JP7378947B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置1を示す平面図である。図2は、図1に示す領域IIの拡大図である。図3は、図2に示すIII-III線に沿う断面図であって、第1形態例に係る絶縁体21を含む形態を示している。図4は、図2に示すIV-IV線に沿う断面図である。図1では、領域IIにおいて半導体装置1の内部構造の一部が透過して示されている。
半導体層2は、一方側の第1主面3、他方側の第2主面4、ならびに、第1主面3および第2主面4を接続する側面5A、5B、5C、5Dを含む。側面5A~5Dは、より具体的には、第1側面5A、第2側面5B、第3側面5Cおよび第4側面5Dを含む。
半導体装置1は、半導体層2の第1主面3の上に形成されたソース端子電極8を含む。ソース端子電極8は、ゲート端子電極6およびゲート配線電極7によって区画された領域に形成されている。ソース端子電極8は、ゲート端子電極6およびゲート配線電極7から間隔を空けて第1主面3の上に形成されている。
ゲート端子電極6、ゲート配線電極7およびソース端子電極8は、Ti層、TiN層、Ni層、Pd層、Au層、Al層、Cu層、AlSiCu合金層、AlSi合金層またはAlCu合金層からなる単層構造をそれぞれ有していてもよい。ゲート端子電極6、ゲート配線電極7およびソース端子電極8は、Ti層、TiN層、Ni層、Pd層、Au層、Al層、Cu層、AlSiCu合金層、AlSi合金層およびAlCu合金層のうちの1つまたは2つ以上を任意の態様で積層させた積層構造をそれぞれ有していてもよい。
ドリフト領域10は、10μm以上100μm以下の厚さを有していてもよい。ドリフト領域10の厚さは、10μm以上25μm以下、25μm以上50μm以下、50μm以上75μm以下、または、75μm以上100μm以下であってもよい。ドリフト領域10の厚さは、45μm以上65μm以下であることが好ましい。
ドリフト領域10およびドレイン領域11の境界は、第1主面3に対して平行に延びている。ドレイン領域11は、ドリフト領域10のn型不純物濃度を超えるn型不純物濃度を有している。ドレイン領域11のn型不純物濃度は、1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下であってもよい。
半導体装置1は、第2主面4の上に形成されたドレイン端子電極12を含む。ドレイン端子電極12は、ドレイン領域11に電気的に接続されている。ドレイン端子電極12は、Ti層、Ni層、Au層、Ag層およびAl層のうちの少なくとも1種を含んでいてもよい。ドレイン端子電極12は、Ti層、Ni層、Au層、Ag層またはAl層を含む単層構造を有していてもよい。ドレイン端子電極12は、Ti層、Ni層、Au層、Ag層およびAl層のうちの1つまたは2つ以上を任意の態様で積層させた積層構造を有していてもよい。
複数のボディ領域13は、ドリフト領域10の表層部において第1方向Xに間隔を空けて形成され、第2方向Yに沿って延びる帯状にそれぞれ形成されている。これにより、複数のボディ領域13は、平面視において全体としてストライプ状に形成されている。各ボディ領域13は、ドリフト領域10の底部から第1主面3側に間隔を空けて形成されている。これにより、各ボディ領域13の底部は、第1主面3およびドリフト領域10の底部の間の領域に位置している。
半導体装置1は、複数のボディ領域13の表層部にそれぞれ形成されたp+型の複数のコンタクト領域16を含む。この形態では、1つのコンタクト領域16が、各ボディ領域13の表層部において互いに隣り合う複数のソース領域14の間の領域に形成されている。複数のコンタクト領域16は、ボディ領域13のp型不純物濃度を超えるp型不純物濃度を有している。複数のコンタクト領域16のp型不純物濃度は、1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であってもよい。
半導体装置1は、複数のボディ領域13からドリフト領域10の底部に向けて延びるようにドリフト領域10に形成されたp型の複数のコラム領域17を含む。複数のコラム領域17は、各ボディ領域13の底部およびドリフト領域10の底部の間の領域に形成されている。複数のコラム領域17は、ドリフト領域10との間でpn接合部をそれぞれ形成している。これにより、複数のコラム領域17は、ドリフト領域10との間でSJ(Super Junction)構造を形成している。
各コラム領域17は、平面視において各ボディ領域13の中央部に重なる領域に形成されている。各コラム領域17は、各ボディ領域13の一部を挟んでコンタクト領域16に対向している。各コラム領域17の第1方向Xの幅WCは、各ボディ領域13の第1方向Xの幅TB未満(WC<TB)である。各幅WCは、各コラム領域17において最も広い領域の幅である。
各コラム領域17の第1端部は、対応するボディ領域13に接続されている。各コラム領域17の第2端部は、ドリフト領域10の底部から第1主面3側に間隔を空けて形成されている。これにより、各コラム領域17の底部は、ドリフト領域10の底部およびボディ領域13の底部の間の領域に位置している。
半導体装置1は、半導体層2においてドリフト領域10の底部およびボディ領域13の底部の間の領域において浮遊状態となるように埋め込まれた複数の絶縁体21を含む。複数の絶縁体21は、平面視においてコラム領域17に重なる位置にそれぞれ形成されている。
複数の絶縁体21は、ボディ領域13からドリフト領域10の底部側に間隔を空けてそれぞれ形成されている。複数の絶縁体21は、ドリフト領域10の底部からボディ領域13側に間隔を空けてそれぞれ形成されている。これにより、複数の絶縁体21は、半導体層2において浮遊状態にそれぞれ形成されている。
複数の絶縁体21は、この形態では、対応するコラム領域17の底部にそれぞれ接している。複数の絶縁体21は、より具体的には、対応するコラム領域17の底部に接する部分および対応するコラム領域17の底部から露出する部分をそれぞれ含む。
各絶縁体21の第1方向Xの幅WIは、各コラム領域17の幅WC未満(WI<WC)であることが好ましい。各絶縁体21の幅WIは、各コラム領域17の幅WCを超えていてもよい(WC<WI)。各絶縁体21の幅WIは、各コラム領域17の幅WCと等しくてもよい(WC=WI)。
図5Aは、図3に対応する断面図であって、第2形態例に係る絶縁体21を含む形態を示している。図5Aにおいて図1~図4に示された構造に対応する構造については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
図5Aを参照して、複数の絶縁体21は、この形態では、複数のコラム領域17の深さ方向中間部に対して複数のコラム領域17の底部側の領域にそれぞれ形成されている。複数の絶縁体21は、この形態では、対応するコラム領域17の底部側の領域において、当該コラム領域17にそれぞれ埋め込まれている。
図5Bは、図3に対応する断面図であって、第3形態例に係る絶縁体21を含む形態を示している。図5Bにおいて図1~図4に示された構造に対応する構造については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
複数の絶縁体21は、より具体的には、対応するコラム部分18Bおよびコラム部分18Cの境界近傍においてコラム部分18Bにそれぞれ埋め込まれている。複数の絶縁体21は、対応するコラム領域17から露出していない。複数の絶縁体21の全域は、対応するコラム領域17によって被覆されている。
図5Cを参照して、複数の絶縁体21は、この形態では、互いに異なる深さ位置で対応するコラム領域17に接する複数の絶縁体21A、21Bを含む。複数の絶縁体21A、21Bは、対応するコラム領域17の深さ方向中間部に対してドリフト領域10の底部側の領域にそれぞれ形成されている。
複数の絶縁体21Aは、より具体的には、対応するコラム部分18Aおよびコラム部分18Bの境界近傍においてコラム部分18Aに埋め込まれている。複数の絶縁体21Bは、対応するコラム部分18Bおよびコラム部分18Cの境界近傍においてコラム部分18Bに埋め込まれている。
図5Dを参照して、複数の絶縁体21は、この形態では、互いに異なる深さ位置で対応するコラム領域17に接する複数の絶縁体21A、21B、21Cを含む。複数の絶縁体21A~21Cは、対応するコラム領域17の深さ方向中間部に対してドリフト領域10の底部側の領域にそれぞれ形成されている。
図5Eを参照して、複数の絶縁体21は、半導体層2においてドリフト領域10の底部およびコラム領域17の底部の間の領域に浮遊状態にそれぞれ形成されている。複数の絶縁体21は、ドリフト領域10の底部およびコラム領域17の底部の間の領域に1つずつ形成されている。複数の絶縁体21は、ドリフト領域10およびコラム領域17から間隔を空けて形成されている。つまり、複数の絶縁体21は、ドリフト領域10およびコラム領域17に接していない。
複数のプレーナゲート構造31は、互いに隣り合う複数のボディ領域13の間の領域にそれぞれ配置されている。これにより、複数のプレーナゲート構造31は、平面視において全体としてストライプ状に形成されている。複数のプレーナゲート構造31は、平面視において複数の絶縁体21から間隔を空けて形成されている。複数のプレーナゲート構造31は、平面視において複数の絶縁体21に重なっていない。
ゲート絶縁層32は、一方のボディ領域13側においてソース領域14およびチャネル領域15を被覆し、他方のボディ領域13側においてソース領域14およびチャネル領域15を被覆している。ゲート絶縁層32は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸化アルミニウムのうちの少なくとも1種を含んでいてもよい。
ゲート電極33は、導電性ポリシリコン、タングステン、アルミニウム、銅、アルミニウム合金および銅合金のうちの少なくとも1種を含んでいてもよい。ゲート電極33は、この形態では、導電性ポリシリコンを含む。ゲート電極33は、n型ポリシリコンまたはp型ポリシリコンを含んでいてもよい。
各コンタクト孔41は、対応するボディ領域13内に形成された複数のソース領域14およびコンタクト領域16を露出させている。各コンタクト孔41は、平面視においてコラム領域17および絶縁体21に重なっている。
主面絶縁層40において図示しない領域には、ゲート電極33を露出させるゲートコンタクト孔(図示せず)が形成されている。前述のゲート配線電極7は、ゲートコンタクト孔を介してゲート電極33に接続されている。これにより、前述のゲート端子電極6は、ゲート配線電極7を介してゲート電極33に電気的に接続されている。
半導体装置1がバイアス状態から逆バイアス状態になると、半導体装置1は、電流状態がそれぞれ異なる第1フェイズ、第2フェイズおよび第3フェイズを経てオフ状態となる。第1フェイズは、順方向電流IFが減少率dIF/dTで減少する期間である。
第3フェイズは、順方向電流IFおよび逆回復電流IRが交互に流れるリンギング期間である。第3フェイズでは、正の第1リンギング部R1、負の第2リンギング部R2および正の第3リンギング部R3を含むリンギング波形が形成されている。
表1には、比較例に係る第1ピーク値P1、第2ピーク値P2および第3ピーク値P3をそれぞれ「1.00」とした場合の、第1~第6形態例に係る第1ピーク値P1の比、第2ピーク値P2の比および第3ピーク値P3の比がそれぞれ示されている。
以上、この半導体装置1によれば、第1~第6形態例に係る絶縁体21のいずれか1つを含む。絶縁体21は、平面視においてコラム領域17に重なるように、半導体層2においてドリフト領域10の底部およびボディ領域13の底部の間の領域に浮遊状態となるように埋め込まれている。これにより、逆回復動作時においてドリフト領域10およびコラム領域17の間を流れる電流の一部を絶縁体21によって遮蔽できる。その結果、逆回復動作時におけるリンギングを抑制できる。
また、半導体装置1によれば、コラム領域17の深さ方向中間部に対してコラム領域17の底部側の領域に形成された絶縁体21を含む。逆回復動作時のリンギング期間(第3フェイズ)では、コラム領域17から拡がる空乏層がコラム領域17の底部近傍において伸縮(振動)する。
前述の実施形態では、各コラム領域17が複数のコラム部分18A~18Hを含む例について説明した。しかし、複数のコラム部分18A~18Hを有さないコラム領域17が形成されてもよい。一例として、複数のコラム領域17は、第1主面3に形成されたトレンチ、当該トレンチに埋設されたp型ポリシリコン層をそれぞれ含んでいてもよい。
前述の実施形態において、各半導体部分の導電型が反転された構造が採用されてもよい。つまり、p型の部分がn型とされ、n型の部分がp型とされてもよい。
図7は、図3に対応する断面図であって、第1変形例に係る絶縁体21を含む形態を示している。以下では、図1~図6において述べた構造に対応する構造については同一の参照符号を付して説明を省略する。
複数の絶縁体21Cは、対応するコラム部分18Cおよびコラム部分18Dの境界近傍においてコラム部分18Cに埋め込まれている。複数の絶縁体21Dは、対応するコラム部分18Dおよびコラム部分18Eの境界近傍においてコラム部分18Dに埋め込まれている。
図8を参照して、複数の絶縁体21は、互いに異なる深さ位置で対応するコラム領域17に接する複数の絶縁体21A、21B、21Cを含む。複数の絶縁体21A~21Cは、対応するコラム領域17の深さ方向中間部に対してボディ領域13側の領域にそれぞれ形成されている。
図9を参照して、各絶縁体21は、この形態では、第1方向Xに沿って互いに間隔を空けて形成された複数の部分50を含む。各絶縁体21が複数の部分50を含む構造は、前述の第1~第6形態例に係る絶縁体21、および、第1~第2変形例に係る絶縁体21にも適用できる。
2 半導体層
3 第1主面
4 第2主面
6 ゲート端子電極
8 ソース端子電極
10 ドリフト領域
11 ドレイン領域
12 ドレイン端子電極
13 ボディ領域
14 ソース領域
16 コンタクト領域
17 コラム領域
21 絶縁体
32 ゲート絶縁層
33 ゲート電極
Claims (12)
- 主面を有する半導体層と、
前記主面の表層部に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層部に形成された第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域から前記ドリフト領域の底部に向けて延びるように前記ドリフト領域に形成された第2導電型のコラム領域と、
前記主面の法線方向から見た平面視において前記コラム領域に重なるように、前記半導体層において前記ドリフト領域の底部および前記ボディ領域の底部の間の領域に浮遊状態に形成された絶縁体と、を含み、
前記絶縁体は、前記コラム領域内において前記コラム領域の深さ方向中間部に対して前記コラム領域の底部側の領域内に配置され、前記コラム領域によって被覆されるように前記コラム領域に埋め込まれている、半導体装置。 - 主面を有する半導体層と、
前記主面の表層部に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層部に形成された第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域から前記ドリフト領域の底部に向けて延びるように前記ドリフト領域に形成された第2導電型のコラム領域と、
前記主面の法線方向から見た平面視において前記コラム領域に重なるように、前記半導体層において前記ドリフト領域の底部および前記ボディ領域の底部の間の領域に浮遊状態に形成された絶縁体と、を含み、
前記絶縁体は、前記コラム領域内に配置され、前記コラム領域によって被覆されるように前記コラム領域の底部に埋め込まれている、半導体装置。 - 前記絶縁体は、前記コラム領域内において、前記コラム領域の底部に接している、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 主面を有する半導体層と、
前記主面の表層部に形成された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表層部に形成された第2導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域から前記ドリフト領域の底部に向けて延びるように前記ドリフト領域に形成された第2導電型のコラム領域と、
前記主面の法線方向から見た平面視において前記コラム領域に重なるように、前記半導体層において前記ドリフト領域の底部および前記ボディ領域の底部の間の領域に浮遊状態に形成された絶縁体と、を含み、
前記絶縁体は、互いに異なる深さ位置に位置するように前記コラム領域内に複数形成され、前記コラム領域によって被覆されるように前記コラム領域に埋め込まれている、半導体装置。 - 前記絶縁体は、前記コラム領域の幅未満の幅を有している、請求項1~4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記ボディ領域の表層部に形成され、前記ボディ領域の第2導電型不純物濃度を超える第2導電型不純物濃度を有する第2導電型のコンタクト領域をさらに含み、
前記絶縁体は、前記法線方向に前記コンタクト領域に対向している、請求項1~5のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記半導体層において前記ドリフト領域の直下の領域に形成され、前記ドリフト領域の第1導電型不純物濃度を超える第1導電型不純物濃度を有する第1導電型のドレイン領域をさらに含み、
前記コラム領域は、前記ドレイン領域から前記主面側に間隔を空けて前記ドリフト領域に形成されている、請求項1~6のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記ドレイン領域は、前記ドリフト領域の厚さを超える厚さを有している、請求項7に記載の半導体装置。
- 前記ボディ領域の表層部に形成された第1導電型のソース領域と、
前記主面の上に形成され、前記ドリフト領域、前記ボディ領域および前記ソース領域に対向するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上に形成され、前記ゲート絶縁層を挟んで前記ドリフト領域、前記ボディ領域および前記ソース領域に対向するゲート電極と、をさらに含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記主面の上で前記ゲート電極に電気的に接続されたゲート端子電極をさらに含む、請求項9に記載の半導体装置。
- 前記主面の上で前記ソース領域に電気的に接続されたソース端子電極をさらに含む、請求項9または10に記載の半導体装置。
- 前記主面の反対面の上で前記半導体層に電気的に接続されたドレイン端子電極をさらに含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の半導体装置。
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