JP3812379B2 - MOS type semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ),IGBT(伝導度変調型トランジスタ),バイポーラトランジスタ,ダイオード等に適用可能の高耐圧且つ大電流容量の半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に半導体素子は片面に電極部を持つ横型構造と両面に電極部を持つ縦型構造に大別できる。例えば、図10は横型構造のSOI(silicon on insulator)−MOSFETを示す。このSOI−MOSFETの構造はnチャネルMOSFETのオフセット・ゲート構造であり、半導体基体5上の絶縁膜6の上に形成されたp型のチャネル拡散層7と、チャネル拡散層7の上にゲート絶縁膜10を介して形成されたフィールドプレート付きゲート電極11と、チャネル拡散層7のうちゲート電極11の一端側に形成されたn+ 型のソース領域8と、ゲート電極11の他端から離間した位置に形成されたn+ 型のドレイン領域9と、ドレイン・ゲート間に延在するn型低濃度ドレイン領域(ドレイン・ドリフト領域)90と、この低濃度ドレイン領域90上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。
【0003】
低濃度ドレイン領域90の部分は、MOSFETがオン状態のときはキャリアを電界によって流すドリフト領域として働き、オフ状態のときは空乏化して電界強度を緩和し耐圧を高める。低濃度ドレイン領域90の不純物濃度を高くすることと、その領域90の電流経路長を短くすることは、ドリフト抵抗が低くなるのでMOSFETの実質的なオン抵抗(ドレイン−ソース抵抗)を下げる効果に繋がるものの、逆に、p型のチャネル拡散層7とn型低濃度ドレイン領域90とのpn接合Jaから進行するドレイン−チャネル間空乏層が広がり難く、シリコンの最大(臨界)電界強度に早く達するため、耐圧(ドレイン−ソース電圧)が低下してしまう。即ち、オン抵抗(電流容量)と耐圧間にはトレードオフ関係がある。このトレードオフ関係はIGBT,バイポーラトランジスタ,ダイオード等の半導体素子においても同様に成立することが知られている。
【0004】
図11は横型構造のMOSFETの別の構造を示す。図11(a)はpチャネルMOSFETであり、p− 型半導体層4上に形成されたn型チャネル拡散層3と、チャネル拡散層3の上にゲート絶縁膜10を介して形成されたフィールドプレート付きゲート電極11と、チャネル拡散層3のうちゲート電極11の一端側に形成されたp+ 型のソース領域18と、ゲート電極11の他端側真下にウェル端が位置するp型低濃度ドレイン領域(ドレイン・ドリフト領域)14と、ゲート電極11の他端から離間した位置に形成されたp+ 型のドレイン領域19と、p+ 型のソース領域18に隣接するn+ 型のコンタクト領域71と、p型低濃度ドレイン14上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。このような構造においてもウェル状のp型低濃度ドレイン領域14の電流経路長さと不純物濃度とによりオン抵抗と耐圧がトレードオフの関係で決定される。
【0005】
図11(b)は2重拡散型nチャネルMOSFETであり、p− 型半導体層4上に形成されたn型低濃度ドレイン層(ドレイン・ドリフト層)22と、低濃度ドレイン層22の上にゲート絶縁膜10を介して形成されたフィールドプレート付きゲート電極11と、低濃度ドレイン層22のうちゲート電極11の一端側に形成されたウェル状のp型チャネル拡散領域17と、p型チャネル拡散領域17内にウェル状に形成されたn+ 型のソース領域8と、ゲート電極11とこれに離間したn+ 型ドレイン領域9との間の表面層に形成されたウェル状のp型トップ層24と、n+ 型のソース領域8に隣接するp+ 型のコンタクト領域72と、p型トップ層24上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。このような構造においてもn型低濃度ドレイン層域22の電流経路長さと不純物濃度とによりオン抵抗と耐圧がトレードオフの関係で決定される。
【0006】
ただし、図11(b)の構造では、n型低濃度ドレイン層22が下側のp− 型半導体層4と上側のp型トップ層24とに挟まれているので、MOSFETのオフ状態のときにはp型チャネル拡散領域17とのpn接合Jaからだけでは無く、n型低濃度ドレイン層22の上下のpn接合Jb,Jbからも空乏層が広がる。このため、低濃度ドレイン層22が早く空乏化するので、高耐圧構造となっている。その分、低濃度ドレイン層22の不純物濃度を高くでき、オン抵抗の低減により電流容量の増大を図ることが可能である。
【0007】
他方、縦型構造の半導体素子としては、例えば図12に示すトレンチゲート型のnチャネルMOSFETが知られている。この構造は、裏面電極(図示せず)が導電接触したn+ 型ドレイン層29の上に形成されたn型低濃度ドレイン層39と、低濃度ドレイン層39の表面側に堀り込まれたトレンチ溝内にゲート絶縁膜10を介して埋め込まれたトレンチゲート電極21と、低濃度ドレイン層39の表層にトレンチゲート電極21の深さ程度に浅く形成されたp型チャネル拡散層27と、トレンチゲート電極21の上縁に沿って形成されたn+ 型ソース領域18と、ゲート電極21を覆う厚い絶縁膜12とを有する。なお、単層のn+ 型ドレイン層29に代えて、n+ 型上層とp+ 型下層から成る2層構造とすると、n型のIGBT構造を得ることができる。このような縦型構造においても、低濃度ドレイン層39の部分は、MOSFETがオン状態のときは縦方向にドリフト電流を成すドリフト領域として働き、オフ状態のときは空乏化して耐圧を高めるが、やはり、オン抵抗と耐圧とは低濃度ドレイン層39の厚さと不純物濃度の如何に支配され、両者間にはトレードオフの関係にある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図13はシリコンのnチャネルMOSFETの理想耐圧と理想オン抵抗との関係を示すグラフである。理想耐圧は形状効果によるpn接合耐圧の低下がないと仮定した。理想オン抵抗は低濃度ドレイン領域以外の部分の抵抗を無視できるほど小さいと仮定した。図13の▲1▼は図12に示す縦型のnチャネルMOSFETの理想耐圧と理想オン抵抗との関係を示す。縦型素子はオン時にドリフト電流が流れる方向とオフ時の逆バイアスによる空乏層が延びて広がる方向とが同じである。図12の低濃度ドレイン層39のみに着目すると、オフ時の理想耐圧BVは次式により近似的に求まる。
BV=Ec 2 ε0 εSiα(2−α)/2qND (1)
Ec :Ec (ND ),不純物濃度ND でのシリコンの最大電界強度
ε0 :真空の誘電率
εSi:シリコンの比誘電率
q:単位電荷
ND :低濃度ドレイン領域の不純物濃度
α:係数 (0<α<1)
また、オン時の単位面積当たりの理想オン抵抗は次式により近似的に求まる。
R=αW/μqND
μ:μ(ND ),不純物濃度ND での電子の移動度
ここで、W=Ec ε0 εSi/qND であるので、Rは、
R=Ec ε0 εSiα/μq2 ND 2 (2)
となる。(1),(2)式よりqND を消去し、αの最適値として例えば2/3を用いると、
R=BV2 (27/8Ec 3 ε0 εSiμ) (3)
が得られる。ここに、オン抵抗Rは耐圧BVの二乗に比例するように見えるが、Ec やμがND に依存しているので、図13の▲1▼は実際にはBVの2.4〜2.6乗程度に比例している。
【0009】
図13の▲2▼は図11(a)に示す横型のMOSFETの構造をnチャネル型に置き換えたMOSFETの理想耐圧と理想オン抵抗との関係を示す。このnチャネル型のMOSFETにおいて、オン時にドリフト電流の流れる方向は横方向であるのに対し、オフ時に空乏層の延びる方向はウェル端から横方向ではなく実質的にウェル底から縦方向(上方向)の方が早い。縦方向に延びる空乏層で高耐圧を得るには、低濃度ドレイン領域14とチャネル拡散層3とのpn接合面(ウェル底)から低濃度ドレイン層14の表面(ウェル表面)まで空乏化されなければならない。従って、低濃度ドレイン領域14のネットのドーピング量の最大値は、
SD =Ec ε0 εSi/q (4)
に制限される。低濃度ドレイン領域14の横方向の長さをLとしたとき、理想耐圧BVは、
BV=Ec Lβ (5)
となる。ただし、βは未知の係数(0<β<1)である。また、単位面積当たりの理想オン抵抗Rは、
R=L2 /μqSD (6)
で近似的に求まる。従って、(5),(6)式からLを消去して(4)式を代入すると、
R=BV2 /β2 Ec 3 ε0 εSiμ (7)
【0010】
図13の▲3▼は図11(b)に示す横型の2重拡散型のnチャネルMOSFETの構造の理想耐圧と理想オン抵抗との関係を示す。図11(b)の構造においては、図11(a)の構造にp型トップ層24が設けられており、上下両側から延びる空乏層により低濃度ドレイン層22がピンチ的に早期空乏化する。低濃度ドレイン領域22のネットドーピング量SD は図11(a)のそれに比して2倍程度まで高めることが可能である。
SD =2Ec ε0 εSi/q (8)
かかる場合の理想オン抵抗Rと理想耐圧BVとの関係は、
R=BV2 /2β2 Ec 3 ε0 εSiμ (9)
となる。
【0011】
図13の▲3▼は▲2▼に比べオン抵抗と耐圧のトレードオフ関係が多少改善されているものの、高々2倍の濃度にまでしか設定することができず、半導体素子の電流容量と耐圧の設計自由度は依然として、低いものとなっている。
【0012】
そこで、上記問題点に鑑み、本発明の第1の課題は、ドリフト領域の構造を改善することにより、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を大幅に緩和させて、高耐圧でありながら、オン抵抗の低減化による電流容量の増大が可能の半導体装置を提供することにある。本発明の第2の課題をその半導体装置を量産性良く製造し得る製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の講じた手段は、例えばMOSFETの低濃度ドレイン領域の如く、オン状態でドリフト電流を流すと共にオフ状態で空乏化するドリフト領域を有する半導体装置において、そのドリフト領域を図1に模式的に示す如く、層状構造,繊維状構造ないし蜂の巣構造等の並行分割構造とすると共に、第1導電型分割ドリフト経路域1の相隣る同士の側面間(境界)に介在してpn接合分離する第2導電型仕切領域2を設けたところにある。
【0014】
即ち、図1(a)に示す如く、ドリフト領域は、少なくとも端部において互いに並列接続する2枚以上のプレート状の第1導電型(例えばn型)分割ドリフト経路域1を持つ層状構造の並行ドリフト経路群(分割ドリフト経路集合体)100と、分割ドリフト経路域1,1間に介在してpn接合分離するプレート状の第2導電型(例えばp型)仕切領域2とを有して成る。複数枚の第2導電型仕切領域2は少なくとも端部において互いに並列接続している。
【0015】
また、図1(b)に示すドリフト領域の構造は繊維状構造であり、筋状の第1導電型(n型)分割ドリフト経路域1と、筋状の第2導電型(p型)仕切領域2とは集合体断面で市松状に配置されている。
【0016】
更に、図1(c)に示す第1導電型(n型)分割ドリフト経路域1は四隅に連結部位1aを有している。
【0017】
図1(a)で良く判るように、並行ドリフト経路群100の最側端(最上端又は最下端)の第1導電型分割ドリフト経路域1の外側に沿ってpn接合分離する第2導電型側端領域2aを設けても良い。
【0018】
半導体装置がオン状態のときは、複数の並列接続した分割ドリフト経路域1,1を介してドリフト電流が流れるが、他方、オフ状態のときは第1導電型分割ドリフト経路域1と第2導電型仕切領域2とのpn接合からそれぞれ空乏層が第1導電型分割ドリフト経路1内に広がってこれが空乏化される。一筋の第2導電型仕切領域2の両側面から空乏端が側方へ広がるので空乏化が非常に早まる。また第2導電型仕切領域2も同時に空乏化される。このため、半導体装置は高耐圧となり、n型分割ドリフト経路域1の不純物濃度を高めることが可能であるので、オン抵抗の低減を実現できる。特に、本発明では、一筋の第2導電型仕切領域2の両側面から隣接する第1導電型分割ドリフト経路域1,1の双方へ空乏端が進入するようになっており、双方へ広がる空乏端が分割ドリフト経路域1,1へ有効的に作用しているので、空乏層形成のための第2導電型仕切領域2の総占有幅を半減でき、その分、第1導電型分割ドリフト経路域1の断面積の拡大を図ることができ、従前に比してオン抵抗が頗る低減する。第2導電型仕切領域2の占有幅は僅少であることが好ましい。また、第2導電型仕切領域2の不純物濃度は低い方が望ましい。第1導電型分割ドリフト経路域1の単位面積当たりの本数(分割数)を増やすにつれ、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を大幅に緩和できる。
【0019】
本発明において一筋の第1導電型分割ドリフト経路域1に関する理想オン抵抗rと理想耐圧BVとのトレードオフ関係式は、第2導電型仕切領域2の幅を無限小と仮定すれば、一筋の理想オン抵抗rは(9)式の理想オン抵抗RのN倍に相当しているので、
r=NR=BV2 /2β2 Ec 3 ε0 εSiμ (10)
であり、並行ドリフト経路群全体の理想オン抵抗Rと理想耐圧BVの関係は、
R=BV2 /2Nβ2 Ec 3 ε0 εSiμ (11)
となる。従って、ドリフト領域の分割数Nを多ければ多い程、オン抵抗の頗る低減した半導体装置を実現できることが判る。
【0020】
即ち、本発明は、第2導電型チャネル領域に第1導電型ソース領域を備え、オン状態で横方向にドリフト電流を流すと共にオフ状態で空乏化するドリフト領域を有するMOS型半導体装置において、ドリフト領域は、並列接続した複数の第1導電型分割ドリフト経路域を持つ並行ドリフト経路群と、第1導電型分割ドリフト経路域の相隣る同士の間に介在する第2導電型仕切領域とを有する構造であって、ドリフト領域は半導体層上の絶縁膜と表面側絶縁膜との間に挟まれており、ドリフト領域とチャネル領域とが接していることを特徴とする。斯かる構成により、オン抵抗の低減と共に高耐圧化を図ることができる。
【0021】
ここで、半導体層上の絶縁膜を表面側絶縁膜よりも厚く形成することが望ましい。ドリフト領域としては、層状の第1導電型分割ドリフト経路域と層状の第2導電型仕切領域とを交互に繰り返し積み重ねて積層された重畳並行構造とすることができ、この重畳並行構造が半導体層上の絶縁膜と表面側絶縁膜との間に挟まれている。また、ドリフト領域としては、ストライプ状の第1導電型分割ドリフト経路域とストライプ状の第2導電型仕切領域とを半導体層上の絶縁膜の表面に沿って交互に配置した構造とすることができる。
【0022】
更に、本発明では、並行ドリフト経路群の最外側の第1導電型分割ドリフト経路域の外側に第2導電型側端領域を有して成り、この第2導電型側端領域の長さが第2導電型仕切領域及び第1導電型分割ドリフト経路域の長さと等しく、第2導電型仕切領域と第1導電型分割ドリフト経路域の幅が等しいことを特徴とする。斯かる構成により、オン抵抗の低減と共に高耐圧化を図ることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0024】
〔実施形態1〕
図2(a)は本発明の実施形態1に係る横型構造のSOI−MOSFETを示す平面図、図2(b)は図2(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、図2(c)は図2(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【0025】
本例のSOI−MOSFETの構造は、図10に示す構造と同様に、nチャネルMOSFETのオフセット・ゲート構造であり、半導体基体5上の絶縁膜6の上に形成されたp型のチャネル拡散領域7と、チャネル拡散領域7の上にゲート絶縁膜10を介して形成されたフィールドプレート付きゲート電極11と、チャネル拡散領域7のうちゲート電極11の一端側に形成されたn+ 型のソース領域8と、ゲート電極11の他端から離間した位置に形成されたn+ 型のドレイン領域9と、ドレイン・ゲート間に延在するドレイン・ドリフト領域190と、このドレイン・ドリフト領域190上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。
【0026】
本例におけるドレイン・ドリフト領域190は、短冊状のn型分割ドリフト経路域1と短冊状のp型仕切領域2とが平面上で交互に繰り返し配列されたストライプ状並行構造となっている。複数のn型分割ドリフト経路域1の一方端はp型のチャネル拡散領域7にpn接合し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域9に接続しており、n+ 型のドレイン領域9側から分岐して並列接続のドリフト経路群100を形成している。並行ドリフト経路群100の最側端の分割ドリフト経路域1の外側にはストライプ状のp型側端領域2aが設けられており、すべての分割ドリフト経路域1が側面に沿ってp型半導体領域2(2a)に挟まれている。また、複数のp型仕切領域2の一方端はp型のチャネル拡散領域7に接続し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域9にpn接合しており、p型のチャネル拡散領域7側から分岐して並列接続となっている。
【0027】
MOSFETがオン状態のときは、ゲート絶縁膜10直下のチャネル反転層13を介してn+ 型のソース領域8から複数のn型分割ドリフト経路域1にキャリア(電子)が流れ込み、ドレイン・ソース間電圧による電界でドリフト電流が流れる。他方、オフ状態のときはゲート絶縁膜10直下のチャネル反転層13が消失し、ドレイン・ソース間電圧により、n型分割ドリフト経路域1とp型のチャネル拡散領域7とのpn接合Ja,n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2とのpn接合Jbからそれぞれ空乏層がn型分割ドリフト経路域1内に広がってこれが空乏化される。pn接合Jaからの空乏端はn型分割ドリフト経路域1内の経路長さ方向に広がるが、pn接合Jbからの空乏端eはn型分割ドリフト経路域1内の経路幅方向に広がり、しかも両側面から空乏端が広がるので空乏化が非常に早まる。またp型仕切領域2も同時に空乏化される。このため、電界強度が緩和され、高耐圧となり、その分、n型分割ドリフト経路域1の不純物濃度を高めることが可能であるので、オン抵抗が低減する。特に、本例では、p型仕切領域2の両側面から隣接するn型分割ドリフト経路域1,1の双方へ空乏端eが進入するようになっているので、空乏層形成のためのp型仕切領域2の総占有幅を半減でき、その分、n型分割ドリフト経路域1の断面積の拡大を図ることができ、従前に比してオン抵抗が低減する。n型分割ドリフト経路域1の単位面積当たりの本数(分割数)Nを増やすにつれ、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を大幅に緩和できる。2本より3本以上の方が顕著となる。なお、p型仕切領域2の占有幅は僅少であることが好ましい。
【0028】
ここで、理想耐圧BVを例えば100Vと仮定し、n型分割ドリフト経路域1の不純物濃度ND =3×1015(cm−3),シリコンの最大電界強度Ec =3×105 (V/cm),電子の移動度μ=1000(cm2 /V・sec),真空の誘電率ε0 =8.8×10−12 (C/V・m),シリコンの比誘電率εSi=12,単位電荷q=1.6×10−19 (C)とする。図10に示す低濃度ドレイン領域90では、長さ6.6μm,厚さ1μmのとき、理想オン抵抗Rは9.1(mオーム・cm2 )である。これに対して本例では、n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2の幅を例えば10μm,1μm,0.1μmの値として理想オン抵抗Rを計算すると(β=2/3,n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域の長さを5μmと仮定)、
幅10μm,のとき、7.9(mオーム・cm2 )
幅1μm,のとき、0.8(mオーム・cm2 )
幅0.1μm,のとき、0.08(mオーム・cm2 )
となり、幅1μm以下になると劇的な低オン抵抗化が可能である。p型仕切領域2の幅をn型分割ドリフト経路域1の幅よりも僅少にすれば、なおその効果が顕著となる。n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域の幅はフォトリソグラフィとイオン注入により現在0.5μm程度までが量産レベルの限界であるが、微細加工技術の着実な進展により今後更なる幅寸法の縮小化が可能となるので、オン抵抗を顕著に低減できる。
【0029】
特に、本例のドリフト領域の構造は、平面上のストライプ状のpnの繰り返し構造であるため、1回のフォトリソグラフィーで形成可能であるので、製造プロセスの簡易化により素子の低コスト化も図ることができる。
【0030】
〔実施形態2〕
図3(a)は本発明の実施形態2に係る2重拡散型nチャネルMOSFETを示す平面図、図3(b)は図3(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、図3(c)は図3(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【0031】
本例の2重拡散型nチャネルMOSFETの構造は図11(b)に示す構造を改善したものであり、p− 型又はn− 型の半導体層4上に形成されたドレイン・ドリフト領域122と、ドレイン・ドリフト領域122の上にゲート絶縁膜10を介して形成されたフィールドプレート付きゲート電極11と、ドレイン・ドリフト領域122のうちゲート電極11の一端側に形成されたウェル状のp型チャネル拡散領域17と、p型チャネル拡散領域17内にウェル状に形成されたn+ 型のソース領域8と、ゲート電極11に離間したn+ 型ドレイン領域9と、ドレイン・ドリフト領域122上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。
【0032】
本例におけるドレイン・ドリフト領域122も、図2に示す実施例1と同様に、短冊状のn型分割ドリフト経路域1と短冊状のp型仕切領域2とが平面上で交互に繰り返し配列されたストライプ状の並行構造となっている。そして、複数のn型分割ドリフト経路域1の一方端はp型のチャネル拡散領域17にpn接合し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域9に接続しており、n+ 型のドレイン9側から分岐して並列接続の並行ドリフト経路群100を形成している。並行ドリフト経路群100の最側端の分割ドリフト経路域1の外側にはこれを挟み込むためのp型側端領域2aが設けられており、すべての分割ドリフト経路域1が側面に沿ってp型領域2(2a)に挟まれている。また、複数のp型仕切領域2の一方端はp型のチャネル拡散領域7に接続し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域9にpn接合しており、p型のチャネル拡散領域7側から分岐して並列接続となっている。
【0033】
本例においても、オフ状態のときは、pn接合Jbからの空乏端がn型分割ドリフト経路域1内の経路幅方向に広がり、しかも両側面から空乏端が広がるので空乏化が非常に早まる。また同時にp型仕切領域2も空乏化される。このため、実施例1と同様に、高耐圧となり、n型分割ドリフト経路域1の不純物濃度を高めることが可能であるので、オン抵抗の低減を実現できる。
【0034】
ここで、図11(b)に示す従来構造と理想耐圧100Vで比較してみると、図11(b)に示す従来構造ではオン抵抗が約0.5(mオーム・cm2 )であるのに対して、本例の構造では実施例1と同様に分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2の厚さが1μm,幅が0.5μmであるとき、オン抵抗が0.4(mオーム・cm2 )である。分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2の幅を更に僅少化することによりオン抵抗の大幅低減が可能である。なお、分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2の厚さを厚くすることで、分割ドリフト経路1の抵抗断面積を大きくしてオン抵抗の低減を図ることができる。例えば10μmにすればオン抵抗は1/10、100μmにすればオン抵抗は1/100にすることができる。このような厚い領域のドーピングのためには、同じ部位に複数の(若しくは連続的に異なる)エネルギーで不純物イオン注入を行えば良い。
【0035】
〔実施形態3〕
図4(a)は本発明の実施形態3に係る横型構造のSOI−MOSFETを示す平面図、図4(b)は図4(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、図4(c)は図4(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【0036】
本例のSOI−MOSFETの構造は、半導体基体5上の絶縁膜6の上に形成されたp型のチャネル拡散層77と、チャネル拡散層77の側壁上にゲート絶縁膜10を介して形成されたトレンチゲート電極111と、トレンチゲート電極111の上縁に沿って形成されたn+ 型のソース領域88と、トレンチゲート電極111から離間した位置に形成されたn+ 型のドレイン領域99と、ドレイン・ゲート間に延在するドレイン・ドリフト領域290と、このドレイン・ドリフト領域290上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。
【0037】
本例におけるドレイン・ドリフト領域290は、実施形態1の場合とは異なり、プレート状のn型分割ドリフト経路域1とプレート状のp型仕切領域2とが交互に繰り返し積み重ねて積層された重畳並行構造となっている。最下位のn型分割ドリフト経路域1の真下にはp型側端領域2aが形成されており、また最上位のn型分割ドリフト経路域1の上にもp型側端領域2aが形成されている。このp型側端領域2aのネットドーピング量は2×1012/cm2 以下とする。複数のn型分割ドリフト経路域1の一方端はp型のチャネル拡散層77にpn接合し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域99に接続しており、n+ 型のドレイン99側から分岐して並列接続の並行ドリフト経路群100を形成している。また、複数のp型仕切領域2の一方端はp型のチャネル拡散層77に接続し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域99にpn接合しており、p型のチャネル拡散層77側から分岐して並列接続となっている。
【0038】
この層状構造においても、理想オン抵抗は前述の(11)式で与えられ、Nはn型分割ドリフト経路域1の積み重ね枚数である。理想耐圧100Vとしたとき、従来構造(N=1)では、理想オン抵抗R=0.5(mオーム・cm2 )であるが、本例ではN=10の場合、R=0.05(mオーム・cm2 )となり、分割数Nに逆比例してオン抵抗が激減する。
【0039】
ところで、図2及び図3に示す実施形態のキーテクノロジーはフォトリソグラフィーとイオン注入であったのに対し、図4に示す本例のキーテクノロジーは、プレート状のn型分割ドリフト経路域1とプレート状のp型仕切領域2とを交互に繰り返し積層するための結晶成長法である。積層数を増やして行くと総厚が厚くなり、また結晶成長に要する時間が長くなるため、不純物の拡散による不純物分布の乱れが無視できなくなる。理想的には、n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2を可能な限り薄く形成し、不純物分布の乱れが無視できる位の低温で結晶成長させることが好ましい。そのためには、シリコン技術で多用されているエピタキシャル成長法よりも、ガリウム−砒素等の化合物半導体で用いられるMOCVD(有機金属気相分解結晶成長法)やMBE(分子線結晶成長法)が適している。これによれば、層状のn型分割ドリフト経路域1と層状のp型仕切領域2の層厚を微細化でき、オン抵抗の頗る低減が可能となる。
【0040】
なお、本例の場合、n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2を薄く形成し、不純物濃度を高めると、チャネル反転層13が形成し難くなり、チャネル抵抗が下げ難く、結果としてオン抵抗が下げ難い。これを改善するためには、n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2のうちゲート絶縁膜10に接する部分を局部的に低濃度領域とすることが有効である。
【0041】
〔実施形態4〕
図5(a)は本発明の実施形態4に係る横型構造のMOSFETを示す平面図、図5(b)は図5(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、図5(c)は図5(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【0042】
本例のMOSFETの構造は、p− 型又はn− 型の半導体層4上に形成されたp型のチャネル拡散層77と、チャネル拡散層77の側壁上にゲート絶縁膜10を介して形成されたトレンチゲート電極111と、トレンチゲート電極111の上縁に沿って形成されたn+ 型のソース領域88と、トレンチゲート電極111から離間した位置に形成されたn+ 型のドレイン領域99と、ドレイン・ゲート間に延在するドレイン・ドリフト領域290と、このドレイン・ドリフト領域290上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。
【0043】
本例におけるドレイン・ドリフト領域290は、実施形態3の場合と同様であり、プレート状のn型分割ドリフト経路域1とプレート状のp型仕切領域2とが交互に繰り返し積層された並行構造となっている。最下位のn型分割ドリフト経路域1の真下にはp型側端領域2aが形成されており、また最上位のn型分割ドリフト経路域1の上にもp型側端領域2aが形成されている。このp型側端領域2aのネットドーピング量は2×1012/cm2 以下とする。複数のn型分割ドリフト経路域1の一方端はp型のチャネル拡散層77にpn接合し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域99に接続しており、n+ 型のドレイン99側から分岐して並列接続の並行ドリフト経路群100を形成している。また、複数のp型仕切領域2の一方端はp型のチャネル拡散層77に接続し、それらの他端はn+ 型のドレイン領域99にpn接合しており、p型のチャネル拡散層77側から分岐して並列接続となっている。
【0044】
本例は実施形態3と同様にオン抵抗の低減と高耐圧化を図ることができる。なお、本例と図4に示す実施形態3との関係は、図3に示す実施形態2と図2に示す実施形態1との関係に相当している。図2の実施形態に対する図3の実施形態と同じく、本例はSOIではない点で低コスト化を図ることができる。
【0045】
〔実施形態5〕
図6(a)は本発明の実施形態5に係る横型構造のpチャネルMOSFETを示す断面図であり、図11(a)の改善例に相当している。
【0046】
本例の構造は、p− 型半導体層4上に形成されたn型チャネル拡散層3と、チャネル拡散層3の上にゲート絶縁膜10を介して形成されたフィールドプレート付きゲート電極11と、チャネル拡散層3のうちゲート電極11の一端側に形成されたp+ 型のソース領域18と、ゲート電極11の他端側真下にウェル端が位置するp型ドレイン・ドリフト領域14と、このp型ドレイン・ドリフト領域14の表層に形成されたn型側端領域2bと、ゲート電極11の他端から離間した位置に形成されたp+ 型のドレイン領域19と、p+ 型のソース領域18に隣接するn+ 型のコンタクト領域71と、p型ドレイン・ドリフト14上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。
【0047】
本例の場合、ドレイン領域の分割数は1で、p型ドレイン・ドリフト領域14は断面上では一筋の分割ドレイン経路域1に相当している。このp型ドレイン・ドリフト領域14の上のn型側端領域2bの厚さは空乏化を早めるため薄く形成されている。図11(a)の構造と比べると、本例ではn型側端領域2bが形成されており、p型ドレイン・ドリフト領域14の下側のチャネル拡散層3からの空乏層と上側のn型側端領域2aからの空乏層とで空乏化を促進するようにしている。図11(a)のドレイン・ドリフト領域14のネットドーピング量は1×1012/cm2 程度であるのに対し、本例では約2×1012/cm2 程度と2倍になっている。従って、高耐圧化を実現できる分、ドレイン・ドリフト領域14の不純物濃度を高めることができ、低オン抵抗化が可能である。
【0048】
〔実施形態6〕
図6(b)は本発明の実施形態6に係る横型構造のnチャネルMOSFETを示す断面図であり、図11(b)の改善例に相当している。
【0049】
本例は2重拡散型nチャネルMOSFETであり、p− 型半導体層4(p型側端領域2a)上に形成されたドレイン・ドリフト領域22(第1のn型分割ドリフト経路域1)と、ゲート絶縁膜10を介して形成されたフィールドプレート付きゲート電極11と、ドレイン・ドリフト領域22のうちゲート電極11の一端側に形成されたウェル状のp型チャネル拡散領域17と、p型チャネル拡散領域17内にウェル状に形成されたn+ 型のソース領域8と、ゲート電極11とこれに離間したn+ 型ドレイン領域9との間の表面層に形成されたp型トップ層24(p型仕切領域2)と、p型仕切領域2の表層に形成された第2のn型分割ドリフト経路域1と、n+ 型のソース領域8に隣接するp+ 型のコンタクト領域72と、p型仕切領域2上に形成された厚い絶縁膜12とを有する。
【0050】
下層のドレイン・ドリフト領域22と上層の分割ドリフト経路域1はp型仕切領域2を挟んで並列接続している。図11(b)の構造と比べると、本例ではp型仕切領域2の上に分割ドリフト経路域1を並設した点にある。前述したように、p型仕切領域2から下層のドレイン・ドリフト領域22と上層の分割ドリフト経路域1の双方に空乏層が広がるようになっているため、高耐圧化を図ることができ、その分、オン抵抗を低減させることができる。図11(b)のドリフト領域22のネットドーピング量は2×1012/cm2 程度であるのに対し、本例では下層のドレイン・ドリフト領域22と上層の分割ドリフト経路域1とのドーピング量を合わせて、約3×1012/cm2 程度と1.5倍にすることができる。本例の構造によれば、図13中の▲4▼に示す理想耐圧と理想オン抵抗とのトレードオフ関係を得ることができる。明らかに、従来構造に比して理想耐圧と理想オン抵抗のトレードオフ関係を緩和できることが判明した。
【0051】
なお、実施形態5,6の構造を得るための製造方法としては、まず、p− 型半導体層4へのリンのイオン注入と熱処理(熱拡散)によりn型半導体層3(22)を形成した後、このn型半導体層3(22)表面への選択的な硼素のイオン注入と熱処理(熱拡散)によってp型領域14(24)を形成し、しかる後、熱酸化処理を施し、シリコン表面でのリンの偏析による高濃度化と硼素の酸化膜中への偏析による低濃度化を利用して表層に薄いn型側端領域2b(n型分割ドリフト経路域1)を形成する。n型側端領域2bやn型分割ドリフト経路域1の上層には逆導電型層が隣接していないため、空乏化し易くするには薄層であればある程よい。従って、熱酸化処理工程だけでn型側端領域2b(n型分割ドリフト経路1)を形成できる利益は、工程数の削減に寄与し、量産化を可能とする。
【0052】
実施形態5においては、n型側端領域2bがゲート絶縁膜10とドレイン・ドリフト領域14と隔てているが、これは上記の製造方法を用いているため、シリコン表層に全面的にn型側端領域2bが形成されてしまうからである。しかし、n型側端領域2bが薄ければ、ゲート10直下に形成されるチャネル反転層によってドレイン・ドリフト領域14が導通するので問題は起こらない。
【0053】
〔実施形態7〕
図7(a)は本発明の実施形態7に係る縦型構造のトレンチゲート型のnチャネルMOSFETを示す平面図、図7(b)は図7(a)中のA−A′線に沿って切断した状態を示す切断図、図8(a)は図7(a)中のB−B′線に沿って切断した状態を示す切断図、図8(b)は図7(b)中のC−C′線に沿って切断した状態を示す切断図、図9(a)は図7(a)中のD−D′線に沿って切断した状態を示す切断図、図9(b)は図7(a)中のE−E′線に沿って切断した状態を示す切断図である。
【0054】
本例の構造は、裏面電極(図示せず)が導電接触したn+ 型ドレイン層29と、この上に形成されたドレイン・ドリフト層139と、ドレイン・ドリフト層139の表面側に堀り込まれたトレンチ溝内にゲート絶縁膜10を介して埋め込まれたトレンチゲート電極21と、ドレイン・ドリフト層139の表層にトレンチゲート電極21の深さ程度に浅く形成されたp型チャネル層27と、トレンチゲート電極21の上縁に沿って形成されたn+ 型ソース領域18と、ゲート電極21を覆う厚い絶縁膜12とを有する。なお、単層のn+ 型ドレイン層29に代えて、n+ 型上層とp+ 型下層から成る2層構造又はp型層とすると、n型のIGBT構造を得ることができる。
【0055】
本例におけるドレイン・ドリフト層139は、図8(b)及び図9に示す如く、縦方向にプレート状のn型分割ドリフト経路域1と縦方向にプレート状のp型仕切領域2とが交互に繰り返し隣接した横並び並行構造となっている。複数枚のn型分割ドリフト経路域1の上端はp型のチャネル拡散層27にpn接合し、それらの下端はn+ 型のドレイン層29に接続しており、n+ 型のドレイン層29側から分岐して並列接続の並行ドリフト経路群100を形成している。図示されていないが、並行ドリフト経路群100の最側端の分割ドリフト経路域1の外側にはp型側端領域が設けられており、すべての分割ドリフト経路域1が側面に沿ってp型仕切領域2又はp型側端領域に挟まれている。また、複数のp型仕切領域2の上方端はp型のチャネル拡散層27に接続し、それらの下端はn+ 型のドレイン層29にpn接合しており、p型のチャネル拡散層27側から分岐して並列接続となっている。
【0056】
オフ状態のときはゲート絶縁膜10直下のチャネル反転層13が消失し、ドレイン・ソース間電圧により、n型分割ドリフト経路域1とp型のチャネル拡散層27とのpn接合Ja,n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2とのpn接合Jbからそれぞれ空乏層がn型分割ドリフト経路域1内に広がってこれが空乏化される。pn接合Jaからの空乏端はn型分割ドリフト経路域1内の経路長さ方向に広がるが、pn接合Jbからの空乏端はn型分割ドリフト経路域1内の経路幅方向に広がり、しかも両側面から空乏端が広がるので空乏化が非常に早まる。またp型仕切領域2も同時に空乏化される。特に、p型仕切領域2の両側面から隣接するn型分割ドリフト経路1,1の双方へ空乏端が進入するようになっているので、空乏層形成のためのp型仕切領域2の総占有幅を半減でき、その分、n型分割ドリフト経路域1の断面積の拡大を図ることができ、従前に比してオン抵抗が低減する。n型分割ドリフト経路1の単位面積当たりの本数(分割数)を増やすにつれ、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を大幅に緩和できる。
【0057】
理想耐圧100VのnチャネルMOSFET(図12に示す従来構造)での理想オン抵抗と比較すると、従来構造の場合、図13の▲1▼により、理想オン抵抗R=約0.6(mオーム・cm2 )であるが、本例の場合は、n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2の深さ(経路長)を約5μm、β=2/3と仮定し、n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2の積層方向の厚さを例えば10μm,1μm,0.1μmの値として計算すると、
厚さ10μm,のとき、1.6(mオーム・cm2 )
厚さ1μm,のとき、0.16(mオーム・cm2 )
厚さ0.1μm,のとき、0.016(mオーム・cm2 )
となり、μmオーダでも劇的な低オン抵抗化が可能である。p型仕切領域2の幅をn型分割ドリフト経路域1の幅よりも僅少にすれば、なおその効果が顕著となる。n型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域の幅はフォトリソグラフィとイオン注入により現在0.5μm程度までが量産レベルの限界であるが、微細加工技術の着実な進展により今後更なる幅寸法の縮小化が可能となるので、オン抵抗を顕著に低減できる。
【0058】
本例のように、縦方向に配列したn型分割ドリフト経路域1とp型仕切領域2の繰り返し構造は、横型半導体構造の場合に比して製法上難しい面もあるが、例えば、ドレイン層29の上にエピタキシャル成長によりn型層を形成した後、そのn型層をストライプ状に間隔を空けてエッチング除去し、そのエッチング溝をp型のエピタキシャル成長により埋め、不要部分を研磨除去する方法を採用することができる。また、中性子線や飛程の大きい高エネルギー粒子の選択的打ち込みとこれによる核変換を利用して選択的に逆導電型領域を深く形成する方法も考えられる。
【0059】
なお、本発明に係る構造は、MOSFETのドレイン・ドリフト領域に限らず、オン時にドリフト領域となり、オフ時に空乏化領域となる半導体領域に適用でき、IGBT,バイポラーラトランジスタ,ダイオード,JFET、サイリスタ,MESFET,HEMT等の殆ど総ての半導体素子に適用可能である。また、導電型は逆導電型に適宜変更できる。また、図1では並行分割ドリフト群として層状、繊維状、網状又は蜂の巣状を示してあるが、これに限らず、他の繰り返し形状を採用可能である。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明におけるドリフト領域は、並列接続した複数の第1導電型分割ドリフト経路域を持つ並行ドリフト経路群と、第1導電型分割ドリフト経路域の相隣る同士の間に介在する第2導電型仕切領域とを有する構造であって、ドリフト領域は半導体層上の絶縁膜と表面側絶縁膜との間に挟まれており、ドリフト領域と第2導電型チャネル領域とが接していることを特徴とする。斯かる構成により、オン抵抗の低減と共に高耐圧化を図ることができる。
【0061】
更に、本発明では、並行ドリフト経路群の最外側の第1導電型分割ドリフト経路域の外側に第2導電型側端領域を有して成り、この第2導電型側端領域の長さが第2導電型仕切領域及び第1導電型分割ドリフト経路域の長さと等しく、第2導電型仕切領域と第1導電型分割ドリフト経路域の幅が等しいことを特徴とする。斯かる構成により、オン抵抗の低減と共に高耐圧化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)乃至(c)は本発明に係る半導体装置におけるドリフト領域の構造をそれぞれ示す模式図である。
【図2】(a)は本発明の実施形態1に係る横型構造のSOI−MOSFETを示す平面図、(b)は(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、(c)は(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【図3】(a)は本発明の実施形態2に係る2重拡散型nチャネルMOSFETを示す平面図、(b)は(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、(c)は(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【図4】(a)は本発明の実施形態3に係る横型構造のSOI−MOSFETを示す平面図、(b)は(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、(c)は(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【図5】(a)は本発明の実施形態例4に係る横型構造のMOSFETを示す平面図、(b)は(a)中のA−A′線で切断した状態を示す切断図、(c)は(a)中のB−B′線で切断した状態を示す切断図である。
【図6】(a)は本発明の実施形態5に係る横型構造のpチャネルMOSFETを示す断面図、(b)は本発明の実施形態6に係る横型構造のnチャネルMOSFETを示す断面図である。
【図7】(a)は本発明の実施形態例7に係る縦型構造のトレンチゲート型のnチャネルMOSFETを示す平面図、(b)は(a)中のA−A′線に沿って切断した状態を示す切断図である。
【図8】(a)は図7(a)中のB−B′線に沿って切断した状態を示す切断図、(b)は図7(b)中のC−C′線に沿って切断した状態を示す切断図である。
【図9】(a)は図7(a)中のD−D′線に沿って切断した状態を示す切断図、(b)は図7(a)中のE−E′線に沿って切断した状態を示す切断図である。
【図10】(a)は従来の横型構造のSOI−MOSFETを示す平面図、(b)はその断面図である。
【図11】(a)は従来の横型構造のMOSFETの別の構造を示す断面図、(b)は従来の2重拡散型nチャネルMOSFETの構造を示す断面図である。
【図12】従来のトレンチゲート型のnチャネルMOSFETを示す断面図である。
【図13】各種のシリコンnチャネルMOSFETの理想耐圧と理想オン抵抗とのトレードオフ関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…n型分割ドリフト経路域
1a…連結部位
2…p型仕切領域
2a…p型側端領域
3…n型チャネル拡散層
4…p− 型半導体層
5…半導体基体
6…絶縁膜
7…p型チャネル拡散層
8…n+ 型ソース領域
9…n+ 型ドレイン領域
10…ゲート絶縁膜
11…フィールドプレート付きゲート電極
12…厚い絶縁膜
13…チャネル反転層
14…p型低濃度領域
17…p型チャネル拡散領域
18,28…p+ 型ソース領域
19…p+ 型ドレイン領域
21…トレンチゲート電極
22…n型低濃度ドレイン層
24…p型トップ層
27…p型チャネル層
29…n+ 型ドレイン層
39…n型低濃度ドレイン層
71…n+ 型コンタクト領域
72…p+ 型コンタクト領域
77…p型チャネル拡散層
88…n+ 型ソース領域
90…n型低濃度ドレイン領域(ドレイン・ドリフト領域)
99…p型ドレイン領域
100…並行ドリフト経路群
111…トレンチゲート電極
90,122,139,290…ドレイン・ドリフト領域
e…空乏端
Ja,Jb…pn接合。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a high withstand voltage and a large current capacity that can be applied to MOSFET (insulated gate field effect transistor), IGBT (conductivity modulation transistor), bipolar transistor, diode and the like.
[0002]
[Prior art]
In general, semiconductor elements can be broadly classified into a horizontal structure having electrode portions on one side and a vertical structure having electrode portions on both sides. For example, FIG. 10 shows an SOI (Silicon on Insulator) -MOSFET having a lateral structure. This SOI-MOSFET structure is an n-channel MOSFET offset gate structure. A p-type
[0003]
The portion of the lightly doped
[0004]
FIG. 11 shows another structure of a lateral structure MOSFET. FIG. 11A shows a p-channel MOSFET, p−N-type
[0005]
FIG. 11B shows a double diffusion n-channel MOSFET, p−An n-type low concentration drain layer (drain / drift layer) 22 formed on the
[0006]
However, in the structure of FIG. 11B, the n-type low
[0007]
On the other hand, for example, a trench gate type n-channel MOSFET shown in FIG. 12 is known as a vertical semiconductor device. In this structure, the back electrode (not shown) is in conductive contact.+N-type low-
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the ideal breakdown voltage and ideal on-resistance of a silicon n-channel MOSFET. It was assumed that the ideal breakdown voltage does not decrease the pn junction breakdown voltage due to the shape effect. It was assumed that the ideal on-resistance is so small that the resistance of the portion other than the low-concentration drain region can be ignored. (1) in FIG. 13 shows the relationship between the ideal breakdown voltage and the ideal on-resistance of the vertical n-channel MOSFET shown in FIG. In the vertical element, the direction in which the drift current flows when turned on is the same as the direction in which the depletion layer extends and spreads due to the reverse bias when turned off. Focusing only on the low-
BV = Ec 2ε0εSiα (2-α) / 2qND (1)
Ec: Ec(ND), Impurity concentration NDMaximum field strength of silicon at
ε0: Dielectric constant of vacuum
εSi: Dielectric constant of silicon
q: Unit charge
ND: Impurity concentration in low concentration drain region
α: coefficient (0 <α <1)
Also, the ideal on-resistance per unit area at the time of on is approximately obtained by the following equation.
R = αW / μqND
μ: μ (ND), Impurity concentration NDMobility of electrons
Where W = Ecε0εSi/ QNDSo R is
R = Ecε0εSiα / μq2ND 2 (2)
It becomes. QN from equations (1) and (2)DAnd using 2/3 as the optimal value of α,
R = BV2(27 / 8Ec 3ε0εSiμ) (3)
Is obtained. Here, the on-resistance R appears to be proportional to the square of the breakdown voltage BV, but EcAnd μ is NDTherefore, (1) in FIG. 13 is actually proportional to about 2.4 to 2.6 of BV.
[0009]
(2) in FIG. 13 shows the relationship between the ideal breakdown voltage and the ideal on-resistance of a MOSFET in which the structure of the lateral MOSFET shown in FIG. In this n-channel MOSFET, the flow direction of the drift current at the time of on is lateral, whereas the direction of the depletion layer extending at the time of off is not the lateral direction from the well end but the vertical direction from the well bottom (upward direction). ) Is faster. In order to obtain a high breakdown voltage with a depletion layer extending in the vertical direction, depletion from the pn junction surface (well bottom) between the low
SD= Ecε0εSi/ Q (4)
Limited to When the lateral length of the low-
BV = EcLβ (5)
It becomes. However, β is an unknown coefficient (0 <β <1). The ideal on-resistance R per unit area is
R = L2/ ΜqSD (6)
Can be obtained approximately. Therefore, if L is deleted from the expressions (5) and (6) and the expression (4) is substituted,
R = BV2/ Β2Ec 3ε0εSiμ (7)
[0010]
(3) in FIG. 13 shows the relationship between the ideal breakdown voltage and the ideal on-resistance of the structure of the lateral double diffusion n-channel MOSFET shown in FIG. In the structure of FIG. 11B, the p-
SD= 2Ecε0εSi/ Q (8)
In this case, the relationship between the ideal on-resistance R and the ideal breakdown voltage BV is
R = BV2/ 2β2Ec 3ε0εSiμ (9)
It becomes.
[0011]
Although (3) in FIG. 13 has a slightly improved trade-off relationship between on-resistance and withstand voltage compared to (2), it can only be set to twice as high as the current capacity and withstand voltage of the semiconductor element. The degree of design freedom is still low.
[0012]
In view of the above problems, the first problem of the present invention is to improve the structure of the drift region, thereby greatly reducing the trade-off relationship between the on-resistance and the withstand voltage, while maintaining a high withstand voltage. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of increasing current capacity by reducing resistance. A second object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of manufacturing the semiconductor device with high productivity.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the means taken by the present invention is to provide a drift region in a semiconductor device having a drift region that flows a drift current in an on state and depletes in an off state, such as a low concentration drain region of a MOSFET. As shown schematically in FIG. 1, a parallel split structure such as a layered structure, a fibrous structure, or a honeycomb structure is used, and is interposed between adjacent side surfaces (boundaries) of the first conductivity type split
[0014]
That is, as shown in FIG. 1A, the drift region is a parallel layered structure having two or more plate-like first conductivity type (for example, n-type) divided
[0015]
Further, the structure of the drift region shown in FIG. 1B is a fibrous structure, and the first conductive type (n-type) segmented
[0016]
Furthermore, the 1st conductivity type (n-type) division | segmentation drift path | route area |
[0017]
As can be clearly seen in FIG. 1A, the second conductivity type that separates the pn junction along the outside of the first conductivity type split
[0018]
When the semiconductor device is in the on state, a drift current flows through the plurality of parallel-connected divided
[0019]
In the present invention, the trade-off relational expression between the ideal on-resistance r and the ideal withstand voltage BV for the first conductivity type divided
r = NR = BV2/ 2β2Ec 3ε0εSiμ (10)
The relationship between the ideal on-resistance R and the ideal breakdown voltage BV of the entire parallel drift path group is
R = BV2/ 2Nβ2Ec 3ε0εSiμ (11)
It becomes. Therefore, it can be seen that the larger the number of divisions N of the drift region, the more a semiconductor device with a reduced on-resistance can be realized.
[0020]
That is, the present inventionA first conductivity type source region in the second conductivity type channel region;A drift region that flows laterally in the on state and depletes in the off stateMOS typeIn the semiconductor device, the drift region has a second conductivity interposed between a parallel drift path group having a plurality of first conductivity type divided drift path regions connected in parallel and adjacent first conductivity type divided drift path regions. The drift region is sandwiched between the insulating film on the semiconductor layer and the surface-side insulating film.The drift region and the channel region are in contactIt is characterized by being. With such a configuration, it is possible to reduce the on-resistance and increase the breakdown voltage.
[0021]
Here, it is desirable to form the insulating film on the semiconductor layer thicker than the surface-side insulating film. The drift region can be a superimposed parallel structure in which a layered first conductivity type divided drift path region and a layered second conductivity type partition region are alternately and repeatedly stacked, and this superimposed parallel structure is a semiconductor layer. It is sandwiched between the upper insulating film and the surface-side insulating film. The drift region may have a structure in which stripe-shaped first conductivity type divided drift path regions and stripe-shaped second conductivity type partition regions are alternately arranged along the surface of the insulating film on the semiconductor layer. it can.
[0022]
Further, in the present invention, the second conductivity type side end region is formed outside the outermost first conductivity type divided drift path region of the parallel drift path group, and the length of the second conductivity type side end region is increased.SagaSecond conductivity type partition areaAnd first conductivity type split drift path areaLength ofWhenEqualIn addition, the widths of the second conductivity type partition region and the first conductivity type split drift path region are equal.It is characterized byThe ThisWith this configuration, it is possible to reduce the on-resistance and increase the breakdown voltage.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0024]
2A is a plan view showing the SOI-MOSFET having a lateral structure according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cut showing a state cut along the line AA ′ in FIG. 2A. FIG. 2 and FIG. 2C are sectional views showing a state cut along the line BB 'in FIG.
[0025]
The structure of the SOI-MOSFET of this example is an offset gate structure of an n-channel MOSFET, similar to the structure shown in FIG. 10, and a p-type channel diffusion region formed on the insulating
[0026]
The drain /
[0027]
When the MOSFET is in the on state, n is passed through the
[0028]
Here, assuming that the ideal breakdown voltage BV is, for example, 100 V, the impurity concentration N of the n-type divided
When the width is 10 μm, 7.9 (m ohm · cm2)
When the width is 1 μm, 0.8 (m ohm · cm2)
When the width is 0.1 μm, 0.08 (m ohm · cm2)
Thus, when the width is 1 μm or less, a dramatic reduction in on-resistance is possible. If the width of the p-
[0029]
In particular, since the structure of the drift region in this example is a repetitive structure of striped pn on a plane, it can be formed by one photolithography, so that the cost of the device can be reduced by simplifying the manufacturing process. be able to.
[0030]
[Embodiment 2]
3A is a plan view showing a double diffusion n-channel MOSFET according to
[0031]
The double-diffused n-channel MOSFET structure of this example is an improvement of the structure shown in FIG.−Type or n−A drain /
[0032]
In the drain /
[0033]
Also in this example, in the off state, the depletion end from the pn junction Jb spreads in the path width direction in the n-type split
[0034]
Here, comparing the conventional structure shown in FIG. 11B with an ideal breakdown voltage of 100 V, the conventional structure shown in FIG. 11B has an on-resistance of about 0.5 (mΩ · cm).2On the other hand, in the structure of this example, when the divided
[0035]
[Embodiment 3]
4A is a plan view showing a lateral-structure SOI-MOSFET according to
[0036]
The SOI-MOSFET structure of this example is formed by a p-type
[0037]
Unlike the case of the first embodiment, the drain /
[0038]
Also in this layered structure, the ideal on-resistance is given by the above equation (11), and N is the number of stacked n-type divided
[0039]
By the way, the key technology of the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 is photolithography and ion implantation, whereas the key technology of this example shown in FIG. Crystal growth method for alternately and repeatedly laminating the p-
[0040]
In the case of this example, if the n-type divided
[0041]
[Embodiment 4]
FIG. 5A is a plan view showing a lateral MOSFET according to
[0042]
The MOSFET structure of this example is p−Type or n−P-type
[0043]
The drain /
[0044]
In this example, the on-resistance can be reduced and the breakdown voltage can be increased as in the third embodiment. The relationship between this example and the third embodiment shown in FIG. 4 corresponds to the relationship between the second embodiment shown in FIG. 3 and the first embodiment shown in FIG. Similar to the embodiment of FIG. 3 with respect to the embodiment of FIG. 2, this example can reduce the cost because it is not SOI.
[0045]
[Embodiment 5]
FIG. 6A is a cross-sectional view showing a lateral p-channel MOSFET according to
[0046]
The structure of this example is p−N-type
[0047]
In the case of this example, the number of divisions of the drain region is 1, and the p-type drain /
[0048]
[Embodiment 6]
FIG. 6B is a cross-sectional view showing an n-channel MOSFET having a lateral structure according to
[0049]
This example is a double-diffused n-channel MOSFET, p−Drain / drift region 22 (first n-type split drift path region 1) formed on the p-type semiconductor layer 4 (p-type
[0050]
The lower drain /
[0051]
As a manufacturing method for obtaining the structures of
[0052]
In the fifth embodiment, the n-type
[0053]
[Embodiment 7]
7A is a plan view showing a trench gate type n-channel MOSFET of a vertical structure according to
[0054]
The structure of this example is such that the back electrode (not shown) is in conductive contact.+
[0055]
As shown in FIGS. 8B and 9, the drain /
[0056]
In the off state, the
[0057]
Compared with the ideal on-resistance in the n-channel MOSFET having the ideal withstand voltage of 100 V (conventional structure shown in FIG. 12), in the conventional structure, the ideal on-resistance R = approximately 0.6 (mohm · cm2However, in this example, assuming that the depth (path length) of the n-type divided
When the thickness is 10 μm, 1.6 (m ohm · cm2)
When the thickness is 1 μm, 0.16 (m ohm · cm2)
When the thickness is 0.1 μm, 0.016 (m ohm · cm2)
Therefore, dramatic reduction in on-resistance is possible even in the order of μm. If the width of the p-
[0058]
As in this example, the repeating structure of the n-type divided
[0059]
The structure according to the present invention can be applied not only to the drain / drift region of a MOSFET, but also to a semiconductor region that becomes a drift region when turned on and becomes a depletion region when turned off, and is an IGBT, bipolar transistor, diode, JFET, thyristor, The present invention can be applied to almost all semiconductor elements such as MESFET and HEMT. Further, the conductivity type can be appropriately changed to a reverse conductivity type. Further, in FIG. 1, the parallel division drift group is shown in a layer shape, a fiber shape, a net shape, or a honeycomb shape, but is not limited thereto, and other repeated shapes can be adopted.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, the drift region in the present invention is between a parallel drift route group having a plurality of first conductivity type divided drift route regions connected in parallel and adjacent ones of the first conductivity type divided drift route regions. The drift region is sandwiched between the insulating film on the semiconductor layer and the surface-side insulating film.The drift region and the second conductivity type channel region are in contact with each other.It is characterized by being. With such a configuration, it is possible to reduce the on-resistance and increase the breakdown voltage.
[0061]
Further, in the present invention, the second conductivity type side end region is formed outside the outermost first conductivity type divided drift path region of the parallel drift path group, and the length of the second conductivity type side end region is increased.SagaSecond conductivity type partition areaAnd first conductivity type split drift path areaLength ofWhenEqualIn addition, the widths of the second conductivity type partition region and the first conductivity type split drift path region are equal.It is characterized byThe ThisWith this configuration, it is possible to reduce the on-resistance and increase the breakdown voltage.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are schematic views showing structures of drift regions in a semiconductor device according to the present invention.
2A is a plan view showing an SOI-MOSFET having a lateral structure according to
3A is a plan view showing a double-diffused n-channel MOSFET according to
4A is a plan view showing an SOI-MOSFET having a lateral structure according to
5A is a plan view showing a lateral structure MOSFET according to
6A is a cross-sectional view showing a lateral p-channel MOSFET according to
7A is a plan view showing a trench-gate n-channel MOSFET having a vertical structure according to
8A is a cross-sectional view showing a state cut along line BB ′ in FIG. 7A, and FIG. 8B is taken along line CC ′ in FIG. 7B. It is a sectional view showing the state where it cut.
9A is a cross-sectional view showing a state cut along a line DD ′ in FIG. 7A, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along a line EE ′ in FIG. It is a sectional view showing the state where it cut.
10A is a plan view showing a conventional SOI-MOSFET having a lateral structure, and FIG. 10B is a cross-sectional view thereof.
11A is a cross-sectional view showing another structure of a conventional lateral structure MOSFET, and FIG. 11B is a cross-sectional view showing the structure of a conventional double-diffused n-channel MOSFET.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a conventional trench gate type n-channel MOSFET.
FIG. 13 is a graph showing a trade-off relationship between ideal breakdown voltage and ideal on-resistance of various silicon n-channel MOSFETs.
[Explanation of symbols]
1 ... n-type split drift path area
1a: Connection site
2 ... p-type partition region
2a ... p-type side edge region
3 ... n-type channel diffusion layer
4 ... p−Type semiconductor layer
5 ... Semiconductor substrate
6 ... Insulating film
7 ... p-type channel diffusion layer
8 ... n+Type source area
9 ... n+Type drain region
10 ... Gate insulating film
11 ... Gate electrode with field plate
12 ... Thick insulating film
13 ... Channel inversion layer
14 ... p-type low concentration region
17 ... p-type channel diffusion region
18, 28 ... p+Type source area
19 ... p+Type drain region
21 ... Trench gate electrode
22 ... n-type low concentration drain layer
24 ... p-type top layer
27 ... p-type channel layer
29 ... n+Type drain layer
39 ... n-type low concentration drain layer
71 ... n+Type contact area
72 ... p+Type contact area
77 ... p-type channel diffusion layer
88 ... n+Type source area
90 ... n-type low concentration drain region (drain / drift region)
99 ... p-type drain region
100: Parallel drift path group
111 ... Trench gate electrode
90, 122, 139, 290 ... Drain drift region
e ... depletion end
Ja, Jb ... pn junction.
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