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JP6709425B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP6709425B2 JP2016109253A JP2016109253A JP6709425B2 JP 6709425 B2 JP6709425 B2 JP 6709425B2 JP 2016109253 A JP2016109253 A JP 2016109253A JP 2016109253 A JP2016109253 A JP 2016109253A JP 6709425 B2 JP6709425 B2 JP 6709425B2
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Description

本発明は、半導体の厚み方向にキャリアが移動する縦型の半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a vertical semiconductor equipment of the carrier is moved to the semiconductor in a thickness direction.

半導体層の厚み方向に電流が流れる縦型の半導体装置の厚みは、原理的に決定される電界分布により、耐圧に必要とされる厚さが決まる。しかし、縦型の半導体装置は、薄くなるほど低抵抗化できるが、低抵抗化とすると反対に耐圧は低下する。そこで、耐圧に必要とされる厚み限界よりも薄くしても、高耐圧化が図れるように検討された特許文献1および非特許文献1に記載の従来の半導体装置が知られている。 The thickness of the vertical semiconductor device in which a current flows in the thickness direction of the semiconductor layer is determined by the electric field distribution that is determined in principle, and the thickness required for the breakdown voltage is determined. However, the vertical type semiconductor device can have a lower resistance as it becomes thinner, but if the resistance is made lower, the withstand voltage lowers. Therefore, there are known conventional semiconductor devices described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, which have been studied so as to have a high breakdown voltage even if the thickness is smaller than the thickness limit required for the breakdown voltage.

特許文献1に記載の半導体装置は、半導体基板に、基板断面においては短冊状となり、基板面においてはp導電型とn導電型が繰り返しパターンとなるpnコラムが形成され、このpnコラムを構成要素の一部として、繰り返しパターンのある領域に、複数個の同じ半導体装置の残りの構成要素が形成され、複数個の同じ半導体装置が形成された領域から、個々の半導体装置がチップに切り出されてなるものである。この特許文献1では、精密なアライメントを行わずに、ストライプ状のトレンチをpnコラムに直交するように、先端をpnコラムに突き出して形成することで、トレンチゲート電極がどの位置にあっても、pnコラムの空乏化には影響なく、ほぼ等しい耐圧が得られるので、高耐圧・低オン抵抗の縦型MOSFETとすることができる。 In the semiconductor device described in Patent Document 1, a semiconductor substrate has a strip shape in a substrate cross section, and a pn column having a repeating pattern of p-conductivity type and n-conductivity type is formed on a substrate surface, and the pn column is a constituent element. As a part of the above, a plurality of remaining constituent elements of the same semiconductor device are formed in a region having a repeated pattern, and individual semiconductor devices are cut into chips from the region where the plurality of same semiconductor devices are formed. It will be. In this patent document 1, the stripe-shaped trench is formed so as to be orthogonal to the pn column so that the tip of the trench protrudes into the pn column without performing precise alignment. Since the depletion of the pn column is not affected and almost the same breakdown voltage is obtained, a vertical MOSFET with high breakdown voltage and low on-resistance can be obtained.

更に、非特許文献1には、低濃度層と高濃度層とを組み合わせることにより電界分布を変化させて、半導体装置の厚みを、必要とされる厚み限界より薄くする方法が記載されている。 Furthermore, Non-Patent Document 1 describes a method in which the electric field distribution is changed by combining a low-concentration layer and a high-concentration layer to reduce the thickness of the semiconductor device below a required thickness limit.

特開2004−356577号公報JP 2004-356577 A

M.Tsukuda et al.、「Critical IGBT Design Regarding EMI and Switching Losses」、ISPSD2008、2008,p185-188M. Tsukuda et al., "Critical IGBT Design Regarding EMI and Switching Losses", ISPSD2008, 2008, p185-188

しかし、特許文献1に記載の半導体装置は、スーパージャンクション構造を採用しているため、製造プロセスが長くなるという課題がある。
更に、非特許文献1によると、低濃度層と高濃度層とを組み合わせることにより、製造プロセスが複雑で長くなる。
However, since the semiconductor device described in Patent Document 1 adopts the super junction structure, there is a problem that the manufacturing process becomes long.
Further, according to Non-Patent Document 1, by combining the low concentration layer and the high concentration layer, the manufacturing process becomes complicated and long.

従って、簡素な構造でありながらも、更なる、高耐圧化と低抵抗化との両方を図ることが可能な半導体装置が求められている。 Therefore, there is a demand for a semiconductor device which has a simple structure and is capable of achieving both higher breakdown voltage and lower resistance.

そこで本発明は、高耐圧化と低抵抗化とを図ることができる半導体装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention aims at providing a semiconductor equipment capable of achieving a high breakdown voltage and low resistance.

本発明は、第1導電型の半導体層と、前記半導体層の厚み方向の両側に配置された第1電極および第2電極と、前記半導体層の厚み方向に沿って前記半導体層に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に沿って形成され、非導通状態のときに前記半導体層における少数キャリアが誘引される前記第1電極と同極性となる第3電極とを備えた縦型の半導体装置であって、前記半導体層と前記絶縁膜との界面が凹凸面をなすことを特徴とするものである。 According to the present invention, a semiconductor layer of a first conductivity type, a first electrode and a second electrode arranged on both sides of the semiconductor layer in the thickness direction, and a semiconductor layer formed along the thickness direction of the semiconductor layer are formed. Vertical semiconductor device including an insulating film and a third electrode that is formed along the insulating film and has the same polarity as the first electrode that attracts minority carriers in the semiconductor layer when in a non-conducting state The interface between the semiconductor layer and the insulating film forms an uneven surface.

本発明の半導体装置によれば、半導体層における少数キャリアが誘引される第1電極と同極性となる第3電極と、半導体層との界面が凹凸面をなす絶縁膜とを備えたことにより、非導通状態のときの電界分布が、厚み方向に沿って一定となる方向に変化する。従って、半導体層との界面が平坦である絶縁膜の半導体装置と比較して、同じ耐圧であれば半導体層の厚みを薄くすることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, by including the third electrode having the same polarity as the first electrode in which minority carriers are attracted in the semiconductor layer and the insulating film having an uneven surface at the interface with the semiconductor layer, The electric field distribution in the non-conducting state changes in a constant direction along the thickness direction. Therefore, as compared with a semiconductor device having an insulating film whose interface with the semiconductor layer is flat, the thickness of the semiconductor layer can be reduced if the withstand voltage is the same.

前記絶縁膜と前記第3電極とは、前記半導体層に形成されたトレンチの内側に形成されたものとすることができる。半導体層に形成されたトレンチに絶縁膜と第3電極を形成することで、半導体層の厚み方向に沿って絶縁膜および第3電極を容易に形成することができる。 The insulating film and the third electrode may be formed inside a trench formed in the semiconductor layer. By forming the insulating film and the third electrode in the trench formed in the semiconductor layer, the insulating film and the third electrode can be easily formed along the thickness direction of the semiconductor layer.

前記第3電極を、半導体膜による半導体電極により形成することができる。第3電極を半導体電極により形成することで、トレンチ内部に形成された狭い領域でも第3電極を形成することができる。 The third electrode may be formed of a semiconductor electrode made of a semiconductor film. By forming the third electrode by a semiconductor electrode, the third electrode can be formed even in a narrow region formed inside the trench.

絶縁膜における前記凹凸面の高さの差を凸部の繰り返し間隔で割った比率を、0.05より大きくすると、ノイズ電圧を急激に改善させることができる。
また、前記絶縁膜における前記凹凸面を、高さの差が0.1μmより大きくなるようにしても、ノイズ電圧を急激に改善させることができる。従って、絶縁膜における凹凸面において、高さの差を凸部の繰り返し間隔で割った比率が0.05より大きくしたり、高さの差が0.1μmより大きくなるようにしたりすることが好ましい。
When the ratio of the height difference of the uneven surface of the insulating film divided by the repeating interval of the convex portions is set to be larger than 0.05, the noise voltage can be sharply improved.
Even if the height difference of the uneven surface of the insulating film is larger than 0.1 μm, the noise voltage can be rapidly improved. Therefore, on the uneven surface of the insulating film, it is preferable that the ratio of the height difference divided by the repeating interval of the protrusions is larger than 0.05, or the height difference is larger than 0.1 μm. ..

前記凹凸面が、連続した三角形状に形成されていると、ボッシュプロセスなどで高速に効果的な形状を作製することが可能である。 When the uneven surface is formed in a continuous triangular shape, it is possible to produce an effective shape at high speed by the Bosch process or the like.

前記半導体層に前記第1電極が接することでユニポーラ型の半導体装置とすることができる。また、前記半導体層と前記第1電極との間に第2導電型の半導体層が形成されていることで、バイポーラ型の半導体装置とすることができる。 When the first electrode is in contact with the semiconductor layer, a unipolar semiconductor device can be obtained. Further, since the semiconductor layer of the second conductivity type is formed between the semiconductor layer and the first electrode, a bipolar semiconductor device can be obtained.

本発明は、絶縁膜および第3電極を有していない従来の半導体装置や、半導体層との界面が平坦である絶縁膜を有する従来の半導体装置と比較して、同じ耐圧であれば半導体層の厚みを薄くすることができるので、高耐圧化と低抵抗化とを図ることができる。 The present invention provides a semiconductor layer having the same breakdown voltage as compared with a conventional semiconductor device having no insulating film and a third electrode and a conventional semiconductor device having an insulating film having a flat interface with the semiconductor layer. Since it is possible to reduce the thickness, it is possible to achieve high breakdown voltage and low resistance.

本発明の実施の形態1に係るショットキーバリアダイオードを示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the Schottky barrier diode according to the first embodiment of the present invention. (A)〜(D)は、図1に示すショットキーバリアダイオードの製造方法を説明するための図である。(A)-(D) is a figure for demonstrating the manufacturing method of the Schottky barrier diode shown in FIG. (A)〜(D)は、図2に続くショットキーバリアダイオードの製造方法を説明するための図である。(A)-(D) is a figure for demonstrating the manufacturing method of the Schottky barrier diode following FIG. (A)はボッシュプロセスによるエッチングにより形成されたトレンチを示す図であり、(B)は(A)の絶縁膜とシリコン基板との界面部分を拡大した図である。(A) is a diagram showing a trench formed by etching by a Bosch process, and (B) is an enlarged view of an interface portion between the insulating film of (A) and the silicon substrate. ショットキーバリアダイオードの構成と非導通状態の電界分布とを模式的に示す図であり、(A)は非トレンチ構造のショットキーバリアダイオードの図、(B)は従来のトレンチ構造のショットキーバリアダイオードの図、(C)は本発明の実施1に係るトレンチ構造のショットキーバリアダイオードの図である。It is a figure which shows typically the structure of a Schottky barrier diode, and the electric field distribution of a non-conduction state, (A) is a figure of the Schottky barrier diode of a non-trench structure, (B) is the conventional Schottky barrier of a trench structure. FIG. 1C is a diagram of a diode, and FIG. 1C is a diagram of a Schottky barrier diode having a trench structure according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係るPINダイオードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the PIN diode which concerns on Embodiment 2 of this invention. (A)〜(D)は、図6に示すPINダイオードの製造方法を説明するための図である。(A)-(D) is a figure for demonstrating the manufacturing method of the PIN diode shown in FIG. (A)〜(D)は、図7に続くPINダイオードの製造方法を説明するための図である。(A)-(D) is a figure for demonstrating the manufacturing method of the PIN diode following FIG. PINダイオードのシミュレーションモデルを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the simulation model of a PIN diode. 発明品と比較品との順方向電圧に対する逆回復損失を示すグラフである。It is a graph which shows the reverse recovery loss with respect to the forward voltage of an invention product and a comparative product. 発明品と比較品との順方向電圧に対するチップ面積を示すグラフである。6 is a graph showing the chip area with respect to the forward voltage of the invention product and the comparative product. スイッチング時の電圧および電流の波形を示す図であり、(A)は比較品Aの波形を示す図、(B)は比較品Bの波形を示す図、(C)は発明品の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the voltage and the electric current at the time of switching, (A) is a figure which shows the waveform of the comparative product A, (B) is a figure which shows the waveform of the comparative product B, (C) shows the waveform of an invention product. It is a figure. 比較品A、比較品Bおよび発明品の逆回復後の時間経過に伴う正孔の拡散度合いを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the diffusion degree of the hole with time progress after the reverse recovery of the comparative product A, the comparative product B, and the invention product. 発明品における絶縁膜の凹凸面の高さの差と、凸部の繰り返し間隔とによる比率と、ノイズ電圧の最大値との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the difference in height of the uneven surface of the insulating film in the invention product and the ratio of the repeating interval of the convex portions, and the maximum value of the noise voltage. 発明品における絶縁膜の高さの差とノイズ電圧の最大値との関係を示すグラフである。7 is a graph showing the relationship between the difference in height of the insulating film and the maximum value of noise voltage in the invention product. 図6に示す実施の形態2に係るPINダイオードの第1変形例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first modification example of the PIN diode according to the second embodiment shown in FIG. 6. 図6に示す実施の形態2に係るPINダイオードの第2変形例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a second modification of the PIN diode according to the second embodiment shown in FIG. 6. 本発明の実施の形態3に係るIGBTを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the IGBT which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係るパワーMOSFETを示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a power MOSFET according to a fourth embodiment of the present invention. (A)は溝状のトレンチを示す図、(B)はドット状のトレンチを示す図である。(A) is a figure which shows a groove-shaped trench, (B) is a figure which shows a dot-shaped trench. 図1に示すショットキーバリアダイオードの変形例の断面図である。It is sectional drawing of the modification of the Schottky barrier diode shown in FIG.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る半導体装置を図面に基づいて説明する。実施の形態1に係る半導体装置は、ユニポーラ型の半導体装置の一例であるショットキーバリアダイオード(以下、ショットキーバリアダイオードをSBDと略す。)である。
図1に示すSBD100は、半導体層であるシリコン基板101と、シリコン基板101の主面に形成されたカソード層103と、シリコン基板101の厚み方向F1の両側に配置されたアノード電極104およびカソード電極105とを備えている。
(Embodiment 1)
A semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor device according to the first embodiment is a Schottky barrier diode (hereinafter, the Schottky barrier diode is abbreviated as SBD) which is an example of a unipolar semiconductor device.
The SBD 100 shown in FIG. 1 includes a silicon substrate 101 which is a semiconductor layer, a cathode layer 103 formed on the main surface of the silicon substrate 101, an anode electrode 104 and a cathode electrode arranged on both sides of the silicon substrate 101 in the thickness direction F1. And 105.

シリコン基板101は、第1導電型であるN型の半導体基板から形成されている。シリコン基板101は、シリコン基板だけで形成することができるが、シリコン基板となるウエハにエピ層を形成したものとしてもよい。
シリコン基板101には、複数のトレンチ106が形成されている。トレンチ106はシリコン基板101の厚み方向F1を深さ方向とする溝である。
The silicon substrate 101 is formed of an N-type semiconductor substrate of the first conductivity type. The silicon substrate 101 can be formed of only a silicon substrate, but may be formed by forming an epi layer on a wafer to be a silicon substrate.
A plurality of trenches 106 are formed in the silicon substrate 101. The trench 106 is a groove whose depth direction is the thickness direction F1 of the silicon substrate 101.

トレンチ106の内面には、その全域を覆うように、絶縁膜107が形成されている。絶縁膜107は、例えば、シリコン酸化膜により形成することができる。 An insulating film 107 is formed on the inner surface of the trench 106 so as to cover the entire area thereof. The insulating film 107 can be formed of, for example, a silicon oxide film.

アノード電極104は、シリコン基板101に接するように形成されている。また、カソード電極105は、カソード層103に接するように形成されている。カソード電極105は、第2電極として機能する。
アノード電極104は、第1電極として機能する金属電極104bと、第3電極として機能する半導体電極104aとを備えている。
The anode electrode 104 is formed so as to be in contact with the silicon substrate 101. The cathode electrode 105 is formed so as to be in contact with the cathode layer 103. The cathode electrode 105 functions as a second electrode.
The anode electrode 104 includes a metal electrode 104b that functions as a first electrode and a semiconductor electrode 104a that functions as a third electrode.

金属電極104bは、半導体電極104aを覆うと共に、シリコン基板101を覆うように形成されている。金属電極104bはアルミ電極とすることができる。
半導体電極104aは、絶縁膜107の内側に配置されると共に、絶縁膜107の開口を塞ぐように形成されている。半導体電極104aは、半導体膜により形成することができ、例えば、ポリシリコン電極とすることができる。半導体電極104aは、金属電極104bと接して電気的に接続されているため、同極性となる。
The metal electrode 104b is formed so as to cover the semiconductor electrode 104a and also cover the silicon substrate 101. The metal electrode 104b can be an aluminum electrode.
The semiconductor electrode 104a is arranged inside the insulating film 107 and is formed so as to close the opening of the insulating film 107. The semiconductor electrode 104a can be formed of a semiconductor film, and can be, for example, a polysilicon electrode. The semiconductor electrode 104a has the same polarity because it is in contact with and electrically connected to the metal electrode 104b.

SBD100は、アノード電極104とカソード電極105とに、順方向電圧から逆方向電圧が印加されると非導通状態となる。このとき、N型半導体によるシリコン基板101の少数キャリアである正孔は、アノード電極104の金属電極104bに誘引される。 The SBD 100 becomes non-conductive when the forward voltage and the reverse voltage are applied to the anode electrode 104 and the cathode electrode 105. At this time, holes, which are minority carriers of the N-type semiconductor of the silicon substrate 101, are attracted to the metal electrode 104b of the anode electrode 104.

カソード電極105は、カソード層103全域を覆うように形成された金属電極である。カソード電極105は、アルミ電極とすることができる。 The cathode electrode 105 is a metal electrode formed so as to cover the entire area of the cathode layer 103. The cathode electrode 105 can be an aluminum electrode.

ここで、シリコン基板101と絶縁膜107との界面について説明する。
シリコン基板101と絶縁膜107との界面は、シリコン基板101の出っ張りが嵌まる絶縁膜107の引っ込みと、シリコン基板101の引っ込みに嵌まる絶縁膜107の出っ張りとが交互に繰り返すことで凹凸面S1により形成されている。この凹凸面S1は、三角形状の突状部が連続的に深さ方向に沿って並んでいる。
凹凸面S1は、絶縁膜107の凸部107bの頂部から凹部107aの底部までの深さが、0.1μmより深いことが望ましい。また、凸部107bの繰り返し間隔は2μmであることが望ましい。
Here, the interface between the silicon substrate 101 and the insulating film 107 will be described.
At the interface between the silicon substrate 101 and the insulating film 107, the recessed surface of the insulating film 107 in which the protrusion of the silicon substrate 101 fits and the protruding portion of the insulating film 107 that fits in the recess of the silicon substrate 101 are alternately repeated to form the uneven surface S1. It is formed by. On the uneven surface S1, triangular protrusions are continuously arranged in the depth direction.
It is desirable that the uneven surface S1 has a depth from the top of the convex portion 107b of the insulating film 107 to the bottom of the concave portion 107a that is deeper than 0.1 μm. Further, it is desirable that the repeating interval of the convex portions 107b is 2 μm.

以上のように構成された本発明の実施の形態1に係るSBD100の製造方法を図面に基づいて説明する。
まず、図2(A)に示すように、ウエハ状態のシリコン基板110の一面側に、フォトレジスト112を形成する。
次に、図2(B)に示すように、フォトレジスト112から、トレンチ106となる溝の領域を除去し、ボッシュプロセスにより、シリコン基板110に、トレンチ106を形成する。これにより、SBD100(図1参照)としてのシリコン基板101となる。
A method of manufacturing the SBD 100 according to the first embodiment of the present invention configured as above will be described with reference to the drawings.
First, as shown in FIG. 2A, a photoresist 112 is formed on one surface of a silicon substrate 110 in a wafer state.
Next, as shown in FIG. 2B, the region of the groove to be the trench 106 is removed from the photoresist 112, and the trench 106 is formed in the silicon substrate 110 by the Bosch process. As a result, the silicon substrate 101 as the SBD 100 (see FIG. 1) is obtained.

ボッシュプロセスは、エッチングと、エッチングからの側壁面の保護とを繰り返し、等方的なエッチングと異方的なエッチングとが交互に作用することで、アスペクト比の高い溝を形成する方法である。このようにボッシュプロセスにより、シリコン基板110にトレンチ106を形成することで、側壁面106aに凹凸面S1ができる。 The Bosch process is a method in which a groove having a high aspect ratio is formed by repeating etching and protection of the side wall surface from etching and alternating isotropic etching and anisotropic etching. Thus, by forming the trenches 106 in the silicon substrate 110 by the Bosch process, the uneven surface S1 is formed on the side wall surface 106a.

次に、図2(C)に示すように、フォトレジストを除去した後に、シリコン基板101上の領域と、トレンチ106内とに絶縁膜113を形成する。
次に、図2(D)に示すように、絶縁膜113をシリコン基板101が露出するまで研磨した後、トレンチ106の側壁面と底面とに絶縁膜113の厚みを残すようなエッチングを行って、トレンチ106の溝方向に沿った溝114を形成して、絶縁膜107を形成する。トレンチ106の内側に絶縁膜107が形成されることで、トレンチ106の側壁面の凹凸面S1に応じた凹凸が、絶縁膜107にできる。
Next, as shown in FIG. 2C, after removing the photoresist, an insulating film 113 is formed in the region on the silicon substrate 101 and in the trench 106.
Next, as shown in FIG. 2D, after the insulating film 113 is polished until the silicon substrate 101 is exposed, etching is performed to leave the thickness of the insulating film 113 on the sidewall surface and the bottom surface of the trench 106. A groove 114 is formed along the groove direction of the trench 106 to form an insulating film 107. By forming the insulating film 107 inside the trench 106, unevenness corresponding to the uneven surface S1 of the sidewall surface of the trench 106 can be formed in the insulating film 107.

次に、絶縁膜107上に、ポリシリコン層を形成した後に、図3(A)に示すように、エッチングにより不要な部分を除去することで、ポリシリコンによる半導体電極104aを形成する。半導体電極104aをポリシリコン電極とすることで、溝幅が狭い溝114(図2(D)参照)であっても、電極を形成することができる。このように、トレンチ106を形成し、絶縁膜107および半導体電極104aを、トレンチ106の内部に形成することで、容易に絶縁膜107および半導体電極104aを、シリコン基板101の厚み方向に沿って配置することができる。 Next, after forming a polysilicon layer on the insulating film 107, an unnecessary portion is removed by etching to form a semiconductor electrode 104a made of polysilicon, as shown in FIG. By using the polysilicon electrode as the semiconductor electrode 104a, an electrode can be formed even if the groove 114 has a narrow groove width (see FIG. 2D). By thus forming the trench 106 and forming the insulating film 107 and the semiconductor electrode 104a inside the trench 106, the insulating film 107 and the semiconductor electrode 104a can be easily arranged along the thickness direction of the silicon substrate 101. can do.

次に、図3(B)に示すように、半導体電極104a上に金属電極104bを形成して、アノード電極104を形成する。
次に、図3(C)に示すように、アノード電極104側とは反対側となるシリコン基板101の他面に、カソード層103を形成する。
そして、図3(D)に示すように、カソード層103に、カソード電極105を形成して、SBD100が完成する。
Next, as shown in FIG. 3B, the metal electrode 104b is formed on the semiconductor electrode 104a to form the anode electrode 104.
Next, as shown in FIG. 3C, a cathode layer 103 is formed on the other surface of the silicon substrate 101, which is the opposite side to the anode electrode 104 side.
Then, as shown in FIG. 3D, the cathode electrode 105 is formed on the cathode layer 103 to complete the SBD 100.

シリコン基板101にボッシュプロセスによりトレンチ106を形成したときの状態を、図4にて写真で示す。図4(A)に示す例は、シリコン基板にボッシュプロセスによるエッチングにより掘削したトレンチに、写真撮影用に樹脂を充填したものである。図4(B)に示す写真から判るように、シリコン基板側が少し凹んだ曲面が連続する鋸状の凹凸面となっている。
ボッシュプロセスによる凹凸は、パワー半導体の電気特性や信頼性の劣化原因となるので、通常は凹凸が形成されにくい条件でトレンチを掘ったりボッシュプロセス後に犠牲酸化や薬液処理などを用いたりして平坦化される。しかし、本発明では、非導通状態のときに絶縁膜(酸化膜)による凹凸形状を利用するため、キャリアの移動速度が遅い方が望ましいことと、厚い酸化膜で信頼性の低下を防ぐことができるので、通常、悪影響を及ぼすと考えられていたこの凹凸形状を利用したパワー半導体の特性向上が可能である。
FIG. 4 is a photograph showing a state in which the trench 106 is formed on the silicon substrate 101 by the Bosch process. In the example shown in FIG. 4A, a trench formed by etching a silicon substrate by etching by a Bosch process is filled with resin for photography. As can be seen from the photograph shown in FIG. 4B, the curved surface slightly concave on the silicon substrate side is a continuous saw-tooth uneven surface.
Since the unevenness due to the Bosch process causes deterioration of the electrical characteristics and reliability of the power semiconductor, it is usually flattened by digging a trench under conditions where unevenness is difficult to form or using sacrificial oxidation or chemical solution treatment after the Bosch process. To be done. However, in the present invention, since the uneven shape due to the insulating film (oxide film) is used in the non-conduction state, it is desirable that the carrier moving speed is slower and that the reliability can be prevented from being lowered by the thick oxide film. Therefore, it is possible to improve the characteristics of the power semiconductor by utilizing this uneven shape, which is generally considered to have an adverse effect.

このシリコン酸化膜などの酸化膜により形成された絶縁膜107は厚みが厚い方が高耐圧化するため望ましい。例えば、酸化膜の厚みが1μmであれば、1kVの耐圧を確保できる。従って、絶縁膜107は、酸化膜厚(μm)/最大電圧(kV)≧1を満足する厚みとすることが望ましい。
このような厚みの絶縁膜107とすることで、アノード電極104とカソード電極105とに電圧が印加されるときに、その最大電圧が全て絶縁膜107に掛かっても絶縁破壊を起こすことが防止できる。
It is preferable that the insulating film 107 formed of an oxide film such as a silicon oxide film has a large thickness because the withstand voltage is increased. For example, if the thickness of the oxide film is 1 μm, a withstand voltage of 1 kV can be secured. Therefore, it is desirable that the insulating film 107 has a thickness that satisfies the oxide film thickness (μm)/maximum voltage (kV)≧1.
With the insulating film 107 having such a thickness, when a voltage is applied to the anode electrode 104 and the cathode electrode 105, it is possible to prevent dielectric breakdown even if the maximum voltage is applied to the insulating film 107. ..

このように作製されるSTB100の電界分布について、図面に基づいて説明する。
図5では、図1に示すSTB100と、STB100と比較するために、第3電極として機能する半導体電極および絶縁膜を有しない非トレンチ構造のSBD100aと、シリコン基板および絶縁膜の界面が凹凸面となっていない平坦面のSBD100bとの、非導通状態の電界分布を示している。
The electric field distribution of the STB 100 thus manufactured will be described with reference to the drawings.
In FIG. 5, in order to compare the STB 100 shown in FIG. 1 with the STB 100, a semiconductor electrode that functions as a third electrode and a non-trench structure SBD 100 a that does not have an insulating film, and an interface between the silicon substrate and the insulating film have an uneven surface. The electric field distribution in a non-conducting state with the flat surface SBD 100b is not shown.

図5(A)に示すSBD100aにおける電界分布は、アノード電極A1とシリコン基板SB1との主接合部分からカソード電極C1への厚み方向(深さ方向)へ進むに従って比例的に減少する。電界分布の積分値が電圧であるため、耐圧として必要な電圧の面積の三角形を設定し、ノイズの抑制も考慮することで、耐圧に必要なシリコン基板SB1の厚みを決定することができる。 The electric field distribution in the SBD 100a shown in FIG. 5A decreases proportionally as it progresses in the thickness direction (depth direction) from the main junction between the anode electrode A1 and the silicon substrate SB1 to the cathode electrode C1. Since the integral value of the electric field distribution is a voltage, the thickness of the silicon substrate SB1 required for the withstand voltage can be determined by setting a triangle of the area of the voltage required for the withstand voltage and taking noise suppression into consideration.

図5(B)に示すSBD100bでは、半導体電極104aに電圧が印加され、絶縁膜107に電圧が加わることでシリコン基板SB2に掛かる電圧が変化する。従って、SBD100bにおける電界分布は、シリコン基板SB2の厚み方向(深さ方向)へ進むに従って減少するが、途中から徐々に増加する凹状となる。従って、電圧を示す電圧分布の面積が同じであれば、図5(A)に示す三角形状の電界分布から求められるシリコン基板SB1の厚みより、図5(B)に示す電界分布から求められるシリコン基板SB2の厚みの方が、薄くすることができる。 In the SBD 100b shown in FIG. 5B, the voltage applied to the semiconductor electrode 104a and the voltage applied to the insulating film 107 change the voltage applied to the silicon substrate SB2. Therefore, the electric field distribution in the SBD 100b becomes a concave shape that decreases as it progresses in the thickness direction (depth direction) of the silicon substrate SB2, but gradually increases from the middle. Therefore, if the area of the voltage distribution showing the voltage is the same, the silicon obtained from the electric field distribution shown in FIG. 5B from the thickness of the silicon substrate SB1 obtained from the triangular electric field distribution shown in FIG. The thickness of the substrate SB2 can be made thinner.

図5(C)に示す本実施の形態1に係るSBD100は、絶縁膜107とシリコン基板101との界面に凹凸面S1が形成されている。従って、SBD100における電界分布は、図5(B)と同様に、絶縁膜107に電圧が加わることでシリコン基板101に掛かる電圧が変化するだけでなく、凹凸面S1の影響により、シリコン基板SB2の厚み方向(深さ方向)に向かって強度が一定となる方向に変化する。従って、図5(B)に示す電界分布から求められるシリコン基板SB2の厚みより、電圧を示す電界分布の面積が同じであれば、図5(C)に示す電界分布から求められるシリコン基板101の厚みの方が、更に、薄くすることができる。 In the SBD 100 according to the first embodiment shown in FIG. 5C, the uneven surface S1 is formed at the interface between the insulating film 107 and the silicon substrate 101. Therefore, the electric field distribution in the SBD 100 not only changes the voltage applied to the silicon substrate 101 by applying a voltage to the insulating film 107, but also affects the silicon substrate SB2 due to the uneven surface S1 as in FIG. 5B. The strength changes in the thickness direction (depth direction) so that the strength becomes constant. Therefore, if the area of the electric field distribution showing the voltage is the same as the thickness of the silicon substrate SB2 obtained from the electric field distribution shown in FIG. 5B, the silicon substrate 101 obtained from the electric field distribution shown in FIG. The thickness can be further reduced.

SBDの抵抗は、シリコン基板の厚みに比例するため、本実施の形態1に係るSBD100は、図5(A)に示すSBD100aおよび図5(B)に示すSBD100bと同じ高耐圧でありながら、薄型化が可能なので低抵抗化することができる。
また、図5(C)に示すSBD100におけるシリコン基板101および図5(B)に示すSBD100bにおけるシリコン基板SB2は、図5(A)SBD100aにおけるシリコン基板SB1の不純物の濃度より高い濃度とすることができる。従って、シリコン基板101は、SBD100aより、単位長さ当たりの抵抗値を低下させることができる。
Since the resistance of the SBD is proportional to the thickness of the silicon substrate, the SBD 100 according to the first embodiment has the same high breakdown voltage as the SBD 100a shown in FIG. 5A and the SBD 100b shown in FIG. Since it is possible to reduce the resistance, it is possible to reduce the resistance.
The silicon substrate 101 in the SBD 100 shown in FIG. 5C and the silicon substrate SB2 in the SBD 100b shown in FIG. 5B may have a higher concentration than the impurity concentration of the silicon substrate SB1 in the SBD 100a shown in FIG. 5A. it can. Therefore, the silicon substrate 101 can have a lower resistance value per unit length than the SBD 100a.

以上のように、本発明の実施の形態1に係るSBD100は、シリコン基板101と絶縁膜107との界面が凹凸面S1に形成されているため、簡素な構造でありながらも、高耐圧化と低抵抗化との両方を図ることができる。また、凹凸面S1が、連続した三角形状に形成されているため、ボッシュプロセスなどで高速に効果的な形状を作製することが可能である。 As described above, in the SBD 100 according to the first embodiment of the present invention, the interface between the silicon substrate 101 and the insulating film 107 is formed on the uneven surface S1. Both low resistance can be achieved. Further, since the uneven surface S1 is formed in a continuous triangular shape, it is possible to produce an effective shape at high speed by the Bosch process or the like.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態1に係る半導体装置を図面に基づいて説明する。実施の形態2に係る半導体装置は、バイポーラ型の半導体装置の一例であるPINダイオードである。なお、図6においては、図1と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図6に示すPINダイオード200は、半導体層であるシリコン基板101と、シリコン基板101の厚み方向F1の一面側に形成されたアノード層102と、シリコン基板101の厚み方向F1の他面側に形成されたカソード層103と、厚み方向F1の両側に配置されたアノード電極104およびカソード電極105とを備えている。
(Embodiment 2)
A semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor device according to the second embodiment is a PIN diode which is an example of a bipolar semiconductor device. In FIG. 6, the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
The PIN diode 200 shown in FIG. 6 is formed on the silicon substrate 101 which is a semiconductor layer, the anode layer 102 formed on one side of the silicon substrate 101 in the thickness direction F1 and the other side of the silicon substrate 101 in the thickness direction F1. And a cathode layer 103, and an anode electrode 104 and a cathode electrode 105 arranged on both sides in the thickness direction F1.

シリコン基板101は、N-型の半導体基板から形成され、PINダイオード200の高抵抗領域として機能するものである。高抵抗領域は、実施の形態1と同様に、シリコン基板101だけで形成することができるが、シリコン基板にエピ層を形成したものとしてもよい。アノード層102は、トレンチ106が形成されたシリコン基板101の残余の領域に形成された第2導電型のP型半導体層である。 The silicon substrate 101 is formed of an N type semiconductor substrate and functions as a high resistance region of the PIN diode 200. The high resistance region can be formed only by the silicon substrate 101 as in the first embodiment, but may be formed by forming an epi layer on the silicon substrate. The anode layer 102 is a second conductivity type P-type semiconductor layer formed in the remaining region of the silicon substrate 101 in which the trench 106 is formed.

以上のように構成された本発明の実施の形態2に係るPINダイオード200の製造方法を説明する。
まず、図7(A)に示すように、高抵抗領域となるシリコン基板110の一面側に、アノード層102となるP型層111を形成する。
次に、図7(B)に示すように、P型層111上に、トレンチ106となる溝の領域を露出させたフォトレジスト112を形成し、ボッシュプロセスにより、シリコン基板110に、P型層111(アノード層102)を貫通するトレンチ106を形成する。これにより、PINダイオード200(図6参照)としてのシリコン基板101となる。ボッシュプロセスにより、シリコン基板101にトレンチ106を形成することで、側壁面106aに凹凸面S1ができる。
A method of manufacturing PIN diode 200 according to the second embodiment of the present invention configured as described above will be described.
First, as shown in FIG. 7A, a P-type layer 111 to be the anode layer 102 is formed on one surface side of the silicon substrate 110 to be the high resistance region.
Next, as shown in FIG. 7B, a photoresist 112 is formed on the P-type layer 111, exposing a region of the groove to be the trench 106, and the P-type layer is formed on the silicon substrate 110 by the Bosch process. A trench 106 penetrating 111 (anode layer 102) is formed. As a result, the silicon substrate 101 as the PIN diode 200 (see FIG. 6) is obtained. By forming the trench 106 in the silicon substrate 101 by the Bosch process, the uneven surface S1 is formed on the side wall surface 106a.

次に、図7(C)に示すように、フォトレジストを除去した後に、P型層111上の領域と、トレンチ106内とに絶縁膜113を形成する。
次に、図7(D)に示すように、絶縁膜113をP型層111が露出するまで研磨した後、トレンチ106の側壁面と底面とに厚みを残すようなエッチングを行って、トレンチ106の溝方向に沿った溝114を形成して、絶縁膜107を形成する。トレンチ106の内側に絶縁膜107が形成されることで、トレンチ106の側壁面の凹凸面S1に応じた凹凸が、絶縁膜107にできる。
Next, as shown in FIG. 7C, after removing the photoresist, an insulating film 113 is formed in the region on the P-type layer 111 and in the trench 106.
Next, as shown in FIG. 7D, after the insulating film 113 is polished until the P-type layer 111 is exposed, etching is performed so as to leave a thickness on the sidewall surface and the bottom surface of the trench 106, and the trench 106. A groove 114 is formed along the groove direction of, and an insulating film 107 is formed. By forming the insulating film 107 inside the trench 106, unevenness corresponding to the uneven surface S1 of the sidewall surface of the trench 106 can be formed in the insulating film 107.

次に、P型層111、絶縁膜107上に、ポリシリコン層を形成した後に、図8(A)に示すように、エッチングにより不要な部分を除去することで、ポリシリコンによる半導体電極104aを形成する。 Next, after a polysilicon layer is formed over the P-type layer 111 and the insulating film 107, unnecessary portions are removed by etching as shown in FIG. 8A, so that the semiconductor electrode 104a made of polysilicon is formed. Form.

次に、図8(B)に示すように、アノード層102および半導体電極104a上に金属電極104bを形成して、アノード電極104とする。
次に、図8(C)に示すように、アノード層102側とは反対側となるシリコン基板101の他面に、カソード層103を形成する。
そして、図8(D)に示すように、カソード層103に、カソード電極105を形成して完成である。
Next, as shown in FIG. 8B, a metal electrode 104b is formed on the anode layer 102 and the semiconductor electrode 104a to form the anode electrode 104.
Next, as shown in FIG. 8C, a cathode layer 103 is formed on the other surface of the silicon substrate 101, which is opposite to the anode layer 102 side.
Then, as shown in FIG. 8D, a cathode electrode 105 is formed on the cathode layer 103 to complete the process.

なお、本実施の形態では、図7(A)に示すシリコン基板110の一面側にP型層111を形成して、同図(B)に示すトレンチ106を形成し、同図(C),(D)に示す絶縁膜113(絶縁膜107)を形成していたが、P型層111を形成する前に、トレンチ106と絶縁膜113とを形成し、その後に、P型層111を形成してもよい。 Note that in this embodiment mode, the P-type layer 111 is formed on one surface of the silicon substrate 110 shown in FIG. 7A to form the trench 106 shown in FIG. 7B. Although the insulating film 113 (insulating film 107) shown in (D) is formed, the trench 106 and the insulating film 113 are formed before forming the P-type layer 111, and then the P-type layer 111 is formed. You may.

以上のように製造される本発明の実施の形態2に係るPINダイオード200は、シリコン基板101に、トレンチ106により絶縁膜107と第3電極として機能する半導体電極104aを備えているため、非導通状態のときに、図5(C)に示すような電界分布となる。そのため、PINダイオード200は、高電圧化および低抵抗化を図ることができる。
次に、本発明の実施の形態2に係るPINダイオード200の動作について、図面に基づいて説明する。
例えば、図6に示すアノード電極104とカソード電極105との間に、順方向電圧が印加された場合では、アノード層102から正孔がシリコン基板101に流れ込み、カソード層103から電子がシリコン基板101に流れ込む。
The PIN diode 200 according to the second embodiment of the present invention manufactured as described above is provided with the silicon substrate 101, the insulating film 107 by the trench 106, and the semiconductor electrode 104a functioning as the third electrode. In the state, the electric field distribution is as shown in FIG. Therefore, the PIN diode 200 can achieve higher voltage and lower resistance.
Next, the operation of PIN diode 200 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
For example, when a forward voltage is applied between the anode electrode 104 and the cathode electrode 105 shown in FIG. 6, holes flow into the silicon substrate 101 from the anode layer 102 and electrons from the cathode layer 103 generate electrons in the silicon substrate 101. Flow into.

この状態で、逆方向電圧に切り替わると、シリコン基板101からの少数キャリアである正孔が、アノード電極104の金属電極104bに引き寄せられ、シリコン基板101からアノード層102へ移動する。その際に、トレンチ106間の中央部分では、正孔の移動に阻害されるものがないため、最大ドリフト速度で求められる速さで移動する。
しかし、シリコン基板101と絶縁膜107との厚み方向F1に沿った界面では、アノード電極104への電圧の印加により、アノード電極104の半導体電極104aの方向となる絶縁膜107側へ引き寄せられる。絶縁膜107とシリコン基板101との界面は、凹凸面S1となっているため、凹凸面S1の絶縁膜107による凹部107aに、キャリアである正孔が入り込む。
正孔が凹部107aに入り込むことで、絶縁膜107の凸部107bにより金属電極104bへの方向への移動が阻害される。
In this state, when the voltage is switched to the reverse voltage, holes which are minority carriers from the silicon substrate 101 are attracted to the metal electrode 104b of the anode electrode 104 and move from the silicon substrate 101 to the anode layer 102. At that time, in the central portion between the trenches 106, since there is nothing that is hindered by the movement of holes, the holes move at the speed obtained by the maximum drift speed.
However, at the interface between the silicon substrate 101 and the insulating film 107 along the thickness direction F1, when a voltage is applied to the anode electrode 104, it is attracted toward the insulating film 107 side of the anode electrode 104 toward the semiconductor electrode 104a. Since the interface between the insulating film 107 and the silicon substrate 101 is the uneven surface S1, holes, which are carriers, enter the concave portion 107a formed by the insulating film 107 on the uneven surface S1.
When the holes enter the concave portions 107a, the convex portions 107b of the insulating film 107 hinder the movement toward the metal electrode 104b.

正孔(キャリア)の移動が阻害されることで、正孔の移動速度(ドリフト速度)が低下するため、わずかに抵抗を持った状態が持続する。従って、PINダイオード200が通電状態から非導通状態に変化したときに、低ノイズ化を図ることができると共に、低スイッチング損失化が可能である。よって、実施の形態2に係るPINダイオード200は、高性能化を図ることができる。 Since the movement of the holes (carriers) is hindered, the movement speed (drift speed) of the holes decreases, so that the state with a slight resistance is maintained. Therefore, when the PIN diode 200 changes from the energized state to the non-conducting state, it is possible to reduce the noise and the switching loss. Therefore, PIN diode 200 according to the second embodiment can achieve higher performance.

(実施例)
ここで、実施の形態2に係るPINダイオード200について、TCADによるシミュレーションを行って性能を検証した。
発明品としてのPINダイオードのシミュレーションモデルを図9に示す。図9に示すシミュレーションモデルでは、非トレンチ形状のものと比べて高いドーピング濃度を有するシリコン基板の厚みT1を50μmとした。また、トレンチからセル同士の中間点までの距離L1を20μmとした。また、トレンチの溝幅W1を20μm、絶縁膜の厚みT3を7μm、電極(第2電極)の厚みT4を6μmとした。また、シリコン基板に面した絶縁膜の凸部の繰り返し間隔W2を2μm、凸部の高さH(高さの差)を0.5μmとした。また、カソードから絶縁膜の底面までのシリコン基板の厚みT2を10μmとした。
(Example)
Here, the PIN diode 200 according to the second embodiment was simulated by TCAD to verify the performance.
FIG. 9 shows a simulation model of a PIN diode as an invention product. In the simulation model shown in FIG. 9, the thickness T1 of the silicon substrate having a higher doping concentration than that of the non-trench type is set to 50 μm. The distance L1 from the trench to the midpoint between the cells was set to 20 μm. The trench width W1 was 20 μm, the insulating film thickness T3 was 7 μm, and the electrode (second electrode) thickness T4 was 6 μm. Further, the repeating interval W2 of the convex portions of the insulating film facing the silicon substrate was 2 μm, and the height H (height difference) of the convex portions was 0.5 μm. The thickness T2 of the silicon substrate from the cathode to the bottom surface of the insulating film was 10 μm.

なお、比較のために、シリコン基板で、トレンチおよびトレンチ内部に形成された絶縁膜と電極とを省略した従来のPINダイオード(縦型PINダイオード)を、比較品として、シミュレーションした。
比較品のシリコン基板は、スイッチングの際にノイズが発生しない厚みとして80μmとした。
For comparison, a conventional PIN diode (vertical PIN diode) in which a trench and an insulating film formed inside the trench and electrodes were omitted on a silicon substrate was simulated as a comparative product.
The silicon substrate of the comparative product had a thickness of 80 μm so that noise was not generated during switching.

シミュレーションの条件は、印加電圧を600Vより大きく、順方向電流が100A、ジャンクション温度TjをRT、寄生インダクタンスLsを50nHとした。
シミュレーションの結果を、図10に示す。図10に示すグラフから、発明品は、比較品に対して逆回復損失が半減していることが判る。
The simulation conditions were that the applied voltage was higher than 600 V, the forward current was 100 A, the junction temperature Tj was RT, and the parasitic inductance Ls was 50 nH.
The result of the simulation is shown in FIG. It can be seen from the graph shown in FIG. 10 that the invention product has half the reverse recovery loss as compared with the comparative product.

更に、図11に示すように、発明品のチップサイズの面積は、順方向電圧が同じであれば、比較品より約2/3ほど縮小できることが判る。
次に、図12に、シリコン基板の厚みが同じ場合におけるスイッチングの際のノイズを波形により示す。図12(A)から同図(C)は、通電状態から遮断状態に変化したときの電流および電圧の状態を示すグラフである。
Further, as shown in FIG. 11, it can be seen that the chip size area of the invention product can be reduced by about 2/3 of that of the comparison product if the forward voltage is the same.
Next, FIG. 12 shows waveforms of noise during switching when the silicon substrates have the same thickness. 12A to 12C are graphs showing the states of current and voltage when the energized state is changed to the cutoff state.

図12(A)では、図10および図11にて示した比較品(従来のPINダイオード)を比較品Aとし、図12(B)では、トレンチおよび絶縁膜を有しているが、絶縁膜とシリコン基板との界面に凹凸面が無いPINダイオードを比較品Bとして、シミュレーションを行った。
図12(A)に示す比較品Aと、図12(B)に示す比較品Bでは、シリコン基板に溜まったキャリアが、逆回復後にシリコン基板から急激に吐き出されるため、波打つような電圧がノイズとなって出現することがわかる。
In FIG. 12A, the comparative product (conventional PIN diode) shown in FIGS. 10 and 11 is referred to as a comparative product A, and in FIG. A PIN diode having no uneven surface at the interface between the silicon substrate and the silicon substrate was used as a comparative product B for simulation.
In the comparative product A shown in FIG. 12A and the comparative product B shown in FIG. 12B, carriers accumulated in the silicon substrate are rapidly discharged from the silicon substrate after the reverse recovery, so that a wavy voltage causes noise. You can see that it appears.

しかし、図9に示す発明品では、上述したように、絶縁膜とシリコン基板との界面にできた凹凸面によりキャリアが捕捉されるため、凹凸面にキャリアが滞留することで、逆回復後の移動に時間を要してしまう。従って、図12(C)に示すように、発明品では、比較品A,Bと比較して、逆回復後の電圧変動が抑えられることが判る。 However, in the invention product shown in FIG. 9, as described above, since the carrier is captured by the uneven surface formed at the interface between the insulating film and the silicon substrate, the carrier stays on the uneven surface, and the carrier after reverse recovery is recovered. It takes time to move. Therefore, as shown in FIG. 12C, it is understood that the invention product can suppress the voltage fluctuation after the reverse recovery as compared with the comparison products A and B.

キャリアの移動時間について、図13に示すように比較品A,Bでは、逆回復後から40ns経過すると徐々に正孔が拡散して密度が低くなっていることが判る。しかし、発明品では、逆回復後から40ns以降、正孔の密度が徐々に低くなっているが、100ns経過した後でも、シリコン基板に正孔の密度が高い領域が残っていることが判る。このことからも、発明品は、正孔の移動に時間を要していることが判る。従って、発明品は逆回復時の損失を抑えることができる。 Regarding the carrier movement time, as shown in FIG. 13, it can be seen that in Comparative Products A and B, the holes gradually diffuse and the density becomes low 40 ns after the reverse recovery. However, in the invention product, the hole density gradually decreases after 40 ns after the reverse recovery, but it can be seen that a region having a high hole density remains in the silicon substrate even after 100 ns has passed. From this, it is understood that the invention product requires a long time for the movement of holes. Therefore, the invention product can suppress the loss at the time of reverse recovery.

ここで、絶縁膜における凹凸面の高さの差と凸部の繰り返し間隔とによる比率と、ノイズ電圧との関係について、図14に示す。
図14では、高さの差(凸部の高さH)を凸部の繰り返し間隔W2で割った比率が、0.05より大きいときに、急激にノイズ電圧の最大値が低下していることが判る。従って、高さの差を凸部の繰り返し間隔で割った比率が、0.05より大きくなるようにすることが望ましい。
Here, FIG. 14 shows the relationship between the noise voltage and the ratio of the height difference of the uneven surface of the insulating film and the repeating interval of the convex portions.
In FIG. 14, when the ratio of the height difference (height H of the convex portion) divided by the repeating interval W2 of the convex portions is larger than 0.05, the maximum value of the noise voltage sharply decreases. I understand. Therefore, it is desirable that the ratio obtained by dividing the difference in height by the repeating interval of the convex portions is larger than 0.05.

また、絶縁膜における高さの差について、図15に示すように、絶縁膜の凸部の頂部から凹部の底部までの深さが0.1μmより深いときに、急激にノイズ電圧の最大値が低下していることが判る。従って、絶縁膜における高さの差は、0.1μmより大きくなるようにすることが望ましい。 Further, regarding the difference in height in the insulating film, as shown in FIG. 15, when the depth from the top of the convex portion to the bottom of the concave portion of the insulating film is deeper than 0.1 μm, the maximum value of the noise voltage sharply increases. You can see that it is decreasing. Therefore, it is desirable that the height difference in the insulating film be larger than 0.1 μm.

(実施の形態2の第1変形例)
本発明の実施の形態2に係る半導体装置の第1変形例を図16に基づいて説明する。なお、図16においては、図1と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図16に示すように、PINダイオード200Xは、絶縁膜113とシリコン基板101との界面が凹凸面S2を成している。この凹凸面S2は、矩形状の突状部が連続的に深さ方向に沿って並んでいる。凹凸面S2は、凹凸面S1(図1参照)と同様に、絶縁膜107の凸部107cの頂部から凹部107dの底部までの深さが0.1μm以上であることが望ましい。
そうすることで、PINダイオード200(図6参照)と同様に、絶縁膜107とシリコン基板101との界面にできた凹凸面S2によりキャリア(正孔)が捕捉されるため、凹凸面S2にキャリアが滞留することで、逆回復後の移動に時間を要する。従って、PINダイオード200Xは、逆回復後の電圧変動を抑えられることが期待できる。
(First Modification of Second Embodiment)
A first modification of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, in FIG. 16, the same components as those in FIG.
As shown in FIG. 16, in the PIN diode 200X, the interface between the insulating film 113 and the silicon substrate 101 forms an uneven surface S2. In this uneven surface S2, rectangular protrusions are continuously arranged in the depth direction. As with the uneven surface S1 (see FIG. 1), the uneven surface S2 preferably has a depth of 0.1 μm or more from the top of the convex portion 107c of the insulating film 107 to the bottom of the concave portion 107d.
By doing so, carriers (holes) are captured by the uneven surface S2 formed at the interface between the insulating film 107 and the silicon substrate 101, similarly to the PIN diode 200 (see FIG. 6), so that the carrier is formed on the uneven surface S2. As a result, the time required for movement after reverse recovery is high. Therefore, it can be expected that the PIN diode 200X can suppress the voltage fluctuation after the reverse recovery.

(実施の形態2の第2変形例)
本発明の実施の形態2に係る半導体装置の第2変形例を図17に基づいて説明する。なお、図17においては、図1と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図17に示すように、PINダイオード200Yは、トレンチ106(絶縁膜107)の底面に接するようにP型層108が配置されていることで、高電界が掛かっても酸化膜による絶縁膜107が破壊される可能性が低減できる。
従って、PINダイオード200Yは、実施の形態2に係るPINダイオード200での効果を得つつ、高耐圧を図ることができ、信頼性を高めることができる。
(Second Modification of Second Embodiment)
A second modification of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 17, the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
As shown in FIG. 17, in the PIN diode 200Y, the P-type layer 108 is arranged so as to be in contact with the bottom surface of the trench 106 (insulating film 107). The possibility of destruction can be reduced.
Therefore, PIN diode 200Y can achieve a high breakdown voltage and improve reliability while obtaining the effect of PIN diode 200 according to the second embodiment.

(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る半導体装置を、図面に基づいて説明する。なお、図18においては、図6と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 3)
A semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 18, the same components as those in FIG. 6 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

実施の形態3に係る半導体装置は、バイポーラ型の電力用半導体装置の一例であるIGBTである。
図18に示すIGBT300は、キャリアが厚み方向F1に移動する半導体層の一例である低濃度N型層(Nベース層301)の表面側に選択的に形成され、広い間隔と狭い間隔を交互に有するトレンチ302,303と、トレンチ302,303の表面に形成されたゲート絶縁膜304,305と、ゲート絶縁膜304,305の内側に形成されたポリシリコンからなるゲート電極(制御電極)306,307と、狭い間隔を有する隣り合うトレンチ間に選択的に形成されたPベース層(Pウエル層)308と、Pベース層308の表面に選択的に形成された高濃度のNソース層309と、Pベース層308とNソース層309の双方に接続する第一の主電極(エミッタ電極310)とを備えている。
The semiconductor device according to the third embodiment is an IGBT which is an example of a bipolar power semiconductor device.
The IGBT 300 shown in FIG. 18 is selectively formed on the surface side of a low-concentration N-type layer (N base layer 301), which is an example of a semiconductor layer in which carriers move in the thickness direction F1, and a wide space and a narrow space are alternately arranged. The trenches 302 and 303, the gate insulating films 304 and 305 formed on the surfaces of the trenches 302 and 303, and the gate electrodes (control electrodes) 306 and 307 made of polysilicon formed inside the gate insulating films 304 and 305. A P base layer (P well layer) 308 selectively formed between adjacent trenches having a narrow interval, and a high-concentration N source layer 309 selectively formed on the surface of the P base layer 308. It is provided with a first main electrode (emitter electrode 310) connected to both the P base layer 308 and the N source layer 309.

前記のNソース層309と、Pベース層308と、Nベース層301の表面部にMOSトランジスタ構造が形成され、広い間隔の隣り合うトレンチ間にトレンチと同程度の深さを有するP型層(電位が固定されないP型層311)が、エミッタ電極310と接続しない状態で、またはエミッタ電極310と高抵抗で接続された状態で形成されている。 A MOS transistor structure is formed on the surface portions of the N source layer 309, the P base layer 308, and the N base layer 301, and a P-type layer having a depth similar to that of a trench between adjacent trenches with a wide interval ( The P-type layer 311) whose potential is not fixed is formed in a state where it is not connected to the emitter electrode 310 or is connected to the emitter electrode 310 with high resistance.

更に、IGBT300は、Nベース層301の裏面側に一様に形成された、Nベース層301よりも不純物濃度の高いNバッファ層312と、Nバッファ層312の表面に一様に形成された高濃度のP型層(Pエミッタ層313)と、Pエミッタ層313の表面に一様に形成された第2の主電極(コレクタ電極314)を備えている。 Further, the IGBT 300 has an N buffer layer 312 having a higher impurity concentration than that of the N base layer 301, which is uniformly formed on the back surface side of the N base layer 301, and a high layer which is uniformly formed on the surface of the N buffer layer 312. A P-type layer (P emitter layer 313) having a concentration and a second main electrode (collector electrode 314) uniformly formed on the surface of the P emitter layer 313 are provided.

このIGBT300には、実施の形態1,2と同様に、Nベース層301にトレンチ106が形成されている。トレンチ106はNベース層301の厚み方向F1を深さ方向とする溝である。
トレンチ106の内面には、その全域を覆うように、絶縁膜107が形成されており、トレンチ106の開口縁部から延びて、ゲート絶縁膜304,305と接続されている。
絶縁膜107の内側と、絶縁膜107の開口部には、エミッタ電極310の一部となる半導体電極104aが形成されている。また、エミッタ電極310が半導体電極104a上まで延びて、半導体電極104aを覆っている。
また、トレンチ106と、Nベース層301との界面は、凹凸面S1をなしている。
In this IGBT 300, the trench 106 is formed in the N base layer 301 as in the first and second embodiments. The trench 106 is a groove whose depth direction is the thickness direction F1 of the N base layer 301.
An insulating film 107 is formed on the inner surface of the trench 106 so as to cover the entire area thereof, extends from the opening edge of the trench 106, and is connected to the gate insulating films 304 and 305.
A semiconductor electrode 104a that is a part of the emitter electrode 310 is formed inside the insulating film 107 and in the opening of the insulating film 107. Further, the emitter electrode 310 extends to above the semiconductor electrode 104a and covers the semiconductor electrode 104a.
Further, the interface between the trench 106 and the N base layer 301 forms an uneven surface S1.

トレンチ106とNベース層301との界面が凹凸面S1となっていることで、エミッタ電極310の方向へ少数キャリアである正孔が移動する際に、正孔はエミッタ電極310の半導体電極104aの方向となる絶縁膜107側へ引き寄せられる。
絶縁膜107とNベース層301との界面は、凹凸面S1となっているため、凹凸面S1の絶縁膜107による凹部107aに正孔が入り込む。正孔が凹部107aに入り込むことで、絶縁膜107の凸部107bにより金属電極104bへの方向への移動が阻害される。
従って、IGBT300は、実施の形態1に係るSBD100での効果を得つつ、通電状態から遮断状態に変化したときの低ノイズ化を図ることができ、低スイッチング損失化が可能である。
Since the interface between the trench 106 and the N base layer 301 is the uneven surface S1, when the holes, which are minority carriers, move in the direction of the emitter electrode 310, the holes are of the semiconductor electrode 104a of the emitter electrode 310. Direction toward the insulating film 107 side.
Since the interface between the insulating film 107 and the N base layer 301 is the uneven surface S1, holes enter the concave portion 107a of the insulating film 107 on the uneven surface S1. When the holes enter the concave portions 107a, the convex portions 107b of the insulating film 107 hinder the movement toward the metal electrode 104b.
Therefore, the IGBT 300 can achieve the effect of the SBD 100 according to the first embodiment, reduce noise when the energized state changes to the cutoff state, and reduce the switching loss.

(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係る半導体装置を図面に基づいて説明する。なお、図19においては、図18と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態4に係る半導体装置は、ユニポーラ型の電力用半導体装置の一例であるパワーMOSFETである。
図19に示すMOSFET400は、実施の形態3に係るIGBT300(図18参照)と同様に、絶縁膜107と、Nベース層301との界面が、凹凸面S1をなしている。
(Embodiment 4)
A semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in FIG. 19, the same components as those in FIG. 18 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
The semiconductor device according to the fourth embodiment is a power MOSFET that is an example of a unipolar power semiconductor device.
In the MOSFET 400 shown in FIG. 19, the interface between the insulating film 107 and the N base layer 301 forms the uneven surface S1 similarly to the IGBT 300 according to the third embodiment (see FIG. 18).

絶縁膜107とNベース層301との界面が凹凸面S1をなすことにより、実施の形態1に係るSBDと同様に、MOSFET400における電界分布は、Nベース層301の厚み方向(深さ方向)に向かって強度が一定となる方向に変化する。従って、絶縁膜とNベース層との界面が凹凸面となっていないものと比較して、Nベース層301の厚みを薄くすることができる。
従って、MOSFET400は、簡素な構造でありながらも、高耐圧化と低抵抗化との両方を図ることができる。
Since the interface between the insulating film 107 and the N base layer 301 forms the uneven surface S1, the electric field distribution in the MOSFET 400 in the thickness direction (depth direction) of the N base layer 301 is the same as in the SBD according to the first embodiment. The intensity changes toward a constant value. Therefore, the thickness of the N base layer 301 can be reduced as compared with a case where the interface between the insulating film and the N base layer does not have an uneven surface.
Therefore, the MOSFET 400 has both a high breakdown voltage and a low resistance even though it has a simple structure.

なお、本実施の形態1〜4では、図20(A)に示すようにトレンチ106を直線状の溝とすることができるが、図20(B)に示すように開口側から見たときに、円形状の有底の穴が複数形成されたドット状のトレンチ109としてもよい。また、金属電極104bは金属電極の一例であるアルミ電極により形成され、半導体電極104aは半導体電極の一例であるポリシリコン電極により形成されているが、第2電極は第1電極と同じ金属電極により形成されていてもよい。 Note that in Embodiments 1 to 4, the trench 106 can be a linear groove as shown in FIG. 20A, but when viewed from the opening side as shown in FIG. The dot-shaped trench 109 in which a plurality of circular bottomed holes are formed may be used. The metal electrode 104b is formed of an aluminum electrode which is an example of a metal electrode, and the semiconductor electrode 104a is formed of a polysilicon electrode which is an example of a semiconductor electrode, but the second electrode is formed of the same metal electrode as the first electrode. It may be formed.

更に、本発明の実施1から4に係る半導体装置では、第3電極として機能する半導体電極104aは、直接、第1電極として機能する金属電極104bと同極性となっていたが、第1電極と第3電極とは、電気的に接続されて同極性であればよいので、半導体電極104aと金属電極104bとは半導体装置内では非導通でも、外部で接続されることで同極性とすることができる。 Further, in the semiconductor device according to Embodiments 1 to 4 of the present invention, the semiconductor electrode 104a functioning as the third electrode directly has the same polarity as the metal electrode 104b functioning as the first electrode. Since the third electrode may be electrically connected and have the same polarity, the semiconductor electrode 104a and the metal electrode 104b may be non-conducting in the semiconductor device, but may have the same polarity by being connected externally. it can.

例えば、図21に示すSBD100Xのように、第1電極として機能するアノード電極104X1は、第3電極として機能する半導体電極104X2と分離している。しかし、SBD100Xの外部で電気的に接続されることで、アノード電極104X1と半導体電極104X2とは同極性とすることができる。 For example, like the SBD 100X shown in FIG. 21, the anode electrode 104X1 functioning as the first electrode is separated from the semiconductor electrode 104X2 functioning as the third electrode. However, the anode electrode 104X1 and the semiconductor electrode 104X2 can have the same polarity by being electrically connected to the outside of the SBD 100X.

また、トレンチは、第1電極(金属電極104b)側から形成されていたが、第3電極(半導体電極)にあっては、少数キャリアが誘引される第1電極と同極性であれば、第2電極(カソード電極105,コレクタ電極314)側から形成されていてもよい。 Further, although the trench was formed from the first electrode (metal electrode 104b) side, in the third electrode (semiconductor electrode), if the same polarity as the first electrode in which minority carriers are attracted, It may be formed from the two-electrode (cathode electrode 105, collector electrode 314) side.

更に、シリコン基板101とした半導体層は、シリコン以外に、化合物半導体、例えば、SiCやGaNなどとすることができる。 Further, the semiconductor layer used as the silicon substrate 101 may be a compound semiconductor such as SiC or GaN, in addition to silicon.

本発明は、ユニポーラ型およびバイポーラ型の半導体装置に好適であり、特に、電力用半導体装置に最適である。 The present invention is suitable for unipolar type and bipolar type semiconductor devices, and is particularly suitable for power semiconductor devices.

100,100X SBD(ショットキーバリアダイオード)
100a,100b 従来のショットキーバリアダイオード
101,SB1,SB2 シリコン基板
102,A1,A2 アノード層
103,C1,C2 カソード層
104,104X1 アノード電極
104b 金属電極
104a,104X2 半導体電極
105 カソード電極
106 トレンチ
106a 側壁面
107 絶縁膜
107a 凹部
107b,107c 凸部
108 P型層
109 トレンチ
110 シリコン基板
111 P型層
112 フォトレジスト
113 絶縁膜
114 溝
200,200X,200Y PINダイオード
300 IGBT
301 Nベース層
302,303 トレンチ
304,305 ゲート絶縁膜
306,307 ゲート電極
308 Pベース層
309 Nソース層
310 エミッタ電極
311 P型層
312 Nバッファ層
313 Pエミッタ層
314 コレクタ電極
400 MOSFET
F1 厚み方向
S1,S2 凹凸面
L1 距離
W1 溝幅
W2 間隔
T1〜T4 厚み
H 高さ
100,100X SBD (Schottky barrier diode)
100a, 100b Conventional Schottky barrier diode 101, SB1, SB2 Silicon substrate 102, A1, A2 Anode layer 103, C1, C2 Cathode layer 104, 104X1 Anode electrode 104b Metal electrode 104a, 104X2 Semiconductor electrode 105 Cathode electrode 106 Trench 106a side Wall surface 107 Insulating film 107a Recesses 107b, 107c Convex part 108 P-type layer 109 Trench 110 Silicon substrate 111 P-type layer 112 Photoresist 113 Insulating film 114 Groove 200, 200X, 200Y PIN diode 300 IGBT
301 N Base Layer 302, 303 Trench 304, 305 Gate Insulating Film 306, 307 Gate Electrode 308 P Base Layer 309 N Source Layer 310 Emitter Electrode 311 P-Type Layer 312 N Buffer Layer 313 P Emitter Layer 314 Collector Electrode 400 MOSFET
F1 Thickness direction S1, S2 Uneven surface L1 Distance W1 Groove width W2 Interval T1 to T4 Thickness H Height

Claims (7)

第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の厚み方向の両側に配置された第1電極および第2電極と、
前記半導体層の厚み方向に沿って前記半導体層に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に沿って形成され、非導通状態のときに前記半導体層における少数キャリアが誘引される前記第1電極と同極性となる第3電極とを備えた縦型の半導体装置であって、
前記半導体層と前記絶縁膜との界面が凹凸面をなすものであり、
前記絶縁膜における前記凹凸面は、高さの差を凸部の繰り返し間隔で割った比率が、0.05より大きい半導体装置。
A first conductivity type semiconductor layer;
A first electrode and a second electrode arranged on both sides of the semiconductor layer in the thickness direction,
An insulating film formed in the semiconductor layer along the thickness direction of the semiconductor layer,
A vertical semiconductor device comprising: a third electrode that is formed along the insulating film and has the same polarity as the first electrode that attracts minority carriers in the semiconductor layer when in a non-conduction state,
The interface between the semiconductor layer and the insulating film forms an uneven surface ,
In the semiconductor device , the uneven surface of the insulating film has a height difference that is greater than 0.05, which is obtained by dividing the height difference by the repeating interval of the convex portions .
第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の厚み方向の両側に配置された第1電極および第2電極と、
前記半導体層の厚み方向に沿って前記半導体層に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に沿って形成され、非導通状態のときに前記半導体層における少数キャリアが誘引される前記第1電極と同極性となる第3電極とを備えた縦型の半導体装置であって、
前記半導体層と前記絶縁膜との界面が凹凸面をなすものであり、
前記絶縁膜における前記凹凸面は、高さの差が0.1μmより大きい半導体装置。
A first conductivity type semiconductor layer;
A first electrode and a second electrode arranged on both sides of the semiconductor layer in the thickness direction,
An insulating film formed in the semiconductor layer along the thickness direction of the semiconductor layer,
A vertical semiconductor device comprising: a third electrode that is formed along the insulating film and has the same polarity as the first electrode that attracts minority carriers in the semiconductor layer when in a non-conduction state,
The interface between the semiconductor layer and the insulating film forms an uneven surface ,
The unevenness surface of the insulating film is a semiconductor device in which a height difference is larger than 0.1 μm .
前記絶縁膜と前記第3電極とは、前記半導体層に形成されたトレンチの内側に配置された請求項1または2記載の半導体装置。 The insulation and the third electrode film, a semiconductor device positioned claims 1 or 2, wherein the inside of the trench formed in the semiconductor layer. 前記第3電極は、半導体膜による半導体電極により形成された請求項1から3のいずれかの項に記載の半導体装置。 The third electrode, the semiconductor device according to claim 1 which is formed by a semiconductor electrode according to the semiconductor film to one of claims 3. 前記凹凸面は、連続した三角形状に形成された請求項1からのいずれかの項に記載の半導体装置。 The uneven surface, the semiconductor device according to claim 1 which is formed into a continuous triangular shape in any of claims 4. 前記半導体層に前記第1電極が接することでユニポーラ型とした請求項1からのいずれかの項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of the paragraphs claims 1-5 in which the unipolar type by the first electrode is in contact with the semiconductor layer. 前記半導体層と前記第1電極との間に第2導電型の半導体層が形成されていることで、バイポーラ型とした請求項1からのいずれかの項に記載の半導体装置。 It said that the semiconductor layer of the second conductivity type is formed between the semiconductor layer and the first electrode, the semiconductor device according to any one of the paragraphs claims 1-5 which is a bipolar type.
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