JP2017188562A - Switching element and manufacturing method thereof - Google Patents
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本明細書は、スイッチング素子とその製造方法を開示する。 The present specification discloses a switching element and a manufacturing method thereof.
トレンチ内に配置されたゲート電極を有するスイッチング素子が開発されている。この種のスイッチング素子は、第1導電型のソース領域と第2導電型のボディ領域と第1導電型のドリフト領域が積層された半導体基板を利用し、ソース領域とボディ領域を貫通してドリフト領域に達するトレンチを形成し、トレンチ内にゲート電極を設ける。特許文献1のスイッチング素子では、ドリフト領域内にあってトレンチの底面に接する範囲に第2導電型の底部領域を形成する。また、トレンチの長手方向の側面に接する範囲に第2導電型の接続領域を設け、ボディ領域と底部領域を導通させる。底部領域を設けると、スイッチング素子のオフ時にトレンチの底面近傍に位置する半導体材料に電界集中が発生することを抑制できる。また接続領域を設けると、キャリアが底部領域から出入りすることができ、スイッチング素子のオン時の抵抗上昇を抑制することができる。 A switching element having a gate electrode disposed in a trench has been developed. This type of switching element uses a semiconductor substrate in which a first conductivity type source region, a second conductivity type body region, and a first conductivity type drift region are stacked, and drifts through the source region and the body region. A trench reaching the region is formed, and a gate electrode is provided in the trench. In the switching element of Patent Document 1, the bottom region of the second conductivity type is formed in a range in the drift region and in contact with the bottom surface of the trench. Further, a connection region of the second conductivity type is provided in a range in contact with the side surface in the longitudinal direction of the trench, and the body region and the bottom region are made conductive. Providing the bottom region can suppress the occurrence of electric field concentration in the semiconductor material located near the bottom surface of the trench when the switching element is turned off. When the connection region is provided, carriers can enter and exit from the bottom region, and an increase in resistance when the switching element is on can be suppressed.
特許文献1に開示されているスイッチング素子の製造方法では、半導体基板にトレンチを形成し、トレンチの底面と長手方向の側面に第2導電型不純物を注入する。特許文献2については後記する。 In the method for manufacturing a switching element disclosed in Patent Document 1, a trench is formed in a semiconductor substrate, and a second conductivity type impurity is implanted into the bottom surface and the side surface in the longitudinal direction of the trench. Patent Document 2 will be described later.
トレンチの底面に不純物を注入する際には半導体基板の上面に立てた垂線方向から不純物を注入する。この際に、不純物の移動方向とトレンチの側面を完全に平行とすることは困難であり、トレンチの側面にも不純物が注入される。またトレンチの長手方向の側面に不純物を注入する際には、前記垂線をトレンチの短手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から不純物を注入する。この際にも、不純物の移動方向とトレンチの短手方向の側面を完全に平行とすることは困難であり、トレンチの短手方向の側面にも不純物が注入される。上記のいずれでも、半導体基板の上面に立てた垂線をトレンチの短手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から第2導電型不純物を注入する。その際に、トレンチの短手方向の側面と不純物の移動方向を完全に平行とするのは困難であり、注入方向の公差によって、トレンチの短手方向の側面が半導体基板の上面に直交していても、トレンチの短手方向の側面に第2導電型不純物が注入されてしまう。 When the impurity is implanted into the bottom surface of the trench, the impurity is implanted from the direction perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate. At this time, it is difficult to make the movement direction of the impurity and the side surface of the trench completely parallel, and the impurity is also implanted into the side surface of the trench. Further, when the impurity is implanted into the side surface in the longitudinal direction of the trench, the impurity is implanted from a direction in which the perpendicular is inclined around an axis extending in the short direction of the trench. Also in this case, it is difficult to make the movement direction of the impurity and the side surface in the short direction of the trench completely parallel, and the impurity is also implanted into the side surface in the short direction of the trench. In any of the above cases, the second conductivity type impurity is implanted from the direction in which the vertical line standing on the upper surface of the semiconductor substrate is inclined around the axis extending in the short direction of the trench. At that time, it is difficult to make the lateral side of the trench and the moving direction of the impurity completely parallel, and the lateral side of the trench is orthogonal to the upper surface of the semiconductor substrate due to the tolerance of the implantation direction. However, the second conductivity type impurity is implanted into the lateral side surface of the trench.
また、半導体基板に形成した実際のトレンチの側面は、半導体基板の上面に直交せず、トレンチの上端部の幅がトレンチの底部の幅よりも広くなる向きに傾斜する。トレンチの短手方向の側面が傾斜していることも、上記の注入工程(半導体基板の上面に立てた垂線をトレンチの短手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から注入する)でトレンチの短手方向の側面にも不純物が注入される現象を誘発する。 In addition, the side surface of the actual trench formed in the semiconductor substrate is not perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate, and is inclined so that the width of the upper end of the trench is wider than the width of the bottom of the trench. The fact that the side surface in the short direction of the trench is inclined also means that the trench is formed in the above-described implantation step (injecting from the direction in which the vertical line standing on the upper surface of the semiconductor substrate is inclined around the axis extending in the short direction of the trench). This induces the phenomenon that impurities are implanted also in the lateral direction of the.
トレンチの短手方向の側面の近傍に位置する半導体領域は、スイッチング素子がオンするときにチャネルが形成される領域である。トレンチの短手方向の側面に第2導電型不純物が注入されると、ゲート閾値が上昇する。本明細書では、トレンチの短手方向の側面に第2導電型不純物が注入されるために生じるゲート閾値の上昇を抑制することができるスイッチング素子とその製造方法を開示する。 The semiconductor region located near the lateral side surface of the trench is a region where a channel is formed when the switching element is turned on. When the second conductivity type impurity is implanted into the lateral side surface of the trench, the gate threshold value increases. The present specification discloses a switching element that can suppress an increase in gate threshold value caused by the implantation of the second conductivity type impurity into the lateral side surface of the trench, and a manufacturing method thereof.
本明細書では、下記のスイッチング素子、すなわち、半導体基板の上面に設けられているトレンチと、トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、トレンチ内に配置されているとともにゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているゲート電極と、トレンチの短手方向の側面においてゲート絶縁膜に接している第1導電型のソース領域と、短手方向の側面においてソース領域の下側でゲート絶縁膜に接している第2導電型のボディ領域と、短手方向の側面においてボディ領域の下側でゲート絶縁膜に接しているとともにボディ領域によってソース領域から分離されている第1導電型のドリフト領域と、トレンチの底面においてゲート絶縁膜に接している第2導電型の底部領域と、トレンチの長手方向の側面においてゲート絶縁膜に接しているとともに底部領域とボディ領域を接続している第2導電型の接続領域を備えるスイッチング素子の製造方法を開示する。
その製造方法は、トレンチを形成する工程と、半導体基板の上面に立てた垂線をトレンチの短手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から、トレンチの底面と長手方向の側面に第2導電型不純物を注入する工程と、前記垂線をトレンチの長手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から、トレンチの短手方向の側面に第1導電型不純物を注入する工程を備える。
In this specification, the following switching element, that is, a trench provided on the upper surface of a semiconductor substrate, a gate insulating film covering the inner surface of the trench, and a semiconductor substrate disposed in the trench and gate insulating film. A gate electrode insulated from the first conductive type source region in contact with the gate insulating film on the lateral side surface of the trench, and in contact with the gate insulating film below the source region on the lateral side surface of the trench. A second conductivity type body region, a first conductivity type drift region that is in contact with the gate insulating film below the body region on the side surface in the lateral direction and separated from the source region by the body region; The bottom region of the second conductivity type in contact with the gate insulating film at the bottom of the trench, and the gate insulating film at the side surface in the longitudinal direction of the trench. It discloses a method for producing a switching device having a bottom region and the connection region of the second conductivity type connecting the body regions together is.
The manufacturing method includes a step of forming a trench, and a second conductive layer extending from a direction in which a perpendicular standing on an upper surface of a semiconductor substrate is inclined around an axis extending in a short direction of the trench to a bottom surface and a longitudinal side surface of the trench. And a step of injecting a first conductivity type impurity into a lateral side surface of the trench from a direction in which the perpendicular is inclined around an axis extending in the longitudinal direction of the trench.
半導体基板の上面に立てた垂線をトレンチの短手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から、トレンチの底面と長手方向の側面に、第2導電型不純物を注入すると、トレンチの底面に接する範囲に第2導電型の底部領域が形成され、トレンチの長手方向の側面に接する範囲に第2導電型の接続領域が形成される。その際に、注入方向の公差、及び/又は、短手方向の側面の傾斜によって、短手方向の側面にも第2導電型の不純物が注入される。
上記の製造方法は、上記の注入工程に加えて、半導体基板の上面に立てた垂線をトレンチの長手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から、トレンチの短手方向の側面に、第1導電型不純物を注入する工程を備えている。半導体基板の上面に立てた垂線をトレンチの長手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から第1導電型不純物を注入すると、トレンチの短手方向の側面に第1導電型不純物が注入される。
When a second conductivity type impurity is implanted into the bottom surface of the trench and the side surface in the longitudinal direction from the direction in which the vertical line standing on the upper surface of the semiconductor substrate is inclined around the axis extending in the short direction of the trench, it comes into contact with the bottom surface of the trench. The bottom region of the second conductivity type is formed in the area, and the connection region of the second conductivity type is formed in the area in contact with the side surface in the longitudinal direction of the trench. At this time, the second conductivity type impurity is also implanted into the lateral surface due to the tolerance of the implantation direction and / or the inclination of the lateral surface in the lateral direction.
In the manufacturing method described above, in addition to the implantation step described above, a first vertical line formed on the upper surface of the semiconductor substrate is inclined from an axis extending in the longitudinal direction of the trench to a side surface in the short direction of the trench. A step of implanting a conductive impurity; When the first conductivity type impurity is implanted from the direction in which the vertical line standing on the upper surface of the semiconductor substrate is inclined around the axis extending in the longitudinal direction of the trench, the first conductivity type impurity is implanted into the lateral side surface of the trench. .
上記製造方法によると、底部領域と接続領域を形成するための不純物の注入工程で、トレンチの短手方向の側面にも第2導電型不純物が注入される現象と、トレンチの短手方向の側面に第1導電型不純物が注入される現象が得られる。前者の現象による第2導電型不純物の影響を、後者の現象による第1導電型不純物によって、軽減ないし解消することができる。すなわち、トレンチの短手方向の側面に第2導電型不純物が注入されることによってゲート閾値が上昇する問題を軽減ないし解消することができる。 According to the manufacturing method, in the impurity implantation process for forming the bottom region and the connection region, the second conductivity type impurity is also implanted into the lateral surface of the trench and the lateral surface of the trench. Thus, the first conductivity type impurity is implanted. The influence of the second conductivity type impurity due to the former phenomenon can be reduced or eliminated by the first conductivity type impurity due to the latter phenomenon. That is, it is possible to reduce or eliminate the problem that the gate threshold value increases due to the implantation of the second conductivity type impurity into the lateral side surface of the trench.
なお、半導体基板の上面に立てた垂線をトレンチの短手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から第2導電型不純物を注入することによって、底部領域と接続領域を形成するための不純物を注入する工程は、複数回に分けて実施してもよいし、1回で実施してもよい。底部領域用注入工程と接続領域用注入工程を分けて実施してもよいし、接続領域用注入工程の際に底部領域に必要な不純物濃度が注入されるようにしてもよい。またトレンチの底面と長手方向の側面に対する第2導電型不純物の注入工程と、トレンチの短手方向の側面に対する第1導電型不純物の注入工程の前後関係は制約されない。第2導電型不純物の注入工程を複数回に分けて実施する際には、その途中で第1導電型不純物の注入工程を実施してもよい。 It is to be noted that impurities for forming the bottom region and the connection region are introduced by injecting the second conductivity type impurity from the direction in which the vertical line standing on the upper surface of the semiconductor substrate is inclined around the axis extending in the short direction of the trench. The step of injecting may be performed in a plurality of times or may be performed once. The bottom region implantation step and the connection region implantation step may be performed separately, or a necessary impurity concentration may be implanted into the bottom region during the connection region implantation step. In addition, the context of the implantation process of the second conductivity type impurity to the bottom surface and the side surface in the longitudinal direction of the trench and the implantation process of the first conductivity type impurity to the side surface in the short direction of the trench are not limited. When the second conductivity type impurity implantation step is performed in a plurality of times, the first conductivity type impurity implantation step may be performed in the middle of the process.
なお、本明細書でいう「長手方向の側面」とは、トレンチの長手方向の端面となる側面のことをいい、「短手方向の側面」とは、トレンチの短手方向の端面となる側面のことをいう。 As used herein, “longitudinal side surface” refers to a side surface serving as an end surface in the longitudinal direction of the trench, and “short side surface” refers to a side surface serving as an end surface in the short direction of the trench. I mean.
本明細書が開示するスイッチング素子は、前記したように、半導体基板の上面に設けられているトレンチと、トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、トレンチ内に配置されているとともにゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているゲート電極と、トレンチの短手方向の側面においてゲート絶縁膜に接している第1導電型のソース領域と、短手方向の側面においてソース領域の下側でゲート絶縁膜に接している第2導電型のボディ領域と、短手方向の側面においてボディ領域の下側でゲート絶縁膜に接しているとともにボディ領域によってソース領域から分離されている第1導電型のドリフト領域と、トレンチの底面においてゲート絶縁膜に接している第2導電型の底部領域と、トレンチの長手方向の側面においてゲート絶縁膜に接しているとともに底部領域とボディ領域を接続している第2導電型の接続領域を備えている。このスイッチング素子は、トレンチの短手方向の側面を覆っているゲート絶縁膜に接する位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度が、前記ゲート絶縁膜から離間した位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度より薄いことを特徴とする。 As described above, the switching element disclosed in the present specification includes a trench provided on the upper surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film covering the inner surface of the trench, and a gate insulating film disposed in the trench. A gate electrode insulated from the semiconductor substrate by the gate, a first conductivity type source region in contact with the gate insulating film on the lateral side of the trench, and gate insulation below the source region on the lateral side of the trench A second conductivity type body region in contact with the film, and a first conductivity type drift in contact with the gate insulating film below the body region on the side surface in the short direction and separated from the source region by the body region Region, the bottom region of the second conductivity type in contact with the gate insulating film at the bottom surface of the trench, and the gate insulation at the side surface in the longitudinal direction of the trench And a connection region of the second conductivity type connecting the bottom region and the body region with in contact with. In this switching element, the effective second conductivity type impurity concentration of the body region at a position in contact with the gate insulating film covering the lateral side surface of the trench is such that the effective concentration of the second region in the body region at a position away from the gate insulating film. It is characterized by being thinner than the effective second conductivity type impurity concentration.
高濃度な第2導電型不純物(その濃度をd1とする)と低濃度な第1導電型不純物(その濃度をd2とする)が混在する場合、d1−d2の濃度の第2導電型不純物が存在する場合とほぼ同等の特性となる。本明細書でいう実効的第2導電型不純物濃度とは、高濃度の第2導電型不純物濃度から低濃度の第1導電型不純物濃度を減じた濃度をいう。
特許文献1の技術(底部領域と接続領域を形成する第2導電型不純物注入工程を実施するが、第1導電型不純物注入工程は実施しない)によって製造されるスイッチング素子の場合、ゲート絶縁膜に接する位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度が、ゲート絶縁膜から離間した位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度より濃くなり、ゲート閾値が上昇してしまう。
特許文献2には、第1導電側不純物注入工程を実施する技術が開示されているが、第2導電型ボディ領域の第2導電型不純物濃度を超える量の第1導電型不純物を注入することによってゲート絶縁膜に接する範囲を第1導電型に反転してしまう。
本明細書で開示するスイッチング素子は、第1導電側不純物を注入した後もゲート絶縁膜に接する範囲が第2導電型に留まっている点で特許文献2と相違し、ゲート絶縁膜に接する位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度がゲート絶縁膜から離間した位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度より薄くなっている点で特許文献1と相違する。いずれとも相違する新規なスイッチング素子となっている。
When a high-concentration second conductivity type impurity (its concentration is d1) and a low-concentration first conductivity type impurity (its concentration is d2) are mixed, the second conductivity-type impurity having a concentration of d1-d2 is present. The characteristics are almost the same as when existing. The effective second conductivity type impurity concentration referred to in this specification refers to a concentration obtained by subtracting a low concentration first conductivity type impurity concentration from a high concentration second conductivity type impurity concentration.
In the case of a switching element manufactured by the technique of Patent Document 1 (the second conductivity type impurity implantation step for forming the bottom region and the connection region is performed, but the first conductivity type impurity implantation step is not performed) The effective second conductivity type impurity concentration of the body region at the contact position becomes higher than the effective second conductivity type impurity concentration of the body region at a position away from the gate insulating film, and the gate threshold value increases.
Patent Document 2 discloses a technique for performing the first conductivity side impurity implantation step, but implanting an amount of the first conductivity type impurity exceeding the second conductivity type impurity concentration of the second conductivity type body region. As a result, the range in contact with the gate insulating film is inverted to the first conductivity type.
The switching element disclosed in this specification is different from Patent Document 2 in that the range in contact with the gate insulating film remains in the second conductivity type even after the first conductive side impurity is implanted, and the switching element is in a position in contact with the gate insulating film. This is different from Patent Document 1 in that the effective second conductivity type impurity concentration of the body region in the body region is thinner than the effective second conductivity type impurity concentration of the body region located away from the gate insulating film. It is a novel switching element that is different from both.
図1〜3は、実施例のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)10を示している。図2、3に示すように、MOSFET10は、半導体基板12と、電極、絶縁層等を備えている。なお、図1では、図の見易さのため、半導体基板12の上面12a上の電極、絶縁層の図示を省略している。以下では、上面12aを平面視したときにトレンチ22が長く伸びる方向(図面y方向)を長手方向といい、長手方向に直交する方向(図面x方向)を短手方向ということがある。また、半導体基板12の厚み方向をz方向という。半導体基板12はSiCによって構成されている。
1 to 3 show a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 10 of the embodiment. As shown in FIGS. 2 and 3, the
半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。図1に示すように、各トレンチ22はy方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチ22は、x方向に間隔を空けて配列されている。図2に示すように、各トレンチの短手方向の端部に位置する側面22aは、トレンチ22のx方向の幅が底部から上端部に向かうに従って広くなるように傾斜している。図3は、トレンチ22の長手方向の端部の断面構造を示している。なお、図3は、トレンチ22の長手方向の一方の端部を示しているが、他方の端部も図3と同じ断面構造を有している。図3に示すように、各トレンチ22の長手方向の端部に位置する側面22bも、トレンチ22のy方向の幅が底部から上端部に向かうに従って広くなるように傾斜している。図2、3に示すように、各トレンチ22の内面は、ゲート絶縁膜24によって覆われている。ゲート絶縁膜24は、底部絶縁層24aと側面絶縁層24bを有している。底部絶縁層24aは、トレンチ22の底面22cを覆っている。側面絶縁層24bは、トレンチ22の側面22a,22bを覆っている。底部絶縁層24aの厚みは、側面絶縁層24bの厚みよりも厚い。各トレンチ22内には、ゲート電極26が配置されている。各ゲート電極26は、ゲート絶縁膜24によって半導体基板12から絶縁されている。各ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。
A plurality of
図2、3に示すように、半導体基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、半導体基板12の下面12bに接している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図1〜3に示すように、半導体基板12の内部には、複数のソース領域30、ボディ領域32、ドリフト領域33、ドレイン領域34、複数の底部領域36及び複数の接続領域38が設けられている。
As shown in FIGS. 1 to 3, a plurality of
各ソース領域30は、n型領域である。図2に示すように、各ソース領域30は、半導体基板12の上面12aに露出する位置に配置されており、上部電極70にオーミック接触している。また、各ソース領域30は、トレンチ22の上端部において側面絶縁層24bに接している。
Each
ボディ領域32は、p型領域である。図2に示すように、ボディ領域32は、各ソース領域30に接している。ボディ領域32は、トレンチ22の長手方向から見ると、第1部分32aと第2部分32bを有している。第1部分32aは、ソース領域30の下側で、トレンチ22の短手方向の側面22aにおいて、ゲート絶縁膜24(側面絶縁層24b)に接している。第2部分32bは、第1部分32aよりもゲート絶縁膜24から離間した位置に形成されており、第1部分32aに接している。第2部分32bは、2つのソース領域30に挟まれた範囲から各ソース領域の下側まで伸びている。第2部分32bは、半導体基板12の上面12aに露出する部分で、上部電極70にオーミック接触している。また、図3に示すように、ボディ領域32(第2部分32b)は、各トレンチ22の長手方向の側面22bに接する位置にも形成されている。ボディ領域32の下端は、ゲート電極26の下端よりも上側に配置されている。第1部分32aの実効的p型不純物濃度は、第2部分32bの実効的p型不純物濃度よりも薄い。ボディ領域32の実効的p型不純物濃度についての詳しい説明は後述する。
ドリフト領域33は、n型不純物濃度が低いn型領域である。ドリフト領域33は、ボディ領域32の下側に配置されており、ボディ領域32によってソース領域30から分離されている。図2に示すように、ドリフト領域33は、ボディ領域32の下側で側面絶縁層24bに接している。
The
ドレイン領域34は、ドリフト領域33よりもn型不純物濃度が高いn型領域である。ドレイン領域34は、ドリフト領域33の下側に配置されている。ドレイン領域34は、半導体基板12の下面12bに露出している。ドレイン領域34は、下部電極72にオーミック接触している。
The
各底部領域36は、p型領域である。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面22cに接する範囲に配置されている。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面22cにおいて、底部絶縁層24aに接している。図3に示すように、各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面に沿ってy方向に長く伸びている。各底部領域36は、対応するトレンチ22の底面全域で底部絶縁層24aに接している。図2に示すように、各底部領域36の周囲は、ドリフト領域33に囲まれている。図2に示す断面においては、各底部領域36は、ドリフト領域33によってボディ領域32から分離されている。また、各底部領域36は、ドリフト領域33によって互いから分離されている。
Each
各接続領域38は、p型領域である。図1、3に示すように、各接続領域38は、対応するトレンチ22のy方向の側面22bに沿って設けられている。図3に示すように、各接続領域38の下端は、対応する底部領域36に接続されている。各接続領域38の上端は、ボディ領域32に接続されている。上述したように、ボディ領域32は、上部電極70に接続されている。したがって、各底部領域36は、接続領域38とボディ領域32を介して上部電極70に接続されている。
Each
MOSFET10の使用時には、MOSFET10と負荷(例えば、モータ)と電源が直列に接続される。MOSFET10と負荷の直列回路に対して、電源電圧が印加される。MOSFET10のドレイン(下部電極72)がソース(上部電極70)よりも高電位となる向きで、電源電圧が印加される。
When the
MOSFET10のゲート電位(ゲート電極26の電位)が、ゲート閾値よりも高い電位に制御されると、側面絶縁層24bに隣接するボディ領域32の第1部分32aがn型に反転し、チャネルが形成される。このため、上部電極70から、ソース領域30、チャネル、ドリフト領域33及びドレイン領域34を介して下部電極72へ電子が流れる。すなわち、MOSFET10がオンし、下部電極72から上部電極70へ電流が流れる。
When the gate potential of the MOSFET 10 (potential of the gate electrode 26) is controlled to a potential higher than the gate threshold value, the
ゲート電位をゲート閾値以下の電位に引き下げると、チャネルが消失し、MOSFET10がオフする。すると、下部電極72の電位が上昇し、ドレイン領域34及びドリフト領域33の電位が上昇する。このため、ボディ領域32とドリフト領域33との界面のpn接合に逆電位が印加され、ボディ領域32からドリフト領域33に向かって空乏層が広がる。
When the gate potential is lowered to a potential lower than the gate threshold, the channel disappears and the
また、ドリフト領域33の電位が上昇すると、ドリフト領域33と底部領域36の間の容量結合によって底部領域36の電位が上昇しようとする。しかしながら、底部領域36の電位が上昇しようとすると、底部領域36から接続領域38とボディ領域32を介して上部電極70へホールが流れる。このため、底部領域36の電位は、ほとんど上昇せず、上部電極70の電位に近い電位に維持される。したがって、底部領域36とドリフト領域33との界面のpn接合にも逆電圧が印加され、底部領域36からドリフト領域33に空乏層が広がる。
In addition, when the potential of the
このように、ボディ領域32と底部領域36の両方からドリフト領域33に空乏層が広がる。ドリフト領域33が空乏化されることで、ドリフト領域33によって電圧が保持される。ボディ領域32からだけでなく底部領域36からもドリフト領域33に空乏層が広がるので、ドリフト領域33が短時間で空乏化される。さらに、底部領域36から伸びる空乏層によって各トレンチ22の下端部が保護される。このため、各トレンチ22の下端部近傍に位置する半導体領域に電界が集中し難い。特に、本実施例のMOSFET10では、底部領域36がトレンチ22の底面22c全体に接するように幅広に形成されている。このため、トレンチ22の下端のコーナー部(すなわち、底面22cと側面22aの境界のコーナー部)近傍の半導体領域の電界集中を効果的に抑制することができる。したがって、このMOSFET10は高い耐圧を有する。
Thus, a depletion layer spreads from both the
ゲート電位が再度、ゲート閾値より高い電位に引き上げられると、ボディ領域32(第2部分32b)にチャネルが形成され、MOSFET10がオンする。このため、下部電極72、ドレイン領域34及びドリフト領域33の電位が低下する。このとき、上部電極70からボディ領域32と接続領域38を介して底部領域36へホールが供給される。このため、底部領域36の電位は、ほとんど低下せず、上部電極70の電位に近い電位に維持される。このため、ドリフト領域33の電位の低下に伴って、底部領域36とドリフト領域33との界面のpn接合に印加される逆電圧が小さくなる。その結果、底部領域36からドリフト領域33に広がっていた空乏層が、底部領域36に収縮して消滅する。このように、底部領域36にホールが供給されることで、空乏層が短時間で消滅する。したがって、このMOSFET10では、オンしてから短時間でオン抵抗が低下する。このため、このMOSFET10は低損失で動作することができる。
When the gate potential is again raised to a potential higher than the gate threshold, a channel is formed in the body region 32 (
また、上述したように、ボディ領域32の第1部分32aは、第2部分32bと比較して実効的p型不純物濃度が薄くされている。このため、第1部分32aは、第2部分32bと比較してn型に反転する電位が低くなる。第1部分32aは、チャネルが形成される範囲である。すなわち、MOSFET10のゲート閾値を低くすることができる。また、ボディ領域32とドリフト領域33との界面のpn接合に逆電位が印加される際には、ドリフト領域33からボディ領域32へも空乏層が広がる。第1部分32aでは、第2部分32bと比較して実効的p型不純物濃度が薄いため、当該部分において空乏化しやすい。このため、MOSFET10の耐圧を向上させることができる。
In addition, as described above, the
次に、MOSFET10の製造方法について説明する。まず、図4に示すMOSFET10の形成前の半導体基板12を準備する。この半導体基板12は、ドリフト領域33、ボディ領域32及びソース領域30を有している。ボディ領域32及びソース領域30は、イオン注入によって形成されたものであってもよいし、エピタキシャル成長によって形成されたものであってもよいし、これらを組み合わせて形成されたものであってもよい。
Next, a method for manufacturing
次に、図5に示すように、半導体基板12の上面12aに開口部41aを有するレジスト層41を形成する。次に、レジスト層41を介して半導体基板12の上面12aに対してドライエッチング(例えば、反応性イオンエッチング)を行う。これによって、半導体基板12の上面12aにトレンチ22を形成する。トレンチ22は、ソース領域30とボディ領域32を貫通してドリフト領域33に達するように形成する。
Next, as shown in FIG. 5, a resist
次に、図6、7に示すように、トレンチ22の底面22cと長手方向の側面22bに、半導体基板12の上面12aに立てた垂線Vをトレンチ22の短手方向に延びる軸の周り(x軸周り)に傾斜させた方向からp型不純物を注入する。これによって、底面22cに接する半導体領域にp型不純物が注入されると共に、長手方向の側面22bに接する半導体領域に、p型不純物が注入される。ここで、不純物を注入する際に、注入方向の公差が生じることがある。また、トレンチ22は、その短手方向の上端部の幅が底面22cの幅よりも広くなる向きに傾斜が生じることがある。これらの理由により、p型不純物は、トレンチの底面22cと長手方向の側面22bに注入されると共に、トレンチ22の短手方向の側面22aにもわずかに注入される。なお、図7は、トレンチ22長手方向の側面22bの一方及び底面22cの一部に対するp型不純物の注入を示しているが、長手方向の側面22bの他方及び底面22cの他部に対しても図7と同様にp型不純物を注入する。
Next, as shown in FIGS. 6 and 7, the vertical line V standing on the
次に、図8に示すように、トレンチ22の短手方向の側面22aに、半導体基板12の上面12aに立てた垂線Vをトレンチ22の長手方向に延びる軸の周り(y軸周り)に傾斜させた方向からn型不純物を注入する。この工程では、傾斜角度θ´を調整することによって、n型不純物を底面22cには注入せず、短手方向の側面22aに注入する。本実施例では、レジスト層41を利用し、ボディ領域32よりも浅い範囲の側面22aにn型不純物を注入する。本実施例では、本工程によって注入されるn型不純物濃度が、底面22cと長手方向の側面22bにp型不純物を注入する工程において、短手方向の側面22aに注入されるp型不純物濃度よりも濃い一方、図4の時点におけるボディ領域32のp型不純物濃度より薄い。ボディ領域32においてn型不純物が注入される範囲の実効的p型不純物濃度は、元のボディ領域32のp型不純物濃度と、底面22cと長手方向の側面22bにp型不純物を注入する工程において、側面22aに注入されるp型不純物濃度を足し合わせた濃度から、本工程において側面22aに注入されるn型不純物濃度を減じた濃度である。このため、その実効的p型不純物濃度がボディ領域32(第2部分32b)よりも薄い、第1部分32aが形成される。その後、レジスト層41が除去される。
Next, as shown in FIG. 8, the vertical line V standing on the
上記したp型不純物とn型不純物を注入する工程が完了したら、熱処理により、注入した不純物を活性化させる。これにより、底部領域36及び接続領域38が形成される。
When the step of implanting the p-type impurity and the n-type impurity is completed, the implanted impurity is activated by heat treatment. Thereby, the
次に、トレンチ22内に、図2、3に示すゲート絶縁膜24を形成し、ゲート電極26を形成する。次に、半導体基板12の上面12aに、層間絶縁膜28及び上部電極70を形成する。次に、半導体基板12の下面12bにn型不純物を注入して、ドレイン領域34を形成する。次に、半導体基板12の下面12bに下部電極72を形成する。以上の工程によって、図1〜3に示すMOSFET10が完成する。
Next, the
MOSFET10を製造する過程においては、上述したように、トレンチ22の短手方向の側面22aにp型不純物が注入されてしまう。トレンチ22の側面22a近傍の半導体領域、特にボディ領域32にp型不純物が注入されると、ゲート閾値の上昇、チャネル抵抗の上昇等の問題が生じる。しかしながら、本実施例の製造方法では、トレンチ22の側面22aにn型不純物を注入する工程を備えている。これによって、p型不純物が注入されたボディ領域32の実効的p型不純物濃度を低減することができる。したがって、これらの問題を抑制することができる。
In the process of manufacturing the
なお、上述した実施例では、MOSFETについて説明したが、IGBTの製造工程において本明細書に開示の技術を適用してもよい。上述した実施例において、n型のドレイン領域34に代えてp型のコレクタ領域を形成することで、IGBTを得ることができる。
In the above-described embodiments, the MOSFET has been described. However, the technology disclosed in this specification may be applied in the manufacturing process of the IGBT. In the embodiment described above, an IGBT can be obtained by forming a p-type collector region instead of the n-
また、半導体基板12を平面視したときのトレンチ22の形状は、上述した実施例における形状に限られない。例えば、格子形状や多角形状であってもよい。
Further, the shape of the
また、トレンチ22の底面22cと側面22bにp型不純物を注入する工程と、トレンチ22の側面22aにn型不純物を注入する工程は、どの順番で行ってもよい。さらに、トレンチ22の底面22cと側面22bにp型不純物を注入する工程は、別個に行ってもよい。このようにすると、底部領域36と接続領域38のp型不純物濃度をそれぞれ調節することができる。また、上述した実施例の製造方法では、予めボディ領域32を有する半導体基板12を用いたが、上述した各工程の後にボディ領域32を形成してもよい。
The step of implanting p-type impurities into the
また、実施例では、図3に示すように、トレンチ22の長手方向の側面22bの上部に接する半導体領域にボディ領域32が形成されている例について説明したが、当該半導体領域に接続領域38が形成されていてもよい。すなわち、接続領域38が半導体基板12の上面12aに臨むように形成されていてもよい。また、トレンチ22の長手方向の側面22bに接する半導体領域の上端部に、ソース領域30が形成されていてもよい。
Further, in the embodiment, as shown in FIG. 3, the example in which the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。 Specific examples of the present invention 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.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 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 illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:MOSFET
12:半導体基板
22:トレンチ
22a:側面
22b:側面
22c:底面
24:ゲート絶縁膜
24a:底部絶縁層
24b:側面絶縁層
26:ゲート電極
28:層間絶縁膜
30:ソース領域
32:ボディ領域
32a:第1部分
32b:第2部分
33:ドリフト領域
34:ドレイン領域
36:底部領域
38:接続領域
41:レジスト層
41a:開口部
70:上部電極
72:下部電極
10: MOSFET
12: Semiconductor substrate 22:
Claims (2)
前記トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁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、
前記トレンチの短手方向の側面において前記ゲート絶縁膜に接している第1導電型のソース領域と、
前記短手方向の前記側面において前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接している第2導電型のボディ領域と、
前記短手方向の前記側面において前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域によって前記ソース領域から分離されている第1導電型のドリフト領域と、
前記トレンチの底面において前記ゲート絶縁膜に接している第2導電型の底部領域と、
前記トレンチの長手方向の側面において前記ゲート絶縁膜に接しており、前記底部領域と前記ボディ領域を接続している第2導電型の接続領域、
を備えるスイッチング素子の製造方法であって、
前記トレンチを形成する工程と、
前記半導体基板の前記上面に立てた垂線を前記トレンチの前記短手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から、前記トレンチの前記底面と前記長手方向の前記側面に、第2導電型不純物を注入する工程と、
前記垂線を前記トレンチの前記長手方向に延びる軸の周りに傾斜させた方向から、前記トレンチの前記短手方向の前記側面に、第1導電型不純物を注入する工程、
を備える、製造方法。 A trench provided on the upper surface of the semiconductor substrate;
A gate insulating film covering the inner surface of the trench;
A gate electrode disposed in the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film;
A source region of a first conductivity type in contact with the gate insulating film on a lateral side surface of the trench;
A body region of a second conductivity type in contact with the gate insulating film below the source region on the side surface in the lateral direction;
A drift region of a first conductivity type that is in contact with the gate insulating film below the body region on the side surface in the lateral direction, and is separated from the source region by the body region;
A bottom region of a second conductivity type in contact with the gate insulating film at the bottom of the trench;
A second conductivity type connection region that is in contact with the gate insulating film on the side surface in the longitudinal direction of the trench and connects the bottom region and the body region;
A method for manufacturing a switching element comprising:
Forming the trench;
A second conductivity type impurity is introduced into the bottom surface of the trench and the side surface in the longitudinal direction from a direction in which a perpendicular standing on the top surface of the semiconductor substrate is inclined around an axis extending in the short direction of the trench. Injecting, and
Injecting a first conductivity type impurity into the side surface of the trench in the lateral direction from a direction in which the perpendicular is inclined around an axis extending in the longitudinal direction of the trench;
A manufacturing method comprising:
前記トレンチの内面を覆っているゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に配置されており、前記ゲート絶縁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、
前記トレンチの短手方向の側面において前記ゲート絶縁膜に接している第1導電型のソース領域と、
前記短手方向の前記側面において前記ソース領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接している第2導電型のボディ領域と、
前記短手方向の前記側面において前記ボディ領域の下側で前記ゲート絶縁膜に接しており、前記ボディ領域によって前記ソース領域から分離されている第1導電型のドリフト領域と、
前記トレンチの底面において前記ゲート絶縁膜に接している第2導電型の底部領域と、
前記トレンチの長手方向の側面において前記ゲート絶縁膜に接しており、前記底部領域と前記ボディ領域を接続している第2導電型の接続領域、
を備えており、
前記トレンチの前記短手方向の前記側面を覆っている前記ゲート絶縁膜に接する位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度が、前記ゲート絶縁膜から離間した位置にあるボディ領域の実効的第2導電型不純物濃度より薄いことを特徴とする、
スイッチング素子。
A trench provided on the upper surface of the semiconductor substrate;
A gate insulating film covering the inner surface of the trench;
A gate electrode disposed in the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film;
A source region of a first conductivity type in contact with the gate insulating film on a lateral side surface of the trench;
A body region of a second conductivity type in contact with the gate insulating film below the source region on the side surface in the lateral direction;
A drift region of a first conductivity type that is in contact with the gate insulating film below the body region on the side surface in the lateral direction, and is separated from the source region by the body region;
A bottom region of a second conductivity type in contact with the gate insulating film at the bottom of the trench;
A second conductivity type connection region that is in contact with the gate insulating film on the side surface in the longitudinal direction of the trench and connects the bottom region and the body region;
With
The effective second conductivity type impurity concentration of the body region at a position in contact with the gate insulating film covering the lateral side surface of the trench in the lateral direction is effective in the body region at a position separated from the gate insulating film. The second conductivity type impurity concentration is lower than the target concentration,
Switching element.
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JP2020043309A (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
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2016
- 2016-04-05 JP JP2016076095A patent/JP2017188562A/en active Pending
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