JP2010010263A - Vertical semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、縦型ゲート電極を有する縦型半導体装置に関する。 The present invention relates to a vertical semiconductor device having a vertical gate electrode.
近年、エレクトロニクス機器における低消費電力化、高機能化および高速化にともなって、それに付随する半導体装置も低消費電力化、高速化が要求されている。エレクトロニクス機器のDC−DCコンバータに一般的に用いられている半導体集積回路装置に組み込まれているMOS型トランジスタも、それらの要求に対応するために動作時のオン抵抗を低減することが要求されている。 In recent years, with the reduction in power consumption, high functionality, and high speed in electronic devices, the accompanying semiconductor devices are also required to have low power consumption and high speed. MOS transistors incorporated in semiconductor integrated circuit devices generally used for DC-DC converters in electronic equipment are also required to reduce on-resistance during operation in order to meet these requirements. Yes.
MOS型トランジスタのオン抵抗を低減する手法の1つとして、単位面積あたりに配置する1個のトランジスタのゲート電極数を多くし、各ゲート電極を並列接続するチャンネル数を増加させる手法がある。当該手法を適用した半導体装置として、例えば、半導体装置のゲート電極を縦方向、すなわち半導体基板の表面に対して垂直方向に配置した縦型ゲート半導体装置がある。この縦型ゲート半導体装置では、縦方向に配置されたゲート電極上部にソース領域およびボディ領域が存在し、また、ゲート電極底部に、ソース領域およびボディ領域に対向するようにドレイン領域が存在する。このような縦型ゲート半導体装置に対しても、低オン抵抗をより低減することが求められている。当該低オン抵抗化を実現するために、縦型ゲート半導体装置においても、微細化により隣接するトランジスタの間隔を狭くして単位面積当たりのトランジスタのゲート電極数を多くし、並列接続するチャンネル数を増加させる構造が採用されている。 One technique for reducing the on-resistance of a MOS transistor is to increase the number of gate electrodes of one transistor arranged per unit area and increase the number of channels connecting the gate electrodes in parallel. As a semiconductor device to which the technique is applied, for example, there is a vertical gate semiconductor device in which the gate electrode of the semiconductor device is arranged in the vertical direction, that is, in the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. In this vertical gate semiconductor device, a source region and a body region exist above the gate electrode arranged in the vertical direction, and a drain region exists at the bottom of the gate electrode so as to face the source region and the body region. Even for such a vertical gate semiconductor device, it is required to further reduce the low on-resistance. In order to realize the low on-resistance, the vertical gate semiconductor device also reduces the distance between adjacent transistors by miniaturization, increases the number of gate electrodes of the transistor per unit area, and reduces the number of channels connected in parallel. An increasing structure is adopted.
図22は、従来の縦型半導体装置の構造を示す平面レイアウト図である。また、図23は、図22のX−X線に沿う断面図である。図22、23では、NチャネルMOS型トランジスタを例示している。図22において、半導体基板上に形成された各種薄膜およびゲート電極上の絶縁膜は図示していない。 FIG. 22 is a plan layout view showing the structure of a conventional vertical semiconductor device. FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 22 and 23 exemplify N-channel MOS transistors. In FIG. 22, various thin films formed on the semiconductor substrate and the insulating film on the gate electrode are not shown.
図23に示すように、従来の縦型半導体装置は、複数のトレンチゲート電極106aを備える。各トレンチゲート電極106aは、N型シリコン基板101上のN型エピタキシャル層102の表面部に形成されたP型第1ボディ層104を貫通する状態で設けられている。P型第1ボディ層104とトレンチゲート電極106aとの間には、ゲート絶縁膜が配置されている。図22に示すように、各トレンチゲート電極106aは平面視において直線状であり互いにそれぞれが平行に配置されている。また、図22、23に示すように、P型第1ボディ層104の表面部には、トレンチゲート電極106aに隣接してN型ソース層110が設けられている。各トレンチゲート電極106a間で隣り合うソース層110の間には、P型第1ボディ層104が露出している。また、表面に露出したソース層110、P型第1ボディ層104には、アルミ配線111が接触している。アルミ配線111と各トレンチゲート電極106aとは、絶縁膜107により絶縁されている。
As shown in FIG. 23, the conventional vertical semiconductor device includes a plurality of
以上の構成において、各トレンチゲート電極106aの間隔を小さくすると、隣接するトレンチゲート電極106で挟まれたP型第1ボディ層104の幅が小さくなる。このため、P型第1ボディ層104の縦方向の抵抗(以下、ボディ抵抗という。)が増大する。ボディ抵抗が高くなると、ドレイン側に過渡的なサージが印加された場合、アバランシェ現象により局所的に電位が不安定になった領域で、N型ドレイン側すなわちN型シリコン基板101およびN型エピ層102からP型第1ボディ層104に正孔電流が集中的に注入され、当該部分でP型第1ボディ層104とN型ソース層110との間に電位差が発生する。N型ドレイン、P型第1ボディ層104、N型ソース層110は、それぞれを、コレクタ、ベース、エミッタとするNPN構造の寄生バイポーラトランジスタを構成しているため、P型第1ボディ層104とN型ソース層110との間に電位差が発生すると、P型第1ボディ層104(ベース)とN型ソース層110(エミッタ)との間が順バイアスされて寄生バイポーラトランジスタが動作(ターンオン)する。その結果、ラッチアップが発生して、電流集中による熱破壊でデバイスが破壊されてしまう。
In the above configuration, when the interval between the
この対策として、ダミートレンチゲート電極を形成することにより上記電流集中によるデバイス破壊を発生し難くした半導体装置が提案されている。 As a countermeasure, a semiconductor device has been proposed in which a dummy trench gate electrode is formed to make it difficult to cause device breakdown due to current concentration.
例えば、特許文献1の縦型ゲート半導体装置では、1本のトレンチゲート電極に対し、その両側壁面にソース層が設けられ、かつそのトレンチゲート電極を挟むようにソース層に接続されたダミートレンチゲート電極が形成されている。そして、トレンチゲート電極の両側に、ソース層およびボディ層を配線(エミッタ電極)に接続するコンタクト部を設けることでアバランシェ電流の集中度合いを緩和できるようにしている。
For example, in the vertical gate semiconductor device of
また、特許文献2には、図22、23に示すように、トランジスタとして動作する領域とは別の領域(ダミー領域)にダミートレンチゲート電極106bを有する縦型半導体装置が開示されている。すなわち、トランジスタ領域の外周部にソース層に電気的に接続されたダミートレンチゲート電極106bが配置されている。当該構成では、マイクロローディング効果に起因する形状ばらつきを有するダミートレンチゲート電極106bは、トランジスタのゲート電極として機能しない。そのため、トランジスタの動作が不安定になることを抑制することができる。また、ダミートレンチゲート電極106bはソース層に接続されているため、ダミートレンチゲート電極が形成された領域の不安定な挙動が抑制される。
しかしながら、ダミートレンチゲート電極を備える縦型半導体装置であっても、オン抵抗をさらに低減するために、隣接するトレンチゲート電極間の間隔が狭くして並列接続するチャンネル数を増加させようすると、トレンチゲート電極に挟まれたボディ層幅も狭くなり、トレンチゲート電極間に存在するボディ層の抵抗が必然的に増大する。そのため、外部からドレインに過渡的なサージが印加され、局所的に正孔電流が集中して注入された場合には、上述のように、トランジスタ動作領域のドレイン、ボディ層、ソース層で構成される寄生バイポーラトランジスタが動作し、ソース・ドレイン間に大電流が流れる。この大電流によってトレンチゲート電極のチャンネル側面のゲート絶縁膜が熱破壊を起こしデバイス破壊に至る。したがって、デバイス破壊を確実に防止することはできない。 However, even in a vertical semiconductor device including a dummy trench gate electrode, in order to further reduce the on-resistance, if the interval between adjacent trench gate electrodes is narrowed to increase the number of channels connected in parallel, the trench The width of the body layer sandwiched between the gate electrodes is also narrowed, and the resistance of the body layer existing between the trench gate electrodes inevitably increases. Therefore, when a transient surge is applied from the outside to the drain and the hole current is concentrated and injected locally, it is composed of the drain, body layer, and source layer of the transistor operating region as described above. The parasitic bipolar transistor operates, and a large current flows between the source and drain. This large current causes thermal destruction of the gate insulating film on the channel side surface of the trench gate electrode, leading to device destruction. Therefore, device destruction cannot be reliably prevented.
また、特許文献1に記載された、トレンチゲート電極の両側にダミートレンチゲート電極が配置された構造では、ダミートレンチゲート電極が配置された半導体基板上の領域にはトランジスタとして動作するトレンチゲート電極が形成できない。当該構成では、単位面積あたりの、トランジスタとして動作するトレンチゲート電極数が減少することになり、結果として半導体基板平面での単位面積あたりのオン抵抗を低減する観点では不利な構造といえる。
Further, in the structure described in
さらに、特許文献2に記載された、ダミートレンチゲート電極がソース層の電位に固定された構造では、トレンチゲート電極もしくはドレイン側から過渡的なサージが印加された場合、ソース層と接続されたトレンチゲート電極およびダミートレンチゲート電極に強電界が印加され、ダミートレンチゲート電極のゲート絶縁膜が破壊する可能性がある。ダミートレンチゲート電極のゲート絶縁膜が破壊した場合、ダミートレンチゲート電極はソース層に接続されているため、ソース層とドレイン層とが短絡することになる。
Further, in the structure in which the dummy trench gate electrode is fixed at the potential of the source layer described in
前記課題に鑑み、本発明は、ドレインに過渡的なサージが印加された場合であっても、デバイス破壊の発生を確実に防止することができる低オン抵抗の縦型半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a low-on-resistance vertical semiconductor device capable of reliably preventing device breakdown even when a transient surge is applied to the drain. Objective.
前記の課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、縦型ゲートを備えるMOS型トランジスタを有する縦型半導体装置を前提としている。そして、本発明に係る縦型半導体装置は、MOS型トランジスタ領域と当該MOS型トランジスタ領域に隣接するダミー領域を備える。MOS型トランジスタ領域は、第1導電型の半導体層からなるドレイン層と、ドレイン層上に設けられた、第1導電型と反対導電型の第2導電型の半導体層からなるボディ層とを備える。また、MOS型トランジスタ領域には、平面視において、互いに平行に配列された複数の直線状のトレンチがボディ層を貫通してドレイン層に達する状態で形成されている。各トレンチの内壁には、ゲート絶縁膜がそれぞれ形成され、当該ゲート絶縁膜を介して、各トレンチにゲート電極が埋め込まれている。ゲート電極間のボディ層の表面部の一部には、トレンチの隣接して第1導電型の半導体層からなるソース層が形成されている。一方、ダミー領域は、MOS型トランジスタ領域から連続して延長されたドレイン層と、MOS型トランジスタ領域のボディ層と一体に形成されたボディ層とを備える。また、ダミー領域には、平面視において、互いに平行に配列された複数の直線状のダミートレンチが、ボディ層を貫通してドレイン層に達する状態、かつMOS型トランジスタ領域のトレンチ間隔よりも大きな間隔で形成されている。各ダミートレンチの内壁には、ダミーゲート絶縁膜がそれぞれ形成され、当該ダミーゲート絶縁膜を介して、各ダミートレンチにダミーゲート電極が埋め込まれている。当該ダミーゲート電極は、電気的にフローティングになっている。さらに、ダミー領域のボディ層、MOS型トランジスタ領域のボディ層およびソース層は、電極により電気的に接続されている。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following technical means. First, the present invention is premised on a vertical semiconductor device having a MOS transistor having a vertical gate. The vertical semiconductor device according to the present invention includes a MOS transistor region and a dummy region adjacent to the MOS transistor region. The MOS transistor region includes a drain layer made of a first conductivity type semiconductor layer, and a body layer made of a second conductivity type semiconductor layer opposite to the first conductivity type provided on the drain layer. . In the MOS transistor region, a plurality of linear trenches arranged in parallel to each other in plan view are formed in a state of reaching the drain layer through the body layer. A gate insulating film is formed on the inner wall of each trench, and a gate electrode is embedded in each trench through the gate insulating film. A source layer made of a semiconductor layer of the first conductivity type is formed adjacent to the trench on a part of the surface portion of the body layer between the gate electrodes. On the other hand, the dummy region includes a drain layer continuously extended from the MOS transistor region and a body layer formed integrally with the body layer of the MOS transistor region. Further, in the dummy region, a plurality of linear dummy trenches arranged in parallel with each other in a plan view reach the drain layer through the body layer, and have an interval larger than the trench interval of the MOS transistor region. It is formed with. A dummy gate insulating film is formed on the inner wall of each dummy trench, and a dummy gate electrode is embedded in each dummy trench via the dummy gate insulating film. The dummy gate electrode is electrically floating. Further, the body layer of the dummy region, the body layer of the MOS transistor region, and the source layer are electrically connected by electrodes.
本発明によれば、MOS型トランジスタ領域のトレンチ間隔を狭くした場合、MOS型トランジスタ領域のボディ層の不純物濃度よりも、ダミー領域のボディ層の不純物濃度の方が大きくなる。そのため、ドレイン層とボディ層とに形成されるPN接合の耐圧は、MOS型トランジスタ領域に比べてダミー領域の方が小さくなる。その結果、ドレイン層側からサージが印加された際に、当該サージに起因する電流をダミー領域へ導くことができ、デバイス破壊の発生を抑制することができる。また、本構成では、MOS型トランジスタ領域のボディ層およびダミー領域のボディ層は、同一工程において同時に一体で形成されるため、本構造を実現するために、製造工程数が増大することがない。また、MOS型トランジスタ領域のボディ層とダミー領域のボディ層との間の不純物濃度の差は、オン抵抗低減のためにトレンチ間隔を小さくするほど顕著になるため、本構造は、オン抵抗低減を目的としてトレンチ間隔を減少させた縦型半導体装置に極めて適している。なお、製造工程数が増大することになるが、イオン注入等により、ダミー領域のボディ層の不純物濃度をさらに高めてもよい。 According to the present invention, when the trench interval in the MOS transistor region is narrowed, the impurity concentration in the body layer in the dummy region is higher than the impurity concentration in the body layer in the MOS transistor region. Therefore, the breakdown voltage of the PN junction formed in the drain layer and the body layer is smaller in the dummy region than in the MOS transistor region. As a result, when a surge is applied from the drain layer side, a current caused by the surge can be guided to the dummy region, and device breakdown can be suppressed. Further, in this configuration, the body layer of the MOS transistor region and the body layer of the dummy region are integrally formed at the same time in the same process, so that the number of manufacturing steps does not increase in order to realize this structure. In addition, since the difference in impurity concentration between the body layer of the MOS transistor region and the body layer of the dummy region becomes more conspicuous as the trench interval is reduced to reduce the on-resistance, this structure reduces the on-resistance. For the purpose, it is very suitable for a vertical semiconductor device with a reduced trench interval. Although the number of manufacturing steps increases, the impurity concentration of the body layer in the dummy region may be further increased by ion implantation or the like.
上記構成において、ダミー領域が、ボディ層を貫通するとともにダミートレンチを互いに連通する連結ダミートレンチを備え、ボディ層がダミートレンチおよび連結ダミートレンチに囲まれていてもよい。なお、連結ダミートレンチにも、ダミーゲート絶縁膜およびダミーゲート電極が形成される。本構成では、ダミートレンチおよび連結ダミートレンチに囲まれたボディ層表面部の全面に第1導電型のダミーソース層が形成され、当該ダミーソース層は、上記電極に電気的に接続されている。 In the above configuration, the dummy region may include a connection dummy trench that penetrates the body layer and communicates the dummy trench with each other, and the body layer may be surrounded by the dummy trench and the connection dummy trench. A dummy gate insulating film and a dummy gate electrode are also formed in the connection dummy trench. In this configuration, the first conductivity type dummy source layer is formed on the entire surface of the body layer surface portion surrounded by the dummy trench and the connection dummy trench, and the dummy source layer is electrically connected to the electrode.
本構成によれば、ダミーゲート電極および当該ダミーゲート電極に囲まれたボディ層が電気的にフローティングになる。また、ダミー領域のボディ層の不純物濃度がMOS型トランジスタ領域のボディ層の不純物濃度よりも大きい。そのため、ドレイン層側からサージが印加された際に、ダミー領域において、ドレイン層からボディ層に正孔電流が集中的に注入される。そのため、MOS型トランジスタ領域の寄生バイポーラトランジスタが動作する前に、ダミー領域の寄生バイポーラトランジスタが動作する。その結果、ドレイン層側からサージが印加された際に、当該サージに起因する電流をダミー領域へ導くことができ、デバイス破壊の発生を抑制することができる。また、本構成では、ダミーソース層は、MOS型トランジスタ領域のソース層と、同一工程で同時に形成できるため、本構造を実現するために、製造工程数が増大することがない。 According to this configuration, the dummy gate electrode and the body layer surrounded by the dummy gate electrode are electrically floating. Further, the impurity concentration of the body layer in the dummy region is higher than the impurity concentration in the body layer of the MOS transistor region. Therefore, when a surge is applied from the drain layer side, hole current is intensively injected from the drain layer to the body layer in the dummy region. Therefore, the parasitic bipolar transistor in the dummy region operates before the parasitic bipolar transistor in the MOS transistor region operates. As a result, when a surge is applied from the drain layer side, a current caused by the surge can be guided to the dummy region, and device breakdown can be suppressed. Further, in this configuration, the dummy source layer can be formed simultaneously with the source layer of the MOS transistor region in the same process, so that the number of manufacturing steps does not increase in order to realize this structure.
また、以上の半導体装置は、ダミー領域が、ドレイン層内に、ボディ層に接触するとともに、ドレイン層に到達したダミートレンチを包含する第1導電型の半導体層をさらに備えてもよい。この場合、当該半導体層の不純物濃度は、ドレイン層の不純物濃度より高く設定される。 In the semiconductor device described above, the dummy region may further include a first conductivity type semiconductor layer that includes a dummy trench that contacts the body layer and reaches the drain layer in the drain layer. In this case, the impurity concentration of the semiconductor layer is set higher than the impurity concentration of the drain layer.
この構成では、高濃度半導体層とボディ層とで構成されるPN接合は、上記各構成におけるドレイン層とボディ層とで構成されるPN接合の耐圧よりも低くなる。したがって、本構成によれば、より低いサージ電圧から、ダミー領域へサージ電流を導くことができ、より確実にデバイス破壊の発生を抑制することができる。なお、本構造は、高濃度不純物層を形成する工程が付加されるだけであり、製造工程が著しく複雑化することもない。 In this configuration, the PN junction composed of the high-concentration semiconductor layer and the body layer is lower than the breakdown voltage of the PN junction composed of the drain layer and the body layer in each configuration described above. Therefore, according to the present configuration, a surge current can be guided from a lower surge voltage to the dummy region, and device breakdown can be more reliably suppressed. Note that this structure only adds a process for forming a high-concentration impurity layer, and the manufacturing process is not significantly complicated.
本発明によれば、オン抵抗低減のために微細化した場合であっても、ドレインに過渡的なサージが印加された際のデバイス破壊の発生を確実に防止することができる。また、製造工程が著しく複雑化することもないため、低オン抵抗の縦型半導体装置を低コストで実現することができる。 According to the present invention, even when the device is miniaturized to reduce the on-resistance, it is possible to reliably prevent the occurrence of device breakdown when a transient surge is applied to the drain. In addition, since the manufacturing process is not significantly complicated, a low on-resistance vertical semiconductor device can be realized at low cost.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態では、Nチャネル型のMOS型トランジスタを含む縦型半導体装置として、本発明を具体化している。当該事例では、本発明にいう第1導電型がN型であり、第2導電型がP型である。なお、Pチャネル型のMOS型トランジスタを含む半導体装置に対しても、各不純物領域の導電型を反対にすることで、以下の説明が同様に適用できる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the present invention is embodied as a vertical semiconductor device including an N-channel MOS transistor. In this case, the first conductivity type referred to in the present invention is N-type, and the second conductivity type is P-type. Note that the following description can be similarly applied to a semiconductor device including a P-channel MOS transistor by reversing the conductivity type of each impurity region.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における縦型半導体装置のゲート電極配置を示す平面レイアウト図である。図1に示すように、本実施形態の半導体装置は、互いに平行に配置された複数のゲート電極6aを備える。複数のゲート電極6aが形成された領域の外側には、互いに平行かつゲート電極6aと平行に配置された複数のダミーゲート電極6bが設けられている。各ゲート電極6aは、複数のゲート電極6aおよび複数のダミーゲート電極6bが配置された領域を包囲する周辺配線部26と電気的に接続されている。また、各ダミーゲート電極6bと周辺配線部26とは、電気的に分離されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan layout view showing the arrangement of gate electrodes of a vertical semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device of this embodiment includes a plurality of
後述のように、ゲート電極6a間の半導体基板の表面部にはソース層が形成され、半導体基板の裏面側にドレイン層が形成されている。すなわち、ソース層、ドレイン層およびゲート電極6aにより、縦型のMOS型トランジスタが構成されている。ここで、ゲート電極6aを備え、MOS型トランジスタとして動作する領域が、MOS型トランジスタ領域31(以下、トランジスタ領域31という。)であり、ダミーゲート電極6bを備えた領域がダミー領域32である。なお、図1では、左下に保護ダイオード25が設置されている。当該保護ダイオード25は、ゲート電極6aと並列に接続されており、ゲート電極6aに入力されるサージに対する保護回路の役割を有している。
As will be described later, a source layer is formed on the front surface portion of the semiconductor substrate between the
図2は、図1に示した縦型半導体装置の要部を拡大して示す平面レイアウト図である。また、図3は、図2中のA−A線に沿う断面図である。なお、図2では、半導体基板上に形成された各種薄膜およびゲート電極上の絶縁膜は図示していない。 FIG. 2 is an enlarged plan view showing the main part of the vertical semiconductor device shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 2, various thin films formed on the semiconductor substrate and the insulating film on the gate electrode are not shown.
図3に示すように、トランジスタ領域31およびダミー領域32は、N型シリコン基板1上に設けられたN型エピタキシャル層2(以下、N型エピ層2という。)の表面部に設けられている。N型エピ層2およびN型シリコン基板1は、上述のドレイン層として機能する。
As shown in FIG. 3, the
トランジスタ領域31の各ゲート電極6aは、N型エピ層2の表面部に形成されたP型第1ボディ層4を貫通する状態で設けられている。各ゲート電極6aは、P型第1ボディ層4を貫通してN型エピ層2に到達するトレンチ(溝)15a内に、トレンチ15aの内壁に形成されたシリコン酸化膜等のゲート絶縁膜5aを介して埋め込まれたポリシリコン等の導電体からなる。各ゲート電極6aに隣接するP型第1ボディ層4の表面部には、N型ソース層10が設けられている。N型ソース層10は、図2に示すように、平面視において各ゲート電極6aと直角に交差する方向に、互いに離間して複数条設けられている。また、図2に示すように、各ソース層10の間では、P型第1ボディ層4の表面部に、平面視において各ゲート電極6aと直角に交差する方向にP型第2ボディ層9が設けられている。なお、図3に示すように、P型第2ボディ層9の底部は、P型第1ボディ層4の底部よりも浅く配置されている。
Each
トランジスタ領域31の表面に露出する、N型ソース層10およびP型第2ボディ層9は、N型エピ層2の上面に形成されたアルミ(アルミニウム)配線11aと電気的に接続されている。また、アルミ配線11aとゲート電極6aとは、各ゲート電極6a上に配置された第2層間絶縁膜7により電気的に分離されている。
The N-
例えば、P型第1ボディ層4は、約1E17cm-3の不純物濃度を有し、トレンチ15a側壁部に沿って形成されるチャンネル領域の閾値を制御することを目的として形成される。また、P型第2ボディ層9は1E19cm-3以上の不純物濃度を有し、アルミ配線11aとオーミックコンタクトを構成することを目的として形成される。当該構成では、N型ソース層10、P型第1ボディ層4およびP型第2ボディ層9は共通接続となり、アルミ配線11aを通じて同電位が付与されることになる。
For example, the P-type
一方、ダミー領域32の各ダミーゲート電極6bは、トランジスタ領域31から連続して延長されたP型第1ボディ層4を貫通する状態で設けられている。後述のように、トランジスタ領域31およびダミー領域32のP型第1ボディ層4は、同一工程で同時に一体で形成される。各ダミーゲート電極6bは、ゲート電極6aと同様に、P型第1ボディ層4を貫通してN型エピ層2に到達するダミートレンチ(ダミー溝)15b内に、ダミートレンチ15bの内壁に形成されたシリコン酸化膜等のダミーゲート絶縁膜5bを介して埋め込まれたポリシリコン等の導電体からなる。本実施形態では、各ダミーゲート電極6b間の間隔は、各ゲート電極6a間の間隔よりも大きくなっている。また、図2および図3に示すように、ゲート電極6bに隣接するP型第1ボディ層4の表面部には、トランジスタ領域31のソース層10間と同一の、P型第2ボディ層9が設けられている。上述のように、P型第2ボディ層9の底部は、P型第1ボディ層4の底部よりも浅く配置されている。上記アルミ配線11aはダミー領域32上にも形成されており、ダミー領域32のP型第2ボディ層9とアルミ配線11aとは、オーミックコンタクトを構成している。
On the other hand, each
また、ダミー領域32の外側のN型エピ層2上には、段差を有する第1層間絶縁膜3を介してポリシリコン配線6fが形成されている。ポリシリコン配線6fは、後述のようにゲート電極6aおよびダミーゲート電極6bと同一の工程で形成される。また、ポリシリコン配線6fは、各ゲート電極6aと接続された状態で一体に形成されている。ポリシリコン配線6f上には第2層間絶縁膜7および第3層間絶縁膜8を介してアルミ配線11bが形成されており、ポリシリコン配線6fとアルミ配線11bとが、第2層間絶縁膜7および第3層間絶縁膜8を貫通するコンタクトホールを通じて電気的に接続されている。すなわち、ポリシリコン配線6fおよびアルミ配線11bの積層配線が、ゲート電極6aに電圧を印加する周辺配線部26を構成している。
On the N-
本実施形態の縦型半導体装置では、上述のように、ダミーゲート電極6bが、P型第1ボディ層4とP型第2ボディ層9との両方を含む領域に形成されており、ダミー領域32のP型第2ボディ層9が、トランジスタ領域31と同様に、アルミ配線11aとオーミックコンタクトを構成している。また、ダミーゲート電極6bは、いずれの配線にも接続されておらず電気的にフローティングになっている。したがって、ダミー領域32では、N型エピ層2とP型第1ボディ層4とがN/Pダイオードを形成しているとみなすことができる。
In the vertical semiconductor device of this embodiment, as described above, the
図4〜図9は、上記構造を有する半導体装置の形成過程を示す工程断面図である。以下では、最表面に薄膜を形成する場合、適宜、半導体基板上に膜を形成すると表現する。 4 to 9 are process cross-sectional views showing a process of forming a semiconductor device having the above structure. Hereinafter, when a thin film is formed on the outermost surface, it is expressed that a film is appropriately formed on a semiconductor substrate.
図4に示すように、まず、N型シリコン基板1上に、公知のエピタキシャル成長法によりN型エピ層2が形成される。次いで、N型エピ層2の表面に、熱酸化法により、50〜500nmの膜厚を有するシリコン酸化膜からなる第1層間絶縁膜3が形成される。第1層間絶縁膜3上には、公知のリソグラフィ技術により、以降の工程でゲート電極6aおよびダミーゲート電極6bが形成される領域(トランジスタ領域31およびダミー領域32)を包含する領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。当該レジストパターンをマスクとしたイオン注入により、N型エピ層2の表面部にP型不純物を導入することで、P型第1ボディ層4が形成される。
As shown in FIG. 4, first, an N-
続いて、第1ボディ層4の形成に使用したレジストパターンが除去された第1層間絶縁膜3上に、以降の工程でトレンチ15aおよびダミートレンチ15bが形成される領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。当該レジストパターンをマスクとしたエッチングにより、図5に示すように、トレンチ15aおよびダミートレンチ15b形成領域の第1層間絶縁膜3が除去され、その後に、レジストパターンも除去される。次いで、パターンニングされた第1層間絶縁膜3をマスクとしたドライエッチングにより、P型第1ボディ層4を貫通してN型エピ層2に到達する深さ0.8〜3.0μmのトレンチ15aおよびダミートレンチ15bが形成される。
Subsequently, on the first
形成されたトレンチ15aおよびダミートレンチ15bの内部表面には、図6に示すように、熱酸化等により、8〜100nm程度の膜厚を有するゲート酸化膜5aおよびダミーゲート酸化膜5bが形成される。その後、ゲート電極材料となる200〜800nmのポリシリコン膜が全面に堆積される。当該ポリシリコン膜には、N型不純物のイオン注入およびアニールを実施することにより導電性が付与される。その後、ポリシリコン膜上に、ポリシリコン配線6fとなる領域および各ゲート電極6aとポリシリコン配線6fとの接続部を被覆するレジストパターン(図示せず)が形成され、当該レジストパターンをマスクとしたエッチングが実施される。これにより、第1層間絶縁膜3上にポリシリコン配線6fと、ポリシリコン配線6fと接続されるとともにトレンチ15aに埋め込まれたゲート電極6aと、ポリシリコン配線6fと接続されることなくダミートレンチ15bに埋め込まれたダミーゲート電極6bとが形成される。このとき、トレンチ15aおよびダミートレンチ15bに埋め込まれるポリシリコン膜は最上面がP型第1ボディ層4表面(N型エピ層2表面)よりも100〜800nm程度下側に後退する状態で形成される。なお、本実施形態では、図1に示すように、各ゲート電極6aは、それらの端部でポリシリコン配線6fと連続的に繋がる一体のパターンとして形成され、各ダミーゲート電極6bはそれぞれが孤立したパターンとして形成される。
As shown in FIG. 6, a
ゲート電極6aおよびダミーゲート電極6bが形成された半導体基板上には、図7に示すように、シリコン酸化膜等からなる第2層間絶縁膜7および第3層間絶縁膜8が下層から順に堆積される。第2層間絶縁膜7および第3層間絶縁膜8の総膜厚は、200〜1000nm程度である。
On the semiconductor substrate on which the
次いで、図8に示すように、第2層間絶縁膜7および第3層間絶縁膜8に、以降の工程で形成されるアルミ配線11a、11bとの電気的な接続するためのコンタクトホールが形成される。ここでは、第3層間絶縁膜8上に、コンタクトホール形成領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成され、当該レジストパターンをマスクとしたドライエッチングによりコンタクトホールが形成される。なお、本実施形態では、トランジスタ領域31およびダミー領域32の全域が底部に露出するコンタクトホールと、ポリシリコン配線6fが底部に露出する、ポリシリコン配線6fに沿ったコンタクトホールとが形成される。また、トランジスタ領域31およびダミー領域32では、当該エッチングにおいて、第3層間絶縁膜8および第1層間絶縁膜3が完全にエッチング除去され、トレンチ15aおよびダミートレンチ15bにおける第2層間絶縁膜7の上面が第1ボディ層4表面と、ほぼ同一平面になるように第2層間絶縁膜7がエッチングされる。これにより、ゲート電極6aおよびダミーゲート電極6bが形成されているトレンチ15a、ダミートレンチ15bの上部が、第2層間絶縁膜7の材料が充填された状態になると同時に、トランジスタ領域31の第1ボディ層4の表面およびダミー領域32の第1ボディ層4の表面が、半導体基板表面に露出する。
Next, as shown in FIG. 8, contact holes are formed in the second
コンタクトホールのエッチングに使用したレジストパターンが除去された後、半導体基板上に、以降の工程でP型第2ボディ層9が形成される領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。ここでは、図2に示した、トランジスタ領域31のP型第2ボディ層9形成領域およびダミー領域32のP型第2ボディ層9形成領域に開口を有するレジストパターンが形成される。そして、当該レジストパターンをマスクとしてP型不純物をP型第1ボディ層4内にイオン注入することにより、P型第2ボディ層9が形成される。当該レジストパターンが除去された後、半導体基板上に、図2に示した、トランジスタ領域31のN型ソース層10形成領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。当該レジストパターンをマスクとしてP型第1ボディ層4にN型不純物をイオン注入することにより、N型ソース層10が形成される。なお、P型第2ボディ層9を形成する際に用いたレジストパターンと、N型ソース層10を形成する際に用いたレジストパターンとは、トランジスタ領域31上およびダミー領域32上において、被覆部と開口部とが反転したパターンになっている。
After the resist pattern used for etching the contact hole is removed, a resist pattern (not shown) having an opening in a region where the P-type
P型第2ボディ層9およびN型ソース層10の形成が完了すると、図9に示すように、全面ドライエッチングにより、ゲート電極6aおよびダミーゲート電極6b上に充填された第2層間絶縁膜7が100〜300nm程度エッチバックされる。これにより、トレンチ15a側壁およびダミートレンチ15b側壁であるN型ソース層10およびP型第2ボディ層9が露出し、トレンチ15aおよびダミートレンチ15bの上部が凹形状となる。同時に、トレンチ15a上端およびダミートレンチ15b上端のコーナ部がエッチングされ、当該コーナ部に曲面が形成される。このドライエッチングは、ゲート電極6a、ダミーゲート電極6bの上面が露出しないようにエッチング量が制御される。その後、半導体基板上に堆積されたアルミ膜にリソグラフィ技術およびエッチング技術を適用することにより、アルミ配線11a、11bが形成される。なお、ドレイン層(N型シリコン基板1およびN型エピ層2)に電気的に接続するドレイン電極は、例えば、N型シリコン基板1の裏面側に形成される。
When the formation of the P-type
以上のようにして形成された縦型半導体装置は、トランジスタ領域31の周辺部に、電気的にフローティングとなるダミーゲート電極6bを備えたダミー領域32を備える。また、ダミー領域32は、N型エピ層2とP型第1ボディ層4とで構成されたN/Pダイオードとみなされる領域を有し、P型第1ボディ層4上のP型第2ボディ層9がアルミ配線11aと接続されている。
The vertical semiconductor device formed as described above includes a
本実施形態の縦型半導体装置は、トランジスタ領域31のゲート電極6aの間隔よりダミーゲート電極6bの間隔が広くなっている。図6に示したように、熱酸化法によってP型不純物、例えばボロンを含むシリコンからなるトレンチ側壁にゲート絶縁膜を形成する場合、熱酸化の過程で不純物の偏析効果によって不純物がゲート絶縁膜5a(ダミーゲート絶縁膜5b)側に吸い出される。すなわち、ゲート電極6a(ダミーゲート電極間6b)間に存在するP型第1ボディ層4の不純物濃度が低下する。この不純物濃度の低下の程度は、偏析が発生する半導体層中の不純物の絶対量に依存する。すなわち、不純物の絶対量が小さいほど、偏析により移動する不純物が当該絶対量に占める割合が大きくなるため、偏析の結果、不純物濃度が大きく低下することになる。したがって、本実施形態の構成では、ダミーゲート電極6bの間隔がゲート電極6aの間隔より大きくなっているため、ダミーゲート電極6b間のP型第1ボディ層4の不純物濃度が、ゲート電極6a間のP型第1ボディ層4の不純物濃度よりも若干高い状態になる。その結果、N型エピ層2とP型第1ボディ層4とで構成されるPN接合の耐圧はダミー領域32の方がトランジスタ領域31よりも低くなる。
In the vertical semiconductor device of this embodiment, the interval between the
このような構造を有する半導体装置に、ドレイン層(N型シリコン基板1、N型エピ層2)側からサージが印加された場合、N型エピ層2とP型第1ボディ層4との接合耐圧がトランジスタ領域31よりもダミー領域32の方が低いため、ダミー領域32においてまずアバランシェ降伏が発生する。したがって、トランジスタ領域31におけるN型エピ層2、P型第1ボディ層4およびN型ソース層10から構成されるNPN寄生バイポーラトランジスタが動作して大電流が流れる前に、ダミー領域32におけるN型エピ層2と、P型第1ボディ層4およびP型第2ボディ層9とから構成されるN/Pダイオードの方にサージ電流を導くことができる。また、ダミー領域32におけるN型エピ層2と、P型第1ボディ層4およびP型第2ボディ層9とから構成されるN/Pダイオードに導かれたサージ電流は、ダミー領域32のP型第2ボディ層9を通じてアルミ配線11bに流入する。その結果、トランジスタ領域31のゲート酸化膜5aの破壊を防止することができる。
When a surge is applied to the semiconductor device having such a structure from the drain layer (N-
なお、本実施形態では、ダミーゲート電極6bの間隔を大きくしているため、半導体装置の占有面積が増大することになる。しかしながら、ダミーゲート電極6bの本数は、チップ面積の大部分を占めるトランジスタ領域31のゲート電極6aに比べてはるかに少ない。したがって、ダミートレンチ15b間の間隔を広げることにより、チップ面積が著しく増大することはない。
In this embodiment, since the interval between the
また、本構成では、MOS型トランジスタ領域のボディ層およびダミー領域のボディ層は、同一工程において同時に一体で形成されるため、本構造を実現するために、従来工程よりも製造工程数が増大することがない。また、MOS型トランジスタ領域のボディ層とダミー領域のボディ層との間の不純物濃度の差は、オン抵抗低減のためにトレンチ間隔を小さくするほど顕著になるため、本構造は、オン抵抗低減を目的としてトレンチ間隔を減少させた縦型半導体装置に好適である。なお、製造工程数が増大することになるが、イオン注入等により、ダミー領域のボディ層の不純物濃度をさらに高めてもよい。 Further, in this configuration, the body layer of the MOS transistor region and the body layer of the dummy region are integrally formed at the same time in the same process, so that the number of manufacturing processes is increased as compared with the conventional process in order to realize this structure. There is nothing. In addition, since the difference in impurity concentration between the body layer of the MOS transistor region and the body layer of the dummy region becomes more conspicuous as the trench interval is reduced to reduce the on-resistance, this structure reduces the on-resistance. For the purpose, it is suitable for a vertical semiconductor device having a reduced trench interval. Although the number of manufacturing steps increases, the impurity concentration of the body layer in the dummy region may be further increased by ion implantation or the like.
(第2の実施形態)
図10は、本発明の第2の実施形態における縦型半導体装置の要部を拡大して示す平面レイアウト図である。また、図11は、図10中のA−A線に沿う断面図である。図10では、半導体基板上に形成された各種薄膜およびゲート電極上の絶縁膜は図示していない。また、図10、図11において、第1の実施形態の半導体装置と同一の作用効果を奏する部位には同一の参照符号を付している。
(Second Embodiment)
FIG. 10 is an enlarged plan view showing the main part of the vertical semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 11 is sectional drawing which follows the AA line in FIG. In FIG. 10, the various thin films formed on the semiconductor substrate and the insulating film on the gate electrode are not shown. In FIGS. 10 and 11, the same reference numerals are assigned to the portions having the same functions and effects as those of the semiconductor device of the first embodiment.
図10および図11に示すように、本実施形態の縦型半導体装置は、基本的に第1の実施形態による半導体装置と同様の構造を有している。そして、N型エピ層2(ドレイン層)内に、P型第1ボディ層4に接触するとともに、N型エピ層2に到達したダミートレンチ15bを包含する、N型エピ層2よりも高い不純物濃度を有するN型の半導体層12(以下、N型高濃度層12という。)をさらに備えている点が第1の実施形態の縦型半導体装置と相違する。
As shown in FIGS. 10 and 11, the vertical semiconductor device according to the present embodiment basically has the same structure as the semiconductor device according to the first embodiment. In the N-type epi layer 2 (drain layer), an impurity that is in contact with the P-type
図12〜図14は、上記構造を有する半導体装置の形成過程を示す工程断面図である。本実施形態の縦型半導体装置の製造工程では、図12に示すように、まず、第1の実施形態において図4を用いて説明した工程を経て、N型シリコン基板1上にN型エピ層2が形成され、N型エピ層2の表面に50〜500nmの膜厚を有するシリコン酸化膜からなる第1層間絶縁膜3が形成される。次いで、第1層間絶縁膜3上に、以降の工程でゲート電極6aおよびダミーゲート電極6bが形成される領域(トランジスタ領域31およびダミー領域32)を包含する領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。当該レジストパターンをマスクとしたイオン注入により、N型エピ層2の表面部に、P型第1ボディ層4が形成される。
12 to 14 are process cross-sectional views illustrating a process of forming a semiconductor device having the above structure. In the manufacturing process of the vertical semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 12, first, the N-type epitaxial layer is formed on the N-
続いて、図13に示すように、第1ボディ層4の形成に使用したレジストパターンが除去された第1層間絶縁膜3上に、以降の工程でN型高濃度層12が形成される領域に開口を有するレジストパターン20が形成される。当該レジストパターン20をマスクとしたイオン注入により、P型第1ボディ層4とN型エピ層2とが接する接合境界面下(接合境界面のN型エピ層2側)に、N型エピ層2よりも高濃度のN型高濃度層12が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 13, the region where the N-type
続いて、レジストパターン20が除去された第1層間絶縁膜3上に、以降の工程でトレンチ15aおよびダミートレンチ15bが形成される領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。当該レジストパターンをマスクとしたエッチングにより、図14に示すように、トレンチ15aおよびダミートレンチ15b形成領域の第1層間絶縁膜3が除去され、その後に、レジストパターンも除去される。次いで、パターンニングされた第1層間絶縁膜3をマスクとしたドライエッチングにより、P型第1ボディ層4を貫通してN型高濃度層12に到達する深さ0.8〜3.0μmのトレンチ15aおよびダミートレンチ15bが形成される。当該ドライエッチングでは、トレンチ15aおよびダミートレンチ15bがN型高濃度層12を貫通することがない状態に、エッチング量が制御される。
Subsequently, on the first
以降の工程は、第1の実施形態において図6〜図9を用いて説明した工程と同一であるので、ここでの説明は省略する。 The subsequent steps are the same as those described with reference to FIGS. 6 to 9 in the first embodiment, and a description thereof will be omitted here.
以上のようにして形成された縦型半導体装置では、ダミー領域32が、N型高濃度層12とP型第1ボディ層4とで構成されたN/Pダイオードとみなされる領域を有している。上述のように、N型高濃度層12はN型エピ層2よりも高い不純物濃度を有しているため、N型高濃度層12とP型第1ボディ層4とで構成されるPN接合の耐圧は、第1の実施形態の半導体装置におけるN型エピ層2とP型第1ボディ層4とで構成されるPN接合の耐圧よりも低くなる。
In the vertical semiconductor device formed as described above, the
このような構造を有する半導体装置に、ドレイン層(N型シリコン基板1、N型エピ層2)側からサージが印加された場合、第1の実施形態と同様に、ダミー領域32においてまずアバランシェ降伏が発生する。また、本実施形態の構成では、第1の実施形態の構成に比べてダミー領域32のPN接合の耐圧が低くなっているため、より低いサージ電圧から、N型高濃度層12と、P型第1ボディ層4およびP型第2ボディ層9とから構成されるN/Pダイオードの方にサージ電流を導くことができる。したがって、第1の実施形態による半導体装置に比べて、より効率よくゲート絶縁膜5aの破壊を防止することができる。なお、本構造は、高濃度不純物層を形成する工程が付加されるだけであり、製造工程が著しく複雑化することがない。
When a surge is applied to the semiconductor device having such a structure from the drain layer (N-
(第3の実施形態)
図15は、本発明の第3の実施形態における縦型半導体装置のゲート電極配置を示す平面レイアウト図である。また、図16は、図15に示した縦型半導体装置の要部を拡大して示す平面レイアウト図であり、図17は、図16中のA−A線に沿う断面図である。図16では、半導体基板上に形成された各種薄膜およびゲート電極上の絶縁膜は図示していない。図15〜図17において、第1の実施形態の半導体装置と同一の作用効果を奏する部位には同一の参照符号を付している。
(Third embodiment)
FIG. 15 is a plan layout view showing the arrangement of the gate electrodes of the vertical semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 16 is an enlarged plan view showing the main part of the vertical semiconductor device shown in FIG. 15, and FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 16, various thin films formed on the semiconductor substrate and the insulating film on the gate electrode are not shown. In FIGS. 15 to 17, the same reference numerals are given to the portions having the same functions and effects as those of the semiconductor device of the first embodiment.
図15〜図17に示すように、本実施形態の半導体装置は、基本的に第1の実施形態による半導体装置と同様の構造を有している。そして、ダミーゲート電極6bが形成されるダミートレンチ15bが、P型第1ボディ層4を貫通する連結ダミートレンチ15cにより互いに連通され、ダミートレンチ15bおよび連結ダミートレンチ15cに囲まれたP型第1ボディ層4表面部に、N型ダミーソース層13をさらに備えている点が第1の実施形態の縦型半導体装置と相違する。なお、連結ダミートレンチ15cには、連結ダミーゲート酸化膜5cを介して連結ダミーゲート電極6cが形成されている。また、ダミーゲート酸化膜5bおよび連結ダミーゲート酸化膜5cは一体に形成されており、ダミーゲート電極5bおよび連結ダミーゲート電極6cは一体に形成されている。連結ダミーゲート電極6cにより相互に連結されたダミーゲート電極6bは、第1の実施形態と同様に、いずれの配線にも接続されておらず、電気的にフローティングである。また、平面視において、ダミートレンチ15bおよび連結ダミートレンチ15cで囲まれた領域の外側には、第1の実施形態と同様に、P型第2ボディ層9が形成されている。
As shown in FIGS. 15 to 17, the semiconductor device according to the present embodiment basically has the same structure as the semiconductor device according to the first embodiment. The
本実施形態の縦型半導体装置は、図15〜図17から理解できるように、ダミーゲート電極6bおよび連結ダミーゲート電極6cによってゲート絶縁膜5b、5cを介してP型第1ボディ層4が囲まれ、当該P型第1ボディ層4の下部にN型エピ層とのPN接合が存在するとともに、上部にN型ダミーソース層13とのPN接合が存在している。そのため、ダミーゲート電極6bが電気的にフローティングであることに加えて、ダミーゲート電極6bおよび連結ダミーゲート電極6cによって囲まれたP型第1ボディ層4も電気的にフローティング状態になっている。
In the vertical semiconductor device of this embodiment, as can be understood from FIGS. 15 to 17, the P-type
図18および図19は、上記構造を有する半導体装置の形成過程を示す工程断面図である。本実施形態の縦型半導体装置の製造工程では、図18に示すように、まず、第1の実施形態において図4〜図7を用いて説明した工程を経て、N型シリコン基板1上に形成されたN型エピ層2の表面部にP型第1ボディ層4が形成され、当該P型第1ボディ層4を貫通するトレンチ15aおよびダミートレンチ15bが形成される。本実施形態では、トレンチ15aおよびダミートレンチ15bを形成する工程で使用するレジストパターンが、連結ダミートレンチ15cの形成領域に対応する開口をさらに有しており、当該レジストパターンが転写された第1層間絶縁膜3をマスクとしたエッチングにより連結ダミートレンチ15cも同時に形成される。そして、トレンチ15a、ダミートレンチ15bおよび連結ダミートレンチ15cには、それぞれ内壁に形成された酸化膜(ゲート酸化膜5a、ダミーゲート酸化膜5b、連結ダミーゲート酸化膜5c)を介してゲート電極6a、ダミーゲート電極6bおよび連結ダミーゲート電極6cが形成される。そして、第2層間絶縁膜7、第3層間絶縁膜8の堆積およびエッチングが実施され、第1の実施形態と同様に、トランジスタ領域31およびダミー領域32の全域が底部に露出するコンタクトホールと、ポリシリコン配線6fが底部に露出する、ポリシリコン配線6fに沿ったコンタクトホールとが形成される。このとき、トランジスタ領域31およびダミー領域32では、第3層間絶縁膜8および第1層間絶縁膜3が完全にエッチング除去され、トレンチ15a、ダミートレンチ15bおよび連結ダミートレンチ15cにおける第2層間絶縁膜7の上面が第1ボディ層4表面とほぼ同一平面になるように第2層間絶縁膜7がエッチングされる。これにより、ゲート電極6a、ダミーゲート電極6bおよび連結ダミーゲート電極6cが形成されているトレンチ15a、ダミートレンチ15bおよび連結ダミートレンチ15cの上部が、第2層間絶縁膜7の材料が充填された状態になると同時に、トランジスタ領域31の第1ボディ層4の表面およびダミー領域32の第1ボディ層4の表面が、半導体基板表面に露出する。
18 and 19 are process cross-sectional views illustrating a process of forming a semiconductor device having the above structure. In the manufacturing process of the vertical semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 18, first, it is formed on the N-
コンタクトホールのエッチングに使用したレジストパターンが除去された後、図19に示すように、半導体基板上に、以降の工程でP型第2ボディ層9が形成される領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。ここでは、図16に示した、トランジスタ領域31のP型第2ボディ層9形成領域およびダミー領域32のP型第2ボディ層9形成領域に開口を有するレジストパターンが形成される。そして、当該レジストパターンをマスクとしてP型不純物をP型第1ボディ層4内にイオン注入することにより、P型第2ボディ層9が形成される。当該レジストパターンが除去された後、半導体基板上に、図16に示した、トランジスタ領域31のN型ソース層10形成領域およびN型ダミーソース層13形成領域に開口を有するレジストパターン(図示せず)が形成される。当該レジストパターンをマスクとしてP型第1ボディ層4にN型不純物をイオン注入することにより、N型ソース層10およびN型ダミーソース層13が形成される。なお、第2ボディ層9を形成する際に用いたレジストパターンと、ソース層10およびダミーソース層13を形成する際に用いたレジストパターンとは、トランジスタ領域31上およびダミー領域32上において、被覆部と開口部とが反転したパターンになっている。
After the resist pattern used for etching the contact hole is removed, as shown in FIG. 19, a resist pattern having an opening in a region where the P-type
以降の工程は、第1の実施形態において図9を用いて説明した工程と同一であるので、ここでの説明は省略する。 The subsequent steps are the same as those described with reference to FIG. 9 in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here.
以上のようにして形成された縦型半導体装置は、トランジスタ領域31では、N型ソース層10、P型第1ボディ層4、ゲート電極6aの電位がそれぞれ固定されるのに対して、ダミー領域32では、ダミーゲート電極6bに囲まれたP型第1ボディ層4およびダミーゲート電極6b自体が電気的にフローティング状態になっている。また、ダミー領域32のP型第1ボディ層4の不純物濃度がトランジスタ領域31のP型第1ボディ層4の不純物濃度よりも大きくなっている。そのため、ドレイン層(N型シリコン基板1、N型エピ層2)側からサージが印加された場合、ダミー領域32において、N型エピ層2からP型第1ボディ層4に正孔電流が集中的に注入される。そして、P型第1ボディ層4とN型ダミーソース層13との間に電位差が発生し、P型第1ボディ層4とN型ダミーソース層13との間が順バイアスされる。その結果、N型エピ層2、P型第1ボディ層4およびN型ダミーソース層13から構成されるNPNバイポーラトランジスタが動作する。
In the vertical semiconductor device formed as described above, in the
すなわち、本実施形態の縦型半導体装置によれば、ドレイン層(N型シリコン基板1、N型エピ層2)側からサージが印加された場合、トランジスタ領域31におけるN型エピ層2、P型第1ボディ層4およびN型ソース層10から構成されるNPN寄生バイポーラトランジスタが動作して大電流が流れる前に、サージ電流をダミー領域32の方に導くことができる。また、ダミー領域32に導かれたサージ電流は、ダミー領域32のN型ダミーソース層13を通じてアルミ配線11aに流入する。その結果、トランジスタ領域31のゲート酸化膜5aの破壊を防止することができる。また、本実施形態の構成では、ダミー領域32のP型第1ボディ層4が電気的にフローティング状態になっているため、電位が固定された第1の実施形態の構成に比べてより低いサージ電圧から、ダミー領域32へサージ電流を導くことができる。したがって、第1の実施形態による半導体装置に比べて、より効率よくゲート絶縁膜5aの破壊を防止することができる。
That is, according to the vertical semiconductor device of this embodiment, when a surge is applied from the drain layer (N-
また、本構成では、ダミーソース層13は、トランジスタ領域31のソース層10と、同一工程で同時に形成できるため、本構造を実現するために、製造工程数が増大することもない。
Further, in this configuration, the
(第4の実施形態)
図20は、本発明の第4の実施形態における縦型半導体装置の要部を拡大して示す平面レイアウト図である。また、図21は、図20中のA−A線に沿う断面図である。図20では、半導体基板上に形成された各種薄膜およびゲート電極上の絶縁膜は図示していない。また、図20、図21において、第3の実施形態の半導体装置と同一の作用効果を奏する部位には同一の参照符号を付している。
(Fourth embodiment)
FIG. 20 is an enlarged plan view showing the main part of the vertical semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 20, the various thin films formed on the semiconductor substrate and the insulating film on the gate electrode are not shown. In FIGS. 20 and 21, the same reference numerals are assigned to the portions having the same operational effects as those of the semiconductor device of the third embodiment.
図20および図21に示すように、本実施形態の縦型半導体装置は、基本的に第3の実施形態による半導体装置と同様の構造を有している。そして、N型エピ層2(ドレイン層)内に、P型第1ボディ層4に接触するとともに、N型エピ層2に到達したダミートレンチ15bおよび連結ダミートレンチ15cを包含する、N型エピ層2よりも高い不純物濃度を有するN型高濃度層12をさらに備えている点が第3の実施形態の縦型半導体装置と相違する。すなわち、本実施形態の縦型半導体装置は、第2および第3の実施形態で説明したそれぞれの半導体装置の特徴を兼ね備えたものである。
As shown in FIGS. 20 and 21, the vertical semiconductor device according to the present embodiment basically has the same structure as the semiconductor device according to the third embodiment. The N-
以上のような構成を有する縦型半導体装置は、第3の実施形態で説明した製造工程に、第2の実施形態で図13および図14を用いて説明したN型高濃度層12の形成工程を適宜組み合わせることで実現することができる。
In the vertical semiconductor device having the above-described configuration, the N-type high-
本実施形態の縦型半導体装置は、ダミー領域32では、N型高濃度層12とP型第1ボディ層4とで構成されたPN接合は第3の実施形態の半導体装置におけるN型エピ層2とP型第1ボディ層4とで構成されるPN接合の耐圧よりも低くなる。すなわち、本実施形態の構成では、第3の実施形態の構成に比べて、ダミー領域32において、N型エピ層2からP型第1ボディ層4へ正孔電流が注入されやすくなる。
In the vertical semiconductor device of this embodiment, in the
このような構造を有する半導体装置に、ドレイン層(N型シリコン基板1、N型エピ層2)側からサージが印加された場合、トランジスタ領域31におけるN型エピ層2、P型第1ボディ層4およびN型ソース層10から構成されるNPN寄生バイポーラトランジスタが動作して大電流が流れる前に、サージ電流をダミー領域32の方へ導くことができる。また、本実施形態の構成では、第3の実施形態の構成に比べてより低いサージ電圧から、ダミー領域32へサージ電流を導くことができる。したがって、第3の実施形態による半導体装置に比べて、より効率よくゲート絶縁膜5aの破壊を防止することができる。すなわち、本実施形態の構成によれば、第1〜第3の各実施形態よりも、半導体装置のサージ耐性を向上させることができる。
When a surge is applied to the semiconductor device having such a structure from the drain layer (N-
以上説明したように、本発明によれば、オン抵抗低減のために微細化した場合であっても、ドレインに過渡的なサージが印加された際のデバイス破壊の発生を確実に防止することができる。また、製造工程が著しく複雑化することもないため、低オン抵抗の縦型半導体装置を低コストで実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reliably prevent the occurrence of device destruction when a transient surge is applied to the drain even when the device is miniaturized to reduce the on-resistance. it can. In addition, since the manufacturing process is not significantly complicated, a low on-resistance vertical semiconductor device can be realized at low cost.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、種々の変形および応用が可能である。上記では、P型第1ボディ層4とアルミ配線11aとの間にP型第2ボディ層9を備えた構成を説明したが、P型第2ボディ層9は、コンタクト抵抗低減を目的として配置したものであり、本願の技術的思想を何ら限定するものではない。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible without departing from the technical idea of the present invention. In the above description, the P-type
本発明は、ドレインに過渡的なサージが印加された際のデバイス破壊の発生を確実に防止することができ、縦型半導体装置として有用である。 The present invention can reliably prevent the occurrence of device breakdown when a transient surge is applied to the drain, and is useful as a vertical semiconductor device.
1 N型シリコン基板
2 N型エピタキシャル層
3 第1層間絶縁膜
4 P型第1ボディ層
5a ゲート絶縁膜
5b ダミーゲート絶縁膜
6a ゲート電極
6b ダミーゲート電極
7 第2層間絶縁膜
8 第3層間絶縁膜
9 P型第2ボディ層
10 N型ソース層
11a アルミ配線
11b アルミ配線
12 N型高濃度層
13 N型ダミーソース層
101 N型シリコン基板
102 N型エピタキシャル層
103 第1層間絶縁膜
104 P型第1ボディ層
105 ゲート絶縁膜
106 ゲート電極
107 第2層間絶縁膜
108 第3層間絶縁膜
109 P型第2ボディ層
110 N型ソース層
111 アルミ配線
25 保護ダイオード
26 周辺配線部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 N type silicon substrate 2 N
Claims (5)
第1導電型の半導体層からなるドレイン層と、
前記ドレイン層上に設けられた、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型の半導体層からなるボディ層と、
前記ボディ層を貫通して前記ドレイン層に達する状態で形成され、平面視において、互いに平行に配列された複数の直線状の溝と、
前記複数の溝のそれぞれの内壁に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記複数の溝のそれぞれに埋め込まれたゲート電極と、
前記ゲート電極間の前記ボディ層の表面部の一部に、前記溝に隣接して形成された第1導電型の半導体層からなるソース層と、
を備えるMOS型トランジスタ領域と、
前記MOS型トランジスタ領域から連続して延長されたドレイン層と、
前記MOS型トランジスタ領域のボディ層と一体で形成されたボディ層と、
前記ボディ層を貫通して前記ドレイン層に達する状態で形成され、平面視において、前記MOS型トランジスタ領域の溝の間隔よりも大きな間隔で、互いに平行に配列された複数の直線状のダミー溝と、
前記複数のダミー溝のそれぞれの内壁に形成されたダミーゲート絶縁膜と、
前記ダミーゲート絶縁膜を介して前記複数のダミー溝のそれぞれに埋め込まれ、かつ電気的にフローティングであるダミーゲート電極と、
を備える、前記MOS型トランジスタ領域に隣接して形成されたダミー領域と、
前記ダミー領域のボディ層、前記MOS型トランジスタ領域のボディ層および前記ソース層に電気的に接続する電極と、
を備えたことを特徴とする縦型半導体装置。 In a vertical semiconductor device having a MOS transistor with a vertical gate,
A drain layer made of a semiconductor layer of the first conductivity type;
A body layer made of a semiconductor layer of a second conductivity type opposite to the first conductivity type provided on the drain layer;
A plurality of linear grooves formed in a state of reaching the drain layer through the body layer and arranged parallel to each other in a plan view;
A gate insulating film formed on the inner wall of each of the plurality of trenches;
A gate electrode embedded in each of the plurality of grooves via the gate insulating film;
A source layer made of a semiconductor layer of a first conductivity type formed adjacent to the groove on a part of the surface portion of the body layer between the gate electrodes;
A MOS transistor region comprising:
A drain layer continuously extended from the MOS transistor region;
A body layer formed integrally with the body layer of the MOS transistor region;
A plurality of linear dummy grooves formed in a state of penetrating the body layer and reaching the drain layer, and arranged in parallel with each other at an interval larger than an interval between the grooves of the MOS transistor region in plan view; ,
A dummy gate insulating film formed on the inner wall of each of the plurality of dummy grooves;
A dummy gate electrode embedded in each of the plurality of dummy grooves via the dummy gate insulating film and electrically floating;
A dummy region formed adjacent to the MOS transistor region;
An electrode electrically connected to the body layer of the dummy region, the body layer of the MOS transistor region, and the source layer;
A vertical semiconductor device comprising:
前記ボディ層を貫通するとともに前記ダミー溝を互いに連通する連結ダミー溝と、
前記ダミー溝および前記連結ダミー溝に囲まれた前記ボディ層と、
前記連結ダミー溝の内壁に形成された連結ダミーゲート絶縁膜と、
前記連結ダミーゲート絶縁膜を介して前記連結ダミー溝のそれぞれに埋め込まれ、前記ダミーゲート電極を電気的に接続する連結ダミーゲート電極と、
前記ダミー溝および前記連結ダミー溝に囲まれた前記ボディ層表面部の全面に形成された第1導電型のダミーソース層と、
前記ダミーソース層に電気的に接続する前記電極と、
をさらに備える請求項1記載の縦型半導体装置。 The dummy area is
A connecting dummy groove penetrating the body layer and communicating the dummy grooves with each other;
The body layer surrounded by the dummy grooves and the connecting dummy grooves;
A connection dummy gate insulating film formed on the inner wall of the connection dummy groove;
A connection dummy gate electrode embedded in each of the connection dummy grooves via the connection dummy gate insulating film, and electrically connecting the dummy gate electrode;
A first conductivity type dummy source layer formed on the entire surface of the body layer surface portion surrounded by the dummy grooves and the connection dummy grooves;
The electrode electrically connected to the dummy source layer;
The vertical semiconductor device according to claim 1, further comprising:
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012064849A (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2014504017A (en) * | 2010-12-23 | 2014-02-13 | 無錫華潤上華半導体有限公司 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
US8987814B2 (en) | 2013-04-26 | 2015-03-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
JP2015198133A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-09 | 株式会社東芝 | semiconductor device |
US10847648B2 (en) | 2018-02-14 | 2020-11-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
-
2008
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012064849A (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
CN102412262A (en) * | 2010-09-17 | 2012-04-11 | 株式会社东芝 | Power semiconductor device |
CN104752493A (en) * | 2010-09-17 | 2015-07-01 | 株式会社东芝 | Power semiconductor device |
USRE46311E1 (en) | 2010-09-17 | 2017-02-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Power semiconductor device |
JP2014504017A (en) * | 2010-12-23 | 2014-02-13 | 無錫華潤上華半導体有限公司 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
US8987814B2 (en) | 2013-04-26 | 2015-03-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
JP2015198133A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-09 | 株式会社東芝 | semiconductor device |
US10847648B2 (en) | 2018-02-14 | 2020-11-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
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