JP6450659B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
n形半導体領域とp形半導体領域とが交互に設けられた、スーパージャンクション構造(以下、SJ構造という)を有する半導体装置がある。この半導体装置では、SJ構造を構成するn形半導体領域の幅およびp形半導体領域の幅を狭くすることで、半導体装置の耐圧の低下を抑制しつつ、n形半導体領域における不純物濃度を高めることができる。
特開2002−83961号公報
本発明が解決しようとする課題は、SJ構造を構成する半導体領域の幅を狭くすることができる半導体装置を提供することである。
実施形態に係る半導体装置は、第1導電形の第1半導体領域と、第1絶縁部と、導電部と、積層体と、第2導電形の第4半導体領域と、第1導電形の第5半導体領域と、ゲート電極と、ゲート絶縁部と、第7半導体領域と、を有する。
第1絶縁部は、第1半導体領域の一部の上に設けられている。
導電部は、第1半導体領域の他の一部の上に設けられている。導電部は、第1半導体領域と接続されている。
積層体は、第1導電形の複数の第2半導体領域と、第2導電形の複数の第3半導体領域と、を有する。積層体は、第1絶縁部の一部の上に設けられている。
複数の第2半導体領域は、導電部と接続されている。
複数の第3半導体領域は、導電部と接続されている。それぞれの第3半導体領域は、第1半導体領域から第1絶縁部の一部に向かう第1方向において、それぞれの第2半導体領域と交互に設けられている。
第4半導体領域は、積層体の上に選択的に設けられている。
第5半導体領域は、第4半導体領域の上に選択的に設けられている。
ゲート電極は、第1絶縁部の他の一部の上に設けられている。第1方向に対して垂直な第2方向において、ゲート電極と導電部との間には、積層体が位置する。
ゲート絶縁部は、ゲート電極と、積層体、第4半導体領域、および第5半導体領域のそれぞれと、の間に設けられている。
第7半導体領域は、積層体とゲート絶縁部との間に設けられている。第7半導体領域は、複数の第2半導体領域のそれぞれと接続されている。第7半導体領域の第1導電形の不純物濃度は、第2半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高い。
第1実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図1のA−A´断面図である。 第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を表す工程断面図である。 第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を表す工程断面図である。 第1実施形態の第1変形例に係る半導体装置の断面図である。 第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置の断面図である。 第1実施形態の第3変形例に係る半導体装置の断面図である。 第1実施形態の第4変形例に係る半導体装置の断面図である。 第2実施形態に係る半導体装置の平面図である。 図9の領域Bを拡大した部分拡大平面図である。 第2実施形態の第1変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第2変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第3変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第4変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第5変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第6変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第7変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第8変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 第2実施形態の第9変形例に係る半導体装置の部分拡大平面図である。 図19のA−A´断面図である。
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
各実施形態の説明には、XYZ直交座標系を用いる。n形ドレイン領域1から絶縁部21に向かう方向をZ方向(第1方向)とし、Z方向に対して垂直な方向であって相互に直交する2方向をX方向(第2方向)及びY方向(第3方向)とする。
以下の説明において、n、n及びp、p、pの表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、「+」が付されている表記は、「+」および「−」のいずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に高く、「−」が付されている表記は、いずれも付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に低いことを示す。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のp形とn形を反転させて各実施形態を実施してもよい。
(第1実施形態)
図1および図2を用いて、第1実施形態に係る半導体装置の一例について説明する。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置100の平面図である。
図2は、図1のA−A´断面図である。
なお、図1では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置100は、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。
図1および図2に表すように、半導体装置100は、n形(第1導電形)のドレイン領域1(第1半導体領域)、積層体LB、p形(第2導電形)のベース領域4(第4半導体領域)、n形ソース領域5(第5半導体領域)、ゲート電極10、導電部15、絶縁層17、ゲート絶縁部20、絶縁部21(第1絶縁部)、ドレイン電極40(第2電極)、およびソース電極41(第3電極)を有する。
図2に表すように、半導体装置100の下面には、ドレイン電極40が設けられている。
形ドレイン領域1は、ドレイン電極40の上に設けられ、ドレイン電極40と電気的に接続されている。
絶縁部21は、n形ドレイン領域1の一部の上に設けられている。
導電部15は、n形ドレイン領域1の他の一部の上に設けられている。導電部15の下端はX−Y面に沿ってn形ドレイン領域1に囲まれており、導電部15はn形ドレイン領域1と電気的に接続されている。また、導電部15の一部は、X−Y面に沿って絶縁部21に囲まれている。
絶縁部21の上には、積層体LBおよびゲート電極10が設けられている。積層体LBは、ゲート電極10と導電部15との間に位置している。ゲート電極10と積層体LBとの間にはゲート絶縁部20が設けられており、n形半導体領域2およびp形半導体領域3は、ゲート絶縁部20に接している。
積層体LBは、複数のn形半導体領域2(第2半導体領域)と、複数のp形半導体領域3(第3半導体領域)と、を有する。n形半導体領域2およびp形半導体領域3は、Z方向において交互に設けられている。
導電部15は、複数のn形半導体領域2および複数のp形半導体領域3と接続されている。
図2に表す例では、積層体LBの下端にn形半導体領域2が位置し、上端にp形半導体領域3が位置している。ただし、積層体LBの上端および下端には、n形半導体領域2およびp形半導体領域3のいずれが位置していてもよい。
p形ベース領域4は、積層体LBの上に選択的に設けられている。
形ソース領域5は、p形ベース領域4の上に選択的に設けられている。
p形ベース領域4およびn形ソース領域5は、ゲート絶縁部20に接しており、ゲート絶縁部20を介してゲート電極10と対面している。
複数のp形半導体領域3の少なくとも1つは、Z方向においてp形ベース領域4と離間している。例えば図2に表す半導体装置100では、積層体LBの上端に位置するp形半導体領域3以外の、複数のp形半導体領域3が、Z方向においてp形ベース領域4と離間している。
絶縁層17は、積層体LBの上および導電部15の上に設けられている。
ソース電極41は、半導体装置100の上面に設けられ、p形ベース領域4、n形ソース領域5、および絶縁層17の上に位置している。p形ベース領域4の少なくとも一部およびn形ソース領域5は、絶縁層17により覆われておらず、これらの半導体領域は、ソース電極41と電気的に接続されている。
ソース電極41とゲート電極10との間には、ゲート絶縁部20の一部が設けられており、これらの電極は電気的に分離されている。
図1に表すように、ゲート電極10は、p形ベース領域4に囲まれ、X方向においてn形ソース領域5同士の間に設けられている。また、ゲート電極10、p形ベース領域4、およびn形ソース領域5は、X−Y面に沿って導電部15および積層体LBに囲まれている。
積層体LBの一部は、ゲート絶縁部20に接しており、導電部15に囲まれている。ゲート絶縁部20に接していない積層体LBの他の一部は、導電部15の周りに設けられている。
ゲート電極10、p形ベース領域4、およびn形ソース領域5は、X方向において複数設けられ、それぞれがY方向に延びている。
ドレイン電極40に、ソース電極41に対して正の電圧が印加された状態で、ゲート電極10に閾値以上の電圧が加えられることで、MOSFETがオン状態となる。このとき、p形半導体領域3およびp形ベース領域4においてゲート絶縁部20近傍にチャネル(反転層)が形成される。n形ソース領域5を通して注入された電子は、このチャネルを通して、それぞれのn形半導体領域2を流れ、導電部15およびn形ドレイン領域1を通ってドレイン電極40から排出される。
MOSFETがオフ状態であり、かつソース電極41の電位に対してドレイン電極40に正の電位が印加されているときは、n形半導体領域2とp形半導体領域3とのpn接合面からそれぞれの半導体領域に向けて空乏層が広がる。オフ状態においてn形半導体領域2とp形半導体領域3とのpn接合面から広がるこの空乏層により、半導体装置の耐圧を向上させることができる。また、耐圧の向上に応じてそれぞれの半導体領域の不純物濃度を高めることが可能となる。
ここで、各構成要素の材料の一例について説明する。
形ドレイン領域1、n形半導体領域2、p形半導体領域3、p形ベース領域4、およびn形ソース領域5は、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、またはガリウムヒ素を含む。
半導体材料に添加されるn形不純物としては、ヒ素、リン、またはアンチモンを用いることができる。p形不純物としては、ボロンを用いることができる。
ゲート電極10および導電部15は、ポリシリコンなどの導電材料を含む。
ゲート絶縁部20、絶縁部21、および絶縁層17は、酸化シリコンなどの絶縁材料を含む。
ドレイン電極40およびソース電極41は、アルミニウムなどの金属材料を含む。
次に、図3および図4を用いて、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例について説明する。
図3および図4は、第1実施形態に係る半導体装置100の製造工程を表す工程断面図である。
まず、n形半導体層1aを用意する。次に、n形半導体層1aの上に絶縁部21を形成する。続いて、絶縁部21の上に、n形半導体領域2を、張り合わせにより形成する。その後、このn形半導体領域2の上に、n形半導体領域2とp形半導体領域3とを交互にエピタキシャル成長させ、図3(a)に表すように、積層体LBを形成する。
次に、積層体LBを貫通する開口OP1を形成する。開口OP1は、ゲート電極10が設けられる位置に対応して形成される。このとき例えば、絶縁部21の上面の一部が、開口OP1を通して露出される。続いて、積層体LBを熱酸化することで、図3(b)に表すように、開口OP1の内壁および積層体LBの上面に絶縁層IL1を形成する。
次に、図4(a)に表すように、絶縁層IL1、積層体LB、および絶縁部21を貫通し、n形半導体層1aに達する開口OP2を形成する。開口OP2は、導電部15が設けられる位置に対応して形成される。続いて、開口OP1およびOP2を埋め込むように、積層体LBの上に導電層を形成する。この導電層の上面を後退させることで、開口OP1の内部にゲート電極10が形成され、開口OP2の内部に導電部15が形成される。
次に、積層体LBの上部に、選択的にp形不純物およびn形不純物を順次イオン注入し、p形ベース領域4およびn形ソース領域5を形成する。続いて、ゲート電極10および導電部15を覆う絶縁層を形成する。この絶縁層および絶縁層IL1を、p形ベース領域4およびn形ソース領域5が露出するようにパターニングする。この工程により、ゲート絶縁部20および絶縁層17が形成される。このときの様子を、図4(b)に表す。
次に、p形ベース領域4およびn形ソース領域5を覆う金属層を形成し、この金属層をパターニングすることで、ソース電極41が形成される。続いて、n形半導体層1aの裏面を、n形半導体層1aが所定の厚みになるまで研磨する。研磨されたn形半導体層1aの裏面に金属層を形成することで、ドレイン電極40が形成される。
以上の工程により、図1および図2に表す半導体装置100が得られる。
ここで、本実施形態による作用および効果について説明する。
まず、参考例として、n形半導体領域とp形半導体領域が、X方向またはY方向において交互に設けられている場合について説明する。この場合、例えば、n形の半導体層を形成した後に、複数の開口を形成し、当該開口にp形半導体層を埋め込むことで、SJ構造が形成される。
しかし、この方法では、SJ構造を構成する半導体領域の幅(pn接合面に対して垂直な方向における長さ)を狭くするためには、形成される開口のアスペクト比を高めるとともに、開口同士の間隔を狭くしなければならない。このため、半導体領域の幅を狭くすることは容易ではない。
これに対して、本実施形態に係る半導体装置では、n形半導体領域2およびp形半導体領域3がZ方向において交互に設けられている。このような構成を採用することで、各半導体領域を形成する際の厚みを薄くすることで、各半導体領域の幅を狭くすることが可能となる。
すなわち、本実施形態によれば、SJ構造を構成するそれぞれの半導体領域の幅を容易に狭くすることができる半導体装置を提供することが可能となる。
また、本実施形態では、複数のp形半導体領域3のうち少なくとも1つは、p形ベース領域4とZ方向において離間して設けられている。p形半導体領域3とp形ベース領域4が離間して設けられていることで、p形半導体領域3の電位は、p形ベース領域4の電位による影響を受けにくくなる。このため、ソース・ドレイン間の電圧に起因する、n形半導体領域2とp形半導体領域3とのpn接合面からの空乏層の広がりを抑制することができる。ソース・ドレイン間電圧による空乏層の広がりを抑制することで、n形半導体領域2の幅およびp形半導体領域3の幅を短くした場合でも、オン状態でのn形半導体領域2における電流経路の狭窄を抑制することができる。n形半導体領域2における電流経路の狭窄を抑制することで、半導体装置に流すことができる電流値の低下を抑制することができる。
すなわち、本実施形態によれば、複数のp形半導体領域3のうち少なくとも1つをp形ベース領域4と離間して設けることで、n形半導体領域2の幅およびp形半導体領域3の幅を短くした場合に生じる半導体装置の最大電流値の低下を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、Z方向においてn形半導体領域2およびp形半導体領域3を交互に設けられているため、これらの半導体領域の積層数を増加させることで電流経路を増加させることが可能である。
すなわち、本実施形態によれば、半導体装置の面積の増加を抑制しつつ、半導体装置の最大電流値を増加させることが容易となる。
また、本実施形態では、n形ドレイン領域1と電気的に接続された導電部15が、積層体LBの一部およびそれぞれのゲート電極10を囲むように設けられている。このような構造を採用することで、半導体装置としての動作領域を広げ、オン抵抗を低減することが可能となる。
さらに、本実施形態では、X−Y面に沿ってゲート電極10の周りに、p形ベース領域4が設けられている。このような構造を採用することで、ゲート電極10の上端において、X方向の端部およびY方向の端部における電界集中を抑制し、ゲート絶縁部20の破壊を抑制することが可能となる。
(第1変形例)
図5は、第1実施形態の第1変形例に係る半導体装置110の断面図である。
半導体装置110は、p形半導体領域6(第6半導体領域)をさらに有する点で、半導体装置100と異なる。
形半導体領域6は、Z方向において絶縁部21と積層体LBとの間に設けられている。また、p形半導体領域6は、ゲート電極10の一部および導電部15の一部をX−Y面に沿って囲んでいる。
絶縁部21と積層体LBとの間にp形半導体領域6を設けることで、半導体装置100に比べて、ゲート電極10の下端における電界強度を低減し、半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。
(第2変形例)
図6は、第1実施形態の第2変形例に係る半導体装置120の断面図である。
半導体装置120は、ゲート電極10の下端およびゲート絶縁部20の下端が、X−Y面に沿って絶縁部21に囲まれている点で、半導体装置100と異なる。
ゲート電極10の下端が絶縁部21に囲まれていることで、半導体装置100に比べて、積層体LB下部のゲート電極10近傍の領域における電界集中を抑制することができ、半導体装置の耐圧を向上させることができる。
(第3変形例)
図7は、第1実施形態の第3変形例に係る半導体装置130の断面図である。
半導体装置130は、n形半導体領域7(第7半導体領域)をさらに有する点で、半導体装置100と異なる。
形半導体領域7は、X方向において、ゲート絶縁部20と積層体LBとの間に設けられている。n形半導体領域7は、ゲート絶縁部20に接するとともに、複数のn形半導体領域2と接続されている。また、n形半導体領域7は、Z方向において絶縁部21とn形ソース領域5との間に位置している。
半導体装置100では、オン状態において、p形半導体領域3およびp形ベース領域4に形成されるチャネルを介して、n形半導体領域2とn形ソース領域5とが接続されていた。これに対して、半導体装置130では、オン状態において、p形ベース領域4に形成されるチャネルおよびn形半導体領域7を介して、n形半導体領域2とn形ソース領域5とが接続される。
形半導体領域7の電子に対する電気抵抗は、p形半導体領域3に形成されたチャネルにおける電子に対する電気抵抗よりも低い。また、オン状態においては、n形半導体領域7には、電子の蓄積層が形成される。このため、オン状態では、n形半導体領域7の電子に対する電気抵抗がより一層低減される。
このため、本変形例によれば、半導体装置100に比べて、それぞれのn形半導体領域2とn形ソース領域5との間の電子に対する電気抵抗を低減することができ、半導体装置のオン抵抗を低減することが可能となる。
(第4変形例)
図8は、第1実施形態の第4変形例に係る半導体装置140の断面図である。
半導体装置140は、半導体装置100との比較において、導電部15の構造に差異を有する。
半導体装置140において、導電部15は、第1導電部分15aおよび第2導電部分15bを有する。
第2導電部分15bは、第1導電部分15aによって囲まれている。より具体的には、第2導電部分15bと、n形ドレイン領域1、絶縁部21、および積層体LBのそれぞれと、の間に、第1導電部分15aが設けられている。
第1導電部分15aは、多結晶シリコンを含む。
第2導電部分15bは、金属を含む。第2導電部分15bは、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、タングステン、銅、および金の少なくともいずれかの金属を含む。第2導電部分15bは、さらに、窒化チタンなどの金属化合物を含んでいてもよい。
第2導電部分15bの電気抵抗は、多結晶シリコンを含む第1導電部分15aの電気抵抗よりも低い。このため、導電部15が第2導電部分15bを有することで、半導体装置のオン抵抗をより一層低減することが可能となる。
以上で説明した第1実施形態に係る各変形例は、相互に組み合わせて実施することが可能である。
(第2実施形態)
図9および図10を用いて、第2実施形態に係る半導体装置の一例について説明する。
図9は、第2実施形態に係る半導体装置200の平面図である。
図10は、図9の領域Bを拡大した部分拡大平面図である。
なお、図9および図10では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。また、図9のA−A´断面図は、例えば、図2に表す半導体装置100の断面図と同様である。
図9および図10に表すように、半導体装置200は、半導体装置100との比較において、ゲート電極10の構造に差異を有する。
ゲート電極10は、第1電極部分11および第2電極部分12を有する。
第1電極部分11は、Y方向に延びている。
第2電極部分12は、X方向およびY方向において複数設けられ、それぞれがX方向に延びている。
第1電極部分11は、Y方向において複数の第2電極部分12と接するとともに、X方向において第2電極部分12同士の間に位置している。
Y方向において、第2電極部分12同士の間には、積層体LBの一部、p形ベース領域4およびn形ソース領域5が設けられている。第1電極部分11および第2電極部分12は、Z方向に延びており、複数のn形半導体領域2および複数のp形半導体領域3と、ゲート絶縁部20を介して対面している。
ゲート電極10が第2電極部分12を有することで、ゲート電極10が積層体LBおよびp形ベース領域4と対面する面積を増加させることができる。ゲート電極10の積層体LBおよびp形ベース領域4と対面する面積を増加させることで、オン状態においてp形半導体領域3およびp形ベース領域4に形成されるチャネルの面積を増加させることができる。このため、本実施形態によれば、半導体装置100に比べて、半導体装置のオン抵抗を低減することが可能である。
(第1変形例)
図11は、第2実施形態の第1変形例に係る半導体装置210の部分拡大平面図である。
図11では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置210は、電極32(第1電極)および絶縁部22(第2絶縁部)をさらに有する点で、半導体装置200と異なる。
電極32は、X方向において第2電極部分12と導電部15との間に設けられている。電極32は、ゲート電極10と同様にZ方向に延びており、複数のn形半導体領域2および複数のp形半導体領域3と、絶縁部22を介して対面している。電極32のY方向における長さは、第2電極部分12のY方向における長さよりも短い。電極32は、ソース電極41と電気的に接続されている。
電極32を設けることで、半導体装置をオン状態からオフ状態に切り替えた際に、積層体LBと絶縁部22との界面からn形半導体領域2に向けて空乏層が広がるようになる。このため、n形半導体領域2のn形不純物濃度を高めて半導体装置のオン抵抗を低減した場合でも、耐圧の低下を抑制することが可能となる。
また、ゲート電極10と導電部15との間に電極32を設けることで、ゲート電極10と導電部15との間の静電容量を小さくすることができる。このため、半導体装置をスイッチングするために必要な時間を短くすることができる。
(第2変形例)
図12は、第2実施形態の第2変形例に係る半導体装置220の部分拡大平面図である。
図12では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置220は、ゲート電極10が第3電極部分13をさらに有する点で、半導体装置200と異なる。
第3電極部分13は、Y方向において複数設けられ、それぞれがX方向に延びている。第3電極部分13は、X方向において、第2電極部分12と導電部15との間に位置している。第3電極部分13は、第1電極部分11および第2電極部分12と同様にZ方向に延びており、複数のn形半導体領域2および複数のp形半導体領域3と、ゲート絶縁部20を介して対面している。また、第3電極部分13のY方向における長さは、第2電極部分12のY方向における長さより短い。
第3電極部分13を設けることで、ゲート電極10が積層体LBと対面する面積を増加させることができる。ゲート電極10が積層体LBと対面する面積を増加させることで、オン状態においてp形半導体領域3およびp形ベース領域4に形成されるチャネルの面積を増加させることができる。このため、本変形例によれば、半導体装置200に比べて、半導体装置のオン抵抗をさらに低減することが可能である。
(第3変形例)
図13は、第2実施形態の第3変形例に係る半導体装置230の部分拡大平面図である。
図13では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置230は、電極32および絶縁部22をさらに有する点で、半導体装置100と異なる。
電極32は、X方向においてゲート電極10と導電部15との間に設けられている。また、電極32は、Y方向において複数設けられている。電極32は、ゲート電極10と同様にZ方向に延びており、絶縁部22を介して積層体LBと対面している。絶縁部22の少なくとも一部は、p形ベース領域4と接している。
電極32は、ゲート電極10、ドレイン電極40、およびソース電極41と電気的に分離されている。電極32は、ゲート電極10と異なる電源に接続され、第2のゲート電極として機能する。
既に述べたように、オフ状態においては、n形半導体領域2とp形半導体領域3とのpn接合面からそれぞれの半導体領域に向けて空乏層が広がる。ターンオンした際には、正孔および電子がこれらの半導体領域に注入されることで空乏層が消失する。
しかし、p形半導体領域3がp形ベース領域4と離間して設けられている場合、ターンオンした際に、p形半導体領域3への正孔の注入には時間を要する。p形半導体領域3への正孔の注入に時間を要すると、p形半導体領域3における空乏層の消失にも時間を要する。p形半導体領域3に空乏層が存在する場合、n形半導体領域2にも空乏層が広がるため、ターンオンした際に、過渡的に、オン抵抗が増加してしまう。
これに対して、本変形例によれば、ゲート電極10に閾値以上の電圧を印加してターンオンさせる際に、電極32に負の電圧を印加し、n形半導体領域2に正孔に対するチャネルを形成することで、p形ベース領域4から各p形半導体領域3に正孔を供給することができる。
このため、本変形例によれば、p形半導体領域3がp形ベース領域4と離間して設けられていることによる過渡的なオン抵抗の増加を抑制することが可能となる。
また、半導体装置をターンオフさせる際に、電極32に負の電圧を印加し、n形半導体領域2に正孔に対するチャネルを形成することで、正孔が半導体装置の内部からソース電極41へ排出される際の抵抗を低減することができる。正孔に対する抵抗を低減することで、正孔の移動による電圧降下を低減し、寄生バイポーラトランジスタ動作を抑制することが可能となる。
また、ゲート電極10と導電部15との間に電極32が設けられていることで、ゲート電極10と導電部15との間の静電容量を低減することができる。このため、半導体装置をスイッチングするために必要な時間を短くすることが可能である。
(第4変形例)
図14は、第2実施形態の第4変形例に係る半導体装置240の部分拡大平面図である。
図14では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置240は、電極32および絶縁部22をさらに有する点で、半導体装置200と異なる。
電極32は、第3変形例と同様に、第2のゲート電極として機能する。電極32は、Y方向において複数設けられている。Y方向において、第2電極部分12と電極32は交互に設けられている。
形ソース領域5は、第2電極部分12と電極32との間において、第2電極部分12側に選択的に設けられている。すなわち、Y方向において、n形ソース領域5と電極32との間には、p形ベース領域4の一部が設けられている。
電極32が設けられ、ゲート電極10が第2電極部分12を有することで、半導体装置のオン抵抗を低減しつつ、寄生バイポーラトランジスタ動作を抑制することができる。
また、Y方向において第2電極部分12と電極32とが交互に設けられていることで、これらの間に流れる電流密度を低減し、寄生バイポーラトランジスタのラッチアップをより一層抑制することが可能となる。
(第5変形例)
図15は、第2実施形態の第5変形例に係る半導体装置250の部分拡大平面図である。
図15では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置250は、電極33および絶縁部23をさらに有する点で、半導体装置240と異なる。
電極33は、Y方向において複数設けられている。それぞれの電極33は、X方向において、それぞれの電極32と導電部15との間、またはそれぞれの第2電極部分12と導電部15との間に設けられている。電極33は、ゲート電極10および電極32と同様にZ方向に延びており、絶縁部23を介して積層体LBと対面している。
電極33は、ソース電極41と電気的に接続されている。また、電極33のY方向における長さは、第2電極部分12のY方向における長さより短く、かつ電極32のY方向における長さより短い。
電極33を設けることで、半導体装置240に比べて、n形半導体領域2のn形不純物濃度を高めて半導体装置のオン抵抗を低減した場合でも、耐圧の低下を抑制することが可能となる。また、ゲート電極10と導電部15との間に電極33を設けることで、ゲート電極10と導電部15との間の静電容量を低減することが可能となる。
(第6変形例)
図16は、第2実施形態の第6変形例に係る半導体装置260の部分拡大平面図である。
図16では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置260は、電極32および絶縁部22をさらに有する点で、半導体装置210と異なる。
電極32は、X方向およびY方向において複数設けられている。それぞれの第2電極部分12と導電部15との間には、複数の電極32がX方向に配列されている。X方向に配列された複数の電極32は、絶縁部22により囲まれている。電極32は、ゲート電極10と同様にZ方向に延びており、絶縁部22を介して積層体LBと対面している。
それぞれの電極32は、他の電極および他の導電部と電気的に分離されている。また、電極32同士においても互いに電気的に分離されており、電極32の電位は、フローティングである。
積層体LBの内部の各点における電位は、n形半導体領域2のn形不純物濃度とp形半導体領域3のp形不純物濃度との差による影響を受ける。濃度差が大きいほど、積層体LBにおける電界強度の変化が大きくなり、半導体装置の耐圧が低下する。
これに対して、本変形例では、フローティング電位を有する複数の電極32を第2電極部分12と導電部15との間に並べられている。それぞれの電極32の電位は、隣り合う電極同士の間の容量結合により決定される。このため、それぞれの電極32の電位は、それぞれの電極32の位置に応じて決定される。従って、n形半導体領域2のn形不純物濃度とp形半導体領域3のp形不純物濃度との間に差が存在する場合であっても、電界強度の変化を抑制し、半導体装置の耐圧の低下を抑制することが可能となる。
(第7変形例)
図17は、第2実施形態の第7変形例に係る半導体装置270の部分拡大平面図である。
図17では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置270は、絶縁部18(第3絶縁部)をさらに有する点で、半導体装置200と異なる。
絶縁部18は、X方向およびY方向において複数設けられている。図17に表す例では、それぞれの第2電極部分12と複数の絶縁部18がX方向において並んでいる。ただし、絶縁部18は、X方向において第2電極部分12と並んでいなくてもよい。絶縁部18は、Z方向に延びており、絶縁部21に達している。
絶縁部18は、第1絶縁部分18aおよび第2絶縁部分18bを有する。第1絶縁部分18aは、Y方向に延びている。第2絶縁部分18bは、Y方向において複数設けられ、それぞれがX方向に延びている。また、第2絶縁部分18bは、X方向において、第1絶縁部分18aとゲート電極10との間に位置している。
絶縁部18が設けられている場合、半導体装置のオフ状態において、電子が、第2絶縁部分18b同士の間の領域に蓄積される。すなわち、当該領域における電位は、この電子の蓄積量に影響を受ける。電子の蓄積量は、絶縁部18の大きさや形状に依存する。このため、n形半導体領域2のn形不純物濃度とp形半導体領域3のp形不純物濃度との間に差が存在する場合であっても、濃度差による電界強度の変動を抑制し、半導体装置の耐圧低下を抑制することが可能となる。
(第8変形例)
図18は、第2実施形態の第8変形例に係る半導体装置280の部分拡大平面図である。
図18では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置280は、絶縁部18および絶縁部19(第4絶縁部)をさらに有する点で、半導体装置200と異なる。
絶縁部18は、X方向およびY方向において複数設けられている。同様に、絶縁部19も、X方向およびY方向において複数設けられている。
それぞれの第2電極部分12と導電部15との間には、複数の絶縁部18または複数の絶縁部19が、X方向に配列されている。
図18に表す例では、Y方向において、絶縁部18と絶縁部19が交互に設けられている。ただし、この例に限らず、複数の絶縁部18と複数の絶縁部19がY方向において交互に設けられていてもよい。
絶縁部19は、第3絶縁部分19cおよび第4絶縁部分19dを有する。
第3絶縁部分19cは、Y方向に延びている。第4絶縁部分19dは、Y方向において複数設けられ、それぞれがX方向に延びている。また、第4絶縁部分19dは、X方向において、第3絶縁部分19cと導電部15との間に位置している。
絶縁部18を設けることで、第7変形例と同様に、第2絶縁部分18b同士の間の領域に電子が蓄積される。また、絶縁部19を設けることで、第4絶縁部分19d同士の間の領域に正孔が蓄積される。それぞれの絶縁部における電位は、それぞれの絶縁部が設けられた領域における各キャリアの蓄積量による影響を受ける。
このため、n形半導体領域2のn形不純物濃度とp形半導体領域3のp形不純物濃度との間に差が存在する場合であっても、濃度差による電界強度の変動を抑制し、半導体装置の耐圧低下を抑制することが可能となる。
また、絶縁部19を設けることで、絶縁部19の側壁を通してp形半導体領域3同士の間の正孔の移動を容易にすることが可能となる。このため、半導体装置をターンオンした際の、p形半導体領域3における空乏層の消失に要する時間を短くし、過渡的なオン抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
(第9変形例)
図19は、第2実施形態の第9変形例に係る半導体装置290の部分拡大平面図である。
図20は、図19のA−A´断面図である。
図19では、ソース電極41および絶縁層17が省略されている。
半導体装置290は、p形半導体領域8をさらに有する点で、半導体装置200と異なる。
図19に表すように、p形半導体領域8は、Y方向において複数設けられている。それぞれのp形半導体領域8は、Y方向において、第2電極部分12同士の間に位置している。
図20に表すように、p形半導体領域8は、ゲート絶縁部20と積層体LBとの間に設けられ、ゲート絶縁部20に接している。また、p形半導体領域8は、Z方向に延び、ソース電極41および複数のp形半導体領域3と電気的に接続されている。
ソース電極41および複数のp形半導体領域3と電気的に接続されたp形半導体領域8を設けることで、半導体装置をターンオンした際に、p形半導体領域8を通してそれぞれのp形半導体領域3に正孔が供給される。すなわち、本変形例によれば、第3変形例のように第2のゲート電極を設け、当該第2のゲート電極の電圧制御を行わずに、p形半導体領域3へ正孔を供給することが可能となる。
このため、本変形例によれば、第3変形例に比べてより簡便な構造で、p形半導体領域3における空乏層の消失に要する時間を短くし、過渡的なオン抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
なお、上述した第2実施形態に係る各変形例は、相互に組み合わせて実施することが可能である。
また、上述した第2実施形態で説明した各形態と、第1実施形態で説明した各形態と、を適宜組み合わせて実施することも可能である。
以上で説明した各実施形態における、各半導体領域の間の不純物濃度の相対的な高低については、例えば、SCM(走査型静電容量顕微鏡)を用いて確認することが可能である。なお、各半導体領域におけるキャリア濃度は、各半導体領域において活性化している不純物濃度と等しいものとみなすことができる。従って、各半導体領域の間のキャリア濃度の相対的な高低についても、SCMを用いて確認することができる。
また、各半導体領域における不純物濃度については、例えば、SIMS(二次イオン質量分析法)により測定することが可能である。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態に含まれる、例えば、p形ベース領域4、n形ソース領域5、ゲート絶縁部20、絶縁層17、ドレイン電極40、ソース電極41などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の技術から適宜選択することが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
100〜140、200〜290…半導体装置 1…n形ドレイン領域 2…n形半導体領域 3…p形半導体領域 4…p形ベース領域 5…n形ソース領域 6…p形半導体領域 7…n形半導体領域 8…p形半導体領域 10…ゲート電極 15…導電部 18、19、21…絶縁部 20…ゲート絶縁部 32、33…電極 40…ドレイン電極 41…ソース電極

Claims (16)

  1. 第1導電形の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域の一部の上に設けられた第1絶縁部と、
    前記第1半導体領域の他の一部の上に設けられ、前記第1半導体領域と接続された導電部と、
    前記導電部と接続された第1導電形の複数の第2半導体領域と、
    前記導電部と接続され、前記第1半導体領域から前記第1絶縁部に向かう第1方向において、それぞれが前記第2半導体領域と交互に設けられた第2導電形の複数の第3半導体領域と、
    を有し、前記第1絶縁部の一部の上に設けられた積層体と、
    前記積層体の上に選択的に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
    前記第4半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
    前記第1絶縁部の他の一部の上に設けられ、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記導電部との間に前記積層体が位置するゲート電極と、
    前記ゲート電極と、前記積層体、前記第4半導体領域、および前記第5半導体領域のそれぞれと、の間に設けられたゲート絶縁部と、
    前記積層体と前記ゲート絶縁部との間に設けられ、前記複数の第2半導体領域のそれぞれと接続された第1導電形の第7半導体領域であって、前記第7半導体領域の第1導電形の不純物濃度は、前記第2半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高い、前記第7半導体領域と、
    を備えた半導体装置。
  2. 第1導電形の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域の一部の上に設けられた第1絶縁部と、
    前記第1半導体領域の他の一部の上に設けられ、前記第1半導体領域と接続された導電部であって、多結晶シリコンを含む第1導電部と、前記第1導電部に囲まれ、金属を含む第2導電部と、を有する前記導電部と、
    前記導電部と接続された第1導電形の複数の第2半導体領域と、
    前記導電部と接続され、前記第1半導体領域から前記第1絶縁部に向かう第1方向において、それぞれが前記第2半導体領域と交互に設けられた第2導電形の複数の第3半導体領域と、
    を有し、前記第1絶縁部の一部の上に設けられた積層体と、
    前記積層体の上に選択的に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
    前記第4半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
    前記第1絶縁部の他の一部の上に設けられ、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記導電部との間に前記積層体が位置するゲート電極と、
    前記ゲート電極と、前記積層体、前記第4半導体領域、および前記第5半導体領域のそれぞれと、の間に設けられたゲート絶縁部と、
    を備えた半導体装置。
  3. 第1導電形の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域の一部の上に設けられた第1絶縁部と、
    前記第1半導体領域の他の一部の上に設けられ、前記第1半導体領域と接続された導電部と、
    前記導電部と接続された第1導電形の複数の第2半導体領域と、
    前記導電部と接続され、前記第1半導体領域から前記第1絶縁部に向かう第1方向において、それぞれが前記第2半導体領域と交互に設けられた第2導電形の複数の第3半導体領域と、
    を有し、前記第1絶縁部の一部の上に設けられた積層体と、
    前記積層体の上に選択的に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
    前記第4半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
    前記第1絶縁部の他の一部の上に設けられ、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記導電部との間に前記積層体が位置するゲート電極であって、
    前記第1方向および前記第2方向に対して垂直な第3方向に延びる第1電極部分と、 前記第3方向において複数設けられ、それぞれが前記第2方向に延びる第2電極部分と、
    前記第2方向に延び、前記第3方向において複数設けられた第3電極部分と、
    を有し、前記複数の第2電極部分のそれぞれと、前記複数の第3電極部分のそれぞれとは、前記第2方向において並ぶ、前記ゲート電極と、
    前記ゲート電極と、前記積層体、前記第4半導体領域、および前記第5半導体領域のそれぞれと、の間に設けられたゲート絶縁部と、
    を備えた半導体装置。
  4. 第1導電形の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域の一部の上に設けられた第1絶縁部と、
    前記第1半導体領域の他の一部の上に設けられ、前記第1半導体領域と接続された導電部と、
    前記導電部と接続された第1導電形の複数の第2半導体領域と、
    前記導電部と接続され、前記第1半導体領域から前記第1絶縁部に向かう第1方向において、それぞれが前記第2半導体領域と交互に設けられた第2導電形の複数の第3半導体領域と、
    を有し、前記第1絶縁部の一部の上に設けられた積層体と、
    前記積層体の上に選択的に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
    前記第4半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
    前記第1絶縁部の他の一部の上に設けられ、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記導電部との間に前記積層体が位置するゲート電極と、
    前記第1半導体領域の下に設けられ、前記第1半導体領域と電気的に接続された第2電極と、
    前記第4半導体領域の上および前記第5半導体領域の上に設けられ、前記第4半導体領域および前記第5半導体領域と電気的に接続された第3電極と、
    前記第2方向において前記ゲート電極と前記導電部との間に設けられ、前記第2電極および前記第3電極と電気的に分離された第1電極と、
    前記第1電極と前記積層体との間に設けられた第2絶縁部と、
    前記ゲート電極と、前記積層体、前記第4半導体領域、および前記第5半導体領域のそれぞれと、の間に設けられたゲート絶縁部と、
    を備えた半導体装置。
  5. 前記第1電極は、複数設けられ、
    前記複数の第1電極は、前記ゲート電極と前記導電部との間において前記第2方向に並べられた請求項記載の半導体装置。
  6. 前記積層体と前記ゲート絶縁部との間に設けられた第1導電形の第7半導体領域をさらに備え、
    前記第7半導体領域は、前記複数の第2半導体領域のそれぞれと接続され、
    前記第7半導体領域の第1導電形の不純物濃度は、前記第2半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高い請求項のいずれか1つに記載の半導体装置。
  7. 前記導電部は、
    多結晶シリコンを含む第1導電部と、
    前記第1導電部に囲まれ、金属を含む第2導電部と、
    をさらに有する請求項のいずれか1つに記載の半導体装置。
  8. 前記第2方向において前記ゲート電極と前記導電部との間に設けられた第1電極と、
    前記第1電極と前記積層体との間に設けられた第2絶縁部と、
    前記第1半導体領域の下に設けられ、前記第1半導体領域と電気的に接続された第2電極と、
    前記第4半導体領域の上および前記第5半導体領域の上に設けられ、前記第4半導体領域および前記第5半導体領域と電気的に接続された第3電極と、
    をさらに備え
    前記第1電極は、前記第3電極と電気的に接続された請求項1〜のいずれか1つに記載の半導体装置。
  9. 前記第1方向において、前記第1絶縁部の前記一部と前記積層体との間に設けられた第2導電形の第6半導体領域をさらに備え、
    前記第6半導体領域の第2導電形の不純物濃度は、前記第3半導体領域の第2導電形の不純物濃度よりも低い請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体装置。
  10. 前記ゲート電極の一部は、前記第1絶縁部の前記一部に囲まれた請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体装置。
  11. 前記第2方向において前記ゲート電極と前記導電部との間に設けられた複数の第3絶縁部をさらに備え、
    前記複数の第3絶縁部は、前記第2方向に並べられ、
    前記複数の第3絶縁部のそれぞれは、
    前記第3方向に延びる第1絶縁部分と、
    前記第2方向において前記第1絶縁部分と前記ゲート電極との間に設けられ、前記第2方向に延び、前記第3方向において互いに離間して複数設けられた第2絶縁部分と、
    を有する請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体装置。
  12. 前記第2方向において前記ゲート電極と前記導電部との間に設けられ、前記第3方向において前記複数の第3絶縁部と離間した複数の第4絶縁部をさらに備え、
    前記複数の第4絶縁部は、前記第2方向に並べられ、
    前記複数の第4絶縁部のそれぞれは、
    前記第3方向に延びる第3絶縁部分と、
    前記第2方向において前記第1絶縁部分と前記導電部との間に設けられ、前記第2方向に延び、前記第3方向において互いに離間して複数設けられた第4絶縁部分と、
    を有する請求項11記載の半導体装置。
  13. 前記積層体の一部と前記ゲート絶縁部の一部との間に設けられた第2導電形の第8半導体領域をさらに備えた請求項1〜12のいずれか1つに記載の半導体装置。
  14. 前記積層体の少なくとも一部および前記ゲート電極は、前記導電部に囲まれた請求項1〜13のいずれか1つに記載の半導体装置。
  15. 前記ゲート電極の一部は、前記第4半導体領域に囲まれた請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体装置。
  16. 第1導電形の第1半導体領域と、
    前記第1半導体領域の一部の上に設けられ、前記第1半導体領域と接続された導電部と、
    前記導電部と接続された第1導電形の複数の第2半導体領域と、
    前記導電部と接続された第2導電形の複数の第3半導体領域と、
    を有し、前記第1半導体領域の前記一部から前記導電部に向かう第1方向において前記複数の第2半導体領域と前記複数の第3半導体領域は交互に設けられ、前記複数の第2半導体領域及び前記複数の第3半導体領域は前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記導電部と接続され、前記第1方向において前記第1半導体領域の他の一部から離れた積層体と、
    前記積層体の上に選択的に設けられた第2導電形の第4半導体領域と、
    前記第4半導体領域の上に選択的に設けられた第1導電形の第5半導体領域と、
    前記積層体、前記第4半導体領域、及び前記第5半導体領域とゲート絶縁部を介して対面するゲート電極と、
    前記複数の第2半導体領域のそれぞれ及び前記第4半導体領域と接続された第1導電形の第7半導体領域であって、前記積層体は前記第2方向において前記第7半導体領域と前記導電部との間に設けられ、前記第7半導体領域の第1導電形の不純物濃度は、前記第2半導体領域の第1導電形の不純物濃度よりも高い、前記第7半導体領域と、
    を備えた半導体装置。
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