JPWO2007060716A1 - トレンチゲートパワー半導体装置 - Google Patents
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Abstract
このため、本発明のトレンチゲートパワーMOSFET1によれば、セル領域に発生するホールを、p型キャリア引き抜き領域26a,26b,26cを介して効率よく回収することが可能になり、スイッチング動作のさらなる高速化を図ることが可能なトレンチゲートパワーMOSFETを提供することができる。
Description
従来のトレンチゲートパワー半導体装置900は、図17に示すように、p型半導体基板910(図示せず。)及びp型半導体基板910の表面近傍に形成されたn+型エピタキシャル層911(図示せず。)と、n+型エピタキシャル層911上に配置されたn-型エピタキシャル層912(第1導電型の半導体層)と、n-型エピタキシャル層912における上面近傍に形成されたp型ボディ領域920(第2導電型のボディ領域)と、p型ボディ領域920の上面側からn-型エピタキシャル層912に達するように形成された複数本の溝914と、複数本の溝914の中にゲート絶縁膜916を介して形成されたゲート918とを含むトレンチゲートパワー半導体装置である。溝914と溝914とに挟まれた溝間領域におけるp型ボディ領域920の上面近傍にはエミッタ領域922が形成されている。溝914の上部には絶縁層928が形成され、その上層には、エミッタ電極932が形成されている。また、p型半導体基板910の下面には、カソード電極934(図示せず。)が形成されている。
図1は、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1を説明するために示す断面図である。図2は、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1を説明するために示す平面図である。
実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1は、図1及び図2に示すように、n+型シリコン基板10の上面に形成されたn-型エピタキシャル層(第1導電型の半導体層)12と、n-型エピタキシャル層12における上面近傍に形成されたp型ボディ領域(第2導電型のボディ領域)20と、p型ボディ領域20の上面側からn-型エピタキシャル層12に達するように形成された複数本の溝14と、複数本の溝14の中に形成されたゲート18とを含むトレンチゲートパワーMOSFETである。そして、n-型エピタキシャル層12におけるp型ボディ領域20に対向する領域のうち一部の領域には、p型キャリア引き抜き領域26a,26b,26cが形成されている。なお、図1において、符号22はn+型ソース領域を示し、符号24はp+型コンタクト領域を示し、符号28及び符号29は絶縁層を示し、符号32はソース電極を示し、符号34はドレイン電極を示す。
このため、ホールの回収を行いたい部位における溝の一部又は全部の領域を覆うようにp型キャリア引き抜き領域26aを形成することが可能になるため、ホールを効率よく回収することが可能になる。また、この場合、複数本の溝14のうち必要な溝の一部又は全部の領域にのみp型キャリア引き抜き領域26aを形成することが可能になるため、必要以上にオン抵抗を増大させてしまうこともない。
このため、ホールが発生し易い部位における溝の全部の領域を覆うようにp型キャリア引き抜き領域26aを形成することにより、ホールをさらに効率よく回収することが可能になる。
このため、ホールが比較的大量に発生する領域である周辺領域にp型キャリア引き抜き領域26b,26cが形成されているため、ホールをさらに効率よく回収することが可能になる。
このため、ホールが比較的大量に発生する領域である周辺領域における、p型ボディ領域20の下面やp型ボディ領域20の側面にp型キャリア引き抜き領域26b,26cが形成されているため、ホールをさらに効果的に回収することが可能になる。
このため、溝14の下面にホールが衝突することが抑制されるため、溝14の底面近傍に形成されているゲート絶縁膜16の損傷を抑制することが可能になる。
実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1においては、p型キャリア引き抜き領域26aは、図3に示すように、p型ボディ領域20よりも深い位置まで形成されている。また、p型キャリア引き抜き領域26aの不純物濃度は、p型ボディ領域20の不純物濃度よりも薄い。これによって、効率的なキャリア引き抜きを行うことが可能になる。
図4は、実施形態2に係るトレンチゲートパワーMOSFET2を説明するために示す断面図である。
実施形態2に係るトレンチゲートパワーMOSFET2は、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1と基本的にはよく似た構造を有しているが、セル領域に存在するp型キャリア引き抜き領域の構成が、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1の場合とは異なっている。すなわち、実施形態2に係るトレンチゲートパワーMOSFET2においては、セル領域に存在するp型キャリア引き抜き領域26dは、図4に示すように、複数本の溝14のうちの隣接する2本の溝に挟まれた溝間領域のうち一部の溝間領域に形成されている。
このため、ホールが発生し易い部位においては、溝間領域の全部にp型キャリア引き抜き領域を形成することが可能になるため、ホールをさらに効率よく回収することが可能になる。
図5は、実施形態3に係るトレンチゲートパワーMOSFET3を説明するために示す断面図である。
実施形態3に係るトレンチゲートパワーMOSFET3は、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1と基本的にはよく似た構造を有しているが、セル領域に存在するp型キャリア引き抜き領域の構成が、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1の場合とは異なっている。すなわち、実施形態3に係るトレンチゲートパワーMOSFET3においては、セル領域に存在するp型キャリア引き抜き領域26eは、図5に示すように、複数本の溝14のうちの隣接する2本の溝14及びこれらに挟まれた溝間領域を覆うように形成されている。
実施形態4に係るトレンチゲートパワーMOSFET4(図示せず。)は、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1と基本的にはよく似た構造を有しているが、セル領域に存在するp型キャリア引き抜き領域の構成が、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1の場合とは異なっている。すなわち、実施形態4に係るトレンチゲートパワーMOSFET4においては、セル領域に存在するp型キャリア引き抜き領域は、実施形態1に係るトレンチゲートパワーMOSFET1、実施形態2に係るトレンチゲートパワーMOSFET2又は実施形態3に係るトレンチゲートパワーMOSFET3におけるp型キャリア引き抜き領域26a,26b,26c,26d,26eのすべてを有している。
図6は、実施形態5に係るトレンチゲートパワーMOSFET5を説明するために示す断面図である。図7は、実施形態5に係るトレンチゲートパワーMOSFET5を説明するために示す平面図である。
このため、セル領域の全面にわたってp型キャリア引き抜き領域36aを形成することが可能になるので、ホールを効率よく回収することが可能になる。この場合、セル領域の全面にわたってp型キャリア引き抜き領域36aが形成されたとしても、トランジスタ動作にあまり悪影響を与えないようにすることが可能であるため、必要以上にスイッチング性能を低下させることもない。
このため、ホールが比較的大量に発生する領域である周辺領域にもp型キャリア引き抜き領域36bが形成されているので、ホールをさらに効率よく回収することが可能になる。
このため、ホールが比較的大量に発生する領域である周辺領域に大面積のp型キャリア引き抜き領域36bを設けることにより、比較的大量に発生するホールをさらに効率よく回収することが可能になる。
このため、ホールが比較的大量に発生する領域である周辺領域に深いp型キャリア引き抜き領域36bを設けることにより、比較的大量に発生するホールをさらに効率よく回収することが可能になる。
このため、溝14の下面にホールが衝突することが抑制されるようになり、溝14の底面近傍に形成されているゲート絶縁膜16の損傷を抑制することが可能になる。
このため、p型キャリア引き抜き領域36a,36bで回収したホールを効率よく外部に排出することが可能になる。
実施形態5に係るトレンチゲートパワーMOSFET5においては、p型キャリア引き抜き領域36aは、図8に示すように、p型ボディ領域20よりも深い位置まで形成されている。また、p型キャリア引き抜き領域36aの不純物濃度は、p型ボディ領域20の不純物濃度よりも薄い。但し、p+型コンタクト層24の部分では、p型ボディ領域20の不純物濃度よりも濃い。これによって、効率的なキャリア引き抜きを行うことが可能になる。
図9は、実施形態6に係るトレンチゲートパワーMOSFET6を説明するために示す平面図である。
実施形態6に係るトレンチゲートパワーMOSFET6は、実施形態5に係るトレンチゲートパワーMOSFET5と基本的にはよく似た構造を有しているが、溝14のレイアウトが、実施形態5に係るトレンチゲートパワーMOSFET5の場合とは異なっている。すなわち、実施形態6に係るトレンチゲートパワーMOSFET6においては、溝14は、図9に示すように、格子状に形成されている。
実施形態7に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法は、上記した実施形態4に係るトレンチゲートパワーMOSFET4を製造するためのトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法である。
実施形態7に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法は、図10〜図12に示すように、以下の(a)第1の工程〜(i)第9の工程をこの順序で含んでいる。
上面にn-型エピタキシャル層12が形成されたn+型シリコン基板10を準備する(図10(a)参照。)。n-型エピタキシャル層12の不純物濃度は、例えば3×10+15個/cm3とする。
次に、n-型エピタキシャル層12の表面に選択的にシリコン酸化膜Mを形成し、このシリコン酸化膜Mをマスクとして、例えばボロンイオンを打ち込み(例えば、2.6×1013cm-2。)、ボロンイオン打ち込み層25a,25d,25b,25cを形成する。(図10(b)参照。)。
次に、熱アニールを行い(例えば、1100℃、100分。)、p型キャリア引き抜き領域となるp型拡散層25a’,25d’,25b’,25c’を形成する(図10(c)参照。)。
次に、シリコン酸化膜Mを除去後、絶縁層29をマスクとして、例えばボロンイオンを打ち込み(例えば、1.5×1013cm-2、50keV。)、ボロンイオン打ち込み層19を形成する(図11(d)参照。)。なお、符号30は、20〜40nm程度の厚みを有する熱酸化膜を示す。
次に、熱アニールを行い(例えば、1100℃、45分。)、p型ボディ領域20を形成する(図11(e)参照。)。このとき、p型キャリア引き抜き領域26a,26d,26b,26cが同時に形成される。
次に、シリコン酸化膜(図示せず。)をマスクとして溝14を形成する。シリコン酸化膜を除去後、熱酸化により溝14の内面にゲート絶縁膜16を形成し、その後、溝の内部をリンがドープされたポリシリコンで埋め、上面をエッチングバックしさらに上面を熱酸化して、ゲート18を形成する(図11(f)参照。)。
次に、p+型コンタクト領域24となる部分に、例えばボロンイオンを打ち込み(例えば、2×1014cm-2。)、その後、熱アニールを行い(例えば、900℃、30分。)、p+型コンタクト領域24を形成する(図12(g)参照。)。
次に、n+型ソース領域22に対応する部分に、例えば砒素イオンを打ち込み(例えば、4×1015cm-2。)、その後、熱アニールを行い(例えば、1000℃、10分。)、n+型ソース領域22を形成する(図12(h)参照。)。
次に、溝の上方に絶縁層28を形成するとともに不要な絶縁層を除去し、その後、絶縁層28の上方にソース電極32を形成する。また、裏面にドレイン電極34を形成する(図12(i)参照。)。
図13は、実施形態7の変形例に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法における各製造工程を示す図である。
実施形態7の変形例に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法は、実施形態7に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法とよく似た製造方法であるが、第2の工程〜第3の工程が異なっている。すなわち、実施形態7の変形例に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法における第2の工程〜第3の工程は、以下のような工程である。
n-型エピタキシャル層12の表面に選択的にシリコン酸化膜Mを形成し、このシリコン酸化膜Mをマスクとして、例えばボロンイオンを多段的に打ち込み(例えば、50keV〜2MeV。)、ボロンイオン打ち込み層25a”,25d”,25b”,25c”を形成する(図13(b’)参照。)。
次に、熱アニールを行い(例えば、1000℃、10分。)、p型キャリア引き抜き領域となるp型拡散層25’’’,25d’’’,25b’’’,25c’’’を形成する(図13(c’)参照。)。
実施形態8に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法は、上記した実施形態5に係るトレンチゲートパワーMOSFET5を製造するためのトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法である。
実施形態8に係るトレンチゲートパワーMOSFETの製造方法は、図14〜図16に示すように、以下の(a)第1の工程〜(i)第9の工程をこの順序で含んでいる。
上面にn-型エピタキシャル層12が形成されたn+型シリコン基板10を準備する(図14(a)参照。)。n-型エピタキシャル層12の不純物濃度は、例えば3×10+15個/cm3とする。
次に、選択的に絶縁層29を形成し、その後、絶縁層29をマスクとしてn-型エピタキシャル層12の表面から、例えばボロンイオンを打ち込み(例えば、1.5×1013cm-2。)、その後、熱アニールを行い(例えば、1100℃、45分。)、p型ボディ領域20を形成する(図14(b)参照。)。
次に、n-型エピタキシャル層12の表面に選択的にシリコン酸化膜(図示せず。)を形成し、このシリコン酸化膜をマスクとして溝14を形成する。シリコン酸化膜を除去後、熱酸化により溝14の内面にゲート絶縁膜16を形成し、その後、溝の内部をリンがドープされたポリシリコンで埋め、上面をエッチングバックしさらに上面を熱酸化して、ゲート18を形成する(図14(c)参照。)。
次に、溝14と溝14とに挟まれた溝間領域に、例えば砒素イオンを打ち込み(例えば、4×1015cm-2。)、砒素イオン打ち込み層21を形成する(図15(d)参照。)。
次に、絶縁層28を形成し、この絶縁層28をマスクとして、溝14と溝14とに挟まれた溝間領域における中間領域及び周辺領域の所定位置に、第2の溝を形成する(図15(e)参照。)。
次に、第2の溝の底部に、例えばボロンイオンを打ち込み(例えば、2.6×1015cm-2。)、ボロンイオン打ち込み層35a,35bを形成する(図15(f)参照。)。
次に、熱アニールを行い(例えば、1000℃、10分。)、n+型ソース領域22及びp型キャリア引き抜き領域36a,36bを形成する(図16(g)参照。)。
次に、絶縁層28の上方にソース電極38を形成する(図16(h)参照。)。このとき、第2の溝の内部は、ソース電極38を構成する金属で埋められている。
次に、裏面にドレイン電極34を形成する(図16(i)参照。)。
Claims (22)
- 第1導電型の半導体層と、前記第1導電型の半導体層における上面近傍に形成され前記第1導電型とは反対型の第2導電型のボディ領域と、前記第2導電型のボディ領域の上面側から前記第1導電型の半導体層に達するように形成された複数本の溝と、前記複数本の溝の中に形成されたゲートとを含むトレンチゲートパワー半導体装置であって、
前記第1導電型の半導体層における前記第2導電型のボディ領域に対向する領域のうち一部の領域には、第2導電型のキャリア引き抜き領域が形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項1に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記複数本の溝のうち一部の溝における一部又は全部の領域を覆うように形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項2に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記複数本の溝のうち最も外側に形成された溝における一部又は全部の領域を覆うように形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項1に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記複数本の溝のうちの隣接する2本の溝に挟まれた溝間領域のうち一部の溝間領域における一部又は全部の領域に形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項4に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記複数本の溝のうち最も外側に形成された溝と前記溝に隣接する溝に挟まれた溝間領域のうち一部又は全部の領域に形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項1に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記複数本の溝のうちの隣接する2本の溝及びこれらに挟まれた溝間領域を覆うように形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項2〜6のいずれかに記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記複数本の溝のうち最も外側に形成された溝のさらに外側の周辺領域にも形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項7に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記周辺領域に形成された前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記第2導電型のボディ領域の下面側に形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項7又は8に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記周辺領域に形成された前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記第2導電型のボディ領域の側面を覆うように形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項1〜9のいずれかに記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記溝の深さよりも深い位置まで形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 第1導電型の半導体層と、前記第1導電型の半導体層における上面近傍に形成され前記第1導電型とは反対型の第2導電型のボディ領域と、前記第2導電型のボディ領域の上面側から前記第1導電型の半導体層に達するように形成された複数本の溝と、前記複数本の溝の中に形成されたゲートとを含むトレンチゲートパワー半導体装置であって、
前記第2導電型のボディ領域に、前記第2導電型のボディ領域の深さよりも浅く形成されるとともに、前記第1導電型の半導体層の上面に形成される電極のうちゲート電極と異なる電極に接続される金属層を内部に含む第2の溝をさらに含み、
前記第2の溝の下面には、前記金属層に接続され、前記第1導電型の半導体層に達するように第2導電型のキャリア引き抜き領域が形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項11に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2の溝は、前記複数本の溝のうちの隣接する2本の溝に挟まれた溝間領域のうちすべての溝間領域に形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項11に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2の溝は、前記複数本の溝のうちの隣接する2本の溝に挟まれた溝間領域のうちすべての溝間領域における一部の領域に形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項11に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2の溝は、前記複数本の溝のうちの隣接する2本の溝に挟まれた溝間領域のうち一部の溝間領域における一部又は全部の領域に形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項11に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2の溝は、前記複数本の溝のうち最も外側の溝のさらに外側の周辺領域に形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項12〜14のいずれかに記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2の溝は、前記複数本の溝のうち最も外側の溝のさらに外側の周辺領域にも形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項16に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記周辺領域に形成された前記第2の溝は、前記溝間領域に形成された前記第2の溝よりも広い幅を有することを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項16又は17に記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記周辺領域に形成された前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記溝間領域に形成された前記第2導電型のキャリア引き抜き領域よりも深い位置まで形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項11〜18のいずれかに記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域は、前記溝の深さよりも深い位置まで形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項11〜19のいずれかに記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記第2導電型のキャリア引き抜き領域における前記第2の溝と接触する部位には、前記第2の溝の内部に充填されている前記金属層とのコンタクト抵抗を低減するためのコンタクト層が形成されていることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項1〜20のいずれかに記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記トレンチゲートパワー半導体装置は、パワーMOSFETであることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。 - 請求項1〜20のいずれかに記載のトレンチゲートパワー半導体装置において、
前記トレンチゲートパワー半導体装置は、IGBTであることを特徴とするトレンチゲートパワー半導体装置。
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