JP2006351713A - 絶縁ゲート型半導体装置 - Google Patents

絶縁ゲート型半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2006351713A
JP2006351713A JP2005174026A JP2005174026A JP2006351713A JP 2006351713 A JP2006351713 A JP 2006351713A JP 2005174026 A JP2005174026 A JP 2005174026A JP 2005174026 A JP2005174026 A JP 2005174026A JP 2006351713 A JP2006351713 A JP 2006351713A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
layer
semiconductor
semiconductor device
column
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2005174026A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4735067B2 (ja
Inventor
Hideshi Takatani
秀史 高谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2005174026A priority Critical patent/JP4735067B2/ja
Publication of JP2006351713A publication Critical patent/JP2006351713A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4735067B2 publication Critical patent/JP4735067B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H01L29/0611Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
    • H01L29/0615Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
    • H01L29/063Reduced surface field [RESURF] pn-junction structures
    • H01L29/0634Multiple reduced surface field (multi-RESURF) structures, e.g. double RESURF, charge compensation, cool, superjunction (SJ), 3D-RESURF, composite buffer (CB) structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H01L29/0611Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
    • H01L29/0615Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
    • H01L29/0619Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] with a supplementary region doped oppositely to or in rectifying contact with the semiconductor containing or contacting region, e.g. guard rings with PN or Schottky junction
    • H01L29/0623Buried supplementary region, e.g. buried guard ring
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • H01L29/0692Surface layout
    • H01L29/0696Surface layout of cellular field-effect devices, e.g. multicellular DMOS transistors or IGBTs
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1095Body region, i.e. base region, of DMOS transistors or IGBTs
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7802Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors
    • H01L29/7813Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors with trench gate electrode, e.g. UMOS transistors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

【課題】スーパージャンクション構造によって高耐圧化と低オン抵抗化とを両立させるとともにリカバリ性の悪化が抑制された絶縁ゲート型半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置100は,N+ ドレイン領域11上に位置し,P型コラム領域61とN型コラム領域62とを交互に配置することによってスーパージャンクション構造を構成するスーパージャンクション層1と,そのスーパージャンクション層1上に位置し,N- ドリフト領域12中にPフローティング領域51を内蔵するフローティング層2と,そのフローティング層2上に位置し,P- ボディ領域41内にN+ ソース領域31が形成された素子層3とを備えている。
【選択図】 図1

Description

本発明は,絶縁ゲート型半導体装置に関する。さらに詳細には,スーパージャンクション構造を有し,リカバリ特性の向上が図られた絶縁ゲート型半導体装置に関するものである。
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のような縦型の半導体装置では,一般的に高耐圧化と低オン抵抗化とがトレードオフの関係にある。
この問題を解決する縦型の絶縁ゲート型半導体装置として,ドリフト領域内にpnpn・・・の順に幅方向に不純物領域をサンドイッチ状に形成したものがある。このような構造は,スーパージャンクション構造と呼ばれ,ゲート電圧のスイッチオフ時にドリフト領域の完全空乏化が可能であり,従来の構造と比較して高耐圧化を図ることができる。また,従来の構造よりも不純物濃度を高くすることができ,低オン抵抗化を図ることが知られている。
さらに特許文献1には,スーパージャンクションを構成する領域の濃度を調整することで,耐圧を維持しながら低オン抵抗化を図ることができるとする半導体装置が開示されている。
特開2002−289868号公報
しかしながら,スーパージャンクション構造の半導体装置には,次のような問題があった。すなわち,スーパージャンクション構造を有するMOSFETでは,スイッチング特性や逆回復時のリカバリ性を示すAC特性やオン抵抗等のDC特性が重要な要素となる。特に,スーパージャンクション構造を有するMOSFETのオン状態からオフ状態に移行する逆回復特性(リカバリ特性)は,サージの発生に影響を与えるため,重要な特性となる。
つまり,PN接合面積が大きく,ドリフト領域中の逆極性キャリアの発生量が多い。そのため,MOSFETの逆回復時の電流波形は,通常のMOSFETと比べてハードなリカバリ波形となってしまう。
すなわち,スーパージャンクション構造を有するMOSFETは,リカバリ特性が悪く,発生するサージが大きい。そのため,ノイズの原因となる。また,サージが大きくなることによってデバイスを破壊するおそれがある。従って,結局はこのサージに対応する耐圧が要求され,低オン抵抗化が困難となる。
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,スーパージャンクション構造によって高耐圧化と低オン抵抗化とを両立させるとともにリカバリ性の悪化が抑制された絶縁ゲート型半導体装置を提供することにある。
この課題の解決を目的としてなされた半導体装置は,主表面側に位置し第1導電型半導体であるソース領域と,裏面側に位置し第1導電型半導体であるドレイン領域とを備えた絶縁ゲート型半導体装置であって,第1導電型半導体である複数のコラム領域からなる第1コラム群と,第2導電型半導体である複数のコラム領域からなる第2コラム群と,第2導電型半導体であり第2コラム群の隣り合うコラム領域を繋ぎ合わせる中継コラム領域とを有し,第1コラム群のコラム領域と第2コラム領域のコラム領域とが幅方向に交互に配置され,ドレイン領域上に位置する第1半導体層と,第1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第2導電型半導体であるフローティング領域と,ドリフト領域を貫通し第2導電型半導体である中継半導体領域とを有し,第1半導体層上に位置する第2半導体層と,絶縁膜を挟んでゲート電極層と対面し,第2導電型半導体であるボディ領域を有し,ソース領域がそのボディ領域内に配置され,第2半導体層上に位置する第3半導体層とを備え,第2半導体層の中継半導体領域は,その上面が第3半導体層のボディ領域と繋がり,その下面が第1半導体層の第2コラム群のコラム領域もしくは中継コラム領域の少なくとも一方と繋がっていることを特徴としている。
すなわち,本発明の半導体装置は,縦型半導体素子を備えるとともに,第1半導体層,第2半導体層,第3半導体層の多層構造をなしている。具体的に,第3半導体層は,ソース領域と,ゲート電極層と対面するボディ領域とを備え,ゲート電極層への制御電圧のオンオフによりボディ領域にチャネル領域が形成される。すなわち,ゲート電極層と共に素子のスイッチング機能を有する領域である。また,第2半導体層は,ドリフト領域中に電気的に浮いているフローティング領域を備えている。また,第1半導体層は,異なる導電型のコラム領域が幅方向に交互に配置され,いわゆるスーパージャンクション構造をなしている。そして,ドリフト領域と同導電型の第1コラム群のコラム領域中に電流が流れる。また,第2コラム群の各コラム領域は,中継コラム領域によって接続されており,一体となっている。
また,第2半導体層内にドリフト領域を貫通する中継領域が設けられている。そして,その中継領域が,第1半導体層のボディ領域と繋がり,さらに第1半導体層の第2コラム群のコラム領域と中継コラム領域との少なくとも一方とも繋がっている。このことから,これらの領域は一体となってる。すなわち,第3半導体層のボディ領域と第1半導体層の第2コラム群のコラム領域とが同電位の領域となっている。
本発明の半導体装置は,スーパージャンクション構造を有する第1半導体層の上方にフローティング領域を有する第2半導体層を備えることにより,良好なリカバリ性を有する。すなわち,本発明の半導体装置では,逆回復時にドリフト領域中に流れる逆極性キャリアの多くがそのキャリアと同極性のフローティング領域を経由することになる。そのため,一度に大量の逆極性キャリアが流れることが回避され,電流の流れが緩やかになる。よって,逆回復時のリカバリ波形がソフトとなり,サージの発生が抑制される。
また,本発明の半導体装置は,主表面に開口部が設けられ,前記第1半導体層を貫通するとともにその底部が前記第2半導体層のフローティング領域内に位置するトレンチ部を備えることとするとよりよい。
本発明の半導体装置では,第1半導体層を貫通するトレンチ部を設けることにより,トレンチ部の底部から不純物を注入することができる。すなわち,エピタキシャル層を形成した後からフローティング領域を形成することができる。そのため,エピタキシャル成長工程を繰り返し行う必要がなく,製造プロセスが簡素である。
また,上記の半導体装置のトレンチ部は,ソース領域を貫通し,その内には,絶縁物を堆積してなる堆積絶縁層と,堆積絶縁層上に位置するゲート電極層とが配設され,堆積絶縁層の上端は,第3半導体層のボディ領域の下端よりも下方に位置することとするとよりよい。すなわち,フローティング領域形成用のトレンチ部とゲート電極内蔵用のトレンチ部とを兼用してもよい。
本発明によれば,スーパージャンクション構造の上方にフローティング領域を設けることで,電流の流れを緩やかにし,サージの発生を抑制することができる。従って,スーパージャンクション構造によって高耐圧化と低オン抵抗化とを両立させるとともにリカバリ性の悪化が抑制された絶縁ゲート型半導体装置が実現されている。
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,絶縁ゲート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パワーMOSに本発明を適用したものである。
本形態に係る半導体装置100は,図1の断面図に示す構造を有している。半導体装置100は,N+ 基板11(ドレイン領域)上に位置し,スーパージャンクション構造を構成するスーパージャンクション層1と,そのスーパージャンクション層1上に位置し,P型のフローティング領域を内蔵するフローティング層2と,そのフローティング層2上に位置し,チャネル領域が形成される素子層3とを備えている。すなわち,半導体基板内における図1中の上面側から順に,素子層3,フローティング層2,スーパージャンクション層1がN+ 基板領域11上に積層されている。
また,半導体装置100中の素子層3は,P- ボディ領域41と,P- ボディ領域41内に形成されたN+ ソース領域31と,コンタクト抵抗を下げるためにP- ボディ領域41内に高濃度に形成されたコンタクトP+ 領域32とを備えている。また,素子層3には,上面側の一部を掘り込むことによりN+ ソース領域31およびP- ボディ領域41を貫通するトレンチ21が形成されている。トレンチ21の底部には,絶縁物の堆積による堆積絶縁層23が形成されている。具体的に堆積絶縁層23は,酸化シリコンが堆積してできたものである。さらに,堆積絶縁層23上には,リンが添加されたポリシリコンによるゲート電極22が形成されている。ゲート電極22の下端は,P- ボディ領域41の下面より下方に位置している。そして,ゲート電極22は,トレンチの壁面に形成されているゲート絶縁膜24を介して,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。
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+ 基板領域(ドレイン領域)11との間の導通をコントロールしている。
また,半導体装置100中のフローティング層2には,N- ドリフト領域12と,N- ドリフト領域12に囲まれるとともにトレンチ21の底部を囲むPフローティング領域51と,N- ドリフト領域12を貫通し素子層3のP- ボディ領域41とスーパージャンクション層1のP型領域61とを繋げるP+ 中継領域63とが形成されている。
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それぞれ略円形形状となっている。また,隣り合うPフローティング領域間には,十分なスペースがある。そのため,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。また,Pフローティング領域51の半径は,堆積絶縁層23の厚さ以下である。従って,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。
トレンチ21の底部に堆積絶縁層23が設けられていることにより,ゲート絶縁膜24およびゲート電極22は,トレンチエッチングにおける損傷の影響を受けない。よって,素子特性の劣化および信頼性の低下が抑止される。また,ゲート電極22とPフローティング領域51との対面が抑止され,オン抵抗の増大を回避できる。また,堆積絶縁層23を設けない場合と比較してトレンチ21の底部の酸化膜23が厚いためにゲート−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。
また,半導体装置100中のスーパージャンクション層1には,P型コラム領域61とN型コラム領域62とが幅方向に交互に形成されている。各P型コラム領域61は,図2の断面図に示すように隣り合うP型コラム領域61を繋げるP型中継領域63によって一体の領域になっている。また,P型コラム領域61は,フローティング層2のP中継領域13と繋がっており,P- ボディ領域41とも一体の領域となっている。すなわち,P型コラム領域61とP- ボディ領域41とは同電位の領域となっている。
本形態の半導体装置100では,通常のスーパージャンクション構造を有する半導体装置と異なり,次のような構造を有している。すなわち,素子層3とスーパージャンクション層1との間にフローティング層2を有している。そして,フローティング層2のPフローティング領域51の存在により,逆回復時にN- ドリフト領域12中に大量に存在するホールの多くが低電位のPフローティング領域51に引き寄せられる。よって,多くのホールがPフローティング領域51を経由してP- ボディ領域41に向かうことになる。すなわち,Pフローティング領域がホール電流の抵抗として作用する。そのため,一度に大量のホールが流れることが回避され,ホールの流れが緩やかになる。従って,リカバリ性の改善が図られる。
続いて,半導体装置100のリカバリ性についてのシミュレーションおよび実験結果について説明する。具体的に本シミュレーションでは,通常のトレンチゲート型パワーMOSである半導体装置A(図3)と,ドリフト領域中にフローティング領域を有するトレンチゲート型パワーMOSである半導体装置B(図4)とを用意し,それぞれの半導体装置についてシミュレーションおよび実験を行い,そのリカバリ波形を求めた。
図5に,半導体装置Aのシミュレーション結果を示す。また,図6に,半導体装置Bのシミュレーション結果を示す。ノイズを抑制するためには,逆回復時の電流の変化量(di/dt)を小さくする必要がある。本シミュレーションでは,半導体装置Aの電流の変化量(di/dt)が160A/μsであったのに対し,半導体装置Bの電流の変化量(di/dt)が70A/μsであった。すなわち,フローティング領域を有する半導体装置Bの方が,逆回復時の電流の変化量(di/dt)が小さく,リカバリ波形がソフトであった。従って,フローティング構造を設けることにより,従来の構造と比較して,リカバリ特性が改善されることがわかる。
次に,図7に,半導体装置Aの実験結果を示す。また,図8に半導体装置Bの実験結果を示す。本実験では,半導体装置Aの電流の変化量(di/dt)が380A/μsであったのに対し,半導体装置Bの電流の変化量(di/dt)が175A/μsであった。この実験を通じても,半導体装置Bの方が,半導体装置Aと比較して,リカバリ波形がソフトであり,リカバリ特性が改善されたことがわかる。
図9に,本シミュレーション時における半導体装置Bのホールの動きを示す。図9中の矢印は,逆回復時におけるホールの流れの向きを示している。図9に示すように,ドリフト領域中のホールは,フローティング領域に向かって流れる。すなわち,大多数のホールがフローティング領域を経由して流れるため,単位時間に流れるホールの量が少なくなる。つまり,電流の変化量(di/dt)が小さくなる。そのため,ホール電流の流れが緩やかになる。
続いて,本形態の半導体装置100の製造プロセスを説明する。まず,N+ 基板領域11上に,P型コラム領域61とN型コラム領域62とが交互に配置されたスーパージャンクション層1を形成する。スーパージャンクション層1を形成する方法には,例えば次の2つの方法が考えられる。
1つ目の方法(第1の方法)は,イオン注入とエピタキシャル層の形成とを繰り返す方法である。すなわち,図10に示すように,パターン層を形成した後,イオン注入を行う(a)。そして,拡散処理を行った後,エピタキシャル層を形成する(b)。そして,再度,パターン層を形成した後,イオン注入を行う(c)。そして,再度,拡散処理を行った後,エピタキシャル層を形成する(d)。この拡散層の形成とエピタキシャル層の形成とを所望の厚さまで繰り返すことによってスーパージャンクション層1が形成される。
2つ目の方法(第2の方法)は,トレンチを形成した後,エピタキシャル成長によりそのトレンチを充填する方法である。すなわち,図11に示すように,N+ 基板領域11上にN型のエピタキシャル層を形成する(a)。その後,ドライエッチングにてP型コラム領域61となる部分を除去し,トレンチを形成する(b)。その後,ボディ領域の形成とトレンチ内の充填とを兼ねてP型のエピタキシャル層を形成する(c)。その後,N型のエピタキシャル層上に位置するP型のエピタキシャル層をエッチングして除去することにより,スーパージャンクション層1が形成される。
次に,スーパージャンクション層1上にフローティング層2および素子層3を形成する。まず,図12に示すように,スーパージャンクション層1上に,N- 型のエピタキシャル層を形成する。このエピタキシャル層は,フローティング層2となる部分である。次に,P中継領域13となるP型コラム領域を形成する(a)。このコラム領域は,スーパージャンクション層を形成するための第2の方法(図11参照)と同様の方法によって作成される。そのため,P中継領域13とともにP- ボディ領域41も併せて形成される。そして,その後のイオン注入等によりN+ ソース領域31を形成する(b)。
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にまで到達するトレンチ21を形成する(c)。次に,トレンチ21の底面からイオン注入を行う(d)。次に,図13に示すように,トレンチ21内にCVD法にて絶縁物(酸化シリコン等)23を堆積させる(e)。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(f)。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(g)。これにより,ゲート電極22を形成するためのスペースが確保される。
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(リンが添加されたポリシリコン等)を堆積させることで,ゲート電極22が形成される(h)。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,半導体装置100が作製される。
なお,P中継領域13となるP型コラム領域を形成する際,スーパージャンクション層を形成するための第1の方法(図10参照)と同様の方法によって作成してもよい。その際には,エピタキシャル層を積み重ねていく過程で,Pフローティング領域を形成することができる。そのため,ボディ領域を貫通するトレンチを形成しなくてもPフローティング領域を形成することができる。
以上詳細に説明したように本形態の半導体装置100は,主表面側にN+ ソース領域31を,裏面側にN+ ドレイン領域11をそれぞれ有する縦型MOSFETであって,スーパージャンクション構造を有することとしている。そして,半導体装置100は,素子層3とスーパージャンクション層1との間にフローティング層2を設けることとしている。このフローティング層2内のPフローティング領域51により,N- ドリフト領域12中を流れるホールの多くがPフローティング領域51を経由することになる。そのため,一度に大量のホールが流れることが回避され,ホール電流の流れが緩やかになる。よって,ソフトなリカバリ波形となり,サージの発生が抑制される。従って,スーパージャンクション構造によって高耐圧化と低オン抵抗化とを両立させるとともにリカバリ性の悪化が抑制された絶縁ゲート型半導体装置が実現している。
また,本形態の半導体装置100は,素子層3を貫通するトレンチ21を設け,そのトレンチ21の底部からイオン注入を行うことによりN- ドリフト領域12に囲まれたPフローティング領域を形成することとしている。すなわち,N- ドリフト領域12をエピタキシャル成長工程にて形成した後,1回のイオン注入によってPフローティング領域51を形成している。よって,エピタキシャル成長工程とイオン注入・熱拡散工程との繰り返しを回避することができ,製造プロセスが簡便である。
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,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。
また,実施の形態の半導体装置は,フローティング領域を形成するためのトレンチと,ゲート電極を内蔵するためのトレンチとが兼用であったが,これに限るものではない。すなわち,それぞれ専用に設けてもよい。
また,実施の形態の半導体装置は,nチャネルトランジスタであったが,pチャネルトランジスタであってもよい。すなわち,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。
実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 図1に示した半導体装置のA−A断面を示す図である。 シミュレーションに係る半導体装置Aの構造を示す断面図である。 シミュレーションに係る半導体装置Bの構造を示す断面図である。 半導体装置Aのシミュレーション結果を示すリカバリ波形のグラフである。 半導体装置Bのシミュレーション結果を示すリカバリ波形のグラフである。 半導体装置Aの実験結果を示すリカバリ波形のグラフである。 半導体装置Bの実験結果を示すリカバリ波形のグラフである。 シミュレーションに係る半導体装置Bのホールの動きを示す図である。 スーパージャンクション層の製造プロセスを示す図(第1の方法)である。 スーパージャンクション層の製造プロセスを示す図(第2の方法)である。 フローティング層および素子層の製造プロセスを示す図(a〜d)である。 フローティング層および素子層の製造プロセスを示す図(e〜h)である。
符号の説明
1 スーパージャンクション層(第1半導体層)
2 フローティング層(第2半導体層)
3 素子層(第3半導体層)
11 N+ ドレイン領域(ドレイン領域)
12 N- ドリフト領域(ドリフト領域)
13 P中継領域(中継半導体領域)
21 トレンチ(トレンチ部)
22 ゲート電極(ゲート電極層)
23 堆積絶縁層(堆積絶縁層)
31 N+ ソース領域(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)
61 P型コラム領域(第2コラム群のコラム領域)
62 N型コラム領域(第1コラム群のコラム領域)
63 P型中継領域(中継コラム領域)
100 半導体装置(絶縁ゲート型半導体装置)

Claims (3)

  1. 主表面側に位置し第1導電型半導体であるソース領域と,裏面側に位置し第1導電型半導体であるドレイン領域とを備えた絶縁ゲート型半導体装置において,
    第1導電型半導体である複数のコラム領域からなる第1コラム群と,第2導電型半導体である複数のコラム領域からなる第2コラム群と,第2導電型半導体であり前記第2コラム群の隣り合うコラム領域を繋ぎ合わせる中継コラム領域とを有し,前記第1コラム群のコラム領域と前記第2コラム領域のコラム領域とが幅方向に交互に配置され,前記ドレイン領域上に位置する第1半導体層と,
    第1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第2導電型半導体であるフローティング領域と,前記ドリフト領域を貫通し第2導電型半導体である中継半導体領域とを有し,前記第1半導体層上に位置する第2半導体層と,
    絶縁膜を挟んでゲート電極層と対面し,第2導電型半導体であるボディ領域を有し,前記ソース領域が前記ボディ領域内に配置され,前記第2半導体層上に位置する第3半導体層とを備え,
    前記第2半導体層の中継半導体領域は,その上面が前記第3半導体層のボディ領域と繋がり,その下面が前記第1半導体層の第2コラム群のコラム領域もしくは中継コラム領域の少なくとも一方と繋がっていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
  2. 請求項1に記載する絶縁ゲート型半導体装置において,
    主表面に開口部が設けられ,前記第1半導体層を貫通するとともにその底部が前記第2半導体層のフローティング領域内に位置するトレンチ部を備えることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
  3. 請求項2に記載する絶縁ゲート型半導体装置において,
    前記トレンチ部は,前記ソース領域を貫通し,
    前記トレンチ部内には,
    絶縁物を堆積してなる堆積絶縁層と,
    前記堆積絶縁層上に位置するゲート電極層とが配設され,
    前記堆積絶縁層の上端は,前記第3半導体層のボディ領域の下端よりも下方に位置することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
JP2005174026A 2005-06-14 2005-06-14 絶縁ゲート型半導体装置 Expired - Fee Related JP4735067B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005174026A JP4735067B2 (ja) 2005-06-14 2005-06-14 絶縁ゲート型半導体装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005174026A JP4735067B2 (ja) 2005-06-14 2005-06-14 絶縁ゲート型半導体装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006351713A true JP2006351713A (ja) 2006-12-28
JP4735067B2 JP4735067B2 (ja) 2011-07-27

Family

ID=37647256

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005174026A Expired - Fee Related JP4735067B2 (ja) 2005-06-14 2005-06-14 絶縁ゲート型半導体装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4735067B2 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014207793A1 (ja) * 2013-06-24 2014-12-31 株式会社日立製作所 半導体装置およびその製造方法
US9312330B2 (en) 2009-07-15 2016-04-12 Fuji Electric Co., Ltd. Super-junction semiconductor device
US9543428B2 (en) 2012-06-13 2017-01-10 Denso Corporation Silicon carbide semiconductor device and method for producing the same
CN108074963A (zh) * 2016-11-16 2018-05-25 深圳尚阳通科技有限公司 超结器件及其制造方法
JP2021007129A (ja) * 2019-06-28 2021-01-21 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004200441A (ja) * 2002-12-19 2004-07-15 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 半導体装置とその製造方法
JP2004311716A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Toshiba Corp 絶縁ゲート型半導体装置
JP2005101560A (ja) * 2003-08-20 2005-04-14 Denso Corp 縦型半導体装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004200441A (ja) * 2002-12-19 2004-07-15 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 半導体装置とその製造方法
JP2004311716A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Toshiba Corp 絶縁ゲート型半導体装置
JP2005101560A (ja) * 2003-08-20 2005-04-14 Denso Corp 縦型半導体装置

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9312330B2 (en) 2009-07-15 2016-04-12 Fuji Electric Co., Ltd. Super-junction semiconductor device
US9543428B2 (en) 2012-06-13 2017-01-10 Denso Corporation Silicon carbide semiconductor device and method for producing the same
US9818860B2 (en) 2012-06-13 2017-11-14 Denso Corporation Silicon carbide semiconductor device and method for producing the same
WO2014207793A1 (ja) * 2013-06-24 2014-12-31 株式会社日立製作所 半導体装置およびその製造方法
CN108074963A (zh) * 2016-11-16 2018-05-25 深圳尚阳通科技有限公司 超结器件及其制造方法
JP2021007129A (ja) * 2019-06-28 2021-01-21 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP4735067B2 (ja) 2011-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5849882B2 (ja) 縦型半導体素子を備えた半導体装置
JP7190144B2 (ja) 超接合炭化珪素半導体装置および超接合炭化珪素半導体装置の製造方法
JP5449094B2 (ja) 半導体装置
JP6740986B2 (ja) 炭化珪素半導体装置およびその製造方法
JP5136578B2 (ja) 半導体装置
JP2008124346A (ja) 電力用半導体素子
JP2007189192A (ja) 半導体装置
JP2004260140A (ja) Iii族窒化物半導体を有する半導体素子
JP2006210392A (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP2009065117A (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP4500530B2 (ja) 絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法
JP2007300034A (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP6903222B2 (ja) 炭化珪素半導体装置およびその製造方法
JP5687582B2 (ja) 半導体素子およびその製造方法
JP2011204808A (ja) 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP5420225B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP6792345B2 (ja) 半導体装置の製造方法
KR101371495B1 (ko) 반도체 소자 및 그 제조 방법
JP4735067B2 (ja) 絶縁ゲート型半導体装置
KR101360070B1 (ko) 반도체 소자 및 그 제조 방법
KR20140044075A (ko) 반도체 소자 및 그 제조 방법
JP2017191817A (ja) スイッチング素子の製造方法
KR20110078621A (ko) 반도체 소자 및 그 제조 방법
JP2009212529A (ja) Iii族窒化物半導体を有する半導体素子
JP2016219495A (ja) 半導体装置およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070801

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101005

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101028

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110329

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110411

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140513

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees