JP2001313392A - Power mosfet - Google Patents

Power mosfet

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JP2001313392A
JP2001313392A JP2001043970A JP2001043970A JP2001313392A JP 2001313392 A JP2001313392 A JP 2001313392A JP 2001043970 A JP2001043970 A JP 2001043970A JP 2001043970 A JP2001043970 A JP 2001043970A JP 2001313392 A JP2001313392 A JP 2001313392A
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JP
Japan
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impurity concentration
semiconductor layer
region
power mosfet
type
Prior art date
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JP2001043970A
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Japanese (ja)
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Yukio Tsuzuki
幸夫 都築
Norihito Tokura
規仁 戸倉
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MOSFET having such a device structure which is hardly destroyed. SOLUTION: The impurity concentration in an n--type epitaxial layer 2 is kept constant to a prescribed depth from the principal plane. From the prescribed depth on, the impurity concentration is increased with linear gradient. Due to this structure, electric field distribution can be smoothly changed in the n--type epitaxial layer 2 and a drain current value, at which a MOSFET comes to have a negative resistance can be set higher than in the conventional method. Even if the drain current of part of a plurality of MOSFETs is higher than those of the other MOSFETs, since the MOSFETs having a higher drain current will hardly enter negative resistance, increase in an allowable current value until the MOSFETs come enters negative resistance, that is, the resistance to avalanche can be set high. Consequently, the dain current is prevented from becoming a large current in the part of the plurality of MOSFETs, making the MOSFETs have a device structure which is hardly destroyed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、アバランシェエネ
ルギー耐量の高い素子構造を有するパワーMOSFET
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power MOSFET having a device structure having a high avalanche energy resistance.
About.

【0002】[0002]

【従来の技術】パワーMOSFET100のL負荷スイ
ッチング動作回路を図15(a)に示し、L負荷スイッ
チング時のパワーMOSFET100のゲート電圧V
g、ドレイン電流Id、ドレイン電圧Vdの動作波形を
図15(b)に示す。
2. Description of the Related Art An L load switching operation circuit of a power MOSFET 100 is shown in FIG. 15A, and a gate voltage V of the power MOSFET 100 at the time of L load switching.
FIG. 15B shows operation waveforms of g, the drain current Id, and the drain voltage Vd.

【0003】図15(a)に示すスイッチング動作回路
においてゲート電圧Vgを印加すると、パワーMOSF
ET100がオンしてドレイン電流Idが流れ、図15
(b)のような動作波形を示す。
When a gate voltage Vg is applied in the switching operation circuit shown in FIG.
When the ET 100 is turned on, the drain current Id flows, and FIG.
An operation waveform as shown in FIG.

【0004】ドレイン電流が増加する際には、回路中の
インダクタンス成分Lに1/2L・Ipeak 2のエネルギ
ーが蓄えられる。このエネルギーが大きいと、ターンオ
フ時にドレインソース間耐圧を超えるフライバック電圧
を発生させ、パワーMOSFETがアバランシェ降伏を
起こすことになる。このとき、ドレイン電流の最大値I
peakがパワーMOSFETの許容電流値に達すると、素
子破壊に至るという問題がある。
When the drain current increases, 1/2 L · I peak 2 of energy is stored in the inductance component L in the circuit. If this energy is large, a flyback voltage exceeding the withstand voltage between drain and source is generated at the time of turn-off, and the power MOSFET causes avalanche breakdown. At this time, the maximum value I of the drain current
When the peak reaches the allowable current value of the power MOSFET, there is a problem that the element is destroyed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】一般的にパワー素子は
数万〜数十万の小さなトランジスタが並列に接続された
構成となっており、これらのトランジスタを同時に動作
させることで、出力を得ている。
Generally, a power element has a configuration in which tens of thousands to hundreds of thousands of small transistors are connected in parallel, and an output is obtained by operating these transistors simultaneously. I have.

【0006】しかしながら、このときすべてのトランジ
スタが均一の動作を行なって均一の電流を流すわけでは
ないため、局所的に大電流が流れ、上記素子破壊を生じ
させる。
However, at this time, since not all transistors perform a uniform operation and flow a uniform current, a large current flows locally, causing the above-described element destruction.

【0007】この電流の不均一の要因としては、チッ
プ内での動作温度のバラツキ、チップ上の電極抵抗の
バラツキ、スイッチング動作時間のバラツキが挙げら
れる。
The causes of the non-uniformity of the current include variations in the operating temperature in the chip, variations in the electrode resistance on the chip, and variations in the switching operation time.

【0008】は、MOSFETの動作中にチップ中心
の温度が高くなるために生じるものであり、温度が高く
なると動作抵抗が大きくなることから、チップ中心での
電流が絞られ、電流の不均一を発生させる。
Is caused by the increase in the temperature at the center of the chip during the operation of the MOSFET. When the temperature increases, the operating resistance increases. Therefore, the current at the center of the chip is reduced, and unevenness of the current is reduced. generate.

【0009】は、ワイヤボンド部からの距離に起因す
るものであり、ワイヤボンド部から近いほど配線抵抗が
小さく電流が流れ易くなるのに対して、遠いほど配線抵
抗が大きく電流が流れ難くなるため、電流の不均一を発
生させる。
The reason for this is that the wiring resistance is small and the current easily flows as the distance from the wire bond portion increases, whereas the wiring resistance increases and the current hardly flows as the distance increases. , Causing non-uniform current.

【0010】は、ゲートの配線抵抗に起因するもので
あり、ゲートの配線抵抗が大きいと、ゲートボンディン
グから近い所と比べて遠い所の方が定常電流に達するま
でに時間がかかるため、結果的に過渡時の電流の不均一
を発生させる。
[0010] This is caused by the wiring resistance of the gate. If the wiring resistance of the gate is large, it takes a longer time to reach a steady current in a place far from the gate bonding than in a place near the gate bonding. Causes a non-uniform current during the transition.

【0011】これらの要因により電流の不均一が生じる
と、トランジスタの電流電圧特性が図16に示す負性抵
抗特性を有していることから、電流の大きいトランジス
タAのみが負性抵抗領域に入り正帰還がかかることにな
る。
If the current becomes non-uniform due to these factors, only the transistor A having a large current enters the negative resistance region because the current-voltage characteristics of the transistor have the negative resistance characteristics shown in FIG. Positive feedback will be applied.

【0012】この状態での電流のバランスを考えると、
トランジスタAは抵抗が負の状態にあるので、電流が流
れるほど電圧が小さくなり、ますます電流が流れるよう
になるのに対し、負性抵抗領域に入っていないトランジ
スタBは抵抗が正の状態にあるので、電流が流れようと
すると電圧が上がるため、電流増大が抑制される。
Considering the current balance in this state,
Since the resistance of the transistor A is in a negative state, the voltage decreases as the current flows, and the current flows more and more. On the other hand, the transistor B, which is not in the negative resistance region, has a positive state. Therefore, when a current is to flow, the voltage is increased, and the increase in the current is suppressed.

【0013】このため、トランジスタAに電流が集中し
て、トランジスタAが破壊に至るのである。
Therefore, current concentrates on the transistor A, and the transistor A is destroyed.

【0014】本発明は上記点に鑑みて、素子破壊され難
い素子構造を有するMOSFETを提供することを目的
とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a MOSFET having an element structure that is hardly damaged.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1乃至6に記載の発明では、半導体層(2)
内の第1導電型の不純物濃度は、該半導体層の主表面か
ら所定深さまでほぼ一定となっており、所定深さより深
くなるにつれて高濃度になっていることを特徴としてい
る。
In order to achieve the above object, according to the present invention, the semiconductor layer (2)
Is characterized in that the impurity concentration of the first conductivity type is substantially constant from the main surface of the semiconductor layer to a predetermined depth, and becomes higher as the depth becomes larger than the predetermined depth.

【0016】このような構成により、半導体層での電界
分布がなだらかに変化するようにでき、負性抵抗に入る
ドレイン電流値が従来よりも高くなるようにできる。こ
れにより、複数のMOSFETの一部のドレイン電流が
他のMOSFETよりも大きくなったとしても、そのM
OSFETが負性抵抗に入り難くなるため、負性抵抗に
入るまでの許容電流値、つまりアバランシェ耐量を高く
することができる。従って、複数のMOSFETのうち
の一部においてドレイン電流が大電流となることを防止
することができ、素子破壊され難い素子構造のMOSF
ETとすることができる。
With such a configuration, the electric field distribution in the semiconductor layer can be changed smoothly, and the drain current value entering the negative resistance can be made higher than in the prior art. Thereby, even if the drain current of some of the plurality of MOSFETs becomes larger than that of the other MOSFETs, the M
Since it is difficult for the OSFET to enter the negative resistance, the allowable current value until the OSFET enters the negative resistance, that is, the avalanche resistance can be increased. Therefore, it is possible to prevent the drain current from becoming large in a part of the plurality of MOSFETs, and to prevent the device from being destroyed.
It can be ET.

【0017】例えば、請求項2に示すように、所定深さ
より深くなると、半導体層内の第1導電型の不純物濃度
が直線傾斜で高濃度化するようにすればよい。そして、
請求項5に示すように、半導体層のうち、半導体基板と
の境界部における不純物濃度が8.0×1015cm-3
上となるようにするか、もしくは請求項6に示すよう
に、半導体層のうち、半導体基板との境界部における不
純物濃度が、不純物濃度がほぼ一定となっている領域の
7倍以上になるようにすることで、負性抵抗に入るドレ
イン電流値を急激に大きくすることができる。
For example, when the depth is greater than a predetermined depth, the impurity concentration of the first conductivity type in the semiconductor layer may be increased with a linear slope. And
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor layer, the impurity concentration at the boundary with the semiconductor substrate is set to 8.0 × 10 15 cm −3 or more. By making the impurity concentration of the layer at the boundary with the semiconductor substrate seven times or more that of the region where the impurity concentration is almost constant, the drain current value entering the negative resistance is sharply increased. be able to.

【0018】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
The reference numerals in parentheses of the above means indicate the correspondence with specific means described in the embodiments described later.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】(第1実施形態)図1に、本発明
の一実施形態を適用して形成したコンケーブ型の縦型パ
ワーMOSFETの断面構成を示す。以下、図1に基づ
いて縦型パワーMOSFETの構成について説明する。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a concave vertical power MOSFET formed by applying one embodiment of the present invention. Hereinafter, the configuration of the vertical power MOSFET will be described with reference to FIG.

【0020】この縦型パワーMOSFETは、コンケー
ブ型と呼ばれるU溝50の内壁をチャネル領域とするM
OSFETをユニットセルとして、このユニットセルが
所定のピッチ幅(ユニットセル寸法)で平面上にマトリ
クス形状に多数配置された構造を有している。
This vertical power MOSFET has an M-type channel having the inner wall of a U-shaped groove 50 called a concave type as a channel region.
The OSFET has a structure in which a large number of unit cells are arranged in a matrix on a plane at a predetermined pitch width (unit cell size).

【0021】縦型パワーMOSFETに使用されている
ウェハ21は、n+型シリコンからなる半導体基板1上
に、厚さ17μm程度のn-型エピ層(半導体層)2が
形成されたものであり、このウェハ21の主表面にユニ
ットセルが構成されている。
The wafer 21 used for the vertical power MOSFET has an n -type epi layer (semiconductor layer) 2 having a thickness of about 17 μm formed on a semiconductor substrate 1 made of n + -type silicon. A unit cell is formed on the main surface of the wafer 21.

【0022】このウェハ21の不純物濃度分布の一例を
図2に示す。また、図2を簡略化した図を図3に示す。
なお、図2は、ウェハ21の表面からの深さ方向に対す
る不純物濃度分布を示しており、ウェハ21に図1に示
す縦型パワーMOSFETを形成した後の不純物濃度分
布を示している。
FIG. 2 shows an example of the impurity concentration distribution of the wafer 21. FIG. 3 is a simplified diagram of FIG.
FIG. 2 shows the impurity concentration distribution in the depth direction from the surface of the wafer 21, and shows the impurity concentration distribution after the vertical power MOSFET shown in FIG.

【0023】半導体基板1の不純物濃度は1×1019
3×1019cm-3程度とされている。n-型エピ層2の
不純物濃度は、ウェハ21の表面から所定深さ(10〜
12μm)まではほぼ一定の濃度の均一部とされ、それ
より深くなると深くなるにつれて順に高濃度となるよう
にされている。本例では、均一部では濃度が1.12×
1015cm-3程度、抵抗値が4.3Ω・cmとされてお
り、この均一部より深くなると、半導体基板1の境界部
近傍に至るまでほぼ直線傾斜を持って高濃度化され、半
導体基板1との境界部近傍で濃度が8.0×1015cm
-3程度、抵抗値が0.71Ω・cmとなるようにされて
いる。具体的には、この直線傾斜となる傾斜部は、深さ
をX、不純物濃度をYとすると次式で示される。
The impurity concentration of the semiconductor substrate 1 is 1 × 10 19 to
It is about 3 × 10 19 cm −3 . The impurity concentration of the n -type epi layer 2 is a predetermined depth (10 to 10) from the surface of the wafer 21.
Up to 12 μm), a uniform portion having a substantially constant density is formed, and as the depth increases, the density becomes higher as the depth increases. In this example, the density is 1.12 × in the uniform portion.
The resistance value is about 10 15 cm −3 and the resistance value is 4.3 Ω · cm. When the resistance is deeper than the uniform portion, the concentration is increased with a substantially linear slope up to the vicinity of the boundary of the semiconductor substrate 1, The concentration is 8.0 × 10 15 cm near the boundary with 1.
-3 , and the resistance value is set to 0.71 Ω · cm. Specifically, when the depth is X and the impurity concentration is Y, the linearly inclined portion is expressed by the following equation.

【0024】 logY=A・X+C … 但し、Aは傾き、Cは任意の定数である。この傾きA
は、傾斜部の幅(深さ)に応じて変化させることがで
き、例えば傾斜部の幅を3〜10μm程度とすれば、傾
きAを0.1〜0.7程度で変化させることができる。
LogY = A × X + C where A is a slope and C is an arbitrary constant. This slope A
Can be changed according to the width (depth) of the inclined portion. For example, if the width of the inclined portion is about 3 to 10 μm, the inclination A can be changed at about 0.1 to 0.7. .

【0025】また、図4に、本実施形態のパワーMOS
FETと従来のパワーMOSFETとの不純物濃度分布
を比較した図を示す。この図に示されるように、従来の
パワーMOSFETでは、n-型エピ層の不純物濃度が
半導体基板との境界部に至るまでほぼ一定となってお
り、半導体基板との境界部において不純物濃度が急峻に
変化している。これに対し、本実施形態のパワーMOS
FETでは、n-型エピ層2と半導体基板1との境界部
において不純物濃度が緩やかに変化している。
FIG. 4 shows a power MOS of this embodiment.
FIG. 4 is a diagram comparing the impurity concentration distributions of a FET and a conventional power MOSFET. As shown in this figure, in the conventional power MOSFET, the impurity concentration of the n -type epi layer is almost constant up to the boundary with the semiconductor substrate, and the impurity concentration is steep at the boundary with the semiconductor substrate. Has changed. In contrast, the power MOS of the present embodiment
In the FET, the impurity concentration gradually changes at the boundary between the n -type epi layer 2 and the semiconductor substrate 1.

【0026】このように構成されたウェハ21の主表面
には、図1に示すようにU溝50が形成されており、こ
のU溝50の内壁及びウェハ表面の一部に厚さ60nm
程度のゲート酸化膜3を介して、厚さ400nm程度の
ポリシリコンからなるゲート電極4が形成されている。
そして、このゲート電極4上にはBPSGからなる層間
絶縁膜6が形成されている。
As shown in FIG. 1, a U-groove 50 is formed on the main surface of the wafer 21 having the above-described structure, and the inner wall of the U-groove 50 and a part of the wafer surface have a thickness of 60 nm.
A gate electrode 4 made of polysilicon having a thickness of about 400 nm is formed via a gate oxide film 3 having a thickness of about 400 nm.
Then, an interlayer insulating film 6 made of BPSG is formed on the gate electrode 4.

【0027】一方、U溝50の側壁を構成するウェハ2
1の表層部には、接合深さが0.4μm程度のn+型ソ
ース領域7及び、接合深さが1.5μm程度のp型ベー
ス領域8が形成されている。そして、U溝50の側壁に
おいて、p型ベース領域8がn+型ソース領域7及びn-
型エピ層2に挟まれた構成となっており、U溝50の側
壁にチャネル領域が設定されるようになっている。な
お、p型ベース領域8の接合深さはU溝50の底辺のエ
ッジ部でブレークダウンによる破壊が生じない深さに設
定されている。
On the other hand, the wafer 2 forming the side wall of the U groove 50
An n + -type source region 7 having a junction depth of approximately 0.4 μm and a p-type base region 8 having a junction depth of approximately 1.5 μm are formed in the surface layer portion 1. Then, on the side wall of the U groove 50, the p-type base region 8 becomes the n + -type source region 7 and n
The structure is sandwiched between the mold epi layers 2, and a channel region is set on the side wall of the U groove 50. Note that the junction depth of the p-type base region 8 is set to a depth that does not cause breakdown due to breakdown at the bottom edge of the U-shaped groove 50.

【0028】また、p型ベース領域8の中央部には、p
型ベース領域8よりも接合深さが深くされた深さ2.5
μm程度のp型ディープベース層9が形成されている。
このp型ディープベース層9により、ドレイン・ソース
間に高電圧が印加されたときに、p型ディープベース層
9の部分でブレークダウンが生じるようになっている。
In the center of the p-type base region 8, p-type
Depth 2.5 where the junction depth is deeper than the mold base region 8
A p-type deep base layer 9 of about μm is formed.
The p-type deep base layer 9 causes breakdown at the p-type deep base layer 9 when a high voltage is applied between the drain and the source.

【0029】また、ユニットセル間の中央部において、
-型エピ層2の表層部には、高濃度のp型コンタクト
領域11が形成されている。
In the central part between the unit cells,
A high-concentration p-type contact region 11 is formed in the surface portion of the n -type epi layer 2.

【0030】そして、n+型ソース領域7の一部及びp
型コンタクト領域11が露出するように、層間絶縁膜6
にはコンタクトホール6aが形成されている。さらに、
ゲート電極4上の層間絶縁膜6、n+型ソース領域7、
及びp型コンタクト領域11の上にはソース電極12が
形成されており、n+型ソース領域7の一部及びp型コ
ンタクト領域11がソース電極12とオーミック接触し
ている。これにより、p型ベース領域8がp型コンタク
ト領域11を介してソース電極12と接続された構成と
なっている。
Then, a part of the n + type source region 7 and p
The interlayer insulating film 6 is exposed so that the mold contact region 11 is exposed.
Is formed with a contact hole 6a. further,
An interlayer insulating film 6 on the gate electrode 4, an n + type source region 7,
A source electrode 12 is formed on the p-type contact region 11, and a part of the n + -type source region 7 and the p-type contact region 11 are in ohmic contact with the source electrode 12. Thus, the configuration is such that the p-type base region 8 is connected to the source electrode 12 via the p-type contact region 11.

【0031】また、ウェハ21の裏面、つまり半導体基
板1の裏面側には半導体基板1とオーミック接触するよ
うにドレイン電極13が形成されている。
A drain electrode 13 is formed on the back surface of the wafer 21, that is, on the back surface side of the semiconductor substrate 1 so as to make ohmic contact with the semiconductor substrate 1.

【0032】なお、図中の酸化膜15は、素子の能動領
域と非能動領域とを素子分離するためのものである。
The oxide film 15 in the figure is for isolating the active region and the non-active region of the device.

【0033】このように構成されたパワーMOSFET
のソース−ドレイン間降伏特性についてシミュレーショ
ン解析を行なった。その結果を図5に示す。なお、参考
として、図5中に従来のパワーMOSFETのソース−
ドレイン間降伏特性を示してある。
The power MOSFET thus configured
A simulation analysis was performed on the breakdown characteristics between the source and the drain. The result is shown in FIG. For reference, FIG. 5 shows the source of a conventional power MOSFET.
The breakdown characteristics between drains are shown.

【0034】この図に示されるように、本実施形態のパ
ワーMOSFETでは、負性抵抗に入るドレイン電流
値、つまりドレイン電圧の上昇に伴ってドレイン電流が
上昇する領域とドレイン電圧が下降してもドレイン電流
が上昇する領域との変曲点が従来と比べて高くなってい
ることが判る。シミュレーション解析結果によると、本
実施形態の構造の方が約2.3倍、従来の構造のパワー
MOSFETよりも負性抵抗に入るドレイン電流値が高
かった。
As shown in this figure, in the power MOSFET of the present embodiment, the drain current value that enters the negative resistance, that is, the region where the drain current increases with the increase of the drain voltage and the drain voltage decreases. It can be seen that the inflection point with the region where the drain current increases is higher than in the conventional case. According to the simulation analysis result, the drain current value entering the negative resistance of the structure of the present embodiment is about 2.3 times higher than that of the power MOSFET of the conventional structure.

【0035】これは、n-型エピ層2と半導体基板1と
の境界部において、n-型エピ層2の不純物濃度が緩や
かに変化するようにしたことから、n-型エピ層2での
電界分布に影響を与えたためであると想定される。
[0035] This, n - at the boundary between the type epi layer 2 and the semiconductor substrate 1, n - since the impurity concentration of the type epi layer 2 was made to change gradually, n - of the type epitaxial layer 2 It is assumed that this is because the electric field distribution was affected.

【0036】これについて、本発明者らが図2の不純物
濃度分布を有する本実施形態のウェハ21と図6に示す
不純物濃度分布を有する従来のウェハとを使用し、チッ
プ面積7.1mm2の場合でも電流上昇に伴うウェハ内
の電界の変化を調べたところ、それぞれ図7、図8に示
す結果が得られた。
[0036] For this, the present inventors used a conventional wafer having an impurity concentration distribution shown in the wafer 21 and 6 of the present embodiment having the impurity concentration distribution of FIG. 2, the chip area 7.1 mm 2 Even in this case, when the change in the electric field in the wafer due to the current rise was examined, the results shown in FIGS. 7 and 8 were obtained, respectively.

【0037】本実施形態のようにn-型エピ層2の不純
物濃度を緩やかに変化させた場合、ソース・ドレイン間
に電圧を印加すると主にn-型エピ層2側に空乏層が広
がり、空間電荷領域が生ずる。この領域が傾斜部の途中
まで達してPN接合部の電界強度が臨界点に達すると降
伏に至る。さらに、降伏電流が増加するに従い、空間電
荷領域も傾斜部に広がる。その結果、本実施形態のよう
にn-型エピ層2に傾斜が存在すると電流増加に従っ
て、電界分布がなだらかに変化する。一方、従来のよう
にn-型エピ層に傾斜がなく急峻に変化する場合、電流
増加により急峻に電界分布が変化する。
When the impurity concentration of the n -type epi layer 2 is gradually changed as in the present embodiment, when a voltage is applied between the source and the drain, the depletion layer spreads mainly on the n -type epi layer 2 side, A space charge region is created. When this region reaches the middle of the inclined portion and the electric field intensity at the PN junction reaches a critical point, breakdown occurs. Furthermore, as the breakdown current increases, the space charge region also spreads on the slope. As a result, when the n -type epi layer 2 has a gradient as in the present embodiment, the electric field distribution changes gently as the current increases. On the other hand, when the n -type epi layer changes steeply without inclination as in the related art, the electric field distribution changes steeply due to an increase in current.

【0038】この結果より、本実施形態のようにn-
エピ層2の不純物濃度を緩やかに変化させることによっ
て、n-型エピ層2での電界分布がなだらかに変化する
ようにでき、負性抵抗に入るドレイン電流値が従来より
も高くなるようにできるといえる。
According to the result, the electric field distribution in the n -type epi layer 2 can be changed smoothly by gradually changing the impurity concentration of the n -type epi layer 2 as in the present embodiment. It can be said that the drain current value falling into the conductive resistance can be made higher than before.

【0039】このように、負性抵抗に入るドレイン電流
値が高くなれば、複数のMOSFETの一部のドレイン
電流が他のMOSFETよりも大きくなったとしても、
そのMOSFETが負性抵抗に入り難くなるようにで
き、負性抵抗に入るまでの許容電流値、つまりアバラン
シェ耐量を高くすることができる。
As described above, if the value of the drain current entering the negative resistance increases, even if the drain current of some of the plurality of MOSFETs becomes larger than that of the other MOSFETs,
The MOSFET can be made hard to enter the negative resistance, and the allowable current value until the MOSFET enters the negative resistance, that is, the avalanche resistance can be increased.

【0040】このため、複数のMOSFETのうちの一
部においてドレイン電流が大電流となることを防止する
ことができ、素子破壊され難い素子構造のMOSFET
とすることができる。
For this reason, it is possible to prevent a large drain current in a part of the plurality of MOSFETs, and to prevent the device from being destroyed.
It can be.

【0041】次に、上記構成を有する縦型パワーMOS
FETの製造方法について説明する。図9、図10に、
縦型パワーMOSFETの製造工程を示し、これらの図
に基づいて上記説明を行う。
Next, the vertical power MOS having the above configuration
A method for manufacturing the FET will be described. 9 and 10,
The manufacturing process of a vertical power MOSFET is shown, and the above description will be made based on these drawings.

【0042】〔図9(a)に示す工程〕まず、Asを高
濃度(1×1019cm-3)に含むn+型シリコンからな
る半導体基板1の主表面に、エピタキシャル成長によっ
てn-型エピ層2を17μm成長させ、ウェハ21を形
成する。このとき、エピタキシャル成長の条件は、温度
を1100〜1150℃として約15〜20分間行い、
毎分1μm程度の膜厚でn-型エピ層2が成長するよう
にしている。また、この成長雰囲気中にn-型エピ層2
にドーピングされるn型不純物を導入するが、成長時間
に伴ってn型不純物の導入量を変化させている。つま
り、成長開始から所定時間が経過するまで、n型不純物
の導入量を時間経過と共に減少させていき(5.0×1
16cm-3〜1.12×1015cm-3)、所定時間経過
して5μm成長させた後にn型不純物の導入量を1.1
2×1015cm-3で一定とし、約12μm成長させるよ
うにしている。
The main surface of the [FIG. 9 (a) step is shown in] First, a semiconductor substrate 1 made of n + -type silicon containing As a high concentration (1 × 10 19 cm -3) , n by epitaxial growth - type epi The layer 2 is grown by 17 μm to form a wafer 21. At this time, the condition of the epitaxial growth is performed at a temperature of 1100 to 1150 ° C. for about 15 to 20 minutes,
The n -type epi layer 2 is grown at a thickness of about 1 μm per minute. Further, the n - type epi layer 2
Is introduced, but the amount of the n-type impurity to be introduced is changed with the growth time. That is, the introduction amount of the n-type impurity is reduced with the lapse of time until a predetermined time has elapsed from the start of growth (5.0 × 1).
0 16 cm −3 to 1.12 × 10 15 cm −3 ), and after elapse of a predetermined time, growth of 5 μm, the introduction amount of the n-type impurity is reduced to 1.1.
It is kept constant at 2 × 10 15 cm -3 and is grown to about 12 μm.

【0043】そして、フォトリソグラフィ工程を経てn
-型エピ層2の上に所定のマスクパターンを形成したの
ち、ボロン(B)のイオン注入によりp型ディープベー
ス層9を形成する。
Then, through a photolithography process, n
- After forming the predetermined mask pattern on the type epi layer 2, to form the p-type deep base layer 9 by ion implantation of boron (B).

【0044】そして、LOCOS酸化法により、素子の
非能動領域となる領域に厚い酸化膜15を形成する。
Then, a thick oxide film 15 is formed in a region to be an inactive region of the device by the LOCOS oxidation method.

【0045】〔図9(b)に示す工程〕表面を熱酸化し
て、n-型エピ層2の表面に熱酸化膜(SiO2膜)31
を形成したのち、シリコン窒化膜(Si34膜)32を
デポジションする。
[Step shown in FIG. 9B] The surface is thermally oxidized to form a thermal oxide film (SiO 2 film) 31 on the surface of the n -type epi layer 2.
Is formed, a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) 32 is deposited.

【0046】この後、フォトリソグラフィ工程を経てシ
リコン窒化膜32及び熱酸化膜31の所定領域を開口さ
せる。そして、シリコン窒化膜32をマスクとして、ダ
メージの少ない等方性のCDE(ケミカルドライエッチ
ング)法によりn-型エピ層2をエッチングし、初期溝
を形成する。
Thereafter, predetermined regions of the silicon nitride film 32 and the thermal oxide film 31 are opened through a photolithography process. Then, using the silicon nitride film 32 as a mask, the n -type epi layer 2 is etched by an isotropic CDE (chemical dry etching) method with less damage to form an initial groove.

【0047】さらに、シリコン窒化膜32をマスクとし
て初期溝の部分を選択的にLOCOS酸化する。この酸
化によりLOCOS酸化膜33が形成され、同時にLO
COS酸化によって喰われたn-型エピ層2の表面に断
面U字形状のU溝50が形成される。
Further, using the silicon nitride film 32 as a mask, the portion of the initial groove is selectively LOCOS-oxidized. This oxidation forms a LOCOS oxide film 33,
A U-shaped groove 50 having a U-shaped cross section is formed on the surface of the n -type epi layer 2 eroded by the COS oxidation.

【0048】〔図9(c)に示す工程〕シリコン窒化膜
32を除去したのち、ウェハ21の上にフォトレジスト
を堆積すると共に、フォトレジストがLOCOS酸化膜
33の間の中央部に残るようにする。そして、LOCO
S酸化膜33及びフォトレジストをマスクとして、p型
ベース領域8を形成するためのボロンのイオン注入を行
う。
[Step shown in FIG. 9C] After the silicon nitride film 32 is removed, a photoresist is deposited on the wafer 21 so that the photoresist remains in the central portion between the LOCOS oxide films 33. I do. And LOCO
Using the S oxide film 33 and the photoresist as a mask, boron ion implantation for forming the p-type base region 8 is performed.

【0049】さらに、LOCOS酸化膜33及びフォト
レジストをマスクとしてn+型ソース領域7を形成する
ためのリン(P)のイオン注入を行う。そして、注入さ
れたイオンを熱拡散させることにより、p型ベース領域
8とn+型ソース領域7とが形成される。
Further, phosphorus (P) ions for forming the n + -type source region 7 are implanted using the LOCOS oxide film 33 and the photoresist as a mask. Then, by thermally diffusing the implanted ions, a p-type base region 8 and an n + -type source region 7 are formed.

【0050】このように、LOCOS酸化膜33をマス
クとしてp型ベース領域8及びn+型ソース領域7を形
成しているため、これらp型ベース領域8及びn+型ソ
ース領域7のU溝50側の端部は自己整合位置に規定さ
れる。
[0050] Thus, since forming the p-type base region 8 and the n + -type source region 7 and the LOCOS oxide film 33 as a mask, U grooves 50 of p-type base region 8 and the n + -type source region 7 The side end is defined in a self-aligned position.

【0051】次に、フォトレジストを除去したのち、再
びフォトレジストを堆積すると共に、フォトレジストの
うちLOCOS酸化膜33の間の中央部を開口させる。
そして、このフォトレジストをマスクとしてボロンのイ
オン注入を行い、高濃度のp型コンタクト層11を形成
する。
Next, after removing the photoresist, the photoresist is deposited again, and the central portion of the photoresist between the LOCOS oxide films 33 is opened.
Then, using this photoresist as a mask, boron ions are implanted to form a high-concentration p-type contact layer 11.

【0052】〔図10(a)に示す工程〕LOCOS酸
化膜33を除去してU溝50の内壁を露出させる。そし
て、チャネルが形成される予定のU溝50の側壁に位置
するp型ベース領域8に対して熱酸化を行う。
[Step shown in FIG. 10A] The LOCOS oxide film 33 is removed to expose the inner wall of the U groove 50. Then, thermal oxidation is performed on the p-type base region 8 located on the side wall of the U groove 50 where the channel is to be formed.

【0053】その後、熱酸化によってできた酸化膜を除
去したのち、再度熱酸化を行ってU溝50の側面や底面
部50aを含むウェハ21の全面を酸化し、ゲート酸化
膜3を形成する。
Thereafter, after removing the oxide film formed by the thermal oxidation, thermal oxidation is performed again to oxidize the entire surface of the wafer 21 including the side surface of the U-groove 50 and the bottom surface 50a, thereby forming the gate oxide film 3.

【0054】〔図10(b)に示す工程〕そして、ゲー
ト酸化膜3の上にポリシリコンを堆積したのち、ポリシ
リコンをパターニングしてゲート電極4を形成する。
[Step shown in FIG. 10B] After depositing polysilicon on the gate oxide film 3, the polysilicon is patterned to form a gate electrode 4.

【0055】ゲート電極4を構成するポリシリコンを酸
化したのち、図示しないが、BPSG(若しくはPSG
等)からなる層間絶縁膜6をデポジションしたり、ソー
ス電極12やパッシベーション膜、さらにドレイン電極
13を形成する等して図1に示す縦型パワーMOSFE
Tが完成する。
After oxidizing the polysilicon constituting the gate electrode 4, although not shown, BPSG (or PSG) is used.
1) by depositing an interlayer insulating film 6 made of the same type as above, or forming a source electrode 12, a passivation film, and a drain electrode 13 as shown in FIG.
T is completed.

【0056】また、製造工程中の熱処理により、濃度プ
ロファイルは、図2に示すように、例えば半導体基板1
側からn-型エピ層2側へ不純物分布が遷移し、境界部
濃度が5.0×1016cm-3から8.0×1015cm-3
程度となる。
Further, due to the heat treatment during the manufacturing process, as shown in FIG.
The impurity distribution transitions from the side to the n -type epi layer 2 side, and the boundary portion concentration is from 5.0 × 10 16 cm −3 to 8.0 × 10 15 cm −3.
About.

【0057】(他の実施形態)上記実施形態では、n-
型エピ層2の不純物濃度分布が図2に示す場合について
主に説明したが、n-型エピ層2の不純物濃度分布の傾
斜部の勾配や勾配領域の幅(深さ)は適宜変更可能であ
る。
(Other Embodiments) In the above embodiment, n
Although the case where the impurity concentration distribution of the n - type epi layer 2 is shown in FIG. 2 has been mainly described, the gradient of the slope portion of the impurity concentration distribution of the n -type epi layer 2 and the width (depth) of the gradient region can be appropriately changed. is there.

【0058】例えば、図11に示すように上記実施形態
よりも傾斜部の勾配を大きくしても良いし、図12に示
すように上記実施形態よりも傾斜部の勾配を小さくして
も良い。このように傾斜部の勾配を変化させた場合、ソ
ース−ドレイン間降伏特性は図13のように変化する。
なお、図13においては、図2に示す不純物濃度分布に
ついての特性をa、図11に示す不純物濃度分布につい
ての特性をb、図12に示す不純物濃度分布についての
特性をcとしており、さらに参考として、図13中に従
来のパワーMOSFETのソース−ドレイン間降伏特性
を示してある。
For example, as shown in FIG. 11, the inclination of the inclined portion may be made larger than that of the above embodiment, or as shown in FIG. 12, the inclination of the inclined portion may be made smaller than that of the above embodiment. When the gradient of the inclined portion is changed in this manner, the source-drain breakdown characteristics change as shown in FIG.
In FIG. 13, the characteristic of the impurity concentration distribution shown in FIG. 2 is denoted by a, the characteristic of the impurity concentration distribution shown in FIG. 11 is denoted by b, and the characteristic of the impurity concentration distribution shown in FIG. 12 is denoted by c. FIG. 13 shows the source-drain breakdown characteristics of a conventional power MOSFET.

【0059】この図に示されるように、n-型エピ層2
の不純物濃度分布の傾斜部の勾配に応じてソース−ドレ
イン間降伏特性が変化し、勾配が大きくなるにつれて負
性抵抗に入るドレイン電流値が高くなっている。
As shown in this figure, the n -type epi layer 2
The source-drain breakdown characteristics change in accordance with the gradient of the slope portion of the impurity concentration distribution, and the drain current value entering the negative resistance increases as the gradient increases.

【0060】このように、n-型エピ層2の不純物濃度
分布の傾斜部の勾配を調整することにより、より負性抵
抗に入るドレイン電流値を高くすることができる。
As described above, by adjusting the gradient of the slope of the impurity concentration distribution of the n -type epi layer 2, the drain current value falling into the negative resistance can be further increased.

【0061】傾斜部の傾きの変化と負性抵抗に入るドレ
イン電流値の変化の関係をシミュレーション解析により
求めた。この結果を図14に示す。この図では、n-
エピ層2と半導体基板1との境界部におけるn-型エピ
層2の不純物濃度を変化させ、この不純物濃度の変化に
応じて負性抵抗に入るドレイン電流値がどのように変化
するかを表してある。すなわち、図14は、図3に示す
傾斜部の厚さ、均一部の不純物濃度、半導体基板1の不
純物濃度を一定にして、半導体基板1との境界部におい
てn-型エピ層2の不純物濃度を変化させた時の許容ド
レイン電流を示している。
The relationship between the change in the slope of the slope and the change in the drain current value entering the negative resistance was determined by simulation analysis. The result is shown in FIG. In this figure, the impurity concentration of the n -type epi layer 2 at the boundary between the n -type epi layer 2 and the semiconductor substrate 1 is changed, and depending on the change in the impurity concentration, How it changes. That is, FIG. 14, the inclined portion the thickness of which is shown in FIG. 3, the impurity concentration of the uniform portion, and the impurity concentration of the semiconductor substrate 1 at a constant, n at the boundary between the semiconductor substrate 1 - the impurity concentration of the type epi layer 2 Shows the permissible drain current when is changed.

【0062】この図からも、傾斜部の勾配を大きくする
ことにより負性抵抗に入るドレイン電流値を高くできる
ことが判る。また、この図から、境界部における不純物
濃度を8.0×1015cm-3程度、あるいは均一部の不
純物濃度(1.12×1015cm-3)の約7〜10倍以
上、あるいは傾斜部の傾きが(8.0−1.12)×1
15cm-3/5μm以上とすることにより、負性抵抗に
入るドレイン電流値を急激に大きくすることができるこ
とが分かる。
From this figure, it can be seen that the drain current value entering the negative resistance can be increased by increasing the slope of the slope. From this figure, it can be seen that the impurity concentration at the boundary is about 8.0 × 10 15 cm −3 , about 7 to 10 times or more the impurity concentration of the uniform part (1.12 × 10 15 cm −3 ), or the slope is The inclination of the part is (8.0-1.12) × 1
It can be seen that the drain current value entering the negative resistance can be sharply increased by setting it to 0 15 cm −3 / 5 μm or more.

【0063】但し、図14に示す例では勾配が大きくな
るにつれて負性抵抗に入るドレイン電流値が高くなると
いう結果が得られたが、勾配が大きくなり過ぎるとドレ
イン−ソース間降伏電圧や負性抵抗に入るドレイン電圧
値が低くなるため、勾配の大きさや勾配領域の幅を最適
設計することにより、上記ドレイン電圧低下を最小限に
抑えながらより負性抵抗に入るドレイン電流値を高くす
ることが可能となる。
However, in the example shown in FIG. 14, the result was obtained that the drain current value entering the negative resistance increased as the gradient increased, but if the gradient was too large, the drain-source breakdown voltage and the negative Since the drain voltage value that enters the resistor becomes lower, the drain current value that enters the negative resistance can be increased while minimizing the drain voltage drop by optimizing the magnitude of the gradient and the width of the gradient region. It becomes possible.

【0064】なお、上記説明ではコンケーブ型のパワー
MOSFETを例に挙げて説明したが、溝を形成しない
プレーナ型のパワーMOSFETや溝をエッチングによ
って形成するトレンチ型のパワーMOSFET等に本発
明を適用してもよい。もちろん、n型とp型の導電型を
逆にしたMOSFETに本発明を適用しても良い。
In the above description, a concave type power MOSFET has been described as an example. However, the present invention is applied to a planar type power MOSFET in which a groove is not formed, a trench type power MOSFET in which a groove is formed by etching, and the like. You may. Of course, the present invention may be applied to a MOSFET in which the n-type and p-type conductivity types are reversed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態を適用したパワーMOSF
ETの断面構成を示す図である。
FIG. 1 shows a power MOSF to which an embodiment of the present invention is applied.
It is a figure showing the section composition of ET.

【図2】図1に示すパワーMOSFETに使用されるウ
ェハの不純物濃度分布を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an impurity concentration distribution of a wafer used for the power MOSFET shown in FIG.

【図3】図2に示す不純物濃度分布を簡略化した図であ
る。
FIG. 3 is a simplified diagram of the impurity concentration distribution shown in FIG. 2;

【図4】図1に示すパワーMOSFETと従来のパワー
MOSFETの不純物濃度分布を比較した図である。
4 is a diagram comparing the impurity concentration distributions of the power MOSFET shown in FIG. 1 and a conventional power MOSFET.

【図5】図1に示すパワーMOSFETと従来のパワー
MOSFETのソース−ドレイン間降伏特性を比較した
図である。
5 is a diagram comparing the source-drain breakdown characteristics of the power MOSFET shown in FIG. 1 and a conventional power MOSFET.

【図6】従来のパワーMOSFETの不純物濃度分布を
示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an impurity concentration distribution of a conventional power MOSFET.

【図7】図1に示すパワーMOSFETのウェハ内での
電界分布の変化を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a change in electric field distribution in a wafer of the power MOSFET shown in FIG. 1;

【図8】図6に示すパワーMOSFETのウェハ内での
電界分布の変化を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a change in electric field distribution in the wafer of the power MOSFET shown in FIG. 6;

【図9】図1に示すパワーMOSFETの製造工程を示
す図である。
FIG. 9 is a view showing a manufacturing process of the power MOSFET shown in FIG. 1;

【図10】図9に続くパワーMOSFETの製造工程を
示す図である。
FIG. 10 is a view illustrating a manufacturing step of the power MOSFET following FIG. 9;

【図11】他の実施形態におけるパワーMOSFETの
不純物濃度分布を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing an impurity concentration distribution of a power MOSFET according to another embodiment.

【図12】他の実施形態におけるパワーMOSFETの
不純物濃度分布を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing an impurity concentration distribution of a power MOSFET according to another embodiment.

【図13】不純物濃度の傾斜部の勾配の変化に伴ったソ
ース−ドレイン間降伏特性を比較した図である。
FIG. 13 is a diagram comparing the source-drain breakdown characteristics with the change in the gradient of the slope portion of the impurity concentration.

【図14】傾斜部の傾きの変化と負性抵抗に入るドレイ
ン電流値の変化の関係を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between a change in the slope of the slope and a change in the drain current value entering the negative resistance.

【図15】(a)はMOSFETの回路模式図であり、
(b)は(a)に示す回路の動作波形を示す図である。
FIG. 15A is a schematic circuit diagram of a MOSFET,
(B) is a diagram showing operation waveforms of the circuit shown in (a).

【図16】負性抵抗を説明するための図である。FIG. 16 is a diagram for explaining negative resistance.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体基板、2…n-型エピ層、3…ゲート酸化
膜、4…ゲート電極、7…n+型ソース領域、8…p型
ベース領域、9…p型ディープベース層、11…コンタ
クト領域、12…ソース電極、13…ドレイン電極、2
1…ウェハ、50…U溝。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... n - type epi layer, 3 ... Gate oxide film, 4 ... Gate electrode, 7 ... n + type source region, 8 ... p-type base region, 9 ... p-type deep base layer, 11 ... Contact Region, 12: source electrode, 13: drain electrode, 2
1 ... wafer, 50 ... U groove.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1導電型の半導体基板(1)と、 前記半導体基板の主表面上に形成された第1導電型の半
導体層(2)と、 前記半導体層の表層部において所定深さで形成された第
2導電型のベース領域(8)と、 前記半導体層の表層部において、該ベース領域よりも浅
く形成された第1導電型のソース領域(7)と、 前記ベース領域のうち、前記ソース領域と前記半導体層
とに挟まれた部分をチャネル領域として、該チャネル領
域上に形成されたゲート絶縁膜(3)と、 前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極(4)と、 前記ソース領域及び前記ベース領域に電気的に接続され
たソース電極(12)と、 前記半導体基板の裏面側に形成されたドレイン電極(1
3)と、を有してなり、 前記半導体層内の第1導電型の不純物濃度は、該半導体
層の主表面から所定深さまでほぼ一定となっており、前
記所定深さより深くなるにつれて高濃度になっているこ
とを特徴とするパワーMOSFET。
A first conductivity type semiconductor substrate; a first conductivity type semiconductor layer formed on a main surface of the semiconductor substrate; and a predetermined depth in a surface portion of the semiconductor layer. A second conductivity type base region (8) formed by: a first conductivity type source region (7) formed shallower than the base region in a surface layer portion of the semiconductor layer; A gate insulating film (3) formed on the channel region using a portion sandwiched between the source region and the semiconductor layer as a channel region; and a gate electrode (4) formed on the gate insulating film. A source electrode (12) electrically connected to the source region and the base region; and a drain electrode (1) formed on the back side of the semiconductor substrate.
3) wherein the impurity concentration of the first conductivity type in the semiconductor layer is substantially constant from the main surface of the semiconductor layer to a predetermined depth, and becomes higher as the depth becomes higher than the predetermined depth. A power MOSFET characterized in that:
【請求項2】 前記所定深さより深くなると、前記半導
体層内の第1導電型の不純物濃度が直線傾斜で高濃度化
していることを特徴とする請求項1に記載のパワーMO
SFET。
2. The power MO according to claim 1, wherein when the depth is greater than the predetermined depth, the impurity concentration of the first conductivity type in the semiconductor layer increases linearly with an increase in concentration.
SFET.
【請求項3】 前記直線傾斜は、前記半導体層の深さを
X、前記第1導電型の不純物濃度をY、傾きをA、定数
をCとすると、 logY=A・X+C の関係を満たしていることを特徴とする請求項2に記載
のパワーMOSFET。
3. The linear slope satisfies the relationship of logY = A · X + C, where X is the depth of the semiconductor layer, Y is the impurity concentration of the first conductivity type, A is the slope, and C is a constant. 3. The power MOSFET according to claim 2, wherein:
【請求項4】 前記第1導電型の半導体層における前記
直線傾斜の領域の厚さが3〜10μmであることを特徴
とする請求項2又は3に記載のパワーMOSFET。
4. The power MOSFET according to claim 2, wherein the thickness of the linearly inclined region in the semiconductor layer of the first conductivity type is 3 to 10 μm.
【請求項5】 前記半導体層のうち、前記半導体基板と
の境界部における不純物濃度が8.0×1015cm-3
上であることを特徴とする請求項2ないし4のいずれか
1つに記載のパワーMOSFET。
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein an impurity concentration in a boundary portion between the semiconductor layer and the semiconductor substrate is 8.0 × 10 15 cm −3 or more. A power MOSFET as described.
【請求項6】 前記半導体層のうち、前記半導体基板と
の境界部における不純物濃度が、前記不純物濃度がほぼ
一定となっている領域の7倍以上になっていることを特
徴とする請求項2ないし4のいずれか1つに記載のパワ
ーMOSFET。
6. The semiconductor layer according to claim 2, wherein an impurity concentration at a boundary between the semiconductor layer and the semiconductor substrate is seven times or more as large as a region where the impurity concentration is substantially constant. 5. The power MOSFET according to any one of items 4 to 4.
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