JP2006080551A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power semiconductor device capable of simplifying a gate control circuit and having an excellent on-property and a characteristic of reducing stationary loss. <P>SOLUTION: A semiconductor device having pnpn diode is formed by sequentially laminating p<SP>+</SP>collector region 1, n-type buffer region 3, n<SP>-</SP>region 5, p-type base region 41, and n<SP>+</SP>cathode region 7. Trenches 9 penetrating the n<SP>+</SP>cathode region 7 from the surface of the n<SP>+</SP>cathode region 7 and reaching the n<SP>-</SP>region 5 are formed so as to have a part of running in parallel to each other. The n<SP>+</SP>cathode region 7 is formed on the whole surface between the parallel trenches 9. Gate electrode layers 13 are formed inside the trenches 9. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、自己消孤機能を有する縦型の電力用半導体装置およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a vertical power semiconductor device having a self-extinguishing function and a method for manufacturing the same.

まず、従来の半導体装置について説明する。
図97は、第1の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図97を参照して、第1の従来例は、SITh(Static Induction Thyristor)を有する例を示している。このSIThは、pinダイオード部と、p型ゲート領域307と、ゲート電極層309と、カソード電極311と、アノード電極313とを有している。
First, a conventional semiconductor device will be described.
FIG. 97 is a cross sectional view schematically showing a configuration of the semiconductor device in the first conventional example. Referring to FIG. 97, the first conventional example shows an example having SITh (Static Induction Thyristor). This SITh has a pin diode portion, a p-type gate region 307, a gate electrode layer 309, a cathode electrode 311 and an anode electrode 313.

pinダイオード部は、p+ アノード領域301、n- 領域303およびカソード領域(n+ エミッタ領域)305の積層構造よりなっている。p型ゲート領域307は、n-領域303内に形成されている。ゲート電極309は、p型ゲート領域307に電気的に接続されている。カソード電極311はカソード領域305に、アノード電極313はp+アノード領域301に各々電気的に接続されている。 The pin diode portion has a stacked structure of a p + anode region 301, an n region 303, and a cathode region (n + emitter region) 305. The p-type gate region 307 is formed in the n region 303. The gate electrode 309 is electrically connected to the p-type gate region 307. The cathode electrode 311 is electrically connected to the cathode region 305, and the anode electrode 313 is electrically connected to the p + anode region 301.

上記のSIThはゲート電極309に印加するゲート電圧を正にすることで主電流導通状態を実現することができる。このとき電流は、p+ アノード領域301からカソード領域305側へpinダイオードを通じて流れる。 The above SITh can realize the main current conduction state by making the gate voltage applied to the gate electrode 309 positive. At this time, current flows from the p + anode region 301 to the cathode region 305 side through the pin diode.

図98は、第2の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図98を参照して、第2の従来例は、GTO(Gate Turn-Off )サイリスタの例を示している。このGTOサイリスタは、p+ アノード領域351と、n-領域353と、pベース領域355と、カソード領域357と、ゲート電極359と、カソード電極361と、アノード電極363とを有している。 FIG. 98 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device in the second conventional example. Referring to FIG. 98, the second conventional example shows an example of a GTO (Gate Turn-Off) thyristor. This GTO thyristor includes a p + anode region 351, an n region 353, a p base region 355, a cathode region 357, a gate electrode 359, a cathode electrode 361, and an anode electrode 363.

+ アノード領域351とn-領域353とpベース領域355とカソード領域357とは順次積層されている。p型ベース領域355には、ゲート電極359が電気的に接続されている。またカソード電極361はカソード領域357に、アノード電極363はp+アノード領域351に各々電気的に接続されている。 The p + anode region 351, the n region 353, the p base region 355, and the cathode region 357 are sequentially stacked. A gate electrode 359 is electrically connected to the p-type base region 355. The cathode electrode 361 is electrically connected to the cathode region 357, and the anode electrode 363 is electrically connected to the p + anode region 351.

このGTOサイリスタでも、ゲート電圧を正にすることで主電流導通状態を実現することができる。ゲート電圧を正にすると、電流はp+ コレクタ領域351からカソード領域357側へpnpnダイオードを通じて流れる。 Even in this GTO thyristor, the main current conduction state can be realized by making the gate voltage positive. When the gate voltage is positive, current flows from the p + collector region 351 to the cathode region 357 side through the pnpn diode.

上述した第1および第2の従来例の双方とも、ゲート電極に負の電圧を与えることで主電流遮断状態を実現することができる。ゲート電極309、359に負の電圧を印加すると、素子内に残っている少数キャリア(正孔)がゲート電極309、359から引抜かれる。これにより主電流が遮断される。   In both the first and second conventional examples described above, the main current cutoff state can be realized by applying a negative voltage to the gate electrode. When a negative voltage is applied to the gate electrodes 309 and 359, minority carriers (holes) remaining in the element are extracted from the gate electrodes 309 and 359. As a result, the main current is cut off.

図99は、第3の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図99を参照して、第3の従来例は、トレンチIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor )の例を示している。このトレンチIGBTは、p+コレクタ領域101と、n+ バッファ領域103と、n- 領域105と、p型ベース領域107と、n+エミッタ領域109と、p+ コンタクト領域111と、ゲート酸化膜115と、ゲート電極層117と、カソード電極(エミッタ)121と、アノード電極(コレクタ)123とを有している。 FIG. 99 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device in the third conventional example. Referring to FIG. 99, the third conventional example shows an example of a trench IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). The trench IGBT includes a p + collector region 101, an n + buffer region 103, an n region 105, a p-type base region 107, an n + emitter region 109, a p + contact region 111, and a gate oxide film 115. A gate electrode layer 117, a cathode electrode (emitter) 121, and an anode electrode (collector) 123.

+ コレクタ領域101上には、n+バッファ領域103を介在してn- 領域105が形成されている。n- 領域105上には、p型ベース領域107を介在して、n+エミッタ領域109とp+ コンタクト領域111とが互いに隣接するように形成されている。このn+ エミッタ領域109が形成された表面には、溝413が設けられている。 An n region 105 is formed on p + collector region 101 with n + buffer region 103 interposed. On n region 105, n + emitter region 109 and p + contact region 111 are formed adjacent to each other with p-type base region 107 interposed. A groove 413 is provided on the surface where the n + emitter region 109 is formed.

この溝413は、n+ エミッタ領域109とp型ベース領域107とを貫通してn- 領域105に達している。溝413の表面からの深さTPは、3〜5μmである。 The groove 413 penetrates through the n + emitter region 109 and the p-type base region 107 and reaches the n region 105. The depth T P from the surface of the groove 413 is 3 to 5 μm.

この溝413の内壁面に沿ってゲート酸化膜115が形成されている。この溝413を埋込み、かつ上端が溝413内から突出するようにゲート電極層117が形成されている。このゲート電極層117は、ゲート酸化膜115を介在してn+ エミッタ領域109、p型ベース領域107およびn-領域105に対向している。 A gate oxide film 115 is formed along the inner wall surface of the groove 413. A gate electrode layer 117 is formed so as to fill the groove 413 and to protrude from the inside of the groove 413. Gate electrode layer 117 is opposed to n + emitter region 109, p-type base region 107 and n region 105 with gate oxide film 115 interposed therebetween.

ゲート電極層117の上端を覆うように層間絶縁層119が形成されている。この層間絶縁層には、n+ エミッタ領域109とp+ コンタクト領域111との表面を露出する開口部が設けられている。この開口部を通じてn+エミッタ領域109とp+ コンタクト領域111とに電気的に接続するようにカソード電極(エミッタ)121が形成されている。また、p+コレクタ領域101に電気的に接続するようにアノード電極(コレクタ)123が形成されている。 An interlayer insulating layer 119 is formed so as to cover the upper end of the gate electrode layer 117. The interlayer insulating layer is provided with an opening that exposes the surfaces of the n + emitter region 109 and the p + contact region 111. A cathode electrode (emitter) 121 is formed so as to be electrically connected to n + emitter region 109 and p + contact region 111 through this opening. An anode electrode (collector) 123 is formed so as to be electrically connected to the p + collector region 101.

以降、半導体基板のカソード電極121が形成される面をカソード面もしくは第1主面と称し、アノード電極123が形成される面をアノード面もしくは第2主面と称することとする。   Hereinafter, the surface of the semiconductor substrate on which the cathode electrode 121 is formed is referred to as a cathode surface or a first main surface, and the surface on which the anode electrode 123 is formed is referred to as an anode surface or a second main surface.

ゲート電極層117が溝413内にゲート酸化膜115を介在して形成されたトレンチMOSゲート構造は、以下の製法により形成される。   The trench MOS gate structure in which the gate electrode layer 117 is formed in the groove 413 with the gate oxide film 115 interposed is formed by the following manufacturing method.

まず半導体基板に通常の異方性ドライエッチング技術により3〜5μm程度の比較的深い溝413が形成される。この溝413の内壁に、犠牲酸化やクリーニング処理が施される。この後、900〜1000℃程度の温度で、たとえば水蒸気雰囲気中でシリコン熱酸化膜(以下、ゲート酸化膜と呼ぶ)115が形成される。n型不純物であるリンをドープした多結晶シリコン膜やp型不純物であるホウ素をドープした多結晶シリコン膜で、溝413内が埋め込まれる。この溝413内を埋め込み、かつ溝413の少なくとも一部分よりカソード側の表面に引出すようにこのドープトポリシリコン膜がパターニングされる。このパターニングされたドープトポリシリコン膜は、カソード電極121とは絶縁した状態で、半導体装置の全体に張りめぐらされたアルミニウムなどの金属で形成されたゲート表面配線に電気的に接続される。   First, a relatively deep groove 413 of about 3 to 5 μm is formed on a semiconductor substrate by a normal anisotropic dry etching technique. Sacrificial oxidation or a cleaning process is performed on the inner wall of the groove 413. Thereafter, a silicon thermal oxide film (hereinafter referred to as a gate oxide film) 115 is formed at a temperature of about 900 to 1000 ° C., for example, in a water vapor atmosphere. The trench 413 is filled with a polycrystalline silicon film doped with phosphorus which is an n-type impurity or a polycrystalline silicon film doped with boron which is a p-type impurity. The doped polysilicon film is patterned so as to fill in the groove 413 and to be drawn out from at least a part of the groove 413 to the surface on the cathode side. The patterned doped polysilicon film is electrically connected to a gate surface wiring formed of a metal such as aluminum that is stretched over the entire semiconductor device while being insulated from the cathode electrode 121.

次に、第3の従来例における主電流導通状態と主電流遮断状態との制御方法について説明する。   Next, a method for controlling the main current conduction state and the main current cutoff state in the third conventional example will be described.

主電流導通状態(オン状態)は、カソード電極121−アノード電極123間に順バイアス、すなわちアノード電極123に正(+)電圧が、カソード電極121に負(−)電圧が印加された状態でゲート電極層117に正(+)電圧を印加することで実現する。   The main current conduction state (ON state) is a forward bias between the cathode electrode 121 and the anode electrode 123, that is, a gate with a positive (+) voltage applied to the anode electrode 123 and a negative (-) voltage applied to the cathode electrode 121. This is realized by applying a positive (+) voltage to the electrode layer 117.

まず、素子がオフ状態からオン状態へ移行するターンオン過程について以下に説明する。   First, a turn-on process in which the element shifts from an off state to an on state will be described below.

ゲート電極層117に正(+)電圧を印加すると、ゲート酸化膜115近傍のp型ベース領域107にn型反転した電子濃度の非常に高いnチャネル(反転n領域)が生成する。電流担体(以下キャリアと呼ぶ)の1つである電子が、n+ エミッタ領域109からこのnチャネルを通してn- 領域105中に注入され正(+)電圧が印加されているp+コレクタ領域101に向かって流れていく。この電子がp+ コレクタ領域101に到達すると、p+ コレクタ領域101からもう1つの電流キャリアである正孔が、n-領域105中に注入され、負(−)電圧が印加されているn+ エミッタ領域109に向かって流れていき、前述のnチャネルがn-領域105と接しているところまで到達する。この過程を蓄積(ストレージ)過程といい、この時間をストレージ時間(t storage)またはターンオン送り時間(td(on))といい、このストレージ時間中の電力損失は、後述の定常損失などと比べ小さくほとんど無視できる。 When a positive (+) voltage is applied to the gate electrode layer 117, an n-type inverted n-channel (inverted n region) that is n-type inverted is generated in the p-type base region 107 in the vicinity of the gate oxide film 115. Electrons which are one of current carriers (hereinafter referred to as carriers) are injected into the n region 105 from the n + emitter region 109 through the n channel and applied to the p + collector region 101 to which a positive (+) voltage is applied. It flows toward you. When these electrons reach the p + collector region 101, holes from the p + collector region 101 is another current carrier, n - is injected into the region 105, the negative (-) voltage is applied to n + It flows toward the emitter region 109 and reaches the point where the aforementioned n channel is in contact with the n region 105. This process is called the accumulation (storage) process, and this time is called the storage time (t storage ) or turn-on feed time (td ( on )). The power loss during this storage time is small compared to the steady loss described later. Almost negligible.

その後、アノード電極123とカソード電極121とから、両電極間に印加されている電位差に応じて、十分な電流担体がn- 領域105中に半導体基板濃度(1×1012〜1×1015cm-3)より2ないし3桁多く蓄積される。これにより、電子−正孔対により導電率変調と呼ばれる低抵抗状態が出現し、ターンオンが完了する。この過程を、ライズ過程といい、この時間をライズ時間(t rise)といい、この時間中の電力損失は、後述の定常損失などと同程度以上に大きく全損失を四分する。 Thereafter, from anode electrode 123 and cathode electrode 121. In response to potential difference applied between the electrodes, sufficient current carriers the n - semiconductor substrate concentrations in the area 105 (1 × 10 12 ~1 × 10 15 cm -3 ) 2 to 3 digits more than that. Thereby, a low resistance state called conductivity modulation appears due to the electron-hole pair, and the turn-on is completed. This process is called a rise process, and this time is called a rise time (t rise ), and the power loss during this time is more than the same as the steady loss described later, and the total loss is divided into four.

このターンオン完了後の定常状態をオン状態といい、この状態でのオン抵抗によって発生する順方向電圧降下(実効的には両電極間電位差)と通電電流との積で表わされる電力損失をオン損失または定常損失という。   The steady state after completion of this turn-on is called the on-state, and the power loss represented by the product of the forward voltage drop (effectively the potential difference between the two electrodes) generated by the on-resistance in this state and the conduction current is the on-loss. Or it is called steady loss.

なお、ゲート電極層117に正の電圧が印加されると、図100に示すよう溝113の側壁に沿って電子密度の高いn+ 蓄積領域425aが形成される。 When a positive voltage is applied to the gate electrode layer 117, an n + accumulation region 425a having a high electron density is formed along the sidewall of the trench 113 as shown in FIG.

主電流遮断状態(オフ状態)は、アノード電極123−カソード電極121間に順バイアスが印加されたままの状態でも、ゲート電極層117に負(−)電圧を印加することで実現する。   The main current cutoff state (off state) is realized by applying a negative (−) voltage to the gate electrode layer 117 even when a forward bias is applied between the anode electrode 123 and the cathode electrode 121.

次に、素子がオン状態からオフ状態へと移行するターンオフ過程について以下に説明する。   Next, a turn-off process in which the element shifts from the on state to the off state will be described below.

ゲート電極層117に負(−)電圧を印加すると、ゲート電極層117の側面に形成されていたnチャネル(反転n領域)が消失し、n+ エミッタ領域109からn- 領域105中への電子供給が止まる。ここまでの過程を、蓄積(ストレージ)過程といい、これに要する時間を蓄積(ストレージ)時間(ts)またはターンオフ遅れ時間(td(off))という。また、この時間中の電力損失は、先のターンオン損失および定常損失に比べて小さくほとんど無視できる。 When a negative (−) voltage is applied to the gate electrode layer 117, the n channel (inversion n region) formed on the side surface of the gate electrode layer 117 disappears, and electrons from the n + emitter region 109 to the n region 105 disappear. Supply stops. The process so far is called an accumulation (storage) process, and the time required for this process is called an accumulation (storage) time (ts) or a turn-off delay time (td ( off )). Also, the power loss during this time is small compared to the previous turn-on loss and steady loss, and can be almost ignored.

さらに、電子密度の減少に伴い、n- 領域105中に注入されていた電子濃度がn+ エミッタ領域109近傍から徐々に減少し始める。電荷中性条件を保つために、n-領域105中に注入されていた正孔も減少し始め、p型ベース領域107とn- 領域105が逆バイアスされる。このため、p型ベース領域107とn-領域105との界面で空乏層が広がり始め、両電極間のオフ状態での印加電圧に応じた厚みに至る。ここまでの過程を、フォール過程といい、これに要する時間をフォール時間(tf)という。また、この時間中の電力損失は、先のターンオン損失および定常損失と同程度以上に大きく全損失を四分する。 Further, as the electron density decreases, the electron concentration injected into the n region 105 starts to gradually decrease from the vicinity of the n + emitter region 109. In order to maintain the charge neutral condition, the holes injected into the n region 105 also start to decrease, and the p-type base region 107 and the n region 105 are reverse-biased. For this reason, a depletion layer starts to spread at the interface between the p-type base region 107 and the n region 105, and reaches a thickness corresponding to the applied voltage in the off state between both electrodes. The process so far is called the fall process, and the time required for this is called the fall time (tf). In addition, the power loss during this time is larger than the previous turn-on loss and steady loss, and the total loss is divided into four.

さらに、前述の空乏化領域の外(p+ コレクタ領域101より)の、両キャリアが残っている電気的に中性の領域の正孔が、空乏化領域を通過し、p+ コンタクト領域111を通ってエミッタ電極121へ抜けきり、キャリアがすべて消滅し、ターンオフが完了する。この過程をテール過程といい、この時間をテール時間(t tail)といい、このテール時間中の電力損失をテール損失といい、先のターンオン損失、フォール時間中の損失および定常損失と同程度以上に大きく全損失を四分する。 Further, holes in the electrically neutral region where both carriers remain outside the depletion region (from the p + collector region 101) pass through the depletion region and pass through the p + contact region 111. Passing through to the emitter electrode 121, all carriers disappear, and turn-off is completed. This process is called the tail process, this time is called the tail time (t tail ), the power loss during this tail time is called the tail loss, and is equal to or greater than the previous turn-on loss, loss during the fall time, and steady loss. The total loss is divided into four.

このターンオフ完了後の定常状態をオフ状態といい、この状態でのリーク電流と両極間電圧の積によって発生する電力損失をオフ損失というが、通常他の電力損失に比べて小さく無視できる程度である。
特開平5−243561号公報
The steady state after this turn-off is completed is called the off state, and the power loss caused by the product of the leakage current and the voltage between both electrodes in this state is called the off loss, but it is usually negligible compared to other power losses. .
JP-A-5-243561

上記の第1および第2の従来例は、主電流遮断状態にするためにゲート電極309、359から少数キャリアを引抜く電流制御型の素子である。このため、ターンオフ時には、主電流の数割もの電流をゲート電極から引抜く必要がある。比較的大きな電流を引抜く場合、配線のインダクタンス等によって発生するサージ電圧が大きくなると同時に電流による発熱などを考慮しなければならない。よって、ゲート電圧を制御する回路にサージ電圧や過電流に対する保護回路を設ける必要がある。したがって、ゲート制御回路が複雑になるという問題点があった。また、発熱により制御回路が熱破壊したり熱暴走する場合があるので、冷却機構を設けねばならず、装置が大型化する問題があった。   The first and second conventional examples are current control type elements that draw minority carriers from the gate electrodes 309 and 359 in order to set the main current cut-off state. For this reason, at the time of turn-off, it is necessary to draw several tens of percent of the main current from the gate electrode. When a relatively large current is drawn, the surge voltage generated by the wiring inductance or the like becomes large, and at the same time, heat generation due to the current must be considered. Therefore, it is necessary to provide a protection circuit against surge voltage and overcurrent in the circuit that controls the gate voltage. Therefore, there is a problem that the gate control circuit becomes complicated. In addition, since the control circuit may be thermally destroyed or run away due to heat generation, a cooling mechanism must be provided, resulting in a problem that the apparatus becomes large.

これらの問題点を解決する半導体装置が特開平5−243561号公報に開示されている。以下、この公報に開示された半導体装置を第4の従来例として以下に説明する。   A semiconductor device that solves these problems is disclosed in JP-A-5-243561. The semiconductor device disclosed in this publication will be described below as a fourth conventional example.

図101は、第4の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図102と図103とは、図101のP−P′線とQ−Q′線とに沿う各断面図である。   FIG. 101 is a plan view schematically showing the configuration of the semiconductor device in the fourth conventional example. FIGS. 102 and 103 are respectively taken along lines P-P 'and Q-Q' in FIG. It is sectional drawing.

図101〜図103を参照して、第4の従来例は、静電誘導サイリスタの例を示している。高抵抗のn型ベース層501の一方の面にn型バッファ層502を介してp型エミッタ層503が形成されている。n型ベース層501の他方の面には複数本の溝505が微小間隔をもって形成されている。これらの溝505の内部には、ゲート酸化膜506を介してゲート電極507が埋込み形成されている。各溝505の間の領域には、1本おきにn型ターンオフチャネル層508が形成されており、このターンオフチャネル層508の表面にはp型ドレイン層509が形成されている。またp型ドレイン層509に挟まれる表面部にはn型ソース層510が形成されている。   101 to 103, the fourth conventional example shows an example of an electrostatic induction thyristor. A p-type emitter layer 503 is formed on one surface of the high-resistance n-type base layer 501 with an n-type buffer layer 502 interposed therebetween. A plurality of grooves 505 are formed on the other surface of the n-type base layer 501 with minute intervals. A gate electrode 507 is embedded in these trenches 505 with a gate oxide film 506 interposed therebetween. An n-type turn-off channel layer 508 is formed in every other region between the trenches 505, and a p-type drain layer 509 is formed on the surface of the turn-off channel layer 508. Further, an n-type source layer 510 is formed on the surface portion sandwiched between the p-type drain layers 509.

このp型ドレイン層509とn型ソース層510とに電気的に接続するようにカソード電極511が形成されている。またp型エミッタ層503と電気的に接続するようにアノード電極512が形成されている。   A cathode electrode 511 is formed so as to be electrically connected to the p-type drain layer 509 and the n-type source layer 510. An anode electrode 512 is formed so as to be electrically connected to the p-type emitter layer 503.

この第4の従来例では、ゲート電極507に正の電圧を印加して、溝505に挟まれたn型ベース層501の電位を上げると、n型ソース層510から電子が注入されて、素子はターンオンする。一方、ゲート電極層507に負の電圧を印加すると、n型ターンオフチャネル層508の溝側面にp型チャネルが形成されて、n型ベース層501のキャリアがp型ドレイン層509を介してカソード電極511に排出されるようになり、素子はターンオフする。   In the fourth conventional example, when a positive voltage is applied to the gate electrode 507 to increase the potential of the n-type base layer 501 sandwiched between the grooves 505, electrons are injected from the n-type source layer 510, and the element Turns on. On the other hand, when a negative voltage is applied to the gate electrode layer 507, a p-type channel is formed on the side surface of the groove of the n-type turn-off channel layer 508, and the carrier of the n-type base layer 501 passes through the p-type drain layer 509 to the cathode electrode. 511 is discharged and the device is turned off.

この第4の従来例では、ゲート電極507が絶縁ゲート構造を有している。このため、この第4の従来例は、ゲート電極507が基板から直接電流を引抜く電流制御型ではなく、ゲート電極に与える電圧(ゲート電圧)により制御を行なう、いわゆる電圧制御型である。   In the fourth conventional example, the gate electrode 507 has an insulated gate structure. Therefore, the fourth conventional example is not a current control type in which the gate electrode 507 directly draws a current from the substrate, but a so-called voltage control type in which control is performed by a voltage (gate voltage) applied to the gate electrode.

第4の従来例では、このように電圧制御としたため、ターンオフ動作時にゲート電極層507から大電流を引抜く必要はない。このため、大電流引抜きの際のサージ電圧や発熱を考慮して保護回路や冷却機構を設ける必要はない。よって、第4の従来例は、ゲート制御回路を簡略化できるという利点を有する。   In the fourth conventional example, since voltage control is performed in this way, it is not necessary to draw a large current from the gate electrode layer 507 during the turn-off operation. For this reason, it is not necessary to provide a protection circuit or a cooling mechanism in consideration of surge voltage and heat generation at the time of drawing a large current. Therefore, the fourth conventional example has an advantage that the gate control circuit can be simplified.

しかし、第4の従来例では、図101に示すように並走する溝507に挟まれる表面領域には、p型ドレイン層509とn型ソース層510とが隣り合って併存している。このp型ドレイン層509は、電子に対して電位障壁を持つため、カソード電極511から入る電子電流はn型ソース層510部分のみを流れることになる。したがって、部分的に電流密度が増加するなどの阻害要因があり、オン特性が悪化するという問題点があった。   However, in the fourth conventional example, as shown in FIG. 101, the p-type drain layer 509 and the n-type source layer 510 are adjacent to each other in the surface region sandwiched between the grooves 507 running side by side. Since the p-type drain layer 509 has a potential barrier against electrons, the electron current entering from the cathode electrode 511 flows only through the n-type source layer 510 portion. Therefore, there is a problem that the on-characteristics are deteriorated due to an inhibiting factor such as a partial increase in current density.

それゆえ、本発明の一の目的は、ゲート制御回路を簡略化できるとともに、良好なオン特性および定常損失を低減するという特徴を持った電力用半導体装置を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a power semiconductor device that can simplify a gate control circuit and has a feature of reducing good on-state characteristics and steady loss.

また図99に示す第3の従来例では、順方向電圧降下Vfを向上できないため、半導体装置の消費電力が大きくなるという問題点があった。以下、そのことについて詳細に説明する。   Further, the third conventional example shown in FIG. 99 has a problem that the power consumption of the semiconductor device increases because the forward voltage drop Vf cannot be improved. This will be described in detail below.

IGBTの基本特性であるON電圧(ダイオードの順方向電圧降下Vf)を向上させる方法の1つとして、カソード側の電子の注入効率を向上させる方法がある。この電子の注入効率を向上させるには、カソード側の不純物濃度を増加させるか、もしくは有効カソード面積を増加させることが必要である。ここで言う有効カソード面積とは、図100におけるn+ エミッタ領域109および蓄積領域425aからなるn+領域(有効カソード領域)がp型ベース領域107およびn- 領域105と接触する部分(図中太線で示す)の面積を言う。 One of the methods for improving the ON voltage (diode forward voltage drop Vf), which is a basic characteristic of the IGBT, is to improve the electron injection efficiency on the cathode side. In order to improve the electron injection efficiency, it is necessary to increase the impurity concentration on the cathode side or increase the effective cathode area. The effective cathode area referred to here is a portion where the n + region (effective cathode region) composed of the n + emitter region 109 and the storage region 425a in FIG. 100 is in contact with the p-type base region 107 and the n region 105 (the bold line in the figure). Area).

第3の従来例では、溝413の深さは上述したように3〜5μmであった。このため、ゲート電極層に正の電圧を印加したときに溝113の周囲に生じる蓄積層の広がりが制約される。よって、有効カソード面積を大きく確保できないため、カソード側の電子の注入効率を向上することができず、IGBTのON電圧を低減することができない。   In the third conventional example, the depth of the groove 413 was 3 to 5 μm as described above. For this reason, when the positive voltage is applied to the gate electrode layer, the spread of the accumulation layer generated around the trench 113 is restricted. Therefore, since a large effective cathode area cannot be secured, the electron injection efficiency on the cathode side cannot be improved, and the ON voltage of the IGBT cannot be reduced.

それゆえ本発明の他の目的は、ゲート制御回路を簡略化できるとともに、低い順方向電圧降下Vfおよび低い定常損失を有する電力用半導体装置を提供することである。   Therefore, another object of the present invention is to provide a power semiconductor device that can simplify the gate control circuit and has a low forward voltage drop Vf and a low steady-state loss.

本発明の1の局面に従う半導体装置は、真正もしくは第1導電型の半導体基板を挟んで両主面の間で主電流が流れるダイオード構造を含む半導体装置であって、第1導電型の第1不純物領域と、第2導電型の第2不純物領域と、制御電極層と、第1電極層と、第2電極層とを備えている。第1導電型の第1不純物領域は、半導体基板の第1主面に形成され、半導体基板の濃度より高い不純物濃度を有している。第2導電型の第2不純物領域は、半導体基板の第2主面に形成され、第1不純物領域との間で半導体基板の低不純物濃度領域を挟んでいる。半導体基板は、並走する複数の溝を第1主面に有し、溝の各々は第1主面から第1不純物領域を貫通して半導体基板の低不純物濃度領域に達するように形成されている。複数の溝は、第1および第2の溝を有する。第1不純物領域は、第1の溝と第2の溝とに挟まれる半導体基板の第1主面全面に形成されている。制御電極層は、溝内において絶縁膜を介在して第1不純物領域および半導体基板の低不純物濃度領域と対向するように形成されている。第1電極層は、半導体基板の第1主面上に形成され、第1不純物領域に電気的に接続されている。第2電極層は、半導体基板の第2主面上に形成され、第2不純物領域に電気的に接続されている。   A semiconductor device according to one aspect of the present invention is a semiconductor device including a diode structure in which a main current flows between both main surfaces across a genuine or first conductivity type semiconductor substrate, and the first conductivity type first. An impurity region, a second conductivity type second impurity region, a control electrode layer, a first electrode layer, and a second electrode layer are provided. The first impurity region of the first conductivity type is formed on the first main surface of the semiconductor substrate and has an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate. The second impurity region of the second conductivity type is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and sandwiches the low impurity concentration region of the semiconductor substrate with the first impurity region. The semiconductor substrate has a plurality of parallel grooves on the first main surface, and each of the grooves penetrates the first impurity region from the first main surface to reach the low impurity concentration region of the semiconductor substrate. Yes. The plurality of grooves have first and second grooves. The first impurity region is formed on the entire first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the first groove and the second groove. The control electrode layer is formed in the trench so as to face the first impurity region and the low impurity concentration region of the semiconductor substrate with an insulating film interposed therebetween. The first electrode layer is formed on the first main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the first impurity region. The second electrode layer is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the second impurity region.

本発明の1の局面に従う半導体装置では、制御電極層は絶縁膜を介在して第1不純物領域および半導体基板の低不純物濃度領域と対向している。つまり、ゲート制御方式が電圧制御型である。このため、そのターンオフ動作時に制御電極から大電流を引抜く必要はない。よって、大電流が流れるときに生じるサージ電圧や発熱を考慮して保護回路や冷却機構をゲート制御回路に設ける必要はない。したがって、第1および第2の従来例に比較して、ゲート制御回路の簡略化を図ることができる。   In the semiconductor device according to one aspect of the present invention, the control electrode layer is opposed to the first impurity region and the low impurity concentration region of the semiconductor substrate with an insulating film interposed therebetween. That is, the gate control method is a voltage control type. For this reason, it is not necessary to draw a large current from the control electrode during the turn-off operation. Therefore, it is not necessary to provide a protection circuit or a cooling mechanism in the gate control circuit in consideration of a surge voltage and heat generated when a large current flows. Therefore, the gate control circuit can be simplified as compared with the first and second conventional examples.

またこの素子はバイポーラデバイスである。このバイポーラデバイスでは、正孔と電子との双方が動作に寄与する。このため、高耐圧化に対応して基板の厚みが厚くなり、オン状態での電流経路が長くなっても、正孔と電子とにより導電率の変調が生じるので、抵抗は低く維持される。したがって、電力損失が低減でき、発熱量も少なくできる。   This element is a bipolar device. In this bipolar device, both holes and electrons contribute to the operation. For this reason, even if the thickness of the substrate increases corresponding to the increase in breakdown voltage and the current path in the ON state becomes longer, the conductivity is modulated by holes and electrons, so that the resistance is kept low. Therefore, power loss can be reduced and the amount of heat generated can be reduced.

また、制御電極層は、第1不純物領域および半導体基板の低不純物濃度領域と対向している。このため、制御電極層に電圧を印加することで、制御電極層が埋込まれた溝付近の半導体基板の低不純物濃度領域を第1不純物領域と同程度の高電子密度状態のチャネルにすることができる。これにより、溝付近のチャネル領域を第1不純物領域とみなすことができ、第1不純物領域が拡大されたような状態となる。この第1不純物領域が拡大されると、半導体基板の低不純物濃度領域と拡大された第1不純物領域との接触面積、いわゆる有効カソード面積が増加する。これにより、カソード側の電子の注入効率が向上し、ダイオードの順方向電圧降下Vfが低減できる。   The control electrode layer faces the first impurity region and the low impurity concentration region of the semiconductor substrate. Therefore, by applying a voltage to the control electrode layer, the low impurity concentration region of the semiconductor substrate in the vicinity of the trench in which the control electrode layer is buried is made a channel having a high electron density state comparable to that of the first impurity region Can do. As a result, the channel region near the trench can be regarded as the first impurity region, and the first impurity region is expanded. When the first impurity region is enlarged, the contact area between the low impurity concentration region of the semiconductor substrate and the enlarged first impurity region, so-called effective cathode area, increases. Thereby, the electron injection efficiency on the cathode side is improved, and the forward voltage drop Vf of the diode can be reduced.

また溝間に挟まれる半導体基板の第1主面に第1不純物領域のみが形成されている。このため、上記溝間において第1主面に互いに異なる導電型の不純物領域が併存する場合に比べて、カソード側から入る電子電流は、溝間に挟まれる半導体基板の第1主面に均等に流れる。よって、部分的に電流密度が増加するなどの阻害要因はなく、良好なオン特性が得られる。   Only the first impurity region is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the grooves. Therefore, compared to the case where impurity regions of different conductivity types coexist on the first main surface between the grooves, the electron current entering from the cathode side is evenly applied to the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the grooves. Flowing. Therefore, there are no obstruction factors such as a partial increase in current density, and good on-characteristics can be obtained.

上記局面において好ましくは、複数の溝は、互いに並走する第1、第2および第3の溝を有している。第2および第3の溝に挟まれる半導体基板の第1主面には、第2導電型の第3不純物領域が形成されている。第3不純物領域は、溝より浅く形成されており、第1電極層と電気的に接続されている。   Preferably, in the above aspect, the plurality of grooves have first, second, and third grooves that run parallel to each other. A third impurity region of the second conductivity type is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves. The third impurity region is formed shallower than the groove, and is electrically connected to the first electrode layer.

半導体基板の第1主面において第3不純物領域が溝を介在して第1不純物領域と隣り合うように設けられている。また、この第3不純物領域は第1不純物領域とは異なる導電型を有している。このため、素子のターンオフ時には、この第3不純物領域から正孔が引抜かれる。よって素子のターンオフ速度を向上させ、ターンオフ損失を低減することができる。   A third impurity region is provided on the first main surface of the semiconductor substrate so as to be adjacent to the first impurity region with a groove interposed therebetween. The third impurity region has a conductivity type different from that of the first impurity region. For this reason, when the element is turned off, holes are extracted from the third impurity region. Therefore, the turn-off speed of the element can be improved and the turn-off loss can be reduced.

この第3不純物領域は、半導体基板の第1主面に溝を介在して第1不純物領域と隣り合うように設けられている。このため、この第3不純物領域と第1不純物領域との存在の割合を調整することで、所望のターンオフ速度および順方向電圧降下Vfを選ぶことができる。   The third impurity region is provided adjacent to the first impurity region with a groove interposed in the first main surface of the semiconductor substrate. Therefore, a desired turn-off speed and forward voltage drop Vf can be selected by adjusting the ratio of the presence of the third impurity region and the first impurity region.

本発明の他の局面に従う半導体装置は、真正もしくは第1導電型の半導体基板を挟んで両主面の間を主電流が流れるpnpn構造を含む半導体装置であって、第1導電型の第1不純物領域と、第2導電型の第2不純物領域と、第2導電型の第3不純物領域と、制御電極層と、第1電極層と、第2電極層とを備えている。第1導電型の第1不純物領域は、半導体基板の第1主面に形成されている。第2導電型の第2不純物領域は、半導体基板の第2主面に形成されている。第2導電型の第3不純物領域は、第1不純物領域の下部に、第2不純物領域との間で半導体基板の領域を挟むように形成されている。半導体基板は、並走する複数の溝を第1主面に有し、溝の各々は第1主面から第1および第3不純物領域を貫通して半導体基板の領域内に達するよう形成されている。複数の溝は、第1および第2の溝を有する。第1不純物領域は、第1の溝と第2の溝とに挟まれる半導体基板の第1主面全面に形成されている。制御電極層は、溝内において絶縁膜を介在して、第1および第3不純物領域および半導体基板の領域と対向するように形成されている。第1電極層は、半導体基板の第1主面上に形成され、第1不純物領域に電気的に接続されている。第2電極層は、半導体基板の第2主面上に形成され、第2不純物領域に電気的に接続されている。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention is a semiconductor device including a pnpn structure in which a main current flows between both main surfaces with a genuine or first conductivity type semiconductor substrate interposed therebetween. An impurity region, a second conductivity type second impurity region, a second conductivity type third impurity region, a control electrode layer, a first electrode layer, and a second electrode layer are provided. The first impurity region of the first conductivity type is formed on the first main surface of the semiconductor substrate. The second impurity region of the second conductivity type is formed on the second main surface of the semiconductor substrate. The third impurity region of the second conductivity type is formed below the first impurity region so as to sandwich the region of the semiconductor substrate with the second impurity region. The semiconductor substrate has a plurality of grooves running in parallel on the first main surface, and each of the grooves penetrates the first and third impurity regions from the first main surface and reaches the region of the semiconductor substrate. Yes. The plurality of grooves have first and second grooves. The first impurity region is formed on the entire first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the first groove and the second groove. The control electrode layer is formed so as to face the first and third impurity regions and the semiconductor substrate region with an insulating film interposed in the trench. The first electrode layer is formed on the first main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the first impurity region. The second electrode layer is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the second impurity region.

本発明の他の局面に従う半導体装置では、制御電極層は絶縁膜を介在して第1および第3不純物領域および半導体基板の領域と対向している。つまり、ゲート制御方式が電圧制御型である。このため、ターンオフ動作時に制御電極層から大電流を引抜く必要はない。よって、大電流が流れるときに生ずるサージ電圧や発熱を考慮して保護回路や冷却機構をゲート制御回路に設ける必要はない。したがって、第1および第2の従来例に比較してゲート制御回路の簡略化を図ることができる。   In the semiconductor device according to another aspect of the present invention, the control electrode layer is opposed to the first and third impurity regions and the region of the semiconductor substrate with an insulating film interposed therebetween. That is, the gate control method is a voltage control type. For this reason, it is not necessary to draw a large current from the control electrode layer during the turn-off operation. Therefore, it is not necessary to provide a protection circuit or a cooling mechanism in the gate control circuit in consideration of a surge voltage or heat generated when a large current flows. Therefore, the gate control circuit can be simplified as compared with the first and second conventional examples.

またこの素子はバイポーラデバイスである。このバイポーラデバイスでは、正孔と電子との双方が動作に寄与する。このため、高耐圧化に対応して基板の厚みが厚くなり、オン状態の電流経路が長くなっても、正孔と電子とにより導電率の変調が生じる。よって、オン抵抗が低く維持される。したがって、定常損失の増大を抑制することができ、発熱量も少なくできる。   This element is a bipolar device. In this bipolar device, both holes and electrons contribute to the operation. For this reason, even if the thickness of the substrate increases corresponding to the increase in breakdown voltage, and the on-state current path becomes longer, the conductivity is modulated by holes and electrons. Therefore, the on-resistance is kept low. Therefore, an increase in steady loss can be suppressed and the amount of generated heat can be reduced.

また溝間に挟まれる半導体基板の第1主面に第1不純物領域のみが形成されている。このため、かかる第1主面に互いに異なる導電型の不純物領域が併存する場合に比べて、カソード側から入る電子電流は、溝間に挟まれる半導体基板の第1主面に均等に流れる。よって、部分的に電流密度が増加するなどの阻害要因はなく、良好なオン特性が得られる。   Only the first impurity region is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the grooves. For this reason, compared to the case where impurity regions of different conductivity types coexist on the first main surface, the electron current entering from the cathode side flows evenly on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the grooves. Therefore, there are no obstruction factors such as a partial increase in current density, and good on-characteristics can be obtained.

上記局面において好ましくは、複数の溝は、互いに並走する第1、第2および第3の溝を有している。第2および第3の溝に挟まれる半導体基板の第1主面には、第2導電型の第4不純物領域が形成されている。第4不純物領域は、溝より浅く形成されており、第1電極層と電気的に接続されている。   Preferably, in the above aspect, the plurality of grooves have first, second, and third grooves that run parallel to each other. A second impurity region of the second conductivity type is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves. The fourth impurity region is formed shallower than the trench, and is electrically connected to the first electrode layer.

半導体基板の第1主面に第4不純物領域が溝を介在して第1不純物領域と隣り合うように設けられている。また、この第4不純物領域は第1不純物領域とは異なる導電型を有している。このため、この素子のターンオフ時には、この第4不純物領域から正孔が引抜かれる。よってこの素子のターンオフ速度を向上させ、ターンオフ損失を低減することができる。   A fourth impurity region is provided on the first main surface of the semiconductor substrate so as to be adjacent to the first impurity region with a groove interposed. The fourth impurity region has a conductivity type different from that of the first impurity region. For this reason, when the element is turned off, holes are extracted from the fourth impurity region. Therefore, the turn-off speed of this element can be improved and the turn-off loss can be reduced.

この第4不純物領域は、半導体基板の第1主面に第1不純物領域と溝を介して隣り合うように設けられている。このため、この第4不純物領域と第1不純物領域との存在の割合を調整することで、所望のターンオフ速度および順方向電圧降下Vfを選ぶことができる。   The fourth impurity region is provided on the first main surface of the semiconductor substrate so as to be adjacent to the first impurity region via a groove. Therefore, a desired turn-off speed and forward voltage drop Vf can be selected by adjusting the ratio of the presence of the fourth impurity region and the first impurity region.

本発明のさらに他の局面に従う半導体装置は、真正もしくは第1導電型の半導体基板を挟んで両主面の間で主電流が流れるダイオード構造を含む半導体装置であって、第1導電型の第1不純物領域と、第2導電型の第2不純物領域と、第2導電型の第3不純物領域と、第1導電型の第4不純物領域と、制御電極層と、第1電極層と、第2電極層とを備えている。第1導電型の第1不純物領域は、半導体基板の第1主面に形成され、半導体基板の濃度より高い不純物濃度を有している。第2導電型の第2不純物領域は、半導体基板の第2主面に形成されている。半導体基板は、第1不純物領域を挟むように形成された並走する溝を有している。第2導電型の第3不純物領域は、溝の側壁であって第1主面に形成されている。第1導電型の第4不純物領域は、第3不純物領域の直下に溝の側壁と半導体基板の領域に接するように設けられ、かつ第1不純物領域より低濃度である。制御電極層は、溝内において絶縁膜を介在して、第3および第4不純物領域および半導体基板の領域と対向するように形成されている。第1電極層は、半導体基板の第1主面上に形成され、第1および第3不純物領域に電気的に接続されている。第2電極層は、半導体基板の第2主面上に形成され、第2不純物領域に電気的に接続されている。   A semiconductor device according to still another aspect of the present invention is a semiconductor device including a diode structure in which a main current flows between both main surfaces with a genuine or first conductivity type semiconductor substrate interposed therebetween, and the first conductivity type first semiconductor device. A first impurity region, a second impurity region of a second conductivity type, a third impurity region of a second conductivity type, a fourth impurity region of a first conductivity type, a control electrode layer, a first electrode layer, 2 electrode layers. The first impurity region of the first conductivity type is formed on the first main surface of the semiconductor substrate and has an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate. The second impurity region of the second conductivity type is formed on the second main surface of the semiconductor substrate. The semiconductor substrate has a parallel groove formed so as to sandwich the first impurity region. The third impurity region of the second conductivity type is formed on the first main surface, which is the sidewall of the groove. The fourth impurity region of the first conductivity type is provided immediately below the third impurity region so as to be in contact with the side wall of the trench and the region of the semiconductor substrate, and has a lower concentration than the first impurity region. The control electrode layer is formed so as to face the third and fourth impurity regions and the semiconductor substrate region with an insulating film interposed in the trench. The first electrode layer is formed on the first main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the first and third impurity regions. The second electrode layer is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the second impurity region.

本発明のさらに他の局面に従う半導体装置では、制御電極層は、絶縁膜を介在して第3および第4不純物領域および半導体基板の領域と対向している。つまり、ゲート制御方式が電圧制御型である。このため、ターンオフ動作時に制御電極層から大電流を引抜く必要はない。よって、大電流が流れるときに生じるサージ電圧や発熱を考慮して保護回路や冷却機構をゲート制御回路に設ける必要はない。したがって、第1および第2の従来例に比較してゲート制御回路の簡略化を図ることができる。   In the semiconductor device according to still another aspect of the present invention, the control electrode layer faces the third and fourth impurity regions and the region of the semiconductor substrate with an insulating film interposed therebetween. That is, the gate control method is a voltage control type. For this reason, it is not necessary to draw a large current from the control electrode layer during the turn-off operation. Therefore, it is not necessary to provide a protection circuit or a cooling mechanism in the gate control circuit in consideration of a surge voltage and heat generated when a large current flows. Therefore, the gate control circuit can be simplified as compared with the first and second conventional examples.

またこの素子はバイポーラデバイスである。このバイポーラデバイスでは、正孔と電子との双方が動作に寄与する。このため、高耐圧化に対応して基板の厚みが厚くなり、オン状態での電流経路が長くなっても、正孔と電子とにより導電率の変調が生じる。よって、抵抗が低く維持される。したがって、発熱量も少なくでき、定常損失の増大を抑制することができる。   This element is a bipolar device. In this bipolar device, both holes and electrons contribute to the operation. For this reason, even if the thickness of the substrate increases corresponding to the increase in the withstand voltage, and the current path in the on state becomes longer, the conductivity is modulated by holes and electrons. Therefore, the resistance is kept low. Therefore, the calorific value can be reduced and an increase in steady loss can be suppressed.

また制御電極層は、第3および第4不純物領域および半導体基板の領域と対向している。このため、制御電極層に正の電圧を印加することで、制御電極層が埋込まれている溝付近の領域すべてを第1不純物領域と同程度の高電子密度にすることができる。これにより、溝付近のすべての領域を第1不純物領域とみなすことができ、第1不純物領域が拡大されたような状態となる。この第1不純物領域が拡大されると、半導体基板の領域と拡大された第1不純物領域との接触面積、いわゆる有効カソード面積が増加する。これにより、カソード側の電子の注入効率が向上し、ダイオードの順方向電圧降下Vfが低減できる。   The control electrode layer faces the third and fourth impurity regions and the semiconductor substrate region. For this reason, by applying a positive voltage to the control electrode layer, it is possible to make the entire region near the groove in which the control electrode layer is buried have a high electron density comparable to that of the first impurity region. As a result, all the regions in the vicinity of the trench can be regarded as the first impurity region, and the first impurity region is expanded. When the first impurity region is enlarged, the contact area between the semiconductor substrate region and the enlarged first impurity region, so-called effective cathode area, increases. Thereby, the electron injection efficiency on the cathode side is improved, and the forward voltage drop Vf of the diode can be reduced.

また、制御電極層に電圧を印加することで、溝付近の反対導電型の領域も第1不純物領域と同程度の高電子密度にできる。このためこの第3不純物領域のような反対導電型の領域も第4不純物領域とともに第1不純物領域とみなされる。このように第4不純物領域に加えて第3不純物領域も第1不純物領域となされるため、より一層有効カソード面積が増大する。したがって、カソード側の電子の注入効率がより一層向上し、ダイオードの順方向電圧降下Vfをより一層低減することができる。   Further, by applying a voltage to the control electrode layer, the region of the opposite conductivity type in the vicinity of the groove can have a high electron density comparable to that of the first impurity region. For this reason, a region of the opposite conductivity type such as the third impurity region is regarded as the first impurity region together with the fourth impurity region. As described above, since the third impurity region becomes the first impurity region in addition to the fourth impurity region, the effective cathode area is further increased. Therefore, the electron injection efficiency on the cathode side can be further improved, and the forward voltage drop Vf of the diode can be further reduced.

上記局面において好ましくは、半導体基板の第1主面に形成された分離不純物領域がさらに備えられている。互いに並走するように配置された複数の溝のうち最外列に配置された溝の一方側には他の溝が位置しており、他方側には分離不純物領域が最外列に配置された溝に接し、かつ溝より深く形成されている。   Preferably, in the above aspect, an isolation impurity region formed on the first main surface of the semiconductor substrate is further provided. Among the plurality of grooves arranged so as to be parallel to each other, the other groove is located on one side of the grooves arranged in the outermost row, and the isolation impurity region is arranged in the outermost row on the other side. It is in contact with the groove and formed deeper than the groove.

ダイオード構造またはサイリスタ構造の形成領域を包囲するように分離不純物領域が設けられているため、他の素子からの電気的分離の効果を高めると同時に素子耐圧の向上と安定化が可能となる。   Since the isolation impurity region is provided so as to surround the formation region of the diode structure or the thyristor structure, the effect of electrical isolation from other elements can be enhanced and the device breakdown voltage can be improved and stabilized.

上記局面において好ましくは、溝の第1主面からの深さが5μm以上15μm以下である。   In the above aspect, the depth of the groove from the first main surface is preferably 5 μm or more and 15 μm or less.

溝の深さが5μm以上であるため、主電流導通時に溝の側壁に沿って生じる高電子密度状態の蓄積領域を広く生じさせることができる。よって、有効カソード面積を第3の従来例と比較して広く確保することができる。よって、より一層カソード側の電子の注入効率が向上し、順方向電圧降下Vfが低減できる。また現状の装置では微細な幅(0.6μm以下)で15μmより深い溝を形成することは困難であるため、溝の深さは15μm以下である。   Since the depth of the groove is 5 μm or more, a high electron density accumulation region generated along the side wall of the groove when the main current is conducted can be widely generated. Therefore, the effective cathode area can be secured widely compared with the third conventional example. Therefore, the electron injection efficiency on the cathode side is further improved, and the forward voltage drop Vf can be reduced. Further, since it is difficult to form a groove having a fine width (0.6 μm or less) and deeper than 15 μm with the current apparatus, the depth of the groove is 15 μm or less.

本発明のさらに他の局面に従う半導体装置は、真正もしくは第1導電型の半導体基板の両主面の間で主電流が流れる半導体装置であって、第2導電型の第1不純物領域と、第2導電型の第2不純物領域と、第1導電型の第3不純物領域と、制御電極層と、第1および第2電極層とを備えている。第1不純物領域は、半導体基板の第1主面側に形成されている。第2不純物領域は、半導体基板の第2主面に形成され、第1不純物領域との間で半導体基板の低濃度領域を挟んでいる。半導体基板は、第1主面から第1不純物領域を貫通して半導体基板の領域に達する溝を有している。第3不純物領域は、第1不純物領域上であって半導体基板の第1主面に溝の側壁に接するように形成されている。制御電極層は、溝内において第1の絶縁膜を介在して第1および第3不純物領域と半導体基板の領域とに対向するように形成され、与えられる制御電圧により第1および第2主面間を流れる電流を制御するものである。第1電極層は、半導体基板の第1主面上に形成され第1および第3不純物領域に電気的に接続されている。第2電極層は、半導体基板の第2主面上に形成され第2不純物領域に電気的に接続されている。半導体基板の第1および第2主面間が導通状態にあるとき、溝の周囲に第3不純物領域に接するように第1導電型の蓄積領域が形成される。第3不純物領域および蓄積領域を含む有効カソード領域が第1不純物領域および半導体基板の領域と接する面積nと、第1不純物領域の第1主面側の面積pとの比率Rn=(n/n+p)が導通状態において0.4以上1.0以下となる。   A semiconductor device according to still another aspect of the present invention is a semiconductor device in which a main current flows between both main surfaces of a genuine or first conductive type semiconductor substrate, the second conductive type first impurity region, A second conductivity type second impurity region, a first conductivity type third impurity region, a control electrode layer, and first and second electrode layers are provided. The first impurity region is formed on the first main surface side of the semiconductor substrate. The second impurity region is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and sandwiches the low concentration region of the semiconductor substrate with the first impurity region. The semiconductor substrate has a groove reaching the region of the semiconductor substrate from the first main surface through the first impurity region. The third impurity region is formed on the first impurity region and in contact with the sidewall of the groove on the first main surface of the semiconductor substrate. The control electrode layer is formed in the trench so as to face the first and third impurity regions and the region of the semiconductor substrate with the first insulating film interposed therebetween, and the first and second main surfaces are applied by the applied control voltage. The current flowing between them is controlled. The first electrode layer is formed on the first main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the first and third impurity regions. The second electrode layer is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the second impurity region. When the first and second main surfaces of the semiconductor substrate are in a conductive state, a first conductivity type accumulation region is formed around the groove so as to be in contact with the third impurity region. The ratio Rn = (n / n + p) between the area n where the effective cathode region including the third impurity region and the accumulation region is in contact with the first impurity region and the region of the semiconductor substrate and the area p on the first main surface side of the first impurity region ) Becomes 0.4 or more and 1.0 or less in the conductive state.

比率Rnが0.4以上1.0以下と第3の従来例よりも高いため、従来例よりカソード側の電子の注入効率が向上し、順方向電圧降下Vfが低減できる。   Since the ratio Rn is 0.4 or more and 1.0 or less, which is higher than that of the third conventional example, the electron injection efficiency on the cathode side is improved as compared with the conventional example, and the forward voltage drop Vf can be reduced.

上記局面において好ましくは、溝の第1主面からの深さは5μm以上15μm以下である。   In the above aspect, the depth of the groove from the first main surface is preferably 5 μm or more and 15 μm or less.

溝の深さが5μm以上であるため、主電流導通時に溝の側壁に沿って生じる高電子密度状態の蓄積領域を広く生じさせることができる。よって、有効カソード面積を第3の従来例と比較して広く確保することができる。よって、より一層カソード側の電子の注入効率が向上し、順方向電圧降下Vfが低減できる。また現状の装置では微細な幅(0.6μm以下)で15μmより深い溝を形成することが困難であるため、溝の深さは15μm以下である。   Since the depth of the groove is 5 μm or more, a high electron density accumulation region generated along the side wall of the groove when the main current is conducted can be widely generated. Therefore, the effective cathode area can be secured widely compared with the third conventional example. Therefore, the electron injection efficiency on the cathode side is further improved, and the forward voltage drop Vf can be reduced. Further, since it is difficult to form a groove having a fine width (0.6 μm or less) and deeper than 15 μm with the current apparatus, the depth of the groove is 15 μm or less.

上記局面において好ましくは、溝は、第1、第2および第3の溝を有するように複数個形成されている。第1および第2の溝に挟まれる半導体基板には、第1および第3不純物領域が形成されている。第2および第3の溝に挟まれる半導体基板の第1主面には半導体基板の領域のみが位置している。第2および第3の溝に挟まれる半導体基板上には、第2の絶縁層を介在して導電層が形成されている。導電層は、第2および第3の溝内を埋込む制御電極層の各々と電気的に接続されている。   Preferably, in the above aspect, a plurality of grooves are formed so as to have first, second and third grooves. First and third impurity regions are formed in the semiconductor substrate sandwiched between the first and second grooves. Only the region of the semiconductor substrate is located on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves. A conductive layer is formed on the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves with a second insulating layer interposed. The conductive layer is electrically connected to each of the control electrode layers embedded in the second and third grooves.

導電層は制御電極層と電気的に接続されているため、主電流導通時に制御電極層にたとえば正の電圧を印加すると導電層にも正の電圧が印加される。この導電層は第2および第3の溝間の半導体基板の領域に第2の絶縁層を介在して対向している。このため、導電層に正の電圧が印加されると、第2および第3の溝に挟まれる表面領域を第3不純物領域と同程度の高電子密度状態にすることができる。よって、第2および第3の溝に挟まれる基板の表面領域分だけ第3不純物領域が拡大される。したがって、有効カソード面積が増大し、カソード側の電子の注入効率はより一層向上し、ダイオードの順方向電圧降下Vfもより一層低減できる。   Since the conductive layer is electrically connected to the control electrode layer, when a positive voltage is applied to the control electrode layer when the main current is conducted, for example, a positive voltage is also applied to the conductive layer. This conductive layer is opposed to the region of the semiconductor substrate between the second and third grooves with a second insulating layer interposed. For this reason, when a positive voltage is applied to the conductive layer, the surface region sandwiched between the second and third grooves can be in a high electron density state comparable to that of the third impurity region. Therefore, the third impurity region is enlarged by the surface region of the substrate sandwiched between the second and third grooves. Therefore, the effective cathode area is increased, the electron injection efficiency on the cathode side is further improved, and the forward voltage drop Vf of the diode can be further reduced.

上記局面において好ましくは、溝は、第1、第2および第3の溝を有するように複数個形成されている。第1および第2の溝に挟まれる半導体基板には、第1および第3不純物領域が形成されている。第2および第3の溝に挟まれる半導体基板の第1主面には、第2不純物領域より低濃度の第2導電型の第4不純物領域が形成されている。第2および第3の溝に挟まれる半導体基板上には、第2絶縁層を介在して導電層が形成されている。この導電層は、第2および第3の溝内を埋込む制御電極層の各々と電気的に接続されている。   Preferably, in the above aspect, a plurality of grooves are formed so as to have first, second and third grooves. First and third impurity regions are formed in the semiconductor substrate sandwiched between the first and second grooves. A fourth impurity region of a second conductivity type having a lower concentration than the second impurity region is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves. On the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves, a conductive layer is formed with a second insulating layer interposed. This conductive layer is electrically connected to each of the control electrode layers embedded in the second and third grooves.

導電層は制御電極層と電気的に接続されているため、主電流導通時に制御電極層にたとえば正の電圧を印加すると導電層にも正の電圧が印加される。この導電層は第2および第3の溝間の第4不純物領域に第2の絶縁層を介在して対向している。この第4の不純物領域は、第2不純物領域より低濃度であるため、導電層に正の電圧が印加されると、第2および第3の溝に挟まれる表面領域が第3不純物領域と同程度の高電子密度状態となる。よって、第2および第3の溝に挟まれる基板の表面領域分だけ第3不純物領域が拡大される。したがって、有効カソード面積が増大し、カソード側の電子の注入効率はより一層向上し、ダイオードの順方向電圧降下Vfもより一層低減できる。   Since the conductive layer is electrically connected to the control electrode layer, when a positive voltage is applied to the control electrode layer when the main current is conducted, for example, a positive voltage is also applied to the conductive layer. The conductive layer is opposed to the fourth impurity region between the second and third grooves with the second insulating layer interposed. Since the fourth impurity region has a lower concentration than the second impurity region, when a positive voltage is applied to the conductive layer, the surface region sandwiched between the second and third grooves is the same as the third impurity region. It becomes a high electron density state. Therefore, the third impurity region is enlarged by the surface region of the substrate sandwiched between the second and third grooves. Therefore, the effective cathode area is increased, the electron injection efficiency on the cathode side is further improved, and the forward voltage drop Vf of the diode can be further reduced.

また第4不純物領域は第2不純物領域より低濃度に設定されているため、その動作時にサイリスタ動作が起きる。その結果、定格電流通電時にON電圧が低電圧化するという利点がある。   Further, since the fourth impurity region is set at a lower concentration than the second impurity region, a thyristor operation occurs during the operation. As a result, there is an advantage that the ON voltage is lowered when the rated current is applied.

素子のターンオフ時には、制御電極層にたとえば負の電圧が印加される。この場合、導電層にも負の電圧が印加されるため、導電層下の第4不純物領域表面には、第4不純物領域よりも正孔密度の高い領域が生じる。この正孔密度の高い領域が形成されることにより、ターンオフ時において、正孔が引抜かれやすくなり、素子のターンオフ速度を向上させ、ターンオン損失を低減することができる。   When the element is turned off, for example, a negative voltage is applied to the control electrode layer. In this case, since a negative voltage is also applied to the conductive layer, a region having a higher hole density than the fourth impurity region is generated on the surface of the fourth impurity region below the conductive layer. By forming the region having a high hole density, holes are easily extracted at the time of turn-off, the turn-off speed of the device can be improved, and the turn-on loss can be reduced.

上記局面において好ましくは、第1不純物領域の下部において溝の側壁に接するように、かつ第2不純物領域との間で半導体基板の領域を挟むように形成され、第1不純物領域より低濃度を有する第2導電型の第4不純物領域がさらに備えられている。   Preferably, in the above aspect, the first impurity region is formed so as to be in contact with the sidewall of the groove below the first impurity region and sandwich the region of the semiconductor substrate with the second impurity region, and has a lower concentration than the first impurity region. A fourth impurity region of the second conductivity type is further provided.

第4不純物領域は第1不純物領域よりも低濃度であるため、主電流遮断時に制御電極層に負の電圧が印加されると、第4不純物領域には溝の側壁に沿って第1不純物領域の濃度より正孔密度の高い領域が生じる。この正孔密度の高い領域が形成されるため、素子のターンオフ時にキャリアであるホールの引抜きがスムーズにでき、スイッチング特性が改善できる。   Since the fourth impurity region has a lower concentration than the first impurity region, if a negative voltage is applied to the control electrode layer when the main current is cut off, the first impurity region is formed in the fourth impurity region along the sidewall of the trench. A region with a higher hole density than the concentration of s. Since this region having a high hole density is formed, holes that are carriers can be drawn smoothly when the device is turned off, and the switching characteristics can be improved.

本発明のさらに他の局面に従う半導体装置は、真正もしくは第1導電型の半導体基板の両主面の間で電流が流れる半導体装置であって、第2導電型の第1不純物領域と、第2導電型の第2不純物領域と、第1導電型の第3不純物領域と、第2導電型の第4不純物領域と、制御電極層と、第1および第2電極層とを備えている。第1不純物領域は、半導体基板の第1主面側に形成されている。第2不純物領域は、半導体基板の第2主面に形成され、第1不純物領域との間で半導体基板の低濃度領域を挟んでいる。半導体基板は、第1主面から第1不純物領域を貫通して半導体基板の領域に達する溝を有している。第3不純物領域は、第1不純物領域上であって半導体基板の第1主面に溝の側壁に接するように形成されている。第4不純物領域は、第1不純物領域上であって半導体基板の第1主面に第3不純物領域と隣り合うように形成されており、第1不純物領域より高濃度である。制御電極層は、溝内において第1の絶縁膜を介在して第1および第3不純物領域と半導体基板の低濃度領域とに対向するように形成され、与えられる制御電圧により第1および第2主面間を流れる電流を制御するものである。第1電極層は、半導体基板の第1主面上に形成され第3および第4不純物領域に電気的に接続されている。第2電極層は、半導体基板の第2主面上に形成され第2不純物領域に電気的に接続されている。溝の第1主面からの深さをDt、前記溝の幅をWt、前記第3不純物領域の前記第1主面からの深さをDe、前記第3不純物領域の一方の溝から他方の溝へ向かう方向の幅をWe、隣り合う溝間のピッチをPtとしたときに、   A semiconductor device according to still another aspect of the present invention is a semiconductor device in which a current flows between both main surfaces of a genuine or first conductive type semiconductor substrate, the second impurity type first impurity region, A second impurity region of conductivity type, a third impurity region of first conductivity type, a fourth impurity region of second conductivity type, a control electrode layer, and first and second electrode layers are provided. The first impurity region is formed on the first main surface side of the semiconductor substrate. The second impurity region is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and sandwiches the low concentration region of the semiconductor substrate with the first impurity region. The semiconductor substrate has a groove reaching the region of the semiconductor substrate from the first main surface through the first impurity region. The third impurity region is formed on the first impurity region and in contact with the sidewall of the groove on the first main surface of the semiconductor substrate. The fourth impurity region is formed on the first impurity region and adjacent to the third impurity region on the first main surface of the semiconductor substrate, and has a higher concentration than the first impurity region. The control electrode layer is formed in the trench so as to oppose the first and third impurity regions and the low concentration region of the semiconductor substrate with the first insulating film interposed therebetween, and the first and second control electrodes are applied with a given control voltage. The current flowing between the main surfaces is controlled. The first electrode layer is formed on the first main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the third and fourth impurity regions. The second electrode layer is formed on the second main surface of the semiconductor substrate and is electrically connected to the second impurity region. The depth from the first main surface of the groove is Dt, the width of the groove is Wt, the depth of the third impurity region from the first main surface is De, and from one groove of the third impurity region to the other When the width in the direction toward the groove is We and the pitch between adjacent grooves is Pt,

Figure 2006080551
Figure 2006080551

となる。
比率Rn=(n/n+p)は、各部の寸法により上式のように近似することができる。このように比率Rnが0.4以上となるように各部の寸法が設定されるため、第3の従来例よりカソード側の電子の注入効率が向上し、縦方向電圧降下Vfが低減できる。
It becomes.
The ratio Rn = (n / n + p) can be approximated by the above equation depending on the size of each part. Thus, the dimensions of the respective parts are set so that the ratio Rn is 0.4 or more. Therefore, the electron injection efficiency on the cathode side is improved as compared with the third conventional example, and the vertical voltage drop Vf can be reduced.

本発明の半導体装置の製造方法は、真正もしくは第1導電型の半導体基板の両主面の間で主電流が流れる半導体装置の製造方法であって、以下の工程を備えている。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which a main current flows between both main surfaces of a genuine or first conductivity type semiconductor substrate, and includes the following steps.

まず半導体基板の第1主面に選択的にイオン注入することにより第2導電型の第1不純物領域が形成される。そして半導体基板の第2主面に第2導電型の第2不純物領域が形成される。そして選択的にイオン注入することにより、第1不純物領域内の第1主面に第1導電型の第3不純物領域が形成される。そして第1主面に異方性食刻を行なうことにより、半導体基板に第1、第2および第3の溝を有する複数の溝が形成される。そして第1および第2の溝に挟まれる第1主面には、溝の側壁に沿うように第1および第3の不純物領域が形成されており、第2および第3の溝に挟まれる第1主面には半導体基板の低濃度領域のみが位置する。そして第1の絶縁膜を介在して第1および第2不純物領域に挟まれる半導体基板の低濃度領域と第1および第3不純物領域とに対向するように溝の内部に制御電極層が形成される。そして選択的にイオン注入することにより、第3不純物領域と隣り合うように第1不純物領域内の第1主面に第1不純物領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第4不純物領域が形成される。そして第3および第4不純物領域と電気的に接続するように第1主面上に第1電極層が形成される。そして第2不純物領域と電気的に接続するように第2主面上に第2電極層が形成される。   First, the first impurity region of the second conductivity type is formed by selectively implanting ions into the first main surface of the semiconductor substrate. A second impurity region of the second conductivity type is formed on the second main surface of the semiconductor substrate. By selectively implanting ions, a third impurity region of the first conductivity type is formed on the first main surface in the first impurity region. Then, by performing anisotropic etching on the first main surface, a plurality of grooves having first, second and third grooves are formed in the semiconductor substrate. The first main surface sandwiched between the first and second grooves has first and third impurity regions formed along the side walls of the groove, and the first main surface sandwiched between the second and third grooves. Only the low concentration region of the semiconductor substrate is located on one main surface. A control electrode layer is formed in the trench so as to face the low concentration region of the semiconductor substrate and the first and third impurity regions sandwiched between the first and second impurity regions with the first insulating film interposed therebetween. The By selectively implanting ions, a fourth impurity region of the second conductivity type having a higher impurity concentration than the first impurity region is formed on the first main surface in the first impurity region so as to be adjacent to the third impurity region. It is formed. A first electrode layer is formed on the first main surface so as to be electrically connected to the third and fourth impurity regions. A second electrode layer is formed on the second main surface so as to be electrically connected to the second impurity region.

本発明の半導体装置の製造方法によれば、第2および第3の溝に挟まれる第1主面には半導体基板の低濃度領域のみが位置する。このため、この第2および第3の溝に挟まれる第1主面に第1不純物領域が位置することはない。このため、比率Rnを大きくすることで素子特性を改善しようとする目的を果たすことができるとともに主耐圧を保持することができる。   According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, only the low concentration region of the semiconductor substrate is located on the first main surface sandwiched between the second and third grooves. For this reason, the first impurity region is not positioned on the first main surface sandwiched between the second and third grooves. Therefore, by increasing the ratio Rn, the purpose of improving the element characteristics can be achieved and the main breakdown voltage can be maintained.

本発明の1の局面に従う半導体装置では、制御電極層は絶縁膜を介在して第1不純物領域および半導体基板の低不純物濃度領域と対向して配置された電圧制御型の素子であるので、従来の電流制御型の素子に比べてゲート制御回路の簡略化を図ることができる。   In the semiconductor device according to one aspect of the present invention, since the control electrode layer is a voltage-controlled element disposed opposite to the first impurity region and the low impurity concentration region of the semiconductor substrate with an insulating film interposed therebetween, The gate control circuit can be simplified as compared with the current control type element.

また本発明に係るダイオード構造を含む素子はバイポーラデバイスであるため低い定常損失を得ることができる。   Further, since the element including the diode structure according to the present invention is a bipolar device, a low steady loss can be obtained.

またゲート電極層は、正バイアス印加によりn+ 蓄積層を形成し、有効カソード面積を増大させられるので、ダイオードの順方向電圧降下Vfを低減することができる。 In addition, since the gate electrode layer forms an n + accumulation layer by applying a positive bias and the effective cathode area can be increased, the forward voltage drop Vf of the diode can be reduced.

また溝間に挟まれる半導体基板の第1主面には第1不純物領域のみが形成されているため、良好なオン特性が得られる。   Further, since only the first impurity region is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the grooves, good on-characteristics can be obtained.

上記局面における好ましくは、半導体装置の第1主面に第1不純物領域とは異なる導電型の第3不純物領域が、第1不純物領域の隣に溝を挟んで設けられている。このため、ターンオフ速度を向上させ、ターンオフ損失を低減し、スイッチング耐量、短絡耐量を向上することができる。   Preferably, in the above aspect, a third impurity region having a conductivity type different from that of the first impurity region is provided on the first main surface of the semiconductor device with a groove adjacent to the first impurity region. For this reason, turn-off speed can be improved, turn-off loss can be reduced, and switching tolerance and short-circuit tolerance can be improved.

またこの第1不純物領域と第3不純物領域との存在割合を調整することにより、所望のターンオフ速度および順方向電圧降下Vfを選択することができる。   Further, by adjusting the existence ratio of the first impurity region and the third impurity region, a desired turn-off speed and forward voltage drop Vf can be selected.

本発明の他の局面に従う半導体装置では、上記1の局面で述べた如く、ゲート制御方式が電圧制御型である。このため、ゲート制御回路の簡略化を図ることができる。   In the semiconductor device according to another aspect of the present invention, as described in the above aspect 1, the gate control system is a voltage control type. For this reason, the gate control circuit can be simplified.

またこの素子はバイポーラデバイスであるため、低い定常損失を得ることができる。
また、上記1の局面で述べた如く制御電極層は、正バイアス印加により、p型領域にn+ の反転層を、n- 領域にはn+蓄積層を形成し、有効カソード面積を増大させられるので、ダイオードの順方向電圧降下Vfが低減できる。
Moreover, since this element is a bipolar device, a low steady loss can be obtained.
Further, as described in the above aspect 1, the control electrode layer forms an n + inversion layer in the p-type region and an n + storage layer in the n region by applying a positive bias, thereby increasing the effective cathode area. Therefore, the forward voltage drop Vf of the diode can be reduced.

また半導体基板の第1主面に、第1不純物領域とは異なる導電型の第4不純物領域が、第1不純物領域の隣に溝を挟んで設けられている。このため、ターンオフ速度を向上させ、ターンオフ損失を低減することができる。   Further, a fourth impurity region having a conductivity type different from that of the first impurity region is provided on the first main surface of the semiconductor substrate with a groove adjacent to the first impurity region. For this reason, turn-off speed can be improved and turn-off loss can be reduced.

またこの第1不純物領域と第4不純物領域との存在割合を調整することにより、所望のターンオフ速度および順方向電圧降下Vfを選択することができる。   Further, by adjusting the existence ratio of the first impurity region and the fourth impurity region, a desired turn-off speed and forward voltage drop Vf can be selected.

本発明のさらに他の局面に従う半導体装置では、ゲート制御方式が電圧制御型である。このため、ゲート制御回路の簡略化を図ることができる。   In the semiconductor device according to still another aspect of the present invention, the gate control method is a voltage control type. For this reason, the gate control circuit can be simplified.

またこの素子はバイポーラデバイスであるため、低い定常損失を得ることができる。
また、上記局面の効果と同様、ゲート電位による有効カソード面積を増大させ、ダイオードの順方向電圧降下Vfを低減することができる。
Moreover, since this element is a bipolar device, a low steady loss can be obtained.
Similarly to the effect of the above aspect, the effective cathode area due to the gate potential can be increased, and the forward voltage drop Vf of the diode can be reduced.

また第3不純物領域も第1不純物領域とともに有効カソード領域とみなされる。このため、主電流導通状態におけるカソード面積がより一層増大され、ダイオードの順方向電圧降下Vfをより一層低減することができる。   The third impurity region is also regarded as an effective cathode region together with the first impurity region. For this reason, the cathode area in the main current conduction state is further increased, and the forward voltage drop Vf of the diode can be further reduced.

上記局面において好ましくはダイオードまたはサイリスタの形成領域を包囲するように分離不純物領域が設けられているため、他の領域からダイオードやサイリスタを電気的に分離する能力を向上させ、また素子耐圧や安定性を高められる。   In the above aspect, since the isolation impurity region is preferably provided so as to surround the formation region of the diode or thyristor, the ability to electrically isolate the diode or thyristor from other regions is improved, and the device breakdown voltage and stability are improved. Can be enhanced.

上記局面において好ましくは溝の第1主面からの深さが5μm以上15μm以下であるため、より一層順方向電圧降下Vfを低減できるとともに、現状の装置でも容易に溝を形成することができる。   In the above aspect, since the depth of the groove from the first main surface is preferably 5 μm or more and 15 μm or less, the forward voltage drop Vf can be further reduced, and the groove can be easily formed even with the current apparatus.

本発明のさらに他の局面に従う半導体装置では、比率Rnが0.4以上1.0以下と高いため、従来例よりもカソード側の電子の注入効率が向上し、順方向電圧降下Vfが低減できる。   In the semiconductor device according to still another aspect of the present invention, since the ratio Rn is as high as 0.4 or more and 1.0 or less, the electron injection efficiency on the cathode side is improved as compared with the conventional example, and the forward voltage drop Vf can be reduced. .

上記局面において好ましくは溝の深さが5μm以上15μm以下であるため、より一層順方向電圧降下Vfが低減できるとともに、現状の装置でも溝を容易に形成することができる。   In the above aspect, since the depth of the groove is preferably 5 μm or more and 15 μm or less, the forward voltage drop Vf can be further reduced, and the groove can be easily formed even with the current apparatus.

上記局面において好ましくは導電層は制御電極層と電気的に接続されており、この制御電極層は、第2および第3の溝間の半導体基板表面の領域に対向しているため、有効カソード面積をより増加させることが可能となり、ダイオードの順方向電圧降下Vfをより一層低減することが可能となる。   In the above aspect, preferably, the conductive layer is electrically connected to the control electrode layer, and this control electrode layer faces the region of the semiconductor substrate surface between the second and third grooves, so that the effective cathode area Can be further increased, and the forward voltage drop Vf of the diode can be further reduced.

上記局面において好ましくは、第2および第3の溝に挟まれる半導体基板表面の領域に低濃度の第2イオン不純物領域が形成されているため、動作時にサイリスタ動作が生じ、その結果定格電流通電時にON電圧が低電圧化する利点がある。   Preferably, in the above aspect, since the low concentration second ion impurity region is formed in the region of the semiconductor substrate surface sandwiched between the second and third grooves, a thyristor operation occurs during operation, and as a result, when a rated current is passed There is an advantage that the ON voltage is lowered.

上記局面において好ましくは、第1不純物領域の下部に形成される第4不純物領域が第1不純物領域よりも低濃度であるため、主電流遮断時に制御電極層に負の電圧が印加されると、溝の側壁に沿ってp+ 反転層が形成され、ホールの引抜きがスムーズにでき、スイッチング特性、スイッチング耐量および短絡耐量が改善できる。 Preferably, in the above aspect, since the fourth impurity region formed below the first impurity region has a lower concentration than the first impurity region, when a negative voltage is applied to the control electrode layer when the main current is cut off, A p + inversion layer is formed along the side wall of the groove, holes can be drawn smoothly, and switching characteristics, switching tolerance and short-circuit tolerance can be improved.

本発明のさらに他の局面に従う半導体装置では、比率Rnを各部の寸法で近似することができ、その近似された比率Rnが0.4以上と高くなるため、従来例よりもカソード側の電子の注入効率が向上し、順方向電圧降下Vfが低減できる。   In the semiconductor device according to still another aspect of the present invention, the ratio Rn can be approximated by the size of each part, and the approximated ratio Rn is as high as 0.4 or more. The injection efficiency is improved, and the forward voltage drop Vf can be reduced.

本発明の半導体装置の製造方法では、第2および第3の溝に挟まれる半導体基板には半導体基板の低濃度領域のみが位置し、第1不純物領域は形成されない。このため、比率Rnを大きくすることで素子特性を改善しようとした目的を果たすことができるとともに、主耐圧を保持することができる。   In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, only the low concentration region of the semiconductor substrate is located on the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves, and the first impurity region is not formed. For this reason, the purpose of improving the element characteristics can be achieved by increasing the ratio Rn, and the main breakdown voltage can be maintained.

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
なお、以下便宜的に、n+ 高濃度不純物領域であるカソード領域をn+ エミッタ領域と、またp+ 高濃度不純物領域であるアノード領域をp+コレクタ領域と呼ぶ場合がある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Hereinafter for convenience, there is a case where the n + emitter region of the cathode region and n + high concentration impurity region and the anode region which is p + high concentration impurity region is referred to as p + collector region.

(実施の形態1)
図1は、本発明の請求項1に対応する実施の形態1における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図2は、図1の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図3は、図2のA−A′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment corresponding to claim 1 of the present invention, and FIG. 2 shows a state in which a cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. It is a top view. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

図1〜図3を参照して、本実施の形態はpinダイオードを有する例を示している。このpinダイオードは、第2主面に形成した第2導電型のp+ アノード(コレクタ)領域1と、n型バッファ領域3と、第1導電型の低不純物濃度の半導体基板であるn-領域5と、第1主面に形成した第1導電型のn+ カソード領域(n+ エミッタ領域)7と、絶縁膜11、15と、制御電極層であるゲート電極層13と、第1電極層であるカソード電極17と、第2電極層であるアノード電極19とを有している。 1 to 3, the present embodiment shows an example having a pin diode. This pin diode includes a second conductivity type p + anode (collector) region 1 formed on the second main surface, an n type buffer region 3, and an n region which is a first conductivity type low impurity concentration semiconductor substrate. 5, an n + cathode region (n + emitter region) 7 of the first conductivity type formed on the first main surface, insulating films 11 and 15, a gate electrode layer 13 as a control electrode layer, and a first electrode layer A cathode electrode 17 and an anode electrode 19 as a second electrode layer.

このカソード領域7が形成された第1主面には、溝9が設けられている。この溝9は、n+ カソード領域7を貫通して基板のn- 領域5に達している。 A groove 9 is provided on the first main surface where the cathode region 7 is formed. This groove 9 passes through the n + cathode region 7 and reaches the n region 5 of the substrate.

図1に示したように溝9は、概ね四角形を取囲む平面形状を有しており、その四角形内に互いに並走する部分を有している。   As shown in FIG. 1, the groove 9 has a planar shape that generally surrounds a quadrangle, and has portions that run parallel to each other within the quadrangle.

+ カソード領域7は、並走する溝9に挟まれる半導体基板の第1主面全面に形成されている。 The n + cathode region 7 is formed on the entire first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the parallel grooves 9.

溝9の幅Wはたとえば0.8μm以上1.2μm以下であり、深さD1 は実用的には5.0μm以上15.0μm以下である。 The width W of the groove 9 is, for example, not less than 0.8 μm and not more than 1.2 μm, and the depth D 1 is practically not less than 5.0 μm and not more than 15.0 μm.

この溝9の内壁面に沿ってゲート絶縁膜11(たとえばシリコン熱酸化膜)が設けられている。また溝9を埋込み、かつ上端が溝9内から突出するようにリンドープトポリシリコン膜でゲート電極層13が形成されている。このゲート電極層13は、ゲート絶縁膜11を介在してn+ カソード領域7の側面とn- 領域5の側面および底面とに対向している。 A gate insulating film 11 (for example, a silicon thermal oxide film) is provided along the inner wall surface of the groove 9. A gate electrode layer 13 is formed of a phosphorus-doped polysilicon film so as to fill the groove 9 and to protrude from the inside of the groove 9 at the upper end. The gate electrode layer 13 is opposed to the side surface of the n + cathode region 7 and the side surface and bottom surface of the n region 5 with the gate insulating film 11 interposed therebetween.

さらにこのゲート電極層13は、溝の中から第1主面上の絶縁膜のある部分に引上げられている場合もある(図示せず)。   Further, the gate electrode layer 13 may be pulled up from the trench to a portion having the insulating film on the first main surface (not shown).

ゲート電極層13の上端を覆うようにたとえばBPSG(Boro Phospho-Silicate Glass )膜の絶縁膜15が形成されている。   For example, an insulating film 15 of a BPSG (Boro Phospho-Silicate Glass) film is formed so as to cover the upper end of the gate electrode layer 13.

また、このBPSG絶縁膜15の一部に開口部があり、その開口部を通じて金属配線がゲート電極に接続されている(図示せず)。   Further, an opening is formed in a part of the BPSG insulating film 15, and a metal wiring is connected to the gate electrode through the opening (not shown).

第1電極層であるカソード電極17は、カソード領域7と電気的に接続されている。このカソード電極17は、溝9によって囲まれた領域上に形成されている。このカソード電極17が形成された平面領域を、本願ではダイオード形成領域とする。   The cathode electrode 17 that is the first electrode layer is electrically connected to the cathode region 7. The cathode electrode 17 is formed on a region surrounded by the groove 9. In the present application, the planar region where the cathode electrode 17 is formed is referred to as a diode formation region.

一方、第2電極層であるアノード電極19は、第2主面に形成されたp+ コレクタ領域1に電気的に接続されている。 On the other hand, the anode electrode 19 as the second electrode layer is electrically connected to the p + collector region 1 formed on the second main surface.

また各部の不純物濃度については、p+ コレクタ領域1が1×1016cm-3以上5×1021cm-3以下であり、n型バッファ領域3が1×1013cm-3以上1×1019cm-3以下であり、n-領域5が1×1012cm-3以上1×1017cm-3以下であり、カソード領域7が1×1017cm-3以上で、かつn-半導体基板領域5より高い不純物濃度である。 As for the impurity concentration of each part, the p + collector region 1 is 1 × 10 16 cm −3 or more and 5 × 10 21 cm −3 or less, and the n-type buffer region 3 is 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less, n region 5 is 1 × 10 12 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, cathode region 7 is 1 × 10 17 cm −3 or more, and n semiconductor The impurity concentration is higher than that of the substrate region 5.

なお、n型バッファ領域3の不純物濃度は、p+ コレクタ領域1の不純物濃度より低く、かつn- 領域5の不純物濃度より高ければよい。 The impurity concentration of n-type buffer region 3 may be lower than the impurity concentration of p + collector region 1 and higher than the impurity concentration of n region 5.

なお、n型バッファ領域3は、本来素子の主耐圧を向上させる目的で用いられるものであるが、本願ではp+ アノード領域1からの正孔の注入を抑制する目的で用いられている。 The n-type buffer region 3 is originally used for the purpose of improving the main breakdown voltage of the element, but is used for the purpose of suppressing the injection of holes from the p + anode region 1 in the present application.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図4〜図9は、本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず図4を参照して、p+ コレクタ領域1、n型バッファ領域3およびn- 領域5が積層して形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
4 to 9 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. Referring first to FIG. 4, p + collector region 1, n type buffer region 3 and the n - region 5 is formed by laminating.

図5を参照して、n- 領域5の表面からその内部へ延びるように、通常の半導体プロセスで用いる異方性ドライエッチングなどにより溝9aが形成される。 Referring to FIG. 5, trench 9a is formed by anisotropic dry etching or the like used in a normal semiconductor process so as to extend from the surface of n region 5 to the inside thereof.

図6を参照して、たとえば熱酸化法などによって溝9の内壁面に沿うようにゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜からなる絶縁膜11が形成される。   Referring to FIG. 6, insulating film 11 made of a silicon oxide film serving as a gate insulating film is formed along the inner wall surface of trench 9 by, eg, thermal oxidation.

なお、このゲート酸化膜11の形成前に犠牲酸化などの処理を行なうとMOS特性の向上を図ることができる。   Note that the MOS characteristics can be improved by performing a treatment such as sacrificial oxidation before the formation of the gate oxide film 11.

図7を参照して、溝9を埋込み、かつ上端が溝9から突出するようにゲート電極層13が形成される。このゲート電極層13は、たとえばリン等のn型不純物がドープされた多結晶シリコン(以下、ドープトポリシリコンと称する)の材料により形成される。   Referring to FIG. 7, gate electrode layer 13 is formed so that trench 9 is embedded and the upper end protrudes from trench 9. This gate electrode layer 13 is formed of a material of polycrystalline silicon doped with an n-type impurity such as phosphorus (hereinafter referred to as doped polysilicon).

図8を参照して、溝9から突出したゲート電極層13の上端を被覆するようにたとえばBPSG等のCVD酸化膜などよりなる絶縁膜15が形成される。   Referring to FIG. 8, an insulating film 15 made of, for example, a CVD oxide film such as BPSG is formed so as to cover the upper end of the gate electrode layer 13 protruding from the trench 9.

図9を参照して、溝9に挟まれるn-領域5の表面に選択的にSb,As,Pなどのn型不純物元素のイオン注入が施される。この後、熱処理などにより注入された不純物が拡散され、溝に挟まれるn-領域5の表面全面にn+カソード領域7が形成される。このカソード領域7は、溝9の深さより浅く形成される。 Referring to FIG. 9, ion implantation of n-type impurity elements such as Sb, As, and P is selectively performed on the surface of n region 5 sandwiched between grooves 9. Thereafter, impurities implanted by heat treatment or the like are diffused, and n + cathode region 7 is formed on the entire surface of n region 5 sandwiched between the trenches. The cathode region 7 is formed shallower than the depth of the groove 9.

この後、カソード電極17がカソード領域7に電気的に接続するように形成され、アノード電極19がp+ コレクタ領域1に電気的に接続するように形成されて、図2および図3に示す半導体装置が完成する。 Thereafter, the cathode electrode 17 is formed so as to be electrically connected to the cathode region 7, and the anode electrode 19 is formed so as to be electrically connected to the p + collector region 1, so that the semiconductor shown in FIG. 2 and FIG. The device is completed.

次に、本実施の形態の半導体装置の主電流導通状態と主電流遮断状態との制御方法について説明する。   Next, a method for controlling the main current conduction state and the main current cutoff state of the semiconductor device of the present embodiment will be described.

図3を参照して、主電流導通(オン)状態は、ゲート電極層13に僅かの正の電圧を印加することにより実現する。この場合、電流はp+ コレクタ領域1からn+ カソード領域7へ向かって流れる。この動作はpinダイオードと同じで、n+カソード領域7からn- 半導体基板5中へ電子が注入され、p+ コレクタ領域1からは同じく正孔が注入され、n-基板5中で、導電率変調が起き、オン状態での電圧、すなわちオン電圧が低くなる。 Referring to FIG. 3, the main current conduction (ON) state is realized by applying a slight positive voltage to gate electrode layer 13. In this case, current flows from p + collector region 1 to n + cathode region 7. This operation is the same as the pin diode, n + a cathode region 7 n - electrons into the semiconductor substrate 5 is injected, are also holes injected from the p + collector region 1, n - in the substrate 5, conductivity Modulation occurs, and the voltage in the on state, that is, the on voltage is lowered.

次に主電流遮断状態は、ゲート電極層13に負の電圧を与えることで実現する。ゲート電極層13に負の電圧を印加すると溝9の周囲に空乏層が延び、主電流の電流経路が遮断され、ターンオフすることができる。   Next, the main current cutoff state is realized by applying a negative voltage to the gate electrode layer 13. When a negative voltage is applied to the gate electrode layer 13, a depletion layer extends around the trench 9, the current path of the main current is cut off, and the gate electrode layer 13 can be turned off.

本実施の形態の半導体装置では、特に図3に示すようにゲート電極層13はn-領域5およびカソード領域7の側壁に絶縁膜11を介在して対向している。つまり、このゲート電極層13による制御方式は電圧制御型である。このため、ターンオフ動作において、pn接合を用いてゲートを形成したSIThの場合とは異なりゲート電極層13が、主電流の一部をゲート電流として引抜くことはない。よって、ゲート制御回路に大電流を流す必要はなく、ゲートドライブ回路が簡略化できるとともに、ゲート電流が流れるときに生ずるサージ電圧などを考慮して、保護回路を設ける必要はなく、発熱を考慮した冷却装置も不要である。したがって、第1および第2の従来例に比較して、本実施の形態の半導体装置ではゲート制御回路の簡略化を図ることができ、システム全体も小型化、簡略化、省エネルギー化できる。 In the semiconductor device of this embodiment, particularly the gate electrode layer 13 as shown in FIG. 3 the n - faces interposed an insulating film 11 on the side walls of the region 5 and cathode region 7. That is, the control method by the gate electrode layer 13 is a voltage control type. For this reason, in the turn-off operation, the gate electrode layer 13 does not draw a part of the main current as the gate current, unlike the case of SITh in which the gate is formed using the pn junction. Therefore, it is not necessary to supply a large current to the gate control circuit, the gate drive circuit can be simplified, and it is not necessary to provide a protection circuit in consideration of a surge voltage generated when the gate current flows, and the heat generation is considered. A cooling device is also unnecessary. Therefore, compared to the first and second conventional examples, the gate control circuit can be simplified in the semiconductor device of the present embodiment, and the entire system can be reduced in size, simplified, and energy-saving.

また、pinダイオードはバイポーラデバイスである。このバイポーラデバイスでは、正孔と電子との双方が動作に寄与する。このため、高耐圧化に対応して基板の厚みが厚くなり、特に図3におけるn- 領域5の厚みT0 が厚くなり、pinダイオード動作時の電流経路が長くなっても、正孔と電子とによる導電率の変調が生じるため、オン抵抗(オン電圧)は低く維持できる。したがって、定常損失の増大を抑制し、発熱量も少なくできる。 The pin diode is a bipolar device. In this bipolar device, both holes and electrons contribute to the operation. Therefore, the thickness of the substrate increases corresponding to the increase in breakdown voltage, and in particular, even if the thickness T 0 of the n region 5 in FIG. Therefore, the on-resistance (on-voltage) can be kept low. Therefore, an increase in steady loss can be suppressed and the amount of heat generated can be reduced.

また、図3に示すようにゲート電極層13は、n- 領域5およびカソード領域7に対向している。このため、主電流導通状態においてゲート電極層13に正の電圧を印加すると、図10に示すように溝9の周囲に、多数の電子が引き寄せられたn+蓄積(accumlation )領域21が生ずる。これにより、カソード領域7となるn+ 領域が拡大される。 As shown in FIG. 3, the gate electrode layer 13 faces the n region 5 and the cathode region 7. Therefore, when a positive voltage is applied to the gate electrode layer 13 in the main current conduction state, an n + accumulation region 21 in which a large number of electrons are attracted is generated around the trench 9 as shown in FIG. As a result, the n + region that becomes the cathode region 7 is enlarged.

ここでダイオードの順方向電圧降下Vfを向上させる方法として、上述したように、有効カソード面積を増加させる方法がある。ここで言う有効カソード面積とは、図3におけるn- 領域5とn+ カソード領域7との接触面積である。 Here, as a method of improving the forward voltage drop Vf of the diode, there is a method of increasing the effective cathode area as described above. The effective cathode area referred to here is a contact area between the n region 5 and the n + cathode region 7 in FIG.

本実施例の半導体装置では、図10に示すようにn+ 蓄積領域21が生ずることでn+ カソード領域7が拡大された状態となる。これにより、n+ カソード領域7にn+蓄積領域21を加えた全有効カソード領域とn- 領域5との接触面積が増大する。よって、カソード側の電子の注入効率が向上し、ダイオードの順方向電圧降下Vfを低減することができる。このように、第1主面(カソード側)が全面n+カソード領域である場合でも、有効カソード領域を拡げることによって、半導体チップ全体におけるn+ 領域を増大させることでオン状態の損失を低減できる。すなわち半導体装置の消費電力を小さくすることができる。 In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 10, the n + accumulation region 21 is formed, and the n + cathode region 7 is expanded. This increases the contact area between the n region 5 and the total effective cathode region in which the n + accumulation region 21 is added to the n + cathode region 7. Therefore, the electron injection efficiency on the cathode side is improved, and the forward voltage drop Vf of the diode can be reduced. Thus, even when the first main surface (cathode side) is the entire surface of the n + cathode region, the on-state loss can be reduced by increasing the n + region in the entire semiconductor chip by expanding the effective cathode region. . That is, the power consumption of the semiconductor device can be reduced.

本実施の形態における半導体装置では、カソード側の第1主面全面にn+ カソード領域7が形成されているため、この第1主面にn領域とp領域とが併存する場合(図100〜図102)に比較して、カソード側から入る電子電流は、溝9に挟まれる半導体基板の第1主面に均等に流れる。よって、部分的に電流密度が増加することは防止され、オン特性が良好となる。 In the semiconductor device of this embodiment, since the n + cathode region 7 to the first major surface over the entire surface of the cathode side is formed, when (Fig. 100 to the first main surface and the n region and p region coexist Compared with FIG. 102), the electron current entering from the cathode side flows evenly on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the grooves 9. Therefore, a partial increase in current density is prevented and the on-state characteristics are improved.

(実施の形態2)
図11は、本発明の請求項1および6に対応する実施の形態2における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図12は、図11の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図13は、図12のB−B′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a plan view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment corresponding to claims 1 and 6 of the present invention. FIG. 12 shows a state in which the cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. FIG. FIG. 13 is a schematic sectional view taken along line BB ′ of FIG.

図11〜図13を参照して、本実施の形態の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置に比較してp+ 分離不純物領域23を設けた点で異なる。 Referring to FIGS. 11 to 13, the semiconductor device according to the present embodiment is different from the semiconductor device according to the first embodiment in that p + isolation impurity region 23 is provided.

このp+ 分離不純物領域23はダイオード形成領域の平面領域を取囲むように、かつ溝9に接するようにn-領域5の表面に形成されている。またこのp+ 分離不純物領域23は溝9よりも深く形成されている。 The p + isolation impurity region 23 is formed on the surface of the n region 5 so as to surround the planar region of the diode forming region and to be in contact with the groove 9. The p + isolation impurity region 23 is formed deeper than the trench 9.

なお、これ以外の構成については、実施の形態1と同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   In addition, since it is the same as that of Embodiment 1 about another structure, the same code | symbol is attached | subjected about the same member and the description is abbreviate | omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図14〜図16は、本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
14 to 16 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention in the order of steps.

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、まず図4に示す実施の形態1と同様の工程を経る。この後、図14を参照して、ダイオード形成領域を取囲む位置に、たとえばp型不純物となるB等の元素のイオン注入法もしくはデポジション法により選択的にp+ 領域23aが形成される。この後、熱処理などが施される。 The semiconductor device manufacturing method of the present embodiment first undergoes the same steps as in the first embodiment shown in FIG. Thereafter, referring to FIG. 14, ap + region 23a is selectively formed at a position surrounding the diode formation region by an ion implantation method or a deposition method of an element such as B that becomes a p-type impurity. Thereafter, heat treatment or the like is performed.

図15を参照して、上記の熱処理により、p型不純物が拡散し、所定の位置にp+ 分離不純物領域23が形成される。 Referring to FIG. 15, p-type impurities are diffused by the above heat treatment, and p + isolation impurity region 23 is formed at a predetermined position.

図16を参照して、この後、n- 領域5の表面に互いに並走する部分を有するように溝9aが形成される。この後の工程は、実施の形態1の工程とほぼ同様であるため、その説明は省略する。 Referring to FIG. 16, thereafter, grooves 9a are formed on the surface of n region 5 so as to have portions parallel to each other. Since the subsequent steps are substantially the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

またゲートによるオン、オフ状態の制御方法についても実施の形態1とほぼ同様である。   The on / off state control method using the gate is almost the same as in the first embodiment.

図13を参照して、このp+ 分離不純物領域23はゲート電極層13に負の電圧を与えると、ゲート電極層13の周辺に形成された反転層によって電位が固定される。これによってp+分離不純物領域23とn- 領域5で形成されるpn接合が逆バイアス状態になる。これにより素子の主耐圧保持能力を高めることができる。 Referring to FIG. 13, when a negative voltage is applied to gate electrode layer 13, the potential of p + isolation impurity region 23 is fixed by an inversion layer formed around gate electrode layer 13. As a result, the pn junction formed by p + isolation impurity region 23 and n region 5 is in a reverse bias state. Thereby, the main breakdown voltage holding capability of the element can be enhanced.

本実施の形態の半導体装置によれば、図12、図13に示すようにp型不純物領域23がダイオード形成領域を取囲むように溝9よりも深く形成されている。このため他の素子とこのダイオードとを電気的に分離するとともに素子の主耐圧保持能力を高めることができる。   According to the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, the p-type impurity region 23 is formed deeper than the trench 9 so as to surround the diode formation region. Therefore, other elements and this diode can be electrically separated and the main withstand voltage holding capability of the elements can be enhanced.

(実施の形態3)
図17は、本発明の請求項2に対応する実施の形態3における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図18は、図17の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図19は、図18のC−C′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 17 is a plan view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment corresponding to claim 2 of the present invention, and FIG. 18 shows a state in which cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. It is a top view. FIG. 19 is a schematic sectional view taken along the line CC ′ of FIG.

図17〜図19を参照して、本実施の形態の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置と比較して、p+ 高濃度領域31(以下、p+ コンタクト領域と称する)が設けられている点で異なる。 17 to 19, the semiconductor device of the present embodiment is provided with a p + high concentration region 31 (hereinafter referred to as a p + contact region) as compared with the semiconductor device of the first embodiment. Is different.

このp+ コンタクト領域31は、溝9bと9cとを介在してn+カソード領域7と隣り合うように、ダイオード形成領域内の第1主面に形成されている。またこのp+ コンタクト領域31は、図18に示すように並走する溝9b,9cに挟まれる表面領域に形成されている。またp+コンタクト領域31は、カソード電極17と電気的に接続されている。このp+ コンタクト領域31は、1×1017cm-3以上の不純物濃度を有している。p+コンタクト領域31とn+ カソード領域7とは溝を介在して交互に配置されている。また並走する溝9a、9b、…の数は任意に選択することができる。 The p + contact region 31 is formed on the first main surface in the diode forming region so as to be adjacent to the n + cathode region 7 with the grooves 9b and 9c interposed therebetween. Further, the p + contact region 31 is formed in a surface region sandwiched between the parallel grooves 9b and 9c as shown in FIG. The p + contact region 31 is electrically connected to the cathode electrode 17. The p + contact region 31 has an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more. The p + contact regions 31 and the n + cathode regions 7 are alternately arranged with a groove interposed. Moreover, the number of the grooves 9a, 9b,... Running in parallel can be arbitrarily selected.

なお、これ以外の構成については、実施の形態1とほぼ同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration other than this is substantially the same as that of the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図20と図21とは、本発明の実施の形態3の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
20 and 21 are schematic cross-sectional views illustrating the manufacturing method according to the third embodiment of the present invention in the order of steps.

本実施の形態の半導体装置の製造方法の1つは、まず図4〜図8に示す実施の形態1と同様の工程を経る。この後、図20を参照して、通常の写真製版プロセスを用いることにより、p+ コンタクト領域を形成したい部分以外をフォトレジストでマスクし、p型不純物であるホウ素等の元素のイオン注入およびデポジションなどの方法を用いて、並走する溝9b、9cの間などに挟まれるn-領域5の表面にp+ コンタクト領域31が形成される。このp+ コンタクト領域31は、0.5μm以上1.0μm以下程度の深さで、溝9よりも浅く形成される。 One of the semiconductor device manufacturing methods of the present embodiment first undergoes the same steps as those of the first embodiment shown in FIGS. Thereafter, referring to FIG. 20, by using a normal photolithography process, a portion other than a portion where the p + contact region is to be formed is masked with a photoresist, and ion implantation and depletion of an element such as boron as a p-type impurity are performed. Using a method such as position, a p + contact region 31 is formed on the surface of the n region 5 sandwiched between the parallel grooves 9b and 9c. The p + contact region 31 is in deep enough than 1.0μm or less 0.5 [mu] m, it is shallower than the groove 9.

図21を参照して、またp+ コンタクト領域31と、溝9bもしくは9cを介して隣り合うように、溝9aと9b,9cと9dに挟まれるn- 領域5の表面全面にn+カソード領域7が、前述と同様の写真製版プロセスとイオン注入プロセスとの組合せにより形成される。この後の工程は、実施の形態1とほぼ同様であるためその説明は省略する。 Referring to FIG. 21, also a p + contact region 31, so as to be adjacent to each other through the groove 9b or 9c, the grooves 9a and 9b, n is sandwiched 9c and 9d - n on the entire surface of the regions 5 + cathode region 7 is formed by a combination of a photolithography process and an ion implantation process similar to those described above. Since the subsequent steps are substantially the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

また、p+ コンタクト領域31とn+カソード領域7との形成順序は逆でもよく、各領域の拡散に用いる元素や熱処理は、求める拡散深さにより調整される。 Further, the formation order of the p + contact region 31 and the n + cathode region 7 may be reversed, and the elements and heat treatment used for diffusion in each region are adjusted according to the required diffusion depth.

本実施の形態の半導体装置の主電流導通状態と主電流遮断状態との制御方法についても実施の形態1と同様であるため、その説明は省略する。   Since the method for controlling the main current conduction state and the main current cutoff state of the semiconductor device of the present embodiment is also the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.

本実施の形態の半導体装置では、図19に示すようにp+ コンタクト領域31は溝9bもしくは9cを介してn+ カソード領域7と隣り合うように配置されている。このため、順方向電圧降下Vfを低減できるとともに主電流遮断時のターンオフ時間を短縮することができる。以下、そのことについて詳細に説明する。 In the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 19, the p + contact region 31 is arranged adjacent to the n + cathode region 7 through the groove 9b or 9c. For this reason, the forward voltage drop Vf can be reduced, and the turn-off time when the main current is interrupted can be shortened. This will be described in detail below.

図22は、順方向電圧降下Vfと比率Rnとの関係を示すグラフであり、一般的なトレンチIGBTやトレンチダイオードなどをシミュレーションすることにより得られたものである。ここで比率Rnとは、図18,19に示すように第1主面側(カソード側)にn型不純物領域7とp型不純物領域31とが併存するときのn型不純物領域の存在比率であり、以下の式で与えられる。   FIG. 22 is a graph showing the relationship between the forward voltage drop Vf and the ratio Rn, which is obtained by simulating a general trench IGBT, trench diode, or the like. Here, the ratio Rn is an abundance ratio of the n-type impurity region when the n-type impurity region 7 and the p-type impurity region 31 coexist on the first main surface side (cathode side) as shown in FIGS. Yes, given by

但し、ここで言う有効カソード領域は、ゲート電極に正電圧を印加したときにできるn+ 蓄積領域21(図10)を含んでいる。 However, the effective cathode region referred to here includes an n + accumulation region 21 (FIG. 10) formed when a positive voltage is applied to the gate electrode.

Rn=n+ 領域(有効カソード領域)/(n+領域(有効カソード領域)+p型領域) …(1)
この図22より明らかなとおり、比率Rnが大きくなるほど、すなわちn型不純物領域の存在比率が増えるに従って、順方向電圧降下Vfが低減しているのがわかる。このため、n- 層に接する領域がすべてカソード領域(n型不純物領域)で形成されており、p型不純物領域がない場合(比率Rn=1の場合)、最も順方向電圧降下Vfを低減することができ、半導体装置の消費電力を小さくすることができる。
Rn = n + region (effective cathode region) / (n + region (effective cathode region) + p-type region) (1)
As can be seen from FIG. 22, the forward voltage drop Vf decreases as the ratio Rn increases, that is, as the existence ratio of the n-type impurity region increases. For this reason, when the region in contact with the n layer is entirely formed of the cathode region (n-type impurity region) and there is no p-type impurity region (when the ratio Rn = 1), the forward voltage drop Vf is most reduced. And power consumption of the semiconductor device can be reduced.

一方、図23は、主電流遮断時における素子内を流れる電流Iと時間との関係を示すグラフである。図23を参照して、ターンオフに際して、ゲート電極層に負の電圧を印加(時間t0 )すると、溝状のゲート電極に挟まれた主電流通路内が空乏化し、n+カソード領域7からの電子の注入が絶たれるために、ダイオード内を流れる電流Iは最初急激に減少し、その後、n- 半導体基板内部に蓄積しているキャリア(ホール)が減衰する間緩やかに減少する。この緩やかに減少する電流部分は、いわゆるテール電流と呼ばれるものである。 On the other hand, FIG. 23 is a graph showing the relationship between the current I flowing through the element and the time when the main current is cut off. Referring to FIG. 23, when a negative voltage is applied to the gate electrode layer (time t 0 ) at the time of turn-off, the main current path sandwiched between the groove-shaped gate electrodes is depleted, and the n + cathode region 7 Since the injection of electrons is stopped, the current I flowing in the diode first decreases rapidly, and then gradually decreases while the carriers (holes) accumulated in the n semiconductor substrate are attenuated. This slowly decreasing current portion is called a so-called tail current.

図19に示すように本実施の形態の半導体装置では、p+ コンタクト領域31がn+ カソード領域7に隣り合うように設けられている。このため、主電流遮断時にダイオード内を流れる電流I0の一部の正孔電流I1 がp+ コンタクト領域31からカソード電極17に引抜かれることになる。これにより、ダイオード内を流れる電流Iが少なくなり、特にテール電流が速やかに減少するようになる。このため、ターンオフ時間を短縮することができる。 As shown in FIG. 19, in the semiconductor device of the present embodiment, p + contact region 31 is provided adjacent to n + cathode region 7. For this reason, a part of the hole current I 1 of the current I 0 flowing in the diode when the main current is cut off is drawn from the p + contact region 31 to the cathode electrode 17. As a result, the current I flowing in the diode is reduced, and in particular, the tail current is rapidly reduced. For this reason, the turn-off time can be shortened.

これにより、本実施の形態の半導体装置ではn- 領域5の表面におけるカソード領域7とp+ コンタクト領域31との存在比率を調整することで、上述した(1)式より、各種のダイオードの性能に応じた最適な順方向電圧降下Vfとターンオフ時間とを選択することが可能となる。 Thereby, in the semiconductor device of the present embodiment, by adjusting the abundance ratio of the cathode region 7 and the p + contact region 31 on the surface of the n region 5, the performance of various diodes can be obtained from the above-described equation (1). It is possible to select the optimum forward voltage drop Vf and turn-off time according to the above.

(実施の形態4)
図24は、本発明の請求項2および6に対応する実施の形態4における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図25は、図24の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図26は、図25のD−D′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 4)
FIG. 24 is a plan view schematically showing the configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment corresponding to claims 2 and 6 of the present invention. FIG. 25 shows a state in which the cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. FIG. FIG. 26 is a schematic sectional view taken along the line DD ′ of FIG.

図24〜図26を参照して、本実施の形態の半導体装置は、p+ 分離不純物領域23が設けられている点で実施の形態3と異なる。 24 to 26, the semiconductor device of the present embodiment is different from that of the third embodiment in that p + isolation impurity region 23 is provided.

このp+ 分離不純物領域23は、ダイオード形成領域の平面領域を取囲むように、かつ溝9に接するようにn-領域5の表面に形成されている。またこのp+ 分離不純物領域23は、溝9よりも深く形成されている。 The p + isolation impurity region 23 is formed on the surface of the n region 5 so as to surround the planar region of the diode formation region and to be in contact with the groove 9. The p + isolation impurity region 23 is formed deeper than the trench 9.

なお、これ以外の構成については、実施の形態3と同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   In addition, since it is the same as that of Embodiment 3 about another structure, the same code | symbol is attached | subjected about the same member and the description is abbreviate | omitted.

このp+ 分離不純物領域23はゲート電極層13に負の電圧を与えると、ゲート電極層13の周辺に形成された反転層によって電位が固定される。これによってp+分離不純物領域23とn- 領域5で形成されるpn接合が逆バイアス状態になる。これにより素子の主耐圧保持能力を高めることができる。 When a negative voltage is applied to the gate electrode layer 13, the potential of the p + isolation impurity region 23 is fixed by an inversion layer formed around the gate electrode layer 13. As a result, the pn junction formed by p + isolation impurity region 23 and n region 5 is in a reverse bias state. Thereby, the main breakdown voltage holding capability of the element can be enhanced.

本実施の形態の半導体装置によれば、図25、図26に示すようにp型不純物領域23がダイオード形成領域を取囲むように溝9よりも深く形成されている。このため他の素子とダイオードとを電気的に分離するとともに素子の主耐圧保持能力を高めることができる。   According to the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIGS. 25 and 26, the p-type impurity region 23 is formed deeper than the trench 9 so as to surround the diode formation region. For this reason, other elements and the diode can be electrically separated and the main breakdown voltage holding capability of the elements can be enhanced.

(実施の形態5)
図27は、本発明の請求項3に対応する実施の形態5における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図28は、図27の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図29は、図28のE−E′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 5)
FIG. 27 is a plan view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the fifth embodiment corresponding to claim 3 of the present invention, and FIG. 28 shows a state in which cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. It is a top view. FIG. 29 is a schematic sectional view taken along line EE ′ of FIG.

図27〜図29を参照して、本実施の形態は、4層pnpnダイオードを有する例を示している。この4層pnpnダイオードは、p+ コレクタ領域1と、n型バッファ領域3と、n- 領域5と、p型ベース領域41と、n+カソード領域7とを有している。これらのp+ コレクタ領域1とn型バッファ領域3とn- 領域5とp型ベース領域41とn+カソード領域7とは順次積層して設けられている。このn+ カソード領域7側の表面から、n+ カソード領域7とp型ベース領域41とを貫通してn-領域5に達するように、かつ互いに並走する部分を有するように溝9が形成されている。この互いに並走する溝9に挟まれる表面全面にはn+ カソード領域7が形成されている。 27 to 29, the present embodiment shows an example having a four-layer pnpn diode. The four-layer pnpn diode has a p + collector region 1, an n-type buffer region 3, an n region 5, a p-type base region 41, and an n + cathode region 7. The p + collector region 1, the n-type buffer region 3, the n region 5, the p-type base region 41 and the n + cathode region 7 are sequentially stacked. This n + cathode region 7 side of the surface, through the n + cathode region 7 and p type base region 41 n - to reach the region 5, and a groove 9 so as to have a portion running parallel to each other forming Has been. An n + cathode region 7 is formed on the entire surface sandwiched between the mutually parallel grooves 9.

p型ベース領域41は、1×1014cm-3以上5×1017cm-3以下の不純物濃度を有しており、n+ カソード領域7は1×1018cm-3以上の不純物濃度を有している。 The p-type base region 41 has an impurity concentration of 1 × 10 14 cm −3 or more and 5 × 10 17 cm −3 or less, and the n + cathode region 7 has an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. Have.

なお、これ以外の構成については、実施の形態1と同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   In addition, since it is the same as that of Embodiment 1 about another structure, the same code | symbol is attached | subjected about the same member and the description is abbreviate | omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図30と図31とは、本発明の実施の形態5における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。本実施の形態の製造方法は、まず図4〜図8に示す実施の形態1と同様の工程を経る。この後、図30を参照して、イオン注入および拡散などの方法を用いて、並走する溝9によって挟まれるn- 領域5の第1主面の一部にp型ベース領域41が形成される。このp型ベース領域41は、不純物濃度が1×1014cm-3以上5×1017cm-3以下となるように、かつ溝9よりも浅く、また後述のn+カソード領域7よりも深くなるようにたとえば1.0μm以上15.0μm以下の深さで形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
30 and 31 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention in the order of steps. The manufacturing method of the present embodiment first undergoes the same steps as those of the first embodiment shown in FIGS. Thereafter, referring to FIG. 30, p-type base region 41 is formed on a part of first main surface of n region 5 sandwiched by parallel grooves 9 using a method such as ion implantation and diffusion. The The p-type base region 41 has an impurity concentration of 1 × 10 14 cm −3 or more and 5 × 10 17 cm −3 or less, is shallower than the trench 9, and deeper than an n + cathode region 7 described later. For example, it is formed with a depth of 1.0 μm or more and 15.0 μm or less.

図31を参照して、互いに並走する溝9によって挟まれる第1主面にn+ カソード領域7が、イオン注入および拡散などの方法により形成される。このn+ カソード領域7は、そのピーク濃度が1×1018cm-3以上となるように、かつp型ベース領域41よりも浅くなるように形成される。この後の工程については、実施の形態1と同様であるためその説明は省略する。 Referring to FIG. 31, n + cathode region 7 is formed on the first main surface sandwiched between grooves 9 running in parallel with each other by a method such as ion implantation and diffusion. The n + cathode region 7 is formed to have a peak concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and shallower than the p-type base region 41. Since the subsequent steps are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の主電流導通状態と主電流遮断状態との制御方法について説明する。   Next, a method for controlling the main current conduction state and the main current cutoff state of the semiconductor device of the present embodiment will be described.

主電流導通状態は、図29に示すゲート電極層13に正の電圧を印加することで実現する。ゲート電極層13に正の電圧を印加すると、p型ベース領域41のゲート電極層13と対向する部分がn+ 領域に反転しチャネルが形成され、電子電流が流れる。次に、この電子電流に対応して、p+アノード領域1より正孔がn- 半導体基板5中に注入され導電率変調が起きる。さらに、この正孔電流がpベース領域41に入り込むようになる。この電流が大きくなるとp型ベース領域41の電位が上り、この電位が内蔵電位より大きくなると、p型ベース領域41とn+カソード領域7とから形成されるダイオードが導通状態になる。これにより、n+ カソード領域7から電流がpベース領域41を貫通して直接、n-半導体基板5に注入されるようになるので、4層pnpnサイリスタがオン状態になり、本実施の形態の主電流導通状態となる。 The main current conduction state is realized by applying a positive voltage to the gate electrode layer 13 shown in FIG. When the gate electrode layer 13 applies a positive voltage, the gate electrode layer 13 and the facing portion of the p-type base region 41 is inverted channel is formed in the n + region, the electron current flows. Next, in response to this electron current, holes are injected into the n semiconductor substrate 5 from the p + anode region 1 and conductivity modulation occurs. Further, this hole current enters the p base region 41. When this current increases, the potential of the p-type base region 41 rises, and when this potential becomes higher than the built-in potential, the diode formed from the p-type base region 41 and the n + cathode region 7 becomes conductive. As a result, current flows from the n + cathode region 7 through the p base region 41 and directly into the n semiconductor substrate 5, so that the four-layer pnpn thyristor is turned on. The main current conduction state is established.

なお、このオン状態におけるオン抵抗(オン電圧)はpベース領域41の濃度に大きく依存するが、オン状態でのn- 半導体基板5中の蓄積キャリア数に比して充分低い濃度である場合には、pベース領域41のない前述の実施の形態1〜4と殆ど同程度の低いオン電圧が得られる。 Note that the on-resistance (on-voltage) in the on-state greatly depends on the concentration of the p base region 41, but when the concentration is sufficiently lower than the number of stored carriers in the n semiconductor substrate 5 in the on-state. As a result, a low on-state voltage almost the same as in the first to fourth embodiments having no p base region 41 can be obtained.

次に主電流遮断状態は、図29に示すゲート電極層13に負の電圧を印加することで実現する。ゲート電極層13に負の電圧を印加すると、オン状態で形成していたn+ チャネルが消失し、n+ カソード領域7からの電子の供給が止まると同時にゲート電極層13からn-領域5に向かって空乏層が延び、主電流の電流経路が縮小される。これにより導通電流が減少し、保持電流以下になるとp型ベース領域41とn- 領域5とから形成されるダイオードが逆バイアス状態になり、主電流遮断状態となる。 Next, the main current cut-off state is realized by applying a negative voltage to the gate electrode layer 13 shown in FIG. When a negative voltage is applied to the gate electrode layer 13, the n + channel formed in the on state disappears, and the supply of electrons from the n + cathode region 7 stops and simultaneously, the gate electrode layer 13 moves to the n region 5. The depletion layer extends toward the main path, and the current path of the main current is reduced. As a result, the conduction current is reduced, and when the current is equal to or lower than the holding current, the diode formed by the p-type base region 41 and the n region 5 is in the reverse bias state, and the main current is cut off.

なお、主電流遮断後は、上記のp型ベース領域41によって主耐圧が保持されるため、本実施の形態では、主電流遮断状態を維持するためにゲート電圧を印加する必要はないという特徴がある。   Since the main breakdown voltage is maintained by the p-type base region 41 after the main current is cut off, the present embodiment is characterized in that it is not necessary to apply a gate voltage to maintain the main current cut-off state. is there.

本実施の形態では、図29に示すようにゲート電極層13が、n-領域5、p型ベース領域41およびカソード領域7と絶縁層11を介在して対向している。つまり、ゲート制御方式が電圧制御型である。このため、実施の形態1で説明したと同様、電流制御型に比較してゲート制御回路を簡略化することができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 29, gate electrode layer 13 faces n region 5, p-type base region 41 and cathode region 7 with insulating layer 11 interposed therebetween. That is, the gate control method is a voltage control type. For this reason, the gate control circuit can be simplified as compared with the current control type as described in the first embodiment.

また溝9に挟まれる第1主面に大面積のカソード領域7が形成されている。このため、実施の形態1で説明したと同様、順方向電圧降下Vfを低減することができる。   A large-area cathode region 7 is formed on the first main surface sandwiched between the grooves 9. For this reason, the forward voltage drop Vf can be reduced as described in the first embodiment.

また本実施の形態の半導体装置は、一旦、主電流遮断状態にした後は、ゲート電圧を印加する必要がない、すなわちノーマリオフ型の構造である。このため、常にゲート電圧を印加し続ける必要のある構造に比較して、本実施の形態では、ゲート制御回路を簡略化することができる。   In addition, the semiconductor device of this embodiment has a normally-off type structure in which it is not necessary to apply a gate voltage once the main current is cut off. For this reason, the gate control circuit can be simplified in this embodiment as compared with the structure in which the gate voltage needs to be continuously applied.

(実施の形態6)
図32は、本発明の請求項3および6に対応する実施の形態6における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図33は、図32の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図34は、図33のF−F′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 6)
32 is a plan view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the sixth embodiment corresponding to claims 3 and 6 of the present invention, and FIG. 33 shows a state in which the cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. FIG. FIG. 34 is a schematic sectional view taken along line FF ′ of FIG.

図32〜図34を参照して、本実施の形態の半導体装置は、p+ 分離不純物領域23が設けられている点で実施の形態5と異なる。このp+ 分離不純物領域23は、ダイオード形成領域の平面領域を取囲むように、かつ溝9に接するように形成されている。またこのp+分離不純物領域23は溝9より深く形成されている。 Referring to FIGS. 32 to 34, the semiconductor device of the present embodiment differs from that of the fifth embodiment in that p + isolation impurity region 23 is provided. The p + isolation impurity region 23 is formed so as to surround the planar region of the diode formation region and to be in contact with the groove 9. The p + isolation impurity region 23 is formed deeper than the trench 9.

これ以外の構成については、実施の形態5と同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since other configurations are the same as those in the fifth embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

このp+ 分離不純物領域23の製造方法については、図14〜図16で説明した工程とほぼ同様であるためその説明は省略する。 The manufacturing method of this p + isolation impurity region 23 is substantially the same as the steps described with reference to FIGS.

このp+ 分離不純物領域23はゲート電極層13に負の電圧を与えると、ゲート電極層13の周辺に形成された反転層によって電位が固定される。これによってp+分離不純物領域23とn- 領域5で形成されるpn接合が逆バイアス状態になる。これにより素子への主耐圧保持能力を高めることができる。 When a negative voltage is applied to the gate electrode layer 13, the potential of the p + isolation impurity region 23 is fixed by an inversion layer formed around the gate electrode layer 13. As a result, the pn junction formed by p + isolation impurity region 23 and n region 5 is in a reverse bias state. Thereby, the main withstand voltage holding ability to the element can be enhanced.

本実施の形態の半導体装置によれば、図33、図34に示すようにp型不純物領域23がダイオード形成領域を取囲むように溝9よりも深く形成されている。このため他の素子とダイオードを電気的に分離するとともに、素子の主耐圧保持能力を高めることができる。   According to the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIGS. 33 and 34, p-type impurity region 23 is formed deeper than trench 9 so as to surround the diode formation region. For this reason, the other elements and the diode can be electrically separated and the main breakdown voltage holding capability of the elements can be increased.

(実施の形態7)
図35は、本発明の請求項4に対応する実施の形態7における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図36は、図35の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図37は、図36のG−G′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 7)
FIG. 35 is a plan view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the seventh embodiment corresponding to claim 4 of the present invention, and FIG. 36 shows a state in which the cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. It is a top view. FIG. 37 is a schematic sectional view taken along the line GG ′ of FIG.

図35〜図37を参照して、本実施の形態の半導体装置は、p+ コンタクト領域31を設けた点で実施の形態5と異なる。p+ コンタクト領域31は、カソード領域7と溝9bもしくは9dを介して隣り合うように設けられており、カソード電極17に電気的に接続されている。このp+コンタクト領域31は、1×1017cm-3以上の不純物濃度を有している。p+ コンタクト領域31とn+カソード領域7とは、溝を介在して交互に配置されている。また並走する溝9a、9b…の数は任意に選択することができる。 35 to 37, the semiconductor device of the present embodiment differs from that of the fifth embodiment in that p + contact region 31 is provided. The p + contact region 31 is provided so as to be adjacent to the cathode region 7 via the groove 9b or 9d, and is electrically connected to the cathode electrode 17. The p + contact region 31 has an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more. The p + contact regions 31 and the n + cathode regions 7 are alternately arranged with a groove interposed therebetween. Further, the number of the grooves 9a, 9b,.

なお、これ以外の構成については、実施の形態5と同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   In addition, since it is the same as that of Embodiment 5 about other structures, the same code | symbol is attached | subjected about the same member and the description is abbreviate | omitted.

次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図38と図39とは、本発明の実施の形態7における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
38 and 39 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention in the order of steps.

本実施の形態の製造方法は、まず図4〜図8に示す実施の形態1の製造方法と同様の工程を経る。この後、図38を参照して、写真製版プロセスやイオン注入および拡散などの方法を用いて、並走する溝9bと9cに挟まれるn- 領域5の表面にp+ コンタクト領域31が形成される。 The manufacturing method of the present embodiment first undergoes the same steps as the manufacturing method of the first embodiment shown in FIGS. Thereafter, referring to FIG. 38, p + contact region 31 is formed on the surface of n region 5 sandwiched between parallel grooves 9b and 9c by using a method such as a photoengraving process or ion implantation and diffusion. The

図39を参照して、上述した図30と図31と同様の工程を経ることにより、溝9bおよび9cを介在してp+ コンタクト領域31と隣り合うようにp型ベース領域41とn+カソード領域7とが形成される。この後の工程については、実施の形態1と同様であるためその説明は省略する。 Referring to FIG. 39, p-type base region 41 and n + cathode are adjacent to p + contact region 31 through grooves 9b and 9c through the same steps as in FIG. 30 and FIG. 31 described above. Region 7 is formed. Since the subsequent steps are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

本実施の形態では、溝9を介してn+ カソード領域7と隣り合うようにp+ コンタクト領域31が形成されているため、実施の形態3で説明したのと同様、ターンオフ時間を短縮することが可能となる。 In the present embodiment, since the p + contact region 31 is formed adjacent to the n + cathode region 7 through the groove 9, the turn-off time can be shortened as described in the third embodiment. Is possible.

(実施の形態8)
図40は、本発明の請求項4および6に対応する実施の形態8における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図41は、図40の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図42は、図41のH−H′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 8)
40 is a plan view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the eighth embodiment corresponding to claims 4 and 6 of the present invention. FIG. 41 shows a state in which the cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. FIG. FIG. 42 is a schematic cross-sectional view taken along the line HH ′ of FIG.

図40〜図42を参照して、本実施の形態の半導体装置は、p+ 分離不純物領域23が設けられている点で実施の形態7と異なる。このp+ 分離不純物領域23は、ダイオード形成領域を平面的に取り囲むように、かつ溝9に接するように設けられている。またp+分離不純物領域23は溝9より深くなるように形成されている。 40 to 42, the semiconductor device of the present embodiment is different from that of the seventh embodiment in that p + isolation impurity region 23 is provided. The p + isolation impurity region 23 is provided so as to surround the diode formation region in plan and to contact the groove 9. The p + isolation impurity region 23 is formed deeper than the trench 9.

なお、これ以外の構成については、実施の形態7の構成と同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   In addition, since it is the same as that of Embodiment 7 about the structure other than this, the same code | symbol is attached | subjected about the same member and the description is abbreviate | omitted.

本実施の形態の半導体装置におけるp+ 分離不純物領域23の製造方法は、上述した図14〜図16に示す工程と同様である。 The method for manufacturing p + isolation impurity region 23 in the semiconductor device of the present embodiment is the same as the process shown in FIGS.

このp+ 分離不純物領域23はゲート電極層13に負の電圧を与えると、ゲート電極層13の周辺に形成された反転層によって電位が固定される。これによってp+分離不純物領域23とn- 領域5で形成されるpn接合が逆バイアス状態になる。これにより素子への主耐圧保持能力を高めることができる。 When a negative voltage is applied to the gate electrode layer 13, the potential of the p + isolation impurity region 23 is fixed by an inversion layer formed around the gate electrode layer 13. As a result, the pn junction formed by p + isolation impurity region 23 and n region 5 is in a reverse bias state. Thereby, the main withstand voltage holding ability to the element can be enhanced.

本実施の形態の半導体装置によれば、図41、図42に示すようにp型不純物領域23がダイオード形成領域を取囲むように溝9よりも深く形成されている。このため他の素子とダイオードとを電気的に分離するとともに、素子の主耐圧保持能力を高めることができる。   According to the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIGS. 41 and 42, the p-type impurity region 23 is formed deeper than the trench 9 so as to surround the diode formation region. As a result, the other elements and the diode can be electrically separated and the main breakdown voltage holding capability of the element can be increased.

(実施の形態9)
図43は、本発明の請求項5に対応する実施の形態9における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図44は、図43の状態にカソード電極17を設けた様子を示す平面図である。また図45は図44のI−I′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 9)
FIG. 43 is a plan view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the ninth embodiment corresponding to claim 5 of the present invention, and FIG. 44 shows a state in which the cathode electrode 17 is provided in the state of FIG. It is a top view. FIG. 45 is a schematic sectional view taken along the line II ′ of FIG.

図43〜図45を参照して、本実施の形態はダイオード構造を含む例を示している。このダイオードは、p+ コレクタ領域1と、n型バッファ領域3と、n- 領域5と、n+カソード領域7との積層構造を有している。溝9は、このn+ カソード領域7側の表面からn+ カソード領域7を貫通してn-領域5に達するように設けられている。この溝9に接するように、基板表面にはp+ コンタクト領域62が設けられている。またこのp+コンタクト領域62の真下には、溝9およびp+ コンタクト領域62に接するようにn- 領域61が設けられている。 43 to 45, this embodiment shows an example including a diode structure. This diode has a stacked structure of a p + collector region 1, an n-type buffer region 3, an n region 5, and an n + cathode region 7. The groove 9 is provided so as to penetrate the n + cathode region 7 from the surface on the n + cathode region 7 side and reach the n region 5. A p + contact region 62 is provided on the substrate surface so as to be in contact with the groove 9. Also beneath the p + contact region 62, n to be in contact with trench 9 and p + contact region 62 - have regions 61 are provided.

+ コンタクト領域62は、1×1017cm-3以上の不純物濃度を有しており、n-領域61は、たとえば1×1012cm-3以上1×1017cm-3以下のn+カソード領域7より低い不純物濃度を有している。 The p + contact region 62 has an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more, and the n region 61 has an n + of 1 × 10 12 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, for example. The impurity concentration is lower than that of the cathode region 7.

なお、これ以外の構成については、実施の形態1と同様であるため同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   In addition, since it is the same as that of Embodiment 1 about another structure, the same code | symbol is attached | subjected about the same member and the description is abbreviate | omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図46〜図49は、本発明の実施の形態9における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
46 to 49 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention in the order of steps.

図46を参照して、まずp+ コレクタ領域1とn型バッファ領域3とn- 領域5とが順次積層して形成される。このn- 領域5の表面に、n-領域61相当の低濃度のエピタキシャル成長層を設け、その後選択的にイオン注入および拡散などを行ない、島状のn- 領域61が残される。 Referring to FIG. 46, first, p + collector region 1, n-type buffer region 3 and n region 5 are sequentially stacked. The surfaces of the regions 5, n - - The n low concentration epitaxial growth layer region 61 corresponds provided, then selectively performs ion implantation and diffusion, an island-shaped n - region 61 is left.

図47を参照して、n- 領域61に挟まれる領域に、イオン注入および拡散などによりn+ カソード領域7が形成される。このカソード領域7の拡散深さは、n-領域61の拡散深さとほぼ同じにされる。 Referring to FIG. 47, n + cathode region 7 is formed in a region sandwiched between n regions 61 by ion implantation and diffusion. The diffusion depth of the cathode region 7 is substantially the same as the diffusion depth of the n region 61.

図48を参照して、イオン注入および拡散などにより、n- 領域61の上方であって基板表面にp+ コンタクト領域62が形成される。このp+ コンタクト領域62は、望ましくはn+カソード領域7よりも浅く形成される。 Referring to FIG. 48, p + contact region 62 is formed on the substrate surface above n region 61 by ion implantation and diffusion. The p + contact region 62 is desirably formed shallower than the n + cathode region 7.

図49を参照して、基板表面からp+ コンタクト領域62とn- 領域61とを貫通してn- 領域5に達するように溝9aが形成される。この後、実施の形態1と同様の工程を経て図45に示す半導体装置が完成する。 Referring to FIG. 49, trench 9a is formed from the substrate surface so as to penetrate p + contact region 62 and n region 61 to reach n region 5. Thereafter, the semiconductor device shown in FIG. 45 is completed through steps similar to those of the first embodiment.

なお、n- 領域61はn-領域5より低い不純物濃度で形成することが望ましいが、n- 領域5が十分低い不純物濃度を持つ場合はn- 領域61はn-領域5を残すことで形成することもできる。 Incidentally, n - region 61 the n - it is desirable to form a low impurity concentration than the region 5, n - n If region 5 has sufficiently low impurity concentration - region 61 the n - formed by leaving a region 5 You can also

次に、本実施の形態の半導体装置の制御方法について説明する。
まず主電流導通状態は、ゲート電極層13に正の電圧を印加することで実現する。この際、図50に示すように溝9に沿って電子濃度の高いn型蓄積領域65が形成される。
Next, a method for controlling the semiconductor device of this embodiment will be described.
First, the main current conduction state is realized by applying a positive voltage to the gate electrode layer 13. At this time, an n-type accumulation region 65 having a high electron concentration is formed along the groove 9 as shown in FIG.

主電流遮断状態は、ゲート電極層13に負の電圧を印加することで実現することができる。ゲート電極層13に負の電圧を印加すると、前述の実施の形態1〜8と同様に、電子電流通路であるn+ 蓄積層(チャネル)が消失し、主電流の電流経路が空乏化され遮断されるとともに、溝9に接するn-領域5、61がp+ 反転領域となる。 The main current cut-off state can be realized by applying a negative voltage to the gate electrode layer 13. When a negative voltage is applied to the gate electrode layer 13, the n + storage layer (channel), which is an electron current path, disappears, and the current path of the main current is depleted and cut off as in the first to eighth embodiments. At the same time, the n regions 5 and 61 in contact with the trench 9 become p + inversion regions.

主電流遮断時のターンオフ時間を短縮化するためには、遮断時に素子内に残った少数キャリア(この場合、正孔)をn- 半導体基板5内から速やかに引抜くことが必要である。本実施の形態では、この溝9の周囲に生じたp+反転領域とp+ コンタクト領域62の経路でこの少数キャリアである正孔が引抜かれる。このため、実施の形態2で説明したように本実施の形態でもターンオフ時間を短縮化することができる。 In order to shorten the turn-off time when the main current is cut off, it is necessary to quickly extract minority carriers (in this case, holes) remaining in the element at the time of interruption from the n semiconductor substrate 5. In the present embodiment, holes which are minority carriers are extracted through the path of the p + inversion region and the p + contact region 62 generated around the groove 9. For this reason, as described in the second embodiment, the turn-off time can be shortened also in this embodiment.

また、図50を参照して、主電流導通状態においては、溝9の周囲に電子密度の高いn型蓄積チャネル領域65が生じ、このn型蓄積領域65がn+ カソード領域7の延長領域とみなされる。つまり、n+カソード領域7が拡張されたとみなされる。これにより、n+ カソード領域7とn- 領域5との接触面積であるカソード面積が増大する。よって、電子の注入効率が高くなり、順方向電圧降下Vfを低減することが可能となる。 Referring to FIG. 50, in the main current conduction state, n-type accumulation channel region 65 having a high electron density is generated around trench 9, and this n-type accumulation region 65 is an extension region of n + cathode region 7. It is regarded. That is, the n + cathode region 7 is regarded as expanded. As a result, the cathode area which is the contact area between the n + cathode region 7 and the n region 5 increases. Therefore, the electron injection efficiency is increased, and the forward voltage drop Vf can be reduced.

(実施の形態10)
図51は、本発明の請求項5および6に対応する実施の形態10における半導体装置の構成を概略的に示す平面図であり、図52は、図51の状態にカソード電極17を形成した様子を示す平面図である。また図53は、図52のJ−J′線に沿う概略断面図である。
(Embodiment 10)
51 is a plan view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the tenth embodiment corresponding to claims 5 and 6 of the present invention. FIG. 52 shows a state in which the cathode electrode 17 is formed in the state of FIG. FIG. FIG. 53 is a schematic sectional view taken along line JJ ′ of FIG.

図51〜図53を参照して、本実施の形態の半導体装置の構成は、p+ 分離不純物領域23を設けた点で実施の形態9と異なる。このp+ 分離不純物領域23は、ダイオード形成領域を平面的に取囲むように、かつ溝9に接するように設けられている。またこのp+分離不純物領域23は、溝9よりも深くなるように形成されている。 51 to 53, the configuration of the semiconductor device of the present embodiment is different from that of the ninth embodiment in that p + isolation impurity region 23 is provided. The p + isolation impurity region 23 is provided so as to surround the diode formation region in a plane and in contact with the groove 9. The p + isolation impurity region 23 is formed deeper than the trench 9.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図54は、本発明の実施の形態10における半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
FIG. 54 is a schematic cross sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device in the tenth embodiment of the present invention.

本実施の形態の半導体装置の製造方法は、まず図14と図15とに示す実施の形態2と同様の工程を経る。この後、図46に示した工程を経ることにより図54に示す状態となる。この後、さらに実施の形態1と同様の工程を経ることにより図53に示す半導体装置が完成する。   The semiconductor device manufacturing method of the present embodiment first undergoes the same steps as those of the second embodiment shown in FIGS. Thereafter, the state shown in FIG. 54 is obtained through the steps shown in FIG. Thereafter, the semiconductor device shown in FIG. 53 is completed through steps similar to those of the first embodiment.

このp+ 分離不純物領域23はゲート電極層13に負の電圧を与えると、ゲート電極層13の周辺に形成された反転層によって電位が固定される。これによってp+分離不純物領域23とn- 領域5で形成されるpn接合が逆バイアス状態になる。これにより素子への主耐圧保持能力を高めることができる。 When a negative voltage is applied to the gate electrode layer 13, the potential of the p + isolation impurity region 23 is fixed by an inversion layer formed around the gate electrode layer 13. As a result, the pn junction formed by p + isolation impurity region 23 and n region 5 is in a reverse bias state. Thereby, the main withstand voltage holding ability to the element can be enhanced.

本実施の形態の半導体装置によれば、図52、図53に示すようにp型不純物領域23がダイオード形成領域を取囲むように溝9よりも深く形成されている。このため、他の素子とダイオードを電気的に分離するとともに、素子の主耐圧保持能力を高めることができる。   According to the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIGS. 52 and 53, the p-type impurity region 23 is formed deeper than the trench 9 so as to surround the diode formation region. For this reason, while isolating another element and a diode electrically, the main withstand voltage holding | maintenance capability of an element can be improved.

なお、各実施の形態において設けられた溝9は、たとえば図55〜図57に示すように同心円状に配置されていてもよい。   In addition, the groove | channel 9 provided in each embodiment may be arrange | positioned concentrically as shown, for example in FIGS.

なお、図55に示す平面構造図は、実施の形態2および実施の形態6に対応するものであり、図55のL−L′線に沿う断面は図13および図34に示す概略断面図に対応する。   55 corresponds to the second embodiment and the sixth embodiment, and the cross section taken along the line LL ′ of FIG. 55 is a schematic cross sectional view shown in FIG. 13 and FIG. Correspond.

また図56に示す平面構造図は、実施の形態4および8に対応するものである。また図56のM−M′線に沿う断面は図26および図42に示す概略断面図に対応する。なお、図26および図42における溝9の数は、任意に選択できる。   The plan structure shown in FIG. 56 corresponds to the fourth and eighth embodiments. A cross section taken along line MM ′ in FIG. 56 corresponds to the schematic cross sectional views shown in FIGS. The number of grooves 9 in FIGS. 26 and 42 can be arbitrarily selected.

また図57に示す平面構造図は、実施の形態10に対応するものである。また図57のN−N′線に沿う断面は図53に示す概略断面図に対応する。   The plan structure shown in FIG. 57 corresponds to the tenth embodiment. A cross section taken along line NN ′ in FIG. 57 corresponds to the schematic cross sectional view shown in FIG.

(実施の形態11)
図58は、本発明の請求項8に対応する実施の形態11における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図58を参照して、本実施の形態の半導体装置は、IGBTの例について示したものである。本実施の形態における半導体装置の構成は、図99に示す半導体装置の構成と比較して、特に溝の形状が異なる。つまり、本実施の形態における溝113は、図99に示す溝413よりも深く形成されている。溝113の深さT11は、5〜15μmであり、幅W11は、0.8〜3.0μmである。また溝113間のピッチP11は、たとえば4μmである。
(Embodiment 11)
FIG. 58 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to the eleventh embodiment corresponding to claim 8 of the present invention. Referring to FIG. 58, the semiconductor device of the present embodiment shows an example of an IGBT. The structure of the semiconductor device in this embodiment is particularly different from the structure of the semiconductor device shown in FIG. That is, the groove 113 in this embodiment is formed deeper than the groove 413 shown in FIG. The depth T 11 of the groove 113 is 5 to 15 μm, and the width W 11 is 0.8 to 3.0 μm. The pitch P 11 between the grooves 113 is, for example, 4 μm.

第1導電型の半導体基板として、数百V級の耐圧を有する素子の場合には、数十Ωcmのn型低不純物濃度のエピタキシャル成長基板がn- 基板(n- 領域)105として用いられる。また数千V級素子の場合には、n型の低不純物濃度で100Ωcm以上の高比抵抗のn-基板105、より具体的には350Ωcm程度で600μm程度の厚みのFZ(Floating Zone )方式で製造されたシリコン多結晶基板に中性子線を照射しかつ熱処理により抵抗率を調整したものが用いられる。 In the case of an element having a breakdown voltage of several hundred V as the first conductivity type semiconductor substrate, an n-type low impurity concentration epitaxial growth substrate of several tens of Ωcm is used as the n substrate (n region) 105. In the case of several thousand V-class elements, an n - substrate 105 having an n-type low impurity concentration and a high specific resistance of 100 Ωcm or more, more specifically, an FZ (Floating Zone) method having a thickness of about 350 Ωcm and a thickness of about 600 μm. The manufactured silicon polycrystalline substrate is irradiated with a neutron beam and the resistivity is adjusted by heat treatment.

また、高抵抗基板にはn型かp型の不純物が抵抗率制御のためにドーピングされている。しかし、バイポーラ型素子のオン状態では、電流担体(キャリア)である電子と正孔とが高抵抗層内に十分蓄積され、導電率変調(conductivity modulation )を起こすため、場合によっては真正半導体(intrinsic semiconductor )とみなすこともできる。   The high resistance substrate is doped with n-type or p-type impurities for resistivity control. However, in the on-state of the bipolar device, electrons and holes, which are current carriers, are sufficiently accumulated in the high resistance layer and cause conductivity modulation. In some cases, an intrinsic semiconductor (intrinsic) semiconductor)).

なお、本実施の形態においてp+ コレクタ領域101の厚みT101 はたとえば3〜350μmであり、n+ バッファ領域103の厚みT103はたとえば8〜30μmであり、n- 領域105の厚みT105 はたとえば40〜600μmであり、p型ベース領域107の厚みT107はたとえば2.0〜3.5μmであり、n+ エミッタ領域109の厚みT109 はたとえば0.5〜1.5μmである。 In the present embodiment, thickness T 101 of p + collector region 101 is, for example, 3 to 350 μm, thickness T 103 of n + buffer region 103 is, for example, 8 to 30 μm, and thickness T 105 of n region 105 is For example, the thickness T 107 of the p-type base region 107 is 2.0 to 3.5 μm, for example, and the thickness T 109 of the n + emitter region 109 is 0.5 to 1.5 μm, for example.

p型ベース領域107は溝113よりも浅く形成されていればよく、具体的には3μm程度である。   The p-type base region 107 only needs to be formed shallower than the trench 113, and is specifically about 3 μm.

また各部の不純物濃度については、p+ コレクタ領域101が1×1016cm-3以上5×1021cm-3以下であり、n+バッファ領域103が1×1013cm-3以上1×1019cm-3以下であり、n-領域105が1×1012cm-3以上1×1014cm-3以下であり、p型ベース領域107のピーク濃度が1×1015cm-3以上1×1017cm-3以下であり、p+コンタクト領域111は基板表面で1×1020cm-3以上であり、n+ エミッタ領域109は基板表面において1×1019cm-3以上1×1020cm-3以下である。 As for the impurity concentration of each part, the p + collector region 101 is 1 × 10 16 cm −3 or more and 5 × 10 21 cm −3 or less, and the n + buffer region 103 is 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less, n region 105 is 1 × 10 12 cm −3 or more and 1 × 10 14 cm −3 or less, and the p-type base region 107 has a peak concentration of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, p + contact region 111 is 1 × 10 20 cm −3 or more on the substrate surface, and n + emitter region 109 is 1 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 on the substrate surface. 20 cm −3 or less.

これ以外の構成については、図99に示す第3の従来例とほぼ同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration other than this is substantially the same as that of the third conventional example shown in FIG. 99, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

次に本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。
図59〜図63は、本発明の実施の形態11における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず図59を参照して、p+ コレクタ領域101、n+ バッファ領域103およびn-領域105が積層して形成される。この後、n- 領域105の表面にp型ベース領域107とn+ エミッタ領域109とが形成される。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described.
59 to 63 are schematic cross sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device in the eleventh embodiment of the present invention in the order of steps. First, referring to FIG. 59, p + collector region 101, n + buffer region 103, and n region 105 are formed by being stacked. Thereafter, p-type base region 107 and n + emitter region 109 are formed on the surface of n region 105.

図60を参照して、基板を異方性エッチングすることにより、n+ エミッタ領域109とp型ベース領域107とを貫通して、底部がn- 領域105に達する溝113が形成される。この溝113は、エッチングを制御することにより、幅が0.8〜3.0μm、深さが5.0〜15.0μmとなるように形成される。また溝の深さは10.0μm以上であればより好ましい。 Referring to FIG. 60, by anisotropically etching the substrate, trench 113 is formed which penetrates n + emitter region 109 and p-type base region 107 and whose bottom reaches n region 105. The groove 113 is formed to have a width of 0.8 to 3.0 μm and a depth of 5.0 to 15.0 μm by controlling etching. Further, the depth of the groove is more preferably 10.0 μm or more.

図61を参照して、たとえば熱酸化法などによって溝113の内壁面に沿うように、かつ表面を覆うようにシリコン酸化膜よりなるゲート酸化膜115が形成される。   Referring to FIG. 61, a gate oxide film 115 made of a silicon oxide film is formed along the inner wall surface of trench 113 and covering the surface by, eg, thermal oxidation.

なお、このゲート酸化膜115形成前であって溝113の形成後に、等方性プラズマエッチングを行ない、その後に犠牲酸化により一旦、溝113の内壁面などにシリコン酸化膜を形成することにより、MOS特性およびゲート酸化膜特性の向上を図ることができる。   Note that isotropic plasma etching is performed before the formation of the gate oxide film 115 and after the formation of the groove 113, and then a silicon oxide film is formed once on the inner wall surface of the groove 113 by sacrificial oxidation, thereby forming the MOS. The characteristics and the gate oxide film characteristics can be improved.

図62を参照して、溝113を埋込むように、たとえばリンなどのn型不純物がドープされたドープトポリシリコン層が形成される。このドープトポリシリコン層を異方性エッチングすることにより、溝113内を埋込み、かつ上端が溝113から突出するゲート電極層117が形成される。   Referring to FIG. 62, a doped polysilicon layer doped with an n-type impurity such as phosphorus is formed so as to fill trench 113. By anisotropic etching of this doped polysilicon layer, a gate electrode layer 117 is formed that fills the groove 113 and has an upper end protruding from the groove 113.

図63を参照して、溝113の間の一部領域にp型イオンの注入および拡散などの方法により、コンタクト抵抗を低減させるためのp+ コンタクト領域111が形成される。このp+ コンタクト領域111は、1×1020cm-3以上の濃度が必要であり、その深さはn+エミッタ領域109と同程度でよい。溝113から突出したゲート電極層117の上端を被覆するようにたとえばBPSGなどのCVD酸化膜などよりなる層間絶縁層119が形成される。 Referring to FIG. 63, p + contact region 111 for reducing contact resistance is formed in a partial region between trenches 113 by a method such as implantation and diffusion of p-type ions. The p + contact region 111 needs to have a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more, and the depth thereof may be about the same as that of the n + emitter region 109. An interlayer insulating layer 119 made of a CVD oxide film such as BPSG is formed so as to cover the upper end of the gate electrode layer 117 protruding from the trench 113.

この後、カソード電極121がn+ エミッタ領域109およびp+ コンタクト領域111に電気的に接続するように形成され、アノード電極123がp+コレクタ領域101に電気的に接続するように形成されて、図58に示す半導体装置が完成する。 Thereafter, the cathode electrode 121 is formed to be electrically connected to the n + emitter region 109 and the p + contact region 111, and the anode electrode 123 is formed to be electrically connected to the p + collector region 101. The semiconductor device shown in FIG. 58 is completed.

本実施の形態の半導体装置におけるゲート電極層117によるオン、オフ状態の制御方法については、図99に示す第3の従来例とほぼ同様であるためその説明は省略する。   The on / off state control method by the gate electrode layer 117 in the semiconductor device of the present embodiment is substantially the same as the third conventional example shown in FIG.

本願発明者らは、上述した図22の結果より、比率Rnが大きいほど順方向電圧降下Vfを低減できることを見い出した。特に比率Rnが0.4以上のときに順方向電圧降下Vfが低く安定することも見い出した。また比率Rnが0.7以上であるとより好ましいことも見い出した。また、第3の従来例(図99)のIGBT構造の比率Rnを評価すると、この比率Rnが0.4より小さく、カソード面からの電子の供給能力が非常に貧弱であることがわかった。   The inventors of the present application have found that the forward voltage drop Vf can be reduced as the ratio Rn increases from the result of FIG. 22 described above. In particular, it was also found that the forward voltage drop Vf is low and stable when the ratio Rn is 0.4 or more. It has also been found that the ratio Rn is more preferably 0.7 or more. Further, when the ratio Rn of the IGBT structure of the third conventional example (FIG. 99) was evaluated, it was found that the ratio Rn was smaller than 0.4 and the ability of supplying electrons from the cathode surface was very poor.

本実施の形態の半導体装置によれば、溝113の深さが5μm以上で図99に示す第3の従来例よりも深く形成されているため、図100に示すように主電流導通状態において生じるn+蓄積領域425aは、第3の従来例よりも大きく分布することになる。よって、このn+蓄積領域425aとn+エミッタ領域109とよりなる有効カソード領域は、第3の従来例よりも広くなり、有効カソード面積を大きく確保することができる。このように図22で示す有効カソード面積nが大きくなるため、比率Rn(=n/(n+p))が大きくなる。具体的には、図22に示す比率Rnは、図99に示す第3の従来例では得られなかった0.4以上とすることができる。したがって、比率Rnを第3の従来例よりも大きくできるため、順方向電圧降下Vfも第3の従来例よりも低くすることが可能となる。 According to the semiconductor device of the present embodiment, groove 113 has a depth of 5 μm or more and is formed deeper than the third conventional example shown in FIG. 99, and thus occurs in the main current conduction state as shown in FIG. The n + accumulation region 425a is distributed more largely than the third conventional example. Therefore, the effective cathode region composed of the n + accumulation region 425a and the n + emitter region 109 is wider than the third conventional example, and a large effective cathode area can be secured. As described above, since the effective cathode area n shown in FIG. 22 is increased, the ratio Rn (= n / (n + p)) is increased. Specifically, the ratio Rn shown in FIG. 22 can be set to 0.4 or more, which was not obtained in the third conventional example shown in FIG. Therefore, since the ratio Rn can be made larger than that in the third conventional example, the forward voltage drop Vf can also be made lower than that in the third conventional example.

なお、ここで言うn+蓄積領域425aは、より正確には、p型のベース領域107が形成されている部分に形成されたn型チャネル反転領域と、n-基板領域105に突き出した溝の周囲に形成されるn型蓄積領域との両方を合わせたものである。このn型チャネル反転領域とn型蓄積領域とは、ゲート正バイアスのオン状態ではともに高濃度のn型領域であり電子供給源であるという意味で同じであるため、両者の区別は事実上ない。このため、図100中では、簡単のために両者を一括りにして、上述のように、n+蓄積領域425aとして示している。 More precisely, the n + accumulation region 425a referred to here is an n-type channel inversion region formed in a portion where the p-type base region 107 is formed, and a groove protruding to the n substrate region 105. This is a combination of both the n-type accumulation region formed in the periphery. Since the n-type channel inversion region and the n-type accumulation region are the same in the sense that both are n-type regions of high concentration and are electron supply sources when the gate positive bias is on, there is virtually no distinction between them. . Therefore, in FIG. 100, for simplicity, both are collectively shown as the n + accumulation region 425a as described above.

なお、ここで比率Rnの要素である面積pは、図58において太線で示すように、p型ベース領域107とn- 領域105との接触面積をいう。 Here, the area p, which is an element of the ratio Rn, refers to the contact area between the p-type base region 107 and the n region 105 as shown by a thick line in FIG.

なお、溝の深さT11が10μm以上であれば、順方向電圧降下Vfをより低くできるためより好ましい。 A groove depth T 11 of 10 μm or more is more preferable because the forward voltage drop Vf can be further reduced.

また本実施の形態の半導体装置によれば、ゲート電極層117による制御方式は電圧制御型である。このため、上述したように本実施の形態の半導体装置では、第1および第2の従来例に比較して、ゲート制御回路の簡略化を図ることができ、システム全体も小型化、簡略化、省エネルギー化できる。   Further, according to the semiconductor device of the present embodiment, the control method by the gate electrode layer 117 is a voltage control type. Therefore, as described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the gate control circuit can be simplified as compared with the first and second conventional examples, and the entire system can be reduced in size and simplified. It can save energy.

(実施の形態12)
図64は、本発明の請求項10に対応する実施の形態12における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図64を参照して、本実施の形態における半導体装置の構成は、実施の形態11における半導体装置の構成と比較して、溝に挟まれる領域の構成およびゲート電極層の構成において異なる。
(Embodiment 12)
FIG. 64 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to the twelfth embodiment corresponding to claim 10 of the present invention. Referring to FIG. 64, the structure of the semiconductor device in the present embodiment is different from the structure of the semiconductor device in Embodiment 11 in the structure of the region sandwiched between the trenches and the structure of the gate electrode layer.

溝113aと113bとに挟まれる領域および溝113cと113dとに挟まれる領域には、実施の形態11と同様にp型ベース領域107、n+ エミッタ領域109およびp+ コンタクト領域111が形成されている。溝113bと溝113cとに挟まれる領域には、p型ベース領域107などは形成されておらず、n-領域105のみが位置している。 In the region sandwiched between grooves 113a and 113b and the region sandwiched between grooves 113c and 113d, p-type base region 107, n + emitter region 109, and p + contact region 111 are formed as in the eleventh embodiment. Yes. In the region sandwiched between the trench 113b and the trench 113c, the p-type base region 107 or the like is not formed, and only the n region 105 is located.

また溝113bを埋込むゲート電極層117と溝113cを埋込むゲート電極層117とは導電部分117aにより一体的に形成されており、電気的に接続されている。この導電部分117aは、溝113bと溝113cとに挟まれる領域上に絶縁膜129を介在して形成されている。   The gate electrode layer 117 that fills the groove 113b and the gate electrode layer 117 that fills the groove 113c are integrally formed by a conductive portion 117a and are electrically connected. The conductive portion 117a is formed on a region sandwiched between the groove 113b and the groove 113c with an insulating film 129 interposed therebetween.

なお、これ以外の構成については、実施の形態11とほぼ同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration other than this is substantially the same as that of the eleventh embodiment, the same member is denoted by the same reference numeral, and the description thereof is omitted.

以下、この構造を、MAE(MOS Accumulated Emitter )構造と呼ぶことにする。
本実施の形態の構成は、図64に示すR−R′線とS−S′線との両方について線対称な構造となっている。このため、単位セルをR−R′線とS−S′線との間の構造ととる考え方と、R−R′線と次のR−R′線との間の構造ととる考え方の2種類ある。ここでは、比率Rnの計算の都合上、前者のR−R′線とS−S′線との間の構造を単位セルとする。
Hereinafter, this structure is referred to as a MAE (MOS Accumulated Emitter) structure.
The configuration of the present embodiment has a line-symmetric structure with respect to both the RR ′ line and the SS ′ line shown in FIG. For this reason, the concept of taking the unit cell as a structure between the R—R ′ line and the S—S ′ line and the concept of taking the unit cell as a structure between the R—R ′ line and the next R—R ′ line. There are types. Here, for the convenience of calculating the ratio Rn, the former structure between the RR ′ line and the SS line is defined as a unit cell.

次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図65〜図68は、本発明の実施の形態12における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず図65を参照して、p+ コレクタ領域101、n型バッファ領域103およびn-領域105が積層して形成される。この後、n- 領域105の表面にp型ベース領域107とn+ エミッタ領域109とが選択的に形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
65 to 68 are schematic cross sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device in the twelfth embodiment of the present invention in the order of steps. First, referring to FIG. 65, p + collector region 101, n-type buffer region 103, and n region 105 are stacked. Thereafter, p type base region 107 and n + emitter region 109 are selectively formed on the surface of n region 105.

図66を参照して、通常の半導体プロセスで用いる異方性ドライエッチングにより、第1主面となる基板表面にたとえば溝113a〜113dが形成される。この各溝は、実施の形態11と同様、エッチング制御により、幅が0.8〜3.0μm、深さが5〜15μmとなるように形成される。溝113aと113bとに挟まれる領域および溝113cと113dとに挟まれる領域にp型ベース領域107とn+ エミッタ領域109とが位置するように、かつ溝113bと113cとに挟まれる領域にはn-領域105のみが位置するように各溝が形成される。この状態において、n+ エミッタ領域109は溝の側壁に沿うように位置する。 Referring to FIG. 66, for example, grooves 113a to 113d are formed on the substrate surface serving as the first main surface by anisotropic dry etching used in a normal semiconductor process. Each groove is formed to have a width of 0.8 to 3.0 [mu] m and a depth of 5 to 15 [mu] m by etching control, as in the eleventh embodiment. The p-type base region 107 and the n + emitter region 109 are located in the region sandwiched between the grooves 113a and 113b and the region sandwiched between the grooves 113c and 113d, and the region sandwiched between the grooves 113b and 113c Each groove is formed so that only n region 105 is located. In this state, the n + emitter region 109 is located along the sidewall of the trench.

たとえば熱酸化法などによって溝113a〜113dの内壁面に沿うように、かつ表面を覆うようにシリコン酸化膜よりなるゲート酸化膜115が形成される。   For example, a gate oxide film 115 made of a silicon oxide film is formed along the inner wall surfaces of the trenches 113a to 113d by a thermal oxidation method or the like so as to cover the surface.

なお、ゲート酸化膜115形成前であって各溝の形成後に等方性プラズマエッチングを行ない、その後に犠牲酸化によって各溝の内壁面などにシリコン酸化膜を形成することにより、MOS特性およびゲート酸化膜115の特性の向上を図ることができる。   It should be noted that isotropic plasma etching is performed before the formation of the gate oxide film 115 and after the formation of each groove, and then a silicon oxide film is formed on the inner wall surface of each groove by sacrificial oxidation, thereby obtaining MOS characteristics and gate oxidation. The characteristics of the film 115 can be improved.

図67を参照して、各溝を埋込むようにたとえばリンなどのn型不純物がドープされたドープトポリシリコン層が形成される。このドープトポリシリコン層が異方性エッチングされることにより、各溝を埋込み、かつ上端が各溝から突出するようにゲート電極層117が形成される。溝113bと113cとに埋込まれるゲート電極層117は、導電部分117aにより一体的に形成されており、電気的に接続されるように形成される。また導電部分117aは、溝113bと113cとに挟まれる表面領域上に絶縁膜を介在して形成される。   Referring to FIG. 67, a doped polysilicon layer doped with an n-type impurity such as phosphorus is formed so as to fill each groove. The doped polysilicon layer is anisotropically etched to form the gate electrode layer 117 so that each groove is buried and the upper end protrudes from each groove. The gate electrode layer 117 embedded in the grooves 113b and 113c is formed integrally with the conductive portion 117a and is formed so as to be electrically connected. Conductive portion 117a is formed on the surface region sandwiched between grooves 113b and 113c with an insulating film interposed.

この後、溝113aと113bとの間の一部領域および溝113cと113dとの間の一部領域に選択的にp型の不純物注入および拡散などによりコンタクト抵抗を低減させるためのp+ コンタクト領域111が形成される。 Thereafter, a p + contact region for reducing contact resistance by selective p-type impurity implantation and diffusion in a partial region between trenches 113a and 113b and a partial region between trenches 113c and 113d. 111 is formed.

図68を参照して、各溝から突出したゲート電極層117の上端を被覆するようにたとえばBPSGなどのCVD酸化膜などよりなる層間絶縁層119が形成される。   Referring to FIG. 68, an interlayer insulating layer 119 made of, for example, a CVD oxide film such as BPSG is formed so as to cover the upper end of gate electrode layer 117 protruding from each groove.

この後、カソード電極121がn+ エミッタ領域109とp+ コンタクト領域111とに電気的に接続するように形成され、アノード電極123がp+コレクタ領域101に電気的に接続するように形成されて、図64に示す半導体装置が完成する。 Thereafter, the cathode electrode 121 is formed to be electrically connected to the n + emitter region 109 and the p + contact region 111, and the anode electrode 123 is formed to be electrically connected to the p + collector region 101. The semiconductor device shown in FIG. 64 is completed.

本実施の形態によるゲート電極層117によるオン、オフ状態の制御方法については、図99で示す第3の従来例とほぼ同様であるためその説明は省略する。   The on / off state control method by the gate electrode layer 117 according to the present embodiment is substantially the same as that of the third conventional example shown in FIG.

ただし、主電流導通状態においてゲート電極層117に正の電圧を印加した場合には、図69に示すようにn+ 蓄積層125bが生ずる。 However, when a positive voltage is applied to gate electrode layer 117 in the main current conduction state, n + accumulation layer 125b is generated as shown in FIG.

本実施の形態の半導体装置では、図64に示すように導電部分117aが溝113bと113cとを埋込むゲート電極層117と電気的に接続されている。このため、主電流導通状態においてゲート電極層117に正の電圧が印加されると、導電部分117aにも正の電圧が印加されることになる。この導電部分117aは、溝113bと113cとに挟まれるn- 領域105と絶縁膜129を介在して対向している。このため、導電層117aに正の電圧が印加されると、図69に示すように溝113bと113cとに挟まれる表面領域にもn+蓄積領域125bが生ずる。このように、溝113bと113cとに挟まれる表面領域にもn+ 表面領域125bを生じさせることができるため、単位セルにおける有効カソード面積は、実施の形態11よりも大きくなる。したがって、カソード側の電子の注入効率はより一層向上し、順方向電圧降下Vfもより一層低減できる。また、これにより、比率Rnが0.4以上となり1に近づく。 In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 64, the conductive portion 117a is electrically connected to the gate electrode layer 117 that fills the trenches 113b and 113c. For this reason, when a positive voltage is applied to the gate electrode layer 117 in the main current conduction state, a positive voltage is also applied to the conductive portion 117a. The conductive portion 117a is opposed to the n region 105 sandwiched between the grooves 113b and 113c with the insulating film 129 interposed therebetween. Therefore, when a positive voltage is applied to the conductive layer 117a, an n + accumulation region 125b is also generated in the surface region sandwiched between the grooves 113b and 113c as shown in FIG. Thus, since the n + surface region 125b can also be generated in the surface region sandwiched between the grooves 113b and 113c, the effective cathode area in the unit cell is larger than that in the eleventh embodiment. Therefore, the electron injection efficiency on the cathode side is further improved, and the forward voltage drop Vf can be further reduced. As a result, the ratio Rn becomes 0.4 or more and approaches 1.

また本実施の形態の半導体装置によれば、ゲート電極層117による制御方式は電圧制御型である。このため、上述したように本実施の形態の半導体装置では、第1および第2の従来例に比較して、ゲート制御回路の簡略化を図ることができ、システム全体も小型化、簡略化、省エネルギ化できる。   Further, according to the semiconductor device of the present embodiment, the control method by the gate electrode layer 117 is a voltage control type. Therefore, as described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the gate control circuit can be simplified as compared with the first and second conventional examples, and the entire system can be reduced in size and simplified. Energy saving can be achieved.

また溝113の深さが5μm以上であるため、実施の形態11で説明したように、順方向電圧降下Vfを第3の従来例よりも低くすることが可能となる。   Since the depth of the groove 113 is 5 μm or more, as described in the eleventh embodiment, the forward voltage drop Vf can be made lower than that in the third conventional example.

(実施の形態13)
図70は、本発明の請求項11に対応する実施の形態13における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図70を参照して、本実施の形態における半導体装置は、実施の形態12の構成と比較して、第2のp型ベース領域131を有する点で異なる。この第2のp型ベース領域131は、たとえば溝113bと113cとに挟まれる表面領域に形成されている。またこの第2のp型ベース領域131は、たとえば溝間に挟まれる領域の1つ置きごとに形成されている。またこの第2のp型ベース領域131は、p型ベース領域107よりも低い不純物濃度を有している。
(Embodiment 13)
FIG. 70 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to the thirteenth embodiment corresponding to claim 11 of the present invention. Referring to FIG. 70, the semiconductor device according to the present embodiment is different from the structure of the twelfth embodiment in that it has a second p-type base region 131. The second p-type base region 131 is formed, for example, in a surface region sandwiched between the grooves 113b and 113c. The second p-type base region 131 is formed for every other region sandwiched between grooves, for example. The second p-type base region 131 has a lower impurity concentration than the p-type base region 107.

なお、これ以外の構成については、実施の形態12とほぼ同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明は省略する。   Since the configuration other than this is substantially the same as that of the twelfth embodiment, the same member is denoted by the same reference numeral, and the description thereof is omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図71は、本発明の実施の形態13における半導体装置の製造方法を示す工程図である。図71を参照して、p+ コレクタ領域101、n+ バッファ領域103およびn-領域105が積層して形成される。このn- 領域105の表面に、p型ベース領域107と第2のp型ベース領域131とn+エミッタ領域109とが各々イオン注入および拡散により形成される。ここで第2のp型ベース領域131はp型ベース領域107よりも低い不純物濃度となるように形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
FIG. 71 is a process diagram showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 71, p + collector region 101, n + buffer region 103, and n region 105 are stacked. A p-type base region 107, a second p-type base region 131, and an n + emitter region 109 are formed on the surface of the n region 105 by ion implantation and diffusion, respectively. Here, the second p-type base region 131 is formed to have a lower impurity concentration than the p-type base region 107.

この後、写真製版技術およびエッチング技術(RIE)を用いて、p型ベース領域107、n+ エミッタ領域109および第2のp型ベース領域131を貫通して、底部がn-領域105に達する溝113a〜113dが形成される。この各溝は、幅が0.8〜3.0μm、深さが5〜15μmとなるように形成される。 Thereafter, a trench reaching the n region 105 through the p type base region 107, the n + emitter region 109, and the second p type base region 131 using photolithography and etching technology (RIE). 113a to 113d are formed. Each groove is formed to have a width of 0.8 to 3.0 μm and a depth of 5 to 15 μm.

この後、たとえば熱酸化法などによって各溝の内壁面に沿うようにシリコン酸化膜よりなるゲート酸化膜115が形成される。   Thereafter, gate oxide film 115 made of a silicon oxide film is formed along the inner wall surface of each groove by, eg, thermal oxidation.

なお、このゲート酸化膜115形成前であって各溝の形成後に、等方性プラズマエッチングを行ない、その後に犠牲酸化によって各溝の内壁面などにシリコン酸化膜を形成することにより、MOS特性およびゲート酸化膜115の特性の向上を図ることができる。   It is to be noted that isotropic plasma etching is performed before the gate oxide film 115 is formed and after each groove is formed, and then a silicon oxide film is formed on the inner wall surface of each groove by sacrificial oxidation, so that the MOS characteristics and The characteristics of the gate oxide film 115 can be improved.

この後、上述した図67と図68に示す実施の形態12と同様の工程を経ることにより、図70に示す半導体装置が完成する。   Thereafter, steps similar to those in the embodiment 12 shown in FIGS. 67 and 68 are completed, whereby the semiconductor device shown in FIG. 70 is completed.

本実施の形態におけるゲート電極117によるオン、オフ状態の制御方法については、第3の従来例で説明したのとほぼ同様であるためその説明は省略する。   The on / off state control method by the gate electrode 117 in the present embodiment is substantially the same as that described in the third conventional example, and thus the description thereof is omitted.

ただし、主電流導通状態においてゲート電極層117に正の電圧が印加されると、図72に示すように高電子密度状態のn+ 蓄積領域125cが生ずる。また溝113b、113cに挟まれる領域ではサイリスタ動作が生ずる。 However, when a positive voltage is applied to gate electrode layer 117 in the main current conduction state, n + accumulation region 125c in a high electron density state is generated as shown in FIG. A thyristor operation occurs in the region sandwiched between the grooves 113b and 113c.

本実施の形態の半導体装置では、実施の形態12と同様、図72に示すように溝113bと113cとの間の表面領域にもn+ 蓄積領域125cを生じさせることができる。このため、実施の形態12と同様、カソード側の電子の注入効率を向上させることができ、ダイオードの順方向電圧降下Vfも低減できる。またこれにより、比率Rnが0.4以上となり1に近づく。 In the semiconductor device of the present embodiment, as in the twelfth embodiment, as shown in FIG. 72, an n + accumulation region 125c can also be generated in the surface region between grooves 113b and 113c. Therefore, as in the twelfth embodiment, the electron injection efficiency on the cathode side can be improved, and the forward voltage drop Vf of the diode can also be reduced. As a result, the ratio Rn becomes 0.4 or more and approaches 1.

また第2のp型ベース領域131がp型ベース領域107より低濃度であるため、溝113bと113cとに挟まれる領域では、サイリスタ動作が起きる。その結果、定格電流通電時にON電圧が低電圧化するという利点がある。   Further, since the second p-type base region 131 has a lower concentration than the p-type base region 107, a thyristor operation occurs in a region sandwiched between the grooves 113b and 113c. As a result, there is an advantage that the ON voltage is lowered when the rated current is applied.

また主電流遮断時には、ゲート電極層117に負の電圧が印加される。このため、第2のp型ベース領域131内の溝113b、113cの側壁に沿う部分および基板表面の領域には、p+ 反転領域が形成される。このため図23を用いて説明したように、キャリアであるホールがこのp+反転領域から抜けやすくなり、ターンオフ時間およびテール電流が小さくなるという利点がある。ターンオフ時のテール電流が低減できるため、ターンオフ損失Eoffも低減できる。 Further, a negative voltage is applied to the gate electrode layer 117 when the main current is interrupted. For this reason, ap + inversion region is formed in a portion of the second p-type base region 131 along the side walls of the grooves 113b and 113c and a region of the substrate surface. For this reason, as described with reference to FIG. 23, holes serving as carriers are easily removed from the p + inversion region, and there is an advantage that the turn-off time and tail current are reduced. Since the tail current at turn-off can be reduced, the turn-off loss E off can also be reduced.

また本実施の形態の半導体装置によれば、ゲート電極層117による制御方式は電圧制御型である。このため、上述したように本実施の形態の半導体装置では、第1および第2の従来例に比較して、ゲート制御回路の簡略化を図ることができ、システム全体も小型化、簡略化、省エネルギー化できる。   Further, according to the semiconductor device of the present embodiment, the control method by the gate electrode layer 117 is a voltage control type. Therefore, as described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the gate control circuit can be simplified as compared with the first and second conventional examples, and the entire system can be reduced in size and simplified. It can save energy.

また本実施の形態の半導体装置によれば、実施の形態11と同様、溝113a〜113dの深さT13は5μm以上である。このため、実施の形態11で説明したように、順方向電圧降下Vfを第3の従来例よりも低くすることが可能となる。 According to the semiconductor device of the present embodiment, as in Embodiment 11, the depth of the groove 113 a to 113 d T 13 is 5μm or more. For this reason, as described in the eleventh embodiment, the forward voltage drop Vf can be made lower than that in the third conventional example.

(実施の形態14)
図73は、本発明の請求項12に対応する実施の形態14における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図73を参照して、本実施の形態における半導体装置の構成は、実施の形態11の構成と比較して、p- ベース領域133を設けた点で異なる。p- ベース領域133は、p型ベース領域107の下部に位置し、かつ溝113の側壁に沿って配置されている。このp-ベース領域133の不純物濃度は1×1014cm-3以上1×1016cm-3以下である。
(Embodiment 14)
FIG. 73 is a cross sectional view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the fourteenth embodiment corresponding to claim 12 of the present invention. Referring to FIG. 73, the configuration of the semiconductor device in the present embodiment is different from the configuration in the eleventh embodiment in that p base region 133 is provided. The p base region 133 is located below the p-type base region 107 and is disposed along the side wall of the groove 113. The impurity concentration of the p base region 133 is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 16 cm −3 or less.

これ以外の構成については、実施の形態11とほぼ同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration other than this is substantially the same as that of the eleventh embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

本実施の形態の半導体装置では、主電流遮断時においてゲート電極層117に負の電圧が印加されると、p- ベース領域133内において溝113に沿う部分にp+反転層が形成される。このため、デバイスのターンオフ時にキャリアであるホールの引抜きがスムーズにでき、スイッチング特性が改善できる。 In the semiconductor device of the present embodiment, when a negative voltage is applied to gate electrode layer 117 at the time of main current interruption, a p + inversion layer is formed in a portion along trench 113 in p base region 133. For this reason, when the device is turned off, the holes that are carriers can be drawn smoothly, and the switching characteristics can be improved.

また主電流導通時にゲート電極層117に正の電圧が印加された場合には、p- ベース領域133内の溝113に沿う部分には反転n層が形成されるため、比率Rnは高く維持される。 In addition, when a positive voltage is applied to gate electrode layer 117 during conduction of the main current, an inverted n layer is formed in a portion along p - base region 133 along groove 113, so that the ratio Rn is maintained high. The

このように、比率Rnを高く維持できるとともに、スイッチング特性を改善することができる。   Thus, the ratio Rn can be kept high and the switching characteristics can be improved.

また本実施の形態の半導体装置によれば、ゲート電極層117による制御方式は電圧制御型である。このため、上述したように本実施の形態の半導体装置では、第1および第2の従来例に比較して、ゲート制御回路の簡略化を図ることができ、システム全体も小型化、簡略化、省エネルギー化できる。   Further, according to the semiconductor device of the present embodiment, the control method by the gate electrode layer 117 is a voltage control type. Therefore, as described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the gate control circuit can be simplified as compared with the first and second conventional examples, and the entire system can be reduced in size and simplified. It can save energy.

また本実施の形態の半導体装置によれば、実施の形態11と同様、溝113の深さは5μm以上である。このため、実施の形態11と同様、順方向電圧降下Vfを第3の従来例よりも低くすることが可能となる。   Further, according to the semiconductor device of the present embodiment, the depth of the groove 113 is 5 μm or more, as in the eleventh embodiment. Therefore, as in the eleventh embodiment, the forward voltage drop Vf can be made lower than that in the third conventional example.

(実施の形態15)
図74は、本発明の請求項8および17に対応する実施の形態15における半導体装置の構成を概略的に示す断面図であり、図58に示す構成の一部を模式的に示す断面図である。
(Embodiment 15)
74 is a cross sectional view schematically showing a configuration of the semiconductor device in the fifteenth embodiment corresponding to claims 8 and 17 of the present invention, and is a cross sectional view schematically showing a part of the configuration shown in FIG. is there.

図74を参照して、本願発明者らは、比率Rnを、IGBTの各部の寸法において近似できることを見い出した。比率Rnは、実施の形態3で説明したように、Rn=n/(n+p)で表わせる。このnは、上述したように図74の太線で示す部分の面積である。具体的には、面積nは、主電流導通状態において、n+ 蓄積領域125aがn- 領域105およびp型ベース領域107と接する面積と、n+エミッタ領域109がp型ベース領域107と接する面積との和である。一方、pは、上述したようにp型ベース領域107とn- 領域105との接触面積である。 With reference to FIG. 74, the present inventors have found that the ratio Rn can be approximated in the dimensions of the respective parts of the IGBT. The ratio Rn can be expressed by Rn = n / (n + p) as described in the third embodiment. This n is the area of the portion indicated by the thick line in FIG. 74 as described above. Specifically, the area n is an area where the n + accumulation region 125a is in contact with the n region 105 and the p-type base region 107 and an area where the n + emitter region 109 is in contact with the p-type base region 107 in the main current conduction state. And the sum. On the other hand, p is a contact area between the p-type base region 107 and the n region 105 as described above.

ここで、n+蓄積領域125aの幅は、非常に微小である。このため、溝113の幅をWt、溝113のカソード面(第1主面)からの深さをDt、n+エミッタ領域のカソード面からの深さをDe、n+エミッタ領域109の一方の溝113から他方の溝113へ向かう方向の幅をWe、p型ベース領域107の一方の溝113から他方の溝113へ向かう方向の幅をWp、p型ベース領域107のカソード面からの深さをDpとした場合、nおよびpは、以下の式により与えられる。 Here, the width of the n + accumulation region 125a is very small. Therefore, the width of the groove 113 is Wt, the depth of the groove 113 from the cathode surface (first main surface) is Dt, the depth of the n + emitter region from the cathode surface is De, and one of the n + emitter regions 109 is The width in the direction from the groove 113 toward the other groove 113 is We, the width in the direction from one groove 113 to the other groove 113 in the p-type base region 107 is Wp, and the depth from the cathode surface of the p-type base region 107 is Is Dp, n and p are given by the following equations.

Figure 2006080551
Figure 2006080551

Figure 2006080551
Figure 2006080551

上述の式を比率Rnに代入することにより、比率Rnは以下の式により与えられる。   By substituting the above formula into the ratio Rn, the ratio Rn is given by the following formula.

Figure 2006080551
Figure 2006080551

ここで、溝113のピッチをPt(図74)とすると、   Here, if the pitch of the grooves 113 is Pt (FIG. 74),

Figure 2006080551
Figure 2006080551

であるため、比率Rnは以下の式のように書き換えられる。 Therefore, the ratio Rn is rewritten as the following equation.

Figure 2006080551
Figure 2006080551

なお、面積n、pを計算するにあたっては、図74において、奥行き方向の総長(=トレンチ長さL×トレンチ本数)を掛けた数値を用いるのが正しい。しかし、縞状のトレンチが並走する構造では、各項に等しく奥行き方向の総長がかかるため、これを省略して上述の式で近似することができる。   In calculating the areas n and p, it is correct to use a value obtained by multiplying the total length in the depth direction (= trench length L × the number of trenches) in FIG. However, in a structure in which striped trenches run side by side, the total length in the depth direction is equally applied to each term, so that this can be omitted and approximated by the above formula.

また図74においては、説明の便宜上、溝113の底面を平面形状のものとしたが、実素子ではゲート耐圧を向上させる目的から溝113の底部は図58に示すように丸みのある形状にするのが通常である。このため、比率Rnの計算において、トレンチ底部の面積Wtには1より大きい係数がかかるが、説明を簡略化するために省略した。   In FIG. 74, for convenience of explanation, the bottom surface of the groove 113 has a planar shape. However, in the actual device, the bottom of the groove 113 is rounded as shown in FIG. 58 for the purpose of improving the gate breakdown voltage. It is normal. For this reason, in the calculation of the ratio Rn, the area Wt at the bottom of the trench takes a coefficient larger than 1, but it is omitted for the sake of simplicity.

より具体的に、深いトレンチゲートを形成する場合、Pt=5.5μm、Dt=15μm、Wt=1μm、De=1μm、We=0.8μmとすれば、
Rn=[1+(0.8+15−1)×2]/[5.5+(0.8+15−1)×2]=15.8/20.3=0.78
となり大きな比率Rnが実現できる。
More specifically, when forming a deep trench gate, if Pt = 5.5 μm, Dt = 15 μm, Wt = 1 μm, De = 1 μm, We = 0.8 μm,
Rn = [1+ (0.8 + 15-1) × 2] / [5.5+ (0.8 + 15-1) × 2] = 15.8 / 20.3 = 0.78
Thus, a large ratio Rn can be realized.

(実施の形態16)
図75は、本発明の請求項8および17に対応する実施の形態16における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図75を参照して、上述の比率Rnの式より、比率Rnを大きくするには溝113が浅く(溝113の深さDtが小さく)とも、溝113の幅Wtを大きくすることも効果的である。
(Embodiment 16)
FIG. 75 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device in the sixteenth embodiment corresponding to claims 8 and 17 of the present invention. Referring to FIG. 75, it is effective to increase the width Wt of the groove 113 even if the groove 113 is shallow (the depth Dt of the groove 113 is small) in order to increase the ratio Rn from the above formula of the ratio Rn. It is.

より具体的には、Pt=9μm、Dt=5μm、Wt=6μm、De=1μm、We=0.8μmとすれば、
Rn=[6+(0.8+5+1)×2]/[9+(0.8+5+1)×2]=19.6/22.6=0.87
となり大きな比率Rnが実現できる。
More specifically, if Pt = 9 μm, Dt = 5 μm, Wt = 6 μm, De = 1 μm, We = 0.8 μm,
Rn = [6+ (0.8 + 5 + 1) × 2] / [9+ (0.8 + 5 + 1) × 2] = 19.6 / 22.6 = 0.87
Thus, a large ratio Rn can be realized.

(実施の形態17)
本実施の形態の半導体装置の構成は、図64に示す実施の形態12の構成とほぼ同様である。この構造は、前述の実施の形態15などと比べて構成が複雑で、最適化すべき変数が増加し製造工程が複雑化するという不利な面もあるが、より大きな比率Rnが得られやすく、低オン電圧化に有効であるという利点がある。
(Embodiment 17)
The configuration of the semiconductor device of the present embodiment is substantially the same as the configuration of the twelfth embodiment shown in FIG. This structure is more complex than the fifteenth embodiment described above and has the disadvantage that the number of variables to be optimized increases and the manufacturing process becomes complicated. However, a larger ratio Rn is easily obtained, and the structure is low. There is an advantage that it is effective for the on-voltage.

本実施の形態によるゲート電極層117によるオン、オフ状態の制御方法については、上述した実施の形態12とほぼ同様であるためその説明は省略する。   The method for controlling the on / off state by the gate electrode layer 117 according to the present embodiment is substantially the same as that of the above-described twelfth embodiment, and a description thereof will be omitted.

特に主電流導通状態においてゲート電極層117に正の電圧を印加した場合には、図69に示すようにn+ 蓄積領域125bが生ずる。 In particular, when a positive voltage is applied to the gate electrode layer 117 in the main current conduction state, an n + accumulation region 125b is generated as shown in FIG.

ここで、R−R′線とS−S′線との間の構造を単位セルとした場合、面積nは、
n=2Dt−De+We+Wn+Wt
となる。
Here, when the structure between the R—R ′ line and the S—S ′ line is a unit cell, the area n is:
n = 2Dt−De + We + Wn + Wt
It becomes.

この式からも明らかなように、本実施の形態の半導体装置では、図69に示すように溝113bと113cとに挟まれる表面領域にもn+ 蓄積領域125bが生じる。このため、単位セルにおける有効カソード面積は、実施の形態15よりも大きくなる。このため、カソード側の電子の注入効率はより一層向上し、順方向電圧降下Vfもより一層低減できる。また、これにより比率Rnが0.4以上となり1に近づく。 As is apparent from this equation, in the semiconductor device of the present embodiment, an n + accumulation region 125b is also generated in the surface region sandwiched between the grooves 113b and 113c, as shown in FIG. For this reason, the effective cathode area in the unit cell is larger than that in the fifteenth embodiment. For this reason, the electron injection efficiency on the cathode side is further improved, and the forward voltage drop Vf can be further reduced. Further, the ratio Rn becomes 0.4 or more and approaches 1.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図76〜図85は、本発明の請求項18および20に対応する実施の形態17における半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。特に本実施の形態の製造方法として、4500V級の耐圧を有する素子を製造する場合を例にとって説明する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
76 to 85 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing a semiconductor device in the seventeenth embodiment corresponding to claims 18 and 20 of the present invention in the order of steps. In particular, as a manufacturing method of the present embodiment, a case where an element having a breakdown voltage of 4500 V class is manufactured will be described as an example.

まず図76を参照して、FZ法により200〜400Ωcm程度の高抵抗率のn- シリコン基板105が形成される。このn- シリコン基板105の第2主面となるアノード側に、第1導電型であるn型高不純物濃度で10〜30μm程度の厚みのn+バッファ領域103と、第2導電型であるp型高不純物濃度で3〜10μm程度の厚みのp+ コレクタ領域(p+ アノード領域)101が形成される。 First, referring to FIG. 76, n - silicon substrate 105 having a high resistivity of about 200 to 400 Ωcm is formed by FZ method. On the anode side which is the second main surface of the n silicon substrate 105, an n + buffer region 103 having a first conductivity type n-type high impurity concentration and a thickness of about 10 to 30 μm, and a second conductivity type p A p + collector region (p + anode region) 101 having a high impurity concentration and a thickness of about 3 to 10 μm is formed.

+ バッファ領域103の製造方法の1つは、拡散係数の大きいリンのイオン注入後に、1200〜1250℃の高温で20〜30時間ドライブ・インを行ない、最終工程後においてn+バッファ領域103のピーク濃度が1×1016〜5×1017cm-3程度、深さが20〜30μm程度になるように形成することである。また、リンのイオン注入の代わりにPH3ガスやPOCl3 をバブリングすることによって得られるガスによる気相デポジション法が用いられてもよい。 One method of manufacturing n + buffer region 103, after ion implantation of large phosphorus diffusion coefficient, performed 20-30 hours drive-in at a high temperature of 1,200-1,250 ° C., after the final step of the n + buffer region 103 It is formed so that the peak concentration is about 1 × 10 16 to 5 × 10 17 cm −3 and the depth is about 20 to 30 μm. Further, a vapor phase deposition method using a gas obtained by bubbling PH 3 gas or POCl 3 may be used instead of phosphorus ion implantation.

+ バッファ領域103の他の製造方法は、エピタキシャル成長を用いて、イオン注入法により形成する場合と同程度のn型不純物濃度を有するシリコン結晶層を形成することである。 Another manufacturing method of the n + buffer region 103 is to form a silicon crystal layer having an n-type impurity concentration comparable to that formed by ion implantation using epitaxial growth.

+ コレクタ領域101の製造方法には、n+バッファ領域103の製造方法と同様のイオン注入または気相デポジション後にドライブ・インを行なう方法と、エピタキシャル成長によりp型シリコン結晶層を形成する方法とがある。ただし、この場合はp型不純物として、ホウ素またはガリウムが用いられる。したがって、気相デポジション法のソースガスは、B26 ガスや固体ソースであるBN(Boron Nitride )の酸化により生じたボロンガラス(B23など)の昇華したガスである。p+ コレクタ領域101は、最終工程後において、深さが3〜10μm、ピーク濃度がn+ バッファ領域103のピーク濃度より高くなるように形成される。 The manufacturing method of the p + collector region 101 includes a method of performing drive-in after ion implantation or vapor phase deposition similar to the manufacturing method of the n + buffer region 103, and a method of forming a p-type silicon crystal layer by epitaxial growth. There is. However, in this case, boron or gallium is used as the p-type impurity. Therefore, the source gas of the vapor deposition method is a gas obtained by sublimation of boron glass (B 2 O 3 or the like) generated by oxidation of B 2 H 6 gas or BN (Boron Nitride) which is a solid source. The p + collector region 101 is formed to have a depth of 3 to 10 μm and a peak concentration higher than that of the n + buffer region 103 after the final process.

図77を参照して、後工程で形成される溝(図中点線)に挟まれる領域に、レジストパターン151をマスクとして選択的にホウ素のイオン注入が行なわれる。これにより、第2導電型のp型ベース領域107aがn- シリコン基板105の第1主面に形成される。溝を3〜5μm程度の短い繰返し間隔(ピッチ)で縞状に形成する場合には、p型ベース領域107aの拡散のための長い熱処理(たとえば1100℃〜1150℃の比較的高温で長時間30分〜7時間程度)をかけることで、IGBT構造を形成しない領域にまでp型ベース領域107aが侵入するのを防ぐ必要がある。このため、溝の繰返し間隔(Tr-pitch)より小さい寸法のpベース注入幅wp(imp)でホウ素イオンを注入する必要がある。 Referring to FIG. 77, boron ions are selectively implanted into a region sandwiched between grooves (dotted lines in the figure) formed in a later step, using resist pattern 151 as a mask. As a result, the p-type base region 107 a of the second conductivity type is formed on the first main surface of the n silicon substrate 105. When the grooves are formed in stripes with a short repetition interval (pitch) of about 3 to 5 μm, a long heat treatment for diffusion of the p-type base region 107a (for example, a relatively high temperature of 1100 ° C. to 1150 ° C. for 30 hours) It is necessary to prevent the p-type base region 107a from penetrating into the region where the IGBT structure is not formed. For this reason, it is necessary to implant boron ions with a p base implantation width wp (imp) having a dimension smaller than the groove repeat interval (Tr-pitch).

図78を参照して、通常の写真製版技術により第1主面上にレジストパターン152が形成される。このレジストパターン152をマスクとして、リン、砒素もしくはアンチモンなどのn型不純物がイオン注入されることにより、第1導電型のn+ エミッタ領域109aが形成される。この後、レジストパターン152が除去される。 Referring to FIG. 78, a resist pattern 152 is formed on the first main surface by a normal photolithography technique. Using this resist pattern 152 as a mask, an n-type impurity such as phosphorus, arsenic or antimony is ion-implanted to form a first conductivity type n + emitter region 109a. Thereafter, resist pattern 152 is removed.

図79を参照して、通常の写真製版技術により第1主面上にレジストパターン153が形成される。このレジストパターン153をマスクとしてRIE法やその他のシリコン異方性エッチングにより、所定の繰返し間隔で縞状に溝113a〜113dが形成される。この後、上述したようなp型ベース領域107拡散のために、1100℃〜1150℃の比較的高温で長時間30分〜7時間程度の長い熱処理が施される。この熱処理により、p型ベース領域107aとn+エミッタ領域109aとが拡散される。 Referring to FIG. 79, a resist pattern 153 is formed on the first main surface by a normal photolithography technique. Using this resist pattern 153 as a mask, grooves 113a to 113d are formed in stripes at predetermined repetition intervals by RIE or other silicon anisotropic etching. Thereafter, a long heat treatment of about 30 minutes to 7 hours at a relatively high temperature of 1100 ° C. to 1150 ° C. is performed for the diffusion of the p-type base region 107 as described above. By this heat treatment, p-type base region 107a and n + emitter region 109a are diffused.

上記熱処理の温度および時間などの条件は、製造された素子に要求される主耐圧に合せてp型ベース領域107が十分深く形成できるように決定される。具体的には、4500V級の耐圧を有する素子では、n+ エミッタ領域109の下部に2μm程度以上のp型ベース領域107が必要である。このため、基板表面からのp型ベース領域107の拡散深さは、n+エミッタ領域109の拡散深さに2μm程度以上を加えた深さである。それゆえ、上述のような高温で長時間の熱処理が必要となる。 Conditions such as the temperature and time of the heat treatment are determined so that the p-type base region 107 can be formed sufficiently deeply in accordance with the main breakdown voltage required for the manufactured element. Specifically, in an element having a breakdown voltage of 4500 V class, a p-type base region 107 of about 2 μm or more is required below the n + emitter region 109. Therefore, the diffusion depth of the p-type base region 107 from the substrate surface is a depth obtained by adding about 2 μm or more to the diffusion depth of the n + emitter region 109. Therefore, heat treatment for a long time at a high temperature as described above is required.

またこのような高温で長時間の熱処理を避けるために、図77に示すイオン注入の工程で、高エネルギーイオン注入を用いて選択的に深くイオンを注入する方法もある。この場合マスクとして用いられるレジストパターン151は、通常の粘度(数十cp(センチポアズ;粘度の単位))より高粘度の300〜500cp程度のものが用いられる。またこのレジストパターン151は、数μmの厚みに形成されるため、3〜5MeV程度の高エネルギーで注入されるイオンを遮蔽することができる。また、この程度の高エネルギーでイオンを注入したときのシリコン中でのホウ素イオンの飛程は、2〜4μm程度である。このため、ほとんど熱処理を加えることなく、所望のp型ベース領域107aの拡散深さを得ることができる。   In order to avoid such a long-time heat treatment at a high temperature, there is a method of selectively implanting deep ions using high energy ion implantation in the ion implantation step shown in FIG. In this case, the resist pattern 151 used as a mask has a viscosity of about 300 to 500 cp, which is higher than a normal viscosity (several tens of cp (centipoise; unit of viscosity)). In addition, since the resist pattern 151 is formed to a thickness of several μm, ions implanted with a high energy of about 3 to 5 MeV can be shielded. The range of boron ions in silicon when ions are implanted with such high energy is about 2 to 4 μm. Therefore, the desired diffusion depth of the p-type base region 107a can be obtained with little heat treatment.

このp型ベース領域107の拡散のための熱処理が過剰に施されたり、選択注入(拡散)のためのレジストのホールパターンが大きすぎたりすると、図86および図87に示すように、本来、IGBT構造を形成しない領域にまでp型ベース領域107がはみ出してしまう。この場合、比率Rnを大きくすることで素子特性を改善しようとした目的が果たせなくなってしまう。   If the heat treatment for diffusion of the p-type base region 107 is excessively performed, or if the hole pattern of the resist for selective implantation (diffusion) is too large, as shown in FIGS. The p-type base region 107 protrudes to a region where no structure is formed. In this case, the purpose of improving the element characteristics by increasing the ratio Rn cannot be achieved.

一方、p型ベース領域107の拡散のための熱処理が小さすぎたり、選択注入(拡散)のためのレジストのホールパターンが小さすぎたりすると、図88および図89に示すように、IGBT構造部分でn+ エミッタ領域109がp型ベース領域107に覆われない部分が生じ、主耐圧を保持することができなくなってしまう。 On the other hand, if the heat treatment for the diffusion of the p-type base region 107 is too small, or if the hole pattern of the resist for selective implantation (diffusion) is too small, as shown in FIGS. A portion where the n + emitter region 109 is not covered with the p-type base region 107 occurs, and the main breakdown voltage cannot be maintained.

図80に示すように、パターニングされた膜154を形成した状態で犠牲酸化(Sacrificial Oxidation)を施すことにより、溝113a〜113dの内壁に酸化膜115が形成される。この後、図81に示すようにウエットエッチングが行なわれて、酸化膜115が除去される。   As shown in FIG. 80, sacrificial oxidation is performed in a state where the patterned film 154 is formed, so that the oxide film 115 is formed on the inner walls of the grooves 113a to 113d. Thereafter, wet etching is performed as shown in FIG. 81, and oxide film 115 is removed.

図82を参照して、熱酸化により、溝113a〜113dの内壁および第1主面上にシリコン酸化膜115が形成される。このシリコン酸化膜115は、素子に要求されるゲート耐圧、ゲート入力容量およびゲートしきい値電圧に合せて形成される。   Referring to FIG. 82, silicon oxide film 115 is formed on the inner walls and first main surface of grooves 113a-113d by thermal oxidation. This silicon oxide film 115 is formed in accordance with the gate breakdown voltage, gate input capacitance and gate threshold voltage required for the element.

この溝113a〜113dを埋め込むように第1主面上にリンドープト多結晶シリコンよりなる導電性膜117cが形成される。この導電性膜117cは、溝113a〜113dの開口幅と同じかもしくはそれ以上の膜厚で、減圧CVD等の装置により形成される。この後、導電性膜117cは、後工程で加工しやすい程度の比較的薄い膜厚にまで全面エッチング(通常エッチバックと呼ぶ)される。   A conductive film 117c made of phosphorus-doped polycrystalline silicon is formed on the first main surface so as to fill these grooves 113a to 113d. The conductive film 117c has a film thickness equal to or larger than the opening width of the grooves 113a to 113d and is formed by an apparatus such as low pressure CVD. Thereafter, the entire surface of the conductive film 117c is etched (usually referred to as etch back) to a relatively thin film thickness that can be easily processed in a later process.

さらにこの後、導電性膜117cは、制御電極(ゲート)の表面配線によるひきまとめ部分を残すように、通常の写真製版技術およびドライエッチング技術により選択的に除去される。   Further thereafter, the conductive film 117c is selectively removed by a normal photoengraving technique and dry etching technique so as to leave a gathered portion by the surface wiring of the control electrode (gate).

図83を参照して、この選択的除去により、溝113a〜113dを埋め込み、かつIGBT構造が形成されない領域上に絶縁膜129を介在して延在する部分117aを有する制御電極層(ゲート電極層)117が形成される。   Referring to FIG. 83, by this selective removal, a control electrode layer (gate electrode layer) having a portion 117a filling trenches 113a-113d and extending through an insulating film 129 over a region where an IGBT structure is not formed. ) 117 is formed.

図84を参照して、通常の写真製版技術と、ホウ素等のp型不純物のイオン注入技術とを組合せることにより、第2導電型のp+ コンタクト領域111が、n+ エミッタ領域109と隣り合うように第1主面に形成される。 Referring to FIG. 84, the p + contact region 111 of the second conductivity type is adjacent to the n + emitter region 109 by combining a normal photolithography technique and an ion implantation technique of p-type impurities such as boron. It is formed on the first main surface to fit.

図85を参照して、BPSG等のCVDシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が層間絶縁膜119aとしてゲート電極層117を覆うように形成される。この層間絶縁膜119aに、コンタクトホールもくしはライン状のコンタクト部分が形成される。この後、第1主面上にアルミニウムなどの金属配線がスパッタ法により形成され、図64に示す半導体装置が完成する。   Referring to FIG. 85, a CVD silicon oxide film such as BPSG or a silicon nitride film is formed as interlayer insulating film 119a so as to cover gate electrode layer 117. A contact hole or a line-shaped contact portion is formed in the interlayer insulating film 119a. Thereafter, metal wiring such as aluminum is formed on the first main surface by sputtering, and the semiconductor device shown in FIG. 64 is completed.

なお、n+ エミッタ領域109は、図78および図79に示すプロセスで形成されなくとも、図83に示す制御電極層117が形成された後に形成されてもよい。また図83に示すゲート電極層117が形成された後にn+エミッタ領域109が形成される場合には、このn+ エミッタ領域109は、図84に示すp+ コンタクト領域111が形成された後に形成されてもよい。 Note that the n + emitter region 109 may not be formed by the process shown in FIGS. 78 and 79 but may be formed after the control electrode layer 117 shown in FIG. 83 is formed. Also in the case where n + emitter region 109 after the gate electrode layer 117 shown in FIG. 83 is formed is formed, the n + emitter region 109 is formed after the p + contact region 111 shown in FIG. 84 has been formed May be.

また図79の工程で溝113a〜113dが形成された後、例えば特願平6−012559号及び特願平7−001347号に示すように等方性乾式食刻(Chemical Dry Etching)が行なわれてもよい。   In addition, after the grooves 113a to 113d are formed in the process of FIG. 79, isotropic dry etching is performed as shown in, for example, Japanese Patent Application Nos. 6-012559 and 7-001347. May be.

具体的には図79の工程で溝113a〜113dが形成された後、図90に示すように等方性エッチングが行なわれ、溝113a〜113dの開口部の角が落とされ、各溝のボトムが丸められる。その後、エッチング時に形成されるデポ膜がウエットエッチングで除去される。この後に、図80と図81とに示すように犠牲酸化により溝113a〜113dの内壁に酸化膜115が形成され、ウエットエッチングでその酸化膜115が除去される。   Specifically, after the grooves 113a to 113d are formed in the step of FIG. 79, isotropic etching is performed as shown in FIG. 90, the corners of the openings of the grooves 113a to 113d are dropped, and the bottom of each groove is formed. Is rounded. Thereafter, the deposition film formed at the time of etching is removed by wet etching. Thereafter, as shown in FIGS. 80 and 81, an oxide film 115 is formed on the inner walls of the grooves 113a to 113d by sacrificial oxidation, and the oxide film 115 is removed by wet etching.

これにより溝113a〜113dの内部と開口部分の形状が整えられると同時に、異方性食刻により生じた汚染層や損傷層(damage layer)が除去される。   As a result, the inside of the grooves 113a to 113d and the shape of the opening are adjusted, and at the same time, the contaminated layer and damaged layer caused by the anisotropic etching are removed.

なお、この図80に示す犠牲酸化と低損傷の等方性乾式食刻は少なくとも一方が行なわれればよい。   Note that at least one of the sacrificial oxidation and the low damage isotropic dry etching shown in FIG. 80 may be performed.

本実施の形態の半導体装置は、実施の形態15と比較して製造工程は複雑である。しかし、溝113a〜113dを極端に深くしたり幅広くしたりする必要がない。このため、溝形成のエッチング工程そのものや、ドープトポリシリコン膜のCVD法によるトレンチ埋め込みの工程自体の処理時間が短くてすみ、製造装置の負担が軽減できる。したがって、総合的な費用対性能が実施の形態15と同程度になる。   The semiconductor device of this embodiment has a more complicated manufacturing process than that of the fifteenth embodiment. However, it is not necessary to make the grooves 113a to 113d extremely deep or wide. For this reason, the processing time of the trench forming etching process itself and the trench embedding process itself by the CVD method of the doped polysilicon film can be shortened, and the burden on the manufacturing apparatus can be reduced. Therefore, the overall cost / performance is comparable to that of the fifteenth embodiment.

(実施の形態18)
図91は、本発明の実施の形態18における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図91を参照して、本実施の形態の構成は、図64に示す実施の形態12および17の構成と比較して、ゲート電極層117の構成において異なる。つまり、ゲート電極層117は、IGBT構造が形成されない領域(以下、IGBT非形成領域と称する)上には延在していない。つまり、IGBT非形成領域上には、絶縁層(絶縁層129および層間絶縁膜119)のみを介在してカソード電極121が形成されている。
(Embodiment 18)
FIG. 91 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device in Embodiment 18 of the present invention. Referring to FIG. 91, the configuration of the present embodiment is different in the configuration of gate electrode layer 117 as compared to the configurations of embodiments 12 and 17 shown in FIG. That is, the gate electrode layer 117 does not extend over a region where the IGBT structure is not formed (hereinafter referred to as an IGBT non-formation region). That is, the cathode electrode 121 is formed on the IGBT non-formation region with only the insulating layers (the insulating layer 129 and the interlayer insulating film 119) interposed.

これ以外の構成については、実施の形態12および17と同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration other than this is the same as in the twelfth and seventeenth embodiments, the same reference numeral is given to the same member, and the description thereof is omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図92は、本発明の請求項18および21に対応する実施の形態18における半導体装置の製造方法を示す工程図である。本実施の形態の製造方法は、まず図76〜図82に示す実施の形態17と同様の工程を経る。この後、図92を参照して、通常の写真製版技術およびドライエッチング技術を用いてゲート電極層が、IGBT非形成領域上に延在しないように、かつ第1主面上に突出するようにパターニングされる。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
FIG. 92 is a process diagram showing the method for manufacturing the semiconductor device in the eighteenth embodiment corresponding to claims 18 and 21 of the present invention. The manufacturing method of the present embodiment first undergoes the same steps as those of the seventeenth embodiment shown in FIGS. Thereafter, referring to FIG. 92, the gate electrode layer does not extend on the IGBT non-formation region and projects on the first main surface by using the normal photolithography technique and the dry etching technique. Patterned.

この後、実施の形態17と同様の工程を経ることにより、図91に示す半導体装置が完成する。   Thereafter, the semiconductor device shown in FIG. 91 is completed through steps similar to those in the seventeenth embodiment.

このように、IGBT非形成領域上にゲート電極層117を延在させないようにする場合、その製造工程の簡便さは、実施の形態17においてゲート電極層をIGBT形成領域上に延在させた場合とほとんど変わらない。   As described above, when the gate electrode layer 117 is not extended on the IGBT non-formation region, the simplicity of the manufacturing process is obtained when the gate electrode layer is extended on the IGBT formation region in the seventeenth embodiment. And almost the same.

本実施の形態の半導体装置では、実施の形態17と比較して、IGBT非形成領域上にゲート電極層が延在していない。このため、オン状態では、IGBT非形成領域の第1主面に拡張したn+ エミッタ領域(蓄積領域)が形成されず、オン状態における比率Rn値が小さくなる。しかし、IGBT形成領域を挟む溝のピッチに比較してIGBT非形成領域を挟む溝間のピッチを小さくすることにより、比率Rn値に占める拡張したn+エミッタ領域(蓄積領域)の割合が小さくなるため、実施の形態17とほぼ同様の比率Rnを得ることができる。 In the semiconductor device according to the present embodiment, the gate electrode layer does not extend over the IGBT non-formation region as compared with the seventeenth embodiment. For this reason, in the ON state, the extended n + emitter region (storage region) is not formed on the first main surface of the IGBT non-formation region, and the ratio Rn value in the ON state becomes small. However, by reducing the pitch between the grooves sandwiching the IGBT non-formation region as compared with the pitch of the trench sandwiching the IGBT formation region, the proportion of the expanded n + emitter region (accumulation region) in the ratio Rn value is reduced. Therefore, it is possible to obtain a ratio Rn substantially the same as that in the seventeenth embodiment.

また、第1主面上にゲート電極層が延在している部分では、層間絶縁膜119の膜厚が薄くなる。このため、ゲート電極層117とエミッタ電極121との間の耐圧不良が生じやすく、製造歩留りが劣化する。この製造歩留りの観点からは、第1主面上にゲート電極が延在する部分が少ない方が望ましい。したがって、本実施の形態の半導体装置は、実施の形態17の構成と比較して工業的に有効である。   In the portion where the gate electrode layer extends on the first main surface, the thickness of the interlayer insulating film 119 is reduced. For this reason, a breakdown voltage failure between the gate electrode layer 117 and the emitter electrode 121 is likely to occur, and the manufacturing yield deteriorates. From the viewpoint of the manufacturing yield, it is desirable that the portion where the gate electrode extends on the first main surface is small. Therefore, the semiconductor device of the present embodiment is industrially effective as compared with the configuration of the seventeenth embodiment.

(実施の形態19)
図93は、本発明の請求項13および17に対応する実施の形態19における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図93を参照して、本実施の形態の構成では、図64に示す実施の形態12および17に示す構成と比較して、2つのIGBT形成領域に挟まれる領域に複数個のIGBT非形成領域が配置されている。
(Embodiment 19)
FIG. 93 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to the nineteenth embodiment corresponding to claims 13 and 17 of the present invention. Referring to FIG. 93, in the configuration of the present embodiment, a plurality of IGBT non-formation regions are formed in a region sandwiched between two IGBT formation regions as compared to the configurations of the twelfth and seventeenth embodiments shown in FIG. Is arranged.

本実施の形態の構造は、図93においてR−R′線とS−S′線の両方について線対称な構造となっている。このため、単位セルを、R−R′線とS−S′線との間の構造ととる考え方と、R−R′線と次のR−R′線との間の構造ととる考え方との2種類がある。ここでは後者のR−R′線と次のR−R′線との間の構造を単位セルとする。したがって、単位セル内において、2つのIGBT形成領域に挟まれるIGBT非形成領域の個数は3個である。言い換えれば、2つのIGBT形成領域の間には各IGBT非形成領域を挟む4本の溝が配置されている。   The structure of the present embodiment is a line-symmetric structure with respect to both the RR ′ line and the SS line in FIG. For this reason, the concept of taking the unit cell as the structure between the R—R ′ line and the S—S ′ line, and the concept of taking the structure between the R—R ′ line and the next R—R ′ line, There are two types. Here, the structure between the latter RR ′ line and the next RR ′ line is defined as a unit cell. Therefore, the number of IGBT non-forming regions sandwiched between two IGBT forming regions in the unit cell is three. In other words, four grooves sandwiching each IGBT non-formation region are arranged between the two IGBT formation regions.

2つのIGBTに挟まれるIGBT非形成領域の個数が多ければ多いほど比率Rn値は1に近づく。しかし、溝間のピッチや溝の深さにより多少状況は異なるが、2つのIGBT形成領域に挟まれるIGBT非形成領域の個数が2ないし4程度を超えると、比率Rn値が飽和し始める。またオン状態で拡張したn+エミッタ領域(n+蓄積領域)は、シリコン基板とゲート酸化膜の界面の極近傍(100Å程度の範囲)にしか形成されない。このため、拡張したn+エミッタ領域(蓄積領域)が長くなりすぎると、この蓄積領域の抵抗も無視できない程度に大きくなってしまう。それゆえ、2つのIGBT形成領域に挟まれるIGBT非形成領域の数は4以下であることが好ましい。言い換えれば、2つのIGBT形成領域の間に位置する溝の本数は5以下であることが好ましい。 The ratio Rn value approaches 1 as the number of IGBT non-formation regions sandwiched between two IGBTs increases. However, although the situation is somewhat different depending on the pitch between the grooves and the depth of the grooves, when the number of IGBT non-formation regions sandwiched between the two IGBT formation regions exceeds about 2 to 4, the ratio Rn value starts to saturate. Further, the n + emitter region (n + accumulation region) expanded in the ON state is formed only in the vicinity of the interface between the silicon substrate and the gate oxide film (in the range of about 100 mm). For this reason, if the expanded n + emitter region (storage region) becomes too long, the resistance of the storage region becomes too large to be ignored. Therefore, the number of IGBT non-formation regions sandwiched between two IGBT formation regions is preferably 4 or less. In other words, the number of grooves located between two IGBT formation regions is preferably 5 or less.

なお、本実施の形態の半導体装置は実施の形態17とほぼ同じ製造方法により製造できる。   The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured by almost the same manufacturing method as that of the seventeenth embodiment.

(実施の形態20)
図94は本発明の請求項15および17に対応する実施の形態20における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図94を参照して、本実施の形態は、図93に示す実施の形態19と比較して、ゲート電極層117の構成が異なる。本実施の形態では、ゲート電極層117は、IGBT非形成領域上には延在していない。
(Embodiment 20)
FIG. 94 is a cross sectional view schematically showing a configuration of the semiconductor device according to the twentieth embodiment corresponding to claims 15 and 17 of the present invention. Referring to FIG. 94, the present embodiment is different from the nineteenth embodiment shown in FIG. 93 in the configuration of gate electrode layer 117. In the present embodiment, the gate electrode layer 117 does not extend over the IGBT non-formation region.

それ以外の構成については、実施の形態19とほぼ同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since other configurations are substantially the same as those in the nineteenth embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

なお、本実施の形態の半導体装置は実施の形態18とほぼ同じ製造方法により製造できる。   The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured by almost the same manufacturing method as that of the eighteenth embodiment.

本実施の形態の半導体装置では、ゲート電極層117が、IGBT非形成領域上に延在していないため、オン状態における比率Rn値が小さくなる。しかし、IGBT形成領域を挟む溝のピッチに比べて、IGBT非形成領域を挟む溝のピッチを小さくすることにより、比率Rn値に示す拡張したn+ エミッタ領域(n+ 蓄積領域)の割合が小さくなり、実施の形態19とほぼ同様の比率Rnを得ることができる。 In the semiconductor device of the present embodiment, since the gate electrode layer 117 does not extend on the IGBT non-formation region, the ratio Rn value in the on state is small. However, the ratio of the expanded n + emitter region (n + accumulation region) indicated by the ratio Rn value is reduced by reducing the pitch of the groove that sandwiches the IGBT non-formation region compared to the pitch of the trench that sandwiches the IGBT formation region. Thus, the substantially same ratio Rn as in the nineteenth embodiment can be obtained.

一方、ゲート電極層117が第1主面上に延在している部分では、ゲート電極層上の層間絶縁膜119の膜厚が薄くなる。このため、ゲート電極層117が第1主面上に延在する部分が多いほど、ゲート電極層117とカソード電極121との間の耐圧不良が生じやすくなり、製造歩留りが劣化する。このため、製造歩留りの観点からは、ゲート電極層117がIGBT非形成領域上に延在せず、第1主面上に延在する部分が少ないほど望ましいため、本実施の形態は、実施の形態19と比較して工業的に有効である。   On the other hand, in the portion where gate electrode layer 117 extends on the first main surface, the thickness of interlayer insulating film 119 on the gate electrode layer is reduced. For this reason, as the number of portions where the gate electrode layer 117 extends on the first main surface increases, a breakdown voltage defect between the gate electrode layer 117 and the cathode electrode 121 is more likely to occur, and the manufacturing yield deteriorates. For this reason, from the viewpoint of manufacturing yield, the gate electrode layer 117 does not extend on the IGBT non-formation region, and the smaller the portion extending on the first main surface, the more desirable. It is industrially effective as compared with Form 19.

(実施の形態21)
図95は、本発明の請求項14および17に対応する実施の形態21における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図95を参照して、本実施の形態の構成は、図93に示す実施の形態19と比較して、p+ ダイバータ領域141が第1主面に設けられている点において異なる。このp+ダイバータ領域141とIGBT形成領域との間には、IGBT非形成領域が複数個配置されている。
(Embodiment 21)
FIG. 95 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to the twenty-first embodiment corresponding to claims 14 and 17 of the present invention. Referring to FIG. 95, the configuration of the present embodiment differs from that of the nineteenth embodiment shown in FIG. 93 in that p + diverter region 141 is provided on the first main surface. A plurality of IGBT non-forming regions are arranged between the p + diverter region 141 and the IGBT forming region.

本実施の形態の構成は、図95のR−R′線とU−U′線との両方について線対称な構造となっている。このため、単位セルをR−R′線とU−U′線との間の構造ととる考え方と、R−R′線と次のR−R′線との間の構造ととる考え方の2種類がある。ここでは、後者のR−R′線と次のR−R′線との間の構造を単位セルとする。したがって、p+ダイバータ領域141とIGBT形成領域とに挟まれる領域には、たとえば3つのIGBT非形成領域が配置されている。言い換えれば、p+ダイバータ領域141とIGBT形成領域との間には4本の溝が配置されている。 The configuration of the present embodiment has a line-symmetric structure with respect to both the RR ′ line and the U-U ′ line in FIG. For this reason, the concept of taking the unit cell as a structure between the RR 'line and the U-U' line and the concept of taking the structure between the RR 'line and the next RR' line are two. There are types. Here, the structure between the latter RR ′ line and the next RR ′ line is defined as a unit cell. Therefore, for example, three IGBT non-formation regions are arranged in a region sandwiched between the p + diverter region 141 and the IGBT formation region. In other words, four grooves are arranged between the p + diverter region 141 and the IGBT formation region.

また、実施の形態19と同様、p+ダイバータ領域141とIGBT形成領域とに挟まれるIGBT非形成領域の数を大きくすればするほど、比率Rn値は1に近づく。しかし、溝のピッチや溝の深さによって多少状況は異なるが、p+ダイバータ領域141とIGBT形成領域とに挟まれるIGBT非形成領域の個数が2ないし4程度を超えると比率Rn値が飽和し始める。 As in the nineteenth embodiment, the ratio Rn value approaches 1 as the number of IGBT non-formation regions sandwiched between the p + diverter region 141 and the IGBT formation region is increased. However, although the situation differs somewhat depending on the groove pitch and groove depth, the ratio Rn value is saturated when the number of IGBT non-forming regions sandwiched between the p + diverter region 141 and the IGBT forming region exceeds about 2 to 4. start.

また、オン状態で拡張したn+エミッタ領域(n+蓄積領域)は、このn-領域であるシリコン基板105とゲート酸化膜115との界面の極近傍(100Å程度の範囲)にしか形成されない。このため、拡張したn+エミッタ領域(n+蓄積領域)が長くなりすぎると、この蓄積領域の抵抗も無視できない程度に大きくなってしまう。それゆえ、p+ダイバータ領域141とIGBT形成領域に挟まれるIGBT非形成領域の実用的な個数は4以下である。言い換えれば、p+ダイバータ領域141とIGBT形成領域との間に挟まれる溝の本数は5以下である。 Further, the n + emitter region (n + accumulation region) expanded in the ON state is formed only in the very vicinity (in the range of about 100 mm) of the interface between the silicon substrate 105 and the gate oxide film 115 as the n region. For this reason, if the expanded n + emitter region (n + storage region) becomes too long, the resistance of the storage region also becomes so large that it cannot be ignored. Therefore, the practical number of IGBT non-formation regions sandwiched between the p + diverter region 141 and the IGBT formation region is 4 or less. In other words, the number of grooves sandwiched between the p + diverter region 141 and the IGBT formation region is 5 or less.

本実施の形態の半導体装置では、IGBT形成領域間に挟まれる溝の本数が多く、IGBT非形成領域の個数が多い場合に、ターンオフ機能を補助するためにp+ ダイバータ領域141が設けられている。このp+ ダイバータ領域141は、ターンオフ時の主電流の一部をIGBT構造部分より転流する働きを有している。以下、このことについてさらに詳しく説明する。 In the semiconductor device of the present embodiment, p + diverter region 141 is provided to assist the turn-off function when the number of grooves sandwiched between IGBT formation regions is large and the number of IGBT non-formation regions is large. . The p + diverter region 141 has a function of commutating a part of the main current at turn-off from the IGBT structure portion. This will be described in more detail below.

通常、IGBTのターンオフは、前述のように、ゲート負バイアス状態でnチャネルが消失した後、最終的にはp+ コンタクト領域111から正孔電流がpnpトランジスタのコレクタ電流として抜け出す。このとき、MAE構造により、n+エミッタ領域が大きく拡張されている場合には、カソード側でのIGBT構造に含まれるp+ コンタクト領域111の単位セルに占める割合が小さくなる。このため、ターンオフ時にp+コレクタ領域111に正孔が集中してしまう。よって、p+ コレクタ領域111から正孔が抜けきらず、ターンオフ時間が長くなってしまう。 Normally, in the IGBT turn-off, as described above, after the n-channel disappears in the negative gate bias state, the hole current finally flows out from the p + contact region 111 as the collector current of the pnp transistor. At this time, when the n + emitter region is greatly expanded by the MAE structure, the proportion of the p + contact region 111 included in the IGBT structure on the cathode side in the unit cell becomes small. For this reason, holes are concentrated in the p + collector region 111 at the time of turn-off. Therefore, holes cannot be removed from the p + collector region 111, and the turn-off time becomes long.

+ ダイバータ領域141は、単位セルに占めるp型領域の割合を増加させる目的で設けられている。つまり、p+ダイバータ領域141を設けたことにより、ターンオフ時にp+ コレクタ領域111のみならずp+ ダイバータ領域141からも、正孔電流がpnpトランジスタのコレクタ電流として抜け出す。これにより、p+コレクタ領域111に正孔が集中してターンオフ時間が長くなるという問題が解消される。 The p + diverter region 141 is provided for the purpose of increasing the proportion of the p-type region in the unit cell. In other words, by providing the p + diverter region 141, from p + diverter region 141 not only p + collector region 111 at turn-off, the hole current comes out as a collector current of the pnp transistor. As a result, the problem that holes are concentrated in the p + collector region 111 and the turn-off time becomes long is solved.

また、このp+ダイバータ領域141は、オフ時の電流の偏りを低減する働きもある。このため、p+ ダイバータ領域141は、IGBT形成領域から比較的遠く離れた部分に形成することがより有効である。 Further, the p + diverter region 141 also has a function of reducing current deviation in off-state. Therefore, it is more effective to form the p + diverter region 141 in a portion that is relatively far away from the IGBT formation region.

(実施の形態22)
図96は、本発明の請求項16および17に対応する実施の形態22における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。図96を参照して、本実施の形態の構成は、図95に示す実施の形態21の構成と比較して、ゲート電極層117がIGBT非形成領域上に延在していない点において異なる。
(Embodiment 22)
FIG. 96 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device according to the twenty-second embodiment corresponding to claims 16 and 17 of the present invention. Referring to FIG. 96, the configuration of the present embodiment is different from the configuration of the twenty-first embodiment shown in FIG. 95 in that gate electrode layer 117 does not extend on the IGBT non-formation region.

なお、これ以外の構成については実施の形態21の構成とほぼ同様であるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Since the configuration other than this is substantially the same as the configuration of the twenty-first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

本実施の形態の半導体装置では、実施の形態21と比較して、IGBT非形成領域上にゲート電極層117が延在していないため、オン状態で拡張したn+ エミッタ領域(n+ 蓄積領域)がなく、オン状態における比率Rn値が小さくなる。しかし、IGBT形成領域を挟む溝のピッチに比べ、IGBT非形成領域を挟む溝のピッチを小さくすることにより、比率Rn値に占める拡張したn+エミッタ領域(n+ 蓄積領域)の割合が小さくなり、実施の形態21とほぼ同等の比率Rnを得ることができる。 In the semiconductor device according to the present embodiment, the gate electrode layer 117 does not extend over the IGBT non-formation region as compared with the twenty-first embodiment, so that the n + emitter region (n + accumulation region) expanded in the on state ) And the ratio Rn value in the ON state becomes small. However, the proportion of the expanded n + emitter region (n + accumulation region) in the ratio Rn value is reduced by reducing the pitch of the groove that sandwiches the IGBT non-formed region compared to the pitch of the groove that sandwiches the IGBT forming region. A ratio Rn substantially equal to that in the twenty-first embodiment can be obtained.

一方、第1主面上にゲート電極層117が延在している部分では、層間絶縁膜119の膜厚が薄くなる。このため、IGBT非形成領域上にゲート電極層117が延在しており、第1主面上に延在するゲート電極層117の割合が多いと、ゲート電極層117とエミッタ電極121との耐圧不良が生じやすく、製造歩留りが劣化する。そのため、製造歩留りの観点からは、第1主面上を覆うゲート電極層117の部分ができるだけ少ないことが望ましいため、本実施の形態の構成は、実施の形態21の構成と比較して工業的に有効である。   On the other hand, in the portion where the gate electrode layer 117 extends on the first main surface, the thickness of the interlayer insulating film 119 is reduced. Therefore, the gate electrode layer 117 extends on the IGBT non-formation region, and if the ratio of the gate electrode layer 117 extending on the first main surface is large, the breakdown voltage between the gate electrode layer 117 and the emitter electrode 121 is increased. Defects are likely to occur, and the manufacturing yield deteriorates. Therefore, from the viewpoint of manufacturing yield, it is desirable that the portion of the gate electrode layer 117 covering the first main surface is as small as possible. Therefore, the configuration of this embodiment is more industrial than the configuration of Embodiment 21. It is effective for.

上述した実施の形態11〜22では、図22と図23を用いて説明したように、n+ エミッタ領域109の割合を増加させれば、比率Rnが増加するため、主電流導通状態での順方向電圧降下Vfが低減できる。一方、p+コンタクト領域111の割合を増加させれば、ターンオフ時のテール電流が低減できるため、ターンオフ損失Eoff を低減することができる。 In Embodiments 11 to 22 described above, as described with reference to FIGS. 22 and 23, if the ratio of the n + emitter region 109 is increased, the ratio Rn increases. The directional voltage drop Vf can be reduced. On the other hand, if the ratio of the p + contact region 111 is increased, the tail current at the time of turn-off can be reduced, so that the turn-off loss E off can be reduced.

上記実施の形態11〜22では、n+ エミッタ領域109の幅とp+ コンタクト領域111との幅を略同一で形成しているが、順方向電圧降下Vfとターンオフ損失Eoffへの要求に応じて、n+ エミッタ領域109とp+ コンタクト領域111とのそれぞれの幅を変えることもできる。 In Embodiments 11 to 22 above, the width of the n + emitter region 109 and the width of the p + contact region 111 are formed to be substantially the same, but according to the requirements for the forward voltage drop Vf and the turn-off loss E off . Thus, the widths of the n + emitter region 109 and the p + contact region 111 can be changed.

また実施の形態11〜22のn+ エミッタ領域109とp+ コンタクト領域111とは、直線状に交互に配置されているが、図55〜図57を用いて説明したように同心円上に配置されていてもよい。p+コンタクト領域111を同心円上に適切に配置すれば、均一性良く少数キャリアを引抜くことが可能となり、より高速で安定なターンオフが可能となる。 In addition, the n + emitter regions 109 and the p + contact regions 111 of the embodiments 11 to 22 are alternately arranged in a straight line, but are arranged concentrically as described with reference to FIGS. It may be. If the p + contact region 111 is appropriately arranged on a concentric circle, minority carriers can be extracted with good uniformity, and a faster and more stable turn-off can be achieved.

なお、上記すべての実施の形態においては、p型およびn型の各導電型は、各々逆の導電型であってもよい。   In all the above embodiments, the p-type and n-type conductivity types may be opposite to each other.

また、上記すべての実施の形態においては、n型バッファ領域3、103が形成された例について示してあるが、素子の定格や所有の性能によりn型バッファ領域3、103を形成しなくてもよい。またこのn型バッファ領域3、103の厚みおよび不純物濃度を変えることにより、各素子の必要な主耐圧、オン電圧、スイッチング特性等を得ることができる。   In all the above embodiments, the n-type buffer regions 3 and 103 are shown as examples. However, the n-type buffer regions 3 and 103 may not be formed depending on the rating of the element and the performance of possession. Good. Further, by changing the thickness and impurity concentration of the n-type buffer regions 3 and 103, necessary main breakdown voltage, on-voltage, switching characteristics, etc. of each element can be obtained.

また各実施の形態では、p+ コレクタ領域1、101の表面全面がアノード電極19、123に接している例について示したが、半導体基板5もしくはn-領域105の一部をこのアノード電極19、123の一部にショートする目的でn型の高濃度領域が電気的に接続されていてもよい。またこのn型の領域がアノード電極19、123に接続されることにより、各ダイオードの電気特性を変えることが可能となる。 In each embodiment, the entire surface of the p + collector regions 1 and 101 is in contact with the anode electrodes 19 and 123. However, the semiconductor substrate 5 or a part of the n region 105 is partly connected to the anode electrodes 19 and 123. An n-type high concentration region may be electrically connected for the purpose of short-circuiting part of 123. Further, by connecting the n-type region to the anode electrodes 19 and 123, it becomes possible to change the electrical characteristics of each diode.

また、実施の形態1〜10では溝9底部の断面形状は平坦となっているが、実施の形態11〜14に示すように溝9の底部の断面形状は丸みを帯びていてもよい。逆に、実施の形態11〜22に示す溝113などの底部の断面形状は、実施の形態1〜10に示すように平坦であってもよい。   Moreover, although the cross-sectional shape of the bottom part of the groove | channel 9 is flat in Embodiment 1-10, as shown in Embodiment 11-14, the cross-sectional shape of the bottom part of the groove | channel 9 may be rounded. Conversely, the cross-sectional shape of the bottom of the grooves 113 and the like shown in the embodiments 11 to 22 may be flat as shown in the embodiments 1 to 10.

実施の形態1〜10でも、実施の形態11〜14と同様、溝9の深さを5μm以上15μm以下とすることにより、より順方向電圧降下Vfに優れた半導体装置を得ることができる。   In the first to tenth embodiments, similarly to the first to eleventh embodiments, by setting the depth of the groove 9 to 5 μm or more and 15 μm or less, it is possible to obtain a semiconductor device having a more excellent forward voltage drop Vf.

また各実施の形態において、溝9、113の深さが10μm以上であれば、より一層順方向電圧降下Vfを低減できるため好ましい。   Further, in each embodiment, it is preferable that the depth of the grooves 9 and 113 is 10 μm or more because the forward voltage drop Vf can be further reduced.

なお、前述のすべての実施の形態に共通しているが、各ゲート電極層13、117は、図示していない領域で電気的に接続されている。   Although common to all the above-described embodiments, the gate electrode layers 13 and 117 are electrically connected in a region not shown.

また各実施の形態においてゲート電極層13、117は、半導体基板の第1主面(カソード面)から上方へ突出するように形成されている。このため、ゲート電極層形成のためのエッチングの制御性が容易であるとともに素子の安定した動作を得ることができる。以下、このことについて詳細に説明する。   In each embodiment, the gate electrode layers 13 and 117 are formed so as to protrude upward from the first main surface (cathode surface) of the semiconductor substrate. For this reason, the controllability of etching for forming the gate electrode layer is easy, and a stable operation of the element can be obtained. This will be described in detail below.

図101〜図103に示した素子の構造では、ゲート電極層507が溝505内に埋め込まれている。この場合、ゲート電極層507は、一旦、溝505を埋め込むように半導体基板の第1主面全面に導電層が形成された後、この導電層に全面エッチバックを施すことにより得られる。しかし、このエッチング量が多すぎると、ゲート電極層507が、n型ターンオフチャネル層508の一部もしくは全部と対向しないようになる。このような場合には、ゲート電極層507に電圧を印加しても、n型ターンオフチャネル層508にチャネルは生成されず、素子が動作しなくなる。   In the element structure shown in FIGS. 101 to 103, the gate electrode layer 507 is embedded in the groove 505. In this case, the gate electrode layer 507 is obtained by once forming a conductive layer on the entire first main surface of the semiconductor substrate so as to fill the groove 505, and then etching the entire conductive layer. However, when the etching amount is too large, the gate electrode layer 507 does not face part or all of the n-type turn-off channel layer 508. In such a case, even when a voltage is applied to the gate electrode layer 507, no channel is generated in the n-type turn-off channel layer 508, and the device does not operate.

一方、本発明の各実施の形態では、ゲート電極層13、117は単に半導体基板の第1主面上方に突出するよう形成されればよいため、エッチング制御は容易である。また、この場合、必ずゲート電極層13、117は溝内を完全に埋め込んでいるため、チャネルが生成されないことにより動作が不安定になることはない。   On the other hand, in each embodiment of the present invention, the gate electrode layers 13 and 117 need only be formed so as to protrude above the first main surface of the semiconductor substrate, so that the etching control is easy. In this case, since the gate electrode layers 13 and 117 are always completely filled in the trenches, the operation is not unstable because no channel is generated.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。1 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor device in a first embodiment of the present invention. 図1にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図2のA−A′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the AA 'line of FIG. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第4工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 4th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第5工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 5th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法の第6工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 6th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における半導体装置の主電流導通状態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the main current conduction state of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 図11にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図12のB−B′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the BB 'line of FIG. 本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における半導体装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. 図17にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図18のC−C′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the CC 'line of FIG. 本発明の実施の形態3における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. 順方向電圧降下Vfと比率Rnとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the forward voltage drop Vf and ratio Rn. デバイス内を流れる電流Iと時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current I which flows in a device, and time. 本発明の実施の形態4における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in Embodiment 4 of this invention. 図24にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図25のD−D′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the DD 'line of FIG. 本発明の実施の形態5における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in Embodiment 5 of this invention. 図27にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図28のE−E′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which follows the EE 'line of FIG. 本発明の実施の形態5における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態5における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態6における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in Embodiment 6 of this invention. 図32にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図33のF−F′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the FF 'line of FIG. 本発明の実施の形態7における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in Embodiment 7 of this invention. 図35にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。FIG. 36 is a schematic plan view showing a state in which a cathode electrode is provided in FIG. 図36のG−G′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the GG 'line | wire of FIG. 本発明の実施の形態7における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態7における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態8における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 8 of this invention. 図40にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図41のH−H′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the HH 'line of FIG. 本発明の実施の形態9における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in Embodiment 9 of this invention. 図43にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図44のI−I′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the II 'line of FIG. 本発明の実施の形態9における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9における半導体装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9における半導体装置の製造方法の第4工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 4th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態9における半導体装置の主電流導通状態の様子を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the mode of the main electric current conduction state of the semiconductor device in Embodiment 9 of this invention. 本発明の実施の形態10における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 10 of this invention. 図51にカソード電極を設けた様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the cathode electrode was provided in FIG. 図52のJ−J′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the JJ 'line of FIG. 本発明の実施の形態10における半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 10 of this invention. 溝が同心円状に配置された様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the groove | channel was arrange | positioned concentrically. 溝が同心円状に配置された様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the groove | channel was arrange | positioned concentrically. 溝が同心円状に配置された様子を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows a mode that the groove | channel was arrange | positioned concentrically. 本発明の実施の形態11における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態11における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態11における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態11における半導体装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態11における半導体装置の製造方法の第4工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 4th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態11における半導体装置の製造方法の第5工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 5th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態12における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 12 of this invention. 本発明の実施の形態12における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 12 of this invention. 本発明の実施の形態12における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 12 of this invention. 本発明の実施の形態12における半導体装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 12 of this invention. 本発明の実施の形態12における半導体装置の製造方法の第4工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 4th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 12 of this invention. 本発明の実施の形態12における半導体装置の主電流導通状態を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the main current conduction state of the semiconductor device in Embodiment 12 of this invention. 本発明の実施の形態13における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 13 of this invention. 本発明の実施の形態13における半導体装置の製造方法の工程図である。It is process drawing of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 13 of this invention. 本発明の実施の形態13における半導体装置の主電流導通状態の様子を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the mode of the main electric current conduction state of the semiconductor device in Embodiment 13 of this invention. 本発明の実施の形態14における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 14 of this invention. 本発明の実施の形態15における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 15 of this invention. 本発明の実施の形態16における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 16 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 1st process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 2nd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 3rd process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第4工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 4th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第5工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 5th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第6工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 6th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第7工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 7th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第8工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 8th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第9工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 9th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. 本発明の実施の形態17における半導体装置の製造方法の第10工程を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the 10th process of the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 17 of this invention. p型ベース領域がはみ出した場合の第1工程図である。FIG. 10 is a first process diagram when a p-type base region protrudes. p型ベース領域がはみ出した場合の第2工程図である。FIG. 10 is a second process diagram when the p-type base region protrudes. p型ベース領域が小さい場合の第1工程図である。FIG. 10 is a first process diagram when the p-type base region is small. p型ベース領域が小さい場合の第2工程図である。FIG. 10 is a second process diagram when the p-type base region is small. 溝形成後に等方性乾式食刻を行なった様子を示す工程図である。It is process drawing which shows a mode that isotropic dry etching was performed after groove | channel formation. 本発明の実施の形態18における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 18 of this invention. 本発明の実施の形態18における半導体装置の製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in Embodiment 18 of this invention. 本発明の実施の形態19における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 19 of this invention. 本発明の実施の形態20における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 20 of this invention. 本発明の実施の形態21における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 21 of this invention. 本発明の実施の形態22における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in Embodiment 22 of this invention. 第1の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows roughly the structure of the semiconductor device in a 1st prior art example. 第2の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the structure of the semiconductor device in a 2nd prior art example. 第3の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the structure of the semiconductor device in a 3rd prior art example. 第3の従来例におけるn+ 蓄積層が生じた様子を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a mode that the n <+> storage layer in the 3rd prior art example was produced. 第4の従来例における半導体装置の構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the structure of the semiconductor device in a 4th prior art example. 図101のP−P′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the PP line of FIG. 図101のQ−Q′線に沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the QQ 'line of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,101 p+ コレクタ領域、3,103 n型バッファ領域、5,105 n- 領域、7,109 カソード領域(n+エミッタ領域)、9,9a〜9d,113,113a〜113d 溝、11 絶縁膜、13,117 ゲート電極層、15 絶縁膜、17,121 カソード電極、19,123 アノード電極、23 p+分離不純物領域、31 p+ コンタクト領域、41 p型ベース領域、61 n- 領域、62 p+コンタクト領域。 1,101 p + collector region, 3,103 n-type buffer region, 5,105 n region, 7,109 cathode region (n + emitter region), 9, 9a to 9d, 113, 113a to 113d groove, 11 insulation Film, 13,117 Gate electrode layer, 15 Insulating film, 17, 121 Cathode electrode, 19, 123 Anode electrode, 23 p + isolation impurity region, 31 p + contact region, 41 p-type base region, 61 n region, 62 p + contact region.

Claims (19)

真正もしくは第1導電型の半導体基板を挟んで両主面の間を主電流が流れるpnpn構造を含む半導体装置であって、
前記半導体基板の第1主面に形成された第1導電型の第1不純物領域と、
前記半導体基板の第2主面に形成された第2導電型の第2不純物領域と、
前記第1不純物領域の下部に形成され、前記第2不純物領域との間で前記半導体基板の領域を挟む第2導電型の第3不純物領域とを備え、
前記半導体基板は、並走する複数の溝を前記第1主面に有し、前記溝の各々は、前記第1主面から前記第1および第3不純物領域を貫通して前記半導体基板の前記領域内に達するよう形成されており、
複数の溝は、第1および第2の溝を有し、
前記第1不純物領域は、前記第1の溝と前記第2の溝とに挟まれる前記半導体基板の前記第1主面全面に形成されており、さらに、
前記溝内において絶縁膜を介在して、前記第1および第3不純物領域および前記半導体基板の前記領域と対向するように形成された制御電極層と、
前記半導体基板の前記第1主面上に形成され、前記第1不純物領域に電気的に接続された第1電極層と、
前記半導体基板の前記第2主面上に形成され、前記第2不純物領域に電気的に接続された第2電極層とを備えた、半導体装置。
A semiconductor device including a pnpn structure in which a main current flows between both main surfaces across a genuine or first conductivity type semiconductor substrate,
A first impurity region of a first conductivity type formed on a first main surface of the semiconductor substrate;
A second impurity region of a second conductivity type formed on the second main surface of the semiconductor substrate;
A third impurity region of a second conductivity type formed under the first impurity region and sandwiching the region of the semiconductor substrate with the second impurity region;
The semiconductor substrate has a plurality of grooves running in parallel on the first main surface, and each of the grooves penetrates the first and third impurity regions from the first main surface. Formed to reach the area,
The plurality of grooves have first and second grooves,
The first impurity region is formed on the entire surface of the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the first groove and the second groove, and
A control electrode layer formed so as to face the first and third impurity regions and the region of the semiconductor substrate with an insulating film interposed in the trench;
A first electrode layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first impurity region;
A semiconductor device comprising: a second electrode layer formed on the second main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the second impurity region.
複数の前記溝は、互いに並走する前記第1の溝、前記第2の溝および第3の溝を有し、
前記第2の溝および前記第3の溝に挟まれる前記半導体基板の前記第1主面には、第2導電型の第4不純物領域が形成されており、
前記第4不純物領域は、前記溝より浅く形成されており、前記第1電極層と電気的に接続されている、請求項1に記載の半導体装置。
The plurality of grooves include the first groove, the second groove, and the third groove that run parallel to each other,
A fourth impurity region of a second conductivity type is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the second groove and the third groove;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the fourth impurity region is formed shallower than the trench and is electrically connected to the first electrode layer.
真正もしくは第1導電型の半導体基板を挟んで両主面の間で主電流が流れるダイオード構造を含む半導体装置であって、
前記半導体基板の第1主面に形成され、前記半導体基板の濃度より高い不純物濃度を有する第1導電型の第1不純物領域と、
前記半導体基板の第2主面に形成された第2導電型の第2不純物領域とを備え、
前記半導体基板は、前記第1不純物領域を挟むように前記第1主面に形成された並走する溝を有し、さらに、
溝の側壁であって前記第1主面に前記第1不純物領域と隣り合うように形成された第2導電型の第3不純物領域と、
前記第3不純物領域の直下に前記溝の側壁と前記半導体基板の領域に接するように、かつ前記第1不純物領域と隣り合うように設けられた、前記第1不純物領域より低濃度の第1導電型の第4不純物領域と、
前記溝内において絶縁膜を介在して、前記第3および第4不純物領域および前記半導体基板の前記領域と対向するように形成された制御電極層と、
前記半導体基板の前記第1主面上に形成され、前記第1および第3不純物領域に電気的に接続された第1電極層と、
前記半導体基板の前記第2主面上に形成され、前記第2不純物領域に電気的に接続された第2電極層とを備えた、半導体装置。
A semiconductor device including a diode structure in which a main current flows between both main surfaces across a genuine or first conductivity type semiconductor substrate,
A first impurity region of a first conductivity type formed on the first main surface of the semiconductor substrate and having an impurity concentration higher than the concentration of the semiconductor substrate;
A second impurity region of a second conductivity type formed on the second main surface of the semiconductor substrate,
The semiconductor substrate has a parallel running groove formed in the first main surface so as to sandwich the first impurity region, and
A third impurity region of a second conductivity type formed on the first main surface so as to be adjacent to the first impurity region on the side wall of the groove;
First conductivity lower in concentration than the first impurity region, which is provided immediately below the third impurity region so as to be in contact with the side wall of the trench and the region of the semiconductor substrate and adjacent to the first impurity region. A fourth impurity region of the mold;
A control electrode layer formed so as to face the third and fourth impurity regions and the region of the semiconductor substrate with an insulating film interposed in the trench;
A first electrode layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first and third impurity regions;
A semiconductor device comprising: a second electrode layer formed on the second main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the second impurity region.
前記半導体基板の前記第1主面に形成された分離不純物領域をさらに備え、
複数の前記溝のうち、最外列に配置された前記溝の一方側には他の前記溝が配置され、
前記最外列に配置された前記溝の他方側には前記分離不純物領域が配置され、
前記分離不純物領域は、前記最外列に配置された前記溝に接し、かつ前記溝よりも深く形成されている、請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
An isolation impurity region formed on the first main surface of the semiconductor substrate;
Among the plurality of grooves, the other groove is disposed on one side of the grooves disposed in the outermost row,
The isolation impurity region is disposed on the other side of the groove disposed in the outermost row,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the isolation impurity region is formed in contact with the groove arranged in the outermost row and deeper than the groove. 5.
前記溝の前記第1主面からの深さは5μm以上15μm以下である、請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a depth of the groove from the first main surface is not less than 5 μm and not more than 15 μm. 真正もしくは第1導電型の半導体基板の両主面の間で電流が流れる半導体装置であって、
前記半導体基板の第1主面側に形成された第2導電型の第1不純物領域と、
前記半導体基板の第2主面に形成され、前記第1不純物領域との間で前記半導体基板の低濃度領域を挟む第2導電型の第2不純物領域とを備え、
前記半導体基板は、前記第1主面から前記第1不純物領域を貫通して前記半導体基板の前記低濃度領域に達する溝を有し、さらに、
前記第1不純物領域上であって前記半導体基板の前記第1主面に前記溝の側壁に接するように形成された第1導電型の第3不純物領域と、
前記第1不純物領域上であって前記半導体基板の前記第1主面に前記第3不純物領域と隣り合うように形成された、前記第1不純物領域より高濃度の第2導電型の第4不純物領域と、
前記溝内において第1の絶縁膜を介在して前記第1および第3不純物領域と前記半導体基板の前記低濃度領域とに対向するように形成され、与えられる制御電圧により前記第1および第2主面間を流れる電流を制御するための制御電極層と、
前記半導体基板の前記第1主面上に形成され前記第3および第4不純物領域に電気的に接続された第1電極層と、
前記半導体基板の前記第2主面上に形成され前記第2不純物領域に電気的に接続された第2電極層とを備え、
前記半導体基板の前記第1および第2主面間が導通状態にあるとき、前記第3不純物領域と接し、かつ前記溝の周囲に沿う第1導電型の蓄積領域が形成され、
前記第3不純物領域および前記蓄積領域を含む有効カソード領域が、前記第1不純物領域および前記半導体基板の前記低濃度領域と接する面積nと、前記第1不純物領域が前記半導体基板の前記低濃度領域と接する面積pとの比率Rn=(n/n+p)が、前記導通状態において0.4以上1.0以下となることを特徴とする、半導体装置。
A semiconductor device in which a current flows between both main surfaces of a genuine or first conductivity type semiconductor substrate,
A first impurity region of a second conductivity type formed on the first main surface side of the semiconductor substrate;
A second impurity region of a second conductivity type formed on a second main surface of the semiconductor substrate and sandwiching a low concentration region of the semiconductor substrate with the first impurity region;
The semiconductor substrate has a groove reaching the low concentration region of the semiconductor substrate through the first impurity region from the first main surface,
A third impurity region of a first conductivity type formed on the first impurity region and in contact with a sidewall of the groove on the first main surface of the semiconductor substrate;
A fourth impurity having a second conductivity type higher in concentration than the first impurity region, formed on the first impurity region and adjacent to the third impurity region on the first main surface of the semiconductor substrate. Area,
The first and second impurity regions and the low-concentration region of the semiconductor substrate are opposed to the first and third impurity regions and the low-concentration region of the semiconductor substrate with a first insulating film interposed in the trench. A control electrode layer for controlling the current flowing between the main surfaces;
A first electrode layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the third and fourth impurity regions;
A second electrode layer formed on the second main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the second impurity region;
When the first and second main surfaces of the semiconductor substrate are in a conductive state, a first conductivity type accumulation region is formed in contact with the third impurity region and along the periphery of the groove;
The effective cathode region including the third impurity region and the accumulation region is in contact with the first impurity region and the low concentration region of the semiconductor substrate, and the first impurity region is the low concentration region of the semiconductor substrate. The ratio Rn = (n / n + p) to the area p in contact with the semiconductor device is 0.4 or more and 1.0 or less in the conductive state.
前記溝の前記第1主面からの深さは5μm以上15μm以下である、請求項6に記載の半導体装置。   The depth of the said groove | channel from the said 1st main surface is a semiconductor device of Claim 6 which is 5 micrometers or more and 15 micrometers or less. 前記溝は、第1、第2および第3の溝を有するように複数個形成されており、
前記第1および第2の溝に挟まれる前記半導体基板には、前記第1、第3および第4不純物領域が形成されており、
前記第2および第3の溝に挟まれる前記半導体基板の前記第1主面には前記半導体基板の前記低濃度領域のみが位置しており、
前記第2および第3の溝に挟まれる前記半導体基板上には、第2の絶縁膜を介在して、導電層が形成されており、
前記導電層は、前記第2および第3の溝内を埋込む前記制御電極層の各々と電気的に接続されている、請求項6に記載の半導体装置。
A plurality of the grooves are formed so as to have first, second and third grooves,
The first, third and fourth impurity regions are formed in the semiconductor substrate sandwiched between the first and second grooves,
Only the low-concentration region of the semiconductor substrate is located on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves,
On the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves, a conductive layer is formed with a second insulating film interposed therebetween,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the conductive layer is electrically connected to each of the control electrode layers embedded in the second and third grooves.
前記溝は、第1、第2および第3の溝を有するように複数個形成されており、
前記第1および第2の溝に挟まれる前記半導体基板には、前記第1、第3および第4不純物領域が形成されており、
前記第2および第3の溝に挟まれる前記半導体基板の前記第1主面には、第2導電型の第5不純物領域が形成されており、
前記第2および第3の溝に挟まれる前記半導体基板上には、第2の絶縁膜を介在して、導電層が形成されており、
前記導電層は、前記第2および第3の溝内を埋込む前記制御電極層の各々と電気的に接続されている、請求項6に記載の半導体装置。
A plurality of the grooves are formed so as to have first, second and third grooves,
The first, third and fourth impurity regions are formed in the semiconductor substrate sandwiched between the first and second grooves,
A fifth impurity region of a second conductivity type is formed on the first main surface of the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves,
On the semiconductor substrate sandwiched between the second and third grooves, a conductive layer is formed with a second insulating film interposed therebetween,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the conductive layer is electrically connected to each of the control electrode layers embedded in the second and third grooves.
前記第1不純物領域の下部において前記溝の側壁に接するように、かつ前記第2不純物領域との間で前記半導体基板の前記低濃度領域を挟むように形成され、前記第1不純物領域より低濃度を有する第2導電型の第5不純物領域をさらに備えた、請求項6に記載の半導体装置。   The lower portion of the first impurity region is formed so as to be in contact with the sidewall of the groove and sandwich the low concentration region of the semiconductor substrate with the second impurity region, and has a lower concentration than the first impurity region. The semiconductor device according to claim 6, further comprising a fifth impurity region of the second conductivity type having the following characteristics. 前記溝は、第1、第2、第3および第4の溝を有するように複数個形成されており、
前記第1および第2の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第1および第2の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1、第3および第4不純物領域が形成された第1の領域となっており、
前記第3および第4の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第3および第4の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1主面に前記半導体基板の前記低濃度領域のみが位置する第2の領域となっており、
2つの前記第1の領域の間には複数個の前記第2の領域が配置されており、
前記第1の領域の間に挟まれる複数個の前記第2の領域では、前記第1主面上に第2の絶縁膜を介在して導電層が形成されており、
前記導電層は、前記第2の領域の各々を挟む前記第3および第4の溝内を埋め込む前記制御電極層の各々と電気的に接続されている、請求項6に記載の半導体装置。
A plurality of the grooves are formed so as to have first, second, third and fourth grooves,
The first and second grooves are arranged adjacent to each other, and the first, third, and fourth impurity regions are formed in the region of the semiconductor substrate sandwiched between the first and second grooves. The first area,
The third and fourth grooves are arranged adjacent to each other, and the region of the semiconductor substrate sandwiched between the third and fourth grooves is formed on the first main surface with the low concentration of the semiconductor substrate. Only the area is the second area,
A plurality of the second regions are disposed between the two first regions,
In the plurality of second regions sandwiched between the first regions, a conductive layer is formed on the first main surface with a second insulating film interposed therebetween,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the conductive layer is electrically connected to each of the control electrode layers embedded in the third and fourth grooves sandwiching each of the second regions.
前記溝は、第1、第2、第3、第4、第5および第6の溝を有するように複数個形成されており、
前記第1および第2の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第1および第2の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は前記第1、第3および第4不純物領域が形成された第1の領域となっており、
前記第3および第4の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第3および第4の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1主面に前記半導体基板の前記低濃度領域のみが位置する第2の領域となっており、
前記第5および第6の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第5および第6の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1主面に第2導電型の第5不純物領域が形成された第3の領域となっており、
前記第1の領域と前記第3の領域との間には複数個の前記第2の領域が配置されており、
前記第5不純物領域には前記第1の電極層が電気的に接続されており、
前記第1の領域と前記第3の領域との間に挟まれる複数個の前記第2の領域では、前記第1主面上に第2の絶縁膜を介在して導電層が形成されており、
前記導電層は、前記第2の領域の各々を挟む前記第3および第4の溝内を埋め込む前記制御電極層の各々と電気的に接続されている、請求項6に記載の半導体装置。
A plurality of the grooves are formed to have first, second, third, fourth, fifth and sixth grooves,
The first and second trenches are disposed adjacent to each other, and the first, third, and fourth impurity regions are formed in a region of the semiconductor substrate that is sandwiched between the first and second trenches. The first area,
The third and fourth grooves are arranged adjacent to each other, and the region of the semiconductor substrate sandwiched between the third and fourth grooves is formed on the first main surface with the low concentration of the semiconductor substrate. Only the area is the second area,
The fifth and sixth grooves are arranged so as to be adjacent to each other, and the region of the semiconductor substrate sandwiched between the fifth and sixth grooves is the second conductivity type fifth on the first main surface. A third region in which an impurity region is formed;
A plurality of the second regions are disposed between the first region and the third region,
The first electrode layer is electrically connected to the fifth impurity region,
In the plurality of second regions sandwiched between the first region and the third region, a conductive layer is formed on the first main surface with a second insulating film interposed. ,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the conductive layer is electrically connected to each of the control electrode layers embedded in the third and fourth grooves sandwiching each of the second regions.
前記溝は、第1、第2、第3および第4の溝を有するように複数個形成されており、
前記第1および第2の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第1および第2の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1、第3および第4不純物領域が形成された第1の領域となっており、
前記第3および第4の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第3および第4の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1主面に前記半導体基板の前記低濃度領域のみが位置する第2の領域となっており、
2つの前記第1の領域の間には複数個の前記第2の領域が配置されており、
前記第1の領域の間に挟まれる複数個の前記第2の領域では、前記第1主面上に第2の絶縁膜のみを介在して前記第1の電極層が形成されており、
前記制御電極層は前記第1主面から上方へ突出している、請求項6に記載の半導体装置。
A plurality of the grooves are formed so as to have first, second, third and fourth grooves,
The first and second grooves are arranged adjacent to each other, and the first, third, and fourth impurity regions are formed in the region of the semiconductor substrate sandwiched between the first and second grooves. The first area,
The third and fourth grooves are arranged adjacent to each other, and the region of the semiconductor substrate sandwiched between the third and fourth grooves is formed on the first main surface with the low concentration of the semiconductor substrate. Only the area is the second area,
A plurality of the second regions are disposed between the two first regions,
In the plurality of second regions sandwiched between the first regions, the first electrode layer is formed on the first main surface with only the second insulating film interposed therebetween,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the control electrode layer protrudes upward from the first main surface.
前記溝は、第1、第2、第3、第4、第5および第6の溝を有するように複数個形成されており、
前記第1および第2の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第1および第2の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1、第3および第4不純物領域が形成された第1の領域となっており、
前記第3および第4の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第3および第4の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1主面に前記半導体基板の前記低濃度領域のみが位置する第2の領域となっており、
前記第5および第6の溝は互いに隣り合うように配置されており、前記第5および第6の溝に挟まれる前記半導体基板の領域は、前記第1主面に第2導電型の第5不純物領域が形成された第3の領域となっており、
前記第1の領域と前記第3の領域との間には複数個の前記第2の領域が配置されており、
前記第5不純物領域には前記第1の電極層が電気的に接続されており、
前記第1の領域と前記第3の領域との間に挟まれる複数個の前記第2の領域では、前記第1主面上に第2の絶縁膜のみを介在して前記第1の電極層が形成されており、
前記制御電極層は前記第1主面から上方へ突出している、請求項6に記載の半導体装置。
A plurality of the grooves are formed to have first, second, third, fourth, fifth and sixth grooves,
The first and second grooves are arranged adjacent to each other, and the first, third, and fourth impurity regions are formed in the region of the semiconductor substrate sandwiched between the first and second grooves. The first area,
The third and fourth grooves are arranged adjacent to each other, and the region of the semiconductor substrate sandwiched between the third and fourth grooves is formed on the first main surface with the low concentration of the semiconductor substrate. Only the area is the second area,
The fifth and sixth grooves are arranged so as to be adjacent to each other, and the region of the semiconductor substrate sandwiched between the fifth and sixth grooves is the second conductivity type fifth on the first main surface. A third region in which an impurity region is formed;
A plurality of the second regions are disposed between the first region and the third region,
The first electrode layer is electrically connected to the fifth impurity region,
In the plurality of second regions sandwiched between the first region and the third region, the first electrode layer is provided with only a second insulating film interposed on the first main surface. Is formed,
The semiconductor device according to claim 6, wherein the control electrode layer protrudes upward from the first main surface.
真正もしくは第1導電型の半導体基板の両主面の間で電流が流れる半導体装置であって、
前記半導体基板の第1主面側に形成された第2導電型の第1不純物領域と、
前記半導体基板の第2主面に形成され、前記第1不純物領域との間で前記半導体基板の低濃度領域を挟む第2導電型の第2不純物領域とを備え、
前記半導体基板は、前記第1主面から前記第1不純物領域を貫通して前記半導体基板の前記低濃度領域に達する溝を有し、さらに、
前記第1不純物領域上であって前記半導体基板の前記第1主面に前記溝の側壁に接するように形成された第1導電型の第3不純物領域と、
前記第1不純物領域上であって前記半導体基板の前記第1主面に前記第3不純物領域と隣り合うように形成された、前記第1不純物領域より高濃度の第2導電型の第4不純物領域と、
前記溝内において第1の絶縁膜を介在して前記第1および第3不純物領域と前記半導体基板の前記低濃度領域とに対向するように形成され、与えられる制御電圧により前記第1および第2主面間を流れる電流を制御するための制御電極層と、
前記半導体基板の前記第1主面上に形成され前記第3および第4不純物領域に電気的に接続された第1電極層と、
前記半導体基板の前記第2主面上に形成され前記第2不純物領域に電気的に接続された第2電極層とを備え、
前記溝の前記第1主面からの深さをDt、前記溝の幅をWt、前記第3不純物領域の前記第1主面からの深さをDe、前記第3不純物領域の一方の前記溝から他方の前記溝へ向かう方向の幅をWe、隣り合う前記溝間のピッチをPtとしたときに、
Figure 2006080551
を満たすことを特徴とする、半導体装置。
A semiconductor device in which a current flows between both main surfaces of a genuine or first conductivity type semiconductor substrate,
A first impurity region of a second conductivity type formed on the first main surface side of the semiconductor substrate;
A second impurity region of a second conductivity type formed on a second main surface of the semiconductor substrate and sandwiching a low concentration region of the semiconductor substrate with the first impurity region;
The semiconductor substrate has a groove reaching the low concentration region of the semiconductor substrate through the first impurity region from the first main surface,
A third impurity region of a first conductivity type formed on the first impurity region and in contact with a sidewall of the groove on the first main surface of the semiconductor substrate;
A fourth impurity having a second conductivity type higher in concentration than the first impurity region, formed on the first impurity region and adjacent to the third impurity region on the first main surface of the semiconductor substrate. Area,
The first and second impurity regions and the low-concentration region of the semiconductor substrate are opposed to the first and third impurity regions and the low-concentration region of the semiconductor substrate with a first insulating film interposed in the trench. A control electrode layer for controlling the current flowing between the main surfaces;
A first electrode layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the third and fourth impurity regions;
A second electrode layer formed on the second main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the second impurity region;
The depth of the groove from the first main surface is Dt, the width of the groove is Wt, the depth of the third impurity region from the first main surface is De, and one of the grooves in the third impurity region When the width in the direction from the groove to the other groove is We and the pitch between the adjacent grooves is Pt,
Figure 2006080551
The semiconductor device characterized by satisfy | filling.
真正もしくは第1導電型の半導体基板の両主面の間で電流が流れる半導体装置の製造方法であって、
第1導電型の半導体基板の第1主面に選択的にイオン注入することにより第2導電型の第1不純物領域を形成する工程と、
前記半導体基板の第2主面に第2導電型の第2不純物領域を形成する工程と、
選択的にイオン注入することにより前記第1不純物領域内の前記第1主面に第1導電型の第3不純物領域を形成する工程と、
前記第1主面に異方性食刻を行なうことにより前記半導体基板に第1、第2および第3の溝を有する複数の溝を形成する工程とを備え、
前記第1および第2の溝に挟まれる前記第1主面には第1および第3の不純物領域が形成されており、前記第2および第3の溝に挟まれる前記第1主面には前記半導体基板の前記低濃度領域のみが位置しており、さらに、
第1の絶縁膜を介在して前記第1および第2不純物領域に挟まれる前記半導体基板の低濃度領域と前記第1および第3不純物領域とに対向するように前記溝の内部に制御電極層を形成する工程と、
選択的にイオン注入することにより前記第3不純物領域と隣り合うように前記第1不純物領域内の前記第1主面に前記第1不純物領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第4不純物領域を形成する工程と、
前記第1および第4不純物領域と電気的に接続するように前記第1主面上に第1電極層を形成する工程と、
前記第2不純物領域と電気的に接続するように前記第2主面上に第2電極層を形成する工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device in which a current flows between both main surfaces of a genuine or first conductivity type semiconductor substrate,
Forming a second conductivity type first impurity region by selectively implanting ions into the first main surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a second impurity region of a second conductivity type on the second main surface of the semiconductor substrate;
Forming a third impurity region of the first conductivity type on the first main surface in the first impurity region by selectively implanting ions;
Forming a plurality of grooves having first, second and third grooves in the semiconductor substrate by performing anisotropic etching on the first main surface,
First and third impurity regions are formed on the first main surface sandwiched between the first and second grooves, and the first main surface sandwiched between the second and third grooves is formed on the first main surface. Only the low concentration region of the semiconductor substrate is located;
A control electrode layer is formed in the trench so as to face the low concentration region of the semiconductor substrate and the first and third impurity regions sandwiched between the first and second impurity regions with a first insulating film interposed therebetween. Forming a step;
By selectively implanting ions, a fourth impurity of a second conductivity type having an impurity concentration higher than that of the first impurity region on the first main surface in the first impurity region so as to be adjacent to the third impurity region. Forming a region;
Forming a first electrode layer on the first main surface so as to be electrically connected to the first and fourth impurity regions;
Forming a second electrode layer on the second main surface so as to be electrically connected to the second impurity region.
前記溝を形成した後、前記溝の内壁を酸化して酸化膜を形成して、前記酸化膜を除去する工程をさらに備えた、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, further comprising a step of forming an oxide film by oxidizing an inner wall of the groove after the formation of the groove, and removing the oxide film. 前記制御電極層を形成する工程は、
前記溝内を埋め込むように前記第1主面上に導電性膜を形成する工程と、
前記導電性膜をパターニングすることにより、前記溝内の導電性膜を残存させるとともに前記第1および第2の溝に挟まれる前記第1主面上の前記導電性膜を除去し、かつ前記第2および第3の溝に挟まれる前記第1主面上には第2の絶縁膜を介在して前記導電性膜を残存させる工程とを有する、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the control electrode layer includes
Forming a conductive film on the first main surface so as to fill the groove;
By patterning the conductive film, the conductive film in the groove is left, the conductive film on the first main surface sandwiched between the first and second grooves is removed, and the first The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, further comprising a step of leaving the conductive film on the first main surface sandwiched between the second and third grooves with a second insulating film interposed therebetween.
前記制御電極層を形成する工程は、
前記溝内を埋め込むように前記第1主面上に導電性膜を形成する工程と、
前記導電性膜をパターニングすることにより、前記第1および第2の溝に挟まれる前記第1主面上と前記第2および第3の溝に挟まれる前記第1主面上との前記導電性膜を除去することで前記溝内を埋め込み、かつ前記第1主面より上方に突出する制御電極層を形成する工程とを有する、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the control electrode layer includes
Forming a conductive film on the first main surface so as to fill the groove;
By patterning the conductive film, the conductivity between the first main surface sandwiched between the first and second grooves and the first main surface sandwiched between the second and third grooves. 17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, further comprising: forming a control electrode layer that fills the groove and removes the film and protrudes upward from the first main surface.
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CN113345958A (en) * 2020-03-03 2021-09-03 株式会社东芝 Control method of semiconductor device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018129326A (en) * 2017-02-06 2018-08-16 富士電機株式会社 Semiconductor device
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