JP2020043307A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.
特許文献1には、トレンチゲート型の半導体装置が開示されている。この半導体装置は、トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、トレンチ内に配置されているとともにゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されたゲート電極を有している。半導体基板の表面を平面視したときに、トレンチが、折れ線状に曲がっている。このようにトレンチが曲がっていることで、チャネル密度が高くなる。 Patent Literature 1 discloses a trench gate type semiconductor device. This semiconductor device has a gate insulating film covering the inner surface of the trench, and a gate electrode disposed in the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film. When the surface of the semiconductor substrate is viewed in a plan view, the trench is bent in a polygonal line shape. Such a bent trench increases the channel density.
特許文献1のようにトレンチが曲がっていると、トレンチの側面に凸状部が形成される。凸状部を有するトレンチの側面にゲート絶縁膜を形成すると、凸状部においてゲート絶縁膜が薄くなる。このため、ゲート絶縁膜が薄い部分でゲートリーク電流が生じ易い。したがって、本明細書では、半導体基板の表面においてトレンチが曲がっていると共に、ゲートリーク電流が生じ難い半導体装置を提案する。 When the trench is bent as in Patent Document 1, a convex portion is formed on the side surface of the trench. When the gate insulating film is formed on the side surface of the trench having the convex portion, the gate insulating film in the convex portion becomes thin. Therefore, a gate leak current is likely to occur in a portion where the gate insulating film is thin. Therefore, this specification proposes a semiconductor device in which a trench is bent on a surface of a semiconductor substrate and a gate leakage current is less likely to occur.
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面に設けられたトレンチと、前記トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、前記トレンチ内に配置されているとともに前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されたゲート電極を有している。前記半導体基板の前記表面を平面視したときに、前記トレンチが蛇行している。前記半導体基板の前記表面を平面視したときに、前記トレンチの側面の曲率半径が900nm以上である。 A semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a trench provided on a surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film covering an inner surface of the trench, and a gate insulating film disposed in the trench and the gate insulating film. A gate electrode insulated from the semiconductor substrate. When the surface of the semiconductor substrate is viewed in a plan view, the trench is meandering. When the surface of the semiconductor substrate is viewed in a plan view, a radius of curvature of a side surface of the trench is 900 nm or more.
この半導体装置では、トレンチが半導体基板の表面において蛇行しているので、チャネル密度が高い。また、この半導体装置では、トレンチの側面が900nm以上の曲率半径で曲がっている。このようにトレンチの側面の曲がりが緩やかだと、トレンチの側面の凸状部でゲート絶縁膜が薄くなり難い。したがって、ゲートリーク電流を抑制することができる。 In this semiconductor device, since the trench is meandering on the surface of the semiconductor substrate, the channel density is high. In this semiconductor device, the side surface of the trench is bent with a radius of curvature of 900 nm or more. If the side surface of the trench has a gentle bend, the gate insulating film is unlikely to be thin at the convex portion on the side surface of the trench. Therefore, gate leak current can be suppressed.
図1に示す実施形態のMOSFETは、半導体基板12を有している。半導体基板12は、シリコン、SiC等により構成されている。半導体基板12の上面12aには、トレンチ20が設けられている。なお、図示していないが、半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ20が設けられている。各トレンチ20は、図1、2に示す構造を備えている。トレンチ20の内面は、ゲート絶縁膜22によって覆われている。トレンチ20内に、ゲート電極24が配置されている。ゲート電極24は、ゲート絶縁膜22によって半導体基板12から絶縁されている。ゲート電極24の上面は、層間絶縁膜26によって覆われている。半導体基板12の上面12aは、ソース電極30によって覆われている。ゲート電極24は、層間絶縁膜26によってソース電極30から絶縁されている。半導体基板12の下面12bは、ドレイン電極32によって覆われている。
The MOSFET of the embodiment shown in FIG. 1 has a
半導体基板12は、ソース領域40、ボディ領域42、ドリフト領域44、ドレイン領域46を有している。ソース領域40は、n型領域であり、ソース電極30にオーミック接触している。ソース領域40は、トレンチ20の上端部において、ゲート絶縁膜22に接している。ボディ領域42は、p型領域である。ボディ領域42は、ソース電極30の下側でゲート絶縁膜22に接している。ボディ領域42は、図示しない位置で、ソース電極30にオーミック接触している。ドリフト領域44は、n型不純物濃度が低いn型領域である。ドリフト領域44は、ボディ領域42によってソース領域40から分離されている。ドリフト領域44は、ボディ領域42の下側でゲート絶縁膜22に接している。ドレイン領域46は、ドリフト領域44よりもn型不純物濃度が高いn型領域である。ドレイン領域46は、ドリフト領域44に対して下側から接している。ドレイン領域46は、ドレイン電極32にオーミック接触している。
The
ゲート電極24に閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜22近傍のボディ領域42にチャネルが形成され、MOSFETがオンする。すなわち、ゲート絶縁膜22とボディ領域42の境界部が、チャネルとなる領域である。
When a potential equal to or higher than the threshold is applied to the
図2に示すように半導体基板12の上面12aを平面視したときに、トレンチ20は、蛇行している。上述したように、ゲート絶縁膜22とボディ領域42の境界部はチャネルとなる領域である。図2のようにトレンチ20が蛇行することで、トレンチ20が直線である場合に比べて、ゲート絶縁膜22とボディ領域42の境界部が長くなる。したがって、トレンチ20を蛇行させることで、チャネル密度を高くすることができ、MOSFETのオン抵抗を低減することができる。本実施形態では、半導体基板12の上面12aを平面視したときにトレンチ20の各側面20aの曲率半径が900nm以上となるように、トレンチ20が蛇行している。すなわち、各側面20aの曲率半径がいずれの位置でも900nm以上となるようにトレンチ20が蛇行している。トレンチ20が蛇行しているので、トレンチ20の側面20aには凸状部21が存在する。
As shown in FIG. 2, when the
ゲート絶縁膜22は、トレンチ20の側面20aを酸化させることで形成される。本願発明者らの実験により、上面12aを平面視したときのトレンチ20の側面20aの曲率半径に応じて、ゲート絶縁膜22の厚さが変化することが分かった。図3に示すように、側面20aの曲率半径が小さいと、凸状部21においてゲート絶縁膜22の厚さT1が薄くなる。これに対し、図4に示すように、側面20aの曲率半径が大きいと、側面20a全体に均一な厚さでゲート絶縁膜22が形成される。このため、図4では、図3よりも、凸状部21におけるゲート絶縁膜22の厚さT1が厚くなる。図5は、側面20aの曲率半径とゲート絶縁膜22の厚さとの関係を示している。なお、図5の実験では、トレンチ20がストレートである(蛇行していない)ときに厚さT2のゲート絶縁膜22が形成される条件において、曲率半径がそれぞれ異なるトレンチ20に対してゲート絶縁膜22を形成した。縦軸は、凸状部21におけるゲート絶縁膜22の厚さT1を、設計上のゲート絶縁膜22の厚さT2で除算した値を示している。図5から明らかなように、曲率半径が900nm未満の場合には、曲率半径が小さいほど、凸状部21におけるゲート絶縁膜22の厚さT1が薄くなり、値T1/T2が小さくなる。他方、曲率半径が900nm以上の場合には、値T1/T2がほぼ100%となる。すなわち、曲率半径が900nm以上の場合には、凸状部21において、トレンチ20がストレートである場合と同等の厚さのゲート絶縁膜22が得られる。図5から明らかなように、トレンチ20の側面20aの曲率半径を900nm以上とすることで、凸状部21に十分な厚さのゲート絶縁膜22を形成することができる。したがって、側面20aの曲率半径を900nm以上とすることで、凸状部21においてゲートリーク電流が生じることを抑制することができる。
The
また、図6は、トレンチ20の側面20aの曲率半径とチャネル密度増加率との関係を示している。なお、チャネル密度増加率は、トレンチ20がストレートである場合のチャネル密度に対して、トレンチ20を蛇行させた場合のチャネル密度がどの程度上昇するかを示す。図6から明らかなように、側面20aの曲率半径が2500nm以下であれば、側面20aの曲率半径が小さいほど、チャネル密度増加率が大きくなる。側面20aの曲率半径を2500nm以下とすることで、チャネル密度を1〜40%増加させることができる。
FIG. 6 shows the relationship between the radius of curvature of the
以上に説明したように、トレンチ20の側面20aの曲率半径を900nm以上とすることで、ゲートリーク電流を抑制することができる。また、側面20aの曲率半径を2500nm以下とすることで、効果的にチャネル密度を増加させることができる。このように側面20aの曲率半径を設定することで、ゲートリーク電流が生じ難く、チャネル密度が高いMOSFETを実現することができる。
As described above, the gate leakage current can be suppressed by setting the radius of curvature of the
なお、上述した実施形態ではMOSFETについて説明したが、IGBT(insulated gate bipolar transistor)等の他のトレンチゲート型スイッチング素子に本明細書に開示の技術を適用してもよい。 Although the MOSFET has been described in the above embodiment, the technology disclosed in this specification may be applied to another trench gate type switching element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor).
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項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目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Further, the technology exemplified in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
12 :半導体基板
20 :トレンチ
20a :側面
21 :凸状部
22 :ゲート絶縁膜
24 :ゲート電極
26 :層間絶縁膜
30 :ソース電極
32 :ドレイン電極
40 :ソース領域
42 :ボディ領域
44 :ドリフト領域
46 :ドレイン領域
12: semiconductor substrate 20:
Claims (1)
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられたトレンチと、
前記トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されたゲート電極、
を有しており、
前記半導体基板の前記表面を平面視したときに、前記トレンチが蛇行しており
前記半導体基板の前記表面を平面視したときに、前記トレンチの側面の曲率半径が900nm以上である、
半導体装置。 A semiconductor device,
A semiconductor substrate;
A trench provided on the surface of the semiconductor substrate,
A gate insulating film covering an inner surface of the trench;
A gate electrode disposed in the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film;
Has,
When the surface of the semiconductor substrate is viewed in plan, the trench is meandering, and when the surface of the semiconductor substrate is viewed in plan, a radius of curvature of a side surface of the trench is 900 nm or more.
Semiconductor device.
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