JP5697569B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、トレンチゲートを有する半導体装置に関する。

例えば、特許文献１に記載された半導体装置では、トレンチゲートと同じもしくはトレンチゲートよりも深い電界緩和層が設けられることにより、トレンチゲート底部への電界集中が抑制されている。

特開２００９−１１７５９３

一般に、トレンチゲートは、チャネル形成領域を含むボディ層と接している。電界緩和層は、図１に示されるように、ボディ層と接するように設けられている。本発明者らは、電界緩和層とトレンチゲートとの距離を近づけるほど、トレンチゲート底部への電界集中の抑制に寄与することを見出した。

ところで、電界緩和層は、不純物をイオン注入したのち活性化する工程を経て形成される。電界緩和層とトレンチゲートとの距離を近づけためには、トレンチゲートから近い位置に不純物をイオン注入する必要がある。しかしながら、イオン注入時のばらつきや活性化する際の不純物の拡散により、電界緩和層と隣接するボディ層の不純物濃度は、電界緩和層を形成しない場合と比べて大きくなる。ボディ層の不純物濃度が大きくなると、半導体装置のチャネルの形成が阻害される。
電界緩和効果を得るために電界緩和層をトレンチゲート近傍に設けると、半導体装置のオン抵抗が上昇してしまうという課題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電界緩和層による電界緩和効果を維持しつつ半導体装置のオン抵抗の上昇を抑制し得る半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本明細書が開示する半導体装置は、トレンチゲートを有する半導体装置であって、前記トレンチゲート側壁と接するようにボディ層が設けられている。前記ボディ層は、前記トレンチゲートに電圧を印加したときに前記トレンチゲートに沿う前記ボディ層の一部であるチャネル形成領域にチャネルが形成される。この装置は、前記ボディ層と接するように電界緩和層が設けられている。ここで、電界緩和層は、前記トレンチゲートと前記電界緩和層との間にチャネル形成領域が設けられていない領域と比べて、前記チャネル形成領域が設けられている領域のほうが、前記トレンチゲートと電界緩和層とが実質的に離間するように設けられている。
また、本発明の半導体装置は、トレンチゲートと、前記トレンチゲート側壁と接するように設けられたｎ型のソース層と、前記トレンチゲート側壁と接し、前記ソース層が存在する位置では前記ソース層の下側で前記トレンチゲート側壁と接するように設けられたｐ型のボディ層と、前記ボディ層と接し、前記トレンチゲートから離間した位置で前記ボディ層から下側に突出して前記トレンチゲートと同じもしくはトレンチゲートよりも深い位置まで伸びるように設けられており、前記ボディ層よりもｐ型不純物濃度が高いｐ型の電界緩和層と、前記ボディ層の下側で前記トレンチゲート側壁と接するように設けられたｎ型のドリフト層を備えている。半導体装置を上面視したときに、前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間に前記ソース層が配置されている第１部分と、前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間に前記ソース層が配置されていない第２部分が存在している。前記第１部分における前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間の間隔が、前記第２部分における前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間の間隔よりも広い。

上記装置では、前記トレンチゲートと前記電界緩和層との距離は、それぞれの間に前記チャネル形成領域が設けられている領域と比べて前記チャネル形成領域が設けられていない領域のほうが短いことが好ましい。

上記構成によれば、チャネル形成領域における不純物濃度の上昇を抑制し得る。従って、電界緩和効果を維持しつつ、半導体装置のオン抵抗の上昇を抑制し得る。

本発明の実施形態にかかる半導体装置の断面構造を示す図である。 本発明の実施形態にかかる半導体装置を上面視したときの構造を示す図である。 本発明の他の実施形態にかかる半導体装置を上面視したときの構造を示す図である。 本発明の他の実施形態にかかる半導体装置を上面視したときの構造を示す図である。 本発明の他の実施形態にかかる半導体装置を上面視したときの構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態にかかる半導体装置（以下、本装置と呼ぶ）について、図面を参照しながら説明する。

図１に示されるように、本装置の上面には、複数のトレンチ１０が形成されている。各トレンチの１０の内面は、ゲート酸化膜１１に覆われている。各トレンチ１０の内部には、ゲート電極１２が形成されている。以下では、トレンチ１０内に形成されたゲート酸化膜１１とゲート電極１２を合わせて、トレンチゲート電極１３と呼ぶ。図２に示されるように、各トレンチゲート電極１３は、互いに平行に延びている。

本装置の内部には、ソース層２０、ボディ層２１、ドリフト層２２、バッファ層２３、及び、電界緩和層２４が形成されている。

ソース層２０は、ｎ型の層であり、本装置の上面に露出するように選択的に形成されている。ソース層２０は、ゲート酸化膜１１の側壁と接している。さらに、図２に示されるように、ソース層２０は、トレンチゲート電極１３短手方向端部に沿ってトレンチゲート電極１３長手方向と平行に延びている。

ボディ層２１は、ｐ型の層であり、ソース層２０の下側に形成されている。ボディ層２１は、ゲート酸化膜１１の側壁と接している。さらに、図１、図２に示されるように、ボディ層２１は、２つのソース層２０の間において本装置上面に露出している。

ドリフト層２２は、ソース層２０と比べて低濃度のｎ型不純物を含有する層であり、ボディ層２１の下側に形成されている。ドリフト層２２は、ボディ層２１によってソース層２０と分離されている。さらに、ドリフト層２２は、トレンチゲート電極１３の下端に位置するゲート酸化膜１１と接している。

バッファ層２３は、ドリフト層２２と比べて高濃度のｎ型不純物を含有する層であり、ドリフト層２２の下側に形成されている。

電界緩和層２４は、ボディ層２１と比べて高濃度のｐ型不純物を含有する層であり、ボディ層２１と接するように形成されている。さらに、電界緩和層２４は、トレンチゲート電極１３と電界緩和層２４との間に後述するチャネル形成領域が設けられていない領域と比べて、後述するチャネル形成領域が設けられている領域のほうが、前記トレンチゲート電極１３と電界緩和層２４とが実質的に離間するように設けられている。例えば、図２に示されるように、電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との間にソース層が介在していない領域における距離Ｗ１は、それぞれの間にソース層が介在している領域における距離Ｗ２と比べて短い。すなわち、電界緩和層２４は、トレンチゲート電極１３の短手方向端部の側壁と比べて、長手方向端部の側壁の近くに設けられている。

ここで、電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との距離とは、一方の所定の箇所から他方の面までの最短の距離の平均をとった値を指す。電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との距離が領域によって異なる場合、電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との距離は、領域毎の距離の平均をとった値である。

以下、本装置の作動について説明する。バッファ層２３側からソース層２０側に電流が流れるように、すなわち本装置に順方向電圧が印加された状態で、トレンチゲート電極１３にゲート閾値電圧（本装置がオン状態となるために必要な最小限のゲート電圧）以上の電圧が印加されると、本装置がオン状態となる。このとき、ゲート酸化膜１１の側壁に接しており、且つソース層２０の下側である範囲のボディ層２１にチャネルが形成される。ここで、ゲート酸化膜１１の側壁に接しており、且つソース層２０の下側に位置する範囲のボディ層２１が、前記チャネル形成領域に対応する。

本装置がオフ状態のときに、例えば、所定の電圧が本装置に印加されている場合、この電圧の影響によりゲート酸化膜１１には所定の電圧に対応する電界がかかっている。このため、印加される所定の電圧が大きくなると、ゲート酸化膜１１の底部に電界集中が発生し得る。しかしながら、本装置はトレンチゲート電極１３の近傍に電界緩和層２４が設けられている。電界緩和層２４とドリフト層２２とのＰＮ接合部から延びる空乏層がドリフト層２２側に大きく延びることにより、ゲート酸化膜１１の底部への電界集中が抑制され得る。

電界緩和層２４は、不純物をイオン注入したのち活性化する工程を経て形成される。イオン注入時のばらつきや活性化する際の不純物の拡散により、電界緩和層２４と隣接するボディ層２１の不純物濃度は、電界緩和層２４を形成しない場合と比べて大きくなる。ボディ層２１の不純物濃度が大きくなると、半導体装置のチャネルの形成が阻害される。
しかしながら、電界緩和層２４は、前述したように、電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との距離が、Ｗ１＜Ｗ２となるように設けられている。電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との間にチャネル形成領域が設けられていない領域においては、ボディ層２１の不純物濃度の変化による本装置のオン抵抗への影響は殆どない。つまり、Ｗ１を短くしてもオン抵抗への影響は殆どない。

従って、上記実施形態によれば、Ｗ１と比べてＷ２が短い、又はＷ１とＷ２が同じ場合と比べて、トレンチゲート電極１３への電界集中を抑制しつつ、オン抵抗の上昇を抑制し得る。

本発明は、前記実施形態に限定されず、例えば、図３に示されるように、ソース層２０がトレンチゲート電極１３に沿って選択的に設けられ、トレンチゲート電極１３に沿ってチャネル形成領域とチャネルが形成されない領域とが存在しても良い。各ソース層２０は電気的に接続されている。ここで、電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との距離は、それぞれの間にチャネル形成領域が設けられている領域ではＷ１、それぞれの間にチャネル形成領域が設けられていない領域ではＷ２であり、Ｗ１＜Ｗ２の関係を有している。

また、図４に示されるように、トレンチゲート電極１３は、環状構造を有していても良い。ソース層２０は、トレンチゲート電極１３の曲率の小さい部分に沿って、選択的に設けられている。すなわち、トレンチゲート電極１３の曲率が大きい部分にはソース層２０が設けられておらず、チャネルが形成されない。ここで、電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との距離は、それぞれの間にチャネル形成領域が設けられている領域ではＷ１、それぞれの間にチャネル形成領域が設けられていない領域ではＷ２であり、Ｗ１＜Ｗ２の関係を有している。

また、図５に示されるように、各トレンチゲート電極１３の短手方向端部の側壁の間には、電界緩和層２４が設けられていなくても良い。この場合、電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３の短手方向端部の側壁との距離は、トレンチゲート電極１３の長手方向の中心部において最大となり、長手方向端部において最小となる。電界緩和層２４とトレンチゲート電極１３との距離が一定でないため、それぞれの距離の平均値がＷ２となり、Ｗ１＜Ｗ２の関係を有している。
上記構成によれば、各チャネル形成領域の間に電界緩和層２４を形成し得ない。従って、チャネル形成領域における不純物濃度の上昇を抑制し、オン抵抗の上昇を抑制し得る。

また、電界緩和層２４は、本装置の上面に露出していなくても良い。たとえば、ボディ層２１の下側に接するように電界緩和層２４が設けられていても良い。さらに、電界緩和層２４は、トレンチゲート電極１３より浅い位置に設けられていても良い。

なお、本装置は半導体から構成されているが、特に、ＳｉＣやＧａＮなどの高耐圧の半導体から構成されることが好ましい。

また、本装置はｎチャネル型の半導体装置であるが、ｐチャネル型の半導体装置でもよい。

１０…トレンチ、１１…ゲート酸化膜、１２…ゲート電極、１３…トレンチゲート電極、２０…ソース層、２１…ボディ層、２２…ドリフト層、２３…バッファ層、２４…電界緩和層

Claims (2)

1. 半導体装置であって、
   トレンチゲートと、
   前記トレンチゲート側壁と接するように設けられたｎ型のソース層と、
   前記トレンチゲート側壁と接し、前記ソース層が存在する位置では前記ソース層の下側で前記トレンチゲート側壁と接するように設けられたｐ型のボディ層と、
   前記ボディ層と接し、前記トレンチゲートから離間した位置で前記ボディ層から下側に突出して前記トレンチゲートと同じもしくはトレンチゲートよりも深い位置まで伸びるように設けられており、前記ボディ層よりもｐ型不純物濃度が高いｐ型の電界緩和層と、
   前記ボディ層の下側で前記トレンチゲート側壁と接するように設けられたｎ型のドリフト層、
   を備えており、
   半導体装置を上面視したときに、前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間に前記ソース層が配置されている第１部分と、前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間に前記ソース層が配置されていない第２部分が存在しており、
   前記第１部分における前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間の間隔が、前記第２部分における前記トレンチゲートと前記電界緩和層の間の間隔よりも広い、
   半導体装置。
2. 半導体装置を上面視したときに、前記ソース層が、前記トレンチゲートの短手方向端部に接するように前記短手方向端部に沿って形成されており、前記トレンチゲートの長手方向端部に接する位置に形成されておらず、
   半導体装置を上面視したときに、前記電界緩和層が、前記トレンチゲートから間隔を開けて前記長手方向端部と前記短手方向端部に沿って形成されている、
   請求項１の半導体装置。