JP2012174949A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

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哲夫 樋口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high breakdown voltage semiconductor device which can be manufactured by a simple method and in which variation is eliminated in the source-drain breakdown voltage or the on resistance.SOLUTION: A plurality of trenches 11, an N type pillar region 2 formed by diffusing N type impurities contained in a dielectric layer 12 filling the trench 11 into a P type epitaxial layer, and a P type pillar region 3 by the P type epitaxial layer remaining between the diffusion regions are provided on the P type epitaxial layer laminated on a high concentration N type semiconductor substrate 1.

Description

本発明は、いわゆるスーパージャンクション構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a so-called super junction structure and a method for manufacturing the same.

MOS電界効果トランジスタが形成された半導体装置において、耐圧の向上が試みられている。図4はMOSFETが形成された従来のスーパージャンクション型の半導体装置の断面図である。ドレイン層となるN++型の半導体基板101の上に、N型ピラー層102とP型のP型ピラー層103を含む半導体層が、半導体基板101に平行な方向に交互に繰り返し現れるようストライプ状に配置されており、いわゆるスーパージャンクション構造を形成している。   In semiconductor devices in which MOS field effect transistors are formed, attempts have been made to improve breakdown voltage. FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional super junction type semiconductor device in which a MOSFET is formed. Stripes such that a semiconductor layer including an N-type pillar layer 102 and a P-type P-type pillar layer 103 alternately and repeatedly appears in a direction parallel to the semiconductor substrate 101 on an N ++ type semiconductor substrate 101 to be a drain layer. The so-called super junction structure is formed.

また、表面には、P型のベース領域104が選択的に形成され、それぞれのベース領域104表面には、N型のソース領域105が形成されている。そして、ベース領域104、ソース領域105からN型ピラー層102を介して隣接するソース領域105、ベース領域104上には、ゲート酸化膜106を介して、ゲート電極107が形成されている。ソース領域105を開口するように層間絶縁膜108が形成され、ソース領域105に接続するソース電極109が形成されている。一方、裏面には、半導体基板101に接続するドレイン電極110が形成されている。   A P-type base region 104 is selectively formed on the surface, and an N-type source region 105 is formed on the surface of each base region 104. A gate electrode 107 is formed on the source region 105 and the base region 104 adjacent to each other from the base region 104 and the source region 105 via the N-type pillar layer 102 via a gate oxide film 106. An interlayer insulating film 108 is formed so as to open the source region 105, and a source electrode 109 connected to the source region 105 is formed. On the other hand, a drain electrode 110 connected to the semiconductor substrate 101 is formed on the back surface.

図5は、その製造工程を示す断面図である。ドレイン層となるN++型の半導体基板101の上に、20μm以上の厚さでN型半導体層111がエピタキシャル成長され、このN型半導体層111のN型ピラー層102形成予定領域に、複数のトレンチ溝112を形成する。このトレンチ溝112は、N型半導体層111と半導体基板101の界面近傍に達する深さ(20μm程度)で、半導体基板101表面にほぼ垂直な内側壁を有しており、等間隔で互いに平行に形成する(図5a)。   FIG. 5 is a sectional view showing the manufacturing process. An N-type semiconductor layer 111 is epitaxially grown to a thickness of 20 μm or more on an N ++ type semiconductor substrate 101 serving as a drain layer, and a plurality of N-type pillar layers 102 are formed in a region where the N-type pillar layer 102 is to be formed. A trench groove 112 is formed. The trench grooves 112 have a depth (about 20 μm) that reaches the vicinity of the interface between the N-type semiconductor layer 111 and the semiconductor substrate 101 and have inner walls that are substantially perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 101 and are parallel to each other at equal intervals. Form (FIG. 5a).

次に、トレンチ溝112を埋めるように、エピタキシャル成長技術により、P型半導体層113を形成し、トレンチ溝112内をP型半導体層113で充填する(図5b)。   Next, a P-type semiconductor layer 113 is formed by an epitaxial growth technique so as to fill the trench groove 112, and the trench groove 112 is filled with the P-type semiconductor layer 113 (FIG. 5b).

P型半導体層113の表面をCMP(Chemical Mechanical Polish)法により研磨することにより、N型ピラー層102とP型ピラー層103を形成する(図5c)。   The N-type pillar layer 102 and the P-type pillar layer 103 are formed by polishing the surface of the P-type semiconductor layer 113 by a CMP (Chemical Mechanical Polish) method (FIG. 5C).

P型ピラー層103表面に、MOSFETのチャネルが形成されるP型のベース層104を形成する(図5d)。   A P-type base layer 104 in which a MOSFET channel is formed is formed on the surface of the P-type pillar layer 103 (FIG. 5d).

ゲート酸化膜106を形成した後、CVD法によりポリシリコン膜を成長させ、パターニングすることで、ゲート電極107を形成し(図5e)、さらにN型の半導体領域からなるソース領域105を形成する(図5f)。   After forming the gate oxide film 106, a polysilicon film is grown and patterned by the CVD method, thereby forming the gate electrode 107 (FIG. 5e) and further forming the source region 105 made of an N-type semiconductor region (FIG. 5e). FIG. 5f).

層間絶縁膜108を形成後、コンタクトホール114を形成する(図5g)。その後、ソース領域105に接続するソース電極109と、半導体基板101に接続するドレイン電極110を形成することで、図4に示す半導体装置を完成させることができる。   After forming the interlayer insulating film 108, a contact hole 114 is formed (FIG. 5g). After that, the source electrode 109 connected to the source region 105 and the drain electrode 110 connected to the semiconductor substrate 101 are formed, whereby the semiconductor device illustrated in FIG. 4 can be completed.

このように形成された半導体装置は、ソース電極109とドレイン電極110の一方に外部負荷が接続され、ソース電極109及びドレイン電極110と負荷との間に設けられた電源により電圧が印加された状態で使用される。ここで印加される電圧は、P型ピラー層103とN型ピラー層102によって形成されるPN接合に対して逆バイアスとなるように印加される。この状態でゲート電極107を適当な電位に設定すると、MOSFETがオン状態となり、ソース電極109とドレイン電極110との間に電流を流すことが可能となる。これは、ゲート電極107に適当な電圧を印加することにより、PN接合には、負荷とMOSFETのオン抵抗とで分圧した逆バイアスがかかり、このとき生じる空乏層の広がりはわずかであり、N型ピラー層102にはキャリアの経路が存在する状態となるからである。こうしてN型ピラー層102とソース領域105との間のベース領域104とゲート酸化膜106との界面にチャネルが形成されることによる。   In the semiconductor device thus formed, an external load is connected to one of the source electrode 109 and the drain electrode 110, and a voltage is applied by a power source provided between the source electrode 109 and the drain electrode 110 and the load. Used in. The voltage applied here is applied so that a reverse bias is applied to the PN junction formed by the P-type pillar layer 103 and the N-type pillar layer 102. When the gate electrode 107 is set to an appropriate potential in this state, the MOSFET is turned on, and a current can flow between the source electrode 109 and the drain electrode 110. This is because, by applying an appropriate voltage to the gate electrode 107, a reverse bias divided by the load and the on-resistance of the MOSFET is applied to the PN junction, and the spread of the depletion layer generated at this time is slight. This is because a carrier path exists in the type pillar layer 102. This is because a channel is formed at the interface between the base region 104 and the gate oxide film 106 between the N-type pillar layer 102 and the source region 105.

一方、ゲート電極107の電位が、チャネルが形成されない電位に設定された場合、このMOSFETがオフ状態となり、MOSFETには電流が流れないので、N型ピラー層102とP型ピラー層103とにより形成されるPN接合には電源電圧がそのまま逆バイアスとして印加される。そのため、N型ピラー層102とP型ピラー層103との界面からN型ピラー層102とP型ピラー層103へ空乏層が広がり、局所的な電界集中も無くなり、N型ピラー層102とP型ピラー層103が完全に空乏化するため高い耐圧を維持できる。この種のスーパージャンクション型の半導体装置は、例えば特許文献1(図15)に記載されている。   On the other hand, when the potential of the gate electrode 107 is set to a potential at which no channel is formed, the MOSFET is turned off, and no current flows through the MOSFET. Therefore, the gate electrode 107 is formed by the N-type pillar layer 102 and the P-type pillar layer 103. The power supply voltage is directly applied to the PN junction as a reverse bias. Therefore, a depletion layer spreads from the interface between the N-type pillar layer 102 and the P-type pillar layer 103 to the N-type pillar layer 102 and the P-type pillar layer 103, and local electric field concentration is eliminated. Since the pillar layer 103 is completely depleted, a high breakdown voltage can be maintained. This type of super junction type semiconductor device is described in Patent Document 1 (FIG. 15), for example.

特開2004−214511号公報JP 2004-214511 A

上記のような製造方法により形成した半導体装置では、20μm程度の深いトレンチ溝を形成し、トレンチ溝内にP型の半導体層をエピタキシャル成長させる必要がある。そのため、高アスペクト比(3〜4以上)のトレンチ溝内にボイドの無い充填性のよいエピタキシャル成長技術が要求されることになる。しかも、トレンチ溝内に形成するP型ピラー層103とN型ピラー層102により形成される大面積のPN接合は結晶欠陥ゼロである必要がある。   In the semiconductor device formed by the above manufacturing method, it is necessary to form a deep trench groove of about 20 μm and epitaxially grow a P-type semiconductor layer in the trench groove. Therefore, there is a demand for an epitaxial growth technique with good filling properties without voids in trench grooves having a high aspect ratio (3 to 4 or more). In addition, the large-area PN junction formed by the P-type pillar layer 103 and the N-type pillar layer 102 formed in the trench groove needs to have zero crystal defects.

このような条件を満たすエピタキシャル層を形成するために、一般には、SiH2Cl2ガスを用いた減圧下でのエピタキシャル成長とHClガスによるエッチングを繰り返し行うような成長シーケンス等が採用されている。しかしながら、20μm程度の深さでアスペクト比3以上のトレンチ溝を埋めるためには、10μm以上エピタキシャル成長させる必要があり、上述の成長シーケンスを採用した成長速度の遅い減圧エピタキシャル成長法では、生産効率が非常に悪いという問題があった。 In order to form an epitaxial layer that satisfies these conditions, a growth sequence that repeats epitaxial growth under reduced pressure using SiH 2 Cl 2 gas and etching with HCl gas is generally employed. However, in order to fill a trench groove having an aspect ratio of 3 or more at a depth of about 20 μm, it is necessary to perform epitaxial growth of 10 μm or more, and the low-pressure epitaxial growth method employing the above growth sequence and having a slow growth rate has a very high production efficiency. There was a problem of being bad.

また、エピタキシャル成長後にCMP(Chemical Mechanical Polish)法によって、N型ピラー層102とP型ピラー層103を形成するため、研磨厚のバラツキにより、それぞれの厚さにバラツキが発生してしまう。その結果、半導体装置のソース−ドレイン間の耐圧(BVDSS)やオン抵抗(Rdson)にバラツキが発生してしまうという問題があった。   In addition, since the N-type pillar layer 102 and the P-type pillar layer 103 are formed by the CMP (Chemical Mechanical Polish) method after the epitaxial growth, variations in the respective thicknesses occur due to variations in the polishing thickness. As a result, there is a problem that variations occur in the breakdown voltage (BVDSS) and on-resistance (Rdson) between the source and drain of the semiconductor device.

本発明は上記問題を解消し、簡便な方法で製造することが可能で、ソース−ドレイン間耐圧や、オン抵抗のバラツキのない高耐圧の半導体装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high withstand voltage which can solve the above problems and can be manufactured by a simple method and has no source-drain breakdown voltage and on-resistance variation.

本発明は、上記課題を解決するため、本願請求項1に係る発明は、第一導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に積層された第二導電型のエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層表面から前記半導体基板に向かって深さ方向に延びるトレンチ溝と、前記トレンチ溝内に充填された誘電体層と、前記誘電体層に含まれる第一導電型の不純物が、前記エピタキシャル層へ拡散し、前記半導体基板に達するように形成された第一導電型の第一ピラー領域と、前記トレンチ溝と前記第一ピラー領域の間の前記エピタキシャル層からなる第二ピラー領域と、前記第二ピラー領域表面に、前記第一ピラー領域に接続するように形成された第二導電型のベース領域と、前記ベース領域表面に形成された第一導電型のソース領域と、前記第一ピラー領域と前記ソース領域との間の前記ベース領域表面に、ゲート酸化膜を介して配置されたゲート電極と、前記ソース領域に接続するソース電極と、前記半導体基板に接続するドレイン電極とを具備し、前記第一ピラー領域と前記第二ピラー領域が前記半導体基板上に、平行に交互に配置して形成されていることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention according to claim 1 includes a first conductivity type semiconductor substrate, a second conductivity type epitaxial layer stacked on the semiconductor substrate, and the surface of the epitaxial layer. A trench groove extending in a depth direction from the semiconductor substrate to the semiconductor substrate; a dielectric layer filled in the trench groove; and a first conductivity type impurity contained in the dielectric layer diffused into the epitaxial layer. A first pillar region of a first conductivity type formed so as to reach the semiconductor substrate, a second pillar region composed of the epitaxial layer between the trench groove and the first pillar region, and the second pillar region A base region of a second conductivity type formed on the surface so as to connect to the first pillar region, a source region of a first conductivity type formed on the surface of the base region, and the first pillar region A gate electrode disposed on a surface of the base region between the source region and a gate oxide film; a source electrode connected to the source region; and a drain electrode connected to the semiconductor substrate; The first pillar region and the second pillar region are formed alternately and in parallel on the semiconductor substrate.

本願請求項2に係る発明は、第一導電型の半導体基板上に、第二導電型のエピタキシャル層を形成する工程と、前記エピタキシャル層表面に、第二導電型の半導体領域を形成する工程と、前記第二導電型の半導体領域表面から前記エピタキシャル層内に、ストライプ状にトレンチ溝を形成する工程と、前記トレンチ溝内に第一導電型の不純物を含んだ誘電体層を充填させる工程と、加熱処理を行うことにより、前記誘電体層から前記第一導電型の不純物を、前記エピタキシャル層中に拡散させ、拡散領域からなる第一導電型の第一ピラー領域と、前記第一ピラー領域間に残る前記エピタキシャル層からなる第二導電型の第二ピラー領域とを形成する工程と、ゲート酸化膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜上にゲート電極を形成する工程と、前記半導体領域に、前記ゲート電極直下がベース領域となるように、第一導電型のソース領域を形成する工程と、前記ソース領域に接続するソース電極と、前記半導体基板に接続するドレイン電極とを形成する工程と、を含むことを特徴とする。   The invention according to claim 2 includes a step of forming a second conductivity type epitaxial layer on a first conductivity type semiconductor substrate, and a step of forming a second conductivity type semiconductor region on the surface of the epitaxial layer. A step of forming a trench groove in a stripe shape from the surface of the semiconductor region of the second conductivity type into the epitaxial layer; a step of filling a dielectric layer containing an impurity of the first conductivity type in the trench groove; Then, the first conductivity type impurity is diffused from the dielectric layer into the epitaxial layer by performing a heat treatment, and the first conductivity type first pillar region composed of a diffusion region, and the first pillar region A step of forming a second conductivity type second pillar region comprising the epitaxial layer remaining between, a step of forming a gate oxide film, and a step of forming a gate electrode on the gate oxide film; Forming a source region of a first conductivity type in the semiconductor region so that the base region is directly under the gate electrode; a source electrode connected to the source region; and a drain electrode connected to the semiconductor substrate. And a step of forming.

本発明においては、P型のエピタキシャル層内に形成された深いトレンチ溝内に、N型の不純物を高濃度にドープした誘電体(例えばPSG;リンドープトシリカガラス)層を埋め込み形成し、その誘電体層から不純物をエピタキシャル層内へ直接、均一に拡散させてN型ピラー層を形成する。そのため、従来のような、深いトレンチ溝内に高品質のエピタキシャル成長を行う必要もなく、また、エピタキシャル層をCMP法により平坦化する必要もなく、非常に簡便な製造方法となる。P型ピラー層とN型ピラー層界面の結晶性を劣化することもないため、安定した耐圧(BVDSS)、オン抵抗(Rdson)が得られるという利点もある。   In the present invention, a dielectric (for example, PSG; phosphorus-doped silica glass) layer doped with N-type impurities at a high concentration is buried in a deep trench formed in a P-type epitaxial layer, and the dielectric Impurities are diffused directly and uniformly from the body layer into the epitaxial layer to form an N-type pillar layer. Therefore, it is not necessary to perform high-quality epitaxial growth in the deep trench groove as in the prior art, and it is not necessary to planarize the epitaxial layer by the CMP method, which is a very simple manufacturing method. Since the crystallinity of the interface between the P-type pillar layer and the N-type pillar layer is not deteriorated, there is an advantage that a stable breakdown voltage (BVDSS) and on-resistance (Rdson) can be obtained.

本発明の実施例の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of the Example of this invention. 本発明の実施例の半導体装置の製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the semiconductor device of the Example of this invention. 本発明の別の実施例の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of another Example of this invention. 従来のこの種の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of this kind of conventional semiconductor device. 従来のこの種の半導体装置の製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of this kind of conventional semiconductor device.

本発明の半導体装置は、深いトレンチ溝内にエピタキシャル層を成長させる代わりに、トレンチ溝内に不純物を含む誘電体層を充填し、この誘電体層から不純物を拡散させることで、N型ピラー層及びP型ピラー層を形成することを特徴とする。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。   In the semiconductor device of the present invention, instead of growing an epitaxial layer in a deep trench groove, a dielectric layer containing an impurity is filled in the trench groove, and the impurity is diffused from the dielectric layer, whereby an N-type pillar layer is formed. And a P-type pillar layer. Examples of the present invention will be described in detail below.

図1は本発明に係る半導体装置の断面図である。図において、1はドレイン層となる高濃度のN型(N++型)の半導体基板、2はN型ピラー層、3はP型のエピタキシャル層からなるP型ピラー層、4はP型のベース領域、5はN型のソース領域、6はゲート酸化膜、7はゲート電極、8は層間絶縁膜、9はソース電極、10はドレイン電極、11はトレンチ溝、12はトレンチ溝11内に充填された誘電体層である。このような構造の半導体装置は、次のように形成される。   FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to the present invention. In the figure, 1 is a high-concentration N-type (N ++ type) semiconductor substrate that becomes a drain layer, 2 is an N-type pillar layer, 3 is a P-type pillar layer made of a P-type epitaxial layer, and 4 is a P-type pillar layer. Base region, 5 is an N-type source region, 6 is a gate oxide film, 7 is a gate electrode, 8 is an interlayer insulating film, 9 is a source electrode, 10 is a drain electrode, 11 is a trench groove, 12 is in the trench groove 11 It is a filled dielectric layer. The semiconductor device having such a structure is formed as follows.

まず、高濃度のN型シリコン半導体基板からなりドレイン層となる半導体基板1上に、P型のエピタキシャル層13を形成し、エピタキシャル層13表面にはP型のベース領域4を形成する。全面にシリコン酸化膜14をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成し、トレンチ溝形成予定領域を開口するように、パターニングする。そして、シリコン酸化膜14をエッチングマスクとして使用して、トレンチ溝11を形成する。このトレンチ溝11は、表面に形成されているベース領域4を貫通し、エピタキシャル層13と半導体基板1の界面近傍に達する深さ(20μm程度)で、半導体基板1表面にほぼ垂直な内壁面を有しており、等間隔で互いに平行なストライプ状に形成されている(図2a)。   First, a P-type epitaxial layer 13 is formed on a semiconductor substrate 1 made of a high-concentration N-type silicon semiconductor substrate and serving as a drain layer, and a P-type base region 4 is formed on the surface of the epitaxial layer 13. A silicon oxide film 14 is formed on the entire surface by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method and patterned so as to open a trench trench formation scheduled region. Then, using the silicon oxide film 14 as an etching mask, the trench groove 11 is formed. The trench groove 11 penetrates the base region 4 formed on the surface, and has an inner wall surface substantially perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 1 at a depth (about 20 μm) reaching the vicinity of the interface between the epitaxial layer 13 and the semiconductor substrate 1. And are formed in stripes parallel to each other at equal intervals (FIG. 2a).

次に、N型不純物であるリン(P)を所望の濃度含んだ誘電体層12(PSG膜)を、減圧条件下で成長させる。その結果、トレンチ溝11内は、誘電体層12によって均一に埋め込まれる(図2b)。ここで、誘電体層12をトレンチ溝11内に均一に埋め込むためには、誘電体層としてPSG膜を用いた場合、トレンチ開口幅の約1.2〜2.0倍以上とすればよい。   Next, a dielectric layer 12 (PSG film) containing a desired concentration of phosphorus (P) as an N-type impurity is grown under reduced pressure conditions. As a result, the trench groove 11 is uniformly filled with the dielectric layer 12 (FIG. 2b). Here, in order to uniformly embed the dielectric layer 12 in the trench groove 11, when a PSG film is used as the dielectric layer, it may be about 1.2 to 2.0 times the trench opening width or more.

次に、表面を覆う誘電体層12をエッチバックし、あるいはCMP法により研磨して、トレンチ溝11にのこる誘電体層12の表面が、ベース領域4表面と同一、あるいはわずかに下の位置になるようにそのエッチバック時間、あるいはCMP研磨量を調整する(図2c)。   Next, the dielectric layer 12 covering the surface is etched back or polished by a CMP method so that the surface of the dielectric layer 12 that extends over the trench groove 11 is at the same position as or slightly below the surface of the base region 4. The etch back time or the CMP polishing amount is adjusted so as to be (FIG. 2c).

その後、熱処理を行うことにより、誘電体層12に含まれる不純物(リン)を、エピタキシャル層13およびベース領域4中に拡散させ、N型ピラー層2を形成する。ここで、不純物(リン)のエピタキシャル層13への拡散は、均一に行われ、制御性良く行うことができるので、拡散深さとエピタキシャル厚およびトレンチ溝の深さを調節することで、N型ピラー層2の底部が半導体基板1に達するようにする。その結果、エピタキシャル層からなるP型ピラー層3が形成される(図2d)。   Thereafter, by performing heat treatment, impurities (phosphorus) contained in the dielectric layer 12 are diffused into the epitaxial layer 13 and the base region 4 to form the N-type pillar layer 2. Here, the diffusion of impurities (phosphorus) into the epitaxial layer 13 is performed uniformly and can be performed with good controllability. Therefore, by adjusting the diffusion depth, epitaxial thickness, and trench groove depth, the N-type pillars The bottom of the layer 2 reaches the semiconductor substrate 1. As a result, a P-type pillar layer 3 made of an epitaxial layer is formed (FIG. 2d).

以下、従来例同様、全面にゲート酸化膜6を形成し、その後、ゲート電極7となるポリシリコン膜を形成する(図2e)。   Thereafter, as in the conventional example, a gate oxide film 6 is formed on the entire surface, and then a polysilicon film to be the gate electrode 7 is formed (FIG. 2e).

ポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極7を形成した後、ゲート電極7をマスクの一部として使用して、自己整合的にソース領域5を形成する(図2f)。   After the polysilicon film is patterned to form the gate electrode 7, the source region 5 is formed in a self-aligning manner using the gate electrode 7 as a part of the mask (FIG. 2f).

層間絶縁膜8を成長後、ソース領域5およびベース領域4を開口するコンタクトホール15を形成する(図2g)。その後、ソース電極9およびドレイン電極10を形成して、図1に示す半導体装置を完成する。   After the interlayer insulating film 8 is grown, contact holes 15 that open the source region 5 and the base region 4 are formed (FIG. 2g). Thereafter, the source electrode 9 and the drain electrode 10 are formed to complete the semiconductor device shown in FIG.

このように形成された本発明の半導体装置は、トレンチ溝内に埋め込まれた誘電体層12から、P型のエピタキシャル層13内へ不純物を熱拡散することで、N型ピラー層2と、不純物が拡散されずに残るP型エピタキシャル層からなるP型ピラー層3が、半導体基板上に、ストライプ状に平行に配置され、また、N型ピラー層2の最底部が半導体基板1と接続するように形成されている。   The semiconductor device of the present invention formed as described above is formed by thermally diffusing impurities from the dielectric layer 12 embedded in the trench groove into the P-type epitaxial layer 13, thereby forming the N-type pillar layer 2 and the impurities. P-type pillar layer 3 composed of a P-type epitaxial layer that remains without being diffused is arranged in parallel in a stripe shape on the semiconductor substrate, and the bottom of N-type pillar layer 2 is connected to semiconductor substrate 1. Is formed.

このような構造とすることで、ゲート電極7に正の電圧が印加されると、ゲート電極7下のベース層4表面に、チャネルが形成され、MOSFETがオン状態になり、ドレイン電極11から、半導体基板1、N型ピラー層2、ベース領域4内に形成されるチャネル領域及びソース領域5を電流経路として、ソース電極10へ電流が流れることになる。   With such a structure, when a positive voltage is applied to the gate electrode 7, a channel is formed on the surface of the base layer 4 below the gate electrode 7, the MOSFET is turned on, and the drain electrode 11 A current flows to the source electrode 10 using the semiconductor substrate 1, the N-type pillar layer 2, and the channel region and the source region 5 formed in the base region 4 as current paths.

一方、ゲート電極7にチャネルが形成されない電圧が印加された場合は、MOSFETはオフ状態となり、N型ピラー層2とP型ピラー層3には電源電圧が直接印加されるが、トレンチ溝内に埋め込まれる誘電体層の不純物濃度と拡散条件を適切にすることによるN型ピラー層、およびP型エピタキシャル層の各濃度を適正化することで、N型ピラー層とP型ピラー層を完全に空乏化させることが可能となり、電源電圧以上の耐圧を維持することが可能となる。   On the other hand, when a voltage that does not form a channel is applied to the gate electrode 7, the MOSFET is turned off, and the power supply voltage is directly applied to the N-type pillar layer 2 and the P-type pillar layer 3. The N-type pillar layer and the P-type pillar layer are completely depleted by optimizing the concentration of the N-type pillar layer and the P-type epitaxial layer by making the impurity concentration and diffusion conditions of the buried dielectric layer appropriate. It becomes possible to maintain the withstand voltage higher than the power supply voltage.

なお、ソース領域5を形成する際、同時にエピタキシャル層表面に形成されるトレンチ溝側ソース領域は、図3に示すように形成しなくても良い。   When the source region 5 is formed, the trench groove side source region formed on the surface of the epitaxial layer at the same time may not be formed as shown in FIG.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。たとえば、P型エピタキシャル層へN型不純物を拡散してN型ピラー層2を形成する代わりに、N型エピタキシャル層へP型不純物を拡散してP型ピラー層3を形成するように変更することも可能である。   In addition, this invention is not limited to the said Example. For example, instead of diffusing the N-type impurity into the P-type epitaxial layer to form the N-type pillar layer 2, the P-type pillar layer 3 is formed by diffusing the P-type impurity into the N-type epitaxial layer. Is also possible.

以上のように本発明により形成した半導体装置では、N型ピラー層2、P型ピラー層3の濃度と厚さが、トレンチ溝内に埋め込まれる誘電体層中の不純物濃度と、誘電体層より拡散される不純物の拡散長の制御で決まるため、非常に制御性がよく、ソース−ドレイン間の耐圧やオン抵抗のバラツキが少なくなる。一方、従来のエピタキシャル層の埋め込みにより形成した半導体装置では、エピタキシャル層の不純物濃度は、その制御性から上限が1.0×1017cm-3程度であるため、耐圧維持のためには、エピタキシャル層で形成されるピラー層の幅を広くする必要があった。その結果、セルピッチが大きくなり、単位面積あたりのオン抵抗を下げるには限界があった。これに対し、本発明により形成した半導体装置では、各ピラー層の濃度を高め、逆に厚さを狭めることにより、同じ耐圧を維持しつつセルピッチを縮小することが可能であり、単位面積あたりのオン抵抗を低減することが可能となる。 As described above, in the semiconductor device formed according to the present invention, the concentration and thickness of the N-type pillar layer 2 and the P-type pillar layer 3 are determined by the impurity concentration in the dielectric layer embedded in the trench groove and the dielectric layer. Since it is determined by controlling the diffusion length of the impurity to be diffused, the controllability is very good, and variations in the breakdown voltage and on-resistance between the source and drain are reduced. On the other hand, in a conventional semiconductor device formed by embedding an epitaxial layer, the upper limit of the impurity concentration of the epitaxial layer is about 1.0 × 10 17 cm −3 because of its controllability. It was necessary to increase the width of the pillar layer formed by the layers. As a result, the cell pitch is increased, and there is a limit in reducing the on-resistance per unit area. In contrast, in the semiconductor device formed according to the present invention, by increasing the concentration of each pillar layer and conversely reducing the thickness, the cell pitch can be reduced while maintaining the same breakdown voltage. The on-resistance can be reduced.

1:半導体基板、2:N型ピラー層、3:P型ピラー層、4:ベース領域、5:ソース領域、6:ゲート酸化膜、7:ゲート電極、8:層間絶縁膜、9:ソース電極、10:ドレイン電極、11:トレンチ溝、12:誘電体層 1: Semiconductor substrate, 2: N-type pillar layer, 3: P-type pillar layer, 4: Base region, 5: Source region, 6: Gate oxide film, 7: Gate electrode, 8: Interlayer insulating film, 9: Source electrode 10: Drain electrode, 11: Trench groove, 12: Dielectric layer

Claims (2)

第一導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された第二導電型のエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層表面から前記半導体基板に向かって深さ方向に延びるトレンチ溝と、
前記トレンチ溝内に充填された誘電体層と、
前記誘電体層に含まれる第一導電型の不純物が、前記エピタキシャル層へ拡散し、前記半導体基板に達するように形成された第一導電型の第一ピラー領域と、
前記トレンチ溝と前記第一ピラー領域の間の前記エピタキシャル層からなる第二ピラー領域と、
前記第二ピラー領域表面に、前記第一ピラー領域に接続するように形成された第二導電型のベース領域と、
前記ベース領域表面に形成された第一導電型のソース領域と、
前記第一ピラー領域と前記ソース領域との間の前記ベース領域表面に、ゲート酸化膜を介して配置されたゲート電極と、前記ソース領域に接続するソース電極と、前記半導体基板に接続するドレイン電極とを具備し、
前記第一ピラー領域と前記第二ピラー領域が前記半導体基板上に、平行に交互に配置して形成されていることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
An epitaxial layer of a second conductivity type laminated on the semiconductor substrate;
A trench groove extending in a depth direction from the surface of the epitaxial layer toward the semiconductor substrate;
A dielectric layer filled in the trench groove;
A first conductivity type first pillar region formed so that the first conductivity type impurity contained in the dielectric layer diffuses into the epitaxial layer and reaches the semiconductor substrate;
A second pillar region comprising the epitaxial layer between the trench groove and the first pillar region;
A base region of a second conductivity type formed on the surface of the second pillar region so as to be connected to the first pillar region;
A first conductivity type source region formed on the surface of the base region;
A gate electrode disposed on the surface of the base region between the first pillar region and the source region via a gate oxide film, a source electrode connected to the source region, and a drain electrode connected to the semiconductor substrate And
The semiconductor device, wherein the first pillar region and the second pillar region are alternately arranged in parallel on the semiconductor substrate.
第一導電型の半導体基板上に、第二導電型のエピタキシャル層を形成する工程と、
前記エピタキシャル層表面に、第二導電型の半導体領域を形成する工程と、
前記第二導電型の半導体領域表面から前記エピタキシャル層内に、ストライプ状にトレンチ溝を形成する工程と、
前記トレンチ溝内に第一導電型の不純物を含んだ誘電体層を充填させる工程と、
加熱処理を行うことにより、前記誘電体層から前記第一導電型の不純物を、前記エピタキシャル層中に拡散させ、拡散領域からなる第一導電型の第一ピラー領域と、前記第一ピラー領域間に残る前記エピタキシャル層からなる第二導電型の第二ピラー領域とを形成する工程と、
ゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体領域に、前記ゲート電極直下がベース領域となるように、第一導電型のソース領域を形成する工程と、
前記ソース領域に接続するソース電極と、前記半導体基板に接続するドレイン電極とを形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a second conductivity type epitaxial layer on the first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a second conductivity type semiconductor region on the surface of the epitaxial layer;
Forming trench grooves in stripes from the surface of the semiconductor region of the second conductivity type into the epitaxial layer;
Filling the trench groove with a dielectric layer containing a first conductivity type impurity;
By performing a heat treatment, the first conductivity type impurities are diffused from the dielectric layer into the epitaxial layer, and the first conductivity type first pillar region formed of a diffusion region is interposed between the first pillar regions. Forming a second conductivity type second pillar region comprising the epitaxial layer remaining in
Forming a gate oxide film;
Forming a gate electrode on the gate oxide film;
Forming a first conductivity type source region in the semiconductor region such that the base region is directly under the gate electrode;
Forming a source electrode connected to the source region and a drain electrode connected to the semiconductor substrate.
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