JP2017038016A - 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半導体装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a 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、トレンチゲート型のパワーMOSFETが広く用いられている。 As a switching element (power semiconductor element) that performs a switching operation with a large current, a trench gate type power MOSFET is widely used.
トレンチゲート型のパワーMOSFETは、一般的に第1導電型のドレイン領域と、第1導電型のドレイン領域の上に形成された第1導電型のドリフト領域と、第1導電型のドリフト領域上に選択的に形成された第2導電型のベース領域と、第2導電型のベース領域上に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、ソース領域からベース領域を貫通してドリフト領域に達する溝と、ベース領域と対向する溝の側壁に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、ソース領域と電気的に接続したソース電極と、ドレイン領域と電気的に接続したドレイン電極とを備える。しかし、このようなトレンチゲート型のパワーMOSFETにおいて、ゲート電極がドリフト領域と対向する面積が広いため、ゲート−ドレイン間の容量が大きくなる。これにより、オン/オフ時のミラー充電期間が長くなり、高速なスイッチング特性が得られないという問題がある。そこで、ゲート−ドレイン間容量を低減するため、溝内のゲート電極の一部をゲート電極と絶縁したソース電位の補助電極に置き換え、ドリフト領域と制御電極との対向する面積を小さくした例が特許文献1に開示されている。また、トレンチゲート型のパワーMOSFETを取り囲む外周領域として、特許文献2のようにトレンチゲート型のパワーMOSFETの活性領域を取り囲み、ベース領域を貫通してドリフト領域に達する外側トレンチと、外側トレンチの内側にドリフト領域と絶縁された電極と、外側トレンチの底部を中心としたドリフト領域内にドレイン電極又はソース電極又はゲート電極と電気的に接続されていない第2導電型のP型フローティング領域を備える。特許文献2の構造を図3で示す。 A trench gate type power MOSFET generally includes a first conductivity type drain region, a first conductivity type drift region formed on the first conductivity type drain region, and a first conductivity type drift region. A second conductive type base region selectively formed on the first conductive type, a first conductive type source region selectively formed on the second conductive type base region, and drift from the source region through the base region A trench reaching the region, a gate electrode formed on the sidewall of the trench facing the base region via an insulating film, a source electrode electrically connected to the source region, and a drain electrode electrically connected to the drain region Is provided. However, in such a trench gate type power MOSFET, since the area where the gate electrode faces the drift region is wide, the capacitance between the gate and the drain increases. As a result, there is a problem that the mirror charging period at the on / off time becomes long, and high-speed switching characteristics cannot be obtained. Thus, in order to reduce the gate-drain capacitance, an example in which a part of the gate electrode in the trench is replaced with an auxiliary electrode having a source potential insulated from the gate electrode, and the area where the drift region and the control electrode face each other is reduced is patented. It is disclosed in Document 1. Further, as an outer peripheral region surrounding the trench gate type power MOSFET, an outer trench that surrounds the active region of the trench gate type power MOSFET and reaches the drift region through the base region as in Patent Document 2, and an inner side of the outer trench And a second conductivity type P-type floating region that is not electrically connected to the drain electrode, the source electrode, or the gate electrode in the drift region centering on the bottom of the outer trench. The structure of Patent Document 2 is shown in FIG.
特許文献2に開示された構造によれば、ベース領域とドリフト領域とのpn接合から拡がった空乏層と、P型フローティング領域から拡がった空乏層と、を確実に繋げることができる。さらに外側トレンチの底部に配置されたP型フローティング領域から拡がる空乏層と、隣の外側トレンチの底部に配置されたP型フローティング領域から拡がる空乏層を確実に繋げる事ができる。よって、半導体素子の耐圧を確保することができる。 According to the structure disclosed in Patent Document 2, it is possible to reliably connect the depletion layer extending from the pn junction between the base region and the drift region and the depletion layer extending from the P-type floating region. Furthermore, the depletion layer extending from the P-type floating region disposed at the bottom of the outer trench can be reliably connected to the depletion layer extending from the P-type floating region disposed at the bottom of the adjacent outer trench. Therefore, the breakdown voltage of the semiconductor element can be ensured.
特許文献2の半導体装置は、外側トレンチの底部を中心にイオン注入で形成したp型フローティング領域であるため、隣り合うp型フローティング領域から広がる空乏層同士を確実に繋げるためには、外側トレンチの間隔及びp型フローティング領域の大きさは制限されるという問題がある。特に、半導体装置のオン抵抗を低減するために、ドリフト領域の不純物濃度を高めた場合、p型フローティング領域からドリフト領域側への空乏層及び外側トレンチからドリフト領域側への空乏層が広がりにくくなるため、上記制限を考慮すると、外周領域の耐圧が十分に得られないという問題があった。 Since the semiconductor device of Patent Document 2 is a p-type floating region formed by ion implantation around the bottom of the outer trench, in order to reliably connect depletion layers extending from adjacent p-type floating regions, There is a problem that the distance and the size of the p-type floating region are limited. In particular, when the impurity concentration of the drift region is increased in order to reduce the on-resistance of the semiconductor device, the depletion layer from the p-type floating region to the drift region side and the depletion layer from the outer trench to the drift region side are difficult to spread. For this reason, in consideration of the above limitation, there has been a problem that the withstand voltage in the outer peripheral region cannot be obtained sufficiently.
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導電型の半導体基板に活性領域と活性領域を囲む外周領域とを含み、外周領域内には、外側トレンチと、外側トレンチ内に配置され、半導体基板と電気的に絶縁された外側電極と、外側トレンチの側面に隣接して形成された第2導電型のフローティング領域とを備え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 of the present invention includes an active region and an outer peripheral region surrounding the active region in a semiconductor substrate of the first conductivity type. The outer region is disposed in the outer trench and in the outer trench, and is electrically connected to the semiconductor substrate. And a second conductivity type floating region formed adjacent to the side surface of the outer trench.
本発明は以上のように構成されているので、外側トレンチ内に配置された外側電極によって外周領域の深さ方向に空乏層を伸ばしつつ、外側トレンチの側面に隣接して形成された第2導電型のフローティング領域によって外周領域の横方向に空乏層を伸ばすことができる。これにより、外側トレンチの間隔及びp型フローティング領域の大きさによる制限を解消し、p型フローティング領域とのpn界面及び外側トレンチからドリフト領域側への空乏層の広がりを改善することができ、半導体装置の耐圧を高めることができる。 Since the present invention is configured as described above, the second conductive material formed adjacent to the side surface of the outer trench while extending the depletion layer in the depth direction of the outer peripheral region by the outer electrode disposed in the outer trench. The depletion layer can be extended in the lateral direction of the outer peripheral region by the floating region of the mold. As a result, the limitation due to the interval between the outer trenches and the size of the p-type floating region can be eliminated, and the spread of the depletion layer from the outer trench to the drift region can be improved. The breakdown voltage of the device can be increased.
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。 Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.
半導体装置1の断面図を図1で示す。この半導体装置1は、シリコンで構成された半導体基板2に形成されたトレンチゲート型の素子部(活性領域)200を含む。この半導体基板2においては、ドレイン領域となるN+層10の上に、ドリフト領域となるn−層20、ベース領域となるp−層30が順次形成されている。半導体基板2の表面側には、p−層30を貫通する溝(トレンチ)100が形成されている。溝100は、図1における紙面と垂直方向に延伸して並行に複数形成されており、図1には半導体装置1の一部の断面のみが示されている。
A cross-sectional view of the semiconductor device 1 is shown in FIG. The semiconductor device 1 includes a trench gate type element (active region) 200 formed in a semiconductor substrate 2 made of silicon. In this semiconductor substrate 2, an n−
半導体基板2の表面側の溝100の両側に、ソース領域となるn+層40が形成されている。溝100の内面(側面及び底面)には絶縁膜71が形成されている。
On both sides of the
まず、ゲート電極60は、p−層30と対向するように設けられている。ゲート電極60は、例えば高濃度にドープされた導電性の多結晶シリコンで構成される。ゲート電極60は図1のように溝100内に1つずつ配置しても良い。また、溝100の左右の側壁部に左右のゲート電極60が設けても良い。この場合、溝100の左右の側壁部に設けられた左右のゲート電極60は、図示しないゲートバスライン等を介して電気的に接続されている。
First, the gate electrode 60 is provided so as to face the p− layer 30. The gate electrode 60 is made of, for example, conductive polycrystalline silicon doped at a high concentration. The gate electrodes 60 may be arranged one by one in the
ゲート電極60の下にはゲート電極60と分離(絶縁)された補助電極50が形成されている。溝100の底面においても絶縁膜70が形成されているため、補助電極50はその下のn−層20とも絶縁される。補助電極50とゲート電極60間には、絶縁膜70が形成され、補助電極50とゲート電極60とは絶縁されている。
Under the gate electrode 60, an auxiliary electrode 50 separated (insulated) from the gate electrode 60 is formed. Since the
半導体基板2の表面上に、ソース電極(第1の主電極)80が形成されており、ソース電極80は半導体基板2の表面においてn+層40と接続される。ソース電極80とゲート電極60との間に絶縁膜70が設けられている。上記の構成により、ゲート電極60上の絶縁膜70により、ソース電極80とゲート電極60とは絶縁される。一方、半導体基板2の裏面全面には、N+層(ドレイン領域)10と電気的に接続されるドレイン電極(第2の主電極)90が形成されている。
A source electrode (first main electrode) 80 is formed on the surface of the semiconductor substrate 2, and the source electrode 80 is connected to the n +
この構造においては、ゲート電極60が溝100の底面側に形成されず、溝100の底部には補助電極50がソース電極80と同電位(接地電位)となるよう配置されているため、ゲート・ドレイン間の容量Cgd(帰還容量)が低減される。
In this structure, the gate electrode 60 is not formed on the bottom surface side of the
また、補助電極50をゲート電極60よりも下側に配置しているので、補助電極50によって溝24の底部及び側面からn−層20側に空乏層が良好に広がり、耐圧を向上させることが可能である。
Further, since the auxiliary electrode 50 is disposed below the gate electrode 60, the depletion layer can be satisfactorily spread from the bottom and side surfaces of the groove 24 to the n−
活性領域200の外側には外周領域300が形成されている。外周領域300には、p−層30が設けられておらず、半導体基板2の上面はn−層20となっている。また、外周領域300には、底部がn−層20に達する複数の離間した外側トレンチ110を備える。外側トレンチ110の底部及び側面にも溝100と同じように絶縁膜が設けられている。外側トレンチ110の側壁におけるこの絶縁膜の厚みは、溝100の側壁とゲート電極60との間に挟まれた絶縁膜70の厚みよりも厚く形成されている。この絶縁膜を介して外側トレンチ110の内側には高濃度にドープされた導電性の多結晶シリコンで形成された外側電極120が配置されている。外側電極120はソース電極80と電気的に接続されているか、又はドレイン電極90・ソース電極80・ゲート電極60の何れにも電気的に接続されていないフローティング電位となっている。図1において、複数(7個)の外側電極120のうち、内側の4個をソース電極80と電気的に接続し、外側の3個をフローティング電位となっている。
An outer peripheral region 300 is formed outside the
複数の外側トレンチ110のうち、外側の外側トレンチ110の上方に周知のフィールドプレート電極130が外側トレンチ110の開口部から外側に向かって延びるように形成されている。外側トレンチ110の開口部から延伸しているフィールドプレート電極130はその開口部を介して外側トレンチ110内に配置された外側電極120と電気的に接続されている。図1の半導体装置1において、フィールドプレート電極130はソース電極80と電気的に接続した外側電極120のうち最も外側の外側電極120と、その外側に配置されたフローティング電位となっている3個の外側電極120上に各々配置されている。
Of the plurality of
外側トレンチ120の側面のn−層20内にはp−型のフローティング領域140が形成されている。フローティング領域140の不純物濃度は、ソース電極80とドレイン電極90に所定の電位が印加された半導体装置1のオフ時にフローティング領域140が完全空乏化しない程度に、p−層30の不純物濃度よりも小さい。図1のように外側トレンチ110が複数形成されている場合、フローティング領域140は隣り合う外側トレンチ110間を繋ぐように、一方の外側トレンチ110の側面から他方の外側トレンチ120の側面へと延伸して配置されている。ここで、外側トレンチ110間のフローティング領域140は、外側トレンチ110の側壁に接する部分の厚みよりもその外側トレンチ120の側壁から隣り合う外側トレンチ110との間(隣り合う外側トレンチ110間)の領域における厚みの方が大きくしても良い。例えば、図1の半導体装置1のように、ある箇所を中心として拡散されて広がっているようなドット状のフローティング領域140となっている。隣り合う外側トレンチ110間の上記箇所で最も不純物濃度が高く、外側トレンチの側壁側で不純物濃度が低くなるように形成されている。図1の半導体装置において、上記箇所の高さは全てのフローティング領域140において同じ高さとなるように形成されているが、フローティング領域140の中心の位置は異なる高さであっても良い。
A p − type floating region 140 is formed in the n −
半導体装置1にドレイン電極90とソース電極80との間に所定の電位を与え、半導体装置1がオフとなっている時、半導体装置1における等電位線を図2の一点斜線で示す。図2で示すように、フローティング領域140の底部とn−層20とのpn接合界面から空乏層が広がり、フローティング領域140の上部とn−層20とのpn接合界面からも空乏層が広がる。また、n−層20とフィールドプレート電極130との間の絶縁膜との界面からも空乏層が広がる。これらによって、外周領域300において空乏層が横方向に良好に広がる。
更に、n−層20と外側電極120との間の絶縁膜との界面から空乏層が広がり、外周領域300において空乏層が縦方向(半導体基板2の厚み方向)に良好に広がる。
これらの空乏層の広がりによって、図2で示すようになだらかな等電位線となる。従って、外周領域300における電界集中を緩和し、半導体装置1の耐圧を向上することができる。
When a predetermined potential is applied to the semiconductor device 1 between the drain electrode 90 and the source electrode 80 and the semiconductor device 1 is turned off, equipotential lines in the semiconductor device 1 are indicated by one-dotted diagonal lines in FIG. As shown in FIG. 2, the depletion layer extends from the pn junction interface between the bottom of the floating region 140 and the n −
Furthermore, a depletion layer spreads from the interface between the n−
Due to the spread of these depletion layers, it becomes a gentle equipotential line as shown in FIG. Therefore, the electric field concentration in the outer peripheral region 300 can be relaxed and the breakdown voltage of the semiconductor device 1 can be improved.
フローティング領域140の上面の高さはp−層30の底部の高さよりも下方にある事が望ましい。さらに、その場合、半導体基板2の内側のフローティング領域140(図1の紙面から見て左側のフローティング領域140)は、外側トレンチ120の底部の角部を含むように形成されていることが望ましい。更に、図1のように、図1の紙面から見て左側のフローティング領域140は図1の紙面から見て右側のフローティング領域140よりも深くなっており、半導体装置1の外周側(図1の紙面から見て右側)ほど浅くなっていることが望ましい。また、外側に向かって(図1の紙面から見て右側に向かって)フローティング領域140の厚みが小さくなり、また外側に向かってフローティング領域の不純物濃度が下がっていくことが望ましい。これらによって、半導体装置1の外側に向かう等電位線を更になだらかにすることができ、半導体装置1の耐圧を更に向上することができる。 The height of the upper surface of the floating region 140 is preferably lower than the height of the bottom of the p− layer 30. Furthermore, in that case, it is desirable that the floating region 140 inside the semiconductor substrate 2 (the floating region 140 on the left side when viewed from the paper in FIG. 1) is formed so as to include the corners at the bottom of the outer trench 120. Further, as shown in FIG. 1, the left floating region 140 when viewed from the plane of FIG. 1 is deeper than the right floating region 140 when viewed from the plane of FIG. It is desirable that it is shallower as viewed from the right side of the page. Further, it is desirable that the thickness of the floating region 140 decreases toward the outside (toward the right side when viewed from the paper of FIG. 1), and the impurity concentration of the floating region decreases toward the outside. As a result, the equipotential lines directed to the outside of the semiconductor device 1 can be further smoothed, and the breakdown voltage of the semiconductor device 1 can be further improved.
また、最も外側にあるフローティング領域140の幅はその厚みよりも大きく、横方向に長いフローティング領域140である事が望ましい。
また、最も外側にあるフローティング領域140はフィールドプレート電極130よりも外側まで延伸していることが望ましい。下方に設けられたフローティング領域140と上方に設けられたフィールドプレート電極130の両方の効果によって、最も外側の外側トレンチ110の側面及び角部における電界集中を緩和し、半導体装置1の耐圧を更に向上することができる。
In addition, the width of the outermost floating region 140 is preferably larger than the thickness of the floating region 140 and long in the lateral direction.
Further, it is desirable that the outermost floating region 140 extends to the outside of the field plate electrode 130. By the effect of both the floating region 140 provided below and the field plate electrode 130 provided above, the electric field concentration on the side surface and corners of the outermost
なお、上記において、活性領域200の素子構造がトレンチゲート型のパワーMOSFETであるものとしたが、IGBTや図1以外のトレンチ内の電極構造を備えるMOSFET等のトレンチゲート型の素子を活性領域200に備える場合においても同様の構造を用いることができる。また、プレーナ型の素子構造においても同様の構造を用いることができる。
In the above description, the element structure of the
また、上記の構成は、いずれもnチャネル型の素子であったが、導電型(p型、n型)を逆転させ、pチャネル型の素子を同様に得ることができることは明らかである。この場合、図1に示されたアクセプタ濃度は、p−層23に対応するn−層におけるドナー濃度となる。また、半導体基板、ゲート電極等を構成する材料によらずに、上記の構造、製造方法を実現することができ、同様の効果を奏することも明らかである。 In addition, each of the above configurations is an n-channel element, but it is apparent that a p-channel element can be similarly obtained by reversing the conductivity type (p-type and n-type). In this case, the acceptor concentration shown in FIG. 1 is the donor concentration in the n− layer corresponding to the p− layer 23. In addition, it is obvious that the above-described structure and manufacturing method can be realized without depending on the material constituting the semiconductor substrate, the gate electrode, and the like, and the same effect can be obtained.
1 半導体装置
2 半導体基板
10 N+層
20 n−層
30 p―層
40 n+層
50 補助電極
60 ゲート電極
70 層間絶縁膜
80 ソース電極(第1の主電極)
90 ドレイン電極(第2の主電極)
100 溝
110 外側トレンチ
120 外側電極
130 フィールドプレート電極
140 フローティング領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 2 Semiconductor substrate 10 N + layer 20 n− layer 30 p− layer 40 n + layer 50 Auxiliary electrode 60
90 Drain electrode (second main electrode)
100
Claims (6)
前記外周領域内には、
外側トレンチと、
前記外側トレンチ内に配置され、前記半導体基板と電気的に絶縁された外側電極と、
前記外側トレンチの側面に隣接して形成された第2導電型のフローティング領域とを備えることを特徴とする半導体装置。 The first conductivity type semiconductor substrate includes an active region and an outer peripheral region surrounding the active region,
In the outer peripheral area,
An outer trench,
An outer electrode disposed in the outer trench and electrically insulated from the semiconductor substrate;
And a second conductivity type floating region formed adjacent to a side surface of the outer trench.
前記半導体基板上を前記外側トレンチよりも外側へ延伸するように、前記電極と電気的に接続されたフィールドプレートとを備えることを特徴とする請求項1又は2の半導体装置。 The upper surface of the floating region does not reach the upper surface of the semiconductor substrate,
3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a field plate electrically connected to the electrode so as to extend outward from the outer trench on the semiconductor substrate.
前記フローティング領域は前記フィールドプレートよりも外側へ延伸することを特徴とする請求項1又は2の半導体装置。 A field plate electrically connected to the electrode so as to extend outward from the outer trench on the semiconductor substrate;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the floating region extends outward from the field plate.
前記外側トレンチ間の各々には前記埋め込み層が配置されており、
前記半導体基板を上方から見て内側にある前記外側トレンチ間の前記埋め込み層の不純物濃度の最大値は、外側にある前記外側トレンチ間の前記埋め込み層の不純物濃度の最大値よりも高いことを特徴とする請求項1〜4何れか1項に記載の半導体装置。 A plurality of outer trenches are provided apart from each other;
The buried layer is disposed between each of the outer trenches,
The maximum value of the impurity concentration of the buried layer between the outer trenches located on the inner side when the semiconductor substrate is viewed from above is higher than the maximum value of the impurity concentration of the buried layer between the outer trenches located on the outer side. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
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