JP2018201050A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device.
高効率の電力変換のために、パワーエレクトロニクスの活用とパワー半導体開発がますます盛んに行われている。幅広い定格電圧、定格電流に対応するため、様々な素子が開発されている。スイッチング周波数と電力容量により、使用用途と使用される素子が決まってくる。代表的な素子として、高周波数動作に適したMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)や、高耐圧、大電流駆動可能なバイポーラ素子であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistors)やpinダイオードなどの半導体装置がある。これらの半導体装置については、低損失駆動と共に、操作性、破壊耐量、高耐圧等の要求があり、高耐圧設計は重要な設計項目となっている。 In order to achieve high-efficiency power conversion, power electronics and power semiconductor development are becoming increasingly popular. Various devices have been developed to support a wide range of rated voltages and currents. Depending on the switching frequency and power capacity, the intended use and the elements used are determined. Typical elements include semiconductor devices such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) suitable for high-frequency operation, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and pin diodes, which are bipolar elements capable of driving high voltages and high currents. is there. For these semiconductor devices, there are demands for operability, breakdown resistance, high breakdown voltage, etc., as well as low loss driving, and high breakdown voltage design is an important design item.
本発明が解決しようとする課題は、耐圧を向上できる半導体装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving the breakdown voltage.
実施形態に係る半導体装置は、第1電極と、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2電極と、第2導電形の第3半導体領域と、第3電極と、を有する。
前記第1半導体領域は、第1領域と、前記第1領域の周りに設けられた第2領域と、を有する。前記第1半導体領域は、前記第1電極の上に設けられている。
前記第2半導体領域は、前記第1領域の上に設けられている。
前記第2電極は、前記第2半導体領域の上に設けられ、前記第2半導体領域と電気的に接続されている。
前記第3半導体領域は、前記第2領域の上に前記第2半導体領域と離間して設けられ、前記第2半導体領域を囲んでいる。
前記第3電極は、前記第3半導体領域の上に前記第2電極と離間して設けられている。前記第3電極は、前記第2電極を囲み、前記第1領域から前記第2領域に向かう第1方向に向けて突出した第1突出部を有する。前記第1突出部の下面は、前記第1方向に垂直な第2方向に対して傾斜している。
The semiconductor device according to the embodiment includes a first electrode, a first semiconductor region of a first conductivity type, a second semiconductor region of a second conductivity type, a second electrode, and a third semiconductor region of a second conductivity type. And a third electrode.
The first semiconductor region includes a first region and a second region provided around the first region. The first semiconductor region is provided on the first electrode.
The second semiconductor region is provided on the first region.
The second electrode is provided on the second semiconductor region and is electrically connected to the second semiconductor region.
The third semiconductor region is provided on the second region so as to be separated from the second semiconductor region, and surrounds the second semiconductor region.
The third electrode is provided on the third semiconductor region so as to be separated from the second electrode. The third electrode includes a first protrusion that surrounds the second electrode and protrudes in a first direction from the first region toward the second region. The lower surface of the first protrusion is inclined with respect to a second direction perpendicular to the first direction.
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
In the present specification and each drawing, the same elements as those already described are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る半導体装置100の一部を表す断面図である。
半導体装置100は、例えば、横型のHEMT(High Electron Mobility Transistor)である。
図1に表すように、半導体装置100は、基板1、バッファ層2、チャネル層3、バリア層4(第1半導体層)、ゲート電極10、ゲート絶縁層18、ソース電極20(第1電極)、ドレイン電極30(第2電極)、および絶縁層40を有する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a part of the
The
As shown in FIG. 1, the
以下の第1実施形態の説明では、ソース電極20からドレイン電極30に向かう方向をX方向(第1方向)とする。また、バリア層4の上面4aと交差する方向をZ方向(第2方向)とし、X方向およびZ方向に対して垂直な方向をY方向とする。
In the following description of the first embodiment, the direction from the
バッファ層2は、基板1の上に設けられている。バッファ層2は、基板1とチャネル層3との間の格子不整合を緩和するために設けられている。
チャネル層3は、バッファ層2の上に設けられている。
The
The
バリア層4は、チャネル層3の上に設けられている。バリア層4のバンドギャップは、チャネル層3のバンドギャップよりも大きい。チャネル層3とバリア層4とはヘテロ接合界面を形成し、このヘテロ接合界面に二次元電子ガスが発生する。
The
ソース電極20とドレイン電極30は、バリア層4の上面4aの上に互いに離間して設けられている。ソース電極20およびドレイン電極30は、バリア層4とオーミック接触している。
The
ゲート電極10は、上面4aの上にゲート絶縁層18を介して設けられている。また、ゲート電極10は、ソース電極20とドレイン電極30との間に位置し、これらの電極と離間している。
The
絶縁層40は、ゲート電極10の周りに設けられ、ソース電極20およびドレイン電極30を覆っている。
The insulating
ここで、ゲート電極10の構造について、より具体的に説明する。
ゲート電極10は、図1に表すように、第1部分11および第2部分12を有する。
第1部分11は、上面4aの上にゲート絶縁層18を介して設けられている。
第2部分12は、X方向において第1部分11とドレイン電極30との間に設けられている。第2部分12とバリア層4との間のZ方向における距離は、第1部分11とバリア層4との間のZ方向における距離よりも長い。また、第2部分12の下面BS1とバリア層4との間のZ方向における距離は、X方向に向かうほど長くなっている。
Here, the structure of the
As shown in FIG. 1, the
The
The
第2部分12の下面BS1は、曲率を有する。
具体的には、下面BS1は、下方に向けて凸に湾曲しており、下面BS1のZ方向に対する傾斜角度は、Z方向に向かうほど小さくなっている。換言すると、下面BS1とバリア層4との間のZ方向における距離は、X方向に向かうほど長くなり、かつX方向に向かうほどその変化量が大きくなっている。
The lower surface BS1 of the
Specifically, the lower surface BS1 is convexly curved downward, and the inclination angle of the lower surface BS1 with respect to the Z direction becomes smaller toward the Z direction. In other words, the distance in the Z direction between the lower surface BS1 and the
次に、半導体装置100が有する各構成要素の材料の一例について説明する。
基板1は、シリコン、炭化珪素、またはサファイアから構成されている。
バッファ層2は、複数の窒化アルミニウムガリウム層が積層された構造を有する。
チャネル層3は、アンドープの窒化ガリウムを含む。
バリア層4は、アンドープの窒化アルミニウムガリウムを含む。
ゲート電極10、ソース電極20、およびドレイン電極30は、アルミニウム、ニッケル、銅、またはチタンなどの金属を含む。
ゲート絶縁層18は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムなどの絶縁材料を含む。
絶縁層40は、酸化シリコンなどの絶縁材料を含む。
Next, an example of the material of each component included in the
The
The
The
The
The
The
The insulating
次に、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法の一例について説明する。
図2〜図4は、第1実施形態に係る半導体装置100の製造工程を表す工程断面図である。
Next, an example of a method for manufacturing the
2 to 4 are process cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the
まず、基板1の上に、バッファ層2、チャネル層3、およびバリア層4を順次エピタキシャル成長させる。次に、バリア層4の上面4aの上にゲート絶縁層18を形成する。続いて、ゲート絶縁層18の一部を除去し、上面4aの一部を露出させる。続いて、ゲート絶縁層18を覆う金属層を形成する。この金属層をパターニングすることで、図2(a)に表すように、ゲート電極10の一部であるゲート電極10aと、ソース電極20と、ドレイン電極30と、が形成される。
First, the
次に、ゲート電極10a、ソース電極20、およびドレイン電極30を覆う絶縁層40を形成する。続いて、絶縁層40の上にフォトレジスト層45を形成し、ナノインプリント法を用いて、フォトレジスト層45に第1凹部R1を形成する。このとき、第1凹部R1は、ゲート電極10aの上に形成される。また、第1凹部R1の底面45aの一部は、図1に表す第2部分12の下面BS1と同様に、曲率を有し、下方に向かって凸に湾曲している。
Next, an insulating
次に、フォトレジスト層45をマスクとして用いて、RIE(Reactive Ion Etching)法などの異方性エッチングにより、絶縁層40の一部を除去する。この工程により、フォトレジスト層45に形成されていた第1凹部R1の形状が絶縁層40に転写され、図3(a)に表すように、絶縁層40に第2凹部R2が形成される。このとき、ゲート電極10aの上面が第2凹部R2を通して露出される。また、第2凹部R2の底面40aの一部は、第1凹部R1の底面45aと同様に、曲率を有する。
Next, a part of the insulating
次に、図3(b)に表すように、絶縁層40の上に金属層46を形成し、第2凹部R2を埋め込む。
続いて、CMP(Chemical Mechanical Polishing)を行うことで、図4(a)に表すように、絶縁層40の上に堆積した余剰な金属層46が除去され、上面が平坦化されたゲート電極10が形成される。これにより、図1に表す半導体装置100が得られる。
あるいは、金属層46の上にフォトレジスト層を形成し、金属層46をエッチバックして、絶縁層40の上に堆積した余剰な金属層46を除去してもよい。この場合、図4(b)に表すように、ゲート電極10の上面に窪みが生じる。
Next, as shown in FIG. 3B, a
Subsequently, by performing CMP (Chemical Mechanical Polishing), as shown in FIG. 4A, the
Alternatively, a photoresist layer may be formed on the
ここで、本実施形態による作用および効果について、図5を用いて説明する。
図5は、第1実施形態に係る半導体装置100のゲート電極10近傍を拡大した断面図とゲート電極10近傍の電界強度を表すグラフである。
図5のグラフにおいて、横軸は、X方向における位置を表し、縦軸は、各位置におけるバリア層4とゲート電極10との間の最大電界強度E[V/m]を表している。また、破線は、第2部分12の下面BS1が、Z方向に対して一定の角度で傾斜している場合の最大電界強度を表している。実線は、本実施形態のように、下面BS1が下方に向けて凸に湾曲している場合の最大電界強度を表している。
Here, the operation and effect of the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is an enlarged sectional view of the vicinity of the
In the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents the position in the X direction, and the vertical axis represents the maximum electric field strength E [V / m] between the
半導体装置100がオフ状態のとき、ゲート電極10とドレイン電極30との間の電位差およびソース電極20とドレイン電極30との間の電位差により、これらの電極の間に電界が発生する。ゲート電極10とドレイン電極30との間の距離は、ソース電極20とドレイン電極30との間の距離よりも近いため、ゲート電極10近傍には、ソース電極20近傍に比べて、より強い電界が生じる。
図5のグラフに表すように、ゲート電極10近傍の電界強度には、2つのピークが存在する。具体的には、第1部分11の下面のX方向における端部のピーク(第1ピーク)と、第2部分12の下面BS1のX方向における端部のピーク(第2ピーク)と、が存在する。そして、図5のグラフから、下面BS1が湾曲している場合、下面BS1が一定の角度で傾斜している場合に比べて、それぞれのピークにおける最大電界強度が低下していることがわかる。
すなわち、本実施形態によれば、ゲート電極10近傍の最大電界強度を低下させ、半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。
When the
As shown in the graph of FIG. 5, there are two peaks in the electric field intensity near the
That is, according to the present embodiment, the maximum electric field strength in the vicinity of the
なお、図1〜図5では、第2部分12の下面BS1が、下方に向けて凸に湾曲している場合について説明したが、本実施形態に係る半導体装置はこれに限定されない。
以下に、図6および図7を用いて、本実施形態の変形例に係る半導体装置について説明する。
1 to 5, the case where the lower surface BS1 of the
A semiconductor device according to a modification of the present embodiment will be described below with reference to FIGS. 6 and 7.
図6は、第1実施形態の第1変形例に係る半導体装置110のゲート電極10近傍を拡大した断面図とゲート電極10近傍の電界強度を表すグラフである。
図7は、第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置120のゲート電極10近傍を拡大した断面図とゲート電極10近傍の電界強度を表すグラフである。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the
図6および図7に表すグラフにおいて、破線は、第2部分12の下面BS1が一定の角度で傾斜している場合の電界強度を表し、実線は、各変形例に係る半導体装置おけるゲート電極10近傍の電界強度を表している。
In the graphs shown in FIGS. 6 and 7, the broken line represents the electric field strength when the lower surface BS1 of the
図6に表す半導体装置110では、第2部分12の下面BS1が、上方に向けて凸に湾曲している。すなわち、下面BS1のZ方向に対する傾斜角度は、Z方向に向かうほど、大きくなっている。
In the
この場合、図6のグラフに表すように、下面BS1が一定の角度で傾斜している場合に比べて、第1ピークの位置が、X方向に向けて移動するとともに、第1ピークにおける最大電界強度が低下する。同様に、第2ピークの位置も、X方向に向けて移動するとともに、第2ピークにおける最大電界強度が低下する。
すなわち、本変形例によっても、半導体装置100と同様に、下面BS1が一定の角度で傾斜している場合に比べて、それぞれのピークにおける最大電界強度を低下させ、半導体装置の耐圧を向上させることが可能である。
In this case, as shown in the graph of FIG. 6, the position of the first peak moves in the X direction and the maximum electric field at the first peak as compared with the case where the lower surface BS1 is inclined at a certain angle. Strength decreases. Similarly, the position of the second peak also moves in the X direction, and the maximum electric field strength at the second peak decreases.
That is, according to this modification as well as the
図7に表す半導体装置120では、第2部分12の下面BS1が、第1面12aおよび第2面12bを含む。第1面12aは、下方に向けて凸に湾曲している。第2面12bは、第1面12aよりも上方に位置しており、上方に向けて凸に湾曲している。
In the
この場合、図7のグラフに表すように、下面BS1が一定の角度で傾斜している場合に比べて、第1ピークの位置が、X方向に向けて移動するとともに、第1ピークにおける最大電界強度および第2ピークにおける最大電界強度が低下する。
すなわち、本変形例によっても、半導体装置100と同様に、半導体装置の耐圧を向上させることが可能である。
In this case, as shown in the graph of FIG. 7, the position of the first peak moves in the X direction and the maximum electric field at the first peak as compared with the case where the lower surface BS1 is inclined at a constant angle. The strength and the maximum electric field strength at the second peak are reduced.
That is, according to this modification as well, the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved as in the
また、図5〜図7におけるグラフの対比から、半導体装置120では、第1ピークにおける最大電界強度が、半導体装置100と比べて低下し、第2ピークにおける最大電界強度が、半導体装置110と比べて低下していることがわかる。
すなわち、本変形例によれば、半導体装置100および110に比べて、第1ピークおよび第2ピークの少なくともいずれかの最大電界強度をさらに低下させ、半導体装置の耐圧をより一層向上させることが可能である。
5 to 7, the maximum electric field strength at the first peak is lower than that of the
That is, according to this modification, it is possible to further reduce the maximum electric field strength of at least one of the first peak and the second peak and further improve the breakdown voltage of the semiconductor device as compared with the
以下では、本実施形態に係る半導体装置のさらに他の変形例について説明する。
図8および図9は、第1実施形態の他の変形例に係る半導体装置が有するゲート電極10近傍を表す部分拡大断面図である。
図10は、第1実施形態の他の変形例に係る半導体装置を表す断面図である。
図8〜図10に表す以下の各変形例においても、半導体装置100〜120と同様に、下面BS1が一定の角度で傾斜している場合に比べて、第1ピークにおける最大電界強度および第2ピークにおける最大電界強度を低下させ、半導体装置の耐圧を向上させることが可能である。
Hereinafter, still another modification of the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
8 and 9 are partially enlarged cross-sectional views showing the vicinity of the
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to another modification of the first embodiment.
In each of the following modifications shown in FIGS. 8 to 10, similarly to the
図8(a)に表す半導体装置では、第2部分12の下面BS1は、第1面12aおよび第2面12bを含む。第1面12aは、上方に向けて凸に湾曲している。第2面12bは、第1面12aよりも上方に位置し、下方に向けて凸に湾曲している。
In the semiconductor device shown in FIG. 8A, the lower surface BS1 of the
図8(b)に表す半導体装置では、第2部分12の上面USが、下面BS1に沿って、下方に向けて凸に湾曲している。すなわち、図5〜図8(a)に表す半導体装置では、第2部分12のZ方向における長さが、X方向に向かうほど短くなっている。これに対して、図8(b)に表す半導体装置では、第2部分12のZ方向における長さが、X方向において略一定である。
In the semiconductor device shown in FIG. 8B, the upper surface US of the
なお、図8(b)では、下面BS1が下方に向けて凸となるように湾曲している場合について例示した。しかし、図5〜図8(a)に表す各半導体装置におけるゲート電極10についても、同様に、第2部分12のZ方向における長さがX方向において略一定となるように、上面USがそれぞれの下面BS1に沿って湾曲していてもよい。
In addition, in FIG.8 (b), the case where the lower surface BS1 was curving so that it might become convex toward the downward direction was illustrated. However, for the
図9(a)に表す半導体装置は、第2部分12の下面BS1が、第1部分11の下面と滑らかに連続して設けられている点で、半導体装置100と異なる。
同様に、図9(b)に表す半導体装置は、下面BS1が、第1部分11の下面と滑らかに連続して設けられている点で、半導体装置120と異なる。
すなわち、図5〜図8に表す各半導体装置では、ゲート電極10の第1部分11の下面と、第2部分12の下面BS1と、の間に段差が形成されていたが、これらの半導体装置において、図9に表す例のように、それぞれの下面が連続して設けられていてもよい。
The semiconductor device shown in FIG. 9A differs from the
Similarly, the semiconductor device shown in FIG. 9B is different from the
That is, in each semiconductor device shown in FIGS. 5 to 8, a step is formed between the lower surface of the
図10に表す半導体装置では、ゲート電極10、ソース電極20の一部、およびドレイン電極30が、絶縁層40によって覆われている。また、ソース電極20が、絶縁層40の上に設けられた第3部分23を有する。第3部分23は、ゲート電極10の上方に位置しており、第3部分23のX方向における端部は、ゲート電極10のX方向における端部よりも、X方向に向けて突出している。
また、第3部分23の下面BS2は、上方に向けて凸に湾曲している。
In the semiconductor device shown in FIG. 10, the
Further, the lower surface BS2 of the
ソース電極20がこのような第3部分23を有することで、ゲート電極10近傍における最大電界強度をさらに低下させ、半導体装置の耐圧をより一層高めることが可能となる。
なお、図10では、第2部分12の下面BS1が、下方に向けて凸に湾曲している場合について表したが、下面BS1は、図6〜図9に表すいずれかの形状を有していてもよい。
Since the
10 illustrates the case where the lower surface BS1 of the
上述した第1実施形態の説明では、ゲート電極10、ソース電極20、およびドレイン電極30が、窒化物半導体を含む半導体層の上に設けられている場合について説明した。しかし、本実施形態に係る発明は、これに限られず、ゲート電極10、ソース電極20、およびドレイン電極30が、シリコンを含む半導体層の上に設けられている場合にも適用することが可能である。シリコンを含む半導体層の上に設けられたゲート電極に対して、本実施形態に係る発明を適用することで、同様に、ゲート電極近傍の最大電界強度を低下させ、半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。
In the description of the first embodiment described above, the case where the
(第2実施形態)
次に、図11および図12を用いて、第2実施形態に係る半導体装置の一例について説明する。
なお、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。
(Second Embodiment)
Next, an example of the semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12.
In the following description, the notations of n + , n − and p + , p represent the relative level of impurity concentration in each conductivity type. That is, the notation with “+” has a relatively higher impurity concentration than the notation without both “+” and “−”, and the notation with “−” It shows that the impurity concentration is relatively lower than the notation.
About each embodiment described below, each embodiment may be implemented by inverting the p-type and n-type of each semiconductor region.
図11および図12を用いて、第2実施形態に係る半導体装置の一例について説明する。
図11は、第2実施形態に係る半導体装置200を表す平面図である。
図12は、図11のA−A’断面図である。
なお、図11では、n−形半導体領域52が有する第1領域52aおよび第2領域52bを、二点鎖線で表している。
An example of the semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12.
FIG. 11 is a plan view illustrating a
12 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
In FIG. 11, the
半導体装置200は、ダイオードである。
図11および図12に表すように、半導体装置200は、n+形(第1導電形)半導体領域51、n−形半導体領域52(第1半導体領域)、p形(第2導電形)半導体領域53(第2半導体領域)、p+形半導体領域54、p形ガードリング領域55(第3半導体領域)、n+形ストッパ領域56(第4半導体領域)、カソード電極61(第1電極)、アノード電極62(第2電極)、フィールドプレート電極(以下、FP電極という)63、およびストッパ電極64(第4電極)を有する。
The
As shown in FIGS. 11 and 12, the
以下の第2実施形態の説明では、第1領域52aから第2領域52bに向かう方向(半導体装置の中心から外周に向かう方向)を第1方向とし、第1方向に含まれる方向であって相互に直交する2方向をX方向およびY方向とする。また、第1方向に対して垂直な方向を、Z方向(第2方向)とし、第2領域52bから第1領域52aに向かう方向(半導体装置の外周から中心に向かう方向)を第3方向とする。
In the following description of the second embodiment, the direction from the
図11に表すように、半導体装置200の上面には、アノード電極62、複数のFP電極63、およびストッパ電極64が、互いに離間して設けられている。
各FP電極63は、環状に設けられ、アノード電極62を囲んでいる。
ストッパ電極64は、環状に設けられ、複数のFP電極63を囲んでいる。
As shown in FIG. 11, an
Each
The
図12に表すように、半導体装置200の下面には、カソード電極61が設けられている。
n+形半導体領域51は、カソード電極61の上に設けられ、カソード電極61と電気的に接続されている。
n−形半導体領域52は、n+形半導体領域51の上に設けられている。
図11および図12に表すように、n−形半導体領域52は、第1領域52aと、第1領域52aの周りに設けられた第2領域52bと、を有する。
As shown in FIG. 12, a
The n + -type semiconductor region 51 is provided on the
The n − type semiconductor region 52 is provided on the n + type semiconductor region 51.
As shown in FIGS. 11 and 12, the n − -
図11に表すように、p形半導体領域53は、第1領域52aの上に設けられている。
p+形半導体領域54は、p形半導体領域53の上に選択的に設けられている。
アノード電極62は、p形半導体領域53およびp+形半導体領域54の上に設けられ、p形半導体領域53およびp+形半導体領域54と電気的に接続されている。
As shown in FIG. 11, the p-
The p + -type semiconductor region 54 is selectively provided on the p-
The
p形ガードリング領域55は、第2領域52bの上に選択的に設けられている。p形ガードリング領域55は、互いに離間して複数設けられている。各p形ガードリング領域55は、環状に設けられ、p形半導体領域53を囲んでいる。
n+形ストッパ領域56は、第2領域52bの上に環状に設けられ、複数のp形ガードリング領域55を囲んでいる。
The p-type
The n + -type stopper region 56 is annularly provided on the
複数のFP電極63の一部(第5電極)は、p形半導体領域53の上にアノード電極62と離間して設けられ、p形半導体領域53と電気的に接続されている。
複数のFP電極63の他の一部(第3電極)は、p形ガードリング領域55の上に設けられ、p形ガードリング領域55と電気的に接続されている。
ストッパ電極64は、n+形ストッパ領域56の上に設けられ、n+形ストッパ領域56と電気的に接続されている。
アノード電極62、FP電極63、およびストッパ電極64のそれぞれの間には、絶縁層68が設けられている。
Part of the plurality of FP electrodes 63 (fifth electrode) is provided on the p-
Another part (third electrode) of the plurality of
An insulating
なお、p形ガードリング領域55およびFP電極63の数は任意であり、半導体装置に求められる耐圧に応じて適宜変更することが可能である。
また、n−形半導体領域52の第1部分52a上の構造も、図11および図12に表す例に限らず、適宜変更することが可能である。
Note that the number of the p-type
Further, the structure on the
ここで、FP電極63およびストッパ電極64の具体的な構造について説明する。
FP電極63は、第1方向に向けて突出した突出部P1を有する。突出部P1は、Z方向において、n−形半導体領域52、p形半導体領域53、およびp形ガードリング領域55と離間しており、下面BS3がZ方向に対して傾斜している。また、下面BS3とn−形半導体領域52との間のZ方向における距離は、第1方向に向かうほど長くなっている。
Here, a specific structure of the
The
ストッパ電極64は、第3方向に向けて突出した突出部P2を有する。突出部P2は、Z方向において、n−形半導体領域52およびn+形ストッパ領域56と離間しており、下面BS4がZ方向に対して傾斜している。また、下面BS4とn−形半導体領域52との間のZ方向における距離は、第2方向に向かうほど長くなっている。
The
半導体装置200がオフ状態のとき、n−形半導体領域52とp形半導体領域53とのpn接合面から半導体装置の外周および下方に向けて空乏層が広がる。このとき、p形ガードリング領域55およびFP電極63が設けられていることで、空乏層が半導体装置の外周に向けて広がりやすくなり、pn接合面の第1方向における端部での電界集中が緩和される。
また、n+形ストッパ領域56およびストッパ電極64を設けることで、半導体装置の外周に向けて広がった空乏層が、半導体装置の最外周に達することを抑制できる。
When the
Further, by providing the n + -type stopper region 56 and the
ここで、本実施形態による作用および効果について、図13を参照しつつ説明する。
図13は、第2実施形態の参考例に係る半導体装置250を表す断面図である。
半導体装置250では、FP電極63およびストッパ電極64のそれぞれの突出部の下面に、下方に向けて突出した角が形成されている。
この場合、半導体装置がオフ状態のときに、半導体装置の外周に向けて空乏層を広げることができるものの、FP電極63およびストッパ電極64の上述した角の近傍で電界集中が生じてしまう。
Here, the operation and effect of the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a
In the
In this case, when the semiconductor device is in the off state, the depletion layer can be expanded toward the outer periphery of the semiconductor device, but electric field concentration occurs in the vicinity of the corners of the
これに対して、本実施形態に係る半導体装置200では、FP電極63およびストッパ電極64のそれぞれの突出部の下面がZ方向に対して傾斜しており、当該下面には角が形成されておらず平坦である。このような構造を採用することで、FP電極63およびストッパ電極64のそれぞれの下面における電界集中を抑制し、半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。
In contrast, in the
なお、ここでは、第2実施形態に係る半導体装置がダイオードである場合について説明したが、本実施形態に係る発明は、他の半導体装置にも適用することができる。
図14は、第2実施形態の変形例に係る半導体装置210を表す断面図である。
Although the case where the semiconductor device according to the second embodiment is a diode has been described here, the invention according to this embodiment can also be applied to other semiconductor devices.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a
半導体装置210は、MOSFETである。
半導体装置210では、電極61は、ドレイン電極として機能し、電極62は、ソース電極として機能する。
図14に表すように、半導体装置210は、n+形半導体領域51、n−形半導体領域52、p形半導体領域53、p形ガードリング領域55、n+形ストッパ領域56、n+形半導体領域57(第5半導体領域)、ドレイン電極61、ソース電極62、FP電極63、ストッパ電極64、ゲート電極70、およびゲート絶縁層71を有する。
The
In the
As illustrated in FIG. 14, the
p形半導体領域53は、第1領域52aの上に設けられている。
n+形半導体領域57は、p形半導体領域53の上に選択的に設けられ、ソース電極62と電気的に接続されている。
p形半導体領域53およびn+形半導体領域57は、X方向において複数設けられ、それぞれがY方向に延びている。
The p-
The n + -type semiconductor region 57 is selectively provided on the p-
A plurality of p-
ゲート電極70は、X方向において、n−形半導体領域52の一部、p形半導体領域53、およびn+形半導体領域57の一部と並んでいる。
ゲート絶縁層71は、n−形半導体領域52、p形半導体領域53、およびn+形半導体領域57と、ゲート電極70との間に設けられている。
ソース電極62とゲート電極70との間にはゲート絶縁層71が設けられ、これらの電極は電気的に分離されている。
The
The
A
また、第2領域52bの上には、半導体装置200と同様に、p形ガードリング領域55、n+形ストッパ領域56、FP電極63、およびストッパ電極64が設けられている。また、FP電極63およびストッパ電極64のそれぞれの突出部の下面は、Z方向に対して一定の角度で傾斜している。
半導体装置210に対してこのような構造を採用することで、半導体装置200と同様に、半導体装置の外周に向けて空乏層を広げつつ、FP電極63およびストッパ電極64における電界集中を緩和し、半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。
Further, similarly to the
By adopting such a structure for the
なお、ここでは、ゲート電極70がゲート絶縁層71を介して半導体領域中に設けられた、トレンチ型ゲート構造を有する半導体装置について説明した。しかし、本実施形態に係る発明は、ゲート電極70がゲート絶縁層71を介して半導体領域の上に設けられた、プレーナ型ゲート構造を有する半導体装置に対して適用することも可能である。
Here, the semiconductor device having the trench gate structure in which the
また、本実施形態に係る発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に対して適用することも可能である。この場合、n+形半導体領域51に代えて、n−形半導体領域52と電極61との間に、p+形半導体領域(第6半導体領域)が設けられる。
The invention according to the present embodiment can also be applied to an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In this case, a p + type semiconductor region (sixth semiconductor region) is provided between the n − type semiconductor region 52 and the
また、ここでは、FP電極63の下面BS3およびストッパ電極64の下面BS4が、それぞれZ方向に対して一定の角度で傾斜している場合について説明した。しかし、本実施形態に係る発明はこれに限定されない。下面BS3およびBS4は、図1〜図9に表したゲート電極10の下面BS1と同様に、湾曲していてもよい。
一例として、下面BS3が、図5または図6に表す下面BS1と同様に、下方または上方に向けて凸に湾曲していてもよい。または、図7および図8(a)に表す下面BS1と同様に、下面BS3の一部が上方に向けて凸に湾曲し、下面BS3の他の一部が下方に向けて凸に湾曲していてもよい。
Here, the case where the lower surface BS3 of the
As an example, the lower surface BS3 may be convexly curved downward or upward like the lower surface BS1 shown in FIG. 5 or FIG. Alternatively, like the lower surface BS1 shown in FIG. 7 and FIG. 8A, a part of the lower surface BS3 is convexly curved upward, and another part of the lower surface BS3 is curved convexly downward. May be.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態に含まれる、例えば、基板1、バッファ層2、チャネル層3、バリア層4、ゲート電極10、ゲート絶縁層18、ソース電極20、ドレイン電極30、絶縁層40、n+形半導体領域51、n−形半導体領域52、p形半導体領域53、p+形半導体領域54、p形ガードリング領域55、n+形ストッパ領域56、n+形半導体領域57、電極61、電極62、FP電極63、ストッパ電極64、ゲート電極70、ゲート絶縁層71などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の技術から適宜選択することが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. For example, the
100〜120、200、210、250…半導体装置、 2…バッファ層、 3…チャネル層、 4…バリア層、 10…ゲート電極、 20…ソース電極、 30…ドレイン電極、 40…絶縁層、 51…n+形半導体領域、 52…n−形半導体領域、 53…p形半導体領域、 54…p+形半導体領域、 55…p形ガードリング領域、 56…n+形ストッパ領域、 61、62…電極、 63…フィールドプレート電極、 64…ストッパ電極、 70…ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100-120, 200, 210, 250 ... Semiconductor device, 2 ... Buffer layer, 3 ... Channel layer, 4 ... Barrier layer, 10 ... Gate electrode, 20 ... Source electrode, 30 ... Drain electrode, 40 ... Insulating layer, 51 ... n + -type semiconductor region, 52 ... n − -type semiconductor region, 53 ... p-type semiconductor region, 54 ... p + -type semiconductor region, 55 ... p-type guard ring region, 56 ... n + -type stopper region, 61, 62 ...
Claims (6)
第1領域と、前記第1領域の周りに設けられた第2領域と、を有し、前記第1電極の上に設けられた第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1領域の上に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に設けられ、前記第2半導体領域と電気的に接続された第2電極と、
前記第2領域の上に前記第2半導体領域と離間して設けられ、前記第2半導体領域を囲む第2導電形の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の上に前記第2電極と離間して設けられ、前記第2電極を囲み、前記第1領域から前記第2領域に向かう第1方向に向けて突出した第1突出部を有し、前記第1突出部の下面が前記第1方向に垂直な第2方向に対して傾斜している第3電極と、
を備えた半導体装置。 A first electrode;
A first region having a first region and a second region provided around the first region; and a first semiconductor region of a first conductivity type provided on the first electrode;
A second semiconductor region of a second conductivity type provided on the first region;
A second electrode provided on the second semiconductor region and electrically connected to the second semiconductor region;
A third semiconductor region of a second conductivity type provided on the second region and spaced apart from the second semiconductor region and surrounding the second semiconductor region;
A first protruding portion provided on the third semiconductor region and spaced apart from the second electrode, surrounding the second electrode and protruding in a first direction from the first region toward the second region; A third electrode having a lower surface of the first protrusion inclined with respect to a second direction perpendicular to the first direction;
A semiconductor device comprising:
前記第4半導体領域の上に前記第3電極と離間して設けられ、前記第3電極を囲み、前記第2領域から前記第1領域に向かう第3方向に向けて突出した第2突出部を有し、前記第2突出部の下面が前記第2方向に対して傾斜している第4電極と、
をさらに備えた請求項1記載の半導体装置。 A first conductivity type first electrode disposed on the second region and spaced apart from the third semiconductor region, surrounds the third semiconductor region, and has a higher impurity concentration of the first conductivity type than the first semiconductor region. 4 semiconductor regions;
A second projecting portion provided on the fourth semiconductor region and spaced apart from the third electrode, surrounding the third electrode, and projecting in a third direction from the second region toward the first region; A fourth electrode having a lower surface of the second projecting portion inclined with respect to the second direction;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
第1領域と、前記第1領域の周りに設けられた第2領域と、を有し、前記第1電極の上に設けられた第1導電形の第1半導体領域と、
前記第1領域の上に設けられた第2導電形の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に設けられ、前記第2半導体領域と電気的に接続された第2電極と、
前記第2領域の上に前記第2半導体領域と離間して設けられ、前記第2半導体領域を囲む第2導電形の第3半導体領域と、
前記第2領域の上に前記第3半導体領域と離間して設けられ、前記第3半導体領域を囲み、前記第1半導体領域よりも高い第1導電形の不純物濃度を有する第1導電形の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域の上に設けられ、前記第2領域から前記第1領域に向かう第3方向に向けて突出した第2突出部を有し、前記第2突出部の下面が前記第2方向に対して傾斜している第4電極と、
前記第2電極の周りに設けられ、前記第4電極に囲まれ、前記第2電極および前記第4電極と離間し、前記第2半導体領域の上に位置し、前記第1方向に向けて突出した第3突出部を有し、前記第3突出部の下面が前記第2方向に対して傾斜している第5電極と、
を備えた半導体装置。 A first electrode;
A first region having a first region and a second region provided around the first region; and a first semiconductor region of a first conductivity type provided on the first electrode;
A second semiconductor region of a second conductivity type provided on the first region;
A second electrode provided on the second semiconductor region and electrically connected to the second semiconductor region;
A third semiconductor region of a second conductivity type provided on the second region and spaced apart from the second semiconductor region and surrounding the second semiconductor region;
A first conductivity type first electrode disposed on the second region and spaced apart from the third semiconductor region, surrounds the third semiconductor region, and has a higher impurity concentration of the first conductivity type than the first semiconductor region. 4 semiconductor regions;
A second protrusion that is provided on the fourth semiconductor region and protrudes in a third direction from the second region toward the first region, and a lower surface of the second protrusion is in the second direction; A fourth electrode inclined relative to
Provided around the second electrode, surrounded by the fourth electrode, spaced apart from the second electrode and the fourth electrode, positioned on the second semiconductor region, and projecting in the first direction A third electrode having a third protrusion, and a lower surface of the third protrusion is inclined with respect to the second direction;
A semiconductor device comprising:
ゲート電極と、
前記第2半導体領域と前記ゲート電極との間に設けられたゲート絶縁層と、
をさらに備えた請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。 A fifth semiconductor region of a first conductivity type selectively provided on the second semiconductor region;
A gate electrode;
A gate insulating layer provided between the second semiconductor region and the gate electrode;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
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