JP2009135354A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体装置 Download PDF

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Takayuki Hashimoto
貴之 橋本
Takashi Hirao
高志 平尾
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Abstract

【課題】オン抵抗とゲート抵抗の両方を低減したパワーMISFET(MOSFET)等の半導体装置を提供する。
【解決手段】パワーMISFETが形成された半導体装置において、半導体基板1に形成されたドレイン領域の主面の第1方向に延在する溝を形成し、この溝内の絶縁膜上にゲート電極6を形成し、このゲート電極6上にゲート電極6より導電率が高いシリサイド膜7を形成し、ドレイン領域内にドレイン領域と逆の導電型を持つチャネル形成領域を形成し、このチャネル形成領域内にドレイン領域と同一導電型のソース領域を形成する、各工程を有し、溝を形成する工程の後に、チャネル形成領域を形成する工程と、ソース領域を形成する工程とを実施する。これにより、チャネル形成領域とソース領域を浅接合化でき、オン抵抗とゲート抵抗が低減できる。
【選択図】図4

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、電源などの電力変換器に用いられる半導体装置に適用して有効な技術に関する。
本発明者が検討したところによれば、電力増幅回路や電源回路等のスイッチング素子に使用される半導体装置として、例えばパワーMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)と呼ばれるパワートランジスタ(高電圧素子)を有する半導体装置が知られている。パワーMISFETは、大電力を得るため、微細パターンのMISFETを複数並列に接続したマルチセル構造になっている。
パワーMISFETにおいては、縦型や横型と呼ばれるものが知られており、更に縦型においてはトレンチゲート構造と呼ばれるものも知られている。ここで、MISFETとは、チャネル形成領域とゲート電極との間に絶縁膜が介在された絶縁ゲート型電界効果トランジスタのことであり、ゲート絶縁膜が酸化シリコン膜からなるものは、一般的にMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と呼ばれている。また、電流が半導体基板の厚さ方向(深さ方向)に流れるものを縦型、電流が半導体基板の表面方向に流れるものを横型と呼んでいる。また、ソース領域とドレイン領域との間(ゲート電極下)のチャネル形成領域に電子の導電通路ができるものをn型(又はnチャネル導電型)、正孔のチャネルができるものをp型(又はpチャネル導電型)と呼んでいる。また、トレンチゲート構造とは、半導体基板の主面に設けられた溝の内部に、絶縁膜を介在してゲート電極が設けられたゲート構造のことである。トレンチゲート構造のパワーMISFETについては、例えば、特許文献1(特開平7−249770号公報)に記載されている。
トレンチゲート構造のパワーMISFETにおいては、世代毎にセルの微細化が進んでいる。セルの微細化に伴い、ゲート電極が形成される溝の幅(トレンチ幅)も縮小されている。溝の幅を縮小すると、次のような2つのメリットがある。
一つ目のメリットは、導通損失を減らせることである。溝の幅を縮小すると、セルピッチを縮小することができ、セルの数を増やすことができるため、単位面積当たりのゲート幅を増加することができる。単位面積当たりのゲート幅を増加することにより、オン抵抗を低減することができるため、パワーMISFETの導通損失を減らすことができる。
二つ目のメリットは、スイッチング損失を減らせることである。溝の幅を縮小すると、ゲート電極の底面とドレイン領域であるn型半導体領域とが向かい合う対向面積を減らすことができ、ゲートとドレイン間の寄生容量を低減することができるため、パワーMISFETのスイッチング損失を減らすことができる。
しかしながら、溝の幅を縮小した場合、その副作用としてゲート抵抗が増大する。このゲート抵抗の増大は、スイッチング損失を増大させる要因となる。ゲート抵抗を低減する手段として、特許文献2(特開2003−174167号公報)では、ゲート電極の材料となるポリシリコンの上にポリシリコンより導電率の高いシリサイドを積層した構造が記載されている。
特開平7−249770号公報 特開2003−174167号公報
ところで、前記特許文献2に記載された構造では、セルピッチを縮小することが難しく、オン抵抗の低減に限界がある。以下、特許文献2に記載された構造で、オン抵抗を低減することが難しい理由について説明する。
前記特許文献2に記載されている製造方法では、溝を形成する前に、p型半導体領域(ウェル領域)とn型半導体領域を形成するので、溝形成時の熱処理によりp型半導体領域とn型半導体領域が拡散するため、p型半導体領域とn型半導体領域を浅く形成できず、チャネル長が長くなり、オン抵抗が増加するという問題が発生する。
そこで、本発明は、前記問題を解決するためになされたもので、その目的は、p型半導体領域とn型半導体領域を浅く形成し、オン抵抗とゲート抵抗の両方を低減したパワーMISFET(MOSFET)等の半導体装置を提供することである。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、代表的なものの概要は、パワーMISFET(MOSFET)等の半導体装置の製造方法において、半導体基板に形成された第1半導体領域の主面の第1方向に延在する溝を形成する工程と、この溝内に絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜上に第1導電体を形成する工程と、この第1導電体上に第1導電体より導電率が高い第2導電体を形成する工程と、第1半導体領域内に第1半導体領域と逆の導電型を持つ第2半導体領域を形成する工程と、この第2半導体領域内に第1半導体領域と同一導電型の第3半導体領域を形成する工程とを有し、溝を形成する工程の後に、第2半導体領域を形成する工程と、第3半導体領域を形成する工程とを実施することを特徴とするものである。
また、パワーMISFET(MOSFET)等の半導体装置において、半導体基板に形成された第1半導体領域と、この第1半導体領域の主面の第1方向に延在して形成された溝と、この溝内に形成された絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された第1導電体と、この第1導電体上に形成され、第1導電体より導電率が高い第2導電体と、第1半導体領域内に形成され、第1半導体領域と逆の導電型を持つ第2半導体領域と、この第2半導体領域内に形成され、第1半導体領域と同一導電型の第3半導体領域とを有し、溝の形成後に第2半導体領域と第3半導体領域とが形成されることを特徴とするものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
すなわち、代表的なものによって得られる効果は、オン抵抗とゲート抵抗の両方を低減したパワーMISFET(MOSFET)等の半導体装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
<実施の形態1>
まず、図1〜図4を用いて、本発明の実施の形態1の半導体装置について説明する。図1は本発明の実施の形態1の半導体装置の概略構成を示す平面レイアウト図であり、図2は図1の半導体装置のゲート電極パターンを示す模式的平面図であり、図3は図2に示す領域Aの部分を拡大した模式的平面図であり、図4は図3のA−A’線に沿う模式的断面図である。
本実施の形態1の半導体装置は、図1に示すように、平面が方形状の半導体チップ20を主体に構成されている。半導体チップ20の主面(回路形成面)には、ソース電極層10及びゲート電極層21が配置されている。ソース電極層10及びゲート電極層21は、外部端子(ボンディングパッド)として使用され、外部との電気的な導通の仲介を行うボンディングワイヤ等の接続手段が接続される。半導体チップ20の主面と反対側の裏面には、ドレイン電極層が配置されている。
半導体装置には、パワーMISFETが搭載されている。パワーMISFETは、大電力を得るため、微細パターンのMISFETを複数並列に接続したマルチセル構造になっている。本実施の形態のパワーMISFETは、図2及び図3に示すように、半導体チップ20の主面の第1方向(図において上下方向)及びこの第1方向に垂直な第2方向(図において左右方向)を含む平面内において、第1方向に沿って延在するセルCeを第2方向に沿って複数配置したストライプ状のセルレイアウトになっている。
半導体チップ20は、図4に示すように、半導体基板1を主体に構成されている。半導体基板1としては、例えば、単結晶シリコンからなるn型半導体領域1aの主面上に単結晶シリコンからなるn型半導体領域1bが設けられた半導体基板を用いている。n型半導体領域1bは、n型半導体領域1aよりも低不純物濃度に設定されている。n型半導体領域1bは、例えば1.0×1016cm−3程度の不純物濃度に設定され、n型半導体領域1aは、例えば2.0×1019cm−3程度の不純物濃度に設定されている。
半導体基板1には、複数の微細なMISFETが形成されている。各MISFETは、主に、チャネル形成領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極6、ソース領域及びドレイン領域を有する構成になっている。チャネル形成領域は、例えばn型半導体領域1b内に設けられたp型半導体領域3で形成されている。ゲート絶縁膜5は、例えば絶縁膜である酸化シリコン膜で形成されている。ソース領域は、p型半導体領域3内に設けられたn型半導体領域12で形成されている。ドレイン領域は、n型半導体領域1b及びn型半導体領域1aで形成されている。
半導体基板1の主面には、深さ方向に向かって窪む第1溝が形成されている。この第1溝は、半導体基板1の主面の第1方向に沿って延在し、セルCe毎に設けられている。半導体基板1の主面と反対側の裏面(他の主面)には、n型半導体領域1aと接してドレイン電極層11が設けられている。このドレイン電極層11は、例えばアルミニウム(Al)を主材料とする金属膜で形成されている。
酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜5は第1溝内に形成され、ゲート電極6は酸化シリコン膜上に形成された導電体で構成されている。本実施の形態において、ゲート電極6は第1溝の内部に酸化シリコン膜を介在して埋め込まれた第1部分(埋め込み部分)と、この第1部分に連なり、溝から突出する第2部分(突出部分)とを有する構成になっている。第1部分及び第2部分は第1溝の延在方向に沿って形成されている。即ち、パワーMISFETはトレンチゲート構造になっている。
ゲート電極6は、例えば、主に、抵抗値を低減する不純物が導入されたポリシリコン(多結晶シリコン)膜で形成され、ゲート電極6上に、ポリシリコン膜よりも導電性が高いタングステンシリサイド(WSi)などのシリサイド膜7が形成される。本実施の形態において、ゲート電極6の第1部分はポリシリコン膜で形成され、第2部分はポリシリコン膜及びこのポリシリコン膜上に設けられたシリサイド膜7で構成されている。
各MISFETは、半導体基板1の主面から深さ方向に向かって、n型半導体領域12からなるソース領域、p型半導体領域3からなるチャネル形成領域、n型半導体領域1b及びn型半導体領域1aからなるドレイン領域を順次配置した構成になっている。即ち、各MISFETは、半導体基板1の厚さ方向に電流が流れる縦型で構成され、更に、ソース領域とドレイン領域との間(ゲート電極下)のチャネル形成領域に電子のチャネル(導電通路)ができるnチャネル導電型で構成されている。
ポリシリコン膜からなるゲート電極6とシリサイド膜7は絶縁膜8で覆われている。半導体基板1の主面で、隣り合ったゲート電極6の間に、深さ方向に向かって窪む第2溝が形成されている。この第2溝は、第1方向に沿って延在している。第2溝の下にはp型半導体領域4が設けられ、このp型半導体領域4はp型半導体領域3内に形成されている。
半導体基板1の主面上にはゲート電極6の第2部分を覆うようにしてバリアメタル膜9が形成され、このバリアメタル膜9上にはソース電極層10が形成されている。ソース電極層10は、バリアメタル膜9を介在して、n型半導体領域12及びp型半導体領域4と電気的に接続されている。ゲート電極6の第2部分は、絶縁膜8によって、バリアメタル膜9及びソース電極層10と電気的に分離されている。
各MISFETのゲート電極6は、複数のセルCeが配置されたセルアレイ部を囲むようにして延在するゲート引き出し用配線と一体に形成され、このゲート引き出し用配線は図1に図示するゲート電極層21と電気的に接続されている。ゲート電極層21はソース電極層10と同一の層に形成され、例えばアルミニウム若しくはアルミニウムを主体とする合金からなる金属膜で形成されている。
ゲート電極6の第1部分はポリシリコン膜で形成され、第2部分はポリシリコン膜及びこのポリシリコン膜上に設けられたシリサイド膜で構成されている。このような構成にすることにより、ゲート抵抗を低減することができる。
次に、図5A〜図5Eを用いて、本実施の形態1の半導体装置の製造方法について説明する。図5A〜図5Eは半導体装置の製造工程中における模式的断面図である。
まず、図5Aに示す半導体基板1を準備し、半導体基板1の主面上に、例えば酸化シリコン膜からなるマスク31を形成する。マスク31は、半導体基板1の主面の溝形成領域に開口を有するパターンで形成される。次に、マスク31をエッチングマスクとして使用し、半導体基板1をエッチングして溝32を形成する。
次に、図5Bに示すように、熱酸化処理を施して、溝32の内壁に酸化シリコン膜を形成する。この酸化シリコン膜は、ゲート絶縁膜5として使用される。熱酸化処理は、例えば、850℃程度のウエット酸化法で行われる。次に、溝32を埋め込むように半導体基板1の主面上に、ゲート電極6となるポリシリコン膜を例えばCVD法で形成し、エッチバックによりマスク31上のポリシリコン膜を除去する。その後、シリサイド膜(例えばWSi膜)7を例えばCVD法で形成し、エッチバックによりマスク31上のシリサイド膜7を除去する。
次に、図5Cに示すように、マスク31を除去し、半導体基板1の主面にp型半導体領域3を形成する。p型半導体領域3は、半導体基板1の主面に不純物(例えばボロン)をイオン打ち込み法で導入し、その後、活性化する熱処理を施すことによって形成される。次に、p型半導体領域3の主面にn型半導体領域12を形成する。n型半導体領域12は、p型半導体領域3の主面に不純物(例えば砒素)をイオン打ち込み法で導入し、その後、活性化する熱処理を施すことによって形成される。
次に、図5Dに示すように、絶縁膜8を例えばCVD法で形成し、絶縁膜8をパターニングする。その後、絶縁膜8をマスクとし、n型半導体領域12とp型半導体領域3をエッチングし、p型半導体領域4は、不純物(例えばボロン)をイオン打ち込み法で導入し、その後、活性化する熱処理を施すことによって形成される。次に、半導体基板1上の全面にバリアメタル膜9を例えばスパッタリング法で形成する。
次に、図5Eに示すように、バリアメタル膜9上の全面に例えばアルミニウム若しくはアルミニウムを主成分とする合金からなる金属膜を例えばスパッタリング法で形成し、その後、この金属膜及びバリアメタル膜9を順次パターニングして、ソース電極層10及びゲート電極層21を形成する。ソース電極層10は、バリアメタル膜9を介在して、p型半導体領域4及びn型半導体領域12と電気的に接続される。次に、半導体基板1上の全面に例えば酸化シリコン膜からなる保護膜を形成し、その後、保護膜にパターンニングを施して、ソース電極層10の表面の一部を露出する開口及びゲート電極層21の表面の一部を露出する開口を形成し、その後、半導体基板1の主面と反対側の裏面にドレイン電極層11を形成することにより、図1に示す半導体装置がほぼ完成する。
上記したように、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、高温の熱処理となるゲート酸化の後に、p型半導体領域3からなるチャネル形成領域とn型半導体領域12からなるソース領域を形成するので、p型半導体領域3とn型半導体領域12の浅接合化が可能となり、オン抵抗を低減することができる。よって、ゲート電極6の材料となるポリシリコン膜上にシリサイド膜7を積層した構造によりゲート抵抗が低減できるので、オン抵抗とゲート抵抗の両方を低減することができる。
<実施の形態2>
前記実施の形態1の半導体装置の製造方法では、ゲート電極6の溝外の第2方向における幅W2は、溝内の第2方向における幅W1と同等に図示されている。以下に記述する、実施の形態2が実施の形態1と異なる点はW2がW1より大きいことである。
図6A〜図6Gを用いて、本実施の形態2の半導体装置の製造方法について説明する。図6A〜図6Gは半導体装置の製造工程中における模式的断面図である。
まず、図6Aに示す半導体基板1を準備し、半導体基板1の主面上に例えば酸化シリコン膜からなるマスク31を形成する。マスク31は、半導体基板1の主面の溝形成領域に開口を有するパターンで形成される。次に、マスク31をエッチングマスクとして使用し、半導体基板1をエッチングして溝32を形成する。
次に、ゲート酸化前の洗浄工程で、図6Bに示すように、マスク31の側面がエッチングされる。次に、図6Cに示すように、熱酸化処理を施して、溝32の内壁に酸化シリコン膜を形成する。この酸化シリコン膜は、ゲート絶縁膜5として使用される。熱酸化処理は、例えば、850℃程度のウエット酸化法で行われる。
次に、図6Dに示すように、溝32を埋め込むように半導体基板1の主面上に、ゲート電極6となるポリシリコン膜を例えばCVD法で形成し、エッチバックによりマスク31上のポリシリコン膜を除去する。その後、シリサイド膜(例えばWSi膜)7を例えばCVD法で形成し、エッチバックによりマスク31上のシリサイド膜7を除去する。その際、ゲート電極6の溝外の第2方向における幅W2は、溝内の第2方向における幅W1より大きくなる。
次に、図6Eに示すように、マスク31を除去し、半導体基板1の主面にp型半導体領域3を形成する。p型半導体領域3は、半導体基板1の主面に不純物(例えばボロン)をイオン打ち込み法で導入し、その後、活性化する熱処理を施すことによって形成される。次に、p型半導体領域3の主面にn型半導体領域12を形成する。n型半導体領域12は、p型半導体領域3の主面に不純物(例えば砒素)をイオン打ち込み法で導入し、その後、活性化する熱処理を施すことによって形成される。
次に、図6Fに示すように、絶縁膜8を例えばCVD法で形成し、絶縁膜8をパターニングする。その後、絶縁膜8をマスクとし、n型半導体領域12とp型半導体領域3をエッチングし、p型半導体領域4は、不純物(例えばボロン)をイオン打ち込み法で導入し、その後、活性化する熱処理を施すことによって形成される。次に、半導体基板1上の全面にバリアメタル膜9を例えばスパッタリング法で形成する。
次に、図6Gに示すように、バリアメタル膜9上の全面に例えばアルミニウム若しくはアルミニウムを主成分とする合金からなる金属膜を例えばスパッタリング法で形成し、その後、この金属膜及びバリアメタル膜9を順次パターニングして、ソース電極層10及びゲート電極層21を形成する。ソース電極層10は、バリアメタル膜9を介在して、p型半導体領域4及びn型半導体領域12と電気的に接続される。次に、半導体基板1上の全面に例えば酸化シリコン膜からなる保護膜を形成し、その後、保護膜にパターンニングを施して、ソース電極層10の表面の一部を露出する開口及びゲート電極層21の表面の一部を露出する開口を形成し、その後、半導体基板1の主面と反対側の裏面にドレイン電極層11を形成することにより、図1に示す半導体装置がほぼ完成する。
上記したように、本実施の形態2の半導体装置の製造方法では、前記実施の形態1と同様に、高温の熱処理となるゲート酸化の後に、p型半導体領域3とn型半導体領域12を形成するので、p型半導体領域3とn型半導体領域12の浅接合化が可能となり、オン抵抗を低減することができるので、オン抵抗とゲート抵抗の両方を低減することが可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
上記実施の形態では、電圧駆動型半導体素子としてパワーMISFET(MOSFET)を例に説明したが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)でも同様に適用可能である。
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、電源などの電力変換器に用いられる、パワーMISFET(MOSFET)やIGBT等の半導体装置に利用可能である。
本発明の実施の形態1の半導体装置の概略構成を示す平面レイアウト図である。 図1の半導体装置のゲート電極パターンを示す模式的平面図である。 図2の領域Aの部分を拡大した模式的平面図である。 図3のA−A’線に沿う模式的断面図である。 本発明の実施の形態1の半導体装置の製造工程中における模式的断面図である。 本発明の実施の形態1の半導体装置の製造工程中(図5Aに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態1の半導体装置の製造工程中(図5Bに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態1の半導体装置の製造工程中(図5Cに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態1の半導体装置の製造工程中(図5Dに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態2の半導体装置の製造工程中における模式的断面図である。 本発明の実施の形態2の半導体装置の製造工程中(図6Aに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態2の半導体装置の製造工程中(図6Bに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態2の半導体装置の製造工程中(図6Cに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態2の半導体装置の製造工程中(図6Dに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態2の半導体装置の製造工程中(図6Eに続く)における模式的断面図である。 本発明の実施の形態2の半導体装置の製造工程中(図6Fに続く)における模式的断面図である。
符号の説明
1…半導体基板、1a…n型半導体領域、1b…n型半導体領域、3…p型半導体領域、4…p型半導体領域、5…ゲート絶縁膜、6…ゲート電極、7…シリサイド膜、8…絶縁膜、9…バリアメタル膜、10…ソース電極層、11…ドレイン電極層、12…n型半導体領域、20…半導体チップ、21…ゲート電極層、31…マスク、32…溝。

Claims (6)

  1. 半導体基板に形成された第1半導体領域の主面の第1方向に延在する溝を形成する工程と、前記溝内に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第1導電体を形成する工程と、前記第1導電体上に前記第1導電体より導電率が高い第2導電体を形成する工程と、前記第1半導体領域内に前記第1半導体領域と逆の導電型を持つ第2半導体領域を形成する工程と、前記第2半導体領域内に前記第1半導体領域と同一導電型の第3半導体領域を形成する工程とを有し、
    前記溝を形成する工程の後に、前記第2半導体領域を形成する工程と、前記第3半導体領域を形成する工程とを実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1導電体はポリシリコン膜であり、前記第2導電体はシリサイド膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1導電体をゲート電極とし、前記第1半導体領域をドレイン領域とし、前記第2半導体領域をチャネル形成領域とし、前記第3半導体領域をソース領域とするMISFETを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 半導体基板に形成された第1半導体領域と、前記第1半導体領域の主面の第1方向に延在して形成された溝と、前記溝内に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第1導電体と、前記第1導電体上に形成され、前記第1導電体より導電率が高い第2導電体と、前記第1半導体領域内に形成され、前記第1半導体領域と逆の導電型を持つ第2半導体領域と、前記第2半導体領域内に形成され、前記第1半導体領域と同一導電型の第3半導体領域とを有し、
    前記溝の形成後に前記第2半導体領域と前記第3半導体領域とが形成されることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項4に記載の半導体装置において、
    前記第1導電体はポリシリコン膜であり、前記第2導電体はシリサイド膜であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項4に記載の半導体装置において、
    前記第1導電体をゲート電極とし、前記第1半導体領域をドレイン領域とし、前記第2半導体領域をチャネル形成領域とし、前記第3半導体領域をソース領域とするMISFETが形成されることを特徴とする半導体装置。
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