JP3523056B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3523056B2
JP3523056B2 JP07457898A JP7457898A JP3523056B2 JP 3523056 B2 JP3523056 B2 JP 3523056B2 JP 07457898 A JP07457898 A JP 07457898A JP 7457898 A JP7457898 A JP 7457898A JP 3523056 B2 JP3523056 B2 JP 3523056B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造方法に係わり、特にトレンチゲート構造を有す
る縦型で高耐圧の半導体素子を用いた高耐圧の半導体装
置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高耐圧半導体素子の1つとしてIGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor)が知られ
ている。図33に、従来のIGBTとして、トレンチゲ
ート構造を有する縦型IGBTの断面図を示す。
【0003】図中、81は高不純物濃度のp型シリコン
基板(p型ドレイン層)を示しており、このp型シリコ
ン基板81上にはn型バッファ層82、高抵抗のn型ベ
ース層(ドリフト層)83、p型ベース層84が順次設
けられている。
【0004】このp型ベース層84の表面にはn型ソー
ス拡散層85が選択的に形成されている。このn型ソー
ス拡散層85が形成された領域にはn型ベース層83の
途中の深さまで達したトレンチが形成され、このトレン
チ内にはゲート酸化膜86を介してゲート電極87が埋
込み形成されている。
【0005】また、p型ベース層84の表面には高不純
物濃度のp型コンタクト層88が形成されている。この
p型コンタクト層88およびn型ソース層85にはソー
ス電極89が配設されている。一方、p型シリコン基板
81の裏面にはドレイン電極90が配設されている。
【0006】なお、図中、91はn型ソース層85およ
びp型コンタクト層88に対するコンタクトホールが形
成された層間絶縁膜を示している。
【0007】この種のトレンチゲート構造のIGBTに
よれば、プレーナ構造のIGBTに比べて素子特性が格
段に改善され、十分に低いオン電圧を得ることが可能で
あるが、現状ではオン電圧は十分に低減化されていない
という問題があった。
【0008】また、素子内に大電流(過電流)が流れる
と、n型ソース層85下のp型コンタクト層88で大き
な電圧降下が生じて寄生サイリスタがラッチアップする
ために、ターンオフができなくなるという問題があっ
た。また、素子内に大電流が流れると、負荷短絡時に素
子破壊が起こるという問題もあった。
【0009】また、n型ソース層85およびp型コンタ
クト層88はフォトレジストパターンをマスクに用いた
イオン注入により形成するが、n型ソース層85とp型
コンタクト層88とではそれぞれ別のフォトレジストパ
ターンを用いるため、n型ソース層85およびp型コン
タクト層88に対するコンタクトホールのサイズを小さ
くしようとしても、露光装置の合わせ精度によりそのサ
イズは2μm程度が限界であった。したがって、コンタ
クトホールの微細化ができないために、素子の微細化が
困難であるという問題があった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のト
レンチゲート構造を有する縦型IGBTは、プレーナ構
造のIGBTに比べて素子特性が格段に改善され、十分
に低いオン電圧を得ることが可能であるが、現状ではオ
ン電圧は十分に低減化されていないという問題があっ
た。
【0011】また、素子内に大電流が流れると、寄生サ
イリスタがラッチアップしてターンオフができなくなっ
たり、負荷短絡時に素子破壊が起こるという問題があっ
た。
【0012】また、n型ソース層およびp型コンタクト
層はそれぞれ別のフォトレジストパターンをマスクに用
いたイオン注入により形成するため、フォトレジストパ
ターン同士の合わせ精度の限界により、n型ソース層お
よびp型コンタクト層に対するコンタクトホールの微細
化ができず、素子の微細化が困難であるという問題があ
った。
【0013】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、素子特性の改善を図っ
たトレンチゲート構造を有する半導体装置およびその製
造方法を提供することにある。
【0014】
【0015】
【0016】
【課題を解決するための手段】
[構成] 上記目的を達成するために、本発明(請求項1)に係る
半導体装置は、パンチスルー型の高耐圧半導体素子を含
む半導体装置であって、前記高耐圧半導体素子は、高抵
抗で第1導電型の第1ベース層と、この第1ベース層の
裏面に設けられた第2導電型のドレイン層と、このドレ
イン層と前記第1ベース層との間に設けられ、かつ前記
ドレイン層よりも厚い第1導電型のバッファ層と、前記
第1ベース層の表面に形成された第2導電型の第2ベー
ス層と、この第2ベース層の表面に形成された第1導電
型のソース層と、このソース層および前記第2ベース層
を貫いて前記第1ベース層の途中の深さまで達するトレ
ンチ内にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極
と、前記ドレイン層に設けられたドレイン電極と、前記
ソース層および前記第2ベース層に設けられたソース電
極とを具備してなることを特徴とする。
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【0050】
【0051】
【0052】
【0053】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。以
下の実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp
型として説明している。
【0054】(第1の実施形態)図1は、本発明の第1
の実施形態に係るトレンチゲート構造を有する高耐圧の
半導体装置としての縦型パンチスルー型IGBT(Insu
lated Gate BipolarTransistor:以下、単にIGB
Tという)を示す断面図である。このIGBTは微細設
計ルールを適用したものである。
【0055】これを製造工程に従って説明すると、60
0V耐圧の場合であれば、まず1×1018〜2×1019
cm-3程度の高不純物濃度のp型シリコン基板(p型ド
レイン層)1上に、厚さ2〜6μm程度のn型バッファ
層2をエピタキシャル成長させる。
【0056】次にn型バッファ層2上に厚さ40〜70
μm程度の高抵抗のn型ベース層(活性層、ドリフト
層)3をエピタキシャル成長させる。
【0057】次にn型ベース層3の表面にp型ベース層
4を形成した後、このp型ベース層4の表面に複数のn
型ソース層5を選択的に形成する。
【0058】次にn型ソース層5およびp型ベース層4
を貫通し、n型ベース層3の途中の深さまで達する深さ
2μm程度のトレンチ6を例えばフォトリソグラフィと
RIEを用いて形成した後、このトレンチ6内にゲート
酸化膜7を介してポリシリコンからなるゲート電極8を
埋込み形成する。
【0059】ここで、ゲート酸化膜7の膜厚は、ゲート
駆動電圧が15V系の場合には例えば100nmであ
り、またゲート駆動電圧が5V系の場合には例えば15
nmである。この後、p型ベース層4の表面に高不純物
濃度のp型コンタクト層9を形成する。なお、n型ソー
ス層5、p型コンタクト層、トレンチ6の形成順序は適
宜前後してもさしつかえない。
【0060】次に全面に層間絶縁膜10を形成し、この
層間絶縁膜10にn型ソース層5およびp型コンタクト
層9に対してのコンタクトホール11を開口した後、こ
のコンタクトホール11を介してn型ソース層5および
p型コンタクト層9にコンタクトする例えばAlからな
るソース電極12を形成する。最後に、p型シリコン基
板1の裏面にドレイン電極13を形成する。
【0061】このようなIGBTを0.6μmの微細素
子の設計ルールで製造することを考えると、露光時の合
わせずれを0.1μmとしても、隣り合う2つのトレン
チ6の間隔(トレンチ間隔)Wsを1.2μmまで縮小
することができる。0.4μmの設計ルールを適用すれ
ばさらに縮小が可能となる。
【0062】このような微細設計にするには、例えばp
型ベース層4の深さを1.5μm、p型コンタクト層9
の深さを0.3〜0.5μm程度、n型ソース層5の深
さを0.1〜0.3μm程度とすれば良い。
【0063】図2に、本素子についてのオン電圧のトレ
ンチ間隔Wsおよび耐圧の依存性を示す。図には、電流
密度が200A/cm2 になるときのオン電圧(ドレイ
ン電圧)が示されている。
【0064】図から、耐圧が600Vの素子の場合、ト
レンチ間隔Wsが1.5μmを越えるとオン電圧が急に
増加し始めることが分かる。すなわち、トレンチ間隔W
sを1.5μm以下にして素子を微細化すれば、オン電
圧の増加を効果的に抑制でき、オン電圧の低い素子を実
現できることが分かる。
【0065】同様に、耐圧が3.3kV、4.5kVの
素子の場合も、トレンチ間隔Wsを1.5μm以下にす
れば、オン電圧の増加を効果的に抑制でき、オン電圧の
低い素子を実現できることが分かる。すなわち、素子の
耐圧に関係なく、微細設計ルールを適用してトレンチ間
隔Wsを1.5μm以下にすることで、オン電圧の低い
IGBTを実現できるようになる。
【0066】図3に、本素子についてのオン電圧のトレ
ンチ間隔Wsおよびトレンチ6の深さ(トレンチ深さ)
ltの依存性を示す。
【0067】図から、トレンチ深さltが2μmおよび
6μmのいずれの場合も、トレンチ間隔Wsを1.5μ
m以下にして素子を微細化すれば、オン電圧の増加を効
果的に抑制でき、オン電圧の低い素子を実現できること
が分かる。
【0068】また、図から、トレンチ深さltが6μm
の素子の方が若干特性が良いが、トレンチ深さltが2
μmの素子でも遜色のない特性を実現できていることが
分かる。すなわち、微細設計のIGBTの場合には、深
いトレンチ6は必ずしも必要なく、トレンチ深さltは
2μmもあれば十分であることが分かる。
【0069】また、本実施形態のようにトレンチ6の間
隔を1.5μm以下にすると、オン抵抗を効果的に低く
することができる。すなわち、トレンチ6の間隔を微細
にすることにより、素子面積を同じとした場合にトレン
チ6の本数が増え、その結果としてチャネル幅が大きく
なってオン抵抗が減少する。
【0070】また、チャネルからn型ベース層3に流れ
込む電子電流の横方向に流れる成分が、トレンチ6の間
隔が微細であるために殆ど無視できるようになり、その
結果としてオン抵抗が減少する。
【0071】さらに、実施形態のようにトレンチ6の間
隔を1.5μm以下にすると、ラッチアップの発生を効
果的に防止できる。すなわち、ターンオフ時にn型ベー
ス層3からp型ベース層4に流れ込む正孔電流のうちの
n型ベース層5下を流れてp型コンタクト層9、ソース
電極11へと抜ける電流成分の、n型ソース層5下を流
れる横方向抵抗による電圧降下が、トレンチ6の間隔が
微細であるために少なくなり、その結果、p型ベース層
4とn型ソース層5が順バイアスされることに起因した
寄生サイリスタによるラッチアップを防止できるように
なる。
【0072】また、本実施形態において、n型ベース層
3の不純物濃度をN[/cm3 ]、p型ベース層4とn
型ベース層3との接合部からトレンチ6の先端部(トレ
ンチ底部)までの距離をa[cm]としたときに、a2
≦(1.315×107 )/N[/cm3 ]の関係を満
たすようにすることが好ましい。
【0073】その理由は次の通りである。ターンオフ時
にはソース電極12、ゲート電極8ともに0Vになるの
で、p型ベース層4とn型ベース層3との間のpn接合
部分から電位差が生じる。
【0074】このとき、トレンチ6壁面に沿っても電位
差が生じるが、トレンチ6内のゲート電極8は0Vなの
で、ゲート電極8とトレンチ先端にあたる部分のn型ベ
ース層3との間のゲート酸化膜7にも電位差が生じる。
【0075】例えば、ゲートの駆動電圧5V系の素子で
は、素子の信頼性を考えると、つまり電位差が大きくな
るとゲート酸化膜7が破壊する恐れがあるので、この電
位差を1V以下に抑えることが好ましい。
【0076】ここで、p型ベース層4、n型ベース層3
に生じる電位差Vは、素電荷q[C]、n型ベース層3
の不純物濃度をN[/cm3 ]、シリコンの誘電率εSi
[F/cm]、p型ベース層4とn型ベース層3との接
合部からトレンチ6の先端部(トレンチ底部)までの距
離をa[cm]とすると、 V=(qN/2εSi)×a2 と表わされる。そして、この電位差を1V以内に抑える
ためには、 1≧(qN/2εSi)×a2 の関係式を満たせば良い。
【0077】ここで、q=1.60218×10
-19 [C]、εSi=ε0 ×11.9=8.85418×
10-14 ×11.9[F/cm]を代入すると、1≧
{(1.60218×10-19 ×N)/(2×8.85
418×10-14×11.9)}×a2 となり、これを
変形して、a2 ≦(1.315×107 )/N[/cm
3 ]が得られる。
【0078】したがって、上式を満たすように、トレン
チ6の深さa、n型ベース層3の不純物濃度Nを選ぶこ
とにより、ゲート酸化膜7の絶縁破壊による信頼性の低
下を防止できるようになる。
【0079】(第2の実施形態)図4は、本発明の第2
の実施形態に係るIGBTを示す断面図である。なお、
図1と対応する部分には図1と同一符号を付してあり、
詳細な説明は省略する(他の実施形態も同様)。
【0080】本実施形態が第1の実施形態と異なる点
は、n型バッファ層2の裏面からp型不純物のイオン注
入を行って浅いp型ドレイン層1を形成したことにあ
る。p型ドレイン層1の厚さ(拡散深さ)は0.1〜3
μm程度、表面の不純物濃度は1×1018〜5×1019
cm-3程度である。
【0081】基板全体(p型ドレイン層1+n型バッフ
ァ層2+n型ベース層3(基板本体))の厚さは数10
μm程度になる。図5に、基板の不純物プロファイルの
一例を示す。図には、n型ベース層3の不純物濃度は一
定で50μmの深さまであり、その下にn型バッファ層
2、さらにその下に表面濃度が1×1019cm-3、拡散
深さ0.3μmのp型ドレイン層1がある。
【0082】このようにp型ドレイン層1の厚さを薄く
したところ、p型ドレイン層1からの正孔の注入効率が
下がるため、n型ベース層3におけるキャリアの蓄積量
が減少し、その結果としてターンオフの際のキャリアの
排出が効率的に行われ、ターンオフ時のフォールタイム
を短くできた。また、この構造では基板のライフタイム
コントロールを行わなくても、20n秒という高速なタ
ーンオフ動作が可能となることが分かった。
【0083】図6〜図8に、本実施形態のIGBTの形
成方法を示す。
【0084】図6に示す形成方法では、高抵抗のn型ベ
ース層3としてのn型シリコン基板をラッピング等によ
り薄層化し(図6(a)、図6(b))、次にn型ベー
ス層3裏面からのn型不純物のイオン注入、その後のア
ニールによってn型バッファ層2を形成し(図6
(c))、次にn型ベース層3にトレンチゲート構造
(トレンチ内にゲート絶縁膜を介してゲート電極が埋め
込まれてなる構造)を形成し(図6(d))、最後にn
型バッファ層2の裏面からのp型不純物のイオン注入、
その後のアニールによって高不純物濃度のp型ドレイン
層を形成する(図6(e))。
【0085】図7に示す形成方法が図6のそれと異なる
点は、n型ベース層3としてのn型シリコン基板の薄層
化の前にトレンチゲート構造を形成することにある。
【0086】すなわち、n型ベース層3としてのn型シ
リコン基板にトレンチゲート構造を形成してから(図7
(a)、図7(b))、n型ベース層(n型シリコン基
板)3の裏面から薄層化(図7(c))、n型バッファ
層2の形成(図7(d))、p型ドレイン層1の形成
(図7(e))を行う。
【0087】図8に示す形成方法の特徴は、n型バッフ
ァ層2を出発にしてp型シリコン基板(p型エミッタ
層)1を形成することにある。
【0088】すなわち、最初にn型バッファ層2として
のn型シリコン基板上に高抵抗のn型ベース層3として
のn型エピタキシャルシリコン層を形成し(図8
(a)、図8(b))、次にn型ベース層3にトレンチ
ゲート構造(図8(c))を形成し、次にn型バッファ
層2としてのn型シリコン基板を例えば裏面からラッピ
ングして薄層化し(図8(d))、最後にn型バッファ
層2の裏面からのp型不純物のイオン注入、その後のア
ニールによってp型ドレイン層1を形成する(図8
(e))。
【0089】図7、図8に示す形成方法では、トレント
ゲート構造の形成工程中における基板(図7ではn型ベ
ース層3、図8ではn型バッファ層2)は通常の基板と
同じで厚いため、通常の製造ラインを利用できるという
利点がある。
【0090】一方、図6に示す形成方法では、薄層基板
の製造ラインで形成可能で、またトレンチゲート構造形
成後にn型バッファ層2を形成するための拡散工程が入
らないので、トレンチゲート構造を構成するn型ソース
層5、p型コンタクト層9等に影響を与えずに済むとい
う利点がある。
【0091】(第3の実施形態)図9は、本発明の第3
の実施形態に係るIGBTを示す断面図である。
【0092】本実施形態が第1の実施形態と異なる点
は、p型シリコン基板1にプロトンを照射して結晶欠陥
領域14、すなわちキャリアのライフタイムが短い領域
を形成し、ライフタイムコントロールを行うことにあ
る。これにより、正孔の注入効率が下がってその結果タ
ーンオフ時のフォールタイムが短くなり、第2の実施形
態と同様にターンオフ特性に優れたIGBTを実現でき
るようになる。
【0093】(第4の実施形態)図10は、本発明の第
4の実施形態に係るIGBTを示す断面図である。
【0094】本実施形態が第1の実施形態と異なる点
は、p型シリコン基板1とn型バッファ層2との間にp
型またはp- 型シリコン層15を設け、このp型または
- 型シリコン層15にプロトンを照射して結晶欠陥領
域14を形成したことにある。本実施形態でも第2の実
施形態と同様にターンオフ特性に優れたIGBTを実現
できるようになる。
【0095】(第5の実施形態)図11に、第1の実施
形態のIGBTとその制御回路を同一基板に形成した高
耐圧の半導体装置の断面図を示す。制御回路はn型ベー
ス層3上に絶縁膜16を介して形成されている。制御回
路を構成する半導体素子はポリシリコン膜に形成してあ
る。
【0096】図には、半導体素子として、npnバイポ
ーラトランジスタTr1、nチャネルMOSトランジス
タTr2、pチャネルMOSトランジスタTr3が示さ
れている。また、図中、17は層間絶縁膜を示してい
る。
【0097】IGBTはオン電圧が低いので、単結晶シ
リコンよりも耐圧の点では劣っているが安価なポリシリ
コンで制御回路を形成することができ、これにより高耐
圧の半導体装置を安価に製造することが可能となる。
【0098】図12に、本実施形態の変形例を示す。こ
の変形例では、IGBTのゲート電極8を図示しないゲ
ートパッドまで引き出すポリシリコンゲート電極18上
に、厚い層間絶縁膜17を介して制御回路を構成するト
ランジスタTr2,Tr3等の半導体素子を形成してい
る。この場合も、図11の高耐圧の半導体装置と同様に
安価に製造することが可能となる。
【0099】ゲート電極8には±5〜12V程度の低い
電圧しか印加されず、しかも制御回路を構成する半導体
素子とポリシリコンゲート電極18とは厚い層間絶縁膜
17で隔たれているので、制御回路はIGBT(出力
段)の影響を受けずに独立に動作することが可能であ
る。
【0100】図13および図14に、他の変形例の平面
図および同平面図のA―A' 断面図をそれぞれ示す。こ
の変形例が先の図12の変形例と異なる点は、耐圧を持
たせるための高不純物濃度のp型ストッパ層19をポリ
シリコンゲート電極18の下まで形成したことにある。
このようにp型ストッパ層19を延ばしても制御回路へ
の影響は無い。この場合も、図11の高耐圧の半導体装
置と同様に安価に製造することが可能となる。
【0101】図15に、さらに別の変形例の断面図を示
す。この変形例が先の図13および図14の変形例と異
なる点は、制御回路を構成するトランジスタTr2,T
r3等の半導体素子をポリシリコンゲート電極18より
も外側のp型ストッパ層19上に形成したことにある。
p型ストッパ層19はアース電位であるため、この場合
も制御回路への影響は無い。この場合も、図11の高耐
圧の半導体装置と同様に安価に製造することが可能とな
る。
【0102】他の変形例としては、IGBT(出力段)
上部の空きスペースに、制御回路を構成するトランジス
タTr2,Tr3等の半導体素子を形成することが考え
られる。また、他の実施形態のIGBTを用いても良
い。
【0103】(第6の実施形態)図16は本発明の第6
の実施形態に係るIGBTの平面図、図17は図16の
IGBTのA−A’断面図である。
【0104】本実施形態が第1の実施形態と異なる点
は、n型ソース層5がトレンチ6の貫通する第1n型ソ
ース層5aと、第1n型ソース層5aよりも浅くかつよ
り高不純物濃度のp型コンタクト層9と接する第2n型
ソース層5bとから構成されていることにある。
【0105】本実施形態によれば、第2n型ソース層5
bを第1n型ソース層5aよりも薄くしているので、こ
れらをイオン注入法により形成すれば、第2n型ソース
層5b下のp型ベース層4の抵抗を第1n型ソース層5
a下のp型ベース層4の抵抗よりも低くでき、これによ
りp型ベース層4の横方向に流れる正孔電流Ihによる
電圧降下を小さくできる。
【0106】したがって、本実施形態によれば、大電流
が流れることによる寄生サイリスタのラッチアップの発
生を防止できるようになる。第2n型ソース層5b下の
p型ベース層4の抵抗を第1n型ソース層5a下のp型
ベース層4の抵抗よりも低くできるのは、第2n型ソー
ス層5bのほうが第1n型ソース層5aよりも浅く、し
かも不純物濃度が高いため、第2n型ソース層5b下の
p型ベース層4のほうが第1n型ソース層5a下のp型
ベース層4よりも補償されずに残るp型不純物の量が多
くなり、シート抵抗が下がるからである。
【0107】また、図16に示した第1n型ソース層5
aの電流経路Cabc に沿ったところの電子電流による電
圧降下は、位置Pa 、位置Pb 、位置Pc の順で大きく
なる。
【0108】ここで、第1n型ソース層5aは第2n型
ソース層5bよりも低不純物濃度なので、素子内にある
程度のレベルの電流が流れ始めると、第2n型ソース層
5bの抵抗による電位差が生じて位置Pcでの電圧が上
がり、位置Pc とゲート電極8との間の電位差が小さく
なることによって、つまりゲート電圧が低下することに
よって、チャネルの形成が抑制されたり、あるいはチャ
ネルが消滅するので、素子内に大電流が流れることを防
止できる。
【0109】したがって、本実施形態によれば、素子内
に大電流が流れることによる負荷短絡時における素子破
壊を防止できるようになる。なお、寸法に関しては、図
中、W1の寸法は2μm以下、W2は抵抗を高くするた
めに1μm以下好ましくは0.5μm以下に設定する。
【0110】図18および図19は、本実施形態のIG
BTの製造方法を示す工程断面図である。
【0111】まず、図18(a)に示すように、高抵抗
のn型ベース層3の表面にp型ベース層4を形成し、次
にp型ベース層4の表面に第1n型ソース層5aを選択
的に形成する。
【0112】次に図18(b)に示すように、SiO2
からなるマスクパターン20を形成した後、このマスク
パターン20をマスクにして第1ソース層5a、p型ベ
ース層4、n型ベース層3をRIE法にてエッチング
し、トレンチ6を形成する。次にCDE法にてトレンチ
6の表面を平坦化した後、マスクパターン20を除去す
る。
【0113】次に図18(c)に示すように、ゲート酸
化膜7を全面に形成した後、トレンチ6の内部を埋め込
むようにゲート電極となるポリシリコン膜8を全面に堆
積する。
【0114】次に図19(d)に示すように、ポリシリ
コン膜8をエッチバックにて平坦化し、砒素等のn型不
純物のイオン注入により高不純物濃度の第2n型ソース
層5bを形成した後、ボロン等のp型不純物のイオン注
入によりp型コンタクト層9を形成する。この後、CV
D法にて層間絶縁膜10としての酸化膜を全面に堆積す
る。
【0115】なお、各イオン注入でマスクを用いるが図
示していない。また、各イオン注入後に不純物のアニー
ルを行っても良いが、まとめて同時に行っても良い。
【0116】次に図19(e)に示すように、層間絶縁
膜10にn型ソース層5およびp型コンタクト層9に対
してのコンタクトホール11を開口した後、このコンタ
クトホール11を介してn型ソース層5およびp型コン
タクト層9にコンタクトする例えばAlからなるソース
電極12を形成する。
【0117】次に図7(d)、図7(e)に示した方法
に従って、p型ドレイン層1、n型バッファ層2を形成
する。最後に、p型ドレイン層1の裏面にドレイン電極
13を形成してIGBTが完成する。
【0118】図20および図21に、本実施形態の変形
例の平面図および同平面図のB−B' 断面図をそれぞれ
示す。この変形例は、図16、図17のIGBTにおい
て、チャネル長方向に関して隣り合っている第2n型ソ
ース層5bを繋げて一体化したものである。
【0119】図22および図23に、他の変形例の平面
図および同平面図のB−B' 断面図をそれぞれ示す。本
変形例のように、第1n型ソース層5aを用いず、第2
n型ソース層5bのみを用いても、W2の寸法を小さく
して経路Cabc における抵抗を高くすることによって、
素子内に大電流が流れることを防止できる。
【0120】図24に、さらに別の変形例の平面図を示
す。本変形例のように、第2n型ソース層5bをトレン
チ6の近傍まで延ばしても、W2の寸法を小さくして経
路Cabc における抵抗を高くすれば、第1n型ソース層
5aでの電圧降下により、素子内に大電流が流れること
を防止できる。
【0121】図34に、さらにまた別の変形例の平面図
を示す。このようソースパターンであれば、図22の変
形例よりもW1の寸法を小さくできる。
【0122】(第7の実施形態)図25〜図27は、本
発明の第6の実施形態に係るIGBTの製造方法を示す
工程断面図である。なお、本実施形態はn型ソース層お
よびp型コンタクト層に対するコンタクトホールの微細
化に特徴があるので、n型ベース層より下の構造は図に
は示していない。
【0123】まず、p型ドレイン層、n型バッファ層、
n型ベース層3、p型ベース層4が順次積層してなる構
造を形成する。このような構造は、図6〜図8に示した
形成方法のいずれの方法を用いて形成しても良い。
【0124】次に図25(a)に示すように、p型ベー
ス層4の表面を酸化して酸化膜(SiO2 膜)21を形
成した後、この酸化膜21上に窒化膜22を形成する。
【0125】次に図25(b)に示すように、酸化膜2
1、窒化膜22をパターニングして第1n型ソース層5
aの形成領域および引き出しゲート電極の形成領域上に
開口部を形成する。図28(a)に、この段階の平面パ
ターンを示す。図中、斜線の領域は酸化膜21、窒化膜
22の開口部を示している。
【0126】次に同図(b)に示すように、引き出しゲ
ート電極の形成領域上の開口部をレジスト23によりマ
スクする。図28(b)に、この段階の平面パターンを
示す。図中、点領域はレジスト23の開口部を示してい
る。
【0127】次に同図(b)に示すように、レジスト2
3、酸化膜21および窒化膜22をマスクにして、p型
ベース層4の表面にn型不純物を導入して第1n型ソー
ス層5aを形成する。n型不純物はイオン注入または拡
散により導入する。この後、レジスト23を剥離する。
【0128】次に図25(c)に示すように、引き出し
ゲート電極の形成領域上の開口部をSiO2 マスク24
によりマスクする。このSiO2 マスク24は全面にS
iO2 膜をCVD法により堆積し、このSiO2 膜をフ
ォトリソグラフィによりパターニングして形成する。
【0129】次に図25(d)に示すように、窒化膜2
2およびSiO2 マスク24をマスクにして第1n型ソ
ース層5a、p型ベース層4、n型ベース層3をRIE
法にて異方性エッチングして、トレンチ6を形成する。
この後、SiO2 マスク24を除去する。
【0130】次に図26(e)に示すように、酸化膜2
1の開口部の口径を例えばウエットエッチングにより広
げて、トレンチ6近傍周囲の第1n型ソース層5aの表
面を露出させる。
【0131】次に図26(f)に示すように、トレンチ
6の表面および露出した第1n型ソース層5aの表面を
酸化してゲート酸化膜7を形成する。このとき、引き出
しゲート電極の形成領域上のp型ベース層4の表面にも
ゲート酸化膜7が形成される。
【0132】次に図27(g)に示すように、トレンチ
6および酸化膜22の開口部を埋め込むように、ゲート
電極および引き出しゲート電極としてのポリシリコン膜
8を全面に堆積する。
【0133】次に図27(h)に示すように、酸化膜2
1をストッパにしてポリシリコン膜8および窒化膜22
をCMP等により研磨し、表面を平坦化することによっ
て、トレンチ6およびその上の酸化膜21の開口部に埋
め込まれたゲート電極(ポリシリコン膜)8を形成す
る。
【0134】このとき、図中右側の開口部内には引き出
しゲート電極8’が同時に埋め込み形成される。引き出
しゲート電極8’はゲート電極8と繋がっている。この
後、酸化膜21を選択的にエッチング除去する。
【0135】次に図27(i)に示すように、ゲート電
極8および引き出しゲート電極8’の表面、ならびに酸
化膜21を除去して露出した第1n型ソース層5aおよ
びp型ベース層4の表面を酸化して酸化膜25(アンド
ープのスペーサ絶縁膜)を形成する。
【0136】ここで、酸化膜25の膜厚は、ゲート電極
8の側壁に形成された酸化膜25によって、第1n型ソ
ース層5aの表面がちょうど覆われる程度が好ましい。
酸化膜25の膜厚が薄すぎると、第2n型ソース層5b
の形成工程で第1n型ソース層5aの領域が減少すぎて
しまう。逆に酸化膜25の膜厚が厚すぎると、第1n型
ソース層5aと接しない第2n型ソース層5bが形成さ
れてしまう。
【0137】この後、同図(i)に示すように、ゲート
側壁絶縁膜となるn型不純物を含んだPSG膜26を全
面に堆積する。
【0138】次に図27(j)に示すように、PSG膜
26をRIE等により異方性エッチングし、ゲート電極
8の側壁にPSG膜26を選択的に残置させるという、
いわゆる側壁残しにより、ゲート側壁絶縁膜(PSG
膜)26を形成する。
【0139】次に同図(j)に示すように、PSG膜2
6中の燐(P)をp型ベース層4の表面に拡散させ、第
1n型ソース層5aよりも浅くかつより高不純物濃度の
第2n型ソース層5bを自己整合的に形成する。
【0140】次に図27(k)に示すように、ゲート電
極8およびゲート側壁絶縁膜26をマスクにして、p型
不純物イオンをp型ベース層4の表面に注入した後、ア
ニールを行ってp型コンタクト層9を自己整合的に形成
する。
【0141】次に図27(l)に示すように、全面に層
間絶縁膜10を形成し、この層間絶縁膜10にコンタク
トホール11を開口し、このコンタクトホール11を介
して第2ソース層5bおよびp型コンタクト層9にコン
タクトするソース電極12を形成する。この後、p型ド
レイン層(不図示)にドレイン電極(不図示)を形成し
てIGBTが完成する。
【0142】本実施形態によれば、第2n型ソース層5
bおよびp型コンタクト層9を自己整合的に形成できる
ので、第2n型ソース層5bおよびp型コンタクト層9
を微細化でき、これにより第2n型ソース層5bおよび
p型コンタクト層9に対するコンタクトホール11を微
細化でき、素子の微細化を図れるようになる。
【0143】また、本実施形態によれば、表面が平坦な
ゲート電極8およびゲート引出し電極8’を形成できる
ので、これらの電極8,8’後に形成するソース電極1
2等の形成工程(後工程)が容易になる。
【0144】なお、本実施形態の特徴は第2n型ソース
層5bおよびp型コンタクト層9の形成方法ならびにゲ
ート電極8およびゲート引出し電極8’の平坦化にある
ので、それら以外のものは他の実施形態の方法により形
成しても良い。
【0145】(第8の実施形態)図29、図30は、本
発明の第8の実施形態に係るIGBTの製造方法を示す
工程断面図である。なお、本実施形態はn型ソース層お
よびp型コンタクト層に対するコンタクトホールの微細
化に特徴があるので、n型ベース層より下の構造は図に
は示していない。
【0146】まず、p型ドレイン層、n型バッファ層、
n型ベース層3、p型ベース層4が順次積層してなる構
造を形成する(図29(a))。このような構造は、図
6〜図8に示した形成方法のいずれの方法を用いて形成
しても良い。
【0147】次に図29(b)に示すように、p型ベー
ス層4上に開口部を有する酸化膜27を形成し、この酸
化膜27をマスクにしてリンの固相拡散を行ってn型ソ
ース層5を形成する。
【0148】次に図29(c)に示すように、酸化膜2
7をマスクに用いてn型ソース層5、p型ベース層4、
n型ベース層3をRIE法にて異方性エッチングして、
トレンチ6を形成する。この後、酸化膜27を除去す
る。
【0149】次に図30(d)に示すように、トレンチ
6の表面および酸化膜27を除去して露出したn型ソー
ス層5およびp型ベース層4の表面を酸化してゲート酸
化膜7を形成する。次に同図(d)に示すように、トレ
ンチ6を埋め込むように、ゲート電極としてのポリシリ
コン膜8を全面に堆積する。
【0150】次に図30(e)に示すように、ポリシリ
コン膜8をCMP等により研磨することによって、トレ
ンチ6内に埋め込まれたゲート電極(ポリシリコン膜)
8を形成する。次に同図(e)に示すように、全面にボ
ロンイオン等のp型不純物イオン28を注入し、アニー
ルを行ってp型ベース層4の表面に高不純物濃度のp型
コンタクト層9を形成する。
【0151】次に図30(f)に示すように、層間絶縁
膜10を形成し、この層間絶縁膜10およびその下のゲ
ート酸化膜7にコンタクトホールを開口し、ソース12
電極12を形成する。この後、p型ドレイン層(不図
示)にドレイン電極(不図示)を形成してIGBTが完
成する。
【0152】本実施形態によれば、n型ソース層5をマ
スクしない状態で、全面にp型不純物イオン28を注入
してp型コンタクト層9を形成している。
【0153】このとき、n型ソース層5にp型不純物イ
オン28が注入されるが、n型ソース層5は固相拡散に
より形成するので、n型ソース層5の不純物濃度をp型
不純物イオン28の注入によっても影響を受けない程度
の高レベルにできる。例えば、p型不純物イオン28の
不純物濃度が1×1020cm-3程度であれば、n型ソー
ス層5の不純物濃度は1×1021cm-3程度にできる。
【0154】すなわち、本実施形態によれば、p型コン
タクト層9はマスクを用いずに形成でき、n型ソース層
5を形成するためのマスクとp型コンタクト層9を形成
するためのマスクとの合わせずれの問題が無くなる。
【0155】したがって、本実施形態によれば、n型ソ
ース層5およびp型コンタクト層9を微細化でき、n型
ソース層5およびp型コンタクト層9に対するコンタク
トホールを微細化でき、素子の微細化を図れるようにな
る。
【0156】なお、本実施形態の特徴はn型ソース層5
およびp型コンタクト層9の形成方法にあるので、それ
ら以外のものは他の実施形態の方法により形成しても良
い。
【0157】(第9の実施形態)図31、図32は、本
発明の第9の実施形態に係るIGBTの製造方法を示す
工程断面図である。なお、本実施形態はn型ソース層お
よびp型コンタクト層に対するコンタクトホールの微細
化に特徴があるので、n型ベース層より下の構造は図に
は示していない。
【0158】まず、p型ドレイン層、n型バッファ層、
n型ベース層3、p型ベース層4が順次積層してなる構
造を形成する(図31(a))。このような構造は、図
6〜図8に示した形成方法のいずれの方法を用いて形成
しても良い。
【0159】次に同図(a)に示すように、p型ベース
層4上に第1n型ソース層5aを形成した後、p型ベー
ス層4上に開口部を有する酸化膜29を形成する。この
酸化膜29の開口部は、p型コンタクト層およびトレン
チの形成領域上に選択的に形成されている。また、トレ
ンチの形成領域上の開口部は、p型コンタクト層の形成
領域の開口部よりも小さい。
【0160】次に図31(b)に示すように、窒化膜マ
スク30となるシリコン窒化膜を全面に堆積した後、こ
のシリコン窒化膜を異方性エッチングすることにより、
酸化膜29の開口部側壁に窒化膜マスク30を形成す
る。
【0161】ただし、窒化膜マスク30の膜厚は、トレ
ンチの形成領域上の開口部内のn型ソース層5aの表面
が露出しない膜厚を選ぶ。
【0162】次に同図(b)に示すように、酸化膜29
および窒化膜マスク30をマスクにしてボロンの固相拡
散を行って、n型ソース層5aを貫通し、p型ベース層
4の途中の深さまで達するp型コンタクト層9を形成す
る。
【0163】次に図31(c)に示すように、マスクパ
ターン31となるシリコン窒化膜を全面に堆積した後、
フォトリソグラフィとエッチングを用いてトレンチ形成
領域上の窒化膜マスク30、トレンチ形成領域上および
その周囲近傍の上記シリコン窒化膜を除去して、マスク
パターン31を形成する。
【0164】次に図32(d)に示すように、酸化膜2
9およびマスクパターン31をマスクにして、第1n型
ソース層5a、p型ベース層4、n型ベース層3をRI
E法にてエッチングし、トレンチ6を形成する。
【0165】次に図32(e)に示すように、他の実施
形態と同様に、トレンチ6内にゲート酸化膜7を介して
ゲート電極8を埋め込み形成する。
【0166】次に図32(f)に示すように、層間絶縁
膜10を形成した後、この層間絶縁膜10に後述する第
2n型ソース層およびp型コンタクト層9に対するコン
タクトホールを開口する。
【0167】次に同図(f)に示すように、層間絶縁膜
10をマスクにして砒素イオン等のn型不純物イオン3
2を全面に注入し、アニールを行うことによって、p型
コンタクト層9近傍の第1n型ソース層5aの表面にそ
れよりも高不純物濃度の第2n型ソース層5bを自己整
合的に形成する。最後に、コンタクトホール下のゲート
酸化膜7を除去した後、図示しないソース電極、ドレイ
ン電極を形成してIGBTが完成する。
【0168】本実施形態では、第1n型ソース層5aを
形成し、この第1n型ソース層5aを貫通し、p型2ベ
ース層4の途中の深さまで達したp型コンタクト層9を
形成した後、p型コンタクト層9をマスクしないで、全
面にn型不純物イオン32を注入して第2n型ソース層
5bを形成している。
【0169】このとき、p型コンタクト層9にもn型不
純物イオン32が注入されるが、p型コンタクト層9は
固相拡散により形成するので、p型コンタクト層9の不
純物濃度をn型不純物イオン32の注入によっても影響
が無い程度の高レベルにできる。
【0170】すなわち、本実施形態によれば、第2n型
ソース層5bはマスクを用いずに形成でき、第2n型ソ
ース層5bを形成するためのマスクとp型コンタクト層
9を形成するためのマスクとの合わせずれの問題が無く
なるので、第2n型ソース層5bおよびp型コンタクト
層9を微細化できる。これにより、第2n型ソース層5
bおよびp型コンタクト層9に対するコンタクトホール
を微細化でき、素子の微細化を図れるようになる。
【0171】なお、本実施形態の特徴は第2n型ソース
層5bおよびp型コンタクト層9の形成方法にあるの
で、それら以外のものは他の実施形態の方法により形成
しても良い。
【0172】以上、発明の実施形態を説明したが、本発
明は上述の実施形態に限定されるものではない。例え
ば、上述の実施形態では第1導電型をn型、第2導電型
をp型としたが、導電型を全て逆にしても良い。また、
上述の実施形態では高耐圧の半導体装置として縦型のI
GBTについて説明したが、ソース層とドレイン層が同
じ表面に形成される、いわゆる横型IGBTに適用して
も良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施できる。
【0173】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、素
子特性の改善を図ったトレンチゲート構造を有する半導
体装置を提供できるようになる。
【0174】
【0175】
【0176】
【0177】
【0178】
【0179】
【0180】
【0181】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るIGBTを示す
断面図
【図2】図1のIGBTについてのオン電圧のトレンチ
間隔Wsおよび耐圧の依存性を示す特性図
【図3】図1のIGBTについてのオン電圧のトレンチ
間隔およびトレンチ深さの依存性を示す特性図
【図4】本発明の第2の実施形態に係るIGBTを示す
断面図
【図5】図4のIGBTの基板の不純物プロファイルの
一例を示す図
【図6】図4のIGBTの形成方法を示す工程断面図
【図7】図4のIGBTの他の形成方法を示す工程断面
【図8】図4のIGBTのさらに別の形成方法を示す工
程断面図
【図9】本発明の第3の実施形態に係るIGBTを示す
断面図
【図10】本発明の第4の実施形態に係るIGBTを示
す断面図
【図11】第1の実施形態のIGBTとその制御回路を
同一基板に形成した高耐圧半導装置の断面図
【図12】図11の高耐圧半導体装置の変形例を示す断
面図
【図13】図11の高耐圧半導体装置の他の変形例を示
す平面図
【図14】図13の高耐圧半導体装置のA−A' 断面図
断面図
【図15】図11の高耐圧半導体装置のさらに別の変形
例を示す断面図
【図16】本発明の第6の実施形態に係るIGBTの平
面図
【図17】図16のIGBTのA−A’断面図
【図18】本発明の第6の実施形態に係るIGBTの製
造方法の前半を示す工程断面図
【図19】本発明の第6の実施形態に係るIGBTの製
造方法の後半を示す工程断面図
【図20】第6の実施形態のIGBTの変形例を示す平
面図
【図21】図20のIGBTのA−A’断面図
【図22】第6の実施形態のIGBTの他の変形例を示
す平面図
【図23】図22のIGBTのA−A’断面図
【図24】第6の実施形態のIGBTのさらに別の変形
例を示す平面図
【図25】本発明の第7の実施形態に係るIGBTの製
造方法の前半を示す工程断面図
【図26】本発明の第7の実施形態に係るIGBTの製
造方法の中半を示す工程断面図
【図27】本発明の第7の実施形態に係るIGBTの製
造方法の後半を示す工程断面図
【図28】本発明の第7の実施形態に係るIGBTの製
造方法におけるマスク(酸化膜/窒化膜積層膜、レジス
ト)のパターンを示す平面図
【図29】本発明の第8の実施形態に係るIGBTの製
造方法の前半を示す工程断面図
【図30】本発明の第8の実施形態に係るIGBTの製
造方法の後半を示す工程断面図
【図31】本発明の第9の実施形態に係るIGBTの製
造方法の前半を示す工程断面図
【図32】本発明の第9の実施形態に係るIGBTの製
造方法の後半を示す工程断面図
【図33】従来のIGBTを示す工程断面図
【図34】第6の実施形態のIGBTのさらに別の変形
例を示す平面図
【符号の説明】
1…p型ドレイン 2…n型バッファ層 3…n型ベース層(第1ベース層) 4…p型ベース層(第2ベース層) 5…n型ソース層 5a…第1n型ソース層 5b…第2n型ソース層 6…トレンチ 7…ゲート酸化膜 8…ゲート電極 8’…引き出しゲート電極 9…p型コンタクト層 10…層間絶縁膜 11…コンタクトホール 12…ソース電極 13…ドレイン電極 14…結晶欠陥領域 15…p/p- s 型シリコン層 16…絶縁膜 17…層間絶縁膜 18…引き出しゲート電極 19…p型ストッパ層 20…マスクパターン 21…酸化膜 22…窒化膜 23…レジスト 24…SiO2 マスク 25…酸化膜(スペーサ絶縁膜) 26…PSG膜 27…酸化膜 28…p型不純物イオン 29…酸化膜 30…窒化膜マスク 31…マスクパターン 32…n型不純物イオン
フロントページの続き (72)発明者 山口 好広 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 八幡 彰博 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平5−243561(JP,A) 特開 平1−165161(JP,A) 特開 平8−316479(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 653

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】パンチスルー型の高耐圧半導体素子を含む
    半導体装置であって、前記高耐圧半導体素子は、 高抵抗で第1導電型の第1ベース層と、 この第1ベース層の裏面に設けられた第2導電型のドレ
    イン層と、 このドレイン層と前記第1ベース層との間に設けられ、
    かつ前記ドレイン層よりも厚い第1導電型のバッファ層
    と、 前記第1ベース層の表面に形成された第2導電型の第2
    ベース層と、 この第2ベース層の表面に形成された第1導電型のソー
    ス層と、 このソース層および前記第2ベース層を貫いて前記第1
    ベース層の途中の深さまで達するトレンチ内にゲート絶
    縁膜を介して形成されたゲート電極と、 前記ドレイン層に設けられたドレイン電極と、 前記ソース層および前記第2ベース層に設けられたソー
    ス電極とを具備してなることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記ドレイン層の厚さは0.1〜3μmで
    あることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】前記バッファ層の厚さは2〜6μm、前記
    ドレイン層の厚さは0.1〜3μmであることを特徴と
    する請求項1に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記バッファ層はエピタキシャル層である
    ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記
    載の半導体装置。
  5. 【請求項5】前記第1導電型ベース層は前記バッファ層
    上に設けられたエピタキシャル層であることを特徴とす
    る請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体装
    置。
  6. 【請求項6】前記第1ベース層の厚さは40〜70μm
    であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1
    項に記載の半導体装置。
JP07457898A 1998-03-23 1998-03-23 半導体装置 Expired - Fee Related JP3523056B2 (ja)

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