JP2983110B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP2983110B2 JP4191578A JP19157892A JP2983110B2 JP 2983110 B2 JP2983110 B2 JP 2983110B2 JP 4191578 A JP4191578 A JP 4191578A JP 19157892 A JP19157892 A JP 19157892A JP 2983110 B2 JP2983110 B2 JP 2983110B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は半導体装置及びその製
造方法に関し、特にMIS(Metal Insulator Silicon)
構造の制御電極を有し、該制御電極へのバイアス印加に
よって動作するパワーデバイスにおける、耐圧とスイッ
チング特性の向上を図るための素子構造及び該素子構造
を実現するための製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a MIS (Metal Insulator Silicon).
The present invention relates to an element structure for improving a breakdown voltage and switching characteristics of a power device having a control electrode having a structure and operating by applying a bias to the control electrode, and a manufacturing method for realizing the element structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】このような電圧制御型のパワーデバイス
として、例えば文献「アイ イー イー イー トラン
ザクションズ エレクトリカル デバイス (IEEE Tran
sactions Electrical Device), ED-34(11), p.2329, 19
87」に示されたNチャネルU−MOSFETがあり、図
13はこのMOSFETセルの断面構造を示している。
2. Description of the Related Art As such a voltage-controlled power device, for example, a document "IEE Transactions Electrical Device (IEEE Tran
sactions Electrical Device), ED-34 (11), p.2329, 19
87 ", and FIG. 13 shows a cross-sectional structure of this MOSFET cell.

【0003】図において、201はNチャネルU−MO
SFETセル(以下U−MOSFETとも言う。)で、
これは半導体層内に形成された略U字型の溝(トレン
)内にゲート電極5が埋め込まれた構造を有してい
る。
In the figure, reference numeral 201 denotes an N-channel U-MO
In an SFET cell (hereinafter also referred to as a U-MOSFET),
This has a structure in which a gate electrode 5 is embedded in a substantially U-shaped groove (trench ) formed in a semiconductor layer.

【0004】以下詳述すると、上記U−MOSFET2
01のN半導体基板1上にはNエピタキシャル層2
が形成され、これらのN半導体基板1及びNエピタ
キシャル層2はドレイン領域として働くようになってお
り、また上記Nエピタキシャル層2上にはPウェル領
域3が形成されている。このPウェル領域3は上記N
エピタキシャル層2の表面にP型半導体層をエピタキシ
ャル成長することによって得られるものである。さらに
このP型半導体層には、これを貫通してその下側のN
エピタキシャル層2の表面に達するU字形トレンチが
成されおり、このトレンチ内にはゲート絶縁膜6を介し
て、例えば高濃度に不純物がドープされたポリシリコン
が埋め込まれており、このポリシリコンがゲート電極5
となっている。
[0004] The above-mentioned U-MOSFET 2
01 N + on the semiconductor substrate 1 is N - epitaxial layer 2
The N + semiconductor substrate 1 and the N epitaxial layer 2 serve as a drain region, and a P well region 3 is formed on the N epitaxial layer 2. The P-well region 3 is the N -
It is obtained by epitaxially growing a P-type semiconductor layer on the surface of the epitaxial layer 2. Further, the P-type semiconductor layer penetrates the N -type
A U-shaped trench reaching the surface of the epitaxial layer 2 is formed. In this trench , for example, polysilicon doped with a high concentration of impurities is buried via a gate insulating film 6, This polysilicon is used as the gate electrode 5
It has become.

【0005】また、上記Pウェル領域3の上部の周辺部
分にはN+ ソース領域4が形成されており、上記P型ウ
ェル領域3の、上記N+ ソース領域4とN- エピタキシ
ャル層(ドレイン領域)2とで挟まれた、上記絶縁膜6
に近接する部分3aが、反転層が形成されるべきチャネ
ル領域となっている。そして上記N- エピタキシャル層
2の表面側には、全面に金属のソース電極7が形成され
ており、該ソース電極7は、上記N+ ソース領域4及び
Pウェル領域3とは直に接触して電気的につながってお
り、またゲート電極5とはゲート絶縁膜6により絶縁さ
れている。また上記N- エピタキシャル層2の裏面側に
は、金属のドレイン電極8がN+ 半導体基板(ドレイン
領域)1と電気的につながるよう形成されている。また
上記各電極5,7,8はそれぞれゲート端子G,ソース
端子S,ドレイン端子Dに接続されている。
Further, an N + source region 4 is formed in a peripheral portion above the P well region 3. The N + source region 4 and the N epitaxial layer (drain region) of the P type well region 3 are formed. 2) above, the insulating film 6
Is a channel region where an inversion layer is to be formed. A metal source electrode 7 is formed on the entire surface of the N epitaxial layer 2. The source electrode 7 is in direct contact with the N + source region 4 and the P well region 3. It is electrically connected and is insulated from the gate electrode 5 by the gate insulating film 6. A metal drain electrode 8 is formed on the back side of the N epitaxial layer 2 so as to be electrically connected to the N + semiconductor substrate (drain region) 1. The electrodes 5, 7, and 8 are connected to a gate terminal G, a source terminal S, and a drain terminal D, respectively.

【0006】次に動作について説明する。上記ドレイン
端子Dが高電位、ソース端子Sが低電位(又はアース電
位)となるように両端子間に主電圧を印加する。この状
態でゲート端子Gに正のバイアスを印加すると、チャネ
ル領域3aに反転層が形成され、トランジスタはオン状
態となり、電子電流がN+ ソース領域4からチャネル層
3aを通ってN- エピタキシャル層(ドレイン領域)2
に流れる。この状態で、上記ゲート端子Gをアースと短
絡させるか、またはゲート端子Gを負にバイアスするこ
とによりチャネル領域3aの反転層は消滅し、トランジ
スタはオフ状態となる。
Next, the operation will be described. A main voltage is applied between both terminals so that the drain terminal D has a high potential and the source terminal S has a low potential (or ground potential). When a positive bias is applied to the gate terminal G in this state, an inversion layer is formed in the channel region 3a, the transistor is turned on, and electron current flows from the N + source region 4 through the channel layer 3a to the N epitaxial layer ( Drain region) 2
Flows to In this state, when the gate terminal G is short-circuited to the ground or the gate terminal G is negatively biased, the inversion layer in the channel region 3a disappears, and the transistor is turned off.

【0007】このようにチャネルが縦方向に形成される
U−MOSFET201ではチャネルが横方向に形成さ
れるD−MOSFET、つまりチャネル領域を2重拡散
(Double diffusion) により形成した一般的なMOSF
ETと比べていくつかの利点があるが、その利点を説明
する前にD−MOSFETの構造について簡単に説明す
る。
As described above, the U-MOSFET 201 in which the channel is formed in the vertical direction is a D-MOSFET in which the channel is formed in the horizontal direction, that is, a general MOSF in which the channel region is formed by double diffusion.
There are several advantages over ET, but before describing the advantages, the structure of the D-MOSFET will be briefly described.

【0008】図18はD−MOSFETの一般的な構造
を示しており、図中301はD−MOSFETで、この
D−MOSFET301では、P+ 半導体基板311上
のNエピタキシャル層312内に複数のP型半導体領域
313が所定の間隔を隔てて形成され、さらに該P型半
導体領域313の表面両端部にはN+ 半導体領域314
が形成されており、上記P型半導体領域313の表面領
域の、上記N+ 半導体領域314とN型エピタキシャル
層312との間の部分に横方向にチャネル313b1 が
形成されるようになっている。ここで上記P型半導体領
域313は二重拡散により形成されており、つまり最初
のP型不純物の拡散により第1のウェル領域313aを
形成し、次のP型不純物の拡散によりチャネル領域31
3b1 を含む第2のウェル領域313bを形成すること
により上記P型半導体領域313が形成されている。
FIG. 18 shows a general structure of a D-MOSFET. In the drawing, reference numeral 301 denotes a D-MOSFET. In this D-MOSFET 301, a plurality of P-MOSFETs are formed in an N epitaxial layer 312 on a P + semiconductor substrate 311. Semiconductor regions 313 are formed at predetermined intervals, and N + semiconductor regions 314 are formed at both ends of the surface of P-type semiconductor region 313.
Is formed, and a channel 313b1 is formed laterally in a portion of the surface region of the P-type semiconductor region 313 between the N + semiconductor region 314 and the N-type epitaxial layer 312. Here, the P-type semiconductor region 313 is formed by double diffusion, that is, the first well region 313a is formed by diffusion of the first P-type impurity, and the channel region 31 is formed by diffusion of the next P-type impurity.
The P-type semiconductor region 313 is formed by forming the second well region 313b including 3b1.

【0009】なお315は上記N型エピタキシャル層3
12上に、隣接するP型半導体領域313のチャネル領
域313b1 に跨がるようゲート絶縁膜316を介して
形成されたゲート電極、317は上記P型半導体領域3
13上にN+ 領域と電気的につながるよう形成されたエ
ミッタ電極、318は上記P+ 型半導体基板311の裏
面に形成されたコレクタ電極である。
Reference numeral 315 denotes the N-type epitaxial layer 3
The gate electrode 317 is formed on the gate electrode 12 via a gate insulating film 316 so as to extend over the channel region 313b1 of the adjacent P-type semiconductor region 313.
An emitter electrode 318 formed on the N + region 13 so as to be electrically connected to the N + region is a collector electrode formed on the back surface of the P + type semiconductor substrate 311.

【0010】このような構造のD−MOSFET301
と比べて上記U−MOSFET201では、まず、チャ
ネルが縦方向に形成されるため、1つのチャネル領域を
形成するための単位構造,つまり1つのゲート電極5と
その両側のN+ ソース領域4を含む1ユニットセルの表
面積を小さくでき、セルの高集積化が可能となる。
The D-MOSFET 301 having such a structure
In comparison with the U-MOSFET 201, the channel is first formed in the vertical direction, so that it includes a unit structure for forming one channel region, that is, one gate electrode 5 and N + source regions 4 on both sides thereof. The surface area of one unit cell can be reduced, and the cell can be highly integrated.

【0011】また、第2にU−MOSFETでは、D−
MOSFETで問題となるウェル領域313相互間で生
じるJ−FET効果がその構造上存在せず、このため極
めて低いオン抵抗の素子が得られる。
Second, in the U-MOSFET, the D-
There is no J-FET effect between the well regions 313, which is a problem in the MOSFET, due to its structure, and an element with extremely low on-resistance can be obtained.

【0012】すなわち、D−MOSFET301の構造
では、隣接するウェル領域313が対向して配置されて
いるため、オン電流Ionは図18に示すように左右の
ウェル領域313のN 半導体領域314からチャネル
領域313b1を介してNエピタキシャル層312の、
ゲート電極315の中央直下部分312aに集中して流
れ込むこととなり、またこのNエピタキシャル層312
のゲート電極直下部分312aは、J−FET効果によ
り、つまりその両側のP型ウェル領域313とのPN接
合面から延びる空乏層により電流経路Wjが狭くなって
おり、この部分312aの抵抗Rgは大きなものとなっ
ている。この結果MOSFET素子のオン抵抗が大きく
増大していまう。
That is, in the structure of the D-MOSFET 301, since the adjacent well regions 313 are arranged facing each other, the ON current Ion is changed from the N + semiconductor region 314 of the left and right well regions 313 as shown in FIG. Of the N epitaxial layer 312 through the region 313b1,
This flows intensively into the portion 312a just below the center of the gate electrode 315, and the N epitaxial layer 312
The portion 312a immediately below the gate electrode has a narrow current path Wj due to the J-FET effect, that is, a depletion layer extending from the PN junction surface with the P-type well region 313 on both sides thereof, and the resistance Rg of this portion 312a is large. It has become something. As a result, the on-resistance of the MOSFET element is greatly increased.

【0013】これに対し、U−MOSFET201の構
造では、隣接するウェル領域3はトレンチ201aによ
り分離されており、しかも各ウェル領域3は広いN-
ピタキシャル層2上に位置しているため、オン電流は図
13に示すように各ウェル領域3からその下側の広いN
- エピタキシャル層2に直接流れ出ることとなり、狭い
領域に集中することはなく、またP型ウェル領域3とN
- エピタキシャル層2とのPN接合面から延びる空乏層
によりオン電流の経路が狭められることもない。この結
果オン抵抗の極めて低いMOSFET素子を実現するこ
とができる。
On the other hand, in the structure of the U-MOSFET 201, the adjacent well regions 3 are separated by the trench 201a, and each well region 3 is located on the wide N - epitaxial layer 2, so that the on-current is reduced. As shown in FIG. 13, each of the well regions 3 has a large N
- will flow out directly into the epitaxial layer 2, not be concentrated in a narrow region and P-type well region 3 and the N
- it is nor narrowed path of on-state current by a depletion layer extending from PN junction surface between the epitaxial layer 2. As a result, a MOSFET element having an extremely low on-resistance can be realized.

【0014】またパワーデバイスには、上述したU−M
OSFETの他に、絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タ(IGBT)やサイリスタ等の素子がある。
The power device includes the above-described UM
In addition to the OSFET, there are elements such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a thyristor.

【0015】上記IGBTの構造は、上記U−MOSF
ETの構造において、そのN+ 半導体基板1をこれに代
えてP+ 半導体基板としたもので、その他の構成は上記
U−MOSFETと同一である。このIGBTでは、動
作電流は上記MOSFETのように電子電流だけではな
く、正孔電流も加わることとなり、パワーMOSFET
よりさらに大きな電流を扱うことが可能であるが、スイ
ッチング速度が、動作電流に移動度が電子に比べて遅い
正孔の電流成分を含むためMOSFETに比べて遅いと
いう欠点がある。ただし最近ではIGBTでも改良が進
み、スイッチング速度もかなり向上している。
The structure of the IGBT is the same as that of the U-MOSF
In the structure of the ET, the N + semiconductor substrate 1 is replaced with a P + semiconductor substrate, and other configurations are the same as those of the U-MOSFET. In this IGBT, the operating current includes not only an electron current but also a hole current, as in the above-described MOSFET.
Although an even larger current can be handled, there is a disadvantage that the switching speed is lower than that of the MOSFET because the operating current includes a current component of holes whose mobility is lower than that of the electron. However, recently, improvements have been made in IGBTs, and the switching speed has been considerably improved.

【0016】以下さらに従来のサイリスタ素子としてエ
ミッタスイッチドサイリスタ(EST)について説明す
る。
Hereinafter, an emitter-switched thyristor (EST) will be described as a conventional thyristor element.

【0017】図16はEST素子の構造の一例を示して
おり、図において202はEST素子で、そのP+ 半導
体基板10の上主面上にN- エピタキシャル層20が形
成され、N- エピタキシャル層20上にはP拡散領域1
1aとP+ 拡散領域11bとが隣接して形成されてい
る。またP拡散領域11aの中央付近の上部には、N+
拡散領域12,P拡散領域13が下から順に形成されて
おり、さらにP拡散領域13の上部の周辺部分には選択
的にN+ 拡散領域14が形成されている。ここで上記P
+ 半導体基板10,N- エピタキシャル層20,P拡散
領域11a,P+拡散領域11b及びN+ 拡散領域14
は、EST素子のサイリスタ部分を構成している。
[0017] Figure 16 shows an example of a structure of an EST device, in 202 EST elements in FIG, N on the upper major surface of the P + semiconductor substrate 10 - epitaxial layer 20 is formed, N - epitaxial layer P diffusion region 1 on 20
1a and P + diffusion region 11b are formed adjacent to each other. In addition, N + is provided above the vicinity of the center of the P diffusion region 11a.
Diffusion region 12 and P diffusion region 13 are formed in order from the bottom, and N + diffusion region 14 is selectively formed in a peripheral portion above P diffusion region 13. Where P
+ Semiconductor substrate 10, N epitaxial layer 20, P diffusion region 11a, P + diffusion region 11b, and N + diffusion region 14
Constitutes the thyristor portion of the EST element.

【0018】一方、上記P拡散領域11aの周辺部の上
部にはポリSi等で形成されたゲート電極15が形成さ
れており、ゲート電極15は絶縁膜16によってその周
りの半導体領域と絶縁分離されている。即ち、ゲート電
極15は絶縁膜16,N+ 拡散領域14,P拡散領域1
3,N+ 拡散領域12と共に縦型のMOS構造を形成し
ており、このMOS構造の部分がEST素子のスイッチ
部分となっている。
On the other hand, a gate electrode 15 made of poly-Si or the like is formed above the peripheral portion of the P diffusion region 11a, and the gate electrode 15 is insulated and isolated from the surrounding semiconductor region by an insulating film 16. ing. That is, the gate electrode 15 is composed of the insulating film 16, the N + diffusion region 14, and the P diffusion region 1.
A vertical MOS structure is formed together with the 3, N + diffusion region 12, and the portion of the MOS structure serves as a switch portion of the EST element.

【0019】ここで上記P+ 拡散領域11bと、N+
散領域14及びP拡散領域13とはAl−Si電極17
によって短絡され、金属電極18はP+ 基板10の下主
面上に形成され、該基板10と電気的に接続されてい
る。なお16bは上記Al−Si電極17とゲート電極
15とを電気的に分離する絶縁膜である。
Here, the P + diffusion region 11b, the N + diffusion region 14 and the P diffusion region 13 are
The metal electrode 18 is formed on the lower main surface of the P + substrate 10 and is electrically connected to the substrate 10. Reference numeral 16b denotes an insulating film for electrically separating the Al-Si electrode 17 from the gate electrode 15.

【0020】次に動作について説明する。図17は上記
サイリスタの動作を説明するための図であり、図16で
示すサイリスタの素子構造において流れる電流の経路を
示しており、図中、実線H1〜H4はホールの流れを、
破線E1,E2は電子の流れを示している。なお、ここ
では金属電極18をアノード端子Aに、Al−Si電極
17をコレクタ端子Cに、ゲート電極15をゲート端子
Gにそれぞれ接続し、上記サイリスタを動作させる場合
について説明する。
Next, the operation will be described. FIG. 17 is a diagram for explaining the operation of the thyristor, and shows a path of a current flowing in the element structure of the thyristor shown in FIG. 16. In FIG. 17, solid lines H1 to H4 indicate the flow of holes.
Dashed lines E1 and E2 indicate the flow of electrons. Here, a case will be described in which the metal electrode 18 is connected to the anode terminal A, the Al-Si electrode 17 is connected to the collector terminal C, and the gate electrode 15 is connected to the gate terminal G to operate the thyristor.

【0021】上記ゲート端子Gの電位がコレクタ端子C
の電位と等しい場合には、アノード端子Aの電位を上昇
させていくと、P拡散領域11a及びP+ 拡散領域11
bとN- エピタキシャル層20とが作るPN接合は逆バ
イアス状態となり、このPN接合面Jから空乏層が延
び、これによってコレクタ端子Cとアノード端子Aの間
の耐圧が保持される。この状態では上記サイリスタ20
2はオフしている。
The potential at the gate terminal G is equal to the potential at the collector terminal C.
When the potential of the anode terminal A is increased, the P diffusion region 11a and the P + diffusion region 11
The PN junction formed by b and the N epitaxial layer 20 is in a reverse bias state, and a depletion layer extends from the PN junction surface J, whereby the breakdown voltage between the collector terminal C and the anode terminal A is maintained. In this state, the thyristor 20
2 is off.

【0022】一方、ゲート端子Gの電位がコレクタ端子
Cの電位よりも高くなると、P拡散領域13の、絶縁膜
16を介してゲート電極15に近接している部分がN型
に反転し、N型のチャネル13aが形成される。この結
果、破線E1に示すように電子がコレクタ端子CからA
l−Si電極17、N+ 拡散領域14及び上記チャネル
を通ってN+ 拡散領域12へ流れ込む。この時N+ 拡散
領域12とP拡散領域11aとの間には順バイアスがか
かっているので電子はさらにN- エピタキシャル層20
へ注入される(破線E2参照)。
On the other hand, when the potential of the gate terminal G becomes higher than the potential of the collector terminal C, the portion of the P diffusion region 13 which is close to the gate electrode 15 via the insulating film 16 is inverted to N-type. A mold channel 13a is formed. As a result, as shown by the broken line E1, the electrons move from the collector terminal C to A
It flows into the N + diffusion region 12 through the l-Si electrode 17, the N + diffusion region 14 and the channel. At this time, since a forward bias is applied between the N + diffusion region 12 and the P diffusion region 11a, electrons are further transferred to the N epitaxial layer 20.
(See broken line E2).

【0023】またこの時、P+ 基板10とN- エピタキ
シャル層20との間にも順バイアスがかかっているの
で、ホールがアノード端子Aから金属電極18及びP+
基板10を通ってN- エピタキシャル層20へ注入され
る。このN- エピタキシャル層20へ注入されたホール
の一部は実線H4で示すようにさらにP拡散領域11a
を通ってN+ 拡散領域12に注入され、他の一部はN-
エピタキシャル層20から直接、あるいはさらにP拡散
領域11aを経由して、P+ 拡散領域11bへと向かう
(実線H2,H3参照)。
At this time, since a forward bias is also applied between the P + substrate 10 and the N epitaxial layer 20, holes move from the anode terminal A to the metal electrode 18 and the P +
It is implanted through substrate 10 into N epitaxial layer 20. Some of the holes injected into the N - epitaxial layer 20 further include a P diffusion region 11a as shown by a solid line H4.
Through the N + diffusion region 12 while the other part is N −.
Directly from the epitaxial layer 20 or further to the P + diffusion region 11b via the P diffusion region 11a (see solid lines H2 and H3).

【0024】ここで、N+ 拡散領域12,P拡散領域1
1a,N- エピタキシャル層20及びP+ 基板10によ
ってサイリスタが構成されているので、電流が保持電流
Ih以上になると、サイリスタ動作が行われる。このサ
イリスタ動作が行われているとき、P拡散領域11aを
通ってN+ 拡散領域12に注入されるホール(経路H
4)は、ほとんどN+ 拡散領域12内で再結合し、Al
−Si電極17へ向かうことはない。即ちP拡散領域1
3の、チャネルが形成されていない部分では電子もホー
ルも移動せず、この部分に形成された抵抗R13には電
流が流れない。従って、抵抗R13においては電圧降下
が生じることもなく、N+ 拡散領域14とP拡散領域1
3の間に順バイアスがかかることもないので依然とし
て、P拡散領域13中を流れる電流の経路はチャネルに
限定される。
Here, the N + diffusion region 12 and the P diffusion region 1
Since the thyristor is constituted by 1a, the N epitaxial layer 20 and the P + substrate 10, a thyristor operation is performed when the current exceeds the holding current Ih. When this thyristor operation is performed, holes (path H) injected into N + diffusion region 12 through P diffusion region 11a
4) recombine almost in the N + diffusion region 12 and
-It does not go to the Si electrode 17. That is, the P diffusion region 1
In No. 3 where no channel is formed, neither electrons nor holes move, and no current flows through the resistor R13 formed in this portion. Accordingly, no voltage drop occurs in the resistor R13, and the N + diffusion region 14 and the P diffusion region 1
Since no forward bias is applied during the period 3, the path of the current flowing through the P diffusion region 13 is still limited to the channel.

【0025】この結果ラッチアップの発生を招くことな
く、つまり上記P拡散領域13を含む寄生サイリスタを
動作させることなく、ゲート電極15によってコレクタ
端子Cとアノード端子Aの間を流れる電流を制御するこ
とができ、最大可制御電流を高めることができる。しか
も既述のように、電流の経路はP拡散領域13内では、
チャネル13aに限定されるので、P拡散領域13はそ
の抵抗R13を高める等の改善は不要であり、ON抵抗
を増大させてしまうこともない。
As a result, the current flowing between the collector terminal C and the anode terminal A is controlled by the gate electrode 15 without causing latch-up, that is, without operating the parasitic thyristor including the P diffusion region 13. And the maximum controllable current can be increased. In addition, as described above, the current path is within the P diffusion region 13.
Since the P diffusion region 13 is limited to the channel 13a, the P diffusion region 13 does not require any improvement such as increasing the resistance R13 and does not increase the ON resistance.

【0026】ここで、P拡散領域11bはON状態から
OFF状態への移行を速やかにする役割を果たすもので
ある。つまりON状態においてゲート端子Gの電圧、即
ちゲート電極15の電圧を低下させると、前述のサイリ
スタ部分に直列に接続されるチャネルが消失していき、
サイリスタ動作が停止するが、このとき、P+ 基板10
からN- エピタキシャル層20に注入されたホールはP
拡散領域11aのみならず、P+ 拡散領域11bへも流
入して消滅することとなり、上記P+ 拡散領域11bか
らのホールの引抜きによりサイリスタ素子のターンオフ
がより早く行われることとなる。
Here, the P diffusion region 11b plays a role in speeding up the transition from the ON state to the OFF state. That is, when the voltage of the gate terminal G, that is, the voltage of the gate electrode 15 is reduced in the ON state, the channel connected in series to the thyristor portion described above disappears,
The thyristor operation stops, but at this time, the P + substrate 10
Holes injected into the N - epitaxial layer 20 from P
The thyristor element flows into the P + diffusion region 11b as well as the diffusion region 11b and disappears, and the thyristor element is turned off more quickly by extracting holes from the P + diffusion region 11b.

【0027】[0027]

【発明が解決しようとする課題】従来のU−MOSFE
T201では、MOSFETセルはトレンチ内にゲート
電極を埋め込んだ構造を有し、縦方向にチャネルが形成
されるトレンチセル構造となっているので、セルの高集
積化による低オン抵抗化が容易になるという長所がある
反面、トレンチセルの形成による耐圧の低下という問題
点があり、以下詳述する。
SUMMARY OF THE INVENTION Conventional U-MOSFE
In T201, the MOSFET cell has a structure in which a gate electrode is buried in a trench, and has a trench cell structure in which a channel is formed in a vertical direction. Therefore, it is easy to reduce on-resistance by high integration of the cell. On the other hand, there is a problem that the withstand voltage is reduced due to the formation of the trench cell.

【0028】図14は耐圧低下の原因となる電界集中の
様子を説明するための図であり、シミュレーションによ
ってコレクタ電極に62Vの逆バイアスを印加した状態
を実現したところ、トレンチの底面コーナー部,つまり
- エピタキシャル層2の、ゲート電極5の下部コーナ
部に近接する部分に電界が集中しているのがわかる。こ
の部分の電界強度は4.8×105 V/cm とバルク領域
での電界強度に比べて7〜10倍高い値であり、耐圧が
このトレンチの底面コーナー部によって律速されること
になる。
FIG. 14 is a view for explaining the state of electric field concentration which causes a decrease in withstand voltage. When a state where a reverse bias of 62 V is applied to the collector electrode by simulation is realized, the bottom corner of the trench, that is, It can be seen that the electric field is concentrated on the portion of the N epitaxial layer 2 close to the lower corner of the gate electrode 5. The electric field intensity at this portion is 4.8 × 10 5 V / cm, which is 7 to 10 times higher than the electric field intensity in the bulk region, and the breakdown voltage is limited by the bottom corner portion of the trench.

【0029】この耐圧低下に対する改善案として図15
に示すように、N- エピタキシャル層2内に、埋込み型
のゲート電極5の底面及びコーナー部が覆われるようフ
ローティングP+ 拡散領域9を形成し、上記コーナー部
での電界集中を緩和する方法等も提案されているが、上
記P+ 拡散領域9を形成する際、横方向拡散を精密に制
御できない等の製造プロセス上の問題があり、上記電界
強度の集中を充分緩和することができないという問題点
があった。
FIG. 15 shows an improvement plan for this decrease in withstand voltage.
As shown in FIG. 3, a floating P + diffusion region 9 is formed in the N epitaxial layer 2 so as to cover the bottom surface and the corner of the buried type gate electrode 5, and a method of alleviating the electric field concentration at the corner described above. However, when the P + diffusion region 9 is formed, there is a problem in the manufacturing process such that the lateral diffusion cannot be precisely controlled, and the concentration of the electric field intensity cannot be sufficiently reduced. There was a point.

【0030】また図16,図17に示したサイリスタの
素子構造では、高ラッチアップ耐性に効果的である反
面、ターンオフ時、再結合によって消滅するホール以外
のホールはP+ 領域11bからまとめてカソード端子C
に引き抜かれる比較的長い経路H2,H3を辿ることと
なり、ターンオフ時間の短縮は図れないものであるとい
う問題点があった。
The thyristor element structure shown in FIGS. 16 and 17 is effective for high latch-up resistance, but holes other than holes that disappear by recombination at turn-off are collectively formed from the P + region 11b. Terminal C
Therefore, there is a problem that the turn-off time cannot be shortened because of the relatively long paths H2 and H3 that are extracted.

【0031】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ゲート電極をトレンチ内に埋め
込んだ、縦方向にチャネルが形成される素子構造におい
て、電界集中を緩和することができ、耐圧の向上を図る
ことができる半導体装置及びその製造方法を得ることを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems. In an element structure in which a gate electrode is buried in a trench and a channel is formed in a vertical direction, electric field concentration can be reduced. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of improving the breakdown voltage and a method for manufacturing the same.

【0032】またこの発明は、サイリスタの素子構造に
おいて、ターンオフ時に正孔電流を引き抜くためのバイ
パス経路を形成することができ、これによりターンオフ
時間の短縮を図ることができる半導体装置及びその製造
方法を得ることを目的とする。
Further, according to the present invention, there is provided a semiconductor device and a method of manufacturing the same, in which a bypass path for extracting a hole current at the time of turn-off can be formed in the element structure of the thyristor, whereby the turn-off time can be reduced. The purpose is to gain.

【0033】[0033]

【課題を解決するための手段】この発明(請求項1)に
係る半導体装置は、表面の一部分が突出した第1導電型
の半導体層と、 該半導体層の突出部の表面上成さ
れた第2導電型のウェル領域と、該第2導電型のウエル
領域の側面、及び上記半導体層の突出部の側面に近接す
るよう形成された制御電極と、該制御電極と上記半導体
層との間に形成された第1の絶縁膜と、上記制御電極と
上記ウエル領域との間に形成された第2の絶縁膜と、該
ウエル領域表面部の周辺部分に形成された第1導電型の
半導体領域と、上記半導体層表面側に該第1導電型の半
導体領域と電気的につながるよう形成された第1の主電
極と、上記半導体層裏面側にこの半導体層と電気的につ
ながるよう形成された第2の主電極とを備え、上記第1
の絶縁膜の少なくとも一部をその基準膜厚に対して薄膜
化して、該第1の絶縁膜を、その膜厚が第2の絶縁膜の
膜厚より薄い薄膜部を有する構造とし、上記制御電極に
所定のオン電位の順バイアスを印加した時、上記第2導
電型のウエル領域の、該制御電極と近接する部分にチャ
ネルが形成され、上記制御電極に所定のオフ電位の逆バ
イアスを印加した時、上記第1導電型の半導体層におけ
る、上記第1の絶縁膜の薄膜部を介して該制御電極に近
接する領域が、第2導電型領域に反転するよう構成した
ものである。
Means for Solving the Problems A semiconductor device according to the present invention (Claim 1) includes a first conductive type semiconductor layer portion of the surface protrudes, made form on the surface of the protruding portion of the semiconductor layer A second conductivity type well region, a side surface of the second conductivity type well region , and a side surface of the protrusion of the semiconductor layer.
A control electrode formed as described above, a first insulating film formed between the control electrode and the semiconductor layer, and a second insulating film formed between the control electrode and the well region. A first conductivity type semiconductor region formed in a peripheral portion of the well region surface portion; and a first main electrode formed on the semiconductor layer surface side to be electrically connected to the first conductivity type semiconductor region. And a second main electrode formed on the back side of the semiconductor layer so as to be electrically connected to the semiconductor layer.
At least a part of the insulating film is thinned with respect to the reference film thickness, and the first insulating film has a structure having a thin film portion whose film thickness is smaller than the film thickness of the second insulating film. When a forward bias of a predetermined ON potential is applied to the electrode, a channel is formed in a portion of the second conductivity type well region adjacent to the control electrode, and a reverse bias of a predetermined OFF potential is applied to the control electrode. Then, a region of the semiconductor layer of the first conductivity type, which is close to the control electrode via the thin film portion of the first insulating film, is inverted to a region of the second conductivity type.

【0034】この発明(請求項2)は、請求項1記載の
半導体装置において、上記第1導電型の半導体層の、上
記第1の絶縁膜を介して上記制御電極の底面に近接する
部分は、その他の部分に比べて不純物濃度が低くなっ
ており、上記逆バイアスの印加時、上記半導体層の、上
記制御電極に隣接する部分には、第2導電型の反転領域
が上記第1の絶縁膜の表面を全て覆うよう形成される構
成としたものである。
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, a portion of the semiconductor layer of the first conductivity type adjacent to a bottom surface of the control electrode via the first insulating film. Has a lower impurity concentration than the other portions, and when the reverse bias is applied, a second conductivity type inversion region is formed in a portion of the semiconductor layer adjacent to the control electrode. The structure is formed so as to cover the entire surface of the insulating film.

【0035】この発明(請求項3)は、請求項1記載の
半導体装置において、上記第1導電型の半導体層の、上
記第1の絶縁膜を介して上記制御電極の底面及びその底
面側端のコーナ部に近接する部分には、第2導電型の半
導体領域が形成され、上記第1の絶縁膜の上記制御電極
の側面と接する部分が上記薄膜部となっており、上記第
1の絶縁膜の上記制御電極の底面と接する部分は、上記
薄膜部に比べて厚くなっており、上記逆バイアスの印加
時、上記半導体層の、第1の絶縁膜に近接する第1導電
型領域が第2導電型に反転して、上記第2導電型のウエ
ル領域と上記第2導電型の半導体領域とが上記第2導電
型反転領域により短絡される構成としたものである。
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, the bottom surface of the control electrode and the bottom end of the semiconductor layer of the first conductivity type via the first insulating film. A semiconductor region of the second conductivity type is formed in a portion adjacent to the corner portion, and a portion of the first insulating film in contact with the side surface of the control electrode is the thin film portion. The portion of the film that is in contact with the bottom surface of the control electrode is thicker than the thin film portion, and when the reverse bias is applied, the first conductivity type region of the semiconductor layer adjacent to the first insulating film is the second conductive type region. The second conductivity type well region and the second conductivity type semiconductor region are short-circuited by the second conductivity type inversion region after being inverted to the two conductivity type.

【0036】この発明(請求項4)は、請求項3記載の
半導体装置において、上記第2導電型のウェル領域は、
その上面側の両端部間の距離がその底面側の両端部間の
距離より小さくなるようその側面が傾斜した断面形状と
なっており、上記制御電極その上面側の両端部間の
距離がその底面側の両端部間の距離より大きくなるよう
その側面が傾斜して、上記ウエル領域の側面と一定間隔
を隔てて対向する断面形状となっており、上記ウエル領
域と上記制御電極との間には上記第2の絶縁膜が介在し
ている構成としたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the third aspect, the well region of the second conductivity type is
The distance between both ends on the top side is between the two ends on the bottom side
Distance has become smaller than so as the cross-sectional shape that the side surface is inclined, the control electrode is between the ends of the upper surface
The side surface is inclined so that the distance is larger than the distance between both end portions on the bottom surface side, and has a cross-sectional shape facing the side surface of the well region at a fixed interval, and The second insulating film is interposed between the control electrode and the control electrode.

【0037】この発明(請求項5)は、請求項1ないし
4のいずれかに記載の半導体装置において、上記第2の
絶縁膜を、その基準膜厚に対してその膜厚を増大し、か
つその第2導電型のウェル領域と接する部分にイオンを
注入して固定電荷を形成した構造とし、上記第2の絶縁
膜の基準膜厚に対する膜厚増大による制御電極の容量の
基準値に対する減少分を、上記第1の絶縁膜の基準膜厚
に対する薄膜化による制御電極の容量の基準値に対する
増大分と等しくし、かつ上記第2の絶縁膜の基準膜厚に
対する膜厚増大によるしきい値電圧の基準値に対する増
大分を、上記第2の絶縁膜での固定電荷の形成によるし
きい値電圧の基準値に対する減少分と等しくしたもので
ある。
The present invention (Claim 5) is characterized by Claims 1 to
4. The semiconductor device according to claim 4, wherein the thickness of the second insulating film is increased with respect to the reference thickness.
A structure in which fixed charges are formed by implanting ions into a portion in contact with the well region of the second conductivity type;
The capacitance of the control electrode is increased by increasing the film thickness relative to the reference film thickness.
The amount of decrease with respect to the reference value is calculated as the reference thickness of the first insulating film.
To the reference value of the control electrode capacitance by thinning
Equal to the increase and the reference thickness of the second insulating film
Increase of threshold voltage with respect to reference value
Oita is largely due to the formation of fixed charges in the second insulating film.
Threshold voltage equal to the decrease from the reference value
is there.

【0038】この発明(請求項6)に係る半導体装置の
製造方法は、請求項4記載の半導体装置を製造する方法
において、第1導電型の第1半導体層上に第2導電型の
第2半導体層を形成し、該第2半導体層内に第1導電型
の第3半導体層を選択的に形成する工程と、上記第1な
いし第3半導体層を選択的に除去して、上記第2及び第
3半導体層を貫通する断面逆台形形状の第1の溝を形成
するとともに、断面台形形状の第2導電型のウェル領域
及び上記第1導電型の半導体領域を形成する工程と、上
記第1の溝の底面部分を選択的に除去して、上記第1半
導体層の表面部分に断面長方形形状の第2の溝を形成す
る工程と、上記第1及び第2の溝の内壁面上に絶縁膜を
所定の膜厚でもって形成し、その後全面に酸素イオンビ
ームを照射する工程と、熱処理により、上記第1の溝内
壁面上及び第2の溝底面上の絶縁膜を、第2の溝側壁面
上の絶縁膜より厚くする工程と、その後制御電極を上記
第1及び第2の溝内に埋め込み、上記ウェル領域上に上
記第1導電型の半導体領域と電気的につながるよう第1
の主電極を、上記第1半導体層の裏面側にこれと電気的
につながるよう第2の主電極を形成する工程とを含むも
のである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth aspect, wherein the second conductive type second semiconductor layer is formed on the first conductive type first semiconductor layer. Forming a semiconductor layer and selectively forming a third semiconductor layer of the first conductivity type in the second semiconductor layer; and selectively removing the first to third semiconductor layers to form the second semiconductor layer. and to form a first groove cross-sectional inverted trapezoidal shape extending through the third semiconductor layer, forming a second conductivity type well region and the semiconductor region of the first conductivity type of the cross-sectional surface trapezoidal, the Selectively removing a bottom portion of the first groove to form a second groove having a rectangular cross section in a surface portion of the first semiconductor layer; and forming an inner wall of the first and second grooves on an inner wall surface of the first and second grooves. Forming an insulating film with a predetermined thickness, and then irradiating the entire surface with an oxygen ion beam And a step of making the insulating film on the first groove inner wall surface and the second groove bottom surface thicker than the insulating film on the second groove side wall surface by heat treatment. And a first conductive type semiconductor region on the well region so as to be electrically connected to the first conductive type semiconductor region.
Forming a second main electrode on the back side of the first semiconductor layer so as to be electrically connected thereto.

【0039】この発明(請求項7)は、上記請求項6記
載の半導体装置の製造方法において、上記制御電極の形
成後、主電極を形成する前に、軽イオンをその飛程距離
が上記ウェル領域内に収まるよう1010〜1013
/cmの照射量で第1半導体層の第1主面側から照射
する工程と、その後低温シンターを300〜400゜温
度で1〜5時間行う工程とを追加して、上記絶縁膜の、
上記第2導電型のウェル領域と接する部分に固定電荷を
形成し、上記絶縁膜の、第1の溝内壁面上及び第2の溝
底面上の部分の厚膜化によるしきい値電圧の基準値に対
する増大分と、上記絶縁膜の、上記第2導電型のウェル
領域と接する部分での固定電荷の形成によるしきい値電
圧の基準値に対する減少分とが等しくなるようにしたも
のである。
[0039] The present invention (Claim 7), the above claim 6 Symbol
In the method of manufacturing a semiconductor device described above, after forming the control electrode and before forming the main electrode, light ions are irradiated at 10 10 to 10 13 / cm 2 so that the range of the light ions falls within the well region. A step of irradiating the first semiconductor layer from the first main surface side in an amount, and a step of thereafter performing low-temperature sintering at a temperature of 300 to 400 ° C. for 1 to 5 hours,
A fixed charge is applied to a portion in contact with the second conductivity type well region.
And forming the insulating film on the inner wall surface of the first groove and the second groove.
Compared to the reference value of threshold voltage by thickening the part on the bottom
And the second conductivity type well of the insulating film
Threshold charge due to the formation of fixed charge at the area in contact with the region
The amount of decrease in the pressure relative to the reference value is made equal.
It is.

【0040】この発明(請求項8)に係る半導体装置
は、第1導電型の第1半導体層の第1主面上に第2の導
電型の第2半導体層及び第1導電型の第3半導体層を順
次形成し、該第3半導体層上に選択的に第2導電型の第
4半導体層を、該第4半導体層上に第1導電型の第5半
導体層を形成し、該第5半導体層の上部の周辺部分に選
択的に第2導電型の第6半導体層を形成してなる半導体
層構造を有するとともに、上記第4及び第5の半導体層
側面に近接するよう形成された制御電極と、該制御電
極と上記第4及び第5の半導体層の間に形成された絶縁
膜と、上記第5及び第6の半導体層上に跨がって形成さ
れた第1の主電極と、上記第1半導体層の第2主面上に
形成された第2の主電極とを備え、上記絶縁膜を、上記
第4半導体層と接する部分の膜厚を、基準膜厚であるそ
の他の部分の膜厚に比べて薄くした構造とし、上記制御
電極に所定のオン電位の順バイアスを印加した時、上記
第5半導体層の、上記絶縁膜近傍部分にチャネルが形成
され、上記制御電極に所定のオフ電位の逆バイアスを印
加した時、上記第1導電型の第4半導体層の、該絶縁膜
近傍部分が第2導電型領域に反転するよう構成したもの
である。
In the semiconductor device according to the present invention (claim 8) , the second semiconductor layer of the second conductivity type and the third semiconductor layer of the first conductivity type are formed on the first main surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type. Forming a semiconductor layer in sequence, selectively forming a second conductive type fourth semiconductor layer on the third semiconductor layer, and forming a first conductive type fifth semiconductor layer on the fourth semiconductor layer; It has a semiconductor layer structure in which a sixth semiconductor layer of the second conductivity type is selectively formed in a peripheral portion above the fifth semiconductor layer, and is formed so as to be close to the side surfaces of the fourth and fifth semiconductor layers. Control electrode and the control electrode
Insulation formed between the pole and the fourth and fifth semiconductor layers
And a film formed over the fifth and sixth semiconductor layers.
The first main electrode and the second main surface of the first semiconductor layer.
And a second main electrode formed, wherein the insulating film is
The thickness of the portion in contact with the fourth semiconductor layer is set to the reference thickness.
The structure is made thinner than the film thickness of other parts of
When a forward bias of a predetermined ON potential is applied to the electrode,
A channel is formed in a portion of the fifth semiconductor layer near the insulating film.
When a reverse bias of a predetermined off-potential is applied to the control electrode , the insulating film of the fourth semiconductor layer of the first conductivity type is
The vicinity portion is configured to be inverted to the second conductivity type region
It is.

【0041】この発明(請求項9)は、上記請求項8記
載の半導体装置において、上記絶縁膜を、その上記
3,第5及び第6半導体層と接する部分の膜厚を、その
基準膜厚であるその他の部分の膜厚に対して増大し、か
その上記第5半導体層と接する部分にイオンを注入し
て固定電荷を形成した構造とし、上記絶縁膜の第4半導
体層と接する部分の、基準膜厚に対する薄膜化による制
御電極の容量の基準値に対する増大分を、その第3,第
5及び第6半導体層と接する部分の、基準膜厚に対する
膜厚増大による制御電極の容量の基準値に対する減少分
と等しくし、かつ上記絶縁膜の基準膜厚に対する膜厚増
大によるしきい値電圧の基準値に対する増大分を、該絶
縁膜での固定電荷の形成によるしきい値の基準値に対す
る減少分と等しくしたものである。
The present invention (claim 9) is based on claim 8 described above.
In the semiconductor device of the mounting, the insulating film, the film thickness of the portion in contact with the said third, fifth and sixth semiconductor layer, the
Increased relative to the thickness of the other portion is the reference thickness, and a structure forming a fixed charge by implanting ions into a portion in contact with the said fifth semiconductor layer, a fourth semiconductor of the insulating film
Control of the part in contact with the body layer by reducing the thickness to the reference film thickness
The increase in the capacitance of the control electrode with respect to the reference value
The portion in contact with the fifth and sixth semiconductor layers with respect to the reference film thickness
Decrease in control electrode capacitance from reference value due to increase in film thickness
And increase the thickness of the insulating film with respect to the reference film thickness.
The increase of the threshold voltage with respect to the reference value due to the large
Reference value of threshold value due to formation of fixed charge in the rim
This is equal to the decrease.

【0042】[0042]

【作用】この発明(請求項1,2,3)においては、
御電極と第1導電型の半導体層との間に介在する第1の
絶縁膜の所定部分の膜厚を、制御電極と第2導電型の、
チャネルが形成される領域との間に介在する第2の絶縁
膜の膜厚より薄くし、上記制御電極に逆バイアスを印加
した時、上記第1導電型の半導体層の、制御電極に近接
する部分に第2導電型の反転が形成されるようにしたか
ら、逆バイアス印加時には、上記第1の絶縁膜の、制御
電極に接する部分が第2導電型の反転領域で覆われるこ
ととなり、これにより高耐圧化を図ることができる。
[Action] In the present invention (Claim 1, 2, 3), control
A first conductive layer between the control electrode and the first conductive type semiconductor layer;
The thickness of a predetermined portion of the insulating film is set between the control electrode and the second conductivity type.
Second insulation interposed between the region where the channel is formed
When the reverse bias is applied to the control electrode, the second conductive type inversion is formed in a portion of the semiconductor layer of the first conductive type adjacent to the control electrode when the reverse bias is applied to the control electrode. When a reverse bias is applied, the portion of the first insulating film that is in contact with the control electrode is covered with the inversion region of the second conductivity type, thereby increasing the breakdown voltage.

【0043】この発明(請求項4,6)においては、上
記第2導電型のウェル領域を、その上面側の両端部間の
距離がその底面側の両端部間の距離より小さくなるよう
その側面が傾斜した断面形状とし、上記制御電極を、
の上面側の両端部間の距離がその底面側の両端部間の距
離より大きくなるようその側面が傾斜して、上記ウエル
領域の側面と一定間隔を隔てて対向する断面形状とした
ので、上記ウェル領域形成後、制御電極を形成する前に
全面に絶縁膜を形成すると、該絶縁膜の上記ウェル領域
上の部分が斜めに傾斜して配置されることとなり、基板
表面側に表面に対して垂直な方向から酸素イオンを注入
し熱処理を行うことにより、上記絶縁膜のウェル領域上
の部分を、従来のプロセスフローを大幅に変更すること
なく簡単に厚膜化することができる。
In the present invention (claims 4 and 6), the well region of the second conductivity type is formed between both ends on the upper surface side.
Distance and its bottom surface side of <br/> to be smaller than the distance between the two ends the cross-sectional shape that its side surface is inclined, the control electrode, its
The distance between both ends on the top side is the distance between both ends on the bottom side.
Since the side surface is inclined so as to be larger than the separation and has a cross-sectional shape facing the side surface of the well region at a constant interval, an insulating film is formed on the entire surface after the formation of the well region and before the formation of the control electrode. Then, the portion of the insulating film on the well region is arranged obliquely obliquely, and oxygen ions are implanted into the substrate surface side in a direction perpendicular to the surface, and heat treatment is performed. Can be easily thickened without significantly changing the conventional process flow.

【0044】この発明(請求項5,7)においては、上
記第2の絶縁膜の膜厚を、上記第1の絶縁膜の薄膜化に
よる制御電極の容量増大分が相殺されるよう増大し、か
つこの膜厚の増大によるしきい値電圧の変動が相殺され
るよう、上記第2の絶縁膜の、ウェル領域と接する部分
にイオンを注入して固定電荷を形成したので、ゲート絶
縁膜の膜厚に関してトレードオフの関係にあるしきい値
電圧の増大とスイッチング速度の低下とをともに抑えつ
つ、高耐圧化を図ることができる。
In the present invention (claims 5 and 7) , the thickness of the second insulating film is increased so that the increase in capacitance of the control electrode due to the thinning of the first insulating film is offset, In addition, ions are implanted into portions of the second insulating film that are in contact with the well regions to form fixed charges so that fluctuations in threshold voltage due to the increase in film thickness are offset. High breakdown voltage can be achieved while suppressing both increase in threshold voltage and reduction in switching speed, which are in a trade-off relationship with respect to thickness.

【0045】この発明(請求項8)においては、サイリ
スタ構造を第1〜第4半導体層により構成するととも
に、上記サイリスタ構造に電流を供給する経路を第5及
び第6半導体層により構成し、第4半導体層と制御電極
との間に介在する絶縁膜を、チャネルが形成される第5
半導体層と制御電極との間に介在する絶縁膜より薄く
し、上記制御電極に逆バイアスを印加した時、上記第1
導電型の第4半導体層の、制御電極に近接する部分に第
2導電型の反転層が形成されるようにしたので、ターン
オフ時には、第3半導体層から第4半導体層の反転層を
介して第5半導体層へ到る、ホールを引き抜くためのバ
イパス経路が形成されることとなり、つまりターンオフ
時の電流経路が短縮されることとなり、これにより高速
化を図ることができる。
In the present invention (claim 8) , the thyristor structure is constituted by the first to fourth semiconductor layers, and the path for supplying current to the thyristor structure is constituted by the fifth and sixth semiconductor layers. 4 The insulating film interposed between the semiconductor layer and the control electrode is
When the insulating film interposed between the semiconductor layer and the control electrode is made thinner and a reverse bias is applied to the control electrode, the first
Since the second conductivity type inversion layer is formed in a portion of the fourth conductivity type semiconductor layer close to the control electrode, at the time of turn-off, the third semiconductor layer passes through the fourth semiconductor layer inversion layer. A bypass path leading to the fifth semiconductor layer for extracting holes is formed, that is, the current path at the time of turn-off is shortened, and thus the speed can be increased.

【0046】の発明(請求項9)においては、上記第
4半導体層と接する絶縁膜の薄膜化による制御電極の容
量増大分が相殺されるよう、上記第3,第5,第6半導
体層と接する絶縁膜の厚膜を増大し、かつこの膜厚の増
大によるしきい値電圧の変動が相殺されるよう、上記第
5半導体層と接する絶縁膜にイオンを注入して固定電荷
を形成したので、しきい値電圧の増大を招くことなく上
記ターンオフ時間の短縮を図ることができる。
[0046] In the invention of this (claim 9), so that the increased capacity amount of the control electrode by a thin film of the insulating film in contact with the fourth semiconductor layer are offset, the third, fifth, sixth semiconductor layer The fixed charge is formed by implanting ions into the insulating film in contact with the fifth semiconductor layer so that the thickness of the insulating film in contact with the fifth semiconductor layer is increased and the fluctuation of the threshold voltage due to the increase in the film thickness is offset. Therefore, the turn-off time can be reduced without increasing the threshold voltage.

【0047】[0047]

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例1.図1はこの発明の第1の実施例による半導体
装置を説明するための図であり、U−MOSFETの断
面構造を示している。図において、101は本実施例の
U−MOSFETで、このU−MOSFET101で
は、N- エピタキシャル層2と上記ゲート電極5との間
に介在している第1ゲート絶縁膜(第1の絶縁膜)6a
を、ウェル領域3とゲート電極5との間に介在している
第2ゲート絶縁膜(第2の絶縁膜)6bより薄くすると
ともに、上記N- エピタキシャル層2の、上記ゲート電
極5の底面部と近接している部分を特に濃度が低いN--
領域2aとしている。なお、6a1 及び6a2 は、それ
ぞれ上記第1ゲート絶縁膜6aの、上記ゲート電極5a
の側面と接する側面部、及び上記ゲート電極5aの底面
と接する底面部であり、その他の部分は図13に示した
従来のU−MOSFET201と同一構成である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. Embodiment 1 FIG. FIG. 1 is a view for explaining a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and shows a cross-sectional structure of a U-MOSFET. In the figure, reference numeral 101 denotes a U-MOSFET according to the present embodiment. In this U-MOSFET 101, a first gate insulating film (first insulating film) interposed between the N epitaxial layer 2 and the gate electrode 5 described above. 6a
Is thinner than a second gate insulating film (second insulating film) 6 b interposed between the well region 3 and the gate electrode 5, and the bottom of the N epitaxial layer 2 of the gate electrode 5 is formed. particularly concentration portion in proximity with the lower N -
The area 2a is set. 6a1 and 6a2 are the gate electrodes 5a of the first gate insulating film 6a, respectively.
And a bottom surface portion in contact with the bottom surface of the gate electrode 5a, and the other portions have the same configuration as the conventional U-MOSFET 201 shown in FIG.

【0048】次に動作について説明する。上記U−MO
SFETのオフ状態において、ゲート電極9を負にバイ
アスすると、図2に示すようにN- エピタキシャル層
(MOSFETではN- ドリフト層とも言う。)2の、
薄いゲート絶縁膜側壁部6a1 近傍に位置する領域がP
型領域2bに反転し、また上記薄いゲート絶縁膜底面部
6a2 直下のN--領域2aはP型領域2cに反転するこ
ととなる。これによりドリフト層2に突出したトレンチ
壁,つまり第1のゲート絶縁膜6aは全てP型半導体領
域で覆われることになり、ドレイン(またはコレクタ)
電極8に逆バイアスが印加された時に発生する空乏層に
より従来トレンチ壁のコーナー部で発生していた電界集
中が緩和される。
Next, the operation will be described. The above U-MO
When the gate electrode 9 is negatively biased in the off state of the SFET, as shown in FIG. 2, the N - epitaxial layer (also referred to as N - drift layer in MOSFET) 2
The region located near the thin gate insulating film side wall 6a1 is P
The N region 2a immediately below the thin gate insulating film bottom surface 6a2 is inverted to the P type region 2c. Thereby, the trench wall protruding into the drift layer 2, that is, the first gate insulating film 6a is entirely covered with the P-type semiconductor region, and the drain (or the collector) is formed.
The depletion layer generated when a reverse bias is applied to the electrode 8 alleviates the electric field concentration that has conventionally occurred at the corner of the trench wall.

【0049】またU−MOSFETのオン状態において
ゲート電極5を正にバイアスすると、図3に示すように
ウェル領域3の第2ゲート絶縁膜6bに近接する部分に
チャネル3aが生じるとともに、薄いゲート絶縁膜6a
1 及び6a2 の近傍のN- ドリフト層2が各々N+ 半導
体領域2d,N- 半導体領域2eに変化し、上記ソース
電極7からチャネル3aを通過してN- ドリフト層2に
注入された電子が従来のトレンチ型MOSFETと同様
にJ−FET効果の影響を受けることなく流れることと
なる。
When the gate electrode 5 is biased positively in the ON state of the U-MOSFET, a channel 3a is formed in a portion of the well region 3 close to the second gate insulating film 6b as shown in FIG. Membrane 6a
1 and in the vicinity of the 6a2 N - drift layer 2 are each N + semiconductor regions 2d, N - changes in the semiconductor regions 2e, through the channel 3a from the source electrode 7 N - electrons injected into the drift layer 2 It flows without being affected by the J-FET effect like the conventional trench MOSFET.

【0050】このように本実施例では、ゲート電極5と
- エピタキシャル層2との間に介在する第1ゲート絶
縁膜6aを、ゲート電極5とウェル領域3との間に介在
する第2ゲート絶縁膜6bより薄くし、上記ゲート電極
5に逆バイアスを印加した時、上記N- エピタキシャル
層2の、第1ゲート絶縁膜6aに近接する部分に反転層
が形成されるようにしたので、逆バイアス印加時には、
上記第1ゲート絶縁膜6aがP型半導体領域により覆わ
れることとなり、これにより主電極7,8間に逆バイア
スが印加された時に発生する空乏層による電界集中を緩
和することができる。
As described above, in the present embodiment, the first gate insulating film 6a interposed between the gate electrode 5 and the N epitaxial layer 2 is replaced with the second gate insulating film interposed between the gate electrode 5 and the well region 3. When a reverse bias is applied to the gate electrode 5 when the thickness is smaller than that of the insulating film 6b, an inversion layer is formed in a portion of the N epitaxial layer 2 close to the first gate insulating film 6a. At the time of bias application,
The first gate insulating film 6a is covered with the P-type semiconductor region, whereby the electric field concentration due to the depletion layer generated when a reverse bias is applied between the main electrodes 7 and 8 can be reduced.

【0051】実施例2.図4は本発明の第2の実施例に
よる半導体装置を説明するための図であり、U−MOS
FETの断面構造を示している。図において、102は
本実施例のU−MOSFETで、ここでは上記第1実施
例のU−MOSFETの構造において、上記N- エピタ
キシャル層2の、上記ゲート電極5の底面部及びコーナ
部に近接する部分にP+ 型フローティング領域9を、該
領域9によりゲート電極5aが埋め込まれているトレン
チの底面部が覆われるように形成するとともに、第1ゲ
ート絶縁膜6aの底面部6a2 を、第1ゲート絶縁膜6
aの側面部6a1 より厚くし、上記ゲート電極5aに逆
バイアスを印加した時、上記N- エピタキシャル層2
の、第1ゲート絶縁膜6aの側壁部分6a1 に近接する
部分にP型反転層2bが生じて、上記P型ウェル領域3
と上記P+ 型フローティング領域9とが短絡するように
している。
Embodiment 2 FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
1 shows a cross-sectional structure of an FET. In the drawing, reference numeral 102 denotes a U-MOSFET according to the present embodiment. In this embodiment, in the structure of the U-MOSFET according to the first embodiment, the N epitaxial layer 2 is close to the bottom portion and the corner portion of the gate electrode 5. A P + -type floating region 9 is formed in such a manner that the bottom of the trench in which the gate electrode 5a is buried is covered by the region 9 and the bottom 6a2 of the first gate insulating film 6a is Insulating film 6
When the reverse bias is applied to the gate electrode 5a, the thickness of the N - epitaxial layer 2 is increased.
Of the first gate insulating film 6a, a P-type inversion layer 2b is formed in a portion adjacent to the side wall portion 6a1.
And the P + -type floating region 9 is short-circuited.

【0052】次に動作について説明する。上記U−MO
SFETのオフ状態において、ゲート電極9を負にバイ
アスすると、図5に示すように、N- ドリフト層2の、
薄いゲート絶縁膜側面部6a1 近傍の部分2bがN-
からP型に反転して、P型ウェル領域3とP型フローテ
ィング領域9が上記反転領域2bにより短絡する。これ
によりドリフト層2に突出したトレンチ壁,つまり第1
ゲート絶縁膜6aは全てP型半導体領域で覆われること
になり、ドレイン(またはコレクタ)電極8に逆バイア
スが印加された時に発生する空乏層により従来トレンチ
壁のコーナー部で発生していた電界集中が緩和される。
Next, the operation will be described. The above U-MO
In the off state of the SFET, when biasing the gate electrode 9 in the negative, as shown in FIG. 5, N - drift layer 2,
The portion 2b near the thin gate insulating film side surface 6a1 is inverted from N - type to P-type, and the P-type well region 3 and the P-type floating region 9 are short-circuited by the inverted region 2b. As a result, the trench wall protruding into the drift layer 2, that is, the first
The gate insulating film 6a is entirely covered with the P-type semiconductor region, and the electric field concentration that has conventionally occurred at the corner of the trench wall due to the depletion layer generated when a reverse bias is applied to the drain (or collector) electrode 8 Is alleviated.

【0053】またU−MOSFETのオン状態において
ゲート電極5を正にバイアスすると、図6に示すように
ウェル領域3の第2の絶縁膜6bに近接する部分にチャ
ネル3aが生じるとともに、N- ドリフト層2のゲート
絶縁膜側壁部分6a1 近傍がN+ 半導体領域2dに変化
し、上記チャネル3aを通過してきた電子がJFET効
果の影響を受けることなくN- ドリフト層2に注入する
こととなる。
[0053] Further, when positively biased to the gate electrode 5 in the on-state of the U-MOSFET, with the channel 3a is generated in the portion close to the second insulating film 6b of the well region 3, as shown in FIG. 6, N - drift The vicinity of the side wall portion 6a1 of the gate insulating film of the layer 2 changes to the N + semiconductor region 2d, and the electrons passing through the channel 3a are injected into the N drift layer 2 without being affected by the JFET effect.

【0054】この実施例においても、上記第1実施例と
同様、逆バイアス印加時には、上記第1ゲート絶縁膜6
aがP型半導体領域により覆われることとなり、これに
より主電極7,8間に逆バイアスが印加された時に発生
する空乏層による電界集中を緩和することができる効果
がある。
In this embodiment, as in the first embodiment, when the reverse bias is applied, the first gate insulating film 6
Since a is covered with the P-type semiconductor region, there is an effect that the electric field concentration caused by the depletion layer generated when a reverse bias is applied between the main electrodes 7 and 8 can be reduced.

【0055】実施例3.図7は本発明の第3の実施例に
よる半導体装置を説明するための図であり、図におい
て、103は本実施例のU−MOSFETで、ここでは
上記第2の実施例のU−MOSFETの構造において、
上記ウェル領域3を、断面台形形状の領域33とし、上
記ゲート電極5に代えて、その上半部分を断面逆台形形
状としたゲート電極35を用いており、ここでは上記ウ
ェル領域33とゲート電極35との間の上記第2ゲート
絶縁膜6bは斜めに傾斜している。なお34は上記断面
台形形状のウェル領域33上部の周辺部分に形成された
+ 領域である。
Embodiment 3 FIG. FIG. 7 is a view for explaining a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 103 denotes a U-MOSFET according to the present embodiment. In structure
The well region 3 is a region 33 having a trapezoidal cross section. Instead of the gate electrode 5, a gate electrode 35 having an upper half portion having an inverted trapezoidal cross section is used. The second gate insulating film 6b between the first gate insulating film 35 and the second gate insulating film 35 is inclined. Reference numeral 34 denotes an N + region formed in a peripheral portion above the well region 33 having the trapezoidal cross section.

【0056】このような構成の第3の実施例のU−MO
SFETにおいても、オン時及びオフ時の動作について
は上記第2実施例と同様である。
The U-MO of the third embodiment having such a configuration is described.
The ON and OFF operations of the SFET are the same as those of the second embodiment.

【0057】次に製造方法について説明する。まず、N
+ 半導体基板1上にN- エピタキシャル層2を形成し、
P型半導体層を形成し、さらに該P型半導体層内に選択
的にN+ 半導体層を形成した後、該N型及びP型半導体
層を貫通して上記エピタキシャル層2に達する、傾斜し
た側壁を有する断面V字型溝103aを形成する。これ
により上記P型ウェル領域33が上記N- エピタキシャ
ル層2上に選択的に形成される(図8(a) )。
Next, the manufacturing method will be described. First, N
+ Forming an N epitaxial layer 2 on a semiconductor substrate 1,
After forming a P-type semiconductor layer and further selectively forming an N + semiconductor layer in the P-type semiconductor layer, an inclined side wall penetrating the N-type and P-type semiconductor layers and reaching the epitaxial layer 2 A V-shaped groove 103a having a cross section is formed. Thus, the P-type well region 33 is selectively formed on the N - epitaxial layer 2 (FIG. 8A).

【0058】次に上記半導体基板表面側にレジスト31
を上記N- エピタキシャル層2が露出するよう形成し
(図8(b) )、該レジスト31をマスクとして上記N-
エピタキシャル層2を異方性エッチングして、垂直な側
壁を有するトレンチ(溝)103bを形成する(図8
(c) )。
Next, a resist 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate.
The N - said N formed as an epitaxial layer 2 is exposed (FIG. 8 (b)), the resist 31 as a mask -
The epitaxial layer 2 is anisotropically etched to form a trench 103b having vertical side walls (FIG. 8).
(c)).

【0059】続いて上記レジスト31を除去した後、V
字溝103aの斜面、トレンチ溝13b表面を含む半導
体基板の表面側を酸化して酸化膜36を形成し(図8
(d) )、半導体基板の表面側に酸素イオン33を基板1
0に対して垂直な方向から照射すると、上記酸化膜36
の、トレンチ103bの側壁部を除く部分のみに注入さ
れる。これにより上記ウェル領域33の表面の水平部分
及び傾斜部分にはイオン注入領域37aが、また上記ト
レンチの底面部にはイオン注入領域37bが形成される
(図8(e) )。
Subsequently, after removing the resist 31, V
The oxide film 36 is formed by oxidizing the surface of the semiconductor substrate including the slope of the groove 103a and the surface of the trench 13b (FIG. 8).
(d)) Oxygen ions 33 are applied to the substrate 1 on the front side of the semiconductor substrate.
When irradiated from a direction perpendicular to 0, the oxide film 36
Is implanted only into the portion excluding the side wall of the trench 103b. As a result, an ion-implanted region 37a is formed on the horizontal and inclined portions of the surface of the well region 33, and an ion-implanted region 37b is formed on the bottom of the trench (FIG. 8E).

【0060】その後、1200〜1300℃程度の適当
な熱処理を施し、これにより上記酸化膜36の、トレン
チ103bの側壁部を除く部分を厚くし、上記第2ゲー
ト酸化膜6b及び第1ゲート酸化膜6aの底面部分6a
2 を形成する(図8(f) )。
Thereafter, an appropriate heat treatment at about 1200 to 1300 ° C. is performed, thereby increasing the thickness of the oxide film 36 except for the side wall of the trench 103b, and forming the second gate oxide film 6b and the first gate oxide film. 6a bottom part 6a
2 is formed (FIG. 8 (f)).

【0061】その後は、図示していないが、上記溝10
3b及び103a内にゲート電極5を埋め込み、半導体
基板の表面側及び裏面側に主電極を形成して、図7に示
すU−MOSFET103を形成する。
Thereafter, although not shown, the groove 10
The gate electrode 5 is buried in 3b and 103a, and the main electrodes are formed on the front side and the back side of the semiconductor substrate, thereby forming the U-MOSFET 103 shown in FIG.

【0062】このような構成の第3の実施例では、P型
ウェル領域33を断面台形形状とし、ゲート電極35の
上半分を該ウェル領域33の形状に合った断面逆台形形
状としたので、P型ウェル領域33の形成後全面に絶縁
膜36を形成すると、該絶縁膜36の、上記ウェル領域
33側面上の部分が斜めに傾斜して配置されることとな
り、その後基板表面側に表面に対して垂直な方向から酸
素イオンを注入し、熱処理を施すことにより、上記絶縁
膜36の、上記ウェル領域側面上の部分を従来のプロセ
スフローを大幅に変更することなく簡単に厚膜化するこ
とができる。つまり上記第1ゲート絶縁膜6aの底面部
分6a2 及び第2ゲート絶縁膜6bの厚膜化を簡単に行
うことができる。
In the third embodiment having such a structure, the P-type well region 33 has a trapezoidal cross section, and the upper half of the gate electrode 35 has an inverted trapezoidal cross section which matches the shape of the well region 33. When the insulating film 36 is formed on the entire surface after the formation of the P-type well region 33, the portion of the insulating film 36 on the side surface of the well region 33 is arranged obliquely and thereafter, the surface is formed on the substrate surface side. Oxygen ions are implanted in a direction perpendicular to the direction, and a heat treatment is performed to easily increase the thickness of the portion of the insulating film 36 on the side surface of the well region without significantly changing the conventional process flow. Can be. In other words, the thickness of the bottom surface portion 6a2 of the first gate insulating film 6a and the thickness of the second gate insulating film 6b can be easily increased.

【0063】実施例4.図9はこの発明の第4の実施例
による半導体装置を説明するための図であり、サイリス
タ素子の断面構造を示している。図において、104は
本実施例のサイリスタ素子で、この素子104では、ゲ
ート絶縁膜46を、そのN+ 拡散領域12と接する部分
46bを他の部分46a及び46cに比べて薄くした構
造とし、ゲート電極15に逆バイアスを印加した時、上
記N+ 拡散領域12の、上記絶縁膜46の薄膜化部分4
6bと接する部分にP型反転層12aが形成されるよう
にしている。なおここで46aは上記絶縁膜46のP型
拡散領域13と接する部分、46cは上記絶縁膜46
の、P型拡散領域11aと接する部分であり、その他の
部分は図16に示した従来のサイリスタ素子202と同
一構成である。
Embodiment 4 FIG. FIG. 9 is a view for explaining a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention, and shows a cross-sectional structure of a thyristor element. In the figure, reference numeral 104 denotes a thyristor element of the present embodiment. In this element 104, the gate insulating film 46 has a structure in which a portion 46b in contact with the N + diffusion region 12 is thinner than other portions 46a and 46c, When a reverse bias is applied to the electrode 15, the thinned portion 4 of the insulating film 46 of the N + diffusion region 12 is formed.
The P-type inversion layer 12a is formed in a portion in contact with 6b. Here, 46a is a portion of the insulating film 46 in contact with the P-type diffusion region 13, and 46c is a portion of the insulating film 46.
Are in contact with the P-type diffusion region 11a, and the other portions have the same configuration as the conventional thyristor element 202 shown in FIG.

【0064】次に動作について説明する。オフ時の動作
において、この構造特有の効果が認められる。即ち、オ
ン状態においてゲート電極15に負の電圧を印加して電
子電流を遮断すると、サイリスタ領域に残っていた電子
キャリアはターンオフの初期に正孔キャリアと再結合し
て消滅する。この時余剰の正孔キャリアはP型拡散領域
11aに注入され、P型拡散領域11bを通って、カソ
ード電極17へ吸収されるが、N型領域12の絶縁膜4
6b近傍の部分にはP型反転層12aが生じ、P型半導
体領域13とP型領域11aが短絡されることとなり、
これにより正孔キャリアの一部がこの経路を通ってカソ
ード電極17へ吸収される。この結果全体として電流経
路が短縮され、スイッチング時間が短縮される。
Next, the operation will be described. The effect peculiar to this structure is recognized in the off-state operation. That is, when a negative voltage is applied to the gate electrode 15 in the ON state to cut off the electron current, the electron carriers remaining in the thyristor region recombine with the hole carriers in the early stage of turn-off and disappear. At this time, excess hole carriers are injected into the P-type diffusion region 11a, and are absorbed by the cathode electrode 17 through the P-type diffusion region 11b.
6b, a P-type inversion layer 12a is formed in the vicinity, and the P-type semiconductor region 13 and the P-type region 11a are short-circuited.
Thereby, a part of the hole carriers is absorbed by the cathode electrode 17 through this path. As a result, the current path is shortened as a whole, and the switching time is shortened.

【0065】このように本実施例では、トレンチゲート
型ESTのゲート絶縁膜の一部を薄膜化し、ゲート電極
に逆バイアスを印加した時に上記ゲート絶縁膜の一部に
近接する半導体領域に反転層が形成されるようにしたの
で、ターンオフ時に上記反転層により、正孔電流を引き
抜くためのバイパス経路が形成され、ターンオフ時間の
短縮を図ることができるという効果がある。
As described above, in this embodiment, a part of the gate insulating film of the trench gate type EST is thinned, and when a reverse bias is applied to the gate electrode, the inversion layer is formed in the semiconductor region adjacent to the part of the gate insulating film. Is formed, a bypass path for extracting a hole current is formed by the inversion layer at the time of turn-off, and there is an effect that the turn-off time can be shortened.

【0066】なお、上記第1〜第4の実施例で示したよ
うにトレンチゲート絶縁膜の一部を薄膜化することによ
って耐圧の向上,ターンオフ時間の短縮等を図ったもの
を示したが、一方でこのゲート絶縁膜の薄膜化に伴い問
題点も発生する。
As described in the first to fourth embodiments, the breakdown voltage is improved, the turn-off time is shortened by reducing a part of the trench gate insulating film. On the other hand, a problem arises with the thinning of the gate insulating film.

【0067】すなわち、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴って
ゲート容量が増大することとなり、このゲート容量の増
加によるスイッチング時間の遅れやミラー効果が生ずる
という問題があり、上記ミラー効果により、ターンオフ
時に電流の減少変化がスムーズに行われず、電流値が一
定レベルを保持し減少しない期間が生じてしまう。
That is, as the gate insulating film becomes thinner, the gate capacitance increases, and there is a problem that the switching time is delayed and the Miller effect occurs due to the increase in the gate capacitance. Is not smoothly changed, and a period occurs in which the current value is maintained at a constant level and does not decrease.

【0068】図10(a) は第1あるいは第2の実施例の
構造を用いて、オフ(ターンオフ)時にゲート容量とし
て寄与する成分を説明するための図である。ここで全ゲ
ート容量をCg とすると、 1/Cg =1/Cox+1/Cs =1/(Coxa +Coxb +Coxc )+1/Cs で表わされる。ここで、Cs は空乏層(Depletion laye
r)中の容量、Coxは絶縁膜中の総容量である。
FIG. 10A is a diagram for explaining a component that contributes as a gate capacitance at the time of off (turn off) using the structure of the first or second embodiment. Here, assuming that the total gate capacitance is Cg, it is expressed by 1 / Cg = 1 / Cox + 1 / Cs = 1 / (Coxa + Coxb + Coxc) + 1 / Cs. Here, Cs is the depletion layer (Depletion laye
The capacitance in r), Cox, is the total capacitance in the insulating film.

【0069】また、図10(b) はオフ時の電流・電圧波
形を示しており、この図において、オフ時間tf は次式
によって表わされる。 tf =Rg ×Cg ×ln (Il /(gm・Vt )+1) Rg :ゲート抵抗(Gate Resistance) gm:相互コンダクタンス(dId /dVg ) Il :負荷電流(Load current) Vt :しきい値電圧(Threshold Voltage) 上式から明らかなように、Cg の増加によってtf は直
接影響を受けて増加する。従って、第1〜第4の実施例
では、オフ(ターンオフ)スイッチングに悪影響が及ば
ないようにするには、Cg の増加を抑える必要がある。
[0069] Further, FIG. 10 (b) shows the current and voltage waveforms at the time of off, in this figure, off-time t f is represented by the following equation. t f = Rg × Cg × ln (Il / (gm · Vt) +1) Rg: gate resistance (Gate Resistance) gm: transconductance (dId / dVg) Il: load current (Load current) Vt: threshold voltage ( Threshold Voltage) As is apparent from the above equation, tf is directly affected by the increase in Cg and increases. Therefore, in the first to fourth embodiments, it is necessary to suppress an increase in Cg so as not to adversely affect off (turn-off) switching.

【0070】実施例5.図11は本発明の第5の実施例
による半導体装置を説明するための図であり、図におい
て、105は本実施例のU−MOSFETで、ここでは
上記第2の実施例のU−MOSFETの構造において、
第1ゲート絶縁膜6aの側壁部分6a1の薄膜化による
ゲート容量の増大分が相殺されるよう、第1ゲート絶縁
膜の底面部分6a2 及び第2ゲート絶縁膜6bの膜厚を
増大し、かつこの膜厚増大によるしきい値電圧の変動が
相殺されるよう、上記第2ゲート絶縁膜6bの、ウェル
領域と接する部分にイオンを注入して固定電荷を形成し
ている。
Embodiment 5 FIG. FIG. 11 is a view for explaining a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 105 denotes a U-MOSFET of the present embodiment. In structure
The thickness of the bottom portion 6a2 of the first gate insulating film and the thickness of the second gate insulating film 6b are increased so that the increase in gate capacitance due to the thinning of the side wall portion 6a1 of the first gate insulating film 6a is offset. Ions are implanted into a portion of the second gate insulating film 6b in contact with the well region to form fixed charges so that a change in threshold voltage due to an increase in film thickness is offset.

【0071】つまり、N- ドリフト層2に接するトレン
チゲート絶縁膜の側壁部6a1 を薄膜化すると、この部
分での容量成分Coxb は増加する。この増加分を相殺す
べく、第1ゲート絶縁膜の底面部分6a2 及び第2ゲー
ト絶縁膜6bの膜厚を厚くしてこれらの部分での容量成
分Coxc ,Coxa を低下させているが、第2ゲート絶縁
膜6bの厚膜化によってしきい値電圧が増加してしま
う。このためしきい値電圧を最適化するために、例えば
プロトン等の軽イオン40を表面側より、飛程を上記第
2ゲート絶縁膜のウェル領域と接する部分内に収まるよ
うに照射して、同膜中に選択的に正の固定電荷を導入し
ている。なお、このイオン照射はゲート電極5に正の電
圧を印加しながら行うと、より少ない照射量で同様の効
果が得られ、Pウェル領域3に与える損傷を最低限に抑
えることができる。
That is, when the side wall 6a1 of the trench gate insulating film in contact with the N - drift layer 2 is made thinner, the capacitance component Coxb at this portion increases. To offset this increase, the thicknesses of the bottom surface portion 6a2 of the first gate insulating film and the second gate insulating film 6b are increased to reduce the capacitance components Coxc and Coxa in these portions. The threshold voltage is increased by increasing the thickness of the gate insulating film 6b. Therefore, in order to optimize the threshold voltage, for example, light ions 40 such as protons are irradiated from the surface side so that the range falls within a portion in contact with the well region of the second gate insulating film. Positive fixed charges are selectively introduced into the film. If this ion irradiation is performed while applying a positive voltage to the gate electrode 5, a similar effect can be obtained with a smaller irradiation amount, and damage to the P-well region 3 can be minimized.

【0072】なお、上記第1〜第3及び第5の実施例で
は、トレンチ型パワーデバイスとして、U−MOSFE
Tを例に挙げて説明したが、これは、上記U−MOSF
ETの構造において、N+ 半導体基板をP+ 半導体基板
に置き換えた素子構造のIGBTでもよく、この場合も
上記各実施例と同様の効果が得られる。
In the first to third and fifth embodiments, the U-MOSFE is used as a trench power device.
T has been described as an example, this is because the above-mentioned U-MOSF
In the ET structure, an IGBT having an element structure in which an N + semiconductor substrate is replaced with a P + semiconductor substrate may be used. In this case, the same effects as those of the above embodiments can be obtained.

【0073】この実施例では、第1ゲート絶縁膜の底面
部分6a2 及び第2ゲート絶縁膜6bの膜厚を増大した
ので、第1ゲート絶縁膜6aの側壁部分6a1 の薄膜化
によるゲート容量の増大分が抑制されることとなり、ま
た上記第2ゲート絶縁膜6bの、ウェル領域と接する部
分にイオンを注入して固定電荷を形成したので、上記膜
厚増大によるしきい値電圧の変動が抑制されることとな
る。これによりしきい値電圧の最適化を図りつつ、上記
オフ時間を短縮することができる。
In this embodiment, since the bottom portion 6a2 of the first gate insulating film and the thickness of the second gate insulating film 6b are increased, the gate capacitance is increased by reducing the thickness of the side wall portion 6a1 of the first gate insulating film 6a. In addition, since fixed charges are formed by implanting ions into a portion of the second gate insulating film 6b that is in contact with the well region, the fluctuation of the threshold voltage due to the increase in the film thickness is suppressed. The Rukoto. This makes it possible to shorten the off-time while optimizing the threshold voltage.

【0074】実施例6.図12は本発明の第6の実施例
による半導体装置を説明するための図であり、図におい
て、106は本実施例のESTサイリスタ素子で、これ
は、上記第4実施例のESTサイリスタにおいて、上記
ゲート絶縁膜46の、N型領域12と接する部分46b
の薄膜化によるゲート電極の容量増大分が相殺されるよ
う、上記絶縁膜46の、P型領域11a及びPウェル領
域13と接する部分46c,46aの膜厚を増大し、か
つこの膜厚増大によるしきい値電圧の変動が相殺される
よう、絶縁膜46のチャネル対応部分46aにイオンを
注入して固定電荷を形成したものである。この場合第5
の実施例と同様、しきい値電圧の最適化を図りつつ、タ
ーンオフ時間を短縮することができる。
Embodiment 6 FIG. FIG. 12 is a view for explaining a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 106 denotes an EST thyristor element of the present embodiment, which is an EST thyristor of the fourth embodiment. Portion 46b of gate insulating film 46 in contact with N-type region 12
The thickness of the portions 46c and 46a of the insulating film 46 that are in contact with the P-type region 11a and the P-well region 13 is increased so that the increase in the capacitance of the gate electrode due to the reduction in the thickness of the gate electrode is offset. The fixed charges are formed by implanting ions into a portion 46a corresponding to the channel of the insulating film 46 so as to cancel the fluctuation of the threshold voltage. In this case the fifth
As in the embodiment, the turn-off time can be reduced while optimizing the threshold voltage.

【0075】[0075]

【発明の効果】の発明(請求項1,2,3)に係る半
導体装置によれば、制御電極と第1導電型の半導体層と
の間に介在する第1の絶縁膜の所定部分の膜厚を、制御
電極と第2導電型の、チャネルが形成される領域との間
に介在する第2の絶縁膜の膜厚より薄くし、上記制御電
極に逆バイアスを印加した時、上記第1導電型の半導体
層の、制御電極に近接する部分に第2導電型の反転が形
成されるようにしたので、逆バイアス印加時には、上記
第1の絶縁膜の、制御電極に接する部分が第2導電型の
反転領域で覆われることとなり、これにより高耐圧化を
図ることができる効果がある。
According to the semiconductor device according to the embodiments of the Invention This invention (claim 1, 2, 3), a control electrode and the semiconductor layer of the first conductivity type
Controlling the thickness of a predetermined portion of the first insulating film interposed therebetween.
Between the electrode and the region of the second conductivity type where the channel is formed
When a reverse bias is applied to the control electrode, the second conductivity type is inverted in a portion of the semiconductor layer of the first conductivity type close to the control electrode when a reverse bias is applied to the control electrode. As a result, when a reverse bias is applied, a portion of the first insulating film that is in contact with the control electrode is covered with the inversion region of the second conductivity type, thereby increasing the breakdown voltage. effective.

【0076】この発明(請求項4,6)によれば、上記
第2導電型のウエル領域を、その上面側の両端部間の距
離がその底面側の両端部間の距離より小さくなるよう
の側面が傾斜した断面形状とし、上記制御電極を、その
上面側の両端部間の距離がその底面側の両端部間の距離
より大きくなるようその側面が傾斜して、上記ウエル領
域の側面と一定間隔を隔てて対向する断面形状としたの
で、上記ウェル領域形成後、制御電極を形成する前に全
面に絶縁膜を形成すると、該絶縁膜の上記ウェル領域上
の部分が斜めに傾斜して配置されることとなり、その後
基板表面側に表面に対して垂直な方向から酸素イオンを
注入し熱処理を行うことにより、上記絶縁膜のウェル領
域上の部分を、従来のプロセスフローを大幅に変更する
ことなく簡単に厚膜化することができる効果がある。
According to the present invention (claims 4 and 6), the well region of the second conductivity type is provided with a distance between both ends on the upper surface side.
Away is a cross-sectional shape that its <br/> side of inclined to be smaller than the distance between the ends of its bottom side, the control electrode, the
The distance between both ends on the top side is the distance between both ends on the bottom side
Since the side surface is inclined so as to be larger and has a cross-sectional shape facing the side surface of the well region at a constant interval, an insulating film is formed over the entire surface after the well region is formed and before the control electrode is formed. The portion of the insulating film above the well region is disposed obliquely and thereafter, oxygen ions are implanted into the substrate surface side from a direction perpendicular to the surface and heat treatment is performed. The effect is that the thickness of the portion on the well region can be easily increased without significantly changing the conventional process flow.

【0077】の発明(請求項5,7)によれば、上記
第2の絶縁膜の膜厚を、上記第1の絶縁膜の薄膜化によ
る制御電極の容量増大分が相殺されるよう増大し、かつ
この膜厚の増大によるしきい値電圧の変動が相殺される
よう、上記第2の絶縁膜の、ウェル領域と接する部分に
イオンを注入して固定電荷を形成したので、ゲート絶縁
膜の膜厚に関してトレードオフの関係にある、しきい値
電圧の増大とスイッチング速度の低下とをともに抑えつ
つ、高耐圧化を図ることができる。
[0077] According to the invention this (claim 5,7), increases so that the thickness of the second insulating film, the capacitance increment of the first control electrode by thinning the insulating film is offset In addition, ions are implanted into a portion of the second insulating film which is in contact with the well region to form fixed charges so that a change in threshold voltage due to the increase in the film thickness is offset. a thickness in a trade-off relationship with respect to, while both suppressing and lowering of increasing the switching speed of the threshold voltage, Ru can achieve high breakdown voltage.

【0078】この発明(請求項8)に係る半導体装置に
よれば、サイリスタ構造を第1〜第4半導体層により構
成するとともに、上記サイリスタ構造に電流を供給する
経路を第5及び第6半導体層により構成し、第4半導体
層と制御電極との間に介在する絶縁膜を、チャネルが形
成される第5半導体層と制御電極との間に介在する絶縁
膜より薄くし、上記制御電極に逆バイアスを印加した
時、上記第1導電型の第4半導体層の、制御電極に近接
する部分に第2導電型の反転層が形成されるようにした
ので、ターンオフ時には、第3半導体層から第4半導体
層の反転層を介して第5半導体層へ到る、ホールを引き
抜くためのバイパス経路が形成されることとなり、つま
りターンオフ時の電流経路が短縮されることとなり、こ
れにより高速化を図ることができる効果がある。
According to the semiconductor device of the present invention (claim 8) , the thyristor structure is constituted by the first to fourth semiconductor layers, and the paths for supplying current to the thyristor structure are provided by the fifth and sixth semiconductor layers. And the insulating film interposed between the fourth semiconductor layer and the control electrode is made thinner than the insulating film interposed between the fifth semiconductor layer in which the channel is formed and the control electrode, and is opposite to the control electrode. When a bias is applied, an inversion layer of the second conductivity type is formed in a portion of the fourth semiconductor layer of the first conductivity type close to the control electrode. Holes are drawn to the fifth semiconductor layer through the inversion layer of the four semiconductor layers.
A bypass path for disconnection is formed, that is, a current path at the time of turn-off is shortened, which has the effect of increasing the speed.

【0079】の発明(請求項9)によれば、上記第4
半導体層と接する絶縁膜の薄膜化による制御電極の容量
増大分が相殺されるよう、上記第3,第5,第6半導体
層と接する絶縁膜の厚膜を増大し、かつこの膜厚の増大
によるしきい値電圧の変動が相殺されるよう、上記第5
半導体層と接する絶縁膜にイオンを注入して固定電荷を
形成したので、しきい値電圧の増大を招くことなく上記
ターンオフ時間の短縮を図ることができる。
[0079] According to the invention this (claim 9), the fourth
The thickness of the insulating film in contact with the third, fifth, and sixth semiconductor layers is increased so that the increase in the capacity of the control electrode due to the thinning of the insulating film in contact with the semiconductor layer is offset, and the increase in the thickness is increased. In order to cancel the fluctuation of the threshold voltage due to
Since the formation of the fixed charges by injecting ions into the insulating film in contact with the semiconductor layer, Ru can be shortened the turn-off time without increasing the threshold voltage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例による半導体装置として
U−MOSFETを示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a U-MOSFET as a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】上記U−MOSFETのオフ状態においてゲー
ト電極を負にバイアスした時の様子を示す断面図であ
る。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state where a gate electrode is negatively biased in an off state of the U-MOSFET.

【図3】上記U−MOSFETのオン状態においてゲー
ト電極を正にバイアスした時の様子を示す断面図であ
る。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where a gate electrode is positively biased in an ON state of the U-MOSFET.

【図4】本発明の第2の実施例による半導体装置として
U−MOSFETを示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a U-MOSFET as a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】上記U−MOSFETのオフ状態においてゲー
ト電極を負にバイアスした時の様子を示す断面図であ
る。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where a gate electrode is negatively biased in the off state of the U-MOSFET.

【図6】上記U−MOSFETのオン状態においてゲー
ト電極を正にバイアスした時の様子を示す断面図であ
る。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where a gate electrode is positively biased in the ON state of the U-MOSFET.

【図7】本発明の第3の実施例による半導体装置として
U−MOSFETを示す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing a U-MOSFET as a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図8】上記第3実施例装置の製造フローを示す断面図
である。
FIG. 8 is a sectional view showing a manufacturing flow of the device of the third embodiment.

【図9】本発明の第4の実施例による半導体装置として
サイリスタを示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing a thyristor as a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図10】ゲート容量及びターンオフ時の電流−電圧特
性を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing gate capacitance and current-voltage characteristics at turn-off.

【図11】本発明の第5の実施例による半導体装置とし
てU−MOSFETを示す断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing a U-MOSFET as a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第6の実施例による半導体装置とし
てサイリスタを示す断面図である。
FIG. 12 is a sectional view showing a thyristor as a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図13】従来のパワーデバイスとしてU−MOSFE
Tの構造を示す図である。
FIG. 13 shows U-MOSFE as a conventional power device.
FIG. 3 is a diagram showing the structure of T.

【図14】上記MOSFETの構造におけるシュミレー
ションによる電界集中の様子を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a state of electric field concentration by simulation in the structure of the MOSFET.

【図15】上記U−MOSFETにおける耐圧低下に対
する対策を説明するための図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining a countermeasure against a decrease in withstand voltage in the U-MOSFET.

【図16】従来のサイリスタの構造の一例を示す断面図
である。
FIG. 16 is a sectional view showing an example of the structure of a conventional thyristor.

【図17】上記サイリスタの動作を説明するための断面
図である。
FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining the operation of the thyristor.

【図18】従来のパワーデバイスとしてD−MOSFE
Tの構造を示す断面図である。
FIG. 18 shows a D-MOSFE as a conventional power device.
It is sectional drawing which shows the structure of T.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,10 P型半導体基板 2,20 N- エピタキシャル層 2a N--拡散領域 3 Pウェル領域 4 N+ 拡散領域 5,15 ゲート電極 6a 第1ゲート絶縁膜 6a1 第1ゲート絶縁膜側面部 6a2 第1ゲート絶縁膜底面部 6b 第2ゲート絶縁膜 7 ソース電極 8 ドレイン電極 9 P+ フローティング領域 11a,13 P型半導体領域 11b P+ 型半導体領域 12,14 N+ 型半導体領域 12a チャネル領域 16a 絶縁膜 17 コレクタ電極 18 アノード電極 46 ゲート絶縁膜 46a ゲート絶縁膜厚膜部分 46b ゲート絶縁膜薄膜部 46c ゲート絶縁膜底面部 101〜103,105 第1〜第3及び第5の実施例
によるU−MOSFET素子 104,106 第4及び第6の実施例によるEST素
1,10 P-type semiconductor substrate 2,20 N epitaxial layer 2a N diffusion region 3 P well region 4 N + diffusion region 5,15 Gate electrode 6a First gate insulating film 6a1 First gate insulating film side surface 6a2 1 bottom surface of gate insulating film 6b second gate insulating film 7 source electrode 8 drain electrode 9 P + floating region 11a, 13 P type semiconductor region 11b P + type semiconductor region 12, 14 N + type semiconductor region 12a Channel region 16a Insulating film Reference Signs List 17 collector electrode 18 anode electrode 46 gate insulating film 46a gate insulating film portion 46b gate insulating thin film portion 46c gate insulating film bottom portion 101-103,105 U-MOSFET device according to first to third and fifth embodiments 104, 106 EST device according to fourth and sixth embodiments

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 29/78 655A ──────────────────────────────────────────────────の Continued on front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 29/78 655A

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 表面の一部分が突出した第1導電型の半
導体層と、 該半導体層の突出部の表面上成された第2導電型の
ウェル領域と、 該第2導電型のウエル領域の側面、及び上記半導体層の
突出部の側面に近接するよう形成された制御電極と、 該制御電極と上記半導体層との間に形成された第1の絶
縁膜と、 上記制御電極と上記ウエル領域との間に形成された第2
の絶縁膜と、 該ウエル領域表面部の周辺部分に形成された第1導電型
の半導体領域と、 上記半導体層表面側に該第1導電型の半導体領域と電気
的につながるよう形成された第1の主電極と、 上記半導体層裏面側にこの半導体層と電気的につながる
よう形成された第2の主電極とを備え、 上記第1の絶縁膜の少なくとも一部をその基準膜厚に対
して薄膜化して、該第1の絶縁膜を、その膜厚が第2の
絶縁膜の膜厚より薄い薄膜部を有する構造とし、 上記制御電極に所定のオン電位の順バイアスを印加した
時、上記第2導電型のウエル領域の、該制御電極と近接
する部分にチャネルが形成され、上記制御電極に所定の
オフ電位の逆バイアスを印加した時、上記第1導電型の
半導体層における、上記第1の絶縁膜の薄膜部を介して
該制御電極に近接する領域が、第2導電型領域に反転す
るよう構成したことを特徴とする半導体装置。
1. A first conductivity type semiconductor layer portion of the surface protrudes, and a second conductivity type well region made form on the surface of the protruding portion of the semiconductor layer, the second conductivity type well Side surface of the region , and the semiconductor layer
A control electrode formed to be close to the side surface of the protruding portion; a first insulating film formed between the control electrode and the semiconductor layer; and a control electrode formed between the control electrode and the well region Second
An insulating film, a first conductive type semiconductor region formed on a peripheral portion of the well region surface portion, and a first conductive type semiconductor region formed on the semiconductor layer surface side so as to be electrically connected to the first conductive type semiconductor region. A first main electrode, and a second main electrode formed on the back side of the semiconductor layer so as to be electrically connected to the semiconductor layer. At least a part of the first insulating film is formed with respect to its reference film thickness. When the first insulating film has a thin film portion whose thickness is smaller than the thickness of the second insulating film, when a forward bias of a predetermined ON potential is applied to the control electrode, A channel is formed in a portion of the well region of the second conductivity type adjacent to the control electrode, and when a reverse bias of a predetermined off-potential is applied to the control electrode, the channel in the semiconductor layer of the first conductivity type is To the control electrode via the thin film portion of the first insulating film Region contacting the semiconductor device being characterized in that configured to inverted second conductivity type region.
【請求項2】 請求項1記載の半導体装置において、上記第1導電型の 半導体層の、上記第1の絶縁膜を介し
て上記制御電極の底面に近接する部分は、その他の部分
に比べて不純物濃度が低くなっており、 上記逆バイアスの印加時、上記半導体層の、上記制御電
極に隣接する部分には、第2導電型の反転領域が上記第
1の絶縁膜の表面を全て覆うよう形成されるようになっ
ていることを特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a portion of the first conductivity type semiconductor layer which is close to a bottom surface of the control electrode via the first insulating film is compared with other portions. The impurity concentration is low, and when the reverse bias is applied, a second conductivity type inversion region covers the entire surface of the first insulating film in a portion of the semiconductor layer adjacent to the control electrode. A semiconductor device characterized by being formed.
【請求項3】 請求項1記載の半導体装置において、 上記第1導電型の半導体層の、上記第1の絶縁膜を介し
て上記制御電極の底面及びその底面側端のコーナ部に近
接する部分には、第2導電型の半導体領域が形成されて
おり、 上記第1の絶縁膜の上記制御電極の側面と接する部分が
上記薄膜部となっており、 上記第1の絶縁膜の上記制御電極の底面と接する部分
は、上記薄膜部に比べて厚くなっており、 上記逆バイアスの印加時、上記半導体層の、第1の絶縁
膜に近接する第1導電型領域が第2導電型に反転して、
上記第2導電型のウエル領域と上記第2導電型の半導体
領域とが上記第2導電型反転領域により短絡されるよう
になっていることを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a portion of said first conductivity type semiconductor layer which is adjacent to a bottom portion of said control electrode and a corner portion at a bottom side end thereof via said first insulating film. A semiconductor region of the second conductivity type is formed, a portion of the first insulating film which is in contact with the side surface of the control electrode is the thin film portion, and the control electrode of the first insulating film is formed. The portion in contact with the bottom surface of the semiconductor layer is thicker than the thin film portion. When the reverse bias is applied, the first conductivity type region of the semiconductor layer adjacent to the first insulating film is inverted to the second conductivity type. do it,
A semiconductor device, wherein the second conductivity type well region and the second conductivity type semiconductor region are short-circuited by the second conductivity type inversion region.
【請求項4】 請求項3記載の半導体装置において、 上記第2導電型のウエル領域は、その上面側の両端部間
の距離がその底面側の両端部間の距離より小さくなるよ
その側面が傾斜した断面形状となっており、 上記制御電極は、その上面側の両端部間の距離がその底
面側の両端部間の距離より大きくなるようその側面が傾
斜して、上記ウエル領域の側面と一定間隔を隔てて対向
する断面形状となっており、 上記ウエル領域と上記制御電極との間には上記第2の絶
縁膜が介在していることを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein said second conductivity type well region is located between both ends on the upper surface side.
Is smaller than the distance between the two ends on the bottom side.
Cormorant has a sectional shape that the side surface is inclined, the control electrode, the distance between the ends of the upper surface side thereof a bottom
The side surface is inclined so as to be larger than the distance between both end portions on the surface side, and has a cross-sectional shape facing the side surface of the well region at a fixed interval, between the well region and the control electrode. Is a semiconductor device having the second insulating film interposed therebetween.
【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載の半
導体装置において、 上記第2の絶縁膜は、その基準膜厚に対してその膜厚を
増大し、かつその第2導電型のウェル領域と接する部分
にイオンを注入して固定電荷を形成した構造としたもの
であり、 上記第2の絶縁膜の基準膜厚に対する膜厚増大による制
御電極の容量の基準値に対する減少分は、上記第1の絶
縁膜の基準膜厚に対する薄膜化による制御電極の容量の
基準値に対する増大分と等しく、 かつ上記第2の絶縁膜の基準膜厚に対する膜厚増大によ
るしきい値電圧の基準値に対する増大分は、上記第2の
絶縁膜での固定電荷の形成によるしきい値電圧の基準値
に対する減少分と等しくなっていることを特徴とする半
導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said second insulating film has a thickness that is greater than a reference thickness thereof and has a second conductivity type well. A fixed charge is formed by injecting ions into a portion in contact with the region. A decrease in the capacitance of the control electrode with respect to a reference value due to an increase in the film thickness with respect to the reference film thickness of the second insulating film is as described above. It is equal to the increase of the control electrode capacitance with respect to the reference value due to the thinning of the first insulating film with respect to the reference thickness, and the threshold voltage with respect to the reference value of the second insulating film is increased with respect to the reference thickness. A semiconductor device characterized in that the increase is equal to the decrease of the threshold voltage with respect to a reference value due to the formation of fixed charges in the second insulating film.
【請求項6】 請求項4記載の半導体装置を製造する方
法において、 第1導電型の第1半導体層上に第2導電型の第2半導体
層を形成し、該第2半導体層内に第1導電型の第3半導
体層を選択的に形成する工程と、 上記第1ないし第3半導体層を選択的に除去して、上記
第2及び第3半導体層を貫通する断面逆台形形状の第1
の溝を形成するとともに、断面台形形状の第2導電型の
ウェル領域及び上記第1導電型の半導体領域を形成する
工程と、 上記第1の溝の底面部分を選択的に除去して、上記第1
半導体層の表面部分に断面長方形形状の第2の溝を形成
する工程と、 上記第1及び第2の溝の内壁面上に絶縁膜を所定の膜厚
でもって形成し、その後全面に酸素イオンビームを照射
する工程と、 熱処理により、上記第1の溝内壁面上及び第2の溝底面
上の絶縁膜を、第2の溝側壁面上の絶縁膜より厚くする
工程と、 その後制御電極を上記第1及び第2の溝内に埋め込み、
上記ウェル領域上に上記第1導電型の半導体領域と電気
的につながるよう第1の主電極を、上記第1半導体層の
裏面側にこれと電気的につながるよう第2の主電極を形
成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造
方法。
6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein a second semiconductor layer of a second conductivity type is formed on the first semiconductor layer of the first conductivity type, and a second semiconductor layer is formed in the second semiconductor layer. Selectively forming a third semiconductor layer of one conductivity type; and selectively removing the first to third semiconductor layers to form an inverted trapezoidal cross-section through the second and third semiconductor layers. 1
To form a groove in the steps of forming a second conductivity type well region and the semiconductor region of the first conductivity type of the cross-sectional surface trapezoidal, by selectively removing the bottom portion of the first groove, The first
Forming a second groove having a rectangular cross section in the surface portion of the semiconductor layer; forming an insulating film with a predetermined thickness on the inner wall surfaces of the first and second grooves; A step of irradiating a beam; a step of making the insulating film on the inner wall surface of the first groove and the bottom surface of the second groove thicker than the insulating film on the side wall surface of the second groove by heat treatment; Embedded in the first and second grooves,
A first main electrode is formed on the well region so as to be electrically connected to the semiconductor region of the first conductivity type, and a second main electrode is formed on the back side of the first semiconductor layer so as to be electrically connected thereto. And a method of manufacturing a semiconductor device.
【請求項7】 請求項6記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 上記制御電極の形成後、主電極を形成する前に、軽イオ
ンをその飛程距離が上記ウェル領域内に収まるよう10
10〜1013個/cm2 の照射量で第1半導体層の第1主面
側から照射する工程と、その後低温シンターを300〜
400°温度で1〜5時間行う工程とを追加して、上記
絶縁膜の、上記第2導電型のウェル領域と接する部分に
固定電荷を形成し、 上記絶縁膜の、第1の溝内壁面上及び第2の溝底面上の
部分の厚膜化によるしきい値電圧の基準値に対する増大
分と、上記絶縁膜の、上記第2導電型のウェル領域と接
する部分での固定電荷の形成によるしきい値電圧の基準
値に対する減少分とを等しくしたことを特徴とする半導
体装置。
7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein after forming the control electrode and before forming the main electrode, light ions are applied so that the range of the light ions falls within the well region.
A step of irradiating from the first main surface side of the first semiconductor layer with an irradiation amount of 10 to 10 13 / cm 2 , and then performing a low-temperature sintering for 300 to
Adding a step of performing at a temperature of 400 ° C. for 1 to 5 hours to form a fixed charge in a portion of the insulating film in contact with the well region of the second conductivity type; The increase in the threshold voltage with respect to the reference value due to the increase in thickness of the upper and second trench bottom portions and the formation of fixed charges in the portion of the insulating film in contact with the second conductivity type well region A semiconductor device characterized in that a decrease in threshold voltage with respect to a reference value is made equal.
【請求項8】 第1導電型の第1半導体層の第1主面上
に第2の導電型の第2半導体層及び第1導電型の第3半
導体層を順次形成し、該第3半導体層上に選択的に第2
導電型の第4半導体層を、該第4半導体層上に第1導電
型の第5半導体層を形成し、該第5半導体層の上部の周
辺部分に選択的に第2導電型の第6半導体層を形成して
なる半導体層構造を有するとともに、 上記第4及び第5の半導体層の側面に近接するよう形成
された制御電極と、 該制御電極と上記第4及び第5の半導体層の間に形成さ
れた絶縁膜と、 上記第5及び第6の半導体層上に跨がって形成された第
1の主電極と、 上記第1半導体層の第2主面上に形成された第2の主電
極とを備え、 上記絶縁膜は、上記第4半導体層と接する部分の膜厚
を、基準膜厚であるその他の部分の膜厚に比べて薄くし
た構造とし、 上記制御電極に所定のオン電位の順バイアスを印加した
時、上記第5半導体層の、上記絶縁膜近傍部分にチャネ
ルが形成され、上記制御電極に所定のオフ電位の逆バイ
アスを印加した時、上記第1導電型の第4半導体層の、
該絶縁膜近傍部分が第2導電型領域に反転するよう構成
したものであることを特徴とする半導体装置。
8. A second semiconductor layer of the second conductivity type and a third semiconductor layer of the first conductivity type are sequentially formed on the first main surface of the first semiconductor layer of the first conductivity type, and Selectively second on layer
A fourth conductive semiconductor layer is formed by forming a fifth semiconductor layer of the first conductive type on the fourth semiconductor layer, and selectively forming a sixth semiconductor layer of the second conductive type on a peripheral portion above the fifth semiconductor layer. A control electrode formed to have a semiconductor layer structure formed by forming a semiconductor layer, and formed so as to be close to side surfaces of the fourth and fifth semiconductor layers; and a control electrode formed by the control electrode and the fourth and fifth semiconductor layers. An insulating film formed therebetween, a first main electrode formed over the fifth and sixth semiconductor layers, and a first main electrode formed on a second main surface of the first semiconductor layer. The insulating film has a structure in which the film thickness of a portion in contact with the fourth semiconductor layer is smaller than the film thickness of the other portion which is a reference film thickness. When a forward bias of ON potential is applied, a channel is formed in a portion of the fifth semiconductor layer near the insulating film. , When applying a reverse bias of a predetermined OFF potential to the control electrode of the fourth semiconductor layer of the first conductivity type,
A semiconductor device, wherein a portion near the insulating film is configured to be inverted to a second conductivity type region.
【請求項9】 請求項8記載の半導体装置において、 上記絶縁膜は、その上記第3,第5及び第6半導体層と
接する部分の膜厚を、その基準膜厚であるその他の部分
の膜厚に対して増大し、かつその上記第5半導体層と接
する部分にイオンを注入して固定電荷を形成した構造と
し、 上記絶縁膜の第4半導体層と接する部分の、基準膜厚に
対する薄膜化による制御電極の容量の基準値に対する増
大分は、その第3,第5及び第6半導体層と接する部分
の、基準膜厚に対する膜厚増大による制御電極の容量の
基準値に対する減少分と等しく、 かつ上記絶縁膜の基準膜厚に対する膜厚増大によるしき
い値電圧の基準値に対する増大分は、該絶縁膜での固定
電荷の形成によるしきい値の基準値に対する減少分と等
しくなっていることを特徴とする半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein said insulating film has a film thickness of a portion in contact with said third, fifth and sixth semiconductor layers, and a film of another portion which is a reference film thickness. A structure in which fixed charges are formed by injecting ions into a portion in contact with the fifth semiconductor layer, the thickness of the insulating film being in contact with the fourth semiconductor layer being reduced with respect to a reference film thickness; The increase in the capacitance of the control electrode with respect to the reference value is equal to the decrease in the capacitance of the control electrode with respect to the reference value due to the increase in the film thickness with respect to the reference film thickness in the portion in contact with the third, fifth, and sixth semiconductor layers. The increase in the threshold voltage with respect to the reference value due to the increase in the thickness of the insulating film with respect to the reference thickness is equal to the decrease in the threshold value with respect to the reference value due to the formation of fixed charges in the insulating film. Characterized by semiconductive Body device.
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