JPH10270689A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH10270689A
JPH10270689A JP9077068A JP7706897A JPH10270689A JP H10270689 A JPH10270689 A JP H10270689A JP 9077068 A JP9077068 A JP 9077068A JP 7706897 A JP7706897 A JP 7706897A JP H10270689 A JPH10270689 A JP H10270689A
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gate
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trench gate
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Eiji Yanokura
栄二 矢ノ倉
Hiroisa Suzuki
啓功 鈴木
Shigeo Otaka
成雄 大高
Tetsuo Iijima
哲郎 飯島
Satoshi Kudo
聡 工藤
Nobuo Machida
信夫 町田
Masayoshi Kobayashi
正義 小林
Sumuto Numazawa
澄人 沼沢
Mitsuzo Sakamoto
光造 坂本
Takamitsu Kanazawa
孝光 金澤
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Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Hitachi Solutions Technology Ltd
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Hitachi Ltd
Hitachi ULSI Systems Co Ltd
Hitachi Tohbu Semiconductor Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トレンチゲート構造のFETにて、ゲート耐
圧を向上させ、オン抵抗を向上させ高速スイッチング特
性を改善する。 【解決手段】 半導体基板主面に延設した溝部にゲート
となる導体層を設けるトレンチゲート構造のFETを有
する半導体装置において、前記トレンチゲートの溝部に
よって、半導体基板主面を八角形平面形状に区分し、こ
の八角形の各内角を略135度とする。 【効果】 八角形平面形状に区分された半導体基板主面
の側面に形成される角部の角度が緩やかになり、ゲート
絶縁膜不良による耐圧の低下を防止することができる。
また、前記八角形が扁平八角形或は正方形の角を落した
八角形形状とすることにより、トレンチゲートの平面形
状幅の変動を小さくすることができる。このためトレン
チゲートの溝部を良好に埋め込むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、特に、トレンチゲート構造の半導体装置に適用して
有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】電力増幅回路、電源回路、コンバータ或
は電源保護回路等にはパワートランジスタが用いられて
いるが、これらのパワートランジスタには大電力を扱う
ために高耐圧化及び大電流化が要求される。
【0003】MISFETの場合には、大電流化を達成
する方法として、チャネル幅を増大させることによって
容易に達成できる。そして、このようなチャネル幅の増
大を行なうことによってチップ面積が増大するのを回避
するために、ゲート電極の平面配置について、例えばス
トライプ構造或はメッシュゲート構造が用いられてい
る。
【0004】ストライプ構造では単位チップ面積当りの
チャネル幅が小さく無効領域が多いが、メッシュゲート
構造では、ゲートが平面的に格子状に配置されており、
このため単位チップ面積当りのチャネル幅を大きくする
ことができる。メッシュゲート構造のFETについては
オーム社刊「半導体ハンドブック」第429頁乃至第4
30頁に記載されている。
【0005】従来、このようなパワーFETには、工程
が簡単でありゲート絶縁膜となる酸化膜の形成が容易な
ことからプレーナ構造のものが用いられてきた。
【0006】しかしながら、プレーナ構造でセルを約5
μm以下まで微細化した場合、単位面積当りのチャネル
幅は増大して低オン抵抗化に寄与するが、逆にJ‐FE
T抵抗が急激に増大してしまうため、トータルのオン抵
抗は増大する。
【0007】このため、J‐FET抵抗成分のない構造
を有し、かつ、セルの集積度がそのまま低オン抵抗化に
寄与できる等の理由からトレンチゲート構造のFETが
注目されている。
【0008】トレンチゲート構造とは、半導体基板主面
のチャネル層に溝部を延設し、この溝部に絶縁膜を介し
てゲートとなる導体層を設け、前記主面の深層部をドレ
イン領域とし、前記主面の表層部をソース領域とし、前
記ドレイン領域及びソース領域間の半導体層をチャネル
領域とするものであり、このようなトレンチゲート構造
のパワーMOSFETとしては三菱電機社のFS70T
M‐06、シリコニクス社のSUP75N06‐08等
がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】一般的に、MOSトラ
ンジスタ低電圧駆動のために、ゲート絶縁膜の薄膜化が
望ましい。しかしながらトレンチゲート構造では、ゲー
ト絶縁膜が三次元的に形成されることから、トレンチゲ
ートの角部にて、拡散異常が生じる、或は絶縁膜の形成
が均一に行なわれないために、この部分の絶縁膜が薄く
なりゲート耐圧が低下する。
【0010】このようなゲート耐圧の低下を防止するた
め、ゲート絶縁膜を厚くしたのでは相互コンダクタンス
gmが低下し、低電圧作動が困難となる。
【0011】また、パワーFETではオン抵抗を低減す
ることが望まれる。このようなオン抵抗の低減には単位
面積当りのチャネル幅(Wch/□)を大きくすること
が有効である。しかしチャネル幅を増大させることによ
ってチップサイズが大きくなったのでは、寄生容量も増
大することによって高速スイッチング特性が劣化するこ
ととなる。
【0012】従って、単位チップ面積当りの抵抗を低減
させる方法が必要となる。単位チップ面積当りの抵抗を
低減することができれば、よりオン抵抗の小さな半導体
装置を得る或は同一オン抵抗の半導体装置を従来よりも
小さなチップサイズで実現することが可能となる。
【0013】本発明の課題は、このような問題を解決
し、ゲート耐圧を向上させること、更にオン抵抗を向上
させ高速スイッチング特性を改善する、或はチップサイ
ズを縮小することが可能な技術を提供することにある。
【0014】本発明の前記ならびにその他の課題と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
になるであろう。
【0015】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。
【0016】半導体基板主面に延設した溝部にゲートと
なる導体層を設けるトレンチゲート構造のFETを有す
る半導体装置において、前記トレンチゲートの溝部によ
って、半導体基板主面を八角形平面形状に区分し、この
八角形の各内角を略135度とする。
【0017】また、前記区分された半導体基板主面の側
面を{1,0,0}面又は{1,1,0}面とする。
【0018】更に、前記半導体基板主面の平面形状を扁
平八角形形状、或は正方形の角を落した八角形形状とす
る。
【0019】上述した手段によれば、半導体基板主面を
平面形状が八角形状に区分することにより、区分された
半導体基板主面の側面に形成される角部の角度が緩やか
なものとなり、ゲート絶縁膜の形成がより均一に行なわ
れるために、この部分の絶縁膜の不良による耐圧の低下
を防止することができる。
【0020】また、前記扁平八角形或は正方形の角を落
した八角形形状に区分することにより、トレンチゲート
の平面形状幅の変動を小さくすることができる。このた
めトレンチゲートの溝部を良好に埋め込むことができ
る。
【0021】更に、前記扁平八角形に区分された半導体
基板主面の側面が、移動度の最も大きい{1,0,0}
面又は移動度が{1,0,0}面に次いで大きな{1,
1,0}面となっていることから、単位チップ面積当り
の抵抗を低減させることができる。
【0022】以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0023】なお、実施の形態を説明するための全図に
おいて、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。
【0024】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)図1は、本発明の一実施の形態である
半導体装置のトレンチゲート構造のパワーMISFET
の要部を示す平面図であり、図2は、図1中a‐a線に
沿った縦断面図であり、図3は、図1中a‐a線に沿っ
た部分のトレンチゲートの溝部をエッチングした状態を
示す斜視図である。なお図1にては、説明のためにソー
ス取り出し配線及びBPSG膜を図示しない。
【0025】本実施の形態のMISFETは、NPN型
であり、半導体基板主面の深層部であるN+型層1上の
N型層2をドレインとし、N型層2上に形成されたP−
型層3をチャネルとしている。トレンチゲート4は、半
導体基板主面に延設されN型層2に達する溝部にゲート
絶縁膜となる酸化珪素膜5を介して設けられている。こ
のトレンチゲート4周辺の半導体基板主面表層部に形成
されるN+型層6がソースとなる。
【0026】ソースとなるN+型層6には、半導体基板
主面上に設けたソース取り出し配線7が接続しており、
このソース取り出し配線7は、ベース電位を一定とする
ためにソースとなるN+層6とチャネルとなるP−層3
のコンタクト領域となるP+層8の双方に接続されてい
る。ソース取り出し配線7とトレンチゲート4とはBP
SG膜9によって絶縁分離されている。
【0027】また、半導体基板裏面の全面には、ドレイ
ンとなるN型層2と導通するドレイン電極10が形成さ
れており、各トレンチゲート4は、半導体チップの外周
部近傍にて終端しており、この終端部分にて半導体基板
主面上に設けたゲート取り出し配線(図示せず)と接続
している。
【0028】本実施の形態の半導体装置では、半導体基
板主面は、トレンチゲート4の溝部によって、その平面
形状が扁平八角形に区分されており、この八角形の各内
角は略135度となっており、前記扁平八角形に区分さ
れた半導体基板主面の側面は{1,0,0}面又は
{1,1,0}面となっている。
【0029】このように、半導体基板主面を平面形状が
扁平八角形に区分することにより、区分された半導体基
板主面の側面に形成される角部の角度が緩やかなものと
なり、ゲート絶縁膜となる酸化珪素膜5の形成がより均
一に行なわれるために、この部分の絶縁膜の不良による
耐圧が低下を防止することができる。
【0030】また、前記扁平八角形に区分することによ
り、トレンチゲート4の平面形状幅の変動を小さくする
ことができる。前記平面形状を例えば正八角形とした場
合には、各メッシュの交点に相当する部分のトレンチゲ
ート4の平面形状幅が大きくなり、この部分のトレンチ
ゲート4の溝部が充分に埋め込まれない場合も生じてし
まう。
【0031】更に、前記扁平八角形に区分された半導体
基板主面の側面が、移動度の最も大きい{1,0,0}
面又は移動度が{1,0,0}面に次いで大きな{1,
1,0}面となっていることから、単位チップ面積当り
の抵抗を低減させることができる。
【0032】次に、本実施の形態の半導体装置の製造方
法を図4乃至図10を用いて説明する。
【0033】先ず、厚さ500μm程度のN+型半導体
基板1の主面にエピタキシャル成長によって、N型層2
を約5μm程度形成する。この状態を図4に示す。
【0034】次に、このN型層2に例えばボロンのイオ
ン打込み及びアニールによりチャネル層となるP−型層
3を約2μm程度形成する。この状態を図5に示す。
【0035】次に、半導体基板主面のトレンチゲート4
の形成される領域に、HLD膜11をマスクとしたエッ
チングを行ないN型層2に達する溝部を形成する。この
状態を図6に示す。
【0036】次に、溝部の表面を含む全面にゲート絶縁
膜となる酸化珪素膜5を熱酸化によって形成する。この
状態を図7に示す。
【0037】次に、半導体基板全面にトレンチゲート4
となる多結晶シリコンを堆積させ、エッチバックによっ
てこの多結晶シリコンを平坦化し、前記溝部を多結晶シ
リコンによって埋め込んで、トレンチゲート4を形成す
る。この状態を図8に示す。
【0038】次に、この半導体チップ外周部に沿って延
在するトレンチゲート4終端と接続する半導体基板主面
上にN型多結晶シリコンからなるゲート取り出し配線7
を形成する。この状態を図6に示す。
【0039】次に、例えばヒ素のイオン打込みによりソ
ースとなるN+層6を約1μm程度形成し、チャネルと
なるP−層3と接続するP+層8をイオン打込みにより
形成し、アニールを行なう。この状態を図9に示す。
【0040】次に、全面に保護絶縁のためのBPSG膜
9を堆積させる。この状態を図10に示す。
【0041】次に、所定位置のBPSG膜9及び酸化珪
素膜5をドライエッチングにより除去しソース取り出し
配線7の開口を形成し、アルミニュウム等の導体からな
る配線7をスパッタ法によって形成してソースとなるN
+層6に接続し、半導体基板裏面にドレイン電極10を
形成して、図2に示す状態となる。
【0042】(実施の形態2)図11に示すのは、本発
明の他の実施の形態である半導体装置のトレンチゲート
構造のパワーMISFETの要部を表す平面図である。
なお、図11にては説明のために、ソース取り出し配線
及びBPSG膜を図示しない。
【0043】本実施の形態の半導体装置では、半導体基
板主面は、トレンチゲート4の溝部によって、その平面
形状が正方形の角を落した八角形に区分されており、こ
の八角形の各内角は略135度となっており、前記平面
形状が正方形の角を落した八角形に区分された半導体基
板主面の側面は{1,0,0}面又は{1,1,0}面
となっている。
【0044】このように、半導体基板主面を平面形状が
正方形の角を落した八角形に区分することにより、区分
された半導体基板主面の側面に形成される角部の角度が
緩やかなものとなり、ゲート絶縁膜となる酸化珪素膜5
の形成がより均一に行なわれるために、この部分の絶縁
膜の不良による耐圧が低下を防止することができる。
【0045】また、前記平面形状が正方形の角を落した
八角形に区分することにより、トレンチゲート4の平面
形状幅の変動を小さくすることができる。前記平面形状
を例えば正八角形とした場合には、各メッシュの交点に
相当する部分のトレンチゲート4の平面形状幅が大きく
なり、この部分のトレンチゲート4の溝部が充分に埋め
込まれない場合も生じてしまう。
【0046】更に、前記平面形状が正方形の角を落した
八角形に区分された半導体基板主面の側面が、移動度の
最も大きい{1,0,0}面又は移動度が{1,0,
0}面に次いで大きな{1,1,0}面となっているこ
とから、単位チップ面積当りの抵抗を低減させることが
できる。
【0047】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明
は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要
旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは
勿論である。
【0048】例えば本発明は、パワーMISFET以外
にも、IGBT(Integrated GateBipolar Transisto
r)等にも適用が可能である。
【0049】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
【0050】(1)本発明によれば、半導体基板主面を
平面形状が八角形状に区分することにより、区分された
半導体基板主面の側面に形成される角部の角度が緩やか
なものとなり、ゲート絶縁膜の形成がより均一に行なわ
れるために、この部分の絶縁膜の不良による耐圧の低下
を防止することができるという効果がある。
【0051】(2)本発明によれば、上記効果(1)に
より、ゲート耐圧を低下させることなくゲート絶縁膜を
薄くすることが可能となるという効果がある。
【0052】(3)本発明によれば、上記効果(1)に
より、ゲート絶縁膜を厚くせずにゲート耐圧を向上させ
ることが可能となるという効果がある。
【0053】(4)本発明によれば、半導体基板主面を
平面形状が扁平八角形或は正方形の角を落した八角形形
状に区分することにより、トレンチゲートの平面形状幅
の変動を小さくすることができるので、トレンチゲート
の溝部を良好に埋め込むことができるという効果があ
る。
【0054】(5)本発明によれば、八角形に区分され
た半導体基板主面の側面が、移動度の最も大きい{1,
0,0}面又は移動度が{1,0,0}面に次いで大き
な{1,1,0}面となっていることから、単位チップ
面積当りの抵抗を低減させることができるという効果が
ある。
【0055】(6)本発明によれば、上記効果(5)に
より、オン抵抗の小さな半導体装置を得ることが可能と
なるという効果がある。
【0056】(7)本発明によれば、上記効果(5)に
より、同一オン抵抗の半導体装置を従来よりも小さなチ
ップサイズで実現することが可能となるという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である半導体装置の要部
を示す平面図である。
【図2】図1中のa‐a線に沿った部分縦断面図であ
る。
【図3】図1中のa‐a線に沿った部分のトレンチゲー
トの溝部をエッチングした状態を示す斜視図である。
【図4】本発明の一実施の形態である半導体装置の要部
を製造工程毎に示す縦断面図である。
【図5】本発明の一実施の形態である半導体装置の要部
を製造工程毎に示す縦断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態である半導体装置の要部
を製造工程毎に示す縦断面図である。
【図7】本発明の一実施の形態である半導体装置の要部
を製造工程毎に示す縦断面図である。
【図8】本発明の一実施の形態である半導体装置の要部
を製造工程毎に示す縦断面図である。
【図9】本発明の一実施の形態である半導体装置の要部
を製造工程毎に示す縦断面図である。
【図10】本発明の一実施の形態である半導体装置の要
部を製造工程毎に示す縦断面図である。
【図11】本発明の他の実施の形態である半導体装置の
要部を示す平面図である。
【符号の説明】
1…N+層、2…N層(ドレイン)、3…P−層(チャ
ネル)、4…トレンチゲート、5…酸化珪素膜、6…N
+層(ソース)、7…ソース取り出し配線、8…P+
層、9…BPSG膜、10…ドレイン電極、11…HL
D膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢ノ倉 栄二 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 鈴木 啓功 埼玉県入間郡毛呂山町大字旭台15番地 日 立東部セミコンダクタ株式会社内 (72)発明者 大高 成雄 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 飯島 哲郎 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 工藤 聡 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 町田 信夫 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 小林 正義 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 沼沢 澄人 東京都小平市上水本町5丁目22番1号 株 式会社日立マイコンシステム内 (72)発明者 坂本 光造 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 金澤 孝光 埼玉県入間郡毛呂山町大字旭台15番地 日 立東部セミコンダクタ株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板主面に延設した溝部にゲート
    となる導体層を設けるトレンチゲート構造のFETを有
    する半導体装置において、 前記トレンチゲートの溝部によって、半導体基板主面を
    八角形平面形状に区分し、この八角形の各内角を略13
    5度としたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 半導体基板主面に延設した溝部にゲート
    となる導体層を設けるトレンチゲート構造のFETを有
    する半導体装置において、 前記トレンチゲートの溝部によって、半導体基板主面を
    八角形平面形状に区分し、この八角形の各内角を略13
    5度とし、 前記区分された半導体基板主面の側面が{1,0,0}
    面又は{1,1,0}面からなることを特徴とする半導
    体装置。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板主面の平面形状が扁平八
    角形形状であることを特徴とする請求項1又は請求項2
    に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記半導体基板主面の平面形状が正方形
    の角を落した八角形形状であることを特徴とする請求項
    1又は請求項2に記載の半導体装置。
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