JP2002368220A - Semiconductor device and power system using the same - Google Patents

Semiconductor device and power system using the same

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JP2002368220A
JP2002368220A JP2001167560A JP2001167560A JP2002368220A JP 2002368220 A JP2002368220 A JP 2002368220A JP 2001167560 A JP2001167560 A JP 2001167560A JP 2001167560 A JP2001167560 A JP 2001167560A JP 2002368220 A JP2002368220 A JP 2002368220A
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JP
Japan
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semiconductor device
gate electrode
region
gate
source
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Application number
JP2001167560A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsuzo Sakamoto
光造 坂本
Masaki Shiraishi
正樹 白石
Takayuki Iwasaki
貴之 岩崎
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the ON-resistance and capacity of a longitudinal power MOSFET and to improve the efficiency of a DC-DC power circuit. SOLUTION: A longitudinal power MOSFET has gate electrodes 6 and 7, a gate oxide film 5, a source region 4, and a channel diffusion region 3 on a silicon groove formed in a 1st surface of a semiconductor chip. In this MOSFET, a low capacity and low on-voltage trench power MOSFET is actualized, by making minimum width (L3) of a gate electrode layer region surrounded by the channel diffusion region 20% larger than maximum width (L2) of the gate electrodes.

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】本発明は高周波対応の電力用
半導体装置に関し、特に高周波対応のパワーMOSFE
Tの低オン抵抗化並びにこれを用いたシステムの高効率
化に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-frequency power semiconductor device, and more particularly to a high-frequency power MOSFE.
The present invention relates to reducing the on-resistance of T and increasing the efficiency of a system using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、パソコンやVRM等のDC/DC
電源回路には低オン抵抗性に優れている縦形パワーMO
SFETが主に使用されていたが、電源回路の高周波化
に伴い、電源効率向上のために従来から求められていた
パワーMOSFETの低オン抵抗性のみならず、帰還容
量の低減も求められるようになってきた。例えば、Buck
型電源回路の場合には上側パワーMOSFETのスイッ
チング損失を低減するため、帰還容量を低減する事が高
効率化に必要である。
2. Description of the Related Art Conventionally, DC / DC of personal computers, VRMs, etc.
Vertical power MO with excellent low on-resistance for power circuit
Although SFETs were mainly used, as the frequency of power supply circuits has increased, not only low on-resistance of power MOSFETs, which has been required to improve power supply efficiency, but also reduction of feedback capacitance has been required. It has become. For example, Buck
In the case of a type power supply circuit, it is necessary to reduce the feedback capacitance in order to increase the efficiency in order to reduce the switching loss of the upper power MOSFET.

【0003】トレンチゲートを有する縦型パワーMOS
FETをオン抵抗を低減するには適しているものの帰還
容量は下げにくいという問題があった、これはゲート直
下の容量を低減するためには微細な加工が必要であるた
めである。
A vertical power MOS having a trench gate
Although there is a problem that the FET is suitable for reducing the on-resistance, it is difficult to reduce the feedback capacitance because fine processing is required to reduce the capacitance immediately below the gate.

【0004】一方、前記DC/DC電源回路の効率を向
上するためにはパワーMOSFETを駆動する周波数の
増加によりゲート抵抗の低減も必要となることからゲー
トに金属を使用したトレンチパワーMOSFETも開
示。
On the other hand, a trench power MOSFET using a metal for the gate is also disclosed since the gate resistance must be reduced by increasing the driving frequency of the power MOSFET in order to improve the efficiency of the DC / DC power supply circuit.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ゲート抵抗を低減する
ために金属やシリサイドをゲート電極として使用する検
討は行われてきたがDC/DC電源の効率を向上するた
めに特に帰還容量の低減も同時に達成する構造に関して
の検討は十分ではなかった。
The use of metal or silicide as the gate electrode to reduce the gate resistance has been studied, but in order to improve the efficiency of the DC / DC power supply, in particular, the feedback capacitance must be reduced at the same time. There was not enough consideration on the structure to be achieved.

【0006】また、ドレイン耐圧が30V程度以下の従
来技術のパワートランジスタにおいて低抵抗基板の抵抗
を下げる検討は方法や実装方法は十分検討されていなか
った。さらにパワーMOSFETの寄生ダイオード動作
を防止して電源回路等の効率を向上するための検討は十
分とはいえなかった。
[0006] In the prior art power transistor having a drain withstand voltage of about 30 V or less, a method and a mounting method for reducing the resistance of the low-resistance substrate have not been sufficiently studied. Further, studies for preventing the operation of the parasitic diode of the power MOSFET to improve the efficiency of the power supply circuit and the like have not been sufficient.

【0007】本発明の目的は、上記の問題を考慮してな
されたものであり、電力用半導体装置の帰還容量とオン
抵抗に関するものであり、本半導体装置が使用される回
路の効率を向上する方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above problems, and relates to a feedback capacitance and an on-resistance of a power semiconductor device, and improves the efficiency of a circuit in which the semiconductor device is used. It is to provide a method.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の概
要を簡単に列挙すると以下の通りである。 (1)ゲート電極の最大幅に比べ前記チャネル拡散層で
挟まれるゲート電極層領域の最小幅のほうが20%以上
狭いトレンチゲート構造にする。 (2)ゲート電極部の少なくとも一部は金属層(または
金属化合物層)からなり、該金属または金属化合物層か
らなるゲート電極部の最大幅に比べ、チャネル拡散層で
挟まれるゲート電極層領域の最小幅のほうが20%以上
狭いトレンチゲート構造にする。 (3)チャネル領域と接するゲート酸化膜部のゲート電
極側は80%以上が多結晶シリコン層が境界となってい
るトレンチゲート構造にする。 (4)ゲート電極部の少なくとも一部が半導体主面のソ
ース領域の上面より上に突出している構造にする。 (5)ドレイン・ソース間耐圧が30V以下の縦型パワ
ーMOSFET内蔵する半導体チップの厚さを60μm
以下にする。 (6)ドレイン・ソース間耐圧が30V以下の縦型パワ
ーMOSFETにおいて、低抵抗ドレイン基板の少なく
とも一部の半導体チップを裏面からエッチングし、溝の
中に金属または金属化合物を入れ、前記低抵抗ドレイン
基板の実効的厚さを20μm以下にする。 (7)トレンチ溝の間隔に対し、チャネル拡散層で挟ま
れるゲート電極層領域の幅の割合が小さいパワーMOS
FETをDC/DC電源回路の下アーム用(同期整流
用)素子として使用し、ゲート電極層領域の幅の割合が
大きいほうのパワーMOSFETを電源回路の上アーム
用(スイッチ用)素子として使用する。
The outline of the semiconductor device of the present invention is as follows. (1) A trench gate structure in which the minimum width of the gate electrode layer region sandwiched between the channel diffusion layers is smaller than the maximum width of the gate electrode by 20% or more. (2) At least a part of the gate electrode portion is made of a metal layer (or a metal compound layer), and the gate electrode portion region sandwiched by the channel diffusion layers is larger than the maximum width of the gate electrode portion made of the metal or the metal compound layer. A trench gate structure having a minimum width narrower by 20% or more is used. (3) At least 80% of the gate electrode side of the gate oxide film portion in contact with the channel region has a trench gate structure in which a polycrystalline silicon layer is a boundary. (4) A structure in which at least a part of the gate electrode portion protrudes above the upper surface of the source region on the semiconductor main surface. (5) The thickness of a semiconductor chip having a built-in vertical power MOSFET with a withstand voltage between drain and source of 30 V or less is set to 60 μm.
Do the following. (6) In a vertical power MOSFET having a drain-source withstand voltage of 30 V or less, at least a part of a semiconductor chip of a low-resistance drain substrate is etched from a back surface, and a metal or a metal compound is put in a groove. The effective thickness of the substrate is set to 20 μm or less. (7) A power MOS in which the ratio of the width of the gate electrode layer region sandwiched by the channel diffusion layers to the interval between the trench grooves is small.
The FET is used as an element for the lower arm (for synchronous rectification) of the DC / DC power supply circuit, and the power MOSFET having a larger ratio of the width of the gate electrode layer region is used as an element for the upper arm (for switch) of the power supply circuit. .

【0009】また、本発明のDC/DCコンバータの特
徴は以下の通りである。 (8)セルピッチの小さい方のパワーMOSFETを電
源回路の下アーム用(同期整流用)素子として使用し、
セルピッチの大きい方のパワーMOSFETをDC/D
C電源回路の上アーム用(スイッチ用)素子として使用
する。 (9)縦型パワーMOSFETを遮断するように駆動す
るnチャネルMOSFETを前記縦型パワーMOSFETと同
一チップ上に形成し、前記縦型パワーMOSFETをオンする
ためには前記半導体チップ内に形成してある外部ゲート
端子に電圧を印加することにより実現し、前記縦型パワ
ーMOSFETをオフするためにはnチャネルMOSF
ETをオンさせることにより実現する半導体装置をDC
/DC電源回路に用いる。
The features of the DC / DC converter of the present invention are as follows. (8) The power MOSFET with the smaller cell pitch is used as a lower arm (for synchronous rectification) element of the power supply circuit,
The power MOSFET with the larger cell pitch is DC / D
Used as an element for the upper arm (for switch) of the C power supply circuit. (9) An n-channel MOSFET for driving the vertical power MOSFET to be cut off is formed on the same chip as the vertical power MOSFET, and is formed in the semiconductor chip to turn on the vertical power MOSFET. This is realized by applying a voltage to a certain external gate terminal. To turn off the vertical power MOSFET, an n-channel MOSF
The semiconductor device realized by turning on ET is DC
/ DC power supply circuit.

【0010】このように本発明によれば、パワートラン
ジスタ等の電力用半導体装置を低損失,低容量化でき、
さらに寄生インピーダンスによる悪影響を低減できるた
め、本パワートランジスタを使用した電源回路の効率を
向上できる。
As described above, according to the present invention, a power semiconductor device such as a power transistor can be reduced in loss and capacity.
Further, since the adverse effect due to the parasitic impedance can be reduced, the efficiency of the power supply circuit using the present power transistor can be improved.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電源装置につ
いて添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a power supply according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

【0012】<実施例1>図1は本実施例の断面図であ
る。低抵抗n型半導体基板1の上方に形成してあるn型
エピタキシャル領域2上にシリコン溝が形成してあり、
シリコン溝上にゲート電極6,7が設けられ、シリコン
溝に沿ってゲート酸化膜5が設けられている。ここで、
ゲート電極6は多結晶シリコン層からなり、ゲート電極
7は金属または金属化合物であり、具体的な例としては
タングステンまたはタングステンシリサイドなどを使用
する。
<Embodiment 1> FIG. 1 is a sectional view of this embodiment. A silicon groove is formed on the n-type epitaxial region 2 formed above the low-resistance n-type semiconductor substrate 1;
Gate electrodes 6 and 7 are provided on the silicon groove, and a gate oxide film 5 is provided along the silicon groove. here,
The gate electrode 6 is made of a polycrystalline silicon layer, and the gate electrode 7 is a metal or a metal compound. As a specific example, tungsten or tungsten silicide is used.

【0013】前記シリコン溝の外側で前記ゲート酸化膜
5と隣接する部分にはn型のソース領域4とp型のチャ
ネル拡散領域3とドレインとして働くn型エピタキシャ
ル領域2が設けてある。
An n-type source region 4, a p-type channel diffusion region 3, and an n-type epitaxial region 2 serving as a drain are provided outside the silicon groove and adjacent to the gate oxide film 5.

【0014】符号12は金属電極であり、13の領域が
ドレインパッド(外部ドレイン端子)である。また、14
は裏面電極で外部ソース端子として使用される。8,9
は絶縁膜であり、絶縁膜9はソースコンタクト領域のシ
リコンをソース領域4より深く掘るために使用したサイ
ドウォール用絶縁層である。また、11,10はチャネ
ル拡散領域3より低抵抗化するためにボロンを異なった
イオンエネルギーで打ち込まれた低抵抗p型領域であ
る。この低抵抗拡散領域によりソース電極とチャネル拡
散層とのオーミック接続を確実に行い、さらに、ソース
領域4とチャネル拡散領域3とドレイン領域であるn型
エピタキシャル領域2で構成される寄生npnトランジ
スタ動作を防止し破壊耐量を向上できる。
Reference numeral 12 denotes a metal electrode, and a region 13 is a drain pad (external drain terminal). Also, 14
Is a back electrode used as an external source terminal. 8,9
Is an insulating film, and the insulating film 9 is a sidewall insulating layer used to dig silicon in the source contact region deeper than the source region 4. Reference numerals 11 and 10 denote low-resistance p-type regions in which boron is implanted with different ion energies in order to lower the resistance of the channel diffusion region 3. The ohmic connection between the source electrode and the channel diffusion layer is ensured by the low resistance diffusion region, and the operation of a parasitic npn transistor constituted by the source region 4, the channel diffusion region 3 and the n-type epitaxial region 2 as the drain region is performed. Can be prevented and the breakdown strength can be improved.

【0015】本実施例ではシリコン溝の形状を下に行く
ほど狭くするようにシリコンエッチング条件を選んであ
る。また、本実施例の例では、L1が1μm、L2が
0.5μm、L3とL4が0.1μm である。従って、
ゲート電極6,7の最大幅(L2)に比べチャネル拡散
領域3で挟まれるゲート電極層領域の最小幅(L3)のほ
うが20%以上狭いことである(本実施例では80%狭
い)。このため、DC/DC電源の効率に強い影響を与
えるドレイン・ゲート間容量を低減できる。
In this embodiment, the silicon etching conditions are selected so that the shape of the silicon groove becomes narrower as going downward. In the example of this embodiment, L1 is 1 μm, L2 is 0.5 μm, and L3 and L4 are 0.1 μm. Therefore,
The minimum width (L3) of the gate electrode layer region sandwiched by the channel diffusion regions 3 is smaller than the maximum width (L2) of the gate electrodes 6 and 7 by 20% or more (80% narrower in the present embodiment). For this reason, the capacitance between the drain and the gate, which strongly affects the efficiency of the DC / DC power supply, can be reduced.

【0016】本実施例の半導体装置ではトレンチゲート
のマスク寸法を微細にせずにドレイン・ゲート間容量に
影響を与える寸法L3を短くしている。また、ゲート電
極の一部に金属または金属化合物を設け0.5μm と幅
広く形成している。このため微細加工を使用せずにゲー
ト抵抗を低くし、ドレイン・ゲート間容量も低くでき
る。
In the semiconductor device of this embodiment, the dimension L3 which affects the capacity between the drain and the gate is shortened without reducing the mask dimension of the trench gate. Further, a metal or a metal compound is provided on a part of the gate electrode, and the gate electrode is formed as wide as 0.5 μm. Therefore, the gate resistance can be reduced without using fine processing, and the capacitance between the drain and the gate can be reduced.

【0017】さらにゲート電極のボトムで電界強度が増
加し耐圧低下やゲート酸化膜の信頼性低下を回避するた
め、ボトムでのゲート酸化膜の厚さを部分的に20%以
上厚くしている。さらに低抵抗p型領域10をチャネル
拡散領域3より深く形成し、トレンチのボトム近くまで
拡散するように形成している。
Further, in order to avoid an electric field strength increase at the bottom of the gate electrode and a decrease in breakdown voltage and a decrease in reliability of the gate oxide film, the thickness of the gate oxide film at the bottom is partially increased by 20% or more. Further, the low-resistance p-type region 10 is formed deeper than the channel diffusion region 3 so as to be diffused to near the bottom of the trench.

【0018】また、更なる抵抗を低減する手段としてn
型基板1の厚さZを薄くして半導体チップの厚さを60
μm以下とする。これはパワーMOSFETのドレイン
・ソース間耐圧仕様が30V以下でオン抵抗仕様が3m
Ω以下を目指す場合に有効である。この理由は、低抵抗
基板1はシリコンで2〜3mΩcm程度が現在限界である
ため、この抵抗性分を従来技術のパワー素子で使用され
ている場合の200μm程度の厚いシリコンから60μ
m以下にしないとオン抵抗成分のバランスが悪いためで
ある。さらにSiC等の基板抵抗が下がりにくい基板を
用いた場合には、基板1の抵抗率がシリコンにくらべ3
〜5倍程度大きいため、このSiC基板を60μm以下
にして効果がある仕様はオン抵抗の仕様が10mΩ以下
の場合である。
Further, as means for further reducing the resistance, n
By reducing the thickness Z of the mold substrate 1 to reduce the thickness of the semiconductor chip to 60
μm or less. This means that the power MOSFET has a withstand voltage specification between drain and source of 30 V or less and an on-resistance specification of 3 m.
It is effective when aiming at Ω or less. The reason for this is that the low-resistance substrate 1 is currently limited to silicon with a thickness of about 2 to 3 mΩcm, and this resistance is reduced from the thick silicon of about 200 μm used in the conventional power device to about 60 μm.
If not less than m, the balance of the on-resistance component is poor. Furthermore, when a substrate such as SiC, whose substrate resistance is unlikely to decrease, is used, the resistivity of the substrate 1 is 3 times higher than that of silicon.
Since the SiC substrate is about 60 μm or less, an effective specification is an on-resistance specification of 10 mΩ or less.

【0019】<実施例2>図2は本実施例の半導体装置
の断面図である。図1の場合にはゲート電極層6が溝の
幅のわりに厚く形成してあった場合であったが、図2に
示した本実施例ではゲート電極層6を比較的薄くしたた
め、金属または金属化合物層である7の領域が一部シリ
コン溝の中に入っている。このため、本実施例ではゲー
ト抵抗が図1より下がる。その他は実施例1と同じであ
る。
Embodiment 2 FIG. 2 is a sectional view of a semiconductor device according to the present embodiment. In the case of FIG. 1, the gate electrode layer 6 is formed thicker instead of the width of the groove, but in the present embodiment shown in FIG. A region 7 of the compound layer partially enters the silicon groove. Therefore, in the present embodiment, the gate resistance is lower than that in FIG. Others are the same as the first embodiment.

【0020】<実施例3>図3は本実施例の半導体装置
の断面図である。図3の場合にはシリコン溝の形状を表
面から下までほぼ同じ寸法としてあるが、金属または金
属化合物層7の領域はシリコンエッチング溝の外にシリ
コンエッチング溝より広い幅で形成してある。L3は
0.3μm であるのに対し、L2は0.5μm である。
すなわちゲート電極部の金属または金属化合物層の幅に
比べ、チャネル拡散層で挟まれるゲート電極層領域の幅
のほうが40%狭くできる。
<Embodiment 3> FIG. 3 is a sectional view of a semiconductor device according to this embodiment. In the case of FIG. 3, the shape of the silicon groove is approximately the same from the surface to the bottom, but the region of the metal or metal compound layer 7 is formed outside the silicon etching groove and wider than the silicon etching groove. L3 is 0.3 μm, whereas L2 is 0.5 μm.
That is, the width of the gate electrode layer region sandwiched by the channel diffusion layers can be reduced by 40% as compared with the width of the metal or metal compound layer of the gate electrode portion.

【0021】従って、本実施例ではドレイン・ゲート間
容量の低減は実施例1ほどではないもののゲート抵抗の
低減とドレイン・ゲート間容量の低減が可能である。な
おボトムのゲート酸化膜を厚くすることがまた耐圧はボ
トムの曲率が改善されていたためゲートのボトムでのゲ
ート酸化膜厚さを厚くしなくてもドレイン・ソース間耐
圧は劣化しにくいという特徴がある。本構造でボトムの
ゲート酸化膜だけを厚くした場合にはドレイン・ゲート
間容量のさらなる低減が可能である。またドレイン・ソ
ース間やドレイン・ゲート間の耐圧や特性劣化を防止で
きる。その他は実施例1と同じである。
Therefore, in this embodiment, although the capacitance between the drain and the gate is not reduced as much as in the first embodiment, it is possible to reduce the gate resistance and the capacitance between the drain and the gate. It is to be noted that increasing the thickness of the bottom gate oxide film also improves the withstand voltage because the curvature of the bottom is improved, so that the drain-source withstand voltage does not easily deteriorate without increasing the thickness of the gate oxide film at the bottom of the gate. is there. When only the bottom gate oxide film is thickened in this structure, the drain-gate capacitance can be further reduced. Also, it is possible to prevent breakdown voltage and characteristic deterioration between the drain and the source and between the drain and the gate. Others are the same as the first embodiment.

【0022】<実施例4>図4は本実施例の半導体装置
の断面図である。図4では多結晶シリコンからなるゲー
ト電極層6のエッチバック時間を長くし溝の中にだけ形
成し、さらに金属または金属化合物層であるゲート電極
層7はソース領域4の領域付近より深く埋め込まないよ
うにしてある。このため、ゲート抵抗の低減はやや犠牲
にするものの寸法L2は短くできるため、オン抵抗を低
減することができる。その他は実施例1と同じである。
<Embodiment 4> FIG. 4 is a sectional view of a semiconductor device according to this embodiment. In FIG. 4, the gate electrode layer 6 made of polycrystalline silicon is formed only in the groove by extending the etch back time, and the gate electrode layer 7 which is a metal or metal compound layer is not buried deeper than the vicinity of the source region 4. It is like that. For this reason, although the reduction of the gate resistance is slightly sacrificed, the dimension L2 can be shortened, so that the on-resistance can be reduced. Others are the same as the first embodiment.

【0023】<実施例5>図5は本実施例の半導体装置
の断面図である。図5の場合にはゲート電極層を全て金
属または金属化合物層7にしている。本実施例には、ゲ
ート抵抗は十分下がるという特徴がある。また本実施例
では低抵抗n型半導体基板1の抵抗を下げる方法として
シリコンの溝を形成しその中に銅やアルミニューム等の
金属または金属化合物20を埋め込んでいる。本実施例
ではシリコン厚さ低減が十分でない分を金属または金属
化合物20を用いることにより低抵抗化を図っている。
本実施例では、実効的な半導体基板1の厚さU(金属ま
たは金属化合物20が入り込まない部分の半導体基板1
の厚さ)を20μm以下にすることも可能であり、Si
C等の基板抵抗が下がりにくいパワートランジスタの基
板抵抗成分を低減する場合に有効である。
<Embodiment 5> FIG. 5 is a sectional view of a semiconductor device according to the present embodiment. In the case of FIG. 5, the entire gate electrode layer is a metal or metal compound layer 7. This embodiment is characterized in that the gate resistance is sufficiently reduced. In this embodiment, as a method of lowering the resistance of the low-resistance n-type semiconductor substrate 1, a silicon groove is formed and a metal such as copper or aluminum or a metal compound 20 is buried therein. In this embodiment, the resistance is reduced by using the metal or the metal compound 20 for the portion where the silicon thickness is not sufficiently reduced.
In the present embodiment, the effective thickness U of the semiconductor substrate 1 (the portion of the semiconductor substrate 1 where the metal or metal compound 20 does not enter) is used.
Can be set to 20 μm or less.
This is effective in reducing the substrate resistance component of a power transistor, such as C, whose substrate resistance is unlikely to decrease.

【0024】本実施例では細かいエッチング溝に金属ま
たは金属化合物20を埋め込む図面になっているが、シ
リコンチップが割れにくいようにシリコンチップの一部
だけ(アクティブ領域直下)をエッチングし、実装時に
はんだ等の導電性接着剤または金属または金属化合物で
埋めても同様の効果が得られる。その他は実施例1と同
じである。
In this embodiment, the metal or metal compound 20 is buried in the fine etching groove. However, only a part of the silicon chip (immediately below the active area) is etched so that the silicon chip is not easily broken, and the soldering is performed at the time of mounting. The same effect can be obtained by filling with a conductive adhesive or a metal or a metal compound. Others are the same as the first embodiment.

【0025】<実施例6>図6は本実施例の電力用半導
体装置の回路図である。実施例1の電力用半導体装置は
上アーム用パワーMOSFET401チップまたは下ア
ーム用パワーMOSFET402チップまたは両方に使
用できる。本実施例の回路は非絶縁型DC/DC電源回
路であるBuck型電源回路である。48V〜5V程度
の入力電圧Vinを下げて5V〜0.5V の出力電圧V
outを得るための回路である。図6で、311はマイ
クロプロセッサ等の負荷、309はインダクタンス、3
10はキャパシタである。符号401,402はパワー
MOSFET100,200を内蔵した半導体チップで
あり、本実施例ではnチャネルMOSFET103,2
03とゲート保護用の多結晶シリコンダイオード10
7,209も内蔵した場合を示してある。外部ドレイン
端子は501,505、外部ソース端子は502,50
6、外部ゲート端子は509,510、パワーMOSF
ET100,200を遮断するためには外部入力端子5
03,507を設けてある。
Embodiment 6 FIG. 6 is a circuit diagram of a power semiconductor device according to this embodiment. The power semiconductor device of the first embodiment can be used for the upper arm power MOSFET 401 chip, the lower arm power MOSFET 402 chip, or both. The circuit of this embodiment is a Buck type power supply circuit which is a non-insulated DC / DC power supply circuit. The input voltage Vin of about 48V to 5V is lowered to output voltage V of 5V to 0.5V.
This is a circuit for obtaining out. In FIG. 6, reference numeral 311 denotes a load such as a microprocessor, 309 denotes an inductance,
10 is a capacitor. Reference numerals 401 and 402 denote semiconductor chips with built-in power MOSFETs 100 and 200. In this embodiment, n-channel MOSFETs 103 and 2 are used.
03 and polycrystalline silicon diode 10 for gate protection
7 and 209 are also shown. The external drain terminals are 501 and 505, and the external source terminals are 502 and 50.
6. External gate terminals are 509 and 510, power MOSF
External input terminal 5 to shut off ET100, 200
03,507 is provided.

【0026】本実施例ではnチャネルMOSFET20
3とゲート保護用の多結晶シリコンダイオード107,
209も内蔵した場合を示す。符号403は制御ICで
あり、303,314はパワーMOSFET100をオ
ンさせるためのスイッチ、313はパワーMOSFET
100をオフさせるためのスイッチである。また、符号
315,317はパワーMOSFET200をオンさせ
るためのスイッチ、316はパワーMOSFET200
をオフさせるためのスイッチ、307はパワーMOSF
ETのゲート電圧をVin以上に制御するための昇圧回
路、302,301はブートストラップ回路用のダイオ
ードとキャパシタである。ここで、上アーム用パワーM
OSFET100をオンするためにVinより高い電源
を使用できる場合には302,301,307は省くこと
ができる。符号509,518,511,512,51
0は制御用ICの外部端子である。
In this embodiment, the n-channel MOSFET 20
3, a polycrystalline silicon diode 107 for gate protection,
209 is also shown. Reference numeral 403 is a control IC, 303 and 314 are switches for turning on the power MOSFET 100, and 313 is a power MOSFET.
This is a switch for turning off 100. Reference numerals 315 and 317 are switches for turning on the power MOSFET 200, and 316 is a switch for turning on the power MOSFET 200.
307 is a switch for turning off the power MOSF
Step-up circuits for controlling the gate voltage of the ET to be higher than Vin, 302 and 301 are diodes and capacitors for a bootstrap circuit. Here, the upper arm power M
If a power supply higher than Vin can be used to turn on the OSFET 100, 302, 301, and 307 can be omitted. Reference numerals 509, 518, 511, 512, 51
0 is an external terminal of the control IC.

【0027】上アーム用パワーMOSFET401チッ
プとして本発明の縦形パワーMOSFETを使用した場合には
帰還容量が小さくオン抵抗も低いため電源の効率が向上
できる。また下アーム用パワーMOSFET401チッ
プとして本発明の縦型パワーMOSFETを使用した場
合には帰還容量が小さいため、ドレイン電圧が急激に増
加した場合(200がオフのときに100がオンしたと
き)にドレイン・ゲート間容量により結合している内部
ゲート端子の電圧が上昇し、パワーMOSFETを外部
回路により遮断しようとしてもオンしてしまうというセ
ルフターンオン誤動作を防止し、損失を低減できる。
When the vertical power MOSFET of the present invention is used as the power MOSFET 401 chip for the upper arm, the power supply efficiency can be improved because the feedback capacitance is small and the on-resistance is low. When the vertical power MOSFET of the present invention is used as the lower arm power MOSFET 401 chip, the feedback capacitance is small, so that when the drain voltage increases sharply (when 200 turns off and 100 turns on) The self-turn-on malfunction in which the voltage of the internal gate terminal coupled due to the capacitance between the gates increases and the power MOSFET is turned on even when the power MOSFET is cut off by an external circuit can be prevented, and the loss can be reduced.

【0028】さらにnチャネルMOSFET103,2
03をパワーMOSFET100,200と同一チップ
上に内蔵した場合には寄生ゲートインピーダンスを低減
できるためゲートの駆動周波数が増加しても正確にパワ
ーMOSFET100,200をオフ制御できる。このた
め出力電圧Voutの安定化と負荷に流れる出力電流の
安定化が図れ、電源の効率が向上する。
Further, n-channel MOSFETs 103 and 2
In the case where 03 is incorporated on the same chip as the power MOSFETs 100 and 200, the parasitic gate impedance can be reduced, so that the power MOSFETs 100 and 200 can be accurately turned off even if the gate drive frequency increases. Therefore, the output voltage Vout can be stabilized and the output current flowing to the load can be stabilized, and the efficiency of the power supply can be improved.

【0029】なお、図6には示していないが、パワーM
OSFET100,200のゲートと、nチャネルMO
SFET103,203のドレインとの間、またはnチ
ャネルMOSFET103,203のソースとパワーM
OSFET100,200のソースとの間に多結晶シリ
コンダイオードを接続させるとパワーMOSFETのド
レイン・ボディ間が順バイアスされてもパワーMOSF
ET100,200とnチャネルMOSFET103,
203の間の寄生npnトランジスタ動作を防止でき
る。
Although not shown in FIG. 6, the power M
The gates of the OSFETs 100 and 200 and the n-channel MO
Between the drains of the SFETs 103 and 203 or between the sources of the n-channel MOSFETs 103 and 203 and the power M
When a polycrystalline silicon diode is connected between the source of the OSFET 100 and the source of the OSFET 200, even if the drain-body of the power MOSFET is forward-biased, the power MOSF
ET100, 200 and n-channel MOSFET 103,
The operation of the parasitic npn transistor during the period 203 can be prevented.

【0030】なお、本実施例のようなDC/DC電源回
路ではパワーMOSFETのトレンチ溝の間隔(図1の
L1)に対し、チャネル拡散層で挟まれるゲート電極層
領域の幅(図1のL3)の割合が小さいパワーMOSF
ETを電源回路の下アーム用(同期整流用)素子200
として使用し、ゲート電極層領域の幅(図1のL3)の
割合が大きいほうのパワーMOSFETを電源回路の上
アーム用(スイッチ用)素子100として使用することに
より電源効率が向上する。これは、上アーム用素子はオ
ン抵抗もさることながら帰還容量とオン抵抗の積が低い
素子を使用することが高効率化には必要であり、下アー
ム用素子の場合には帰還容量が大きいためにセルフター
ンオンが生じては困るが容量よりもオン抵抗が低い事が
電源の高効率化に必要なためである。
In the DC / DC power supply circuit of this embodiment, the width of the gate electrode layer region sandwiched by the channel diffusion layers (L3 in FIG. 1) is larger than the interval between the trenches of the power MOSFET (L1 in FIG. 1). ) Power MOSF with small ratio
ET for lower arm of power supply circuit (for synchronous rectification) 200
By using a power MOSFET having a larger ratio of the width of the gate electrode layer region (L3 in FIG. 1) as the upper arm (switch) element 100 of the power supply circuit, the power supply efficiency is improved. This is because it is necessary to use an element having a low product of the feedback capacitance and the on-resistance in addition to the on-resistance for the element for the upper arm in order to improve the efficiency, and in the case of the element for the lower arm, the feedback capacitance is large. Therefore, it is not necessary to cause self-turn-on, but it is necessary that the on-resistance is lower than the capacitance in order to increase the efficiency of the power supply.

【0031】同じ理由により、セルピッチ(図1のL
1)の小さい方のパワーMOSFETを電源回路の下ア
ーム用(同期整流用)素子200として使用し、セルピ
ッチの大きい方のパワーMOSFETを電源回路の上ア
ーム用(スイッチ用)素子100として使用することによ
り電源効率が向上する。
For the same reason, the cell pitch (L in FIG. 1)
1) Use the smaller power MOSFET as the lower arm (synchronous rectification) element 200 of the power supply circuit and use the larger power MOSFET as the upper arm (switch) element 100 of the power supply circuit. This improves power supply efficiency.

【0032】また、下アーム用(同期整流用)素子20
0は、金または白金などの重金属拡散または、電子線や
プロトンやヘリウムの照射によるライフタイム制御によ
り寄生ダイオードの損失を低減することが望ましい。
The lower arm (for synchronous rectification) element 20
It is desirable to reduce the loss of the parasitic diode by diffusion of heavy metal such as gold or platinum, or lifetime control by irradiation of electron beam, proton or helium.

【0033】以上、本発明を実施形態に基づき具体的に
説明したが本発明は前記実施形態に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である
ことはいうまでもない。
As described above, the present invention has been specifically described based on the embodiments. However, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be variously modified without departing from the gist thereof. .

【0034】例えば、トランジスタはパワーMOSFE
Tに限定されるものではなく、接合型電界効果トランジ
スタやSITやMESFETでもよい。さらに、以上の
説明は主としてDC/DC電源に適用した場合について
説明したが、それに限定されることなく、他の回路の電
源回路にも適用できる。
For example, the transistor is a power MOSFET.
It is not limited to T, but may be a junction field effect transistor, SIT or MESFET. Further, the above description has mainly been given of the case where the present invention is applied to a DC / DC power supply. However, the present invention is not limited to this and can be applied to a power supply circuit of another circuit.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低容量で低オン抵抗なパワーMOSFETが実現できさらに、
DC/DC電源装置の効率向上に効果がある。
As described above, according to the present invention,
A power MOSFET with low capacitance and low on-resistance can be realized.
This is effective for improving the efficiency of the DC / DC power supply device.

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

【図1】実施例1の半導体装置の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment.

【図2】実施例1の半導体装置の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図3】実施例1の電力用半導体装置の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the power semiconductor device according to the first embodiment.

【図4】実施例2の電力用半導体装置の断面図である。FIG. 4 is a sectional view of a power semiconductor device according to a second embodiment.

【図5】実施例3の実施形態を示す電力用半導体装置の
断面図である。
FIG. 5 is a sectional view of a power semiconductor device according to an embodiment of Example 3;

【図6】実施例4の電力用半導体装置の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a power semiconductor device according to a fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…低抵抗n型半導体基板、2…n型エピタキシャル領
域、3…チャネル拡散領域、4…ソース領域、5…ゲー
ト酸化膜、6…ゲート電極層(多結晶シリコン層)、7
…ゲート電極層(金属または金属化合物)、10,11
…低抵抗p型領域、13…ドレインパッド、14…裏面
電極。
REFERENCE SIGNS LIST 1 low-resistance n-type semiconductor substrate 2 n-type epitaxial region 3 channel diffusion region 4 source region 5 gate oxide film 6 gate electrode layer (polycrystalline silicon layer) 7
... Gate electrode layer (metal or metal compound), 10, 11
... low resistance p-type region, 13 ... drain pad, 14 ... back electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/822 H02M 3/155 T 27/04 H01L 27/04 B H02M 3/155 H (72)発明者 岩崎 貴之 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 5F038 AZ04 BB01 BB06 BG03 BH05 DF01 DF04 EZ20 5H730 AA14 AS01 AS19 BB13 BB57 DD04 DD15 EE08 EE10 ZZ15──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 21/822 H02M 3/155 T 27/04 H01L 27/04 B H02M 3/155 H (72) Inventor Takayuki Iwasaki 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture F-term in Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. F-term (reference)

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体チップの第1面に形成されているシ
リコン溝上にゲート電極が設けられ、前記シリコン溝に
沿ってゲート酸化膜が設けられ、 前記シリコン溝の外側で前記ゲート酸化膜に隣接して第
1導電型のソース領域と2導電型のチャネル拡散領域と
第1導電型のドレイン領域とが設けてあって、 前記ゲート電極の最大幅に比べ前記チャネル拡散層で挟
まれるゲート電極層領域の最小幅のほうが20%以上狭
いことを特徴とする半導体装置。
1. A gate electrode is provided on a silicon groove formed on a first surface of a semiconductor chip, a gate oxide film is provided along the silicon groove, and is adjacent to the gate oxide film outside the silicon groove. A source region of the first conductivity type, a channel diffusion region of the second conductivity type, and a drain region of the first conductivity type, and a gate electrode layer sandwiched between the channel diffusion layers as compared with a maximum width of the gate electrode. A semiconductor device, wherein the minimum width of the region is at least 20% narrower.
【請求項2】半導体チップの第1面に形成されているシ
リコン溝上にゲート電極が設けられ、 前記シリコン溝に沿ってゲート酸化膜が設けられ、 前記シリコン溝の外側で前記ゲート酸化膜に隣接して第
1導電型のソース領域と2導電型のチャネル拡散領域と
第1導電型のドレイン領域とが設けてあり、 前記ゲート電極部の少なくとも一部は金属層または金属
化合物層からなり、該金属または金属化合物層からなる
ゲート電極部の最大幅に比べ、チャネル拡散層で挟まれ
るゲート電極層領域の最小幅のほうが20%以上狭いこ
とを特徴とする半導体装置。
2. A gate electrode is provided on a silicon groove formed on a first surface of a semiconductor chip, a gate oxide film is provided along the silicon groove, and is adjacent to the gate oxide film outside the silicon groove. A source region of the first conductivity type, a channel diffusion region of the second conductivity type, and a drain region of the first conductivity type; at least a part of the gate electrode portion is made of a metal layer or a metal compound layer; A semiconductor device, wherein a minimum width of a gate electrode layer region sandwiched between channel diffusion layers is at least 20% narrower than a maximum width of a gate electrode portion formed of a metal or metal compound layer.
【請求項3】前記チャネル領域と接するゲート酸化膜部
のゲート電極側は80%以上が多結晶シリコン層が境界
となっていることを特徴する請求項1または請求項2の
何れかに記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein 80% or more of the gate oxide film portion in contact with the channel region is bounded by a polycrystalline silicon layer. Semiconductor device.
【請求項4】前記ゲート電極部の少なくとも一部が半導
体主面のソース領域の上面より上に突出していることを
特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかに記載
の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of said gate electrode portion protrudes above an upper surface of a source region of said semiconductor main surface.
【請求項5】ソースコンタクト部をソース拡散層の深さ
より深くシリコンエッチングし、前記チャネル拡散層と
ソース電極とのオーミックコンタクトを取り、コンタク
ト部直下にゲート酸化膜近傍のチャネル拡散層の濃度よ
り高濃度の低抵抗チャネル拡散層領域を形成したことを
特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかに記載
の半導体装置。
5. The method of claim 1, wherein the source contact portion is silicon-etched deeper than the source diffusion layer to form an ohmic contact between the channel diffusion layer and the source electrode. 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a low resistance channel diffusion layer region having a high concentration is formed.
【請求項6】前記チャネル拡散層より低抵抗チャネル拡
散層領域のほうが深く形成してあることを特徴とする請
求項1から請求項5までのいずれかに記載の半導体装
置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the low-resistance channel diffusion layer region is formed deeper than the channel diffusion layer.
【請求項7】前記トレンチ溝が前記ゲート電極層により
埋まっていることを特徴とする請求項1から請求項6ま
でのいずれかに記載の半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein said trench groove is filled with said gate electrode layer.
【請求項8】トレンチの溝下部のゲート酸化膜の厚さが
チャネル拡散層が接するゲート酸化膜の厚さより20%
以上厚いことを特徴とする請求項1から請求項7までの
いずれかに記載の半導体装置。
8. The thickness of the gate oxide film under the trench is 20% of the thickness of the gate oxide film in contact with the channel diffusion layer.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is thicker.
【請求項9】半導体チップの第1面にソース拡散層とゲ
ート電極とチャネル拡散層と形成し、前記第1面と対向
する第2面に低抵抗ドレイン基板と裏面電極とを設け、
ドレイン・ソース間耐圧が30V以下の縦型パワーMO
SFETを内蔵する半導体チップの厚さが60μm以下
であることを特徴とする半導体装置。
9. A semiconductor chip having a source diffusion layer, a gate electrode, and a channel diffusion layer formed on a first surface, a low resistance drain substrate and a back electrode provided on a second surface opposite to the first surface,
Vertical power MO with drain-source breakdown voltage of 30V or less
A semiconductor device, wherein a thickness of a semiconductor chip having a built-in SFET is 60 μm or less.
【請求項10】半導体チップの第1面にソース拡散層と
ゲート電極とチャネル拡散層とを形成し、前記第1面と
対向する第2面に低抵抗ドレイン基板と裏面電極とを設
け、ドレイン・ソース間耐圧が30V以下の縦型パワー
MOSFETにおいて、 前記低抵抗ドレイン基板の少なくとも一部の半導体チッ
プを裏面からエッチングし、溝の中に金属または金属化
合物を入れ、前記低抵抗ドレイン基板の実効的厚さを2
0μm以下にしたことを特徴とする半導体装置。
10. A semiconductor chip having a source diffusion layer, a gate electrode, and a channel diffusion layer formed on a first surface, a low-resistance drain substrate and a back electrode provided on a second surface opposite to the first surface, In a vertical power MOSFET having a source-to-source withstand voltage of 30 V or less, at least a part of the semiconductor chip of the low-resistance drain substrate is etched from the back surface, and a metal or a metal compound is put in the groove to make the low-resistance drain substrate effective. Target thickness 2
A semiconductor device having a thickness of 0 μm or less.
【請求項11】請求項1から請求項10に記載の半導体
装置を使用したことを特徴とするDC/DC電源回路。
11. A DC / DC power supply circuit using the semiconductor device according to claim 1.
【請求項12】トレンチ溝の間隔に対し、チャネル拡散
層で挟まれるゲート電極層領域の幅の割合が小さいパワ
ーMOSFETを電源回路の下アーム用素子として使用
し、ゲート電極層領域の幅の割合が大きいパワーMOS
FETを電源回路の上アーム用素子として使用すること
を特徴とするDC/DC電源回路。
12. A power MOSFET in which the ratio of the width of the gate electrode layer region sandwiched by the channel diffusion layers to the interval of the trench groove is small, is used as the lower arm element of the power supply circuit, and the ratio of the width of the gate electrode layer region is Power MOS with large
A DC / DC power supply circuit using an FET as an upper arm element of a power supply circuit.
【請求項13】セルピッチの小さいパワーMOSFET
を電源回路の下アーム用素子として使用し、セルピッチ
の大きいパワーMOSFETを電源回路の上アーム用素
子として使用することを特徴とするDC/DC電源回
路。
13. A power MOSFET having a small cell pitch.
And a power MOSFET having a large cell pitch as an upper arm element of the power supply circuit.
【請求項14】半導体チップの第1面にソース拡散層と
ゲート電極とチャネル拡散層とを形成し、前記第1面と
対向する第2面に低抵抗ドレイン基板1と裏面電極14
を設けた縦型パワーMOSFETと、 該縦型パワーMOSFETを遮断するように駆動するn
チャネルMOSFETを前記縦型パワーMOSFETと
同一チップ上に形成し、 前記縦型パワーMOSFETをオンするために、前記半
導体チップ内に形成してある外部ゲート端子に電圧を印
加し、 前記縦型パワーMOSFETをオフするために、nチャ
ネルMOSFETをオンさせる半導体装置を用いたDC
/DC電源回路。
14. A semiconductor chip having a source diffusion layer, a gate electrode, and a channel diffusion layer formed on a first surface, and a low-resistance drain substrate 1 and a back surface electrode formed on a second surface opposite to the first surface.
A vertical power MOSFET provided with: and n driving the vertical power MOSFET to shut off
Forming a channel MOSFET on the same chip as the vertical power MOSFET; applying a voltage to an external gate terminal formed in the semiconductor chip to turn on the vertical power MOSFET; DC using a semiconductor device that turns on an n-channel MOSFET to turn off the
/ DC power supply circuit.
【請求項15】前記縦型パワーMOSFETのゲート電
極と前記nチャネルMOSFETのドレインとの間に多
結晶シリコンダイオード接続した半導体チップを有する
ことを特徴とする請求項14記載のDC/DC電源回
路。
15. The DC / DC power supply circuit according to claim 14, further comprising a semiconductor chip connected to a polysilicon diode between a gate electrode of said vertical power MOSFET and a drain of said n-channel MOSFET.
【請求項16】請求項1から請求項8に記載の半導体装
置を用いたことを特徴とする請求項11から請求項15
のいずれかに記載のDC/DC電源回路。
16. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor device is used.
The DC / DC power supply circuit according to any one of the above.
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