JP2000106434A - 高耐圧半導体装置 - Google Patents
高耐圧半導体装置Info
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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Abstract
防止が可能な高耐圧半導体装置を提供すること。 【解決手段】 第1導電型のベース層と、このベース層
表面の第2導電型のベース層2と、第1導電型のソース
層3と、第2導電型のコンタクト層4と、第1導電型の
ソース層3表面から第1導電型のベース層2に達する溝
1aと、溝1a中にゲート絶縁膜5を介して埋め込まれ
たゲート電極6と、第1導電型のベース層1表面のドレ
イン層とを備え、第1導電型のソース層3及び第2導電
型のコンタクト層4は溝1aの長手方向に沿って交互に
形成され、両層ともに溝1aの側面に接しており、かつ
第2導電型のコンタクト層4についてその溝1aの側面
に接する部分の溝1aの長手方向の幅が、溝1aの側面
から離れた部分の幅よりも狭い高耐圧半導体装置。
Description
に係わり、特に溝型ゲートを有する高耐圧縦型半導体装
置に関する。
耐圧半導体素子の平面図である。図9に示すように半導
体基板表面には複数のトレンチ1aが形成され、これら
のトレンチ1aはストライプ状の上面形状で互いに平行
に配列されている。複数のトレンチ1aの中にはゲート
絶縁膜5を介してゲート電極6が埋め込まれている。複
数のトレンチ1a間の半導体基板表面の領域にはN+ 型
のソース領域123がゲート絶縁膜5と接して形成され
ている。また、ソース領域123に囲まれるようにして
複数のP+ 型のコンタクト領域124が形成されてお
り、この複数のコンタクト領域124はトレンチ1aの
長手方向に沿って互いに離間して配置されている。3a
はコンタクトホール形成領域で、トレンチ1aの長手方
向に沿って当該トレンチ1aと平行に配置される。
ためにN+ 型のソース領域123を広い面積割合でトレ
ンチ1aに沿って形成する。一方、コンタクトを確実に
とるためにコンタクトホール形成領域3a部分にはP+
型のコンタクト領域124とN+ 型のソース領域123
とを交互に形成する。さらに電流が流れはじめたときに
大電流が流れてしまうのを防止するために、トレンチ1
aの側壁に沿って形成されたN+ 型のソース領域123
の一部にはコンタクトホールと直接接しない領域を確保
すると効果的である。そのためにトレンチ1aの側壁に
沿ったN+ 型のソース領域123よりも内側にコンタク
トホール3aを形成している。かかる構成が、電流密度
の増加とラッチアップ防止の双方に効果のある構造であ
る。
なっていった場合にはこのような構造は不可能となる。
たとえば、オン電圧を効果的に下げるにはトレンチ−ト
レンチ間隔が1.2μm程度に狭めると良いことが計算
によってわかっているが、一方、コンタクトホールは電
極を埋め込む技術等から0.8μm以上必要である。つ
まり、コンタクトホールのエッジからトレンチ溝まで
0.2μm程度の余裕しかなく、この狭い幅内に図9に
示されるN+ のソース領域123及びP+ のコンタクト
領域124を形成することは不可能となる。
ために、N+ 型のソース領域及びP+ 型のコンタクト領
域をトレンチ1aに対して交互にストライプ状に配置す
ると、P+ 型のコンタクト領域がトレンチ1aと接する
領域の面積が増えてチャネル幅は短くなり電流密度が低
下してしまうという問題が生ずる。
型高耐圧半導体素子では、オン電圧を下げるために隣接
するトレンチ同志の間の間隔を微細にしたとき、コンタ
クトホールはあまり小さくできないという制約に伴い、
その構造にも制約が多く出てくる。
ン電圧を維持しながら、ラッチアップ防止を図り、トレ
ンチとコンタクトホールとが近接している場合にも有効
な高耐圧半導体装置を提供することを目的とする。
ために、本発明の第1は、半導体基板に形成された第1
導電型のベース層と、この第1導電型のベース層の表面
に形成された第2導電型のベース層と、この第2導電型
のベース層の表面に形成された第1導電型のソース層
と、前記第2導電型のベース層の表面に形成された第2
導電型のコンタクト層と、前記第1導電型のソース層及
び前記第2導電型のベース層を貫き前記第1導電型のベ
ース層に達するように形成された溝と、この溝の中にゲ
ート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、前記第
1導電型のベース層の表面のうち前記第2導電型のベー
ス層から離れた位置に形成されたドレイン層と、前記第
1導電型のソース層及び前記第2導電型のコンタクト層
に接する第1のコンタクト電極と、前記ドレイン層に接
する第2のコンタクト電極とを備え、前記第1導電型の
ソース層及び前記第2導電型のコンタクト層は前記溝の
長手方向に沿って交互に形成され、両層ともに前記溝の
側面に接しており、かつ前記第2導電型のコンタクト層
についてその前記溝の側面に接する部分の当該溝の長手
方向の幅が、当該溝の側面から離れた部分の幅よりも狭
いことを特徴とする高耐圧半導体装置を提供する。
された第1導電型のベース層と、この第1導電型のベー
ス層の表面に形成された第2導電型のベース層と、この
第2導電型のベース層の表面に形成された第1導電型の
ソース層と、前記第2導電型のベース層の表面に形成さ
れた第2導電型のコンタクト層と、前記第1導電型のソ
ース層及び前記第2導電型のベース層を貫き前記第1導
電型のベース層に達するように形成された溝と、この溝
の中にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極
と、前記第1導電型のベース層の表面のうち前記第2導
電型のベース層から離れた位置に形成されたドレイン層
と、前記第1導電型のソース層及び前記第2導電型のコ
ンタクト層に接する第1のコンタクト電極と、前記ドレ
イン層に接する第2のコンタクト電極とを備え、前記第
1導電型のソース層及び前記第2導電型のコンタクト層
は前記溝の長手方向に沿って交互に形成され、前記第1
導電型のソース層は前記溝の側面に接しており、かつ前
記第2導電型のコンタクト層についてその当該溝の長手
方向の幅は、前記溝に近い部分の幅が当該溝から遠い部
分の幅よりも狭いことを特徴とする高耐圧半導体装置を
提供する。
された第1導電型のベース層と、この第1導電型のベー
ス層の表面に形成された第2導電型のベース層と、この
第2導電型のベース層の表面に形成された第1導電型の
ソース層と、この第1導電型のソース層及び前記第2導
電型のベース層を貫き前記第1導電型のベース層に達す
るように形成された第1の溝と、この第1の溝の中にゲ
ート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、前記第
2導電型のベース層の表面に当該ベース層底部の深さよ
り浅い第2の溝と、この第2の溝の内面に形成された第
2導電型のコンタクト層と、前記第2の溝の中に埋め込
まれ、前記第1導電型のソース層及び前記第2導電型の
コンタクト層に接する第1のコンタクト電極と、前記第
1導電型のベース層の表面のうち前記第2導電型のベー
ス層から離れた位置に形成されたドレイン層と、このド
レイン層に接する第2のコンタクト電極とを備え、前記
第2の溝は前記第1の溝の長手方向に沿って互いに離間
して複数配列されていることを特徴とする高耐圧半導体
装置を提供する。
えたものが好ましい。 (1)本発明の第2において、前記第1導電型のソース
層のうち隣接するものの間には前記溝の側面に接して前
記第2導電型のベース層の一部が形成されていること。
面に接して形成された前記第2導電型のベース層の一部
には、前記第1導電型のソース層よりも低濃度の第1導
電型の半導体層が形成されていること。
記第1導電型のソース層はH字型の形状をなしているこ
と。 (4)本発明の第3において、前記第2導電型のコンタ
クト層は前記第2の溝の底面、側面、若しくはその両方
の面に形成されていること。
電型のコンタクト層は前記第1導電型のソース層よりも
深い位置に形成されていること。 (6)本発明の第1乃至第3において、前記ドレイン層
は第2導電型の半導体層であること。
記第1導電型のベース層と前記ドレイン層との間に、当
該第1導電型のベース層よりも高濃度の第1導電型の半
導体層が介在していること。 (8)本発明の第1乃至第3において、前記ドレイン層
は前記第1導電型のソース層に対して反対側の前記半導
体基板表面に形成されていること。
に係る実施形態について図面を用いつつ詳細に説明す
る。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる高耐圧半導体装置を示す平面図である。図2、図
3、および図4はそれぞれ図1の線分A−A´、B−B
´、C−C´における装置の断面図である。
ート型縦型高耐圧半導体素子である。図1乃至図4に示
すようにN型半導体基板(N型ベース層)1の表面には
複数のトレンチ1aが形成され、これらのトレンチ1a
はストライプ状の上面形状(図1)で互いに平行に配列
されている。複数のトレンチ1aの中にはゲート絶縁膜
5を介してゲート電極6が埋め込まれている。半導体基
板1表面にはトレンチ1a間にP型ベース層2が形成さ
れており、このP型ベース層2の表面にはゲート絶縁膜
5と接してN+ 型のソース領域3及びP+ 型のコンタク
ト領域4が形成されている。
びP+ 型のコンタクト領域4はそれぞれ複数形成されて
おり、これらはトレンチ1aの長手方向に沿って交互に
配置されている。N+ 型のソース領域3の平面形状はH
字型状であり、P+ 型のコンタクト領域の平面形状は十
字型状である。即ち、P+ 型のコンタクト領域について
は、そのトレンチ1aの側壁に接する部分におけるトレ
ンチ1aの長手方向の幅は、隣接するトレンチ1a同志
の中間に位置する部分におけるそれよりも狭くなってい
る。3aはコンタクトホール形成領域で、トレンチ1a
の長手方向に沿って当該トレンチ1aと平行に配置され
る。図1乃至図4には図示していないが、図5に示すよ
うにコンタクトホール形成領域3aにはソース電極9が
設けられている。このソース電極9は、N+ 型のソース
領域3及びP+ 型のコンタクト領域4に対してコンタク
トしている。
ないが、図5に示すようにP型ベース層2に対して反対
側の半導体基板1の裏面にはN型バッファー層7を介し
てP+ 型ドレイン層8が形成されている。このP+ 型ド
レイン層8に対してはドレイン電極10がコンタクトし
ている。
た断面図である。図5ではソース電極9の中心部からト
レンチ1aの中心部までの断面が示されている。この図
に示されるように、隣接するトレンチ1a同志の間の間
隔は0.6×2=1.2μmである。
0.3μm幅までパターニングは十分可能であり、トレ
ンチ1a同志間の1.2μm間隔の部分にN+ 型のソー
ス領域3及びP+ 型のコンタクト領域4を自在に設計す
ることができる。図5よりわかるように、ソース領域3
の図面横方向の長さは0.6−0.2=0.4μm、コ
ンタクト領域4の図面横方向の長さは0.3×2=0.
6μmである。若干の横方向拡散により、N+ 型のソー
ス領域3及びP+ 型のコンタクト領域4の長さは上記値
よりやや長くなっている。
その後電極材料たとえばアルミニウム電極をソース電極
9として埋め込みオーミックコンタクトを確実にとるた
めには、0.8μm幅が最低必要である。図5に示すよ
うに、コンタクトホール形成領域3aの幅、即ちソース
電極9の幅は0.4×2=0.8μmである。したがっ
て、0.8μm幅のソース電極9に対してN+ 型のソー
ス領域3及びP+ 型のコンタクト領域4がコンタクトす
ることになる。
全体に沿ってN+ 型のソース領域が形成されると、N+
型ソース領域全体にソース電極がコンタクトし、電流が
流れはじめたときに大電流が流れてしまい、ラッチアッ
プ耐量が弱くなる。そこで、一定間隔でトレンチ1aの
側壁に沿ってN+ 型のソース領域3が存在しない部分を
設ける。しかし、オン電圧低減のためにチャネル幅を稼
ぐ必要があるので、N+ 型のソース領域3が存在しない
領域の割合はN+ 型のソース領域3に対して必ず小さく
する。
は、N+ 型のソース領域3に対するコンタクトを確実に
とることは勿論だが、同時にラッチアップ耐量を上げる
ためにホールの排出経路を十分に確保することも重要で
ある。そこで、コンタクトホール形成領域3aでは、P
+ 型コンタクト領域4のトレンチ1aの長手方向(図1
の縦方向)の幅を大きくとり、この幅がP+ 型コンタク
ト領域4のトレンチ1aの側壁に沿った部分の幅よりも
大きくなるようにする。かかる構成によれば、トレンチ
1aの間隔を微細にしても、電流密度を増加させつつ、
ラッチアップ耐量も向上させることが可能となる。
の実施形態に係わる高耐圧半導体装置を示す平面図であ
る。図7は図6の線分D−D´における装置の断面図で
ある。図6の装置において、図1の線分A−A´、B−
B´に相当する線分における装置断面はそれぞれ図2及
び図3に示したものと同様である。図6及び図7におい
て、図1乃至図5と同一部分には同一の符号を付して示
し詳細な説明は省略する。
ート型縦型高耐圧半導体素子であり、第1の実施形態の
装置と異なる点は、P+ 型のコンタクト領域14がトレ
ンチ1aの側壁から離れている点である。即ち、P型ベ
ース層2の一部はトレンチ1aの側壁に隣接する半導体
基板表面に露出部2aとして露出している。この露出部
2aは、トレンチ1aの側壁に沿ってその両側に隣接す
るN+ 型ソース領域3からN型不純物が拡散することに
より、その一部がN+ 型ソース領域3よりも濃度のやや
低いN型半導体層に変化していても良い。
aの側壁に沿った部分には、N+ 型のソース領域3の他
に濃度のやや低いN型半導体層(露出部2a)があるこ
とになるが、かかる構造はラッチアップを防止する上で
望ましい。また、この構造では、N+ 型ソース領域3か
らの横方向拡散により、トレンチ1aの側壁に沿ってN
型半導体の領域面積を大きくとることができ、チャネル
密度を向上させることが可能である。一般に、トレンチ
1aの溝とコンタクトホール形成領域3aとの間のわず
かな間隙にN型半導体層を故意に形成することは困難で
あるが、上記の方法であれば、N+ 型ソース領域3から
のN型不純物の自然な拡散により、P型ベース層2の露
出部2aを削減しN型半導体領域を増加させて、上記構
造を容易に形成することが可能となる。
の実施形態に係わる高耐圧半導体装置を示す断面図であ
る。図8において、図1乃至図5と同一部分には同一の
符号を付して示し詳細な説明は省略する。
ート型縦型高耐圧半導体素子であり、第1の実施形態の
装置と異なる点は、P型ベース層のP+ 型コンタクト領
域にトレンチ構造を用いた点である。即ち、隣接するト
レンチ1aの間隔が微細な素子において、隣接するトレ
ンチ1a間の中間位置にトレンチ1aよりも浅いトレン
チ1bが形成されている。このトレンチ1bは、トレン
チ1aの長手方向に沿って互いに離間して複数配列され
ている。また、トレンチ1bの底面及び側面にはP+ 型
のコンタクト領域14が形成されるとともに、トレンチ
1b内にはソース電極29が埋め込まれている。
やN+ 型半導体層(ソース層)の拡散深さは1μm前後
と浅いので、設計ルールの大きい高耐圧半導体素子で
は、これらの半導体層の横方向拡散はその設計に対して
ほとんど無視できる。しかし、微細な構造ではこれらの
横方向拡散が無視できなくなる。たとえば、隣接するN
+ 型半導体層の間隔が0.4μmで、当該N+ 型半導体
層の拡散深さが0.2μm である場合、N+ 型不純物の
横方向拡散は典型的には約0.16μmであるので、両
方向から計0.32μmの拡散がある。その結果、P+
型半導体層(コンタクト層)の幅は0.08μmしか残
らなくなってしまう。したがって、N+ 型半導体層の方
がP+ 型半導体層よりも表面濃度が高い場合、N+ 型半
導体層に囲まれた部分でP+ 型半導体層のコンタクトを
確実にとることが困難になってくる。
ば、N+ 型ソース領域23に囲まれP+ 型コンタクト領
域となる半導体基板表面部分にトレンチ1bを形成する
ことにより、N+ 型ソース領域23をP+ 型コンタクト
領域と形状的に分離させて、トレンチ1bの底面や側
面、特に底面にP+ 型のコンタクト領域14を確保する
ことができる。かかる構造によれば、N+ 型ソース領域
23に囲まれたP+ 型のコンタクト領域14が、N+ 型
不純物の横方向拡散により消滅してしまうことがなく、
N+ 型ソース領域23よりも深い位置でP+ 型のコンタ
クト領域14に対するソース電極29のコンタクトを確
実にとることが可能となる。さらに、トレンチ1bがト
レンチ1aの長手方向に沿って互いに離間して複数配列
されているので、N+ 型ソース領域23とソース電極2
9との間のコンタクトは、トレンチ1bの側面のほか隣
接するトレンチ1b同志の間の半導体基板表面において
も確保することが可能となる。
ものではない。例えば、P+ 型のドレイン層とN型半導
体基板(N型ベース層)との間には当該N型ベース層よ
りも高濃度のN型バッファ層を形成することができ、導
電率を向上させることが可能である。
体装置について説明したが、本発明は横型の高耐圧半導
体装置に対しても適用可能である。この場合、ドレイン
層はソース層と同じ側の半導体基板表面に形成する。
レイン層を有するIGBTを例に挙げて説明したが、ド
レイン層をN+ 型としてMOS型高耐圧半導体素子に対
して適用することも可能である。
体素子を用いることも可能である。その他、本発明の趣
旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能
である。
り低いオン電圧を維持しながら、ラッチアップ防止を図
り、トレンチとコンタクトホールとが近接している場合
にも有効な高耐圧半導体装置を提供することができる。
体装置を示す平面図。
ける断面図。
ける断面図。
ける断面図。
ける断面図。
体装置を示す平面図。
ける断面図。
体装置を示す断面図。
Claims (11)
- 【請求項1】 半導体基板に形成された第1導電型のベ
ース層と、この第1導電型のベース層の表面に形成され
た第2導電型のベース層と、この第2導電型のベース層
の表面に形成された第1導電型のソース層と、前記第2
導電型のベース層の表面に形成された第2導電型のコン
タクト層と、前記第1導電型のソース層及び前記第2導
電型のベース層を貫き前記第1導電型のベース層に達す
るように形成された溝と、この溝の中にゲート絶縁膜を
介して埋め込まれたゲート電極と、前記第1導電型のベ
ース層の表面のうち前記第2導電型のベース層から離れ
た位置に形成されたドレイン層と、前記第1導電型のソ
ース層及び前記第2導電型のコンタクト層に接する第1
のコンタクト電極と、前記ドレイン層に接する第2のコ
ンタクト電極とを備え、前記第1導電型のソース層及び
前記第2導電型のコンタクト層は前記溝の長手方向に沿
って交互に形成され、両層ともに前記溝の側面に接して
おり、かつ前記第2導電型のコンタクト層についてその
前記溝の側面に接する部分の当該溝の長手方向の幅が、
当該溝の側面から離れた部分の幅よりも狭いことを特徴
とする高耐圧半導体装置。 - 【請求項2】 半導体基板に形成された第1導電型のベ
ース層と、この第1導電型のベース層の表面に形成され
た第2導電型のベース層と、この第2導電型のベース層
の表面に形成された第1導電型のソース層と、前記第2
導電型のベース層の表面に形成された第2導電型のコン
タクト層と、前記第1導電型のソース層及び前記第2導
電型のベース層を貫き前記第1導電型のベース層に達す
るように形成された溝と、この溝の中にゲート絶縁膜を
介して埋め込まれたゲート電極と、前記第1導電型のベ
ース層の表面のうち前記第2導電型のベース層から離れ
た位置に形成されたドレイン層と、前記第1導電型のソ
ース層及び前記第2導電型のコンタクト層に接する第1
のコンタクト電極と、前記ドレイン層に接する第2のコ
ンタクト電極とを備え、前記第1導電型のソース層及び
前記第2導電型のコンタクト層は前記溝の長手方向に沿
って交互に形成され、前記第1導電型のソース層は前記
溝の側面に接しており、かつ前記第2導電型のコンタク
ト層についてその当該溝の長手方向の幅は、前記溝に近
い部分の幅が当該溝から遠い部分の幅よりも狭いことを
特徴とする高耐圧半導体装置。 - 【請求項3】 前記第1導電型のソース層のうち隣接す
るものの間には前記溝の側面に接して前記第2導電型の
ベース層の一部が形成されていることを特徴とする請求
項2記載の高耐圧半導体装置。 - 【請求項4】 前記溝の側面に接して形成された前記第
2導電型のベース層の一部には、前記第1導電型のソー
ス層よりも低濃度の第1導電型の半導体層が形成されて
いることを特徴とする請求項3記載の高耐圧半導体装
置。 - 【請求項5】 前記第1導電型のソース層はH字型の形
状をなしていることを特徴とする請求項1乃至4記載の
高耐圧半導体装置。 - 【請求項6】 半導体基板に形成された第1導電型のベ
ース層と、この第1導電型のベース層の表面に形成され
た第2導電型のベース層と、この第2導電型のベース層
の表面に形成された第1導電型のソース層と、この第1
導電型のソース層及び前記第2導電型のベース層を貫き
前記第1導電型のベース層に達するように形成された第
1の溝と、この第1の溝の中にゲート絶縁膜を介して埋
め込まれたゲート電極と、前記第2導電型のベース層の
表面に当該ベース層底部の深さより浅い第2の溝と、こ
の第2の溝の内面に形成された第2導電型のコンタクト
層と、前記第2の溝の中に埋め込まれ、前記第1導電型
のソース層及び前記第2導電型のコンタクト層に接する
第1のコンタクト電極と、前記第1導電型のベース層の
表面のうち前記第2導電型のベース層から離れた位置に
形成されたドレイン層と、このドレイン層に接する第2
のコンタクト電極とを備え、前記第2の溝は前記第1の
溝の長手方向に沿って互いに離間して複数配列されてい
ることを特徴とする高耐圧半導体装置。 - 【請求項7】 前記第2導電型のコンタクト層は前記第
2の溝の底面、側面、若しくはその両方の面に形成され
ていることを特徴とする請求項6記載の高耐圧半導体装
置。 - 【請求項8】 前記第2導電型のコンタクト層は前記第
1導電型のソース層よりも深い位置に形成されているこ
とを特徴とする請求項6又は7記載の高耐圧半導体装
置。 - 【請求項9】 前記ドレイン層は第2導電型の半導体層
であることを特徴とする請求項1乃至8記載の高耐圧半
導体装置。 - 【請求項10】 前記第1導電型のベース層と前記ドレ
イン層との間に、当該第1導電型のベース層よりも高濃
度の第1導電型の半導体層が介在していることを特徴と
する請求項9記載の高耐圧半導体装置。 - 【請求項11】 前記ドレイン層は前記第1導電型のソ
ース層に対して反対側の前記半導体基板表面に形成され
ていることを特徴とする請求項1乃至10記載の高耐圧
半導体装置。
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