JP2016034001A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.
特許文献1には、トレンチゲート型のIGBTが開示されている。コレクタ‐エミッタ間に電圧を印加し、ゲートに閾値以上の電位を印加すると、IGBTがオンする。 Patent Document 1 discloses a trench gate type IGBT. When a voltage is applied between the collector and the emitter, and a potential higher than the threshold is applied to the gate, the IGBT is turned on.
特許文献1のIGBTのようなトレンチゲート型のスイッチング用の半導体素子の特性は、ボディ領域の不純物濃度のピーク値の深さにおけるゲート酸化膜の厚みによって大きく変化する。この深さにおけるゲート酸化膜が厚いほど、ゲート閾値が高くなる。 The characteristics of a trench gate type switching semiconductor element such as the IGBT of Patent Document 1 vary greatly depending on the thickness of the gate oxide film at the depth of the peak value of the impurity concentration in the body region. The thicker the gate oxide film at this depth, the higher the gate threshold.
トレンチゲートを形成する際に、ゲート電極の上面の深さ方向における位置には製造誤差が生じる。このため、ゲート電極上に、凹状のリセス部が形成される場合と、リセス部が形成されない場合がある。また、リセス部が形成される場合には、製造工程における誤差によって、リセス部の深さ方向の寸法にはばらつきが生じる。また、ゲート電極の上面にはキャップ酸化膜を形成する必要がある。ゲート電極の上面の深さ方向の位置がばらつくため、キャップ酸化膜の深さ方向の位置にもばらつきが生じる。さらに、キャップ酸化膜を形成する際には、キャップ酸化膜の近傍のゲート酸化膜の厚みが増大する。キャップ酸化膜の深さ方向の位置がばらつくため、ゲート酸化膜の厚みが増大する範囲にもばらつきが生じる。ばらつきによってゲート酸化膜の厚みが増大する範囲がボディ領域の不純物濃度のピーク値の深さと重複すると、ゲート閾値が高くなる。このため、従来の半導体素子の構造では、ゲート電極の上面の深さ方向における位置のばらつきによって、ゲート閾値にばらつきが生じる場合があった。 When the trench gate is formed, a manufacturing error occurs at a position in the depth direction of the upper surface of the gate electrode. For this reason, a recessed recess part may be formed on a gate electrode, and a recess part may not be formed. Further, when the recessed portion is formed, the depth dimension of the recessed portion varies due to an error in the manufacturing process. Further, it is necessary to form a cap oxide film on the upper surface of the gate electrode. Since the position in the depth direction of the upper surface of the gate electrode varies, the position in the depth direction of the cap oxide film also varies. Further, when the cap oxide film is formed, the thickness of the gate oxide film in the vicinity of the cap oxide film increases. Since the position of the cap oxide film in the depth direction varies, the range in which the thickness of the gate oxide film increases also varies. When the range in which the thickness of the gate oxide film increases due to the variation overlaps with the depth of the impurity concentration peak value in the body region, the gate threshold value increases. For this reason, in the conventional semiconductor element structure, the gate threshold value may vary due to the variation in the position of the upper surface of the gate electrode in the depth direction.
したがって、本明細書では、ゲート電極の上面の深さ方向の位置のばらつきが生じてもゲート閾値のばらつきが生じ難い半導体装置に関する技術を提供する。 Therefore, the present specification provides a technique related to a semiconductor device in which variation in gate threshold value hardly occurs even when variation in position in the depth direction of the upper surface of the gate electrode occurs.
本明細書に開示の半導体装置は、半導体基板を有する。前記半導体基板は、前記半導体基板の上面に露出している第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の下側に配置されており、前記第1半導体層に接する第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の下側に配置されており、前記第2半導体層に接しており、前記第2半導体層によって前記第1半導体層から分離されている第1導電型の第3半導体層を備えている。前記半導体装置は、前記半導体基板の前記上面に形成されており、前記第1半導体層と前記第2半導体層を貫通して前記第3半導体層に達するトレンチと、前記トレンチの内面を覆うゲート酸化膜と、前記トレンチの内部に配置されており、前記ゲート酸化膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極と、前記ゲート電極の上面を覆うキャップ酸化膜を備えている。前記第2半導体層内の前記半導体基板の深さ方向における第2導電型不純物濃度分布において、第1の極大値と、第1の極大値よりも大きい第2の極大値が存在する。前記第2の極大値が、前記第1の極大値よりも下面側に形成されている。 The semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate. The semiconductor substrate is disposed on a lower side of the first semiconductor layer, and is exposed to the first semiconductor layer, and is in contact with the first semiconductor layer. A second semiconductor layer of a type, a first semiconductor layer disposed below the second semiconductor layer, in contact with the second semiconductor layer, and separated from the first semiconductor layer by the second semiconductor layer A conductive third semiconductor layer is provided. The semiconductor device is formed on the upper surface of the semiconductor substrate, has a trench reaching the third semiconductor layer through the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and a gate oxidation covering the inner surface of the trench A gate electrode disposed within the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate oxide film; and a cap oxide film covering an upper surface of the gate electrode. In the second conductivity type impurity concentration distribution in the depth direction of the semiconductor substrate in the second semiconductor layer, there are a first maximum value and a second maximum value larger than the first maximum value. The second maximum value is formed on the lower surface side than the first maximum value.
なお、本明細書において、「深さ」は、半導体基板の厚み方向における位置を意味する。 In the present specification, “depth” means a position in the thickness direction of the semiconductor substrate.
上述した半導体装置について、図1に示す半導体装置を一例として説明する。図1においては、第1導電型をn型として示し、第2導電型をp型として示しているが、逆であってもよい。図1の半導体装置は、第1半導体層220と、第2半導体層222と、第3半導体層224と、ゲート酸化膜242と、ゲート電極244と、キャップ酸化膜246を備えている。キャップ酸化膜246を形成するときにゲート電極244の上面近傍のトレンチの側面が追加的に酸化されるため、ゲート酸化膜242の厚みは、キャップ酸化膜246の近傍では厚く、下側では薄い。図1の深さ250は第1の極大値の深さであり、深さ252は第2の極大値の深さである。第2の極大値は第1の極大値よりも大きいため、この半導体装置のゲート閾値は、第2の極大値の深さ252におけるゲート酸化膜242の厚みの影響を大きく受ける。製造誤差によってゲート電極244の上面の深さ方向の位置はばらつきやすい。この半導体装置では、第2の極大値が第1の極大値の深さ250よりも下面側に位置する深さ252に形成されているので、深さ252においてゲート酸化膜242が厚くなり難い。このため、この半導体装置では、ゲート電極244の上面の深さ方向の位置にばらつきが生じても、ゲート閾値にばらつきが生じ難い。
The semiconductor device described above will be described using the semiconductor device illustrated in FIG. 1 as an example. In FIG. 1, the first conductivity type is shown as n-type and the second conductivity type is shown as p-type, but the opposite may be possible. The semiconductor device of FIG. 1 includes a
上記の半導体装置の構造によれば、半導体装置の量産時にゲート電極の上面の位置にばらつきが生じても、各半導体装置のゲート閾値にばらつきが生じることを抑制することができる。 According to the structure of the semiconductor device described above, even if the position of the upper surface of the gate electrode varies during mass production of the semiconductor device, it is possible to suppress the variation in the gate threshold value of each semiconductor device.
図2〜4に示す実施形態に係るIGBT10は、半導体基板12と、半導体基板12の上面及び下面に形成された電極、絶縁体等によって構成されている。
The IGBT 10 according to the embodiment shown in FIGS. 2 to 4 includes a
半導体基板12の上面には、複数のトレンチ40が凹状に形成されている。図2に示すように、各トレンチ40は、互いに平行に伸びている。各トレンチ40の内面は、ゲート酸化膜42に覆われている。各トレンチ40の内部には、ゲート電極44が配置されている。ゲート電極44は、ゲート酸化膜42によって半導体基板12から絶縁されている。ゲート電極44の上面は、キャップ酸化膜46に覆われている。また、キャップ酸化膜46上には、層間絶縁膜47が形成されている。ゲート電極44は、図示しない位置で、外部に接続可能とされている。
A plurality of
半導体基板12の上面には、エミッタ電極60が形成されている。エミッタ電極60は、キャップ酸化膜46と層間絶縁膜47によってゲート電極44から絶縁されている。半導体基板12の下面には、コレクタ電極62が形成されている。
An
半導体基板12の内部には、エミッタ領域20、ボディコンタクト領域21、第1ボディ領域22、キャリア蓄積領域24、第2ボディ領域26、ドリフト領域28、バッファ領域30及びコレクタ領域32が形成されている。
Inside the
図3に示すエミッタ領域20は、n型領域であり、半導体基板12の上面に露出する範囲に形成されている。エミッタ領域20は、エミッタ電極60に接続されている。図2に示すように、エミッタ領域20は、ゲート電極44に直交する方向に長く伸びている。エミッタ領域20は、ゲート酸化膜42に接している。
The
図4に示すボディコンタクト領域21は、高濃度のp型不純物を含有するp型領域である。ボディコンタクト領域21は、半導体基板12の上面に露出する範囲に形成されている。図2に示すように、ボディコンタクト領域21は、ゲート電極44に直交する方向に長く伸びている。ボディコンタクト領域21は、エミッタ領域20に隣接している。ボディコンタクト領域21は、エミッタ電極60に接続されている。
The
第1ボディ領域22は、ボディコンタクト領域21よりもp型不純物濃度が低いp型領域である。図3、4に示すように、第1ボディ領域22は、エミッタ領域20とボディコンタクト領域21の下側に形成されている。第1ボディ領域22は、エミッタ領域20の下側において、ゲート酸化膜42に接している。図7は、図3のX線の位置における不純物濃度分布を示している。すなわち、図7は、第1ボディ領域22、キャリア蓄積領域24及び第2ボディ領域26内の不純物濃度の深さ方向(半導体基板12の厚み方向)に沿った分布を示している。図7の実線のグラフはp型不純物濃度分布を示し、破線のグラフはn型不純物濃度分布を示す。半導体基板12の何れの位置においても、図7と同様の深さ方向のp型不純物濃度分布が観測される。図7に示すように、第1ボディ領域22内には、p型不純物濃度の極大値PH1と、極小値PLと、極大値PH2が形成されている。極大値PH2は、図7のグラフにおいてp型不純物濃度の最大値である。極大値PH1は、極大値PH2よりも小さい。極小値PLは、極大値PH1及びPH2の何れよりも小さい。極大値PH1は、深さ101に形成されている。極小値PLは、極大値PH1よりも下側に位置する深さ103に形成されている。極大値PH2は、深さ103よりも下側に位置する深さ102に形成されている。以下では、極小値PLを有する深さ103よりも上側の第1ボディ領域22を上層22aと呼び、深さ103よりも下側の第1ボディ領域22を下層22bと呼ぶ。上層22aは、極大値PH1を有する層であり、半導体基板12の上面に沿って層状に広く分布している。また、下層22bは、極大値PH2を有する層であり、半導体基板12の上面に沿って層状に広く分布している。
The
キャリア蓄積領域24は、n型領域であり、第1ボディ領域22の下側に形成されている。キャリア蓄積領域24は、第1ボディ領域22によってエミッタ領域20から分離されている。キャリア蓄積領域24は、第2ボディ領域26によってドリフト領域28から分離されている。キャリア蓄積領域24は、第1ボディ領域22の下側においてゲート酸化膜42に接している。キャリア蓄積領域24は、第1ボディ領域22と第2ボディ領域26とを分離する中間領域である。
The
第2ボディ領域26は、p型領域であり、キャリア蓄積領域24の下側に形成されている。図7に示すように、第2ボディ領域26のp型不純物濃度は、第1ボディ領域22のp型不純物濃度よりも低い。第2ボディ領域26は、キャリア蓄積領域24によって第1ボディ領域22から分離されている。第2ボディ領域26は、キャリア蓄積領域24の下側においてゲート酸化膜42と接している。
The
ドリフト領域28は、低濃度のn型不純物を含有するn型領域である。ドリフト領域28は、第2ボディ領域26の下側に形成されている。ドリフト領域28は、第2ボディ領域26によってキャリア蓄積領域24から分離されている。ドリフト領域28は、トレンチ40の下端に位置するゲート酸化膜42と接している。
The
バッファ領域30は、高濃度のn型不純物を含有するn型領域である。バッファ領域30は、ドリフト領域28の下側に形成されている。
The
コレクタ領域32は、高濃度のp型不純物を含有するp型領域である。コレクタ領域32は、バッファ領域30の下側に形成されている。コレクタ領域32は、半導体基板12の下面に臨む範囲の全面に形成されている。コレクタ領域32は、コレクタ電極62に接続されている。
The
図5、6は、ゲート電極44近傍の拡大断面図を示している。なお、図5、6では、図の見易さのため、層間絶縁膜47のハッチングを省略している。図5に示すように、ゲート電極44の上面は、半導体基板12の上面よりも下側に位置している。したがって、キャップ酸化膜46の上面も、半導体基板12の上面よりも下側に位置している。このため、ゲート電極44上には、半導体基板12の上面に対して凹んだリセス部48が形成されている。リセス部48の側面に形成されているゲート酸化膜42の厚みは、キャップ酸化膜46よりも下側に形成されているゲート酸化膜42(すなわち、ゲート電極44の側方のゲート酸化膜42)の厚みよりも厚い。以下では、リセス部48の側面に形成されている厚いゲート酸化膜42を、厚膜部42aという。また、ゲート電極44の側方のゲート酸化膜42のうちのゲート電極44の上端近傍(すなわち、キャップ酸化膜46近傍)のゲート酸化膜42は、その上端から下側に向かうにしたがって連続して厚みが減少する減少部分42bとなっている。減少部分42bのゲート電極44側の側面は、ゲート電極44側に傾いている。他方、減少部分42bの半導体層側の側面は、半導体基板12の厚み方向と略平行となっている。このため、減少部分42bの厚みは、下側ほど薄くなっている。減少部分42bの上端部(最も厚い部分)の厚みは、厚膜部42aの厚みよりも薄い。減少部分42bの上端は、キャップ酸化膜46と繋がっている。また、以下では、減少部分42bの下側のゲート酸化膜42を薄膜部42cという。薄膜部42cは、略一定の厚みを有している。薄膜部42cの厚みは、減少部分42bの厚みよりも薄い。後に詳述するが、厚膜部42a、減少部分42b及び薄膜部42cのように厚みが異なるゲート酸化膜42が形成される理由は、キャップ酸化膜46を形成する際にゲート酸化膜42が部分的に成長するためである。
5 and 6 are enlarged sectional views in the vicinity of the
図5では、厚膜部42aと減少部分42bの全体がエミッタ領域20の深さ範囲内に存在する。第1ボディ領域22は、薄膜部42cとのみ接している。しかしながら、図5に示すリセス部48の深さ方向の寸法D1(すなわち、半導体基板12の上面とキャップ酸化膜46の間の厚み方向における距離)には、製造誤差が生じる。製造誤差により寸法D1が大きくなった場合には、図6に示すように、厚膜部42aが第1ボディ領域22と接する場合がある。図6の例では、極大値PH1を有する深さ101に厚膜部42aが形成されている。また、極大値PH2を有する深さ102に薄膜部42cが形成されている。減少部分42bは、深さ101と深さ102の間に配置されている。本実施形態のIGBT10では、リセス部48の寸法D1が製造誤差の範囲内で最も大きくなった場合でも、減少部分42bが深さ102よりも上側に位置する。言い換えると、リセス部48の深さD1に係らず、深さ102には薄膜部42cが形成される。
In FIG. 5, the entire
次に、IGBT10の動作について説明する。IGBT動作時には、エミッタ電極60とコレクタ電極62との間にコレクタ電極62がプラスになる電圧が印加される。この状態で、ゲート電極44にゲート閾値(IGBT10をオンさせるのに必要最小限のゲート電圧)以上の電圧が印加されると、IGBT10がオンする。すなわち、ゲート電極44への電圧の印加によって、第1ボディ領域22のゲート酸化膜42と接する範囲にチャネルが形成され、第2ボディ領域26のゲート酸化膜42と接する範囲にチャネルが形成される。これによって、電子が、エミッタ領域20から、第1ボディ領域22のチャネル、キャリア蓄積領域24、第2ボディ領域26のチャネル、ドリフト領域28、及びバッファ領域30を介して、コレクタ領域32へ流れる。また、ホールが、コレクタ領域32からバッファ領域30、ドリフト領域28、第2ボディ領域26、キャリア蓄積領域24、及び、第1ボディ領域22を介して、ボディコンタクト領域21へ流れる。これによって、IGBT10に電流が流れる。
Next, the operation of the
ここで、IGBT10のゲート閾値は、チャネルが形成される領域のp型不純物濃度と、チャネルが形成される領域に接するゲート酸化膜42の厚みによって大きく変化する。チャネルが形成される領域のp型不純物濃度が高いと、その領域がn型に反転し難くなるので、チャネルが形成され難くなる。IGBT10では、チャネルが形成される第1ボディ領域22及び第2ボディ領域26の中で、極大値PH2を有する深さ102で最もp型不純物濃度が高い。したがって、深さ102では最もチャネルが形成され難い。また、ゲート絶縁膜42の厚みが厚いと、ゲート電極44からチャネルが形成される領域に電界が加わり難くなるので、チャネルが形成され難くなる。IGBT10では、チャネルが形成され難い深さ102におけるゲート酸化膜42の厚みが、ゲート閾値に極めて大きく影響する。
Here, the gate threshold value of the
ここで、IGBT10では、第1ボディ領域22内に2つの極大値PH1、PH2が形成されている。極大値PH2の深さ102は、極大値PH1の深さ101よりも下側に位置する。したがって、製造誤差によって図6に示すようにリセス部48が深くなった場合でも、厚膜部42a及び減少部分42bが深さ102まで到達し難い。すなわち、深さ102に薄膜部42cが確実に形成される。このため、IGBT10では、リセス部48の寸法D1のばらつきに係らず、深さ102におけるゲート酸化膜42の厚みにばらつきが生じ難い。したがって、この構造のIGBT10は、量産時にゲート閾値にばらつきが生じ難い。なお、極大値PH1の深さ101には、図6に示すように厚膜部42aが形成されても、ゲート閾値にはほとんど影響しない。これは、極大値PH1が極大値PH2よりも小さいためである。
Here, in the
また、IGBT10の第1ボディ領域22は、極大値PH2に加えて極大値PH1を有している。このため、第1ボディ領域22のp型不純物濃度を深さ方向に積分した値(すなわち、図7のグラフの第1ボディ領域22内での積分値)が高い。この積分値が高いと、IGBT10がオフしたときに、第1ボディ領域22とキャリア蓄積領域24の境界から第1ボディ領域22側に伸びる空乏層がエミッタ領域20まで到達することを防止することができる。したがって、このIGBT10は、耐圧特性が高い。また、このように2つの極大値PH1及びPH2を設けることで、極大値PH2の値をそれほど大きくすることなく、前記積分値を大きくすることができる。このように、極大値PH2の値を比較的低くすることで、ゲート閾値をさらに低減することが実現されている。
The
(製造工程)
次に、IGBTの製造方法を説明する。IGBT10は、ドリフト領域28と略同じn型不純物濃度を有するn型の半導体基板(シリコン基板)から製造される。最初に、半導体基板の上面に、エッチングによって、トレンチ40を形成する。次に、酸化またはCVD法などによって、図8に示すように、トレンチ40の内面にゲート酸化膜42を形成する。また、ゲート酸化膜42は、半導体基板の上面にも形成される。次に、酸化またはCVD法などによって、図9に示すように、半導体基板の上面とトレンチ40の内部に、ポリシリコンからなる電極層52を形成する。次に、研削、研磨、エッチング、CMP等によって、電極層52の上面を平坦化する。
(Manufacturing process)
Next, the manufacturing method of IGBT is demonstrated. The
次に、不要な電極層52をエッチングする。このとき、図10に示すように、トレンチ40内に電極層52を残存させる。トレンチ40内に残存した電極層52が、ゲート電極44となる。エッチングは、トレンチ40内の電極層52が部分的にエッチングされるように実施される。したがって、ゲート電極44の上にリセス部48が形成される。エッチング量にばらつきが生じるため、リセス部48の深さ方向の寸法にはばらつきが生じる。
Next, the
次に、酸化雰囲気下で半導体基板12を熱処理することで、ゲート電極44の上面を酸化させる。これによって、図11に示すように、キャップ酸化膜46を形成する。
Next, the upper surface of the
キャップ酸化膜46を形成する際には、酸化ガスがリセス部48の側面のゲート酸化膜42を透過し、半導体層に到達する。その結果、この側面の半導体層が酸化され、リセス部48の側面を覆っているゲート酸化膜42の厚みが増大する。このため、図12に示すように、厚膜部42aが形成される。
When the
また、キャップ酸化膜46を形成する際には、酸化ガスがゲート電極44の上端近傍のゲート電極44の側面にも到達する。これによって、当該側面が酸化され、ゲート電極44の上端近傍のゲート酸化膜42の厚みが増大する。ゲート電極44は、その上端に近い位置ほど酸化され易い。このため、ゲート電極44の上端近傍では、当該上端に近い位置ほどゲート酸化膜42の厚みが厚くなる。その結果、ゲート電極44の上端から下側に向かうに従って厚みが減少する減少部分42bが形成される。また、減少部分42bよりも下側のゲート酸化膜42は酸化されないので、元の厚みを維持する。このため、減少部分42bよりも下側のゲート酸化膜42は、薄膜部42cとなる。
Further, when the
次に、半導体基板の上面側から、半導体基板に、不純物イオンを注入する。ここでは、エミッタ領域20に対するn型不純物の注入、ボディコンタクト領域21に対するp型不純物の注入、第1ボディ領域22に対するp型不純物の注入、キャリア蓄積領域24に対するn型不純物の注入、及び、第2ボディ領域26に対するp型不純物の注入をそれぞれ行う。
Next, impurity ions are implanted into the semiconductor substrate from the upper surface side of the semiconductor substrate. Here, n-type impurity implantation into the
図13の参照番号20a、22a1、22a2、24a及び26aは、不純物が注入される位置を示している。参照番号20aは、エミッタ領域20に対するイオン注入でn型不純物が注入される位置を示しており、参照番号22a1、22a2は、第1ボディ領域22に対するイオン注入でp型不純物が注入される位置を示しており、参照番号24aは、キャリア蓄積領域24に対するイオン注入でn型不純物が注入される位置を示しており、参照番号26aは、第2ボディ領域26に対するイオン注入でp型不純物が注入される位置を示している。また、図示していないが、ボディコンタクト領域21に対するp型不純物の注入も実施される。ここで、第1ボディ領域22に対しては、位置22a1に対するイオン注入と、位置22a2に対するイオン注入との少なくとも2回のイオン注入が実施される。位置22a2は、位置22a1よりも下側に位置する。位置22a2に対しては、位置22a1よりも高濃度にp型不純物が注入される。その後、半導体基板を熱処理することで、図14に示すように、エミッタ領域20、ボディコンタクト領域21、第1ボディ領域22、キャリア蓄積領域24及び第2ボディ領域26が形成される。第1ボディ領域22には2回のイオン注入が行われているため、第1ボディ領域22には異なる深さに2つの極大値PH1、PH2が形成される。また、より深い位置22a2に高濃度にp型不純物濃度を注入しているので、図7で説明したように、極大値PH2は、極大値PH1の深さ101よりも下面側に形成される。
上述したように、リセス部48の深さ方向の寸法のばらつきは大きい。しかしながら、この製造方法では、第1ボディ領域22内のp型不純物濃度の最大値(すなわち、極大値PH2)の深さ102が下面に近い側に位置するので、深さ102に厚膜部42a及び減少部分42bが形成されることを防止することができる。このため、深さ102におけるゲート酸化膜42の厚みにばらつきが生じ難い。したがって、この製造方法によれば、製造するIGBTのゲート閾値にばらつきが生じ難い。
As described above, the variation in the dimension of the
その後、その他の必要な領域を半導体基板内に形成し、必要な電極、絶縁膜等を半導体基板に表面に形成することで、IGBT10が形成される。
Thereafter, other necessary regions are formed in the semiconductor substrate, and necessary electrodes, insulating films and the like are formed on the surface of the semiconductor substrate, whereby the
以上に説明したように、本実施形態のIGBT10の構造および製造方法を採用することで、リセス部48の深さ方向の寸法にばらつきがある場合であっても、IGBTの閾値電圧のばらつきを抑えることが可能である。
As described above, by adopting the structure and manufacturing method of the
なお、上記の実施形態のIGBT10の各構成要素は、請求項の各構成要素に対して以下の関係を有する。実施形態のエミッタ領域20は、請求項の第1半導体層の一例である。実施形態の第1ボディ領域22は、請求項の第2半導体層の一例である。実施形態のキャリア蓄積領域24は、請求項の第3半導体層の一例である。実施形態の第2ボディ領域26は、請求項の第5半導体層の一例である。実施形態のドリフト領域28及びバッファ領域30は、請求項の第6半導体層の一例である。実施形態のコレクタ領域32は、請求項の第4半導体層の一例である。
In addition, each component of IGBT10 of said embodiment has the following relationship with respect to each component of a claim. The
なお、上記の実施形態ではキャリア蓄積領域24を有するIGBTについて説明したが、キャリア蓄積領域24を有さないIGBTに上記の実施形態の技術を適用してもよい。例えば、図15に示すように、キャリア蓄積領域24を有さず、1つのボディ領域22のみを有するIGBTであってもよい。図15のIGBTでは、ボディ領域22内の深さ101に極大値PH1が形成されており、深さ101よりも下側の深さ102に極大値PH2が形成されている。極大値PH2は極大値PH1よりも大きい。図15の構造でも、ゲート閾値のばらつきを抑制することができる。
In the above embodiment, the IGBT having the
また、上記の実施形態では、リセス部48を有する場合について説明したが、リセス部48は必ずしも形成されていなくてもよい。例えば、上述した電極層52をエッチングする工程においてエッチング量が少ない場合や、電極層52をCMPなどで平坦化する場合には、図16に示すように、キャップ絶縁膜46の上面と半導体基板12の上面が同一平面となる場合がある。すなわち、この場合、リセス部48は形成されない。
Moreover, although said embodiment demonstrated the case where it had the
なお、図15のIGBTにおいては、エミッタ領域20が請求項の第1半導体層の一例であり、ボディ領域22が請求項の第2半導体層の一例であり、ドリフト領域28及びバッファ領域30が請求項の第3半導体層の一例である。また、図15のコレクタ領域32は請求項の第4半導体層の一例である。
In the IGBT of FIG. 15, the
また、図2及び図15に示す半導体装置は、コレクタ領域32が省略されており、下面電極62がn型領域30に接続されているMOSFETであってもよい。
The semiconductor device shown in FIGS. 2 and 15 may be a MOSFET in which the
上述した実施形態の半導体装置は、以下のように表すことができる。半導体基板が、第3半導体層によって第2半導体層から分離されている第2導電型の第4半導体層をさらに有していてもよい。なお、第4半導体層が第3半導体層に接していてもよいし、第4半導体層と第3半導体層の間に他の層が介在していてもよい。 The semiconductor device of the above-described embodiment can be expressed as follows. The semiconductor substrate may further include a fourth semiconductor layer of the second conductivity type separated from the second semiconductor layer by the third semiconductor layer. Note that the fourth semiconductor layer may be in contact with the third semiconductor layer, or another layer may be interposed between the fourth semiconductor layer and the third semiconductor layer.
半導体基板が、第3半導体層の下側に配置されており、第3半導体層に接しており、第3半導体層によって第2半導体層から分離されている第2導電型の第5半導体層と、第5半導体層の下側に配置されており、第5半導体層に接しており、第5半導体層によって第3半導体層から分離されている第1導電型の第6半導体層をさらに有していてもよい。トレンチが、第3半導体層と第5半導体層を貫通して第6半導体層に達していてもよい。 A semiconductor substrate disposed below the third semiconductor layer, in contact with the third semiconductor layer, and separated from the second semiconductor layer by the third semiconductor layer; The semiconductor device further includes a sixth semiconductor layer of a first conductivity type disposed below the fifth semiconductor layer, in contact with the fifth semiconductor layer, and separated from the third semiconductor layer by the fifth semiconductor layer. It may be. The trench may penetrate the third semiconductor layer and the fifth semiconductor layer and reach the sixth semiconductor layer.
このように第3半導体層の下側に第5半導体層及び第6半導体層が存在する場合でも、ゲート電極の上面の位置のばらつきに起因する閾値電圧のばらつきを抑えることが可能である。 As described above, even when the fifth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer are present below the third semiconductor layer, it is possible to suppress variations in threshold voltage due to variations in the position of the upper surface of the gate electrode.
ゲート酸化膜が、キャップ酸化膜の深さから下側に向かうに従って厚みが減少する減少部分と、減少部分よりも下側に位置する下側部分を有していてもよい。第2の極大値が、下側部分の深さに位置していてもよい。 The gate oxide film may have a reduced portion whose thickness decreases as it goes downward from the depth of the cap oxide film, and a lower portion positioned below the reduced portion. The second maximum value may be located at the depth of the lower portion.
このような構成をとることによって、キャップ酸化膜を形成する際の条件が変化することによって減少部分の位置や範囲が変動しても、閾値電圧のばらつきを抑えることが可能である。 By adopting such a configuration, it is possible to suppress variations in threshold voltage even if the position and range of the reduced portion vary due to changes in the conditions for forming the cap oxide film.
半導体装置の製造方法は、第2半導体層の深さ範囲内に、第2導電型不純物を注入する第1工程と、第2半導体層の深さ範囲内の第1工程の注入深さよりも下側の深さに第1工程よりも多くの第2導電型不純物を注入する第2工程を有していてもよい。 A method for manufacturing a semiconductor device includes a first step of implanting a second conductivity type impurity in a depth range of a second semiconductor layer, and a depth lower than an implantation depth of a first step in the depth range of the second semiconductor layer. You may have the 2nd process of inject | pouring more 2nd conductivity type impurities into the depth of the side than a 1st process.
このような製造方法をとることによって、半導体装置の閾値電圧のばらつきを抑えることが可能である。 By adopting such a manufacturing method, it is possible to suppress variations in threshold voltage of the semiconductor device.
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of them.
10:IGBT
12:半導体基板
20:エミッタ領域
21:ボディコンタクト領域
22:第1ボディ領域
22a:上層
22b:下層
24:キャリア蓄積領域
26:第2ボディ領域
28:ドリフト領域
30:バッファ領域
32:コレクタ領域
40:トレンチ
42:ゲート酸化膜
42a:厚膜部
42b:減少部分
42c:薄膜部
44:ゲート電極
46:キャップ酸化膜
47:層間絶縁膜
48:リセス部
60:エミッタ電極
62:コレクタ電極
10: IGBT
12: Semiconductor substrate 20: Emitter region 21: Body contact region 22:
Claims (5)
前記半導体基板が、
前記半導体基板の上面に露出している第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の下側に配置されており、前記第1半導体層に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の下側に配置されており、前記第2半導体層に接しており、前記第2半導体層によって前記第1半導体層から分離されている第1導電型の第3半導体層、
を備え、
前記半導体装置が、
前記半導体基板の前記上面に形成されており、前記第1半導体層と前記第2半導体層を貫通して前記第3半導体層に達するトレンチと、
前記トレンチの内面を覆うゲート酸化膜と、
前記トレンチの内部に配置されており、前記ゲート酸化膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極と、
前記ゲート電極の上面を覆うキャップ酸化膜と、
を備え、
前記第2半導体層内の前記半導体基板の深さ方向における第2導電型不純物濃度分布において、第1の極大値と、第1の極大値よりも大きい第2の極大値が存在し、
前記第2の極大値は、前記第1の極大値よりも下面側に形成されている、
ことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a semiconductor substrate,
The semiconductor substrate is
A first semiconductor layer of a first conductivity type exposed on an upper surface of the semiconductor substrate;
A second semiconductor layer of a second conductivity type disposed below the first semiconductor layer and in contact with the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a first conductivity type, disposed below the second semiconductor layer, in contact with the second semiconductor layer and separated from the first semiconductor layer by the second semiconductor layer;
With
The semiconductor device is
A trench formed on the upper surface of the semiconductor substrate, penetrating the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and reaching the third semiconductor layer;
A gate oxide film covering the inner surface of the trench;
A gate electrode disposed inside the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate oxide film;
A cap oxide film covering the upper surface of the gate electrode;
With
In the second conductivity type impurity concentration distribution in the depth direction of the semiconductor substrate in the second semiconductor layer, a first maximum value and a second maximum value larger than the first maximum value exist,
The second maximum value is formed on the lower surface side than the first maximum value.
A semiconductor device.
前記第3半導体層の下側に配置されており、前記第3半導体層に接しており、前記第3半導体層によって前記第2半導体層から分離されている第2導電型の第5半導体層と、
前記第5半導体層の下側に配置されており、前記第5半導体層に接しており、前記第5半導体層によって前記第3半導体層から分離されている第1導電型の第6半導体層、
をさらに有しており、
前記トレンチが、前記第3半導体層と前記第5半導体層を貫通して前記第6半導体層に達している、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate is
A fifth semiconductor layer of a second conductivity type disposed below the third semiconductor layer, in contact with the third semiconductor layer, and separated from the second semiconductor layer by the third semiconductor layer; ,
A sixth semiconductor layer of a first conductivity type, disposed below the fifth semiconductor layer, in contact with the fifth semiconductor layer and separated from the third semiconductor layer by the fifth semiconductor layer;
In addition,
The trench penetrates the third semiconductor layer and the fifth semiconductor layer to reach the sixth semiconductor layer;
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記第2の極大値が、前記下側部分の深さに位置している、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。 The gate oxide film has a reduced portion whose thickness decreases as it goes downward from the depth of the cap oxide film, and a lower portion located below the reduced portion;
The second maximum is located at a depth of the lower portion;
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記第2半導体層の深さ範囲内に、第2導電型不純物を注入する第1工程と、
前記第2半導体層の深さ範囲内の前記第1工程の注入深さよりも下側の深さに前記第1工程よりも多くの第2導電型不純物を注入する第2工程、
を備える製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A first step of implanting a second conductivity type impurity within a depth range of the second semiconductor layer;
A second step of implanting more second conductivity type impurities than the first step to a depth below the implantation depth of the first step within the depth range of the second semiconductor layer;
A manufacturing method comprising:
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