用意する。半導体層10の表面10aに、ゲート絶縁膜26およびゲート電極27を形成する。既知のフォトリソグラフィ技術によって、トレンチTに対応した開口部を有するマスクを形成する。既知のドライエッチング技術によって、トレンチTを加工する。トレンチTの底面Tbおよび側面Tsに、トレンチ絶縁膜23を成膜する。
(Manufacturing method of semiconductor device 1)
A
トレンチT内に犠牲層を埋める。犠牲層の上面位置が中間点HPと一致するまで、犠牲層の上部をドライエッチングで除去する。犠牲層で覆われていないトレンチ絶縁膜23を、ウェットエッチングで選択除去する。これにより、図1に示すように、底面Tbから中間点HPまでの領域がトレンチ絶縁膜23によって覆われている構造が形成される。
The trench T is filled with a sacrificial layer. The upper portion of the sacrificial layer is removed by dry etching until the position of the upper surface of the sacrificial layer coincides with the intermediate point HP. The
埋込電極24およびソース電極25を形成する。埋込電極24およびソース電極25は、一括形成することで、一体構造とすることができる。半導体層10の裏面を被覆するようにドレイン電極22を形成する。これにより、図1に示す半導体装置1が完成する。
A buried
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。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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as of the filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.
(変形例)
図1の半導体装置1は一例であり、この形態に限られない。図3に示す変形例の半導体装置1aに示すように、以下の様々な変形が可能である。ソース領域15の表面の一部が、ソース電極25に直接オーミック接触する形態であってもよい。ソース電極25に接触している、p+型のボディコンタクト16を備えていてもよい。ゲート電極27を覆って配置されている、層間絶縁膜40を備えていてもよい。ソース電極25は、半導体層10の表面10a上に配置されており、層間絶縁膜40を覆っていてもよい。層間絶縁膜40によって、ゲート電極27とソース電極25とを絶縁することができる。
(Modification)
The
半導体層10の材料はGa2O3に限定されるものではない。例えば、Si(シリコン)、SiC(炭化ケイ素)、GaN(窒化ガリウム)、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)、InGaN(窒化インジウムガリウム)または、その混晶等であってもよい。
The material of the
埋込電極24の材料は、アルミニウムに限られない。各種の金属や、ポリシリコンなどであってもよい。
The material of the embedded
n型は、第1導電型の一例である。p型は、第2導電型の一例である。埋込電極24は、導電体の一例である。
N-type is an example of a first conductivity type. P-type is an example of a second conductivity type. The embedded
1:半導体装置 10 半導体層 10a:表面 11:ドレイン領域 12:ドリフト領域 13:JFET領域 14:ボディ領域 15:ソース領域 22:ドレイン電極 23:トレンチ絶縁膜 24:埋込電極 25:ソース電極 26:ゲート絶縁膜 27:ゲート電極 T:トレンチ Tb:底面 Ts:側面
1:
Claims (6)
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配置されており、前記半導体層の上面に露出する位置に配置されている第1導電型のJFET領域と、
前記ドリフト領域上に配置されており、前記JFET領域に隣接しており、前記上面に露出する位置に配置されている第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記ドリフト領域及び前記JFET領域から隔てられており、前記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、
前記半導体層の上面から前記ソース領域および前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に到達しているトレンチと、
を備え、
前記ゲート電極は、前記JFET領域の上面、および、前記JFET領域と前記ソース領域を隔てている部分の前記ボディ領域の上面に、ゲート絶縁膜を介して配置されており、
前記ソース電極は、前記ソース領域と電気的に接続されており、
前記トレンチ内に露出している前記ドリフト領域の全体が、トレンチ絶縁膜で覆われており、
前記トレンチの内部には、前記トレンチ絶縁膜を介して導電体が配置されており、
前記導電体は前記ソース電極に電気的に接続している、半導体装置。 A vertical semiconductor device comprising a semiconductor layer, and a gate electrode and a source electrode disposed on an upper surface of the semiconductor layer,
The semiconductor layer is
a first conductivity type drift region;
a first conductivity type JFET region disposed on the drift region and disposed at a position exposed to the upper surface of the semiconductor layer;
a body region of a second conductivity type disposed on the drift region, adjacent to the JFET region, and disposed at a position exposed to the top surface;
a source region of a first conductivity type separated from the drift region and the JFET region by the body region and located at a position exposed on the top surface;
a trench extending from the upper surface of the semiconductor layer through the source region and the body region to reach the drift region;
with
the gate electrode is arranged on the upper surface of the JFET region and on the upper surface of the body region in a portion separating the JFET region and the source region via a gate insulating film;
the source electrode is electrically connected to the source region;
the entire drift region exposed in the trench is covered with a trench insulating film;
A conductor is arranged inside the trench via the trench insulating film,
The semiconductor device, wherein the conductor is electrically connected to the source electrode.
前記トレンチの側面において、露出している前記ドリフト領域の上側には、前記ボディ領域が露出しており、
前記トレンチ絶縁膜は、露出している前記ボディ領域の一部を覆っている、請求項1に記載の半導体装置。 the drift region is exposed below the bottom and side surfaces of the trench;
the body region is exposed above the exposed drift region on the side surface of the trench;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said trench insulating film covers the exposed part of said body region.
前記半導体層の上面から前記ドリフト領域と前記ボディ領域との境界までの距離に対して、1倍~3倍の範囲内である、請求項2または3に記載の半導体装置。 The distance from the top surface of the semiconductor layer to the bottom surface of the trench is
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the distance is within a range of 1 to 3 times the distance from the upper surface of said semiconductor layer to the boundary between said drift region and said body region.
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the material of said conductor is the same as the material of said source electrode.
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