JP2019046975A - スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トレンチがボディ領域から下側に突出しない構造を提案する。【解決手段】 スイッチング装置であって、半導体基板と、トレンチ内に配置されているゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極を有する。前記トレンチが、第１側面と、前記第１側面の反対側に位置する第２側面を有する。前記半導体基板が、前記ソース電極に接するとともに前記第１側面の上端部で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のソース領域と、前記トレンチの底面で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型の第１中継領域と、前記第２側面の上端部で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型の第２中継領域と、前記第１中継領域の周囲を囲んでいるｐ型のボディ領域と、前記第２中継領域に接する位置から下方向に伸びるｎ型の第３中継領域と、前記ボディ領域の下側に配置されており、前記第３中継領域に接続されており、前記ドレイン電極に接している下部ｎ型領域を有する。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、スイッチング装置に関する。

特許文献１に開示のスイッチング装置は、トレンチ型のゲート電極を備えている。このスイッチング装置では、トレンチが、ｎ型のソース領域とｐ型のボディ領域を貫通してｎ型のドリフト領域に達するように形成されている。トレンチ内に、ゲート絶縁膜とゲート電極が配置されている。また、このスイッチング装置では、オフ状態のときにトレンチの下端近傍に電界が集中することを抑制するために、トレンチの下端に接する位置にｐ型の電界緩和領域が設けられている。電界緩和領域からドリフト領域に空乏層が伸びることで、トレンチの下端近傍における電界集中が抑制される。

特開２０１７−００５１４０号公報

特許文献１のスイッチング装置では、電界緩和領域とボディ領域の間の間隔が狭いと、これらの領域からドリフト領域に伸びる空乏層の影響によって、スイッチング装置がオンするときにおける電流経路が狭くなる。このため、特許文献１のスイッチング装置では、電界緩和領域とボディ領域の間の間隔を広げるために、トレンチの底部に厚いゲート絶縁膜が設けられている。しかしながら、トレンチの底部に厚いゲート絶縁膜を設けるためには、特殊な製造プロセスが必要となり、スイッチング装置の製造コストが高くなる。

また、特許文献１のスイッチング装置では、トレンチの底面にｐ型不純物をイオン注入することで、電界緩和領域を形成する。しかしながら、ＧａＮ等のワイドギャップ半導体により構成された半導体基板を用いる場合には、イオン注入でｐ型領域を形成することが困難である。

以上に説明したように、ボディ領域から下側にトレンチが突出していると、種々の問題が生じる。したがって、本明細書では、ボディ領域から下側にトレンチが突出しない構造のスイッチング装置を提案する。

本明細書が開示するスイッチング装置は、ワイドギャップ半導体により構成された半導体基板と、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いるとともに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たゲート電極と、前記半導体基板の上面に配置されたソース電極と、前記半導体基板の下面に配置されたドレイン電極を有する。前記トレンチが、第１側面と、前記第１側面の反対側に位置する第２側面を有する。前記半導体基板が、ソース領域と、第１中継領域と、第２中継領域と、ボディ領域と、第３中継領域と、下部ｎ型領域を有する。前記ソース領域は、前記ソース電極に接し、前記第１側面の上端部で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型領域である。前記第１中継領域は、前記トレンチの底面で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型領域である。前記第２中継領域は、前記第２側面の上端部で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型領域である。前記ボディ領域は、前記第１中継領域の周囲を囲んでおり、前記ソース領域と前記第１中継領域の間の前記第１側面で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記第１中継領域と前記第２中継領域の間の前記第２側面で前記ゲート絶縁膜に接しているｐ型領域である。前記第３中継領域は、前記第２中継領域に接する位置から下方向に伸びるｎ型領域である。前記下部ｎ型領域は、前記ボディ領域の下側に配置されており、前記第３中継領域に接続されており、前記ドレイン電極に接しているｎ型領域である。

このスイッチング装置がオンするときには、ゲート電極に閾値以上の電位が印加される。すると、第１側面に接する範囲と第２側面に接する範囲でボディ領域内にチャネルが形成される。第１側面に形成される第１チャネルによって、ソース領域と第１中継領域が接続される。第２側面に形成される第２チャネルによって、第１中継領域と第２中継領域が接続される。このため、ソース電極から、ソース領域、第１チャネル、第１中継領域、第２チャネル、第２中継領域、第３中継領域及び下部ｎ型領域を経由してドレイン電極へ電子が流れる。ゲート電極の電位を閾値未満の電位に引き下げると、第１チャネルと第２チャネルが消失し、電子の流れが停止する。すなわち、スイッチング装置がオフする。スイッチング装置がオフすると、ボディ領域から下部ｎ型領域に空乏層が広がる。下部ｎ型領域に広がる空乏層によって、ドレイン領域とソース領域の間の電圧が保持される。このスイッチング装置では、トレンチの底面に接するように第１中継領域が設けられており、その第１中継領域を覆うようにボディ領域が設けられており、そのボディ領域の下側に下部ｎ型領域が設けられている。したがって、トレンチが、ボディ領域を貫通しておらず、ボディ領域から下側（下部ｎ型領域側）に向かって突出していない。したがって、下部ｎ型領域に空乏層が広がっている状態において、トレンチの下端部の周辺に電界が集中しない。したがって、このスイッチング装置は、高い耐圧を有する。このように、この構造によれば、トレンチがボディ領域から下側に突出しておらず、かつ、高い耐圧を有するスイッチング装置を実現することができる。

実施形態のスイッチング装置の断面図。 実施形態のスイッチング装置の製造工程の説明図。 実施形態のスイッチング装置の製造工程の説明図。 実施形態のスイッチング装置の製造工程の説明図。 実施形態のスイッチング装置の製造工程の説明図。 実施形態のスイッチング装置の製造工程の説明図。 実施形態のスイッチング装置の製造工程の説明図。 実施形態のスイッチング装置の製造工程の説明図。

図１に示す実施形態のスイッチング装置１０は、半導体基板１２を備えている。半導体基板１２は、ワイドギャップ半導体の一種である窒化物半導体（より詳細には、ＧａＮ）により構成されている。半導体基板１２の上面１２ａ側には、ゲート絶縁膜４６、ゲート電極４８、層間絶縁膜４２及びソース電極４０が配置されている。

半導体基板１２の上面１２ａには、複数のトレンチ４９が設けられている。ゲート絶縁膜４６は、各トレンチ４９の内面を覆っている。また、ゲート絶縁膜４６は、一対のトレンチ４９の間に位置する半導体基板１２の上面１２ａも覆っている。

ゲート電極４８は、各トレンチ４９の内部に配置されている。また、ゲート電極４８は、半導体基板１２の上面１２ａを覆うゲート絶縁膜４６上で、一方のトレンチから他方のトレンチまで伸びている。ゲート電極４８は、ゲート絶縁膜４６によって半導体基板１２から絶縁されている。

層間絶縁膜４２は、ゲート電極４８を覆っている。

ソース電極４０は、層間絶縁膜４２と、層間絶縁膜４２に覆われていない範囲の半導体基板１２の上面１２ａを覆っている。ソース電極４０は、層間絶縁膜４２によってゲート電極４８から絶縁されている。

半導体基板１２の下面１２ｂは、ドレイン電極５４によって覆われている。

半導体基板１２の内部には、ソース領域２０、第１中継領域２４、第２中継領域２６、ボディ領域２２、第３中継領域２８及び下部ｎ型領域３０が設けられている。

ソース領域２０、第１中継領域２４及び第２中継領域２６は、ｎ型領域である。ソース領域２０、第１中継領域２４及び第２中継領域２６のｎ型不純物濃度は、互いに略等しい。ソース領域２０は、各トレンチ４９の一方の側面の上端部でゲート絶縁膜４６に接している。第２中継領域２６は、各トレンチ４９の他方の側面（ソース領域２０とは反対側の側面）の上端部でゲート絶縁膜４６に接している。第１中継領域２４は、各トレンチ４９の底面でゲート絶縁膜４６に接している。ソース領域２０と第２中継領域２６は、半導体基板１２の上面１２ａに露出する位置に配置されている。ソース領域２０は、上面１２ａの一部でソース電極４０に接している。第２中継領域２６が設けられている範囲では、上面１２ａがゲート絶縁膜４６に覆われている。第２中継領域２６は、ソース領域２０に接していない。

ボディ領域２２は、ｐ型領域である。ボディ領域２２は、低濃度ボディ領域２２ａと、低濃度ボディ領域２２ａよりもｐ型不純物濃度が高い高濃度ボディ領域２２ｂを有している。低濃度ボディ領域２２ａは、第１中継領域２４の周囲を囲むように配置されており、ソース領域２０、第１中継領域２４及び第２中継領域２６に接している。低濃度ボディ領域２２ａは、ソース領域２０と第１中継領域２４の間のトレンチ４９の側面でゲート絶縁膜４６に接しており、第１中継領域２４と第２中継領域２６の間のトレンチ４９の側面でゲート絶縁膜４６に接している。低濃度ボディ領域２２ａによって、ソース領域２０、第１中継領域２４及び第２中継領域２６は、互いから分離されている。低濃度ボディ領域２２ａのうち、ソース領域２０と第１中継領域２４の間でゲート絶縁膜４６に接する第１チャネル領域５１と、第１中継領域２４と第２中継領域２６の間でゲート絶縁膜４６に接する第２チャネル領域５２は、スイッチング装置１０がオンするときにチャネルが形成される領域である。高濃度ボディ領域２２ｂは、低濃度ボディ領域２２ａの下側に配置されている。高濃度ボディ領域２２ｂは、低濃度ボディ領域２２ａによって第１中継領域２４から分離されている。

第３中継領域２８は、一対のトレンチの間の位置に配置されている。第３中継領域２８は、上面１２ａに臨む位置から下側に向かって伸びている。第３中継領域２８は、その上端部で両側に位置する２つの第２中継領域２６に接している。第３中継領域２８は、その両側に位置する２つのボディ領域２２の側面に沿って各ボディ領域２２の下端（すなわち、各高濃度ボディ領域２２ｂの下端）まで伸びている。

下部ｎ型領域３０は、ｎ型領域であり、ボディ領域２２と第３中継領域２８の下側に配置されている。下部ｎ型領域３０は、ドリフト領域３０ａと、ドリフト領域３０ａよりもｎ型不純物濃度が高いドレイン領域３０ｂを有している。ドリフト領域３０ａのｎ型不純物濃度は、第３中継領域２８のｎ型不純物濃度と略等しい。ドリフト領域３０ａは、ボディ領域２２に対して下側から接している。ドリフト領域３０ａは、第３中継領域２８の下端部に接続されている。ドリフト領域３０ａは、ボディ領域２２によってソース領域２０及び第１中継領域２４から分離されている。ドレイン領域３０ｂは、ドリフト領域３０ａに対して下側から接している。ドレイン領域３０ｂは、半導体基板１２の下面１２ｂにおいてドレイン電極５４に接している。

次に、スイッチング装置１０の動作について説明する。スイッチング装置１０の使用時に、ドレイン電極５４に対してソース電極４０よりも高い電位が印加される。ゲート電極４８の電位を閾値以上まで上昇させると、第１チャネル領域５１と第２チャネル領域５２にチャネルが形成される。第１チャネル領域５１に形成されるチャネルによって、ソース領域２０と第１中継領域２４が接続される。第２チャネル領域５２に形成されるチャネルによって、第１中継領域２４と第２中継領域２６が接続される。その結果、ソース電極４０から、ソース領域２０、第１チャネル領域５１、第１中継領域２４、第２チャネル領域５２、第２中継領域２６、第３中継領域２８、ドリフト領域３０ａ及びドレイン領域３０ｂを経由してドレイン電極５４へ電流が流れる。すなわち、スイッチング装置１０がオンする。

ゲート電極４８の電位を閾値未満まで低下させると、各チャネルが消失し、電子の流れが停止する。すなわち、スイッチング装置１０がオフする。スイッチング装置１０がオフすると、ボディ領域２２とドリフト領域３０ａ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２２からドリフト領域３０ａに空乏層が伸びる。一般に、空乏層が広がっているドリフト領域に対してトレンチ（すなわち、ゲート電極）が突き出していると、トレンチの周辺で電界が集中する。これに対し、スイッチング装置１０では、トレンチ４９の周囲がボディ領域２２に囲まれており、トレンチ４９がボディ領域２２からドリフト領域３０ａ側に突き出していない。このため、トレンチ４９の近傍における電界集中が抑制される。したがって、このスイッチング装置１０は、高い耐圧を有する。

次に、スイッチング装置１０の製造方法について説明する。まず、図２に示すようにドレイン領域３０ｂ、ドリフト領域３０ａ、高濃度ボディ領域２２ｂ及び低濃度ボディ領域２２ａが積層された半導体基板１２を準備する。図２に示す半導体基板１２は、以下のように形成される。まず、窒化物半導体によって構成されているドレイン領域３０ｂ上に、窒化物半導体によって構成されているドリフト領域３０ａをエピタキシャル成長させる。次に、ドリフト領域３０ａ上に、窒化物半導体によって構成されている高濃度ボディ領域２２ｂをエピタキシャル成長させる。次に、高濃度ボディ領域２２ｂ上に、窒化物半導体によって構成されている低濃度ボディ領域２２ａをエピタキシャル成長させる。これによって、図２に示す半導体基板１２が得られる。

次に、図３に示すように、半導体基板１２の上面１２ａを部分的にエッチングすることによって、上面１２ａにトレンチ２８ａを形成する。トレンチ２８ａは、低濃度ボディ領域２２ａと高濃度ボディ領域２２ｂを貫通してドリフト領域３０ａに達する深さで形成される。

次に、トレンチ２８ａ内にｎ型半導体層を成長させ、その後に、半導体基板１２の上面１２ａを平坦化することで、図４に示すように、第３中継領域２８を形成する。

次に、図５に示すように、半導体基板１２の上面１２ａを部分的にエッチングすることによって、上面１２ａにトレンチ４９を形成する。トレンチ４９は、低濃度ボディ領域２２ａよりも浅い深さで形成される。すなわち、トレンチ４９は、高濃度ボディ領域２２ｂに達しない深さで形成される。

次に、図６に示すように、トレンチ４９の底面と半導体基板１２の上面１２ａにｎ型不純物を注入することによって、ソース領域２０、第１中継領域２４及び第２中継領域２６を形成する。

次に、図７に示すように、上面１２ａとトレンチ４９の内面にゲート絶縁膜４６を形成する。さらに、トレンチ４９内と一対のトレンチ４９に挟まれた範囲の上面１２ａの上部に、ゲート電極４８を形成する。

次に、図８に示すように、ゲート電極４８を覆うように層間絶縁膜４２を形成する。次に、層間絶縁膜４２とゲート絶縁膜４６に、ソース領域２０に達するコンタクトホールを形成する。次に、ソース領域２０と層間絶縁膜４２を覆うように、ソース電極４０を形成する。

次に、半導体基板１２の下面１２ｂにドレイン電極を形成する。その後、半導体基板１２をダイシングすることで、チップに分割する。これによって、図１に示すスイッチング装置１０が完成する。

以上に説明したように、スイッチング装置１０は、ｐ型不純物のイオン注入を行うことなく製造することができる。また、スイッチング装置１０の製造工程において、トレンチ４９の底部に厚い絶縁膜を形成する必要はない。したがって、スイッチング装置１０を容易に製造することができる。

なお、上述した実施形態では、トレンチ４９が高濃度ボディ領域２２ｂよりも浅い範囲に形成されていたが、トレンチ４９が高濃度ボディ領域２２ｂに達していてもよい。トレンチ４９は、ドリフト領域３０ａに達していなければ、どのような深さであってもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：スイッチング装置
１２ ：半導体基板
２０ ：ソース領域
２２ ：ボディ領域
２２ａ ：低濃度ボディ領域
２２ｂ ：高濃度ボディ領域
２４ ：第１中継領域
２６ ：第２中継領域
２８ ：第３中継領域
３０ ：下部ｎ型領域
３０ａ ：ドリフト領域
３０ｂ ：ドレイン領域
４０ ：ソース電極
４２ ：層間絶縁膜
４６ ：ゲート絶縁膜
４８ ：ゲート電極
４９ ：トレンチ
５１ ：第１チャネル領域
５２ ：第２チャネル領域
５４ ：ドレイン電極

Claims (1)

1. スイッチング装置であって、
   ワイドギャップ半導体により構成された半導体基板と、
   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たゲート電極と、
   前記半導体基板の上面に配置されたソース電極と、
   前記半導体基板の下面に配置されたドレイン電極、
   を有し、
   前記トレンチが、第１側面と、前記第１側面の反対側に位置する第２側面を有し、
   前記半導体基板が、
   前記ソース電極に接し、前記第１側面の上端部で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型のソース領域と、
   前記トレンチの底面で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型の第１中継領域と、
   前記第２側面の上端部で前記ゲート絶縁膜に接するｎ型の第２中継領域と、
   前記第１中継領域の周囲を囲んでおり、前記ソース領域と前記第１中継領域の間の前記第１側面で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記第１中継領域と前記第２中継領域の間の前記第２側面で前記ゲート絶縁膜に接するｐ型のボディ領域と、
   前記第２中継領域に接する位置から下方向に伸びるｎ型の第３中継領域と、
   前記ボディ領域の下側に配置されており、前記第３中継領域に接続されており、前記ドレイン電極に接している下部ｎ型領域、
   を有する、スイッチング装置。

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