【手続補正書】
【提出日】令和1年11月27日(2019.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
第１の基板表面と、前記第１の基板表面と反対の第２の基板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の面と、前記第１の面と反対の第２の面とを有し、第１の導電型を有するドリフト層と、
前記ドリフト層の前記第１の面上に設けられ、前記第１の導電型を有し、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の不純物層と、
前記ドリフト層の前記第１の面上に設けられ、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の不純物層と、
前記第１の不純物層上に設けられ、前記第２の導電型を有するベース層と、
前記ベース層上に設けられ、前記第１の基板表面を部分的に成し、前記第１の導電型を有する第１のエミッタ領域と、
前記ベース層上に設けられ、前記第１の基板表面を部分的に成し、前記第２の導電型を有する第２のエミッタ領域と、
前記ドリフト層の前記第２の面上に直接的または間接的に設けられ、前記第２の基板表面を少なくとも部分的に成し、前記第２の導電型を有するコレクタ領域と、
を含み、前記半導体基板の前記第１の基板表面には複数のトレンチが形成されており、前記複数のトレンチの各々は、底面および側壁面が設けられた内面を有しており、前記複数のトレンチの各々は、前記第１の基板表面に沿って延びる主部と、前記第１の基板表面に沿って前記主部につながる端部とを有しており、前記底面は前記主部において前記ドリフト層から成りかつ前記端部において前記第２の不純物層から成り、前記第１の不純物層は前記第１の基板表面の面内方向において前記複数のトレンチの間をつないでおり、前記半導体装置はさらに
前記複数のトレンチの前記内面を覆うゲート絶縁膜と、
前記複数のトレンチ内に前記ゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極と前記側壁面の前記ドリフト層との間で第１の厚みを有しており、かつ前記ゲート電極と前記底面の前記ドリフト層との間で第２の厚みを有しており、前記第２の厚みは前記第１の厚みよりも大きい、半導体装置。
【請求項２】
前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との界面の深さは、前記ドリフト層と前記第１の不純物層との界面の深さよりも大きく、
前記複数のトレンチの前記底面の深さは、前記ドリフト層と前記第１の不純物層との界面の深さよりも大きく、かつ前記ドリフト層と前記第２の不純物層との界面の深さよりも小さい、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ゲート絶縁膜は一の材料で作られている、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ドリフト層と前記第１の不純物層との界面の深さをＸｊｎと定義し、
前記ドリフト層と前記第１の不純物層との界面の深さに対する、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との界面の深さの比率をｒと定義し、
前記トレンチの幅をｗと定義し、
前記トレンチの前記底面の深さをｄと定義し、
前記トレンチの前記側壁面上での前記ゲート絶縁膜の厚みをｔｓｄと定義すると、以下の関係
【数１】
2019033163.tif 000001
および
【数２】
2019033163.tif 000002
が満たされている、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ゲート絶縁膜は、前記複数のトレンチの前記内面を均一な厚みで覆い第１の組成を有する第１の絶縁膜と、前記複数のトレンチの前記底面上に前記第１の絶縁膜を介して設けられ第２の組成を有する第２の絶縁膜とを含み、前記第２の組成は前記第１の組成と異なる、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ドリフト層と前記第１の不純物層との界面の深さをＸｊｎと定義し、
前記ドリフト層と前記第１の不純物層との界面の深さに対する、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との界面の深さの比率をｒと定義し、
前記トレンチの幅をｗと定義し、
前記トレンチの前記底面の深さをｄと定義し、
前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜のそれぞれの厚みをｔｉ１およびｔｉ２と定義し、
前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜のそれぞれの誘電率をεｉ１およびεｉ２と定義し、
【数３】
2019033163.tif 000003
と定義すると、以下の関係
【数４】
2019033163.tif 000004
および
【数５】
2019033163.tif 000005
が満たされている、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記半導体装置を駆動する駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、
を備える、電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
ゲート絶縁膜は、複数のトレンチの内面を覆っている。ゲート電極は複数のトレンチ内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれている。ゲート絶縁膜は、ゲート電極と側壁面のドリフト層との間で第１の厚みを有しており、かつゲート電極と底面のドリフト層との間で第２の厚みを有している。第２の厚みは第１の厚みよりも大きい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
ゲート絶縁膜５はトレンチＴＲの内面を覆っている。ゲート絶縁膜５は、ゲート電極４とトレンチＴＲの各々の側壁面のｎ−型ドリフト層１との間で厚みｔｓｄ（第１の厚み）を有しており、かつ、ゲート電極４とトレンチＴＲの各々の底面のｎ−型ドリフト層１との間で第２の厚みｔｂｔ（第２の厚み）を有している。厚みｔｂｔは厚みｔｓｄよりも大きい。よって、ゲート絶縁膜５のうちトレンチＴＲの底面に面する部分の厚みは、ゲート絶縁膜５のうちトレンチＴＲの側壁面に面しかつｎ−型ドリフト層１に面する部分の厚みよりも大きい。厚みｔｓｄは、トレンチＴＲの側壁面上において実質的に均一であってよい。ゲート絶縁膜５は一の材料で作られていてよい。特に、ゲート絶縁膜５が、熱酸化によって形成された酸化膜である場合、ゲート絶縁膜の界面特性を良好なものとしやすい。具体的には、界面における欠陥密度が低くなり、よってゲートリークが低減される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図１５は、構造Ｉ（図４）および構造ＩＩＩ（図６）のターンオフ動作における、ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ａ）、コレクタ電流Ｉｃの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ｂ）、およびコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ｃ）である。構造ＩＩＩ（図６）はトレンチＴＲの底面上において厚いゲート絶縁膜５を有することから、損失成分Ｅｏｆｆ１の期間におけるミラー領域が短くなっている（図１５（Ａ）における矢印参照）。その影響で、損失成分Ｅｏｆｆ２の期間における電流ピークが小さくなっている（図１５（Ｂ）参照）。それ以外については、構造ＩＩＩと構造Ｉとの間でターンオフ波形の違いはほとんどない。このように、構造ＩＩＩと構造Ｉとの間での波形の違いは小さく、上記の表に示されているように、ターンオフ損失Ｅｏｆｆの値もほぼ同じである。また、構造ＩＩＩも構造Ｉも発振しない。以上から、ゲート絶縁膜の厚みをトレンチＴＲの底面上において大きくするだけでは、ターンオフ特性の大きな改善は得られないことがわかる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図１６は、構造Ｉ（図４）および構造ＩＶ（図７）のターンオフ動作における、ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ａ）、コレクタ電流Ｉｃの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ｂ）、およびコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ｃ）である。構造ＩＶ（図７）は、ｎ型不純物層８を有するもののトレンチＴＲの底面上において厚いゲート絶縁膜５をも有することから、損失成分Ｅｏｆｆ１の期間におけるミラー領域が短くなっている（図１６（Ａ）における矢印参照）。その影響で、損失成分Ｅｏｆｆ１が小さくなる。図１７は、図４（構造Ｉ）および図７（構造ＩＶ）のそれぞれの一点鎖線に沿った断面での、ターンオフ開始時におけるキャリア濃度分布のシミュレーション結果を示すグラフ図である。構造ＩＶの方かエミッタ側（基板上面ＳＳ１側）のキャリア濃度が高いため、図９の説明において前述したとおり、損失成分Ｅｏｆｆ１の期間におけるｄＶ／ｄｔが小さい。その結果、損失成分Ｅｏｆｆ１がさらに小さくなる。また、構造ＩＶのコレクタ側（基板下面ＳＳ２側）に設けられたｐ型コレクタ領域２の濃度が低いため、構造ＩＩと同様に、損失成分Ｅｏｆｆ３の期間にテール電流がほとんど発生せず、よって損失成分Ｅｏｆｆ３が低減される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
図１８は、構造ＩＩ（図５）および構造ＩＶ（図７）のターンオフ動作における、ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ａ）、コレクタ電流Ｉｃの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ｂ）、およびコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの波形のシミュレーション結果を示すグラフ図（Ｃ）である。構造ＩＶ（図７）のミラー領域は構造ＩＩ（図５）のものよりも短くなっている（図１８（Ａ）における矢印参照）。このため構造ＩＶによれば、損失成分Ｅｏｆｆ２の期間における電流ピークが小さくなり、よって損失成分Ｅｏｆｆ１および損失成分Ｅｏｆｆ２が低減する。また、構造ＩＶ（図７）はトレンチＴＲの底面上において厚いゲート絶縁膜５を有することから、ゲート−コレクタ間寄生容量Ｃｇｃ（図８）が低減するため、発振現象およびスナップオフ現象が抑制されている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
（深さｄと深さＸｊｎとの関係）
図２０は、トレンチＴＲの深さｄ（図２）と耐電圧ＢＶとの関係のシミュレーション結果を示すグラフ図である。なお深さｄを表す横軸には、指標として、ｎ型不純物層８の深さＸｊｎの値と、ｐ＋型不純物層１１の深さＸｊｐの値とが示されている。また耐電圧ＢＶは、深さｄが深さＸｊｎに等しいときの値によって規格化されている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
図３１は、コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅのターンオフ波形のシミュレーション結果を、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＡ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ａ）、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＢ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｂ）、および、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＣ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｃ）である。図３２は、図３１（Ａ）の拡大図（Ａ）、図３１（Ｂ）の拡大図（Ｂ）、および、図３１（Ｃ）の拡大図（Ｃ）である。図３３は、ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅおよび損失電力Ｐｏｆｆのターンオフ波形のシミュレーション結果を、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＡ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ａ）、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＢ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｂ）、および、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＣ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｃ）である。図３４は、コレクタ電流Ｉｃおよびコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅのターンオン波形のシミュレーション結果を、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＡ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ａ）、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＢ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｂ）、および、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＣ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｃ）である。図３５は、ゲート−エミッタ間電圧Ｖｇｅおよび損失電力Ｐｏｎのターンオン波形のシミュレーション結果を、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＡ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ａ）、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＢ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｂ）、および、Ｃｂｔ＋Ｃｓｄ＝ＣＣ（図３０（Ａ）および図３０（Ｂ））の場合について示すグラフ図（Ｃ）である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２０】
絶縁膜５１は、ゲート電極４とトレンチＴＲの各々の側壁面のｎ−型ドリフト層１との間で厚みｔｉ１を有している。厚みｔｉ１は、トレンチＴＲの側壁面上において実質的に均一であってよい。また本実施の形態においては、絶縁膜５１は、図４７に示されているように、ゲート電極４とトレンチＴＲの各々の底面のｎ−型ドリフト層１との間で、上記厚みｔｉ１と実質的に共通の厚みを有している。言い換えれば、本実施の形態においては、絶縁膜５１は、トレンチＴＲの内面を均一な厚みｔｉ１で覆っている。絶縁膜５２は、深さ方向（図中、ｘ方向）において、厚みｔｉ２を有している。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７８】
なお上記本実施の形態においては、ゲート電極４とトレンチＴＲの側壁面のｎ−型ドリフト層１との間での絶縁膜５１の厚みと、ゲート電極４とトレンチＴＲの底面のｎ−型ドリフト層１との間での絶縁膜５１の厚みとが実質的に共通とされているが、寄生容量についてＣｂｔ＜Ｃｓｄの条件が満たされていれば、これらの厚みが互いに異なるものとされていてもよい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2019033163.tif 000006
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2019033163.tif 000007
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2019033163.tif 000008
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2019033163.tif 000009
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１８】
2019033163.tif 000010
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４７】
2019033163.tif 000011