JP7061954B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、トレンチ電極を有する半導体装置に関するものである。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などの半導体スイッチング素子(半導体装置)は、例えば、汎用インバータ及びAC(Alternating Current:交流)サーボ等の分野で、三相モータの可変速制御を行なうためのパワーモジュール用に、広く用いられている。省エネの観点から、半導体スイッチング素子の電力損失を減らすことが求められている。半導体スイッチング素子の電力損失は、主に、オン損失と、スイッチング損失とに起因する。
例えば、特開2016-111077号公報によれば、トレンチゲート構造を有するIGBTが開示されている。トレンチゲート構造を適用することによって、チャネル密度を向上させることで、オン損失を低減することができる。また上記公報に開示されたIGBTにおいては、ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するキャリアストア層がベース層の下に配置されており、これにより損失をより低減することができる。
特開2016-111077号公報
トレンチゲート型のIGBTのスイッチング損失を低減する方法の一つとしては、寄生容量のひとつであるゲート・コレクタ間容量(以下において「Cgc」ともいう)を低減する方法がある。しかしながら、キャリアストア層を有するIGBTについては、他の特性への悪影響を抑えつつCgcを低減する方法が、これまで十分に検討されていなかった。より一般的に言えば、キャリアストア層を有する半導体装置において、他の特性への悪影響を抑えつつ寄生容量を低減する方法について、これまで十分に検討されていなかった。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、キャリアストア層を設けつつスイッチング損失を抑制することができる半導体装置を提供することである。
本発明の半導体装置は、半導体基板と、内面絶縁膜と、トレンチ電極とを有している。半導体基板は、第1の表面と、第1の表面と反対側の面であって、トレンチの開口が設けられた第2の表面とを有している。半導体基板は、第1導電型のドリフト層と、第1導電型のキャリアストア層と、第2導電型のベース層と、第1導電型の不純物層とを有している。キャリアストア層は、ドリフト層の第2の表面側に設けられており、ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。ベース層は、キャリアストア層の第2の表面側に設けられており、第2の表面に達している。不純物層は、ベース層の第2の表面側に設けられている。トレンチは、不純物層と、ベース層と、キャリアストア層とを貫通してドリフト層に達している。内面絶縁膜はトレンチの内面を覆っている。トレンチ電極は内面絶縁膜を介してドリフト層、キャリアストア層、ベース層、不純物層に面するようにトレンチ内に設けられている。内面絶縁膜は、ベース層に面する部分で第1の厚みを有しており、ドリフト層に面する部分で第2の厚みを有しており、キャリアストア層に面する部分で第1の厚み及び前記第2の厚みを有している。第2の厚みは第1の厚みより厚い。トレンチ電極の最深部の深さにおけるトレンチの幅が第2の表面におけるトレンチの開口の幅よりも小さくなるように、トレンチの幅は、キャリアストア層からドリフト層の第2の表面側を通ってドリフト層内に延びるトレンチの少なくとも一部に沿ってトレンチ電極の最も深い部分に向かう方向へ、より広い幅からより狭い幅にテーパ状とされている。内面絶縁膜の厚みは、第1および第2の厚みを保ちながらテーパ状の形状に沿って形成されている。
本発明によれば、内面絶縁膜は、ベース層に面する部分で第1の厚みを有しており、ドリフト層に面する部分で第2の厚みを有しており、キャリアストア層に面する部分で第1の厚み及び第2の厚みを有しており、第2の厚みは第1の厚みより厚い。これにより、ベース層によって構成されるチャネルについての電圧しきい値特性への影響なしに、トレンチ電極に起因しての寄生容量が低減される。この寄生容量の低減によって、半導体装置のスイッチング損失を抑制することができる。
本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を概略的に示す上面図である。 図1の線IIA-IIAに沿う部分断面図(A)、および図1の線IIB-IIBに沿う部分断面図(B)である。 図2の半導体装置が有する半導体基板の不純物濃度プロファイルの第1の例を示すグラフ図である。 図2の半導体装置が有する半導体基板の不純物濃度プロファイルの第2の例を示すグラフ図である。 図2の半導体装置が有する半導体基板の不純物濃度プロファイルの第3の例を示すグラフ図である。 図2の半導体装置が有する半導体基板の不純物濃度プロファイルの第4の例を示すグラフ図である。 均一な厚みを有する内面絶縁膜が設けられた、比較例の半導体装置の構成を示す部分断面図である。 トレンチの深さがキャリアストア層の底面よりも浅い半導体装置についての、オフ状態における電位分布のシミュレーション結果を示す部分断面図である。 トレンチの深さがキャリアストア層の底面よりも深い半導体装置についての、オフ状態における電位分布のシミュレーション結果を示す部分断面図である。 図8及び図9の結果に基づいて、半導体基板中での深さと電界強度との関係を模式的に示すグラフ図である。 本発明の実施の形態2における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態3における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態3及びその第1及び第2の変形例における、オン電圧とゲート・コレクタ間容量Cgcとの関係の例を示すグラフ図である。 本発明の実施の形態4における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態5における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態6における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態7における半導体装置の構成を概略的に示す部分上面図である。 図17の線XVIII-XVIIIに沿う部分断面図である。 図17の線XIX-XIXに沿う部分断面図である。 本発明の実施の形態7の変形例における半導体装置の構成を概略的に示す部分上面図である。 本発明の実施の形態8における半導体装置の構成を概略的に示す部分上面図である。 図21の線XXII-XXIIに沿う部分断面図である。 トレンチピッチが図24の場合に比して広い場合における、オフ状態における電位分布のシミュレーション結果を示す部分断面図である。 トレンチピッチが図23の場合に比して狭い場合における、オフ状態における電位分布のシミュレーション結果を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態9における半導体装置の構成を概略的に示す部分上面図である。 本発明の実施の形態10における半導体装置の構成を概略的に示す部分上面図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
<実施の形態1>
(構成)
図1は、本実施の形態1におけるIGBT101(半導体装置)の構成を概略的に示す上面図である。図2(A)および図2(B)は、IGBT101のセル領域R1(図1)における、互いに隣接する部分断面図であり、具体的には、図1の線IIA-IIAおよび線IIB-IIBのそれぞれに沿う部分断面図である。なお図1においては、図を見やすくするために、エミッタ電極42(第2の主電極)については、その外縁のみが二点鎖線で示されている。
IGBT101は、半導体基板50と、内面絶縁膜61と、トレンチ電極70と、コレクタ電極41(第1の主電極)と、エミッタ電極42と、層間絶縁膜37とを有している。半導体基板50は、表面S1(第1の表面)と、表面S1と反対側の面である表面S2(第2の表面)とを有している。本明細書において、半導体基板50中での「深さ」は、表面S2からの距離として定義される。半導体基板50は、nドリフト層51と、nキャリアストア層52と、pベース層53と、nエミッタ層54(不純物層)と、pコレクタ層57とを有している。半導体基板50はさらに、nバッファ層56を有していてよい。
ドリフト層51は、表面S1に面する下面と、表面S2に面する上面とを有している。nドリフト層51はn型(第1導電型)を有している。nキャリアストア層52は、表面S2側に設けられており、具体的にはnドリフト層51の上面上に設けられている。nキャリアストア層52は、n型を有しており、nドリフト層51の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。pベース層53は、nキャリアストア層52の表面S2側に設けられており、具体的にはnキャリアストア層52の上面上に設けられている。pベース層53は、p型(第1導電型と異なる第2導電型)を有している。pベース層53はp型のpベース層53bとp型のpベース層53aとで構成されている。pベース層53は、図2(A)の断面位置においては表面S2に達していないが、図2(B)に示すように図2(A)の断面に隣接する他の断面位置において表面S2に達している。図2(B)において、pベース層53は、表面S2に達する面を含む領域の不純物濃度を高めてp型のpベース層53aとしているが、表面S2に達する面の不純物濃度を高めずに表面S2に達する面を含む領域もpベース層53bと一体で形成してもよい。以降においては、pベース層53aとpベース層53bとの区別を省略してpベース層53として示すが、以下で示すpベース層53も、図2(A)および図2(B)と同様にpベース層53aおよびpベース層53bで構成されていてよく、pベース53bのみで構成されていてもよい。nエミッタ層54は、pベース層53の表面S2側に選択的に設けられている。具体的には、nエミッタ層54は、pベース層53の上面側に部分的に設けられており表面S2に達している。nエミッタ層54はn型を有している。nバッファ層56は、n型を有しており、nドリフト層51の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。nバッファ層56は、nドリフト層51とコレクタ電極41との間に配置されており、具体的にはnドリフト層51とpコレクタ層57との間に配置されている。pコレクタ層57は、nバッファ層56を介してnドリフト層51の下面上に設けられている。nバッファ層56は省略されていてもよい。
コレクタ電極41は、半導体基板50の第1の表面S1上に設けられている。コレクタ電極41は、pコレクタ層57に接することによってpコレクタ層57と電気的に接続されている。エミッタ電極42は、半導体基板50の表面S2上に設けられている。エミッタ電極42は、nエミッタ層54に接することによってnエミッタ層54(不純物層)と電気的に接続されている。
半導体基板50にはトレンチTRが設けられている。トレンチTRは、底部BTと、開口OPと、底部BTと開口OPとをつなぐ内面ISとを有している。トレンチTRの開口OPは、半導体基板50の表面S2に設けられている。トレンチTRは、nエミッタ層54と、pベース層53と、nキャリアストア層52とを貫通してnドリフト層51に達している。トレンチ電極70の最深部の深さにおけるトレンチTRの幅Wbtは、表面S2における開口OPの幅Wopよりも小さいことが好ましい。言い換えれば、トレンチTRは、内面絶縁膜61とトレンチ電極70との境界の最深部(図2における最下部)の深さDdにおいて、幅Wopよりも小さい幅Wbtを有していることが好ましい。
内面絶縁膜61はトレンチTRの内面を覆っている。トレンチ電極70は、内面絶縁膜61を介してnドリフト層51とnキャリアストア層52とpベース層53とnエミッタ層54とに面するようにトレンチTR内に設けられている。内面絶縁膜61は、pベース層53に面する部分で厚みTa(第1の厚み)を有しており、nドリフト層51に面する部分で厚みTb(第2の厚み)を有しており、nキャリアストア層52に面する部分で厚みTa及び厚みTbを有している。厚みTbは厚みTaより厚い。pベース層53とnキャリアストア層52との境界の深さをDpと定義し、かつnキャリアストア層52とnドリフト層51との境界の深さをDnと定義し、かつDp<Dg<Dnを満たす一の深さを深さDgと定義する。内面絶縁膜61は、深さDgよりも浅く配置された上部分61aと、深さDgよりも深く配置された下部分61bとを有している。下部分61bは、厚みTaより大きな厚みTbを有していることが好ましい。本実施の形態においては、下部分61bの厚みは均一であってよい。
なお、上述した、内面絶縁膜61の厚みについての特徴は、セル領域R1内で満たされていればよく、セル領域R1外においては満たされなくてもよい。
半導体基板50(図2)は、面内方向(半導体基板50の厚み方向の垂直な方向)におけるレイアウト、すなわち平面レイアウト(図1)、として、セル領域R1と、セル領域R1の外側に配置されたゲート配線領域R3と、セル領域R1及びゲート配線領域R3の外側に配置された終端領域R5とを有している。ゲート配線領域R3は、トレンチ電極70にゲート電位を印加するための領域である。この目的で、ゲート配線領域R3にはゲート配線層46が設けられている。ゲート配線層46は、ゲートパッド45と、トレンチ電極70とを互いに接続している。ゲートパッド45は、外部からIGBT101へゲート電位を印加するための電極である。終端領域R5には、典型的には、ガードリング(図示せず)のような、耐電圧を向上させるための構造が設けられている。
図3~図6のそれぞれは、深さ方向における半導体基板50の不純物濃度プロファイルの第1~第4の例である。なお、本プロファイルは、図2(A)に示す部分断面図におけるプロファイルである。これらの例においては、深さDnにおいて、不純物濃度プロファイルにおける折れ曲がりKNが見られる。よって、深さ方向における不純物濃度プロファイル分析を行うことによって、深さDnを測定することができる。またこれらの例においては、nキャリアストア層52の不純物濃度の最小値はnドリフト層51の不純物濃度の最大値よりも高い。典型的には、nドリフト層51の不純物濃度は、おおよそ均一(一定)である。
(比較例)
図7は、均一な厚みを有する内面絶縁膜が設けられた、比較例のIGBT100の構成を概略的に示す部分断面図である。IGBT100の内面絶縁膜60は、均一な厚みTaを有している。よって、トレンチTRの底部BT近傍での比較において、比較例のIGBT100の内面絶縁膜60(図7)は、本実施の形態のIGBT101の内面絶縁膜61(図2)に比して薄い。その結果、比較例のIGBT100は、より大きなゲート・コレクタ間容量Cgcを有しており、よって、より大きなスイッチング損失を有している。
ここで、第1に、もしもIGBT100の厚みTaをより大きくしたとすると、ゲート・コレクタ間容量Cgcは小さくなる。しかしながらこれは、IGBTのしきい値電圧を増大させてしまう。電圧しきい値は、IGBTの用途によって、特定の範囲内にある必要がある。よって、Cgcを小さくするために厚みTaを自由に最適化することは、通常、許容されない。
第2に、もしもトレンチTRの幅(図7における横方向の寸法)をより小さくしたとすると、トレンチTRの底部BT近傍でのゲート・コレクタ間容量Cgcの形成は抑えられる。しかしながらその場合は、トレンチ電極70を形成するためにトレンチTR内へ導電体を充填する工程が困難となる。
第3に、もしもトレンチTRの深さ(図7における縦方向の寸法)をより小さくしたとすると、トレンチTRの側面でのゲート・コレクタ間容量Cgcの形成は抑えられる。しかしながら、この方法には限界があり、Cgcを顕著に低減することは難しい。なぜならば、もしもトレンチTRの深さをキャリアストア層52の底面よりも浅くすると、耐電圧が低下してしまうからである。このことについて、以下に説明する。
図8及び図9のそれぞれは、トレンチTRの深さがキャリアストア層52の底面の深さDnよりも浅い場合と深い場合とでの、オフ状態における電位分布のシミュレーション結果を示す部分断面図である。図中、等高線は電位を表している。トレンチTRが浅い場合、トレンチTRの底部近傍、特に角部CT、において、等高線が密になっており、これは電界集中を意味している。図10は、これらのシミュレーション結果に基づいて、半導体基板中での深さと電界強度との関係を模式的に示すグラフ図である。一般に耐電圧は、電界強度の、深さ方向における積分値にほぼ対応する。図10からわかるように、トレンチTRの深さが深さDnよりも小さい場合、耐電圧が顕著に低下してしまう。
(効果のまとめ)
本実施の形態によれば、内面絶縁膜61(図2)は、pベース層53に面する部分で厚みTaを有しており、nドリフト層51に面する部分で厚みTbを有しており、nキャリアストア層52に面する部分で厚みTa及び厚みTbを有しており、厚みTbは厚みTaより厚い。これにより、pベース層53によって構成されるチャネルについての電圧しきい値特性への影響なしに、ゲート・コレクタ間容量Cgcが低減される。Cgcの低減によって、IGBTのスイッチング損失を抑制することができる。
トレンチ電極70の最深部の深さにおけるトレンチTRの幅Wbt(図2)は、表面S2における開口OPの幅Wopよりも小さいことが好ましい。これにより、トレンチTR内に電極を埋め込む工程が困難となることを避けつつ、トレンチTRの底面の面積を低減することができる。トレンチTRの底面の面積を低減することによって、ゲート・コレクタ間容量Cgcがより低減される。よって、IGBTのスイッチング損失をより抑制することができる。
<実施の形態2>
(構成)
図11は、本実施の形態2におけるIGBT102(半導体装置)の構成を概略的に示す部分断面図である。IGBT102においてもIGBT101(図2:実施の形態1)と同様、内面絶縁膜61は、pベース層53に面する部分で厚みTaを有しており、nドリフト層51に面する部分で厚みTbを有しており、nキャリアストア層52に面する部分で厚みTa及び厚みTbを有しており、厚みTbは厚みTaより厚い。本実施の形態においてはさらに、内面絶縁膜61のうち、トレンチ電極70の最深部の深さよりも深い部分は厚みTc(第3の厚み)を有しており、厚みTcは厚みTbより厚い。具体的には、内面絶縁膜61の下部分61bは、トレンチTRの底部BT上において、厚みTbより大きな厚みTcを有している。
なお本明細書において、内面絶縁膜の「厚み」は、内面絶縁膜の、トレンチの内面に垂直な方向における寸法として定義される。例えば図11においては、トレンチTRの底部BTにおいては、内面ISの法線が縦方向に沿うので縦方向における寸法が厚みに対応し、底部BTからある程度離れた位置においては、内面ISの法線が横方向(厳密に言えば、横方向から若干傾いた方向)に沿うので横方向(厳密に言えば、横方向から若干傾いた方向)における寸法が厚みに対応する。
なお上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
(効果)
本実施の形態によれば、内面絶縁膜61のうち、トレンチ電極70の最深部の深さよりも深い部分は、厚みTbより厚い厚みTcを有している。これにより、トレンチTRの側面上の内面絶縁膜61に起因してトレンチTR内にトレンチ電極70を埋め込む工程が困難となることを避けつつ、トレンチTRの底部BT近傍でのゲート・コレクタ間容量Cgcの形成が抑えられる。よって、実用的な製造方法を用いつつ、IGBTのスイッチング損失をより抑制することができる。
<実施の形態3>
(構成)
図12は、本実施の形態3におけるIGBT201(半導体装置)の構成を概略的に示す部分断面図である。IGBT201は、トレンチ電極70(図1:実施の形態1)に代わって、トレンチ電極71を有している。トレンチ電極71は、上部電極71aと、埋込電極71bとを有している。上部電極71aは、内面絶縁膜61のうち厚みTaを有する部分に接している。埋込電極71bは、内面絶縁膜61のうち厚みTbを有する部分に接している。具体的には、トレンチ電極71は、深さDgよりも浅く配置された上部電極71aと、上部電極71aよりも深く配置された埋込電極71bとを有している。IGBT201は、トレンチTR内において上部電極71aと埋込電極71bとを隔てる分離絶縁膜63を有している。本実施の形態においては、埋込電極71bは、ゲート電極としての機能を有する上部電極71aに電気的に接続されている。このような電気的接続を得るための構成としては、例えば、後述する実施の形態7の第1の変形例が用いられる。なおこれ以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
(効果)
本実施の形態によれば、トレンチTR内において上部電極71aと埋込電極71bとを隔てる分離絶縁膜63が設けられる。これにより、トレンチTR内面のうち分離絶縁膜63に面する部分の近傍、すなわち破線部CC(図12)、において、ゲート・コレクタ間容量Cgcの形成が抑えられる。これにより、IGBTのスイッチング損失をより抑制することができる。
埋込電極71bは、本実施の形態においては、上部電極71aに電気的に接続されている。これにより、埋込電極71bの電位が安定化される。よって、IGBTの特性を安定化することができる。
(変形例)
上記本実施の形態においては、埋込電極71bは上部電極71aに電気的に接続され、これにより埋込電極71bの電位がゲート電位とされる。変形例として、埋込電極71bの電位が、ゲート電位以外の電位とされてよい。
第1の変形例として、埋込電極71bは、上部電極71aに代わってエミッタ電極42に電気的に接続されていてもよい。この場合、埋込電極71bは、エミッタ電極42を介して、nエミッタ層54(不純物層)に電気的に接続されている。これにより埋込電極71bの電位がエミッタ電位とされる。このような電気的接続を得るための構成としては、例えば、後述する実施の形態7が用いられる。本変形例によれば、エミッタ電位に固定された埋込電極71bによって上部電極71aがシールドされる。よって、ゲート電極としての上部電極71aのゲート・コレクタ間容量Cgcが低減される。Cgcの低減によって、IGBTのスイッチング損失を抑制することができる。
第2の変形例として、埋込電極71bは電気的にフローティングされていてもよい。これにより埋込電極71bの電位がフローティング電位とされる。本変形例によれば、埋込電極71bの電位を固定するための構成を設ける必要がない。よってIGBTの構成を簡素化することができる。
図13は、本実施の形態3及びその第1及び第2の変形例における、オン電圧とゲート・コレクタ間容量Cgcとの関係の例を示すグラフ図である。ゲート・コレクタ間容量Cgcを低減する観点では、第1の変形例、第2の変形例、及び本実施の形態、の順に優れている。オン電圧を低減する観点では、本実施の形態、第2の変形例、及び第1の変形例、の順に優れている。
<実施の形態4>
図14は、本実施の形態4におけるIGBT202(半導体装置)の構成を概略的に示す部分断面図である。IGBT202においてもIGBT201(図12:実施の形態2)と同様、内面絶縁膜61は、pベース層53に面する部分で厚みTaを有しており、nドリフト層51に面する部分で厚みTbを有しており、nキャリアストア層52に面する部分で厚みTa及び厚みTbを有しており、厚みTbは厚みTaより厚い。本実施の形態においてはさらに、内面絶縁膜61のうち、トレンチ電極70の最深部の深さよりも深い部分は厚みTc(第3の厚み)を有しており、厚みTcは厚みTbより厚い。具体的には、内面絶縁膜61の下部分61bは、トレンチTRの底部BT上において、厚みTbより大きな厚みTcを有している。これ以外の構成については、上述した実施の形態3の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、実施の形態2の効果と類似の効果が得られる。具体的には、トレンチTR側面上の内面絶縁膜61に起因してトレンチTR内にトレンチ電極70を埋め込む工程が困難となることを避けつつ、トレンチTRの底部BT近傍でのゲート・コレクタ間容量Cgcの形成が抑えられる。よって、IGBTのスイッチング損失をより抑制することができる。
<実施の形態5>
図15は、本実施の形態5におけるIGBT203(半導体装置)の構成を概略的に示す部分断面図である。IGBT203は、埋込電極71b(図12:実施の形態3)に代わって、埋込電極73bを有している。埋込電極73bは、表面S2側の上面Puと、nドリフト層51及びnキャリアストア層52に面する側面Psと、上面Puと側面Psとの間に配置され上面Pu及び側面Psの各々から傾いた角面Pcとを有している。上面PuはトレンチTRの開口OPに面しており、側面PsはトレンチTRの内面ISに面している。別な観点で言えば、上面Puと側面Psとがなす角部が丸められており、角部近傍で内面絶縁膜61の厚みが局所的に大きくされている。なお、これ以外の構成については、上述した実施の形態3または4の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、埋込電極73bの角部の鋭利さが抑えられる。よって、埋込電極73bの角部への電界集中が抑えられる。よってIGBTの耐電圧を向上させることができる。
<実施の形態6>
図16は、本実施の形態6におけるIGBT204(半導体装置)の構成を概略的に示す部分断面図である。IGBT204は、上部電極71a(図12:実施の形態3)に代わって、上部電極74aを有している。上部電極74aは突起部分74apを有している。突起部分74apは半導体基板50の面内方向(図16における横方向)において分離絶縁膜63を介して埋込電極71bに対向している。埋込電極71bの上方角部(上面の端部)は、分離絶縁膜63を介して上部電極74aに覆われている。突起部分74apは、深さDpよりも深く深さDgより浅い箇所から深さDgまで延びていることが好ましい。なお、これ以外の構成については、上述した実施の形態3または4の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、上部電極74aが突起部分74apを有することによって、埋込電極71bと上部電極74aとの間の容量結合が強められる。これにより、埋込電極71bがフローティング状態にある場合でも、埋込電極71bの電位が、ある程度安定化される。よって、IGBTの特性を安定化することができる。
なお、「埋込電極71bがフローティング状態である場合」とは、埋込電極71bの電位を固定するための電気的経路が意図的に設けられていない場合に限定されるものではなく、製造時には当該電気的経路が設けられたものの、その後に何らかの要因によって当該電気的経路が断線してしまった場合も含む。この断線はいつ発生するか確実には予測できないため、当該電気的経路が設けられている場合であっても、将来的に発生し得る断線に備えて本実施の形態を適用することは有効である。
<実施の形態7>
(構成)
図17は、本実施の形態7におけるIGBT205(半導体装置)の構成を概略的に示す部分上面図である。図18及び図19のそれぞれは、図17の線XVIII-XVIII及び線XIX-XIXに沿う部分断面図である。なお、図17においては、図を見やすくするために、いくつかの部材の図示が省略されている。
半導体基板50は、平面レイアウトとして、セル領域R1と、電極配線領域R2と、ゲート配線領域R3と、終端領域R5とに区分される。電極配線領域R2は、セル領域R1とゲート配線領域R3との間に配置されている。ゲート配線領域R3は、上部電極71aにゲート電位を印加するためのものである。電極配線領域R2は、本実施の形態においては、埋込電極71bにエミッタ電位を印加するためのものである。セル領域R1(図17)において、トレンチTRはセルトレンチ部TRc1~TRc4を有している。セルトレンチ部TRc1~TRc4は互いに隣り合っており、その各々は線状に延びている。図17においては、セルトレンチ部TRc1~TRc4の各々は、横方向に延びている。
電極配線領域R2には、延長トレンチ部TRe1~TRe4と、交差トレンチ部TRx1~TRx3とが設けられている。延長トレンチ部TRe1~TRe4の各々は線状に延びている。図17においては、延長トレンチ部TRe1~TRe4の各々は、横方向に延びている。延長トレンチ部TRe1~TRe4は、互いに隣り合っている。延長トレンチ部TRe1~TRe4のそれぞれは、セルトレンチ部TRc1~TRc4から延長されている。延長トレンチ部TRe1~TRe4はゲート配線領域R3に達している。交差トレンチ部TRx1~TRx3の各々は、延長トレンチ部TRe1~TRe4と交差する方向、具体的には図17における縦方向、に延在している。本実施の形態においては、交差トレンチ部TRx1~TRx3の各々は延長トレンチ部TRe1~TRe4と交差しており、図中においては直交している。交差トレンチ部TRx1~TRx3は、互いに隣り合っている。
延長トレンチ部TRe1~TRe4のうち少なくとも1つにおいて、交差トレンチ部TRx1~TRx3の間で、埋込電極71bは、トレンチTRの開口OPへ向かって(図18において上方へ向かって)凸であり上部電極71aを貫通する突起部71bpを有している。突起部71bpは、トレンチTRの開口OPへ向かって(図18において上方へ向かって)局所的に突出している。なお、突起部71bpと上部電極71aとの間は分離絶縁膜63によって絶縁されている。
本実施の形態においては、延長トレンチ部TRe1~TRe4のすべてが突起部71bpを有している。言い換えれば延長トレンチ部TRe1~TRe4の各々が突起部71bpを有している。交差トレンチ部TRx1~TRx3は、互いに隣り合う交差トレンチ部TRx1,TRx2によって挟まれる第1の領域と、互いに隣り合う交差トレンチ部TRx2,TRx3によって挟まれる第2の領域とをなしている。延長トレンチ部TRe1~TRe4の各々に設けられる突起部71bpは、第1及び第2の領域の一方にのみ設けられている。また第1及び第2の領域の各々には、少なくとも1つの突起部71bpが設けられている。好ましくは、延長トレンチ部TRe1~TRe4に設けられる突起部71bpは、図17に示されているように、第1及び第2の領域に交互に配置されている。
突起部71bp上には、突起部71bpに接し、導電体からなるコンタクト21が設けられている。コンタクト21は、エミッタ電極42に電気的に接続されている。言い換えれば、コンタクト21にはエミッタ電位が印加される。この目的で、コンタクト21は、エミッタ電極42の一部であってよく、あるいは、エミッタ電極42に接する部材であってよい。
延長トレンチ部TRe1~TRe4の一方端(図17における右端)は、電極配線領域R2とゲート配線領域R3との境界に位置している。電極配線領域R2において延長トレンチ部TRe1~TRe4内を延びる上部電極71aは、電極配線領域R2とゲート配線領域R3との境界からさらにゲート配線領域R3内へと延びている。よって、上記境界において上部電極71aは延長トレンチ部TRe1~TRe4の外へと延びている。これにより、ゲート配線領域R3において上部電極71aとの電気的接続を容易に得ることができる。この電気的接続のために、ゲート配線領域R3において、上部電極71aに接し、導電体からなるコンタクト22が設けられている。コンタクト22は、ゲート配線層46(図1)に電気的に接続されている。言い換えれば、コンタクト22にはゲート電位が印加される。この目的で、コンタクト22は、ゲート配線層46の一部であってよく、あるいは、ゲート配線層46に接する部材であってよい。
なお、これ以外の構成については、上述した実施の形態3~6の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
(効果)
本実施の形態によれば、突起部71bpを介しての埋込電極71bとの電気的接続によって、埋込電極71bの電位をエミッタ電位に固定することができる。突起部71bpはセル領域R1とゲート配線領域R3との間の電極配線領域R2に配置されているので、平面レイアウトにおいて突起部71bpは、上部電極71aにゲート電位を印加するためにゲート配線領域R3に設けられる構造と重ならない。これにより、配線が重なることに起因して過大な段差が形成されることが避けられる。
延長トレンチ部TRe1~TRe4のすべてが突起部71bpを有していることにより、埋込電極71bの電位を、より十分に安定化することができる。
(第1の変形例)
本変形例においては、コンタクト21(図18)は、エミッタ電極に代わって、ゲート電極としての上部電極71aに電気的に接続されている。言い換えれば、コンタクト21にはゲート電位が印加される。この目的で、コンタクト21は、ゲート配線層46(図1)の一部であってよく、あるいは、ゲート配線層46に接する部材であってよい。本変形例によっても、突起部71bpを介しての埋込電極71bとの電気的接続によって、埋込電極71bの電位を固定することができる。
(第2の変形例)
図20は、本実施の形態7の変形例におけるIGBT206(半導体装置)の構成を概略的に示す部分上面図である。なお、図20においては、図を見やすくするために、いくつかの部材の図示が省略されている。本変形例においては、延長トレンチ部TRe1~TRe4の一部のみが突起部71bpを有している。図中においては、延長トレンチ部TRe1~TRe4のうち、延長トレンチ部TRe1及び延長トレンチ部TRe3のみが突起部71bpを有している。これにより、交差トレンチ部TRx1~TRx3(図17)のうち交差トレンチ部TRx3が省略され得る。よって、電極配線領域R2の幅(図20における横方向の寸法)を低減することができる。よってIGBTの有効面積を大きくすることができる。
<実施の形態8>
(構成)
図21は、本実施の形態8におけるIGBT207(半導体装置)の構成を概略的に示す部分上面図である。図22は、図21の線XXII-XXIIに沿う部分断面図である。図21の線XIX-XIXに沿う部分断面図は、前述した図19と同様である。なお、図21においては、図を見やすくするために、いくつかの部材の図示が省略されている。
半導体基板50は、平面レイアウトとして、セル領域R1と、電極配線領域R2と、ゲート配線領域R3と、終端領域R5とに区分される。電極配線領域R2は、セル領域R1とゲート配線領域R3との間に配置されている。ゲート配線領域R3は、本実施の形態においては、上部電極71aの一部(第1の部分)にゲート電位を印加するためのものである。電極配線領域R2は、本実施の形態においては、上部電極71aの一部(第2の部分)をエミッタ電極42(主電極)に電気的に接続するためのものである。
電極配線領域R2には、延長トレンチ部TRe1~TRe4と、交差トレンチ部TRx1及びTRx2とが設けられている。延長トレンチ部TRe1~TRe4の各々は線状に延びている。延長トレンチ部TRe1~TRe4は、互いに隣り合っている。延長トレンチ部TRe1~TRe4のそれぞれは、セルトレンチ部TRc1~TRc4から延長されている。延長トレンチ部TRe1~TRe4の一部、具体的には延長トレンチ部TRe1,TRe3は、ゲート配線領域R3に達している。交差トレンチ部TRx1及びTRx2の各々は、延長トレンチ部TRe1~TRe4と交差する方向、具体的には図21における縦方向、に延在している。本実施の形態においては、交差トレンチ部TRx2は延長トレンチ部TRe1~TRe4と交差している。交差トレンチ部TRx1は、延長トレンチ部TRe1,TRe3と交差しており、延長トレンチ部TRe2,TRe4の端に接している。交差トレンチ部TRx1,TRx2は、互いに隣り合っている。
延長トレンチ部TRe1~TRe4は、延長トレンチ部TRe1及びTRe3(少なくとも1つの第1のトレンチ部)と、延長トレンチ部TRe2及びTRe4(少なくとも1つの第2のトレンチ部)とを含む。延長トレンチ部TRe1及びTRe3における上部電極71aは、ゲート配線領域R3のコンタクト22へ電気的に接続されている。延長トレンチ部TRe2及びTRe4における上部電極71aは、コンタクト24を介してエミッタ電極42と電気的に接続されている。延長トレンチ部TRe2及びTRe4(第2のトレンチ部)において、埋込電極71bは、交差トレンチ部TRx1,TRx2のうちセル領域R1に最も近いものである交差トレンチ部TRx2とセル領域R1との間において、突起部71bpを有している。突起部71bpは、実施の形態7において前述したように、トレンチTRの開口OPへ向かって(図18において上方へ向かって)凸であり上部電極71aを貫通している。また突起部71bpは、トレンチTRの開口OPへ向かって局所的に突出することによって上部電極71aを分断している。これら突起部71bpとセル領域R1との間において、IGBT207は、上部電極71a上にコンタクト24(図22)を有している。コンタクト24はnエミッタ層54(不純物層)に電気的に接続されている。言い換えれば、コンタクト24はエミッタ電極42に電気的に接続されている。この電気的接続、典型的には短絡、を得るために、コンタクト24は、エミッタ電極42の一部であってよく、あるいは、エミッタ電極42に電気的に接する部材であってよい。
なお、これ以外の構成については、上述した実施の形態7またはその変形例の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
(効果)
本実施の形態によれば、延長トレンチ部TRe2及びTRe4(第2のトレンチ部)において、突起部71bp(図18)によって上部電極71aがゲート配線領域R3から電気的に分断されている。この分断された部分は、その上に設けられたコンタクト24(図22)によってnエミッタ層54と電気的に接続(典型的には短絡)されている。この構成により、延長トレンチ部TRe2及びTRe4内の上部電極71aの電位がエミッタ電位に固定されるので、延長トレンチ部TRe2及びTRe4内の上部電極71aは、ゲート電極としての機能を失う。その結果、トレンチTRのうちゲートトレンチとして機能するもののピッチを、トレンチTRのピッチよりも大きくすることができる。よって、トレンチTRのピッチを広げることなく、ゲート容量を小さくすることができる。その結果、ゲート容量の低減によってスイッチング特性を向上させつつ、以下で説明するように、トレンチピッチが過大であることに起因しての耐電圧の低下を避けることができる。
図23及び図24のそれぞれは、トレンチピッチが相対的に広い場合及び狭い場合における、オフ状態における電位分布のシミュレーション結果を示す部分断面図である。図中、等高線は電位を表している。トレンチピッチが広い場合(図23)、トレンチTRの底部近傍、特に角部CT、において、等高線が密になっており、これは電界集中を意味している。この電界集中は、耐電圧の低下につながり得る。
<実施の形態9>
図25は、本実施の形態9におけるIGBT208(半導体装置)の構成を概略的に示す部分上面図である。なお、図25においては、図を見やすくするために、いくつかの部材の図示が省略されている。
IGBT208においては、IGBT205(図17:実施の形態7)との相違として、延長トレンチ部TRe1~TRe4および交差トレンチ部TRx1~TRx3の線幅が均一でない。具体的には、延長トレンチ部TRe1~TRe4は、交差トレンチ部TRx1~TRx3から離れた部分に比して、交差トレンチ部TRx1~TRx3に接する部分において、より狭い幅を有している。また、交差トレンチ部TRx1~TRx3は、延長トレンチ部TRe1~TRe4から離れた部分に比して、延長トレンチ部TRe1~TRe4に接する部分において、より狭い幅を有している。その結果、延長トレンチ部TRe1~TRe4と、交差トレンチ部TRx1~TRx3との交差部の最大幅Wsが狭くなる。なお、これ以外の構成については、上述した実施の形態7またはその変形例の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、最大幅Wsが狭くなるので、電極材料(典型的にはポリシリコン)をトレンチ内に堆積する際の埋込性を改善することができる。なお、延長トレンチ部および交差トレンチ部の両方ではなく一方のみが上記のように局所的に狭い幅を有している変形例によっても、交差部の最大幅Wsが、ある程度は狭くなる。よってそのような場合であっても、本実施の形態と同様の効果が、ある程度得られる。また、上記のようにトレンチが局所的に狭い幅を有する特徴は、実施の形態7だけでなく、実施の形態7の変形例または実施の形態8へも適用され得る。
<実施の形態10>
図26は、本実施の形態10におけるIGBT209(半導体装置)の構成を概略的に示す部分上面図である。なお、図26においては、図を見やすくするために、いくつかの部材の図示が省略されている。
IGBT209においては、IGBT205(図17:実施の形態7)との相違として、延長トレンチ部TRe1~TRe4と、交差トレンチ部TRx1~TRx3とは、互いに(十字状ではなく)T字状に接続されている。その結果、延長トレンチ部TRe1~TRe4と交差トレンチ部TRx1~TRx3との接続部において、トレンチ側壁から最も遠い位置PEと、トレンチ側壁との間の距離DEが小さくなる。なお、これ以外の構成については、上述した実施の形態7またはその変形例の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、電極材料(典型的にはポリシリコン)をトレンチ内に堆積する際の埋込性を改善することができる。なお、上記のようにトレンチ接合部がT字状である特徴は、実施の形態7だけでなく、実施の形態7の変形例または実施の形態8へも適用され得る。
上記各実施の形態においてはシンプルなIGBTについて詳述したが、半導体装置は逆導通(RC:Reverse Conducting)-IGBTであってもよい。また半導体装置はIGBTと異なるものであってもよく、例えば、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ)であってもよい。また第1導電型がn型であり第2導電型がp型である場合について詳述したが、これらの導電型は反対であってもよい。また、半導体基板の製造方法は特に限定されず、フローティングゾーン(FZ:Floating Zone)基板を用いて準備されたものであっても、あるいは、エピタキシャル基板を用いて準備されたものであってもよい。本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
BT 底部、R1 セル領域、R2 電極配線領域、R3 ゲート配線領域、R5 終端領域、S1,S2 表面(第1及び第2の表面)、IS 内面、OP 開口、TR トレンチ、Pc 角面、Ps 側面、Pu 上面、TRe1~TRe4 延長トレンチ部、TRx1~TRx3 交差トレンチ部、TRc1~TRc4 セルトレンチ部、52 キャリアストア層、21,22,24 コンタクト、45 ゲートパッド、37 層間絶縁膜、41 コレクタ電極(第1の主電極)、42 エミッタ電極(第2の主電極)、46 ゲート配線層、50 半導体基板、51 nドリフト層、52 nキャリアストア層、53,53a,53b pベース層、54 エミッタ層、56 nバッファ層、57 pコレクタ層、61 内面絶縁膜、63 分離絶縁膜、70,71 トレンチ電極、71a,74a 上部電極、71b,73b 埋込電極、71bp 突起部、74ap 突起部分、101,102,201~209 IGBT(半導体装置)。

Claims (16)

  1. 半導体装置であって、
    第1の表面と、前記第1の表面と反対側の面であって、トレンチの開口が設けられた第2の表面とを有する半導体基板を備え、前記半導体基板は、
    第1導電型のドリフト層と、
    前記ドリフト層の前記第2の表面側に設けられ、前記ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第1導電型のキャリアストア層と、
    前記キャリアストア層の前記第2の表面側に設けられ、前記第2の表面に達する第2の導電型のベース層と、
    前記ベース層の前記第2の表面側に選択的に設けられた第1導電型の不純物層と、
    を含み、前記トレンチは、前記不純物層と、前記ベース層と、前記キャリアストア層とを貫通して前記ドリフト層に達しており、前記半導体装置はさらに
    前記トレンチの内面を覆う内面絶縁膜と、
    前記内面絶縁膜を介して前記ドリフト層、前記キャリアストア層、前記ベース層、前記不純物層に面するように前記トレンチ内に設けられたトレンチ電極と、
    を備え、
    前記内面絶縁膜は、前記ベース層に面する部分で第1の厚みを有し、前記ドリフト層に面する部分で第2の厚みを有し、前記キャリアストア層に面する部分で前記第1の厚み及び前記第2の厚みを有し、前記第2の厚みは前記第1の厚みより厚
    前記トレンチ電極の最深部の深さにおける前記トレンチの幅が前記第2の表面における前記トレンチの前記開口の幅よりも小さくなるように、前記トレンチの幅は、前記キャリアストア層から前記ドリフト層の前記第2の表面側を通って前記ドリフト層内に延びる前記トレンチの少なくとも一部に沿って前記トレンチ電極の最も深い部分に向かう方向へ、より広い幅からより狭い幅にテーパ状とされており、
    前記内面絶縁膜の厚みは、前記第1および第2の厚みを保ちながら前記テーパ状の形状に沿って形成されている、半導体装置。
  2. 前記内面絶縁膜のうち、前記トレンチ電極の最深部の深さよりも深い部分は第3の厚みを有しており、前記第3の厚みは、前記第2の厚みより厚い、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記トレンチ電極は、前記内面絶縁膜のうち前記第1の厚みを有する部分に接する上部電極と、前記内面絶縁膜のうち前記第2の厚みを有する部分に接する埋込電極とを有しており、
    前記トレンチ内において前記上部電極と前記埋込電極とを隔てる分離絶縁膜をさらに備える、請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記埋込電極の少なくとも一部は、前記キャリアストア層の深さ方向の中心位置よりも上方に形成されている、請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記埋込電極は、前記第2の表面側の上面と、前記ドリフト層及び前記キャリアストア層に面する側面と、前記上面と前記側面との間に配置され前記上面及び前記側面の各々から傾いた角面と、を有している、請求項3または4に記載の半導体装置。
  6. 前記上部電極は、前記埋込電極に前記分離絶縁膜を介して前記半導体基板の面内方向において対向する部分を有している、請求項3または4に記載の半導体装置。
  7. 前記埋込電極は電気的にフローティングされている、請求項から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記埋込電極は前記上部電極に電気的に接続されている、請求項から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記埋込電極は前記不純物層に電気的に接続されている、請求項から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体基板は、面内方向におけるレイアウトとして、セル領域と、前記上部電極にゲート電位を印加するためのゲート配線領域と、前記セル領域と前記ゲート配線領域との間に配置された、前記埋込電極に電位を印加するための電極配線領域とに区分され、
    前記セル領域において、前記トレンチは、各々が線状に延び、かつ互いに隣り合う、複数のセルトレンチ部を有しており、
    前記半導体基板の前記電極配線領域には、
    各々が線状に延び、かつ互いに隣り合い、かつそれぞれが前記複数のセルトレンチ部から延長され、かつ前記ゲート配線領域に達する、複数の延長トレンチ部と、
    各々が前記複数の延長トレンチ部と交差する方向に延在し、かつ互いに隣り合う、複数の交差トレンチ部と、
    が設けられており、
    前記複数の交差トレンチ部は第一の交差トレンチ部と第二の交差トレンチ部とを含み、前記複数の延長トレンチ部のうち少なくとも1つにおいて、前記第一の交差トレンチ部と前記第二の交差トレンチ部との間で、前記埋込電極は、前記第1の表面から前記第2の表面へ向かう厚み方向に凸であり前記上部電極を貫通する突起部を有している、
    請求項8または9に記載の半導体装置。
  11. 前記複数の延長トレンチ部のすべてが、前記突起部を有している、請求項10に記載の半導体装置。
  12. 前記複数の延長トレンチ部の一部のみが、前記突起部を有している、請求項10に記載の半導体装置。
  13. 前記複数の延長トレンチ部は、前記複数の交差トレンチ部から離れた部分に比して、前記複数の交差トレンチ部に接する部分において、より狭い幅を有している、請求項10から12のいずれか1項に記載の半導体装置。
  14. 前記複数の交差トレンチ部は、前記複数の延長トレンチ部から離れた部分に比して、前記複数の延長トレンチ部に接する部分において、より狭い幅を有している、請求項10から13のいずれか1項に記載の半導体装置。
  15. 前記複数の延長トレンチ部と、前記複数の交差トレンチ部とは、互いにT字状に接続されている、請求項10から12のいずれか1項に記載の半導体装置。
  16. 前記不純物層に電気的に接続された主電極をさらに備え、
    前記半導体基板は、面内方向におけるレイアウトとして、セル領域と、前記上部電極にゲート電位を印加するためのゲート配線領域と、前記セル領域と前記ゲート配線領域との間に配置された、前記上部電極を前記主電極に電気的に接続するための電極配線領域とに区分され、
    前記セル領域において、前記トレンチは、各々が線状に延び、かつ互いに隣り合う、複数のセルトレンチ部を有しており、
    前記半導体基板の前記電極配線領域には、各々が線状に延び、かつ互いに隣り合い、かつそれぞれが前記複数のセルトレンチ部から延長され、かつ前記ゲート配線領域に電気的に接続された、複数の延長トレンチ部が設けられており、
    前記複数の延長トレンチ部は、前記上部電極が前記ゲート配線領域へ電気的に接続された少なくとも1つの第1のトレンチ部と、前記上部電極が前記主電極と電気的に接続された少なくとも1つの第2のトレンチ部とを含む、
    請求項から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
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