JP2018056380A - Switching element - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書は、スイッチング素子を開示する。 The present specification discloses a switching element.
特許文献1には、上面にトレンチが設けられている半導体基板を有するスイッチング素子が開示されている。トレンチ内に、トレンチ内面を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているゲート電極が配置されている。半導体基板は、n型のソース領域とp型のボディ領域とn型のドリフト領域を有している。ソース領域は、ゲート絶縁膜に接している。ボディ領域は、ソース領域の下側でゲート絶縁膜に接している。ドリフト領域は、ボディ領域の下側でゲート絶縁膜に接している。また、半導体基板は、トレンチの底面に沿って伸びるp型の底部領域と、トレンチの側面に沿って伸びるp型の接続領域を有している。接続領域は、ボディ領域と底部領域を接続している。上述したドリフト領域は、接続領域が存在しない範囲でゲート絶縁膜に接している。 Patent Document 1 discloses a switching element having a semiconductor substrate in which a trench is provided on an upper surface. A gate insulating film that covers the inner surface of the trench and a gate electrode that is insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film are disposed in the trench. The semiconductor substrate has an n-type source region, a p-type body region, and an n-type drift region. The source region is in contact with the gate insulating film. The body region is in contact with the gate insulating film below the source region. The drift region is in contact with the gate insulating film below the body region. The semiconductor substrate also has a p-type bottom region extending along the bottom surface of the trench and a p-type connection region extending along the side surface of the trench. The connection region connects the body region and the bottom region. The drift region described above is in contact with the gate insulating film in a range where no connection region exists.
このスイッチング素子がオフするときには、ボディ領域及び底部領域からドリフト領域内に空乏層が伸びる。底部領域から伸びる空乏層によって、ゲート絶縁膜への電界の集中が抑制される。また、スイッチング素子がオフする過程で、接続領域が空乏化されることにより、底部領域がボディ領域から電気的に分離される。その結果、底部領域の電位がフローティングとなる。これにより、底部領域と半導体基板の裏面との間に高い電位差が生じることが抑制される。 When the switching element is turned off, a depletion layer extends from the body region and the bottom region into the drift region. The depletion layer extending from the bottom region suppresses concentration of the electric field on the gate insulating film. In addition, the connection region is depleted in the process of turning off the switching element, so that the bottom region is electrically isolated from the body region. As a result, the potential of the bottom region becomes floating. This suppresses a high potential difference between the bottom region and the back surface of the semiconductor substrate.
このスイッチング素子がオンするときには、ボディ領域にチャネルが形成され、ドリフト領域内に広がっていた空乏層が収縮してスイッチング素子がオン状態となる。その過程で、接続領域内の空乏層も収縮し、接続領域を介して底部領域がボディ領域に電気的に接続される。すると、接続領域を介してボディ領域から底部領域にホールが供給される。その結果、底部領域からドリフト領域に広がっていた空乏層が底部領域に向かって収縮する。このため、スイッチング素子がオンするときに短時間でドリフト領域の抵抗が低下する。したがって、このスイッチング素子では、損失が生じ難い。 When this switching element is turned on, a channel is formed in the body region, and the depletion layer extending in the drift region contracts to turn on the switching element. In the process, the depletion layer in the connection region also contracts, and the bottom region is electrically connected to the body region through the connection region. Then, holes are supplied from the body region to the bottom region through the connection region. As a result, the depletion layer that has spread from the bottom region to the drift region contracts toward the bottom region. For this reason, the resistance of the drift region decreases in a short time when the switching element is turned on. Therefore, in this switching element, it is difficult for loss to occur.
特許文献1のスイッチング素子では、オフしたときに、底部領域の周辺で電界集中が発生する。本明細書は、接続領域と底部領域を有するスイッチング素子において、底部領域の周辺での電界集中を緩和する技術を開示する。 In the switching element of Patent Document 1, electric field concentration occurs around the bottom region when turned off. The present specification discloses a technique for mitigating electric field concentration around a bottom region in a switching element having a connection region and a bottom region.
本発明者らが行ったシミュレーションにおいて、特許文献1のスイッチング素子の構造では、図7に示すように電界が分布する結果が得られた。なお、図7は、ゲート電極126、ゲート絶縁膜124、ソース領域130、ボディ領域132、底部領域136、接続領域138、及びドリフト領域134を含む範囲の断面を示している。図7は、スイッチング素子がオフしているときの状態を示している。図7において、破線は等電位線を示している。図7において等電位線が分布している半導体領域は、空乏化している。図7においてドットでハッチングされている領域は、空乏化していない半導体領域(以下、非空乏化領域という)を示している。図7に示されるように、接続領域138が空乏化されるときには、半導体基板内に生じる電位差により、接続領域138の下側の部分(底部領域136側の部分)では、接続領域138の上側の部分(ボディ領域132側の部分)と比較して空乏化されやすい。このため、特許文献1のスイッチング素子では、図7に示すように、接続領域138内に、空乏化した領域138aと、空乏化していない領域138bが存在する。接続領域138内の非空乏化領域138bによって、接続領域138の上側の部分(ゲート電極126の下端近傍の部分)での電界集中が抑制される。他方、特許文献1のスイッチング素子の構造では、底部領域136(図7の領域210)で電界集中が起こる。 In the simulation performed by the present inventors, in the structure of the switching element of Patent Document 1, an electric field distribution result was obtained as shown in FIG. FIG. 7 shows a cross section of a range including the gate electrode 126, the gate insulating film 124, the source region 130, the body region 132, the bottom region 136, the connection region 138, and the drift region 134. FIG. 7 shows a state when the switching element is off. In FIG. 7, the broken lines indicate equipotential lines. In FIG. 7, the semiconductor region in which equipotential lines are distributed is depleted. In FIG. 7, a hatched area with dots indicates a semiconductor area that is not depleted (hereinafter referred to as a non-depleted area). As shown in FIG. 7, when the connection region 138 is depleted, the lower portion of the connection region 138 (the portion on the bottom region 136 side) is located above the connection region 138 due to a potential difference generated in the semiconductor substrate. Compared with the portion (the portion on the body region 132 side), it is easily depleted. Therefore, in the switching element of Patent Document 1, as shown in FIG. 7, a depleted region 138 a and a non-depleted region 138 b exist in the connection region 138. The non-depleted region 138b in the connection region 138 suppresses electric field concentration in the upper portion of the connection region 138 (portion near the lower end of the gate electrode 126). On the other hand, in the structure of the switching element of Patent Document 1, electric field concentration occurs in the bottom region 136 (region 210 in FIG. 7).
本明細書が開示するスイッチング素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上面に設けられたトレンチと、前記トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、前記トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極、を備えている。前記半導体基板が、前記ゲート絶縁膜に接しているn型のソース領域と、前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しているp型のボディ領域と、前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域によって前記ソース領域から分離されているn型のドリフト領域と、前記トレンチの底面において前記ゲート絶縁膜に接しているp型の底部領域と、前記トレンチの側面において前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域と前記底部領域を接続しているp型の接続領域、を備えている。前記接続領域の厚みは、前記底部領域側端部から前記ボディ領域側端部に向かうにつれて薄くなる。 A switching element disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a trench provided on an upper surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film covering an inner surface of the trench, and the gate insulating film disposed in the trench. And a gate electrode insulated from the semiconductor substrate. The semiconductor substrate includes an n-type source region in contact with the gate insulating film, a p-type body region in contact with the gate insulating film below the source region, and the lower side of the body region. An n-type drift region in contact with the gate insulating film and separated from the source region by the body region; a p-type bottom region in contact with the gate insulating film at a bottom surface of the trench; A p-type connection region that is in contact with the gate insulating film on a side surface and connects the body region and the bottom region is provided. The thickness of the connection region decreases as it goes from the bottom region side end to the body region side end.
なお、接続領域の厚みとは、トレンチの側面に対して垂直な方向における接続領域の寸法を意味する。 Note that the thickness of the connection region means the dimension of the connection region in a direction perpendicular to the side surface of the trench.
上記のスイッチング素子では、接続領域の厚みは、底部領域側端部からボディ領域側端部に向かうにつれて薄くなっている。このように、接続領域のボディ領域側の厚みが薄いと、接続領域のボディ領域側の部分が空乏化され易くなる。このため、接続領域38の全域が空乏化される。図6は、本明細書が開示するスイッチング素子の構造において行ったシミュレーション結果を示している。なお、図6は、説明のために本明細書が開示するスイッチング素子の構造の一例を示したものであり、本明細書が開示するスイッチング素子の構造は図6の構造に限られるものではない。なお、図6は、ゲート電極26、ゲート絶縁膜24、ソース領域30、ボディ領域32、底部領域36、接続領域38、及びドリフト領域34を含む範囲の断面を示している。図6に例示されるように、ゲート電極26の下端近傍の領域100において電界集中が生じる。その結果、電界集中が、ゲート電極26の下端近傍の領域100と、底部領域36(図6の領域110)とに分散して生じる。このように、本明細書が開示するスイッチング素子によれば、電界集中を分散して生じさせることができる。これにより、一箇所に電界が集中する場合と比較して、各電界集中箇所における電界を抑制することができる。 In the switching element described above, the thickness of the connection region decreases from the bottom region side end toward the body region side end. Thus, if the thickness of the connection region on the body region side is thin, the portion of the connection region on the body region side is likely to be depleted. For this reason, the entire connection region 38 is depleted. FIG. 6 shows a simulation result performed in the structure of the switching element disclosed in this specification. Note that FIG. 6 illustrates an example of the structure of the switching element disclosed in this specification for the sake of explanation, and the structure of the switching element disclosed in this specification is not limited to the structure of FIG. . 6 shows a cross section of a range including the gate electrode 26, the gate insulating film 24, the source region 30, the body region 32, the bottom region 36, the connection region 38, and the drift region 34. As illustrated in FIG. 6, electric field concentration occurs in the region 100 near the lower end of the gate electrode 26. As a result, electric field concentration occurs in the region 100 near the lower end of the gate electrode 26 and the bottom region 36 (region 110 in FIG. 6). As described above, according to the switching element disclosed in the present specification, electric field concentration can be distributed and generated. Thereby, compared with the case where an electric field concentrates on one place, the electric field in each electric field concentration part can be suppressed.
図1〜4は、実施形態のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)10を示している。MOSFET10は、半導体基板12と、電極、絶縁層等を備えている。なお、図1では、図の見易さのため、半導体基板の上面12a上の電極、絶縁層の図示を省略している。以下では、半導体基板12の上面12aと平行な一方向をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向をy方向といい、半導体基板12の厚み方向をz方向という。半導体基板12は、SiC(炭化シリコン)によって構成されている。 1 to 4 show a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 10 of the embodiment. The MOSFET 10 includes a semiconductor substrate 12, an electrode, an insulating layer, and the like. In FIG. 1, illustration of electrodes and insulating layers on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate is omitted for easy viewing. Hereinafter, one direction parallel to the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 is referred to as an x direction, a direction parallel to the upper surface 12a and orthogonal to the x direction is referred to as a y direction, and a thickness direction of the semiconductor substrate 12 is referred to as a z direction. The semiconductor substrate 12 is made of SiC (silicon carbide).
図2〜4に示すように、半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。図1に示すように、各トレンチ22は、y方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチ22は、x方向に間隔を開けて配列されている。図2〜4に示すように、各トレンチ22の内面は、ゲート絶縁膜24によって覆われている。ゲート絶縁膜24は、底部絶縁膜24aと側面絶縁膜24bを有している。底部絶縁膜24aは、トレンチ22の底部に設けられている。底部絶縁膜24aは、トレンチ22の底面と、その底面近傍の側面を覆っている。側面絶縁膜24bは、底部絶縁膜24aよりも上側のトレンチ22の側面を覆っている。底部絶縁膜24aの厚み(すなわち、底部絶縁膜24aの上面と下面の間の幅(別言すると、ゲート電極26の下端とトレンチ22の底面の間の間隔))は、側面絶縁膜24bの厚み(すなわち、トレンチ22の側面とゲート電極26の側面の間の間隔)よりも厚い。各トレンチ22内には、ゲート電極26が配置されている。各ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24によって半導体基板12から絶縁されている。各ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。 As shown in FIGS. 2 to 4, a plurality of trenches 22 are provided on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12. As shown in FIG. 1, each trench 22 extends linearly in the y direction. The plurality of trenches 22 are arranged at intervals in the x direction. As shown in FIGS. 2 to 4, the inner surface of each trench 22 is covered with a gate insulating film 24. The gate insulating film 24 includes a bottom insulating film 24a and a side insulating film 24b. The bottom insulating film 24 a is provided on the bottom of the trench 22. The bottom insulating film 24a covers the bottom surface of the trench 22 and the side surface near the bottom surface. The side surface insulating film 24b covers the side surface of the trench 22 above the bottom insulating film 24a. The thickness of the bottom insulating film 24a (that is, the width between the upper surface and the lower surface of the bottom insulating film 24a (in other words, the distance between the lower end of the gate electrode 26 and the bottom surface of the trench 22)) is the thickness of the side insulating film 24b. (That is, the distance between the side surface of the trench 22 and the side surface of the gate electrode 26). A gate electrode 26 is disposed in each trench 22. Each gate electrode 26 is insulated from the semiconductor substrate 12 by the gate insulating film 24. The upper surface of each gate electrode 26 is covered with an interlayer insulating film 28.
半導体基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、半導体基板12の下面12bに接している。 An upper electrode 70 is disposed on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12. The upper electrode 70 is in contact with the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 at a portion where the interlayer insulating film 28 is not provided. The upper electrode 70 is insulated from the gate electrode 26 by the interlayer insulating film 28. A lower electrode 72 is disposed on the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12. The lower electrode 72 is in contact with the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12.
図2〜4に示すように、半導体基板12の内部には、複数のソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域34、ドレイン領域35、複数の底部領域36及び複数の接続領域38が設けられている。 As shown in FIGS. 2 to 4, a plurality of source regions 30, a body region 32, a drift region 34, a drain region 35, a plurality of bottom regions 36, and a plurality of connection regions 38 are provided inside the semiconductor substrate 12. Yes.
各ソース領域30は、n型領域である。各ソース領域30は、半導体基板12の上面12aに露出する位置に配置されており、上部電極70にオーミック接触している。また、各ソース領域30は、トレンチ22の短手方向の側面(短手方向の端部に位置する側面であり、y方向に沿って伸びる側面)において、側面絶縁膜24bに接している。各ソース領域30は、トレンチ22の上端部において側面絶縁膜24bに接している。 Each source region 30 is an n-type region. Each source region 30 is disposed at a position exposed on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 and is in ohmic contact with the upper electrode 70. Each source region 30 is in contact with the side surface insulating film 24b on the side surface in the short direction of the trench 22 (the side surface located at the end portion in the short direction and extending along the y direction). Each source region 30 is in contact with the side insulating film 24 b at the upper end of the trench 22.
ボディ領域32は、p型領域である。ボディ領域32は、各ソース領域30に接している。ボディ領域32は、2つのソース領域30に挟まれた範囲から各ソース領域30の下側まで伸びている。ボディ領域32は、高濃度領域32aと低濃度領域32bを有している。高濃度領域32aは、低濃度領域32bよりも高いp型不純物濃度を有している。高濃度領域32aは、2つのソース領域30に挟まれた範囲に配置されている。高濃度領域32aは、上部電極70にオーミック接触している。低濃度領域32bは、トレンチ22の短手方向の側面において、側面絶縁膜24bに接している。すなわち、低濃度領域32bは、ソース領域30の下側で側面絶縁膜24bに接している。また、図1、4に示すように、低濃度領域32bは、トレンチ22の長手方向の側面(長手方向の端部に位置する側面であり、x方向に沿って伸びる側面)に隣接する範囲にも配置されている。低濃度領域32bは、トレンチ22の長手方向の側面において、側面絶縁膜24bに接している。ボディ領域32の下端(すなわち、低濃度領域32bの下端)は、ゲート電極26の下端(すなわち、底部絶縁膜24aの上面)よりも上側に配置されている。 Body region 32 is a p-type region. The body region 32 is in contact with each source region 30. The body region 32 extends from a range between the two source regions 30 to the lower side of each source region 30. The body region 32 has a high concentration region 32a and a low concentration region 32b. The high concentration region 32a has a higher p-type impurity concentration than the low concentration region 32b. The high concentration region 32 a is disposed in a range sandwiched between the two source regions 30. The high concentration region 32 a is in ohmic contact with the upper electrode 70. The low concentration region 32 b is in contact with the side insulating film 24 b on the side surface in the short direction of the trench 22. That is, the low concentration region 32 b is in contact with the side insulating film 24 b below the source region 30. As shown in FIGS. 1 and 4, the low concentration region 32 b is in a range adjacent to the side surface in the longitudinal direction of the trench 22 (the side surface located at the end in the longitudinal direction and extending along the x direction). Also arranged. The low concentration region 32 b is in contact with the side insulating film 24 b on the side surface in the longitudinal direction of the trench 22. The lower end of the body region 32 (that is, the lower end of the low concentration region 32b) is disposed above the lower end of the gate electrode 26 (that is, the upper surface of the bottom insulating film 24a).
ドリフト領域34は、n型領域である。ドリフト領域34は、ボディ領域32の下側に配置されており、ボディ領域32によってソース領域30から分離されている。図3に示すように、ドリフト領域34は、トレンチ22の短手方向の側面において、側面絶縁膜24b及び底部絶縁膜24aに接している。すなわち、ドリフト領域34は、ボディ領域32の下側で側面絶縁膜24b及び底部絶縁膜24aに接している。 The drift region 34 is an n-type region. The drift region 34 is disposed below the body region 32 and is separated from the source region 30 by the body region 32. As shown in FIG. 3, the drift region 34 is in contact with the side insulating film 24 b and the bottom insulating film 24 a on the lateral side surface of the trench 22. That is, the drift region 34 is in contact with the side surface insulating film 24 b and the bottom insulating film 24 a below the body region 32.
ドレイン領域35は、n型領域である。ドレイン領域35は、ドリフト領域34よりも高いn型不純物濃度を有している。ドレイン領域35は、ドリフト領域34の下側に配置されている。ドレイン領域35は、半導体基板12の下面12bに露出している。ドレイン領域35は、下部電極72にオーミック接触している。 The drain region 35 is an n-type region. The drain region 35 has a higher n-type impurity concentration than the drift region 34. The drain region 35 is disposed below the drift region 34. The drain region 35 is exposed on the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12. The drain region 35 is in ohmic contact with the lower electrode 72.
各底部領域36は、p型領域である。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面に露出する範囲に配置されている。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面において、底部絶縁膜24aに接している。図4に示すように、各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面に沿ってy方向に長く伸びている。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面全域で底部絶縁膜24aに接している。図2、3に示すように、各底部領域36の周囲は、ドリフト領域34に囲まれている。後述する接続領域38が形成されている箇所を除いて、各底部領域36は、ドリフト領域34によってボディ領域32から分離されている。 Each bottom region 36 is a p-type region. Each bottom region 36 is arranged in a range exposed on the bottom surface of the corresponding trench 22. Each bottom region 36 is in contact with the bottom insulating film 24 a at the bottom surface of the corresponding trench 22. As shown in FIG. 4, each bottom region 36 extends long in the y direction along the bottom surface of the corresponding trench 22. Each bottom region 36 is in contact with the bottom insulating film 24 a over the entire bottom surface of the corresponding trench 22. As shown in FIGS. 2 and 3, the periphery of each bottom region 36 is surrounded by a drift region 34. Each bottom region 36 is separated from the body region 32 by a drift region 34 except for a portion where a connection region 38 described later is formed.
接続領域38は、p型領域である。図1に示すように、接続領域38は、トレンチ22の短手方向の側面に沿って設けられている。図2に示すように、接続領域38は、ボディ領域32からトレンチ22の短手方向の側面に沿って下側に伸びている。トレンチ22の短手方向の側面に対して、複数の接続領域38が配置されている。接続領域38の下端は、底部領域36に接続されている。すなわち、接続領域38によって、ボディ領域32と底部領域36が接続されている。接続領域38の厚み(トレンチ22の側面に対して垂直な方向における接続領域38の寸法)は、底部領域36側からボディ領域32側に向かうにつれて薄くなっている。接続領域38のp型不純物濃度は、ボディ領域32及び底部領域36のp型不純物濃度よりも低い。 Connection region 38 is a p-type region. As shown in FIG. 1, the connection region 38 is provided along the lateral side surface of the trench 22. As shown in FIG. 2, the connection region 38 extends downward from the body region 32 along the lateral side surface of the trench 22. A plurality of connection regions 38 are disposed on the lateral side surface of the trench 22. The lower end of the connection region 38 is connected to the bottom region 36. That is, the body region 32 and the bottom region 36 are connected by the connection region 38. The thickness of the connection region 38 (the dimension of the connection region 38 in the direction perpendicular to the side surface of the trench 22) decreases from the bottom region 36 side toward the body region 32 side. The connection region 38 has a p-type impurity concentration lower than that of the body region 32 and the bottom region 36.
次に、MOSFET10の動作について説明する。MOSFET10の使用時には、MOSFET10と負荷(例えば、モータ)と電源が直列に接続される。MOSFET10と負荷の直列回路に対して、電源電圧(本実施形態では、約800V)が印加される。MOSFET10のドレイン側(下部電極72)がソース側(上部電極70)よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。ゲート電極26にゲートオン電位(ゲート閾値よりも高い電位)を印加すると、側面絶縁膜24bに接する範囲のボディ領域32(低濃度領域32b)にチャネル(反転層)が形成され、MOSFET10がオンする。ゲート電極26にゲートオフ電位(ゲート閾値以下の電位)を印加すると、チャネルが消滅し、MOSFET10がオフする。以下に、MOSFET10のターンオフ時とターンオン時の動作について、詳細に説明する。 Next, the operation of the MOSFET 10 will be described. When the MOSFET 10 is used, the MOSFET 10, a load (for example, a motor), and a power source are connected in series. A power supply voltage (about 800 V in this embodiment) is applied to the series circuit of the MOSFET 10 and the load. The power supply voltage is applied in such a direction that the drain side (lower electrode 72) of the MOSFET 10 has a higher potential than the source side (upper electrode 70). When a gate-on potential (potential higher than the gate threshold) is applied to the gate electrode 26, a channel (inversion layer) is formed in the body region 32 (low concentration region 32b) in the range in contact with the side surface insulating film 24b, and the MOSFET 10 is turned on. When a gate-off potential (potential below the gate threshold) is applied to the gate electrode 26, the channel disappears and the MOSFET 10 is turned off. Hereinafter, the operation of the MOSFET 10 when it is turned off and when it is turned on will be described in detail.
MOSFET10をターンオフさせる場合には、ゲート電極26の電位をゲートオン電位からゲートオフ電位に引き下げる。すると、チャネルが消失し、下部電極72の電位が上昇する。下部電極72の電位は、上部電極70に対して電源電圧分(すなわち、約800V)だけ高い電位まで上昇する。下部電極72の電位が上昇する過程において、底部領域36と下部電極72の間の容量結合によって、底部領域36の電位が少し上昇する。すると、底部領域36から接続領域38とボディ領域32を介して上部電極70へホールが流れる。このようにホールが流れている間は、底部領域36の電位の上昇が抑制され、底部領域36の電位が上部電極70の電位よりもわずかに高い電位に維持される。 When the MOSFET 10 is turned off, the potential of the gate electrode 26 is lowered from the gate-on potential to the gate-off potential. Then, the channel disappears and the potential of the lower electrode 72 increases. The potential of the lower electrode 72 rises to a potential that is higher than the upper electrode 70 by a power supply voltage (ie, about 800 V). In the process of increasing the potential of the lower electrode 72, the potential of the bottom region 36 slightly increases due to capacitive coupling between the bottom region 36 and the lower electrode 72. Then, holes flow from the bottom region 36 to the upper electrode 70 through the connection region 38 and the body region 32. While the holes are flowing in this way, the increase in the potential of the bottom region 36 is suppressed, and the potential of the bottom region 36 is maintained at a potential slightly higher than the potential of the upper electrode 70.
また、下部電極72の電位の上昇に伴って、ドレイン領域35及びドリフト領域34の電位も上昇する。ドリフト領域34の電位が上昇すると、ボディ領域32とドリフト領域34の間に電位差が生じる。このため、ボディ領域32とドリフト領域34の界面のpn接合に逆電圧が印加される。したがって、ボディ領域32からドリフト領域34に空乏層が広がる。また、ドリフト領域34の電位が上昇すると、底部領域36とドリフト領域34の間に電位差が生じる。このため、底部領域36とドリフト領域34の界面のpn接合に逆電圧が印加される。したがって、底部領域36からドリフト領域34に空乏層が広がる。 As the potential of the lower electrode 72 increases, the potentials of the drain region 35 and the drift region 34 also increase. When the potential of the drift region 34 increases, a potential difference is generated between the body region 32 and the drift region 34. For this reason, a reverse voltage is applied to the pn junction at the interface between the body region 32 and the drift region 34. Therefore, a depletion layer extends from the body region 32 to the drift region 34. Further, when the potential of the drift region 34 increases, a potential difference is generated between the bottom region 36 and the drift region 34. For this reason, a reverse voltage is applied to the pn junction at the interface between the bottom region 36 and the drift region 34. Therefore, a depletion layer extends from the bottom region 36 to the drift region 34.
また、ドリフト領域34の電位が上昇すると、接続領域38とドリフト領域34の界面のpn接合にも逆電圧が印加される。接続領域38のp型不純物濃度が低いので、pn接合から接続領域38内に空乏層が広がる。ここで、ドリフト領域34内では、下側ほど電位が高くなるように電位が分布している。このため、接続領域38とドリフト領域34の境界のpn接合のうち、上側の部分には下側の部分よりも印加される電圧が低い。このため、接続領域38の上側の部分には接続領域38の下側の部分よりも空乏層が広がり難い。これに対し、上述したように、接続領域38の厚みは、底部領域36側(下側)からボディ領域32側(上側)に向かうにつれて薄くなっている。このため、図6に示すように、空乏層が広がり難い接続領域38の上側の部分も完全に空乏化される。その結果、接続領域38のほぼ全域が空乏化される。接続領域38が空乏化されることによって、底部領域36が上部電極70から電気的に分離される。 Further, when the potential of the drift region 34 increases, a reverse voltage is also applied to the pn junction at the interface between the connection region 38 and the drift region 34. Since the p-type impurity concentration in the connection region 38 is low, a depletion layer spreads from the pn junction into the connection region 38. Here, in the drift region 34, the potential is distributed so that the potential becomes higher toward the lower side. For this reason, the voltage applied to the upper part of the pn junction at the boundary between the connection region 38 and the drift region 34 is lower than that of the lower part. For this reason, the depletion layer is less likely to spread in the upper part of the connection region 38 than in the lower part of the connection region 38. On the other hand, as described above, the thickness of the connection region 38 becomes thinner from the bottom region 36 side (lower side) toward the body region 32 side (upper side). Therefore, as shown in FIG. 6, the upper portion of the connection region 38 where the depletion layer is difficult to spread is also completely depleted. As a result, almost the entire connection region 38 is depleted. As the connection region 38 is depleted, the bottom region 36 is electrically isolated from the upper electrode 70.
底部領域36がボディ領域32から電気的に分離されると、底部領域36から上部電極70に向かうホールの流れが停止し、底部領域36の電位がフローティングとなる。このため、底部領域36の電位が、下部電極72の電位の上昇に伴って上昇する。このように、底部領域36の電位が上昇することで、底部領域36と下部電極72の間の電位差が過大となることが防止される。上述したように、MOSFET10では、接続領域38内のほぼ全域が空乏化されるので、図6に示すように、ゲート電極26の下端近傍において電界集中が生じる。すなわち、ゲート電極26の下端近傍と、底部領域36とに電界を分散させることができる。別言すると、ゲート電極26の下端近傍と、底部領域36の二箇所で電界のピークを形成することができる。このため、一箇所に電界が集中する場合と比較して、各電界集中箇所における電界を抑制することができる。したがって、MOSFET10は高い耐圧を有する。図5は、本実施形態のMOSFET10と従来構造(図7の構造)のMOSFETについて耐圧シミュレーションを行った結果を示している。本実施形態のMOSFET10(図5のグラフにおいて実線で示す)は図7に示す従来のMOSFET(図5のグラフにおいて破線で示す)より耐圧が向上していることがわかった。下部電極72の電位が上部電極70に対して電源電圧分高い電位まで上昇することで、MOSFET10のターンオフが完了する。 When the bottom region 36 is electrically separated from the body region 32, the flow of holes from the bottom region 36 toward the upper electrode 70 stops, and the potential of the bottom region 36 becomes floating. For this reason, the potential of the bottom region 36 increases as the potential of the lower electrode 72 increases. Thus, the potential difference between the bottom region 36 and the lower electrode 72 is prevented from being excessively increased by increasing the potential of the bottom region 36. As described above, in the MOSFET 10, almost the entire region in the connection region 38 is depleted, so that electric field concentration occurs in the vicinity of the lower end of the gate electrode 26 as shown in FIG. That is, the electric field can be dispersed in the vicinity of the lower end of the gate electrode 26 and the bottom region 36. In other words, electric field peaks can be formed at two locations, the vicinity of the lower end of the gate electrode 26 and the bottom region 36. For this reason, compared with the case where an electric field concentrates on one place, the electric field in each electric field concentration part can be suppressed. Therefore, the MOSFET 10 has a high breakdown voltage. FIG. 5 shows the result of a withstand voltage simulation performed on the MOSFET 10 of this embodiment and the MOSFET of the conventional structure (structure of FIG. 7). It has been found that the breakdown voltage of the MOSFET 10 of this embodiment (shown by a solid line in the graph of FIG. 5) is higher than that of the conventional MOSFET shown in FIG. When the potential of the lower electrode 72 rises to a potential higher than the upper electrode 70 by the power supply voltage, the turn-off of the MOSFET 10 is completed.
MOSFET10をターンオンさせる場合には、ゲート電極26の電位をゲートオフ電位からゲートオン電位に引き上げる。すると、トレンチ22の短手方向の側面においてゲート絶縁膜24に接している範囲のボディ領域32に電子が引き寄せられる。これによって、この範囲のボディ領域32がp型からn型に反転し、チャネルが形成される。チャネルによって、ソース領域30とドリフト領域34が接続される。これによって、ドリフト領域34、ドレイン領域35及び下部電極72の電位が低下する。ドリフト領域34の電位が低下すると、ボディ領域32とドリフト領域34の界面のpn接合に印加されていた逆電圧が低下する。このため、ボディ領域32からドリフト領域34に広がっていた空乏層が、ボディ領域32に向かって収縮し、消滅する。これにより、上部電極70から、ソース領域30、チャネル、ドリフト領域34、ドレイン領域35を経由して下部電極72へ電子が流れるようになる。すなわち、MOSFET10がオンする。 When the MOSFET 10 is turned on, the potential of the gate electrode 26 is raised from the gate-off potential to the gate-on potential. Then, electrons are attracted to the body region 32 in a range in contact with the gate insulating film 24 on the lateral side surface of the trench 22. As a result, the body region 32 in this range is inverted from p-type to n-type, and a channel is formed. The source region 30 and the drift region 34 are connected by the channel. As a result, the potentials of the drift region 34, the drain region 35, and the lower electrode 72 are lowered. When the potential of the drift region 34 decreases, the reverse voltage applied to the pn junction at the interface between the body region 32 and the drift region 34 decreases. For this reason, the depletion layer extending from the body region 32 to the drift region 34 contracts toward the body region 32 and disappears. As a result, electrons flow from the upper electrode 70 to the lower electrode 72 via the source region 30, the channel, the drift region 34, and the drain region 35. That is, the MOSFET 10 is turned on.
また、ドリフト領域34の電位が低下する過程において、接続領域38に広がっている空乏層が、ドリフト領域34に向かって収縮し、消滅する。その結果、底部領域36が、接続領域38を介してボディ領域32に電気的に接続される。すると、上部電極70からボディ領域32と接続領域38を介して底部領域36にホールが流れる。底部領域36にホールが供給されると、底部領域36からドリフト領域34に広がっていた空乏層が底部領域36に向かって収縮し、消滅する。このため、ドリフト領域34の抵抗が低下し、上部電極70から下部電極72に向かって電子が流れ易くなる。このため、ドリフト領域34で損失が生じ難い。 Further, in the process in which the potential of the drift region 34 decreases, the depletion layer spreading in the connection region 38 contracts toward the drift region 34 and disappears. As a result, the bottom region 36 is electrically connected to the body region 32 via the connection region 38. Then, holes flow from the upper electrode 70 to the bottom region 36 through the body region 32 and the connection region 38. When holes are supplied to the bottom region 36, the depletion layer extending from the bottom region 36 to the drift region 34 contracts toward the bottom region 36 and disappears. For this reason, the resistance of the drift region 34 decreases, and electrons easily flow from the upper electrode 70 toward the lower electrode 72. For this reason, it is difficult for loss to occur in the drift region 34.
以上に説明したように、本実施形態のMOSFET10では、ターンオフ時に、接続領域38のほぼ全域が空乏化される。すなわち、MOSFET10がオフした状態において接続領域38内に非空乏化領域が残存しない。したがって、図6に示すように、ゲート電極26の下端近傍においても電界集中箇所を形成することができる。ゲート電極26の下端近傍と、底部領域36の近傍とに電界を分散させることができる。このため、MOSFET10は耐圧が高い。 As described above, in the MOSFET 10 of this embodiment, almost the entire connection region 38 is depleted at the time of turn-off. That is, the non-depleted region does not remain in the connection region 38 when the MOSFET 10 is turned off. Therefore, as shown in FIG. 6, an electric field concentration portion can be formed even in the vicinity of the lower end of the gate electrode 26. The electric field can be distributed in the vicinity of the lower end of the gate electrode 26 and in the vicinity of the bottom region 36. For this reason, the MOSFET 10 has a high breakdown voltage.
なお、本実施形態では、接続領域38は、ボディ領域32からトレンチ22の短手方向の側面に沿って下側に伸びていたが、ボディ領域からトレンチの長手方向の側面に沿って下側に伸び、底部領域に接続されていてもよい。この場合でも、接続領域の厚みを、底部領域側からボディ領域側に向かうにつれて薄くすることで、底部領域の周辺での電界集中を緩和することができる。 In the present embodiment, the connection region 38 extends downward from the body region 32 along the lateral side surface of the trench 22, but extends downward from the body region along the longitudinal side surface of the trench. It may extend and be connected to the bottom region. Even in this case, the electric field concentration around the bottom region can be reduced by reducing the thickness of the connection region from the bottom region side toward the body region side.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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合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合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:MOSFET
12:半導体基板
22:トレンチ
24:ゲート絶縁膜
26:ゲート電極
28:層間絶縁膜
30:ソース領域
32:ボディ領域
34:ドリフト領域
35:ドレイン領域
36:底部領域
38:接続領域
70:上部電極
72:下部電極
10: MOSFET
12: Semiconductor substrate 22: Trench 24: Gate insulating film 26: Gate electrode 28: Interlayer insulating film 30: Source region 32: Body region 34: Drift region 35: Drain region 36: Bottom region 38: Connection region 70: Upper electrode 72 : Lower electrode
Claims (1)
半導体基板と、
前記半導体基板の上面に設けられたトレンチと、
前記トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極、
を備えており、
前記半導体基板が、
前記ゲート絶縁膜に接しているn型のソース領域と、
前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しているp型のボディ領域と、
前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域によって前記ソース領域から分離されているn型のドリフト領域と、
前記トレンチの底面において前記ゲート絶縁膜に接しているp型の底部領域と、
前記トレンチの側面において前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域と前記底部領域を接続しているp型の接続領域、
を備えており、
前記接続領域の厚みは、前記底部領域側端部から前記ボディ領域側端部に向かうにつれて薄くなる、
スイッチング素子。 A switching element,
A semiconductor substrate;
A trench provided on an upper surface of the semiconductor substrate;
A gate insulating film covering the inner surface of the trench;
A gate electrode disposed in the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film;
With
The semiconductor substrate is
An n-type source region in contact with the gate insulating film;
A p-type body region in contact with the gate insulating film under the source region;
An n-type drift region that is in contact with the gate insulating film under the body region and is separated from the source region by the body region;
A p-type bottom region in contact with the gate insulating film at the bottom of the trench;
A p-type connection region that is in contact with the gate insulating film on the side surface of the trench and connects the body region and the bottom region;
With
The thickness of the connection region becomes thinner from the bottom region side end toward the body region side end,
Switching element.
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