JP2020126932A - Trench gate type semiconductor device - Google Patents
Trench gate type semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020126932A JP2020126932A JP2019018655A JP2019018655A JP2020126932A JP 2020126932 A JP2020126932 A JP 2020126932A JP 2019018655 A JP2019018655 A JP 2019018655A JP 2019018655 A JP2019018655 A JP 2019018655A JP 2020126932 A JP2020126932 A JP 2020126932A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- trench
- insulating film
- gate insulating
- concentration region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
本明細書に開示の技術は、トレンチゲート型半導体装置に関する。 The technology disclosed in the present specification relates to a trench gate type semiconductor device.
特許文献1には、トレンチゲート型半導体装置が開示されている。この半導体装置は、上面にトレンチが設けられた半導体基板と、トレンチ内に配置されたゲート絶縁膜及びゲート電極を有している。ゲート電極は、ゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されている。この半導体装置では、半導体基板が、第1半導体領域と、ボディ領域と、第2半導体領域を有している。第1半導体領域は、n型であり、ゲート絶縁膜に接している。ボディ領域は、p型であり、第1半導体領域の下側でゲート絶縁膜に接している。第2半導体領域は、n型であり、ボディ領域の下側でゲート絶縁膜に接しており、ボディ領域によって第1半導体領域から分離されている。 Patent Document 1 discloses a trench gate type semiconductor device. This semiconductor device has a semiconductor substrate having a trench provided on the upper surface thereof, and a gate insulating film and a gate electrode arranged in the trench. The gate electrode is insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film. In this semiconductor device, the semiconductor substrate has a first semiconductor region, a body region, and a second semiconductor region. The first semiconductor region is n-type and is in contact with the gate insulating film. The body region is p-type and is in contact with the gate insulating film below the first semiconductor region. The second semiconductor region is n-type, is in contact with the gate insulating film below the body region, and is separated from the first semiconductor region by the body region.
特許文献1の半導体装置がオンするときには、ゲート電極の電位をゲート閾値よりも高くする。すると、ゲート絶縁膜近傍のボディ領域にチャネルが形成される。チャネルを経由して第1半導体領域から第2半導体領域に電子が流れることにより、半導体装置がオン状態となる。 When the semiconductor device of Patent Document 1 is turned on, the potential of the gate electrode is set higher than the gate threshold value. Then, a channel is formed in the body region near the gate insulating film. Electrons flow from the first semiconductor region to the second semiconductor region via the channel, so that the semiconductor device is turned on.
特許文献1の半導体装置では、ゲート絶縁膜近傍にのみチャネルが形成される。したがって、電子は、ボディ領域とゲート絶縁膜の界面近傍を流れる。ボディ領域とゲート絶縁膜の界面近傍を電子が流れる際に、電子が散乱される。例えば、ゲート絶縁膜とボディ領域の間の界面準位に捕捉された電荷によって電子が散乱される。また、ボディ領域とゲート絶縁膜の間の界面の粗さによって電子が散乱される。このように電子が散乱されることによって、チャネルを流れる電子の移動度が低下し、チャネル抵抗が高くなるという問題がある。本明細書は、トレンチゲート型半導体装置において、チャネル抵抗を低減することができる技術を提供する。 In the semiconductor device of Patent Document 1, the channel is formed only near the gate insulating film. Therefore, the electrons flow near the interface between the body region and the gate insulating film. When the electrons flow near the interface between the body region and the gate insulating film, the electrons are scattered. For example, electrons are scattered by the charges trapped in the interface state between the gate insulating film and the body region. In addition, electrons are scattered by the roughness of the interface between the body region and the gate insulating film. Due to the scattering of electrons in this way, there is a problem that the mobility of the electrons flowing through the channel decreases and the channel resistance increases. The present specification provides a technique capable of reducing channel resistance in a trench gate type semiconductor device.
トレンチゲート型半導体装置では、2つの隣接するトレンチの間の間隔を狭くすることにより、半導体装置がオンするときに、トレンチ間に位置するボディ領域の略全域にチャネルを形成することができる。すなわち、ボディ領域の幅を狭くすることにより、トレンチ間に位置するボディ領域の略全域をチャネルとして機能させることができる。本明細書では、トレンチ間に位置するボディ領域の略全域に形成されるチャネルをバルクチャネルという。バルクチャネルでは、ゲート絶縁膜から離れた位置でも電子が流れる。このため、電子は、ゲート絶縁膜とボディ領域の間の界面に起因する散乱の影響を受け難い。したがって、バルクチャネルにより、電子の移動度を向上させることができる。しかしながら、バルクチャネル型のトレンチゲート型半導体装置においては、ボディ領域の濃度を比較的低くする必要がある。このため、ゲート閾値が低いという問題がある。上記の事情に鑑みて、本明細書が開示するトレンチゲート型半導体装置は、以下の構成を有する。 In the trench gate type semiconductor device, by narrowing the interval between two adjacent trenches, when the semiconductor device is turned on, a channel can be formed in almost the entire body region located between the trenches. That is, by narrowing the width of the body region, almost the entire body region located between the trenches can function as a channel. In the present specification, a channel formed in almost the entire body region located between the trenches is referred to as a bulk channel. In the bulk channel, electrons flow even at a position away from the gate insulating film. Therefore, the electrons are less likely to be affected by the scattering caused by the interface between the gate insulating film and the body region. Therefore, the bulk channel can improve electron mobility. However, in the bulk channel type trench gate type semiconductor device, it is necessary to make the concentration of the body region relatively low. Therefore, there is a problem that the gate threshold value is low. In view of the above circumstances, the trench gate type semiconductor device disclosed in this specification has the following configuration.
本明細書が開示するトレンチゲート型半導体装置は、半導体基板と、第1トレンチと、第2トレンチと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極を有している。前記第1トレンチは、前記半導体基板の上面に設けられている。前記第2トレンチは、前記半導体基板の前記上面に前記第1トレンチから間隔を空けて設けられている。前記ゲート絶縁膜は、前記第1トレンチの内面及び前記第2トレンチの内面を覆っている。前記ゲート電極は、前記第1トレンチ内及び前記第2トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されている。前記半導体基板が、第1半導体領域と、ボディ領域と第2半導体領域を有している。前記第1半導体領域は、前記第1トレンチと前記第2トレンチの間に配置されているn型領域である。前記ボディ領域は、前記第1トレンチと前記第2トレンチの間に配置されており、前記第1半導体領域の下側に配置されており、前記第1トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置から前記第2トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置まで伸びているp型領域である。前記第2半導体領域は、前記第1トレンチと前記第2トレンチの間に配置されており、前記ボディ領域の下側に配置されており、前記第1トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置から前記第2トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置まで伸びており、前記ボディ領域によって前記第1半導体領域から分離されているn型領域である。前記第1トレンチと前記第2トレンチの間の間隔が100nm以下である。前記ボディ領域が、前記第1トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する範囲に設けられた第1高濃度領域と、前記第2トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する範囲に設けられた第2高濃度領域と、前記第1高濃度領域と前記第2高濃度領域の間に配置されており、前記第1高濃度領域及び前記第2高濃度領域よりもp型不純物濃度が低い低濃度領域を有する。 The trench gate type semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a first trench, a second trench, a gate insulating film, and a gate electrode. The first trench is provided on the upper surface of the semiconductor substrate. The second trench is provided on the upper surface of the semiconductor substrate at a distance from the first trench. The gate insulating film covers the inner surface of the first trench and the inner surface of the second trench. The gate electrode is arranged in the first trench and the second trench, and is insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film. The semiconductor substrate has a first semiconductor region, a body region and a second semiconductor region. The first semiconductor region is an n-type region arranged between the first trench and the second trench. The body region is disposed between the first trench and the second trench, is disposed below the first semiconductor region, and extends from a position in contact with the gate insulating film in the first trench. The p-type region extends to a position in contact with the gate insulating film in the second trench. The second semiconductor region is arranged between the first trench and the second trench, is arranged below the body region, and is located from a position in contact with the gate insulating film in the first trench. An n-type region that extends to a position in contact with the gate insulating film in the second trench and is separated from the first semiconductor region by the body region. The distance between the first trench and the second trench is 100 nm or less. A first high-concentration region provided in a range where the body region contacts the gate insulating film in the first trench, and a second high-concentration region provided in a range contacting the gate insulating film in the second trench. A region and a low concentration region which is arranged between the first high concentration region and the second high concentration region and has a p-type impurity concentration lower than those of the first high concentration region and the second high concentration region. ..
上記のトレンチゲート型半導体装置では、ボディ領域が、第1トレンチ内のゲート絶縁膜に接する位置から第2トレンチ内のゲート絶縁膜に接する位置まで伸びている。また、第1トレンチと第2トレンチの間の間隔が100nm以下であり、バルクチャネルを形成可能なほど十分に狭い。このため、上記の半導体装置をオンする際には、ボディ領域の略全域にバルクチャネルが形成される。 In the above trench gate type semiconductor device, the body region extends from a position in contact with the gate insulating film in the first trench to a position in contact with the gate insulating film in the second trench. Further, the distance between the first trench and the second trench is 100 nm or less, which is sufficiently narrow to form a bulk channel. Therefore, when the semiconductor device is turned on, a bulk channel is formed in almost the entire body region.
また、上記のトレンチゲート型半導体装置では、ボディ領域が、ゲート絶縁膜に接する範囲に設けられた第1高濃度領域及び第2高濃度領域と、第1高濃度領域と第2高濃度領域の間に配置された低濃度領域を有している。ゲート絶縁膜に接する範囲に第1高濃度領域と第2高濃度領域を設けることで、ボディ領域に反転層が広がり難くなる。このため、従来よりもゲート閾値を高くすることができる。また、ボディ領域にバルクチャネルが形成されると、電子が、p型不純物濃度が低い低濃度領域内を流れることができる。p型不純物濃度が低い低濃度領域では、固定電荷(p型不純物)による電子の散乱が生じ難いので、電子の移動度が高い。したがって、低いチャネル抵抗を実現することができる。このように、このトレンチゲート型半導体装置では、高いゲート閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。 Further, in the above trench gate type semiconductor device, the body region includes the first high concentration region and the second high concentration region, which are provided in a range in contact with the gate insulating film, and the first high concentration region and the second high concentration region. It has a low-concentration region disposed in between. By providing the first high-concentration region and the second high-concentration region in the range in contact with the gate insulating film, it becomes difficult for the inversion layer to spread in the body region. Therefore, the gate threshold value can be made higher than in the conventional case. Further, when the bulk channel is formed in the body region, electrons can flow in the low concentration region where the p-type impurity concentration is low. In the low-concentration region where the p-type impurity concentration is low, electrons are less likely to be scattered by fixed charges (p-type impurities), so that the mobility of electrons is high. Therefore, low channel resistance can be realized. Thus, in this trench gate type semiconductor device, a high gate threshold and a low channel resistance can be realized.
図1に示す実施例1のトレンチゲート型半導体装置10(以下、半導体装置10という。)は、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)である。半導体装置10は、半導体基板12を有している。本実施例では、半導体基板12は、炭化珪素(SiC)により構成されている。半導体基板12の材料は、上記に限定されず、例えば、珪素(Si)や窒化ガリウム(GaN)といった各種の半導体材料であってもよい。以下では、半導体基板12の上面12aに平行な一方向(図1の左右方向)をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向(図1の紙面に対して垂直な方向)をy方向という。図1に示すように、半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。各トレンチ22は、y方向に長く伸びている。各トレンチ22は、x方向に間隔を空けて互いに平行に伸びている。各トレンチ22の内面は、ゲート絶縁膜24によって覆われている。各トレンチ22の内部には、ゲート電極26が配置されている。ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24によって半導体基板12から絶縁されている。各ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。以下では、説明の便宜上、図1において左側のトレンチ22を第1トレンチ22aといい、図1において右側のトレンチ22を第2トレンチ22bということがある。なお、図示されていないが、図1において、第1トレンチ22aの左側及び第2トレンチ22bの右側には、トレンチ22と同様のトレンチが複数形成されている。本実施例では、各トレンチ22の間の間隔は100nm以下である。詳細には、図1に示すように、隣接する2つのトレンチ22の対向する側面の間の間隔Wが100nm以下である。
The trench gate type semiconductor device 10 (hereinafter referred to as the semiconductor device 10) of the first embodiment shown in FIG. 1 is a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). The
半導体基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、半導体基板12の下面12bの略全域に接している。
The
半導体基板12の内部には、複数のソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域34及びドレイン領域35が設けられている。なお、隣接する2つのトレンチ22の間における半導体基板12の内部の構成は、同様であるため、以下では、図1に示す2つのトレンチ22a、22bの間に位置する構成について説明する。
Inside the
ソース領域30は、n型領域である。各ソース領域30は、半導体基板12の上面12aに露出する位置に配置されており、上部電極70にオーミック接触している。ソース領域30は、第1トレンチ22aの上端部において第1トレンチ22a内のゲート絶縁膜24に接する第1ソース領域30aと、第2トレンチ22bの上端部において第2トレンチ22b内のゲート絶縁膜24に接する第2ソース領域30bを有している。
The
ボディ領域32は、p型領域である。ボディ領域32は、各ソース領域30に接している。ボディ領域32は、第1ソース領域30aと第2ソース領域30bに挟まれた範囲から各ソース領域30の下側まで伸びている。ボディ領域32は、コンタクト領域32aとメインボディ領域32bを有している。コンタクト領域32aは、メインボディ領域32bよりも高いp型不純物濃度を有している。コンタクト領域32aは、第1ソース領域30aと第2ソース領域30bに挟まれた範囲に配置されている。コンタクト領域32aは、上部電極70にオーミック接触している。メインボディ領域32bは、第1ソース領域30a、コンタクト領域32a及び第2ソース領域30bの下側に配置されている。メインボディ領域32bは、第1トレンチ22a内のゲート絶縁膜24に接する位置から第2トレンチ22b内のゲート絶縁膜24に接する位置まで伸びている。メインボディ領域32bは、第1高濃度領域33aと、第2高濃度領域33bと、低濃度領域33cを有している。
The
第1高濃度領域33aは、第1トレンチ22aのゲート絶縁膜24に接する範囲に設けられている。第1高濃度領域33aは、第1ソース領域30aの下側で第1トレンチ22a内のゲート絶縁膜24に接している。第2高濃度領域33bは、第2トレンチ22bのゲート絶縁膜24に接する範囲に設けられている。第2高濃度領域33bは、第2ソース領域30bの下側で第2トレンチ22b内のゲート絶縁膜24に接している。第2高濃度領域33bのp型不純物濃度は、第1高濃度領域33aのp型不純物濃度と略等しい。第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bのp型不純物濃度は、特に限定されないが、例えば、2×1018cm−3である。低濃度領域33cは、第1高濃度領域33aと第2高濃度領域33bの間に配置されている。低濃度領域33cは、第1高濃度領域33aによって第1トレンチ22a内のゲート絶縁膜24から分離されている。低濃度領域33cは、第2高濃度領域33bによって第2トレンチ22b内のゲート絶縁膜24から分離されている。低濃度領域33cは、コンタクト領域32aに接している。低濃度領域33cは、第1ソース領域30a及び第2ソース領域30bに接している。低濃度領域33cは、第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bよりも低いp型不純物濃度を有している。低濃度領域33cのp型不純物濃度は、特に限定されないが、例えば、2×1016cm−3である。また、第1高濃度領域33aの幅(第1トレンチ22a内のゲート絶縁膜24と低濃度領域33cの間の距離)及び第2高濃度領域33bの幅(第2トレンチ22b内のゲート絶縁膜24と低濃度領域33cの間の距離)は、特に限定されないが、例えば、10nmである。
The first
ドリフト領域34は、n型領域である。ドリフト領域34は、メインボディ領域32bの下側に配置されている。ドリフト領域34は、第1高濃度領域33a、第2高濃度領域33b、及び、低濃度領域33cに接している。ドリフト領域34は、第1トレンチ22a内のゲート絶縁膜24に接する位置から第2トレンチ22b内のゲート絶縁膜24に接する位置まで伸びている。ドリフト領域34は、メインボディ領域32bによってソース領域30から分離されている。ドリフト領域34は、第1トレンチ22aの底部を覆うとともに、第2トレンチ22bの底部を覆っている。
The
ドレイン領域35は、n型領域である。ドレイン領域35は、ドリフト領域34よりも高いn型不純物濃度を有している。ドレイン領域35は、ドリフト領域34の下側に配置されている。ドレイン領域35は、半導体基板12の下面12bに露出している。ドレイン領域35は、下部電極72にオーミック接触している。
The
次に、半導体装置10の動作について説明する。半導体装置10の使用時には、半導体装置10と負荷(例えば、モータ)と電源が直列に接続される。半導体装置10と負荷の直列回路に対して、電源電圧が印加される。半導体装置10のドレイン側(下部電極72)がソース側(上部電極70)よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。半導体装置10をオンするときには、ゲート電極26の電位を、ゲート閾値よりも高い電位まで上昇させる。ゲート電極26の電位を上昇させる過程において、まず、メインボディ領域32bの第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bがn型に反転する。本実施例では、第1トレンチ22aと第2トレンチ22bの間の間隔Wが100nm以下となっている。すなわち、メインボディ領域32bの幅が100nm以下である。メインボディ領域32bの幅が十分に狭いので、ゲート電極26の電位をさらに上昇させると、第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bから低濃度領域33cに反転層が広がり、低濃度領域33cの略全域がn型に反転する。これにより、第1トレンチ22aと第2トレンチ22bの間のメインボディ領域32bの全域にチャネル(すなわち、バルクチャネル)が形成される。メインボディ領域32bにバルクチャネルが形成されると、バルクチャネルによってソース領域30とドリフト領域34が接続される。したがって、ソース領域30からバルクチャネルを介してドリフト領域34へ電子が流れる。これにより、半導体装置10がオンする。半導体装置10をオフするときには、ゲート電極26にゲート閾値よりも低い電位を印加する。すると、メインボディ領域32bに形成されていたバルクチャネルが消滅し、半導体装置10がオフする。
Next, the operation of the
隣接するトレンチの間隔が広い従来の半導体装置では、ボディ領域のゲート絶縁膜近傍の範囲にのみチャネルが形成される。したがって、電子はボディ領域とゲート絶縁膜の界面近傍を流れる。この際、ゲート絶縁膜とボディ領域の間の界面準位に捕捉された電荷や、ボディ領域とゲート絶縁膜の間の界面の粗さによって電子が散乱される。その結果、チャネルを流れる電子の移動度が低下し、チャネル抵抗が高くなる。 In the conventional semiconductor device in which the distance between the adjacent trenches is large, the channel is formed only in the area near the gate insulating film in the body region. Therefore, the electrons flow near the interface between the body region and the gate insulating film. At this time, the electrons are scattered by the charges trapped in the interface state between the gate insulating film and the body region and the roughness of the interface between the body region and the gate insulating film. As a result, the mobility of the electrons flowing in the channel is lowered and the channel resistance is increased.
これに対し、本実施例では、上述したように、メインボディ領域32bにバルクチャネルが形成される。バルクチャネルでは、ゲート絶縁膜24の近傍の高濃度領域33a、33bだけでなく、ゲート絶縁膜24から離れた低濃度領域33cでも電子が流れる。ゲート絶縁膜24から離れた低濃度領域33c内では、ゲート絶縁膜24とメインボディ領域32bの間の界面に起因する電子の散乱が生じない。また、p型不純物濃度が低い低濃度領域33cでは、固定電荷(p型不純物)による電子の散乱が生じ難い。このように、低濃度領域33c内では、電子の散乱が生じ難いので、電子の移動度が高い。したがって、本実施例の半導体装置10では、バルクチャネルが形成されることにより、低いチャネル抵抗を実現することができる。
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the bulk channel is formed in the
なお、ゲート絶縁膜24の近傍に位置する高濃度領域33a、33bでは、ゲート絶縁膜24とメインボディ領域32bの間の界面に起因する電子の散乱が生じる。また、p型不純物濃度が高い高濃度領域33a、33bでは、固定電荷(p型不純物)による電子の散乱が生じ易い。このように、高濃度領域33a、33b内では、電子の散乱が生じ易いので、電子の移動度が低い。しかしながら、本実施例の半導体装置10では、電子は、上述したように移動度が高い低濃度領域33cを流れることができる。このため、半導体装置10は、低いオン抵抗を有する。
In the high-
また、本実施例の半導体装置10では、ゲート絶縁膜24に接する範囲に、第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bが設けられている。このため、ゲート電極26の電位を上昇させるときに、第1高濃度領域33aと第2高濃度領域33bがn型に反転し難い。したがって、ゲート電極26の電位をある程度上昇させないと、第1高濃度領域33aと第2高濃度領域33bがn型に反転しない。そして、第1高濃度領域33aと第2高濃度領域33bがn型に反転した後に、低濃度領域33cがn型に反転して、バルクチャネルが形成される。このように、ゲート絶縁膜24に接する範囲に第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bが設けられていることで、バルクチャネルを形成するのに必要なゲート電極26の電位が高くなる。したがって、この半導体装置10では、従来よりもゲート閾値を高くすることができる。なお、本実施例の半導体装置10では、第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bのp型不純物濃度を適宜調整することによって、所望のゲート閾値を実現することができる。
Further, in the
図2は、第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bの幅を変化させたときのゲート閾値についてシミュレーションした結果を示している。図2及び後述する図3においては、高濃度領域幅が0nmのデータは、第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bを有さない(すなわち、メインボディ領域32bが低濃度領域33cのみによって構成されている)半導体装置のシミュレーション結果を示している。図2に示すように、メインボディ領域32bが高濃度領域33a、33bを有していると、ゲート閾値が上昇する結果となった。また、高濃度領域33a、33bの幅が広いほど、ゲート閾値が上昇する結果となった。
FIG. 2 shows a result of simulating the gate threshold when the widths of the first
図3は、第1高濃度領域33a及び第2高濃度領域33bの幅を変化させたときの、メインボディ領域32bの面積とオン抵抗の積(RonA)についてシミュレーションした結果を示している。図3では、RonAを、高濃度領域33a、33bを有さない場合を基準とした相対比で表している。RonAが高いことは、半導体装置のオン抵抗が高いことを意味する。図3に示すように、高濃度領域幅を大きくするほどRonAが増加する結果となった。また、高濃度領域幅を1nm程度まで狭くすれば、高濃度領域が存在しない場合と同等の低いRonAが得られる結果となった。また、高濃度領域幅を10nm程度としても、高濃度領域が存在しない場合と比較してオン抵抗がそれほど上昇しない結果となった。このように、ゲート絶縁膜24とメインボディ領域32bの間の界面近傍のみに高濃度領域33a、33bを形成することによって、RonAを低い値に維持することができることが分かった。
FIG. 3 shows a simulation result of the product of the area of the
図2、3から明らかなように、ゲート絶縁膜24とメインボディ領域32bの間の界面近傍のみに高濃度領域33a、33bを設けることによって、高いゲート閾値と低いオン抵抗を実現することができる。
As is clear from FIGS. 2 and 3, by providing the high-
なお、本実施例のように、SiCによって構成された半導体基板12では、ゲート絶縁膜24とメインボディ領域32bの間の界面近傍における電子の移動度が約10〜120cm2/Vsであるのに対し、ゲート絶縁膜24から離れた位置での電子の移動度は約800〜1000cm2/Vsである。したがって、ゲート絶縁膜24近傍ではなく、ゲート絶縁膜24から離れた位置にある低濃度領域33cに主に電子を流すことで、チャネル抵抗を大幅に低減することができる。このように、本明細書に開示の技術は、SiCによって構成された半導体基板12を用いる場合に特に有用である。
In the
次に、半導体装置10の製造方法について説明する。まず、図4に示すように、エピタキシャル成長によって、ドリフト領域34上にp型の低濃度領域33cを形成する。
Next, a method of manufacturing the
次に、図5に示すように、低濃度領域33cの上面を選択的にエッチングすることにより、低濃度領域33cの上面に複数のトレンチ50を形成する。各トレンチ50は、その底面が低濃度領域33cとドリフト領域34の界面と略同じ深さとなるように形成される。すなわち、各トレンチ50の底面にドリフト領域34が露出する。
Next, as shown in FIG. 5, a plurality of
次に、図6に示すように、エピタキシャル成長によって、各トレンチ50内にp型の高濃度領域33を形成する。高濃度領域33は、低濃度領域33cよりも高いp型不純物濃度を有するように形成される。
Next, as shown in FIG. 6, a p-type
次に、図7に示すように、高濃度領域33と低濃度領域33cの上面からn型とp型の不純物を注入することによって、n型のソース領域30と、p型のコンタクト領域32aを形成する。
Next, as shown in FIG. 7, by implanting n-type and p-type impurities from the upper surfaces of the high-
次に、図8に示すように、各ソース領域30の上面を選択的にエッチングすることによって、各ソース領域30の上面に複数のトレンチ22を形成する。各トレンチ22は、ソース領域30及び高濃度領域33を貫通してドリフト領域34に達するように形成される。各トレンチ22は、各トレンチ22の両側面に接する範囲に、ソース領域30と高濃度領域33が残存するように形成される。ここでは、残存する高濃度領域33の幅が、約10nmとなるようにエッチングが行われる。また、隣接する2つのトレンチ22の間の間隔が100nm以下となるように各トレンチ22が形成される。
Next, as shown in FIG. 8, a plurality of
その後、従来公知の方法で、ゲート絶縁膜24、ゲート電極26、層間絶縁膜28、上部電極70、ドレイン領域35及び下部電極72を形成することによって、図1に示す半導体装置10が完成する。
After that, the
実施例2では、半導体装置の製造方法が実施例1と異なるが、その構成については実施例1と同様である。実施例2の製造方法では、実施例1の図4に示す低濃度領域33cを形成した後、図9に示すように、低濃度領域33cの上面を選択的にエッチングすることにより、低濃度領域33cの上面に複数のトレンチ22を形成する。各トレンチ22は、低濃度領域33cを貫通してドリフト領域34に達するように形成される。また、ここでは、隣接する2つのトレンチ22の間の間隔が、100nm以下となるように各トレンチ22が形成される。
The second embodiment is different from the first embodiment in the method of manufacturing the semiconductor device, but the configuration is the same as that of the first embodiment. In the manufacturing method of the second embodiment, after the
次に、図10に示すように、各トレンチ22の側面にp型不純物を注入する。p型不純物の注入は、トレンチ22の深さ方向に対してp型不純物の照射方向を傾斜させることで実施される。これにより、図10に示すように、各トレンチ22の側面に高濃度領域33を形成する。ここでは、高濃度領域33の幅が約10nmとなるように、p型不純物のドーズ量や照射エネルギーを調整する。その後、ソース領域30及びコンタクト領域32aを各種不純物のイオン注入により形成し、従来公知の方法で、ゲート絶縁膜24、ゲート電極26、層間絶縁膜28、上部電極70、ドレイン領域35及び下部電極72を形成することによって、半導体装置10が完成する。
Next, as shown in FIG. 10, p-type impurities are implanted into the side surface of each
実施例3では、半導体装置の製造方法が実施例1と異なるが、その構成については実施例1と同様である。実施例3の製造方法では、まず、図11に示すように、ドリフト領域60を有する半導体基板を準備する。ドリフト領域60は、図4におけるドリフト領域34と低濃度領域33cとを合わせた厚みを有する。次いで、図11に示すように、ドリフト領域60の上面を選択的にエッチングすることにより、ドリフト領域60の上面に複数のトレンチ22を形成する。ここでは、隣接する2つのトレンチ22の間の間隔が、100nm以下となるように各トレンチ22が形成される。
In the third embodiment, the semiconductor device manufacturing method is different from that of the first embodiment, but the configuration is the same as that of the first embodiment. In the manufacturing method of Example 3, first, as shown in FIG. 11, a semiconductor substrate having a
次に、図12に示すように、各トレンチ22の側面にp型不純物を注入する。p型不純物の注入は、トレンチ22の深さ方向に対してp型不純物の照射方向を適宜傾斜させることで実施される。これにより、図12に示すように、各トレンチ22の側面に接する範囲に高濃度領域33を形成し、高濃度領域33よりもトレンチ22の側面から離間する範囲に低濃度領域33cを形成する。隣接する2つのトレンチ22の間の間隔は100nm以下と狭い。したがって、この工程では、トレンチ22の側面へのイオン注入時にp型不純物の注入プロファイルを調整することによって、低濃度領域33cと高濃度領域33を形成することができる。すなわち、トレンチ22の側面に対してp型不純物を注入するときに、トレンチ22の側面に接する範囲ではp型不純物の濃度が高くなり、トレンチ22の側面から離間する範囲ではp型不純物の濃度が低くなるように、p型不純物を注入する。これにより、低濃度領域33cと高濃度領域33を形成する。その後、ソース領域30及びコンタクト領域32aを各種不純物のイオン注入により形成し、従来公知の方法で、ゲート絶縁膜24、ゲート電極26、層間絶縁膜28、上部電極70、ドレイン領域35及び下部電極72を形成することによって、半導体装置10が完成する。
Next, as shown in FIG. 12, p-type impurities are implanted into the side surface of each
上述した実施例では、2つのソース領域30の間にコンタクト領域32aが配置されていた。しかしながら、コンタクト領域32aを別の位置に形成し、第1ソース領域30aと第2ソース領域30bが接続されていてもよい。すなわち、ソース領域30が、半導体基板12の上面12aに露出する範囲で、第1トレンチ22a内のゲート絶縁膜24に接する位置から第2トレンチ22b内のゲート絶縁膜24に接する位置まで伸びていてもよい。このような構成であっても、上述した実施例と同様の効果を奏することができる。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施例では、ソース領域30がゲート絶縁膜24に接していた。しかしながら、ソース領域30は、ゲート絶縁膜24に接していなくてもよい。本明細書に開示の技術では、バルクチャネルを利用して電子が主に低濃度領域33cを流れる。すなわち、主にゲート絶縁膜24から離れた位置を電子が流れる。したがって、ソース領域30がゲート絶縁膜24に接していない場合であっても、上部電極70からソース領域30、バルクチャネル、ドリフト領域34及びドレイン領域35を経由して下部電極72へ電子を流すことができる。
Further, in the above-described embodiments, the
また、第1高濃度領域33aと第2高濃度領域33bは、図示しない位置で接続されていてもよい。
The first
また、上述した実施例では、半導体装置10がMOSFETである場合を説明した。しかしながら、半導体装置10は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。ドレイン領域35をp型領域に変更することにより、IGBTの構造を得ることができる。
Further, in the above-described embodiments, the case where the
上述した実施例の構成要素と請求項の構成要素の関係について説明する。実施例のソース領域30は、請求項の第1半導体領域の一例である。実施例のドリフト領域34は、請求項の第2半導体領域の一例である。
The relationship between the components of the above-described embodiment and the components of the claims will be described. The
本明細書が開示する技術要素を以下に記載する。本明細書が開示する一例の構成では、半導体基板は、炭化珪素(SiC)により構成されていてもよい。SiCにより構成された半導体基板では、ゲート絶縁膜との界面近傍における電子の移動度が特に低い。このため、本明細書が開示するバルクチャネル型の半導体装置は、SiCにより構成された半導体基板を用いる場合、特に有用である。 The technical elements disclosed in this specification are described below. In the configuration of the example disclosed in this specification, the semiconductor substrate may be made of silicon carbide (SiC). In a semiconductor substrate made of SiC, the mobility of electrons is particularly low near the interface with the gate insulating film. Therefore, the bulk channel semiconductor device disclosed in this specification is particularly useful when a semiconductor substrate made of SiC is used.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組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、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exert technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technique illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and achieving the one object among them has technical utility.
10:トレンチゲート型半導体装置、12:半導体基板、12a:上面、12b:下面、22a:第1トレンチ、22b:第2トレンチ、24:ゲート絶縁膜、26:ゲート電極、28:層間絶縁膜、30:ソース領域、32:ボディ領域、32a:コンタクト領域、32b:メインボディ領域、33a:第1高濃度領域、33b:第2高濃度領域、33c:低濃度領域、34:ドリフト領域、35:ドレイン領域、70:上部電極、72:下部電極 Reference numeral 10: trench gate type semiconductor device, 12: semiconductor substrate, 12a: upper surface, 12b: lower surface, 22a: first trench, 22b: second trench, 24: gate insulating film, 26: gate electrode, 28: interlayer insulating film, 30: source region, 32: body region, 32a: contact region, 32b: main body region, 33a: first high concentration region, 33b: second high concentration region, 33c: low concentration region, 34: drift region, 35: Drain region, 70: upper electrode, 72: lower electrode
Claims (2)
半導体基板と、
前記半導体基板の上面に設けられている第1トレンチと、
前記半導体基板の前記上面に前記第1トレンチから間隔を空けて設けられている第2トレンチと、
前記第1トレンチの内面及び前記第2トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、
前記第1トレンチ内及び前記第2トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極、
を有しており、
前記半導体基板が、
前記第1トレンチと前記第2トレンチの間に配置されているn型の第1半導体領域と、
前記第1トレンチと前記第2トレンチの間に配置されており、前記第1半導体領域の下側に配置されており、前記第1トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置から前記第2トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置まで伸びているp型のボディ領域と、
前記第1トレンチと前記第2トレンチの間に配置されており、前記ボディ領域の下側に配置されており、前記第1トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置から前記第2トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する位置まで伸びており、前記ボディ領域によって前記第1半導体領域から分離されているn型の第2半導体領域、
を有しており、
前記第1トレンチと前記第2トレンチの間の間隔が100nm以下であり、
前記ボディ領域が、
前記第1トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する範囲に設けられた第1高濃度領域と、
前記第2トレンチ内の前記ゲート絶縁膜に接する範囲に設けられた第2高濃度領域と、
前記第1高濃度領域と前記第2高濃度領域の間に配置されており、前記第1高濃度領域及び前記第2高濃度領域よりもp型不純物濃度が低い低濃度領域、
を有する、
トレンチゲート型半導体装置。 A trench gate type semiconductor device,
A semiconductor substrate,
A first trench provided on the upper surface of the semiconductor substrate;
A second trench provided on the upper surface of the semiconductor substrate at a distance from the first trench;
A gate insulating film covering the inner surface of the first trench and the inner surface of the second trench;
A gate electrode disposed in the first trench and the second trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film,
Has
The semiconductor substrate is
An n-type first semiconductor region disposed between the first trench and the second trench,
It is arranged between the first trench and the second trench, is arranged below the first semiconductor region, and is arranged in the second trench from a position in contact with the gate insulating film in the first trench. A p-type body region extending to a position in contact with the gate insulating film,
It is arranged between the first trench and the second trench, is arranged below the body region, and is arranged in the second trench from a position in contact with the gate insulating film in the first trench. An n-type second semiconductor region that extends to a position in contact with the gate insulating film and is separated from the first semiconductor region by the body region,
Has
The distance between the first trench and the second trench is 100 nm or less,
The body region is
A first high-concentration region provided in a range in contact with the gate insulating film in the first trench;
A second high-concentration region provided in a range in contact with the gate insulating film in the second trench;
A low-concentration region that is arranged between the first high-concentration region and the second high-concentration region and has a lower p-type impurity concentration than the first high-concentration region and the second high-concentration region;
Have
Trench gate type semiconductor device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019018655A JP2020126932A (en) | 2019-02-05 | 2019-02-05 | Trench gate type semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019018655A JP2020126932A (en) | 2019-02-05 | 2019-02-05 | Trench gate type semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020126932A true JP2020126932A (en) | 2020-08-20 |
Family
ID=72084183
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019018655A Pending JP2020126932A (en) | 2019-02-05 | 2019-02-05 | Trench gate type semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2020126932A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220310791A1 (en) * | 2021-03-23 | 2022-09-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, inverter circuit, drive device, vehicle, and elevator |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03232276A (en) * | 1990-02-07 | 1991-10-16 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and manufacture thereof |
JP2001501372A (en) * | 1996-09-30 | 2001-01-30 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | Power MOS-Device |
JP2008066708A (en) * | 2006-08-09 | 2008-03-21 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2011023675A (en) * | 2009-07-21 | 2011-02-03 | Hitachi Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
GB2572442A (en) * | 2018-03-29 | 2019-10-02 | Cambridge Entpr Ltd | Power semiconductor device with a double gate structure |
-
2019
- 2019-02-05 JP JP2019018655A patent/JP2020126932A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03232276A (en) * | 1990-02-07 | 1991-10-16 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and manufacture thereof |
JP2001501372A (en) * | 1996-09-30 | 2001-01-30 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | Power MOS-Device |
JP2008066708A (en) * | 2006-08-09 | 2008-03-21 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2011023675A (en) * | 2009-07-21 | 2011-02-03 | Hitachi Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
GB2572442A (en) * | 2018-03-29 | 2019-10-02 | Cambridge Entpr Ltd | Power semiconductor device with a double gate structure |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220310791A1 (en) * | 2021-03-23 | 2022-09-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, inverter circuit, drive device, vehicle, and elevator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7182594B2 (en) | Power semiconductor device with gate trench and buried termination structure and related method | |
JP6367760B2 (en) | Insulated gate type switching device and manufacturing method thereof | |
JP6472776B2 (en) | Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device | |
JP4198469B2 (en) | Power device and manufacturing method thereof | |
JP5586887B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5900698B2 (en) | Semiconductor device | |
KR20030086355A (en) | Power semiconductor devices having laterally extending base shielding regions that inhibit base reach through and methods of forming same | |
JP6715567B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2008091450A (en) | Semiconductor element | |
US9698217B1 (en) | Semiconductor device | |
JP2020077800A (en) | Semiconductor device | |
JP2007043123A (en) | Semiconductor device | |
JP6606007B2 (en) | Switching element | |
US8513712B2 (en) | Method and apparatus for forming a semiconductor gate | |
JP2019079833A (en) | Switching element and method for manufacturing the same | |
US7829898B2 (en) | Power semiconductor device having raised channel and manufacturing method thereof | |
KR20140044075A (en) | Semiconductor device and method manufacturing the same | |
CN114649402A (en) | SiC device with shielding structure | |
JP2017191817A (en) | Method for manufacturing switching element | |
JP2020126932A (en) | Trench gate type semiconductor device | |
JP2004200441A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
JP2020123607A (en) | Semiconductor device | |
JP7405230B2 (en) | switching element | |
WO2022118509A1 (en) | Semiconductor device | |
KR101870824B1 (en) | Power semiconductor device and method of fabricating the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20210322 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20211012 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220927 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220930 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20230322 |