JP7167717B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description
本発明は、MOS構造の半導体素子を有した半導体装置に関し、特に半導体材料として炭化珪素(以下、SiCという)を用いたSiC半導体装置に適用されると好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor element of a MOS structure, and is particularly suitable when applied to a SiC semiconductor device using silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) as a semiconductor material.
従来より、MOS構造の半導体素子を有した半導体装置が提案されている。例えば、MOS構造の半導体素子として、大電流が流せるようにチャネル密度を高くしたトレンチゲート構造を有するMOSFETがある。このMOSFETは、n+型基板上に形成したn型ドリフト層の上にp型ベース領域とn型ソース領域とが順に形成され、n型ソース領域の表面からp型ベース領域を貫通してn型ドリフト層に達するように複数本のトレンチゲート構造が形成された構造とされる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor device having a semiconductor element of MOS structure has been proposed. For example, as a semiconductor device with a MOS structure, there is a MOSFET having a trench gate structure with a high channel density so that a large current can flow. In this MOSFET, a p-type base region and an n-type source region are sequentially formed on an n-type drift layer formed on an n + -type substrate. A plurality of trench gate structures are formed to reach the drift layer.
このようなトレンチゲート構造のMOSFETにおいて、p型ベース領域からトレンチゲート構造よりも深い位置まで形成されたp型電界緩和層をトレンチゲート構造に対して交差するように備えた構造が提案されている(特許文献1参照)。このような構造とする場合、p型電界緩和層の間におけるn型ドリフト層をJFET部として、半導体素子のオン時には、JFET部を通じて電流が流れるようにできる。そして、JFET部の両側がp型電界緩和層で挟まれた構造であるため、電界のせり上がりを抑制して耐圧を向上させることができ、JFET部およびp型電界緩和層のピッチを狭ピッチ化することができる。このため、JFET部とp型電界緩和層を合わせた面積に対するJFET部の割合を高くすることができ、JFET抵抗の低減を図ることができて、オン抵抗の低減を図ることが可能となる。 In such a MOSFET with a trench gate structure, a structure is proposed in which a p-type electric field relaxation layer formed from the p-type base region to a position deeper than the trench gate structure is provided so as to intersect the trench gate structure. (See Patent Document 1). In such a structure, the n-type drift layer between the p-type electric field relaxation layers can be used as a JFET section, and current can flow through the JFET section when the semiconductor element is turned on. Since both sides of the JFET portion are sandwiched between the p-type electric field relaxation layers, it is possible to suppress the rise of the electric field and improve the withstand voltage. can be Therefore, the ratio of the JFET portion to the total area of the JFET portion and the p-type electric field relaxation layer can be increased, the JFET resistance can be reduced, and the on-resistance can be reduced.
また、JFET部の幅を狭くすることでより電界のせり上がりが抑制されるようにしつつ、JFET抵抗の低減のためにJFET部のn型不純物濃度を高くすることで、耐圧向上とオン抵抗の低減の両立が図れるようにしている。 In addition, by narrowing the width of the JFET portion, the rise of the electric field is further suppressed, and by increasing the n-type impurity concentration of the JFET portion in order to reduce the JFET resistance, the breakdown voltage is improved and the on-resistance is reduced. We are trying to achieve both reduction.
しかしながら、本発明者らが鋭意検討を行った結果、MOSFETのピンチオフ電圧が通常期待される電圧よりも低い電圧になることが確認された。具体的には、ピンチオフ電圧は通常はチャネル部分がピンチオフされる際のドレイン電圧Vdとして決まり、10~15[V]程度になるが、シミュレーションにより、それよりも低い電圧になることが確認された。図8は、その結果を示した図である。この図に示されるように、ドレイン電圧Vdが6[V]程度となるときがピンチオフ電圧となっていた。 However, as a result of intensive studies by the present inventors, it has been confirmed that the pinch-off voltage of the MOSFET is lower than the voltage normally expected. Specifically, the pinch-off voltage is usually determined as the drain voltage Vd when the channel portion is pinched off, and is about 10 to 15 [V], but it was confirmed by simulation that the voltage is lower than that. . FIG. 8 is a diagram showing the results. As shown in this figure, the pinch-off voltage was obtained when the drain voltage Vd was about 6 [V].
ピンチオフ電圧がドレイン電圧Vd<10[V]になっていることから、ピンチオフ電圧の低下は、チャネルよりも先にJFET部がピンチオフされていることを意味している。つまり、JFET部がチャネルとして機能していると考えられる。以下、トレンチゲート構造の側面に形成される通常のチャネルをゲートチャネルと呼び、JFET部が構成するチャネルをJFETチャネルと呼ぶ。 Since the pinch-off voltage is drain voltage Vd<10 [V], the decrease in pinch-off voltage means that the JFET section is pinched off before the channel. That is, it is considered that the JFET portion functions as a channel. Hereinafter, a normal channel formed on the side surface of the trench gate structure will be referred to as a gate channel, and a channel formed by the JFET portion will be referred to as a JFET channel.
JFETチャネルは、ノーマリオン型のため、MOSFETのしきい値電圧Vthに影響を及ぼさないが、飽和電流に大きな影響を及ぼす。すなわち、JFETチャネルは、ゲートチャネルよりも短チャネル化し易く、短チャネル効果の影響を受け易い。具体的には、JFET部の両側にp型電界緩和層が形成されているが、p型電界緩和層の内部に空乏層が広がることにより、実質的にp型電界緩和層として機能するソース電位となる部分における電流の流れ方向の寸法が小さくなる。このため、JFETチャネルにおいて短チャネル効果が生じる。 Since the JFET channel is a normally-on type, it does not affect the threshold voltage Vth of the MOSFET, but it greatly affects the saturation current. That is, the JFET channel is more susceptible to short channel effects than the gate channel. Specifically, the p-type electric field relaxation layer is formed on both sides of the JFET portion, and the depletion layer spreads inside the p-type electric field relaxation layer. The dimension in the direction of current flow in the portion where This causes a short channel effect in the JFET channel.
この短チャネル効果により、本来は、ピンチオフ電圧を超えると、ドレイン電圧Vdが上昇してもドレイン電流Idが殆ど上昇しなくなるという飽和特性を示すのに、図8に示すようにドレイン電流Idが増加するという非飽和特性になり易くなる。飽和電流が非飽和特性になると、ゲート電圧の立上り時もしくは立下り時のミラー期間が平らにならず、余分にゲート-ソース間にチャージが為されて、スイッチング時間が長時間になることが知られている。このため、オン抵抗を低減したにも関わらず、スイッチング損失が増加してしまうという課題が発生する。 Due to this short-channel effect, when the pinch-off voltage is exceeded, the drain current Id increases as shown in FIG. It becomes easy to become the non-saturation characteristic that it does. It is known that when the saturation current has non-saturation characteristics, the mirror period when the gate voltage rises or falls is not flattened, and an extra charge is formed between the gate and the source, resulting in a long switching time. It is As a result, a problem arises in that the switching loss increases even though the on-resistance is reduced.
本発明は上記点に鑑みて、非飽和特性を改善してスイッチング時間の短時間化によりスイッチング損失の低減を図ることが可能なトレンチゲート構造の半導体装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a trench gate structure semiconductor device capable of reducing switching loss by improving non-saturation characteristics and shortening switching time.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の半導体装置は、第1または第2導電型の半導体基板(1)と、半導体基板の上に形成され、半導体基板よりも低不純物濃度の第1導電型半導体で構成された第1導電型層(2)と、第1導電型層の上に形成されていると共に半導体基板の法線方向から見て少なくとも一方向を長手方向とする線状部分を有して構成された第2導電型の半導体からなる第2導電型の電界ブロック層(4)と、第1導電型層上に形成され、電界ブロック層に挟まれて配置されている第1導電型の半導体からなるJFET部(3)と、電界ブロック層およびJFET部の上に形成され、第1導電型層よりも高濃度の第1導電型の半導体からなる電流分散層(5)と、電流分散層の上に形成された第2導電型の半導体からなるベース領域(6)と、ベース領域の上に形成され、第1導電型層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の半導体からなるソース領域(8)と、ソース領域の表面からベース領域よりも深く形成されたゲートトレンチ(11)内に、該ゲートトレンチの内壁面を覆うゲート絶縁膜(12)と該ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極(13)とを備えて構成され、一方向と交差する方向を長手方向として複数本がストライプ状に並べられたトレンチゲート構造と、ゲート電極およびゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜(14)と、コンタクトホールを通じて、ソース領域にオーミック接触させられたソース電極(15)と、半導体基板の裏面側に形成されたドレイン電極(16)と、を含む半導体素子を備えられている。このような構成において、ゲート電極へのゲート電圧の印加に基づいてトレンチゲート構造の側面に位置するベース領域にチャネル領域が形成されて半導体素子をオンさせ、ゲート電圧の印加を停止することで半導体素子をオフする動作を行う。そして、JFET部の幅LJFETおよび第1導電型不純物濃度NJFETは、チャネル領域でのピンチオフ電圧をVp、半導体の内蔵電圧をVbi、素電荷をq[C]、該JFET部を構成する半導体の誘電率をε、電界ブロック層の第2導電型不純物濃度をNDP[cm-3]、半導体素子の通常作動時にゲート電極に対して印加されるゲート電圧よりも大きな値とされる設定値をVgxとして、次式を満たす値に設定されている。
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to
したがって、ミラー期間中のミラー電圧がほぼ一定になるようにでき、スイッチング時間を短時間化することができて、スイッチング損失を低減することが可能となる。よって、非飽和特性を改善してスイッチング時間の短時間化によりスイッチング損失の低減を図ることが可能なトレンチゲート構造の半導体装置にできる。 Therefore, the mirror voltage during the mirror period can be kept substantially constant, the switching time can be shortened, and the switching loss can be reduced. Therefore, a semiconductor device having a trench gate structure capable of reducing switching loss by improving non-saturation characteristics and shortening switching time can be provided.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 It should be noted that the reference numerals in parentheses attached to each component etc. indicate an example of the correspondence relationship between the component etc. and specific components etc. described in the embodiments described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each of the following embodiments, portions that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。本実施形態では、半導体材料としてSiCを用いたSiC半導体装置を例に挙げて説明する。本実施形態のSiC半導体装置は、半導体素子として、図1および図2に示すトレンチゲート構造の反転型の縦型MOSFETが形成されたものである。これらの図に示す縦型MOSFETは、SiC半導体装置のうちのセル領域に形成されており、そのセル領域を囲むように外周耐圧構造が形成されることでSiC半導体装置が構成されているが、ここでは縦型MOSFETのみ図示してある。なお、以下では、図1および図2に示すように、縦型MOSFETの幅方向をX方向、X方向に対して交差する縦型MOSFETの奥行方向をY方向、縦型MOSFETの厚み方向もしくは深さ方向、つまりXY平面に対する法線方向をZ方向として説明する。
(First embodiment)
A first embodiment will be described. In this embodiment, a SiC semiconductor device using SiC as a semiconductor material will be described as an example. The SiC semiconductor device of the present embodiment is formed by forming the inverted vertical MOSFET of the trench gate structure shown in FIGS. 1 and 2 as a semiconductor element. The vertical MOSFETs shown in these figures are formed in the cell region of the SiC semiconductor device, and the SiC semiconductor device is configured by forming the peripheral breakdown voltage structure so as to surround the cell region. Only vertical MOSFETs are shown here. 1 and 2, the width direction of the vertical MOSFET is the X direction, the depth direction of the vertical MOSFET that intersects the X direction is the Y direction, and the thickness direction or depth direction of the vertical MOSFET is The horizontal direction, that is, the direction normal to the XY plane will be described as the Z direction.
図1および図2に示されるように、SiC半導体装置には、SiCからなるn+型基板1が半導体基板として用いられている。n+型基板1の主表面上にSiCからなるn-型層2が形成されている。n+型基板1は、表面が(0001)Si面とされ、例えばn型不純物濃度が5.9×1018/cm3とされ、厚さが100μmとされている。n-型層2は、例えばn型不純物濃度が7.0×1015~1.0×1016/cm3とされ、厚さが8.0μmとされている。
As shown in FIGS. 1 and 2, an SiC semiconductor device uses an n + -
n-型層2の上には、SiCからなるJFET部3と電界ブロック層4が形成されており、n-型層2は、n+型基板1から離れた位置においてJFET部3と連結されている。
A
JFET部3と電界ブロック層4は、飽和電流抑制層を構成するものであり、共に、X方向に延設され、Y方向において交互に繰り返し並べられて配置された線状部分を有している。つまり、n+型基板1の主表面に対する法線方向から見て、JFET部3の少なくとも一部と電界ブロック層4は、それぞれ複数の短冊状、つまりストライプ状とされ、それぞれが交互に並べられたレイアウトとされている。
The
なお、本実施形態の場合、JFET部3が電界ブロック層4よりも下方まで形成されたものとされている。このため、JFET部3のうちストライプ状とされている部分は電界ブロック層4の下方において連結した状態になっており、JFET部3のうちストライプ状とされている各部はそれぞれ複数の電界ブロック層4の間に配置された状態となっている。
In this embodiment, the
JFET部3のうちストライプ状とされている部分の各部、つまり各短冊状の部分は、幅が例えば0.4μm以上、好ましくは0.8μm以上、形成間隔となるピッチが例えば0.6~2.0μmとされている。また、JFET部3の厚みは、例えば0.8μmとされており、n型不純物濃度は、n-型層2よりも高くされていて、例えば0.5×1017~2.0×1017/cm3とされている。このJFET部3は、ノーマリオン型となっており、縦型MOSFETをオンさせる際に電流が流れる部分となる。このため、JFET部3もチャネルと見做すことができる。このJFET部3が構成するチャネルがJFETチャネルに相当するものである。
Each portion of the striped portion of the
電界ブロック層4は、電界緩和層の一部となる下部を構成する部分であり、p型不純物層によって構成されている。上記したように、電界ブロック層4は、ストライプ状とされている。このストライプ状とされた電界ブロック層4の各短冊状の部分は、MOSFETのオンオフ切替えの際などにドレイン電圧Vdが高電圧となっても完全空乏化しないように幅や深さおよびp型不純物濃度が設定されている。たとえば、電界ブロック層4の各短冊状の部分は、幅が0.6μm、厚みが0.8μm、p型不純物濃度が5.0×1017~1.0×1018/cm3とされている。本実施形態の場合、電界ブロック層4は、深さ方向においてp型不純物濃度が一定とされている。また、電界ブロック層4は、n-型層2と反対側の表面がJFET部3の表面と同一平面とされている。
The electric
さらに、JFET部3および電界ブロック層4の上には、SiCからなるn型電流分散層5が形成されている。n型電流分散層5は、後述するようにチャネルを通じて流れる電流がX方向に拡散できるようにする層であり、例えば、n-型層2よりもn型不純物濃度が高くされている。本実施形態では、n型電流分散層5は、Y方向を長手方向として延設されており、n型不純物濃度がJFET部3と同じかそれよりも高くされ、例えば厚みが0.5μmとされている。また、n型電流分散層5は、n型不純物濃度が2.0×1016~5.0×1017/cm3とされている。
Furthermore, an n-type current spreading
なお、ここでは、ドリフト層を、便宜的にn-型層2、JFET部3およびn型電流分散層5に分けて説明しているが、これらは共にドリフト層を構成する部分であり、互いに連結されている。
Here, for convenience, the drift layer is divided into the n − -
n型電流分散層5の上にはSiCからなるp型ベース領域6が形成されている。また、p型ベース領域6の下方において、具体的にはJFET部3と電界ブロック層4の表面からp型ベース領域6の間であって、n型電流分散層5が形成されていない部分に、p型ディープ層7が形成されている。p型ディープ層7は、電界緩和層のうち一部となる上部を構成する部分である。本実施形態では、p型ディープ層7は、JFET部3のうちのストライプ状の部分や電界ブロック層4の長手方向に対して交差する方向、ここではY方向を長手方向として延設され、X方向においてn型電流分散層5と交互に複数本並べられたレイアウトとされている。このp型ディープ層7を通じて、p型ベース領域6や電界ブロック層4が電気的に接続されている。n型電流分散層5やp型ディープ層7の形成ピッチは、後述するトレンチゲート構造の形成ピッチに合わせてある。
A p-
さらに、p型ベース領域6の上にはn型ソース領域8が形成されている。n型ソース領域8は、p型ベース領域6のうち後述するトレンチゲート構造と対応する部分に形成されており、トレンチゲート構造の両側それぞれに形成されている。
Furthermore, an n-
p型ベース領域6は、電界ブロック層4よりも厚みが薄く、かつ、p型不純物濃度が低くされており、例えばp型不純物濃度が3×1017/cm3とされ、厚さが0.4~0.6μmとされている。p型ディープ層7は、厚みがn型電流分散層5と等しくされており、p型不純物濃度は任意であるが、例えば電界ブロック層4と等しくされている。
The p-
n型ソース領域8は、後述するソース電極15とのコンタクトを取るための領域であり、n-型層2よりもn型不純物が高濃度とされている。n型ソース領域8は、例えばn型不純物濃度が1.0×1018~5.0×1019/cm3とされ、厚みが0.3~0.7μmとされている。
The n-
さらに、p型ベース領域6上のうちp型ディープ層7と対応する位置、換言すればn型ソース領域8と異なる位置であってn型ソース領域8を挟んでトレンチゲート構造と反対側の位置に、p型連結層10が形成されている。p型連結層10は、p型ベース領域6と後述するソース電極15とを連結することで電気的に接続するための層である。
Furthermore, a position on the p-
p型連結層10は、コンタクト領域としてソース電極15に接触させられる部分である。例えば、p型連結層10は、p型不純物濃度が5.0×1017~1.0×1020/cm3と高濃度に設定され、厚みが0.2~0.3μmとされている。
The p-
さらに、n型ソース領域8およびp型ベース領域6を貫通してn型電流分散層5に達するように、例えば幅が0.4μm、深さがp型ベース領域6とn型ソース領域8の合計膜厚よりも0.2~0.4μm深くされたゲートトレンチ11が形成されている。このゲートトレンチ11の側面と接するように上述したp型ベース領域6およびn型ソース領域8が配置されている。ゲートトレンチ11は、図2のX方向を幅方向、JFET部3や電界ブロック層4の長手方向と交差する方向、ここではY方向を長手方向、Z方向を深さ方向とする短冊状のレイアウトで形成されている。そして、ゲートトレンチ11は、複数本がX方向に等間隔に配置されたストライプ状とされており、それぞれの間にp型ベース領域6およびn型ソース領域8が配置されている。また、各ゲートトレンチ11の中間位置に、p型ディープ層7やp型連結層10が配置されている。
Furthermore, the p-
このゲートトレンチ11の側面の位置において、p型ベース領域6は、縦型MOSFETの作動時にn型ソース領域8とn型電流分散層5との間を繋ぐチャネル領域を形成する。このチャネル領域がゲートチャネルに相当するものである。このチャネル領域を含むゲートトレンチ11の内壁面は、ゲート絶縁膜12で覆われている。ゲート絶縁膜12の表面にはドープドPoly-Siにて構成されたゲート電極13が形成されており、これらゲート絶縁膜12およびゲート電極13によってゲートトレンチ11内が埋め尽くされ、トレンチゲート構造が構成されている。
At the side of this
また、n型ソース領域8の表面やゲート電極13の表面には、層間絶縁膜14を介してソース電極15や図示しないゲート配線層などが形成されている。ソース電極15やゲート配線層は、複数の金属、例えばNi/Al等にて構成されている。そして、複数の金属のうち少なくともn型SiC、具体的にはn型ソース領域8と接触する部分は、n型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。また、複数の金属のうち少なくともp型SiC、具体的にはp型連結層10と接触する部分は、p型SiCとオーミック接触可能な金属で構成されている。なお、ソース電極15は、層間絶縁膜14上に形成されることでSiC部分と電気的に絶縁されているが、層間絶縁膜14に形成されたコンタクトホールを通じて、n型ソース領域8およびp型連結層10と電気的に接触させられている。そして、p型連結層10を通じてp型ベース領域6やp型ディープ層7および電界ブロック層4が接続されていることから、これらがすべてソース電位とされるようになっている。
A
一方、n+型基板1の裏面側にはn+型基板1と電気的に接続されたドレイン電極16が形成されている。このような構造により、nチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETが構成されている。このような縦型MOSFETが複数セル配置されることでセル領域が構成されている。そして、このような縦型MOSFETが形成されたセル領域を囲むように図示しないガードリングなどによる外周耐圧構造が構成されることでSiC半導体装置が構成されている。
On the other hand, a
このように構成される縦型MOSFETを有するSiC半導体装置は、例えば、ソース電圧Vsを0V、ドレイン電圧Vdを1~1.5Vとした状態で、ゲート電極13に対して20Vのゲート電圧Vgを印加することで動作させられる。すなわち、縦型MOSFETは、ゲート電圧Vgが印加されることにより、ゲートトレンチ11に接する部分のp型ベース領域6にチャネル領域を形成する。これにより、n型ソース領域8とn型電流分散層5との間が導通する。したがって、縦型MOSFETがオンし、n+型基板1より、n-型層2とJFET部3およびn型電流分散層5にて構成されるドリフト層を通じ、さらにチャネル領域からn型ソース領域8を通じて、ドレイン-ソース間に電流を流すという動作を行う。また、ゲート電圧Vgへの印加を停止することでチャネル領域が無くなり、n型ソース領域8とn型電流分散層5との間が非導通となって、縦型MOSFETがオフされ、ドレイン-ソース間への電流の流れが停止される。
A SiC semiconductor device having a vertical MOSFET configured in this way applies, for example, a gate voltage Vg of 20 V to the
このとき、本実施形態のSiC半導体装置には、JFET部3および電界ブロック層4を備えてある。このため、縦型MOSFETの動作時には、JFET部3および電界ブロック層4が飽和電流抑制層として機能し、飽和電流抑制効果を発揮することで低オン抵抗を図りつつ、低飽和電流を維持できる構造とすることが可能となる。具体的には、JFET部3のうちストライプ状とされた部分と電界ブロック層4とが交互に繰り返し形成された構造とされていることから、次に示すような作動を行う。
At this time, the SiC semiconductor device of this embodiment includes the
まず、ドレイン電圧Vdが例えば1~1.5Vのように通常作動時に印加される電圧である場合には、電界ブロック層4側からJFET部3へ伸びる空乏層は、JFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅よりも小さい幅しか伸びない。このため、JFET部3内へ空乏層が伸びても電流経路が確保される。そして、JFET部3のn型不純物濃度がn-型層2よりも高くされていて、電流経路を低抵抗に構成できるため、低オン抵抗を図ることが可能となる。
First, when the drain voltage Vd is a voltage applied during normal operation, such as 1 to 1.5 V, the depletion layer extending from the electric
また、負荷短絡などによってドレイン電圧Vdが通常作動時の電圧よりも高くなると、電界ブロック層4側からJFET部3へ伸びる空乏層がJFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅よりも伸びる。そして、n型電流分散層5よりも先にJFET部3が即座にピンチオフされる。このとき、JFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅およびn型不純物濃度に基づいてドレイン電圧Vdと空乏層の幅との関係が決まる。このため、通常作動時のドレイン電圧Vdよりも少し高い電圧となったときにJFET部3がピンチオフされるように、JFET部3のうちストライプ状とされた部分の幅およびn型不純物濃度を設定している。したがって、低いドレイン電圧VdでもJFET部3をピンチオフすることが可能となる。このように、ドレイン電圧Vdが通常作動時の電圧よりも高くなったときにJFET部3が即座にピンチオフされるようにすることで、低飽和電流を維持することができ、更に負荷短絡等によるSiC半導体装置の耐量を向上することが可能となる。
Further, when the drain voltage Vd becomes higher than the voltage during normal operation due to a load short circuit or the like, the depletion layer extending from the electric
このように、JFET部3および電界ブロック層4が飽和電流抑制層として機能し、飽和電流抑制効果を発揮することで、更に低オン抵抗と低飽和電流を両立することができるSiC半導体装置とすることが可能となる。
In this way, the
さらに、JFET部3を挟み込むように電界ブロック層4を備えることで、JFET部3のうちストライプ状とされた部分と電界ブロック層4とが交互に繰り返し形成された構造とされている。このため、ドレイン電圧Vdが高電圧になったとしても、下方からn-型層2に伸びてくる空乏層の伸びが電界ブロック層4によって抑えられ、トレンチゲート構造に延伸することを防ぐことができる。したがって、ゲート絶縁膜12に掛かる電界を低下させる電界抑制効果を発揮させられ、ゲート絶縁膜12が破壊されることを抑制できるため、高耐圧化で信頼性の高い素子とすることが可能となる。そして、このようにトレンチゲート構造への空乏層の延伸を防げるため、ドリフト層の一部を構成するn-型層2やJFET部3のn型不純物濃度を比較的高くすることができ、低オン抵抗化を図ることが可能となる。
Furthermore, by providing the electric
また、本実施形態のSiC半導体装置では、JFET部3および電界ブロック層4の幅や不純物濃度について、ドレイン電圧Vdがゲートチャネルのピンチオフ電圧になるまでは、JFETチャネルがピンチオフされないように設定してある。つまり、上記したように、負荷短絡などによってドレイン電圧Vdが通常作動時の電圧よりも高くなったときにはJFET部3が即座にピンチオフされるが、通常作動時の電圧においてはピンチオフされない条件に設定してある。具体的には、次式を満たすようにしている。
In addition, in the SiC semiconductor device of the present embodiment, the widths and impurity concentrations of the
このように、数式1を満たすようにJFET部3および電界ブロック層4の幅や不純物濃度を設定することで、ゲートチャネルでピンチオフされるようになり、縦型MOSFETのピンチオフ電圧をゲートチャネルのピンチオフ電圧とすることが可能となる。このため、飽和領域において非飽和特性になることを抑制できる。
Thus, by setting the width and impurity concentration of the
具体的には、図3に示されるように、ピンチオフ電圧がゲート電圧Vgに対応して上昇していく値になり、ドレイン電圧Vdがピンチオフ電圧を超えてからはそれ以上に上昇してもドレイン電流Idがあまり上昇しないという飽和特性を示す。これは、ゲートチャネルでピンチオフされていることを表しており、飽和領域において非飽和特性になっていないことを表している。 Specifically, as shown in FIG. 3, the pinch-off voltage becomes a value that increases corresponding to the gate voltage Vg. It shows a saturation characteristic in which the current Id does not rise much. This indicates that the gate channel is pinched off, and that the saturation region does not have non-saturation characteristics.
そして、このようにゲートチャネルでピンチオフされるようになると、ゲート電圧の立上り時もしくは立下り時のミラー期間が平らになるようにできると共にその時間を短くすることができる。例えば、特許文献1の従来構造および本実施形態の構造それぞれについて、シミュレーションによりターンオフ波形を調べたところ図4に示す結果となった。
When the gate channel is pinched off in this way, the mirror period when the gate voltage rises or falls can be flattened and shortened. For example, when the turn-off waveforms of the conventional structure of
理想的には、ミラー期間中にミラー電圧が一定値をとり、かつ、ミラー期間が短いことが良好なスイッチング特性の条件となる。しかしながら、図4に示されるように、特許文献1の構造の場合、ミラー期間中にミラー電圧が一定にならずに傾斜した状態となり、ミラー期間も長時間となっている。このような状態になると、スイッチング時間が長時間化してしまい、スイッチング損失を増大させることになる。
Ideally, the conditions for good switching characteristics are that the mirror voltage is constant during the mirror period and that the mirror period is short. However, as shown in FIG. 4, in the case of the structure of
これに対して、本実施形態の構造の場合には、図4に示されるように、特許文献1の場合と比較してミラー期間中のミラー電圧がほぼ一定となっており、ミラー期間も短くなっていた。
On the other hand, in the case of the structure of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the mirror voltage during the mirror period is substantially constant and the mirror period is short as compared with the case of
具体的には、ドレイン電圧Vdが立上がり始めたタイミングがミラー期間の開始タイミングとなるが、そこからゲート電圧Vgが一定状態となって、さらに低下し始めるときがミラー期間の終了タイミングとなる。なお、一定状態の際のゲート電圧Vgについて、ゲート電圧Vgが厳密には一定値にならずに変化することから、その変化の中央値と想定している。このミラー期間の開始タイミングと一定状態のときのゲート電圧Vgの電位差ΔVgを比較すると、本実施形態の構造の方が特許文献1の構造よりも電位差ΔVgが小さくなっている。このことは、ミラー期間中のミラー電圧の変動が小さく、ミラー電圧がほぼ一定になっていることを示している。また、ゲート電圧Vgの単位時間当たりの変化量に相当するdVg/dtも高くなっており、より早くミラー電圧に移行してミラー期間が短くなることが判る。
Specifically, the timing at which the drain voltage Vd begins to rise is the start timing of the mirror period, and the timing at which the gate voltage Vg becomes constant and begins to further decrease is the end timing of the mirror period. Strictly speaking, the gate voltage Vg in a constant state is assumed to be the median value of the variation because the gate voltage Vg varies without becoming a constant value. Comparing the start timing of the mirror period with the potential difference ΔVg of the gate voltage Vg in the constant state, the structure of the present embodiment has a smaller potential difference ΔVg than the structure of
このように、ミラー期間中のミラー電圧がほぼ一定になるようにすることで、スイッチング時間を短時間化することができ、スイッチング損失を低減することが可能となる。よって、非飽和特性を改善してスイッチング時間の短時間化によりスイッチング損失の低減を図ることが可能なトレンチゲート構造のSiC半導体装置にできる。 By making the mirror voltage substantially constant during the mirror period in this manner, the switching time can be shortened, and the switching loss can be reduced. Therefore, an SiC semiconductor device having a trench gate structure capable of reducing switching loss by improving non-saturation characteristics and shortening switching time can be obtained.
このような効果が得られるようなJFET部3の幅LJFETやn型不純物濃度NJFETについては、p型ベース領域6のp型不純物濃度によって若干変化する。しかしながら、基本的には、JFET部3の幅LJFETとn型不純物濃度NJFETのいずれか一方が決まれば他方も決まる関係となる。例えば、JFET部3のn型不純物濃度NJFETを1.0×1017/cm3とした場合において、内蔵電圧Vbiを3[V]一定と想定して、JFET部3の幅LJFETとピンチオフ電圧Vpとの関係について調べた。p型ベース領域6のp型不純物濃度については、5.0×1017/cm3と1.0×1018/cm3とした。図5は、その結果を示した図である。
The width L JFET of the
この図に示される関係は、p型ベース領域6の変化に応じて若干変化するものの概ね同じになり、JFET部3の幅LJFETが大きくなるほどピンチオフ電圧Vpが大きくなる。そして、例えば、設定値Vgx=20と想定すると、JFET部3の幅LJFETが0.4μm以上であれば、JFET部3がピンチオフされないようにすることができる。
Although the relationship shown in this figure changes slightly according to the change of the p-
また、ピンチオフしないようにできるJFET部3の幅LJFETについては、JFET部3のn型不純物濃度NJFETに応じて変化する。図6は、これらの関係をシミュレーションにより調べた結果を示している。この図に示されるように、JFET部3の幅LJFETは、JFET部3のn型不純物濃度NJFETが高くなるほど小さくても良い。したがって、図6において、シミュレーションで得られた設定値Vgx=20となるときをプロットした点を結ぶ曲線よりも上の領域となるようにJFET部3の幅LJFETやn型不純物濃度NJFETが設定されれば、JFET部3がピンチオフしないようにできる。
Further, the width L JFET of the
そして、JFET部3のn型不純物濃度NJFETとして最も低い値として想定されるのが5.0×1016/cm3であるが、このときに必要とされる幅LJFETが0.8μmであった。このため、JFET部3のn型不純物濃度NJFETとして想定される範囲内においては、幅LJFETが0.8μm以上あれば、本実施形態の構造の縦型MOSFETにおいて、JFET部3がピンチオフしないようにできる。
5.0×10 16 /cm 3 is assumed to be the lowest value for the n-type impurity concentration N JFET of the
以上説明したように、本実施形態では、電界ブロック層4を形成することで低飽和電流かつ低オン抵抗を得つつ耐量を得るようにした構造において、ドレイン電圧Vdがゲートチャネルのピンチオフ電圧になるまでJFET部3がピンチオフされないようにしている。これにより、ゲートチャネルでピンチオフされるようになり、縦型MOSFETのピンチオフ電圧をゲートチャネルのピンチオフ電圧とすることが可能となる。このため、飽和領域において非飽和特性になることを抑制できる。
As described above, in the present embodiment, the drain voltage Vd becomes the pinch-off voltage of the gate channel in the structure in which the electric
したがって、ミラー期間中のミラー電圧がほぼ一定になるようにでき、スイッチング時間を短時間化することができて、スイッチング損失を低減することが可能となる。よって、非飽和特性を改善してスイッチング時間の短時間化によりスイッチング損失の低減を図ることが可能なトレンチゲート構造のSiC半導体装置にできる。 Therefore, the mirror voltage during the mirror period can be kept substantially constant, the switching time can be shortened, and the switching loss can be reduced. Therefore, an SiC semiconductor device having a trench gate structure capable of reducing switching loss by improving non-saturation characteristics and shortening switching time can be obtained.
次に、本実施形態にかかるnチャネルタイプの反転型のトレンチゲート構造の縦型MOSFETを備えたSiC半導体装置の製造方法について、図7A~図7Gに示す製造工程中の断面図を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing a SiC semiconductor device having a vertical MOSFET having an n-channel type inverted trench gate structure according to the present embodiment will be described with reference to cross-sectional views during manufacturing steps shown in FIGS. 7A to 7G. explain.
〔図7Aに示す工程〕
まず、半導体基板として、n+型基板1を用意する。そして、図示しないCVD(chemical vapor deposition)装置を用いたエピタキシャル成長により、n+型基板1の主表面上にSiCからなるn-型層2を形成する。このとき、n+型基板1の主表面上に予めn-型層2を成長させてある所謂エピ基板を用いても良い。そして、n-型層2の上にSiCからなるJFET部3をエピタキシャル成長させるか、もしくはn-型層2に対してn型不純物をイオン注入することでJFET部3を形成する。このとき、JFET部3部3の幅LJFETやn型不純物濃度NJFETについて、上記した数式1を満たすように設定している。
[Steps shown in FIG. 7A]
First, an n + -
なお、エピタキシャル成長については、SiCの原料ガスとなるシランやプロパンに加えて、n型ドーパントとなるガス、例えば窒素ガスを導入することで行っている。 The epitaxial growth is performed by introducing a gas, such as a nitrogen gas, as an n-type dopant, in addition to silane and propane, which are raw material gases of SiC.
〔図7Bに示す工程〕
JFET部3の表面に、マスク17を配置したのち、マスク17をパターニングして電界ブロック層4の形成予定領域を開口させる。そして、p型不純物をイオン注入することで、電界ブロック層4を形成する。その後、マスク17を除去する。
[Steps shown in FIG. 7B]
After disposing a
なお、ここでは、電界ブロック層4をイオン注入によって形成しているが、イオン注入以外の方法によって電界ブロック層4を形成しても良い。例えば、JFET部3を選択的に異方性エッチングすることで電界ブロック層4と対応する位置に凹部を形成し、この上にp型不純物層をエピタキシャル成長させた後、JFET部3の上に位置する部分においてp型不純物層を平坦化して電界ブロック層4を形成する。このように、電界ブロック層4をエピタキシャル成長によって形成することもできる。p型SiCをエピタキシャル成長させる場合、SiCの原料ガスに加えて、p型ドーパントとなるガス、例えばトリメチルアルミニウム(TMA)を導入すれば良い。
Although the electric
〔図7Cに示す工程〕
引き続き、JFET部3および電界ブロック層4の上にn型SiCをエピタキシャル成長させることで、n型電流分散層5を形成する。そして、n型電流分散層5の上に、p型ディープ層7の形成予定領域が開口する図示しないマスクを配置する。その後、マスクの上からp型不純物をイオン注入することでp型ディープ層7を形成する。
[Steps shown in FIG. 7C]
Subsequently, n-type current spreading
なお、p型ディープ層7についてもイオン注入によって形成する例を示したが、イオン注入以外の方法によって形成することもできる。例えば、電界ブロック層4と同様に、n型電流分散層5に対して凹部を形成したのち、p型不純物層をエピタキシャル成長させ、さらにp型不純物層の平坦化を行うことで、p型ディープ層7を形成するようにしても良い。また、p型ディープ層7を形成してからイオン注入等によってn型電流分散層5を形成しても良い。
An example of forming the p-type
〔図7Dに示す工程〕
図示しないCVD装置を用いて、n型電流分散層5およびp型ディープ層7の上にp型ベース領域6およびn型ソース領域8を順にエピタキシャル成長させる。例えば、同じCVD装置内において、まずはp型ドーパントとなるガスを導入したエピタキシャル成長によってp型ディープ層7を形成する。続いて、p型ドーパントとなるガスの導入を停止したのち、今度はn型ドーパントとなるガスを導入したエピタキシャル成長によってn型ソース領域8を形成する。
[Steps shown in FIG. 7D]
A p-
〔図7Eに示す工程〕
n型ソース領域8の上にp型連結層10の形成予定位置を開口させた図示しないマスクを配置する。そして、マスクの上からp型不純物をイオン注入したのち、活性化のために1500℃以上の熱処理を行う。イオン注入する元素としては、ボロン(B)とアルミニウム(Al)のいずれか一方もしくは両方を用いている。これにより、n型ソース領域8をp型不純物のイオン注入によって打ち返してp型連結層10を形成することができる。
[Steps shown in FIG. 7E]
A mask (not shown) is placed on the n-
〔図7Fに示す工程〕
n型ソース領域8などの上に図示しないマスクを形成したのち、マスクのうちのゲートトレンチ11の形成予定領域を開口させる。そして、マスクを用いてRIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを行うことで、ゲートトレンチ11を形成する。
[Steps shown in FIG. 7F]
After forming a mask (not shown) on the n-
〔図7Gに示す工程〕
その後、マスクを除去してから例えば熱酸化を行うことによって、ゲート絶縁膜12を形成し、ゲート絶縁膜12によってゲートトレンチ11の内壁面上およびn型ソース領域8の表面上を覆う。そして、p型不純物もしくはn型不純物がドープされたPoly-Siをデポジションした後、これをエッチバックし、少なくともゲートトレンチ11内にPoly-Siを残すことでゲート電極13を形成する。これにより、トレンチゲート構造が完成する。
[Steps shown in FIG. 7G]
Thereafter, the
この後の工程については図示しないが、以下のような工程を行う。すなわち、ゲート電極13およびゲート絶縁膜12の表面を覆うように、例えば酸化膜などによって構成される層間絶縁膜14を形成する。また、図示しないマスクを用いて層間絶縁膜14にn型ソース領域8およびp型ディープ層7を露出させるコンタクトホールを形成する。そして、層間絶縁膜14の表面上に例えば複数の金属の積層構造により構成される電極材料を形成したのち、電極材料をパターニングすることでソース電極15やゲート配線層を形成する。さらに、n+型基板1の裏面側にドレイン電極16を形成する。このようにして、本実施形態にかかるSiC半導体装置が完成する。
Although not shown, the following steps are performed. That is, an
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately modified within the scope of the claims.
(1)例えば、上記実施形態で示したSiC半導体装置を構成する各部の不純物濃度や厚み、幅等の各種寸法については一例を示したに過ぎない。 (1) For example, various dimensions such as the impurity concentration, thickness, width, etc. of each part constituting the SiC semiconductor device shown in the above embodiments are merely examples.
(2)また、電界ブロック層4については、どこかの部位と接続されることでソース電位とされれば良く、縦型MOSFETの各セルにおいて、p型ディープ層7やp型ベース領域6およびp型連結層10を介してソース電極15に接続してなくても良い。ただし、このような構成とすれば、各セルにおいて、電界ブロック層4をソース電位に固定することが可能となる。
(2) In addition, the electric
仮に、電界ブロック層4をソース電位に固定するための接続される部位が遠くなると、縦型MOSFETを高速スイッチング駆動した際に、電界ブロック層4からソース電極15に抜ける電流経路が長くなり、電界ブロック層4を通じての充放電時間が長くなる。これにより、スイッチング時間が長くなり、スイッチング損失を増大させてしまう。これに対して、電界ブロック層4を各セルでソース電位に固定すれば、電界ブロック層4からソース電極15に抜ける電流経路を短くでき、電界ブロック層4を通じての充放電時間を短くできる。よって、スイッチング時間を短くできて、スイッチング損失を低減することが可能となる。
If the portion to be connected for fixing the electric
(3)また、上記実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプの縦型MOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプの縦型MOSFETとしても良い。また、上記説明では、半導体素子として縦型MOSFETを例に挙げて説明したが、同様の構造のIGBTに対しても本発明を適用することができる。nチャネルタイプのIGBTの場合、上記各実施形態に対してn+型基板1の導電型をn型からp型に変更するだけであり、その他の構造や製造方法に関しては上記各実施形態と同様である。
(3) In addition, in the above-described embodiment, an n-channel type vertical MOSFET in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type is described as an example, but the conductivity type of each component is An inverted p-channel type vertical MOSFET may be used. Further, in the above description, a vertical MOSFET is used as an example of a semiconductor element, but the present invention can also be applied to an IGBT having a similar structure. In the case of an n-channel type IGBT, the conductivity type of the n + -
(4)上記実施形態では、半導体材料としてSiCを用いた半導体装置について説明したが、SiC以外の半導体材料、例えばIV属半導体であるSiやGe、C等やGaN、AlNを用いた半導体装置に対しても本発明を適用可能である。その場合、上記した数式1については、SiCの誘電率εsicに代えて、使用される半導体材料に応じた誘電率εを適用すれば良い。
(4) In the above embodiments, a semiconductor device using SiC as a semiconductor material has been described. The present invention can also be applied to In that case, for
3 JFET部
4 電界ブロック層
5 n型電流分散層
6 p型ベース領域
8 n型ソース領域
11 ゲートトレンチ
13 ゲート電極
15 ソース電極
16 ドレイン電極
3
Claims (3)
第1または第2導電型の半導体基板(1)と、
前記半導体基板の上に形成され、前記半導体基板よりも低不純物濃度の第1導電型半導体で構成された第1導電型層(2)と、
前記第1導電型層の上に形成されていると共に前記半導体基板の法線方向から見て少なくとも一方向を長手方向とする線状部分を有して構成された第2導電型の半導体からなる第2導電型の電界ブロック層(4)と、
前記第1導電型層上に形成され、前記電界ブロック層に挟まれて配置されている第1導電型の半導体からなるJFET部(3)と、
前記電界ブロック層および前記JFET部の上に形成され、前記第1導電型層よりも高濃度の第1導電型の半導体からなる電流分散層(5)と、
前記電流分散層の上に形成された第2導電型の半導体からなるベース領域(6)と、
前記ベース領域の上に形成され、前記第1導電型層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の半導体からなるソース領域(8)と、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深く形成されたゲートトレンチ(11)内に、該ゲートトレンチの内壁面を覆うゲート絶縁膜(12)と該ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極(13)とを備えて構成され、前記一方向と交差する方向を長手方向として複数本がストライプ状に並べられたトレンチゲート構造と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜(14)と、
前記コンタクトホールを通じて、前記ソース領域にオーミック接触させられたソース電極(15)と、
前記半導体基板の裏面側に形成されたドレイン電極(16)と、を含む前記半導体素子を備え、
前記ゲート電極へのゲート電圧の印加に基づいて前記トレンチゲート構造の側面に位置する前記ベース領域にチャネル領域が形成されて前記半導体素子をオンさせ、前記ゲート電圧の印加を停止することで前記半導体素子をオフする動作を行い、
前記JFET部の幅LJFETおよび第1導電型不純物濃度NJFETは、前記チャネル領域でのピンチオフ電圧をVp、前記半導体の内蔵電圧をVbi、素電荷をq[C]、該JFET部を構成する半導体の誘電率をε、前記電界ブロック層の第2導電型不純物濃度をNDP[cm-3]、前記半導体素子の通常作動時に前記ゲート電極に対して印加されるゲート電圧よりも大きな値とされる設定値をVgxとして、
a semiconductor substrate (1) of first or second conductivity type;
a first conductivity type layer (2) formed on the semiconductor substrate and made of a first conductivity type semiconductor having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate;
A second conductivity type semiconductor formed on the first conductivity type layer and configured to have a linear portion having at least one longitudinal direction as viewed from the normal direction of the semiconductor substrate. a second conductivity type electric field blocking layer (4);
a JFET portion (3) made of a first conductivity type semiconductor formed on the first conductivity type layer and sandwiched between the electric field blocking layers;
a current spreading layer (5) formed on the electric field blocking layer and the JFET portion and made of a semiconductor of a first conductivity type having a concentration higher than that of the first conductivity type layer;
a base region (6) made of a semiconductor of a second conductivity type formed on the current spreading layer;
a source region (8) formed on the base region and made of a first conductivity type semiconductor having a first conductivity type impurity concentration higher than that of the first conductivity type layer;
a gate insulating film (12) covering an inner wall surface of the gate trench (11) formed from the surface of the source region to a depth deeper than the base region; and a gate electrode disposed on the gate insulating film. (13), a trench gate structure in which a plurality of gates are arranged in a stripe shape with a direction intersecting with the one direction as a longitudinal direction;
an interlayer insulating film (14) covering the gate electrode and the gate insulating film and having a contact hole formed therein;
a source electrode (15) in ohmic contact with the source region through the contact hole;
a drain electrode (16) formed on the back surface side of the semiconductor substrate;
A channel region is formed in the base region located on the side surface of the trench gate structure based on the application of the gate voltage to the gate electrode to turn on the semiconductor element, and the semiconductor element is turned on by stopping the application of the gate voltage. perform the operation to turn off the element,
The width L JFET and the first conductivity type impurity concentration N JFET of the JFET portion constitute the JFET portion with Vp as the pinch-off voltage in the channel region, Vbi as the built-in voltage of the semiconductor, and q [C] as the elementary charge. ε is the dielectric constant of the semiconductor; Let Vgx be the set value to be
前記複数セルの前記半導体素子それぞれにおいて、In each of the semiconductor elements of the plurality of cells,
前記電流分散層と共に前記電界ブロック層および前記JFET部の上に形成され、前記電界ブロック層と電気的に接続された第2導電型のディープ層(7)と、a second conductivity type deep layer (7) formed on the electric field blocking layer and the JFET portion together with the current spreading layer and electrically connected to the electric field blocking layer;
前記ソース領域を挟んで前記トレンチゲート構造と反対側に形成され、前記ベース領域を前記ソース電極に連結させる第2導電型の半導体で構成された連結層(10)と、が備えられ、a connection layer (10) formed on the opposite side of the trench gate structure with the source region interposed therebetween and made of a semiconductor of a second conductivity type for connecting the base region to the source electrode;
前記ベース領域は、前記電流分散層および前記ディープ層の上に形成されていて、the base region is formed on the current spreading layer and the deep layer,
前記複数セルぞれぞれで、前記電界ブロック層が前記ディープ層と電気的に接続されている請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said electric field blocking layer is electrically connected to said deep layer in each of said plurality of cells.
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