JP6552667B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置の製造技術に関し、例えばパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代表されるパワー半導体素子を含む半導体装置の製造に好適に利用できるものである。   The present invention relates to a manufacturing technique of a semiconductor device, and can be suitably used for manufacturing a semiconductor device including a power semiconductor element represented by, for example, a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

特表2010−541212号公報(特許文献1)には、活性領域および終端領域の各々にそれぞれが交互に配置された第1および第2導電型の複数のピラーを含む電力デバイスが記載されている。この電力デバイスは、活性領域および終端領域における第1導電型のピラーは実質的に同一幅を有し、かつ活性領域における第2導電型のピラーは終端領域における第2導電型のピラーより小さい幅を有しており、終端領域におけるブレークダウン電圧が活性領域におけるブレークダウン電圧よりも高くなる。   Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-541212 (Patent Document 1) describes a power device including a plurality of pillars of the first and second conductivity types alternately arranged in each of the active region and the termination region. . In the power device, the pillars of the first conductivity type in the active region and the termination region have substantially the same width, and the pillars of the second conductivity type in the active region have a smaller width than the pillars of the second conductivity type in the termination region The breakdown voltage in the termination region is higher than the breakdown voltage in the active region.

特表2010−541212号公報JP-A-2010-541212

スーパージャンクション(Superjunction)構造のパワーMOSFETは、高耐圧を確保しながら、オン抵抗を低減することのできる利点を有している。しかし、パワーMOSFETを形成した半導体チップでは、パワーMOSFETが形成されたセル領域(活性領域)よりも、このセル領域の外側を囲む周辺領域(ターミネーション領域、終端領域)においてアバランシェ降伏現象が起こりやすい。このため、アバランシェ電流がセル領域の外周部分に集中して、パワーMOSFETが破壊するという問題がある。   A power MOSFET having a super junction structure has an advantage that the on-resistance can be reduced while ensuring a high breakdown voltage. However, in a semiconductor chip in which a power MOSFET is formed, an avalanche breakdown phenomenon is more likely to occur in a peripheral region (termination region, termination region) surrounding the outside of the cell region than in a cell region (active region) in which the power MOSFET is formed. For this reason, there is a problem that the avalanche current concentrates on the outer peripheral portion of the cell region and the power MOSFET is broken.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

一実施の形態における半導体装置は、セル領域と、セル領域の外側に形成された周辺領域とを有し、セル領域および周辺領域の各々にn型カラム領域およびp型カラム領域が交互に配置されており、セル領域のn型カラム領域のn型不純物濃度は周辺領域のn型カラム領域のn型不純物濃度よりも高い。さらに、p型カラム領域の総電荷量とn型カラム領域の総電荷量との差がp型カラム領域の総電荷量の±10%以内、またはp型カラム領域の総電荷量がn型カラム領域の総電荷量よりも大きくなるように、セル領域および周辺領域においてそれぞれチャージバランスをとる。   The semiconductor device according to one embodiment has a cell region and a peripheral region formed outside the cell region, and n-type column regions and p-type column regions are alternately arranged in each of the cell region and the peripheral region. The n-type impurity concentration of the n-type column region of the cell region is higher than the n-type impurity concentration of the n-type column region of the peripheral region. Furthermore, the difference between the total charge amount in the p-type column region and the total charge amount in the n-type column region is within ± 10% of the total charge amount in the p-type column region, or the total charge amount in the p-type column region is n-type column Charge balance is established in each of the cell region and the peripheral region so as to be larger than the total charge amount of the region.

一実施の形態における半導体装置の製造方法は、セル領域のn型エピタキシャル層内に複数のn型カラム領域を互いに離間するように形成する工程と、セル領域の互いに隣り合うn型カラム領域で挟まれたn型エピタキシャル層の部分領域に複数のp型カラム領域を形成する工程とを含む。さらに、周辺領域のn型エピタキシャル層内に複数のp型カラム領域を互いに離間するように形成し、周辺領域の互いに隣り合うp型カラム領域で挟まれたn型エピタキシャル層の部分領域からなる複数のn型カラム領域を形成する工程を含む。そして、セル領域の複数のn型カラム領域、セル領域の複数のp型カラム領域および周辺領域の複数のp型カラム領域の各々の不純物濃度、幅およびピッチを調整して、セル領域および周辺領域においてそれぞれチャージバランスをとる。   In a method of manufacturing a semiconductor device according to one embodiment, a plurality of n-type column regions are formed to be separated from each other in an n-type epitaxial layer of a cell region, and n-type column regions adjacent to each other are sandwiched between the cell regions. Forming a plurality of p-type column regions in partial regions of the n-type epitaxial layer. Further, a plurality of p-type column regions are formed apart from each other in the n-type epitaxial layer in the peripheral region, and a plurality of partial regions of the n-type epitaxial layer sandwiched between adjacent p-type column regions in the peripheral region Forming an n-type column region of The impurity concentration, width, and pitch of each of the plurality of n-type column regions in the cell region, the plurality of p-type column regions in the cell region, and the plurality of p-type column regions in the peripheral region are adjusted to adjust the cell region and the peripheral region. Charge balance at each

一実施の形態によれば、パワー半導体素子を含む半導体装置の信頼性を向上することができる。   According to one embodiment, the reliability of a semiconductor device including a power semiconductor element can be improved.

実施の形態1による半導体チップの平面構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a planar configuration of a semiconductor chip according to a first embodiment. 実施の形態1による半導体装置の構成を示す断面図(図1のA−A線で切断した断面図)である。FIG. 2 is a cross sectional view (cross sectional view cut along the line A-A in FIG. 1) showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. (a)は、実施の形態1による半導体装置におけるpn接合の耐圧(BVdss)のチャージバランスを示すグラフ図である。(b)比較例として本発明者らが検討したセル領域のチャージバランスのpn接合の耐圧(BVdss)のピークと周辺領域のチャージバランスのpn接合の耐圧(BVdss)のピークとがシフトした場合の半導体装置におけるpn接合の耐圧(BVdss)のチャージバランスを示すグラフ図である。(A) is a graph which shows charge balance of the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the semiconductor device by Embodiment 1. FIG. (B) As a comparative example, the peak of the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the charge balance in the cell region and the peak of the breakdown voltage (BVdss) in the pn junction of the charge balance in the peripheral region studied by the present inventors It is a graph which shows the charge balance of the breakdown voltage (BVdss) of a pn junction in a semiconductor device. 実施の形態1による半導体装置の製造工程を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 図4に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 4; 図5に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 5; 図6に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 6; 図7に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 7; 図8に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 8; 図9に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 9; 図10に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 10; 図11に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 11; 図12に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 12; 図13に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 13; 図14に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 14; 図15に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 15; 図16に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 16; 図17に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 17; 実施の形態2による半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 7 is a cross sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2による半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. 図20に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 20; 図21に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 21; 図22に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 23 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 22; 図23に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 23; 図24に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 24; 図25に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 26 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 25; 図26に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 27 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 26; 図27に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 28 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 27; 図28に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 29 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 28; 図29に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 30 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following that of FIG. 29; 図30に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 31 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device continued from FIG. 30; 図31に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 32 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device, following FIG. 31; 半導体装置におけるpn接合の耐圧(BVdss)のチャージバランスを示すグラフ図、pn接合部の総電荷量分布を示す模式図およびpn接合部の電界強度を示す模式図である。(a)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが実質的に同じ場合(Qp≒Qn)の電界強度等を示す。(b)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きい場合(Qp>Qn)の電界強度等を示す。(c)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも小さい場合(Qp<Qn)の電界強度等を示す。FIG. 4 is a graph showing a charge balance of a breakdown voltage (BVdss) of a pn junction in a semiconductor device, a schematic diagram showing a total charge amount distribution of a pn junction, and a schematic diagram showing electric field strength of the pn junction. (A) shows the electric field strength and the like when the total charge amount (Qp) of the p-type column region and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are substantially the same (Qp ≒ Qn). (B) shows the electric field strength and the like when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is larger than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp> Qn). (C) shows the electric field strength and the like when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is smaller than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp <Qn). 実施の形態3による半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態3による半導体装置におけるpn接合部の総電荷量分布を示す模式図およびpn接合部の電界強度を示す模式図である。(a)は、p型カラム領域のp型不純物濃度およびn型カラム領域のn型不純物濃度が深さ方向に均一の場合の総電荷量分布および電界強度を示すグラフ図である。(b)は、p型カラム領域のp型不純物濃度がエピタキシャル層の上面から下面へ向かう深さ方向に徐々に低くなる場合の総電荷量分布および電界強度を示すグラフ図である。(c)は、n型カラム領域のn型不純物濃度がエピタキシャル層の上面から下面へ向かう深さ方向に徐々に高くなる場合の総電荷量分布および電界強度を示すグラフ図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a total charge amount distribution at a pn junction in the semiconductor device according to the third embodiment and a schematic diagram showing an electric field intensity at the pn junction. (A) is a graph showing the total charge amount distribution and the electric field strength when the p-type impurity concentration in the p-type column region and the n-type impurity concentration in the n-type column region are uniform in the depth direction. (B) is a graph showing the total charge amount distribution and the electric field strength when the p-type impurity concentration in the p-type column region gradually decreases in the depth direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer. (C) is a graph showing the total charge amount distribution and the electric field strength when the n-type impurity concentration in the n-type column region gradually increases in the depth direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer. 実施の形態4による半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment.

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is the other. And some or all of the variations, details, and supplementary explanations.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily essential except in the case where they are particularly clearly shown and where they are considered to be obviously essential in principle. Needless to say.

また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   In addition, when referring to “consisting of A”, “consisting of A”, “having A”, and “including A”, other elements are excluded unless specifically indicated that only that element is included. It goes without saying that it is not something to do. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. It is assumed that it includes things that are similar or similar to etc. The same applies to the above numerical values and ranges.

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Further, in the drawings used in the following embodiments, hatching may be added to make the drawings easy to see even if they are plan views. In all the drawings for explaining the following embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals in principle, and repeated description thereof is omitted. Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

(パワー半導体素子の課題)
例えばパワーMOSFETおよびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に代表されるパワー半導体素子は、負荷を駆動するスイッチング素子として使用されるが、負荷にインダクタンスが含まれる場合、パワー半導体素子をオフすると、インダクタンスによる逆起電力が発生し、この逆起電力に起因する電圧がパワー半導体素子に加わる。この場合、パワー半導体素子には、電源電圧以上の電圧が印加されることになり、この電圧がアバランシェ降伏電圧を超えると、パワー半導体素子にアバランシェ降伏現象が生じてアバランシェ電流が流れる。このアバランシェ電流が、パワー半導体素子のアバランシェ耐量(許容電流量)を超えると、パワー半導体素子が破壊されることになる。このアバランシェ耐量とは、アバランシェ降伏現象に起因して破壊に至るまでに流れるアバランシェ電流の許容電流量を示すものであり、パワー半導体素子において、アバランシェ電流の局所的な電流集中が生じると、アバランシェ耐量を超えてパワー半導体素子の破壊が起こりやすくなる。
(Issues of power semiconductor devices)
For example, power semiconductor elements typified by power MOSFETs and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used as switching elements for driving a load. When the load includes an inductance, when the power semiconductor element is turned off, the power semiconductor element is reversed. An electromotive force is generated, and a voltage resulting from the back electromotive force is applied to the power semiconductor element. In this case, a voltage equal to or higher than the power supply voltage is applied to the power semiconductor element, and when this voltage exceeds the avalanche breakdown voltage, an avalanche breakdown phenomenon occurs in the power semiconductor element and an avalanche current flows. When the avalanche current exceeds the avalanche resistance (permissible current amount) of the power semiconductor element, the power semiconductor element is broken. This avalanche resistance indicates the allowable amount of avalanche current that flows until breakdown due to an avalanche breakdown phenomenon, and when local concentration of avalanche current occurs in a power semiconductor element, the avalanche resistance Destruction of the power semiconductor device is likely to occur.

このことから、パワー半導体素子の信頼性を向上するためには、できるだけアバランシェ電流の局所的な電流集中を回避して、アバランシェ電流がアバランシェ耐量を超えないように、パワー半導体素子のデバイス構造を工夫することが必要である。   From this, in order to improve the reliability of the power semiconductor device, the device structure of the power semiconductor device is devised so as to avoid local current concentration of the avalanche current as much as possible and to prevent the avalanche current from exceeding the avalanche resistance. It is necessary to.

例えばパワー半導体素子を形成した半導体チップには、一般的に、パワー半導体素子が形成されるセル領域と、セル領域の外側を囲む周辺領域が存在する。ここで、アバランシェ降伏電圧に着目すると、パワー半導体素子の破壊を防止する観点から、セル領域のソース・ドレイン間耐圧よりも、周辺領域のソース・ドレイン間耐圧が高いことが望ましい。なぜなら、周辺領域でアバランシェ降伏現象が生じると、局所的(例えばセル領域の外周部分)にアバランシェ電流が集中して、セル領域でアバランシェ降伏現象が生じる場合よりも、アバランシェ耐量を超えてパワー半導体素子の破壊が起こりやすくなるからである。   For example, a semiconductor chip on which a power semiconductor element is formed generally has a cell region where the power semiconductor element is formed and a peripheral region surrounding the outside of the cell region. Here, focusing on the avalanche breakdown voltage, it is desirable that the source-drain breakdown voltage in the peripheral region is higher than the source-drain breakdown voltage in the cell region from the viewpoint of preventing the power semiconductor element from being destroyed. This is because when an avalanche breakdown phenomenon occurs in the peripheral region, avalanche current concentrates locally (for example, the outer peripheral portion of the cell region), and the power semiconductor device exceeds the avalanche resistance more than the case where the avalanche breakdown phenomenon occurs in the cell region. Destruction of the

ところが、現状のデバイス構造では、セル領域のソース・ドレイン間耐圧よりも、周辺領域のソース・ドレイン間耐圧が低く、周辺領域でアバランシェ降伏現象が生じてしまう。または同程度のソース・ドレイン間耐圧であっても、周辺領域にはアバランシェ降伏現象で生じた電流が流れるソース側コンタクトがないため、ホールが流れるセル領域の外周部分のソース側コンタクトにアバランシェ電流が集中し、そこでパワー半導体素子の破壊が生じる。従って、パワー半導体素子において、アバランシェ降伏現象に起因するパワー半導体素子の破壊を効果的に防止して、パワー半導体素子を含む半導体装置の信頼性を向上するためには、周辺領域でのソース・ドレイン間耐圧よりも、セル領域でのソース・ドレイン間耐圧を低くする工夫(ソース・ドレイン間に逆バイアスを印加する場合、セル領域で先にアバランシェ降伏現象を起こす工夫)が必要とされる。   However, in the current device structure, the breakdown voltage between the source and drain in the peripheral region is lower than the breakdown voltage between the source and drain in the cell region, and an avalanche breakdown phenomenon occurs in the peripheral region. Or, even with the same source-drain breakdown voltage, there is no source-side contact in the peripheral region where current generated by avalanche breakdown flows, so avalanche current is generated at the source-side contact in the outer peripheral part of the cell region where holes flow. It is concentrated where the destruction of the power semiconductor components occurs. Therefore, in the power semiconductor device, in order to effectively prevent the destruction of the power semiconductor device due to the avalanche breakdown phenomenon and to improve the reliability of the semiconductor device including the power semiconductor device, the source / drain in the peripheral region is A device to lower the source-drain breakdown voltage in the cell region rather than the inter-breakdown voltage (in the case where reverse bias is applied between the source and drain, a device to cause an avalanche breakdown in the cell region first) is required.

(本実施の形態における基本思想)
例えばパワーMOSFET、IGBTまたはダイオードに代表されるpn接合デバイスでは、pn接合の耐圧によってデバイスの耐圧が決定される。
(Basic thought in the present embodiment)
For example, in a pn junction device represented by a power MOSFET, an IGBT or a diode, the breakdown voltage of the device is determined by the breakdown voltage of the pn junction.

ここでいうpn接合の耐圧とは、アバランシェ降伏現象が生じるアバランシェ降伏電圧を意味している。例えばパワーMOSFETにおけるpn接合の耐圧とは、ゲート電極とソース領域とを接地した状態でドレイン領域に電圧を印加したとき、アバランシェ降伏現象が起こる電圧として定義される。   Here, the breakdown voltage of the pn junction means an avalanche breakdown voltage at which an avalanche breakdown phenomenon occurs. For example, the withstand voltage of the pn junction in the power MOSFET is defined as a voltage at which an avalanche breakdown phenomenon occurs when a voltage is applied to the drain region with the gate electrode and the source region grounded.

具体的に、アバランシェ降伏電圧とは、pn接合に逆方向電圧(接合に形成される電位障壁を高くする方向に印加される電圧)を印加したときに、アバランシェ降伏現象が生じる電圧であり、アバランシェ降伏現象とは以下のメカニズムで生じる現象である。すなわち、逆方向電圧をpn接合に印加すると、pn接合に形成された空乏層において、高電界で加速された電子および正孔が結晶格子に衝突する。そのとき、結晶格子間を接続している共有結合が破れ、新たに電子と正孔の対を発生させる(インパクトイオン化)。そして、新たに発生した電子正孔対も高電界のもとでエネルギーを得て、結晶格子に衝突し、さらに新しい電子正孔対を発生させる。この増倍現象が成長して空乏層に大電流が流れる。この現象がアバランシェ降伏現象である。   Specifically, the avalanche breakdown voltage is a voltage at which an avalanche breakdown phenomenon occurs when a reverse voltage (a voltage applied in a direction to increase the potential barrier formed in the junction) is applied to the pn junction. The yield phenomenon is a phenomenon that occurs under the following mechanism. That is, when a reverse voltage is applied to the pn junction, electrons and holes accelerated by a high electric field collide with the crystal lattice in the depletion layer formed in the pn junction. At that time, the covalent bond connecting the crystal lattices is broken, and a new pair of electrons and holes is generated (impact ionization). The newly generated electron-hole pair also obtains energy under a high electric field, collides with the crystal lattice, and generates a new electron-hole pair. This multiplication phenomenon grows and a large current flows through the depletion layer. This phenomenon is an avalanche breakdown phenomenon.

このようなpn接合の耐圧は、例えば、以下に示す(式1)で近似される。   The breakdown voltage of such a pn junction is approximated by, for example, (Equation 1) shown below.

≒60×(Eg/1.1)3/2×(N/1016−3/4・・・(式1)
ここで、Vはpn接合の耐圧を示しており、Egはバンドギャップを示しており、Nはバックグランド濃度(pn接合における低い方の不純物濃度)を示している。(式1)から、pn接合の耐圧は、バンドギャップの3/2乗に比例し、かつバックグランド濃度の3/4乗に反比例することがわかる。
V B 6060 × (Eg / 1.1) 3/2 × (N B / 10 16 ) −3/4 (Equation 1)
Here, V B indicates the breakdown voltage of the pn junction, E g indicates a band gap, and N B indicates a background concentration (lower impurity concentration in the pn junction). (Equation 1) shows that the breakdown voltage of the pn junction is proportional to the 3/2 power of the band gap and inversely proportional to the 3/4 power of the background concentration.

そこで、本実施の形態では、pn接合の耐圧に与えるバックグランド濃度に着目している。そして、(式1)から明らかなように、バックグランド濃度が低くなるほどpn接合の耐圧が高くなる。言い換えれば、バックグランド濃度が高くなるほどpn接合の耐圧が低くなる。このことから、pn接合の耐圧を向上するためには、バックグランド濃度を低くすればよいことになる。   Therefore, in the present embodiment, attention is paid to the background concentration given to the breakdown voltage of the pn junction. And, as is clear from (Expression 1), the lower the background concentration, the higher the breakdown voltage of the pn junction. In other words, the higher the background concentration, the lower the breakdown voltage of the pn junction. From this, in order to improve the breakdown voltage of the pn junction, it is sufficient to lower the background concentration.

前述したように、パワー半導体素子の信頼性を向上する観点からは、周辺領域ではなく、セル領域でアバランシェ降伏現象が生じることが望ましい。つまり、アバランシェ降伏現象に基づくパワー半導体素子の破壊を防止する観点からは、周辺領域のソース・ドレイン間耐圧よりもセル領域のソース・ドレイン間耐圧を低くすることが望ましい。   As described above, from the viewpoint of improving the reliability of the power semiconductor element, it is desirable that the avalanche breakdown phenomenon occurs not in the peripheral region but in the cell region. That is, from the viewpoint of preventing the breakdown of the power semiconductor device based on the avalanche breakdown phenomenon, it is desirable to lower the breakdown voltage between the source and drain in the cell region than the breakdown voltage between the source and drain in the peripheral region.

そこで、本実施の形態では、周辺領域のソース・ドレイン間耐圧よりもセル領域のソース・ドレイン間耐圧を低くするために、(式1)で示されるpn接合の耐圧とバックグランド濃度との関係に着目し、セル領域のバックグランド濃度を周辺領域のバックグランド濃度よりも高くする。これにより、セル領域のアバランシェ降伏電圧は、周辺領域のアバランシェ降伏電圧よりも低くなるので、周辺領域でアバランシェ降伏現象が生じる前に、セル領域でアバランシェ降伏現象が生じることになる。つまり、本実施の形態における基本思想によれば、セル領域でアバランシェ降伏現象を生じさせることができるので、アバランシェ降伏現象に起因するパワー半導体素子の破壊を効果的に防止することができ、これによって、パワー半導体素子を含む半導体装置の信頼性を向上することができる。   Therefore, in this embodiment, in order to make the source-drain breakdown voltage in the cell region lower than the source-drain breakdown voltage in the peripheral region, the relationship between the breakdown voltage of the pn junction shown in (Equation 1) and the background concentration. And set the background concentration of the cell region higher than the background concentration of the peripheral region. As a result, the avalanche breakdown voltage in the cell region becomes lower than the avalanche breakdown voltage in the peripheral region, so that the avalanche breakdown phenomenon occurs in the cell region before the avalanche breakdown phenomenon occurs in the peripheral region. That is, according to the basic idea in the present embodiment, the avalanche breakdown phenomenon can be generated in the cell region, so that the destruction of the power semiconductor element caused by the avalanche breakdown phenomenon can be effectively prevented. The reliability of the semiconductor device including the power semiconductor element can be improved.

本実施の形態では、上述した基本思想を具現化するための工夫を施している。   In the present embodiment, a device is embodied to embody the above-mentioned basic idea.

(実施の形態1)
<半導体装置の構成>
実施の形態1では、パワー半導体素子として、パワーMOSFETを例に挙げて説明する。図1は、実施の形態1による半導体装置(パワーMOSFET)の構成要素である半導体チップの平面構成を模式的に示す図である。
Embodiment 1
<Configuration of semiconductor device>
In the first embodiment, a power MOSFET will be described as an example of a power semiconductor element. FIG. 1 is a view schematically showing a planar configuration of a semiconductor chip which is a component of the semiconductor device (power MOSFET) according to the first embodiment.

図1に示すように、実施の形態1による半導体チップCHPは、例えば矩形形状をしており、セル領域CRと、遷移領域TRと、周辺領域PERとを有している。そして、セル領域CRの外側を囲むように遷移領域TRが配置され、さらに、遷移領域TRを囲むように周辺領域PERが配置されている。言い換えれば、周辺領域PERで囲まれた内側領域に、遷移領域TRを介してセル領域CRが配置されている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor chip CHP according to the first embodiment has, for example, a rectangular shape, and has a cell region CR, a transition region TR, and a peripheral region PER. Then, the transition region TR is disposed so as to surround the outside of the cell region CR, and the peripheral region PER is further disposed so as to surround the transition region TR. In other words, the cell region CR is disposed in the inner region surrounded by the peripheral region PER via the transition region TR.

セル領域CRには、例えばスイッチング素子として機能する複数のパワーMOSFETが形成されている。一方、周辺領域PERには、例えば周辺を斜めにエッチングするベベル構造、拡散リング構造(Diffused Ring Structure)、フィールドリング構造またはフィールドプレート構造に代表される周辺構造が形成されている。これらの周辺構造は、基本的に電界集中によってアバランシェ降伏現象を生じにくくする設計思想に基づいて形成されている。   In the cell region CR, for example, a plurality of power MOSFETs functioning as switching elements are formed. On the other hand, in the peripheral region PER, for example, a peripheral structure represented by a bevel structure, a diffused ring structure, a field ring structure, or a field plate structure in which the periphery is etched obliquely is formed. These peripheral structures are basically formed based on a design concept that makes it difficult for an avalanche breakdown phenomenon to occur due to electric field concentration.

以上のように、実施の形態1による半導体チップCHPにおいては、中心領域を含む内側領域に複数のパワーMOSFETが形成され、かつ内側領域を囲む外側領域に電界緩和構造である周辺構造が形成されている。   As described above, in the semiconductor chip CHP according to the first embodiment, the plurality of power MOSFETs are formed in the inner region including the central region, and the peripheral structure that is the electric field relaxation structure is formed in the outer region surrounding the inner region. There is.

図2は、図1のA−A線で切断した断面図である。図2に示すように、半導体チップCHPには、セル領域CRと、遷移領域TRと、周辺領域PERとが形成されている。そして、セル領域CRのpn接合の耐圧>遷移領域TRのpn接合の耐圧>周辺領域PERのpn接合の耐圧の関係となるように、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERのそれぞれの構造が設計されている。以下、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERのそれぞれの構造について説明する。   2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 2, in the semiconductor chip CHP, a cell region CR, a transition region TR, and a peripheral region PER are formed. The respective structures of the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER so that the breakdown voltage of the pn junction in the cell region CR> the withstand voltage of the pn junction in the transition region TR> the breakdown voltage of the pn junction in the peripheral region PER. Is designed. The structures of cell region CR, transition region TR and peripheral region PER will be described below.

(1)セル領域CRの構造
図2に示すように、セル領域CRでは、半導体基板1Sの主面上のエピタキシャル層EPIに、複数の第1p型カラム領域PC1と複数のn型カラム領域NCとがx方向に交互に配置された、所謂スーパージャンクション構造を有している。実施の形態1によるセル領域CRでは、第1p型カラム領域PC1の幅(x方向の寸法)、奥行き(z方向の寸法)および深さ(y方向の寸法)とn型カラム領域NCの幅(x方向の寸法)、奥行き(z方向の寸法)および深さ(y方向の寸法)とがそれぞれ同じになるように設計されている。従って、実施の形態1では、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の幅とn型カラム領域NCの幅との比が1:1の場合を例示している。
(1) Structure of Cell Region CR As shown in FIG. 2, in the cell region CR, a plurality of first p-type column regions PC1 and a plurality of n-type column regions NC are formed on the epitaxial layer EPI on the main surface of the semiconductor substrate 1S. Are so-called super junction structures alternately arranged in the x direction. In the cell region CR according to the first embodiment, the width (dimension in the x direction), depth (dimension in the z direction) and depth (dimension in the y direction) of the first p-type column region PC1 and the width (dimension in the y direction) The dimension in the x direction), the depth (the dimension in the z direction) and the depth (the dimension in the y direction) are designed to be the same. Therefore, the first embodiment exemplifies a case where the ratio of the width of the first p-type column region PC1 of the cell region CR to the width of the n-type column region NC is 1: 1.

以下、具体的に説明する。例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物を含有するシリコンからなる半導体基板1Sの主面上にエピタキシャル層EPIが形成されている。このエピタキシャル層EPIは、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物が導入されたシリコンを主成分とする半導体層から構成されている。エピタキシャル層EPIのn型不純物濃度(Nep)は半導体基板1Sの不純物濃度よりも低く、例えば2.4×1015/cmである。 The details will be described below. For example, an epitaxial layer EPI is formed on the main surface of a semiconductor substrate 1S made of silicon containing an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As). The epitaxial layer EPI is formed of, for example, a semiconductor layer whose main component is silicon in which an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is introduced. The n-type impurity concentration (Nep) of the epitaxial layer EPI is lower than the impurity concentration of the semiconductor substrate 1S, and is 2.4 × 10 15 / cm 3 , for example.

そして、エピタキシャル層EPI内でx方向に互いに離間するように複数のn型カラム領域NCが形成されている。このn型カラム領域NCのそれぞれは、例えば柱形状をしており、リン(P)または砒素(As)などのn型不純物が導入された半導体領域から構成されている。n型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)はエピタキシャル層EPIのn型不純物濃度(Nep)よりも高く、例えば3.0×1015/cmである。この複数のn型カラム領域NCと半導体基板1Sによって、パワーMOSFETのドレイン領域が構成されている。 In the epitaxial layer EPI, a plurality of n-type column regions NC are formed to be separated from each other in the x direction. Each of the n-type column regions NC has, for example, a columnar shape, and is formed of a semiconductor region into which an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is introduced. The n-type impurity concentration (Nn) of the n-type column region NC is higher than the n-type impurity concentration (Nep) of the epitaxial layer EPI, and is 3.0 × 10 15 / cm 3 , for example. The plurality of n-type column regions NC and the semiconductor substrate 1S constitute the drain region of the power MOSFET.

さらに、互いに隣り合うn型カラム領域NCで挟まれたエピタキシャル層EPIの部分領域には、第1p型カラム領域PC1が形成されている。この第1p型カラム領域PC1のそれぞれは、例えば柱形状をしており、ボロン(B)などのp型不純物が導入された半導体領域から構成されている。第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度(Np1)は、例えば3.0×1015/cmである。 Furthermore, a first p-type column region PC1 is formed in a partial region of the epitaxial layer EPI sandwiched between the n-type column regions NC adjacent to each other. Each of the first p-type column regions PC1 has a columnar shape, for example, and includes a semiconductor region into which a p-type impurity such as boron (B) is introduced. The p-type impurity concentration (Np1) of the first p-type column region PC1 is, for example, 3.0 × 10 15 / cm 3 .

そして、スーパージャンクション構造が形成されたエピタキシャル層EPIの上面に素子部が形成されている。   The element portion is formed on the top surface of the epitaxial layer EPI in which the super junction structure is formed.

素子部には、エピタキシャル層EPIの上面に第1p型カラム領域PC1と接するチャネル領域CHが形成されており、このチャネル領域CHに内包されるようにソース領域SRが形成されている。このとき、チャネル領域CHは、例えばボロン(B)などのp型不純物が導入された半導体領域から構成され、ソース領域SRは、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物が導入された半導体領域から構成されている。また、ソース領域SRの中央部分には、エピタキシャル層EPIの上面からチャネル領域CHに達するボディコンタクト領域BCが形成されている。このボディコンタクト領域BCは、例えばボロン(B)などのp型不純物が導入された半導体領域から構成されており、ボディコンタクト領域BCの不純物濃度は、チャネル領域CHの不純物濃度よりも高くなっている。   In the element portion, a channel region CH in contact with the first p-type column region PC1 is formed on the upper surface of the epitaxial layer EPI, and a source region SR is formed to be included in the channel region CH. At this time, the channel region CH is constituted by a semiconductor region into which a p-type impurity such as boron (B) is introduced, and the source region SR is introduced with an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As). The semiconductor region is composed of In addition, a body contact region BC reaching the channel region CH from the upper surface of the epitaxial layer EPI is formed in the central portion of the source region SR. Body contact region BC is formed of, for example, a semiconductor region into which a p-type impurity such as boron (B) is introduced, and the impurity concentration of body contact region BC is higher than the impurity concentration of channel region CH. .

さらに、互いに隣り合うチャネル領域CHで挟まれる領域上にゲート絶縁膜GOXが形成されており、このゲート絶縁膜GOX上にゲート電極GEが形成されている。ゲート絶縁膜GOXは、例えば酸化シリコン膜から形成されるが、これに限らず、例えば酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜から形成することもできる。また、ゲート電極GEは、例えば多結晶シリコン膜から形成されている。このゲート電極GEは、ソース領域SRと整合するように形成されている。また、ゲート電極GEの上面および両側の側壁を覆うように、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ILが形成されている。   Further, the gate insulating film GOX is formed on the region sandwiched by the channel regions CH adjacent to each other, and the gate electrode GE is formed on the gate insulating film GOX. The gate insulating film GOX is formed of, for example, a silicon oxide film, but is not limited thereto, and may be formed of, for example, a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film. Further, the gate electrode GE is formed of, for example, a polycrystalline silicon film. The gate electrode GE is formed to match the source region SR. Further, an interlayer insulating film IL made of, for example, a silicon oxide film is formed so as to cover the upper surface of the gate electrode GE and the side walls on both sides.

複数のゲート電極GEを覆う層間絶縁膜IL上にわたって、例えばチタンタングステン膜からなるバリア導体膜とアルミニウム膜とからなるソース電極SEが形成されている。これにより、ソース電極SEは、ソース領域SRと電気的に接続されるとともに、ボディコンタクト領域BCを介してチャネル領域CHとも電気的に接続されることになる。   Over the interlayer insulating film IL covering the plurality of gate electrodes GE, a source electrode SE made of, for example, a barrier conductor film made of a titanium tungsten film and an aluminum film is formed. As a result, the source electrode SE is electrically connected to the source region SR and is also electrically connected to the channel region CH via the body contact region BC.

このとき、ボディコンタクト領域BCは、ソース電極SEとのオーミック接触を確保する機能を有し、このボディコンタクト領域BCが存在することにより、ソース領域SRとチャネル領域CHとは同電位で電気的に接続されることになる。   At this time, the body contact region BC has a function to ensure ohmic contact with the source electrode SE, and the presence of the body contact region BC makes the source region SR and the channel region CH have the same electric potential electrically. It will be connected.

従って、ソース領域SRをエミッタ領域とし、チャネル領域CHをベース領域とし、かつn型カラム領域NCをコレクタ領域とする寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。すなわち、ソース領域SRとチャネル領域CHとが同電位で電気的に接続されているということは、寄生npnバイポーラトランジスタのエミッタ領域とベース領域との間に電位差が生じていないこと意味し、これによって、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。   Therefore, it is possible to suppress the on operation of a parasitic npn bipolar transistor in which the source region SR is an emitter region, the channel region CH is a base region, and the n-type column region NC is a collector region. That is, that the source region SR and the channel region CH are electrically connected at the same potential means that there is no potential difference between the emitter region and the base region of the parasitic npn bipolar transistor. The on-operation of the parasitic npn bipolar transistor can be suppressed.

ソース電極SEを部分的に覆うように、例えば酸化シリコン膜からなる表面保護膜PASが形成されており、ソース電極SEの一部領域は、表面保護膜PASから露出している。また、半導体基板1Sの裏面(エピタキシャル層EPIが形成された主面と反対側の面)には、金属膜からなるドレイン電極DEが形成されている。   A surface protection film PAS made of, for example, a silicon oxide film is formed to partially cover the source electrode SE, and a partial region of the source electrode SE is exposed from the surface protection film PAS. Further, a drain electrode DE made of a metal film is formed on the back surface of the semiconductor substrate 1S (the surface opposite to the main surface on which the epitaxial layer EPI is formed).

以上のようにして、セル領域CRに複数のパワーMOSFETが形成されている。   As described above, a plurality of power MOSFETs are formed in the cell region CR.

(2)遷移領域TRの構造
図2に示すように、遷移領域TRでは、複数の第2p型カラム領域PC2とエピタキシシャル層EPIからなる複数のn型カラム領域とがx方向に交互に配置された、所謂スーパージャンクション構造を有している。実施の形態1による遷移領域TRでは、第2p型カラム領域PC2の幅(x方向の寸法)と、エピタキシシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅(x方向の寸法)とは互いに異なる。しかし、第2p型カラム領域PC2の奥行き(z方向の寸法)および深さ(y方向の寸法)とエピタキシシャル層EPIからなるn型カラム領域の奥行き(z方向の寸法)および深さ(y方向の寸法)とがそれぞれ同じになるように設計されている。
(2) Structure of Transition Region TR As shown in FIG. 2, in the transition region TR, a plurality of second p-type column regions PC2 and a plurality of n-type column regions made of an epitaxial layer EPI are alternately arranged in the x direction. Also, it has a so-called super junction structure. In the transition region TR according to the first embodiment, the width (dimension in the x direction) of the second p-type column region PC2 is different from the width (dimension in the x direction) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI. However, the depth (dimension in the z direction) and depth (dimension in the y direction) of the second p-type column region PC2 and the depth (dimension in the z direction) and depth (y direction) of the n-type column region composed of the epitaxial layer EPI. Are designed to be the same as each other.

以下、具体的に説明する。セル領域CRと同様に遷移領域TRにおいても、半導体基板1Sの主面上にエピタキシャル層EPIが形成されている。そして、エピタキシャル層EPI内でx方向に互いに離間するように複数の第2p型カラム領域PC2が形成されている。この第2p型カラム領域PC2のそれぞれは、例えば柱形状をしており、ボロン(B)などのp型不純物が導入された半導体領域から構成されている。第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度(Np2)は、例えば3.0×1015/cmである。そして、互いに隣り合う第2p型カラム領域PC2で挟まれたエピタキシャル層EPIの部分領域が、n型カラム領域になる。 The details will be described below. In the transition region TR as well as the cell region CR, the epitaxial layer EPI is formed on the main surface of the semiconductor substrate 1S. A plurality of second p-type column regions PC2 are formed to be separated from each other in the x direction in the epitaxial layer EPI. Each of the second p-type column regions PC2 has a columnar shape, for example, and includes a semiconductor region into which a p-type impurity such as boron (B) is introduced. The p-type impurity concentration (Np2) of the second p-type column region PC2 is, for example, 3.0 × 10 15 / cm 3 . Then, a partial region of the epitaxial layer EPI sandwiched between the second p-type column regions PC2 adjacent to each other becomes an n-type column region.

さらに、セル領域CRに形成されているゲート電極GEと同層の多結晶シリコン膜からなるゲート引き出し部GPUが、エピタキシャル層EPIに形成されたチャネル領域CH上に、ゲート絶縁膜GOXを介して形成されている。そして、このゲート引き出し部GPUの上面および両側の側壁を覆うように層間絶縁膜ILが形成されており、この層間絶縁膜ILの一部にゲート引き出し部GPUの上面の一部を露出する開口部が形成されている。   Further, the gate lead-out portion GPU formed of a polycrystalline silicon film in the same layer as the gate electrode GE formed in the cell region CR is formed on the channel region CH formed in the epitaxial layer EPI via the gate insulating film GOX. It is done. Then, an interlayer insulating film IL is formed to cover the upper surface and both side walls of the gate lead-out portion GPU, and an opening which exposes a portion of the upper surface of the gate lead-out portion GPU in a portion of the interlayer insulating film IL. Is formed.

そして、開口部内を含む層間絶縁膜IL上に、例えばチタンタングステン膜からなるバリア導体膜とアルミニウム膜とからなるゲート引き出し電極GPEが形成されている。ここで、ゲート引き出し部GPUは、複数のゲート電極GEと電気的に接続されており、ゲート引き出し電極GPEに印加されたゲート電圧は、ゲート引き出し部GPUを介して、複数のゲート電極GEのそれぞれに印加される。   A gate lead electrode GPE made of a barrier conductor film made of, for example, a titanium tungsten film and an aluminum film is formed on the interlayer insulating film IL including the inside of the opening. Here, the gate lead-out part GPU is electrically connected to the plurality of gate electrodes GE, and the gate voltage applied to the gate lead-out electrode GPE is different from each of the plurality of gate electrodes GE through the gate lead-out part GPU. Applied to the

さらに、エピタキシャル層EPIの上面には、セル領域CRから延在するチャネル領域CHが形成されており、このチャネル領域CHの内部に内包されるようにソース引き出し領域SPRが形成されている。チャネル領域CH上を覆うように、エピタキシャル層EPIの上面上に層間絶縁膜ILが形成されており、この層間絶縁膜ILには、ソース引き出し領域SPRを露出するように開口部が形成されている。そして、この開口部を埋め込み、かつ層間絶縁膜IL上に、例えばチタンタングステン膜からなるバリア導体膜とアルミニウム膜とからなるソース引き出し電極SPEが形成されている。   Furthermore, on the top surface of the epitaxial layer EPI, a channel region CH extending from the cell region CR is formed, and a source lead region SPR is formed so as to be included inside the channel region CH. An interlayer insulating film IL is formed on the upper surface of the epitaxial layer EPI so as to cover the channel region CH, and an opening is formed in the interlayer insulating film IL to expose the source lead region SPR. . Then, the opening is buried, and over the interlayer insulating film IL, a source lead electrode SPE made of, for example, a barrier conductor film made of a titanium tungsten film and an aluminum film is formed.

遷移領域TRにおいても、ゲート引き出し電極GPEおよびソース引き出し電極SPEを部分的に覆うように、例えば酸化シリコン膜からなる表面保護膜PASが形成されており、ゲート引き出し電極GPEの一部領域およびソース引き出し電極SPEの一部領域は、表面保護膜PASから露出している。   Also in the transition region TR, a surface protection film PAS made of, for example, a silicon oxide film is formed to partially cover the gate extraction electrode GPE and the source extraction electrode SPE, and a partial region of the gate extraction electrode GPE and the source extraction A partial region of the electrode SPE is exposed from the surface protective film PAS.

以上のようにして、遷移領域TRに遷移構造が形成されている。   As described above, the transition structure is formed in the transition region TR.

(3)周辺領域PERの構造
図2に示すように、周辺領域PERでは、複数の第3p型カラム領域PC3と複数のエピタキシシャル層EPIからなるn型カラム領域とがx方向に交互に配置された、所謂スーパージャンクション構造を有している。実施の形態1による周辺領域PERでは、第3p型カラム領域PC3の幅(x方向の寸法)、奥行き(z方向の寸法)および深さ(y方向の寸法)とエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅(x方向の寸法)、奥行き(z方向の寸法)および深さ(y方向の寸法)とがそれぞれ同じになるように設計されている。従って、実施の形態1では、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の幅とエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅との比が1:1の場合を例示している。
(3) Structure of Peripheral Region PER As shown in FIG. 2, in the peripheral region PER, a plurality of third p-type column regions PC3 and n-type column regions composed of a plurality of epitaxial layers EPI are alternately arranged in the x direction. Also, it has a so-called super junction structure. In the peripheral region PER according to the first embodiment, an n-type column including the width (dimension in the x direction), depth (dimension in the z direction) and depth (dimension in the y direction) of the third p-type column region PC3 and the epitaxial layer EPI. The width (dimension in the x direction), the depth (dimension in the z direction), and the depth (dimension in the y direction) of the region are designed to be the same. Therefore, Embodiment 1 exemplifies a case where the ratio of the width of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER to the width of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI is 1: 1.

以下、具体的に説明する。セル領域CRと同様に周辺領域PERにおいても、半導体基板1Sの主面上には、エピタキシャル層EPIが形成されている。そして、エピタキシャル層EPI内でx方向に互いに離間するように複数の第3p型カラム領域PC3が形成されている。この第3p型カラム領域PC3のそれぞれは、例えば柱形状をしており、ボロン(B)などのp型不純物が導入された半導体領域から構成されている。第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度(Np3)は遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度(Np2)よりも低く、例えば2.4×1015/cmである。そして、互いに隣り合う第3p型カラム領域PC3で挟まれたエピタキシャル層EPIの部分領域が、n型カラム領域になる。 The details will be described below. Similar to the cell region CR, the epitaxial layer EPI is formed on the main surface of the semiconductor substrate 1S also in the peripheral region PER. A plurality of third p-type column regions PC3 are formed to be separated from each other in the x direction in the epitaxial layer EPI. Each of the third p-type column regions PC3 has a columnar shape, for example, and includes a semiconductor region into which a p-type impurity such as boron (B) is introduced. The p-type impurity concentration (Np3) of the third p-type column region PC3 is lower than the p-type impurity concentration (Np2) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR, and is 2.4 × 10 15 / cm 3 , for example. Then, a partial region of the epitaxial layer EPI sandwiched by the third p-type column regions PC3 adjacent to each other becomes an n-type column region.

さらに、エピタキシャル層EPIの上面には、セル領域CRに形成されているゲート電極GEと同層の多結晶シリコン膜からなる複数の電極(ダミー電極)FFPが形成されている。複数の電極(ダミー電極)FFPの上面および両側の側壁を覆うように、エピタキシャル層EPIの上面上に層間絶縁膜ILが形成されている。   Further, on the upper surface of the epitaxial layer EPI, a plurality of electrodes (dummy electrodes) FFP made of a polycrystalline silicon film of the same layer as the gate electrode GE formed in the cell region CR are formed. An interlayer insulating film IL is formed on the upper surface of the epitaxial layer EPI so as to cover the upper surfaces and sidewalls of both sides of the plurality of electrodes (dummy electrodes) FFP.

周辺領域PERにおいても、例えば酸化シリコン膜からなる表面保護膜PASが形成されている。   Also in the peripheral region PER, a surface protective film PAS made of, for example, a silicon oxide film is formed.

以上のようにして、周辺領域PERに周辺構造が形成されている。   As described above, the peripheral structure is formed in the peripheral region PER.

<スーパ−ジャンクション構造の利点>
上述したように、実施の形態1によるパワーMOSFETはスーパージャンクション構造をしている。このようなスーパージャンクション構造のパワーMOSFETによれば、以下に示すような利点を得ることができる。
<Advantages of super junction structure>
As described above, the power MOSFET according to the first embodiment has a super junction structure. According to such a power MOSFET having a super junction structure, the following advantages can be obtained.

すなわち、通常のパワーMOSFETでは、エピタキシャル層EPIの不純物濃度を低くして、パワーMOSFETのオフ状態時にエピタキシャル層EPIに形成される空乏層を延ばすことにより、耐圧を確保している。従って、高耐圧を実現するためには、低不純物濃度のエピタキシャル層EPIの厚さを厚くする必要がある。一方、低不純物濃度のエピタキシャル層を厚くすると、パワーMOSFETのオン抵抗が高くなる。つまり、パワーMOSFETにおいては、耐圧の向上とオン抵抗の低減とはトレードオフの関係にあることになる。   That is, in a normal power MOSFET, the withstand voltage is ensured by reducing the impurity concentration of the epitaxial layer EPI and extending the depletion layer formed in the epitaxial layer EPI when the power MOSFET is in the off state. Therefore, in order to realize a high breakdown voltage, it is necessary to increase the thickness of the low impurity concentration epitaxial layer EPI. On the other hand, if the thickness of the low impurity concentration epitaxial layer is increased, the on-resistance of the power MOSFET is increased. That is, in the power MOSFET, there is a trade-off between improvement in breakdown voltage and reduction in on-resistance.

この点に関し、実施の形態1によるスーパージャンクション構造のパワーMOSFETでは、周期的な第1p型カラム領域PC1とn型カラム領域NCとからなるスーパージャンクション構造をエピタキシャル層EPIに形成している。このスーパージャンクション構造のパワーMOSFETでは、オフ状態において、第1p型カラム領域PC1とn型カラム領域NCとの境界領域に形成されるpn接合から横方向にも空乏層が延びる。このため、スーパージャンクション構造のパワーMOSFETでは、電流通路であるn型カラム領域NCの不純物濃度を高くしても、2つの境界領域に挟まれるn型カラム領域NCの内側方向に延びる空乏層が繋がってn型カラム領域NC全体が空乏化しやすくなる。これにより、オフ状態でn型カラム領域NC全体が空乏化するため、耐圧を確保することができる。つまり、スーパージャンクション構造のパワーMOSFETでは、電流通路であるn型カラム領域NCの不純物濃度を高くしながらも、n型カラム領域NC全体を空乏化することができる。この結果、スーパージャンクション構造のパワーMOSFETでは、高耐圧を確保しながら、オン抵抗を低減することができる利点が得られる。   In this regard, in the power MOSFET having the super junction structure according to the first embodiment, the super junction structure including the periodic first p-type column region PC1 and the n-type column region NC is formed in the epitaxial layer EPI. In the power MOSFET of the super junction structure, in the off state, a depletion layer extends in the lateral direction also from the pn junction formed in the boundary region between the first p-type column region PC1 and the n-type column region NC. For this reason, in the power MOSFET having the super junction structure, even if the impurity concentration of the n-type column region NC which is a current path is increased, a depletion layer extending in the inner direction of the n-type column region NC sandwiched between the two boundary regions is connected. Thus, the entire n-type column region NC is easily depleted. As a result, the entire n-type column region NC is depleted in the off state, so that the withstand voltage can be secured. That is, in the power MOSFET of the super junction structure, the entire n-type column region NC can be depleted while the impurity concentration of the n-type column region NC which is a current passage is increased. As a result, in the power MOSFET of the super junction structure, there is obtained an advantage that the on resistance can be reduced while securing a high breakdown voltage.

<実施の形態1における特徴および効果>
(1)pn接合の耐圧
実施の形態1による半導体装置では、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)を周辺領域PERのエピタキシャル層EPIのn型不純物濃度(Nep)よりも高くしている。すなわち、実施の形態1では、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)を3.0×1015/cm、周辺領域PERのエピタキシャル層EPIのn型不純物濃度(Nep)を2.4×1015/cmとしている。これにより、セル領域CRにおけるpn接合部(第1p型カラム領域PC1とn型カラム領域NCとの接合部)のバックグランド濃度が周辺領域PERにおけるpn接合部(第3p型カラム領域PC3とエピタキシャル層EPIとの接合部)のバックグランド濃度よりも高くする。これにより、アバランシェ降伏電圧(pn接合の耐圧)とバンドギャップとの関係を示す前記(式1)を考慮すると、セル領域CRのアバランシェ降伏電圧は、周辺領域PERのアバランシェ降伏電圧よりも低くなる。
<Features and Effects of Embodiment 1>
(1) Withstand voltage of pn junction In the semiconductor device according to the first embodiment, the n-type impurity concentration (Nn) of n-type column region NC of cell region CR is higher than the n-type impurity concentration (Nep) of epitaxial layer EPI of peripheral region PER. Is also high. That is, in the first embodiment, the n-type impurity concentration (Nn) in the n-type column region NC of the cell region CR is 3.0 × 10 15 / cm 3 , and the n-type impurity concentration in the epitaxial layer EPI of the peripheral region PER (Nep ) Is 2.4 × 10 15 / cm 3 . Thereby, the background concentration of the pn junction in the cell region CR (the junction between the first p-type column region PC1 and the n-type column region NC) is the pn junction in the peripheral region PER (the third p-type column region PC3 and the epitaxial layer Higher than the background concentration of the junction with EPI). Accordingly, considering the above-described (Equation 1) indicating the relationship between the avalanche breakdown voltage (pn junction breakdown voltage) and the band gap, the avalanche breakdown voltage in the cell region CR is lower than the avalanche breakdown voltage in the peripheral region PER.

従って、例えば負荷に含まれるインダクタンスの影響によって、パワーMOSFETに電源電圧以上の電圧が印加される場合において、周辺領域PERでアバランシェ降伏現象が生じることなく、セル領域CRでアバランシェ降伏現象を生じさせることができる。すなわち、実施の形態1によるパワーMOSFETによれば、周辺領域PERよりも局所的にアバランシェ電流が集中しにくいセル領域CRでアバランシェ降伏現象を生じさせることができる。つまり、パワーMOSFETのアバランシェ耐量を超えやすい周辺領域PERでアバランシェ降伏現象を生じる前に、周辺領域PERよりもパワーMOSFETのアバランシェ耐量を超えにくいセル領域CRでアバランシェ降伏現象を生じさせることができる。これはアバランシェ電流が流れるソース側コンタクトが高密度に存在するセル領域と、ソース側コンタクトが存在しない周辺領域の構造差による。この結果、電源電圧を超える電圧がパワーMOSFETに印加されてアバランシェ降伏現象が生じる場合であっても、パワーMOSFETの破壊にまで至る状況を回避することができる。これにより、実施の形態1によれば、パワーMOSFETを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。   Therefore, for example, when a voltage higher than the power supply voltage is applied to the power MOSFET due to the influence of the inductance included in the load, the avalanche breakdown phenomenon occurs in the cell region CR without causing the avalanche breakdown phenomenon in the peripheral region PER. Can. That is, according to the power MOSFET of the first embodiment, the avalanche breakdown phenomenon can be generated in the cell region CR where the avalanche current is less likely to be concentrated locally than in the peripheral region PER. That is, before the avalanche breakdown phenomenon occurs in the peripheral region PER which easily exceeds the avalanche resistance of the power MOSFET, the avalanche breakdown phenomenon can be generated in the cell region CR which is less likely to exceed the avalanche resistance of the power MOSFET than the peripheral region PER. This is due to a difference in structure between a cell region where source side contacts through which an avalanche current flows exist at a high density and a peripheral region where source side contacts do not exist. As a result, even when a voltage exceeding the power supply voltage is applied to the power MOSFET and an avalanche breakdown phenomenon occurs, a situation that leads to the destruction of the power MOSFET can be avoided. Thereby, according to the first embodiment, the reliability of the semiconductor device including the power MOSFET can be improved.

図3(a)は、実施の形態1による半導体装置におけるpn接合の耐圧(BVdss)のチャージバランスを示すグラフ図である。ここでは、セル領域および周辺領域のチャージバランスを示している。   FIG. 3A is a graph showing the charge balance of the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the semiconductor device according to the first embodiment. Here, the charge balance of the cell region and the peripheral region is shown.

実施の形態1では、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)を周辺領域PERのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域のn型不純物濃度(Nep)よりも高くしている。これにより、図3(a)に示すように、セル領域CRのpn接合の耐圧(BVdss)は、周辺領域PERのpn接合の耐圧(BVdss)よりも低くなる。   In the first embodiment, the n-type impurity concentration (Nn) of n-type column region NC of cell region CR is set higher than the n-type impurity concentration (Nep) of the n-type column region formed of epitaxial layer EPI of peripheral region PER. There is. As a result, as shown in FIG. 3A, the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the cell region CR is lower than the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the peripheral region PER.

また、セル領域CRのpn接合の耐圧(BVdss)の低下度合い(チャージバランスの曲線の曲率)は、周辺領域PERのpn接合の耐圧(BVdss)の低下度合いよりも小さくなる。この結果、セル領域CRのチャージバランスと周辺領域PERのチャージバランスとが重ならないので、1つの半導体チップCHPで考えた場合、半導体チップCHPの耐圧はセル領域CRのチャージバランスによって決まることになる。   Further, the degree of decrease in the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the cell region CR (curvature of the charge balance curve) is smaller than the degree of decrease in the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the peripheral region PER. As a result, the charge balance of the cell region CR and the charge balance of the peripheral region PER do not overlap. Therefore, when considered with one semiconductor chip CHP, the breakdown voltage of the semiconductor chip CHP is determined by the charge balance of the cell region CR.

(2)各領域のチャージバランス
スーパージャンクション構造では、pn接合部を構成するp型カラム領域の総電荷量とn型カラム領域の総電荷量とのチャージバランスが崩れると、pn接合の耐圧が急激に低下する。そのため、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおいてそれぞれp型カラム領域の総電荷量とn型カラム領域の総電荷量とを同じに設定することが望ましい。
(2) Charge balance in each region In the super junction structure, when the charge balance between the total charge amount of the p-type column region constituting the pn junction and the total charge amount of the n-type column region is broken, the breakdown voltage of the pn junction is rapid. To drop. Therefore, it is desirable to set the total charge amount of the p-type column region and the total charge amount of the n-type column region in the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER, respectively.

しかし、半導体装置の製造時のプロセスマージンを考慮すると、p型カラム領域の総電荷量とn型カラム領域の総電荷量とを全く同じにすることは実際には難しい。そこで、通常、スーパージャンクション構造では、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが同じ(Qp=Qn)、またはp型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きくなるように(Qp>Qn)、p型カラム領域およびn型カラム領域は形成される。さらに言えば、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とを全く同じ(Qp=Qn)にすることは実際には難しいため、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とを実質的に同じ(Qp≒Qn)としている。なお、「Qp≒Qn」で示すp型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが実質的に同じとは、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)との差がp型カラム領域の総電荷量(Qp)の±10%以内であることを言う。   However, in consideration of the process margin at the time of manufacturing the semiconductor device, it is actually difficult to make the total charge amount of the p-type column region completely the same as the total charge amount of the n-type column region. Therefore, in general, in the super junction structure, the total charge amount (Qp) in the p-type column region and the total charge amount (Qn) in the n-type column region are the same (Qp = Qn), or the total charge amount in the p-type column region The p-type column region and the n-type column region are formed so that (Qp) is larger than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp> Qn). Furthermore, since it is actually difficult to make the total charge amount (Qp) of the p-type column region and the total charge amount (Qn) of the n-type column region exactly the same (Qp = Qn), the p-type column region The total charge amount (Qp) of the n-type column region and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are substantially the same (Qp≈Qn). The total charge amount (Qp) of the p-type column region indicated by “Qp≈Qn” and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are substantially the same. The difference between Qp) and the total charge amount (Qn) of the n-type column region is within ± 10% of the total charge amount (Qp) of the p-type column region.

従って、実施の形態1では、セル領域CRでは、第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)が、n型カラム領域NCの総電荷量(CQn)と実質的に同じ(CQp≒CQn)またはn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)よりも大きくなるように(CQp>CQn)、各総電荷量が設定される。また、遷移領域TRでは、第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)が、エピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)と実質的に同じ(TQp≒TQn)またはエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)よりも大きくなるように(TQp>TQn)、各総電荷量が設定される。また、周辺領域PERでは、第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)が、エピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)と実質的に同じ(PEQp≒PEQn)またはエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)よりも大きくなるように(PEQp>PEQn)、各総電荷量が設定される。   Therefore, in the first embodiment, in the cell region CR, the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 is substantially the same as the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC (CQp≈CQn). Alternatively, each total charge amount is set so as to be larger than the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC (CQp> CQn). Further, in the transition region TR, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 is substantially the same as the total charge amount (TQn) of the n-type column region consisting of the epitaxial layer EPI (TQp ≒ TQn) or epitaxial Each total charge amount is set so as to be larger than the total charge amount (TQn) of the n-type column region formed of the layer EPI (TQp> TQn). Further, in the peripheral region PER, the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 is substantially the same as the total charge amount (PEQn) of the n-type column region consisting of the epitaxial layer EPI (PEQp ≒ PEQn) or epitaxial Each total charge amount is set so as to be larger than the total charge amount (PEQn) of the n-type column region formed of the layer EPI (PEQp> PEQn).

これにより、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおいて、それぞれ理想的なチャージバランスをとることができる。   Thereby, ideal charge balance can be achieved in each of the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER.

さらに、実施の形態1では、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)およびn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)がそれぞれ遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)およびエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)よりも大きくなるように各総電荷量が設定される。また、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)およびエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)がそれぞれ周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)およびエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)よりも大きくなるように各総電荷量が設定される。すなわち、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおいて、それぞれチャージバランスをとりながら、
CQp>TQp>PEQp、CQn>TQn>PEQn・・・(式2)
となるように、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおいて、各総電荷量が設定される。
Furthermore, in the first embodiment, the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR and the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC are respectively the second p-type column region PC2 of the transition region TR. Each total charge amount is set to be larger than the total charge amount (TQp) of the n-type column region including the epitaxial layer EPI and the total charge amount (TQn) of the n-type column region. Further, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 in the transition region TR and the total charge amount (TQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI are the total of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER, respectively. Each total charge amount is set to be larger than the charge amount (PEQp) and the total charge amount (PEQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI. That is, in the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER, while maintaining the charge balance,
CQp>TQp> PEQp, CQn>TQn> PEQn (Equation 2)
Each total charge amount is set in the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER so that

実施の形態1では、図3(a)を用いて説明したように、1つの半導体チップCHPで考えた場合、半導体チップCHPの耐圧はセル領域CRのチャージバランスによって決まる。従って、セル領域CRにおいて、第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)が、n型カラム領域NCの総電荷量(CQn)と同じ(CQp=CQn)またはn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)よりも大きく(CQp>CQn)、かつ目標値以上のpn接合の耐圧が得られるように、プロセス条件が設定される。   In the first embodiment, as described with reference to FIG. 3A, when considering one semiconductor chip CHP, the withstand voltage of the semiconductor chip CHP is determined by the charge balance of the cell region CR. Accordingly, in the cell region CR, the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 is the same as the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC (CQp = CQn) or the total charge of the n-type column region NC. The process conditions are set so that a breakdown voltage of the pn junction that is larger than the quantity (CQn) (CQp> CQn) and equal to or higher than the target value is obtained.

ここで、(式2)の関係を満たしていれば、セル領域CRの理想的な総電荷量の領域((CQp=CQn)および(CQp>CQn)の領域)において、遷移領域TRでも総電荷量は(TQp=TQn)および(TQp>TQn)の状態となり、かつ常にセル領域CRのpn接合の耐圧は遷移領域TRのpn接合の耐圧よりも低くなる。また、セル領域CRの理想的な総電荷量の領域((CQp=CQn)および(CQp>CQn)の領域)において、周辺領域PERでも総電荷量は(PEQp=PEQn)および(PEQp>PEQn)の状態となり、かつ常にセル領域CRのpn接合の耐圧は周辺領域PERのpn接合の耐圧よりも低くなる。   Here, if the relationship of (Equation 2) is satisfied, the total charge in the transition region TR in the ideal total charge amount region ((CQp = CQn) and (CQp> CQn) region) of the cell region CR. The quantities are in the states of (TQp = TQn) and (TQp> TQn), and the breakdown voltage of the pn junction in the cell region CR is always lower than the breakdown voltage of the pn junction in the transition region TR. Further, in the region of the ideal total charge amount of the cell region CR (the region of (CQp = CQn) and (CQp> CQn)), the total charge amount is also (PEQp = PEQn) and (PEQp> PEQn) in the peripheral region PER. The breakdown voltage of the pn junction of the cell region CR is always lower than the breakdown voltage of the pn junction of the peripheral region PER.

すなわち、(式2)の関係を満たしていれば、セル領域CRのチャージバランスで決まる総電荷量が(CQp=CQn)および(CQp>CQn)の範囲で、かつ目標値以上ののpn接合の耐圧が得られる領域(図3(a)に示すA1の領域)に、遷移領域TRの理想的なチャージバランスおよび周辺領域PERの理想的なチャージバランスを含めることができる。すなわち、この領域(図3(a)に示すA1の領域)であれば、遷移領域TRでも総電荷量が(TQp=TQn)および(TQp>TQn)の状態であり、また、周辺領域PERでも総電荷量が(PEQp=PEQn)および(PEQp>PEQn)の状態であり、かつ常にセル領域CRのpn接合の耐圧は遷移領域TRおよび周辺領域PERのpn接合の耐圧よりも低くすることができる。   That is, if the relationship of (Equation 2) is satisfied, the total charge amount determined by the charge balance of the cell region CR is in the range of (CQp = CQn) and (CQp> CQn) and at the pn junction of the target value or more. The ideal charge balance of the transition region TR and the ideal charge balance of the peripheral region PER can be included in the region where the breakdown voltage is obtained (region of A1 shown in FIG. 3A). That is, in this region (region of A1 shown in FIG. 3A), the total charge amount is in the state of (TQp = TQn) and (TQp> TQn) in the transition region TR, and in the peripheral region PER. The total charge amount is in the state of (PEQp = PEQn) and (PEQp> PEQn), and the breakdown voltage of the pn junction in the cell region CR can always be lower than the breakdown voltage of the pn junction in the transition region TR and the peripheral region PER. .

図3(b)は、比較例として本発明者らが検討したセル領域のチャージバランスのpn接合の耐圧(BVdss)のピークと周辺領域のチャージバランスのpn接合の耐圧(BVdss)のピークとがシフトした場合の半導体装置のpn接合の耐圧(BVdss)のチャージバランスを示すグラフ図である。   FIG. 3B shows the peak of the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the charge balance of the cell region examined by the present inventors as a comparative example and the peak of the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the charge balance of the peripheral region. It is a graph which shows charge balance of the proof pressure (BVdss) of pn junction of the semiconductor device at the time of having shifted.

セル領域CRのチャージバランスのpn接合の耐圧(BVdss)と周辺領域PERのチャージバランスのpn接合の耐圧(BVdss)とをシフトさせることによっても、セル領域CRのpn接合の耐圧(BVdss)を、周辺領域PERのpn接合の耐圧(BVdss)よりも低くすることはできる。しかし、周辺領域PERにおいて第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)よりもn型カラム領域の総電荷量(PEQn)が大きくなる範囲(PEQn>PEQp、図3(b)にA3で示す領域)は使用することができない。そのため、比較例による半導体装置の製造時のプロセスマージン(図3(b)にA2で示す領域)は、実施の形態1による半導体装置の製造時のプロセスマージン(図3(a)にA1で示す領域)よりも小さくなる。   The breakdown voltage (BVdss) of the pn junction of the cell region CR is also obtained by shifting the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction of the charge balance of the cell region CR and the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction of the charge balance of the peripheral region PER. The breakdown voltage (BVdss) of the pn junction in the peripheral region PER can be made lower. However, a range (PEQn> PEQp) in which the total charge amount (PEQn) of the n-type column region is larger than the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER (PEQn> PEQp, shown by A3 in FIG. Area) can not be used. Therefore, the process margin at the time of manufacturing the semiconductor device according to the comparative example (region indicated by A2 in FIG. 3B) is the process margin at the time of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment (indicated by A1 in FIG. 3A). Smaller than the region).

従って、実施の形態1による半導体装置の方が、比較例による半導体装置よりも、その製造時のプロセスマージンを広くとれるという利点がある。   Therefore, the semiconductor device according to the first embodiment has an advantage that the process margin at the time of manufacture can be widened as compared with the semiconductor device according to the comparative example.

次に、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおけるそれぞれのp型カラム領域およびn型カラム領域の構造について詳細に説明する。   Next, the structures of the p-type column region and the n-type column region in the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER will be described in detail.

(2−1)セル領域
セル領域CRでは、図2に示したように、半導体基板1Sの主面上のエピタキシャル層EPIに、複数の第1p型カラム領域PC1と複数のn型カラム領域NCとが交互に形成されている。第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度をNp1、幅をCRWp、奥行きをDpおよび深さをTpとすると、第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)は、
CQp=Np1×{CRWp×Dp×Tp}・・・(式3)
で表される。
(2-1) Cell Region In the cell region CR, as shown in FIG. 2, a plurality of first p-type column regions PC1 and a plurality of n-type column regions NC are formed on the epitaxial layer EPI on the main surface of the semiconductor substrate 1S. Are alternately formed. When the p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 is Np1, the width is CRWp, the depth is Dp, and the depth is Tp, the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 is
CQp = Np1 × {CRWp × Dp × Tp} (Formula 3)
Is represented by

また、n型カラム領域NCのn型不純物濃度をNn、幅をCRWn、奥行きをDnおよび深さをTnとすると、n型カラム領域NCの総電荷量(CQn)は、
CQn=Nn×{CRWn×Dn×Tn}・・・(式4)
で表される。
Further, assuming that the n-type impurity concentration of the n-type column region NC is Nn, the width is CRWn, the depth is Dn, and the depth is Tn, the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC is
CQn = Nn × {CRWn × Dn × Tn} (Equation 4)
Is represented by

第1p型カラム領域PC1の幅CRWp、奥行きDpおよび深さTpは、それぞれn型カラム領域NCの幅CRWn、奥行きDnおよび深さTnと同じであり、第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度(Np1)とn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)とは同じである。実施の形態1によるパワーMOSFETでは、第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度(Np1)およびn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)は、例えば3.0×1015/cmである。 The width CRWp, depth Dp, and depth Tp of the first p-type column region PC1 are the same as the width CRWn, depth Dn, and depth Tn of the n-type column region NC, respectively, and the p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 (Np1) and the n-type impurity concentration (Nn) of the n-type column region NC are the same. In the power MOSFET according to the first embodiment, the p-type impurity concentration (Np1) of the first p-type column region PC1 and the n-type impurity concentration (Nn) of the n-type column region NC are, for example, 3.0 × 10 15 / cm 3 . is there.

従って、セル領域CRでは、第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)とn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)とは同じとなり(CQp=CQn)、チャージバランスをとることができる。   Accordingly, in the cell region CR, the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 and the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC are the same (CQp = CQn), and charge balance can be achieved. .

(2−2)遷移領域
遷移領域TRでは、図2に示したように、半導体基板1Sの主面上のエピタキシャル層EPIに、複数の第2p型カラム領域PC2が互いに離間して形成されている。エピタキシャル層EPIのn型不純物濃度は、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度よりも低く、例えば2.4×1015/cmである。
(2-2) Transition Region In the transition region TR, as shown in FIG. 2, a plurality of second p-type column regions PC2 are formed apart from each other in the epitaxial layer EPI on the main surface of the semiconductor substrate 1S. . The n-type impurity concentration of the epitaxial layer EPI is lower than the n-type impurity concentration of the n-type column region NC of the cell region CR, for example, 2.4 × 10 15 / cm 3 .

第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度をNp2、幅をTWp、奥行きをDpおよび深さをTpとすると、第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)は、
TQp=Np2×{TWp×Dp×Tp}・・・(式5)
で表される。ここで、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度(Np2)とセル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度(Np1)とは同じであるが(Np2=Np1)、第2p型カラム領域PC2の幅(TWp)は、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の幅(CRWp)よりも小さい(TWp<CRWp)。これにより、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)は、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)よりも小さくなる(TQp<CQp)。
When the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 is Np2, the width is TWp, the depth is Dp, and the depth is Tp, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 is
TQp = Np2 × {TWp × Dp × Tp} (Formula 5)
Is represented by Here, the p-type impurity concentration (Np2) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR and the p-type impurity concentration (Np1) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR are the same (Np2 = Np1) , And the width (TWp) of the second p-type column region PC2 is smaller than the width (CRWp) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR (TWp <CRWp). Thus, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR is smaller than the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR (TQp <CQp).

また、エピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域のn型不純物濃度をNep、幅をTWn、奥行きをDpおよび深さをTpとすると、エピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)は、
TQn=Nep×{TWn×Dp×Tp}・・・(式6)
で表される。ここで、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIのn型不純物濃度(Nep)は、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)よりも低い(Nep<Nn)。これにより、セル領域CRのn型カラム領域NCの幅(CRWn)と遷移領域TRのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅(TWn)とが同じであっても、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)は、セル領域CRのn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)よりも小さくなる(TQn<CQn)。
Further, when the n-type impurity concentration of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI is Nep, the width is TWn, the depth is Dp, and the depth is Tp, the total charge amount (TQn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI Is
TQn = Nep × {TWn × Dp × Tp} (6)
Is represented by Here, the n-type impurity concentration (Nep) of the epitaxial layer EPI of the transition region TR is lower than the n-type impurity concentration (Nn) of the n-type column region NC of the cell region CR (Nep <Nn). Thereby, even if the width (CRWn) of the n-type column region NC of the cell region CR and the width (TWn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI of the transition region TR are the same, the epitaxial layer of the transition region TR The total charge amount (TQn) of the n-type column region made of EPI is smaller than the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC of the cell region CR (TQn <CQn).

従って、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)およびエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)は、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)およびn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)よりもそれぞれ小さくなる(TQp<CQp,TQn<CQn)。また、第2p型カラム領域PC2の幅(TWp)およびピッチを調整することによって、遷移領域TRでは、第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)とエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)とは同じとなり(TQp=TQn)、チャージバランスをとることができる。   Therefore, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR and the total charge amount (TQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI are the total of the first p-type column region PC1 of the cell region CR. The charge amount (CQp) is smaller than the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC (TQp <CQp, TQn <CQn). Further, by adjusting the width (TWp) and the pitch of the second p-type column region PC2, in the transition region TR, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 and the n-type column region consisting of the epitaxial layer EPI. The total charge amount (TQn) is the same (TQp = TQn), and charge balance can be achieved.

なお、上記説明では、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度とセル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度とを同じとし、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の幅(TWp)を、セル領域CRの第1型p型カラム領域PC1の幅(CRWp)よりも小さくした。これにより、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)を、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)よりも小さくした。しかし、これに限定されるものではない。   In the above description, the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 of the transition region TR and the p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 of the cell region CR are the same, and the second p-type column of the transition region TR The width (TWp) of the region PC2 was made smaller than the width (CRWp) of the first type p-type column region PC1 of the cell region CR. As a result, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR is smaller than the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR. However, it is not limited to this.

例えば遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の幅(TWp)とセル領域CRの第1p型カラム領域PC1の幅(CRWp)とを同じとし、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度をセル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度よりも低くしてもよい。これにより、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)を、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)よりも小さくすることができる。   For example, the width (TWp) of the second p-type column region PC2 in the transition region TR is the same as the width (CRWp) of the first p-type column region PC1 in the cell region CR, and the p-type of the second p-type column region PC2 in the transition region TR. The impurity concentration may be lower than the p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 of the cell region CR. Thereby, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 in the transition region TR can be made smaller than the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 in the cell region CR.

(2−3)周辺領域
周辺領域PERでは、図2に示したように、半導体基板1Sの主面上のエピタキシャル層EPIに、複数の第3p型カラム領域PC3が互いに離間して形成されている。エピタキシャル層EPIのn型不純物濃度は、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度よりも低く、例えば2.4×1015/cmである。
(2-3) Peripheral Region In the peripheral region PER, as shown in FIG. 2, a plurality of third p-type column regions PC3 are formed apart from each other in the epitaxial layer EPI on the main surface of the semiconductor substrate 1S. . The n-type impurity concentration of the epitaxial layer EPI is lower than the n-type impurity concentration of the n-type column region NC of the cell region CR, for example, 2.4 × 10 15 / cm 3 .

第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度をNp3、幅をPEWp、奥行きをDpおよび深さをTpとすると、第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)は、
PEQp=Np3×{PEWp×Dp×Tp}・・・(式7)
で表される。ここで、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度(Np3)は、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度(Np2)よりも低い(Np3<Np2)。これにより、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅(TWn)と周辺領域PERのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅(PEWn)とが同じであっても、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)は、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)よりも小さくなる(PEQp<TQp)。
When the p-type impurity concentration of the third p-type column region PC3 is Np3, the width is PEWp, the depth is Dp, and the depth is Tp, the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 is
PEQp = Np3 × {PEWp × Dp × Tp} (Expression 7)
Is represented by Here, the p-type impurity concentration (Np3) of the third p-type column region PC3 of the peripheral region PER is lower than the p-type impurity concentration (Np2) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR (Np3 <Np2). Thereby, even if the width (TWn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI in the transition region TR and the width (PEWn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI in the peripheral region PER are the same, the peripheral region The total charge (PEQp) of the third p-type column region PC3 of PER is smaller than the total charge (TQp) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR (PEQp <TQp).

また、エピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域のn型不純物濃度をNep、幅をPEWn、奥行きをDpおよび深さをTpとすると、エピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)は、
PEQn=Nep×{PEWn×Dp×Tp}・・・(式8)
で表される。ここで、周辺領域PERのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅(PEWn)を、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の幅(TWn)よりも小さくする(PEWn<TWn)。これにより、周辺領域PERのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)は、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)よりも小さくなる(PEQn<TQn)。
Further, when the n-type impurity concentration of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI is Nep, the width is PEWn, the depth is Dp, and the depth is Tp, the total charge amount (PEQn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI Is
PEQn = Nep × {PEWn × Dp × Tp} (Equation 8)
Is represented by Here, the width (PEWn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI in the peripheral region PER is made smaller than the width (TWn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI in the transition region TR (PEWn <TWn). . Thereby, the total charge amount (PEQn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI in the peripheral region PER is smaller than the total charge amount (TQn) of the n-type column region made of the epitaxial layer EPI in the transition region TR ( PEQn <TQn).

従って、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)およびエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)は、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)およびエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)よりもそれぞれ小さくなる(PEQp<TQp,PEQn<TQn)。また、第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度(Np3)、幅(PEWp)およびピッチを調整することによって、周辺領域PERでは、第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)とエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)とは同じとなり(PEQn=PEQp)、チャージバランスをとることができる。   Therefore, the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER and the total charge amount (PEQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI are the total of the second p-type column region PC2 in the transition region TR. The charge amount (TQp) and the total charge amount (TQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI are respectively smaller (PEQp <TQp, PEQn <TQn). Further, by adjusting the p-type impurity concentration (Np3), width (PEWp), and pitch of the third p-type column region PC3, the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 and the epitaxial layer are adjusted in the peripheral region PER. The total charge amount (PEQn) of the n-type column region made of EPI is the same (PEQn = PEQp), and charge balance can be achieved.

なお、上記説明では、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度(Np3)をセル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度(Np1)および遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度(Np2)よりも低くした。これにより、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)を、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)および遷移領域TRの第2型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)よりも小さくした。しかし、これに限定されるものではない。   In the above description, the p-type impurity concentration (Np3) of the third p-type column region PC3 of the peripheral region PER is changed to the p-type impurity concentration (Np1) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR and the second p of the transition region TR. The concentration is lower than the p-type impurity concentration (Np2) of the E-type column region PC2. Thereby, the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER is compared with the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 in the cell region CR and the second type column region PC2 in the transition region TR. Less than the total charge (TQp) of However, it is not limited to this.

例えば周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度(Np3)と遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度(Np2)とを同じとし、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の幅(PEWp)およびピッチを、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の幅(TWp)およびピッチよりもそれぞれ小さくしてもよい。これにより、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)を、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)および遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)よりも小さくすることができる。   For example, the p-type impurity concentration (Np3) of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER is the same as the p-type impurity concentration (Np2) of the second p-type column region PC2 in the transition region TR, and the third p-type of the peripheral region PER. The width (PEWp) and pitch of the column region PC3 may be smaller than the width (TWp) and pitch of the second p-type column region PC2 of the transition region TR. Thus, the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER is changed to the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 in the cell region CR and the second p-type column region PC2 in the transition region TR. Can be smaller than the total charge amount (TQp) of

(3)特徴点のまとめと効果
実施の形態1による半導体装置では、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)を周辺領域PERのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域のn型不純物濃度(Nep)よりも高くすること、並びにセル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおいてそれぞれチャージバランスをとることが特徴となる。さらに、前記(式2)に示したように、セル領域CRの総電荷量(CQp、CQn)が遷移領域TRの総電荷量(TQp、TQn)よりも大きくなり、遷移領域TRの総電荷量(TQp、TQn)が周辺領域PERの総電荷量(PEQp、PEQn)よりも大きくなるように各総電荷量が設定されていることが特徴となる。
(3) Summary of Features and Effects In the semiconductor device according to the first embodiment, the n-type impurity concentration (Nn) of the n-type column region NC of the cell region CR is the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI of the peripheral region PER. It is characterized in that the concentration is higher than the n-type impurity concentration (Nep) and that charge balance is taken in each of the cell region CR, the transition region TR and the peripheral region PER. Furthermore, as shown in the above (formula 2), the total charge amount (CQp, CQn) of the cell region CR becomes larger than the total charge amount (TQp, TQn) of the transition region TR, and the total charge amount of the transition region TR Each total charge amount is set such that (TQp, TQn) is larger than the total charge amount (PEQp, PEQn) of the peripheral region PER.

セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)を周辺領域PERのエピタキシャル層EPIからなるn型カラム領域のn型不純物濃度(Nep)よりも高くすることにより、セル領域CRのpn接合の耐圧は周辺領域PERのpn接合の耐圧よりも低くなるので、セル領域CRでアバランシェ降伏現象を生じさせることができる。従って、パワーMOSFETのアバランシェ耐量を超えやすい周辺領域PERでアバランシェ降伏現象を生じる前に、パワーMOSFETのアバランシェ耐量を超えにくいセル領域CRでアバランシェ降伏現象を生じさせることができる。この結果、電源電圧を超える電圧がパワーMOSFETに印加されてアバランシェ降伏現象が生じる場合であっても、パワーMOSFETの破壊にまで至る状況を回避することができる。   By setting the n-type impurity concentration (Nn) of the n-type column region NC of the cell region CR higher than the n-type impurity concentration (Nep) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI of the peripheral region PER, Since the breakdown voltage of the pn junction is lower than the breakdown voltage of the pn junction in the peripheral region PER, an avalanche breakdown phenomenon can be caused in the cell region CR. Therefore, before the avalanche breakdown phenomenon occurs in the peripheral region PER which easily exceeds the avalanche resistance of the power MOSFET, the avalanche breakdown phenomenon can be generated in the cell region CR which does not easily exceed the avalanche resistance of the power MOSFET. As a result, even when a voltage exceeding the power supply voltage is applied to the power MOSFET and an avalanche breakdown phenomenon occurs, a situation that leads to the destruction of the power MOSFET can be avoided.

また、セル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおいてそれぞれチャージバランスをとり、セル領域CRの総電荷量(CQp、CQn)を遷移領域TRの総電荷量(TQp、TQn)よりも大きくし、さらに、遷移領域TRの総電荷量(TQp、TQn)を周辺領域PERの総電荷量(PEQp、PEQn)よりも大きくしている。これにより、セル領域CRにおいて、総電荷量が(CQp=CQn)および(CQp>CQn)の範囲で、かつ目標値以上のpn接合の耐圧が得られる領域を、半導体装置の製造時のプロセスマージンとすることができる。この領域であれば、遷移領域TRでも総電荷量が(TQp=TQn)および(TQp>TQn)の状態であり、また、周辺領域PERでも総電荷量が(PEQp=PEQn)および(PEQp>PEQn)の状態であり、かつ常にセル領域CRのpn接合の耐圧を遷移領域TRおよび周辺領域PERのpn接合の耐圧よりも低くすることができる。   Further, the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER are respectively charge-balanced so that the total charge amount (CQp, CQn) of the cell region CR is larger than the total charge amount (TQp, TQn) of the transition region TR. Further, the total charge amount (TQp, TQn) of the transition region TR is set larger than the total charge amount (PEQp, PEQn) of the peripheral region PER. Thus, in the cell region CR, a region where the breakdown voltage of the pn junction with the total charge amount in the range of (CQp = CQn) and (CQp> CQn) and above the target value can be obtained is a process margin when manufacturing the semiconductor device. It can be done. In this region, the total charge amount is (TQp = TQn) and (TQp> TQn) in the transition region TR, and the total charge amount is also (PEQp = PEQn) and (PEQp> PEQn in the peripheral region PER. And the breakdown voltage of the pn junction in the cell region CR can always be lower than the breakdown voltage of the pn junction in the transition region TR and the peripheral region PER.

また、セル領域CRのn型カラム領域NCのn型不純物濃度(Nn)を高くしたことにより、パワーMOSFETのオン抵抗を低減することができる。   Further, the on-resistance of the power MOSFET can be reduced by increasing the n-type impurity concentration (Nn) of the n-type column region NC of the cell region CR.

以上のことから、実施の形態1によるスーパージャンクション構造のパワーMOSFETを含む半導体装置の信頼性を向上させることができる。   From the above, it is possible to improve the reliability of the semiconductor device including the power MOSFET of the super junction structure according to the first embodiment.

<半導体装置の製造方法>
実施の形態1による半導体装置(パワーMOSFET)の製造方法の一例について図4〜図18を用いて説明する。図4〜図18は、実施の形態1による半導体装置の製造工程を示す断面図である。実施の形態1では、2段のエピタキシャル層を形成する、所謂「マルチエピタキシャル法」と呼ばれる製造方法について説明する。また、セル領域のpn接合の耐圧が600V〜650V、周辺領域のpn接合の耐圧が650V〜730Vの半導体装置を例示する。すなわち、周辺領域のpn接合の耐圧がセル領域のpn接合の耐圧よりも50V〜80V程度高い半導体装置を例示する。また、セル領域、遷移領域および周辺領域にそれぞれ形成されるカラム領域の奥行および深さは、同じとしている。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
An example of a method of manufacturing the semiconductor device (power MOSFET) according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 18 are cross sectional views showing manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. In the first embodiment, a manufacturing method called a so-called "multi-epitaxial method" will be described in which two-stage epitaxial layers are formed. In addition, a semiconductor device in which the breakdown voltage of the pn junction in the cell region is 600 V to 650 V and the breakdown voltage of the pn junction in the peripheral region is 650 V to 730 V is exemplified. That is, a semiconductor device in which the breakdown voltage of the pn junction in the peripheral region is about 50 V to 80 V higher than the breakdown voltage of the pn junction in the cell region is exemplified. Further, the depths and the depths of the column regions respectively formed in the cell region, the transition region and the peripheral region are the same.

まず、図4に示すように、主面(表面、上面)上にn型半導体層からなる1層目のエピタキシャル層EPI1を形成した半導体基板1Sを用意する。例えば半導体基板1Sは、リン(P)または砒素(As)などのn型不純物を単結晶シリコンに導入することにより形成されている。また、エピタキシャル層EPI1のn型不純物濃度は、例えば2.4×1015/cm程度であり、エピタキシャル層EPI1の厚さは、例えば22μm〜25μm程度である。 First, as shown in FIG. 4, a semiconductor substrate 1S is prepared in which a first epitaxial layer EPI1 composed of an n-type semiconductor layer is formed on the main surface (surface, upper surface). For example, the semiconductor substrate 1S is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) into single crystal silicon. The n-type impurity concentration of the epitaxial layer EPI1 is, for example, about 2.4 × 10 15 / cm 3 , and the thickness of the epitaxial layer EPI1 is, for example, about 22 μm to 25 μm.

次に、図5に示すように、エピタキシャル層EPI1上にパターニングしたレジスト膜FR1を形成する。レジスト膜FR1は、セル領域CRのn型カラム形成領域を露出し、遷移領域TRおよび周辺領域PERを含むその他の領域のエピタキシャル層EPI1の上面を覆うように形成される。   Next, as shown in FIG. 5, a resist film FR1 patterned on the epitaxial layer EPI1 is formed. Resist film FR1 is formed to expose the n-type column formation region of cell region CR and to cover the upper surface of epitaxial layer EPI1 in the other regions including transition region TR and peripheral region PER.

そして、パターニングしたレジスト膜FR1をマスクにしたイオン注入法により、セル領域CRのエピタキシャル層EPI1の内部に、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物を導入することにより、複数のn型カラム領域NCを互いに離間するように形成する。   Then, a plurality of n-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As) are introduced into the epitaxial layer EPI1 of the cell region CR by ion implantation using the patterned resist film FR1 as a mask. The n-type column regions NC are formed so as to be separated from each other.

複数のn型カラム領域NCのそれぞれは、例えば注入エネルギーを変えたイオン注入を複数回実施することにより、エピタキシャル層EPI1の下面から上面にわたる略柱形状に形成される。n型カラム領域NCのn型不純物濃度は、例えば3.0×1015/cm程度である。 Each of the plurality of n-type column regions NC is formed in a substantially columnar shape extending from the lower surface to the upper surface of the epitaxial layer EPI1 by, for example, performing ion implantation with different implantation energy a plurality of times. The n-type impurity concentration in the n-type column region NC is, for example, about 3.0 × 10 15 / cm 3 .

次に、図6に示すように、レジスト膜FR1を除去した後、エピタキシャル層EPI1上にパターニングしたレジスト膜FR2を形成する。レジスト膜FR2は、セル領域CRの第1p型カラム形成領域および遷移領域TRの第2p型カラム形成領域を露出し、周辺領域PERを含むその他の領域のエピタキシャル層EPI1の上面を覆うように形成される。   Next, as shown in FIG. 6, after removing the resist film FR1, a patterned resist film FR2 is formed on the epitaxial layer EPI1. Resist film FR2 is formed to expose the first p-type column formation region of cell region CR and the second p-type column formation region of transition region TR, and to cover the upper surface of epitaxial layer EPI1 in other regions including peripheral region PER. Ru.

そして、パターニングしたレジスト膜FR2をマスクにしたイオン注入法により、セル領域CRおよび遷移領域TRのエピタキシャル層EPI1の内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入することにより、セル領域CRでは、複数の第1p型カラム領域PC1を互いに離間するように形成し、遷移領域TRでは、複数の第2p型カラム領域PC2を互いに離間するように形成する。なお、遷移領域TRでは、互いに隣り合う第2p型カラム領域PC2で挟まれたエピタキシャル層EPI1の部分領域がn型カラム領域となる。   Then, a p-type impurity such as boron (B) is introduced into the cell region CR and the epitaxial layer EPI1 in the transition region TR by an ion implantation method using the patterned resist film FR2 as a mask. Then, the plurality of first p-type column regions PC1 are formed so as to be separated from each other, and in the transition region TR, the plurality of second p-type column regions PC2 are formed so as to be separated from each other. In the transition region TR, a partial region of the epitaxial layer EPI1 sandwiched between the second p-type column regions PC2 adjacent to each other becomes an n-type column region.

セル領域CRの複数の第1p型カラム領域PC1および遷移領域TRの複数の第2p型カラム領域PC2のそれぞれは、例えば注入エネルギーを変えたイオン注入を複数回実施することにより、エピタキシャル層EPI1の下面から上面にわたる略柱形状に形成される。   Each of the plurality of first p-type column regions PC1 of the cell region CR and the plurality of second p-type column regions PC2 of the transition region TR is, for example, the lower surface of the epitaxial layer EPI1 by performing ion implantation with different implantation energy multiple times. It is formed in a substantially columnar shape ranging from the upper surface to the upper surface.

セル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度、幅およびピッチは、セル領域CRにおいてチャージバランスがとれるように設定される。実施の形態1による半導体装置では、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の幅とn型カラム領域NCの幅の比を1:1とした場合を例示する。この場合、第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)とn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)とが同じ(CQp=CQn)となるように、第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度が設定される。従って、第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度は、n型カラム領域NCのn型不純物濃度と同じ、例えば3.0×1015/cm程度である。 The p-type impurity concentration, width, and pitch of the first p-type column region PC1 of the cell region CR are set so as to achieve charge balance in the cell region CR. In the semiconductor device according to the first embodiment, a case where the ratio of the width of the first p-type column region PC1 of the cell region CR to the width of the n-type column region NC is 1: 1 is illustrated. In this case, the p of the first p-type column region PC1 is set such that the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 and the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC are the same (CQp = CQn). Type impurity concentration is set. Therefore, the p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 is the same as the n-type impurity concentration of the n-type column region NC, for example, about 3.0 × 10 15 / cm 3 .

同様に、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度、幅およびピッチは、遷移領域TRにおいてチャージバランスがとれるように設定される。さらに、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)をセル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)よりも小さく設定する必要がある(CQp>TQp)。また、遷移領域TRのエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)をセル領域CRのn型カラム領域NCの総電荷量(CQn)よりも小さく設定する必要がある(CQn>TQn)。   Similarly, the p-type impurity concentration, width, and pitch of the second p-type column region PC2 in the transition region TR are set so that charge balance is achieved in the transition region TR. Furthermore, it is necessary to set the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR smaller than the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR (CQp> TQp) . Further, the total charge amount (TQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI1 of the transition region TR needs to be set smaller than the total charge amount (CQn) of the n-type column region NC of the cell region CR (CQn> TQn).

そこで、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2とセル領域CRの第1p型カラム領域PC1とは同じ工程で形成されることから、第2p型カラム領域PC2の幅を第1p型カラム領域PC1の幅よりも小さくした。さらに、遷移領域TRでは、エピタキシャル層EPI1の部分領域がn型カラム領域となるので、第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)とエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)とが同じとなるように(TQp=TQn)、エピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の幅(すなわち第2p型カラム領域PC2のピッチ)を調整した。   Therefore, since the second p-type column region PC2 of the transition region TR and the first p-type column region PC1 of the cell region CR are formed in the same step, the width of the second p-type column region PC2 is equal to that of the first p-type column region PC1. It was smaller than the width. Furthermore, in the transition region TR, since the partial region of the epitaxial layer EPI1 becomes an n-type column region, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 and the total charge amount of the n-type column region composed of the epitaxial layer EPI1 ( The width of the n-type column region (that is, the pitch of the second p-type column region PC2) formed of the epitaxial layer EPI1 was adjusted so that TQn would be the same (TQp = TQn).

なお、ここでは、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の幅をセル領域CRの第1p型カラム領域PC1の幅よりも小さくしたが、これに限定されるものではない。例えば遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の幅とセル領域CRの第1p型カラム領域PC1の幅とを同じとして、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度をセル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度よりも低くしてもよい。   Here, although the width of the second p-type column region PC2 of the transition region TR is smaller than the width of the first p-type column region PC1 of the cell region CR, the present invention is not limited to this. For example, assuming that the width of the second p-type column region PC2 of the transition region TR and the width of the first p-type column region PC1 of the cell region CR are the same, the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 of the transition region TR is set to the cell region CR. It may be lower than the p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1.

次に、図7に示すように、レジスト膜FR2を除去した後、エピタキシャル層EPI1上にパターニングしたレジスト膜FR3を形成する。レジスト膜FR3は、周辺領域PERの第3p型カラム形成領域を露出し、セル領域CRおよび遷移領域TRを含むその他の領域のエピタキシャル層EPI1の上面を覆うように形成される。   Next, as shown in FIG. 7, after removing the resist film FR2, a patterned resist film FR3 is formed on the epitaxial layer EPI1. The resist film FR3 is formed so as to expose the third p-type column formation region in the peripheral region PER and cover the upper surface of the epitaxial layer EPI1 in other regions including the cell region CR and the transition region TR.

そして、パターニングしたレジスト膜FR3をマスクにしたイオン注入法により、周辺領域PERのエピタキシャル層EPI1の内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入することにより、複数の第3p型カラム領域PC3を互いに離間するように形成する。なお、周辺領域PERでは、互いに隣り合う第3p型カラム領域PC3で挟まれたエピタキシャル層EPI1の部分領域がn型カラム領域となる。   Then, by introducing a p-type impurity such as boron (B) into the epitaxial layer EPI1 in the peripheral region PER by ion implantation using the patterned resist film FR3 as a mask, a plurality of third p-type column regions are introduced. The PCs 3 are formed to be separated from one another. In the peripheral region PER, a partial region of the epitaxial layer EPI1 sandwiched between the third p-type column regions PC3 adjacent to each other is an n-type column region.

周辺領域PERの複数の第3p型カラム領域PC3のそれぞれは、例えば注入エネルギーを変えたイオン注入を複数回実施することにより、エピタキシャル層EPI1の下面から上面にわたる略柱形状に形成される。   Each of the plurality of third p-type column regions PC3 in the peripheral region PER is formed in a substantially columnar shape extending from the lower surface to the upper surface of the epitaxial layer EPI1 by, for example, performing ion implantation with different implantation energy a plurality of times.

周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度、幅およびピッチは、周辺領域PERにおいてチャージバランスがとれるように設定される。実施の形態1による半導体装置では、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の幅とエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の幅との比を1:1とした場合を例示する。この場合、第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)とエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)とが同じ(PEQp=PEQn)となるように、第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度が設定される。従って、第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度は、エピタキシャル層EPI1のn型不純物濃度と同じ、例えば2.4×1015/cm程度である。 The p-type impurity concentration, width, and pitch of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER are set so as to achieve charge balance in the peripheral region PER. In the semiconductor device according to the first embodiment, a case where the ratio of the width of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER to the width of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI1 is 1: 1 is illustrated. In this case, the third p-type column so that the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 and the total charge amount (PEQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI1 are the same (PEQp = PEQn). The p-type impurity concentration in the region PC3 is set. Therefore, the p-type impurity concentration of the third p-type column region PC3 is the same as the n-type impurity concentration of the epitaxial layer EPI1, for example, about 2.4 × 10 15 / cm 3 .

さらに、周辺領域PERの第3カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)を遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)よりも小さく設定する必要がある(TQp>PEQp)。また、周辺領域PERのエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)を遷移領域TRのエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)よりも小さく設定する必要がある(TQn>PEQn)。   Furthermore, the total charge amount (PEQp) of the third column region PC3 in the peripheral region PER needs to be set smaller than the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 in the transition region TR (TQp> PEQp). Further, the total charge amount (PEQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI1 in the peripheral region PER needs to be set smaller than the total charge amount (TQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPI1 in the transition region TR. Yes (TQn> PEQn).

そこで、周辺領域PERと遷移領域TRのそれぞれn型カラム領域は同じエピタキシャル層EPI1からなることから、周辺領域PERのエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の幅を遷移領域TRのエピタキシャル層EPI1からなるn型カラム領域の幅よりも小さくした。さらに、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3と遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2とは互いに異なる工程で形成されるので、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度を遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度よりも低くした。   Therefore, since each n-type column region of peripheral region PER and transition region TR is formed of the same epitaxial layer EPI1, the width of the n-type column region formed of epitaxial layer EPI1 of peripheral region PER is formed of epitaxial layer EPI1 of transition region TR. It was smaller than the width of the n-type column area. Furthermore, since the third p-type column region PC3 of the peripheral region PER and the second p-type column region PC2 of the transition region TR are formed in different steps, the p-type impurity concentration of the third p-type column region PC3 of the peripheral region PER is The concentration is lower than the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 of the transition region TR.

なお、ここでは、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度を遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度よりも低くしたが、これに限定されるものではない。例えば周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度と遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度とを同じとして、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の幅を遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の幅よりも小さくしてもよい。   Here, although the p-type impurity concentration of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER is lower than the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 in the transition region TR, the present invention is not limited thereto. . For example, assuming that the p-type impurity concentration of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER and the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 in the transition region TR are the same, the width of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER is The width may be smaller than the width of the second p-type column region PC2 of the transition region TR.

次に、図8に示すように、1層目のエピタキシャル層EPI1上に、さらに、2層目のエピタキシャル層EPI2を形成する。エピタキシャル層EPI2の不純物濃度は、例えば2.4×1015/cm程度であり、エピタキシャル層EPI2の厚さは、例えば22μm〜25μm程度である。 Next, as shown in FIG. 8, a second epitaxial layer EPI2 is further formed on the first epitaxial layer EPI1. The impurity concentration of the epitaxial layer EPI2 is, for example, about 2.4 × 10 15 / cm 3 , and the thickness of the epitaxial layer EPI2 is, for example, about 22 μm to 25 μm.

次に、図9に示すように(前記図5を用いて説明した工程と同様)、エピタキシャル層EPI2上にパターニングしたレジスト膜FR4を形成し、このレジスト膜FR4をマスクにしたイオン注入法により、セル領域CRのエピタキシャル層EPI2の内部に、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物を導入する。これにより、エピタキシャル層EPI1に形成された複数のn型カラム領域NCとそれぞれ電気的に接続する複数のn型カラム領域NCをエピタキシャル層EPI2に互いに離間するように形成する。n型カラム領域NCのn型不純物濃度は、例えば3.0×1015/cm程度である。 Next, as shown in FIG. 9 (similar to the step described with reference to FIG. 5), a resist film FR4 patterned on the epitaxial layer EPI2 is formed, and ion implantation using this resist film FR4 as a mask is performed. An n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is introduced into the epitaxial layer EPI2 of the cell region CR. Thus, a plurality of n-type column regions NC electrically connected to the plurality of n-type column regions NC formed in the epitaxial layer EPI1 are formed in the epitaxial layer EPI2 so as to be separated from each other. The n-type impurity concentration in the n-type column region NC is, for example, about 3.0 × 10 15 / cm 3 .

次に、図10に示すように(前記図6を用いて説明した工程と同様)、レジスト膜FR4を除去した後、エピタキシャル層EPI2上にパターニングしたレジスト膜FR5を形成し、このレジスト膜FR5をマスクにしたイオン注入法により、セル領域CRおよび遷移領域TRのエピタキシャル層EPI2の内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入する。これにより、セル領域CRでは、エピタキシャル層EPI1に形成された複数の第1p型カラム領域PC1とそれぞれ電気的に接続する複数の第1p型カラム領域PC1をエピタキシャル層EPI2に互いに離間するように形成する。また、遷移領域TRでは、エピタキシャル層EPI1に形成された複数の第2p型カラム領域PC2とそれぞれ電気的に接続する複数の第2p型カラム領域PC2をエピタキシャル層EPI2に互いに離間するように形成する。第1p型カラム領域PC1および第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度は、例えば3.0×1015/cm程度であり、セル領域CRおよび遷移領域TRにおいてそれぞれチャージバランスがとれるように第1p型カラム領域PC1および第2p型カラム領域PC2は形成される。 Next, as shown in FIG. 10 (same as the process described with reference to FIG. 6), after removing the resist film FR4, a resist film FR5 patterned on the epitaxial layer EPI2 is formed, and this resist film FR5 is formed. A p-type impurity such as boron (B) is introduced into the epitaxial layer EPI2 in the cell region CR and the transition region TR by ion implantation using a mask. Thereby, in the cell region CR, a plurality of first p-type column regions PC1 electrically connected to the plurality of first p-type column regions PC1 formed in the epitaxial layer EPI1 are formed in the epitaxial layer EPI2 so as to be separated from each other. . In the transition region TR, a plurality of second p-type column regions PC2 electrically connected to the plurality of second p-type column regions PC2 formed in the epitaxial layer EPI1 are formed so as to be separated from the epitaxial layer EPI2. The p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 and the second p-type column region PC2 is, for example, about 3.0 × 10 15 / cm 3 and the charge balance can be maintained in the cell region CR and the transition region TR. The 1p-type column region PC1 and the second p-type column region PC2 are formed.

この結果、実施の形態1によれば、セル領域CRでは、第1p型カラム領域PC1とn型カラム領域NCとが交互に形成されたスーパージャンクション構造が形成され、遷移領域TRでは、第2p型カラム領域PC2とエピタキシャル層EPI1,EPI2からなるn型カラム領域とが交互に形成されたスーパージャンクション構造が形成される。   As a result, according to the first embodiment, in the cell region CR, a super junction structure in which the first p-type column region PC1 and the n-type column region NC are alternately formed is formed, and in the transition region TR, the second p-type A super junction structure is formed in which column regions PC2 and n-type column regions composed of epitaxial layers EPI1 and EPI2 are alternately formed.

次に、図11に示すように(前記図7を用いて説明した工程と同様)、レジスト膜FR5を除去した後、エピタキシャル層EPI2上にパターニングしたレジスト膜FR6を形成し、このレジスト膜FR6をマスクにしたイオン注入法により、周辺領域PERのエピタキシャル層EPI2の内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入する。これにより、周辺領域PERに、エピタキシャル層EPI1に形成された複数の第3p型カラム領域PC3とそれぞれ電気的に接続する複数の第3p型カラム領域PC3をエピタキシャル層EPI2に互いに離間するように形成する。第3p型カラム領域PC3の不純物濃度は、例えば2.4×1015/cm程度であり、周辺領域PERにおいてチャージバランスがとれるように第3p型カラム領域PC3は形成される。 Next, as shown in FIG. 11 (similar to the step described with reference to FIG. 7), after removing the resist film FR5, a resist film FR6 patterned on the epitaxial layer EPI2 is formed, and this resist film FR6 is formed. A p-type impurity such as boron (B) is introduced into the epitaxial layer EPI2 in the peripheral region PER by ion implantation using a mask. Thus, a plurality of third p-type column regions PC3 electrically connected to the plurality of third p-type column regions PC3 formed in the epitaxial layer EPI1 are formed in the peripheral region PER so as to be separated from each other in the epitaxial layer EPI2. . The impurity concentration of the third p-type column region PC3 is, for example, about 2.4 × 10 15 / cm 3 , and the third p-type column region PC3 is formed to achieve charge balance in the peripheral region PER.

この結果、実施の形態1によれば、周辺領域PERでは、第3p型カラム領域PC3とエピタキシャル層EPI1,EPI2からなるn型カラム領域とが交互に形成されたスーパージャンクション構造が形成される。   As a result, according to the first embodiment, in the peripheral region PER, a super junction structure is formed in which the third p-type column region PC3 and the n-type column regions composed of the epitaxial layers EPI1 and EPI2 are alternately formed.

なお、実施の形態1では、エピタキシャル層EPI1,EPI2を2層に分けて形成する「マルチエピタキシャル法」を説明したが、これに限定されるものではない。例えばソース・ドレイン間耐圧(BVdss)が600Vの製品では、エピタキシャル層を6層〜7層に分けて形成している。   In the first embodiment, the “multi-epitaxial method” in which the epitaxial layers EPI1 and EPI2 are formed in two layers has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, in a product having a source-drain breakdown voltage (BVdss) of 600 V, the epitaxial layer is divided into 6 to 7 layers.

また、実施の形態1では、エピタキシャル層EPI1,EPI2のそれぞれの厚さを22μm〜25μmとしたが、それぞれの厚さは設計するセルピッチにも依存する。一般に高エネルギーでイオン打ち込みを行った場合は、x方向(セルピッチ)、y方向(深さ)およびz方向(奥行き)でイオン分布が大きくなり、フォトリソグラフィ技術で使用するマスクの幅を小さくしてもp型カラム領域の幅が拡がってしまう。オン抵抗を下げるためにセルピッチを小さくしたい場合は、例えばエピタキシャル層EPI1,EPI2のそれぞれの厚さを3μm〜5μm程度として、その分イオン注入のエネルギーを下げることで狭いセルピッチを維持することができる。しかし、その際には、耐圧を確保するため、エピタキシャル層EPIを3層以上の多段とし、イオン注入の回数を増やす必要がある。さらに、3層以上の多段のエピタキシャル層EPIのトータルの厚さは、耐圧を確保するために必要とされる厚さ、例えば実施の形態1では40μm〜50μm程度とする必要がある。   In the first embodiment, the thickness of each of the epitaxial layers EPI1 and EPI2 is set to 22 μm to 25 μm, but the thickness also depends on the designed cell pitch. In general, when ion implantation is performed with high energy, the ion distribution increases in the x direction (cell pitch), y direction (depth), and z direction (depth), and the width of the mask used in the photolithography technology is reduced. Also, the width of the p-type column region is expanded. When it is desired to reduce the cell pitch in order to reduce the on-resistance, for example, the thickness of each of the epitaxial layers EPI1 and EPI2 is set to about 3 μm to 5 μm, and the energy of ion implantation is decreased accordingly, thereby maintaining a narrow cell pitch. However, in that case, in order to secure a withstand voltage, it is necessary to increase the number of ion implantations by making the epitaxial layer EPI into three or more layers. Furthermore, the total thickness of the three or more multi-layer epitaxial layers EPI needs to be a thickness required to ensure a withstand voltage, for example, about 40 μm to 50 μm in the first embodiment.

以上のようにして、実施の形態1によれば、「マルチエピタキシャル法」によって、エピタキシャル層EPI1,EPI2にスーパージャンクション構造を形成することができる。   As described above, according to the first embodiment, the super junction structure can be formed in the epitaxial layers EPI1, EPI2 by the “multi-epitaxial method”.

次に、スーパージャンクション構造を形成したエピタキシャル層EPI1,EPI2の上面に素子部を形成する工程について説明する。   Next, a process of forming an element portion on the upper surface of the epitaxial layers EPI1, EPI2 having the super junction structure will be described.

まず、図12に示すように、エピタキシャル層EPI2の上面を平坦化する。   First, as shown in FIG. 12, the upper surface of the epitaxial layer EPI2 is planarized.

次に、図13に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法により、セル領域CRと遷移領域TRにチャネル領域CHを形成する。このチャネル領域CHは、エピタキシャル層EPI2の内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入することにより形成されたp型半導体領域である。続いて、エピタキシャル層EPI2の上面にゲート絶縁膜GOXを形成し、このゲート絶縁膜GOX上に導体膜PF1を形成する。ゲート絶縁膜GOXは、例えば酸化シリコン膜からなり、例えば熱酸化法により形成される。ただし、ゲート絶縁膜GOXは酸化シリコン膜に限らず、例えば酸化ハフニウム膜に代表される酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜であってもよい。一方、ゲート絶縁膜GOX上に形成される導体膜PF1は、例えば多結晶シリコン膜からなり、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成される。   Next, as shown in FIG. 13, a channel region CH is formed in the cell region CR and the transition region TR by photolithography and ion implantation. The channel region CH is a p-type semiconductor region formed by introducing a p-type impurity such as boron (B) into the epitaxial layer EPI2. Subsequently, the gate insulating film GOX is formed on the upper surface of the epitaxial layer EPI2, and the conductor film PF1 is formed on the gate insulating film GOX. The gate insulating film GOX is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed by, for example, a thermal oxidation method. However, the gate insulating film GOX is not limited to a silicon oxide film, and may be, for example, a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of a silicon oxide film represented by a hafnium oxide film. On the other hand, the conductor film PF1 formed on the gate insulating film GOX is made of, for example, a polycrystalline silicon film, and is formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

次に、図14に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、導体膜PF1をパターニングする。これにより、セル領域CRに複数のゲート電極GEが形成され、遷移領域TRにゲート引き出し部GPUが形成され、周辺領域PERに複数の電極(ダミー電極)FFPが形成される。ゲート引き出し部GPUは、複数のゲート電極GEと電気的に接続されるように形成される。   Next, as shown in FIG. 14, the conductor film PF1 is patterned by photolithography and etching. Thus, a plurality of gate electrodes GE are formed in the cell region CR, a gate lead portion GPU is formed in the transition region TR, and a plurality of electrodes (dummy electrodes) FFP are formed in the peripheral region PER. The gate lead part GPU is formed so as to be electrically connected to the plurality of gate electrodes GE.

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法により、セル領域CRにゲート電極GEに整合する複数のソース領域SRを形成し、遷移領域TRにソース引き出し領域SPRを形成する。ソース領域SRおよびソース引き出し領域SPRは、エピタキシャル層EPI2の内部に、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物を導入することにより形成されたn型半導体領域である。セル領域CRに形成されている複数のソース領域SRは、遷移領域TRに形成されているソース引き出し領域SPRと電気的に接続されている。   Next, a plurality of source regions SR aligned with the gate electrode GE are formed in the cell region CR by photolithography and ion implantation, and a source extraction region SPR is formed in the transition region TR. The source region SR and the source lead region SPR are n-type semiconductor regions formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) into the epitaxial layer EPI2. The plurality of source regions SR formed in the cell region CR are electrically connected to the source lead region SPR formed in the transition region TR.

次に、図15に示すように、複数のゲート電極GEと、ゲート引き出し部GPUと、複数の電極(ダミー電極)FFPとを覆う層間絶縁膜ILをエピタキシャル層EPI2上に形成する。この層間絶縁膜ILは、例えば酸化シリコン膜からなり、例えばCVD法により形成される。   Next, as shown in FIG. 15, the interlayer insulating film IL covering the plurality of gate electrodes GE, the gate extraction part GPU, and the plurality of electrodes (dummy electrodes) FFP is formed on the epitaxial layer EPI2. The interlayer insulating film IL is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed by, for example, a CVD method.

次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、セル領域CRの隣り合うゲート電極GE間において、底部がソース領域SRに達する開口部を層間絶縁膜ILに形成するとともに、遷移領域TRのゲート引き出し部GPUの一部を露出する開口部を形成する。また、遷移領域TRにおいては、層間絶縁膜ILに開口部を形成することにより、ソース引き出し領域SPRを露出する。   Next, an opening reaching the source region SR is formed in the interlayer insulating film IL between the adjacent gate electrodes GE in the cell region CR by photolithography and etching, and the gate extraction portion GPU of the transition region TR Form an opening that exposes a portion of the In the transition region TR, the source lead region SPR is exposed by forming an opening in the interlayer insulating film IL.

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法により、セル領域CRの複数のソース領域SRのそれぞれの中央部に、底部がチャネル領域CHに達するボディコンタクト領域BCを形成する。このボディコンタクト領域BCは、エピタキシャル層EPI2の内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入することにより形成されたp型半導体領域であり、ボディコンタクト領域BCの不純物濃度がチャネル領域CHの不純物濃度よりも高くなるように形成される。   Next, a body contact region BC where the bottom reaches the channel region CH is formed in the center of each of the plurality of source regions SR in the cell region CR by photolithography and ion implantation. The body contact region BC is a p-type semiconductor region formed by introducing a p-type impurity such as boron (B) into the epitaxial layer EPI2, and the impurity concentration of the body contact region BC is the channel region CH. It is formed to be higher than the impurity concentration of

次に、図16に示すように、ソース領域SRを露出する開口部と、ゲート引き出し部GPUを露出する開口部と、ソース引き出し領域SPRを露出する開口部とを含む層間絶縁膜IL上に金属膜を形成する。この金属膜は、例えばチタンタングステン膜とアルミニウム膜との積層膜からなり、例えばスパッタリング法により形成される。   Next, as shown in FIG. 16, a metal is formed on the interlayer insulating film IL including the opening exposing the source region SR, the opening exposing the gate lead portion GPU, and the opening exposing the source lead region SPR. Form a film. This metal film is made of, for example, a laminated film of a titanium tungsten film and an aluminum film, and is formed by, for example, a sputtering method.

そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、上記金属膜をパターニングする。これにより、セル領域CRには、ソース領域SRとボディコンタクト領域BCとに電気的に接続するソース電極SEが形成される。遷移領域TRには、ゲート引き出し部GPUと電気的に接続するゲート引き出し電極GPEおよびソース引き出し領域SPRと電気的に接続するソース引き出し電極SPEが形成される。   Then, the metal film is patterned by photolithography and etching. Thus, in the cell region CR, the source electrode SE electrically connected to the source region SR and the body contact region BC is formed. In the transition region TR, a gate extraction electrode GPE electrically connected to the gate extraction portion GPU and a source extraction electrode SPE electrically connected to the source extraction region SPR are formed.

次に、図17に示すように、ソース電極SEと、ゲート引き出し電極GPEと、ソース引き出し電極SPEとを覆うように表面保護膜PASを形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、表面保護膜PASをパターニングして、ソース電極SEの一部領域と、ゲート引き出し電極GPEの一部領域と、ソース引き出し電極SPEの一部領域とを表面保護膜PASから露出させる。これにより、表面保護膜PASから露出した領域を外部接続領域として機能させることができる。   Next, as shown in FIG. 17, the surface protective film PAS is formed to cover the source electrode SE, the gate extraction electrode GPE, and the source extraction electrode SPE. Then, the surface protection film PAS is patterned by photolithography technology and etching technology to protect the partial region of the source electrode SE, the partial region of the gate lead electrode GPE, and the partial region of the source lead electrode SPE. Exposed from membrane PAS. Thus, the area exposed from the surface protective film PAS can function as an external connection area.

次に、図18に示すように、半導体基板1Sの主面と反対側の裏面から半導体基板1Sを研削して、半導体基板1Sを薄くする。そして、半導体基板1Sの裏面に、ドレイン電極DEとなる金属膜をスパッタリング法または蒸着法により形成する。以上のようにして、実施の形態1によるスーパージャンクション構造のパワーMOFETを有する半導体装置を製造することができる。   Next, as shown in FIG. 18, the semiconductor substrate 1S is ground from the back surface opposite to the main surface of the semiconductor substrate 1S to make the semiconductor substrate 1S thinner. Then, on the back surface of the semiconductor substrate 1S, a metal film to be the drain electrode DE is formed by a sputtering method or a vapor deposition method. As described above, the semiconductor device having the super junction structure power MOFET according to the first embodiment can be manufactured.

(実施の形態2)
前記実施の形態1では、「マルチエピタキシャル法」によって形成されるスーパージャンクション構造を有するパワーMOSFETに新規な技術的思想を適用する例ついて説明した。実施の形態2では、「トレンチフィル法」によって形成されるスーパージャンクション構造を有するパワーMOSFETに新規な技術的思想を適用する例について説明する。
Second Embodiment
In the first embodiment, an example of applying a new technical idea to a power MOSFET having a super junction structure formed by the “multi-epitaxial method” has been described. In the second embodiment, an example in which a new technical idea is applied to a power MOSFET having a super junction structure formed by the “trench fill method” will be described.

<半導体装置の構成>
図19は、実施の形態2による半導体装置(パワーMOSFET)の構成を示す断面図である。図19に示す実施の形態2によるパワーMOSFETの構成は、前記図2に示した前記実施の形態1によるパワーMOSFETの構成とほぼ同様の構成をしているため、相違点を中心に説明する。
<Configuration of semiconductor device>
FIG. 19 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device (power MOSFET) according to the second embodiment. The configuration of the power MOSFET according to the second embodiment shown in FIG. 19 is substantially the same as the configuration of the power MOSFET according to the first embodiment shown in FIG. 2, so differences will be mainly described.

実施の形態2による半導体装置では、セル領域CRに形成されている複数の第1p型カラム領域PC1、遷移領域TRに形成されている複数の第2p型カラム領域PC2および周辺領域PERに形成されている複数の第3p型カラム領域PC3を溝(トレンチ)にp型半導体膜を埋め込むことにより形成している。この点が、第1p型カラム領域PC1、第2p型カラム領域PC2、第3p型カラム領域PC3およびn型カラム領域NCをイオン注入法で形成する前記実施の形態1による半導体装置(図2参照)と相違する。ただし、第1p型カラム領域PC1、第2p型カラム領域PC2および第3p型カラム領域PC3の機能自体は、前記実施の形態1による半導体装置と同様である。   In the semiconductor device according to the second embodiment, the plurality of first p-type column regions PC1 formed in the cell region CR, the plurality of second p-type column regions PC2 formed in the transition region TR, and the peripheral region PER A plurality of third p-type column regions PC3 are formed by embedding a p-type semiconductor film in a trench. In this respect, the semiconductor device according to the first embodiment in which the first p-type column region PC1, the second p-type column region PC2, the third p-type column region PC3, and the n-type column region NC are formed by ion implantation (see FIG. 2). It is different from. However, the functions themselves of the first p-type column region PC1, the second p-type column region PC2, and the third p-type column region PC3 are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.

実施の形態2による半導体装置においても、セル領域CRの第1n型カラム領域NC1のn型不純物濃度(Nn)を周辺領域PERの第3n型カラム領域NC3のn型不純物濃度(Nep)よりも高くすること、並びにセル領域CR、遷移領域TRおよび周辺領域PERにおいてそれぞれチャージバランスをとることが特徴となる。さらに、セル領域CRの総電荷量(CQp、CQn)が遷移領域TRの総電荷量(TQp、TQn)よりも大きくなり、遷移領域TRの総電荷量(TQp、TQn)が周辺領域PERの総電荷量(PEQp、PEQn)よりも大きくなるように各総電荷量が設定されていることが特徴となる。   Also in the semiconductor device according to the second embodiment, the n-type impurity concentration (Nn) of the first n-type column region NC1 of the cell region CR is higher than the n-type impurity concentration (Nep) of the third n-type column region NC3 of the peripheral region PER. And charge balancing in the cell region CR, the transition region TR, and the peripheral region PER. Furthermore, the total charge amount (CQp, CQn) of the cell region CR becomes larger than the total charge amount (TQp, TQn) of the transition region TR, and the total charge amount (TQp, TQn) of the transition region TR becomes the total of the peripheral region PER. The total charge amount is set so as to be larger than the charge amount (PEQp, PEQn).

すなわち、実施の形態1と同様、実施の形態2によるスーパージャンクション構造のパワーMOSFETを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。   That is, as in the first embodiment, the reliability of the semiconductor device including the power MOSFET of the super junction structure according to the second embodiment can be improved.

<半導体装置の製造方法>
実施の形態2による半導体装置(パワーMOSFET)の製造方法の一例について図20〜図32を用いて説明する。図20〜図32は、実施の形態2による半導体装置の製造工程を示す断面図である。実施の形態2では、所謂「トレンチフィル法」と呼ばれる製造方法について説明する。また、セル領域のpn接合の耐圧が600V〜650V、周辺領域のpn接合の耐圧が700V〜750Vの半導体装置を例示する。すなわち、周辺領域のpn接合の耐圧がセル領域のpn接合の耐圧よりも50V〜150V程度高い半導体装置を例示する。また、セル領域、遷移領域および周辺領域にそれぞれ形成されるカラム領域の奥行および深さは、同じとしている。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
An example of a method of manufacturing a semiconductor device (power MOSFET) according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 20 to 32 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. In the second embodiment, a manufacturing method called a so-called "trench fill method" will be described. In addition, a semiconductor device in which the breakdown voltage of the pn junction in the cell region is 600 V to 650 V and the breakdown voltage of the pn junction in the peripheral region is 700 V to 750 V is exemplified. That is, a semiconductor device is exemplified in which the breakdown voltage of the pn junction in the peripheral region is about 50 V to 150 V higher than the breakdown voltage of the pn junction in the cell region. Further, the depths and the depths of the column regions respectively formed in the cell region, the transition region and the peripheral region are the same.

まず、図20に示すように、主面(表面、上面)上にn型半導体層からなる低濃度のエピタキシャル層EPILを形成した半導体基板1Sを用意する。例えば半導体基板1Sは、リン(P)または砒素(As)などのn型不純物を単結晶シリコンに導入することにより形成されている。また、エピタキシャル層EPILのn型不純物濃度は、例えば2.4×1015/cm程度であり、エピタキシャル層EPILの厚さは、例えば40μm〜50μm程度である。 First, as shown in FIG. 20, a semiconductor substrate 1S is prepared in which a low-concentration epitaxial layer EPIL made of an n-type semiconductor layer is formed on a main surface (surface, upper surface). For example, the semiconductor substrate 1S is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) into single crystal silicon. The n-type impurity concentration of the epitaxial layer EPIL is, for example, about 2.4 × 10 15 / cm 3 , and the thickness of the epitaxial layer EPIL is, for example, about 40 μm to 50 μm.

次に、図21に示すように、エピタキシャル層EPIL上にパターニングしたレジスト膜FR7を形成する。レジスト膜FR7は、周辺領域PERのエピタキシャル層EPILの上面を覆うように形成される。   Next, as shown in FIG. 21, a resist film FR7 patterned on the epitaxial layer EPIL is formed. Resist film FR7 is formed to cover the upper surface of epitaxial layer EPIL in peripheral region PER.

そして、パターニングしたレジスト膜FR7をマスクにしたイオン注入法により、セル領域CRおよび遷移領域TRのエピタキシャル層EPILの内部に、例えばリン(P)などのn型不純物を導入する。続いてアニール処理を行うことにより、エピタキシャル層EPILの内部に導入されたn型不純物を拡散させて、セル領域CRおよび遷移領域TRに高濃度のエピタキシャル層EPIHを形成する。エピタキシャル層EPIHのn型不純物濃度は、例えば3.0×1015/cm程度である。 Then, an n-type impurity such as phosphorus (P) is introduced into the cell region CR and the epitaxial layer EPIL of the transition region TR by ion implantation using the patterned resist film FR7 as a mask. Subsequently, annealing is performed to diffuse the n-type impurity introduced into the epitaxial layer EPIL, thereby forming a high concentration epitaxial layer EPIH in the cell region CR and the transition region TR. The n-type impurity concentration of the epitaxial layer EPIH is, for example, about 3.0 × 10 15 / cm 3 .

次に、図22に示すように、レジスト膜FR7を除去した後、エピタキシャル層EPIH,EPIL上にパターニングしたレジスト膜FR8を形成する。レジスト膜FR8は、遷移領域TRの第2p型カラム形成領域および周辺領域PERの第3p型カラム形成領域を露出し、セル領域CRを含むその他の領域のエピタキシャル層EPIH,EPILの上面を覆うように形成される。   Next, as shown in FIG. 22, after removing the resist film FR7, a resist film FR8 patterned on the epitaxial layers EPIH and EPIL is formed. Resist film FR8 exposes the second p-type column formation region of transition region TR and the third p-type column formation region of peripheral region PER, and covers the upper surfaces of epitaxial layers EPIH and EPIL in the other regions including cell region CR. It is formed.

そして、パターニングしたレジスト膜FR8をマスクとしたエッチング技術により、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIHおよび周辺領域PERのエピタキシャル層EPILに複数の溝(トレンチ)DTPを形成する。溝DTPのテーパ角は、例えば88.0度〜90度程度である。   Then, a plurality of trenches (trench) DTP is formed in the epitaxial layer EPIH of the transition region TR and the epitaxial layer EPIL of the peripheral region PER by the etching technique using the patterned resist film FR8 as a mask. The taper angle of the groove DTP is, for example, about 88.0 degrees to 90 degrees.

このとき、遷移領域TRでは、互いに隣り合う溝DTPで挟まれたエピタキシャル層EPIHの部分領域が第2n型カラム領域NC2となり、周辺領域PERでは、互いに隣り合う溝DTPで挟まれたエピタキシャル層EPILの部分領域が第3n型カラム領域NC3となる。   At this time, in the transition region TR, the partial region of the epitaxial layer EPIH sandwiched between the adjacent trenches DTP becomes the second n-type column region NC2, and in the peripheral region PER, the epitaxial layer EPIL sandwiched between the adjacent trenches DTP. The partial region is the third n-type column region NC3.

次に、図23に示すように、レジスト膜FR8を除去する。その後、例えば埋め込みエピタキシャル成長法により、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIHに形成された溝DTPの内部にp型半導体領域からなる第2p型カラム領域PC2を形成し、周辺回路領域PERのエピタキシャル層EPILに形成された溝DTPの内部にp型半導体領域からなる第3p型カラム領域PC3を形成する。   Next, as shown in FIG. 23, the resist film FR8 is removed. Thereafter, a second p-type column region PC2 made of a p-type semiconductor region is formed in the trench DTP formed in the epitaxial layer EPIH in the transition region TR by, for example, a buried epitaxial growth method, and formed in the epitaxial layer EPIL in the peripheral circuit region PER. A third p-type column region PC3 made of a p-type semiconductor region is formed inside the trench DTP.

周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度、幅およびピッチは、周辺領域PERにおいてチャージバランスがとれるように設定される。実施の形態2による半導体装置では、周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の幅と第3n型カラム領域NC3の幅の比を1:1とした場合を例示する。この場合、第3p型カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)と第3n型カラム領域NC3の総電荷量(PEQn)とが同じ(PEQp=PEQn)となるように、第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度が設定される。従って、第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度は、第3n型カラム領域NC3を構成するエピタキシャル層EPILのn型不純物濃度と同じ、例えば2.4×1015/cm程度である。 The p-type impurity concentration, width, and pitch of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER are set so as to achieve charge balance in the peripheral region PER. The semiconductor device according to the second embodiment exemplifies a case where the ratio of the width of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER to the width of the third n-type column region NC3 is 1: 1. In this case, in the third p-type column region PC3, the total charge amount (PEQp) of the third p-type column region PC3 and the total charge amount (PEQn) of the third n-type column region NC3 are the same (PEQp = PEQn). The p-type impurity concentration is set. Therefore, the p-type impurity concentration of the third p-type column region PC3 is the same as the n-type impurity concentration of the epitaxial layer EPIL constituting the third n-type column region NC3, for example, about 2.4 × 10 15 / cm 3 .

同様に、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度、幅およびピッチは、遷移領域TRにおいてチャージバランスがとれるように設定される。遷移領域TRの第2n型カラム領域NC2のn型不純物濃度は、例えば3.0×1015/cm程度である。一方、第2p型カラム領域PC2と第3p型カラム領域PC3とは同じ工程で形成されるので、第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度は、例えば2.4×1015/cm程度である。しかし、第2p型カラム領域PC2の幅を、例えば第2n型カラム領域NC2の幅よりも大きくすることで、第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)と第2n型カラム領域NC2の総電荷量(TQn)とを同じ(TQp=TQn)とすることができる。 Similarly, the p-type impurity concentration, width, and pitch of the second p-type column region PC2 of the transition region TR are set so as to achieve charge balance in the transition region TR. The n-type impurity concentration of the second n-type column region NC2 of the transition region TR is, for example, about 3.0 × 10 15 / cm 3 . On the other hand, since the second p-type column region PC2 and the third p-type column region PC3 are formed in the same step, the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 is, for example, about 2.4 × 10 15 / cm 3 . is there. However, by making the width of the second p-type column region PC2 larger than the width of the second n-type column region NC2, for example, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 and the total of the second n-type column region NC2 The charge amount (TQn) can be the same (TQp = TQn).

さらに、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)を周辺領域PERの第3カラム領域PC3の総電荷量(PEQp)よりも大きく設定する必要がある(TQp>PEQp)。また、遷移領域TRのエピタキシャル層EPIHからなるn型カラム領域の総電荷量(TQn)を周辺領域PERのエピタキシャル層EPILからなるn型カラム領域の総電荷量(PEQn)よりも大きく設定する必要がある(TQn>PEQn)。   Furthermore, the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR needs to be set larger than the total charge amount (PEQp) of the third column region PC3 of the peripheral region PER (TQp> PEQp). In addition, it is necessary to set the total charge (TQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPIH of the transition region TR to be larger than the total charge (PEQn) of the n-type column region formed of the epitaxial layer EPIL of the peripheral region PER. Yes (TQn> PEQn).

しかし、遷移領域TRの第2n型カラム領域NC2のn型不純物濃度を周辺領域PERの第3n型カラム領域NC3のn型不純物濃度よりも高くし、遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の幅を周辺領域PERの第3p型カラム領域PC3の幅よりも大きくすることにより、上記設定(TQp>PEQp,TQn>PEQn)を実現することができる。   However, the n-type impurity concentration of the second n-type column region NC2 of the transition region TR is made higher than the n-type impurity concentration of the third n-type column region NC3 of the peripheral region PER, and the width of the second p-type column region PC2 of the transition region TR Is made larger than the width of the third p-type column region PC3 in the peripheral region PER, the above settings (TQp> PEQp, TQn> PEQn) can be realized.

この結果、実施の形態2によれば、遷移領域TRでは、第2p型カラム領域PC2と第2n型カラム領域NC2とが交互に形成されたスーパージャンクション構造が形成され、周辺領域PERでは、第3p型カラム領域PC3と第3n型カラム領域NC3とが交互に形成されたスーパージャンクション構造が形成される。   As a result, according to the second embodiment, in the transition region TR, a super junction structure in which the second p-type column regions PC2 and the second n-type column regions NC2 are alternately formed is formed, and in the peripheral region PER, the third junction p is formed. A super junction structure is formed in which the mold column regions PC3 and the third n-type column regions NC3 are alternately formed.

次に、図24に示すように、エピタキシャル層EPIH,EPIL上にパターニングしたレジスト膜FR9を形成する。レジスト膜FR9は、セル領域CRの第1p型カラム形成領域を露出し、遷移領域TRおよび周辺領域PERを含むその他の領域のエピタキシャル層EPIH,EPILの上面を覆うように形成される。   Next, as shown in FIG. 24, a patterned resist film FR9 is formed on the epitaxial layers EPIH and EPIL. The resist film FR9 is formed so as to expose the first p-type column formation region in the cell region CR and cover the upper surfaces of the epitaxial layers EPIH and EPIL in other regions including the transition region TR and the peripheral region PER.

そして、パターニングしたレジスト膜FR9をマスクとしたエッチング技術により、セル領域CRのエピタキシャル層EPIHに複数の溝(トレンチ)DCを形成する。溝DCのテーパ角は、例えば88.0度〜90度程度である。   Then, a plurality of trenches (trench) DC are formed in the epitaxial layer EPIH of the cell region CR by an etching technique using the patterned resist film FR9 as a mask. The taper angle of the groove DC is, for example, about 88.0 degrees to 90 degrees.

このとき、セル領域CRでは、互いに隣り合う溝DCで挟まれたエピタキシャル層EPIHの部分領域が第1n型カラム領域NC1となる。   At this time, in the cell region CR, a partial region of the epitaxial layer EPIH sandwiched by the grooves DC adjacent to each other becomes a first n-type column region NC1.

次に、図25に示すように、レジスト膜FR9を除去する。   Next, as shown in FIG. 25, the resist film FR9 is removed.

次に、図26に示すように、例えば埋め込みエピタキシャル成長法により、セル領域CRのエピタキシャル層EPIHに形成された溝DCの内部にp型半導体領域からなる第1p型カラム領域PC1を形成する。   Next, as shown in FIG. 26, a first p-type column region PC1 made of a p-type semiconductor region is formed inside the groove DC formed in the epitaxial layer EPIH of the cell region CR by, for example, a buried epitaxial growth method.

セル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度、幅およびピッチは、セル領域CRにおいてチャージバランスがとれるように設定される。実施の形態2による半導体装置では、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の幅と第1n型カラム領域NC1の幅の比を1:1とした場合を例示する。この場合、第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)と第1n型カラム領域NC1の総電荷量(CQn)とが同じ(CQp=CQn)となるように、第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度が設定される。   The p-type impurity concentration, width, and pitch of the first p-type column region PC1 of the cell region CR are set so that charge balance is achieved in the cell region CR. In the semiconductor device according to the second embodiment, a case where the ratio of the width of the first p-type column region PC1 of the cell region CR to the width of the first n-type column region NC1 is 1: 1 is illustrated. In this case, the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 and the total charge amount (CQn) of the first n-type column region NC1 are the same (CQp = CQn). The p-type impurity concentration is set.

また、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1の総電荷量(CQp)は遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2の総電荷量(TQp)よりも大きく(CQp>TQp)、セル領域CRの第1n型カラム領域NC1の総電荷量(CQn)は遷移領域TRの第2n型カラム領域NC2の総電荷量(TQn)よりも大きく設定する必要がある(CQn>TQn)。   Further, the total charge amount (CQp) of the first p-type column region PC1 of the cell region CR is larger than the total charge amount (TQp) of the second p-type column region PC2 of the transition region TR (CQp> TQp). The total charge amount (CQn) of the first n-type column region NC1 needs to be set larger than the total charge amount (TQn) of the second n-type column region NC2 of the transition region TR (CQn> TQn).

そこで、実施の形態2による半導体装置では、セル領域CRの第1n型カラム領域NC1のn型不純物濃度と遷移領域TRの第2n型カラム領域NC2のn型不純物濃度とが同じであることから、セル領域CRの第1n型カラム領域NC1の幅を遷移領域TRの第2n型カラム領域NC2の幅よりも大きくした。また、セル領域CRの第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度を遷移領域TRの第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度よりも高くした。   Therefore, in the semiconductor device according to the second embodiment, the n-type impurity concentration of the first n-type column region NC1 of the cell region CR is the same as the n-type impurity concentration of the second n-type column region NC2 of the transition region TR. The width of the first n-type column region NC1 in the cell region CR is made larger than the width of the second n-type column region NC2 in the transition region TR. Further, the p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 of the cell region CR is set higher than the p-type impurity concentration of the second p-type column region PC2 of the transition region TR.

この結果、実施の形態2によれば、セル領域CRでは、第1p型カラム領域PC1と第1n型カラム領域NC1とが交互に形成されたスーパージャンクション構造が形成される。   As a result, according to the second embodiment, a super junction structure in which the first p-type column region PC1 and the first n-type column region NC1 are alternately formed is formed in the cell region CR.

次に、スーパージャンクション構造を形成したエピタキシャル層EPIH,EPILの上面に素子部を形成する工程について説明する。   Next, a process of forming an element portion on the upper surface of the epitaxial layers EPIH and EPIL in which the super junction structure is formed will be described.

まず、エピタキシャル層EPIH,EPILの上面を平坦化する。   First, the upper surfaces of the epitaxial layers EPIH and EPIL are planarized.

次に、図27に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法により、セル領域CRと遷移領域TRにチャネル領域CHを形成する。このチャネル領域CHは、エピタキシャル層EPIH,EPILの内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入することにより形成されたp型半導体領域である。続いて、エピタキシャル層EPIH,EPILの上面にゲート絶縁膜GOXを形成し、このゲート絶縁膜GOX上に導体膜PF1を形成する。ゲート絶縁膜GOXは、例えば酸化シリコン膜からなり、例えば熱酸化法により形成される。ただし、ゲート絶縁膜GOXは酸化シリコン膜に限らず、例えば酸化ハフニウム膜に代表される酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜であってもよい。一方、ゲート絶縁膜GOX上に形成される導体膜PF1は、例えば多結晶シリコン膜からなり、例えばCVD法により形成される。   Next, as shown in FIG. 27, a channel region CH is formed in the cell region CR and the transition region TR by photolithography and ion implantation. The channel region CH is a p-type semiconductor region formed by introducing a p-type impurity such as boron (B) into the epitaxial layers EPIH and EPIL. Subsequently, a gate insulating film GOX is formed on the upper surfaces of the epitaxial layers EPIH and EPIL, and a conductor film PF1 is formed on the gate insulating film GOX. The gate insulating film GOX is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed by, for example, a thermal oxidation method. However, the gate insulating film GOX is not limited to a silicon oxide film, and may be, for example, a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of a silicon oxide film represented by a hafnium oxide film. On the other hand, the conductor film PF1 formed on the gate insulating film GOX is made of, for example, a polycrystalline silicon film, and is formed by, for example, the CVD method.

次に、図28に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、導体膜PF1をパターニングする。これにより、セル領域CRに複数のゲート電極GEが形成され、遷移領域TRにゲート引き出し部GPUが形成され、周辺領域PERに複数の電極(ダミー電極)FFPが形成される。ゲート引き出し部GPUは、複数のゲート電極GEと電気的に接続されるように形成される。   Next, as shown in FIG. 28, the conductor film PF1 is patterned by photolithography and etching. Thus, a plurality of gate electrodes GE are formed in the cell region CR, a gate lead portion GPU is formed in the transition region TR, and a plurality of electrodes (dummy electrodes) FFP are formed in the peripheral region PER. The gate lead part GPU is formed so as to be electrically connected to the plurality of gate electrodes GE.

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法により、セル領域CRにゲート電極GEに整合する複数のソース領域SRを形成し、遷移領域TRにソース引き出し領域SPRを形成する。ソース領域SRおよびソース引き出し領域SPRは、エピタキシャル層EPIH,EPILの内部に、例えばリン(P)または砒素(As)などのn型不純物を導入することにより形成されたn型半導体領域である。セル領域CRに形成されている複数のソース領域SRは、遷移領域TRに形成されているソース引き出し領域SPRと電気的に接続されている。   Next, a plurality of source regions SR aligned with the gate electrode GE are formed in the cell region CR by photolithography and ion implantation, and a source extraction region SPR is formed in the transition region TR. Source region SR and source leading region SPR are n-type semiconductor regions formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) into epitaxial layers EPIH and EPIL. The plurality of source regions SR formed in the cell region CR are electrically connected to the source lead region SPR formed in the transition region TR.

次に、図29に示すように、複数のゲート電極GEと、ゲート引き出し部GPUと、複数の電極(ダミー電極)FFPとを覆う層間絶縁膜ILをエピタキシャル層EPIH,EPIL上に形成する。この層間絶縁膜ILは、例えば酸化シリコン膜からなり、例えばCVD法により形成される。   Next, as shown in FIG. 29, an interlayer insulating film IL covering the plurality of gate electrodes GE, the gate lead-out portion GPU, and the plurality of electrodes (dummy electrodes) FFP is formed on the epitaxial layers EPIH and EPIL. The interlayer insulating film IL is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed by, for example, a CVD method.

次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、セル領域CRの隣り合うゲート電極GE間において、底部がソース領域SRに達する開口部を層間絶縁膜ILに形成するとともに、遷移領域TRのゲート引き出し部GPUの一部を露出する開口部を形成する。また、遷移領域TRにおいては、層間絶縁膜ILに開口部を形成することにより、ソース引き出し領域SPRを露出する。   Next, an opening reaching the source region SR is formed in the interlayer insulating film IL between the adjacent gate electrodes GE in the cell region CR by photolithography and etching, and the gate extraction portion GPU of the transition region TR Form an opening that exposes a portion of the In the transition region TR, the source lead region SPR is exposed by forming an opening in the interlayer insulating film IL.

次に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法により、セル領域CRの複数のソース領域SRのそれぞれの中央部に、底部がチャネル領域CHに達するボディコンタクト領域BCを形成する。このボディコンタクト領域BCは、例えば、エピタキシャル層EPIH,EPILの内部に、例えばボロン(B)などのp型不純物を導入することにより形成されたp型半導体領域であり、ボディコンタクト領域BCの不純物濃度がチャネル領域CHの不純物濃度よりも高くなるように形成される。   Next, a body contact region BC where the bottom reaches the channel region CH is formed in the center of each of the plurality of source regions SR in the cell region CR by photolithography and ion implantation. The body contact region BC is, for example, a p-type semiconductor region formed by introducing a p-type impurity such as boron (B) into the epitaxial layers EPIH and EPIL, and the impurity concentration of the body contact region BC is Are formed to be higher than the impurity concentration of the channel region CH.

次に、図30に示すように、ソース領域SRを露出する開口部と、ゲート引き出し部GPUを露出する開口部と、ソース引き出し領域SPRを露出する開口部とを含む層間絶縁膜IL上に金属膜を形成する。この金属膜は、例えばチタンタングステン膜とアルミニウム膜との積層膜から形成され、例えばスパッタリング法により形成される。   Next, as shown in FIG. 30, a metal is formed on the interlayer insulating film IL including the opening that exposes the source region SR, the opening that exposes the gate lead portion GPU, and the opening that exposes the source lead region SPR. Form a film. The metal film is formed of, for example, a laminated film of a titanium tungsten film and an aluminum film, and is formed by, for example, a sputtering method.

そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、上記金属膜をパターニングする。これにより、セル領域CRには、ソース領域SRとボディコンタクト領域BCとに電気的に接続するソース電極SEが形成される、遷移領域TRには、ゲート引き出し部GPUと電気的に接続されるゲート引き出し電極GPEおよびソース引き出し領域SPRと電気的に接続されるソース引き出し電極SPEが形成される。   Then, the metal film is patterned by photolithography and etching. Thereby, the source electrode SE electrically connected to the source region SR and the body contact region BC is formed in the cell region CR, and the gate electrically connected to the gate lead part GPU is formed in the transition region TR. A source extraction electrode SPE electrically connected to the extraction electrode GPE and the source extraction region SPR is formed.

次に、図31に示すように、ソース電極SEと、ゲート引き出し電極GPEと、ソース引き出し電極SPEとを覆うように表面保護膜PASを形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、表面保護膜PASをパターニングして、ソース電極SEの一部領域と、ゲート引き出し電極GPEの一部領域と、ソース引き出し電極SPEの一部領域とを表面保護膜PASから露出させる。これにより、表面保護膜からPASから露出した領域を外部接続領域として機能させることができる。   Next, as shown in FIG. 31, the surface protective film PAS is formed to cover the source electrode SE, the gate extraction electrode GPE, and the source extraction electrode SPE. Then, the surface protection film PAS is patterned by photolithography technology and etching technology to protect the partial region of the source electrode SE, the partial region of the gate lead electrode GPE, and the partial region of the source lead electrode SPE. Exposed from membrane PAS. Thereby, the region exposed from the PAS from the surface protective film can function as the external connection region.

次に、図32に示すように、半導体基板1Sの主面と反対側の裏面から半導体基板1Sを研削して、半導体基板1Sを薄くする。そして、半導体基板1Sの裏面に、ドレイン電極DEとなる金属膜をスパッタリング法または蒸着法により形成する。以上のようにして、実施の形態2によるスーパージャンクション構造のパワーMOSFETを有する半導体装置を製造することができる。   Next, as shown in FIG. 32, the semiconductor substrate 1S is ground from the back surface opposite to the main surface of the semiconductor substrate 1S to make the semiconductor substrate 1S thinner. Then, on the back surface of the semiconductor substrate 1S, a metal film to be the drain electrode DE is formed by a sputtering method or a vapor deposition method. As described above, the semiconductor device having the power MOSFET of the super junction structure according to the second embodiment can be manufactured.

<トレンチフィル法の利点>
例えばスーパージャンクション構造においては、オン抵抗の低減を図る観点から、p型カラム領域とn型カラム領域との間隔を狭くすることが有効である。なぜなら、オン抵抗の低減を図る観点から、電流通路であるn型カラム領域のn型不純物濃度を高くすることが望ましいからである。すなわち、オン抵抗を低減するために、n型カラム領域のn型不純物濃度を高くすると、n型カラム領域への空乏層の延びが小さくなることから、n型カラム領域全体を空乏化させるためには、n型カラム領域の幅を狭くする必要がある。従って、n型カラム領域のn型不純物濃度を高くして、スーパージャンクション構造のパワーMOSFETにおけるオン抵抗を低減する一方、耐圧も確保することを考慮すると、p型カラム領域とn型カラム領域との間隔を狭くする必要がある。
<Advantage of trench fill method>
For example, in the super junction structure, it is effective to narrow the distance between the p-type column region and the n-type column region in order to reduce the on-resistance. This is because it is desirable to increase the n-type impurity concentration in the n-type column region which is the current passage from the viewpoint of reducing the on-resistance. That is, when the n-type impurity concentration in the n-type column region is increased to reduce the on-resistance, the extension of the depletion layer to the n-type column region is reduced, so that the entire n-type column region is depleted. Needs to narrow the width of the n-type column region. Therefore, in consideration of securing the breakdown voltage while increasing the n-type impurity concentration of the n-type column region to reduce the on-resistance in the power MOSFET of the super junction structure, the p-type column region and the n-type column region It is necessary to narrow the interval.

この点に関し、「マルチエピタキシャル法」では、p型カラム領域をイオン注入法で形成している。このため、不純物拡散効果を考慮すると、p型カラム領域とn型カラム領域との間隔を充分に狭くすることはできないことになる。一方、「トレンチフィル法」では、p型カラム領域は、エピタキシャル層に形成された溝への埋め込みエピタキシャル法で形成される。このため、「トレンチフィル法」では、溝の形成精度によって、p型カラム領域の形成精度が決定されることになる。そして、溝は、フォトリソグラフィ技術によって形成される。このとき、フォトリソグラフィ技術の精度は、イオン注入法の精度よりも高いため、「トレンチフィル法」では、「マルチエピタキシャル法」よりも高い精度で、p型カラム領域を形成できることになる。このことは、「トレンチフィル法」では、「マルチエピタキシャル法」に比べて、p型カラム領域とn型カラム領域との間隔をより狭くすることができることを意味する。この結果、「トレンチフィル法」によれば、「マルチエピタキシャル法」よりもオン抵抗の小さなパワーMOSFETを製造できる利点があるのである。すなわち、耐圧を確保しながらも、よりオン抵抗の小さなパワーMOSFETを製造できる点で、「トレンチフィル法」は、「マルチエピタキシャル法」に比べて優位性を有していることになる。   In this regard, in the "multi-epitaxial method", the p-type column region is formed by ion implantation. For this reason, in consideration of the impurity diffusion effect, the interval between the p-type column region and the n-type column region cannot be sufficiently narrowed. On the other hand, in the “trench fill method”, the p-type column region is formed by a buried epitaxial method in a trench formed in the epitaxial layer. Therefore, in the “trench fill method”, the formation accuracy of the p-type column region is determined by the formation accuracy of the groove. The grooves are then formed by photolithography. At this time, since the accuracy of the photolithography technique is higher than the accuracy of the ion implantation method, the “trench fill method” can form the p-type column region with higher accuracy than the “multi-epitaxial method”. This means that in the “trench fill method”, the interval between the p-type column region and the n-type column region can be made narrower than in the “multi-epitaxial method”. As a result, according to the “trench fill method”, there is an advantage that a power MOSFET having a smaller on-resistance can be manufactured than the “multi-epitaxial method”. That is, the “trench fill method” has an advantage over the “multi-epitaxial method” in that a power MOSFET having a smaller on-resistance can be manufactured while ensuring a withstand voltage.

また、エピタキシャル層に形成される溝にテーパ角を付けることにより、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。以下に、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作が抑制できる理由について、図33を用いて説明する。   Further, by providing a taper angle to the groove formed in the epitaxial layer, it is possible to suppress the on operation of the parasitic npn bipolar transistor. Hereinafter, the reason why the on-operation of the parasitic npn bipolar transistor can be suppressed will be described with reference to FIG.

図33は、pn接合の耐圧(BVdss)のチャージバランスを示すグラフ図、pn接合部の総電荷量分布を示す模式図およびpn接合部の電界強度を示す模式図である。図33(a)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが実質的に同じ場合(Qp≒Qn)の電界強度等を示す。図33(b)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きい場合(Qp>Qn)の電界強度等を示す。図33(c)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも小さい場合(Qp<Qn)の電界強度等を示す。   FIG. 33 is a graph showing the charge balance of the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction, a schematic diagram showing the total charge amount distribution of the pn junction, and a schematic diagram showing the electric field strength of the pn junction. FIG. 33A shows the electric field intensity and the like when the total charge amount (Qp) of the p-type column region and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are substantially the same (Qp≈Qn). FIG. 33B shows the electric field strength and the like when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is larger than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp> Qn). FIG. 33C shows the electric field intensity and the like when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is smaller than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp <Qn).

図33(a)のチャージバランスに示すように、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが実質的に同じであれば(Qp≒Qn)、pn接合の耐圧(BVdss)の最大値を得ることができる。p型カラム領域の総電荷量(Qp)およびn型カラム領域の総電荷量(Qn)にp型カラム領域の総電荷量(Qp)の±10%程度のばらつきが生じても、pn接合の耐圧(BVdss)の低下は僅かである。   As shown in the charge balance of FIG. 33A, if the total charge amount (Qp) of the p-type column region and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are substantially the same (Qp≈Qn) The maximum value of the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction can be obtained. Even if the total charge amount (Qp) of the p-type column region and the total charge amount (Qn) of the n-type column region vary by about ± 10% of the total charge amount (Qp) of the p-type column region, The drop in breakdown voltage (BVdss) is slight.

また、図33(a)の総電荷量分布および電界強度に示すように、p型カラム領域が形成される溝にテーパ角を有し、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが実質的に同じ場合(Qp≒Qn)、p型カラム領域およびn型カラム領域の深さ方向の中間地点で電界強度を最大とすることができる。   Further, as shown in the total charge amount distribution and electric field strength of FIG. 33A, the groove in which the p-type column region is formed has a taper angle, and the total charge amount (Qp) of the p-type column region and the n-type When the total charge amount (Qn) of the column region is substantially the same (Qp≈Qn), the electric field strength can be maximized at the intermediate point in the depth direction of the p-type column region and the n-type column region.

図3(b)のチャージバランスに示すように、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きい場合(Qp>Qn)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きくなるに従い、徐々にpn接合の耐圧(BVdss)は低下する。   As shown in the charge balance of FIG. 3B, when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is larger than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp> Qn), the p-type column As the total charge amount (Qp) of the region becomes larger than the total charge amount (Qn) of the n-type column region, the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction gradually decreases.

しかし、図33(b)の総電荷量分布および電界強度に示すように、p型カラム領域が形成される溝にテーパ角を有し、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きい場合(Qp>Qn)は、電界強度はp型カラム領域およびn型カラム領域の深さ方向の中間地点よりも深い位置で最大となる。すなわち、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きい場合(Qp>Qn)の最大電界強度の位置は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが実質的に同じ場合(Qp≒Qn)の最大電界強度の位置よりも、エピタキシャル層の上面から離れることになる。   However, as shown in the total charge amount distribution and electric field strength in FIG. 33B, the groove in which the p-type column region is formed has a taper angle, and the total charge amount (Qp) of the p-type column region is n-type. When it is larger than the total charge amount (Qn) of the column region (Qp> Qn), the electric field strength becomes maximum at a position deeper than the intermediate point in the depth direction of the p-type column region and the n-type column region. That is, when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is larger than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp> Qn), the position of the maximum electric field strength is the total charge amount of the p-type column region. When (Qp) and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are substantially the same (Qp≈Qn), the position is farther from the upper surface of the epitaxial layer than the position of the maximum electric field strength.

アバランシェ降伏現象が生じるのは、この最大電界強度の位置近傍である。従って、この最大電界強度の位置がエピタキシャル層の上面から離れているので、チャネル領域へ流れるが、ここで発生したアバランシェ電流は奥行き方向に分散しやすいため、アバランシェ電流密度は減少して、ソース領域をエミッタ領域とし、チャネル領域をベース領域とし、n型カラム領域をコレクタ領域とする寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。   The avalanche breakdown phenomenon occurs near the position of the maximum electric field strength. Therefore, since the position of the maximum electric field strength is away from the upper surface of the epitaxial layer, the current flows to the channel region, but the avalanche current generated here is easily dispersed in the depth direction, and the avalanche current density is reduced. Can be suppressed as an emitter region, a channel region as a base region, and an n-type column region as a collector region.

これに対し、図33(c)のチャージバランスに示すように、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも小さい場合(Qp<Qn)は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも小さくなるに従い、徐々にpn接合の耐圧(BVdss)は低下する。   On the other hand, as shown in the charge balance of FIG. 33 (c), when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is smaller than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp <Qn) As the total charge amount (Qp) of the p-type column region becomes smaller than the total charge amount (Qn) of the n-type column region, the breakdown voltage (BVdss) of the pn junction gradually decreases.

しかし、図33(c)の総電荷量分布および電界強度に示すように、p型カラム領域が形成される溝にテーパ角を有し、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも小さい場合(Qp<Qn)は、電界強度はp型カラム領域およびn型カラム領域の深さ方向の中間地点よりも浅い位置で最大となる。すなわち、p型カラム領域の総電荷量(Qp)がn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも小さい場合(Qp<Qn)の最大電界強度の位置は、p型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが同じ場合(Qp≒Qn)の最大電界強度の位置よりも、エピタキシャル層の上面に近づくことになる。   However, as shown in the total charge amount distribution and electric field strength of FIG. 33 (c), the groove in which the p-type column region is formed has a taper angle, and the total charge amount (Qp) of the p-type column region is n-type. When the total charge amount (Qn) in the column region is smaller (Qp <Qn), the electric field strength becomes maximum at a position shallower than the intermediate point in the depth direction of the p-type column region and the n-type column region. That is, when the total charge amount (Qp) of the p-type column region is smaller than the total charge amount (Qn) of the n-type column region (Qp <Qn), the position of the maximum electric field strength is the total charge amount of the p-type column region. When (Qp) and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are the same (Qp≈Qn), the position is closer to the upper surface of the epitaxial layer than the position of the maximum electric field strength.

アバランシェ降伏現象が生じるのは、この最大電界強度の位置近傍である。従って、この最大電界強度の位置がエピタキシャル層の上面に近づいているので、チャネル領域へ流れるここで発生したアバランシェ電流密度が高いまま流れるため、ソース領域をエミッタ領域とし、チャネル領域をベース領域とし、n型カラム領域をコレクタ領域とする寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作が起こりやすくなる。   The avalanche breakdown phenomenon occurs near the position of the maximum electric field strength. Therefore, since the position of the maximum electric field intensity approaches the top surface of the epitaxial layer, the current flows to the channel region while the avalanche current density generated here flows high, so the source region is the emitter region and the channel region is the base region. The parasitic npn bipolar transistor having the n-type column region as the collector region is likely to be turned on.

以上のことから、「トレンチフィル法」では、エピタキシャル層に形成される溝にテーパ角を付けて、かつp型カラム領域の総電荷量(Qp)をn型カラム領域の総電荷量(Qn)よりも大きくすることにより(Qp>Qn)、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。   From the above, in the “trench fill method”, the groove formed in the epitaxial layer is tapered, and the total charge (Qp) of the p-type column region is the total charge (Qn) of the n-type column region (Qp> Qn), the on-operation of the parasitic npn bipolar transistor can be suppressed.

(実施の形態3)
実施の形態3では、前記実施の形態1で説明した「マルチエピタキシャル法」によって形成されるスーパージャンクション構造を有するパワーMOSFETの変形例について説明する。
Third Embodiment
In the third embodiment, a modification of the power MOSFET having a super junction structure formed by the “multi-epitaxial method” described in the first embodiment will be described.

前記実施の形態2で説明したように、「トレンチフィル法」では、エピタキシャル層に形成する溝にテーパ角を付けることにより、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。これに対して、「マルチエピタキシャル法」では、p型カラム領域またはn型カラム領域に濃度傾斜を深さ方向に設けることにより、最大電界強度の位置を深さ方向の中間地点よりもエピタキシャル層の上面から離して、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。   As described in the second embodiment, in the “trench fill method”, the on-operation of the parasitic npn bipolar transistor can be suppressed by providing a taper angle to the groove formed in the epitaxial layer. In contrast, in the “multi-epitaxial method”, the concentration gradient is provided in the depth direction in the p-type column region or the n-type column region, so that the position of the maximum electric field strength is higher in the epitaxial layer than the intermediate point in the depth direction. It is possible to suppress the on operation of the parasitic npn bipolar transistor away from the top surface.

<半導体装置の構成>
図34は、実施の形態3による半導体装置(パワーMOSFET)の構成を示す断面図である。図34に示す実施の形態3によるパワーMOSFETの構成は、前記図2に示した前記実施の形態1によるパワーMOSFETの構成とほぼ同様の構成をしているため、相違点を中心に説明する。
<Configuration of semiconductor device>
FIG. 34 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device (power MOSFET) according to the third embodiment. The configuration of the power MOSFET according to the third embodiment shown in FIG. 34 is substantially the same as the configuration of the power MOSFET according to the first embodiment shown in FIG. 2, so differences will be mainly described.

実施の形態3による半導体装置では、セル領域CRに形成されている複数の第1p型カラム領域PC1および複数のn型カラム領域NC、遷移領域TRに形成されている複数の第2p型カラム領域PC2、並びに周辺領域PERに形成されている複数の第3p型カラム領域PC3は、「マルチエピタキシャル法」によって形成される。すなわち、これら各々のカラム領域は、例えば注入エネルギーを変えたイオン注入を複数回実施することにより、エピタキシャル層EPIの下面から上面にわたる略柱形状に形成される。   In the semiconductor device according to the third embodiment, a plurality of first p-type column regions PC1 and a plurality of n-type column regions NC formed in the cell region CR and a plurality of second p-type column regions PC2 formed in the transition region TR. The plurality of third p-type column regions PC3 formed in the peripheral region PER are formed by the “multi-epitaxial method”. That is, each of these column regions is formed in a substantially columnar shape extending from the lower surface to the upper surface of the epitaxial layer EPI, for example, by performing ion implantation with different implantation energy a plurality of times.

前記実施の形態1による半導体装置では、これら各々のカラム領域の不純物濃度を、エピタキシャル層EPIの上面から下面へ向かう深さ方向に一定とした。これに対して、実施の形態3による半導体装置では、エピタキシャル層EPIの上面から下面へ向かう深さ方向に、これら各々のカラム領域の不純物濃度に濃度差を設けている。この濃度差は、例えばイオン注入において注入エネルギーを変えると同時にドーズ量を調整することにより、実現することができる。   In the semiconductor device according to the first embodiment, the impurity concentration of each of the column regions is constant in the depth direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer EPI. On the other hand, in the semiconductor device according to the third embodiment, a concentration difference is provided in the impurity concentration of each column region in the depth direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer EPI. This concentration difference can be realized, for example, by changing the implantation energy at the same time as ion implantation and adjusting the dose.

図34に示すように、セル領域CRでは、エピタキシャル層EPIの上面から下面へ向かう深さ方向(y方向)に、複数のn型カラム領域NCのn型不純物濃度を徐々に高くし、複数の第1p型カラム領域PC1のp型不純物濃度を徐々に低くしている。また、遷移領域TRでは、エピタキシャル層EPIの上面から下面へ向かう深さ方向(y方向)に、複数の第2p型カラム領域PC2のp型不純物濃度を徐々に低くしている。また、周辺領域PERでは、エピタキシャル層EPIの上面から下面へ向かう深さ方向(y方向)に複数の第3p型カラム領域PC3のp型不純物濃度を徐々に低くしている。   As shown in FIG. 34, in the cell region CR, the n-type impurity concentration of the plurality of n-type column regions NC is gradually increased in the depth direction (y direction) from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer EPI. The p-type impurity concentration of the first p-type column region PC1 is gradually lowered. In the transition region TR, the p-type impurity concentration of the plurality of second p-type column regions PC2 is gradually lowered in the depth direction (y direction) from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer EPI. In the peripheral region PER, the p-type impurity concentration of the plurality of third p-type column regions PC3 is gradually lowered in the depth direction (y direction) from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer EPI.

図35は、実施の形態3による半導体装置におけるpn接合部の総電荷量分布を示す模式図およびpn接合部の電界強度を示す模式図である。   FIG. 35 is a schematic diagram showing a total charge amount distribution at a pn junction in the semiconductor device according to the third embodiment, and a schematic diagram showing an electric field strength at the pn junction.

図35(a)は、p型カラム領域のp型不純物濃度およびn型カラム領域のn型不純物濃度が深さ方向に均一の場合の総電荷量分布および電界強度を示すグラフ図である。   FIG. 35A is a graph showing the total charge distribution and the electric field strength when the p-type impurity concentration in the p-type column region and the n-type impurity concentration in the n-type column region are uniform in the depth direction.

この場合は、深さ方向に対して、全領域でp型カラム領域の総電荷量(Qp)とn型カラム領域の総電荷量(Qn)とが同じとなる(Qp=Qn)。従って、深さ方向に対して、全領域で電界強度は均等になる。このため、アバランシェ降伏現象の深さ方向における発生箇所は、プロセスばらつき(例えば寸法および不純物濃度などの分布)に依存することになる。仮に、電界強度がエピタキシャル層の上面近傍で最大となった場合は、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作が起こり、パワーMOSFETの破壊が起こる可能性がある。   In this case, with respect to the depth direction, the total charge amount (Qp) of the p-type column region and the total charge amount (Qn) of the n-type column region are the same in all regions (Qp = Qn). Therefore, the electric field strength is uniform over the entire area in the depth direction. For this reason, the location where the avalanche breakdown phenomenon occurs in the depth direction depends on process variations (for example, distribution of dimensions, impurity concentration, etc.). If the electric field strength becomes maximum near the upper surface of the epitaxial layer, the parasitic npn bipolar transistor may be turned on, and the power MOSFET may be destroyed.

図35(b)は、n型カラム領域のn型不純物濃度を深さ方向に均一とし、p型カラム領域のp型不純物濃度がエピタキシャル層の上面から下面へ向かう深さ方向に徐々に低くなる場合の総電荷量分布および電界強度を示すグラフ図である。   In FIG. 35B, the n-type impurity concentration in the n-type column region is made uniform in the depth direction, and the p-type impurity concentration in the p-type column region gradually decreases in the depth direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer. It is a graph which shows the total charge amount distribution in a case, and an electric field strength.

この場合は、電界強度はp型カラム領域およびn型カラム領域の深さ方向の中間地点よりも深い位置で最大となる。これにより、最大電界強度の位置をよりエピタキシャル層の上面から遠ざけることができるので、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。   In this case, the electric field strength is maximum at a position deeper than the midpoint between the p-type column region and the n-type column region in the depth direction. Thereby, the position of the maximum electric field strength can be further distanced from the upper surface of the epitaxial layer, so that the on operation of the parasitic npn bipolar transistor can be suppressed.

図35(c)は、p型カラム領域のp型不純物濃度を深さ方向に均一とし、n型カラム領域のn型不純物濃度がエピタキシャル層の上面から下面へ向かう深さ方向に徐々に高くなる場合の総電荷量分布および電界強度を示すグラフ図である。   In FIG. 35C, the p-type impurity concentration in the p-type column region is made uniform in the depth direction, and the n-type impurity concentration in the n-type column region gradually increases in the depth direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer. It is a graph which shows the total charge amount distribution in a case, and an electric field strength.

この場合は、電界強度はp型カラム領域およびn型カラム領域の深さ方向の中間地点よりも深い位置で最大となる。これにより、最大電界強度の位置をよりエピタキシャル層の上面から遠ざけることができるので、寄生npnバイポーラトランジスタのオン動作を抑制することができる。   In this case, the electric field intensity becomes maximum at a position deeper than the intermediate point in the depth direction of the p-type column region and the n-type column region. Thereby, the position of the maximum electric field strength can be further distanced from the upper surface of the epitaxial layer, so that the on operation of the parasitic npn bipolar transistor can be suppressed.

(実施の形態4)
前記実施の形態1では、新規な技術的思想の1つである、セル領域のn型カラム領域のn型不純物濃度を周辺領域のエピタキシャル層のn型不純物濃度よりも高くするという技術的思想のパワーMOSFETを含む半導体装置に適用する例について説明した。実施の形態4では、上記技術的思想をIGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)を含む半導体装置に適用した例について説明する。
Embodiment 4
In the first embodiment, one of the new technical ideas is that the n-type impurity concentration in the n-type column region of the cell region is made higher than the n-type impurity concentration in the epitaxial layer in the peripheral region. An example applied to a semiconductor device including a power MOSFET has been described. In the fourth embodiment, an example will be described in which the above technical idea is applied to a semiconductor device including an IGBT (insulate gate bipolar transistor).

<半導体装置の構成>
図36は、実施の形態4による半導体装置(IGBT)の構成を示す断面図である。なお、ここで使用する「+」および「−」は、導電型がn型またはp型の相対的な不純物濃度を表記した符号であり、例えば「n」、「n」、「n」の順にn型不純物の不純物濃度が高いことを意味する。
<Configuration of semiconductor device>
FIG. 36 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (IGBT) according to the fourth embodiment. Here, using "+" and "-" is a sign conductivity type expressed relative impurity concentrations of the n-type or p-type, for example, "n -", "n", "n +" It means that the impurity concentration of the n-type impurity is high in the order of

シリコンからなるp型不純物が導入されたp型基板SUBの主面(表面、上面)上に、シリコンからなるn型不純物が導入されたn型バッファ層BFが形成されている。 An n + -type buffer layer BF into which an n-type impurity of silicon is introduced is formed on the main surface (surface, upper surface) of the p + -type substrate SUB into which a p-type impurity of silicon is introduced.

さらに、n型バッファ層BF上に、シリコンからなるn型不純物が導入されたn型ドリフト層DRTCおよびn型ドリフト層DRTPが形成されている。これらn型ドリフト層DRTCおよびn型ドリフト層DRTPは、耐圧を確保する役目を担い、その厚さは、例えば5〜40μm程度である。ここで、セル領域CRには、相対的に不純物濃度が高いn型ドリフト層DRTCが形成され、周辺領域PERには、相対的に不純物濃度が低いn型ドリフト層DRTPが形成されている。例えば周辺領域PERのn型ドリフト層DRTPのn型不純物濃度は、セル領域CRのn型ドリフト層DRTCのn型不純物濃度よりも10%〜20%程度低くなるように、各々のn型不純物濃度は設定される。 Furthermore, on the n + -type buffer layer BF, an n + -type drift layer DRTC into which an n-type impurity made of silicon is introduced and an n -type drift layer DRTP are formed. These n + type drift layer DRTC and n type drift layer DRTP play a role of ensuring a breakdown voltage, and the thickness thereof is, for example, about 5 to 40 μm. Here, an n + type drift layer DRTC having a relatively high impurity concentration is formed in the cell region CR, and an n type drift layer DRTP having a relatively low impurity concentration is formed in the peripheral region PER. . For example, the n-type impurity concentration of the n -type drift layer DRTP in the peripheral region PER is about 10% to 20% lower than the n-type impurity concentration of the n + -type drift layer DRTC in the cell region CR. The impurity concentration is set.

セル領域CRのn型ドリフト層DRTCの内部には、n型ドリフト層DRTCの上面から所定の深さを有してp型不純物が導入されたp型ベース層PRが形成されている。さらに、p型ベース層PRの内部には、n型のドリフト層DRTCの上面から所定の深さを有し、p型ベース層PRの端部と離間して、n型不純物が導入されたn型ソース層NRが形成されている。n型ソース層NRは、p型ベース層PRの端部とn型ソース層NRとの間のp型ベース層PRの内部にn型ドリフト層DRTCの上面から所定の距離を有して形成されるチャネルを介して、n型ドリフト層DRTCと電気的に接続する。 Inside the n + -type drift layer DRTC in the cell region CR, there is formed a p-type base layer PR having a predetermined depth from the top surface of the n + -type drift layer DRTC into which a p-type impurity is introduced. Furthermore, inside the p-type base layer PR, an n-type impurity is introduced with a predetermined depth from the upper surface of the n + -type drift layer DRTC and at a distance from the end of the p-type base layer PR. An n + -type source layer NR is formed. The n + -type source layer NR has a predetermined distance from the upper surface of the n + -type drift layer DRTC inside the p-type base layer PR between the end of the p-type base layer PR and the n + -type source layer NR. The n + -type drift layer DRTC is electrically connected through a channel formed in this manner.

また、p型ベース層PRの端部とn型ソース層NRとの間のチャネルが形成されるp型ベース層PR上にはゲート絶縁膜Toxが形成され、ゲート絶縁膜Tox上にはゲート電極GPmが形成されている。 Further, a gate insulating film Tox is formed on the p-type base layer PR where a channel between the end of the p-type base layer PR and the n + -type source layer NR is formed, and a gate is formed on the gate insulating film Tox An electrode GPm is formed.

周辺領域PERのn型ドリフト層DRTPの内部には、n型ドリフト層DRTPの上面から所定の深さを有してp型不純物が導入された複数のp型フィールドリミッティングリング(Field Limiting Ring)FLRが形成されている。複数のp型フィールドリミッティングリングFLRは、セル領域CRを囲むように形成されており、その電圧は固定されている。このような複数本のp型フィールドリミッティングリングFLRを形成することにより、電界が複数本のp型フィールドリミッティングリングFLRによって分担されるので、半導体装置を高耐圧とすることが可能となる。 N the peripheral area PER - -type Inside the drift layer Drtp, n - -type drift layer plurality of p-type impurity is introduced from the upper surface of Drtp have a predetermined depth p-type field limiting rings (Field Limiting Ring) FLR is formed. The plurality of p-type field limiting rings FLR are formed to surround the cell region CR, and the voltage is fixed. By forming such a plurality of p-type field limiting rings FLR, the electric field is shared by the plurality of p-type field limiting rings FLR, so that the semiconductor device can have a high breakdown voltage.

また、図示は省略するが、複数のp型フィールドリミッティングリングFLRを取り囲むようにn型ガードリングが形成されており、その電圧は固定されている。n型ガードリングは、半導体ウエハから半導体チップが個片化された後で半導体チップ中のIGBTの素子を保護する機能を有する。   Further, although not shown, an n-type guard ring is formed so as to surround a plurality of p-type field limiting rings FLR, and the voltage is fixed. The n-type guard ring has a function of protecting the IGBT element in the semiconductor chip after the semiconductor chip is separated from the semiconductor wafer.

さらに、セル領域CRおよび周辺領域PERには、IGBTの素子、p型フィールドリミッティングリングFLRおよびn型ガードリングなどを覆うように層間絶縁膜ILLが形成されている。この層間絶縁膜ILLには、図示は省略するが、n型ソース層NR、p型ベース層PR、ゲート電極GPmおよびp型フィールドリミッティングリングFLRなどに達する開口部がそれぞれ形成されている。そして、n型ソース層NRの表面の一部およびp型ベース層PRの表面の一部と電気的に接続するソース電極SPmが形成され、p型基板SUBの裏面と電気的に接続するドレイン電極DPmが形成されている。 Furthermore, in the cell region CR and the peripheral region PER, an interlayer insulating film ILL is formed so as to cover the elements of the IGBT, the p-type field limiting ring FLR, the n-type guard ring and the like. In the interlayer insulating film ILL, although not shown, openings reaching the n-type + source layer NR, the p-type base layer PR, the gate electrode GPm, the p-type field limiting ring FLR, and the like are formed. Then, source electrode SPm electrically connected to a part of the surface of n + type source layer NR and a part of the surface of p type base layer PR is formed, and electrically connected to the back surface of p + type substrate SUB. The drain electrode DPm is formed.

このように、実施の形態4による半導体装置では、セル領域CRにおけるpn接合部(p型ベース層PRとn型ドリフト層DRTCとの接合部)のn型ドリフト層DRTCのn型不純物濃度を周辺領域PERにおけるpn接合部(p型フィールドリミッティングリングFLRとn型ドリフト層DRTPとの接合部)のn型ドリフト層DRTPのn型不純物濃度よりも高くしている。これにより、セル領域CRのアバランシェ降伏電圧は、周辺領域PERのアバランシェ降伏電圧よりも低くなるので、セル領域CRでアバランシェ降伏現象を生じさせることができる。従って、IGBTのアバランシェ耐量を超えやすい周辺領域PERでアバランシェ降伏現象を生じる前に、IGBTのアバランシェ耐量を超えにくいセル領域CRでアバランシェ降伏現象を生じさせることができる。この結果、電源電圧を超える電圧がIGBTに印加されてアバランシェ降伏現象が生じる場合であっても、IGBTの破壊にまで至る状況を回避することができる。これにより、実施の形態4によれば、IGBTを含む半導体装置の信頼性を向上することができる。 As described above, in the semiconductor device according to the fourth embodiment, the n type impurity concentration of the n + type drift layer DRTC in the pn junction (the junction between the p type base layer PR and the n + type drift layer DRTC) in the cell region CR. Is higher than the n-type impurity concentration of the n type drift layer DRTP in the pn junction (the junction between the p type field limiting ring FLR and the n type drift layer DRTP) in the peripheral region PER. Thus, the avalanche breakdown voltage of the cell region CR is lower than the avalanche breakdown voltage of the peripheral region PER, so that the avalanche breakdown phenomenon can be generated in the cell region CR. Therefore, before the avalanche breakdown phenomenon occurs in the peripheral region PER that easily exceeds the avalanche resistance of the IGBT, the avalanche breakdown phenomenon can occur in the cell region CR that does not easily exceed the avalanche resistance of the IGBT. As a result, even if a voltage exceeding the power supply voltage is applied to the IGBT and an avalanche breakdown phenomenon occurs, a situation which leads to the destruction of the IGBT can be avoided. Thus, according to the fourth embodiment, the reliability of the semiconductor device including the IGBT can be improved.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、前記実施の形態では、パワー半導体素子としてパワーMOSFETおよびIGBTを例に挙げて新規な技術的思想について説明したが、本明細書に記載されている新規な技術的思想は、これに限らず、その他のパワー半導体、例えばダイオードを含む半導体装置に幅広く適用することができる。   For example, in the above-described embodiments, the novel technical idea has been described by taking the power MOSFET and IGBT as examples of the power semiconductor element, but the novel technical idea described in the present specification is not limited thereto. The present invention can be widely applied to semiconductor devices including other power semiconductors such as diodes.

前記実施の形態は、以下の形態を含む。   The embodiment includes the following modes.

(付記1)
セル領域と、前記セル領域の外側に形成された周辺領域とを有する半導体チップを備えた半導体装置であって、
前記半導体チップは、
(a)第1導電型の半導体基板、
(b)前記半導体基板上に形成された前記第1導電型と異なる第2導電型のバッファ層、
(c)前記セル領域の前記バッファ層上に形成された前記第2導電型の第1ドリフト層、
(d)前記周辺領域の前記バッファ層上に形成された前記第2導電型の第2ドリフト層、
(e)前記セル領域の前記第1ドリフト層内に、前記第1ドリフト層の上面から第1距離を有して形成された前記第1導電型のベース層、
(f)前記ベース層内に、前記第1ドリフト層の上面から前記第1距離よりも短い第2距離を有し、前記ベース層の端部から離間して形成された前記第2導電型のソース層、
(g)前記ベース層上に形成されたゲート絶縁膜、
(h)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極、
を含み、
前記周辺領域の前記第2ドリフト層の前記第2導電型の不純物濃度は、前記セル領域の前記第1ドリフト層の前記第2導電型の不純物濃度よりも10%〜20%低い、半導体装置。
(Supplementary Note 1)
A semiconductor device comprising a semiconductor chip having a cell region and a peripheral region formed outside the cell region, the semiconductor chip comprising:
The semiconductor chip is
(A) semiconductor substrate of first conductivity type,
(B) a buffer layer of a second conductivity type different from the first conductivity type formed on the semiconductor substrate,
(C) a first drift layer of the second conductivity type formed on the buffer layer of the cell region;
(D) a second drift layer of the second conductivity type formed on the buffer layer in the peripheral region,
(E) A base layer of the first conductivity type formed in the first drift layer of the cell region with a first distance from the top surface of the first drift layer,
(F) The second conductive type formed in the base layer at a second distance shorter than the first distance from the top surface of the first drift layer and separated from the end of the base layer Source layer,
(G) a gate insulating film formed on the base layer,
(H) a gate electrode formed on the gate insulating film,
Including
The impurity concentration of the second conductivity type of the second drift layer in the peripheral region is 10% to 20% lower than the impurity concentration of the second conductivity type of the first drift layer in the cell region.

1S 半導体基板
BC ボディコンタクト領域
BF n型バッファ層
CH チャネル領域
CHP 半導体チップ
CR セル領域
DC 溝(トレンチ)
DE ドレイン電極
DPm ドレイン電極
DRTC n型ドリフト層
DRTP n型ドリフト層
DTP 溝(トレンチ)
EPI,EPI1,EPI2 エピタキシャル層
EPIH,EPIL エピタキシャル層
FFP 電極(ダミー電極)
FLR p型フィールドリミッティングリング
FR1〜FR9 レジスト膜
GE ゲート電極
GOX ゲート絶縁膜
GPE ゲート引き出し電極
GPm ゲート電極
GPU ゲート引き出し部
IL,ILL 層間絶縁膜
NC n型カラム領域
NC1 第1n型カラム領域
NC2 第2n型カラム領域
NC3 第3n型カラム領域
NR n型ソース層
PAS 表面保護膜
PC1 第1p型カラム領域
PC2 第2p型カラム領域
PC3 第3p型カラム領域
PER 周辺領域
PF1 導体膜
PR p型ベース層
SE ソース電極
SPE ソース引き出し電極
SPm ソース電極
SPR ソース引き出し領域
SR ソース領域
SUB p型基板
Tox ゲート絶縁膜
TR 遷移領域
1S Semiconductor substrate BC Body contact region BF n + type buffer layer CH channel region CHP semiconductor chip CR cell region DC trench (trench)
DE drain electrode DPm drain electrode DRTC n + type drift layer DRTP n type drift layer DTP trench (trench)
EPI, EPI1, EPI2 Epitaxial layer EPIH, EPIL Epitaxial layer FFP electrode (dummy electrode)
FLR p-type field limiting rings FR1 to FR9 Resist film GE Gate electrode GOX Gate insulating film GPE Gate lead electrode GPm Gate electrode GPU Gate lead portion IL, ILL Interlayer insulating film NC n-type column region NC1 1n-type column region NC2 2n Type column region NC3 third n type column region NR n + type source layer PAS surface protective film PC1 first p type column region PC2 second p type column region PC3 third p type column region PER peripheral region PF1 conductor film PR p type base layer SE source Electrode SPE source extraction electrode SPm source electrode SPR source extraction region SR source region SUB p + type substrate Tox gate insulating film TR transition region

Claims (3)

セル領域と、前記セル領域の外側に形成された周辺領域とを有する半導体装置の製造方法であって、
(a)主面上に第1導電型のエピタキシャル層が形成された半導体基板を用意する工程、
(b)前記セル領域の前記エピタキシャル層内に、前記第1導電型の不純物を導入する工程、
(c)前記セル領域の前記エピタキシャル層に、複数の第1溝を第1方向に互いに離間するように形成する工程、
(d)前記(c)工程の後、前記セル領域の前記複数の第1溝のそれぞれに前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1半導体膜を埋め込むことにより、前記第2導電型の第1カラム領域を互いに離間するように形成する工程、
(e)前記周辺領域の前記エピタキシャル層に、複数の第2溝を前記第1方向に互いに離間するように形成する工程、
(f)前記(e)工程の後、前記周辺領域の前記複数の第2溝のそれぞれに前記第2導電型の第2半導体膜を埋め込むことにより、前記第2導電型の第2カラム領域を互いに離間するように形成する工程、
を含み、
前記セル領域の前記エピタキシャル層の前記第1導電型の不純物濃度が、前記周辺領域の前記エピタキシャル層の前記第1導電型の不純物濃度よりも高く、
前記セル領域の前記第1溝の前記第1方向の幅と、前記周辺領域の前記第2溝の前記第1方向の幅とが同じであり、
前記セル領域の前記第1溝に埋め込まれた前記第1半導体膜の不純物濃度が、前記周辺領域の前記第2溝に埋め込まれた前記第2半導体膜の不純物濃度よりも高い、半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device having a cell region and a peripheral region formed outside the cell region,
(A) preparing a semiconductor substrate having an epitaxial layer of the first conductivity type formed on the main surface;
(B) introducing an impurity of the first conductivity type into the epitaxial layer of the cell region;
(C) forming a plurality of first trenches in the epitaxial layer of the cell region so as to be separated from each other in a first direction;
(D) After the step (c), the second conductivity type is formed by embedding a first semiconductor film of a second conductivity type different from the first conductivity type in each of the plurality of first trenches in the cell region. Forming the first column regions of the mold spaced apart from one another;
(E) forming a plurality of second grooves in the epitaxial layer of the peripheral region so as to be separated from each other in the first direction;
(F) After the step (e), the second conductivity type second column region is formed by embedding the second conductivity type second semiconductor film in each of the plurality of second grooves in the peripheral region. Forming to be separated from each other,
Including
The impurity concentration of said first conductivity type of the epitaxial layer in the cell area, rather higher than the impurity concentration of said first conductivity type of the epitaxial layer in the peripheral region,
The width in the first direction of the first groove of the cell area and the width in the first direction of the second groove of the peripheral area are the same.
Manufacturing a semiconductor device , wherein the impurity concentration of the first semiconductor film embedded in the first groove of the cell region is higher than the impurity concentration of the second semiconductor film embedded in the second groove of the peripheral region Method.
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記セル領域の前記第1溝の前記第1方向の幅が、前記周辺領域の前記第2溝の前記第1方向の幅よりも大きく、
前記セル領域の前記第1溝に埋め込まれた前記第1半導体膜の不純物濃度と、前記周辺領域の前記第2溝に埋め込まれた前記第2半導体膜の不純物濃度とが同じである、半導体装置の製造方法。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
The width in the first direction of the first groove of the cell area is larger than the width in the first direction of the second groove of the peripheral area,
A semiconductor device, wherein the impurity concentration of the first semiconductor film embedded in the first groove of the cell region is the same as the impurity concentration of the second semiconductor film embedded in the second groove of the peripheral region. Manufacturing method.
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記(c)工程では、前記第1溝の前記第1方向の幅は、前記エピタキシャル層の上面から下面に向かう方向に徐々に狭くなり、
前記(e)工程では、前記第2溝の前記第1方向の幅は、前記エピタキシャル層の上面から下面に向かう方向に徐々に狭くなる、半導体装置の製造方法。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
In the step (c), the width in the first direction of the first groove is gradually narrowed in the direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer,
In the step (e), the width in the first direction of the second groove is gradually narrowed in the direction from the upper surface to the lower surface of the epitaxial layer.
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