JP6561611B2 - 半導体装置 - Google Patents

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本発明は、半導体装置に関する。
従来、半導体素子において基板表面に設けたトレンチ内にゲート等の電極を形成する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。トレンチ間のメサ部にエミッタ等の電極が接続される。
[先行技術文献]
[特許文献]
特許文献1 特開2002−353456号公報
半導体素子を微細化していくと、メサ部の幅も減少する。このため、メサ部と電極とが接触する面積が減少し、メサ部と電極とのコンタクト抵抗が上昇してしまう。この結果、オン電圧が上昇してしまう。
本発明の第1の態様においては、第1導電型の半導体基板と、半導体基板の表面に形成されたダミートレンチ部と、半導体基板の表面の上方に形成された、金属を含む第1表面側電極とを備え、半導体基板は、半導体基板の表面から見て順番に設けられた第1導電型のエミッタ領域と、第2導電型のベース領域とを有し、ダミートレンチ部は、半導体基板の表面からエミッタ領域およびベース領域を貫通して形成されたダミートレンチと、ダミートレンチの内部に形成されたダミー導電部とを有し、ダミートレンチの側壁にエミッタ領域の少なくとも一部が露出しており、第1表面側電極は、ダミートレンチの側壁においてエミッタ領域と接触する半導体装置を提供する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
半導体装置100の一例を示す平面図である。 図1におけるa−a'断面の一例を示す図である。 図1におけるb−b'断面の一例を示す図である。 ダミートレンチ部30の周辺の構造を拡大した拡大断面図である。 ダミートレンチ部30の他の構造例を示す拡大断面図である。 ダミートレンチ部30の周辺構造の他の例を示す拡大断面図である。 a−a'断面における半導体装置100の他の構造例を示す図である。 比較例に係る半導体装置200の構成を示す図である。 図6におけるc−c'断面を示す。 図6におけるd−d'断面を示す。 オン電圧Vonと、ターンオフ損失Eoffとの関係を示す。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、半導体装置100の一例を示す平面図である。本例の半導体装置100は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のトランジスタを含むトランジスタ部70、および、FWD(Free Wheel Diode)等のダイオードを含むダイオード部80を有する半導体チップである。図1においてはチップ端部周辺のチップ表面を示しており、他の領域を省略している。
また、図1においては半導体装置100における半導体基板の活性領域を示すが、半導体装置100は、活性領域を囲んで耐圧構造部を有してよい。活性領域は、半導体装置100をオン状態に制御した場合に電流が流れる領域を指す。耐圧構造部は、半導体基板の表面側の電界集中を緩和する。耐圧構造部は、例えばガードリング、フィールドプレート、リサーフおよびこれらを組み合わせた構造を有する。
本例の半導体装置100は、チップの表面側において、ゲート電極50、エミッタ電極52、ゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30、エミッタトレンチ部60、ウェル領域17、エミッタ領域12、ベース領域14、コンタクト領域15、コンタクトホール54およびコンタクトホール55を有する。エミッタ電極52は、第1表面側電極の一例であり、ゲート電極50は第2表面側電極の一例である。
ゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30、エミッタトレンチ部60、ウェル領域17、エミッタ領域12、ベース領域14およびコンタクト領域15は、半導体基板の表面側の内部に形成され、エミッタ電極52およびゲート電極50は、半導体基板の表面の上方に設けられる。
エミッタ電極52およびゲート電極50と、半導体基板の表面との間には層間絶縁膜が形成されるが、図1では省略している。コンタクトホール54およびコンタクトホール55は、当該層間絶縁膜を貫通して形成される。エミッタ電極52は、コンタクトホール54を通って半導体基板と接触する。ゲート電極50は、コンタクトホール55を通って半導体基板と接触する。
エミッタ電極52およびゲート電極50は、金属を含む材料で形成される。例えば、各電極の少なくとも一部の領域はアルミで形成される。各電極は、タングステンを含む材料で形成される領域を有してもよい。
1以上のゲートトレンチ部40および1以上のダミートレンチ部30は、トランジスタ部70の領域において所定の配列方向に沿って所定の間隔で配列される。ダミートレンチ部30は、半導体基板の表面において予め定められた延伸方向に延伸して形成される。本例におけるダミートレンチ部30は直線形状を有しており、上述した配列方向とは垂直な方向に延伸して形成される。
ゲートトレンチ部40は、対向部41および突出部43を有する。対向部41は、ダミートレンチ部30と対向する範囲において、上述した延伸方向に延伸して形成される。つまり、対向部41は、ダミートレンチ部30と平行に形成される。突出部43は、対向部41から更に延伸して、ダミートレンチ部30と対向しない範囲に形成される。本例において、ダミートレンチ部30の両側に設けられた2つの対向部41が、1つの突出部43により接続される。突出部43の少なくとも一部は曲線形状を有してよい。
突出部43を覆う絶縁層に、コンタクトホール55が形成される。コンタクトホール55は、突出部43において対向部41から最も離れた領域に対応して形成されてよい。本例の突出部43は、対向部41から最も離れた領域において、対向部41とは直交する方向に延伸する部分を有する。コンタクトホール55は、突出部43の当該部分に対応して形成されてよい。
エミッタトレンチ部60は、ダイオード部80の領域に設けられる。エミッタトレンチ部60は、ゲートトレンチ部40と同様の形状を有してよい。ただし、エミッタトレンチ部60の延伸方向における長さは、ゲートトレンチ部40よりも短くてよい。本例のエミッタトレンチ部60の長さは、ダミートレンチ部30と同一である。
ゲート電極50は、突出部43の一部を覆って形成される。ゲート電極50は、突出部43においてコンタクトホール55が設けられた部分を覆って形成される。本例のゲート電極50は、対向部41、ダミートレンチ部30およびエミッタトレンチ部60の上方には形成されない。
エミッタ電極52は、ゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30、エミッタトレンチ部60、ウェル領域17、エミッタ領域12、ベース領域14およびコンタクト領域15の上方に形成される。本例のエミッタ電極52は、ウェル領域17およびゲートトレンチ部40の一部を覆って形成される。
ウェル領域17は、ゲート電極50が設けられる側の半導体基板の端部から、所定の範囲で形成される。ダミートレンチ部30、エミッタトレンチ部60および対向部41の、ゲート電極50側の一部の領域はウェル領域17に形成される。突出部43は、全体がウェル領域17に形成されてよい。半導体基板は第1導電型を有し、ウェル領域17は半導体基板とは異なる第2導電型を有する。本例の半導体基板はN−型であり、ウェル領域17はP+型である。本例においては、第1導電型をN型として、第2導電型をP型として説明する。ただし、第1および第2導電型は逆の導電型であってもよい。
各トレンチ部に挟まれる領域には、ベース領域14が形成される。ベース領域14は、ウェル領域17よりも不純物濃度の低い第2導電型である。本例のベース領域14はP−型である。
ベース領域14の表面には、ベース領域14よりも不純物濃度の高い第2導電型のコンタクト領域15が形成される。本例のコンタクト領域15はP+型である。また、トランジスタ部70においては、コンタクト領域15の表面の一部に、半導体基板よりも不純物濃度が高い第1導電型のエミッタ領域12が選択的に形成される。本例のエミッタ領域12はN+型である。
コンタクト領域15およびエミッタ領域12のそれぞれは、隣接する一方のトレンチ部から、他方のトレンチ部まで形成される。トランジスタ部70の1以上のコンタクト領域15および1以上のエミッタ領域12は、各トレンチ部に挟まれる領域において、トレンチ部の延伸方向に沿って交互に露出するように形成される。
トランジスタ部70において、コンタクトホール54は、コンタクト領域15、エミッタ領域12およびダミートレンチ部30の各領域の上方に形成される。エミッタ領域12とエミッタ電極52との接触面積を最大化すべく、コンタクトホール54は、隣接する一方のトレンチ部から、他方のトレンチ部まで形成される。また、コンタクトホール54は、エミッタ領域12の表面の全範囲を露出させるように形成されてよい。また、コンタクトホール54は、コンタクト領域15の表面の全範囲も露出させるように形成されてよい。ただし、コンタクトホール54は、ベース領域14およびウェル領域17に対応する領域には形成されない。
また、コンタクトホール54は、ゲートトレンチ部40の上方には形成されなくてよく、形成されてもよい。ただし、ゲートトレンチ部40の上方にコンタクトホール54が形成される場合、ゲートトレンチ部40のトレンチ内の上端に、トレンチ内の電極とエミッタ電極52とを絶縁する絶縁部が形成される。
また、コンタクトホール54は、エミッタ領域12に対向する範囲のダミートレンチ部30を露出させるように形成される。本例のコンタクトホール54は、エミッタ領域12およびコンタクト領域15に対向する範囲のダミートレンチ部30を露出させる。後述するように、ダミートレンチ部30のトレンチ内壁には、エミッタ領域12が露出する。エミッタ電極52は、コンタクトホール54を通り、ダミートレンチ部30のトレンチ内まで形成される。
これによりエミッタ電極52は、半導体基板の表面に露出したエミッタ領域12の表面だけでなく、ダミートレンチ部30のトレンチ内壁に露出したエミッタ領域12の側面とも接触することができ、エミッタ領域12とのコンタクト抵抗を低下させることができる。このため、半導体装置100のオン電圧を低下させることができる。
また、ダミートレンチ部30のトレンチ内壁には、コンタクト領域15も露出する。エミッタ電極52は、ダミートレンチ部30のトレンチ内壁に露出したコンタクト領域15とも接触してよい。これにより、エミッタ電極52とコンタクト領域15とのコンタクト抵抗も低下させることができる。
また、ダイオード部80において、コンタクトホール54は、コンタクト領域15、ベース領域14およびエミッタトレンチ部60の各領域の上方に形成される。本例のコンタクトホール54は、複数のベース領域14のうち、最もゲート電極50に近いベース領域14に対しては形成されない。本例においてトランジスタ部70のコンタクトホール54と、ダイオード部80のコンタクトホール54とは、各トレンチ部の延伸方向において同一の長さを有する。
ダイオード部80において、コンタクト領域15およびベース領域14と、エミッタ電極52との接触面積を最大化すべく、コンタクトホール54は、隣接する一方のトレンチ部から、他方のトレンチ部まで形成される。ただし、コンタクトホール54は、ベース領域14およびウェル領域17に対応する領域には形成されない。
また、コンタクトホール54は、エミッタトレンチ部60を露出させるように形成される。ダミートレンチ部30と同様に、エミッタトレンチ部60のトレンチ内壁には、コンタクト領域15およびベース領域14が露出する。エミッタ電極52は、コンタクトホール54を通り、エミッタトレンチ部60のトレンチ内まで形成される。
これによりエミッタ電極52は、半導体基板の表面に露出したコンタクト領域15およびベース領域14の表面だけでなく、エミッタトレンチ部60のトレンチ内壁に露出したコンタクト領域15およびベース領域14の側面とも接触することができる。従って、コンタクト領域15およびベース領域14とのコンタクト抵抗を低下させることができる。
図2は、図1におけるa−a'断面の一例を示す図である。本例の半導体装置100は、当該断面において、半導体基板10、エミッタ電極52およびコレクタ電極24を有する。エミッタ電極52は、半導体基板10の表面に形成される。エミッタ電極52は、エミッタ端子53と電気的に接続される。
コレクタ電極24は、半導体基板10の裏面に形成される。コレクタ電極24は、コレクタ端子と電気的に接続される。エミッタ電極52およびコレクタ電極24は、金属等の導電材料で形成される。また本明細書において、基板、層、領域等の各部材のエミッタ電極52側の面を表面、コレクタ電極24側の面を裏面または底部と称する。また、エミッタ電極52とコレクタ電極24とを結ぶ方向を深さ方向と称する。
半導体基板10は、シリコン基板であってよく、炭化シリコン基板、窒化物半導体基板等であってもよい。半導体基板10の表面側には、P−型のベース領域14が形成される。また、N+型のエミッタ領域12が、ベース領域14の表面側における一部の領域に選択的に形成される。
また、半導体基板10は、N+型の蓄積領域16、N−型のドリフト領域18、N−型のバッファ領域20、P+型のコレクタ領域22、および、N+型のカソード領域82を更に有する。蓄積領域16は、ベース領域14の裏面側に形成される。蓄積領域16の不純物濃度は、ドリフト領域18の不純物濃度よりも高い。
蓄積領域16は、隣接するトレンチ間に形成される。例えばトランジスタ部70において蓄積領域16は、ダミートレンチ部30およびゲートトレンチ部40の間に形成される。蓄積領域16は、ダミートレンチ部30およびゲートトレンチ部40の間の全領域を覆うように設けられてよい。蓄積領域16を設けることで、IE効果を高めて、オン電圧を低減することができる。
ドリフト領域18は、蓄積領域16の裏面側に形成される。バッファ領域20は、ドリフト領域18の裏面側に形成される。バッファ領域20の不純物濃度は、ドリフト領域18の不純物濃度よりも高い。バッファ領域20は、ベース領域14の裏面側から広がる空乏層が、コレクタ領域22およびカソード領域82に到達することを防ぐフィールドストップ層として機能してよい。
コレクタ領域22は、トランジスタ部70の領域において、バッファ領域20の裏面側に形成される。カソード領域82は、ダイオード部80の領域において、バッファ領域20の裏面側に形成される。また、コレクタ領域22およびカソード領域82の裏面にはコレクタ電極24が設けられる。
半導体基板10の表面側には、1以上のゲートトレンチ部40、1以上のダミートレンチ部30、および、1以上のエミッタトレンチ部60が形成される。各トレンチ部は、半導体基板10の表面から、ベース領域14を貫通して、ドリフト領域18に到達する。本例においてゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30は、半導体基板10の表面から、エミッタ領域12、ベース領域14および蓄積領域16を貫通して、ドリフト領域18に到達する。また、エミッタトレンチ部60は、半導体基板10の表面から、ベース領域14および蓄積領域16を貫通して、ドリフト領域18に到達する。
ゲートトレンチ部40は、半導体基板10の表面側に形成されたゲートトレンチ、絶縁膜42、ゲート導電部44およびゲート絶縁部37を有する。絶縁膜42は、ゲートトレンチの内壁を覆って形成される。絶縁膜42は、ゲートトレンチの内壁の半導体を酸化または窒化して形成してよい。ゲート導電部44は、ゲートトレンチの内部において絶縁膜42よりも内側に形成される。つまり絶縁膜42は、ゲート導電部44と半導体基板10とを絶縁する。ゲート導電部44は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。
ゲート絶縁部37は、ゲート導電部44の上方に形成され、ゲート導電部44とエミッタ電極52とを絶縁する。本例のゲート絶縁部37は、ゲートトレンチ内部に形成される。ゲート絶縁部37は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、または、その他の絶縁材料を含む。ゲート絶縁部37の深さ方向における厚みは、絶縁膜42のゲートトレンチ底部における厚みよりも大きくてよい。
本例において、ゲート絶縁部37の半導体基板10側の端面の少なくとも一部は、半導体基板10の表面と同じ高さである。一例として、ゲート絶縁部37の当該端面の全体が、半導体基板10の表面と同一面に形成されてよい。これにより、半導体基板10の表面の凹凸を低減して、半導体基板10の表面の上方に積層する構造を容易に形成できる。
ゲート導電部44は、少なくとも隣接するベース領域14と対向する領域を含む。それぞれのゲート導電部44は、ゲート端子51に電気的に接続される。本例では、図1に示したように突出部43においてゲート導電部44がゲート電極50と電気的に接続する。また、ゲート電極50がゲート端子51に電気的に接続する。ゲート端子51を介してゲート導電部44に所定の電圧が印加されると、ベース領域14のうちゲートトレンチに接する界面の表層にチャネルが形成される。
ダミートレンチ部30は、半導体基板10の表面側に形成されたダミートレンチ、絶縁膜32およびダミー導電部34を有する。絶縁膜32は、ダミートレンチの内壁を覆って形成される。ただし、絶縁膜32は、ダミートレンチの基板表面側の端部近傍には形成されない。これにより、ダミートレンチの側壁には、エミッタ領域12の少なくとも一部が露出する。絶縁膜32は、ダミートレンチの内壁の半導体を酸化または窒化して形成し、ダミートレンチ内に所定の厚みのダミー導電部34を形成した後に、ダミー導電部34により覆われていない酸化または窒化膜を除去することで形成してよい。
ダミー導電部34は、ダミートレンチの内部において絶縁膜32よりも内側に形成される。本例のダミー導電部34は、ダミートレンチの内部において絶縁膜32に覆われていない半導体基板10には接触しない。他の例では、ダミー導電部34は、ダミートレンチの側壁に露出するエミッタ領域12の一部と接触していてもよい。絶縁膜32は、ダミー導電部34と半導体基板10とを絶縁する。ダミー導電部34は、ゲート導電部44と同一の材料で形成されてよい。例えばダミー導電部34は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。ダミー導電部34は、深さ方向においてゲート導電部44と同一の長さを有してよい。
エミッタ電極52は、ダミートレンチの側壁においてエミッタ領域12と接触し、且つ、ダミートレンチの内部においてダミー導電部34と接触する。エミッタ電極52は、ダミートレンチ内に配置されたプラグ部36を有してよい。プラグ部36が、ダミートレンチの側壁に露出したエミッタ領域12およびダミー導電部34と接触する。
プラグ部36は、半導体基板10の表面の上方に形成されたエミッタ電極52の領域と同一の材料で形成されてよく、異なる材料で形成されてもよい。一例として、プラグ部36はタングステンを含む材料で形成され、プラグ部36以外のエミッタ電極52はタングステンを含まない材料で形成される。プラグ部36をタングステンを含む材料で形成することで、微細なダミートレンチの内部にもプラグ部36を容易に形成することができる。また、プラグ部36は、深さ方向において、ゲート絶縁部37と同一の長さを有してよい。
本例の半導体装置100によれば、ダミートレンチ部30を設けることで、ドリフト領域へのキャリア注入促進効果(IE効果)を高めてオン電圧を低減することができる。そして、エミッタ電極52とエミッタ領域12とが、半導体基板10の表面だけでなく、ダミートレンチの側壁においても接触する。このため、エミッタ電極52とエミッタ領域12の間のコンタクト抵抗を低減して、オン電圧を低減することができる。また、半導体装置100を微細化しても、オン電圧を十分低く保つことができる。
本例においてゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30は、図2に示すように所定の配列方向において交互に配置される。また、各トレンチ部は一定の間隔で配置されてよい。ただし、各トレンチの配置は上記の例に限定されない。2つのダミートレンチ部30の間に複数のゲートトレンチ部40が配置されてよい。また、それぞれのダミートレンチ部30の間に設けられるゲートトレンチ部40の数は一定でなくともよい。ダミートレンチ部30およびゲートトレンチ部40の深さ方向における長さは同一であってよい。
ダイオード部80は、トランジスタ部70と隣接した領域に設けられる。ダイオード部80は、トランジスタ部70と同一層のベース領域14、蓄積領域16、ドリフト領域18およびバッファ領域20を有する。ダイオード部80のバッファ領域20の裏面側にはカソード領域82が設けられる。また、ダイオード部80は、1以上のエミッタトレンチ部60を有する。また、ダイオード部80には、エミッタ領域12が形成されない。
エミッタトレンチ部60は、ベース領域14の表面側からベース領域14および蓄積領域16を貫通して、ドリフト領域18まで到達して形成される。それぞれのエミッタトレンチ部60は、ダミートレンチ部30と同様に、絶縁膜62およびエミッタ導電部64を有する。エミッタトレンチ部60は、ダミートレンチ部30と同一の構造を有してよい。
つまり、エミッタトレンチ部60のエミッタトレンチの側壁には、ベース領域14が露出してよい。エミッタ電極52は、エミッタトレンチの内部に配置されるプラグ部36を有してよい。プラグ部36が、エミッタトレンチの側壁に露出したベース領域14と接触する。このような構成により、エミッタ電極52と、ベース領域14とのコンタクト抵抗を低減することができる。
また、本例におけるトランジスタ部70におけるトレンチ部の間隔と、ダイオード部80におけるエミッタトレンチ部60の間隔とは同一である。図2に示すように、トランジスタ部70においてゲートトレンチ部40とダミートレンチ部30とが交互に配置されている場合、ゲートトレンチ部40とダミートレンチ部30との間隔と、エミッタトレンチ部60どうしの間隔とが同一であってよい。また、エミッタトレンチ部60の絶縁膜62の厚さは、ダミートレンチ部30における絶縁膜32の厚さと同一であってよい。また、エミッタトレンチに配置されるプラグ部36の長さは、ダミートレンチに配置されるプラグ部36の長さと同一であってよい。
図3は、図1におけるb−b'断面の一例を示す図である。本例の半導体装置100は、当該断面において、半導体基板10、層間絶縁膜26、エミッタ電極52およびコレクタ電極24を有する。層間絶縁膜26は、ゲート電極50およびエミッタ電極52と、半導体基板10との間に形成される。層間絶縁膜26には、コンタクトホール54および55が形成される。
コンタクトホール54は、半導体基板10の表面において、エミッタ領域12およびコンタクト領域15の少なくとも一部を露出させる。エミッタ電極52は、コンタクトホール54を通過して、エミッタ領域12およびコンタクト領域15と接触する。
コンタクトホール55は、半導体基板10の表面において、ゲートトレンチ部40の突出部43の少なくとも一部を露出させる。コンタクトホール55により露出するゲートトレンチ部40のゲート絶縁部37には貫通孔が形成される。ゲート電極50は、ゲート電極50は、コンタクトホール55およびゲート絶縁部37の貫通孔を通過して、ゲート導電部44と接触する。
ゲート電極50は、ゲート絶縁部37の貫通孔を通過するプラグ部56を有する。プラグ部56は、図2に示したプラグ部36と同一の材料で形成されてよい。また、プラグ部56は、プラグ部36と深さ方向において同一の長さを有してよい。
次に、図1から図3に示した半導体装置100の製造方法の一例を説明する。ただし、半導体装置100の製造方法は本例に限定されない。まず、ドリフト領域18と同一の導電型(本例ではN−型として説明する)の半導体基板10を準備する。
次に、半導体基板10の表面に所定のパターンのエッチングマスクを設け、ゲートトレンチ部40、ダミートレンチ部30およびエミッタトレンチ部60用の複数のトレンチを形成する。トレンチを形成した後、トレンチの内壁に絶縁膜を形成する。そして、トレンチの内部に導電材料を充填する。
次に、半導体基板の表面側からP型不純物を注入して、1100度程度の温度で2時間程度の熱処理を行い、半導体基板10の表面全体に、トレンチよりも浅いP型ベース領域14を形成する。次に、半導体基板10の表面側からN型不純物を注入して、ベース領域14より深く、トレンチよりも浅いN型蓄積領域16を形成する。例えば、加速電圧2.8MeV、5.0×1012/cm程度でリンをイオン注入することで、N型蓄積領域16を形成する。
次に、エミッタ領域12に対応する部分が開口したマスクを用いて、半導体基板10の表面側からN型不純物を選択的に注入する。これにより、P型ベース領域14の内部にN+型エミッタ領域12を選択的に形成する。
その後、半導体基板10の表面側に層間絶縁膜26を形成する。層間絶縁膜26は、トレンチ内において、導電部の上方にも形成される。ゲートトレンチ内に形成された層間絶縁膜26がゲート絶縁部37として機能する。そして、ダミートレンチおよびエミッタトレンチの上部に形成された絶縁膜を除去して、エミッタ領域12の側面をトレンチ内に露出させる。
また、ゲートトレンチ部40の突出部43において、ゲート絶縁部37に貫通孔を形成する。また、層間絶縁膜26にコンタクトホール54およびコンタクトホール55を形成する。そして、エミッタ電極52およびゲート電極50を形成する。プラグ部36およびプラグ部56を形成してから、半導体基板10の表面に各電極を形成してよい。
次に、半導体基板10の裏面側から例えば1.0×1014/cm程度でセレンをイオン注入した後、900度程度の温度で2時間程度の熱処理を行う。これにより、半導体基板10の裏面側にN+型のバッファ領域20を形成する。残った半導体基板10のN−型の領域がドリフト領域18になる。拡散係数の大きいセレンを用いることで、深い位置にバッファ領域20を形成できる。また、バッファ領域20を形成する前に、半導体基板10を研磨して、厚みを調整してもよい。
セレンのイオン注入に代えて、プロトンを異なるドーズ量で複数回イオン注入することで、N+型バッファ領域20を形成してもおい。これにより、不純物濃度が基板表面側から基板裏面側に向けて不純物濃度が増加するバッファ領域20を形成できる。
次に、半導体基板10の裏面側から例えば1.0×1013/cm以上、4.0×1013/cm以下のドーズ量でP型不純物をイオン注入する。これにより、半導体基板10の裏面側に、バッファ領域20よりも薄いP+型コレクタ領域22を形成する。P型不純物のドーズ量が1.0×1013/cm未満の場合、コレクタ領域とコレクタ電極とがオーミック接合できないので、好ましくない。また、ダイオード部80においては、カソード領域82を形成する。そして、半導体基板10の裏面側にコレクタ電極24等を適宜形成する。
図4Aは、ダミートレンチ部30の周辺の構造を拡大した拡大断面図である。上述したように、ダミートレンチは、半導体基板10の表面から、エミッタ領域12、ベース領域14および蓄積領域16を貫通して形成される。
ダミートレンチ内には絶縁膜32およびダミー導電部34が形成される。ただし、ダミートレンチの半導体基板10の表面近傍には、絶縁膜32およびダミー導電部34が形成されない。これにより、ダミートレンチの側壁にエミッタ領域12の側面が露出する。
ダミートレンチ内の絶縁膜32およびダミー導電部34が形成されない領域には、エミッタ電極52の一部であるプラグ部36が設けられる。プラグ部36は、ダミートレンチの側壁に露出したエミッタ領域12と接触する。ダミートレンチの側壁に露出するエミッタ領域12の深さ方向における長さは、エミッタ領域12の全体の長さの半分以上であってよく、3/4以上であってもよい。また、エミッタ領域12の深さ方向の全体が、ダミートレンチの側壁に露出してもよい。このような構成により、エミッタ電極52とエミッタ領域12とが接触する面積を増大させて、コンタクト抵抗を低減することができる。
図4Bは、ダミートレンチ部30の他の構造例を示す拡大断面図である。本例のダミートレンチ部30は、ダミートレンチの側壁にエミッタ領域12と、ベース領域14の少なくとも一部とが露出する。ダミートレンチの側壁には、エミッタ領域12の側面全体と、ベース領域14の側面の一部が露出してよい。ベース領域14の側面は、深さ方向の長さの半分以下がダミートレンチの側壁に露出してよく、半分より大きい部分がダミートレンチの側壁に露出してよく、3/4以上が露出してもよい。また、蓄積領域16の側面は、ダミートレンチの側壁に露出しない。
エミッタ電極52は、ダミートレンチの側壁においてエミッタ領域12およびベース領域14と接触する。本例では、エミッタ電極52のプラグ部36が、エミッタ領域12およびベース領域14と接触する。
本例の半導体装置100によれば、エミッタ領域12がベース領域14とも接触するので、半導体装置100のオフ時に、ドリフト領域18の正孔キャリアを、ベース領域14およびエミッタ電極52を介して引き抜くことができる。このため、半導体装置100のスイッチング速度を向上させることができる。
図4Cは、ダミートレンチ部30の周辺構造の他の例を示す拡大断面図である。本例のエミッタ領域12は、エミッタ電極52と接触する部分の少なくとも一部に、第2導電型(本例ではP型)の不純物がドープされたドープ領域19を有する。本例のドープ領域19はP+型である。
ドープ領域19は、ベース領域14と接触してよい。またドープ領域19は、ダミートレンチの側壁に露出するエミッタ領域12の側面全体に設けられてよい。ドープ領域19は、半導体基板10の表面におけるエミッタ領域12の一部にも設けられてよい。ドープ領域19は、エミッタ電極52を形成する前に、ダミートレンチの側壁に対して斜め方向から不純物を注入することで形成できる。
また、ベース領域14がダミートレンチの側壁に露出する場合、エミッタ電極52と接触するベース領域14の側面にもドープ領域19が形成されてよい。この場合、ベース領域14は、エミッタ電極52と接触する部分の少なくとも一部(本例ではドープ領域19)の不純物濃度が、エミッタ電極52と接触しない部分(本例ではドープ領域19以外の部分)の不純物濃度より高い。
このような構成により、半導体装置100のオフ時に、ドリフト領域18の正孔キャリアを、ドープ領域19を介して引き抜くことができる。このため、半導体装置100のスイッチング速度を向上させることができる。
図5は、a−a'断面における半導体装置100の他の構造例を示す図である。本例におけるダミートレンチ部30のトレンチは、ゲートトレンチ部40のトレンチよりも深い位置まで形成される。また、ダミートレンチ部30がベース領域14の裏面側に突出する部分は、ゲートトレンチ部40がベース領域14の裏面側に突出する部分よりも長い。つまり、ダミートレンチ部30とコレクタ電極24との距離は、ゲートトレンチ部40とコレクタ電極24との距離よりも短い。
ダミー導電部34と、ゲート導電部44の深さ方向における長さは同一であってよい。これにより、ダミー導電部34とゲート導電部44とを同一のプロセスで形成できる。また、ゲート絶縁部37は、図5に示すように半導体基板10の表面に形成してよく、図2に示したようにゲートトレンチ内に形成してもよい。ダミートレンチ部30のサイズ以外の構造は、図2から図4Cに示したいずれかのダミートレンチ部30と同一である。
また、半導体基板10の表面側において、ゲートトレンチ部40の開口幅W2は、ダミートレンチ部30の開口幅W1よりも小さい。ここで開口幅とは、開口が有する幅のうち最大の幅を指してよい。開口が円形状の場合、開口幅は円形状の直径を指す。このような構成により、同一の工程でゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30のトレンチを形成することができる。
つまり、ダミートレンチ部30の開口幅W1を大きくすることで、同一のエッチング工程でゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30のトレンチを形成した場合に、ダミートレンチ部30の長さをゲートトレンチ部40よりも長くすることができる。このため、長さの異なるゲートトレンチ部40およびダミートレンチ部30を容易に形成することができる。
本例の半導体装置100によれば、ゲートトレンチ部40よりも長いダミートレンチ部30を設けることで、IE効果を高めることができる。このため、オン電圧を低減することができる。また、ゲートトレンチ部40とコレクタ電極24との距離を維持することができるので、コレクタゲート間容量を増大させずにIE効果を高めることができる。
図6は、比較例に係る半導体装置200の構成を示す図である。半導体装置200は、トランジスタ部270およびダイオード部280を有する。また半導体装置200の表面側には、ゲート電極250、エミッタ電極252、ゲートトレンチ部240、ダミートレンチ部230、エミッタトレンチ部260、ウェル領域217、エミッタ領域212、ベース領域214、コンタクト領域215、コンタクトホール226、228、249、254およびポリシリコン層221、225、248を有する。
図7は、図6におけるc−c'断面を示す。半導体装置200は、当該断面において、半導体基板210、エミッタ電極252、絶縁部238およびコレクタ電極224を有する。また、ゲート端子251がゲート導電部244に電気的に接続し、エミッタ端子253がエミッタ電極252に電気的に接続する。
半導体基板10には、ゲートトレンチ部240、ダミートレンチ部230、エミッタトレンチ部260、エミッタ領域212、ベース領域214、蓄積領域216、ドリフト領域218、バッファ領域220、コレクタ領域222およびカソード領域282が形成される。ゲートトレンチ部240は絶縁膜242およびゲート導電部244を有する。ダミートレンチ部230は、絶縁膜232およびダミー導電部234を有する。エミッタトレンチ部260は、絶縁膜262およびエミッタ導電部264を有する。
半導体装置200は、ダミートレンチ部230のトレンチの側壁にエミッタ領域212が露出しない。このため、エミッタ電極252と、エミッタ領域212とは、半導体基板210の表面でのみ接触する。半導体装置200を微細化すると、半導体基板210の表面に露出するエミッタ領域212の面積が小さくなり、エミッタ電極252とエミッタ領域212とのコンタクト抵抗が増大してしまう。
また、半導体装置200は、絶縁部238が半導体基板210の表面に形成される。この場合、ゲート導電部244とエミッタ電極252とを確実に絶縁するために、絶縁部238は、ゲートトレンチ部240よりも広い範囲を覆って設けられる。つまり、絶縁部238は、エミッタ領域212の表面の一部を覆ってしまう。このため、半導体基板210の表面に露出するエミッタ領域212の面積は更に小さくなる。従って、半導体装置200においては、半導体装置の微細化と、低いオン電圧とを両立することが困難である。
これに対して図1から図5に示した半導体装置100によれば、エミッタ電極52が、エミッタ領域12の表面および側面と接触することができる。このため、半導体装置100を微細化しても、エミッタ電極52とエミッタ領域12とのコンタクト抵抗を十分小さくすることができる。
また、図2に示した半導体装置100によれば、ゲート絶縁部37がゲートトレンチ内に形成されるので、ゲート絶縁部37がエミッタ領域12の表面を覆わない。このため、エミッタ電極52およびエミッタ領域12との接触面積を大きくすることができる。ただし、図5に示した構成であっても、エミッタ電極52が、エミッタ領域12の表面および側面と接触するので、半導体装置100を微細化しても、エミッタ電極52とエミッタ領域12とのコンタクト抵抗を小さくすることができる。
図8は、図6におけるd−d'断面を示す。半導体装置200は、当該断面において、半導体基板210、エミッタ電極252、ゲート電極250、コレクタ電極224、ポリシリコン層221、ポリシリコン層248および絶縁部238を備える。
ポリシリコン層221およびポリシリコン層248は、半導体基板210の表面に形成され、各トレンチ内の導電部と、エミッタ電極252またはゲート電極250とを接続する。半導体装置200は、半導体基板210の表面に選択的にポリシリコン層221およびポリシリコン層248を有する。このため、半導体基板210の表面に凹凸が生じてしまい、絶縁部238等の半導体基板210の表面の上方に形成される層の形成が容易ではなくなる。
これに対して半導体装置100によれば、エミッタ電極252およびゲート電極250が、各トレンチ内の導電部と直接接触するので、半導体基板10の表面にポリシリコン層を設けなくともよい。このため、半導体基板10の表面に凹凸を低減することができる。
図9は、オン電圧Vonと、ターンオフ損失Eoffとの関係を示す。半導体装置200について、オン電圧Vonを変化させた時のターンオフ損失Eoffを示している。半導体装置100について、所定のオン電圧Vonの時のターンオフ損失Eoffを示している。半導体装置200の例に示すように、オン電圧Vonと、ターンオフ損失Eoffはトレードオフの関係を有する。
一方、半導体装置100は、半導体装置200に比べて上述したトレードオフの関係が改善している。これは、半導体装置100は、半導体装置200に比べてエミッタ電極52およびエミッタ領域12のコンタクト抵抗が小さく、オン電圧Vonを小さくできるためである。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
なお、特許請求の範囲または明細書における「上」および「上方」と、「下」および「下方」とは、互いに逆の方向を指す。ただし、「上」および「上方」の用語は、重力方向と逆向きの方向に限定されない。また、「下」および「下方」の用語は、重力方向に限定されない。例えば、電気機器に実装された半導体装置において、ゲート電極等が、半導体基板の地面側の表面に配置されるような場合であっても、当該半導体装置が本発明に含まれうることは明らかである。
10・・・半導体基板、12・・・エミッタ領域、14・・・ベース領域、15・・・コンタクト領域、16・・・蓄積領域、17・・・ウェル領域、18・・・ドリフト領域、19・・・ドープ領域、20・・・バッファ領域、22・・・コレクタ領域、24・・・コレクタ電極、26・・・層間絶縁膜、30・・・ダミートレンチ部、32・・・絶縁膜、34・・・ダミー導電部、36・・・プラグ部、37・・・ゲート絶縁部、40・・・ゲートトレンチ部、41・・・対向部、42・・・絶縁膜、44・・・ゲート導電部、43・・・突出部、50・・・ゲート電極、51・・・ゲート端子、52・・・エミッタ電極、53・・・エミッタ端子、54・・・コンタクトホール、55・・・コンタクトホール、56・・・プラグ部、60・・・エミッタトレンチ部、62・・・絶縁膜、64・・・エミッタ導電部、70・・・トランジスタ部、80・・・ダイオード部、82・・・カソード領域、100・・・半導体装置、200・・・半導体装置、210・・・半導体基板、212・・・エミッタ領域、214・・・ベース領域、215・・・コンタクト領域、216・・・蓄積領域、217・・・ウェル領域、218・・・ドリフト領域、220・・・バッファ領域、221・・・ポリシリコン層、222・・・コレクタ領域、224・・・コレクタ電極、225・・・ポリシリコン層、226・・・コンタクトホール、228・・・コンタクトホール、230・・・ダミートレンチ部、232・・・絶縁膜、234・・・ダミー導電部、238・・・絶縁部、240・・・ゲートトレンチ部、242・・・絶縁膜、244・・・ゲート導電部、248・・・ポリシリコン層、249・・・コンタクトホール、250・・・ゲート電極、251・・・ゲート端子、252・・・エミッタ電極、253・・・エミッタ端子、254・・・コンタクトホール、260・・・エミッタトレンチ部、262・・・絶縁膜、264・・・エミッタ導電部、270・・・トランジスタ部、280・・・ダイオード部、282・・・カソード領域

Claims (16)

  1. 導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成されたゲートトレンチ部と、
    前記半導体基板の表面に形成されたダミートレンチ部と、
    前記半導体基板の表面の上方に形成された、金属を含む第1表面側電極と
    を備え、
    前記半導体基板は、前記半導体基板の表面から見て順番に設けられた第1導電型のエミッタ領域と、第2導電型のベース領域とを有し、
    前記ゲートトレンチ部は、
    前記半導体基板の前記エミッタ領域および前記ベース領域を貫通して形成されたゲートトレンチと、
    前記ゲートトレンチの内部に形成されたゲート導電部と、
    前記ゲート導電部の上方に形成され、前記ゲート導電部と前記第1表面側電極とを絶縁するゲート絶縁部と
    を有し、
    前記ダミートレンチ部は、
    前記半導体基板の表面から前記エミッタ領域および前記ベース領域を貫通して形成され、前記ゲートトレンチよりも深い位置まで形成されたたダミートレンチと、
    前記ダミートレンチの内部に形成され、深さ方向において前記ゲート導電部と同一の長さのダミー導電部と
    を有し、
    前記ダミートレンチの側壁に前記エミッタ領域の少なくとも一部が露出しており、
    前記第1表面側電極は、前記ダミートレンチの側壁において前記エミッタ領域の露出面と接触する半導体装置。
  2. 第1導電型のドリフト領域を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成されたダミートレンチ部と、
    前記半導体基板の表面に形成されたエミッタトレンチ部と、
    前記半導体基板の表面の上方に形成された、金属を含む第1表面側電極と
    を備え、
    前記半導体基板は、前記ダミートレンチ部を含むトランジスタ部と、前記エミッタトレンチ部を含むダイオード部とを有し、
    前記トランジスタ部において、前記半導体基板は、前記半導体基板の表面から見て順番に設けられた、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のエミッタ領域と、第2導電型のベース領域と、前記ドリフト領域と、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のバッファ領域と、第2導電型のコレクタ領域とを有し、
    前記ダイオード部において、前記半導体基板は、前記半導体基板の表面から見て順番に設けられた、第2導電型のベース領域と、前記ドリフト領域と、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のバッファ領域と、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のカソード領域とを有し、
    前記トランジスタ部および前記ダイオード部において前記ベース領域の上面には、前記ベース領域よりも高濃度の第2導電型のコンタクト領域が選択的に設けられ、
    前記ダミートレンチ部は、
    前記半導体基板の表面から前記ドリフト領域まで形成されたダミートレンチと、
    前記ダミートレンチの内部に形成されたダミー導電部と
    を有し、
    前記エミッタトレンチ部は、
    前記半導体基板の表面から前記ドリフト領域まで形成されたエミッタトレンチと、
    前記エミッタトレンチの内部に形成されたエミッタ導電部と
    を有し、
    前記ダミートレンチの側壁に前記エミッタ領域の少なくとも一部が露出しており、
    前記第1表面側電極は、前記ダミートレンチの側壁における前記エミッタ領域の露出面と接触し、
    前記エミッタトレンチの側壁に前記ベース領域の少なくとも一部が露出しており、
    前記第1表面側電極は、前記半導体基板の深さ方向で前記カソード領域と重なる前記エミッタトレンチの側壁において前記ベース領域の露出面と接触する半導体装置。
  3. 前記トランジスタ部は、前記ダミートレンチの側壁に露出せずに前記ベース領域と前記ドリフト領域との間に配置され、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型の蓄積領域を有する
    請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記ダイオード部は、前記エミッタトレンチの側壁に露出せずに前記ベース領域と前記ドリフト領域との間に配置され、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型の蓄積領域を有する
    請求項2に記載の半導体装置。
  5. 前記第1表面側電極は、前記ダミートレンチの内部において前記ダミー導電部とも接触する
    請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記ダミートレンチの側壁には、前記ベース領域の少なくとも一部が更に露出しており、
    前記第1表面側電極は、前記ダミートレンチの側壁において前記エミッタ領域および前記ベース領域と接触する
    請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記ダミートレンチ内において前記第1表面側電極と接触する前記エミッタ領域の少なくとも一部に、第2導電型の不純物がドープされた
    請求項1からのいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記ベース領域において、前記第1表面側電極と接触する部分の少なくとも一部の不純物濃度が、前記第1表面側電極と接触しない部分の不純物濃度より高い
    請求項に記載の半導体装置。
  9. 前記半導体基板の表面に形成されたゲートトレンチ部を更に備え、
    前記ゲートトレンチ部は、
    前記半導体基板の前記エミッタ領域および前記ベース領域を貫通して形成されたゲートトレンチと、
    前記ゲートトレンチの内部に形成されたゲート導電部と、
    前記ゲート導電部の上方に形成され、前記ゲート導電部と前記第1表面側電極とを絶縁するゲート絶縁部と
    を有する請求項に記載の半導体装置。
  10. 前記ゲート絶縁部は、前記ゲートトレンチの内部において前記ゲート導電部の上方に形成される
    請求項に記載の半導体装置。
  11. 前記ゲート絶縁部の前記半導体基板の表面側の端面の少なくとも一部は、前記半導体基板の表面と同じ高さであり、
    前記第1表面側電極は、前記ゲート絶縁部の前記端面と接触する
    請求項10に記載の半導体装置。
  12. 前記ダミートレンチは、前記ゲートトレンチよりも深い位置まで形成される
    請求項9から11のいずれか一項に記載の半導体装置。
  13. 前記ダミートレンチの幅は、前記ゲートトレンチの幅よりも大きい
    請求項12に記載の半導体装置。
  14. 前記ゲート導電部と、前記ダミー導電部とは同一の材料で形成される
    請求項9から13のいずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記ダミートレンチ部は、前記半導体基板の表面において予め定められた延伸方向に延伸して形成され、
    前記ゲートトレンチ部は、
    前記ダミートレンチ部と対向する範囲において前記延伸方向に延伸して形成された対向部と、
    前記対向部から更に延伸して、前記ダミートレンチ部と対向しない範囲に形成された突出部と
    を有し、
    前記突出部の上方に形成された第2表面側電極を更に備え、
    前記突出部における前記ゲート導電部が、前記第2表面側電極と電気的に接続する
    請求項9から14のいずれか一項に記載の半導体装置。
  16. 前記半導体基板は、第1導電型のドリフト領域を有し、
    前記半導体装置は、前記半導体基板の表面に形成されたエミッタトレンチ部を更に備え、
    前記半導体基板は、前記ダミートレンチ部を含むトランジスタ部と、前記エミッタトレンチ部を含むダイオード部とを有し、
    前記トランジスタ部において、前記半導体基板は、前記半導体基板の表面から見て順番に設けられた、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のエミッタ領域と、第2導電型のベース領域と、前記ドリフト領域と、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のバッファ領域と、第2導電型のコレクタ領域とを有し、
    前記ダイオード部において、前記半導体基板は、前記半導体基板の表面から見て順番に設けられた、第2導電型のベース領域と、前記ドリフト領域と、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のバッファ領域と、前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型のカソード領域とを有し、
    前記エミッタトレンチ部は、
    前記半導体基板の表面から前記ドリフト領域まで形成されたエミッタトレンチと、
    前記エミッタトレンチの内部に形成されたエミッタ導電部と
    を有し、
    前記エミッタトレンチの側壁に前記ベース領域の少なくとも一部が露出しており、
    前記第1表面側電極は、前記半導体基板の深さ方向で前記カソード領域と重なる前記エミッタトレンチの側壁において前記ベース領域と接触する
    請求項1に記載の半導体装置。
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