(57)【要約】【課題】  トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴにおける閾値電圧の変動を抑制する。【解決手段】  トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴであって、ゲート電極は、ゲート絶縁膜を介して、ソース領域とドリフト領域との間に介在するボディ領域に対向している。半導体基板には、ソース領域及びドリフト領域から離れているとともに、ゲート絶縁膜に接触しているｎ型の電子供給領域がさらに設けられている。ボディ領域は、電子供給領域によって分断されておらず、ドリフト領域から半導体基板の上面まで連続している。【選択図】図１
2018182257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴであって、
上面に複数のトレンチを有する半導体基板と、
前記トレンチ内にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記半導体基板の前記上面に設けられたソース電極と、
前記半導体基板の前記上面とは反対側の下面に設けられたドレイン電極と、を備え、
前記半導体基板は、
前記上面において前記ソース電極に接触しているｎ型のソース領域と、
前記下面において前記ドレイン電極に接触しているｎ型のドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に介在しているとともに、前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりも不純物濃度が低いｎ型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域と前記ソース領域との間に介在しているとともに、前記上面において前記ソース電極に接触するｐ型のボディ領域と、を有し、
前記ゲート電極は、前記ソース領域と前記ドリフト領域との間に介在する前記ボディ領域に、前記ゲート絶縁膜を介して対向しており、
前記半導体基板には、前記ソース領域及び前記ドリフト領域から離れているとともに、前記ゲート絶縁膜に接触しているｎ型の電子供給領域がさらに設けられており、
前記ボディ領域は、前記電子供給領域によって分断されておらず、前記ドリフト領域から前記半導体基板の前記上面まで連続している、
ＭＯＳＦＥＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に、トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴが開示されている。ＭＯＳＦＥＴは、通常、上面に複数のトレンチを有する半導体基板と、トレンチ内にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、半導体基板の上面に設けられたソース電極と、半導体基板の上面とは反対側の下面に設けられたドレイン電極とを備える。半導体基板は、上面においてソース電極に接触しているｎ型のソース領域と、下面においてドレイン電極に接触しているｎ型のドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域との間に介在しているとともにソース領域及びドレイン領域よりも不純物濃度が低いｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域とソース領域との間に介在しているとともに、上面において上面電極に接触するｐ型のボディ領域とを有する。ゲート電極は、ソース領域とドリフト領域との間に介在する前記ボディ領域に、ゲート絶縁膜を介して対向している。
【０００３】
上記した構造では、ソース領域とボディ領域とが同じソース電極に接続されており、ソース電極に対するゲート電極の電圧（以下、ゲート電圧という）に応じて、ＭＯＳＦＥＴがターンオン又はターンオフされる。具体的には、ゲート電圧が閾値電圧よりも低い電圧（例えばゼロボルト）に調節されるとＭＯＳＦＥＴはターンオフされ、ゲート電圧が閾値電圧よりも高い電圧に調節されるとＭＯＳＦＥＴはターンオンされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２０７９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴに関して、ゲート電圧がゼロボルトに調節された状態で、ソース電極に対してドレイン電極に正の電圧が印加されると、その後にＭＯＳＦＥＴの閾値電圧が一時的に低下するという事象が確認された。閾値電圧の意図しない変動は、ＭＯＳＦＥＴの不完全な動作を引き起こし、例えばエネルギの損失といった問題を招くことがある。
【０００６】
従って、本明細書は、トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴにおいて、閾値電圧の変動を抑制し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴでは、ソース電極に対してドレイン電極に正の電圧が印加されると、ボディ領域とドリフト領域との間の界面（ｐｎ接合面）において、空乏層が形成される。空乏層が形成される過程では、ドリフト領域の少数キャリアであるホールが、ドリフト領域からボディ領域へ移動していく。このとき、ゲート電圧がゼロボルトであって、ゲート電極とボディ領域とが同電位であると、一部のホールがゲート電極に引き寄せられ、ゲート絶縁膜内に留まることが判明した。ゲート絶縁膜内にホールが留まることで、ショートチャネル効果が生じることがあり、その結果、閾値電圧が低下するものと考えられる。
【０００８】
上記した知見に基づいて、本明細書が開示する技術では、ソース領域及びドリフト領域から離れた位置において、ゲート絶縁膜へ接触するｎ型の半導体領域を設ける。本明細書では、便宜上、このｎ型の半導体領域を電子供給領域と称する。このような構成によると、ドリフト領域からゲート絶縁膜へホールが移動したときに、それに応じて、電子供給領域からゲート絶縁膜へ電子が供給される。電子供給領域から供給された電子は、ゲート絶縁膜内のホールと再結合して、当該ホールとともに消滅する。これにより、ゲート絶縁膜におけるホールの滞留が禁止又は低減され、前述した閾値電圧の変動が抑制される。ここで、電子供給領域を設ける場合は、ボディ領域が電子供給領域によって分断されず、ドリフト領域から半導体基板の上面までボディ領域が連続することが好ましい。このような構成によると、ボディ領域におけるホールの移動が制限されず、例えばスイッチング速度の低下等を避けることができる。
【０００９】
以上のことから、本明細書では、以下に記載されるトレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴが開示される。このＭＯＳＦＥＴは、上面に複数のトレンチを有する半導体基板と、トレンチ内にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、半導体基板の上面に設けられたソース電極と、半導体基板の上面とは反対側の下面に設けられたドレイン電極とを備える。半導体基板は、上面においてソース電極に接触しているｎ型のソース領域と、下面においてドレイン電極に接触しているｎ型のドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域との間に介在しているとともに、ソース領域及びドレイン領域よりも不純物濃度が低いｎ型のドリフト領域と、ドリフト領域とソース領域との間に介在しているとともに、上面においてソース電極に接触するｐ型のボディ領域とを有する。ゲート電極は、ソース領域とドリフト領域との間に介在するボディ領域にゲート絶縁膜を介して対向している。半導体基板には、ソース領域及びドリフト領域から離れているとともに、ゲート絶縁膜に接触しているｎ型の電子供給領域がさらに設けられている。ボディ領域は、電子供給領域によって分断されておらず、ドリフト領域から半導体基板の上面まで連続している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例のＭＯＳＦＥＴ１０の構造を示す断面図。
【図２】ゲート絶縁膜１４ａに対するホールＨ及び電子Ｅの流れを模式的に示す図。
【図３】電子供給領域３０の構成に係る一変形例を示す図。
【図４】電子供給領域３０の構成に係る一変形例を示す図。
【図５】電子供給領域３０の構成に係る一変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して、実施例のＭＯＳＦＥＴ１０について説明する。本実施例のＭＯＳＦＥＴ１０は、特に限定されないが、例えばハイブリッド車、燃料電池車又は電気自動車といった電動型の自動車において、コンバータやインバータといった電力変換回路のスイッチング素子に用いることができる。なお、実施例のＭＯＳＦＥＴ１０の各部の具体的な構成は一例であり、本明細書で開示する複数の技術要素は、単独又はいくつかの組み合わせによって、様々な用途、機能及び構造を有するＭＯＳＦＥＴに適用することができる。
【００１２】
図１は、本実施例のＭＯＳＦＥＴ１０の構造を示す断面図である。図１には、ＭＯＳＦＥＴ１０の一部の断面のみが示されており、ＭＯＳＦＥＴ１０には、図１に示される単位構造が繰り返し形成されている。図１に示すように、本実施例のＭＯＳＦＥＴ１０は、半導体基板１２と、複数のゲート電極１４とを備える。半導体基板１２は、一例ではあるが、ＳｉＣ（炭化ケイ素）で構成されたＳｉＣ基板である。但し、半導体基板１２は、ＳｉＣ基板に限定されず、例えばＳｉ（ケイ素）又は他の半導体材料で構成された基板であってもよい。
【００１３】
半導体基板１２は、板状の形状を有し、上面１２ａとその反対側に位置する下面１２ｂとを有する。上面１２ａには、複数のトレンチ１２ｔが設けられている。各々のトレンチ１２ｔは、図１の紙面に対して垂直な方向に延びており、上面１２ａを平面視したときに、複数のトレンチ１２ｔは等間隔に配列されている。なお、トレンチ１２ｔの形態は様々に変更可能であり、例えば上面１２ａを平面視したときのトレンチ１２ｔの配置パターンは、縞状に限定されず、例えば格子状やドット状であってもよい。
【００１４】
ここで、半導体基板１２の上面１２ａとは、半導体基板１２の一つの表面を意味し、半導体基板１２の下面１２ｂとは、半導体基板１２の他の一つの表面であって、上面１２ａとは反対側に位置する表面を意味する。本明細書において、「上面」及び「下面」という表現は、互いに反対側に位置する二つの表面を便宜的に区別するものであり、例えば半導体基板１２の上面１２ａが常に鉛直上方に位置すること意味しない。半導体基板１２の姿勢によっては、上面１２ａが鉛直下方に位置し、下面１２ｂが鉛直上方に位置することもある。
【００１５】
各々のトレンチ１２ｔには、ゲート絶縁膜１４ａを介して、ゲート電極１４が設けられている。ゲート電極１４は、例えばポリシリコンといった、導電性材料で形成されることができる。ゲート絶縁膜１４ａは、例えばＳｉＯ２（酸化シリコン）といった、絶縁性材料で形成されることができる。ゲート電極１４及びゲート絶縁膜１４ａをそれぞれ構成する具体的な材料や構造については特に限定されない。各々のゲート電極１４は、ＭＯＳＦＥＴ１０の駆動回路（図示省略）に接続され、ゲート電圧が調節されることによってＭＯＳＦＥＴ１０がターンオン及びターンオフされる。
【００１６】
ＭＯＳＦＥＴ１０は、半導体基板１２の上面１２ａに設けられたソース電極１６と、半導体基板１２の下面１２ｂに設けられたドレイン電極１８とを備える。ソース電極１６は、半導体基板１２の上面１２ａにオーミック接触しており、ドレイン電極１８は、半導体基板１２の下面１２ｂにオーミック接触している。なお、ゲート電極１４とソース電極１６との間には、層間絶縁膜１４ｂが設けられており、ゲート電極１４とソース電極１６とは互いに絶縁されている。ソース電極１６及びドレイン電極１８は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）といった導電性材料を用いて形成されることができる。ソース電極１６及びドレイン電極１８をそれぞれ構成する具体的な材料や構造については特に限定されない。
【００１７】
半導体基板１２は、ソース領域２２、ドレイン領域２４、ドリフト領域２６、ボディ領域２８、及び、電子供給領域３０を備える。ソース領域２２は、ｎ型の半導体領域であり、半導体基板１２の上面１２ａに露出している。ソース領域２２におけるｎ型不純物の濃度は十分に高く、半導体基板１２の上面１２ａにおいて、ソース領域２２はソース電極１６にオーミック接触している。また、ソース領域２２は、その少なくとも一部がトレンチ１２ｔに隣接して設けられており、トレンチ１２ｔの側面にも露出している。
【００１８】
ドレイン領域２４は、ｎ型の半導体領域であり、半導体基板１２の下面１２ｂに露出している。一例ではあるが、本実施例のドレイン領域２４は、半導体基板１２の下面１２ｂの全体に亘って層状に広がっている。ドレイン領域２４におけるｎ型不純物の濃度は十分に高く（例えばソース領域２２と同程度である）、半導体基板１２の下面１２ｂにおいて、ドレイン領域２４はドレイン電極１８にオーミック接触している。
【００１９】
ソース領域２２とドレイン領域２４との間に、ドリフト領域２６及びボディ領域２８が介在している。ドリフト領域２６は、ｎ型の半導体領域であり、ドレイン領域２４上に位置している。ドリフト領域２６におけるｎ型不純物の濃度は、ソース領域２２及びドレイン領域２４におけるｎ型不純物の濃度よりも低い。本実施例のドリフト領域２６は、一例ではあるが、ドレイン領域２４に隣接しながら、半導体基板１２の全体に亘って層状に広がっている。なお、ドリフト領域２６におけるｎ型不純物の濃度は、全体に亘って一定でなくてもよく、例えば、半導体基板１２の厚み方向に沿って段階的又は連続的に変化してもよい。換言すると、ドリフト領域２６は、ｎ型不純物の濃度が異なる複数の層を有してもよい。
【００２０】
ボディ領域２８は、ｐ型の半導体領域であって、ソース領域２２とドリフト領域２６との間に介在しており、ソース領域２２とドリフト領域２６とを互いに隔てている。ボディ領域２８は、半導体基板１２の上面１２ａに露出しており、ソース電極１６にオーミック接触している。なお、ソース電極１６との良好なオーミック接触のために、ボディ領域２８のうちのソース電極１６に接触する部分は、他の部分よりもｐ型不純物の濃度が高くされている。このような高濃度の部分は、コンタクト領域又はボディコンタクト領域等とも称される。
【００２１】
電子供給領域３０は、ｎ型の半導体領域であって、トレンチ１２ｔ内のゲート絶縁膜１４ａに接触している。電子供給領域３０は、ソース領域２２及びドリフト領域２６から離れた位置にあり、ボディ領域２８によってソース領域２２及びドリフト領域２６から隔てられている。従って、電子供給領域３０は、ゲート電極１４、ソース電極１６及びドレイン電極１８のいずれとも、直接的に接続されていない。電子供給領域３０の位置、大きさ及び形状については特に限定されない。但し、ボディ領域２８が、電子供給領域３０によって分断されることなく、ドリフト領域２６から半導体基板１２の上面１２ａまで連続するとよい。これにより、例えばボディ領域２８におけるホールの移動が制限されることを避けることができる。電子供給領域３０におけるｎ型不純物の濃度は特に限定されないが、例えば、ソース領域２２及びドレイン領域２４よりも低く、ドリフト領域２６と同程度であってよい。
【００２２】
以上の構成により、半導体基板１２は概して、ｎ型である下層（ドレイン領域２４及びドリフト領域２６）と、ｐ型である上層（ボディ領域２８）とを含む二層構造を有する。そして、当該ｐ型である上層の表層部に、ｎ型のソース領域２２が部分的に形成されており、同じくｐ型である上層の中層部に、ｎ型の電子供給領域３０が部分的に形成されている。トレンチ１２ｔは、半導体基板１２の上面１２ａから、ソース領域２２及びボディ領域２８を通過して、ドリフト領域２６まで伸びている。トレンチ１２ｔ内のゲート電極１４は、ゲート絶縁膜１４ａを介して、ソース領域２２とドリフト領域２６との間に介在するボディ領域２８に対向している。一例ではあるが、ドリフト領域２６及びボディ領域２８は、ドレイン領域２４となるＳｉＣウエハ上に、エピタキシャル成長によって形成することができる。ソース領域２２及び電子供給領域３０は、エピタキシャル成長又はボディ領域２８へのｎ型不純物のイオン注入によって形成することができる。
【００２３】
図２に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１０では、ソース電極１６に対してドレイン電極１８に正の電圧が印加されると、ボディ領域２８とドリフト領域２６との間の界面２７（ｐｎ接合面）において、空乏層ＤＰＬが形成される。この場合、ソース電極１６とドレイン電極１８との間は電気的に切断されており、ＭＯＳＦＥＴ１０はターンオフされた状態となる。この状態から、ゲート電極１４に十分なゲート電圧が印加されると、ボディ領域２８のトレンチ１２ｔに隣接する範囲がｎ型に反転し、いわゆるチャネルがトレンチ１２ｔに沿って形成される。この場合、ソース電極１６とドレイン電極１８との間が電気的に接続され、ＭＯＳＦＥＴ１０はターンオンされた状態となる。なお、ここでいうゲート電圧とは、ソース電極１６に対するゲート電極１４の電圧を意味し、ゲート電極１４とボディ領域２８との間の電位差でもある。このように、ＭＯＳＦＥＴ１０は、ゲート電圧に応じてターンオン及びターンオフされる。具体的には、ゲート電圧が閾値電圧よりも低い電圧（例えばゼロボルト）に調節されると、ＭＯＳＦＥＴ１０はターンオフされ、ゲート電圧が閾値電圧よりも高い電圧に調節されると、ＭＯＳＦＥＴ１０はターンオンされる。
【００２４】
前述したように、従来のＭＯＳＦＥＴの構造であると、ゲート電圧がゼロボルトに調節された状態で、ソース電極１６に対してドレイン電極１８に正の電圧が印加されたときに、閾値電圧が一時的に低下するという事象が確認された。この点に関して、本実施例のＭＯＳＦＥＴ１０では、ｎ型の電子供給領域３０が、ゲート絶縁膜１４ａに接触するように設けられている。図２に示すように、空乏層ＤＰＬが形成される過程では、ドリフト領域２６の少数キャリアであるホールＨが、ドリフト領域２６からボディ領域２８へ移動していく。このとき、ゲート電圧がゼロボルトであって、ゲート電極１４とボディ領域２８とが同電位であると、一部のホールＨがゲート電極１４に引き寄せられて、ゲート絶縁膜１４ａ内に取り込まれる。このようなホールＨがゲート絶縁膜１４ａ内に留まると、例えばショートチャネル効果が生じることによって、閾値電圧が低下することがある。
【００２５】
これに対して、本実施例のＭＯＳＦＥＴ１０では、ドリフト領域２６からゲート絶縁膜１４ａへホールＨが移動したときに、それに応じて、電子供給領域３０からゲート絶縁膜１４ａへ電子Ｅが供給される。電子供給領域３０から供給された電子Ｅは、ゲート絶縁膜１４ａ内のホールＨと再結合して、当該ホールＨとともに消滅する。これにより、ゲート絶縁膜１４ａにおけるホールＨの滞留が禁止又は低減され、前述した閾値電圧の変動が抑制される。また、ボディ領域２８が電子供給領域３０によって分断されておらず、ボディ領域２８におけるホールＨの移動が制限されないことから、例えばスイッチング速度の低下といった問題を避けることもできる。
【００２６】
前述したように、電子供給領域３０の位置、大きさ及び形状については特に限定されず、様々に変更することができる。例えば図３に示すように、電子供給領域３０は、隣接する二つのトレンチ１２ｔの間に亘って設けられてもよい。このような変形例においても、電子供給領域３０は、ソース領域２２及びドリフト領域２６から離れているとともに、ゲート絶縁膜１４ａに接触しており、前述した電子供給領域３０と同様に機能することができる。なお、図３に示す断面では、ボディ領域２８が電子供給領域３０によって上下に分断されているが、図示省略する他の断面では、二つのトレンチ１２ｔの間で電子供給領域３０が連続しておらず、ボディ領域２８はドリフト領域２６から半導体基板１２の上面１２ａまで連続している。図３に示す電子供給領域３０は、例えば、ボディ領域２８へのｎ型不純物のイオン注入や、エピタキシャル成長及び反応性イオンエッチングによって形成することができる。
【００２７】
図４に示すように、電子供給領域３０は、ゲート絶縁膜１４ａ（又はその他の絶縁膜）によって取り囲まれていてもよく、ボディ領域２８と隣接する必要は必ずしもない。このような変形例においても、電子供給領域３０は、ソース領域２２及びドリフト領域２６から離れているとともに、ゲート絶縁膜１４ａに接触しており、前述した電子供給領域３０と同様に機能することができる。図４に示す電子供給領域３０は、例えば、ボディ領域２８へのｎ型不純物のイオン注入や、エピタキシャル成長及び反応性イオンエッチングによって形成することができる。そして、電子供給領域３０を形成後、その表面を酸化ケイ素といった絶縁膜で覆うとよい。
【００２８】
図５に示すように、電子供給領域３０の一部又は全部が、トレンチ１２ｔの内側へ突出するように設けられていてもよい。この場合、電子供給領域３０の全体がトレンチ１２ｔ側へ突出しており、ボディ領域２８側へ突出していないと、ボディ領域２８におけるホールＨの移動がさらに制限されず、例えばＭＯＳＦＥＴ１０に内蔵されるボディダイオードの順方向電圧を低減することができる。なお、図５に示す構造では、トレンチ１２ｔの深さ方向の中間位置で、トレンチ１２ｔの幅を狭くする必要がある。このようなトレンチ１２ｔを形成する場合は、例えば、半導体基板１２のエピタキシャル成長と、トレンチ１２ｔを形成する反応性イオンエッチングとを、複数回に亘って繰り返すとよい。
【００２９】
以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。本明細書又は図面に記載された技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示された技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３０】
１０：ＭＯＳＦＥＴ
１２：半導体基板
１２ａ：半導体基板１２の上面
１２ｂ：半導体基板１２の下面
１２ｔ：半導体基板１２のトレンチ
１４：ゲート電極
１４ａ：ゲート絶縁膜
１４ｂ：層間絶縁膜
１６：ソース電極
１８：ドレイン電極
２２：ソース領域
２４：ドレイン領域
２６：ドリフト領域
２７：ドリフト領域２６とボディ領域２８との間の界面
２８：ボディ領域
３０：電子供給領域
ＤＰＬ：空乏層
Ｅ：電子
Ｈ：ホール
【図１】
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【図２】
2018182257.tif 000004
【図３】
2018182257.tif 000005
【図４】
2018182257.tif 000006
【図５】
2018182257.tif 000007