JP6229511B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本明細書に開示の技術は、ゲート電極を備える半導体装置に関する。
特許文献1には、ゲート電極を備える半導体装置が開示されている。この半導体装置は、ゲート電極と、ゲート電極を収容するトレンチとを備えるMOSFETである。また、この半導体装置は、トレンチの側面に接触する位置に並んで形成されたソース層、ベース層、およびドリフト層を備えている。ソース層の表面にはソース電極が配置されている。ドリフト層の裏面にはドレイン層が配置されており、ドレイン層の裏面にはドレイン電極が配置されている。
この半導体装置では、ゲート電極への印加電圧を制御することでトレンチの側面に位置するベース層の表面部にチャネルを形成し、ソース層およびドリフト層を介して、ソース電極およびドレイン電極の間に電流を流す。
特開2009−259896号公報
特許文献1に開示の半導体装置では、キャリア(電子)が、ソース層からベース層に形成されるチャネルに流れ、チャネルからドリフト層に流れる。この半導体装置では、キャリア(電子)がソース層からチャネルに流れる部分およびチャネルからドリフト層に流れる部分においてキャリア(電子)が通過する領域が狭いので、抵抗が大きくなっている。したがって、抵抗を小さくする技術が求められている。
そこで本明細書は、キャリアがチャネルを通過するときの抵抗を小さくすることができる半導体装置を提供することを目的とする。
本明細書に開示する半導体装置は、ゲート電極と、前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、を備えている。また、半導体装置は、前記ゲート絶縁膜に接触し、キャリアが通過するチャネルが形成される半導体層と、前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の一方側に隣接して配置されたソース層と、前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の他方側に隣接して配置されたドリフト層と、を備えている。また、前記半導体層は、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ソース層側に延びる第1ソース側凸部を備えている。
このような構成によれば、半導体層が第1ソース側凸部を備えるので、半導体層のチャネルが形成される部分においてソース層と半導体層が面接触する領域が形成される。ソース層からチャネルに流入するキャリア(電子)は、上記の面接触する領域を通過する。これにより、キャリア(電子)がソース層からチャネルに流れるときに面の領域を通過するので、キャリアが通過する領域を広げることができ、抵抗を小さくすることができる。
また、上記実施形態において、前記半導体層は、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ドリフト層側に延びる第1ドリフト側凸部を更に備えていてもよい。
このような構成によれば、半導体層が第1ドリフト側凸部を備えるので、半導体層のチャネルが形成される部分においてドリフト層と半導体層が面接触する領域が形成される。チャネルからドリフト層に流れるキャリア(電子)は、上記の面接触する領域を通過する。これにより、上記の第1ソース側凸部と同様に、キャリア(電子)がチャネルからドリフト層に流れるときに、面接触によりキャリアが通過する領域を広げることができ、抵抗を小さくすることができる。
また、上記実施形態において、前記第1ソース側凸部の幅が50〜100Åであってもよい。
また、前記第1ドリフト側凸部の幅が50〜1000Åであってもよい。
また、前記ゲート絶縁膜から前記第1ソース側凸部の幅方向全域に反転層が延びていてもよい。
また、前記ゲート絶縁膜から前記第1ドリフト側凸部の幅方向全域に反転層が延びていてもよい。
また、前記第1ドリフト側凸部の幅は、前記ゲート絶縁膜から反転層が延びる幅より広く、かつ、前記反転層が形成されるときに前記反転層が延びない範囲の前記第1ドリフト側凸部が空乏化されていてもよい。
また、前記半導体層は、前記第1ソース側凸部から離間した位置において、前記ソース層側に延びる第2ソース側凸部を更に備えていてもよい。
また、前記第1ソース側凸部から前記第2ソース側凸部までの距離が、前記第1ソース側凸部の長さより長くてもよい。
また、前記半導体層は、前記第1ドリフト側凸部から離間した位置において、前記ドリフト層側に延びる第2ドリフト側凸部を更に備えていてもよい。
また、前記第1ドリフト側凸部から前記第2ドリフト側凸部までの距離が、前記第2ドリフト側凸部の長さより長くてもよい。
実施形態に係る半導体装置の断面図である。 実施形態に係る半導体装置の要部を拡大して示す断面図である。 他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 他の実施形態に係る半導体装置の要部を拡大して示す断面図である。
以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。図1に示すように、実施形態に係る半導体装置1は、半導体基板3と、トレンチゲート2とを備えるトレンチゲート型の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置1として縦型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を例示している。MOSFETは、例えば自動車のモータ等の各種電気機器の電力制御等のスイッチング素子に用いられる。図1にはMOSFETの単位構造が示されているが、実際にはこの単位構造が横方向に繰返し形成されている。
半導体基板3としては、シリコン(Si)や炭化ケイ素(SiC)に不純物を注入したものを例示できる。半導体基板3は、n型のドレイン層14と、ドレイン層14の上に形成されたn型のドリフト層13と、ドリフト層13の上に形成されたp型のベース層12と、ベース層12の上に形成されたn型のソース層11と、ベース層12の上に形成されたp型のコンタクト層15とを備えている。半導体基板3の裏面には裏面電極6が配置されており、半導体基板3の表面には表面電極5が配置されている。
半導体基板3にはトレンチ21が形成されている。トレンチ21は、半導体基板3の表面から深さ方向(z方向)に延び、ソース層11およびベース層12を貫通してドリフト層13の内部まで延びている。トレンチ21の内部には、ゲート絶縁膜23を介してゲート電極22が配置されている。トレンチ21の内面(側面及び底面)はゲート絶縁膜23によって被覆されている。ゲート絶縁膜23の内側にゲート電極22が充填されている。ゲート電極22の表面には層間絶縁膜24が配置されている。層間絶縁膜24は、ゲート電極22と表面電極5の間に形成されている。トレンチ21、ゲート絶縁膜23およびゲート電極22によりトレンチゲート2が構成されている。ゲート絶縁膜23および層間絶縁膜24は、例えばSiOから形成されている。ゲート電極22は、例えばアルミニウムやポリシリコンから形成されている。また、ゲート絶縁膜23は、ゲート電極22の表面(側面および底面)に接触しており、ゲート電極22を覆っている。ゲート絶縁膜23は、ゲート電極22に沿って深さ方向(z方向)に延びている。
ドレイン層14は、半導体基板3の裏面に露出しており、裏面電極6に接触している。ドレイン層14の不純物濃度はドリフト層13の不純物濃度より高い。コンタクト層15は半導体基板3の表面に露出しており、表面電極5に接触している。コンタクト層15の不純物濃度はベース層12の不純物濃度より高い。
ソース層11、ベース層12、およびドリフト層13は、ゲート絶縁膜23に沿って縦方向(z方向)に並んで形成されている。
ソース層11は半導体基板3の表面に露出しており、表面電極5に接触している。ソース層11からキャリア(電子)が流れる。ソース層11は、ベース層12の一方側(上側)に隣接して配置されており、ベース層12に接触している。また、ソース層11は、ゲート絶縁膜23に接触している。
ドリフト層13はトレンチゲート2の周囲に形成されている。ドリフト層13は、ベース層12の他方側(下側)に隣接して配置されており、ベース層12に接触している。また、ドリフト層13は、ゲート絶縁膜23に接触している。
ベース層12はソース層11とドリフト層13を分離している。ベース層12はトレンチゲート2の周囲に形成されている。ベース層12は、ゲート絶縁膜23に接触している。図2に示すように、ベース層12は、ゲート絶縁膜23に接触する部分において、ゲート絶縁膜23に沿ってソース層11側に延びる第1ソース側凸部10と、ゲート絶縁膜23に沿ってドリフト層13側に延びる第1ドリフト側凸部20とを備えている。ゲート電極22にオン電位を印加すると、ベース層12のゲート絶縁膜23に接触する部分にトレンチ21に沿って反転層が形成され、キャリアが通過するチャネル30が形成される。チャネル30は、ソース層11とドリフト層13との間に形成される。研究によれば、ゲート絶縁膜23からベース層12側に延びる反転層の幅は、50〜100Å程度である。すなわち、反転層は、ゲート絶縁膜23から約50〜100Åの範囲に形成される。また、反転層が形成される際には、反転層に隣接する範囲に空乏層が形成される。研究によれば、この空乏層がベース層12内に延びる幅は、ゲート絶縁膜23から100〜200Å程度である。すなわち、空乏層は、ゲート絶縁膜23から約100〜200Åの範囲に形成される。
第1ソース側凸部10は、トレンチ21に沿ってベース層12からソース層11側に突出する。第1ソース側凸部10は、ゲート絶縁膜23に接触している。第1ソース側凸部10は、ベース層12から上方に突出し、ソース層11の内部に延びている。第1ソース側凸部10は、図2の紙面奥行方向(y方向)において、ゲート絶縁膜23に沿って直線状に延びている。また、第1ソース側凸部10は、ソース層11に接触しており、ソース層11と接触する部分にソース接触面91が形成されている。ソース接触面91は、x方向においてソース層11と対面している。ソース接触面91の縦方向(z方向)の高さLs(第1ソース側凸部10の長さLs)は、第1ソース側凸部10の横方向(x方向)の幅Hsより大きき。MOSFETがオンする際には、ソース層11から出るキャリア(電子)は、ソース接触面91を通過して、第1ソース側凸部10に流入する。第1ソース側凸部10に流入したキャリア(電子)は、第1ソース側凸部10に形成されるチャネル30を通過する。
第1ソース側凸部10の横方向(x方向)の幅Hsは、ベース層12に形成される反転層の幅との関係において設定されることが好ましい。言い換えると、第1ソース型凸部10の幅Hsは、ベース層12に反転層が形成される場合に、ゲート絶縁膜23から第1ソース型凸部10の幅方向の全域に反転層が延びるように設定されていることが好ましい。上記の通り、ゲート絶縁膜23からベース層12側に延びる反転層の幅は、50〜100Å程度である。したがって、第1ソース側凸部10の幅Hsは50〜100Åであることが好ましい。
第1ドリフト側凸部20は、トレンチ21に沿ってベース層12からドリフト層13側に突出する。第1ドリフト側凸部20は、ゲート絶縁膜23に接触している。第1ドリフト側凸部20は、ベース層12から下方に突出し、ドリフト層13の内部に延びている。第1ドリフト側凸部20は、図2の紙面奥行方向(y方向)において、ゲート絶縁膜23に沿って直線状に延びている。また、第1ドリフト側凸部20は、ドリフト層13に接触しており、ドリフト層13と接触する部分にドリフト接触面92が形成されている。ドリフト接触面92は、x方向においてドリフト層13と対面している。ドリフト接触面92の縦方向(z方向)の高さLd(第1ドリフト側凸部20の長さLd)は、第1ドリフト側凸部20の横方向(x方向)の幅Hdより大きき。MOSFETがオンする際には、ベース層12内のチャネル30を通過したキャリア(電子)は、ドリフト接触面92を通過して、ドリフト層13に流入する。
第1ドリフト側凸部20の横方向(x方向)の幅Hdは、ベース層12に形成される反転層の幅との関係において設定されることが好ましい。言い換えると、第1ドリフト側凸部20の幅Hdは、ベース層12に反転層が形成される場合に、ゲート絶縁膜23から第1ドリフト側凸部20の幅方向の全域に反転層が延びるように設定されていることが好ましい。上記の通り、ゲート絶縁膜23からベース層12側に延びる反転層の幅は、50〜100Å程度である。したがって、第1ドリフト側凸部20の幅Hdは50〜100Åであることが好ましい。
あるいは、第1ドリフト側凸部20の横方向(x方向)の幅Hdは、ゲート絶縁膜23から反転層が延びる幅より広く、かつ、反転層が形成されるときに反転層が延びない範囲の第1ドリフト側凸部20が空乏化される幅であってもよい。すなわち、幅Hdは、第1ドリフト側凸部20に反転層が形成された場合に、その反転層が形成されていない部分全体に空乏層が広がるように設定されていてもよい。上記の通り、反転層の幅は50〜100Å程度であり、空乏層が延びる範囲はゲート絶縁膜23から100〜1000Åの範囲である。したがって、第1ドリフト側凸部20の幅Hdは、50〜1000Åであってもよい。ソース層11とドリフト層13の電位の違いから、第1ソース側凸部10の幅と第1ドリフト側凸部20の幅が異なっていてもよい。
裏面電極6及び表面電極5は、例えば銅やアルミニウム等の金属から形成されており、ドレイン層14とソース層11の間に電圧を印加することができる。
次に、上記の構成を備える半導体装置1の動作について説明する。上記の半導体装置1では、裏面電極6と表面電極5の間に順方向の電圧を印加すると共に、ゲート電極22にゲート電圧を印加する。そうすると、ゲート電圧により、ベース層12のゲート絶縁膜23に接触する部分に反転層が形成され、キャリア(電子)が通過するチャネル30が形成される。チャネル30は、ソース層11とドリフト層13の間に形成され、トレンチ21の側面に沿って延びる。また、順方向の電圧によりソース層11から供給されたキャリア(電子)は、ベース層12に形成されたチャネル30を通過してドリフト層13に流れる。ドリフト層13に流れたキャリア(電子)は、ドリフト層13を縦方向(深さ方向)に流れ、ドレイン層14に向かって流れる。これにより、半導体装置1のオン時には、ドレイン層14からソース層11に電流が流れる。
上記実施形態に係る半導体装置1によれば、ベース層12が第1ソース側凸部10を備えるので、第1ソース側凸部10の側面(ソース接触面91)がソース層11と接触する。したがって、ソース層11からチャネル30に流れるキャリア(電子)は、ソース接触面91を通過する。これにより、ソース層11からチャネル30に流れる際にキャリア(電子)が通過できる領域が広くなる。さらに、上記の実施形態では、第1ソース側凸部10の幅Hsが、第1ソース側凸部10の全体に反転層が広がるように設定されている。したがって、図2に示すように反転層がソース接触面91まで広がり、ソース接触面91を通過してチャネル30にキャリア(電子)がより流入し易くなっている。したがって、この領域の抵抗を小さくすることが実現されている。また、ベース層12が第1ドリフト側凸部20を備えるので、第1ドリフト側凸部20の側面(ドリフト接触面92)がドリフト層13と接触する。したがって、チャネル30からドリフト層13に流れるキャリア(電子)は、ドリフト接触面92を通過する。これにより、チャネル30からドリフト層13に流れる際にキャリア(電子)が通過できる領域が広いので、抵抗を小さくすることができる。なお、第1ドリフト側凸部20に反転層が形成されるときに反転層が延びない範囲の第1ドリフト側凸部20が空乏化されていても、第1ドリフト側凸部20とドリフト層13との電位差が比較的高いので、キャリア(電子)が第1ドリフト側凸部20からドリフト層13へ流れる。また、ベース層12に形成されるチャネル30が短くならなので、チャネル部でパンチスルーする電圧が低下することはない。よって、チャネル部の耐圧を低下させることはない。
以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、他の実施形態に係る半導体装置1では、図3および図4に示すように、ベース層12が、ソース層11側に延びる第2ソース側凸部60およびドリフト層13側に延びる第2ドリフト側凸部70を更に備えていてもよい。図3又は図4において、図1又は図2と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図3および図4に示すように、第2ソース側凸部60は、ベース層12から上方に突出し、ソース層11の内部に延びている。第2ソース側凸部60は、ソース層11に接触している。第2ソース側凸部60は、第1ソース側凸部10から離間した位置に形成されている。第1ソース側凸部10と第2ソース側凸部60との間には隙間96が形成されている。隙間96にはソース層11が形成されている。
第1ソース側凸部10から第2ソース側凸部60までの距離Wsは、第1ソース側凸部10の長さLsより長い(Ws>Ls)。第1ソース側凸部10の長さLsは、ソース接触面91の高さに相当し、第1ソース側凸部10が形成されていない部分におけるベース層12の上端から第1ソース側凸部10の上端までを深さ方向(z方向)に測定している。第1ソース側凸部10から第2ソース側凸部60までの距離Wsは、隙間96の長さに相当し、第1ソース側凸部10の端部から第2ソース側凸部60の端部までを横方向(x方向)に測定している。
第2ドリフト側凸部70は、ベース層12から下方に突出し、ドリフト層13の内部に延びている。第2ドリフト側凸部70は、ドリフト層13に接触している。第2ドリフト側凸部70は、第1ドリフト側凸部20から離間した位置に形成されている。第1ドリフト側凸部20と第2ドリフト側凸部70との間には隙間97が形成されている。隙間97にはドリフト層13が形成されている。
第1ドリフト側凸部20から第2ドリフト側凸部70までの距離Wdは、第1ドリフト側凸部20の長さLdより長い(Wd>Ld)。第1ドリフト側凸部20の長さLdは、ドリフト接触面92の高さに相当し、第1ドリフト側凸部20が形成されていない部分におけるベース層12の下端から第1ドリフト側凸部20の下端までを深さ方向(z方向)に測定している。第1ドリフト側凸部20から第2ドリフト側凸部70までの距離Wdは、隙間97の長さに相当し、第1ドリフト側凸部20の端部から第2ドリフト側凸部70の端部までを横方向(x方向)に測定している。
このような構成によれば、第1ソース側凸部10のソース接触面91の高さに対して、第2ソース側凸部60までの隙間96を広くすることができる。これにより、キャリア(電子)がソース接触面91に流れやすくなり、ソース接触面91を通じてチャネル30にキャリア(電子)が流れやすくなる。よって、抵抗を小さくすることができる。また、同様に、第1ドリフト側凸部20のドリフト接触面92の高さに対して、第2ドリフト側凸部70までの隙間97を広くすることができる。これにより、キャリア(電子)がドリフト接触面92を通じてドリフト層13に流れやすくなり、抵抗を小さくすることができる。また、第2ソース側凸部60おより第2ドリフト側凸部70を備えることにより耐圧を高めることができる。
また、上記実施形態では第1ドリフト側凸部20を備えていたが、これを省略することもできる。
また、上記実施形態では半導体装置の一例としてMOSFETについて説明したが、この構成に限定されるものではなく、半導体装置の他の例としてはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。IGBTにおいても、第1ソース側凸部10、第1ドリフト側凸部20、第2ソース側凸部60および第2ドリフト側凸部70等について上記のMOSFETの場合と同様の構成を用いることができる。
また、上記実施形態ではトレンチゲート型の半導体装置であったが、この構成に限定されるものではなく、プレーナゲート型の半導体装置であってもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
1;半導体装置
2;トレンチゲート
3;半導体基板
5;表面電極
6;裏面電極
10;第1ソース側凸部
11;ソース層
12;ベース層
13;ドリフト層
14;ドレイン層
15;コンタクト層
20;第1ドリフト側凸部
21;トレンチ
22;ゲート電極
23;ゲート絶縁膜
24;層間絶縁膜
30;チャネル
60;第2ソース側凸部
70;第2ドリフト側凸部
91;ソース接触面
92;ドリフト接触面
96;隙間
97;隙間

Claims (14)

  1. ゲート電極と、
    前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、キャリアが通過するチャネルが形成される半導体層と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の一方側に隣接して配置されたソース層と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の他方側に隣接して配置されたドリフト層と、を備え、
    前記半導体層は、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ソース層側に延びる第1ソース側凸部と、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ドリフト層側に延びる第1ドリフト側凸部とを備え
    前記第1ドリフト側凸部の幅が50〜1000Åである、半導体装置。
  2. 前記ゲート絶縁膜から前記第1ドリフト側凸部の幅方向全域に反転層が延びる、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1ドリフト側凸部の幅は、前記ゲート絶縁膜から反転層が延びる幅より広く、かつ、前記反転層が形成されるときに前記反転層が延びない範囲の前記第1ドリフト側凸部が空乏化される、請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体層は、前記第1ソース側凸部から離間した位置において、前記ソース層側に延びる第2ソース側凸部を更に備えている、請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第1ソース側凸部から前記第2ソース側凸部までの距離が、前記第1ソース側凸部の長さより長い、請求項4に記載の半導体装置。
  6. ゲート電極と、
    前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、キャリアが通過するチャネルが形成される半導体層と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の一方側に隣接して配置されたソース層と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の他方側に隣接して配置されたドリフト層と、を備え、
    前記半導体層は、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ソース層側に延びる第1ソース側凸部と、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ドリフト層側に延びる第1ドリフト側凸部とを備え、
    前記ゲート絶縁膜から前記第1ドリフト側凸部の幅方向全域に反転層が延びる、半導体装置。
  7. 前記半導体層は、前記第1ソース側凸部から離間した位置において、前記ソース層側に延びる第2ソース側凸部を更に備えている、請求項に記載の半導体装置。
  8. 前記第1ソース側凸部から前記第2ソース側凸部までの距離が、前記第1ソース側凸部の長さより長い、請求項7に記載の半導体装置。
  9. ゲート電極と、
    前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、キャリアが通過するチャネルが形成される半導体層と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の一方側に隣接して配置されたソース層と、
    前記ゲート絶縁膜に接触し、前記半導体層の他方側に隣接して配置されたドリフト層と、を備え、
    前記半導体層は、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ソース層側に延びる第1ソース側凸部と、前記ゲート絶縁膜に接触する部分において、前記ゲート絶縁膜に沿って前記ドリフト層側に延びる第1ドリフト側凸部とを備え、
    前記半導体層は、前記第1ソース側凸部から離間した位置において、前記ソース層側に延びる第2ソース側凸部を更に備えている、半導体装置。
  10. 前記第1ソース側凸部から前記第2ソース側凸部までの距離が、前記第1ソース側凸部の長さより長い、請求項9に記載の半導体装置。
  11. 前記第1ソース側凸部の幅が50〜100Åである、請求項1から10のいずれかに記載の半導体装置。
  12. 前記ゲート絶縁膜から前記第1ソース側凸部の幅方向全域に反転層が延びる、請求項1から11のいずれかに記載の半導体装置。
  13. 前記半導体層は、前記第1ドリフト側凸部から離間した位置において、前記ドリフト層側に延びる第2ドリフト側凸部を更に備えている、請求項1から12のいずれかに記載の半導体装置。
  14. 前記第1ドリフト側凸部から前記第2ドリフト側凸部までの距離が、前記第2ドリフト側凸部の長さより長い、請求項13に記載の半導体装置。
JP2014012219A 2014-01-27 2014-01-27 半導体装置 Expired - Fee Related JP6229511B2 (ja)

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