JP2018061065A - Semiconductor device - Google Patents

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宏基 藤井
Hiromoto Fujii
宏基 藤井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve reliability of a semiconductor device by preventing fluctuation in element characteristics due to field concentration in a LDMOS transistor which has an isolation insulation film embedded in a semiconductor substrate in order to increase withstand voltage between a source and a drain.SOLUTION: In a semiconductor device, by forming a trench HL on a top face of an isolation insulation film SIS of a LDMOS transistor PD1, a part of a gate electrode GE is embedded in the trench HL. This prevents field concentration in a semiconductor substrate SB near an end of the isolation insulation film SIS on a source side.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのうち、ゲートとドレインの間に分離絶縁膜を有する横型拡散トランジスタの構造に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a structure of a lateral diffusion transistor having an isolation insulating film between a gate and a drain among MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors.

先端ロジック用MOSトランジスタの素子分離においては、分離面積削減のため、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)構造に代わりSTI(Shallow Trench Isolation)構造が多く用いられている。また、高耐圧LDMOS(Laterally Diffused MOS)トランジスタを形成する場合、耐圧確保のため、その内部のゲート−ドレイン間分離のためにSTI構造を用いることが知られている。   In element isolation of advanced logic MOS transistors, an STI (Shallow Trench Isolation) structure is often used instead of a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) structure in order to reduce the isolation area. In the case of forming a high breakdown voltage LDMOS (Laterally Diffused MOS) transistor, it is known to use an STI structure for gate-drain separation in order to secure a breakdown voltage.

特許文献1(特開2010−258226号公報)では、Nチャネル型LDMOSトランジスタにおいて、STI構造のソース側の端部に電界が集中することに起因してオン抵抗が変動することを防ぐために、STI構造の端部に段差を設けることが記載されている。   In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-258226), in an N-channel LDMOS transistor, in order to prevent the on-resistance from fluctuating due to the concentration of an electric field at the end of the STI structure on the source side, It is described that a step is provided at the end of the structure.

特許文献2(米国特許第8357986号)には、LDMOSトランジスタにおいて、半導体基板の主面に設けた溝にゲート電極の一部を埋め込むことが記載されている。ここでは、ゲート電極とドレイン領域との間の容量を低減するため、当該溝よりもドレイン領域側にはゲート電極を形成していない。また、容量低減のため、溝よりもソース領域側にはn型のドリフト領域を形成していない。また、溝内のゲート電極と、当該溝の側壁および底面を構成する基板とを隔てる絶縁膜は、当該絶縁膜に接する基板内がチャネル領域となるために、LDMOSトランジスタのゲート絶縁膜と同等の膜厚を有している。   Patent Document 2 (US Pat. No. 8,357,986) describes that in an LDMOS transistor, a part of a gate electrode is embedded in a groove provided in a main surface of a semiconductor substrate. Here, in order to reduce the capacitance between the gate electrode and the drain region, the gate electrode is not formed on the drain region side of the trench. In order to reduce the capacitance, no n-type drift region is formed on the source region side of the trench. The insulating film separating the gate electrode in the groove and the substrate constituting the side wall and bottom surface of the groove is equivalent to the gate insulating film of the LDMOS transistor because the substrate in contact with the insulating film is a channel region. It has a film thickness.

非特許文献1には、Pチャネル型LDMOSトランジスタの基板内において、電子がゲート酸化膜に注入される方向に電界が向いているため、STI構造の端部に電界が集中すると、電子が加速されてゲート酸化膜に注入されることが記載されている。また、その注入によるダメージにより、STI構造の上端部でゲート酸化膜が破壊されることが記載されている。   In Non-Patent Document 1, since the electric field is directed in the direction in which electrons are injected into the gate oxide film in the substrate of the P-channel LDMOS transistor, the electrons are accelerated when the electric field is concentrated at the end of the STI structure. It is described that it is implanted into the gate oxide film. It is also described that the gate oxide film is destroyed at the upper end of the STI structure due to the damage caused by the implantation.

非特許文献2には、上記のゲート酸化膜が破壊されることに加えて、電界のバランスが崩れて耐圧が低下することが記載されている。   Non-Patent Document 2 describes that in addition to the destruction of the gate oxide film, the electric field balance is lost and the breakdown voltage is reduced.

特開2010−258226号公報JP 2010-258226 A 米国特許第8357986号明細書US Pat. No. 8,357,986

Investigation of Multistage Linear Region Drain Current Degradation and Gate-Oxide Breakdown Under Hot-Carrier Stress in BCD HV PMOS, Yu-Hui Huang et al., Proc. of IRPS’11, pp.444-448Investigation of Multistage Linear Region Drain Current Degradation and Gate-Oxide Breakdown Under Hot-Carrier Stress in BCD HV PMOS, Yu-Hui Huang et al., Proc. Of IRPS'11, pp.444-448 HCI-induced off-state I-V curve shifting and subsequent destruction in an STI-based LD-PMOS transistor, H.Fujii et al., Proc. of ISPSD’13, pp.379-382HCI-induced off-state I-V curve shifting and subsequent destruction in an STI-based LD-PMOS transistor, H. Fujii et al., Proc. Of ISPSD’13, pp.379-382

横型LDMOSトランジスタでは、ホットキャリアストレス時に、STI構造のソース側の端部で電界が集中して高電界となり界面準位が発生すること、または衝突電離により発生した電子がSTI構造の端部に注入されることなどにより、オン抵抗が変動する問題が起こる。   In a horizontal LDMOS transistor, when hot carrier stress occurs, the electric field concentrates at the end of the source side of the STI structure and a high electric field is generated to generate an interface state, or electrons generated by impact ionization are injected into the end of the STI structure. As a result, there arises a problem that the on-resistance varies.

また、Pチャネル型LDMOSトランジスタの基板内では、電子がゲート酸化膜に注入される方向に電界が向いているため、STI構造の端部で電子が加速されてゲート酸化膜に注入され、電界のバランスが崩れて耐圧が低下する。また、非特許文献1に記載されているように、当該注入によるダメージによりSTI構造の上端部でゲート酸化膜が破壊される問題がある。   In addition, in the substrate of the P-channel LDMOS transistor, the electric field is directed in the direction in which electrons are injected into the gate oxide film. Therefore, the electrons are accelerated at the end of the STI structure and injected into the gate oxide film. The balance is lost and the pressure resistance decreases. Further, as described in Non-Patent Document 1, there is a problem that the gate oxide film is destroyed at the upper end portion of the STI structure due to the damage caused by the implantation.

特許文献1では、電界の集中を抑える目的でSTI構造の底面の端部に段差を設けているが、この構造では、基板内の電界を全体的に低減することができたとしても、耐圧の低下を防止することはできない。つまり、基板中において電界集中が起きやすいのはSTI構造の底面の端部であるところ、特許文献1の構造では、当該端部に電界が集中する角部が複数形成され、さらに、よりゲート絶縁膜に近い位置に形成された段差の近傍で電界が集中するため、ゲート絶縁膜への電子の注入が顕著となる。   In Patent Document 1, a step is provided at the end of the bottom surface of the STI structure for the purpose of suppressing the concentration of the electric field. However, with this structure, even if the electric field in the substrate can be reduced as a whole, The decline cannot be prevented. That is, the electric field concentration is likely to occur in the substrate at the end portion of the bottom surface of the STI structure. In the structure of Patent Document 1, a plurality of corner portions where the electric field concentrates are formed at the end portion, and further, the gate insulation is further increased. Since the electric field concentrates in the vicinity of the step formed near the film, injection of electrons into the gate insulating film becomes significant.

その他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other objects and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the embodiments disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

一実施の形態である半導体装置は、LDMOSトランジスタの分離絶縁膜の上面に溝を形成することにより、ゲート電極の一部を当該溝内に埋め込むものである。   In a semiconductor device according to an embodiment, a groove is formed on the upper surface of an isolation insulating film of an LDMOS transistor so that a part of the gate electrode is embedded in the groove.

本願において開示される一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上させることができる。特に、ホットキャリアストレス中のオン抵抗の変動を抑制でき、かつ、ホットキャリアストレス中の耐圧の低下やゲート酸化膜破壊といった致命的な現象を防止することが可能となる。   According to one embodiment disclosed in the present application, the reliability of a semiconductor device can be improved. In particular, fluctuations in on-resistance during hot carrier stress can be suppressed, and fatal phenomena such as a decrease in breakdown voltage and gate oxide film breakdown during hot carrier stress can be prevented.

本発明の実施の形態1である半導体装置を示す平面図である。1 is a plan view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図1のA−A線における断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造方法を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor device which is Embodiment 1 of this invention. 図3に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 3. 図4に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 4. 図5に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 5; 図6に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 6; 図7に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the semiconductor device following FIG. 7; 本発明の実施の形態1のLDMOSトランジスタにおける、溝の幅に対するゲート電流の変化を表すグラフである。4 is a graph showing a change in gate current with respect to a groove width in the LDMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 図2の一部を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows a part of FIG. 分離絶縁膜のソース側端に沿った半導体基板側の電界を示すグラフである。It is a graph which shows the electric field by the side of the semiconductor substrate along the source side edge of an isolation insulating film. 分離絶縁膜のソース側端に沿った半導体基板側のインパクトイオン化発生レートを示すグラフである。It is a graph which shows the impact ionization generation | occurrence | production rate by the side of the semiconductor substrate along the source side edge of an isolation insulating film. 分離絶縁膜の底部の半導体基板側の電界を示すグラフである。It is a graph which shows the electric field by the side of the semiconductor substrate of the bottom part of an isolation insulating film. 分離絶縁膜の底部の半導体基板側のインパクトイオン化発生レートを示すグラフである。It is a graph which shows the impact ionization generation | occurrence | production rate by the side of the semiconductor substrate of the bottom part of an isolation insulating film. 溝の幅に対するオフ耐圧およびオン耐圧の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the off breakdown voltage and the on breakdown voltage with respect to the width of a groove. 溝の幅に対するオン抵抗の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of ON resistance to the width of a groove. 分離絶縁膜のソース側端と溝との距離に対する、ゲート電流の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the gate current with respect to the distance of the source side edge of an isolation insulating film, and a groove | channel. 分離絶縁膜のソース側端と溝との距離に対する、オフ耐圧およびオン耐圧の変化を示すグラフである。6 is a graph showing changes in off breakdown voltage and on breakdown voltage with respect to a distance between a source side end of an isolation insulating film and a groove. ゲート電極の被り量に対する、ゲート電流の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of gate current with respect to the covering amount of a gate electrode. ゲート電極の被り量の距離比とオフ耐圧およびオン耐圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distance ratio of the covering amount of a gate electrode, an off-breakdown voltage, and an on-breakdown voltage. ゲート電極の被り量の距離比とオン抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distance ratio of the covering amount of a gate electrode, and ON resistance. 溝の深さに対するゲート電流の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the gate current with respect to the depth of a groove | channel. 溝の深さに対するオフ耐圧およびオン耐圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the off breakdown voltage and the on breakdown voltage with respect to the depth of the groove. 分離絶縁膜の底部の半導体基板側の電界を示すグラフである。It is a graph which shows the electric field by the side of the semiconductor substrate of the bottom part of an isolation insulating film. 分離絶縁膜の底部の半導体基板側のインパクトイオン化発生レートを示すグラフである。It is a graph which shows the impact ionization generation | occurrence | production rate by the side of the semiconductor substrate of the bottom part of an isolation insulating film. 本発明の実施の形態2である半導体装置を示す平面図である。It is a top view which shows the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2である半導体装置の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the semiconductor device which is Embodiment 2 of this invention. 図26のD−D線における断面図である。It is sectional drawing in the DD line | wire of FIG. 本発明の実施の形態1および実施の形態2のそれぞれのLDMOSトランジスタにおけるゲート電流を比較するグラフである。It is a graph which compares the gate current in each LDMOS transistor of Embodiment 1 and Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態1および実施の形態2のそれぞれのLDMOSトランジスタにおけるオフ耐圧およびオン耐圧を比較するグラフである。4 is a graph comparing off breakdown voltage and on breakdown voltage in LDMOS transistors according to the first and second embodiments of the present invention. 本発明の実施の形態1および実施の形態2のそれぞれのLDMOSトランジスタにおけるオン抵抗を比較するグラフである。It is a graph which compares the on-resistance in each LDMOS transistor of Embodiment 1 and Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3である半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which is Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4である半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which is Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4および第1比較例のそれぞれのLDMOSトランジスタにおけるウェル電流を比較するグラフである。It is a graph which compares the well current in each LDMOS transistor of Embodiment 4 of this invention, and a 1st comparative example. 本発明の実施の形態4および第1比較例のそれぞれのLDMOSトランジスタにおけるオフ耐圧およびオン耐圧を比較するグラフである。6 is a graph comparing the off breakdown voltage and the on breakdown voltage in LDMOS transistors of the fourth embodiment of the present invention and the first comparative example. 本発明の実施の形態4および第1比較例のそれぞれのLDMOSトランジスタにおけるオン抵抗を比較するグラフである。It is a graph which compares the on-resistance in each LDMOS transistor of Embodiment 4 of this invention, and a 1st comparative example. 第1比較例の半導体装置であるNチャネル型のLDMOSトランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the N channel type LDMOS transistor which is a semiconductor device of a 1st comparative example. 第1比較例の半導体装置であるPチャネル型のLDMOSトランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the P channel type LDMOS transistor which is a semiconductor device of a 1st comparative example. 第2比較例の半導体装置であるNチャネル型のLDMOSトランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the N channel type LDMOS transistor which is a semiconductor device of the 2nd comparative example. 第2比較例の半導体装置であるPチャネル型のLDMOSトランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the P channel type LDMOS transistor which is a semiconductor device of the 2nd comparative example. 第1、第2比較例の半導体装置にストレスを与える時間の経過とオフ耐圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between progress of the time which gives stress to the semiconductor device of the 1st and 2nd comparative example, and an off breakdown voltage. 第1、第2比較例の半導体装置にストレスを与える時間の経過とゲート電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between passage of time which gives stress to the semiconductor device of the 1st and 2nd comparative examples, and gate current. 第1、第2比較例の半導体装置にストレスを与える時間の経過とオン抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between progress of the time which gives stress to the semiconductor device of a 1st, 2nd comparative example, and ON resistance. 第1比較例の半導体装置のゲート電極の被り量に対する、ゲート電流の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of gate current to the amount of covering of the gate electrode of the semiconductor device of the 1st comparative example. 第1比較例の半導体装置のゲート電極の被り量に対する、オフ耐圧およびオン耐圧の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of an off-proof pressure and an ON-proof pressure to the amount of covering of a gate electrode of a semiconductor device of the 1st comparative example.

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても、図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。   In the drawings used in the following embodiments, even a plan view may be partially hatched to make the drawings easy to see.

(実施の形態1)
以下に、図1および図2を用いて、本実施の形態の半導体装置の構造について説明する。図1は、本実施の形態の半導体装置であるLDMOSトランジスタの構造を示す平面図である。図2は、図1のA−A線における断面図である。図1および図2に示すLDMOSトランジスタPD1は、Pチャネル型MOS型のFET(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)である。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the structure of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing a structure of an LDMOS transistor which is a semiconductor device of the present embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The LDMOS transistor PD1 shown in FIGS. 1 and 2 is a P-channel MOS type FET (Field Effect Transistor).

図1では、半導体基板SBと、半導体基板SBの上面に形成された分離用の溝(分離溝)TNC内に埋め込まれた絶縁膜からなる分離絶縁膜SISと、半導体基板SBおよび分離絶縁膜SISのそれぞれの上に形成されたゲート電極GEとを示している。半導体基板SB内には、p型の半導体領域であるソース領域(ソース拡散層)SC、p型の半導体領域であるドレイン領域(ドレイン拡散層)DC、n型の半導体領域であるウェル領域WC、n型の半導体領域であるウェル領域WL、およびp型の半導体領域であるドリフト領域DFTが形成されている。図1では、分離絶縁膜SISに覆われた領域における、半導体基板SB、ドリフト領域DFTおよびウェル領域WLの互いの境界を破線で示している。また、平面視においてゲート電極GEが形成されている領域にハッチングを付している。 In FIG. 1, a semiconductor substrate SB, an isolation insulating film SIS made of an insulating film embedded in an isolation trench (separation trench) TNC formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB, and the semiconductor substrate SB and the isolation insulating film SIS. The gate electrode GE formed on each of these is shown. The semiconductor substrate SB, p + -type source region is a semiconductor region (source diffusion layer) SC, p + -type drain region is a semiconductor region (drain diffusion layer) DC, n + -type semiconductor region is a well A region WC, a well region WL that is an n-type semiconductor region, and a drift region DFT that is a p-type semiconductor region are formed. In FIG. 1, the boundaries of the semiconductor substrate SB, the drift region DFT, and the well region WL in the region covered with the isolation insulating film SIS are indicated by broken lines. In addition, the area where the gate electrode GE is formed is hatched in plan view.

図1に示すように、ソース領域SC、ドレイン領域DC、ウェル領域WC、ドリフト領域DFTの一部、およびウェル領域WLの一部のそれぞれの上面は、分離絶縁膜SISから露出している。また、分離絶縁膜SISの上面には、溝HLが形成されている。   As shown in FIG. 1, the upper surfaces of the source region SC, the drain region DC, the well region WC, a part of the drift region DFT, and a part of the well region WL are exposed from the isolation insulating film SIS. A trench HL is formed on the upper surface of the isolation insulating film SIS.

図2に示すように、Pチャネル型のLDMOSトランジスタPD1は、半導体基板SB内に形成された、ソース領域SC、ドレイン領域DC、ウェル領域WC、ウェル領域WL、ドリフト領域DFT、n型の半導体領域であるウェル領域HWL、ゲート電極GE、ゲート絶縁膜GIS、分離絶縁膜SISおよび溝HLを有している。LDMOSトランジスタPD1の上部は層間絶縁膜ISに覆われており、層間絶縁膜ISを貫通するコンタクトプラグCN1、CN2およびCN3は、LDMOSトランジスタPD1に接続されている。また、層間絶縁膜IS上に形成された複数の配線INCは、コンタクトプラグCN1の上面、CN2の上面およびCN3の上面にそれぞれ接続されている。 As shown in FIG. 2, the P-channel type LDMOS transistor PD1 includes a source region SC, a drain region DC, a well region WC, a well region WL, a drift region DFT, an n type semiconductor formed in a semiconductor substrate SB. The region includes a well region HWL, a gate electrode GE, a gate insulating film GIS, an isolation insulating film SIS, and a trench HL. The upper portion of the LDMOS transistor PD1 is covered with an interlayer insulating film IS, and contact plugs CN1, CN2 and CN3 penetrating the interlayer insulating film IS are connected to the LDMOS transistor PD1. The plurality of wirings INC formed on the interlayer insulating film IS are connected to the upper surface of the contact plug CN1, the upper surface of CN2, and the upper surface of CN3, respectively.

半導体基板SBは例えばp型シリコン基板であり、半導体基板SB上に形成されたゲート絶縁膜GISは例えばシリコン酸化膜からなり、半導体基板SB上にゲート絶縁膜GISを介して形成されたゲート電極GEは、例えばポリシリコンからなる。半導体基板SBの上面近傍には、n型の半導体領域であるウェル領域HWLが比較的深い深さで形成されている。 The semiconductor substrate SB is, for example, a p type silicon substrate, and the gate insulating film GIS formed on the semiconductor substrate SB is made of, for example, a silicon oxide film, and the gate electrode formed on the semiconductor substrate SB via the gate insulating film GIS. The GE is made of polysilicon, for example. Near the upper surface of the semiconductor substrate SB, a well region HWL which is an n type semiconductor region is formed with a relatively deep depth.

また、半導体基板SBの上面には、p型の半導体領域であるドリフト領域DFTおよびn型の半導体領域であるウェル領域WLが、ウェル領域HWLよりも浅く形成されている。ゲート絶縁膜GISは、溝TNCおよび分離絶縁膜SISよりもソース領域SC側に形成されている。つまり、平面視においてゲート絶縁膜GISと分離絶縁膜SISとは隣接して配置されており、互いに重なっていない。 On the upper surface of the semiconductor substrate SB, a drift region DFT that is a p + type semiconductor region and a well region WL that is an n type semiconductor region are formed shallower than the well region HWL. The gate insulating film GIS is formed closer to the source region SC than the trench TNC and the isolation insulating film SIS. That is, the gate insulating film GIS and the isolation insulating film SIS are disposed adjacent to each other in plan view and do not overlap each other.

n型のウェル領域WLより濃度の薄いn型のウェル領域HWLは、LDMOSトランジスタPD1の全域に亘って設けられており、ウェル領域WLとドリフト領域DFTとは、ゲート電極GEおよびゲート酸化膜の直下を境界として隣り合うように配置されている。また、ウェル領域WLはドリフト領域DFTよりも浅い深さで形成されている。 The n type well region HWL having a lighter concentration than the n type well region WL is provided over the entire region of the LDMOS transistor PD1, and the well region WL and the drift region DFT include the gate electrode GE and the gate oxide film. They are arranged so that they are adjacent to each other directly below. The well region WL is formed with a shallower depth than the drift region DFT.

例えば主にシリコン酸化膜からなる分離絶縁膜SISは、ウェル領域WLおよびドリフト領域DFTよりも浅い深さで半導体基板SBの上面に形成された溝TNC内に埋め込まれている。ソース領域SCおよびドレイン領域DCは、半導体基板SBの上面に、平面視においてゲート電極GE、ゲート絶縁膜GISおよび分離絶縁膜SISを挟むように配置されている。ゲート電極GEおよびドレイン領域DCの間隔は、ゲート電極GEおよびソース領域SCの間隔よりも大きい。分離絶縁膜SISはゲート電極GEとドレイン領域DCとの間に設けられており、ゲート電極GEの直下に配置されている。   For example, the isolation insulating film SIS mainly made of a silicon oxide film is buried in a trench TNC formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB at a depth shallower than the well region WL and the drift region DFT. The source region SC and the drain region DC are arranged on the upper surface of the semiconductor substrate SB so as to sandwich the gate electrode GE, the gate insulating film GIS, and the isolation insulating film SIS in plan view. The distance between the gate electrode GE and the drain region DC is larger than the distance between the gate electrode GE and the source region SC. The isolation insulating film SIS is provided between the gate electrode GE and the drain region DC, and is disposed immediately below the gate electrode GE.

LDMOSトランジスタPD1のチャネルが形成されるウェル領域WLは、ソース領域SCの下面および側壁を覆うように形成されており、ドリフト領域DFTは、ドレイン領域DCの下面と、分離絶縁膜SISの下面および側壁とを覆うように形成されている。また、n型の半導体領域であるウェル領域WCの一方の側壁は、ソース領域SCに接し、ウェル領域WCの下面は、ウェル領域WLに覆われている。ソース領域SC、ドレイン領域DC、ウェル領域WCは、ウェル領域WL、ドリフト領域DFTおよび分離絶縁膜SISよりも浅い深さで半導体基板SBの上面に形成されている。ドリフト領域DFTはゲート絶縁膜GISの直下および分離絶縁膜SISの直下に亘って形成されており、ドリフト領域DFTのソース領域SC側の端部はゲート絶縁膜GISの直下に位置している。 The well region WL where the channel of the LDMOS transistor PD1 is formed is formed so as to cover the lower surface and the side wall of the source region SC, and the drift region DFT includes the lower surface of the drain region DC, the lower surface and the side wall of the isolation insulating film SIS. And so as to cover. One side wall of the well region WC that is an n + type semiconductor region is in contact with the source region SC, and the lower surface of the well region WC is covered with the well region WL. The source region SC, drain region DC, and well region WC are formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB at a depth shallower than the well region WL, the drift region DFT, and the isolation insulating film SIS. The drift region DFT is formed immediately below the gate insulating film GIS and directly below the isolation insulating film SIS, and the end of the drift region DFT on the source region SC side is located immediately below the gate insulating film GIS.

所望のソース−ドレイン耐圧を確保するために設けられた分離絶縁膜SISの上には、ゲート電極GEが一部覆い被さっており、この構造により得られるフィールドプレート効果により、高い耐圧を得ることができる。この被り量を大きくすることにより、分離絶縁膜SISの端部の電界が緩和し、ホットキャリアストレス中における分離絶縁膜SISのソース側端やゲート絶縁膜GISへの電子注入が抑制される。なお、本願でいう耐圧とは、特に指摘しない限り、ソースとドレインとの間の電気的な耐圧をいい、ゲートがオフしている時の耐圧をオフ耐圧、オンしている時の耐圧をオン耐圧と呼ぶ。   A gate electrode GE is partially covered on the isolation insulating film SIS provided to ensure a desired source-drain breakdown voltage, and a high breakdown voltage can be obtained by the field plate effect obtained by this structure. it can. By increasing the amount of covering, the electric field at the end of the isolation insulating film SIS is relaxed, and electron injection into the source side end of the isolation insulating film SIS and the gate insulating film GIS during hot carrier stress is suppressed. Note that the withstand voltage in this application refers to the electrical withstand voltage between the source and the drain unless otherwise specified. The withstand voltage when the gate is off is the off withstand voltage, and the withstand voltage when the gate is on is on. Called pressure resistance.

コンタクトプラグCN1は、ウェル領域WCおよびソース領域SCのそれぞれの上面に、シリサイド層(図示しない)を介して電気的に接続されている。つまり、ウェル領域WCおよびソース領域SCは、それらの上面に形成されたシリサイド層(図示しない)を介してショートしている。このようにウェル領域WCおよびソース領域SCを短絡させているのは、半導体基板内の寄生バイポーラトランジスタのベース抵抗を抑えるためである。ウェル領域WCおよびソース領域SCを短絡させることで、寄生バイポーラトランジスタがオンすることを防ぐことができる。ここでいう寄生バイポーラは、例えばソース領域SC、ウェル領域WLおよびドリフト領域DFTからなるPNP接合により構成され得るものである。   The contact plug CN1 is electrically connected to the upper surfaces of the well region WC and the source region SC via a silicide layer (not shown). That is, the well region WC and the source region SC are short-circuited via a silicide layer (not shown) formed on the upper surface thereof. The reason why the well region WC and the source region SC are short-circuited in this way is to suppress the base resistance of the parasitic bipolar transistor in the semiconductor substrate. By short-circuiting the well region WC and the source region SC, it is possible to prevent the parasitic bipolar transistor from being turned on. The parasitic bipolar here can be constituted by, for example, a PNP junction including a source region SC, a well region WL, and a drift region DFT.

コンタクトプラグCN2は、ゲート電極GEの上面にシリサイド層(図示しない)を介して電気的に接続されている。コンタクトプラグCN3は、ドレイン領域DCの上面にシリサイド層(図示しない)を介して電気的に接続されている。   The contact plug CN2 is electrically connected to the upper surface of the gate electrode GE via a silicide layer (not shown). The contact plug CN3 is electrically connected to the upper surface of the drain region DC via a silicide layer (not shown).

このように、半導体基板SBの主面には一対のソース領域SCおよびドレイン領域DCが形成されており、ソース領域SCおよびドレイン領域DC間の溝TNC内には分離絶縁膜SISが設けられ、分離絶縁膜SISよりもソース領域SC側にゲート絶縁膜GISが形成されている。ゲート電極GEは、ソース領域SCおよびドレイン領域DC間において、ゲート絶縁膜GIS上および分離絶縁膜SIS上に跨がるように形成されている。つまり、ゲート電極GEはゲート絶縁膜GISの直上および分離絶縁膜SISの直上に亘って形成されている。   Thus, a pair of source region SC and drain region DC is formed on the main surface of the semiconductor substrate SB, and an isolation insulating film SIS is provided in the trench TNC between the source region SC and the drain region DC. A gate insulating film GIS is formed closer to the source region SC than the insulating film SIS. The gate electrode GE is formed so as to straddle over the gate insulating film GIS and the isolation insulating film SIS between the source region SC and the drain region DC. That is, the gate electrode GE is formed over the gate insulating film GIS and directly over the isolation insulating film SIS.

分離絶縁膜SISの上面に形成された溝HL内にはゲート電極GEが埋め込まれている。ここで、図38に示す第1比較例の半導体装置であるPチャネル型のLDMOSトランジスタCD2のように、分離絶縁膜SISの上面に溝HLを形成しない場合には、以下の問題が生じる。すなわち、ゲート電極GE端の下の半導体基板SBの表面の電界が強くなるため、オフ耐圧が低下する問題がある。また、ゲート電極GE端の下の半導体基板SBの表面において、インパクトイオン化による電子が増大し、この電子電流が寄生バイポーラトランジスタを動作させることにより、オン耐圧が低下する問題がある。これは、図37に示すように、溝HLを有していないNチャネル型のLDMOSトランジスタCD1においても同様である。図37は、第1比較例の半導体装置であるNチャネル型のLDMOSトランジスタを示す断面図である。   A gate electrode GE is embedded in the trench HL formed on the upper surface of the isolation insulating film SIS. Here, when the trench HL is not formed on the upper surface of the isolation insulating film SIS like the P-channel type LDMOS transistor CD2 which is the semiconductor device of the first comparative example shown in FIG. That is, since the electric field on the surface of the semiconductor substrate SB below the end of the gate electrode GE becomes strong, there is a problem that the off breakdown voltage is lowered. Further, there is a problem in that electrons due to impact ionization increase on the surface of the semiconductor substrate SB below the end of the gate electrode GE, and this electron current causes the parasitic bipolar transistor to operate, thereby reducing the on-breakdown voltage. As shown in FIG. 37, this also applies to the N-channel LDMOS transistor CD1 that does not have the trench HL. FIG. 37 is a cross-sectional view showing an N-channel type LDMOS transistor which is a semiconductor device of a first comparative example.

また、Nチャネル型およびPチャネル型のLDMOSトランジスタのそれぞれでは、ホットキャリアストレス時に、STI構造のソース側の端部で電界が集中して高電界となるため、界面準位が発生し、また、衝突電離により発生した電子がSTI構造の端部に注入されることにより、オン抵抗が変動する問題が起こる。また、Pチャネル型のLDMOSトランジスタでは、これに加え、電子がゲート絶縁膜に注入される方向に電界が向いているため、STI構造の端部で電子が加速されてゲート絶縁膜に注入され、電界のバランスが崩れて耐圧が低下し、また、当該注入により生じたダメージにより、STI構造の上端部でゲート酸化膜が破壊される問題がある。   In each of the N-channel and P-channel LDMOS transistors, an interface state is generated because the electric field is concentrated and becomes a high electric field at the end of the source side of the STI structure at the time of hot carrier stress. When electrons generated by impact ionization are injected into the end portion of the STI structure, there arises a problem that the on-resistance varies. In addition, in the P-channel type LDMOS transistor, since the electric field is directed in the direction in which electrons are injected into the gate insulating film, electrons are accelerated at the end of the STI structure and injected into the gate insulating film, There is a problem in that the electric field is lost and the breakdown voltage is reduced, and the gate oxide film is destroyed at the upper end of the STI structure due to the damage caused by the implantation.

これに対し、図39および図40に第2比較例としてそれぞれ示すLDMOSトランジスタCD3、CD4のように、STI構造、つまり分離絶縁膜SISの端部に段差を設けることにより、最も電界の集中するSTI構造の端部の電界を緩和させることが考えられる。図39は、第2比較例の半導体装置であるNチャネル型のLDMOSトランジスタCD3を示す断面図である。図40は、第2比較例の半導体装置であるPチャネル型のLDMOSトランジスタCD4を示す断面図である。   On the other hand, the STI structure, that is, the STI where the electric field is most concentrated is provided by providing a step at the end of the isolation insulating film SIS as in the LDMOS transistors CD3 and CD4 shown as the second comparative example in FIGS. It is conceivable to reduce the electric field at the end of the structure. FIG. 39 is a cross-sectional view showing an N-channel type LDMOS transistor CD3 which is a semiconductor device of a second comparative example. FIG. 40 is a cross-sectional view showing a P-channel type LDMOS transistor CD4 which is a semiconductor device of a second comparative example.

図39および図40に示す第2比較例のLDMOSトランジスタCD3、CD4は、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)と異なり、溝HLを有しておらず、また、分離絶縁膜SISの底部において、ソース領域SC側の端部に段差が設けられている。   Unlike the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) of the present embodiment, the LDMOS transistors CD3 and CD4 of the second comparative example shown in FIGS. 39 and 40 do not have the trench HL, and the isolation insulating film SIS. Is provided with a step at the end on the source region SC side.

なお、図37および図39に示すNチャネル型LDMOSトランジスタが、図38および図40に示すPチャネル型LDMOSトランジスタと異なる点は、以下の点にある。つまり、Nチャネル型LDMOSトランジスタは、ウェル領域HWLを有していない点、ソース領域SC、ドレイン領域DC、ドリフト領域DFT、ウェル領域WLおよびウェル領域WCのそれぞれの導電型がPチャネル型LDMOSトランジスタの各領域とは反対の導電型となっている点で、Pチャネル型LDMOSトランジスタとは異なっている。すなわち、Nチャネル型のLDMOSトランジスタCD3では、ソース領域SCおよびドレイン領域DCはn型であり、ドリフト領域DFTはn型であり、ウェル領域WLはp型であり、ウェル領域WCはp型である。 The N-channel LDMOS transistors shown in FIGS. 37 and 39 are different from the P-channel LDMOS transistors shown in FIGS. 38 and 40 in the following points. That is, the N channel type LDMOS transistor has no well region HWL, and the conductivity types of the source region SC, drain region DC, drift region DFT, well region WL and well region WC are different from those of the P channel type LDMOS transistor. It differs from a P-channel LDMOS transistor in that it has a conductivity type opposite to that of each region. That is, in the N channel type LDMOS transistor CD3, the source region SC and the drain region DC are n + type, the drift region DFT is n type, the well region WL is p type, and the well region WC is p + type. It is.

なお、後述する実施の形態4のNチャネル型LDMOSトランジスタPD4(図33参照)の構造は、上記と同様に、本実施の形態のPチャネル型のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)と異なる。   Note that the structure of an N-channel LDMOS transistor PD4 (see FIG. 33) of the fourth embodiment to be described later is different from that of the P-channel LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) of the present embodiment, as described above.

ここで、図41に、LDMOSトランジスタCD2(図38参照)およびLDMOSトランジスタCD4(図40参照)のそれぞれのホットキャリアストレス中の耐圧変動の実測結果を示す。図41は、第1、第2比較例の半導体装置にストレスを与える時間の経過とオフ耐圧BVoffとの関係を示すグラフであり、LDMOSトランジスタCD2の結果を破線および白い菱形のプロットで示し、LDMOSトランジスタCD4の結果を実線および黒い四角のプロットで示している。つまり図41は、STI構造に段差を設けない第1比較例のLDMOSトランジスタCD2と、STI構造に段差を設けた第2比較例のLDMOSトランジスタCD4のそれぞれの耐圧寿命を比較するものである。   Here, FIG. 41 shows the actual measurement results of the withstand voltage fluctuation during hot carrier stress of the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) and the LDMOS transistor CD4 (see FIG. 40). FIG. 41 is a graph showing the relationship between the passage of time for applying stress to the semiconductor devices of the first and second comparative examples and the off breakdown voltage BVoff. The results of the LDMOS transistor CD2 are shown by broken lines and white rhombus plots. The results for transistor CD4 are shown as a solid line and a black square plot. That is, FIG. 41 compares the breakdown voltage lifetimes of the LDMOS transistor CD2 of the first comparative example that does not have a step in the STI structure and the LDMOS transistor CD4 of the second comparative example that has a step in the STI structure.

図41のグラフから、図40のように段差を設けた構造においても、図38のような段差を設けない構造と同様に、ホットキャリアストレス中に耐圧の低下が発生していることが分かる。これは、電界が集中するSTI構造のソース側端の角部が2か所に増え、STI構造の端部への電子の注入が促進されたためと考えられる。その電子注入の量を示す指標であるゲート電流Igは、図42の実測結果から分かるように、増加している。   From the graph of FIG. 41, it can be seen that the breakdown voltage is reduced during the hot carrier stress in the structure having the step as shown in FIG. 40 as well as the structure without the step as shown in FIG. This is thought to be because the corners at the source side end of the STI structure where the electric field concentrates increased to two places, and the injection of electrons into the end of the STI structure was promoted. As can be seen from the actual measurement result of FIG. 42, the gate current Ig, which is an index indicating the amount of electron injection, increases.

このため、図43の実測結果に示すように、上記段差を設けても、オン抵抗Rspの変動量は低減しない。上記のようにPチャネル型LDMOSトランジスタは、ホットキャリアストレス中の電子が積極的にSTI構造またはゲート酸化膜に注入されることに起因する種々の問題を有しているが、図41〜図43の実測結果から分かるように、図40に示す構造ではそれらの問題を解決することが困難である。また、Pチャネル型に比べ、Nチャネル型のLDMOSトランジスタ(図37および図39参照)ではゲート絶縁膜に電子が注入される問題およびゲート絶縁膜が破壊される問題は起きにくいが、図41〜図43を用いて説明したように、STI構造に段差を設けても、ホットキャリアストレス中にSTI構造に電子が注入され、素子の耐圧が低下する問題を解決することは困難である。   For this reason, as shown in the actual measurement result of FIG. 43, even if the step is provided, the variation amount of the on-resistance Rsp is not reduced. As described above, the P-channel LDMOS transistor has various problems due to positive injection of electrons in hot carrier stress into the STI structure or the gate oxide film. As can be seen from the actual measurement results, it is difficult to solve these problems with the structure shown in FIG. Compared to the P-channel type, the N-channel type LDMOS transistor (see FIGS. 37 and 39) is less likely to cause problems of electrons being injected into the gate insulating film and the gate insulating film being destroyed. As described with reference to FIG. 43, even if a step is provided in the STI structure, it is difficult to solve the problem that electrons are injected into the STI structure during hot carrier stress and the breakdown voltage of the element is lowered.

なお、本願でいうゲート電流とは、半導体基板とゲート電極との間に、ゲート絶縁膜または分離絶縁膜などを介して流れる電流をいう。図42は、第1、第2比較例の半導体装置にストレスを与える時間の経過とゲート電流Igとの関係を示すグラフである。図43は、第1、第2比較例の半導体装置にストレスを与える時間の経過とオン抵抗Rspとの関係を示すグラフである。図42および図43でも、図41と同様にLDMOSトランジスタCD2の結果を破線および白い菱形のプロットで示し、LDMOSトランジスタCD4の結果を実線および黒い四角のプロットで示している。   Note that the gate current in the present application refers to a current that flows between a semiconductor substrate and a gate electrode through a gate insulating film or an isolation insulating film. FIG. 42 is a graph showing the relationship between the passage of time for applying stress to the semiconductor devices of the first and second comparative examples and the gate current Ig. FIG. 43 is a graph showing the relationship between the passage of time for applying stress to the semiconductor devices of the first and second comparative examples and the on-resistance Rsp. 42 and 43, similarly to FIG. 41, the results of the LDMOS transistor CD2 are indicated by a broken line and a white rhombus plot, and the results of the LDMOS transistor CD4 are indicated by a solid line and a black square plot.

上記の問題に対応するため、本実施の形態では、図2に示す分離絶縁膜SISの上面の、ゲート絶縁膜GISおよびソース領域SCに近い側の領域に溝HLを設け、溝HL内にゲート電極GEの一部を埋め込んでいる。ここでは、溝HL内に埋め込まれたゲート電極GEが分離絶縁膜SISのソース側端近傍の半導体基板SB内の電界を緩和させるため、分離絶縁膜SIS上のゲート電極GEの被り量を必要以上に長くする必要がない。したがって、ゲート電極GEの被り量である長さLovが長くなることに起因するオフ耐圧およびオン耐圧の低下を防ぎつつ、ホットキャリア特性を改善することが可能となる。これにより、LDMOSトランジスタの耐圧変動を防ぎ、また、ゲート絶縁膜の信頼性を向上させることができるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。   In order to deal with the above problem, in this embodiment, a trench HL is provided in a region on the upper surface of the isolation insulating film SIS shown in FIG. A part of the electrode GE is embedded. Here, the gate electrode GE embedded in the trench HL relaxes the electric field in the semiconductor substrate SB in the vicinity of the source side end of the isolation insulating film SIS, so that the amount of coverage of the gate electrode GE on the isolation insulating film SIS is more than necessary. There is no need to make it long. Therefore, it is possible to improve the hot carrier characteristics while preventing a decrease in the off breakdown voltage and the on breakdown voltage due to the length Lov being the covering amount of the gate electrode GE being increased. As a result, fluctuations in the breakdown voltage of the LDMOS transistor can be prevented and the reliability of the gate insulating film can be improved, so that the reliability of the semiconductor device can be improved.

本実施の形態によれば、分離絶縁膜SISの一部にゲート電極GEが埋め込まれているため、最も電界の集中する分離絶縁膜SISの端部近傍の電界が緩和される。したがって、ホットキャリアストレス中における分離絶縁膜SISの端部またはゲート絶縁膜GISへの電子注入が抑制され、オン抵抗の変動を小さくすることができ、かつ、ゲート絶縁膜GISの破壊を防ぐことが可能となる。   According to the present embodiment, since the gate electrode GE is embedded in a part of the isolation insulating film SIS, the electric field in the vicinity of the end of the isolation insulating film SIS where the electric field is concentrated is alleviated. Therefore, electron injection into the edge of the isolation insulating film SIS or the gate insulating film GIS during hot carrier stress is suppressed, variation in on-resistance can be reduced, and destruction of the gate insulating film GIS can be prevented. It becomes possible.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法を、図3〜図8を用いて説明する。図3〜図8は、図1および図2に示した本実施の形態の半導体装置であるLDMOSトランジスタの製造方法を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 8 are cross-sectional views showing a method of manufacturing an LDMOS transistor which is the semiconductor device of the present embodiment shown in FIGS.

まず、図3に示すように、p型シリコン基板である半導体基板SBを準備する。次に、周知の写真製版(フォトリソグラフィ)技術により、LDMOSトランジスタの形成される領域を開口するようにフォトレジスト膜を形成し、半導体基板SBの上面にn型不純物を注入する。当該フォトレジスト膜を除去した後、例えば1000℃を超えるような高温熱処理によりn型不純物を半導体基板SBの上面から深い領域に拡散して、n型のウェル領域HWLを形成する。 First, as shown in FIG. 3, a semiconductor substrate SB which is a p type silicon substrate is prepared. Next, a photoresist film is formed so as to open a region where the LDMOS transistor is formed by a well-known photolithography technique, and an n-type impurity is implanted into the upper surface of the semiconductor substrate SB. After removing the photoresist film, an n - type well region HWL is formed by diffusing n-type impurities from the upper surface of the semiconductor substrate SB to a deep region by high-temperature heat treatment exceeding 1000 ° C., for example.

次に、図4に示すように、STI構造を形成するためのハードマスクHMを半導体基板SBの表面上に堆積させる。このハードマスクHMは、例えばシリコン窒化膜により構成され、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成されている。次に、写真製版技術により、STI形成予定領域を開口するようにフォトレジスト膜を形成する。その後、フォトレジスト膜の開口部から露出する半導体基板SBを異方性エッチングにより数百nm程度の深さ分だけ除去したのち、フォトレジスト膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 4, a hard mask HM for forming the STI structure is deposited on the surface of the semiconductor substrate SB. The hard mask HM is made of, for example, a silicon nitride film or a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. Next, a photoresist film is formed so as to open the STI formation scheduled region by photolithography. Thereafter, the semiconductor substrate SB exposed from the opening of the photoresist film is removed by a depth of about several hundred nm by anisotropic etching, and then the photoresist film is removed.

次に、図5に示すように、半導体基板SB上の全面にシリコン酸化膜を堆積して溝TNC内を埋め込んだ後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法またはエッチバック法によりハードマスクHM上のシリコン酸化膜を除去することで、溝TNC内のみにシリコン酸化膜からなる分離絶縁膜SISを残す。その後、ハードマスクHMを等方性エッチングなどにより除去する。次に、写真製版技術により、半導体基板SBの上面に、p型のドリフト領域DFTおよびn型のウェル領域WLをイオン注入などの方法で順次形成する。なお、p型のドリフト領域DFTおよびn型のウェル領域WLはどちらを先に形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 5, after depositing a silicon oxide film on the entire surface of the semiconductor substrate SB and filling the trench TNC, the silicon on the hard mask HM is formed by CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or etch back method. By removing the oxide film, the isolation insulating film SIS made of the silicon oxide film is left only in the trench TNC. Thereafter, the hard mask HM is removed by isotropic etching or the like. Next, a p-type drift region DFT and an n-type well region WL are sequentially formed on the upper surface of the semiconductor substrate SB by a method such as ion implantation by photolithography. Either the p-type drift region DFT or the n-type well region WL may be formed first.

次に、図6に示すように、写真製版技術により、溝TNC内の分離絶縁膜SISの上面に溝HLを形成する部分を露出するように開口したフォトレジスト膜(図示しない)を形成する。フォトレジスト膜を開口する位置は、分離絶縁膜SISの直上であって、分離絶縁膜SISの端部からは離れており、かつ、後の工程でゲート電極GE(図7参照)が形成される予定の領域と平面視において重なる領域に位置している。次に、例えば当該フォトレジスト膜をマスクとして異方性エッチングを行うことにより、分離絶縁膜SISの上面に溝HLを形成する。溝HLの深さは、分離絶縁膜SISの1/3以上の深さに形成されるが、分離絶縁膜SISの底面までには到達しない。その後、フォトレジスト膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 6, a photoresist film (not shown) having an opening so as to expose a portion where the groove HL is to be formed is formed on the upper surface of the isolation insulating film SIS in the trench TNC by photolithography. The position where the photoresist film is opened is directly above the isolation insulating film SIS, is away from the end of the isolation insulating film SIS, and the gate electrode GE (see FIG. 7) is formed in a later step. It is located in a region that overlaps the planned region in plan view. Next, for example, anisotropic etching is performed using the photoresist film as a mask, thereby forming a groove HL on the upper surface of the isolation insulating film SIS. The depth of the trench HL is formed to be 1/3 or more of the isolation insulating film SIS, but does not reach the bottom surface of the isolation insulating film SIS. Thereafter, the photoresist film is removed.

次に、図7に示すように、例えば熱酸化法によりゲート絶縁膜GISを数〜数十nm程度の厚さで形成し、その上にゲート電極GEとなるポリシリコンをCVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより形成する。このとき、溝HL内にもポリシリコンが埋め込まれる。次に、写真製版技術により、ゲート電極GEの形成予定領域のみを覆うフォトレジスト膜のパターンを形成する。このとき、溝HLはフォトレジスト膜に覆われている。その後、異方性エッチングによりポリシリコンを除去して半導体基板SBおよび分離絶縁膜SISのそれぞれの上面を露出させることで、ゲート電極GEを形成した後、フォトレジスト膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 7, a gate insulating film GIS is formed with a thickness of about several to several tens of nanometers by, for example, thermal oxidation, and polysilicon serving as the gate electrode GE is formed thereon by CVD (Chemical Vapor Deposition). It is formed by the method. At this time, polysilicon is also buried in the trench HL. Next, a pattern of a photoresist film that covers only the region where the gate electrode GE is to be formed is formed by photolithography. At this time, the trench HL is covered with a photoresist film. Thereafter, the polysilicon is removed by anisotropic etching to expose the upper surfaces of the semiconductor substrate SB and the isolation insulating film SIS, thereby forming the gate electrode GE and then removing the photoresist film.

次に、図8に示すように、写真製版技術により、ドレイン領域DC、ソース領域SC、およびウェル領域WCをイオン注入などの方法で順次形成する。これにより、ソース領域SC、ドレイン領域DC、ウェル領域WC、ウェル領域WL、ドリフト領域DFT、ウェル領域HWL、ゲート電極GE、ゲート絶縁膜GIS、分離絶縁膜SISおよび溝HLを有するLDMOSトランジスタPD1を形成する。   Next, as shown in FIG. 8, the drain region DC, the source region SC, and the well region WC are sequentially formed by a method such as ion implantation by photolithography. Thereby, the LDMOS transistor PD1 having the source region SC, the drain region DC, the well region WC, the well region WL, the drift region DFT, the well region HWL, the gate electrode GE, the gate insulating film GIS, the isolation insulating film SIS, and the trench HL is formed. To do.

次に、層間絶縁膜ISを、例えばCVD法を用いて半導体基板SB上の全面に堆積した後、写真製版技術により層間絶縁膜ISに複数の接続孔を形成する。これらの接続孔内にタングステンなどの導体を埋め込むことにより、コンタクトプラグCN1〜CN3を形成する。次に、層間絶縁膜IS上に、必要数の配線層を形成する。LDMOSトランジスタに接続された配線INCは、この配線層を構成している。配線の主な材料には、例えばAl(アルミニウム)またはCu(銅)などが用いられる。このようにして、図1および図2に示すような構造を形成する。また、図示はしていないが、最上層の配線層には、電極パッドを形成する。   Next, after an interlayer insulating film IS is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate SB by using, for example, a CVD method, a plurality of connection holes are formed in the interlayer insulating film IS by photolithography. Contact plugs CN1 to CN3 are formed by embedding a conductor such as tungsten in these connection holes. Next, a necessary number of wiring layers are formed on the interlayer insulating film IS. The wiring INC connected to the LDMOS transistor constitutes this wiring layer. For example, Al (aluminum) or Cu (copper) is used as the main material of the wiring. In this way, the structure as shown in FIGS. 1 and 2 is formed. Although not shown, electrode pads are formed on the uppermost wiring layer.

以下では、本実施の形態の半導体装置の効果について説明する。本実施の形態の目的である、ホットキャリアストレス時のオン抵抗の変動の抑制、およびゲート酸化膜破壊の防止に関し、その有効な指標となるのが、ストレス中の電子注入量を反映したゲート電流Igである。本実施の形態の構造の特徴的な部分である、溝HL(図2参照)内のゲート電極GE(図2参照)が、このゲート電流Igの低減に有効であることを、以下、詳細に説明する。   Below, the effect of the semiconductor device of this Embodiment is demonstrated. The gate current that reflects the amount of electron injection during stress is an effective index for suppressing the change in on-resistance during hot carrier stress and preventing gate oxide film destruction, which is the object of this embodiment. Ig. It will be described in detail below that the gate electrode GE (see FIG. 2) in the trench HL (see FIG. 2), which is a characteristic part of the structure of the present embodiment, is effective in reducing the gate current Ig. explain.

まず、溝HLが設けられていない構造を有するLDMOSトランジスタCD2(図38参照)のゲート電流Igについて説明する。このゲート電流Igは、分離絶縁膜SISの端部近傍の電界を小さくすることにより減少させることができる。LDMOSトランジスタCD2において、ゲート電流Igを減らすために有効な手法は、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovを増やすことである。図44は、LDMOSトランジスタCD2における長さLovに対する、ゲート電流Igの変化を示すデバイスシミュレーション結果のグラフである。   First, the gate current Ig of the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) having a structure in which the trench HL is not provided will be described. This gate current Ig can be reduced by reducing the electric field in the vicinity of the end of the isolation insulating film SIS. In the LDMOS transistor CD2, an effective method for reducing the gate current Ig is to increase the length Lov, which is the amount of covering of the gate electrode GE with respect to the isolation insulating film SIS. FIG. 44 is a graph of device simulation results showing changes in the gate current Ig with respect to the length Lov in the LDMOS transistor CD2.

ここで、長さLovは、分離絶縁膜SIS直下のドリフト領域DFTの長さ、つまり分離絶縁膜SISの直下のドレイン領域の長さLdとの比率(パーセント表示)で示されており、p型のドリフト領域DFTの長さLdは一定である。ゲート電極GEの被り量である長さLovが大きくなると、分離絶縁膜SISのソース側端の電界が緩和されるため、ゲート電流Igは小さくなる。しかし、図45に示すように、オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonが低下する問題が発生する。   Here, the length Lov is indicated by a ratio (in percentage) to the length of the drift region DFT immediately below the isolation insulating film SIS, that is, the length Ld of the drain region immediately below the isolation insulating film SIS. The length Ld of the drift region DFT is constant. When the length Lov, which is the amount of covering of the gate electrode GE, increases, the electric field at the source side end of the isolation insulating film SIS is relaxed, and the gate current Ig decreases. However, as shown in FIG. 45, there arises a problem that the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon are lowered.

図45は、LDMOSトランジスタCD2における長さLovに対する、オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonの変化を示すグラフである。図45では、オフ耐圧BVoffのグラフを実線および黒い菱形のプロットで示し、オン耐圧BVonのグラフを破線および白い三角のプロットで示している。   FIG. 45 is a graph showing changes in the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon with respect to the length Lov in the LDMOS transistor CD2. In FIG. 45, the graph of the off breakdown voltage BVoff is indicated by a solid line and a black rhombus plot, and the graph of the on breakdown voltage BVon is indicated by a broken line and a white triangular plot.

次に、本実施の形態の構造について、図2に示す溝HL内のゲート電極GEの平面的な位置がゲート電流Igに与える影響に着目して説明する。溝HL内のゲート電極GEの平面的な位置を表すレイアウトパラメータとしては、溝HLの幅Lt、分離絶縁膜SISのソース側端と溝HLとの距離Ls、および、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovが挙げられる。なお、幅Lt、距離Lsおよび長さLovは、いずれもLDMOSトランジスタを構成するソース領域およびドレイン領域が並ぶ方向であって、半導体基板の主面に沿う方向における長さである。   Next, the structure of the present embodiment will be described by paying attention to the influence of the planar position of the gate electrode GE in the trench HL shown in FIG. 2 on the gate current Ig. Layout parameters representing the planar position of the gate electrode GE in the trench HL include the width Lt of the trench HL, the distance Ls between the source side end of the isolation insulating film SIS and the trench HL, and the isolation insulating film of the gate electrode GE. The length Lov which is the amount of covering with respect to SIS is mentioned. Note that the width Lt, the distance Ls, and the length Lov are all the lengths in the direction along the main surface of the semiconductor substrate, in which the source and drain regions constituting the LDMOS transistor are arranged.

また、図2に示すように、半導体基板SBの主面に対して垂直な方向における分離絶縁膜SISの厚さはLyで表わされ、同方向における溝HLの深さはLxで表わされる。つまり、溝HLの深さLxは、分離絶縁膜SISの上面から溝HLの底面までの距離である。   Further, as shown in FIG. 2, the thickness of the isolation insulating film SIS in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate SB is represented by Ly, and the depth of the trench HL in the same direction is represented by Lx. That is, the depth Lx of the trench HL is a distance from the top surface of the isolation insulating film SIS to the bottom surface of the trench HL.

以下に、それぞれのパラメータの値を変えた場合のゲート電流Igの変化について、デバイスシミュレーション結果を交えて説明する。   Hereinafter, changes in the gate current Ig when the values of the respective parameters are changed will be described along with device simulation results.

図9は、図2に示す本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1における、溝HLの幅Ltに対する、ゲート電流Igの変化を表したデバイスシミュレーション結果のグラフである。ここで、溝HLの幅Ltは、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovとの比率(パーセント表示)で示されており、長さLovの値は一定である。なお、このシミュレーションでは、距離比Ls/Lovは6.8%に、深さ比Lx/Lyは77%に固定されている。また、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)のように、溝HLが形成されていない場合、つまり溝HLの幅Ltが0%で固定されている場合のゲート電流Igの値は、図9において破線の丸で示す値となる。   FIG. 9 is a graph of a device simulation result showing a change in the gate current Ig with respect to the width Lt of the trench HL in the LDMOS transistor PD1 of the present embodiment shown in FIG. Here, the width Lt of the trench HL is indicated by a ratio (expressed as a percentage) to the length Lov, which is a covering amount of the gate electrode GE with respect to the isolation insulating film SIS, and the value of the length Lov is constant. In this simulation, the distance ratio Ls / Lov is fixed at 6.8%, and the depth ratio Lx / Ly is fixed at 77%. Further, as in the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example, the value of the gate current Ig when the groove HL is not formed, that is, when the width Lt of the groove HL is fixed at 0% is In FIG. 9, the values are indicated by broken-line circles.

図9に示すように、溝HLの幅Ltを0%から約50%にまで大きくしていくと、ゲート電流Igは小さくなっていき、約50%でゲート電流Igは最小となる。したがって、溝HLを設けない第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)に比べ、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)は、約3桁程度ゲート電流Igを低減することが可能である。   As shown in FIG. 9, as the width Lt of the trench HL is increased from 0% to about 50%, the gate current Ig decreases, and at about 50%, the gate current Ig becomes minimum. Therefore, the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) of the present embodiment can reduce the gate current Ig by about three digits as compared with the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example in which the trench HL is not provided. Is possible.

ここで、図10に、本実施の形態の半導体装置における分離絶縁膜のソース領域側の端部を拡大した断面図を示す。図10では、分離絶縁膜SISと半導体基板SBとの境界に沿って、特定の点B1、B2およびC1を示している。B1は分離絶縁膜SISと半導体基板SBとの境界における上端部であり、B2は分離絶縁膜SISの底面におけるソース領域側の端部であり、C1はゲート電極GEのドレイン領域側の端部の直下における、分離絶縁膜SISと半導体基板SBの境界である。   Here, FIG. 10 shows an enlarged cross-sectional view of an end portion on the source region side of the isolation insulating film in the semiconductor device of this embodiment. FIG. 10 shows specific points B1, B2, and C1 along the boundary between the isolation insulating film SIS and the semiconductor substrate SB. B1 is an upper end portion at the boundary between the isolation insulating film SIS and the semiconductor substrate SB, B2 is an end portion on the source region side on the bottom surface of the isolation insulating film SIS, and C1 is an end portion on the drain region side of the gate electrode GE. This is the boundary between the isolation insulating film SIS and the semiconductor substrate SB immediately below.

分離絶縁膜SISのソース側端に沿った、図10の断面図の境界ラインB1−B2における半導体基板SB側の電界のシミュレーション結果のグラフを図11に示し、境界ラインB1−B2における半導体基板SB側のインパクトイオン化発生レート(IIGR)のシミュレーション結果のグラフを図12に示す。これらの結果が示すように、図10に示す溝HL内のゲート電極GEにより、分離絶縁膜SISのソース側端の電界が緩和され、インパクトイオンの発生量が抑えられている。よって、インパクトイオン化率を下げることができるため、分離絶縁膜SISまたはゲート絶縁膜GISに対する電子注入を低減することができる。   A graph of the simulation result of the electric field on the semiconductor substrate SB side in the boundary line B1-B2 in the cross-sectional view of FIG. 10 along the source side end of the isolation insulating film SIS is shown in FIG. 11, and the semiconductor substrate SB in the boundary line B1-B2 The graph of the simulation result of the impact ionization generation rate (IIGR) on the side is shown in FIG. As these results show, the gate electrode GE in the trench HL shown in FIG. 10 alleviates the electric field at the source side end of the isolation insulating film SIS, and suppresses the generation amount of impact ions. Therefore, since the impact ionization rate can be lowered, electron injection into the isolation insulating film SIS or the gate insulating film GIS can be reduced.

なお、図11および図12では、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1の結果を実線で示し、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)の結果を破線で示している。ここで、実線で示す本実施の形態のグラフの距離比Lt/Lovは43%であり、破線で示す第1比較例のグラフにおいて、幅Lt=0である。   11 and 12, the result of the LDMOS transistor PD1 of the present embodiment is indicated by a solid line, and the result of the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example is indicated by a broken line. Here, the distance ratio Lt / Lov of the graph of the present embodiment indicated by the solid line is 43%, and the width Lt = 0 in the graph of the first comparative example indicated by the broken line.

図9に示すように、溝HLの幅Ltを約50%からさらに大きくしていくと、ゲート電流は逆に増加していく。これは、図13および図14に示すように、高電界領域がドレイン側にシフトし、インパクトイオンの発生量が増えて、溝HLの底の部分を介してゲート電流Igが流れるためである。図13は、図10の断面図の境界ラインB2−C1、つまり分離絶縁膜SISの底部の半導体基板SB側の電界のシミュレーション結果を示すグラフである。図14は、図10の断面図の境界ラインB2−C1、つまり分離絶縁膜SISの底部の半導体基板SB側のインパクトイオン化発生レート(IIGR)のシミュレーション結果を示すグラフである。   As shown in FIG. 9, when the width Lt of the trench HL is further increased from about 50%, the gate current increases conversely. This is because, as shown in FIGS. 13 and 14, the high electric field region shifts to the drain side, the amount of impact ions generated increases, and the gate current Ig flows through the bottom portion of the trench HL. FIG. 13 is a graph showing a simulation result of the electric field on the semiconductor substrate SB side at the boundary line B2-C1 of the cross-sectional view of FIG. FIG. 14 is a graph showing a simulation result of the impact ionization generation rate (IIGR) on the boundary line B2-C1 in the cross-sectional view of FIG. 10, that is, the semiconductor substrate SB side at the bottom of the isolation insulating film SIS.

なお、図13および図14では、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1の結果を実線および一点鎖線で示し、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)の結果を破線で示している。ここで、実線で示す本実施の形態のグラフの距離比Lt/Lovは43%であり、一点鎖線で示す本実施の形態のグラフの距離比Lt/Lovは98%であり、破線で示す第1比較例のグラフの幅Lt=0である。また、図13および図14では、距離比Ls/Lovを6.8%に固定し、深さ比Lx/Lyを77%に固定している。   In FIGS. 13 and 14, the result of the LDMOS transistor PD1 of the present embodiment is indicated by a solid line and a one-dot chain line, and the result of the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example is indicated by a broken line. Here, the distance ratio Lt / Lov of the graph of the present embodiment indicated by a solid line is 43%, and the distance ratio Lt / Lov of the graph of the present embodiment indicated by an alternate long and short dash line is 98%, which is indicated by a broken line. The width of the graph of one comparative example is Lt = 0. In FIGS. 13 and 14, the distance ratio Ls / Lov is fixed at 6.8%, and the depth ratio Lx / Ly is fixed at 77%.

図15は、図2に示す溝HLの幅Ltに対するオフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonの変化を表したデバイスシミュレーション結果のグラフである。図9と同様に、グラフの横軸は、溝HLの幅Ltと、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovとの比率(パーセント表示)で示されており、長さLovの値は一定である。図15の黒い菱形のプロットを結ぶ実線のグラフ、および白い三角のプロットを結ぶ破線のグラフは、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)についてのオフ耐圧BVoff、オン耐圧BVonのそれぞれの計測結果を示すものである。   FIG. 15 is a graph of device simulation results showing changes in the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon with respect to the width Lt of the groove HL shown in FIG. Similarly to FIG. 9, the horizontal axis of the graph is indicated by the ratio (in percentage) between the width Lt of the trench HL and the length Lov that is the amount of coverage of the gate electrode GE with respect to the isolation insulating film SIS. The value of Lov is constant. The solid line graph connecting the black rhombus plots in FIG. 15 and the broken line graph connecting the white triangle plots indicate the OFF breakdown voltage BVoff and the ON breakdown voltage BVon for the LDMOS transistor PD1 of this embodiment (see FIG. 2). It shows the measurement result.

オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonはいずれも、幅Ltが約50%を超えたあたりから急激に低下するが、幅Ltが約50%以内であれば、各耐圧の低下は殆どない。したがって、幅Ltを例えば40%に設定すれば、各耐圧を殆ど低下させることなく、ゲート電流Igを3桁低減させることが可能となる(図9参照)。つまり、ホットキャリア特性が改善されており、ゲート絶縁膜GISを介してゲート電流Igが流れることを防ぐことができるため、半導体装置の寿命を延ばすことができる。このように、溝HLの幅Ltは、オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonの低下が小さく、かつ、ゲート電流Igを可能な限り小さくできる長さとすることが望ましい。   Both the off-breakdown voltage BVoff and the on-breakdown voltage BVon rapidly decrease when the width Lt exceeds about 50%. However, as long as the width Lt is within about 50%, there is almost no decrease in each breakdown voltage. Therefore, if the width Lt is set to 40%, for example, the gate current Ig can be reduced by three orders of magnitude without substantially decreasing each breakdown voltage (see FIG. 9). That is, the hot carrier characteristics are improved and the gate current Ig can be prevented from flowing through the gate insulating film GIS, so that the life of the semiconductor device can be extended. As described above, it is desirable that the width Lt of the trench HL has such a length that the decrease in the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon is small and the gate current Ig can be made as small as possible.

LDMOSトランジスタの性能指標として、耐圧と並んで重要な項目であるオン抵抗Rspについて、以下に説明する。図16に示すように、本実施の形態の構造では、溝HLの幅Ltを40%程度のところに設定することにより、溝HLを形成しない第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)に比べて、約5%の改善効果を得ることができる。図16は、距離比Lt/Lovと、オン抵抗Rspとの関係を示すグラフである。ここでも、距離比Ls/Lovは6.8%であり、深さ比Lx/Lyは77%であり、長さLovの値は一定である。また、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)のように、溝HLの幅Ltが0%で固定されている場合のオン抵抗Rspの値は、図16において破線の丸で示す値となる。   The on-resistance Rsp, which is an important item along with the breakdown voltage, will be described below as a performance index of the LDMOS transistor. As shown in FIG. 16, in the structure of the present embodiment, the LDMOS transistor CD2 of the first comparative example in which the groove HL is not formed by setting the width Lt of the groove HL to about 40% (see FIG. 38). As compared with the above, an improvement effect of about 5% can be obtained. FIG. 16 is a graph showing the relationship between the distance ratio Lt / Lov and the on-resistance Rsp. Again, the distance ratio Ls / Lov is 6.8%, the depth ratio Lx / Ly is 77%, and the value of the length Lov is constant. Further, the value of the on-resistance Rsp when the width Lt of the trench HL is fixed at 0% as in the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example is a value indicated by a broken-line circle in FIG. It becomes.

このようにオン抵抗Rspを低減することができるのは、溝HLを設けて溝HL内にゲート電極GEを形成することで、ゲート電極GEの直下の半導体基板SB内にホールの蓄積層が形成され、これにより、当該蓄積層が形成された半導体基板SB内の抵抗が下がるためである。   The on-resistance Rsp can be reduced in this way by providing the trench HL and forming the gate electrode GE in the trench HL, thereby forming a hole accumulation layer in the semiconductor substrate SB immediately below the gate electrode GE. This is because the resistance in the semiconductor substrate SB on which the storage layer is formed decreases.

一方、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)では、図21に示すように、ゲート電極GEの被り量である長さLovとドリフト領域DFTの長さLdとの比率(パーセント表示)を、オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonを70V以上確保できる上限である70%程度にまで大きくしたとしても、オン抵抗Rspは2%程度の改善効果しか得られない。したがって、本実施の形態の構造では、オン抵抗Rspの低減に関しても、相対的に大きな効果が得られるというメリットがある。   On the other hand, in the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example, as shown in FIG. 21, the ratio (in percentage) between the length Lov, which is the amount of coverage of the gate electrode GE, and the length Ld of the drift region DFT. Is increased to about 70%, which is the upper limit for securing the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon to be 70 V or more, the on resistance Rsp can be improved only by about 2%. Therefore, the structure of the present embodiment has an advantage that a relatively large effect can be obtained with respect to the reduction of the on-resistance Rsp.

図21は、長さLovおよび長さLdとの比率(パーセント表示)と、オン抵抗Rspとの関係を示すグラフである。図21では、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)の結果を実線で示し、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2の結果を破線で示している。なお、図21において計測したLDMOSトランジスタPD1の各距離の比は、Ls/Ld=5%、Lt/Ld=15%、Lx/Ly=77%で固定されている。また、長さLdの値は一定である。   FIG. 21 is a graph showing the relationship between the ratio (in percentage) between the length Lov and the length Ld and the on-resistance Rsp. In FIG. 21, the result of the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) of the present embodiment is indicated by a solid line, and the result of the LDMOS transistor CD2 of the first comparative example is indicated by a broken line. The ratio of the distances of the LDMOS transistor PD1 measured in FIG. 21 is fixed at Ls / Ld = 5%, Lt / Ld = 15%, and Lx / Ly = 77%. Further, the value of the length Ld is constant.

以下では、図2に示す溝HLのドレイン側端の位置を固定した場合、つまり、Ls+Ltを一定とした場合において、分離絶縁膜SISのソース側端と溝HLとの距離Lsを変化させたときの結果について述べる。   In the following, when the position of the drain side end of the trench HL shown in FIG. 2 is fixed, that is, when Ls + Lt is constant, the distance Ls between the source side end of the isolation insulating film SIS and the trench HL is changed. The result of is described.

図17は、分離絶縁膜SISのソース側端と溝HLとの距離Lsに対する、ゲート電流Igの変化を表したデバイスシミュレーション結果のグラフである。黒い菱形のプロットを結ぶ実線のグラフは、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)についての計測結果を示すものである。また、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)におけるゲート電流Igの計測結果を破線で示している。   FIG. 17 is a graph of a device simulation result showing a change in the gate current Ig with respect to the distance Ls between the source side end of the isolation insulating film SIS and the trench HL. A solid line graph connecting black rhombus plots shows the measurement results for the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) of the present embodiment. Further, the measurement result of the gate current Ig in the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example is indicated by a broken line.

ここで、分離絶縁膜SISのソース側端と溝HLとの距離Lsは、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovとの比率(パーセント表示)で示されており、長さLovの値は一定である。なお、このシミュレーションでは、距離比(Ls+Lt)/Lovは27%に、深さ比Lx/Lyは77%に固定されている。   Here, the distance Ls between the source side end of the isolation insulating film SIS and the trench HL is indicated by a ratio (in percentage) to the length Lov, which is the amount of coverage of the gate electrode GE with respect to the isolation insulating film SIS. The value of Lov is constant. In this simulation, the distance ratio (Ls + Lt) / Lov is fixed at 27% and the depth ratio Lx / Ly is fixed at 77%.

図17において、破線よりも高い位置に実線のグラフが示されていることから、溝HLの距離Lsが長さLovの0.068〜2.3%のとき、LDMOSトランジスタPD1のゲート電流Igは、LDMOSトランジスタCD2のゲート電流Igの値よりも1/3桁程度増加していることが分かる。なお、Ls/Lovが0.068%であることは、距離Lsがゲート絶縁膜GISの厚さに相当していることを意味する。このようにゲート電流Igが増加しているのは、距離Lsが短すぎることで、図2に示す分離絶縁膜SISのソース側の端部と溝HLとの間の領域を通る電子電流がゲート電流Igに加わったためである。なお、本願でいうゲート絶縁膜GISの厚さ(膜厚)とは、半導体基板SBの主面に対して垂直な方向におけるゲート絶縁膜GISの上面から下面までの距離を指す。   In FIG. 17, since the solid line graph is shown at a position higher than the broken line, when the distance Ls of the groove HL is 0.068 to 2.3% of the length Lov, the gate current Ig of the LDMOS transistor PD1 is It can be seen that the value of the gate current Ig of the LDMOS transistor CD2 is increased by about 1/3 digit. Note that Ls / Lov being 0.068% means that the distance Ls corresponds to the thickness of the gate insulating film GIS. The reason why the gate current Ig increases in this way is that the distance Ls is too short, and the electron current passing through the region between the source-side end of the isolation insulating film SIS and the trench HL shown in FIG. This is because it is added to the current Ig. Note that the thickness (film thickness) of the gate insulating film GIS referred to in this application refers to the distance from the upper surface to the lower surface of the gate insulating film GIS in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate SB.

すなわち、距離Lsがゲート絶縁膜GISの厚さと同等である場合、ゲート電流Igが増加して半導体装置の信頼性が低下するため、距離Lsはゲート絶縁膜GISの膜厚よりも大きい値である必要がある。このように、溝HLは、分離絶縁膜SISのソース領域SC側の端部から離れて形成されている。具体的には、溝HLのソース領域SC側の端部は、分離絶縁膜SISのソース領域SC側の端部よりもドレイン領域DC側に離れた箇所に位置している。   That is, when the distance Ls is equal to the thickness of the gate insulating film GIS, the gate current Ig increases and the reliability of the semiconductor device decreases, so the distance Ls is larger than the thickness of the gate insulating film GIS. There is a need. Thus, the trench HL is formed away from the end of the isolation insulating film SIS on the source region SC side. Specifically, the end portion on the source region SC side of the trench HL is located at a position farther on the drain region DC side than the end portion on the source region SC side of the isolation insulating film SIS.

図17に示すように、距離Lsを2.3%から7%程度にまで大きくしていくと、ゲート電流Igは小さくなっていき、約7%のときにゲート電流Igは最小となる。さらに溝HLの距離Lsを大きくしていくと、ゲート電流Igは増加に転じる。これは、溝HL内のゲート電極GEが、最も電界の強くなる分離絶縁膜SISのソース側の端部から離れて、フィールドプレート効果が弱まるためである。   As shown in FIG. 17, when the distance Ls is increased from 2.3% to about 7%, the gate current Ig decreases, and when it is about 7%, the gate current Ig becomes minimum. When the distance Ls of the groove HL is further increased, the gate current Ig starts to increase. This is because the field plate effect is weakened because the gate electrode GE in the trench HL is separated from the source side end of the isolation insulating film SIS having the strongest electric field.

なお、図18の耐圧のシミュレーション結果から分かるように、溝HLの距離Lsを変化させることによるオフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonの低下は見られない。図18は、距離Lsに対する、オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonの値を表したデバイスシミュレーション結果のグラフである。図18の黒い菱形のプロットを結ぶ実線のグラフ、および白い三角のプロットを結ぶ破線のグラフは、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)についてのオフ耐圧BVoff、オン耐圧BVonのそれぞれの計測結果を示すものである。   As can be seen from the breakdown voltage simulation results of FIG. 18, the OFF breakdown voltage BVoff and the ON breakdown voltage BVon are not reduced by changing the distance Ls of the groove HL. FIG. 18 is a graph of device simulation results representing the values of the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon with respect to the distance Ls. The solid line graph connecting the black rhombus plots in FIG. 18 and the broken line graph connecting the white triangle plots indicate the OFF breakdown voltage BVoff and the ON breakdown voltage BVon for the LDMOS transistor PD1 of this embodiment (see FIG. 2). It shows the measurement result.

図18において、図2に示す分離絶縁膜SISのソース側端と溝HLとの距離Lsは、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovとの比率(パーセント表示)で示されており、長さLovの値は一定である。なお、このシミュレーションでは、距離比(Ls+Lt)/Lovは27%に、深さ比Lx/Lyは77%に固定されている。   In FIG. 18, the distance Ls between the source side end of the isolation insulating film SIS and the trench HL shown in FIG. 2 is indicated by a ratio (expressed as a percentage) to the length Lov that is the amount of coverage of the gate electrode GE with respect to the isolation insulating film SIS. The value of the length Lov is constant. In this simulation, the distance ratio (Ls + Lt) / Lov is fixed at 27% and the depth ratio Lx / Ly is fixed at 77%.

このように、溝HLの距離Lsの値を決定する際も、ゲート電流Igが可能な限り小さくなるような最適値を設定することが望ましい。例えば、距離Lsがゲート絶縁膜GISの厚さと同程度では、LDMOSトランジスタCD2よりもゲート電流Igが増加するので好ましくなく、距離Lsの値は、ゲート絶縁膜GISの膜厚よりも大きい必要がある。   Thus, when determining the value of the distance Ls of the trench HL, it is desirable to set an optimum value so that the gate current Ig becomes as small as possible. For example, if the distance Ls is approximately the same as the thickness of the gate insulating film GIS, the gate current Ig increases as compared with the LDMOS transistor CD2, which is not preferable. The value of the distance Ls needs to be larger than the thickness of the gate insulating film GIS. .

また、溝HLのドレイン領域DC側の端部は、ゲート電極GEのドレイン領域DC側の端部よりもソース領域SC側に位置している。つまり、ゲート電極GEは溝HLよりもドレイン領域DC側に突き出すように形成されている。すなわち、溝HLよりもドレイン領域DC側の領域において、ゲート電極GEと当該ゲート電極GEの直下の半導体基板SBとの間には分離絶縁膜SISが介在している。このようにして、溝HLよりもドレイン領域DC側にゲート電極GEを延在させなければ、フィールドプレート効果を十分に得ることができず、ゲート電極GEの下の半導体基板SB内において電界が大きくなる問題が生じる。   Further, the end of the trench HL on the drain region DC side is located closer to the source region SC than the end of the gate electrode GE on the drain region DC side. That is, the gate electrode GE is formed so as to protrude from the trench HL toward the drain region DC. That is, in the region on the drain region DC side with respect to the trench HL, the isolation insulating film SIS is interposed between the gate electrode GE and the semiconductor substrate SB immediately below the gate electrode GE. Thus, if the gate electrode GE is not extended to the drain region DC side than the trench HL, the field plate effect cannot be sufficiently obtained, and the electric field is large in the semiconductor substrate SB under the gate electrode GE. Problem arises.

したがって本実施の形態では、ゲート電極GEのドレイン領域DC側の端部は、溝またはそれよりもソース領域SC側で終端しているのではなく、溝HLのドレイン領域DC側の端部の直上よりもドレイン領域DC側に位置している。言い換えれば、溝HLは、ゲート電極GEのドレイン領域DC側の端部よりもソース領域SC側に離れて形成されている。   Therefore, in the present embodiment, the end of the gate electrode GE on the drain region DC side is not terminated on the trench or on the source region SC side but directly on the end of the trench HL on the drain region DC side. Rather than the drain region DC. In other words, the trench HL is formed farther toward the source region SC than the end of the gate electrode GE on the drain region DC side.

以下では、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovを変化させたときの結果について述べる。図19は、ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さLovに対する、ゲート電流Igの変化を示したデバイスシミュレーション結果のグラフである。ここで、長さLovは、図2に示す分離絶縁膜SISの直下のドリフト領域DFTの長さLdとの比率(パーセント表示)で示されており、分離絶縁膜SISの直下のドリフト領域DFTの長さLdは一定である。なお、このシミュレーションでは、LDMOSトランジスタPD1(図2参照)の構成について、距離比Ls/Ldは5.0%に、距離比Lt/Ldは15%に、深さ比Lx/Lyは77%に固定されている。また、図19おいて、黒い菱形のプロットを結ぶ実線のグラフは、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)についての計測結果を示すものである。   Hereinafter, the results when the length Lov, which is the amount of covering of the gate electrode GE with respect to the isolation insulating film SIS, is changed will be described. FIG. 19 is a graph of device simulation results showing changes in the gate current Ig with respect to the length Lov, which is the amount of covering of the gate electrode GE with respect to the isolation insulating film SIS. Here, the length Lov is indicated by a ratio (expressed as a percentage) to the length Ld of the drift region DFT immediately below the isolation insulating film SIS shown in FIG. 2, and the length Lov of the drift region DFT immediately below the isolation insulating film SIS is shown. The length Ld is constant. In this simulation, for the configuration of the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2), the distance ratio Ls / Ld is 5.0%, the distance ratio Lt / Ld is 15%, and the depth ratio Lx / Ly is 77%. It is fixed. In FIG. 19, a solid line graph connecting black rhombus plots shows the measurement results for the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) of the present embodiment.

図19に示すように、ゲート電極GEの被り量である長さLovを小さくしていくと、分離絶縁膜SISのソース側端の電界が強まるため、ゲート電流Igは大きくなっていく。また、長さLovが50%を下回ると、図20の耐圧シミュレーション結果に示されているように、オフ耐圧BVoffが低下してしまう。これは、分離絶縁膜SISのソース側端の電界が強まって、オフ状態でのブレークダウンポイントが、ゲート電極GEのドレイン側端直下の半導体基板SBの表面から、分離絶縁膜SISのソース側端へ遷移し、ここの電界でオフ耐圧BVoffが決定されるようになったためである。なお、ブレークダウンポイントとは電界が最大となる箇所を指し、ブレークダウンポイントにてインパクトイオン化が起こり、これにより電子・正孔対が発生する。   As shown in FIG. 19, when the length Lov, which is the amount of coverage of the gate electrode GE, is reduced, the electric field at the source side end of the isolation insulating film SIS is increased, and thus the gate current Ig is increased. On the other hand, when the length Lov is less than 50%, the off breakdown voltage BVoff decreases as shown in the breakdown voltage simulation result of FIG. This is because the electric field at the source side end of the isolation insulating film SIS is strengthened, and the breakdown point in the OFF state is from the surface of the semiconductor substrate SB immediately below the drain side end of the gate electrode GE to the source side end of the isolation insulating film SIS. This is because the off breakdown voltage BVoff is determined by the electric field here. The breakdown point refers to a portion where the electric field is maximum, and impact ionization occurs at the breakdown point, thereby generating electron / hole pairs.

なお、図20は、距離比Lov/Ldとオフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonとの関係を示すグラフであり、このシミュレーションでは、LDMOSトランジスタPD1(図2参照)の構成について、距離比Ls/Ldは5.0%に、距離比Lt/Ldは15%に、深さ比Lx/Lyは77%に固定されている。図20の黒い菱形のプロットを結ぶ実線のグラフ、および白い三角のプロットを結ぶ破線のグラフは、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)についてのオフ耐圧BVoff、オン耐圧BVonのそれぞれの計測結果を示すものである。   FIG. 20 is a graph showing the relationship between the distance ratio Lov / Ld, the off breakdown voltage BVoff, and the on breakdown voltage BVon. In this simulation, the distance ratio Ls / Ld for the configuration of the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) The distance ratio Lt / Ld is fixed at 15%, and the depth ratio Lx / Ly is fixed at 77%. The solid line graph connecting the black rhombus plots in FIG. 20 and the broken line graph connecting the white triangle plots indicate the OFF breakdown voltage BVoff and the ON breakdown voltage BVon for the LDMOS transistor PD1 of this embodiment (see FIG. 2). It shows the measurement result.

オン抵抗Rspも、図21のオン抵抗Rspのシミュレーション結果に示されているように、長さLovを小さくするほど増加する。したがって、図2に示す溝HL内にゲート電極GEを設けることと、ゲート電極GEの被り量である長さLovが十分な長さであることの両方が、オン抵抗Rsp耐圧およびゲート電流Igを含む総合的な特性を向上させるために不可欠であることが分かる。つまり、被り量である長さLovは、ゲート電極GEが溝HLを十分覆い被せるように設定されている必要がある。   The on-resistance Rsp also increases as the length Lov decreases as shown in the simulation result of the on-resistance Rsp in FIG. Therefore, both the provision of the gate electrode GE in the trench HL shown in FIG. 2 and the sufficient length Lov, which is the covering amount of the gate electrode GE, cause the on-resistance Rsp breakdown voltage and the gate current Ig to be reduced. It turns out that it is indispensable for improving the comprehensive characteristics including. That is, the length Lov, which is the amount of covering, needs to be set so that the gate electrode GE sufficiently covers the trench HL.

次に、本実施の形態の半導体装置の構造について、溝HL内のゲート電極GEの深さLxがゲート電流Igに与える影響に着目して説明する。図22は、図2に示す溝HLの深さLxに対する、ゲート電流Igの変化を表したデバイスシミュレーション結果のグラフである。ここで、深さLxは、分離絶縁膜SISの厚さLyとの比(パーセント表示)で示されており、厚さLyは一定である。なお、このシミュレーションおよび後述する図23〜図25のグラフでは、距離比Ls/Lovは6.8%に、距離比Lt/Lovは20%に固定されている。また、第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)のように、溝HLが形成されていない場合、つまり溝HLの深さLxが0である場合のゲート電流Igの値は、図22において破線の丸で示す値となる。   Next, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be described focusing on the influence of the depth Lx of the gate electrode GE in the trench HL on the gate current Ig. FIG. 22 is a graph of device simulation results showing changes in the gate current Ig with respect to the depth Lx of the trench HL shown in FIG. Here, the depth Lx is indicated by a ratio (in percentage) to the thickness Ly of the isolation insulating film SIS, and the thickness Ly is constant. In this simulation and the graphs of FIGS. 23 to 25 described later, the distance ratio Ls / Lov is fixed at 6.8%, and the distance ratio Lt / Lov is fixed at 20%. Further, the value of the gate current Ig when the groove HL is not formed as in the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example, that is, when the depth Lx of the groove HL is 0, is shown in FIG. The value indicated by a broken-line circle in FIG.

図22に示すように、溝HLの深さ比Lx/Lyを0%から77%にまで大きくしていくと、ゲート電流Igは減少していき、約77%にてゲート電流Igは最小となる。ここで、深さ比Lx/Lyが0%の場合と比べて、深さ比Lx/Lyが33%の場合にはゲート電流Igは1桁程度減少し、良好なゲート電流特性を得ることができる。このようにゲート電流Igが減少するのは、溝HL内のゲート電極GEのフィールドプレート効果が強まるためである。このとき、図23の耐圧シミュレーション結果に示されているように、オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonの低下は見られない。   As shown in FIG. 22, when the depth ratio Lx / Ly of the trench HL is increased from 0% to 77%, the gate current Ig decreases, and at about 77%, the gate current Ig is minimized. Become. Here, compared with the case where the depth ratio Lx / Ly is 0%, the gate current Ig is reduced by about one digit when the depth ratio Lx / Ly is 33%, and good gate current characteristics can be obtained. it can. The reason why the gate current Ig decreases in this way is that the field plate effect of the gate electrode GE in the trench HL is strengthened. At this time, as shown in the breakdown voltage simulation result of FIG. 23, the OFF breakdown voltage BVoff and the ON breakdown voltage BVon are not reduced.

なお、図23は、深さ比Lx/Lyとオフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonとの関係を示すグラフである。図23の黒い菱形のプロットを結ぶ実線のグラフ、および白い三角のプロットを結ぶ破線のグラフは、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)についてのオフ耐圧BVoff、オン耐圧BVonのそれぞれの計測結果を示すものである。   FIG. 23 is a graph showing the relationship between the depth ratio Lx / Ly, the off breakdown voltage BVoff, and the on breakdown voltage BVon. The solid line graph connecting the black rhombus plots in FIG. 23 and the broken line graph connecting the white triangle plots indicate the OFF breakdown voltage BVoff and the ON breakdown voltage BVon for the LDMOS transistor PD1 of this embodiment (see FIG. 2). It shows the measurement result.

図22に示すように、溝HLの深さ比Lx/Lyを約77%からさらに増やしていくと、ゲート電流Igは増加に転じる。これは、図24に示す電界および図25に示すインパクトイオン化発生レートのシミュレーション結果に示されているように、溝HLの底部での電界が強まって、インパクトイオンの量が増加したためである。また、溝HLの深さ比Lx/Lyを77%から過剰に大きくすると、溝HLの底部に残されている分離絶縁膜SISが薄くなり、ここに大きなゲート電流Igが流れることにより、絶縁膜の破壊を誘発することが懸念される。   As shown in FIG. 22, when the depth ratio Lx / Ly of the trench HL is further increased from about 77%, the gate current Ig starts to increase. This is because, as shown in the simulation results of the electric field shown in FIG. 24 and the impact ionization generation rate shown in FIG. 25, the electric field at the bottom of the groove HL is strengthened and the amount of impact ions is increased. Further, when the depth ratio Lx / Ly of the trench HL is excessively increased from 77%, the isolation insulating film SIS remaining at the bottom of the trench HL becomes thin, and a large gate current Ig flows there, whereby the insulating film There is a concern that it will induce destruction.

図24は、図10の断面図の境界ラインB2−C1の半導体基板SB側の電界のシミュレーション結果を示すグラフである。図25は、図10の断面図の境界ラインB2−C1の半導体基板SB側のインパクトイオン化発生レート(IIGR)のシミュレーション結果を示すグラフである。   FIG. 24 is a graph showing a simulation result of the electric field on the semiconductor substrate SB side of the boundary line B2-C1 in the cross-sectional view of FIG. FIG. 25 is a graph showing a simulation result of the impact ionization generation rate (IIGR) on the semiconductor substrate SB side of the boundary line B2-C1 in the cross-sectional view of FIG.

このように、溝HLの深さにおいても、ゲート電流Igを可能な限り小さくできる最適値に設定することが望ましい。例えば深さ比Lx/Lyが96%であることは、溝HLの底部に残されている絶縁膜の厚さがゲート絶縁膜GIS程度の厚さであることに相当するが、このとき、ゲート電流Igは、溝HLを設けない第1比較例のLDMOSトランジスタCD2(図38参照)よりも増加しており、好ましくない。つまり、溝HLの底部の分離絶縁膜SISの厚さは、ゲート絶縁膜GISの膜厚よりも大きいことが望ましい。よって、溝HLの底は分離絶縁膜SISの途中深さに位置しており、溝HLは分離絶縁膜SISを貫通していない。   Thus, it is desirable to set the gate current Ig to an optimum value that can be as small as possible also in the depth of the trench HL. For example, the depth ratio Lx / Ly of 96% corresponds to the thickness of the insulating film remaining at the bottom of the trench HL being about the thickness of the gate insulating film GIS. The current Ig is larger than that of the LDMOS transistor CD2 (see FIG. 38) of the first comparative example in which the groove HL is not provided, which is not preferable. That is, it is desirable that the thickness of the isolation insulating film SIS at the bottom of the trench HL is larger than the thickness of the gate insulating film GIS. Therefore, the bottom of the trench HL is located at an intermediate depth of the isolation insulating film SIS, and the trench HL does not penetrate the isolation insulating film SIS.

したがって、溝HLの底部での電界を弱めてゲート電流Igを低減する観点から、溝HLの深さは、分離絶縁膜SISの膜厚の33%以上であることが望ましい。つまり、溝HLの深さは分離絶縁膜SISの膜厚の1/3以上であることが望ましい。また、溝HLの直下の分離絶縁膜SISの膜厚は、ゲート絶縁膜GISの膜厚よりも大きいことが望ましい。   Therefore, from the viewpoint of reducing the gate current Ig by weakening the electric field at the bottom of the trench HL, the depth of the trench HL is desirably 33% or more of the thickness of the isolation insulating film SIS. In other words, the depth of the trench HL is desirably 1/3 or more of the thickness of the isolation insulating film SIS. Further, it is desirable that the thickness of the isolation insulating film SIS immediately below the trench HL is larger than the thickness of the gate insulating film GIS.

(実施の形態2)
本実施の形態では、LDMOSトランジスタの分離絶縁膜の上面に設ける溝の幅を、前記実施の形態に比べて小さくし、そのような溝を分離絶縁膜の上面に複数設けることについて、図26〜図28を用いて説明する。図26は、本実施の形態の半導体装置であるLDMOSトランジスタPD2aを示す平面図であり、図27は、本実施の形態の半導体装置の変形例であるLDMOSトランジスタPD2bを示す平面図である。また、図28は本実施の形態の半導体装置であるLDMOSトランジスタPD2aを示す断面図であり、図28は図26のD−D線における断面図である。なお、図27のE−E線における断面図は、図28に示す断面図と同様の構造となる。
(Embodiment 2)
In this embodiment, the width of the groove provided on the upper surface of the isolation insulating film of the LDMOS transistor is made smaller than that in the above embodiment, and a plurality of such grooves are provided on the upper surface of the isolation insulating film. This will be described with reference to FIG. FIG. 26 is a plan view showing an LDMOS transistor PD2a which is a semiconductor device of this embodiment, and FIG. 27 is a plan view showing an LDMOS transistor PD2b which is a modification of the semiconductor device of this embodiment. FIG. 28 is a cross-sectional view showing an LDMOS transistor PD2a which is a semiconductor device of the present embodiment, and FIG. 28 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. Note that the cross-sectional view taken along line EE in FIG. 27 has the same structure as the cross-sectional view shown in FIG.

図28に示すLDMOSトランジスタPD2aは、図2を用いて説明した前記実施の形態1と同様にPチャネル型の素子である。本実施の形態のLDMOSトランジスタPD2aは、溝HLが複数個配置されている点を除いて、前記実施の形態1において説明したLDMOSトランジスタPD1(図2参照)と同様の構成を有している。平面視において溝HLの形状は、図26に示すようにスリット状になっていてもよく、図27のようにドット状になっていてもよい。また、スリット同士の間、またはドット同士の間の間隔は同一でもよく、異なっていてもよい。   The LDMOS transistor PD2a shown in FIG. 28 is a P-channel element as in the first embodiment described with reference to FIG. The LDMOS transistor PD2a of the present embodiment has the same configuration as the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) described in the first embodiment except that a plurality of trenches HL are arranged. In plan view, the shape of the groove HL may be a slit shape as shown in FIG. 26, or may be a dot shape as shown in FIG. Moreover, the space | interval between slits or between dots may be the same, and may differ.

図29に、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD2aにおけるゲート電流Igと、LDMOSトランジスタPD1(図2参照)のゲート電流Igとを比較したグラフを示す。ここでは、図26に示すLDMOSトランジスタPD2aにおいて、分離絶縁膜SISのソース側の端部から溝HLまでの最短の距離をLsとし、ソース・ドレイン間の方向における全ての溝HLを含む全体の溝領域の幅をLtと表す。図29および後述する図30および図31では、距離比Ls/Lovは6.8%に、距離比Lt/Lovは20%に、深さ比Lx/Lyは77%にそれぞれ固定されている。   FIG. 29 shows a graph comparing the gate current Ig in the LDMOS transistor PD2a of the present embodiment with the gate current Ig of the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2). Here, in the LDMOS transistor PD2a shown in FIG. 26, the shortest distance from the source-side end of the isolation insulating film SIS to the groove HL is Ls, and the entire groove including all the grooves HL in the direction between the source and the drain. The width of the region is represented as Lt. In FIG. 29 and FIGS. 30 and 31 described later, the distance ratio Ls / Lov is fixed at 6.8%, the distance ratio Lt / Lov is fixed at 20%, and the depth ratio Lx / Ly is fixed at 77%.

図29に示すように、LDMOSトランジスタPD2aとLDMOSトランジスタPD1とを比較すると、少なくとも、LDMOSトランジスタPD2aのLsおよびLtの値が、LDMOSトランジスタPD1のLsおよびLtの値とそれぞれ同じであれば、LDMOSトランジスタPD2aにおいても前記実施の形態1と同様の効果が得られることが分かる。また、図30および図31に示すように、オフ耐圧BVoff、オン耐圧BVon、オン抵抗Rspのそれぞれの値についても、前記実施の形態1と同等に維持されることが分かる。つまり、本実施の形態のLDMOSトランジスタPD2aにおいても、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。   As shown in FIG. 29, when comparing the LDMOS transistor PD2a and the LDMOS transistor PD1, if at least the values of Ls and Lt of the LDMOS transistor PD2a are the same as the values of Ls and Lt of the LDMOS transistor PD1, respectively, the LDMOS transistor It can be seen that the same effect as in the first embodiment can be obtained also in the PD 2a. Further, as shown in FIGS. 30 and 31, it can be seen that the values of the off breakdown voltage BVoff, the on breakdown voltage BVon, and the on resistance Rsp are also maintained to be equal to those in the first embodiment. That is, also in the LDMOS transistor PD2a of the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

なお、図30は、LDMOSトランジスタPD2aおよびLDMOSトランジスタPD1のそれぞれにおけるオフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonを比較するグラフである。図30において、オフ耐圧BVoffは実線のグラフで示され、オン耐圧BVonは破線のグラフで示されている。また、図31は、LDMOSトランジスタPD2aおよびLDMOSトランジスタPD1のそれぞれにおけるオン抵抗Rspを比較するグラフである。図26および図28に示すLDMOSトランジスタPD2aと同様に、図27に示すLDMOSトランジスタPD2bについても、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。   FIG. 30 is a graph comparing the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon in the LDMOS transistor PD2a and the LDMOS transistor PD1, respectively. In FIG. 30, the off breakdown voltage BVoff is indicated by a solid line graph, and the on breakdown voltage BVon is indicated by a broken line graph. FIG. 31 is a graph comparing the on-resistance Rsp in each of the LDMOS transistor PD2a and the LDMOS transistor PD1. Similar to the LDMOS transistor PD2a shown in FIGS. 26 and 28, the LDMOS transistor PD2b shown in FIG. 27 can achieve the same effects as those of the first embodiment.

本実施の形態では、さらに、複数の溝HLのそれぞれの幅が前記実施の形態1に比べて小さくなるため、ゲート電極GEとなるポリシリコンの埋込性が良好となり、溝HLの上部でのポリシリコンの表面段差を低減することができる。つまり、溝HLの幅が大きい場合には、溝HLを埋め込むゲート電極GEの上面に大きな凹部が形成され、この凹部の段差に起因して加工時に問題が生じる虞があるが、本実施の形態では当該問題が生じることを防ぐことができる。すなわち、ゲート電極GEの加工時に想定される問題であって、例えば、微細加工で使用されるARC(Anti-Reflective Coating:反射防止膜)がこの部分で残渣となって残る問題などが解消される。   In the present embodiment, since the width of each of the plurality of trenches HL is smaller than that in the first embodiment, the embedding property of the polysilicon serving as the gate electrode GE is improved, and the upper portion of the trench HL is improved. The step difference in the surface of the polysilicon can be reduced. That is, when the width of the trench HL is large, a large recess is formed on the upper surface of the gate electrode GE that embeds the trench HL, and a problem may occur during processing due to the step of the recess. Then, the problem can be prevented from occurring. That is, it is possible to solve a problem assumed when processing the gate electrode GE, for example, a problem that an ARC (Anti-Reflective Coating) used in fine processing remains as a residue in this portion. .

(実施の形態3)
本実施の形態では、LDMOSトランジスタの分離絶縁膜の底部にライナー絶縁膜を形成する場合について説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, the case where a liner insulating film is formed at the bottom of an isolation insulating film of an LDMOS transistor will be described.

図32は、本実施の形態の半導体装置であるLDMOSトランジスタPD3を示す断面図である。LDMOSトランジスタPD3は、分離絶縁膜SISの下に、ライナー絶縁膜LISが形成されている点を除いて、前記実施の形態1に係るLDMOSトランジスタPD1(図2参照)と同様の構造を有している。つまり、溝TNC内には、ライナー絶縁膜LISを介して分離絶縁膜SISが形成されている。すなわち、溝TNCの底面上には、ライナー絶縁膜LISおよび分離絶縁膜SISが順に形成されている。ライナー絶縁膜LISは、例えばシリコン窒化膜で構成されている。このような構成であっても、前記実施の形態1と同様の効果が得られる。   FIG. 32 is a cross-sectional view showing an LDMOS transistor PD3 which is a semiconductor device of the present embodiment. The LDMOS transistor PD3 has the same structure as the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) according to the first embodiment except that the liner insulating film LIS is formed under the isolation insulating film SIS. Yes. That is, the isolation insulating film SIS is formed in the trench TNC via the liner insulating film LIS. That is, the liner insulating film LIS and the isolation insulating film SIS are sequentially formed on the bottom surface of the trench TNC. The liner insulating film LIS is made of, for example, a silicon nitride film. Even with such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

なお、ここではライナー絶縁膜LISも分離絶縁膜を構成している。つまり、本実施の形態において、分離絶縁膜は2層の絶縁膜からなる積層構造を有している。また、溝HLの底面は、当該2層の絶縁膜の境界、つまり分離絶縁膜SISとライナー絶縁膜LISとの境界に達している。つまり溝HLはライナー絶縁膜LISに達しており、溝HLの底面は分離絶縁膜SISとライナー絶縁膜LISとを含む分離絶縁膜の底面に達していない。言い換えれば、分離絶縁膜が複数の絶縁膜を積層した構造を有する場合において、溝HLは、当該分離絶縁膜を構成する当該複数の絶縁膜のうち、最下層の絶縁膜に達している。   Here, the liner insulating film LIS also constitutes an isolation insulating film. That is, in this embodiment mode, the isolation insulating film has a stacked structure including two insulating films. The bottom surface of the trench HL reaches the boundary between the two insulating films, that is, the boundary between the isolation insulating film SIS and the liner insulating film LIS. That is, the trench HL reaches the liner insulating film LIS, and the bottom surface of the trench HL does not reach the bottom surface of the isolation insulating film including the isolation insulating film SIS and the liner insulating film LIS. In other words, when the isolation insulating film has a structure in which a plurality of insulating films are stacked, the trench HL reaches the lowermost insulating film among the plurality of insulating films constituting the isolation insulating film.

本実施の形態では、さらに、分離絶縁膜SISの上面に溝HLを形成する異方性エッチングを行う際、分離絶縁膜SISとライナー絶縁膜LISとのエッチング選択比の違いにより、溝HLの形成をライナー絶縁膜LISの直上で止めることが比較的容易にできるため、溝HLの深さLxをライナー絶縁膜LISの厚さで制御することができる。したがって、溝HLの深さの制御性が向上し、ゲート電流Igの低減を、比較的安定的に実現することができる。   In the present embodiment, further, when anisotropic etching for forming the trench HL on the upper surface of the isolation insulating film SIS is performed, the formation of the trench HL is caused by a difference in etching selectivity between the isolation insulating film SIS and the liner insulating film LIS. Since it can be relatively easily stopped immediately above the liner insulating film LIS, the depth Lx of the trench HL can be controlled by the thickness of the liner insulating film LIS. Therefore, the controllability of the depth of the trench HL is improved, and the reduction of the gate current Ig can be realized relatively stably.

(実施の形態4)
図33に、本実施の形態の半導体装置であるLDMOSトランジスタPD4の断面図を示す。LDMOSトランジスタPD4は、前記実施の形態1のLDMOSトランジスタPD1(図2参照)をNチャネル型に変更したものである。本実施の形態においても、溝HLに埋め込まれたゲート電極GEにより高いフィールドプレート効果が得られる。このため、図34のシミュレーション結果に示すように、LDMOSトランジスタPD4では、第1比較例のNチャネル型のLDMOSトランジスタCD1(図37参照)に比べて、電界が低減されることで、インパクトイオン化発生レート(IIGR)の大きさが反映されるウェル電流Iwが約1桁低減する。したがって、本実施の形態の半導体装置では、ホットキャリアストレス中のオン抵抗Rspの変動を抑制することができるため、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
(Embodiment 4)
FIG. 33 shows a cross-sectional view of an LDMOS transistor PD4 which is a semiconductor device of the present embodiment. The LDMOS transistor PD4 is obtained by changing the LDMOS transistor PD1 (see FIG. 2) of the first embodiment to an N-channel type. Also in the present embodiment, a high field plate effect is obtained by the gate electrode GE embedded in the trench HL. Therefore, as shown in the simulation result of FIG. 34, the LDMOS transistor PD4 generates impact ionization by reducing the electric field compared to the N-channel type LDMOS transistor CD1 (see FIG. 37) of the first comparative example. The well current Iw reflecting the magnitude of the rate (IIGR) is reduced by about one digit. Therefore, in the semiconductor device of this embodiment, the variation of the on-resistance Rsp during hot carrier stress can be suppressed, so that the reliability of the semiconductor device can be improved.

ここで、図35のシミュレーション結果が示す通り、溝HLを設けることによる、オフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonの低下はなく、かつ、図36のシミュレーション結果が示す通り、オン抵抗が6.0%低減されるという効果がある。   Here, as shown in the simulation result of FIG. 35, the OFF breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon are not reduced by providing the groove HL, and the ON resistance is reduced by 6.0% as shown in the simulation result of FIG. There is an effect that.

なお、図34はLDMOSトランジスタPD4およびLDMOSトランジスタCD1のそれぞれにおけるウェル電流Iwを比較するグラフである。図35はLDMOSトランジスタPD4およびLDMOSトランジスタCD1のそれぞれにおけるオフ耐圧BVoffおよびオン耐圧BVonを比較するグラフである。図35において、オフ耐圧BVoffは実線のグラフで示され、オン耐圧BVonは破線のグラフで示されている。図36はLDMOSトランジスタPD4およびLDMOSトランジスタCD1のそれぞれにおけるオン抵抗Rspを比較するグラフである。図34〜図36のそれぞれにおいて、溝HL無と表記された位置のプロットがLDMOSトランジスタCD1の値であり、溝HL有と表記された位置のプロットがLDMOSトランジスタPD4の値である。   FIG. 34 is a graph comparing the well current Iw in each of the LDMOS transistor PD4 and the LDMOS transistor CD1. FIG. 35 is a graph comparing the off breakdown voltage BVoff and the on breakdown voltage BVon in the LDMOS transistor PD4 and the LDMOS transistor CD1, respectively. In FIG. 35, the off breakdown voltage BVoff is indicated by a solid line graph, and the on breakdown voltage BVon is indicated by a broken line graph. FIG. 36 is a graph comparing the on-resistance Rsp in each of the LDMOS transistor PD4 and the LDMOS transistor CD1. In each of FIGS. 34 to 36, the plot of the position indicated as having no groove HL is the value of the LDMOS transistor CD1, and the plot of the position indicated as having the groove HL is the value of the LDMOS transistor PD4.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、上記の各実施の形態では、LDMOSトランジスタの分離絶縁膜をSTI構造であるものとして説明したが、分離絶縁膜はLOCOS構造を有していてもよい。   For example, in each of the above embodiments, the isolation insulating film of the LDMOS transistor has been described as having an STI structure, but the isolation insulating film may have a LOCOS structure.

BVoff オフ耐圧
BVon オン耐圧
CD1〜CD4 LDMOSトランジスタ
CN1〜CN3 コンタクトプラグ
DC ドレイン領域
DFT ドリフト領域
GE ゲート電極
GIS ゲート絶縁膜
HL 溝
HM ハードマスク
HWL ウェル領域
Ig ゲート電流
INC 配線
IS 層間絶縁膜
Iw ウェル電流
LIS ライナー絶縁膜
Lt 溝HLの幅
Ls 分離絶縁膜SISのソース側端と溝HLとの距離
Lov ゲート電極GEの分離絶縁膜SISに対する被り量である長さ
Ld 分離絶縁膜SISの直下のドレイン領域の長さ
Lx 溝HLの深さ
Ly 分離絶縁膜SISの厚さ
PD1〜PD4 LDMOSトランジスタ
SB 半導体基板
SC ソース領域
SIS 分離絶縁膜
TNC 溝
WC ウェル領域
WL ウェル領域
BVoff OFF breakdown voltage BVon ON breakdown voltage CD1 to CD4 LDMOS transistors CN1 to CN3 Contact plug DC Drain region DFT Drift region GE Gate electrode GIS Gate insulating film HL Groove HM Hard mask HWL Well region Ig Gate current INC Wiring IS Interlayer insulating film Iw Well current LIS Liner insulating film Lt Width Ls of trench HL Distance between source side end of isolation insulating film SIS and trench HL Lov Length Ld which is the amount of gate electrode GE covered with isolation insulating film SIS of drain region immediately below isolation insulating film SIS Length Lx Depth Ly of trench HL Thickness of isolation insulating film SIS PD1 to PD4 LDMOS transistor SB Semiconductor substrate SC Source region SIS Isolation insulating film TNC Groove WC Well region WL Well region

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板の主面に形成された、一対の第1導電型のソース領域および前記第1導電型のドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間において、前記半導体基板の前記主面に形成された分離溝内に埋め込まれた分離絶縁膜と、
前記分離絶縁膜と前記ソース領域との間の前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間において、前記ゲート絶縁膜の直上および前記分離絶縁膜の直上に亘って形成されたゲート電極と、
前記分離絶縁膜の下の前記半導体基板内に形成され、その一方の端部が前記ゲート絶縁膜の直下に位置している前記第1導電型のドリフト領域と、
前記分離絶縁膜の上面に形成され、内側に前記ゲート電極の一部が埋め込まれた溝と、
を有し、
前記ゲート電極と前記ドレイン領域との間隔は、前記ゲート電極と前記ソース領域との間隔よりも大きく、
前記溝は、前記分離絶縁膜の前記ソース領域側の端から離間し、かつ前記ゲート電極の前記ドレイン領域側の端からソース側に離間して配置されており、
前記溝の底面は、前記分離絶縁膜の途中深さに位置し、
平面視において、前記ソース領域と前記ドレイン領域とが並ぶ方向を第1方向とし、第1方向に対し直交する方向を第2方向とし、
前記ゲート電極の前記第2方向の幅は、前記溝の前記第2方向の長さより大きい、半導体装置。
A semiconductor substrate;
A pair of first conductivity type source region and the first conductivity type drain region formed on the main surface of the semiconductor substrate;
An isolation insulating film embedded in an isolation trench formed in the main surface of the semiconductor substrate between the source region and the drain region;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate between the isolation insulating film and the source region;
Between the source region and the drain region, a gate electrode formed over the gate insulating film and directly over the isolation insulating film;
A drift region of the first conductivity type formed in the semiconductor substrate under the isolation insulating film, one end of which is located immediately below the gate insulating film;
A groove formed on an upper surface of the isolation insulating film and having a portion of the gate electrode embedded therein;
Have
An interval between the gate electrode and the drain region is larger than an interval between the gate electrode and the source region,
The trench is disposed away from an end of the isolation insulating film on the source region side and spaced from an end of the gate electrode on the drain region side toward the source side,
The bottom surface of the groove is located at an intermediate depth of the isolation insulating film,
In plan view, the direction in which the source region and the drain region are arranged is a first direction, and the direction orthogonal to the first direction is a second direction,
The width of the gate electrode in the second direction is larger than the length of the trench in the second direction.
請求項1記載の半導体装置において、
前記溝の深さは、前記分離絶縁膜の厚さの1/3以上であり、
前記溝の底と前記溝の直下の前記半導体基板との間の距離は、前記ゲート絶縁膜の厚さより大きい、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The depth of the groove is 1/3 or more of the thickness of the isolation insulating film,
A distance between the bottom of the trench and the semiconductor substrate immediately below the trench is greater than the thickness of the gate insulating film.
請求項1記載の半導体装置において、
前記溝と、前記分離絶縁膜の前記ソース領域側の端との間の距離は、前記ゲート絶縁膜の厚さより大きい、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The distance between the trench and the end of the isolation insulating film on the source region side is a semiconductor device, which is larger than the thickness of the gate insulating film.
請求項1記載の半導体装置において、
前記溝が前記分離絶縁膜の前記上面に複数設けられている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein a plurality of the grooves are provided on the upper surface of the isolation insulating film.
請求項1記載の半導体装置において、
前記分離絶縁膜は、複数の絶縁膜を積層した構成を有し、
前記溝は、前記複数の絶縁膜のうち、最下層の絶縁膜に達している、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The isolation insulating film has a configuration in which a plurality of insulating films are stacked,
The trench is a semiconductor device that reaches a lowermost insulating film among the plurality of insulating films.
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