JP2018046201A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第1導電形の第1半導体領域と、第2導電形の第2半導体領域と、第1導電形の第3半導体領域と、ゲート電極と、第1電極と、第2絶縁部と、第3絶縁部と、第2電極と、を有する。ゲート電極は、第1半導体領域中および第2半導体領域中に第1絶縁部を介して設けられ、第1方向に延びている。第1電極は、第3半導体領域の上に設けられ、第3半導体領域と電気的に接続されている。第2絶縁部は、第1半導体領域中においてゲート電極と離間し、第2方向に延びている。第3絶縁部は、第1方向に延びる第1絶縁部分を有する。第1絶縁部分は、第2方向においてゲート電極と第2絶縁部との間に位置している。第2電極は、第2絶縁部および第3絶縁部の上に設けられ、ゲート電極と電気的に接続されている。
【選択図】図2
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
各実施形態の説明には、XYZ直交座標系を用いる。ドレイン電極50からソース電極51に向かう方向をZ方向とする。また、Z方向に対して垂直であり、相互に直交する2方向をX方向(第2方向)およびY方向(第1方向)とする。
以下の説明において、n+、n−及びp+、pの表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、「+」が付されている表記は、「+」および「−」のいずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に高く、「−」が付されている表記は、いずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に低いことを示す。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のp形とn形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
図1〜図5を用いて、第1実施形態に係る半導体装置の一例について説明する。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置100の平面図である。
図2は、図1の部分Aを拡大した平面図である。
図3は、図2のB−B’断面図である。
図4は、図2のC−C’断面図である。
図5は、図2のD−D’断面図である。
なお、図2では、ソース電極51およびゲートパッド52が破線で表され、絶縁層45、p形ベース領域2、およびn+形ソース領域3が省略されている。
図1〜図4に表すように、半導体装置100は、n−形(第1導電形)半導体領域1(第1半導体領域)と、p形(第2導電形)ベース領域2(第2半導体領域)と、n+形ソース領域3(第3半導体領域)と、p+形コンタクト領域4と、n+形ドレイン領域5と、絶縁部10(第1絶縁部)と、フィールドプレート電極(以下、FP電極という)11と、ゲート電極12Aおよび12Bと、絶縁部20(第2絶縁部)と、絶縁部30(第3絶縁部)と、絶縁部40と、FP電極41Aおよび41Bと、絶縁層45と、ドレイン電極50と、ソース電極51(第1電極)と、ゲートパッド52(第2電極)と、を有する。
以降では、ゲート電極12Aおよび12Bに共通する性質については、これらのゲート電極をまとめて「ゲート電極12」と称して説明する。
FP電極41Aの一部は、X方向において、ゲート電極12Aの一部と絶縁部30との間に位置している。FP電極41Bは、複数のゲート電極12Bの半導体装置外周側に位置している。ゲート電極12Bは、X方向において、FP電極41Aの一部とFP電極41Bとの間に設けられている。
以降では、FP電極41Aおよび41Bに共通する性質については、これらのFP電極をまとめて「FP電極41」と称して説明する。
n+形ドレイン領域5は、ドレイン電極50の上に設けられ、ドレイン電極50と電気的に接続されている。
n−形半導体領域1は、n+形ドレイン領域5の上に設けられている。
p形ベース領域2は、n−形半導体領域1の上に選択的に設けられている。
n+形ソース領域3およびp+形コンタクト領域4は、p形ベース領域2の上に選択的に設けられている。
ゲート電極12は、絶縁部10を介してn−形半導体領域1中およびp形ベース領域2中に設けられている。ゲート電極12は、FP電極11の上に位置し、FP電極11と離間している。図4に表すように、FP電極11のY方向における端部は、Z方向に向けて屈曲しており、ゲート電極12とY方向において並んでいる。
FP電極11および41は、ソース電極51またはゲートパッド52と電気的に接続されている。
絶縁部20および絶縁部30の周りのn−形半導体領域1は、絶縁層45に覆われており、ゲートパッド52は、絶縁層45の上に、ソース電極51と離間して設けられている。絶縁部10、20、および30は、絶縁層45によってつながっている。絶縁部10、20、および30と、絶縁層45と、は、例えば、一体に形成された絶縁膜である。
ソース電極51に対して正の電圧がドレイン電極50に印加された状態で、ゲート電極12に閾値以上の電圧が印加されると、半導体装置がオン状態となる。このとき、絶縁部10近傍のp形ベース領域2にチャネル(反転層)が形成される。電子は、このチャネルを通ってn+形ソース領域3からn−形半導体領域1に流れ、n+形ドレイン領域5を通って排出される。
その後、ゲート電極12に印加される電圧が閾値よりも低くなると、p形ベース領域2におけるチャネルが消滅し、半導体装置がオフ状態になる。
n−形半導体領域1、p形ベース領域2、n+形ソース領域3、p+形コンタクト領域4、およびn+形ドレイン領域5は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。半導体材料としてシリコンが用いられる場合、n形不純物として、ヒ素、リン、またはアンチモンを用いることができる。p形不純物として、ボロンを用いることができる。
FP電極11、ゲート電極12、およびFP電極41は、ポリシリコンなどの導電材料を含む。
絶縁部10、20、30、および40は、酸化シリコンなどの絶縁材料を含む。
ドレイン電極50、ソース電極51、およびゲートパッド52は、アルミニウムなどの金属を含む。
図6は、第1実施形態に係る半導体装置100が接続された電気回路の一例を表す回路図である。
図7は、第1実施形態に係る半導体装置におけるキャリアの流れを表す断面図である。
図8は、図6に表す電気回路中の半導体装置100−2における電流および電圧の波形を表すグラフである。
なお、図8において、実線は、ダイオードを流れる電流を表し、破線は、ソース電極51に対するドレイン電極50の電圧を表している。横軸は時間を表し、ダイオードの電流は順方向に流れる場合を正として表している。
このため、ゲートパッド52の下に蓄積される電荷Qrrの減少、およびゲートパッド52の下に蓄積されたキャリアによる逆回復時のdir/dtの減少が、寄生NPNトランジスタの動作の抑制に特に効果的である。
図9は、第1実施形態に係る半導体装置の平面図である。
第1絶縁部分30aは、X方向において、複数の絶縁部20と離間している。絶縁部30が第1絶縁部分30aのみを有する場合、絶縁部20同士の間に蓄積された正孔が、図9の矢印A1に表すように、絶縁部20と絶縁部30との隙間を流れ、p+形コンタクト領域4に流れる可能性がある。従って、絶縁部20と30との隙間を流れた正孔が、一部のp+形コンタクト領域4に集中して流れ、寄生NPNトランジスタが動作してしまう可能性がある。
図10は、第1実施形態の第1変形例に係る半導体装置110の一部を表す平面図である。
図10では、ソース電極51およびゲートパッド52が破線で表され、絶縁層45および各半導体領域が省略されている。
また、絶縁部30がY方向に延びる第1絶縁部分30aをさらに有することで、絶縁部20と第2絶縁部分30bの隙間を流れる正孔を減少させることができる点も同様である。
図11は、第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置120の一部を表す平面図である。
図12(a)は図11のE−E’断面図であり、図12(b)は図11のF−F’断面図である。
図13は、第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置120の他の一例を表す部分拡大断面図である。
なお、図11では、ソース電極51およびゲートパッド52が破線で表され、絶縁層45および各半導体領域が省略されている。
なお、ここでは、幅とは、それぞれの絶縁部が延びている方向に対して垂直な方向における、各絶縁部の長さを意味している。
図14は、第1実施形態の第3変形例に係る半導体装置130の一部を表す平面図である。
図15は、図14のG−G’断面図である。
なお、図14では、ソース電極51およびゲートパッド52が破線で表され、絶縁層45および各半導体領域が省略されている。
導電部31は、第1導電部分31aおよび第2導電部分31bを有する。第1導電部分31aは、第1絶縁部分30a中に設けられ、Y方向に延びている。第2導電部分31bは、第2絶縁部分30b中に設けられ、X方向に延びている。
図16は、第2実施形態に係る半導体装置200の一部を表す平面図である。
図17は、図16のH−H’断面図である。
なお、図16では、ソース電極51およびゲートパッド52が破線で表され、絶縁層45および各半導体領域が省略されている。
これに対して、本実施形態に係る半導体装置200のように、ゲートパッド52の下に環状の絶縁部を設けることで、ゲートパッド52下の領域とソース電極51との間の正孔の移動をより一層抑制することが可能となる。このため、本実施形態によれば、第1実施形態に係る半導体装置に比べて、図8に表したdir/dtをより小さくし、寄生NPNトランジスタが動作する可能性をさらに低減することが可能である。
図18は、第2実施形態の第1変形例に係る半導体装置210の一部を表す断面図である。
図18に表すように、導電部23、25、および27は、それぞれ、絶縁部22、24、および26の中に設けられている。導電部23、25、および27は、それぞれ環状に設けられており、n−形半導体領域1の一部を囲んでいる。
図19は、第2実施形態の第2変形例に係る半導体装置220の一部を表す断面図である。
図19に表すように、絶縁部22の幅W2は、絶縁部24の幅W3よりも広く、幅W3は、絶縁部26の幅W4よりも広い。幅W2は、例えば、絶縁部10の幅と同じか、それよりも広い。
また、各半導体領域における不純物濃度については、例えば、SIMS(二次イオン質量分析法)により測定することが可能である。
Claims (11)
- 第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の上に選択的に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第3半導体領域と、
前記第1半導体領域中および前記第2半導体領域中に第1絶縁部を介して設けられ、第1方向に延びるゲート電極と、
前記第3半導体領域の上に設けられ、前記第3半導体領域と電気的に接続された第1電極と、
前記第1半導体領域中において前記ゲート電極と離間し、前記第1方向と交差する第2方向に延びる第2絶縁部と、
前記第1方向に延びる第1絶縁部分を有し、前記第1絶縁部分が前記第2方向において前記ゲート電極と前記第2絶縁部との間に位置し、前記第1半導体領域中において前記ゲート電極および前記第2絶縁部と離間した第3絶縁部と、
前記第2絶縁部および前記第3絶縁部の上に設けられ、前記ゲート電極と電気的に接続された第2電極と、
を備えた半導体装置。 - 前記ゲート電極は、前記第2方向において複数設けられ、
前記第2絶縁部は、前記第1方向において複数設けられ、
前記第1絶縁部分は、前記第2方向において、前記複数のゲート電極と前記複数の第2絶縁部との間に位置する請求項1記載の半導体装置。 - 前記ゲート電極は、前記第2方向において複数設けられ、
前記第2絶縁部は、前記第1方向において複数設けられ、
前記第3絶縁部は、前記第2方向に延びる第2絶縁部分をさらに有し、
前記第1絶縁部分は、前記第2方向において、前記複数のゲート電極の一部と前記複数の第2絶縁部との間に位置し、
前記第2絶縁部分は、前記第1方向において、前記複数のゲート電極の他の一部と前記複数の第2絶縁部との間に位置する請求項1記載の半導体装置。 - 前記第2絶縁部中に設けられた第1導電部と、
前記第3絶縁部中に設けられた第2導電部と、
をさらに備え、
前記第1導電部は、前記第2方向に延び、
前記第2導電部は、前記第1絶縁部分中を前記第1方向に延びる第1導電部分を有し、
前記第1導電部および前記第2導電部は、前記第1電極および前記第2電極と電気的に分離された請求項1記載の半導体装置。 - 第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の上に選択的に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第3半導体領域と、
前記第1半導体領域中および前記第2半導体領域中に第1絶縁部を介して設けられ、第1方向に延びるゲート電極と、
前記第3半導体領域の上に設けられ、前記第3半導体領域と電気的に接続された第1電極と、
前記第1半導体領域中において前記ゲート電極と離間し、前記第1方向に延びる第2絶縁部と、
前記第1方向と交差する第2方向に延びる第2絶縁部分を有し、前記第2絶縁部分が前記第1方向において前記ゲート電極と前記第2絶縁部との間に位置し、前記第1半導体領域中において前記ゲート電極および前記第2絶縁部と離間した第3絶縁部と、
前記第2絶縁部および前記第3絶縁部の上に設けられ、前記ゲート電極と電気的に接続された第2電極と、
を備えた半導体装置。 - 前記ゲート電極は、前記第2方向において複数設けられ、
前記第2絶縁部は、前記第2方向において複数設けられ、
前記第2絶縁部分は、前記第1方向において、前記複数のゲート電極と前記複数の第2絶縁部との間に位置する請求項5記載の半導体装置。 - 前記ゲート電極は、前記第2方向において複数設けられ、
前記第2絶縁部は、前記第2方向において複数設けられ、
前記第3絶縁部は、前記第1方向に延びる第1絶縁部分をさらに有し、
前記第1絶縁部分は、前記第2方向において、前記複数のゲート電極の一部と前記複数の第2絶縁部との間に位置し、
前記第2絶縁部分は、前記第1方向において、前記複数のゲート電極の他の一部と前記複数の第2絶縁部との間に位置する請求項5記載の半導体装置。 - 前記第2絶縁部中に設けられた第1導電部と、
前記第3絶縁部中に設けられた第2導電部と、
をさらに備え、
前記第1導電部は、前記第2方向に延び、
前記第2導電部は、前記第2絶縁部分中を前記第2方向に延びる第2導電部分を有し、
前記第1導電部および前記第2導電部は、前記第1電極および前記第2電極と電気的に分離された請求項5記載の半導体装置。 - 第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の上に選択的に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第3半導体領域と、
前記第1半導体領域中および前記第2半導体領域中に第1絶縁部を介して設けられたゲート電極と、
前記第3半導体領域の上に設けられ、前記第3半導体領域と電気的に接続された第1電極と、
前記第1半導体領域中において前記ゲート電極と離間し、前記第1半導体領域の一部を囲む環状の第2絶縁部と、
前記第2絶縁部の上に設けられ、前記ゲート電極と電気的に接続された第2電極と、
を備えた半導体装置。 - 前記第2絶縁部と離間して前記第1半導体領域中に設けられ、前記第2絶縁部の内側に位置し、前記第1半導体領域の一部を囲む環状の第3絶縁部をさらに備えた請求項9記載の半導体装置。
- 前記第2絶縁部中に設けられた環状の第1導電部と、
前記第3絶縁部中に設けられた環状の第2導電部と、
をさらに備え、
前記第1導電部および前記第2導電部は、前記第1電極および前記第2電極と電気的に分離された請求項9または10に記載の半導体装置。
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