JP7237772B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

実施形態は、半導体装置に関する。
電力用半導体装置には、スイッチング動作のオフ時において、高耐圧および低リーク電流特性を有することが望まれる。
特開2010-147399号公報
実施形態は、オフ時のリーク電流を低減できる半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、第1導電形の半導体部と、前記半導体部の裏面上に設けられた第1電極と、前記半導体部の表面上に設けられた第2電極と、前記半導体部の前記表面側に設けられたトレンチの内部に配置された第2導電形の第1半導体層と、前記トレンチの内部に設けられ、前記第1半導体層を前記半導体部から電気的に絶縁する絶縁層と、前記トレンチの内部に設けられ、前記第1半導体層に比べて前記トレンチの底により近接した位置に配置された端部を含む第1導電形の第2半導体層と、を備える。前記第2電極は、前記半導体部に整流性を有する接触面を介して接続され、前記第1半導体層に電気的に接続される。前記第2半導体層は、前記半導体部から前記絶縁層により電気的に絶縁される。
実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置の別の断面を示す模式図である。 実施形態に係る半導体装置の特性を示す模式図である。 実施形態の第1変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態の第2変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態の第3変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態の第4変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態の第5変形例に係る半導体装置を示す模式断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。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。
さらに、各図中に示すX軸、Y軸およびZ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。X軸、Y軸、Z軸は、相互に直交し、それぞれX方向、Y方向、Z方向を表す。また、Z方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
図1は、実施形態に係る半導体装置1を示す模式断面図である。半導体装置1は、例えば、ショットキダイオード(Schottky Barrier Diode:SBD)である。
半導体装置1は、n形の導電性を有する半導体部10と、アノード電極20と、カソード電極30と、p形半導体層40と、を備える。アノード電極20は、半導体部10の表面上に設けられ、カソード電極30は、半導体部10の裏面上に設けられる。半導体部10は、例えば、シリコンであり、p形半導体層40は、例えば、p形ポリシリコン層である。
アノード電極20は、例えば、コンタクト層23と、ボンディング層25と、を含む。コンタクト層23は、整流性を有する接触面を介して半導体部10に直接接続される。コンタクト層23は、半導体部10に対し、所謂ショットキー接続される。コンタクト層23は、例えば、チタニウムもしくはコバルトを含む金属層である。ボンディング層25は、例えば、アルミニウムを含む金属層である。
p形半導体層40は、半導体部10の表面側に設けられたトレンチFTの内部に配置される。p形半導体層40は、絶縁層41により半導体部10から電気的に絶縁される。絶縁層41は、例えば、酸化シリコンを含む。p形半導体層40は、例えば、フィールドプレートとして機能する。
p形半導体層40は、アノード電極20に電気的に接続される。すなわち、p形半導体層40は、アノード電極20と同電位になる。この例では、p形半導体層40は、コンタクト層23に直接接続される。
半導体部10は、例えば、n形領域11と、n形領域13と、を含む。コンタクト層23は、n形領域11に接する。n形領域13は、n形領域11とカソード電極30との間に位置する。n形領域13は、n形領域11のn形不純物よりも高濃度のn形不純物を含む。カソード電極30は、例えば、n形領域13に接し、且つ、電気的に接続される。
図2(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1の別の断面を示す模式図である。図2(a)および(b)は、図1中に示すA-A線に沿った断面を表す模式図である。また、図1は、図2(a)中に示すC-C線に沿った断面、もしくは、図2(b)中に示すD-D線に沿った断面を表す模式図である。
図2(a)に示すように、Y方向に延在する複数のトレンチFTが設けられる。複数のトレンチFTのそれぞれに、p形半導体層40が配置される。この例では、p形半導体層40は、複数設けられる。
図2(b)に示すように、トレンチFTは格子状に設けられる。p形半導体層40は、トレンチFTの内部に格子状に設けられる。この例では、p形半導体層40は、一体に設けられる。
図3(a)および(b)は、実施形態に係る半導体装置1の特性を示す模式断面図である。図3(a)は、半導体装置1のオフ時における、n形領域11中の電界強度分布を表す模式図である。図3(a)には、図1中に示す破線Bに沿った電界強度分布が示されている。図3(b)は、半導体装置1の逆バイアス時の電流・電圧特性を示す模式図である。
図中に示す符号「NP」は、半導体装置1の特性を示している。符号「NN」は、比較例に係る半導体装置の特性を表している。比較例に係る半導体装置では、p形半導体層40に代えて、n形半導体層がトレンチFTの内部に配置される。
さらに、図3(a)中に示す符号「SB」は、n形領域11とアノード電極20との界面の位置(すなわち、ショットキ接合の位置)を表している。符号「FPE」は、p形半導体層40におけるカソード電極30側の端の位置を表している。
図3(a)に示すように、半導体装置1では、p形半導体層40のカソード電極30側の端FPEにおいて電界強度が最大となる。このため、隣接するトレンチFT間に位置するn形領域11の空乏化を促進することができる。すなわち、n形領域11のn形不純物の濃度を高くしても、n形領域11を空乏化することが可能となり、オフ時の高耐圧を維持することができる。言い換えれば、p形半導体層40を配置したトレンチ構造を半導体部10に設けることにより、オフ時の耐圧を低下させることなく、n形領域11を高濃度化することが可能となる。これにより、半導体装置1のオン抵抗を低減できる。
さらに、本実施形態では、n形領域11とp形半導体層40との間の電位差により、ショットキ接合の近傍における、n形領域11の空乏化を促進することができる。すなわち、トレンチFT内にn形半導体層を配置した比較例に比べて、ショットキ接合の位置SBにおける電界強度を低減できる(図3(a)中のNNが示す部分を参照)。
結果として、図3(b)に示すように、半導体装置1では、比較例に係る半導体装置に比べて逆方向電流(すなわち、リーク電流)を低減することができる。これにより、半導体装置1の消費電力を低減することができる。
図4(a)および(b)は、実施形態の第1変形例に係る半導体装置2A、2Bを示す模式断面図である。
半導体装置2Aおよび2Bは、p形半導体層40aおよびn形半導体層40bを含む。p形半導体層40aおよびn形半導体層40bは、トレンチFTの内部に配置され、絶縁層41により半導体部10から電気的に絶縁される。
図4(a)に示すように、p形半導体層40aは、X方向において、n形領域11とn形半導体層40bとの間に位置する。また、n形半導体層40bは、2つのp形半導体層40aの間に位置する部分を含む。
p形半導体層40aは、アノード電極20側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。n形半導体層40bは、アノード電極20側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。n形半導体層40bの下端は、p形半導体層40aの下端よりもトレンチFTの底に近い位置に設けられる。p形半導体層40aの上端およびn形半導体層40bの上端は、例えば、アノード電極20のコンタクト層23に直接接続される。
n形半導体層40bは、p形半導体層40aに比べて、トレンチFTの底により近接した端部を有する。これにより、隣接するトレンチFT間のn形領域11の空乏化を促進し、オフ時の耐圧を向上させることができる。さらに、p形半導体層40aをトレンチFTの上部に配置することにより、n形領域11とコンタクト層23との界面(すなわち、ショットキ接合位置)における電界を低減し、逆方向バイアス時におけるリーク電流を低減することができる。
さらに、図4(b)に示す半導体装置2Bでは、n形領域11とアノード電極20との間にn形領域15を設ける。n形領域15は、n形領域11のn形不純物よりも低濃度のn形不純物を含む。アノード電極20のコンタクト層23は、n形領域15に接する。これにより、逆バイアス時において、n形領域15とコンタクト層23との界面近傍における空乏化をさらに促進することができる。結果として、n形領域15とコンタクト層23との界面における電界強度をさらに低減し、リーク電流を抑制することができる。
図5(a)および(b)は、実施形態の第2変形例に係る半導体装置3A、3Bを示す模式断面図である。
半導体装置3Aおよび3Bは、p形半導体層40a、n形半導体層40bおよびn形半導体層40cを含む。p形半導体層40a、n形半導体層40bおよびn形半導体層40cは、トレンチFTの内部に配置され、絶縁層41により半導体部10から電気的に絶縁される。
図5(a)に示すように、p形半導体層40aは、X方向において、n形領域11とn形半導体層40bとの間に位置する。n形半導体層40cは、X方向において、n形領域11とn形半導体層40bとの間に位置する。さらに、p形半導体層40aは、アノード電極20とn形半導体層40cとの間に位置する。n形半導体層40bは、2つのp形半導体層40aの間、および2つのn形半導体層40cの間に位置する部分を含む。
p形半導体層40aは、アノード電極20側の上端と、n形半導体層40c側の下端と、を有する。n形半導体層40cは、p形半導体層40a側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。p形半導体層40aの下端は、n形半導体層40cの上端に直接接する。
n形半導体層40bは、アノード電極20側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。p形半導体層40aの上端およびn形半導体層40bの上端は、例えば、アノード電極20のコンタクト層23に直接接続される。
また、n形半導体層40cは、図示しない部分において、アノード電極20に電気的に接続されても良い。これにより、n形半導体層40cもアノード電極20と同電位になる。
一方、n形半導体層40bの下端は、n形半導体層40cの下端よりもトレンチFTの底に近い位置に設けられる。すなわち、n形半導体層40bは、n形半導体層40cの下端よりも下方に伸びた部分を有する。これにより、隣接するトレンチFT間のn形領域11の空乏化を促進し、オフ時の耐圧を向上させることができる。
さらに、p形半導体層40aをトレンチFTの上部に配置することにより、n形領域11とコンタクト層23との界面における電界を低減し、逆方向バイアス時におけるリーク電流を低減することができる。
さらに、図5(b)に示す半導体装置3Bでは、n形領域11とアノード電極20との間にn形領域15を設ける。n形領域15は、n形領域11のn形不純物よりも低濃度のn形不純物を含む。アノード電極20のコンタクト層23は、n形領域15に接する。これにより、逆バイアス時において、n形領域15とコンタクト層23との界面近傍における空乏化をさらに促進することができる。結果として、n形領域15とコンタクト層23との界面における電界強度をさらに低減し、リーク電流を抑制することができる。
図6(a)および(b)は、実施形態の第3変形例に係る半導体装置4A、4Bを示す模式断面図である。
半導体装置4Aおよび4Bは、p形半導体層40aおよびn形半導体層40bを含む。p形半導体層40aおよびn形半導体層40bは、トレンチFTの内部に配置され、絶縁層41により半導体部10から電気的に絶縁される。
図6(a)に示すように、p形半導体層40aは、アノード電極20とn形半導体層40bとの間に位置する。n形半導体層40bは、X方向において、p形半導体層40aの幅よりも狭い幅を有する。
p形半導体層40aは、アノード電極20側の上端と、n形半導体層40b側の下端と、を有する。n形半導体層40bは、p形半導体層40a側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。n形半導体層40bの上端は、p形半導体層40aの下端に直接接する。
p形半導体層40aの上端は、例えば、アノード電極20のコンタクト層23に直接接続される。また、n形半導体層40bは、図示しない部分において、アノード電極20に電気的に接続されても良い。これにより、n形半導体層40bもアノード電極20と同電位になる。
この例では、n形半導体層40bをp形半導体層40aの下に配置することにより、隣接するトレンチFT間のn形領域11の空乏化を促進し、オフ時の耐圧を向上させることができる。さらに、p形半導体層40aをトレンチFTの上部に配置することにより、n形領域11とコンタクト層23との界面における電界を低減し、逆方向バイアス時におけるリーク電流を低減することができる。
さらに、図6(b)に示す半導体装置4Bでは、n形領域11とアノード電極20との間にn形領域15を設ける。アノード電極20のコンタクト層23は、n形領域15に接する。これにより、逆バイアス時において、n形領域15とコンタクト層23との界面近傍における空乏化をさらに促進し、n形領域15とコンタクト層23との界面における電界強度をさらに低減することができる。これにより、逆バイアス時におけるリーク電流を抑制することができる。
図7(a)および(b)は、実施形態の第4変形例に係る半導体装置5A、5Bを示す模式断面図である。
半導体装置5Aおよび5Bは、p形半導体層40a、n形半導体層40bおよびn形半導体層40cを含む。p形半導体層40a、n形半導体層40bおよびn形半導体層40cは、トレンチFTの内部に配置され、絶縁層41により半導体部10から電気的に絶縁される。
図7(a)に示すように、p形半導体層40aおよびn形半導体層40cは、アノード電極20とn形半導体層40bとの間に位置する。また、p形半導体層40aは、アノード電極20とn形半導体層40cとの間に位置し、n形半導体層40cは、p形半導体層40aとn形半導体層40bとの間に位置する。n形半導体層40bは、X方向において、p形半導体層40aの幅およびn形半導体層40cの幅よりも狭い幅を有する。
p形半導体層40aは、アノード電極20側の上端と、n形半導体層40c側の下端と、を有する。n形半導体層40bは、n形半導体層40c側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。n形半導体層40cの上端は、p形半導体層40aの下端に直接接し、n形半導体層40cの下端は、n形半導体層40bの上端に接する。
p形半導体層40aの上端は、例えば、アノード電極20のコンタクト層23に直接接続される。また、n形半導体層40bもしくはn形半導体層40cは、図示しない部分において、アノード電極20に電気的に接続されても良い。これにより、n形半導体層40bおよび40cもアノード電極20と同電位になる。
この例では、n形半導体層40bをn形半導体層40cの下に配置することにより、隣接するトレンチFT間のn形領域11の空乏化を促進し、オフ時の耐圧を向上させることができる。さらに、p形半導体層40aをトレンチFTの上部に配置することにより、n形領域11とコンタクト層23との界面における電界を低減し、逆方向バイアス時におけるリーク電流を低減することができる。
さらに、図7(b)に示す半導体装置5Bでは、n形領域11とアノード電極20との間にn形領域15を設ける。n形領域15は、隣接するp形半導体層40aの間に位置する。アノード電極20のコンタクト層23は、n形領域15に接する。これにより、逆バイアス時において、n形領域15とコンタクト層23との界面近傍における空乏化をさらに促進し、n形領域15とコンタクト層23との界面における電界強度をさらに低減することができる。これにより、逆バイアス時におけるリーク電流を抑制することができる。
図8(a)および(b)は、実施形態の第5変形例に係る半導体装置6、7を示す模式断面図である。
図8(a)に示す半導体装置6は、p形半導体層40aおよびn形半導体層40bを含む。p形半導体層40aおよびn形半導体層40bは、トレンチFTの内部に配置され、絶縁層41により半導体部10から電気的に絶縁される。
図8(a)に示すように、p形半導体層40aは、アノード電極20とn形半導体層40bとの間に位置する。n形半導体層40bは、X方向において、p形半導体層40aの幅よりも狭い幅を有する。
p形半導体層40aは、アノード電極20側の上端と、n形半導体層40b側の下端と、を有する。n形半導体層40bは、p形半導体層40a側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。n形半導体層40bは、p形半導体層40aから離間した位置に設けられる。
p形半導体層40aの上端は、例えば、アノード電極20のコンタクト層23に直接接続される。また、n形半導体層40bは、図示しない部分において、アノード電極20に電気的に接続される。これにより、n形半導体層40bもアノード電極20と同電位になる。
この例では、n形半導体層40bをn形半導体層40aの下に配置することにより、隣接するトレンチFT間のn形領域11の空乏化を促進し、オフ時の耐圧を向上させることができる。さらに、p形半導体層40aをトレンチFTの上部に配置することにより、n形領域11とコンタクト層23との界面における電界を低減し、逆方向バイアス時におけるリーク電流を低減することができる。また、n形領域11とアノード電極20との間にn形領域15を設けても良い。
図8(b)に示す半導体装置7は、p形半導体層40a、n形半導体層40bおよびn形半導体層40cを含む。p形半導体層40a、n形半導体層40bおよびn形半導体層40cは、トレンチFTの内部に配置され、絶縁層41により半導体部10から電気的に絶縁される。
図8(b)に示すように、p形半導体層40aおよびn形半導体層40cは、アノード電極20とn形半導体層40bとの間に位置する。また、p形半導体層40aは、アノード電極20とn形半導体層40cとの間に位置し、n形半導体層40cは、p形半導体層40aとn形半導体層40bとの間に位置する。n形半導体層40bは、X方向において、p形半導体層40aの幅よりも狭い幅を有する。
n形半導体層40cは、X方向において、p形半導体層40aの幅よりも狭い幅、および、n形半導体層40bよりも広い幅を有する。n形半導体層40cのX方向の幅は、p形半導体層40aに近づくにつれて広くなり、n形半導体層40bに近づくにつれて狭くなる。
p形半導体層40aは、アノード電極20側の上端と、n形半導体層40c側の下端と、を有する。n形半導体層40bは、n形半導体層40c側の上端と、カソード電極30側の下端と、を有する。n形半導体層40cの上端は、p形半導体層40aの下端に直接接し、n形半導体層40cの下端は、n形半導体層40bの上端に直接接する。
p形半導体層40aの上端は、例えば、アノード電極20のコンタクト層23に直接接続される。また、n形半導体層40bもしくはn形半導体層40cは、図示しない部分において、アノード電極20に電気的に接続されても良い。これにより、n形半導体層40bおよび40cもアノード電極20と同電位になる。
この例では、n形半導体層40bをn形半導体層40cの下に配置することにより、隣接するトレンチFT間のn形領域11の空乏化を促進し、オフ時の耐圧を向上させることができる。さらに、p形半導体層40aをトレンチFTの上部に配置することにより、n形領域11とコンタクト層23との界面における電界を低減し、逆方向バイアス時におけるリーク電流を低減することができる。
以上、いくつかの実施例を説明したが、実施形態は、これらに限定される訳ではない。また、いずれの例においても、n形領域11とアノード電極20との間にn形領域15を設けることができる。
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。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。
1、2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A、5B、6、7…半導体装置、 10…半導体部、 11…n形領域、 13…n形領域、 20…アノード電極、 23…コンタクト層、 25…ボンディング層、 30…カソード電極、 40、40a…p形半導体層、 40b、40c…n形半導体層、 41…絶縁層、 FT…トレンチ

Claims (8)

  1. 第1導電形の半導体部と、
    前記半導体部の裏面上に設けられた第1電極と、
    前記半導体部の表面上に設けられた第2電極と、
    前記半導体部の前記表面側に設けられたトレンチの内部に配置された第2導電形の第1半導体層と、
    前記トレンチの内部に設けられ、前記第1半導体層を前記半導体部から電気的に絶縁する絶縁層と、
    前記トレンチの内部に設けられ、前記第1半導体層に比べて前記トレンチの底により近接した位置に配置された端部を含む第1導電形の第2半導体層と、
    を備え、
    前記第2電極は、前記半導体部に整流性を有する接触面を介して接続され、前記第1半導体層に電気的に接続され
    前記第2半導体層は、前記半導体部から前記絶縁層により電気的に絶縁された半導体装置。
  2. 前記第1半導体層は、前記第2半導体層と前記第2電極との間に位置する請求項記載の半導体装置。
  3. 前記第2半導体層は、前記第1半導体層に直接接続された請求項記載の半導体装置。
  4. 前記半導体部の前記表面に沿った方向において、前記第1半導体層は、前記第2半導体層よりも広い幅を有する請求項記載の半導体装置。
  5. 前記第1半導体層と前記第1電極との間に設けられた第1導電形の第3半導体層をさらに備え、
    前記第3半導体層は、前記半導体部から前記絶縁層により電気的に絶縁され、前記第1半導体層に直接接し、
    前記半導体部の前記表面に沿った方向において、前記第1半導体層は、前記第2半導体層よりも広い幅を有する請求項またはに記載の半導体装置。
  6. 前記半導体部の前記表面に沿った方向において、前記第3半導体層は、前記第1半導体層と同じ幅を有する請求項記載の半導体装置。
  7. 前記第1半導体層は、前記第1電極側の第1端と、前記第2電極側の第2端と、を有し、
    前記第2半導体層は、前記第1電極側の第1端と、前記第2電極側の第2端と、を有し、
    前記第1半導体層の前記第2端および前記第2半導体層の前記第2端は、前記第2電極に直接接続され、
    前記第1半導体層は、前記半導体部と前記第2半導体層との間に位置する請求項記載の半導体装置。
  8. 前記半導体部は、第1領域と、前記第1領域のn形不純物よりも低濃度のn形不純物を含む第2領域と、を含み、
    前記第2領域は、前記第1領域と前記第2電極との間に位置し、
    前記第2電極は、前記第2領域に接する請求項1~のいずれか1つに記載の半導体装置。
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