JP5667926B2 - Semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子に関し、詳しくは、トレンチゲート構造を有する半導体素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a trench gate structure.
例えば、高耐圧、大電流を制御するパワー半導体素子に用いられる基板材料としては、従来、シリコンウェーハが多く用いられている。シリコンウェーハを基板として用いたパワー半導体素子の一例として、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)が挙げられる。こうしたMOSFETは、高耐圧でかつ損失が大きいものの、数MHzまでの高速スイッチング素子として使用できる。 For example, as a substrate material used for a power semiconductor element that controls a high breakdown voltage and a large current, a silicon wafer has been conventionally used in many cases. An example of a power semiconductor element using a silicon wafer as a substrate is a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Such a MOSFET can be used as a high-speed switching element up to several MHz although it has a high breakdown voltage and a large loss.
しかしながら、近年、大電流と高速スイッチング性を兼ね備えたMOSFETが求められている。このような大電流と高速スイッチング性を兼ね備えたMOSFETを実現するために、炭化珪素(SiC)をMOSFETの基板材料として用いることが行われている。SiCは化学的に非常に安定な材料であり、バンドギャップ幅が広く、高温環境下でも半導体として極めて安定であるという優れた特徴を有している。また、SiCは半導体基板内にアバランシェ破壊を生じさせる最大電界強度もSiより10倍以上大きいという優れた特徴も兼ね備えている。 However, in recent years, MOSFETs having both a large current and a high-speed switching property have been demanded. In order to realize a MOSFET having such a large current and high-speed switching property, silicon carbide (SiC) is used as a substrate material for the MOSFET. SiC is a chemically very stable material, has a wide band gap, and has excellent characteristics that it is extremely stable as a semiconductor even in a high temperature environment. SiC also has an excellent feature that the maximum electric field strength that causes avalanche breakdown in the semiconductor substrate is 10 times or more larger than Si.
SiCを用いた半導体素子の一例として、トレンチ構造のMOSFETが挙げられる(例えば、特許文献1を参照)。こうしたトレンチ構造のMOSFETでは、ゲートトレンチに過剰な電界が印加され破壊することがないように、プロテクショントレンチによってゲートトレンチを充分に保護できる形状にする必要がある。 As an example of a semiconductor element using SiC, there is a MOSFET having a trench structure (see, for example, Patent Document 1). In such a MOSFET having a trench structure, it is necessary to make the gate trench sufficiently protected by the protection trench so that an excessive electric field is not applied to the gate trench and destroyed.
図6に従来のSiC基板を用いたトレンチ構造のMOSFETにおけるプロテクショントレンチおよびゲートトレンチの形成パターンの一例を示す。図6に示すトレンチの形成パターンでは、SiCからなる半導体基板100の一方の主面側100aにおいて、複数のゲートトレンチ101が互いに平行に配列形成されている。そして、これらゲートトレンチ101を1つおきにそれぞれ囲うように矩形のリング状を成すプロテクショントレンチ102が形成されている。
FIG. 6 shows an example of a formation pattern of a protection trench and a gate trench in a MOSFET having a trench structure using a conventional SiC substrate. In the trench formation pattern shown in FIG. 6, a plurality of
しかしながら、上述したような従来のトレンチ構造のMOSFETでは、プロテクショントレンチとゲートトレンチとの間隔が一定ではなかった。即ち、図6に示した例では、プロテクショントレンチ102とゲートトレンチ101との間隔がn1とn2とで異なっていた。このため、ゲートトレンチとプロテクショントレンチとの間隔が大きく広がっている部分に過剰な電界が印加され、ゲートトレンチ101が局所的に破壊される懸念があった。
However, in the MOSFET having the conventional trench structure as described above, the distance between the protection trench and the gate trench is not constant. That is, in the example shown in FIG. 6, the distance between the
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、トレンチ構造を有する半導体素子において、ゲートトレンチの特定部分への電界集中を防止し、耐圧を改善することが可能な半導体素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a semiconductor element having a trench structure capable of preventing electric field concentration on a specific portion of a gate trench and improving breakdown voltage. Objective.
上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のような半導体素子を提供した。
すなわち、本発明の半導体素子は、炭化珪素からなる第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の一方の主面に形成され前記半導体基板よりも不純物濃度が低い第1導電型のドリフト層と、該ドリフト層よりも不純物濃度が高い第2導電型のベース層と、該ベース層の表層に選択的に配置される第1導電型のソース領域と、内部にゲートが埋め込まれるゲートトレンチであり、該ソース領域の主面から前記ドリフト層に達する深さの第1トレンチと、内部にアノード電極が形成されるショットキーバリアトレンチであり、前記ドリフト層に達する深さであって前記第1トレンチよりも深い第2トレンチと、を少なくとも備え、前記半導体基板の一方の主面側において、前記第1トレンチおよび前記第2トレンチは、互いに所定の間隔をあけて交互に取り囲む環状パターンとなるように形成したことを特徴とする。
In order to solve the above problems, some embodiments of the present invention provide the following semiconductor device.
That is, a semiconductor element of the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide, a first conductivity type drift layer formed on one main surface of the semiconductor substrate and having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate, A second conductivity type base layer having an impurity concentration higher than that of the drift layer; a first conductivity type source region selectively disposed on a surface layer of the base layer; and a gate trench in which a gate is embedded. A first trench having a depth reaching the drift layer from a main surface of the source region , and a Schottky barrier trench having an anode electrode formed therein, the depth reaching the drift layer and the first trench comprising at least, a deep second trenches than said at one main surface side of the semiconductor substrate, the first trench and the second trench, at a predetermined distance from each other Characterized by being formed so that the annular pattern surrounding each other.
前記第1トレンチおよび前記第2トレンチは、前記半導体基板の一方の主面において、前記半導体基板を構成する炭化珪素の結晶構造に近似させた環状パターンとなるように形成したことを特徴とする。 The first trench and the second trench are formed on one main surface of the semiconductor substrate so as to have an annular pattern approximating a crystal structure of silicon carbide constituting the semiconductor substrate.
前記第1トレンチおよび前記第2トレンチは、前記半導体基板の一方の主面に沿った幅が全て同一になるように形成したことを特徴とする。 The first trench and the second trench are formed so that all the widths along one main surface of the semiconductor substrate are the same.
前記半導体基板を構成する炭化珪素は六方晶を成す結晶構造であり、前記第1トレンチおよび前記第2トレンチは、前記一方の主面側を平面視した時に六角形となるように形成したことを特徴とする。 The silicon carbide constituting the semiconductor substrate has a crystal structure that forms a hexagonal crystal, and the first trench and the second trench are formed to have a hexagonal shape when the one main surface side is viewed in plan view. Features.
前記半導体基板の外形形状は、前記六角形を成す6辺のうちの4辺にそれぞれ平行な4辺からなる菱形であることを特徴とする。 The outer shape of the semiconductor substrate is a rhombus composed of four sides parallel to four of the six sides forming the hexagon.
前記半導体基板を構成する炭化珪素は立方晶を成す結晶構造であり、前記第1トレンチおよび前記第2トレンチは、前記一方の主面側を平面視した時に四角形となるように形成したことを特徴とする。 The silicon carbide constituting the semiconductor substrate has a cubic crystal structure, and the first trench and the second trench are formed to have a quadrangle when the one main surface side is viewed in plan view. And
前記半導体基板の一方の主面側において、最も中心に配される前記第1トレンチ、または前記第2トレンチは、前記環状パターンで囲まれた中心領域全体にも前記第1トレンチ、または前記第2トレンチが形成されたことを特徴とする。 On the one main surface side of the semiconductor substrate, the first trench or the second trench arranged at the center is also the first trench or the second trench in the entire central region surrounded by the annular pattern. A trench is formed.
本発明の半導体素子によれば、第1トレンチのいずれの部分においても、隣接する第2トレンチに対して所定の間隔が維持され、これよりも幅が狭まったり、あるいは広がったりする部分が存在しない。
これによって、第1トレンチと第2トレンチとの間は、どの部分においても電界が均一に分布し、特定の部分に電界が集中することがなく、特定の部分に過剰な電界が印加されて第1トレンチが局所的に破壊されるといったことを確実に防止することが可能になる。
According to the semiconductor element of the present invention, in any portion of the first trench, a predetermined interval is maintained with respect to the adjacent second trench, and there is no portion where the width is narrower or wider than this. .
As a result, the electric field is uniformly distributed in any part between the first trench and the second trench, the electric field is not concentrated on the specific part, and an excessive electric field is applied to the specific part. It is possible to reliably prevent one trench from being locally destroyed.
また、第1トレンチ、および第2トレンチを全て同一の幅wとなるように形成することによって、トレンチ深さを均一にすることができ、耐圧容量を高めることが可能になる。 Further, by forming the first trench and the second trench so as to all have the same width w, the trench depth can be made uniform, and the withstand voltage capacity can be increased.
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体素子について説明する。なお、以下の実施形態では、半導体素子の一例として、縦型トレンチゲートMOSパワー半導体デバイスを挙げて説明する。また、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, a vertical trench gate MOS power semiconductor device will be described as an example of a semiconductor element. Further, the present embodiment is specifically described in order to make the gist of the invention better understood, and does not limit the present invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.
(第一実施形態)
図1は、本発明の半導体素子の一実施形態である縦型トレンチゲートMOSパワー半導体デバイス(トレンチMOSFET)を示す断面図である。縦型トレンチゲートMOSパワー半導体デバイス(以下、単に半導体素子と称する)10は、中心に位置して主電流の流れる活性領域とこの活性領域を取り巻くように配置される周辺耐圧構造領域を備えるトレンチMOSFETである。半導体素子10は、半導体基板11を備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a vertical trench gate MOS power semiconductor device (trench MOSFET) which is an embodiment of the semiconductor device of the present invention. A vertical trench gate MOS power semiconductor device (hereinafter simply referred to as a semiconductor device) 10 includes a trench MOSFET having an active region in which a main current flows and a peripheral breakdown voltage structure region disposed so as to surround the active region. It is. The
半導体基板11は、例えば、不純物として窒素が2×1018cm−3程度ドープされたn型半導体であるSiC(炭化ケイ素)から構成されていればよい。SiC(炭化ケイ素)は、周知の通り、C原子およびSi原子の配列によって、2H,3C,4H,6H,8H,10H,15R等の結晶構造の異なる種類が存在するが、本実施形態では、結晶構造として六方晶を成す4H−SiCで構成された半導体基板11を用いる。
The
半導体基板11の一方の主面11a上には、ドリフト層12が形成されている。ドリフト層12は、例えば、n型不純物を1.0×1016cm−3程度ドープさせたn−型SiCを厚さ10μm程度積層したものであればよい。こうしたドリフト層12は、半導体基板11の一方の主面11a上にエピタキシャル成長によって形成すればよい。
A
ドリフト層12の上には、更にベース層13が形成されている。ベース層13は、例えば、Alを2.1×1017cm−3程度ドープさせたp型SiCを、厚さ2.5μm程度積層したものであればよい。こうしたベース層13は、ドリフト層12に重ねてエピタキシャル成長によって形成すればよい。
A
ベース層13の上には、p+型のコンタクト領域14、およびn+型のソース領域15がそれぞれ形成されている。コンタクト領域14は、ドープする不純物としてAlを、またソース領域15はドープする不純物としてPをそれぞれ用いればよい。また、コンタクト領域14、およびソース領域15は、それぞれイオン注入法および1700℃程度の活性化熱処理によって形成することができる。
A p + -
さらに、こうしたp+型のコンタクト領域14やn+型のソース領域15、およびベース層13を貫通し、ドリフト層12に達する深さのゲートトレンチ(第1トレンチ)21、ショットキーバリアトレンチ(プロテクショントレンチ:第2トレンチ)22が形成されている。
Further, a gate trench (first trench) 21 and a Schottky barrier trench (protection) that penetrate through the p + -
ゲートトレンチ(第1トレンチ)21は、例えば、幅1.0μm程度、ドリフト層12に達する深さが3μm程度に形成された溝である。こうしたゲートトレンチ21の内部には、例えば、厚さ100nm程度のゲート酸化膜23と、このゲート酸化膜23の内部に形成されたポリシリコンなどからなるゲート電極24とが埋め込まれる。さらにゲート電極21aをソース領域15から絶縁するためにゲート電極24の上面を覆う層間絶縁層25が形成されている。
The gate trench (first trench) 21 is, for example, a groove having a width of about 1.0 μm and a depth reaching the
ショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22は、例えば、幅1.0μm程度、深さがゲートトレンチ21よりも深い5μm程度に形成された溝である。こうしたショットキーバリアトレンチ22の内部には、半導体基板11の一方の主面11a側を覆うアノード電極26の延長部分が形成されている。これらショットキーバリアトレンチ22の内部に形成されたアノード電極26の延長部分は、アノード電極26と共通の電極膜として形成される。
The Schottky barrier trench (second trench) 22 is, for example, a groove formed with a width of about 1.0 μm and a depth of about 5 μm deeper than the
ショットキーバリアトレンチ22の内部に形成されたソース領域15は、ショットキートレンチ22の底部のベース層13にショットキー接合されることにより、内蔵ショットキーバリアダイオードのアノード電極としても機能する。
The
また、ショットキーバリアトレンチ22の底部には、アバランシェ破壊耐量の向上のためのp+型領域27が形成されている。こうしたp+型領域27は、ショットキーバリアトレンチ22の底部にAlイオン注入し、1700℃程度で熱処理を行うことによって形成される。
A p + -
一方、半導体基板11の他方の主面11b側には、ドレイン電極28が形成されている。ドレイン電極28は、例えば、Ti,Ni,Auなどから形成されていれば良い。
On the other hand, a
図2は、半導体基板の一方の主面側における第1トレンチおよび第二トレンチの形成パターンを示した平面図である。
本実施形態のように結晶構造として六方晶を成す4H−SiCで構成された半導体基板11を用いた際に、半導体基板11の一方の主面11aは、[0001]軸方向または[000−1]軸方向から<01−10>軸方向へ30度以上39度以下傾いた軸に垂直な結晶面であればよい。また、この4H−SiCで構成された半導体基板11の一方の主面11aの法線方向に伸びる結晶軸は[0001]軸または[000−1]軸であり、各々の結晶軸に対応した主面は(0001)面または(000−1)面であればよい。
FIG. 2 is a plan view showing a formation pattern of the first trench and the second trench on one main surface side of the semiconductor substrate.
When the
図2に示すように、半導体基板11の一方の主面11a側を平面視した時に、ゲートトレンチ(第1トレンチ)21とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22とは、それぞれ所定の溝幅で互いに所定の間隔をあけて交互に取り囲む環状パターンを描くように形成されている。そして、本実施形態のように半導体基板11が六方晶を成す4H−SiCから構成される場合、ゲートトレンチ(第1トレンチ)21およびショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22は、環状パターンが正六角形となるように形成される。
As shown in FIG. 2, when the one
即ち、図2に示す実施形態では、主面11a側の最も中心に正六角形のショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22が配され、その外側に所定の間隔dあけて最中心のショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22よりも一回り大きい正六角形を成すゲートトレンチ(第1トレンチ)21が形成される。更に半導体基板11の外側(外縁部)に向かってショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22、ゲートトレンチ(第1トレンチ)21と交互に取り囲むように形成される。そして、最外周がショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22となるようにゲートトレンチ(第1トレンチ)21とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22とが互いに入れ子構造に形成される。例えば、図2に示す実施形態では、3つの正六角形のゲートトレンチ(第1トレンチ)21と、4つのショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22とが形成される。
That is, in the embodiment shown in FIG. 2, a regular hexagonal Schottky barrier trench (second trench) 22 is arranged at the center most on the
このようなパターンでゲートトレンチ(第1トレンチ)21とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22とが、半導体基板11の一方の主面11a側に形成されると、全ての正六角形のゲートトレンチ(第1トレンチ)21が所定の間隔dをあけてショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22に両側から囲まれる形態となる。
When the gate trench (first trench) 21 and the Schottky barrier trench (second trench) 22 are formed on the one
また、それぞれのゲートトレンチ(第1トレンチ)21とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22とは、全て同一の幅wとなるように形成されている。 Each gate trench (first trench) 21 and Schottky barrier trench (second trench) 22 are all formed to have the same width w.
また、半導体基板11は、外形形状が、正六角形を成すゲートトレンチ(第1トレンチ)21やショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22の6辺のうちの4辺に対してそれぞれ平行な4辺で囲まれた菱形(平行四辺形)となるように形成される。こうした形状の半導体基板11は、例えば、略円形(円盤状)のSiCウェーハをX軸方向のダイシングラインに対してY方向のダイシングラインを90度よりも傾けて、例えば60度に傾くように設定して切断することによって得られる。
Further, the
以上のような本実施形態の半導体素子10によれば、正六角形を成すゲートトレンチ(第1トレンチ)21のいずれの部分においても、隣接するショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22に対して所定の間隔dが維持され、これよりも幅が狭まったり、あるいは広がったりする部分が存在しない。
According to the
ゲートトレンチ(第1トレンチ)21と、隣接するショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22との間隔dは、例えば、0.5μm〜8.0μm程度に形成されれば良い。また、図2においては、こうした間隔dは、ゲートトレンチ21の周縁(エッジ)と、隣接するショットキーバリアトレンチ22の周縁(エッジ)との間の距離を示しているが、ゲートトレンチ21の幅の中心から、隣接するショットキーバリアトレンチ22の幅の中心までの、いわゆる形成ピッチを示すものであってもよい。
The distance d between the gate trench (first trench) 21 and the adjacent Schottky barrier trench (second trench) 22 may be, for example, about 0.5 μm to 8.0 μm. In FIG. 2, such a distance d indicates the distance between the peripheral edge (edge) of the
こうしたゲートトレンチ(第1トレンチ)21とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22との間は、どの部分においても電界が均一に分布し、特定の部分に電界が集中することがない。これによって、特定の部分に過剰な電界が印加されてゲートトレンチ(第1トレンチ)21が局所的に破壊されることを確実に防止することが可能になる。 Between the gate trench (first trench) 21 and the Schottky barrier trench (second trench) 22, the electric field is uniformly distributed in any part, and the electric field is not concentrated in a specific part. As a result, it is possible to reliably prevent the gate trench (first trench) 21 from being locally destroyed by applying an excessive electric field to a specific portion.
即ち、図6に示した従来のトレンチゲートMOSパワー半導体デバイスでは、プロテクショントレンチ102とゲートトレンチ101との間隔が均一でなく、例えば間隔n1とn2とで異なっているため、この間隔が大きく広がっている部分に過剰な電界が印加され、ゲートトレンチ101が局所的に破壊される懸念があった。
That is, in the conventional trench gate MOS power semiconductor device shown in FIG. 6, since the distance between the
しかし、本実施形態のように、ゲートトレンチ(第1トレンチ)21とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22との間隔dを正六角形の形成パターンのどの部分においても等しくなるように形成することによって、こうした部分的な電界集中を防止して、ゲートトレンチ21の局所的な破壊を確実に防ぐことができる。
However, as in the present embodiment, the distance d between the gate trench (first trench) 21 and the Schottky barrier trench (second trench) 22 is formed to be equal in any part of the regular hexagonal formation pattern. Therefore, such partial electric field concentration can be prevented and local breakdown of the
また、それぞれのゲートトレンチ(第1トレンチ)21とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22とは、全て同一の幅wとなるように形成することによって、トレンチ深さを均一にすることができ、耐圧容量を高めることが可能になる。 Further, by forming each gate trench (first trench) 21 and Schottky barrier trench (second trench) 22 to have the same width w, the trench depth can be made uniform. It becomes possible to increase the withstand voltage capacity.
また、本実施形態のように、ゲートトレンチ(第1トレンチ)21およびショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22を、半導体基板11の一方の主面11aにおいて、半導体基板11を構成する炭化珪素の結晶構造に近似させた環状パターン、例えば、結晶構造として六方晶を成す4H−SiCで構成された半導体基板11を用いた場合には、ゲートトレンチ(第1トレンチ)21およびショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22を一方の主面11a側を平面視した時に六角形となるように形成することによって、チャンネル移動度が高いトレンチゲートMOSパワー半導体デバイス(半導体素子)を得ることが可能になる。
Further, as in the present embodiment, the gate trench (first trench) 21 and the Schottky barrier trench (second trench) 22 are formed on one
また、半導体基板11の外形形状を、正六角形を成すゲートトレンチ(第1トレンチ)21やショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22の6辺のうちの4辺に対してそれぞれ平行な4辺で囲まれた菱形(平行四辺形)となるように形成することによって、1枚のSiCウェーハから多数の半導体基板11をダイシングする際に、ゲートトレンチ(第1トレンチ)21やショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22のスペースレイアウト上、最も無駄の無い形にすることができる。これによって、1枚のSiCウェーハから最大量の半導体基板(チップ)11を得ることができ、製造コストの低減を実現することが可能になる。
In addition, the outer shape of the
図3は、第一実施形態の変形例である。上述した第一実施形態では、半導体基板11の最も中心に配置されるショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22は、中心が抜けた正六角形に形成されている。
一方、図3に示す実施形態では、半導体基板11の最も中心に配置されるショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)32は、正六角形の環状パターンで囲まれた中心領域全体にもトレンチが形成された、所謂、塗りつぶし形態の正六角形となるように形成されている。こうした形態のショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)32であっても、その外側に形成されるゲートトレンチ(第1トレンチ)31との間の間隔dは、いずれの部分でも均一に形成され、特定部分での電界の集中を防止できる。
FIG. 3 is a modification of the first embodiment. In the first embodiment described above, the Schottky barrier trench (second trench) 22 arranged at the center of the
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 3, the Schottky barrier trench (second trench) 32 arranged at the center of the
図4は、第一実施形態の別な変形例である。
上述した第一実施形態では、正六角形に形成されたゲートトレンチ(第1トレンチ)21やショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)22の角部は、鋭角に形成されていた。
一方、図4に示す実施形態では、ゲートトレンチ(第1トレンチ)41やショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)42の角部に丸みを付けた形状に形成している。これによって、特に正六角形の角部に電界が偏る懸念を、更に確実に防止することが可能になる。
FIG. 4 is another modification of the first embodiment.
In the first embodiment described above, the corners of the gate trench (first trench) 21 and the Schottky barrier trench (second trench) 22 formed in a regular hexagon are formed at acute angles.
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 4, the corners of the gate trench (first trench) 41 and the Schottky barrier trench (second trench) 42 are rounded. This makes it possible to more surely prevent the concern that the electric field is biased particularly at the corners of the regular hexagon.
(第二実施形態)
以下、本発明の半導体素子の第二実施形態について説明する。なお、半導体素子の断面構造は第一実施形態の図1と同様であり、第一実施形態と同様の構成についてはその説明を略す。
図5は、第二実施形態における半導体基板の一方の主面側を平面視した時の第1トレンチおよび第2トレンチの形成パターンを示した平面図である。
本実施形態の半導体素子50を構成する半導体基板51は、結晶構造として立方晶を成す3C−SiCで構成されている。
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the semiconductor element of the present invention will be described. The cross-sectional structure of the semiconductor element is the same as that of FIG. 1 of the first embodiment, and the description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
FIG. 5 is a plan view showing a formation pattern of the first trench and the second trench when one main surface side of the semiconductor substrate in the second embodiment is viewed in plan.
The
図5に示すように、半導体基板51の一方の主面51a側を平面視した時に、ゲートトレンチ(第1トレンチ)61とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62とは、それぞれ所定の溝幅で互いに所定の間隔をあけて交互に取り囲む環状パターンを描くように形成されている。そして、本実施形態のように半導体基板51が立方晶を成す3C−SiCから構成される場合、ゲートトレンチ(第1トレンチ)61およびショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62は、環状パターンが四角形となるように形成される。
As shown in FIG. 5, when one
ゲートトレンチ(第1トレンチ)61およびショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62は、一方の主面51aにおいて、平行な2辺が<100>軸方向に延び、他の平行な2辺が<010>軸方向に延び、かつそれぞれのトレンチの深さ方向(図5中の紙面奥行方向)の側壁面が(001)面に沿って広がるように形成されている。
The gate trench (first trench) 61 and the Schottky barrier trench (second trench) 62 have, on one
このようなパターンでゲートトレンチ(第1トレンチ)61とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62とが、半導体基板51の一方の主面51a側に形成されると、全ての四角形のゲートトレンチ(第1トレンチ)61が所定の間隔dをあけてショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62に両側から囲まれる形態となる。
When the gate trench (first trench) 61 and the Schottky barrier trench (second trench) 62 are formed on the one
以上のような本実施形態の半導体素子50によれば、四角形を成すゲートトレンチ(第1トレンチ)61のいずれの部分においても、隣接するショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62に対して所定の間隔dが維持され、これよりも幅が狭まったり、あるいは広がったりする部分が存在しない。
According to the
また、それぞれのゲートトレンチ(第1トレンチ)61とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62とは、全て同一の幅wとなるように形成される。 Each gate trench (first trench) 61 and Schottky barrier trench (second trench) 62 are all formed to have the same width w.
こうした四角形のパターンで形成されたゲートトレンチ(第1トレンチ)61と、隣接するショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62との間隔dは、例えば、0.5μm〜8.0μm程度に形成されれば良い。また、図5においては、こうした間隔dは、ゲートトレンチ61の周縁(エッジ)と、隣接するショットキーバリアトレンチ62の周縁(エッジ)との間の距離を示しているが、ゲートトレンチ61の幅の中心から、隣接するショットキーバリアトレンチ62の幅の中心までの、いわゆる形成ピッチを示すものであってもよい。
The distance d between the gate trench (first trench) 61 formed in such a square pattern and the adjacent Schottky barrier trench (second trench) 62 is, for example, about 0.5 μm to 8.0 μm. It ’s fine. In FIG. 5, such a distance d indicates the distance between the periphery (edge) of the
ゲートトレンチ(第1トレンチ)61とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62との間は、どの部分においても電界が均一に分布し、特定の部分に電界が集中することがない。これによって、ゲートトレンチ(第1トレンチ)61とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62との間隔dを、四角形の形成パターンのどの部分においても等しくなるように形成することによって、こうした部分的な電界集中を防止して、ゲートトレンチ61の局所的な破壊を確実に防ぐことができる。
Between the gate trench (first trench) 61 and the Schottky barrier trench (second trench) 62, the electric field is uniformly distributed in any part, and the electric field is not concentrated in a specific part. Accordingly, by forming the distance d between the gate trench (first trench) 61 and the Schottky barrier trench (second trench) 62 so as to be equal in any part of the square formation pattern, such a partial region is formed. Electric field concentration can be prevented, and local destruction of the
また、それぞれのゲートトレンチ(第1トレンチ)61とショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62とは、全て同一の幅wとなるように形成することによって、トレンチ深さを均一にすることができ、耐圧容量を高めることが可能になる。 Further, the gate trench (first trench) 61 and the Schottky barrier trench (second trench) 62 are all formed to have the same width w, so that the trench depth can be made uniform. It becomes possible to increase the withstand voltage capacity.
更に、ゲートトレンチ(第1トレンチ)61およびショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)62の深さ方向の側壁面がチャネル移動度の高い(001)面に沿って広がるように形成されているので、チャネル移動度のバラツキを抑えることができる。 Furthermore, since the side wall surfaces in the depth direction of the gate trench (first trench) 61 and the Schottky barrier trench (second trench) 62 are formed so as to extend along the (001) surface with high channel mobility, Variations in channel mobility can be suppressed.
なお、本発明の実施形態では、半導体基板を構成するSiC(炭化ケイ素)として4H−SiC(六方晶)、3C−SiC(立方晶)を例示したが、これ以外にも、2H−SiC(六方晶)、4H−SiC(六方晶)、6H−SiC(六方晶)、8H−SiC(六方晶)、10H−SiC(六方晶)、15R−SiC(菱面体晶)など、数十種類知られているSiCの結晶多形のいずれにも適用することができる。 In the embodiment of the present invention, 4H—SiC (hexagonal crystal) and 3C—SiC (cubic crystal) are exemplified as SiC (silicon carbide) constituting the semiconductor substrate, but other than this, 2H—SiC (hexagonal) Dozens of types such as 4H-SiC (hexagonal), 6H-SiC (hexagonal), 8H-SiC (hexagonal), 10H-SiC (hexagonal), and 15R-SiC (rombohedral) The present invention can be applied to any SiC crystal polymorph.
10…半導体素子(縦型トレンチゲートMOSパワー半導体デバイス)、11…半導体基板、11a…一方の主面、21…ゲートトレンチ(第1トレンチ)、22…ショットキーバリアトレンチ(第2トレンチ)。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該半導体基板の一方の主面に形成され前記半導体基板よりも不純物濃度が低い第1導電型のドリフト層と、
該ドリフト層よりも不純物濃度が高い第2導電型のベース層と、
該ベース層の表層に選択的に配置される第1導電型のソース領域と、
内部にゲート電極が埋め込まれるゲートトレンチであり、該ソース領域の主面から前記ドリフト層に達する深さの第1トレンチと、
内部にアノード電極が形成されるショットキーバリアトレンチであり、前記ドリフト層に達する深さであって前記第1トレンチよりも深い第2トレンチと、
を少なくとも備え
前記半導体基板の一方の主面側において、前記第1トレンチおよび前記第2トレンチは、互いに所定の間隔をあけて交互に取り囲む環状パターンとなるように形成したことを特徴とする半導体素子。 A first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide;
A drift layer of a first conductivity type formed on one main surface of the semiconductor substrate and having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate;
A second conductivity type base layer having a higher impurity concentration than the drift layer;
A source region of a first conductivity type selectively disposed on a surface layer of the base layer;
A gate trench having a gate electrode embedded therein, and a first trench having a depth reaching the drift layer from a main surface of the source region;
A Schottky barrier trench having an anode electrode formed therein, a second trench having a depth reaching the drift layer and deeper than the first trench;
At least one main surface side of the semiconductor substrate, wherein the first trench and the second trench are formed in an annular pattern alternately surrounding each other at a predetermined interval. .
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