JP6577558B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を備える半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

従来、コレクタ−エミッタ間の飽和電圧VCE(sat)および短絡耐量の高いトレンチ型IGBTは、p型フローティング層を有している。p型フローティング層は、一般的に、p型ベース層と同一工程形成される。これにより、p型フローティング層は、p型ベース層と同じ深さを有している。 Conventionally, a trench type IGBT having a collector-emitter saturation voltage V CE (sat) and a high short-circuit tolerance has a p-type floating layer. The p-type floating layer is generally formed in the same process as the p-type base layer. Thereby, the p-type floating layer has the same depth as the p-type base layer.

町田悟、杉山隆英、石子雅康、保田智史、斎藤順、濱田公守、「IGBTのスイッチング損失と素子容量の関連解析」、電気学会電子材料研究会資料(EFM−09,16−26,28−29)、p.55−59Satoru Machida, Takahide Sugiyama, Masayasu Ishiko, Satoshi Yasuda, Jun Saito, Kimimori Hirota, “Analysis of IGBT Switching Loss and Device Capacitance”, IEEJ Electronic Materials Study Group (EFM-09, 16-26, 28-) 29), p. 55-59 渡邉聡、森睦宏、新井大夏、石橋亨介、豊田靖、織田哲男、原田卓、齊藤克明、「フローティングp層をゲートから分離した低損失、低ノイズ、高信頼な1.7kVトレンチIGBT」、電気学会電子デバイス研究会資料(EDD−11,66−83)、p.67−71Watanabe, Hiroshi Mori, Atsuka Arai, Keisuke Ishibashi, Satoshi Toyoda, Tetsuo Oda, Taku Harada, Katsuaki Saito, “Low loss, low noise, high reliability 1.7kV trench IGBT with floating p-layer separated from gate” , Electrotechnical Society Electronic Device Research Material (EDD-11, 66-83), p. 67-71 特許第4785334号公報Japanese Patent No. 4785334

しかしながら、従来の構造では、デバイスの耐圧保持のためにp型フローティング層を深く拡散させると耐圧は保持されるが、それに伴いp型ベース層が厚くなってしまってオン電圧が上昇するという不具合がある。一方、オン電圧の低減のためにp型ベース層を薄くしたのでは、逆に、十分な耐圧を保持することが困難になる。
そこで、本発明の目的は、耐圧を向上できながら、オン電圧の上昇を抑えることができるIGBTを備える半導体装置を提供することである。
However, in the conventional structure, when the p-type floating layer is deeply diffused to maintain the breakdown voltage of the device, the breakdown voltage is maintained, but the p-type base layer becomes thick accordingly and the on-voltage increases. is there. On the other hand, if the p-type base layer is thinned to reduce the on-voltage, it is difficult to maintain a sufficient breakdown voltage.
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device including an IGBT that can suppress an increase in on-voltage while improving a withstand voltage.

上記目的を達成するための本発明の半導体装置は、半導体層と、前記半導体層に形成された複数のゲートトレンチと、前記複数のゲートトレンチにゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、互いに隣り合う前記複数のゲートトレンチの間に形成され、1本の前記ゲートトレンチを挟むように形成された複数のエミッタトレンチと、前記エミッタトレンチに絶縁膜を介して埋め込まれた埋め込み電極と、前記複数のエミッタトレンチの間に形成されたp型フローティング領域と、各前記ゲートトレンチの側方において、前記半導体層の表面側から前記ゲートトレンチの深さ方向に順に配置されたn型エミッタ領域、p型ベース領域およびn 型ドリフト領域と、前記n型ドリフト領域に対して前記半導体層の裏面側に配置されたp型コレクタ領域とを含み、前記エミッタトレンチは、前記ゲートトレンチとの間にn型ドリフト領域を介して2μm以下の間隔を隔てて配置されており、前記p型フローティング領域は、前記複数のエミッタトレンチのうち前記ゲートトレンチに最も近いエミッタトレンチの下方に回り込むオーバーラップ部を含み、前記オーバーラップ部は、前記エミッタトレンチの幅方向中央に対して前記ゲートトレンチの近い側に位置する端部を有しており、前記ゲートトレンチの底部は、幅方向中央が最も凸となるように曲面形状に形成されており、前記n型エミッタ領域は、各前記ゲートトレンチの両側面に沿って、かつ前記エミッタトレンチの側面から離れて形成されており、前記p型ベース領域は、前記エミッタトレンチの側面と前記n型エミッタ領域との間を介して前記半導体層の表面から露出しており、前記n型エミッタ領域は、前記ゲートトレンチの側面から前記半導体層の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部を選択的に有している。 In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor layer, a plurality of gate trenches formed in the semiconductor layer, a gate electrode embedded in the plurality of gate trenches via a gate insulating film, A plurality of emitter trenches formed between the plurality of gate trenches adjacent to each other so as to sandwich one gate trench; a buried electrode embedded in the emitter trench with an insulating film; and A p-type floating region formed between a plurality of emitter trenches, and an n + -type emitter region disposed in order in the depth direction of the gate trench from the surface side of the semiconductor layer on the side of each gate trench, -type drift region, the n - - p-type base region and n is arranged on the back side of the semiconductor layer for a type drift region + And a type collector region, the emitter trench, the n between the gate trench - are arranged at the following intervals 2μm through a type drift region, the p-type floating region, said plurality of It includes an overlap portion that wraps around below the emitter trench closest to the gate trench among the emitter trenches, and the overlap portion has an end located on the side closer to the gate trench with respect to the center in the width direction of the emitter trench. And the bottom of the gate trench is formed in a curved shape so that the center in the width direction is the most convex, and the n + -type emitter region extends along both side surfaces of each of the gate trenches, and The p-type base region is formed apart from the side surface of the emitter trench, The n + -type emitter region is exposed from the surface of the semiconductor layer via the n + -type emitter region, and the n + -type emitter region is led out laterally from the side surface of the gate trench along the surface of the semiconductor layer. Part selectively.

図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2は、図1の半導体装置の内部構造を説明するための斜視図である。FIG. 2 is a perspective view for explaining the internal structure of the semiconductor device of FIG. 図3Aは、図1の半導体装置の製造工程を説明するための図である。FIG. 3A is a diagram for explaining a manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 1. 図3Bは、図3Aの次の工程を示す図である。FIG. 3B is a diagram showing a step subsequent to FIG. 3A. 図3Cは、図3Bの次の工程を示す図である。FIG. 3C is a diagram showing a step subsequent to FIG. 3B. 図3Dは、図3Cの次の工程を示す図である。FIG. 3D is a diagram showing a step subsequent to FIG. 3C. 図3Eは、図3Dの次の工程を示す図である。FIG. 3E is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 3D. 図3Fは、図3Eの次の工程を示す図である。FIG. 3F is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 3E. 図3Gは、図3Fの次の工程を示す図である。FIG. 3G is a diagram showing a step subsequent to FIG. 3F. 図3Hは、図3Fの次の工程を示す図である。FIG. 3H is a diagram showing a step subsequent to FIG. 3F. 図3Iは、図3Fの次の工程を示す図である。FIG. 3I is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 3F. 図4は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図5は、図4の半導体装置の内部構造を説明するための図であって、図5(a)は斜視図、図5(b)は平面図をそれぞれ示している。FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the internal structure of the semiconductor device of FIG. 4. FIG. 5A is a perspective view and FIG. 5B is a plan view. 図6は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 図7は、図6の破線で囲まれた部分の拡大図である。FIG. 7 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG. 図8Aは、図7の半導体装置の製造工程を説明するための図である。FIG. 8A is a diagram for explaining a manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図8Bは、図8Aの次の工程を示す図である。FIG. 8B is a diagram showing a step subsequent to FIG. 8A. 図8Cは、図8Bの次の工程を示す図である。FIG. 8C is a diagram showing a step subsequent to FIG. 8B. 図8Dは、図8Cの次の工程を示す図である。FIG. 8D is a diagram showing a step subsequent to FIG. 8C. 図8Eは、図8Dの次の工程を示す図である。FIG. 8E is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 8D. 図8Fは、図8Eの次の工程を示す図である。FIG. 8F is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 8E. 図8Gは、図8Fの次の工程を示す図である。FIG. 8G is a diagram showing a step subsequent to FIG. 8F. 図8Hは、図8Gの次の工程を示す図である。FIG. 8H is a diagram showing a step subsequent to FIG. 8G. 図8Iは、図8Hの次の工程を示す図である。FIG. 8I is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 8H. 図8Jは、図8Iの次の工程を示す図である。FIG. 8J is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 8I. 図8Kは、図8Jの次の工程を示す図である。FIG. 8K is a diagram showing a step subsequent to that in FIG. 8J. 図9は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. 図10は、図9の破線で囲まれた部分の拡大図である。FIG. 10 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG. 図11は、デバイスのVCE−ICf特性を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the V CE -I Cf characteristics of the device.

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置1の模式的な断面図である。図2は、図1の半導体装置の内部構造を説明するための斜視図である。
半導体装置1は、IGBTを備えるデバイスであって、本発明の半導体層の一例としての半導体基板2を含む。半導体基板2は、たとえば、50μm〜200μmの厚さのn型シリコン基板であってよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view for explaining the internal structure of the semiconductor device of FIG.
The semiconductor device 1 is a device including an IGBT, and includes a semiconductor substrate 2 as an example of a semiconductor layer of the present invention. The semiconductor substrate 2 may be, for example, an n type silicon substrate having a thickness of 50 μm to 200 μm.

半導体基板2は、その裏面3側から順にp型コレクタ領域4、n型バッファ領域5およびn型ドリフト領域6が積層された構造を有している。p型コレクタ領域4が半導体基板2の裏面3全体に露出し、n型ドリフト領域6が半導体基板2の表面7の一部に選択的に露出している。
型コレクタ領域4のp型ドーパントとしては、たとえば、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)等を使用できる(以下、同じ)。一方、n型バッファ領域5およびn型ドリフト領域6のn型ドーパントとしては、たとえば、N(窒素)、P(リン)、As(ひ素)等を使用できる(以下、同じ)。
The semiconductor substrate 2 has a structure in which a p + -type collector region 4, an n-type buffer region 5 and an n -type drift region 6 are stacked in order from the back surface 3 side. The p + type collector region 4 is exposed on the entire back surface 3 of the semiconductor substrate 2, and the n type drift region 6 is selectively exposed on a part of the front surface 7 of the semiconductor substrate 2.
As the p-type dopant of the p + -type collector region 4, for example, B (boron), Al (aluminum), or the like can be used (hereinafter the same). On the other hand, as the n-type dopant of the n-type buffer region 5 and the n -type drift region 6, for example, N (nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic), or the like can be used (hereinafter the same).

また、p型コレクタ領域4のドーパント濃度は、たとえば、1×1015cm−3〜2×1019cm−3である。一方、n型バッファ領域5のドーパント濃度は、たとえば、1×1015cm−3〜5×1017cm−3であり、n型ドリフト領域6のドーパント濃度は、1×1013cm−3〜5×1014cm−3である。
半導体基板2の表面7側には、複数のゲートトレンチ8が形成されている。この実施形態では、複数のゲートトレンチ8は、たとえばストライプ状に形成され、半導体基板2の表面7に沿う横方向に一対ずつのトレンチ単位9として配置されている。互いに隣り合うトレンチ単位9のピッチPは、たとえば、4μm〜20μmである。また、一対のゲートトレンチ8において、一方のゲートトレンチ8と他方のゲートトレンチ8とのピッチP(ゲートトレンチ8の中心点同士の距離)は、たとえば、2μm〜7μmであり、間隔L(ゲートトレンチ8の側面間の距離)は、たとえば、1μm〜6μmである。
Moreover, the dopant concentration of the p + -type collector region 4 is, for example, 1 × 10 15 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3 . On the other hand, the dopant concentration of the n-type buffer region 5 is, for example, 1 × 10 15 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 , and the dopant concentration of the n -type drift region 6 is 1 × 10 13 cm −3. It is -5 * 10 < 14 > cm < -3 >.
A plurality of gate trenches 8 are formed on the surface 7 side of the semiconductor substrate 2. In this embodiment, the plurality of gate trenches 8 are formed, for example, in a stripe shape, and are arranged as a pair of trench units 9 in the lateral direction along the surface 7 of the semiconductor substrate 2. Pitch P 1 of the trench unit 9 adjacent to each other, for example, a 4Myuemu~20myuemu. Further, in the pair of gate trenches 8, the pitch P 2 (the distance between the center points of the gate trenches 8) between one gate trench 8 and the other gate trench 8 is, for example, 2 μm to 7 μm, and the interval L 1 ( The distance between the side surfaces of the gate trench 8 is, for example, 1 μm to 6 μm.

一対のゲートトレンチ8の間には、p型ベース領域10が形成されている。p型ベース領域10は、一方のゲートトレンチ8と他方のゲートトレンチ8によって共有されている。また、この実施形態では、p型ベース領域10とn型ドリフト領域6との界面がゲートトレンチ8の中央部もしくは上部に設定されていて、p型ベース領域10は、半導体基板2の比較的浅くに拡散形成されている。 A p-type base region 10 is formed between the pair of gate trenches 8. The p-type base region 10 is shared by one gate trench 8 and the other gate trench 8. In this embodiment, the interface between the p-type base region 10 and the n -type drift region 6 is set at the center or upper portion of the gate trench 8, and the p-type base region 10 is relatively It is shallowly diffused.

p型ベース領域10には、半導体基板2の表面7から掘り下がったコンタクトトレンチ11が形成されている。コンタクトトレンチ11は、ゲートトレンチ8の長手方向に沿って一定の幅で形成されている。コンタクトトレンチ11の底面には、p型ベースコンタクト領域12が形成されている。
また、コンタクトトレンチ11と、一方および他方のゲートトレンチ8との間においてp型ベース領域10の表面部には、n型エミッタ領域13が形成されている。n型エミッタ領域13は、コンタクトトレンチ11の両側に一つずつ設けられ、それぞれがコンタクトトレンチ11の側面に露出している。
A contact trench 11 dug from the surface 7 of the semiconductor substrate 2 is formed in the p-type base region 10. The contact trench 11 is formed with a certain width along the longitudinal direction of the gate trench 8. A p + -type base contact region 12 is formed on the bottom surface of the contact trench 11.
An n + -type emitter region 13 is formed on the surface portion of the p-type base region 10 between the contact trench 11 and one and the other gate trenches 8. One n + -type emitter region 13 is provided on each side of the contact trench 11, and each n + -type emitter region 13 is exposed on the side surface of the contact trench 11.

また、p型ベース領域10のドーパント濃度は、たとえば、1×1016cm−3〜1×1018cm−3である。p型ベースコンタクト領域12のドーパント濃度は、たとえば、5×1018cm−3〜1×1020cm−3である。n型エミッタ領域13のドーパント濃度は、1×1019cm−3〜5×1020cm−3である。
また、半導体基板2の表面7側において一対のゲートトレンチ8の間には、複数(図1では2本)のエミッタトレンチ14が形成されている。この実施形態では、複数のエミッタトレンチ14は、たとえばストライプ状(ゲートトレンチ8に平行)に形成され、半導体基板2の表面7に沿う横方向に互いに等しい間隔を空けて配置されている。互いに隣り合うエミッタトレンチ14間隔L(エミッタトレンチ14の側面間の距離)は、たとえば、3μm以下、好ましくは、0.8μm〜3μmである。また、複数のエミッタトレンチ14は、ゲートトレンチ8と同じ深さで形成されている。これにより、エミッタトレンチ14をゲートトレンチ8と同一工程で形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。
Moreover, the dopant concentration of the p-type base region 10 is, for example, 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 . The dopant concentration of the p + type base contact region 12 is, for example, 5 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 . The dopant concentration of the n + -type emitter region 13 is 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 .
A plurality (two in FIG. 1) of emitter trenches 14 are formed between the pair of gate trenches 8 on the surface 7 side of the semiconductor substrate 2. In this embodiment, the plurality of emitter trenches 14 are formed, for example, in a stripe shape (parallel to the gate trench 8), and are arranged at equal intervals in the lateral direction along the surface 7 of the semiconductor substrate 2. The distance L 2 between adjacent emitter trenches 14 (distance between the side surfaces of the emitter trench 14) is, for example, 3 μm or less, preferably 0.8 μm to 3 μm. The plurality of emitter trenches 14 are formed at the same depth as the gate trench 8. Thereby, since the emitter trench 14 can be formed in the same process as the gate trench 8, the manufacturing process can be simplified.

複数のエミッタトレンチ14のうち、ゲートトレンチ8に隣り合うトレンチ(ゲートトレンチ8との間にトレンチを介さずに対向するトレンチ)は、ゲートトレンチ8との間にn型ドリフト領域6を介して2μm以下の間隔L(エミッタトレンチ14の側面とゲートトレンチ8の側面との距離)を隔てて配置されている。つまり、当該エミッタトレンチ14とゲートトレンチ8との間には、深さ方向全域に渡ってn型ドリフト領域6が介在している。 Among the plurality of emitter trenches 14, a trench adjacent to the gate trench 8 (a trench facing the gate trench 8 without a trench) is interposed between the gate trench 8 and the n type drift region 6. The distance L 3 (distance between the side surface of the emitter trench 14 and the side surface of the gate trench 8) is 2 μm or less. That is, the n type drift region 6 is interposed between the emitter trench 14 and the gate trench 8 over the entire depth direction.

また、複数のエミッタトレンチ14の各間には、p型フローティング領域15が形成されている。p型フローティング領域15は、電気的にフローティング状態が保たれた半導体領域であり、ゲートトレンチ8に隣り合うエミッタトレンチ14によって、ゲートトレンチ8と分離されている。p型フローティング領域15は、この実施形態では、p型ベース領域10よりも深く形成されている。   A p-type floating region 15 is formed between each of the plurality of emitter trenches 14. The p-type floating region 15 is a semiconductor region in which an electrically floating state is maintained, and is separated from the gate trench 8 by an emitter trench 14 adjacent to the gate trench 8. In this embodiment, the p-type floating region 15 is formed deeper than the p-type base region 10.

p型フローティング領域15は、エミッタトレンチ14の底部に対して半導体基板2の裏面3側に膨出する底部16と、ゲートトレンチ8に隣り合うエミッタトレンチ14の下方に回り込むオーバーラップ部17とを有している。オーバーラップ部17は、当該エミッタトレンチ14の幅方向中央に対してゲートトレンチ8の近い側に位置する端部18を有している。この端部18は、エミッタトレンチ14に対してゲートトレンチ8側にはみ出ていないことが好ましい。   The p-type floating region 15 has a bottom portion 16 that bulges toward the back surface 3 side of the semiconductor substrate 2 with respect to the bottom portion of the emitter trench 14, and an overlap portion 17 that wraps below the emitter trench 14 adjacent to the gate trench 8. is doing. The overlap portion 17 has an end portion 18 located on the side closer to the gate trench 8 with respect to the center in the width direction of the emitter trench 14. It is preferable that the end portion 18 does not protrude from the emitter trench 14 to the gate trench 8 side.

また、p型フローティング領域15のドーパント濃度は、たとえば、5×1015cm−3〜1×1018cm−3である。
ゲートトレンチ8およびエミッタトレンチ14には、絶縁膜19(たとえば、酸化シリコン(SiO))を介してゲート電極20および埋め込み電極21がそれぞれ埋め込まれている。ゲート電極20および埋め込み電極21は、たとえば、ポリシリコン等の導電材料からなる。絶縁膜19は、ゲートトレンチ8の内面、半導体基板2の表面7およびエミッタトレンチ14の内面に沿って一体的に形成されている。絶縁膜19のゲートトレンチ8内の部分は、ゲート絶縁膜22として機能する。また、エミッタトレンチ14の複数の埋め込み電極21は、後述するエミッタ電極25に電気的に接続されている。
Moreover, the dopant concentration of the p-type floating region 15 is, for example, 5 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 .
A gate electrode 20 and a buried electrode 21 are buried in the gate trench 8 and the emitter trench 14 via an insulating film 19 (for example, silicon oxide (SiO 2 )). The gate electrode 20 and the buried electrode 21 are made of a conductive material such as polysilicon, for example. The insulating film 19 is integrally formed along the inner surface of the gate trench 8, the surface 7 of the semiconductor substrate 2, and the inner surface of the emitter trench 14. A portion of the insulating film 19 in the gate trench 8 functions as the gate insulating film 22. The plurality of buried electrodes 21 in the emitter trench 14 are electrically connected to an emitter electrode 25 described later.

半導体基板2の表面7には、たとえば、ホウ素リンシリケートガラス(BPSG)、酸化シリコン(SiO)等の絶縁材料からなる層間膜23が積層されている。層間膜23には、コンタクトトレンチ11を介してn型エミッタ領域13およびp型ベースコンタクト領域12を選択的に露出させるコンタクトホール24が形成されている。
層間膜23上には、エミッタ電極25が積層されている。エミッタ電極25は、コンタクトトレンチ11に入り込み、コンタクトトレンチ11の側面においてn型エミッタ領域13に接続されている。また、コンタクトトレンチ11の底面において、p型ベースコンタクト領域12を介してp型ベース領域10に接続されている。
An interlayer film 23 made of an insulating material such as boron phosphorus silicate glass (BPSG) or silicon oxide (SiO 2 ) is laminated on the surface 7 of the semiconductor substrate 2. A contact hole 24 for selectively exposing the n + -type emitter region 13 and the p + -type base contact region 12 through the contact trench 11 is formed in the interlayer film 23.
An emitter electrode 25 is stacked on the interlayer film 23. The emitter electrode 25 enters the contact trench 11 and is connected to the n + -type emitter region 13 on the side surface of the contact trench 11. In addition, the bottom surface of the contact trench 11 is connected to the p-type base region 10 via the p + -type base contact region 12.

次に、半導体装置1の製造方法について説明する。図3A〜図3Iは、図1の半導体装置1の製造工程を工程順に説明するための図である。
半導体装置1を製造するには、図3Aに示すように、n型の半導体基板2(n型ドリフト領域6)の表面7にマスク28が形成される。マスク28には、表面7におけるp型フローティング領域15に形成すべき領域を選択的に露出させる開口が形成されている。そして、このマスク28を介して、半導体基板2の表面7に対してp型ドーパントがイオン注入(インプラ)される。これにより、イオン注入領域26が形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 1 will be described. 3A to 3I are views for explaining the manufacturing process of the semiconductor device 1 of FIG. 1 in the order of steps.
To manufacture the semiconductor device 1, as shown in FIG. 3A, a mask 28 is formed on the surface 7 of the n type semiconductor substrate 2 (n type drift region 6). The mask 28 has an opening for selectively exposing a region to be formed in the p-type floating region 15 on the surface 7. Then, a p-type dopant is ion-implanted (implanted) into the surface 7 of the semiconductor substrate 2 through the mask 28. Thereby, the ion implantation region 26 is formed.

次に、図3Bに示すように、半導体基板2が選択的にエッチングされることによって、ゲートトレンチ8およびエミッタトレンチ14が同時形成される。
次に、図3Cに示すように、半導体基板2が熱酸化されることによって、ゲートトレンチ8およびエミッタトレンチ14の内面を含む表面全域に犠牲酸化膜27が形成される。そして、犠牲酸化膜27で覆われた半導体基板2をアニール処理することによって、イオン注入領域26中のp型ドーパントが拡散する(ドライブイン)。このアニール処理は、p型ドーパントがエミッタトレンチ14の下方に回り込む条件で行われる。これにより、p型フローティング領域15が形成される。この際、半導体基板2が犠牲酸化膜27で覆われているので、基板表面からのイオン抜けを防止することができるので、p型ドーパントを効率よく拡散させることができる。
Next, as shown in FIG. 3B, the semiconductor substrate 2 is selectively etched, so that the gate trench 8 and the emitter trench 14 are formed simultaneously.
Next, as shown in FIG. 3C, a sacrificial oxide film 27 is formed on the entire surface including the inner surfaces of the gate trench 8 and the emitter trench 14 by thermally oxidizing the semiconductor substrate 2. Then, by annealing the semiconductor substrate 2 covered with the sacrificial oxide film 27, the p-type dopant in the ion implantation region 26 is diffused (drive-in). This annealing process is performed under the condition that the p-type dopant goes around below the emitter trench 14. Thereby, the p-type floating region 15 is formed. At this time, since the semiconductor substrate 2 is covered with the sacrificial oxide film 27, it is possible to prevent the escape of ions from the surface of the substrate, so that the p-type dopant can be diffused efficiently.

次に、図3Dに示すように、犠牲酸化膜27が剥離される。
次に、図3Eに示すように、半導体基板2が熱酸化されることによって、ゲートトレンチ8およびエミッタトレンチ14の内面を含む表面全域に絶縁膜19(ゲート絶縁膜22)が形成される。
次に、図3Fに示すように、ポリシリコン等の電極材料がゲートトレンチ8およびエミッタトレンチ14に埋め込まれる。これにより、ゲート電極20および埋め込み電極21が同時に形成される。
Next, as shown in FIG. 3D, the sacrificial oxide film 27 is peeled off.
Next, as shown in FIG. 3E, the semiconductor substrate 2 is thermally oxidized to form an insulating film 19 (gate insulating film 22) over the entire surface including the inner surfaces of the gate trench 8 and the emitter trench.
Next, as shown in FIG. 3F, an electrode material such as polysilicon is embedded in the gate trench 8 and the emitter trench 14. Thereby, the gate electrode 20 and the buried electrode 21 are formed simultaneously.

次に、図3Gに示すように、半導体基板2の表面7に対して選択的にn型およびp型ドーパントがイオン注入および拡散されることによって、p型ベース領域10およびn型エミッタ領域13が順に形成される。
次に、図3Hに示すように、半導体基板2の表面7上に、ホウ素リンシリケートガラス(BPSG)、酸化シリコン(SiO)等の絶縁材料を堆積させることによって、層間膜23が形成される。次に、層間膜23が選択的にエッチングされてコンタクトホール24が形成された後、当該コンタクトホール24から露出する半導体基板2が選択的にエッチングされる。これにより、コンタクトトレンチ11が形成される。
Next, as shown in FIG. 3G, n-type and p-type dopants are selectively ion-implanted and diffused into the surface 7 of the semiconductor substrate 2, thereby causing the p-type base region 10 and the n + -type emitter region 13. Are formed in order.
Next, as shown in FIG. 3H, an interlayer film 23 is formed on the surface 7 of the semiconductor substrate 2 by depositing an insulating material such as boron phosphorus silicate glass (BPSG) or silicon oxide (SiO 2 ). . Next, after the interlayer film 23 is selectively etched to form the contact hole 24, the semiconductor substrate 2 exposed from the contact hole 24 is selectively etched. Thereby, the contact trench 11 is formed.

次に、図3Iに示すように、コンタクトホール24を介してコンタクトトレンチ11の底部に対して選択的にp型ドーパントがイオン注入および拡散されることによって、p型ベースコンタクト領域12が形成される。
その後、半導体基板2の表面7側にエミッタ電極24等が形成された後、半導体基板2の裏面3に対して選択的にn型およびp型ドーパントがイオン注入および拡散されることによって、n型バッファ領域5およびp型コレクタ領域4が順に形成される。
Next, as shown in FIG. 3I, p + -type base contact region 12 is formed by ion implantation and diffusion of p-type dopant selectively into the bottom of contact trench 11 through contact hole 24. The
Thereafter, after the emitter electrode 24 and the like are formed on the front surface 7 side of the semiconductor substrate 2, n-type and p-type dopants are selectively ion-implanted and diffused into the back surface 3 of the semiconductor substrate 2. A buffer region 5 and a p + -type collector region 4 are formed in order.

以上のような工程を経ることによって、図1に示す半導体装置1が得られる。なお、図3A〜図3Iでは半導体装置1の製造工程の一部を表したに過ぎず、当該製造工程は、図3A〜図3Iで示されなかった工程を含んでいてもよい。
この半導体装置1によれば、埋め込み電極21が埋め込まれたエミッタトレンチ14(以下、「エミッタ接合トレンチ」という)の底部までp型フローティング領域15(オーバーラップ部17)が形成されているので、スイッチングオフ動作時にエミッタ接合トレンチに負荷するコレクタ−エミッタ電圧を緩和することができる。そのため、急峻な電圧変化(dv/dt)に対してデバイスの破壊を防止することができる。
Through the steps as described above, the semiconductor device 1 shown in FIG. 1 is obtained. 3A to 3I represent only a part of the manufacturing process of the semiconductor device 1, and the manufacturing process may include a process that is not shown in FIGS. 3A to 3I.
According to this semiconductor device 1, the p-type floating region 15 (overlap portion 17) is formed up to the bottom of the emitter trench 14 (hereinafter referred to as “emitter junction trench”) in which the buried electrode 21 is buried. The collector-emitter voltage loaded on the emitter junction trench during the off operation can be relaxed. Therefore, it is possible to prevent the device from being destroyed with respect to a steep voltage change (dv / dt).

また、p型ベース領域10よりも深いp型フローティング領域15によって耐圧を向上できる一方、p型ベース領域10は浅くてもよいので、p型ベース領域10の深さを適切に設計することによってチャネル長(ゲートトレンチ8の深さ方向の長さ)を短くしてオン電圧の上昇を抑制することもできる。
また、ゲート電極20が埋め込まれたゲートトレンチ8(以下、「ゲート接合トレンチ」という)が、エミッタ接合トレンチによってp型フローティング領域15から分離されている。これにより、p型フローティング領域15とゲート接合トレンチとの接合を防止することができる。そのため、ゲート接合トレンチとp型フローティング領域15との間の浮遊容量をなくすことができる。
Further, the breakdown voltage can be improved by the p-type floating region 15 deeper than the p-type base region 10, while the p-type base region 10 may be shallow, so that the channel can be obtained by appropriately designing the depth of the p-type base region 10. It is also possible to suppress an increase in on-voltage by shortening the length (the length of the gate trench 8 in the depth direction).
A gate trench 8 in which the gate electrode 20 is embedded (hereinafter referred to as “gate junction trench”) is separated from the p-type floating region 15 by an emitter junction trench. Thereby, the junction between the p-type floating region 15 and the gate junction trench can be prevented. Therefore, stray capacitance between the gate junction trench and the p-type floating region 15 can be eliminated.

一方、ゲート接合トレンチが深さ方向全域に渡って接合しているn型ドリフト領域6はp型コレクタ領域4と共に接地されるものである。そのため、スイッチング動作時に、ゲート接合トレンチとn型ドリフト領域6との間の容量変化が安定するので、ノイズが発生し難い。これらの結果、スイッチング動作時のノイズの発生およびスイッチング損失を低減することができる。 On the other hand, the n type drift region 6 where the gate junction trench is joined over the entire depth direction is grounded together with the p + type collector region 4. For this reason, the capacitance change between the gate junction trench and the n -type drift region 6 is stabilized during the switching operation, so that noise is hardly generated. As a result, it is possible to reduce noise generation and switching loss during the switching operation.

また、エミッタ接合トレンチと、ゲート接合トレンチとの間隔Lが2μm以下であるので、耐圧を良好に保持することもできる。
さらに、コンタクトトレンチ11の側面をn型エミッタ領域13とのコンタクトのための領域として有効利用することができるので、n型エミッタ領域13に対するエミッタ電極25の接合面積を十分確保することができる。これにより、n型エミッタ領域13の平面面積を犠牲にすることができるので、一対のゲートトレンチ8における一方および他方のゲートトレンチ8の間隔Lを微細化して、従来に比べて微細なp型ベース領域10を形成することができる。ゲートトレンチ8の微細化の結果、デバイスの短絡耐量とオン電圧とのトレードオフの関係を改善することができるので、電荷促進効果を向上させることができる。よって、低電流域におけるVCE(sat)を改善することができる。
In addition, since the distance L between the emitter junction trench and the gate junction trench is 2 μm or less, the breakdown voltage can be maintained well.
Further, since the side surface of the contact trench 11 can be effectively utilized as an area for contact with the n + -type emitter region 13, the junction area of the emitter electrode 25 for the n + -type emitter region 13 can be sufficiently ensured . As a result, the planar area of the n + -type emitter region 13 can be sacrificed, so that the distance L 1 between the one and the other gate trenches 8 in the pair of gate trenches 8 is made finer, and the p is smaller than in the conventional case. The mold base region 10 can be formed. As a result of miniaturization of the gate trench 8, the trade-off relationship between the short-circuit withstand voltage and the on-voltage of the device can be improved, so that the charge promotion effect can be improved. Therefore, V CE (sat) in the low current region can be improved.

図4は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置31の模式的な断面図である。図5は、図4の半導体装置の内部構造を説明するための図であって、図5(a)は斜視図、図5(b)は平面図をそれぞれ示している。図4および図5において、前述の図1に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
前述の第1実施形態では、ゲートトレンチ8は、一対ずつのトレンチ単位9として形成され、一方および他方のゲートトレンチ8の間に共通のp型ベース領域10が形成されていた。これに対し、第2実施形態の半導体装置31は、半導体基板2の表面7に沿う横方向に一つずつのトレンチ単位32として形成された複数のゲートトレンチ33と、各ゲートトレンチ33の両側(エミッタトレンチ14との間の領域)に形成されたp型ベース領域34と、各p型ベース領域34の表面部に形成されたn型エミッタ領域35とを含む。n型エミッタ領域35は、ゲートトレンチ33の両側面に沿って一つずつ形成され、半導体基板2の表面7に露出している。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 31 according to the second embodiment of the present invention. FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the internal structure of the semiconductor device of FIG. 4. FIG. 5A is a perspective view and FIG. 5B is a plan view. 4 and 5, parts corresponding to those shown in FIG. 1 are given the same reference numerals.
In the first embodiment described above, the gate trench 8 is formed as a pair of trench units 9, and a common p-type base region 10 is formed between one and the other gate trench 8. On the other hand, the semiconductor device 31 of the second embodiment includes a plurality of gate trenches 33 formed as one trench unit 32 in the lateral direction along the surface 7 of the semiconductor substrate 2 and both sides of each gate trench 33 ( A p-type base region 34 formed in a region between the emitter trenches 14) and an n + -type emitter region 35 formed in a surface portion of each p-type base region 34. The n + -type emitter regions 35 are formed one by one along both side surfaces of the gate trench 33 and are exposed on the surface 7 of the semiconductor substrate 2.

また、p型ベース領域34の表面部には、n型エミッタ領域35の側方(ゲートトレンチ33の反対側)にp型ベースコンタクト領域37が形成されている。p型ベースコンタクト領域37のドーパント濃度は、たとえば、5×1018cm−3〜1×1020cm−3である。
型エミッタ領域35は、図5(a)(b)に示すように、ゲートトレンチ33の側面から半導体基板2の表面7に沿う横方向に引き出された引き出し部38を選択的に有している。引き出し部38は、たとえば、ゲートトレンチ33の長手方向に沿って一定の間隔を空けて配置されている。この実施形態のようにゲートトレンチ33に対して一対のn型エミッタ領域35が設けられる場合、各n型エミッタ領域35の引き出し部38は、図5(b)に示すように、一方および他方の端部がゲートトレンチ33を挟んで互いに対向するように配置されていてもよいし、一方の引き出し部38の端部および他方の引き出し部38の端部が、ゲートトレンチ33の長手方向に沿って交互に配置されていてもよい(図示せず)。これにより、p型ベースコンタクト領域37における引き出し部38に隣り合う部分は、他の部分よりも選択的に幅が狭い挟部39となっている。
A p + -type base contact region 37 is formed on the surface of the p-type base region 34 on the side of the n + -type emitter region 35 (opposite the gate trench 33). The dopant concentration of the p + type base contact region 37 is, for example, 5 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .
As shown in FIGS. 5A and 5B, the n + -type emitter region 35 selectively has a lead-out portion 38 that is led out in the lateral direction along the surface 7 of the semiconductor substrate 2 from the side surface of the gate trench 33. ing. The lead portions 38 are arranged, for example, at regular intervals along the longitudinal direction of the gate trench 33. When a pair of n + -type emitter regions 35 are provided for the gate trench 33 as in this embodiment, the lead-out portion 38 of each n + -type emitter region 35 has one side, as shown in FIG. The other end may be arranged to face each other across the gate trench 33, and the end of one lead-out portion 38 and the end of the other lead-out portion 38 are arranged in the longitudinal direction of the gate trench 33. You may arrange | position alternately along (not shown). As a result, the portion adjacent to the lead portion 38 in the p + -type base contact region 37 is a narrow portion 39 that is selectively narrower than the other portions.

また、層間膜23には、p型ベースコンタクト領域37およびn型エミッタ領域35を選択的に露出させるコンタクトホール36が形成されている。n型エミッタ領域35は、引き出し部38がコンタクトホール36から選択的に露出している。エミッタ電極25は、コンタクトホール36を介して、p型ベースコンタクト領域37およびn型エミッタ領域35に接続されている。 Further, a contact hole 36 for selectively exposing the p + type base contact region 37 and the n + type emitter region 35 is formed in the interlayer film 23. In the n + -type emitter region 35, the lead portion 38 is selectively exposed from the contact hole 36. The emitter electrode 25 is connected to the p + type base contact region 37 and the n + type emitter region 35 through a contact hole 36.

この半導体装置31によっても、第1実施形態の半導体装置1と同様の効果を達成することができる。
図6は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。図7は、図6の破線で囲まれた部分の拡大図である。
半導体装置101は、IGBTを備えるデバイスであって、本発明の半導体層の一例としての半導体基板102を含む。半導体基板102は、たとえば、50μm〜200μmの厚さのn型シリコン基板であってよい。
This semiconductor device 31 can also achieve the same effect as the semiconductor device 1 of the first embodiment.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 7 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG.
The semiconductor device 101 is a device including an IGBT and includes a semiconductor substrate 102 as an example of a semiconductor layer of the present invention. The semiconductor substrate 102 may be, for example, an n type silicon substrate having a thickness of 50 μm to 200 μm.

半導体基板102は、その裏面103側から順にp型コレクタ領域104、n型バッファ領域105およびn型ドリフト領域106が積層された構造を有している。p型コレクタ領域104が半導体基板102の裏面103全体に露出し、n型ドリフト領域106が半導体基板102の表面107の一部に選択的に露出している。
型コレクタ領域104のp型ドーパントとしては、たとえば、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)等を使用できる(以下、同じ)。一方、n型バッファ領域105およびn型ドリフト領域106のn型ドーパントとしては、たとえば、N(窒素)、P(リン)、As(ひ素)等を使用できる(以下、同じ)。
The semiconductor substrate 102 has a structure in which a p + -type collector region 104, an n-type buffer region 105, and an n -type drift region 106 are stacked in this order from the back surface 103 side. The p + type collector region 104 is exposed on the entire back surface 103 of the semiconductor substrate 102, and the n type drift region 106 is selectively exposed on a part of the front surface 107 of the semiconductor substrate 102.
As the p-type dopant in the p + -type collector region 104, for example, B (boron), Al (aluminum), or the like can be used (hereinafter the same). On the other hand, for example, N (nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic), or the like can be used as the n-type dopant of the n-type buffer region 105 and the n -type drift region 106 (hereinafter the same).

また、p型コレクタ領域104のドーパント濃度は、たとえば、1×1015cm−3〜2×1019cm−3である。一方、n型バッファ領域105のドーパント濃度は、たとえば、1×1015cm−3〜5×1017cm−3であり、n型ドリフト領域106のドーパント濃度は、1×1013cm−3〜5×1014cm−3である。
半導体基板102の表面107側には、複数のゲートトレンチ108および複数のダミートレンチ109が互いに隣り合って形成されている。この実施形態では、一対のダミートレンチ109と、一対のダミートレンチ109の間に挟まれたゲートトレンチ108とを含むトレンチ単位110が、半導体基板102の表面107に沿う横方向に間隔を空けて複数配置されている。これにより、ゲートトレンチ108およびダミートレンチ109は、全体としてストライプ状に形成されている。
The dopant concentration of the p + -type collector region 104 is, for example, 1 × 10 15 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3 . On the other hand, the dopant concentration of the n-type buffer region 105 is, for example, 1 × 10 15 cm -3 ~5 × 10 17 cm -3, n - dopant concentration type drift region 106, 1 × 10 13 cm -3 It is -5 * 10 < 14 > cm < -3 >.
A plurality of gate trenches 108 and a plurality of dummy trenches 109 are formed adjacent to each other on the surface 107 side of the semiconductor substrate 102. In this embodiment, a plurality of trench units 110 including a pair of dummy trenches 109 and a gate trench 108 sandwiched between the pair of dummy trenches 109 are spaced apart in the lateral direction along the surface 107 of the semiconductor substrate 102. Has been placed. Thereby, the gate trench 108 and the dummy trench 109 are formed in a stripe shape as a whole.

互いに隣り合うトレンチ単位110のピッチPは、たとえば、2μm〜7μmである。また、各トレンチ単位110において、ゲートトレンチ108とその両側のダミートレンチ109との間隔L(ゲートトレンチ108の側面とダミートレンチ109の側面との距離)はそれぞれ、2μm以下であることが好ましい。
各トレンチ単位110において、ゲートトレンチ108の両側(各ダミートレンチ109との間の領域)には、p型ベース領域111が形成され、さらにp型ベース領域111の表面部にn型エミッタ領域112およびp型ベースコンタクト領域113が形成されている(図7参照)。この実施形態では、p型ベース領域111とn型ドリフト領域106との界面がゲートトレンチ108の中央部もしくは上部に設定されていて、p型ベース領域111は、半導体基板102の比較的浅くに拡散形成されている。
Pitch P 1 of the trench units 110 adjacent to each other, for example, a 2Myuemu~7myuemu. In each trench unit 110, the distance L 1 between the gate trench 108 and the dummy trenches 109 on both sides thereof (the distance between the side surface of the gate trench 108 and the side surface of the dummy trench 109) is preferably 2 μm or less.
In each trench unit 110, a p-type base region 111 is formed on both sides of the gate trench 108 (regions between the dummy trenches 109), and an n + -type emitter region 112 is formed on the surface of the p-type base region 111. In addition, a p + -type base contact region 113 is formed (see FIG. 7). In this embodiment, the interface between the p-type base region 111 and the n -type drift region 106 is set at the center or upper portion of the gate trench 108, and the p-type base region 111 is relatively shallow in the semiconductor substrate 102. Diffusion is formed.

型エミッタ領域112およびp型ベースコンタクト領域113は、ゲートトレンチ108とダミートレンチ109との間の領域において互いに隣接して配置されている。具体的には、n型エミッタ領域112がゲートトレンチ108の両側面114に沿って一つずつ形成され、p型ベースコンタクト領域113が各ダミートレンチ109の側面115に沿って一つずつ形成されている。これにより、n型エミッタ領域112は、半導体基板102の表面107およびゲートトレンチ108の側面114に露出している。一方、p型ベースコンタクト領域113は、半導体基板102の表面107およびダミートレンチ109の側面115に露出している。 The n + -type emitter region 112 and the p + -type base contact region 113 are arranged adjacent to each other in a region between the gate trench 108 and the dummy trench 109. Specifically, n + -type emitter regions 112 are formed one by one along both side surfaces 114 of the gate trench 108, and p + -type base contact regions 113 are formed one by one along the side surface 115 of each dummy trench 109. Has been. As a result, the n + -type emitter region 112 is exposed on the surface 107 of the semiconductor substrate 102 and the side surface 114 of the gate trench 108. On the other hand, the p + -type base contact region 113 is exposed on the surface 107 of the semiconductor substrate 102 and the side surface 115 of the dummy trench 109.

また、p型ベース領域111のドーパント濃度は、たとえば、1×1016cm−3〜1×1018cm−3である。n型エミッタ領域112のドーパント濃度は、1×1019cm−3〜5×1020cm−3である。p型ベースコンタクト領域113のドーパント濃度は、たとえば、5×1018cm−3〜1×1020cm−3である。
また、半導体基板102の表面107側において隣り合うトレンチ単位110の間には、複数(図6では3本)のエミッタトレンチ116が形成されている。この実施形態では、複数のエミッタトレンチ116は、たとえばストライプ状(ゲートトレンチ108およびダミートレンチ109に平行)に形成され、半導体基板102の表面107に沿う横方向に互いに等しい間隔を空けて配置されている。互いに隣り合うエミッタトレンチ116の間隔L(エミッタトレンチ116の側面間の距離)は、たとえば、3μm以下、好ましくは、0.8μm〜3μmである。また、複数のエミッタトレンチ116は、ゲートトレンチ108およびダミートレンチ109と同じ深さで形成されている。これにより、エミッタトレンチ116を、ゲートトレンチ108およびダミートレンチ109と同一工程で形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。
Moreover, the dopant concentration of the p-type base region 111 is, for example, 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 . The dopant concentration of the n + -type emitter region 112 is 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . The dopant concentration of the p + type base contact region 113 is, for example, 5 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .
A plurality (three in FIG. 6) of emitter trenches 116 are formed between adjacent trench units 110 on the surface 107 side of the semiconductor substrate 102. In this embodiment, the plurality of emitter trenches 116 are formed, for example, in a stripe shape (parallel to the gate trench 108 and the dummy trench 109), and are arranged at equal intervals in the lateral direction along the surface 107 of the semiconductor substrate 102. Yes. An interval L 2 (distance between the side surfaces of the emitter trench 116) between the emitter trenches 116 adjacent to each other is, for example, 3 μm or less, preferably 0.8 μm to 3 μm. The plurality of emitter trenches 116 are formed at the same depth as the gate trench 108 and the dummy trench 109. Thereby, the emitter trench 116 can be formed in the same process as the gate trench 108 and the dummy trench 109, so that the manufacturing process can be simplified.

複数のエミッタトレンチ116のうち、ダミートレンチ109に隣り合うトレンチ(ダミートレンチ109との間にトレンチを介さずに対向するトレンチ)は、ダミートレンチ109との間に0.5μm〜20μmの間隔L(エミッタトレンチ116の側面とダミートレンチ109の側面との距離)を隔てて配置されている。
また、半導体基板102には、p型フローティング領域117が形成されている。p型フローティング領域117は、エミッタトレンチ116を介して対向する、互いに隣り合うトレンチ単位110のダミートレンチ109で挟まれた領域に広がっている。p型フローティング領域117は、電気的にフローティング状態が保たれた半導体領域であって、ゲートトレンチ108に隣り合うダミートレンチ109によって、ゲートトレンチ108と分離されている。p型フローティング領域117は、この実施形態では、p型ベース領域111よりも深く形成されている。
Among the plurality of emitter trenches 116, a trench adjacent to the dummy trench 109 (a trench facing the dummy trench 109 without a trench) is spaced from the dummy trench 109 by an interval L 3 of 0.5 μm to 20 μm. (Distance between the side surface of the emitter trench 116 and the side surface of the dummy trench 109).
A p-type floating region 117 is formed in the semiconductor substrate 102. The p-type floating region 117 extends to a region sandwiched between the dummy trenches 109 of the adjacent trench units 110 facing each other with the emitter trench 116 therebetween. The p-type floating region 117 is a semiconductor region that is kept in an electrically floating state, and is separated from the gate trench 108 by a dummy trench 109 adjacent to the gate trench 108. In this embodiment, the p-type floating region 117 is formed deeper than the p-type base region 111.

p型フローティング領域117は、エミッタトレンチ116の底部に対して半導体基板102の裏面103側に膨出する底部118と、ダミートレンチ109の下方に回り込むオーバーラップ部119とを有している。オーバーラップ部119は、当該ダミートレンチ109の幅方向中央に対してゲートトレンチ108の近い側に位置する端部120を有している。この端部120は、エミッタトレンチ116に対してゲートトレンチ108側にはみ出ていないことが好ましい。   The p-type floating region 117 has a bottom portion 118 that bulges toward the back surface 103 of the semiconductor substrate 102 with respect to the bottom portion of the emitter trench 116, and an overlap portion 119 that goes around the dummy trench 109. The overlap portion 119 has an end portion 120 located on the side closer to the gate trench 108 with respect to the center in the width direction of the dummy trench 109. It is preferable that the end portion 120 does not protrude from the emitter trench 116 to the gate trench 108 side.

また、p型フローティング領域117のドーパント濃度は、たとえば、5×1015cm−3〜1×1018cm−3である。
ゲートトレンチ108、ダミートレンチ109およびエミッタトレンチ116には、絶縁膜121(たとえば、酸化シリコン(SiO))を介してゲート電極122、第1埋め込み電極123および第2埋め込み電極124がそれぞれ埋め込まれている。ゲート電極122、第1埋め込み電極123および第2埋め込み電極124は、たとえば、ポリシリコン等の導電材料からなる。絶縁膜121は、ゲートトレンチ108の内面、ダミートレンチ109の内面、半導体基板102の表面107およびエミッタトレンチ116の内面に沿って一体的に形成されている。絶縁膜121のゲートトレンチ108内の部分は、ゲート絶縁膜125として機能する。また、第1埋め込み電極123および第2埋め込み電極124は、後述するエミッタ電極132に電気的に接続されている。
Moreover, the dopant concentration of the p-type floating region 117 is, for example, 5 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 .
In the gate trench 108, the dummy trench 109, and the emitter trench 116, the gate electrode 122, the first embedded electrode 123, and the second embedded electrode 124 are embedded through an insulating film 121 (for example, silicon oxide (SiO 2 )). Yes. The gate electrode 122, the first embedded electrode 123, and the second embedded electrode 124 are made of a conductive material such as polysilicon, for example. The insulating film 121 is integrally formed along the inner surface of the gate trench 108, the inner surface of the dummy trench 109, the surface 107 of the semiconductor substrate 102, and the inner surfaces of the emitter trench 116. A portion of the insulating film 121 in the gate trench 108 functions as the gate insulating film 125. The first embedded electrode 123 and the second embedded electrode 124 are electrically connected to an emitter electrode 132 described later.

また、この実施形態では、ゲート電極122および第2埋め込み電極124はそれぞれのトレンチ108,116を開口端まで埋め戻しているのに対して、第1埋め込み電極123は、ダミートレンチ109の深さ方向途中まで埋め戻している。これにより、ダミートレンチ109には、第1埋め込み電極123の上方領域に電極のない空間が形成されている。そして、この空間を開口端まで埋め戻すように、埋め込み絶縁膜126がダミートレンチ109に埋め込まれている。   In this embodiment, the gate electrode 122 and the second buried electrode 124 backfill the trenches 108 and 116 to the opening end, whereas the first buried electrode 123 is in the depth direction of the dummy trench 109. It is backfilled halfway. Thus, a space without an electrode is formed in the upper region of the first buried electrode 123 in the dummy trench 109. Then, a buried insulating film 126 is buried in the dummy trench 109 so as to fill this space back to the opening end.

埋め込み絶縁膜126は、たとえば、ホウ素リンシリケートガラス(BPSG)、酸化シリコン(SiO)等の絶縁材料からなり、0.5μm以上の厚さを有している。埋め込み絶縁膜126およびその下の絶縁膜121には、ダミートレンチ109の側面115におけるp型ベースコンタクト領域113を露出させる除去部127が選択的に形成されている。すなわち、埋め込み絶縁膜126は、ダミートレンチ109の側面115に連なるように、半導体基板102の表面107よりも低い位置の上面128を選択的に有しており、この上面128と表面107との間のダミートレンチ109の側面115の領域にp型ベースコンタクト領域113が露出している。 The buried insulating film 126 is made of an insulating material such as boron phosphorus silicate glass (BPSG) or silicon oxide (SiO 2 ), and has a thickness of 0.5 μm or more. In the buried insulating film 126 and the insulating film 121 therebelow, a removal portion 127 that exposes the p + type base contact region 113 on the side surface 115 of the dummy trench 109 is selectively formed. That is, the buried insulating film 126 selectively has an upper surface 128 at a position lower than the surface 107 of the semiconductor substrate 102 so as to be continuous with the side surface 115 of the dummy trench 109, and between the upper surface 128 and the surface 107. The p + type base contact region 113 is exposed in the region of the side surface 115 of the dummy trench 109.

半導体基板102の表面107には、たとえば、ホウ素リンシリケートガラス(BPSG)、酸化シリコン(SiO)等の絶縁材料からなる層間膜129が積層されている。層間膜129は、埋め込み絶縁膜126と一体的に形成されている。層間膜129には、半導体基板102の表面107およびダミートレンチ109の開口端に跨るコンタクトホール130が形成されている。このコンタクトホール130は、半導体基板102の表面107でn型エミッタ領域112およびp型ベースコンタクト領域113を露出させ、ダミートレンチ109の側面115(除去部127)でp型ベースコンタクト領域113を露出させる。つまり、p型ベースコンタクト領域113は、表面107と側面115との交差によって形成されるダミートレンチ109の角部131に露出している。なお、n型エミッタ領域112は、ゲートトレンチ108の側面114から半導体基板102の表面107に沿う横方向に引き出された引き出し部を選択的に有していて、この引き出し部のみがコンタクトホール130から選択的に露出していてもよい。 An interlayer film 129 made of an insulating material such as boron phosphorus silicate glass (BPSG) or silicon oxide (SiO 2 ) is laminated on the surface 107 of the semiconductor substrate 102. The interlayer film 129 is formed integrally with the buried insulating film 126. A contact hole 130 is formed in the interlayer film 129 so as to straddle the surface 107 of the semiconductor substrate 102 and the opening end of the dummy trench 109. The contact hole 130 exposes the n + -type emitter region 112 and p + -type base contact region 113 at the surface 107 of the semiconductor substrate 102, the side surface 115 of the dummy trench 109 (removed portion 127) in the p + -type base contact region 113 To expose. That is, the p + type base contact region 113 is exposed at the corner 131 of the dummy trench 109 formed by the intersection of the surface 107 and the side surface 115. Note that the n + -type emitter region 112 selectively has a lead-out portion that is led out from the side surface 114 of the gate trench 108 in the lateral direction along the surface 107 of the semiconductor substrate 102, and only this lead-out portion is the contact hole 130. May be selectively exposed.

層間膜129上には、本発明のコンタクト電極の一例としてのエミッタ電極132が積層されている。エミッタ電極132は、コンタクトホール130に入り込み、半導体基板102の表面107においてn型エミッタ領域112に接続され、ダミートレンチ109の角部131においてp型ベースコンタクト領域113に接続されている。
次に、半導体装置101の製造方法について説明する。図8A〜図8Kは、図6および図7の半導体装置101の製造工程を工程順に説明するための図である。なお、図8A〜図8Fが図6に対応する断面を示し、図8G〜図8Kが図7に対応する断面を示している。
On the interlayer film 129, an emitter electrode 132 as an example of the contact electrode of the present invention is laminated. The emitter electrode 132 enters the contact hole 130, is connected to the n + -type emitter region 112 on the surface 107 of the semiconductor substrate 102, and is connected to the p + -type base contact region 113 at the corner 131 of the dummy trench 109.
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 101 will be described. 8A to 8K are views for explaining the manufacturing process of the semiconductor device 101 of FIGS. 6 and 7 in the order of steps. 8A to 8F show cross sections corresponding to FIG. 6, and FIGS. 8G to 8K show cross sections corresponding to FIG.

半導体装置101を製造するには、図8Aに示すように、n型の半導体基板102(n型ドリフト領域106)の表面107にマスク160が形成される。マスク160には、表面107におけるp型フローティング領域117に形成すべき領域を選択的に露出させる開口が形成されている。そして、このマスク160を介して、半導体基板102の表面107に対してp型ドーパントがイオン注入(インプラ)される。これにより、イオン注入領域161が形成される。 In order to manufacture the semiconductor device 101, as shown in FIG. 8A, a mask 160 is formed on the surface 107 of the n type semiconductor substrate 102 (n type drift region 106). The mask 160 has an opening for selectively exposing a region to be formed in the p-type floating region 117 on the surface 107. Then, a p-type dopant is ion-implanted (implanted) into the surface 107 of the semiconductor substrate 102 through the mask 160. Thereby, an ion implantation region 161 is formed.

次に、図8Bに示すように、半導体基板102が選択的にエッチングされることによって、ゲートトレンチ108、ダミートレンチ109およびエミッタトレンチ116が同時形成される。
次に、図8Cに示すように、半導体基板102が熱酸化されることによって、ゲートトレンチ108、ダミートレンチ109およびエミッタトレンチ116の内面を含む表面全域に犠牲酸化膜162が形成される。そして、犠牲酸化膜162で覆われた半導体基板102をアニール処理することによって、イオン注入領域161中のp型ドーパントが拡散する(ドライブイン)。このアニール処理は、p型ドーパントがダミートレンチ109の下方に回り込む条件で行われる。これにより、p型フローティング領域117が形成される。この際、半導体基板102が犠牲酸化膜162で覆われているので、基板表面からのイオン抜けを防止することができるので、p型ドーパントを効率よく拡散させることができる。
Next, as shown in FIG. 8B, the semiconductor substrate 102 is selectively etched, so that the gate trench 108, the dummy trench 109, and the emitter trench 116 are simultaneously formed.
Next, as shown in FIG. 8C, a sacrificial oxide film 162 is formed over the entire surface including the inner surfaces of the gate trench 108, the dummy trench 109, and the emitter trench 116 by thermally oxidizing the semiconductor substrate 102. Then, by annealing the semiconductor substrate 102 covered with the sacrificial oxide film 162, the p-type dopant in the ion implantation region 161 is diffused (drive-in). This annealing process is performed under the condition that the p-type dopant wraps around the dummy trench 109. Thereby, the p-type floating region 117 is formed. At this time, since the semiconductor substrate 102 is covered with the sacrificial oxide film 162, it is possible to prevent ions from escaping from the substrate surface, so that the p-type dopant can be efficiently diffused.

次に、図8Dに示すように、犠牲酸化膜162が剥離される。
次に、図8Eに示すように、半導体基板102が熱酸化されることによって、ゲートトレンチ108、ダミートレンチ109およびエミッタトレンチ116の内面を含む表面全域に絶縁膜121(ゲート絶縁膜125)が形成される。
次に、図8Fに示すように、ポリシリコン等の電極材料がゲートトレンチ108、ダミートレンチ109およびエミッタトレンチ116に埋め込まれる。これにより、ゲート電極122、第1埋め込み電極123および第2埋め込み電極124が同時に形成される。
Next, as shown in FIG. 8D, the sacrificial oxide film 162 is peeled off.
Next, as shown in FIG. 8E, the semiconductor substrate 102 is thermally oxidized to form an insulating film 121 (gate insulating film 125) over the entire surface including the inner surfaces of the gate trench 108, the dummy trench 109, and the emitter trench 116. Is done.
Next, as shown in FIG. 8F, an electrode material such as polysilicon is embedded in the gate trench 108, the dummy trench 109, and the emitter trench 116. As a result, the gate electrode 122, the first embedded electrode 123, and the second embedded electrode 124 are formed simultaneously.

次に、図8Gに示すように、半導体基板102の表面107に対して選択的にn型およびp型ドーパントがイオン注入および拡散されることによって、p型ベース領域111およびn型エミッタ領域112が順に形成される。
次に、図8Hに示すように、第1埋め込み電極123を上面からエッチングすることによって、ゲート電極122および第2埋め込み電極124の埋め込み状態を維持したまま、第1埋め込み電極123のみが選択的に掘り下げられる。
Next, as shown in FIG. 8G, n-type and p-type dopants are selectively ion-implanted and diffused into the surface 107 of the semiconductor substrate 102, so that the p-type base region 111 and the n + -type emitter region 112. Are formed in order.
Next, as shown in FIG. 8H, by etching the first embedded electrode 123 from the upper surface, only the first embedded electrode 123 is selectively retained while maintaining the embedded state of the gate electrode 122 and the second embedded electrode 124. Digging down.

次に、図8Iに示すように、半導体基板102の表面107上に、ホウ素リンシリケートガラス(BPSG)、酸化シリコン(SiO)等の絶縁材料を堆積させることによって、第1埋め込み電極123の上方空間が当該絶縁材料で埋め戻されると共に、表面107が当該絶縁材料で覆われる。これにより、埋め込み絶縁膜126および層間膜129が同時に形成される。 Next, as shown in FIG. 8I, an insulating material such as boron phosphorus silicate glass (BPSG) or silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the surface 107 of the semiconductor substrate 102, so that The space is backfilled with the insulating material, and the surface 107 is covered with the insulating material. Thereby, the buried insulating film 126 and the interlayer film 129 are formed simultaneously.

次に、図8Jに示すように、層間膜129および埋め込み絶縁膜126を選択的にエッチングすることによって、コンタクトホール130および除去部127が同時に形成される。
次に、図8Kに示すように、コンタクトホール130内に露出した半導体基板102の表面107に対してp型ドーパントが選択的にイオン注入および拡散される。これにより、p型ベースコンタクト領域113が形成される。
Next, as shown in FIG. 8J, the contact hole 130 and the removal portion 127 are simultaneously formed by selectively etching the interlayer film 129 and the buried insulating film 126.
Next, as shown in FIG. 8K, the p-type dopant is selectively ion-implanted and diffused into the surface 107 of the semiconductor substrate 102 exposed in the contact hole 130. Thereby, the p + type base contact region 113 is formed.

その後、半導体基板102の表面107側にエミッタ電極132等が形成された後、半導体基板102の裏面103に対して選択的にn型およびp型ドーパントがイオン注入および拡散されることによって、n型バッファ領域105およびp型コレクタ領域104が順に形成される。
以上のような工程を経ることによって、図6および図7に示す半導体装置101が得られる。なお、図8A〜図8Kでは半導体装置101の製造工程の一部を表したに過ぎず、当該製造工程は、図8A〜図8Kで示されなかった工程を含んでいてもよい。
Thereafter, after the emitter electrode 132 and the like are formed on the front surface 107 side of the semiconductor substrate 102, n-type and p-type dopants are selectively implanted and diffused into the back surface 103 of the semiconductor substrate 102, whereby the n-type A buffer region 105 and a p + -type collector region 104 are formed in order.
Through the steps described above, the semiconductor device 101 shown in FIGS. 6 and 7 is obtained. 8A to 8K only show a part of the manufacturing process of the semiconductor device 101, and the manufacturing process may include a process that is not shown in FIGS. 8A to 8K.

この半導体装置101によれば、ダミートレンチ109の側面115をp型ベースコンタクト領域113として有効利用することができるので、p型ベース領域111に対するエミッタ電極132の接合面積を、半導体基板102の表面107およびダミートレンチ109の側面115の両面で十分確保することができる。これにより、p型ベース領域111の平面面積を犠牲にすることができるので、ゲートトレンチ108とダミートレンチ109との間隔Lを微細化して、従来に比べて微細なp型ベース領域111を形成することができる。しかも、ダミートレンチ109は、ゲートトレンチ108と同一のマスクを使用して形成することができるため、ゲートトレンチ108に対する位置ずれが生じない。そして、エミッタ電極132のアライメントは、ダミートレンチ109の平面面積を含めたエリアに合わせればよいので、簡単にとることができる。 According to this semiconductor device 101, the side surface 115 of the dummy trench 109 can be effectively used as the p + -type base contact region 113, so that the junction area of the emitter electrode 132 with respect to the p-type base region 111 is set to the surface of the semiconductor substrate 102. Sufficiently securing both the upper surface 107 and the side surface 115 of the dummy trench 109 is possible. Thus, it is possible to sacrifice planar area of the p-type base region 111, the distance L 1 between the gate trench 108 and the dummy trench 109 is miniaturized, form fine p-type base region 111 as compared with the conventional can do. In addition, since the dummy trench 109 can be formed using the same mask as the gate trench 108, there is no positional shift with respect to the gate trench 108. The alignment of the emitter electrode 132 can be easily performed because it is sufficient to match the area including the planar area of the dummy trench 109.

具体的には、まず、半導体基板102を同一のマスクを用いてエッチングすることによって、ゲートトレンチ108、ダミートレンチ109およびエミッタトレンチ116を同時に形成する(図8B)。次に、これらのトレンチ108,109,116にポリシリコンを埋め込むことによって、ゲート電極122、第1埋め込み電極123および第2埋め込み電極124を形成する(図8F)。次に、ダミートレンチ109を選択的に露出させるマスクを半導体基板102上に形成し、このマスクを介して、ダミートレンチ109内のポリシリコンの上部を選択的にエッチング除去する。これにより、ダミートレンチ109の第1埋め込み電極123の上方領域に空間を形成する(図8H)。次に、たとえばCVD法によってBPSG等の絶縁材料を半導体基板102上に堆積させることによって層間膜129を形成する(図8I)。絶縁材料の一部は、ダミートレンチ109内に埋め込み絶縁膜126として入り込む。次に、コンタクトホール130を形成するためのマスクを、半導体基板102に対してアライメントする。この際、コンタクトホール130の端部はダミートレンチ109を覆ってもよいので、アライメントは、半導体基板102の表面107およびダミートレンチ109の平面面積を含めた広いエリアでとることができる。そして、当該マスクを介して、層間膜129および埋め込み絶縁膜126を連続してエッチングする。これにより、コンタクトホール130および除去部127を同時に形成する(図8J)。この後、層間膜129をマスクとしてp型ドーパントをイオン注入してp型ベースコンタクト領域113を自己整合的に形成すれば、ダミートレンチ109の角部131にp型ベースコンタクト領域113を確実に形成することができる(図8K)。しかも、コンタクトホール130を比較的広く形成できるので、タングステン(W)等の埋め込み性の良いプラグを用いなくても、アルミニウム(Al)等を用いたエミッタ電極132の一部をプラグとして利用することができる。 Specifically, first, the semiconductor substrate 102 is etched using the same mask to simultaneously form the gate trench 108, the dummy trench 109, and the emitter trench 116 (FIG. 8B). Next, polysilicon is embedded in these trenches 108, 109, and 116 to form the gate electrode 122, the first embedded electrode 123, and the second embedded electrode 124 (FIG. 8F). Next, a mask for selectively exposing the dummy trench 109 is formed on the semiconductor substrate 102, and the upper portion of the polysilicon in the dummy trench 109 is selectively removed by etching through this mask. As a result, a space is formed in a region above the first buried electrode 123 of the dummy trench 109 (FIG. 8H). Next, an interlayer film 129 is formed by depositing an insulating material such as BPSG on the semiconductor substrate 102 by, eg, CVD (FIG. 8I). Part of the insulating material enters the dummy trench 109 as a buried insulating film 126. Next, a mask for forming the contact hole 130 is aligned with the semiconductor substrate 102. At this time, since the end portion of the contact hole 130 may cover the dummy trench 109, alignment can be performed in a wide area including the surface 107 of the semiconductor substrate 102 and the planar area of the dummy trench 109. Then, the interlayer film 129 and the buried insulating film 126 are continuously etched through the mask. Thereby, the contact hole 130 and the removal part 127 are formed simultaneously (FIG. 8J). After that, if the p + type base contact region 113 is formed in a self-aligned manner by ion implantation of p type dopant using the interlayer film 129 as a mask, the p + type base contact region 113 is surely formed at the corner 131 of the dummy trench 109. (FIG. 8K). In addition, since the contact hole 130 can be formed relatively wide, a part of the emitter electrode 132 using aluminum (Al) or the like can be used as a plug without using a plug with good filling properties such as tungsten (W). Can do.

以上のようなトレンチ構造の微細化の結果、デバイスの短絡耐量とオン電圧とのトレードオフの関係を改善することができるので、電荷促進効果を向上させることができる。よって、低電流域におけるVCE(sat)を改善することができる。
また、この半導体装置101によれば、ゲート電極122が埋め込まれたゲートトレンチ108(以下、「ゲート接合トレンチ」という)が、n型エミッタ領域112に接続された第1埋め込み電極123が埋め込まれたダミートレンチ109(以下、「エミッタ接合トレンチ」という)によってp型フローティング領域117から分離されている。これにより、p型フローティング領域117とゲート接合トレンチとの接合を防止することができる。そのため、ゲート接合トレンチとp型フローティング領域117との間の浮遊容量をなくすことができる。
As a result of the miniaturization of the trench structure as described above, the trade-off relationship between the short-circuit withstand voltage and the on-voltage of the device can be improved, so that the charge promotion effect can be improved. Therefore, V CE (sat) in the low current region can be improved.
Further, according to the semiconductor device 101, the gate trench 108 in which the gate electrode 122 is embedded (hereinafter referred to as “gate junction trench”) is embedded in the first embedded electrode 123 connected to the n + -type emitter region 112. The p-type floating region 117 is separated by a dummy trench 109 (hereinafter referred to as “emitter junction trench”). Thereby, the junction between the p-type floating region 117 and the gate junction trench can be prevented. Therefore, stray capacitance between the gate junction trench and the p-type floating region 117 can be eliminated.

一方、ゲート接合トレンチが深さ方向に渡って接合しているn型ドリフト領域106はp型コレクタ領域104と共に接地されるものである。そのため、スイッチング動作時に、ゲート接合トレンチとn型ドリフト領域106との間の容量変化が安定するので、ノイズが発生し難い。これらの結果、スイッチング動作時のノイズの発生およびスイッチング損失を低減することができる。 On the other hand, the n type drift region 106 where the gate junction trench is joined in the depth direction is grounded together with the p + type collector region 104. For this reason, the capacitance change between the gate junction trench and the n -type drift region 106 is stabilized during the switching operation, so that noise is hardly generated. As a result, it is possible to reduce noise generation and switching loss during the switching operation.

また、エミッタ接合トレンチと、ゲート接合トレンチとの間隔Lが2μm以下であるので、耐圧を良好に保持することもできる。
さらに、この半導体装置101によれば、エミッタ接合トレンチの底部までp型フローティング領域117(オーバーラップ部119)が形成されているので、スイッチングオフ動作時にエミッタ接合トレンチに負荷するコレクタ−エミッタ電圧を緩和することができる。そのため、急峻な電圧変化(dv/dt)に対してデバイスの破壊を防止することができる。
Further, the emitter junction trench, the spacing L 1 between the gate junction trench is 2μm or less, may be satisfactorily hold the breakdown voltage.
Furthermore, according to this semiconductor device 101, since the p-type floating region 117 (overlap portion 119) is formed up to the bottom of the emitter junction trench, the collector-emitter voltage applied to the emitter junction trench during the switching-off operation is reduced. can do. Therefore, it is possible to prevent the device from being destroyed with respect to a steep voltage change (dv / dt).

また、p型ベース領域111よりも深いp型フローティング領域117によって耐圧を向上できる一方、p型ベース領域111は浅くてもよいので、p型ベース領域111の深さを適切に設計することによってチャネル長(ゲートトレンチ108の深さ方向の長さ)を短くしてオン電圧の上昇を抑制することもできる。
図9は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置141の模式的な断面図である。図10は、図9の破線で囲まれた部分の拡大図である。図9および図10において、前述の図6および図7に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
Further, the breakdown voltage can be improved by the p-type floating region 117 deeper than the p-type base region 111, while the p-type base region 111 may be shallow, so that the channel can be obtained by appropriately designing the depth of the p-type base region 111. An increase in on-voltage can be suppressed by shortening the length (the length of the gate trench 108 in the depth direction).
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 141 according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 10 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG. 9 and 10, the same reference numerals are given to portions corresponding to the respective portions shown in FIGS. 6 and 7 described above.

前述の第3実施形態では、トレンチ単位110は、一対のダミートレンチ109と、一対のダミートレンチ109の間に挟まれたゲートトレンチ108とを含んでいた。これに対し、第4実施形態の半導体装置141は、一対のゲートトレンチ142と、一対のゲートトレンチ142の間に挟まれたダミートレンチ143とを含むトレンチ単位144を有している。この場合、ゲートトレンチ142とエミッタトレンチ116との間隔L(ゲートトレンチ142の側面とエミッタトレンチ116の側面との距離)は、2μm以下であることが好ましい。 In the third embodiment described above, the trench unit 110 includes a pair of dummy trenches 109 and a gate trench 108 sandwiched between the pair of dummy trenches 109. On the other hand, the semiconductor device 141 according to the fourth embodiment has a trench unit 144 including a pair of gate trenches 142 and a dummy trench 143 sandwiched between the pair of gate trenches 142. In this case, the distance L 3 between the gate trench 142 and the emitter trench 116 (distance between the side surface of the gate trench 142 and the side surface of the emitter trench 116) is preferably 2 μm or less.

各トレンチ単位144において、ダミートレンチ143の両側(各ゲートトレンチ142との間の領域)には、p型ベース領域145が形成され、さらにp型ベース領域145の表面部にn型エミッタ領域146およびp型ベースコンタクト領域147が形成されている(図10参照)。この実施形態では、p型ベース領域145とn型ドリフト領域106との界面がゲートトレンチ142の中央部もしくは上部に設定されていて、p型ベース領域145は、半導体基板102の比較的浅くに拡散形成されている。 In each trench unit 144, a p-type base region 145 is formed on both sides of the dummy trench 143 (regions between the gate trenches 142), and an n + -type emitter region 146 is formed on the surface of the p-type base region 145. And a p + -type base contact region 147 is formed (see FIG. 10). In this embodiment, the interface between the p-type base region 145 and the n -type drift region 106 is set at the center or upper part of the gate trench 142, and the p-type base region 145 is relatively shallow in the semiconductor substrate 102. Diffusion is formed.

型エミッタ領域146およびp型ベースコンタクト領域147は、ゲートトレンチ142とダミートレンチ143との間の領域において互いに隣接して配置されている。具体的には、n型エミッタ領域146が各ゲートトレンチ142の側面148に沿って一つずつ形成され、p型ベースコンタクト領域147がダミートレンチ143の両側面149に沿って一つずつ形成されている。これにより、n型エミッタ領域146は、半導体基板102の表面107およびゲートトレンチ142の側面148に露出している。一方、p型ベースコンタクト領域147は、半導体基板102の表面107およびダミートレンチ143の側面149に露出している。 The n + -type emitter region 146 and the p + -type base contact region 147 are arranged adjacent to each other in a region between the gate trench 142 and the dummy trench 143. Specifically, n + -type emitter regions 146 are formed one by one along the side surface 148 of each gate trench 142, and p + -type base contact regions 147 are formed one by one along the side surfaces 149 of the dummy trench 143. Has been. As a result, the n + -type emitter region 146 is exposed on the surface 107 of the semiconductor substrate 102 and the side surface 148 of the gate trench 142. On the other hand, the p + -type base contact region 147 is exposed on the surface 107 of the semiconductor substrate 102 and the side surface 149 of the dummy trench 143.

また、半導体基板102には、p型フローティング領域150が形成されている。p型フローティング領域150は、複数のエミッタトレンチ116の各間に広がっている。p型フローティング領域150は、電気的にフローティング状態が保たれた半導体領域であって、ゲートトレンチ142に隣り合うエミッタトレンチ116によって、ゲートトレンチ142と分離されている。p型フローティング領域150は、この実施形態では、p型ベース領域145よりも深く形成されている。   A p-type floating region 150 is formed in the semiconductor substrate 102. The p-type floating region 150 extends between each of the plurality of emitter trenches 116. The p-type floating region 150 is a semiconductor region that is kept in an electrically floating state, and is separated from the gate trench 142 by an emitter trench 116 adjacent to the gate trench 142. In this embodiment, the p-type floating region 150 is formed deeper than the p-type base region 145.

p型フローティング領域150は、エミッタトレンチ116の底部に対して半導体基板102の裏面103側に膨出する底部151と、ゲートトレンチ142に隣り合うエミッタトレンチ116の下方に回り込むオーバーラップ部152とを有している。オーバーラップ部152は、当該エミッタトレンチ116の幅方向中央に対してゲートトレンチ142の近い側に位置する端部153を有している。この端部153は、エミッタトレンチ116に対してゲートトレンチ142側にはみ出ていないことが好ましい。   The p-type floating region 150 has a bottom portion 151 that bulges toward the back surface 103 of the semiconductor substrate 102 with respect to the bottom portion of the emitter trench 116, and an overlap portion 152 that wraps around the emitter trench 116 adjacent to the gate trench 142. is doing. The overlap portion 152 has an end portion 153 located on the side closer to the gate trench 142 with respect to the center in the width direction of the emitter trench 116. It is preferable that the end portion 153 does not protrude from the emitter trench 116 to the gate trench 142 side.

このようなp型フローティング領域150は、たとえば、前述のp型フローティング領域117と同様に形成することができる。
ダミートレンチ143には、絶縁膜121を介して第1埋め込み電極154が埋め込まれている。第1埋め込み電極154は、たとえば、ポリシリコン等の導電材料からなり、ゲート電極122に電気的に接続されている。また、第1埋め込み電極154は、ダミートレンチ143の深さ方向途中まで埋め戻している。これにより、ダミートレンチ143には、第1埋め込み電極154の上方領域に電極のない空間が形成されている。そして、この空間を開口端まで埋め戻すように、埋め込み絶縁膜155がダミートレンチ143に埋め込まれている。
Such a p-type floating region 150 can be formed, for example, in the same manner as the p-type floating region 117 described above.
A first embedded electrode 154 is embedded in the dummy trench 143 through the insulating film 121. The first embedded electrode 154 is made of, for example, a conductive material such as polysilicon, and is electrically connected to the gate electrode 122. Further, the first buried electrode 154 is buried back to the middle of the dummy trench 143 in the depth direction. Thereby, in the dummy trench 143, a space without an electrode is formed above the first embedded electrode 154. Then, a buried insulating film 155 is buried in the dummy trench 143 so as to fill the space up to the opening end.

埋め込み絶縁膜155は、たとえば、ホウ素リンシリケートガラス(BPSG)、酸化シリコン(SiO)等の絶縁材料からなり、0.5μm以上の厚さを有している。埋め込み絶縁膜155およびその下の絶縁膜121には、ダミートレンチ143の両側面149におけるp型ベースコンタクト領域147を露出させる除去部156が選択的に形成されている。すなわち、埋め込み絶縁膜155は、ダミートレンチ143の両側面149に連なるように、半導体基板102の表面107よりも低い位置の上面157を選択的に有しており、この上面157と表面107との間のダミートレンチ143の両側面149の領域にp型ベースコンタクト領域147が露出している。 The buried insulating film 155 is made of an insulating material such as boron phosphorus silicate glass (BPSG) or silicon oxide (SiO 2 ), and has a thickness of 0.5 μm or more. In the buried insulating film 155 and the insulating film 121 therebelow, a removal portion 156 that exposes the p + -type base contact region 147 on both side surfaces 149 of the dummy trench 143 is selectively formed. That is, the buried insulating film 155 selectively has an upper surface 157 at a position lower than the surface 107 of the semiconductor substrate 102 so as to continue to both side surfaces 149 of the dummy trench 143. A p + -type base contact region 147 is exposed in the region of both side surfaces 149 of the dummy trench 143 therebetween.

層間膜129には、ダミートレンチ143を挟んで対向するp型ベース領域145に跨るコンタクトホール158が形成されている。このコンタクトホール158は、半導体基板102の表面107でn型エミッタ領域146およびp型ベースコンタクト領域147を露出させ、ダミートレンチ143の両側面149(除去部156)でp型ベースコンタクト領域147を露出させる。つまり、p型ベースコンタクト領域147は、表面107と側面149との交差によって形成されるダミートレンチ143の両角部159に露出している。なお、n型エミッタ領域146は、ゲートトレンチ142の側面148から半導体基板102の表面107に沿う横方向に引き出された引き出し部を選択的に有していて、この引き出し部のみがコンタクトホール158から選択的に露出していてもよい。 A contact hole 158 is formed in the interlayer film 129 so as to straddle the p-type base region 145 facing each other with the dummy trench 143 interposed therebetween. The contact hole 158, the surface 107 of the semiconductor substrate 102 to expose the n + -type emitter region 146 and p + -type base contact region 147, p + -type base contact region on both sides 149 (removed portion 156) of the dummy trenches 143 147 is exposed. That is, the p + -type base contact region 147 is exposed at both corners 159 of the dummy trench 143 formed by the intersection of the surface 107 and the side surface 149. Note that the n + -type emitter region 146 selectively has a lead-out portion that is led out from the side surface 148 of the gate trench 142 in the lateral direction along the surface 107 of the semiconductor substrate 102, and only this lead-out portion is the contact hole 158. May be selectively exposed.

そして、エミッタ電極132は、コンタクトホール158に入り込み、半導体基板102の表面107においてn型エミッタ領域146に接続され、ダミートレンチ143の両角部159においてp型ベースコンタクト領域147に接続されている。
この半導体装置141によっても、第3実施形態の半導体装置101と同様の効果を達成することができる。
Emitter electrode 132 enters contact hole 158, is connected to n + -type emitter region 146 at surface 107 of semiconductor substrate 102, and is connected to p + -type base contact region 147 at both corners 159 of dummy trench 143. .
This semiconductor device 141 can also achieve the same effect as the semiconductor device 101 of the third embodiment.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の各実施形態の開示から把握される上記特徴は、異なる実施形態間でも互いに組み合わせることができる。
また、前述の実施形態では、半導体装置1,31,101,141が備えるIGBTの構成のみを図示したが、本発明の半導体装置は、IGBT以外の素子(たとえば、MOSFET、ダイオード等)をIGBTの形成領域とは異なる領域に備えていてもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
For example, the above-described features grasped from the disclosure of the above-described embodiments can be combined with each other even in different embodiments.
In the above-described embodiment, only the configuration of the IGBT included in the semiconductor devices 1, 31, 101, and 141 is illustrated. However, in the semiconductor device of the present invention, an element other than the IGBT (for example, MOSFET, diode, etc.) You may prepare in the area | region different from a formation area.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
なお、この明細書および図面の記載から、特許請求の範囲に記載した発明以外にも、以下のような特徴が抽出され得る。
(項1)半導体層と、前記半導体層に形成されたゲートトレンチと、前記ゲートトレンチにゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、前記ゲートトレンチの側方に所定の間隔を空けて形成されたダミートレンチと、前記ゲートトレンチと前記ダミートレンチとの間の領域において、前記半導体層の表面側から前記ゲートトレンチの深さ方向に順に配置されたn型エミッタ領域、p型ベース領域およびn型ドリフト領域と、前記n型ドリフト領域に対して前記半導体層の裏面側に配置されたp型コレクタ領域と、前記ダミートレンチに埋め込まれ、前記半導体層の前記表面に対して前記ダミートレンチの底側に上面を有する埋め込み絶縁膜であって、前記ダミートレンチの側面における前記表面から前記上面までの部分に前記p型ベース領域の一部をコンタクト領域として選択的に露出させる埋め込み絶縁膜と、前記ダミートレンチの前記埋め込み絶縁膜の上方領域に埋め込まれ、前記ダミートレンチの前記側面において前記コンタクト領域に接続されたコンタクト電極とを含む、半導体装置。
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
In addition to the invention described in the claims, the following features can be extracted from the description of the specification and the drawings.
(Claim 1) A semiconductor layer, a gate trench formed in the semiconductor layer, a gate electrode embedded in the gate trench through a gate insulating film, and a side of the gate trench with a predetermined interval. And an n + -type emitter region, a p-type base region, and a n-type emitter region disposed in order from the surface side of the semiconductor layer in the depth direction of the gate trench in a region between the gate trench and the dummy trench an n -type drift region, a p + -type collector region disposed on the back side of the semiconductor layer with respect to the n -type drift region, and embedded in the dummy trench, with respect to the surface of the semiconductor layer A buried insulating film having an upper surface on the bottom side of the dummy trench, and is disposed in front of a portion from the surface to the upper surface on the side surface of the dummy trench. A buried insulating film that selectively exposes a part of the p-type base region as a contact region, and is buried in a region above the buried insulating film of the dummy trench and connected to the contact region on the side surface of the dummy trench. A semiconductor device including a contact electrode.

この構成によれば、ダミートレンチの側面をコンタクト領域として有効利用することができるので、p型ベース領域に対するコンタクト電極の接合面積を十分確保することができる。これにより、p型ベース領域の平面面積を犠牲にすることができるので、ゲートトレンチとダミートレンチとの間隔を微細化して、従来に比べて微細なp型ベース領域を形成することができる。しかも、ダミートレンチは、ゲートトレンチと同一のマスクを使用して形成することができるため、ゲートトレンチに対する位置ずれが生じない。そして、コンタクト電極のアライメントは、ダミートレンチの平面面積を含めたエリアに合わせればよいので、簡単にとることができる。   According to this configuration, since the side surface of the dummy trench can be effectively used as a contact region, a sufficient contact area of the contact electrode with respect to the p-type base region can be ensured. As a result, the planar area of the p-type base region can be sacrificed, so that the distance between the gate trench and the dummy trench can be made finer, and a finer p-type base region can be formed compared to the conventional case. Moreover, since the dummy trench can be formed using the same mask as the gate trench, there is no positional shift with respect to the gate trench. The alignment of the contact electrode can be easily performed because it is sufficient to match the area including the planar area of the dummy trench.

また、トレンチ構造の微細化の結果、デバイスの短絡耐量とオン電圧とのトレードオフの関係を改善することができるので、電荷促進効果を向上させることができる。よって、低電流域におけるVCE(sat)を改善することができる。
(項2)前記半導体装置は、前記ダミートレンチの前記埋め込み絶縁膜の下方領域に絶縁膜を介して埋め込まれた第1埋め込み電極をさらに含む、項1に記載の半導体装置。
Further, as a result of the miniaturization of the trench structure, the trade-off relationship between the short-circuit withstand voltage and the on-voltage of the device can be improved, so that the charge promoting effect can be improved. Therefore, V CE (sat) in the low current region can be improved.
(Item 2) The semiconductor device according to Item 1, further including a first embedded electrode embedded in an area below the embedded insulating film of the dummy trench through an insulating film.

(項3)前記半導体装置は、一対の前記ダミートレンチと、当該一対のダミートレンチの間に挟まれたゲートトレンチを含むトレンチ単位を有する、項2に記載の半導体装置。
(項4)前記第1埋め込み電極は、前記n型エミッタ領域と電気的に接続されている、項3に記載の半導体装置。
(項5)前記トレンチ単位は、前記半導体層の前記表面に沿う横方向に複数形成されており、前記半導体装置は、互いに隣り合う前記トレンチ単位の間に形成された複数のエミッタトレンチと、前記エミッタトレンチに絶縁膜を介して埋め込まれ、前記n型エミッタ領域と電気的に接続された第2埋め込み電極と、前記トレンチ単位の前記ダミートレンチと、その隣の前記トレンチ単位の前記ダミートレンチとの間に形成されたp型フローティング領域とをさらに含む、項4に記載の半導体装置。
(Item 3) The semiconductor device according to Item 2, wherein the semiconductor device has a trench unit including a pair of the dummy trenches and a gate trench sandwiched between the pair of dummy trenches.
(Item 4) The semiconductor device according to Item 3, wherein the first buried electrode is electrically connected to the n + -type emitter region.
(Item 5) A plurality of the trench units are formed in a lateral direction along the surface of the semiconductor layer, and the semiconductor device includes a plurality of emitter trenches formed between the trench units adjacent to each other, A second buried electrode buried in an emitter trench through an insulating film and electrically connected to the n + -type emitter region; the dummy unit in the trench unit; and the dummy trench in the trench unit adjacent thereto; Item 5. The semiconductor device according to Item 4, further comprising a p-type floating region formed therebetween.

(項6)前記p型フローティング領域は、前記p型ベース領域よりも深く形成され、前記ダミートレンチの下方に回り込むオーバーラップ部を含む、項5に記載の半導体装置。
この構成によれば、n型エミッタ領域に接続された第1埋め込み電極が埋め込まれたダミートレンチ(以下、「エミッタ接合トレンチ」という)の底部までp型フローティング領域(オーバーラップ部)が形成されているので、スイッチングオフ動作時にエミッタ接合トレンチに負荷するコレクタ−エミッタ電圧を緩和することができる。そのため、急峻な電圧変化(dv/dt)に対してデバイスの破壊を防止することができる。
(Item 6) The semiconductor device according to Item 5, wherein the p-type floating region includes an overlap portion that is formed deeper than the p-type base region and extends below the dummy trench.
According to this configuration, the p-type floating region (overlap portion) is formed up to the bottom of the dummy trench (hereinafter referred to as “emitter junction trench”) in which the first buried electrode connected to the n + -type emitter region is buried. Therefore, the collector-emitter voltage applied to the emitter junction trench during the switching-off operation can be relaxed. Therefore, it is possible to prevent the device from being destroyed with respect to a steep voltage change (dv / dt).

また、p型ベース領域よりも深いp型フローティング領域によって耐圧を向上できる一方、p型ベース領域は浅くてもよいので、p型ベース領域の深さを適切に設計することによってオン電圧の上昇を抑制することもできる。
(項7)前記オーバーラップ部は、前記ダミートレンチの幅方向中央に対して前記ゲートトレンチの近い側に位置する端部を有している、項6に記載の半導体装置。
In addition, the breakdown voltage can be improved by the p-type floating region deeper than the p-type base region, while the p-type base region may be shallow, so that the ON voltage can be increased by appropriately designing the depth of the p-type base region. It can also be suppressed.
(Item 7) The semiconductor device according to Item 6, wherein the overlap portion has an end located on a side closer to the gate trench with respect to the center in the width direction of the dummy trench.

この構成により、エミッタ接合トレンチにかかるコレクタ−エミッタ電圧を、より良好に緩和することができる。
(項8)前記半導体装置は、一対の前記ゲートトレンチと、当該一対の前記ゲートトレンチの間に挟まれたダミートレンチを含むトレンチ単位を有する、項2に記載の半導体装置。
With this configuration, the collector-emitter voltage applied to the emitter junction trench can be more favorably reduced.
(Item 8) The semiconductor device according to Item 2, wherein the semiconductor device has a trench unit including a pair of gate trenches and a dummy trench sandwiched between the pair of gate trenches.

(項9)前記第1埋め込み電極は、前記ゲート電極と電気的に接続されている、項8に記載の半導体装置。
(項10)前記トレンチ単位は、前記半導体層の前記表面に沿う横方向に複数形成されており、前記半導体装置は、互いに隣り合う前記トレンチ単位の間に形成された複数のエミッタトレンチと、前記エミッタトレンチに絶縁膜を介して埋め込まれ、前記n型エミッタ領域と電気的に接続された第2埋め込み電極と、前記複数のエミッタトレンチの間に形成されたp型フローティング領域とをさらに含む、項9に記載の半導体装置。
(Item 9) The semiconductor device according to Item 8, wherein the first embedded electrode is electrically connected to the gate electrode.
(Item 10) A plurality of the trench units are formed in a lateral direction along the surface of the semiconductor layer, and the semiconductor device includes a plurality of emitter trenches formed between the adjacent trench units, A second buried electrode embedded in the emitter trench through an insulating film and electrically connected to the n + -type emitter region; and a p-type floating region formed between the plurality of emitter trenches; Item 10. The semiconductor device according to Item 9.

(項11)前記p型フローティング領域は、前記p型ベース領域よりも深く形成され、前記エミッタトレンチの下方に回り込むオーバーラップ部を含む、項10に記載の半導体装置。
この構成によれば、n型エミッタ領域に接続された第2埋め込み電極が埋め込まれたエミッタトレンチ(以下、「エミッタ接合トレンチ」という)の底部までp型フローティング領域(オーバーラップ部)が形成されているので、スイッチングオフ動作時にエミッタ接合トレンチに負荷するコレクタ−エミッタ電圧を緩和することができる。そのため、急峻な電圧変化(dv/dt)に対してデバイスの破壊を防止することができる。
(Item 11) The semiconductor device according to Item 10, wherein the p-type floating region includes an overlap portion that is formed deeper than the p-type base region and extends below the emitter trench.
According to this configuration, the p-type floating region (overlap portion) is formed up to the bottom of the emitter trench (hereinafter referred to as “emitter junction trench”) in which the second buried electrode connected to the n + -type emitter region is buried. Therefore, the collector-emitter voltage applied to the emitter junction trench during the switching-off operation can be relaxed. Therefore, it is possible to prevent the device from being destroyed with respect to a steep voltage change (dv / dt).

また、p型ベース領域よりも深いp型フローティング領域によって耐圧を向上できる一方、p型ベース領域は浅くてもよいので、p型ベース領域の深さを適切に設計することによってオン電圧の上昇を抑制することもできる。
(項12)前記オーバーラップ部は、前記エミッタトレンチの幅方向中央に対して前記ゲートトレンチの近い側に位置する端部を有している、項11に記載の半導体装置。
In addition, the breakdown voltage can be improved by the p-type floating region deeper than the p-type base region, while the p-type base region may be shallow, so that the ON voltage can be increased by appropriately designing the depth of the p-type base region. It can also be suppressed.
(Item 12) The semiconductor device according to item 11, wherein the overlap portion has an end located on a side closer to the gate trench with respect to a center in a width direction of the emitter trench.

この構成により、エミッタ接合トレンチにかかるコレクタ−エミッタ電圧を、より良好に緩和することができる。
(項13)前記埋め込み絶縁膜は、0.5μm以上の厚さを有している、項1〜12のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項14)前記ダミートレンチは、前記ゲートトレンチとの間に2μm以下の間隔を隔てて配置されている、項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。
With this configuration, the collector-emitter voltage applied to the emitter junction trench can be more favorably reduced.
(Item 13) The semiconductor device according to any one of Items 1 to 12, wherein the buried insulating film has a thickness of 0.5 μm or more.
(Item 14) The semiconductor device according to any one of Items 1 to 13, wherein the dummy trench is disposed with an interval of 2 μm or less between the dummy trench and the gate trench.

(項15)前記n型エミッタ領域は、1×1019cm−3〜5×1020cm−3のn型ドーパント濃度を有している、項1〜14のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項16)前記p型ベース領域は、1×1016cm−3〜1×1018cm−3のp型ドーパント濃度を有している、項1〜15のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項17)前記n型ドリフト領域は、1×1013cm−3〜5×1014cm−3のn型ドーパント濃度を有している、項1〜16のいずれか一項に記載の半導体装置。
(Item 15) The n + type emitter region according to any one of Items 1 to 14, wherein the n + type emitter region has an n-type dopant concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . Semiconductor device.
(Item 16) The semiconductor according to any one of Items 1 to 15, wherein the p-type base region has a p-type dopant concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3. apparatus.
(Item 17) The n type drift region according to any one of Items 1 to 16, wherein the n type drift region has an n-type dopant concentration of 1 × 10 13 cm −3 to 5 × 10 14 cm −3 . Semiconductor device.

(項18)前記p型コレクタ領域は、1×1015cm−3〜2×1019cm−3のp型ドーパント濃度を有している、項1〜17のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項19)半導体層と、前記半導体層に形成された複数のゲートトレンチと、前記複数のゲートトレンチにゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、各前記ゲートトレンチの側方において、前記半導体層の表面側から前記ゲートトレンチの深さ方向に順に配置されたn型エミッタ領域、p型ベース領域およびn型ドリフト領域と、前記n型ドリフト領域に対して前記半導体層の裏面側に配置されたp型コレクタ領域と、互いに隣り合う前記複数のゲートトレンチの間に形成された複数のエミッタトレンチと、p型ベース領域の表面部において、n型エミッタ領域に対して前記ゲートトレンチの反対側に形成されたp型ベースコンタクト領域と、前記複数のエミッタトレンチに絶縁膜を介して埋め込まれ、前記n型エミッタ領域と電気的に接続された埋め込み電極と、前記複数のエミッタトレンチの間に形成されたp型フローティング領域と、前記半導体層上に形成された層間膜とを含み、前記p型フローティング領域は、前記p型ベース領域よりも深く形成され、前記複数のエミッタトレンチのうち前記ゲートトレンチに最も近いエミッタトレンチの下方に回り込み、前記エミッタトレンチの幅方向中央に対して前記ゲートトレンチに近い側に位置する端部を有するオーバーラップ部を含み、前記p型ベースコンタクト領域と前記エミッタトレンチとの間には、前記p型ベース領域が前記半導体層の前記表面に露出しており、前記層間膜は、前記n型エミッタ領域の全体および前記p型ベースコンタクト領域の一部を覆うように形成されている、半導体装置。
(Item 18) The p + type collector region according to any one of items 1 to 17, wherein the p + type collector region has a p-type dopant concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3 . Semiconductor device.
(Item 19) A semiconductor layer, a plurality of gate trenches formed in the semiconductor layer, a gate electrode embedded in the plurality of gate trenches via a gate insulating film, and a side of each of the gate trenches, An n + -type emitter region, a p-type base region and an n -type drift region disposed in order from the front surface side of the semiconductor layer in the depth direction of the gate trench, and the back surface of the semiconductor layer with respect to the n -type drift region P + -type collector region disposed on the side, a plurality of emitter trenches formed between the plurality of adjacent gate trenches, and a surface portion of the p-type base region with respect to the n + -type emitter region A p + type base contact region formed on the opposite side of the gate trench, and the n + type embedded in the plurality of emitter trenches via an insulating film An embedded electrode electrically connected to the emitter region; a p-type floating region formed between the plurality of emitter trenches; and an interlayer film formed on the semiconductor layer, wherein the p-type floating region is , Formed deeper than the p-type base region, wraps around below the emitter trench closest to the gate trench among the plurality of emitter trenches, and is located on the side closer to the gate trench with respect to the center in the width direction of the emitter trench. The p-type base region is exposed on the surface of the semiconductor layer between the p + -type base contact region and the emitter trench, and the interlayer film includes: It is formed so as to cover a part of the whole of the n + -type emitter region and the p + -type base contact region Semiconductor device.

この構成によれば、埋め込み電極が埋め込まれたエミッタトレンチ(以下、「エミッタ接合トレンチ」という)の底部までp型フローティング領域(オーバーラップ部)が形成されている。これにより、スイッチングオフ動作時にエミッタ接合トレンチに負荷するコレクタ−エミッタ電圧を緩和することができる。そのため、急峻な電圧変化(dv/dt)に対してデバイスの破壊を防止することができる。   According to this configuration, the p-type floating region (overlap portion) is formed up to the bottom of the emitter trench in which the buried electrode is buried (hereinafter referred to as “emitter junction trench”). Thereby, the collector-emitter voltage loaded on the emitter junction trench during the switching-off operation can be relaxed. Therefore, it is possible to prevent the device from being destroyed with respect to a steep voltage change (dv / dt).

また、p型ベース領域よりも深いp型フローティング領域によって耐圧を向上できる一方、p型ベース領域は浅くてもよいので、p型ベース領域の深さを適切に設計することによってチャネル長を短くしてオン電圧の上昇を抑制することもできる。
(項20)前記p型フローティング領域は、前記エミッタトレンチの底部に対して前記半導体層の裏面側に膨出する底部を有していてもよい。
Further, the breakdown voltage can be improved by the p-type floating region deeper than the p-type base region, while the p-type base region may be shallow, so that the channel length can be shortened by appropriately designing the depth of the p-type base region. Thus, an increase in on-voltage can be suppressed.
(Item 20) The p-type floating region may have a bottom that bulges toward the back surface of the semiconductor layer with respect to the bottom of the emitter trench.

(項21)前記エミッタトレンチは、前記ゲートトレンチと同じ深さで形成されていることが好ましい。
この場合、エミッタトレンチをゲートトレンチと同一工程で形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。
(項22)前記n型エミッタ領域は、1×1019cm−3〜5×1020cm−3のn型ドーパント濃度を有していてもよい。
(Item 21) It is preferable that the emitter trench is formed at the same depth as the gate trench.
In this case, since the emitter trench can be formed in the same process as the gate trench, the manufacturing process can be simplified.
(Item 22) The n + -type emitter region may have an n-type dopant concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 .

(項23)前記p型ベース領域は、1×1016cm−3〜1×1018cm−3のp型ドーパント濃度を有していてもよい。
(項24)前記n型ドリフト領域は、1×1013cm−3〜5×1014cm−3のn型ドーパント濃度を有していてもよい。
(項25)前記p型コレクタ領域は、1×1015cm−3〜2×1019cm−3のp型ドーパント濃度を有していてもよい。
(Section 23) The p-type base region may have a p-type dopant concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 .
(Section 24) The n type drift region may have an n type dopant concentration of 1 × 10 13 cm −3 to 5 × 10 14 cm −3 .
(Section 25) The p + -type collector region may have a p-type dopant concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3 .

(項26)前記n型エミッタ領域は、前記ゲートトレンチの側面から前記半導体層の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部を選択的に有していることが好ましい。
(項27)半導体層と、前記半導体層に形成された複数のゲートトレンチと、前記複数のゲートトレンチにゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、各前記ゲートトレンチの側方において、前記半導体層の表面側から前記ゲートトレンチの深さ方向に順に配置されたn型エミッタ領域、p型ベース領域およびn型ドリフト領域と、前記n型ドリフト領域に対して前記半導体層の裏面側に配置されたp型コレクタ領域と、互いに隣り合う前記複数のゲートトレンチの間に形成された複数のエミッタトレンチと、前記複数のエミッタトレンチに絶縁膜を介して埋め込まれ、前記n型エミッタ領域と電気的に接続された埋め込み電極と、前記複数のエミッタトレンチの間に形成されたp型フローティング領域と、前記ゲートトレンチとの間に前記n型エミッタ領域、前記p型ベース領域および前記n型ドリフト領域が形成されるように、前記ゲートトレンチの側方に所定の間隔を空けて形成されたダミートレンチと、前記ダミートレンチに埋め込まれ、前記半導体層の前記表面に対して前記ダミートレンチの底側に上面を有する埋め込み絶縁膜であって、前記ダミートレンチの側面における前記表面から前記上面までの部分に前記p型ベース領域の一部をコンタクト領域として選択的に露出させる埋め込み絶縁膜と、前記ダミートレンチの前記埋め込み絶縁膜の上方領域に埋め込まれ、前記ダミートレンチの前記側面において前記コンタクト領域に接続されたコンタクト電極とを含み、前記p型フローティング領域は、前記p型ベース領域よりも深く形成され、前記複数のエミッタトレンチのうち前記ゲートトレンチに最も近いエミッタトレンチの下方に回り込み、前記エミッタトレンチの幅方向中央に対して前記ゲートトレンチに近い側に位置する端部を有するオーバーラップ部を含む、半導体装置。
(Item 26) It is preferable that the n + -type emitter region selectively has a lead-out portion that is led out in a lateral direction along the surface of the semiconductor layer from a side surface of the gate trench.
(Item 27) A semiconductor layer, a plurality of gate trenches formed in the semiconductor layer, a gate electrode embedded in the plurality of gate trenches via a gate insulating film, and a side of each of the gate trenches, An n + -type emitter region, a p-type base region and an n -type drift region disposed in order from the front surface side of the semiconductor layer in the depth direction of the gate trench, and the back surface of the semiconductor layer with respect to the n -type drift region A p + type collector region disposed on the side, a plurality of emitter trenches formed between the plurality of adjacent gate trenches, and an n + type embedded in the plurality of emitter trenches via an insulating film A buried electrode electrically connected to the emitter region, a p-type floating region formed between the plurality of emitter trenches, and the gate The n + -type emitter region between the wrench, the p-type base region and the n - As -type drift region is formed, and the dummy trench formed at a predetermined interval laterally of said gate trench A buried insulating film embedded in the dummy trench and having an upper surface on the bottom side of the dummy trench with respect to the surface of the semiconductor layer, the portion on the side surface of the dummy trench extending from the surface to the upper surface A buried insulating film that selectively exposes a part of the p-type base region as a contact region, and is buried in a region above the buried insulating film of the dummy trench and connected to the contact region on the side surface of the dummy trench And the p-type floating region is formed deeper than the p-type base region. A semiconductor including an overlap portion that wraps under an emitter trench closest to the gate trench among the plurality of emitter trenches and has an end located on a side closer to the gate trench with respect to a center in a width direction of the emitter trench apparatus.

この構成によれば、ダミートレンチの側面をコンタクト領域として有効利用することができるので、p型ベース領域に対するコンタクト電極の接合面積を十分確保することができる。これにより、p型ベース領域の平面面積を犠牲にすることができるので、ゲートトレンチとダミートレンチとの間隔を微細化して、従来に比べて微細なp型ベース領域を形成することができる。しかも、ダミートレンチは、ゲートトレンチと同一のマスクを使用して形成することができるため、ゲートトレンチに対する位置ずれが生じない。そして、コンタクト電極のアライメントは、ダミートレンチの平面面積を含めたエリアに合わせればよいので、簡単にとることができる。   According to this configuration, since the side surface of the dummy trench can be effectively used as a contact region, a sufficient contact area of the contact electrode with respect to the p-type base region can be ensured. As a result, the planar area of the p-type base region can be sacrificed, so that the distance between the gate trench and the dummy trench can be made finer, and a finer p-type base region can be formed compared to the conventional case. Moreover, since the dummy trench can be formed using the same mask as the gate trench, there is no positional shift with respect to the gate trench. The alignment of the contact electrode can be easily performed because it is sufficient to match the area including the planar area of the dummy trench.

また、トレンチ構造の微細化の結果、デバイスの短絡耐量とオン電圧とのトレードオフの関係を改善することができるので、電荷促進効果を向上させることができる。よって、低電流域におけるVCE(sat)を改善することができる。
(項28)前記半導体装置は、前記ダミートレンチの前記埋め込み絶縁膜の下方領域に絶縁膜を介して埋め込まれた第1埋め込み電極をさらに含んでいてもよい。
Further, as a result of the miniaturization of the trench structure, the trade-off relationship between the short-circuit withstand voltage and the on-voltage of the device can be improved, so that the charge promoting effect can be improved. Therefore, V CE (sat) in the low current region can be improved.
(Item 28) The semiconductor device may further include a first buried electrode buried in an area below the buried insulating film of the dummy trench through an insulating film.

(項29)前記半導体装置は、一対の前記ダミートレンチと、当該一対のダミートレンチの間に挟まれたゲートトレンチを含むトレンチ単位を有していてもよい。
(項30)前記ダミートレンチは、前記第1埋め込み電極が前記n型エミッタ領域と電気的に接続されることによって前記エミッタトレンチを兼ねていることが好ましい。
(項31)前記半導体装置は、一対の前記ゲートトレンチと、当該一対の前記ゲートトレンチの間に挟まれたダミートレンチを含むトレンチ単位を有していてもよい。
(Item 29) The semiconductor device may include a trench unit including a pair of the dummy trenches and a gate trench sandwiched between the pair of dummy trenches.
(Item 30) It is preferable that the dummy trench also serves as the emitter trench when the first buried electrode is electrically connected to the n + -type emitter region.
(Item 31) The semiconductor device may include a trench unit including a pair of the gate trenches and a dummy trench sandwiched between the pair of the gate trenches.

この場合、(項32)前記第1埋め込み電極は、前記ゲート電極と電気的に接続されていることが好ましい。
(項33)前記埋め込み絶縁膜は、0.5μm以上の厚さを有していることが好ましい。
In this case, (Item 32) The first embedded electrode is preferably electrically connected to the gate electrode.
(Item 33) The buried insulating film preferably has a thickness of 0.5 μm or more.

次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
図6に示す半導体装置101の構造に関して、短絡耐量とオン電圧(VCE)とのトレードオフの関係の改善効果が、ゲートトレンチ108とダミートレンチ109との間隔Lによってどのように変化するかを確認するため、当該間隔Lが互いに異なる4種類のデバイスのVCE−ICf特性を調べた。結果を図11に示す。図11において、デバイスA(トレンチ間隔L=2μm 一点鎖線)およびデバイスC(トレンチ間隔L=3.5μm 破線)とした。
EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited by the following Example.
With respect to the structure of the semiconductor device 101 shown in FIG. 6, how the improvement effect of the trade-off relationship between the short-circuit withstand voltage and the on-voltage (V CE ) changes depending on the distance L 1 between the gate trench 108 and the dummy trench 109. In order to confirm the above, the V CE -I Cf characteristics of four types of devices having different intervals L 1 were examined. The results are shown in FIG. In FIG. 11, device A (trench interval L 1 = 2 μm dot-dash line) and device C (trench interval L 1 = 3.5 μm dashed line) were used.

図11によると、トレンチ間隔Lが狭いほど、立ち上がりのVCE(sat)が低く、定常損失が低いことが確認できた(図11の右下拡大図参照)。また、ICfの高電流域では、トレンチの微細化(p型ベース領域111の体積低減)によって飽和電流密度が低くなっており、短絡耐量が向上していることが確認できた。 According to FIG. 11, the narrower the trench distance L 1, the rise of the V CE (sat) is low, it steady loss is low can be confirmed (see the lower right enlarged view of FIG. 11). Moreover, in the high current region of ICf , it was confirmed that the saturation current density was lowered by the miniaturization of the trench (volume reduction of the p-type base region 111), and the short-circuit withstand capability was improved.

1 半導体装置
2 半導体基板
3 裏面
4 p型コレクタ領域
5 n型バッファ領域
6 n型ドリフト領域
7 表面
8 ゲートトレンチ
10 p型ベース領域
13 n型エミッタ領域
14 エミッタトレンチ
15 p型フローティング領域
16 底部
17 オーバーラップ部
18 端部
19 絶縁膜
20 ゲート電極
21 埋め込み電極
22 ゲート絶縁膜
31 半導体装置
33 ゲートトレンチ
34 p型ベース領域
35 n型エミッタ領域
38 引き出し部
101 半導体装置
102 半導体基板
103 裏面
104 p型コレクタ領域
106 n型ドリフト領域
107 表面
108 ゲートトレンチ
109 ダミートレンチ
110 トレンチ単位
111 p型ベース領域
112 n型エミッタ領域
113 p型ベースコンタクト領域
114 側面
115 側面
116 エミッタトレンチ
117 p型フローティング領域
118 底部
119 オーバーラップ部
120 端部
121 絶縁膜
122 ゲート電極
123 第1埋め込み電極
124 第2埋め込み電極
125 ゲート絶縁膜
126 埋め込み絶縁膜
127 除去部
128 上面
132 エミッタ電極
141 半導体装置
142 ゲートトレンチ
143 ダミートレンチ
144 トレンチ単位
145 p型ベース領域
146 n型エミッタ領域
147 p型ベースコンタクト領域
148 側面
149 側面
150 p型フローティング領域
151 底部
152 オーバーラップ部
153 端部
154 第1埋め込み電極
155 埋め込み絶縁膜
156 除去部
157 上面
159 角部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 2 Semiconductor substrate 3 Back surface 4 p + type collector region 5 n type buffer region 6 n type drift region 7 Surface 8 Gate trench 10 p type base region 13 n + type emitter region 14 Emitter trench 15 p type floating region 16 Bottom portion 17 Overlap portion 18 End portion 19 Insulating film 20 Gate electrode 21 Embedded electrode 22 Gate insulating film 31 Semiconductor device 33 Gate trench 34 p-type base region 35 n + -type emitter region 38 Lead-out portion 101 Semiconductor device 102 Semiconductor substrate 103 Back surface 104 p + -type collector region 106 n - -type drift region 107 surface 108 gate trenches 109 dummy trench 110 trench unit 111 p-type base region 112 n + -type emitter region 113 p + -type base contact region 11 Side surface 115 Side surface 116 Emitter trench 117 P-type floating region 118 Bottom portion 119 Overlap portion 120 End portion 121 Insulating film 122 Gate electrode 123 First embedded electrode 124 Second embedded electrode 125 Gate insulating film 126 Embedded insulating film 127 Removing portion 128 Upper surface 132 Emitter electrode 141 Semiconductor device 142 Gate trench 143 Dummy trench 144 Trench unit 145 p-type base region 146 n + -type emitter region 147 p + -type base contact region 148 Side surface 149 Side surface 150 p-type floating region 151 Bottom portion 152 Overlapping portion 153 End portion 154 First embedded electrode 155 Embedded insulating film 156 Removal portion 157 Upper surface 159 Corner portion

Claims (8)

半導体層と、
前記半導体層に形成された複数のゲートトレンチと、
前記複数のゲートトレンチにゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、
互いに隣り合う前記複数のゲートトレンチの間に形成され、1本の前記ゲートトレンチを挟むように形成された複数のエミッタトレンチと、
前記エミッタトレンチに絶縁膜を介して埋め込まれた埋め込み電極と、
前記複数のエミッタトレンチの間に形成されたp型フローティング領域と、
各前記ゲートトレンチの側方において、前記半導体層の表面側から前記ゲートトレンチの深さ方向に順に配置されたn型エミッタ領域、p型ベース領域およびn 型ドリフト領域と、
前記n型ドリフト領域に対して前記半導体層の裏面側に配置されたp型コレクタ領域とを含み、
前記エミッタトレンチは、前記ゲートトレンチとの間にn型ドリフト領域を介して2μm以下の間隔を隔てて配置されており、
前記p型フローティング領域は、前記複数のエミッタトレンチのうち前記ゲートトレンチに最も近いエミッタトレンチの下方に回り込むオーバーラップ部を含み、
前記オーバーラップ部は、前記エミッタトレンチの幅方向中央に対して前記ゲートトレンチの近い側に位置する端部を有しており、
前記ゲートトレンチの底部は、幅方向中央が最も凸となるように曲面形状に形成されており、
前記n型エミッタ領域は、各前記ゲートトレンチの両側面に沿って、かつ前記エミッタトレンチの側面から離れて形成されており、
前記p型ベース領域は、前記エミッタトレンチの側面と前記n型エミッタ領域との間を介して前記半導体層の表面から露出しており、
前記n型エミッタ領域は、前記ゲートトレンチの側面から前記半導体層の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部を選択的に有している、半導体装置。
A semiconductor layer;
A plurality of gate trenches formed in the semiconductor layer;
A gate electrode embedded in the plurality of gate trenches via a gate insulating film;
A plurality of emitter trenches formed between the plurality of gate trenches adjacent to each other and sandwiching the one gate trench;
A buried electrode buried in the emitter trench through an insulating film;
A p-type floating region formed between the plurality of emitter trenches;
At the side of each of the gate trench, the depth direction is arranged in order an n + -type emitter region of said gate trench from the surface side of the semiconductor layer, p-type base region and n - -type drift region,
A p + type collector region disposed on the back side of the semiconductor layer with respect to the n type drift region,
The emitter trench is disposed with an interval of 2 μm or less between the gate trench and the gate trench via an n type drift region,
The p-type floating region includes an overlap portion that wraps around below the emitter trench closest to the gate trench among the plurality of emitter trenches,
The overlap portion has an end located on the side closer to the gate trench with respect to the center in the width direction of the emitter trench,
The bottom of the gate trench is formed in a curved shape so that the center in the width direction is the most convex,
The n + -type emitter region is formed along both side surfaces of each of the gate trenches and away from the side surfaces of the emitter trenches,
The p-type base region is exposed from the surface of the semiconductor layer through a side surface of the emitter trench and the n + -type emitter region,
The n + -type emitter region selectively has a lead-out portion that is led out in a lateral direction along a surface of the semiconductor layer from a side surface of the gate trench.
前記p型フローティング領域は、前記エミッタトレンチの底部に対して前記半導体層の裏面側に膨出する底部を有している、請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the p-type floating region has a bottom portion that bulges toward a back surface side of the semiconductor layer with respect to a bottom portion of the emitter trench. 前記エミッタトレンチは、前記ゲートトレンチと同じ深さで形成されている、請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the emitter trench is formed at the same depth as the gate trench. 前記n型エミッタ領域は、1×1019cm−3〜5×1020cm−3のn型ドーパント濃度を有している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the n + -type emitter region has an n-type dopant concentration of 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . 前記p型ベース領域は、1×1016cm−3〜1×1018cm−3のp型ドーパント濃度を有している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the p-type base region has a p-type dopant concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 . 前記n型ドリフト領域は、1×1013cm−3〜5×1014cm−3のn型ドーパント濃度を有している、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the n -type drift region has an n-type dopant concentration of 1 × 10 13 cm −3 to 5 × 10 14 cm −3 . 前記p型コレクタ領域は、1×1015cm−3〜2×1019cm−3のp型ドーパント濃度を有している、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the p + -type collector region has a p-type dopant concentration of 1 × 10 15 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3 . 前記エミッタトレンチの底部は、幅方向中央が最も凸となるように曲面形状に形成されており、
前記オーバーラップ部は、前記エミッタトレンチの前記底部の頂部を覆い、かつ前記頂部に対してゲートトレンチの近い側に形成された前記エミッタトレンチの前記底部の傾斜部分を覆っている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
The bottom of the emitter trench is formed in a curved shape so that the center in the width direction is the most convex,
The overlap portion covers a top portion of the bottom portion of the emitter trench, and covers an inclined portion of the bottom portion of the emitter trench formed on a side closer to the gate trench with respect to the top portion. 8. The semiconductor device according to claim 7.
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