JP2023045255A - 半導体装置 - Google Patents

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達也 西脇
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Abstract

Figure 2023045255000001
【課題】高い降伏電圧を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体部と、第１乃至第４電極と、第１および第２絶縁膜と、を備える。前記第１および第２電極は、前記半導体部の裏面上および表面側にそれぞれ設けられる。前記第３電極および前記第４電極は、前記半導体部中に延在する。前記第４電極は、複数の前記第３電極が設けられた領域を囲む。前記第１絶縁膜は、前記半導体部と前記第３電極との間に設けられ、前記第２絶縁膜は、前記半導体部と前記第４電極との間に設けられる。前記第４電極は、前記裏面に沿った第１乃至第３方向にそれぞれ延在する第１乃至第３部分を含む。前記第１方向は、前記第１方向と直交し、前記第３方向は前記第１方向および前記第２方向と交差する。前記複数の第３電極は、前記第１方向および前記第３方向のそれぞれにおいて隣り合う２つの第３電極間において、隣り合う２つの第１絶縁膜の間隔が最小となるように配置される。
【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
電力制御用半導体装置には、高い降伏電圧を有することが求められる。
特開２０１５－１５３９８８号公報
実施形態は、高い降伏電圧を有する半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、半導体部と、第１乃至第４電極と、第１および第２絶縁膜と、を備える。前記半導体部は、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、を含む。前記第１電極は、前記半導体部の裏面上に設けられ、前記第２電極は、前記半導体部の表面側に設けられる。前記第１半導体層は、前記第１電極と前記第２電極との間に延在し、前記第２半導体層は、前記第１半導体層と前記第２電極との間に設けられ、前記第２電極に電気的に接続される。前記第３電極および前記第４電極は、前記半導体部の前記表面側から前記第１半導体層中に延在する。前記第３電極は、複数設けられ、前記半導体部の前記裏面沿った方向に相互に離間して配置される。前記複数の第３電極は、前記第２電極に電気的に接続される。前記第４電極は、前記複数の第３電極が設けられた領域を囲み、前記第２電極に電気的に接続される。前記第１絶縁膜は、前記半導体部と前記複数の第３電極との間にそれぞれ設けられ、前記第３電極を前記半導体部から電気的に絶縁する。前記第２絶縁膜は、前記半導体部と前記第４電極との間に設けられ、前記第４電極を前記半導体部から電気的に絶縁する。前記第４電極は、前記半導体部の前記裏面に沿った第１方向に延在する第１部分と、前記裏面に沿った第２方向であって、前記第１方向と直交する第２方向に延在する第２部分と、前記裏面に沿った第３方向であって、前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向に延在し、前記第１部分および前記第２部分につながる第３部分と、を含む。前記複数の第３電極は、前記第１方向において隣り合う２つの第３電極間、および、前記第３方向において隣り合う別の２つの第３電極間において、隣り合う２つの第１絶縁膜の間隔が最小となるように配置される。
実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す模式平面図である。 比較例に係る半導体装置を示す模式平面図である。 実施形態に係る半導体装置の特性を示すグラフである。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
図１は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式断面図である。図１は、図２（ａ）中に示すＶ－Ｖ線に沿った断面図である。半導体装置１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴである。
図１に示すように、半導体装置１は、半導体部１０と、第１電極２０と、第２電極３０と、第３電極４０と、第４電極５０と、制御電極６０と、を備える。半導体部１０は、例えば、シリコンである。
第１電極２０は、半導体部１０の裏面１０Ｂの上に設けられる。第１電極２０は、例えば、ドレイン電極である。第１電極２０は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などを含む金属層である。
第２電極３０は、半導体部１０の表面１０Ｆ側に設けられる。第２電極３０は、例えば、ソース電極である。第１電極２０は、例えば、窒化チタニウム（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）などを含む金属層である。
第３電極４０は、半導体部１０の表面側に設けられた第１トレンチＴＨの内部に配置される。第１トレンチＴＨは、例えば、円もしくは多角形の開口を有し、半導体部１０の表面側から裏面に向かう方向（例えば、－Ｚ方向）に延在する穴状に設けられる。また、第３電極４０は、第１絶縁膜４５により半導体部１０から電気的に絶縁される。第１絶縁膜４５は、第１トレンチＴＨの内面を覆い、半導体部１０と第３電極４０との間に設けられる。第１絶縁膜４５は、例えば、シリコン酸化膜である。
第４電極５０は、半導体部１０の表面側に設けられた第２トレンチＴＧの内部に配置される。第２トレンチＴＧは、例えば、半導体部１０の表面側から裏面に向かう方向（例えば、－Ｚ方向）に延在する。また、第２トレンチＴＧは、複数の第３電極４０が配置された領域（活性領域）を囲む溝状に設けられる（図２（ａ）参照）。すなわち、第４電極５０は、第２トレンチＴＧの開口に沿って延在し、活性領域を囲むように設けられる。第２トレンチＴＧは、所謂、終端トレンチである。
第４電極５０は、第２絶縁膜５５により半導体部１０から電気的に絶縁される。第２絶縁膜５５は、第２トレンチＴＧの内面を覆い、半導体部１０と第４電極５０との間に設けられる。第２絶縁膜５５は、例えば、シリコン酸化膜である。
制御電極６０は、例えば、第１トレンチＴＨの内部において、半導体部１０と第３電極４０との間に設けられる。制御電極６０は、例えば、ゲート電極である。制御電極６０は、第１トレンチＴＨの上部に設けられる。制御電極６０の上面は、例えば、第１トレンチＴＨの開口の近傍に位置する。
制御電極６０は、第３絶縁膜６３により半導体部１０から電気的に絶縁される。第３絶縁膜６３は、例えば、ゲート絶縁膜である。第３絶縁膜６３は、第１トレンチＴＨの内面の上部を覆い、半導体部１０と制御電極６０との間に設けられる。第３絶縁膜６３は、例えば、シリコン酸化膜である。
制御電極６０は、例えば、半導体部１０の表面１０Ｆに平行な平面視において、第３電極４０を囲むように設けられる。制御電極６０は、第４絶縁膜６５により第３電極４０から電気的に絶縁される。第４絶縁膜６５は、第３電極４０と制御電極６０との間に設けられる。第４絶縁膜６５は、例えば、シリコン酸化膜である。
半導体部１０は、例えば、第１導電形の第１半導体層１１と、第２導電形の第２半導体層１３と、第１導電形の第３半導体層１５と、第１導電形の第４半導体層１７と、を含む。以下、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形として説明する。
第１半導体層１１は、第１電極２０と第２電極３０との間に延在する。第１半導体層１１は、例えば、ｎ形ドリフト層である。第１トレンチＴＨおよび第２トレンチＴＧは、それぞれ、半導体部１０の表面側から第１半導体層１１中に延在するように設けられる。第３電極４０は、第１絶縁膜４５を介して、第１半導体層１１に向き合う。第４電極５０は、第２絶縁膜５５を介して、第１半導体層１１に向き合う。
第２半導体層１３は、第１半導体層１１と第２電極３０との間に設けられる。第２半導体層１３は、例えば、ｐ形拡散層である。第２半導体層１３は、第３絶縁膜６３を介して、制御電極６０に向き合うように設けられる。
第３半導体層１５は、第２半導体層１３と第２電極３０との間に部分的に設けられる。第３半導体層１５は、第３絶縁膜６３に接するように設けられる。第３半導体層１５は、例えば、ｎ形ソース層である。
第４半導体層１７は、例えば、第１半導体層１１と第１電極２０との間に設けられる。第４半導体層１７は、第１半導体層１１の第１導電形不純物の濃度よりも高濃度の第１導電形不純物を含む。第４半導体層１７は、例えば、ｎ形バッファ層である。第１電極２０は、第４半導体層１７に電気的に接続される。
半導体装置１は、第５絶縁膜３３と、第６絶縁膜３５と、第１配線４７と、第２配線５７と、第３配線６７と、をさらに備える。
第５絶縁膜３３および第６絶縁膜３５は、半導体部１０と第２電極３０との間に設けられる。第５絶縁膜３３は、半導体部１０と第６絶縁膜３５との間に設けられる。第６絶縁膜３５は、第５絶縁膜３３と第２電極３０との間に設けられる。第５絶縁膜３３および第６絶縁膜３５は、例えば、層間絶縁膜である。第５絶縁膜３３および第６絶縁膜３５は、例えば、シリコン酸化膜である。
第５絶縁膜３３は、半導体部１０の表面１０Ｆ、第１トレンチＴＨおよび第２トレンチＴＧを覆う。第１配線４７、第２配線５７および第３配線６７は、第５絶縁膜３３と第６絶縁膜３５との間に設けられる。
第１配線４７は、第５絶縁膜３３に設けられたコンタクトホールを介して、第３電極４０に電気的に絶縁される。第２配線５７は、第５絶縁膜３３に設けられた別のコンタクトホールを介して、第４電極５０に電気的に絶縁される。第３配線６７は、第５絶縁膜３３に設けられた更なる別のコンタクトホールを介して、制御電極６０に電気的に絶縁される。第１配線４７は、第３絶縁膜３３に設けられた他のコンタクトホールを介して、第２半導体層１３および第３半導体層１５にも電気的に接続される。
第２電極３０は、第６絶縁膜３５に設けられたコンタクトホールを介して、第１配線４７および第２配線５７にそれぞれ接続される。これにより、第２電極３０は、第３電極４０および第４電極５０に電気的に接続される。また、第２電極３０は、第２半導体層１３および第３半導体層１５にも電気的に接続される。
図２（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式平面図である。図２（ａ）は、図１中に示すＨ－Ｈ線に沿った断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の一部を示す部分断面図である。
図２（ａ）に示すように、第２トレンチＴＧは、複数の第３電極４０が配置された領域（活性領域）を囲むように設けられる。第２トレンチＴＧは、例えば、４つのコーナーが面取りされた四角形の外縁を有する。第４電極５０は、第２トレンチＴＧに沿って延在し、複数の第３電極４０を囲む。
第３電極４０は、例えば、Ｙ方向に並ぶ。第３電極４０のＹ方向に並んだ複数の列が、Ｘ方向に並ぶ。第３電極４０の１つは、例えば、Ｙ方向において隣り合う第３電極４０間のスペースに、Ｘ方向において隣り合うように配置される。
図２（ｂ）は、第２トレンチＴＧの１つのコーナーを示す平面図である。図２（ｂ）に示すように、第１トレンチＴＨは、例えば、正六角形の断面形状を有する。第３電極４０は、例えば、正六角形の中央に設けられる。
複数の第３電極４０は、Ｙ方向において隣り合う２つの第１絶縁膜４５の間隔が最小間隔Ｄｍｉｎとなるように配置される。また、複数の第３電極４０は、Ｘ方向およびＹ方向と交差する斜め方向Ｄｄにおいて隣り合う２つの第１絶縁膜４５の間隔が、例えば、最小間隔Ｄｍｉｎとなるように配置される。
また、第２トレンチＴＧに沿って配置される第１トレンチＴＨは、第２トレンチＴＧとの間隔Ｄｅが等間隔となるように配置される。間隔Ｄｅは、例えば、最小間隔Ｄｍｉｎと同じである。
第２トレンチＴＧは、例えば、第１部分ＴＧ１、第２部分ＴＧ２および第３部分ＴＧ３を含む。第１部分ＴＧ１は、Ｙ方向に延在する。第２部分ＴＧ２は、Ｘ方向に延在する。第３部分ＴＧ３は、斜め方向Ｄｄに延在し、第１部分ＴＧ１と第２部分ＴＧ２とをつなぐように設けられる。第１部分ＴＧ１は、例えば、６０°の外角をもって、第３部分ＴＧ３につながる。第２部分ＴＧ２は、例えば、３０°の外角をもって、第３部分ＴＧ３につながる。
第２トレンチ中に設けられる第４電極５０も、第１部分５０ａ、第２部分５０ｂおよび第３部分５０ｃを含む。第１部分５０ａは、Ｙ方向に延在する。第２部分５０ｂは、Ｘ方向に延在する。第３部分５０ｃは、斜め方向Ｄｄに延在し、第１部分５０ａと第２部分５０ｂとをつなぐように設けられる。
図３は、比較例に係る半導体装置２を示す模式平面図である。図３は、図２（ｂ）に対応する平面図である。
半導体装置２では、１つの第１トレンチＴＨが第２トレンチＴＧのコーナー部に向き合うように配置される。言い換えれば、半導体装置２の第２トレンチＴＧは、斜め方向Ｄｄに延びる第３部分ＴＧ３（図２（ｂ）参照）を有さない。
このように、半導体装置２の第２トレンチＴＧは、コーナー部が９０°に曲がるように設けられる。半導体装置２は、ターンオフ時において、コーナー部に電界集中が生じ易い形状を有する。
図４は、実施形態に係る半導体装置１の特性を示すグラフである。横軸は、第２絶縁膜５５の膜厚である。縦軸は、降伏電圧である。図４中に示す「ＥＢ」は、半導体装置１の特性を示している。また、「ＣＥ」は、比較例として、半導体装置２の特性を示している。
例えば、隣り合う第１トレンチＴＨ間の最小間隔Ｄｍｉｎを好適に設定することにより、活性領域における降伏電圧を高くすると、半導体装置１および２の降伏電圧は、第２トレンチＴＧが設けられる終端領域の降伏電圧に依存するようになる。
図４に示すように、第２トレンチＴＧ内の第２絶縁膜５５の膜厚を厚くすれば、第１半導体層１１と第２絶縁膜５５との界面における電界値が小さくなり、終端領域の降伏電圧は上昇する。
終端領域の降伏電圧は、例えば、第２トレンチＴＧのコーナー部における電界集中に左右される。半導体装置１の第２トレンチＴＧは、コーナー部において、第３部分ＴＧ３（図２（ｂ）参照）を有する。このため、半導体装置１では、第２トレンチＴＧにおける電界集中が緩和され、半導体装置１の降伏電圧は、半導体装置２の降伏電圧よりも高くなる。
このように、実施形態に係る半導体装置１では、第２トレンチＴＧのコーナー部に、第３部分ＴＧ３を設けることにより、降伏電圧を高くすることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、２…半導体装置、 １０…半導体部、 １０Ｂ…裏面、 １０Ｆ…表面、 １１…第１半導体層、 １３…第２半導体層、 １５…第３半導体層、 １７…第４半導体層、 ２０…第１電極、 ３０…第２電極、 ３３…第５絶縁膜、 ３５…第６絶縁膜、 ４０…第３電極、 ４５…第１絶縁膜、 ４７…第１配線、 ５０…第４電極、 ５５…第２絶縁膜、 ５７…第２配線、 ６０…制御電極、 ６３…第３絶縁膜、 ６５…第４絶縁膜、 ６７…第３配線、 ＴＨ…第１トレンチ、 ＴＧ…第２トレンチ、 ＴＧ１、５０ａ…第１部分、 ＴＧ２、５０ｂ…第２部分、 ＴＧ３、５０ｃ…第３部分

Claims (8)

  1. 第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、を含む半導体部と、
    前記半導体部の裏面上に設けられた第１電極と、
    前記半導体部の表面側に設けられた第２電極であって、前記第１半導体層は、前記第１電極と前記第２電極との間に延在し、前記第２半導体層は、前記第１半導体層と前記第２電極との間に設けられ、前記第２電極に電気的に接続されるように構成された、第２電極と、
    前記半導体部の前記表面側から前記第１半導体層中に延在し、前記半導体部の前記裏面沿った方向に相互に離間して配置され、前記第２電極に電気的に接続される複数の第３電極と、
    前記半導体部の前記表面側から前記第１半導体層中に延在し、前記複数の第３電極が設けられた領域を囲み、前記第２電極に電気的に接続された第４電極と、
    前記半導体部と前記複数の第３電極との間にそれぞれ設けられ、前記第３電極を前記半導体部から電気的に絶縁する第１絶縁膜と、
    前記半導体部と前記第４電極との間に設けられ、前記第４電極を前記半導体部から電気的に絶縁する第２絶縁膜と、
    を備え、
    前記第４電極は、前記半導体部の前記裏面に沿った第１方向に延在する第１部分と、前記裏面に沿った第２方向であって、前記第１方向に直交する第２方向に延在する第２部分と、前記裏面に沿った第３方向であって、前記第１方向および前記第２方向と交差する第３方向に延在し、前記第１部分および前記第２部分をつなぐ第３部分と、を含み、
    前記複数の第３電極は、前記第１方向において隣り合う２つの第３電極間、および、前記第３方向において隣り合う別の２つの第３電極間において、隣り合う２つの第１絶縁膜の間隔が最小となるように配置された半導体装置。
  2. 前記複数の第３電極は、前記第４電極と、前記第４電極と隣り合う位置に設けられる第３電極と、の間において、前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜との間隔が一定となるように配置される請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記複数の第３電極は、前記半導体部の前記表面側に設けられ、前記第２電極から前記第１電極に向かう第４方向に延在する第１トレンチであって、前記半導体部の前記表面に円形もしくは多角形の開口を有する第１トレンチの内部に設けられ、
    前記第４電極は、前記半導体部の前記表面に沿って延在する溝状の第２トレンチの内部に設けられる請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記第３方向は、前記第１方向と６０°または３０°の内角を有するように交差する請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体装置。
  5. 前記第２半導体層と前記第３電極との間に設けられた制御電極と、
    前記第２半導体層と前記制御電極との間に設けられた第３絶縁膜と、
    前記第３電極と前記制御電極との間に設けられた第４絶縁膜と、
    をさらに備え、
    前記第３電極は、前記第１絶縁膜を介して、前記第１半導体層に向き合い、
    前記制御電極は、前記第３絶縁膜を介して、前記第２半導体層に向き合うように設けられる請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体装置。
  6. 前記半導体部は、前記第１導電形の第３半導体層をさらに含み、
    前記第３半導体層は、前記第２半導体層と前記第２電極との間に部分的に設けられ、前記第３絶縁膜に接するように設けられる請求項５記載の半導体装置。
  7. 前記半導体部と前記第２電極との間に設けられた第５絶縁膜と、
    前記第５絶縁膜と前記第２電極との間に設けられた第６絶縁膜と、
    前記第５絶縁膜と前記第６絶縁膜との間に設けられ、前記第２電極および前記第３電極に電気的に接続された第１配線と、
    前記第５絶縁膜と前記第６絶縁膜との間に設けられ、前記第２電極および前記第４電極に電気的に接続された第２配線と、
    前記第５絶縁膜と前記第６絶縁膜との間に設けられ、前記第２電極および前記制御電極に電気的に接続された第３配線と、
    をさらに備えた請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体装置。
  8. 前記第１配線は、前記第２半導体層および前記第３半導体層に電気的に接続される請求項７記載の半導体装置。
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