JP2006245358A - Insulating gate type semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an insulating gate type semiconductor device which has a floating region in its drift region, and can exhibit the performance of the device at a maximum. <P>SOLUTION: In the semiconductor device 100, each gate trench 21 piercing a p<SP>-</SP>body region 41 in the thickness direction of a semiconductor substrate is formed. In the bottom of each gate trench 21, each deposited insulating layer 23 is generated by the deposition of an insulator. Further, a gate electrode 22 is formed on the deposited insulating layer 23. In the semiconductor device 100, the thickness of an n<SP>-</SP>drift region 12 is so designed that it is made nearly equal to the thickness of the necessary depletion layer present in the n<SP>-</SP>drift region 12. Moreover, in the semiconductor device 100, each p floating region 51 surrounded by the n<SP>-</SP>region 12 is so formed that it locates in the middle position of the distance between the lower end of the gate electrode 22 and the bottom surface of the n<SP>-</SP>drift region 12. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は,トレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置に関する。さらに詳細には,ドリフト領域内にフローティング領域を有するものであって,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮することができる絶縁ゲート型半導体装置に関するものである。   The present invention relates to an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure. More specifically, the present invention relates to an insulated gate semiconductor device having a floating region in a drift region and capable of maximizing device performance.

従来から,パワーデバイス用の絶縁ゲート型半導体装置として,トレンチゲート構造を有するトレンチゲート型半導体装置が提案されている。トレンチゲート型半導体装置では,一般的にゲートトレンチに内蔵されたゲート電極の底部に電界が集中し,その電界集中による耐圧低下が問題となる。   Conventionally, a trench gate type semiconductor device having a trench gate structure has been proposed as an insulated gate type semiconductor device for power devices. In a trench gate type semiconductor device, an electric field is generally concentrated at the bottom of a gate electrode built in a gate trench, and a decrease in breakdown voltage due to the concentration of the electric field becomes a problem.

この問題点に着目したトレンチゲート型半導体装置としては,例えば特許文献1に開示されているものがある。このトレンチゲート型半導体装置は,概略,図11に示すように構成されている。すなわち,図11中の半導体装置900では,上面側にN+ ソース領域31が設けられ,下面側にN+ ドレイン領域11が設けられている。そして,それらの間には上面側から,P- ボディ領域41およびN- ドリフト領域12が設けられている。さらに,半導体装置の上面側の一部を掘り込むことによってなるゲートトレンチ21が設けられている。また,ゲートトレンチ21には,ゲート電極22が内蔵されている。また,ゲートトレンチ21の直下にPフローティング領域51が設けられている。ゲート電極22は,トレンチ21の壁面および底面に形成されたゲート絶縁膜24により,P- ボディ領域41から絶縁されている。 As a trench gate type semiconductor device paying attention to this problem, for example, there is one disclosed in Patent Document 1. This trench gate type semiconductor device is schematically configured as shown in FIG. That is, in the semiconductor device 900 in FIG. 11, the N + source region 31 is provided on the upper surface side, and the N + drain region 11 is provided on the lower surface side. Between them, a P body region 41 and an N drift region 12 are provided from the upper surface side. Furthermore, a gate trench 21 formed by digging a part of the upper surface side of the semiconductor device is provided. A gate electrode 22 is built in the gate trench 21. A P floating region 51 is provided immediately below the gate trench 21. Gate electrode 22 is insulated from P body region 41 by a gate insulating film 24 formed on the wall surface and bottom surface of trench 21.

半導体装置900では,ドレイン−ソース間の電圧印加により,P- ボディ領域41とN- ドリフト領域12との間のPN接合箇所からN+ ドレイン領域11に向けて空乏層が伸びる(以下,「P- ボディ領域41からの空乏層」とする)。そして,P- ボディ領域41からの空乏層がPフローティング領域51にまで達すると,Pフローティング領域51がパンチスルー状態となってその電位が固定される。さらに,Pフローティング領域51の下端部からもN+ ドレイン領域11に向けて空乏層が伸びる(以下,「Pフローティング領域50からの空乏層」とする)。これにより,電界の集中箇所が2箇所に分担され,ゲート電極22の底部での電界集中が緩和され,ドレイン−ソース間の高耐圧化を図ることができるとしている。 In the semiconductor device 900, a depletion layer extends from the PN junction between the P body region 41 and the N drift region 12 toward the N + drain region 11 by applying a drain-source voltage (hereinafter referred to as “P - "Depletion layer from the body region 41"). When the depletion layer from the P body region 41 reaches the P floating region 51, the P floating region 51 enters a punch-through state and the potential is fixed. Further, a depletion layer extends from the lower end of the P floating region 51 toward the N + drain region 11 (hereinafter referred to as “depletion layer from the P floating region 50”). As a result, the electric field concentration portion is divided into two portions, the electric field concentration at the bottom of the gate electrode 22 is alleviated, and a high breakdown voltage between the drain and the source can be achieved.

この他,特許文献1には,図12に示すように,ゲート絶縁膜24の底部側の膜厚を側面側より厚くした半導体装置910が開示されている。具体的には,底部側の膜厚を側面側の膜厚の5倍から20倍の範囲内(側面側の膜厚を0.1μmとして,底部側の膜厚を0.5μmから2.0μmの範囲内)としている。このようにゲート絶縁膜24の膜厚を厚くすることによっても電界集中が緩和され,ドレイン−ソース間の高耐圧化を図ることができるとしている。
特開平10−98188号公報(図1,図9等)
In addition, Patent Document 1 discloses a semiconductor device 910 in which the film thickness on the bottom side of the gate insulating film 24 is thicker than that on the side surface as shown in FIG. Specifically, the film thickness on the bottom side is in the range of 5 to 20 times the film thickness on the side surface (the film thickness on the side surface is 0.1 μm, and the film thickness on the bottom side is 0.5 μm to 2.0 μm. Within the range of As described above, increasing the thickness of the gate insulating film 24 alleviates the electric field concentration and can increase the breakdown voltage between the drain and the source.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-98188 (FIG. 1, FIG. 9 etc.)

しかしながら,前記した従来のトレンチゲート型半導体装置には,次のような問題があった。すなわち,図11に示したようにゲート電極22の直下にPフローティング領域51を設けたとしても,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮するまでには至らない。   However, the conventional trench gate type semiconductor device described above has the following problems. That is, as shown in FIG. 11, even if the P floating region 51 is provided immediately below the gate electrode 22, it does not reach the maximum performance of the device.

つまり,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮するためには,図13に示すように,N- ドリフト領域12中,P- ボディ領域41からの空乏層にて支える電界強度(A)のピーク値と,Pフローティング領域51からの空乏層にて支える電界強度(B)のピーク値とを均等にし,それらのピーク値を臨界電界に近づけることが必要である。 That is, in order to maximize the performance of the device, as shown in FIG. 13, the peak value of the electric field strength (A) supported by the depletion layer from the P body region 41 in the N drift region 12 , It is necessary to make the peak values of the electric field strength (B) supported by the depletion layer from the P floating region 51 uniform and bring these peak values close to the critical electric field.

しかし,図11に示した半導体装置900では,図14に示すように,電界強度(A)のピーク値が電界強度(B)のピーク値よりも小さくなる。すなわち,P- ボディ領域41からの空乏層が伸びきらない状態でPフローティング領域51まで達してしまうため,電界強度(A)のピーク値が小さい。従って,半導体装置900全体としての耐圧が小さくなる。 However, in the semiconductor device 900 shown in FIG. 11, the peak value of the electric field strength (A) is smaller than the peak value of the electric field strength (B) as shown in FIG. That is, the peak value of the electric field strength (A) is small because the depletion layer from the P body region 41 reaches the P floating region 51 without being fully extended. Accordingly, the breakdown voltage of the entire semiconductor device 900 is reduced.

仮に,図12に示した半導体装置910のように,ゲート絶縁膜24の底面側の膜厚を側面側の膜厚の20倍まで厚くし,その下にPフローティング領域51を配置したとしても,Pボディ領域41からの空乏層の厚さを十分に確保するまでには至らない。そのため,半導体装置910であってもデバイスのパフォーマンスを最大限に発揮するまでには至らない。   Even if the film thickness on the bottom surface side of the gate insulating film 24 is increased to 20 times the film thickness on the side surface as in the semiconductor device 910 shown in FIG. The thickness of the depletion layer from the P body region 41 is not sufficiently secured. Therefore, even the semiconductor device 910 does not reach the maximum performance of the device.

本発明は,前記した従来の絶縁ゲート型半導体装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,ドリフト領域内にフローティング領域を有するものであって,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮することができる絶縁ゲート型半導体装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve the problems of the conventional insulated gate semiconductor device described above. That is, an object of the present invention is to provide an insulated gate semiconductor device that has a floating region in the drift region and can maximize the performance of the device.

この課題の解決を目的としてなされた絶縁ゲート型半導体装置は,トレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置であって,半導体基板内の上面側に位置し,第1導電型半導体であるボディ領域と,ボディ領域の下面と接し,第2導電型半導体であるドリフト領域と,ドリフト領域に囲まれるとともに第1導電型半導体であるフローティング領域と,ボディ領域を厚さ方向に貫通し,その底部がフローティング領域内に位置するトレンチ部と,トレンチ部内に位置し,絶縁物を堆積してなり,その上面がフローティング領域の上端よりも上方に位置する堆積絶縁層と,ボディ領域を厚さ方向に貫通し,絶縁膜を挟んでボディ領域と対面するゲート領域とを有し,ゲート領域の下端からフローティング領域の上端までの距離と,フローティング領域の下端からドリフト領域の下面までの距離とが略均等であることを特徴としている。   An insulated gate semiconductor device for solving this problem is an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure, and is located on the upper surface side in a semiconductor substrate and includes a body region which is a first conductivity type semiconductor. , In contact with the lower surface of the body region, the drift region which is the second conductivity type semiconductor, the floating region which is surrounded by the drift region and is the first conductivity type semiconductor, and penetrates the body region in the thickness direction, and its bottom portion is floating A trench portion located in the region, and a deposit insulating material located in the trench portion, the upper surface of which is located above the upper end of the floating region, and the body region in the thickness direction. A gate region facing the body region across the insulating film, the distance from the lower end of the gate region to the upper end of the floating region, I am characterized in that the distance from the lower end of the ring area to the lower surface of the drift region is substantially uniform.

本発明の絶縁ゲート型半導体装置は,トレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置であって,ドリフト領域中のフローティング領域によって高耐圧化が図られたものである。そして,そのフローティング領域は,ゲート領域の下端からフローティング領域の上端までの距離と,フローティング領域の下端からドリフト領域の下面までの距離とが均等となるようにドリフト領域内に配設されている。すなわち,フローティング領域を,ドリフト領域の厚さ方向の,ほぼ中央に位置している。   The insulated gate semiconductor device of the present invention is an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure, and has a higher breakdown voltage due to a floating region in the drift region. The floating region is disposed in the drift region so that the distance from the lower end of the gate region to the upper end of the floating region is equal to the distance from the lower end of the floating region to the lower surface of the drift region. That is, the floating region is located approximately at the center in the thickness direction of the drift region.

一般的に,半導体装置では,ドリフト領域の厚さとドリフト領域中の必要空乏層厚とが均等となるように設計される。本発明の半導体装置では,フローティング領域がドリフト領域の厚さ方向の中央に位置していることから,ボディ領域からの空乏層の厚さとフローティング領域からの空乏層の厚さとが均等となる。すなわち,ボディ領域からの空乏層にて支える電界強度のピーク値と,フローティング領域からの空乏層にて支える電界強度のピーク値とが均等となる。よって,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮することができる。   In general, a semiconductor device is designed so that the thickness of the drift region is equal to the necessary depletion layer thickness in the drift region. In the semiconductor device of the present invention, since the floating region is located at the center of the drift region in the thickness direction, the thickness of the depletion layer from the body region is equal to the thickness of the depletion layer from the floating region. That is, the peak value of the electric field strength supported by the depletion layer from the body region is equal to the peak value of the electric field strength supported by the depletion layer from the floating region. Therefore, the device performance can be maximized.

なお,本発明でいう「略均等」とは,厳密な均等のみを意味するものではない。一般的に半導体層を形成する際に用いる成膜技術であるエピタキシャル成長法や,トレンチのエッチング技術などは,10%程度の範囲内で誤差が生じる。従って,本明細書では,±10%の範囲内の誤差であれば「略均等」の範囲に含まれるものとする。   Note that “substantially equal” in the present invention does not mean only strict equality. In general, an epitaxial growth method, which is a film forming technique used for forming a semiconductor layer, or a trench etching technique, causes an error within a range of about 10%. Therefore, in this specification, an error within a range of ± 10% is included in the “substantially equal” range.

また,本発明の半導体装置は,ボディ領域を厚さ方向に貫通するトレンチ部を備えている。そして,トレンチ部の底部からイオン注入を行うことによりフローティング領域を形成することができる。そのため,フローティング領域の形成が容易である。   The semiconductor device of the present invention includes a trench portion that penetrates the body region in the thickness direction. A floating region can be formed by performing ion implantation from the bottom of the trench. For this reason, it is easy to form a floating region.

また,フローティング領域がドリフト領域の厚さ方向にn層(nは自然数)設けられ,フローティング領域群を構成する場合には,各フローティング領域の中心は,ゲート領域の下端からドリフト領域の下面までの間をn+1等分した各箇所にそれぞれ位置することとするとよい。   In addition, when the floating region is provided with n layers (n is a natural number) in the thickness direction of the drift region, and the floating region group is configured, the center of each floating region is from the lower end of the gate region to the lower surface of the drift region. It is good to be located in each part which divided | segmented the space | interval into n + 1 equally.

すなわち,フローティング領域をn層形成する際には,各層のフローティング領域をドリフト領域の厚さ方向に等間隔に配置する。さらに,その間隔が最大となるように,ゲート領域の下端とドリフト領域の下面との間をn+1等分した各箇所にそれぞれフローティング領域を設ける。これにより,ボディ領域からの空乏層の厚さおよび各フローティング領域からの空乏層の厚さが略均等となる。すなわち,各空乏層にて支える電界強度のピーク値が略均等となる。そして,フローティング領域群の層数を増やすほど各空乏層にて支える電界強度のピーク値が小さくなる。よって,さらなる高耐圧化および低オン抵抗化を図ることができる。   That is, when forming n layers of floating regions, the floating regions of each layer are arranged at equal intervals in the thickness direction of the drift region. Further, a floating region is provided at each of the locations where the space between the lower end of the gate region and the lower surface of the drift region is equally divided into n + 1 so that the interval is maximized. Thereby, the thickness of the depletion layer from the body region and the thickness of the depletion layer from each floating region become substantially equal. That is, the peak values of the electric field strength supported by each depletion layer are substantially equal. As the number of floating region groups increases, the peak value of the electric field strength supported by each depletion layer decreases. Therefore, further higher breakdown voltage and lower on-resistance can be achieved.

なお,本発明でいう「n+1等分」とは,厳密な等間隔を意味するものではない。すなわち,本明細書では,±10%の範囲内であれば「n+1等分」の範囲に含まれるものとする。   In the present invention, “n + 1 equal division” does not mean a strict equal interval. That is, in this specification, if it is within ± 10%, it is included in the range of “n + 1 equal”.

また,本発明の半導体装置では,トレンチ部内に堆積絶縁層が設けられている。そして,その堆積絶縁層上にゲート電極が位置することとするとよりよい。すなわち,トレンチ部がフローティング領域の作製用途とゲート領域の保持用途とを兼ねる。これにより,半導体装置のコンパクト化が図られる。また,トレンチ部の形成工程を分ける必要がなく,簡便に半導体デバイスを形成することができる。   In the semiconductor device of the present invention, a deposited insulating layer is provided in the trench portion. It is better if the gate electrode is located on the deposited insulating layer. In other words, the trench portion serves both as a floating region manufacturing purpose and a gate region holding purpose. Thereby, the semiconductor device can be made compact. Further, there is no need to separate the trench formation process, and a semiconductor device can be formed easily.

具体的に,堆積絶縁層がゲート領域下に形成されている場合に,その堆積絶縁層の厚さは,
W0=n×(必要空乏層厚/(n+1))−イオン注入時の飛程
なる式によって計算されるW0に対して±10%以内の範囲内となる。なお,nは自然数であり,フローティング領域群のドリフト領域の厚さ方向における層数を意味する。また,必要空乏層厚は,ゲート電極の下端から下方に伸びる空乏層の必要な厚さであり,要求耐圧およびドリフト領域の不純物濃度によって求められる。上記の条件を満たす厚さの堆積絶縁層をトレンチ部内に形成することで,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮するための必要空乏層厚が確保される。
Specifically, when the deposited insulating layer is formed under the gate region, the thickness of the deposited insulating layer is
W0 = n × (required depletion layer thickness / (n + 1)) − within a range of ± 10% or less with respect to W0 calculated by the equation of the range during ion implantation. Note that n is a natural number and means the number of layers in the thickness direction of the drift region of the floating region group. The required depletion layer thickness is a required thickness of the depletion layer extending downward from the lower end of the gate electrode, and is determined by the required breakdown voltage and the impurity concentration of the drift region. By forming a deposited insulating layer with a thickness that satisfies the above conditions in the trench, the necessary depletion layer thickness for maximizing device performance is secured.

本発明によれば,フローティング領域の位置あるいは堆積絶縁層の厚さを規定することにより,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮するための必要空乏層厚が確保される。従って,ドリフト領域内にフローティング領域を有するものであって,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮することができる絶縁ゲート型半導体装置が実現されている。   According to the present invention, by defining the position of the floating region or the thickness of the deposited insulating layer, the necessary depletion layer thickness for maximizing the performance of the device is ensured. Therefore, an insulated gate semiconductor device having a floating region in the drift region and capable of maximizing device performance has been realized.

以下,本発明を具体化した実施の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお,本実施の形態は,ゲート電極への電圧印加により,ドレイン−ソース間(以下,「DS間」とする)の導通をコントロールする絶縁ゲート型半導体装置に本発明を適用したものである。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present embodiment, the present invention is applied to an insulated gate semiconductor device that controls conduction between a drain and a source (hereinafter, “between DS”) by applying a voltage to a gate electrode.

本形態に係る絶縁ゲート型半導体装置100(以下,「半導体装置100」とする)は,図1の断面図に示す構造を有している。なお,本明細書においては,出発基板と,出発基板上にエピタキシャル成長により形成した単結晶シリコンの部分とを合わせた全体を半導体基板と呼ぶこととする。   An insulated gate semiconductor device 100 (hereinafter referred to as “semiconductor device 100”) according to the present embodiment has a structure shown in the cross-sectional view of FIG. Note that in this specification, the whole of the starting substrate and the single crystal silicon portion formed by epitaxial growth on the starting substrate is referred to as a semiconductor substrate.

半導体装置100では,半導体基板内における図1中の上面側に,N+ ソース領域31およびコンタクト抵抗を下げるために高濃度に形成されたP+ コンタクト領域32が設けられている。一方,下面側にはN+ ドレイン領域11が設けられている。それらの間には上面側から,P- ボディ領域41およびN- ドリフト領域12が設けられている。なお,半導体装置100では,N- ドリフト領域12の厚さとN- ドリフト領域12中の必要空乏層厚とが略均等となるように設計されている。また,ここで略均等とは厳密な均等を意味するものではなく,製造のばらつきを考慮した上,多少の誤差を見込んで設計されている。N- ドリフト領域12中の必要空乏層厚については後述する。 In the semiconductor device 100, an N + source region 31 and a P + contact region 32 formed at a high concentration for lowering contact resistance are provided on the upper surface side in FIG. On the other hand, an N + drain region 11 is provided on the lower surface side. Between them, a P body region 41 and an N drift region 12 are provided from the upper surface side. In the semiconductor device 100, N - thickness of the drift region 12 and the N - require depletion layer Prefecture in the drift region 12 is designed so as to be substantially equal. Here, “substantially equal” does not mean strict equality, but is designed with some errors in consideration of manufacturing variations. The required depletion layer thickness in the N drift region 12 will be described later.

また,半導体基板の上面側の一部を掘り込むことにより,P- ボディ領域41を半導体基板の厚さ方向に貫通するゲートトレンチ21が形成されている。ゲートトレンチ21の底部には,絶縁物(例えば酸化シリコン)の堆積による堆積絶縁層23が形成されている。さらに,堆積絶縁層23上には,導体(例えば,リンを高濃度に含んだポリシリコン)の堆積によるゲート電極22が形成されている。ゲート電極22の下端は,高さ方向の位置がP- ボディ領域41の下面とほぼ同等である。そして,ゲート電極22は,トレンチ21の壁面に形成されているゲート絶縁膜24を介して,半導体基板のN+ ソース領域31およびP- ボディ領域41と対面している。すなわち,ゲート電極22は,ゲート絶縁膜24によりN+ ソース領域31およびP- ボディ領域41から絶縁されている。 Further, a part of the upper surface side of the semiconductor substrate is dug to form a gate trench 21 that penetrates the P body region 41 in the thickness direction of the semiconductor substrate. A deposited insulating layer 23 is formed on the bottom of the gate trench 21 by depositing an insulator (for example, silicon oxide). Further, a gate electrode 22 is formed on the deposited insulating layer 23 by depositing a conductor (for example, polysilicon containing phosphorus at a high concentration). The lower end of the gate electrode 22 has a height position substantially equal to the lower surface of the P body region 41. The gate electrode 22 faces the N + source region 31 and the P body region 41 of the semiconductor substrate via the gate insulating film 24 formed on the wall surface of the trench 21. That is, the gate electrode 22 is insulated from the N + source region 31 and the P body region 41 by the gate insulating film 24.

このような構造を持つ半導体装置100では,ゲート電極22への電圧印加によりP- ボディ領域41にチャネル効果を生じさせ,もってN+ ソース領域31とN+ ドレイン領域11との間の導通をコントロールしている。 In the semiconductor device 100 having such a structure, a channel effect is generated in the P body region 41 by applying a voltage to the gate electrode 22, thereby controlling conduction between the N + source region 31 and the N + drain region 11. is doing.

さらに,半導体装置100には,N- ドリフト領域12に囲まれたPフローティング領域51が形成されている。Pフローティング領域51の中心は,ゲート電極22の下端とN- ドリフト領域12の下面とのおよそ中間点に位置する。Pフローティング領域51の断面は,図1の断面図に示したように,トレンチ21の底部を中心とした略円形形状となっている。なお,隣り合うPフローティング領域51,51間には,十分なスペースがある。よって,オン状態において,Pフローティング領域51の存在がドレイン電流に対する妨げとなることはない。 Further, in the semiconductor device 100, a P floating region 51 surrounded by the N drift region 12 is formed. The center of the P floating region 51 is located approximately at the midpoint between the lower end of the gate electrode 22 and the lower surface of the N drift region 12. The cross section of the P floating region 51 has a substantially circular shape centered on the bottom of the trench 21 as shown in the cross sectional view of FIG. There is sufficient space between the adjacent P floating regions 51 and 51. Therefore, in the ON state, the presence of the P floating region 51 does not hinder the drain current.

また,堆積絶縁層23の上端は,Pフローティング領域51の上端よりも上方に位置する。よって,堆積絶縁層23上に堆積するゲート電極22とPフローティング領域51とは対面していない。堆積絶縁層23の厚さの詳細については後述する。   Further, the upper end of the deposited insulating layer 23 is located above the upper end of the P floating region 51. Therefore, the gate electrode 22 deposited on the deposited insulating layer 23 and the P floating region 51 do not face each other. Details of the thickness of the deposited insulating layer 23 will be described later.

続いて,本形態の半導体装置100の特性について説明する。半導体装置100は,ゲートトレンチ21の下方にPフローティング領域51が設けられていることにより,それを有しないトレンチゲート型半導体装置と比較して,次のような特性を有する。   Next, characteristics of the semiconductor device 100 of this embodiment will be described. Since the P floating region 51 is provided below the gate trench 21, the semiconductor device 100 has the following characteristics as compared with a trench gate type semiconductor device that does not have the P floating region 51.

すなわち,N- ドリフト領域12内では,DS間の印加電圧によって,P- ボディ領域41とのPN接合箇所からドレイン電極に向かって空乏層が伸びる。そして,そのPN接合箇所の近傍が電界強度のピークとなる。空乏層の先端がPフローティング領域51にまで達すると,Pフローティング領域51がパンチスルー状態となってその電位が固定される。また,DS間の印加電圧が高い場合には,Pフローティング領域51とのPN接合箇所からドレイン電極に向かって空乏層が広がる。そして,P- ボディ領域41との間のPN接合箇所とは別に,Pフローティング領域51の下端部の近傍も電界強度のピークとなる。すなわち,電界のピークが2箇所に形成され,最大ピーク値の低減を図ることができる。よって,高耐圧化が図られる。 That is, in the N drift region 12, the depletion layer extends from the PN junction portion with the P body region 41 toward the drain electrode by the applied voltage between the DSs. And the vicinity of the PN junction location becomes a peak of electric field strength. When the tip of the depletion layer reaches the P floating region 51, the P floating region 51 enters a punch-through state and its potential is fixed. Further, when the applied voltage between the DSs is high, the depletion layer spreads from the PN junction with the P floating region 51 toward the drain electrode. In addition to the PN junction between the P body region 41 and the vicinity of the lower end of the P floating region 51, the electric field strength peaks. That is, electric field peaks are formed at two locations, and the maximum peak value can be reduced. Therefore, high breakdown voltage can be achieved.

また,一般的に,耐圧,Nドリフト領域の不純物濃度,およびNドリフト領域内に広がる空乏層の厚さには,図2に示すような関係がある。例えば,耐圧が100Vクラスの通常のMOSFET(Pフローティング領域を有しないMOSFET)では,100Vの耐圧を得るためには,必要空乏層厚がおよそ13μm必要であることがわかる。さらに,Nドリフト領域の不純物濃度は,およそ3×1015cm-3が限界であることがわかる。そして,低オン抵抗化を図るためには,この限界値に近い濃度で使用することになる。 In general, the breakdown voltage, the impurity concentration of the N drift region, and the thickness of the depletion layer extending in the N drift region have a relationship as shown in FIG. For example, in a normal MOSFET having a withstand voltage of 100 V class (MOSFET having no P floating region), it can be seen that a required depletion layer thickness of about 13 μm is required to obtain a withstand voltage of 100 V. Further, it can be seen that the impurity concentration in the N drift region is limited to about 3 × 10 15 cm −3 . In order to reduce the on-resistance, it is used at a concentration close to this limit value.

耐圧と空乏層厚との関係は,以下の式で表される。すなわち,片側段階接合(アクセプタ濃度>ドナー濃度)の場合に,アバランシェ降伏が起こる臨界電界εcrit[Vcm-1]は,次の式(1)あるいは式(2)で表される。
εcrit=4×105 /{1−(1/3)log(Nb/1016)} (1)
εcrit=2×Vb/Wd (2)
式(1)中,Nbは接合部の濃度を,Wdは空乏層厚を,Vbは降伏電圧を,それぞれ意味している。よって,式(1)にてεcritを求めることにより,降伏電圧Vbと空乏層厚Wdとの関係式が求められる。なお,空乏層厚Wdは,次の式(3)で表すこともできる。
Wd=(2Kε0Vb/qNd)1/2 (3)
式(3)中,Kは半導体の比誘電率を,ε0は真空の誘電率を,qは電荷を,NdはNドリフト層のドナー濃度を,それぞれ意味する。
The relationship between breakdown voltage and depletion layer thickness is expressed by the following equation. That is, in the case of one-sided step junction (acceptor concentration> donor concentration), the critical electric field εcrit [Vcm −1 ] in which avalanche breakdown occurs is expressed by the following equation (1) or equation (2).
εcrit = 4 × 10 5 / {1- (1/3) log (Nb / 10 16 )} (1)
εcrit = 2 × Vb / Wd (2)
In the formula (1), Nb means the junction concentration, Wd means the depletion layer thickness, and Vb means the breakdown voltage. Therefore, by obtaining εcrit by equation (1), a relational expression between the breakdown voltage Vb and the depletion layer thickness Wd can be obtained. The depletion layer thickness Wd can also be expressed by the following equation (3).
Wd = (2Kε0Vb / qNd) 1/2 (3)
In equation (3), K is the relative dielectric constant of the semiconductor, ε0 is the vacuum dielectric constant, q is the charge, and Nd is the donor concentration of the N drift layer.

また,半導体装置100は,ゲートトレンチ21内に堆積絶縁層23が設けられていることにより,次のような特性を有する。すなわち,Pフローティング領域51は,後述するようにゲートトレンチ21の底部からのイオン注入等により形成されるため,ゲートトレンチ21の底部には少なからず損傷が生じる。そこで,堆積絶縁層23の存在によって,ゲートトレンチ21の底部の損傷による影響を回避し,素子特性の劣化や信頼性の低下といった不具合を防止している。また,堆積絶縁層23にてゲート電極22とPフローティング領域51との対面による影響を緩和し,P- ボディ領域41内のオン抵抗を低減している。また,堆積絶縁層23を設けない場合と比較して,ゲート電極22が小さいため,ゲート−ドレイン間容量Cgdが小さく,スイッチングスピードが速い。 In addition, the semiconductor device 100 has the following characteristics because the deposited insulating layer 23 is provided in the gate trench 21. That is, since the P floating region 51 is formed by ion implantation or the like from the bottom of the gate trench 21 as will be described later, the bottom of the gate trench 21 is damaged to some extent. Therefore, the presence of the deposited insulating layer 23 avoids the influence of damage to the bottom of the gate trench 21 and prevents inconveniences such as deterioration of device characteristics and deterioration of reliability. In addition, the deposited insulating layer 23 reduces the influence of the facing of the gate electrode 22 and the P floating region 51, and reduces the on-resistance in the P body region 41. In addition, since the gate electrode 22 is small compared to the case where the deposited insulating layer 23 is not provided, the gate-drain capacitance Cgd is small and the switching speed is fast.

また,半導体装置100は,Pフローティング領域51をN- ドリフト領域12中の厚さ方向の中央部に配置することにより,次のような特性を有する。すなわち,半導体デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮させることができる。 In addition, the semiconductor device 100 has the following characteristics by disposing the P floating region 51 in the central portion in the thickness direction in the N drift region 12. In other words, the performance of the semiconductor device can be maximized.

つまり,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮するためには,図13に示したように,P- ボディ領域41からの空乏層にて支える電界強度(A)のピーク値と,Pフローティング領域51からの空乏層にて支える電界強度(B)のピーク値とを均等にしなければならない。臨界電界と降伏電圧との関係は次の式(4)によって求められる。
E=qNbW/ε (4)
式(4)中,Eは電界強度を,qは素電荷を,Nbは不純物濃度を,Wは空乏層厚を,εは誘電率を,それぞれ意味している。式(4)に示すように,電界強度Eは空乏層厚Wに比例する。言い換えると,電界強度Eを均等な関係にするためには,空乏層厚Wを等しくすればよいことがわかる。
That is, in order to maximize the performance of the device, as shown in FIG. 13, the peak value of the electric field strength (A) supported by the depletion layer from the P body region 41 and the P floating region 51 The peak value of the electric field strength (B) supported by the depletion layer must be made equal. The relationship between the critical electric field and the breakdown voltage is obtained by the following equation (4).
E = qNbW / ε (4)
In Equation (4), E means electric field strength, q means elementary charge, Nb means impurity concentration, W means depletion layer thickness, and ε means dielectric constant. As shown in Equation (4), the electric field strength E is proportional to the depletion layer thickness W. In other words, it is understood that the depletion layer thickness W should be equalized in order to make the electric field strength E equal.

本形態の半導体装置100では,Pフローティング領域51をN- ドリフト領域12中の厚さ方向の中央部に配置している。これにより,P- ボディ領域41からの空乏層の厚さと,Pフローティング領域51からの空乏層の厚さとが等しくなる。よって,図13に示したような電界強度分布となり,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮させることができる。 In the semiconductor device 100 of the present embodiment, the P floating region 51 is disposed in the central portion in the thickness direction in the N drift region 12. As a result, the thickness of the depletion layer from the P body region 41 is equal to the thickness of the depletion layer from the P floating region 51. Therefore, the electric field intensity distribution as shown in FIG. 13 is obtained, and the device performance can be maximized.

そして,半導体装置100では,N- ドリフト領域12中の厚さ方向の中央部にPフローティング領域51を配置できるようにゲートトレンチ21を深堀りし,デバイスの特性を悪化させないように堆積絶縁層23を形成している。具体的に,堆積絶縁層23の厚さW0は,次のように求められる。 In the semiconductor device 100, the gate trench 21 is deepened so that the P floating region 51 can be disposed in the central portion in the thickness direction in the N drift region 12, and the deposited insulating layer 23 is not deteriorated so as not to deteriorate the device characteristics. Is forming. Specifically, the thickness W0 of the deposited insulating layer 23 is obtained as follows.

まず,半導体装置100におけるN- ドリフト領域12中の必要空乏層厚Wは,次の式(5)による。なお,説明の簡略化のため,ゲート電極22の下端とP- ボディ領域41の下面との位置を同等とする(図3参照)。
W=A+B+2r+2p (5)
式(5)中,AはP- ボディ領域41からの空乏層がPフローティング領域51に達すまでの距離を,BはPフローティング領域51からの空乏層が伸びる距離を,rはDS間のバイアスを印加しない場合にPフローティング領域51の周辺に形成される空乏層の厚さを,pはPフローティング領域51の半径を,それぞれ意味している。
First, the necessary depletion layer thickness W in the N drift region 12 in the semiconductor device 100 is according to the following equation (5). For simplification of description, the positions of the lower end of gate electrode 22 and the lower surface of P body region 41 are made equal (see FIG. 3).
W = A + B + 2r + 2p (5)
In equation (5), A is the distance until the depletion layer from the P body region 41 reaches the P floating region 51, B is the distance that the depletion layer extends from the P floating region 51, and r is the bias between DS When P is not applied, the thickness of the depletion layer formed around the P floating region 51, and p means the radius of the P floating region 51, respectively.

そして,堆積絶縁層23の厚さW0は,次の式(6)によって求められる。
W0=A+r+p−(ra) (6)
式(6)中,raはイオン注入時の飛程を意味している。
Then, the thickness W0 of the deposited insulating layer 23 is obtained by the following equation (6).
W0 = A + r + p- (ra) (6)
In formula (6), ra means the range at the time of ion implantation.

さらに,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮するには,距離Aと距離Bとが等しくなければならない。この条件を式(7)に代入すると次の式(7)が成立する。
A+r+p=(W/2) (7)
この式(7)を式(6)に代入することにより,堆積絶縁層23の厚さW0は次の式(8)によって求められる。
W0=(W/2)−ra (8)
Further, the distance A and the distance B must be equal in order to maximize the performance of the device. Substituting this condition into equation (7) establishes the following equation (7).
A + r + p = (W / 2) (7)
By substituting this equation (7) into equation (6), the thickness W0 of the deposited insulating layer 23 is obtained by the following equation (8).
W0 = (W / 2) -ra (8)

なお,ゲート電極22の下端の位置がP- ボディ領域41の下面よりも大幅に下方の場合には,ゲート電極22の下端からの距離として必要空乏層厚を求める。従って,その場合の必要空乏層厚は,P- ボディ領域41からゲート電極22の下端までの距離だけ厚くなる。 When the position of the lower end of the gate electrode 22 is significantly below the lower surface of the P body region 41, the required depletion layer thickness is obtained as the distance from the lower end of the gate electrode 22. Accordingly, the necessary depletion layer thickness in that case is increased by the distance from the P body region 41 to the lower end of the gate electrode 22.

また,DS間のバイアスが0Vのときの空乏層の厚さrは,次の式(9)によって求められる。
r=√2εVbi/qNd (9)
式(9)中,Vbiは内蔵電位を,Ndはドリフト領域の不純物濃度(ドナー濃度)を,それぞれ意味する。
Further, the thickness r of the depletion layer when the bias between the DSs is 0V is obtained by the following equation (9).
r = √2εVbi / qNd (9)
In equation (9), Vbi means the built-in potential, and Nd means the impurity concentration (donor concentration) in the drift region.

続いて,車載用の半導体装置に広く用いられる60V〜1500Vの耐圧帯にて実際にどれだけの膜厚の堆積絶縁層23にする必要があるかを説明する。なお,以下の説明では,イオン注入時の飛程raを0.1μmとする。   Next, the actual thickness of the deposited insulating layer 23 in the withstand voltage band of 60 V to 1500 V that is widely used for in-vehicle semiconductor devices will be described. In the following description, the range ra during ion implantation is 0.1 μm.

まず,要求耐圧が60Vの場合について説明する。60V耐圧帯では,4μm程度の層厚の空乏層が必要となる(図2参照)。この耐圧帯では,N- ドリフト領域12が1.0×1016cm-3以上の高濃度領域で使用可能であるため,エピタキシャル層(N- ドリフト領域12やP- ボディ領域41等)の厚さの制御が困難となる。そこで,必要空乏層厚についてはそのことを考慮した設計とすることが望ましい。そこで,0.4μm程度の余裕をみて必要空乏層厚Wを4.4μmとする。この必要空乏層厚を式(5)に代入すると,要求耐圧60Vでの堆積絶縁層23の厚さW0が求められる。
2.1μm=(4.4μm/2)−0.1μm
すなわち,要求耐圧60Vでの堆積絶縁層23の厚さは,2.1μmであればよいことがわかる。
First, the case where the required withstand voltage is 60V will be described. In the 60V breakdown voltage zone, a depletion layer having a thickness of about 4 μm is required (see FIG. 2). In this breakdown voltage zone, the N drift region 12 can be used in a high concentration region of 1.0 × 10 16 cm −3 or more, so the thickness of the epitaxial layer (N drift region 12, P body region 41, etc.) It becomes difficult to control the height. Therefore, it is desirable to design for the necessary depletion layer thickness. Therefore, the necessary depletion layer thickness W is set to 4.4 μm with a margin of about 0.4 μm. By substituting this necessary depletion layer thickness into equation (5), the thickness W0 of the deposited insulating layer 23 at the required breakdown voltage of 60V is obtained.
2.1 μm = (4.4 μm / 2) −0.1 μm
That is, it can be seen that the thickness of the deposited insulating layer 23 at the required withstand voltage of 60 V may be 2.1 μm.

次に,要求耐圧が1500Vの場合について説明する。1500V耐圧帯では,100μm程度の層厚の空乏層が必要となる(図2参照)。高耐圧帯では,ブレイクダウンを確実に回避する設計とすることが望ましい。そこで,必要空乏層厚Wを200μmとする。この必要空乏層厚を式(8)に代入すると,要求1500Vでの堆積絶縁層23の厚さW0が求められる。
100μm≒(200μm/2)−0.1μm
すなわち,要求耐圧1500Vでの堆積絶縁層23の厚さは,100μmであればよいことがわかる。
Next, the case where the required withstand voltage is 1500 V will be described. In the 1500 V breakdown voltage zone, a depletion layer having a thickness of about 100 μm is required (see FIG. 2). In the high breakdown voltage zone, it is desirable to have a design that reliably avoids breakdown. Therefore, the necessary depletion layer thickness W is set to 200 μm. By substituting this necessary depletion layer thickness into equation (8), the thickness W0 of the deposited insulating layer 23 at the required 1500 V can be obtained.
100 μm≈ (200 μm / 2) −0.1 μm
That is, it can be seen that the thickness of the deposited insulating layer 23 at the required breakdown voltage of 1500 V may be 100 μm.

以上のことから,車載用の半導体装置に広く用いられる半導体装置(耐圧帯60V〜1500V)では,堆積絶縁層23の厚さを2.1μm〜100μmの範囲とすればよいことがわかる。   From the above, it can be seen that in a semiconductor device (withstand voltage band of 60 V to 1500 V) widely used for an in-vehicle semiconductor device, the thickness of the deposited insulating layer 23 should be in the range of 2.1 μm to 100 μm.

続いて,図1に示した半導体装置100の製造プロセスを説明する。まず,N+ ドレイン領域11となるN+ 基板上に,N- 型シリコン層をエピタキシャル成長により形成する。このN- 型シリコン層(エピタキシャル層)は,N- ドリフト領域12,P- ボディ領域41,N+ ソース領域31の各領域となる部分である。そして,その後のイオン注入等によりP- ボディ領域41,N+ ソース領域31およびP+ コンタクト領域32を形成する。N- ドリフト領域12の厚さは,必要空乏層厚と同等となるように設計されている。 Subsequently, a manufacturing process of the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 will be described. First, an N type silicon layer is formed on the N + substrate to be the N + drain region 11 by epitaxial growth. This N -type silicon layer (epitaxial layer) is a portion that becomes each of the N drift region 12, the P body region 41, and the N + source region 31. Then, a P body region 41, an N + source region 31 and a P + contact region 32 are formed by subsequent ion implantation or the like. The thickness of the N drift region 12 is designed to be equal to the necessary depletion layer thickness.

次に,P- ボディ領域41を貫通してその底部がN- ドリフト領域12にまで到達するゲートトレンチ21を形成する。具体的に,ゲートトレンチ21の底部は,N- ドリフト領域12の厚さ方向の中央部から飛程分だけ上方に位置する。 Next, a gate trench 21 that penetrates through the P body region 41 and reaches the bottom of the N drift region 12 is formed. Specifically, the bottom portion of the gate trench 21 is positioned above the center portion in the thickness direction of the N drift region 12 by the range.

次に,ゲートトレンチ21の底面からイオン注入を行う。次に,ゲートトレンチ21内にCVD法にて絶縁物(酸化シリコン等)23を堆積する。その後,絶縁物の焼きしめとPフローティング領域51の形成とを兼ねて熱拡散処理を行う。これにより,Pフローティング領域51が形成される。次に,絶縁物を堆積した状態の半導体基板に対してエッチングを行うことで絶縁物の一部を除去する。これにより,ゲート電極22を形成するためのスペースを確保する。   Next, ion implantation is performed from the bottom surface of the gate trench 21. Next, an insulator (silicon oxide or the like) 23 is deposited in the gate trench 21 by the CVD method. Thereafter, a thermal diffusion process is performed for both the baking of the insulator and the formation of the P floating region 51. Thereby, the P floating region 51 is formed. Next, a part of the insulator is removed by etching the semiconductor substrate on which the insulator is deposited. Thereby, a space for forming the gate electrode 22 is secured.

次に,半導体基板の上面およびトレンチ21の壁面に熱酸化により酸化膜24を形成する。これがゲート酸化膜24となる。そして,先の工程にて確保したスペースに導体(リンを高濃度に含むポリシリコン等)を堆積させることで,ゲート電極22を形成する。そして,最後にソース電極およびドレイン電極を形成することにより,図1に示すような半導体装置100が作製される。   Next, an oxide film 24 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate and the wall surface of the trench 21 by thermal oxidation. This becomes the gate oxide film 24. Then, a gate electrode 22 is formed by depositing a conductor (such as polysilicon containing phosphorus at a high concentration) in the space secured in the previous step. Finally, the source electrode and the drain electrode are formed, whereby the semiconductor device 100 as shown in FIG. 1 is manufactured.

以上詳細に説明したように本形態の半導体装置100では,N- ドリフト領域12中にPフローティング領域51を設けることによって高耐圧化を図ることとしている。さらに,N- ドリフト領域12の厚さが必要空乏層厚と同等となるように設計し,Pフローティング領域をN- ドリフト領域12の厚さ方向の中央に配置することとしている。すなわち,ゲート電極22の下端からPフローティング領域51の上端までの距離と,Pフローティング領域51の下端からN- ドリフト領域12の下面までの距離とを等しくしている。これにより,ゲート電極の下端近傍における電界強度のピーク値と,Pフローティング領域51の下端近傍における電界強度のピーク値とが略均等となり,Pフローティング領域を備えた半導体装置の耐圧が最大となる。また,耐圧が高くなることでオン抵抗を小さくすることもできる。よって,ドリフト領域内にフローティング領域を有するものであって,デバイスのパフォーマンスを最大限に発揮することができる絶縁ゲート型半導体装置が実現している。 As described above in detail, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, the high breakdown voltage is achieved by providing the P floating region 51 in the N drift region 12. Furthermore, the thickness of the N drift region 12 is designed to be equal to the required depletion layer thickness, and the P floating region is arranged at the center in the thickness direction of the N drift region 12. That is, the distance from the lower end of the gate electrode 22 to the upper end of the P floating region 51 is made equal to the distance from the lower end of the P floating region 51 to the lower surface of the N drift region 12. Thereby, the peak value of the electric field intensity near the lower end of the gate electrode and the peak value of the electric field intensity near the lower end of the P floating region 51 are substantially equal, and the breakdown voltage of the semiconductor device having the P floating region is maximized. In addition, the on-resistance can be reduced by increasing the breakdown voltage. Therefore, an insulated gate semiconductor device having a floating region in the drift region and capable of maximizing device performance has been realized.

特に,車載用のパワーデバイスの耐圧帯は,60V〜1500Vと広範囲である。本形態の半導体装置100は,堆積絶縁層23の厚さを規定する,言い換えるとPフローティング領域51の位置を規定することにより,このような車載用のパワーデバイス(特に,60V〜100Vの低耐圧帯域のデバイス)のパフォーマンスを最大限に発揮させることができる。   In particular, the withstand voltage band of in-vehicle power devices is a wide range of 60V to 1500V. The semiconductor device 100 according to this embodiment defines the thickness of the deposited insulating layer 23, in other words, by defining the position of the P floating region 51, so that such an in-vehicle power device (especially a low withstand voltage of 60V to 100V). Bandwidth devices) can be maximized.

[応用例]
本応用例の半導体装置110は,図4に示すように2層のPフローティング領域51(上層のPフローティング領域51をPフローティング領域511と,下層のPフローティング領域51をPフローティング領域512とする)を備えた構造となっている。この点,1層のPフローティング領域51によってのみ構成されている半導体装置100(図1)と異なる。具体的に,各Pフローティング領域の中心は,ゲート領域22の下端からN- ドリフト領域12の下面までの間を3等分した各箇所にそれぞれ配置されている。
[Application example]
As shown in FIG. 4, the semiconductor device 110 of this application example has a two-layer P floating region 51 (the upper P floating region 51 is a P floating region 511 and the lower P floating region 51 is a P floating region 512). It has a structure with. This is different from the semiconductor device 100 (FIG. 1) configured only by the single-layer P floating region 51. Specifically, the center of each P floating region is arranged at each of the three portions from the lower end of the gate region 22 to the lower surface of the N drift region 12.

この半導体装置110では,電界のピークが3箇所(ゲート電極22の下端,Pフローティング領域511の下端,Pフローティング領域512の下端)に形成される。そのため,耐圧を支える場所が3箇所となり,各箇所で支える耐圧は半導体装置100と比較してより小さくて済む。従って,より高耐圧化を図ることができる。   In this semiconductor device 110, electric field peaks are formed at three locations (the lower end of the gate electrode 22, the lower end of the P floating region 511, and the lower end of the P floating region 512). Therefore, there are three places for supporting the withstand voltage, and the withstand voltage supported at each place can be smaller than that of the semiconductor device 100. Therefore, a higher breakdown voltage can be achieved.

なお,Pフローティング領域51の階層数を増やすほど電界のピーク箇所を多くすることができる。そのため,Pフローティング領域51の階層数が多いほど高耐圧化および低オン抵抗化を図ることができる。   The number of electric field peak points can be increased as the number of layers of the P floating region 51 is increased. Therefore, the higher the number of layers of the P floating region 51, the higher the breakdown voltage and the lower on-resistance can be achieved.

図4に示した半導体装置110の堆積絶縁層23の必要層厚W0は,図1に示した半導体装置100と同様の方法によって算出することができる。すなわち,次の式(10)によって示すことができる。
W0=2×(必要空乏層厚/3)−r0 (10)
The required layer thickness W0 of the deposited insulating layer 23 of the semiconductor device 110 shown in FIG. 4 can be calculated by the same method as the semiconductor device 100 shown in FIG. That is, it can be shown by the following equation (10).
W0 = 2 × (necessary depletion layer thickness / 3) −r0 (10)

なお,Pフローティング領域51の階層数をnとした場合の,堆積絶縁層23の必要層厚W0は,次の式(11)によって示すことができる。
W0=n×(必要空乏層厚/(n+1))−r0 (11)
The required layer thickness W0 of the deposited insulating layer 23 when the number of layers of the P floating region 51 is n can be expressed by the following equation (11).
W0 = n × (necessary depletion layer thickness / (n + 1)) − r0 (11)

本応用例の半導体装置110は,次のような製造プロセスにより作製される。すなわち,P- ボディ領域41を形成した後,ゲートトレンチ21を上層のPフローティング領域511が形成可能な深さまで形成する。その後,イオン注入および熱拡散処理を行い,Pフローティング領域511を形成する。 The semiconductor device 110 of this application example is manufactured by the following manufacturing process. That is, after the P body region 41 is formed, the gate trench 21 is formed to a depth where the upper P floating region 511 can be formed. Thereafter, ion implantation and thermal diffusion treatment are performed to form a P floating region 511.

次に,ゲートトレンチ21を下層のPフローティング領域512が形成可能な深さまで掘り下げる。次に,再びイオン注入を行う。その後,ゲートトレンチ21内にCVDにて絶縁物を堆積する。その後,絶縁物の焼きしめとPフローティング領域512の形成とを兼ねて熱拡散処理を行う。これにより,2層構造のPフローティング領域51が形成される。   Next, the gate trench 21 is dug down to a depth where the lower P floating region 512 can be formed. Next, ion implantation is performed again. Thereafter, an insulator is deposited in the gate trench 21 by CVD. Thereafter, a thermal diffusion process is performed for both the baking of the insulator and the formation of the P floating region 512. As a result, a two-layer P floating region 51 is formed.

[その他の応用例]
この他,図5ないし図7に示すように,ゲート電極22を内蔵せず,内部が堆積絶縁層23にて充填され,その底部がPフローティング領域51に位置するトレンチ25が形成された半導体装置であっても本発明を適用することができる。勿論,Pフローティング領域51は,単層構造(図5)であっても,多層構造(図6,図7)であってもよい。
[Other application examples]
In addition, as shown in FIGS. 5 to 7, a semiconductor device in which the gate electrode 22 is not incorporated, the inside is filled with the deposited insulating layer 23, and the trench 25 whose bottom is located in the P floating region 51 is formed. Even so, the present invention can be applied. Of course, the P floating region 51 may have a single layer structure (FIG. 5) or a multilayer structure (FIGS. 6 and 7).

この他,図8ないし図10に示すように,ゲート電極22を内蔵するゲートトレンチ21と,絶縁物で充填されたトレンチ25とが混在し,それらのトレンチの底部がPフローティング領域51に囲まれた半導体装置であっても本発明を適用することができる。勿論,Pフローティング領域51は,単層構造(図8)であっても,多層構造(図9,図10)であってもよい。   In addition, as shown in FIGS. 8 to 10, a gate trench 21 containing the gate electrode 22 and a trench 25 filled with an insulator are mixed, and the bottom of these trenches is surrounded by a P floating region 51. The present invention can be applied even to a semiconductor device. Of course, the P floating region 51 may have a single layer structure (FIG. 8) or a multilayer structure (FIGS. 9 and 10).

また,トレンチ25にてPフローティング領域51を形成する場合,トレンチ25内がすべて絶縁物で充填されるため,酸化膜の厚さ(ゲート電極22の下端)はより必要空乏層厚に近づくことになる。   Further, when the P floating region 51 is formed in the trench 25, the thickness of the oxide film (the lower end of the gate electrode 22) is closer to the necessary depletion layer thickness because the trench 25 is entirely filled with an insulator. Become.

なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,各半導体領域については,P型とN型とを入れ替えてもよい。また,ゲート絶縁膜24については,酸化膜に限らず,窒化膜等の他の種類の絶縁膜でもよいし,複合膜でもよい。また,半導体についても,シリコンに限らず,他の種類の半導体(SiC,GaN,GaAs等)であってもよい。   Note that this embodiment is merely an example, and does not limit the present invention. Therefore, the present invention can naturally be improved and modified in various ways without departing from the gist thereof. For example, for each semiconductor region, P-type and N-type may be interchanged. Further, the gate insulating film 24 is not limited to an oxide film, and may be another type of insulating film such as a nitride film or a composite film. Also, the semiconductor is not limited to silicon, but may be other types of semiconductors (SiC, GaN, GaAs, etc.).

また,実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置は,P型基板を用いた伝導度変調型パワーMOSに対しても適用可能である。   The insulated gate semiconductor device of the embodiment can also be applied to a conductivity modulation type power MOS using a P type substrate.

また,半導体装置100のゲートトレンチ21の形状は,紙面奥行き方向に長い長溝形状のものの他,筒状のものを格子状または千鳥状に配列したものであってもよい。また,Pフローティング領域51を半導体装置のセルエリアに限らず,終端エリアに設けてもよい。   Further, the shape of the gate trench 21 of the semiconductor device 100 may be a long groove shape long in the depth direction of the paper, or a cylindrical shape arranged in a lattice shape or a staggered shape. Further, the P floating region 51 may be provided not only in the cell area of the semiconductor device but also in the termination area.

実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the insulated gate semiconductor device which concerns on embodiment. 耐圧とドリフト層濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a proof pressure and a drift layer density | concentration. 堆積絶縁層の厚さの算出条件に必要な各変数の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of each variable required for the calculation conditions of the thickness of a deposited insulating layer. 応用例に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the insulated gate semiconductor device which concerns on an application example. その他の応用例に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造(その1)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 1) of the insulated gate semiconductor device which concerns on another application example. その他の応用例に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造(その2)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 2) of the insulated gate semiconductor device which concerns on another application example. その他の応用例に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造(その3)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 3) of the insulated gate semiconductor device which concerns on another application example. その他の応用例に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造(その4)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 4) of the insulated gate semiconductor device which concerns on the other application example. その他の応用例に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造(その5)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 5) of the insulated gate semiconductor device which concerns on another application example. その他の応用例に係る絶縁ゲート型半導体装置の構造(その6)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 6) of the insulated gate semiconductor device which concerns on another application example. 従来のトレンチゲート型半導体装置の構造(その1)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 1) of the conventional trench gate type semiconductor device. 従来のトレンチゲート型半導体装置の構造(その2)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure (the 2) of the conventional trench gate type semiconductor device. 図1に示した半導体装置のX−X断面の電界強度分布を示すグラフである。2 is a graph showing an electric field strength distribution of an XX cross section of the semiconductor device shown in FIG. 1. 図11に示した半導体装置のX−X断面の電界強度分布を示すグラフである。12 is a graph showing an electric field intensity distribution of an XX cross section of the semiconductor device shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11 N+ ドレイン領域
12 N- ドリフト領域(ドリフト領域)
21 ゲートトレンチ(トレンチ部)
22 ゲート電極(ゲート領域)
23 堆積絶縁層(堆積絶縁層)
24 ゲート絶縁膜
31 N+ ソース領域
41 P- ボディ領域(ボディ領域)
51 Pフローティング領域(フローティング領域)
100 絶縁ゲート型半導体装置(絶縁ゲート型半導体装置)
11 N + drain region 12 N drift region (drift region)
21 Gate trench (trench part)
22 Gate electrode (gate region)
23 Deposition insulation layer (Deposition insulation layer)
24 Gate insulating film 31 N + source region 41 P - body region (body region)
51 P floating area (floating area)
100 Insulated gate semiconductor device (Insulated gate semiconductor device)

Claims (4)

トレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置において,
半導体基板内の上面側に位置し,第1導電型半導体であるボディ領域と,
前記ボディ領域の下面と接し,第2導電型半導体であるドリフト領域と,
前記ドリフト領域に囲まれるとともに第1導電型半導体であるフローティング領域と,
前記ボディ領域を厚さ方向に貫通し,その底部が前記フローティング領域内に位置するトレンチ部と,
前記トレンチ部内に位置し,絶縁物を堆積してなり,その上面が前記フローティング領域の上端よりも上方に位置する堆積絶縁層と,
前記ボディ領域を厚さ方向に貫通し,絶縁膜を挟んで前記ボディ領域と対面するゲート領域とを有し,
前記ゲート領域の下端から前記フローティング領域の上端までの距離と,前記フローティング領域の下端から前記ドリフト領域の下面までの距離とが略均等であることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
In an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure,
A body region located on the upper surface side in the semiconductor substrate and being a first conductivity type semiconductor;
A drift region that is in contact with the lower surface of the body region and is a second conductivity type semiconductor;
A floating region surrounded by the drift region and being a first conductivity type semiconductor;
A trench portion penetrating the body region in a thickness direction, a bottom portion of which is located in the floating region;
A deposited insulating layer located in the trench portion and deposited with an insulator, the upper surface of which is located above the upper end of the floating region;
A gate region that penetrates the body region in the thickness direction and faces the body region with an insulating film interposed therebetween;
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein a distance from the lower end of the gate region to the upper end of the floating region is substantially equal to a distance from the lower end of the floating region to the lower surface of the drift region.
トレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置において,
半導体基板内の上面側に位置し,第1導電型半導体であるボディ領域と,
前記ボディ領域の下面と接し,第2導電型半導体であるドリフト領域と,
前記ドリフト領域に囲まれるとともに前記ドリフト領域の厚さ方向にn層(nは自然数)設けられ,第1導電型半導体であるフローティング領域群と,
前記ボディ領域を厚さ方向に貫通し,その底部が前記フローティング領域群の最下位層のフローティング領域内に位置するトレンチ部と,
前記トレンチ部内に位置し,絶縁物を堆積してなり,その上面が前記フローティング領域群の最上位層の上端よりも上方に位置する堆積絶縁層と,
前記ボディ領域を厚さ方向に貫通し,絶縁膜を挟んで前記ボディ領域と対面するゲート領域とを有し,
前記フローティング領域群の各フローティング領域の中心は,前記ゲート領域の下端から前記ドリフト領域の下面までの間をn+1等分した各箇所にそれぞれ位置することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
In an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure,
A body region located on the upper surface side in the semiconductor substrate and being a first conductivity type semiconductor;
A drift region that is in contact with the lower surface of the body region and is a second conductivity type semiconductor;
A floating region group which is surrounded by the drift region and is provided with n layers (n is a natural number) in the thickness direction of the drift region and is a first conductivity type semiconductor;
A trench portion that penetrates the body region in the thickness direction, and a bottom portion of which is located in the floating region of the lowest layer of the floating region group;
A deposited insulating layer located in the trench portion and deposited with an insulator, the upper surface of which is located above the upper end of the uppermost layer of the floating region group;
A gate region that penetrates the body region in the thickness direction and faces the body region across an insulating film;
The insulated gate semiconductor device, wherein the center of each floating region of the floating region group is located at each of n + 1 equally divided from the lower end of the gate region to the lower surface of the drift region.
請求項1または請求項2に記載する絶縁ゲート型半導体装置において,
前記ゲート領域は,前記トレンチ部内であって前記堆積絶縁層上に位置することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
In the insulated gate semiconductor device according to claim 1 or 2,
The insulated gate semiconductor device, wherein the gate region is located in the trench portion and on the deposited insulating layer.
トレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置において,
半導体基板内の上面側に位置し,第1導電型半導体であるボディ領域と,
前記ボディ領域の下面と接し,第2導電型半導体であるドリフト領域と,
前記ドリフト領域に囲まれるとともに前記ドリフト領域の厚さ方向に略等間隔にn層(nは自然数)設けられ,第1導電型半導体であるフローティング領域群と,
前記ボディ領域を厚さ方向に貫通し,その底部が前記フローティング領域内に位置するトレンチ部と,
前記トレンチ部内に位置し,絶縁物を堆積してなり,その上面が前記フローティング領域群の最上位層の上端よりも上方に位置する堆積絶縁層と,
前記トレンチ部内であって前記堆積絶縁層上に位置し,絶縁膜を挟んで前記ボディ領域と対面するゲート領域とを有し,
前記堆積絶縁層の厚さが,
W0=n×(必要空乏層厚/(n+1))−イオン注入時の飛程
なる式によって計算されるW0に対して±10%以内の範囲内であることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
In an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure,
A body region located on the upper surface side in the semiconductor substrate and being a first conductivity type semiconductor;
A drift region that is in contact with the lower surface of the body region and is a second conductivity type semiconductor;
A floating region group which is surrounded by the drift region and is provided with n layers (n is a natural number) at substantially equal intervals in the thickness direction of the drift region, and is a first conductivity type semiconductor;
A trench portion penetrating the body region in a thickness direction, a bottom portion of which is located in the floating region;
A deposited insulating layer located in the trench portion and deposited with an insulator, the upper surface of which is located above the upper end of the uppermost layer of the floating region group;
A gate region located in the trench portion and on the deposited insulating layer, and facing the body region with an insulating film interposed therebetween;
The thickness of the deposited insulating layer is
W0 = n × (necessary depletion layer thickness / (n + 1)) − insulated gate type semiconductor device, which is within a range of ± 10% with respect to W0 calculated by the equation of the range during ion implantation .
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