JP7707969B2

JP7707969B2 - 半導体装置

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Publication number: JP7707969B2
Application number: JP2022037484A
Authority: JP
Inventors: 将和岡田
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2025-07-15
Anticipated expiration: 2042-03-10
Also published as: JP2023132262A

Description

本発明は、トレンチゲート構造を有し、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて構成された半導体装置に関するものである。

従来より、トレンチゲート構造を有し、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて構成された半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、この半導体装置は、ワイドバンドギャップ半導体材料としての炭化珪素（以下では、ＳｉＣともいう）を用いて構成され、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略）が形成されている。より詳しくは、この半導体装置では、ｎ^＋型の基板上にｎ^－型のドリフト層が形成され、ドリフト層上にｐ型のベース層が形成されている。ベース層の表層部には、ｎ^＋型のソース領域が形成されている。そして、ソース領域およびベース層を貫通するように複数のトレンチが形成されており、各トレンチには、ゲート絶縁膜およびゲート電極が順に形成されている。これにより、トレンチゲート構造が形成されている。

また、この半導体装置では、ベース層およびソース領域と電気的に接続されるように第１電極が形成され、ｎ^＋型の基板と接続されるように第２電極が形成されている。

このような半導体装置は、ゲート電極に所定の閾値電圧以上の電圧が印加されることにより、ベース層のうちのトレンチと接する部分にｎ型の反転層（すなわち、チャネル領域）が形成される。そして、半導体装置は、ソース領域から反転層を介して電子がドリフト層に供給されることにより、第１電極と第２電極との間に電流が流れてオン状態となる。また、この半導体装置は、ゲート電極に所定の閾値電圧以上の電圧が印加されないようにすることにより、ベース層に形成されていた反転層が消滅してオフ状態となる。

そして、このようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いて構成された半導体装置では、界面準位の影響等によって電子移動度が低下し、オン抵抗が増加する可能性があることが報告されている。このため、上記の半導体装置では、オン状態である際、隣合うトレンチの間に位置するベース層の全体に反転層が形成されるように、隣合うトレンチの間隔が調整されている。言い換えると、上記の半導体装置は、オン状態である際、隣合うトレンチの間に位置するベース層において、一方のトレンチと接する部分に形成される反転層と、他方のトレンチと接する部分に形成される反転層とが繋がるように、隣合うトレンチの間隔が調整されている。

特開２０２０－１２３６０７号公報

しかしながら、上記の半導体装置に含まれるトレンチは、実際にトレンチを形成すると、製造上の誤差等によって側面を半導体基板の面方向に対する法線方向と完全に平行とすることが困難であり、側面が当該法線方向に対して傾いたテーパ状となる。そして、ベース層は、隣合うトレンチの間に位置する部分において、深さ方向（すなわち、半導体基板の厚さ方向）に沿って幅が変化する。このため、ベース層の不純物濃度が深さ方向に沿って一定とされていると、幅が広い部分では、幅が狭い部分に対して反転層が繋がり難くなり、電子移動度が低下し易くなる。したがって、上記の半導体装置では、オン抵抗が増加する可能性がある。

本発明は上記点に鑑み、オン抵抗が増加することを抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１および４では、トレンチゲート構造を有する半導体装置であって、ワイドバンドギャップ半導体材料で構成され、第１導電型のベース層（１３）と、ベース層の表層部に配置された第２導電型の第１不純物領域（１４）と、第１不純物領域と離れて配置された第１導電型または第２導電型の第２不純物領域（１１、２１）と、を有し、ベース層の表層部側の面を一面（１０ａ）とし、一面と反対側の面を他面（１０ｂ）とする半導体基板（１０）と、半導体基板の面方向における一方向を長手方向として半導体基板の一面側から複数のトレンチ（１５）が形成され、トレンチ（１５）の壁面上に配置されたゲート絶縁膜（１６）と、ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極（１７）と、を有する複数のトレンチゲート構造と、第１不純物領域およびベース層と電気的に接続される第１電極（１９）と、第２不純物領域と電気的に接続される第２電極（２０）と、を備えている。そして、ゲート電極に所定の電圧が印加されてベース層のうちのトレンチと接する部分にチャネル領域が形成されることで第１電極と第２電極との間に電流が流れ、隣合うトレンチは、ゲート電極に所定の電圧が印加された際、それぞれのトレンチと接するベース層に形成されるチャネル領域が繋がる間隔で形成され、トレンチは、半導体基板の面方向に対する法線方向に対して側面が傾斜したテーパ状とされ、長手方向と交差する方向であって、半導体基板の面方向に沿った方向の長さを幅とすると、ベース層は、隣合うトレンチの間に位置する部分において、幅が広い部分の不純物濃度が、幅が狭い部分の不純物濃度より低くなる部分を含んで構成されている。
そして、請求項１では、トレンチは、長手方向に沿って、開口幅が異なる部分を有し、ベース層は、長手方向において、幅が広い部分の不純物濃度が、幅が狭い部分の不純物濃度より低くなる部分を含んで構成されている。
請求項４では、第１電極および第２電極は、半導体基板の一面側に配置され、半導体基板の面方向に沿って電流が流れる。

これによれば、ベース層は、幅が広い部分では幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされている。このため、ベース層は、半導体装置に電流が流れるオン状態である際、幅が広い部分においても、隣合うトレンチと接する部分に形成される反転層同士が繋がり易くなる。したがって、幅が広い部分でも電子密度が低くなることを抑制でき、電子移動度が低くなることを抑制できるため、チャネル抵抗を十分に低下でき、オン抵抗が増加することを抑制できる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態における半導体装置の断面図である。図１に示すトレンチ部分の拡大図と、ベース層の不純物濃度および電子移動度の関係を示す図である。図１に示すトレンチの側面の成す角度を説明するための図である。比較対象の半導体装置におけるトレンチ部分の拡大図と、ベース層の不純物濃度および電子移動度の関係を示す図である。比較対象の半導体装置におけるベース層において、一面側の部分における電子密度を示す図である。比較対象の半導体装置におけるベース層において、他面側の部分における電子密度を示す図である。図１に示す半導体装置におけるベース層において、一面側の部分における電子密度を示す図である。図１に示す半導体装置におけるベース層において、他面側の部分における電子密度を示す図である。第２実施形態における半導体装置の断面図である。図７に示すトレンチの側面の成す角度を説明するための図である。第３実施形態における半導体装置の断面図である。第４実施形態における半導体装置の斜視断面図である。第５実施形態における半導体装置の斜視断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の半導体装置は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための半導体装置として適用されると好適である。また、本実施形態では、トレンチゲート構造の反転型のＭＯＳＦＥＴが形成されている半導体装置について説明する。

本実施形態の半導体装置は、図１に示されるように、半導体基板１０を用いて構成されている。半導体基板１０は、ワイドバンドギャップ半導体材料で構成され、本実施形態では、ＳｉＣによって構成されている。以下、本実施形態では、半導体基板１０がＳｉＣで構成されるＳｉＣ半導体装置を例に挙げて説明する。但し、半導体基板１０は、ワイドバンドキャップ半導体材料で構成されていればよく、例えば、窒化ガリウムやダイヤモンド等によって構成されていてもよい。

本実施形態の半導体基板１０は、ＳｉＣで構成されるｎ^＋型の基板１１上に、ｎ^－型のドリフト層１２およびｐ型のベース層１３が配置されて構成されている。そして、ベース層１３の表層部には、ｎ^＋型のソース領域１４が形成されている。

なお、特に図示しないが、本実施形態の半導体装置は、図１とは異なる断面において、ベース層１３の表層部であって半導体基板１０の一面１０ａから露出するように、ベース層１３よりも高不純物濃度とされたコンタクト領域が形成されている。詳しくは、本実施形態では、ソース領域１４およびコンタクト領域は、後述するトレンチ１５の長手方向に沿って交互に形成されている。

基板１１は、例えば、ｎ型不純物濃度が１．０×１０^１９／ｃｍ^３とされ、表面が（０００１）Ｓｉ面とされている。なお、本実施形態では、基板１１がＭＯＳＦＥＴにおけるドレイン領域を構成する。ベース層１３は、チャネル領域が形成される部分であり、不純物濃度の分布については後述する。ソース領域１４は、ドリフト層１２よりも高不純物濃度とされている。そして、本実施形態では、基板１１が第２不純物領域に相当し、ソース領域１４が第１不純物領域に相当している。

半導体基板１０には、一面１０ａ側からベース層１３およびソース領域１４を貫通してドリフト層１２に達するように、半導体基板１０の面方向における一方向を長手方向として延設された複数のトレンチ１５が形成されている。本実施形態では、各トレンチ１５は、図１中の紙面奥行き方向を長手方向としてストライプ状となるように形成されている。そして、ベース層１３およびソース領域１４は、上記のようにトレンチ１５が形成されるため、トレンチ１５の側面に接するように形成される。なお、コンタクト領域は、上記のように、図１とは別断面に形成され、トレンチ１５の長手方向に沿ってソース領域１４と交互に形成されている。

トレンチ１５の内壁面には、ゲート絶縁膜１６が形成されている。ゲート絶縁膜１６の表面には、ドープドＰｏｌｙ－Ｓｉにて構成されたゲート電極１７が形成されている。これにより、半導体基板１０にトレンチゲート構造が構成される。

ここで、本実施形態のトレンチ１５は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etchingの略）等の異方性エッチングによって形成され、具体的には後述するが、側面が傾斜したテーパ状とされている。また、本実施形態のトレンチは、具体的には後述するが、半導体装置がオン状態である際、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３の全体にチャネル領域（すなわち、バルクチャネル領域）が形成されるように、間隔が調整されている。本実施形態では、隣合うトレンチ１５は、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３のうちの最も長い部分の幅が０．１μｍ以下となるように形成されている。

半導体基板１０の一面１０ａには、層間絶縁膜１８が形成されている。そして、層間絶縁膜１８には、ソース領域１４および図示しないコンタクト領域を露出させるコンタクトホール１８ａが形成されている。

層間絶縁膜１８上には、コンタクトホール１８ａを通じてソース領域１４およびベース層１３と電気的に接続される第１電極１９が形成されている。なお、第１電極１９は、図１とは別断面において、ベース層１３の表層部に形成されたコンタクト領域と電気的に接続されることによってベース層１３と電気的に接続されている。

本実施形態では、第１電極１９は、例えば、Ｎｉ／Ａｌ等の複数の金属にて構成されている。そして、複数の金属のうちのｎ型ＳｉＣ（すなわち、ソース領域１４）を構成する部分と接触する部分は、ｎ型ＳｉＣとオーミック接触可能な金属で構成されている。また、複数の金属のうちの少なくともｐ型ＳｉＣ（すなわち、コンタクト領域）と接触する部分は、ｐ型ＳｉＣとオーミック接触可能な金属で構成されている。

基板１１の他面１０ｂ側には、基板１１と電気的に接続される第２電極２０が形成されている。本実施形態では、このような構造により、ｎチャネルタイプの反転型であるトレンチゲート構造のＭＯＳＦＥＴが構成されている。

次に、本実施形態のトレンチ１５の形状およびベース層１３の不純物濃度について、具体的に説明する。以下では、基板１１、ドリフト層１２、ベース層１３の積層方向を深さ方向ともいう。なお、深さ方向は、半導体基板１０の厚さ方向ともいえる。また、以下では、半導体基板１０の面方向と平行な方向であって、トレンチ１５の長手方向と交差する方向の長さを幅とする。例えば、図１中等では、紙面左右方向の長さが幅となる。

トレンチ１５は、半導体基板１０に対してＲＩＥ等のドライエッチング等を行うことによって形成され、図１および図２に示されるように、側面が半導体基板１０の一面１０ａに対する法線方向に対して傾いたテーパ状とされている。具体的には、本実施形態のトレンチ１５は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって開口幅が狭くなる順テーパ状とされている。このため、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって幅が広くなる逆テーパ状となる。

そして、ベース層１３は、隣合うトレンチ１５の間に位置する部分において、幅が広い部分では、幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされている。つまり、本実施形態では、ベース層１３は、他面１０ｂ側に位置する部分の不純物濃度が、一面１０ａ側に位置する部分の不純物濃度よりも低くされている。この場合、ベース層１３は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって連続的に不純物濃度が低くなるように調整されていてもよいし、段階的に不純物濃度が低くなるように調整されていてもよい。本実施形態では、ベース層１３は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって連続的に不純物濃度が低くなるように調整されている。

なお、このようなベース層１３は、ベース層１３をイオン注入によって形成する場合には、イオン注入を行う際の不純物濃度を調整することで構成される。ベース層１３をエピタキシャル成長によって形成する場合には、エピタキシャル成長を行う際に添加する不純物の濃度を調整することで構成される。

また、本実施形態のトレンチ１５は、上記のように順テーパ状とされており、図３に示されるように、側面と半導体基板１０の面方向に沿った仮想面Ｓとの成す角度をθ１とすると、成す角度θ１が次のように調整されている。すなわち、上記のような半導体装置では、半導体基板１０の一面１０ａ側にソース領域１４およびコンタクト領域が形成される。この場合、ソース領域１４やコンタクト領域を形成する際のバラツキを考慮し、ソース領域１４およびコンタクト領域は、厚さが０．３μｍ以上とされる。また、ベース層１３は、チャネル領域が形成される部分であり、閾値変動が発生し難くなる厚さとなるように、厚さが０．２μｍ以上とされる。つまり、本実施形態では、半導体基板１０の一面１０ａからベース層１３のうちの他面１０ｂ側の部分までの長さＬ１が０．５μｍ以上とされる。なお、ベース層１３のうちの他面１０ｂ側の部分とは、言い換えると、ベース層１３とドリフト層１２との界面のことである。

また、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３の最も長い部分の幅ｄは、ベース層１３の全体にチャネル領域が形成されるように、上記のように０．１μｍ以下とされる。そして、成す角度θ１は、隣合うトレンチ１５の間に半導体基板１０の一面１０ａ（すなわち、ソース領域１４およびコンタクト領域）が残存するように、８４．３°以上であって、９０°未満となるように調整されている。

以上が本実施形態における半導体装置の構成である。なお、本実施形態では、ｎ^＋型、ｎ^－型が第１導電型に相当しており、ｐ^－型、ｐ型、ｐ^＋型が第２導電型に相当している。また、本実施形態では、上記のように構成されることにより、半導体基板１０は、基板１１、ドリフト層１２、ベース層１３、ソース領域１４等を含んで構成される。

次に、上記半導体装置における作動および効果について説明する。上記半導体装置は、第２電極２０が第１電極１９よりも高電位とされつつ、ゲート電極１７に所定の閾値電圧以上の電圧が印加されることにより、ベース層１３のうちのトレンチ１５と接する部分にｎ型の反転層（すなわち、チャネル領域）が形成される。そして、ソース領域１４から反転層を介して電子がドリフト層１２に供給されることにより、第１電極１９と第２電極２０との間に電流が流れてオン状態となる。つまり、本実施形態の半導体装置では、ゲート電極１７に所定の閾値電圧以上の電圧が印加されると、半導体基板１０の厚さ方向に沿って電流が流れる。

この際、本実施形態では、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３の最も長い部分の幅ｄが０．１μｍ以下とされている。このため、ゲート電極１７に所定の閾値電圧以上の電圧が印加された際、ベース層１３のうちの各トレンチ１５と接する部分に形成される反転層同士が繋がり易くなる。つまり、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３は、全体にチャネル領域（すなわち、バルクチャネル領域）が形成され易くなる。したがって、半導体装置のオン抵抗の低減を図ることができる。

ここで、図４に示されるように、ベース層１３の不純物濃度が深さ方向に沿って一定とされている半導体装置を比較対象の半導体装置とする。言い換えると、ベース層１３において、幅が狭い部分の不純物濃度と幅が広い部分の不純物濃度とが等しくされている半導体装置を比較対象の半導体装置とする。この場合、比較対象の半導体装置では、幅が広い部分では幅が狭い部分よりも隣合うトレンチ１５と接する部分に形成される反転層同士が繋がり難くなるため、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、幅が広い部分では、幅が狭い部分よりも電子密度が小さくなる。このため、比較対象の半導体装置では、図４に示されるように、幅が広い部分の電子移動度が低くなる。したがって、比較対象の半導体装置では、矢印Ｂのように幅が広い部分で電流が減少させられ、十分にチャネル抵抗を低減できない可能性がある。

これに対し、本実施形態のベース層１３は、図２に示されるように、幅が広い部分では、幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされている。このため、ベース層１３は、幅が広い部分においても、隣合うトレンチ１５と接する部分に形成される反転層同士が繋がり易くなる。したがって、図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、幅が広い部分でも電子密度が低くなることを抑制でき、図２に示されるように、幅が広い部分でも電子移動度が低くなることを抑制できる。これにより、矢印Ａのように幅が広い部分で電流が減少させられることを抑制できる。つまり、本実施形態の半導体装置によれば、チャネル抵抗を十分に低下でき、オン抵抗が増加することを抑制できる。

なお、図５Ａおよび図６Ａは、ベース層１３とソース領域１４およびコンタクト領域との界面における電子密度を示すである。図５Ｂおよび図６Ｂは、ベース層１３とドリフト層１２との界面における電子密度を示す図である。

以上説明した本実施形態によれば、ベース層１３は、幅が広い部分では、幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされている。このため、ベース層１３は、オン状態である際、幅が広い部分においても、隣合うトレンチ１５と接する部分に形成される反転層同士が繋がり易くなる。したがって、幅が広い部分でも電子密度が低くなることを抑制でき、電子移動度が低くなることを抑制できるため、チャネル抵抗を十分に低下でき、オン抵抗が増加することを抑制できる。

（１）本実施形態では、トレンチ１５は、成す角度θ１が８４．３°以上であって９０°未満とされている。このため、隣合うトレンチ１５の間において、半導体基板１０の一面１０ａが消滅してしまうことを抑制できる。したがって、第１電極１９と半導体基板１０の一面１０ａ（すなわち、ソース領域１４およびコンタクト領域）との接続不良が発生することを抑制できる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、トレンチ１５の形状およびベース層１３の不純物濃度分布を変更したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の半導体装置では、図７に示されるように、トレンチ１５は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって開口幅が広くなる逆テーパ状とされている。このため、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって幅が狭くなる順テーパ状となる。そして、ベース層１３は、一面１０ａ側に位置する部分の不純物濃度が他面１０ｂ側に位置する部分の不純物濃度よりも低くされている。なお、ベース層１３は、他面１０ｂ側から一面１０ａ側に向かって連続的に不純物濃度が低くなるように調整されていてもよいし、段階的に不純物濃度が低くなるように調整されていてもよい。本実施形態では、ベース層１３は、他面１０ｂ側から一面１０ａ側に向かって連続的に不純物濃度が低くなるように調整されている。

また、トレンチ１５は、上記のように逆テーパ状とされており、図８に示されるように、仮想面Ｓとの成す角度θ２が次のように調整されている。すなわち、上記のような半導体装置では、ベース層１３の厚さが０．２μｍ以上とされ、トレンチ１５がベース層１３を貫通するように形成される。このため、本実施形態では、ベース層１３のうちの一面１０ａ側に位置する部分と、トレンチ１５の底部までの長さＬ２は、０．２μｍ以上とされる。また、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３のうちの最も広い部分の幅ｄは、上記のように０．１μｍ以下とされる。そして、成す角度θ２は、隣合うトレンチ１５の間に位置する根本部分が完全な頂角とならないように、９０°より大きく、１０４°未満とされている。言い換えると、成す角度θ２は、隣合うトレンチ１５の底部が繋がらないように、９０°より大きく、１０４°未満とされている。

なお、このようなトレンチ１５は、ドライエッチングにてエッチング工程と保護膜形成工程とが繰り返し行われるようにし、保護膜形成工程にて他面１０ｂ側の側面に配置される保護膜が薄くなるようにすればよい。

以上説明した本実施形態によれば、ベース層１３は、幅が広い部分では幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされているため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（１）本実施形態では、トレンチ１５は、成す角度θ２が９０°より大きく、１０４°未満とされている。このため、隣合うトレンチ１５の間において、隣合うトレンチ１５の底部で挟まれる根本部分が消失することを抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態および第２実施形態のトレンチ１５の形状を組み合わせたものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の半導体装置では、図９に示されるように、トレンチ１５は、一面１０ａ側の部分が逆テーパ状とされ、他面１０ｂ側の部分が順テーパ状とされている。つまり、本実施形態のトレンチ１５は、逆テーパ状とされた部分と、順テーパ状とされた部分を含んで構成されている。

そして、ベース層１３は、隣合うトレンチ１５の間に位置する部分において、幅が広い分では幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされている。本実施形態では、ベース層１３は、逆テーパ状とされたトレンチ１５と順テーパ状とされたトレンチ１５とが繋がる部分と同じ深さに位置する部分の不純物濃度が高くされ、この部分から一面１０ａ側および他面１０ｂ側に向かって不純物濃度が低くされている。

なお、本実施形態の半導体装置では、トレンチ１５は、一面１０ａ側の部分が順テーパ状とされ、他面１０ｂ側の部分が逆テーパ状とされていてもよい。この場合は、ベース層１３は、逆テーパ状とされたトレンチ１５と順テーパ状とされたトレンチ１５とが繋がる部分と同じ深さに位置する部分の不純物濃度が低くされ、この部分から一面１０ａ側および他面１０ｂ側に向かって不純物濃度が高くなるように構成される。

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対し、半導体基板１０の面方向に電流が流れる横型の半導体装置としたものである。その他に関しては、第２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の半導体基板１０は、図１０に示されるように、ｐ^＋型の基板１１上に、ｐ型のベース層１３が配置されて構成されている。ベース層１３の表層部には、互いに離れるように、ｎ^＋型のソース領域１４とｎ^＋型のドレイン領域２１とが形成されている。本実施形態では、以上のようにして半導体基板１０が構成されている。そして、半導体基板１０は、ベース層１３、ソース領域１４、ドレイン領域２１等を含んで一面１０ａが構成され、他面１０ｂが基板１１で構成されている。なお、図１０では省略しているが、実際には、半導体基板１０の一面１０ａ側に層間絶縁膜１８、第１電極１９および第２電極２０が配置されている。また、第１電極１９は、ソース領域１４およびベース層１３と接続され、第２電極２０がドレイン領域２１と接続されている。そして、本実施形態では、ドレイン領域２１が第２不純物領域に相当している。

半導体基板１０には、ベース層１３、ソース領域１４およびドレイン領域２１を貫通して基板１１に達するように、トレンチ１５が形成されている。つまり、ソース領域１４およびドレイン領域２１は、トレンチ１５と接するように形成されている。そして、トレンチ１５には、上記第１実施形態と同様に、ゲート絶縁膜１６およびゲート電極１７が埋め込まれている。

なお、図１０では、１本のトレンチ１５のみを図示しているが、実際には、複数本のトレンチ１５がストライプ状となるように形成されて半導体装置が構成されている。

また、本実施形態のトレンチ１５は、上記第２実施形態と同様に、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって開口幅が広くなる逆テーパ状とされている。このため、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって幅が狭くなる順テーパ状となる。そして、ベース層１３は、上記第２実施形態と同様に、隣合うトレンチ１５の間に位置する部分において、幅が広い部分では、幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされている。

以上が本実施形態における半導体装置の構成である。そして、本実施形態の半導体装置では、ゲート電極１７に所定の閾値電圧以上の電圧が印加されると、半導体基板１０の面方向に沿って電流が流れる。

以上説明した本実施形態によれば、ベース層１３は、幅が広い部分では幅が狭い部分よりも不純物濃度が低くされているため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。そして、このようなベース層１３の構成は、半導体基板１０の面方向に沿って電流が流れる半導体装置に適用することもできる。

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。本実施形態は、第４実施形態に対し、トレンチ１５の長手方向に沿った幅を変化させたものである。その他に関しては、第４実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の半導体装置では、図１１に示されるように、トレンチ１５は、長手方向に沿って幅が変化している。本実施形態では、トレンチ１５は、ソース領域１４側からドレイン領域２１側に向かって開口幅が広くなるように形成されている。なお、このようなトレンチ１５は、製造上の誤差等によって形成され得る。そして、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３は、ドレイン領域２１側からベース層１３側に向かって不純物濃度が低くされている。

（他の実施形態）
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

例えば、上記各実施形態では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としたｎチャネルタイプのトレンチゲート構造のＭＯＳＦＥＴが形成された半導体装置を説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎず、例えば、ｎチャネルタイプに対して各構成要素の導電型を反転させたｐチャネルタイプのトレンチゲート構造のＭＯＳＦＥＴが形成されて半導体装置が構成されていてもよい。さらに、半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ以外に、同様の構造のＩＧＢＴが形成された構成とされていてもよい。ＩＧＢＴの場合、例えば、上記第１実施形態では、ｎ^＋型の基板１１をｐ^＋型の基板１１に変更する以外は、上記第１実施形態で説明したＭＯＳＦＥＴと同様である。さらに、上記各実施形態の半導体装置は、ダイオード素子等の別の半導体素子が一体的に形成されていてもよい。

また、上記各実施形態において、ドリフト層１２とベース層１３との間に、ドリフト層１２よりも高不純物濃度とされたｎ^＋型のキャリア拡散層を形成し、さらにオン抵抗の低減を図ることができるようにしてもよい。

さらに、上記各実施形態において、隣合うトレンチ１５の間に位置するベース層１３は、一部のベース層１３の不純物濃度が上記のように調整され、残りのベース層１３は、深さ方向に沿って不純物濃度が一定とされていてもよい。つまり、上記各実施形態の半導体装置は、隣合うトレンチ１５の間に位置する全てのベース層１３の不純物濃度が調整されるのでのではなく、一部のベース層１３の不純物濃度が上記各実施形態のように調整されていてもよい。

そして、上記各実施形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、上記第１実施形態を上記第４、第５実施形態に組み合わせ、トレンチ１５は、一面１０ａ側から他面１０ｂ側に向かって開口幅が狭くなる順テーパ状とされていてもよい。上記第３実施形態を上記第、第５実施形態に組み合わせ、トレンチ１５は、順テーパ状とされた部分と逆テーパ状とされた部分とを含んで構成されていてもよい。

１０半導体基板
１０ａ一面
１０ｂ他面
１１基板（第２不純物領域）
１３ベース層
１４ソース領域（第１不純物領域）
１５トレンチ
１６ゲート絶縁膜
１７ゲート電極
１９第１電極
２０第２電極

Claims

トレンチゲート構造を有する半導体装置であって、
ワイドバンドギャップ半導体材料で構成され、第１導電型のベース層（１３）と、前記ベース層の表層部に配置された第２導電型の第１不純物領域（１４）と、前記第１不純物領域と離れて配置された第１導電型または第２導電型の第２不純物領域（１１、２１）と、を有し、前記ベース層の表層部側の面を一面（１０ａ）とし、前記一面と反対側の面を他面（１０ｂ）とする半導体基板（１０）と、
前記半導体基板の面方向における一方向を長手方向として前記半導体基板の一面側から複数のトレンチ（１５）が形成され、前記トレンチ（１５）の壁面上に配置されたゲート絶縁膜（１６）と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極（１７）と、を有する複数のトレンチゲート構造と、
前記第１不純物領域および前記ベース層と電気的に接続される第１電極（１９）と、
前記第２不純物領域と電気的に接続される第２電極（２０）と、を備え、
前記ゲート電極に所定の電圧が印加されて前記ベース層のうちの前記トレンチと接する部分にチャネル領域が形成されることで前記第１電極と前記第２電極との間に電流が流れ、
隣合う前記トレンチは、前記ゲート電極に所定の電圧が印加された際、それぞれの前記トレンチと接する前記ベース層に形成されるチャネル領域が繋がる間隔で形成され、
前記トレンチは、前記半導体基板の面方向に対する法線方向に対して側面が傾斜したテーパ状とされ、
前記長手方向と交差する方向であって、前記半導体基板の面方向に沿った方向の長さを幅とすると、前記ベース層は、隣合うトレンチの間に位置する部分において、幅が広い部分の不純物濃度が、幅が狭い部分の不純物濃度より低くなる部分を含んで構成されており、
前記トレンチは、前記長手方向に沿って、開口幅が異なる部分を有し、
前記ベース層は、前記長手方向において、幅が広い部分の不純物濃度が、幅が狭い部分の不純物濃度より低くなる部分を含んで構成されている半導体装置。
前記第１電極は、前記半導体基板の一面側に配置され、
前記第２電極は、前記半導体基板の他面側に配置されており、
前記半導体基板の厚さ方向に沿って前記電流が流れる請求項１に記載の半導体装置。
前記第１電極および前記第２電極は、前記半導体基板の一面側に配置され、
前記半導体基板の面方向に沿って前記電流が流れる請求項１に記載の半導体装置。
トレンチゲート構造を有する半導体装置であって、
ワイドバンドギャップ半導体材料で構成され、第１導電型のベース層（１３）と、前記ベース層の表層部に配置された第２導電型の第１不純物領域（１４）と、前記第１不純物領域と離れて配置された第１導電型または第２導電型の第２不純物領域（１１、２１）と、を有し、前記ベース層の表層部側の面を一面（１０ａ）とし、前記一面と反対側の面を他面（１０ｂ）とする半導体基板（１０）と、
前記半導体基板の面方向における一方向を長手方向として前記半導体基板の一面側から複数のトレンチ（１５）が形成され、前記トレンチ（１５）の壁面上に配置されたゲート絶縁膜（１６）と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極（１７）と、を有する複数のトレンチゲート構造と、
前記第１不純物領域および前記ベース層と電気的に接続される第１電極（１９）と、
前記第２不純物領域と電気的に接続される第２電極（２０）と、を備え、
前記ゲート電極に所定の電圧が印加されて前記ベース層のうちの前記トレンチと接する部分にチャネル領域が形成されることで前記第１電極と前記第２電極との間に電流が流れ、
隣合う前記トレンチは、前記ゲート電極に所定の電圧が印加された際、それぞれの前記トレンチと接する前記ベース層に形成されるチャネル領域が繋がる間隔で形成され、
前記トレンチは、前記半導体基板の面方向に対する法線方向に対して側面が傾斜したテーパ状とされ、
前記長手方向と交差する方向であって、前記半導体基板の面方向に沿った方向の長さを幅とすると、前記ベース層は、隣合うトレンチの間に位置する部分において、幅が広い部分の不純物濃度が、幅が狭い部分の不純物濃度より低くなる部分を含んで構成されており、
前記第１電極および前記第２電極は、前記半導体基板の一面側に配置され、
前記半導体基板の面方向に沿って前記電流が流れる半導体装置。
前記トレンチは、前記一面側から前記他面側に向かって開口幅が狭くなる順テーパ状とされた部分を有し、
前記順テーパ状とされた部分は、前記半導体基板の面方向に沿った仮想面（Ｓ）と側面との成す角度（θ１）が８４．２°以上であって９０°未満とされている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
前記トレンチは、前記一面側から前記他面側に向かって開口幅が広くなる逆テーパ状とされた部分を有し、
前記逆テーパ状とされた部分は、前記半導体基板の面方向に沿った仮想面（Ｓ）と前記側面との成す角度（θ２）が９０°より大きく１０４°未満とされている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体装置。