JP2010153622A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子に係り、特にドリフト層にp型ピラー層とn型ピラー層が横方向に交互に設けられたスーパージャンクション構造を有する半導体素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a super junction structure in which p-type pillar layers and n-type pillar layers are alternately provided in a lateral direction on a drift layer.
縦型パワーMOSFETのオン抵抗は、伝導層としてのドリフト層部分の電気抵抗に大きく依存する。このドリフト層の電気抵抗は、その不純物濃度で決定され、不純物濃度を高くすればオン抵抗を下げることができる。しかし、不純物濃度が高くなるとドリフト層とベース層から形成されるPN接合の耐圧が低下するので、不純物濃度は耐圧に応じて決定する限界以上に上げることができない。このため、素子耐圧とオン抵抗との間にはトレードオフの関係が存在する。このトレードオフの関係を解決するMOSFETの一例として、ドリフト層にスーパージャンクション構造と呼称されるp型ピラー層とn型ピラー層を半導体基板上の横方向に交互に埋め込んだ構造が知られている。スーパージャンクション構造は、p型ピラー層とn型ピラー層に含まれるチャージ量(不純物量)を同じにすることにより、擬似的にノンドープ層を作り出し、高耐圧を保持しながら高ドープされたn型ピラー層を通して電流を流すことで材料限界を超えた低オン抵抗を実現している(例えば、特許文献1参照。)。 The on-resistance of the vertical power MOSFET greatly depends on the electric resistance of the drift layer portion as the conductive layer. The electrical resistance of the drift layer is determined by the impurity concentration, and the on-resistance can be lowered by increasing the impurity concentration. However, since the breakdown voltage of the PN junction formed from the drift layer and the base layer decreases as the impurity concentration increases, the impurity concentration cannot be increased beyond the limit determined according to the breakdown voltage. For this reason, there is a trade-off relationship between element breakdown voltage and on-resistance. As an example of a MOSFET that solves this trade-off relationship, a structure is known in which a p-type pillar layer and an n-type pillar layer called a super junction structure are alternately embedded in a drift layer in a lateral direction on a semiconductor substrate. . The super junction structure creates a pseudo non-doped layer by making the charge amount (impurity amount) contained in the p-type pillar layer and the n-type pillar layer the same, and highly doped n-type while maintaining a high breakdown voltage. A low on-resistance exceeding the material limit is realized by passing a current through the pillar layer (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1などに記載される縦型パワーMOSFETでは、横方向のピッチを縮小化した場合、ベース層形成に必要な高温度で、且つ長時間の熱拡散によりp型ピラー層とn型ピラー層の濃度の打ち消しあいが発生し、実効的に不純物濃度が低下してオン抵抗が増加するという問題点がある。
本発明は、横方向のピッチが狭い場合でも耐圧が高く、且つオン抵抗を低くすることができるスーパージャンクション構造を有する半導体素子を提供する。 The present invention provides a semiconductor element having a super junction structure that has high breakdown voltage and low on-resistance even when the lateral pitch is narrow.
本発明の一態様の半導体素子は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、断面が短冊状の第1導電型の第1半導体ピラー層と第2導電型の第2半導体ピラー層とが前記半導体基板の表面に沿って横方向に交互に形成されるピラー層と、前記半導体基板に電気的に接続される第1の主電極と、前記第2半導体ピラー層の表面に設けられる第2導電型の半導体ベース層と、前記半導体ベース層の表面に設けられる第1導電型の半導体層と、前記半導体ベース層と前記半導体層に接するように設けられる第2の主電極と、前記半導体層と前記第1半導体ピラー層に亘る領域にゲート絶縁膜を介して設けられる制御電極とを具備し、前記半導体ベース層は横方向及び縦方向の不純物プロファイルが一定な領域を有することを特徴とする。 A semiconductor element of one embodiment of the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type first semiconductor pillar layer having a strip-shaped cross section, and a second conductivity type second substrate provided on the semiconductor substrate. Pillar layers in which semiconductor pillar layers are alternately formed in the lateral direction along the surface of the semiconductor substrate, a first main electrode electrically connected to the semiconductor substrate, and a surface of the second semiconductor pillar layer A second conductive type semiconductor base layer provided on the semiconductor base layer, a first conductive type semiconductor layer provided on a surface of the semiconductor base layer, and a second main electrode provided in contact with the semiconductor base layer and the semiconductor layer And a control electrode provided through a gate insulating film in a region extending between the semiconductor layer and the first semiconductor pillar layer, and the semiconductor base layer has a region having a constant lateral and vertical impurity profile. With features That.
本発明によれば、横方向のピッチが狭い場合でも耐圧が高く、且つオン抵抗を低くすることができるスーパージャンクション構造を有する半導体素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor element having a super junction structure that has high breakdown voltage and low on-resistance even when the lateral pitch is narrow.
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、本発明の実施例1に係る半導体素子について、図面を参照して説明する。図1は半導体素子としてのパワーMOSFETを示す断面図である。本実施例では、横方向に交互に設けられたp型ピラー層とn型ピラー層において、横方向及び縦方向の不純物プロファイルが一定な領域を設けている。p型ピラー層上には、エピタキシャル法により不純物プロファイルが一定な領域を有するp型ベース層を設けている。 First, a semiconductor element according to Example 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a power MOSFET as a semiconductor element. In this embodiment, regions having constant impurity profiles in the horizontal direction and the vertical direction are provided in the p-type pillar layer and the n-type pillar layer alternately provided in the horizontal direction. A p-type base layer having a region having a constant impurity profile is provided on the p-type pillar layer by an epitaxial method.
図1に示すように、縦型パワーMOSFETであるパワーMOSFET70は、p型ピラー層(第2半導体ピラー層)2とn型ピラー層(第1半導体ピラー層)5がドレイン層としてのn+型基板1上の図中横方向に交互に周期的に形成されるピラー層を有する(スーパージャンクション構造)。ここでは、ピラー層を図中直交方向に延びるストライプ状に形成しているが、代わりに格子状或いは千鳥状に形成してもよい。
As shown in FIG. 1, a
ピラー層が設けられるドレイン層としてのn+型基板1の第1主面と相対向するn+型基板1の第2主面には、n+型基板1と電気的に接続される第1の主電極としてのドレイン電極6が設けられる。
A first main surface electrically connected to the n + type substrate 1 is connected to a second main surface of the n + type substrate 1 opposite to the first main surface of the n + type substrate 1 as a drain layer provided with a pillar layer. A
p型ピラー層2上と、p型ピラー層2と接するn型ピラー層5の上側面部分にはp型ベース層(半導体ベース層)3が設けられる。n型ピラー層5及びn型ピラー層5と接するp型ベース層3上には、ゲート絶縁膜8を介して制御電極としてのゲート電極9が設けられる。ゲート電極9は、側面及び上面部分が絶縁膜10により分離される。
A p-type base layer (semiconductor base layer) 3 is provided on the p-
ゲート電極9の両端部直下のp型ベース層3の表面には、n型ソース層4が設けられる。n型ソース層4と隣接配置される他のゲート電極9に設けられるn型ソース層4の間には、p型ベース層3が残置される。p型ベース層3、n型ソース層4、及び絶縁膜10上には、p型ベース層3及びn型ソース層4と電気的に接続される第2電極としてのソース電極7が設けられる。
An n-type source layer 4 is provided on the surface of the p-
次に、パワーMOSFETの製造方法について図2乃至9を参照して説明する。図2乃至9はパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a power MOSFET will be described with reference to FIGS. 2 to 9 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the power MOSFET.
図2に示すように、まず、N型不純物が高濃度にドープされたシリコン基板であるn+型基板1上に、シリコンエピタキシャル成長法によりp型ピラー層2を形成する。ここで、エピタキシャル成長には、n+型基板1中の高濃度の不純物がオートドーピングしにくい比較的低温度の条件を用いるのが好ましい。オートドーピングが発生するとn+型基板1側のp型ピラー層2の不純物濃度が低下する。
As shown in FIG. 2, first, a p-
次に、図3に示すように、n+型基板1表面が露呈するまでp型ピラー層2をエッチングして断面が矩形型形状を有する複数の溝11を形成する。ここで、ピッチが同一になるように複数の溝11が形成される。溝11の形成は、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法を用いる。その場合、p型ピラー層2とn+型基板1に発生するダメージや表面汚染を除去する目的でRIE後処理が行われる。
Next, as shown in FIG. 3, the p-
続いて、図4に示すように、シリコンエピタキシャル成長法により、溝11の部分にn型ピラー層5を埋設する。n型ピラー層5の形成は、p型ピラー層2上に絶縁膜を形成し、例えば、UHV−CVD法を用いて選択エピタキシャル成長(SEG:Selective Epitaxial Growth)により形成する。選択エピタキシャル成長は、n+型基板1中の高濃度の不純物がオートドーピングしにくい比較的低温度のエピタキシャル成長条件を用いるのが好ましい。その後、絶縁膜、p型ピラー層2、及びn型ピラー層5を、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて研磨し、平坦化する。
Subsequently, as shown in FIG. 4, an n-
ここで、p型ピラー層2及びn型ピラー層5の不純物濃度は、例えば1×1015/cm3〜1×1016/cm3の範囲に設定される。ピラーのピッチは、例えば8μm〜12μmの範囲に設定される。ここでは、p型ピラー層2を形成してからn型ピラー層5を形成しているが、n型ピラー層5を形成してからp型ピラー層2を形成してもよい。
Here, the impurity concentration of the p-
そして、図5に示すように、p型ピラー層2の上部と、p型ピラー層2と接するn型ピラー層5の側面部をエッチングして断面が矩形型形状を有する複数の溝12を形成する。ここで、ピッチが同一になるように複数の溝12が形成される。溝12の形成は、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法を用いる。その場合、p型ピラー層2とn型ピラー層5に発生するダメージや表面汚染を除去する目的でRIE後処理が行われる。
Then, as shown in FIG. 5, the upper part of the p-
次に、図6に示すように、選択エピタキシャル成長(SEG:Selective Epitaxial Growth)により、溝12の部分にp型ベース層3を埋設する。n型ピラー層5の形成は、n型ピラー層5上に絶縁膜を形成し、例えば、選択エピタキシャル成長(SEG:Selective Epitaxial Growth)により形成する。その後、絶縁膜、n型ピラー層5、及びp型ベース層3を、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて研磨し、平坦化する。ここで、p型ベース層3の不純物濃度は、例えば5×1016/cm3〜1×1017/cm3の範囲に設定される。ここでは、p型ベース層3の幅をp型ピラー層2の幅よりも広く形成しているが、同じ幅或いは狭く形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 6, the p-
続いて、図7に示すように、n型ピラー層5及びp型ベース層3上にゲート絶縁膜8とゲート電極9を積層形成し、周知のリソグラフィー法を用いて形成された図示しないレジスト膜をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法によりゲート電極9とゲート絶縁膜8をエッチングする。その後、レジスト膜の除去及びRIE後処理する。
Subsequently, as shown in FIG. 7, a gate
そして、図8に示すように、周知のリソグラフィー法を用いて形成された図示しないレジスト膜をマスクとして、p型ベース層3の表面にn型不純物をイオン注入する。レジスト膜を除去後、このイオン注入層を熱処理により活性化させてn型ソース層4を形成する。
Then, as shown in FIG. 8, n-type impurities are ion-implanted into the surface of the p-
次に、図9に示すように、p型ベース層3、n型ソース層4、及びゲート電極9上に絶縁膜10を形成し、絶縁膜10をエッチングしてソース開口部を形成する。ソース開口部を覆うように、p型ベース層3及びn型ソース層4と電気的に接続される第2の主電極としてのソース電極7を形成する。ソース電極7形成後、n+型基板1の裏面にn+型基板1と電気的に接続される第1の主電極としてのドレイン電極6を形成し、パワーMOSFET70が完成する。
Next, as shown in FIG. 9, an
次に、パワーMOSFETの特性について図10乃至12を参照して説明する。図10はパワーMOSFETのベース層の不純物プロファイルを示す図、図11は実効ピラー濃度と拡散長の関係を示す図、図12は高加速イオン注入法を用いた場合のベース層の不純物プロファイルを示す図である。 Next, the characteristics of the power MOSFET will be described with reference to FIGS. 10 is a diagram showing the impurity profile of the base layer of the power MOSFET, FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the effective pillar concentration and the diffusion length, and FIG. 12 shows the impurity profile of the base layer when the high acceleration ion implantation method is used. FIG.
なお、図10は図1のA1−A2線に沿うベース層の不純物プロファイルを示す図、図11は図1のB1−B2線に沿う実効ピラー濃度と拡散長の関係を示す図である。図11は、p型ピラー層2の中央部からn型ピラー層5との境界部に向かう方向の距離(拡散長と表記)に対する実効ピラー濃度を示す図である。ピラー濃度とは、p型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度の打ち消しあいが起こった後でのp型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度である。図11では、打ち消しあいが起こった後でのp型ピラー層2の不純物濃度を実効ピラー濃度と表記している。実効ピラー濃度が100%というのは、p型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度の打ち消しあいが発生しない場合の不純物濃度である。
10 is a diagram showing the impurity profile of the base layer along the line A1-A2 in FIG. 1, and FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the effective pillar concentration and the diffusion length along the line B1-B2 in FIG. FIG. 11 is a diagram showing the effective pillar concentration with respect to the distance (denoted as the diffusion length) in the direction from the center of the p-
図10に示すように、本実施例では、シリコンエピタキシャル法を用いて、例えば、深さが3μmで、深さ方向の不純物濃度が一定(ここでは、深さ方向の90%までの領域が一定な不純物濃度1×1017/cm3)のp型ベース層3を形成している。しかも比較的低温度のシリコンエピタキシャル法を用いてp型ベース層3を形成している。
As shown in FIG. 10, in this embodiment, the silicon epitaxial method is used, for example, the depth is 3 μm and the impurity concentration in the depth direction is constant (here, the region up to 90% in the depth direction is constant). forming a p-
このため、p型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度の打ち消しあいによる実効的な不純物濃度の低下が抑制され、オン抵抗を低減することができる。また、実効的な不純物濃度の低下が抑制されるので、予め不純物濃度の打ち消しあいを考慮してp型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度を上げておく必要がない。この結果、スーパージャンクション構造を構成するp型ピラー層2とn型ピラー層5のバラツキが抑制され、高耐圧化を図りやすくなる。p型ベース層3を浅く形成してもトータルドーパント量を維持することができ、p型ベース層3の横方向の幅を溝12の幅で任意に調整することができ、表面のチャネル部の抵抗を低減することができる。
For this reason, a decrease in effective impurity concentration due to cancellation of impurity concentrations of the p-
一方、イオン注入法と高温処理(高温熱拡散)を用いてp型ベース層3を形成した比較例では、p型ベース層3の深さが本実施例よりも深く(4μm)、深さ方向の不純物濃度が一定ではない(表面不純物濃度が最も高く、深さ方向で徐々に不純物濃度が低下する)。しかもピラー層形成後に、比較的高温度の熱処理が行われる。
On the other hand, in the comparative example in which the p-
このため、p型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度の打ち消しあいによる実効的な不純物濃度の低下が発生し、オン抵抗を低減することが困難となる(特に横方向のピッチが縮小化された場合、より顕著となる)。また、実効的な不純物濃度の低下が発生するので、予め不純物濃度の打ち消しあいを考慮してp型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度を上げておく必要がある。この結果、スーパージャンクション構造を構成するp型ピラー層2とn型ピラー層5のバラツキが発生し、高耐圧化を図りにくくなる(特に横方向のピッチが縮小化された場合、より顕著となる)。
For this reason, the effective impurity concentration is lowered due to the cancellation of the impurity concentrations of the p-
図10に示すように、本実施例では高温熱拡散を行っていないことにより、p型ベース層3の表面から深さの(2/3)である2μmまでの不純物濃度が表面不純物濃度の90%以上ある。また、図11に示すように、本実施例では、高温熱拡散による実効ピラー濃度の低下が抑制され、p型ピラー層2の中央部から拡散長2μmまで実効ピラー濃度が50%以上となる領域を確保することができる。図示していないがn型ピラー層5でも同様に実効ピラー濃度が50%以上となる領域を確保することができる。
As shown in FIG. 10, in this embodiment, since high-temperature thermal diffusion is not performed, the impurity concentration from the surface of the p-
図12に示すように、p型ベース層の形成をシリコンエピタキシャル法の代わりに、加速電圧を可変し、深さ方向に複数のピークを有するイオン注入層を形成し、比較的低温度の熱処理によりこのイオン注入層を活性化させる方法によりp型ベース層を形成してもよい。 As shown in FIG. 12, instead of the silicon epitaxial method, the p-type base layer is formed by changing the acceleration voltage, forming an ion implantation layer having a plurality of peaks in the depth direction, and performing heat treatment at a relatively low temperature. The p-type base layer may be formed by a method of activating this ion implantation layer.
ここでは、深さ方向で互いにピークが異なる4つのプロファイルが有するp型ベース層が形成される。このプロファイルの形成には、p型の不純物(ボロン等)のイオン注入の加速電圧を、例えば数十KeVから数MeVの範囲の条件を適宜選択することにより達成できる。p型ベース層の不純物濃度は、ピーク間のバレー濃度がピーク濃度の10%以上に設定するのが好ましい。具体的には、p型ベース層の不純物濃度を5×1016/cm3〜1×1017/cm3の範囲に設定し、ピラー濃度を1×1015/cm3〜1×1016/cm3の範囲に設定する。ここで、バレー濃度とは、ピークとピークの間の底部の不純物濃度を言う。 Here, a p-type base layer having four profiles having different peaks in the depth direction is formed. Formation of this profile can be achieved by appropriately selecting the acceleration voltage for ion implantation of p-type impurities (boron or the like), for example, in the range of several tens KeV to several MeV. The impurity concentration of the p-type base layer is preferably set so that the valley concentration between peaks is 10% or more of the peak concentration. Specifically, the impurity concentration of the p-type base layer is set in a range of 5 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 17 / cm 3 , and the pillar concentration is 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 16 / Set in the range of cm 3 . Here, the valley concentration refers to the impurity concentration at the bottom between the peaks.
このような設定により、シリコンエピタキシャル法と同様に、p型ベース層3の表面から深さの(2/3)である2μmまでの不純物濃度が表面不純物濃度の90%以上を確保でき、シリコンエピタキシャル法を用いて形成されたp型ベース層3の場合(図11に示す)と同様に、拡散長2μmまで実効ピラー濃度が50%以上となる領域を確保することができる。
With this setting, as in the silicon epitaxial method, the impurity concentration from the surface of the p-
ピーク間のバレー濃度がピーク濃度の10%以下に設定した場合、バレー濃度が5×1015/cm3〜1×1016/cm3の範囲以下となりピラー濃度と同等となる。この結果、高電圧を印加した場合にp型ベース層のバレー部分が空乏化してしまうという問題点が発生するので好ましくない。 When the valley concentration between the peaks is set to 10% or less of the peak concentration, the valley concentration is equal to or less than the range of 5 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 16 / cm 3 and the pillar concentration. As a result, when a high voltage is applied, the valley portion of the p-type base layer is depleted, which is not preferable.
次に、パワーMOSFETの終端部について図13を参照して説明する。図13はパワーMOSFETの終端部を示す断面図である。 Next, the termination portion of the power MOSFET will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a termination portion of the power MOSFET.
図13に示すように、パワーMOSFET70の終端部には、n−層21の表面にp型ベース層3と離間し、終端のp型ベース層3の外周を囲うように複数のp型ガードリング層22が設けられる。p型ガードリング層22上には、絶縁膜23をエッチングした開口部を覆うように、p型ガードリング層22と電気的に接続されるガードリング電極24が設けられる。
As shown in FIG. 13, the
次に、パワーMOSFETの終端部の製造方法について図14を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the terminal portion of the power MOSFET will be described with reference to FIG.
図14に示すように、p型ガードリング層22は、p型ベース層3の形成と同じ工程で行われる。具体的には、p型ピラー層2の上部と、p型ピラー層2と接するn型ピラー層5の側面部、及びn−層21の上部をエッチングして断面が矩形型形状を有する複数の溝12を形成する。なお、これ以降の工程については、図示及び説明を省略する。
As shown in FIG. 14, the p-type
上述したように、本実施例の半導体素子では、p型ピラー層2とn型ピラー層5がn+型基板1上に交互に周期的に形成され、スーパージャンクション構造となるピラー層が設けられる。p型ピラー層2上と、p型ピラー層2と接するn型ピラー層5の上側面部分には、シリコンエピタキシャル法により、深さが3μmで、深さ方向の90%までの領域が一定な不純物濃度を有するp型ベース層3が設けられる。n型ピラー層5及びn型ピラー層5と接するp型ベース層3上には、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9が設けられる。ゲート電極9は、側面及び上面部分が絶縁膜10により分離される。ゲート電極9の両端部直下のp型ベース層3の表面には、n型ソース層4が設けられる。
As described above, in the semiconductor element of this embodiment, the p-
このため、パワーMOSFET70では、横方向のピッチを縮小化した場合でも、高温熱拡散によって発生するp型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度の打ち消しあいによる実効ピラー濃度の低下が抑制され、拡散長2μmまで実効ピラー濃度が50%以上となる領域を確保することができる。p型ベース層3と同様にp型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物は拡散が抑制されているので、p型ピラー層2とn型ピラー層5の中心部では不純物濃度が変化せず、一定である。したがって、実効的な不純物濃度の低下を抑制でき、パワーMOSFET70の高耐圧化を図りながら、低オン抵抗化を達成することができる。
For this reason, in the
なお、本実施例では、Nch型のスーパージャンクション構造を有するパワーMOSFET70に適用しているが、Pch型のスーパージャンクション構造を有するパワーMOSFETにも適用することができる。
In this embodiment, the present invention is applied to the
次に、本発明の実施例2に係る半導体素子について、図面を参照して説明する。図15は半導体素子としてのパワーMOSFETを示す断面図である。本実施例では、パワーMOSFETをトレンチ形状にしている。 Next, a semiconductor element according to Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a power MOSFET as a semiconductor element. In this embodiment, the power MOSFET has a trench shape.
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.
図15に示すように、パワーMOSFET71は、ゲートが基板に埋設されたトレンチ形状を有する縦型パワーMOSFETである。
As shown in FIG. 15, the
p型ピラー層2上には、p型ベース層3が形成される。n型ピラー層5上とp型ベース層3の側面には、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9が基板に埋設される。p型ベース層3の両側の上端部には、ゲート絶縁膜8と接するようにn型ソース層4が設けられる。
A p-
ゲート絶縁膜8及びゲート電極9の上部には、絶縁膜10が設けられ、ゲート電極9を周囲から電気的に分離している。p型ベース層3、n型ソース層4、及び絶縁膜10上には、p型ベース層3及びn型ソース層4と電気的に接続される第2電極としてのソース電極7が設けられる。
An insulating
次に、パワーMOSFETの製造方法について図16及び図17を参照して説明する。図16及び図17はパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a power MOSFET will be described with reference to FIGS. 16 and 17 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the power MOSFET.
図16に示すように、p型ピラー層2及びn型ピラー層5を形成後、シリコンエピタキシャル法により、p型ピラー層2及びn型ピラー層5上にp型ベース層3を形成する。
As shown in FIG. 16, after forming the p-
次に、図17に示すように、n型ピラー層5まで達するように断面が矩形型形状を有する複数の溝13を形成する。ここで、ピッチが同一になるように複数の溝13が形成される。溝13の形成は、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法を用いる。その場合、p型ピラー層2とn型ピラー層5に発生するダメージや表面汚染を除去する目的でRIE後処理が行われる。ここでは、トレンチゲートの横幅となる溝13の幅をn型ピラー層5の横幅と等しく形成しているが、溝13の幅をn型ピラー層5の横幅よりも広く、或いは狭く形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 17, a plurality of
なお、これ以降、周知の技術を用いてトレンチゲート形成、n型ソース形成、層間膜形成、電極形成などが行われパワーMOSFET71が完成する。
Thereafter, trench gate formation, n-type source formation, interlayer film formation, electrode formation, and the like are performed using well-known techniques to complete the
ここで、本実施例のトレンチゲートパワーMOSFET71と実施例1のプレーナ型パワーMOSFET70を比較すると、パワーMOSFET71ではp型ベース層3とゲート電極9の位置合わせズレが発生しない。このため、チャネル長のバラツキを抑制することができる。また、p型ベース層3を浅く形成することが可能となり、チャネル長を短くし、チャネル抵抗を小さくすることができる。
Here, when the trench
上述したように、本実施例の半導体素子では、p型ピラー層2とn型ピラー層5がn+型基板1上に交互に周期的に形成され、スーパージャンクション構造となるピラー層が設けられる。p型ピラー層2上には、シリコンエピタキシャル法により、深さ方向の90%までの領域が一定な不純物濃度を有するp型ベース層3が設けられる。nピラー層5上と、p型ベース層3の側面とには、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9が基板に埋設される。p型ベース層3の上部の両側面部には、n型ソース層4が設けられる。
As described above, in the semiconductor element of this embodiment, the p-
このため、パワーMOSFET71では、横方向のピッチを縮小化した場合でも、高温熱拡散によって発生するp型ピラー層2とn型ピラー層5の不純物濃度の打ち消しあいによる実効ピラー濃度の低下が抑制される。したがって、実効的な不純物濃度の低下を抑制でき、パワーMOSFET71の高耐圧化を図りながら、オン抵抗の低下を達成することができる。また、p型ベース層3とゲート電極9の位置合わせズレが発生しないのでチャネル長のバラツキを抑制することができる。更に、p型ベース層3を浅く形成することが可能となり、チャネル長を短くし、チャネル抵抗を小さくすることができる。
Therefore, in the
なお、本実施例では、Nch型のスーパージャンクション構造を有するトレンチゲートパワーMOSFET70に適用しているが、Pch型のスーパージャンクション構造を有するトレンチゲートパワーMOSFETにも適用することができる。また、ゲート電極9の上部をp型ベース層3よりも高く形成しているが、ゲート電極9の上端をp型ベース層3と同じ高さに形成、或いはゲート電極をp型ベース層3よりも低く形成してもよい。
In this embodiment, the present invention is applied to the trench
次に、本発明の実施例3に係る半導体素子について、図面を参照して説明する。図18は半導体素子としてのパワーMOSFETを示す断面図である。本実施例では、パワーMOSFETのベース層、ソース層、及びドリフト層を高不純物濃度化している。 Next, a semiconductor element according to Example 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 18 is a cross-sectional view showing a power MOSFET as a semiconductor element. In this embodiment, the base layer, the source layer, and the drift layer of the power MOSFET are increased in impurity concentration.
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.
図18に示すように、縦型パワーMOSFETであるパワーMOSFET72は、p型ピラー層2とn型ピラー層5がドレイン層としてのn+型基板1上の図中横方向に交互に周期的に形成されるピラー層を有する(スーパージャンクション構造)。また、ベース層、ソース層、及びドリフト層を高不純物濃度化している。
As shown in FIG. 18, a
p型ピラー層2上と、p型ピラー層2と接するn型ピラー層5の上端部上にはp+型ベース層31が設けられる。n型ピラー層5の上部の中央部上には、n+ドリフト層32が設けられる。n+ドリフト層32上と、n+ドリフト層32に隣接するp+型ベース層31の上端部上には、ゲート絶縁膜8を介して制御電極としてのゲート電極9が設けられる。ゲート電極9は、側面及び上面部分が絶縁膜10により分離される。ゲート電極9の両端部直下のp+型ベース層31の表面には、n+型ソース層33が設けられる。n+型ソース層33と隣接配置される他のゲート電極9に設けられるn+型ソース層33の間には、p+型ベース層31が残置される。p+型ベース層31、n+型ソース層33、及び絶縁膜10上には、p+型ベース層31及びn+型ソース層33と電気的に接続される第2電極としてのソース電極7が設けられる。
A p + -
ここで、p+型ベース層31は実施例1のp型ベース層3よりもp型不純物が高濃度にドープされる。n+ドリフト層32は実施例1のn型ピラー層5の上部領域に相当し、n型不純物がn型ピラー層5よりも高濃度にドープされる。n+型ソース層33は実施例1のn型ソース層4よりもn型不純物が高濃度にドープされる。
Here, the p +
次に、パワーMOSFETの製造方法について図19乃至図21を参照して説明する。図19乃至図21はパワーMOSFETの製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a power MOSFET will be described with reference to FIGS. 19 to 21 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the power MOSFET.
図19に示すように、シリコンエピタキシャル成長法により、p型ピラー層2及びn型ピラー層5上にn+ドリフト層32を形成する。ここで、n+ドリフト層32の形成は、n+ドリフト層32中の高濃度の不純物がp型ピラー層2及びn型ピラー層5に拡散されにくい比較的低温度のエピタキシャル成長条件を用いるのが好ましい。
As shown in FIG. 19, an n + drift layer 32 is formed on the p-
次に、図20に示すように、p型ピラー層2上部のn+ドリフト層32と、n型ピラー層5の上端部のn+ドリフト層32とをエッチングして断面が矩形型形状を有する複数の溝14を形成する。ここで、ピッチが同一になるように複数の溝14が形成される。溝14の形成は、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法を用いる。その場合、p型ピラー層2、n型ピラー層5、及びn+ドリフト層32に発生するダメージや表面汚染を除去する目的でRIE後処理が行われる。
Next, as shown in FIG. 20, the p-
続いて、図21に示すように、選択エピタキシャル成長(SEG:Selective Epitaxial Growth)により、溝14の部分にp+型ベース層31を埋設する。p+型ベース層31の形成は、n+ドリフト層32上に絶縁膜を形成し、例えば、選択エピタキシャル成長(SEG:Selective Epitaxial Growth)により形成する。その後、絶縁膜、n+ドリフト層32、及びp+型ベース層31を、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて研磨し、平坦化する。
Subsequently, as shown in FIG. 21, a p + -
そして、p+型ベース層31及びn+ドリフト層32上にゲート絶縁膜8とゲート電極9を積層形成し、レジスト膜をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法によりゲート電極9とゲート絶縁膜8をエッチングする。その後、レジスト膜の除去及びRIE後処理する。
Then, the
続いて、レジスト膜をマスクとして、p+型ベース層31の表面にn型不純物をイオン注入する。レジスト膜を除去後、このイオン注入層を熱処理により活性化させてn+型ソース層33を形成する。
Subsequently, n-type impurities are ion-implanted into the surface of the p + -
なお、これ以降、周知の技術を用いて層間膜形成、電極形成などが行われパワーMOSFET72が完成する。
Thereafter, interlayer film formation, electrode formation, and the like are performed using well-known techniques, and the
上述したように、本実施例の半導体素子では、p型ピラー層2とn型ピラー層5がn+型基板1上に交互に周期的に形成され、スーパージャンクション構造となるピラー層が設けられる。p型ピラー層2上と、p型ピラー層2と接するn型ピラー層5の上側面部分には、シリコンエピタキシャル法により、深さ方向の90%までの領域が一定な不純物濃度を有するp+型ベース層31が設けられる。n型ピラー層5の中央部上には、シリコンエピタキシャル法により、n+型ドリフト層32が設けられる。p+型ベース層31とn+型ドリフト層32上には、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9が設けられる。ゲート電極9は、側面及び上面部分が絶縁膜10により分離される。ゲート電極9の両端部直下のp+型ベース層31の表面には、n+型ソース層33が設けられる。
As described above, in the semiconductor element of this embodiment, the p-
このため、実施例1と同様な効果を有する。したがって、実効的な不純物濃度の低下を抑制でき、パワーMOSFET72の高耐圧化を図りながら、低オン抵抗化を達成することができる。
For this reason, it has the same effect as Example 1. Therefore, a reduction in effective impurity concentration can be suppressed, and a low on-resistance can be achieved while increasing the breakdown voltage of the
次に、本発明の実施例4に係る半導体素子について、図面を参照して説明する。図22は半導体素子としてのパワーMOSFETを示す断面図である。本実施例では、パワーMOSFETの終端部にp型ガードリング層及びp型リサーフ層を設けている。 Next, a semiconductor element according to Example 4 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 22 is a cross-sectional view showing a power MOSFET as a semiconductor element. In this embodiment, a p-type guard ring layer and a p-type RESURF layer are provided at the terminal portion of the power MOSFET.
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.
図22に示すように、縦型パワーMOSFETであるパワーMOSFET73の終端部には、n−層21上に、p型ベース層3の側面及びp型ピラー層2の上部側面と接し、p型ベース層3よりも深いp型ガードリング層41がp型ベース層3の最外周端に沿って設けられる。p型ガードリング層41の外周には、n−層21上に、p型ガードリング層41の側面と接し、p型ガードリング層41よりも浅く、幅広なp型リサーフ層42が設けられる。p型リサーフ層42はソース電極7と電気的に接続される。p型ガードリング層41は、p型ピラー層2及びn型ピラー層5よりも先に形成される。
As shown in FIG. 22, the end portion of the
ここで、p型ガードリング層41及びp型リサーフ層42を設けることにより、横方向に空乏層が伸び、p型ベース層3の端部での電界集中が緩和され、高耐圧のパワーMOSFETを実現することができる。なお、p型ガードリング層41及びp型リサーフ層42の直下部分と、p型リサーフ層42よりも外周部のn−層21部とをp型ピラー層2及びn型ピラー層5が交互に繰り返し形成されるスーパージャンクション構造にしてもよい。
Here, by providing the p-type
上述したように、本実施例の半導体素子では、終端部のn−層21上に、p型ベース層3の側面及びp型ピラー層2の上部側面と接し、p型ベース層3よりも深いp型ガードリング層41がp型ベース層3の最外周端に沿って設けられる。p型ガードリング層41の外周には、n−層21上に、p型ガードリング層41の側面と接し、p型ガードリング層41よりも浅く、幅広なp型リサーフ層42が設けられる。
As described above, in the semiconductor element of this example, the side surface of the p-
このため、p型ガードリング層41及びp型リサーフ層42により、横方向に空乏層が伸び、p型ベース層3の端部での電界集中が緩和され、低オン抵抗を有する高耐圧のパワーMOSFET73を実現することができる。
For this reason, the p-type
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the invention.
例えば、実施例ではシリコン(Si)を用いたMOSFETに適用しているが、シリコンカーバイド(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの化合物半導体、或いはダイヤモンドなどのワイドバンドギャップを有する半導体に適用することができる。また、スーパージャンクション構造を有するSBD、SIT、IGBTなどにも適用することができる。 For example, although the embodiment is applied to a MOSFET using silicon (Si), it is applied to a compound semiconductor such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN), or a semiconductor having a wide band gap such as diamond. Can do. Further, the present invention can also be applied to SBD, SIT, IGBT and the like having a super junction structure.
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、断面が短冊状の第1導電型の第1半導体ピラー層と第2導電型の第2半導体ピラー層とが前記半導体基板の表面に沿って横方向に交互に形成されるピラー層と、前記半導体基板に電気的に接続される第1の主電極と、前記第2半導体ピラー層の表面に設けられる第2導電型の半導体ベース層と、前記半導体ベース層の表面に設けられる第1導電型の半導体層と、前記半導体ベース層と前記半導体層に接するように設けられる第2の主電極と、前記半導体層と前記第1半導体ピラー層に亘る領域にゲート絶縁膜を介して設けられる制御電極とを具備し、前記半導体層と前記第1半導体ピラー層の間に縦方向にチャネルが形成され、前記半導体ベース層は横方向及び縦方向の不純物プロファイルが一定な領域を有することを特徴とする半導体素子。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Supplementary Note 1) A first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type first semiconductor pillar layer and a second conductivity type second semiconductor pillar layer which are provided on the semiconductor substrate and have a strip-like cross section. Pillar layers alternately formed in the lateral direction along the surface of the semiconductor substrate, a first main electrode electrically connected to the semiconductor substrate, and a second conductive provided on the surface of the second semiconductor pillar layer Type semiconductor base layer, a first conductive type semiconductor layer provided on the surface of the semiconductor base layer, a second main electrode provided in contact with the semiconductor base layer and the semiconductor layer, and the semiconductor layer, A control electrode provided through a gate insulating film in a region extending over the first semiconductor pillar layer, wherein a channel is formed in a vertical direction between the semiconductor layer and the first semiconductor pillar layer, and the semiconductor base layer Is horizontal and vertical A semiconductor element having a region having a constant impurity profile.
(付記2) 前記半導体ベース層のプロファイルは複数のピークを有し、前記半導体ベース層の表面から深さの(1/2)までの間でのピーク濃度が前記半導体ベース層表面の濃度の90%以上である付記1に記載の半導体素子。
(Supplementary Note 2) The profile of the semiconductor base layer has a plurality of peaks, and the peak concentration from the surface of the semiconductor base layer to (1/2) of the depth is 90% of the concentration of the surface of the semiconductor base layer. The semiconductor element according to
(付記3) バレー濃度がピーク濃度の10%以上である付記2に記載の半導体素子。
(Additional remark 3) The semiconductor element of
(付記4) 前記半導体ベース層の深さは、前記半導体ベース層に隣接配置される素子終端部のガードリング層の深さよりも浅い付記1乃至3のいずれかに記載の半導体素子。
(Additional remark 4) The semiconductor element in any one of
1 n+型基板
2 p型ピラー層
3 p型ベース層
4 n型ソース層
5 n型ピラー層
6 ドレイン電極
7 ソース電極
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
10、23 絶縁膜
11〜14 溝
21 n−層
22 p型ガードリング層
24 ガードリング電極
31 p+型ベース層
32 n+型ドリフト層
33 n+型ソース層
41 p型ガードリング層
42 p型リサーフ層
70〜73 パワーMOSFET
1 n + type substrate 2 p-type pillar layer 3 p-type base layer 4 n-type source layer 5 n-
Claims (5)
前記半導体基板上に設けられ、断面が短冊状の第1導電型の第1半導体ピラー層と第2導電型の第2半導体ピラー層とが前記半導体基板の表面に沿って横方向に交互に形成されるピラー層と、
前記半導体基板に電気的に接続される第1の主電極と、
前記第2半導体ピラー層の表面に設けられる第2導電型の半導体ベース層と、
前記半導体ベース層の表面に設けられる第1導電型の半導体層と、
前記半導体ベース層と前記半導体層に接するように設けられる第2の主電極と、
前記半導体層と前記第1半導体ピラー層に亘る領域にゲート絶縁膜を介して設けられる制御電極と、
を具備し、前記半導体ベース層は横方向及び縦方向の不純物プロファイルが一定な領域を有することを特徴とする半導体素子。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductive type first semiconductor pillar layer and a second conductive type second semiconductor pillar layer which are provided on the semiconductor substrate and have a strip-like cross section are alternately formed in the lateral direction along the surface of the semiconductor substrate. With pillar layer
A first main electrode electrically connected to the semiconductor substrate;
A second conductivity type semiconductor base layer provided on a surface of the second semiconductor pillar layer;
A first conductivity type semiconductor layer provided on a surface of the semiconductor base layer;
A second main electrode provided in contact with the semiconductor base layer and the semiconductor layer;
A control electrode provided via a gate insulating film in a region extending between the semiconductor layer and the first semiconductor pillar layer;
The semiconductor base layer has a region having a constant impurity profile in the horizontal direction and the vertical direction.
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