JP6561874B2 - 縦型トランジスタおよび電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置および電力変換装置に関する。
半導体装置（半導体デバイス、半導体素子）には、トレンチ（溝部）にゲート電極を形成したトレンチゲート構造を有する縦型トランジスタが知られている。特許文献１には、縦型トランジスタにおいて、オン抵抗の低減を目的として、ドリフト層とチャネル層との間におけるトレンチが存在する深さに、電流分散層を設けることが開示されている。この電流分散層は、ドリフト層と同じ導電特性でドリフト層よりも高いキャリア濃度を有する。
本発明者によれば、特許文献１の技術では、ドリフト層（ｎ型）とチャネル層（ｐ型）とのｐｎ接合界面に形成される空乏層が電流分散層に広がることによって、電流分散層における電流の分散が阻害されるため、オン抵抗を十分に低減できないという結果を得た。また、特許文献１の技術において、空乏層の影響を抑制することを目的として、電流分散層のキャリア濃度をより高濃度にした場合や、電流分散層の厚さをより厚くした場合には、トレンチの角部に電界が集中しやすくなるため、耐圧が低下するという問題があった。そのため、トレンチゲート構造を有する縦型トランジスタにおいて、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる技術が望まれていた。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、以下の形態として実現できる。
本発明の第１の形態は、縦型トランジスタであって、
面方向に広がる基板と、
前記基板より上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち一方の特性を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち前記一方の特性とは異なる他方の特性を有する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に位置し、前記一方の特性を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層から前記第２の半導体層を貫通し前記第１の半導体層にまで落ち込んだトレンチと、
前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と
前記絶縁膜を介して前記トレンチに形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記面方向に直交する厚さ方向においてピークを形成し、
前記第１の半導体層においてキャリア濃度がピークとなる高濃度キャリア領域は、前記トレンチから前記基板側に離れた位置で前記面方向に広がり、さらに、
前記第２の半導体層と前記高濃度キャリア領域との間に、前記他方の特性を有する第３の領域を有し、
前記面方向において、前記第３の領域は、前記トレンチから離れて位置し、
前記厚さ方向において、前記第３の領域は、前記高濃度キャリア領域から離れて位置する、縦型トランジスタである。
本発明の第２の形態は、縦型トランジスタであって、
面方向に広がる基板と、
前記基板より上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち一方の特性を有し、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち前記一方の特性とは異なる他方の特性を有する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に位置し、前記一方の特性を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層から前記第２の半導体層を貫通し前記第１の半導体層にまで落ち込んだトレンチと、
前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と
前記絶縁膜を介して前記トレンチに形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記面方向に直交する厚さ方向においてピークを形成し、
前記第１の半導体層においてキャリア濃度がピークとなる高濃度キャリア領域は、前記トレンチから前記基板側に離れた位置で前記面方向に広がり、
同一形状を成す複数のセルが前記面方向へと規則的に並ぶ構造を有し、
前記第２の半導体層から前記高濃度キャリア領域までの距離は、前記セルのセルピッチの半分以下である、縦型トランジスタである。
また、本発明は、以下の形態としても実現できる。
本発明の第１の形態は、縦型トランジスタであって、
面方向に広がる基板と、
前記基板より上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち一方の特性を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち前記一方の特性とは異なる他方の特性を有する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に位置し、前記一方の特性を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層から前記第２の半導体層を貫通し前記第１の半導体層にまで落ち込んだトレンチと、
前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と
前記絶縁膜を介して前記トレンチに形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記面方向に直交する厚さ方向においてピークを形成し、
前記第１の半導体層においてキャリア濃度がピークとなる高濃度キャリア領域は、前記トレンチから前記基板側に離れた位置で前記面方向に広がり、さらに、
前記第２の半導体層と前記高濃度キャリア領域との間に、前記他方の特性を有する第３の領域を有し、
前記面方向において、前記第３の領域は、前記トレンチから離れて位置し、
前記厚さ方向において、前記第３の領域は、前記高濃度キャリア領域から離れて位置する、縦型トランジスタである。
本発明の第２の形態は、縦型トランジスタであって、
面方向に広がる基板と、
前記基板より上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち一方の特性を有し、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち前記一方の特性とは異なる他方の特性を有する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に位置し、前記一方の特性を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層から前記第２の半導体層を貫通し前記第１の半導体層にまで落ち込んだトレンチと、
前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と
前記絶縁膜を介して前記トレンチに形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記面方向に直交する厚さ方向においてピークを形成し、
前記第１の半導体層においてキャリア濃度がピークとなる高濃度キャリア領域は、前記トレンチから前記基板側に離れた位置で前記面方向に広がり、
同一形状を成す複数のセルが前記面方向へと規則的に並ぶ構造を有し、
前記第２の半導体層から前記高濃度キャリア領域までの距離は、前記セルのセルピッチの半分以下である、縦型トランジスタである。
また、本発明は、以下の形態としても実現できる。
（１）本発明の一形態は、半導体装置を提供する。この半導体装置は、面方向に広がる基板と；前記基板より上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち一方の特性を有する第１の半導体層と；前記第１の半導体層の上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち前記一方の特性とは異なる他方の特性を有する第２の半導体層と；前記第２の半導体層の上に位置し、前記一方の特性を有する第３の半導体層と；前記第３の半導体層から前記第２の半導体層を貫通し前記第１の半導体層にまで落ち込んだトレンチと；前記トレンチの表面を覆う絶縁膜とを備え、前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記面方向に直交する厚さ方向においてピークを形成し、前記第１の半導体層においてキャリア濃度がピークとなる高濃度キャリア領域は、前記トレンチから前記基板側に離れた位置で前記面方向に広がる。この形態によれば、第１の半導体層におけるトレンチから基板側に離れた位置に高濃度キャリア領域が存在するため、第１の半導体層と第２の半導体層とのｐｎ接合界面に形成される空乏層が高濃度キャリア領域に与える影響を軽減できる。これによって、第２の半導体層に形成されるチャネルを経由して第１の半導体層に流れ込む電流を、第１の半導体層におけるトレンチから基板側に離れた高濃度キャリア領域において面方向へと十分に分散させることができる。その結果、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。
（２）上述した半導体装置において、前記高濃度キャリア領域におけるキャリア濃度は、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．０×１０18ｃｍ-3以下であってもよい。この形態によれば、面方向へと電流を十分に分散させつつ、耐圧を十分に確保できる。
（３）上述した半導体装置において、前記高濃度キャリア領域は、前記基板より前記第２の半導体層に近い位置に存在してもよい。この形態によれば、チャネルを経由して第１の半導体層に流れ込む電流を効果的に分散させることができる。
（４）上述した半導体装置において、前記高濃度キャリア領域の厚さは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であってもよい。この形態によれば、面方向へと電流を十分に分散させつつ、耐圧を十分に確保できる。
（５）上述した半導体装置において、前記第１の半導体層は、更に、前記高濃度キャリア領域より基板側に位置する第１の領域と；前記高濃度キャリア領域より第２の半導体層側に位置する第２の領域とを含み、前記第１の領域におけるキャリア濃度は、前記第２の領域におけるキャリア濃度と等しい。この形態によれば、耐圧を十分に確保できる。
（６）上述した半導体装置において、同一形状を成す複数のセルが前記面方向へと規則的に並ぶ構造を有し、前記第２の半導体層から前記高濃度キャリア領域までの距離は、前記セルのセルピッチの半分以下であってもよい。この形態によれば、面方向へと電流を十分に分散させることができる。
（７）上述した半導体装置において、前記第１の半導体層は、化合物半導体から主に成ってもよい。この形態によれば、化合物半導体を用いた半導体装置において、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。
（８）上述した半導体装置において、前記第１の半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ってもよい。この形態によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体装置において、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。
（９）上述した半導体装置において、さらに、前記第２の半導体層と前記高濃度キャリア領域との間に、前記他方の特性を有する第３の領域を備え、前記面方向において、前記第３の領域は、前記トレンチから離れて位置してもよい。この形態によれば、トレンチの底面の外周付近に電界が集中することを緩和できるため、耐圧の低下をより効果的に抑制できる。
（１０）上述した半導体装置において、前記厚さ方向において、前記第３の領域は、前記高濃度キャリア領域から離れて位置してもよい。この形態によれば、オン抵抗をより効果的に低減できる。
本発明は、半導体装置以外の種々の形態で実現でき、例えば、上記形態の半導体装置を備える電力変換装置、上記形態の半導体装置を製造する製造方法、ならびに、その製造方法を実施する製造装置などの形態で実現できる。
本願発明によれば、第１の半導体層におけるトレンチから基板側に離れた位置に高濃度キャリア領域が存在するため、第１の半導体層と第２の半導体層とのｐｎ接合界面に形成される空乏層が高濃度キャリア領域に与える影響を軽減できる。これによって、第２の半導体層に形成されるチャネルを経由して第１の半導体層に流れ込む電流を、第１の半導体層におけるトレンチから基板側に離れた高濃度キャリア領域において面方向へと十分に分散させることができる。その結果、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。
Ａ．第１実施形態
図１は、半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図２は、半導体装置１００の拡大断面図である。
図１は、半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図２は、半導体装置１００の拡大断面図である。
図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、図１の紙面左から紙面右に向かう軸である。＋Ｘ軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、紙面左に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、図１の紙面手前から紙面奥に向かう軸である。＋Ｙ軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、図１の紙面下から紙面上に向かう軸である。＋Ｚ軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、紙面下に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。
半導体装置１００は、トレンチゲート構造を有する縦型トランジスタである。本実施形態では、半導体装置１００は、縦型トレンチＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。本実施形態では、半導体装置１００は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。本実施形態では、半導体装置１００は、化合物半導体の１つである窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置である。
半導体装置１００は、同一形状を成す複数のセルＣＬが面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方）へと規則的に並ぶ構造を有する。本実施形態では、半導体装置１００は、＋Ｚ軸方向から見て正六角形を成す複数のセルＣＬがＸ軸方向およびＹ軸方向へと規則的に並ぶ構造を有する。他の実施形態では、半導体装置１００は、Ｙ軸方向へと直線状に延びた長方形を成す複数のセルＣＬがＸ軸方向へと規則的に並ぶ構造を有してもよいし、正六角形とは異なる他の多角形（例えば、正方形など）を成す複数のセルＣＬがＸ軸方向およびＹ軸方向へと規則的に並ぶ構造を有してもよい。
半導体装置１００は、基板１１０と、ｎ型半導体層１２０と、ｐ型半導体層１３０と、ｎ型半導体層１４０とを備える。半導体装置１００は、各半導体層に形成された構造として、トレンチ１５２およびリセス１５６を有する。半導体装置１００は、さらに、絶縁膜１６０と、制御電極であるゲート電極１７２と、第１の電極であるソース電極１７４と、第２の電極であるｐボディ電極１７６と、第３の電極であるドレイン電極１７８とを備える。なお、ｎ型半導体層１２０を第１の半導体層とも呼び、ｐ型半導体層１３０を第２の半導体層とも呼び、ｎ型半導体層１４０を第３の半導体層とも呼ぶ。
半導体装置１００の基板１１０は、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に広がる板状を成す半導体である。本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本明細書の説明において、「窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る」とは、モル分率において窒化ガリウム（ＧａＮ）を９０％以上含有することを意味する。本実施形態では、基板１１０は、ｎ型の特性を有するｎ型半導体である。本実施形態では、基板１１０は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。本実施形態では、基板１１０に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１．０×１０18ｃｍ-3である。基板１１０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、本実施形態では、約３００μｍである。
半導体装置１００のｎ型半導体層１２０は、ｎ型の特性を有する半導体である。ｎ型半導体層１２０は、基板１１０より上に位置する。本実施形態では、ｎ型半導体層１２０は、基板１１０の＋Ｚ軸方向側に位置する。本実施形態では、ｎ型半導体層１２０は、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に広がる。本実施形態では、ｎ型半導体層１２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、ｎ型半導体層１２０は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。ｎ型半導体層１２０のキャリア濃度は、厚さ方向（Ｚ軸方向）においてピークを形成する。ｎ型半導体層１２０は、低濃度キャリア領域１２１と、高濃度キャリア領域１２３と、低濃度キャリア領域１２５とを含む。なお、低濃度キャリア領域１２１を第１の領域とも呼び、低濃度キャリア領域１２５を第２の領域とも呼ぶ。
ｎ型半導体層１２０の低濃度キャリア領域１２１は、ｎ型半導体層１２０を構成する領域のうち、高濃度キャリア領域１２３より基板１１０側に位置する第１の領域である。低濃度キャリア領域１２１のキャリア濃度は、高濃度キャリア領域１２３のキャリア濃度より低い。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２１のキャリア濃度は、高濃度キャリア領域１２３との境界付近を除き、Ｚ軸方向においてほぼ一定である。他の実施形態では、低濃度キャリア領域１２１のキャリア濃度は、低濃度キャリア領域１２１と高濃度キャリア領域１２３とのキャリア濃度の差と比較して小さな幅で増減してもよい。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２１に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１．０×１０16ｃｍ-3である。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２１の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約１０μｍである。
ｎ型半導体層１２０の高濃度キャリア領域１２３は、ｎ型半導体層１２０を構成する領域のうち、ｎ型半導体層１２０においてキャリア濃度がピークとなる領域である。言い換えると、高濃度キャリア領域１２３のキャリア濃度は、低濃度キャリア領域１２１，１２５のキャリア濃度より高い。本実施形態では、高濃度キャリア領域１２３のキャリア濃度は、低濃度キャリア領域１２１，１２５との境界付近を除き、Ｚ軸方向においてほぼ一定である。他の実施形態では、高濃度キャリア領域１２３のキャリア濃度は、低濃度キャリア領域１２１，１２５と高濃度キャリア領域１２３とのキャリア濃度の差と比較して小さな幅で増減してもよい。高濃度キャリア領域１２３に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．０×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましく、本実施形態では、１．２×１０16ｃｍ-3である。高濃度キャリア領域１２３におけるキャリア濃度が１．０×１０16ｃｍ-3未満である場合、高濃度キャリア領域１２３において電流を十分に分散させることができなくなる。高濃度キャリア領域１２３におけるキャリア濃度が１．０×１０18ｃｍ-3超過である場合、耐圧を十分に確保できなくなる。
高濃度キャリア領域１２３は、トレンチ１５２から基板１１０側に離れた位置で面方向に（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に広がる。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２１は、基板１１０よりｐ型半導体層１３０に近い位置に存在する。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０から高濃度キャリア領域１２３までの距離Ｄｈは、セルＣＬの基準点同士の間隔であるセルピッチＣＰの半分以下である。
高濃度キャリア領域１２３の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、高濃度キャリア領域１２３を面方向に安定して形成する観点から１０ｎｍ以上であることが好ましい。高濃度キャリア領域１２３の厚さは、耐圧を十分に確保する観点から、低濃度キャリア領域１２１より薄いことが好ましく、すなわち、１０μｍ以下であることが好ましい。本実施形態では、高濃度キャリア領域１２３の厚さは、約２．０μｍである。
ｎ型半導体層１２０の低濃度キャリア領域１２５は、ｎ型半導体層１２０を構成する領域のうち、高濃度キャリア領域１２３よりｐ型半導体層１３０側に位置する第２の領域である。低濃度キャリア領域１２５のキャリア濃度は、高濃度キャリア領域１２３のキャリア濃度より低い。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２５のキャリア濃度は、高濃度キャリア領域１２３との境界付近を除き、Ｚ軸方向においてほぼ一定である。他の実施形態では、低濃度キャリア領域１２５のキャリア濃度は、低濃度キャリア領域１２５と高濃度キャリア領域１２３とのキャリア濃度の差と比較して小さな幅で増減してもよい。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２５のキャリア濃度は、低濃度キャリア領域１２１のキャリア濃度とほぼ等しい。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２５に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１．０×１０16ｃｍ-3である。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２５の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約０．５μｍである。
本実施形態では、ｎ型半導体層１２０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いたエピタキシャル成長によって基板１１０の上に形成される。本実施形態では、ｎ型半導体層１２０の成長途中に供給されるドーパントの供給量を増減することによって、低濃度キャリア領域１２１、高濃度キャリア領域１２３および低濃度キャリア領域１２５が形成される。他の実施形態では、高濃度キャリア領域１２３に相当する厚さまでｎ型半導体層１２０をエピタキシャル成長させた後にドーパントをイオン注入することによって高濃度キャリア領域１２３が形成されてもよい。この場合、イオン注入後に再成長によって高濃度キャリア領域１２３の上に低濃度キャリア領域１２５が形成される。
半導体装置１００のｐ型半導体層１３０は、ｐ型の特性を有する半導体である。ｐ型半導体層１３０は、ｎ型半導体層１２０の上に位置する。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０は、ｎ型半導体層１２０の＋Ｚ軸方向側に位置する。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０は、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に広がる。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０は、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素として含有する。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）濃度の平均値は、約１．０×１０18ｃｍ-3である。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約１．０μｍである。
半導体装置１００のｎ型半導体層１４０は、ｎ型の特性を有する半導体である。ｎ型半導体層１４０は、ｐ型半導体層１３０の上に位置する。本実施形態では、ｎ型半導体層１４０は、ｐ型半導体層１３０の＋Ｚ軸方向側に位置する。本実施形態では、ｎ型半導体層１４０は、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に広がる。本実施形態では、ｎ型半導体層１４０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、ｎ型半導体層１４０は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。本実施形態では、ｎ型半導体層１４０に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約３．０×１０18ｃｍ-3である。本実施形態では、ｎ型半導体層１４０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約０．３μｍである。
半導体装置１００のトレンチ１５２は、ｎ型半導体層１４０からｐ型半導体層１３０を貫通しｎ型半導体層１２０にまで落ち込んだ溝部である。本実施形態では、トレンチ１５２は、ｎ型半導体層１２０の低濃度キャリア領域１２５にまで落ち込んでいる。トレンチ１５２は、ｎ型半導体層１２０の高濃度キャリア領域１２３から離れている。本実施形態では、トレンチ１５２の深さ（Ｚ軸方向の長さ）は、１．５μｍである。本実施形態では、トレンチ１５２は、各半導体層に対するドライエッチングによって形成された構造である。
半導体装置１００のリセス１５６は、ｎ型半導体層１４０を貫通しｐ型半導体層１３０にまで達する凹部である。本実施形態では、リセス１５６は、各半導体層に対するドライエッチングによって形成された構造である。
半導体装置１００の絶縁膜１６０は、電気絶縁性を有する膜である。絶縁膜１６０は、トレンチ１５２の表面を覆う。本実施形態では、絶縁膜１６０は、トレンチ１５２の内側から外側にわたって形成されている。本実施形態では、絶縁膜１６０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。
半導体装置１００のゲート電極１７２は、絶縁膜１６０を介してトレンチ１５２の内側に形成された電極である。本実施形態では、ゲート電極１７２は、トレンチ１５２の内側に加え、トレンチ１５２の外側にわたって形成されている。本実施形態では、ゲート電極１７２は、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る。ゲート電極１７２に電圧が印加された場合、ｐ型半導体層１３０に反転層が形成され、この反転層がチャネルＣＨとして機能することによって、ソース電極１７４とドレイン電極１７８との間に導通経路が形成される。
半導体装置１００のソース電極１７４は、ｎ型半導体層１４０にオーミック接触する第１の電極である。本実施形態では、ソース電極１７４は、ｐボディ電極１７６の上からｎ型半導体層１４０の上にわたって形成されている。本実施形態では、ソース電極１７４は、ｎ型半導体層１４０側から順に、チタン（Ｔｉ）から主に成る層と、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る層と、パラジウム（Ｐｄ）から主に成る層とを積層した積層電極である。
半導体装置１００のｐボディ電極１７６は、ｐ型半導体層１３０にオーミック接触する第２の電極である。本実施形態では、ｐボディ電極１７６は、リセス１５６の内側に形成されている。本実施形態では、ｐボディ電極１７６は、パラジウム（Ｐｄ）から主に成る。
半導体装置１００のドレイン電極１７８は、基板１１０の−Ｚ軸方向側の表面にオーミック接触する第３の電極である。本実施形態では、ドレイン電極１７８は、基板１１０側から順に、チタン（Ｔｉ）から主に成る層と、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る層とを積層した積層電極である。
以上説明した第１実施形態によれば、ｎ型半導体層１２０におけるトレンチ１５２から基板１１０側に離れた位置に高濃度キャリア領域１２３が存在するため、ｎ型半導体層１２０とｐ型半導体層１３０とのｐｎ接合界面に形成される空乏層ＤＬが高濃度キャリア領域１２３に与える影響を軽減できる。これによって、ｐ型半導体層１３０に形成されるチャネルＣＨを経由してｎ型半導体層１２０に流れ込む電流を、ｎ型半導体層１２０におけるトレンチ１５２から基板１１０側に離れた高濃度キャリア領域１２３において面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）へと十分に分散させることができる。その結果、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。本実施形態では、図２に示すように、高濃度キャリア領域１２３は、空乏層ＤＬから離れるように設計されている。他の実施形態では、高濃度キャリア領域１２３の一部は、空乏層ＤＬと重なってもよい。すなわち、高濃度キャリア領域１２３の全域が空乏層ＤＬに重なっていなければよい。なお、本実施形態では、空乏層ＤＬは、半導体装置１００に電圧が印加されていないゼロバイアス時における空乏層である。
また、高濃度キャリア領域１２３におけるキャリア濃度は、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．０×１０18ｃｍ-3以下であるため、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）へと電流を十分に分散させつつ、耐圧を十分に確保できる。
また、高濃度キャリア領域１２３は、基板１１０よりｎ型半導体層１４０に近い位置に存在してもよい。この形態によれば、チャネルＣＨを経由してｎ型半導体層１２０に流れ込む電流を効果的に分散させることができる。
また、高濃度キャリア領域１２３の厚さは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であるため、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）へと電流を十分に分散させつつ、耐圧を十分に確保できる。
また、低濃度キャリア領域１２１におけるキャリア濃度が低濃度キャリア領域１２５におけるキャリア濃度と等しいため、耐圧を十分に確保できる。
また、ｐ型半導体層１３０から高濃度キャリア領域１２３までの距離Ｄｈは、セルピッチＣＰの半分以下であるため、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）へと電流を十分に分散させることができる。なお、本実施形態の半導体装置１００では、高濃度キャリア領域１２３はトレンチ１５２の底面から０．３μｍ離れているが、高濃度キャリア領域１２３とトレンチ１５２との距離はこれに限らない。面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）へと電流を十分に分散させる観点から、高濃度キャリア領域１２３とトレンチ１５２の底面との距離は、１０ｎｍ以上離れていることが好ましい。換言すると、ｎ型半導体層１２０とｐ型半導体層１３０との界面から高濃度キャリア領域１２３との距離の方が、ｎ型半導体層１２０とｐ型半導体層１３０との界面からトレンチ１５２の底面までの距離よりも、１０ｎｍ以上大きい方が好ましい。
Ｂ．第２実施形態
図３は、第２実施形態における半導体装置１００Ｂの拡大断面図である。図３には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。
図３は、第２実施形態における半導体装置１００Ｂの拡大断面図である。図３には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。
第２実施形態の半導体装置１００Ｂは、ｎ型半導体層１２０に代えてｎ型半導体層１２０Ｂを備える点を除き、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。半導体装置１００Ｂのｎ型半導体層１２０Ｂは、高濃度キャリア領域１２３に代えて、高濃度キャリア領域１２３Ｂおよび低濃度キャリア領域１２４Ｂを備える点を除き、第１実施形態のｎ型半導体層１２０と同様である。ｎ型半導体層１２０Ｂの高濃度キャリア領域１２３Ｂは、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において部分的に形成されている点を除き、第１実施形態の高濃度キャリア領域１２３と同様である。
ｎ型半導体層１２０Ｂの低濃度キャリア領域１２４Ｂは、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において高濃度キャリア領域１２３Ｂ同士の間に位置する領域である。低濃度キャリア領域１２４Ｂは、Ｚ軸方向において低濃度キャリア領域１２１と低濃度キャリア領域１２５との間に位置する。低濃度キャリア領域１２４Ｂのキャリア濃度は、高濃度キャリア領域１２３Ｂのキャリア濃度より低い。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２４Ｂのキャリア濃度は、低濃度キャリア領域１２１のキャリア濃度と等しい。本実施形態では、低濃度キャリア領域１２４Ｂに含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１．０×１０16ｃｍ-3である。
以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。
Ｃ．第３実施形態
第３実施形態の半導体装置は、高濃度キャリア領域１２３の仕様が異なる点を除き、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。第３実施形態の高濃度キャリア領域１２３Ｂは、キャリア濃度が５．０×１０17ｃｍ-3である点、並びに、厚さが０．０５μｍである点を除き、第１実施形態と同様である。第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。また、その他の変形例として、例えば、（ｉ）キャリア濃度が７．０×１０16ｃｍ-3であり、厚さが０．５μｍである高濃度キャリア領域を採用してもよく、（ｉｉ）キャリア濃度が１．１×１０1７ｃｍ-3であり、厚さが０．５μｍである高濃度キャリア領域を採用してもよい。このような高濃度キャリア領域を採用しても、第１実施形態と同様に、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。
第３実施形態の半導体装置は、高濃度キャリア領域１２３の仕様が異なる点を除き、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。第３実施形態の高濃度キャリア領域１２３Ｂは、キャリア濃度が５．０×１０17ｃｍ-3である点、並びに、厚さが０．０５μｍである点を除き、第１実施形態と同様である。第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。また、その他の変形例として、例えば、（ｉ）キャリア濃度が７．０×１０16ｃｍ-3であり、厚さが０．５μｍである高濃度キャリア領域を採用してもよく、（ｉｉ）キャリア濃度が１．１×１０1７ｃｍ-3であり、厚さが０．５μｍである高濃度キャリア領域を採用してもよい。このような高濃度キャリア領域を採用しても、第１実施形態と同様に、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。
Ｄ．第４実施形態
図４は、電力変換装置１０の構成を示す説明図である。電力変換装置１０は、交流電源Ｅから負荷Ｒに供給される電力を変換する装置である。電力変換装置１０は、交流電源Ｅの力率を改善する力率改善回路の構成部品として、制御回路２０と、トランジスタＴＲと、４つのダイオードＤ１と、コイルＬと、ダイオードＤ２と、キャパシタＣとを備える。本実施形態では、トランジスタＴＲは、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。他の実施形態では、トランジスタＴＲは、第２実施形態の半導体装置１００Ｂと同様であってもよいし、第３実施形態の半導体装置と同様であってもよい。
図４は、電力変換装置１０の構成を示す説明図である。電力変換装置１０は、交流電源Ｅから負荷Ｒに供給される電力を変換する装置である。電力変換装置１０は、交流電源Ｅの力率を改善する力率改善回路の構成部品として、制御回路２０と、トランジスタＴＲと、４つのダイオードＤ１と、コイルＬと、ダイオードＤ２と、キャパシタＣとを備える。本実施形態では、トランジスタＴＲは、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。他の実施形態では、トランジスタＴＲは、第２実施形態の半導体装置１００Ｂと同様であってもよいし、第３実施形態の半導体装置と同様であってもよい。
電力変換装置１０のダイオードＤ１，Ｄ２は、ショットキーバリアダイオードである。電力変換装置１０において、４つのダイオードＤ１は、交流電源Ｅの交流電圧を整流するダイオードブリッジＤＢを構成する。ダイオードブリッジＤＢは、直流側の端子として、正極出力端Ｔｐと、負極出力端Ｔｎとを有する。コイルＬは、ダイオードブリッジＤＢの正極出力端Ｔｐに接続されている。ダイオードＤ２のアノード側は、コイルＬを介して正極出力端Ｔｐに接続されている。ダイオードＤ２のカソード側は、キャパシタＣを介して負極出力端Ｔｎに接続されている。負荷Ｒは、キャパシタＣと並列に接続されている。
電力変換装置１０のトランジスタＴＲは、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）である。トランジスタＴＲのソース側は、負極出力端Ｔｎに接続されている。トランジスタＴＲのドレイン側は、コイルＬを介して正極出力端Ｔｐに接続されている。トランジスタＴＲのゲート側は、制御回路２０に接続されている。電力変換装置１０の制御回路２０は、交流電源Ｅの力率が改善されるように、負荷Ｒに出力される電圧、および、ダイオードブリッジＤＢにおける電流に基づいて、トランジスタＴＲのソース−ドレイン間の電流を制御する。
以上説明した第４実施形態によれば、トランジスタＴＲのデバイス特性を向上させることができる。その結果、電力変換装置１０による電力変換効率を向上させることができる。
Ｅ．第５実施形態
図５は、第５実施形態における半導体装置１００Ｃの拡大断面図である。図５には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。
図５は、第５実施形態における半導体装置１００Ｃの拡大断面図である。図５には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。
第５実施形態の半導体装置１００Ｃは、ｐ型半導体層１３０と高濃度キャリア領域１２３との間の低濃度キャリア領域１２５の一部に、電界緩和領域となるｐ型領域１２７Ａを備える点を除き、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。ｐ型領域１２７Ａは、面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）において、トレンチ１５２から離れて位置している。なお、ｐ型領域１２７Ａを第３の領域とも呼ぶ。
本実施形態におけるｐ型領域１２７Ａは、アクセプタとして添加されているドーパントの濃度が約５．０×１０1９ｃｍ-3であり、厚さが約０．５μｍである。本実施形態では、厚さ方向（Ｚ軸方向）においてｐ型領域１２７Ａと高濃度キャリア領域１２３とが接触している。ｐ型領域１２７Ａを形成する方法としては、例えば、低濃度キャリア領域１２５の上からドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）をイオン注入する方法が挙げられる。
第５実施形態によれば、第１実施形態と同様に、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。また、第５実施形態によれば、ｐ型領域１２７Ａを備えることにより、トレンチ１５２の底面の外周付近に電界が集中することを緩和できるため、耐圧の低下をより効果的に抑制できる。
Ｆ．第６実施形態
図６は、第６実施形態における半導体装置１００Ｄの拡大断面図である。図６には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。
図６は、第６実施形態における半導体装置１００Ｄの拡大断面図である。図６には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。
第６実施形態の半導体装置１００Ｄは、ｐ型領域１２７Ａに代えてｐ型領域１２７Ｂを備える点を除き、第５実施形態の半導体装置１００Ｃと同様である。半導体装置１００Ｄのｐ型領域１２７Ｂは、厚み方向（Ｚ軸方向）において高濃度キャリア領域１２３から離れて位置し、高濃度キャリア領域１２３と接触していない点を除き、半導体装置１００Ｃのｐ型領域１２７Ａと同様である。ｐ型領域１２７Ｂの底面は、トレンチ１５２の底面と同じ平面上にあるか、もしくは基板１１０側、すなわち−Ｚ軸方向側に位置するのが好ましい。本実施形態において、ｐ型領域１２７Ａの厚さは約０．４μｍである。
第６実施形態によれば、第１実施形態と同様に、耐圧の低下を抑制しつつ、オン抵抗を低減できる。また、第６実施形態によれば、ｐ型領域１２７Ｂを備えることにより、トレンチ１５２の底面の外周付近に電界が集中することを緩和できるため、耐圧の低下をより効果的に抑制できる。
また、第６実施形態のｐ型領域１２７Ｂは、厚み方向（Ｚ軸方向）において高濃度キャリア領域１２３から離れて位置する。このため、低濃度キャリア領域１２５とｐ型領域１２７Ｂとの界面に形成される空乏層が高濃度キャリア領域１２３に与える影響を軽減できる。この結果として、ｐ型半導体層１３０に形成されるチャネルを経由してｎ型半導体層１２０に流れ込む電流を、ｎ型半導体層１２０におけるトレンチ１５２から基板１１０側に離れた高濃度キャリア領域１２３において面方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）へと十分に分散させることができるため、オン抵抗をより効果的に低減できる。
Ｇ．他の実施形態
本発明は、上述した実施形態、実施例および変形例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、実施形態、実施例および変形例における技術的特徴のうち、発明の概要の欄に記載した各形態における技術的特徴に対応するものは、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えおよび組み合わせを行うことが可能である。また、本明細書中に必須なものとして説明されていない技術的特徴については、適宜、削除することが可能である。
本発明は、上述した実施形態、実施例および変形例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、実施形態、実施例および変形例における技術的特徴のうち、発明の概要の欄に記載した各形態における技術的特徴に対応するものは、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えおよび組み合わせを行うことが可能である。また、本明細書中に必須なものとして説明されていない技術的特徴については、適宜、削除することが可能である。
本発明が適用される半導体装置は、トレンチゲート構造を有する縦型トランジスタであればよく、上述した縦型トレンチＭＯＳＦＥＴに限られず、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などであってもよい。
上述の実施形態において、基板の材質は、上述した窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、ケイ素（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのいずれであってもよい。
上述の実施形態において、各半導体層の材質は、化合物半導体であればよく、上述した窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、III族窒化物（例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）など）であってもよい。
上述の実施形態において、ｎ型半導体層に含まれるドナー元素は、ケイ素（Ｓｉ）に限らず、ゲルマニウム（Ｇｅ）および酸素（Ｏ）などであってもよい。
上述の実施形態において、ｐ型半導体層に含まれるアクセプタ元素は、マグネシウム（Ｍｇ）に限らず、亜鉛（Ｚｎ）および炭素（Ｃ）などであってもよい。
上述の実施形態において、基板および各半導体層におけるｎ型とｐ型との関係が入れ替わってもよい。
上述の実施形態において、ｎ型半導体層１２０は、Ｚ軸方向における異なる位置に２つ以上の高濃度キャリア領域１２３を有してもよい。
上述の実施形態において、絶縁膜の材質は、電気絶縁性を有する材質であればよく、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の他、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯＮ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＯＮ）などの少なくとも１つであってもよい。絶縁膜は、単層であってもよいし、２層以上であってもよい。
上述の実施形態において、各電極の材質は、上述の実施形態の材質に限らず、他の材質であってもよい。
１０…電力変換装置
２０…制御回路
１００，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ…半導体装置
１１０…基板
１２０，１２０Ｂ…ｎ型半導体層
１２１…低濃度キャリア領域
１２３，１２３Ｂ…高濃度キャリア領域
１２４Ｂ…低濃度キャリア領域
１２５…低濃度キャリア領域
１２７Ａ，１２７Ｂ…ｐ型領域
１３０…ｐ型半導体層
１４０…ｎ型半導体層
１５２…トレンチ
１５６…リセス
１６０…絶縁膜
１７２…ゲート電極
１７４…ソース電極
１７６…ｐボディ電極
１７８…ドレイン電極
２０…制御回路
１００，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ…半導体装置
１１０…基板
１２０，１２０Ｂ…ｎ型半導体層
１２１…低濃度キャリア領域
１２３，１２３Ｂ…高濃度キャリア領域
１２４Ｂ…低濃度キャリア領域
１２５…低濃度キャリア領域
１２７Ａ，１２７Ｂ…ｐ型領域
１３０…ｐ型半導体層
１４０…ｎ型半導体層
１５２…トレンチ
１５６…リセス
１６０…絶縁膜
１７２…ゲート電極
１７４…ソース電極
１７６…ｐボディ電極
１７８…ドレイン電極
Claims (10)
- 縦型トランジスタであって、
面方向に広がる基板と、
前記基板より上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち一方の特性を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち前記一方の特性とは異なる他方の特性を有する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に位置し、前記一方の特性を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層から前記第２の半導体層を貫通し前記第１の半導体層にまで落ち込んだトレンチと、
前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と
前記絶縁膜を介して前記トレンチに形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記面方向に直交する厚さ方向においてピークを形成し、
前記第１の半導体層においてキャリア濃度がピークとなる高濃度キャリア領域は、前記トレンチから前記基板側に離れた位置で前記面方向に広がり、さらに、
前記第２の半導体層と前記高濃度キャリア領域との間に、前記他方の特性を有する第３の領域を有し、
前記面方向において、前記第３の領域は、前記トレンチから離れて位置し、
前記厚さ方向において、前記第３の領域は、前記高濃度キャリア領域から離れて位置する、縦型トランジスタ。 - 縦型トランジスタであって、
面方向に広がる基板と、
前記基板より上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち一方の特性を有し、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に位置し、ｎ型およびｐ型のうち前記一方の特性とは異なる他方の特性を有する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に位置し、前記一方の特性を有する第３の半導体層と、
前記第３の半導体層から前記第２の半導体層を貫通し前記第１の半導体層にまで落ち込んだトレンチと、
前記トレンチの表面を覆う絶縁膜と
前記絶縁膜を介して前記トレンチに形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第１の半導体層のキャリア濃度は、前記面方向に直交する厚さ方向においてピークを形成し、
前記第１の半導体層においてキャリア濃度がピークとなる高濃度キャリア領域は、前記トレンチから前記基板側に離れた位置で前記面方向に広がり、
同一形状を成す複数のセルが前記面方向へと規則的に並ぶ構造を有し、
前記第２の半導体層から前記高濃度キャリア領域までの距離は、前記セルのセルピッチの半分以下である、縦型トランジスタ。 - 前記高濃度キャリア領域におけるキャリア濃度は、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．０×１０18ｃｍ-3以下である、請求項１または請求項２に記載の縦型トランジスタ。
- 前記高濃度キャリア領域は、前記基板より前記第２の半導体層に近い位置に存在する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の縦型トランジスタ。
- 前記高濃度キャリア領域の厚さは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の縦型トランジスタ。
- 請求項１、請求項１に従属する請求項３または請求項１に従属する請求項４のいずれか一項に記載の縦型トランジスタであって、
前記第１の半導体層は、更に、
前記高濃度キャリア領域より前記基板側に位置する第１の領域と、
前記高濃度キャリア領域より前記第２の半導体層側に位置する第２の領域と
を含み、
前記第１の領域におけるキャリア濃度は、前記第２の領域におけるキャリア濃度と等しい、縦型トランジスタ。 - 請求項１または請求項１に従属する、請求項３から請求項６までのいずれか一項に記載の縦型トランジスタであって、
同一形状を成す複数のセルが前記面方向へと規則的に並ぶ構造を有し、
前記第２の半導体層から前記高濃度キャリア領域までの距離は、前記セルのセルピッチの半分以下である、縦型トランジスタ。 - 前記第１の半導体層は、化合物半導体から主に成る、請求項１または請求項１に従属する、請求項３から請求項７までのいずれか一項に記載の縦型トランジスタ。
- 前記第１の半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る、請求項１または請求項１に従属する、請求項３から請求項８までのいずれか一項に記載の縦型トランジスタ。
- 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の縦型トランジスタを備える電力変換装置。
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