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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に高耐圧のパワー半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(以下、SiCと記す)に代表されるワイドギャップ半導体材料は、珪素(以下、Siと記す)の半導体材料に比べて絶縁破壊電界強度が大きいためにSiの場合と同じ不純物濃度でより高い耐圧を実現できる。更に、低損失を保ちつつ高耐圧にでき、且つ250℃以上の高温でも動作し、熱伝導も良いという利点があり、次世代のパワー半導体の材料として期待されている。
このSiCを用いた、図15に示すような構造のパワーMOSFETが、1998年出版の論文集であるProceedings of the 10th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs の119頁から122頁に示されている。このパワーMOSFETはトレンチゲート型MOSFETと呼ばれており、n型SiC半導体基板101の上にエピタキシャル法でn型ドリフト層102が形成される。n型ドリフト層102の上にp型ボディ領域103が形成され、更に、p型ボディ層の所定領域にn型ソース領域104が形成されている。n型ソース領域104とp型ボディ領域103からn型ドリフト領域102に達する凹部110が形成され、凹部110にゲート絶縁膜105を介してゲート電極106が形成されている。n型ソース領域104の上にはソース電極107が形成されている。またn型SiC半導体基板の下面にはドレイン電極108が形成されている。
【0003】
ソースSとドレインD間にキャリアを流すチャネルは以下のようにして形成される。すなわちゲート電極106に電圧を印加し、ゲート電極106と凹部110の側壁部分のp型ボディ領域103とに挟まれたゲート絶縁膜105に電界を与える。これにより、ゲート絶縁膜105に接するp型ボディ領域103の表面付近の導電型がn型に反転しチャネルが形成される。この構造により、SiのパワーMOSFETの理論限界を超えた性能、すなわち、耐圧1400Vで単位面積あたり311mΩcm2の低いオン抵抗が得られる。
【0004】
近年、高耐圧パワー出力素子に制御回路や保護回路を組合せて一体化した高耐圧パワーICの開発・実用化が進められ、高耐圧半導体装置の小型化・インテリジェント化に貢献している。高耐圧パワーICの出力素子の種類としては低損失化の点からIGBTやサイリスタに代表されるバイポーラ半導体装置が注目されている。バイポーラ半導体装置は電導度変調の効果により、MOSFETやSITに代表されるモノポーラ半導体装置に比べて半導体装置の内部抵抗を大幅に低減でき、大幅な低損失化が図れるという利点がある。高耐圧パワー出力素子の構造としては縦型構造と横型構造があるが、制御回路などとの組合せや集積化が容易な点から主に横型構造が採用されている。図16はSiを用いて構成された典型的な横型構造のIGBTであり、1996年に開催された国際学会の論文集Proceedings of the 8th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs の101頁から104頁に渡って開示されている。
【0005】
前記のIGBTは、Si基板201の上にSiO2絶縁膜213を形成し、ついでn型ドリフト領域202を積層している。積層されたドリフト領域202の右端にp型ボディ領域204が形成され、その内部にn型エミッタ領域205とp型コンタクト領域214が形成されている。エミッタ領域205にエミッタ電極218が形成され、コンタクト領域214にベース電極220が形成されている。また、ゲート酸化膜210を介してp型ボディ領域204の上にゲート電極211が設けられている。ドリフト領域202の左端にはn型バッファー領域206、p型コレクタ領域207及びアノード電極219が順次設けられている。
【0006】
このIGBTのオフ時の動作は次のとおりである。アノード電極219の電位がエミッター電極218の電位より高い状態になるように高電圧を印加した時、p型ボディ領域204とn型ドリフト領域202で形成する接合が逆バイアスされ空乏層が主にn型ドリフト領域202内に拡がる。空乏層内の電界は接合付近で最大となりn型バッファー領域206に向かって漸減している。印加電圧を更に高くすると空乏層は更にn型バッファー領域206に向かって拡がり上記の接合付近の最大電界も高くなってゆく。最大電界がSiCの絶縁破壊電界である約0.3MV/cmに達する印加電圧がこのIGBTの降伏耐圧である。
【0007】
一方、オン時の動作は次のとおりである。アノード電極219の電位がエミッタ電極218の電位より高くなるように電圧を印加した状態でゲート電極211にしきい値電圧以上の高い電圧を印加すると、ゲート電極211の下のp型ボディ領域204の表面に電子が集められ反転層が形成される。その結果、n型エミッタ領域205から反転層を経て電子が流れる。この電子の一部はn型ドリフト領域202を通ってn型バッファー領域206に達し、p型コレクタ領域207からの正孔の注入を促す。注入された正孔はn型ドリフト領域202を通ってp型ボディ領域204に達しエミッタ電極218から流出する。このとき、n型ドリフト領域202内には電子と正孔の両方が存在することになり伝導度変調が生じる。これによりドリフト領域の抵抗を著しく低減させることができる。その結果、MOSFETに比べて高耐圧であるにもかかわらず低オン抵抗すなわち低損失の半導体装置が実現できる。
本従来例の降伏電圧は340V、電流容量は2Aである。200A/cm2の電流密度でのオン電圧は2.0Vであり、ビルトイン電圧より高い電圧範囲でのオン抵抗は46.6mΩcm2である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置を、産業用の大容量インバータや新幹線及び電車などの電鉄用途のインバータ、あるいは電力事業用電力変換装置等に用いるには、更に高耐圧で低損失のものが必要とされる。しかし、図15のようなトレンチゲート型MOSFETで高耐圧化を図ろうとすると、ドレイン領域の不純物濃度を下げて空乏層を拡げ電界を低減させる必要がある。その結果、ドレイン領域の抵抗が大きくなり、半導体装置をオンさせて電流を流す際のオン抵抗が高くなり低損失化が困難になる。また、凹部110の底部に電界が集中しやすく、高耐圧化が難しい。SiCやSiを用いた半導体装置では、絶縁破壊電界が高いために通常ドリフト層102の不純物濃度を高くしてオン抵抗を低くするが、その場合は凹部110の底部のゲート絶縁膜105の電界が高くなり、高耐圧化が難しい。
【0009】
図16に示すSi−IGBTは、降伏電圧が低く、産業用の高圧インバータや新幹線の電車などの電鉄用途のインバータ、電力事業用の高圧電力変換装置等に用いるには耐圧が不足であり、更なる高耐圧が必要である。図18の構造で高耐圧化を図ろうとすると、ドリフト領域202の不純物濃度を下げて空乏層を拡げ電界を低減する必要がある。しかしこのようにするとドリフト領域202の抵抗が大きくなり、半導体装置をオンさせて電流を流す際のオン抵抗が高くなり低損失化が困難になってしまう。例えば、1000V以上の降伏電圧にするとビルトイン電圧より高い電圧範囲でのオン抵抗は400mΩcm2以上になり、2000V以上の降伏電圧にすると2500mΩcm2以上になる。
本発明は、ドレイン領域の不純物濃度を低減させずにドレイン領域の電界を緩和し、オン抵抗を低くする一方、耐圧が高く、また信頼性も高い高耐圧の半導体装置を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のワイドギャップ半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と同様の厚さと同様の不純物濃度を有する第2の導電型の第2のドリフト領域、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域の少なくとも一方に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記ボディ領域及び前記第1の導電型の領域に設けた第2の電極、及び前記第1のドリフト領域及び前記ボディ領域に形成した制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0011】
本発明の他の観点のワイドギャップ半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と同様の厚さと同様の不純物濃度を有する第2の導電型の第2のドリフト領域、前記基板、及び前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域の少なくとも一方に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記ボディ領域及び前記第1の導電型の領域に設けた第2の電極、及び前記基板、第1のドリフト領域及びボディ領域に絶縁膜を介して形成した制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0012】
上記の両発明のワイドギャップ半導体装置では、第1の電極が高電位、第2の電極が低電位になるように電圧を印加すると、第1の導電型の領域と第2の導電型のボディ領域で形成される接合が順バイアスされるので、低電位領域が第2の導電型のドリフト領域に拡がる。また、埋込領域を介して高電位領域が第1の導電型のドリフト領域に拡がる。その結果、第1及び第2のドリフト領域で形成される第1の接合は逆バイアスされ第1及び第2の両ドリフト領域に空乏層が拡がる。埋込領域6と第2の導電型ドリフト領域3で構成される第2の接合も同時に逆バイアスされ、空乏層が第2の導電型の領域内に拡がる。また第2の導電型のボディ領域と第1の導電型のドリフト領域で形成される第3の接合も同時に逆バイアスされ、空乏層が第1の導電型のドリフト領域内に拡がる。このように、両ドリフト領域には四方から空乏層が拡がり、第2及び第3の接合が降伏する前に第1の導電型のドリフト領域と第2の導電型のドリフト領域がほぼ完全に空乏化するように薄くする。少なくとも、印加電圧が半導体装置の定格電圧に達する前にはドリフト領域は完全に空乏化する。その結果、少なくとも定格電圧付近の電圧が印加された際には、ドリフト領域と埋込領域6で構成される接合から、ドリフト領域2とボディ領域4で構成される接合までの電位の分布がほぼ等電位分布となり電界が両ドリフト領域全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がワイドギャップ半導体の絶縁破壊電界Ecに達するまで印加電圧を高くすることができるので高耐圧にできる。
【0013】
更に、前記の構成では、耐圧は最大絶縁破壊電界と両ドリフト領域の長さできまり、両ドリフト領域の厚さには依存しない。両ドリフト領域の厚さを薄くするほど、不純物濃度を高くしても完全な空乏化ができ、高耐圧が得られる。一般に、空乏層の厚さと不純物濃度Nの間には、厚さが1/Nの0.5乗にほぼ比例するという関係がある。そこで両ドリフト領域の厚さを薄くし空乏層の厚さをこの範囲にすると、これによる不純物濃度の増大効果は著しい。すなわち、オン抵抗の低減効果が著しい。従来の構成の場合、ドリフト領域の厚さを薄くし不純物濃度を高くするとオン抵抗は低減できるが耐圧は非線形的に低下するため、単位面積あたりの抵抗RonSは耐圧の2.5乗に比例する関係となり、耐圧が大きくなるとRonSは著しく大きくなる。本発明の構造では耐圧がドリフト領域の長さに比例するが厚さには依存しない。従って厚さを低減して耐圧を損ねることなく不純物濃度を低減させることによりオン抵抗の低減効果のみを享受でき、RonSは耐圧の1乗に比例する関係となる。従って、本発明の構造ではドリフト層の厚さを限界まで薄くした場合、耐圧1000V以上の半導体装置では従来構造に比べて原理的にオン抵抗を2桁以上低減できるという大きな効果が生じる。このドリフト層の厚さの限界は、濃度を上げても第1の接合のビルトイン・ポテンシャルが存在するので、これによる空乏層が形成されるためにドリフト層の厚さをこの空乏層厚さ以下にしてもオン抵抗の低減効果はなくなるということから生じるものである。また、従来構造に比べて同じ電圧を印加した際には、本発明の構造の方が電界の局所集中が少なく最大電界が低いので信頼性が向上できる。
【0014】
本発明の他の観点のワイドギャップ半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板の上に形成した、複数組の、第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域との組、前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域の組を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域内に形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び前記領域及びボディ領域に設けた第2の電極を備えている。
【0015】
本発明の他の観点のワイドギャップ半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第2の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と実質的に同じ厚さと同じ不純物濃度を有する第1の導電型の第2のドリフト領域、前記基板、及び前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記基板及び前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記領域及びボディ領域に設けた第2の電極、及び前記ボディ領域に絶縁膜を介して設けた制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0016】
本発明の他の観点のワイドギャップ半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と実質的に同じ厚さと同じ不純物濃度を有する第2の導電型の第2のドリフト領域、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように前記第1のドリフト領域内に形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の、1部分に形成した第1の導電型の領域、前記領域に設けた第2の電極、及び前記第1のドリフト領域の第2のボディ領域及び前記領域上に絶縁膜を介して設けた制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0017】
本発明の他の観点のワイドギャップ半導体装置は、高抵抗の第1の種類の材料を用いたワイドギャップ半導体の基板上に形成した、低抵抗の第2の種類の材料を用いた第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と実質的に同じ厚さと同じ不純物濃度を有する第2の種類の材料を用いた第2の導電型の第2のドリフト領域、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記領域に設けた第2の電極、及び前記ボディ領域を貫通して、前記第1のドリフト領域に達するトレンチの内壁面に絶縁膜を介して設けた制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0018】
本発明の半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と同様の厚さと同様の不純物濃度を有する第2の導電型の第2のドリフト領域、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域の少なくとも一方に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記ボディ領域及び前記第1の導電型の領域に設けた第2の電極、及び前記第1のドリフト領域及び前記ボディ領域に形成した制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0019】
本発明の他の観点の半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と同様の厚さと同様の不純物濃度を有する第2の導電型の第2のドリフト領域、前記基板、及び前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域の少なくとも一方に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記ボディ領域及び前記第1の導電型の領域に設けた第2の電極、及び前記基板、第1のドリフト領域及びボディ領域に絶縁膜を介して形成した制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0020】
上記の両発明の半導体装置では、第1の電極が高電位、第2の電極が低電位になるように電圧を印加すると、第1の導電型の領域と第2の導電型のボディ領域で形成される接合が順バイアスされるので、低電位領域が第2の導電型のドリフト領域に拡がる。また、埋込領域を介して高電位領域が第1の導電型のドリフト領域に拡がる。その結果、第1及び第2のドリフト領域で形成される第1の接合は逆バイアスされ第1及び第2の両ドリフト領域に空乏層が拡がる。埋込領域6と第2の導電型ドリフト領域3で構成される第2の接合も同時に逆バイアスされ、空乏層が第2の導電型の領域内に拡がる。また第2の導電型のボディ領域と第1の導電型のドリフト領域で形成される第3の接合も同時に逆バイアスされ、空乏層が第1の導電型のドリフト領域内に拡がる。このように、両ドリフト領域には四方から空乏層が拡がり、第2及び第3の接合が降伏する前に第1の導電型のドリフト領域と第2の導電型のドリフト領域がほぼ完全に空乏化するように薄くする。少なくとも、印加電圧が半導体装置の定格電圧に達する前にはドリフト領域は完全に空乏化する。その結果、少なくとも定格電圧付近の電圧が印加された際には、ドリフト領域と埋込領域6で構成される接合から、ドリフト領域2とボディ領域4で構成される接合までの電位の分布がほぼ等電位分布となり電界が両ドリフト領域全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がワイドギャップ半導体の絶縁破壊電界Ecに達するまで印加電圧を高くすることができるので高耐圧にできる。
【0021】
更に、前記の構成では、耐圧は最大絶縁破壊電界と両ドリフト領域の長さできまり、両ドリフト領域の厚さには依存しない。両ドリフト領域の厚さを薄くするほど、不純物濃度を高くしても完全な空乏化ができ、高耐圧が得られる。一般に、空乏層の厚さと不純物濃度Nの間には、厚さが1/Nの0.5乗にほぼ比例するという関係がある。そこで両ドリフト領域の厚さを薄くし空乏層の厚さをこの範囲にすると、これによる不純物濃度の増大効果は著しい。すなわち、オン抵抗の低減効果が著しい。従来の構成の場合、ドリフト領域の厚さを薄くし不純物濃度を高くするとオン抵抗は低減できるが耐圧は非線形的に低下するため、単位面積あたりの抵抗RonSは耐圧の2.5乗に比例する関係となり、耐圧が大きくなるとRonSは著しく大きくなる。本発明の構造では耐圧がドリフト領域の長さに比例するが厚さには依存しない。従って厚さを低減して耐圧を損ねることなく不純物濃度を低減させることによりオン抵抗の低減効果のみを享受でき、RonSは耐圧の1乗に比例する関係となる。従って、本発明の構造ではドリフト層の厚さを限界まで薄くした場合、耐圧1000V以上の半導体装置では従来構造に比べて原理的にオン抵抗を2桁以上低減できるという大きな効果が生じる。このドリフト層の厚さの限界は、濃度を上げても第1の接合のビルトイン・ポテンシャルが存在するので、これによる空乏層が形成されるためにドリフト層の厚さをこの空乏層厚さ以下にしてもオン抵抗の低減効果はなくなるということから生じるものである。また、従来構造に比べて同じ電圧を印加した際には、本発明の構造の方が電界の局所集中が少なく最大電界が低いので信頼性が向上できる。
【0022】
本発明の他の観点の半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板の上に形成した、複数組の、第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域との組、前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域の組を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域内に形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び前記領域及びボディ領域に設けた第2の電極を備えている。
【0023】
本発明の他の観点の半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第2の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と実質的に同じ厚さと同じ不純物濃度を有する第1の導電型の第2のドリフト領域、前記基板、及び前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記基板及び前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記領域及びボディ領域に設けた第2の電極、及び前記ボディ領域に絶縁膜を介して設けた制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0024】
本発明の他の観点の半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板上に形成した第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と実質的に同じ厚さと同じ不純物濃度を有する第2の導電型の第2のドリフト領域、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように前記第1のドリフト領域内に形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の、1部分に形成した第1の導電型の領域、前記領域に設けた第2の電極、及び前記第1のドリフト領域の第2のボディ領域及び前記領域上に絶縁膜を介して設けた制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0025】
本発明の他の観点の半導体装置は、高抵抗の第1の種類の材料を用いたワイドギャップ半導体の基板上に形成した、低抵抗の第2の種類の材料を用いた第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上に形成した、前記第1のドリフト領域と実質的に同じ厚さと同じ不純物濃度を有する第2の種類の材料を用いた第2の導電型の第2のドリフト領域、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第1の導電型の埋込領域、前記埋込領域に形成した第1の電極、前記埋込領域から所定の距離だけ離れ、前記第1及び第2のドリフト領域に接するように形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記領域に設けた第2の電極、及び前記ボディ領域を貫通して、前記第1のドリフト領域に達するトレンチの内壁面に絶縁膜を介して設けた制御電極を備え、前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧より低い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に完全な空乏層となるように選定したことを特徴とする。
【0026】
本発明の他の観点の半導体装置は、絶縁基板上に形成した第1の導電型の第1のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上の一部分に形成した第2の導電型の第2のドリフト領域、前記第1のドリフト領域の上の一部分に形成した、第2の導電型の第2のドリフト領域の不純物濃度以上の不純物濃度を有する第2の導電型の第3のドリフト領域、前記第3のドリフト領域に形成した高不純物濃度を有する第1の導電型の第1の領域、前記第1のドリフト領域及び第2のドリフト領域に接して形成した、前記第1のドリフト領域及び第2のドリフト領域よりも高い不純物濃度を有する第1の導電型の第2の領域、前記第1の導電型の第2の領域に接して形成した、高不純物濃度を有する第2の導電型の第3の領域、前記第1の導電型の第1の領域に形成した第1の電極、前記第2の導電型の第3の領域に形成した第2の電極、及び前記第1のドリフト領域、第3のドリフト領域、第1の領域に絶縁膜を介して対向する制御電極、を備えたバイポーラ半導体装置であって、前記第1のドリフト領域と第2のドリフト領域の厚さが実質的に等しく、それぞれの厚さがそれぞれの長さより小さく、前記第1の電極と第2の電極間に定格電圧に近い電圧を印加したとき、前記第1及び第2のドリフト領域が実質的に空乏層となるように前記第1及び第2のドリフト領域の厚さを選択したことを特徴とする。
【0027】
前記の半導体装置では、第2の電極が高電位、第1の電極が低電位になるように高電圧を印加すると、第1の導電型の第1の領域と第2の導電型の第2の領域で構成される接合は順方向電圧が印加されるので第2の導電型のドリフト領域は低電位になる。また第2の導電型の第3の領域と第1の導電型の第2の領域を介して第1の導電型の第1のドリフト領域は高電位になる。その結果、第1及び第2のドリフト領域で構成される第1の接合には逆方向の電圧が印加され第1及び第2の両ドリフト領域に空乏層が拡がる。第1の導電型の第2の領域と第2の導電型の第2のドリフト領域で構成される第2の接合も同時に逆バイアスされ空乏層が第2の導電型の第2のドリフト領域内に拡がる。第2の導電型の第3ドリフト領域と第1の導電型の第1のドリフト領域で構成される第3の接合も同時に逆方向の電圧が印加され空乏層が第1の導電型の第1のドリフト領域内に拡がる。
【0028】
このようにして、第1及び第2のドリフト領域には上下方向と左右方向から空乏層が拡がるので、第2及び第3の接合が降伏する前に第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域は印加電圧が半導体装置の定格電圧に達する前に容易に且つほぼ完全に空乏化される。その結果、少なくとも定格電圧付近の電圧が印加された際には、第2のドリフト領域と第2の領域で構成される接合から、第1のドリフト領域と第3のドリフト領域で構成される接合に至る部分の電位分布はほぼ等電位分布となり、電界は両ドリフト領域全域に渡ってほぼ均一になる。この電界が半導体材料の絶縁破壊電界に達するまで印加高電圧を高くすることができるので、高耐圧にすることができる。
【0029】
従来の構造では、一定の不純物濃度のドリフト領域を設けても空乏層内の電界は接合に近づくにつれて一定の勾配で増大し、接合部で最大となる。印加電圧が増大し、この接合部の電界が絶縁破壊電圧Ecに達すると降伏する。これに対して本発明の構造では、耐圧は、電界が絶縁破壊電圧に達するときの空乏層内の電界の積分値となる。降伏時にドリフト領域内で電界が一定の絶縁破壊電圧になるので原理的に従来構造に比べて高耐圧にできる。
更に、本発明の構造では耐圧は、最大絶縁破壊電界と第1及び第2のドリフト領域の長さで決まり、両ドリフト領域の厚さには依存しない。不純物濃度を高くしても、両ドリフト領域の厚さを薄くすれば、両ドリフト領域は容易且つ完全に空乏化し上記と同じように高耐圧化が実現できる。一般に、空乏層の厚さWと不純物濃度Nの間には、厚さWが1/Nの0.5乗にほぼ比例するという関係がある。両ドリフト領域の厚さを薄くするとその2乗に比例して不純物濃度を増やすことができるので、オン抵抗の低減効果が著しい。
【0030】
従来の構造の場合、ドリフト領域の厚さを薄くし不純物濃度を高くするとオン抵抗は低減するが、耐圧も非線形的に低下する。このため、単位面積あたりの抵抗は耐圧の2.5乗に比例する関係となり、耐圧が大きくなると前記抵抗は著しく大きくなる。本発明の構造では、耐圧はドリフト領域の長さに比例し厚さには依存しないので、厚さを低減して不純物濃度を低減させることにより高い耐圧を保ちつつオン抵抗の低減が計れる。すなわち抵抗は耐圧の1乗に比例する関係となる。従って、本発明の構造ではドリフト層の厚さを限界まで薄くした場合、耐圧1000V以上の半導体装置で従来の構造に比べて原理的にオン抵抗を2桁以上低減できるという大きな効果が生じる。このドリフト層の厚さの限界が、ドリフト層の不純物濃度を上げても第1の接合のビルトイン・ポテンシャルが存在するので、これによる空乏層が形成される。ドリフト層の厚さをこの空乏層の厚さ以下にするとオン抵抗の低減効果はなくなる、ということからこのドリフト層の厚さの限界が生じる。同じ電圧を印加した際には、従来の構造に比べて本発明の構造の方が電界の局所集中が少なく最大電界が低いので信頼性が向上できる。
【0031】
本発明の他の観点の半導体装置は、絶縁基板の上に形成した、複数組の、第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域との組、前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の第1の埋込領域、前記第1の埋込領域に接して形成した第2の導電型の第2の埋込領域、前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域に接して形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び前記領域及びボディ領域に設けた第2の電極を備える。
【0032】
本発明の他の観点の半導体装置は、基板の上に絶縁膜を介して形成した、複数組の、第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域との組、前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の第1の埋込領域、前記第1の埋込領域に接して形成した第2の導電型の第2の埋込領域、前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域に接して形成した第2の導電型のボディ領域、前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び前記領域及びボディ領域に設けた第2の電極を備える。
【0033】
本発明の他の観点の半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板の上に形成した、複数組の、第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域との組、前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の第1の埋込領域、前記第1の埋込領域に接して形成した第2の導電型の第2の埋込領域、前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域に形成した第2の導電型コンタクト部、前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に形成され、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記コンタクト部を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した第2の導電型のベース領域、前記第2のトレンチ内の前記ベース領域に設けた第2の電極、及び前記コンタクト部に設けた第3の電極を備える。
【0034】
本発明の他の観点の半導体装置は、高抵抗のワイドギャップ半導体の基板の上に形成した複数組の、第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域との組、前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の第1の埋込領域、前記第1の埋込領域に接して形成した第2の導電型の第2の埋込領域、前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に形成され、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した第2の導電型のベース領域、前記第2のトレンチ内の前記ベース領域に設けた第2の電極、及び前記第1の埋込領域及び第2の埋込領域に絶縁膜を介して対向する第3の電極を備える。
【0035】
本発明の他の観点の半導体装置は、基板上に形成した少なくとも1組の、第1の導電型の半導体領域と第2の導電型の半導体領域の第1の組、前記第1の組の半導体領域の一方の端部に接する少なくとも1組の第1の導電型の半導体領域と第2の導電型の半導体領域の第2の組、前記第1の組の半導体領域の他方の端部に接する少なくとも1組の、第1の導電型の半導体領域と第2の導電型の半導体領域の第3の組、及び前記第3の組の半導体領域に電界を与える制御電極を備え、第2の組の半導体領域の電位が第3の組の半導体領域の電位より高くなるように両者間に電圧を印加したとき、第1の組の半導体領域の全域が空乏化され、第2の組の半導体領域の電位が第3の組の半導体領域の電位より高くなるように両者間に電圧を印加するとともに、前記制御電極にしきい値以上の電圧を印加したとき、第3の組の半導体領域から電子が流出して第1の組の半導体領域を経て第2の組の半導体領域に流入し、かつ第2の組の半導体領域から正孔が流出し、第1の組の半導体領域を経て第3の組の半導体領域に流入して第1の組の半導体領域に電子と正孔が共に存在する状態となるように、前記第1の組の半導体領域の形状と厚さを選定したことを特徴とする。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例について図1から図14を参照して詳細に説明する。各実施例の半導体装置は、多数のセグメントが図の左右方向に隣接して形成されている。各図では、中央部の1個のセグメントについて、各要素に符号を付し詳細に説明している。
《第1参考例》
図1は、本発明の第1参考例の半導体装置の断面図である。第1参考例はワイドギャップ半導体装置であり、耐圧6100VのSiC電界効果トランジスタである。図1はそのセグメントの断面構造を示す。図中の絶縁基板1はバナジュームなどの深いエネルギーレベルを形成する不純物を含んだ極めて高抵抗のワイドギャップSiC(炭化珪素)基板であり、抵抗率は109Ωcm以上であり、厚さ(図の上下方向の寸法)は約350μmである。SiC基板を用いた半導体装置を一般的にワイドギャップ半導体装置という。第1の導電型のn型のドリフト領域2とその上に形成された第2の導電型のp型の第2のドリフト領域3はほぼ同じ厚さ(つまり実質的に同様な厚さ)と、同じ不純物濃度とを有しており、厚さが約0.8μm、不純物濃度が約8×1016atm/cm3である。本参考例の構成では耐圧はp型ドリフト領域とn型ドリフト領域の厚さの差や不純物濃度の差に依存し、これらの差が少ない方が、耐圧は高くなる。本発明の目的を効果的に達成するためには、p型ドリフト領域とn型ドリフト領域の厚さの差は±20%以下であり、不純物濃度の差は±250%以下であるのが望ましい。p型のドリフト領域3の左側には、約5×1017atm/cm3の不純物濃度を有するp型ボディ領域4が形成され、その中に不純物濃度1×1019atm/cm3、厚さ約0.2μmのn型ソース領域5が形成されている。右側には埋込領域である1×1019atm/cm3の高不純物濃度のn型ドレイン領域6が基板1、n型ドリフト領域2及びp型ドリフト領域3に達するように形成されている。ドリフト領域2の長さ、すなわちボディ領域4とドレイン領域6との間の距離は約52μmである。p型ボディ領域4には絶縁基板1に達する溝すなわちトレンチ10Aが形成されている。トレンチ10Aにゲート絶縁膜9としての酸化膜を介してゲート電極10が設けられている。また、ボディ領域4とソース領域5にはソース電極7が設けられている。ドレイン領域6にはドレイン電極8が設けられている。p型ドリフト領域3の表面には表面保護のためにSi酸化膜またはSi窒化膜11が形成されている。
【0037】
本参考例のSiC電界効果トランジスタの製作方法の一例を以下に示す。最初にSiC絶縁基板1を用意し、この一方の表面上に5×1015から3×1017atm/cm3の間の所定の低不純物濃度で、0.1から2.0μmの間の所定の厚さのn型ドリフト層2を形成し、次にほぼ同じ厚さと同じ不純物濃度を持つp型ドリフト層3を気相成長法等により形成する。更に6×1017atm/cm3程度のp型ボディ領域4、及び1×1019atm/cm3程度のn型ドレイン領域6を窒素等のイオン打ち込み等により形成する。イオン打ち込みを用いる場合は打ち込みエネルギーを高エネルギーから低エネルギーへと順次変えて複数回打ち込み、深さ方向にほぼ均一な不純物濃度分布にするのが好ましい。続いて1×1019atm/cm3程度の不純物濃度のn型ソース領域5を窒素のイオン打ち込み等により形成する。次に、トレンチ10Aを形成しその内壁にゲート酸化膜9を形成する。その後、Si酸化膜やSi窒化膜等の絶縁膜の表面保護膜11を気相化学堆積法で形成する。最後に、ソース領域5、ボディ領域4及びドレイン領域6のコンタクト部分の絶縁膜を取り除き、Al等の金属膜を所定の領域に形成し、ソース電極7、ゲート電極10及びドレイン電極8を形成する。
【0038】
本参考例の動作を次に説明する。本参考例のSiC電界効果トランジスタでは、ドレイン電極8の電位がソース電極7の電位より高くなるように高電圧を印加すると、ドリフト領域2と3で構成される接合は逆バイアスされる。その結果両ドリフト領域2と3に空乏層が拡がりほぼ全ドリフト領域2及び3が完全に空乏化される。ドリフト領域3とドレイン領域6で形成される接合からドリフト領域2及びボディ領域4で形成される接合に向かって、ドリフト領域2と3内の電位分布はほぼ等電位分布となる。すなわち、電界がドリフト領域2と3の全域においてほぼ均一になり、この電界がSiCの絶縁破壊電界約3MV/cmに達するまで印加電圧を高くすることができる。その結果このSiC電界効果ドランジスタを高耐圧化できる。本参考例の場合、6200Vの高耐圧を実現できた。
【0039】
なお、高電圧を印加した際、ドリフト領域3とドレイン領域6で形成される接合の表面付近に電界集中が生じ耐圧が規制される場合がある。この電界集中の緩和策を施すことが高耐圧化に有効である。本参考例では、この電界集中を緩和するためにドレイン電極8を厚い表面保護膜11を介してドリフト領域3の上まで張り出させる、いわゆるフィールドプレートと呼ばれる電界緩和技術を適用している。また、トレンチ10Aのコーナー部で電界集中が生じ耐圧が規制される場合があるので、この部分にも電界緩和策を施すのが有効である。本参考例ではトレンチ10Aを絶縁基板1内に進入するまで深くして、ゲート絶縁膜9と絶縁基板1を接続し、コーナー部の絶縁膜を実質的に大幅に厚くし電界緩和を図っている。トレンチ10Aが浅くて絶縁基板1に達しない構造の場合にはトレンチ10Aにp型の領域を設けて電界を緩和すること等が有効であり、これにより本参考例と同様の目的を達成できる。
【0040】
ゲート電極10に、しきい値電圧(本参考例のものでは6V)よりも高い電圧例えば10Vを印加すると、ゲート絶縁膜9を介する電界効果によりボディ領域4の表面にチャネルが形成される。その結果、ソース領域5からドレイン領域6へこのチャネルを介して電流が流れる状態、すなわちオン状態になる。この電流はドリフト領域2を通ってドレイン領域6に流れる。本参考例の場合、ドリフト領域2及び3の不純物濃度を高くしても両ドリフト領域2、3を完全に空乏化できるので、高耐圧が得られる。このように、両ドリフト領域2、3の不純物濃度が高いのでオン時には低抵抗になる。原理的には、耐圧を損ねることなく不純物濃度を約2桁高くすることができるので、オン抵抗を約2桁低くできる、という大きな効果が得られる。本参考例の場合、オン抵抗は140mΩcm2と低い値が得られた。
【0041】
本参考例では、n型ドリフト領域2とその上に形成されるp型ドリフト領域3の厚さを0.8μm、不純物濃度を約8×1016atm/cm3としたが、図2及び図3の発明者の実験データに示すように、厚さが0.1μmから1.2μmの間で不純物濃度が約5×1015atm/cm3から3×1017atm/cm3の間の値であれば高耐圧かつ低損失のSiC電界効果トランジスタが得られる。なお、厚さが1.4μm以上、不純物濃度が3×1017atm/cm3以上で耐圧が急減しているのは、両ドリフト領域2、3が完全に空乏化する前にドリフト領域2とボディ領域4で形成される接合部で降伏が生じたためである。
【0042】
本参考例の図1では、各セグメントの形状は紙面に垂直な方向のストライプ状であるが、例えば円形や四角形等であってもかまわない。本参考例ではボディ領域4をドリフト領域3と同じ厚さにしているが、ボディ領域4を厚くしても薄くしても同等の効果が得られる。ボディ領域4を薄くしてボディ領域4とドリフト領域2との間にドリフト領域3が介在しても同等の効果が得られる。更にドレイン領域6は絶縁基板1に接するように深く形成しているが、浅くしてドリフト領域2のみに接するようにしても良い。この場合、浅いので制作が容易になるがドリフト領域2のコーナー部に電界集中が起こり耐圧が低下する場合がある。
【0043】
《第2参考例》
図4は、本発明の第2参考例のSiC電界効果トランジスタのセグメントの断面図を示す。第2参考例では、次の3点を除けば第1の参考例とほぼ同じである。
(1)ドリフト領域2と絶縁基板1との間に、ドリフト領域3より薄いp型ドリフト領域12を設けたこと。
(2)n型ドレイン領域6を絶縁基板1に達するトレンチ6Aの内壁に沿って形成し、ドレイン領域6をドリフト領域2、3及び12に接続させ、ドレイン電極8をドレイン領域6の表面に設けたこと。
(3)ゲート電極10のためのトレンチ9Aを深くしてドリフト領域12に達するように形成し、このトレンチの内壁に沿って酸化膜9とゲート電極10とを形成したこと。
【0044】
n型ドリフト領域2の厚さは1.3μm、p型ドリフト領域3及び12の厚さは0.8μmであり、各々の不純物濃度は約7×1016atm/cm3でほぼ同じにしてある。トレンチ6Aの深さは約3.5μm、幅は約8μmである。トレンチ9Aの深さは約2.5μm、幅は約6μmである。
本参考例の電界効果トランジスタでは、n型ドリフト領域2を二つのp型ドリフト領域3及び12で挟み込んでいる。その結果、ドレイン電極8の電位がソース電極7の電位より高い状態になるように高電圧を印加した時、ドリフト領域2と3で形成される接合と、ドリフト領域12と2で形成される接合とが同時に逆バイアスされ、両ドリフト領域3と12から空乏層がドリフト領域2に拡がる。ドリフト領域2の厚さがドリフト領域3の2倍以上の厚さなので、所定の高電圧でドリフト層3と12が空乏化した時にはドリフト層2もほぼ完全に空乏化される。その結果、ドレイン電極8からゲート電極10に向かって、ドリフト領域2、3及び12の電位分布はほぼ等電位分布となる。すなわち、電界がドリフト領域2、3及び12の全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がSiCの絶縁破壊電界の約3MV/cmに達するまで印加電圧を高くすることができるので、高耐圧化ができ、本参考例の場合では6100Vの高耐圧が実現できた。
【0045】
ゲート電極10にしきい値電圧以上の高い電圧を印加したオン状態では、領域5から、ボディ領域4内に形成されるチャネルとドリフト領域2を通ってドレイン領域6に電流が流れる。ドリフト領域2の厚さがドリフト領域3の厚さの約1.6倍になっているので、ドリフト領域2の上下の接合のビルドイン電圧による空乏層でドリフト領域の厚さが若干薄くなることを考えると、ドリフト領域2、3及び12の抵抗は、ドリフト領域2及び3の厚さが同じ場合に比べて約1/1.6以下になる。このように抵抗が低減できるので、本参考例の場合、オン抵抗は90mΩcm2という低い値を実現できた。
以上のごとく、本参考例では高耐圧を維持しつつオン抵抗を更に低減できるという効果がある。なお、本参考例ではゲート電極10のトレンチ9Aの幅と深さは、ドレイン領域6のトレンチ6Aと異なっているが、上記深さをトレンチ6Aの深さとほぼ同じにし絶縁基板に達するようにしてもよい。この場合はトレンチ9Aのコーナー部での電界集中が更に緩和されて耐圧や信頼性が向上する。
【0046】
《第3実施例》
図5は、本発明の第3実施例のSiC電界効果トランジスタのセグメント断面図である。厚さ320μmのSiC絶縁基板1の上に、n型ドリフト領域22、22A、22B、22Cのそれぞれの間に、p型ドリフト領域23、23A、23B、23Cのそれぞれを挟んで形成したn型ドリフト領域とp型ドリフト領域の組を順次5組積層している。積層された各ドリフト領域22、23の両端にはトレンチ6A、9Aが絶縁基板1に達するように設けられている。トレンチ9Aはゲート部用であり、ゲート酸化膜9を介してゲート電極10が設けられている。トレンチ6Aはドレイン部用であり、内壁にドレイン領域16とドレイン電極8が設けられている。最上層のp型ドリフト領域33のゲート部側にはp型ボディ領域34とn型ソース領域5、及びこれらの領域に接続されたソース電極37が設けられている。p型ドリフト領域33の表面には保護のためにSi酸化膜やSi窒化膜などの表面保護膜11が設けられている。n型及びp型ドリフト領域22、23の厚さは共に約0.8μm、不純物濃度は約8×1016atm/cm3、長さは共に約75μmである。p型ボディ領域34の不純物濃度は約5×1017atm/cm3、厚さは約0.8μmであり、その中に形成されたn型ソース領域5は不純物濃度1×1019atm/cm3、厚さ約0.2μmである。ドレイン領域16の不純物濃度は1×1019atm/cm3であり、トレンチ6Aの深さは約10μmである。
【0047】
本実施例の電界効果トランジスタでは、n型ドリフト領域22は二つのp型ドリフト領域23にはさまれている。同様にしてp型ドリフト領域23は二つのn型ドリフト領域22にはさまれている。この構成により、ドレイン電極8の電位がソース電極37の電位より高い状態になるように高電圧を印加した時、各ドリフト領域22、23には両側から空乏層が拡がりほぼ完全に空乏化される。その結果、ドレイン電極8からゲート電極10に向かってドリフト領域22、23の電位の分布はほぼ等電位分布となり、電界がドリフト領域22、23の全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がSiCの絶縁破壊電界の約3MV/cmに達するまで印加電圧を高くすることができるので、高耐圧化ができる。本実施例では8300Vの高耐圧が実現できた。
【0048】
一方、ドレイン電極8がソース電極7より高電位になるように電圧を印加し、ゲートにしきい値以上の高い電圧を印加したオン状態では、ゲート電極10に対向するボディ領域4及び各ドリフト領域2及び3の表面に電子が集まり反転層が形成される。また、各ドリフト領域2及び3のゲート電極10に対向する部分の表面にも電子が集まり蓄積層が形成される。ボディ領域4の反転層はチャネルとして機能し、ソース領域5からチャネル及び上から2層目のn型ドリフト領域22Dを通ってドレイン領域16に電流が流れる。電流の一部はn型ドリフト層22Dの蓄積層と上から3層目のp型ドリフト領域23Cの反転層を介して4層目のn型ドリフト領域22Cに分流しドレイン領域6に流れる。同様にして電流の一部がn型ドリフト領域22Cの蓄積層とp型ドリフト領域23Bの反転層を介して基板1に近いn型ドリフト領域22Aに分流しドレイン6に流れる。基板1に近いn型ドリフト層になるほどn型ドリフト領域22の蓄積層とp型ドリフト領域23の反転層の抵抗が加算される。従って若干抵抗が大きくなり分流電流が低減する傾向にあるが、本実施例の場合は特に問題になるレベルではなかった。n型ドリフト領域2、2A、2B、2C、2Dの合成抵抗は図1の構成のものの約1/5に低減し、電界効果トランジスタのオン抵抗が大幅に低減できる。本実施例の場合は、耐圧を8300Vと高くしたにもかかわらず、ドリフト領域の単位面積あたりのオン抵抗は47mΩcm2と大幅に低減できた。
【0049】
以上のごとく、本実施例は耐圧を損ねることなく更に大幅にオン抵抗を低減できるという効果がある。n型ドレイン領域22、22A、・・・とp型ドレイン領域23、23A、・・・の組の積層数を増やすほどこのオン抵抗は低減できる。但し、積層数を増やしすぎると上記の各反転層の抵抗が加算されるという現象により、下層のn型及びp型ドリフト領域の抵抗が増加する。従って上下のn型及びp型ドリフト領域の抵抗をそろえるための工夫が必要となる。例えば図6に示すように、下層のn型及びp型ドリフト領域ほど厚くする構成が極めて有効であった。最上層のドリフト領域33に対する、最下層のドリフト領域22の厚さの増大割合は、各ドリフト領域の図の左右方向の長さとn型ドリフト領域22とp型ドリフト領域23の組の数に依存するが、例えば組の数が15の場合を例に取ると約1.3倍程度が好適である。図6ではp型とn型の両ドリフト領域22、23を下層のものほど順次厚くしたが、p型ドリフト領域の厚さは一定にして、n型ドリフト領域の厚さのみ順次増やしても同様の効果が得られる。この場合も最下層のn型ドリフト領域22の厚さは最上層のn型ドリフト領域の厚さの約1.3倍程度が好適である。
【0050】
《第4参考例》
図7は、本発明の第4参考例のSiC電界効果トランジスタのセグメントの断面図である。本参考例では、ゲート電極10を含むゲート部がプレーナ構造であり、絶縁基板1に接するドリフト領域3がp型であり、その上のドリフト領域2がn型である。このように極性が変わった点と、n型ドレイン領域6とp型ボディ領域4が絶縁基板1に達している点を除けば、その他の構造は第1参考例とほぼ同じである。ドリフト領域2及び3の厚さや長さ及び不純物濃度は第1参考例とほぼ同じである。n型ソース領域5及びp型ボディ領域4の不純物濃度も第1参考例と同じである。
【0051】
高電圧印加時における両ドリフト領域2及び3の機能は、基本的には第1参考例と同じであり、この構成によっても高耐圧を実現できる。オン動作も基本的には同じである。ソース電極7とドレイン電極8に電圧を印加した状態でゲート電極10にしきい値以上の電圧を印加すると、ゲート電極10の直下のボディ領域40の表面電界の極性が反転してチャネルが形成される。その結果、ソース電極7からこのチャネルを介してn型ドリフト領域2に電流が流れドレイン8に流入する。
本参考例では 耐圧6100V、オン抵抗130mΩcm2のSiC電界効果トランジスタが実現できた。本参考例では図4に示すようなトレンチ6A、10Aを形成することなく、硼素などのイオン打ち込みだけでpボディ領域40を形成し、窒素などのイオン打ち込みでn型ソース領域5を形成することができる、従って製作が非常に容易であるという特徴がある。
【0052】
《第5参考例》
図8は、本発明の第5参考例のSiC電界効果トランジスタのセグメントの断面図である。本参考例ではゲート電極10を含むゲート部がプレーナ構造であり、n型ドリフト領域2がゲート電極10の直下の表面にまで延長されている点を除けば、その他の構造は第1参考例とほぼ同じである。ドリフト領域2及び3の厚さや長さ及び不純物濃度は第1参考例とほぼ同じである。nソース領域5及びpボディ領域4の不純物濃度も第1参考例とほぼ同じである。
【0053】
高電圧印加時における両ドリフト領域2及び3の機能も基本的に第1参考例と同じであり、同様の高耐圧が実現できる。オン動作も基本的には同じである。ソース電極7とドレイン電極8に電圧を印加した状態でゲート電極10にしきい値以上の電圧を印加すると、ゲート電極10の直下のp型ボディ領域4の表面の電界が反転してチャネルが形成されソース電極7からドレイン電極8に電流が流れる。この電流はゲート電極10の直下のn型ドリフト領域2を通り、ついでp型ドリフト領域3の下に存在するnドリフト領域2を通ってドレイン領域6に至る。
本参考例のSiC電界効果トランジスタでは耐圧6200V、オン抵抗150mΩcm2であった。本参考例ではトレンチを形成することなく、硼素などのイオン打ち込みだけでp型ボディ領域4を形成でき、窒素などのイオン打ち込みでn型ソース領域5を形成できるので、製作が非常に容易であるという特徴がある。
【0054】
《第6参考例》
図9は、本発明の第6参考例の窒化ガリウム(以下GaNと記す)電界効果トランジスタのセグメントの断面図である。絶縁基板1はバナジュームなどの不純物を含んだSiC基板であり、抵抗率は109Ωcm以上、厚さは約350μmである。GaNのn型ドリフト領域2とその上に形成されたp型ドリフト領域3はほぼ同じ厚さと不純物濃度を有しており、その厚さは約0.8μm、不純物濃度は約8×1016atm/cm3である。p型ドリフト領域3の左端部には約5×1017atm/cm3の不純物濃度を有するp型ボディ領域4が形成されている。ボディ領域4の中に不純物濃度1×1019atm/cm3、厚さ約0.2μmのn型ソース領域5が形成されている。右端部には1×1019atm/cm3の高不純物濃度のn型ドレイン領域6がn型ドリフト領域2に接するように形成されている。ドリフト領域3の長さ、すなわちボディ領域4とドレイン領域6との間の距離は約50μmである。p型ボディ領域4を貫通してドリフト領域2に達するトレンチ9Aが形成されており、トレンチ9Aの内壁に酸化膜9を介してゲート電極10が形成されている。ボディ領域4とソース領域5にはソース電極7が設けられ、ドレイン領域6にはドレイン電極8が設けられている。p型ドリフト領域3の表面には表面保護のためにSi窒化膜11が形成されている。
【0055】
本参考例の動作はほぼ参考例1と同様であるが、GaNはSiCよりも優れた物理的電気的特性を有しているのでパワー半導体装置に好適である。本参考例では、耐圧6600V、オン抵抗80mΩcm2のGaN電界効果トランジスタが得られた。GaNはSiCに比べて表面保護膜11のSi窒化膜との相性がよく信頼性が更に向上する。また、GaNは電子の飽和速度がSiCよりも大きく高速動作に適している。本参考例では6GHzの遮断周波数のものが実現できた。
【0056】
《第7参考例》
図10は、本発明の第7参考例の半導体装置の断面図であり、耐圧6100Vの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTと記す)のセグメントの断面構造を示す。第7参考例の半導体装置はSiCを用いて製作されている。SiCに代表されるワイドギャップ半導体材料は、シリコン(Si)に比べて絶縁破壊電界強度が高いために、Siを用いたものと同じ不純物濃度でより高耐圧を実現できる。すなわち低損失を維持しつつ高耐圧にでき、250℃以上の高温でも動作でき熱伝導性も良いという利点がある。図10において、絶縁基板1はバナジュームなどの深いエネルギーレベルを形成する不純物を含んだSiC基板である。その抵抗率は109Ωcm以上であり、厚さは約350μmである。絶縁基板1の上に形成されたn型の第1のドリフト領域2、とその上に形成されたp型の第2のドリフト領域3とはほぼ同じ厚さと不純物濃度を有しており、厚さが約0.8μm、不純物濃度が約8×1016atm/cm3である。
【0057】
ドリフト領域3の一方の端部に接して、約5×1017atm/cm3の不純物濃度を有するp型ボディ領域4が形成され、その中に不純物濃度1×1019atm/cm3、厚さ約0.2μmのn型エミッタ領域55が形成されている。ドリフト領域3の他端部には絶縁基板1に達する溝である第1のトレンチ6Aが形成されている。トレンチ6Aの内壁には、ドリフト領域2、3に接する、1×1018atm/cm3の不純物濃度の第1の埋込領域としてのn型バッファー領域66が形成されている。n型バッファー領域66の面には1×1020atm/cm3の不純物濃度の第2の埋込領域としてのp型コレクタ領域77が形成され、コレクタ領域77にはコレクタ電極39が絶縁基板1に達する深さまで形成されている。ドリフト領域3の長さ、すなわちボディ領域4とバッファー領域66の間の距離は約52μmである。
【0058】
p型ボディ領域4の近傍には絶縁基板1に達する第2のトレンチ9Aが形成されている。トレンチ9Aの内壁面には、ゲート絶縁膜38を介してゲート電極40が設けられている。ボディ領域4とエミッタ領域55に接してエミッタ電極88が設けられている。ドリフト領域3の表面には表面保護のためにSi酸化膜またはSi窒化膜による保護膜45が設けられている。
【0059】
本参考例のトランジスタの製作方法の一例は次のとおりである。最初にSiC絶縁基板1を用意し、この一方の面上に5×1015から3×1017atm/cm3の間の所定の低不純物濃度で0.1から2.0μmの間の所定の厚さを持つn型ドリフト領域2を気相成長法等により形成する。ついでほぼ同じ厚さと不純物濃度を持つp型ドリフト領域3を気相成長法等により形成する。p型ドリフト領域3の上にはSiO2絶縁酸化膜を形成して表面保護膜45とする。次に、エッチング等により第1のトレンチ6Aを形成する。そしてトレンチ6Aの内壁面に順次n型バッファー領域66とp型コレクタ領域77をイオン打ち込み、または拡散により形成する。更に、ドリフト領域2と3に接するように、p型ボディ領域4を形成し、p型ボディ領域4の一部分にn型エミッタ領域55をイオン打ち込み等により形成する。イオン打ち込み法を用いる場合は打ち込みエネルギーを高エネルギーから低エネルギーへと順次変えて複数回打ち込み、深さ方向にほぼ均一な不純物濃度分布にするのが好ましい。次に、第2のトレンチ9Aを形成し、その内壁面を含む上面にゲート絶縁膜38を形成してその上にゲート電極40を形成する。エミッタ電極88及びコレクタ電極39を形成するためその部分のSiO2絶縁酸化膜を取り除き、Al等の金属膜を形成してエミッタ電極88、コレクタ電極39を形成して完成する。
【0060】
本参考例の動作を次に説明する。本参考例のSiC―IGBTでは、コレクタ電極39の電位がエミッタ電極88の電位より高い状態になるようにして高電圧を印加すると、ドリフト領域2と3で構成される接合は逆バイアスされ両ドリフト領域2、3に空乏層が拡がりほぼ全領域が完全に空乏化される。このため、バッファー領域66からボディ領域4に向かうドリフト領域2と3の電位分布はほぼ等電位分布となる。すなわち、電界がドリフト領域2と3の全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がSiCの絶縁破壊電界である約3MV/cmに達するまで印加電圧を高くできるので高耐圧化が可能となる。本参考例の場合、6100Vの高耐圧を実現できた。
【0061】
なお、高電圧を印加した際、ドリフト領域3とバッファー領域66で構成する接合の表面付近に電界集中が生じ耐圧が制限される場合がある。この電界集中に対して電界緩和策を施すのが高耐圧化に有効である。本参考例では、この電界集中を緩和するためにコレクタ電極39を、厚い表面保護膜45を介してドリフト領域3の上方にまで張り出させている、いわゆるフィールドプレートと呼ばれる電界緩和技術を適用している。また、ゲート電極40のトレンチ9Aのコーナー部21Aで電界集中が生じ耐圧が規制される場合があるので、この部分にも電界緩和策を施すのが有効である。本参考例ではトレンチ9Aを絶縁基板1に達する位置まで深くして、ゲート絶縁膜38と絶縁基板1を接続し、コーナー部21Aのゲート絶縁膜38を実効的に大幅に厚くして電界緩和を図っている。トレンチ9Aが浅くて絶縁基板1に達しない構造の場合には、トレンチ9Aの底にp型領域を設けて電界を緩和すること(図示省略)等が有効であり、これにより本参考例と同様の効果が得られる。トレンチ6Aのコーナー部21Bに関しても同様である。
【0062】
次に、ゲート電極40にしきい値電圧(本参考例では4V)よりも高い電圧の例えば10Vを印加すると、ゲート絶縁膜38を介して与えられる電界効果によりボディ領域4の表面にチャネルが形成される。その結果、エミッタ領域55からこのチャネルを経て電子が流れる状態すなわちオン状態になる。この電子がドリフト領域2を通ってバッファー領域66に達すると、コレクタ領域77から正孔がドリフト領域2に流れ、ボディ領域4を経てエミッタ電極88に達する。このようにしてドリフト領域2には電子と正孔が共に存在することになり、伝導度変調が起ってドリフト領域2の抵抗が激減する。本参考例の場合、抵抗を小さくするために不純物濃度を高くすることによってもドリフト領域2と3を完全に空乏化できるので、高耐圧化できる。また、ドリフト領域2で伝導度変調を起こすとともにドリフト領域2の不純物濃度を従来のものより高くすることもできることから、オン抵抗を大幅に低くすることができる。原理的には耐圧を損ねることなく不純物濃度を従来のものより約2桁高くできるので、オン抵抗を約2桁低くできる。本参考例の具体例の場合、SiCのビルトイン電圧(2.7V)より高い電圧範囲でのオン抵抗は56mΩcm2となり従来のものでは得られない低い値を実現できた。
【0063】
なお、本参考例ではn型ドリフト領域2と、その上に形成されたp型ドリフト領域3との厚さを0.8μm、不純物濃度を約8×1016atm/cm3としたが、図2及び図3に示すグラフのデータから明らかなように、ドリフト領域2及び3の厚さが0.1μmから2μmの間、不純物濃度が約1×1015atm/cm3から3×1017atm/cm3の間の値であれば高耐圧で低損失の半導体装置が得られる。図2及び3において、厚さが2μm以上、不純物濃度が3×1017atm/cm3以上で耐圧が急減しているのは両ドリフト領域2と3が完全に空乏化する前にドリフト領域2とボディ領域4で構成される接合部で従来構造と同じような降伏が生じたためである。
【0064】
本参考例では、セグメントの形状はストライプ状であるが、例えば円形や四角形等であってもかまわない。また、本参考例ではp型ボディ領域4をp型ドリフト領域3と同じ厚さにしている。しかしp型ボディ領域4をn型ドラフト領域3より厚くしても、また逆の場合でも同等の効果を実現できる。p型ボディ領域4とn型ドリフト領域2との間に他p型ドリフト層が介在する場合(図示省略)でも同等の効果が得られる。更に、n型バッファー領域66は絶縁基板1に接するように深く形成しているが、浅くしてn型ドリフト領域2のみに接するようにしても良い。この場合、浅いので製作が容易になるがn型ドリフト領域2のコーナー部21Bに電界集中が起こり耐圧が低下する場合があるので注意が必要である。
【0065】
《第8実施例》
図11は本発明の半導体装置の第8実施例のSiC−IGBTのセグメントの断面図である。図において、厚さ約320μmのSiC絶縁基板1の上に、n型ドリフト領域32A〜32Eのそれぞれの間にp型ドリフト領域33A〜33Dをそれぞれ挟み最上層にp型ドリフト領域3を形成した、n型ドリフト領域とp型ドリフト領域の組を5組積層している。積層された両ドリフト領域32A〜32E、33A〜33Dの両端部にはそれぞれ第1のトレンチ6A及び第2のトレンチ9Aが絶縁基板1に達するように設けられている。第2のトレンチ9Aはゲート部であり、その内壁にゲート絶縁膜38を介してゲート電極40が設けられている。また、第1のトレンチ6Aにはn型バッファー領域66、p型コレクタ領域77及びコレクタ電極39が順次設けられている。最上層のp型ドリフト領域3のゲート電極40に近い部分にはp型ボディ領域4とn型エミッタ領域55が設けられ、更にこれらの領域に接続されたエミッタ電極88が設けられている。p型ドリフト領域3の表面には保護のためにSi酸化膜やSi窒化膜などの保護膜45が設けられている。ドリフト領域32A〜32Eとドリフト領域33A〜33Dの厚さは共に約0.8μm、不純物濃度は約8×1016atm/cm3、長さは約75μmである。p型ボディ領域4の不純物濃度は約5×1017atm/cm3、厚さは約0.8μmであり、その中に形成されたn型エミッタ領域55の不純物濃度は1×1019atm/cm3、厚さは約0.2μmである。トレンチ6A内のn型バッファー領域66の不純物濃度は1×1018atm/cm3、p型コレクタ領域77の不純物濃度は1×1020atm/cm3である。トレンチ6A、9Aの深さは共に約10μmである。
【0066】
本実施例のSiC−IGBTでは、最下層のn型ドリフト領域32Aを除けば各n型ドリフト領域32B〜32Eはp型ドリフト領域3と33A〜33Dの隣り合うものに挟まれている。この構成により、コレクタ電極39の電位がエミッター電極88の電位より高い状態になるように高電圧を印加した時、各p型ドリフト領域33A〜33Dには上下両側に隣接するn型ドリフト領域32A〜32Eから効果的に空乏層が拡がり完全に空乏化される。又各n型ドリフト領域32A〜32Eにも上下に隣接するp型ドリフト領域33A〜33Dから効果的に空乏層が拡がり完全に空乏化される。その結果、バッファー領域66からゲート電極40の間の全てのドリフト領域32A〜32E、33A〜33Dの電位の分布はほぼ等電位分布となり、電界がドリフト領域の全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がSiCの絶縁破壊電界である約3MV/cmに達するまで印加電圧を高くすることができるので、高耐圧化ができ、本実施例の場合では5800Vの高い耐圧のものが実現できた。
【0067】
一方、コレクタ電極39の電位がエミッタ電極88の電位より高くなるように高電圧を印加するとともにゲート電極40にしきい値以上の高い電圧を印加してオン状態にすると、ゲート電極40近傍のp型ボディ領域4及び各p型ドリフト領域33A〜33Dの表面に電子が集められ反転層が形成される。一方、各n型ドリフト領域32A〜32Eのゲート電極40近傍の表面にも電子が集められ蓄積層が形成される。p型ボディ領域4の反転層はチャネルとして機能し、n型エミッタ領域55から、チャネルとして機能するp型ボディ領域4と上から2層目のn型ドリフト領域32Eを通ってバッファー領域66に電子が流入する。電子の一部はn型ドリフト領域32Eの蓄積層と上から3層目のp型ドリフト領域33Dの反転層を経て4層目のn型ドリフト領域32Dに分流しバッファー領域66に流入する。同様にして電子の一部がn型ドリフト領域32Dの蓄積層とp型ドリフト領域33Cの反転層を経て上から6、8、10層目のn型ドリフト領域32C、32B、32Aに分流しバッファー領域66に流れる。電子がバッファー領域66に達するとp型コレクタ領域77から正孔がn型ドリフト領域32A〜32Eに流入し、p型ドリフト領域33A〜33Dの反転層とn型ドリフト領域32A〜32Eの蓄積層を経てp型ボディ領域4を通りエミッタ電極88に達する。これによりn型ドリフト領域32A〜32Eには電子と正孔が共に存在することになり、伝導度変調が生じてn型ドリフト領域32A〜32Eの抵抗が激減する。この過程で、各p型ドリフト領域33A〜33Dにも隣接するn型ドリフト領域から電子が注入されるために伝導度変調が生じp型ドリフト領域の抵抗が低減する。下層のn型ドリフト領域32Aに近くなるほどn型ドリフト領域32A〜32Eの蓄積層とp型ドリフト領域33A〜33Dの反転層の抵抗が加算されるので若干抵抗値が大きくなり分流電流が減少する傾向にあるが、本実施例の場合は特に問題になる程ではなかった。これによりn型ドリフト領域32A〜32E及びp型ドリフト領域33A〜33Eの抵抗は伝導度変調が生じない場合の約1/3に低減し、SiC−IGBTのオン抵抗を大幅に低減できる。本実施例の場合は、耐圧が5800Vと高いにもかかわらず単位面積あたりのオン抵抗は18mΩcm2と大幅に低減できた。
【0068】
以上のように、本実施例によれば、高い耐圧を保ちつつ大幅にオン抵抗を低減できるという効果が得られる。各n型ドリフト領域32A〜32Eと各p型ドリフト領域33A〜33Dの組の積層数を増やすほどオン抵抗を低減することができる。但し、積層数を増やしすぎると前記のように下層のn型ドリフト領域32Aに近いものほど抵抗が増加するので、上下のn型ドリフト領域32Eと32Aの抵抗をそろえるような工夫が必要となる。例えば下層になるほどn型ドリフト領域32A〜32Eとp型ドリフト領域33A〜33Eの厚さを少しづつ厚くしてゆくことなどが極めて有効であった。最下層のドリフト領域33Aの厚さの増加割合は、各ドリフト領域の長さと、n型ドリフト領域とp型ドリフト領域の対の積層数に依存するが、例えば層数が15層の場合には、最上層のp型ドリフト領域3に比べて最下層のp型ドリフト領域33Aの厚さを約1.3倍程度に増やすのが好適である。耐圧が5200Vに低減してしまうがp型ドリフト領域33A〜33Dの厚さを一定にして、n型ドリフト領域32A〜32Eの厚さのみ順次増やしてもオン抵抗に対しては同様の効果が得られる。この場合も最下層のn型ドリフト領域32Aの厚さは最上層のn型ドリフト領域32Eの厚さの約1.3倍程度が好適である。
本半導体装置を1個の基板内に複数個形成し、これらの各半導体装置の同種の電極をそれぞれ共通に接続することにより並列接続して電力容量を増大できる。例えば、本実施例の場合並列接続によりチップ面積1cm2当たり40Aの電流容量にできるので、チップ面積を25cm2にすることにより1000Aの電流容量のものができる。
【0069】
《第9実施例》
図12は本発明の半導体装置の第9実施例のシリコンIGBT(以下Si−IGBTと記す)のセグメントの断面図である。厚さ約400μmのSi基板41の上にSiO2の絶縁膜13を形成し、ついで順次n型ドリフト領域42A〜42Cのそれぞれとp型ドリフト領域43A〜43Cとのそれぞれの組を3組積層している。積層されたドリフト領域42A〜42C、43A〜43Cの両端部近傍には深さ約10μmの第1及び第2のトレンチ6A、9Aが絶縁膜13に達するように設けられている。第2のトレンチ9Aはゲート電極40用であり、トレンチ9Aの内壁にゲート絶縁膜38を介してゲート電極40が設けられている。また、第1のトレンチ6A内にはn型バッファー領域66とp型コレクタ領域77、コレクタ電極39が順次設けられている。最上層のp型ドリフト領域43Cのゲート電極40に近い側にはp型ボディ領域4とn型エミッタ領域55が設けられ、これらの領域に接続されるようにエミッタ電極88が設けられている。p型ドリフト領域43Cの表面には保護のためにSi酸化膜やSi窒化膜などの保護膜45が設けられている。n型及びp型ドリフト領域42A〜42C、43A〜43Cの厚さは共に約1.5μm、不純物濃度は約2.8×1015atm/cm3、長さは約320μmである。p型ボディ領域4の不純物濃度は約5×1017atm/cm3、厚さは約0.5μmであり、その中に形成されたn型エミッタ領域55の不純物濃度は1×1019atm/cm3、厚さは約0.2μmである。トレンチ6A内のn型バッファー領域66の不純物濃度は1×1018atm/cm3、p型コレクタ領域77の不純物濃度は1×1020atm/cm3である。
【0070】
本実施例のSi−IGBTでは、各n型ドリフト領域42B、42Cはp型ドリフト領域43A〜43Cの内のそれぞれ隣接するもので挟まれている。またp型ドリフト領域43Aは二つのn型ドリフト領域42A、42Bに挟まれている。この状態でコレクタ電極39の電位がエミッタ電極88の電位より高い状態になるように高電圧を印加した時、各ドリフト領域42A〜42C、43A〜43Cには上下両側から効果的に空乏層が拡がり完全に空乏化される。その結果、バッファー領域66からゲート電極40に向かってドリフト領域42A〜42C、43A〜43Cの電位分布はほぼ等電位分布となり、電界がドリフト領域の全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がSiの絶縁破壊電界の約0.3MV/cmに達するまで印加電圧を高くすることができるので、高耐圧化ができる。本実施例の場合では4100Vの高耐圧が実現できた。
【0071】
一方、コレクタ電極39の電位がエミッタ電極88の電位より高くなるように高電圧を印加するとともにゲート電極40にしきい値以上の電圧を印加したオン状態では、ゲート電極40近傍のp型ボディ領域4及び各p型ドリフト領域43A〜43Cの表面には電子が集められ反転層が形成される。また、各n型ドリフト領域42A〜42Cのゲート電極40近傍の表面にも電子が集められ蓄積層が形成される。p型ドリフト領域43A〜43Cの反転層はチャネルとして機能し、エミッタ領域55から前記のチャネルと、上から2層目のn型ドリフト領域42Cを通ってバッファー領域66に電子が流入する。電子の一部はn型ドリフト領域42Cの蓄積層と、上から3層目のp型ドリフト領域43Bの反転層を経て4層目のn型ドリフト領域42Bを通りバッファー領域66に流入する。同様にして電子の一部がn型ドリフト領域42Bの蓄積層とp型ドリフト領域43Bの反転層を経て6層目のn型ドリフト領域42Aを通りバッファー領域66に流入する。電子がバッファー領域66に達するとp型エミッタ領域77から正孔がn型ドリフト領域42A〜42Cに流入し、p型ドリフト領域43A〜43C、n型ドリフト領域42A〜42Cの蓄積層を経てp型ボディ領域4を通ってエミッタ電極88に達する。このようにしてn型ドリフト領域42A〜42Cには電子と正孔が共に存在することになり、伝導度変調が起こってn型ドリフト領域42A〜42Cの抵抗が激減する。この過程で、各p型ドリフト領域33A〜33Dにも隣接するn型ドリフト領域から電子が注入されるために伝導度変調が生じp型ドリフト領域の抵抗が低減する。下層のn型ドリフト領域42Aに近いものほどn型ドリフト領域42A〜42Cの蓄積層とp型ドリフト領域43A〜43Cの反転層の抵抗が加算されるので若干抵抗が大きくなり分流電流が低減する傾向にあるが、本実施例の場合は特に問題になる程ではなかった。本実施例では、n型ドリフト領域42A〜42Cの抵抗は伝導度変調がない場合の約1/5に低減し、電界効果トランジスタのオン抵抗を大幅に低減できる。本実施例の場合は、耐圧を4100Vと高く保ちつつ単位面積あたりのビルトイン電圧より高い電圧範囲でのオン抵抗を710mΩcm2と大幅に低減できた。
【0072】
以上のごとく、本実施例では耐圧を損ねることなく大幅にオン抵抗を低減できる。n型ドリフト領域42A〜42Cとp型ドリフト領域43A〜43Cの組の積層数を増やすほどこのオン抵抗は低減できる。但し、積層数を増やしすぎると前記のように下層のn型ドリフト領域42Aに近いものほど抵抗が増加するので、上下のn型及びp型ドリフト領域の抵抗をそろえるような工夫が必要となる。例えば下層になるほどn型及びp型ドリフト領域を少しづつ厚くしてゆくことが極めて有効であった。最下層のドリフト領域42Aの厚さの増大割合はドリフト領域の長さとn型ドリフト領域42A〜42Cとp型ドリフト領域43A〜43Cの組の積層数に依存するが、例えば積層数が15層の場合を例に取ると、最上層のp型ドリフト領域43Cに対する最下層のp型ドリフト領域43Aの厚さは約1.3倍程度が好適である。このほか耐圧は若干低くなるがp型ドリフト領域の厚さを一定にしてn型ドリフト領域の厚さのみ順次増やしてもオン抵抗に関しては同様の効果が得られ、この場合も最下層のn型ドリフト領域42Aの厚さは最上層のn型ドリフト領域42Cの厚さの約1.3倍程度が好適である。
【0073】
《第10実施例》
図13は本発明の第10実施例のSiCターンオフサイリスタ(以下、SiC−GTOと記す)のセグメントの断面図である。厚さ約320μmのSiC絶縁基板51の上に順次、n型ドリフト領域52A〜52Cのそれぞれとp型ドリフト領域53A〜53Cのそれぞれとの組を3組積層している。積層されたn型ドリフト領域52A〜52Cとp型ドリフト領域53A〜53Cの両端部近傍にはトレンチ6A、9Aが絶縁基板51に達するように設けられている。トレンチ9Aの内壁にはp型ベース領域94、n型エミッタ領域95、カソード電極58が順次設けられている。また、トレンチ6Aの内壁には、n型ベース領域86、p型エミッタ領域87、コレクタ電極69が順次設けられている。最上層のp型ドリフト領域53Cのn型エミッタ領域95に近い部分には、p型ベース領域94に接続されたp型コンタクト部14が設けられている。コンタクト部14はゲート電極40に接続されている。p型ドリフト領域53Cの表面には保護のためにSi酸化膜やSi窒化膜などの保護膜45が設けられている。n型及びp型ドリフト領域52A〜52C、53A〜53Cの厚さは共に約0.8μm、不純物濃度は約8×1016atm/cm3、長さは約75μmである。p型及びn型ベース領域94、86の不純物濃度は約7×1017atm/cm3、厚さは約1.2μmである。n型及びp型エミッタ領域95、87の不純物濃度は1×1020atm/cm3、厚さは約0.4μmである。トレンチ6A、9Aの深さは共に約6μmである。
【0074】
本実施例のSiC−GTOでは、n型ドリフト領域52B、52Cはp型ドリフト領域53A〜53Cの内のそれぞれ隣接するものに挟まれている。またp型ドリフト領域53Aは隣接するn型ドリフト領域52Aと52Bに挟まれている。この状態で、アノード電極69の電位がカソード電極58の電位より高い状態になるように高電圧を印加した時、n型ドリフト領域52A〜52Cにはp型ベース領域94及び隣接するp型ドリフト領域53A〜53Cから効果的に空乏層が拡がり完全に空乏化される。同時にp型ドリフト領域53A〜53Cにはn型ベース領域86及び隣接するn型ドリフト領域52A〜53Cから効果的に空乏層が拡がり完全に空乏化される。その結果、p型ベース領域94とn型ベース領域86の間のドリフト領域52A〜52C、53A〜53Cの電位分布はほぼ等電位分布となり、電界がドリフト領域52A〜52C、53A〜53Cの全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がSiCの絶縁破壊電界の約3MV/cmに達するまで前記印加電圧を高くすることができるので、高耐圧化ができ、本実施例の場合では4500Vの高耐圧を実現できた。
【0075】
通電電流の制御においては、アノード電極69の電位がカソード電極58の電位より高くなるように高電圧を印加するとともにゲート電極40からゲート電流を流すことによりオンにでき、またゲート電流を引き抜くことによりオフにできる。p型ベース領域94の抵抗は絶縁基板51に近いほど若干大きくなり分流ゲート電流が低減する傾向にあるが、本実施例の場合は特に問題になる程ではなかった。この結果、アノード電極69とカソード電極58間の抵抗は従来のGTOの約1/5に低減できる。本実施例の場合は、耐圧を4500Vに高くしたにもかかわらずビルトイン電圧より高い電圧範囲での単位面積あたりのオン抵抗は17mΩcm2であり大幅に低減できた。
【0076】
以上のごとく、本実施例は耐圧を保ちつつ更に大幅にオン抵抗を低減できるという効果が得られる。n型ドリフト領域とp型ドリフト領域の対の積層数を増やすほどこのオン抵抗は更に低減できる。但し、積層数を増やしすぎると前記のようにp型ベース領域94の抵抗が増加するためターンオフ時に基板51側のドリフト領域52Aを流れる電流を効果的に引き抜けないという不都合が生じることがある。そのような場合にはp型ベース領域94の基板51に近い部分の不純物濃度を若干増加させればよい。
【0077】
《第11実施例》
図14は、本発明の半導体装置の第11実施例のSiC−MOS電界効果サイリスタのセグメントの断面図である。厚さ約320μmのSiC絶縁基板61の上に、n型ドリフト領域62A〜62Eのそれぞれの間にp型ドリフト領域63A〜63Eをそれぞれ挟んで形成したn型ドリフト領域とp型ドリフト領域の組を5組積層している。積層されたドリフト領域62A〜62E、63A〜63Eの両端部にはトレンチ6A、9Aが絶縁基板61に達するように設けられている。一方のトレンチ9Aの内壁には、p型ベース領域94、n型エミッタ領域95、カソード電極58が順次設けられている。また、他方のトレンチ6Aの内壁にはn型ベース領域86とp型エミッタ領域87、アノード電極69が順次設けられている。最上層のp型ドリフト領域63Eの表面及びn型ベース領域86とp型エミッタ領域87の端部にゲート酸化膜11Aを介してゲート電極70が対向するよう形成されており、その他の表面には保護のためにSi酸化膜やSi窒化膜などの保護膜45が設けられている。ドリフト領域62A〜63E、エミッタ領域87、95、ベース領域86、94の各領域の導電型を前記のものと逆にする場合には、ゲート電極70はp型ベース領域94とn型エミッタ領域95の端部にゲート酸化膜11Aを介して対向するように形成してもよい。n型及びp型ドリフト領域62A〜62E、63A〜63Eの厚さは約0.8μm、不純物濃度は約8×1016atm/cm3、長さは約75μmである。p型及びn型ベース領域94、86の不純物濃度は共に約7×1017atm/cm3、厚さは約1.2μmである。n型及びp型エミッタ領域95、87の不純物濃度は1×1020atm/cm3、厚さは約0.4μmである。トレンチ6A、9Aの深さは共に約10μmである。
【0078】
本実施例のSiC−MOS電界効果サイリスタでは、n型ドリフト領域62B〜62Eはそれぞれp型ドリフト領域63A〜63Eの内の隣接するものに挟まれている。またp型ドリフト領域63Aはn型ドリフト領域62A、62Bにより挟まれている。これにより、アノード電極69の電位がカソード電極58の電位より高い状態になるように高電圧を印加した時、n型ドリフト領域62A〜62Eにはp型ベース領域94とp型ドリフト領域63A〜63Eから効果的に空乏層が拡がり完全に空乏化される。また、p型ドリフト領域63A〜63Eにはn型ベース領域86とn型ドリフト領域62A〜62Eから効果的に空乏層が拡がり完全に空乏化される。その結果、p型ベース領域94とn型ベース領域86の間のドリフト領域62A〜62E、63A〜63Eの電位分布はほぼ等電位分布となり、電界がドリフト領域の全域に渡ってほぼ均一になる。この電界がSiCの絶縁破壊電界の約3MV/cmに達するまで印加電圧を高くすることができるので、高耐圧化ができる。本実施例の場合では4700Vの高耐圧を実現できた。
【0079】
通電電流の制御においては、アノード電極69がカソード電極58より高い電位になるように高電圧を印加する。またゲート電極70にはその電位がアノード電極69の電位よりも低くなるように電圧を印加する。この電圧がゲート電極70の下のn型ベース領域86の表面のしきい値電圧以上になると、n型ベース領域86の表面にチャネルが形成され正孔がp型エミッタ領域87からp型ドリフト領域63Eに流入する。この正孔はp型ベース領域94に達するとn型エミッタ領域95からの電子の注入を促し、電子がまず最上層のp型ドリフト領域63Eに流入する。この電子は、n型エミッタ領域95、p型ベース領域94と最上層のp型ドリフト領域63E及びn型ベース領域86で構成されるnpnトランジスタをオンにし、p型エミッタ領域87からn型ベース領域86への正孔の注入を促進する。この正孔の注入によりp型エミッタ領域87、n型ベース領域86、p型ドリフト領域63Eで構成されるpnpトランジスタをオンにし、ついには最上層のp型ドリフト領域63Eを含むpnppnサイリスタをオンにする。この過程で、最上層のp型ドリフト領域63Eの下のn型ドリフト領域62Eの電位は最上層のp型ドリフト領域63Eよりも高いので、n型エミッタ領域95からp型ドリフト領域63Eに注入された電子の一部はn型ドリフト領域62Eに流れてn型ベース領域86に至り、p型エミッタ領域87からn型ベース領域86、n型ドリフト領域62Eへの正孔の注入を促す。これにより、p型エミッタ領域87、n型ベース領域86、n型ドリフト領域62E、p型ベース領域94で構成されるpnpトランジスタがオンとなり多量の正孔が前記pnpトランジスタを流れ、n型エミッタ領域95からの多量の電子の注入を促す。その結果n型エミッタ領域95、p型ベース領域94、n型ドリフト領域62E、n型ベース領域86で構成されるnpnトランジスタがオンとなり、更に多量の正孔のn型ベース領域86への注入を促進させることになる。これは、pnpトランジスタとnpnトランジスタによる正帰還の増幅動作を招き、ついにはpnnpnサイリスタがオンする。また、この過程で、3層目のp型ドリフト領域63Dの電位が2層目のn型ドリフト領域62Eよりも低いので、p型エミッタ領域87からn型ドリフト領域62Eに注入された正孔の一部は、p型ドリフト領域63Dを流れ、p型ベース領域94に至る。これによりn型エミッタ領域95からp型ベース領域94、p型ドリフト領域63Dへの電子の注入を促し、3層目のnpnトランジスタをオンにし、ついで3層目のpnpトランジスタをオンにする。その結果3層目のnpnトランジスタとpnpトランジスタで構成される3層目のpnppnサイリスタがオンになる。このようにして、順次n型及びp型ドリフト領域62D、63C、62C、63B,62B、63A及び62Aを含む第4、5、6、7、8、9及び10層目のサイリスタがオンになり、ついにはSiC−MOS電界効果サイリスタ全体がオンになる。
【0080】
本実施例の場合は、耐圧を4700Vと高くできたにもかかわらず、ビルトイン電圧以上の高い電圧範囲での単位面積あたりのオン抵抗は11mΩcm2となり大幅に低減できた。また、MOSゲート型の半導体装置なのでゲート電極70を含むゲート回路の消費電力は第10の実施例のSiC−GTOに比べて大幅に低減できる。
以上のごとく、本実施例は耐圧を高く保ちつつ大幅にオン抵抗を低減できるという効果があり、半導体装置の消費電力を大幅に低減できるとともに、ゲート電極70につながるゲート駆動回路の消費電力も低減できる。なお、n型ドリフト領域62A〜62Eとp型ドリフト領域63A〜63Eの組の積層数を増やすほどこのオン抵抗は低減できる。
【0081】
以上、第3、第8から第11の実施例について詳細に説明したが、本発明は更に多くの適用範囲あるいは派生構造を包含するものである。例えば同一基板上に形成した基本となる素子を多数並列に接続することにより、大電流・大容量化を実現できる。また、SiC絶縁基板としてはバナジュウムを含んだSiC基板に限定されるものではなく、サファイア絶縁基板やクロムを含んだガリウム砒素絶縁基板等を使用してもよい。
前記各実施例では、SiとSiCを用いた素子の場合について説明したが、本発明は、ダイヤモンド、ガリウムナイトライド、アルミニュウムナイトライド、硫化亜鉛など他の半導体材料を用いた素子にも有効である。前記各実施例のトレンチ6A、9Aは内壁面が垂直に近いが内壁面をすり鉢状のゆるやかな傾斜にした溝状(グルーブ)に形成してもよい。このようにすると、n型及びp型ドリフト層の組の数が10組以上と多いときの埋込領域や電極の形成が容易になり、コスト低減と歩留りの向上に有利となる。
また、前記の各実施例において、n型領域をp型領域に、p型領域をn型領域に置き変えた場合でも本発明の構成を適用できる。
【0082】
本発明の半導体装置の耐圧は、p型ドリフト領域とn型ドリフト領域の厚さの差や不純物濃度の差に影響を受ける。従って本発明の目的を効果的に達成するためには、p型ドリフト領域とn型ドリフト領域の厚さの差は±20%以下に、不純物濃度の差は±250%以下にするのが好適である。
【0083】
【発明の効果】
本発明の各実施例において詳細に説明したように、半導体装置を絶縁性のワイドギャップ半導体基板上に形成し、ボディ領域とドレイン領域の間に、定格電圧付近の高電圧を印加した際に完全に空乏化する薄いp型とn型のドリフトを積層して設ける。これにより、不純物濃度を高くしても高電圧印加時にp型及びn型の両ドリフト領域で構成する接合から拡がる空乏層でドリフト領域を完全に空乏化できる。その結果、ドリフト領域が等電位分布すなわち一定電界になり高耐圧が実現できる。不純物濃度を高くしているので低オン抵抗化も同時に図れ、高電圧を印加した際の電界の局所集中が少なく最大電界が低いので信頼性が向上する。
【0084】
また、ボディ領域とバッファー領域の間、もしくはn型ベース領域とp型ベース領域の間に、定格電圧付近の高電圧を印加した際に両者間が完全に空乏化するような厚さの薄いp型とn型の両極性のドリフト領域を積層して設ける。これにより、両ドリフト領域の不純物濃度が高い場合でも、高電圧印加時に、主にp型、n型両ドリフト領域で構成する接合から拡がる空乏層で両ドリフト領域を完全に空乏化できる。その結果前記両者間が等電位分布すなわち一定電界になり高耐圧化が実現できる。不純物濃度が高いのでオン抵抗も低くなる。更に高電圧を印加した際に電界の局所集中が減少するとともに最大電界が低いので信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の電界効果トランジスタの第1参考例を示す断面図
【図2】 本発明の第1参考例の電界効果トランジスタの耐圧とドリフト領域の不純物濃度との関係を示すグラフ
【図3】 本発明の第1参考例の電界効果トランジスタの耐圧とドリフト領域の厚さの関係を示すグラフ
【図4】 本発明の電界効果トランジスタの第2参考例を示す断面図
【図5】 本発明の電界効果トランジスタの第3実施例を示す断面図
【図6】 本発明の電界効果トランジスタの第3実施例の他の例を示す断面図
【図7】 本発明の電界効果トランジスタの第4参考例を示す断面図
【図8】 本発明の電界効果トランジスタの第5参考例を示す断面図
【図9】 本発明の電界効果トランジスタの第6参考例を示す断面図
【図10】 本発明の第7参考例のSiC−IGBTの断面図
【図11】 本発明の第8実施例のSiC−IGBTの断面図
【図12】 本発明の第9実施例のSi−IGBTの断面図
【図13】 本発明の第10実施例のSiC−GTOの断面図
【図14】 本発明の第11実施例のSiC−MOSサイリスタの断面図
【図15】 従来のトレンチ型電界効果半導体装置の断面図
【図16】 従来の高耐圧半導体装置の断面図
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 n型ドリフト領域
3 p型ドリフト領域
4 p型ボディ領域
5 ソース領域
6、16 ドレイン領域
6A トレンチ
7 ソース電極
8 ドレイン電極
9、19 酸化膜
9A トレンチ
10 ゲート電極
11 表面保護膜
12 p型ドリフト領域
14 p型コンタクト部
22、22A、22B、22C、22D n型ドリフト領域
23、23A、23B、22C p型ドリフト領域
32A〜32E n型ドリフト領域
33 p型ドリフト領域
33A〜33D p型ドリフト領域
34 ボディ領域
37 ソース電極
39 コレクタ電極
40 ゲート電極
41 Si基板
42A〜42C n型ドリフト領域
43A〜43C p型ドリフト領域
51 絶縁基板
52A〜52C n型ドリフト領域
53A〜53C p型ドリフト領域
55 エミッタ領域
58 カソード電極
62A〜62E n型ドリフト領域
63A〜63E p型ドリフト領域
66 バッファー領域
68 ゲート電極
69 アノード電極
70 ゲート電極
77 コレクタ領域
86 n型ベース領域
87 p型エミッタ領域
88 エミッタ電極
94 p型ベース領域
95 n型エミッタ領域
101 ドレイン領域
102 ドリフト領域
103 ボディ領域
104 ソース領域
105 ゲート絶縁膜
106 ゲート電極
107 ソース電極
108 ドレイン電極
110 凹部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a high breakdown voltage power semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
A wide gap semiconductor material typified by silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) has a higher dielectric breakdown field strength than a semiconductor material of silicon (hereinafter referred to as Si), and therefore has the same impurity concentration as that of Si. High breakdown voltage can be realized. Furthermore, it has the advantages of being able to have a high breakdown voltage while maintaining a low loss, operating at a high temperature of 250 ° C. or higher, and having good heat conduction.
A power MOSFET having such a structure as shown in FIG. 15 using SiC is shown on pages 119 to 122 of Proceedings of the 10th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs published in 1998. This power MOSFET is called a trench gate type MOSFET, and an n
[0003]
A channel for flowing carriers between the source S and the drain D is formed as follows. That is, a voltage is applied to the
[0004]
In recent years, development and practical use of high voltage power ICs in which a control circuit and a protection circuit are combined and integrated with a high voltage power output element have been promoted and contributed to miniaturization and intelligentization of high voltage semiconductor devices. As a type of output element of the high voltage power IC, a bipolar semiconductor device represented by an IGBT or a thyristor has attracted attention from the viewpoint of reducing the loss. Bipolar semiconductor devices have the advantage that due to the effect of conductivity modulation, the internal resistance of the semiconductor device can be greatly reduced compared to a monopolar semiconductor device represented by MOSFET or SIT, and the loss can be greatly reduced. The structure of the high withstand voltage power output element includes a vertical structure and a horizontal structure, but the horizontal structure is mainly adopted from the viewpoint of easy combination and integration with a control circuit. FIG. 16 shows a typical lateral structure IGBT composed of Si, which is shown in
[0005]
The IGBT is formed on the
[0006]
The operation of the IGBT when it is off is as follows. When a high voltage is applied so that the potential of the
[0007]
On the other hand, the operation when on is as follows. When a voltage higher than the threshold voltage is applied to the
The breakdown voltage of this conventional example is 340V, and the current capacity is 2A. 200A / cm 2 The ON voltage at a current density of 2.0 V is 2.0 V, and the ON resistance in the voltage range higher than the built-in voltage is 46.6 mΩcm. 2 It is.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In order to use a semiconductor device for an industrial high-capacity inverter, an inverter for electric railways such as a Shinkansen and a train, or a power conversion device for electric power business, a device with higher withstand voltage and lower loss is required. However, to increase the breakdown voltage with a trench gate type MOSFET as shown in FIG. 15, it is necessary to reduce the impurity concentration in the drain region to expand the depletion layer and reduce the electric field. As a result, the resistance of the drain region is increased, the on-resistance when the semiconductor device is turned on and current flows is increased, and it is difficult to reduce the loss. In addition, the electric field tends to concentrate on the bottom of the
[0009]
The Si-IGBT shown in FIG. 16 has a low breakdown voltage, and it has insufficient withstand voltage for use in industrial high-voltage inverters, inverters for electric railways such as Shinkansen trains, and high-voltage power converters for power businesses. A high breakdown voltage is required. In order to increase the breakdown voltage with the structure of FIG. 18, it is necessary to reduce the impurity concentration of the
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a high breakdown voltage semiconductor device having high breakdown voltage and high reliability while relaxing the electric field of the drain region without reducing the impurity concentration of the drain region and reducing the on-resistance. Yes.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A wide gap semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type first drift region formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, and the first drift formed on the first drift region. A second conductivity type second drift region having the same thickness and impurity concentration as the region, a first conductivity type buried region formed so as to be in contact with the first and second drift regions, A first electrode formed in a buried region; a body region of a second conductivity type formed so as to be at a predetermined distance from the buried region and in contact with at least one of the first and second drift regions; A first conductivity type region formed in a part of the body region, a second electrode provided in the body region and the first conductivity type region, and a first drift region and the body region; With control electrode When the first and second drift regions have a thickness lower than a rated voltage between the first electrode and the second electrode, the first and second drift regions are substantially completely It is selected to be a depletion layer.
[0011]
A wide gap semiconductor device according to another aspect of the present invention is a first conductivity type first drift region formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, the first drift region formed on the first drift region, A first drift formed in contact with the second drift region of the second conductivity type having the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region, the substrate, and the first and second drift regions. A conductive type buried region, a first electrode formed in the buried region, and a second electrode formed at a predetermined distance from the buried region and in contact with at least one of the first and second drift regions. Conductivity type body region, a first conductivity type region formed in a part of the body region, a second electrode provided in the body region and the first conductivity type region, and the substrate, first Drift region and body area A control electrode formed through an insulating film, and when applying a voltage lower than a rated voltage between the first electrode and the second electrode with a thickness of the first and second drift regions, The first and second drift regions are selected so as to be substantially complete depletion layers.
[0012]
In the wide gap semiconductor devices of both the above inventions, when a voltage is applied such that the first electrode is at a high potential and the second electrode is at a low potential, the first conductivity type region and the second conductivity type body are applied. Since the junction formed in the region is forward biased, the low potential region extends to the drift region of the second conductivity type. In addition, the high potential region extends to the drift region of the first conductivity type through the buried region. As a result, the first junction formed by the first and second drift regions is reverse-biased, and a depletion layer extends in both the first and second drift regions. The second junction composed of the buried
[0013]
Further, in the above configuration, the breakdown voltage is determined by the maximum breakdown field and the length of both drift regions, and does not depend on the thickness of both drift regions. As the thickness of both drift regions is reduced, complete depletion can be achieved even when the impurity concentration is increased, and a high breakdown voltage can be obtained. In general, there is a relationship between the thickness of the depletion layer and the impurity concentration N that the thickness is approximately proportional to 1 / N to the 0.5th power. Therefore, if the thickness of both drift regions is reduced and the thickness of the depletion layer is within this range, the effect of increasing the impurity concentration due to this is remarkable. That is, the on-resistance reduction effect is remarkable. In the case of the conventional configuration, if the thickness of the drift region is reduced and the impurity concentration is increased, the on-resistance can be reduced, but the breakdown voltage decreases nonlinearly, so the resistance RonS per unit area is proportional to the 2.5th power of the breakdown voltage. In relation, as the breakdown voltage increases, RonS increases significantly. In the structure of the present invention, the breakdown voltage is proportional to the length of the drift region, but does not depend on the thickness. Therefore, by reducing the thickness and reducing the impurity concentration without impairing the breakdown voltage, only the on-resistance reduction effect can be enjoyed, and RonS is proportional to the first power of the breakdown voltage. Therefore, in the structure of the present invention, when the thickness of the drift layer is reduced to the limit, a semiconductor device having a withstand voltage of 1000 V or more has a great effect that in principle, the on-resistance can be reduced by two digits or more compared to the conventional structure. The limit of the thickness of the drift layer is that the built-in potential of the first junction exists even if the concentration is increased. Therefore, a depletion layer is formed by this, so that the thickness of the drift layer is less than the depletion layer thickness. However, this is because the effect of reducing the on-resistance is lost. Further, when the same voltage is applied as compared with the conventional structure, the structure of the present invention has less local concentration of the electric field and the maximum electric field is lower, so that the reliability can be improved.
[0014]
A wide gap semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a plurality of sets of a first drift region of a first conductivity type and a second conductivity type of a plurality of sets formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor. Embedded in the first conductivity type formed on the inner wall surface of the first trench reaching the substrate through the set of two drift regions and the plurality of sets of the first and second drift regions Region, a first electrode formed in the buried region, a body region of a second conductivity type formed in a drift region of the uppermost layer of the plurality of sets of first and second drift regions, one of the body regions A plurality of sets of the first and second drift regions, the body region, and the first conductive region provided at a position away from the first trench by a predetermined distance. A second trench extending through the mold region to the substrate Insulating film formed on the inner wall surface, and a second control electrode is provided through the insulating film on the inner wall surface of the trench, and a second electrode provided on the region and the body region.
[0015]
A wide gap semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first conductivity type first drift region formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, the first drift region formed on the first drift region, A first conductivity type second drift region having substantially the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region, the substrate, and the first drift region and the first drift region formed in contact with the first drift region; A buried region of the conductive type, a first electrode formed in the buried region, and a first distance formed from the buried region so as to be in contact with the substrate and the first and second drift regions. A second conductivity type body region, a first conductivity type region formed in a part of the body region, a second electrode provided in the region and the body region, and an insulating film provided in the body region A control electrode; When the voltage lower than the rated voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first drift region and the second drift region are substantially completely depleted. It is selected so that it becomes.
[0016]
A wide gap semiconductor device according to another aspect of the present invention is a first conductivity type first drift region formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, the first drift region formed on the first drift region, A second conductivity type second drift region having substantially the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region, and a first conductivity type formed so as to be in contact with the first and second drift regions; A buried region, a first electrode formed in the buried region, and a predetermined distance away from the buried region and formed in the first drift region so as to contact the first and second drift regions A second conductivity type body region, a first conductivity type region formed in a part of the body region, a second electrode provided in the region, and a second body region of the first drift region; And an insulating film on the region Provided with a control electrode provided, and when the first and second drift regions have a thickness lower than a rated voltage applied between the first electrode and the second electrode, the first and second drift regions are provided. The drift region is selected so as to be a substantially complete depletion layer.
[0017]
According to another aspect of the present invention, there is provided a wide gap semiconductor device including a first low-resistance material using a low-resistance second type material formed on a wide-gap semiconductor substrate using a high-resistance first type material. A conductive first drift region, a second drift material formed on the first drift region, using a second type material having substantially the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region. Conductivity type second drift region, first conductivity type buried region formed so as to be in contact with the first and second drift regions, first electrode formed in the buried region, and the buried region A body region of a second conductivity type formed so as to be in contact with the first and second drift regions at a predetermined distance from the region, a region of the first conductivity type formed in a part of the body region, A second electrode provided in the region, and the body region A control electrode provided on the inner wall surface of the trench reaching the first drift region through an insulating film, and the thicknesses of the first and second drift regions are set to be different from those of the first electrode and the second drift region. When a voltage lower than the rated voltage is applied between the electrodes, the first and second drift regions are selected so as to be substantially complete depletion layers.
[0018]
The semiconductor device of the present invention includes a first drift region of a first conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, the first drift region formed on the first drift region, A second conductivity type second drift region having a similar thickness and similar impurity concentration, a first conductivity type buried region formed so as to be in contact with the first and second drift regions, and the buried A first electrode formed in a region; a body region of a second conductivity type formed so as to be at a predetermined distance from the buried region and in contact with at least one of the first and second drift regions; A first conductivity type region formed in a part of the substrate, a second electrode provided in the body region and the first conductivity type region, and a control electrode formed in the first drift region and the body region Comprising the first and When the voltage lower than the rated voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first and second drift regions become substantially complete depletion layers. It was selected as follows.
[0019]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first drift region of a first conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, the first drift region formed on the first drift region. A first conductivity type formed in contact with the second drift region of the second conductivity type having the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region, the substrate, and the first and second drift regions. Embedded region, a first electrode formed in the buried region, and a second conductive material formed so as to be at a predetermined distance from the buried region and in contact with at least one of the first and second drift regions. A body region of the mold, a region of a first conductivity type formed in a part of the body region, a second electrode provided in the body region and the region of the first conductivity type, the substrate, a first drift Insulating film in region and body region And when the first and second drift regions have a thickness lower than a rated voltage between the first electrode and the second electrode, the first and second drift regions are formed. The drift region is selected so as to be a substantially complete depletion layer.
[0020]
In the semiconductor devices of both the above inventions, when a voltage is applied so that the first electrode is at a high potential and the second electrode is at a low potential, the first conductivity type region and the second conductivity type body region are applied. Since the formed junction is forward biased, the low potential region extends to the drift region of the second conductivity type. In addition, the high potential region extends to the drift region of the first conductivity type through the buried region. As a result, the first junction formed by the first and second drift regions is reverse-biased, and a depletion layer extends in both the first and second drift regions. The second junction composed of the buried
[0021]
Further, in the above configuration, the breakdown voltage is determined by the maximum breakdown field and the length of both drift regions, and does not depend on the thickness of both drift regions. As the thickness of both drift regions is reduced, complete depletion can be achieved even when the impurity concentration is increased, and a high breakdown voltage can be obtained. In general, there is a relationship between the thickness of the depletion layer and the impurity concentration N that the thickness is approximately proportional to 1 / N to the 0.5th power. Therefore, if the thickness of both drift regions is reduced and the thickness of the depletion layer is within this range, the effect of increasing the impurity concentration due to this is remarkable. That is, the on-resistance reduction effect is remarkable. In the case of the conventional configuration, if the thickness of the drift region is reduced and the impurity concentration is increased, the on-resistance can be reduced, but the breakdown voltage decreases nonlinearly, so the resistance RonS per unit area is proportional to the 2.5th power of the breakdown voltage. In relation, as the breakdown voltage increases, RonS increases significantly. In the structure of the present invention, the breakdown voltage is proportional to the length of the drift region, but does not depend on the thickness. Therefore, by reducing the thickness and reducing the impurity concentration without impairing the breakdown voltage, only the on-resistance reduction effect can be enjoyed, and RonS is proportional to the first power of the breakdown voltage. Therefore, in the structure of the present invention, when the thickness of the drift layer is reduced to the limit, a semiconductor device having a withstand voltage of 1000 V or more has a great effect that in principle, the on-resistance can be reduced by two digits or more compared to the conventional structure. The limit of the thickness of the drift layer is that the built-in potential of the first junction exists even if the concentration is increased. Therefore, a depletion layer is formed by this, so that the thickness of the drift layer is less than the depletion layer thickness. However, this is because the effect of reducing the on-resistance is lost. Further, when the same voltage is applied as compared with the conventional structure, the structure of the present invention has less local concentration of the electric field and the maximum electric field is lower, so that the reliability can be improved.
[0022]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a plurality of sets of a first conductivity type first drift region and a second conductivity type second formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor. A buried region of a first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench reaching the substrate through the set of the drift region, the plurality of sets of the first and second drift regions, A first electrode formed in the buried region; a body region of a second conductivity type formed in a drift region of an uppermost layer of the plurality of sets of first and second drift regions; and a part of the body region The formed first conductivity type region, the plurality of sets of the first and second drift regions, the body region, and the first conductivity type provided at a predetermined distance from the first trench. Formed on the inner wall of the second trench that penetrates the region and reaches the substrate Insulating film, and a second control electrode is provided through the insulating film on the inner wall surface of the trench, and a second electrode provided on the region and the body region.
[0023]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention is a first drift region of a second conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, the first drift region formed on the first drift region. A first conductivity type formed in contact with the second drift region of the first conductivity type having substantially the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region, the substrate, and the first and second drift regions. A buried region of the mold, a first electrode formed in the buried region, and a second electrode formed to contact the substrate and the first and second drift regions at a predetermined distance from the buried region. Conductive body region, first conductive type region formed in part of the body region, second electrode provided in the region and body region, and control electrode provided in the body region via an insulating film Comprising the first and second doors. When the voltage lower than the rated voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first drift region and the second drift region become substantially complete depletion layers. It is selected.
[0024]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first drift region of a first conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor, the first drift region formed on the first drift region. A second conductivity type second drift region having substantially the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region, and an embedding of the first conductivity type formed in contact with the first and second drift regions Region, a first electrode formed in the buried region, a second electrode formed in the first drift region so as to be in contact with the first and second drift regions at a predetermined distance from the buried region. A conductive type body region, a first conductive type region formed in a portion of the body region, a second electrode provided in the region, a second body region of the first drift region, and the Control power provided on the region via an insulating film When the voltage lower than the rated voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first drift region and the second drift region are substantially It is characterized in that it is selected to be a completely depleted layer.
[0025]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention is a first conductivity type using a low resistance second type material formed on a wide gap semiconductor substrate using a high resistance first type material. The first drift region, the second conductivity using the second type material formed on the first drift region and having substantially the same thickness and the same impurity concentration as the first drift region. A second drift region of the type, a first conductivity type buried region formed so as to be in contact with the first and second drift regions, a first electrode formed in the buried region, and the buried region A second conductivity type body region formed so as to be in contact with the first and second drift regions by a predetermined distance; a first conductivity type region formed in a part of the body region; and Penetrating the second electrode provided and the body region, A control electrode provided via an insulating film on the inner wall surface of the trench reaching the first drift region, and the thicknesses of the first and second drift regions are rated between the first electrode and the second electrode. The first and second drift regions are selected to be substantially complete depletion layers when a voltage lower than the voltage is applied.
[0026]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first conductivity type first drift region formed on an insulating substrate, and a second conductivity type second formed on a part of the first drift region. A drift region of the second conductivity type formed in a part above the first drift region and having an impurity concentration equal to or higher than the impurity concentration of the second drift region of the second conductivity type, A first region of a first conductivity type having a high impurity concentration formed in the third drift region; the first drift region formed in contact with the first drift region and the second drift region; A second region of a first conductivity type having an impurity concentration higher than that of the second drift region; a second conductivity type having a high impurity concentration formed in contact with the second region of the first conductivity type; A third region of the first region of the first conductivity type A first electrode formed in a region, a second electrode formed in a third region of the second conductivity type, and an insulating film in the first drift region, the third drift region, and the first region A control electrode opposed thereto, wherein the first drift region and the second drift region have substantially the same thickness, each thickness being smaller than the respective length, When a voltage close to the rated voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first drift region and the second drift region are substantially depleted so that the first drift region and the second drift region become substantially depleted layers. The thickness is selected.
[0027]
In the semiconductor device, when a high voltage is applied so that the second electrode is at a high potential and the first electrode is at a low potential, the first region of the first conductivity type and the second region of the second conductivity type are applied. Since a forward voltage is applied to the junction constituted by the regions, the drift region of the second conductivity type has a low potential. Further, the first conductivity type first drift region becomes a high potential through the second conductivity type third region and the first conductivity type second region. As a result, a reverse voltage is applied to the first junction composed of the first and second drift regions, and the depletion layer spreads in both the first and second drift regions. The second junction constituted by the second region of the first conductivity type and the second drift region of the second conductivity type is also simultaneously reverse-biased so that the depletion layer is in the second drift region of the second conductivity type. To spread. A voltage in the reverse direction is simultaneously applied to the third junction including the third drift region of the second conductivity type and the first drift region of the first conductivity type, so that the depletion layer is the first conductivity type first. Extends into the drift region.
[0028]
In this way, since the depletion layer extends in the vertical direction and the horizontal direction in the first and second drift regions, the first drift region of the first conductivity type before the second and third junctions breakdown. The second drift region of the second conductivity type is easily and almost completely depleted before the applied voltage reaches the rated voltage of the semiconductor device. As a result, when at least a voltage in the vicinity of the rated voltage is applied, the junction composed of the first drift region and the third drift region is changed from the junction composed of the second drift region and the second region. The electric potential distribution in the portion extending to is substantially equipotential distribution, and the electric field is substantially uniform over the entire drift region. Since the applied high voltage can be increased until this electric field reaches the breakdown electric field of the semiconductor material, a high breakdown voltage can be achieved.
[0029]
In the conventional structure, even if a drift region having a constant impurity concentration is provided, the electric field in the depletion layer increases with a constant gradient as it approaches the junction, and is maximized at the junction. The applied voltage increases, and breakdown occurs when the electric field at the junction reaches the dielectric breakdown voltage Ec. On the other hand, in the structure of the present invention, the breakdown voltage is an integral value of the electric field in the depletion layer when the electric field reaches the breakdown voltage. Since the electric field becomes a constant breakdown voltage in the drift region at the time of breakdown, in principle, a higher breakdown voltage can be achieved compared to the conventional structure.
Furthermore, in the structure of the present invention, the breakdown voltage is determined by the maximum breakdown electric field and the lengths of the first and second drift regions, and does not depend on the thicknesses of both drift regions. Even if the impurity concentration is increased, if the thicknesses of both drift regions are reduced, both drift regions are easily and completely depleted, and a high breakdown voltage can be achieved as described above. In general, there is a relationship between the thickness W of the depletion layer and the impurity concentration N that the thickness W is substantially proportional to 1 / N to the 0.5th power. If the thicknesses of both drift regions are reduced, the impurity concentration can be increased in proportion to the square thereof, so that the on-resistance reduction effect is significant.
[0030]
In the case of the conventional structure, when the thickness of the drift region is reduced and the impurity concentration is increased, the on-resistance is reduced, but the breakdown voltage is also reduced nonlinearly. For this reason, the resistance per unit area is proportional to the 2.5th power of the breakdown voltage, and the resistance increases remarkably as the breakdown voltage increases. In the structure of the present invention, the breakdown voltage is proportional to the length of the drift region and does not depend on the thickness. Therefore, the ON resistance can be reduced while maintaining a high breakdown voltage by reducing the thickness and reducing the impurity concentration. That is, the resistance is proportional to the first power of the breakdown voltage. Therefore, in the structure of the present invention, when the thickness of the drift layer is reduced to the limit, a large effect is obtained that the on-resistance can be reduced by two digits or more in principle as compared with the conventional structure in a semiconductor device having a withstand voltage of 1000 V or more. Even if the drift layer thickness limit increases the drift layer impurity concentration, the built-in potential of the first junction exists, so that a depletion layer is formed. If the thickness of the drift layer is set to be equal to or less than the thickness of the depletion layer, the effect of reducing the on-resistance is lost, so that the thickness of the drift layer is limited. When the same voltage is applied, the structure of the present invention has less local concentration of the electric field and the maximum electric field is lower than the conventional structure, so that the reliability can be improved.
[0031]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a plurality of sets of a first conductivity type first drift region and a second conductivity type second drift region formed on an insulating substrate, A first buried region of the first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench penetrating the first and second drift regions and reaching the substrate; A second buried region of the second conductivity type formed in contact with the buried region, a first electrode formed in the second buried region, and an uppermost layer of the plurality of sets of first and second drift regions A second conductivity type body region formed in contact with the drift region, a first conductivity type region formed in a part of the body region, and a position away from the first trench by a predetermined distance; The plurality of sets of the first and second drift regions, the body region, and the first conductivity type region are penetrated. The insulating film formed on the inner wall surface of the second trench reaching the substrate, the control electrode provided on the inner wall surface of the second trench via the insulating film, and the second electrode provided in the region and the body region Electrode.
[0032]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a plurality of first conductivity type first drift regions and second conductivity type second drift regions formed on a substrate via an insulating film. The first conductivity type first buried region formed on the inner wall surface of the first trench that reaches the substrate through the first and second drift regions, A second buried region of the second conductivity type formed in contact with the first buried region; a first electrode formed in the second buried region; and the plurality of sets of first and second drifts. A body region of the second conductivity type formed in contact with the uppermost drift region of the region, a region of the first conductivity type formed in a part of the body region, and a position separated from the first trench by a predetermined distance The plurality of sets of the first and second drift regions, the body region, and the first conductivity type An insulating film formed on the inner wall surface of the second trench that reaches the substrate through the region, a control electrode provided on the inner wall surface of the second trench via the insulating film, and provided in the region and the body region A second electrode.
[0033]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a plurality of sets of a first conductivity type first drift region and a second conductivity type second formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor. A first buried region of the first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that penetrates the first and second drift regions and reaches the substrate; , A second conductivity type second buried region formed in contact with the first buried region, a first electrode formed in the second buried region, the plurality of sets of first and second sets A second conductivity type contact portion formed in the drift region of the uppermost layer of the drift region, formed at a position away from the first trench by a predetermined distance, the plurality of sets of the first and second drift regions, Formed on the inner wall surface of the second trench that reaches the substrate through the contact portion Provided with second conductivity type base region, a second electrode provided on the base region in the second trench, and a third electrode provided on the contact portion.
[0034]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a plurality of sets of a first conductivity type first drift region and a second conductivity type second drift formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor. A first buried region of a first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that penetrates the first and second drift regions and reaches the substrate, A second conductivity type second buried region formed in contact with the first buried region, a first electrode formed in the second buried region, and a predetermined distance from the first trench. A base region of a second conductivity type formed on an inner wall surface of a second trench reaching the substrate through the plurality of sets of the first and second drift regions; A second electrode provided in the base region in the trench, and the first buried region and the second Comprising a third electrode opposed to the buried region via an insulating film.
[0035]
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes at least one set of a first conductivity type semiconductor region and a second conductivity type semiconductor region formed on a substrate, the first set of the first set. At least one pair of first conductivity type semiconductor regions in contact with one end of the semiconductor region, a second set of semiconductor regions of the second conductivity type, and the other end of the first set of semiconductor regions. A third set of first conductive type semiconductor regions and a second conductive type semiconductor region in contact with each other, and a control electrode for applying an electric field to the third set of semiconductor regions; When a voltage is applied between the pair of semiconductor regions so that the potential of the pair of semiconductor regions is higher than the potential of the third set of semiconductor regions, the entire region of the first set of semiconductor regions is depleted, and the second set of semiconductor regions Apply a voltage between the two so that the potential of the region is higher than the potential of the third set of semiconductor regions In both cases, when a voltage equal to or higher than a threshold value is applied to the control electrode, electrons flow out of the third set of semiconductor regions, flow into the second set of semiconductor regions through the first set of semiconductor regions, and Holes flow out from the second set of semiconductor regions, flow into the third set of semiconductor regions via the first set of semiconductor regions, and both electrons and holes exist in the first set of semiconductor regions. The shape and thickness of the first set of semiconductor regions are selected so as to be in a state.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the semiconductor device of each embodiment, a large number of segments are formed adjacent to each other in the horizontal direction of the drawing. In each figure, a single segment in the center is described in detail with reference to each element.
First Reference example 》
FIG. 1 shows the first of the present invention. Reference example It is sectional drawing of this semiconductor device. First Reference example Is a wide gap semiconductor device, which is a SiC field effect transistor having a withstand voltage of 6100V. FIG. 1 shows the cross-sectional structure of the segment. An insulating
[0037]
Book Reference example An example of a manufacturing method of the SiC field effect transistor is shown below. First, an
[0038]
Book Reference example The operation of will be described next. Book Reference example In the SiC field effect transistor, when a high voltage is applied so that the potential of the
[0039]
When a high voltage is applied, electric field concentration may occur near the surface of the junction formed by the
[0040]
The
[0041]
Book Reference example Then, the thickness of the n-
[0042]
Book Reference example In FIG. 1, the shape of each segment is a stripe shape in a direction perpendicular to the paper surface, but it may be, for example, a circle or a rectangle. Book Reference example Although the
[0043]
《Second Reference example 》
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. Reference example Sectional drawing of the segment of this SiC field effect transistor is shown. Second Reference example Then, except for the following three points, the first Reference example Is almost the same.
(1) A p-type drift region 12 thinner than the
(2) The n-
(3) The
[0044]
The n-
Book Reference example In the field effect transistor, the n-
[0045]
In an ON state in which a voltage higher than the threshold voltage is applied to the
As above, the book Reference example Then, there is an effect that the on-resistance can be further reduced while maintaining a high breakdown voltage. Book Reference example Then, the width and depth of the
[0046]
<< Third embodiment >>
FIG. 5 is a segment cross-sectional view of the SiC field effect transistor according to the third embodiment of the present invention. An n-type drift formed on a 320 μm thick
[0047]
In the field effect transistor of this embodiment, the n-
[0048]
On the other hand, in the ON state in which a voltage is applied so that the
[0049]
As described above, this embodiment has an effect that the on-resistance can be further greatly reduced without impairing the breakdown voltage. As the number of stacked layers of the n-
[0050]
<< 4th Reference example 》
FIG. 7 shows the fourth aspect of the present invention. Reference example It is sectional drawing of the segment of this SiC field effect transistor. Book Reference example Then, the gate portion including the
[0051]
The functions of both
Book Reference example Then, withstand voltage 6100V, ON resistance 130mΩcm 2 SiC field effect transistor was realized. Book Reference example Then, without forming
[0052]
<< 5th Reference example 》
FIG. 8 shows the fifth aspect of the present invention. Reference example It is sectional drawing of the segment of this SiC field effect transistor. Book Reference example Then, the gate part including the
[0053]
The functions of both
Book Reference example In the SiC field effect transistor, withstand voltage 6200V, on-resistance 150mΩcm 2 Met. Book Reference example Then, the p-
[0054]
<< 6th Reference example 》
FIG. 9 shows the sixth aspect of the present invention. Reference example 1 is a cross-sectional view of a segment of a gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) field effect transistor. The insulating
[0055]
Book Reference example Is almost Reference example Although GaN has physical and electrical characteristics superior to SiC, it is suitable for a power semiconductor device. Book Reference example Then, withstand voltage 6600V, ON resistance 80mΩcm 2 A GaN field effect transistor was obtained. GaN has better compatibility with the Si nitride film of the surface
[0056]
《Seventh Reference example 》
FIG. 10 shows the seventh of the present invention. Reference example FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 1 and shows a cross-sectional structure of a segment of an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as IGBT) having a withstand voltage of 6100V. 7th Reference example The semiconductor device is manufactured using SiC. A wide gap semiconductor material typified by SiC has a higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si), so that a higher breakdown voltage can be realized with the same impurity concentration as that using Si. In other words, there is an advantage that a high breakdown voltage can be maintained while maintaining a low loss, the operation can be performed at a high temperature of 250 ° C. or higher, and the thermal conductivity is good. In FIG. 10, an insulating
[0057]
In contact with one end of the
[0058]
A
[0059]
Book Reference example An example of a method for manufacturing the transistor is as follows. First, an
[0060]
Book Reference example The operation of will be described next. Book Reference example In the SiC-IGBT, when a high voltage is applied so that the potential of the
[0061]
When a high voltage is applied, electric field concentration may occur near the surface of the junction formed by the
[0062]
Next, a threshold voltage (this Reference example When a voltage higher than 4 V), for example, 10 V is applied, a channel is formed on the surface of the
[0063]
Book Reference example Then, the thickness of the n-
[0064]
Book Reference example Then, although the shape of the segment is a stripe shape, it may be, for example, a circle or a rectangle. Also book Reference example Then, the p-
[0065]
<< Eighth embodiment >>
FIG. 11 is a sectional view of a SiC-IGBT segment of the eighth embodiment of the semiconductor device of the present invention. In the figure, on the
[0066]
In the SiC-IGBT of this example, each of the n-
[0067]
On the other hand, when a high voltage is applied so that the potential of the
[0068]
As described above, according to the present embodiment, an effect that the on-resistance can be significantly reduced while maintaining a high breakdown voltage can be obtained. The on-resistance can be reduced as the number of stacked layers of the n-
By forming a plurality of the semiconductor devices in one substrate and connecting the same type of electrodes of each of these semiconductor devices in common, the power capacity can be increased by connecting them in parallel. For example, in this embodiment, the chip area is 1 cm by parallel connection. 2 Since the current capacity can be 40A per chip, the chip area is 25cm. 2 As a result, a current capacity of 1000 A can be obtained.
[0069]
<< Ninth embodiment >>
FIG. 12 is a sectional view of a segment of a silicon IGBT (hereinafter referred to as Si-IGBT) of the ninth embodiment of the semiconductor device of the present invention. SiO on a Si substrate 41 having a thickness of about 400 μm 2 Insulating film 13 is formed, and then three sets of n-
[0070]
In the Si-IGBT of this embodiment, the n-
[0071]
On the other hand, in the ON state where a high voltage is applied so that the potential of the
[0072]
As described above, in this embodiment, the on-resistance can be greatly reduced without impairing the breakdown voltage. The on-resistance can be reduced as the number of stacked layers of the n-
[0073]
<< Tenth embodiment >>
FIG. 13 is a sectional view of a segment of an SiC turn-off thyristor (hereinafter referred to as SiC-GTO) according to a tenth embodiment of the present invention. Three pairs of n-type drift regions 52A to 52C and p-type drift regions 53A to 53C are sequentially stacked on a SiC insulating substrate 51 having a thickness of about 320 μm.
[0074]
In the SiC-GTO of the present embodiment, the n-
[0075]
In the control of the energization current, a high voltage is applied so that the potential of the
[0076]
As described above, the present embodiment provides an effect that the on-resistance can be further greatly reduced while maintaining the withstand voltage. The on-resistance can be further reduced as the number of stacked layers of the n-type drift region and the p-type drift region is increased. However, if the number of stacked layers is increased too much, the resistance of the p-
[0077]
<< Eleventh embodiment >>
FIG. 14 is a sectional view of a segment of a SiC-MOS field effect thyristor according to an eleventh embodiment of the semiconductor device of the present invention. On the SiC insulating substrate 61 having a thickness of about 320 μm, a pair of an n-type drift region and a p-type drift region formed by sandwiching the p-
[0078]
In the SiC-MOS field effect thyristor of the present embodiment, the n-
[0079]
In controlling the energization current, a high voltage is applied so that the
[0080]
In the case of this example, the on-resistance per unit area in a high voltage range higher than the built-in voltage is 11 mΩcm, even though the withstand voltage can be increased to 4700 V. 2 It was greatly reduced. Further, since it is a MOS gate type semiconductor device, the power consumption of the gate circuit including the gate electrode 70 can be significantly reduced as compared with the SiC-GTO of the tenth embodiment.
As described above, the present embodiment has an effect that the on-resistance can be significantly reduced while maintaining a high breakdown voltage, so that the power consumption of the semiconductor device can be greatly reduced, and the power consumption of the gate driving circuit connected to the gate electrode 70 is also reduced. it can. The on-resistance can be reduced as the number of stacked layers of the n-
[0081]
more than, Third,
In each of the above-described embodiments, the case of an element using Si and SiC has been described. However, the present invention is also effective for an element using other semiconductor materials such as diamond, gallium nitride, aluminum nitride, and zinc sulfide. . The
In each of the above embodiments, the configuration of the present invention can be applied even when the n-type region is replaced with a p-type region and the p-type region is replaced with an n-type region.
[0082]
The breakdown voltage of the semiconductor device of the present invention is affected by the difference in thickness between the p-type drift region and the n-type drift region and the difference in impurity concentration. Therefore, in order to effectively achieve the object of the present invention, it is preferable that the difference in thickness between the p-type drift region and the n-type drift region is ± 20% or less and the difference in impurity concentration is ± 250% or less. It is.
[0083]
【The invention's effect】
As described in detail in each embodiment of the present invention, a semiconductor device is formed on an insulating wide gap semiconductor substrate, and is completely applied when a high voltage near the rated voltage is applied between the body region and the drain region. The thin p-type and n-type drifts that are depleted are stacked. Thereby, even if the impurity concentration is increased, the drift region can be completely depleted by the depletion layer extending from the junction constituted by both the p-type and n-type drift regions when a high voltage is applied. As a result, the drift region has an equipotential distribution, that is, a constant electric field, and a high breakdown voltage can be realized. Since the impurity concentration is increased, the on-resistance can be reduced at the same time, and the local concentration of the electric field when a high voltage is applied is small and the maximum electric field is low, so that the reliability is improved.
[0084]
In addition, when the high voltage near the rated voltage is applied between the body region and the buffer region, or between the n-type base region and the p-type base region, the p-type is thin so that the two are completely depleted. A drift region having both bipolar and n-type drift regions is provided. Thereby, even when the impurity concentration of both drift regions is high, both drift regions can be completely depleted by a depletion layer mainly extending from a junction constituted by both the p-type and n-type drift regions when a high voltage is applied. As a result, an equipotential distribution, that is, a constant electric field is formed between the two, and a high breakdown voltage can be realized. Since the impurity concentration is high, the on-resistance is also low. Further, when a high voltage is applied, the local concentration of the electric field is reduced and the maximum electric field is low, so that the reliability is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a first field effect transistor according to the present invention. Reference example Cross section showing
FIG. 2 shows the first of the present invention. Reference example Showing the relationship between the breakdown voltage of the field effect transistor and the impurity concentration in the drift region
FIG. 3 shows the first of the present invention. Reference example Showing the relationship between the breakdown voltage of the field effect transistor and the thickness of the drift region
FIG. 4 shows a second field effect transistor according to the present invention. Reference example Cross section showing
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the field effect transistor of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing another example of the third embodiment of the field effect transistor of the invention.
FIG. 7 shows a fourth field effect transistor of the present invention. Reference example Cross section showing
FIG. 8 shows a fifth example of the field effect transistor according to the invention. Reference example Cross section showing
FIG. 9 shows a sixth of the field effect transistor of the invention. Reference example Cross section showing
FIG. 10 shows the seventh of the present invention. Reference example Sectional view of SiC-IGBT
FIG. 11 is a sectional view of a SiC-IGBT according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a sectional view of a Si-IGBT according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view of a SiC-GTO according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a sectional view of a SiC-MOS thyristor according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a sectional view of a conventional trench type field effect semiconductor device.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a conventional high voltage semiconductor device
[Explanation of symbols]
1 Insulating substrate
2 n-type drift region
3 p-type drift region
4 p-type body region
5 Source area
6, 16 Drain region
6A trench
7 Source electrode
8 Drain electrode
9, 19 Oxide film
9A trench
10 Gate electrode
11 Surface protective film
12 p-type drift region
14 p-type contact
22, 22A, 22B, 22C, 22D n-type drift region
23, 23A, 23B, 22C p-type drift region
32A to 32E n-type drift region
33 p-type drift region
33A-33D p-type drift region
34 Body area
37 Source electrode
39 Collector electrode
40 Gate electrode
41 Si substrate
42A-42C n-type drift region
43A-43C p-type drift region
51 Insulating substrate
52A-52C n-type drift region
53A-53C p-type drift region
55 Emitter region
58 Cathode electrode
62A-62E n-type drift region
63A-63E p-type drift region
66 Buffer area
68 Gate electrode
69 Anode electrode
70 Gate electrode
77 Collector area
86 n-type base region
87 p-type emitter region
88 Emitter electrode
94 p-type base region
95 n-type emitter region
101 Drain region
102 Drift region
103 Body region
104 Source region
105 Gate insulation film
106 Gate electrode
107 Source electrode
108 Drain electrode
110 recess
Claims (8)
前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域の組を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の埋込領域、
前記埋込領域に形成した第1の電極、
前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域内に形成した第2の導電型のボディ領域、
前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、
前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、
前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び
前記第1の導電型の領域及びボディ領域に設けた第2の電極
を備え、
前記第1の電極、前記第2の電極および前記制御電極を含む縦断面において、
前記第2のトレンチの内壁面には、前記第1の導電型の領域、前記ボディ領域、および、上から2層目のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出する一方、
前記第1のトレンチの内壁面には、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出することを特徴とするワイドギャップ半導体装置。A plurality of sets of first drift regions of a first conductivity type and second drift regions of a second conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor;
A buried region of a first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that reaches the substrate through the plurality of sets of the first and second drift regions;
A first electrode formed in the buried region;
A body region of a second conductivity type formed in the uppermost drift region of the plurality of sets of first and second drift regions;
A first conductivity type region formed in a part of the body region;
A plurality of sets of first and second drift regions, body regions, and first conductivity type regions provided at a predetermined distance from the first trench and reaching the substrate; An insulating film formed on the inner wall surface of the trench 2;
A control electrode provided on the inner wall surface of the second trench through the insulating film, and a second electrode provided in the first conductivity type region and the body region ,
In a longitudinal section including the first electrode, the second electrode, and the control electrode,
The first conductivity type region, the body region, and all the drift regions from the second drift region to the lowest drift region from the top are exposed on the inner wall surface of the second trench. on the other hand,
The wide gap semiconductor device, wherein all drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed on the inner wall surface of the first trench .
前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域の組を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した第1の導電型の埋込領域、
前記埋込領域に形成した第1の電極、
前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域内に形成した第2の導電型のボディ領域、
前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、
前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、
前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び
前記第1の導電型の領域及びボディ領域に設けた第2の電極
を備え、
前記第1の電極、前記第2の電極および前記制御電極を含む縦断面において、
前記第2のトレンチの内壁面には、前記第1の導電型の領域、前記ボディ領域、および、上から2層目のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出する一方、
前記第1のトレンチの内壁面には、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出することを特徴とする半導体装置。Was formed on a base plate, a plurality of sets of first conductive type first drift region and a second conductivity type second set of the drift region of,
A buried region of a first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that reaches the substrate through the plurality of sets of the first and second drift regions;
A first electrode formed in the buried region;
A body region of a second conductivity type formed in the uppermost drift region of the plurality of sets of first and second drift regions;
A first conductivity type region formed in a part of the body region;
A plurality of sets of first and second drift regions, body regions, and first conductivity type regions provided at a predetermined distance from the first trench and reaching the substrate; An insulating film formed on the inner wall surface of the trench 2;
A control electrode provided on the inner wall surface of the second trench through the insulating film, and a second electrode provided in the first conductivity type region and the body region ,
In a longitudinal section including the first electrode, the second electrode, and the control electrode,
The first conductivity type region, the body region, and all the drift regions from the second drift region to the lowest drift region from the top are exposed on the inner wall surface of the second trench. on the other hand,
All the drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed on the inner wall surface of the first trench .
前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した少なくとも1つの第1の導電型の第1の埋込領域、
前記第1の埋込領域に接して形成した少なくとも1つの第2の導電型の第2の埋込領域、
前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、
前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域に接して形成した少なくとも1つの第2の導電型のボディ領域、
前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、
前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、
前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び
前記第1の導電型の領域及びボディ領域に設けた第2の電極
を備え、
前記第1の電極、前記第2の電極および前記制御電極を含む縦断面において、
前記第2のトレンチの内壁面には、前記第1の導電型の領域、前記ボディ領域、および、上から2層目のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出する一方、
前記第1のトレンチの内壁面には、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出することを特徴とする半導体装置。A plurality of sets of first drift regions of a first conductivity type and second drift regions of a second conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor;
A first embedded region of at least one first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that penetrates the first and second drift regions and reaches the substrate;
A second buried region of at least one second conductivity type formed in contact with the first buried region;
A first electrode formed in the second buried region;
At least one second conductivity type body region formed in contact with the uppermost drift region of the plurality of sets of first and second drift regions;
A first conductivity type region formed in a part of the body region;
A plurality of sets of first and second drift regions, body regions, and first conductivity type regions provided at a predetermined distance from the first trench and reaching the substrate; An insulating film formed on the inner wall surface of the trench 2;
A control electrode provided on the inner wall surface of the second trench through the insulating film, and a second electrode provided in the first conductivity type region and the body region ,
In a longitudinal section including the first electrode, the second electrode, and the control electrode,
The first conductivity type region, the body region, and all the drift regions from the second drift region to the lowest drift region from the top are exposed on the inner wall surface of the second trench. on the other hand,
All the drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed on the inner wall surface of the first trench .
前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記絶縁膜に達する第1のトレンチの内壁面に形成した少なくとも1つの第1の導電型の第1の埋込領域、
前記第1の埋込領域に接して形成した少なくとも1つの第2の導電型の第2の埋込領域、
前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、
前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域に接して形成した少なくとも1つの第2の導電型のボディ領域、
前記ボディ領域の一部に形成した第1の導電型の領域、
前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に設けた、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記ボディ領域及び第1の導電型の領域を貫通して前記絶縁膜に達する第2のトレンチの内壁面に形成した絶縁膜、
前記第2のトレンチの内壁面に前記絶縁膜を介して設けた制御電極、及び
前記第1の導電型の領域及びボディ領域に設けた第2の電極
を備え、
前記第1の電極、前記第2の電極および前記制御電極を含む縦断面において、
前記第2のトレンチの内壁面には、前記第1の導電型の領域、前記ボディ領域、および、上から2層目のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出する一方、
前記第1のトレンチの内壁面には、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出することを特徴とする半導体装置。A plurality of sets of a first conductivity type first drift region and a second conductivity type second drift region formed on the substrate via an insulating film;
A first buried region of at least one first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that penetrates the first and second drift regions and reaches the insulating film ;
A second buried region of at least one second conductivity type formed in contact with the first buried region;
A first electrode formed in the second buried region;
At least one second conductivity type body region formed in contact with the uppermost drift region of the plurality of sets of first and second drift regions;
A first conductivity type region formed in a part of the body region;
The plurality of sets of the first and second drift regions, the body region, and the first conductivity type region, which are provided at a position away from the first trench by a predetermined distance, reach the insulating film . An insulating film formed on the inner wall surface of the second trench;
A control electrode provided on the inner wall surface of the second trench through the insulating film, and a second electrode provided in the first conductivity type region and the body region ,
In a longitudinal section including the first electrode, the second electrode, and the control electrode,
The first conductivity type region, the body region, and all the drift regions from the second drift region to the lowest drift region from the top are exposed on the inner wall surface of the second trench. on the other hand,
All the drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed on the inner wall surface of the first trench .
前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した少なくとも1つの第1の導電型の第1の埋込領域、
前記第1の埋込領域に接して形成した少なくとも1つの第2の導電型の第2の埋込領域、
前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、
前記複数組の第1及び第2のドリフト領域の最上層のドリフト領域に形成した第2の導電型のコンタクト部、
前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に形成され、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域、前記コンタクト部を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した少なくとも1つの第2の導電型のベース領域、
前記ベース領域に設けた少なくとも1つの第1の導電型のエミッタ領域、
前記エミッタ領域に設けた第2の電極、及び
前記コンタクト部に設けた第3の電極
を備え、
前記第1の電極、前記第2の電極および前記第3の電極を含む縦断面において、
前記第2のトレンチの内壁面には、第2の導電型のコンタクト部、および、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出する一方、
前記第1のトレンチの内壁面には、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出することを特徴とする半導体装置。A plurality of sets of first drift regions of a first conductivity type and second drift regions of a second conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor;
A first embedded region of at least one first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that penetrates the first and second drift regions and reaches the substrate;
A second buried region of at least one second conductivity type formed in contact with the first buried region;
A first electrode formed in the second buried region;
A contact portion of a second conductivity type formed in the uppermost drift region of the plurality of sets of first and second drift regions;
Formed on the inner wall surface of the second trench that is formed at a predetermined distance from the first trench and penetrates the plurality of sets of the first and second drift regions and the contact portion to reach the substrate. At least one base region of the second conductivity type,
At least one emitter region of the first conductivity type provided in the base region;
A second electrode provided in the emitter region, and a third electrode provided in the contact portion ,
In a longitudinal section including the first electrode, the second electrode, and the third electrode,
On the inner wall surface of the second trench, the second conductivity type contact portion and all the drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed,
All the drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed on the inner wall surface of the first trench .
前記複数組の、前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第1のトレンチの内壁面に形成した少なくとも1つの第1の導電型の第1の埋込領域、
前記第1の埋込領域に接して形成した少なくとも1つの第2の導電型の第2の埋込領域、
前記第2の埋込領域に形成した第1の電極、
前記第1のトレンチから所定距離だけ離れた位置に形成され、前記複数組の前記第1及び第2のドリフト領域を貫通して前記基板に達する第2のトレンチの内壁面に形成した少なくとも1つの第2の導電型のベース領域、
前記ベース領域に設けた少なくとも1つの第1の導電型のエミッタ領域、
前記第2のトレンチ内の前記エミッタ領域に設けた第2の電極、及び
前記第1の埋込領域及び第2の埋込領域に絶縁膜を介して対向する第3の電極、
を備え、
前記第1の電極、前記第2の電極および前記第3の電極を含む縦断面において、
前記第2のトレンチの内壁面には、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出する一方、
前記第1のトレンチの内壁面には、最上層のドリフト領域から最下層のドリフト領域までの全てのドリフト領域が、露出することを特徴とする半導体装置。A plurality of sets of first drift regions of a first conductivity type and second drift regions of a second conductivity type formed on a substrate of a high resistance wide gap semiconductor;
A first embedded region of at least one first conductivity type formed on an inner wall surface of a first trench that penetrates the first and second drift regions and reaches the substrate;
A second buried region of at least one second conductivity type formed in contact with the first buried region;
A first electrode formed in the second buried region;
At least one formed on an inner wall surface of a second trench formed at a predetermined distance from the first trench and penetrating the plurality of sets of the first and second drift regions and reaching the substrate. A base region of a second conductivity type;
At least one emitter region of the first conductivity type provided in the base region;
A second electrode provided in the emitter region in the second trench, and a third electrode facing the first buried region and the second buried region via an insulating film,
With
In a longitudinal section including the first electrode, the second electrode, and the third electrode,
On the inner wall surface of the second trench, all the drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed,
All the drift regions from the uppermost drift region to the lowermost drift region are exposed on the inner wall surface of the first trench.
前記複数組の、第1の導電型の第1のドリフト領域と第2の導電型の第2のドリフト領域との組において、各組の第1のドリフト領域および第2のドリフト領域の厚さを、前記基板に近いほど順次厚くなるようにしたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
The thicknesses of the first drift region and the second drift region in each set of the plurality of sets of the first drift region of the first conductivity type and the second drift region of the second conductivity type. The semiconductor device is characterized in that the thickness gradually increases toward the substrate .
前記複数組の、第1の導電型としてのn型の第1のドリフト領域と第2の導電型としてのp型の第2のドリフト領域との組において、各組の第2のドリフト領域の厚さを一定にすると共に、各組の第1のドリフト領域の厚さが、前記基板に近いほど順次厚くなるようにしたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
In the plurality of sets of the n-type first drift region as the first conductivity type and the p-type second drift region as the second conductivity type, the second drift region of each set A semiconductor device characterized in that the thickness is made constant, and the thickness of the first drift region of each set is gradually increased toward the substrate .
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