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JP7147510B2 - switching element - Google Patents

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JP7147510B2 JP2018220147A JP2018220147A JP7147510B2 JP 7147510 B2 JP7147510 B2 JP 7147510B2 JP 2018220147 A JP2018220147 A JP 2018220147A JP 2018220147 A JP2018220147 A JP 2018220147A JP 7147510 B2 JP7147510 B2 JP 7147510B2
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Description

本明細書に開示の技術は、スイッチング素子に関する。 The technology disclosed in this specification relates to switching elements.

特許文献1に開示のスイッチング素子は、トレンチ内に配置されたゲート絶縁膜とゲート電極を有している。半導体基板は、ソース領域、ボディ領域、ドリフト領域、及び、底部領域を有している。ソース領域は、n型であり、ゲート絶縁膜に接している。ボディ領域は、p型であり、ソース領域の下側でゲート絶縁膜に接している。ドリフト領域は、n型であり、ボディ領域の下側でゲート絶縁膜に接している。底部領域は、p型であり、トレンチの底面の下側に配置されている。また、このスイッチング素子は、トレンチの側面の一部に接するように配置されたp型の接続領域を有している。接続領域は、トレンチの側面に沿って伸びており、ボディ領域と底部領域を接続している。接続領域は、底部領域の電位を安定させるために設けられている。 A switching element disclosed in Patent Document 1 has a gate insulating film and a gate electrode arranged in a trench. A semiconductor substrate has a source region, a body region, a drift region, and a bottom region. The source region is n-type and is in contact with the gate insulating film. The body region is p-type and is in contact with the gate insulating film below the source region. The drift region is n-type and is in contact with the gate insulating film below the body region. The bottom region is p-type and is located below the bottom surface of the trench. In addition, the switching element has a p-type connection region arranged so as to be in contact with part of the side surface of the trench. A connection region extends along the sides of the trench and connects the body region and the bottom region. The connection region is provided to stabilize the potential of the bottom region.

スイッチング素子がオフすると、底部領域からその周囲のドリフト領域に空乏層が伸びることで、トレンチの底面近傍における電界集中が抑制される。したがって、底部領域と接続領域を有するスイッチング素子は、高い耐圧を有する。 When the switching element is turned off, the depletion layer extends from the bottom region to the surrounding drift region, thereby suppressing electric field concentration near the bottom of the trench. A switching element with a bottom region and a connection region therefore has a high breakdown voltage.

スイッチング素子がオンすると、ボディ領域にチャネルが形成される。ボディ領域の下側にドリフト領域が配置されている領域では、チャネルがドリフト領域に繋がる。このため、チャネルによってドリフト領域とソース領域が接続され、ドリフト領域とソース領域の間に電流が流れる。以下では、ボディ領域の下側にドリフト領域が設けられている領域(すなわち、スイッチング素子がオンしたときに電流が流れる領域)を、アクティブ領域という。 When the switching element is turned on, a channel is formed in the body region. In a region where the drift region is arranged below the body region, the channel connects to the drift region. Thus, the channel connects the drift region and the source region, allowing current to flow between the drift region and the source region. Hereinafter, the region where the drift region is provided below the body region (that is, the region through which the current flows when the switching element is turned on) is called the active region.

他方、接続領域が配置されている領域では、チャネルが形成されても、チャネルがドリフト領域に繋がらず、電流がほとんど流れない。以下では、接続領域が設けられている領域(すなわち、スイッチング素子がオンしたときに電流がほとんど流れない領域)を、非アクティブ領域という。 On the other hand, even if a channel is formed in the region where the connection region is arranged, the channel is not connected to the drift region and little current flows. Hereinafter, a region in which the connection region is provided (that is, a region in which almost no current flows when the switching element is turned on) will be referred to as a non-active region.

特開2007-242852号公報JP 2007-242852 A

接続領域は、p型半導体によって構成されているため、比較的高い電気抵抗を有する。特許文献1のスイッチング素子では、ボディ領域と底部領域の間を低抵抗で接続するために、比較的広い範囲に接続領域を設ける必要がある。すなわち、比較的広い範囲に非アクティブ領域を設ける必要がある。上述したように、非アクティブ領域には、スイッチング素子がオンしたときに電流が流れない。非アクティブ領域を広い範囲に設けると、スイッチング素子に高密度に電流を流すことが困難となり、スイッチング素子が大型化する。したがって、本明細書では、底部領域をボディ領域に低抵抗で接続可能な技術を提案する。 Since the connection region is made of a p-type semiconductor, it has a relatively high electrical resistance. In the switching element of Patent Document 1, it is necessary to provide a connection region over a relatively wide range in order to connect the body region and the bottom region with low resistance. That is, it is necessary to provide a non-active region over a relatively wide range. As described above, no current flows in the inactive region when the switching element is turned on. If the non-active region is provided over a wide range, it becomes difficult to pass current through the switching element at a high density, and the size of the switching element increases. Therefore, the present specification proposes a technique that allows the bottom region to be connected to the body region with low resistance.

本明細書が開示するスイッチング素子は、上面にトレンチが設けられている半導体基板と、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ているゲート電極と、低抵抗膜を有している。前記半導体基板が、前記ゲート絶縁膜に接しているn型のソース領域と、前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しているp型のボディ領域と、前記トレンチの底面の下側に配置されているp型の底部領域と、n型のドリフト領域と、p型の接続領域を有している。前記半導体基板が、アクティブ領域と非アクティブ領域を有している。前記ドリフト領域が、前記アクティブ領域内の前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接している。前記低抵抗膜が、前記接続領域よりも低い電気抵抗を有しており、前記ゲート電極から絶縁されており、前記非アクティブ領域内で前記トレンチの側面に沿って前記ボディ領域の深さから前記底部領域の深さまで伸びている。前記接続領域が、前記非アクティブ領域内で前記低抵抗膜に接するように伸びるとともに前記ボディ領域と前記底部領域を接続している。 A switching element disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate having a trench on its upper surface, a gate insulating film covering the inner surface of the trench, and a gate insulating film disposed in the trench and the semiconductor substrate through the gate insulating film. and a low resistance film. The semiconductor substrate includes an n-type source region in contact with the gate insulating film, a p-type body region in contact with the gate insulating film below the source region, and below the bottom surface of the trench. It has a p-type bottom region, an n-type drift region, and a p-type connection region located therein. The semiconductor substrate has an active area and a non-active area. The drift region contacts the gate insulating film below the body region in the active region. The low resistance film has a lower electrical resistance than the connection region, is insulated from the gate electrode, and extends from the depth of the body region along the sides of the trench within the non-active region. It extends to the depth of the bottom region. The connection region extends in contact with the low resistance film within the non-active region and connects the body region and the bottom region.

このスイッチング素子では、非アクティブ領域内に、トレンチの側面に沿ってボディ領域の深さから底部領域の深さまで伸びる低抵抗膜が設けられている。接続領域は、低抵抗膜に接するように伸びてボディ領域と底部領域を接続している。低抵抗膜が設けられていることで、ボディ領域と底部領域の間の電気抵抗が低減される。このため、このスイッチング素子では、非アクティブ領域を広範囲に設けなくても、ボディ領域と底部領域の間の低抵抗で接続することができる。 In this switching element, a low resistance film is provided in the non-active region, extending from the depth of the body region to the depth of the bottom region along the sides of the trench. A connection region extends in contact with the low resistance film to connect the body region and the bottom region. The low resistance film reduces the electrical resistance between the body region and the bottom region. Therefore, in this switching element, the body region and the bottom region can be connected with low resistance without providing a wide non-active region.

スイッチング素子10の平面図。2 is a plan view of the switching element 10; FIG. 図1のII-II線における断面図。Sectional drawing in the II-II line of FIG. 図1のIII-III線における断面図。Sectional drawing in the III-III line of FIG. 第1変形例のスイッチング素子の図3に対応する断面図。Sectional drawing corresponding to FIG. 3 of the switching element of a 1st modification. 第2変形例のスイッチング素子の図3に対応する断面図。Sectional drawing corresponding to FIG. 3 of the switching element of a 2nd modification. 第3変形例のスイッチング素子の図3に対応する断面図。Sectional drawing corresponding to FIG. 3 of the switching element of a 3rd modification. 第4変形例のスイッチング素子の図3に対応する断面図。Sectional drawing corresponding to FIG. 3 of the switching element of a 4th modification. 第5変形例のスイッチング素子の図2に対応する断面図。Sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the switching element of a 5th modification. 第6変形例のスイッチング素子の低抵抗膜の拡大断面図。FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of a low-resistance film of a switching element of a sixth modification;

図1~3に示す実施形態のスイッチング素子10は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。スイッチング素子10は、半導体基板12と、電極、絶縁層等を備えている。なお、図1では、図の見易さのため、半導体基板12の上面12a上の電極、絶縁層の図示を省略している。以下では、半導体基板12の上面12aと平行な一方向をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向をy方向といい、半導体基板12の厚み方向をz方向という。半導体基板12は、SiC(炭化シリコン)を主材料とするSiC基板である。 The switching element 10 of the embodiment shown in FIGS. 1-3 is a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). The switching element 10 includes a semiconductor substrate 12, electrodes, an insulating layer, and the like. In FIG. 1, the electrodes and insulating layers on the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 are omitted for the sake of clarity. Hereinafter, one direction parallel to the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 is called the x direction, the direction parallel to the upper surface 12a and perpendicular to the x direction is called the y direction, and the thickness direction of the semiconductor substrate 12 is called the z direction. The semiconductor substrate 12 is a SiC substrate whose main material is SiC (silicon carbide).

図1に示すように、半導体基板12の上面12aには、格子トレンチ22が設けられている。格子トレンチ22は、x方向に長く伸びる複数のトレンチ22aと、y方向に長く伸びる複数のトレンチ22bを有している。複数のトレンチ22aは、y方向に間隔を空けて配列されている。複数のトレンチ22bは、x方向に間隔を空けて配列されている。各トレンチ22bは、複数のトレンチ22aを跨ぐように伸びて、複数のトレンチ22aに接続されている。 As shown in FIG. 1, a lattice trench 22 is provided in the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 . The lattice trench 22 has a plurality of trenches 22a elongated in the x-direction and a plurality of trenches 22b elongated in the y-direction. The multiple trenches 22a are arranged at intervals in the y direction. The multiple trenches 22b are arranged at intervals in the x direction. Each trench 22b extends across the plurality of trenches 22a and is connected to the plurality of trenches 22a.

図2、3に示すように、格子トレンチ22の内面は、ゲート絶縁膜24によって覆われている。格子トレンチ22内には、ゲート電極26が配置されている。ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24によって半導体基板12から絶縁されている。トレンチ22a内のゲート電極26は、トレンチ22b内のゲート電極26と繋がっている。ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the inner surface of lattice trench 22 is covered with gate insulating film 24 . A gate electrode 26 is arranged in the grid trench 22 . Gate electrode 26 is insulated from semiconductor substrate 12 by gate insulating film 24 . The gate electrode 26 inside the trench 22a is connected to the gate electrode 26 inside the trench 22b. An upper surface of the gate electrode 26 is covered with an interlayer insulating film 28 .

図2、3に示すように、半導体基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、半導体基板12の下面12bに接している。 As shown in FIGS. 2 and 3, an upper electrode 70 is arranged on the upper surface 12 a of the semiconductor substrate 12 . The upper electrode 70 is in contact with the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 at a portion where the interlayer insulating film 28 is not provided. The upper electrode 70 is insulated from the gate electrode 26 by the interlayer insulating film 28 . A lower electrode 72 is arranged on the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12 . The lower electrode 72 is in contact with the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12 .

図2、3に示すように、半導体基板12は、ソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域33、ドレイン領域34、底部領域36及び接続領域38を有している。また、図3に示すように、半導体基板12の内部には、低抵抗膜40が設けられている。 As shown in FIGS. 2 and 3, semiconductor substrate 12 includes source region 30 , body region 32 , drift region 33 , drain region 34 , bottom region 36 and connection region 38 . Further, as shown in FIG. 3, a low resistance film 40 is provided inside the semiconductor substrate 12 .

ソース領域30は、n型領域である。図1~3に示すように、ソース領域30は、半導体基板12の上面12aに臨む範囲に配置されており、上部電極70にオーミック接触している。図1に示すように、ソース領域30は、格子トレンチ22の側面に沿って設けられている。図2に示すように、ソース領域30は、トレンチ22aの側面において、ゲート絶縁膜24に接している。 Source region 30 is an n-type region. As shown in FIGS. 1 to 3, the source region 30 is arranged in a range facing the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 and is in ohmic contact with the upper electrode . As shown in FIG. 1, source regions 30 are provided along the sides of grid trenches 22 . As shown in FIG. 2, the source region 30 is in contact with the gate insulating film 24 on the side surface of the trench 22a.

ボディ領域32は、p型領域である。図1~3に示すように、ボディ領域32は、ボディコンタクト領域32aとメインボディ領域32bを有している。ボディコンタクト領域32aは、メインボディ領域32bよりも高いp型不純物濃度を有している。ボディコンタクト領域32aは、半導体基板12の上面12aに臨む範囲に配置されており、上部電極70にオーミック接触している。図1に示すように、ボディコンタクト領域32aは、ソース領域30に囲まれた範囲に配置されている。図2、3に示すように、メインボディ領域32bは、ソース領域30とボディコンタクト領域32aの下側に配置されている。図2に示すように、メインボディ領域32bは、トレンチ22aの側面において、ゲート絶縁膜24に接している。メインボディ領域32bは、ソース領域30の下側でゲート絶縁膜24に接している。メインボディ領域32bの下端は、ゲート電極26の下端よりも上側に配置されている。 Body region 32 is a p-type region. As shown in FIGS. 1-3, the body region 32 has a body contact region 32a and a main body region 32b. Body contact region 32a has a higher p-type impurity concentration than main body region 32b. Body contact region 32 a is arranged in a range facing upper surface 12 a of semiconductor substrate 12 and is in ohmic contact with upper electrode 70 . As shown in FIG. 1 , body contact region 32 a is arranged in a range surrounded by source region 30 . As shown in FIGS. 2 and 3, the main body region 32b is located below the source region 30 and the body contact region 32a. As shown in FIG. 2, the main body region 32b is in contact with the gate insulating film 24 on the side surfaces of the trench 22a. The main body region 32 b is in contact with the gate insulating film 24 below the source region 30 . The lower end of the main body region 32b is arranged above the lower end of the gate electrode 26. As shown in FIG.

ドリフト領域33は、n型領域である。図2、3に示すように、ドリフト領域33は、メインボディ領域32bの下側に配置されている。図2に示すように、ドリフト領域33は、トレンチ22aの側面において、ゲート絶縁膜24に接している。ドリフト領域33は、メインボディ領域32bの下側でゲート絶縁膜24に接している。ドリフト領域33は、ボディ領域32によってソース領域30から分離されている。 Drift region 33 is an n-type region. As shown in FIGS. 2 and 3, the drift region 33 is arranged below the main body region 32b. As shown in FIG. 2, the drift region 33 is in contact with the gate insulating film 24 on the side surfaces of the trench 22a. The drift region 33 is in contact with the gate insulating film 24 below the main body region 32b. Drift region 33 is separated from source region 30 by body region 32 .

ドレイン領域34は、ドリフト領域33よりもn型不純物濃度が高いn型領域である。図2、3に示すように、ドレイン領域34は、ドリフト領域33の下側に配置されている。ドレイン領域34は、半導体基板12の下面12bに臨む範囲に配置されている。ドレイン領域34は、下部電極72にオーミック接触している。 The drain region 34 is an n-type region having a higher n-type impurity concentration than the drift region 33 . As shown in FIGS. 2 and 3, the drain region 34 is located below the drift region 33 . The drain region 34 is arranged in a range facing the lower surface 12 b of the semiconductor substrate 12 . Drain region 34 is in ohmic contact with lower electrode 72 .

底部領域36は、p型領域である。図2、3に示すように、底部領域36は、トレンチ22a、22bの底面において、ゲート絶縁膜24に接している。底部領域36は、格子トレンチ22の底面に沿って格子状に伸びている。底部領域36は、格子トレンチ22の底面全域においてゲート絶縁膜24に接している。底部領域36は、ドリフト領域33に接している。図2に示すように、トレンチ22aの近傍では、底部領域36は、ドリフト領域33によってボディ領域32から分離されている。 Bottom region 36 is a p-type region. As shown in FIGS. 2 and 3, the bottom region 36 contacts the gate insulating film 24 at the bottom surfaces of the trenches 22a and 22b. The bottom region 36 extends along the bottom surface of the grid trench 22 in a grid pattern. The bottom region 36 contacts the gate insulating film 24 over the entire bottom surface of the grid trench 22 . Bottom region 36 contacts drift region 33 . In the vicinity of trench 22a, bottom region 36 is separated from body region 32 by drift region 33, as shown in FIG.

図1の破線は、接続領域38と低抵抗膜40が設けられている範囲を示している。図1、3に示すように、接続領域38と低抵抗膜40は、トレンチ22bに接する範囲に設けられている。図1、2に示すように、接続領域38と低抵抗膜40は、トレンチ22aに接する範囲(トレンチ22aとトレンチ22bとの交差部を除く)には設けられていない。 A dashed line in FIG. 1 indicates a range in which the connection region 38 and the low resistance film 40 are provided. As shown in FIGS. 1 and 3, the connection region 38 and the low resistance film 40 are provided in a range in contact with the trench 22b. As shown in FIGS. 1 and 2, the connection region 38 and the low-resistance film 40 are not provided in the range in contact with the trench 22a (excluding the crossing portion of the trench 22a and the trench 22b).

低抵抗膜40は、金属により構成された薄膜である。図3に示すように、低抵抗膜40は、トレンチ22bの側面全域でゲート絶縁膜24に接している。すなわち、低抵抗膜40は、ゲート絶縁膜24と半導体基板12との界面に設けられている。低抵抗膜40は、ゲート絶縁膜24によってゲート電極26から絶縁されている。低抵抗膜40の電気抵抗は、接続領域38の電気抵抗よりも低い。低抵抗膜40は、トレンチ22bの側面の上端から下端まで伸びている。すなわち、低抵抗膜40は、ソース領域30の深さから底部領域36の深さまで伸びている。低抵抗膜40の下端は、底部領域36に接している。 The low resistance film 40 is a thin film made of metal. As shown in FIG. 3, the low resistance film 40 is in contact with the gate insulating film 24 over the entire side surface of the trench 22b. That is, the low resistance film 40 is provided at the interface between the gate insulating film 24 and the semiconductor substrate 12 . The low resistance film 40 is insulated from the gate electrode 26 by the gate insulating film 24 . The electrical resistance of the low resistance film 40 is lower than that of the connection region 38 . The low resistance film 40 extends from the upper end to the lower end of the side surface of the trench 22b. That is, the low resistance film 40 extends from the depth of the source region 30 to the depth of the bottom region 36 . A lower end of the low-resistance film 40 is in contact with the bottom region 36 .

接続領域38は、p型領域である。図3に示すように、接続領域38は、低抵抗膜40の側面に接している。接続領域38は、低抵抗膜40の上端から下端まで伸びている。接続領域38は、ソース領域30、メインボディ領域32b、ドリフト領域33、及び、底部領域36に接している。接続領域38によって、底部領域36がメインボディ領域32bに接続されている。 Connection region 38 is a p-type region. As shown in FIG. 3, the connection region 38 is in contact with the side surface of the low resistance film 40 . The connection region 38 extends from the top end to the bottom end of the low resistance film 40 . Connection region 38 contacts source region 30 , main body region 32 b , drift region 33 and bottom region 36 . A connection region 38 connects the bottom region 36 to the main body region 32b.

図2のようにメインボディ領域32bの下側でドリフト領域33がゲート絶縁膜24に接している領域は、スイッチング素子10がオンしたときに電流が流れるアクティブ領域である。図3のようにトレンチ22bの近傍に接続領域38が配置されている領域(ドリフト領域33がゲート絶縁膜24に接していない領域)は、スイッチング素子10がオンしたときに電流がほとんど流れない非アクティブ領域である。 As shown in FIG. 2, the region below the main body region 32b where the drift region 33 is in contact with the gate insulating film 24 is an active region through which current flows when the switching element 10 is turned on. As shown in FIG. 3, the region where the connection region 38 is arranged in the vicinity of the trench 22b (the region where the drift region 33 is not in contact with the gate insulating film 24) is a non-conductive region in which almost no current flows when the switching element 10 is turned on. Active area.

次に、スイッチング素子10の動作について説明する。スイッチング素子10の使用時には、下部電極72に対して上部電極70よりも高い電位が印加される。ゲート電極26にゲートオン電位(ゲート閾値よりも高い電位)を印加すると、ゲート絶縁膜24に接する範囲のp型領域(すなわち、メインボディ領域32bと接続領域38)にチャネル(反転層)が形成される。図2に示す断面(アクティブ領域)では、メインボディ領域32bにチャネルが形成されると、チャネルによってソース領域30がドリフト領域33に接続される。このため、上部電極70から、ソース領域30、チャネル、ドリフト領域33、及び、ドレイン領域34を介して下部電極72で電子が流れる。すなわち、アクティブ領域に電流が流れる。他方、図3に示す断面(非アクティブ領域)では、接続領域38にチャネルが形成されても、接続領域38の下端が底部領域36に繋がっているので、チャネルがドリフト領域33に接続されない。このため、非アクティブ領域に形成されたチャネルには、ほとんど電流が流れない。このように、スイッチング素子10がオンすると、主にアクティブ領域に電流が流れる。 Next, operation of the switching element 10 will be described. When the switching element 10 is used, a potential higher than that of the upper electrode 70 is applied to the lower electrode 72 . When a gate-on potential (potential higher than the gate threshold) is applied to the gate electrode 26, a channel (inversion layer) is formed in the p-type region (that is, the main body region 32b and the connection region 38) in contact with the gate insulating film 24. be. In the cross section (active region) shown in FIG. 2, when a channel is formed in main body region 32b, source region 30 is connected to drift region 33 by the channel. Therefore, electrons flow from the upper electrode 70 to the lower electrode 72 via the source region 30 , the channel, the drift region 33 and the drain region 34 . That is, current flows in the active region. On the other hand, in the cross section (inactive region) shown in FIG. 3, even if a channel is formed in the connection region 38, the channel is not connected to the drift region 33 because the lower end of the connection region 38 is connected to the bottom region 36. Therefore, almost no current flows through the channel formed in the non-active region. Thus, when the switching element 10 is turned on, current mainly flows through the active region.

ゲート電極26の電位をゲートオフ電位(ゲート閾値以下の電位)まで低下させると、チャネルが消失し、スイッチング素子10がオフする。スイッチング素子10がオフすると、下部電極72の電位が上昇する。ドリフト領域33はドレイン領域34を介して下部電極72に接続されているので、ドリフト領域33の電位は下部電極72の電位の上昇に伴って上昇する。他方、メインボディ領域32bは、ボディコンタクト領域32aを介して上部電極70に接続されているので、メインボディ領域32bの電位は上部電極70と略同電位に維持される。このため、メインボディ領域32bとドリフト領域33の界面のpn接合に高い逆電圧が印加される。したがって、スイッチング素子10がオフすると、メインボディ領域32bからドリフト領域33に空乏層が広がる。ドリフト領域33に広がる空乏層によって、下部電極72と上部電極70の間の電位差が保持される。 When the potential of the gate electrode 26 is lowered to the gate-off potential (potential below the gate threshold), the channel disappears and the switching element 10 is turned off. When the switching element 10 is turned off, the potential of the lower electrode 72 rises. Since the drift region 33 is connected to the lower electrode 72 via the drain region 34, the potential of the drift region 33 increases as the potential of the lower electrode 72 increases. On the other hand, since the main body region 32b is connected to the upper electrode 70 via the body contact region 32a, the potential of the main body region 32b is maintained substantially at the same potential as that of the upper electrode 70. FIG. Therefore, a high reverse voltage is applied to the pn junction at the interface between the main body region 32b and the drift region 33. FIG. Therefore, when the switching element 10 is turned off, a depletion layer spreads from the main body region 32b to the drift region 33. FIG. A depletion layer extending in the drift region 33 maintains the potential difference between the lower electrode 72 and the upper electrode 70 .

また、底部領域36は、接続領域38を介してメインボディ領域32bに接続されている。すなわち、底部領域36は、接続領域38、メインボディ領域32b、及び、ボディコンタクト領域32aを介して上部電極70に接続されている。このため、スイッチング素子10がオフするときに、底部領域36は、上部電極70と略同電位に維持される。このため、スイッチング素子10がオフすると、底部領域36とドリフト領域33の界面のpn接合にも、高い逆電圧が印加される。その結果、底部領域36からその周囲のドリフト領域33に空乏層が広がる。底部領域36から広がる空乏層によって、トレンチ22a、22bの下端近傍での電界集中が抑制される。したがって、スイッチング素子10は高い耐圧を有する。 Also, the bottom region 36 is connected to the main body region 32b via a connection region 38. As shown in FIG. That is, the bottom region 36 is connected to the upper electrode 70 via the connection region 38, the main body region 32b, and the body contact region 32a. Therefore, the bottom region 36 is maintained at substantially the same potential as the upper electrode 70 when the switching element 10 is turned off. Therefore, when the switching element 10 is turned off, a high reverse voltage is also applied to the pn junction at the interface between the bottom region 36 and the drift region 33 . As a result, a depletion layer extends from the bottom region 36 to the surrounding drift region 33 . The depletion layer extending from the bottom region 36 suppresses electric field concentration near the lower ends of the trenches 22a, 22b. Therefore, switching element 10 has a high breakdown voltage.

なお、スイッチング素子10がオフして下部電極72の電位が上昇すると、底部領域36からメインボディ領域32bへホールが流れる。底部領域36からメインボディ領域32bへホールが流れる経路(以下、接続経路という)の抵抗が高いと、底部領域36からメインボディ領域32bへホールを十分に排出することがでず、下部電極72の電位上昇に伴って底部領域36の電位が上昇する。この場合、底部領域36の周囲に空乏層が広がり難く、トレンチ22a、22bの下端近傍で電界集中が生じ易い。これに対し、実施形態のスイッチング素子10では、底部領域36とメインボディ領域32bとを接続する接続経路が、接続領域38と低抵抗膜40によって構成されている。低抵抗膜40の電気抵抗が極めて低いので、接続経路の電気抵抗が極めて低い。したがって、スイッチング素子10がオフするときに、底部領域36の電位が上部電極70と略同電位に維持され、底部領域36の電位の上昇が防止される。その結果、底部領域36の周囲に素早く空乏層が広がり、トレンチ22a、22bの下端近傍での電界集中が抑制される。 When the switching element 10 is turned off and the potential of the lower electrode 72 rises, holes flow from the bottom region 36 to the main body region 32b. If the resistance of the path through which holes flow from the bottom region 36 to the main body region 32b (hereinafter referred to as a connection path) is high, the holes cannot be sufficiently discharged from the bottom region 36 to the main body region 32b. As the potential rises, the potential of the bottom region 36 rises. In this case, it is difficult for the depletion layer to spread around the bottom region 36, and electric field concentration tends to occur near the lower ends of the trenches 22a and 22b. On the other hand, in the switching element 10 of the embodiment, the connection path that connects the bottom region 36 and the main body region 32b is composed of the connection region 38 and the low resistance film 40 . Since the electrical resistance of the low resistance film 40 is extremely low, the electrical resistance of the connection path is extremely low. Therefore, when the switching element 10 is turned off, the potential of the bottom region 36 is maintained at substantially the same potential as that of the upper electrode 70, thereby preventing the potential of the bottom region 36 from rising. As a result, the depletion layer quickly spreads around the bottom region 36, suppressing electric field concentration near the lower ends of the trenches 22a and 22b.

また、上述したように、底部領域36とメインボディ領域32bとを接続する接続経路が低抵抗膜40を含んでいると、接続経路の電気抵抗を極めて低くすることができる。このため、接続経路を設ける領域を少なくしても、接続経路の電気抵抗を十分に低くすることが可能であり、底部領域36の電位の上昇を防止することができる。接続経路を設ける領域は、非アクティブ領域であり、スイッチング素子10がオンしたときに電流が流れない領域である。非アクティブ領域を少なくすることで、アクティブ領域を増やし、半導体基板12に高密度に電流を流すことが可能となる。その結果、スイッチング素子10の小型化が可能となる。このように、接続経路に低抵抗膜40を設けることで、非アクティブ領域を減らしてスイッチング素子10の小型化を実現することができる。 Moreover, as described above, if the connection path connecting the bottom region 36 and the main body region 32b includes the low-resistance film 40, the electrical resistance of the connection path can be made extremely low. Therefore, even if the area in which the connection path is provided is reduced, the electrical resistance of the connection path can be made sufficiently low, and an increase in the potential of the bottom area 36 can be prevented. The area in which the connection path is provided is an inactive area, in which no current flows when the switching element 10 is turned on. By reducing the non-active region, the active region can be increased and the current can be passed through the semiconductor substrate 12 at high density. As a result, the size of the switching element 10 can be reduced. Thus, by providing the low-resistance film 40 in the connection path, it is possible to reduce the size of the switching element 10 by reducing the non-active region.

なお、図3では、低抵抗膜40がソース領域30の深さから底部領域36の深さまで伸びていた。しかしながら、低抵抗膜40は、少なくともメインボディ領域32bの深さから底部領域36の深さまで伸びていればよい。また、図3では、トレンチ22bの側面に接するように低抵抗膜40が配置されていたが、図4に示すようにトレンチ22bの側面から離れた位置でトレンチ22bの側面に沿って低抵抗膜40が設けられていてもよい。また、図3では、トレンチ22bの側面近傍にのみ低抵抗膜40が配置されていたが、図5に示すように低抵抗膜40が半導体基板12の上面12aに沿って伸びて上部電極70に接する部分を有していてもよい。この構成によれば、底部領域36をより低抵抗で上部電極70に接続することができる。また、図3では、トレンチ22bの底面に接する位置に低抵抗膜40が設けられていなかったが、図6に示すように低抵抗膜40がトレンチ22bの底面に接する部分を有していてもよい。また、図7に示すように、低抵抗膜40が、半導体基板12の上面12aに沿って伸びる部分と、トレンチ22bの底面に接する部分を有していてもよい。また、図2では、トレンチ22aの下部に低抵抗膜40が設けられていなかったが、図8に示すように低抵抗膜40がトレンチ22aの下側まで伸びていてもよい。図8では、トレンチ22aの下部において、低抵抗膜40がトレンチ22aの底面に接するとともに底部領域36に接している。この構成によれば、トレンチ22aの下部の底部領域36をより低抵抗でメインボディ領域32bに接続することができる。 Note that in FIG. 3, the low resistance film 40 extends from the depth of the source region 30 to the depth of the bottom region 36 . However, the low resistance film 40 only needs to extend at least from the depth of the main body region 32 b to the depth of the bottom region 36 . Also, in FIG. 3, the low resistance film 40 is arranged so as to be in contact with the side surface of the trench 22b, but as shown in FIG. 40 may be provided. In FIG. 3, the low resistance film 40 is arranged only near the side surfaces of the trench 22b, but as shown in FIG. It may have a contact portion. With this configuration, the bottom region 36 can be connected to the upper electrode 70 with a lower resistance. In FIG. 3, the low resistance film 40 was not provided at the position in contact with the bottom surface of the trench 22b, but as shown in FIG. good. Further, as shown in FIG. 7, the low resistance film 40 may have a portion extending along the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 and a portion in contact with the bottom surface of the trench 22b. In FIG. 2, the low resistance film 40 is not provided under the trench 22a, but the low resistance film 40 may extend under the trench 22a as shown in FIG. In FIG. 8, the low resistance film 40 is in contact with the bottom surface of the trench 22a and the bottom region 36 at the bottom of the trench 22a. With this configuration, the bottom region 36 below the trench 22a can be connected to the main body region 32b with a lower resistance.

また、上述した実施例では、低抵抗膜40が金属(例えば、Al、Ti、W、Ni)により構成されていたが、低抵抗膜40がポリシリコン等によって構成されていてもよい。また、図9に示すように、低抵抗膜40が、金属層40aとシリサイド層40bによって構成されていてもよい。 Moreover, in the above-described embodiment, the low resistance film 40 is made of metal (eg, Al, Ti, W, Ni), but the low resistance film 40 may be made of polysilicon or the like. Alternatively, as shown in FIG. 9, the low resistance film 40 may be composed of a metal layer 40a and a silicide layer 40b.

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。 Although the embodiments have been described in detail above, they are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or 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 techniques exemplified in this specification or drawings simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.

10 :スイッチング素子
12 :半導体基板
22 :格子トレンチ
22a :トレンチ
22b :トレンチ
24 :ゲート絶縁膜
26 :ゲート電極
28 :層間絶縁膜
30 :ソース領域
32 :ボディ領域
32a :ボディコンタクト領域
32b :メインボディ領域
33 :ドリフト領域
34 :ドレイン領域
36 :底部領域
38 :接続領域
40 :低抵抗膜
70 :上部電極
72 :下部電極
10: switching element 12: semiconductor substrate 22: lattice trench 22a: trench 22b: trench 24: gate insulating film 26: gate electrode 28: interlayer insulating film 30: source region 32: body region 32a: body contact region 32b: main body region 33: drift region 34: drain region 36: bottom region 38: connection region 40: low resistance film 70: upper electrode 72: lower electrode

Claims (7)

スイッチング素子であって、
上面にトレンチが設けられている半導体基板と、
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ているゲート電極と、
低抵抗膜、
を有しており、
前記半導体基板が、
前記ゲート絶縁膜に接しているn型のソース領域と、
前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しているp型のボディ領域と、
前記トレンチの底面の下側に配置されているp型の底部領域と、
n型のドリフト領域と、
p型の接続領域、
を有しており、
前記半導体基板が、アクティブ領域と非アクティブ領域を有しており、
前記ドリフト領域が、前記アクティブ領域内の前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記アクティブ領域内で前記底部領域に接しており、
前記低抵抗膜が、金属またはポリシリコンによって構成されており、前記接続領域よりも低い電気抵抗を有しており、前記ゲート電極から絶縁されており、前記非アクティブ領域内で前記トレンチの側面に沿って前記ボディ領域の深さから前記底部領域の深さまで伸びており、
前記接続領域が、前記非アクティブ領域内で前記低抵抗膜に接するように伸びるとともに前記ボディ領域と前記底部領域を接続している、
スイッチング素子。
A switching element,
a semiconductor substrate having a trench on its top surface;
a gate insulating film covering the inner surface of the trench;
a gate electrode disposed in the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film;
low resistance film,
and
The semiconductor substrate is
an n-type source region in contact with the gate insulating film;
a p-type body region in contact with the gate insulating film below the source region;
a p-type bottom region located below the bottom surface of the trench;
an n-type drift region;
a p-type connection region;
and
the semiconductor substrate having an active area and a non-active area;
the drift region is in contact with the gate insulating film below the body region in the active region and in contact with the bottom region in the active region;
The low-resistance film is made of metal or polysilicon, has a lower electrical resistance than the connection region, is insulated from the gate electrode, and extends along the side of the trench within the non-active region. extending from the depth of the body region to the depth of the bottom region along
the connection region extends in contact with the low resistance film within the non-active region and connects the body region and the bottom region;
switching element.
前記低抵抗膜が、前記非アクティブ領域内で前記トレンチの側面において前記ゲート絶縁膜に接している、請求項1に記載のスイッチング素子。2. The switching element according to claim 1, wherein said low resistance film is in contact with said gate insulating film on side surfaces of said trench within said non-active region. 前記低抵抗膜が、前記非アクティブ領域内で前記トレンチの側面から離れた位置に配置されている、請求項1に記載のスイッチング素子。2. The switching element according to claim 1, wherein said low resistance film is located within said non-active region at a position away from the side surfaces of said trench. 前記半導体基板の上面を覆う上部電極をさらに有し、further comprising an upper electrode covering the upper surface of the semiconductor substrate;
前記低抵抗膜が、前記非アクティブ領域内で前記半導体基板の上面に沿って伸びるとともに前記上部電極に接する部分を有する、wherein the low-resistance film has a portion extending along the upper surface of the semiconductor substrate within the non-active region and in contact with the upper electrode;
請求項1~3のいずれか一項に記載のスイッチング素子。A switching element according to any one of claims 1 to 3.
前記低抵抗膜が、前記非アクティブ領域内に配置されており、前記トレンチの底面に沿って伸び、前記トレンチの底面で前記ゲート絶縁膜に接し、前記底部領域に上から接する部分を有する、The low-resistance film is disposed in the non-active region, extends along the bottom surface of the trench, contacts the gate insulating film at the bottom surface of the trench, and has a portion contacting the bottom region from above,
請求項1~4のいずれか一項に記載のスイッチング素子。A switching element according to any one of claims 1 to 4.
前記低抵抗膜が、前記アクティブ領域内に配置されており、前記トレンチの底面に沿って伸び、前記トレンチの底面で前記ゲート絶縁膜に接し、前記底部領域に上から接する部分を有する、The low-resistance film is disposed in the active region, extends along the bottom surface of the trench, contacts the gate insulating film at the bottom surface of the trench, and has a portion contacting the bottom region from above,
請求項1~5のいずれか一項に記載のスイッチング素子。A switching element according to any one of claims 1 to 5.
前記低抵抗膜が、前記トレンチの側面で前記ゲート絶縁膜に接する金属層と、前記ゲート絶縁膜が接する側とは反対側から前記金属層に接するシリサイド層を有し、the low-resistance film has a metal layer in contact with the gate insulating film on the side surface of the trench and a silicide layer in contact with the metal layer from a side opposite to the side of the gate insulating film;
前記接続領域が、前記シリサイド層に接している、the connection region is in contact with the silicide layer;
請求項1、2、4、5、6のいずれか一項に記載のスイッチング素子。7. A switching element according to any one of claims 1, 2, 4, 5 and 6.
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