JP2018018850A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチゲート型の半導体装置に関する。 The present invention relates to a trench gate type semiconductor device.
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、高入力インピーダンス、低オン電圧を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)が使用されている。IGBTでは、耐圧とオン電圧がトレードオフの関係にある。 An insulating gate bipolar transistor (IGBT) having a high input impedance and a low on-state voltage is used as a switching element (power semiconductor element) that performs a switching operation with a large current. In the IGBT, the breakdown voltage and the on-voltage are in a trade-off relationship.
このため、耐圧を高く保持しつつ、オン電圧を下げるために種々の方法が検討されている。例えば、トレンチゲート型のIGBTにおいて、内部にゲート電極が配置される溝の幅を広げることによって高耐圧且つ低オン電圧の半導体装置を実現する技術が開示されている(特許文献1参照。)。 For this reason, various methods have been studied to reduce the on-voltage while maintaining a high breakdown voltage. For example, in a trench gate type IGBT, a technique for realizing a high breakdown voltage and low on-voltage semiconductor device by widening the width of a groove in which a gate electrode is disposed is disclosed (see Patent Document 1).
IGBTのオン電圧を更に低くすることが望まれている。本発明は、高耐圧で低オン電圧の半導体装置を提供することを目的とする。 It is desired to further reduce the on-voltage of the IGBT. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high breakdown voltage and a low on-voltage.
本発明の一態様によれば、第1導電型の第1半導体領域と、第1半導体領域の上に配置された、第1半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型の第2半導体領域と、第2半導体領域の上に配置された第2導電型の第3半導体領域と、第3半導体領域の上に配置された第1導電型の第4半導体領域と、第4半導体領域の上面から延伸して第4半導体領域及び第3半導体領域を貫通し、第2半導体領域の少なくとも上部に達する溝の内壁に配置された内壁絶縁膜と、第3半導体領域の側面に対向して溝の側面の内壁絶縁膜の上に配置された制御電極を備える半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a first conductive type first semiconductor region and a first conductive type second semiconductor region disposed on the first semiconductor region and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region. A third semiconductor region of the second conductivity type disposed on the second semiconductor region, a fourth semiconductor region of the first conductivity type disposed on the third semiconductor region, and an upper surface of the fourth semiconductor region The inner wall insulating film disposed on the inner wall of the groove extending through the fourth semiconductor region and the third semiconductor region and reaching at least the upper part of the second semiconductor region, and the groove facing the side surface of the third semiconductor region A semiconductor device including a control electrode disposed on an inner wall insulating film on a side surface is provided.
本発明によれば、高耐圧で低オン電圧の半導体装置を提供できる。 According to the present invention, a semiconductor device having a high breakdown voltage and a low on-voltage can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the lengths of the respective parts, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention includes the shape, structure, arrangement, etc. of components. It is not specified to the following. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
本発明の実施形態に係る半導体装置は、図1に示すように、第1導電型の第1半導体領域(ドリフト領域10)と、第1半導体領域の上に配置された、第1半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型の第2半導体領域(高濃度領域15)と、第2半導体領域の上に配置された第2導電型の第3半導体領域(ベース領域20)と、第3半導体領域の上に配置された第1導電型の第4半導体領域(エミッタ領域30)とを備える。第4半導体領域の上面から延伸して第4半導体領域及び第3半導体領域を貫通する溝が形成され、溝の内壁に内壁絶縁膜40が配置されている。図1に示した実施形態では、溝が第2半導体領域も貫通して、先端が第1半導体領域まで達している。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention includes a first conductivity type first semiconductor region (drift region 10) and a first semiconductor region disposed on the first semiconductor region. A first conductivity type second semiconductor region (high concentration region 15) having a high impurity concentration, a second conductivity type third semiconductor region (base region 20) disposed on the second semiconductor region, and a third And a fourth semiconductor region (emitter region 30) of the first conductivity type disposed on the semiconductor region. A groove extending from the upper surface of the fourth semiconductor region and penetrating the fourth semiconductor region and the third semiconductor region is formed, and the inner wall
溝は半導体領域の主面に沿って延伸し、延伸する方向の溝の長さは溝の幅Wよりも長い。図1は、溝の延伸する方向に対して垂直な断面を示す。 The groove extends along the main surface of the semiconductor region, and the length of the groove in the extending direction is longer than the width W of the groove. FIG. 1 shows a cross section perpendicular to the direction in which the grooves extend.
図1に示した半導体装置はトレンチゲート型のIGBTであり、ベース領域20の側面に対向して、溝の側面の内壁絶縁膜40の上に制御電極(ゲート電極50)が配置されている。半導体装置は、ゲート電極50と絶縁分離されて溝の底面の内壁絶縁膜40の上に配置された底面電極150を更に備える。底面電極150は、エミッタ領域30と電気的に接続される。
The semiconductor device shown in FIG. 1 is a trench gate type IGBT, and a control electrode (gate electrode 50) is disposed on the inner
第1導電型と第2導電型とは互いに反対導電型である。即ち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。以下では、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合を例示的に説明する。 The first conductivity type and the second conductivity type are opposite to each other. That is, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. If the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type. Hereinafter, a case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type will be described as an example.
図1に示すように、ゲート電極50及び底面電極150を覆って、溝の内部に層間絶縁膜70が埋め込まれている。層間絶縁膜70によって、ゲート電極50と底面電極150とが絶縁分離されている。
As shown in FIG. 1, an
ドリフト領域10は、p型のコレクタ領域60の一方の主面に配置されている。なお、ドリフト領域10とコレクタ領域60間に、ドリフト領域10よりも不純物濃度の高いn型のフィールドストップ領域65が配置されている。フィールドストップ領域65によって、オフ状態でベース領域20の下面から延伸する空乏層がコレクタ領域60に達することが抑制される。コレクタ領域60の他方の主面には、コレクタ領域60と電気的に接続するコレクタ電極80が配置されている。
Drift
ゲート電極50の上方に、ベース領域20及びベース領域20の上部に選択的に配置されたエミッタ領域30と電気的に接続するエミッタ電極90が、配置されている。エミッタ電極90は層間絶縁膜70上に配置され、層間絶縁膜70に設けた開口部を介して、エミッタ電極90がベース領域20とエミッタ領域30に接続する。層間絶縁膜70によって、ゲート電極50とエミッタ電極90とは電気的に絶縁されている。
Above the
図1に示した半導体装置では、内壁絶縁膜40を介してゲート電極50と対向するベース領域20の表面が、チャネルの形成されるチャネル領域である。つまり、内壁絶縁膜40のゲート電極50とベース領域20間の領域が、ゲート絶縁膜として機能する。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, the surface of the
図1に示すように、溝の内壁の対向する側面のそれぞれに、ゲート電極50が配置されている。そして、溝の延伸する方向に垂直な断面において、ゲート電極50は溝の内壁に沿って連続的には配置されておらず、溝の底面にはゲート電極50が配置されていない。
As shown in FIG. 1, the
ここで、図1に示した半導体装置の動作について説明する。エミッタ電極90とコレクタ電極80間に所定のコレクタ電圧を印加し、エミッタ電極90とゲート電極50間に所定のゲート電圧を印加する。例えば、コレクタ電圧は300V〜1600V程度、ゲート電圧は10V〜20V程度である。このようにして半導体装置をオン状態にすると、チャネル領域がp型からn型に反転してチャネルが形成される。形成されたチャネルを通過して、エミッタ電極90から電子がドリフト領域10に注入される。また、コレクタ領域60とドリフト領域10との間が順バイアスされ、コレクタ電極80からコレクタ領域60を経由して正孔(ホール)がドリフト領域10、高濃度領域15、ベース領域20の順に移動する。更に電流を増やしていくと、コレクタ領域60からの正孔が増加し、ドリフト領域10に正孔が蓄積される。その結果、伝導度変調によってオン電圧が低下する。
Here, the operation of the semiconductor device illustrated in FIG. 1 will be described. A predetermined collector voltage is applied between the
半導体装置をオン状態からオフ状態にする場合には、ゲート電圧をしきい値電圧よりも低く制御する。例えば、ゲート電圧を、エミッタ電圧と同じ電位又は負電位となるようにする。これにより、ベース領域20のチャネルが消滅して、エミッタ電極90からドリフト領域10への電子の注入が停止する。コレクタ電極80の電位がエミッタ電極90よりも高いので、ベース領域20と高濃度領域15との界面から空乏層が広がっていくとともに、ドリフト領域10に蓄積された正孔はエミッタ電極90に抜けていく。このとき、正孔は、溝と溝の間の半導体領域を通過して移動する。つまり、溝間の領域が正孔の吸い出し口である。
When the semiconductor device is changed from the on state to the off state, the gate voltage is controlled to be lower than the threshold voltage. For example, the gate voltage is set to the same potential as the emitter voltage or a negative potential. As a result, the channel of the
図1に示した半導体装置では、ドリフト領域10よりも不純物濃度の高い高濃度領域15をドリフト領域10とベース領域20との間に配置することにより、オン状態で高濃度領域15からドリフト領域10に向かう電界が発生する。これにより、ドリフト領域10と高濃度領域15との界面の近傍において、ドリフト領域10に正孔が蓄積される。このため、高濃度領域15が配置されない場合と比較して、より多くの正孔が蓄積される。その結果、半導体装置のオン電圧をより低下させることができる。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, the
なお、高濃度領域15の不純物濃度を高くしすぎると、オフ状態においてベース領域20と高濃度領域15との界面のPN接合から生じる空乏層の広がりが抑制される。その結果、半導体装置の耐圧が低下する。したがって、高濃度領域15の不純物濃度は、ドリフト領域10の不純物濃度よりも高く、且つ、ベース領域20の不純物濃度よりも低いことが好ましい。
If the impurity concentration of the
図2に、内部にゲート電極50が配置される溝100の長手方向の端部を含む、半導体装置の周辺領域の平面図を示す。なお、図2にはエミッタ電極90と層間絶縁膜70を表示していない。そして、ベース領域20を透過して高濃度領域15が表示されている。
FIG. 2 is a plan view of a peripheral region of the semiconductor device including an end portion in the longitudinal direction of the
図2に示すように、溝100に沿って配置されたエミッタ領域30の外縁よりも、高濃度領域15の外縁が外側に位置している。そして、溝100は、高濃度領域15の外縁よりも外側まで延伸している。図2において、高濃度領域15の外縁から溝100の端部までの溝100の延伸する方向に沿った距離を、「延伸距離D」として示した。
As shown in FIG. 2, the outer edge of the
また、図2に示すように、ベース領域20は、高濃度領域15の外縁を超えて、溝100の端部よりも外側に延在している。即ち、溝100の端部の周囲を囲んで、ベース領域20が配置されている。
As shown in FIG. 2, the
エミッタ領域30は、周辺領域に囲まれた、スイッチング動作する素子が形成された素子領域に配置されていればよい。一方、高濃度領域15の外縁をエミッタ領域30の外縁よりも外側に配置することにより、高濃度領域15の直下での正孔の蓄積量を増加させることができる。しかし、本発明者らの検討によれば、高濃度領域15の外縁を溝100の端部まで延在させると、半導体装置の周辺領域での耐圧が低下する。このため、高濃度領域15の外縁を溝100の端部よりも内側にすることが好ましい。
The
上記のように、半導体装置の周辺領域に延伸距離Dを設けることによって、周辺領域での耐圧が向上する。特に、高濃度領域15の膜厚よりも延伸距離Dが大きい場合に、周辺領域の耐圧をより向上させることができることを、本発明者らは見いだした。このため、高濃度領域15の膜厚よりも延伸距離Dを大きく設定することが好ましい。
As described above, by providing the extension distance D in the peripheral region of the semiconductor device, the breakdown voltage in the peripheral region is improved. In particular, the inventors have found that the withstand voltage of the peripheral region can be further improved when the stretching distance D is greater than the film thickness of the
内壁絶縁膜40の膜厚については、エミッタ領域30が配置された領域よりも外側における膜厚T4が、エミッタ領域30が配置された領域における膜厚T3と同等以上であることが好ましい。例えば、T3<T4とする。
Regarding the film thickness of the inner
また、溝100の長手方向と垂直な方向に沿ったゲート電極50と底面電極150との距離については、エミッタ領域30が配置された領域よりも外側における距離T2が、エミッタ領域30が配置された領域における距離T1以下であることが好ましい。例えば、T1>T2とする。
Further, regarding the distance between the
なお、図3では、高濃度領域15が溝100の下方まで形成されている実施形態を示した。即ち、溝100が、エミッタ領域30の上面から延伸してエミッタ領域30及びベース領域20を貫通し、先端が高濃度領域15の上部に達するように形成されてもよい。
FIG. 3 shows an embodiment in which the
ただし、ゲート電極50と底面電極150との隙間部分は耐圧が低い。その部分に高濃度領域15が配置されていると、隙間部分の耐圧が更に低くなる。このため、図3に示すように、高濃度領域15はゲート電極50と底面電極150との隙間部分の直下まで延在していないことが好ましい。即ち、高濃度領域15の外縁を、溝100の長手方向の端部におけるゲート電極50と底面電極150との隙間部分よりも内側に配置することが好ましい。
However, the gap between the
また、図4に示すように、底面電極150の外縁をエミッタ領域30の外縁と同様に位置させ、溝100の先端の内部においてゲート電極50の面積を広くしてもよい。これにより、上方からのゲート電極50へのコンタクトが取りやすくなる。
Further, as shown in FIG. 4, the outer edge of the
ところで、溝の内部にゲート電極50を配置した半導体装置では、溝の底面に生じる帰還容量が大きいために、スイッチング速度が低下する問題があった。しかし、図1に示した半導体装置では、ゲート電極50は溝の底面に配置されていない。このため、ゲート電極50とコレクタ領域60間の帰還容量(ゲート−コレクタ間容量)を低減することができる。
By the way, in the semiconductor device in which the
更に、エミッタ領域30と同電位の底面電極150を溝の底面に配置することによって、ゲート−コレクタ間の帰還容量がより低減される。なお、底面電極150をエミッタ領域30と電気的に接続するために、例えば、溝に埋め込まれた層間絶縁膜70に貫通孔を設け、この貫通孔を導電体膜で埋め込んで底面電極150とエミッタ電極90とを電気的に接続する。
Further, by arranging the
上記のように、図1に示した半導体装置では、溝の底面で生じる帰還容量が低減される。その結果、半導体装置のスイッチング時間を短縮することができる。 As described above, in the semiconductor device shown in FIG. 1, the feedback capacitance generated at the bottom surface of the groove is reduced. As a result, the switching time of the semiconductor device can be shortened.
なお、ゲート電極50と底面電極150が離間して配置されているため、これらの電極から離れた位置であることにより、溝のコーナー部(側面と底面の接続部)の耐圧が低下する。この耐圧の低下を抑制するためには、ゲート電極50が溝のコーナー部の近くに配置されていることが好ましい。したがって、ゲート電極50の下面の位置が、底面電極150の上面の位置よりも下方であることが好ましい。
In addition, since the
ところで、ゲート電極50が内部に配置される溝の幅Wが、一定程度までは広いほど、以下に説明するように、半導体装置のオン電圧が低下し、且つ耐圧が向上する。この場合の溝の幅Wは、例えば3μm〜20μm程度である。
By the way, as described below, the on-voltage of the semiconductor device is reduced and the breakdown voltage is improved as the width W of the groove in which the
まず、オン電圧が低下する理由を説明する。半導体装置がオン状態になると、チャネル領域に形成されたチャネルを通過して、エミッタ電極90から溝の側面に沿って主に移動してきた電子がドリフト領域10に注入される。溝の底面より下方でのドリフト領域10の厚みは例えば30μm〜180μmであり、溝の幅Wよりも十分に広い。このため、溝の幅Wが広くなったとしても、溝に沿って移動した電子は、溝よりも深い領域においてドリフト領域10で拡散する。これにより、溝間の領域の直下のコレクタ領域60とドリフト領域10の界面だけでなく、それよりも広い範囲でコレクタ領域60とドリフト領域10の界面が順バイアスとなり、正孔がコレクタ領域60からドリフト領域10に移動する。
First, the reason why the ON voltage decreases will be described. When the semiconductor device is turned on, electrons that have moved through the channel formed in the channel region and moved mainly along the side surface of the groove from the
コレクタ領域60から移動してきた正孔は溝の底面によってその移動が妨げられ、溝の底面近傍のドリフト領域10内に正孔が蓄積され、伝導度変調が生じる。溝の幅Wが広いほど溝の底面近傍のドリフト領域10内で正孔が蓄積されやすい。このため、エミッタ電極90へ移動する正孔が少なくなり、オン電圧が低下する。
The holes that have moved from the
なお、溝と溝の間隔Sが広いとベース領域20の下方に蓄積されずにベース領域20へと移動する正孔の量が増加するか、またはチップ面積が増大してしまう。したがって、オン電圧を低下させるためには、溝の幅Wが間隔Sよりも広いことが好ましい。
In addition, if the space | interval S between a groove | channel is large, the quantity of the hole which will not be accumulate | stored under the base area |
次に、溝の幅Wを広くすることにより、半導体装置の耐圧が向上する理由を説明する。半導体装置をオン状態からオフ状態にすると、高濃度領域15とベース領域20とのPN接合からだけでなく、溝の底面周辺からもドリフト領域10内に空乏層が広がっていく。このとき、空乏層の広がり方が一様で、より広範囲に広がっていることが好ましい。空乏層の広がりが不均一であったり狭かったりする場合には、耐圧が低下する。溝の幅Wが狭い場合には、電界集中点である溝のコーナー部同士が近いために、溝の底面の直下において空乏層が良好に一様で且つ広範囲に広がらない。しかし、溝の幅Wが広い場合は、溝のコーナー部が離れているために、コーナー部間の溝の底面の直下における空乏層はより一様に又はより広範囲に広がる。このため、溝の幅Wが広い半導体装置では、耐圧が向上する。
Next, the reason why the breakdown voltage of the semiconductor device is improved by increasing the width W of the groove will be described. When the semiconductor device is turned from the on state to the off state, the depletion layer spreads in the
また、溝と溝の間隔Sを相対的に狭くすることにより、半導体装置の耐圧は向上する。これは、以下の理由による。即ち、溝間の領域における空乏層の深さは、溝の直下の空乏層の深さよりも浅い。間隔Sが広いと、溝間の領域におけるベース領域20とのPN接合から広がる空乏層がより平坦化する。このため、溝の底面の空乏層が溝の側面から広がる空乏層へと連続する部分がより歪んだ形状となる。このために空乏層の歪んだ部分である溝のコーナー部付近に電界が集中して、耐圧が低下する。したがって、間隔Sはある程度狭いことが好ましく、例えば、間隔Sを溝の幅Wよりも狭くする。
Further, the withstand voltage of the semiconductor device is improved by relatively narrowing the gap S between the grooves. This is due to the following reason. That is, the depth of the depletion layer in the region between the grooves is shallower than the depth of the depletion layer immediately below the groove. When the interval S is wide, the depletion layer extending from the PN junction with the
上記のように、図1に示した半導体装置において、溝の幅Wは広く、間隔Sは狭いことが好ましい。例えば、平面視において溝の延伸する長手方向の長さが溝の幅Wよりも長く、且つ、隣接する溝と溝の間隔Sよりも溝の幅Wが広いように、溝を形成する。 As described above, in the semiconductor device shown in FIG. 1, it is preferable that the width W of the groove is wide and the interval S is narrow. For example, the groove is formed so that the length in the longitudinal direction in which the groove extends is longer than the width W of the groove and the width W of the groove is wider than the interval S between adjacent grooves.
溝の幅Wが広い場合には、ゲート−コレクタ間の帰還容量は増加する傾向にある。しかし、図1に示した半導体装置では、溝の底面に底面電極150を用いた容量部が配置されることにより、ゲート−コレクタ間の帰還容量を低減することができる。
When the width W of the groove is wide, the feedback capacity between the gate and the collector tends to increase. However, in the semiconductor device shown in FIG. 1, the feedback capacitance between the gate and the collector can be reduced by disposing the capacitor portion using the
ところで、チップ面積には限界があるため、チップサイズを一定とした場合に溝の幅Wを広げると、チャネル本数が減少する。このとき、半導体装置のチップサイズに占めるチャネル領域の割合が一定程度まで減少すると、コレクタ−エミッタ間の飽和電圧が増大する。このため、溝の幅Wを広げることで正孔が蓄積されてオン電圧が低下する効果よりも、チャネル本数の減少によるオン電圧の上昇の効果が大きくなると、半導体装置のオン電圧は上昇する。 By the way, since the chip area is limited, if the width W of the groove is increased when the chip size is constant, the number of channels decreases. At this time, when the ratio of the channel region to the chip size of the semiconductor device decreases to a certain level, the saturation voltage between the collector and the emitter increases. For this reason, when the effect of increasing the on-voltage due to the decrease in the number of channels is greater than the effect of reducing the on-voltage by accumulating holes by increasing the width W of the trench, the on-voltage of the semiconductor device increases.
上記観点から本発明者らが検討した結果、溝の幅Wは3μm〜20μm程度であることが好ましい。更に、溝の幅Wが5μm〜13μm程度であることがより好ましい。本発明者らの検討によれば、溝の幅Wが7μm程度の場合に、最も効果的にオン電圧が低減される。溝の深さは一般的に5μm程度であるため、溝の幅Wを広くした結果、溝の幅Wが溝の深さよりも大きい場合が生じる。 As a result of investigations by the present inventors from the above viewpoint, the width W of the groove is preferably about 3 μm to 20 μm. Furthermore, the width W of the groove is more preferably about 5 μm to 13 μm. According to the study by the present inventors, the ON voltage is most effectively reduced when the width W of the groove is about 7 μm. Since the depth of the groove is generally about 5 μm, as a result of increasing the width W of the groove, the width W of the groove may be larger than the depth of the groove.
なお、溝の底面に配置された領域の膜厚が、ベース領域20に対向して溝の側面に配置された領域の膜厚よりも厚くなるように、内壁絶縁膜40を形成することが好ましい。溝の幅Wを広くすると、溝の底面におけるゲート電極50と半導体領域との間に生じる寄生容量は増加する傾向にある。しかし、溝の底面において内壁絶縁膜40の膜厚を厚くすることにより、この寄生容量を低減することができる。
The inner
ただし、内壁絶縁膜40の溝の側面に配置された領域はゲート絶縁膜として機能するため、溝の側面で内壁絶縁膜40の膜厚を厚くするのには限界がある。このため、内壁絶縁膜40の溝の側面に配置された領域の膜厚に比べて、内壁絶縁膜40の溝の底面に配置された領域の膜厚を厚くする。例えば、内壁絶縁膜40の溝の底面での膜厚を300nm程度とし、溝の側面での膜厚を150nm程度とする。
However, since the region disposed on the side surface of the groove of the inner
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る半導体装置によれば、溝に沿ってドリフト領域10の上方に高濃度領域15を配置することにより、オン電圧を低下させることができる。更に、溝の幅Wを広くすることにより、耐圧を向上させ、オン電圧をより低くすることができる。このように、図1に示した半導体装置によれば、高耐圧で低オン電圧の半導体装置を提供できる。
As described above, according to the semiconductor device of the embodiment of the present invention, the on-voltage can be reduced by disposing the
図5〜図12を参照して、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図5〜図12は、1つの溝を含む領域について図示している。なお、以下に述べる製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることはもちろんである。 With reference to FIGS. 5 to 12, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. 5 to 12 illustrate a region including one groove. In addition, the manufacturing method described below is an example, and it is needless to say that it can be realized by various other manufacturing methods including this modified example.
図5に示すように、p型のコレクタ領域60とn+型のフィールドストップ領域65の積層体の上に形成されたn-型のドリフト領域10上に、ドリフト領域10よりも高濃度のn型の高濃度領域15を形成する。更に、高濃度領域15上に、不純物拡散法又はエピタキシャル成長法によってp-型のベース領域20を形成する。例えば不純物拡散法によれば、高濃度領域15の上面からp型不純物を高濃度領域15にイオン注入した後、アニール処理による拡散を行って、ベース領域20が実質的に一様の厚みで形成される。ベース領域20中のp型不純物は、例えばボロン(B)である。なお、ベース領域20の不純物濃度を高濃度領域15の不純物濃度よりも高くすることが好ましい。
As shown in FIG. 5, n -
次いで、図6に示すように、ベース領域20の上面の一部に、例えばイオン注入と拡散を用いて、n+型のエミッタ領域30を選択的に形成する。
Next, as shown in FIG. 6, an n + -
その後、図7に示すように、エミッタ領域30の上面から延伸してエミッタ領域30、ベース領域20及び高濃度領域15を貫通し、ドリフト領域10に先端が到達する溝100を形成する。溝100は、例えばフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 7, a
次いで、図8に示すように、溝100の内壁に内壁絶縁膜40を形成する。例えば、内壁絶縁膜40として、酸化シリコン(SiO2)膜を熱酸化法で形成する。内壁絶縁膜40の膜厚は、例えば100nm〜300nm程度である。
Next, as shown in FIG. 8, an inner
内壁絶縁膜40を形成後、不純物を添加したポリシリコン膜500を全面に形成する。これにより、図9に示すように、溝100の内部で内壁絶縁膜40上にポリシリコン膜500が配置される。このとき、図9に示すように、溝100の内部はポリシリコン膜500によって埋め込まれず、ポリシリコン膜500は溝100の内壁に沿って形成される。
After forming the inner
次いで、図10に示すように、溝100のゲート電極50が形成される側面と底面電極150が形成される底面のポリシリコン膜500の表面に、フォトリソグラフィ技術やエッチング技術などを用いてマスク510を形成する。図10に示すように、溝100の側面に配置されたマスク510aと底面に形成されたマスク510bの間には隙間が設けられている。例えば、マスク510aやマスク510bには酸化膜などが使用される。
Next, as shown in FIG. 10, a
図10に示したマスク510をエッチング用マスクに用いて、等方性エッチングによってポリシリコン膜500をエッチングする。このとき、マスク510aとマスク510bとの隙間から進入するエッチング種によって、溝100のコーナー部に配置されたポリシリコン膜500がエッチングされる。これにより、図11に示すように、ポリシリコン膜500の下面と内壁絶縁膜40との間に隙間が形成される。以上により、ポリシリコン膜からなるゲート電極50が形成される。このとき、ポリシリコン膜500のマスク510bによってマスクされた領域が、底面電極150として溝100の底面に残存する。この製造方法では、ゲート電極50と底面電極150とは同一工程で形成され、ゲート電極50の材料と底面電極150の材料が同じである。
The
マスク510を除去した後、図12に示すように、溝100を埋め込むようにして全面に層間絶縁膜70を形成する。その後、エミッタ領域30とベース領域20に接続するエミッタ電極90を層間絶縁膜70上に形成する。例えば、層間絶縁膜70の一部に開口部を設けてエミッタ領域30とベース領域20の表面を露出させ、この開口部を埋め込むようにエミッタ電極90を形成する。更に、コレクタ領域60の裏面にコレクタ電極80を形成して、図1に示した半導体装置が完成する。
After removing the
以上に説明した本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、ドリフト領域10とベース領域20との間に高濃度領域15が配置され、半導体装置のオン電圧を下げることができる。
According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention described above, the
なお、溝の底面での膜厚が溝の側面での膜厚よりも厚くなるように内壁絶縁膜40を形成するためには、以下の方法などを採用可能である。即ち、溝100の内壁の全体に酸化膜を形成した後に、側面の酸化膜をエッチング除去する。その後、溝の側面及び底面に、酸化膜を再び形成する。
In order to form the inner
また、上記ではゲート電極50と底面電極150とが同一工程で形成され、ゲート電極50の材料と底面電極150の材料が同じである場合を例示的に説明した。しかし、ゲート電極50と底面電極150を異なる工程で形成してもよい。この場合には、ゲート電極50の材料と底面電極150の材料が異なっていてもよい。
Further, the case where the
<変形例>
図1では、溝の底面の内壁絶縁膜40の上に底面電極150が配置されている例を示した。しかし、例えば溝の底面に底面電極150を配置してゲート−コレクタ間の帰還容量を低減する必要がない場合などには、底面電極150を形成しなくてもよい。図13に、底面電極150が配置されていない、本発明の実施形態の変形例に係る半導体装置の例を示す。底面電極150を形成しないことにより、半導体装置をより容易に製造することができる。例えば、溝の底面に生じる帰還容量が半導体装置の特性に影響しない程度に溝の幅Wが狭い場合などには、図13に示した構造を採用できる。
<Modification>
FIG. 1 shows an example in which the
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば、上記では半導体装置がnチャネル型である場合を例示的に説明した。しかし、半導体装置がpチャネル型であってもよい。 For example, the case where the semiconductor device is an n-channel type has been described above as an example. However, the semiconductor device may be a p-channel type.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments that are not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
10…ドリフト領域
15…高濃度領域
20…ベース領域
30…エミッタ領域
40…内壁絶縁膜
50…ゲート電極
60…コレクタ領域
65…フィールドストップ領域
70…層間絶縁膜
80…コレクタ電極
90…エミッタ電極
100…溝
150…底面電極
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第1半導体領域の上に配置された、前記第1半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型の第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の上に配置された第2導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域の上に配置された第1導電型の第4半導体領域と、
前記第4半導体領域の上面から延伸して前記第4半導体領域及び前記第3半導体領域を貫通し、前記第2半導体領域の少なくとも上部に達する溝の内壁に配置された内壁絶縁膜と、
前記第3半導体領域の側面に対向して前記溝の側面の前記内壁絶縁膜の上に配置された制御電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor region of a first conductivity type;
A second semiconductor region of a first conductivity type disposed on the first semiconductor region and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region;
A third semiconductor region of a second conductivity type disposed on the second semiconductor region;
A fourth semiconductor region of a first conductivity type disposed on the third semiconductor region;
An inner wall insulating film disposed on the inner wall of the groove extending from the upper surface of the fourth semiconductor region and penetrating the fourth semiconductor region and the third semiconductor region and reaching at least the upper portion of the second semiconductor region;
And a control electrode disposed on the inner wall insulating film on the side surface of the groove so as to face the side surface of the third semiconductor region.
前記溝に沿って配置された前記第4半導体領域の外縁よりも、前記第2半導体領域の外縁が外側に位置し、
前記溝が、前記第2半導体領域の前記外縁よりも外側まで延伸している
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 In a plan view of the peripheral area including the end of the groove in the longitudinal direction,
The outer edge of the second semiconductor region is located outside the outer edge of the fourth semiconductor region disposed along the groove,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the groove extends to the outside of the outer edge of the second semiconductor region.
前記溝の前記長手方向と垂直な方向に沿った前記制御電極と前記底面電極との距離が、前記第4半導体領域が配置された領域よりも、前記第4半導体領域が配置された領域よりも外側において狭いことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。 A bottom electrode that is insulated from the control electrode and disposed on the inner wall insulating film at the bottom of the groove;
The distance between the control electrode and the bottom electrode along the direction perpendicular to the longitudinal direction of the groove is larger than the region where the fourth semiconductor region is disposed than the region where the fourth semiconductor region is disposed. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is narrow outside.
前記第2半導体領域の外縁が、前記溝の長手方向の端部における前記制御電極と前記底面電極との隙間部分よりも平面視で内側に位置することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 A bottom electrode that is insulated from the control electrode and disposed on the inner wall insulating film at the bottom of the groove;
4. The outer edge of the second semiconductor region is located on an inner side in a plan view than a gap portion between the control electrode and the bottom electrode at an end portion in the longitudinal direction of the groove. 5. 2. The semiconductor device according to claim 1.
前記コレクタ領域の上面に配置された、前記第1半導体領域よりも不純物濃度の高い第1導電型のフィールドストップ領域と
を更に備え、
前記フィールドストップ領域の上面に前記第1半導体領域が配置されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。 A collector region of a second conductivity type;
A first conductivity type field stop region having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region, disposed on the upper surface of the collector region;
9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor region is disposed on an upper surface of the field stop region.
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