JP2022522762A - 半導体パワーデバイス - Google Patents

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Abstract

本発明の実施例に係る半導体パワーデバイスは、ｎ型ドリフト領域の頂部に位置する少なくとも１つのｐ型ボディ領域と、前記ｐ型ボディ領域内に位置する第１のｎ型ソース領域及び第２のｎ型ソース領域と、前記第１のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間の第１の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第１のゲート構造と、前記第２のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間の第２の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第２のゲート構造とを含み、前記第２のゲート構造は前記ｎ型ドリフト領域内に凹んでいる。本発明の実施例の半導体パワーデバイスは、チップのサイズが小さく、かつ速い逆回復速度を有する。

Description

本開示は２０１９年１１月２７日に中国国家知識産権局に出願され、出願番号が２０１９１１１８４１０８．Ｘの中国特許出願の優先権を主張し、上述の出願の全ての内容は引用により本願に援用される。
本願は半導体パワーデバイスの技術分野に属し、例えばチップのサイズが小さく、かつ逆回復速度が速い半導体パワーデバイスに関する。
関連技術の半導体パワーデバイスの等価回路は図１に示すように、ソース１０１、ドレイン１０２、ゲート１０３及びボディダイオード１０４を含み、そのうち、ボディダイオード１０４は半導体パワーデバイスにおける真性寄生構造である。関連技術の半導体パワーデバイスの動作メカニズムは以下のとおりである。１）ゲート‐ソース間電圧Ｖｇｓが半導体パワーデバイスの閾値電圧Ｖｔｈより小さく、ドレイン‐ソース間電圧Ｖｄｓが０Ｖより大きい時に、半導体パワーデバイスがオフの状態にある。２）ゲート‐ソース間電圧Ｖｇｓが半導体パワーデバイスの閾値電圧Ｖｔｈより大きく、ドレイン‐ソース間電圧Ｖｄｓが０Ｖより大きい時に、半導体パワーデバイスが順方向にオンになり、この時にドレインからゲートでの電流チャネルを介してソースに電流が流れる。関連技術に係る半導体パワーデバイスがオフの時に、ドレイン‐ソース間電圧Ｖｄｓが０Ｖより小さい場合、半導体パワーデバイスのボディダイオードは順バイアス状態にあり、逆方向電流がソースからボディダイオードを介してドレインに流れ、この時ボディダイオードの電流はマイノリティキャリアが注入される現象が存在し、これらのマイノリティキャリアは半導体パワーデバイスが再びオンになった時に逆回復を行い、大きな逆回復電流をもたらし、逆回復時間が長い。
本願は、関連技術における半導体パワーデバイスがマイノリティキャリア注入問題による逆回復時間が長いという技術的問題を解決するために、逆回復速度が速い半導体パワーデバイスを提供する。
本発明の実施例に係る半導体パワーデバイスは、
ｎ型ドレイン領域と、前記ｎ型ドレイン領域の上に位置するｎ型ドリフト領域と、前記ｎ型ドリフト領域の頂部に位置する少なくとも１つのｐ型ボディ領域と、前記ｐ型ボディ領域内に位置する第１のｎ型ソース領域及び第２のｎ型ソース領域と、
第１のゲート誘電体層、第１のゲート及びｎ型フローティングゲートを含み、前記第１のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間の第１の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第１のゲート構造と、
前記第１のゲート誘電体層に位置する１つの開口と、
前記第２のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間の第２の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第２のゲート構造とを含み、
前記第１のゲート及び前記ｎ型フローティングゲートは前記第１のゲート誘電体層の上に位置し、かつ横方向において前記ｎ型フローティングゲートは前記ｎ型ドリフト領域に近い側に位置し、前記第１のゲートは前記第１のｎ型ソース領域に近い側に位置して、前記ｎ型フローティングゲートの上まで延伸し、前記第１のゲートは容量結合によって、前記ｎ型フローティングゲートに作用し、前記ｎ型フローティングゲートは前記開口によって、前記ｐ型ボディ領域に接触してｐｎ接合ダイオードを形成し、前記第２のゲート構造は前記ｎ型ドリフト領域内に凹んでいるゲートトレンチ並びに前記ゲートトレンチ内に位置する第２のゲート誘電体層及び第２のゲートを含む。
好ましくは、本願の半導体パワーデバイスにおいて、前記第１のゲートは前記ｎ型フローティングゲートの前記ｎ型ドリフト領域に近い側の側壁を被覆する。
好ましくは、本願の半導体パワーデバイスは、前記ゲートトレンチ内に位置するシールドゲートをさらに含み、前記第２のゲートは前記ゲートトレンチの上部に位置し、前記シールドゲートは前記ゲートトレンチの下部に位置し、前記シールドゲートは絶縁誘電体層によって前記第２のゲート及び前記ｎ型ドリフト領域と隔離される。
好ましくは、本願の半導体パワーデバイスにおいて、前記シールドゲートは前記ゲートトレンチの下部に位置して、上に向かって前記ゲートトレンチの上部内まで延伸する。
好ましくは、本願の半導体パワーデバイスにおいて、前記ゲートトレンチの上部の幅は前記ゲートトレンチの下部の幅より大きい。
好ましくは、本願の半導体パワーデバイスにおいて、前記開口は前記ｎ型フローティングゲートの下方に位置して、前記ｎ型ドリフト領域側に近接する。
本発明の実施例に係る半導体パワーデバイスは、順方向遮断状態及び順方向にオンの時に高閾値電圧を有し、逆方向に導通の時に第１の電流チャネルは低閾値電圧を有することにより、第１の電流チャネルが低ゲート電圧（又は０Ｖ電圧）でオンになり、これにより第１の電流チャネルに流れる逆方向電流を増加させ、ひいては半導体パワーデバイスに寄生されたボディダイオードに流れる電流を減少させ、半導体パワーデバイスの逆回復速度を向上させることができる。本発明に係る半導体パワーデバイスの第２の電流チャネルは垂直な電流チャネルであり、半導体パワーデバイスのチップのサイズを低減することができ、これにより半導体パワーデバイスをより小さな体積でパッケージ化できる。
以下実施例を説明するために必要な図面を簡単に紹介する。
関連技術の半導体パワーデバイスの等価回路の模式図である。 本願に係る半導体パワーデバイスの第１実施例の断面構造模式図である。 本願に係る半導体パワーデバイスの第２実施例の断面構造模式図である。
以下本発明の実施例における図面を参照し、具体的な実施形態によって、本願の技術案を完全に説明する。同時に、明細書の図面に列挙された模式図は、本願に記載の前記層及び領域のサイズを拡大したものであり、かつ列挙された図形の大きさは実際の寸法を表すものではない。明細書に列挙された実施例は明細書の図面に示された領域の特定の形状に限定されるものではなく、得られた形状例えば製造によるずれ等を含む。
図２は本願に係る半導体パワーデバイスの第１実施例の断面構造模式図であり、図２に示すように、本発明の実施例に係る半導体パワーデバイスは、ｎ型ドレイン領域２０と、ｎ型ドレイン領域２０の上に位置するｎ型ドリフト領域２１と、図２に例示的に１つのみが示され、ｎ型ドリフト領域２１の頂部に位置する少なくとも１つのｐ型ボディ領域２２と、ｐ型ボディ領域２２内に位置する第１のｎ型ソース領域２３及び第２のｎ型ソース領域３３と、第１のゲート誘電体層２４、ｎ型フローティングゲート２５及び第１のゲート２６を含み、第１のｎ型ソース領域２３とｎ型ドリフト領域２１との間の第１の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第１のゲート構造とを含み、第１のゲート２６及びｎ型フローティングゲート２５は第１のゲート誘電体層２４の上に位置し、かつ横方向においてｎ型フローティングゲート２５はｎ型ドリフト領域２１に近い側に位置し、第１のゲート２６は第１のｎ型ソース領域２３に近い側に位置して、前記ｎ型フローティングゲート２５の上まで延伸し、第１のゲート２６及びｎ型フローティングゲート２５は絶縁誘電体層２７によって隔離され、第１のゲート２６は容量結合によって、ｎ型フローティングゲート２５に作用する。絶縁誘電体層２７は、一般的にシリカである。第１のゲート誘電体層２４に１つの開口２８が形成され、ｎ型フローティングゲート２５は第１のゲート誘電体層２４における開口２８によって、ｐ型ボディ領域２２に接触してｐｎ接合ダイオードを形成する。
本発明の実施例の半導体パワーデバイスの第１のゲート２６は、ｎ型フローティングゲート２５の上まで延伸すると同時に、ｎ型フローティングゲート２５のｎ型ドリフト領域２１に近い側の側壁を被覆してもよく、これにより第１のゲート２６がｎ型フローティングゲート２５を被覆する面積を増大させることができ、ひいては第１のゲート２６のｎ型フローティングゲート２５に対する容量結合率を増大させることができる。
本発明の実施例の半導体パワーデバイスは、順方向遮断状態の時に、ｎ型ドレイン領域２０に高電圧が印加され、ｎ型フローティングゲート２５とｐ型ボディ領域２２とによって形成されたｐｎ接合ダイオードが順方向にバイアスされ、ｎ型フローティングゲート２５は正電荷が充填されることで、ｎ型フローティングゲート２５の下の電流チャネルの閾値電圧Ｖｈｔ１が低減される。ｎ型フローティングゲート２５の電圧は第１のゲート誘電体層２４における開口２８の位置に関連し、好ましくは、第１のゲート誘電体層２４に位置する開口２８はｎ型フローティングゲート２５の下方に位置し、かつｎ型ドリフト領域２１側に近接する。つまり横方向において開口２８の中心から第１のゲート誘電体層２４のｎ型ドリフト領域２１に近い側の端までの距離は、開口２８の中心から第１のゲート誘電体層２４の第１のｎ型ソース領域２３に近い側の端までの距離より小さく、即ち、横方向において、開口２８は第１のゲート誘電体層２４のｎ型ドリフト領域２１により近い領域に位置する。これにより開口２８を第１のゲート誘電体層２４のｎ型ドリフト領域２１により近接するように設置し、これによりｎ型フローティングゲート２５はより容易に正電荷が充填されることができ、これによりｎ型フローティングゲート２５の電圧を向上させ、ｎ型フローティングゲート２５の下方の電流チャネルの閾値電圧を低下させることができる。
本発明の実施例の半導体パワーデバイスは順方向遮断状態及び順方向オン状態にある時に、ドレイン‐ソース間電圧Ｖｄｓが０Ｖより大きく、ｎ型フローティングゲート２５の下の電流チャネルの閾値電圧Ｖｈｔ１が第１の電流チャネル全体の閾値電圧Ｖｔｈに与える影響が低く、第１の電流チャネルは依然として高閾値電圧Ｖｔｈを有する。本発明の実施例の半導体パワーデバイスがオフの時に、ソース‐ドレイン電圧Ｖｓｄが０Ｖより大きい場合、ｎ型フローティングゲート２５の下の電流チャネルの閾値電圧Ｖｈｔ１が第１の電流チャネルの閾値電圧Ｖｔｈに与える影響が大きく、第１の電流チャネルに低閾値電圧Ｖｔｈを有させることにより、第１の電流チャネルの電流チャネルを低ゲート電圧（又は０Ｖ電圧）でオンにさせ、これにより第１の電流チャネルに流れる逆方向電流を増加させ、半導体パワーデバイスに寄生されたボディダイオードに流れる電流を減少させ、半導体パワーデバイスの逆回復速度を向上させることができる。
第２のｎ型ソース領域３３とｎ型ドリフト領域２１との間の第２の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第２のゲート構造において、前記第２のゲート構造は前記ｎ型ドリフト領域内に凹んでいるゲートトレンチ並びに当該ゲートトレンチ内に位置する第２のゲート誘電体層３４及び第２のゲート３６を含み、第２のゲート３６はゲート電圧に接続することによって、第２のｎ型ソース領域３３とｎ型ドリフト領域２１との間に介在する第２の電流チャネルのオン及びオフを制御し、第２の電流チャネルは垂直な電流チャネルであり、半導体パワーデバイスのチップのサイズを低減することができ、これにより半導体パワーデバイスをより小さな体積でパッケージ化できる。
図３は本願に係る半導体パワーデバイスの第２実施例の断面構造模式図であり、図３に示すように、本発明の実施例の半導体パワーデバイスにおける第２のゲート構造は前記ゲートトレンチ内に位置するシールドゲート３８をさらに含み、この時に第２のゲート３６はゲートトレンチの上部に位置し、シールドゲート３８はゲートトレンチの下部に位置し、シールドゲート３８は絶縁誘電体層によって第２のゲート３６と隔離され、本実施例において、シールドゲート３８はフィールド酸化層３７によってｎ型ドリフト領域２１と隔離され、シールドゲート３８はゲート誘電体層３４によって第２のゲート３６と隔離される。シールドゲート３８は一般的にソース電圧に接続されることで、ゲートトレンチの底部に横方向の電圧を形成し、半導体パワーデバイスの耐圧を向上させる。本発明の実施例の半導体パワーデバイスにおいて、シールドゲート３８はゲートトレンチの下部に位置して、上に向かってゲートトレンチの上部内まで延伸してもよく、この時、ゲートトレンチの上部の幅はゲートトレンチの下部の幅より大きくてもよく、当該構造は本発明の実施例においてこれ以上詳細には示さない。

Claims (6)

  1. ｎ型ドレイン領域と、前記ｎ型ドレイン領域の上に位置するｎ型ドリフト領域と、前記ｎ型ドリフト領域の頂部に位置する少なくとも１つのｐ型ボディ領域と、前記ｐ型ボディ領域内に位置する第１のｎ型ソース領域及び第２のｎ型ソース領域と、
    第１のゲート誘電体層、第１のゲート及びｎ型フローティングゲートを含み、前記第１のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間の第１の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第１のゲート構造と、
    前記第１のゲート誘電体層に位置する１つの開口と、
    前記第２のｎ型ソース領域と前記ｎ型ドリフト領域との間の第２の電流チャネルのオン及びオフを制御するための第２のゲート構造とを含み、
    前記第１のゲート及び前記ｎ型フローティングゲートは前記第１のゲート誘電体層の上に位置し、かつ横方向において前記ｎ型フローティングゲートは前記ｎ型ドリフト領域に近い側に位置し、前記第１のゲートは前記第１のｎ型ソース領域に近い側に位置して、前記ｎ型フローティングゲートの上まで延伸し、前記第１のゲートは容量結合によって、ｎ型フローティングゲートに作用し、前記ｎ型フローティングゲートは前記開口によって、前記ｐ型ボディ領域に接触してｐｎ接合ダイオードを形成し、前記第２のゲート構造は前記ｎ型ドリフト領域内に凹んでいるゲートトレンチ並びに前記ゲートトレンチ内に位置する第２のゲート誘電体層及び第２のゲートを含む、
    半導体パワーデバイス。
  2. 前記第１のゲートは前記ｎ型フローティングゲートの前記ｎ型ドリフト領域に近い側の側壁を被覆する、
    請求項１に記載の半導体パワーデバイス。
  3. 前記半導体パワーデバイスは、前記ゲートトレンチ内に位置するシールドゲートをさらに含み、前記第２のゲートは前記ゲートトレンチの上部に位置し、前記シールドゲートは前記ゲートトレンチの下部に位置し、前記シールドゲートは絶縁誘電体層によって前記第２のゲート及び前記ｎ型ドリフト領域と隔離される、
    請求項１に記載の半導体パワーデバイス。
  4. 前記シールドゲートは前記ゲートトレンチの下部に位置して、上に向かって前記ゲートトレンチの上部内まで延伸する、
    請求項３に記載の半導体パワーデバイス。
  5. 前記ゲートトレンチの上部の幅は前記ゲートトレンチの下部の幅より大きい、
    請求項４に記載の半導体パワーデバイス。
  6. 前記開口は前記ｎ型フローティングゲートの下方に位置し、かつ前記ｎ型ドリフト領域側に近接する、
    請求項１に記載の半導体パワーデバイス。
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