JP5991020B2 - Semiconductor device mainly composed of silicon carbide single crystal - Google Patents
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Description
本明細書では、トレンチゲート電極でオン・オフを切換えるスイッチング素子が形成されている範囲と、トレンチショットキー電極を利用するダイオードが形成されている範囲をあわせ持っており、炭化珪素単結晶を主材料とする半導体装置を開示する。 In this specification, there is a range in which a switching element for switching on and off is formed by a trench gate electrode and a range in which a diode using a trench Schottky electrode is formed, and a silicon carbide single crystal is mainly used. A semiconductor device as a material is disclosed.
高い絶縁破壊強度を持っている炭化珪素単結晶を主材料とする半導体装置が知られている。その半導体装置の一種に、トレンチゲート電極を備えており、トレンチゲート電極に印加する電圧を切換えることによってオン状態とオフ状態を切換えるスイッチング素子が形成されている半導体装置が知られている。さらに、スイッチング素子がオフされたときに生じる還流電流が流れることを許容するダイオードを併せ持っている半導体装置が知られている。上記の半導体装置の一例が、特許文献1の第8〜第10実施例に記載されている(段落0122〜0173、図50〜68)。
上記の半導体装置は、スイッチング素子のドレイン電極がダイオードのカソード電極を兼用し、スイッチング素子のソース電極がダイオードのアノード電極を兼用する。上記の半導体装置では、ドレイン電位がソース電位よりも高い状態ではスイッチング素子がスイッチング機能を発揮し、スイッチング素子がオンであればドレインとソース間に電流が流れ、スイッチング素子がオフであればドレインとソース間に電流が流れることを阻止するとともに、ソース電位がドレイン電位よりも高い状態ではダイオードに順方向電流が流れるという特性が求められる。
上記の半導体装置の場合、スイッチング素子がオフであればドレインとソース間の電圧差が大きくてもドレインとソース間に電流が流れることを阻止する必要がある。本明細書では、スイッチング素子がオフであるにも係らず、オフ状態が敗れてドレインとソース間に電流が流れてしまう際のドレインとソース間の電圧差を耐圧という。スイッチング素子でオン・オフする回路に加えられる電圧が増大しており、半導体装置に必要とされる耐圧が増大している。
2. Description of the Related Art A semiconductor device using a silicon carbide single crystal having a high dielectric breakdown strength as a main material is known. One type of semiconductor device is a semiconductor device that includes a trench gate electrode and is formed with a switching element that switches between an on state and an off state by switching a voltage applied to the trench gate electrode. Further, a semiconductor device is known that also has a diode that allows a reflux current generated when the switching element is turned off to flow. An example of the above semiconductor device is described in Examples 8 to 10 of Patent Document 1 (paragraphs 0122 to 0173 and FIGS. 50 to 68).
In the above semiconductor device, the drain electrode of the switching element also serves as the cathode electrode of the diode, and the source electrode of the switching element also serves as the anode electrode of the diode. In the semiconductor device described above, the switching element exhibits a switching function when the drain potential is higher than the source potential. When the switching element is on, a current flows between the drain and the source, and when the switching element is off, the drain In addition to preventing current from flowing between the sources, the diode is required to have a characteristic that a forward current flows through the diode when the source potential is higher than the drain potential.
In the case of the above semiconductor device, if the switching element is off, it is necessary to prevent a current from flowing between the drain and the source even if the voltage difference between the drain and the source is large. In this specification, the voltage difference between the drain and the source when the off state is lost and a current flows between the drain and the source even though the switching element is off is referred to as a breakdown voltage. The voltage applied to the circuit that is turned on / off by the switching element is increasing, and the withstand voltage required for the semiconductor device is increasing.
特許文献1の半導体装置でオン・オフできる電圧がなおも不十分であり、半導体装置をオフにしておいてもドレイン電圧を上げていくとドレイン電流が増大してしまう。本明細書では、半導体装置の耐圧を上昇させ、半導体装置をオフにしておけば、ドレイン電圧を上げてもドレイン電流が増大しない半導体装置を実現する技術を開示する。 The voltage that can be turned on and off in the semiconductor device of Patent Document 1 is still insufficient, and the drain current increases if the drain voltage is increased even when the semiconductor device is turned off. This specification discloses a technique for realizing a semiconductor device in which the drain current does not increase even if the drain voltage is increased if the breakdown voltage of the semiconductor device is increased and the semiconductor device is turned off.
半導体装置の耐圧を上昇させるために、半導体装置をオフにしておいてもドレイン電圧を上げていくとドレイン電流が増大してしまう原因を研究した。その結果、ショットキー電極の周囲に位置するn型単結晶層(いわゆる耐圧層として機能する層)内に電界集中領域が形成され、その電界集中領域でアバランシェブレークダウンが発生し、そのためにドレイン電流が増大することが判明した。本明細書で開示する半導体装置は、アバランシェブレークダウンの発生を防止する手段を備えている。 In order to increase the breakdown voltage of the semiconductor device, the reason why the drain current increases when the drain voltage is increased even when the semiconductor device is turned off was studied. As a result, an electric field concentration region is formed in an n-type single crystal layer (a layer that functions as a so-called breakdown voltage layer) located around the Schottky electrode, and an avalanche breakdown occurs in the electric field concentration region. Was found to increase. The semiconductor device disclosed in this specification includes means for preventing the occurrence of avalanche breakdown.
本明細書で開示する半導体装置は、炭化珪素のn型単結晶層と、n型単結晶層上に積層されている炭化珪素のp型単結晶層を備えている。また、p型単結晶層の表面からp型単結晶層を貫通してn型単結晶層に達しているとともにゲート絶縁膜でn型単結晶層とp型単結晶層から絶縁されているトレンチゲート電極と、ゲート絶縁膜を介してトレンチゲート電極に対向するとともにp型単結晶層でn型単結晶層から分離された位置に形成されている炭化珪素のn型単結晶領域を備えている。さらに、p型単結晶層の表面からp型単結晶層を貫通してn型単結晶層に達しているトレンチショットキー電極と、トレンチショットキー電極の外形が屈曲している範囲に対向する領域のn型単結晶層内に形成されている炭化珪素のp型単結晶領域を備えている。
なお、ここでいうn型の表現は不純物濃度に限定されるものでない。いわゆるn−型からn+型を総称するものである。p型についても同様である。
The semiconductor device disclosed in this specification includes an n-type single crystal layer of silicon carbide and a p-type single crystal layer of silicon carbide stacked on the n-type single crystal layer. Further, the trench penetrates the p-type single crystal layer from the surface of the p-type single crystal layer to reach the n-type single crystal layer and is insulated from the n-type single crystal layer and the p-type single crystal layer by the gate insulating film. A gate electrode and an n-type single crystal region of silicon carbide formed at a position facing the trench gate electrode through a gate insulating film and separated from the n-type single crystal layer by a p-type single crystal layer . Furthermore, a trench Schottky electrode penetrating the p-type single crystal layer from the surface of the p-type single crystal layer and reaching the n-type single crystal layer, and a region facing a range where the outer shape of the trench Schottky electrode is bent A p-type single crystal region of silicon carbide formed in the n-type single crystal layer.
Note that the n-type expression here is not limited to the impurity concentration. It is a general term for so-called n − type to n + type. The same applies to the p-type.
トレンチゲート電極とn型単結晶領域が形成されている範囲では、n型単結晶領域がソース領域となり、p型単結晶層がボディ層となり、n型単結晶層が耐圧層となり、トレンチゲート電極の電位によって、トレンチゲート電極に対向する範囲のp型単結晶領域内に反転領域が形成される状態と反転領域が形成されない状態が切換えられる。n型のソース領域とn型の耐圧層の間が導通状態と非導通状態の間で切換えられるスイッチング素子領域となる。
トレンチショットキー電極とn型単結晶層が形成されている範囲では、ショットキーダイオードが形成され、アノード電極を兼用するソース電極にカソード電極を兼用するドレイン電極よりも高電位が印加されると、順方向電流が流れる。ドレイン電極にソース電極によりも高電位が印加された場合は、トレンチショットキー電極とn型単結晶層の間に電流が流れるのを阻止する。
n型単結晶層内にp型単結晶領域が形成されていない場合、ドレイン電極に高電位が印加されると、ドレイン電流が増大する。研究の結果、前記したように、ドレイン電極に高電位が印加されると、ショットキー電極の周囲に位置するn型単結晶層内に電界集中領域が形成され、その電界集中領域でアバランシェブレークダウンが発生し、そのためにドレイン電流が増大することが判明した。特に、トレンチショットキー電極の外形が屈曲している範囲(トレンチショットキー電極の側面から底面に屈曲するような範囲)に対向する領域のn型単結晶層内に、電界集中領域が形成されることが判明した。
本明細書に開示する半導体装置では、トレンチショットキー電極の外形が屈曲している範囲に対向する領域のn型単結晶層内にp型単結晶領域が形成されている。上記の位置にp型単結晶領域が形成されていると電界集中が緩和され、アバランシェブレークダウンの発生が抑制される。この結果、ドレイン電極に高電位が印加されても、アバランシェブレークダウンが発生せず、ドレイン電流は増大しない。
本明細書に開示する半導体装置では、n型単結晶層内にp型単結晶領域を形成しているので、半導体装置をオフにしておけば、ドレイン電圧を上げてもドレイン電流が増大しない。半導体装置の耐圧を高めることができる。
In the range where the trench gate electrode and the n-type single crystal region are formed, the n-type single crystal region becomes the source region, the p-type single crystal layer becomes the body layer, the n-type single crystal layer becomes the breakdown voltage layer, and the trench gate electrode With this potential, the state where the inversion region is formed in the p-type single crystal region in the range facing the trench gate electrode and the state where the inversion region is not formed are switched. A switching element region that is switched between a conductive state and a non-conductive state is formed between the n-type source region and the n-type breakdown voltage layer.
In the range where the trench Schottky electrode and the n-type single crystal layer are formed, when a Schottky diode is formed and a higher potential is applied to the source electrode also serving as the anode electrode than the drain electrode also serving as the cathode electrode, A forward current flows. When a higher potential is applied to the drain electrode than the source electrode, current is prevented from flowing between the trench Schottky electrode and the n-type single crystal layer.
When the p-type single crystal region is not formed in the n-type single crystal layer, the drain current increases when a high potential is applied to the drain electrode. As a result of research, as described above, when a high potential is applied to the drain electrode, an electric field concentration region is formed in the n-type single crystal layer around the Schottky electrode, and an avalanche breakdown occurs in the electric field concentration region. It has been found that the drain current increases for this reason. In particular, an electric field concentration region is formed in the n-type single crystal layer in a region facing the range where the outer shape of the trench Schottky electrode is bent (the range where the trench Schottky electrode is bent from the side surface to the bottom surface). It has been found.
In the semiconductor device disclosed in this specification, a p-type single crystal region is formed in an n-type single crystal layer in a region facing the range where the outer shape of the trench Schottky electrode is bent. When the p-type single crystal region is formed at the above position, the electric field concentration is relaxed and the occurrence of avalanche breakdown is suppressed. As a result, even when a high potential is applied to the drain electrode, no avalanche breakdown occurs and the drain current does not increase.
In the semiconductor device disclosed in this specification, since the p-type single crystal region is formed in the n-type single crystal layer, if the semiconductor device is turned off, the drain current does not increase even if the drain voltage is increased. The breakdown voltage of the semiconductor device can be increased.
トレンチショットキー電極の底面がトレンチゲート電極の底面よりも浅いことが好ましい。
半導体装置がオフされている状態では、トレンチゲート電極が形成されている範囲内のn型単結晶層とp型単結晶層の界面からn型単結晶内に空乏層が広がる。トレンチショットキー電極の底面がトレンチゲート電極の底面よりも浅いと、その空乏層がトレンチショットキー電極の下方に向けて滑らかに伸び、アバランシェブレークダウンの防止に有利に作用する。
The bottom surface of the trench Schottky electrode is preferably shallower than the bottom surface of the trench gate electrode.
In the state where the semiconductor device is turned off, a depletion layer spreads in the n-type single crystal from the interface between the n-type single crystal layer and the p-type single crystal layer in the range where the trench gate electrode is formed. If the bottom surface of the trench Schottky electrode is shallower than the bottom surface of the trench gate electrode, the depletion layer smoothly extends downward from the trench Schottky electrode, which advantageously works to prevent avalanche breakdown.
トレンチショットキー電極の底面は、p型単結晶層の底面に一致していてもいし、それより深くてもよい。
この場合、トレンチショットキー電極は直接にn型単結晶層に接する。安定したショットキー効果が得られる。
The bottom surface of the trench Schottky electrode may coincide with the bottom surface of the p-type single crystal layer or may be deeper than that.
In this case, the trench Schottky electrode is in direct contact with the n-type single crystal layer. A stable Schottky effect can be obtained.
p型単結晶領域が、トレンチゲート電極の底面よりも浅いレベルから深いレベルに亘っていることが好ましい。この場合、トレンチゲート電極が存在する範囲内のn型単結晶層に形成されている空乏層が、p型単結晶領域の下方に向けて伸び、アバランシェブレークダウンの防止に有利に作用する。 It is preferable that the p-type single crystal region extends from a shallow level to a deeper level than the bottom surface of the trench gate electrode. In this case, the depletion layer formed in the n-type single crystal layer in the range where the trench gate electrode exists extends toward the lower side of the p-type single crystal region, which advantageously works to prevent avalanche breakdown.
1チップを平面視したときに、トレンチゲート電極の合計面積がトレンチショットキー電極の合計面積よりも広いことが好ましい。
ショットキーダイオードの特性は、主としてドレイン電極(カソード電極を兼用している)の面積で決まる。トレンチショットキー電極の形成面積は、ショットキーダイオードの特性にあまり影響しない。一方、スイッチング素子の特性は、トレンチゲート電極の形成面積によって大きく影響される。そこで、1チップの面積が限られている場合、スイッチング素子とダイオードの特性を両立させるには、トレンチゲート電極の形成面積を広くとり、トレンチショットキー電極の形成面積を狭く取るのが有利である。すなわち、トレンチゲート電極の合計面積がトレンチショットキー電極の合計面積よりも広いことが好ましい。
When one chip is viewed in plan, the total area of the trench gate electrodes is preferably larger than the total area of the trench Schottky electrodes.
The characteristics of the Schottky diode are mainly determined by the area of the drain electrode (also used as the cathode electrode). The formation area of the trench Schottky electrode does not significantly affect the characteristics of the Schottky diode. On the other hand, the characteristics of the switching element are greatly influenced by the formation area of the trench gate electrode. Therefore, when the area of one chip is limited, it is advantageous to increase the formation area of the trench gate electrode and reduce the formation area of the trench Schottky electrode in order to make the characteristics of the switching element and the diode compatible. . That is, the total area of the trench gate electrode is preferably larger than the total area of the trench Schottky electrode.
本明細書に記載する技術によると、トレンチショットキー電極の外形が屈曲している範囲に対向する領域のn型単結晶層内にp型単結晶領域が形成されているために、スイッチング素子がオフ状態にあるときにトレンチショットキー電極の周囲に存在しているn型単結晶層内に形成される電界集中が緩和され、アバランシェブレークダウンの発生が抑制される。炭化珪素の高い絶縁破壊電界を活用して半導体装置の耐圧を高めることができる。 According to the technique described in this specification, the p-type single crystal region is formed in the n-type single crystal layer in the region facing the range where the outer shape of the trench Schottky electrode is bent. The electric field concentration formed in the n-type single crystal layer existing around the trench Schottky electrode when in the off state is alleviated, and the occurrence of avalanche breakdown is suppressed. The breakdown voltage of the semiconductor device can be increased by utilizing the high breakdown electric field of silicon carbide.
下記で説明する実施例の主要な特長を以下に例示する。各特長は、他の特徴と組み合わせることで利点を発揮する他、その特徴自体で独立した利点を発揮する。
(特長1)ソース電極がアノード電極を兼用し、ドレイン電極がカソード電極を兼用している。
(特徴2)ソース電極が、ボディコンタクト領域を介してボディ層に導通し、ソース領域に導通し、ショットキー電極に導通している。
(特徴3)ショットキー電極は、側面と底面を持つ柱状であり、側面から底面に移行する境界に沿って、p型単結晶領域が形成されている。
(特徴4)特徴3のp型単結晶領域に加えて、ショットキー電極の底面に接する(側面には接しない)p型単結晶領域が形成されている。
The main features of the embodiments described below are exemplified below. Each feature exhibits advantages by combining with other features, and also exhibits independent advantages by the features themselves.
(Feature 1) The source electrode also serves as the anode electrode, and the drain electrode also serves as the cathode electrode.
(Feature 2) The source electrode is electrically connected to the body layer through the body contact region, is electrically connected to the source region, and is electrically connected to the Schottky electrode.
(Feature 3) The Schottky electrode has a columnar shape having a side surface and a bottom surface, and a p-type single crystal region is formed along a boundary that transitions from the side surface to the bottom surface.
(Feature 4) In addition to the p-type single crystal region of Feature 3, a p-type single crystal region in contact with the bottom surface of the Schottky electrode (not in contact with the side surface) is formed.
図1は、実施例1の半導体装置の断面図の一部を示している。図示のAの範囲を単位とし、その単位が図示の左右方向に複数単位繰り返されている。参照符号10はドレイン電極(カソード電極を兼用している)、8はn+型単結晶層、6はn−型単結晶層、24はp−型単結晶領域、4はp−型単結晶層、14はp+型単結晶領域、16はn+型単結晶領域、22はゲート絶縁膜、20はトレンチゲート電極、18は層間絶縁膜、12はトレンチショットキー電極、2はソース電極(アノード電極を兼用している)である。上記の単結晶層と単結晶領域は、炭化珪素の単結晶で形成されている。p型単結晶層4は、n型単結晶層6上に積層されている。
トレンチゲート電極20は、p型単結晶層4の表面からp型単結晶層4を貫通してn型単結晶層6に達している。トレンチゲート電極20は、ゲート絶縁膜22によって、n型単結晶層6とp型単結晶層4から絶縁されている。
ショットキー電極12も、p型単結晶層4の表面からp型単結晶層4を貫通してn型単結晶層6に達している。ショットキー電極12は絶縁層で被覆されていない。
n型単結晶領域16は、絶縁膜22を介してトレンチゲート電極20に対向するとともに、p型単結晶層4でn型単結晶層6から分離された位置に形成されている。
FIG. 1 illustrates a part of a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. The range of A shown in the figure is used as a unit, and the unit is repeated a plurality of units in the horizontal direction shown in the drawing.
The
The n-type
通常は、ドレイン電極10に高電位を印加し、ソース電極2を負荷を介して接地する。この状態では、n型単結晶層6とショットキー電極12間で電流が流れない。トレンチゲート電極20の電位がローであれば、n型単結晶領域16とn型単結晶層6の間がp型単結晶層4で絶縁される。トレンチゲート電極20の電位がハイであれば、p型単結晶層4のトレンチゲート電極20に対向する部分がn型に反転し、n型単結晶領域16とn型単結晶層6の間が導通する。n型単結晶領域16とトレンチゲート電極20が形成されている範囲Bに形成されている半導体構造は、スイッチング素子(MOSFET)として動作する。n型単結晶領域16はソース領域として機能し、p型単結晶領域14はボディコンタクト領域として機能し、p型単結晶層4はボディ層として機能し、n型単結晶層6はドリフト層(耐圧層)として機能し、n型単結晶層8はドレインコンタクト層として機能する。
スイッチング素子で電流をオン・オフする負荷が誘導成分を持っている場合、スイッチング素子で電流をオフしたときに負荷の誘導成分によってソース電極(アノード電極)2にドレイン電極(カソード電極)10よりも高電位が印加されることがある。この場合、ソース電極(アノード電極)2とドレイン電極(カソード電極)10の間で電流が流れる。トレンチショットキー電極12が形成されてp型単結晶層4が除去されている範囲Cに形成されている半導体構造は、ショットキーダイオードとして動作する。ショットキーダイオードが、素子に過大な電圧が印加されることを防止する。
Usually, a high potential is applied to the
When the load for turning on / off the current by the switching element has an inductive component, the source electrode (anode electrode) 2 is more than the drain electrode (cathode electrode) 10 by the inductive component of the load when the current is turned off by the switching element. A high potential may be applied. In this case, a current flows between the source electrode (anode electrode) 2 and the drain electrode (cathode electrode) 10. The semiconductor structure formed in the range C in which the
ドレイン電極10が高電位であり、ソース電極2が接地されており、トレンチゲート電極20の電位がローである場合、p型単結晶層4とn型単結晶層6の界面からn型単結晶層6に空乏層が広がり、その空乏層が耐圧を上昇させる。その場合、n型単結晶層6内に電界が発達する。ドレイン電極10の電位が上昇するほど、n型単結晶層6内の電界集中が顕著になる。
電界が集中し過ぎると、電界集中箇所でアバランシェブレークダウンが発生し、ドレイン電流が増大する。ドレイン電極10の電位が上昇すると、スイッチング素子がオフ状態を維持できなくなる。研究の結果、ショットキー電極12の側面と底面が接する位置、すなわちショットキー電極12の外形が屈曲する範囲の近傍に位置するn型単結晶層6内に電界集中が発達してアバランシェブレークダウンが発生することが判明した。
図3のXは、電界集中が発達してアバランシェブレークダウンが発生する位置を示している。
When the
If the electric field is excessively concentrated, an avalanche breakdown occurs at the electric field concentration point, and the drain current increases. When the potential of the
X in FIG. 3 indicates a position where electric field concentration develops and avalanche breakdown occurs.
本実施例では、上記現象の発生を防止するために、n型単結晶層6内にp型単結晶領域24が形成されている。p型単結晶領域24は、ショットキー電極12の側面と底面が接する位置の近傍に形成されており、側面と底面が接する位置を覆っている。図3のXの位置を含むようにp型単結晶領域24が形成されている。p型単結晶領域24の不純物濃度は、p−型単結晶層4の不純物濃度と同等またはp−型単結晶層4よりも若干濃いことが好ましい。
p型単結晶層24が上記の位置に形成されていると、図3に示した電界集中の発達が抑制され、アバランシェブレークダウンの発生を防止できる。
In this embodiment, a p-type
When the p-type
本実施例では、後記の順で深くなっている。
a)p型単結晶層4とn型単結晶層6の境界a(p型単結晶領域24の最浅部)
b)トレンチショットキー電極12とn型単結晶層6の境界b
c)トレンチゲート電極20とn型単結晶層6の境界c(絶縁膜22の膜厚は薄い)
d)p型単結晶領域24の最深部。
レベルbがレベルcよりも浅く、レベルdがレベルcよりも深いと、p型単結晶層4とn型単結晶層6の境界からn型単結晶層6内に広がる空乏層が、p型単結晶領域24とトレンチショットキー電極12の下方に向けて広く広がる。これもまた、図3に示した電界集中の発達を抑制する。
In this embodiment, the depth increases in the following order.
a) Boundary a between p-type
b) Boundary b between
c) Boundary c between
d) The deepest part of the p-type
When level b is shallower than level c and level d is deeper than level c, a depletion layer extending from the boundary between p-type
図4のカーブC1は、本実施例の半導体装置による場合の、ドレイン電圧(ソース電極2は接地されている)と、ドレイン電極10とソース電極2間に流れる電流(ドレイン電流)の関係を示している。ドレイン電圧が1000ボルト以上となってもドレイン電流は増大しない。高い耐圧を備えていることが確認される。
図4のカーブC2とC3は、p型単結晶領域24が形成されていない場合のドレイン電圧とドレイン電流の関係を示している。カーブC3は、トレンチショットキー電極12とn型単結晶層6の境界bがトレンチゲート電極20とn型単結晶層6の境界cよりも深い場合の結果を示している。カーブC2は、トレンチショットキー電極12とn型単結晶層6の境界bがトレンチゲート電極20とn型単結晶層6の境界cと等しい場合の結果を示している。図5は、図4のVの範囲の横軸を拡大した図を示している。カーブC3の場合、ドレイン電圧が100ボルト以下でドレイン電流が増大してしまう。トレンチショットキー電極12とn型単結晶層6の境界bがトレンチゲート電極20とn型単結晶層6の境界cよりも深いと、耐圧が低下することがわかる。カーブC2でも、ドレイン電圧が200ボルト以下でドレイン電流が増大してしまう。p型単結晶領域24が形成されていないと、半導体装置の耐圧が確保されないことが確認される。
A curve C1 in FIG. 4 shows the relationship between the drain voltage (the
Curves C2 and C3 in FIG. 4 show the relationship between the drain voltage and the drain current when the p-type
図2は、トレンチゲート電極20とトレンチショットキー電極12の存在高さにおける半導体装置(1チップ分の)の平面図を示している。トレンチゲート電極20とトレンチショットキー電極12が交互に出現する列が2列用意されている。参照番号26は、1チップ分の半導体基板の輪郭であり、28は素子領域と周辺領域の境界であり、30はゲートパッドである。ゲートパッド30は、トレンチゲート電極20に接続されている。トレンチゲート電極20とトレンチショットキー電極12の存在範囲には、ソース電極2が形成されている。ソース電極2とトレンチゲート電極20は層間絶縁膜18で絶縁されている。
FIG. 2 is a plan view of the semiconductor device (for one chip) at the height at which the
ショットキーダイオードの特性は、主としてドレイン電極(カソード電極を兼用している)10の面積で決まる。トレンチショットキー電極の形成面積(図1のCの範囲の面積)は、ショットキーダイオードの特性にあまり影響しない。一方、スイッチング素子の特性は、トレンチゲート電極の形成面積(図1のBの範囲の面積)によって大きく影響される。そこで、1チップの面積が限られている場合、スイッチング素子とダイオードの特性を両立させるには、トレンチゲート電極の形成範囲(図1のBの範囲)の面積を広くとり、トレンチショットキー電極の形成範囲(図1のC範囲)の面積を狭く取るのが有利である。 The characteristics of the Schottky diode are mainly determined by the area of the drain electrode (also serving as the cathode electrode) 10. The formation area of the trench Schottky electrode (area in the range of C in FIG. 1) does not significantly affect the characteristics of the Schottky diode. On the other hand, the characteristics of the switching element are greatly influenced by the formation area of the trench gate electrode (area in the range B in FIG. 1). Therefore, when the area of one chip is limited, in order to make the characteristics of the switching element and the diode compatible, the area of the trench gate electrode formation range (range B in FIG. 1) is increased, and the trench Schottky electrode It is advantageous to reduce the area of the formation range (C range in FIG. 1).
図6と図7の実施例は、8本のトレンチゲート電極20の両サイドに、トレンチショットキー電極12を形成した実施例を示している。図1に示した場合よりも、トレンチゲート電極の形成範囲(図1のBの範囲)の面積が広く、トレンチショットキー電極の形成範囲(図1のCの範囲)の面積が狭い。それでも、ショットキーダイオードに必要な特性を確保することができ、スイッチング素子の特性を改善することができる。トレンチゲート電極の形成範囲(図1のBの範囲)の面積と、トレンチショットキー電極の形成範囲(図1のCの範囲)の面積の比は、ショットキーダイオードに必要な特性とスイッチング素子に必要な特性から、適値に調整することができる。
The embodiment of FIGS. 6 and 7 shows an embodiment in which
トレンチショットキー電極12の底面が広い場合、図6に示すように、トレンチショットキー電極12の底面に沿って、断続的に、複数個のp型単結晶領域24a,24b,24c・・・を形成することが有用である。この場合、トレンチショットキー電極12の底面に沿った広い範囲において、電界集中が発達するのを防止することができる。
When the bottom surface of the
以上の実施例では、トレンチゲート電極とトレンチショットキー電極がストライプ上に伸びている。トレンチゲート電極とトレンチショットキー電極の形状は、種々の形を取ることができる。
図8は、トレンチゲート電極20が、チップ26の外周に沿って一巡しており、その中央開口内にショットキー電極12が形成されている場合を示している。ショットキー電極12の側面と底面の境界は、平面視すると4角形である。図9に示すように、p型の単結晶領域24は、その4角形の輪郭に沿う範囲に形成されている。この実施例によっても、電界集中の発達を防止でき、アバランシェブレークダウンの発生を防止でき、半導体装置の耐圧を向上させることができる。
図10は、図8と図9に示す単位構造が、1チップ内に複数配置された実施例を示している。この場合、連続しているトレンチゲート電極に囲まれた単結晶領域内に、ショットキー電極が形成されることになる。
図11は、トレンチゲート電極に囲まれた単結晶領域の平面形状が8角形である場合を例示している。トレンチゲート電極の形状、トレンチゲート電極に隣接する単結晶領域の形状、ショットキー電極の形状は種々に変形することができる。
図1では、トレンチの側面におけるゲート絶縁膜22の厚みと、トレンチの底面におけるゲート絶縁膜22の厚みが等しい場合を例示している。実際には、トレンチ底面におけるゲート絶縁膜22の厚みを、側面における厚みよりも厚くしてもよい。トレンチ底面におけるゲート絶縁膜22の厚みを厚くすると、耐圧向上効果が得られる。
In the above embodiment, the trench gate electrode and the trench Schottky electrode extend on the stripe. The shape of the trench gate electrode and the trench Schottky electrode can take various forms.
FIG. 8 shows a case where the
FIG. 10 shows an embodiment in which a plurality of unit structures shown in FIGS. 8 and 9 are arranged in one chip. In this case, the Schottky electrode is formed in the single crystal region surrounded by the continuous trench gate electrode.
FIG. 11 illustrates a case where the planar shape of the single crystal region surrounded by the trench gate electrode is an octagon. The shape of the trench gate electrode, the shape of the single crystal region adjacent to the trench gate electrode, and the shape of the Schottky electrode can be variously modified.
FIG. 1 illustrates a case where the thickness of the
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
また下記に記載する特許請求の範囲の技術的範囲は、実施例に限定されない。実施例はあくまで実施例を例示するものである。
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
The technical scope of the claims described below is not limited to the examples. The examples are merely illustrative.
2:ソース電極(アノード電極兼用)
4:p−型単結晶層(ボディ層)
6:n−型単結晶層(耐圧層)
8:n+型単結晶層(ドレインコンタクト層)
10:ドレイン電極(カソード電極兼用)
12:ショットキー電極
14:p+型単結晶領域(ボディコンタクト領域)
16:n+型単結晶領域(ソース領域)
18:層間絶縁膜
20:トレンチゲート電極
22:ゲート絶縁膜
24:p型単結晶領域
26:チップ外形
28:素子領域と周辺領域の境界
30:ゲートパッド
2: Source electrode (also used as anode electrode)
4: p - type single crystal layer (body layer)
6: n − type single crystal layer (pressure-resistant layer)
8: n + type single crystal layer (drain contact layer)
10: Drain electrode (also used as cathode electrode)
12: Schottky electrode 14: p + type single crystal region (body contact region)
16: n + type single crystal region (source region)
18: interlayer insulating film 20: trench gate electrode 22: gate insulating film 24: p-type single crystal region 26: chip outline 28: boundary between element region and peripheral region 30: gate pad
Claims (4)
n型単結晶層上に積層されている炭化珪素のp型単結晶層と、
p型単結晶層の表面からp型単結晶層を貫通してn型単結晶層に達しているとともに、ゲート絶縁膜でn型単結晶層とp型単結晶層から絶縁されているトレンチゲート電極と、
ゲート絶縁膜を介してトレンチゲート電極に対向するとともに、p型単結晶層でn型単結晶層から分離された位置に形成されている炭化珪素のn型単結晶領域と、
隣り合うトレンチゲート電極の間に配置されており、p型単結晶層の表面からp型単結晶層を貫通してn型単結晶層に達しているトレンチショットキー電極と、
トレンチショットキー電極の外形が屈曲している範囲に対向する領域のn型単結晶層内に形成されており、p型単結晶層に接触している炭化珪素のp型単結晶領域と、
を備えており、
トレンチショットキー電極の底面が、トレンチゲート電極の底面よりも浅いことを特徴とする、
半導体装置。 An n-type single crystal layer of silicon carbide;
a p-type single crystal layer of silicon carbide laminated on the n-type single crystal layer;
A trench gate that reaches the n-type single crystal layer from the surface of the p-type single crystal layer through the p-type single crystal layer and is insulated from the n-type single crystal layer and the p-type single crystal layer by a gate insulating film Electrodes,
An n-type single crystal region of silicon carbide that is opposed to the trench gate electrode through the gate insulating film and is formed at a position separated from the n-type single crystal layer by the p-type single crystal layer;
A trench Schottky electrode disposed between adjacent trench gate electrodes, penetrating the p-type single crystal layer from the surface of the p-type single crystal layer and reaching the n-type single crystal layer;
The outer shape of the trench Schottky electrode is formed on the n-type single-crystal layer in the region facing the range is bent, and the p-type single crystal region of silicon carbide in contact with the p-type single-crystal layer,
Equipped with a,
The bottom surface of the trench Schottky electrode is shallower than the bottom surface of the trench gate electrode,
Semiconductor device.
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