JP2002124675A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device and its manufacturing method

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JP2002124675A
JP2002124675A JP2000315509A JP2000315509A JP2002124675A JP 2002124675 A JP2002124675 A JP 2002124675A JP 2000315509 A JP2000315509 A JP 2000315509A JP 2000315509 A JP2000315509 A JP 2000315509A JP 2002124675 A JP2002124675 A JP 2002124675A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To avoid electric field concentration on a P-type region beneath an N-type source region of a DTMOS FET and more stably hold the drain-source backward withstand voltage to reduce the on-resistance. SOLUTION: An NPN-pillar layer composed on a P-pillar layer 3 and an N-pillar layer 4 in the vertical direction is formed on unit MOS FET regions surrounded by trench type element isolation region 5, the P-pillar layer 3 located at the center of the NPN-pillar layer has a gentle gradient of an impurity concentration distribution from the top surface in the depth wise direction, and the gradient of this distribution reduces to nearly zero at a depth of 4.0 μm from the surface, resulting in an approximately constant concentration.

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、半導体装置および
その製造方法に係り、特に単位素子領域にそれぞれ縦方
向に形成されたN 型領域およびP 型領域が横方向に隣接
するMOS FET 構造を有する半導体装置の構造およびその
製造方法に関するもので、低オン抵抗・高耐圧が要求さ
れるパワースイッチング素子に使用される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having a MOS FET structure in which an N-type region and a P-type region formed in a unit element region in a vertical direction are horizontally adjacent to each other. The present invention relates to a structure of a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and is used for a power switching element requiring low on-resistance and high withstand voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOS FET を利用したパワースイッチング
素子は、低オン抵抗化・高耐圧化が求められるが、従来
のプレーナ構造のパワーMOS FET は、オン抵抗を下げる
と耐圧も下がり、高耐圧化するとオン抵抗が高くなると
いう相反する関係を有する。
2. Description of the Related Art A power switching element using a MOS FET is required to have a low on-resistance and a high withstand voltage. However, in a conventional power MOS FET having a planar structure, if the on-resistance is reduced, the withstand voltage is also reduced, and the withstand voltage is increased. Then, there is a contradictory relationship that the on-resistance increases.

【0003】即ち、図5に示すようなプレーナ構造のパ
ワーMOS FET は、不純物濃度が比較的濃いN+基板61上に
形成された不純物濃度が比較的薄いN-エピ層62の表面に
MOS構造が形成されており、基板裏面からN-エピ層62を
介してMOS FET ヘの電流経路をとっている。
That is, a power MOS FET having a planar structure as shown in FIG. 5 is formed on an N-epi layer 62 having a relatively low impurity concentration formed on an N + substrate 61 having a relatively high impurity concentration.
A MOS structure is formed, and a current path from the back surface of the substrate to the MOS FET via the N-epi layer 62 is taken.

【0004】このため、MOS FET のオン動作時の抵抗
(オン抵抗)はN-エピ層62の厚さに依存する。また、空
乏層はN-エピ層62中を伸びるので、耐圧維持はN-エピ層
62の厚さで決まる。このように、電流経路と耐圧を維持
する領域が同一であるので、高耐圧化のためにN-エピ層
62の厚さを大きくとると、オン抵抗が上がり、逆に、N-
エピ層62の厚さを薄くしてオン抵抗を下げると、耐圧も
下がるという相反する関係が存在しており、両者を満足
させることは困難であった。
For this reason, the resistance (ON resistance) of the MOS FET during the ON operation depends on the thickness of the N-epi layer 62. Since the depletion layer extends in the N-epi layer 62, the breakdown voltage is maintained in the N-epi layer.
Determined by 62 thickness. As described above, since the current path and the region for maintaining the breakdown voltage are the same, the N-epi layer is formed in order to increase the breakdown voltage.
Increasing the thickness of 62 increases the on-resistance and conversely, N-
Reducing the on-resistance by reducing the thickness of the epi layer 62 has a contradictory relationship that the withstand voltage also decreases, and it has been difficult to satisfy both.

【0005】上記した従来のプレーナ構造のパワーMOS
FET における低オン抵抗と高耐圧化との相反する関係を
払拭し、低オン抵抗・高耐圧化を図るために、例えば"
Coolmos-a new milestone in high voltage Power MOS
" by L.Lorenz, G.Deboy(文献1)により、Super Jun
ction(超接合)構造を有するMOS FET (クールMOS;Sie
mens社登録商標)が提案されている。
The above-mentioned conventional power MOS having a planar structure
To eliminate the conflicting relationship between low on-resistance and high withstand voltage in FET, and to achieve low on-resistance and high withstand voltage, for example,
Coolmos-a new milestone in high voltage Power MOS
"By L. Lorenz, G. Deboy (1), Super Jun
MOS FET with a ction (super junction) structure (Cool MOS; Sie
mens registered trademark) has been proposed.

【0006】この超接合構造のパワーMOS FET は、図6
に示すように、電流経路となるN ピラー(pillar)領域
71とドレイン・ソース間逆方向耐圧を維持するためのP
ピラー層72をそれぞれ縦方向に形成している。
[0006] The power MOS FET of this super junction structure is shown in FIG.
As shown in the figure, the N pillar region is a current path
71 and P to maintain reverse breakdown voltage between drain and source
The pillar layers 72 are formed in the vertical direction, respectively.

【0007】この構造により、オン抵抗はN ピラー層71
の濃度に依存し、耐圧は、横方向へ空乏層を伸ばすの
で、N ピラー層71とP ピラー層72の濃度と幅で決まる。
その結果、図5に示した従来のプレーナ構造のパワーMO
S FET に対して、同等のドレイン・ソース間逆方向耐圧
(例えば600 V)を確保し、且つ、オン抵抗を約1/3 〜
1/4 に低減させることが可能になる。
With this structure, the on-resistance is reduced by the N pillar layer 71.
The breakdown voltage depends on the concentration and width of the N pillar layer 71 and the P pillar layer 72 because the depletion layer extends in the lateral direction.
As a result, the power MO of the conventional planar structure shown in FIG.
SFET has the same reverse breakdown voltage between drain and source (for example, 600 V) and on-resistance of about 1/3 to about
It can be reduced to 1/4.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、文献1に示さ
れているMOS FET の製造プロセスは、シリコンのエピタ
キシャル成長とパターニングとイオン注入を複数回繰り
返す必要があるので複雑である。このような非常に長い
プロセスに伴い、費用と時間を必要とし、製造価格が大
幅に上昇し、半導体チップのコスト面でメリットが少な
い。
However, the manufacturing process of the MOS FET disclosed in Document 1 is complicated because it is necessary to repeat the epitaxial growth, patterning and ion implantation of silicon a plurality of times. Such a very long process requires cost and time, greatly increases the manufacturing cost, and has little merit in the cost of the semiconductor chip.

【0009】この点を改善すべく、本願出願人は、低オ
ン抵抗化・高耐圧化の両方を満足するパワーMOS FET を
低コストで製造し得る生産性の高いディープトレンチMO
S(Deep Trench MOS;DTMOS)の構造およびその製造方法を
提案した。
In order to improve this point, the applicant of the present application has proposed a highly productive deep trench MO capable of manufacturing a power MOS FET satisfying both low on-resistance and high breakdown voltage at low cost.
The structure of S (Deep Trench MOS; DTMOS) and its manufacturing method were proposed.

【0010】このDTMOS 構造は、超接合構造並の低オン
抵抗特性を、比較的短い製造工程(ディープトレンチ形
成、B とAsの同時イオン注入および熱拡散、絶縁物分離
領域形成、平坦化)により、200 V以上の中高耐圧を有
するMOS FET を実現可能としたものであり、大幅な工程
削減が可能となり、製造価格が半減する。
The DTMOS structure has a low on-resistance characteristic comparable to that of a super junction structure by a relatively short manufacturing process (deep trench formation, simultaneous ion implantation and thermal diffusion of B and As, formation of an insulator isolation region, flattening). , A MOS FET with a medium to high withstand voltage of 200 V or more can be realized, drastically reducing the number of processes and halving the manufacturing cost.

【0011】ここで、上記提案に係るDTMOS FET の基本
構造およびその製造方法について概略を説明しておく。
Here, the basic structure of the DTMOS FET according to the above proposal and a method of manufacturing the same will be briefly described.

【0012】図7は、現在提案中のDTMOS FET の基本構
造の一部を示す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing a part of the basic structure of a DTMOS FET currently proposed.

【0013】このDTMOS FET の各単位素子(セル)は、
ボロン(Boron;B) 拡散により幅10μmで縦方向に形成さ
れた断面短冊状のP+ピラー層83の両側(両横)にヒ素(A
s)拡散により幅約2.5 μmで縦方向に形成された断面短
冊状のN+ピラー層84が存在するNPN ピラー層を有する。
そして、このNPN ピラー層を取り囲んでトレンチ(溝)
が設けられ、その内部に絶縁物85が埋め込まれている。
Each unit element (cell) of the DTMOS FET is
Boron (B) Arsenic (A) is formed on both sides (both sides) of a P + pillar layer 83 having a width of 10 μm and formed in the vertical direction by diffusion and having a rectangular cross section.
s) An NPN pillar layer having a strip-shaped N + pillar layer 84 having a width of about 2.5 μm and formed in the vertical direction by diffusion is present.
Then, a trench surrounds the NPN pillar layer.
Are provided, and an insulator 85 is embedded therein.

【0014】上記2つのN+ピラー層84内での(As−B )
総量の合計とP+ピラー層83内での(B −As)総量とは、
±5 %以内の差で等しく設定されている。この不純物量
の高精度の制御は、トレンチ側壁へのAs,B のイオン注
入によって達成できる。
(As-B) in the two N + pillar layers 84
The total amount and the (B−As) total amount in the P + pillar layer 83 are:
They are set equally with a difference within ± 5%. This highly accurate control of the amount of impurities can be achieved by implanting As and B ions into the trench side walls.

【0015】そして、P+ピラー層83の上部にP+ベース(b
ase)領域87が形成され、その表面に選択的にN+ソース(S
ource)領域86が形成されており、チャネル領域(N+ソー
ス領域86とN+ピラー層84とで挟まれたP 領域表面部分)
上にゲート酸化膜88を介してゲート電極89が形成されて
おり、その上に形成された層間絶縁膜の開口部を介して
N+ソース領域86にコンタクトするようにソース金属配線
90が形成されている。これにより、N+基板80をドレイン
とし、N+ピラー層84を電流経路とするパワーMOSFET 構
造が実現されている。
A P + base (b) is formed on the P + pillar layer 83.
ase) region 87 is formed, and an N + source (S
channel region (the surface region of the P region sandwiched between the N + source region 86 and the N + pillar layer 84)
A gate electrode 89 is formed thereon via a gate oxide film 88, and through an opening of an interlayer insulating film formed thereover.
Source metal wiring to contact N + source region 86
90 are formed. Thus, a power MOSFET structure in which the N + substrate 80 is used as a drain and the N + pillar layer 84 is used as a current path is realized.

【0016】図8は、図7に示したDTMOS FET の一例と
してストライプパターン型のDTMOSFET の平面パターン
および断面構造の一部を示す斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view showing a plane pattern and a part of a cross-sectional structure of a stripe pattern type DTMOSFET as an example of the DTMOS FET shown in FIG.

【0017】この構造は、各単位素子のNPN ピラー層と
トレンチ部を平面ストライプパターン状に配置したもの
である。
In this structure, the NPN pillar layer and the trench of each unit element are arranged in a plane stripe pattern.

【0018】図9は、図7に示したDTMOS FET の他の例
として、オフセットメッシュ型のDTMOS FET の平面パタ
ーンおよび断面構造の一部を示す斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view showing a part of a plane pattern and a sectional structure of an offset mesh type DTMOS FET as another example of the DTMOS FET shown in FIG.

【0019】この構造は、DTMOS のチャンネル密度を上
げるために、各単位素子のNPN ピラー層を平面オフセッ
トメッシュ状に配置したものである。
In this structure, in order to increase the channel density of the DTMOS, NPN pillar layers of each unit element are arranged in a plane offset mesh.

【0020】図10は、図7乃至図9に示したDTMOS FE
T のN+ピラー層の構造の改善例に係るDTMOS FET の構造
の一例を示す断面図である。
FIG. 10 shows the DTMOS FE shown in FIGS.
It is sectional drawing which shows an example of the structure of the DTMOSFET which concerns on the example of improvement of the structure of the N + pillar layer of T.

【0021】図7乃至図9に示した構造では、電圧印加
時にN+ピラー層84の表面に空乏層が広がるので、表面電
荷の影響を受けやすくなり、Na+ イオン等があると部分
的に空乏化が妨げられ、その部分に電界集中が起き、ブ
レークダウンにつながるおそれがある。
In the structure shown in FIGS. 7 to 9, the depletion layer spreads on the surface of the N + pillar layer 84 when a voltage is applied, so that the structure is easily affected by surface charges. And electric field concentration occurs at that portion, which may lead to breakdown.

【0022】これに対して図10に示す構造は、N+ピラ
ー層84の表面のうちでトレンチ側壁部に連なる一部にN+
領域84a を形成したことにより、電圧印加時にN+ピラー
層84の表面に空乏層が達しないようにしている。この場
合、N+領域84a はN ソース領域の形成時に同時に形成で
きるので、工程の増加は伴わない。
On the other hand, in the structure shown in FIG. 10, the N + pillar layer 84 has N +
The formation of the region 84a prevents the depletion layer from reaching the surface of the N + pillar layer 84 when a voltage is applied. In this case, the N + region 84a can be formed at the same time when the N source region is formed, so that the number of steps is not increased.

【0023】図11は、図7乃至図9に示したトレンチ
内部の絶縁物85の構造の改善例に係るDTMOS FET の構造
の一例を示す断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing an example of the structure of a DTMOS FET according to an improved example of the structure of the insulator 85 inside the trench shown in FIGS. 7 to 9.

【0024】図7乃至図9に示した構造では、トレンチ
内部は絶縁物85で埋め込まれているが、トレンチ内部を
酸化膜(SiO2 膜)等の絶縁物85で完全に埋め込むのに
は、長い時間を必要とする。また、埋め込み後の熱工程
で、N+ピラー層84、P+ピラー層83のシリコンと上記 SiO
2 膜等の絶縁物85の熱膨脹係数の差からトレンチ底部の
シリコンに大きな熱応力が加わり、その部分に結晶欠陥
が集中的に発生し、リーク電流が増加するおそれがあ
る。
In the structure shown in FIGS. 7 to 9, the inside of the trench is filled with an insulator 85. However, in order to completely fill the inside of the trench with an insulator 85 such as an oxide film (SiO 2 film), Need a long time. In the thermal process after the embedding, the silicon of the N + pillar layer 84 and the P +
A large thermal stress is applied to silicon at the bottom of the trench due to a difference in thermal expansion coefficient between the insulators 85 such as the two films, and crystal defects are intensively generated at that portion, which may increase the leak current.

【0025】これに対して図11に示す構造は、トレン
チ側面に絶縁膜85a を形成した後にトレンチ内部をポリ
シリコン(Poly Si) 85b で埋めたものである。トレンチ
内部のポリシリコン85b は、電流経路ではなく、完全な
埋め込みは必要でないので、高成長速度(短時間)で形
成する(埋め込む)ことが可能である。
On the other hand, in the structure shown in FIG. 11, an insulating film 85a is formed on the side surface of the trench, and then the inside of the trench is filled with polysilicon (Poly Si) 85b. Since the polysilicon 85b inside the trench is not a current path and does not need to be completely buried, it can be formed (buried) at a high growth rate (short time).

【0026】また、N+ピラー層84、P+ピラー層83のシリ
コンとトレンチ内部のポリシリコン85b の熱膨脹係数は
等しいので、ポリシリコン85b の埋め込み後に熱工程を
経てもトレンチ底部のシリコンに大きな熱応力が加わる
ことはない。したがって、その部分に結晶欠陥が発生し
てリーク電流が増加するようなことは防止される。
Since the silicon of the N + pillar layer 84 and the P + pillar layer 83 and the polysilicon 85b inside the trench have the same thermal expansion coefficient, even if a thermal process is performed after the polysilicon 85b is buried, a large thermal stress is applied to the silicon at the bottom of the trench. Will not join. Therefore, it is possible to prevent a crystal defect from occurring in that portion and an increase in leak current.

【0027】図12は、図7に示したDTMOS FET の製造
工程の一部を概略的に説明するためにDTMOS FET の断面
構造の一部を示している。
FIG. 12 shows a part of a cross-sectional structure of the DTMOS FET for schematically explaining a part of a manufacturing process of the DTMOS FET shown in FIG.

【0028】まず、N+基板80上に形成されたN-エピ層81
の表面からN+基板80に達するトレンチ82を反応性イオン
エッチング(RIE) にて形成する。この時、N-エピ層81表
面のトレンチ以外の部分は酸化膜91で覆われている。
First, the N-epi layer 81 formed on the N + substrate 80
A trench 82 reaching the N + substrate 80 from the surface of the substrate is formed by reactive ion etching (RIE). At this time, the portion other than the trench on the surface of the N-epi layer 81 is covered with the oxide film 91.

【0029】次に、例えば回転イオン注入法により、ト
レンチ側壁に約7 °の注入角度でAsおよびB のイオンを
注入する。次に、1150℃で24時間以上の熱拡散により、
As,B の同時拡散を行う。
Next, As and B ions are implanted into the trench side walls at an implantation angle of about 7 ° by, for example, a rotary ion implantation method. Next, by heat diffusion at 1150 ° C for 24 hours or more,
Simultaneous diffusion of As and B is performed.

【0030】この際、Asの拡散係数よりB の拡散係数の
拡散係数が十分に大きいことにより、トレンチ側壁か
ら、Asは約2.5 μm拡散してN+ピラー層84となり、B は
約7.5μm拡散するとともに両側からの拡散が重なってP
+ピラー層83となる。即ち、熱処理後の構造は、内部のP
+ピラー層83を挟んでトレンチ側壁部にN+ピラー層84が
存在するNPN ピラー層が完成する。
At this time, since the diffusion coefficient of B 2 is sufficiently larger than the diffusion coefficient of As, As diffuses about 2.5 μm from the side wall of the trench to become the N + pillar layer 84, and B diffuses about 7.5 μm. Together with the diffusion from both sides
+ The pillar layer 83 is formed. That is, the structure after the heat treatment
The NPN pillar layer in which the N + pillar layer 84 exists on the side wall of the trench with the + pillar layer 83 interposed therebetween is completed.

【0031】次に、トレンチ側面に熱酸化により酸化膜
(SiO2 膜)を形成し、さらに、気相成長(Chemical Vapo
r Deposition;CVD)法により Si02 膜あるいはSiN 膜を
形成する。この際、図11に示したような絶縁物の構造
を実現するためには、トレンチ側面に絶縁膜、例えば酸
化膜(SiO2 膜)85a を形成した後、トレンチ内部をポリ
シリコン85b で埋め戻すようにしてもよい。この時、ト
レンチ内部のポリシリコン85b は、トレンチ側面の両側
から成長させるので、短時間で埋込み可能である。
Next, an oxide film is formed on the side surfaces of the trench by thermal oxidation.
(SiO 2 film), and furthermore, a chemical vapor deposition (Chemical Vapo
An SiO 2 film or a SiN film is formed by an r Deposition (CVD) method. At this time, in order to realize the structure of the insulator as shown in FIG. 11, an insulating film, for example, an oxide film (SiO 2 film) 85a is formed on the side surface of the trench, and then the inside of the trench is back-filled with polysilicon 85b. You may do so. At this time, since the polysilicon 85b inside the trench is grown from both sides of the trench, it can be buried in a short time.

【0032】次に、化学的機械研磨(CMP) により基板表
面を平坦化する。それ以降の工程は、プレーナ構造のMO
S FET の製造工程と同様に行い、図7に示したように、
P+ピラー層83の上部にP+ベース領域を形成し、P+ベース
領域上の一部にN+ソース領域、チャネル領域(N+ソース
領域とN+ピラー層とで挟まれたP 領域表面部分)上にゲ
ート酸化膜を介してゲート電極を形成することにより、
N+基板80をドレインとし、N+ピラー層84を電流経路とす
るパワーMOS FET 構造を実現する。
Next, the substrate surface is flattened by chemical mechanical polishing (CMP). Subsequent processes are MO with planar structure
Performed in the same manner as the SFET manufacturing process, and as shown in FIG.
A P + base region is formed on the P + pillar layer 83, and a gate oxide is formed on the N + source region and a channel region (the surface of the P region sandwiched between the N + source region and the N + pillar layer) on the P + base region. By forming a gate electrode through the film,
A power MOS FET structure using the N + substrate 80 as a drain and the N + pillar layer 84 as a current path is realized.

【0033】上記製造方法は、P+ピラー層83、N+ピラー
層84を形成し、表面を平坦化するまでのプロセスは、N-
エピタキシャル成長が1 回、トレンチ埋め込みが1 回、
B イオンとAsイオンのインプラが少ない。
In the above manufacturing method, the process from forming the P + pillar layer 83 and the N + pillar layer 84 to flattening the surface is performed by N-
1 epitaxial growth, 1 trench filling,
Low implantation of B and As ions.

【0034】ところで、図7に示した構造では、MOS FE
T の閾値電圧Vthを確保するために、P+ピラー層83の上
部表面にあるP+ベース領域87の形成に際して、P+ピラー
層83より高濃度になるようにB イオンを注入し、熱拡散
しなくてはならない。
By the way, in the structure shown in FIG.
In order to secure the threshold voltage Vth of T, when forming the P + base region 87 on the upper surface of the P + pillar layer 83, B ions are implanted so as to have a higher concentration than the P + pillar layer 83, and thermal diffusion is not performed. Not be.

【0035】したがって、不純物濃度が濃いP+ベース領
域87とP+ピラー層83との境目は、濃度勾配が急峻にな
り、P+ベース領域87下で電界集中が起り易く、耐圧に不
利になるという問題がある。
Therefore, the boundary between the P + base region 87 having a high impurity concentration and the P + pillar layer 83 has a problem that the concentration gradient becomes steep, electric field concentration easily occurs under the P + base region 87, and the breakdown voltage is disadvantageous. is there.

【0036】上記したように現在提案されている超接合
構造を有するパワーMOS FET は、ソース領域下のベース
領域で電界が集中し、ドレイン・ソース間逆方向耐圧に
不利になるという問題があった。
As described above, the power MOS FET having the super junction structure proposed at present has a problem that the electric field is concentrated in the base region below the source region, which is disadvantageous for the reverse breakdown voltage between the drain and the source. .

【0037】本発明は上記の問題点を解決するためにさ
れたもので、ソース領域下のベース領域における電界集
中を防ぎ、より高いドレイン・ソース間逆方向耐圧を安
定に確保するとともにオン抵抗が低いMOS FET を実現可
能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目
的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and prevents electric field concentration in a base region below a source region, stably secures a higher reverse breakdown voltage between a drain and a source, and reduces on-resistance. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of realizing a low MOS FET and a method for manufacturing the same.

【0038】[0038]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の半導体装
置は、低抵抗エピ層を有する半導体基板と、前記低抵抗
エピ層の表面から前記半導体基板まで達する深さを有
し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持っ
たテーパ面が形成されたトレンチと、前記トレンチの側
壁から前記低抵抗エピ層に第1導電型不純物と第2導電
型不純物がイオン注入されて熱拡散により形成され、隣
り合うトレンチの対向する側壁面にそれぞれ沿って縦方
向に形成された第2導電型ピラー層とそれらに挟まれて
隣接して縦方向に形成された第1導電型ピラー層と、前
記トレンチの内部に埋め込まれた絶縁物と、前記第1導
電型ピラー層の表面に選択的に形成された第2導電型の
ソース領域と、前記第2導電型のソース領域と前記第2
導電型ピラー層との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜
を介して形成されたゲート電極とを具備し、前記第1導
電型ピラー層をベースとし、前記第2導電型ピラー層を
電流経路とし、前記半導体基板をドレインとするMOS FE
T が形成されてなり、前記第1導電型ピラー層の表面か
ら4.0 μm以上の深さ位置で濃度分布の勾配が零付近に
なってほぼ一定濃度になっていることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a semiconductor substrate having a low-resistance epilayer, a depth extending from a surface of the low-resistance epilayer to the semiconductor substrate, and A trench having a wide opening, a rounded tapered surface formed at the periphery of the opening, and a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity ion-implanted from the side wall of the trench into the low resistance epi layer. Second conductivity type pillar layers formed by thermal diffusion and formed in the vertical direction along opposing sidewall surfaces of adjacent trenches, and first conductivity type pillars formed in the vertical direction adjacent to and sandwiched therebetween. A second conductive type source region selectively formed on a surface of the first conductive type pillar layer; a second conductive type source region selectively formed on a surface of the first conductive type pillar layer; Second
A gate electrode formed on a channel region between the conductive type pillar layer and a gate insulating film, wherein the first conductive type pillar layer is used as a base, and the second conductive type pillar layer is used as a current path. A MOS FE having the semiconductor substrate as a drain.
T is formed, and the gradient of the concentration distribution becomes nearly zero at a depth of 4.0 μm or more from the surface of the first conductivity type pillar layer, and the concentration is almost constant.

【0039】また、本発明の第2の半導体装置は、トレ
ンチタイプの素子分離領域に囲まれた単位MOS FET 領域
に縦方向のピラー層が隣接するように形成されており、
該ピラー層の中央に位置する第1導電型ピラー層は、上
部表面から深さ方向への不純物濃度の分布が緩やかな勾
配を有し、表面から4.0 μm以上の深さ位置で濃度分布
の勾配が零付近になってほぼ一定濃度になっていること
を特徴とする。
In the second semiconductor device of the present invention, a vertical pillar layer is formed adjacent to a unit MOS FET region surrounded by a trench type element isolation region,
The first conductivity type pillar layer located at the center of the pillar layer has a gentle gradient of the impurity concentration distribution from the upper surface in the depth direction, and the gradient of the concentration distribution at a depth of 4.0 μm or more from the surface. Is near zero and has a substantially constant concentration.

【0040】また、本発明の第1の半導体装置の製造方
法は、低抵抗エピ層を有する半導体基板の低抵抗エピ層
の表面から前記半導体基板に達する深さを有し、底面よ
りも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテーパ面
を備えたトレンチを形成する工程と、前記トレンチの側
壁に第1導電型不純物と第2導電型不純物をイオン注入
して熱拡散を行うことにより、第1導電型不純物と第2
導電型不純物の拡散係数の違いを利用してトレンチ側壁
面に縦方向に沿う第2導電型ピラー層およびそれに縦方
向に沿って隣接するとともに表面から深さ方向における
不純物濃度の分布が表面から所定の深さ位置まで緩やか
に変化する第1導電型ピラー層を形成する工程と、前記
トレンチの内部に絶縁物を埋め込んだ後に表面を平坦化
する工程と、前記第1導電型ピラー層の上部表面に選択
的に第2導電型ソース領域を形成し、該第2導電型ソー
ス領域と前記第2導電型領域との間のチャネル領域上に
ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを具
備し、前記半導体基板をドレインとし、前記第2導電型
ピラー層を前記ドレインと前記第2導電型のソース領域
との間の電流経路とするMOS FET をを形成することを特
徴とする。
In a first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a semiconductor substrate having a low-resistance epi layer has a depth from the surface of the low-resistance epi layer to the semiconductor substrate, and the opening portion is smaller than the bottom surface. Forming a trench having a wide, tapered surface with a rounded edge at the periphery of the opening, and performing thermal diffusion by ion-implanting a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity into sidewalls of the trench. , The first conductivity type impurity and the second
The second conductivity type pillar layer vertically extending along the trench side wall surface and the impurity concentration distribution in the depth direction from the surface are predetermined from the surface by utilizing the difference in the diffusion coefficient of the conductivity type impurity from the surface. Forming a first-conductivity-type pillar layer that gradually changes to a depth position, flattening a surface after burying an insulator in the trench, and an upper surface of the first-conductivity-type pillar layer Forming a second conductivity type source region selectively, and forming a gate electrode via a gate insulating film on a channel region between the second conductivity type source region and the second conductivity type region. And forming a MOS FET having the semiconductor substrate as a drain and the second conductivity type pillar layer as a current path between the drain and the second conductivity type source region.

【0041】[0041]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0042】<第1の実施の形態>図1は、本発明の第
1の実施の形態に係るDTMOS FET の断面構造の一部を示
している。
<First Embodiment> FIG. 1 shows a part of a sectional structure of a DTMOS FET according to a first embodiment of the present invention.

【0043】このDTMOS FET は、Siウェハ上に形成され
てチップに分離されたものである。N++ 基板1 上に形成
されたN-エピ層において、ボロン(B) を拡散した幅10μ
mの断面短冊状のP+ピラー層3 の両側(両横)にヒ素(A
s)を拡散した幅約2.5 μmの断面短冊状のN+ピラー層4
が存在するNPN ピラー層(幅は約15μm)が左右方向に
繰り返し存在する。この場合、NPN ピラー層を取り囲ん
で、N-エピ層表面からN++ 基板1 内に達する深さ(50μ
m以上)で幅が約8 μmのトレンチ(溝)が設けられ、
その内部に絶縁物層5 が埋め込まれることにより、互い
に分離された多数の単位素子(セル)が形成されてい
る。この場合、トレンチは、N-エピ層の表面からN++ 基
板1 まで達する深さを有し、底面よりも開口部が広く、
開口周縁部に丸みを持ったテーパ面が形成されている。
This DTMOS FET is formed on a Si wafer and separated into chips. In the N-epi layer formed on N ++ substrate 1, boron (B) diffused width 10μ
arsenic (A) on both sides (both sides) of P + pillar layer 3
s) diffused N + pillar layer 4 with a width of about 2.5 μm
The NPN pillar layer (having a width of about 15 μm) in which exists is repeatedly present in the left-right direction. In this case, the depth surrounding the NPN pillar layer and reaching the inside of the N ++ substrate 1 from the surface of the N-epi layer (50 μm)
m or more) with a width of about 8 μm.
By embedding the insulator layer 5 therein, a large number of unit elements (cells) separated from each other are formed. In this case, the trench has a depth extending from the surface of the N-epi layer to the N ++ substrate 1, has a wider opening than the bottom surface,
A rounded tapered surface is formed at the periphery of the opening.

【0044】上記NPN ピラー層において、2つのN+ピラ
ー層4 内での(As−B )総量の合計とP+ピラー層3 内で
の(B −As)総量とは、±5 %以内の差で等しく設定さ
れている。つまり、P+ピラー層3 とN+ピラー層4 はほぼ
同濃度であり、このような不純物量の高精度の制御は、
トレンチ側壁へのB,Asのイオン注入によって達成でき
る。また、P+ピラー層3 における表面から深さ方向への
不純物濃度の分布は、後述するように設定制御されてい
る。
In the above-mentioned NPN pillar layer, the difference between the total amount of (As-B) in the two N + pillar layers 4 and the total amount of (B-As) in the P + pillar layer 3 is within ± 5%. They are set equal. In other words, the P + pillar layer 3 and the N + pillar layer 4 have almost the same concentration, and such high-precision control of the impurity amount is as follows.
This can be achieved by ion implantation of B and As into the trench side wall. The distribution of the impurity concentration in the depth direction from the surface of the P + pillar layer 3 is set and controlled as described later.

【0045】そして、P+ピラー層3 の表面には選択的に
N+ソース領域6 が形成されており、このN+ソース領域6
とN+ピラー層4 との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜
7 を介してゲート電極8 が形成されており、その上に形
成された層間絶縁膜の開口部を介してN+ソース領域6 に
コンタクトするようにソース金属配線10が形成されてい
る。これにより、N+ソース領域6 とN++ 基板(ドレイン
領域)1 との間でN+ピラー層4 を電流経路とするNMOS F
ETが構成されている。
Then, the surface of the P + pillar layer 3 is selectively
An N + source region 6 is formed.
Gate insulating film on the channel region between
7, a gate electrode 8 is formed, and a source metal wiring 10 is formed so as to contact the N + source region 6 through an opening of an interlayer insulating film formed thereon. As a result, an NMOS transistor using the N + pillar layer 4 as a current path between the N + source region 6 and the N ++ substrate (drain region) 1
ET is configured.

【0046】なお、P+ピラー層3 の上部表面付近の不純
物濃度が濃い部分をベース領域として用いることができ
るが、所望の閾値電圧Vthを確保するために、P+ピラー
層3の上部表面付近に図中点線で示すようにP+ベース領
域8 を形成した場合でも、前記と同様に、不純物濃度の
分布としてP+ベース領域8 とP+ピラー層3 との境界付近
においても深さ方向に緩やかな勾配を持たせることがで
きる。
Note that a portion having a high impurity concentration near the upper surface of the P + pillar layer 3 can be used as a base region. However, in order to secure a desired threshold voltage Vth, a portion near the upper surface of the P + pillar layer 3 is required. Even when the P + base region 8 is formed as shown by the middle dotted line, as in the above, the impurity concentration distribution has a gentle gradient in the depth direction even near the boundary between the P + base region 8 and the P + pillar layer 3. Can be made.

【0047】なお、トレンチ内部には、図11に示した
ように、トレンチ内壁に誘電膜(例えばSi3 N4 あるい
は SiO2 )が形成された後に、絶縁物(ポリシリコンあ
るいは SiO2 )が埋め込まれてもよい。ゲート絶縁膜7
は、基板の強度を保つために熱酸化膜(SiO2 ) が用いら
れている。ゲート電極8 は、ポリシリコンあるいは金属
シリサイドが用いられている。
In addition, as shown in FIG. 11, a dielectric film (for example, Si 3 After N 4 or SiO 2 ) is formed, an insulator (polysilicon or SiO 2 ) may be embedded. Gate insulating film 7
In order to maintain the strength of the substrate, a thermal oxide film (SiO 2 ) is used. The gate electrode 8 is made of polysilicon or metal silicide.

【0048】また、図10に示したように、N+ピラー層
14の表面のうちでトレンチ側壁部に連なる一部にN+領域
を形成することにより、電圧印加時にN+ピラー層14の表
面に空乏層が達しないようにしてもよい。
Also, as shown in FIG.
By forming an N + region in a part of the surface of the N-type pillar 14 that is continuous with the trench side wall, the depletion layer may not reach the surface of the N + pillar layer 14 when a voltage is applied.

【0049】また、上記したような断面構造を有するDT
MOS FET の平面パターンは、図8に示したようなストラ
イプパターンでもよく、図9に示したようなオフセット
メッシュ型パターンでもよい。
Further, the DT having the cross-sectional structure as described above
The planar pattern of the MOS FET may be a stripe pattern as shown in FIG. 8 or an offset mesh type pattern as shown in FIG.

【0050】図2は、図1に示したDTMOS FET のP+ピラ
ー層3 内の垂直断面(B-B'線)における不純物濃度の分
布の一例を示している。
FIG. 2 shows an example of the impurity concentration distribution in a vertical section (BB 'line) in the P + pillar layer 3 of the DTMOS FET shown in FIG.

【0051】本例では、各単位素子のNPN ピラー層の中
央に位置するP+ピラー層3 における上部表面から深さ方
向への不純物濃度の分布として、表面部の濃度が濃い部
分(ベース領域)から深さ方向へ向かって緩やかな勾配
を有しながら濃度が低下し、表面から約4.0 μm以上の
深さ位置(ベース領域より深い位置)で濃度分布の勾配
が零付近になってほぼ一定濃度になっている。
In this example, the distribution of the impurity concentration from the upper surface to the depth direction of the P + pillar layer 3 located at the center of the NPN pillar layer of each unit element starts from the portion where the surface concentration is high (base region). The concentration decreases while having a gentle gradient in the depth direction, and at a depth of about 4.0 μm or more from the surface (a position deeper than the base region), the gradient of the concentration distribution becomes almost zero and becomes almost constant. Has become.

【0052】図3は、図1に示したDTMOS FET のP+ピラ
ー層3 の上部表面での濃度分布の勾配が零付近になって
ほぼ一定濃度になる深さ位置(P ベース深さ)をパラメ
ータとしてドレイン・ソース間逆方向耐圧をシミュレー
ションにより検証した結果の一例を示すグラフである。
FIG. 3 shows the depth position (P base depth) where the gradient of the concentration distribution on the upper surface of the P + pillar layer 3 of the DTMOS FET shown in FIG. 7 is a graph showing an example of a result of verifying a reverse breakdown voltage between a drain and a source by simulation.

【0053】この結果から、P ベース深さが3.5 μmの
場合に耐圧400 Vが得られる400 V系のDTMOS FET に本
発明を適用し、P ベース深さを約4.0 μm以上にすれ
ば、耐圧が408 V以上(2 %以上)に向上し、P ベース
深さを約4.5 μm以上にすれば、耐圧が413 V以上(3
%以上)に向上することが分かる。600 V系のDTMOS FE
Tに本発明を適用しても、同様な効果が得られることは
容易に推察できる。
From these results, it can be seen that if the present invention is applied to a 400 V DTMOS FET capable of obtaining a withstand voltage of 400 V when the P base depth is 3.5 μm and the P base depth is set to about 4.0 μm or more, Is increased to 408 V or more (2% or more), and if the P base depth is increased to about 4.5 μm or more, the withstand voltage becomes 413 V or more (3% or more).
% Or more). 600 V DTMOS FE
It can be easily inferred that the same effect can be obtained by applying the present invention to T.

【0054】即ち、上記実施例のDTMOS FET の構造によ
れば、図7を参照して前述した提案例と同様に、オン抵
抗を従来のプレーナ型MOS FET に対して大幅に低減する
ことができる。また、P+ピラー層3 における上部表面付
近が不純物濃度の濃いベース領域として用いられてお
り、所望の閾値電圧Vthを確保することができ、しか
も、上部表面から所定の深さ部分までは不純物濃度の分
布が緩やかな勾配を有するので、ソース領域下の電界集
中を和らげることができる。その結果、より高いドレイ
ン・ソース間逆方向耐圧を実現することができる。
That is, according to the structure of the DTMOS FET of the above embodiment, the on-resistance can be greatly reduced as compared with the conventional planar type MOS FET as in the case of the proposal described above with reference to FIG. . Further, the vicinity of the upper surface of the P + pillar layer 3 is used as a base region with a high impurity concentration, so that a desired threshold voltage Vth can be secured, and the impurity concentration is high from the upper surface to a predetermined depth. Since the distribution has a gentle gradient, the electric field concentration under the source region can be reduced. As a result, a higher reverse breakdown voltage between the drain and the source can be realized.

【0055】なお、上記説明では、N 型のDTMOS FET を
示したが、P 型のDTMOS FET にも同様に本発明を適用す
ることができる。
In the above description, the N-type DTMOS FET has been described. However, the present invention can be similarly applied to a P-type DTMOS FET.

【0056】図4(a)乃至(d)は、図1に示したDT
MOS FET の製造工程の一例として、単位素子(セル)の
半分を取り出して断面構造を示している。
FIGS. 4A to 4D show the DT shown in FIG.
As an example of the manufacturing process of a MOS FET, a half of a unit element (cell) is taken out and a cross-sectional structure is shown.

【0057】即ち、まず、図4(a)に示すように、半
導体基板(N++ 基板)1 上に低抵抗エピ層(N-エピ層)
2 を形成した後、N-エピ層2 の表面上にエッチングマス
ク11を形成し、N-エピ層2 の表面からN++ 基板1 まで達
するように深く、かつ、底面よりも開口部が広いトレン
チ12を成する。
That is, first, as shown in FIG. 4A, a low resistance epi layer (N-epi layer) is formed on a semiconductor substrate (N ++ substrate) 1.
2 is formed, an etching mask 11 is formed on the surface of the N-epi layer 2, and the trench 12 is deeper from the surface of the N-epi layer 2 to the N ++ substrate 1 and has a larger opening than the bottom surface. To form

【0058】この際、後述の効果を得るために、トレン
チ開口周縁部に丸みを持ったテーパ面を形成しておく。
このようなトレンチ開口周縁部を形成する工程の一例と
しては、トレンチ開口後に、トレンチ開口のために用い
た基板上のエッチングマスク(例えば SiO2 膜)11のト
レンチ開口周縁部付近を後退させるように処理(例えば
フッ化アンモンを用いた等方性エッチング)し、CDE を
用いてエッチングすることによりトレンチ開口周縁部に
丸みを持たせるようにすればよい。
At this time, a rounded tapered surface is formed at the periphery of the trench opening in order to obtain the effects described later.
As an example of a process of forming such a trench opening peripheral portion, after the trench opening, the vicinity of the trench opening peripheral portion of the etching mask (for example, SiO 2 film) 11 on the substrate used for the trench opening is reduced. A process (for example, isotropic etching using ammonium fluoride) and etching using CDE may be performed so that the periphery of the trench opening is rounded.

【0059】また、上記したようなトレンチ開口周縁部
を形成する工程の他の例としては、トレンチ側面にテー
パをつけるように開口するエッチングマシンを使用する
際、RIE 用ガスの供給時間とデポジット用ガスの供給時
間を所定のパターンにしたがって変化させながら繰り返
すことによりトレンチ開口周縁部に丸みを持たせるよう
にしてもよい。
As another example of the step of forming the peripheral edge of the trench opening as described above, when an etching machine that opens so as to taper the trench side face is used, the supply time of the RIE gas and the The periphery of the trench opening may be rounded by repeating the gas supply time while changing the gas supply time according to a predetermined pattern.

【0060】次に、例えば回転イオン注入法により、図
4(b)に示すように、トレンチ側壁に約7 °の注入角
度でP 型不純物(本例ではB )とN 型不純物(本例では
As)をイオン注入する。この際、Asのイオン注入は、例
えば加速電圧が60KeV、ドーズ量が4.1 ×1013cm-2
条件で行い、B のイオン注入は、例えば加速電圧が60Ke
V、ドーズ量が4 ×1013cm-2の条件で行う。
Next, as shown in FIG. 4B, a P-type impurity (B in this example) and an N-type impurity (B in this example) are implanted into the trench side wall by an implantation angle of about 7 °, for example, by a rotary ion implantation method.
As) is implanted. At this time, As ion implantation is performed, for example, under the conditions of an acceleration voltage of 60 KeV and a dose of 4.1 × 10 13 cm −2 , and B ion implantation is performed, for example, at an acceleration voltage of 60 KeV.
V and the dose are 4 × 10 13 cm −2 .

【0061】次に、1150℃、2000分以上の熱拡散によ
り、As,B の同時拡散を行う。この際、B の拡散係数の
拡散係数がAsの拡散係数より十分に大きいことにより、
図4(c)に示すように、トレンチ側壁面に縦方向に沿
う断面短冊状のN ピラー層4およびそれに横方向に隣接
するとともに両側からの拡散が重なった断面短冊状のP
ピラー層3 が、それぞれほぼ同濃度で形成される。即
ち、熱処理後の構造は、内部のP ピラー層3 を挟んで両
側(トレンチ側壁部)にN ピラー層4 が存在するNPN ピ
ラー層が完成する。
Next, simultaneous diffusion of As and B is performed by thermal diffusion at 1150 ° C. for 2,000 minutes or more. At this time, since the diffusion coefficient of B is sufficiently larger than the diffusion coefficient of As,
As shown in FIG. 4 (c), the N pillar layer 4 has a rectangular cross section along the longitudinal direction on the side wall surface of the trench and the P pillar 4 has a rectangular cross section adjacent to the N pillar layer 4 in the lateral direction and overlapped with diffusion from both sides.
The pillar layers 3 are formed at substantially the same concentration. That is, in the structure after the heat treatment, an NPN pillar layer in which the N pillar layer 4 exists on both sides (trench side walls) with the internal P pillar layer 3 interposed therebetween is completed.

【0062】また、上記2つのN ピラー層4 内での(As
−B )総量の合計とP ピラー層3 内での(B −As)総量
とは、±5 %以内の差で等しくなる。この不純物量の高
精度の制御は、前述したようなトレンチ側壁へのAs,B
イオンの同時注入によって達成できる。
Further, (As) in the two N pillar layers 4
−B) The sum of the total amount and the total amount of (B−As) in the P pillar layer 3 are equal to each other within ± 5%. This high-precision control of the amount of impurities is achieved by forming As, B
This can be achieved by simultaneous implantation of ions.

【0063】また、イオン注入で入射される面の向き
(角度)でイオン注入のドーズ量が決まることに着目
し、予めトレンチ開口周縁部のテーパ面に丸みを持たせ
ているので、イオン注入で入射される面の向き(角度)
がテーパ面の丸みにより変化し、P ピラー層3 における
上部表面から深さ方向への不純物濃度の分布の勾配が緩
やかになるように制御することが可能になる。
Focusing on the fact that the dose of ion implantation is determined by the direction (angle) of the surface incident by ion implantation, the tapered surface at the periphery of the trench opening is previously rounded. Direction (angle) of the incident surface
Is changed by the roundness of the tapered surface, so that the gradient of the impurity concentration distribution from the upper surface to the depth direction in the P pillar layer 3 can be controlled to be gentle.

【0064】次に、図4(d)に示すように、トレンチ
内部に絶縁物5 を埋め込んだ後に、例えばCMP 法あるい
はエッチングにより表面を平坦化する。本例では、トレ
ンチ面に熱酸化により酸化膜(SiO2 膜)を形成し、さら
に、気相成長(Chemical Vapor Deposition;CVD)法によ
り Si02 膜あるいはSiN 膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, after the insulator 5 is embedded in the trench, the surface is flattened by, for example, a CMP method or etching. In this example, an oxide film (SiO 2 film) is formed on the trench surface by thermal oxidation, and further, a SiO 2 film or a SiN film is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method.

【0065】この際、トレンチ内壁にSi3 N4 膜あるい
は Si02 膜を形成した後に、トレンチ内に優先的にポリ
シリコン(Poly Si) を成長させて埋めるようにしてもよ
い。トレンチ内部のポリシリコンは、電流経路ではない
ので完全な埋め込みは必要でなく、トレンチ側面の両側
から成長させることにより高成長速度での埋め込みが可
能である。
At this time, Si 3 After forming the N 4 film or the SiO 2 film, polysilicon (Poly Si) may be preferentially grown and filled in the trench. Since the polysilicon inside the trench is not a current path, it is not necessary to completely bury the polysilicon, and it is possible to bury the polysilicon at a high growth rate by growing the polysilicon from both sides of the trench.

【0066】次に、P ピラー層3 の上部表面のチャネル
領域上にゲート絶縁膜7 を介してゲート電極8 を形成す
るとともに、P ピラー層3 の表面に選択的にN+ソース領
域6を形成する。これにより、N++ 基板1 をドレインと
し、N+ピラー層4 をN+ソース領域6 とドレインとの間の
電流経路とするDTMOS FET が得られる。
Next, a gate electrode 8 is formed on the channel region on the upper surface of the P pillar layer 3 via a gate insulating film 7, and an N + source region 6 is selectively formed on the surface of the P pillar layer 3. . Thus, a DTMOS FET having the N ++ substrate 1 as a drain and the N + pillar layer 4 as a current path between the N + source region 6 and the drain is obtained.

【0067】即ち、上記実施例のDTMOS FET の製造方法
によれば、エピ層表面から基板に達する深さを有し、底
面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテー
パ面を備えたトレンチを形成し、トレンチ側壁にP 型不
純物とN 型不純物をイオン注入して熱拡散を行うことに
より、トレンチ側壁面に縦方向に沿うN ピラー層4 およ
びそれに縦方向に沿って隣接するP ピラー層3 を形成す
る。
That is, according to the method of manufacturing the DTMOS FET of the above-described embodiment, the tapered surface has a depth reaching the substrate from the surface of the epilayer, has a wider opening than the bottom surface, and has a rounded edge at the periphery of the opening. By forming a trench with a trench, and ion-implanting a P-type impurity and an N-type impurity into the trench side wall and performing thermal diffusion, the N pillar layer 4 along the vertical direction on the trench side wall surface and adjacent to the N pillar layer 4 along the vertical direction are formed. The P pillar layer 3 is formed.

【0068】このような工程により、表面から深さ方向
における不純物濃度の分布が表面から所定の深さ位置ま
で緩やかに変化するP ピラー層3 を形成することが可能
になる。この際、同時にP ピラー層3 の上部表面に、不
純物濃度の濃い部分(P ベース層)を形成することが可
能になり、後でP ベース層を形成する工程を削減するこ
とが可能になる。但し、後でP ベース層形成工程を実施
してもよいことはいうまでもない。
According to such a process, it becomes possible to form the P pillar layer 3 in which the distribution of the impurity concentration in the depth direction from the surface gradually changes from the surface to a predetermined depth position. At this time, a portion having a high impurity concentration (P base layer) can be formed on the upper surface of the P pillar layer 3 at the same time, and the step of forming the P base layer later can be reduced. However, it goes without saying that the P base layer forming step may be performed later.

【0069】なお、上記説明では、N 型のDTMOS FET の
製造方法を示したが、P 型のDTMOSFET の製造方法にも
同様に本発明を適用することができる。
In the above description, the method of manufacturing an N-type DTMOS FET has been described, but the present invention can be similarly applied to a method of manufacturing a P-type DTMOSFET.

【0070】<第2の実施の形態>第1の実施の形態で
は、DTMOS FET のトレンチ開口周縁部に丸みを持ったテ
ーパ面を持たせたが、DTMOS FET のトレンチ開口周縁部
に丸みを持ったテーパ面を持たせない場合でも、図2に
示したような不純物濃度分布を持たせる構造(第2の実
施の形態)とすることにより、前述したと同様の効果が
得られる。
<Second Embodiment> In the first embodiment, the DTMOS FET has a rounded tapered surface at the periphery of the trench opening, but the DTMOS FET has a rounded periphery at the periphery of the trench opening. Even when the tapered surface is not provided, the same effect as described above can be obtained by adopting the structure having the impurity concentration distribution as shown in FIG. 2 (the second embodiment).

【0071】<第3の実施の形態>第2の実施の形態第
1の実施の形態では、DTMOS FET を示したが、プレーナ
構造のMOS FET においても、P ベース領域に図2に示し
たような不純物濃度分布を持たせる構造(第3の実施の
形態)とすることにより、前述したと同様の効果が得ら
れることは容易に推察できる。
<Third Embodiment> Second Embodiment In the first embodiment, a DTMOS FET has been described. However, even in a planar-structure MOS FET, the P base region is formed as shown in FIG. It can be easily inferred that the same effect as described above can be obtained by adopting a structure having a high impurity concentration distribution (third embodiment).

【0072】[0072]

【発明の効果】上述したように本発明によれば、ソース
領域下のベース領域における電界集中を防ぎ、より高い
ドレイン・ソース間逆方向耐圧を安定に確保するととも
にオン抵抗が低いMOS FET を実現可能な半導体装置およ
びその製造方法を提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent a concentration of an electric field in a base region below a source region, stably secure a higher reverse breakdown voltage between a drain and a source, and realize a MOS FET having a low on-resistance. A possible semiconductor device and a method for manufacturing the same can be provided.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態に係るDTMOS FET の
構造の一部を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a part of the structure of a DTMOS FET according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1に示したDTMOS FET のP+ピラー層内の垂直
断面(B-B'線)における不純物濃度の分布の一例を示す
図。
FIG. 2 is a view showing an example of an impurity concentration distribution in a vertical section (BB ′ line) in a P + pillar layer of the DTMOS FET shown in FIG. 1;

【図3】図1に示したDTMOS FET のP ベース深さをパラ
メータとしてドレイン・ソース間逆方向耐圧をシミュレ
ーションにより検証した結果の一例を示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing an example of a result of verifying a reverse breakdown voltage between a drain and a source by simulation using the P base depth of the DTMOS FET shown in FIG. 1 as a parameter.

【図4】図1に示したDTMOS FET の製造工程の一例とし
て単位素子(セル)の半分を取り出して示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a half of a unit element (cell) as an example of a manufacturing process of the DTMOS FET shown in FIG. 1;

【図5】従来のプレーナ構造のパワーMOS FET の一部を
示す断面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a conventional power MOS FET having a planar structure.

【図6】従来の超接合構造のパワーMOS FET の一部を示
す断面図。
FIG. 6 is a sectional view showing a part of a conventional power MOS FET having a super junction structure.

【図7】現在提案中のDTMOS FET の基本構造の一部を示
す断面図。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of the basic structure of a DTMOS FET currently proposed.

【図8】図7に示したDTMOS FET の一例としてストライ
プパターン型のDTMOS FET の平面パターンおよび断面構
造の一部を示す斜視図。
8 is a perspective view showing a part of a plane pattern and a cross-sectional structure of a stripe pattern type DTMOS FET as an example of the DTMOS FET shown in FIG. 7;

【図9】図7に示したDTMOS FET の他の例として、オフ
セットメッシュ型のDTMOS FETの平面パターンおよび断
面構造の一部を示す斜視図。
9 is a perspective view showing a part of a plane pattern and a cross-sectional structure of an offset mesh type DTMOS FET as another example of the DTMOS FET shown in FIG. 7;

【図10】図7乃至図9に示した構造の改善例に係るDT
MOS FET の構造の一例を示す断面図。
FIG. 10 shows a DT according to an improved example of the structure shown in FIGS. 7 to 9;
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of the structure of a MOS FET.

【図11】図7乃至図9に示したトレンチ内部の絶縁物
85の構造の改善例に係るDTMOS FET の構造の一例を示す
断面図。
FIG. 11 is an insulator inside the trench shown in FIGS. 7 to 9;
85 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the DTMOS FET according to the example of the 85 improved structure.

【図12】図7に示したDTMOS FET の製造工程の一部を
概略的に説明するためにDTMOS FET の構造の一部を示す
断面図。
FIG. 12 is a sectional view showing a part of the structure of the DTMOS FET for schematically explaining a part of the manufacturing process of the DTMOS FET shown in FIG. 7;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 …N++ 基板、 2 …N-エピ層、 3 …P+ピラー層、 4 …N+ピラー層、 5 …絶縁物層、 6 …N+ソース領域、 7 …ゲート絶縁膜、 8 …ゲート電極。 1… N ++ substrate, 2… N-epi layer, 3… P + pillar layer, 4… N + pillar layer, 5… insulator layer, 6… N + source region, 7… gate insulating film, 8… gate electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上月 繁雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Shigeo Kozuki 1 Kosuka Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside Toshiba Microelectronics Center

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 低抵抗エピ層を有する半導体基板と、 前記低抵抗エピ層の表面から前記半導体基板まで達する
深さを有し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸
みを持ったテーパ面が形成されたトレンチと、 前記トレンチの側壁から前記低抵抗エピ層に第1導電型
不純物と第2導電型不純物がイオン注入されて熱拡散に
より形成され、隣り合うトレンチの対向する側壁面にそ
れぞれ沿って縦方向に形成された第2導電型ピラー層と
それらに挟まれて隣接して縦方向に形成された第1導電
型ピラー層と、 前記トレンチの内部に埋め込まれた絶縁物と、 前記第1導電型ピラー層の表面に選択的に形成された第
2導電型のソース領域と、 前記第2導電型のソース領域と前記第2導電型ピラー層
との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成さ
れたゲート電極とを具備し、 前記第1導電型ピラー層をベースとし、前記第2導電型
ピラー層を電流経路とし、前記半導体基板をドレインと
するMOS FET が形成されてなり、 前記第1導電型ピラー層の表面から4.0 μm以上の深さ
位置で濃度分布の勾配が零付近になってほぼ一定濃度に
なっていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate having a low-resistance epilayer; a depth extending from a surface of the low-resistance epilayer to the semiconductor substrate; an opening wider than a bottom surface; and a rounded edge of the opening. A trench having a tapered surface; a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity ion-implanted from the side wall of the trench into the low resistance epi layer by thermal diffusion; and opposing side wall surfaces of adjacent trenches A second conductivity type pillar layer vertically formed along each of the first and second conductivity type pillar layers, a first conductivity type pillar layer formed vertically adjacent to the second conductivity type pillar layer, and an insulator embedded in the trench. A second conductivity type source region selectively formed on the surface of the first conductivity type pillar layer; and a channel region between the second conductivity type source region and the second conductivity type pillar layer. Through the gate insulating film A MOS FET having the first conductivity type pillar layer as a base, the second conductivity type pillar layer as a current path, and the semiconductor substrate as a drain. A semiconductor device characterized in that the gradient of the concentration distribution becomes nearly zero at a depth of 4.0 μm or more from the surface of the one-conductivity-type pillar layer and has a substantially constant concentration.
【請求項2】 前記第1導電型不純物のイオン注入のド
ーズ量は、開口周縁部の丸みを持ったテーパ面により制
御され、前記第1導電型ピラー層の表面から深さ方向に
おける不純物濃度の分布が第1導電型ピラー層の表面か
ら所定の深さ位置まで緩やかに変化していることを特徴
とする請求項1記載の半導体装置。
2. A dose amount of the ion implantation of the first conductivity type impurity is controlled by a rounded tapered surface of an opening peripheral portion, and an impurity concentration in a depth direction from a surface of the first conductivity type pillar layer is controlled. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the distribution gradually changes from the surface of the first conductivity type pillar layer to a predetermined depth position.
【請求項3】 前記第1導電型ピラー層の上部表面部は
第1導電型不純物濃度が濃いベース領域となっているこ
とを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface portion of said first conductivity type pillar layer is a base region having a high first conductivity type impurity concentration.
【請求項4】 前記第2導電型ピラー層における(第2
導電型不純物量−第1導電型不純物量)の総量と前記第
1導電型ピラー層における(第1導電型不純物量−第2
導電型不純物量)の総量とは、±5 %以内の差となるよ
うに設定されていることを特徴とする請求項1乃至3の
いずれか1項に記載の半導体装置。
4. The second conductive type pillar layer according to claim 2, wherein
The total amount of (conductivity type impurity amount-first conductivity type impurity amount) and (first conductivity type impurity amount-second impurity amount) in the first conductivity type pillar layer.
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a difference between the total amount of the conductive type impurities) is set to be within ± 5%. 5.
【請求項5】 前記第2導電型ピラー層の上部表面に選
択的に前記第2導電型のソース領域とほぼ同濃度の第2
導電型領域が形成されていることを特徴とする請求項1
乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 5, wherein a second conductive type source region having a concentration substantially equal to that of said second conductive type source region is selectively formed on an upper surface of said second conductive type pillar layer.
2. A conductive type region is formed.
The semiconductor device according to any one of claims 4 to 4.
【請求項6】 前記低抵抗エピ層を有する半導体基板
は、N-エピ層を有するN+基板であり、前記第1導電型不
純物はBoron 、前記第2導電型不純物はAsであることを
特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導
体装置。
6. The semiconductor substrate having the low resistance epi layer is an N + substrate having an N- epi layer, wherein the first conductivity type impurity is Boron, and the second conductivity type impurity is As. The semiconductor device according to claim 1.
【請求項7】 前記トレンチの内部に埋め込まれた絶縁
物は、 前記トレンチの内壁に Si02 膜あるいはSi3 N4 膜を介
してポリシリコンが埋め込まれていることを特徴とする
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
7. An insulator buried inside the trench is formed on the inner wall of the trench by a SiO 2 film or a Si 3 film. The semiconductor device according to claim 1, wherein polysilicon is buried through an N 4 film.
【請求項8】 前記ゲート絶縁膜は SiO2 であり、前記
ゲート電極はポリシリコンあるいは金属シリサイドであ
ることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記
載の半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein said gate insulating film is made of SiO 2 , and said gate electrode is made of polysilicon or metal silicide.
【請求項9】 低抵抗エピ層を有する半導体基板の低抵
抗エピ層の表面から前記半導体基板に達する深さを有
し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持っ
たテーパ面を備えたトレンチを形成する工程と、 前記トレンチの側壁に第1導電型不純物と第2導電型不
純物をイオン注入して熱拡散を行うことにより、第1導
電型不純物と第2導電型不純物の拡散係数の違いを利用
してトレンチ側壁面に縦方向に沿う第2導電型ピラー層
およびそれに縦方向に沿って隣接するとともに表面から
深さ方向における不純物濃度の分布が表面から所定の深
さ位置まで緩やかに変化する第1導電型ピラー層を形成
する工程と、 前記トレンチの内部に絶縁物を埋め込んだ後に表面を平
坦化する工程と、 前記第1導電型ピラー層の上部表面に選択的に第2導電
型ソース領域を形成し、該第2導電型ソース領域と前記
第2導電型領域との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜
を介してゲート電極を形成する工程とを具備し、 前記半導体基板をドレインとし、前記第2導電型ピラー
層を前記ドレインと前記第2導電型のソース領域との間
の電流経路とするMOS FET を形成することを特徴とする
半導体装置の製造方法。
9. A tapered surface of a semiconductor substrate having a low-resistance epi-layer, which has a depth reaching the semiconductor substrate from the surface of the low-resistance epi-layer, an opening wider than a bottom surface, and a rounded periphery of the opening. Forming a trench having: a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity by ion-implanting a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity into sidewalls of the trench; The second conductivity type pillar layer extending along the trench side wall surface in the vertical direction by utilizing the difference in the diffusion coefficient and the impurity concentration distribution in the depth direction from the surface adjacent to the second conductivity type pillar layer at the predetermined depth position from the surface. Forming a first-conductivity-type pillar layer that gradually changes until the first-conductivity-type pillar layer; burying an insulator in the trench and planarizing the surface; and selectively forming an upper surface of the first-conductivity-type pillar layer. Second Forming a conductive type source region, and forming a gate electrode on a channel region between the second conductive type source region and the second conductive type region via a gate insulating film; Forming a MOS FET using the second conductive type pillar layer as a drain and a current path between the drain and the second conductive type source region.
【請求項10】 前記イオン注入に際して、前記第1導
電型不純物のイオン注入のドーズ量を開口周縁部の丸み
を持ったテーパ面により制御して前記不純物濃度の分布
を実現することを特徴とする請求項9記載の半導体装置
の製造方法。
10. The method according to claim 1, wherein, during the ion implantation, a dose amount of the ion implantation of the first conductivity type impurity is controlled by a rounded tapered surface of an opening periphery to realize the impurity concentration distribution. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9.
【請求項11】 前記イオン注入に際して前記第1導電
型ピラー層の上部表面部に第1導電型不純物のイオン注
入のドーズ量を多くし、前記拡散により第1導電型ピラ
ー層の上部表面部に第2導電型ベース領域を形成するこ
とを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方
法。
11. The method according to claim 1, wherein the ion implantation is performed by increasing a dose of ion implantation of the first conductivity type impurity into an upper surface portion of the first conductivity type pillar layer and diffusing the ion into the upper surface portion of the first conductivity type pillar layer by the diffusion. The method according to claim 10, wherein a second conductivity type base region is formed.
【請求項12】 前記平坦化する工程は、CMP あるいは
エッチングを用いることを特徴とする請求項9乃至11
のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
12. The method according to claim 9, wherein the step of flattening uses CMP or etching.
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
【請求項13】 前記低抵抗エピ層を有する半導体基板
は、N-エピ層を有するN+基板であり、前記第1導電型不
純物はBoron 、前記第2導電型不純物はAsであることを
特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載の半
導体装置の製造方法。
13. The semiconductor substrate having the low resistance epi layer is an N + substrate having an N- epi layer, wherein the first conductivity type impurity is Boron and the second conductivity type impurity is As. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9.
【請求項14】 前記トレンチの内部に絶縁物を埋め込
む際、トレンチの内壁に Si02 膜あるいはSi3 N4 膜を
形成した後、トレンチの内部にポリシリコンを成長させ
ることを特徴とする請求項9乃至13のいずれか1項に
記載の半導体装置の製造方法。
14. When burying an insulator in the trench, an SiO 2 film or Si 3 14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein polysilicon is grown inside the trench after forming the N 4 film.
【請求項15】 前記ゲート絶縁膜は SiO2 であり、前
記ゲート電極はポリシリコンあるいは金属シリサイドで
あることを特徴とする請求項9乃至14のいずれか1項
に記載の半導体装置の製造方法。
15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein said gate insulating film is made of SiO 2 , and said gate electrode is made of polysilicon or metal silicide.
【請求項16】 トレンチタイプの素子分離領域に囲ま
れた単位MOS FET 領域に縦方向のピラー層が隣接するよ
うに形成されており、該ピラー層の中央に位置する第1
導電型ピラー層は、上部表面から深さ方向への不純物濃
度の分布が緩やかな勾配を有し、表面から4.0 μm以上
の深さ位置で濃度分布の勾配が零付近になってほぼ一定
濃度になっていることを特徴とする半導体装置。
16. A vertical pillar layer is formed so as to be adjacent to a unit MOS FET region surrounded by a trench type element isolation region, and a first pillar layer located at the center of the pillar layer is formed.
The conductivity type pillar layer has a gentle gradient of impurity concentration distribution from the upper surface to the depth direction, and the gradient of the concentration distribution becomes nearly constant at a depth of 4.0 μm or more from the surface, and becomes almost constant. A semiconductor device, comprising:
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