JP2021082838A - Semiconductor device and manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置および製造方法に関する。 The present invention relates to semiconductor devices and manufacturing methods.
従来、IGBT等の半導体装置において、トレンチゲート構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開平08−255902号公報
Conventionally, a trench gate structure is known in semiconductor devices such as IGBTs (see, for example, Patent Document 1).
IGBT等の半導体装置は、機能等に応じた所定の閾値電圧を有することが好ましい。 A semiconductor device such as an IGBT preferably has a predetermined threshold voltage according to a function or the like.
本発明の第1の態様に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板のおもて面側に形成された第2導電型の第1半導体領域と、第1半導体領域よりもおもて面側の一部に選択的に形成された第1導電型の第2半導体領域と、を備えてよい。半導体装置は、複数のトレンチを備えてよい。トレンチは、半導体基板のおもて面側において予め定められた延伸方向に延び、且つ、第1半導体領域の下方まで至ってよい。半導体装置は、導電部を備えてよい。導電部は、複数のトレンチの内部に充填されてよい。半導体装置は、層間絶縁膜を備えてよい。層間絶縁膜は、半導体基板のおもて面を所定のパターンで覆ってよい。半導体装置は、第1電極を備えてよい。第1電極は、トレンチに挟まれたメサ領域において、層間絶縁膜から露出する露出領域を介して半導体基板に接続してよい。半導体装置は、延伸方向と垂直な断面において、第1トレンチ部を含んでよい。第1トレンチ部は、半導体基板の表面から導電部の表面の最も深い部分までが所定距離である。半導体装置は、延伸方向と垂直な断面において、第2トレンチ部を含んでよい。第2トレンチ部は、半導体基板の表面から導電部の表面の最も深い部分までが所定距離よりも長くてよい。第1トレンチ部および第2トレンチ部は、それぞれのトレンチが、トレンチの側壁の傾斜よりも露出領域側に傾斜した肩部を上端に有してよい。 The semiconductor device according to the first aspect of the present invention has a second conductive type first semiconductor region formed on the front surface side of the first conductive type semiconductor substrate and a front side of the first semiconductor region. A first conductive type second semiconductor region selectively formed on a part of the surface side may be provided. The semiconductor device may include a plurality of trenches. The trench may extend in a predetermined stretching direction on the front surface side of the semiconductor substrate and may reach below the first semiconductor region. The semiconductor device may include a conductive portion. The conductive portion may be filled inside a plurality of trenches. The semiconductor device may include an interlayer insulating film. The interlayer insulating film may cover the front surface of the semiconductor substrate with a predetermined pattern. The semiconductor device may include a first electrode. The first electrode may be connected to the semiconductor substrate via the exposed region exposed from the interlayer insulating film in the mesa region sandwiched between the trenches. The semiconductor device may include a first trench portion in a cross section perpendicular to the stretching direction. The first trench portion has a predetermined distance from the surface of the semiconductor substrate to the deepest portion of the surface of the conductive portion. The semiconductor device may include a second trench portion in a cross section perpendicular to the stretching direction. In the second trench portion, the distance from the surface of the semiconductor substrate to the deepest portion of the surface of the conductive portion may be longer than a predetermined distance. Each of the first trench portion and the second trench portion may have a shoulder portion inclined toward the exposed region side with respect to the inclination of the side wall of the trench at the upper end.
第1電極は、エミッタ電極を含んでよい。半導体装置は、第2導電型の第1コンタクト領域を備えてよい。第1コンタクト領域は、第1半導体領域よりも不純物濃度が高くてよい。第1コンタクト領域は、第1半導体領域よりもおもて面側の一部に選択的に形成されてよい。第1電極は、エミッタ電極と、半導体基板とエミッタ電極との間に配置されるプラグ部と、を含んでよい。半導体装置は、第2導電型の第2コンタクト領域を備えてよい。第2コンタクト領域は、第1半導体領域よりも不純物濃度が高くてよい。第2コンタクト領域は、プラグ部の下方に配置されてよい。プラグ部の下端は、第2半導体領域の下端よりも深い位置に設けられていてよい。半導体装置は、第1導電型の蓄積領域を備えてよい。蓄積領域は、第1半導体領域の下方に配置されてよい。蓄積領域は、半導体基板よりも不純物濃度が高くてよい。 The first electrode may include an emitter electrode. The semiconductor device may include a second conductive type first contact region. The first contact region may have a higher impurity concentration than the first semiconductor region. The first contact region may be selectively formed on a part of the front surface side of the first semiconductor region. The first electrode may include an emitter electrode and a plug portion arranged between the semiconductor substrate and the emitter electrode. The semiconductor device may include a second conductive type second contact region. The second contact region may have a higher impurity concentration than the first semiconductor region. The second contact area may be located below the plug portion. The lower end of the plug portion may be provided at a position deeper than the lower end of the second semiconductor region. The semiconductor device may include a first conductive type storage region. The storage region may be located below the first semiconductor region. The storage region may have a higher impurity concentration than the semiconductor substrate.
第1半導体領域は、ベース領域であってよい。第2半導体領域は、エミッタ領域であってよい。 The first semiconductor region may be a base region. The second semiconductor region may be an emitter region.
エミッタ領域は、トレンチと隣接する側が相対的に長くなっていてよい。エミッタ領域は、延伸方向と垂直な断面において、第1トレンチ部と第2トレンチ部との間に挟まれたメサ領域に配置されているが、第1トレンチ部側と第2トレンチ部側とで対称に配置されていなくてよい。エミッタ領域は、第1トレンチ部側と第2トレンチ部側とで深さが異なっていてよい。 The emitter region may be relatively long on the side adjacent to the trench. The emitter region is arranged in the mesa region sandwiched between the first trench portion and the second trench portion in the cross section perpendicular to the stretching direction, but is located on the first trench portion side and the second trench portion side. It does not have to be arranged symmetrically. The depth of the emitter region may be different between the first trench portion side and the second trench portion side.
第1トレンチ部または第2トレンチ部は、延伸方向と垂直な断面において、導電部の表面の最も深い部分がトレンチの中央に配置されていてよい。第1トレンチ部または第2トレンチ部は、延伸方向と垂直な断面において、導電部の表面の側壁の側が半導体基板のおもて面に相対的に近くてよい。延伸方向と垂直な断面は、第2半導体領域を通る断面であってよい。 In the first trench portion or the second trench portion, the deepest portion of the surface of the conductive portion may be arranged in the center of the trench in the cross section perpendicular to the stretching direction. In the cross section perpendicular to the stretching direction of the first trench portion or the second trench portion, the side wall side of the surface of the conductive portion may be relatively close to the front surface of the semiconductor substrate. The cross section perpendicular to the stretching direction may be a cross section that passes through the second semiconductor region.
導電部は、ポリシリコンであってよい。半導体装置は、絶縁膜を備えてよい。絶縁膜は、トレンチの内壁を覆ってよい。絶縁膜は、半導体基板と導電部との絶縁を確保してよい。導電部は、一部がゲート電極に接続されており、その他の少なくとも一部がエミッタ電極に接続されていてよい。肩部は、側壁よりも半導体基板の深さ方向に対する平均傾きが大きくてよい。肩部は、少なくとも一部において直線形状を含んでよい。 The conductive portion may be polysilicon. The semiconductor device may include an insulating film. The insulating film may cover the inner wall of the trench. The insulating film may ensure insulation between the semiconductor substrate and the conductive portion. A part of the conductive part may be connected to the gate electrode, and at least a part of the other may be connected to the emitter electrode. The shoulder portion may have a larger average inclination with respect to the depth direction of the semiconductor substrate than the side wall portion. The shoulder may include a linear shape, at least in part.
肩部は、半導体基板の深さ方向の長さD1が、延伸方向と垂直な方向の幅W1よりも大きくてよい。肩部の幅W1は、導電部の上端と対向する位置におけるトレンチの幅の1/2以下、1/20以上であってよい。肩部の幅W1は、導電部の上端と対向する位置におけるトレンチの幅の1/4以下であってよい。肩部の幅W1は、導電部の上端と対向する位置におけるトレンチの幅の1/10以上であってよい。 The shoulder portion may have a length D1 in the depth direction of the semiconductor substrate larger than a width W1 in the direction perpendicular to the stretching direction. The width W1 of the shoulder portion may be 1/2 or less, 1/20 or more of the width of the trench at a position facing the upper end of the conductive portion. The width W1 of the shoulder portion may be 1/4 or less of the width of the trench at a position facing the upper end of the conductive portion. The width W1 of the shoulder portion may be 1/10 or more of the width of the trench at a position facing the upper end of the conductive portion.
肩部の少なくとも一部は、半導体基板の深さ方向に対する角度が20度以上であってよい。 At least a part of the shoulder portion may have an angle of 20 degrees or more with respect to the depth direction of the semiconductor substrate.
第1トレンチ部および第2トレンチ部は、それぞれの導電部の上端が、半導体基板の表面よりも深い位置に配置されていてよい。 In the first trench portion and the second trench portion, the upper ends of the respective conductive portions may be arranged at positions deeper than the surface of the semiconductor substrate.
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 The outline of the above invention does not list all the features of the present invention. Sub-combinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the inventions that fall within the scope of the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置100の表面の一部を示す図である。本例の半導体装置100は、半導体基板の表面において所定の延伸方向に延伸する複数のゲートトレンチ部40を備える。複数のゲートトレンチ部40は、延伸方向と直交する配列方向に沿って所定の間隔で配列される。ゲートトレンチ部40は、例えばIGBT等のパワー半導体素子のゲートとして機能する。
FIG. 1 is a diagram showing a part of the surface of the
半導体基板の表面において、それぞれのゲートトレンチ部40に挟まれる領域には、P−型のベース領域14が形成される。ベース領域14の表面には、P+型のコンタクト領域15が形成される。また、コンタクト領域15の表面の一部に、N+型のエミッタ領域12が選択的に形成される。エミッタ領域12は第1領域の一例である。コンタクト領域15は第2領域の一例である。ベース領域14は第3領域の一例である。また、各領域は、本明細書で説明する導電型とは逆の導電型を有していてもよい。
On the surface of the semiconductor substrate, a P-
本例においてコンタクト領域15およびエミッタ領域12のそれぞれは、隣接する一方のゲートトレンチ部40から、他方のゲートトレンチ部40まで形成される。コンタクト領域15およびエミッタ領域12は、各ゲートトレンチ部40に挟まれる領域において、ゲートトレンチ部40の延伸方向に沿って交互に露出するように形成される。
In this example, each of the
また、エミッタ領域12がそれぞれのゲートトレンチ部40の両側に延伸方向に沿って形成され、エミッタ領域12に挟まれる領域にコンタクト領域15が形成されてもよい。なお、半導体装置100の表面には、層間絶縁膜およびエミッタ電極等が形成されるが、図1においては省略している。
Further, the
図2は、図1におけるA−A'断面を示す図である。A−A'断面は、半導体装置100の表面と垂直であり、且つ、ゲートトレンチ部40の延伸方向と垂直な断面である。半導体装置100は、当該断面において、半導体基板10、層間絶縁膜26、エミッタ電極52およびコレクタ電極24を有する。
FIG. 2 is a diagram showing a cross section taken along the line AA'in FIG. The AA'cross section is a cross section perpendicular to the surface of the
層間絶縁膜26は、半導体基板10の表面において所定のパターンで形成される。層間絶縁膜26は、ゲートトレンチ部40の開口部分を覆い、且つ、ゲートトレンチ部40に挟まれるメサ領域の少なくとも一部を露出させる。層間絶縁膜26は、例えばPSG膜またはBPSG膜である。エミッタ電極52は、層間絶縁膜26の上側に形成される。エミッタ電極52は、層間絶縁膜26で覆われていない半導体基板10の表面に接続する。
The
コレクタ電極24は、半導体基板10の裏面に形成される。エミッタ電極52およびコレクタ電極24は、金属等の導電材料で形成される。また本明細書において、基板、層、領域等の各部材のエミッタ電極52側の面を表面または上面、コレクタ電極24側の面を裏面または底部と称する。また、エミッタ電極52とコレクタ電極24とを結ぶ方向を深さ方向と称する。また、コレクタ電極24からエミッタ電極52に向かう方向を上、エミッタ電極52からコレクタ電極24に向かう方向を下とする。
The
半導体基板10は、シリコン基板であってよく、炭化シリコン基板、窒化物半導体基板等であってもよい。半導体基板10の表面側には、P−型のベース領域14が形成される。また、N+型のエミッタ領域12が、ベース領域14の表面側における一部の領域に選択的に形成される。
The
また、半導体基板10は、N−型のドリフト領域18、N−型のバッファ領域20、および、P+型のコレクタ領域22を更に有する。ドリフト領域18は、ベース領域14の裏面側に形成される。
Further, the
バッファ領域20は、ドリフト領域18の裏面側に形成される。バッファ領域20の不純物濃度は、ドリフト領域18の不純物濃度よりも高い。バッファ領域20は、ベース領域14の裏面側から広がる空乏層が、コレクタ領域22に到達することを防ぐフィールドストップ層として機能してよい。コレクタ領域22は、バッファ領域20の裏面側に形成される。また、コレクタ領域22の裏面にはコレクタ電極24が設けられる。
The
半導体基板10の表面側には、1以上のゲートトレンチ部40が形成される。各ゲートトレンチ部40は、半導体基板10の表面から、ベース領域14を貫通して、ドリフト領域18に到達する。本断面におけるゲートトレンチ部40は、半導体基板10の表面から、エミッタ領域12およびベース領域14を貫通して、ドリフト領域18に到達する。
One or more
ゲートトレンチ部40は、半導体基板10の表面側に形成されたゲートトレンチ41、絶縁膜42およびゲート導電部44を有する。絶縁膜42は、ゲートトレンチ41の内壁を覆って形成される。絶縁膜42は、ゲートトレンチ41の内壁の半導体を酸化または窒化して形成してよい。ゲート導電部44は、ゲートトレンチ41の内部において絶縁膜42よりも内側に形成される。つまり絶縁膜42は、ゲート導電部44と半導体基板10とを絶縁する。ゲート導電部44は、ポリシリコン等の導電材料で形成される。
The
ゲート導電部44の上端45は、半導体基板10の表面よりも深い位置に設けられる。つまり、ゲート導電部44の上端45は、ゲートトレンチ41の内部に落ち込んでいる。ゲート導電部44の上端45とは、ゲート導電部44のうち、最も上側にある端部を指す。
The
ゲートトレンチ41の内部においてゲート導電部44および絶縁膜42が設けられていない領域には、層間絶縁膜26が形成される。これにより、ゲート導電部44は、エミッタ電極52と絶縁される。ただし、ゲートトレンチ部40は、半導体装置100において金属のゲート電極の下側まで延伸して設けられる。ゲート電極の下側の層間絶縁膜26には、ゲート導電部44とゲート電極とを電気的に接続するコンタクトホールが形成される。
An interlayer insulating
ゲート導電部44は、少なくとも隣接するベース領域14と対向する領域を含む。ゲート導電部44に所定の電圧が印加されると、ベース領域14のうちゲートトレンチ41に接する界面の表層にチャネルが形成される。
The gate
なお、半導体装置100は、一部のゲートトレンチ部40に代えて、ダミートレンチ部を設けてもよい。ダミートレンチ部はゲートトレンチ部40と同様の構造を有する。ただし、ダミートレンチ部の内部の導電部は、エミッタ電極52と電気的に接続される。この場合、ダミートレンチ部およびエミッタ電極52の間の層間絶縁膜26には、コンタクトホールが設けられる。ダミートレンチ部を設けることで、ドリフト領域へのキャリア注入促進効果(IE効果)を高めてオン電圧を低減することができる。
The
なお、半導体基板10の深さ方向の断面において、ゲート導電部44の上端45と、半導体基板10の表面との間におけるゲートトレンチ41の側壁の平均傾きは、ゲート導電部44の上端45と対向する位置における側壁の傾きよりも大きい。なお、本明細書における「傾き」は、特に明示がない限り、当該断面における、半導体基板10の深さ方向に対する傾きを指す。例えば、半導体基板10の表面の「傾き」は、ほぼ90度であり、深さ方向と平行な直線の「傾き」は0度である。なおゲートトレンチ41の所定の範囲内における側壁の平均傾きは、当該断面におけるゲートトレンチ41の側壁の傾きをゲートトレンチ41の側壁の所定の長さに渡って積分し、当該積分値を当該所定の長さで除算することで算出してよい。
In the cross section of the
本例のゲートトレンチ41は、半導体基板10の表面と接する領域に肩部33を有する。肩部33は、ゲートトレンチ41の側壁のうち、ゲート導電部44と、半導体基板10の表面との間(すなわちゲート導電部44の上端45よりも上側)に形成される。当該断面において、肩部33におけるゲートトレンチ41の側壁の平均傾きは、ゲート導電部44の上端45と対向する位置における側壁の傾きより小さい。なお、肩部33と、ゲート導電部44の上端45との間におけるゲートトレンチ41の側壁の傾きは、ゲート導電部44の上端45と対向する位置におけるゲートトレンチ41の側壁の傾きとほぼ等しくてよい。
The
このように、ゲート導電部44の上端45よりも上側におけるゲートトレンチ41の側壁の傾きを大きくすることで、ゲートトレンチ41に接する領域におけるエミッタ領域12の深さを制御しやすくなる。エミッタ領域12の深さを制御することで、残存するベース領域14の長さを制御することができる。ゲートトレンチ41に接するベース領域14の長さはチャネル長に相当する。このため、半導体装置100の閾値電圧を制御しやすくなる。
By increasing the inclination of the side wall of the
図3は、半導体装置100のうち、ゲートトレンチ部40およびエミッタ領域12の製造工程の一部を説明する図である。まずゲートトレンチ形成段階S300において、半導体基板10の表面にゲートトレンチ41を形成する。ゲートトレンチ41は、半導体基板10の表面と接する領域に肩部33を有する。例えば、所定の開口を有する第1マスクを用いて半導体基板10の表面をエッチングしてトレンチを形成した後に、第1マスクよりも開口の大きい第2マスクを用いて半導体基板10の表面をウェットエッチングすることで肩部33を有するゲートトレンチ41を形成してよい。第2マスクは、第1マスクをウェットエッチングして、開口面積を広げることで形成してよい。
FIG. 3 is a diagram illustrating a part of the manufacturing process of the
次に、ゲート導電部形成段階S302において、ゲートトレンチ41の内壁に絶縁膜42およびゲート導電部44を形成する。絶縁膜42は、半導体基板10を酸化することで形成してよい。なお、ゲート導電部44の上端45が、半導体基板10の表面11よりも深い位置となるように、ゲート導電部44を形成する。本例においてゲート導電部44の上端45は、肩部33よりも下側に設けられる。ゲート導電部44は、例えば不純物をドープしたポリシリコンで形成される。
Next, in the gate conductive portion forming step S302, the insulating
ゲート導電部44を形成した後、半導体基板10の表面にP型の不純物を注入および拡散して、ベース領域14を形成する。P型の不純物は例えばホウ素である。ベース領域14の拡散温度は、例えば1100度程度である。なお、ベース領域14を形成してから、ゲートトレンチ部40を形成してもよい。
After forming the gate
次に、エミッタ領域形成段階S304において、半導体基板10にN型の不純物を注入して拡散する。N型の不純物は例えば砒素である。また、コンタクト領域15にホウ素等のP型の不純物を注入して拡散する。エミッタ領域12およびコンタクト領域15の不純物は、同一の工程で拡散してよい。当該拡散工程の温度は、ベース領域14の拡散温度より低くてよい。当該拡散工程の温度は、例えば1000度以下である。
Next, in the emitter region formation step S304, N-type impurities are injected into the
これによりエミッタ領域12を形成する。なおS304においては、半導体基板10の表面だけでなく、ゲート導電部44をマスクとして、ゲートトレンチ41の側壁にも不純物を注入する。このような方法により、エミッタ領域12は、ゲートトレンチ41と接触する部分が最も深くなるように形成される。
This forms the
S304においては、半導体装置100が有するべき閾値電圧に応じた深さまで、ゲートトレンチ41と接する領域においてN型の不純物を拡散させる。より深い位置まで不純物を拡散させる場合、より高い温度またはより長い時間での熱処理が必要になる。ただし、長い時間をかけて熱処理すると製造効率が劣化するので、高い温度での熱処理が好ましい。しかし、高温で熱処理した場合、単位時間あたりに不純物が拡散する長さが大きくなるので、不純物の拡散深さを制御することが困難になる。
In S304, N-type impurities are diffused in the region in contact with the
これに対して本例の半導体装置100および製造方法においては、ゲートトレンチ41が肩部33を有するので、ゲートトレンチ41と接する領域において不純物を拡散させる長さを低減することができる。つまり、肩部33が設けられた領域においては、半導体基板10の表面11よりも下側に不純物が注入される。このため、所定の深さのエミッタ領域12を形成する場合に、不純物を拡散させなければならない長さを低減することができる。
On the other hand, in the
このため、より低い温度で不純物を拡散させても、熱処理時間が長くならず、製造効率が劣化しない。そして、低い温度で不純物を拡散できるので、ゲートトレンチ41に接する領域におけるエミッタ領域12の深さを精度よく制御することができる。
Therefore, even if impurities are diffused at a lower temperature, the heat treatment time does not become long and the production efficiency does not deteriorate. Since impurities can be diffused at a low temperature, the depth of the
また、ゲートトレンチ41が肩部33を有することで、ゲートトレンチ部40に挟まれるメサ領域の面積を小さくすることができる。このため、電子注入促進効果(IE効果)を得ることができる。
Further, since the
なお、S304においては、半導体基板10の深さ方向に対して所定の傾きθ1を有する方向から、ゲートトレンチ41の側壁に不純物を注入してよい。これにより、不純物を効率よく注入することができる。傾きθ1は、例えば10度以下である。
In S304, impurities may be injected into the side wall of the
また、エミッタ領域12を、ゲート導電部44をマスクとしたセルフアラインで形成するので、エミッタ領域12をゲートトレンチ部40に容易に接触させることができる。一方、エミッタ領域12を、ゲートトレンチ部40とは独立したマスクを用いて形成した場合、マスクの位置合わせ等における製造ばらつきにより、エミッタ領域12とゲートトレンチ部40とが接触せずに、半導体装置100が動作できない場合が生じてしまう。
Further, since the
図4は、ゲートトレンチ部40の形状を説明する図である。本例では、ゲート導電部44の上端45と対向する位置31における、ゲートトレンチ41の側壁の傾きをθ2とする。また、ゲートトレンチ41の開口の径方向における肩部33の幅をW1、深さ方向の長さをD1とする。なお、肩部33の始点は、半導体基板10の表面11におけるゲートトレンチ41の側壁の端部であってよい。また、肩部33の終点は、位置31から半導体基板10の表面11に向けてゲートトレンチ41の側壁を辿った場合に、ゲートトレンチ41の側壁の傾きがθ2よりも所定値以上大きくなる位置であってよい。一例として当該所定値は10度である。当該所定値は0度であってよく、20度であってよく、30度であってもよい。
FIG. 4 is a diagram illustrating the shape of the
肩部33は、半導体基板10の内部に向けて凸の曲面部を有してよい。つまり肩部33の傾きは、半導体基板10の表面からの距離が大きくなるに従って増大する。このような肩部33の形状により、より効率よく、深い位置に不純物を注入することができる。このため、所定の深さのエミッタ領域12を形成するための不純物の拡散長さを短くすることができる。
The
また、肩部33の長さD1は、幅W1よりも大きくてよい。これにより、ゲートトレンチ41の開口面積を小さくして微細化できるとともに、ゲートトレンチ41に隣接する領域において深い位置に不純物を注入することができる。また、長さD1は幅W1と等しくてよく、長さD1は幅W1より小さくてもよい。
Further, the length D1 of the
肩部33の幅W1は、位置31におけるゲートトレンチ41の幅の半分以下であってよく、1/4以下であってよい。これにより、半導体基板10の表面11におけるゲートトレンチ41の面積が増大することを抑制できる。また、幅W1は、位置31におけるゲートトレンチ41の幅の1/20以上であってよく、1/10以上であってもよい。これにより、不純物を深い位置に効率よく注入できる。
The width W1 of the
また、肩部33の長さD1は、ゲート導電部44の上端45と半導体基板10の表面11との距離R1の半分以下であってよい。また、長さD1は距離R1の半分より大きくてもよい。また、長さD1は距離R1とほぼ等しくてもよい。一例として、長さD1が、距離R1の90%以上、110%以下の場合を、長さD1と距離R1とがほぼ等しいとみなす。
Further, the length D1 of the
また、ゲートトレンチ41の側壁は、ゲート導電部44の上端45と、半導体基板10の表面11の間において、傾きが20度以上となる部分を有する。例えば、肩部33の少なくとも一部の傾きθ3が20度以上となる。このように、上端45よりも上側において、ゲートトレンチ41の側壁の傾きが大きくなることで、不純物を深い位置に効率よく注入でき、ゲートトレンチ41に隣接する領域に対する不純物の拡散の制御が容易になる。
Further, the side wall of the
図5は、エミッタ領域12およびゲート導電部44の形状を説明する図である。上述したように、ゲートトレンチ41の内壁からも不純物が注入されるので、エミッタ領域12は、ゲートトレンチ41に隣接する部分の下端34が、他の部分よりも深い位置に設けられる。このような形状により、ゲートトレンチ41に隣接する領域におけるベース領域14の長さを制御でき、半導体装置100の閾値電圧を制御することができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating the shapes of the
また、エミッタ領域12において、ゲートトレンチ41と接触する部分の深さ方向における長さD2が、エミッタ領域12の他の部分の長さよりも大きくてよい。例えば、ゲートトレンチ41が設けられていないメサ領域におけるエミッタ領域12の長さD3は、長さD2より小さい。
Further, in the
また、ゲート導電部44の半導体基板10の表面11側の端面は、ゲートトレンチ41の側壁と隣接する部分(本例では上端45)が、最も半導体基板10の表面11に近く形成される。本例では、ゲート導電部44の半導体基板10の表面11側の端面のうち、ゲートトレンチ41の中央に位置する最も深い部分46が、最も半導体基板10の表面11から遠い位置に形成される。
Further, on the end surface of the gate
一例として、ゲート導電部44の当該端面は、ゲートトレンチ41の側壁から、ゲートトレンチ41の中央にかけて、半導体基板10の表面からの距離が徐々に増加する。つまり、半導体基板10の表面11からの深さが増大するに従い、ゲートトレンチ41の側壁と隣接するゲート導電部44の厚みが徐々に増加する。上述したように、ゲート導電部44をマスクとして不純物を斜めに注入した場合、ゲート導電部44の厚みが小さい箇所は、不純物がゲート導電部44を透過して半導体基板10に注入される。これにより、ゲートトレンチ41と隣接する領域において、半導体基板10の表面11から見て深い位置まで、不純物を容易に注入して拡散させることができる。
As an example, the distance of the end surface of the gate
図6Aは、肩部33の形状の変形例を示す図である。本例の肩部33は、半導体基板10の表面側に向かって凸の曲面部を有する。つまり、本例の肩部33の傾きは、半導体基板10の表面からの距離が大きくなるに従って減少する。このような形状によっても、半導体基板10の表面11から見て深い位置まで、不純物を容易に拡散させることができる。
FIG. 6A is a diagram showing a modified example of the shape of the
図6Bは、肩部33の形状の変形例を示す図である。本例の肩部33は、少なくとも一部において直線形状を有する。当該直線形状は、ゲート導電部44の上端45と対向する位置におけるゲートトレンチ41の側壁の傾きθ2よりも、所定値以上大きい傾きを有する。当該所定値は10度であってよく、20度であってよく、30度であってもよい。このような形状によっても、半導体基板10の表面11から見て深い位置まで、不純物を容易に拡散させることができる。
FIG. 6B is a diagram showing a modified example of the shape of the
図7は、図1におけるB−B'断面を示す図である。当該断面において半導体装置100は、図2に示した断面のエミッタ領域12に代えてコンタクト領域15を有する。他の構造は、図2に示した断面と同一である。
FIG. 7 is a diagram showing a BB'cross section in FIG. In the cross section, the
つまり、ゲートトレンチ41は、エミッタ領域12に隣接する領域、および、コンタクト領域15に隣接する領域の双方において肩部33を有する。エミッタ領域12に隣接する領域における肩部33と、コンタクト領域15に隣接する領域における肩部33の形状は同一であってよい。
That is, the
このような構造により、コンタクト領域15の深さも、エミッタ領域12と同様に制御することができる。つまり、コンタクト領域15においても、ゲートトレンチ41と接触する部分が、最も深い位置まで形成される。
With such a structure, the depth of the
図8は、ゲートトレンチ41、ゲート導電部44、エミッタ領域12およびコンタクト領域15の斜視図である。肩部33は、ゲートトレンチ41の延伸方向に沿って延伸して形成される。
FIG. 8 is a perspective view of the
図9Aは、図8におけるC−C'断面を示す図である。当該断面は、ゲートトレンチ41が設けられていない領域(すなわちメサ領域)においてゲートトレンチ41の延伸方向に沿った断面である。上述したように、ゲートトレンチ41の延伸方向に沿って、半導体基板10の表面11には、エミッタ領域12と、コンタクト領域15とが交互に露出する。コンタクト領域15は、エミッタ領域12よりも深い位置まで形成される。
FIG. 9A is a diagram showing a CC'cross section in FIG. The cross section is a cross section along the extending direction of the
図9Bは、図8におけるD−D'断面を示す図である。当該断面は、肩部33が設けられた領域においてゲートトレンチ41の延伸方向に沿った断面である。肩部33におけるエミッタ領域12は、図9Aに示したメサ領域におけるエミッタ領域12よりも深い位置まで形成される。また、肩部33におけるコンタクト領域15は、メサ領域におけるコンタクト領域15よりも深い位置まで形成される。
FIG. 9B is a diagram showing a DD'cross section in FIG. The cross section is a cross section along the extending direction of the
また、肩部33におけるエミッタ領域12の深さ方向の長さD6は、メサ領域におけるエミッタ領域12の長さD3よりも大きい。肩部33におけるコンタクト領域15の深さ方向の長さD8は、メサ領域におけるコンタクト領域15の長さD5よりも大きい。また、肩部33におけるエミッタ領域12およびコンタクト領域15の長さの差D7は、メサ領域におけるエミッタ領域12およびコンタクト領域15の長さの差D4以上である。
Further, the length D6 of the
図10は、ゲート導電部44の製造工程の一例を示す図である。まず、肩部33を有するゲートトレンチ41を半導体基板10の表面11に形成する。次に、ゲートトレンチ41および半導体基板10の表面に絶縁膜42を形成する。次に、ゲートトレンチ41および半導体基板10の表面に導電材料47を堆積する。導電材料47を堆積していくと、ゲートトレンチ41の内部においては、側壁に堆積する導電材料47の厚みが増加する。また、導電材料47は肩部33に沿った形状を維持しつつ、厚みが増加する。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the gate
ゲートトレンチ41の中心まで導電材料47を充填すると、図10の下側に示すように、ゲートトレンチ41の開口の上方における導電材料47は、下に凸の形状を有する。そして、ゲートトレンチ41の内部における所定の深さまで導電材料47をエッチングすることで、図5に示したようなゲート導電部44を形成する。このように、ゲートトレンチ41が肩部を有することで、上面が下側に凸のゲート導電部44を容易に形成できる。このため、ゲートトレンチ41の側面に容易に不純物を注入できる。
When the
図11は、第2の実施形態に係る半導体装置100の断面を示す図である。本例の半導体装置100は、半導体基板10の表面11から、ゲート導電部44の上端までの距離が異なる複数のゲートトレンチ部40を有する。つまり、ゲート導電部44の上端の深さが異なる複数のゲートトレンチ部40を有する。なお、それぞれのゲートトレンチ部40は、下端の深さが均一なベース領域14を貫通している。また、それぞれのゲートトレンチ部40が現れる断面は、単一の平面でなくともよい。
FIG. 11 is a diagram showing a cross section of the
ゲート導電部44の上端の深さが異なる場合、ゲートトレンチ41に隣接する領域におけるエミッタ領域12の深さも異なる。具体的には、ゲート導電部44の上端が浅い場合、エミッタ領域12も浅くなり、ゲート導電部44の上端が深い場合、エミッタ領域12も深くなる。
When the depth of the upper end of the gate
本例では、第1のゲートトレンチ部40−1におけるゲート導電部44の上端と半導体基板10の表面11との距離をL1とする。また、第2のゲートトレンチ部40−2におけるゲート導電部44の上端と半導体基板10の表面11との距離をL2とする。距離L1は距離L2より小さい。
In this example, the distance between the upper end of the gate
上述したように、ゲート導電部44の上端と半導体基板10の表面11との距離が大きくなるほど、ゲートトレンチ41に隣接するエミッタ領域12は深くなり、チャネル長は短くなる。このため、第1のゲートトレンチ部40−1のチャネル長C1は、第2のゲートトレンチ部40−2のチャネル長C2よりも大きくなる。このため、第1のゲートトレンチ部40−1の閾値電圧は、第2のゲートトレンチ部40−2の閾値電圧よりも大きくなる。
As described above, the larger the distance between the upper end of the gate
このように、ゲート導電部44の上端の深さを制御することで、それぞれのゲートトレンチ部40の閾値電圧を制御することができる。従って、それぞれのゲートトレンチ部40の用途または機能等に応じて適切な閾値電圧を設定することができる。
By controlling the depth of the upper end of the gate
第1のゲートトレンチ部40―1および第2のゲートトレンチ部40−2におけるゲートトレンチ41は、半導体基板10の表面11からの深さが異なってよい。具体的には、閾値電圧をより大きくしたいゲートトレンチ部40のゲートトレンチ41を、より深く形成する。そして、それぞれのゲートトレンチ41に、同一の長さのゲート導電部44を形成する。これにより、それぞれのゲート導電部44の上端の深さは、ゲートトレンチ41の深さに応じて異なる。本例によれば、それぞれのゲート導電部44を同時に形成して製造工程を効率化しつつ、それぞれのゲートトレンチ部40の閾値電圧を調整することができる。
The
また、面積が異なる複数の開口を有するマスクを用いて半導体基板10の表面11をエッチングすることで、深さの異なる複数のゲートトレンチ41を形成してよい。マスクの開口面積が大きい場合、深いゲートトレンチ41が形成できる。これにより、深さの異なるゲートトレンチ41を同時に形成して製造工程を効率化しつつ、それぞれのゲートトレンチ部40の閾値電圧を調整することができる。
Further, by etching the
図12は、肩部33を形成する工程の一例を示す図である。上述したように、第1マスク48を用いて半導体基板10の表面11を異方性エッチングすることで、ゲートトレンチ41を形成する。次に、第1マスク48をウェットエッチングして、マスク開口の面積を拡大した第2マスク49を形成する。第2マスク49の開口には、肩部33を形成すべき表面11の領域が露出する。そして、第2マスク49を用いて半導体基板10の表面11をウェットエッチングする。これにより、ゲートトレンチ41の側壁の傾きよりも緩やかな肩部33を形成できる。
FIG. 12 is a diagram showing an example of a process of forming the
図13は、第3の実施形態に係る半導体装置100の表面の一部を示す図である。本例の半導体装置100は、半導体基板の表面において所定の延伸方向に延伸する複数のゲートトレンチ部40を備える。ゲートトレンチ部40は、図1から図12において説明したいずれかの実施形態におけるゲートトレンチ部40と同一である。
FIG. 13 is a diagram showing a part of the surface of the
半導体基板の表面において、それぞれのゲートトレンチ部40に挟まれる領域には、N+形のエミッタ領域12が形成される。エミッタ領域12は、ゲートトレンチ部40と隣接する領域にストライプ状に形成される。本例では、半導体基板の表面においてゲートトレンチ部40に挟まれる領域には、ベース領域14が露出していない。
On the surface of the semiconductor substrate, an N + -shaped
また、本例のコンタクト領域15は、半導体基板の内部に形成されており、半導体基板の表面には露出しない。コンタクト領域15は、半導体基板の内部において、ゲートトレンチ部40と平行にストライプ状に形成されている。エミッタ領域12には、コンタクト領域15を露出させるコンタクト開口が形成される。当該コンタクト開口の内部には、コンタクト領域15とエミッタ電極52とを接続するプラグが形成される。
Further, the
図14は、図13におけるC−C'断面を示す図である。C−C'断面は、半導体装置100の表面と垂直であり、且つ、ゲートトレンチ部40の延伸方向と垂直な断面である。本例では、2つのゲートトレンチ部40に挟まれる領域において、半導体基板10の上面近傍にエミッタ領域12が形成され、エミッタ領域12の下方にベース領域14が形成される。また、本例の半導体装置100は、プラグ部28を更に備える。また、プラグ部28の底部と隣接して、コンタクト領域15が形成されている。他の構造は、図2に示した構造と同一であってよい。
FIG. 14 is a diagram showing a CC'cross section in FIG. The CC'cross section is perpendicular to the surface of the
プラグ部28は、2つのゲートトレンチ部40の間において、層間絶縁膜26およびエミッタ領域12を貫通して形成されている。プラグ部28は、2つのゲートトレンチ部40に挟まれる領域の中央に配置されてよい。プラグ部28の上端はエミッタ電極52に接続され、下端はベース領域14の内部に配置される。プラグ部28は、例えばタングステンを含む材料で形成されてよい。
The
コンタクト領域15は、ベース領域14の内部に形成される。本例のコンタクト領域15は、全体がベース領域14に囲まれている。コンタクト領域15は、プラグ部28の下端と接触して形成される。このような構造により、エミッタ電極52と半導体領域とのコンタクト抵抗を低減することができる。特に半導体装置100が微細化すると、ゲートトレンチ部40に挟まれるメサ幅が小さくなり、エミッタ電極52と半導体領域とのコンタクト面積が小さくなってしまう。これに対して本例によれば、プラグ部28を設けることで、半導体装置100を微細化してもコンタクト抵抗を低く保つことができる。
The
また、半導体装置100は、N+型の蓄積領域16を更に備えてよい。蓄積領域16は、ドリフト領域18よりも不純物濃度が高い。蓄積領域16は、2つのゲートトレンチ部40の間において、ベース領域14とドリフト領域18との間に形成される。このような構成により、キャリア蓄積効果を高めて、オン電圧とターンオフ損失とのトレードオフを改善することができる。蓄積領域16は、図1から図12において説明した第1および第2の実施形態に係る半導体装置100に適用してもよい。
Further, the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the claims that such modified or improved forms may also be included in the technical scope of the present invention.
なお、特許請求の範囲または明細書における「上」と「下」とは、互いに逆の方向を指す。ただし、「上」の用語は、重力方向と逆向きの方向に限定されない。また、「下」の用語は、重力方向に限定されない。 In the claims or the specification, "upper" and "lower" refer in opposite directions. However, the term "above" is not limited to the direction opposite to the direction of gravity. Also, the term "bottom" is not limited to the direction of gravity.
10・・・半導体基板、11・・・表面、12・・・エミッタ領域、14・・・ベース領域、15・・・コンタクト領域、16・・・蓄積領域、18・・・ドリフト領域、20・・・バッファ領域、22・・・コレクタ領域、24・・・コレクタ電極、26・・・層間絶縁膜、28・・・プラグ部、33・・・肩部、34・・・下端、40・・・ゲートトレンチ部、41・・・ゲートトレンチ、42・・・絶縁膜、44・・・ゲート導電部、45・・・上端、46・・・最も深い部分、47・・・導電材料、48・・・第1マスク、49・・・第2マスク、52・・・エミッタ電極、100・・・半導体装置 10 ... Semiconductor substrate, 11 ... Surface, 12 ... Emitter region, 14 ... Base region, 15 ... Contact region, 16 ... Storage region, 18 ... Drift region, 20 ...・ ・ Buffer area, 22 ... collector area, 24 ... collector electrode, 26 ... interlayer insulating film, 28 ... plug part, 33 ... shoulder part, 34 ... lower end, 40 ... -Gate trench, 41 ... Gate trench, 42 ... Insulating film, 44 ... Gate conductive part, 45 ... Upper end, 46 ... Deepest part, 47 ... Conductive material, 48. .. 1st mask, 49 ... 2nd mask, 52 ... Emitter electrode, 100 ... Semiconductor device
Claims (26)
前記半導体基板のおもて面側において予め定められた延伸方向に延び、且つ、前記第1半導体領域の下方まで至る複数のトレンチと、
複数の前記トレンチの内部に充填された導電部と、
前記半導体基板のおもて面を所定のパターンで覆う層間絶縁膜と、
前記トレンチに挟まれたメサ領域において、前記層間絶縁膜から露出する露出領域を介して前記半導体基板に接続する第1電極と、を更に備え、
前記延伸方向と垂直な断面において、
前記半導体基板の表面から前記導電部の表面の最も深い部分までが所定距離である第1トレンチ部と、
前記半導体基板の表面から前記導電部の表面の最も深い部分までが前記所定距離よりも長い第2トレンチ部と、を含み、
前記第1トレンチ部および前記第2トレンチ部は、それぞれの前記トレンチが、前記トレンチの側壁の傾斜よりも前記露出領域側に傾斜した肩部を上端に有する
半導体装置。 A second conductive type first semiconductor region formed on the front surface side of the first conductive type semiconductor substrate and a part of the front surface side of the first semiconductor region were selectively formed. In a semiconductor device including a first conductive type second semiconductor region,
A plurality of trenches extending in a predetermined stretching direction on the front surface side of the semiconductor substrate and extending to the lower side of the first semiconductor region.
Conductive portions filled inside the plurality of trenches,
An interlayer insulating film that covers the front surface of the semiconductor substrate with a predetermined pattern,
In the mesa region sandwiched between the trenches, a first electrode connected to the semiconductor substrate via an exposed region exposed from the interlayer insulating film is further provided.
In the cross section perpendicular to the stretching direction
The first trench portion where the distance from the surface of the semiconductor substrate to the deepest portion of the surface of the conductive portion is a predetermined distance,
A second trench portion in which the depth from the surface of the semiconductor substrate to the deepest portion of the surface of the conductive portion is longer than the predetermined distance is included.
The first trench portion and the second trench portion are semiconductor devices in which each of the trenches has a shoulder portion inclined toward the exposed region side with respect to the inclination of the side wall of the trench at the upper end.
請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrode includes an emitter electrode.
請求項2に記載の半導体装置。 The second aspect of the present invention further comprises a second conductive type first contact region which has a higher impurity concentration than the first semiconductor region and is selectively formed on a part of the front surface side of the first semiconductor region. The semiconductor device described.
請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrode includes an emitter electrode and a plug portion arranged between the semiconductor substrate and the emitter electrode.
請求項4に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4, further comprising a second conductive type second contact region arranged below the plug portion, which has a higher impurity concentration than the first semiconductor region.
請求項5に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5, wherein the lower end of the plug portion is provided at a position deeper than the lower end of the second semiconductor region.
請求項4から6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 4 to 6, which is arranged below the first semiconductor region and further includes a first conductive type storage region having a higher impurity concentration than the semiconductor substrate.
請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein the first semiconductor region is a base region.
請求項1から8のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the second semiconductor region is an emitter region.
請求項9に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9, wherein the emitter region is relatively long on the side adjacent to the trench.
請求項9または10に記載の半導体装置。 The emitter region is arranged in a mesa region sandwiched between the first trench portion and the second trench portion in a cross section perpendicular to the stretching direction, but the first trench portion side and the first trench region. 2. The semiconductor device according to claim 9 or 10, which is not arranged symmetrically with the trench portion side.
請求項11に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11, wherein the emitter region has a different depth between the first trench portion side and the second trench portion side.
請求項1から12のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first trench portion or the second trench portion is any one of claims 1 to 12 in which the deepest portion of the surface of the conductive portion is arranged in the center of the trench in a cross section perpendicular to the stretching direction. The semiconductor device according to item 1.
請求項1から13のいずれか1項に記載の半導体装置。 Claims 1 to 13 of the first trench portion or the second trench portion, in a cross section perpendicular to the stretching direction, the side of the side wall of the surface of the conductive portion is relatively close to the front surface of the semiconductor substrate. The semiconductor device according to any one of the above items.
請求項1から14のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 14, wherein the cross section perpendicular to the stretching direction is a cross section passing through the second semiconductor region.
請求項1から15のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 15, wherein the conductive portion is polysilicon.
請求項1から16のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 16, further comprising an insulating film that covers the inner wall of the trench and further secures insulation between the semiconductor substrate and the conductive portion.
請求項2から17のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 2 to 17, wherein a part of the conductive portion is connected to a gate electrode and at least a part of the other is connected to the emitter electrode.
請求項1から18のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 18, wherein the shoulder portion has a larger average inclination with respect to the depth direction of the semiconductor substrate than the side wall portion.
請求項1から19のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 19, wherein the shoulder portion includes a linear shape at least in part.
請求項1から20のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 20, wherein the shoulder portion has a length D1 in the depth direction of the semiconductor substrate larger than a width W1 in the direction perpendicular to the stretching direction.
請求項21に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 21, wherein the width W1 of the shoulder portion is ½ or less and 1/20 or more of the width of the trench at a position facing the upper end of the conductive portion.
請求項22に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 22, wherein the width W1 of the shoulder portion is 1/4 or less of the width of the trench at a position facing the upper end of the conductive portion.
請求項22または23に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 22 or 23, wherein the width W1 of the shoulder portion is 1/10 or more of the width of the trench at a position facing the upper end of the conductive portion.
請求項1から24のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 24, wherein at least a part of the shoulder portion has an angle of 20 degrees or more with respect to the depth direction of the semiconductor substrate.
請求項1から25のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor according to any one of claims 1 to 25, wherein the upper end of each of the first trench portion and the second trench portion is arranged at a position deeper than the surface of the semiconductor substrate. apparatus.
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