JP2013102213A - Semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element Download PDF

Info

Publication number
JP2013102213A
JP2013102213A JP2013016606A JP2013016606A JP2013102213A JP 2013102213 A JP2013102213 A JP 2013102213A JP 2013016606 A JP2013016606 A JP 2013016606A JP 2013016606 A JP2013016606 A JP 2013016606A JP 2013102213 A JP2013102213 A JP 2013102213A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
trench
plane
type
layer
type semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013016606A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5729400B2 (en
Inventor
Daisuke Kishimoto
大輔 岸本
Susumu Iwamoto
進 岩本
Katsunori Ueno
勝典 上野
Akinori Shimizu
了典 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2013016606A priority Critical patent/JP5729400B2/en
Publication of JP2013102213A publication Critical patent/JP2013102213A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5729400B2 publication Critical patent/JP5729400B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a structure having a plane orientation advantageous for manufacturing a super-junction wafer and for manufacturing a trench gate structure.SOLUTION: In an n-type semiconductor substrate 1 having a plane (100) as its surface, a plurality of first trenches 2 which extend in a direction <001> and have planes (010) and (0-10) as their side faces are formed. Each of the trenches 2 is buried with a p-type epitaxial layer 3 to manufacture a super-junction wafer. In the super-junction wafer, second trenches 4 extending in the direction <001> are formed. Each of the trenches 4 is buried with a gate insulating film 5 and a gate electrode 6 to manufacture a semiconductor element having a trench gate structure.

Description

本発明は、半導体素子および半導体素子の製造方法に関し、特に第1導電型の半導体領域と第2導電型の半導体領域とが交互に繰り返し配置された半導体層の表面にトレンチゲート構造を有するMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)等の半導体素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor element and a method for manufacturing the semiconductor element, and more particularly, to a MOSFET having a trench gate structure on the surface of a semiconductor layer in which first conductive type semiconductor regions and second conductive type semiconductor regions are alternately arranged. The present invention relates to a semiconductor element such as an insulated gate field effect transistor) and a manufacturing method thereof.

一般に、半導体素子は、電極が片面に形成された横型の素子と、両面に電極を有する縦型の素子に分類される。縦型半導体素子は、オン状態のときにドリフト電流が流れる方向と、オフ状態のときに逆バイアス電圧による空乏層が伸びる方向とが同じである。通常のプレーナ型のnチャネル縦型MOSFETでは、高抵のn-ドリフト層の部分は、オン状態のときに、縦方向にドリフト電流を流す領域として働く。したがって、このn-ドリフト層の電流経路を短くすれば、ドリフト抵抗が低くなるので、MOSFETの実質的なオン抵抗が下がるという効果が得られる。   In general, semiconductor elements are classified into a horizontal element having electrodes formed on one side and a vertical element having electrodes on both sides. In the vertical semiconductor element, the direction in which the drift current flows in the on state is the same as the direction in which the depletion layer due to the reverse bias voltage extends in the off state. In a normal planar type n-channel vertical MOSFET, the portion of the high n − drift layer functions as a region for flowing a drift current in the vertical direction when in the ON state. Therefore, if the current path of the n − drift layer is shortened, the drift resistance is lowered, so that an effect that the substantial on-resistance of the MOSFET is lowered can be obtained.

その一方で、高抵抗のn-ドリフト層の部分は、オフ状態のときには空乏化して耐圧を高める。したがって、n-ドリフト層が薄くなると、Pベース領域とドリフト領域との間のpn接合から進行するドレイン−ベース間空乏層が広がる幅が狭くなり、シリコンの臨界電界強度に速く達するため、耐圧が低下してしまう。逆に、耐圧の高い半導体素子では、n-ドリフト層が厚いため、オン抵抗が大きくなり、損失が増えてしまう。このように、オン抵抗と耐圧との間には、トレードオフ関係がある。   On the other hand, the portion of the high resistance n − drift layer is depleted in the off state to increase the breakdown voltage. Accordingly, when the n − drift layer is thinned, the width of the drain-base depletion layer that progresses from the pn junction between the P base region and the drift region becomes narrower, and the critical electric field strength of silicon is reached quickly. It will decline. On the other hand, in a semiconductor device with a high breakdown voltage, since the n − drift layer is thick, the on-resistance increases and the loss increases. Thus, there is a trade-off relationship between on-resistance and breakdown voltage.

このトレードオフ関係は、IGBTやバイポーラトランジスタやダイオード等の半導体素子においても同様に成立することが知られている。また、このトレードオフ関係は、オン状態のときにドリフト電流が流れる方向と、オフ状態のときの空乏層の伸びる方向とが異なる横型半導体素子にも共通である。   This trade-off relationship is also known to hold in semiconductor devices such as IGBTs, bipolar transistors, and diodes. This trade-off relationship is also common to lateral semiconductor elements in which the direction in which the drift current flows in the on state and the direction in which the depletion layer extends in the off state are different.

上述したトレードオフ関係による問題の解決法として、ドリフト層を、不純物濃度を高めたn型半導体領域よりなるドリフト領域とp型半導体領域よりなる仕切領域とを交互に繰り返し接合した構成の並列pn構造とした超接合半導体素子が公知である(たとえば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照。)。このような構造の半導体素子では、並列pn構造の不純物濃度が高くても、オフ状態のときに、空乏層が、並列pn構造の縦方向に伸びる各pn接合から横方向に広がり、ドリフト領域全体を空乏化するため、高耐圧化を図ることができる。   As a solution to the above-described problem due to the trade-off relationship, a parallel pn structure in which a drift layer is formed by alternately and repeatedly joining a drift region made of an n-type semiconductor region with an increased impurity concentration and a partition region made of a p-type semiconductor region. Such a super junction semiconductor element is known (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4). In the semiconductor element having such a structure, even when the impurity concentration of the parallel pn structure is high, the depletion layer extends laterally from each pn junction extending in the vertical direction of the parallel pn structure in the off state, and the entire drift region Therefore, a high breakdown voltage can be achieved.

上述した超接合半導体素子の製造に用いられるシリコン超接合ウエハを低コストで量産性よく製造するためには、第1導電型のシリコン基板の表面層にトレンチを形成し、このトレンチ内に第2導電型のシリコン層をエピタキシャル成長させる方法が適している。一般に、エピタキシャル成長は、結晶面方位に強く依存する。すなわち、トレンチの埋め込みに有利な結晶面の方位と不利な方位とが存在する。成長温度や材料の供給圧などのエピタキシャル成長条件を変えることにより、この面方位による優劣の差を小さくすることは可能であるが、エピタキシャル成長における面方位依存性を完全に克服することは不可能である。   In order to manufacture a silicon super-junction wafer used for manufacturing the above-described super-junction semiconductor element at low cost and with high productivity, a trench is formed in the surface layer of the first conductivity type silicon substrate, and a second layer is formed in the trench. A method of epitaxially growing a conductive silicon layer is suitable. In general, epitaxial growth strongly depends on the crystal plane orientation. That is, there are crystal plane orientations and disadvantageous orientations that are advantageous for trench filling. By changing the epitaxial growth conditions such as growth temperature and material supply pressure, it is possible to reduce the difference between superiority and inferiority due to the plane orientation, but it is impossible to completely overcome the plane orientation dependence in epitaxial growth. .

図10は、超接合ウエハの要部の構成を示す断面斜視図である。図10に示すように、N型半導体基板1に形成された複数のトレンチ2が、P型エピタキシャル層3により埋め込まれている。この場合、トレンチ2の開口部が先にP型エピタキシャル層3で塞がり、トレンチ2の内部にボイドが残ってしまうのを避ける必要がある。そのためには、トレンチ2の側壁、すなわちN型半導体基板1とP型エピタキシャル層3との境界面が、結晶成長においてファセット(安定化した平坦面)を形成しやすい低指数面であることが望ましい。なお、図10において、符号12はN+型ドレイン層である。   FIG. 10 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the main part of the super-bonded wafer. As shown in FIG. 10, a plurality of trenches 2 formed in the N-type semiconductor substrate 1 are buried with a P-type epitaxial layer 3. In this case, it is necessary to avoid that the opening of the trench 2 is first closed by the P-type epitaxial layer 3 and voids remain inside the trench 2. For this purpose, it is desirable that the side wall of the trench 2, that is, the boundary surface between the N-type semiconductor substrate 1 and the P-type epitaxial layer 3 is a low index surface that easily forms a facet (a stabilized flat surface) during crystal growth. . In FIG. 10, reference numeral 12 denotes an N + type drain layer.

シリコン結晶においてファセットを形成しやすい低指数面は、たとえば(100)面、(111)面、(311)面、(411)面、またはそれらにそれぞれ等価な面である。ここで、等価な面とは、たとえば(111)面に対しては、(11−1)面、(1−11)面、(−111)面、(1−1−1)面などである。これらの結晶面は、表記において指数の正負に違いがあるが、結晶自体の原子配置はまったく同等であり、化学的性質および物理的性質も同等である。   For example, the low index plane in which facets are easily formed in the silicon crystal is a (100) plane, a (111) plane, a (311) plane, a (411) plane, or a plane equivalent to each of them. Here, the equivalent plane is, for example, (11-1) plane, (1-11) plane, (-111) plane, (1-1-1) plane, etc. with respect to the (111) plane. . These crystal planes are different in the sign of the index in the notation, but the atomic arrangement of the crystal itself is exactly the same, and the chemical properties and physical properties are also equivalent.

なお、本明細書では、“−1”の“−”は、本来、指数の上につくバーであり、結晶面の場合には、その面が単位格子の該当する主軸をマイナス方向で横切ったことを意味する。また、方向の場合には、該当する主軸についての座標がマイナスの値であることを意味する。   In this specification, “−1” in “−1” is a bar that is originally placed on the index, and in the case of a crystal plane, the plane crosses the corresponding principal axis of the unit cell in the minus direction. Means that. In the case of a direction, it means that the coordinate about the corresponding main axis is a negative value.

結晶の面方位を考慮した提案として、(110)面を表面とするシリコン半導体基板に、(111)面を側面とするトレンチを形成し、そのトレンチをエピタキシャル層で埋める方法が公知である(たとえば特許文献5参照。)。このような面方位とすることによって、たとえば特許文献5では、高アスペクトのトレンチ加工を行うとしている。   As a proposal considering the crystal plane orientation, a method is known in which a trench having a (111) plane as a side surface is formed in a silicon semiconductor substrate having a (110) plane as a surface, and the trench is filled with an epitaxial layer (for example, (See Patent Document 5). By adopting such a plane orientation, for example, in Patent Document 5, high aspect trench processing is performed.

ところで、一般に、MOSFETのゲートは、界面準位密度の低い方位の面、たとえば(100)面に形成されるのが望ましい。これは、MOSFETのJ−FET抵抗を低減する構造として知られているトレンチゲート構造のMOSFETにおいても同様である。   By the way, in general, the gate of the MOSFET is desirably formed on a plane having a low interface state density, for example, a (100) plane. The same applies to a MOSFET having a trench gate structure, which is known as a structure for reducing the J-FET resistance of the MOSFET.

したがって、図11に、従来のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を、一部を破断し、一部を省略して示すように、ゲート絶縁膜5を介してゲート電極6が埋め込まれるトレンチ4の側壁は、(100)面またはこれに等価な面(たとえば、(010)面、(001)面、(−100)面、(0−10)面、(00−1)面であるのが望ましい。その理由は、界面準位密度が低いので、電気特性が優れているからである。なお、図11において、符号8はN+型ソース領域であり、符号9は高濃度のP型半導体領域である。
符号10は層間絶縁膜であり、符号11および13はそれぞれソース電極およびドレイン電極である。
Therefore, FIG. 11 shows a trench 4 in which a gate electrode 6 is embedded via a gate insulating film 5, as shown in FIG. The side wall of (100) plane or an equivalent plane (for example, (010) plane, (001) plane, (-100) plane, (0-10) plane, (00-1) plane). The reason is that the interface state density is low and the electrical characteristics are excellent, and in FIG. It is an area.
Reference numeral 10 denotes an interlayer insulating film, and reference numerals 11 and 13 denote a source electrode and a drain electrode, respectively.

ゲート電極が埋め込まれるトレンチの側壁の面方位を考慮した提案として、(110)面を表面とするシリコン半導体基板に、(100)面と(110)面を側面とするトレンチを形成し、そのトレンチをゲートポリシリコンで埋める方法が公知である(たとえば特許文献6参照。)。たとえば特許文献6では、トレンチの(100)面の側壁に沿ってチャネルが形成される。   As a proposal in consideration of the plane orientation of the side wall of the trench in which the gate electrode is embedded, a trench having (100) plane and (110) plane as side surfaces is formed on a silicon semiconductor substrate having (110) plane as a surface. Is well known in the art (see, for example, Patent Document 6). For example, in Patent Document 6, a channel is formed along the side wall of the (100) plane of the trench.

欧州特許出願公開第0053854号明細書European Patent Application No. 0053854 米国特許第5216275号明細書US Pat. No. 5,216,275 米国特許第5438215号明細書US Pat. No. 5,438,215 特開平9−266311号公報JP-A-9-266611 特開2002−124474号公報JP 2002-124474 A 特開2002−231948号公報JP 2002-231948 A

しかしながら、超接合ウエハ上にトレンチゲート型MOSFETを作製するにあたって、超接合ウエハを作製するためにトレンチ埋め込みエピタキシャル成長において有利な面方位を選択すると、トレンチゲート構造を作製するためのトレンチの側壁が必ずしも(100)面になるとは限らないという問題点がある。   However, when producing a trench gate type MOSFET on a superjunction wafer, if a plane orientation advantageous in trench buried epitaxial growth is selected to produce a superjunction wafer, the side wall of the trench for producing the trench gate structure is not necessarily ( 100) surface.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、超接合ウエハの作製に有利で、かつトレンチゲート構造の作製にも有利な面方位を備えた半導体素子を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、超接合ウエハの作製に有利で、かつトレンチゲート構造の作製にも有利な面方位を備えた半導体素子の製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a plane orientation that is advantageous for the production of a superjunction wafer and also for the production of a trench gate structure. To do. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having a plane orientation that is advantageous for producing a super-junction wafer and also for producing a trench gate structure.

上記目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体素子は、(100)面と(0−10)面を表面とする第1導電型の半導体基板よりなる第1の半導体領域と、前記半導体基板の表面層にて<001>方向に伸び、かつ(010)面またはこれと等価な面を側面とする複数の第1のトレンチ内に埋め込まれた第2導電型のエピタキシャル層よりなる第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層にて<001>方向に伸びる第2のトレンチと、前記第2のトレンチの内面に沿うゲート絶縁膜と、前記第2のトレンチ内の、前記ゲート絶縁膜の内側に埋め込まれたゲート電極と、を具備し、前記第2のトレンチの幅は隣り合う前記第2半導体領域間の前記第1の半導体領域の幅より広いことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor element according to the invention of claim 1 includes a first semiconductor region comprising a first conductivity type semiconductor substrate having (100) plane and (0-10) plane as surfaces, and A second conductive type epitaxial layer that extends in the <001> direction on the surface layer of the semiconductor substrate and is embedded in a plurality of first trenches having a (010) plane or a plane equivalent thereto as side surfaces. Two semiconductor regions, a second trench extending in the <001> direction in the surface layer of the first semiconductor region, a gate insulating film along the inner surface of the second trench, and a second trench in the second trench A gate electrode embedded inside the gate insulating film, wherein the width of the second trench is wider than the width of the first semiconductor region between the adjacent second semiconductor regions. To do.

請求項2の発明に係る半導体素子は、請求項1の発明において、前記第1の半導体領域の幅と前記第2の半導体領域の幅が同じであることを特徴とする。   A semiconductor element according to a second aspect of the invention is characterized in that, in the first aspect of the invention, the width of the first semiconductor region and the width of the second semiconductor region are the same.

請求項3の発明にかかる半導体素子は、請求項1または請求項2記載の発明において、隣り合う前記第2のトレンチ間の表面層に設けられた第1導電型のソース領域と、層間絶縁膜により前記ゲート電極から絶縁され、かつ前記ソース領域に接触するソース電極と、をさらに具備することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor element according to the first or second aspect of the present invention, wherein the source region of the first conductivity type provided in the surface layer between the adjacent second trenches, and the interlayer insulating film And a source electrode which is insulated from the gate electrode and is in contact with the source region.

請求項4の発明にかかる半導体素子は、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記半導体基板の裏面に設けられた第1導電型のドレイン層と、前記ドレイン層に接触するドレイン電極と、をさらに具備することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor element according to the first or second aspect of the present invention, wherein the drain layer of the first conductivity type provided on the back surface of the semiconductor substrate and the drain electrode in contact with the drain layer are provided. And further comprising.

本発明によれば、いずれも、第1のトレンチの側面が、エピタキシャル成長においてファセットを形成しやすい低指数面の一つである(100面に等価な面となり、かつ第2のトレンチの側面も、界面準位密度が低い(100)面に等価な面となる。   According to the present invention, in any case, the side surface of the first trench is one of the low index surfaces that easily form facets in epitaxial growth (the surface is equivalent to the 100 surface, and the side surface of the second trench is also The plane is equivalent to the (100) plane having a low interface state density.

本発明によれば、第1のトレンチの側面が、エピタキシャル成長においてファセットを形成しやすい低指数面の一つである(100)面に等価な面となり、かつ第2のトレンチの側面も、界面準位密度が低い(100)面に等価な面となる。したがって、超接合ウエハの作製に有利で、かつトレンチゲート構造の作製にも有利な面方位を備えた半導体素子が得られる。   According to the present invention, the side surface of the first trench becomes a surface equivalent to the (100) surface, which is one of the low index surfaces where facets are easily formed during epitaxial growth, and the side surface of the second trench is also an interface state. A plane equivalent to the (100) plane having a low density is obtained. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor element having a plane orientation that is advantageous for producing a superjunction wafer and also for producing a trench gate structure.

また、本発明によれば、第1のトレンチの側面を、エピタキシャル成長においてファセットを形成しやすい低指数面の一つである(100)面に等価な面とし、かつ第2のトレンチの側面を、界面準位密度が低い(100)面に等価な面とすることができる。したがって、超接合ウエハを低コストで量産性よく製造することができるとともに、電気特性に優れたトレンチゲート構造を有する絶縁ゲートデバイスを製造することができる。   According to the present invention, the side surface of the first trench is a surface equivalent to the (100) surface which is one of the low index surfaces where facets are easily formed in epitaxial growth, and the side surface of the second trench is A plane equivalent to the (100) plane having a low interface state density can be obtained. Therefore, it is possible to manufacture a super-junction wafer at low cost with high productivity, and it is possible to manufacture an insulated gate device having a trench gate structure with excellent electrical characteristics.

実施の形態1のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。3 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of the trench gate type MOSFET of Embodiment 1. FIG. 実施の形態2のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。FIG. 6 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a trench gate type MOSFET according to a second embodiment. 実施の形態3のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。FIG. 10 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a trench gate type MOSFET according to a third embodiment. 実施の形態3のトレンチゲート型MOSFETの寸法を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining dimensions of a trench gate type MOSFET according to a third embodiment. 参考例1のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。7 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a trench gate type MOSFET of Reference Example 1. FIG. 参考例2のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。10 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a trench gate type MOSFET of Reference Example 2. FIG. 参考例3のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。10 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a trench gate type MOSFET of Reference Example 3. FIG. 参考例4のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。12 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a trench gate type MOSFET of Reference Example 4. FIG. 参考例5のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。10 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a trench gate type MOSFET of Reference Example 5. FIG. 超接合ウエハの要部の構成を示す断面斜視図である。It is a cross-sectional perspective view which shows the structure of the principal part of a super bonded wafer. 従来のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。It is a cross-sectional perspective view which shows the structure of the principal part of the conventional trench gate type MOSFET. 実施の形態4のプレーナゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。FIG. 10 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of a planar gate MOSFET according to a fourth embodiment. 実施の形態5のプレーナゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。FIG. 10 is a cross-sectional perspective view illustrating a configuration of a main part of a planar gate type MOSFET according to a fifth embodiment.

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明では、第1導電型をN型とし、第2導電型をP型とするが、その逆でも同様である。本発明の最良の形態としては、(100)面またはこれと等価な面を表面とする第1導電型の半導体基板よりなる第1の半導体領域と、半導体基板の表面層にて<001>方向に伸び、かつ(010)面と(0−10)面を側面とする複数の第1のトレンチ内に埋め込まれた第2導電型のエピタキシャル層よりなる第2の半導体領域を有することである。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図1に示すように、シリコンよりなる高抵抗のN型半導体基板1の表面は(100)面またはこれと等価な面である。このN型半導体基板1の表面層に、<001>方向に伸びる第1のトレンチ2が所定のピッチで形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type, and vice versa. As the best mode of the present invention, the <001> direction is formed by a first semiconductor region formed of a first conductivity type semiconductor substrate having a (100) plane or an equivalent plane as a surface, and a surface layer of the semiconductor substrate. And having a second semiconductor region comprising an epitaxial layer of the second conductivity type embedded in a plurality of first trenches having the (010) plane and the (0-10) plane as side surfaces.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of the trench gate type MOSFET according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the surface of the high-resistance N-type semiconductor substrate 1 made of silicon is a (100) plane or a plane equivalent thereto. In the surface layer of the N-type semiconductor substrate 1, first trenches 2 extending in the <001> direction are formed at a predetermined pitch.

第1のトレンチ2の側面は、(010)面と(0−10)面となり、エピタキシャル成長時にファセットを形成しやすく、トレンチ内にボイドを残しにくい方位となっている。したがって、エピタキシャル成長をおこなうことによって、第1のトレンチ2内は、P型エピタキシャル層3で隙間なく埋め込まれる。超接合ウエハは、このようにN型半導体基板1よりなる第1の半導体領域と、P型エピタキシャル層3よりなる第2の半導体領域とが交互に繰り返し接合された構成となっている。超接合ウエハの裏面には、高濃度のN+型ドレイン層12となる半導体層が設けられている。   The side surfaces of the first trench 2 are a (010) plane and a (0-10) plane, which are easy to form facets during epitaxial growth and have an orientation that makes it difficult to leave voids in the trench. Therefore, by performing epitaxial growth, the first trench 2 is filled with the P-type epitaxial layer 3 without a gap. The super-junction wafer has a structure in which the first semiconductor region made of the N-type semiconductor substrate 1 and the second semiconductor region made of the P-type epitaxial layer 3 are alternately and repeatedly bonded. A semiconductor layer to be a high concentration N + type drain layer 12 is provided on the back surface of the super bonded wafer.

<001>方向に伸びる第2のトレンチ4は、少なくとも超接合ウエハの第1の半導体領域の表面層、すなわちN型半導体基板1の露出部分を除去するように形成されている。このとき、第2のトレンチ4の側面は、(010)面またはこれと等価な面となり、界面準位密度が低い方位となっている。そして、第2のトレンチ4の内面に沿って、ゲート絶縁膜5が形成され、さらにその内側部分がゲート電極6により埋め込まれている。ゲート電極6としては、たとえばリンドープされたポリシリコンなどが用いられる。   The second trench 4 extending in the <001> direction is formed so as to remove at least the surface layer of the first semiconductor region of the superjunction wafer, that is, the exposed portion of the N-type semiconductor substrate 1. At this time, the side surface of the second trench 4 is a (010) plane or a plane equivalent thereto, and has an orientation with a low interface state density. A gate insulating film 5 is formed along the inner surface of the second trench 4, and an inner portion thereof is buried with the gate electrode 6. As the gate electrode 6, for example, phosphorus-doped polysilicon or the like is used.

超接合ウエハの第2の半導体領域の表面層、すなわちP型エピタキシャル層3の表面層には、高濃度のN+型ソース領域8と高濃度のP型半導体領域9とが形成されている。これらN+型ソース領域8およびP型半導体領域9に接触し、かつゲート電極6に接触しないように、ソース電極11が形成されている。ゲート電極6とソース電極11との間には、層間絶縁膜10が形成されている。N+型ドレイン層12には、ドレイン電極13が接触している。   A high concentration N + type source region 8 and a high concentration P type semiconductor region 9 are formed in the surface layer of the second semiconductor region of the superjunction wafer, that is, the surface layer of the P type epitaxial layer 3. A source electrode 11 is formed so as to be in contact with the N + -type source region 8 and the P-type semiconductor region 9 and not in contact with the gate electrode 6. An interlayer insulating film 10 is formed between the gate electrode 6 and the source electrode 11. A drain electrode 13 is in contact with the N + type drain layer 12.

上述した実施の形態1によれば、第1のトレンチ2の側面が、エピタキシャル成長においてファセットを形成しやすい低指数面の一つである(100)面に等価な面となり、かつ第2のトレンチ4の側面も、界面準位密度が低い(100)面に等価な面となる。したがって、超接合ウエハの作製に有利で、かつトレンチゲート構造の作製にも有利な面方位を備えたMOSFETが得られる。また、超接合ウエハを低コストで量産性よく製造することができるとともに、電気特性に優れたMOSFETを製造することができる。
実施の形態2.
図2は、実施の形態2のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図2に示すように、実施の形態2が実施の形態1と異なるのは、第2のトレンチ4が、N型半導体基板1の露出部分ではなく、P型エピタキシャル層3の露出部分を除去するように形成されていることと、N型半導体基板1の表面層にP型半導体領域7が形成されており、そのP型半導体領域7の表面層に高濃度のN+型ソース領域8および高濃度のP型半導体領域9が形成されていることである。その他の構成は実施の形態1と同じである。実施の形態1と同じ構成については、実施の形態1と同一の符号を付して説明を省略する。
According to the first embodiment described above, the side surface of the first trench 2 becomes a surface equivalent to the (100) surface, which is one of the low index surfaces where facets are easily formed during epitaxial growth, and the second trench 4 This side surface is also a surface equivalent to the (100) surface having a low interface state density. Therefore, it is possible to obtain a MOSFET having a plane orientation that is advantageous for producing a super-junction wafer and also for producing a trench gate structure. In addition, a super-junction wafer can be manufactured at low cost and with high productivity, and a MOSFET having excellent electrical characteristics can be manufactured.
Embodiment 2. FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of the trench gate type MOSFET of the second embodiment. As shown in FIG. 2, the second embodiment is different from the first embodiment in that the second trench 4 removes not the exposed portion of the N-type semiconductor substrate 1 but the exposed portion of the P-type epitaxial layer 3. And the P-type semiconductor region 7 is formed in the surface layer of the N-type semiconductor substrate 1, and the high-concentration N + -type source region 8 and the high-concentration source region 8 are formed in the surface layer of the P-type semiconductor region 7. That is, a P-type semiconductor region 9 having a concentration is formed. Other configurations are the same as those of the first embodiment. About the same structure as Embodiment 1, the code | symbol same as Embodiment 1 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果に加えて、N型半導体基板1の表面層に形成されたP型半導体領域7の不純物濃度と拡散深さを正確に決めることにより、MOSFETのチャネル長やしきい値電圧を正確に制御することができるという効果が得られる。
実施の形態3.
図3は、実施の形態3のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図3に示すように、実施の形態3が実施の形態1と異なるのは、第2のトレンチ4が、N型半導体基板1の露出部分の幅よりも狭く形成されていることと、隣り合う第2のトレンチ4の間の表面層にP型半導体領域7が形成されており、そのP型半導体領域7の表面層に高濃度のN+型ソース領域8および高濃度のP型半導体領域9が形成されていることである。その他の構成は実施の形態1と同じである。実施の形態1と同じ構成については、実施の形態1と同一の符号を付して説明を省略する。
According to the second embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the impurity concentration and diffusion depth of the P-type semiconductor region 7 formed in the surface layer of the N-type semiconductor substrate 1 are accurately determined. The effect is that the channel length and threshold voltage of the MOSFET can be accurately controlled.
Embodiment 3 FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the main part of the trench gate type MOSFET of the third embodiment. As shown in FIG. 3, the third embodiment is different from the first embodiment in that the second trench 4 is adjacent to the width of the exposed portion of the N-type semiconductor substrate 1. A P-type semiconductor region 7 is formed in a surface layer between the second trenches 4, and a high-concentration N + -type source region 8 and a high-concentration P-type semiconductor region 9 are formed in the surface layer of the P-type semiconductor region 7. Is formed. Other configurations are the same as those of the first embodiment. About the same structure as Embodiment 1, the code | symbol same as Embodiment 1 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

ここで、図3に示す構成のトレンチゲート型MOSFETにおいて、各部の基準的な寸法および不純物濃度等は以下のようになる。ただし、図4に示すように、第1のトレンチ2の開口幅、すなわちP型エピタキシャル層3の幅をWpとし、第1のトレンチ2のピッチ、すなわち超接合ウエハの超接合領域におけるN型半導体基板1の幅をWnとする。つまり、超接合ウエハは、幅がWpのP型領域と、幅がWnのN型領域とが交互に接合されているものとする。   Here, in the trench gate type MOSFET having the configuration shown in FIG. 3, the standard dimensions and impurity concentrations of the respective parts are as follows. However, as shown in FIG. 4, the opening width of the first trench 2, that is, the width of the P-type epitaxial layer 3, is Wp, and the pitch of the first trench 2, that is, the N-type semiconductor in the superjunction region of the superjunction wafer. The width of the substrate 1 is Wn. That is, in the super-bonded wafer, it is assumed that P-type regions having a width of Wp and N-type regions having a width of Wn are alternately bonded.

また、第2のトレンチ4の開口幅をWtとする。この第2のトレンチ4の深さをdtとし、超接合ウエハの超接合領域の厚み、すなわち第2のトレンチ4の底から第1のトレンチ2の底までの深さをdsとする。   The opening width of the second trench 4 is Wt. The depth of the second trench 4 is dt, and the thickness of the superjunction region of the superjunction wafer, that is, the depth from the bottom of the second trench 4 to the bottom of the first trench 2 is ds.

たとえば600V耐圧のMOSFETの場合、WnとWpはほぼ等しく、8μmまたはそれ以下であり、好ましくは5μm以下であるとよい。超接合領域におけるN型半導体基板1の不純物濃度とP型エピタキシャル層3の不純物濃度もほぼ等しく、WnおよびWpが8μmのときには2.5×1016cm-3程度であり、WnおよびWpが5μmのときには4×1016cm-3程度である。dsはおおよそ40〜50μmである。Wtは2μm以下であり、好ましくは1μm以下であるとよい。dtは5μm以下であり、好ましくは1〜3μm程度であるとよい。   For example, in the case of a 600V withstand voltage MOSFET, Wn and Wp are substantially equal, 8 μm or less, and preferably 5 μm or less. The impurity concentration of the N-type semiconductor substrate 1 and the impurity concentration of the P-type epitaxial layer 3 in the superjunction region are substantially equal, and are about 2.5 × 10 16 cm −3 when Wn and Wp are 8 μm, and when Wn and Wp are 5 μm. It is about 4 × 10 16 cm −3. ds is approximately 40 to 50 μm. Wt is 2 μm or less, preferably 1 μm or less. dt is 5 μm or less, and preferably about 1 to 3 μm.

また、たとえば100V耐圧のMOSFETの場合には、WnとWpはほぼ等しく、2μmまたはそれ以下であり、好ましくは1μm程度であるとよい。超接合領域におけるN型半導体基板1の不純物濃度とP型エピタキシャル層3の不純物濃度もほぼ等しく、WnおよびWpが2μmのときには1×1017cm-3程度であり、WnおよびWpが1μmのときには2×1017cm-3程度である。dsはおおよそ8〜10μmである。WtはWnよりも小さく、好ましくは1μm以下であるとよい。dtは3μm以下であるとよい。   For example, in the case of a MOSFET with a withstand voltage of 100 V, Wn and Wp are substantially equal and are 2 μm or less, preferably about 1 μm. The impurity concentration of the N-type semiconductor substrate 1 and the impurity concentration of the P-type epitaxial layer 3 in the superjunction region are substantially equal, and is approximately 1 × 10 17 cm −3 when Wn and Wp are 2 μm, and 2 × when Wn and Wp are 1 μm. It is about 1017 cm-3. ds is approximately 8 to 10 μm. Wt is smaller than Wn, preferably 1 μm or less. dt is preferably 3 μm or less.

上述した実施の形態3によれば、実施の形態1と同様の効果に加えて、N型半導体基板1の表面層に形成されたP型半導体領域7の不純物濃度と拡散深さを正確に決めることにより、MOSFETのチャネル長やしきい値電圧を正確に制御することができるという効果が得られる。また、実施の形態1と比べて、第2のトレンチ4の幅が狭いことにより、ウエハの全表面積に占める第2のトレンチ4の開口面積の割合、すなわち開口率が小さくなるので、第2のトレンチ4を形成する際のプロセス条件を広くとることができるという効果が得られる。さらに、P型半導体領域7のうち、P型エピタキシャル層3と重なり合った領域15では、不純物濃度が高くなるので、P型半導体領域7の表面層に形成された高濃度のP型半導体領域9とともに、ターンオフ時のラッチアップ耐量を高める効果がある。
参考例1.
図5は、参考例1のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図5に示すように、参考例1が実施の形態1と異なるのは、N型半導体基板1の表面が(110)面またはこれと等価な面であることと、第1および第2のトレンチ2,4が<1−10>方向に伸びており、これらのトレンチ2,4の側面が(001)面またはこれと等価な面となることである。その他の構成は実施の形態1と同じである。実施の形態1と同じ構成については、実施の形態1と同一の符号を付して説明を省略する。参考例1によれば、実施の形態1と同様の効果が得られる。
参考例2.
図6は、参考例2のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図6に示すように、参考例2は、実施の形態2において、N型半導体基板1の表面の面方位、並びに第1および第2のトレンチ2,4の方向を変えたものである。すなわち、参考例2では、N型半導体基板1の表面は(110)面またはこれと等価な面である。
According to the third embodiment described above, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the impurity concentration and diffusion depth of the P-type semiconductor region 7 formed in the surface layer of the N-type semiconductor substrate 1 are accurately determined. As a result, it is possible to accurately control the channel length and the threshold voltage of the MOSFET. Further, since the width of the second trench 4 is narrower than that of the first embodiment, the ratio of the opening area of the second trench 4 to the total surface area of the wafer, that is, the opening ratio is reduced. An effect is obtained that a wide range of process conditions can be taken when the trench 4 is formed. Further, in the region 15 of the P-type semiconductor region 7 that overlaps with the P-type epitaxial layer 3, the impurity concentration is high, and therefore, together with the high-concentration P-type semiconductor region 9 formed in the surface layer of the P-type semiconductor region 7. This has the effect of increasing the latch-up resistance at turn-off.
Reference Example 1
FIG. 5 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the main part of the trench gate type MOSFET of Reference Example 1. As shown in FIG. 5, Reference Example 1 differs from Embodiment 1 in that the surface of N-type semiconductor substrate 1 is a (110) plane or a plane equivalent thereto, and the first and second trenches. 2 and 4 extend in the <1-10> direction, and the side surfaces of these trenches 2 and 4 become (001) planes or equivalent planes. Other configurations are the same as those of the first embodiment. About the same structure as Embodiment 1, the code | symbol same as Embodiment 1 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. According to Reference Example 1, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
Reference Example 2
6 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the main part of the trench gate type MOSFET of Reference Example 2. FIG. As shown in FIG. 6, in Reference Example 2, the surface orientation of the surface of the N-type semiconductor substrate 1 and the directions of the first and second trenches 2 and 4 are changed in the second embodiment. That is, in Reference Example 2, the surface of the N-type semiconductor substrate 1 is the (110) plane or a plane equivalent thereto.

第1および第2のトレンチ2,4は<1−10>方向に伸びており、これらのトレンチ2,4の側面は(001)面またはこれと等価な面である。その他の構成は実施の形態2と同じである。実施の形態2と同じ構成については、実施の形態2と同一の符号を付して説明を省略する。参考例2によれば、実施の形態2と同様の効果が得られる。
参考例3.
図7は、参考例3のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図7に示すように、参考例3は、実施の形態3において、N型半導体基板1の表面の面方位、並びに第1および第2のトレンチ2,4の方向を変えたものである。すなわち、参考例3では、N型半導体基板1の表面は(110)面またはこれと等価な面である。
The first and second trenches 2 and 4 extend in the <1-10> direction, and the side surfaces of the trenches 2 and 4 are (001) planes or equivalent planes. Other configurations are the same as those of the second embodiment. About the same structure as Embodiment 2, the code | symbol same as Embodiment 2 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. According to the reference example 2, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
Reference Example 3.
FIG. 7 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the main part of the trench gate type MOSFET of Reference Example 3. As shown in FIG. 7, in Reference Example 3, the surface orientation of the surface of the N-type semiconductor substrate 1 and the directions of the first and second trenches 2 and 4 are changed in the third embodiment. That is, in Reference Example 3, the surface of the N-type semiconductor substrate 1 is the (110) plane or a plane equivalent thereto.

第1および第2のトレンチ2,4は<1−10>方向に伸びており、これらのトレンチ2,4の側面は(001)面またはこれと等価な面である。その他の構成は実施の形態3と同じである。実施の形態3と同じ構成については、実施の形態3と同一の符号を付して説明を省略する。参考例3によれば、実施の形態3と同様の効果が得られる。
参考例4.
図8は、参考例4のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図8に示すように、参考例4が実施の形態1と異なるのは、第2のトレンチ4が、第1のトレンチ2の直交する方向、すなわち<010>方向に伸びていることと、隣り合う第2のトレンチ4の間の表面層にP型半導体領域7が形成されており、そのP型半導体領域7の表面層に高濃度のN+型ソース領域8および高濃度のP型半導体領域9が形成されていることである。
The first and second trenches 2 and 4 extend in the <1-10> direction, and the side surfaces of the trenches 2 and 4 are (001) planes or equivalent planes. Other configurations are the same as those of the third embodiment. About the same structure as Embodiment 3, the same code | symbol as Embodiment 3 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. According to the reference example 3, the same effect as in the third embodiment can be obtained.
Reference Example 4
FIG. 8 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the main part of the trench gate type MOSFET of Reference Example 4. As shown in FIG. 8, the reference example 4 is different from the first embodiment in that the second trench 4 extends in the direction perpendicular to the first trench 2, that is, the <010> direction. A P-type semiconductor region 7 is formed in the surface layer between the matching second trenches 4, and a high-concentration N + -type source region 8 and a high-concentration P-type semiconductor region are formed in the surface layer of the P-type semiconductor region 7. 9 is formed.

第2のトレンチ4の側面は、(001)面またはこれと等価な面になる。その他の構成は実施の形態1と同じである。実施の形態1と同じ構成については、実施の形態1と同一の符号を付して説明を省略する。参考例4によれば、実施の形態1と同様の効果に加えて、第2のトレンチ4の開口幅やピッチを、第1のトレンチ2のパターンから独立して決めることができるという効果が得られる。
参考例5.
図9は、参考例5のトレンチゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図9に示すように、参考例5は、参考例4において、N型半導体基板1およびP型エピタキシャル層3にわたって、超接合ウエハの表面層に高抵抗のN型バッファ層14が形成されたものである。第2のトレンチ4は、そのN型バッファ層14を貫通して形成されている。また、高濃度のN+型ソース領域8および高濃度のP型半導体領域9は、N型バッファ層14の表面層に形成されている。その他の構成は実施の形態3と同じである。実施の形態3と同じ構成については、実施の形態3と同一の符号を付して説明を省略する。
The side surface of the second trench 4 is a (001) plane or a plane equivalent thereto. Other configurations are the same as those of the first embodiment. About the same structure as Embodiment 1, the code | symbol same as Embodiment 1 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. According to the reference example 4, in addition to the same effect as that of the first embodiment, the opening width and pitch of the second trench 4 can be determined independently from the pattern of the first trench 2. It is done.
Reference Example 5
FIG. 9 is a cross-sectional perspective view showing the configuration of the main part of the trench gate type MOSFET of Reference Example 5. As shown in FIG. 9, Reference Example 5 is the same as Reference Example 4 except that a high-resistance N-type buffer layer 14 is formed on the surface layer of the superjunction wafer across the N-type semiconductor substrate 1 and the P-type epitaxial layer 3. It is. The second trench 4 is formed through the N-type buffer layer 14. The high concentration N + type source region 8 and the high concentration P type semiconductor region 9 are formed in the surface layer of the N type buffer layer 14. Other configurations are the same as those of the third embodiment. About the same structure as Embodiment 3, the same code | symbol as Embodiment 3 is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

参考例5によれば、参考例4と同様の効果に加えて、N型バッファ層14があることにより、第2のトレンチ4に沿ってその外側の不純物濃度が一定となるので、隣り合う第2のトレンチ4の間に設けられたP型半導体領域7がP型エピタキシャル層3と重なったり、重ならなかったりすることによる影響を受けずに済み、しきい値電圧等の電気特性が安定する。   According to the reference example 5, in addition to the same effects as those of the reference example 4, the presence of the N-type buffer layer 14 makes the impurity concentration on the outside along the second trench 4 constant. The P-type semiconductor region 7 provided between the two trenches 4 is not affected by the overlap or non-overlap with the P-type epitaxial layer 3, and the electrical characteristics such as the threshold voltage are stabilized. .

以上において本発明は、実施の形態において例示したNチャネルMOSFETに限らず、超接合構造とトレンチゲート構造を備えた全ての半導体素子に適用可能である。たとえば、PチャネルMOSFETや、トレンチ型のMOSゲート構造を備えたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などにも適用できる。   As described above, the present invention is not limited to the N-channel MOSFET exemplified in the embodiment, but can be applied to all semiconductor elements having a superjunction structure and a trench gate structure. For example, the present invention can also be applied to a P-channel MOSFET, an IGBT (insulated gate bipolar transistor) having a trench type MOS gate structure, or the like.

ここまでの実施の形態1〜3と参考例1〜5はゲート構造をトレンチゲート構造としたものである。一般にトレンチゲート構造を採用することで、電気特性の面で低オン抵抗化が図れるため、特性上有利である。しかし、現状の製造技術では、トレンチゲート構造の形成技術が十分確立しているとはいえず、トレンチゲート構造を採用した結果、逆に電気特性のばらつきが大きくなったり、良品率の低下につながることも考えられる。そこで、電気特性のばらつきを抑え良品率を高く維持するための実施の形態を次に示す。
実施の形態4.
図12は、実施の形態4のプレーナゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図12に示すように、実施の形態4は、シリコンよりなる高抵抗のN型半導体基板1の表面は(100)面またはこれと等価な面である。そして、このN型半導体基板1の表面層に、<001>方向に伸びる第1のトレンチ2が所定のピッチで形成されている。
The first to third embodiments and the first to fifth reference examples have a trench gate structure as the gate structure. In general, the use of a trench gate structure is advantageous in terms of characteristics because it can reduce the on-resistance in terms of electrical characteristics. However, with the current manufacturing technology, it cannot be said that the technology for forming the trench gate structure has been sufficiently established, and as a result of adopting the trench gate structure, the variation in electrical characteristics increases and the yield rate decreases. It is also possible. In view of this, an embodiment for suppressing variation in electrical characteristics and maintaining a high yield rate will be described below.
Embodiment 4 FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of the planar gate type MOSFET of the fourth embodiment. As shown in FIG. 12, in the fourth embodiment, the surface of the high resistance N-type semiconductor substrate 1 made of silicon is the (100) plane or a plane equivalent thereto. The first trenches 2 extending in the <001> direction are formed at a predetermined pitch in the surface layer of the N-type semiconductor substrate 1.

第1のトレンチ2の側面は、(010)面またはこれと等価な面となり、エピタキシャル成長時にファセットを形成しやすく、トレンチ内にボイドを残しにくい方位となっている。したがって、エピタキシャル成長をおこなうことによって、第1のトレンチ2内は、P型エピタキシャル層3で隙間なく埋め込まれる。超接合ウエハは、このようにN型半導体基板1よりなる第1の半導体領域と、P型エピタキシャル層3よりなる第2の半導体領域とが交互に繰り返し接合された構成となっている。超接合ウエハの裏面には、高濃度のN+型ドレイン層12となる半導体層が設けられている。   The side surface of the first trench 2 is a (010) plane or a plane equivalent thereto, and has an orientation in which facets are easily formed during epitaxial growth, and voids are not easily left in the trench. Therefore, by performing epitaxial growth, the first trench 2 is filled with the P-type epitaxial layer 3 without a gap. The super-junction wafer has a structure in which the first semiconductor region made of the N-type semiconductor substrate 1 and the second semiconductor region made of the P-type epitaxial layer 3 are alternately and repeatedly bonded. A semiconductor layer to be a high concentration N + type drain layer 12 is provided on the back surface of the super bonded wafer.

<001>方向に伸びるP型半導体領域9は、N型半導体基板1のP型エピタキシャル層3上に形成されている。P型半導体領域9の表面に沿って、ゲート絶縁膜5がN型半導体基板1上に形成され、さらにその上側部分にゲート電極6が形成されている。ゲート電極6としては、たとえばリンドープされたポリシリコンなどが用いられる。   The P-type semiconductor region 9 extending in the <001> direction is formed on the P-type epitaxial layer 3 of the N-type semiconductor substrate 1. A gate insulating film 5 is formed on the N-type semiconductor substrate 1 along the surface of the P-type semiconductor region 9, and a gate electrode 6 is formed on the upper portion thereof. As the gate electrode 6, for example, phosphorus-doped polysilicon or the like is used.

高濃度のP型半導体領域9の表面には高濃度のN+型ソース領域8が形成されている。
これらN+型ソース領域8およびP型半導体領域9に接触し、かつゲート電極6に接触しないように、ソース電極11が形成されている。ゲート電極6とソース電極11との間には、層間絶縁膜10が形成されている。N+型ドレイン層12には、ドレイン電極13が接触している。
A high concentration N + type source region 8 is formed on the surface of the high concentration P type semiconductor region 9.
A source electrode 11 is formed so as to be in contact with the N + -type source region 8 and the P-type semiconductor region 9 and not in contact with the gate electrode 6. An interlayer insulating film 10 is formed between the gate electrode 6 and the source electrode 11. A drain electrode 13 is in contact with the N + type drain layer 12.

上述した実施の形態4によれば、第1のトレンチ2の側面が、エピタキシャル成長においてファセットを形成しやすい低指数面の一つである(100)面に等価な面となる。したがって、超接合ウエハの作製に有利な面方位を備えたMOSFETが得られる。また、超接合ウエハを低コストで量産性よく製造することができるとともに、製造技術の確立したプレーナゲート構造を採用することで、電気特性のばらつきの少ない優れたMOSFETを製造することができる。
実施の形態5
図13は、実施の形態5のプレーナゲート型MOSFETの要部の構成を示す断面斜視図である。図13に示すように、実施の形態5は、N型半導体基板1の表面が(100)面またはこれと等価な面であること、このN型半導体基板1の表面層に、<001>方向に伸びる第1のトレンチ2が所定のピッチで形成されていること、第1のトレンチ2の側面は、(010)面またはこれと等価な面であることが実施の形態4と同じである。実施の形態4と異なるのは、P型半導体領域9の伸びる方向である。即ち、実施の形態4では、第1のトレンチ2の伸びる方向に対してP型半導体領域9の伸びる方向が同じ(平行)であったのに対し、実施の形態5では、第1のトレンチ2の伸びる方向に対してP型半導体領域9の伸びる方向が異なる(直交)ことである。その他の構成は実施の形態4と同じであるので、実施の形態4と同じ構成については、実施の形態4と同一の符号を付して説明を省略する。実施の形態4では、電気特性のばらつきを少なくするために、隣接するP型エピタキシャル層3のピッチと隣接するP型半導体領域9のピッチを一致させるか逓倍とする必要がある(平行のため)が、実施の形態5では隣接するP型エピタキシャル層3のピッチと隣接するP型半導体領域9のピッチを一致させるか逓倍とする必要がない(直交のため)。
以上において本発明は、実施の形態において例示したNチャネルMOSFETに限らず、超接合構造とトレンチゲート構造を備えた全ての半導体素子に適用可能である。たとえば、PチャネルMOSFETや、トレンチ型のMOSゲート構造を備えたIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などにも適用できる。
According to the fourth embodiment described above, the side surface of the first trench 2 becomes a surface equivalent to the (100) surface, which is one of the low index surfaces where facets are easily formed during epitaxial growth. Therefore, a MOSFET having a plane orientation advantageous for producing a super-junction wafer can be obtained. In addition, a super-junction wafer can be manufactured at low cost with high productivity, and an excellent MOSFET with little variation in electrical characteristics can be manufactured by adopting a planar gate structure with established manufacturing technology.
Embodiment 5
FIG. 13 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a main part of the planar gate type MOSFET of the fifth embodiment. As shown in FIG. 13, in the fifth embodiment, the surface of the N-type semiconductor substrate 1 is a (100) plane or a plane equivalent thereto, and the surface layer of the N-type semiconductor substrate 1 has a <001> direction. As in the fourth embodiment, the first trenches 2 are formed at a predetermined pitch, and the side surfaces of the first trenches 2 are (010) planes or equivalent planes. The difference from the fourth embodiment is the direction in which the P-type semiconductor region 9 extends. That is, in the fourth embodiment, the extending direction of the P-type semiconductor region 9 is the same (parallel) to the extending direction of the first trench 2, whereas in the fifth embodiment, the first trench 2 is extended. The direction in which the P-type semiconductor region 9 extends is different (orthogonal) from the direction in which the P-type semiconductor region 9 extends. Since other configurations are the same as those of the fourth embodiment, the same configurations as those of the fourth embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the fourth embodiment and description thereof is omitted. In the fourth embodiment, it is necessary to make the pitch of the adjacent P-type epitaxial layer 3 coincide with the pitch of the adjacent P-type semiconductor region 9 or to multiply (to be parallel) in order to reduce variation in electrical characteristics. However, in the fifth embodiment, it is not necessary to match or multiply the pitch of the adjacent P-type epitaxial layer 3 and the pitch of the adjacent P-type semiconductor region 9 (because they are orthogonal).
As described above, the present invention is not limited to the N-channel MOSFET exemplified in the embodiment, but can be applied to all semiconductor elements having a superjunction structure and a trench gate structure. For example, the present invention can also be applied to a P-channel MOSFET, an IGBT (insulated gate bipolar transistor) having a trench type MOS gate structure, or the like.

本発明の半導体素子は、低オン抵抗が実現できるので、スイッチング素子の低損失化が要求される回路に適用できる。   Since the semiconductor element of the present invention can realize a low on-resistance, it can be applied to a circuit that requires a low loss switching element.

1 N型半導体基板
2 第1のトレンチ
3 P型エピタキシャル層
4 第2のトレンチ
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
7 P型半導体領域
8 N+型ソース領域
9 高濃度のP型半導体領域
10 層間絶縁膜
11 ソース電極
12 N+型ドレイン層
13 ドレイン電極
14 高抵抗のN型バッファ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 N type semiconductor substrate 2 1st trench 3 P type epitaxial layer 4 2nd trench 5 Gate insulating film 6 Gate electrode 7 P type semiconductor region 8 N + type source region 9 High concentration P type semiconductor region 10 Interlayer insulating film 11 Source electrode 12 N + type drain layer 13 Drain electrode 14 High resistance N type buffer layer

Claims (4)

(100)面またはこれと等価な面を表面とする第1導電型の半導体基板よりなる第1の半導体領域と、
前記半導体基板の表面層にて<001>方向に伸び、かつ(010)面と(0−10)面を側面とする複数の第1のトレンチ内に埋め込まれた第2導電型のエピタキシャル層よりなる第2の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の表面層にて<001>方向に伸びる第2のトレンチと、
前記第2のトレンチの内面に沿うゲート絶縁膜と、
前記第2のトレンチ内の、前記ゲート絶縁膜の内側に埋め込まれたゲート電極と、
を具備し、
前記第2のトレンチの幅は隣り合う前記第2半導体領域間の前記第1の半導体領域の幅より広いことを特徴とする半導体素子。
A first semiconductor region comprising a semiconductor substrate of a first conductivity type having a (100) plane or a plane equivalent thereto,
From a second conductivity type epitaxial layer embedded in a plurality of first trenches extending in the <001> direction on the surface layer of the semiconductor substrate and having (010) plane and (0-10) plane as side surfaces A second semiconductor region comprising:
A second trench extending in the <001> direction in the surface layer of the first semiconductor region;
A gate insulating film along the inner surface of the second trench;
A gate electrode embedded inside the gate insulating film in the second trench;
Comprising
The width of the second trench is wider than the width of the first semiconductor region between the adjacent second semiconductor regions.
前記第1の半導体領域の幅と前記第2の半導体領域の幅は同じであることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 1, wherein a width of the first semiconductor region and a width of the second semiconductor region are the same. 隣り合う前記第2のトレンチ間の表面層に設けられた第1導電型のソース領域と、
層間絶縁膜により前記ゲート電極から絶縁され、かつ前記ソース領域に接触するソース電極と、
をさらに具備することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体素子。
A source region of a first conductivity type provided in a surface layer between the adjacent second trenches;
A source electrode insulated from the gate electrode by an interlayer insulating film and in contact with the source region;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
前記半導体基板の裏面に設けられた第1導電型のドレイン層と、
前記ドレイン層に接触するドレイン電極と、
をさらに具備することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体素子。
A drain layer of a first conductivity type provided on the back surface of the semiconductor substrate;
A drain electrode in contact with the drain layer;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
JP2013016606A 2003-01-16 2013-01-31 Manufacturing method of semiconductor device Expired - Lifetime JP5729400B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013016606A JP5729400B2 (en) 2003-01-16 2013-01-31 Manufacturing method of semiconductor device

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003008844 2003-01-16
JP2003008844 2003-01-16
JP2013016606A JP5729400B2 (en) 2003-01-16 2013-01-31 Manufacturing method of semiconductor device

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010166704A Division JP5299373B2 (en) 2003-01-16 2010-07-26 Semiconductor element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013102213A true JP2013102213A (en) 2013-05-23
JP5729400B2 JP5729400B2 (en) 2015-06-03

Family

ID=43093164

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010166704A Expired - Lifetime JP5299373B2 (en) 2003-01-16 2010-07-26 Semiconductor element
JP2013016606A Expired - Lifetime JP5729400B2 (en) 2003-01-16 2013-01-31 Manufacturing method of semiconductor device
JP2013016607A Pending JP2013077854A (en) 2003-01-16 2013-01-31 Semiconductor element

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010166704A Expired - Lifetime JP5299373B2 (en) 2003-01-16 2010-07-26 Semiconductor element

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013016607A Pending JP2013077854A (en) 2003-01-16 2013-01-31 Semiconductor element

Country Status (1)

Country Link
JP (3) JP5299373B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105702739A (en) * 2016-05-04 2016-06-22 深圳尚阳通科技有限公司 Shield grid trench MOSFET device and manufacturing method thereof
CN116525435A (en) * 2022-09-05 2023-08-01 苏州华太电子技术股份有限公司 IGBT device manufacturing method and IGBT device

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5812029B2 (en) 2012-06-13 2015-11-11 株式会社デンソー Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5751213B2 (en) * 2012-06-14 2015-07-22 株式会社デンソー Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6098417B2 (en) 2013-07-26 2017-03-22 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2016163004A (en) 2015-03-05 2016-09-05 株式会社東芝 Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
JP6416062B2 (en) 2015-09-10 2018-10-31 株式会社東芝 Semiconductor device
CN109300975B (en) * 2018-09-29 2021-03-30 电子科技大学 Trench gate bipolar transistor with low electromagnetic interference noise characteristic

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS598375A (en) * 1982-07-05 1984-01-17 Matsushita Electronics Corp Insulated gate field-effect transistor
JPS61168912A (en) * 1985-01-23 1986-07-30 Hitachi Ltd Semiconductor device
JPH03262110A (en) * 1990-03-13 1991-11-21 Matsushita Electron Corp Semiconductor substrate
JP2000277726A (en) * 1999-03-23 2000-10-06 Toshiba Corp High breakdown strength semiconductor element
JP2001015752A (en) * 1998-11-11 2001-01-19 Fuji Electric Co Ltd Superjunction semiconductor element and manufacture thereof
JP2001111041A (en) * 1998-11-12 2001-04-20 Fuji Electric Co Ltd Super-junction semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2001127289A (en) * 1999-10-28 2001-05-11 Denso Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2001135819A (en) * 1999-08-23 2001-05-18 Fuji Electric Co Ltd Super-junction semiconductor element
JP2001244462A (en) * 2000-03-01 2001-09-07 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Transistor and method of manufacturing the same
JP2001332726A (en) * 2000-05-22 2001-11-30 Hitachi Ltd Vertical field effect semiconductor device and its manufacturing method
JP2002184985A (en) * 2000-12-18 2002-06-28 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Semiconductor device
JP2002540603A (en) * 1999-03-24 2002-11-26 インフィネオン テクノロジース アクチエンゲゼルシャフト MOS transistor structure having trench gate electrode and reduced switching specific resistance, and method of manufacturing MOS transistor structure

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4764987B2 (en) * 2000-09-05 2011-09-07 富士電機株式会社 Super junction semiconductor device
JP4865166B2 (en) * 2001-08-30 2012-02-01 新電元工業株式会社 Transistor manufacturing method, diode manufacturing method
JP2004047967A (en) * 2002-05-22 2004-02-12 Denso Corp Semiconductor device and method for manufacturing same
JP3971670B2 (en) * 2002-06-28 2007-09-05 新電元工業株式会社 Semiconductor device

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS598375A (en) * 1982-07-05 1984-01-17 Matsushita Electronics Corp Insulated gate field-effect transistor
JPS61168912A (en) * 1985-01-23 1986-07-30 Hitachi Ltd Semiconductor device
JPH03262110A (en) * 1990-03-13 1991-11-21 Matsushita Electron Corp Semiconductor substrate
JP2001015752A (en) * 1998-11-11 2001-01-19 Fuji Electric Co Ltd Superjunction semiconductor element and manufacture thereof
JP2001111041A (en) * 1998-11-12 2001-04-20 Fuji Electric Co Ltd Super-junction semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2000277726A (en) * 1999-03-23 2000-10-06 Toshiba Corp High breakdown strength semiconductor element
JP2002540603A (en) * 1999-03-24 2002-11-26 インフィネオン テクノロジース アクチエンゲゼルシャフト MOS transistor structure having trench gate electrode and reduced switching specific resistance, and method of manufacturing MOS transistor structure
JP2001135819A (en) * 1999-08-23 2001-05-18 Fuji Electric Co Ltd Super-junction semiconductor element
JP2001127289A (en) * 1999-10-28 2001-05-11 Denso Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2001244462A (en) * 2000-03-01 2001-09-07 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Transistor and method of manufacturing the same
JP2001332726A (en) * 2000-05-22 2001-11-30 Hitachi Ltd Vertical field effect semiconductor device and its manufacturing method
JP2002184985A (en) * 2000-12-18 2002-06-28 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105702739A (en) * 2016-05-04 2016-06-22 深圳尚阳通科技有限公司 Shield grid trench MOSFET device and manufacturing method thereof
CN105702739B (en) * 2016-05-04 2019-04-23 深圳尚阳通科技有限公司 Shield grid groove MOSFET device and its manufacturing method
CN116525435A (en) * 2022-09-05 2023-08-01 苏州华太电子技术股份有限公司 IGBT device manufacturing method and IGBT device

Also Published As

Publication number Publication date
JP5299373B2 (en) 2013-09-25
JP2010239160A (en) 2010-10-21
JP2013077854A (en) 2013-04-25
JP5729400B2 (en) 2015-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5002148B2 (en) Semiconductor device
JP5729400B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP7182594B2 (en) Power semiconductor device with gate trench and buried termination structure and related method
JP5198030B2 (en) Semiconductor element
JP5673393B2 (en) Silicon carbide semiconductor device
JP6197995B2 (en) Wide band gap insulated gate semiconductor device
US8829608B2 (en) Semiconductor device
CN105280711B (en) Charge compensation structure and manufacture for it
US10446649B2 (en) Silicon carbide semiconductor device
JP2008182054A (en) Semiconductor device
JP2022002345A (en) Semiconductor device
JP2007300034A (en) Semiconductor device, and its fabrication process
JP7293750B2 (en) Super-junction silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing super-junction silicon carbide semiconductor device
JP2011124464A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2009272397A (en) Semiconductor device
US9013005B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing same
JP2007281034A (en) Power semiconductor element
US9640612B2 (en) Semiconductor device
JP4595327B2 (en) Semiconductor element
JPWO2017064887A1 (en) Semiconductor device
JP2019503591A (en) Power semiconductor devices
JP5201307B2 (en) Semiconductor device
US10121862B2 (en) Switching device and method of manufacturing the same
JP4997715B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2018046161A (en) Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140220

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140304

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140424

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140701

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140924

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20141001

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141104

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141113

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150310

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150323

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5729400

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term