JP5374886B2 - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP5374886B2 JP5374886B2 JP2008040611A JP2008040611A JP5374886B2 JP 5374886 B2 JP5374886 B2 JP 5374886B2 JP 2008040611 A JP2008040611 A JP 2008040611A JP 2008040611 A JP2008040611 A JP 2008040611A JP 5374886 B2 JP5374886 B2 JP 5374886B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- semiconductor device
- type
- semiconductor
- conductivity type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 241
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 63
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 40
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 22
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 20
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 8
- 238000005192 partition Methods 0.000 abstract description 106
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 27
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 27
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 27
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 3
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005380 borophosphosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
Description
この発明は、大電力用の縦型半導体装置に関するものであり、特に、半導体基板の一部に超接合層を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a vertical semiconductor device for high power, and more particularly to a semiconductor device having a superjunction layer on a part of a semiconductor substrate.
従来、パワーエレクトロニクス分野における電源機器の小型化や高性能化のため、電力用半導体装置では、高耐圧化や大電流化とともに、低損失化、高破壊耐量化、高速化が求められている。このために、半導体装置の基板構造としては、超接合型基板が提案されており、表面構造としては、縦型MOSパワーデバイス構造が提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in order to reduce the size and performance of power supply equipment in the power electronics field, power semiconductor devices are required to have higher breakdown voltage and higher current, as well as lower loss, higher breakdown resistance, and higher speed. For this reason, a superjunction substrate has been proposed as the substrate structure of the semiconductor device, and a vertical MOS power device structure has been proposed as the surface structure.
半導体装置の基板構造としては、単一の導電型を有する半導体基板と、超接合型基板と、が広く知られている。超接合型基板は、第1導電型の半導体基板と、第2導電型の半導体層と、の間に、半導体基板と垂直な方向に第1導電型と第2導電型の半導体領域が交互に形成された超接合層を有している(例えば、下記特許文献1、下記特許文献2、下記特許文献3参照。)。この超接合型基板は、第1導電型と第2導電型の半導体領域の濃度がそれぞれ高い場合でも、オフ時に超接合層全体に空間電荷領域を広げることができる。したがって、特に高耐圧の半導体装置においてオン抵抗を小さくすることができる。
As a substrate structure of a semiconductor device, a semiconductor substrate having a single conductivity type and a super junction type substrate are widely known. In the super junction type substrate, the first conductivity type and the second conductivity type semiconductor regions are alternately arranged in a direction perpendicular to the semiconductor substrate between the first conductivity type semiconductor substrate and the second conductivity type semiconductor layer. It has a formed super junction layer (see, for example,
なお、本明細書において、nまたはpを冠した半導体は、それぞれ電子、正孔が多数キャリアであることを意味する。また、n+やn-などのように、nやpに付す「+」または「-」は、それぞれそれらが付されていない半導体の不純物濃度よりも比較的高濃度または比較的低濃度であることを表す。 Note that in this specification, a semiconductor having n or p means that electrons and holes are majority carriers, respectively. Further, “ + ” or “ − ” attached to n or p, such as n + or n −, is relatively higher or lower than the impurity concentration of the semiconductor to which they are not attached. Represents that.
このような縦型MOSデバイスの一例について説明する。図32は、第1従来例の縦型MOSデバイスの構成について示す平面図である。また、図33は、図32の切断線AA−AA'における断面構造について示す断面図である。図33に示すように、n+ドレイン領域である抵抗率の低いn+基板41の第1主面側の表面に、n型ドリフト領域(第1導電型半導体領域)42およびp型仕切領域(第2導電型半導体領域)43からなる並列pn層(超接合層)が設けられている。並列pn層は、オン状態ではn型ドリフト領域42に電流を流すとともに、オフ状態ではn型ドリフト領域42およびp型仕切領域43を空乏化する。このように、n型ドリフト領域42と、p型仕切領域43とが交互に配置された並列pn層と、n+基板41と、からなる並列pn構造の半導体基板(超接合型基板)が形成されている。
An example of such a vertical MOS device will be described. FIG. 32 is a plan view showing the configuration of the vertical MOS device of the first conventional example. FIG. 33 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along section line AA-AA ′ of FIG. As shown in FIG. 33, an n-type drift region (first conductivity type semiconductor region) 42 and a p-type partition region (on the first main surface side surface of an n + substrate 41 having a low resistivity which is an n + drain region) A parallel pn layer (superjunction layer) composed of the second conductivity type semiconductor region) 43 is provided. The parallel pn layer allows a current to flow through the n-
並列pn構造の半導体基板の第1主面側には、プレーナ型のMOS構造が形成されている。p型仕切領域43の上部には、pベース領域48が設けられている。pベース領域48には、2つのn+ソース領域49が互いに離れて設けられている。n+ソース領域49は、図示してないが、そのストライプの端部において互いが連結された環状である場合が多い。また、pベース領域48には、それぞれのn+ソース領域49と接するように、p+ピックアップ領域50が設けられている。p+ピックアップ領域50は、それぞれのn+ソース領域49の下側の一部を占めている。
A planar type MOS structure is formed on the first main surface side of the parallel pn structure semiconductor substrate. A
また、n型ドリフト領域42と、pベース領域48の、n型ドリフト領域42とn+ソース領域49とに挟まれた領域上に、ゲート酸化膜46を介してゲート電極47が設けられている。ソース電極51は、p+ピックアップ領域50と、n+ソース領域49とに接している。したがって、ソース電極51は、p型仕切領域43と電気的に接続されている。ドレイン電極52は、並列pn構造の半導体基板の第2の主面側、すなわちn+基板41の第2主面側の表面に接している。
A
pベース領域48は、ゲート酸化膜46との界面の近傍でn型ドリフト領域42に張り出す。ここで、n型ドリフト領域42の表面の、pベース領域48以外の部分(n型半導体の残し(ネック)部分)の幅(ネック長)をLn3とする。
The
また、図32に示すように、平面構造において、n型ドリフト領域42とp型仕切領域43とはストライプ状に設けられている。そして、並列pn構造の半導体基板の表面で、ゲート電極47はストライプ状に設けられ、図示しない端部において隣接するゲート電極と繋がっている。ソース電極51は図示してないBPSG等の層間絶縁膜を介してゲート電極47上をシート状に覆っている。また、ゲート電極47の下の領域で、n型ドリフト領域42のネック部分が、ゲート電極47の長手方向と平行な方向に、ストライプ状になっている。
As shown in FIG. 32, in the planar structure, the n-
並列pn層を有する縦型MOSデバイスは、n型ドリフト領域42の濃度N0と、p型仕切領域43の濃度P0と、のチャージバランスによって耐圧が決まり、n型ドリフト領域42の濃度N0によってオン抵抗が決まる。したがって、従来の単一の導電型を有する半導体基板を用いた縦型MOSデバイスに比べると、オン抵抗−耐圧のトレードオフ関係が改善する。特に、図32に示すように、ゲート電極47の長手方向をn型ドリフト領域42とp型仕切領域43との界面に平行な方向(奥行き方向)と平行にすることで、電流の無駄な回り込みが抑制されて、オン抵抗が大幅に低くなる。
Vertical MOS device having a parallel pn layer, the concentration N 0 of the n-
ここで、図32または図33に示す半導体装置において、デバイスの微細化を行うためには、並列pn構造の半導体基板の第1主面側に形成する表面構造を微細化する必要がある。したがって、ゲート電極47の幅を狭くしなければならない。一方、pベース領域48は、ゲート電極47をマスクとして、例えばホウ素などのp型不純物をイオン注入し、熱拡散を行うことで形成される。このとき、注入された不純物が横方向にも拡散してpベース領域48がn型ドリフト領域42に張り出すため、n型ドリフト領域42の幅Wnが狭まると、n型ドリフト領域42のネック長Ln3も狭まり、オン抵抗が上昇する。さらに、ネック長Ln3がゼロになる可能性もあり、この場合、トランジスタがオンしなくなってしまう。
Here, in the semiconductor device shown in FIG. 32 or 33, in order to miniaturize the device, it is necessary to miniaturize the surface structure formed on the first main surface side of the semiconductor substrate having the parallel pn structure. Therefore, the width of the
また、並列pn構造の半導体基板の微細化によってネック長Ln3が狭くなると、ゲート−ドレイン間容量Cgdが減少して、ターンオフ時のドレイン−ソース間電圧(以下、dVds/dtとする)が上昇する。したがって、ターンオフ損失Eoffと、dVds/dtとのトレードオフ関係が悪化するという問題がある。さらに、n型ドリフト領域42の濃度N0と、p型仕切領域43の濃度P0と、のチャージバランスによって耐圧が決まるため、アバランシェ耐量が低下するという問題がある。
Further, when the neck length Ln3 becomes narrow due to the miniaturization of a semiconductor substrate having a parallel pn structure, the gate-drain capacitance Cgd decreases and the drain-source voltage (hereinafter referred to as dV ds / dt) at turn-off increases. To do. Therefore, there is a problem that the trade-off relationship between the turn-off loss Eoff and dV ds / dt deteriorates. Furthermore, since the breakdown voltage is determined by the charge balance between the concentration N 0 of the n-
このような問題を解決するために、並列pn構造の半導体基板の第1主面側に形成されるMOS構造の幅を広くする方法が提案されている(例えば、下記特許文献4、下記特許文献5参照。)。図34は、第2従来例の縦型MOSデバイスの構造について示す平面図である。また、図35は、図34の切断線AB−AB'の断面構造について示す断面図である。図34においては、並列pn構造の半導体基板において、p型仕切領域のうちの、pベース領域48とn+ソース領域49が形成され、ソース電極51と電気的に接続されているものを第1p型仕切領域(第1の第2導電型半導体領域)43aとし、pベース領域48とn+ソース領域49が形成されておらず、ソース電極51と電気的に接続されていないものを第2p型仕切領域(第2の第2導電型半導体領域)43bとする。第2従来例においては、図35に示すように、p型仕切領域の繰り返しにおいて、第1p型仕切領域43aの間に、1つの第2p型仕切領域43bが設けられている。
In order to solve such a problem, methods have been proposed in which the width of the MOS structure formed on the first main surface side of the semiconductor substrate having the parallel pn structure is widened (for example, Patent Document 4 and Patent Document below). 5). FIG. 34 is a plan view showing the structure of the vertical MOS device of the second conventional example. FIG. 35 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along section line AB-AB ′ in FIG. 34, in a parallel pn structure semiconductor substrate, a p-type partition region in which
また、n型ドリフト領域42および第2p型仕切領域43bの表面には、n型表面バッファ領域45が形成されている。すなわち、第2p型仕切領域43bに隣接するn型ドリフト領域42は、ともにn型表面バッファ領域45に接している。ゲート電極47は、pベース領域48の、n型表面バッファ領域45とn+ソース領域49とに挟まれた領域と、n型表面バッファ領域45と、の上に、ゲート酸化膜46を介して設けられている。すなわち、ゲート電極47が、n型表面バッファ領域45の表面全体を覆っている。したがって、第1従来例と比べると、ゲート電極47の幅が広くなる。
An n-type
図34および図35においては、第1p型仕切領域43aの幅をWp1とする。また、第2p型仕切領域43bの幅をWp2とする。ソース電極51の一方の端の間の幅(セルピッチ)をSc4とする。また、第2従来例におけるネック長は、n型表面バッファ領域45の表面の、pベース領域48、n+ソース領域49およびp+ピックアップ領域50以外の部分(n型表面バッファ領域45の残し(ネック)部分)の幅Ln4とする。
34 and 35, the width of the first p-
ここで、例えば、第1p型仕切領域43aの幅と、第2p型仕切領域43bの幅とが同一の場合、すなわちWp1=Wp2=Wpの場合、ネック長Ln4は、第1従来例のネック長Ln3より並列pn層の単位カラム分(Wn+Wp)増える。並列pn層の単位カラムとは、n型ドリフト領域42とp型仕切領域43をそれぞれ1つずつ並べた場合の幅である。したがって、並列pn構造の半導体基板を微細化しても、第1従来例よりもネック長が長くなるので、オン抵抗の上昇を抑制することができる。
Here, for example, when the width of the first p-
なお、第2従来例においては、p型仕切領域の繰り返しにおいて、第1p型仕切領域43aの間に、1つの第2p型仕切領域43bが設けられている場合(Sc4=2・(Wn+Wp))について示したが、さらに微細化を行う場合、第1p型仕切領域43aの間に、2つの第2p型仕切領域43bが設けられている場合(Sc4=3・(Wn+Wp))、3つの第2p型仕切領域43bが設けられている場合(Sc4=4・(Wn+Wp))、またはそれ以上の第2p型仕切領域43bが設けられている場合にも適用可能である。このため、ネック長Ln4をさらに大きくすることができるため、微細化してもオン抵抗の上昇を抑制することができる。
In the second conventional example, in the repetition of the p-type partition region, one second p-
また、ネック長を確保することで、単位面積あたりのゲート−ドレイン間容量Cgdが増加し、第1従来例よりもdVds/dtを下げることができる。このため、ターンオフ損失とdVds/dtとのトレードオフ関係を改善することができる。 Further, by securing the neck length, the gate-drain capacitance Cgd per unit area increases, and dV ds / dt can be lowered as compared with the first conventional example. For this reason, the trade-off relationship between the turn-off loss and dV ds / dt can be improved.
しかしながら、上述した特許文献4または特許文献5の技術では、ゲート電極とn型表面バッファ領域との間に、通常の縦型MOSデバイスにおいて形成される薄いゲート酸化膜を介しているのみである。したがって、n型表面バッファ領域の表面に電界が集中して、耐圧が低下する。このため、オン抵抗は抑制できるが、耐圧が下がるため、オン抵抗−耐圧のトレードオフ関係が悪化するという問題がある。
However, in the technique of Patent Document 4 or
また、第1p型仕切領域の間の幅を広げると、単位面積あたりのチャネル幅が減少し、単位面積あたりのオン抵抗が上昇するため、オン抵抗−耐圧のトレードオフ関係が悪化するという問題がある。 In addition, when the width between the first p-type partition regions is increased, the channel width per unit area is reduced and the on-resistance per unit area is increased, which deteriorates the trade-off relationship between on-resistance and withstand voltage. is there.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ターンオフ損失−dVds/dtとのトレードオフ関係が良好な、並列pn構造の半導体基板を用いた半導体装置において、オン抵抗−耐圧とのトレードオフ関係を改善することを目的とする。 In order to solve the above-described problems caused by the prior art, the present invention provides a semiconductor device using a semiconductor substrate having a parallel pn structure and having a good trade-off relationship with the turn-off loss -dV ds / dt. The purpose is to improve the trade-off relationship.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、高不純物濃度の半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられた、第1導電型半導体領域と第2導電型半導体領域とを交互に配置した並列pn層と、前記第2導電型半導体領域の表面層に設けられた第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面層に設けられた第1導電型のソース領域と、前記並列pn層の表面にゲート酸化膜を介して設けられたゲート電極と、前記ソース領域および前記ベース領域に電気的に接続し、かつ、前記ゲート電極と離れて設けられたソース電極と、を備えた半導体装置において、前記並列pn層の表面と、前記ゲート電極との間に選択的に設けられた、前記ゲート酸化膜よりも厚い絶縁膜を備え、前記ゲート電極が前記並列pn層の表面の、前記ベース領域および前記ソース領域以外のネック部分を覆う第1面積と、前記第1面積のうちの、前記ゲート電極が前記絶縁膜を覆う第2面積と、が、0.1≦第2面積/第1面積≦0.4を満たし、前記第1導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域との界面と直交する方向において、隣り合う前記第1導電型半導体領域の間の前記ネック部分の表面に前記絶縁膜の島が複数個設けられており、隣り合う前記第1導電型半導体領域の間に生じた複数の電界集中領域を覆うようにそれぞれ異なる前記絶縁膜が設けられていることを特徴とする。
To solve the above problems and achieve an object, a semiconductor device according to this invention includes a semiconductor substrate of high impurity concentration, said provided in the semiconductor substrate surface, a first conductivity type semiconductor region and the second conductive Parallel pn layers in which type semiconductor regions are alternately arranged, a second conductivity type base region provided in a surface layer of the second conductivity type semiconductor region, and a first conductivity provided in a surface layer of the base region A source electrode of a type, a gate electrode provided on the surface of the parallel pn layer via a gate oxide film, electrically connected to the source region and the base region, and provided apart from the gate electrode A source electrode, and an insulating film that is selectively provided between a surface of the parallel pn layer and the gate electrode, and is thicker than the gate oxide film. the parallel The first area of the surface of the n layer that covers the neck portion other than the base region and the source region, and the second area of the first area in which the gate electrode covers the insulating film are 0.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ゲート電極の長手方向と、前記絶縁膜の長手方向とが平行な方向であることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, wherein the the longitudinal direction of the gate electrode, a longitudinal and the direction parallel to the insulating film.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域との界面と直交する方向において、前記ネック部分の表面に前記絶縁膜の島が複数個設けられていることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to this invention, in the invention described above, the first conductivity type semiconductor region, in the direction orthogonal to the interface between the second conductivity type semiconductor region, the insulating film on a surface of the neck portion A plurality of islands are provided.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記ゲート電極と、前記絶縁膜とが、前記第1導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域との界面と平行な方向において、ストライプ状になるように形成されていることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, as the gate electrode, the insulating film, a first conductive type semiconductor region, a surface parallel to a direction of the second conductive type semiconductor region In the present invention, it is formed so as to have a stripe shape.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記並列pn層において、前記第2導電型半導体領域は、前記ベース領域が形成された第1の第2導電型半導体領域と、前記ベース領域が形成されていない第2の第2導電型半導体領域と、が交互に形成されていることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to this invention, in the invention described above, in the parallel pn layer, the second conductive type semiconductor region, a first second conductivity type semiconductor region in which the base region is formed, the The second and second conductivity type semiconductor regions in which the base region is not formed are alternately formed.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1の第2導電型半導体領域間は等間隔に形成されており、前記第1の第2導電型半導体領域の間に、前記第2の第2導電型半導体領域が複数個形成されていることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, during the pre SL between the first second conductive type semiconductor regions are formed at regular intervals, before Symbol first second-conductivity type semiconductor region In addition, a plurality of the second second conductivity type semiconductor regions are formed.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体基板と、前記並列pn層との間に、第1導電型の裏面バッファ領域が設けられていることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, with the semiconductor substrate, between the parallel pn layer, characterized in that the back surface buffer region of the first conductivity type is provided.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体基板と、前記第2の第2導電型半導体領域との間に、第1導電型の裏面バッファ領域が設けられていることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, with the semiconductor substrate, between the second second-conductivity type semiconductor region, the back surface buffer region of the first conductivity type is provided It is characterized by.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1導電型半導体領域の幅、厚さおよび濃度が、Wn、t2およびN0であり、前記第1の第2導電型半導体領域の幅、厚さおよび濃度が、Wp1、t3aおよびP1であり、前記第2の第2導電型半導体領域の幅、厚さおよび濃度が、Wp2、t3bおよびP2であり、前記ネック部分の表面層に形成された第1導電型の表面バッファ領域の厚さおよび濃度が、t5およびN1である場合、0.85<(Wp1・t3a・P1+Wp2・t3b・P2)/[2・Wn・t2・N0+{Ln1+(Sc1−Ln1)・Ln2/Sc2}・t5・N1]<1.15を満たすことを特徴とする。
In the semiconductor device according to the present invention, the width, thickness and concentration of the first conductive semiconductor region are Wn, t 2 and N 0 in the above-described invention, and the first second conductive semiconductor The width, thickness and concentration of the region are Wp 1 , t 3a and P 1 , and the width, thickness and concentration of the second second conductivity type semiconductor region are Wp 2 , t 3b and P 2 When the thickness and concentration of the surface buffer region of the first conductivity type formed in the surface layer of the neck portion are t 5 and N 1 , 0.85 <(Wp 1 · t 3a · P 1 + Wp 2 · t 3b · P 2) / [2 · Wn ·
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記表面バッファ領域の厚さt5が、t5<5・t2(N1/N0)またはN1>0.2・(t5/t2)・N 0 を満たすことを特徴とする。
The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the thickness t 5 of the previous SL surface buffer region, t 5 <5 · t 2 (
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記半導体基板は、第1導電型または第2導電型の一方の導電型であることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the semiconductor substrate is characterized by a one conductivity type of the first conductivity type or the second conductivity type.
上述した発明によれば、並列pn層の第1主面側に電界が集中するのを抑えることができるため、耐圧を上げることができる。また、オン抵抗の上昇率を、並列pn層の表面の、ゲート酸化膜より厚い絶縁膜がない場合に比べて、5%以下に抑制することができる。 According to the invention described above, it is possible to suppress the electric field to the first main surface side of the parallel pn layer is concentrated, it is possible to increase the breakdown voltage. Further, the increase rate of the on-resistance can be suppressed to 5% or less as compared with the case where there is no insulating film thicker than the gate oxide film on the surface of the parallel pn layer.
また、上述した発明によれば、単位面積あたりのチャネル幅が増えるため、オン抵抗を下げることができる。 Further, according to the above-described invention, the channel width per unit area is increased, so that the on-resistance can be lowered.
本発明にかかる半導体装置、半導体方法によれば、ターンオフ損失−dVds/dtとのトレードオフ関係が良好な、並列pn構造の半導体基板を用いた半導体装置において、オン抵抗−耐圧とのトレードオフ関係を改善することができるという効果を奏する。 According to the semiconductor device and the semiconductor method of the present invention, in a semiconductor device using a semiconductor substrate having a parallel pn structure and having a good trade-off relationship with the turn-off loss -dV ds / dt, a trade-off between on-resistance and breakdown voltage. There is an effect that the relationship can be improved.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the following description of the embodiments and all the attached drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の平面構造について示す平面図である。また、図2は、図1の切断線A−A'における断面構造について示す断面図である。なお、以下の半導体装置の平面構造の説明においては、半導体装置の構造を明確にするため、ゲート酸化膜を省略している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view showing a planar structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along a cutting line AA ′ in FIG. In the following description of the planar structure of the semiconductor device, the gate oxide film is omitted in order to clarify the structure of the semiconductor device.
図2に示すように、実施の形態1にかかる半導体装置は、並列pn構造の半導体基板を用いて作製されている。並列pn構造の半導体基板は、n+ドレイン領域である抵抗率の低いn+基板1の第1主面側の表面に、n型ドリフト領域(第1導電型半導体領域)2およびp型仕切領域(第2導電型半導体領域)3からなる並列pn層が設けられている。 As shown in FIG. 2, the semiconductor device according to the first embodiment is manufactured using a semiconductor substrate having a parallel pn structure. A semiconductor substrate having a parallel pn structure includes an n-type drift region (first conductivity type semiconductor region) 2 and a p-type partition region on the surface of the n + substrate 1 having a low resistivity, which is an n + drain region, on the first main surface side. A parallel pn layer made of (second conductivity type semiconductor region) 3 is provided.
p型仕切領域3の上部には、pベース領域8が設けられている。pベース領域8の表面には、n+ソース領域9が互いに離れて2箇所に設けられている。さらに、それぞれのn+ソース領域9の間に、p+ピックアップ領域10が設けられている。この、pベース領域8とn+ソース領域9が形成されたp型仕切領域3を、第1p型仕切領域(第1の第2導電型半導体領域)3aとする。また、pベース領域8とn+ソース領域9が形成されていないp型仕切領域3を、第2p型仕切領域(第2の第2導電型半導体領域)3bとする。図1および図2においては、p型仕切領域3の繰り返しにおいて、第1p型仕切領域3aの間に、1つの第2p型仕切領域3bが設けられている。すなわち、n型ドリフト領域2を挟んで、第1p型仕切領域3aと、第2p型仕切領域3bと、が交互に、ストライプ状に形成されている。
A
n型ドリフト領域2および第2p型仕切領域3bの表面には、n型表面バッファ領域5が設けられている。上述したn+基板1からn型表面バッファ領域5、pベース領域8、n+ソース領域9およびp+ピックアップ領域10までが並列pn構造の半導体基板である。
An n-type
n型表面バッファ領域5の表面上には、ゲート酸化膜6よりも厚い絶縁膜16が選択的に設けられている。実施の形態1においては、隣り合うn型ドリフト領域2の間の、n型表面バッファ領域5の表面上の、1箇所に絶縁膜16の島が設けられている。ここで、並列pn構造の半導体基板の表面には、電界が集中する領域(電界集中領域)が生じる。このため、絶縁膜16の端部が電界集中領域(例えば図2の破線で囲んだ領域B、B')と一致するか、絶縁膜16が電界集中領域を全て覆うようにする。また、ゲート電極7は、pベース領域8の、n型表面バッファ領域5とn+ソース領域9とに挟まれた領域と、n型表面バッファ領域5と、の上に、ゲート酸化膜6と絶縁膜16を介して設けられている。
An insulating
ソース電極11は、n+ソース領域9とp+ピックアップ領域10とに接するように設けられている。したがって、ソース電極11は、第1p型仕切領域3aと電気的に接続されている。また、ドレイン電極12は、n+基板1の第2主面側に接するように設けられている。ここで、図1に示すように、それぞれのゲート電極7の下の領域に、1つの厚い絶縁膜16が形成されており、ゲート電極7の長手方向と、絶縁膜16の長手方向と、が平行である。また、ゲート電極7および絶縁膜16が、n型ドリフト領域2とp型仕切領域3との界面と平行な方向(以下、奥行き方向とする)で、ストライプ状となっている。
ここで、活性領域を覆っているゲート電極の面積を面積1(第1面積)とし、面積1のうちの、厚い絶縁膜を覆っている領域の面積を面積2(第2面積)とする。実施の形態1において、オン抵抗の上昇を5%程度に抑えるために、面積1に対する面積2の割合(面積2/面積1)を、次の(1)式を満たす値にする必要がある。その理由については、後述する。
Here, the area of the gate electrode covering the active region is defined as area 1 (first area), and of the
0.1≦(面積2/面積1)≦0.4 ・・・(1)
0.1 ≦ (
つぎに、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態1にかかる半導体装置は、まず、n+基板1の第1主面側に、n型ドリフト領域2とp型仕切領域3とが交互に形成された並列pn層を形成する。並列pn層は、n型ドリフト領域2を形成するためのn型半導体層のエピタキシャル成長と、p型仕切領域3を形成するためのp型不純物の選択イオン注入と、を繰り返しおこなう方法(多段エピタキシャル方式)により形成される。また、並列pn層は、あらかじめn型ドリフト領域2となるn型半導体を全面にエピタキシャル成長させた後に、n+基板1に達するトレンチを設け、このトレンチにp型半導体を埋め込む方法(トレンチ埋め込み方式)により形成されてもよい。なお、多段エピタキシャル方式より、トレンチ埋め込み方式の方が、製造コストが低いため好ましい。さらに、研磨などによって、並列pn層の表面を露出させることで、n+基板1と、並列pn層とからなる並列pn構造の半導体基板が作成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. In the semiconductor device according to the first embodiment, first, a parallel pn layer in which n-
ついで、並列pn構造の半導体基板の第1主面側の表面層に、n型表面バッファ領域5を形成する。n型表面バッファ領域5は、エピタキシャル成長によって形成されてもよいし、イオン注入と熱拡散によって形成されてもよい。ついで、n型表面バッファ領域5の表面に、選択的に絶縁膜16の島を形成し、さらにゲート酸化膜6を形成する。ついで、絶縁膜16およびゲート酸化膜6の上にゲート電極7となるポリシリコンを堆積する。ついで、ポリシリコンをパターニングして、第1p型仕切領域3aの上のポリシリコンを除去して、ゲート電極7の島を形成する。このとき、ゲート電極7のそれぞれの島と絶縁膜16が、ストライプ状になるようにする。また、面積1に対する面積2の割合を0.1以上0.4以下にする。
Next, the n-type
ついで、ゲート電極7をマスクとして、チャネルとなるpベース領域8を形成し、それぞれマスクを用いて、n+ソース領域9とp+ピックアップ領域10とを形成する。ついで、図示はしないが、並列pn構造の半導体基板とゲート電極7の表面に層間絶縁膜を形成する。さらに、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、ソース電極11を形成し、パッシベーションを施すことにより、実施の形態1にかかる半導体装置が完成する。
Next,
つぎに、実施の形態1にかかる半導体装置の耐圧について説明する。実施の形態1にかかる半導体装置においては、図1または図2に示すように、絶縁膜16が設けられているため、n型表面バッファ領域5の表面の電界の集中を抑制し、耐圧が低下しない。例えば、ゲート酸化膜6の厚さが1000Åで、絶縁膜16の厚さが4000Åの場合に、オン抵抗を同様にして、第2従来例と耐圧を比較する。オン抵抗が、例えば18mΩcm2の場合、第2従来例の耐圧が100V程度であるのに対して、実施の形態1にかかる半導体装置の耐圧が700V程度以上となる。このように、実施の形態1にかかる半導体装置においては、従来より耐圧が増加する。
Next, the breakdown voltage of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. In the semiconductor device according to the first embodiment, as shown in FIG. 1 or FIG. 2, since the insulating
図3は、実施の形態1にかかる半導体装置における、規格化したオン抵抗、dVds/dtまたは耐圧と、面積1に対する面積2の割合(面積2/面積1)と、の関係について示す特性図である。図3においては、n型ドリフト領域の幅Wnおよびp型仕切領域の幅Wpが、ともに4μm程度以下の場合について説明する。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the normalized on-resistance, dV ds / dt or breakdown voltage and the ratio of
図3に示すように、面積1に対する面積2の割合を上述の(1)式を満たす値にする理由は、面積1に対する面積2の割合が、0.1より小さくなると、n型表面バッファ領域の表面に電界が集中し、耐圧が低下するからである。また、面積1に対する面積2の割合が、0.4より大きくなると、オン抵抗およびdVds/dtが急激に上昇するからである。このため、ターンオフ損失−dVds/dtのトレードオフ関係が悪化する。
As shown in FIG. 3, the reason why the ratio of
ここで、上述の(1)式を満たすためには、n型ドリフト領域の幅Wnおよびp型仕切領域の幅Wpが、4μm程度以下であるのが好ましい。その理由は、実施の形態1にかかる半導体装置においては、それぞれのゲート電極7の島の下に、絶縁膜16の島が1つのみ形成されているためである。このため、絶縁膜16が電界集中領域を覆い、かつ前述の(1)式を満たすためには、n型表面バッファ領域5における電界集中領域間の幅(図2に示すBからB'までの幅)を狭めなければならない。したがって、微細化を行い、n型ドリフト領域2の幅Wnおよびp型仕切領域の幅Wpを、4μm程度以下にすることで、電界集中領域の幅を十分に狭くすることができるからである。
Here, in order to satisfy the above-described expression (1), it is preferable that the width Wn of the n-type drift region and the width Wp of the p-type partition region are about 4 μm or less. The reason is that in the semiconductor device according to the first embodiment, only one island of the insulating
つぎに、実施の形態1にかかる半導体装置の変形例について説明する。図4は、実施の形態1にかかる半導体装置の第1変形例の平面構造について示す平面図である。また、図5は、図4の切断線C−C'の断面構造について示す断面図である。図4または図5に示すように、第1変形例においては、n型ドリフト領域2および第2p型仕切領域3bの表面に、n型表面バッファ領域が形成されていない。第1変形例においては、pベース領域8の不純物濃度を少なくして、熱拡散処理を行う時間を短縮し、オン抵抗を下げることで、n型表面バッファ領域が形成されていないことによるオン抵抗の上昇を相殺することができる。その他の構成は、図1または図2と同様のため、説明を省略する。
Next, a modification of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 4 is a plan view showing a planar structure of a first modification of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the section line CC ′ of FIG. As shown in FIG. 4 or FIG. 5, in the first modification, the n-type surface buffer region is not formed on the surfaces of the n-
第1変形例によれば、n型表面バッファ領域がないため、並列pn構造の半導体基板の表面における電界の集中を緩和することができる。 According to the first modification, since there is no n-type surface buffer region, electric field concentration on the surface of a semiconductor substrate having a parallel pn structure can be reduced.
図6は、実施の形態1にかかる半導体装置の第2変形例の構造について示す断面図である。また、図7は、第1変形例に第2変形例を適用した半導体装置の構造について示す断面図である。なお、平面構造は図1または図4と同様であるため説明を省略する。図6または図7に示すように、第2変形例においては、並列pn層とn+基板1との間に、n型ドリフト領域2とは不純物濃度が異なるn型裏面バッファ領域15が設けられている。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a second modification of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device in which the second modification is applied to the first modification. The planar structure is the same as in FIG. 1 or FIG. As shown in FIG. 6 or 7, in the second modification, an n-type back
また、図8は、実施の形態1にかかる半導体装置の第3変形例の構造について示す断面図である。また、図9は、第1変形例に第3変形例を適用した半導体装置の構造について示す断面図である。なお、平面構造は図1または図4と同様であるため説明を省略する。図8または図9に示すように、第3変形例においては、p型仕切領域3(第1p型仕切領域3aおよび第2p型仕切領域3b)とn+基板1との間にのみ、n型裏面バッファ領域15が設けられている。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a structure of a third modification of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device in which the third modification is applied to the first modification. The planar structure is the same as in FIG. 1 or FIG. As shown in FIG. 8 or FIG. 9, in the third modified example, the n-type is provided only between the p-type partition region 3 (the first p-
第2変形例および第3変形例によれば、p型仕切領域3とn型裏面バッファ領域15との界面から、n型裏面バッファ領域15とn+基板1との界面までのチャージバランスが、p型仕切領域3とn型裏面バッファ領域15との界面より第1主面側の領域とは異なるチャージバランスになる。したがって、実施の形態1および第1変形例よりもアバランシェ耐量を向上させることができる。
According to the second modification and the third modification, the charge balance from the interface between the p-
また、第2変形例および第3変形例によれば、n+基板の第1主面側の表面から、並列pn構造の半導体基板の第1主面側までの厚さttotalを同一にした場合、n型裏面バッファ領域の不純物濃度を、n型ドリフト領域の不純物濃度よりも高くすることで、実施の形態1および第1変形例よりもオン抵抗を低くすることができる。 Further, according to the second modification and the third modification, the thickness t total from the surface on the first main surface side of the n + substrate to the first main surface side of the semiconductor substrate having the parallel pn structure is made the same. In this case, by making the impurity concentration of the n-type back buffer region higher than the impurity concentration of the n-type drift region, the on-resistance can be made lower than in the first embodiment and the first modification.
実施の形態1によれば、並列pn構造の半導体基板を用いて作製された、基板表面のMOS構造の幅が広く、ターンオフ損失−dVds/dtのトレードオフ関係が良好な半導体装置において、基板表面とゲート電極の間にゲート絶縁膜より厚い絶縁膜を形成し、かつゲート電極が活性領域を覆っているゲート電極の面積に対するゲート電極が絶縁膜を覆っている領域の面積を、0.1以上0.4未満にすることで、オン抵抗−耐圧のトレードオフ関係を改善することができる。 According to the first embodiment, in a semiconductor device manufactured using a semiconductor substrate having a parallel pn structure and having a wide MOS structure on the surface of the substrate and a good trade-off relationship of turn-off loss −dV ds / dt, An insulating film thicker than the gate insulating film is formed between the surface and the gate electrode, and the area of the region where the gate electrode covers the insulating film relative to the area of the gate electrode where the gate electrode covers the active region is 0.1. By setting the ratio to less than 0.4, it is possible to improve the trade-off relationship between on-resistance and breakdown voltage.
(実施の形態2)
つぎに、実施の形態2にかかる半導体装置について説明する。図10は、実施の形態2にかかる半導体装置の平面構造について示す平面図である。図10に示すように、実施の形態2にかかる半導体装置の平面構造においては、第2p型仕切領域3bの表面層に、p+ピックアップ領域10の島が形成され、p+ピックアップ領域10の島を囲むように、n+ソース領域9が形成されている。さらに、n+ソース領域9を囲むように、pベース領域8が形成され、その他の領域には、n型表面バッファ領域5が形成されている。
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 10 is a plan view illustrating a planar structure of the semiconductor device according to the second embodiment. As shown in FIG. 10, in the planar structure of a semiconductor device according to the second embodiment, the surface layer of the 2p-
ゲート電極7は、並列pn構造の半導体基板の第1主面側の全面の上に形成されている。そして、p+ピックアップ領域10およびn+ソース領域9の中央部を露出するように開口部が設けられている。ソース電極11は、ゲート電極7と離れて、p+ピックアップ領域10およびn+ソース領域9の中央部の上に形成されている。したがって、ゲート電極7が、n+ソース領域9の外周部と、pベース領域8と、n型表面バッファ領域5との上に、平面形状が網目状となるように形成されている。
The
また、図11は、図10の切断線G−G'における断面構造について示す断面図である。図11に示すように、ソース電極11は、p+ピックアップ領域10およびn+ソース領域9の中央部と接している。したがって、ソース電極11と、第1p型仕切領域3aと電気的に接続されている。また、ゲート電極7は、n+ソース領域9の外周部と、pベース領域8と、n型表面バッファ領域5との上に、ゲート酸化膜6を介して形成されている。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the cutting line GG ′ of FIG. As shown in FIG. 11,
また、図12は、図10の切断線H−H'における断面構造について示す断面図である。図12に示すように、第1p型仕切領域3aの表面には、n型表面バッファ領域5が形成されている。n型表面バッファ領域5の表面には、pベース領域8が第1p型仕切領域3aに接するように設けられている。それぞれのpベース領域8の表面には、n+ソース領域9が2箇所に設けられており、それぞれのn+ソース領域9に接するように、p+ピックアップ領域10が設けられている。ゲート電極7は、pベース領域8の、n型表面バッファ領域5とn+ソース領域9とに挟まれた領域と、n型表面バッファ領域5と、の上に、ゲート酸化膜6を介して設けられている。ソース電極11は、n+ソース領域9の一部とp+ピックアップ領域10とに接するように設けられている。
12 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the cutting line HH ′ of FIG. As shown in FIG. 12, an n-type
また、図13は、図10の切断線I−I'における断面構造について示す断面図である。図13に示すように、第2p型仕切領域3bの表面には、n型表面バッファ領域5が設けられている。n型表面バッファ領域5の表面の全面にゲート酸化膜6を介してゲート電極7が設けられている。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along section line II ′ of FIG. As shown in FIG. 13, an n-type
つぎに、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態2にかかる半導体装置は、n型表面バッファ領域を形成した後に、n型表面バッファ領域の表面の全面に、ゲート酸化膜を形成する。ついで、ゲート酸化膜の表面にゲート電極用のポリシリコンを形成する。さらに、ゲート電極用のポリシリコンをパターニングするときに、第1p型仕切領域の上の領域に、奥行き方向と平行な方向に、所定の間隔で開口部を形成する。後の工程は、実施の形態1と同様のため、説明を省略する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described. In the semiconductor device according to the second embodiment, after forming the n-type surface buffer region, a gate oxide film is formed on the entire surface of the n-type surface buffer region. Next, polysilicon for the gate electrode is formed on the surface of the gate oxide film. Further, when patterning the polysilicon for the gate electrode, openings are formed at predetermined intervals in a region parallel to the depth direction in the region above the first p-type partition region. Since the subsequent steps are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
つぎに、実施の形態2にかかる半導体装置と、第1従来例および第2従来例とを比較する。ここで、第1従来例または第2従来例においては、図32または図34に示すように、ゲート電極47が、奥行き方向と平行な方向で、ストライプ状に形成されている。また、第1従来例または第2従来例において、隣り合うソース電極の一方の端の間の幅(セルピッチ)を、それそれSc3またはSc4とする。例えば、第2従来例において、セルピッチSc4は、隣り合う第1p型仕切領域3bの間隔となるため、セルピッチSc4の方向が奥行き方向と直交した方向となる。
Next, the semiconductor device according to the second embodiment is compared with the first conventional example and the second conventional example. Here, in the first conventional example or the second conventional example, as shown in FIG. 32 or FIG. 34, the
したがって、例えば、第2従来例のように、第2p型仕切領域43bを形成し、隣り合う第1p型仕切領域43aの間隔を広げると、単位面積あたりのオン抵抗が上昇するという問題がある。また、耐圧−アバランシェ耐量のトレードオフ関係を改善するためには、n型表面バッファ領域の濃度N1を下げなければならなく、このためにオン抵抗が上昇してしまうという問題がある。
Therefore, for example, when the second p-
まず、実施の形態2にかかる半導体装置オン抵抗について説明する。図10に示すように、奥行き方向と直交する方向における、隣り合うソース電極の一方の端の間の幅をセルピッチSc1とし、同方向におけるn型表面バッファ領域5の残し部分をネック長Ln1とする。Sc1は、次の(2)式によって与えられる。
First, the on-resistance of the semiconductor device according to the second embodiment will be described. As shown in FIG. 10, the width between one ends of adjacent source electrodes in the direction orthogonal to the depth direction is defined as the cell pitch Sc1, and the remaining portion of the n-type
Sc1=2・Wn+Wp1+Wp2 ・・・(2) Sc1 = 2 · Wn + Wp 1 + Wp 2 (2)
また、図10に示すように、奥行き方向と平行な方向における、隣り合うソース電極の一方の端の間の幅をセルピッチSc2とし、同方向におけるn型表面バッファ領域5の残し部分をネック長Ln2とする。
Also, as shown in FIG. 10, the width between one end of adjacent source electrodes in the direction parallel to the depth direction is the cell pitch Sc2, and the remaining portion of the n-type
実施の形態2にかかる半導体装置の単位面積あたりのオン抵抗RonAは、次の(3)式によって与えられる。但し、(3)式において、RonAにおけるネック長Ln1を経路とする成分をRon1、RonAにおけるネック長Ln2を経路とする成分をRon2とする。 The on-resistance RonA per unit area of the semiconductor device according to the second embodiment is given by the following equation (3). However, in the equation (3), a component having the route of the neck length Ln1 in RonA is Ron1, and a component having the route of the neck length Ln2 in RonA is Ron2.
RonA=(Sc1・Sc2)/{(1/Ron1)+(1/Ron2)} ・・・(3) RonA = (Sc1 · Sc2) / {(1 / Ron1) + (1 / Ron2)} (3)
また、Ron1は、次の(4)式によって与えられる。但し、(4)式において、チャネルのシート抵抗をRch-sh、チャネル長をLch、n型ドリフト領域2の抵抗率をρ2、n型ドリフト領域2の厚さをt2、n型表面バッファ領域5の抵抗率をρ5、n型表面バッファ領域5の厚さをt5とする。
Ron1 is given by the following equation (4). However, in the equation (4), the channel sheet resistance is R ch-sh , the channel length is Lch, the resistivity of the n-
Ron1≡{Rch-sh・Lch/(Sc2−Ln2)}+{ρ2・t2/(2・Wn・Sc2)}+{ρ5・t5/(Ln1・(Sc2−Ln2))} ・・・(4) Ron1≡ {R ch-sh · Lch / (Sc2−Ln2)} + {ρ 2 · t 2 / (2 · Wn · Sc2)} + {ρ 5 · t 5 / (Ln1 · (Sc2−Ln2))} ... (4)
また、Ron2は、次の(5)式によって与えられる。 Ron2 is given by the following equation (5).
Ron2≡{Rch-sh・Lch/(Sc1−Ln1)}+{ρ2・t2/(2・Ln2・Sc1)}+{ρ5・t5/(Ln2・(Sc1−Ln1))} ・・・(5) Ron2≡ {Rch -sh · Lch / (Sc1-Ln1)} + {ρ 2 · t 2 / (2 · Ln2 · Sc1)} + {ρ 5 · t 5 / (Ln2 · (Sc1−Ln1))} ... (5)
また、第2従来例の半導体装置の単位面積あたりのオン抵抗Ron4・Aは、次の(6)式によって与えられる。但し、第2従来例のセルピッチSc4をセルピッチSc1と同様とし、第2従来例のネック長Ln4をネック長Ln1と同様とする。 The on-resistance Ron4 · A per unit area of the semiconductor device of the second conventional example is given by the following equation (6). However, the cell pitch Sc4 of the second conventional example is the same as the cell pitch Sc1, and the neck length Ln4 of the second conventional example is the same as the neck length Ln1.
Ron4・A≡{(Rch-sh・Lch)+{ρ2・t2/(2・Wn)}・Sc1+{(ρ5・t5/Ln1)}・Sc1 ・・・(6) Ron4 · A≡ {(R ch−sh · Lch) + {ρ 2 · t 2 / (2 · Wn)} · Sc1 + {(ρ 5 · t 5 / Ln1)} · Sc1 (6)
また、第1従来例の半導体装置の単位面積あたりのオン抵抗Ron3・Aは、次の(7)式によって与えられる。但し、第1従来例において同一のソース電極に接するn+ソース領域の外側同士の間の距離をWSOURCEとする。 The on-resistance Ron3 · A per unit area of the semiconductor device of the first conventional example is given by the following equation (7). However, the distance between the outsides of the n + source regions in contact with the same source electrode in the first conventional example is defined as W SOURCE .
Ron3・A≡{(Rch-sh・Lch)+{ρ2・t2/(2・Wn)}・Sc3+{(ρ5・t5/Ln3)}・Sc3 ・・・(7) Ron3 · A≡ {(R ch-sh · Lch) + {ρ 2 · t 2 / (2 · Wn)} · Sc3 + {(ρ 5 · t 5 / Ln3)} · Sc3 (7)
ここで、セルピッチSc3は、次の(8)式によって与えられ、ネック長Ln3は、次の(9)式によって与えられる。 Here, the cell pitch Sc3 is given by the following equation (8), and the neck length Ln3 is given by the following equation (9).
Sc3=Sc4/2=Sc1/2 ・・・(8) Sc3 = Sc4 / 2 = Sc1 / 2 (8)
Ln3=Sc3−(2・Lch+WSOURCE) ・・・(9) Ln3 = Sc3- (2.Lch + W SOURCE ) (9)
図14は、ネック長の占める割合と、オン抵抗との関係について示す特性図である。図14においては、横軸は、前述の(2)式〜(9)式を用いて算出した、セルピッチSc2に対するネック長Ln2の占める割合(Ln2/Sc2)であり、縦軸は前述の(7)式において示したRon3・Aの値で規格化したオン抵抗である。 FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the ratio of the neck length and the on-resistance. In FIG. 14, the horizontal axis represents the ratio (Ln2 / Sc2) of the neck length Ln2 to the cell pitch Sc2 calculated using the above-described equations (2) to (9), and the vertical axis represents the above (7 ) Is an on-resistance normalized by the value of Ron3 · A shown in the equation.
図14において、破線は規格化した第1従来例のオン抵抗Ron3・Aを示す。また、菱形印(◆)はオン抵抗Ron3・Aで規格化した実施の形態2にかかる半導体装置のオン抵抗RonA/Ron3・Aを示す。また、四角印(□)はオン抵抗Ron3・Aで規格化した第2従来例のオン抵抗Ron4・A/Ron3・Aを示す。 In FIG. 14, the broken line indicates the normalized on-resistance Ron3 · A of the first conventional example. A diamond mark (♦) indicates the on-resistance RonA / Ron3 · A of the semiconductor device according to the second embodiment normalized by the on-resistance Ron3 · A. Square marks (□) indicate the on-resistance Ron4 · A / Ron3 · A of the second conventional example normalized by the on-resistance Ron3 · A.
図14に示すように、ネック長Ln2の占める割合が0.1以上0.7以下の間は、第1従来例および第2従来例よりも実施の形態2にかかる半導体装置のオン抵抗が低い。そして、実施の形態2にかかる半導体装置のオン抵抗は、ネック長Ln2の占める割合が0.4から0.5程度までの間で最適値となり、次の(10)式を満たす。 As shown in FIG. 14, when the ratio of the neck length Ln2 is 0.1 or more and 0.7 or less, the on-resistance of the semiconductor device according to the second embodiment is lower than that of the first conventional example and the second conventional example. . The on-resistance of the semiconductor device according to the second embodiment has an optimum value when the ratio of the neck length Ln2 is approximately 0.4 to 0.5, and satisfies the following expression (10).
RonA≒0.35・Ron3・A≒0.7・Ron4・A ・・・(10) RonA ≒ 0.35 ・ Ron3 ・ A ≒ 0.7 ・ Ron4 ・ A (10)
一方、実施の形態2にかかる半導体装置のオン抵抗は、ネック長Ln2の占める割合が0.8以上となると急激に上昇する。その理由は、ネック長Ln2が増えることで、単位面積あたりのチャネル幅(チャネル密度)が減少し、そのためにオン抵抗が増加するからである。 On the other hand, the on-resistance of the semiconductor device according to the second embodiment rapidly increases when the ratio of the neck length Ln2 is 0.8 or more. The reason is that as the neck length Ln2 increases, the channel width (channel density) per unit area decreases, and the on-resistance increases accordingly.
また、図15は、ネック長の占める割合と、ゲート−ドレイン間容量との関係について示す特性図である。図15においては、縦軸は第1従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd4で規格化したCgd値であり、横軸はセルピッチSc2に対するネック長の占める割合(Ln2/Sc2)である。また、図15において、破線は規格化した第1従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd3を示し、菱形印(◆)はCgd3で規格化した実施の形態2にかかる半導体装置のゲート−ドレイン間容量Cgd/Cgd3を示す。また、四角印(□)はCgd3で規格化した第2従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd4/Cgd3を示す。 FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the ratio of the neck length and the gate-drain capacitance. In FIG. 15, the vertical axis represents the Cgd value normalized by the gate-drain capacitance Cgd4 of the first conventional example, and the horizontal axis represents the ratio of the neck length to the cell pitch Sc2 (Ln2 / Sc2). In FIG. 15, the broken line indicates the normalized gate-drain capacitance Cgd3 of the first conventional example, and the rhombus (♦) indicates the gate-drain capacitance of the semiconductor device according to the second embodiment normalized by Cgd3. Cgd / Cgd3 is shown. Square marks (□) indicate the gate-drain capacitance Cgd4 / Cgd3 of the second conventional example normalized by Cgd3.
図15に示すように、実施の形態2にかかる半導体装置のゲート−ドレイン間容量Cgdは、第1従来例および第2従来例よりも大きい。また、実施の形態2にかかる半導体装置のオン抵抗が最適値となる、ネック長Ln2の占める割合(Ln2/Sc2)が0.4から0.5程度までの間では、ゲート−ドレイン間容量Cgdが、第1従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd3の約9倍程度となる。一方、第2従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd4は、ネック長Ln2の占める割合(Ln2/Sc2)が0.4から0.5程度までの間では、第1従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd3の約6.5倍程度にとどまる。 As shown in FIG. 15, the gate-drain capacitance Cgd of the semiconductor device according to the second embodiment is larger than those of the first conventional example and the second conventional example. In addition, when the ratio of the neck length Ln2 (Ln2 / Sc2) is about 0.4 to 0.5 where the on-resistance of the semiconductor device according to the second embodiment is the optimum value, the gate-drain capacitance Cgd However, it is about 9 times the gate-drain capacitance Cgd3 of the first conventional example. On the other hand, the gate-drain capacitance Cgd4 of the second conventional example is the gate-drain capacitance of the first conventional example when the ratio of the neck length Ln2 (Ln2 / Sc2) is about 0.4 to 0.5. Only about 6.5 times Cgd3.
ここで、dVds/dtは、ゲート−ドレイン間容量Cgdにほぼ反比例して減少するため、ターンオフ損失Eoffが同じ場合、実施の形態2にかかる半導体装置は、第1従来例よりもdVds/dtが1桁程度減少する。 Here, dV ds / dt is the gate - to reduce substantially in inverse proportion to the drain capacitance Cgd, when the turn-off loss Eoff is the same, a semiconductor device according to the second embodiment, than in the first conventional example dV ds / dt decreases by about one digit.
このように、ネック長Ln2の占める割合(Ln2/Sc2)が0.1以上0.7以下の場合に、オン抵抗とゲート−ドレイン間容量とがともに第1従来例および第2従来例よりも良好となる。 Thus, when the ratio of the neck length Ln2 (Ln2 / Sc2) is 0.1 or more and 0.7 or less, both the on-resistance and the gate-drain capacitance are both higher than those of the first and second conventional examples. It becomes good.
また、セルピッチSc1に対するネック長Ln1の占める割合(Ln1/Sc1)は、0.1以上0.7以下がよい。その理由は、ネック長Ln1の占める割合が0.7を超えると、チャネル密度が減少してオン抵抗が上昇するからである。また、ネック長Ln1の占める割合(Ln1/Sc1)が0.1未満の場合、オン抵抗がネック部分で上昇するからである。 Further, the ratio of the neck length Ln1 to the cell pitch Sc1 (Ln1 / Sc1) is preferably 0.1 or more and 0.7 or less. The reason is that when the ratio of the neck length Ln1 exceeds 0.7, the channel density decreases and the on-resistance increases. Further, when the ratio of the neck length Ln1 (Ln1 / Sc1) is less than 0.1, the on-resistance increases at the neck portion.
なお、実施の形態2においては、ゲート電極7の開口部の形状を、正方形、長方形などの四角形としたが、これに限るものではない。例えば、ゲート電極7の開口部の形状は、多角形、円形、楕円形などでもよい。この場合、Ln1およびLn2は、ゲート電極7の開口部の幅の平均値によって算出する。
In the second embodiment, the shape of the opening of the
また、ゲート電極7に設けられた開口部は、奥行き方向に直交する方向で、位置がずれていてもよい。すなわち、平面構造において、ゲート電極7の開口部が、千鳥格子状に形成されていてもよい。
Further, the opening provided in the
実施の形態2によれば、単位面積あたりのチャネル幅が増え、オン抵抗を低減することができる。したがって、オン抵抗−耐圧のトレードオフ関係を改善することができる。また、単位面積あたりのネック部分の面積を増やすことで、ゲート−ドレイン間容量Cgdを増やし、dVds/dtを減少させるため、ターンオフ損失−dVds/dtのトレードオフ関係を改善することができる。 According to the second embodiment, the channel width per unit area can be increased and the on-resistance can be reduced. Therefore, the trade-off relationship between on-resistance and withstand voltage can be improved. Further, by increasing the area of the neck portion per unit area, the gate-drain capacitance Cgd is increased and dV ds / dt is decreased, so that the trade-off relationship of turn-off loss −dV ds / dt can be improved. .
(実施の形態3)
図16は、実施の形態3にかかる半導体装置の平面構造について示す平面図である。実施の形態3にかかる半導体装置は、実施の形態2に実施の形態1を適用した構造である。図16に示すように、実施の形態3にかかる半導体装置においては、網目状のゲート電極7と第2p型仕切領域3bとの間に、絶縁膜16が形成されている。絶縁膜16の長手方向は、奥行き方向と平行となっている。
(Embodiment 3)
FIG. 16 is a plan view of the planar structure of the semiconductor device according to the third embodiment. The semiconductor device according to the third embodiment has a structure in which the first embodiment is applied to the second embodiment. As shown in FIG. 16, in the semiconductor device according to the third embodiment, an insulating
また、図17は、図16の切断線L−L'における断面構造について示す断面図である。図17に示すように、第2p型仕切領域3bの表面全面に、n型表面バッファ領域5が形成され、n型表面バッファ領域5の表面全面には、絶縁膜16が形成されている。なお、実施の形態3においては、切断線J−J'における断面構造は、図2と同様のため、説明を省略する。また、切断線K−K'における断面構造は、図12と同様のため、説明を省略する。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the cutting line LL ′ of FIG. As shown in FIG. 17, an n-type
ここで、図16に示すように、ゲート電極7の、奥行き方向と平行な方向における開口部間の幅Wyは、次の(11)式によって与えられる。但し、(11)式において、ゲート電極7の、奥行き方向と直交する方向における開口部間の幅をWx、絶縁膜16の、奥行き方向と直交する方向における幅をW16とする。
Here, as shown in FIG. 16, the width Wy between the openings of the
Wy≦(Wx−W16)/2 ・・・(11) Wy ≦ (Wx−W 16 ) / 2 (11)
実施の形態3においては、空乏層がゲート電極7の開口部を囲むように広がる。このため、幅Wyが上述の式(11)を満たすことで、ゲート酸化膜6の下のn型表面バッファ領域5において電界が集中するのを防ぎ、耐圧が低下するのを防ぐことができる。
In the third embodiment, the depletion layer spreads so as to surround the opening of the
実施の形態3によれば、実施の形態1と、実施の形態2とを組み合わせた効果を得ることができる。 According to the third embodiment, the effect of combining the first embodiment and the second embodiment can be obtained.
(実施の形態4)
つぎに、実施の形態4にかかる半導体装置について説明する。図18は、実施の形態4にかかる半導体装置の構造について示す断面図である。図18に示すように、実施の形態4においては、p型仕切領域の繰り返しにおいて、第1p型仕切領域3aの間に、第2p型仕切領域3bがn個(図18においては2個)設けられている。すなわち、セルピッチSc1が、次の(12)式によって与えられる。但し、nは1以上とする。
(Embodiment 4)
Next, a semiconductor device according to Embodiment 4 will be described. FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 18, in the fourth embodiment, n second p-
Sc1=(n+1)・Wn+Wp1+n・Wp2 ・・・(12) Sc1 = (n + 1) · Wn + Wp 1 + n · Wp 2 (12)
つぎに、実施の形態4を実施の形態2に適用した例と、第2従来例とを比較する。図19は、隣り合う第1p型仕切領域の間の第2p型仕切領域の個数と、規格化したオン抵抗との関係について示す特性図である。なお、図19においては、セルピッチSc2に対するネック長Ln2の占める割合(Ln2/Sc2)を、図14において示した最適値(例えば0.4)にして、オン抵抗を第2従来例のオン抵抗Ron4・Aによって規格化している。また、Sc1およびSc2、Ln1およびLn2は、一定の値である。すなわち、第2p型仕切領域3bの個数nの値が大きいほど微細化していることを示す。
Next, an example in which the fourth embodiment is applied to the second embodiment is compared with a second conventional example. FIG. 19 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of second p-type partition regions between adjacent first p-type partition regions and the normalized on-resistance. In FIG. 19, the ratio of the neck length Ln2 to the cell pitch Sc2 (Ln2 / Sc2) is set to the optimum value (eg, 0.4) shown in FIG. 14, and the on-resistance Ron4 of the second conventional example is used.・ Standardized by A. Sc1 and Sc2, Ln1 and Ln2 are constant values. That is, the larger the value of the number n of the second p-
また、図19においては、四角印(□)は規格化した第2従来例のオン抵抗Ron4・A≡1を示す。また、菱形印(◆)はオン抵抗Ron4・Aで規格化した実施の形態4にかかる半導体装置のオン抵抗RonA/Ron4・Aを示す。図19に示すように、第2従来例は、セルピッチが一定の場合、微細化の度合いが高くなっても、オン抵抗が一定であるが、実施の形態4にかかる半導体装置においては、微細化の度合いが高くなるにしたがって、オン抵抗が低くなる。特に、第2p型仕切領域3bの個数nが4個以上の場合、実施の形態4にかかる半導体装置のオン抵抗は、第2従来例のオン抵抗の半分以下の値となる。
In FIG. 19, the square mark (□) indicates the normalized on-resistance Ron4 · A≡1 of the second conventional example. A diamond mark (♦) indicates the on-resistance RonA / Ron4 · A of the semiconductor device according to the fourth embodiment normalized by the on-resistance Ron4 · A. As shown in FIG. 19, in the second conventional example, when the cell pitch is constant, the on-resistance is constant even when the degree of miniaturization increases. However, in the semiconductor device according to the fourth embodiment, the miniaturization is performed. As the degree of increases, the on-resistance decreases. In particular, when the number n of the second p-
実施の形態4によれば、実施の形態1〜3と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態4によれば、微細化をしても、オン抵抗を低くすることができる。 According to the fourth embodiment, the same effects as in the first to third embodiments can be obtained. Further, according to the fourth embodiment, the on-resistance can be lowered even if miniaturization is performed.
(実施の形態5)
つぎに、実施の形態5にかかる半導体装置ついて説明する。実施の形態5にかかる半導体装置は、実施の形態4において、第2p型仕切領域3bの個数nが0個の場合の構造である。すなわち、第2p型仕切領域3bが形成されず、n型ドリフト領域2と第1p型仕切領域3aとが交互に形成された構造となっている。
(Embodiment 5)
Next, a semiconductor device according to
つぎに、実施の形態5を実施の形態2に適用した例と、第1従来例とを比較する。図20は、実施の形態5にかかる半導体装置における、規格化したオン抵抗と、セルピッチSc1に対するネック長Ln1の占める割合(Ln1/Sc1)と、の関係について示す特性図である。図20においては、オン抵抗を第1従来例のオン抵抗Ron3・Aで規格化している。図20に示すように、実施の形態5にかかる半導体装置は、ネック長Ln1の占める割合を増加させると0.4までの範囲でオン抵抗が減少し、0.4より大きくなるとオン抵抗が上昇する。そして、ネック長Ln1の占める割合が0.8以上では、第1従来例のオン抵抗より大きくなる。 Next, an example in which the fifth embodiment is applied to the second embodiment is compared with a first conventional example. FIG. 20 is a characteristic diagram showing the relationship between the normalized on-resistance and the ratio of the neck length Ln1 to the cell pitch Sc1 (Ln1 / Sc1) in the semiconductor device according to the fifth embodiment. In FIG. 20, the on-resistance is normalized by the on-resistance Ron3 · A of the first conventional example. As shown in FIG. 20, in the semiconductor device according to the fifth embodiment, when the ratio of the neck length Ln1 is increased, the on-resistance decreases in the range up to 0.4, and when it exceeds 0.4, the on-resistance increases. To do. When the ratio of the neck length Ln1 is 0.8 or more, the on-resistance of the first conventional example is greater.
オン抵抗が大きくなる理由は、ネック長Ln1の占める割合を大きくすることにともない、n型ドリフト領域2および第1p型仕切領域3aの幅が広くなるためである。したがって、ゲート電極7を網目状とすることで増大したチャネル密度よりも、n型ドリフト領域2および第1p型仕切領域3aの幅が広くなることによるチャネル密度の減少が多くなってしまう。このように、チャネル密度が減少することでオン抵抗の減少が妨げられるからである。
The reason why the on-resistance is increased is that the width of the n-
また、図21は、実施の形態5における、規格化したゲート−ドレイン間容量Cgdと、セルピッチSc1に対するネック長Ln1の占める割合(Ln1/Sc1)と、の関係について示す特性図である。図21に示すように、実施の形態5にかかる半導体装置のゲート−ドレイン間容量Cgdは、第1従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd3よりも大きい。そして、セルピッチSc1に対するネック長Ln1の占める割合(Ln1/Sc1)が増大するにつれて、実施の形態5にかかる半導体装置のゲート−ドレイン間容量Cgdと、第1従来例のゲート−ドレイン間容量Cgd3との値が近接する。 FIG. 21 is a characteristic diagram showing the relationship between the normalized gate-drain capacitance Cgd and the ratio of the neck length Ln1 to the cell pitch Sc1 (Ln1 / Sc1) in the fifth embodiment. As shown in FIG. 21, the gate-drain capacitance Cgd of the semiconductor device according to the fifth embodiment is larger than the gate-drain capacitance Cgd3 of the first conventional example. As the ratio of the neck length Ln1 to the cell pitch Sc1 (Ln1 / Sc1) increases, the gate-drain capacitance Cgd of the semiconductor device according to the fifth embodiment and the gate-drain capacitance Cgd3 of the first conventional example The values of are close.
実施の形態5によれば、第2p型仕切領域が形成されていない場合、セルピッチSc1に対するネック長Ln1の占める割合(Ln1/Sc1)が0.1以上0.7以下の場合に、オン抵抗を低減し、かつターンオフ損失−dVds/dtのトレードオフ関係を良好にすることができる。 According to the fifth embodiment, when the second p-type partition region is not formed, the on-resistance is increased when the ratio (Ln1 / Sc1) of the neck length Ln1 to the cell pitch Sc1 is 0.1 or more and 0.7 or less. In addition, the trade-off relationship of turn-off loss−dV ds / dt can be improved.
(実施の形態6)
図22は、実施の形態6にかかる半導体装置の構造について示す平面図である。また、図23は、図22の切断線D−D'における断面構造について示す断面図である。図23に示すように、実施の形態6にかかる半導体装置においては、隣り合う第1p型仕切領域3aの間の、n型表面バッファ領域5とゲート電極7との間の、2箇所に絶縁膜16の島が形成されている。また、図22に示すように、隣り合う第1p型仕切領域3aの間において、絶縁膜16の2つの島のそれぞれの長手方向と、ゲート電極7の長手方向とが平行である。
(Embodiment 6)
FIG. 22 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the sixth embodiment. FIG. 23 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along a cutting line DD ′ in FIG. As shown in FIG. 23, in the semiconductor device according to the sixth embodiment, insulating films are provided at two positions between the n-type
つぎに、実施の形態6にかかる半導体装置と、実施の形態1にかかる半導体装置とを比較する。図24は、実施の形態1にかかる半導体装置における、規格化したオン抵抗、dVds/dtまたは耐圧と、面積1に対する面積2の割合(面積2/面積1)と、の関係について示す特性図である。図24においては、実施の形態1にかかる半導体装置において、n型ドリフト領域の幅Wnおよびp型仕切領域の幅Wpが、ともに6μm程度以上の場合について説明する。図24に示すように、面積1に対する面積2の割合(面積2/面積1)が0.2程度で、オン抵抗が急激に上昇する。
Next, the semiconductor device according to the sixth embodiment and the semiconductor device according to the first embodiment are compared. FIG. 24 is a characteristic diagram showing the relationship between the normalized on-resistance, dV ds / dt or breakdown voltage and the ratio of
図25は、実施の形態6にかかる半導体装置における、規格化したオン抵抗、dVds/dtまたは耐圧と、面積1に対する面積2の割合(面積2/面積1)と、の関係について示す特性図である。図25においては、実施の形態6にかかる半導体装置において、n型ドリフト領域の幅Wnおよびp型仕切領域の幅Wpが、ともに4μm程度以上の場合について説明する。図25に示すように、実施の形態6によれば、n型ドリフト領域の幅Wnおよびp型仕切領域の幅Wpを4μm程度以上にしても、実施の形態1と同様の特性を示す。その理由は、実施の形態6にかかる半導体装置おいては、絶縁膜16の島が複数箇所に形成されているからである。このため、隣り合うn型ドリフト領域の間に、電界集中領域が複数箇所あっても、それぞれの電界集中領域に別々の絶縁膜16の島を形成することができるため、面積2を狭くすることができる。
FIG. 25 is a characteristic diagram showing the relationship between the normalized on-resistance, dV ds / dt or breakdown voltage and the ratio of
なお、図25に示すように、面積1に対する面積2の割合(面積2/面積1)は、実施の形態1と同様に、前述の(1)式を満たすようにする。なお、実施の形態6においては、絶縁膜16の島が、2つより多くてもよい。
As shown in FIG. 25, the ratio of
また、図26は、実施の形態6にかかる半導体装置の変形例について示す断面図である。図26に示すように、例えば、トレンチ埋め込み方式によって、並列pn層を形成する場合、n型ドリフト領域2とp型仕切領域3の高さが異なり、第1主面側の表面が凹凸形状になることがある。このため、凸部分の両端に、電界が集中しやすくなり、この部分の耐圧が低下する。図26に示すように、実施の形態6においては、所望の領域に所望の個数の絶縁膜を形成することができるため、凸部分の両端を覆うように絶縁膜16を形成することで、耐圧が低下するのを抑制することができる。
FIG. 26 is a sectional view showing a modification of the semiconductor device according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 26, for example, when the parallel pn layer is formed by the trench filling method, the heights of the n-
図27は、実施の形態6を実施の形態2に適用した例を示す平面図である。図27に示すように、ゲート電極7と、ネック部分との間に、奥行き方向に延びる絶縁膜16の島が複数個(図27においては2個)形成されている。
FIG. 27 is a plan view showing an example in which the sixth embodiment is applied to the second embodiment. As shown in FIG. 27, a plurality of (two in FIG. 27) islands of the insulating
図28は、実施の形態6を実施の形態4に適用した例を示す断面図である。図28に示すように、第1p型仕切領域3aの間に、第2p型仕切領域3bがn個(図28においては2個)設けられており、かつ電界集中領域が複数の場合でも、電界集中領域ごとに絶縁膜16の島を形成することができる。
FIG. 28 is a cross-sectional view showing an example in which the sixth embodiment is applied to the fourth embodiment. As shown in FIG. 28, even when there are n (two in FIG. 28) second p-
実施の形態6によれば、実施の形態1〜実施の形態5と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態1と比べると、同じ耐圧の場合、さらにオン抵抗を下げることができる。また、ゲート−ドレイン間容量Cgdを、実施の形態1よりも増やすことができるため、ターンオフ損失−dVds/dtのトレードオフ関係をさらに改善することができる。
According to the sixth embodiment, the same effects as those of the first to fifth embodiments can be obtained. Furthermore, compared with
(実施の形態7)
図29は、実施の形態7にかかる半導体装置の平面構造について示す平面図である。図29に示すように、実施の形態7においては、奥行き方向と直交する方向において、ゲート電極7とネック部分の表面との間にも絶縁膜16が形成されている。また、絶縁膜16が、奥行き方向に平行な方向と、奥行き方向と直交する方向と、において接している。
(Embodiment 7)
FIG. 29 is a plan view showing a planar structure of the semiconductor device according to the seventh embodiment. As shown in FIG. 29, in the seventh embodiment, the insulating
また、図30は、図29の切断線Q−Q'における断面構造について示す断面図である。図30に示すように、実施の形態7にかかる半導体装置においては、n型表面バッファ領域5のネック部分の表面に絶縁膜16が形成されている。なお、実施の形態7にかかる半導体装置においては、絶縁膜16の一部がゲート電極7からはみ出していてもよい。
FIG. 30 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the cutting line QQ ′ in FIG. As shown in FIG. 30, in the semiconductor device according to the seventh embodiment, the insulating
実施の形態7によれば、n型表面バッファ領域の表面での電界の集中をさらに抑制することができる。このため、ゲート電極の、奥行き方向における開口部間の幅Wyを広くすることができる。したがって、オン抵抗を低減するために、ゲート電極がn型表面バッファ領域を覆う面積を広くしても、耐圧が低下するのを防ぐことができる。 According to the seventh embodiment, the concentration of the electric field on the surface of the n-type surface buffer region can be further suppressed. For this reason, the width Wy between the openings in the depth direction of the gate electrode can be increased. Therefore, even if the area where the gate electrode covers the n-type surface buffer region is increased in order to reduce the on-resistance, it is possible to prevent the breakdown voltage from being lowered.
(実施の形態8)
図31は、実施の形態8にかかる半導体装置の構造について示す平面図である。図31に示すように、実施の形態8にかかる半導体装置においては、奥行き方向と直交する方向のネック部分の表面に形成された絶縁膜16と、奥行き方向と平行な方向のネック部分の表面に形成された絶縁膜16と、が離れている。また、図31の切断線X−X'における断面構造、切断線Y−Y'における断面構造、切断線Z−Z'における断面構造は、それぞれ図2、図30、図17と同様のため、説明を省略する。
(Embodiment 8)
FIG. 31 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the eighth embodiment. As shown in FIG. 31, in the semiconductor device according to the eighth embodiment, the insulating
実施の形態8によれば、実施の形態7よりも面積1に対する面積2の割合(面積2/面積1)を減らすことができるため、オン抵抗を下げることができる。
According to the eighth embodiment, since the ratio of
(実施の形態9)
つぎに、実施の形態9にかかる半導体装置について説明する。実施の形態9にかかる半導体装置は、並列pn層の各半導体領域の幅や厚さ、またはn型表面バッファ領域の濃度が異なる。実施の形態9にかかる半導体装置においては、n型ドリフト領域の幅Wnと、第1p型仕切領域の幅Wp1と、第2p型仕切領域の幅Wp2とは、それぞれいずれかと同等でもよいし異なっていてもよい。また、実施の形態9にかかる半導体装置においては、n型ドリフト領域の厚さt2と、第1p型仕切領域の厚さt3aと、第2p型仕切領域の厚さt3bとは、それぞれいずれかと同等でもよいし異なっていてもよい。また、実施の形態3にかかる半導体装置においては、n型表面バッファ領域の不純物濃度N1とn型ドリフト領域の不純物濃度N0が、同等でもよいし異なっていてもよい。
(Embodiment 9)
Next, a semiconductor device according to
つぎに、実施の形態9を実施の形態2に適用した場合の一例について説明する。実施の形態9にかかる半導体装置において、耐圧の最適値は、次の(13)式によって与えられる。但し、(13)式において、n型表面バッファ領域の厚さをt5とする。 Next, an example in which the ninth embodiment is applied to the second embodiment will be described. In the semiconductor device according to the ninth embodiment, the optimum value of the withstand voltage is given by the following equation (13). However, in the equation (13), the thickness of the n-type surface buffer region is t 5 .
Wp1・t3a・P1+Wp2・t3b・P2=2・Wn・t2・N0+{Ln1+(Sc1−Ln1)・Ln2/Sc2}・t5・N1 ・・・(13) Wp 1 · t 3a · P 1 + Wp 2 · t 3b · P 2 = 2 · Wn · t 2 · N 0 + {Ln1 + (Sc1−Ln1) · Ln2 / Sc2} · t 5 · N 1 (13) )
また、セルピッチSc1は、次の(14)式によって与えられる。 The cell pitch Sc1 is given by the following equation (14).
Sc1≡2・Wn+Wp1+Wp2 ・・・(14) Sc1≡2 · Wn + Wp 1 + Wp 2 (14)
ここで、前述の(13)式は、耐圧の最適値を与える理想的な条件である。しかし、実際には、並列pn層のプロファイル形状や濃度のばらつきによって、(13)式の条件からずれる場合がある。ずれによる耐圧良品率(歩留まり)の減少を抑えるために、次の(15)式を満たす必要がある。 Here, the above-described equation (13) is an ideal condition for giving an optimum value of the withstand voltage. However, in practice, there are cases where the condition of the equation (13) deviates due to variations in profile shape and concentration of parallel pn layers. In order to suppress a decrease in the yield rate (yield) due to the deviation, it is necessary to satisfy the following equation (15).
0.85<(Wp1・t3a・P1+Wp2・t3b・P2)/[2・Wn・t 2 ・N0+{Ln1+(Sc1−Ln1)・Ln2/Sc2}・t 5 ・N1]<1.15 ・・・(15) 0.85 <(Wp 1 · t 3a · P 1 + Wp 2 · t 3b · P 2 ) / [2 · Wn · t 2 · N 0 + {Ln1 + (Sc1−Ln1) · Ln2 / Sc2} · t 5 · N 1 ] <1.15 (15)
さらに、耐圧−アバランシェ耐量のトレードオフ関係を改善するためには、上述の(15)式を満たし、かつ前述の(13)式よりも実効的な不純物濃度が若干p型もしくはn型になるようにするのがよい。なお、耐圧の低下を防ぐためには、n型表面バッファ領域の不純物濃度N1が、n型ドリフト領域の不純物濃度N0よりも低い方が好ましい。 Further, in order to improve the trade-off relationship between the breakdown voltage and the avalanche resistance, the above-described equation (15) is satisfied, and the effective impurity concentration is slightly p-type or n-type than the above-described equation (13). It is good to make it. In order to prevent the breakdown voltage from decreasing, it is preferable that the impurity concentration N 1 of the n-type surface buffer region is lower than the impurity concentration N 0 of the n-type drift region.
また、n型表面バッファ領域の不純物濃度N1、n型ドリフト領域の不純物濃度N0、n型表面バッファ領域の厚さt5、n型ドリフト領域の厚さt2は、次の(16)式または(17)式を満たすようにする。その理由は、n型表面バッファ領域の厚さt5が、(16)式の右辺以上に厚いと、オン抵抗が高くなるからである。また、n型表面バッファ領域の不純物濃度N1が、(17)式の右辺以下に低いと、Ln1およびLn2が短くなり、オン抵抗が上昇し、ターンオフ損失Eoff−dVds/dtのトレードオフ関係が悪化するためである。 Further, the impurity concentration N 1 of the n-type surface buffer region, the impurity concentration N 0 of the n-type drift region, the thickness t 5 of the n-type surface buffer region, and the thickness t 2 of the n-type drift region are as follows: The expression or the expression (17) is satisfied. The reason is that if the thickness t 5 of the n-type surface buffer region is thicker than the right side of the equation (16), the on-resistance increases. On the other hand, when the impurity concentration N 1 of the n-type surface buffer region is lower than the right side of the equation (17), Ln1 and Ln2 become shorter, the on-resistance increases, and the trade-off relationship of turn-off loss Eoff−dV ds / dt This is because it gets worse.
t5<5・t2(N1/N0) ・・・(16) t 5 <5 · t 2 (N 1 / N 0 ) (16)
N1>0.2・(t5/t2)・N 0 ・・・(17) N 1 > 0.2 · (t 5 / t 2 ) · N 0 (17)
なお、実施の形態9においては、各半導体領域の不純物濃度を調節する代わりに、各半導体領域の厚さや各半導体領域の幅を調節することでも、同様の効果を得ることができる。 In the ninth embodiment, the same effect can be obtained by adjusting the thickness of each semiconductor region and the width of each semiconductor region instead of adjusting the impurity concentration of each semiconductor region.
また、n型ドリフト領域2、n型表面バッファ領域5、第1p型仕切領域3a、第2p型仕切領域3bの不純物濃度は、深さ方向に濃度が均一でもよいし、不均一でもよい。深さ方向に濃度が不均一の場合、n型ドリフト領域2、n型表面バッファ領域5の不純物濃度を、前述の(17)式を満たし、かつ第2主面側から第1主面側に向かって、薄くなるようにする。もしくは、第1p型仕切領域3aまたは第2p型仕切領域3bの少なくともいずれか一方の不純物濃度を濃くする。このようにすることで、アバランシェ耐量が改善され、アバランシェ耐量−耐圧のトレードオフ関係が向上する。
The impurity concentration of the n-
実施の形態9によれば、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。さらに、耐圧−アバランシェ耐量−オン抵抗のトレードオフ関係を改善することができる。 According to the ninth embodiment, the same effect as in the second embodiment can be obtained. Furthermore, the trade-off relationship of breakdown voltage-avalanche resistance-on-resistance can be improved.
なお、上述の半導体装置の説明においては、n+ドレイン領域である抵抗率の低いn+基板の第1主面側の表面に、並列pn層を形成した、MOSFETについて示したが、抵抗率の低いp+基板の第1主面側の表面に、並列pn層を形成した、IGBT等の構造にも適用可能である。 In the above description of the semiconductor device, a MOSFET in which a parallel pn layer is formed on the surface of the first main surface side of the n + substrate having a low resistivity which is the n + drain region has been described. The present invention is also applicable to a structure such as an IGBT in which a parallel pn layer is formed on the surface of the low p + substrate on the first main surface side.
なお、上述の半導体装置の説明においては第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 In the above description of the semiconductor device, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. The same holds true.
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、大電力用半導体素子の製造に有用であり、特に、並列pn構造の半導体基板を有し、高耐圧化とオン抵抗の特性の改善を両立させることのできる半導体装置に適している。 As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for manufacturing a high-power semiconductor element. In particular, the semiconductor device has a semiconductor substrate having a parallel pn structure and achieves both high breakdown voltage and improved on-resistance characteristics. Suitable for a semiconductor device capable of
1 n+基板
2 n型ドリフト領域(第1導電型半導体領域)
3 p型仕切領域(第2導電型半導体領域)
3a 第1p型仕切領域(第1の第2導電型半導体領域)
3b 第2p型仕切領域(第2の第2導電型半導体領域)
5 n型表面バッファ領域
6 ゲート酸化膜
7 ゲート電極
8 pベース領域
9 n+ソース領域
10 p+ピックアップ領域
11 ソース電極
12 ドレイン電極
16 絶縁膜
1 n + substrate 2 n-type drift region (first conductivity type semiconductor region)
3 p-type partition region (second conductivity type semiconductor region)
3a First p-type partition region (first second conductivity type semiconductor region)
3b Second p-type partition region (second second conductivity type semiconductor region)
5 n-type
Claims (11)
前記並列pn層の表面と、前記ゲート電極との間に選択的に設けられた、前記ゲート酸化膜よりも厚い絶縁膜を備え、
前記ゲート電極が前記並列pn層の表面の、前記ベース領域および前記ソース領域以外のネック部分を覆う第1面積と、
前記第1面積のうちの、前記ゲート電極が前記絶縁膜を覆う第2面積と、が、
0.1≦第2面積/第1面積≦0.4
を満たし、
前記第1導電型半導体領域と、前記第2導電型半導体領域との界面と直交する方向において、隣り合う前記第1導電型半導体領域の間の前記ネック部分の表面に前記絶縁膜の島が複数個設けられており、
隣り合う前記第1導電型半導体領域の間に生じた複数の電界集中領域を覆うようにそれぞれ異なる前記絶縁膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a high impurity concentration, a parallel pn layer provided on the surface of the semiconductor substrate, in which a first conductive type semiconductor region and a second conductive type semiconductor region are alternately arranged, and the second conductive type semiconductor region A second conductivity type base region provided in the surface layer; a first conductivity type source region provided in the surface layer of the base region; and a surface of the parallel pn layer provided via a gate oxide film In a semiconductor device comprising: a gate electrode; and a source electrode that is electrically connected to the source region and the base region and is provided apart from the gate electrode.
An insulating film that is selectively provided between the surface of the parallel pn layer and the gate electrode and is thicker than the gate oxide film;
A first area where the gate electrode covers a neck portion of the surface of the parallel pn layer other than the base region and the source region;
Of the first area, the second area where the gate electrode covers the insulating film,
0.1 ≦ second area / first area ≦ 0.4
The filling,
There are a plurality of islands of the insulating film on the surface of the neck portion between the adjacent first conductive type semiconductor regions in a direction orthogonal to the interface between the first conductive type semiconductor region and the second conductive type semiconductor region. Are provided,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the different insulating films is provided so as to cover a plurality of electric field concentration regions generated between the adjacent first conductivity type semiconductor regions.
前記ネック部分の表面層に形成された第1導電型の表面バッファ領域の厚さおよび濃度が、tThe thickness and concentration of the surface buffer region of the first conductivity type formed in the surface layer of the neck portion are t 5Five およびNAnd N 11 である場合、If it is,
0.85<(Wp0.85 <(Wp 11 ・t・ T 3a3a ・P・ P 11 +Wp+ Wp 22 ・t・ T 3b3b ・P・ P 22 )/[2・Wn・t) / [2 ・ Wn ・ t 22 ・N・ N 00 +{Ln1+(Sc1−Ln1)・Ln2/Sc2}・t+ {Ln1 + (Sc1-Ln1) .Ln2 / Sc2} .t 5Five ・N・ N 11 ]<1.15] <1.15
を満たすことを特徴とする請求項5,6または8に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 5, wherein:
tt 5Five <5・t<5t 22 (N(N 11 /N/ N 00 ))
またはOr
NN 11 >0.2・(t> 0.2 · (t 5Five /t/ T 22 )・N) ・ N 00
を満たすことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 9, wherein:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008040611A JP5374886B2 (en) | 2008-02-21 | 2008-02-21 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008040611A JP5374886B2 (en) | 2008-02-21 | 2008-02-21 | Semiconductor device |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013162806A Division JP5741642B2 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009200264A JP2009200264A (en) | 2009-09-03 |
JP5374886B2 true JP5374886B2 (en) | 2013-12-25 |
Family
ID=41143451
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008040611A Expired - Fee Related JP5374886B2 (en) | 2008-02-21 | 2008-02-21 | Semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5374886B2 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5672708B2 (en) * | 2010-02-03 | 2015-02-18 | 株式会社デンソー | Semiconductor device provided with vertical semiconductor element |
CN109494246B (en) * | 2018-10-12 | 2021-11-02 | 龙腾半导体有限公司 | Super-junction MOSFET structure and manufacturing method thereof |
CN109616517A (en) * | 2018-12-12 | 2019-04-12 | 中国科学院微电子研究所 | Base resistance controls thyristor, Emitter-Switched Thyristor and preparation method |
KR102692122B1 (en) * | 2019-07-16 | 2024-08-05 | 현대자동차 주식회사 | Semiconductor device and method manufacturing the same |
CN116613190B (en) * | 2023-06-02 | 2024-05-31 | 上海功成半导体科技有限公司 | Super junction device and electronic device |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005175416A (en) * | 2003-11-19 | 2005-06-30 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | Semiconductor device for use in space |
JP4940535B2 (en) * | 2004-01-08 | 2012-05-30 | 株式会社豊田中央研究所 | Semiconductor device |
JP2006073740A (en) * | 2004-09-01 | 2006-03-16 | Toshiba Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2007281034A (en) * | 2006-04-03 | 2007-10-25 | Toshiba Corp | Power semiconductor element |
JP4620075B2 (en) * | 2007-04-03 | 2011-01-26 | 株式会社東芝 | Power semiconductor device |
-
2008
- 2008-02-21 JP JP2008040611A patent/JP5374886B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009200264A (en) | 2009-09-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4843843B2 (en) | Super junction semiconductor device | |
US8957502B2 (en) | Semiconductor device | |
JP4635067B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US10211286B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2006269720A (en) | Semiconductor device and its fabrication process | |
JP2012074441A (en) | Semiconductor device for power | |
JP2007281034A (en) | Power semiconductor element | |
US11322607B2 (en) | Semiconductor device | |
JP7505217B2 (en) | Super-junction semiconductor device and method for manufacturing the same | |
JP5741642B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2018041853A (en) | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method | |
US11362207B2 (en) | Semiconductor device | |
US10707301B2 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device | |
JP4867131B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2024096464A (en) | Semiconductor Device | |
JP5374886B2 (en) | Semiconductor device | |
JP4997715B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US7538388B2 (en) | Semiconductor device with a super-junction | |
WO2017010164A1 (en) | Power semiconductor device | |
CN210325806U (en) | Semiconductor device with JFET (junction field effect transistor) area layout design | |
JP2023124694A (en) | Silicon carbide semiconductor device | |
JP2007096344A (en) | Method for manufacturing superjunction semiconductor element | |
JP2023132670A (en) | silicon carbide semiconductor device | |
JP2024009372A (en) | Super-junction semiconductor device | |
CN112151614A (en) | Semiconductor device with a plurality of transistors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20091112 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20091112 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20091112 |
|
A625 | Written request for application examination (by other person) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A625 Effective date: 20110117 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20110422 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130228 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130305 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130501 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130604 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130805 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130827 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130909 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 5374886 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |