JP2004214557A - Semiconductor device having trench structure and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device having trench structure and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2004214557A
JP2004214557A JP2003002413A JP2003002413A JP2004214557A JP 2004214557 A JP2004214557 A JP 2004214557A JP 2003002413 A JP2003002413 A JP 2003002413A JP 2003002413 A JP2003002413 A JP 2003002413A JP 2004214557 A JP2004214557 A JP 2004214557A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor layer
trench
semiconductor
layer
conductivity type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003002413A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuichiro Motomi
雄一郎 本美
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Industries Corp filed Critical Toyota Industries Corp
Priority to JP2003002413A priority Critical patent/JP2004214557A/en
Publication of JP2004214557A publication Critical patent/JP2004214557A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having a vertical type trench structure capable of suppressing the local increase of the electric field strength of the bottom of a trench gate and suppressing the deterioration of withstand pressure between drain sources or collector emitters. <P>SOLUTION: This semiconductor device is provided with a first semiconductor layer 12 of a first conductivity type on one side of a semiconductor substrate 11 of the first conductivity type, and a second semiconductor layer 13 of a second conductivity type the first semiconductor layer 12. A third semiconductor layer 14 of the first conductivity type is provided on the surface of the second semiconductor layer 13. A trench 15 is formed so as to penetrate the third semiconductor layer 14 and the second semiconductor layer 13 and to reach the first semiconductor layer 12. The first and second semiconductor layers 12 and 13 are provided with a part 21a in which the jointing surface 21 of the both is parallel to the semiconductor substrate 11, and a part 21b formed so as to be depressed toward the side 15a of the trench 15 and come in contact with the side 15a. A distance L1 between the side 15a opposite to the adjacent trench 15 is formed three or more as large as the distance L2 of a boundary 21c of the parts 21a and 21b, and the side 15a. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレンチ構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)において、セルサイズをより小型化できるトレンチ構造を有する縦型のMOSFETや縦型のIGBTが知られている。図7(a)に示すように、縦型のMOSFET50は半導体基板51上にn型のドリフト層52が形成されている。ドリフト層52の上面(半導体基板51と反対側の面)にp型のチャネル形成層53が設けられ、チャネル形成層53の表層部にn型のソース領域54が設けられている。そして、ソース領域54の中央部表面からチャネル形成層53の一部を貫いてドリフト層52に達するようにトレンチ55が形成されている。
【0003】
トレンチ55の内壁面にはゲート酸化膜56が形成され、ゲート酸化膜56の上からトレンチ55を埋めるようにゲート電極57が設けられている。ゲート酸化膜56はゲート電極57のトレンチ開口側部分を覆うように形成され、ゲート酸化膜56のトレンチ開口側部分を覆うように絶縁層58が形成されている。チャネル形成層53及びソース領域54の露出表面と、ゲート酸化膜56及び絶縁層58の露出部を覆うようにソース電極59が形成され、半導体基板51の裏面(ドリフト層52と反対側の面)にはドレイン電極60が形成されている。ゲート電極57、ソース電極59及びドレイン電極60にはゲート端子G、ソース端子S及びドレイン端子Dがそれぞれ接続されている。
【0004】
前記のような構成のトレンチゲート型のMOSFET50においては、ゲート電極57の底部がドリフト層52とチャネル形成層53との接合面より半導体基板51側に存在する。このような構成のMOSFET50において、ゲート端子G−ソース端子S間の短絡時(スイッチオフ状態)にドレイン端子D−ソース端子S間に電圧が印加されると、ドリフト層52とチャネル形成層53の接合面の両側に空乏層が拡がる。そして、図7(b)に示すように、トレンチゲート底部の等電位線LVの間隔が狭くなり、電界強度が局所的に大きくなる部分(ドリフト層52とチャネル形成層53の接合面のトレンチ側面との接触部やトレンチゲート底部)が存在する状態となる。その結果、ドレイン−ソース間の耐圧が低下するという問題がある。
【0005】
なお、図7(a),(b)では図面において、MOSFET50を構成する各要素の厚さや大きさは、図示の都合上、実際とは必ずしも一致しない相対関係で示されている。例えば、実際は、ゲート酸化膜56の厚さが0.1μm程度に対してソース領域54の厚さが0.5μm程度である。
【0006】
前記の問題を解決する手段として、図8に示すように、トレンチ型絶縁ゲートの下部、即ちトレンチ55の下側に電界緩和半導体領域61を設けた構成が提案されている(特許文献1参照)。また、特許文献1には、トレンチ55側面のゲート酸化膜56の厚さに対してトレンチ底部のゲート酸化膜56の厚さを5乃至20倍以上にして電圧の分担を改良することも提案されている。
【0007】
【特許文献1】
特開平10−98188号公報(明細書の段落[0004]、[0005]、図1、図9)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献1に開示されたトレンチ底部のゲート酸化膜56の厚さを厚くする構成は、製造が難しい。ゲート酸化膜56の全体を厚くすれば電界強度の問題は解消するが、その場合、MOSトランジスタ部のオン抵抗が上昇する。また、電界緩和半導体領域61を設ける構成では、トレンチゲート部の製造工程数が増える上、電流経路が制約されオン抵抗上昇を招き易い。
【0009】
本発明の第1の目的は、チャネル形成層とドリフト層の接合面のトレンチ側面との接触部及びトレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのを抑制して、ドレイン−ソース間あるいはコレクタ−エミッタ間の耐圧の低下を抑制することができる縦型のトレンチ構造を有する半導体装置を提供することにある。また、第2の目的は前記半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記第1の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、縦型のトレンチ構造を有する半導体装置である。半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の片面側に設けられた第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の反半導体基板側面に設けられたチャネル領域形成用の第2導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表層部の一部に設けられた第1導電型の第3の半導体層とを備えている。また、前記第3の半導体層及び第2の半導体層を貫いて前記第1の半導体層に達するように設けられたトレンチを備えている。そして、前記第1の半導体層と第2の半導体層との接合面が半導体基板と平行な部分と、トレンチの側面に向かってへこむように形成されてトレンチの側面に接する部分とを備えている。
【0011】
この発明では、第1導電型の半導体基板上に第1導電型の第1の半導体層が直接積層されている構成では、半導体装置はMOSFETとなる。そして、第1の半導体層がドリフト層に、第2の半導体層がチャネル形成層に、第3の半導体層がソース領域となる。また、第2導電型の半導体基板上に第1導電型の半導体層を介して、該半導体層より不純物濃度が低い第1導電型の第1の半導体層が積層されている構成では、半導体装置はIGBTとなる。そして、第1の半導体層がドリフト層に、第2の半導体層がチャネル形成層に、第3の半導体層がエミッタ領域となる。
【0012】
第1の半導体層と第2の半導体層との接合面が半導体基板と平行な部分と、トレンチの側面に向かってへこむように形成されてトレンチの側面に接する部分とを備えている。従って、第1の半導体層と第2の半導体層との接合面全体が半導体基板と平行に形成されている従来の半導体装置と異なり、チャネル形成層とドリフト層の接合面のトレンチ側面との接触部及びトレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのが抑制される。その結果、MOSFETのドレイン−ソース間あるいはIGBTのコレクタ−エミッタ間の耐圧の低下を抑制することができる。
【0013】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、隣接する前記トレンチの対向する側面間の距離をL1、前記接合面の半導体基板と平行な部分と、前記トレンチの側面に向かってへこむように形成されている部分との境と、トレンチの側面との距離をL2としたとき、距離L1が距離L2の3倍以上に形成されている。この発明では、前記トレンチの側面間の距離L1が、前記距離L2の3倍未満に形成されている場合に比較して、チャネル形成層とドリフト層の接合面のトレンチ側面との接触部及びトレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのがより抑制される。
【0014】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記接合面の前記トレンチの側面への入射角θが、0°<θ<90°を満たすように形成されている。「接合面のトレンチの側面への入射角θ」とは、前記接合面のへこむように形成された部分と、前記接合面の半導体基板と平行な部分との成す角度を意味し、へこむように形成された部分が曲面の場合は、当該部分と側面との交差部における接線と前記平行な部分との成す角度を意味する。
【0015】
この発明では、前記入射角θが、0°あるいは90°以上に形成されている場合に比較して、チャネル形成層とドリフト層の接合面のトレンチ側面との接触部及びトレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのがより抑制される。
【0016】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記トレンチの側面に向かってへこむように形成されている部分は、前記第1の半導体層側に向かって凸となる曲面に形成されている。この発明では、前記部分が平面に形成されている場合に比較して、トレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのがより抑制される。
【0017】
第2の目的を達成するため、請求項5に記載の発明は、半導体基板の片面側に第1導電型の第1の半導体層を形成する第1の半導体層形成工程を備える。また、前記第1の半導体層の表面にLOCOS酸化により、トレンチが形成される位置と対応する位置の膜厚が厚くなるように酸化膜を形成した後、前記酸化膜を除去することにより前記第1の半導体層の表面に、中央に半導体基板の表面と平行な底面を有するとともに底面に向かって傾斜する傾斜部を有する凹部を形成する凹部形成工程を備える。前記凹部が形成された後の第1の半導体層の表面に、第2導電型の第2の半導体層を形成する第2の半導体層形成工程と、前記第2の半導体層を貫いて第1の半導体層に達する深さのトレンチを、前記凹部の底面と対応する位置に形成するトレンチ形成工程とを備える。さらに、トレンチ形成工程の後又は前に行われる第1導電型の第3の半導体層を形成する第3の半導体層形成工程とを備え、前記トレンチ形成工程及び第3の半導体層形成工程の後に、ゲート酸化膜形成工程以降の工程を行う。
【0018】
この発明の製造方法では、半導体基板の片面側に第1導電型の第1の半導体層が形成される。半導体基板として第1導電型の半導体基板が使用される場合と、第2導電型の半導体基板が使用される場合とがある。第1導電型の半導体基板が使用される場合は、第1の半導体層は半導体基板上に直接積層形成される。第2導電型の半導体基板が使用される場合は、半導体基板上に第1導電型の半導体層を介して、該半導体層より不純物濃度が低い第1導電型の第1の半導体層が積層形成される。そして、前記第1の半導体層の表面にLOCOS酸化により、トレンチが形成される位置と対応する位置の膜厚が厚くなるように酸化膜が形成される。その後、酸化膜が除去されることにより、第1の半導体層の表面に、中央に半導体基板の表面と平行な底面を有するとともに底面に向かって傾斜する傾斜部を有する凹部が形成される。次に、第2の半導体層形成工程により第1の半導体層の表面に第2導電型の第2の半導体層が形成された後、トレンチ形成工程及び第3の半導体層形成工程を経て、前記凹部と対応する位置に第3の半導体層及び第2の半導体層を貫いて第1の半導体層に達する深さのトレンチが形成された状態となる。その後、ゲート酸化膜形成工程以降の工程が行われて半導体装置が形成される。従って、請求項1に記載の発明の半導体装置を容易に製造できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明をnチャネルの半導体装置としてのMOSFETに具体化した第1の実施の形態を図1〜図3に従って説明する。図1はMOSFETの部分模式断面図であり、図2は作用を説明する部分模式断面図である。なお、断面のハッチングの一部を省略している。
【0020】
図1に示すように、半導体装置としてのMOSFET10は、第1導電型(この実施の形態ではn型)のシリコンからなる半導体基板11を備え、半導体基板11の片側面にドレイン領域(ドリフト層)を構成する第1導電型(この実施の形態ではn型)の第1の半導体層12が設けられている。第1の半導体層12の反半導体基板側面(図1では上面)には、チャネル領域形成用の第2導電型(この実施の形態ではp型)の第2の半導体層13が設けられている。第2の半導体層13の表層部の一部に第1導電型(この実施の形態ではn型)の第3の半導体層14が設けられている。第3の半導体層14はソース領域を構成する。そして、第3の半導体層14及び第2の半導体層13を貫いて第1の半導体層12に達するようにトレンチ15が設けられている。トレンチ15は第2の半導体層13の平面形状がほぼ正方形状や細長い長方形状等の所定の形状に分割されたセルパターンを形成するように設けられている。
【0021】
トレンチ15の内壁面にはゲート酸化膜16が形成され、ゲート酸化膜16の上からトレンチ15を埋めるようにゲート電極17が設けられている。ゲート酸化膜16はゲート電極17のトレンチ開口側部分を覆う位置にも形成されている。ゲート酸化膜16のトレンチ開口側部分を覆うように絶縁層18が形成されている。
【0022】
第2の半導体層13及び第3の半導体層14の露出表面と、ゲート酸化膜16及び絶縁層18の露出部を覆うようにソース電極19が形成され、半導体基板11の裏面(第1の半導体層12と反対側の面)にはドレイン電極20が形成されている。ゲート電極17、ソース電極19及びドレイン電極20にはゲート端子G、ソース端子S及びドレイン端子Dがそれぞれ接続されている。ソース電極19びドレイン電極20は各セルに対して一体的に設けられ、各セルのゲート電極17は共通に接続されて、各セルは並列に接続されている。
【0023】
第1の半導体層12及び第2の半導体層13は、両者の接合面21が半導体基板11と平行な部分21aと、トレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成されてトレンチ15の側面15aに接する部分21bとを備えている。隣接するトレンチ15の対向する側面15a間の距離をL1、接合面21の前記部分21aと部分21bとの境21cと、トレンチ15の側面15aとの距離をL2としたとき、距離L1が距離L2の3倍以上に形成されている。また、接合面21のトレンチ15の側面15aへの入射角θが、0°<θ<90°を満たすように形成されている。「接合面21のトレンチ15の側面15aへの入射角θ」とは、接合面21のへこむように形成された部分21bと、接合面21の半導体基板11と平行な部分21aとの成す角度を意味する。
【0024】
なお、図1及び図2では、図面において、MOSFET10を構成する各要素の厚さや大きさは、図示の都合上、実際とは必ずしも一致しない相対関係で示されている。例えば、実際は、ゲート酸化膜16の厚さが0.1μm程度に対して第3の半導体層14の厚さが0.5μm程度である。
【0025】
次に前記構成のMOSFET10の製造方法の一例を図3(a)〜(f)に従って説明する。なお、図示の都合上、一つのトレンチ15のみを図示している。
先ず、第1の半導体層形成工程において、図3(a)に示すように、n型のシリコンからなる第1導電型の半導体基板11の片面側に、第1導電型(この実施の形態ではn型)の第1の半導体層12が形成される。第1の半導体層12は半導体基板11上に直接積層される。第1の半導体層12は例えばエピタキシャル成長により形成される。
【0026】
次に凹部形成工程において、第1の半導体層12の表面に、中央に半導体基板11の表面と平行な底面22aを有するとともに底面22aに向かって傾斜する傾斜部22bを有する凹部22が形成される。詳述すると、図3(b)に示すように、第1の半導体層12の表面にLOCOS酸化により、トレンチ15が形成される位置と対応する位置の膜厚が厚くなるように酸化膜23が形成される。次に酸化膜23が除去されて、図3(c)に示すように、第1の半導体層12の表面に凹部22が形成される。なお、LOCOS酸化は、凹部22の形状が、後記するトレンチ15の形成後に、図1に示すように、隣接するトレンチ15の対向する側面15a間の距離L1と、接合面21の部分21aと部分21bとの境21cと、側面15aとの距離L2とが、L1≧3×L2となるように行われる。
【0027】
次に第2の半導体層形成工程において、第1の半導体層12の表面に第2導電型の第2の半導体層13が形成される。詳述すると、図3(c)に示すように、第1の半導体層12の表面に第2導電型(この実施の形態ではp型)の不純物(例えば、硼素B)がドープされた後、熱拡散により硼素Bが所定の厚さに拡散されて、図3(d)に示すように第2の半導体層13が形成される。そして、凹部22は第2の半導体層13の表面に形成された状態となる。
【0028】
次にトレンチ形成工程において、図3(e)に示すように、第2の半導体層13を貫いて第1の半導体層12に達する深さのトレンチ15が、凹部22の底面と対応する位置に形成される。トレンチ15は、例えばドライエッチング法により形成される。その結果、図3(e)に示すように、第1の半導体層12及び第2の半導体層13の接合面21は、半導体基板11と平行な部分21aと、トレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成されてトレンチ15の側面15aに接する部分21bとを備えた状態となる。
【0029】
次に第3の半導体層形成工程において、第2の半導体層13のトレンチ15の開口部に沿った位置に第3の半導体層14が形成される。次にゲート酸化膜形成工程以降の工程が従来と同様に行われる。即ち、トレンチ15の内面及び第3の半導体層14の表面にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成工程が行われ、ゲート酸化膜16となるシリコン酸化膜が形成される。その後、公知の方法でトレンチ15にゲート材料の埋め込み処理が行われて、ゲート電極17が形成される。
【0030】
次にゲート電極17上及びゲート酸化膜16の一部を覆うように絶縁層18が設けられる。その後、半導体基板11の表面側(図1の上側)の全面を覆うようにソース電極19が形成されて図3(f)に示す状態となる。さらに、半導体基板11の裏面にドレイン電極20が形成されて、図1に示すような、MOSFET10が製造される。なお、各電極の表面はパッシベーション膜(図示せず)で被覆される。
【0031】
次に前記のように構成されたMOSFET10の作用を説明する。
ドレイン電極20の電位がソース電極19の電位より高く、ゲート電極17の電位がソース電極19の電位より高くなるようにゲート電圧を印加しゲート電圧が閾値電圧を超えると、トレンチ15の側面15aの第2の半導体層13の表面にチャネルが形成される。そして、電子が第3の半導体層14からチャネルを介して第1の半導体層12及び半導体基板11に流れ込み、MOSFET10がオンになる。
【0032】
ゲート端子Gとソース端子Sとが短絡された状態(スイッチオフ状態)で、ドレイン端子Dとソース端子S間に電圧を印加すると、第1の半導体層12と第2の半導体層13の接合面21の両側に空乏層が拡がる。そして、電界は等電位線が接合面21に沿うように形成されるが、トレンチ15の部分でゲート電極17の電位により曲げられる。従来のように、接合面21が半導体基板11に平行な部分のみで構成されている場合は、接合面21のトレンチ15の側面15aとの接触部及びトレンチ底部付近では等電位線LVが混んだ状態となり、電界が局所的に集中する(大きくなる)。その結果、Si中でのブレークダウンを起こし易くなり、ドレイン−ソース間の耐圧低下が起こる。
【0033】
しかし、本発明では、接合面21が半導体基板11と平行な部分21aと、トレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成されてトレンチ15の側面15aに接する部分21bとを備えている。即ち、接合面21はトレンチ15側がトレンチ15の底部方向へ緩やかな角度で延びる状態となる。その結果、図2に示すように、等電位線が急に曲げられず、電界が局所的に集中する(大きくなる)のが抑制され、ドレイン−ソース間の耐圧低下が抑制される。
【0034】
隣接するトレンチ15の対向する側面15a間の距離L1を距離L2の3倍未満にすると、図1において、隣接するトレンチ15間の接合面21の両部分21bに挟まれた部分21aの幅(距離)が距離L2未満となり、接合面21全体が深くなった状態に近づく。その結果、トレンチゲート底部の等電位線LVの間隔が狭くなり、トレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成した効果が薄れてしまう。
【0035】
この実施の形態では以下の効果を有する。
(1) 縦型のトレンチ構造を有する半導体装置において、第1の半導体層12と第2の半導体層13との接合面21が半導体基板11と平行な部分21aと、トレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成されてトレンチ15の側面15aに接する部分21bとを備えている。従って、第1の半導体層12と第2の半導体層13との接合面21全体が半導体基板11と平行に形成された半導体装置と異なり、トレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのが抑制され、MOSFETのドレイン−ソース間の耐圧の低下を抑制することができる。
【0036】
(2) 隣接するトレンチ15の対向する側面15a間の距離をL1、接合面21の前記部分21aと部分21bとの境21cと、トレンチ15の側面15aとの距離をL2としたとき、距離L1が距離L2の3倍以上に形成されている。従って、トレンチ15の側面15a間の距離L1が、前記距離L2の3倍未満に形成されている場合に比較して、チャネル形成層(第2の半導体層13)とドリフト層(第1の半導体層12)の接合面21のトレンチ側面との接触部及びトレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのがより抑制される。
【0037】
(3) 接合面21のトレンチ15の側面15aへの入射角θが、0°<θ<90°を満たすように形成されている。従って、入射角θが0°あるいは90°以上に形成されている場合に比較して、第2の半導体層13と第1の半導体層12の接合面21のトレンチ15の側面15aとの接触部及びトレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのがより抑制される。
【0038】
(4) ゲート酸化膜16の表面に絶縁層18が形成され、その上からソース電極19が形成されている。従って、トレンチ15の部分に凹部が形成されても、絶縁層18がない場合に比較して、ゲート電極17が形成された状態において、表面が平坦に近くなる。
【0039】
(5) 半導体装置としてMOSFET10に適用されているため、MOSFET10において前記(1)〜(4)の効果が得られる。
(6) MOSFET10を製造する際、半導体装置の製造においてよく使用されるLOCOS酸化により第1の半導体層12の表面に凹部22を形成する工程を追加するだけで、他の工程は従来と同様に行うことで、MOSFET10が得られる。従って、ゲート酸化膜をトレンチの底部だけ厚くしたり、トレンチの下側に電界緩和半導体領域を設けた構成の従来技術に比較して製造が簡単である。
【0040】
(第2の実施の形態)
次に第2の実施の形態を図4及び図5に従って説明する。この実施の形態ではトレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成されている部分21bの形状と、トレンチ15の開口側周縁の形状が、第1の実施の形態と異なっており、その他の構成は同じである。第1の実施の形態と同じ部分は同じ符号を付して説明を省略する。
【0041】
図4に示すように、第1の半導体層12と第2の半導体層13との接合面21のうち、トレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成されている部分21bは、第1の半導体層12側に向かって凸となる曲面に形成されている。また、第3の半導体層14は半導体基板11と平行に形成されている。接合面21のへこむように形成された部分21bが曲面の場合は、接合面21のトレンチ15の側面15aへの入射角θは、部分21bと側面15aとの交差部における部分21bの接線と、平行な部分21aとの成す角度が、接合面21のトレンチ15の側面15aへの入射角θとなる。
【0042】
次にMOSFET10の製造方法を図5(a)〜(d)に従って説明する。
先ず、n型のシリコンからなる第1導電型の半導体基板11の片面に、第1の半導体層12が形成され、次にトレンチ15が形成される位置と対応する位置にイオン注入法により、p型の注入領域24が形成されて図5(a)に示す状態となる。次にp型の不純物が全体にドープ、拡散されて図5(b)に示すように、トレンチ15が形成される部分が第1の半導体層12側に凸となった第2の半導体層13が形成された状態となる。
【0043】
次に、図5(c)に示すように、第2の半導体層13を貫いて第1の半導体層12に達する深さのトレンチ15が形成される。その結果、図5(c)に示すように、第1の半導体層12及び第2の半導体層13の接合面21は、半導体基板11と平行な部分21aと、トレンチ15の側面15aに向かってへこむように形成されてトレンチ15の側面15aに接する部分21bとを備えた状態となる。そして、部分21bは第1の半導体層12側に凸の曲面となる。
【0044】
次に、第2の半導体層13のトレンチ15の開口部に沿った位置に第3の半導体層14が形成された後、ゲート酸化膜及びゲート電極17及びドレイン電極20が形成されて、図4に示すような、MOSFET10が製造される。
【0045】
この実施の形態においては、第1の実施の形態の(1)〜(4)と同様の効果を有する他に、次の効果を有する。
(7) 部分21bが第1の半導体層12側に凸の曲面に形成されているため、部分21bが平面に形成されている場合に比較して、等電位線LVの間隔がより平均化され、トレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのがより抑制される。
【0046】
なお、実施の形態は前記に限らず、例えば次のように構成してもよい。
○ トレンチ構造を有する半導体装置として、MOSFET10に限らず、IGBTに適用してもよい。nチャネルのIGBTに適用する場合は、例えば、図6に示すように、第2導電型(p型)の半導体基板11が使用される。そして、半導体基板11の片側に第1導電型(n型)の半導体層25を介して、該半導体層25より不純物濃度が低い第1導電型(n型)の第1の半導体層12が積層されている点を除いて、MOSFET10と同じ構成となる。ただし、IGBT26の場合は、MOSFET10においてソース電極19と呼ばれた電極がエミッタ電極27と呼ばれてその端子はエミッタ端子Eとなる。ドレイン電極20と呼ばれた電極はコレクタ電極28と呼ばれてその端子はコレクタ端子Cとなる。また、ソース領域はエミッタ領域と呼ばれる。この場合も、IGBTにおいて、前記(1)〜(4)等と同様な効果が得られる。
【0047】
○ IGBT26の製造は、例えば、第2導電型の半導体基板上に第1導電型の半導体層を形成し、その上に該半導体層より不純物濃度が低い第1導電型の第1の半導体層12が積層形成されたものに対して、第1の実施の形態で説明した製造方法の凹部形成工程以降の工程を実施することによりできる。また、第2導電型の半導体基板上に第1導電型の半導体層を形成し、その上に該半導体層より不純物濃度が低い第1導電型の第1の半導体層12が積層形成されたものに対して、第2の実施の形態で説明した方法を適用してもよい。
【0048】
○ 前記各実施の形態ではnチャネルの半導体装置について説明したが、pチャネルの半導体装置としてもよい。この場合、第1導電型の不純物と第2導電型の不純物とを逆に用いればよい。例えば、MOSFET10の場合、半導体基板11をp型、第1の半導体層12をp型、第2の半導体層13をn型、第3の半導体層14をp型とする。IGBT26の場合、半導体基板11をn型、半導体層25をp型、第1の半導体層12をp型、第2の半導体層13をn型、第3の半導体層14をp型とする。
【0049】
〇 IGBT26の場合、半導体基板11と第1の半導体層12との間に形成された半導体層25は必ずしも必要ではなく、半導体層25を省略してもよい。
〇 トレンチ15の平面形状は全体が連続する格子状に限らず、構造的にそれぞれ分離独立した複数のトレンチを形成してもよい。
【0050】
〇 第2の実施の形態において、イオン注入法を使用せずに、2回に分けてp型不純物をドープ、拡散させて、トレンチ15が形成される部分が第1の半導体層12側に凸となった第2の半導体層13を形成してもよい。
【0051】
前記実施の形態から把握される発明(技術的思想)について、以下に記載する。
(1) 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記半導体装置は、前記半導体基板として第1導電型の半導体基板が使用され、前記第1の半導体層が前記半導体基板上に直接積層された構成のMOSFETである。
【0052】
(2) 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記半導体装置は、前記半導体基板として第2導電型の半導体基板が使用され、前記第1の半導体層は前記半導体基板上に第1導電型の半導体層を介して積層され、該半導体層より第1の半導体層の方が不純物濃度が低く構成されたIGBTである。
【0053】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項1〜請求項4に記載の発明によれば、チャネル形成層とドリフト層の接合面のトレンチ側面との接触部及びトレンチゲート底部の電界強度が局所的に大きくなるのを抑制して、ドレイン−ソース間あるいはコレクタ−エミッタ間の耐圧の低下を抑制することができる。また、請求項5に記載の発明によれば、前記のようにしてドレイン−ソース間あるいはコレクタ−エミッタ間の耐圧の低下を抑制することができる縦型のトレンチ構造を有する半導体装置を簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態のMOSFETの部分模式断面図。
【図2】同じく作用を説明する模式断面図。
【図3】(a)〜(f)はMOSFETの製造方法を説明する模式図。
【図4】第2の実施の形態のMOSFETの部分模式断面図。
【図5】(a)〜(d)は同じくMOSFETの製造方法を説明する模式図。
【図6】IGBTに具体化した実施の形態の部分模式断面図。
【図7】(a)は従来のMOSFETの部分模式断面図、(b)は作用を説明する模式図。
【図8】別の従来技術のMOSFETの模式断面図。
【符号の説明】
L1,L2…距離、10…半導体装置としてのMOSFET、11…半導体基板、12…第1の半導体層、13…第2の半導体層、14…第3の半導体層、15…トレンチ、15a…側面、17…ゲート電極、21…接合面、21a,21b…部分、21c…境、22…凹部、22a…底面、22b…傾斜部、23…酸化膜、26…半導体装置としてのIGBT。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a trench structure and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As MOSFETs and insulated gate bipolar transistors (IGBTs), vertical MOSFETs and vertical IGBTs having a trench structure that can further reduce the cell size are known. As shown in FIG. 7A, the vertical MOSFET 50 has an n-type drift layer 52 formed on a semiconductor substrate 51. A p-type channel formation layer 53 is provided on the upper surface of the drift layer 52 (the surface opposite to the semiconductor substrate 51), and an n-type source region 54 is provided on the surface of the channel formation layer 53. A trench 55 is formed so as to extend from the surface of the central portion of source region 54 through part of channel forming layer 53 to drift layer 52.
[0003]
A gate oxide film 56 is formed on the inner wall surface of the trench 55, and a gate electrode 57 is provided from above the gate oxide film 56 so as to fill the trench 55. Gate oxide film 56 is formed to cover a portion of gate electrode 57 on the trench opening side, and insulating layer 58 is formed to cover a portion of gate oxide film 56 on the trench opening side. A source electrode 59 is formed to cover the exposed surfaces of the channel forming layer 53 and the source region 54 and the exposed portions of the gate oxide film 56 and the insulating layer 58, and the back surface of the semiconductor substrate 51 (the surface opposite to the drift layer 52). Is formed with a drain electrode 60. A gate terminal G, a source terminal S, and a drain terminal D are connected to the gate electrode 57, the source electrode 59, and the drain electrode 60, respectively.
[0004]
In the trench gate type MOSFET 50 having the above-described configuration, the bottom of the gate electrode 57 exists on the semiconductor substrate 51 side from the junction surface between the drift layer 52 and the channel forming layer 53. In the MOSFET 50 having such a configuration, when a voltage is applied between the drain terminal D and the source terminal S when the gate terminal G and the source terminal S are short-circuited (switch-off state), the drift layer 52 and the channel forming layer 53 A depletion layer extends on both sides of the junction surface. Then, as shown in FIG. 7B, the interval between the equipotential lines LV at the bottom of the trench gate is narrowed and the electric field strength is locally increased (the trench side surface at the junction surface between the drift layer 52 and the channel forming layer 53). Contact portion and the bottom of the trench gate). As a result, there is a problem that the breakdown voltage between the drain and the source is reduced.
[0005]
7A and 7B, in the drawings, the thickness and size of each element constituting the MOSFET 50 are shown in a relative relationship that does not always match the actual one for convenience of illustration. For example, actually, the thickness of the source region 54 is about 0.5 μm while the thickness of the gate oxide film 56 is about 0.1 μm.
[0006]
As a means for solving the above problem, as shown in FIG. 8, a configuration in which an electric field relaxation semiconductor region 61 is provided below a trench-type insulated gate, that is, below a trench 55 has been proposed (see Patent Document 1). . Also, Patent Document 1 proposes that the thickness of the gate oxide film 56 at the bottom of the trench is made 5 to 20 times or more the thickness of the gate oxide film 56 on the side surface of the trench 55 to improve voltage sharing. ing.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-10-98188 (paragraphs [0004] and [0005] of the specification, FIGS. 1 and 9)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the structure disclosed in Patent Document 1 in which the thickness of the gate oxide film 56 at the bottom of the trench is increased is difficult to manufacture. If the entire gate oxide film 56 is made thicker, the problem of electric field strength can be solved, but in this case, the on-resistance of the MOS transistor section increases. Further, in the configuration in which the electric field relaxation semiconductor region 61 is provided, the number of manufacturing steps of the trench gate portion is increased, and the current path is restricted, so that the on-resistance is easily increased.
[0009]
A first object of the present invention is to suppress a local increase in electric field strength at a contact portion between a channel forming layer and a drift layer at a junction side surface of a trench and at a bottom portion of a trench gate, thereby preventing a drain-source or collector -To provide a semiconductor device having a vertical trench structure capable of suppressing a decrease in breakdown voltage between emitters. A second object is to provide a method for manufacturing the semiconductor device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the first object, the invention according to claim 1 is a semiconductor device having a vertical trench structure. The semiconductor device includes a semiconductor substrate, a first semiconductor layer of a first conductivity type provided on one side of the semiconductor substrate, and a channel region formed on an anti-semiconductor substrate side surface of the first semiconductor layer. The semiconductor device includes a second semiconductor layer of the second conductivity type, and a third semiconductor layer of the first conductivity type provided in a part of a surface layer of the second semiconductor layer. The semiconductor device further includes a trench provided so as to reach the first semiconductor layer through the third semiconductor layer and the second semiconductor layer. The semiconductor device includes a portion where the bonding surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is parallel to the semiconductor substrate, and a portion formed so as to be recessed toward the side surface of the trench and in contact with the side surface of the trench. .
[0011]
According to the present invention, in a configuration in which a first semiconductor layer of the first conductivity type is directly stacked on a semiconductor substrate of the first conductivity type, the semiconductor device is a MOSFET. Then, the first semiconductor layer becomes a drift layer, the second semiconductor layer becomes a channel formation layer, and the third semiconductor layer becomes a source region. Further, in a configuration in which a first conductive type first semiconductor layer having a lower impurity concentration than the semiconductor layer is stacked over a second conductive type semiconductor substrate via a first conductive type semiconductor layer, Becomes an IGBT. Then, the first semiconductor layer serves as a drift layer, the second semiconductor layer serves as a channel formation layer, and the third semiconductor layer serves as an emitter region.
[0012]
The semiconductor device includes a portion where the bonding surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is parallel to the semiconductor substrate, and a portion formed so as to be concave toward the side surface of the trench and in contact with the side surface of the trench. Therefore, unlike the conventional semiconductor device in which the entire bonding surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is formed in parallel with the semiconductor substrate, the contact between the channel forming layer and the drift layer at the side surface of the trench is different. The local increase in the electric field strength at the portion and the bottom of the trench gate is suppressed. As a result, a decrease in breakdown voltage between the drain and the source of the MOSFET or between the collector and the emitter of the IGBT can be suppressed.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a distance between opposing side surfaces of the adjacent trench is L1, a portion of the bonding surface parallel to the semiconductor substrate, and a side surface of the trench. Assuming that the distance between the boundary between the recessed portion and the side surface of the trench is L2, the distance L1 is formed to be three times or more the distance L2. In the present invention, the contact portion between the channel forming layer and the drift layer at the junction side surface with the trench side surface is smaller than the distance L1 between the side surfaces of the trench being less than three times the distance L2. The local increase in the electric field strength at the gate bottom is further suppressed.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the incident angle θ of the junction surface to the side surface of the trench satisfies 0 ° <θ <90 °. The “incident angle θ of the bonding surface to the side surface of the trench” means an angle formed between a concave portion of the bonding surface and a portion of the bonding surface parallel to the semiconductor substrate. When the formed portion is a curved surface, it means an angle formed between a tangent at an intersection of the portion and the side surface and the parallel portion.
[0015]
In the present invention, the electric field strength at the contact portion between the channel forming layer and the drift layer at the junction side surface and the trench gate bottom portion is smaller than when the incident angle θ is formed at 0 ° or 90 ° or more. Is locally suppressed from increasing.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, a portion formed so as to be concave toward a side surface of the trench is the first semiconductor layer. It is formed on a curved surface that is convex toward the side. According to the present invention, the local increase in the electric field strength at the trench gate bottom portion is further suppressed as compared with the case where the portion is formed in a plane.
[0017]
To achieve the second object, the invention according to claim 5 includes a first semiconductor layer forming step of forming a first semiconductor layer of the first conductivity type on one side of a semiconductor substrate. Further, after forming an oxide film on the surface of the first semiconductor layer by LOCOS oxidation so as to increase the film thickness at a position corresponding to the position where the trench is formed, the oxide film is removed to remove the oxide film. A concave portion forming step of forming, on the surface of the one semiconductor layer, a concave portion having a bottom surface parallel to the surface of the semiconductor substrate at the center and having an inclined portion inclined toward the bottom surface; A second semiconductor layer forming step of forming a second conductivity type second semiconductor layer on the surface of the first semiconductor layer after the formation of the concave portion, and a first semiconductor layer penetrating the second semiconductor layer. Forming a trench having a depth reaching the semiconductor layer at a position corresponding to the bottom surface of the concave portion. A third semiconductor layer forming step of forming a third semiconductor layer of the first conductivity type performed after or before the trench forming step, and after the trench forming step and the third semiconductor layer forming step. Steps after the gate oxide film forming step are performed.
[0018]
According to the manufacturing method of the present invention, the first semiconductor layer of the first conductivity type is formed on one side of the semiconductor substrate. There are a case where a semiconductor substrate of the first conductivity type is used as a semiconductor substrate and a case where a semiconductor substrate of the second conductivity type is used. When a semiconductor substrate of the first conductivity type is used, the first semiconductor layer is directly formed on the semiconductor substrate. When a semiconductor substrate of the second conductivity type is used, a first semiconductor layer of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the semiconductor layer is formed on the semiconductor substrate via a semiconductor layer of the first conductivity type. Is done. Then, an oxide film is formed on the surface of the first semiconductor layer by LOCOS oxidation so that the film thickness at a position corresponding to the position where the trench is formed is increased. After that, by removing the oxide film, a concave portion having a bottom surface parallel to the surface of the semiconductor substrate and having an inclined portion inclined toward the bottom surface is formed in the surface of the first semiconductor layer. Next, after the second semiconductor layer of the second conductivity type is formed on the surface of the first semiconductor layer in the second semiconductor layer forming step, the trench is formed through a trench forming step and a third semiconductor layer forming step. A trench is formed at a position corresponding to the recess, the trench having a depth reaching the first semiconductor layer through the third semiconductor layer and the second semiconductor layer. Thereafter, steps after the gate oxide film forming step are performed to form a semiconductor device. Therefore, the semiconductor device according to the first aspect of the present invention can be easily manufactured.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)
A first embodiment in which the present invention is embodied in a MOSFET as an n-channel semiconductor device will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a partial schematic cross-sectional view of a MOSFET, and FIG. 2 is a partial schematic cross-sectional view illustrating an operation. Note that a part of hatching in the cross section is omitted.
[0020]
As shown in FIG. 1, a MOSFET 10 as a semiconductor device has a first conductivity type (n in this embodiment). + A semiconductor substrate 11 made of silicon of the first conductivity type (an n-type in this embodiment) forming a drain region (drift layer) on one side surface of the semiconductor substrate 11. Have been. On the anti-semiconductor substrate side surface (the upper surface in FIG. 1) of the first semiconductor layer 12, a second semiconductor layer 13 of a second conductivity type (p-type in this embodiment) for forming a channel region is provided. . A third semiconductor layer 14 of the first conductivity type (n-type in this embodiment) is provided on a part of the surface layer of the second semiconductor layer 13. The third semiconductor layer 14 forms a source region. Then, a trench 15 is provided so as to reach the first semiconductor layer 12 through the third semiconductor layer 14 and the second semiconductor layer 13. The trench 15 is provided so that the planar shape of the second semiconductor layer 13 is divided into a predetermined shape such as a substantially square shape or an elongated rectangular shape to form a cell pattern.
[0021]
A gate oxide film 16 is formed on the inner wall surface of the trench 15, and a gate electrode 17 is provided from above the gate oxide film 16 so as to fill the trench 15. The gate oxide film 16 is also formed at a position covering the trench opening side portion of the gate electrode 17. An insulating layer 18 is formed to cover a portion of the gate oxide film 16 on the trench opening side.
[0022]
A source electrode 19 is formed to cover the exposed surfaces of the second semiconductor layer 13 and the third semiconductor layer 14 and the exposed portions of the gate oxide film 16 and the insulating layer 18, and the back surface of the semiconductor substrate 11. On the surface opposite to the layer 12), a drain electrode 20 is formed. A gate terminal G, a source terminal S, and a drain terminal D are connected to the gate electrode 17, the source electrode 19, and the drain electrode 20, respectively. The source electrode 19 and the drain electrode 20 are provided integrally with each cell, the gate electrode 17 of each cell is connected in common, and each cell is connected in parallel.
[0023]
The first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 13 are formed so that the joint surface 21 of the two is recessed toward the portion 21 a parallel to the semiconductor substrate 11 and the side surface 15 a of the trench 15. And a portion 21b in contact with. When the distance between the opposing side surfaces 15a of the adjacent trench 15 is L1, and the distance between the boundary 21c between the portion 21a and the portion 21b of the bonding surface 21 and the side surface 15a of the trench 15 is L2, the distance L1 is the distance L2. Is formed three times or more. Further, the angle of incidence θ of the bonding surface 21 on the side surface 15a of the trench 15 is formed so as to satisfy 0 ° <θ <90 °. The “incident angle θ of the bonding surface 21 to the side surface 15 a of the trench 15” is an angle formed between a concave portion 21 b of the bonding surface 21 and a portion 21 a of the bonding surface 21 parallel to the semiconductor substrate 11. means.
[0024]
In FIGS. 1 and 2, the thickness and the size of each element constituting the MOSFET 10 are shown in a relative relationship that does not always match the actual one for convenience of illustration. For example, in practice, the thickness of the third semiconductor layer 14 is about 0.5 μm while the thickness of the gate oxide film 16 is about 0.1 μm.
[0025]
Next, an example of a method of manufacturing the MOSFET 10 having the above configuration will be described with reference to FIGS. For convenience of illustration, only one trench 15 is shown.
First, in the first semiconductor layer forming step, as shown in FIG. + A first semiconductor layer 12 of a first conductivity type (n-type in this embodiment) is formed on one side of a semiconductor substrate 11 of a first conductivity type made of silicon of the type. The first semiconductor layer 12 is directly laminated on the semiconductor substrate 11. The first semiconductor layer 12 is formed by, for example, epitaxial growth.
[0026]
Next, in a recess forming step, a recess 22 having a bottom surface 22a parallel to the surface of the semiconductor substrate 11 and a slope 22b inclined toward the bottom surface 22a is formed in the center of the surface of the first semiconductor layer 12. . More specifically, as shown in FIG. 3B, the oxide film 23 is formed on the surface of the first semiconductor layer 12 by LOCOS oxidation so that the film thickness at the position corresponding to the position where the trench 15 is formed is increased. It is formed. Next, the oxide film 23 is removed, and a concave portion 22 is formed on the surface of the first semiconductor layer 12 as shown in FIG. In the LOCOS oxidation, as shown in FIG. 1, the shape of the concave portion 22 is such that the distance L1 between the opposing side surfaces 15a of the adjacent trench 15 and the portion 21a The distance L2 between the boundary 21c with the side surface 21b and the side surface 15a is set such that L1 ≧ 3 × L2.
[0027]
Next, in a second semiconductor layer forming step, a second semiconductor layer 13 of the second conductivity type is formed on the surface of the first semiconductor layer 12. More specifically, as shown in FIG. 3C, after the surface of the first semiconductor layer 12 is doped with a second conductivity type (p-type in this embodiment) impurity (for example, boron B), Boron B is diffused to a predetermined thickness by thermal diffusion, and a second semiconductor layer 13 is formed as shown in FIG. Then, the recess 22 is formed on the surface of the second semiconductor layer 13.
[0028]
Next, in a trench forming step, as shown in FIG. 3E, a trench 15 having a depth reaching the first semiconductor layer 12 through the second semiconductor layer 13 is formed at a position corresponding to the bottom surface of the concave portion 22. It is formed. The trench 15 is formed by, for example, a dry etching method. As a result, as shown in FIG. 3E, the bonding surface 21 of the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 13 is directed toward a portion 21 a parallel to the semiconductor substrate 11 and a side surface 15 a of the trench 15. And a portion 21b formed so as to be concave and in contact with the side surface 15a of the trench 15.
[0029]
Next, in a third semiconductor layer forming step, a third semiconductor layer 14 is formed at a position along the opening of the trench 15 in the second semiconductor layer 13. Next, steps subsequent to the gate oxide film forming step are performed in the same manner as in the related art. That is, an oxide film forming step of forming a silicon oxide film on the inner surface of the trench 15 and the surface of the third semiconductor layer 14 is performed, and a silicon oxide film serving as the gate oxide film 16 is formed. After that, the gate material is buried in the trench 15 by a known method to form the gate electrode 17.
[0030]
Next, an insulating layer 18 is provided so as to cover the gate electrode 17 and a part of the gate oxide film 16. Thereafter, the source electrode 19 is formed so as to cover the entire front surface side (the upper side in FIG. 1) of the semiconductor substrate 11, and the state shown in FIG. Further, the drain electrode 20 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 11, and the MOSFET 10 as shown in FIG. 1 is manufactured. The surface of each electrode is covered with a passivation film (not shown).
[0031]
Next, the operation of the MOSFET 10 configured as described above will be described.
When a gate voltage is applied so that the potential of the drain electrode 20 is higher than the potential of the source electrode 19 and the potential of the gate electrode 17 is higher than the potential of the source electrode 19, and the gate voltage exceeds the threshold voltage, the side surface 15a of the trench 15 A channel is formed on the surface of the second semiconductor layer 13. Then, electrons flow from the third semiconductor layer 14 through the channel into the first semiconductor layer 12 and the semiconductor substrate 11, and the MOSFET 10 is turned on.
[0032]
When a voltage is applied between the drain terminal D and the source terminal S in a state where the gate terminal G and the source terminal S are short-circuited (switch-off state), a junction surface between the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 13 is formed. The depletion layer spreads on both sides of 21. The electric field is formed such that equipotential lines are formed along the bonding surface 21, but is bent by the potential of the gate electrode 17 at the trench 15. In the case where the bonding surface 21 is formed only of a portion parallel to the semiconductor substrate 11 as in the related art, equipotential lines LV are mixed in the contact portion of the bonding surface 21 with the side surface 15a of the trench 15 and near the trench bottom. In this state, the electric field is locally concentrated (increased). As a result, breakdown easily occurs in Si, and the breakdown voltage between the drain and the source is reduced.
[0033]
However, in the present invention, there is provided a portion 21 a in which the bonding surface 21 is parallel to the semiconductor substrate 11 and a portion 21 b formed so as to be concave toward the side surface 15 a of the trench 15 and in contact with the side surface 15 a of the trench 15. That is, the bonding surface 21 is in a state where the trench 15 side extends at a gentle angle toward the bottom of the trench 15. As a result, as shown in FIG. 2, the equipotential lines are not sharply bent, the local concentration (increase) of the electric field is suppressed, and the decrease in the withstand voltage between the drain and the source is suppressed.
[0034]
When the distance L1 between the opposing side surfaces 15a of the adjacent trenches 15 is less than three times the distance L2, the width (distance) of the portion 21a between the two portions 21b of the bonding surface 21 between the adjacent trenches 15 in FIG. ) Is less than the distance L2, and the entire bonding surface 21 approaches a state where it becomes deep. As a result, the interval between the equipotential lines LV at the bottom of the trench gate is narrowed, and the effect of forming the trench 15 toward the side surface 15a is weakened.
[0035]
This embodiment has the following effects.
(1) In a semiconductor device having a vertical trench structure, a bonding surface 21 between a first semiconductor layer 12 and a second semiconductor layer 13 is directed toward a portion 21 a parallel to the semiconductor substrate 11 and a side surface 15 a of the trench 15. And a portion 21b formed so as to be depressed and in contact with the side surface 15a of the trench 15. Therefore, unlike a semiconductor device in which the entire bonding surface 21 between the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 13 is formed parallel to the semiconductor substrate 11, the electric field strength at the bottom of the trench gate is locally increased. Therefore, a decrease in the breakdown voltage between the drain and the source of the MOSFET can be suppressed.
[0036]
(2) When the distance between the opposed side surfaces 15a of the adjacent trenches 15 is L1, and the distance between the boundary 21c between the portion 21a and the portion 21b of the bonding surface 21 and the side surface 15a of the trench 15 is L2, the distance L1 Is formed at least three times the distance L2. Therefore, as compared with the case where the distance L1 between the side surfaces 15a of the trench 15 is formed to be less than three times the distance L2, the channel forming layer (the second semiconductor layer 13) and the drift layer (the first semiconductor layer). The local increase in the electric field strength at the contact portion of the bonding surface 21 of the layer 12) with the side surface of the trench and at the bottom of the trench gate is further suppressed.
[0037]
(3) The angle of incidence θ of the bonding surface 21 on the side surface 15a of the trench 15 is formed so as to satisfy 0 ° <θ <90 °. Therefore, as compared with the case where the incident angle θ is formed at 0 ° or 90 ° or more, the contact portion between the side surface 15 a of the trench 15 at the joint surface 21 of the second semiconductor layer 13 and the first semiconductor layer 12 is formed. In addition, the local increase in the electric field strength at the bottom of the trench gate is further suppressed.
[0038]
(4) An insulating layer 18 is formed on the surface of the gate oxide film 16, and a source electrode 19 is formed thereon. Therefore, even if a concave portion is formed in the trench 15, the surface becomes nearly flat in the state where the gate electrode 17 is formed, as compared with the case where the insulating layer 18 is not provided.
[0039]
(5) Since the semiconductor device is applied to the MOSFET 10, the effects (1) to (4) can be obtained in the MOSFET 10.
(6) When the MOSFET 10 is manufactured, only a step of forming the concave portion 22 on the surface of the first semiconductor layer 12 by LOCOS oxidation often used in the manufacture of a semiconductor device is added. By doing so, the MOSFET 10 is obtained. Therefore, the fabrication is simpler than the prior art in which the thickness of the gate oxide film is increased only at the bottom of the trench or an electric field relaxation semiconductor region is provided below the trench.
[0040]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the shape of a portion 21b formed so as to be depressed toward the side surface 15a of the trench 15 and the shape of the peripheral edge on the opening side of the trench 15 are different from those of the first embodiment. Is the same. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0041]
As shown in FIG. 4, a portion 21 b of the bonding surface 21 between the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 13, which is formed so as to extend toward the side surface 15 a of the trench 15, It is formed on a curved surface that is convex toward the semiconductor layer 12 side. Further, the third semiconductor layer 14 is formed in parallel with the semiconductor substrate 11. When the concave portion 21b of the bonding surface 21 is a curved surface, the incident angle θ of the bonding surface 21 to the side surface 15a of the trench 15 is determined by the tangent of the portion 21b at the intersection of the portion 21b and the side surface 15a, The angle formed by the parallel portion 21a is the incident angle θ of the bonding surface 21 to the side surface 15a of the trench 15.
[0042]
Next, a method of manufacturing the MOSFET 10 will be described with reference to FIGS.
First, n + A first semiconductor layer 12 is formed on one surface of a first conductivity type semiconductor substrate 11 made of silicon of the type, and p-type implantation is performed by ion implantation at a position corresponding to a position where a trench 15 is to be formed next. The region 24 is formed, as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 5B, the p-type impurity is entirely doped and diffused, and as shown in FIG. 5B, the portion where the trench 15 is formed is convex toward the first semiconductor layer 12 side. Is formed.
[0043]
Next, as shown in FIG. 5C, a trench 15 having a depth reaching the first semiconductor layer 12 through the second semiconductor layer 13 is formed. As a result, as shown in FIG. 5C, the bonding surface 21 of the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 13 is directed toward the portion 21a parallel to the semiconductor substrate 11 and the side surface 15a of the trench 15. And a portion 21b formed so as to be concave and in contact with the side surface 15a of the trench 15. Then, the portion 21b has a curved surface protruding toward the first semiconductor layer 12 side.
[0044]
Next, after the third semiconductor layer 14 is formed at a position along the opening of the trench 15 in the second semiconductor layer 13, a gate oxide film, a gate electrode 17, and a drain electrode 20 are formed. The MOSFET 10 as shown in FIG.
[0045]
This embodiment has the following effects in addition to the effects similar to (1) to (4) of the first embodiment.
(7) Since the portion 21b is formed on the curved surface convex toward the first semiconductor layer 12, the intervals between the equipotential lines LV are more averaged than when the portion 21b is formed in a plane. The local increase in the electric field strength at the bottom of the trench gate is further suppressed.
[0046]
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
The semiconductor device having the trench structure is not limited to the MOSFET 10 but may be applied to an IGBT. When applied to an n-channel IGBT, for example, as shown in FIG. 6, the second conductivity type (p + (Type) semiconductor substrate 11 is used. Then, the first conductivity type (n + The structure is the same as that of the MOSFET 10 except that a first conductive type (n-type) first semiconductor layer 12 having a lower impurity concentration than the semiconductor layer 25 is stacked via a semiconductor layer 25 of the same type. . However, in the case of the IGBT 26, the electrode called the source electrode 19 in the MOSFET 10 is called the emitter electrode 27, and its terminal is the emitter terminal E. An electrode called the drain electrode 20 is called a collector electrode 28, and its terminal is a collector terminal C. The source region is called an emitter region. Also in this case, the same effects as those of the above (1) to (4) can be obtained in the IGBT.
[0047]
In manufacturing the IGBT 26, for example, a first conductivity type semiconductor layer is formed on a second conductivity type semiconductor substrate, and the first conductivity type first semiconductor layer 12 having a lower impurity concentration than the semiconductor layer is formed thereon. Can be obtained by performing the steps subsequent to the concave part forming step of the manufacturing method described in the first embodiment on the laminated structure. Further, a semiconductor layer of a first conductivity type is formed on a semiconductor substrate of a second conductivity type, and a first semiconductor layer 12 of a first conductivity type having a lower impurity concentration than the semiconductor layer is formed thereon. For this, the method described in the second embodiment may be applied.
[0048]
In the above embodiments, an n-channel semiconductor device has been described, but a p-channel semiconductor device may be used. In this case, the impurities of the first conductivity type and the impurities of the second conductivity type may be used in reverse. For example, in the case of MOSFET 10, semiconductor substrate 11 is p + Type, the first semiconductor layer 12 is p-type, the second semiconductor layer 13 is n-type, and the third semiconductor layer 14 is p-type. In the case of the IGBT 26, the semiconductor substrate 11 is set to n + Mold, the semiconductor layer 25 is p + Type, the first semiconductor layer 12 is p-type, the second semiconductor layer 13 is n-type, and the third semiconductor layer 14 is p-type.
[0049]
In the case of the IGBT 26, the semiconductor layer 25 formed between the semiconductor substrate 11 and the first semiconductor layer 12 is not always necessary, and the semiconductor layer 25 may be omitted.
The planar shape of the trench 15 is not limited to a continuous lattice shape as a whole, and a plurality of trenches which are structurally separated and independent from each other may be formed.
[0050]
In the second embodiment, the p-type impurity is doped and diffused twice without using the ion implantation method, so that the portion where the trench 15 is formed protrudes toward the first semiconductor layer 12 side. The second semiconductor layer 13 may be formed.
[0051]
The invention (technical idea) grasped from the embodiment will be described below.
(1) In the invention according to any one of claims 1 to 4, in the semiconductor device, a first conductivity type semiconductor substrate is used as the semiconductor substrate, and the first semiconductor layer is formed of the semiconductor. This is a MOSFET having a configuration directly stacked on a substrate.
[0052]
(2) In the invention according to any one of claims 1 to 4, in the semiconductor device, a semiconductor substrate of a second conductivity type is used as the semiconductor substrate, and the first semiconductor layer is formed of the semiconductor. The IGBT is stacked on a substrate with a first conductivity type semiconductor layer interposed therebetween, and the first semiconductor layer has a lower impurity concentration than the semiconductor layer.
[0053]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the first to fourth aspects of the present invention, the electric field strength at the contact portion between the channel forming layer and the drift layer at the junction side surface and the trench gate bottom is locally reduced. It is possible to suppress an increase in the breakdown voltage and to suppress a decrease in the breakdown voltage between the drain and the source or between the collector and the emitter. According to the fifth aspect of the present invention, a semiconductor device having a vertical trench structure capable of suppressing a decrease in the breakdown voltage between the drain and the source or between the collector and the emitter as described above can be easily manufactured. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial schematic cross-sectional view of a MOSFET according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the operation.
FIGS. 3A to 3F are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a MOSFET.
FIG. 4 is a partial schematic cross-sectional view of a MOSFET according to a second embodiment.
FIGS. 5A to 5D are schematic diagrams illustrating a method for manufacturing a MOSFET.
FIG. 6 is a partial schematic cross-sectional view of an embodiment embodied in an IGBT.
FIG. 7A is a partial schematic cross-sectional view of a conventional MOSFET, and FIG. 7B is a schematic diagram for explaining an operation.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of another conventional MOSFET.
[Explanation of symbols]
L1, L2 distance, 10 MOSFET as a semiconductor device, 11 semiconductor substrate, 12 first semiconductor layer, 13 second semiconductor layer, 14 third semiconductor layer, 15 trench, 15a side surface Reference numeral 17: gate electrode, 21: bonding surface, 21a, 21b part, 21c boundary, 22 concave part, 22a bottom surface, 22b inclined part, 23 oxide film, 26 IGBT as a semiconductor device.

Claims (5)

半導体基板と、前記半導体基板の片面側に設けられた第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の反半導体基板側面に設けられたチャネル領域形成用の第2導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表層部の一部に設けられた第1導電型の第3の半導体層とを備え、前記第3の半導体層及び第2の半導体層を貫いて前記第1の半導体層に達するように設けられたトレンチを備えた縦型のトレンチ構造を有する半導体装置であって、前記第1の半導体層と第2の半導体層との接合面が前記半導体基板と平行な部分と、トレンチの側面に向かってへこむように形成されてトレンチの側面に接する部分とを備えているトレンチ構造を有する半導体装置。A semiconductor substrate, a first semiconductor layer of a first conductivity type provided on one side of the semiconductor substrate, and a second conductivity type for forming a channel region provided on a side of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate. A second semiconductor layer, and a third semiconductor layer of a first conductivity type provided in a part of a surface layer portion of the second semiconductor layer, wherein the third semiconductor layer and the second semiconductor layer are provided. A semiconductor device having a vertical trench structure including a trench provided so as to reach the first semiconductor layer through the first semiconductor layer, wherein a junction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is A semiconductor device having a trench structure including a portion parallel to the semiconductor substrate and a portion formed so as to be depressed toward a side surface of the trench and in contact with the side surface of the trench. 隣接する前記トレンチの対向する側面間の距離をL1、前記接合面の半導体基板と平行な部分と前記トレンチの側面に向かってへこむように形成されている部分との境と、トレンチの側面との距離をL2としたとき、距離L1が距離L2の3倍以上に形成されている請求項1に記載のトレンチ構造を有する半導体装置。The distance between the opposing side surfaces of the adjacent trenches is L1, and a boundary between a portion of the junction surface parallel to the semiconductor substrate and a portion formed to be recessed toward the side surface of the trench and a side surface of the trench. 2. The semiconductor device having a trench structure according to claim 1, wherein when the distance is L2, the distance L1 is formed to be three times or more the distance L2. 前記接合面の前記トレンチの側面への入射角θが、0°<θ<90°を満たすように形成されている請求項2に記載のトレンチ構造を有する半導体装置。3. The semiconductor device having a trench structure according to claim 2, wherein an incident angle θ of the junction surface to a side surface of the trench satisfies 0 ° <θ <90 °. 4. 前記トレンチの側面に向かってへこむように形成されている部分は、前記第1の半導体層側に向かって凸となる曲面に形成されている請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のトレンチ構造を有する半導体装置。The part formed so that it may be depressed toward the side of the trench is formed in the curved surface which becomes convex toward the 1st semiconductor layer side. Semiconductor device having a trench structure. 半導体基板の片面側に第1導電型の第1の半導体層を形成する第1の半導体層形成工程と、
前記第1の半導体層の表面にLOCOS酸化により、トレンチが形成される位置と対応する位置の膜厚が厚くなるように酸化膜を形成した後、前記酸化膜を除去することにより前記第1の半導体層の表面に、中央に半導体基板の表面と平行な底面を有するとともに底面に向かって傾斜する傾斜部を有する凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部が形成された後の第1の半導体層の表面に、第2導電型の第2の半導体層を形成する第2の半導体層形成工程と、
前記第2の半導体層を貫いて第1の半導体層に達する深さのトレンチを、前記凹部の底面と対応する位置に形成するトレンチ形成工程と、
前記トレンチ形成工程の後又は前に行われ、前記第2の半導体層の表層に第1導電型の第3の半導体層を形成する第3の半導体層形成工程と
を備え、前記トレンチ形成工程及び第3の半導体層形成工程の後に、ゲート酸化膜形成工程以降の工程を行うトレンチ構造を有する半導体装置の製造方法。
A first semiconductor layer forming step of forming a first semiconductor layer of the first conductivity type on one side of the semiconductor substrate;
After forming an oxide film on the surface of the first semiconductor layer by LOCOS oxidation so as to increase the film thickness at a position corresponding to the position where the trench is formed, the first film is removed by removing the oxide film. A concave portion forming step of forming a concave portion having a bottom surface parallel to the surface of the semiconductor substrate at the center and having a slope inclined toward the bottom surface on the surface of the semiconductor layer;
Forming a second semiconductor layer of a second conductivity type on a surface of the first semiconductor layer after the formation of the concave portion;
Forming a trench having a depth reaching the first semiconductor layer through the second semiconductor layer at a position corresponding to the bottom surface of the concave portion;
A third semiconductor layer forming step of forming a first conductive type third semiconductor layer on a surface layer of the second semiconductor layer, which is performed after or before the trench forming step; A method for manufacturing a semiconductor device having a trench structure in which a step after a gate oxide film forming step is performed after a third semiconductor layer forming step.
JP2003002413A 2003-01-08 2003-01-08 Semiconductor device having trench structure and manufacturing method thereof Pending JP2004214557A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003002413A JP2004214557A (en) 2003-01-08 2003-01-08 Semiconductor device having trench structure and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003002413A JP2004214557A (en) 2003-01-08 2003-01-08 Semiconductor device having trench structure and manufacturing method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004214557A true JP2004214557A (en) 2004-07-29

Family

ID=32820174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003002413A Pending JP2004214557A (en) 2003-01-08 2003-01-08 Semiconductor device having trench structure and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004214557A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008124309A (en) * 2006-11-14 2008-05-29 Toyota Motor Corp Semiconductor device and its manufacturing method
CN111527372A (en) * 2017-10-10 2020-08-11 斯特凡Tto有限公司 Detection of fields

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008124309A (en) * 2006-11-14 2008-05-29 Toyota Motor Corp Semiconductor device and its manufacturing method
CN111527372A (en) * 2017-10-10 2020-08-11 斯特凡Tto有限公司 Detection of fields

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9653599B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
CN102163621B (en) The method of semiconductor device and manufacture semiconductor device
US6452231B1 (en) Semiconductor device
US7714383B2 (en) Semiconductor device
JP3721172B2 (en) Semiconductor device
JP3506676B2 (en) Semiconductor device
WO2007069571A1 (en) Trench structure semiconductor device
JP6415749B2 (en) Silicon carbide semiconductor device
JP2001284584A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP6198292B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP2011124464A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
KR100883795B1 (en) Symmetric trench mosfet device and method of making same
JP2023060154A (en) Semiconductor device
JP2009088199A (en) Semiconductor device
JP2002164541A (en) Semiconductor device and its fabricating method
JP2011243915A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
US20020060339A1 (en) Semiconductor device having field effect transistor with buried gate electrode surely overlapped with source region and process for fabrication thereof
JP2007173379A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6681238B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
JP7090073B2 (en) Semiconductor device
JP4171286B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2005101334A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP3354127B2 (en) High voltage element and method of manufacturing the same
JP4177229B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5520024B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof