JP2006203028A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置とその製造方法の技術分野に係り、特に、チャネル領域が溝側面に沿って形成される半導体装置とその製造方法に関する。 The present invention relates to a technical field of a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which a channel region is formed along a groove side surface and a manufacturing method thereof.
図38の符号101は従来技術のMOSトランジスタを示している。
このMOSトランジスタ101は、n型の半導体単結晶基板111上にn型の共通層112がエピタキシャル成長によって形成されており、該共通層112には細長い主溝119が複数本平行に形成されている。
主溝119が配置された領域の周囲には、主溝119を取り囲む四角リング状の複数の副溝120が形成されている。
In this
Around the region where the
主溝119の深さと副溝120の深さは同じである。主溝119の底面及び側面にはゲート絶縁膜125が形成されており、主溝119内部のゲート絶縁膜125で囲まれた領域にはゲート電極128が充填されている。
副溝120の内部にはp型の半導体単結晶から成るガード領域117がエピタキシャル成長によって充填されている。
The depth of the
A
共通層112の主溝119間の位置の内部表面には、主溝119よりも浅い位置までp型の不純物が拡散され、p型のベース領域132が形成されている。
ベース領域132の内部表面の主溝119側面のゲート絶縁膜125と接する位置にはn型のソース領域137が形成されている。
A p-
An n-
主溝119の深さはベース領域132の深さよりも深いから、各主溝119の下部側面のゲート絶縁膜125は、上部から、ソース領域137とベース領域132と共通層112にこの順序で接触している。
Since the depth of the
ベース領域132は隣接する主溝119間に亘って形成されており、その内部表面のうち、隣接するソース領域137とソース領域137の間の位置にはp型のオーミック領域145が形成されている。
The
ソース領域137表面とオーミック領域145の表面にはソース電極配線150が形成されている。ゲート電極128の上部には層間絶縁膜147が形成されており、ソース電極配線150とゲート電極128は、層間絶縁膜147によって互いに絶縁されている。
A
半導体単結晶基板111の表面にはドレイン電極114が形成されており、ソース電極配線150を接地させ、ドレイン電極114に正電圧を印加してベース領域132と共通層112との間のpn接合を逆バイアスし、その状態でゲート電極128にしきい値電圧以上の正電圧を印加すると、ベース領域132のゲート絶縁膜125に接触した部分が反転し、n型の反転層が形成される。その反転層によってソース領域137と共通層112とが接続され、電流が流れる(導通状態)。
A
その状態からゲート電極128の電圧が接地電位に切り替わると反転層は消滅し、電流は流れなくなる(遮断状態)。
遮断状態では、ベース領域132と共通層112の間のpn接合には大きな逆バイアスが印加されており、そのpn接合から広がった空乏層はガード領域117に到達すると、ガード領域117によって更に外周方向に広げられ、ガード領域117が無い場合に比べ、降伏電圧が大きくなるように構成されている。
In the cutoff state, a large reverse bias is applied to the pn junction between the
上記半導体装置101では降伏電圧を高くするため共通層112は高抵抗であり、そのため導通抵抗が高い。導通抵抗を小さくするため、共通層112にn型の高濃度層を形成すると、工程が増えるという問題がある。
In the
上記課題を解決するために、本発明は、第一導電型の共通層と、前記共通層上に配置された第二導電型の加工層と、前記加工層に形成され、底面が前記共通層に達した細長の主溝と、前記主溝の内部であって前記主溝の側面の下部に位置し、底面部分が前記共通層に接触され、前記主溝の長手方向に沿って幅方向中央位置に凹部を有する第一導電型の導電領域と、前記主溝の内部であって、前記主溝の側面の上部に位置する第一導電型のソース領域と、前記主溝の内部であって、前記主溝の側面の前記導電領域と前記ソース領域の間の中間位置に位置し、前記ソース領域と前記導電領域とを分離させる第二導電型のベース領域と、前記凹部の底面上に配置された絶縁性埋込領域と、前記凹部の前記絶縁性埋込領域上に位置し、少なくとも前記凹部の側面に配置され、前記ソース領域と前記ベース領域と前記導電領域と接触されたゲート絶縁膜と、前記凹部内の前記絶縁性充填物上に位置し、前記ソース領域と前記ベース領域と前記導電領域とに亘って配置され、前記ゲート絶縁膜と接触されたゲート電極と、前記ソース領域と接触されたソース電極配線とを有する半導体装置である。
また、本発明は、前記加工層に形成され、前記主溝の幅よりも狭く、同心リング状で互いに離間され、前記主溝を取り囲み底面が前記共通層に達した複数の副溝と、前記副溝内に充填された第一導電型の耐圧領域とを有し、隣接する前記耐圧領域と前記耐圧領域の間は、第二導電型のガード領域が同心状に形成された半導体装置である。
また、本発明は、前記副溝間に位置する前記ガード領域同士は電気的に互いに分離された半導体装置である。
また、本発明は、前記主溝が複数本互いに平行に配置され、前記主溝と前記主溝の間の位置の前記加工層の内部表面には、前記加工層よりも高濃度の第二導電型のオーミック領域が配置され、前記ソース電極配線は前記オーミック領域と接触し、オーミック接合が形成された半導体装置である。
また、本発明は、前記オーミック領域は前記ベース領域に接触された半導体装置である。
また、本発明は、前記共通層の表面には、前記共通層と同じ導電型のドレイン層が配置され、該ドレイン層表面には、ドレイン層とオーミック接合を形成するドレイン電極が配置された半導体装置である。
また、本発明は、前記共通層の表面には、第二導電型のコレクタ層が配置され、前記共通層との間にpn接合が形成された半導体装置である。
また、本発明は、前記共通層の表面には、前記共通層とショットキー接合を形成するショットキー電極膜が配置され、前記ベース領域とショットキー電極膜の間に前記導電領域と前記ベース領域を逆バイアスする極性の電圧が印加されたときに、前記ショットキー接合は順バイアスされるように構成された半導体装置である。
また、本発明は、第一導電型の共通層と、前記共通層上に配置された第二導電型の加工層と、前記加工層内部に互いに平行に配置された複数本のゲート電極と、 前記ゲート電極の下部に位置し、前記ゲート電極と前記共通層とを絶縁する絶縁性埋込領域と、前記ゲート電極の少なくとも側面に一面が密着して配置されたゲート絶縁膜と、前記加工層の内部表面に位置し、前記ゲート絶縁膜の前記一面とは反対側の面に密着された第一導電型のソース領域と、前記加工層の内部表面であって、前記ソース領域を取り囲み、前記ソース領域の底面下で前記ゲート絶縁膜に密着された第二導電型のベース領域と、前記ベース領域の底面下で前記ゲート絶縁膜に密着され、上部が前記ベース領域に接触し、下部が前記共通層に接触され、前記共通層よりも低抵抗の第一導電型の導電領域と、前記ゲート電極が配置された領域は、前記加工層に形成され、底面が前記共通層に達する複数本のリング状の副溝で取り囲まれ、前記各副溝内には底面が前記共通層に接続された第一導電型の耐圧領域を備え、前記耐圧領域の間の前記加工層は、底面が前記共通層に接し、互いに分離されたガード領域にされた半導体装置であr
また、本発明は、前記耐圧領域のうち、少なくとも一個の耐圧領域の表面には、耐圧領域の表面濃度よりも高い濃度の第一導電型の等電位リング領域が形成された半導体装置である。
また、本発明は、前記同電位リング領域は最外周に位置する前記耐圧領域に形成された半導体装置である。
また、本発明は、第一導電型の共通層上に配置された第二導電型の加工層の表面から前記加工層を部分的にエッチングし、底面に前記共通層が露出する細長の主溝を形成する溝形成工程と、前記主溝の幅方向中央に凹部が残るように前記主溝内に第一導電型の半導体単結晶から成る半導体充填物をエピタキシャル成長させて前記主溝を不完全に充填し、前記主溝内に前記半導体充填物から成る導電領域を形成する不完全充填工程と、前記凹部の底面上に、凹部の上部が残るように絶縁性埋込領域を形成する埋込領域形成工程と、前記絶縁性埋込領域上の前記導電領域表面にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記ゲート絶縁膜表面と接触したゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記導電領域の内部表面に第二導電型の不純物を導入し、拡散して前記導電領域上部であって前記ゲート絶縁膜に接触する領域を第二導電型のベース領域に変換するベース領域形成工程と、前記ベース領域の内部表面に第一導電型の不純物を導入し、拡散して前記ベース領域よりも浅く、前記ゲート絶縁膜と接触する領域であって前記導電領域とは分離された領域を第一導電型のソース領域に変換するソース領域形成工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、前記溝形成工程では、前記主溝の幅よりも狭く、前記主溝を取り囲むリング状で前記主溝と同じ深さの複数の副溝を前記主溝と一緒に形成し、 前記不完全充填工程では、前記主溝内を前記半導体充填物で充填する際に、前記副溝内を前記半導体充填物で充填する半導体装置の製造方法である。
In order to solve the above problems, the present invention provides a first conductivity type common layer, a second conductivity type processing layer disposed on the common layer, and a bottom surface formed on the processing layer. An elongated main groove that reaches the center of the main groove, and is located in the lower portion of the side surface of the main groove, the bottom surface portion is in contact with the common layer, and the center in the width direction along the longitudinal direction of the main groove A first-conductivity-type conductive region having a recess at a position; and a first-conductivity-type source region located in an upper portion of a side surface of the main groove and the main groove. A base region of a second conductivity type that is located at an intermediate position between the conductive region and the source region on the side surface of the main groove and separates the source region and the conductive region, and is disposed on the bottom surface of the recess Located on the insulating buried region of the recess, at least the insulating buried region A gate insulating film that is disposed on a side surface of the portion and is in contact with the source region, the base region, and the conductive region, and is located on the insulating filling in the recess, the source region, the base region, and the The semiconductor device includes a gate electrode disposed over a conductive region and in contact with the gate insulating film, and a source electrode wiring in contact with the source region.
Further, the present invention is a plurality of sub-grooves formed in the processed layer, narrower than the width of the main groove, spaced apart from each other in a concentric ring shape, surrounding the main groove and having a bottom surface reaching the common layer, A first conductivity type withstand voltage region filled in the sub-groove, and a second conductivity type guard region is formed concentrically between the adjacent withstand voltage regions. .
Further, the present invention is a semiconductor device in which the guard regions located between the sub-grooves are electrically separated from each other.
In the present invention, a plurality of the main grooves are arranged in parallel to each other, and the second conductive material having a higher concentration than the processed layer is formed on the inner surface of the processed layer at a position between the main grooves. A semiconductor device in which an ohmic region of a type is disposed, the source electrode wiring is in contact with the ohmic region, and an ohmic junction is formed.
The present invention is the semiconductor device in which the ohmic region is in contact with the base region.
According to the present invention, a drain layer having the same conductivity type as the common layer is disposed on the surface of the common layer, and a drain electrode that forms an ohmic junction with the drain layer is disposed on the drain layer surface. Device.
Further, the present invention is a semiconductor device in which a collector layer of a second conductivity type is disposed on the surface of the common layer, and a pn junction is formed between the common layer.
According to the present invention, a Schottky electrode film that forms a Schottky junction with the common layer is disposed on a surface of the common layer, and the conductive region and the base region are interposed between the base region and the Schottky electrode film. The Schottky junction is a semiconductor device configured to be forward-biased when a voltage having a polarity that reversely biases is applied.
The present invention also includes a first conductivity type common layer, a second conductivity type processing layer disposed on the common layer, and a plurality of gate electrodes disposed in parallel with each other inside the processing layer, An insulating buried region that is located under the gate electrode and insulates the gate electrode and the common layer; a gate insulating film that is disposed in close contact with at least a side surface of the gate electrode; and the processing layer A source region of a first conductivity type that is located on the inner surface of the gate insulating film and is in close contact with a surface opposite to the one surface of the gate insulating film, and an inner surface of the processed layer, surrounding the source region, A base region of a second conductivity type that is in close contact with the gate insulating film under the bottom surface of the source region, and that is in close contact with the gate insulating film under the bottom surface of the base region, with an upper portion in contact with the base region, and a lower portion with the base region. In contact with the common layer, said common layer The conductive region of the first conductivity type having a lower resistance and the region where the gate electrode is disposed are formed in the processed layer and surrounded by a plurality of ring-shaped subgrooves whose bottom surface reaches the common layer, Each sub-groove includes a first conductivity type withstand voltage region having a bottom surface connected to the common layer, and the processed layer between the withstand voltage regions has a bottom surface in contact with the common layer and separated from each other. A semiconductor device made into a region
Further, the present invention is a semiconductor device in which an equipotential ring region of a first conductivity type having a concentration higher than the surface concentration of the withstand voltage region is formed on the surface of at least one withstand voltage region of the withstand voltage region.
The present invention is the semiconductor device in which the equipotential ring region is formed in the breakdown voltage region located on the outermost periphery.
The present invention also provides an elongated main groove in which the processed layer is partially etched from the surface of the second conductive type processed layer disposed on the first conductive type common layer, and the common layer is exposed on the bottom surface. And forming a semiconductor filling made of a semiconductor single crystal of the first conductivity type in the main groove so as to leave a concave portion in the center in the width direction of the main groove, thereby forming the main groove incompletely. An incomplete filling step of filling and forming a conductive region made of the semiconductor filling in the main groove, and an embedded region for forming an insulating embedded region so that the upper portion of the recess remains on the bottom surface of the recess Forming a gate insulating film on the surface of the conductive region on the insulating buried region; forming a gate electrode in contact with the surface of the gate insulating film; and Second conductivity type on the inner surface of the conductive area A base region forming step of introducing and diffusing impurities to convert a region above the conductive region and in contact with the gate insulating film into a base region of a second conductivity type, and a first conductive on the inner surface of the base region A source region that converts a region that is shallower than the base region and is in contact with the gate insulating film and is separated from the conductive region into a first conductive type source region by introducing and diffusing impurities of a type And a forming step.
In the groove forming step, a plurality of sub-grooves that are narrower than the width of the main groove and have the same depth as the main groove in a ring shape surrounding the main groove are formed together with the main groove. In the incomplete filling step, when filling the main groove with the semiconductor filling, the sub-groove is filled with the semiconductor filling.
本発明の半導体装置のうちの一つは、加工層の深さ方向に配置されたゲート絶縁膜の側面に、ソース領域と、ソース領域の底面と接したベース領域と、上部がベース領域の底面に接し、底面が共通層に接した導電領域が配置されており、ソース領域は、ベース領域に形成された反転層と導電領域によって共通層に接続される。
半導体装置が動作する際、加工層と共通層の間のpn接合は逆バイアスされており、空乏層は深さ方向と外周方向に向かって広がる。
One of the semiconductor devices of the present invention includes a source region, a base region in contact with the bottom surface of the source region, and a bottom surface of the base region on the side surface of the gate insulating film disposed in the depth direction of the processed layer. And a conductive region having a bottom surface in contact with the common layer is disposed, and the source region is connected to the common layer by an inversion layer and a conductive region formed in the base region.
When the semiconductor device operates, the pn junction between the processed layer and the common layer is reverse-biased, and the depletion layer expands in the depth direction and the outer peripheral direction.
ゲート電極の底面には、絶縁性埋込領域が配置されており、ゲート電極と共通層の間に大きな逆バイアスが印加されたときにゲート電極底面と共通層との間の電界は、絶縁性埋込領域で緩和され、破壊電圧とアバランシェ降伏電圧が大きくなるように構成されている。 An insulating buried region is disposed on the bottom surface of the gate electrode. When a large reverse bias is applied between the gate electrode and the common layer, the electric field between the gate electrode bottom surface and the common layer is insulative. The breakdown voltage and the avalanche breakdown voltage are increased by being relaxed in the buried region.
また、主溝はガード領域によって囲まれており、ガード領域が空乏層を外周方向に広げ、降伏電圧が高くなるように構成されている。
また、本発明の他の半導体装置は、副溝よりも幅が広い主溝が形成されており、主溝はリング状の副溝によって取り囲まれている。
Further, the main groove is surrounded by a guard region, and the guard region is configured so as to widen the depletion layer in the outer peripheral direction and increase the breakdown voltage.
In another semiconductor device of the present invention, a main groove wider than the sub-groove is formed, and the main groove is surrounded by the ring-shaped sub-groove.
副溝内を第一導電型の半導体単結晶によって充填し、耐圧領域が形成される際に、主溝内は、その第一導電型の半導体単結晶で不完全充填され、中央部分に凹部を有する導電領域が形成される。 When the sub-groove is filled with the first conductivity type semiconductor single crystal and the breakdown voltage region is formed, the main groove is incompletely filled with the first conductivity type semiconductor single crystal, and the central portion has a recess. A conductive region is formed.
第一導電型の導電領域の上部は、第二導電型のベース領域に置換され、更に、ベース領域の内部表面のゲート絶縁膜に接する部分は第一導電型のソース領域に置換されている。 The upper portion of the first conductivity type conductive region is replaced with the second conductivity type base region, and the portion of the inner surface of the base region that is in contact with the gate insulating film is replaced with the first conductivity type source region.
主溝及び副溝は、底面が共通層に達しているため、導電領域は共通層に接続されており、副溝間に位置する加工層は耐圧領域によって分離され、リング形状にされている。 Since the main groove and the sub-groove have bottom surfaces that reach the common layer, the conductive region is connected to the common layer, and the processing layer located between the sub-grooves is separated by the pressure-resistant region and is formed in a ring shape.
主溝内の凹部側面にはゲート絶縁膜が形成されている。ゲート絶縁膜は、ソース領域とベース領域と導電領域に接しており、ベース領域に反転層が形成されると、ソース領域は反転層によって導電領域に接続される。 A gate insulating film is formed on the side surface of the recess in the main groove. The gate insulating film is in contact with the source region, the base region, and the conductive region. When an inversion layer is formed in the base region, the source region is connected to the conductive region by the inversion layer.
深さ方向に流れる電流が低抵抗の導電領域22を通るため、導通抵抗が小さい。
電流が主溝19底面の導電領域22から共通層12に流れることも、導通抵抗を小さくしている。
Since the current flowing in the depth direction passes through the low-resistance
The current flowing from the
ガード領域27を形成するための耐圧領域23の形成と、導電領域22の形成が同じ工程なので、導電領域22形成のための工程を別途設ける必要がない。
Since the formation of the
ゲート電極14の底面下に絶縁性充填領域10が配置されているので、ゲート電極14と共通層12との間の耐電圧が増大し、アバランシェ降伏が生じにくくなる。また、破壊耐量も向上する。
Since the insulating
ゲート電極14と共通層12の間に厚い絶縁性充填領域10が位置しているので、ゲート電極14とドレイン(共通層12)の間の容量Crssが小さくなり、動作が高速になる。
Since the thick
本発明では、p型とn型のうち、いずれか一方を第一導電型とし、他方を第二導電型として説明する。第一導電型がn型の場合、第二導電型はp型であり、それとは逆に第一導電型がp型の場合は第二導電型はn型となる。 In the present invention, one of the p-type and the n-type will be described as the first conductivity type, and the other will be described as the second conductivity type. When the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. Conversely, when the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type.
<第一例の半導体装置>
図35の平面図は、本発明の第一例の半導体装置1の拡散構造を説明するための横方向断面図であり、図27(a)はそのVIIIa−VIIIa線の縦方向切断面図、同図(b)はVIIIb−VIIIb線の縦方向切断面図である。
<First Example Semiconductor Device>
35 is a transverse cross-sectional view for explaining the diffusion structure of the
この半導体装置1の平面形状は長方形又は正方形であり、1枚のウェハ中に複数の素子が形成される。
The planar shape of the
図28〜図35の平面図は1個の半導体装置の製造工程に沿った状態の拡散構造を示す横方向断面図であり、ここでは、その上半分だけを示してある。残りの下半分は図示を省略する。省略された部分は上半分と対称である。 The plan views of FIGS. 28 to 35 are transverse sectional views showing the diffusion structure in a state along the manufacturing process of one semiconductor device, and only the upper half is shown here. The remaining lower half is not shown. The omitted part is symmetrical with the upper half.
先ず、図27(a)、(b)と図35を参照し、この半導体装置1は第一導電型の低抵抗の半導体単結晶基板11を有している。半導体単結晶基板11上には、第一導電型で高抵抗の共通層12と、第二導電型で比較的高抵抗の加工層13とがこの順序で配置されており、加工層13には、その表面から、底面が共通層12に達する主溝19と副溝20がそれぞれ複数個ずつ形成されている。
First, referring to FIGS. 27A, 27B, and 35, the
主溝19は、断面形状が長方形であり、半導体装置1の表面に沿った方向の形状、即ち、表面形状は細長である。主溝19は、複数個が等間隔に平行に配置されている。各主溝19の幅は同じである。
The
副溝20の断面形状は、主溝19の断面形状よりも細長の長方形であり、平面形状は四角リング形状である。各副溝20は同心状に配置されており、各主溝19は、最内周の副溝20よりも内側に配置されている。即ち、副溝20は主溝19を同心状に取り囲んで配置されている。
The cross-sectional shape of the sub-groove 20 is a rectangle that is narrower than the cross-sectional shape of the
各副溝20の幅は同じであり、また、副溝20の隣接する辺同士の距離は互いに等しい。また、隣接する主溝19間の距離も互いに等しく、副溝20の四辺は、主溝19に対して、平行か又は直角に向けられている。
副溝20の内部は第一導電型の半導体単結晶が充填されており、その半導体単結晶によって、第一導電型の耐圧領域23が形成されている。
The widths of the
The inside of the sub-groove 20 is filled with a first conductivity type semiconductor single crystal, and a first conductivity type withstand
他方、主溝19の内部は第一導電型の半導体単結晶が不完全に充填されており、不完全充填物によって、主溝19の底面と側面には、第一導電型の導電領域22が形成されている。不完全充填であるため、導電領域22の幅方向中央部分には、凹部が形成されている。
主溝19と副溝20の底面には共通層12が露出されており、導電領域22と耐圧領域23は共通層12にそれぞれ接続されている。
On the other hand, the inside of the
The
隣接する耐圧領域23に挟まれた加工層13は、共通層12と導電領域22によって、最内周の耐圧領域23で囲まれた部分の加工層13から電気的に分離され、また、互いに分離され、第二導電型のガード領域27が構成されている。ガード領域27は浮遊電位に置かれている。
耐圧領域23は副溝20の平面形状を反映し、四角リング形状であり、その間に位置するガード領域27も四角リング形状である。
The processed
The pressure-
他方、導電領域22は断面がコ字形状であり、導電領域22が構成する凹部の底面上には、絶縁性埋込領域10が配置されている。
On the other hand, the
凹部内部に露出する導電領域22表面の、絶縁性埋込領域10よりも上の部分には、ゲート絶縁膜21が密着して配置されている。
凹部の絶縁性埋込領域10よりも上の部分であってゲート絶縁膜21で囲まれた領域には、ゲート絶縁膜21と接触したゲート電極14が配置されている。
A
A
導電領域22の上部は第二導電型のベース領域32に置換されており、ベース領域32の内部表面には、第一導電型のソース領域38が形成されている。
ソース領域38はゲート絶縁膜21と接触しており、また、ベース領域32は、ソース領域38の底面下の部分でゲート絶縁膜21と接触している。
The upper portion of the
The
隣接する主溝19の間の位置であって、加工層13の内部表面には、第二導電型のオーミック領域46が配置されている。
オーミック領域46の表面とソース領域38の表面にはソース電極配線49が配置されている。オーミック領域46の表面濃度はベース領域32の表面濃度よりも高い。オーミック領域46はベース領域32に接している。ソース電極配線49は、ソース領域38とオーミック領域46にオーミック接続されており、ベース領域32はオーミック領域46を介してソース電極配線49に接続されている。
A second conductivity
A
半導体単結晶基板11の表面には、半導体単結晶基板11とオーミック接触された裏面電極57a(ドレイン電極)が配置されており、第一導電型がn型、第二導電型がp型の場合、ソース電極配線49を接地させ、裏面電極57aに正電圧を印加した状態でゲート電極14にしきい値電圧以上の正電圧を印加すると、ベース領域32のゲート絶縁膜21に接触した部分の極性が反転し、深さ方向に伸びるn型の反転層が形成される。ソース領域38は、その反転層によって導電領域22に接続される。導電領域22は共通層12によって半導体単結晶基板11に接続されているので、裏面電極57aとソース電極配線49の間を電流が流れる。
On the surface of the semiconductor
第一導電型がp型、第二導電型がn型の場合、ソース電極配線49を接地させ、裏面電極57aに負電圧を印加した状態で、ゲート電極14に、しきい値電圧の絶対値以上の大きさの負電圧を印加すると、ベース領域32のゲート絶縁膜21に接触した部分の極性が反転し、深さ方向にp型の反転層が形成され、上記と同様に、ソース電極配線49と裏面電極57aの間に電流が流れる。
この場合も、ゲート電極14が接地電位に接続されると反転層は消滅し、電流は流れなくなる。
When the first conductivity type is p type and the second conductivity type is n type, the absolute value of the threshold voltage is applied to the
Also in this case, when the
いずれの場合も、加工層13はオーミック領域46を介してソース電極配線49に接続されており、加工層13とベース領域32はソース電極配線49と同電位である。
In any case, the processed
半導体装置1がトランジスタ動作するときには、第二導電型の加工層13と第一導電型の共通層12や導電領域22の間のpn接合は逆バイアスされ、空乏層が広がる。
When the
ゲート電極14とゲート電極14の間では、pn接合から、加工層13と導電領域22の両方に空乏層が広がり、ゲート電極14間はその空乏層で満たされるため、電界は大きくならない。
Between the
それに対し、ゲート電極14の真下位置では、pn接合は存在しないため、pn接合から広がった空乏層で満たされることなく、ゲート電極14から広がった空乏層だけが存在するため、ゲート電極14の底面とその真下位置の導電領域22の間に印加される電圧は大きい。
On the other hand, since there is no pn junction immediately below the
本発明では、ゲート電極14の真下位置には、ゲート絶縁膜21よりも厚い絶縁性埋込領域10が配置されているので、ゲート電極14の底面とその真下位置の導電領域22との間に大きな電圧が印加されても、その間は絶縁破壊しない。
In the present invention, the insulating buried
絶縁性埋込領域10の厚み、即ち、ゲート電極14の底面とその真下位置の導電領域22の間の距離は、3×10-6m以上8×10-6mであり、ゲート電極14の側面に位置するゲート絶縁膜21の厚みが0.01×10-6m以上0.2×10-6mの範囲であるのに対し、15倍以上の大きさになっている。
The thickness of the insulating buried
なお、本発明では、最内周のガード領域27の幅方向の中央よりも内側であって、ゲート電極14を除く、ベース領域32の底面と共通層12の間に位置する部分の第一導電型の不純物量と第二導電型の不純物量とは等しくなっている。
In the present invention, the first conductivity of the portion located between the bottom surface of the
更に、隣接するゲート電極14とゲート電極14の間であってベース領域32の底面と共通層12の間に位置する部分では、導電領域22に含まれる第一導電型の不純物量と加工層13に含まれる第二導電型の不純物量とは等しくなるように設定されている。
Further, in the portion between the
また、導電領域22に含まれる第一導電型の不純物量と加工層13に含まれる第二導電型の不純物量は、導電領域22と加工層13の間等のpn接合がアバランシェ降伏する前に、導電領域22と加工層13の内部が空乏層で満たされる値に設定されている。
Further, the amount of the first conductivity type impurity contained in the
このような不純物量の場合、ベース領域32の底面と共通層12の間に位置する部分では、加工層13の内部が空乏層で満たされたとき、その両側に位置する導電領域22の内部も空乏層で満たされる。
In the case of such an impurity amount, in the portion located between the bottom surface of the
pn接合に印加される逆バイアスが大きく、それ以上空乏層が広がる場合は、共通層12内部の深さ方向と外周方向に向けて広がる。
外周方向に向けて広がった空乏層が最内周のガード領域27に達すると、そのガード領域27の電位が安定し、最内周のガード領域27の内部と、最内周のガード領域27の外周に接触している耐圧領域23内に空乏層が広がる。
When the reverse bias applied to the pn junction is large and the depletion layer spreads further, it spreads in the depth direction and the outer peripheral direction inside the
When the depletion layer spreading toward the outer peripheral direction reaches the
このように、逆バイアスが大きくなると、空乏層は内側から外周方向に向けて広がり、順次複数のガード領域27に到達する。この場合、ガード領域27が無い場合よりも外側まで空乏層が広がる。
Thus, when the reverse bias increases, the depletion layer spreads from the inner side toward the outer peripheral direction, and reaches a plurality of
そして、アバランシェ降伏が、最内周の耐圧領域23よりも内側の活性領域で生じるように、ガード領域27や耐圧領域23の幅、濃度などを設定しておくと、降伏によって流れるアバランシェ電流は、加工層13とオーミック領域46を通ってソース電極配線49に流出するので、降伏が最内周の耐圧領域23よりも外側の外周領域で生じる場合に比べて破壊が生じにくくなる。
If the width, concentration, etc. of the
<製造工程>
上記の半導体装置1の製造工程を説明する。
<Manufacturing process>
A manufacturing process of the
図1〜図27の(a)は活性領域、同図の(b)はその外側の外周領域の縦方向切断面図である。 (A) of FIGS. 1 to 27 is an active region, and (b) of FIG. 27 is a longitudinal sectional view of an outer peripheral region outside thereof.
図1(a)、(b)を参照し、第一導電型の半導体単結晶基板11上には、半導体単結晶基板11よりも高抵抗の第一導電型の共通層12がエピタキシャル成長法によって形成されており、該共通層12上には第二導電型の加工層13がエピタキシャル成長法によって形成されている。
Referring to FIGS. 1A and 1B, a first conductive type
この加工層13表面に、図2(a)、(b)に示すように、熱酸化法等によってフィールド絶縁膜15を形成する。この工程及び後述する各工程において、熱酸化法で半導体単結晶基板11の表面に形成される酸化膜については省略する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, a
次に、フォトリソグラフ工程とエッチング工程によってフィールド絶縁膜15をパターニングし、図3(a)、(b)に示すように、細長長方形の複数の主溝用開口17と、それら主溝用開口17を同心状に取り囲む四角リング状の複数の副溝用開口18を形成する。
Next, the
各主溝用開口17同士は同じ幅であり、副溝用開口18同士も同じ幅であるが、主溝用開口17の幅は副溝用開口18の幅よりも広い。
The
主溝用開口17の平面形状は長方形であり、長辺は同じ方向に向けられており、互いに平行に等間隔に配置されている。副溝用開口18の内周の四辺及び外周の四辺は、主溝用開口17の長辺に対して平行か、又は直角になるように配置されており、副溝用開口18同士も等間隔に配置されている。
The planar shape of the main groove opening 17 is rectangular, the long sides are directed in the same direction, and are arranged at equal intervals in parallel to each other. The inner circumferential four sides and the outer circumferential four sides of the
主溝用及び副溝用開口17、18の底面には加工層13が露出されており、パターニングされたフィールド絶縁膜15をマスクとして加工層13の露出部分を深さ方向にエッチングすると、図4(a)、(b)に示すように、主溝用開口17の底面下に、平面形状が主溝用開口17と同じ主溝19が形成され、副溝用開口18の底面下に、平面形状が副溝用開口18と同じ副溝20が形成される。主溝19の幅は副溝20の幅よりも広くなっている。
The processed
図28は、図4(a)、(b)のA−A線横方向切断面図である。図4(a)、(b)は、図28のIa−Ia線、Ib−Ib線縦方向切断面図である。 FIG. 28 is a cross-sectional view taken along line AA in FIGS. 4 (a) and 4 (b). 4A and 4B are longitudinal sectional views taken along lines Ia-Ia and Ib-Ib in FIG.
主溝19と副溝20の底面は、共通層12の表面と同じ深さかそれよりも深い位置まで達しており、従って、主溝19の底面と副溝20の底面には共通層12が露出されている。主溝19と副溝20とは一緒に形成されるため、主溝19の深さと副溝20の深さは同じである。
The bottom surfaces of the
ここでは主溝19と副溝20の底面は、共通層12表面の深さよりも深く、従って、共通層12と加工層13の境界面よりも共通層12側に位置しており、主及び副溝19、20の側面のうち、底面に近い部分には、共通層12が露出されている。そして、それよりも上部の側面には加工層13が露出されている。
Here, the bottom surfaces of the
加工層13と共通層12は半導体である。ここではシリコン単結晶であり、従って、主溝19及び副溝20の側面と底面にはシリコン単結晶が露出されている。
The processed
副溝20は四角リング状であり、副溝20同士は互いに離間しており、副溝20間の距離は互いに等しくされている。また、各副溝20の底面は共通層12に達している。従って、副溝20と副溝20の間に残った加工層13は断面が長方形で平面形状が四角リング状である。その加工層13同士は副溝20によって互いに分離されている。
また、最内周の四角リング状の加工層13は、それよりも内側の加工層13から、最内周の副溝20によって分離されている。
The sub-grooves 20 have a square ring shape, the sub-grooves 20 are separated from each other, and the distances between the sub-grooves 20 are equal to each other. Further, the bottom surface of each sub-groove 20 reaches the
The innermost rectangular ring-shaped processed
図4(b)の符号27はガード領域であり、加工層13のうち、副溝20間に位置する部分と、最外周の副溝20よりも外側に位置する部分によって構成されている。
主溝19及び副溝20の形成後、CVD法によって第一導電型の半導体の原料ガスを、主及び副溝19、20の内外表面に接触させると、半導体が露出した部分に、導入した原料ガスの半導体単結晶が成長する。
After the formation of the
主溝19及び副溝20の側面と底面には半導体単結晶が露出しているので、側面と底面には原料ガスの半導体単結晶が成長する。フィールド絶縁膜15の表面には成長しない。
Since the semiconductor single crystals are exposed on the side and bottom surfaces of the
半導体単結晶の成長が進行し、副溝20内が成長した半導体単結晶によって完全に充填されたところで成長を終了させると、副溝20よりも幅が広い主溝19の内部には、同じ半導体単結晶が成長しているものの、充填状態が不完全であり、主溝19の内部には、その幅方向の中央部分に凹部が残る
図5(b)の符号23は、副溝20内に成長し、副溝20を充填する半導体単結晶から成る耐圧領域を示している。
When the growth of the semiconductor single crystal proceeds and the growth is terminated when the inside of the sub-groove 20 is completely filled with the grown semiconductor single crystal, the same semiconductor is placed inside the
図5(a)の符号22は、主溝19内に成長し、主溝19を不完全充填する半導体単結晶から成る導電領域を示しており、符号24はその導電領域22の幅方向中央位置に形成された凹部を示している。
導電領域22と耐圧領域23は第一導電型であり、ガード領域27は第二導電型であるから、ガード領域27と耐圧領域23の間とガード領域27と共通層12の間にはpn接合が形成される。ガード領域27は耐圧領域23によって互いに電気的に分離されている。
最内周のガード領域27は最内周の耐圧領域23によって、それよりも内側の加工層13から電気的に分離される。
Since the
The
図29は、図5(a)、(b)のB−B線横方向切断面図である。図5(a)、(b)は、それぞれ図29のIIa−IIa線、IIb−IIb線縦方向切断面図である。 FIG. 29 is a cross-sectional view taken along line BB in FIGS. 5 (a) and 5 (b). 5A and 5B are longitudinal sectional views taken along lines IIa-IIa and IIb-IIb in FIG. 29, respectively.
この状態では凹部24の表面には導電領域22が露出されており、次に、図6(a)、(b)に示すように、熱酸化法等により、導電領域22の表面に下地絶縁膜16を形成する。ここではシリコン酸化膜から成る下地絶縁膜16を形成した。
In this state, the
下地絶縁膜16の膜厚は薄く、凹部24内には、下地絶縁膜16で囲まれた空間が残る。このとき、耐圧領域23上にも下地絶縁膜16が形成される。
The
図30は、図6(a)、(b)のC−C線横方向切断面図である。図6(a)、(b)は、それぞれ図30のIIIa−IIIa線、IIIb−IIIb線縦方向切断面図である。 30 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIGS. 6 (a) and 6 (b). FIGS. 6A and 6B are longitudinal sectional views taken along lines IIIa-IIIa and IIIb-IIIb in FIG. 30, respectively.
次に、主溝19や副溝20が形成された側の表面に、図7(a)、(b)に示すように、CVD法等によって絶縁材料26を堆積する。ここではシリコン酸化膜を堆積し、主溝19内の下地絶縁膜16で囲まれた空間を絶縁材料26で充填する。シリコン酸化膜の他、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、酸化アルミニウム膜等を用いることができる。
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, an insulating
図31は、図7(a)、(b)のD−D線横方向切断面図である。図7(a)、(b)は、それぞれ図31のIVa−IVa線、IVb−IVb線縦方向切断面図である。 FIG. 31 is a cross-sectional view taken along the line DD in FIGS. 7 (a) and 7 (b). FIGS. 7A and 7B are longitudinal sectional views taken along lines IVa-IVa and IVb-IVb in FIG. 31, respectively.
次に、フォトリソグラフ工程により、最内周の耐圧領域23よりも一定距離だけ内側の活性領域よりも外側に位置する絶縁材料26の表面に、図8(b)に示すように、パターンニングしたレジスト膜41を配置し、耐圧領域23とガード領域27上を保護した状態で、隣接する凹部24と凹部24の間の上の絶縁材料26を露出させ、エッチング工程によって、凹部24の底面上の一部を残しながら絶縁材料26を除去する。
Next, as shown in FIG. 8B, patterning was performed on the surface of the insulating
図8(a)の符号10は、下地絶縁膜16と絶縁材料26の残存部分から成る絶縁性埋込領域であり、この絶縁性埋込領域10は、凹部24の底面上に位置しており、その上端は、導電領域22の上端よりも低くなっている。下地絶縁膜16を設けず、絶縁材料26によって絶縁性埋込領域10を形成することもできる。
なお、ここでは、絶縁材料26と一緒に、凹部24の外部の絶縁材料26の下層に位置するフィールド絶縁膜15と下地絶縁膜16も一緒に除去され、導電領域22のうち、絶縁性埋込領域10よりも上方の部分の表面(この表面は凹部24の側面の一部である)と、凹部24の外部の加工層13の表面は露出されている。
Here, the
その状態でレジスト膜41を剥離した後、少なくとも凹部24の内周に露出する導電領域22の表面に、図9(a)に示すように絶縁性のゲート絶縁膜21を形成する。ここでは熱酸化法によってシリコン酸化膜から成るゲート絶縁膜21を形成したが、シリコン窒化膜等の他の絶縁物質を成膜してもよい。なお、活性領域の外側では、成長したゲート絶縁膜21は図示を省略した(図9(b))。また、下地絶縁膜16と導電性領域22の界面にもゲート絶縁膜は形成されるが、図示は省略した。絶縁性埋込領域10には、下地絶縁膜16と導電性領域22の界面のゲート絶縁膜も含まれる。
After stripping the resist
凹部24内にゲート絶縁膜21が成長した状態では凹部24内にはゲート絶縁膜21で囲まれた空間28が形成されており、CVD法等によって導電性材料29を堆積し、図10(a)に示すように、凹部24内の空間28を導電性材料29で充填させる。このとき、活性領域の外側の外周領域では、絶縁材料26上に導電性材料29が堆積される。ここでは、CVD法により、導電性を有するポリシリコンから成る導電性材料29が堆積された。
When the
図32は、図10(a)、(b)のE−E線横方向切断面図である。図10(a)、(b)は、それぞれ図32のVa−Va線、Vb−Vb線縦方向切断面図である。 32 is a cross-sectional view taken along the line EE in FIGS. 10 (a) and 10 (b). 10A and 10B are longitudinal sectional views taken along lines Va-Va and Vb-Vb in FIG. 32, respectively.
次に、エッチング法により、導電性材料29のうち、凹部24の内部を残し、凹部24の外側の部分や、絶縁材料26上の部分を除去すると、図11(a)に示すように、凹部24の内部に、側面でゲート絶縁膜21と接触し、底面で絶縁性埋込領域10と接触したゲート電極14が形成される。
Next, by etching, the inside of the
このとき、導電性材料29の表面にパターニングしたレジスト膜を配置し、凹部24の外部に位置し、ゲート電極14に接続された導電性材料29を一部残しておき、その部分と後述するゲート電極配線とを接続するようにしてもよい。
At this time, a patterned resist film is disposed on the surface of the
いずれにしろ、導電性材料29のエッチングによってゲート電極14が形成された状態では、導電領域22の上端部分や加工層13の表面にはゲート絶縁膜21の表面が露出されており、活性領域の外側の外周領域では、絶縁材料26の表面が露出されている。
In any case, in the state where the
次に、フォトリソグラフ工程により、最内周の耐圧領域23よりも一定距離だけ内側の活性領域の外側に位置する絶縁材料26の表面に、図12(b)に示すように、パターニングしたレジスト膜42を配置し、活性領域の外側に位置する耐圧領域23とガード領域27の上を保護し、ゲート電極14間に位置する導電領域22や加工層13の表面のゲート絶縁膜21を露出させた状態で、ゲート絶縁膜21の上方から第二導電型の不純物を照射する。
Next, as shown in FIG. 12B, a patterned resist film is formed on the surface of the insulating
その不純物はゲート絶縁膜21を透過し、図13(a)に示すように、ゲート絶縁膜21の直下位置の導電領域22の上部と加工層13の内部表面に第二導電型の高濃度不純物層25が形成される。不純物はレジスト膜42を透過できないので、図13(b)及び、下記の熱処理後の図14(b)に示すように、外周領域には高濃度不純物層25は形成されない。
The impurities pass through the
図33は、図14(a)、(b)のF−F線横方向切断面図である。図14(a)、(b)は、図33のVIa−VIa線、VIb−VIb線縦方向断面図である。 33 is a cross-sectional view taken along the line F-F in FIGS. 14 (a) and 14 (b). 14A and 14B are vertical sectional views taken along line VIa-VIa and VIb-VIb in FIG.
次に、レジスト層42を剥離した後、熱処理を行い、高濃度不純物層25を拡散させると、図14(a)に示すように、ゲート絶縁膜21の凹部24側面に位置する部分の間に第二導電型のベース領域32が形成される。ベース領域32はゲート絶縁膜21と接触している。
Next, after removing the resist
図14(a)の符号33は、熱酸化処理によってゲート電極14の上に形成された熱酸化膜を示している。
ベース領域32の深さは、ゲート電極14の底面よりも浅く形成されており、第一導電型の導電領域22の上部は、ベース領域32の深さ分だけ第二導電型のベース領域32に置換されている。ベース領域32の表面濃度は加工層13の濃度よりも高い。
The depth of the
ベース領域32の深さはゲート電極14の深さよりも浅く、ゲート絶縁膜21の側面の上部は、ベース領域32の深さまでベース領域32と接し、下部は導電領域22と接している。
The depth of the
次に、パターニングしたレジスト膜により、ベース領域32の上部や耐圧領域23及びガード領域27の表面を保護し、最内周の耐圧領域23よりも内側の所望位置を露出させた状態で絶縁材料26の薄膜及びフィールド絶縁膜15をエッチングし、加工層13表面を一部露出させる。図15(a)、(b)の符号43は、そのレジスト膜を示しており、同図(b)の符号34は、絶縁材料26の薄膜及びフィールド絶縁膜15に形成され、加工層13が露出する窓あけ部分を示している。
Next, the patterned resist film protects the upper portion of the
次いで、レジスト膜43を剥離した後、熱酸化処理を行い、図16(b)に示すように、加工層13の露出部分に熱酸化膜から成る薄い絶縁膜36を形成した後、図17(a)、(b)に示すように、導電領域22の上方のゲート絶縁膜21の表面や、耐圧領域23及びガード領域27の上方の絶縁材料26の表面をパターニングしたレジスト膜52で保護し、上方から第二導電型の不純物を照射すると、第二導電型の不純物はゲート絶縁膜21や薄い絶縁膜36を透過し、第二導電型の高濃度不純物層45が形成される。
Next, after the resist
この高濃度不純物層45のパターンは、窓開部44底面に露出しているゲート絶縁膜21や薄い絶縁膜36のパターンと同じパターンである。この第二導電型の高濃度不純物層45の濃度は、ベース領域32の表面濃度よりも高濃度である。
The pattern of the high-
次に、レジスト膜52を剥離した後、熱処理を行うと、図19(a)、(b)に示すように、高濃度不純物層45中の第二導電型の不純物が拡散され、それによってオーミック領域46が形成される。オーミック領域46の表面濃度はベース領域32の表面濃度よりも高濃度である。ここでは、オーミック領域46の深さはベース領域32の深さよりも浅い。
オーミック領域46は、最内周の耐圧領域23よりも内側に位置しており、耐圧領域23とは接触していない。
Next, when the heat treatment is performed after the resist
The
図34は、図19(a)、(b)のG−G線横方向切断面図である。図19(a)、(b)は、図34のVIIa−VIIa線、VIIb−VIIb線縦方向切断面図である。 FIG. 34 is a lateral cross-sectional view taken along the line GG in FIGS. 19 (a) and 19 (b). 19 (a) and 19 (b) are longitudinal sectional views taken along line VIIa-VIIa and line VIIb-VIIb in FIG.
次に、図20(a)、(b)に示すように、表面に、パターニングしたレジスト膜53を配置する。このレジスト膜53は、最外周の耐圧領域23の上方が露出するようなリング状の窓開部54を有しており、窓開部54底面に露出する絶縁材料26をエッチングし、最外周の耐圧領域23の少なくとも一部を、活性領域を取り囲むようにリング状に露出させる。
Next, as shown in FIGS. 20A and 20B, a patterned resist
次いで、レジスト膜53を剥離した後、図21(a)、(b)に示すように、表面にレジスト膜55を配置する。このレジスト膜55は、ゲート電極14の少なくとも長手方向両側位置と、最外周の耐圧領域23上に開口部56a、56bをそれぞれ有している。
Next, after the resist
そして、レジスト膜55の上方から第一導電型の不純物を照射すると、その不純物は、ゲート絶縁膜21が露出している部分ではゲート絶縁膜21を透過してシリコン単結晶中に注入され、又は、耐圧領域23等のシリコン単結晶が露出している部分ではシリコン単結晶中に直接注入され、ゲート電極14の長手方向に沿った開口56a底面のベース領域32の内部表面と、最外周の耐圧領域23の内部表面に第一導電型の高濃度不純物層37が形成される。
Then, when an impurity of the first conductivity type is irradiated from above the resist
次に、レジスト膜55を剥離した後、熱処理を行って高濃度不純物層37中の第一導電型の不純物を拡散させるとゲート電極14の長手方向に沿った両側側面位置に、ゲート電極14に沿って細長い第一導電型のソース領域38が形成され、最外周の耐圧領域23の内部表面に、活性領域を取り囲むリング状の第一導電型の等電位リング領域39とが形成される。
Next, after removing the resist
ソース領域38はベース領域32よりも浅く、ベース領域32によって導電領域22から分離されている。また、ソース領域38の長手方向に沿った側面の片側は、ソース領域38の深さまでゲート絶縁膜21に接触している。隣接するゲート電極14の間には、二個のソース領域38が形成されており、その二個のソース領域38の間には、オーミック領域46が位置している。
The
等電位リング領域39の幅は最外周の耐圧領域23の幅と同程度であり、最外周の耐圧領域23に接触しているが、最外周よりも内側の耐圧領域23とは非接触にされている。
等電位リング領域39の表面濃度は高いので、等電位リング領域39が形成された最外周の耐圧領域23内部表面にはp型の反転層は形成されなくなる。
The width of the
Since the surface concentration of the
図35は、図23(a)、(b)のH−H線、及び後述する図27(a)、(b)のJ−J線切断面図である。図23(a)、(b)と図27(a)、(b)は、それぞれ図35のVIIIa−VIIIa線、VIIIb−VIIIb線切断面図である。 FIG. 35 is a cross-sectional view taken along the line HH in FIGS. 23A and 23B and the line JJ in FIGS. 27A and 27B described later. FIGS. 23 (a), (b) and FIGS. 27 (a), (b) are sectional views taken along lines VIIIa-VIIIa and VIIIb-VIIIb in FIG. 35, respectively.
ソース領域38が形成された状態では、加工層13やゲート電極14等で構成される処理対象物表面には、ゲート絶縁膜21や絶縁材料26の薄膜が露出されており、CVD法等の成膜方法により、図24(a)、(b)に示すように、処理対象物の表面にSiO2等の絶縁材料から成る層間絶縁膜47を形成した後、該層間絶縁膜47上にパターニングしたレジスト膜を配置し、エッチングにより、そのレジスト膜の開口底面に露出する層間絶縁膜47や、その更に下層に位置するゲート絶縁膜21を除去し、オーミック領域46やソース領域38表面の少なくとも一部表面が露出する複数の開口部を形成する。
In the state where the
図25(a)、(b)の符号57は、層間絶縁膜47上のパターニングしたレジスト膜であり、符号58は、そのレジスト膜57によって形成された層間絶縁膜47とゲート絶縁膜21等の開口部を示している。なお、ここでは層間絶縁膜47はPSG膜である。
In FIGS. 25A and 25B,
図25(a)、(b)では図示されていないが、全てのゲート電極14の表面の一部が露出されるか、又は凹部24の外部に位置し、ゲート電極14に接続された導電性材料29の表面の一部が露出されており、その状態でスパッタリング法や蒸着法等により、処理対象物表面に導電性薄膜を形成すると、該導電性薄膜は、ソース領域38とオーミック領域46とに接触する。
Although not shown in FIGS. 25A and 25B, a part of the surface of all the
図26の符号48は、その導電性薄膜を示している。ここでは導電性薄膜48はアルミニウム薄膜であるが、ソース領域38とオーミック領域46とに対し、オーミック接触できる金属薄膜等の導電性の薄膜を広く用いることができる。
導電性薄膜48は、オーミック領域46とソース領域38に接触する部分と、ゲート電極14に接触する部分とがある。その導電性薄膜48をパターニングし、オーミック領域46とソース領域38に接触する部分を含み、ゲート電極14とは絶縁されたソース電極配線を形成する。ソース電極配線は、図27(a)、(b)の符号49で示されている。また、ソース電極配線49を形成する際に、導電性薄膜48のパターニングによって、ゲート電極14に接続された不図示のゲート電極配線を形成する。
The conductive
このゲート電極配線は、ゲート電極14に直接接続してもよいし、凹部24を充填した導電性材料29をエッチングした際に残され、ゲート電極14に接触された導電性材料29に接続することもできる。ゲート電極配線は、オーミック領域46とソース領域38とは絶縁されており、ソース電極配線49とゲート電極配線とは電気的に分離されている。
The gate electrode wiring may be directly connected to the
次に、ソース電極配線49やゲート電極配線上に保護膜(保護膜の図示は省略する)を形成し、パターニングによって保護膜に窓開部分を形成した後、半導体単結晶基板11の表面に、半導体単結晶基板11とオーミック接触する裏面電極57aを形成すると、半導体装置1が得られる。半導体装置1のJ−J線横方向断面図は図35と同じである。
Next, a protective film (the protective film is not shown) is formed on the
この半導体装置1は、ダイシングによって個々の素子に分割した後、裏面電極57aをリードにダイボンディングし、保護膜の窓開部分の底面に露出するソース電極配線49やゲート電極配線とリードとを金属細線で接続した後、パッケージングし、リードの不要部分を切断除去して個別に分離させる。
In this
次に、本発明の半導体装置1の、絶縁性埋込領域10の厚みと耐圧及び導通抵抗の関係について説明する。
Next, the relationship between the thickness of the insulating buried
図39のグラフは、絶縁性埋込領域10の厚みT(横軸)と耐圧Bvdss(縦軸)の関係の計算結果である。この図39及び後述する図40、41のグラフについて、計算条件は下記の通りである。
The graph of FIG. 39 is a calculation result of the relationship between the thickness T (horizontal axis) of the insulating buried
隣接するゲート電極14間の距離=2.5μm
ベース領域32の底面と共通層12との間の距離=7.5μm
ベース領域32の深さ=1.5μm
導電領域22の厚み=0.6μm
また、隣接するゲート電極14間に挟まれた領域であって、共通層12とベース領域32との間の領域に含まれる第一導電型と第二導電型の不純物量は等しい。
Distance between
Distance between the bottom surface of the
Depth of
In addition, the first conductivity type and the second conductivity type impurity amounts included in the region sandwiched between the
ゲート電極14の平面形状は、細長の長方形であり、隣接するゲート電極14間に挟まれた領域の不純物量は、ゲート電極14の長さを符号L(cm)としたときに、1.13×109×L個である。
The planar shape of the
図39のグラフから分かるように、絶縁性埋込領域10の厚みがゲート絶縁膜21の10倍未満の厚みTでは耐圧が低いため、10倍以上が望ましい。
As can be seen from the graph of FIG. 39, the thickness of the insulating buried
図40は、絶縁性埋込領域10の厚みT(横軸)と導通抵抗RON(縦軸)の関係を示すグラフであり、絶縁性埋込領域10の厚みTが増加すると導通抵抗RONも増大している。
FIG. 40 is a graph showing the relationship between the thickness T (horizontal axis) of the insulating buried
次に、図41は耐圧Bvdss(横軸)と導通抵抗RON(縦軸)の関係を示すグラフである。 Next, FIG. 41 is a graph showing the relationship between the breakdown voltage B vdss (horizontal axis) and the conduction resistance R ON (vertical axis).
図中の「従来の半導体装置」の曲線は、図38(a)に示すような第1導電型の共通層の一方の主面上に第2導電型のベース領域および第1導電型のソース領域を有し、ゲート電極底面と共通層との間の絶縁埋込領域の厚みがゲート絶縁膜の厚みと同じであり、かつトレンチ119の底部が共通層へ到達しているトレンチゲート構造を有する半導体装置の耐圧と導通抵抗の関係を示したグラフである。
The curve of “conventional semiconductor device” in the drawing shows the second conductivity type base region and the first conductivity type source on one main surface of the first conductivity type common layer as shown in FIG. A trench gate structure in which the thickness of the insulating buried region between the bottom surface of the gate electrode and the common layer is the same as the thickness of the gate insulating film, and the bottom of the
隣接するゲート電極間の距離、ベース領域、ソース領域の不純物濃度および深さは本発明構造の計算条件と同一としてある。横軸(耐圧Bvdss)を変えるために、第1導電型の共通層の不純物濃度および深さを変えている。 The distance between adjacent gate electrodes, the impurity concentration and the depth of the base region and the source region are the same as the calculation conditions of the structure of the present invention. In order to change the horizontal axis (withstand voltage B vdss ), the impurity concentration and depth of the common layer of the first conductivity type are changed.
耐圧Bvdssを高くする場合には共通層の不純物濃度を低くして、かつ深さを深くすることで対応している。 Increasing the breakdown voltage B vdss is achieved by lowering the impurity concentration of the common layer and increasing the depth.
それに対し、「本発明の半導体装置」では、横軸の値を変えるために、絶縁性埋込領域10の厚みTを変えている。
On the other hand, in the “semiconductor device of the present invention”, the thickness T of the insulating buried
従来の半導体装置の曲線から分かるように、従来構造において、耐圧を増加させるために共通層12の濃度を低くしたり、深さを深くすると、導通抵抗RONが急増するが、本発明の構造において、絶縁性埋込領域10の厚みTを厚くして耐圧を増加させた場合には、導通抵抗RONの増加の程度は小さい。即ち、本発明の半導体装置1では、耐圧向上の効果に比べれば、導通抵抗RONの増大は無視することができる。
As can be seen from the curve of the conventional semiconductor device, in the conventional structure, when the concentration of the
<他の例>
上記実施形態の半導体装置1はMOSFETであったが、本発明の半導体装置はそれに限られるものではなく、例えば、pn接合型のIGBT(Insulated gate bipolar transistor)やショットキー接合型のIGBTも含まれる。
<Other examples>
Although the
図36(a)、(b)の符号2は、本発明の半導体装置のうち、pn接合型のIGBTを示している。
第一例の半導体装置1の半導体単結晶基板11が第一導電型であり、ドレイン層として用いられていたのに対し、この半導体装置2では、第一導電型の半導体単結晶基板11に替えて第二導電型の半導体単結晶基板51がコレクタ層として用いられている。従って、第一導電型の共通層12と第二導電型の半導体単結晶基板51との間にはpn接合が形成されている。他の構成は、第一例の半導体装置1と同じである。
Whereas the semiconductor
図36(a)、(b)の符号57bは半導体単結晶基板51とオーミック接合を形成する裏面電極(コレクタ電極)である。
36A and 36B,
第二導電型の半導体単結晶基板51と共通層12との間に形成されたpn接合は、加工層13と共通層12との間のpn接合が逆バイアスされるときに順バイアスされる極性であり、半導体装置2が導通するときに、半導体単結晶基板51から共通層12内に少数キャリアが注入され、共通層12の導通抵抗が低下するようになっている。
The pn junction formed between the second conductivity type semiconductor
この半導体装置2のK−K線横方向切断面図は図35である。図36(a)、(b)は、それぞれ、図35のVIIIa−VIIIa線、VIIIb−VIIIb線の縦方向切断面図である。
FIG. 35 is a transverse sectional view of the
次に図37(a)、(b)の符号3は、ショットキー接合型のIGBTの場合の本発明の半導体装置を示している。
Next,
この半導体装置3では、研磨工程等によって第1の実施例の半導体単結晶基板11が除去され、半導体単結晶基板11よりも低濃度の第一導電型の共通層12が露出されており、その共通層12の表面に裏面電極57c(ショットキー電極)が形成されている。
In this
裏面電極57cの少なくとも共通層12と接触する部分の材料は、共通層12とショットキー接合を形成する物質であり、例えばクロム等である。他の構造は、第一例の半導体装置1と同じである。
The material of at least the portion of the
ショットキー接合の極性は、共通層12と加工層13の間のpn接合が逆バイアスされるときに順バイアスされる極性であり、従って、半導体装置2が導通するときに、裏面電極57cから共通層12内に少数キャリアが注入され、共通層12の導通抵抗が低下するようになっている。
The polarity of the Schottky junction is a polarity that is forward-biased when the pn junction between the
この半導体装置3のL−L線横方向切断面図は図35である。図37(a)、(b)は、それぞれ、図35のVIIIa−VIIIa線、VIIIb−VIIIb線の縦方向切断面図である。
FIG. 35 is a lateral sectional view of the
なお、半導体単結晶基板11が低濃度であり、裏面電極57cとショットキー接合を形成できる場合、半導体単結晶基板11表面にショットキー電極膜を形成することもできる。この場合も導通抵抗を小さくするために半導体単結晶基板11を研磨して厚みを薄くすることができる。
When the semiconductor
上記各実施では、副溝20の四隅は直角であり、各副溝20の四辺は直角に交わっていたが、本発明はそれに限定されるものではなく、副溝20の四隅に丸みが付されたものも含まれる。また、四隅に二以上の角が形成された多角形形状のものも含まれる。 In each of the above embodiments, the four corners of the sub-groove 20 are right angles, and the four sides of each sub-groove 20 intersect at right angles. However, the present invention is not limited thereto, and the four corners of the sub-groove 20 are rounded. Also included. Also included are polygonal shapes in which two or more corners are formed at the four corners.
上記の導電領域22と耐圧領域23は、エピタキシャル成長させた半導体単結晶であり、特に、シリコン単結晶を用いたが、シリコン以外の半導体単結晶であってもよい。
更に、単結晶ではなく、第一導電型の半導体の多結晶を成長させてもよい。
The
Furthermore, instead of a single crystal, a polycrystalline semiconductor of the first conductivity type may be grown.
11……半導体基板(ドレイン層)
12……共通層
13……加工層
14……ゲート電極
19……主溝
20……副溝
21……ゲート絶縁膜
22……導電領域
23……耐圧領域
27……ガード領域
32……ベース領域
38……ソース領域
46……オーミック領域
49……ソース電極配線
51……半導体基板(コレクタ層)
57a……裏面電極(ドレイン電極)
57b……裏面電極(コレクタ電極)
57c……裏面電極(ショットキー電極)
11. Semiconductor substrate (drain layer)
12 ...
57a: Back electrode (drain electrode)
57b …… Back electrode (collector electrode)
57c …… Back electrode (Schottky electrode)
Claims (13)
前記共通層上に配置された第二導電型の加工層と、
前記加工層に形成され、底面が前記共通層に達した細長の主溝と、
前記主溝の内部であって前記主溝の側面の下部に位置し、底面部分が前記共通層に接触され、前記主溝の長手方向に沿って幅方向中央位置に凹部を有する第一導電型の導電領域と、
前記主溝の内部であって、前記主溝の側面の上部に位置する第一導電型のソース領域と、
前記主溝の内部であって、前記主溝の側面の前記導電領域と前記ソース領域の間の中間位置に位置し、前記ソース領域と前記導電領域とを分離させる第二導電型のベース領域と、
前記凹部の底面上に配置された絶縁性埋込領域と、
前記凹部の前記絶縁性埋込領域上に位置し、少なくとも前記凹部の側面に配置され、前記ソース領域と前記ベース領域と前記導電領域と接触されたゲート絶縁膜と、
前記凹部内の前記絶縁性充填物上に位置し、前記ソース領域と前記ベース領域と前記導電領域とに亘って配置され、前記ゲート絶縁膜と接触されたゲート電極と、
前記ソース領域と接触されたソース電極配線とを有する半導体装置。 A common layer of the first conductivity type;
A second conductivity type processed layer disposed on the common layer;
An elongated main groove formed in the processed layer and having a bottom surface reaching the common layer;
A first conductivity type that is located inside the main groove and below the side surface of the main groove, the bottom surface portion is in contact with the common layer, and has a recess at the center in the width direction along the longitudinal direction of the main groove A conductive region of
A source region of a first conductivity type located inside the main groove and above the side surface of the main groove;
A base region of a second conductivity type, which is located inside the main groove and is located at an intermediate position between the conductive region and the source region on the side surface of the main groove and separates the source region and the conductive region; ,
An insulating buried region disposed on the bottom surface of the recess;
A gate insulating film located on the insulating buried region of the recess, disposed at least on a side surface of the recess, and in contact with the source region, the base region, and the conductive region;
A gate electrode located on the insulating filling in the recess, disposed over the source region, the base region, and the conductive region, and in contact with the gate insulating film;
A semiconductor device having a source electrode wiring in contact with the source region.
前記副溝内に充填された第一導電型の耐圧領域とを有し、隣接する前記耐圧領域と前記耐圧領域の間は、第二導電型のガード領域が同心状に形成された請求項1記載の半導体装置。 A plurality of sub-grooves formed in the processed layer, narrower than a width of the main groove, spaced apart from each other in a concentric ring shape, surrounding the main groove and having a bottom surface reaching the common layer;
2. A first conductivity type withstand voltage region filled in the sub-groove, and a second conductivity type guard region is formed concentrically between the adjacent withstand voltage region and the withstand voltage region. The semiconductor device described.
前記主溝と前記主溝の間の位置の前記加工層の内部表面には、前記加工層よりも高濃度の第二導電型のオーミック領域が配置され、前記ソース電極配線は前記オーミック領域と接触し、オーミック接合が形成された請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の半導体装置。 A plurality of the main grooves are arranged in parallel to each other;
A second conductivity type ohmic region having a higher concentration than the processed layer is disposed on the inner surface of the processed layer at a position between the main groove and the source electrode wiring is in contact with the ohmic region. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein an ohmic junction is formed.
前記ベース領域とショットキー電極膜の間に前記導電領域と前記ベース領域を逆バイアスする極性の電圧が印加されたときに、前記ショットキー接合は順バイアスされるように構成された請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の半導体装置。 On the surface of the common layer, a Schottky electrode film that forms a Schottky junction with the common layer is disposed,
The Schottky junction is configured to be forward-biased when a voltage having a polarity that reversely biases the conductive region and the base region is applied between the base region and the Schottky electrode film. The semiconductor device according to claim 5.
前記共通層上に配置された第二導電型の加工層と、
前記加工層内部に互いに平行に配置された複数本のゲート電極と、
前記ゲート電極の下部に位置し、前記ゲート電極と前記共通層とを絶縁する絶縁性埋込領域と、
前記ゲート電極の少なくとも側面に一面が密着して配置されたゲート絶縁膜と、
前記加工層の内部表面に位置し、前記ゲート絶縁膜の前記一面とは反対側の面に密着された第一導電型のソース領域と、
前記加工層の内部表面であって、前記ソース領域を取り囲み、前記ソース領域の底面下で前記ゲート絶縁膜に密着された第二導電型のベース領域と、
前記ベース領域の底面下で前記ゲート絶縁膜に密着され、上部が前記ベース領域に接触し、下部が前記共通層に接触され、前記共通層よりも低抵抗の第一導電型の導電領域と、
前記ゲート電極が配置された領域は、前記加工層に形成され、底面が前記共通層に達する複数本のリング状の副溝で取り囲まれ、
前記各副溝内には底面が前記共通層に接続された第一導電型の耐圧領域を備え、
前記耐圧領域の間の前記加工層は、底面が前記共通層に接し、互いに分離されたガード領域にされた半導体装置。 A common layer of the first conductivity type;
A second conductivity type processed layer disposed on the common layer;
A plurality of gate electrodes arranged parallel to each other inside the processed layer;
An insulating buried region located under the gate electrode and insulating the gate electrode and the common layer;
A gate insulating film disposed in close contact with at least a side surface of the gate electrode;
A source region of a first conductivity type located on the inner surface of the processed layer and in close contact with a surface opposite to the one surface of the gate insulating film;
A base region of a second conductivity type that is an inner surface of the processed layer, surrounds the source region, and is in close contact with the gate insulating film under a bottom surface of the source region;
A first conductive type conductive region that is in close contact with the gate insulating film under a bottom surface of the base region, an upper portion is in contact with the base region, a lower portion is in contact with the common layer, and has a lower resistance than the common layer;
The region where the gate electrode is disposed is formed in the processed layer, and the bottom surface is surrounded by a plurality of ring-shaped subgrooves reaching the common layer,
Each sub-groove includes a first conductivity type withstand voltage region having a bottom surface connected to the common layer,
The processed layer between the breakdown voltage regions is a semiconductor device in which a bottom surface is in contact with the common layer and is a guard region separated from each other.
前記主溝の幅方向中央に凹部が残るように前記主溝内に第一導電型の半導体単結晶から成る半導体充填物をエピタキシャル成長させて前記主溝を不完全に充填し、前記主溝内に前記半導体充填物から成る導電領域を形成する不完全充填工程と、
前記凹部の底面上に、凹部の上部が残るように絶縁性埋込領域を形成する埋込領域形成工程と、
前記絶縁性埋込領域上の前記導電領域表面にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記ゲート絶縁膜表面と接触したゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記導電領域の内部表面に第二導電型の不純物を導入し、拡散して前記導電領域上部であって前記ゲート絶縁膜に接触する領域を第二導電型のベース領域に変換するベース領域形成工程と、
前記ベース領域の内部表面に第一導電型の不純物を導入し、拡散して前記ベース領域よりも浅く、前記ゲート絶縁膜と接触する領域であって前記導電領域とは分離された領域を第一導電型のソース領域に変換するソース領域形成工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 A groove forming step of partially etching the processed layer from the surface of the second conductive type processed layer disposed on the first conductive type common layer to form an elongated main groove exposing the common layer on the bottom surface When,
A semiconductor filling made of a semiconductor single crystal of a first conductivity type is epitaxially grown in the main groove so as to leave a recess in the center in the width direction of the main groove, and the main groove is incompletely filled, An incomplete filling step of forming a conductive region of the semiconductor filling;
An embedded region forming step of forming an insulating embedded region on the bottom surface of the recess so that the upper portion of the recess remains;
Forming a gate insulating film on the surface of the conductive region on the insulating buried region; and
Forming a gate electrode in contact with the gate insulating film surface; and
A base region forming step of introducing an impurity of a second conductivity type into the inner surface of the conductive region and diffusing it to convert a region above the conductive region and in contact with the gate insulating film into a second conductivity type base region When,
A first conductivity type impurity is introduced into the inner surface of the base region, diffused, shallower than the base region, and a region that is in contact with the gate insulating film and is separated from the conductive region. A source region forming step for converting into a conductive type source region;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記不完全充填工程では、前記主溝内を前記半導体充填物で充填する際に、前記副溝内を前記半導体充填物で充填する請求項12記載の半導体装置の製造方法。 In the groove forming step, a plurality of sub grooves which are narrower than the width of the main groove and surround the main groove and have the same depth as the main groove are formed together with the main groove,
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein in the incomplete filling step, the sub-groove is filled with the semiconductor filling when the main groove is filled with the semiconductor filling.
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