JP2019083354A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device which allows improvement in on-resistance characteristics.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a MOS gate structure of a trench gate structure provided on an ntype drift layer 2 on a first principal surface side; a deposited insulation layer 6 provided inside a trench 5 closer to a collector than a gate electrode 8; and a floating-state p type embedded region 9 which is selectively provided inside the ntype drift layer 2 and away from a ptype base region 3 so as to surround a bottom of the trench 5. In the semiconductor device, in an off state, a p type inversion layer 12 is formed at a portion of the ntype drift layer 2, which is sandwiched between the ptype base region 3 and the p type embedded region 9 and along a gate insulation film 7 thereby to electrically connect the ptype base region 3 and the p type embedded region 9. In order to form the p type inversion layer 12 in the off state, an impurity concentration of the ndrift layer 2 and a thickness t2 of the gate insulation film 7 and a work function of the gate electrode 8 are set accordingly.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

従来、パワーデバイスに用いられるMOSゲート(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造の半導体装置(以下、MOS型半導体装置とする)として、半導体基板に形成したトレンチ内にMOSゲートを埋め込んだトレンチゲート構造を有する装置が公知である。このトレンチゲート構造のMOS型半導体装置では、一般的に、高耐圧化と低オン抵抗化とがトレードオフの関係にある。このようなトレードオフの関係を改善したMOS型半導体装置として、MOSゲートを埋め込んだトレンチの底部(ドレイン側端部)を囲むように設けられた、ドリフト層と異なる導電型のフローティング領域を備えた装置が提案されている(例えば、下記特許文献1参照。)。   Conventionally, a MOS gate is embedded in a trench formed in a semiconductor substrate as a semiconductor device (hereinafter referred to as a MOS semiconductor device) having a MOS gate (insulated gate made of metal-oxide film-semiconductor) structure used for power devices. Devices having a trench gate structure are known. In the MOS type semiconductor device of this trench gate structure, generally, there is a trade-off between high breakdown voltage and low on-resistance. As a MOS semiconductor device in which such a trade-off relationship is improved, a floating region of a conductivity type different from the drift layer is provided so as to surround the bottom (drain side end) of the trench in which the MOS gate is embedded. An apparatus has been proposed (see, for example, Patent Document 1 below).

従来のMOS型半導体装置の構造について説明する。図6は、従来の半導体装置の要部の構造を示す断面図である。図6には、オン状態のときに電流が流れる活性領域に配置される単位セル(素子の機能単位)構造を示す。図6は、下記特許文献1の図1に相当する。図6に示すように、従来の半導体装置100は、n-型ドリフト層102の第1主面側にMOSゲート構造を備え、第2主面側にn+型ドレイン層101を備える。MOSゲート構造は、p-型ベース領域103、n+型ソース領域104、トレンチ105、堆積絶縁層106、ゲート絶縁膜107およびゲート電極108からなる。n+型ソース領域104は、p-型ベース領域103の内部に選択的に設けられている。 The structure of a conventional MOS semiconductor device will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the main part of a conventional semiconductor device. FIG. 6 shows a unit cell (functional unit of device) structure disposed in an active region through which current flows in the on state. FIG. 6 corresponds to FIG. 1 of Patent Document 1 below. As shown in FIG. 6, the conventional semiconductor device 100 has a MOS gate structure on the first main surface side of the n -type drift layer 102 and an n + -type drain layer 101 on the second main surface side. The MOS gate structure comprises ap -type base region 103, an n + -type source region 104, a trench 105, a deposited insulating layer 106, a gate insulating film 107 and a gate electrode 108. The n + -type source region 104 is selectively provided inside the p -type base region 103.

トレンチ105は、深さ方向にn+型ソース領域104およびp-型ベース領域103を貫通してn-型ドリフト層102に達する。堆積絶縁層106は、トレンチ105のドレイン側に埋め込まれている。ゲート電極108は、トレンチ105の内部において堆積絶縁層106の上(ソース側)に設けられている。ゲート電極108は、トレンチ105の側壁に設けられたゲート絶縁膜107を挟んでp-型ベース領域103およびn+型ソース領域104に対向する。n-型ドリフト層102の内部には、フローティング状態のp型拡散領域(以下、p型埋め込み領域とする)109が設けられている。トレンチ105の底部は、p型埋め込み領域109の内部に位置する。符号110,111はそれぞれソース電極およびドレイン電極である。 The trench 105 penetrates the n + -type source region 104 and the p -type base region 103 in the depth direction to reach the n -type drift layer 102. The deposited insulating layer 106 is buried on the drain side of the trench 105. The gate electrode 108 is provided on the deposited insulating layer 106 (on the source side) inside the trench 105. The gate electrode 108 faces the p -type base region 103 and the n + -type source region 104 with the gate insulating film 107 provided on the sidewall of the trench 105 interposed therebetween. Inside the n type drift layer 102, a floating p type diffusion region (hereinafter, referred to as a p type buried region) 109 is provided. The bottom of the trench 105 is located inside the p-type buried region 109. Reference numerals 110 and 111 denote a source electrode and a drain electrode, respectively.

従来の半導体装置100は、n-型ドリフト層102の内部にフローティング状態のp型埋め込み領域109を備えた構造(以下,フローティング構造とする)とすることで,次の特性を有する。ゲート電圧を印加しない(または負のゲート電圧を印加した)オフ状態では、n-型ドリフト層102の内部に、p-型ベース領域103とn-型ドリフト層102との間のpn接合121から空乏層(不図示)が広がる。この空乏層がp型埋め込み領域109にまで到達することでp型埋め込み領域109がパンチスルー状態となり、p-型ベース領域103とn-型ドリフト層102との間のpn接合121からp型埋め込み領域109までの電位が固定される。また、n-型ドリフト層102の内部には、p型埋め込み領域109とn-型ドリフト層102との間のpn接合122からも空乏層(不図示)が広がる。 The conventional semiconductor device 100 has the following characteristics by having a structure (hereinafter, referred to as a floating structure) in which a p-type embedded region 109 in a floating state is provided inside the n -type drift layer 102. A gate voltage is not applied in (or negative gate voltage was applied) OFF state, n - inside the type drift layer 102, p - the pn junction 121 between the type drift layer 102 - -type base region 103 and n A depletion layer (not shown) spreads. When this depletion layer reaches the p-type buried region 109, the p-type buried region 109 is punched through, and the pn junction 121 between the p -- type base region 103 and the n -- type drift layer 102 is p-type buried. The potential up to the region 109 is fixed. Further, n - in the interior of the type drift layer 102, p-type buried region 109 and the n - depletion layer from the pn junction 122 between the type drift layer 102 (not shown) is increased.

このようにp-型ベース領域103とn-型ドリフト層102との間のpn接合121から空乏層が広がることで当該pn接合121付近が電界強度のピークとなる。さらに、p型埋め込み領域109とn-型ドリフト層102との間のpn接合122から空乏層が広がることで当該pn接合122付近にも電界強度のピークが形成される。すなわち、電界強度のピークを2箇所に分散させることができる。このため、電界強度の最大ピーク値を低減させることができ、高耐圧化を図ることができる。また、高耐圧を確保することができるため、n-型ドリフト層102の不純物濃度を高くして低オン抵抗化を図ることができる。このようなフローティング構造のメカニズムについて、電界強度分布の算出結果が詳細に開示されている(例えば、下記特許文献2参照。)。 As described above, the depletion layer spreads from the pn junction 121 between the p -type base region 103 and the n -type drift layer 102, so that the area near the pn junction 121 has a peak of electric field strength. Further, the depletion layer spreads from the pn junction 122 between the p-type buried region 109 and the n -type drift layer 102, so that a peak of electric field intensity is also formed near the pn junction 122. That is, the peaks of the electric field strength can be dispersed at two places. Therefore, the maximum peak value of the electric field strength can be reduced, and the breakdown voltage can be increased. In addition, since a high breakdown voltage can be secured, the impurity concentration of the n -type drift layer 102 can be increased to reduce the on-resistance. Regarding the mechanism of such a floating structure, the calculation result of the electric field strength distribution is disclosed in detail (for example, see Patent Document 2 below).

例えばインバータ回路等に用いられる通常のMOS型半導体装置では、一般的に、ゲート電圧Vgによって半導体装置のオン・オフを制御することでドレイン電圧Vdが変化する。図7は、従来の半導体装置の電圧波形を示す特性図である。具体的には、図7に示すように、閾値電圧以上のゲート電圧Vgを印加したオン状態(以下、第1状態Aとする)
では、n-型ドリフト層に空乏層が広がっていないため、ドレイン電圧Vdは低く、低オン抵抗の状態で動作する。一方、ゲート電圧Vgを印加せずにオフ状態を維持している間(以下、第2状態Bとする)は、n-型ドリフト層に空乏層が広がった状態(高オン抵抗の状態)となり、ドレイン電圧Vdが高い状態で維持される。すなわち、空乏層の広がりによってドレイン−ソース間の耐圧が保持された状態となる。そして、オフ状態から再度オン状態に移行されることで(以下、第3状態Cとする)、第2状態のときに広がっていた空乏層の幅が狭くなるため、再度、低オン抵抗の状態で動作する。その後、第2状態Bと第3状態Cとが交互に繰り返される。このように、通常のMOS型半導体装置(フローティング構造でないMOS型半導体装置)では、第2状態Bのときに、n-型ドリフト層の内部にp-型ベース領域とn-型ドリフト層との間のpn接合から空乏層が広がる。そして、第2状態Bのときにp-型ベース領域とn-型ドリフト層との間のpn接合から広がった空乏層の幅は、第3状態Cのときにp-型ベース領域からn-型ドリフト層へのホール(正孔)の供給により即時に狭くなる。
For example, in a normal MOS semiconductor device used for an inverter circuit or the like, the drain voltage Vd generally changes by controlling the on / off of the semiconductor device by the gate voltage Vg. FIG. 7 is a characteristic diagram showing voltage waveforms of the conventional semiconductor device. Specifically, as shown in FIG. 7, an on state in which a gate voltage Vg equal to or higher than the threshold voltage is applied (hereinafter referred to as a first state A)
Then, since the depletion layer does not spread in the n -type drift layer, the drain voltage Vd is low, and the device operates in a low on-state. On the other hand, while the off state is maintained without applying the gate voltage Vg (hereinafter referred to as the second state B), the depletion layer spreads in the n type drift layer (high on resistance state). The drain voltage Vd is maintained high. That is, the breakdown voltage between the drain and the source is maintained by the spread of the depletion layer. Then, the transition from the off state to the on state again (hereinafter referred to as the third state C) narrows the width of the depletion layer which was spread in the second state, so that the state of the low on resistance is obtained again. Works with Thereafter, the second state B and the third state C are alternately repeated. Thus, in the conventional MOS type semiconductor device (MOS-type semiconductor device not floating structure), when in the second state B, n - inside the type drift layer p - type base region and the n - the type drift layer The depletion layer extends from the pn junction between them. Then, p when in the second state B - type base region and the n - width of the depletion layer spread from the pn junction between the type drift layer, p when the third state C - n -type base region - The supply of holes to the type drift layer narrows immediately.

しかしながら、図6に示す従来のフローティング構造の半導体装置100では、通常のMOS型半導体装置と比較して、第3状態Cのときに高オン抵抗の状態から低オン抵抗の状態に戻りにくい。その理由は、次の通りである。従来の半導体装置100では、第2状態Bのときに、p-型ベース領域103とn-型ドリフト層102との間のpn接合121と、p型埋め込み領域109とn-型ドリフト層102との間のpn接合122との2箇所から空乏層が広がる。そして、第3状態Cのときに、ソース電極110に接続されたp-型ベース領域103には外部からホールが供給されるが、p型埋め込み領域109はフローティング状態であるため、p型埋め込み領域109には外部からホールの供給は行われない。このため、第3状態Cのときに、p型埋め込み領域109自身からのホールの供給だけでは、p型埋め込み領域109のドレイン側に広がった空乏層の幅を狭くするための十分なホールの量を短時間で補うことができない。すなわち、第3状態Cのときに空乏層の幅を狭くするために供給すべきホールの量が足りず、p型埋め込み領域109のドレイン側にまで広がった空乏層の幅が再び狭くなるまでには時間がかかる。その結果、図7に点線で示すように、第3状態Cのときにドレイン電圧Vdが徐々に低くなって最低値に達する。このため、即時に低オン抵抗の状態に戻らず、過渡的なオン抵抗特性に悪影響が生じる。特に、チップサイズが大きい場合、第3状態Cのときに空乏層の幅を狭くするために供給すべきホールの量が多くなるため、チップサイズが大きくなるほどホールの供給に遅れが生じる。一般的には、オン抵抗特性に悪影響が生じるチップサイズは数mm角以上程度である。 However, in the semiconductor device 100 of the conventional floating structure shown in FIG. 6, it is difficult to return from the state of high on resistance to the state of low on resistance in the third state C, as compared to a normal MOS semiconductor device. The reason is as follows. In the conventional semiconductor device 100, in the second state B, the pn junction 121 between the p -- type base region 103 and the n -- type drift layer 102, the p-type buried region 109 and the n -- type drift layer 102 The depletion layer spreads from two places with the pn junction 122 between them. Then, in the third state C, holes are supplied from the outside to the p -type base region 103 connected to the source electrode 110, but since the p-type buried region 109 is in a floating state, the p-type buried region No external supply of holes is performed at 109. For this reason, in the third state C, the amount of holes sufficient to narrow the width of the depletion layer spread to the drain side of the p-type buried region 109 only by the supply of holes from the p-type buried region 109 itself. Can not be compensated in a short time. That is, the amount of holes to be supplied in order to narrow the width of the depletion layer in the third state C is insufficient, and the width of the depletion layer expanded to the drain side of the p-type buried region 109 is narrowed again. Takes time. As a result, as indicated by a dotted line in FIG. 7, the drain voltage Vd gradually decreases in the third state C and reaches the lowest value. For this reason, the low on-resistance state is not immediately returned, and the transient on-resistance characteristic is adversely affected. In particular, when the chip size is large, the amount of holes to be supplied in order to narrow the width of the depletion layer in the third state C is large, so that the larger the chip size, the more delayed the supply of holes. Generally, the chip size that adversely affects the on-resistance characteristics is about several mm square or more.

また、従来のフローティング構造の別の装置として、トレンチの側壁に設けられたゲート絶縁膜に沿って、かつp-型ベース領域とフローティング状態のp型拡散領域(p型埋め込み領域)とを連結するように設けられ、オン状態のときにフローティング状態のp型拡散領域へのホール供給路となるp--型拡散領域を備えた装置が提案されている(例えば、下記特許文献3参照。)。 Also, as another device of the conventional floating structure, the p -- type base region is connected to the floating p-type diffusion region (p-type buried region) along the gate insulating film provided on the sidewall of the trench. There is proposed a device provided with ap -type diffusion region which is provided as described above and serves as a hole supply path to the p-type diffusion region in the floating state when in the on state (for example, see Patent Document 3 below).

下記特許文献3に示す構造について説明する。図8は、従来の半導体装置の別の一例の構造を示す断面図である。図8には、直線状の平面形状を有するトレンチ105に埋め込んだゲート電極108をトレンチ105の長手方向に平行に切断した断面構造を示す。図8は、下記特許文献3の図4に相当する。図8に示す従来の半導体装置200が図6に示す従来の半導体装置100と異なる点は、n-型ドリフト層102の内部にp--型拡散領域112が設けられている点である。p--型拡散領域112は、堆積絶縁層106の、トレンチ105側壁の部分に沿って設けられ、p-型ベース領域103とp型埋め込み領域109とを連結する。 The structure shown to following patent document 3 is demonstrated. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of another example of the conventional semiconductor device. FIG. 8 shows a cross-sectional structure in which the gate electrode 108 embedded in the trench 105 having a linear planar shape is cut in parallel to the longitudinal direction of the trench 105. FIG. 8 corresponds to FIG. 4 of Patent Document 3 below. The conventional semiconductor device 200 shown in FIG. 8 is different from the conventional semiconductor device 100 shown in FIG. 6 in that ap -type diffusion region 112 is provided inside the n -type drift layer 102. The p -type diffusion region 112 is provided along the sidewall of the trench 105 of the deposited insulating layer 106 and connects the p -type base region 103 and the p-type buried region 109.

--型拡散領域112は、不純物濃度が極めて低く、n-型ドリフト層102との間のpn接合から広がる空乏層により超高抵抗な領域となる。このため、オフ状態のときには、p型埋め込み領域109は、図6に示す従来の半導体装置100(下記特許文献1,2)と同様にフローティング状態となる。したがって、上述したフローティング構造と同様に、ドレイン−ソース間の耐圧が保持された状態となり、高耐圧化を図ることができる。
一方、オン状態のときには、p--型拡散領域112によってp型埋め込み領域109がソース電位に固定されることで、p型埋め込み領域109からn-型ドリフト層102へホールが供給される。したがって、オン状態のときに供給されるホールの量を増やすことができる。
The p -type diffusion region 112 has an extremely low impurity concentration, and becomes a very high resistance region due to the depletion layer extending from the pn junction with the n -type drift layer 102. Therefore, in the off state, the p-type embedded region 109 is in the floating state as in the conventional semiconductor device 100 (patent documents 1 and 2 below) shown in FIG. Therefore, as in the case of the above-described floating structure, the withstand voltage between the drain and the source is maintained, and a high withstand voltage can be achieved.
On the other hand, in the ON state, the p - type diffusion region 112 fixes the p-type buried region 109 to the source potential, whereby holes are supplied from the p-type buried region 109 to the n -type drift layer 102. Therefore, the amount of holes supplied in the on state can be increased.

図8において、符号115〜119は、それぞれ、終端構造部202のトレンチ、堆積絶縁層、ゲート絶縁膜、ゲート電極およびp型埋め込み領域である。終端構造部202のトレンチ115、堆積絶縁層116、ゲート絶縁膜117、ゲート電極118およびp型埋め込み領域119は、活性領域201のトレンチ105、堆積絶縁層106、ゲート絶縁膜107、ゲート電極108およびp型埋め込み領域109と同様の構造を有する。ゲート電極118は最も活性領域201側のトレンチ115に設けられ、その他のトレンチ115には堆積絶縁層116が埋め込まれている。終端構造部202は、活性領域201の周囲を囲み、n-型ドリフト層102の第1主面側の電界を緩和し耐圧を保持する領域である。 In FIG. 8, reference numerals 115 to 119 denote a trench, a deposited insulating layer, a gate insulating film, a gate electrode and a p-type buried region of the termination structure portion 202, respectively. The trench 115, the deposited insulating layer 116, the gate insulating film 117, the gate electrode 118 and the p-type buried region 119 of the termination structure portion 202 are the trench 105 of the active region 201, the deposited insulating layer 106, the gate insulating film 107, the gate electrode 108 and the gate It has a structure similar to that of the p-type buried region 109. The gate electrode 118 is provided in the trench 115 closest to the active region 201, and the deposition insulating layer 116 is embedded in the other trenches 115. The termination structure portion 202 is a region surrounding the active region 201 and relaxing the electric field on the first major surface side of the n -type drift layer 102 to maintain the breakdown voltage.

特開2005−142243号公報JP, 2005-142243, A 特開平9−191109号公報JP-A-9-191109 特開2007−242852号公報JP, 2007-242852, A

しかしながら、上記特許文献1,2には、トレンチ105の底部付近の電界強度を低下させることはできるが、オン状態のときに少数キャリア(ホール)の引き抜きを防止することについて記載されていない。また、上記特許文献1,2を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などの伝導度変調効果を利用したデバイスに適用したとしても、伝導度変調効果は向上されない。また、上記特許文献3では、IGBTなどの伝導度変調効果を利用したデバイスに適用した場合、オン状態のときにソース電位に固定されたp型埋め込み領域109からホールが引き抜かれる。このため、伝導度変調が起こりにくくなり、オン抵抗特性が悪化するという問題がある。   However, although the electric field strength in the vicinity of the bottom of the trench 105 can be reduced in the Patent Documents 1 and 2, no mention is made of preventing the extraction of minority carriers (holes) in the ON state. Further, even if the above Patent Documents 1 and 2 are applied to a device utilizing the conductivity modulation effect such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor), the conductivity modulation effect is not improved. Further, in Patent Document 3 described above, when applied to a device utilizing a conductivity modulation effect such as IGBT, holes are pulled out from the p-type embedded region 109 fixed to the source potential in the ON state. Therefore, there is a problem that conductivity modulation hardly occurs and the on-resistance characteristic is deteriorated.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、オン抵抗特性を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving the on-resistance characteristic in order to solve the above-mentioned problems of the prior art.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。第1導電型の半導体層の第1主面側に、第2導電型の第1半導体領域が設けられている。前記第1半導体領域の内部に、第1導電型の第2半導体領域が選択的に設けられている。トレンチは、前記第2半導体領域および前記第1半導体領域を貫通して前記半導体層に達する。絶縁層は、前記トレンチの底部に埋め込まれている。前記トレンチの内部に、前記トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁膜が設けられている。前記トレンチの内部の、前記ゲート絶縁膜の内側で、かつ前記絶縁層の表面に、ゲート電極が設けられている。前記半導体層の内部に前記トレンチの底部を囲むように、第2導電型の第3半導体領域が選択的に設けられている。前記第3半導体領域は、前記絶縁層を挟んで前記ゲート電極に対向する。前記半導体層の第2主面側に、第4半導体領域が設けられている。第1電極は、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に電気的に接続されている。第2電極は、前記第4半導体領域に電気的に接続されている。前記ゲート電極は、第2導電型半導体層、または、第2導電型不純物をドープしたポリシリコン層である。そして、前記ゲート電極に0Vより大きく、かつ前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体層とに挟まれた部分に前記ゲート絶縁膜に沿って第1導電型反転層が形成される第1ゲート電圧の最低電圧であるゲート閾値電圧未満の範囲の第2ゲート電圧が印加されたときに、前記半導体層の、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域とに挟まれた部分に前記ゲート絶縁膜に沿って第2導電型反転層が生じる。前記反転層によって前記第1半導体領域と前記第3半導体領域とが電気的に接続される。   In order to solve the problems described above and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following features. A first semiconductor region of a second conductivity type is provided on the first main surface side of the semiconductor layer of the first conductivity type. A second semiconductor region of the first conductivity type is selectively provided in the first semiconductor region. A trench penetrates the second semiconductor region and the first semiconductor region to reach the semiconductor layer. An insulating layer is embedded in the bottom of the trench. A gate insulating film is provided inside the trench along the sidewall of the trench. A gate electrode is provided inside the gate insulating film inside the trench and on the surface of the insulating layer. A third semiconductor region of the second conductivity type is selectively provided in the semiconductor layer to surround the bottom of the trench. The third semiconductor region faces the gate electrode with the insulating layer interposed therebetween. A fourth semiconductor region is provided on the second main surface side of the semiconductor layer. The first electrode is electrically connected to the first semiconductor region and the second semiconductor region. The second electrode is electrically connected to the fourth semiconductor region. The gate electrode is a second conductive type semiconductor layer or a polysilicon layer doped with a second conductive type impurity. Then, a first conductivity type inversion layer is formed along the gate insulating film in a portion of the first semiconductor region which is larger than 0 V and is sandwiched between the second semiconductor region and the semiconductor layer. A portion of the semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor region and the third semiconductor region when a second gate voltage in a range lower than the gate threshold voltage which is the lowest voltage of the first gate voltage is applied. A second inversion layer of the second conductivity type is formed along the gate insulating film. The inversion layer electrically connects the first semiconductor region and the third semiconductor region.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体層の内部に、前記第1半導体領域および前記第3半導体領域と離して選択的に設けられた、前記半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第5半導体領域をさらに備えることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the semiconductor device according to the above-mentioned invention, the impurity concentration is selectively provided in the semiconductor layer away from the first semiconductor region and the third semiconductor region more than the semiconductor layer. And a fifth semiconductor region of high first conductivity type.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第5半導体領域は、前記半導体層の、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間に設けられていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-mentioned invention, the fifth semiconductor region is provided between the first semiconductor region and the third semiconductor region of the semiconductor layer. Do.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体層は、前記ゲート電極に前記第2ゲート電圧が印加されたときに前記第2導電型反転層が生じる不純物濃度に設定されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the semiconductor device according to the above-mentioned invention, the semiconductor layer is set to an impurity concentration that causes the second conductivity type inversion layer to be generated when the second gate voltage is applied to the gate electrode. It is characterized by

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体層は、前記ゲート電極に前記第1ゲート電圧が印加されたときに前記第2導電型反転層が生じない不純物濃度に設定されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the semiconductor device according to the above-mentioned invention, the semiconductor layer is set to an impurity concentration such that the second conductivity type inversion layer is not generated when the first gate voltage is applied to the gate electrode. It is characterized by

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第3半導体領域は、前記ゲート電極に前記第1ゲート電圧が印加されたときにフローティング状態であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth above, the third semiconductor region is in a floating state when the first gate voltage is applied to the gate electrode.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体層の内部において、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間に、前記第1半導体領域および前記第3半導体領域に接して選択的に設けられ、前記第1半導体領域側から前記トレンチの底部よりも深い位置に達する第2導電型の第6半導体領域をさらに備えることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the first semiconductor region and the third semiconductor region may be provided between the first semiconductor region and the third semiconductor region in the semiconductor layer. The semiconductor device may further include a sixth semiconductor region of a second conductivity type which is selectively provided in contact and which extends from the first semiconductor region side to a position deeper than the bottom of the trench.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第2導電型の前記第4半導体領域を備えることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention described above, the semiconductor device according to the present invention is characterized by including the fourth semiconductor region of the second conductivity type.

上述した発明によれば、オン状態のときに、第3半導体領域がフローティング状態であるため、第3半導体領域から第1電極への少数キャリア(ホール)の引き抜きが生じない。このため、IGBTなどの伝導度変調効果を利用したデバイスにおいて伝導度変調が妨げられることはない。これにより、オン抵抗特性が悪化することを防止することができる。   According to the invention described above, since the third semiconductor region is in the floating state when in the on state, extraction of minority carriers (holes) from the third semiconductor region to the first electrode does not occur. Therefore, conductivity modulation is not hindered in a device utilizing conductivity modulation effect such as IGBT. This can prevent the deterioration of the on-resistance characteristic.

また、上述した発明によれば、半導体層の内部に第5半導体領域を設けることで、半導体層の内部のキャリア密度を高めることができる。   Further, according to the above-described invention, the carrier density in the semiconductor layer can be increased by providing the fifth semiconductor region in the semiconductor layer.

本発明にかかる半導体装置によれば、オン抵抗特性を向上させることができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device of the present invention, the on-resistance characteristic can be improved.

実施の形態1にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態2にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態3にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態4にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to Fourth Embodiment; 実施の形態5にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment. 従来の半導体装置の要部の構造を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing a structure of a main part of a conventional semiconductor device. 従来の半導体装置の電圧波形を示す特性図である。It is a characteristic view showing the voltage waveform of the conventional semiconductor device. 従来の半導体装置の別の一例の構造を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing the structure of another example of a conventional semiconductor device.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, in the layer or region having n or p, it is meant that electrons or holes are majority carriers, respectively. Further, + and-attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and the impurity concentration is lower than that of the layer or region to which it is not attached, respectively. In the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals and redundant description will be omitted.

(実施の形態1)
実施の形態1にかかる半導体装置の構造について説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。図1には、実施の形態1にかかる半導体装置のオフ状態における断面構造を示す。オフ状態とは、半導体装置が動作しない状態であり、ゲート電圧を少なくとも0V以下にした状態(ゲート電極にゲート電圧を印加しないまたは負のゲート電圧を印加した状態)である。オン状態とは、半導体装置が動作する状態であり、ゲート電圧を閾値電圧以上とした状態である(ゲート電圧≧閾値電圧)。図1に示すように、実施の形態1にかかる半導体装置において、n-型ドリフト層(半導体層)
2の第1主面側には、トレンチゲート構造のMOSゲート構造が設けられている。MOSゲート構造は、p-型ベース領域(第1半導体領域)3、n+型エミッタ領域(第2半導体領域)4、トレンチ5、堆積絶縁層(絶縁層)6、ゲート絶縁膜7およびゲート電極8からなる。
Embodiment 1
The structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the semiconductor device according to the first embodiment in the off state. The off state is a state in which the semiconductor device does not operate, and is a state in which the gate voltage is at least 0 V (a state in which the gate voltage is not applied or a negative gate voltage is applied to the gate electrode). The on state is a state in which the semiconductor device operates and is a state in which the gate voltage is equal to or higher than the threshold voltage (gate voltage 電 圧 threshold voltage). As shown in FIG. 1, in the semiconductor device according to the first embodiment, an n -type drift layer (semiconductor layer)
A trench gate MOS gate structure is provided on the side of the first main surface 2. The MOS gate structure includes ap -- type base region (first semiconductor region) 3, an n + -type emitter region (second semiconductor region) 4, a trench 5, a deposited insulating layer (insulating layer) 6, a gate insulating film 7 and a gate electrode It consists of eight.

-型ドリフト層2の第2主面側には、p+型コレクタ層(第4半導体領域)1が設けられている。p+型コレクタ層1は、n-型ドリフト層2の第2主面の表面層に例えばイオン注入によって形成した拡散領域であってもよいし、実施の形態1にかかる半導体装置を作製(製造)するために用意したp+型出発基板(半導体チップ)で構成されていてもよい。p+型コレクタ層1をp+型出発基板とする場合、n-型ドリフト層2は、p+型コレクタ層1となるp+型出発基板の例えばおもて面に堆積したエピタキシャル層である。p-型ベース領域3は、n-型ドリフト層2の第1主面側に設けられている。p-型ベース領域3は、n-型ドリフト層2の第1主面に堆積したエピタキシャル層であってもよいし、n-型ドリフト層2の第1主面の表面層に例えばイオン注入によって形成された拡散領域であってもよい。 A p + -type collector layer (fourth semiconductor region) 1 is provided on the second major surface side of the n -type drift layer 2. The p + -type collector layer 1 may be a diffusion region formed by ion implantation, for example, in the surface layer of the second main surface of the n -type drift layer 2, and the semiconductor device according to the first embodiment is manufactured (manufactured ) May be composed of a p + -type starting substrate (semiconductor chip) prepared to If the p + -type collector layer 1 and the p + -type starting substrate, n - -type drift layer 2 is an epitaxial layer deposited for example the front surface of the p + -type starting substrate comprising the p + -type collector layer 1 . The p -type base region 3 is provided on the first major surface side of the n -type drift layer 2. p - type base region 3, n - may be an epitaxial layer deposited on the first major surface of the type drift layer 2, n - the surface layer, for example, ion implantation of the first main surface of the type drift layer 2 It may be a formed diffusion region.

-型ベース領域3の不純物濃度は、低くするほど閾値電圧が低くなるが、ゲート電圧を少なくとも0V以下にしたときに、p-型ベース領域3の、ゲート電極8に対向する部分にチャネル(n型の反転層)が形成されない(オン状態にならない)程度に低いことが好ましい。n+型エミッタ領域4は、p-型ベース領域3の内部に選択的に設けられている。n+型エミッタ領域4は、エピタキシャル層であってもよいし、例えばイオン注入によって形成された拡散領域であってもよい。トレンチ5は、n+型エミッタ領域4およびp-型ベース領域3を貫通してn-型ドリフト層2に達する。堆積絶縁層6は、トレンチ5の内部のコレクタ側に設けられている。すなわち、堆積絶縁層6は、トレンチ5の底部(コレクタ側端部)に埋め込まれている。 The lower the impurity concentration of the p -type base region 3 is, the lower the threshold voltage is. However, when the gate voltage is at least 0 V or less, a channel (a portion facing the gate electrode 8 in the p -type base region 3) It is preferable that the n-type inversion layer be as low as not formed (not turned on). The n + -type emitter region 4 is selectively provided inside the p -type base region 3. The n + -type emitter region 4 may be an epitaxial layer or, for example, a diffusion region formed by ion implantation. Trench 5 penetrates n + -type emitter region 4 and p -type base region 3 to reach n -type drift layer 2. The deposited insulating layer 6 is provided on the collector side inside the trench 5. That is, the deposited insulating layer 6 is embedded in the bottom (collector side end) of the trench 5.

ゲート電極8は、トレンチ5の内部において堆積絶縁層6の表面上(エミッタ側)に設けられている。ゲート電極8は、トレンチ5の側壁に設けられたゲート絶縁膜7を挟んでp-型ベース領域3、n+型エミッタ領域4およびn-型ドリフト層2に対向する。すなわち、ゲート電極8のコレクタ側の端部は、p-型ベース領域3とn-型ドリフト層2との間のpn接合21よりもコレクタ側に位置する。n-型ドリフト層2の内部には、p-型ベース領域3と離してp型拡散領域(p型埋め込み領域(第3半導体領域))9が選択的に設けられている。p型埋め込み領域9は、トレンチ5の底部を囲むようにn-型ドリフト層2の内部に埋め込まれており、堆積絶縁層6を挟んでゲート電極8に対向する。すなわち、p型埋め込み領域9の内部にトレンチ5の底部が位置する。 The gate electrode 8 is provided on the surface (emitter side) of the deposited insulating layer 6 inside the trench 5. Gate electrode 8 opposes p base region 3, n + emitter region 4 and n drift layer 2 with gate insulating film 7 provided on the side wall of trench 5 interposed therebetween. That is, the collector side end of the gate electrode 8 is located closer to the collector than the pn junction 21 between the p -type base region 3 and the n -type drift layer 2. Inside the n type drift layer 2, ap type diffusion region (p type buried region (third semiconductor region)) 9 is selectively provided apart from the p type base region 3. The p-type buried region 9 is buried in the n -type drift layer 2 so as to surround the bottom of the trench 5, and faces the gate electrode 8 with the deposited insulating layer 6 interposed therebetween. That is, the bottom of the trench 5 is located inside the p-type buried region 9.

p型埋め込み領域9は、トレンチ側壁に設けられたゲート絶縁膜7を挟んでゲート電極8に対向しない程度に、トレンチ5の内壁に沿ってエミッタ側に延在していてもよい。すなわち、堆積絶縁層6の厚さt1は、トレンチ5の側壁に設けられたゲート絶縁膜7を挟んでp型埋め込み領域9とゲート電極8とが対向しない程度に厚い。p型埋め込み領域9は、n-型ドリフト層2にかかる電界を緩和する機能を有する。p型埋め込み領域9は、例えばイオン注入によって形成された拡散領域であってもよい。p型埋め込み領域9の不純物濃度は、設計条件に合わせて種々変更可能であり、エネルギー準位の縮退が起きない(フェルミ準位が価電子帯中に移動しない)程度に高くてもよい。例えば、p型埋め込み領域9の不純物濃度は、コレクタに高電圧が印加された場合においてもp型埋め込み領域9全体が空乏化しない程度に高く、例えばn-型ドリフト層2の不純物濃度と同程度以上に設定されている。 The p-type buried region 9 may extend along the inner wall of the trench 5 toward the emitter side so as not to face the gate electrode 8 with the gate insulating film 7 provided on the side wall of the trench. That is, thickness t1 of deposited insulating layer 6 is so thick that p type buried region 9 and gate electrode 8 do not face each other with gate insulating film 7 provided on the side wall of trench 5 interposed therebetween. The p-type buried region 9 has a function of relaxing the electric field applied to the n -type drift layer 2. The p-type buried region 9 may be, for example, a diffusion region formed by ion implantation. The impurity concentration of the p-type buried region 9 can be variously changed in accordance with the design conditions, and may be as high as the degeneracy of the energy level does not occur (the Fermi level does not move into the valence band). For example, the impurity concentration of the p-type buried region 9 is high enough to prevent depletion of the entire p-type buried region 9 even when a high voltage is applied to the collector, for example, about the same as the impurity concentration of the n -type drift layer 2 It is set above.

-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分には、オフ状態のときにゲート絶縁膜7に沿ってp型の反転層12が形成される(図中ハッチングで示す部分)。このp型の反転層12によってp-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とが電気的に接続される。このため、オフ状態の時にp型埋め込み領域9はエミッタ電位に固定される。オフ状態のときにn-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分にp型の反転層12を生じさせるために、n-型ドリフト層2の不純物濃度、ゲート絶縁膜7の厚さt2、およびゲート電極8の仕事関数が適宜設定される。具体的には、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分の不純物濃度は、オフ状態のときにp型の反転層12が生じる(すなわちホールが存在する)程度に低く設定されている。 n - type drift layer 2, p - the portion held -type base region 3 and the p-type buried region 9, the inversion layer 12 of p-type along the gate insulating film 7 in the off state is formed (Part indicated by hatching in the figure). The p-type inversion layer 12 electrically connects the p -- type base region 3 and the p-type buried region 9. Therefore, the p-type buried region 9 is fixed at the emitter potential in the off state. Type drift layer 2, p - - n in the off state in order to cause the inversion layer 12 of p-type to type base region 3 and the p-type buried region 9 and the portion sandwiched between, n - -type drift layer 2 The impurity concentration, the thickness t2 of the gate insulating film 7, and the work function of the gate electrode 8 are appropriately set. Specifically, n - type drift layer 2, p - impurity concentration type base region 3 and the p-type buried region 9 and the portion sandwiched by the inversion layer 12 of p-type occurs in the off state ( That is, the holes are set as low as possible.

-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分の不純物濃度は、n-型ドリフト層2の他の部分の不純物濃度と異なっていてもよい。例えば、n-型ドリフト層2の不純物濃度が1×1014/cm3以上1×1016/cm3以下程度の範囲内である場合、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分の不純物濃度は例えば1×1017/cm3以下程度である。ゲート絶縁膜7の厚さt2は、オフ状態のときに、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分にp型の反転層12を生じさせる程度に薄く設定されていればよい。すなわち、ゲート絶縁膜7の厚さt2は、上記条件を満たしていればよく、例えば、堆積絶縁層6の厚さよりも薄くてもよいし、堆積絶縁層6と同じ厚さであってもよい。 n - type drift layer 2, p - impurity concentration type base region 3 and the p-type buried region 9 and the portion sandwiched by the, n - may be different from the impurity concentration of the other parts of the type drift layer 2 . For example, n - when the impurity concentration of the type drift layer 2 is in the range of degree 1 × 10 14 / cm 3 or more 1 × 10 16 / cm 3 or less, n - type drift layer 2, p - type base region 3 The impurity concentration of the portion sandwiched between the p-type and the p-type buried regions 9 is, for example, about 1 × 10 17 / cm 3 or less. The thickness t2 of the gate insulating film 7 is the p-type inversion layer 12 in the portion of the n -- type drift layer 2 sandwiched between the p -- type base region 3 and the p-type buried region 9 in the off state. It may be set as thin as possible. That is, the thickness t2 of the gate insulating film 7 may satisfy the above conditions, and may be thinner than the thickness of the deposited insulating layer 6, or may be the same thickness as the deposited insulating layer 6, for example. .

例えば、ゲート絶縁膜7の厚さt2を100nmとし、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分の不純物濃度を1×1017/cm3とした場合、ゲート電圧が−10V程度のときにp型の反転層12が形成される。n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分の不純物濃度が1×1017/cm3以下程度であれば、ゲート電圧が−15V程度まで低くなるようにシフトさせるアプリケーション(製品)においてもp型の反転層12を形成することができる。また、n-型ドリフト層2の不純物濃度が均一に5×1014/cm3以下程度である場合(例えば耐圧13kVクラス)、ゲート電圧が−2V程度であってもp型の反転層12を形成することができる。 For example, the thickness t2 of the gate insulating film 7 is 100 nm, and the impurity concentration of the portion of the n -- type drift layer 2 sandwiched between the p -- type base region 3 and the p-type buried region 9 is 1 × 10 17 / cm. In the case of 3 , when the gate voltage is about -10 V, the p-type inversion layer 12 is formed. n - type drift layer 2, p - if type base region 3 and the degree impurity concentration 1 × 10 17 / cm 3 or less of a portion held with p-type buried region 9, the gate voltage to approximately -15V The p-type inversion layer 12 can be formed also in an application (product) shifted to a low level. In addition, when the impurity concentration of the n -type drift layer 2 is uniformly about 5 × 10 14 / cm 3 or less (for example, 13 kV class withstand voltage), the p-type inversion layer 12 is formed even if the gate voltage is about −2 V It can be formed.

また、ゲート電圧が0V程度であっても、ゲート電極8の仕事関数を適宜設定することで、p型の反転層12を形成可能である。この場合、ゲート電極8は、例えば、n-型ドリフト層2との仕事関数差によってn-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分(n-型ドリフト層2の、ゲート絶縁膜7との界面付近)にホールを生じさせるような仕事関数をもつ電極材料で形成されていればよい。具体的には、ゲート電極8の電極材料として、例えば1×1018/cm3程度に高不純物濃度のp型炭化珪素(SiC)半導体や、p型不純物をドープしたドープドポリシリコン(doped poly−Si)等を用いてもよい。エミッタ電極(第1電極)10は、p-型ベース領域3およびn+型エミッタ領域4に接し、図示省略する層間絶縁膜によってゲート電極8と電気的に絶縁されている。コレクタ電極(第2電極)11は、p+型コレクタ層1に接する。 Further, even if the gate voltage is about 0 V, the p-type inversion layer 12 can be formed by setting the work function of the gate electrode 8 appropriately. In this case, the gate electrode 8, for example, n - by the work function difference between the type drift layer 2 n - type drift layer 2, p - type base region 3 and the p-type buried region 9 and the portion sandwiched between (n - type drift layer 2, the interface vicinity) between the gate insulating film 7 may be formed in the electrode material having a work function that can cause the hole. Specifically, for example, a p-type silicon carbide (SiC) semiconductor having a high impurity concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 or an doped polysilicon (doped poly) doped with a p-type impurity as an electrode material of the gate electrode 8. -Si) or the like may be used. Emitter electrode (first electrode) 10 is in contact with p -type base region 3 and n + -type emitter region 4 and is electrically insulated from gate electrode 8 by an interlayer insulating film (not shown). The collector electrode (second electrode) 11 is in contact with the p + -type collector layer 1.

特に限定しないが、例えば実施の形態1にかかる半導体装置が耐圧13kVクラスである場合、n+型エミッタ領域4およびp+型コレクタ層1は十分に高い不純物濃度(1×1018/cm3以上程度)であり、その厚さは0.1μm以上程度である。p-型ベース領域3の不純物濃度は、ゲート絶縁膜7の厚さt2にもよるが、1×1015/cm3以上1×1017/cm3以下程度である。n-型ドリフト層2の厚さは100μm以上150μm以下程度である。n-型ドリフト層2の不純物濃度は上述した範囲程度であり、好ましくは5×1014/cm3以下程度である。トレンチ5の深さは1μm以上3μm以下程度である。ゲート絶縁膜7の厚さt2は50nm以上200nm以下程度である。p型埋め込み領域9の不純物濃度は1×1018/cm3程度以上である。 Although not particularly limited, for example, when the semiconductor device according to the first embodiment has a breakdown voltage of 13 kV, the n + -type emitter region 4 and the p + -type collector layer 1 have a sufficiently high impurity concentration (1 × 10 18 / cm 3 or more). And its thickness is about 0.1 μm or more. The impurity concentration of the p -type base region 3 is about 1 × 10 15 / cm 3 or more and 1 × 10 17 / cm 3 or less depending on the thickness t 2 of the gate insulating film 7. The thickness of the n -type drift layer 2 is about 100 μm to 150 μm. The impurity concentration of the n -type drift layer 2 is about the above-mentioned range, and preferably about 5 × 10 14 / cm 3 or less. The depth of the trench 5 is about 1 μm to 3 μm. The thickness t2 of the gate insulating film 7 is about 50 nm or more and 200 nm or less. The impurity concentration of the p-type buried region 9 is about 1 × 10 18 / cm 3 or more.

次に、実施の形態1にかかる半導体装置の動作について説明する。エミッタ電極10は、グランドに接地された状態か、負の電圧が印加された状態となっている(エミッタ電位≦0)。コレクタ電極11は、正の電圧が印加された状態となっている(コレクタ電位>0)。この状態では、p-型ベース領域3とn-型ドリフト層2との間のpn接合21は逆バイアスされている。このため、p-型ベース領域3およびn-型ドリフト層2の内部に空乏層(不図示)が広がり、伝導キャリアである電子の経路(チャネル)が遮断されている。このとき、ゲート電極8にゲート電圧を印加しないまたは負のゲート電圧を印加した状態(ゲート電圧≦0V)では、エミッタ−コレクタ間に電流は流れない。すなわち、オフ状態が維持される。オフ状態が維持されている間、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分にはゲート絶縁膜7に沿ってp型の反転層12が形成され、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とが電気的に接続される。このため、p型埋め込み領域9はp-型ベース領域3とほぼ同じベース(エミッタ)電位に固定され、p型埋め込み領域9とn-型ドリフト層2との間のpn接合22も逆バイアスされる。 Next, the operation of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. The emitter electrode 10 is in a state of being grounded to the ground or in a state in which a negative voltage is applied (emitter potential ≦ 0). The collector electrode 11 is in a state in which a positive voltage is applied (collector potential> 0). In this state, p - type base region 3 and n - pn junction 21 between the type drift layer 2 is reverse biased. Therefore, a depletion layer (not shown) spreads inside the p -- type base region 3 and the n -- type drift layer 2, and the path (channel) of electrons which are conduction carriers is blocked. At this time, in a state where a gate voltage is not applied to the gate electrode 8 or a negative gate voltage is applied (gate voltage ≦ 0 V), no current flows between the emitter and the collector. That is, the off state is maintained. While the off state is maintained, a portion of the n -type drift layer 2 between the p -type base region 3 and the p-type buried region 9 along the gate insulating film 7 is a p-type inversion layer 12. There is formed, p - type base region 3 and the p-type and the buried region 9 are electrically connected. Therefore, p-type buried region 9 is fixed at substantially the same base (emitter) potential as p -- type base region 3, and pn junction 22 between p-type buried region 9 and n -- type drift layer 2 is also reverse biased. Ru.

一方、ゲート電極8への印加電圧を閾値電圧以上にした場合(ゲート電圧≧閾値電圧)
、p-型ベース領域3の、n+型エミッタ領域4とn-型ドリフト層2とに挟まれた部分(ゲート電極8に対向する部分)に、ゲート絶縁膜7に沿ってn型の反転層(チャネル(不図示))が形成される。これによって、n+型エミッタ領域4、n型の反転層およびn-型ドリフト層2が伝導キャリアである電子の経路となる。すなわち、エミッタ電極10から出た電子は、n+型エミッタ領域4、n型の反転層およびn-型ドリフト層2を通ってコレクタ電極11へと動き、エミッタ−コレクタ間に電流が流れる。この状態がオン状態である。オン状態のときには、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9とに挟まれた部分にp型の反転層12は生じないため、p型埋め込み領域9はフローティング状態となる。そして、再び、ゲート電極8への印加電圧を少なくとも0V以下(ゲート電圧≦0V)にすることで、オン状態からオフ状態に移行する。このように、ゲート電極8への印加電圧によって半導体装置のオン・オフが制御される。
On the other hand, when the voltage applied to the gate electrode 8 is equal to or higher than the threshold voltage (gate voltage 閾 値 threshold voltage)
, N-type inversion along the gate insulating film 7 in a portion (portion facing the gate electrode 8) of the p -- type base region 3 sandwiched between the n + -type emitter region 4 and the n -- type drift layer 2 A layer (channel (not shown)) is formed. Thus, the n + -type emitter region 4, the n-type inversion layer, and the n -type drift layer 2 become paths of electrons as conduction carriers. That is, electrons emitted from the emitter electrode 10 move to the collector electrode 11 through the n + -type emitter region 4, the n-type inversion layer and the n -type drift layer 2, and a current flows between the emitter and the collector. This state is on. In the ON state, the p-type buried region 9 is floating because the p-type inversion layer 12 does not occur in the portion of the n -type drift layer 2 between the p -type base region 3 and the p-type buried region 9. It becomes a state. Then, by setting the voltage applied to the gate electrode 8 to at least 0 V or less (gate voltage ≦ 0 V), the on state shifts to the off state. Thus, the on / off of the semiconductor device is controlled by the voltage applied to the gate electrode 8.

ゲート電圧が0より大きくかつ閾値電圧未満である状態(0<ゲート電圧<閾値電圧)
においても、ゲート電圧が0V以下である場合と同様にn型の反転層(チャネル)は形成されない。しかし、実際には、外部からオフ制御のための指令値(ゲート電圧<閾値電圧)がゲート電極8に印加された後、ゲート電圧が0Vになるまでの間、実施の形態1にかかる半導体装置は動作を停止するまでの遷移状態にあり、完全に停止していない。このため、上述した説明においては、実施の形態1にかかる半導体装置の動作が完全に停止する少なくとも0V以下のゲート電圧である状態をオフ状態としているが、n-型ドリフト層2にp型の反転層12が形成されるときのゲート電圧と、p-型ベース領域3にn型の反転層(チャネル)が形成されるとき(オン状態)のゲート電圧(すなわち閾値電圧)とが等しくなるように調整可能であれば、ゲート電圧が閾値電圧未満である場合(ゲート電圧<閾値電圧)をオフ状態としてもよい。
In the state where the gate voltage is greater than 0 and less than the threshold voltage (0 <gate voltage <threshold voltage)
In the same manner as in the case where the gate voltage is 0 V or less, the n-type inversion layer (channel) is not formed. However, in practice, the semiconductor device according to the first embodiment is performed until the gate voltage becomes 0 V after the command value (gate voltage <threshold voltage) for the off control is externally applied to the gate electrode 8. Is in a transition state until the operation is stopped, and has not completely stopped. Therefore, in the above description, although at least 0V following conditions in the OFF state which is the gate voltage operation is completely stopped in a semiconductor device according to the first embodiment, n - the type drift layer 2 of p-type The gate voltage when the inversion layer 12 is formed is equal to the gate voltage (that is, the threshold voltage) when the n-type inversion layer (channel) is formed in the p -type base region 3 (on state) If the gate voltage is less than the threshold voltage (gate voltage <threshold voltage), it may be turned off.

また、上述した説明においては、IGBTなどの伝導度変調効果を利用したデバイスを例に説明しているが、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に本発明を適用してもよい。この場合、p+型コレクタ層1に代えてn+型ドレイン層を設け、n+型エミッタ領域4、エミッタ電極10およびコレクタ電極11をそれぞれn+型ソース領域、ソース電極およびドレイン電極とする。また、実施の形態1にかかる半導体装置の半導体材料として、シリコン(Si)半導体を用いてもよいし、例えば炭化珪素半導体など、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)を用いてもよい。 Further, in the above description, a device using conductivity modulation effect such as IGBT is described as an example, but the present invention is applied to an insulated gate field effect transistor (MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). May be In this case, instead of the p + -type collector layer 1, an n + -type drain layer is provided, and the n + -type emitter region 4, the emitter electrode 10 and the collector electrode 11 are n + -type source region, source electrode and drain electrode, respectively. In addition, a silicon (Si) semiconductor may be used as a semiconductor material of the semiconductor device according to the first embodiment, and a semiconductor having a wider band gap than silicon, such as a silicon carbide semiconductor (hereinafter referred to as a wide band gap semiconductor) ) May be used.

以上、説明したように、実施の形態1によれば、オン状態のときに、p型埋め込み領域はフローティング状態であるため、p型埋め込み領域からエミッタ電極への少数キャリア(ホール)の引き抜きが生じない。このため、IGBTなどの伝導度変調効果を利用したデバイスにおいて伝導度変調が妨げられることはない。これにより、オン抵抗特性が悪化することを防止することができる。すなわち、例えば上記特許文献3のようにオン状態のときにp型埋め込み領域がエミッタ電位に固定される場合に比べて、オン抵抗特性を向上させることができる。   As described above, according to the first embodiment, since the p-type buried region is in the floating state in the on state, minority carriers (holes) are drawn from the p-type buried region to the emitter electrode. Absent. Therefore, conductivity modulation is not hindered in a device utilizing conductivity modulation effect such as IGBT. This can prevent the deterioration of the on-resistance characteristic. That is, for example, the on-resistance characteristic can be improved as compared with the case where the p-type embedded region is fixed to the emitter potential in the on state as in Patent Document 3 described above.

また、例えば上記特許文献3のようにオフ状態のときにp型埋め込み領域がフローティング状態である場合、p型埋め込み領域の電位状態によっては、ゲート電極とp型埋め込み領域との電位差が大きくなり堆積絶縁層に高電界が集中する虞がある。一方、実施の形態1によれば、オフ状態のときに、p型埋め込み領域はp型の反転層によってp-型ベース領域と電気的に接続され、エミッタ電位(例えばグランド)に固定される。これにより、コレクタ電極に高電圧が印加されたとしても、ゲート電極とp型埋め込み領域との電位差(堆積絶縁層にかかる電圧)はゲート電圧程度となるため、堆積絶縁層に高電界が集中しない。また、p型埋め込み領域がエミッタ電位に固定されることで、n-型ドリフト層の、ゲート絶縁膜に沿った部分もエミッタ電位に近い電位に保たれ、ゲート絶縁膜にかかる電圧はゲート電圧程度となる。このため、ゲート絶縁膜にも高電界が集中しない。したがって、従来よりも耐圧特性を向上させることができ、動作不良や絶縁破壊などが生じることを防止することができる。また、ゲート酸化膜に高電界が集中しないため、半導体材料の最大電界強度に近い電界を生じさせる程度までコレクタ電圧の許容上限値を高くすることができる。これにより、例えばワイドバンドギャップ半導体を用いて、ワイドバンドギャップ半導体材料の特性限界に近い状態まで高耐圧化が可能となる。 Further, for example, when the p-type buried region is in the floating state in the off state as in Patent Document 3 described above, the potential difference between the gate electrode and the p-type buried region becomes large depending on the potential state of the p-type buried region. A high electric field may be concentrated on the insulating layer. On the other hand, according to the first embodiment, in the off state, the p-type buried region is electrically connected to the p -type base region by the p - type inversion layer and fixed at the emitter potential (eg, ground). As a result, even if a high voltage is applied to the collector electrode, the potential difference between the gate electrode and the p-type buried region (voltage applied to the deposited insulating layer) becomes about the gate voltage, so the high electric field is not concentrated on the deposited insulating layer . Further, by fixing the p-type buried region to the emitter potential, the portion along the gate insulating film of the n -type drift layer is also maintained at a potential close to the emitter potential, and the voltage applied to the gate insulating film is about the gate voltage It becomes. Therefore, the high electric field is not concentrated on the gate insulating film. Therefore, the withstand voltage characteristics can be improved as compared with the conventional case, and the occurrence of the operation failure or the dielectric breakdown can be prevented. Further, since the high electric field is not concentrated on the gate oxide film, the allowable upper limit of the collector voltage can be increased to such an extent that an electric field close to the maximum electric field strength of the semiconductor material is generated. As a result, for example, using a wide band gap semiconductor, it is possible to increase the breakdown voltage to a state close to the characteristic limit of the wide band gap semiconductor material.

また、実施の形態1によれば、オフ状態のときにn-型ドリフト層の内部にp型の反転層を形成し、このp型の反転層によってp-型ベース領域とp型埋め込み領域とを電気的に接続することができるため、例えば上記特許文献3のようにp-型ベース領域とp型埋め込み領域とを接続するための拡散領域を形成する必要がない。したがって、従来よりも製造工程を簡略化することができる。 Further, according to the first embodiment, a p-type inversion layer is formed inside the n -type drift layer in the off state, and the p -type base region and the p-type buried region are formed by the p-type inversion layer. the order can be electrically connected, for example p as disclosed in Patent Document 3 - it is not necessary to form a diffusion region for connecting the type base region and the p-type buried region. Therefore, the manufacturing process can be simplified as compared with the prior art.

(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の構造について説明する。図2は、実施の形態2にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態2にかかる半導体装置が実施の形態1にかかる半導体装置と異なる点は、n-型ドリフト層2の内部に、n-型ドリフト層2よりも不純物濃度の高いn型拡散領域(以下、n型ブロッキング領域(第5半導体領域)とする)13を設けている点である。n型ブロッキング領域13は、オン状態のときにn-型ドリフト層2の内部の少数キャリア(ホール)に対する障壁となり、少数キャリアの蓄積効果を高める機能を有する。これにより、n-型ドリフト層2のキャリア密度を高くすることができるため、オン抵抗を低減することができる。
Second Embodiment
Next, the structure of the semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the second embodiment. The semiconductor device differs from that according to the semiconductor device according to the first embodiment of the second embodiment, n - inside the type drift layer 2, n - -type drift layer 2 high n-type diffusion region impurity concentration than (or less , N-type blocking region (fifth semiconductor region) 13 is provided. The n-type blocking region 13 acts as a barrier to minority carriers (holes) inside the n -type drift layer 2 when in the on state, and has a function of enhancing the minority carrier accumulation effect. As a result, the carrier density of the n -type drift layer 2 can be increased, so that the on-resistance can be reduced.

n型ブロッキング領域13は、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9との間に、p-型ベース領域3およびp型埋め込み領域9と離して設けられることが好ましい。その理由は、次の通りである。p-型ベース領域3とn-型ドリフト層2との間のpn接合21付近における電界強度、または、トレンチ5の底部付近(p型埋め込み領域9および堆積絶縁層6付近)における電界強度が耐圧を律速する。この耐圧を律速する箇所におけるn-型ドリフト層2の不純物濃度が高くならないように、n型ブロッキング領域13を設けないことが好ましいからである。すなわち、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9との間にn型ブロッキング領域13を設けることで、トレンチ5の底部およびp型埋め込み領域9における電界強度をほぼ変化させずに、n型ブロッキング領域13を設けることができる。これにより、耐圧を低下させることなく、低オン抵抗化を図ることができる。 n-type blocking region 13, n - type drift layer 2, p - between type base region 3 and the p-type buried region 9, p - be provided apart -type base region 3 and the p-type buried region 9 Is preferred. The reason is as follows. The electric field strength in the vicinity of the pn junction 21 between the p type base region 3 and the n type drift layer 2 or the electric field strength in the vicinity of the bottom of the trench 5 (near the p type buried region 9 and the deposited insulating layer 6) Rate limiting. This is because it is preferable not to provide the n-type blocking region 13 so that the impurity concentration of the n -type drift layer 2 does not increase at the portion where the breakdown voltage is limited. That is, by providing the n-type blocking region 13 between the p -type base region 3 and the p-type buried region 9, the n-type blocking region 13 substantially does not change the electric field strength at the bottom of the trench 5 and the p-type buried region 9. A blocking area 13 can be provided. Thus, the on-resistance can be reduced without lowering the withstand voltage.

n型ブロッキング領域13の不純物濃度は、n-型ドリフト層2の不純物濃度よりも高い。また、n型ブロッキング領域13の不純物濃度は、p型埋め込み領域9のコレクタ側の電界強度が耐圧限界値を超えない程度に高不純物濃度(例えば1×1017/cm3程度)であってもよい。n型ブロッキング領域13の厚さは、例えば数μm程度である。n型ブロッキング領域13は、エピタキシャル層であってもよいし、例えばイオン注入によって形成された拡散領域であってもよい。エピタキシャル層からなるn型ブロッキング領域13を形成する場合、例えば、p+型コレクタ層1となるp+型出発基板上に、n-型ドリフト層2およびn型ブロッキング領域13を堆積した後、再度n-型ドリフト層2を堆積することでn-型ドリフト層2の厚さを調整すればよい。イオン注入による拡散領域からなるn型ブロッキング領域13を形成する場合、例えば、イオン注入の加速エネルギーを種々変更し、n-型ドリフト層2の第1主面から所定の深さにn型ブロッキング領域13を形成すればよい。 The impurity concentration of the n-type blocking region 13 is higher than the impurity concentration of the n -type drift layer 2. In addition, the impurity concentration of n-type blocking region 13 is high even if the electric field intensity on the collector side of p-type buried region 9 does not exceed the breakdown voltage limit (for example, about 1 × 10 17 / cm 3 ). Good. The thickness of the n-type blocking region 13 is, for example, about several μm. The n-type blocking region 13 may be an epitaxial layer or, for example, a diffusion region formed by ion implantation. When forming the n-type blocking region 13 made of the epitaxial layer, for example, the p + -type starting substrate comprising the p + -type collector layer 1, n - after depositing a type drift layer 2 and the n-type blocking regions 13, again n - n by depositing the type drift layer 2 - may be adjusted thickness of the type drift layer 2. When forming the n-type blocking region 13 composed of a diffusion region by ion implantation, for example, the acceleration energy of ion implantation is variously changed to an n-type blocking region at a predetermined depth from the first major surface of the n -type drift layer 2 It is sufficient to form 13.

n型ブロッキング領域13は、n-型ドリフト層2を挟んで、例えばp-型ベース領域3とn-型ドリフト層2との間のpn接合21全面に対向していてもよい。また、n型ブロッキング領域13は、トレンチ5の底部よりもコレクタ側に設けられていてもよい。この場合、n型ブロッキング領域13の不純物濃度および厚さを適宜設定することで、耐圧低下を最小限に抑えることができる。 n-type blocking region 13, n - across the type drift layer 2, for example p - type base region 3 and the n - may be opposed to the pn junction 21 over the entire surface between the type drift layer 2. In addition, the n-type blocking region 13 may be provided closer to the collector than the bottom of the trench 5. In this case, by setting the impurity concentration and thickness of the n-type blocking region 13 appropriately, the reduction in breakdown voltage can be minimized.

以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態2によれば、n型ブロッキング領域を設けることにより、さらにオン抵抗特性を向上させることができる。   As described above, according to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, according to the second embodiment, the on-resistance characteristic can be further improved by providing the n-type blocking region.

(実施の形態3)
次に、実施の形態3にかかる半導体装置の構造について説明する。図3は、実施の形態3にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態3にかかる半導体装置が実施の形態2にかかる半導体装置と異なる点は、p型埋め込み領域9が常時(オン状態およびオフ状態ともに)フローティング状態である点である。
Third Embodiment
Next, the structure of the semiconductor device according to the third embodiment will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the third embodiment. The semiconductor device according to the third embodiment differs from the semiconductor device according to the second embodiment in that the p-type buried region 9 is always in a floating state (both in the on state and in the off state).

実施の形態3においては、オフ状態のとき、n-型ドリフト層2の内部に、p-型ベース領域3とn-型ドリフト層2との間のpn接合21から空乏層(不図示)が広がり、当該pn接合21付近が電界強度のピークとなる。また、n-型ドリフト層2の内部には、p型埋め込み領域9とn-型ドリフト層2との間のpn接合22からも空乏層(不図示)が広がり、当該pn接合22付近にも電界強度のピークが形成される。すなわち、n-型ドリフト層2の内部において電界強度のピークを2箇所に分散させることができ、電界強度の最大ピーク値を低減させることができる。このため、耐圧を向上させることができる。また、n-型ドリフト層2の内部にn型ブロッキング領域13を設けることで、実施の形態2と同様にオン抵抗特性を向上させることができる。 In the third embodiment, the off-state, n - inside the type drift layer 2, p - type base region 3 and n - depletion from the pn junction 21 between the type drift layer 2 (not shown) It spreads, and the vicinity of the pn junction 21 becomes a peak of electric field strength. Further, n - in the interior of the type drift layer 2, p-type buried region 9 and the n - depletion layer from the pn junction 22 between the type drift layer 2 (not shown) is spread, in the vicinity of the pn junction 22 A peak of electric field strength is formed. That is, the peaks of the electric field intensity can be dispersed at two places inside the n -type drift layer 2, and the maximum peak value of the electric field intensity can be reduced. Therefore, the withstand voltage can be improved. Further, by providing the n-type blocking region 13 inside the n -- type drift layer 2, the on-resistance characteristic can be improved as in the second embodiment.

以上、説明したように、実施の形態3によれば、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。   As described above, according to the third embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.

(実施の形態4)
次に、実施の形態4にかかる半導体装置の構造について説明する。図4は、実施の形態4にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態4にかかる半導体装置が実施の形態3にかかる半導体装置と異なる点は、隣り合うトレンチ5間に挟まれた部分に、トレンチ5よりも深い深さで、かつ常時エミッタ電位に固定されたp型領域(以下、p型カラム領域(第3半導体領域)とする)14を設けている点である。実施の形態4においては、p型埋め込み領域は設けられていない。また、n型ブロッキング領域(第5半導体領域)15は、耐圧を律速する箇所(堆積絶縁層6付近、および後述するp型カラム領域14とn-型ドリフト層2との間のpn接合23付近)におけるn-型ドリフト層2の不純物濃度が高くならないように、トレンチ5の底部よりもコレクタ側に設けられている。
Embodiment 4
Next, the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment. The semiconductor device according to the fourth embodiment is different from the semiconductor device according to the third embodiment in that the semiconductor device according to the fourth embodiment is always fixed at the emitter potential at a depth deeper than that of the trench 5 in a portion sandwiched between adjacent trenches 5. The point is that a p-type region (hereinafter referred to as a p-type column region (third semiconductor region)) 14 is provided. In the fourth embodiment, the p-type embedded region is not provided. Further, n-type blocking region (fifth semiconductor region) 15 is near the point (deposited insulating layer 6 which determines the rate of breakdown voltage, and which will be described later p-type column region 14 and n - pn junction near 23 between the type drift layer 2 ) Is provided on the collector side of the bottom of the trench 5 so that the impurity concentration of the n -type drift layer 2 does not increase.

p型カラム領域14は、隣り合うトレンチ5間にトレンチ5と離して設けられ、かつエミッタ電極10に電気的に接続されている。p型カラム領域14の深さは、トレンチ5の深さよりも深い。例えば、p型カラム領域14は、n+型エミッタ領域4およびp-型ベース領域3を貫通して、n-型ドリフト層2の内部に設けられたn型ブロッキング領域15に達していてもよい。トレンチ5よりも深いp型カラム領域14を設けることにより、p型カラム領域14とn-型ドリフト層2との間のpn接合23に電界を集中させることができるため、堆積絶縁層6付近の電界強度を低下させることができる。p型カラム領域14の不純物濃度は、設計条件に合わせて種々変更可能であり、エネルギー準位の縮退が起きない程度に高くてもよい。 The p-type column region 14 is provided between the adjacent trenches 5 so as to be separated from the trench 5 and electrically connected to the emitter electrode 10. The depth of the p-type column region 14 is deeper than the depth of the trench 5. For example, the p-type column region 14 may penetrate the n + -type emitter region 4 and the p -type base region 3 to reach the n-type blocking region 15 provided inside the n -type drift layer 2 . By providing the p-type column region 14 deeper than the trench 5, the electric field can be concentrated on the pn junction 23 between the p-type column region 14 and the n -type drift layer 2. The electric field strength can be reduced. The impurity concentration of the p-type column region 14 can be variously changed in accordance with the design conditions, and may be high enough to prevent degradation of energy levels.

以上、説明したように、実施の形態4によれば、n-型ドリフト層の内部にn型ブロッキング領域を設けることで、実施の形態2と同様にオン抵抗特性を向上させることができる。 As described above, according to the fourth embodiment, the on-resistance characteristic can be improved as in the second embodiment by providing the n-type blocking region inside the n -type drift layer.

(実施の形態5)
次に、実施の形態5にかかる半導体装置の構造について説明する。図5は、実施の形態5にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態5にかかる半導体装置が実施の形態4にかかる半導体装置と異なる点は、p型カラム領域(第7半導体領域)16によってp-型ベース領域3とp型埋め込み領域(第6半導体領域)9とを連結している点である。すなわち、p-型ベース領域3、p型カラム領域16およびp型埋め込み領域9によって、実施の形態4のp型カラム領域と同様に、隣り合うトレンチ5間に挟まれた部分に、トレンチ5よりも深い深さで設けられ、常時エミッタ電位に固定されたp型領域が構成されている。具体的には、p型カラム領域16は、n-型ドリフト層2の、p-型ベース領域3とp型埋め込み領域9との間に、トレンチ5の側壁に設けられたゲート絶縁膜7に沿って設けられている。n型ブロッキング領域15の構成は、実施の形態4と同様である。
Fifth Embodiment
Next, the structure of the semiconductor device according to the fifth embodiment will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the fifth embodiment. The semiconductor device according to the fifth embodiment is different from the semiconductor device according to the fourth embodiment in that the p -type base region 3 and the p-type embedded region (sixth semiconductor region) are separated by the p-type column region (seventh semiconductor region) 16. ) And 9). That is, similar to the p-type column region of the fourth embodiment, p - type base region 3, p-type column region 16 and p-type embedded region 9 allow trench 5 to be interposed between adjacent trenches 5. Also, a p-type region provided at a deep depth and always fixed to the emitter potential is configured. Specifically, p type column region 16 is formed of gate insulating film 7 provided on the sidewall of trench 5 between p type base region 3 and p type buried region 9 of n type drift layer 2. It is provided along. The configuration of the n-type blocking region 15 is the same as that of the fourth embodiment.

以上、説明したように、実施の形態5によれば、実施の形態4と同様の効果を得ることができる。   As described above, according to the fifth embodiment, the same effect as that of the fourth embodiment can be obtained.

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。   The present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention. In each of the embodiments described above, for example, the dimensions of each part, the impurity concentration, and the like are variously set according to the required specifications. In each of the above-described embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but in the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. The same holds true.

以上のように、本発明にかかる半導体装置は、高耐圧を有するトレンチゲート構造のMOS型半導体装置に有用である。   As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for a trench gate MOS type semiconductor device having a high withstand voltage.

1 p+型コレクタ層
2 n-型ドリフト層
3 p-型ベース領域
4 n+型エミッタ領域
5 トレンチ
6 堆積絶縁層
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 p型埋め込み領域
10 エミッタ電極
11 コレクタ電極
12 p型の反転層
13,15 n型ブロッキング領域
14,16 p型カラム領域
21 p-型ベース領域とn-型ドリフト層との間のpn接合
22 p型埋め込み領域とn-型ドリフト層との間のpn接合
23 p型カラム領域とn-型ドリフト層との間のpn接合
1 p + type collector layer 2 n type drift layer 3 p type base region 4 n + type emitter region 5 trench 6 deposited insulating layer 7 gate insulating film 8 gate electrode 9 p type buried region 10 emitter electrode 11 collector electrode 12 p Type inversion layer 13, 15 n-type blocking region 14, 16 p-type column region 21 p - type base region and n - type drift layer between pn junctions 22 p-type buried region and n - type drift layer Pn junction 23 pn junction between p-type column region and n - type drift layer

Claims (8)

第1導電型の半導体層の第1主面側に設けられた第2導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の内部に選択的に設けられた第1導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域および前記第1半導体領域を貫通して前記半導体層に達するトレンチと、
前記トレンチの底部に埋め込まれた絶縁層と、
前記トレンチの内部に、前記トレンチの側壁に沿って設けられたゲート絶縁膜と、
前記トレンチの内部の、前記ゲート絶縁膜の内側で、かつ前記絶縁層の表面に設けられたゲート電極と、
前記半導体層の内部に前記トレンチの底部を囲むように選択的に設けられ、前記絶縁層を挟んで前記ゲート電極に対向する第2導電型の第3半導体領域と、
前記半導体層の第2主面側に設けられた第4半導体領域と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に電気的に接続された第1電極と、
前記第4半導体領域に電気的に接続された第2電極と、
を備え、
前記ゲート電極は、第2導電型半導体層、または、第2導電型不純物をドープしたポリシリコン層であり、
前記ゲート電極に0Vより大きく、かつ前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体層とに挟まれた部分に前記ゲート絶縁膜に沿って第1導電型反転層が形成される第1ゲート電圧の最低電圧であるゲート閾値電圧未満の範囲の第2ゲート電圧が印加されたときに、前記半導体層の、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域とに挟まれた部分に前記ゲート絶縁膜に沿って第2導電型反転層が生じ、前記第2導電型反転層によって前記第1半導体領域と前記第3半導体領域とが電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor region of a second conductivity type provided on the first main surface side of the semiconductor layer of the first conductivity type;
A second semiconductor region of a first conductivity type selectively provided inside the first semiconductor region;
A trench penetrating the second semiconductor region and the first semiconductor region to reach the semiconductor layer;
An insulating layer buried at the bottom of the trench;
A gate insulating film provided along the sidewall of the trench inside the trench;
A gate electrode provided inside the gate insulating film and on the surface of the insulating layer inside the trench;
A third semiconductor region of a second conductivity type that is selectively provided inside the semiconductor layer to surround the bottom of the trench and that faces the gate electrode with the insulating layer interposed therebetween;
A fourth semiconductor region provided on the second main surface side of the semiconductor layer;
A first electrode electrically connected to the first semiconductor region and the second semiconductor region;
A second electrode electrically connected to the fourth semiconductor region;
Equipped with
The gate electrode is a second conductivity type semiconductor layer or a polysilicon layer doped with a second conductivity type impurity,
A first conductivity type inversion layer is formed along the gate insulating film in a portion of the first semiconductor region which is larger than 0 V and is sandwiched between the second semiconductor region and the semiconductor layer. When a second gate voltage in a range of less than a gate threshold voltage which is a lowest voltage of one gate voltage is applied, the semiconductor layer is provided in a portion sandwiched between the first semiconductor region and the third semiconductor region. A semiconductor device characterized in that a second conductivity type inversion layer is generated along a gate insulating film, and the first semiconductor region and the third semiconductor region are electrically connected by the second conductivity type inversion layer.
前記半導体層の内部に、前記第1半導体領域および前記第3半導体領域と離して選択的に設けられた、前記半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第5半導体領域をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor layer may further include a fifth semiconductor region of a first conductivity type higher in impurity concentration than the semiconductor layer, which is selectively provided apart from the first semiconductor region and the third semiconductor region inside the semiconductor layer. The semiconductor device according to claim 1, characterized in that 前記第5半導体領域は、前記半導体層の、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the fifth semiconductor region is provided in the semiconductor layer between the first semiconductor region and the third semiconductor region. 前記半導体層は、前記ゲート電極に前記第2ゲート電圧が印加されたときに前記第2導電型反転層が生じる不純物濃度に設定されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。   4. The semiconductor layer according to claim 1, wherein the semiconductor layer is set to have an impurity concentration which causes the second conductivity type inversion layer to be generated when the second gate voltage is applied to the gate electrode. Semiconductor device according to claim 1. 前記半導体層は、前記ゲート電極に前記第1ゲート電圧が印加されたときに前記第2導電型反転層が生じない不純物濃度に設定されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体装置。   5. The semiconductor layer according to claim 1, wherein the semiconductor layer is set to have an impurity concentration such that the second conductivity type inversion layer does not occur when the first gate voltage is applied to the gate electrode. The semiconductor device described in one. 前記第3半導体領域は、前記ゲート電極に前記第1ゲート電圧が印加されたときにフローティング状態であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the third semiconductor region is in a floating state when the first gate voltage is applied to the gate electrode. 前記半導体層の内部において、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間に、前記第1半導体領域および前記第3半導体領域に接して選択的に設けられ、前記第1半導体領域側から前記トレンチの底部よりも深い位置に達する第2導電型の第6半導体領域をさらに備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor layer is selectively provided in contact with the first semiconductor region and the third semiconductor region between the first semiconductor region and the third semiconductor region inside the semiconductor layer, and from the first semiconductor region side The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, further comprising a sixth semiconductor region of a second conductivity type reaching a position deeper than the bottom of the trench. 第2導電型の前記第4半導体領域を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, comprising the fourth semiconductor region of the second conductivity type.
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