JP2016189366A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング動作を行うトレンチゲート型の半導体装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a trench gate type semiconductor device that performs a switching operation.
大電流のスイッチング動作を行うスイッチング素子(パワー半導体素子)として、パワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)等が使用されている。こうしたスイッチング素子においては、半導体基板に形成された溝(トレンチ)中に酸化膜及びゲート電極を形成したトレンチゲート型のものが用いられる。 A power MOSFET, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or the like is used as a switching element (power semiconductor element) that performs a large current switching operation. In such a switching element, a trench gate type in which an oxide film and a gate electrode are formed in a groove (trench) formed in a semiconductor substrate is used.
図5は、こうしたトレンチゲート型のパワーMOSFET(半導体装置)100の構成の一例を示す断面図である。図5において、この半導体基板80においては、ドレイン層となるn+層81の上に、ドリフト層となるn−層82、p−層83が順次形成されている。半導体基板80の表面側には、p−層83を貫通する溝(セル領域溝:トレンチ)84が形成されている。溝84は、図5における紙面と垂直方向に延伸して平行に複数(図示された範囲では4つ)形成されている。各々の溝84の内面には酸化膜86が一様に形成された上で、ゲート電極87が溝84を埋め込むように形成されている。ゲート電極87は、通常は高濃度にドーピングされた多結晶シリコンで形成される。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of such a trench gate type power MOSFET (semiconductor device) 100. In FIG. 5, in this
また、半導体基板80の表面側においては、溝84の両側に、ソース領域となるn+層85が形成されている。半導体基板80の表面には、ソース電極(第1の主電極)89が形成されている。一方、半導体基板80の裏面全面には、n+層(ドレイン層)81と接触してドレイン電極90(第2の主電極)が形成されている。一方、半導体基板80の表面側においては層間絶縁層88が溝84を覆うように形成されているため、ソース電極89は、n+層85とp−層83の両方に接触し、ゲート電極87とは絶縁される。図5に示された範囲外の表面側において、例えば溝84の延伸方向(紙面垂直方向)の端部側で全てのゲート電極87は接続され、共通のゲート配線に接続される。また、 図5に示された範囲内ではソース電極89は表面全面に形成されているが、表面側では、このゲート配線とソース電極89とは分離して形成される。このため、各溝84毎に、ゲート配線(ゲート電極87)に印加された電圧によって溝84の側面におけるp−層83でチャネルが形成され、n−層82とn+層85の間でn型のMOSFETとして動作し、このMOSFETがオンとされる。すなわち、ゲート電極87に印加する電圧によって、ソース電極89とドレイン電極90との間の電流のスイッチング制御をすることができる。各溝84毎に形成されたMOSFETは全て並列に接続されているために、ソース電極89・ドレイン電極90間に大電流を流すことができる。
Further, on the surface side of the
なお、図はパワーMOSFETの構造を示しているが、IGBTの場合においても同様の構造を適用することができる。この場合、例えば、図5におけるn+層81をコレクタ層となるp+層とし、ソース電極89をエミッタ電極、ドレイン電極90をコレクタ電極に置換した構造とすればよい。
Although the figure shows the structure of the power MOSFET, the same structure can be applied to the IGBT. In this case, for example, the n + layer 81 in FIG. 5 may be a p + layer serving as a collector layer, the
こうしたパワーMOSFETにおいては、オフ時(MOSFETがオフとされるようにゲート電圧が設定された場合)のソース電極89・ドレイン電極90間の耐圧が高いことが要求される。図5の構造では、こうした状態において、p−層83とn−層82、あるいは内部にゲート電極87が設けられた溝84とn−層82との間で空乏層が形成される。この空乏層は、主にp−層83とn−層82との界面に沿って広がり、空乏層中の電界は主に上下方向となる。ここで、この空乏層の幅が狭くなった箇所においては局所的に電界が高くなるため、耐圧を高くするためには、空乏層が広く一様に形成されることが要求される。このためには、ドリフト層として機能するn−層82のドナー濃度(キャリア濃度)を低くすることが有効である。しかしながら、この場合には、オン時においてn−層82を電流が流れる際の抵抗が高くなるため、MOSFETのオン時におけるソース電極89・ドレイン電極90間に流れる電流(オン電流)を大きくすることができなくなった。すなわち、オフ時の耐圧とオン電流とはトレードオフの関係にあった。
Such a power MOSFET is required to have a high breakdown voltage between the
特許文献1に記載されるように、この問題を解消するために、スーパージャンクション(SJ)構造が提案されている。SJ構造は、プレーナゲート型、トレンチゲート型のいずれにおいても有効であり、図6は、SJ構造をトレンチゲート型のパワーMOSFETに適用した半導体装置101の構造を図5に対応させて示す図である。ここでは、隣接する溝24間におけるn−層82中に、上側のp−層83と連結された柱状p型層91が形成されている。柱状p型層91が形成されない図5の構造においては、内部の電界が上下方向となるように空乏層が主に水平方向に広がる。これに対し、柱状p型層91が形成された図6の構造においては、空乏層は柱状p型層91とn−層82の界面にも形成されるため、空乏層は水平方向だけでなく上下方向にも広がり、図5の構造に対して、空乏層は半導体基板80中でより広い範囲に一様に形成される。これによって、空乏層の内部で局所的に電界が高くなることが抑制され、より高い耐圧を得ることができる。あるいは、この構造を用いることによって、n−層82のドナー濃度を高めても高い耐圧が得られるため、高い耐圧と大きなオン電流とを両立させることができる。
As described in Patent Document 1, a super junction (SJ) structure has been proposed to solve this problem. The SJ structure is effective in both the planar gate type and the trench gate type, and FIG. 6 is a diagram showing the structure of the
図6の構造においては、平面視において、半導体基板80中の電流経路となるドリフト層(n−層82)の占める面積は、柱状p型層91を形成することによって大きく減少する。このため、少なくともn−層82のドナー濃度を同等とした場合においては、オン電流は、柱状p型層91を具備しない図5の構造と比べて減少した。このため、大きなオン電流を得るという効果は、実際には、図6の構造では不充分であった。
In the structure of FIG. 6, the area occupied by the drift layer (n − layer 82) serving as a current path in the
このため、高い耐圧と充分に大きなオン電流をもつパワー半導体装置を得ることは困難であった。 For this reason, it has been difficult to obtain a power semiconductor device having a high breakdown voltage and a sufficiently large on-current.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、第1の導電型をもつ第1の半導体層を具備する半導体基板において、当該半導体基板における前記第1の半導体層よりも上に形成され前記第1の導電型と逆の第2の導電型をもつ第2の半導体層と、前記半導体基板の上側から下側に向かって形成された溝と、当該溝の内部に形成されたゲート電極と、が設けられ、前記ゲート電極に印加された電圧によって、前記第2の半導体層の上に形成された第1の主電極と前記第1の半導体層に接続された第2の主電極との間を流れる電流が制御される、複数の前記溝が間隔をおいて前記半導体基板に形成された構造を具備する半導体装置であって、上下方向に延伸し、前記第2の導電型をもつ柱状半導体層が、前記溝の直下における前記第1の半導体層中に局所的に形成され、かつ平面視において、隣接する2つの前記溝の間には形成されないことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記柱状半導体層は前記第2の半導体層と導通されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第2の半導体層は前記第1の主電極と接続されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、平面視において、前記柱状半導体層は前記溝が形成された領域の内部に局所的に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記第1の主電極がソース電極、前記第2の主電極がドレイン電極とされたパワーMOSFETであることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The semiconductor device according to the present invention is a semiconductor substrate including a first semiconductor layer having a first conductivity type, and is formed above the first semiconductor layer in the semiconductor substrate and is opposite to the first conductivity type. A second semiconductor layer having the second conductivity type, a groove formed from the upper side to the lower side of the semiconductor substrate, and a gate electrode formed in the groove, and the gate The current flowing between the first main electrode formed on the second semiconductor layer and the second main electrode connected to the first semiconductor layer is controlled by the voltage applied to the electrode. A semiconductor device having a structure in which a plurality of grooves are formed in the semiconductor substrate at intervals, and a columnar semiconductor layer extending in the vertical direction and having the second conductivity type is formed in the grooves. Formed locally in the first semiconductor layer immediately below And in plan view, characterized in that it is not formed between the adjacent two of said groove.
In the semiconductor device of the present invention, the columnar semiconductor layer is electrically connected to the second semiconductor layer.
In the semiconductor device of the present invention, the second semiconductor layer is connected to the first main electrode.
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the columnar semiconductor layer is locally formed in a region where the groove is formed in a plan view.
The semiconductor device of the present invention is a power MOSFET in which the first main electrode is a source electrode and the second main electrode is a drain electrode.
本発明は以上のように構成されているので、高い耐圧と充分に大きなオン電流をもつパワー半導体装置を得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, a power semiconductor device having a high breakdown voltage and a sufficiently large on-current can be obtained.
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置は、ゲート電極に印加された電圧(ゲート電圧)によってチャネルのオン・オフが制御されて電流のスイッチング制御がなされるトレンチゲート型のパワーMOSFETである。ゲート電極は、半導体基板の表面に平行に形成された複数の溝(トレンチ)中に形成され、各ゲート電極は並列に接続される。ソース電極・ドレイン電極間に流れる電流は、溝の側壁に形成されたチャネルと、ドレイン電極側に形成され、ドリフト領域となるn−層を介して流れる。 Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. This semiconductor device is a trench gate type power MOSFET in which channel on / off is controlled by a voltage (gate voltage) applied to a gate electrode and current switching is controlled. The gate electrode is formed in a plurality of grooves (trench) formed in parallel to the surface of the semiconductor substrate, and the gate electrodes are connected in parallel. A current flowing between the source electrode and the drain electrode flows through a channel formed on the side wall of the groove and an n − layer formed on the drain electrode side and serving as a drift region.
図1は、この半導体装置(パワーMOSFET)10の構造を示す断面図であり、図6に対応する。この半導体装置10においても、図5あるいは図6の半導体装置と同様に、ドレイン層となるn+層21の上にドリフト層となるn−層22が形成された半導体基板20、n−層22の表面側に形成されたp−層23、p−層23中に局所的に形成されたn+層25が設けられている。また、溝24も同様に設けられ、溝24の中には、酸化膜26、ゲート電極27が設けられている。また、層間絶縁層28、ソース電極29、ドレイン電極30も同様に設けられることも同様である。また、溝24は図1において紙面垂直方向に延伸し、溝24及びこれに関わる構造が複数並列に設けられていることも同様である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device (power MOSFET) 10 and corresponds to FIG. In this
ただし、この半導体装置10においては、柱状p型層(柱状半導体層)11が、溝24の直下に設けられており、隣接する溝24の間には設けられていない。また、柱状p型層11の幅は、溝24の幅よりも小さくされるため、平面視において、柱状p型層11は、溝24が形成された領域の中に形成される。このため、図1における範囲内では、柱状p型層11とp−層23とは接していない。
However, in this
また、柱状p型層11も溝24と同様に図1における紙面垂直方向に延伸する。柱状p型層11は、この延伸方向の端部(図示の範囲外)でソース電極29と接続される。このため、図1に示された範囲内では柱状p型層11とp−層23とは接していないが、実際にはこれらは同電位とされる。この点については、溝24毎に設けられたゲート電極27が、溝24の端部で共通のゲート配線に接続されることと同様である。このため、前記の半導体装置101(図6)における柱状p型層91と同様に、この半導体装置10のオフ時においては、柱状p型層11の左右両側に空乏層が形成される。これによって、半導体基板20中で空乏層が一様に広がることによって局所的な電界集中が抑制され、高い耐圧を得ることができる。
The columnar p-
ただし、この半導体装置10においては、オン時においてソース電極29・ドレイン電極30間に流れる電流(オン電流)がより大きくなる、あるいは、オン抵抗がより小さくなる。この点について以下に説明する。
However, in this
まず、参考として、図6に示された従来のSJ構造を具備する半導体装置101におけるオン時のソース電極89・ドレイン電極90間を上下方向に流れる電流経路を模式的に図2に示す。この電流経路は、p−層23中におけるチャネルであるX0と、ドリフト層となるn−層82中を流れる経路であるY0の直列接続となる。なお、ここでは、電子の流れが示されているため、電流の向きは実際には矢印と逆向きとなる。
First, as a reference, FIG. 2 schematically shows a current path that flows vertically between the
ここで、電流経路X0は、実際には溝84の側面に形成される。一方、電流経路Y0は、電流経路X0の直下の部分を含むn−層82中のドリフト経路である。電流経路Y0は、溝84が設けられた側(図2における溝84の左側の電流経路Y0においては右側、図2における溝84の右側の電流経路Y0においては左側)では、溝84の存在によって制限される。また、電流経路Y0は、溝84が設けられた側と反対側(図2における溝84の左側の電流経路Y0においては左側、図2における溝84の右側の電流経路Y0においては右側)では、柱状p型層91の存在によって制限される。すなわち、図6の構造においては、溝84と柱状p型層91とが、オン電流の障害となる。
Here, the current path X 0 is actually formed on the side surface of the
一方、上記の半導体装置10におけるオン時の電流経路を図2に対応させて図3に示す。ここでも、図2と同様に、この電流経路は、MOSFETにおけるチャネルであるX1と、ドリフト層であるn−層22中を流れるY1とが直列に接続されて構成される。ここで、MOSFETのチャネルである電流経路X1については、図2における電流経路X0と変わるところがない。
On the other hand, an on-state current path in the
一方、ドリフト領域となるn−層22中の電流経路Y1の状況は、図2における電流経路Y0の状況とは異なる。まず、電流経路Y1が、溝24が設けられた側(図3における溝24の左側の電流経路Y1においては右側、図3における溝24の右側の電流経路Y1においては左側)では、溝24の存在によって制限される点については、図2の場合と同様である。しかしながら、溝24が設けられた側と反対側(図3における溝24の左側の電流経路Y1においては左側、図3における溝24の右側の電流経路Y1においては右側)においては、電流経路Y1の障害となる層は存在しない。
On the other hand, the situation of current path Y1 in n − layer 22 serving as the drift region is different from the situation of current path Y0 in FIG. First, the current path Y1 is on the side where the
ここで、電流の障害となる柱状p型層11は溝24の直下に存在するものの、柱状p型層11が形成された領域は、柱状p型層11の有無にかかわらず溝24の存在によって電流経路Y1が制限される領域である。このため、溝24の直下において柱状p型層11が形成されているか否かに関わらず、溝24の直下には電流は流れにくくなっており、図2の場合と比べて、図3における柱状p型層11は、n−層22を上下方向に流れる電流の抵抗を増大させる要因とはならない。すなわち、図3の構造においては、電流経路Y1に対する抵抗成分は、溝24から離れた側においては図2の構造よりも小さくなり、溝24がある側では図2の構造と同等である。このため、図3の構造における電流経路Y1に対する電気抵抗は、図2の構造よりも小さくなる。
Here, although the columnar p-
このため、上記の半導体装置10においては、オン抵抗が前記の半導体装置101と比べて低減される。一方、オフ時の空乏層形成に対する柱状p型層11の作用は同様であるため、これによってオフ時の耐圧を高めることができる。あるいは、更に耐圧を高めるためにn−層22のドナー濃度を低下させても大きなオン電流が得られる。このため、高い耐圧と大きなオン電流とを両立することができる。
For this reason, in the
なお、図2において柱状p型層11が電流経路Y1に対する障害となることを充分に抑制するために、柱状p型層11の幅を溝24の幅よりも小さくし、柱状p型層11を平面視において溝24内に形成することが好ましい。特許文献1等に記載の方法と同様に、例えば溝24の形成前にn−層22に局所的にアクセプタのイオン注入を行うことによって、柱状p型層11を形成することができる。この工程は、p−層23、n+層25を形成するためのイオン注入の前後で行うことができる。柱状p型層11を形成するためのイオン注入時のエネルギーは、p−層23を形成する場合のイオン注入のエネルギーよりも高くする、あるいは、アクセプタ種をp−層23を形成する場合と変えることによって、図1に示される形状で柱状p型層11を形成することができる。ただし、溝24を形成した後でイオン注入によって柱状p型層11を形成してもよい。
In FIG. 2, in order to sufficiently prevent the columnar p-
また、上記の例では柱状p型層11はソース電極29と、あるいはソース電極29を介してp−層23と電気的に接続されるものとしたが、柱状p型層をフローティング、すなわち、柱状p型層をソース電極、ドレイン電極、ゲート電極のいずれとも電気的に接続しない構成としても、オフ時において空乏層を一様に広げることができる。一方で、オン電流に対する柱状p型層の影響は同様である。このため、上記の構成は、柱状p型層をフローティングとした場合においても有効である。
In the above example, the columnar p-
また、柱状p型層11のアクセプタ濃度は、柱状p型層11と接するn−層22やn+層21との間に形成される空乏層の幅が充分大きく、電界集中が発生しないように設定される。この際、柱状p型層11のアクセプタ濃度は、上下方向において一様である必要はなく、一様に空乏層を形成させるために、上下方向における一方の側で濃度が高くなるような分布とすることもできる。
The acceptor concentration of the columnar p-
こうした柱状p型層を、図1の構造以外の半導体装置においても設けることができる。図4は、図1の半導体装置10の変形例となる半導体装置40の構造を示す断面図である。この半導体装置40の溝24内の構造は、特開2013−069852号公報に記載されたものと同様である。この構造においては、帰還容量Crssとなるゲート電極27・ドレイン電極30間の容量を低減することができるために、この半導体装置40を高速動作させることができる。図4の構造においては、ゲート電極27は、溝24の左右両側においてのみ薄く左右で分離され、かつ溝24の上側においてのみ形成されている。溝24内において、左右のゲート電極27の間には、トレンチソース電極(シールド電極)41が埋め込まれて設けられている。トレンチソース電極41は、ゲート電極27と同様に、高濃度にドーピングされた多結晶シリコンで構成されるため、ゲート電極27と同様の形成方法によって別工程によって溝24内に形成される。トレンチソース電極41は、図示の範囲外でソース電極29と接続されるため、その電位はソース電位に維持される。このため、トレンチソース電極41は、この部分の電位をソース電位に維持するシールド電極として機能する。
Such a columnar p-type layer can also be provided in a semiconductor device other than the structure of FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a
一方、この構造においては、ソース電極29と接続されたトレンチソース電極41とその両側のゲート電極27との間でゲート電極27・ソース電極29間の容量が発生する。しかしながら、トレンチソース電極41の図中における幅は、上側では下側よりも狭くされ、ゲート電極27と溝24の側壁との間における酸化膜26(図4における左側のゲート電極27の左側の酸化膜26、右側のゲート電極27の右側の酸化膜26)と比べて、トレンチソース電極41とその両側のゲート電極27との間の酸化膜26を充分厚くすることができる。こうした構造は、特開2013−069852号公報に記載されるように、電極として機能するように高濃度にドープされた多結晶シリコンで構成されたトレンチソース電極41の熱酸化の際の酸化速度が、溝24の内面を構成するp−層23、n−層22の酸化速度よりも大きいことを利用して、容易に製造することができる。このため、ゲート電極27・ソース電極29間の容量も小さく保つことができる。
On the other hand, in this structure, a capacitance between the
この構造によれば、帰還容量Crssを小さくすることができる。一方、この構造では、MOSFETにおけるチャネルが形成される部分である溝24の側面におけるp−層23上(側面)の酸化膜26は薄くされるため、良好な特性のパワーMOSFETを得ることができる。
According to this structure, the feedback capacitance Crss can be reduced. On the other hand, in this structure, since the
この半導体装置40においても、前記の半導体装置10と同様に柱状p型層11を設けることができる。これによって、オフ時において半導体基板20中で空乏層がより広い範囲に広がり、耐圧を向上させることができる。こうしたシールド電極を用いた場合であっても一般的には耐圧とオン電流とはトレードオフの関係となるが、この半導体装置40においては、高い耐圧と大きなオン電流とを両立することができる。
In this
なお、上記の構成は、nチャネル型のパワーMOSFETであったが、導電型(p型、n型)を全てにおいて逆転させ、pチャネル型の素子を同様に得ることができる。すなわち、上記のn−層22を第1の導電型をもつ第1の半導体層とし、上記のp−層23、柱状p型層11を、第1の導電型と逆の第2の導電型をもつ第2の半導体層とした場合において、上記と同様の構造を形成することができ、同様の効果を奏することは明らかである。また、同様の構成をトレンチゲート型のIGBTに適用できることも明らかである。
Although the above configuration is an n-channel power MOSFET, the conductivity type (p-type, n-type) can be reversed in all cases, and a p-channel element can be obtained in the same manner. That is, the n − layer 22 is the first semiconductor layer having the first conductivity type, and the p − layer 23 and the columnar p-
10、40、100、101 半導体装置(パワーMOSFET)
11、91 柱状p型層(柱状半導体層)
20、80 半導体基板
21、25、81、85 n+層
22、82 n−層
23、83 p−層
24、84 溝
26、86 酸化膜
27、87 ゲート電極
28、88 層間絶縁層
29、89 ソース電極(第1の主電極)
30、90 ドレイン電極(第2の主電極)
41 トレンチソース電極(シールド電極)
10, 40, 100, 101 Semiconductor device (power MOSFET)
11, 91 Columnar p-type layer (columnar semiconductor layer)
20, 80
30, 90 Drain electrode (second main electrode)
41 Trench source electrode (shield electrode)
Claims (5)
上下方向に延伸し、前記第2の導電型をもつ柱状半導体層が、前記溝の直下における前記第1の半導体層中に局所的に形成され、かつ平面視において、隣接する2つの前記溝の間には形成されないことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate including a first semiconductor layer having a first conductivity type, wherein the second conductivity type is formed above the first semiconductor layer in the semiconductor substrate and is opposite to the first conductivity type. A second semiconductor layer, a groove formed from the upper side to the lower side of the semiconductor substrate, and a gate electrode formed in the groove, and a voltage applied to the gate electrode A plurality of grooves in which a current flowing between a first main electrode formed on the second semiconductor layer and a second main electrode connected to the first semiconductor layer is controlled; A semiconductor device having a structure formed on the semiconductor substrate at an interval,
A columnar semiconductor layer extending in the vertical direction and having the second conductivity type is locally formed in the first semiconductor layer immediately below the groove, and in the plan view, the two adjacent grooves are A semiconductor device which is not formed between.
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