特許 7581468 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-01

(45)【発行日】2024-11-12

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/06 20060101AFI20241105BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20241105BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20241105BHJP

   H01L 21/322 20060101ALI20241105BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652P

H01L29/06 301F

H01L29/06 301V

H01L29/78 652Q

H01L29/78 652F

H01L29/78 652S

H01L29/78 652K

H01L29/78 652M

H01L29/78 653A

H01L29/78 652H

H01L29/78 658H

H01L21/322 K

H01L21/322 L

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023198842

(22)【出願日】2023-11-24

(62)【分割の表示】P 2020153263の分割

【原出願日】2020-09-11

(65)【公開番号】P2024009226

(43)【公開日】2024-01-19

【審査請求日】2023-11-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100200104

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 実

(72)【発明者】

【氏名】可知 剛

【審査官】戸川 匠

(56)【参考文献】

【文献】特表２００８－５０４６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１６８７３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００９７０４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１２９５４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１９７４１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１２４５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１３３２７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００７－５１２６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５２８８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１２０９９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２１３１９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／１００９９７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／０６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／３２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と、
前記第１電極に接続された第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられ、下端から上方向に向かうにつれて不純物濃度が漸減する領域を有し、前記領域において上下方向の前記不純物濃度のプロファイルを示す曲線の接線の傾きの絶対値が第１位置において極小となる、前記第１導電形の第２半導体層と、
前記第２半導体層上に設けられた第２導電形の第３半導体層と、
前記第３半導体層上に設けられた前記第１導電形の第４半導体層と、
前記第３半導体層及び前記第４半導体層に接続された第２電極と、
前記第４半導体層から前記第２半導体層に向かって延び、前記第３半導体層と隣り合うゲート電極と、
前記第４半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に延び、前記ゲート電極より下方まで延び、前記第２半導体層と隣り合うフィールドプレート電極と、
前記ゲート電極と前記第３半導体層との間、前記フィールドプレート電極と前記第２半導体層との間、及び前記ゲート電極と前記フィールドプレート電極との間に設けられ、下端が、前記不純物濃度が前記第１位置の前記不純物濃度の半分となる第２位置よりも下方に位置する絶縁膜と、
を備える半導体装置。

【請求項2】

前記絶縁膜の下端から前記フィールドプレート電極の下端までの第１距離が、前記絶縁膜の下端から前記第１半導体層までの第２距離よりも大きい、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１距離は、前記フィールドプレート電極の側面と前記絶縁膜の側面との第３距離よりも大きい、
請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記領域において、前記曲線の接線の傾きの絶対値は、少なくとも２つの極大値を有する、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記領域において、前記第２位置よりも下方向に再結合中心が設けられる、
請求項４に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の半導体装置は、ボディダイオードを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１４０１５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態は、ボディダイオードの逆回復特性を改善した半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の半導体装置は、第１電極と、前記第１電極に接続された第１導電形の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられ、下端から上方向に向かうにつれて不純物濃度が漸減する領域を有し、前記領域において上下方向の前記不純物濃度のプロファイルを示す曲線の接線の傾きの絶対値が第１位置において極小となる、前記第１導電形の第２半導体層と、前記第２半導体層上に設けられた第２導電形の第３半導体層と、前記第３半導体層上に設けられた前記第１導電形の第４半導体層と、前記第３半導体層及び前記第４半導体層に接続された第２電極と、前記第４半導体層から前記第２半導体層に向かって延び、前記第３半導体層と隣り合うゲート電極と、前記第４半導体層から前記第２半導体層に向かう方向に延び、前記ゲート電極より下方まで延び、前記第２半導体層と隣り合うフィールドプレート電極と、前記ゲート電極と前記第３半導体層との間、前記フィールドプレート電極と前記第２半導体層との間、及び前記ゲート電極と前記フィールドプレート電極との間に設けられ、下端が、前記不純物濃度が前記第１位置の前記不純物濃度の半分となる第２位置よりも下方に位置する絶縁膜と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。

【図2】図１の破線Ａで囲まれた領域を拡大して示す上面図である。

【図3】図２のＢ－Ｂ’線における断面図である。

【図4】図２のＣ－Ｃ’線における断面図である。

【図5】図２のＤ－Ｄ’線における断面図である。

【図6】図６（ａ）は、横軸に上下方向における位置をとり、縦軸に対数スケールで不純物濃度をとり、図３のＥ－Ｅ’線上の不純物濃度分布を示すグラフであり、図６（ｂ）は、横軸に上下方向における位置を取り、縦軸に図６（ａ）に示す曲線の接線の絶対値を取り、図６（ａ）に示す曲線の接線の傾きの絶対値の変化を示すグラフである。

【図7】第１の実施形態に係る半導体装置の利用例を示す回路図である。

【図8】参考例に係る半導体装置を示す断面図である。

【図9】図９（ａ）は、横軸に時間をとり、第１縦軸に電流をとり、第２縦軸に電圧をとり、第１の実施形態に係る半導体装置及び参考例に係る半導体装置の逆回復特性のシミュレーションを示すグラフであり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の一部を拡大して示すグラフである。

【図10】図１０（ａ）～図１０（ｄ）は、参考例に係る半導体装置におけるホールの濃度分布のシミュレーション結果を示すマップであり、図１０（ｅ）～図１０（ｈ）は、第１の実施形態に係る半導体装置におけるホールの濃度分布のシミュレーション結果を示すマップである。

【図11】第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

＜第１の実施形態＞
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
図２は、図１の破線Ａで囲まれた領域を拡大して示す上面図である。
図３は、図２のＢ－Ｂ’線における断面図である。
図４は、図２のＣ－Ｃ’線における断面図である。
図５は、図２のＤ－Ｄ’線における断面図である。

【0008】

本実施形態に係る半導体装置１００は、ＭＯＳＦＥＴである。半導体装置１００は、図３を参照して概説すると、ドレイン電極（第１電極）１１０と、ｎ^＋ドレイン層（第１半導体層）１２０と、ｎ半導体層（第２半導体層）１３０と、ｐベース拡散層（第３半導体層）１４０と、ｎ^＋ソース拡散層（第４半導体層）１５０と、ソース電極（第２電極）１６０と、ゲート電極１７０と、フィールドプレート電極１８０と、を備える。

【0009】

以下、半導体装置１００の各部について詳述する。以下では、説明をわかりやすくするために、ＸＹＺ直交座標系を用いる。ドレイン電極１１０からソース電極１６０に向かう方向を「Ｚ方向」とする。また、Ｚ方向と直交する一の方向を「Ｘ方向」とする。また、Ｚ方向及びＸ方向と直交する一の方向を「Ｙ方向」とする。また、Ｚ方向を「上方向」といい、Ｚ方向の逆方向を「下方向」という。

【0010】

また、以下において、ｎ^＋、ｎの表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。具体的には、「＋」が付されている表記は、「＋」が付されていない表記よりも不純物濃度が相対的に高いことを表す。ここで、「不純物濃度」とは、それぞれの領域にドナーとなる不純物とアクセプターとなる不純物の両方が含まれている場合には、それらの不純物が相殺した後の正味の不純物濃度を表す。

【0011】

ドレイン電極１１０の形状は、図１に示すように、略平板状である。ドレイン電極１１０上には、図３に示すように、ｎ^＋ドレイン層１２０が設けられている。

【0012】

ｎ^＋ドレイン層１２０は、ドレイン電極１１０に接続されている。ｎ^＋ドレイン層１２０は、例えばシリコン基板にドナーとなる不純物を添加することにより形成できる。ｎ^＋ドレイン層１２０上には、ｎ半導体層１３０が設けられている。

【0013】

ｎ半導体層１３０は、ｎバッファ領域（第１領域）１３１と、ｎバッファ領域１３１上に設けられたｎドリフト領域（第２領域）１３２と、を有する。ｎバッファ領域１３１の不純物濃度は、ｎ^＋ドレイン層１２０の不純物濃度よりも低い。ｎドリフト領域１３２の不純物濃度は、ｎバッファ領域１３１の不純物濃度よりも低い。

【0014】

ｎ半導体層１３０の上には、ｐベース拡散層１４０が設けられている。ｐベース拡散層１４０上には、ｎ^＋ソース拡散層１５０が設けられている。

【0015】

ｎ半導体層１３０、ｐベース拡散層１４０、及びｎ^＋ソース拡散層１５０には、複数のトレンチＴが設けられている。各トレンチＴは、図２に示すように、Ｙ方向に延びている。複数のトレンチＴは、Ｘ方向に配列している。

【0016】

各トレンチＴは、図３に示すように、ｎ^＋ソース拡散層１５０の上面１５０ａから下方に向かって延びており、ｎ半導体層１３０のｎバッファ領域１３１に到達している。ただし、トレンチは、ｎバッファ領域に到達していなくてもよい。また、各トレンチＴの下端は、ｎ^＋ドレイン層１２０から離隔している。ただし、トレンチは、ｎ^＋ドレイン層に到達していてもよい。また、各トレンチＴの下部は、丸まっている。ただし、各トレンチＴの下部は丸まっていなくてもよい。

【0017】

ｐベース拡散層１４０及びｎ^＋ソース拡散層１５０は、複数のトレンチＴによって複数の領域Ｓに区画されている。複数の領域Ｓは、Ｘ方向に配列している。

【0018】

各トレンチＴ内には、ゲート電極１７０、フィールドプレート電極１８０、及び絶縁膜１９１が設けられている。

【0019】

本実施形態にでは、一つのトレンチＴ内にゲート電極１７０が２つ設けられている。２つのゲート電極１７０は、各トレンチＴの上端に配置されており、Ｘ方向において互いに離隔している。各ゲート電極１７０は、ｐベース拡散層１４０及びｎ^＋ソース拡散層１５０とＸ方向において隣り合っている。各ゲート電極１７０は、Ｙ方向に延びている。

【0020】

各トレンチＴ内において、フィールドプレート電極１８０の上端部は、２つのゲート電極１７０の間に配置されている。フィールドプレート電極１８０の下端は、ゲート電極１７０の下端よりも下方に位置する。フィールドプレート電極１８０は、ｎ半導体層１３０のｎドリフト領域１３２とＸ方向において隣り合っている。各フィールドプレート電極１８０は、Ｙ方向に延びている。

【0021】

このように、半導体装置１００には、フィールドプレート電極１８０が設けられている。そのため、ｎ半導体層１３０内における電界の集中を抑制できる。その結果、半導体装置１００の耐圧を向上させることができる。

【0022】

絶縁膜１９１は、各トレンチＴ内において、ゲート電極１７０とｐベース拡散層１４０との間、ゲート電極１７０とｎ^＋ソース拡散層１５０との間、フィールドプレート電極１８０とｎ半導体層１３０との間、及び第３電極とフィールドプレート電極１８０との間に設けられている。絶縁膜１９１は、例えばシリコン酸化物又はシリコン窒化物等の絶縁材料からなる。

【0023】

フィールドプレート電極１８０の下端と絶縁膜１９１の下端との第１距離Ｄ１は、絶縁膜１９１とｎ^＋ドレイン層１２０との第２距離Ｄ２よりも長い。また、第１距離Ｄ１は、フィールドプレート電極１８０の側面と絶縁膜１９１の側面との第３距離Ｄ３よりも長い。第１距離Ｄ１は、第３距離Ｄ３の２倍以上であることが好ましい。また、第１距離Ｄ１は、隣り合う２つのトレンチＴ（又は絶縁膜１９１）同士の第４距離Ｄ４よりも長い。

【0024】

また、前述したように、各トレンチＴ（又は絶縁膜１９１）の下端は、ｎ半導体層１３０のｎバッファ領域１３１に達している。そのため、絶縁膜１９１の下端は、ｎバッファ領域１３１の上端よりも下方に位置する。

【0025】

ｎ^＋ソース拡散層１５０及び絶縁膜１９１上には、絶縁膜１９２が設けられている。絶縁膜１９２は、例えば絶縁膜１９１と同様の材料からなる。

【0026】

絶縁膜１９２上には、図１及び図２に示すように、ソース電極パッド１６１及びゲート電極パッド１７１が設けられている。ゲート電極パッド１７１は、上面視でソース電極パッド１６１を囲むように配置されている。なお、図１及び図２では、説明をわかりやすくするために、ソース電極パッド１６１とゲート電極パッド１７１が設けられている領域を相互に異なるドットのパターンで示している。

【0027】

絶縁膜１９２、ｎ^＋ソース拡散層１５０、及びｐベース拡散層１４０には、図３に示すように、絶縁膜１９２の上面から下方に向かって延びた複数のトレンチ１９２ａが設けられている。各トレンチ１９２ａ（又は絶縁膜１９２）は、ソース電極パッド１６１の直下に配置されている。複数のトレンチ１９２ａ（又は絶縁膜１９２）は、Ｘ方向に配列されている。各トレンチ１９２ａ（又は絶縁膜１９２）は、図２に示すように、Ｙ方向に延びている。

【0028】

各トレンチ１９２ａ内には、図３に示すように、ソース電極１６０が設けられている。ソース電極１６０は、ｐベース拡散層１４０及びｎ^＋ソース拡散層１５０に接続されている。

【0029】

また、絶縁膜１９１、１９２には、図４に示すように、複数のフィールドプレート電極１８０を個別に露出する複数の開口１９２ｂが設けられている。各開口１９２ｂは、フィールドプレート電極１８０の直上であって、ソース電極パッド１６１の直下に位置する。また、複数の開口１９２ｂは、Ｘ方向に配列している。また、各開口１９２ｂは、図２に示すようにＹ方向において、トレンチ１９２ａよりも外側に位置する。

【0030】

各開口１９２ｂ内には、図４に示すように、導電性の接続部材１８１が設けられている。導電性の接続部材１８１は、フィールドプレート電極１８０及びソース電極パッド１６１に接続されている。

【0031】

また、絶縁膜１９１、１９２には、図５に示すように、複数のゲート電極１７０を個別に露出する複数の開口１９２ｃが設けられている。各開口１９２ｃは、ゲート電極１７０の直上であって、ゲート電極パッド１７１の直下に位置する。

【0032】

各開口１９２ｂ内には、導電性の接続部材１７２が設けられている。導電性の接続部材１７２は、ゲート電極１７０及びゲート電極パッド１７１に接続されている。

【0033】

半導体装置１００において、ｎ半導体層１３０及びｐベース拡散層１４０は、ボディダイオード１００ｂを構成する。

【0034】

次に、ｎ半導体層１３０の上下方向の不純物濃度分布について説明する。
図６（ａ）は、横軸に上下方向における位置をとり、縦軸に対数スケールで不純物濃度をとり、図３のＥ－Ｅ’線上の不純物濃度分布を示すグラフであり、図６（ｂ）は、横軸に上下方向における位置を取り、縦軸に図６（ａ）に示す曲線の接線の傾きの絶対値を取り、図６（ａ）に示す曲線の接線の傾きの絶対値の変化を示すグラフである。

【0035】

ｎ^＋ドレイン層１２０の不純物濃度は、概ね一定である。ｎ半導体層１３０の不純物濃度は、ｎ^＋ドレイン層１２０の不純物濃度よりも低い。

【0036】

また、ｎ半導体層１３０は、本実施形態では、ｎ半導体層１３０の下端１３０ａから上方向に向かうにつれて不純物濃度が漸減する領域Ｆ１と、領域Ｆ１上に位置し、上下方向の各位置において不純物濃度が略一定の領域Ｆ２と、領域Ｆ２上に位置し、上方向に向かうにつれて不純物濃度が漸減する領域Ｆ３と、を含む。

【0037】

領域Ｆ１では、上方向に向かうにつれて、先ず不純物濃度が急激に減少し、次に不純物濃度の減少が緩やかになり、再び不純物濃度の減少率が高まる。したがって、領域Ｆ１の上下方向の不純物濃度のプロファイルを示す曲線Ｇの接線の傾きの絶対値は、領域Ｆ１の上端１３０ｂと下端１３０ａとの間の第１位置Ｐ１において極小となる。また、第１位置Ｐ１の上方に位置する第２位置Ｐ２において、不純物濃度Ｎ２が第１位置Ｐ１の不純物濃度Ｎ１の半分となる。すなわち、Ｎ２＝Ｎ１／２である。

【0038】

ｎ半導体層１３０において、下端１３０ａから第２位置Ｐ２までの領域が、ｎバッファ領域１３１に相当する。また、ｎ半導体層１３０において、第２位置Ｐ２からｎ半導体層１３０の上端１３０ｃまでの領域が、ｎドリフト領域１３２に相当する。

【0039】

したがって、ｎバッファ領域１３１の不純物濃度は、ｎ^＋ドレイン層１２０の不純物濃度よりも低く、ｎドリフト領域１３２に不純物濃度は、ｎバッファ領域１３１の不純物濃度よりも低い。

【0040】

ｎ半導体層１３０は、例えば、ｎ^＋ドレイン層１２０上にｎ形の半導体層をエピタキシャル成長させることにより形成される。この際、不純物ガスの濃度を調整することで、図６（ａ）に示すような不純物濃度のｎ半導体層１３０を形成することができる。ただし、ｎ半導体層１３０の上下方向における濃度分布は、図６（ａ）に示す濃度分布に限定されない。

【0041】

図７は、本実施形態に係る半導体装置の利用例を示す回路図である。
半導体装置１００は、例えば誘導性負荷Ｌに接続され、誘導性負荷Ｌに流れる電流を制御するために用いられる。この場合、半導体装置１００のボディダイオード１００ｂを、還流ダイオードとして用いる場合がある。具体的には、誘導性負荷Ｌのスイッチを切り替えた際に、誘導性負荷Ｌの自己誘導作用により、フライバック電圧が発生する場合がある。ボディダイオード１００ｂを還流ダイオードとして用いた場合、自己誘導作用により生じた電流Ｉｒをボディダイオード１００ｂに流すことにより、フライバック電圧が誘導性負荷Ｌの接続先に印加されることを抑制できる。

【0042】

ボディダイオード１００ｂを還流ダイオードとして用いた場合、ボディダイオード１００ｂのスイッチング時間及びスイッチングロスは、小さいことが好ましい。ボディダイオード１００ｂのスイッチング時間及びスイッチングロスは、ボディダイオード１００ｂの逆回復特性を改善することで小さくできる。

【0043】

ボディダイオード１００ｂを順方向にバイアスした場合、順方向に電流が流れる。これにより、ｐベース拡散層１４０から、ｎ半導体層１３０に少数キャリア（ホール）が注入される。そのため、この状態からボディダイオード１００ｂを逆方向にバイアスした状態に切り替えた場合、注入されたホールがｎ半導体層１３０から排出されるまでの、一定の時間、逆方向に電流が流れる。「逆回復特性」とは、このように順方向から逆方向にバイアスを変化させた際のボディダイオードのリカバリ特性を意味する。ここで、「順方向にバイアスする」とは、ソース電極１６０の電位がドレイン電極１１０の電位よりも高くなるようにドレイン電極１１０及びソース電極１６０に電圧を印加することを意味する。また、「逆方向にバイアスする」とは、ドレイン電極１１０の電位がソース電極１６０の電位よりも高くなるようにドレイン電極１１０及びソース電極１６０に電圧を印加することを意味する。

【0044】

図８は、参考例に係る半導体装置を示す断面図である。
以下、参考例に係る半導体装置９００の逆回復特性と比較しながら、本実施形態に係る半導体装置１００の逆回復特性について説明する。参考例に係る半導体装置９００は、第１距離Ｄ１が、第２距離Ｄ２、第３距離Ｄ３、及び第４距離Ｄ４よりも短い点で、本実施形態に係る半導体装置１００と相違する。以下、参考例に係る半導体装置９００おけるｎ半導体層１３０及びｐベース拡散層１４０を、「ボディダイオード９００ｂ」という。

【0045】

図９（ａ）は、横軸に時間をとり、第１縦軸に電流をとり、第２縦軸に電圧をとり、本実施形態に係る半導体装置及び参考例に係る半導体装置の逆回復特性のシミュレーションを示すグラフであり、図９（ｂ）は、図９（ａ）の一部を拡大して示すグラフである。
図９（ａ）及び図９（ｂ）において、「電流」とは、ドレイン電極１１０とソース電極１６０との間を流れる電流を意味し、電圧とは、ドレイン電極１１０とソース電極１６０との間の電圧を意味する。また、図９（ａ）及び図９（ｂ）では、順方向の電流、すなわちソース電極１６０からドレイン電極１１０に向かって流れる電流を正方向としている。また、図９（ａ）では、ドレイン電極１１０の電位がソース電極１６０の電位よりも高い場合の電圧を正方向としている。

【0046】

先ず、各半導体装置１００、９００のボディダイオード１００ｂ、９００ｂを順方向にバイアスする。これにより、各ボディダイオード１００ｂ、９００ｂ内を順方向に電流が流れ、ｐベース拡散層１４０から、ｎ半導体層１３０にホールが注入される。次に、時刻ｔｘで、各ボディダイオード１００ｂ、９００ｂを逆方向にバイアスする。これにより、図９（ａ）に示すように、各ボディダイオード１００ｂ、９００ｂ内を順方向に流れる電流が徐々に減少し、逆方向に電流が流れ始める。そして、逆方向に流れる電流が徐々に減少し、最終的には電流が流れなくなる。すなわち、電流値がゼロに収束する。また、ドレイン電極１１０とソース電極１６０との間の電圧は、ドレイン電極１１０とソース電極１６０との間に印加されている電圧Ｖに収束する。

【0047】

以下では、各ボディダイオード１００ｂ、９００ｂに、順方向に電流が流れている時刻を「時刻ｔ１」とする。また、逆方向に電流が流れ始めた時刻を「時刻ｔ２」とする。また、参考例におけるボディダイオード９００ｂにおいて逆方向に流れる電流の絶対値が最大となる時刻を「時刻ｔ３１」とし、本実施形態におけるボディダイオード１００ｂにおいて逆方向に流れる電流の絶対値が最大となる時刻を「時刻ｔ３２」とする。また、参考例におけるボディダイオード９００ｂにおいて、逆方向に流れる電流の絶対値が時刻ｔ３１における電流の絶対値の１０％となる時刻を「時刻ｔ４１」とし、本実施形態におけるボディダイオード１００ｂにおいてが逆方向に流れる電流の絶対値が時刻ｔ３２における電流の絶対値の１０％となる時刻を「時刻ｔ４２」とする。

【0048】

図１０（ａ）～図１０（ｄ）は、参考例に係る半導体装置におけるホールの濃度分布のシミュレーション結果を示すマップであり、図１０（ｅ）～図１０（ｈ）は、本実施形態に係る半導体装置におけるホールの濃度分布のシミュレーション結果を示すマップである。

【0049】

なお、図１０（ａ）は、参考例に係る半導体装置９００の時刻ｔ１におけるホールの濃度分布を示す。図１０（ｂ）は、参考例に係る半導体装置９００の時刻ｔ２におけるホールの濃度分布を示す。図１０（ｃ）は、参考例に係る半導体装置９００の時刻ｔ３１におけるホールの濃度分布を示す。図１０（ｄ）は、参考例に係る半導体装置９００の時刻ｔ４１におけるホールの濃度分布を示す。また、図１０（ｅ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の時刻ｔ１におけるホールの濃度分布を示す。図１０（ｆ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の時刻ｔ２におけるホールの濃度分布を示す。図１０（ｇ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の時刻ｔ３２におけるホールの濃度分布を示す。図１０（ｈ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の時刻ｔ４２におけるホールの濃度分布を示す。

【0050】

時刻ｔ１では、図１０（ａ）に示すように、順方向に電流が流れ、ｐベース拡散層１４０から、ｎ半導体層１３０にホールが注入される。次に、時刻ｔｘで、ボディダイオード９００ｂが逆方向にバイアスされる。これにより、ボディダイオード９００ｂ内を順方向に流れる電流が徐々に減少し、逆方向に電流が流れ始める。

【0051】

時刻ｔ２、ｔ３１、ｔ４１では、ボディダイオード９００ｂ内を逆方向に電流が流れている。そのため、図１０（ｂ）～図１０（ｄ）に示すように、ｎ半導体層１３０内のホールの濃度は徐々に減少する。特に、電流は、上方向に流れているため、ソース電極１６０に近いｎ半導体層１３０の上部においてホールが減少し易い。そのため、図１０（ｄ）に示すように、ｎ半導体層１３０の上部のホールの濃度は、ｎ半導体層１３０の下部のホールの濃度、特に、絶縁膜１９１とｎ^＋ドレイン層１２０との間の部分のホールの濃度よりも低くなる。このように、ｎ半導体層１３０の下部では、ホールが減少し難い。

【0052】

これに対して、本実施形態に係る半導体装置１００の第１距離Ｄ１は、参考例に係る半導体装置９００の第１距離Ｄ１よりも長い。このため、ｎ半導体層１３０の下部の体積を減少させることができる。

【0053】

その結果、図１０（ａ）及び図１０（ｅ）に示すように、本実施形態に係る半導体装置１００において時刻ｔ１にｎ半導体層１３０内に発生するホールの量は、参考例に係る半導体装置９００において時刻ｔ１にｎ半導体層１３０内に発生するホールの量よりも少ない。

【0054】

また、本実施形態に係る半導体装置１００においては、ｎ半導体層１３０の下部、すなわち、ｎ半導体層１３０においてホールが減少し難い部分の体積を減少させている。そのため、図１０（ｂ）～図１０（ｄ）及び図１０（ｆ）～図１０（ｈ）に示すように、本実施形態に係る半導体装置１００におけるホールの減少速度は、参考例に係る半導体装置９００におけるホールの減少速度よりも早い。

【0055】

また、前述したように、本実施形態に係る半導体装置１００において発生するホールの総量は、参考例に係る半導体装置９００において発生するホールの総量よりも少ない。そのため、図９（ｂ）に示すように本実施形態に係る半導体装置１００において時刻ｔ３２に流れる電流の絶対値は、参考例に係る半導体装置１００において時刻ｔ３１に流れる電流の絶対値よりも小さくなる。

【0056】

また、本実施形態に係る半導体装置１００において、時刻ｔ２から時刻ｔ４２までの間に流れる電流の総量Ｑ１は、参考例に係る半導体装置９００において時刻ｔ２から時刻ｔ４１までの間に流れる電流の総量Ｑ２よりも小さくなる。電流の総量Ｑ１、Ｑ２は、「逆回復電荷」とも呼ばれる。逆回復電荷に電圧を掛け合わせた値が電力のロスに相当するため、逆回復電荷を小さくすることで、ボディダイオード１００ｂのスイッチロスを低減することができる。

【0057】

また、本実施形態に係る半導体装置１００において、時刻ｔ２から時刻ｔ４２までの時間Δｔ２は、参考例に係る半導体装置９００において、時刻ｔ２から時刻ｔ４１までの時間Δｔ１よりも短くできる。時間Δｔ１、Δｔ２は、「逆回復時間」とも呼ばれる。逆回復時間を短くすることで、ボディダイオード１００ｂのスイッチ時間を短くすることができる。

【0058】

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る半導体装置１００において、フィールドプレート電極１８０の下端と絶縁膜１９１の下端との第１距離Ｄ１は、絶縁膜１９１とｎ^＋ドレイン層１２０との第２距離Ｄ２よりも長い。これにより、ｎ半導体層１３０の下部の体積を減少させることができる。そのため、ｎ半導体層１３０において、順方向にバイアスされた際にｎ半導体層１３０内に発生するキャリアの総量を低減できる。そのため、逆回復特性を改善した半導体装置１００を提供できる。

【0059】

ｎ半導体層１３０においてトレンチＴ（又は絶縁膜１９１の下端）とｎ^＋ドレイン層１２０との間の部分は、半導体装置１００をトランジスタとして機能させた際にオン電流が流れ難い部分である。そのため、この部分の体積を低減させたとしても、半導体装置１００をトランジスタとして機能させた際のオン抵抗への影響は小さい。その結果、オン抵抗が増加することを抑制しつつ、逆回復特性を改善できる。

【0060】

また、このような半導体装置１００においては、ｎ半導体層１３０の下部の体積を減少させつつ、フィールドプレート電極１８０がｎ^＋ドレイン層１２０に接近することを抑制できる。そのため、ｎ半導体層１３０において、トレンチＴとｎ^＋ドレイン層１２０との間の部分に電界が集中し、半導体装置１００の耐圧が低下することを抑制できる。

【0061】

また、トレンチＴ（又は絶縁膜１９１の下端）はｎバッファ領域１３１に到達している。これにより、ｎ半導体層１３０の下部の体積を減少させることができる。そのため、ｎ半導体層１３０において、順方向にバイアスされた際にｎ半導体層１３０内に発生するキャリアの総量を低減できる。

【0062】

また、第１距離Ｄ１は、フィールドプレート電極１８０の側面と絶縁膜１９１の側面との第３距離Ｄ３よりも長い。これにより、ｎ半導体層１３０の下部の体積を減少させることができる。そのため、ｎ半導体層１３０において、順方向にバイアスされた際にｎ半導体層１３０内に発生するキャリアの総量を低減できる。

【0063】

また、第１距離Ｄ１は、第３距離Ｄ３の２倍以上である。これにより、ｎ半導体層１３０の下部の体積を減少させることができる。そのため、ｎ半導体層１３０において、順方向にバイアスされた際にｎ半導体層１３０内に発生するキャリアの総量を低減できる。

【0064】

また、第１距離Ｄ１は、隣り合うトレンチＴ（又は絶縁膜１９１）同士の第４距離Ｄ４よりも長い。そのため、ｎ半導体層１３０において、順方向にバイアスされた際にｎ半導体層１３０内に発生するキャリアの総量を低減できる。

【0065】

また、本実施形態に係る半導体装置１００において、絶縁膜１９１の下端は、第２位置Ｐ２よりも下方に位置する。これにより、ｎ半導体層１３０の下部の体積を減少させることができる。そのため、ｎ半導体層１３０において、順方向にバイアスされた際にｎ半導体層１３０内に発生するキャリアの総量を低減できる。そのため、逆回復特性を改善した半導体装置１００を提供できる。

【0066】

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図１１は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
なお、以下の説明においては、原則として、第１の実施形態との相違点のみを説明する。以下に説明する事項以外は、第１の実施形態と同様である。

【0067】

本実施形態に係る半導体装置２００において、ｎ半導体層１３０には、再結合中心２３０が設けられている。再結合中心２３０は、例えば、結晶欠陥、又は、不純物元素からなる。結晶欠陥は、例えば、Ｈ^＋又はＨｅ^＋等のイオンをｎ半導体層１３０に注入することにより形成できる。不純物元素は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、又は金（Ａｕ）等の再結合中心としての機能を有する元素である。再結合中心２３０は、例えばｎバッファ領域１３１及びｎドリフト領域１３２の両方に設けられている。ただし、再結合中心は、例えばｎバッファ領域に設けられ、ｎドレイン領域には設けられていなくてもよい。

【0068】

以上、本実施形態に係る半導体装置２００においては、ｎ半導体層１３０には、結晶欠陥又は不純物元素が設けられている。そのため、ｎ半導体層１３０内に発生したホールと電子の再結合が促進される。そのため、逆回復特性を改善した半導体装置２００を提供できる。

【0069】

なお、上記実施形態では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形である形態を説明した。ただし、第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形であってもよい。

【0070】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0071】

１００、２００：半導体装置
１００ｂ、９００ｂ：ボディダイオード
１１０ ：ドレイン電極
１２０ ：ｎ^＋ドレイン層
１３０ ：ｎ半導体層
１３０ａ ：下端
１３０ｂ ：上端
１３０ｃ ：上端
１３１ ：ｎバッファ領域
１３２ ：ｎドリフト領域
１４０ ：ｐベース拡散層
１５０ ：ソース拡散層
１５０ａ ：上面
１６０ ：ソース電極
１６１ ：ソース電極パッド
１７０ ：ゲート電極
１７１ ：ゲート電極パッド
１７２ ：接続部材
１８０ ：フィールドプレート電極
１８１ ：接続部材
１９１ ：絶縁膜
１９２ ：絶縁膜
１９２ａ ：トレンチ
１９２ｂ ：開口
１９２ｃ ：開口
２３０ ：再結合中心
９００ ：半導体装置
９００ｂ ：ボディダイオード
Ｄ１ ：第１距離
Ｄ２ ：第２距離
Ｄ３ ：第３距離
Ｄ４ ：第４距離
Ｆ１ ：領域
Ｆ２ ：領域
Ｆ３ ：領域
Ｉｒ ：電流
Ｌ ：誘導性負荷
Ｎ１ ：不純物濃度
Ｎ２ ：不純物濃度
Ｐ１ ：第１位置
Ｐ２ ：第２位置
Ｑ１ ：電流の総量
Ｑ２ ：電流の総量
Ｓ ：領域
Ｔ ：トレンチ
Ｖ ：電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】