JP2013065766A - Switching element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、IGBTやFET等の絶縁ゲート型のスイッチング素子に関する。 The present invention relates to an insulated gate switching element such as an IGBT or an FET.
IGBTやFET等のような、絶縁ゲート型のスイッチング素子が知られている。例えば、特許文献1には、絶縁ゲート型のスイッチング素子の一種であるMISFETが開示されている。絶縁ゲート型のスイッチング素子は、半導体層に対して絶縁膜を介して対向するゲート電極を有している。ゲート電極に所定の電圧を印加することで、ゲート電極近傍の半導体層にチャネルが形成され、絶縁ゲート型スイッチング素子がオンする。 Insulated gate switching elements such as IGBTs and FETs are known. For example, Patent Document 1 discloses a MISFET which is a kind of an insulated gate switching element. An insulated gate switching element has a gate electrode facing the semiconductor layer via an insulating film. By applying a predetermined voltage to the gate electrode, a channel is formed in the semiconductor layer near the gate electrode, and the insulated gate switching element is turned on.
絶縁ゲート型のスイッチング素子をオンさせるのに最低限必要なゲート閾値電圧は低いことが好ましい。トレンチ内の絶縁膜を薄くすると、ゲート電圧印加時に半導体層内に高い電界が生じやすくなるので、ゲート閾値電圧が低くなる。しかしながら、トレンチ内の絶縁膜を薄くすると、スイッチング素子の絶縁耐圧が低下するという問題が生じる。したがって、本明細書は、このようなゲート閾値電圧と絶縁耐圧のトレードオフの関係を生じさせないで、ゲート閾値電圧を低下させることができる技術を提供する。 It is preferable that the minimum gate threshold voltage required to turn on the insulated gate switching element is low. If the insulating film in the trench is made thin, a high electric field is likely to be generated in the semiconductor layer when a gate voltage is applied, so that the gate threshold voltage is lowered. However, when the insulating film in the trench is thinned, there arises a problem that the withstand voltage of the switching element is lowered. Therefore, the present specification provides a technique capable of reducing the gate threshold voltage without causing such a trade-off relationship between the gate threshold voltage and the withstand voltage.
本明細書が開示するスイッチング素子は、上面にトレンチが形成されている半導体基板と、トレンチの内面を覆っている絶縁膜と、トレンチ内に配置されているゲート電極とを有している。ゲート電極の半導体基板に対向する側面には、半導体基板の深さ方向に伸びる凹部が形成されている。半導体基板内には、第1領域と、第2領域と、第3領域が形成されている。第1領域は、凹部内の絶縁膜に接しており、第1導電型を有する。第2領域は、凹部内の絶縁膜に接しており、凹部内の第1領域に対して下側から接しており、第2導電型を有する。第3領域は、凹部内の絶縁膜に接しており、凹部内の第2領域に対して下側から接しており、第2領域によって第1領域から分離されており、第1導電型を有する。 A switching element disclosed in this specification includes a semiconductor substrate having a trench formed on an upper surface, an insulating film covering an inner surface of the trench, and a gate electrode disposed in the trench. A recess extending in the depth direction of the semiconductor substrate is formed on a side surface of the gate electrode facing the semiconductor substrate. A first region, a second region, and a third region are formed in the semiconductor substrate. The first region is in contact with the insulating film in the recess and has the first conductivity type. The second region is in contact with the insulating film in the recess, is in contact with the first region in the recess from below, and has the second conductivity type. The third region is in contact with the insulating film in the recess, is in contact with the second region in the recess from below, is separated from the first region by the second region, and has the first conductivity type. .
なお、第1導電型はp型とn型の一方であり、第2導電型は第1導電型と反対の導電型である。すなわち、第1導電型がp型である場合には第2導電型がn型であり、第1導電型がn型である場合には第2導電型がp型である。 The first conductivity type is one of the p-type and the n-type, and the second conductivity type is a conductivity type opposite to the first conductivity type. That is, when the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and when the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type.
このスイッチング素子では、第2領域が、凹部内において、絶縁膜に接しているとともに、第1領域及び第3領域と接している。ゲート電圧を印加すると、凹部内の第2領域内にチャネルが形成される。これにより、第1領域と第3領域の間でキャリアが移動可能となる。図6は、本明細書が開示するスイッチング素子の一例であり、ゲート電極24にゲート電圧を印加した場合における、凹部28内の絶縁膜22の近傍の第2領域44とゲート電極24内の電荷の分布を示している。なお、図6では、例として、第2領域44をp型として示している。また、図6では、ゲート電極24内で電子密度が低くなっている状態を、模式的に正電荷として示している。図6に示すように、ゲート電圧を印加すると、絶縁膜22近傍のゲート電極24内に正電荷が集まり、絶縁膜22近傍の第2領域44内に負電荷が集まる。第2領域44内に集まった負電荷によってチャネルが形成される。図示するように、凹部28内の第2領域44には、負電荷が高密度に集まる。すなわち、凹部28内の第2領域44には、負電荷が集まり易く、チャネルが形成され易い。したがって、このスイッチング素子は、ゲート閾値電圧が低い。すなわち、このように凹部内の第2領域にチャネルが形成される構成によれば、絶縁膜を薄くすることなくゲート閾値電圧を低くすることができる。したがって、この構成によれば、ゲート閾値電圧と絶縁耐圧のトレードオフの関係を生じさせないで、ゲート閾値電圧を低下させることができる。なお、図6では、凹部28の断面が円弧形を有しているが、これは単なる例示であり、凹部の断面は楕円弧形でも、矩形であってもよい。また、図6では第2領域44がp型であったが、第2領域44がn型であってもよい。
In this switching element, the second region is in contact with the insulating film and in contact with the first region and the third region in the recess. When a gate voltage is applied, a channel is formed in the second region in the recess. As a result, carriers can move between the first region and the third region. FIG. 6 is an example of the switching element disclosed in the present specification, and the charge in the
上述したスイッチング素子は、半導体基板を上面側から平面視したときに、凹部の両側のゲート電極の側面のうちの一方である第1部分が直線状に伸びており、他方である第2部分が第1部分の延長線に沿って直線状に伸びていることが好ましい。 In the switching element described above, when the semiconductor substrate is viewed in plan view from the upper surface side, one of the side surfaces of the gate electrode on both sides of the recess extends linearly, and the other second portion is It is preferable to extend linearly along the extension line of the first part.
また、上述したスイッチング素子は、凹部が形成されている部分のゲート電極の幅が、凹部が形成されていない部分のゲート電極の幅よりも狭いことが好ましい。 In the switching element described above, it is preferable that the width of the gate electrode in the portion where the recess is formed is narrower than the width of the gate electrode in the portion where the recess is not formed.
また、上述したスイッチング素子は、凹部内に形成された第1領域、第2領域、及び、第3領域により構成されているチャネル構造を複数個有しており、少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率が、そのチャネル構造よりも半導体基板の中心から遠い位置に存在する少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率よりも小さいことが好ましい。 Further, the switching element described above has a plurality of channel structures constituted by the first region, the second region, and the third region formed in the recess, and the inside of the recess of at least one channel structure. It is preferable that the curvature of the side surface of the gate electrode is smaller than the curvature of the side surface of the gate electrode in the recess of at least one channel structure present at a position farther from the center of the semiconductor substrate than the channel structure.
このスイッチング素子では、半導体基板の中心から遠い位置の少なくとも1つの凹部において、ゲート電極の側面の曲率が大きい。凹部のゲート電極の側面の曲率が大きいと、その凹部内の第2領域にチャネルがより形成され易くなる。したがって、このスイッチング素子では、半導体基板の中心に近い位置のチャネル構造よりも、半導体基板の中心から遠い位置のチャネル構造に電流が流れ易い。このように、半導体基板の中心に近い位置における電流を相対的に低くすることで、半導体基板中の温度分布の均一化を図ることができる。これによって、半導体基板の中心近傍において、半導体基板が局所的に劣化することを抑制することができる。 In this switching element, the curvature of the side surface of the gate electrode is large in at least one recess located far from the center of the semiconductor substrate. When the curvature of the side surface of the gate electrode of the recess is large, a channel is more easily formed in the second region in the recess. Therefore, in this switching element, current flows more easily through the channel structure at a position far from the center of the semiconductor substrate than at the channel structure at a position near the center of the semiconductor substrate. In this way, by making the current at a position near the center of the semiconductor substrate relatively low, the temperature distribution in the semiconductor substrate can be made uniform. As a result, local degradation of the semiconductor substrate in the vicinity of the center of the semiconductor substrate can be suppressed.
また、2つのスイッチング素子を基板に実装したアセンブリにおいては、2つのスイッチング素子が実装されている領域の中心に近い位置で、各スイッチング素子の半導体基板の温度が上昇し易い。したがって、本明細書は、以下のアセンブリを提供する。 Further, in an assembly in which two switching elements are mounted on a substrate, the temperature of the semiconductor substrate of each switching element is likely to rise at a position close to the center of the region where the two switching elements are mounted. Accordingly, the present specification provides the following assembly.
このアセンブリは、上述したスイッチング素子の構成を有する第1のスイッチング素子と、上述したスイッチング素子の構成を有する第2のスイッチング素子が基板に実装されたアセンブリである。第1のスイッチング素子に、凹部内に形成された第1領域、第2領域、及び、第3領域により構成されているチャネル構造が複数個形成されている。第1のスイッチング素子の少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率が、そのチャネル構造よりも第2のスイッチング素子から遠い位置に存在する少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率よりも小さい。第2のスイッチング素子に、凹部内に形成された第1領域、第2領域、及び、第3領域により構成されているチャネル構造が複数個形成されている。第2のスイッチング素子の少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率が、そのチャネル構造よりも第1のスイッチング素子から遠い位置に存在する少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率よりも小さい。 This assembly is an assembly in which a first switching element having the above-described switching element configuration and a second switching element having the above-described switching element configuration are mounted on a substrate. In the first switching element, a plurality of channel structures constituted by the first region, the second region, and the third region formed in the recess are formed. The gate electrode in the recess of the at least one channel structure in which the curvature of the side surface of the gate electrode in the recess of the at least one channel structure of the first switching element is located farther from the second switching element than the channel structure Smaller than the curvature of the side. In the second switching element, a plurality of channel structures constituted by the first region, the second region, and the third region formed in the recess are formed. The gate electrode in the recess of the at least one channel structure in which the curvature of the side surface of the gate electrode in the recess of the at least one channel structure of the second switching element is located farther from the first switching element than the channel structure Smaller than the curvature of the side.
このような構成によれば、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子が実装されている領域の中心に近いチャネル構造に電流が流れ難くなるため、その領域中の温度の均一化を図ることができる。これによって、その領域の中心に近い位置で、各半導体基板が局所的に劣化することを抑制することができる。 According to such a configuration, since it becomes difficult for a current to flow through the channel structure near the center of the region where the first switching element and the second switching element are mounted, the temperature in the region is made uniform. Can do. Thereby, local degradation of each semiconductor substrate can be suppressed at a position close to the center of the region.
図1〜3に示すように、実施例の半導体装置10は、半導体基板12と、半導体基板12の上面及び下面等に形成された電極、絶縁膜等によって構成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
半導体基板12の上面には、複数のトレンチ20が形成されている。トレンチ20の内面は、ゲート絶縁膜22によって覆われている。トレンチ20の内部には、ゲート電極24が配置されている。ゲート電極24は、ゲート絶縁膜22によって半導体基板12から絶縁されている。ゲート電極24の上面は、層間絶縁膜30に覆われている。半導体基板12の上面には、エミッタ電極32が形成されている。エミッタ電極32は、層間絶縁膜30によってゲート電極24から絶縁されている。半導体基板12の下面には、コレクタ電極34が形成されている。
A plurality of
図1に示すように半導体基板12の上面を平面視した場合に、各トレンチ20は一方向に長く伸びている。以下では、図1において、各トレンチ20が長く伸びている方向をY方向といい、Y方向に直交する方向をX方向という。各トレンチ20は部分的に幅(X方向の幅)が狭くなっている部分を有しており、これによって、ゲート電極24の側面に凹部28が形成されている。図4に示すように、凹部28は、半導体基板12の深さ方向に沿って、ゲート電極24の上端から下端まで伸びている。凹部28以外のゲート電極24の側面は、平面状に形成されている。すなわち、図1に示すように半導体基板12を上面側から平面視したときに、凹部28の両側のゲート電極24の側面のうちの一方である第1部分29aが直線状に伸びており、他方である第2部分29bが第1部分29aの延長線に沿って直線状に伸びている。凹部28内のゲート電極24の側面は、半導体基板12の上面に平行な平面で切断した場合に、円弧若しくは楕円弧の断面形状を有している。ゲート電極24には、その両側の側面に一対の凹部28が形成されている。一対の凹部28は、Y方向に沿って一定間隔で形成されている。凹部28が形成されている部分のゲート電極24の幅(X方向の幅)は、凹部28が形成されていない部分のゲート電極24の幅よりも狭い。ゲート絶縁膜22は、厚みが薄く、凹部28に沿って形成されている。したがって、ゲート絶縁膜22の側面22a(半導体層との境界面)も、凹部28に沿って伸びている。
As shown in FIG. 1, when the upper surface of the
図2〜4に示すように、半導体基板12内には、エミッタ領域40、ボディコンタクト領域42、ボディ領域44、ドリフト領域46、コレクタ領域48が形成されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, an
エミッタ領域40は、n型の領域である。エミッタ領域40は、半導体基板12の上面に露出する深さ範囲に形成されている。エミッタ領域40は、エミッタ電極32に対してオーミック接続されている。エミッタ領域40は、ゲート絶縁膜22と接している。エミッタ領域40の一部は、凹部28内に形成されており、凹部28内のゲート絶縁膜22と接している。
The
ボディコンタクト領域42は、p型の領域である。ボディコンタクト領域42は、半導体基板12の上面に露出する深さ範囲に形成されており、エミッタ領域40に隣接している。ボディコンタクト領域42は、エミッタ電極32に対してオーミック接続されている。ボディコンタクト領域42は、凹部28の外側のゲート絶縁膜22と接している。
The
ボディ領域44は、ボディコンタクト領域42よりもp型不純物濃度が低いp型の領域である。ボディ領域44は、エミッタ領域40及びボディコンタクト領域42の下側に形成されており、これらの領域に対して下側から接している。ボディ領域44は、ゲート絶縁膜22と接している。ボディ領域44の一部は凹部28内に形成されている。凹部28内のボディ領域44は、凹部28内のゲート絶縁膜22と接している。また、凹部28内のボディ領域44は、凹部28内のエミッタ領域40に対して下側から接している。
The
ドリフト領域46は、エミッタ領域40よりもn型不純物濃度が低いn型の領域である。ドリフト領域46は、ボディ領域44の下側に形成されており、ボディ領域44に対して下側から接している。ドリフト領域46は、ボディ領域44によってエミッタ領域40から分離されている。ドリフト領域46は、トレンチ20の下端近傍のゲート絶縁膜22と接している。ドリフト領域46の一部は凹部28内に形成されている。凹部28内のドリフト領域46は、凹部28内のゲート絶縁膜22と接している。また、凹部28のドリフト領域46は、凹部28内のボディ領域44に対して下側から接している。
The
コレクタ領域48は、p型の領域である。コレクタ領域48は、ドリフト領域46の下側に形成されており、ドリフト領域46に対して下側から接している。コレクタ領域48は、ドリフト領域46によってボディ領域44から分離されている。コレクタ領域48は、半導体基板12の下面に露出している。コレクタ領域48は、コレクタ電極34に対してオーミック接続されている。
The
エミッタ電極32、エミッタ領域40、ボディコンタクト領域42、ボディ領域44、ドリフト領域46、コレクタ領域48、ゲート電極24、及び、ゲート絶縁膜22によって、IGBTが形成されている。
The
上述したIGBTは、図5に示す半導体基板12の中央部12aと外周部12bの略全域に形成されている。但し、半導体基板12の上面と平行な平面で切断したときの凹部28内のゲート電極24の側面の断面形状(以下、単に凹部28の断面形状という)は、中央部12aと外周部12bとで異なる。図6は中央部12aに形成されている凹部28の断面形状を示しており、図7は外周部12bに形成されている凹部28の断面形状を示している。図6、7に示すように、中央部12aの凹部28の断面形状の曲率(すなわち、半導体基板12の上面と平行な平面で切断したときの凹部28内のゲート電極24の側面の断面形状の曲率)は、外周部12bの凹部28の断面形状の曲率よりも小さい(すなわち、カーブが緩やかである)。
The above-described IGBT is formed over substantially the entire area of the
次に、IGBTの動作について説明する。ゲート電極24にプラスの電圧を印加すると、ゲート絶縁膜22に接している範囲のボディ領域44に電子が集まる。これによって、ボディ領域44内に、ゲート絶縁膜22に沿ってチャネルが形成される。この状態で、エミッタ電極32とコレクタ電極34の間にコレクタ電極34がプラスとなる電圧が印加されると、IGBTがオンする。すなわち、電子が、エミッタ電極32から、エミッタ領域40、チャネル、ドリフト領域46、コレクタ領域48を通って、コレクタ電極34へ流れる。同時に、ホールが、コレクタ電極34から、コレクタ領域48を通って、ドリフト領域46へ流入する。これによって、ドリフト領域46の電気抵抗が低下し、電子がIGBT内を低損失で流れる。また、ドリフト領域46内に流入したホールは、ボディ領域44、ボディコンタクト領域42を通って、エミッタ電極32へ流れる。
Next, the operation of the IGBT will be described. When a positive voltage is applied to the
次に、IGBTのゲート閾値電圧について説明する。上述したように、半導体装置10では、凹部28内の絶縁膜22にボディ領域44が接している。したがって、凹部28内のボディ領域44にチャネルが形成される。図6は、所定のゲート電圧を印加したときの凹部28近傍における電荷の分布を模式的に示している。なお、図6では、説明のために、ゲート電極24内の電子が少なくなっている状態を、ゲート電極24内に正電荷が蓄積されているものとして表している。図6に示すように、ゲート電圧を印加すると、ゲート絶縁膜22に接する範囲のゲート電極24に正電荷が集まり、ゲート絶縁膜22に接する範囲のボディ領域44に負電荷が集まる。これらの負電荷によって、ボディ領域44内にチャネルが形成される。図示するように、凹部28内では、凹部28の外側よりも負電荷の密度が高くなる。これは、ゲート電極24内において凹部28内の絶縁膜22に沿って正電荷が集まる領域50よりも、ボディ領域44内において凹部28内の絶縁膜22に沿って負電荷が集まる領域52の方が狭いためである。このように、凹部28内に負電荷が集まり易いので、凹部28内にチャネルが形成されやすい。すなわち、このIGBTは、ゲート閾値電圧が低い。また、図7に示すように、より曲率が大きい凹部28には、より負電荷が集まり易い。したがって、図7に示す曲率が大きい凹部28が形成されているIGBTは、図6に示す凹部28を有するIGBTよりもさらにゲート閾値電圧が低い。
Next, the gate threshold voltage of the IGBT will be described. As described above, in the
図8のゲート閾値電圧Vgth0、Vgth1、Vgth2は、各IGBTに微小電流I0が流れ始めるときのゲート電圧を示している。図8に示すように、凹部28が形成されていないIGBTのゲート閾値電圧Vgth0よりも、凹部28が形成されているIGBTのゲート閾値電圧Vgth1、Vgth2の方が低い。また、凹部28の曲率が小さいIGBTのゲート閾値電圧Vgth1よりも、凹部28の曲率が大きいIGBTのゲート閾値電圧Vgth2の方が低い。
Gate threshold voltages V gth0 , V gth1 , and V gth2 in FIG. 8 indicate gate voltages when a minute current I 0 starts to flow through each IGBT. As shown in FIG. 8, than the gate threshold voltage V Gth0 of IGBT not recess 28 is formed, the gate threshold voltage V Gth1 of an
上述したように、半導体基板12の中央部12aでは、半導体基板12の外周部12bよりも凹部28の曲率が小さい。このため、中央部12aに形成されているIGBTは、外周部12bに形成されているIGBTよりもゲート閾値電圧が高い。このため、全てのゲート電極24に同一のゲート電圧(ゲート閾値電圧よりも高い電圧)を印加すると、中央部12aよりも外周部12bで電流密度が高くなる。例えば、図8の電圧Vg0を全てのゲート電極24に印加すると、中央部12a内のIGBT(すなわち、凹部28の断面形状の曲率が小さいIGBT)には電流I1が流れるのに対し、外周部12bのIGBT(すなわち、凹部28の断面形状の曲率が大きいIGBT)には電流I1よりも大きい電流I2が流れる。その結果、中央部12aよりも外周部12bで電流密度が高くなる。これにより、半導体装置10の寿命の向上が図られている。すなわち、一般に、半導体装置の寿命は、半導体基板中の最高温度によって決まる。これは、最高温度が加わる箇所は、熱膨張及び熱収縮によって最も大きいストレスを受け、最も破損し易いためである。半導体基板全体に均一に電流を流すと、半導体基板の中央部が最も高温となる。一方、上記のように、中央部12aよりも外周部12bで電流密度を高くすると、半導体基板12内の温度分布が均一化され、半導体基板12内の最高温度が低くなる。したがって、半導体装置10は寿命が長い。
As described above, the curvature of the
以上に説明したように、半導体装置10は、ゲート電極24に凹部28が形成されているため、従来のIGBTに比べてゲート閾値電圧が低い。すなわち、この構成によれば、絶縁膜を薄くすることなく、ゲート閾値電圧を従来よりも低下させることができる。また、凹部28の曲率の差によって半導体基板12内の温度分布の均一化が図られているため、半導体装置10の寿命は長い。
As described above, the
実施例2として、2つの半導体装置を有するアセンブリについて説明する。図9に示すアセンブリ100は、基板110に2つの半導体装置120、130を実装したものである。半導体装置120、130の半導体基板には、IGBTが形成されている。各IGBTは、図1〜4で説明したものと同様の構造を有している。但し、半導体装置120の領域120a(半導体装置130に近い領域)内の凹部は、図6に示すような曲率の小さい凹部であり、領域120b(半導体装置130から遠い領域)内の凹部は、図7に示すような曲率の大きい凹部である。また、半導体装置130の領域130a(半導体装置120に近い領域)内の凹部は、図6に示すような曲率の小さい凹部であり、領域130b(半導体装置120から遠い領域)内の凹部は、図7に示すような曲率の大きい凹部である。したがって、領域120a、130a内のIGBTは、領域120b、130b内のIGBTよりもゲート閾値電圧が高い。このため、一定のゲート電圧により半導体装置120、130のIGBTをオンさせると、領域120a、130aよりも領域120b、130bで電流密度が高くなる。隣接する半導体装置に近い領域120a、130aでは、その領域内で生じた熱が逃げ難い。したがって、このように領域120a、130aの電流密度を低くすることで、半導体装置120内及び半導体装置130内の温度分布を均一化することができる。これによって、半導体装置120、130の寿命を伸ばすことができる。また、このような構成によれば、領域120a、130aの温度上昇が抑制されるので、半導体装置120、130をより接近させて実装することができる。これによって、アセンブリ100の小型化を図ることができる。
As Example 2, an assembly having two semiconductor devices will be described. An
以上、実施例1、2について説明した。なお、上述した実施例1、2では、IGBTが形成されている半導体装置について説明したが、本明細書に開示の技術をFET等のスイッチング素子(絶縁ゲート電極を有するスイッチング素子)に適用してもよい。また、FETに適用する場合には、FETはpチャネル型でもnチャネル型でもよい。 The first and second embodiments have been described above. In the first and second embodiments described above, the semiconductor device in which the IGBT is formed has been described. However, the technique disclosed in this specification is applied to a switching element such as an FET (switching element having an insulated gate electrode). Also good. When applied to an FET, the FET may be a p-channel type or an n-channel type.
また、上述した実施例1、2では、ゲート電極の凹部によってゲート閾値電圧を従来よりも低下させた例について説明した。しかしながら、ゲート電極の凹部によって得られる利点によって、他の特性を改善してもよい。例えば、凹部を設けるとともにゲート絶縁膜の厚みを厚くすると、凹部によるゲート閾値電圧の低下効果が、絶縁膜を厚くすることによるゲート閾値電圧の上昇効果によって打ち消される。一方、ゲート絶縁膜を厚くすることで、IGBTのスイッチング損失と絶縁耐圧が改善される。つまり、この構成によれば、ゲート閾値電圧が従来と同等であり、スイッチング損失と絶縁耐圧が従来よりも優れるIGBTが得られる。また、例えば、凹部を設けるとともにボディ領域の不純物濃度を高くすると、凹部によるゲート閾値電圧の低下効果が、ボディ領域の不純物濃度を高くすることによるゲート閾値電圧の上昇効果によって打ち消される。一方、ボディ領域の不純物濃度を高くすることで、IGBTのRBSOA耐量と、アバランシェ耐量を改善することができる。つまり、この構成によれば、ゲート閾値電圧が従来と同等であり、RBSOA耐量と、アバランシェ耐量が従来よりも優れるIGBTが得られる。 In the first and second embodiments, the example in which the gate threshold voltage is lowered as compared with the conventional case by the concave portion of the gate electrode has been described. However, other characteristics may be improved due to the advantages obtained by the recesses in the gate electrode. For example, when the concave portion is provided and the thickness of the gate insulating film is increased, the effect of decreasing the gate threshold voltage due to the concave portion is canceled by the effect of increasing the gate threshold voltage by increasing the thickness of the insulating film. On the other hand, by increasing the thickness of the gate insulating film, the switching loss and the withstand voltage of the IGBT are improved. That is, according to this configuration, an IGBT having a gate threshold voltage equivalent to that of the prior art and a switching loss and withstand voltage higher than those of the prior art can be obtained. Further, for example, when the recess is provided and the impurity concentration in the body region is increased, the effect of lowering the gate threshold voltage due to the recess is canceled by the effect of increasing the gate threshold voltage by increasing the impurity concentration in the body region. On the other hand, by increasing the impurity concentration in the body region, the RBSOA tolerance and the avalanche tolerance of the IGBT can be improved. That is, according to this configuration, an IGBT having a gate threshold voltage equivalent to that of the prior art and an RBSOA tolerance and an avalanche tolerance higher than those of the conventional one can be obtained.
また、上述した実施例では、図1に示すように、半導体基板の上面においてゲート電極24の伸びる方向とエミッタ領域40の伸びる方向が交差していたが、図10に示すように、半導体基板の上面においてゲート電極24とエミッタ領域40が平行に伸びていてもよい。このような構造でも、凹部28による利点を得ることができる。
In the embodiment described above, the direction in which the
また、上述した実施例1、2の半導体装置には、曲率が異なる2種類の凹部が形成されていたが、温度分布をより均一化するために、曲率が異なる3種類以上の凹部が形成されていてもよい。また、温度分布がそれほど問題とならない場合には、各凹部の曲率を同じにしてもよい。 In addition, in the semiconductor devices of Examples 1 and 2 described above, two types of concave portions having different curvatures are formed. However, in order to make the temperature distribution more uniform, three or more types of concave portions having different curvatures are formed. It may be. Further, when the temperature distribution does not matter so much, the curvature of each recess may be the same.
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、単独であるいは各種の組み合わ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。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but 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 the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:半導体装置
12:半導体基板
12a:中央部
12b:外周部
20:トレンチ
22:絶縁膜
24:ゲート電極
28:凹部
30:層間絶縁膜
32:エミッタ電極
34:コレクタ電極
40:エミッタ領域
42:ボディコンタクト領域
44:ボディ領域
46:ドリフト領域
48:コレクタ領域
100:アセンブリ
110:基板
120:半導体装置
130:半導体装置
10: Semiconductor device 12:
Claims (5)
上面にトレンチが形成されている半導体基板と、
トレンチの内面を覆っている絶縁膜と、
トレンチ内に配置されているゲート電極と、
を有しており、
ゲート電極の半導体基板に対向する側面に、半導体基板の深さ方向に伸びる凹部が形成されており、
半導体基板内に、
凹部内の絶縁膜に接しており、第1導電型を有する第1領域と、
凹部内の絶縁膜に接しており、凹部内の第1領域に対して下側から接しており、第2導電型を有する第2領域と、
凹部内の絶縁膜に接しており、凹部内の第2領域に対して下側から接しており、第2領域によって第1領域から分離されており、第1導電型を有する第3領域、
が形成されているスイッチング素子。 A switching element,
A semiconductor substrate having a trench formed on the upper surface;
An insulating film covering the inner surface of the trench;
A gate electrode disposed in the trench;
Have
On the side surface of the gate electrode facing the semiconductor substrate, a recess extending in the depth direction of the semiconductor substrate is formed,
In the semiconductor substrate,
A first region in contact with the insulating film in the recess and having a first conductivity type;
A second region having a second conductivity type, in contact with the insulating film in the recess, in contact with the first region in the recess from below;
A third region having a first conductivity type, in contact with the insulating film in the recess, in contact with the second region in the recess from below, and separated from the first region by the second region;
A switching element in which is formed.
少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率が、そのチャネル構造よりも半導体基板の中心から遠い位置に存在する少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率よりも小さい請求項1〜3のいずれか一項に記載のスイッチング素子。 It has a plurality of channel structures constituted by the first region, the second region, and the third region formed in the recess,
The curvature of the side surface of the gate electrode in the recess of the at least one channel structure is smaller than the curvature of the side surface of the gate electrode in the recess of the at least one channel structure existing at a position farther from the center of the semiconductor substrate than the channel structure. The switching element as described in any one of Claims 1-3.
第1のスイッチング素子に、凹部内に形成された第1領域、第2領域、及び、第3領域により構成されているチャネル構造が複数個形成されており、
第1のスイッチング素子の少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率が、そのチャネル構造よりも第2のスイッチング素子から遠い位置に存在する少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率よりも小さく、
第2のスイッチング素子に、凹部内に形成された第1領域、第2領域、及び、第3領域により構成されているチャネル構造が複数個形成されており、
第2のスイッチング素子の少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率が、そのチャネル構造よりも第1のスイッチング素子から遠い位置に存在する少なくとも1つのチャネル構造の凹部内のゲート電極の側面の曲率よりも小さい、
アセンブリ。 It is an assembly in which the first switching element according to any one of claims 1 to 3 and the second switching element according to any one of claims 1 to 3 are mounted on a substrate,
In the first switching element, a plurality of channel structures constituted by the first region, the second region, and the third region formed in the recess are formed,
The gate electrode in the recess of the at least one channel structure in which the curvature of the side surface of the gate electrode in the recess of the at least one channel structure of the first switching element is located farther from the second switching element than the channel structure Smaller than the curvature of the side of
In the second switching element, a plurality of channel structures formed by the first region, the second region, and the third region formed in the recess are formed,
The gate electrode in the recess of the at least one channel structure in which the curvature of the side surface of the gate electrode in the recess of the at least one channel structure of the second switching element is located farther from the first switching element than the channel structure Smaller than the curvature of the side,
assembly.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011204453A JP2013065766A (en) | 2011-09-20 | 2011-09-20 | Switching element |
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JP2011204453A JP2013065766A (en) | 2011-09-20 | 2011-09-20 | Switching element |
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Family Applications (1)
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JP2011204453A Withdrawn JP2013065766A (en) | 2011-09-20 | 2011-09-20 | Switching element |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2013065766A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023109080A1 (en) * | 2021-12-15 | 2023-06-22 | 苏州东微半导体股份有限公司 | Igbt device |
-
2011
- 2011-09-20 JP JP2011204453A patent/JP2013065766A/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023109080A1 (en) * | 2021-12-15 | 2023-06-22 | 苏州东微半导体股份有限公司 | Igbt device |
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