JP2021072360A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチゲート構造を有する炭化珪素(以下、SiCという)やGaN、GaOなどの絶縁破壊強度の高い材料で構成された半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device made of a material having a high dielectric breakdown strength such as silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) having a trench gate structure, GaN, and GaO.
従来より、大電流が流せるようにチャネル密度を高くした構造としてトレンチゲート構造を有するSiC半導体装置がある。このようなトレンチゲート構造のSiC半導体装置では、トレンチ底部に高い電界ストレスがかかるため、絶縁破壊が生じる可能性がある。このため、特許文献1に示すように、トレンチゲートの両側に、p型の電界緩和層を形成し、トレンチ底部に高電界が加わることが抑制されるようにすることで絶縁破壊を防止することが行われている。電界緩和層については、下方に位置する高濃度領域と上方に位置する低濃度領域の二層構造としており、これらをイオン注入などによって形成している。
Conventionally, there is a SiC semiconductor device having a trench gate structure as a structure in which the channel density is increased so that a large current can flow. In a SiC semiconductor device having such a trench gate structure, high electric field stress is applied to the bottom of the trench, so that dielectric breakdown may occur. Therefore, as shown in
しかしながら、特許文献1のような二層構造のp型の電界緩和層を備える場合に、各層を共にイオン注入によって形成すると、イオン注入が二重に行われる部分が発生する。この重なった部分において、不純物濃度が高濃度になり、注入欠陥も発生する。この注入欠陥がドレイン電圧印加時にキャリア発生要因となり、リーク源となるという課題を発生させる。
However, when a p-type electric field relaxation layer having a two-layer structure as in
本発明は上記点に鑑みて、電界緩和層によってトレンチ底部への電界ストレスを緩和しつつ、注入欠陥に起因するリークの発生を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of suppressing the occurrence of leaks due to injection defects while relaxing the electric field stress on the bottom of the trench by the electric field relaxation layer.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の半導体装置は、第1または第2導電型の半導体からなる基板(1)と、基板の上に形成され、基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の半導体からなるドリフト層(2)と、ドリフト層の上に形成された第2導電型の半導体からなるベース領域(4)と、ベース領域の上層部に形成され、ドリフト層よりも高濃度の第1導電型の半導体からなるソース領域(5)と、ベース領域の上層部において、ソース領域と異なる位置に形成され、ベース領域よりも高濃度の第2導電型の半導体からなるコンタクト領域(6)と、ソース領域の表面からベース領域よりも深くまで形成され、一方向を長手方向として複数本が並列されたトレンチ(7)内に、ゲート絶縁膜(8)を介してゲート電極(9)が形成されることで構成されたトレンチゲート構造と、ソース領域およびコンタクト領域に電気的に接続されたソース電極(10)と、基板の裏面側に形成されたドレイン電極(12)と、ドリフト層内に配置され、トレンチよりも深い位置に形成された第2導電型の第1領域(3a)およびトレンチの長手方向と同方向を長手方向として複数本のトレンチの間のそれぞれにおいて該トレンチの側面から離れて配置されると共に第1領域とベース領域とを繋ぐ第2導電型の第2領域(3b)と、を含む電界緩和層(3)と、を有している。そして、第1領域と第2領域は共にイオン注入層によって構成されており、第2領域は破線状とされていて部分的に間引かれた構造とされ、該間引かれた部分を間引領域として、該間引領域では、基板の表面に対する法線方向において、第1領域のみが形成されるようにしている。
In order to achieve the above object, the semiconductor device according to
このように、トレンチよりも深い電界緩和層を備えた構造としており、かつ、電界緩和層を第1領域と第2領域とによって構成しつつ、第2領域に間引領域を設けるようにしている。これにより、二重注入領域(3c)に含まれる注入欠陥、つまりドレイン電圧印加時にキャリア発生要因となる点欠陥を低減することができ、リーク発生を抑制することが可能となる。よって、電界緩和層によってトレンチ底部への電界ストレスを緩和しつつ、注入欠陥に起因するリークの発生を抑制することが可能な半導体装置にできる。 In this way, the structure is provided with an electric field relaxation layer deeper than the trench, and the electric field relaxation layer is composed of a first region and a second region, and a thinning region is provided in the second region. .. As a result, it is possible to reduce injection defects included in the double injection region (3c), that is, point defects that cause carrier generation when the drain voltage is applied, and it is possible to suppress the occurrence of leaks. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor device capable of suppressing the occurrence of leaks due to injection defects while relaxing the electric field stress on the bottom of the trench by the electric field relaxation layer.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 The reference numerals in parentheses of each of the above means indicate an example of the correspondence with the specific means described in the embodiment described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, parts that are the same or equal to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。まず、本実施形態にかかる反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを有するSiC半導体装置について、図1および図2を参照して説明する。なお、図1では、縦型MOSFETの1セル分しか記載していないが、図1に示す縦型MOSFETと同様の構造のものが複数セル隣り合うように配置されている。
(First Embodiment)
The first embodiment of the present invention will be described. First, a SiC semiconductor device having a vertical MOSFET having an inverted trench gate structure according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Although only one cell of the vertical MOSFET is shown in FIG. 1, a plurality of cells having the same structure as the vertical MOSFET shown in FIG. 1 are arranged adjacent to each other.
図1に示すように、n+型半導体基板1を用いて縦型MOSFETが形成されている。n+型半導体基板1は、例えばリンもしくは窒素などのn型不純物が高濃度、例えば1×1019〜1×1020cm−3の不純物濃度でドープされた厚さ300μm程度のSiC単結晶で構成されている。このn+型半導体基板1の上に、n型不純物が例えば1×1015〜1×1016cm−3というn+型半導体基板1よりも低不純物濃度でドープされた厚さ5〜15μm程度のSiCからなるn型ドリフト層2が形成されている。
As shown in FIG. 1, a vertical MOSFET is formed by using an n + type semiconductor substrate 1. The n +
n型ドリフト層2内には、ボロンもしくはアルミニウムなどのp型不純物がドープされた電界緩和層3が形成されている。本実施形態では、電界緩和層3は、一方向を長手方向として延設され、複数本がストライプ状に並べられた構成とされている。電界緩和層3は、後述するトレンチゲート構造の両側に配置されており、電界緩和層3の底部がトレンチゲート構造の底部よりも深い位置まで形成されている。
An electric
より詳しくは、電界緩和層3は、n+型半導体基板1から所定距離離れた位置よりn型ドリフト層2の表面まで形成されており、下方側、つまりn+型半導体基板1に位置する第1領域3aと、第1領域3aの上方に位置する第2領域3bとによって構成されている。図1および図2に示すように、第1領域3aについては、トレンチゲート構造の長手方向と同方向を長手方向として直線状に形成され、第2領域3bについても、同方向を長手方向として破線状に形成されている。そして、これら第1領域3aと第2領域3bとが連結されることで電界緩和層3が構成されている。このため、本実施形態の場合、電界緩和層3を全体として見ると、一方向を長手方向とした直線状となっている。
More specifically, the electric
つまり、本実施形態のSiC半導体装置では、従来、第1領域3aと同様の直線状としていた第2領域3bについて、破線状にすることで部分的に間引いた構造としている。そして、この間引かれた部分を間引領域として、n+型半導体基板1の表面に対する法線方向において、第1領域3aのみが形成されるようにしている。本実施形態の場合は、図2に示すように、トレンチゲート構造の両側において、トレンチゲート構造の長手方向と垂直な方向において第2領域3bが並ぶように形成され、間引領域も同方向において並ぶようにレイアウトしてある。そして、トレンチゲート構造の両側において隣り合って配置された第2領域3bは、トレンチゲート構造の長手方向での長さが揃えられており、それぞれの先端位置も揃っている。また、トレンチゲート構造の両側において隣り合って配置された間引領域についても、トレンチゲート構造の長手方向での長さが揃えられており、それぞれの先端位置も揃っている。
That is, in the SiC semiconductor device of the present embodiment, the
第1領域3aと第2領域3bの幅、つまり基板平面と平行な平面方向のうちトレンチゲート構造の長手方向に対する垂直方向の寸法については、同じであっても、いずれか一方が他方よりも幅広とされていても構わない。本実施形態では、第1領域3aを第2領域3bよりも幅広としており、第1領域3aが第2領域3bの両側からはみ出すようにしてある。例えば、第1領域3aの幅を1.3μm、第2領域3bの幅を0.7μmとしており、第1領域3aの第2領域3bからのはみ出し量が片側0.3μmとしてある。このような構成とすることで、隣接する電界緩和層3同士の間でJFET領域が拡がるのを防ぐと共に、トレンチゲート構造と後述するドレイン電極12との間の最短電流経路を確保でき、オン抵抗の上昇を抑えることができる。
Even if the widths of the
第1領域3aについては、n型ドリフト層2の表面から1.0〜2.0μm程度離れた位置に形成されており、例えばp型不純物濃度が1×1017〜1×1018cm−3程度、深さが1.0〜2.0μm程度とされている。一方、第2領域3bについては、n型ドリフト層2の表面から深さ1.0〜2.0μm程度の位置まで形成されている。第2領域3bのp型不純物濃度と第1領域3aの不純物濃度については同じであっても異なっていても良いが、ここでは第1領域3aよりもp型不純物濃度を高く設定している。例えば、第2領域3bは、p型不純物濃度が6×1017〜1×1020cm−3程度、深さが1.0〜2.0μm程度とされている。
The
また、後述するように、第1領域3aと第2領域3bは共にp型不純物をイオン注入することで形成したイオン注入層で構成されており、第1領域3aと第2領域3bが部分的に重なることで、二重注入領域3cが構成されている。第1領域3aと第2領域3bとが当接していれば良く、かつ、注入欠陥が少ない方が好ましいため、二重注入領域3cは殆ど厚みが無い方が好ましい。このため、二重注入領域3cの厚みについては0〜0.3μmとなるようにしている。なお、第1領域3aおよび第2領域3bは、二重注入領域3c以外の部分においては、それぞれ全域において上記した不純物濃度で均一とされている。
Further, as will be described later, both the
また、n型ドリフト層2および電界緩和層3の表面上に、p型ベース領域4が形成されている。p型ベース領域4は、縦型MOSFETのチャネルを構成する層であり、後述するトレンチゲート構造を構成するトレンチ7の両側において、トレンチ7の側面に接するように形成されている。
Further, a p-
p型ベース領域4の表層部のうち電界緩和層3と対応する位置よりもトレンチゲート構造側には、トレンチゲート構造に接するようにn型不純物が高濃度にドープされたn+型ソース領域5が形成されている。本実施形態の場合、例えばn+型ソース領域5を不純物濃度が1×1020cm−3程度、厚さが0.3μm程度で形成している。また、p型ベース領域4の表層部のうちn+型ソース領域5と異なる位置、具体的には電界緩和層3と対応する位置には、p型不純物が高濃度にドープされたp+型コンタクト領域6が形成されている。本実施形態の場合、例えばp+型コンタクト領域6を不純物濃度が1×1020cm−3程度、厚さが0.3μm程度で形成している。
The n + type
さらに、図1の断面において、隣り合って配置された電界緩和層3の中央位置に、p型ベース領域4およびn+型ソース領域5を貫通してn型ドリフト層2に達し、かつ、電界緩和層3の底部よりも浅くされたトレンチ7が形成されている。トレンチ7は、p型ベース領域4の底部よりも深く、かつ、電界緩和層3よりも浅くまで形成されていれば任意の深さで良いが、例えばp型ベース領域4の底部から0.3μm程度突き出し、二重注入領域3cよりも浅い深さとされている。
Further, in the cross section of FIG. 1, at the central position of the electric field relaxation layers 3 arranged adjacent to each other, the p-
このトレンチ7の側面と接するようにp型ベース領域4およびn+型ソース領域5が配置されている。トレンチ7の内壁面は酸化膜などによって構成されたゲート絶縁膜8で覆われており、ゲート絶縁膜8の表面に形成されたドープトPoly−Siにて構成されたゲート電極9により、トレンチ7内が埋め尽くされている。このように、トレンチ7内にゲート絶縁膜8およびゲート電極9を備えた構造により、トレンチゲート構造が構成されている。
The p-type base region 4 and the n + -
なお、トレンチゲート構造は、図1の紙面垂直方向、図2で言えば紙面左右方向、つまり電界緩和層3の長手方向と同方向を長手方向とした短冊状とされている。そして、複数本のトレンチゲート構造が図1の紙面左右方向に等間隔にストライプ状に並べられることで複数セルが備えられた構造とされている。
The trench gate structure has a strip shape with the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1, the left-right direction on the paper surface in FIG. 2, that is, the same direction as the longitudinal direction of the electric
また、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6の表面には、ソース電極10が形成されている。ソース電極10は、複数の金属、例えばNi/Al等で構成されており、層間絶縁膜11を介してゲート電極9と絶縁されている。具体的には、n+型ソース領域5に接続される部分はn型SiCとオーミック接触可能な金属で構成され、p+型コンタクト領域6を介してp型ベース領域4に接続される部分はp型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。なお、図示しないが、ソース電極10と別の位置にはゲート電極9に電気的に接続されるゲート配線が形成されている。ゲート配線とソース電極10とは離れて形成されることで、電気的に分離されている。そして、層間絶縁膜11が形成されていない位置において、ソース電極10はn+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6と電気的に接触させられ、ゲート配線はゲート電極9と電気的に接触させられている。
Further, a
さらに、n+型半導体基板1の裏面側にはn+型半導体基板1と電気的に接続されたドレイン電極12が形成されている。このような構造により、nチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETが構成されている。
Further, on the back side of the n + -type semiconductor substrate 1 n + -
このように構成された縦型MOSFETは、ソース電圧が0、ドレイン電圧が例えば10Vとされている状態においてゲート電極9に対してゲート電圧を印加すると、p型ベース領域4のうちトレンチ7の側面に接する部分が反転型のチャネル領域となる。そして、チャネル領域を通じて、ソース電極10とドレイン電極12との間に電流を流す。
In the vertical MOSFET configured in this way, when a gate voltage is applied to the
一方、ゲート電圧を印加しない場合は、ゲート電圧およびソース電圧が0の状態においてドレイン電圧として高電圧、例えば1400Vが印加される。シリコンデバイスの10倍近い電界破壊強度を有するSiCでは、この電圧の影響によりゲート絶縁膜8にもシリコンデバイスの10倍近い電界がかかり、ゲート絶縁膜8、特にゲート絶縁膜8のうちのトレンチ7の底部に電界集中が発生し得る。
On the other hand, when the gate voltage is not applied, a high voltage such as 1400V is applied as the drain voltage when the gate voltage and the source voltage are 0. In SiC, which has an electric field breaking strength nearly 10 times that of a silicon device, an electric field nearly 10 times that of a silicon device is applied to the
しかしながら、本実施形態では、トレンチ7よりも深い電界緩和層3を備えた構造としている。このため、電界緩和層3における電界緩和層3とn型ドリフト層2とのPN接合部での空乏層がn型ドリフト層2側に大きく伸びることになり、ドレイン電圧の影響による高電圧がゲート絶縁膜8に入り込み難くなる。特に、第1領域3aを第2領域3bよりも幅広として、第1領域3a同士の間の距離を狭くしていることから、よりドレイン電圧の影響による高電圧がゲート絶縁膜8に入り込み難くなる。
However, in the present embodiment, the structure is provided with the electric
したがって、ゲート絶縁膜8内での電界集中、特にゲート絶縁膜8のうちのトレンチ7の底部での電界集中を緩和することが可能となる。これにより、ゲート絶縁膜8が破壊されることを防止することが可能な高耐圧のSiC半導体装置となる。
Therefore, it is possible to alleviate the electric field concentration in the
また、本実施形態では、第2領域3bを第1領域3a上の全域に形成するのではなく、破線状として部分的に間引いて間引領域が設けられるようにしている。このため、間引領域が設けられている分、第2領域3bを第1領域3a上の全域に形成する場合と比較して、第1領域3aと第2領域3bとが重なる二重注入領域3cの面積割合を減らすことができる。これにより、二重注入領域3cに含まれる注入欠陥、つまりドレイン電圧印加時にキャリア発生要因となる点欠陥を低減することができ、リーク発生を抑制することが可能となる。よって、電界緩和層3によってトレンチ底部への電界ストレスを緩和しつつ、注入欠陥に起因するリークの発生を抑制することが可能なSiC半導体装置にできる。
Further, in the present embodiment, the
なお、電界緩和層3のうち第1領域3aについては、ドレイン電圧の影響による高電圧の入り込み抑制に基づく電界緩和に大きな役割を果たしている。しかしながら、それと比較すると、第2領域3bについては第1領域3aとp型ベース領域4との電気的接続が主な役割で、電界緩和への寄与度は大きくない。このため、第2領域3bに間引領域を設けるようにしても、電界緩和層3による電界緩和の役割は十分に果たせる。
The
参考として、ゲート電極9およびソース電極10を0Vとし、ドレイン電圧を高電圧とした場合の等電位分布について調べたところ、図3Aおよび図3Bに示すように、第2領域3bを備えた部分と間引領域とした場合とでほぼ同様の分布になった。このことからも、第1領域3a上の全域に第2領域3bを備えなくとも、電界緩和の役割を十分に果たしていることが分かる。
As a reference, when the equipotential distribution when the
次に、図1に示すトレンチゲート型の縦型MOSFETの製造方法について、図4A〜図4Hを参照して説明する。 Next, a method of manufacturing the trench gate type vertical MOSFET shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 4A to 4H.
〔図4Aに示す工程〕
まず、高濃度にn型不純物がドープされたSiC単結晶からなるn+型半導体基板1の表面にn型ドリフト層2がエピタキシャル成長させられたエピ基板を用意する。ただし、このときにはn型ドリフト層2の全部が形成されたものではなく、n型ドリフト層2のうちの表面側の一部がまだ形成されていない状態となっている。
[Step shown in FIG. 4A]
First, an epi substrate in which an n-
〔図4Bに示す工程〕
n型ドリフト層2の上に、図示しないイオン注入用マスクを配置し、そのマスクを用いてn型ドリフト層2の表層部にp型不純物をイオン注入する。そして、熱処理などによって注入された不純物を活性化することで、第1領域3aを形成する。
[Step shown in FIG. 4B]
An ion implantation mask (not shown) is placed on the n-
〔図4Cに示す工程〕
イオン注入用のマスクを除去したのち、再びn型ドリフト層2のうちの残りをエピタキシャル成長させる。また、図示しないイオン注入用マスクを配置し、そのマスクを用いてn型ドリフト層2のうち新たに形成した部分にp型不純物をイオン注入する。このとき、第2領域3bの形成予定領域にのみp型不純物が注入されるようにし、間引領域には注入されないようにしている。そして、熱処理などによって注入された不純物を活性化することで第2領域3bを形成し、その後、イオン注入用マスクを除去する。これにより、第1領域3aと第2領域3bとが繋がった電界緩和層3が構成される。
[Step shown in FIG. 4C]
After removing the mask for ion implantation, the rest of the n-
〔図4Dに示す工程〕
n型ドリフト層2および電界緩和層3の表面にp型ベース領域4をエピタキシャル成長させる。
[Step shown in FIG. 4D]
The p-
〔図4Eに示す工程〕
p型ベース領域4の表面を覆いつつ、トレンチ7の形成予定領域が開口する図示しないエッチングマスクを配置する。そして、エッチングマスクを用いた異方性エッチングを行ったのち、必要に応じて等方性エッチングや犠牲酸化工程を行うことでトレンチ7を形成する。これにより、p型ベース領域4を貫通してn型ドリフト層2に達しつつ、電界緩和層3よりも浅く、かつ、隣り合う第2領域3bの間において、第2領域3bから離れるように配置されたトレンチ7を形成することができる。
[Step shown in FIG. 4E]
An etching mask (not shown) that opens the region where the
次に、エッチングマスクを除去してからゲート酸化工程を行うことでゲート絶縁膜8を形成する。また、ゲート絶縁膜8の表面に不純物をドーピングしたポリシリコン層を成膜したのち、これをパターニングすることでゲート電極9を形成する。これにより、トレンチゲート構造が形成される。
Next, the
〔図4Fに示す工程〕
p型ベース領域4の表面にn+型ソース領域5の形成予定領域が開口する図示しないマスクを形成したのち、この上からn型不純物を高濃度にイオン注入することでn+型ソース領域5を形成する。同様に、p型ベース領域4の表面にp+型コンタクト領域6の形成予定領域が開口する図示しないマスクを形成したのち、この上からp型不純物を高濃度にイオン注入することでp+型コンタクト領域6を形成する。
[Step shown in FIG. 4F]
After forming a mask (not shown) on the surface of the p-
〔図4Gに示す工程〕
層間絶縁膜11を成膜したのち、層間絶縁膜11をパターニングしてn+型ソース領域5やp型ベース領域4を露出させると共に、ゲート電極9を露出させるコンタクトホールを図示断面とは別断面に形成する。そして、コンタクトホール内を埋め込むように電極材料を成膜したのち、これをパターニングすることでソース電極10や図示しないゲート配線を形成する。
[Step shown in FIG. 4G]
After the
この後、n+型半導体基板1の裏面側にドレイン電極12を形成することで、図1に示した縦型MOSFETが完成する。
After that, by forming the drain electrode 12 on the back surface side of the n +
以上説明したように、本実施形態では、トレンチ7よりも深い電界緩和層3を備えた構造としており、かつ、電界緩和層3を第1領域3aと第2領域3bとによって構成しつつ、第2領域3bに間引領域を設けるようにしている。これにより、二重注入領域3cに含まれる注入欠陥、つまりドレイン電圧印加時にキャリア発生要因となる点欠陥を低減することができ、リーク発生を抑制することが可能となる。よって、電界緩和層3によってトレンチ底部への電界ストレスを緩和しつつ、注入欠陥に起因するリークの発生を抑制することが可能なSiC半導体装置にできる。
As described above, in the present embodiment, the structure is provided with the electric
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してトレンチゲート構造と電界緩和層3との関係を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described. This embodiment is different from the first embodiment because the relationship between the trench gate structure and the electric
図5に示すように、本実施形態では、トレンチ7の底面の深さを第1領域3aと第2領域3bとの境界位置に一致させている。つまり、第1領域3aの上端位置とトレンチ7の底面とが同一平面となるようにしてある。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the depth of the bottom surface of the
上記したように、電界緩和層3を備えることによって、電界緩和層3とn型ドリフト層2とのPN接合部での空乏層がn型ドリフト層2側に大きく伸び、ドレイン電圧の影響による高電圧がゲート絶縁膜8に入り込み難くなるようにしている。これにより、トレンチ7の底部での電界集中が緩和されるようにできるが、トレンチ7が浅すぎると、接地電位となったゲート電極9の電位に引っ張られて、空乏層がよりトレンチ7の底部側に深く入り込み、二重注入領域3c内へも深く入り込む。これに対して、本実施形態のように、トレンチ7の底面を第1領域3aの上端位置に合せると、トレンチ7が下方位置している分、接地電位となったゲート電極9の電位に引っ張られにくくなり、空乏層が入り込み難くなる。したがって、空乏層が二重注入領域3c内へ入り込むことが抑制され、二重注入領域3cがキャリア発生要因となってリーク源となることを抑制することが可能となる。
As described above, by providing the electric
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態に対して電界緩和層3のレイアウトを変更したものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third Embodiment)
The third embodiment will be described. This embodiment is a modification of the layout of the electric
図6に示すように、本実施形態では、第2領域3bを千鳥配置にすることで、第1領域3aと第2領域3bとが接続される部分が千鳥配置されるようにしている。具体的には、トレンチゲート構造の両側に位置する電界緩和層3に備えられる第2領域3bは、それぞれ長手方向においてずらして配置されている。これにより、トレンチゲート構造の両側に位置する第2領域3bは、トレンチゲート構造の長手方向に対して垂直な方向において並ばずに、ずれて配置されている。同様に、間引領域も、トレンチゲート構造の長手方向に対して垂直な方向において並ばず、ずれた位置に設けられている。
As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the
ここでは、トレンチゲート構造の両側において、トレンチゲート構造の長手方向における第2領域3bの長さと間引領域の長さを揃えてある。そして、図中破線で示したように、トレンチゲート構造を挟んだ一方の電界緩和層3に備えられた第2領域3bの一端と他方の電界緩和層3に備えられた第2領域3bの他端とが揃えられている。
Here, on both sides of the trench gate structure, the length of the
このように、第2領域3bを千鳥配置にすると、第1実施形態のように第2領域3bを直線状に並べて配置する場合と比較して、第2領域3bが広範囲に均一に配置されるようになる。このため、SiC半導体装置が形成されたチップ全体での電界緩和効果を均一化することが可能となる。
In this way, when the
(第3実施形態の変形例)
第3実施形態では、電界緩和層3の長手方向における第2領域3bの長さと間引領域の長さを揃えたが、異なっていても良い。例えば、図7に示すように、第2領域3bが間引領域よりも長くなるようにし、トレンチゲート構造の長手方向に対して垂直な方向において、トレンチゲート構造の両側に位置する電界緩和層3に備えられる第2領域3b同士が部分的に重なる構成としても良い。また、図8に示すように、第2領域3bよりも間引領域の方が長くなるようにし、トレンチゲート構造の長手方向に対して垂直な方向において、トレンチゲート構造の両側に位置する電界緩和層3に備えられる第2領域3b同士に隙間が空く構成としても良い。
(Modified example of the third embodiment)
In the third embodiment, the length of the
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態に対して電界緩和層3のレイアウトを変更したものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは第1実施形態に対して本実施形態の構造を適用する場合を例に挙げるが、第2実施形態に対しても適用可能である。
(Fourth Embodiment)
A fourth embodiment will be described. This embodiment is a modification of the layout of the electric
本実施形態では、図9および図10に示すように、第2領域3bについてはトレンチゲート構造と同方向を長手方向としているが、第1領域3aについては第2領域3bと交差する方向、ここでは垂直な方向を長手方向としている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 9 and 10, the
このように、第1領域3aの長手方向と第2領域3bの長手方向とが異なる方向となるようにしても、その交差する部分において二重注入領域3cが形成されることになる。したがって、この場合にも、第1領域3aと第2領域3bとをすべて重なるように形成するのではなく、第2領域3bに間引領域を設けるようにし、第1領域3aと重ならない部分を設けるようにする。つまり、第1領域3aの長手方向に沿う直線と第2領域3bの長手方向に沿う直線の交差する部分の少なくとも一部において、第2領域3bに間引領域を設けるようにする。
In this way, even if the longitudinal direction of the
具体的には、図10に示すように、トレンチゲート構造の両側に配置された第2領域3bのうちの一方側、ここでは図中上方側の第2領域3bについては直線状とすることで、直交する各第1領域3aと重なるようにしている。この第1領域3aと第2領域3bとが重なる領域には、図中破線で示したような二重注入領域3cが形成されることになる。一方、トレンチゲート構造の両側に配置された第2領域3bのうちの他方側、ここでは図中下方側の第2領域3bについては破線状とし、第1領域3aが配置される部分が間引領域とされることで第2領域3bが各第1領域3aと重ならないようにしてある。
Specifically, as shown in FIG. 10, one side of the
このように、第1領域3aと第2領域3bとを交差させる構造とする場合においても、第2領域3bに間引領域を設けることで、二重注入領域3cの面積割合を減らすことができる。これにより、第1、第2実施形態と同様の効果を奏することが可能となる。
In this way, even when the structure is such that the
なお、図10の紙面下方に位置する第2領域3bについては、第1領域3aと重なる部分がないことから、第1領域3aとp型ベース領域4とを連結する役割を行っていない。このため、この部分の第2領域3bについては形成しないようにすることも可能である。ただし、この部分の第2領域3bを形成しないと、p型層が形成されていない領域が広い範囲で構成されることになり、等電位線がより表面側まで入り込むようになり、耐圧信頼性が低下する可能性がある。したがって、本実施形態のように、第2領域3bを第1領域3aと電気的に接続しない構成とする場合であっても、第2領域3bを備えることで耐圧信頼性を担保することが可能となる。
Since the
(第4実施形態の変形例)
上記第4実施形態のように、第1領域3aと第2領域3bとが交差する構造とする場合において、第1領域3aと第2領域3bとが接続される部分を千鳥配置にすることができる。例えば、図11に示すように、トレンチゲート構造の両側に位置する第2領域3bが、それぞれ、隣り合う第1領域3aと交互に接続される構造にできる。具体的には、図11中の紙面上方に位置する第2領域3bについては紙面右上において紙面右側の第1領域3aと重なっている部分で連結され、紙面左上において間引領域が設けられることで紙面左側の第1領域3aと重なり合わないようにされている。また、紙面下方に位置する第2領域3bについては紙面左下において紙面左側の第1領域3aと重なっている部分で連結され、紙面右下において間引領域が設けられることで紙面右側の第1領域3aと重なり合わないようにされている。このような構成とすることで、第1領域3aと第2領域3bとが接続される部分を千鳥配置にすることができる。
(Modified example of the fourth embodiment)
In the case where the
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope of the claims.
例えば、n型ドリフト層2のうち第1領域3aよりも上方に位置している部分、つまり第2領域3bが形成される部分については、n型ドリフト層2のうちの他の部分よりもn型不純物濃度を高くしても良い。これにより、n型ドリフト層2のうち第2領域3bの間に位置する部分は、それよりも下方に位置する部分よりもn型不純物濃度が高くされた電流分散層として機能し、チャネルから流れる電流をより広範囲に分散させて流すことができ、低オン抵抗に寄与できる。
For example, the portion of the n-
また、上記実施形態では、第2領域3bを破線状に配置し、その間を間引領域とした構造としているが、第2領域3bを必ずしも破線状にする必要はなく、一部が切り欠かれて間引領域とされた構造であれば良い。なお、間引領域の寸法については任意であるが、間引領域が形成される分、アバランシェブレークダウンが発生した際の電流経路となる第2領域3bの断面積が狭くなることから、アバランシェブレークダウン時の耐圧を考慮して間引領域の寸法を決めると良い。
Further, in the above embodiment, the
また、上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプのMOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプのMOSFETに対しても本発明を適用することができる。また、上記説明では、トレンチゲート構造のMOSFETを例に挙げて説明したが、同様のトレンチゲート構造のIGBTに対しても本発明を適用することができる。IGBTは、上記各実施形態に対して基板1の導電型をn型からp型に変更するだけであり、その他の構造や製造方法に関しては上記各実施形態と同様である。また、絶縁破壊強度の高い材料で構成された半導体装置としてSiC半導体装置を例に挙げて説明したが、GaN、GaOなどの他の材料を用いた半導体装置であっても良い。
Further, in each of the above embodiments, an n-channel type MOSFET in which the first conductive type is an n-type and the second conductive type is a p-type has been described as an example, but the conductive type of each component is inverted p. The present invention can also be applied to channel type MOSFETs. Further, in the above description, although the MOSFET having a trench gate structure has been described as an example, the present invention can be applied to an IGBT having a similar trench gate structure. The IGBT only changes the conductive type of the
1 n+型半導体基板
2 n型ドリフト層
3 電界緩和層
3a 第1領域
3b 第2領域
4 p型ベース領域
5 n+型ソース領域
7 トレンチ
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
1 n + type semiconductor substrate 2 n
Claims (7)
前記基板の上に形成され、前記基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の半導体からなるドリフト層(2)と、
前記ドリフト層の上に形成された第2導電型の半導体からなるベース領域(4)と、
前記ベース領域の上層部に形成され、前記ドリフト層よりも高濃度の第1導電型の半導体からなるソース領域(5)と、
前記ベース領域の上層部において、前記ソース領域と異なる位置に形成され、前記ベース領域よりも高濃度の第2導電型の半導体からなるコンタクト領域(6)と、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深くまで形成され、一方向を長手方向として複数本が並列されたトレンチ(7)内に、ゲート絶縁膜(8)を介してゲート電極(9)が形成されることで構成されたトレンチゲート構造と、
前記ソース領域および前記コンタクト領域に電気的に接続されたソース電極(10)と、
前記基板の裏面側に形成されたドレイン電極(12)と、
前記ドリフト層内に配置され、前記トレンチよりも深い位置に形成された第2導電型の第1領域(3a)および前記トレンチの長手方向と同方向を長手方向として複数本の前記トレンチの間のそれぞれにおいて該トレンチの側面から離れて配置されると共に前記第1領域と前記ベース領域とを繋ぐ第2導電型の第2領域(3b)と、を含む電界緩和層(3)と、を有し、
前記第1領域と前記第2領域は共にイオン注入層によって構成されており、前記第2領域は破線状とされていて部分的に間引かれた構造とされ、該間引かれた部分を間引領域として、該間引領域では、前記基板の表面に対する法線方向において、前記第1領域のみが形成されている、半導体装置。 A substrate (1) made of a first or second conductive type semiconductor,
A drift layer (2) formed on the substrate and made of a first conductive type semiconductor having a lower impurity concentration than the substrate,
A base region (4) made of a second conductive type semiconductor formed on the drift layer and
A source region (5) formed in the upper layer of the base region and composed of a first conductive type semiconductor having a higher concentration than the drift layer,
In the upper layer of the base region, a contact region (6) formed at a position different from the source region and composed of a second conductive type semiconductor having a higher concentration than the base region,
A gate electrode (9) is formed via a gate insulating film (8) in a trench (7) formed from the surface of the source region to a depth deeper than the base region and in which a plurality of electrodes are arranged in parallel with one direction as the longitudinal direction. A trench gate structure constructed by being formed,
A source electrode (10) electrically connected to the source region and the contact region,
A drain electrode (12) formed on the back surface side of the substrate and
Between the first region (3a) of the second conductive type, which is arranged in the drift layer and formed at a position deeper than the trench, and a plurality of the trenches with the same direction as the longitudinal direction of the trench as the longitudinal direction. Each has an electric field relaxation layer (3) that is arranged away from the side surface of the trench and includes a second conductive type second region (3b) that connects the first region and the base region. ,
Both the first region and the second region are composed of an ion implantation layer, and the second region has a broken line shape and a partially thinned structure, and the thinned portion is interleaved. As a thinning region, a semiconductor device in which only the first region is formed in the thinning region in the normal direction with respect to the surface of the substrate.
前記第2領域は、前記第1領域上において破線状に配置されている、請求項1に記載の半導体装置。 The first region is formed linearly on both sides of the trench gate structure with the same direction as the longitudinal direction of the trench gate structure as the longitudinal direction.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second region is arranged in a broken line shape on the first region.
前記トレンチゲート構造の両側に位置するそれぞれの前記第2領域について、前記間引領域とされる部分が長手方向においてずらされることで、前記第1領域と前記第2領域とが接続される部分が千鳥配置されている、請求項5に記載の半導体装置。 In a plurality of portions where a straight line along the longitudinal direction of the second region intersects the first region, a portion where the second region and the first region overlap and the thinning region are alternately arranged.
For each of the second regions located on both sides of the trench gate structure, the portion to be the thinned-out region is shifted in the longitudinal direction, so that the portion connecting the first region and the second region is formed. The semiconductor device according to claim 5, which is arranged in a staggered pattern.
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