JP2010109221A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチ構造を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a trench structure.
図11は、従来のトレンチ構造を有する縦型の絶縁ゲート型半導体装置の断面の一例を示している。この半導体装置9Aは、MOSFETとして、一般にスイッチング回路に用いられる。半導体装置9Aは、第1n型半導体層911、第2n型半導体層912、p型半導体層913、n型半導体領域914、トレンチ93、ゲート電極941、ゲート絶縁層95、ソース電極942およびドレイン電極943を備えている。
FIG. 11 shows an example of a cross section of a vertical insulated gate semiconductor device having a conventional trench structure. The
第1n型半導体層911は、半導体装置9Aの土台となっている。第2n型半導体層912は、第1n型半導体層911の上に形成されている。p型半導体層913は、第2n型半導体層912の上に形成されている。n型半導体領域914は、p型半導体層913の上に形成されている。トレンチ93は、p型半導体層913を貫通し、第2n型半導体層912まで達している。ゲート絶縁層95は、ゲート電極941と、第2n型半導体層912、p型半導体層913およびn型半導体領域914とを絶縁している。
The first n-
半導体装置9Aを含む回路には、半導体装置9Aと、この半導体装置に逆並列接続されたダイオードとが設けられている。ゲート電極941に一定値以上の電圧を印加した場合、トレンチ93に沿って、p型半導体層913内にチャネル領域が形成される。このとき、ソース電極942に対するドレイン電極943の電圧が正の値になった場合に、上記チャネル領域を電流が流れる。一方、ソース電極942に対するドレイン電極943の電圧が負の値になったとき、上記ダイオードを電流が流れ、上記チャネル領域に電流が流れないようになっている。
A circuit including the
従来の半導体装置9Aを含む回路においては、上記ダイオードを設けるために、半導体装置9Aが設けられたチップの占める領域のみでなく、それ以外の領域も必要となっていた。そのため、半導体装置9Aを含む回路を小型化したいといった要望が、十分に満たされていなかった。
In a circuit including the
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、回路の小型化を可能とする、トレンチ構造を有する半導体装置を提供することをその課題とする。 The present invention has been conceived under the circumstances described above, and an object thereof is to provide a semiconductor device having a trench structure that enables a circuit to be miniaturized.
本発明によって提供される半導体装置は、第1の導電型をもつ第1半導体層と、この第1半導体層上に設けられ、上記第1の導電型と反対の第2の導電型を持つ第2半導体層と、この第2半導体層を貫通して上記第1半導体層に達するトレンチと、上記第2半導体層上に、かつ、上記トレンチの周囲に形成された上記第1の導電型をもつ半導体領域と、上記トレンチ内部に形成された絶縁部と、この絶縁部により、上記第1半導体層、上記第2半導体層および上記半導体領域と絶縁されており、少なくとも一部が上記トレンチ内部に形成されたゲート電極と、この半導体領域と導通しているソース電極と、を備えた半導体装置であって、導電体、または、上記第2の導電型をもつ半導体から構成される追加の領域をさらに備え、この追加の領域は、上記ソース電極と導通しており、かつ、上記第2半導体層、上記半導体領域および上記ゲート電極と絶縁されており、上記追加の領域と上記第1半導体層とが上記トレンチ内で接合されることにより、ダイオードを形成していることを特徴とする。 A semiconductor device provided by the present invention includes a first semiconductor layer having a first conductivity type and a second conductivity type provided on the first semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Two semiconductor layers, a trench that passes through the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer, and has the first conductivity type formed on the second semiconductor layer and around the trench. A semiconductor region, an insulating portion formed inside the trench, and the insulating portion are insulated from the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the semiconductor region, and at least a part is formed inside the trench. A semiconductor device comprising a gate electrode and a source electrode electrically connected to the semiconductor region, and further comprising an additional region made of a conductor or a semiconductor having the second conductivity type. Prepare for this additional region Is electrically connected to the source electrode and insulated from the second semiconductor layer, the semiconductor region, and the gate electrode, and the additional region and the first semiconductor layer are joined in the trench. Thus, a diode is formed.
このような構成においては、上記トレンチの外部に、上記ダイオードに相当するダイオードを設ける必要がない。そのため、上記半導体装置を用いた回路の小型化を図ることができる。 In such a configuration, it is not necessary to provide a diode corresponding to the diode outside the trench. Therefore, the size of the circuit using the semiconductor device can be reduced.
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第1半導体層、上記第2半導体層、および、上記半導体領域は、SiC、GaN、ダイヤモンド、ZnO、またはAlGaNから構成されており、上記追加の領域は、上記導電体からなり、上記ダイオードは、ショットキーバリヤダイオードである。 In a preferred embodiment of the present invention, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the semiconductor region are composed of SiC, GaN, diamond, ZnO, or AlGaN, and the additional region is The diode is a Schottky barrier diode.
本発明の好ましい実施の形態においては、上記導電体は、上記トレンチの底面から上記トレンチの側面にわたって接している。このような構成によれば、上記半導体装置を使用する際、上記底面から上記側面までの部分に電界集中することを抑止できる。そのため、上記半導体装置において、絶縁破壊が起こりにくくなる。 In a preferred embodiment of the present invention, the conductor is in contact from the bottom surface of the trench to the side surface of the trench. According to such a configuration, when the semiconductor device is used, it is possible to prevent the electric field from being concentrated on the portion from the bottom surface to the side surface. Therefore, dielectric breakdown is less likely to occur in the semiconductor device.
本発明の好ましい実施の形態においては、上記追加の領域と上記ソース電極とを導通させる導電部をさらに備え、この導電部は、上記トレンチの開口部から、上記トレンチの深さ方向に沿って延びており、かつ、上記ゲート電極を貫通している。このような構成によれば、上記ダイオードが上記トレンチ内部に形成されているにもかかわらず、上記第2半導体層におけるチャネルの形成が妨げられにくい。そのため、上記トレンチの内部に上記ダイオードが形成されていない場合と比べて、上記チャネルの抵抗を同程度に維持できる。 In a preferred embodiment of the present invention, the semiconductor device further includes a conductive portion that conducts the additional region and the source electrode, and the conductive portion extends from the opening of the trench along the depth direction of the trench. And penetrates through the gate electrode. According to such a configuration, although the diode is formed inside the trench, formation of a channel in the second semiconductor layer is hardly hindered. Therefore, the resistance of the channel can be maintained at the same level as compared with the case where the diode is not formed inside the trench.
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1に、本発明の実施形態にかかる半導体装置Aの要部平面図を示している。なお、図2に示すソース電極は、理解の便宜上省略している。図2には、図1のII−II線に沿った要部断面図を示している。図3には、図1のIII−III線に沿った要部断面図を示している。 FIG. 1 shows a plan view of a main part of a semiconductor device A according to an embodiment of the present invention. Note that the source electrode shown in FIG. 2 is omitted for the sake of understanding. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the main part along the line II-II in FIG. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the main part along the line III-III in FIG.
図2に示すように、半導体装置Aは、第1n型半導体層11、第2n型半導体層12、p型半導体層13、高濃度p型半導体領域13a、n型半導体領域14、トレンチ3、ゲート電極41、ゲート絶縁部5、ショットキー電極d1、接続導電部d2、ソース電極42、ドレイン電極43および層間絶縁膜6を備えている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device A includes a first n-
第1n型半導体層11は、SiCに高濃度の不純物が添加された材質からなる基板であり、半導体装置Aの土台となっている。第2n型半導体層12は、第1n型半導体層11の上に形成されている。第2n型半導体層12は、SiCに低濃度の不純物が添加された材質からなる。第2n型半導体層12の深さ方向xにおける大きさは、約10μmである。p型半導体層13は、第2n型半導体層12の上に形成されている。p型半導体層13の深さ方向xの大きさは、約0.7μmである。n型半導体領域14は、p型半導体層13の上に形成されている。n型半導体領域14の深さ方向xの大きさは、約0.3μmである。高濃度p型半導体領域13aは、p型半導体層13の上に形成されている。
The first n-
トレンチ3は、p型半導体層13およびn型半導体領域14を貫通して、第2n型半導体層12に達するように形成されている。トレンチ3の内部には、ゲート電極41、ゲート絶縁部5、ショットキー電極d1および接続導電部d2が形成されている。ゲート電極41は、たとえばポリシリコンからなっている。ゲート絶縁部5は、ショットキー電極d1の上に形成されている。ゲート絶縁部5は、本実施形態においては、SiO2より構成されている。ゲート絶縁部5は、ゲート電極41を、第2n型半導体層12、p型半導体層13、n型半導体領域14、ショットキー電極d1および接続導電部d2から絶縁している。さらに、ゲート絶縁部5は、ショットキー電極d1および接続導電部d2を、p型半導体層13およびn型半導体領域14から絶縁している。
The
ショットキー電極d1は、トレンチ3の底部3aからトレンチ3の側部3bにわたって、トレンチ3に接するように形成されている。ショットキー電極d1は、第2n型半導体層12と接合している。これにより、ショットキーバリヤダイオードが形成されている。ショットキー電極d1は、ポリシリコンにより構成されていることが好ましい。また、ショットキー電極d1の材料に、ポリシリコン以外の導電体である、Ni、Ti、TiN、Moなどの金属を用いてもよい。
The Schottky electrode d <b> 1 is formed so as to be in contact with the
接続導電部d2は、ショットキー電極d1とソース電極42とを導電させるためのものである。接続導電部d2は、トレンチ3のほぼ中央に形成され、ソース電極42から深さ方向xに沿って延びている。また、接続導電部d2は、ゲート絶縁部5を介して2つのゲート電極41に挟まれている。すなわち、接続導電部d2は、ゲート電極41を貫通している。
The connection conductive portion d2 is for conducting the Schottky electrode d1 and the
ソース電極42は、たとえばAlからなり、n型半導体領域14および高濃度p型半導体領域13aと接している。ドレイン電極43も、たとえばAlからなり、第1n型半導体層11と接している。ドレイン電極43は、第2n型半導体層12が形成された側と、第1n型半導体層11を挟んで反対側に形成されている。層間絶縁膜6は、ゲート電極41を覆うように形成されている。
The
図3には、図1のIII−III線に沿った要部断面図を示している。図3において、図2に記載した接続導電部d2は記載されていない。だが、図3に示した半導体装置Aにおけるショットキー電極d1は、図2に示した接続導電部d2によりソース電極42と導通している。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the main part along the line III-III in FIG. In FIG. 3, the connection conductive portion d2 shown in FIG. 2 is not shown. However, the Schottky electrode d1 in the semiconductor device A shown in FIG. 3 is electrically connected to the
次に、半導体装置Aの製造方法の一例について、図4〜図10を参照しつつ以下に説明する。なお、図3に示した断面部分の製造工程は、図2に示した接続導電部d2およびその周囲のゲート絶縁部5を形成する工程を除き、図2に示した断面部分の製造工程と同一である。そのため、図3に示した断面部分の製造工程の記載は省略する。
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device A will be described below with reference to FIGS. 3 is the same as the manufacturing process of the cross-sectional portion shown in FIG. 2 except the step of forming the connection conductive portion d2 and the surrounding
まず、図4のように、第1n型半導体層11となる半導体基板を準備する。次に、この基板の表面側に、エピタキシャル結晶成長法により、第2n型半導体層12を形成する。次に、第2n型半導体層12の上面に所定形状のマスクを施すなどして、不純物イオン(n型またはp型)を注入し、p型半導体層13、n型半導体領域14および高濃度p型半導体領域13aを形成する。そして、トレンチ3を形成する。
First, as shown in FIG. 4, a semiconductor substrate to be the first n-
次に、図5のように、ポリシリコンからなるショットキー電極d1を、トレンチ3の底部3aに形成する。次に、図6に示すように、n型半導体領域14の露出面、トレンチ3の側部3bおよびショットキー電極d1の上面を熱酸化し、ゲート絶縁部5を形成する。なお、ショットキー電極d1がTiなどの金属である場合、プラズマCVD法により、ゲート絶縁部5を形成する。
Next, a Schottky electrode d1 made of polysilicon is formed on the bottom 3a of the
次に、図7のように、トレンチ3内部に形成されたゲート絶縁部5上に、ゲート電極41を形成する。そして、ゲート電極41およびゲート絶縁部5の上面を平らにした後、層間絶縁膜6を積層させる。
Next, as shown in FIG. 7, the
次に、図8のように、図7に示した層間絶縁膜6およびゲート絶縁部5のうちトレンチ3上部以外に積層されているものを、取り除く。次に、図9のように、層間絶縁膜6における頂部の中央近傍から、ゲート絶縁部5まで、溝mを形成する。
Next, as shown in FIG. 8, the
次に、図10に示すように、ゲート電極41のうち、溝m内部で露出している部分を熱酸化する。次に、ゲート絶縁部5のうち溝mの底の部分5mを取り除く。次に、溝mに、図2に示した接続導電部d2を形成する。その後、ソース電極42、ドレイン電極43などを形成する。これにより、半導体装置Aの製造が完成する。
Next, as shown in FIG. 10, a portion of the
次に、本実施形態にかかる半導体装置Aの作用について説明する。 Next, the operation of the semiconductor device A according to the present embodiment will be described.
本実施形態においては、トレンチ3の外部に、第2n型半導体層12とショットキー電極d1により形成されるダイオードに相当するダイオードを設ける必要がない。そのため、半導体装置Aを用いた回路の小型化を図ることができる。
In the present embodiment, it is not necessary to provide a diode corresponding to the diode formed by the second n-
半導体装置Aを使用する際、トレンチ3の底部3aから側部3bまでの部分に電界集中することを抑止できる。そのため、半導体装置Aにおいて、絶縁破壊が起こりにくくなる。
When the semiconductor device A is used, it is possible to prevent the electric field from being concentrated on the portion from the bottom 3a to the
上記ダイオードがトレンチ3の内部に形成されているにもかかわらず、p型半導体層13におけるチャネルの形成が妨げられにくい。そのため、トレンチ3の内部に上記ダイオードが形成されていない場合と比べて、上記チャネルの抵抗を同程度に維持できる。
Despite the formation of the diode in the
本発明に係る半導体装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。たとえば、ショットキー電極d1が、トレンチ3の底部3aの全体を覆っていなくても良い。ショットキー電極d1と第2n型半導体層12との接する幅方向yの大きさが、接続導電部d2の幅方向yの大きさと同程度でもよい。
The semiconductor device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. The specific configuration of each part of the semiconductor device according to the present invention can be modified in various ways. For example, the Schottky electrode d1 does not have to cover the
上記実施形態では、第1半導体層、第2半導体層、および半導体領域がSiCにより構成されている例を示したが、本発明の範囲はこれに限られない。また、本発明にかかるダイオードがショットキーバリヤダイオードである場合に、上記第1半導体層、上記第2半導体層、および上記半導体領域は、SiC以外のワイドバンドギャップ半導体から構成されていてもよい。たとえば、GaN、ダイヤモンド、ZnO、または、AlGaNなどが挙げられる。 In the said embodiment, although the 1st semiconductor layer, the 2nd semiconductor layer, and the semiconductor region showed the example comprised by SiC, the range of this invention is not restricted to this. When the diode according to the present invention is a Schottky barrier diode, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the semiconductor region may be made of a wide band gap semiconductor other than SiC. For example, GaN, diamond, ZnO, AlGaN, etc. are mentioned.
また、実施形態におけるショットキー電極d1をp型の半導体とすることにより、pn接合のダイオードを形成してもよい。 In addition, a pn junction diode may be formed by using a Schottky electrode d1 in the embodiment as a p-type semiconductor.
A 半導体装置
11 第1n型半導体層
12 第2n型半導体層
13 p型半導体層
14 n型半導体領域
3 トレンチ
41 ゲート電極
42 ソース電極
43 ドレイン電極
5 ゲート絶縁部
6 層間絶縁膜
x 深さ方向
y 幅方向
m 溝
d1 ショットキー電極
d2 接続導電部
A
Claims (4)
この第1半導体層上に設けられ、上記第1の導電型と反対の第2の導電型を持つ第2半導体層と、
この第2半導体層を貫通して上記第1半導体層に達するトレンチと、
上記第2半導体層上に、かつ、上記トレンチの周囲に形成された上記第1の導電型をもつ半導体領域と、
上記トレンチ内部に形成された絶縁部と、
この絶縁部により、上記第1半導体層、上記第2半導体層および上記半導体領域と絶縁されており、少なくとも一部が上記トレンチ内部に形成されたゲート電極と、
この半導体領域と導通しているソース電極と、
を備えた半導体装置であって、
導電体、または、上記第2の導電型をもつ半導体から構成される追加の領域をさらに備え、
この追加の領域は、上記ソース電極と導通しており、かつ、上記第2半導体層、上記半導体領域および上記ゲート電極と絶縁されており、
上記追加の領域と上記第1半導体層とが上記トレンチ内で接合されることにより、ダイオードを形成していることを特徴とする、半導体装置。 A first semiconductor layer having a first conductivity type;
A second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
A trench that penetrates through the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer;
A semiconductor region having the first conductivity type formed on the second semiconductor layer and around the trench;
An insulating part formed inside the trench;
A gate electrode which is insulated from the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the semiconductor region by the insulating portion, and at least a part of which is formed inside the trench;
A source electrode in conduction with the semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
An additional region composed of a conductor or a semiconductor having the second conductivity type;
The additional region is electrically connected to the source electrode, and is insulated from the second semiconductor layer, the semiconductor region, and the gate electrode.
The semiconductor device, wherein the additional region and the first semiconductor layer are joined in the trench to form a diode.
上記追加の領域は、上記導電体からなり、
上記ダイオードは、ショットキーバリヤダイオードである、請求項1に記載の半導体装置。 The first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the semiconductor region are composed of SiC, GaN, diamond, ZnO, or AlGaN,
The additional region is made of the conductor,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the diode is a Schottky barrier diode.
この導電部は、上記トレンチの開口部から、上記トレンチの深さ方向に沿って延びており、かつ、上記ゲート電極を貫通している、請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置。 A conductive portion for electrically connecting the additional region and the source electrode;
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive portion extends from the opening of the trench along the depth direction of the trench and penetrates the gate electrode. 5.
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