JP2015046627A - Method for manufacturing semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that, from result of study of a problem about a device structure such as a power MOSFET and mass production thereof, concerning high breakdown voltage and low on-resistance or the like using an epitaxy trench filling system, following problems was revealed a p-type column region does not become an ideal rectangular parallelepiped but become a narrower reverse trapezoidal shape as it goes downward further, and concentration distribution becomes thinner at a lower part, thereby the breakdown voltage cannot be obtained unexpectedly.SOLUTION: In a semiconductor device containing a power MOSFET section having a super junction structure formed in an active cell section by a trench philharmonic system, a base epitaxy layer is made as a multilevel structure having high impurity concentration in an upper part.

Description

本発明は、パワー系半導体装置(または半導体集積回路装置)のデバイス構造および製造プロセス等に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a technique effective when applied to a device structure, a manufacturing process, and the like of a power semiconductor device (or a semiconductor integrated circuit device).

日本特開2008−124346号公報(特許文献1)または米国特許第7642597号公報(特許文献2)には、マルチエピタキシ(Multi−Epitaxy)方式やエピタキシトレンチフィリング(Epitaxy Trench Filling)方式を用いて製造され、ドリフト領域の途中までスーパジャンクション(Super Junction)構造を導入した、いわゆる、セミスーパジャンクション(Semi−Super Junction)構造を有するパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の一例が開示されている。この例においては、セミスーパジャンクション構造を構成するP型カラム領域に、上方から下方に向かい徐々に不純物濃度が低下するような不純物プロファイルを形成することにより、埋め込みフィールドプレート(Trench Field Plate)の下端部における電界集中を緩和し、高耐圧特性と低オン抵抗を達成する旨の説明がされている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-124346 (Patent Document 1) or US Pat. No. 7,642,597 (Patent Document 2) uses a multi-epitaxy method or an epitaxy trench filling method. An example of a power MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) having a semi-junction (Semi-Super Junction) structure in which a super junction structure is introduced partway through the drift region is disclosed. In this example, by forming an impurity profile in the P-type column region constituting the semi-superjunction structure so that the impurity concentration gradually decreases from the top to the bottom, the lower end of the buried field plate (Trench Field Plate) is formed. It is explained that the electric field concentration in the part is relaxed and high breakdown voltage characteristics and low on-resistance are achieved.

日本特開2004−119611号公報(特許文献3)には、主にマルチエピタキシ方式を用いて製造されるセミスーパジャンクション構造を有するパワーMOSFETの一例が開示されている。この例においては、セミスーパジャンクション構造を構成するN型カラム領域に、上方から下方に向かい徐々に不純物濃度が増加するような不純物プロファイルを形成することにより、N型カラム領域とP型カラム領域間のチャージアンバランスに起因する耐圧低下を軽減する旨の説明がされている。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-119611 (Patent Document 3) discloses an example of a power MOSFET having a semi-superjunction structure manufactured mainly using a multi-epitaxy method. In this example, an impurity profile in which the impurity concentration gradually increases from the upper side to the lower side is formed in the N-type column region constituting the semi-superjunction structure, so that the space between the N-type column region and the P-type column region is increased. There is an explanation to reduce the breakdown voltage caused by the charge imbalance.

日本特開2008−258442号公報(特許文献4)または米国特許公開2008−246079号公報(特許文献5)には、主にマルチエピタキシ方式を用いて製造されるセミスーパジャンクション構造を有するパワーMOSFETの一例が開示されている。この例においては、セミスーパジャンクション構造を構成するN型カラム領域およびP型カラム領域に、中央部が高い不純物プロファイルを形成することにより、上下端での空乏化を容易にして当該部分での電界集中を緩和する旨の説明がされている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2008-258442 (Patent Document 4) or US Patent Publication No. 2008-246079 (Patent Document 5) discloses a power MOSFET having a semi-superjunction structure manufactured mainly using a multi-epitaxy method. An example is disclosed. In this example, a high impurity profile is formed in the central portion in the N-type column region and the P-type column region constituting the semi-superjunction structure, so that depletion at the upper and lower ends is facilitated, and the electric field at the portion is increased. An explanation is given to alleviate concentration.

日本特開2008−91450号公報(特許文献6)または米国特許公開2008−237774号公報(特許文献7)には、主にマルチエピタキシ方式を用いて製造されるセミスーパジャンクション構造を有するパワーMOSFETの一例が開示されている。この例においては、セミスーパジャンクション構造を構成するN型カラム領域およびP型カラム領域に、上方から下方に向かい階段状に不純物濃度が減少するような不純物プロファイルを形成することにより、高耐圧特性と低オン抵抗を実現する旨の説明がされている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-91450 (Patent Document 6) or US Patent Publication No. 2008-237774 (Patent Document 7) discloses a power MOSFET having a semi-superjunction structure manufactured mainly using a multi-epitaxy method. An example is disclosed. In this example, by forming an impurity profile in the N-type column region and the P-type column region constituting the semi-superjunction structure so that the impurity concentration decreases stepwise from the upper side to the lower side, high breakdown voltage characteristics and It is explained that a low on-resistance is realized.

日本特開2007−300034号公報(特許文献8)または米国特許公開2008−17897号公報(特許文献9)には、主にエピタキシトレンチフィリング方式を用いて製造されるセミスーパジャンクション構造を有するパワーMOSFETの一例が開示されている。この例においては、セミスーパジャンクション構造を構成するN型カラム領域およびP型カラム領域の幅を上下で異ならせる(具体的には、P型カラム領域の下方の幅を薄くする)ことにより、カラム下方でのボロンの拡散を抑制し、オン抵抗の上昇を防止する旨の説明がされている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2007-300034 (Patent Document 8) or US Patent Publication No. 2008-17897 (Patent Document 9) discloses a power MOSFET having a semi-superjunction structure that is mainly manufactured using an epitaxy trench filling method. An example is disclosed. In this example, the widths of the N-type column region and the P-type column region constituting the semi-superjunction structure are made different vertically (specifically, the width below the P-type column region is reduced), thereby There is an explanation that the diffusion of boron below is suppressed and the increase of the on-resistance is prevented.

日本特開2006−66421号公報(特許文献10)または米国特許第7420245号公報(特許文献11)には、マルチエピタキシ方式を用いて製造され、ドリフト領域を貫通するようにスーパジャンクション構造を導入した、いわゆる、フルスーパジャンクション(Full−Super Junction)構造(あるいは、単に「スーパジャンクション構造」と言う)を有するパワーMOSFETの一例が開示されている。この例においては、スーパジャンクション構造を構成するN型カラム領域およびP型カラム領域は、それぞれ上下2段のセクションに分かれており、上のセクションを高濃度とすることにより、N型カラム領域とP型カラム領域間のチャージアンバランスに起因する耐圧低下を軽減する旨の説明がされている。   In Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-66421 (Patent Document 10) or US Pat. No. 7,420,245 (Patent Document 11), a super junction structure is introduced so as to penetrate the drift region, which is manufactured using a multi-epitaxy method. An example of a power MOSFET having a so-called Full-Super Junction structure (or simply referred to as “super-junction structure”) is disclosed. In this example, the N-type column region and the P-type column region constituting the super junction structure are each divided into two upper and lower sections, and the upper section is made high so that the N-type column region and the P-type column region are separated from each other. It is described that the breakdown voltage reduction due to the charge imbalance between the mold column regions is reduced.

特開2008−124346号公報JP 2008-124346 A 米国特許第7642597号公報U.S. Pat. No. 7,642,597 特開2004−119611号公報JP 2004-119611 A 特開2008−258442号公報JP 2008-258442 A 米国特許公開2008−246079号公報US Patent Publication No. 2008-246079 特開2008−91450号公報JP 2008-91450 A 米国特許公開2008−237774号公報US Patent Publication No. 2008-237774 特開2007−300034号公報JP 2007-300034 A 米国特許公開2008−17897号公報US Patent Publication No. 2008-17897 特開2006−66421号公報JP 2006-66421 A 米国特許第7420245号公報U.S. Pat. No. 7,420,245

パワーMOSFET等のドリフト領域に関して、従来のシリコンリミット(Silicon Limit)による制約を回避して、オン抵抗の低い高耐圧FET(たとえば、ソースドレイン耐圧650ボルト程度以上)等の開発が重要な課題となっている。そのため、ドリフト領域に比較的高濃度のスラブ(Slab)状のN型カラム領域およびP型カラム領域を交互に有するスーパジャンクション構造を導入する方法が種々開発されている。このスーパジャンクション構造を導入する方式は、大まかに言って3種類の方式、すなわち、マルチエピタキシ方式、トレンチ絶縁膜埋め込み方式、および、エピタキシトレンチフィリング方式(トレンチフィル方式またはトレンチエピタキシ埋め込み方式)がある。これらのうち、エピタキシャル成長とイオン注入を多数回繰り返すマルチエピタキシ方式はプロセスおよび設計の自由度が高い分、工程が複雑になるため高コストである。トレンチ絶縁膜埋め込み方式は、トレンチに斜めイオン注入した後、トレンチ(P型カラム領域を埋め込む溝)をCVD(Chemical Vapor Deposition)絶縁膜で埋め込むものであり、プロセス的にはより単純であるが、トレンチの面積分だけ面積的に不利となる。   For drift regions such as power MOSFETs, the development of high breakdown voltage FETs with low on-resistance (for example, source drain breakdown voltage of about 650 volts or more) and the like is an important issue, avoiding the limitations due to the conventional silicon limit (Silicon Limit). ing. Therefore, various methods have been developed for introducing a super junction structure having alternately a relatively high concentration slab-like N-type column region and P-type column region in the drift region. There are roughly three types of methods for introducing this super junction structure, namely, a multi-epitaxy method, a trench insulating film embedding method, and an epitaxial trench filling method (trench fill method or trench epitaxy embedding method). Among these, the multi-epitaxy method in which epitaxial growth and ion implantation are repeated many times is expensive because the process becomes complicated due to the high degree of freedom in process and design. The trench insulating film embedding method is such that after oblique ion implantation into the trench, the trench (groove for embedding the P-type column region) is embedded with a CVD (Chemical Vapor Deposition) insulating film, and the process is simpler. The area is disadvantageous by the area of the trench.

これらに対して、エピタキシトレンチフィリング方式は、ベースとなるエピタキシャル層(「ベースエピタキシ層」と言う)にトレンチを形成して、そこに埋め込みエピタキシャル成長により反対導電型のカラム領域を埋め込み形成するものであり、埋め込みエピタキシャル成長の成長条件の制約のためにプロセスおよび設計の自由度が比較的低いが、工程が単純であるというメリットがある。そこで、本願発明者らは、エピタキシトレンチフィリング方式による高耐圧&低オン抵抗等に関して、パワーMOSFET等のデバイス構造および量産上の問題を検討したところ、以下のような問題があることが明らかとなった。すなわち、P型カラム領域が理想的な直方体とならず、下ほど狭い逆台形状となるほか、濃度分布が下ほど薄くなるため、予想外に耐圧が得られないというものである。   In contrast, the epitaxy trench filling method is to form a trench in the base epitaxial layer (referred to as “base epitaxy layer”), and embed and form a column region of opposite conductivity type therein by buried epitaxial growth. Although the degree of freedom of process and design is relatively low due to restrictions on the growth conditions of buried epitaxial growth, there is an advantage that the process is simple. Accordingly, the inventors of the present application have examined device structures such as power MOSFETs and mass production related to high breakdown voltage & low on-resistance by the epitaxial trench filling method, and it has become clear that there are the following problems. It was. That is, the P-type column region is not an ideal rectangular parallelepiped, and has a narrow inverted trapezoidal shape at the bottom, and the concentration distribution becomes thin at the bottom, so that a withstand voltage cannot be obtained unexpectedly.

本願発明は、これらの課題を解決するためになされたものである。   The present invention has been made to solve these problems.

本発明の目的は、高耐圧で且つ低オン抵抗のパワー系固体能動素子等の半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device such as a power-type solid active element having a high breakdown voltage and a low on-resistance.

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。   The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.

すなわち、本願の一つの発明は、アクティブセル部にトレンチフィル方式によって形成されたスーパジャンクション構造を有するパワーMOSFET部を含む半導体装置(パワーMOSFET、IGBT等)において、ベースエピタキシ層を上方が不純物濃度の高い多段構造(2段構造を含む)としたものである。   That is, according to one aspect of the present invention, in a semiconductor device (power MOSFET, IGBT, etc.) including a power MOSFET portion having a superjunction structure formed by a trench fill method in an active cell portion, the upper side of the base epitaxy layer has an impurity concentration. It has a high multi-stage structure (including a two-stage structure).

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。   The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

すなわち、アクティブセル部にトレンチフィル方式によって形成されたスーパジャンクション構造を有するパワーMOSFET部を含む半導体装置において、ベースエピタキシ(Base Epitaxy)層を上方が不純物濃度の高い多段構造(2段構造を含む)とすることにより、カラムの上下における不純物濃度のアンバランスを低減することができる。   That is, in a semiconductor device including a power MOSFET portion having a super junction structure formed by a trench fill method in an active cell portion, a base epitaxy (Base Epitaxy) layer has a multistage structure (including a two-stage structure) with a high impurity concentration above. By doing so, it is possible to reduce the unbalance of the impurity concentration above and below the column.

本願の第1の実施の形態(各実施の形態に共通)の半導体チップの全体上面図である。1 is an overall top view of a semiconductor chip according to a first embodiment (common to the respective embodiments) of the present application. 図1のアクティブセル端部及びチップ周辺部領域切り出し部R1に対応する内部構造拡大平面図である。FIG. 2 is an enlarged plan view of an internal structure corresponding to an active cell end portion and a chip peripheral region cutout portion R1 in FIG. 図1及び図2のA−A’断面に対応するデバイス断面図である。FIG. 3 is a device cross-sectional view corresponding to the A-A ′ cross section of FIGS. 1 and 2. 図1のアクティブセル中央部切り出し部R2に対応する内部構造拡大平面図である。FIG. 2 is an enlarged plan view of an internal structure corresponding to an active cell center cutout portion R2 in FIG. 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図である。FIG. 3 is a device cross-sectional view corresponding to the B-B ′ cross section of FIGS. 1 and 2. 図5に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a charge distribution corresponding to a half pitch of the super junction structure of the drift region in the active cell region (the left side is an impurity region structure in the semiconductor substrate, the center is each charge distribution in the y direction, the right side is the y direction) Distribution of the absolute value of the electric field strength). 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。FIG. 4 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section of FIG. 3 (P-type column groove opening hard mask film patterning step). 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口工程)である。FIG. 4 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (P-type column groove opening step). 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (epitaxy trench filling step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(平坦化工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (planarization step) illustrating a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P−型リサーフ領域導入工程)である。FIG. 4 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (P-type RESURF region introducing step). 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(フィールド絶縁膜エッチング工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (field insulating film etching step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型ボディ領域導入工程)である。FIG. 4 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (P-type body region introduction step). 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲート酸化工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (gate oxidation process) illustrating a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜成膜工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (gate polysilicon film forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)である。FIG. 4 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (gate polysilicon film patterning step). 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(N+型ソース領域導入工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (N + type source region introduction step) showing a process flow corresponding to the device cross section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(層間絶縁膜成膜工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (interlayer insulating film forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(コンタクトホール形成工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (contact hole forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P+型ボディコンタクト領域導入工程)である。FIG. 4 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (P + type body contact region introducing step). 図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(アルミニウム系メタル電極形成工程)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (aluminum-based metal electrode forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。FIG. 6 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (P-type column groove opening hard mask film patterning step). 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口工程)である。FIG. 6 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (P-type column groove opening step). 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (epitaxy trench filling step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 5. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(平坦化工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (planarization step) illustrating a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 5. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型ボディ領域導入工程)である。FIG. 6 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (P-type body region introduction step). 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲート酸化工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (gate oxidation process) illustrating a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 5. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜成膜工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (gate polysilicon film forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 5. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)である。FIG. 6 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (gate polysilicon film patterning step). 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(N+型ソース領域導入工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (N + type source region introduction step) showing a process flow corresponding to the device cross section of FIG. 5. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(層間絶縁膜成膜工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (interlayer insulating film forming step) illustrating a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 5. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(コンタクトホール形成工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (contact hole forming step) illustrating a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 5. 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P+型ボディコンタクト領域導入工程)である。FIG. 6 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (P + type body contact region introducing step). 図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(アルミニウム系メタル電極形成工程)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view (aluminum-based metal electrode forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 5. 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第2の実施の形態)である。FIG. 3 is a device cross-sectional view (second embodiment) corresponding to the B-B ′ cross-section of FIGS. 1 and 2. 図35に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。35 is an explanatory diagram of a charge distribution corresponding to a half pitch of the super junction structure in the drift region in the active cell region shown in FIG. 35 (the impurity region structure in the semiconductor substrate on the left side, each charge distribution in the center in the y direction, and the right side in the y direction) Distribution of the absolute value of the electric field strength). 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第3の実施の形態)である。FIG. 3 is a device cross-sectional view (third embodiment) corresponding to the B-B ′ cross-section of FIGS. 1 and 2. 図37に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。37 is an explanatory diagram of a charge distribution corresponding to a half pitch of the super junction structure in the drift region in the active cell region shown in FIG. 37 (the impurity region structure in the semiconductor substrate on the left side, each charge distribution in the y direction, and the right side in the y direction) Distribution of the absolute value of the electric field strength). 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第4の実施の形態)である。FIG. 4 is a device cross-sectional view (fourth embodiment) corresponding to the B-B ′ cross section of FIGS. 1 and 2. 図39に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。39 is an explanatory diagram of a charge distribution corresponding to a half pitch of the super junction structure of the drift region in the active cell region shown in FIG. 39 (the impurity region structure in the semiconductor substrate on the left side, each charge distribution in the center in the y direction, and the right side in the y direction) Distribution of the absolute value of the electric field strength). 図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。FIG. 40 is a device cross-sectional view (P-type column groove opening hard mask film patterning step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device cross section of FIG. 39; 図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(N型カラム領域への斜めイオン注入工程)である。FIG. 40 is a device sectional view showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. 39 (oblique ion implantation step into an N-type column region); 図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。FIG. 40 is a device sectional view (epitaxy trench filling process) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. 39; 図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(平坦化工程)である。FIG. 40 is a device cross-sectional view (planarization step) illustrating a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 39; 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)である。FIG. 3 is a device sectional view corresponding to the B-B ′ section in FIGS. 1 and 2 (a trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment); 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (P-type column groove opening hard mask film patterning step) showing a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45; 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(P型カラム溝開口工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (P-type column groove opening step) showing a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45. 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (epitaxy trench filling process) showing a process flow (trench power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45. 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(平坦化工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (planarization step) illustrating a process flow (trench-type power MOSFET that is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45. 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(絶縁膜ハードマスク除去工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (insulating film hard mask removal step) illustrating a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45; 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(トレンチエッチ用絶縁膜成膜工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (trench etch insulating film formation step) illustrating a process flow (trench power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45; 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(トレンチエッチ用絶縁膜成膜異方性エッチバック工程)である。46 is a device cross-sectional view (trench etch insulating film formation anisotropic etch-back step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 45 (trench power MOSFET which is a modification of the first embodiment); FIG. 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲートトレンチエッチ工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (gate trench etch process) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 45 (trench power MOSFET which is a modification of the first embodiment). 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲート酸化工程)である。FIG. 46 is a device sectional view (gate oxidation step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section in FIG. 45; 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜成膜工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (gate polysilicon film formation step) illustrating a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45; 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (gate polysilicon film patterning step) illustrating a process flow (trench power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45; 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(N+型ソース領域導入工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (N + type source region introduction step) illustrating a process flow corresponding to the device cross section of FIG. 45 (a trench power MOSFET that is a modification of the first embodiment). 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(層間絶縁膜成膜工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (interlayer insulating film formation step) illustrating a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45. 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(コンタクトホール形成工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (contact hole forming step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45. 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(P+型ボディコンタクト領域導入工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (P + type body contact region introduction step) showing a process flow corresponding to the device cross section of FIG. 45 (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment); 図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(アルミニウム系メタル電極形成工程)である。FIG. 46 is a device cross-sectional view (aluminum-based metal electrode formation step) illustrating a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 45 (a trench type power MOSFET that is a modification of the first embodiment). 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第2の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)である。FIG. 3 is a device cross-sectional view corresponding to the B-B ′ cross-section of FIGS. 1 and 2 (a trench type power MOSFET which is a modification of the second embodiment). 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第3の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)である。FIG. 6 is a device cross-sectional view corresponding to the B-B ′ cross-section of FIGS. 1 and 2 (a trench type power MOSFET that is a modification of the third embodiment). 図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第4の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)である。FIG. 6 is a device sectional view corresponding to the B-B ′ section in FIGS. 1 and 2 (a trench type power MOSFET which is a modification of the fourth embodiment);

〔実施の形態の概要〕
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。
[Outline of Embodiment]
First, an outline of a typical embodiment of the invention disclosed in the present application will be described.

1.以下を含む半導体装置:
(a)第1の主面及び第2の主面を有し、パワーMOSFETが形成された半導体チップ;
(b)前記半導体チップの前記第1の主面側に設けられた前記パワーMOSFETのソース電極;
(c)前記半導体チップの前記第1の主面側の表面内に設けられ、第1導電型を有する前記パワーMOSFETのドリフト領域;
(d)前記半導体チップの前記第1の主面側から前記ドリフト領域を貫通するように設けられた複数のトレンチ;
(e)前記複数のトレンチ内に、エピタキシャル成長により、それぞれ埋め込まれ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有する複数の第2導電型カラム領域;
(f)前記複数の第2導電型カラム領域の間にあり、それらとともにスーパジャンクション構造を構成する前記第1導電型を有する複数の第1導電型カラム領域、
ここで、前記複数の第1導電型カラム領域の各々は、以下を含む:
(f1)第1の不純物濃度を有する下層領域;
(f2)前記下層領域と前記第1の主面との間にあって、前記第1の不純物濃度よりも濃度の高い第2の不純物濃度を有する上層領域。
1. Semiconductor devices including:
(A) a semiconductor chip having a first main surface and a second main surface, on which a power MOSFET is formed;
(B) a source electrode of the power MOSFET provided on the first main surface side of the semiconductor chip;
(C) a drift region of the power MOSFET provided in the surface on the first main surface side of the semiconductor chip and having the first conductivity type;
(D) a plurality of trenches provided so as to penetrate the drift region from the first main surface side of the semiconductor chip;
(E) a plurality of second conductivity type column regions embedded in the plurality of trenches by epitaxial growth and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
(F) a plurality of first conductivity type column regions having the first conductivity type which are between the plurality of second conductivity type column regions and constitute a super junction structure with them;
Here, each of the plurality of first conductivity type column regions includes the following:
(F1) a lower layer region having a first impurity concentration;
(F2) An upper layer region between the lower layer region and the first main surface and having a second impurity concentration that is higher than the first impurity concentration.

2.前記1項の半導体装置において、前記ドリフト領域は、通常エピタキシ層である。   2. In the semiconductor device of the item 1, the drift region is usually an epitaxy layer.

3.前記1または2項の半導体装置において、前記複数の第1導電型カラム領域の各々は、更に以下を含む:
(f3)前記下層領域と前記上層領域との間にあって、前記第1の不純物濃度と前記第2の不純物濃度との中間の第3の不純物濃度を有する中層領域。
3. 3. In the semiconductor device according to item 1 or 2, each of the plurality of first conductivity type column regions further includes:
(F3) An intermediate layer region between the lower layer region and the upper layer region and having a third impurity concentration intermediate between the first impurity concentration and the second impurity concentration.

4.前記1から3項のいずれか一つの半導体装置において、前記第1の不純物濃度は、前記第1導電型カラム領域が単一の領域であると仮定したときに、前記第2導電型カラム領域と前記第1導電型カラム領域とがチャージバランスを保つ濃度である。   4). 4. In the semiconductor device according to any one of items 1 to 3, when the first impurity concentration is based on the assumption that the first conductivity type column region is a single region, The first conductivity type column region has a concentration that maintains a charge balance.

5.前記1または2項の半導体装置において、前記第1の不純物濃度は、前記第1導電型カラム領域が単一の領域であると仮定したときに、前記第2導電型カラム領域と前記第1導電型カラム領域とがチャージバランスを保つ濃度よりも低い濃度である。   5. In the semiconductor device according to the item 1 or 2, the first impurity concentration is set such that when the first conductivity type column region is a single region, the second conductivity type column region and the first conductivity The concentration is lower than the concentration maintaining the charge balance with the mold column region.

6.前記1から5項のいずれか一つの半導体装置において、前記上層領域は、前記第1導電型を有する不純物をイオン注入することによって、その濃度を高くしている。   6). In the semiconductor device according to any one of 1 to 5, the concentration of the upper layer region is increased by ion implantation of the impurity having the first conductivity type.

7.前記1から6項のいずれか一つの半導体装置において、前記半導体チップは、シリコン系部材を主要な構成要素とする。   7). 7. In the semiconductor device according to any one of items 1 to 6, the semiconductor chip includes a silicon-based member as a main component.

8.前記1から7項のいずれか一つの半導体装置において、前記第1導電型は、N型である。   8). 8. The semiconductor device according to any one of 1 to 7, wherein the first conductivity type is an N type.

9.前記1から8項のいずれか一つの半導体装置において、前記半導体チップは、単体または複合のパワー系能動デバイスを構成している。   9. 9. In the semiconductor device as described above in any one of 1 to 8, the semiconductor chip constitutes a single or composite power system active device.

10.前記1から9項のいずれか一つの半導体装置において、前記半導体チップは、パワーMOSFET単体デバイスを構成している。   10. 10. In the semiconductor device as described above in any one of 1 to 9, the semiconductor chip constitutes a power MOSFET single device.

11.前記1から10項のいずれか一つの半導体装置において、前記パワーMOSFETは、プレーナ型である。   11. 11. In the semiconductor device as described above in any one of 1 to 10, the power MOSFET is a planar type.

12.前記1から10項のいずれか一つの半導体装置において、前記パワーMOSFETは、トレンチ型である。   12 11. The semiconductor device according to any one of 1 to 10, wherein the power MOSFET is a trench type.

13.前記1から12項のいずれか一つの半導体装置において、前記第2導電型カラム領域は、前記第1の主面側が幅が広い逆台形形状を呈している。   13. 13. In the semiconductor device as described above in any one of 1 to 12, the second conductivity type column region has an inverted trapezoidal shape having a wide width on the first main surface side.

14.前記1、2および4から13項のいずれか一つの半導体装置において、前記下層領域の厚さは、前記上層領域の厚さよりも厚い。   14 14. In the semiconductor device according to any one of Items 1, 2, and 4 to 13, the thickness of the lower layer region is larger than the thickness of the upper layer region.

15.前記1、2および4から13項のいずれか一つの半導体装置において、前記下層領域の厚さは、前記上層領域の厚さよりも薄い。   15. 14. In the semiconductor device according to any one of items 1, 2, and 4 to 13, the thickness of the lower layer region is smaller than the thickness of the upper layer region.

16.前記1から15項のいずれか一つの半導体装置において、更に、以下を含む:
(g)前記半導体チップの前記第1の主面側の前記ドリフト領域の表面領域に形成された前記第2導電型を有し、前記パワーMOSFETのチャネル領域を構成する第2導電型ボディ領域;
(h)前記半導体チップの前記第1の主面側の前記第2導電型ボディ領域の表面に形成されたゲート絶縁膜;
(i)前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2導電型ボディ領域の反対側に形成されたポリシリコン膜を主要な構成要素とするゲート電極。
16. 16. The semiconductor device according to any one of items 1 to 15, further including:
(G) a second conductivity type body region having the second conductivity type formed in a surface region of the drift region on the first main surface side of the semiconductor chip and constituting a channel region of the power MOSFET;
(H) a gate insulating film formed on the surface of the second conductivity type body region on the first main surface side of the semiconductor chip;
(I) A gate electrode whose main component is a polysilicon film formed on the opposite side of the second conductivity type body region across the gate insulating film.

17.前記16項の半導体装置において、前記第2導電型ボディ領域の導入は、前記ポリシリコン膜の成膜に先行して行われる。   17. In the semiconductor device of the item 16, the introduction of the second conductivity type body region is performed prior to the formation of the polysilicon film.

18.以下を含む半導体装置:
(a)第1の主面及び第2の主面を有し、パワーMOSFETが形成された半導体チップ;
(b)前記半導体チップの前記第1の主面側に設けられた前記パワーMOSFETのソース電極;
(c)前記半導体チップの前記第1の主面側の表面内に設けられ、第1導電型を有する前記パワーMOSFETのドリフト領域;
(d)前記半導体チップの前記第1の主面側から前記ドリフト領域を貫通するように設けられ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有する複数の第2導電型カラム領域;
(e)前記複数の第2導電型カラム領域の間にあり、それらとともにスーパジャンクション構造を構成する前記第1導電型を有する複数の第1導電型カラム領域;
(f)前記半導体チップの前記第1の主面側の前記ドリフト領域の表面領域に形成された前記第2導電型を有し、前記パワーMOSFETのチャネル領域を構成する第2導電型ボディ領域;
(g)前記半導体チップの前記第1の主面側の前記第2導電型ボディ領域の表面に形成されたゲート絶縁膜;
(h)前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2導電型ボディ領域の反対側に形成されたポリシリコン膜を主要な構成要素とするゲート電極、
ここで、前記第2導電型ボディ領域の導入は、前記ポリシリコン膜の成膜に先行して行われる。
18. Semiconductor devices including:
(A) a semiconductor chip having a first main surface and a second main surface, on which a power MOSFET is formed;
(B) a source electrode of the power MOSFET provided on the first main surface side of the semiconductor chip;
(C) a drift region of the power MOSFET provided in the surface on the first main surface side of the semiconductor chip and having the first conductivity type;
(D) A plurality of second conductivity type column regions provided so as to penetrate the drift region from the first main surface side of the semiconductor chip and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type. ;
(E) a plurality of first conductivity type column regions having the first conductivity type which are between the plurality of second conductivity type column regions and constitute a super junction structure with them;
(F) a second conductivity type body region having the second conductivity type formed in a surface region of the drift region on the first main surface side of the semiconductor chip and constituting a channel region of the power MOSFET;
(G) a gate insulating film formed on the surface of the second conductivity type body region on the first main surface side of the semiconductor chip;
(H) a gate electrode mainly comprising a polysilicon film formed on the opposite side of the second conductivity type body region across the gate insulating film;
Here, the introduction of the second conductivity type body region is performed prior to the formation of the polysilicon film.

19.前記18項の半導体装置において、前記複数の第1導電型カラム領域の各々は、以下を含む:
(e1)第1の不純物濃度を有する下層領域;
(e2)前記下層領域と前記第1の主面との間にあって、前記第1の不純物濃度よりも濃度の高い第2の不純物濃度を有する上層領域
20.前記18または19項の半導体装置において、前記ドリフト領域は、通常エピタキシ層である。
19. In the semiconductor device of the item 18, each of the plurality of first conductivity type column regions includes the following:
(E1) a lower layer region having a first impurity concentration;
(E2) An upper layer region between the lower layer region and the first main surface and having a second impurity concentration higher than the first impurity concentration. In the semiconductor device of the item 18 or 19, the drift region is usually an epitaxy layer.

〔本願における記載形式・基本的用語・用法の説明〕
1.本願において、実施の態様の記載は、必要に応じて、便宜上複数のセクションに分けて記載する場合もあるが、特にそうでない旨明示した場合を除き、これらは相互に独立別個のものではなく、単一の例の各部分、一方が他方の一部詳細または一部または全部の変形例等である。また、原則として、同様の部分は繰り返しを省略する。また、実施の態様における各構成要素は、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、必須のものではない。
[Description format, basic terms, usage in this application]
1. In the present application, the description of the embodiment may be divided into a plurality of sections for convenience, if necessary, but these are not independent from each other unless otherwise specified. Each part of a single example, one part is the other part of the details, or part or all of the modifications. Moreover, as a general rule, the same part is not repeated. In addition, each component in the embodiment is not indispensable unless specifically stated otherwise, unless it is theoretically limited to the number, and obviously not in context.

更に、本願において、「半導体装置」というときは、主に、各種トランジスタ(能動素子)単体、またはそれらを中心に、抵抗、コンデンサ等を半導体チップ等(たとえば単結晶シリコン基板等のシリコン系部材を基材とする矩形板状等の形状を有するデバイス)上に集積した単体または複合のパワー系能動デバイス(一般に、数ワット以上の電力を扱うことができるデバイスを言う)をいう。ここで、各種トランジスタの代表的なものとしては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代表されるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を例示することができる。このとき、各種単体トランジスタの代表的なものとしては、パワーMOSFETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を例示することができる。   Furthermore, in the present application, the term “semiconductor device” mainly refers to various transistors (active elements) alone, or a resistor, a capacitor, etc., including a semiconductor chip (eg, a silicon-based member such as a single crystal silicon substrate). It refers to a single or composite power active device (generally a device capable of handling a power of several watts or more) integrated on a substrate (a device having a shape such as a rectangular plate). Here, as a representative of various transistors, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Effect Transistor) typified by a MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) can be exemplified. At this time, typical examples of various single transistors include power MOSFETs and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).

なお、パワーMOSFET等(IGBTも基本的に同じ)は、縦(Vertical)型と横(Lateral)型に大別され、この縦型パワーMOSFET等は、更に、プレーナ(Planar)型とトレンチ(Trench)型に分類でき、本願では、プレーナ型パワーMOSFETとトレンチ型パワーMOSFETを具体的に説明する。   Note that power MOSFETs (IGBTs are basically the same) are roughly classified into vertical types and horizontal types, and these vertical power MOSFETs are further divided into a planar type and a trench type. In the present application, a planar power MOSFET and a trench power MOSFET will be specifically described.

2.同様に実施の態様等の記載において、材料、組成等について、「AからなるX」等といっても、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかに、そうでない場合を除き、A以外の要素を主要な構成要素のひとつとするものを排除するものではない。たとえば、成分についていえば、「Aを主要な成分として含むX」等の意味である。たとえば、「シリコン部材」等といっても、純粋なシリコンに限定されるものではなく、SiGe合金やその他シリコンを主要な成分とする多元合金、その他の添加物等を含む部材も含むものであることはいうまでもない。同様に、「酸化シリコン膜」、「酸化シリコン系絶縁膜」等と言っても、比較的純粋な非ドープ酸化シリコン(Undoped Silicon Dioxide)だけでなく、FSG(Fluorosilicate Glass)、TEOSベース酸化シリコン(TEOS-based silicon oxide)、SiOC(Silicon Oxicarbide)またはカーボンドープ酸化シリコン(Carbon-doped Silicon oxide)またはOSG(Organosilicate glass)、PSG(Phosphorus Silicate Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)等の熱酸化膜、CVD酸化膜、SOG(Spin ON Glass)、ナノクラスタリングシリカ(Nano-Clustering Silica:NCS)等の塗布系酸化シリコン、これらと同様な部材に空孔を導入したシリカ系Low-k絶縁膜(ポーラス系絶縁膜)、およびこれらを主要な構成要素とする他のシリコン系絶縁膜との複合膜等を含むことは言うまでもない。   2. Similarly, in the description of the embodiment and the like, the material, composition, etc. may be referred to as “X consisting of A”, etc., except when clearly stated otherwise and clearly from the context, except for A It does not exclude what makes an element one of the main components. For example, as for the component, it means “X containing A as a main component”. For example, “silicon member” is not limited to pure silicon, but also includes SiGe alloys, other multi-component alloys containing silicon as a main component, and members containing other additives. Needless to say. Similarly, “silicon oxide film”, “silicon oxide insulating film”, etc. are not only relatively pure undoped silicon oxide (FS), but also FSG (Fluorosilicate Glass), TEOS-based silicon oxide ( Thermal oxide films such as TEOS-based silicon oxide), SiOC (Silicon Oxicarbide) or carbon-doped silicon oxide or OSG (Organosilicate glass), PSG (Phosphorus Silicate Glass), BPSG (Borophosphosilicate Glass), CVD Oxide film, SOG (Spin ON Glass), nano-clustering silica (Nano-Clustering Silica: NCS) and other coating-type silicon oxide, silica-based low-k insulating film (porous insulating) Needless to say, a film) and a composite film with other silicon-based insulating films including these as main constituent elements are included.

また、酸化シリコン系絶縁膜と並んで、半導体分野で常用されているシリコン系絶縁膜としては、窒化シリコン系絶縁膜がある。この系統の属する材料としては、SiN,SiCN,SiNH,SiCNH等がある。ここで、「窒化シリコン」というときは、特にそうでない旨明示したときを除き、SiNおよびSiNHの両方を含む。同様に、「SiCN」というときは、特にそうでない旨明示したときを除き、SiCNおよびSiCNHの両方を含む。   In addition to silicon oxide insulating films, silicon nitride insulating films that are commonly used in the semiconductor field include silicon nitride insulating films. Materials belonging to this system include SiN, SiCN, SiNH, SiCNH, and the like. Here, “silicon nitride” includes both SiN and SiNH unless otherwise specified. Similarly, “SiCN” includes both SiCN and SiCNH, unless otherwise specified.

なお、SiCは、SiNと類似の性質を有するが、SiONは、むしろ、酸化シリコン系絶縁膜に分類すべき場合が多い。   Note that SiC has similar properties to SiN, but SiON is often rather classified as a silicon oxide insulating film.

3.同様に、図形、位置、属性等に関して、好適な例示をするが、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、厳密にそれに限定されるものではないことは言うまでもない。   3. Similarly, suitable examples of graphics, positions, attributes, and the like are given, but it is needless to say that the present invention is not strictly limited to those cases unless explicitly stated otherwise, and unless otherwise apparent from the context.

4.さらに、特定の数値、数量に言及したときも、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、その特定の数値を超える数値であってもよいし、その特定の数値未満の数値でもよい。   4). In addition, when a specific number or quantity is mentioned, a numerical value exceeding that specific number will be used unless specifically stated otherwise, unless theoretically limited to that number, or unless otherwise clearly indicated by the context. There may be a numerical value less than the specific numerical value.

5.「ウエハ」というときは、通常は半導体装置(半導体集積回路装置、電子装置も同じ)をその上に形成する単結晶シリコンウエハを指すが、エピタキシャルウエハ、SOI基板、LCDガラス基板等の絶縁基板と半導体層等の複合ウエハ等も含むことは言うまでもない。   5. “Wafer” usually refers to a single crystal silicon wafer on which a semiconductor device (same as a semiconductor integrated circuit device and an electronic device) is formed, but an insulating substrate such as an epitaxial wafer, an SOI substrate, an LCD glass substrate, and the like. Needless to say, a composite wafer such as a semiconductor layer is also included.

6.一般にスーパジャンクション構造は、ある導電型の半導体領域に反対導電型の柱状又は板状のカラム領域をチャージバランスが保たれるように、ほぼ等間隔に挿入したものである。本願において、トレンチフィル方式による「スーパジャンクション構造」に言及するときは、原則として、ある導電型の半導体領域に反対導電型の板状(通常は、平板状であるが屈曲又は屈折していてもよい)の「カラム領域」をチャージバランスが保たれるように、ほぼ等間隔に挿入したものである。実施の形態では、N型半導体層(たとえばドリフト領域)にP型カラムを平行に等間隔を置いて形成されたものについて説明する。   6). In general, a super junction structure is formed by inserting columnar or plate-like column regions of opposite conductivity type into a semiconductor region of a certain conductivity type at approximately equal intervals so that charge balance is maintained. In this application, when referring to the “super junction structure” by the trench fill method, in principle, a plate region of an opposite conductivity type is formed in a semiconductor region of a certain conductivity type (usually a plate shape, although it is bent or refracted). The “column area” of (good) is inserted at approximately equal intervals so that the charge balance is maintained. In the embodiment, a case where P-type columns are formed in parallel at equal intervals on an N-type semiconductor layer (for example, a drift region) will be described.

本願において、リサーフ(Resurf:Reduced Surface Field )構造またはジャンクションエッジターミネーション(Junction Edge Termination)構造に関して、ジャンクションエッジエクステンション(Junction Edge Extension)または表面リサーフ領域(具体的には「P−型リサーフ領域」)とは、ドリフト領域の表面領域に形成され、チャネル領域を構成するP型ボディ領域(P型ウエル領域)の端部に連結した同一導電型でそれよりも不純物濃度の低い領域を言う。通常、セル部を取り巻くようにリング状に形成される。なお、本願においては、N型を「第1導電型」と呼び、P型を「第2導電型」と呼ぶ。   In the present application, regarding a resurf (Reduced Surface Field) structure or a junction edge termination structure, a junction edge extension or a surface resurf area (specifically, a “P-type resurf”). Refers to a region of the same conductivity type that is formed in the surface region of the drift region and is connected to the end portion of the P-type body region (P-type well region) constituting the channel region and having a lower impurity concentration. Usually, it is formed in a ring shape so as to surround the cell portion. In the present application, the N type is referred to as a “first conductivity type” and the P type is referred to as a “second conductivity type”.

〔実施の形態の詳細〕
実施の形態について更に詳述する。各図中において、同一または同様の部分は同一または類似の記号または参照番号で示し、説明は原則として繰り返さない。
[Details of the embodiment]
The embodiment will be further described in detail. In the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar symbols or reference numerals, and description thereof will not be repeated in principle.

また、添付図面においては、却って、煩雑になる場合または空隙との区別が明確である場合には、断面であってもハッチング等を省略する場合がある。これに関連して、説明等から明らかである場合等には、平面的に閉じた孔であっても、背景の輪郭線を省略する場合がある。更に、断面でなくとも、空隙でないことを明示するために、ハッチングを付すことがある。   In the accompanying drawings, hatching or the like may be omitted even in a cross section when it becomes complicated or when the distinction from the gap is clear. In relation to this, when it is clear from the description etc., the contour line of the background may be omitted even if the hole is planarly closed. Furthermore, even if it is not a cross section, it may be hatched to clearly indicate that it is not a void.

なお、各図に示すP型カラムの数は、図示の都合上、たとえば、周辺サイド領域等に関して、3か5本程度を示したが、実際は10本程度を超える場合もある。ここに示す例は、耐圧が数百ボルト程度のものを例にとり説明する。以下の例では、一例として数百ボルト程度(具体的には、たとえば200ボルトまたは600ボルト)の耐圧の製品を例にとり説明する。   For the convenience of illustration, the number of P-type columns shown in each figure is about 3 or 5 for the peripheral side region, etc., but may actually exceed about 10 in some cases. The example shown here will be described by taking an example with a breakdown voltage of about several hundred volts. In the following example, a product having a withstand voltage of about several hundred volts (specifically, for example, 200 volts or 600 volts) will be described as an example.

なお、スーパージャンクション構造を利用したパワーMOSFETについて開示した先行特許出願としては、たとえば日本特願第2009−263600号(日本出願日2009年11月19日)がある。   An example of a prior patent application that discloses a power MOSFET using a super junction structure is, for example, Japanese Patent Application No. 2009-263600 (Japanese filing date November 19, 2009).

以下の実施の形態は、基本的に、縦型のパワー系デバイスにおいて、ドリフト領域にトレンチフィリング方式(トレンチフィリングによる埋め込みエピタキシ領域を上下に多層に形成することは原理的に困難)によるスーパージャンクション構造を導入するに当たり、エピタキシャルウエハの(埋め込みエピタキシ層ではない通常の)エピタキシ層(すなわち、通常またはベースエピタキシ層)を予め多層(上方が高濃度)とするか、または、単層として、上方に選択的に不純物ドープして高濃度層化することで、ドリフト領域における電界強度分布に複数のピークを持たせることによって、高耐圧を実現しようとするものである。この多層構造の総数は、通常、工程上の制限から、2から5程度であるが、連続的に濃度を変化させても良い。   The following embodiment is basically a super junction structure in a vertical power device using a trench filling method in a drift region (in principle, it is difficult to form buried epitaxial regions by trench filling in multiple layers vertically). Introducing an epitaxial wafer (a normal non-buried epitaxy layer) epitaxy layer (ie, a normal or base epitaxy layer) is pre-multilayered (upper concentration is high) or selected as a single layer upward The high breakdown voltage is intended to be realized by providing a plurality of peaks in the electric field intensity distribution in the drift region by doping impurities in a high concentration layer. The total number of the multilayer structures is usually about 2 to 5 due to process limitations, but the concentration may be changed continuously.

また別の面から見ると、ここに示す構造は、カラム領域が理想的な直方体ではなく、断面が台形又は逆台形になることから来る必然的なチャージアンバランスを、ベースエピタキシ層を多層にすることにより、補償するものである。すなわち、N型ベースエピタキシ層の場合を例にとると、N型カラム領域は台形となり、P型カラム領域は逆台形となり、更に埋め込みエピタキシ工程の熱処理による拡散によるP型カラム領域下方の低濃度化が進行する。従って、そのままでは、電荷量の水平面密度は上から下に単調増加と単調減少の関係になり、中央部のみでチャージバランスが取れるため、電界強度分布は横向きの三角形様となり、耐圧は理想的な長方形分布と比較すると大きく低下する。そこで、ここに示す各例では、N型カラム領域を多層化(連続変化を含む。ただし、有限の層のほうが作りやすい)することによって、電界強度分布に複数のピークを持たせることで、長方形分布に近づけている。ただし、長方形分布といっても、上下端部近傍に高電界領域を作ることは、耐圧面で不利であるので、内部領域にピークを位置させるようにするのが良い。   Viewed from another aspect, the structure shown here makes the base epitaxy layer multi-layered with the inevitable charge imbalance that comes from the fact that the column region is not an ideal rectangular parallelepiped and the cross section becomes trapezoidal or inverted trapezoidal. This is to compensate. That is, taking the case of the N-type base epitaxy layer as an example, the N-type column region becomes a trapezoid, the P-type column region becomes an inverted trapezoid, and the concentration is lowered below the P-type column region by diffusion by heat treatment in the buried epitaxy process. Progresses. Therefore, as it is, the horizontal plane density of the charge amount is monotonously increasing and decreasing monotonously from top to bottom, and the charge balance can be achieved only at the center, so the electric field strength distribution is a horizontal triangle and the withstand voltage is ideal. Compared to the rectangular distribution, it is greatly reduced. Thus, in each example shown here, the N-type column region is multilayered (including continuous changes; however, a finite layer is easier to create), so that the electric field strength distribution has a plurality of peaks, thereby obtaining a rectangular shape. It is close to the distribution. However, even in the case of the rectangular distribution, creating a high electric field region in the vicinity of the upper and lower ends is disadvantageous in terms of pressure resistance, so it is preferable to place a peak in the inner region.

1.本願の第1の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETのデバイス構造(N+/N型2段通常エピタキシ方式)の説明(主に図1から図6)
この例では、シリコン系半導体基板に作られたプレーナ型パワーMOSFETであって、ソースドレイン耐圧600ボルト程度のものに例をとり具体的に説明する(プレーナ型パワーMOSFETについては、以下のセクションでも同じ)が、その他の耐圧値を有するパワーMOSFETその他のデバイスにも適用できることは言うまでもない。
1. Explanation of the device structure (N + / N type two-stage normal epitaxy system) of the planar power MOSFET which is an example of the semiconductor device according to the first embodiment of the present application (mainly FIGS. 1 to 6)
In this example, a planar power MOSFET manufactured on a silicon-based semiconductor substrate and having a source-drain breakdown voltage of about 600 volts will be described in detail. (The planar power MOSFET is the same in the following sections. However, it is needless to say that it can also be applied to power MOSFETs and other devices having other breakdown voltage values.

図1は本願の第1の実施の形態(各実施の形態に共通)の半導体チップ(シリコン系部材チップ)の全体上面図である。図2は図1のアクティブセル端部及びチップ周辺部領域切り出し部R1に対応する内部構造拡大平面図である。図3は図1及び図2のA−A’断面に対応するデバイス断面図である(P型カラム領域の形状は、実際には逆台形形状を呈している。通常、側面の垂直からの傾きは89度から89.5度程度である)。図4は図1のアクティブセル中央部切り出し部R2に対応する内部構造拡大平面図である。図5は図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図である。図6は図5に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。これらに基づいて、本願の第1の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETのデバイス構造(N+/N型2段通常エピタキシ方式)を説明する。   FIG. 1 is an overall top view of a semiconductor chip (silicon-based member chip) according to a first embodiment (common to each embodiment) of the present application. FIG. 2 is an enlarged plan view of the internal structure corresponding to the active cell end portion and chip peripheral region cutout portion R1 in FIG. FIG. 3 is a device cross-sectional view corresponding to the cross section AA ′ of FIGS. 1 and 2 (The shape of the P-type column region is actually an inverted trapezoidal shape. Usually, the inclination of the side surface from the vertical is normal. Is about 89 to 89.5 degrees). FIG. 4 is an enlarged plan view of the internal structure corresponding to the active cell central cutout R2 in FIG. FIG. 5 is a device cross-sectional view corresponding to the B-B ′ cross section of FIGS. 1 and 2. 6 is an explanatory diagram of a charge distribution corresponding to a half pitch of the super junction structure of the drift region in the active cell region shown in FIG. 5 (the left side is an impurity region structure in a semiconductor substrate, the center is each charge distribution in the y direction, and the right side is (distribution of absolute value of electric field strength in y direction). Based on these, the device structure (N + / N type two-stage normal epitaxy system) of the planar type power MOSFET which is an example of the semiconductor device according to the first embodiment of the present application will be described.

先ず、図1に基づいて、チップ(単体または複合のパワー系能動デバイス)の全体レイアウトから説明する。図1に示すように、チップ2の周辺部には、ガードリング3が設けられており、その内側には、ゲートメタル電極4が設けられている。チップ2の中央部は、ソースメタル電極5が占有しており、ソースメタル電極5の下のほとんどの部分には、アクティブセル領域6が形成されている。   First, the overall layout of a chip (single or composite power system active device) will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, a guard ring 3 is provided on the periphery of the chip 2, and a gate metal electrode 4 is provided on the inner side thereof. The center portion of the chip 2 is occupied by the source metal electrode 5, and an active cell region 6 is formed in almost the portion below the source metal electrode 5.

次に、図1に示すチップ2のセル端部及びチップ周辺部領域切り出し部R1のソースメタル電極5下の半導体基板表面領域の平面構造拡大図を図2に示す。図2に示すように、ガードリング3の外側には、最外周P+型領域7が形成されており、N+型チャネルストッパ領域8を介して、通常、ドレイン電位に接続されている。ガードリング3より内部の領域は、アクティブセル領域6とエッジターミネーション領域15(セル周辺領域)に別れており、これらの領域のN型シリコンエピタキシャル層1n内には、交互に周期的に、P型カラム領域9およびN型カラム領域10が設けられている。エッジターミネーション領域15の表層部には、P−型リサーフ(Resurf)領域14(もちろん、これらは、必須ではない)が設けられており、表面での電界集中を緩和している。一方、アクティブセル領域6の半導体基板の表面上には、ポリシリコンゲート電極11が配置されており、このポリシリコンゲート電極11に一部オーバラップするように、チャネル領域等を構成するP型ボディ領域12が設けられている。   Next, FIG. 2 shows an enlarged plan view of the semiconductor substrate surface region under the source metal electrode 5 in the cell edge portion and chip peripheral region cutout portion R1 of the chip 2 shown in FIG. As shown in FIG. 2, an outermost peripheral P + type region 7 is formed outside the guard ring 3 and is usually connected to a drain potential via an N + type channel stopper region 8. A region inside the guard ring 3 is divided into an active cell region 6 and an edge termination region 15 (cell peripheral region). In the N-type silicon epitaxial layer 1n of these regions, P-type is alternately and periodically. A column region 9 and an N-type column region 10 are provided. In the surface layer portion of the edge termination region 15, a P-type resurf region 14 (of course, these are not essential) is provided to alleviate electric field concentration on the surface. On the other hand, a polysilicon gate electrode 11 is disposed on the surface of the semiconductor substrate in the active cell region 6, and a P-type body constituting a channel region or the like so as to partially overlap the polysilicon gate electrode 11. Region 12 is provided.

次に、図2のA−A’断面に対応するデバイス断面図を図3に示す。図3に示すように、このデバイスが形成される半導体基板1は、N+型単結晶シリコン基板1s(半導体基板1の裏面1b側)に、N型下層シリコンエピタキシャル層1tおよびN型上層シリコンエピタキシャル層1dからなる2層の通常エピタキシ層1nを成膜したものである。従って、N型カラム領域10を構成するN型上層カラム領域10dは、N型上層シリコンエピタキシャル層1dの一部であり、同様に、N型カラム領域10を構成するN型下層カラム領域10tは、N型下層シリコンエピタキシャル層1tの一部である。半導体基板1の表面1a側には、フィールド絶縁膜16、および、ゲート絶縁膜21が設けられており、ゲート絶縁膜21上にはポリシリコンゲート電極11が設けられている。フィールド絶縁膜16およびポリシリコンゲート電極11を覆うように層間絶縁膜17が設けられており、半導体基板1の表面1a側の表面領域には、ポリシリコンゲート電極11と自己整合的に、N+型ソース領域19が設けられている(なお、N+型チャネルストッパ領域8は、通常、この工程と同時に形成される)。また、ポリシリコンゲート電極11の周辺の層間絶縁膜17に開口されたコンタクトホールに対応して、半導体基板1の表面1a側の表面領域には、P+型ボディコンタクト領域18が設けられており、最外周P+型領域7は、通常、この工程と同時に形成される。更に、層間絶縁膜17上には、バリアメタル膜およびアルミニウム系メタル電極膜等から構成されたガードリング3およびソースメタル電極5等が形成されており、アクティブセル領域6の端部のP型ボディ領域12の外端部付近から外側は、セル周辺領域15となっている。   Next, FIG. 3 shows a device sectional view corresponding to the section A-A ′ of FIG. 2. As shown in FIG. 3, a semiconductor substrate 1 on which this device is formed has an N + type single crystal silicon substrate 1s (on the back surface 1b side of the semiconductor substrate 1), an N type lower layer silicon epitaxial layer 1t and an N type upper layer silicon epitaxial layer. Two normal epitaxy layers 1n made of 1d are formed. Therefore, the N-type upper layer column region 10d constituting the N-type column region 10 is a part of the N-type upper layer silicon epitaxial layer 1d, and similarly, the N-type lower layer column region 10t constituting the N-type column region 10 is This is a part of the N-type lower silicon epitaxial layer 1t. A field insulating film 16 and a gate insulating film 21 are provided on the surface 1 a side of the semiconductor substrate 1, and a polysilicon gate electrode 11 is provided on the gate insulating film 21. An interlayer insulating film 17 is provided so as to cover the field insulating film 16 and the polysilicon gate electrode 11, and an N + type is formed in a surface region on the surface 1 a side of the semiconductor substrate 1 in a self-aligning manner with the polysilicon gate electrode 11. A source region 19 is provided (note that the N + type channel stopper region 8 is usually formed simultaneously with this step). A P + type body contact region 18 is provided in the surface region on the surface 1a side of the semiconductor substrate 1 corresponding to the contact hole opened in the interlayer insulating film 17 around the polysilicon gate electrode 11. The outermost peripheral P + type region 7 is usually formed simultaneously with this step. Further, a guard ring 3 and a source metal electrode 5 composed of a barrier metal film and an aluminum-based metal electrode film are formed on the interlayer insulating film 17, and a P-type body at the end of the active cell region 6 is formed. From the vicinity of the outer edge of the region 12 to the outside is a cell peripheral region 15.

次に、図1に示すチップ2のセル中央部切り出し部R2下の半導体基板表面領域の平面構造拡大図を図4に示す。図4に示すように、アクティブセル領域6は横方向に並進対象性(周期性)を持ってレイアウトされており、それぞれ線状または帯状の複数のP型カラム領域9、N型カラム領域10、P型ボディ領域12、およびポリシリコンゲート電極11等が繰り返し設けられている。   Next, FIG. 4 shows an enlarged plan view of the semiconductor substrate surface region under the cell center cutout portion R2 of the chip 2 shown in FIG. As shown in FIG. 4, the active cell region 6 is laid out with a translational property (periodicity) in the lateral direction, and each includes a plurality of linear or belt-like P-type column regions 9, N-type column regions 10, P-type body region 12, polysilicon gate electrode 11 and the like are repeatedly provided.

次に、図4のB−B’断面を図5に示す。図5に示すように、半導体基板1は、N+型単結晶シリコン基板1s上にN型シリコンエピタキシャル層1n(デバイスとしての機能では、ドリフト領域30)を有し、このN型シリコンエピタキシャル層1nには、それを貫通する複数のP型カラム領域9が周期的に埋め込まれている。P型カラム領域9の間のN型シリコンエピタキシャル層1nは、N型カラム領域10として作用しており、各N型カラム領域10は、N型下層カラム領域10tとN型上層カラム領域10dから構成されている。この例では、N型下層カラム領域10tの不純物濃度は、P型カラム領域9とほぼチャージバランスを保つ程度の濃度(このドナー濃度を「Nd」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。一方、N型上層カラム領域10dの不純物濃度は、N型下層カラム領域10tの不純物濃度よりも若干高めのドナー濃度(このドナー濃度を「Nd+」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。なお、P型カラム領域9の不純物濃度Naは、通常、一定に設定されている。しかし、実際には熱処理時間の関係で下方が薄くなる傾向にある。   Next, FIG. 5 shows a B-B ′ cross section in FIG. 4. As shown in FIG. 5, the semiconductor substrate 1 has an N-type silicon epitaxial layer 1n (in the function as a device, a drift region 30) on an N + type single crystal silicon substrate 1s. Are periodically embedded with a plurality of P-type column regions 9 therethrough. The N-type silicon epitaxial layer 1n between the P-type column regions 9 functions as an N-type column region 10, and each N-type column region 10 includes an N-type lower layer column region 10t and an N-type upper layer column region 10d. Has been. In this example, the impurity concentration of the N-type lower layer column region 10t is a concentration that maintains a charge balance with the P-type column region 9 (this donor concentration is expressed as “Nd”, but corresponds to the concentration notation other than the column). Is not set). On the other hand, the impurity concentration in the N-type upper column region 10d is slightly higher than the impurity concentration in the N-type lower column region 10t (this donor concentration is expressed as “Nd +”, but corresponds to the concentration notation other than the column). Is not set). Note that the impurity concentration Na of the P-type column region 9 is normally set constant. However, in reality, the lower part tends to become thinner due to the heat treatment time.

次に、図5のセル構造における半導体基板1の電気的構造を図6に示す。図6において、図に向かって左側は不純物構造(繰返し周期のハーフピッチ)、中央は電荷分布(繰返し周期のハーフピッチ)、右側は電界強度分布(P型カラム領域9とN型カラム領域10の境界近傍およびその延長線上近傍の電界強度の絶対値)である。図6に示すように、P型カラム領域9の幅Lp,yは、下の方ほど細くなるテーパ状となっており、N型カラム領域10の幅Ln,yは、逆に、上の方ほど細くなるテーパ状となっている。その結果、対称面であるP型カラム領域9の垂直中心面と近接するN型カラム領域10の垂直中心面間の最小対象単位領域(図6の左側)におけるドナーの分布Qn(y)及びアクセプタの分布Qp(y)(ここで、折れ線とY軸で囲まれた部分の面積は、ドナーの総量Qnおよびアクセプタの総量Qpである)は、図6の中央のようになる。すなわち、チャージバランスが正確に取れる点が2点あることがわかる。これに対応して、図6の右側に示すように、これらの2点に対応して、電界強度Eの分布に、極大点(頂点)が2個現れている。このため、頂点が1個の場合(すなわち、N型カラム領域10が一つの濃度領域からなる場合)に比較して、ソースドレイン耐圧V(折れ線とY軸で囲まれた部分の面積)を向上させることができる。 Next, FIG. 6 shows an electrical structure of the semiconductor substrate 1 in the cell structure of FIG. In FIG. 6, the left side of the figure is an impurity structure (half pitch of repetition period), the center is charge distribution (half pitch of repetition period), and the right side is electric field intensity distribution (P-type column region 9 and N-type column region 10. The absolute value of the electric field intensity in the vicinity of the boundary and in the vicinity of the extension line). As shown in FIG. 6, the width Lp, y of the P-type column region 9 is a taper shape that becomes narrower toward the lower side, and the width Ln, y of the N-type column region 10 is conversely the upper side. It has a tapered shape that becomes thinner. As a result, the donor distribution Qn (y) and the acceptor in the minimum target unit region (left side in FIG. 6) between the vertical center plane of the P-type column region 9 that is a symmetry plane and the vertical center plane of the N-type column region 10 that is close to the symmetry plane. Distribution Qp (y) (where the area surrounded by the polygonal line and the Y-axis is the total amount Qn of donors and the total amount Qp of acceptors) is as shown in the center of FIG. That is, it can be seen that there are two points where the charge balance can be accurately obtained. Correspondingly, as shown on the right side of FIG. 6, two local maximum points (vertices) appear in the distribution of the electric field strength E corresponding to these two points. For this reason, compared with the case where there is one vertex (that is, the case where the N-type column region 10 is formed of one concentration region), the source / drain breakdown voltage V B (the area of the portion surrounded by the broken line and the Y axis) is reduced. Can be improved.

2.本願の第1の実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセスの要部説明(主に図7から図21および図22から図34)
このセクションでは、図3のデバイス断面に例を取り、ウエハ処理プロセスの要部を説明する。
2. Description of essential parts of wafer process in manufacturing method of semiconductor device of first embodiment of the present application (mainly FIGS. 7 to 21 and FIGS. 22 to 34)
In this section, the main part of the wafer processing process will be described by taking an example of the device cross section of FIG.

図7は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。図8は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口工程)である。図9は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。図10は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(平坦化工程)である。図11は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P−型リサーフ領域導入工程)である。図12は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(フィールド絶縁膜エッチング工程)である。図13は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型ボディ領域導入工程)である。図14は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲート酸化工程)である。図15は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜成膜工程)である。図16は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)である。図17は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(N+型ソース領域導入工程)である。図18は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(層間絶縁膜成膜工程)である。図19は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(コンタクトホール形成工程)である。図20は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P+型ボディコンタクト領域導入工程)である。図21は図3のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(アルミニウム系メタル電極形成工程)である。図22は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。図23は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型カラム溝開口工程)である。図24は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。図25は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(平坦化工程)である。図26は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P型ボディ領域導入工程)である。図27は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲート酸化工程)である。図28は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜成膜工程)である。図29は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)である。図30は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(N+型ソース領域導入工程)である。図31は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(層間絶縁膜成膜工程)である。図32は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(コンタクトホール形成工程)である。図33は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(P+型ボディコンタクト領域導入工程)である。図34は図5のデバイス断面に対応するプロセスフローを示すデバイス断面図(アルミニウム系メタル電極形成工程)である。これらに基づいて、本願の第1の実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセスの要部を説明する。   FIG. 7 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (P-column groove opening hard mask film patterning step). FIG. 8 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (P-type column groove opening step). FIG. 9 is a device sectional view (epitaxy trench filling process) showing a process flow corresponding to the device section of FIG. FIG. 10 is a device sectional view (planarization step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. FIG. 11 is a device cross-sectional view (P-type RESURF region introducing step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. FIG. 12 is a device cross-sectional view (field insulating film etching step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. FIG. 13 is a device sectional view (P-type body region introducing step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3. FIG. 14 is a device sectional view (gate oxidation process) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. FIG. 15 is a device cross-sectional view (gate polysilicon film forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. FIG. 16 is a device sectional view (gate polysilicon film patterning step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. FIG. 17 is a device sectional view (N + type source region introduction step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3. 18 is a device cross-sectional view (interlayer insulating film forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. FIG. 19 is a device sectional view (contact hole forming step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. FIG. 20 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 3 (P + type body contact region introducing step). FIG. 21 is a device cross-sectional view (aluminum-based metal electrode forming step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. 3. FIG. 22 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (P-type column groove opening hard mask film patterning step). FIG. 23 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (P-type column groove opening step). 24 is a device cross-sectional view (epitaxy trench filling step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. FIG. 25 is a device sectional view (planarization step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5. 26 is a device cross-sectional view (P-type body region introducing step) showing a process flow corresponding to the device cross-section of FIG. FIG. 27 is a device sectional view (gate oxidation process) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5. FIG. 28 is a device sectional view (gate polysilicon film forming step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5. FIG. 29 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (gate polysilicon film patterning step). FIG. 30 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (N + type source region introducing step). FIG. 31 is a device sectional view (interlayer insulating film forming step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5. FIG. 32 is a device sectional view (contact hole forming step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5. 33 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5 (P + type body contact region introducing step). FIG. 34 is a device sectional view (aluminum-based metal electrode formation step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 5. Based on these, the main part of the wafer process in the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment of the present application will be described.

まず、図7および図22に示すように、たとえばアンチモンをドープ(たとえば1018から1019/cmのオーダ程度)したN+シリコン単結晶基板1s(ここでは、たとえば、200φウエハ、なお、ウエハ径は、150φ、300φでも450φでもよい)上に、たとえば、厚さ50マイクロメートル程度のリンドープNエピタキシャル層1n(デバイスとしてはドリフト領域となるべき領域であり、濃度としては、たとえば1015/cmのオーダ程度、すなわち、N型下層シリコンエピタキシャル層1tの厚さ30マイクロメートル程度、リン濃度を3x1015/cm程度とすると、N型上層シリコンエピタキシャル層1dの厚さ20マイクロメートル程度、リン濃度を4x1015/cm程度とする)を形成した半導体ウエハ1を準備する。この半導体ウエハ1のデバイス面1a(裏面1bの反対の主面)上に、たとえばP−TEOS(Plasma−Tetraethylorthosilicate)等からなるP型カラム用トレンチ形成用ハードマスク膜22を形成する。ここで、パターニングレベルでのN型カラム領域の幅Wnは、たとえば、6マイクロメートル程度であり、P型カラム領域の幅Wpは、たとえば、4マイクロメートル程度である(すなわち、スーパジャンクションのピッチは、10マイクロメートル程度である)。 First, as shown in FIGS. 7 and 22, for example, an N + silicon single crystal substrate 1s doped with antimony (for example, about 10 18 to 10 19 / cm 3 ) (here, for example, a 200φ wafer, a wafer diameter) May be 150φ, 300φ or 450φ), for example, a phosphorus-doped N epitaxial layer 1n having a thickness of about 50 μm (a region to be a drift region as a device, with a concentration of, for example, 10 15 / cm 3 When the thickness of the N-type lower silicon epitaxial layer 1t is about 30 micrometers and the phosphorus concentration is about 3 × 10 15 / cm 3 , the thickness of the N-type upper silicon epitaxial layer 1d is about 20 micrometers and the phosphorus concentration Is formed to be about 4 × 10 15 / cm 3 ) A conductor wafer 1 is prepared. On the device surface 1a of the semiconductor wafer 1 (the main surface opposite to the back surface 1b), a P-type column trench forming hard mask film 22 made of, for example, P-TEOS (plasma-tetraethylorthosilicate) or the like is formed. Here, the width Wn of the N-type column region at the patterning level is, for example, about 6 micrometers, and the width Wp of the P-type column region is, for example, about 4 micrometers (that is, the pitch of the super junction is About 10 micrometers).

次に、図8および図23に示すように、P型カラム用トレンチ形成用ハードマスク膜22(たとえば、プラズマTEOS膜または窒化シリコン膜、あるいは、それらの積層膜で、厚さは、たとえば、1.5マイクロメートル程度を例示することができる)をマスクとして、Nエピタキシャル層1n等を異方性ドライエッチング(ガス雰囲気としては、たとえば、Ar,SF,O等の混合雰囲気、エッチング深さとしては、たとえば、50マイクロメートル程度を例示することができる)することにより、P型カラム用トレンチ23を形成する。続いて、不要になったハードマスク膜22を除去する。 Next, as shown in FIGS. 8 and 23, a hard mask film 22 for forming a trench for a P-type column (for example, a plasma TEOS film or a silicon nitride film, or a laminated film thereof having a thickness of, for example, 1 N epitaxial layer 1n or the like is anisotropically dry etched (gas atmosphere is, for example, a mixed atmosphere of Ar, SF 6 , O 2 , etching depth, etc.) The P-type column trench 23 can be formed by, for example, about 50 micrometers. Subsequently, the hard mask film 22 that has become unnecessary is removed.

次に、図9及び図24に示すように、P型カラム用トレンチ23に対して、埋め込みエピタキシャル成長を実行し、P型埋め込みエピタキシャル層24(ボロン濃度としては、たとえば5x1015/cmの程度)を形成する。ここで、埋め込みエピタキシャル成長の原料ガスとしては、四塩化珪素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、またはモノシランを例示することができる。処理気圧としては、たとえば、10kPaから110kPa程度を好適な範囲として例示することができる。 Next, as shown in FIGS. 9 and 24, buried epitaxial growth is performed on the P-type column trench 23, and a P-type buried epitaxial layer 24 (the boron concentration is, for example, about 5 × 10 15 / cm 3 ). Form. Here, examples of the source gas for buried epitaxial growth include silicon tetrachloride, trichlorosilane, dichlorosilane, and monosilane. As the processing pressure, for example, about 10 kPa to 110 kPa can be exemplified as a suitable range.

次に、図10および図25に示すように、平坦化工程、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)により、P型カラム用トレンチ23外のP型埋め込みエピタキシャル層24を除去するとともに、半導体ウエハ1の表面1aを平坦化する。   Next, as shown in FIGS. 10 and 25, the P-type buried epitaxial layer 24 outside the P-type column trench 23 is removed by a planarization process, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the surface of the semiconductor wafer 1 is also removed. 1a is flattened.

次に、図11に示すように、半導体ウエハ1の表面1aのほぼ全面に熱酸化により、シリコン酸化膜16(フィールド酸化膜であり、厚さは、たとえば、350nm程度)を形成し、その上に、リソグラフィによりP−型リサーフ領域導入用レジスト膜25を形成する。続いて、P−型リサーフ領域導入用レジスト膜25をマスクとして、イオン注入(たとえばドーパントは、たとえばボロンで、ドーズ量は、たとえば、1x1011から1x1012/cm程度、打ち込みエネルギは、たとえば、200keV程度)により、P−型表面リサーフ領域14を導入する。その後、不要になったレジスト膜25を全面除去する。 Next, as shown in FIG. 11, a silicon oxide film 16 (a field oxide film having a thickness of about 350 nm, for example) is formed on almost the entire surface 1a of the semiconductor wafer 1 by thermal oxidation. Then, a P-type RESURF region introduction resist film 25 is formed by lithography. Subsequently, using the P-type RESURF region introduction resist film 25 as a mask, ion implantation (for example, the dopant is boron, for example, the dose is about 1 × 10 11 to 1 × 10 12 / cm 2 , and the implantation energy is, for example, P-type surface RESURF region 14 is introduced by about 200 keV. Thereafter, the resist film 25 that is no longer needed is entirely removed.

次に、図12に示すように、フィールド酸化膜16上に、リソグラフィによりフィールド絶縁膜加工用レジスト膜26を形成し、それをマスクとして、チップのエッジ部、アクティブセル領域6等を露出させる。その後、不要になったレジスト膜26を全面除去する。   Next, as shown in FIG. 12, a field insulating film processing resist film 26 is formed on the field oxide film 16 by lithography, and using this as a mask, the edge portion of the chip, the active cell region 6 and the like are exposed. Thereafter, the resist film 26 that is no longer needed is entirely removed.

次に、図13及び図26に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上に、リソグラフィによりP型ボディ領域導入用レジスト膜27を形成し、それをマスクとして、イオン注入(ドーパントは、ボロン)により、P型ボディ領域12を導入する。このイオン注入は、たとえば、以下のような2ステップで実行する。第1ステップとして、たとえば200keV、1013/cm2オーダで注入を行い、続いて、第2ステップとして、たとえば75keV、1012/cm2オーダで注入を実行する。 Next, as shown in FIGS. 13 and 26, a P-type body region introducing resist film 27 is formed on the surface 1a of the semiconductor wafer 1 by lithography, and is used as a mask for ion implantation (the dopant is boron). Thus, the P-type body region 12 is introduced. This ion implantation is performed, for example, in the following two steps. As a first step, for example, it is implanted at 200 keV, 10 13 / cm @ 2 order, followed by a second step, performing an implant, for example 75 keV, 10 12 / cm @ 2 order.

なお、図26において、ゲート電極の幅と位置11xからわかるように、ここで用いた非自己整合P型ボディ領域導入プロセスによれば、ドーピングの時点で、すでに、たとえば、1マイクロメートルほど、ゲート電極となるべき部分に入り込んでいるので、後の熱処理負担を軽減することができ、その結果、スーパジャンクションの不純物分布の不所望な変化を低減することができる。しかし、副作用として、P型ボディ領域12の深さが浅くなる結果、耐圧が低下することがある。このため、前記のように、P型ボディ領域12のイオン注入を2ステップとすることにより、このような問題を回避している。   In FIG. 26, as can be seen from the width of the gate electrode and the position 11x, according to the non-self-aligned P-type body region introduction process used here, the gate is already, for example, about 1 micrometer at the time of doping. Since it has penetrated into the portion to be the electrode, the subsequent heat treatment burden can be reduced, and as a result, undesired changes in the impurity distribution of the super junction can be reduced. However, as a side effect, the withstand voltage may decrease as a result of the depth of the P-type body region 12 becoming shallower. For this reason, as described above, this problem is avoided by performing ion implantation of the P-type body region 12 in two steps.

このように、第2導電型のP型ボディ領域12の導入を、ゲートポリシリコン膜の形成より前に実行すると、ゲートの幅及び位置によって導入部分が制限されないので、最適な位置に導入することができ、後の熱処理負担を低減できるほか、後続の熱処理(ゲートポリシリコン膜の形成等を含む)を共用することが可能となる。なお、この非自己整合P型ボディ領域導入プロセスは、スーパジャンクションを形成するベースとなる通常エピタキシ層が、多層のほか、単層の場合にも同様に適用できる。   As described above, when the introduction of the P-type body region 12 of the second conductivity type is performed before the formation of the gate polysilicon film, the introduction portion is not limited by the width and position of the gate. In addition to reducing the subsequent heat treatment burden, it is possible to share subsequent heat treatment (including formation of a gate polysilicon film). This non-self-aligned P-type body region introduction process can be similarly applied to a case where the normal epitaxy layer serving as a base for forming a super junction is not only a multilayer but also a single layer.

次に、図14及び図27に示すように、半導体ウエハ1の表面1aに熱酸化(たとえば、摂氏950度でのウエット酸化)により、ゲート酸化膜21(膜厚は、たとえば、50から200nm程度)を形成する。   Next, as shown in FIGS. 14 and 27, the gate oxide film 21 (having a film thickness of, for example, about 50 to 200 nm is formed on the surface 1a of the semiconductor wafer 1 by thermal oxidation (for example, wet oxidation at 950 degrees Celsius). ).

図15及び図28に示すように、ゲート酸化膜21上に、ゲートポリシリコン膜11(膜厚は、たとえば、200から800nm程度)をたとえば低圧CVD(Chemical Vapor Deposition)により形成する。なお、ゲート酸化前のウエハ洗浄としては、たとえば第1洗浄液、すなわち、アンモニア:過酸化水素:純水=1:1:5(体積比)、及び第2洗浄液、すなわち、塩酸:過酸化水素:純水=1:1:6(体積比)を用いてウエット洗浄を適用することができる。   As shown in FIGS. 15 and 28, a gate polysilicon film 11 (having a thickness of about 200 to 800 nm, for example) is formed on the gate oxide film 21 by, for example, low-pressure CVD (Chemical Vapor Deposition). As wafer cleaning before gate oxidation, for example, the first cleaning liquid, that is, ammonia: hydrogen peroxide: pure water = 1: 1: 5 (volume ratio), and the second cleaning liquid, that is, hydrochloric acid: hydrogen peroxide: Wet cleaning can be applied using pure water = 1: 1: 6 (volume ratio).

次に、図16及び図29に示すように、ドライエッチングによりゲート電極11をパターニングする。   Next, as shown in FIGS. 16 and 29, the gate electrode 11 is patterned by dry etching.

続いて、図17及び図30に示すように、リソグラフィによりN+ソース領域導入用レジスト膜28を形成し、それをマスクとして、イオン注入(たとえば砒素)により、N+ソース領域19、チップエッジ部のN+型チャネルストッパ領域8等を導入する(ドーパントは、たとえば砒素であり、ドーズ量としては、たとえば1015/cmのオーダ程度であり、打ち込みエネルギとしては、たとえば、40keV程度を例示することができる)。その後、不要になったレジスト膜28を全面除去する。 Subsequently, as shown in FIGS. 17 and 30, an N + source region introduction resist film 28 is formed by lithography, and using this as a mask, by ion implantation (for example, arsenic), the N + source region 19 and the chip edge N + A type channel stopper region 8 or the like is introduced (the dopant is, for example, arsenic, the dose amount is, for example, about 10 15 / cm 2 , and the implantation energy is, for example, about 40 keV. ). Thereafter, the resist film 28 that is no longer needed is entirely removed.

次に、図18及び図31に示すように、半導体ウエハ1の表面1aのほぼ全面にPSG(Phospho−Silicate−Glass)膜17(層間絶縁膜)をCVD等により成膜する(上方にSOG膜を重ねて平坦化してもよい)。層間絶縁膜17としては、PSG膜のほか、BPSG,TEOS膜、SiN膜、その他、または、これらの複合膜を適用することができる。また、層間絶縁膜17の全膜厚としては、たとえば、900nm程度を例示することができる。   Next, as shown in FIG. 18 and FIG. 31, a PSG (Phospho-Silicate-Glass) film 17 (interlayer insulating film) is formed on almost the entire surface 1a of the semiconductor wafer 1 by CVD or the like (the SOG film on the upper side). May be flattened). As the interlayer insulating film 17, in addition to the PSG film, a BPSG, TEOS film, SiN film, others, or a composite film thereof can be applied. Moreover, as a total film thickness of the interlayer insulation film 17, about 900 nm can be illustrated, for example.

次に、図19及び図32に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上に、ソース・コンタクト・ホール開口用レジスト膜29を形成し、それをマスクとして、ドライ・エッチングにより、ソース・コンタクト・ホール20、チップエッジ開口等を開口する。続いて、不要になったレジスト膜29を全面除去する。   Next, as shown in FIGS. 19 and 32, a source contact hole opening resist film 29 is formed on the surface 1a of the semiconductor wafer 1, and using this as a mask, the source contact hole is formed by dry etching. A hole 20, a chip edge opening and the like are opened. Subsequently, the resist film 29 that is no longer needed is entirely removed.

次に、図20及び図33に示すように、パターニングされた層間絶縁膜17をマスクとして、異方性ドライエッチングにより、基板表面をエッチング(たとえば、深さ0.3マイクロメートル程度)することにより、リセス領域を形成する。続いて、このリセス領域にイオン注入することにより、P+型ボディコンタクト領域18および最外周P+型領域7を形成する。このイオン注入条件としては、ドーパント:BF2,打ち込みエネルギ:30keV程度、ドーズ量:1015/cmのオーダ程度を例示することができる。 Next, as shown in FIGS. 20 and 33, the substrate surface is etched by anisotropic dry etching (for example, a depth of about 0.3 μm) using the patterned interlayer insulating film 17 as a mask. A recess region is formed. Subsequently, ions are implanted into the recess region to form the P + type body contact region 18 and the outermost peripheral P + type region 7. Examples of the ion implantation conditions include dopant: BF2, implantation energy: about 30 keV, and dose: about 10 15 / cm 2 .

次に、図21及び図34に示すように、TiW等のバリア・メタル膜を介して、アルミニウム系金属層をスパッタリング等により成膜して、パターニングすることにより、メタル・ソース電極5、ガード・リング電極3等を形成する。   Next, as shown in FIGS. 21 and 34, an aluminum-based metal layer is formed by sputtering or the like through a barrier metal film such as TiW, and patterned, so that the metal source electrode 5, the guard A ring electrode 3 and the like are formed.

この後、必要であれば、たとえば、無機系ファイナルパッシベーション膜や有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等のファイナルパッシベーション膜を上層に形成して、パッド開口およびゲート開口を開口する。ファイナルパッシベーション膜としては、無機系ファイナルパッシベーション膜または有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等の単層膜のほか、下層の無機系ファイナルパッシベーション膜上に有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等を積層しても良い。   Thereafter, if necessary, for example, a final passivation film such as an inorganic final passivation film or an organic inorganic final passivation film is formed as an upper layer, and a pad opening and a gate opening are opened. As the final passivation film, in addition to a single layer film such as an inorganic final passivation film or an organic inorganic final passivation film, an organic inorganic final passivation film or the like may be laminated on a lower inorganic final passivation film. .

3.本願の第2の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETのデバイス構造(N/N−型2段通常エピタキシ方式)の説明(主に図35および図36)
以下の例は、セクション1及び2(N型下層シリコンエピタキシャル層1tに比べてN型上層シリコンエピタキシャル層1dの方がエピタキシャル層の厚さが薄い)で説明したアクティブセル構造(図5)および全域のN型シリコンエピタキシャル層構造(図3のN型下層シリコンエピタキシャル層1tおよびN型上層シリコンエピタキシャル層1d)の変形例(N型下層シリコンエピタキシャル層1tに比べてN型上層シリコンエピタキシャル層1dの方がエピタキシャル層の厚さが厚い)であり、変更部分は、アクティブセル領域ではドリフト領域30にあり、アクティブセル領域以外では、N型シリコンエピタキシャル層1nにのみ現れるので、以下の例(以下の他のセクションにおいても同じ)では、アクティブセル領域6(図35)のみについて説明する。
3. Description of a device structure (N / N-type two-stage normal epitaxy) of a planar power MOSFET which is an example of a semiconductor device according to a second embodiment of the present application (mainly FIGS. 35 and 36)
The following example shows the active cell structure (FIG. 5) and the entire region described in sections 1 and 2 (the N-type upper silicon epitaxial layer 1d has a thinner epitaxial layer than the N-type lower silicon epitaxial layer 1t). Of the N type silicon epitaxial layer structure (N type lower layer silicon epitaxial layer 1t and N type upper layer silicon epitaxial layer 1d in FIG. 3) The changed portion is in the drift region 30 in the active cell region, and appears only in the N-type silicon epitaxial layer 1n except for the active cell region. In the same section), in the active cell region 6 (FIG. 35) It will be described only.

図35は図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第2の実施の形態)である。図36は図35に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。これらに基づいて、本願の第2の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETのデバイス構造(N/N−型2段通常エピタキシ方式)を説明する。   FIG. 35 is a device sectional view (second embodiment) corresponding to the B-B ′ section in FIGS. 1 and 2. FIG. 36 is an explanatory diagram of the charge distribution corresponding to the half pitch of the super junction structure of the drift region in the active cell region shown in FIG. 35 (the left side is the impurity region structure in the semiconductor substrate, the center is each charge distribution in the y direction, and the right side is (distribution of absolute value of electric field strength in y direction). Based on these, a device structure (N / N-type two-stage normal epitaxy system) of a planar power MOSFET which is an example of the semiconductor device according to the second embodiment of the present application will be described.

基本的構造および目的は、図5及び図6に示したものと同じであるが、この例では図35及び図36に示すように、N型上層カラム領域10d(N型上層シリコンエピタキシャル層1d)の不純物濃度は、P型カラム領域9とほぼチャージバランスを保つ程度の濃度(このドナー濃度を「Nd」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。一方、N型下層カラム領域10t(N型下層シリコンエピタキシャル層1t)の不純物濃度は、N型上層カラム領域10dの不純物濃度よりも若干低めのドナー濃度(このドナー濃度を「Nd−」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。この例で、N型上層シリコンエピタキシャル層1dの厚さとしては、たとえば、30マイクロメートル程度、N型下層シリコンエピタキシャル層1tの厚さとしては、たとえば、20マイクロメートル程度を例示することができる。   Although the basic structure and purpose are the same as those shown in FIGS. 5 and 6, in this example, as shown in FIGS. 35 and 36, the N-type upper column region 10d (N-type upper silicon epitaxial layer 1d) The impurity concentration is set to a concentration that maintains a charge balance with the P-type column region 9 (this donor concentration is expressed as “Nd”, but does not correspond to the concentration notation other than the column). On the other hand, the impurity concentration of the N-type lower column region 10t (N-type lower silicon epitaxial layer 1t) is slightly lower than the impurity concentration of the N-type upper column region 10d (this donor concentration is expressed as “Nd−”). Is not compatible with concentration notation other than the column). In this example, the thickness of the N-type upper silicon epitaxial layer 1d can be, for example, about 30 micrometers, and the thickness of the N-type lower silicon epitaxial layer 1t can be, for example, about 20 micrometers.

4.本願の第3の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETデバイス構造(N+/N/N−型3段通常エピタキシ方式)の説明(主に図37および図38)
図37は図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第3の実施の形態)である。図38は図37に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。これらに基づいて、本願の第3の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETデバイス構造(N+/N/N−型3段通常エピタキシ方式)を説明する。
4). Description of planar power MOSFET device structure (N + / N / N− type three-stage normal epitaxy system) which is an example of the semiconductor device of the third embodiment of the present application (mainly FIGS. 37 and 38)
FIG. 37 is a device cross-sectional view (third embodiment) corresponding to the BB ′ cross-section of FIGS. 1 and 2. FIG. 38 is an explanatory diagram of the charge distribution corresponding to the half pitch of the super junction structure of the drift region in the active cell region shown in FIG. 37 (the left side is the impurity region structure in the semiconductor substrate, the center is each charge distribution in the y direction, and the right side is (distribution of absolute value of electric field strength in y direction). Based on these, a planar type power MOSFET device structure (N + / N / N− type three-stage normal epitaxy system) which is an example of the semiconductor device of the third embodiment of the present application will be described.

基本的構造および目的は、図5及び図6に示したものと同じであるが、この例では図37及び図38に示すように、N型シリコンエピタキシャル層1n(N型カラム領域10)が3層構造とされている。すなわち、N型中層シリコンエピタキシャル層1m(N型中層カラム領域10m)、その上層のN型上層シリコンエピタキシャル層1d(N型上層カラム領域10d)および、下層のN型下層シリコンエピタキシャル層1t(N型下層カラム領域10t)から構成されている。ここで、各エピタキシャル層の厚さとして、たとえば、上から順に16マイクロメートル程度、17マイクロメートル程度、17マイクロメートル程度を例示することができる。   Although the basic structure and purpose are the same as those shown in FIGS. 5 and 6, in this example, as shown in FIGS. 37 and 38, the N-type silicon epitaxial layer 1n (N-type column region 10) has 3 layers. It is a layered structure. That is, the N-type middle-layer silicon epitaxial layer 1m (N-type middle-layer column region 10m), the upper N-type upper-layer silicon epitaxial layer 1d (N-type upper-layer column region 10d), and the lower N-type lower-layer silicon epitaxial layer 1t (N-type) The lower column region 10t). Here, as the thickness of each epitaxial layer, for example, about 16 micrometers, about 17 micrometers, and about 17 micrometers can be illustrated in order from the top.

ここで、N型中層カラム領域10mの不純物濃度は、P型カラム領域9とほぼチャージバランスを保つ程度の濃度(このドナー濃度を「Nd」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されており、N型下層カラム領域10tの不純物濃度は、N型中層カラム領域10mの不純物濃度よりも若干低めのドナー濃度(このドナー濃度を「Nd−」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。一方、N型上層カラム領域10dの不純物濃度は、N型中層カラム領域10mの不純物濃度よりも若干高めのドナー濃度(このドナー濃度を「Nd+」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。   Here, the impurity concentration in the N-type middle layer column region 10m is a concentration that maintains a charge balance with the P-type column region 9 (this donor concentration is expressed as “Nd”, but corresponds to the concentration notation other than the column). The impurity concentration of the N-type lower layer column region 10t is slightly lower than the impurity concentration of the N-type middle layer column region 10m (this donor concentration is expressed as “Nd−”). (It does not correspond to concentration notation other than column). On the other hand, the impurity concentration in the N-type upper layer column region 10d is slightly higher than the impurity concentration in the N-type middle layer column region 10m (this donor concentration is expressed as “Nd +”, but corresponds to the concentration notation other than the column). Is not set).

この例の場合では、図38の右側に示すように、電界強度の頂点又は極大点が、3個存在するので、2個の場合に比較して、更に、高い耐圧を確保することができる。   In the case of this example, as shown on the right side of FIG. 38, there are three vertices or maximum points of the electric field strength, so that a higher breakdown voltage can be ensured compared to the case of two.

5.本願の第4の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETデバイス構造(上方イオン注入N+/N型通常シングルエピタキシ方式)の説明(主に図39および図40)
図39は図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第4の実施の形態)である。図40は図39に示すアクティブセル領域におけるドリフト領域のスーパジャンクション構造のハーフピッチ分の電荷分布等の説明図(左側が半導体基板内の不純物領域構造、中央がy方向の各電荷分布、右側がy方向の電界強度の絶対値の分布)である。これらに基づいて、本願の第4の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETデバイス構造(上方イオン注入N+/N型通常シングルエピタキシ方式)を説明する。
5. Description of planar power MOSFET device structure (upper ion implantation N + / N type normal single epitaxy system) as an example of the semiconductor device of the fourth embodiment of the present application (mainly FIGS. 39 and 40)
FIG. 39 is a device cross-sectional view (fourth embodiment) corresponding to the BB ′ cross-section of FIGS. 1 and 2. FIG. 40 is an explanatory diagram of a charge distribution corresponding to a half pitch of the super junction structure of the drift region in the active cell region shown in FIG. 39 (the left side is the impurity region structure in the semiconductor substrate, the center is each charge distribution in the y direction, and the right side is (distribution of absolute value of electric field strength in y direction). Based on these, a planar type power MOSFET device structure (upper ion implantation N + / N type normal single epitaxy system) which is an example of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present application will be described.

この例は、構造的にはセクション1(図5)のものと同じであるが、相違点は、N型上層カラム領域10dが、多層エピタキシ層の上層ではなく、単層のN型シリコンエピタキシャル層1nの上半部にイオン注入により、高濃度部を形成したものである点である。従って、スーパジャンクションのない領域では、N型シリコンエピタキシャル層1nは、単層のままである。また、ここでは、セクション1と同様に、N型下層カラム領域10tの不純物濃度は、P型カラム領域9とほぼチャージバランスを保つ程度の濃度(このドナー濃度を「Nd」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。一方、N型上層カラム領域10dの不純物濃度は、N型下層カラム領域10tの不純物濃度よりも若干高めのドナー濃度(このドナー濃度を「Nd+」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定されている。この例の場合は、図40に示すように、耐圧に関しては、図6とほぼ同様になる。ここで、N型上層カラム領域10dの厚さ(深さ)としては、たとえば16マイクロメートル程度を例示することができる。   This example is structurally the same as that of section 1 (FIG. 5), except that the N-type upper column region 10d is not an upper layer of the multilayer epitaxy layer but a single-layer N-type silicon epitaxial layer. A high concentration portion is formed by ion implantation in the upper half of 1n. Accordingly, the N-type silicon epitaxial layer 1n remains a single layer in a region without a super junction. Here, as in the section 1, the impurity concentration of the N-type lower layer column region 10t is a concentration that maintains a charge balance with the P-type column region 9 (this donor concentration is expressed as “Nd”. (It is not compatible with other density notations). On the other hand, the impurity concentration in the N-type upper column region 10d is slightly higher than the impurity concentration in the N-type lower column region 10t (this donor concentration is expressed as “Nd +”, but corresponds to the concentration notation other than the column). Is not set). In the case of this example, as shown in FIG. 40, the breakdown voltage is almost the same as in FIG. Here, as the thickness (depth) of the N-type upper layer column region 10d, for example, about 16 micrometers can be exemplified.

しかし、セクション23のように、N型上層カラム領域10d(N型上層シリコンエピタキシャル層1d)の不純物濃度を、P型カラム領域9とほぼチャージバランスを保つ程度の濃度(このドナー濃度を「Nd」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定し、N型下層カラム領域10t(N型下層シリコンエピタキシャル層1t)の不純物濃度を、N型上層カラム領域10dの不純物濃度よりも若干低めのドナー濃度(このドナー濃度を「Nd−」と表記するが、カラム以外の濃度表記とは対応していない)に設定してもよい。この場合は、耐圧に関しては、図36とほぼ同様になる。   However, as in section 23, the impurity concentration of the N-type upper column region 10d (N-type upper silicon epitaxial layer 1d) is set to a concentration that maintains a charge balance with the P-type column region 9 (this donor concentration is “Nd”). The concentration of the N-type lower column region 10t (N-type lower-layer silicon epitaxial layer 1t) is set to the impurity concentration of the N-type upper-layer column region 10d. The donor concentration may be set slightly lower than this (this donor concentration is expressed as “Nd−”, but does not correspond to the concentration notation other than the column). In this case, the breakdown voltage is almost the same as that in FIG.

6.本願の第4の実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセスの要部説明(主に図41から図44)
ここでは、セクション5で説明したアクティブセル領域に対応するプロセスの要部を説明する。基本的な部分は、セクション2に説明したところと同様であり、異なる部分のみを説明する。
6). Description of principal part of wafer process in manufacturing method of semiconductor device of fourth embodiment of the present application (mainly FIGS. 41 to 44)
Here, the main part of the process corresponding to the active cell region described in section 5 will be described. The basic part is the same as that described in Section 2, and only the different part will be described.

qのデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。図42は図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(N型カラム領域への斜めイオン注入工程)である。図43は図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。図44は図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(平坦化工程)である。これらに基づいて、本願の第4の実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセスの要部を説明する。   FIG. 10 is a device cross-sectional view (P-type column groove opening hard mask film patterning step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to a device cross-section of q. FIG. 42 is a device sectional view (an oblique ion implantation step into an N-type column region) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. FIG. 43 is a device sectional view (epitaxy trench filling step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. FIG. 44 is a device sectional view (planarization step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. Based on these, the main part of the wafer process in the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment of the present application will be described.

図41に示すように、P型カラム用トレンチ形成用ハードマスク膜22をマスクとして、Nエピタキシャル層1n(たとえば、厚さ50マイクロメートル程度)等をドライエッチングすることにより、P型カラム用トレンチ23を形成する。続いて、不要になったハードマスク膜22を除去する。   As shown in FIG. 41, by using the P-type column trench forming hard mask film 22 as a mask, the N epitaxial layer 1n (for example, a thickness of about 50 micrometers) or the like is dry-etched, thereby forming the P-type column trench 23. Form. Subsequently, the hard mask film 22 that has become unnecessary is removed.

次に、図42に示すように、複数の斜め方向からイオン注入(たとえば、ドーパント:リン、打ち込みエネルギ:30keV程度、ドーズ量:1015/cmのオーダ程度)を実行することにより、N型不純物イオン注入領域31を形成する。 Next, as shown in FIG. 42, by performing ion implantation (for example, dopant: phosphorus, implantation energy: about 30 keV, dose amount: about 10 15 / cm 2 ) from a plurality of oblique directions, N-type is performed. Impurity ion implantation region 31 is formed.

次に、図43に示すように、P型カラム用トレンチ23に対して、埋め込みエピタキシャル成長を実行し、P型埋め込みエピタキシャル層24(ボロン濃度としては、たとえば5x1015/cmの程度)を形成する。 Next, as shown in FIG. 43, buried epitaxial growth is performed on the P-type column trench 23 to form a P-type buried epitaxial layer 24 (with a boron concentration of, for example, about 5 × 10 15 / cm 3 ). .

次に、図44に示すように、平坦化工程、例えばCMPにより、P型カラム用トレンチ23外のP型埋め込みエピタキシャル層24を除去するとともに、半導体ウエハ1の表面1aを平坦化する。   Next, as shown in FIG. 44, the P-type buried epitaxial layer 24 outside the P-type column trench 23 is removed by a flattening step, for example, CMP, and the surface 1a of the semiconductor wafer 1 is flattened.

この後は、セクション2の図26以降(その他の領域を含めると図11以降)とほぼ同じである。   The subsequent steps are substantially the same as those in FIG. 26 and thereafter in section 2 (after FIG. 11 including other regions).

7.本願の第1の実施の形態の半導体装置の変形例であるトレンチ型パワーMOSFETのデバイス構造(N+/N型2段通常エピタキシ方式)の説明(主に図45)
本セクションにおいては、図5のアクティブセル構造のトレンチゲート版を説明する。スーパジャンクションを有するトレンチ型バーティカル(Vertical)パワーMOSFETは、主にソースドレイン耐圧が100ボルトから300ボルト程度のものに有効と考えられている。従って、以下の説明では、ソースドレイン耐圧が200ボルト程度のものを例にとり説明する(以下のその他のセクションでも同じ)。
7). Description of the device structure (N + / N type two-stage normal epitaxy system) of a trench type power MOSFET which is a modification of the semiconductor device of the first embodiment of the present application (mainly FIG. 45)
In this section, the trench gate version of the active cell structure of FIG. 5 is described. A trench type vertical power MOSFET having a super junction is considered to be effective mainly for a source / drain withstand voltage of about 100 to 300 volts. Therefore, in the following description, a case where the source-drain breakdown voltage is about 200 volts will be described as an example (the same applies to the other sections below).

図45は図5のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(平坦化工程)である。これに基づいて、本願の第1の実施の形態の半導体装置の変形例であるトレンチ型パワーMOSFETのデバイス構造(N+/N型2段通常エピタキシ方式)を説明する。   FIG. 45 is a device sectional view (planarization step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. 5. Based on this, a device structure (N + / N-type two-stage normal epitaxy system) of a trench type power MOSFET which is a modification of the semiconductor device according to the first embodiment of the present application will be described.

図45に示すように、この例では、ゲートトレンチ34(ゲート用線状溝)内にゲート絶縁膜21を介して、線状のポリシリコンゲート電極11が埋め込まれている。このトレンチゲート構造においては、プレーナ型(セクション6以前の例)に比較して、低オン抵抗を実現しやすいメリットがある。一方、プレーナ型のような500から600ボルト台のソースドレイン耐圧を実現することについては、不利な点を有する。   As shown in FIG. 45, in this example, a linear polysilicon gate electrode 11 is embedded in a gate trench 34 (a linear groove for gate) via a gate insulating film 21. This trench gate structure has an advantage that a low on-resistance can be easily realized as compared with the planar type (example before section 6). On the other hand, there is a disadvantage in realizing a source / drain breakdown voltage of the order of 500 to 600 volts as in the planar type.

8.本願の第1の実施の形態(変形例)の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセスの要部説明(主に図46から図61)
トレンチゲート構造といっても、アクティブセルの構造の相違に起因する製法の違いがあるのみで、デバイス全体としては、セクション2で説明したものと基本的に同様である。従って、以下では、異なる部分を中心に説明する。
8). Description of essential parts of wafer process in manufacturing method of semiconductor device of first embodiment (variation example) of the present application (mainly FIGS. 46 to 61)
The trench gate structure is basically the same as that described in Section 2 as the whole device, except for the difference in the manufacturing method due to the difference in the structure of the active cell. Accordingly, the following description will focus on the different parts.

図46は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。図47は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(P型カラム溝開口工程)である。図48は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。図49は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(平坦化工程)である。図50は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(絶縁膜ハードマスク除去工程)である。図51は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(トレンチエッチ用絶縁膜成膜工程)である。図52は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(トレンチエッチ用絶縁膜成膜異方性エッチバック工程)である。図53は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲートトレンチエッチ工程)である。図54は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲート酸化工程)である。図55は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜成膜工程)である。図56は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)である。図57は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(N+型ソース領域導入工程)である。図58は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(層間絶縁膜成膜工程)である。図59は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(コンタクトホール形成工程)である。図60は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(P+型ボディコンタクト領域導入工程)である。図61は図45のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第1の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)を示すデバイス断面図(アルミニウム系メタル電極形成工程)である。これらに基づいて、本願の第1の実施の形態(変形例)の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセスの要部を説明する。   46 is a device cross-sectional view (P-type column groove opening hard mask film patterning step) showing a process flow (a trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross section of FIG. . FIG. 47 is a device sectional view (P-type column groove opening step) showing a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. FIG. 48 is a device cross-sectional view (epitaxy trench filling step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device cross-section of FIG. 45. FIG. 49 is a device sectional view (planarization step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. 45. FIG. 50 is a device sectional view (insulating film hard mask removing step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. 45. FIG. 51 is a device sectional view (trench etch insulating film forming step) showing a process flow (trench power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. 45. 52 is a device sectional view showing a process flow corresponding to the device section of FIG. 45 (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) (insulating film formation trench etch anisotropic etch-back process). It is. FIG. 53 is a device sectional view (gate trench etch process) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. 45. FIG. 54 is a device sectional view (gate oxidation step) showing a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section in FIG. 45. FIG. 55 is a device sectional view (gate polysilicon film forming step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. 45. FIG. 56 is a device sectional view (gate polysilicon film patterning step) showing a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section in FIG. 45. FIG. 57 is a device sectional view (N + type source region introduction step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. FIG. 58 is a device sectional view (interlayer insulating film forming step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. FIG. 59 is a device sectional view (contact hole forming step) showing a process flow corresponding to the device section in FIG. 45 (trench power MOSFET which is a modification of the first embodiment). FIG. 60 is a device sectional view (P + type body contact region introducing step) showing a process flow (trench type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section of FIG. FIG. 61 is a device sectional view (aluminum-based metal electrode formation step) showing a process flow (trench-type power MOSFET which is a modification of the first embodiment) corresponding to the device section in FIG. Based on these, the main part of the wafer process in the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment (modified example) of the present application will be described.

図7および図22と同様に図46に示すように、たとえばアンチモンをドープ(たとえば1018から1019/cmのオーダ程度)したN+シリコン単結晶基板1s(ここでは、たとえば、200φウエハ、なお、ウエハ径は、150φ、300φでも450φでもよい)上に、たとえば、厚さ15マイクロメートル程度のリンドープNエピタキシャル層1n(デバイスとしてはドリフト領域となるべき領域であり、濃度としては、たとえば1015/cmのオーダ程度、すなわち、N型下層シリコンエピタキシャル層1tの厚さ9マイクロメートル程度、リン濃度を3x1015/cm程度とすると、N型上層シリコンエピタキシャル層1dの厚さ6マイクロメートル程度、リン濃度を4x1015/cm程度とする)を形成した半導体ウエハ1を準備する。この半導体ウエハ1のデバイス面1a(裏面1bの反対の主面)上に、たとえばP−TEOS(Plasma−Tetraethylorthosilicate)等からなるP型カラム用トレンチ形成用ハードマスク膜22を形成する。ここで、パターニングレベルでのN型カラム領域の幅Wnは、たとえば、2マイクロメートル程度であり、P型カラム領域の幅Wpは、たとえば、1マイクロメートル程度である(すなわち、スーパジャンクションのピッチは、3マイクロメートル程度である)。 As shown in FIG. 46 as in FIGS. 7 and 22, for example, an N + silicon single crystal substrate 1s doped with antimony (for example, about 10 18 to 10 19 / cm 3 ) (here, for example, a 200φ wafer, The wafer diameter may be 150φ, 300φ, or 450φ), for example, a phosphorus-doped N epitaxial layer 1n having a thickness of about 15 μm (a region to be a drift region as a device, and a concentration of, for example, 10 15 / order of about cm 3, i.e., thickness 9 micrometers of about N-type lower silicon epitaxial layer 1t, when the phosphorus concentration and 3x10 15 / cm 3 or so, the thickness of 6 micrometer order of N-type upper silicon epitaxial layer 1d The phosphorus concentration is about 4 × 10 15 / cm 3 ) A semiconductor wafer 1 is prepared. On the device surface 1a of the semiconductor wafer 1 (the main surface opposite to the back surface 1b), a P-type column trench forming hard mask film 22 made of, for example, P-TEOS (plasma-tetraethylorthosilicate) or the like is formed. Here, the width Wn of the N-type column region at the patterning level is, for example, about 2 micrometers, and the width Wp of the P-type column region is, for example, about 1 micrometer (that is, the pitch of the super junction is About 3 micrometers).

次に、図46に示すように、トレンチゲートプロセスでは、プレーナ型デバイスと比較して、各部の寸法が小さいので、熱的な負担の大きいP型ボディ領域12の導入工程を初期に実施する。このP型ボディ領域12の導入のためのイオン注入は、たとえば、以下のような2ステップで実行する。第1ステップとして、たとえば200keV、1013/cm2オーダで注入を行い、続いて、第2ステップとして、たとえば75keV、1012/cm2オーダで注入を実行する。 Next, as shown in FIG. 46, in the trench gate process, since the size of each part is smaller than that of the planar device, the introduction process of the P-type body region 12 with a large thermal burden is performed initially. The ion implantation for introducing the P-type body region 12 is performed, for example, in the following two steps. As a first step, for example, an injection is performed with an order of 200 keV, 10 13 / cm 2, and subsequently, as a second step, an injection is performed with an order of 75 keV, 10 12 / cm 2, for example.

次に、図47に示すように、P型カラム用トレンチ形成用ハードマスク膜22(たとえば、厚さ1マイクロメートル程度のCVD酸化シリコン膜)をマスクとして、Nエピタキシャル層1n等を異方性ドライエッチング(ガス雰囲気としては、たとえば、Ar,SF,O等の混合雰囲気、エッチング深さとしては、たとえば、18マイクロメートル程度を例示することができる)することにより、P型カラム用トレンチ23を形成する。 Next, as shown in FIG. 47, the N epitaxial layer 1n and the like are anisotropically dried using the P-type column trench forming hard mask film 22 (for example, a CVD silicon oxide film having a thickness of about 1 micrometer) as a mask. Etching (for example, a gas atmosphere is a mixed atmosphere of Ar, SF 6 , O 2, etc., and an etching depth is, for example, about 18 μm), so that a P-type column trench 23 is formed. Form.

次に、図48に示すように、P型カラム用トレンチ23に対して、埋め込みエピタキシャル成長を実行し、P型埋め込みエピタキシャル層24(ボロン濃度としては、たとえば5x1015/cmの程度)を形成する。ここで、埋め込みエピタキシャル成長の原料ガスとしては、四塩化珪素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、またはモノシランを例示することができる。処理気圧としては、たとえば、10kPaから110kPa程度を好適な範囲として例示することができる。 Next, as shown in FIG. 48, buried epitaxial growth is performed on the P-type column trench 23 to form a P-type buried epitaxial layer 24 (with a boron concentration of, for example, about 5 × 10 15 / cm 3 ). . Here, examples of the source gas for buried epitaxial growth include silicon tetrachloride, trichlorosilane, dichlorosilane, and monosilane. As the processing pressure, for example, about 10 kPa to 110 kPa can be exemplified as a suitable range.

次に、図49に示すように、平坦化工程、例えばP型カラム溝加工用ハードマスク膜22をストッパとしたCMP(Chemical Mechanical Polishing)により、P型カラム用トレンチ23外のP型埋め込みエピタキシャル層24を除去するとともに、半導体ウエハ1の表面1aを平坦化する。   Next, as shown in FIG. 49, a P-type buried epitaxial layer outside the P-type column trench 23 is formed by a planarization process, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing) using the P-type column groove processing hard mask film 22 as a stopper. 24 is removed and the surface 1a of the semiconductor wafer 1 is flattened.

次に、図50に示すように、不要になったP型カラム溝加工用ハードマスク膜22をウエットエッチングにより、除去する。   Next, as shown in FIG. 50, the P-type column groove processing hard mask film 22 that has become unnecessary is removed by wet etching.

次に、図51に示すように、ウエハ1の表側主面1aのほぼ全面に、トレンチ加工用ハードマスク膜33(たとえばCVD酸化シリコン膜)を形成する。   Next, as shown in FIG. 51, a trench processing hard mask film 33 (for example, a CVD silicon oxide film) is formed on substantially the entire front main surface 1a of the wafer 1.

次に、図52に示すように、異方性ドライエッチングにより、トレンチ加工用ハードマスク膜33を加工する。   Next, as shown in FIG. 52, the trench processing hard mask film 33 is processed by anisotropic dry etching.

次に、図52に示すように、異方性ドライエッチング(エッチング混合ガス雰囲気としては、アルゴン、酸素、SFなど)により、ウエハ1の表側主面1aのシリコン基板領域をエッチバックするとともに、ゲートトレンチ34(ゲート用線状溝)を形成する。 Next, as shown in FIG. 52, the silicon substrate region of the front main surface 1a of the wafer 1 is etched back by anisotropic dry etching (as the etching mixed gas atmosphere is argon, oxygen, SF 6 or the like) A gate trench 34 (a linear groove for a gate) is formed.

次に、図54に示すように、半導体ウエハ1の表面1aに熱酸化(たとえば、摂氏950度でのウエット酸化)により、ゲート酸化膜21(厚さは、たとえば、20から100nm程度)を形成する。   Next, as shown in FIG. 54, a gate oxide film 21 (having a thickness of about 20 to 100 nm, for example) is formed on the surface 1a of the semiconductor wafer 1 by thermal oxidation (for example, wet oxidation at 950 degrees Celsius). To do.

図55に示すように、ゲート酸化膜21上に、ゲートポリシリコン膜11(厚さは、たとえば、800nm程度)をたとえば低圧CVDにより形成する。なお、ゲート酸化前のウエハ洗浄としては、たとえば第1洗浄液、すなわち、アンモニア:過酸化水素:純水=1:1:5(体積比)、及び第2洗浄液、すなわち、塩酸:過酸化水素:純水=1:1:6(体積比)を用いてウエット洗浄を適用することができる。   As shown in FIG. 55, gate polysilicon film 11 (thickness is, for example, about 800 nm) is formed on gate oxide film 21 by, for example, low pressure CVD. As wafer cleaning before gate oxidation, for example, the first cleaning liquid, that is, ammonia: hydrogen peroxide: pure water = 1: 1: 5 (volume ratio), and the second cleaning liquid, that is, hydrochloric acid: hydrogen peroxide: Wet cleaning can be applied using pure water = 1: 1: 6 (volume ratio).

次に、図56に示すように、異方性ドライエッチングによりゲート電極11をパターニングする。   Next, as shown in FIG. 56, the gate electrode 11 is patterned by anisotropic dry etching.

次に、図57に示すように、セクション2と同様に、リソグラフィによりN+ソース領域導入用レジスト膜を形成し、それをマスクとして、イオン注入(たとえば砒素)により、N+ソース領域19、チップエッジ部のN+型チャネルストッパ領域8(図30等参照)等を導入する(ドーパントは、たとえば砒素であり、ドーズ量としては、たとえば1015/cmのオーダ程度であり、打ち込みエネルギとしては、たとえば、40keV程度を例示することができる)。その後、不要になったレジスト膜を全面除去する。 Next, as shown in FIG. 57, similarly to section 2, a N + source region introduction resist film is formed by lithography, and using this as a mask, ion implantation (for example, arsenic) is used to form N + source region 19 and chip edge portion. N + type channel stopper region 8 (see FIG. 30 and the like) and the like are introduced (the dopant is, for example, arsenic, the dose amount is, for example, on the order of 10 15 / cm 2 , and the implantation energy is, for example, For example, about 40 keV). Thereafter, the resist film that is no longer needed is entirely removed.

次に、図58に示すように、半導体ウエハ1の表面1aのほぼ全面にPSG(Phospho−Silicate−Glass)膜17(層間絶縁膜)をCVD等により成膜する(上方にSOG膜を重ねて平坦化してもよい)。層間絶縁膜17としては、PSG膜のほか、BPSG,TEOS膜、SiN膜、その他、または、これらの複合膜を適用することができる。また、層間絶縁膜17の全膜厚としては、たとえば、900nm程度を例示することができる。   Next, as shown in FIG. 58, a PSG (Phospho-Silicate-Glass) film 17 (interlayer insulating film) is formed on almost the entire surface 1a of the semiconductor wafer 1 by CVD or the like (the SOG film is overlaid on top). Flattening). As the interlayer insulating film 17, in addition to the PSG film, a BPSG, TEOS film, SiN film, others, or a composite film thereof can be applied. Moreover, as a total film thickness of the interlayer insulation film 17, about 900 nm can be illustrated, for example.

次に、図59に示すように、半導体ウエハ1の表面1a上に、ソース・コンタクト・ホール開口用レジスト膜29を形成し、それをマスクとして、ドライ・エッチングにより、ソース・コンタクト・ホール20、チップエッジ開口(図32等参照)等を開口する。続いて、不要になったレジスト膜29を全面除去する。   Next, as shown in FIG. 59, a source contact hole opening resist film 29 is formed on the surface 1a of the semiconductor wafer 1, and using this as a mask, by dry etching, the source contact hole 20, A chip edge opening (see FIG. 32, etc.) is opened. Subsequently, the resist film 29 that is no longer needed is entirely removed.

次に、図60に示すように、パターニングされた層間絶縁膜17をマスクとして、異方性ドライエッチングにより、基板表面をエッチング(たとえば、深さ0.3マイクロメートル程度)することにより、リセス領域を形成する。続いて、このリセス領域にイオン注入することにより、P+型ボディコンタクト領域18および最外周P+型領域7(図33等参照)を形成する。このイオン注入条件としては、ドーパント:BF2,打ち込みエネルギ:30keV程度、ドーズ量:1015/cmのオーダ程度を例示することができる。 Next, as shown in FIG. 60, the substrate surface is etched by anisotropic dry etching using the patterned interlayer insulating film 17 as a mask (for example, a depth of about 0.3 μm), thereby forming a recess region. Form. Subsequently, ions are implanted into the recess region to form a P + type body contact region 18 and an outermost peripheral P + type region 7 (see FIG. 33 and the like). Examples of the ion implantation conditions include dopant: BF2, implantation energy: about 30 keV, and dose: about 10 15 / cm 2 .

次に、図61に示すように、TiW等のバリア・メタル膜を介して、アルミニウム系金属層をスパッタリング等により成膜して、パターニングすることにより、メタル・ソース電極5、ガード・リング電極3(図34等参照)等を形成する。   Next, as shown in FIG. 61, an aluminum-based metal layer is formed by sputtering or the like through a barrier metal film such as TiW, and patterned, so that the metal source electrode 5 and the guard ring electrode 3 are formed. (See FIG. 34, etc.).

この後、必要であれば、たとえば、無機系ファイナルパッシベーション膜や有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等のファイナルパッシベーション膜を上層に形成して、パッド開口およびゲート開口を開口する。ファイナルパッシベーション膜としては、無機系ファイナルパッシベーション膜または有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等の単層膜のほか、下層の無機系ファイナルパッシベーション膜上に有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等を積層しても良い。   Thereafter, if necessary, for example, a final passivation film such as an inorganic final passivation film or an organic inorganic final passivation film is formed as an upper layer, and a pad opening and a gate opening are opened. As the final passivation film, in addition to a single layer film such as an inorganic final passivation film or an organic inorganic final passivation film, an organic inorganic final passivation film or the like may be laminated on a lower inorganic final passivation film. .

9.本願の第2の実施の形態の半導体装置の変形例であるトレンチ型パワーMOSFETのデバイス構造(N/N−型2段通常エピタキシ方式)の説明(主に図62)
本セクションにおいては、図35のアクティブセル構造のトレンチゲート版を説明する。
9. Description of device structure (N / N-type two-stage normal epitaxy) of a trench type power MOSFET which is a modification of the semiconductor device of the second embodiment of the present application (mainly FIG. 62)
In this section, the trench gate version of the active cell structure of FIG. 35 is described.

図62は図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第2の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)である。これに基づいて、本願の第2の実施の形態の半導体装置の変形例であるトレンチ型パワーMOSFETのデバイス構造(N/N−型2段通常エピタキシ方式)を説明する。   62 is a device sectional view corresponding to the B-B ′ section in FIGS. 1 and 2 (a trench type power MOSFET which is a modification of the second embodiment). Based on this, a device structure (N / N-type two-stage normal epitaxy system) of a trench type power MOSFET which is a modification of the semiconductor device of the second embodiment of the present application will be described.

図62に示すように、この例では、ゲートトレンチ34(ゲート用線状溝)内にゲート絶縁膜21を介して、線状のポリシリコンゲート電極11が埋め込まれている。このトレンチゲート構造においては、プレーナ型(セクション6以前の例)に比較して、低オン抵抗を実現しやすいメリットがある。一方、プレーナ型のような500から600ボルト台のソースドレイン耐圧を実現することについては、不利な点を有する。   As shown in FIG. 62, in this example, a linear polysilicon gate electrode 11 is embedded in a gate trench 34 (a linear groove for gate) via a gate insulating film 21. This trench gate structure has an advantage that a low on-resistance can be easily realized as compared with the planar type (example before section 6). On the other hand, there is a disadvantage in realizing a source / drain breakdown voltage of the order of 500 to 600 volts as in the planar type.

10.本願の第3の実施の形態の半導体装置の変形例であるトレンチ型パワーMOSFETデバイス構造(N+/N/N−型3段通常エピタキシ方式)の説明(主に図63)
本セクションにおいては、図37のアクティブセル構造のトレンチゲート版を説明する。
10. Description of a trench type power MOSFET device structure (N + / N / N− type three-stage normal epitaxy system) which is a modification of the semiconductor device of the third embodiment of the present application (mainly FIG. 63)
In this section, the trench gate version of the active cell structure of FIG. 37 is described.

図63は図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第3の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)である。これに基づいて、本願の第3の実施の形態の半導体装置の変形例であるトレンチ型パワーMOSFETデバイス構造(N+/N/N−型3段通常エピタキシ方式)を説明する。   63 is a device sectional view corresponding to the B-B ′ section in FIGS. 1 and 2 (a trench type power MOSFET which is a modification of the third embodiment). Based on this, a trench type power MOSFET device structure (N + / N / N− type three-stage normal epitaxy system) which is a modification of the semiconductor device of the third embodiment of the present application will be described.

図63に示すように、この例では、ゲートトレンチ34(ゲート用線状溝)内にゲート絶縁膜21を介して、線状のポリシリコンゲート電極11が埋め込まれている。このトレンチゲート構造においては、プレーナ型(セクション6以前の例)に比較して、低オン抵抗を実現しやすいメリットがある。一方、プレーナ型のような500から600ボルト台のソースドレイン耐圧を実現することについては、不利な点を有する。   As shown in FIG. 63, in this example, a linear polysilicon gate electrode 11 is embedded in a gate trench 34 (a linear groove for gate) via a gate insulating film 21. This trench gate structure has an advantage that a low on-resistance can be easily realized as compared with the planar type (example before section 6). On the other hand, there is a disadvantage in realizing a source / drain breakdown voltage of the order of 500 to 600 volts as in the planar type.

11.本願の第4の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETデバイス構造(上方イオン注入N+/N型通常シングルエピタキシ方式)の説明(主に図64)
本セクションにおいては、図39のアクティブセル構造のトレンチゲート版を説明する。
11. Description of planar type power MOSFET device structure (upper ion implantation N + / N type normal single epitaxy system) which is an example of the semiconductor device of the fourth embodiment of the present application (mainly FIG. 64)
In this section, the trench gate version of the active cell structure of FIG. 39 is described.

図64は図1及び図2のB−B’断面に対応するデバイス断面図(第4の実施の形態の変形例であるトレンチ型パワーMOSFET)である。これに基づいて、本願の第4の実施の形態の半導体装置の一例であるプレーナ型パワーMOSFETデバイス構造(上方イオン注入N+/N型通常シングルエピタキシ方式)を説明する。   64 is a device sectional view corresponding to the B-B ′ section in FIGS. 1 and 2 (a trench type power MOSFET which is a modification of the fourth embodiment). Based on this, a planar type power MOSFET device structure (upper ion implantation N + / N type normal single epitaxy system) as an example of the semiconductor device of the fourth embodiment of the present application will be described.

図64に示すように、この例では、ゲートトレンチ34(ゲート用線状溝)内にゲート絶縁膜21を介して、線状のポリシリコンゲート電極11が埋め込まれている。このトレンチゲート構造においては、プレーナ型(セクション6以前の例)に比較して、低オン抵抗を実現しやすいメリットがある。一方、プレーナ型のような500から600ボルト台のソースドレイン耐圧を実現することについては、不利な点を有する。   As shown in FIG. 64, in this example, a linear polysilicon gate electrode 11 is embedded in a gate trench 34 (a linear groove for gate) via a gate insulating film 21. This trench gate structure has an advantage that a low on-resistance can be easily realized as compared with the planar type (example before section 6). On the other hand, there is a disadvantage in realizing a source / drain breakdown voltage of the order of 500 to 600 volts as in the planar type.

12.サマリ
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
12 Summary The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the scope of the invention.

例えば、前記実施の形態では、MOSFETのレイアウトとして、pnカラムに平行にストライプ状に配置した例を示したが、pnカラムに直交する方向に配置したり、格子状に配置したり種種応用可能である。   For example, in the above-described embodiment, an example in which the layout of the MOSFET is arranged in a stripe shape parallel to the pn column has been shown. However, it can be arranged in a direction orthogonal to the pn column, arranged in a lattice shape, or various applications. is there.

なお、前記実施の形態では、N+シリコン単結晶基板上のNエピタキシャル層上面に主にNチャネルデバイスを形成するものを具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、P+シリコン単結晶基板上のNエピタキシャル層上面にPチャネルデバイスを形成するものでもよい。   In the above embodiment, the N channel device is mainly formed on the upper surface of the N epitaxial layer on the N + silicon single crystal substrate. However, the present invention is not limited to this, and P + silicon is used. A P channel device may be formed on the upper surface of the N epitaxial layer on the single crystal substrate.

また、前記実施の形態では、パワーMOSFETを例にとり具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、スーパジャンクション構造を有するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)パワーデバイス、すなわち、ダイオード、バイポーラトランジスタ等にも適用できることは言うまでもない。なお、これらのパワーMOSFET、ダイオード、バイポーラトランジスタ等を内蔵する半導体集積回路装置等にも適用できることは言うまでもない。   In the above-described embodiment, the power MOSFET has been specifically described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) power device having a super junction structure, that is, a diode, Needless to say, the present invention can also be applied to a bipolar transistor or the like. Needless to say, the present invention can also be applied to a semiconductor integrated circuit device incorporating these power MOSFETs, diodes, bipolar transistors and the like.

更に、前記実施の形態では、スーパジャンクション構造の形成法として、主にトレンチフィル方式を具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、たとえば、マルチエピタキシャル方式等も適用できることは言うまでもない。   Furthermore, in the above embodiment, the trench fill method has been specifically described as a method for forming the super junction structure. However, the present invention is not limited thereto, and for example, a multi-epitaxial method can be applied. Needless to say.

1 ウエハまたは半導体基板
1a 半導体基板の表面(ソース側表面)
1b 半導体基板の裏面(ドレイン側表面)
1d N型上層シリコンエピタキシャル層(第1導電型の通常エピタキシ領域)
1m N型中層シリコンエピタキシャル層
1n N型シリコンエピタキシャル層
1s N+型単結晶シリコン基板部
1t N型下層シリコンエピタキシャル層
2 半導体チップ(チップ領域)
3 ガードリング
4 ゲートメタル電極
5 ソースメタル電極
6 アクティブセル領域
7 最外周P+型領域
8 N+型チャネルストッパ領域
9 P型カラム領域(第2導電型のカラム領域)
10 N型カラム領域(第1導電型のカラム領域)
10d N型上層カラム領域(上層領域)
10m N型中層カラム領域(中層領域)
10t N型下層カラム領域(下層領域)
11 ポリシリコンゲート電極(ポリシリコン膜)
11x ゲート電極の幅と位置
12 P型ボディ領域(第2導電型のP型ボディ領域)
14 P−型リサーフ領域
15 エッジターミネーション領域(セル周辺領域)
16 フィールド絶縁膜
17 層間絶縁膜
18 P+型ボディコンタクト領域
19 N+型ソース領域
20 コンタクトホール
21 ゲート絶縁膜
22 P型カラム溝加工用ハードマスク膜
23 P型カラム溝
24 P型埋め込みエピタキシャル層
25 リサーフ領域導入用レジスト膜
26 フィールド絶縁膜加工用レジスト膜
27 P型ボディ領域導入用レジスト膜
28 N+型ソース領域導入用レジスト膜
29 コンタクトホール開口用レジスト膜
30 ドリフト領域
31 N型不純物イオン注入領域
32 表面リセス部
33 トレンチ加工用ハードマスク膜
34 ゲートトレンチ(ゲート用線状溝)
E ドリフト領域の電界強度
Ln,y y位置におけるN型カラムの半幅
Lp,y y位置におけるP型カラムの半幅
Nd N型カラムの標準N型不純物濃度
Nd+ N型カラムの高めのN型不純物濃度
Nd− N型カラムの低めのN型不純物濃度
(y) y一定の平面におけるドナー面密度
Qn N型カラムの総電荷量
(y) y一定の平面におけるアクセプタ面密度
Qp P型カラムの総電荷量
R1 セル端部及びチップ周辺部領域切り出し部
R2 セル中央部切り出し部
ソースドレイン耐圧
Wn パターニングレベルでのN型カラム領域の幅
Wp パターニングレベルでのP型カラム領域の幅
X P型カラムからN型カラムに向かい、これらに直交する軸
Y 半導体基板の表面から裏面に向かう垂直軸
1 Wafer or semiconductor substrate 1a Surface of semiconductor substrate (source side surface)
1b Back surface of semiconductor substrate (drain side surface)
1d N-type upper silicon epitaxial layer (first conductivity type normal epitaxial region)
1m N-type middle silicon epitaxial layer 1n N-type silicon epitaxial layer 1s N + type single crystal silicon substrate part 1t N-type lower silicon epitaxial layer 2 Semiconductor chip (chip region)
3 Guard ring 4 Gate metal electrode 5 Source metal electrode 6 Active cell region 7 Outermost peripheral P + type region 8 N + type channel stopper region 9 P type column region (second conductivity type column region)
10 N-type column region (first conductivity type column region)
10d N-type upper layer column region (upper layer region)
10m N-type middle layer column region (middle layer region)
10t N-type lower layer column region (lower layer region)
11 Polysilicon gate electrode (polysilicon film)
11x Width and position of gate electrode 12 P-type body region (P-type body region of second conductivity type)
14 P-type RESURF region 15 Edge termination region (cell peripheral region)
16 Field insulating film 17 Interlayer insulating film 18 P + type body contact region 19 N + type source region 20 Contact hole 21 Gate insulating film 22 Hard mask film for P type column groove processing 23 P type column groove 24 P type buried epitaxial layer 25 RESURF region Introducing resist film 26 Field insulating film processing resist film 27 P-type body region introducing resist film 28 N + type source region introducing resist film 29 Contact hole opening resist film 30 Drift region 31 N-type impurity ion implantation region 32 Surface recess Part 33 Hard mask film for trench processing 34 Gate trench (linear groove for gate)
E Electric field strength in drift region Half width of N-type column at Ln, y y position Half width of P-type column at Lp, y position Nd Standard N-type impurity concentration of N-type column Nd + Higher N-type impurity concentration of N-type column Nd -Lower N-type impurity concentration of the N-type column Q n (y) Donor surface density in a constant y plane Qn Total charge amount in the N-type column Q p (y) Acceptor surface density in a constant y plane Qp P-type column Total charge R1 Cell edge and chip peripheral region cutout portion R2 Cell center cutout portion V B Source drain breakdown voltage Wn Width of N-type column region at patterning level Wp Width of P-type column region at patterning level X P type Axis from column to N-type column and perpendicular to these Y Y Vertical axis from the front surface to the back surface of the semiconductor substrate

図41は図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(P型カラム溝開口用ハードマスク膜パターニング工程)である。図42は図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(N型カラム領域への斜めイオン注入工程)である。図43は図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(エピタキシトレンチフィリング工程)である。図44は図39のデバイス断面に対応するプロセスフロー(第4の実施の形態)を示すデバイス断面図(平坦化工程)である。これらに基づいて、本願の第4の実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセスの要部を説明する。 FIG. 41 is a device sectional view (P-type column groove opening hard mask film patterning step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. FIG. 42 is a device sectional view (an oblique ion implantation step into an N-type column region) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. FIG. 43 is a device sectional view (epitaxy trench filling step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. FIG. 44 is a device sectional view (planarization step) showing a process flow (fourth embodiment) corresponding to the device section in FIG. Based on these, the main part of the wafer process in the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment of the present application will be described.

Claims (16)

(a)第1の主面及び第2の主面を有し、MOSFETが形成された半導体チップ;
(b)前記半導体チップの前記第1の主面側に設けられた前記MOSFETのソース電極;
(c)前記半導体チップの前記第1の主面側の表面内に設けられ、第1導電型を有する前記MOSFETのドリフト領域;
(d)前記半導体チップの前記第1の主面側から前記ドリフト領域を貫通するように設けられた複数のトレンチ;
(e)前記複数のトレンチ内に、エピタキシャル成長により、それぞれ埋め込まれ、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型を有する複数の第2導電型カラム領域;
(f)前記複数の第2導電型カラム領域の間にあり、それらとともにスーパジャンクション構造を構成する前記第1導電型を有する複数の第1導電型カラム領域を有する半導体装置の製造方法において、
前記複数の第1導電型カラム領域の各々は:
(f1)第1の不純物濃度を有する下層領域;
(f2)前記下層領域と前記第1の主面との間にあって、前記第1の不純物濃度よりも濃度の高い第2の不純物濃度を有する上層領域を有し、
更に、前記上層領域は、前記第1導電型を有する不純物を前記複数の第1導電型カラム領域の各々の外側面にイオン注入することによって、その濃度を高くしている。
(A) a semiconductor chip having a first main surface and a second main surface and having a MOSFET formed thereon;
(B) a source electrode of the MOSFET provided on the first main surface side of the semiconductor chip;
(C) a drift region of the MOSFET having a first conductivity type provided in a surface on the first main surface side of the semiconductor chip;
(D) a plurality of trenches provided so as to penetrate the drift region from the first main surface side of the semiconductor chip;
(E) a plurality of second conductivity type column regions embedded in the plurality of trenches by epitaxial growth and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
(F) In the method of manufacturing a semiconductor device having a plurality of first conductivity type column regions having the first conductivity type, which is between the plurality of second conductivity type column regions and forms a super junction structure with them.
Each of the plurality of first conductivity type column regions is:
(F1) a lower layer region having a first impurity concentration;
(F2) having an upper layer region between the lower layer region and the first main surface and having a second impurity concentration higher than the first impurity concentration;
Further, the concentration of the upper layer region is increased by ion-implanting the impurity having the first conductivity type into the outer surface of each of the plurality of first conductivity type column regions.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、前記ドリフト領域は、ベースエピタキシ層である。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the drift region is a base epitaxy layer. 請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、前記複数の第1導電型カラム領域の各々は、更に以下を有する:
(f3)前記下層領域と前記上層領域との間にあって、前記第1の不純物濃度と前記第2の不純物濃度との中間の第3の不純物濃度を有する中層領域。
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein each of the plurality of first conductivity type column regions further includes:
(F3) An intermediate layer region between the lower layer region and the upper layer region and having a third impurity concentration intermediate between the first impurity concentration and the second impurity concentration.
請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、前記第1の不純物濃度は、前記第2導電型カラム領域と前記第1導電型カラム領域とがチャージバランスを保つ濃度である。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the first impurity concentration is a concentration that maintains a charge balance between the second conductivity type column region and the first conductivity type column region. 請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、前記第1の不純物濃度は、前記第2導電型カラム領域と前記第1導電型カラム領域とがチャージバランスを保つ濃度よりも低い濃度である。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the first impurity concentration is lower than a concentration at which the second conductivity type column region and the first conductivity type column region maintain a charge balance. 請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体チップは、シリコンチップである。   3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor chip is a silicon chip. 請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、前記第1導電型は、N型である。   7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the first conductivity type is an N type. 請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体チップは、単体または複合のパワー系能動デバイスを構成している。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the semiconductor chip constitutes a single or composite power active device. 請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体チップは、パワーMOSFET単体デバイスを構成している。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor chip constitutes a power MOSFET single device. 請求項9に記載の半導体装置の製造方法において、前記パワーMOSFETは、プレーナ型である。   10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the power MOSFET is a planar type. 請求項9に記載の半導体装置の製造方法において、前記パワーMOSFETは、トレンチ型である。   10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the power MOSFET is a trench type. 請求項11に記載の半導体装置の製造方法において、前記第2導電型カラム領域は、前記第1の主面側が、幅が広い逆台形形状を呈している。   12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the second conductivity type column region has a wide inverted trapezoidal shape on the first main surface side. 請求項4に記載の半導体装置の製造方法において、前記下層領域の厚さは、前記上層領域の厚さよりも厚い。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the lower layer region is thicker than the upper layer region. 請求項5に記載の半導体装置の製造方法において、前記下層領域の厚さは、前記上層領域の厚さよりも薄い。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the lower layer region is thinner than the upper layer region. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、更に、前記半導体装置は以下を有する:
(g)前記半導体チップの前記第1の主面側の前記ドリフト領域の表面領域に形成された前記第2導電型を有し、前記パワーMOSFETのチャネル領域を構成する第2導電型ボディ領域;
(h)前記半導体チップの前記第1の主面側の前記第2導電型ボディ領域の表面に形成されたゲート絶縁膜;
(i)前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2導電型ボディ領域の反対側に形成されたポリシリコン膜を主要な構成要素とするゲート電極。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, further comprising:
(G) a second conductivity type body region having the second conductivity type formed in a surface region of the drift region on the first main surface side of the semiconductor chip and constituting a channel region of the power MOSFET;
(H) a gate insulating film formed on the surface of the second conductivity type body region on the first main surface side of the semiconductor chip;
(I) A gate electrode whose main component is a polysilicon film formed on the opposite side of the second conductivity type body region across the gate insulating film.
請求項15の半導体装置の製造方法において、前記第2導電型ボディ領域の導入は、前記ポリシリコン膜の成膜に先行して行われる。   16. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein the introduction of the second conductivity type body region is performed prior to the formation of the polysilicon film.
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