JP2015201617A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve both a high-speed operation and improvement in withstanding voltage.SOLUTION: In a structure in Fig. 1, an oxide film 26 is formed to be uniformly thin on a lateral face where a gate electrode 27 is formed and to be thick at a bottom face center side of a groove 24. In this structure, the gate electrode 27 is not formed at the bottom face side of the groove 24, and is divided into both sides, and a bottom face electrode 28 is made to have the same potential as an emitter electrode 30. Thereby, a feedback capacity is reduced. In the above configuration, because a capacity between the emitter electrode 30 and a collector electrode 31 is also reduced, an output capacity Coes can be reduced. Further, the gate electrode 27 is formed to a position where the oxide film 26 is thinned at the bottom part. Therefore, the oxide film 26 between the gate electrode 27 and the bottom face of the groove 24 becomes thin, and thereby, a depletion layer immediately under the oxide film 26 becomes thick.

Description

本発明は、スイッチング動作を行うトレンチゲート型の半導体装置の構造に関する。また、その製造方法に関する。   The present invention relates to a structure of a trench gate type semiconductor device that performs a switching operation. Moreover, it is related with the manufacturing method.

大電流のスイッチング動作を行うスイッチング素子(パワー半導体素子)として、パワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)等が使用されている。こうしたスイッチング素子においては、半導体基板に形成された溝(トレンチ)中に酸化膜及びゲート電極を形成したトレンチゲート型のものが用いられる。   A power MOSFET, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), or the like is used as a switching element (power semiconductor element) that performs a large current switching operation. In such a switching element, a trench gate type in which an oxide film and a gate electrode are formed in a groove (trench) formed in a semiconductor substrate is used.

図8は、こうしたトレンチゲート型のパワーMOSFET(半導体装置110)の構成の一例を示す断面図である。図8において、この半導体基板80においては、ドレイン層となるn層81の上に、n層82、p層83が順次形成されている。半導体基板80の表面側には、p層83を貫通する溝(トレンチ)85が形成されている。溝85は、図8における紙面と垂直方向に延伸して平行に複数(図示された範囲では4つ)形成されている。各々の溝85の内面には酸化膜86が一様に形成された上で、ゲート電極87が溝85を埋め込むように形成されている。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of such a trench gate type power MOSFET (semiconductor device 110). In FIG. 8, in the semiconductor substrate 80, an n layer 82 and a p layer 83 are sequentially formed on an n + layer 81 serving as a drain layer. On the surface side of the semiconductor substrate 80, a groove (trench) 85 penetrating the p layer 83 is formed. A plurality of grooves 85 (four in the illustrated range) are formed in parallel to extend in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. An oxide film 86 is uniformly formed on the inner surface of each groove 85, and a gate electrode 87 is formed so as to fill the groove 85.

また、半導体基板80の表面側においては、溝85の両側に、ソース領域となるn層88が形成されている。半導体基板80の表面には、ソース電極89が形成されている。一方、半導体基板80の裏面全面には、n層(ドレイン層)81と接触してドレイン電極90が形成されている。一方、半導体基板80の表面側においては層間絶縁層91が溝85を覆うように形成されているため、ソース電極89は、n層88とp層83の両方に接触し、ゲート電極87とは絶縁される。図8に示された範囲外の表面側において、例えば溝85の延伸方向(紙面垂直方向)の端部側で全てのゲート電極87は接続され、共通のゲート配線に接続される。また、 図8に示された範囲内ではソース電極89は表面全面に形成されているが、表面側では、このゲート配線とソース電極89とは分離して形成される。このため、各溝85毎に、ゲート配線(ゲート電極87)に印加された電圧によって溝85の側面におけるp層83でチャネルが形成され、n層82とn層88の間でn型のMOSFETとして動作し、このMOSFETがオンとされる。すなわち、ゲート電極87に印加する電圧によって、ソース電極(第1の主電極)89とドレイン電極90との間の電流のスイッチング制御をすることができる。各溝85毎に形成されたMOSFETは全て並列に接続されているために、ソース電極89・ドレイン電極90間に大電流を流すことができる。 Further, on the surface side of the semiconductor substrate 80, n + layers 88 serving as source regions are formed on both sides of the groove 85. A source electrode 89 is formed on the surface of the semiconductor substrate 80. On the other hand, a drain electrode 90 is formed on the entire back surface of the semiconductor substrate 80 in contact with the n + layer (drain layer) 81. On the other hand, since the interlayer insulating layer 91 is formed on the surface side of the semiconductor substrate 80 so as to cover the groove 85, the source electrode 89 is in contact with both the n + layer 88 and the p layer 83, and the gate electrode 87. Is insulated. On the surface side outside the range shown in FIG. 8, for example, all the gate electrodes 87 are connected on the end side in the extending direction (perpendicular to the paper surface) of the groove 85 and are connected to a common gate wiring. Further, the source electrode 89 is formed on the entire surface within the range shown in FIG. 8, but on the surface side, the gate wiring and the source electrode 89 are formed separately. Therefore, a channel is formed in the p layer 83 on the side surface of the groove 85 by the voltage applied to the gate wiring (gate electrode 87) for each groove 85, and n between the n layer 82 and the n + layer 88. It operates as a type MOSFET and this MOSFET is turned on. That is, the switching of current between the source electrode (first main electrode) 89 and the drain electrode 90 can be controlled by the voltage applied to the gate electrode 87. Since the MOSFETs formed for each groove 85 are all connected in parallel, a large current can flow between the source electrode 89 and the drain electrode 90.

なお、図8はパワーMOSFETの構造を示しているが、IGBTの場合においても同様の構造を適用することができる。この場合、例えば、n層81をp層、ソース電極89をエミッタ電極、ドレイン電極90をコレクタ電極に置換した構造とすることができる。 Although FIG. 8 shows the structure of the power MOSFET, the same structure can be applied to the IGBT. In this case, for example, a structure in which the n + layer 81 is replaced by a p + layer, the source electrode 89 is replaced by an emitter electrode, and the drain electrode 90 is replaced by a collector electrode can be employed.

このパワーMOSFETを高速で動作させるには、帰還容量Crss、入力容量Ciss、出力容量Cossを小さくする必要がある。図8の構造においては、帰還容量Crssはゲート電極87・ドレイン電極90間の容量となり、入力容量Cissは、ゲート電極87・ソース電極89間の容量と帰還容量Crssとの和となる。ここで、図8の構造においては、トレンチ85底部の酸化膜86を介した容量が存在するため、ゲート電極87・ドレイン電極90間の容量Crssを小さくすることが困難である。酸化膜86を厚くすることによってCrssを小さくすることができることは明らかであるが、動作速度以外のMOSFETの特性も酸化膜86の厚さに大きく依存するため、酸化膜86の厚さは、通常は動作速度以外において所望の特性が得られるように設定される。このため、層間絶縁層91とは異なり、酸化膜86は、半導体層(p層83等)との間の界面特性が特に良好となる熱酸化によって薄く形成される。この場合、Crssを低減することは困難である。 In order to operate this power MOSFET at high speed, it is necessary to reduce the feedback capacitance Crss, the input capacitance Ciss, and the output capacitance Coss. In the structure of FIG. 8, the feedback capacitance Crss is the capacitance between the gate electrode 87 and the drain electrode 90, and the input capacitance Ciss is the sum of the capacitance between the gate electrode 87 and the source electrode 89 and the feedback capacitance Crss. Here, in the structure of FIG. 8, since there is a capacitance through the oxide film 86 at the bottom of the trench 85, it is difficult to reduce the capacitance Crss between the gate electrode 87 and the drain electrode 90. Although it is clear that the Crss can be reduced by increasing the thickness of the oxide film 86, the characteristics of the MOSFET other than the operating speed are also largely dependent on the thickness of the oxide film 86. Is set so as to obtain desired characteristics other than the operation speed. For this reason, unlike the interlayer insulating layer 91, the oxide film 86 is thinly formed by thermal oxidation with particularly good interface characteristics with the semiconductor layer (p layer 83, etc.). In this case, it is difficult to reduce Crss.

こうした問題を解決するために、特許文献1においては、溝85底部においてのみ酸化
膜86を特に厚くする構造が記載されている。
In order to solve such a problem, Patent Document 1 describes a structure in which the oxide film 86 is particularly thick only at the bottom of the groove 85.

この構造によれば、帰還容量Crssを小さくすることができる。一方、この構造では、MOSFETにおけるチャネルが形成される部分である溝85の側面におけるp層83上(側面)の酸化膜86を薄くされるため、動作速度以外においても良好な特性のパワーMOSFETを得ることができる。 According to this structure, the feedback capacitance Crss can be reduced. On the other hand, in this structure, since the oxide film 86 on the p layer 83 (side surface) on the side surface of the groove 85 which is a portion where the channel is formed in the MOSFET is thinned, the power MOSFET having good characteristics other than the operation speed Can be obtained.

特開2003−158268号公報JP 2003-158268 A

特許文献1に記載の技術において、ゲート電極87とその下の酸化膜86が厚くなるために、この部分の容量を小さくすることができる。一方、オフ時においてドレイン電極90に高電圧が印加された場合には、溝85の底面側のn層82には空乏層が形成される。酸化膜86が厚い場合には、この空乏層の幅は狭くなる。空乏層の幅が狭い場合には、空乏層内の電界強度が高まるために、耐圧が低下する。このため、高速動作と耐圧の向上を両立することは困難であった。 In the technique described in Patent Document 1, since the gate electrode 87 and the oxide film 86 therebelow are thickened, the capacity of this portion can be reduced. On the other hand, when a high voltage is applied to the drain electrode 90 at the off time, a depletion layer is formed in the n layer 82 on the bottom surface side of the groove 85. When the oxide film 86 is thick, the width of this depletion layer becomes narrow. When the width of the depletion layer is narrow, the electric field strength in the depletion layer is increased, so that the breakdown voltage is reduced. For this reason, it has been difficult to achieve both high speed operation and improved breakdown voltage.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、半導体基板の表面側において溝が形成され、当該溝の内面に形成された酸化膜と接するゲート電極が設けられ、前記半導体基板の表面側に形成された第
1の主電極と前記半導体基板の裏面側に形成された第2の主電極との間に流れる動作電流が前記ゲート電極に印加された電圧によってスイッチング制御される半導体装置であって、前記ゲート電極は、前記溝の内部において、前記溝の両側面に分断されて形成され、前記溝の底面において前記ゲート電極が形成されない部分の前記酸化膜上に、前記ゲート電極と分断され前記第1の主電極と電気的に接続された底面電極を具備し、前記溝の底面において、前記底面電極の下側の前記酸化膜は、前記ゲート電極の下側の前記酸化膜よりも厚く形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記溝の幅が前記溝の深さよりも大きいことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記溝内における前記ゲート電極の下端部は鋭角形状であり、前記溝の底面側における、水平方向に対する前記ゲート電極の底面のなす角度は5〜85°の範囲であることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体基板における、前記ゲート電極に印加された電圧に応じてチャネルが形成される半導体層におけるアクセプタ濃度又はドナー濃度の面内分布において、前記アクセプタ濃度又は前記ドナー濃度は前記溝に近づくに従って減少することを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、前記半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板に前記溝を形成した後に、熱酸化を行うことによって熱酸化膜を形成し、当該熱酸化膜をエッチングで除去した後に、前記酸化膜、前記ゲート電極を形成することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
In the semiconductor device of the present invention, a groove is formed on the surface side of the semiconductor substrate, a gate electrode in contact with the oxide film formed on the inner surface of the groove is provided, and the first main body formed on the surface side of the semiconductor substrate is provided. An operating current flowing between an electrode and a second main electrode formed on the back side of the semiconductor substrate is a semiconductor device whose switching is controlled by a voltage applied to the gate electrode. In the groove, the gate electrode is divided and formed on both side surfaces of the groove, and the gate electrode is not formed on the bottom surface of the groove. And the bottom surface of the groove is formed such that the oxide film below the bottom electrode is thicker than the oxide film below the gate electrode. .
The semiconductor device of the present invention is characterized in that the width of the groove is larger than the depth of the groove.
In the semiconductor device of the present invention, the lower end portion of the gate electrode in the groove has an acute shape, and the angle formed by the bottom surface of the gate electrode with respect to the horizontal direction on the bottom surface side of the groove is in the range of 5 to 85 °. It is characterized by that.
In the semiconductor device of the present invention, in the in-plane distribution of acceptor concentration or donor concentration in a semiconductor layer in which a channel is formed according to a voltage applied to the gate electrode in the semiconductor substrate, the acceptor concentration or the donor concentration is It decreases as it approaches the groove.
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing the semiconductor device, wherein after forming the groove in the semiconductor substrate, a thermal oxide film is formed by thermal oxidation, and the thermal oxide film is etched. The oxide film and the gate electrode are formed after removing in step (1).

本発明は以上のように構成されているので、高速動作と耐圧の向上を両立することができる。   Since the present invention is configured as described above, it is possible to achieve both high speed operation and improved breakdown voltage.

本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 参考例となる半導体装置(a)と本発明の実施の形態に係る半導体装置(b)における溝の底面近傍に形成される空乏層の形態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the form of the depletion layer formed in the bottom face of the groove | channel in the semiconductor device (a) used as a reference example, and the semiconductor device (b) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の第1の変形例の断面図である。It is sectional drawing of the 1st modification of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の第2の変形例の断面図である。It is sectional drawing of the 2nd modification of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置におけるゲート電極の下端部の形状を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the shape of the lower end part of the gate electrode in the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置において、チャネルが形成される半導体層中の不純物の面内分布を模式的に示す図である。In the semiconductor device concerning an embodiment of the invention, it is a figure showing typically an in-plane distribution of impurities in a semiconductor layer in which a channel is formed. 従来のトレンチゲート型の半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional trench gate type semiconductor device. 本発明の他の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which concerns on other embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置は、ゲート電圧によってチャネルのオン・オフが制御されて電流のスイッチング制御がなされるトレンチゲート型のIGBTである。ゲート電極は、半導体基板の表面に平行に形成された複数の溝(トレンチ)中に形成され、各ゲート電極は並列に接続される。各ゲート電極は、溝の中の表面に酸化膜が形成された上で、溝の内部に形成される。   Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. This semiconductor device is a trench gate type IGBT in which channel switching is controlled by controlling on / off of a channel by a gate voltage. The gate electrode is formed in a plurality of grooves (trench) formed in parallel to the surface of the semiconductor substrate, and the gate electrodes are connected in parallel. Each gate electrode is formed inside the trench after an oxide film is formed on the surface in the trench.

図1は、この半導体装置(IGBT)10の構造を示す断面図である。この半導体装置10は、シリコンで構成された半導体基板20中に形成された溝(トレンチ)中にゲート電極が形成された構成を具備するトレンチゲート型の素子である。図1において、この半導体基板20においては、コレクタ層となるp層21の上に、n層22、p層23が順次形成されている。半導体基板20の表面側には、p層23を貫通する溝(トレンチ)24が形成されている。溝24は、図1における紙面と垂直方向に延伸して並行に複数形成されており、図1においてはそのうちの一つが示されている。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device (IGBT) 10. The semiconductor device 10 is a trench gate type element having a configuration in which a gate electrode is formed in a groove (trench) formed in a semiconductor substrate 20 made of silicon. In FIG. 1, in this semiconductor substrate 20, an n layer 22 and a p layer 23 are sequentially formed on a p + layer 21 serving as a collector layer. On the surface side of the semiconductor substrate 20, a groove (trench) 24 penetrating the p layer 23 is formed. A plurality of grooves 24 are formed in parallel with each other in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1, and one of them is shown in FIG.

半導体基板20の表面側においては、溝24の両側に、n層25が形成されている。溝24の内面(側面及び底面)には酸化膜26が形成されている。酸化膜26は、溝24から離れた半導体基板20の表面においては除去されている。この半導体装置10においては、特に溝24内の構造が図8に示された半導体装置110と異なっている。 On the surface side of the semiconductor substrate 20, n + layers 25 are formed on both sides of the groove 24. An oxide film 26 is formed on the inner surface (side surface and bottom surface) of the groove 24. The oxide film 26 is removed on the surface of the semiconductor substrate 20 away from the trench 24. In this semiconductor device 10, the structure in the groove 24 is particularly different from the semiconductor device 110 shown in FIG.

まず、ゲート電極27は、溝24の左右の側壁部に沿ってそれぞれ設けられており、溝24の底面で左右に分離されて形成されている。ただし、左右のゲート電極27の各々は図示の範囲外(例えば溝24の長手方向の端部)で接続されている。ゲート電極27は、例えば高濃度にドープされた導電性の多結晶シリコンで構成される。   First, the gate electrode 27 is provided along the left and right side wall portions of the groove 24, and is formed separately on the left and right at the bottom surface of the groove 24. However, each of the left and right gate electrodes 27 is connected outside the range shown in the figure (for example, the end in the longitudinal direction of the groove 24). The gate electrode 27 is made of, for example, conductive polycrystalline silicon doped at a high concentration.

一方、溝25の底面においては、上面からみた場合には、左右のゲート電極27の間において、左右のゲート電極27と分離(絶縁)された底面電極28が形成されている。溝24の底面においても酸化膜26は形成されているため、底面電極28はその下のn層22とも絶縁される。この状態で、左右のゲート電極27を覆い、かつ底面電極28とその両側のゲート電極27とを分離するように、層間絶縁層29が溝24内に形成されている。 On the other hand, when viewed from above, the bottom surface of the trench 25 is formed with a bottom electrode 28 separated (insulated) from the left and right gate electrodes 27 between the left and right gate electrodes 27. Since the oxide film 26 is also formed on the bottom surface of the groove 24, the bottom electrode 28 is also insulated from the underlying n layer 22. In this state, an interlayer insulating layer 29 is formed in the trench 24 so as to cover the left and right gate electrodes 27 and to separate the bottom electrode 28 and the gate electrodes 27 on both sides thereof.

この状態で、半導体基板20の表面を覆うように、エミッタ電極(第1の主電極)30が形成されている。上記の構成により、エミッタ電極30は、図8の構成の半導体装置110におけるソース電極89と同様に半導体基板20の表面においてp層23、n層25と接続されると共に、層間絶縁層30中に設けられた貫通孔によって、溝24の底面における底面電極28とも接続される。層間絶縁層29により、エミッタ電極30とゲート電極27とは絶縁される。一方、半導体基板20の裏面全面には、p層(コレクタ層)21と電気的に接続されるコレクタ電極(第2の主電極)31が形成されている。 In this state, an emitter electrode (first main electrode) 30 is formed so as to cover the surface of the semiconductor substrate 20. With the above configuration, the emitter electrode 30 is connected to the p layer 23 and the n + layer 25 on the surface of the semiconductor substrate 20 in the same manner as the source electrode 89 in the semiconductor device 110 configured as shown in FIG. The bottom electrode 28 on the bottom surface of the groove 24 is also connected by a through hole provided therein. The emitter electrode 30 and the gate electrode 27 are insulated by the interlayer insulating layer 29. On the other hand, a collector electrode (second main electrode) 31 that is electrically connected to the p + layer (collector layer) 21 is formed on the entire back surface of the semiconductor substrate 20.

図8の半導体装置110と同様に、全てのゲート電極27は、表面側において、溝24の延伸方向端部側で共通のゲート配線と接続される。ゲート電極27に印加された電圧によって、溝24の側面のp−層23におけるチャネルの有無を制御することができる。これによって、エミッタ電極(第1の主電極)30、コレクタ電極(第2の主電極)31、ゲート配線(ゲート電極28)の電位を各々制御し、ゲート配線に印加した電圧によってエミッタ電極31、コレクタ電極32間の電流のスイッチング制御をすることができる。この動作は通常のIGBTと同様である。   Similar to the semiconductor device 110 in FIG. 8, all the gate electrodes 27 are connected to the common gate wiring on the front side in the extending direction of the groove 24 on the surface side. The presence or absence of a channel in the p− layer 23 on the side surface of the trench 24 can be controlled by the voltage applied to the gate electrode 27. Thus, the potentials of the emitter electrode (first main electrode) 30, the collector electrode (second main electrode) 31, and the gate wiring (gate electrode 28) are controlled, and the emitter electrode 31, Switching of current between the collector electrodes 32 can be controlled. This operation is the same as that of a normal IGBT.

この構造においては、ゲート電極27が溝24の底面側に形成されず、両側に分断され、底面電極28がエミッタ電極30と同電位(接地電位)とされるために、ゲート電極27・コレクタ電極31間の容量Cres(帰還容量)が低減される。ただし、底面電極28を設けた場合、底面電極28と溝24の底面との間の容量によって、エミッタ電極30・コレクタ電極31間の容量が発生し、これによって、出力容量Coes(パワーMOSFETにおいてはCoss)が増大するおそれがある。しかしながら、上記の構成においては、エミッタ電極30・コレクタ電極31間の容量も低減されるため、出力容量Coesも低下させることができる。   In this structure, since the gate electrode 27 is not formed on the bottom surface side of the groove 24 but is divided on both sides, and the bottom electrode 28 is set to the same potential (ground potential) as the emitter electrode 30, the gate electrode 27 and the collector electrode The capacity Cres (feedback capacity) between 31 is reduced. However, when the bottom electrode 28 is provided, a capacitance between the emitter electrode 30 and the collector electrode 31 is generated due to the capacitance between the bottom electrode 28 and the bottom surface of the groove 24, thereby generating an output capacitance Coes (in a power MOSFET). Coss) may increase. However, in the above configuration, since the capacitance between the emitter electrode 30 and the collector electrode 31 is also reduced, the output capacitance Coes can also be reduced.

また、一般的なトレンチゲート型の素子においては、溝24の幅が広い場合(例えば幅が1〜20μmの場合)、溝24の底部側における空乏層が広がりにくくなるために、この部分でオフ時の耐圧が低くなり、この部分で素子全体の耐圧が低下する場合が多い。これに対して、上記のように左右のゲート電極27の間に底面電極28を設けることによって、溝24の幅が広い場合でも、溝24の底部側における空乏層が良好に広がるために、耐圧を向上させることが可能である。   Further, in a general trench gate type device, when the width of the groove 24 is wide (for example, when the width is 1 to 20 μm), the depletion layer on the bottom side of the groove 24 is difficult to expand. In many cases, the breakdown voltage of the entire device is lowered at this portion. On the other hand, by providing the bottom electrode 28 between the left and right gate electrodes 27 as described above, even when the width of the groove 24 is wide, the depletion layer on the bottom side of the groove 24 is well spread. It is possible to improve.

ここで、図1の構造においては、酸化膜26は、ゲート電極27が形成された側面では一様に薄く、溝24の底面中央側で厚く形成されている。このため、底面電極28とn層22(コレクタ電極31側)との間の容量を大きく低下させ、エミッタ電極30・コレクタ電極31間の容量を低下させることができる。 Here, in the structure of FIG. 1, the oxide film 26 is uniformly thin on the side surface on which the gate electrode 27 is formed, and thick on the center side of the bottom surface of the groove 24. For this reason, the capacitance between the bottom electrode 28 and the n layer 22 (collector electrode 31 side) can be greatly reduced, and the capacitance between the emitter electrode 30 and the collector electrode 31 can be reduced.

一方、前記の通り、オフ時にコレクタ電極31に高電圧が印加されると、溝24の底部側には空乏層が広がる。この空乏層に対しては、ゲート電極27、底面電極28の両方が影響を与え、これらの電極の下の酸化膜26が薄い場合にはこの空乏層の図1における上下方向の幅は厚くなり、酸化膜26が厚い場合には、この幅は狭くなる。このため、酸化膜26を溝24の底面中央で厚くすることによってCrssを低下させることができる一方、この部分直下に形成される空乏層の幅は狭くなる。このため、この部分における耐圧が低下し、IGBTのオフ時の耐圧がこの部分で制限され低下する場合がある。   On the other hand, as described above, when a high voltage is applied to the collector electrode 31 at the time of OFF, a depletion layer spreads on the bottom side of the groove 24. Both the gate electrode 27 and the bottom electrode 28 affect the depletion layer. When the oxide film 26 under these electrodes is thin, the vertical width of the depletion layer in FIG. When the oxide film 26 is thick, the width becomes narrow. For this reason, the Crss can be lowered by making the oxide film 26 thick at the center of the bottom surface of the groove 24, while the width of the depletion layer formed immediately below this portion becomes narrow. For this reason, the withstand voltage in this part is lowered, and the withstand voltage when the IGBT is off may be limited and lowered in this part.

これに対して、溝24の底面において、酸化膜26は中央部で厚いが、その両側では、左右の側面と同等に薄くされている。更に、ゲート電極27は、この底部で酸化膜26が薄くされた箇所まで形成されている。このため、ゲート電極27と溝24の底面との間の酸化膜26は薄くなるために、この直下の空乏層は厚くなる。   On the other hand, the oxide film 26 is thick at the center of the bottom surface of the groove 24, but on both sides, it is as thin as the left and right side surfaces. Further, the gate electrode 27 is formed up to the portion where the oxide film 26 is thinned at the bottom. For this reason, since the oxide film 26 between the gate electrode 27 and the bottom surface of the trench 24 becomes thin, the depletion layer directly below becomes thick.

この構造による作用について、図2に説明する。図2(a)は、溝24底面の酸化膜26の厚さが一様にDである場合(参考例)における空乏層端部Lの形状を模式的に示す。この場合には空乏層端部Lは略平坦な形状となる。また、空乏層幅(空乏層端部Lの酸化膜26(n層22上端部)からの距離)Xは、酸化膜26の厚さDに応じて定まり、Dが大きな場合にはXは小さくなる。Xが小さい場合には空乏層内部の電界強度が高まるために、エミッタ・コレクタ間の耐圧が低下する。このため、この観点からはDを小さくすることが好ましい。しかしながら、Dを小さくした場合には、底面電極28とn層22との間の容量が大きくなり、エミッタ電極30・コレクタ電極31間の容量を低減することが困難である。 The operation of this structure will be described with reference to FIG. 2 (a) shows the shape of the depletion layer end L schematically in case the thickness of the oxide film 26 of the groove 24 bottom surface is uniformly D 0 (reference example). In this case, the depletion layer end portion L has a substantially flat shape. Further, the depletion layer width (distance from the depletion layer end portion L from the oxide film 26 (n layer 22 upper end portion)) X 0 is determined according to the thickness D 0 of the oxide film 26, and when D 0 is large. the X 0 decreases. For the electric field intensity inside the depletion layer increases when X 0 is small, the breakdown voltage between the emitter and collector is reduced. Therefore, it is preferable to reduce the D 0 is from this point of view. However, when reducing the D 0 is the bottom electrode 28 and the n - capacitance between the layer 22 becomes large, it is difficult to reduce the capacitance between the emitter electrode 30 and collector electrode 31.

これに対して、図2(b)は、図1の構成を用いた場合の空乏層端部Lの形状を示す。溝25中央における酸化膜26の厚さは前記と同じDとし、両端部側ではこれよりも薄くなっている。このため、ゲート電極27の直下では空乏層端部Lは図2(a)よりも下側になり、空乏層幅が厚くなる。空乏層端部Lはこれに応じた連続的な形状となり、溝24の中央部における空乏層端部Lもその両端部に引きずられるために、溝24の中央部における空乏層幅Xを、前記のXよりも大きくすることができる。耐圧を図2(a)の構成よりも高めることができる。一方、底面電極28と溝24底部との間の間隔(酸化膜26の膜厚)はDと大きく保たれるために、エミッタ電極30・コレクタ電極31間の容量、あるいは出力容量Coesは低減される。 On the other hand, FIG. 2B shows the shape of the depletion layer end L when the configuration of FIG. 1 is used. The thickness of the oxide film 26 in the groove 25 the center and the same D 0 and the is thinner than this in both ends. For this reason, the depletion layer end portion L is directly below the gate electrode 27 as compared with FIG. 2A, and the depletion layer width is increased. Depletion layer end L becomes continuous shape corresponding thereto, in order to be the depletion layer end L in the central portion of the groove 24 is dragged by the opposite ends thereof, a depletion layer width X 1 in the central portion of the groove 24, it can be greater than X 0 of the. The breakdown voltage can be increased as compared with the configuration of FIG. Meanwhile, because the spacing between the bottom electrode 28 and the groove 24 bottom (thickness of the oxide film 26) is to be kept as large as D 0, the capacitance between the emitter electrode 30 and collector electrode 31 or the output capacitance Coes, is reduced Is done.

以下に、この半導体装置10の製造方法について具体的に説明する。図3(a)〜(h)は、この半導体装置10の製造工程を示す工程断面図である。ここでは、一つの溝24に関わる構造のみについて示す。   A method for manufacturing the semiconductor device 10 will be specifically described below. 3A to 3H are process cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the semiconductor device 10. Here, only the structure related to one groove 24 is shown.

まず、図3(a)に示されるように、シリコンで構成されたp層21の上に、同じくシリコンで構成されたn層22、p層23がエピタキシャル成長によって順次形成された半導体基板20における溝24が形成されるべき箇所の表面(p層23中)に、溝24よりも広い幅とされたn層25をイオン注入によって形成する。n層22、p層23における導電型、不純物濃度は、これらの成長時における不純物添加によって調整される。 First, as shown in FIG. 3A, a semiconductor substrate in which an n layer 22 and a p layer 23 also made of silicon are sequentially formed on a p + layer 21 made of silicon by epitaxial growth. An n + layer 25 having a width wider than that of the groove 24 is formed by ion implantation on the surface (in the p layer 23) where the groove 24 is to be formed in 20. The conductivity type and impurity concentration in the n layer 22 and the p layer 23 are adjusted by adding impurities during the growth.

次に、図3(b)に示されるように、n層25が形成された領域中に溝24を形成する。溝24は、例えばフォトレジストをマスクとして半導体基板20をドライエッチングすることによって形成することができる。溝24は、p層23を貫通し、n層22に達する深さとされる。 Next, as shown in FIG. 3B, a groove 24 is formed in the region where the n + layer 25 is formed. The groove 24 can be formed, for example, by dry etching the semiconductor substrate 20 using a photoresist as a mask. The trench 24 has a depth that penetrates the p layer 23 and reaches the n layer 22.

次に、図3(b)の構造を熱酸化することによって、図3(c)に示されるように、溝24内を含む半導体基板20の表面全体にゲート酸化膜261(酸化膜26)を形成する。ゲート酸化膜261は、溝25が形成された半導体基板20の表面に薄く形成される。この厚さは、IGBTの閾値電圧等の諸特性に応じて適宜設定され、通常は100nm以下とされる。ゲート酸化膜261は、SiOを主成分とする熱酸化膜である。ゲート酸化膜261の形成には、熱酸化時における酸素の供給が大きく影響を与える。このため、ゲート酸化膜261を一様な厚さで溝24内に形成するためには、酸素が一様に安定して供給されることが必要である。溝24の幅が狭い場合にはこの場合に酸素を一様に供給することが困難であるのに対して、溝24の幅が広ければ、酸素を一様に供給し、ゲート酸化膜261の厚さを一様にすることが容易である。 Next, by thermally oxidizing the structure of FIG. 3B, a gate oxide film 261 (oxide film 26) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 20 including the inside of the trench 24 as shown in FIG. 3C. Form. The gate oxide film 261 is thinly formed on the surface of the semiconductor substrate 20 in which the trench 25 is formed. This thickness is appropriately set according to various characteristics such as the threshold voltage of the IGBT, and is usually 100 nm or less. The gate oxide film 261 is a thermal oxide film containing SiO 2 as a main component. The formation of the gate oxide film 261 is greatly affected by the supply of oxygen during thermal oxidation. For this reason, in order to form the gate oxide film 261 in the trench 24 with a uniform thickness, it is necessary to supply oxygen uniformly and stably. If the width of the trench 24 is narrow, it is difficult to supply oxygen uniformly in this case, whereas if the width of the trench 24 is wide, oxygen is supplied uniformly and the gate oxide film 261 It is easy to make the thickness uniform.

次に、図3(c)の構造とされたウェハに対して、CVD法等によって、ゲート酸化膜261と同様の成分(SiO)で構成された追加酸化膜262(酸化膜26)をゲート酸化膜261よりも厚く形成する。この際、コンフォーマルに成膜が行われず、異方性のある成膜が行われる成膜条件を用いることにより、溝24の側壁や底面における側壁近傍には追加酸化膜262がほとんど形成されず、溝24の底面で盛り上がった形状に第1追加酸化膜262を形成することができる。これにより、図3(d)に示されるように、溝24の底面中央で酸化膜26は厚くなる。 Next, an additional oxide film 262 (oxide film 26) composed of the same component (SiO 2 ) as the gate oxide film 261 is gated on the wafer having the structure of FIG. It is formed thicker than the oxide film 261. At this time, the additional oxide film 262 is hardly formed in the vicinity of the side wall of the groove 24 or the bottom surface of the groove 24 by using a film forming condition in which the film is not formed conformally and an anisotropic film is formed. The first additional oxide film 262 can be formed in a shape raised on the bottom surface of the groove 24. As a result, as shown in FIG. 3D, the oxide film 26 becomes thick at the center of the bottom surface of the groove 24.

次に、導電性をもつように高濃度にドーピングされた多結晶シリコン(ゲート電極材料)をCVD法によって表面全面に成膜する。この際には、前記の追加酸化膜262とは異なり、コンフォーマルに成膜が行われ、溝24の底面、側面にも一様に多結晶シリコンが成膜されるような成膜条件が用いられる。その後、フォトレジストをマスクとしてこの多結晶シリコン層をドライエッチングすることによって、図3(e)に示されるように、溝24の中央部、側壁にそれぞれ導電性の多結晶シリコンで構成された底面電極28、ゲート電極27を分離して形成することができる。   Next, polycrystalline silicon (gate electrode material) doped with high concentration so as to have conductivity is formed over the entire surface by CVD. In this case, unlike the additional oxide film 262 described above, the film forming conditions are used such that the film is formed conformally and the polycrystalline silicon is uniformly formed on the bottom and side surfaces of the groove 24. It is done. Thereafter, the polycrystalline silicon layer is dry-etched using a photoresist as a mask, and as shown in FIG. 3 (e), the bottom surface made of conductive polycrystalline silicon on the center and side walls of the groove 24, respectively. The electrode 28 and the gate electrode 27 can be formed separately.

その後、図3(f)に示されるように、CVD法によって追加酸化膜262と同様のSiOで構成された層間絶縁層29を成膜する。ただし、追加酸化膜262とは異なり、ここでは、コンフォーマルに成膜が行われ、一様に追加酸化膜262が成膜されるような成膜条件が用いられる。層間絶縁層29は、ゲート電極27とこの上に形成されるエミッタ電極30との間の絶縁性(耐圧)が充分となるように厚く形成される。 Thereafter, as shown in FIG. 3F, an interlayer insulating layer 29 made of SiO 2 similar to the additional oxide film 262 is formed by CVD. However, unlike the additional oxide film 262, here, film forming conditions are used in which the film is formed conformally and the additional oxide film 262 is uniformly formed. The interlayer insulating layer 29 is formed thick so that the insulation (breakdown voltage) between the gate electrode 27 and the emitter electrode 30 formed thereon is sufficient.

次に、図3(g)に示されるように、n層25とp層23の表面が少なくとも部分的に露出するように層間絶縁層29、酸化膜26がパターニングされる。また、溝24中においては、底面電極29の一部も露出するようにパターニングされる。 Next, as shown in FIG. 3G, the interlayer insulating layer 29 and the oxide film 26 are patterned so that the surfaces of the n + layer 25 and the p layer 23 are at least partially exposed. Further, the groove 24 is patterned so that a part of the bottom electrode 29 is exposed.

その後、図3(h)に示されるように、表面にエミッタ電極30、裏面にコレクタ電極31を形成することにより、図1の半導体装置10が製造される。なお、図3(h)に示された領域においては表面全面にエミッタ電極30が形成されているが、実際には、コレクタ電極31とは異なり、エミッタ電極30は半導体装置10の表面全面には形成されない。実際には溝24は図33における紙面と垂直方向に延伸しており、その端部においてゲート電極27は、コレクタ電極30と接さないように表面側において引き出されるようにパターニングされる。これによって、ゲート電極27、エミッタ電極30、コレクタ電極31のそれぞれが電極端子として機能する。   Thereafter, as shown in FIG. 3H, the emitter electrode 30 is formed on the front surface and the collector electrode 31 is formed on the back surface, whereby the semiconductor device 10 of FIG. 1 is manufactured. In the region shown in FIG. 3 (h), the emitter electrode 30 is formed on the entire surface, but actually, unlike the collector electrode 31, the emitter electrode 30 is formed on the entire surface of the semiconductor device 10. Not formed. Actually, the groove 24 extends in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 33, and the gate electrode 27 is patterned so as to be drawn out on the surface side so as not to contact the collector electrode 30 at the end thereof. Thereby, each of the gate electrode 27, the emitter electrode 30, and the collector electrode 31 functions as an electrode terminal.

上記と同様に、底面電極28下の酸化膜26を厚く、その両側のゲート電極27下の酸化膜26を薄くする構成の他の二例として、図4、5にその断面を示す構造がある。   Similarly to the above, FIGS. 4 and 5 show a cross-sectional view of another example in which the oxide film 26 under the bottom electrode 28 is thick and the oxide film 26 under the gate electrode 27 on both sides is thin. .

図4の構造においては、酸化膜26は溝24内の側面よりも底面角部で薄くされているために、酸化膜26がゲート電極27の下で特に薄く、底面電極28の下で厚くなるために、上記と同様の効果を得ることができる。酸化膜26のこうした形状は、図3(d)に示された追加酸化膜262の成膜条件を調整することによって、実現することができる。図3(d)の場合には、追加酸化膜262が溝24の側壁にはほとんど形成されない条件で成膜が行われたのに対し、この場合には、追加酸化膜262は溝24の側壁にも形成されるために、チャネルの形成に寄与するp層23の側壁に形成される酸化膜26は厚くなる。 In the structure of FIG. 4, since the oxide film 26 is thinner at the bottom corner than the side surface in the trench 24, the oxide film 26 is particularly thin under the gate electrode 27 and thick under the bottom electrode 28. Therefore, the same effect as described above can be obtained. Such a shape of the oxide film 26 can be realized by adjusting the film formation conditions of the additional oxide film 262 shown in FIG. In the case of FIG. 3D, the additional oxide film 262 is formed on the side wall of the groove 24 under the condition that the additional oxide film 262 is hardly formed on the side wall of the groove 24. Therefore, the oxide film 26 formed on the side wall of the p layer 23 contributing to the formation of the channel becomes thick.

図5の構造は、溝24の底部の酸化膜26を図3(d)に示された場合と同様に厚く形成した後に、溝24の底部の両側の酸化膜26をドライエッチングによって薄く加工することによって得られる。この場合には、ドライエッチング深さ(ドライエッチング時間)を調整することによって、ゲート電極27直下の酸化膜26の厚さを調整することができる。ドライエッチングによって掘り下げられた部分の幅は、ドライエッチングの際のマスクパターンによって調整することができる。   In the structure of FIG. 5, the oxide film 26 at the bottom of the groove 24 is formed thick as in the case shown in FIG. 3D, and then the oxide film 26 on both sides of the bottom of the groove 24 is thinly processed by dry etching. Can be obtained. In this case, the thickness of the oxide film 26 immediately below the gate electrode 27 can be adjusted by adjusting the dry etching depth (dry etching time). The width of the portion dug down by dry etching can be adjusted by the mask pattern at the time of dry etching.

この他にも、追加酸化膜262の成膜条件や酸化膜26のドライエッチング条件等を調整することによって、帰還容量や出力容量を低減し、かつ溝24直下の空乏層幅を広くすることによって耐圧を高めることができる。   In addition, by adjusting the film formation conditions of the additional oxide film 262, the dry etching conditions of the oxide film 26, etc., the feedback capacity and the output capacity are reduced, and the width of the depletion layer immediately below the trench 24 is widened. The breakdown voltage can be increased.

図6は、図1の構成における右側のゲート電極27の下側の構造を拡大して示す図である。この構造においては、溝24の底面に形成された酸化膜26の断面形状が図1に示された通りとなっているために、ゲート電極27の下端部は鋭角的な形状となる。これによって、図6中のゲート電極27の右側下端部直下の酸化膜26を局所的に薄くすることができ、溝24直下の空乏層幅を大きくすることができる一方で、ゲート電極27と溝24底部との間の容量を低減させ、帰還容量を低減することができる。また、溝24の中央部側(図6における左側)で底面の酸化膜26が厚くされたために、底面電極28と溝24の底部との間の容量も小さくし、出力容量も低減することができる。この点については、図4の構造も同様である。こうした効果を得るためには、図1、4の構成においては、ゲート電極27の底面と水平方向のなす角度θを5〜85°の範囲とすることが好ましい。ゲート電極27の底面の形状は、溝24中の酸化膜26の形状を反映する。このため、こうした形状で酸化膜26を形成することによって、こうした形状のゲート電極27を形成することができる。   FIG. 6 is an enlarged view showing the lower structure of the right gate electrode 27 in the configuration of FIG. In this structure, since the cross-sectional shape of the oxide film 26 formed on the bottom surface of the trench 24 is as shown in FIG. 1, the lower end portion of the gate electrode 27 has an acute angle shape. As a result, the oxide film 26 immediately below the right lower end of the gate electrode 27 in FIG. 6 can be locally thinned, and the width of the depletion layer immediately below the groove 24 can be increased, while the gate electrode 27 and the groove It is possible to reduce the capacity between the bottom of the 24 and the feedback capacity. Further, since the bottom oxide film 26 is thickened on the center side of the trench 24 (left side in FIG. 6), the capacitance between the bottom electrode 28 and the bottom of the trench 24 can be reduced, and the output capacitance can be reduced. it can. About this point, the structure of FIG. 4 is also the same. In order to obtain such an effect, in the configuration of FIGS. 1 and 4, it is preferable that the angle θ formed between the bottom surface of the gate electrode 27 and the horizontal direction is in the range of 5 to 85 °. The shape of the bottom surface of the gate electrode 27 reflects the shape of the oxide film 26 in the trench 24. Therefore, by forming the oxide film 26 in such a shape, the gate electrode 27 having such a shape can be formed.

また、図1等に示されるように、ゲート電極27は、酸化膜26と層間絶縁層29の間に挟まれた形態とされる。この際に、ゲート電極27の下端部をこうした鋭角形状とすることにより、酸化膜26と層間絶縁層29の間において、溝24の側面においてのみ形成されたゲート電極27を特に安定して支持することができる。このため、高い信頼性を得ることもできる。   As shown in FIG. 1 and the like, the gate electrode 27 is sandwiched between the oxide film 26 and the interlayer insulating layer 29. At this time, by forming the lower end portion of the gate electrode 27 in such an acute angle shape, the gate electrode 27 formed only on the side surface of the groove 24 is particularly stably supported between the oxide film 26 and the interlayer insulating layer 29. be able to. For this reason, high reliability can also be obtained.

また、図1等の構造においては、IGBTやパワーMOSFETの閾値電圧等に対しても、酸化膜26は大きな影響を及ぼす。閾値電圧に対しては、チャネルが形成されるp層23とゲート電極27の間の酸化膜26の膜厚とp層23におけるドーピング濃度が影響を及ぼすことは周知である。ここで、p層23のドーピング濃度に対しても、酸化膜26は影響を与える。図7は、この点について説明する模式図である。図7上側には、溝24における右側のゲート電極27周囲の構造が示されている。図7下側においては、p層23中のドーピング濃度の水平方向の分布(面内分布)が模式的に示されている。 Further, in the structure of FIG. 1 and the like, the oxide film 26 has a great influence on the threshold voltage of the IGBT and the power MOSFET. It is well known that the threshold voltage is affected by the thickness of the oxide film 26 between the p layer 23 where the channel is formed and the gate electrode 27 and the doping concentration in the p layer 23. Here, the oxide film 26 also affects the doping concentration of the p layer 23. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining this point. 7 shows the structure around the right gate electrode 27 in the trench 24. In the lower part of FIG. 7, the horizontal distribution (in-plane distribution) of the doping concentration in the p layer 23 is schematically shown.

ここで、p層23には、アクセプタとなるホウ素(B)が添加されているものとする。p層23、n層22は、p層21の上にエピタキシャル成長によって形成されているために、各層内の不純物は、エピタキシャル成長時に導入され、少なくとも面内方向では不純物分布(アクセプタ濃度分布)は一様となる。しかしながら、熱酸化で形成されたゲート酸化膜261は、この分布に影響を及ぼす。具体的には、図3(c)の熱酸化時にBは熱酸化膜(ゲート酸化膜261)中に取り込まれやすくなるために、ゲート酸化膜261が形成された箇所のp層23中のB濃度は低下する。このため、p層23におけるB濃度の面内分布は、図7下側に示されるように、溝24側に向かって低くなる。これによって、閾値電圧は、p層23の形成時に導入されたB濃度で定まる値よりも低下する。このため、p層23の形成時におけるB添加量だけでなく、ゲート酸化膜261の形成条件や膜厚設定によっても閾値電圧を制御することができる。 Here, it is assumed that boron (B) serving as an acceptor is added to the p layer 23. Since the p layer 23 and the n layer 22 are formed on the p + layer 21 by epitaxial growth, impurities in each layer are introduced at the time of epitaxial growth, and at least in the in-plane direction, impurity distribution (acceptor concentration distribution). Is uniform. However, the gate oxide film 261 formed by thermal oxidation affects this distribution. Specifically, B is easily taken into the thermal oxide film (gate oxide film 261) at the time of thermal oxidation in FIG. 3C, and therefore, in the p - layer 23 where the gate oxide film 261 is formed. The B concentration decreases. For this reason, the in-plane distribution of the B concentration in the p layer 23 decreases toward the groove 24 as shown in the lower side of FIG. As a result, the threshold voltage falls below a value determined by the B concentration introduced when the p layer 23 is formed. Therefore, the threshold voltage can be controlled not only by the amount of B added at the time of forming the p layer 23 but also by the formation conditions and film thickness setting of the gate oxide film 261.

ここで、前記の通り、溝24の幅が広い場合には、熱酸化膜の形成を特に一様に行うことができる。このため、この場合の閾値電圧の制御も高精度で行うことができる。あるいは、図3(c)に示されるように熱酸化によって熱酸化膜を一端形成した後に、これをウェットエッチングで除去し、再度熱酸化を行うことによって熱酸化膜を再度形成するという工程(犠牲酸化工程)を適宜繰り返し、最後に形成させ残存させた熱酸化膜をゲート酸化膜261とすることによって、閾値電圧を所望の値に制御することもできる。この際、熱酸化膜の除去は、全面にわたり、あるいは部分的に行うこともできる。幅の狭い溝24が用いられた場合には、熱酸化膜を制御性よく一様に形成することが困難であるためにこうした制御を高精度で行うことは困難であったのに対し、底面電極28を内部に具備する幅の広い溝24が用いられる場合には、こうした製造方法を行うことによって、p層23が形成された後でも、こうした閾値電圧の調整を行うことができる。 Here, as described above, when the width of the groove 24 is wide, the thermal oxide film can be formed particularly uniformly. For this reason, control of the threshold voltage in this case can also be performed with high accuracy. Alternatively, as shown in FIG. 3C, after a thermal oxide film is formed by thermal oxidation, the thermal oxide film is removed by wet etching and then thermally oxidized again to form the thermal oxide film again (sacrificial). The threshold voltage can also be controlled to a desired value by repeating the oxidation step) as appropriate, and using the gate oxide film 261 as the last formed thermal oxide film. At this time, the thermal oxide film can be removed over the entire surface or partially. When the narrow groove 24 is used, it is difficult to form the thermal oxide film uniformly with good controllability, and thus it is difficult to perform such control with high accuracy. When a wide groove 24 having an electrode 28 therein is used, such a threshold voltage can be adjusted even after the p - layer 23 is formed by performing such a manufacturing method.

こうした閾値電圧の調整は、ゲート電極27を形成する前にゲート電極27が形成されるべき箇所にイオン注入等を行うことによっても行うことが可能である。しかしながら、トレンチゲート型の素子における溝24の側面に一様に高精度でイオン注入を行うことは容易ではない。これに対して、上記の方法によれば、高精度で閾値電圧の調整を行うことができる。すなわち、幅の広い溝25が用いられたトレンチ型の素子においては、上記の工程によって、閾値電圧の制御を高精度で行うことができる。   Such adjustment of the threshold voltage can also be performed by performing ion implantation or the like at a position where the gate electrode 27 is to be formed before the gate electrode 27 is formed. However, it is not easy to perform ion implantation uniformly and highly accurately on the side surface of the groove 24 in the trench gate type device. On the other hand, according to the above method, the threshold voltage can be adjusted with high accuracy. That is, in the trench type element using the wide groove 25, the threshold voltage can be controlled with high accuracy by the above process.

また、図9に示す第2の実施形態について、以下のように説明する。第2の実施形態の半導体装置と前述の実施形態との違いは、溝24の底面における酸化膜26の厚みが溝24の底面の中央側から溝24の底面の両側面側に至るまでほぼ同じであり、その上の底面電極28の下面の高さがゲート電極27の下端部の高さがほぼ同じである点、ゲート電極27の下端部とゲート電極27の間に層間絶縁膜29が入っている点、エミッタ電極30が溝24内を延伸して底面電極28と接続していない点が異なる。 The second embodiment shown in FIG. 9 will be described as follows. The difference between the semiconductor device of the second embodiment and the above-described embodiment is that the thickness of the oxide film 26 on the bottom surface of the groove 24 is substantially the same from the center side of the bottom surface of the groove 24 to both side surfaces of the bottom surface of the groove 24. The lower surface of the bottom electrode 28 is substantially the same as the lower end of the gate electrode 27, and the interlayer insulating film 29 is interposed between the lower end of the gate electrode 27 and the gate electrode 27. The difference is that the emitter electrode 30 extends in the groove 24 and is not connected to the bottom electrode 28.

第2の実施形態の半導体装置10は、ゲート電極27の下端部が鋭角的な形状となっている。これにより、前述の実施形態と同様に、ゲート電極27の下端部が鋭角的な形状となっているので、溝25の中央側におけるゲート電極27の下端部とn層22の距離が長くなり、その分だけゲート電極27と溝24底部の下のn層22との間の容量を低減させ、帰還容量を低減することができる。 In the semiconductor device 10 of the second embodiment, the lower end portion of the gate electrode 27 has an acute shape. Thereby, similarly to the above-described embodiment, the lower end portion of the gate electrode 27 has an acute shape, so that the distance between the lower end portion of the gate electrode 27 and the n layer 22 on the center side of the groove 25 is increased. Therefore, the capacitance between the gate electrode 27 and the n layer 22 below the bottom of the trench 24 can be reduced by that amount, and the feedback capacitance can be reduced.

さらに、ゲート電極27の下端部と溝24の間に酸化膜26と異なる絶縁膜として例えば層間絶縁膜29が形成されている。ここで、ゲート電極27の下端部と溝24の間の酸化膜26と異なる材料は、たとえば誘電率の高い絶縁層でもよい。酸化膜26よりも誘電率の高い絶縁層がゲート電極27の下端部と溝24の間に設けられた場合、半導体装置10はゲート電極27と溝24底部の下のn層22との間の容量を更に低減することができ、帰還容量を更に低減することができる。 Further, for example, an interlayer insulating film 29 is formed between the lower end portion of the gate electrode 27 and the trench 24 as an insulating film different from the oxide film 26. Here, the material different from the oxide film 26 between the lower end portion of the gate electrode 27 and the trench 24 may be, for example, an insulating layer having a high dielectric constant. When an insulating layer having a dielectric constant higher than that of the oxide film 26 is provided between the lower end portion of the gate electrode 27 and the trench 24, the semiconductor device 10 is interposed between the gate electrode 27 and the n layer 22 below the bottom portion of the trench 24. Can be further reduced, and the feedback capacitance can be further reduced.

さらに、溝24の側面側のゲート電極27の下端部は溝24の中央側のゲート電極27の下端部に比べて低くなっている。これにより、溝24の側面側のゲート電極27の下端部によって溝24の側面側の空乏層を良好にn層22側に広げることができ、半導体装置10の耐圧を確保することができる。 Further, the lower end portion of the gate electrode 27 on the side surface side of the groove 24 is lower than the lower end portion of the gate electrode 27 on the center side of the groove 24. As a result, the depletion layer on the side surface side of the groove 24 can be favorably spread to the n layer 22 side by the lower end portion of the gate electrode 27 on the side surface side of the groove 24, and the breakdown voltage of the semiconductor device 10 can be ensured.

また、底面電極28の下面がゲート電極27の下端部とほぼ同じ高さとなっている。ただし、底面電極28の側面と対向するゲート電極27の下端部の中央側の部分が削れて傾斜していることによって、底面電極28の下面側の側面とゲート電極27の下端部との距離が長くなり、ゲート・エミッタ間容量Cgeを低減することができる。更に、底面電極28の下面の幅が上面の幅よりも大きくなるように底面電極28の側面に傾斜を設けることによって、底面電極28の上面側の側面とゲート電極27の下端部との距離が更に長くなり、底面電極28による空乏層の広がりを確保しつつ、ゲート・エミッタ間容量Cgeを著しく低減することができる。
また、図9で示すように、溝24の延伸する長手方向において、エミッタ電極30が底面電極28と接続していない領域があっても良い。例えば、エミッタ電極30と底面電極28が溝24の端部でのみ接続していても良い。
Further, the bottom surface of the bottom electrode 28 is substantially the same height as the lower end portion of the gate electrode 27. However, the distance between the side surface on the lower surface side of the bottom electrode 28 and the lower end portion of the gate electrode 27 is reduced because the central portion of the lower end portion of the gate electrode 27 facing the side surface of the bottom electrode 28 is scraped and inclined. As a result, the gate-emitter capacitance Cge can be reduced. Furthermore, by providing an inclination on the side surface of the bottom electrode 28 so that the width of the bottom surface of the bottom electrode 28 is larger than the width of the top surface, the distance between the side surface on the top surface side of the bottom electrode 28 and the lower end portion of the gate electrode 27 is increased. Further, the gate-emitter capacitance Cge can be remarkably reduced while ensuring the spread of the depletion layer by the bottom electrode 28.
Further, as shown in FIG. 9, there may be a region where the emitter electrode 30 is not connected to the bottom electrode 28 in the longitudinal direction in which the groove 24 extends. For example, the emitter electrode 30 and the bottom electrode 28 may be connected only at the end of the groove 24.

なお、上記においては、半導体装置がトレンチゲート型のIGBTであるものとしたが、パワーMOSFET等のトレンチゲート型の素子においても同様の構造を用いることができる。すなわち、半導体基板の表面において溝が形成され、その内面に形成された酸化膜と接するゲート電極が設けられ、半導体基板の表面側に形成された第1の主電極と裏面側に形成された第2の主電極との間に流れる動作電流がゲート電極に印加された電圧によってスイッチング制御される半導体装置であれば、同様の構造を採用することができ、同様の効果を奏することは明らかである。   In the above description, the semiconductor device is a trench gate type IGBT, but a similar structure can be used for a trench gate type element such as a power MOSFET. That is, a groove is formed on the surface of the semiconductor substrate, a gate electrode in contact with the oxide film formed on the inner surface thereof is provided, and the first main electrode formed on the front surface side of the semiconductor substrate and the first electrode formed on the back surface side. It is clear that the same structure can be adopted and the same effect can be obtained as long as the semiconductor device is controlled so that the operating current flowing between the two main electrodes is switched by the voltage applied to the gate electrode. .

上記の構造において、特に、1〜20μm、より好ましくは3〜15μmの広い溝をもつIGBTの場合には、正孔が溝の底部に蓄積されるため、これによってオン電圧を低下させることができるため、特に好ましい。また、ゲート電極の本数を減らすことができるために、更に帰還容量を低減することができる。   In the above structure, in particular, in the case of an IGBT having a wide groove of 1 to 20 μm, more preferably 3 to 15 μm, holes are accumulated at the bottom of the groove, which can reduce the on-voltage. Therefore, it is particularly preferable. In addition, since the number of gate electrodes can be reduced, the feedback capacitance can be further reduced.

また、上記の構成は、いずれもnチャネル型の素子であったが、導電型(p型、n型)を逆転させ、pチャネル型の素子を同様に得ることができることは明らかである。この場合、図7に示されたアクセプタ濃度は、p層23に対応するn層におけるドナー濃度となる。また、半導体基板、ゲート電極等を構成する材料によらずに、上記の構造、製造方法を実現することができ、同様の効果を奏することも明らかである。 In addition, each of the above configurations is an n-channel element, but it is apparent that a p-channel element can be similarly obtained by reversing the conductivity type (p-type and n-type). In this case, the acceptor concentration shown in FIG. 7 is the donor concentration in the n layer corresponding to the p layer 23. In addition, it is obvious that the above-described structure and manufacturing method can be realized without depending on the material constituting the semiconductor substrate, the gate electrode, and the like, and the same effect can be obtained.

10 半導体装置(IGBT)
20、80 半導体基板
21 p
22、82 n
23、83 p
24、85 溝(トレンチ)
25、81、88 n
26、86 酸化膜
27、87 ゲート電極
28 底面電極
29、91 層間絶縁層
30 エミッタ電極(第1の主電極)
31 コレクタ電極(第2の主電極)
89 ソース電極(第1の主電極)
90 ドレイン電極(第2の主電極)
110 半導体装置(パワーMOSFET)
261 ゲート酸化膜(酸化膜)
262 追加酸化膜(酸化膜)
L 空乏層端部
10 Semiconductor device (IGBT)
20, 80 Semiconductor substrate 21 p + layer 22, 82 n layer 23, 83 p layer 24, 85 groove (trench)
25, 81, 88 n + layers 26, 86 Oxide film 27, 87 Gate electrode 28 Bottom electrode 29, 91 Interlayer insulating layer 30 Emitter electrode (first main electrode)
31 Collector electrode (second main electrode)
89 Source electrode (first main electrode)
90 Drain electrode (second main electrode)
110 Semiconductor Device (Power MOSFET)
261 Gate oxide film (oxide film)
262 Additional oxide film (oxide film)
L Depletion layer edge

Claims (9)

半導体基板の表面側において溝が形成され、当該溝の内面に形成された酸化膜と接するゲート電極が設けられ、前記半導体基板の表面側に形成された第1の主電極と前記半導体基板の裏面側に形成された第2の主電極との間に流れる動作電流が前記ゲート電極に印加された電圧によってスイッチング制御される半導体装置であって、
前記ゲート電極は、前記溝の内部において、前記溝の両側面に分断されて形成され、
前記溝の底面において前記ゲート電極が形成されない部分の前記酸化膜上に、前記ゲー
ト電極と分断され前記第1の主電極と電気的に接続された底面電極を具備し、
前記溝の底面において、前記底面電極の下側の前記酸化膜は、前記ゲート電極の下側の
前記酸化膜よりも厚く形成されたことを特徴とする半導体装置。
A groove is formed on the front surface side of the semiconductor substrate, a gate electrode in contact with the oxide film formed on the inner surface of the groove is provided, a first main electrode formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and a back surface of the semiconductor substrate A semiconductor device in which an operating current flowing between the second main electrode formed on the side is controlled by a voltage applied to the gate electrode;
The gate electrode is divided into both sides of the groove and formed inside the groove,
A bottom electrode separated from the gate electrode and electrically connected to the first main electrode on the oxide film in a portion where the gate electrode is not formed at the bottom of the groove;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide film below the bottom electrode is formed thicker than the oxide film below the gate electrode at the bottom of the trench.
前記溝の幅が前記溝の深さよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of the groove is larger than a depth of the groove. 前記溝内における前記ゲート電極の下端部は鋭角形状であり、
前記溝の底面側における、水平方向に対する前記ゲート電極の底面のなす角度は5〜85°の範囲であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
The lower end portion of the gate electrode in the groove has an acute angle shape,
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein an angle formed by a bottom surface of the gate electrode with respect to a horizontal direction on a bottom surface side of the groove is in a range of 5 to 85 °.
前記半導体基板における、前記ゲート電極に印加された電圧に応じてチャネルが形成される半導体層におけるアクセプタ濃度又はドナー濃度の面内分布において、前記アクセプタ濃度又は前記ドナー濃度は前記溝に近づくに従って減少することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体装置。   In the in-plane distribution of acceptor concentration or donor concentration in a semiconductor layer in which a channel is formed in the semiconductor substrate in accordance with a voltage applied to the gate electrode, the acceptor concentration or donor concentration decreases as the groove is approached. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device. 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板に前記溝を形成した後に、熱酸化を行うことによって熱酸化膜を形成し、当該熱酸化膜をエッチングで除去した後に、前記酸化膜、前記ゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A thermal oxide film is formed by performing thermal oxidation after forming the trench in the semiconductor substrate, and the oxide film and the gate electrode are formed after removing the thermal oxide film by etching. A method for manufacturing a semiconductor device.
半導体基板の表面側において溝が形成され、当該溝の内面に形成された酸化膜と接するゲート電極が設けられ、前記半導体基板の表面側に形成された第1の主電極と前記半導体基板の裏面側に形成された第2の主電極との間に流れる動作電流が前記ゲート電極に印加された電圧によってスイッチング制御される半導体装置であって、
前記ゲート電極は前記溝の両側面に形成され、
前記ゲート電極の下端部の位置は前記溝の側壁側に比べて前記溝の中央側で高いことを特徴とする半導体装置。
A groove is formed on the front surface side of the semiconductor substrate, a gate electrode in contact with the oxide film formed on the inner surface of the groove is provided, a first main electrode formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and a back surface of the semiconductor substrate A semiconductor device in which an operating current flowing between the second main electrode formed on the side is controlled by a voltage applied to the gate electrode;
The gate electrode is formed on both sides of the trench;
The position of the lower end portion of the gate electrode is higher on the center side of the groove than on the side wall side of the groove.
前記ゲート電極の下端部と前記溝の底部との間に前記酸化膜と異なる絶縁層を備えることを特徴とする請求項6の半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 6, further comprising an insulating layer different from the oxide film between a lower end portion of the gate electrode and a bottom portion of the trench. 前記ゲート電極の下端部は前記溝の側壁側から前記溝の中央側に向かう傾斜面を形成し、
前記溝の底面上の前記ゲート電極が形成されない領域に、前記ゲート電極と絶縁し、前記第1の主電極と電気的に接続された底面電極を具備し、
前記底面電極の側面は、前記ゲート電極の傾斜面と対向していることを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置。
The lower end portion of the gate electrode forms an inclined surface from the side wall side of the groove toward the center side of the groove,
In a region where the gate electrode is not formed on the bottom surface of the groove, a bottom electrode electrically insulated from the gate electrode and electrically connected to the first main electrode is provided.
The semiconductor device according to claim 6, wherein a side surface of the bottom electrode is opposed to an inclined surface of the gate electrode.
前記底面電極の上面の幅は前記底面電極の下面の幅よりも小さいことを特徴とする請求項8の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the width of the upper surface of the bottom electrode is smaller than the width of the lower surface of the bottom electrode.
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