JP4202194B2 - Power semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体装置およびその製造方法、特に、トレンチゲート型MOSゲートデバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
大電流を制御する電力用半導体装置は家庭用電化製品から産業用装置の分野まで広く普及している。特に自動車用エレクトロニクスを支える半導体装置として、ABS等の油圧バルブ制御、パワーウインドウ等のモータ制御、さらに電気自動車のバッテリ直流電圧を交流に変換するインバータシステム等多くの部分に使用されている。
【0003】
インバータの高周波化と小型化の要求により、電力用半導体装置のなかでも、高速スイッチングが可能で、しかも電圧駆動であるため駆動回路を低損失にできるという特徴を有するMOS(Metal Oxide Semiconductor)ゲートデバイスが注目されている。MOSゲートデバイスは、電子または正孔どちらか一方がキャリアとして動作するユニポーラデバイスであるMOSFET(Field Effect Transistor)と、電子と正孔がともにキャリアとして動作するバイポーラデバイスであるIGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)とに大別できる。MOS FETは少数キャリアの蓄積がないため、特に高速性に優れている。
【0004】
電力用半導体装置に要求されている課題として、無効電力削減のためのオン抵抗の低減と、信頼性向上のための耐圧の向上がある。オン抵抗とはMOS FETの最も重要な特性の一つで、ドレインからソースまで、ドレイン電流が流れる素子内のすべての経路を通じた抵抗値を言い、主にチャネル領域の抵抗(チャネル抵抗)に支配されている。一方、耐圧とはドレイン−ソース間の耐圧を言い、オン抵抗とはトレードオフの関係にあることが知られている。
【0005】
チャネル抵抗を下げるために、半導体表面に狭く、深い溝(トレンチ)を掘って、その側面にゲートを形成するトレンチゲート構造が開発された。これにより電流経路がトレンチ側壁に3次元的に拡大したことで、飛躍的な低オン抵抗が実現できた。
【0006】
一方、耐圧を向上させるために、ボディ−p領域の下のn−ドリフト領域に、積層したp浮遊層を埋め込むことにより電界集中を緩和する構造が提案された(例えば非特許文献1参照)。
【0007】
また、トレンチゲートをドリフト領域深くまで形成し、トレンチ底部のゲート酸化膜を厚くして耐圧を向上させる構造も提案された(例えば非特許文献2参照。)。ゲート絶縁膜が薄い部分を深くするほど、オン抵抗が低減でき、耐圧とのトレードオフ関係を改善できる。
【0008】
【非特許文献1】
エヌ.チェザック(N.Cezac)他、「A New Generation of Power Unipolar Devices: the Concept of the FLoating Islands MOS Transistor」、ISPSD'2000、フランス、IEEE、2000年、p.69−72
【非特許文献2】
ワイ.馬場 他、「A STUDY ON A HIGH BLOCKING VOLTAGE UMOS-FET WITH A DOUBLE GATE STRUCTURE」、ISPSD'1992、日本、IEEE、1992年、p.300−302
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述の積層したp浮遊層を埋め込むことによるオン抵抗の低減は、ドリフト抵抗の低減が主である。したがって、オン抵抗にドリフト抵抗の占める割合の小さい低耐圧MOS FETでは、低減効果が小さく、複雑な積層構造を実現するための製造コストの増大を考慮すると、有効な構造ではない。
【0010】
また、トレンチゲートの微細化による、オン抵抗と耐圧のトレードオフの改善にもプロセス上の制約から限界がある。
【0011】
本発明はMOS FETにおいて、オン抵抗の低減と耐圧の向上を簡易なプロセスにより実現できる構造の提供を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の特徴は、n(p)型半導体基板に形成された第一のn(p)型ドリフト層と、この第一のn(p)型ドリフト層の表面に形成されたp(n)型空乏領域拡張層と、このp(n)型空乏領域拡張層の表面に形成された第二のn(p)型ドリフト層と、この第二のn(p)型ドリフト層の表面に形成されたp(n)型ボディ層と、このp(n)型ボディ層の表面に形成されたn(p)型ソース領域と、を備え、前記溝は前記n(p)型ソース領域、前記p(n)型ボディ層、前記第二のn(p)ドリフト層、前記p(n)型空乏領域拡張層を貫き前記第一のn(p)型ドリフト層に達するように形成され、前記p(n)型空乏領域拡張層の前記溝の側壁近傍に、n(p)型に転換させたn(p)型転換領域を備えることである。
【0013】
この構造によれば、キャリアはn(p)型転換領域を流れることができ、オフ動作時にp/n界面にて空乏層が広がるため耐圧が高くなり、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を改善できる。
【0014】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の他の特徴は、前記p(n)型ボディ層に接する前記ゲート絶縁膜の厚さは、前記p(n)型空乏領域拡張層および前記第一のn(p)型ドリフト層に接する前記ゲート絶縁膜の厚さに比べて薄いことである。
【0015】
この構成によれば、ゲートしきい値電圧を増大させること無く、ゲート絶縁膜の厚みの変化点近傍での電界集中を緩和でき、耐圧を向上することができる。
【0016】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の他の特徴は、前記第一n(p)型ドリフト層の不純物濃度は第二n(p)型ドリフト層よりも低濃度であることである。
【0017】
この構成によれば、トレンチ底部近傍での電界集中が緩和できるとともに、p型空乏領域拡張層からの空乏層がより広がるため、耐圧をさらに向上することができる。
【0018】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の他の特徴は、基板を第一のn(p)型ドリフト層とは反対の極性を持つ半導体基板としたことである。
【0019】
この構造によれば、基板の極性が第一のn(p)型ドリフト層と反対の極性をであっても、オン抵抗と耐圧とのトレードオフ関係を改善できる構造が実現できる。
【0020】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の他の特徴は、前記p(n)型ボディ層上部に接する前記ゲート絶縁膜の厚さは、前記p(n)型ボディ層下部、第二n(p)型ドリフト層、p(n)型空乏領域拡張層および第一n(p)型ドリフト層に接する前記ゲート絶縁膜の厚さに比べて薄いことである。
【0021】
この構造によれば、トレンチの上部であるゲート絶縁膜の膜厚はp型ボディ層に接する領域で変化することになるので、その近傍で生じる電界集中をさらに緩和できる。
【0022】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の製造方法の特徴は、n(p)型半導体基板に第一のn(p)型ドリフト層と、p(n)型空乏領域拡張層と、第二のn(p)型ドリフト層と、を順にエピタキシャル成長する工程と、前記n(p)型ソース領域、前記p(n)型ボディ層、前記p(n)型空乏領域拡張層を貫き前記第一のn(p)型ドリフト層に達する溝を形成する工程と、前記p(n)型空乏領域拡張層の前記溝の側壁近傍に、n(p)型に転換させたn(p)型転換領域を形成する工程と、を含むことである。
【0023】
この方法によれば、キャリアの通路を確保した、空乏領域拡張層を形成することができる。
【0024】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の製造方法の他の特徴は、前記溝を埋めるように第一のシリコン酸化膜を堆積さする工程と、前記第一のシリコン酸化膜を異方性ドライエッチング法により、所定の深さまでエッチングする工程と、前記溝の第一のシリコン酸化膜がエッチングされた内壁に、前記第一のシリコン酸化膜の厚みより薄い第二のシリコン酸化膜を形成する工程と、を含むことである。
【0025】
この方法によれば、トレンチ内に厚みの異なるゲート絶縁膜を形成することができる。
【0026】
本発明の電力用トレンチゲート型半導体装置の製造方法の他の特徴は、前記溝の内壁に第一のシリコン酸化膜を形成する工程と、前記第一のシリコン酸化膜が形成された前記溝にレジストを充填させる工程と、前記レジストを所定の所定の深さまでエッチバックする工程と、前記エッチバックされたレジストをエッチングマスクとして前記第一のシリコン酸化膜をエッチングする工程と、前記溝の第一のシリコン酸化膜がエッチングされた内壁に、前記第一のシリコン酸化膜の厚みより薄い第二のシリコン酸化膜を形成する工程と、を含むことである。
【0027】
この方法によっても、トレンチ内に厚みの異なるゲート絶縁膜を形成することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
実施形態1.
[デバイスの構造]
図1は実施形態1にかかるMOS FET1の断面図である。シリコンからなるn+型基板2に第一n型ドリフト層3、p型空乏領域拡張層4、第二n型ドリフト層5、p型ボディ層8が順に積層されており、p型ボディ層8の表面にはn+型ソース領域9が形成されている。n+型ソース領域9表面からp型ボディ層8、第二n型層ドリフト層5および空乏領域拡張層4を貫き、第一n型ドリフト層3に達する溝6が形成されており、溝内にはゲート絶縁膜10を介して埋め込み電極(ゲート電極)11が設けられている。n+半導体基板2の裏面にはドレイン電極14が形成されており、p型ボディ層8の表面には、層間絶縁膜12によって埋め込み電極(ゲート電極)11と絶縁され、ソース領域9と電気的に接続されてソース電極13が形成されている。本発明において特徴的な構造は、第一n型ドリフト層3と第二n型ドリフト層5の間にp型空乏領域拡張層4が挟まれ、p型空乏領域拡張層4の前記溝6の側壁近傍領域は、p型からn型に転換された転換領域7が形成されていることである。
【0029】
実施形態1のMOS FET1はn型基板であって、キャリアが電子であるnチャネル型であるが、半導体各層、領域の導電型はそれぞれ逆の導電型とし、ホールをキャリアとしたpチャネル型でも良い。例えば、基板、およびソース領域等がp型であり、ボディ領域がn型でもよい。また、基板は第一のn(p)型ドリフト層とは反対の極性を持つ半導体基板であってもよい。さらに本実施例では半導体としてシリコンを用いたが、化合物半導体を用いることも可能である。
【0030】
[デバイスの動作]
図2を用いて、MOS FET1のオン動作を説明する。まず、ドレイン電極14に正電圧、例えば、2Vを印加し、ソース電極13を接地させる。この状態において、ゲート電極11に正電圧、例えば、5Vを印加すると、p型ボディ層8中の電子は、埋め込み電極11に引き寄せられ、溝6の近傍領域にn型のチャネルが形成される。これにより、ソース電極13から供給された電子は、n+型ソース領域9から第二n型ドリフト層5、n型転換領域7、第一n型ドリフト層3、n+型基板2を通り、ドレイン電極14に到達する。この電子の流れを矢印で示す。
【0031】
次に、図3を用いて、MOS FET1のオフ動作を説明する。ゲート電極11を正電圧から負電圧もしくは接地にすると、p型ボディ層7中のn型のチャネルが無くなり、電流は流れることはできない。MOS FET1がオフ動作の時、第二n型ドリフト層5とp型ボディ層8の界面、p型空乏領域拡張層4と第二n型層ドリフト5および第一n型ドリフト層3とp型空乏領域拡張層4の界面にあるp/n接合部から空乏層が広がり、ソース電極13からドレイン電極14に電子が流れるのを阻止する。
【0032】
実施形態1のMOS FET1によれば、オン抵抗を低減し、耐圧を向上することができる。チャネル抵抗およびドリフト抵抗はp型ボディ層8および第一n型ドリフト層3の不純物濃度が高くなるほど、抵抗は下がるが、空乏層が狭くなるため、耐圧が下がり、不純物濃度が小さくなるほど、抵抗は上がるが、空乏層が広がるため、耐圧が上がる。実施形態1のMOS FET1ではp型空乏領域拡張層4により、従来構造と比べて、空乏領域が広がるため、耐圧が高くなる。したがって、オン抵抗を下げるため、第二n型ドリフト層5および第一n型ドリフト層3の不純物濃度を上げても、従来構造に比べ高い耐圧を持たせることができる。
【0033】
さらに、第一n型ドリフト層の不純物濃度を第二n型ドリフト層よりも低濃度にすることも好ましい。この構成によれば、トレンチ底部近傍での電界集中が緩和できるとともに、p型空乏領域拡張層からの空乏層がより広がるため、耐圧をさらに向上することができる。
【0034】
また、p型ボディ層上部に接する前記ゲート絶縁膜の厚さは、p型ボディ層下部、第二n型ドリフト層、p型空乏領域拡張層および第一n型ドリフト層に接する前記ゲート絶縁膜の厚さに比べて薄いことも好ましい。この構造によれば、トレンチの上部であるゲート絶縁膜の膜厚はp型ボディ層に接する領域で変化することになるので、その近傍で生じる電界集中をさらに緩和できる。この構造の場合、ゲートしきい値電圧に対する影響を考慮し、デバイスの要求される特性に応じた構造の最適化が重要である。
【0035】
実施形態2.
[デバイスの構造]
図4は実施形態2にかかるMOS FET100の断面図である。実施形態2のMOS FET100は実施形態1のMOS FET1の構造に加え、前記p型ボディ層領域における前記ゲート絶縁膜の厚みは、前記p型空乏領域拡張層および前記第一のn型ドリフト層領域における厚みに比べて薄いことを特徴とする。
【0036】
溝6の底部でゲート絶縁膜10を厚くすることにより、埋め込み電極11先端部の電界の集中が緩和され、ドレイン−ソース間の耐圧を向上することができるが、n型チャネルを形成するp型ボディ層8領域においては、ゲートしきい値電圧を上げないようにゲート絶縁膜10は薄いことが望ましい。上記の領域別にゲート絶縁膜10の厚みを最適化させるためにゲート絶縁膜の厚みが変る厚み境界10aが存在する。
【0037】
実施形態2の構造によれば、ゲート絶縁膜の厚み境界10aの近傍のドリフト層領域において、起こる電界集中を緩和することができ、耐圧を向上することができる。
【0038】
[電界分布のシミュレーション]
実施形態2のMOS FET100の構造における、電界分布をシミュレートし、耐圧とオン抵抗を求めた。図5(A)は実施形態2のMOS FET100のトレンチ溝6近傍の断面構造とブレークダウン時の電界分布を示し、図5(B)は比較例として実施形態2のMOS FET100の構造からp型空乏領域拡張層4を無くした構造の、トレンチ溝6近傍の断面構造とブレークダウン時の電界分布を示す。
【0039】
p型空乏領域拡張層4のない構造では、溝の底6aの近傍および、ゲート絶縁膜の厚み境界10aの近傍で電界が集中していることがわかる。この電界集中を詳細に検討するため、図5(B)のA−A断面での電界強度分布を図6(B)に示す。この分布より、厚み境界10a近傍での電界強度が最も高く、この領域でこのMOS FETの耐圧が決定されることがわかる。
【0040】
一方、実施形態2のMOS FET100の構造では、比較例と同様に溝の底6aの近傍および、ゲート絶縁膜の厚み境界10aの近傍で電界が集中しているが、分布はより下方へ広がっていることがわかる。さらに、図5(A)のA−A断面での電界強度分布は図6(A)に示すように、相対的に溝の底6a近傍の電界強度が増し、電界が分散していることがわかる。
【0041】
この電界強度分布の結果、耐圧は比較例では約46Vであるが、実施形態2のMOS FET100の構造では約65Vと向上した。
【0042】
耐圧とオン抵抗のトレードオフ関係の改善効果をみるため、耐圧に対して、規格化オン抵抗(Ω・mm2)をプロットした結果を図7に示す。p型空乏領域拡張層4のない構造の特性を黒丸、実施形態2のMOS FET100の構造の特性を黒三角でプロットした。本実施形態2のMOS FET100によれば、規格化オン抵抗(Ω・mm2)が10%低減でき、耐圧とオン抵抗のトレードオフ関係が改善したことがわかる。
【0043】
実施形態3.
[デバイスの構造]
図21は実施形態3に係るIGBT200の断面図である。このIGBT200は、実施形態1または実施形態2の構造におけるn+型基板2に代えてp+型基板33を適用したものである。
【0044】
実施形態3の構造によれば、p型空乏領域拡張層4にコレクタから注入されるホールが蓄積し、表面近傍のキャリア濃度が上昇することにより、従来のIGBTよりも低抵抗化することができる。
【0045】
さらに実施形態3の構造によれば、従来のIGBTの電動度変調効果が損なわれにくい。また、p型空乏層拡散層4があるため、負荷短絡時にJFET効果により短絡電流が低減し、負荷短絡耐量が向上する。
【0046】
[デバイスの製造方法]
MOS FET100の製造工程を図を用いて説明する。図8から図10はこれを説明するための工程図である。
【0047】
図8に示すように、n+型シリコン基板2に第一n型ドリフト層3、p型層(空乏領域拡張層)4、第二n型ドリフト層5を順にエピタキシャル成長により積層させる。
【0048】
次に図9に示すように、第二n型ドリフト層5および空乏領域拡張層4を貫通し第一n型ドリフト層3まで到達する溝(トレンチ)6を形成する。まず、エピタキシャル成長を行った第二n型ドリフト層5の表面の全面にHTOCVD(高温酸化膜化学気相堆積)法によりHTO(高温酸化)膜を形成した後、この表面にトレンチ開口パターンのフォトリソグラフィーおよびHTO膜エッチングを行い、HTO膜にトレンチ溝開口パターンを形成する。次に、パターニングしたHTO膜をエッチングマスク30として、CF系およびHBr系ガス等を用いたRIE(反応性イオンエッチング装置)などの異方性ドライエッチングにより第二n型ドリフト層5およびp型空乏領域拡張層4を貫通し第一n型ドリフト層3まで到達するトレンチ6を形成する。
【0049】
次に、図10に示すように、トレンチ6の側壁に斜めイオン注入技術を用いてn型転換領域7を形成する。このイオン注入工程により、p型空乏領域拡張層4のトレンチ側壁もn型領域となり、トレンチ側壁は全てn型領域となる。
【0050】
次にトレンチ内壁にゲート絶縁膜10を形成する。図11に示すように、基板全面に第一のシリコン酸化膜20をCVD法により、溝を埋めるように堆積させる。第一のシリコン酸化膜20は、トレンチ側壁近傍では高い密度で堆積し、中央部は疎な密度で堆積する。
【0051】
さらに、HTO膜によるエッチングマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング装置)などの異方性ドライエッチングにより、図12に示すように、第一のシリコン酸化膜20をトレンチ側壁近傍において、厚み境界10aの位置まで、エッチングする。トレンチを埋める第一のシリコン酸化膜20は、トレンチ側壁近傍は密度が高いため、エッチングレートが低く、中央部は密度が疎であるため、エッチングレートが高い。したがって、トレンチ中央部では第一のシリコン酸化膜20はトレンチ側壁近傍より、深くエッチングされる。
【0052】
次に、図13に示すように、トレンチ側壁の第一のシリコン酸化膜20の上の部分に第二のシリコン酸化膜を形成する。基板全面に熱酸化を行うと、トレンチ側壁のシリコン露出部は第二のシリコン酸化膜21となり、第一のシリコン酸化膜20と合わせてトレンチ底部にて厚みの厚いゲート絶縁膜10を形成することができる。第二のシリコン酸化膜の形成はCVD法による堆積によってもよい。
【0053】
次に、図14に示すように、トレンチに埋め込み電極11を形成する。CVD法により、全面にポリシリコン層を溝を埋めるように堆積させ、リンを高濃度に注入・拡散して高導電率化を図り、埋め込み電極11とする。
【0054】
次に、図15に示すように、第二n型ドリフト層5表面に、拡散により、p型ボディ層8を形成し、p型ボディ層8表面のトレンチ開口近傍領域にn+型ソース領域9を形成する。
【0055】
以降は一般的なMOS FETの作製プロセスと同様に、層間絶縁膜、コンタクト、ソース電極13およびn+半導体基板2の裏面にはドレイン電極14を形成し、MOS FET100が完成する。
【0056】
なお、p型ボディ層8の拡散による形成は、溝6のエッチング前に行うこともできる。
【0057】
また、トレンチ内にて厚みの異なるゲート絶縁膜10を形成するもう一つの方法がある。まず、トレンチ6形成後、図17に示すように、第一のシリコン酸化膜20をトレンチ6を完全に充填しない厚みで形成する。第一のシリコン酸化膜20の形成は、熱酸化によるものでもよいし、CVD法によるシリコン酸化膜の堆積によるものでもよい。
【0058】
次に、図18に示すように、基板の全面に有機系のレジストを塗布し、トレンチ6内に充填させる。
【0059】
次に、レジストを所定の深さまでエッチバックし、このエッチバックしたレジストをエッチングマスクとして、図19に示すように第一のシリコン酸化膜20のエッチングを行う。
【0060】
次に、レジストを除去した後、図20に示すように、第一のシリコン酸化膜20の上の部分に第二のシリコン酸化膜21を形成する。基板全面を熱酸化を行うと、トレンチ側壁のシリコン露出部はシリコン酸化膜21となり、シリコン酸化膜20と合わせて、トレンチ底部にて厚みの厚いゲート絶縁膜10を形成することができる。第二のシリコン酸化膜の形成はCVD法による堆積のよってもよい。
【0061】
以上はMOS FETの作製プロセスを例に説明したが、トレンチ構造のMOSゲートを有するデバイス、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)などにも用いることができる。
【0062】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態にかかるMOS FET1の断面構造である。
【図2】 本発明の実施形態にかかるMOS FET1オン動作時の電子の経路を示す図である。
【図3】 本発明の実施形態にかかるMOS FET1オフ動作時の空乏層の形成されるp/n接合部を示す図である。
【図4】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の断面構造を示す図である。
【図5】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100のブレークダウン時の電界分布を示す図である。
【図6】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100のブレークダウン時の電界分布におけるA−A断面での電界強度分布を示す図である。
【図7】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の耐圧とオン抵抗のトレードオフ関係の改善効果をみるため、耐圧に対して、規格化オン抵抗(Ω・mm2)をプロットした図である。
【図8】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、エピタキシャル成長後の積層を示す図である。
【図9】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、溝の断面形状を示す図である。
【図10】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、n型転換領域の形成を示す図である。
【図11】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、溝に第一のシリコン酸化膜を堆積させる工程を示す図である。
【図12】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、第一のシリコン酸化膜のエッチング形状を示す断面図である。
【図13】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、トレンチ側壁の厚み境界から上の部分にゲート絶縁膜を形成する工程を示す図である。
【図14】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、埋め込み電極を形成する工程を示す図である。
【図15】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、p型ボディ層8およびn+型ソース領域9の形成を示す図である。
【図16】 本発明の実施形態2にかかるMOS FET100の製造工程を説明するための工程図であって、ソース電極およびドレイン電極14の形成を示す図である。
【図17】 厚みの異なるゲート絶縁膜を形成するためのもう一つの方法を説明するための工程図であって、溝に第一のシリコン酸化膜を形成させる工程を示す図である。
【図18】 厚みの異なるゲート絶縁膜を形成するためのもう一つの方法を説明するための工程図であって、溝にレジストを充填させる工程を示す図である。
【図19】 厚みの異なるゲート絶縁膜を形成するためのもう一つの方法を説明するための工程図であって、エッチバックしたレジストをエッチングマスクとして第一のシリコン酸化膜をエッチングする工程を示す図である。
【図20】 厚みの異なるゲート絶縁膜を形成するためのもう一つの方法を説明するための工程図であって、第二のシリコン酸化膜を形成する工程を示す図である。
【図21】 本発明の実施形態3に係るIGBT200の断面図である。
【符号の説明】
1,100 MOS FET、2 n+型基板、3 第一n型ドリフト層、4p型空乏領域拡張層、5 第二n型ドリフト層、6 溝、7 n型転換領域、8 p型ボディ層、9 n+型ソース領域、10 ゲート絶縁膜、11 埋め込み電極(ゲート電極)、12 層間絶縁膜、13 ソース電極、14 ドレイン電極、20 第一のシリコン酸化膜、21 第二のシリコン酸化膜、30 エッチングマスク、32 レジスト、33 p+型基板、 200 IGBT。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a trench gate type MOS gate device.
[0002]
[Prior art]
Power semiconductor devices that control large currents are widely used from household appliances to industrial devices. In particular, semiconductor devices that support automobile electronics are used in many parts such as hydraulic valve controls such as ABS, motor controls such as power windows, and inverter systems that convert battery DC voltage of electric vehicles into alternating current.
[0003]
A MOS (Metal Oxide Semiconductor) gate device having the characteristics that high-speed switching is possible among power semiconductor devices due to demands for high frequency and miniaturization of the inverter, and the drive circuit can be reduced in loss because of voltage drive. Is attracting attention. MOS gate devices are MOSFET (Field Effect Transistor), which is a unipolar device in which either electrons or holes operate as carriers, and IGBT (Insulated Gate Bipolor Transistor), which is a bipolar device in which both electrons and holes operate as carriers. And can be broadly divided. Since MOS FETs do not accumulate minority carriers, they are particularly excellent in high speed performance.
[0004]
Problems required for power semiconductor devices include a reduction in on-resistance for reducing reactive power and an increase in breakdown voltage for improving reliability. On-resistance is one of the most important characteristics of MOS FETs. It refers to the resistance value from the drain to the source through all the paths in the element where the drain current flows, and is mainly governed by the resistance of the channel region (channel resistance). Has been. On the other hand, the breakdown voltage refers to the breakdown voltage between the drain and the source, and it is known that the ON resistance is in a trade-off relationship.
[0005]
In order to lower the channel resistance, a trench gate structure has been developed in which a narrow and deep groove (trench) is dug in the semiconductor surface and a gate is formed on the side surface. As a result, the current path is three-dimensionally expanded on the trench side wall, thereby realizing a dramatic low on-resistance.
[0006]
On the other hand, in order to improve the breakdown voltage, a structure has been proposed in which electric field concentration is mitigated by embedding a stacked p floating layer in an n-drift region below the body-p region (see Non-Patent
[0007]
In addition, a structure has been proposed in which the trench gate is formed deep into the drift region and the gate oxide film at the bottom of the trench is thickened to improve the breakdown voltage (see, for example, Non-Patent Document 2). As the gate insulating film becomes deeper, the on-resistance can be reduced and the trade-off relationship with the breakdown voltage can be improved.
[0008]
[Non-Patent Document 1]
N. N. Cezac et al., “A New Generation of Power Unipolar Devices: The Concept of the Floating Islands MOS Transistor”, ISPSD '2000, France, IEEE, 2000, p. 69−72
[Non-Patent Document 2]
Wy. Baba et al. “A STUDY ON A HIGH BLOCKING VOLTAGE UMOS-FET WITH A DOUBLE GATE STRUCTURE”, ISPSD '1992, Japan, IEEE, 1992, p. 300−302
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The reduction of the on-resistance by embedding the laminated p floating layer described above is mainly the reduction of the drift resistance. Therefore, the low breakdown voltage MOS FET in which the ratio of the drift resistance to the on-resistance is small, the reduction effect is small, and it is not an effective structure in consideration of an increase in manufacturing cost for realizing a complicated stacked structure.
[0010]
In addition, improvement in the trade-off between on-resistance and breakdown voltage due to miniaturization of the trench gate is limited due to process limitations.
[0011]
It is an object of the present invention to provide a structure capable of realizing a reduction in on-resistance and an improvement in breakdown voltage by a simple process in a MOS FET.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The power trench gate type semiconductor device of the present invention is characterized by the first n (p) type drift layer formed on the n (p) type semiconductor substrate and the surface of the first n (p) type drift layer. P (n) type depletion region extension layer formed on the surface, a second n (p) type drift layer formed on the surface of the p (n) type depletion region extension layer, and the second n (p ) Type p-type body layer formed on the surface of the drift layer and an n (p) -type source region formed on the surface of the p (n) -type body layer. (P) type source region, said p (n) type body layer, said second n (p) drift layer, said first n (p) type drift layer penetrating through said p (n) type depletion region extension layer N (p) type conversion that is converted to n (p) type in the vicinity of the side wall of the groove of the p (n) type depletion region expansion layer. It is to comprise a region.
[0013]
According to this structure, carriers can flow through the n (p) type conversion region, and the depletion layer spreads at the p / n interface during the off operation, so that the breakdown voltage increases, and the trade-off relationship between on-resistance and breakdown voltage is obtained. Can improve.
[0014]
Another feature of the power trench gate type semiconductor device of the present invention is that the thickness of the gate insulating film in contact with the p (n) type body layer is different from that of the p (n) type depletion region extension layer and the first type. The thickness is smaller than the thickness of the gate insulating film in contact with the n (p) type drift layer.
[0015]
According to this configuration, the electric field concentration in the vicinity of the change point of the thickness of the gate insulating film can be alleviated without increasing the gate threshold voltage, and the breakdown voltage can be improved.
[0016]
Another feature of the power trench gate type semiconductor device of the present invention is that the impurity concentration of the first n (p) type drift layer is lower than that of the second n (p) type drift layer.
[0017]
According to this configuration, the electric field concentration in the vicinity of the bottom of the trench can be alleviated and the depletion layer from the p-type depletion region expansion layer can be further expanded, so that the breakdown voltage can be further improved.
[0018]
Another feature of the power trench gate type semiconductor device of the present invention is that the substrate is a semiconductor substrate having a polarity opposite to that of the first n (p) type drift layer.
[0019]
According to this structure, even if the polarity of the substrate is opposite to that of the first n (p) type drift layer, a structure that can improve the trade-off relationship between the on-resistance and the breakdown voltage can be realized.
[0020]
Another feature of the power trench gate type semiconductor device of the present invention is that the thickness of the gate insulating film in contact with the upper part of the p (n) type body layer is lower than the lower part of the p (n) type body layer. The thickness is smaller than the thickness of the gate insulating film in contact with the p) type drift layer, the p (n) type depletion region extension layer, and the first n (p) type drift layer.
[0021]
According to this structure, since the film thickness of the gate insulating film, which is the upper part of the trench, changes in the region in contact with the p-type body layer, the electric field concentration occurring in the vicinity thereof can be further relaxed.
[0022]
The manufacturing method of the power trench gate type semiconductor device of the present invention is characterized in that an n (p) type semiconductor substrate has a first n (p) type drift layer, a p (n) type depletion region expansion layer, and a second type. The n (p) -type drift layer of the first epitaxial layer, the n (p) -type source region, the p (n) -type body layer, and the p (n) -type depletion region extension layer. Forming a trench reaching the n (p) type drift layer of the n (p) type, and converting the n (p) type to the n (p) type in the vicinity of the sidewall of the trench of the p (n) type depletion region expansion layer Forming a region.
[0023]
According to this method, it is possible to form a depletion region expansion layer that secures a carrier path.
[0024]
Another feature of the method for manufacturing a power trench gate type semiconductor device according to the present invention is that a step of depositing a first silicon oxide film so as to fill the trench, and an anisotropic dry process of the first silicon oxide film are performed. Etching to a predetermined depth by an etching method, and forming a second silicon oxide film thinner than the thickness of the first silicon oxide film on the inner wall of the groove where the first silicon oxide film is etched And including.
[0025]
According to this method, gate insulating films having different thicknesses can be formed in the trench.
[0026]
Another feature of the method for manufacturing a power trench gate type semiconductor device of the present invention is that a step of forming a first silicon oxide film on the inner wall of the groove, and a step of forming the first silicon oxide film in the groove A step of filling the resist, a step of etching back the resist to a predetermined depth, a step of etching the first silicon oxide film using the etched back resist as an etching mask, and a first of the grooves Forming a second silicon oxide film thinner than the thickness of the first silicon oxide film on the inner wall where the silicon oxide film is etched.
[0027]
Also by this method, gate insulating films having different thicknesses can be formed in the trench.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Device structure]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
[0029]
The
[0030]
[Device operation]
The ON operation of the
[0031]
Next, the off operation of the
[0032]
According to the
[0033]
Furthermore, it is also preferable that the impurity concentration of the first n-type drift layer is lower than that of the second n-type drift layer. According to this configuration, the electric field concentration in the vicinity of the bottom of the trench can be alleviated and the depletion layer from the p-type depletion region expansion layer can be further expanded, so that the breakdown voltage can be further improved.
[0034]
The thickness of the gate insulating film in contact with the upper part of the p-type body layer is such that the gate insulating film in contact with the lower part of the p-type body layer, the second n-type drift layer, the p-type depletion region extension layer, and the first n-type drift layer. It is also preferable that the thickness is smaller than the thickness of. According to this structure, since the film thickness of the gate insulating film, which is the upper part of the trench, changes in the region in contact with the p-type body layer, the electric field concentration occurring in the vicinity thereof can be further relaxed. In the case of this structure, considering the influence on the gate threshold voltage, it is important to optimize the structure in accordance with the required characteristics of the device.
[0035]
[Device structure]
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
[0036]
By thickening the
[0037]
According to the structure of the second embodiment, the electric field concentration occurring in the drift layer region near the
[0038]
[Simulation of electric field distribution]
The electric field distribution in the structure of the
[0039]
It can be seen that in the structure without the p-type depletion
[0040]
On the other hand, in the structure of the
[0041]
As a result of this electric field strength distribution, the breakdown voltage was about 46 V in the comparative example, but improved to about 65 V in the structure of the
[0042]
FIG. 7 shows the result of plotting the normalized on-resistance (Ω · mm 2 ) against the breakdown voltage in order to see the improvement effect of the trade-off relationship between the breakdown voltage and the on-resistance. The characteristics of the structure without the p-type depletion
[0043]
[Device structure]
FIG. 21 is a cross-sectional view of an
[0044]
According to the structure of the third embodiment, holes injected from the collector are accumulated in the p-type depletion
[0045]
Furthermore, according to the structure of the third embodiment, the power modulation effect of the conventional IGBT is not easily impaired. Further, since the p-type depletion
[0046]
[Device manufacturing method]
A manufacturing process of the
[0047]
As shown in FIG. 8, a first n-
[0048]
Next, as shown in FIG. 9, a groove (trench) 6 that penetrates the second n-
[0049]
Next, as shown in FIG. 10, an n-
[0050]
Next, the
[0051]
Further, an etching mask is formed by an HTO film, and anisotropic dry etching such as RIE (reactive ion etching apparatus) is used to form the first
[0052]
Next, as shown in FIG. 13, a second silicon oxide film is formed on the trench sidewall on the first
[0053]
Next, as shown in FIG. 14, the buried
[0054]
Next, as shown in FIG. 15, a p-
[0055]
Thereafter, the
[0056]
The formation of the p-
[0057]
There is another method for forming the
[0058]
Next, as shown in FIG. 18, an organic resist is applied to the entire surface of the substrate and filled in the
[0059]
Next, the resist is etched back to a predetermined depth, and the first
[0060]
Next, after removing the resist, a second
[0061]
The above description has been made by taking the manufacturing process of the MOS FET as an example, but it can also be used for a device having a MOS gate having a trench structure, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolor Transistor).
[0062]
The embodiments of the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional structure of a
FIG. 2 is a diagram showing an electron path when the
FIG. 3 is a diagram showing a p / n junction where a depletion layer is formed when the
FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of a
FIG. 5 is a diagram showing an electric field distribution at the time of breakdown of the
FIG. 6 is a diagram showing an electric field strength distribution along an AA section in an electric field distribution at the time of breakdown of the
FIG. 7 is a graph plotting normalized on-resistance (Ω · mm 2 ) against breakdown voltage in order to see the effect of improving the trade-off relationship between breakdown voltage and on-resistance of the
FIG. 8 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 9 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 10 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 11 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 12 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 13 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 14 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 15 is a process diagram for explaining a manufacturing process of the
FIG. 16 is a process diagram for explaining the manufacturing process of the
FIG. 17 is a process diagram for explaining another method for forming gate insulating films having different thicknesses, and showing a process of forming a first silicon oxide film in a groove;
FIG. 18 is a process diagram for explaining another method for forming gate insulating films having different thicknesses, and showing a process of filling a groove with a resist.
FIG. 19 is a process diagram for explaining another method for forming gate insulating films having different thicknesses, and showing a process of etching the first silicon oxide film using the etched back resist as an etching mask; FIG.
FIG. 20 is a process diagram for explaining another method for forming gate insulating films having different thicknesses, and showing a process of forming a second silicon oxide film.
FIG. 21 is a cross-sectional view of an
[Explanation of symbols]
1,100 MOS FET, 2 n + type substrate, 3 first n type drift layer, 4 p type depletion region expansion layer, 5 second n type drift layer, 6 groove, 7 n type conversion region, 8 p type body layer, 9 n + -type source region, 10 gate insulating film, 11 buried electrode (gate electrode), 12 interlayer insulating film, 13 source electrode, 14 drain electrode, 20 first silicon oxide film, 21 second silicon oxide film, 30 Etching mask, 32 resist, 33 p + type substrate, 200 IGBT.
Claims (8)
n(p)型半導体基板に形成された第一のn(p)型ドリフト層と、
この第一のn(p)型ドリフト層の表面に形成されたp(n)型空乏領域拡張層と、
このp(n)型空乏領域拡張層の表面に形成された第二のn(p)型ドリフト層と、
この第二のn(p)型ドリフト層の表面に形成されたp(n)型ボディ層と、
このp(n)型ボディ層の表面に形成されたn(p)型ソース領域と、
を備え、
前記溝は前記n(p)型ソース領域、前記p(n)型ボディ層、前記第二のn(p)ドリフト層、前記p(n)型空乏領域拡張層を貫き前記第一のn(p)型ドリフト層に達するように形成され、
前記p(n)型空乏領域拡張層の前記溝の側壁近傍に、n(p)型に転換させたn(p)型転換領域を備えることを特徴とする電力用トレンチゲート型半導体装置。In a power trench gate type semiconductor device comprising a gate electrode embedded in a trench through a gate insulating film,
a first n (p) type drift layer formed on an n (p) type semiconductor substrate;
A p (n) type depletion region extension layer formed on the surface of the first n (p) type drift layer;
A second n (p) type drift layer formed on the surface of the p (n) type depletion region expansion layer;
A p (n) type body layer formed on the surface of the second n (p) type drift layer;
An n (p) type source region formed on the surface of the p (n) type body layer;
With
The trench penetrates the first n (p) source region, the p (n) body layer, the second n (p) drift layer, and the p (n) depletion region extension layer. p) formed to reach the drift layer,
A power trench gate type semiconductor device comprising an n (p) type conversion region converted into an n (p) type in the vicinity of the side wall of the groove of the p (n) type depletion region expansion layer.
前記p(n)型ボディ層に接する前記ゲート絶縁膜の厚さは、前記p(n)型空乏領域拡張層および前記第一のn(p)型ドリフト層に接する前記ゲート絶縁膜の厚さと比べて薄いことを特徴とする電力用トレンチゲート型半導体装置。The power trench gate type semiconductor device according to claim 1,
The thickness of the gate insulating film in contact with the p (n) type body layer is equal to the thickness of the gate insulating film in contact with the p (n) type depletion region extension layer and the first n (p) type drift layer. A power trench gate type semiconductor device characterized by being thinner.
前記第一のn(p)型ドリフト層の不純物濃度は第二のn(p)型ドリフト層よりも低濃度であることを特徴とする電力用トレンチゲート型半導体装置。It is a power trench gate type semiconductor device according to claim 1 or 2,
A power trench gate type semiconductor device, wherein the impurity concentration of the first n (p) type drift layer is lower than that of the second n (p) type drift layer.
基板を第一のn(p)型ドリフト層とは反対の極性を持つ半導体基板としたことを特徴とする電力用トレンチ型半導体装置。It is a power trench gate type semiconductor device according to claim 1 or 3,
A power trench type semiconductor device, wherein the substrate is a semiconductor substrate having a polarity opposite to that of the first n (p) type drift layer.
前記p(n)型ボディ層上部に接する前記ゲート絶縁膜の厚さは、前記p(n)型ボディ層下部、第二のn(p)型ドリフト層、p(n)型空乏領域拡張層および第一のn(p)型ドリフト層に接する前記ゲート絶縁膜の厚さに比べて薄いことを特徴とする電力用トレンチゲート型半導体装置。It is a power trench gate type semiconductor device according to claim 1 or 3,
The thickness of the gate insulating film in contact with the upper part of the p (n) type body layer is as follows: the lower part of the p (n) type body layer, the second n (p) type drift layer, and the p (n) type depletion region extension layer. And a power trench gate type semiconductor device characterized by being thinner than a thickness of the gate insulating film in contact with the first n (p) type drift layer.
n(p)型半導体基板に第一のn(p)型ドリフト層と、p(n)型空乏領域拡張層と、第二のn(p)型ドリフト層と、を順にエピタキシャル成長する工程と、
前記n(p)型ソース領域、前記p(n)型ボディ層、前記第二のn(p)型ドリフト層、前記p(n)型空乏領域拡張層を貫き前記第一のn(p)型ドリフト層に達する溝を形成する工程と、
前記p(n)型空乏領域拡張層の前記溝の側壁近傍に、n(p)型に転換させたn(p)型転換領域を形成する工程と、
を含むことを特徴とする電力用トレンチゲート型半導体装置の製造方法。A method of manufacturing a power trench gate type semiconductor device comprising a gate electrode embedded in a trench through a gate insulating film,
a step of epitaxially growing a first n (p) type drift layer, a p (n) type depletion region extension layer, and a second n (p) type drift layer in order on an n (p) type semiconductor substrate;
The first n (p) through the n (p) type source region, the p (n) type body layer, the second n (p) type drift layer, and the p (n) type depletion region extension layer. Forming a groove reaching the mold drift layer;
Forming an n (p) type conversion region converted into an n (p) type in the vicinity of the sidewall of the groove of the p (n) type depletion region expansion layer;
A method for manufacturing a power trench gate type semiconductor device.
前記溝を埋めるように第一のシリコン酸化膜を堆積させる工程と、
前記第一のシリコン酸化膜を異方性ドライエッチング法により、所定の深さまでエッチングする工程と、
前記溝の第一のシリコン酸化膜がエッチングされた内壁に、前記第一のシリコン酸化膜の厚みより薄い第二のシリコン酸化膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする電力用トレンチゲート型半導体装置の製造方法。A method of manufacturing a power trench gate type semiconductor device according to claim 6,
Depositing a first silicon oxide film to fill the trench;
Etching the first silicon oxide film to a predetermined depth by anisotropic dry etching;
Forming a second silicon oxide film thinner than the thickness of the first silicon oxide film on the inner wall of the groove where the first silicon oxide film is etched;
A method for manufacturing a power trench gate type semiconductor device.
前記溝の内壁に第一のシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記第一のシリコン酸化膜が形成された前記溝にレジストを充填させる工程と、
前記レジストを所定の深さまでエッチバックする工程と、
前記エッチバックされたレジストをエッチングマスクとして前記第一のシリコン酸化膜をエッチングする工程と、
前記溝の第一のシリコン酸化膜がエッチングされた内壁に、前記第一のシリコン酸化膜の厚みより薄い第二のシリコン酸化膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする電力用トレンチゲート型半導体装置の製造方法。A method of manufacturing a power trench gate type semiconductor device according to claim 6,
Forming a first silicon oxide film on the inner wall of the groove;
Filling the groove in which the first silicon oxide film is formed with a resist;
Etching back the resist to a predetermined depth;
Etching the first silicon oxide film using the etched back resist as an etching mask;
Forming a second silicon oxide film thinner than the thickness of the first silicon oxide film on the inner wall of the groove where the first silicon oxide film is etched;
A method for manufacturing a power trench gate type semiconductor device.
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