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公開番号2024055088
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-18
出願番号2022161714
出願日2022-10-06
発明の名称スイッチング素子
出願人株式会社デンソー,トヨタ自動車株式会社,株式会社ミライズテクノロジーズ
代理人弁理士法人 快友国際特許事務所
主分類H01L 29/78 20060101AFI20240411BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】 狭チャネル効果を備えるスイッチング素子において、ソース領域のコンタクト抵抗を低減するとともに電流を分散させる。
【解決手段】 スイッチング素子は、半導体基板に設けられた複数のトレンチ内に配置されたゲート電極と、ソース電極を有する。前記各トレンチが、・隣り合う前記トレンチに挟まれた半導体領域である各トレンチ間領域が、複数の幅狭部と前記各幅狭部よりも第2方向における幅が広い複数の幅広部を有する、・前記上面において、第1方向に沿って前記幅狭部と前記幅広部が交互に配置されるとともに前記第2方向に沿って前記幅狭部と前記幅広部が前記トレンチを介して交互に配置される、という条件を満たすように、前記上面において前記第2方向に変位しながら前記第1方向に伸びている。ソース領域が、前記幅狭部と前記幅広部に跨って分布しており、前記幅広部内で前記ソース電極に接している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
スイッチング素子であって、
半導体基板(12)と、
前記半導体基板の上面に設けられた複数のトレンチ(20)と、
前記各トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜(42)と、
前記各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(44)と、
前記半導体基板の前記上面に設けられたソース電極(48)、
を有し、
複数の前記トレンチが、前記上面において前記各トレンチの長手方向が第1方向となるように配置されており、
複数の前記トレンチが、前記上面において前記第1方向に対して交差する第2方向に間隔を空けて配置されており、
前記各トレンチが、
・隣り合う前記トレンチに挟まれた半導体領域である各トレンチ間領域(30)が、複数の幅狭部(31)と前記各幅狭部よりも前記第2方向における幅が広い複数の幅広部(32)を有する、
・前記上面において、前記第1方向に沿って前記幅狭部と前記幅広部が交互に配置されるとともに前記第2方向に沿って前記幅狭部と前記幅広部が前記トレンチを介して交互に配置される、
という条件を満たすように、前記上面において前記第2方向に変位しながら前記第1方向に伸びており、
前記半導体基板が、
前記各トレンチ間領域内に配置されており、前記幅狭部と前記幅広部に跨って分布しており、前記幅広部内で前記ソース電極に接しており、前記幅狭部内で前記ゲート絶縁膜に接しているn型のソース領域(50)と、
前記各トレンチ間領域内に配置されており、前記幅狭部内の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(52)と、
前記各幅狭部内から前記複数のトレンチよりも下側の領域まで分布しており、前記幅狭部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n型のドリフト領域(56)、
を有するスイッチング素子。
続きを表示(約 780 文字)【請求項2】
前記ボディ領域が、前記幅狭部と前記幅広部に跨って分布しており、前記幅広部内で前記ソース領域の下側に配置されており、
前記ドリフト領域が、前記幅広部の下部と前記幅狭部の下部に跨って分布している、
請求項1に記載のスイッチング素子。
【請求項3】
前記半導体基板が、前記ボディ領域に接しているとともに前記幅広部側の前記トレンチの側面と前記トレンチの底面との間の角部において前記ゲート絶縁膜に接しているp型の電界緩和領域(54)を有する、請求項2に記載のスイッチング素子。
【請求項4】
前記幅狭部と前記幅広部の間の各境界部(33)において、前記幅広部から前記幅狭部に向かうに従って前記トレンチ間領域の前記第2方向における幅が徐々に狭くなっている、請求項1~3のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項5】
前記半導体基板の前記上面に、前記幅狭部を挟んでいるトレンチどうしを接続する接続トレンチ(24)が設けられている、請求項1~3のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項6】
前記各幅狭部において、前記幅広部から前記幅狭部の中央部に向かうに従って前記幅狭部の前記第2方向における幅が徐々に狭くなっており、
前記幅狭部の前記中央部において、前記幅狭部の両側に位置する前記トレンチどうしが繋がっている、請求項1~3のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項7】
前記ソース領域が、前記各幅狭部内で前記ソース電極に接している、請求項1~3のいずれか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項8】
前記ボディ領域が、前記各幅広部内で前記ソース電極に接している、請求項1~3のいずれか一項に記載のスイッチング素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本明細書に開示の技術は、スイッチング素子に関する。
続きを表示(約 3,600 文字)【0002】
特許文献1には、トレンチゲート型のスイッチング素子が開示されている。このスイッチング素子は、間隔を空けて配置された複数のトレンチを有している。各トレンチ内にゲート電極とゲート絶縁膜が配置されている。一対のトレンチの間にn型のソース領域とp型のボディ領域が設けられている。ソース領域は、各トレンチの上端部でゲート絶縁膜に接している。また、ソース領域は、半導体基板の表面に設けられたソース電極に接している。ボディ領域は、ソース領域の下側でゲート絶縁膜に接している。ボディ領域の下側には、n型のドリフト領域が設けられている。各ゲート電極に所定の電位を印加することで、トレンチ近傍のボディ領域にチャネルが形成される。すなわち、ボディ領域の両側面にチャネルが形成される。チャネルによってソース領域とドリフト領域が接続され、スイッチング素子がオンする。特許文献1には、一対のトレンチの間の間隔(すなわち、トレンチに挟まれたボディ領域の幅)を狭くすることで、ボディ領域の両側面に生じるチャネルが結合されることが記載されている。2つのチャネルが結合されることで、チャネル内の電子濃度が上昇し、チャネルの移動度が上昇する。以下では、トレンチの間の間隔を狭くすることでチャネル移動度が上昇することを、狭チャネル効果という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
英国特許出願公開第2572442号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の技術によれば、トレンチの間の間隔を狭くすることで、チャネルの移動度を上昇させることができる。しかしながら、トレンチの間の間隔を狭くすると、トレンチの間に配置されているソース領域がソース電極に対して接触する面積が小さくなる。このため、ソース領域のソース電極に対するコンタクト抵抗が高くなる。このように、単純にトレンチの間の間隔を狭くすると、チャネルの移動度が上昇する一方でソース領域のコンタクト抵抗が高くなり、スイッチング素子で生じる損失をそれほど低減することができない。
【0005】
また、図12は、ソース領域のコンタクト抵抗を低減するために新規に検討されたトレンチの配置である。図12では、半導体基板の表面に、狭い間隔で複数のゲートトレンチが配置された領域200と、ゲートトレンチが配置されていない領域300が設けられている。領域200内では、ゲートトレンチがx方向に間隔を空けて配列されている。領域200と領域300は、y方向に交互に配列されている。ソース領域は、各ゲートトレンチの間の領域(すなわち、幅が狭い領域)から領域300に跨って分布している。ソース領域は、ゲートトレンチが存在しない領域300内でソース電極に接している。図12の構造では、スイッチング素子がオンすると、領域300内でソース電極からソース領域に電子が流入する。領域300内のソース領域に流入した電子は、y方向に沿って領域200(すなわち、ゲートトレンチの間のソース領域)に流れ、領域200内でチャネルへ流れる。面積が広い領域300内では、ソース領域がソース電極に低いコンタクト抵抗で接している。また、領域200内では、狭チャネル効果により高いチャネル移動度を実現される。このように、図12の構造によれば、ソース領域のコンタクト抵抗を低減しながら高いチャネル移動度を実現できる。
【0006】
しかしながら、図12の構造では、領域300にチャネルが形成されないので、チャネルを通過した後の電子が領域300にほとんど電流が流れない。すなわち、領域300における電流密度が低く、領域200に電流が集中する。このため、電流集中により抵抗が増加する。また、電流集中による局所的な温度上昇が生じ、スイッチング素子の耐久性に問題が生じる。本明細書では、狭チャネル効果が得られるスイッチング素子において、ソース領域のコンタクト抵抗を低減するとともに電流を分散させる技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本明細書が開示するスイッチング素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上面に設けられた複数のトレンチと、前記各トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、前記各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、前記半導体基板の前記上面に設けられたソース電極、を有する。複数の前記トレンチが、前記上面において前記各トレンチの長手方向が第1方向となるように配置されている。複数の前記トレンチが、前記上面において前記第1方向に対して交差する第2方向に間隔を空けて配置されている。前記各トレンチが、・隣り合う前記トレンチに挟まれた半導体領域である各トレンチ間領域が、複数の幅狭部と前記各幅狭部よりも前記第2方向における幅が広い複数の幅広部を有する、・前記上面において、前記第1方向に沿って前記幅狭部と前記幅広部が交互に配置されるとともに前記第2方向に沿って前記幅狭部と前記幅広部が前記トレンチを介して交互に配置される、という条件を満たすように、前記上面において前記第2方向に変位しながら前記第1方向に伸びている。前記半導体基板が、ソース領域と、ボディ領域と、ドリフト領域を有する。前記ソース領域は、前記各トレンチ間領域内に配置されており、前記幅狭部と前記幅広部に跨って分布しており、前記幅広部内で前記ソース電極に接しており、前記幅狭部内で前記ゲート絶縁膜に接しているn型領域である。前記ボディ領域は、前記各トレンチ間領域内に配置されており、前記幅狭部内の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型領域である。前記ドリフト領域は、前記各幅狭部内から前記複数のトレンチよりも下側の領域まで分布しており、前記幅狭部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n型領域である。
【0008】
このスイッチング素子では、各トレンチ間領域が、幅狭部と幅広部を有している。幅狭部内のボディ領域では、狭チャネル効果により高いチャネル移動度を実現することができる。また、ソース領域は、幅狭部から幅広部に跨って分布しており、幅広部内でソース電極に接している。幅広部の幅が広いので、ソース領域はソース電極に対して低いコンタクト抵抗で接触している。このように、このスイッチング素子の構造によれば、狭チャネル効果によって高いチャネル移動度を実現できるとともに、ソース領域のコンタクト抵抗を低減することができる。また、幅広部は、電流が流れる構造とすることもできるし、電流が流れない構造とすることもできる。幅広部に電流が流れる構造の場合であっても、幅広部では狭チャネル効果が得られないので、幅広部に流れる電流は幅狭部に流れる電流よりもはるかに小さい。このスイッチング素子では、幅広部と幅狭部が第1方向及び第2方向において交互に配置されている。このため、幅狭部が分散して配置されている。したがって、このスイッチング素子の構造によれば、半導体基板に分散して電流を流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
実施例1のスイッチング素子の縦断面を含む斜視図。
実施例1のスイッチング素子のx方向に沿う縦断面を示す図。
実施例1のスイッチング素子のy方向に沿う縦断面を示す図。
実施例1のスイッチング素子の上面におけるトレンチの配置を示す平面図。
実施例1の変形例1のスイッチング素子のx方向に沿う縦断面を示す図。
実施例1の変形例2のスイッチング素子のx方向に沿う縦断面を示す図。
実施例2のスイッチング素子の上面におけるトレンチの配置を示す平面図。
実施例3のスイッチング素子の上面におけるトレンチの配置を示す平面図。
実施例3のスイッチング素子のトレンチ形成工程の説明図。
実施例4のスイッチング素子の上面におけるトレンチの配置を示す平面図。
実施例4の変形例のスイッチング素子の上面におけるトレンチの配置を示す平面図。
比較例のトレンチの配置を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本明細書が開示する一例のスイッチング素子では、前記ボディ領域が、前記幅狭部と前記幅広部に跨って分布しており、前記幅広部内で前記ソース領域の下側に配置されていてもよい。前記ドリフト領域が、前記幅広部の下部と前記幅狭部の下部に跨って分布していてもよい。
(【0011】以降は省略されています)

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