JP4419381B2 - Semiconductor element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
特許文献1に記載の横型MOSFETは、半導体部と、電極部を備えている。半導体部は、ドレイン領域、ドリフト領域、ボディ領域、ソース領域を有する。電極部は、トレンチに沿って形成された絶縁膜と、その絶縁膜で覆われた状態でトレンチ内に形成された導電層を有する。電極部(トレンチ)は、ドリフト領域とソース領域の間のボディ領域と、ドレイン領域とボディ領域の間のドリフト領域の両方に隣合っている。この半導体素子は、前記電極部を備えることで、低オン抵抗で高耐圧の素子を実現しようとするものである。前記電極部を以下では便宜上「トレンチ電極部」という。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−103058号公報(第2図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に記載の横型MOSFETでは、前記絶縁膜は1つのトレンチの壁面に沿って一体的に形成され、厚さはほぼ一定である。しかし、前記したドリフト領域とソース領域の間のボディ領域に隣合う絶縁膜(以下「前者の絶縁膜」という)と、ドレイン領域とボディ領域の間のドリフト領域に隣合う絶縁膜(以下「後者の絶縁膜」という)の厚さは異ならせる方が本来的には望ましい。具体的には、前者の絶縁膜は薄く形成し、後者の絶縁膜は厚く形成するのが望ましい。なぜなら、前者の絶縁膜を厚く形成すると、横型MOSFETをオンさせるためにトレンチ電極部に印加する電圧を高く設定する必要があるからである。また、後者の絶縁膜を薄く形成すると、絶縁破壊が生じ易くなり、耐圧が大幅に低下してしまうからである。従って、前者の絶縁膜と後者の絶縁膜の厚さが同じであると、素子特性の適正化が行いにくい。
【0005】
特許文献1に記載の横型MOSFETでは、前者の絶縁膜と後者の絶縁膜は前記したように1つのトレンチの壁面に沿って一体的に形成されている。しかし、1つのトレンチの壁面に沿って一体的に形成される絶縁膜の厚さを部分的に異ならせるには、煩雑ないしは高度な製造工程を経る必要がある。通常は、深くて狭いトレンチの壁面(側面や底面)に部分的にマスクを形成あるいは除去するような工程等を経る必要がある。このように、特許文献1に記載の横型MOSFETは、前者の絶縁膜と後者の絶縁膜の厚さを異ならせることが実質的に困難であり、素子特性の適正化が行いにくい構造となっている。
【0006】
本発明は、素子特性の適正化が行いやすい構造であるとともに、低オン抵抗で高耐圧な半導体素子を実現することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段及び作用と効果】
〔1〕本発明に係る半導体素子は、半導体部と、チャネルトレンチ電極部と、ドリフトトレンチ電極部を備えている。半導体部は、第1半導体領域と、第2半導体領域と、第3半導体領域と、第4半導体領域を有する。第1〜第4半導体領域は、その順序又はその逆の順序で電流が流れるように配置されている。第1半導体領域と第4半導体領域は、半導体部の第1主面に隣接する領域を含む。第2半導体領域と第4半導体領域は第1導電型である。第3半導体領域は第2導電型である。
チャネルトレンチ電極部は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域に隣合う第1トレンチに沿って形成された第1絶縁膜と、第1絶縁膜に覆われた状態で第1トレンチ内に形成された第1導電層を有する。ドリフトトレンチ電極部は、第2半導体領域に隣合うとともに第3半導体領域によって第4半導体領域から分離されている第2トレンチに沿って形成された第2絶縁膜と、第2絶縁膜に覆われた状態で第2トレンチ内に形成された第2導電層を有する。チャネルトレンチ電極部の第1絶縁膜の厚さは、ドリフトトレンチ電極部の第2絶縁膜の厚さよりも薄い。
【0008】
〔2〕本発明に係る他の半導体素子は、半導体部と、チャネルトレンチ電極部と、ドリフトトレンチ電極部を備えている。半導体部は、第1半導体領域と、これに接する第2半導体領域と、これに接する第3半導体領域と、これに接する第4半導体領域を有する。第1半導体領域と第4半導体領域は、半導体部の第1主面に隣接する領域を含む。第2半導体領域と第4半導体領域は第1導電型である。第3半導体領域は第2導電型である。
チャネルトレンチ電極部は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域に隣合う第1トレンチに沿って形成された第1絶縁膜と、第1絶縁膜に覆われた状態で第1トレンチ内に形成された第1導電層を有する。ドリフトトレンチ電極部は、第2半導体領域に隣合うとともに第3半導体領域によって第4半導体領域から分離されている第2トレンチに沿って形成された第2絶縁膜と、第2絶縁膜に覆われた状態で第2トレンチ内に形成された第2導電層を有する。チャネルトレンチ電極部の第1絶縁膜の厚さは、ドリフトトレンチ電極部の第2絶縁膜の厚さよりも薄い。
【0009】
これらの半導体素子は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域に隣合う第1トレンチに沿って第1絶縁膜が形成されている。また、第2半導体領域に隣合う第1トレンチとは別個の第2トレンチに沿って第2絶縁膜が形成されている。このように、これらの半導体素子では、第3半導体領域に隣合う絶縁膜(第1絶縁膜)と、第2半導体領域に隣合う絶縁膜(第2絶縁膜)が別個に形成されている。よって、製造時には、これらの絶縁膜を別個に形成できる。このため、これらの絶縁膜の厚さを、煩雑ないしは高度な製造工程を経ずに異ならせることができる。よって、第1絶縁膜は薄くして、素子をオンさせるためにチャネルトレンチ電極部に印加する電圧を低く設定することを容易に行える。一方、第2絶縁膜は厚くして、絶縁破壊を生じにくくすることで、高耐圧化を実現することを容易に行える。このように、これらの半導体素子の構造によると、素子特性の適正化が行いやすい。
【0010】
また、これらの半導体素子は、素子をオンさせる場合には、チャネルトレンチ電極部に所定電圧を印加することで、チャネルトレンチ電極部に隣合う第3半導体領域にチャネルを形成できる。これに加えて、ドリフトトレンチ電極部に所定電圧を印加することで、ドリフトトレンチ電極部に隣合う第2半導体領域にキャリアの蓄積領域を形成できる。よって、ドリフトトレンチ電極部がない場合に比べて第2半導体領域におけるオン抵抗を低減できる。
また、これらの半導体素子は、第2半導体領域と第3半導体領域の接合部に逆バイアス電圧が印加されたときに、第2半導体領域と第3半導体領域の間の接合部から空乏層を伸ばすだけでなく、ドリフトトレンチ電極部に隣合う第2半導体領域からも空乏層を伸ばすことができる。よって、高耐圧化を実現できる。
このように、本発明によると、素子特性の適正化が行いやすい構造であるとともに、低オン抵抗で高耐圧な半導体素子を実現できる。
【0011】
〔4〕半導体部の第1主面と反対側に位置する第2主面に隣接する分離部をさらに備え、チャネルトレンチ電極部と、ドリフトトレンチ電極部と、第1半導体領域の少なくとも1つが前記第1主面に垂直な方向に分離部に達するまで伸びていることが好ましい。
〔5〕ドリフトトレンチ電極部は、第2半導体領域のうち第1半導体領域と第3半導体領域の間を接続する領域全体にわたって隣合うことが好ましい。
〔6〕ドリフトトレンチ電極部を複数有し、これらのドリフトトレンチ電極部群は、素子のオフ時にドリフトトレンチ電極部群に隣合う第2半導体領域からその内部に伸びる空乏層同士がつながるような間隔で配置されていることが好ましい。
【0012】
〔7〕第2半導体領域は、前記第1主面に平行な方向に不純物濃度の濃度勾配が形成されている一方、前記第1主面に垂直な方向の不純物濃度はほぼ一定であることが好ましい。
〔8〕上記〔7〕に記載の半導体素子の製造方法としては、第2半導体領域となる領域の側面からその領域の内部に向けてイオンを注入する工程と、熱処理を行う工程を順に行うことが好ましい。
〔9〕また、上記〔7〕に記載の半導体素子の製造方法としては、第2半導体領域となる領域に隣接するとともに第2半導体領域の底部と底部の位置がほぼ等しいトレンチ内に第1導電型の不純物が添加された半導体材料を形成する工程と、熱処理を行う工程を順に行うことが好ましい。
【0013】
〔10〕第1〜第4半導体領域は、前記第1主面に平行な第1方向に順に形成された領域を含み、チャネルトレンチ電極部は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域のうち前記第1方向にぼぼ垂直な面領域に隣合うことが好ましい。
〔11〕第2〜第4半導体領域は、前記第1主面に垂直な方向に順に形成された領域を含み、チャネルトレンチ電極部は、前記第1主面に垂直な方向に順に形成された第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域に隣合うことが好ましい。
〔12〕第1〜第4半導体領域は、前記第1主面に平行な第1方向に順に形成された領域を含み、チャネルトレンチ電極部は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域のうち前記第1方向と前記第1主面に垂直な方向の両方にぼぼ平行な面領域に隣合うことが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態) 図1は、本発明の第1実施形態の半導体素子(横型半導体素子、より詳細には横型パワーMOSFET)の平面図を示す。図2は、図1のII−II線断面図を示す。図3は、図1のIII−III線断面図を示す。
この半導体素子は、図2に示すように、分離部10と、半導体部16と、第1電極部(以下では「チャネルトレンチ電極部」という)33と、第2電極部(図1と図3参照、以下では「ドリフトトレンチ電極部」という)23を備えている。
【0016】
図2に示すように、分離部10は、半導体基板(本実施形態ではシリコン基板)12と、絶縁層(本実施形態ではシリコン酸化層)14によって構成されている。分離部10は、半導体部16を絶縁分離するものである。
半導体部(本実施形態ではシリコン部)16は、分離部10上に形成されている。分離部10は、半導体部16の第1主面(表面)M1と反対側に位置する第2主面(裏面)M2に隣接しているともいえる。半導体部16は、第1半導体領域(以下では「ドレイン領域」という)18と、第2半導体領域(以下では「ドリフト領域」という)28と、第3半導体領域(以下では「ボディ領域」という)30と、第4半導体領域(以下では「ソース領域」という)32を有し、その順序で電流が流れるように配置されている。本実施形態では、ドレイン領域18とドリフト領域28、ドリフト領域28とボディ領域30、及びボディ領域30とソース領域32はそれぞれ接している。また、ドレイン領域18、ドリフト領域28、ボディ領域30、ソース領域32は、半導体部16の第1主面(表面)M1に平行な方向のうち第1方向(図1と図2では横方向)に順に形成された領域を含む。また、ドリフト領域28、ボディ領域30、ソース領域32は、第1主面M1に垂直な方向(素子深さ方向ともいえる。図2では縦方向)に順に形成された領域を含む。
【0017】
ドレイン領域18とソース領域32は、半導体部16の第1主面M1に隣接する領域を含む。ドレイン領域18とソース領域32のうち第1主面M1に露出した部位にそれぞれ、ドレイン電極20とソース電極31が接している。なお、ソース電極31は、p型ボディ領域30(より詳細にはp+型ボディコンタクト領域)にも接している。ドレイン領域18はn+型であり、ドリフト領域28はn−型であり、ソース領域32はn+型である。ボディ領域30はp型である。
なお、図1の平面図では、説明の便宜のため、ドレイン電極20とソース電極31の図示を省略している。
【0018】
図1の平面図でみると、チャネルトレンチ電極部33は、第1主面M1(図2参照)に平行な方向のうち、前記第1方向(図1の横方向)に直交する第2方向(図1の縦方向)に伸びている。一方、ドリフトトレンチ電極部23は、前記第1方向(図1の横方向)に伸びている。ドリフトトレンチ電極部23は、前記第2方向(図1の縦方向)にストライプ状に複数本形成されている。このように、本実施形態では、平面視すると、チャネルトレンチ電極部33とドリフトトレンチ電極部23の伸びる方向は直交している。
【0019】
図2に示すように、チャネルトレンチ電極部33は、ドリフト領域28とソース領域32の間のボディ領域30(領域30a)に隣合う第1トレンチ35に沿って形成された第1絶縁膜34と、第1絶縁膜34に覆われた状態で第1トレンチ35内に形成された第1導電層36を有する。チャネルトレンチ電極部33は、ドリフト領域28とソース領域32の間のボディ領域30(領域30a)のうち前記第1方向(図2の横方向)にぼぼ垂直な面領域30bに第1絶縁膜34を介して隣合っている。チャネルトレンチ電極部33は、第1主面M1に垂直な方向(図2では縦方向)に順に形成されたドリフト領域28とソース領域32の間のボディ領域30(領域30a)に隣合っているともいえる。チャネルトレンチ電極部33は、分離部10とボディ領域30の間のドリフト領域28(領域28a)のうち前記第1方向(図2の横方向)にぼぼ垂直な面領域28bに隣合っている。チャネルトレンチ電極部33は、第1主面M1に垂直な方向(図2では縦方向)に順に形成された分離部10とボディ領域30の間のドリフト領域28(領域28a)に隣合っているともいえる。
【0020】
図1に示すように、ドリフトトレンチ電極部23は、ドリフト領域28に隣合う第2トレンチ25に沿って形成された第2絶縁膜24と、第2絶縁膜24に覆われた状態で第2トレンチ25内に形成された第2導電層26を有する。ドリフトトレンチ電極部23は、ドレイン領域18とボディ領域30の間を接続するドリフト領域28(領域28c)の全体にわたって隣合っている。ドリフトトレンチ電極部23は、ドリフト領域28のうち前記第1方向(図1の横方向)と前記第1主面M1に垂直な方向(図1の紙面垂直方向)の両方にぼぼ平行な面領域28dに隣合っている。ドリフトトレンチ電極部23は、前記第1方向(図1の横方向)に順に形成されたドレイン領域18とボディ領域30の間のドリフト領域28(領域28c、図1参照)に隣合っているともいえる。ドリフトトレンチ電極部23は、ボディ領域30にも隣合っている。ドリフトトレンチ電極部23群は、素子のオフ時にこれらの電極部23群に隣合うドリフト領域28からその内部に伸びる空乏層同士がつながるような間隔で配置されていることが好ましい。図3には、図1のIII−III線での断面図、即ち、ドリフトトレンチ電極部23の断面図が示されている。
【0021】
図1と図3に示すように、第1絶縁膜34の厚さは、第2絶縁膜24の厚さよりも薄い。図3に示すように、本実施形態では、チャネルトレンチ電極部33と、ドリフトトレンチ電極部23と、ドレイン領域18の3つが共に、半導体部16の第1主面M1に隣接する部位から第1主面M1に垂直な方向(図3では縦方向)に、分離部10(絶縁層14)に達するまで伸びている。また、本実施形態では、図1と図2に示すように、チャネルトレンチ電極部33を基準としたときに、ドレイン領域18、ドリフト領域28、ボディ領域30、ソース領域32が全て同じ側に配置されている。
【0022】
図2と同じ断面を表す図4の一点鎖線A1〜A4はそれぞれ、不純物濃度が等しい領域(線)を模式的に示したものである。即ち、この一点鎖線A1〜A4はそれぞれ、いわば「等不純物濃度線」といえるものである。A1側からA4側に進むにつれて、不純物濃度は低くなっている。本実施形態では、等不純物濃度線A1〜A4に示すように、ドリフト領域28は、第1主面M1に平行な方向に不純物濃度の濃度勾配が形成されている。その一方、ドリフト領域28の第1主面M1に垂直な方向の不純物濃度はほぼ一定である。ここで、「ほぼ一定」の範囲としては、ドリフト領域28の第1主面M1に垂直な方向に伸びる所定領域のうち、半導体部16の第1主面M1側と第2主面M2側の不純物濃度の差((第1主面M1側の濃度−第2主面側の濃度)/第1主面M1側の濃度、の絶対値)が55%以内であることが好ましい。
【0023】
この半導体素子の製造方法の一例を説明する。この半導体素子は例えばSOI(Silicon On Insulater)基板を用いると製造しやすい。
SOI基板を用いる場合、SOI基板の下層(シリコン基板)が半導体基板12に対応する。SOI基板の中間層(シリコン酸化層)が絶縁層14に対応する。SOI基板の上層(シリコン単結晶層)が半導体部16に対応する。
SOI基板を用いる場合、まずSOI基板の上層にRIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングによって、図3に示すような第1トレンチ35を形成する。次に、第1トレンチ35の壁面を熱酸化法によって酸化する。これにより、シリコン酸化膜からなる第1絶縁膜34が形成される。このとき、熱酸化法の条件(熱酸化の時間や、雰囲気中の酸素濃度等)を調整することで、所望の厚さの(薄い)第1絶縁膜34を形成できる。
次に、SOI基板の上層にRIE等の異方性エッチングによって、図3に示すような第2トレンチ25を形成する。次に、第2トレンチ25の壁面を熱酸化法等によって酸化する。これにより、シリコン酸化膜からなる第2絶縁膜34が形成される。このとき、熱酸化法の条件を調整することで、所望の厚さの(厚い)第2絶縁膜24を形成できる。
【0024】
このように、本実施形態では、ボディ領域30aに隣合う絶縁膜(第1絶縁膜34)と、ドリフト領域28に隣合う絶縁膜(第2絶縁膜24)を形成するためのトレンチを別個(第1トレンチ35、第2トレンチ25)に形成する。よって、第1絶縁膜34と第2絶縁膜24はそれぞれ別個のトレンチ33,25に対して形成できる。このため、第1絶縁膜34と第2絶縁膜24を形成する際の熱酸化法の条件は別個に独立して設定できるので、第1絶縁膜34と第2絶縁膜24の厚さを容易に異ならせることができる。
第1絶縁膜34の厚さを薄くすれば、素子をオンさせるためにチャネルトレンチ電極部33に印加する電圧を低く設定できる。一方、第2絶縁膜24の厚さを厚くすれば、絶縁破壊を生じにくくすることができ、高耐圧化を実現できる。第1絶縁膜34と第2絶縁膜24の厚さを別個独立に設定することが容易であるため、素子特性の適正化が行いやすい。
【0025】
次に、第1トレンチ35と第2トレンチ25内にそれぞれ、第1導電層36と第2導電層26となる材料(例えば多結晶シリコン、金属等の導電性材料)を充填する。次に、SOI基板の上層にRIE等の異方性エッチングによって、図2に示すような第3トレンチ19を形成する。次に、第3トレンチ19を形成することで露出したドリフト領域28が形成される領域の側面から、ドリフト領域28が形成される領域に向けて、n型不純物をイオン注入(斜めイオン注入)する。このようにイオン注入を行うと、ドリフト領域28に、図4の等不純物濃度線A1〜A4に示すように、第1主面M1に平行な方向には不純物濃度の濃度勾配を形成できる一方、第1主面M1に垂直な方向の不純物濃度はほぼ一定にできる。この場合、図5に示すように、第3トレンチ19の開孔幅をW、深さをDとすると、イオン注入角(イオンの入射線と垂線が成す角度)θは、次式のように設定することが好ましい。
θ≦tan−1(W/D)
例えば、開孔幅Wが1μm、深さDが10μmの場合は、イオン注入角θが5.7度以下の角度でイオン注入を行うことが好ましい。
【0026】
次に、第3トレンチ19内に、ドレイン領域18となるn型不純物が高濃度にドープされた半導体材料(単結晶・多結晶シリコン等)を充填する。次に、SOI基板の上層の表面から、ボディ領域30を形成したい領域に向けて、p型不純物をイオン注入する。次に、SOI基板の上層の表面から、ソース領域32を形成したい領域に向けて、n型不純物をイオン注入する。次に、ドレイン領域18上にドレイン電極20を形成し、ソース領域32とボディ領域30上にソース電極31を形成する。次に、イオン注入した不純物の活性化や電極のコンタクト性の向上を目的とする処理(熱処理等)を行う。
以上の工程によって、本実施形態の半導体素子を製造できる。
【0027】
本実施形態の半導体素子の製造方法は上記方法に限らないのは勿論である。例えば、上記した製造工程の順序は様々に変更してもよい。
例えば、上記方法では、第1トレンチ35の形成、第1絶縁膜34の形成、第2トレンチ25の形成、第2絶縁膜24の形成というように、トレンチと絶縁膜の形成を交互に行ったが、第1及び第2トレンチ35,25を先に形成してもよい。この場合、最初に第1及び第2トレンチ35,25の壁面に熱酸化法で第1絶縁膜34の厚さ分だけ酸化膜を形成し、次に、第1トレンチ35の壁面が酸化されないような対策(例えばマスク)を施しながら、第2トレンチ25の壁面をさらに熱酸化法で酸化するとよい。この方法によると、薄い第1絶縁膜34と厚い第2絶縁膜24を効率良く形成できる。なお、第1トレンチ35の壁面が酸化されないようにマスクをする場合、このマスクはSOI基板の上層の頂面上に第1トレンチ35をふさぐように配置すれば、配置及び除去の手間が少なくて済む。また、第1トレンチ35内にマスクを配置する場合でも、本実施形態の場合は、第1トレンチ35の壁面全体にマスクを配置すればよいので、深くて狭いトレンチの壁面に部分的にマスクを配置する場合に比べれば、簡便で容易な製造技術で対応できる。
【0028】
第1絶縁膜34と第2絶縁膜24をCVD法等で形成する場合においても、第1絶縁膜34と第2絶縁膜24を形成する際のCVD法等の条件は別個に独立して設定できるので、第1絶縁膜34と第2絶縁膜24の厚さを容易に異ならせることができる。第1絶縁膜34と第2絶縁膜24はシリコン窒化膜等で形成してもよいのは勿論である。
【0029】
ドリフト領域28に、第1主面M1に平行な方向には不純物濃度の濃度勾配を形成する一方、第1主面M1に垂直な方向の不純物濃度はほぼ一定にする方法としては、上記した斜めイオン注入法に代えて、第3トレンチ19に高濃度のn型不純物(リン等)が添加された半導体材料を埋め込み、その後、熱処理を行うことで、そのn型不純物を熱拡散によって第1主面M1に平行な方向にドリフト領域28側に向けて拡散させる方法等を採用してもよい。
【0030】
また、上記方法では、ドレイン領域18を形成するために第3トレンチ19を形成し、その後、その第3トレンチ19内にn型不純物が高濃度にドープされた半導体材料を充填している。しかし、第3トレンチ19を形成せずに、SOI基板の上層の表面から、n型不純物をドープすることでn+型のドレイン領域18を形成してもよい。
【0031】
次に、本実施形態の半導体素子の動作を説明する。まず、図2に示すソース領域32に接続されたソース電極31を接地する。この状態で、ドレイン領域18に接続されたドレイン電極20とチャネルトレンチ電極部33(第1導電層36)に所定の正電圧を印加して、半導体素子をオンさせる。また、図1や図3に示すドリフトトレンチ電極部23(第2導電層26)にも所定の正電圧を印加する。すると、図2に示すボディ領域30のうち、チャネルトレンチ電極部33に隣合う領域30aにn型チャネルが形成される。また、ドリフト領域28のうち、チャネルトレンチ電極部33に隣合う領域28aに電子の蓄積領域が形成される。さらに、ドリフト領域28のうち、ドリフトトレンチ電極部23に隣合う領域28c(図1参照)に電子の蓄積領域が形成される。すると、電子がソース領域32から、n型チャネル30a,電子の蓄積領域28a,28cを通って、ドレイン領域18に流れ込む。電流の向きは電子の向きと逆であり、図2の矢印に示すような向きである。このように、電流は、ドレイン領域18、ドリフト領域28、ボディ領域30、ソース領域32の順に流れる。
【0032】
本実施形態では、上記のように、ドリフトトレンチ電極部23によってドリフト領域28に電子の蓄積領域28cが形成される。しかも、本実施形態では、ドリフトトレンチ電極部23は、ドレイン領域18とボディ領域30の間を接続するドリフト領域28c(図1参照)の全体にわたって第2絶縁膜24を介して隣合っている。よって、このようなドリフトトレンチ電極部23がない場合に比べてドリフト領域28におけるオン抵抗を大幅に低減できる。
【0033】
また、本実施形態では、図3に示すように、チャネルトレンチ電極部33と、ドリフトトレンチ電極部23と、ドレイン領域18の3つが共に、半導体部16の第1主面M1に隣接する部位から第1主面M1に垂直な方向(図3では縦方向)に、分離部10(絶縁層14)に達するまで伸びている。この構成によると、ドリフト領域28の深い領域まで電流が流れる領域を広げることができる。よって、オン抵抗を低減できる。チャネルトレンチ電極部33とドレイン領域18の両方が分離部10に達しているとより大幅にオン抵抗を低減できるが、チャネルトレンチ電極部33とドレイン領域18のいずれか一方が分離部10に達していればオン抵抗を効果的に低減できる。
【0034】
また、チャネルトレンチ電極部33とドリフトトレンチ電極部23が第1主面M1に垂直な方向に分離部10に達するまで伸びていると、逆バイアス電圧が印加されたときに、これらの電極部33,23の下端(特に下端のコーナー部)に電界が集中することを回避できる。よって、絶縁破壊を生じにくくすることができる。このため、高耐圧化を実現できる。これらの電極部33,23の両方が分離部10に達しているとより充分に高耐圧化を実現できるが、これらの電極部33,23のいずれか一方が分離部10に達していれば高耐圧化を効果的に実現できる。
【0035】
また、本実施形態によると、逆バイアス電圧が印加されたときに、ドリフト領域28とボディ領域30の間のpn接合部からドリフト領域28側に空乏層が伸びるだけでなく、ドリフト領域28とドリフトトレンチ電極部23の接触部からもドリフト領域28側に空乏層を伸ばすことができる。よって、高耐圧化を実現できる。さらに、ドリフトトレンチ電極部23群が、素子のオフ時にこれらの電極部23群に隣合うドリフト領域28からその内部に伸びる空乏層同士がつながるような間隔で配置されていると、より高耐圧化を実現できる。
【0036】
このような半導体素子では、最大の耐圧を得るために、ドリフト領域28において最適な不純物濃度の濃度勾配が存在する。例えば図6に示すように等不純物濃度線B1〜B4が分布している場合、第1主面M1に平行な方向のみならず、垂直な方向にも不純物濃度の濃度勾配が形成されていることになる。このように、第1主面M1に垂直な方向にも不純物濃度の濃度勾配が形成されていると、半導体部16の第1主面M1側(表面側)では最適な不純物濃度であっても、半導体部16の第2主面M2側(裏面側)では、最適な不純物濃度から大きくずれてしまう。この問題は、半導体部16の厚さを厚くする程、その第1主面M1側と第2主面M2側で不純物濃度のずれが大きくなることから、大きな問題となり、高耐圧化を妨げる要因となる。その一方、本実施形態の構造を採用した場合は、半導体部16の厚さを厚くする程、より電流を広く分布させることができ、オン抵抗を低減できる。このため、半導体部16の厚さを厚くしたいという要請がある。
【0037】
これに対し、本実施形態では、図4の等不純物濃度線A1〜A4に示すように、ドリフト領域28は、第1主面M1に平行な方向に不純物濃度の濃度勾配が形成されている一方、ドリフト領域28の第1主面M1に垂直な方向の不純物濃度はほぼ一定である。よって、本実施形態によると、半導体部16の第1主面M1側(表面側)から第2主面側M2にわたって最適な不純物濃度をほぼ維持できる。このため、半導体部16の厚さを厚くしても高耐圧化が妨げられず、低オン抵抗で高耐圧な素子を実現できる。但し、図6のように不純物濃度が分布している構造も、本発明に適用範囲に含まれる。
【0038】
本発明者らは、上記した本実施形態の半導体素子の中でも、さらに以下のような構成の半導体素子を製作し、そのオン抵抗と耐圧を測定した。
第1絶縁膜34を熱酸化膜で構成し、厚さを約50nmとした。第2絶縁膜24を熱酸化膜で構成し、厚さを約500nmとした。この第2絶縁膜24の厚さは、ドレイン領域18とチャネルトレンチ電極部33間に約80V程度の電圧が印加されることを想定して設定した。第1導電層36と、第2導電層26と、ドレイン領域18を、不純物濃度が約1×20cm−3程度のリンをドープしたn+多結晶シリコンによって形成した。半導体部16の厚さ(SOI基板の上層の厚さ)は約7μmとした。隣合うドリフトトレンチ電極部23間の間隔は約1μmとした。ドリフト領域28にイオン注入する不純物としてリンを用い、濃度勾配はドリフト領域28のうちドレイン領域18に隣接する側では約6×1016cm−3となり、チャネルトレンチ領域36に隣接する側では約1×1016cm−3となるようにした。
【0039】
この半導体素子の耐圧を測定した結果、図7に示すように耐圧が90Vという結果が得られた。また、オン抵抗を測定した結果、図8に示すようにオン抵抗が58mΩ・mm2という結果が得られた。これは、パワーICに用いられる横型パワーMOSFETとしては、非常に高い性能を示す。
【0040】
(第2実施形態) 図9は、本発明の第2実施形態の半導体素子(横型半導体素子、より詳細には横型パワーMOSFET)の平面図を示す。図10は、図9のVII−VII線断面図を示す。図11は、図9のVIII−VIII線断面図を示す。図12は、図9のIX−IX線断面図を示す。第1実施形態と概ね同様の構成と作用効果については、本実施形態の説明に必要な内容を除いて原則として説明を省略する。
第2実施形態も第1実施形態と同様に、ドレイン領域48、ドリフト領域58、ボディ領域60、ソース領域62は、図9と図10に示すように、半導体部46の第1主面(表面)M1に平行な方向のうち第1方向(図9と図10では横方向)に順に形成された領域を含む。
【0041】
図9の平面図でみると、チャネルトレンチ電極部63は、前記第1方向(図9の横方向)に伸びている。チャネルトレンチ電極部63は、第1主面M1に平行な方向のうち、前記第1方向に直交する第2方向(図9の縦方向)にストライプ状に複数本形成されている。同様に、ドリフトトレンチ電極部53は、前記第1方向に伸びており、前記第2方向にストライプ状に複数本形成されている。このように、本実施形態では、平面視すると、チャネルトレンチ電極部63とドリフトトレンチ電極部53の伸びる方向は平行である。
【0042】
図9に示すように、チャネルトレンチ電極部63は、ドリフト領域58とソース領域62の間のボディ領域60のうち前記第1方向(図9の横方向)と第1主面M1に垂直な方向(図9の紙面垂直方向)の両方にぼぼ平行な面領域60bに隣合っている(図10参照)。
この構成によると、チャネルトレンチ電極部63に所定電圧を印加することで、ドレイン領域48、ドリフト領域58、ボディ領域60、ソース領域62が順に形成された前記第1方向にほぼ平行な面領域60bに沿ってチャネルを形成できる。よって、キャリア経路の面積の増加やキャリア経路の短縮化を実現しやすいので、オン抵抗の低減を実現しやすい。
【0043】
例えば、上記第2実施形態の構成によると、第1実施形態の構造(図2参照)に比して、図11に示すようにボディ領域60がキャリアの流れの妨げとならない。即ち、第1実施形態(図2参照)のようにキャリア経路(電流経路)がボディ領域30を迂回するような経路とならない。よって、オン抵抗の低減を実現しやすい。半導体部46の厚さを薄くした場合でも、耐圧確保のためボディ領域60の深さを浅くすることは困難である。第1実施形態の構成(図2参照)の場合、半導体部16の厚さを薄くした場合は、ボディ領域30と分離部10の間の距離が小さくなる。この結果、キャリア経路の面積が小さくなり、オン抵抗の増加の要因となり得る。これに対し、第2実施形態の構成では、ボディ領域60がキャリアの流れの妨げとならない。よって、上記した作用効果は、半導体部46の厚さが薄い場合に特に顕著に発揮される。
【0044】
チャネルトレンチ電極部63は、図9や図11に示すように、前記第1方向(図9や図11の横方向)に順に形成されたドリフト領域50とソース領域62の間のボディ領域60aに隣合った領域を有する。チャネルトレンチ電極部63はまた、ドリフト領域58とソース領域62にも隣合っている。
【0045】
図9に示すように、ドリフトトレンチ電極部53は、第1実施形態と同様に、ドリフト領域58のうち前記第1方向(図9の横方向)と前記第1主面M1に垂直な方向(図9の紙面垂直方向)の両方にぼぼ平行な面領域58dに隣合っている。さらに、ドリフトトレンチ電極部56は、ドリフト領域58とソース領域62の間のボディ領域60aと、ソース領域62にも隣合っている。
【0046】
チャネルトレンチ電極部63とドリフトトレンチ電極部53は、前記第2方向(図9の縦方向)からみたときにドリフト領域58とボディ領域60を挟んで重複している。但し、両電極部63,53が重複しておらず、隣接している構成であってもよい。
このような構成を実現するためには、図10〜図12に示すように、ボディ領域60の底部が、分離部40(絶縁層44)に達していることが好ましい。先に述べた本実施形態の構成によると、このようにボディ領域60を深い方向まで伸ばしても、ボディ領域60がキャリア経路の妨げとならず、低オン抵抗を実現し得る。
【0047】
この構成によると、素子のオン時には、チャネルトレンチ電極部63により形成されるチャネルとドリフトトレンチ電極部53により形成されるキャリア蓄積領域が近接した位置に配置される。特に、両電極部63,53がドリフト領域58とボディ領域60と挟んで重複している場合は、チャネルトレンチ電極部63は、ボディ領域60のみならずドリフト領域58にも隣合っているので、キャリア蓄積領域の形成の補助的役割も果たす。一方、ドリフトトレンチ電極部53は、ドリフト領域58のみならずボディ領域60にも隣合っているので、チャネルの形成の補助的役割も果たす。従って、オン抵抗を大幅に低減できる。
また、両電極部63,53がドリフト領域58を挟んで重複している場合は、素子のオフ時には、両電極部63,53から、ドリフト領域58に空乏層を効果的に伸ばすことができ、高耐圧化を実現できる。さらに両電極部63,53がn−型ドリフト領域58とp型ボディ領域60のpn接合部を挟んで重複している場合は、空乏層をより効果的に伸ばすことができ、より高耐圧化を実現できる。
【0048】
また、図9に示す第2トレンチ55(ドリフトトレンチ電極部53)は、第1トレンチ65(チャネルトレンチ電極部63)がドリフト領域58に延在する(張り出している)ことで発生する耐圧低下を抑制する働きをする。
即ち、第2トレンチ55が存在しない場合は、ドリフト領域58に延在する第1トレンチ66のコーナー部に電界集中が生じ耐圧が低下する。しかし、第2トレンチ55を設けることで、ドリフト領域58に延在する第1トレンチ66のコーナー部での電界集中を緩和できる。よって、耐圧の低下を抑制できる。
また、本実施形態では、図9と図11に示すように、チャネルトレンチ電極部63を基準としたときに、ボディ領域60の一部とソース領域62の一部が、ドレイン領域48及びドリフト領域58と反対側に配置されている。言い換えると、ソース領域62は、チャネルトレンチ電極部66を挟んで、ドリフト領域58と反対側に位置する領域62aを有する。
ソース領域62がチャネルトレンチ電極部63とドリフト領域58の間にしか存在しない構造(例えば第1実施形態の構造(図1や図2参照))の場合、チャネルトレンチ電極部63とドリフト領域58の間のソース領域62上に配線層(ソース電極)を形成する必要がある。よって、チャネルトレンチ電極部63とドリフト領域58の間のスペースを大きくしなければならない。これは、素子サイズの増加を招き、オン抵抗の増加をも招く。
これに対し、上記のように、ソース領域62が、チャネルトレンチ電極部63を挟んで、ドリフト領域58と反対側に位置する領域62aを有する場合、その領域62a上に配線層(ソース電極61)を形成して、ソース領域62とのコンタクトを取ることができる。よって、チャネルトレンチ電極部63とドリフト領域58の間のスペースを大きくする必要がない。
【0049】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
(1)分離部10は絶縁層14のみによって形成されていてもよい。また、分離部10は半導体基板12のみによって形成されていてもよい。半導体基板12のみで構成する場合、半導体部16(本実施形態ではn型のドレイン領域18とドリフト領域28)との間がpn接合分離されるような導電型の不純物(本実施形態ではp型不純物)が半導体基板12に添加されていることが原則的には必要である。
(2)第1〜第4半導体領域(第1実施形態ではドレイン領域18、ドリフト領域28、ボディ領域30、ソース領域32)は、その順序又はその逆の順序で電流が流れるように構成されていれば、これらの半導体領域の間に他の領域が介在していてもよい。
(3)上記半導体素子では、n型とp型を入れ換えてもよいのは勿論である。
(4)上記実施形態では半導体素子としてMOSFETを例にして説明したが、本発明はIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)や絶縁ゲートサイリスタ等にも適用し得る。例えば図1〜図3に示す半導体素子の第1半導体領域18、あるいは図9〜図12に示す半導体素子の第1半導体領域48の導電型をp型(p+型)とした場合、これらの半導体素子はIGBTとして機能する。本発明は、このようなIGBTにも適用できる。
【0050】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態の半導体素子の平面図を示す。
【図2】 図1のII−II線断面図を示す。
【図3】 図1のIII−III線断面図を示す。
【図4】 本発明の第1実施形態の半導体素子におけるドリフト領域の不純物濃度分布を示す。
【図5】 イオン注入角の説明図を示す。
【図6】 ドリフト領域の不純物濃度分布の説明図を示す。
【図7】 本発明の実施例として製作した半導体素子の耐圧特性を示す。
【図8】 本発明の実施例として製作した半導体素子のオン抵抗特性を示す。
【図9】 本発明の第2実施形態の半導体素子の平面図を示す。
【図10】 図9のVII−VII線断面図を示す。
【図11】 図9のVIII−VIII線断面図を示す。
【図12】 図9のIX−IX線断面図を示す。
【符号の説明】
10,40:分離部
12,42:半導体基板
14,44:絶縁層
16,46:半導体部
18,48:第1半導体領域(ドレイン領域)
19,49:第3トレンチ
23,53:第2電極部(ドリフトトレンチ電極部)
24,54:第2絶縁膜
25,55:第2トレンチ
26,56:第2導電層
28,58:第2半導体領域(ドリフト領域)
30,60:第3半導体領域(ボディ領域)
32,62:第4半導体領域(ソース領域)
33,63:第1電極部(チャネルトレンチ電極部)
34,64:第1絶縁膜
35,65:第1トレンチ
36,66:第1導電層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
The lateral MOSFET described in Patent Document 1 includes a semiconductor portion and an electrode portion. The semiconductor portion has a drain region, a drift region, a body region, and a source region. The electrode portion includes an insulating film formed along the trench and a conductive layer formed in the trench while being covered with the insulating film. The electrode part (trench) is adjacent to both the body region between the drift region and the source region and the drift region between the drain region and the body region. This semiconductor element is intended to realize an element having a low on-resistance and a high breakdown voltage by including the electrode portion. Hereinafter, the electrode part is referred to as a “trench electrode part” for convenience.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-103058 (FIG. 2)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the lateral MOSFET described in Patent Document 1, the insulating film is integrally formed along the wall surface of one trench, and the thickness is substantially constant. However, the insulating film adjacent to the body region between the drift region and the source region (hereinafter referred to as “the former insulating film”) and the insulating film adjacent to the drift region between the drain region and the body region (hereinafter referred to as “the latter”). It is inherently desirable that the thickness of the insulating film is different. Specifically, it is desirable to form the former insulating film thin and the latter insulating film thick. This is because, when the former insulating film is formed thick, it is necessary to set a high voltage to be applied to the trench electrode portion in order to turn on the lateral MOSFET. Moreover, if the latter insulating film is formed thin, dielectric breakdown is likely to occur, and the withstand voltage is greatly reduced. Therefore, if the thicknesses of the former insulating film and the latter insulating film are the same, it is difficult to optimize the element characteristics.
[0005]
In the lateral MOSFET described in Patent Document 1, the former insulating film and the latter insulating film are integrally formed along the wall surface of one trench as described above. However, in order to partially change the thickness of the insulating film formed integrally along the wall surface of one trench, it is necessary to go through complicated or advanced manufacturing processes. Usually, it is necessary to go through a process of partially forming or removing a mask on the wall surface (side surface or bottom surface) of a deep and narrow trench. As described above, the lateral MOSFET described in Patent Document 1 has a structure in which it is difficult to make the thickness of the former insulating film different from the thickness of the latter insulating film, and it is difficult to optimize the element characteristics. Yes.
[0006]
It is an object of the present invention to realize a semiconductor element that has a structure that facilitates optimization of element characteristics and that has a low on-resistance and a high breakdown voltage.
[0007]
[Means for solving the problem, operation and effect]
[1] A semiconductor element according to the present invention includes a semiconductor portion;Channel trenchAn electrode part;Drift trenchAn electrode part is provided. The semiconductor portion has a first semiconductor region, a second semiconductor region, a third semiconductor region, and a fourth semiconductor region. The first to fourth semiconductor regions are arranged such that current flows in the order or in the reverse order. The first semiconductor region and the fourth semiconductor region include a region adjacent to the first main surface of the semiconductor part. The second semiconductor region and the fourth semiconductor region are of the first conductivity type. The third semiconductor region is the second conductivity type.
Channel trenchThe electrode portion includes a first insulating film formed along the first trench adjacent to the third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region, and the first insulating film covered with the first insulating film. A first conductive layer is formed in the trench.Drift trenchThe electrode part is adjacent to the second semiconductor regionAnd separated from the fourth semiconductor region by the third semiconductor region.A second insulating film formed along the second trench; and a second conductive layer formed in the second trench while being covered with the second insulating film.. The thickness of the first insulating film in the channel trench electrode portion is thinner than the thickness of the second insulating film in the drift trench electrode portion..
[0008]
[2] Another semiconductor element according to the present invention includes a semiconductor portion,Channel trenchAn electrode part;Drift trenchAn electrode part is provided. The semiconductor portion includes a first semiconductor region, a second semiconductor region in contact with the first semiconductor region, a third semiconductor region in contact with the first semiconductor region, and a fourth semiconductor region in contact with the third semiconductor region. The first semiconductor region and the fourth semiconductor region include a region adjacent to the first main surface of the semiconductor part. The second semiconductor region and the fourth semiconductor region are of the first conductivity type. The third semiconductor region is the second conductivity type.
Channel trenchThe electrode portion includes a first insulating film formed along the first trench adjacent to the third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region, and the first insulating film covered with the first insulating film. A first conductive layer is formed in the trench.Drift trenchThe electrode part is adjacent to the second semiconductor regionAnd separated from the fourth semiconductor region by the third semiconductor region.A second insulating film formed along the second trench and a second conductive layer formed in the second trench in a state of being covered with the second insulating film.The thickness of the first insulating film in the channel trench electrode portion is thinner than the thickness of the second insulating film in the drift trench electrode portion..
[0009]
In these semiconductor elements, a first insulating film is formed along a first trench adjacent to a third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region. A second insulating film is formed along a second trench separate from the first trench adjacent to the second semiconductor region. As described above, in these semiconductor elements, the insulating film (first insulating film) adjacent to the third semiconductor region and the insulating film (second insulating film) adjacent to the second semiconductor region are separately formed. Therefore, these insulating films can be formed separately at the time of manufacture. For this reason, the thickness of these insulating films can be varied without complicated or sophisticated manufacturing steps. Therefore, in order to turn on the element by thinning the first insulating filmChannel trenchThe voltage applied to the electrode part can be easily set low. On the other hand, by increasing the thickness of the second insulating film to make it difficult for dielectric breakdown to occur, it is possible to easily achieve a high breakdown voltage. Thus, according to the structure of these semiconductor elements, it is easy to optimize the element characteristics.
[0010]
In addition, when these semiconductor elements are turned on,Channel trenchBy applying a predetermined voltage to the electrode part,Channel trenchA channel can be formed in the third semiconductor region adjacent to the electrode portion. In addition to this,Drift trenchBy applying a predetermined voltage to the electrode part,Drift trenchA carrier accumulation region can be formed in the second semiconductor region adjacent to the electrode portion. Therefore,Drift trenchThe on-resistance in the second semiconductor region can be reduced compared to the case where there is no electrode portion.
Also, these semiconductor elements extend a depletion layer from the junction between the second semiconductor region and the third semiconductor region when a reverse bias voltage is applied to the junction between the second semiconductor region and the third semiconductor region. not only,Drift trenchThe depletion layer can also be extended from the second semiconductor region adjacent to the electrode portion. Therefore, high breakdown voltage can be realized.
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor element having a structure that facilitates optimization of element characteristics and a low on-resistance and a high breakdown voltage.
[0011]
[4) further comprising a separation part adjacent to the second principal surface located on the opposite side of the first principal surface of the semiconductor part;Channel trenchAn electrode part;Drift trenchPreferably, at least one of the electrode portion and the first semiconductor region extends in a direction perpendicular to the first main surface until reaching the separation portion.Yes.
[5]Drift trenchIt is preferable that the electrode portions are adjacent to each other over the entire region connecting the first semiconductor region and the third semiconductor region in the second semiconductor region.Yes.
[6]Drift trenchHave multiple electrode parts, theseDrift trenchThe electrode unit group isDrift trenchIt is preferable that the depletion layers extending from the second semiconductor region adjacent to the electrode portion group to each other are arranged at intervals.
[0012]
[7] In the second semiconductor region, a concentration gradient of impurity concentration is formed in a direction parallel to the first main surface, while an impurity concentration in a direction perpendicular to the first main surface is substantially constant. LikeYes.
[8] The method for manufacturing a semiconductor device according to [7] includes sequentially performing a step of implanting ions from a side surface of a region to be the second semiconductor region toward the inside of the region and a step of performing a heat treatment. Is preferred.
[9] Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to [7], the first conductive layer is formed in a trench that is adjacent to a region to be the second semiconductor region and has the same position at the bottom and bottom of the second semiconductor region. It is preferable to sequentially perform a step of forming a semiconductor material to which a mold impurity is added and a step of performing a heat treatment.
[0013]
[10] The first to fourth semiconductor regions include regions formed in order in a first direction parallel to the first main surface,Channel trenchThe electrode portion is preferably adjacent to a surface region that is substantially perpendicular to the first direction in the third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region.
[11] The second to fourth semiconductor regions include regions formed in order in a direction perpendicular to the first main surface,Channel trenchThe electrode part is preferably adjacent to a third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region, which are sequentially formed in a direction perpendicular to the first main surface.
[12] The first to fourth semiconductor regions include regions formed in order in a first direction parallel to the first main surface,Channel trenchPreferably, the electrode portion is adjacent to a surface region substantially parallel to both the first direction and the direction perpendicular to the first main surface in the third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region. BetterYes.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First Embodiment FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device (horizontal semiconductor device, more specifically a lateral power MOSFET) according to a first embodiment of the present invention. 2 shows a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 3 shows a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
As shown in FIG. 2, the semiconductor element includes a
[0016]
As shown in FIG. 2, the
The semiconductor part (silicon part in this embodiment) 16 is formed on the
[0017]
The
In the plan view of FIG. 1, illustration of the
[0018]
Referring to the plan view of FIG. 1, the channel
[0019]
As shown in FIG. 2, the channel
[0020]
As shown in FIG. 1, the drift
[0021]
As shown in FIGS. 1 and 3, the first insulating
[0022]
Dotted lines A1 to A4 in FIG. 4 representing the same cross section as in FIG. 2 schematically show regions (lines) having the same impurity concentration. That is, each of the alternate long and short dash lines A1 to A4 can be said to be an “iso-impurity concentration line”. As the process proceeds from the A1 side to the A4 side, the impurity concentration decreases. In the present embodiment, as indicated by the isoimpurity concentration lines A1 to A4, the
[0023]
An example of a method for manufacturing this semiconductor element will be described. This semiconductor element is easy to manufacture if, for example, an SOI (Silicon On Insulater) substrate is used.
When an SOI substrate is used, the lower layer (silicon substrate) of the SOI substrate corresponds to the
When using the SOI substrate, first, a
Next, the
[0024]
Thus, in this embodiment, the trench for forming the insulating film (first insulating film 34) adjacent to the
If the thickness of the first insulating
[0025]
Next, the
θ ≦ tan-1(W / D)
For example, when the aperture width W is 1 μm and the depth D is 10 μm, it is preferable to perform ion implantation at an ion implantation angle θ of 5.7 degrees or less.
[0026]
Next, the
The semiconductor element of this embodiment can be manufactured through the above steps.
[0027]
Of course, the method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment is not limited to the above method. For example, the order of the manufacturing steps described above may be variously changed.
For example, in the above method, the formation of the
[0028]
Even when the first insulating
[0029]
As a method of forming a concentration gradient of the impurity concentration in the
[0030]
In the above method, the
[0031]
Next, the operation of the semiconductor element of this embodiment will be described. First, the
[0032]
In the present embodiment, the
[0033]
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the channel
[0034]
Further, if the channel
[0035]
Further, according to the present embodiment, when a reverse bias voltage is applied, not only the depletion layer extends from the pn junction between the
[0036]
In such a semiconductor element, there is an optimum impurity concentration concentration gradient in the
[0037]
On the other hand, in the present embodiment, as indicated by the equal impurity concentration lines A1 to A4 in FIG. 4, the
[0038]
The inventors manufactured a semiconductor element having the following configuration among the semiconductor elements of the present embodiment described above, and measured the on-resistance and breakdown voltage.
The first insulating
[0039]
As a result of measuring the breakdown voltage of this semiconductor element, a result that the breakdown voltage was 90 V was obtained as shown in FIG. Further, as a result of measuring the on-resistance, as shown in FIG. 8, the on-resistance was 58 mΩ · mm.2The result was obtained. This shows very high performance as a lateral power MOSFET used in a power IC.
[0040]
Second Embodiment FIG. 9 is a plan view of a semiconductor element (horizontal semiconductor element, more specifically a lateral power MOSFET) according to a second embodiment of the present invention. 10 shows a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG. FIG. 11 shows a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 12 shows a cross-sectional view taken along line IX-IX in FIG. About the structure and effect substantially similar to 1st Embodiment, description is abbreviate | omitted in principle except the content required for description of this embodiment.
Similarly to the first embodiment, in the second embodiment, the
[0041]
As seen in the plan view of FIG. 9, the channel
[0042]
As shown in FIG. 9, the channel
According to this configuration, by applying a predetermined voltage to the channel
[0043]
For example, according to the configuration of the second embodiment, as shown in FIG. 11, the
[0044]
As shown in FIGS. 9 and 11, the channel
[0045]
As shown in FIG. 9, the drift
[0046]
The channel
In order to realize such a configuration, it is preferable that the bottom of the
[0047]
According to this configuration, when the element is turned on, the channel formed by the channel
In addition, when both the
[0048]
Further, the second trench 55 (drift trench electrode portion 53) shown in FIG. 9 has a reduced withstand voltage generated by the first trench 65 (channel trench electrode portion 63) extending (overhanging) to the
That is, when the
Further, in this embodiment, as shown in FIGS. 9 and 11, when the channel
In the case of a structure in which the
On the other hand, as described above, when the
[0049]
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
(1) The
(2) The first to fourth semiconductor regions (in the first embodiment, the
(3) Of course, in the above semiconductor element, the n-type and p-type may be interchanged.
(4) Although the above embodiment has been described by taking a MOSFET as an example of a semiconductor element, the present invention can also be applied to an IGBT (insulated gate bipolar transistor), an insulated gate thyristor, or the like. For example, the conductivity type of the
[0050]
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
2 shows a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
FIG. 4 shows an impurity concentration distribution in a drift region in the semiconductor element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an ion implantation angle.
FIG. 6 is an explanatory diagram of an impurity concentration distribution in a drift region.
FIG. 7 shows a breakdown voltage characteristic of a semiconductor device manufactured as an example of the present invention.
FIG. 8 shows on-resistance characteristics of a semiconductor device manufactured as an example of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
10 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.
11 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
12 is a sectional view taken along line IX-IX in FIG.
[Explanation of symbols]
10, 40: Separation part
12, 42: Semiconductor substrate
14, 44: Insulating layer
16, 46: Semiconductor part
18, 48: first semiconductor region (drain region)
19, 49: Third trench
23, 53: second electrode part (drift trench electrode part)
24, 54: second insulating film
25, 55: Second trench
26, 56: second conductive layer
28, 58: second semiconductor region (drift region)
30, 60: third semiconductor region (body region)
32, 62: Fourth semiconductor region (source region)
33, 63: first electrode part (channel trench electrode part)
34, 64: first insulating film
35, 65: first trench
36, 66: first conductive layer
Claims (6)
半導体部は、第1半導体領域と、第2半導体領域と、第3半導体領域と、第4半導体領域を有し、
第1〜第4半導体領域は、その順序又はその逆の順序で電流が流れるように配置され、
第1半導体領域と第4半導体領域は、半導体部の第1主面に隣接する領域を含み、
第2半導体領域と第4半導体領域は第1導電型であり、第3半導体領域は第2導電型であり、
チャネルトレンチ電極部は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域に隣合う第1トレンチに沿って形成された第1絶縁膜と、第1絶縁膜に覆われた状態で第1トレンチ内に形成された第1導電層を有し、
ドリフトトレンチ電極部は、第2半導体領域に隣合うとともに第3半導体領域によって第4半導体領域から分離されている第2トレンチに沿って形成された第2絶縁膜と、第2絶縁膜に覆われた状態で第2トレンチ内に形成された第2導電層を有し、
チャネルトレンチ電極部の第1絶縁膜の厚さは、ドリフトトレンチ電極部の第2絶縁膜の厚さよりも薄い半導体素子。A semiconductor portion, a channel trench electrode portion, and a drift trench electrode portion,
The semiconductor portion has a first semiconductor region, a second semiconductor region, a third semiconductor region, and a fourth semiconductor region,
The first to fourth semiconductor regions are arranged such that current flows in the order or in the reverse order,
The first semiconductor region and the fourth semiconductor region include a region adjacent to the first main surface of the semiconductor part,
The second semiconductor region and the fourth semiconductor region are of the first conductivity type, the third semiconductor region is of the second conductivity type,
The channel trench electrode portion is covered with the first insulating film formed along the first trench adjacent to the third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region, and covered with the first insulating film. A first conductive layer formed in the first trench;
The drift trench electrode portion is covered with a second insulating film formed along the second trench adjacent to the second semiconductor region and separated from the fourth semiconductor region by the third semiconductor region, and the second insulating film. second have a second conductive layer formed in a trench in a state,
A semiconductor element in which the thickness of the first insulating film in the channel trench electrode portion is thinner than the thickness of the second insulating film in the drift trench electrode portion .
半導体部は、第1半導体領域と、これに接する第2半導体領域と、これに接する第3半導体領域と、これに接する第4半導体領域を有し、
第1半導体領域と第4半導体領域は、半導体部の第1主面に隣接する領域を含み、
第2半導体領域と第4半導体領域は第1導電型であり、第3半導体領域は第2導電型であり、
チャネルトレンチ電極部は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域に隣合う第1トレンチに沿って形成された第1絶縁膜と、第1絶縁膜に覆われた状態で第1トレンチ内に形成された第1導電層を有し、
ドリフトトレンチ電極部は、第2半導体領域に隣合うとともに第3半導体領域によって第4半導体領域から分離されている第2トレンチに沿って形成された第2絶縁膜と、第2絶縁膜に覆われた状態で第2トレンチ内に形成された第2導電層を有し、
チャネルトレンチ電極部の第1絶縁膜の厚さは、ドリフトトレンチ電極部の第2絶縁膜の厚さよりも薄い半導体素子。Includes a semiconductor unit, and the channel trench electrode portion, and a drift trench electrode portion,
The semiconductor portion includes a first semiconductor region, a second semiconductor region in contact with the first semiconductor region, a third semiconductor region in contact with the first semiconductor region, and a fourth semiconductor region in contact with the third semiconductor region.
The first semiconductor region and the fourth semiconductor region include a region adjacent to the first main surface of the semiconductor part,
The second semiconductor region and the fourth semiconductor region are of the first conductivity type, the third semiconductor region is of the second conductivity type,
The channel trench electrode portion is covered with the first insulating film formed along the first trench adjacent to the third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region, and covered with the first insulating film. A first conductive layer formed in the first trench;
The drift trench electrode portion is covered with a second insulating film formed along the second trench adjacent to the second semiconductor region and separated from the fourth semiconductor region by the third semiconductor region, and the second insulating film. a second conductive layer formed in the second trench in a state,
A semiconductor element in which the thickness of the first insulating film in the channel trench electrode portion is thinner than the thickness of the second insulating film in the drift trench electrode portion .
チャネルトレンチ電極部と、ドリフトトレンチ電極部と、第1半導体領域の少なくとも1つが前記第1主面に垂直な方向に分離部に達するまで伸びている請求項1又は2に記載の半導体素子。A separation part adjacent to the second principal surface located on the opposite side of the first principal surface of the semiconductor part;
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the channel trench electrode portion, the drift trench electrode portion, and the first semiconductor region extends in a direction perpendicular to the first main surface until reaching the separation portion.
チャネルトレンチ電極部は、第2半導体領域と第4半導体領域の間の第3半導体領域のうち前記第1方向と前記第1主面に垂直な方向の両方にぼぼ平行な面領域に隣合う請求項1〜5のいずれかに記載の半導体素子。The first to fourth semiconductor regions include regions formed in order in a first direction parallel to the first main surface,
The channel trench electrode portion is adjacent to a surface region substantially parallel to both the first direction and the direction perpendicular to the first main surface in the third semiconductor region between the second semiconductor region and the fourth semiconductor region. Item 6. The semiconductor element according to any one of Items 1 to 5 .
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