JP6494733B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
このような問題は、トレンチゲートの幅を広げてトレンチゲートを挟んで相対する各チャネル間に一定の距離を設定することにより低減することができるかもしれない。しかし、この場合には、単位面積当たりのチャネル幅が短くなるため、MOSFETのオン抵抗が増加するという問題が新たに生じる。
また、本発明の他の目的は、優れたアクティブクランプ耐量を実現できる半導体装置を提供することである。
導体装置であって、複数のゲートトレンチがストライプ状に形成された第1導電型の半導
体層と、ゲート絶縁膜を介して各前記ゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極と、それ
ぞれが互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチの間に区画され、ストライプ状に配列さ
れた複数の単位セルと、各前記単位セルにおいて、前記半導体層の表面から露出し、前記
ゲートトレンチと交差する横方向に関して互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチのう
ちの一方側の前記ゲートトレンチの一方側の側面のみに沿うように形成され、前記ゲート
絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する第1導電型のソース領域と、前記半導体層にお
ける前記ソース領域の下方の領域において前記ソース領域に接するように形成され、前記
ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向し、前記電界効果トランジスタのチャネルを
形成する第2導電型のボディ領域と、各前記単位セルにおいて、ストライプ方向に一定の間隔を空けながら、前記第1導電型のソース領域および前記第2導電型のボディ領域の境界を跨ぐように、かつ、ストライプ方向と交差する横方向に整列して形成された複数のソースコンタクトと、を含む、半導体装置を提供する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置1の模式的な平面図である。また、図2は、図1における切断面線II−IIから見た断面図である。
半導体装置1は、n+型の半導体基板2と、半導体基板2上に形成されたn−型のエピタキシャル層3とを含む。半導体基板2の不純物濃度は、たとえば、5.0×1019cm−3〜5.0×1021cm−3であり、エピタキシャル層3の不純物濃度は、たとえば、5.0×1014cm−3〜2.0×1016cm−3である。n型の不純物としては、たとえば、P(リン),As(砒素)等が挙げられる。
ゲートトレンチ5は、エピタキシャル層3の表面を厚さ方向に向けて掘り下げて形成されている。ゲートトレンチ5の側面は、エピタキシャル層3の表面に対してほぼ垂直に形成されている。また、ゲートトレンチ5の底部は、p−型ボディ領域4を貫きエピタキシャル層3に至っており、ゲートトレンチ5の側面から丸みを帯びるように形成されている。
ゲートトレンチ5には、ゲート絶縁膜7を介してゲート電極8が埋め込まれている。ゲート絶縁膜7は、たとえば、ゲートトレンチ5の側面および底部におけるエピタキシャル層3を酸化させて形成したシリコン酸化膜である。また、ゲート電極8は、たとえば、ポリシリコンを含む電極材料からなる。ゲート電極8の表面には、エピタキシャル層3とほぼ面一な表面を有するシリコン酸化膜9が形成されている。
n+型ソース領域10は、ゲートトレンチ5と交差する横方向の一方側のみに形成されており、隣り合う単位セル6との間に連続性を持って設けられている。つまり、n+型ソース領域10は、全ての単位セル6内において、ゲートトレンチ5と交差する横方向の一方側の側面に接するように形成されており、ゲート絶縁膜7を挟んでゲート電極8と対向している。
n+型ソース領域10は、一方のゲートトレンチ5側に位置し、ゲート絶縁膜7を挟んでゲート電極8に対向する一方側端部と、他方のゲートトレンチ5側に位置する他方側端部(ゲート絶縁膜7とn+型ソース領域10との界面の反対側の端部)とを有している。n+型ソース領域10の他方側端部は、他方のゲートトレンチ5の開口端のエッジ部分に位置していてもよい。すなわち、n+型ソース領域10は、ゲートトレンチ5の開口端のエッジ部分を起点として、他方側端部から一方側端部に向けて徐々に深くなるように形成されていてもよい。
p+型ボディコンタクト領域11は、ゲートトレンチ5と交差する横方向の他方側(n+型ソース領域10の反対側)のみに形成されている。p+型ボディコンタクト領域11は、ゲートトレンチ5の側面に接するように形成されており、ゲート絶縁膜7を挟んでゲート電極8と対向している。
単位セル6におけるエピタキシャル層3上には、n+型ソース領域10およびp+型ボディコンタクト領域11を接続するソースコンタクト12が形成されている。ソースコンタクト12は、一定の間隔を空けながら、n+型ソース領域10およびp+型ボディコンタクト領域11の境界(ゲートトレンチ5に平行なストライプ状の境界)を跨ぐように形成されている。ソースコンタクト12は、たとえば、0.6μm〜4.0μmの幅で形成されている。ソースコンタクト12には、図示しない外部配線が接続されている。また、半導体基板2の裏面には、図示しない裏面メタルが接続されている。
次に図3を参照して、半導体装置1におけるゲートトレンチ5のピッチDおよび幅Wと、アクティブクランプ耐量Eとの関係について説明する。
図3において、横軸は、ゲートトレンチ5のピッチDを表しており、左側の縦軸は、1/Ronを表しており、右側の縦軸はアクティブクランプ耐量Eを表している。なお、実線で示したグラフG2は、ゲートトレンチ5の幅Wが0.6μmのときにおけるグラフであり、一点鎖線で示したグラフG3およびグラフG4は、ゲートトレンチ5の幅Wが0.8μmおよび0.2μmのときにおけるグラフである。
他方、グラフG2を参照すれば、ゲートトレンチ5のピッチDの値が増加するにつれて、アクティブクランプ耐量Eの値が増加している。したがって、良好なアクティブクランプ耐量Eの値を得るためには、ゲートトレンチ5のピッチDの値は大きい方が好ましい。
グラフG1とグラフG2〜G4とが交差する点におけるゲートトレンチ5のピッチDの値を、それぞれD1,D2およびD3とすれば、D1は2.0μmであり、D2は3.0μmであり、D3は5.0μmであった。
次に、図4A〜図4Fを参照して、半導体装置1の製造工程について説明する。図4A〜図4Fは、本発明の半導体装置1の製造工程の一例を説明するための断面図である。
次に、単位セル6におけるエピタキシャル層3上に、n+型ソース領域10およびp+型ボディコンタクト領域11の境界を跨ぐようにソースコンタクト12が形成される。次に、図示しない外部配線および裏面メタルがソースコンタクト12および半導体基板2の裏面に接続される。以上の工程を経て、図1および図2に示した半導体装置1が製造される。
図5は、参考例の半導体装置17の図解的な平面図である。また、図6は、本発明の半導体装置1の図解的な平面図である。図5および図6では、半導体装置1,17に形成された単位面積当たりのMOSFETを回路記号を用いて示した図である。
ゲートトレンチ18のピッチD5は、たとえば、4.0μmである。また、チャネル領域19の一つ当たりにおけるチャネル幅W2は、たとえば、1000μmである。したがって、参考例の半導体装置17では、合計10本のチャネル領域19が形成されているので、単位面積当たりのチャネル幅は、10000μmとなる。
これにより、半導体装置1におけるゲートトレンチ5のピッチDを、たとえば、参考例の半導体装置17におけるゲートトレンチ18のピッチD5の60%程度である2.5μmと設定することができ、単位面積当たりのゲートトレンチ5の数を、参考例の半導体装置17よりも多い、8本に増加させることができる。チャネル領域20の一つ当たりのチャネル幅W3は、参考例の半導体装置17と同様に、1000μmである。したがって、本発明の半導体装置1では、合計8本のチャネル領域20が形成されているので、単位面積当たりのチャネル幅は、参考例の半導体装置17におけるゲートトレンチ18のチャネル幅の80%程度である8000μmとなる。
さらに、ゲートトレンチ5の幅Wを0.2μm〜0.8μmと設定することにより、単純にトレンチ幅を拡大してアクティブクランプ耐量を稼ぐ場合に比べて、ゲートトレンチ5の底部における寄生容量の増加も効果的に抑制することができる。
図7は、本発明の他の実施形態に係る半導体装置21の模式的な平面図である。また、図8は、図7における切断面線VIII−VIIIから見た断面図である。図7および図8において、前述の図1および図2に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
n+型ソース領域22は、エピタキシャル層3の表面を法線方向から見た平面視において、p+型ボディコンタクト領域23との境界の一部がゲートトレンチ5と交差する横方向に沿って形成されるように、当該横方向に突出した領域24を選択的に有している。
単位セル6におけるエピタキシャル層3上には、n+型ソース領域22とp+型ボディコンタクト領域23とを接続するソースコンタクト25が形成されている。
ソースコンタクト25は、n+型ソース領域22の突出した領域24を覆い、互いに隣り合うp+型ボディコンタクト領域23の突出した領域26に跨るように形成されている。ソースコンタクト25は、前述の一実施形態に係る半導体装置1のソースコンタクト12よりも細く形成されている。ソースコンタクト25の幅は、たとえば、0.15μm〜0.6μmである。
以上のように、本発明の他の実施形態によれば、半導体装置21の製造工程時においてソースコンタクト25がn+型ソース領域22側またはp+型ボディコンタクト領域23側に偏って配置される等の横方向のアライメントずれが発生したとしても、ソースコンタクト25を、n+型ソース領域22の突出した領域を覆うように、かつ、p+型ボディコンタクト領域23に跨るように形成することができる。その結果、n+型ソース領域22およびp+型ボディコンタクト領域23の良好な接続を確保できる半導体装置21を提供することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の一実施形態および他の実施形態では、p+型ボディコンタクト領域11,23がn+型ソース領域10,22と隣接するように形成された構成について説明したが、p+型ボディコンタクト領域11,23が形成されていない構成であってもよい。このような構成であっても、n+型ソース領域10,22の下方において、ゲートトレンチ5の側面を形成するp−型ボディ領域4がチャネル領域20となるので、ゲートトレンチ5の一方側の側面だけにチャネル領域20(MOSFET)を形成することができる。
また、前述の一実施形態および他の実施形態において、ゲートトレンチ5の底部が側面から丸みを帯びるように形成されている構成について説明したが、ゲートトレンチ5の底部がエピタキシャル層3の表面と平行になるように形成された構成であってもよい。
また、前述の一実施形態および他の実施形態において、n+型の半導体基板2が形成されている構成について説明したが、導電型を反転させたp+型の半導体基板2が形成された構成であってもよい。この場合、他の不純物領域等の導電型も反転された構成となる。
[項1]ユニポーラトランジスタとしての電界効果トランジスタを備えた半導体装置であって、複数のゲートトレンチがストライプ状に形成された第1導電型の半導体層と、ゲート絶縁膜を介して前記ゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極と、それぞれが互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチの間に区画され、ストライプ状に配列された複数の単位セルと、各前記単位セルにおいて、前記半導体層の表面から露出し、前記ゲートトレンチと交差する横方向に関して互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチのうちの一方側の前記ゲートトレンチの一方側の側面のみに沿うように形成され、一方側の前記ゲートトレンチにおいて前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する第1導電型のソース領域と、前記半導体層における前記ソース領域の下方の領域において前記ソース領域に接するように形成され、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する第2導電型のボディ領域と、を含む、半導体装置。
この構成によれば、ゲートトレンチを挟んで相対するチャネルは形成されないので、チャネルにおける過渡的かつ局所的な発熱を効果的に抑制することができる。
チャネルにおける過渡的かつ局所的な発熱を抑制する手段としては、前述のようにゲートトレンチの幅を広げる方法の他、たとえば、ソース領域をストライプ状の単位セルの一つ置きに形成する方法が考えられる。すなわち、選択した単位セルからソース領域を完全に間引くことによって、当該単位セルにはチャネルが形成されないようにし、これにより、ゲートトレンチを挟んで相対するチャネル領域をなくすものである。
これに対して、項2に係る半導体装置では、チャネルにおける過渡的かつ局所的な発熱を抑制することができるので、全ての単位セルに連続性を持たせてソース領域を設けることができる。これにより、全ての単位セルにチャネルを形成できるので、限られたMOSFETの形成領域を有効活用することができる。その結果、単位面積当たりのチャネル幅を効果的に増加させることができ、MOSFETのオン抵抗の増加を効果的に抑制することができる。
この構成によれば、ゲートトレンチの寄生容量が増加することを効果的に抑制することができる。
3 エピタキシャル層
4 p−型ボディ領域
5 ゲートトレンチ
6 単位セル
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
10 n+型ソース領域
11 p+型ボディコンタクト領域
12 ソースコンタクト
20 チャネル領域
21 半導体装置
22 n+型ソース領域
23 p+型ボディコンタクト領域
24 突出した領域
25 ソースコンタクト
Claims (10)
- ユニポーラトランジスタとしての電界効果トランジスタを備えた半導体装置であって、
複数のゲートトレンチがストライプ状に形成された第1導電型の半導体層と、
ゲート絶縁膜を介して各前記ゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極と、
それぞれが互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチの間に区画され、ストライプ状に
配列された複数の単位セルと、
各前記単位セルにおいて、前記半導体層の表面から露出し、前記ゲートトレンチと交差
する横方向に関して互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチのうちの一方側の前記ゲー
トトレンチの一方側の側面のみに沿うように形成され、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲ
ート電極と対向する第1導電型のソース領域と、
前記半導体層における前記ソース領域の下方の領域において前記ソース領域に接するよ
うに形成され、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向し、前記電界効果トラン
ジスタのチャネルを形成する第2導電型のボディ領域と、
各前記単位セルにおいて、ストライプ方向に一定の間隔を空けながら、前記第1導電型のソース領域および前記第2導電型のボディ領域の境界を跨ぐように、かつ、ストライプ方向と交差する横方向に整列して形成された複数のソースコンタクトと、を含む、半導体装置。 - 前記ソース領域は、互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチの間の中央部に至るよう
に、一方側の前記ゲートトレンチの側面から他方側の前記ゲートトレンチに向けて引き出
されている、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記ソース領域は、隣り合う前記単位セルとの間に連続性を持って設けられている、請
求項1または2に記載の半導体装置。 - 各前記単位セルにおいて、前記半導体層の表面から露出し、前記ソース領域に隣接し、
前記横方向に関して互いに隣り合う一対の前記ゲートトレンチのうちの他方側の前記ゲー
トトレンチの他方側の側面のみに沿うように形成され、他方側の前記ゲートトレンチにお
いて前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する第2導電型のボディコンタクト
領域をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ボディ領域は、前記半導体層における前記ソース領域および前記ボディコンタクト
領域の下方の領域において前記ソース領域および前記ボディコンタクト領域に接するよう
に形成されている、請求項4に記載の半導体装置。 - 前記ソース領域は、前記半導体層の表面の法線方向から見た平面視において、前記ボデ
ィコンタクト領域との境界の一部が前記横方向に沿って形成されるように、前記横方向に
突出した突出領域を選択的に有している、請求項5に記載の半導体装置。 - 前記突出領域および前記ボディコンタクト領域の間の境界において前記横方向に沿う部
分を横切り、かつ、前記突出領域および前記ボディコンタクト領域に跨るように前記半導
体層の上に形成され、前記ソース領域および前記ボディコンタクト領域に接続されたソー
スコンタクトをさらに含む、請求項6に記載の半導体装置。 - 前記ソースコンタクトは、前記ソース領域の前記突出領域を横切るように前記単位セル
のストライプ方向に沿って延びている、請求項7に記載の半導体装置。 - 前記複数のゲートトレンチは、2μm〜5μmのピッチのストライプ状に形成されてい
る、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ゲートトレンチの幅は、0.2μm〜0.8μmである、請求項1〜9のいずれか
一項に記載の半導体装置。
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