JP2001102576A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2001102576A
JP2001102576A JP27708199A JP27708199A JP2001102576A JP 2001102576 A JP2001102576 A JP 2001102576A JP 27708199 A JP27708199 A JP 27708199A JP 27708199 A JP27708199 A JP 27708199A JP 2001102576 A JP2001102576 A JP 2001102576A
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semiconductor device
semiconductor
trench
insulating film
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Hirotoshi Kubo
博稔 久保
Norihiro Shigeta
典博 重田
Eiichiro Kuwako
栄一郎 桑子
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単位面積あたり高密度にセルを集積化できる
と共に、チャネルとして活性な部分の電気的特性も均一
化できる、絶縁ゲート型の半導体装置を提供する。 【解決手段】 面方位(111)の半導体ウェハを準備
する。その表面にトレンチ32を形成する。該トレンチ
32によって区画される半導体層の側壁33は上方から
見て6角形のパターン30を構成する。該トレンチ32
内にゲート電極を形成し、該パターン30を単位セルと
してMOSFET素子を構成する。トレンチ32横の側
壁33は、6つの面において互いに等価となるようにそ
の結晶面が選択されている。代表的な例では(110)
面あるいはその近傍の結晶面である。

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、
特にトレンチ構造を有する絶縁ゲート型の半導体装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】最近の縦型MOSFETにおいては、構
造的に低オン抵抗特性が得やすいことから、トレンチ溝
内にゲート電極を埋め込んだ構造のいわゆるトレンチ型
が注目されている。このようなトレンチ型構造を有する
縦型MOSFETは、例えば特開平4−146674号
公報、特開平5−335582号公報などにその構造及
び製造工程の概略が開示されている。
【0003】このような縦型MOSFETの構造の一例
を、図13を参照して説明する。表面にP型チャネル領
域12を有し、その下部にN型ドレイン層11a、N+
型ドレイン層11bとを有する半導体基板に、多数のト
レンチ13がP型チャネル領域12を超えてN型ドレイ
ン層11aに達する深さに形成されている。そのトレン
チ13の表面にはゲート酸化膜14が形成され、更にそ
の内部は多結晶シリコン等からなるゲート電極15が埋
設されている。そしてN+のソース領域16が設けられ
ている。ゲート電極15上には絶縁層17が配設され、
セル領域の全面にアルミ等の金属電極18が設けられ、
この絶縁層17がゲート電極15と金属電極18とを絶
縁分離している。そして、金属電極18がソース領域1
6とチャネル領域12とに電気接続するように構成され
ている。
【0004】係る構造の縦型MOSFETにおいては、
ゲート電極15に所定の閾値以上の電圧を与えることに
より、P型のチャネル領域12内のトレンチに沿ってN
型の反転層を形成し、N型半導体基板のドレイン層11
a、11bとN+型のソース領域16との間に電流路を
形成する。これにより縦型MOSFETのソース・ドレ
イン間がオン状態となり、ゲート電極15の電圧を閾値
以下とすることで、チャネル領域12のN型の反転層が
なくなり、縦型MOSFETのソース・ドレイン間がオ
フ状態となる。係る縦型MOSFETによれば、プレー
ナ型の縦型MOSFETに特有の接合型FET効果がな
いことから、そのオン抵抗を小さくすることができると
いう利点が生じる。
【0005】ところで、半導体業界では半導体装置の製
造に図14に示したような面方位(100)の半導体ウ
ェハ19が多用されている。面方位は、面が座標軸と交
わった座標値の逆数で定義するので、面方位(100)
とは、x軸=(100)軸と「1」で交わりy、z軸と
は無限大で交わる、即ち交わらない結晶面を意味する。
従って、このシリコンウェハ19は、表面に結晶面(1
00)が露出し、(100)面に多数の半導体チップ2
0を形成するものである。通常、OF(オリエンテーシ
ョンフラット)の結晶方位は<100>方向である。半
導体チップ20は各々が矩形の形状を持ち、スクライブ
ラインとなる領域を挟んで等間隔で配置される。また、
前記スクライブラインがOFと平行となるように、多数
の半導体チップ20が配置される(図面参照)。
【0006】図15は、トレンチ型MOSFETを上記
(100)ウェハ19の半導体チップ20に製造したと
きの状態を、拡大して示す斜視図である。
【0007】チャネル領域12は略正方形の形状を有
し、該正方形のチャネル領域12を縦横に一定間隔で多
数個並べている。各チャネル領域12の周囲は一定幅の
トレンチ13が取り囲む。すなわちトレンチ13は格子
状となる。各チャネル領域12において、ソース領域1
6はチャネル領域12の周辺部分を環状に取り囲む。ま
た、ソース領域16はトレンチ13の側壁に露出する。
尚、1つのチャネル領域12の形状で定義される領域を
「単位セル」と称する。「単位セルのパターン形状」と
は、トレンチ13の側壁が形成する形状を意味する。こ
の様に、(100)ウェハでOF面を(100)とし、
且つ単位セルの形状を矩形とした場合、チャネル領域1
2を囲む4つの側壁は、全てが結晶面(100)とな
る。また、トレンチ13の底面も結晶面(100)とな
る。11は半導体基板である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】第1の目的 縦型MOSFETのオン抵抗Rds(on)は、単位面
積あたりのセルの個数に反比例する。従って、単位面積
あたりに収納できるセルの個数を増大することがオン抵
抗Rds(on)を減じる上で重要な課題である。しか
しながら、ホトエッチング工程の加工精度によって自ず
と限界があるという欠点があった。従って、本発明の第
1の目的は、トレンチを有する半導体装置において、単
位面積あたりに収納できる単位セルの個数を飛躍的に増
大させることにある。
【0009】上記の第1の目的を達成するため、本願発
明者は図16(A)に示すようなパターン配列を検討す
るに至った。これは、単位セルのパターン形状21を6
角形(好ましくは正6角形)とし、該パターン21をセ
ル間隔aで配置したものである。セル間隔aは6角形の
点中心から点中心までの距離であり、点中心から点中心
までを結ぶラインは正三角形を構成する。
【0010】正6角形のパターン配列は、図16(B)
に示した従来のパターン配列に比べて高密度のセル配置
を可能にする。従来のパターン配列は、単位セルのパタ
ーン形状21を正方形とし、セル間隔(セルピッチ)a
で配置したパターンである。点中心から点中心までを結
ぶラインは正方形を構成する。尚、ゲート長GWはパタ
ーン21の周辺長(各辺の長さの和)に等しい。セルピ
ッチaを同じにして単位セル(パターン21)1個当た
りの面積を単純に比較すると、正6角形は正方形に対し
て約0.86倍の面積となる。その結果、セル間隔aを
同じにした場合に、単位面積当たりのセル数を約1.1
6倍に増大できる。
【0011】第2の目的 しかしながら、6角形のトレンチ13を面方位(10
0)の半導体ウェハ19に形成すると、結晶学的な新た
な問題点が生じる。即ち、シリコン単結晶が結晶学的に
立方格子を構成しているので、トレンチ13の側壁の結
晶面が(100)面に合致しなくなる。加えて、図16
(A)に示したパターン21の各辺21a〜21fに位
置するトレンチ13の側壁の結晶面が、不均一となるの
である。
【0012】シリコン表面の電気的・電子的特性はその
結晶方位に著しく依存しているので、トレンチ13の側
壁の結晶面が互いに不均一であることは、MOSFET
素子の電気的特性が各側壁によって不均一になることを
意味する。その為、ドレイン電流が流れやすい側壁と流
れにくい側壁とが生じることになる。
【0013】更に、トレンチ溝13の側壁に熱酸化によ
ってゲート酸化膜14を形成した場合は、結晶方位によ
って酸化膜の成長レートに差があるので、ゲート酸化膜
14の膜厚も不均一になるという不具合が生じる。その
結果、MOSFETのしきい値Vtが各側壁において差
が生じ、図9に示すようにゲート電圧Vg―ドレイン電
流Id特性が悪化する他、スイッチングタイムが増大す
るという欠点、電流集中による破壊が発生しやすくなる
と言う欠点があった。
【0014】従って、本発明の第2の目的は、6角形の
トレンチ13を形成した絶縁ゲート型半導体装置におい
て、トレンチ13側壁における結晶学的な不均一を解消
することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は上述した従来の
欠点に鑑みなされたもので、半導体基板にトレンチにて
パターンを構成した半導体装置に於いて、該パターンを
6角形にしたものである。
【0016】更に、面方位(111)の半導体基板を出
発点として、トレンチの側壁の電気的特性が互いに等し
くなるように、パターンを構成したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
【0018】本発明の半導体装置は、トレンチによって
略6角形のパターンを形成したことを第1の骨子とす
る。また、面方位が(111)の半導体ウェハを用いる
ことを第2の骨子とする。先ずは結晶方位と6角形のパ
ターンの例について説明する。
【0019】第1のパターン:図1は、トレンチによっ
て形成した6角形のパターン30の、第1の例を示す、
(A)平面図、(B)斜視図である。
【0020】シリコン半導体基板51の表面に、多数の
同一形状、同一寸法のパターン30が縦横に配置され
る。パターン30は、角度θが各々120度プラスマイ
ナス10度の6角形であり、好ましくはθが120度の
正6角形であることが望ましい。複数のパターン30
は、パターン30の中心から中心までの距離aが互いに
一定となるように配置される。また、パターン30が正
6角形である場合、中心と中心を結ぶラインは正三角形
31を構成するように配置される。6角形の各辺は隣の
6角形の辺と平行であり、その距離bは全て一定であ
る。
【0021】基板51の表面にトレンチ32が形成され
る。トレンチ32は、基板51表面から垂直方向に掘り
下げた溝である。トレンチ32は、一定の幅(距離b)
と一定の深さを持ち、格子状あるいは蜂の巣状の形状で
連続している。パターン30の6つの辺に沿って半導体
層34の側壁33が形成される。半導体層の側壁33は
トレンチ32の側壁でもある。パターン30は各々が島
状に独立し、その各々は周囲をトレンチ32に囲まれ
る。従って、パターン30の形状は、半導体層34の表
面とトレンチ32とが交差する箇所32aによって形成
される。これらのトレンチ32は、シリコン単結晶基板
51を選択的に異方性エッチングすることによって得る
ことが出来る。
【0022】第2のパターン:図2は、第2のパターン
を説明するための(A)平面図、(B)斜視図である。
第1のパターンが、パターン30の周囲をトレンチ32
が囲むのに対して、第2のパターンは、パターン30の
内側にトレンチ32を形成した点で相違する。トレンチ
32が島状に点在し、各パターン30の周囲を一定幅、
一定高さの半導体層34が取り囲む。トレンチ32の深
さは一定である。同じく半導体層34の側壁33が6角
形のパターン30を構成する。パターン30の形状、配
置、間隔a、b等は第1のパターンと同じであるので説
明を省略する。
【0023】これらの配置により、単位面積あたりに収
納できるパターン30の個数を大幅に増大できる。正方
形のパターンと6角形のパターン30との比較は、図1
6において説明したので省略する。
【0024】従って、半導体層34の側壁33に沿って
チャネル電流を流すような半導体デバイスを形成したと
きに、その素子を大電流素子にすることが出来る。
【0025】以上に説明した第1と第2のパターンにお
いて、半導体層34の側壁33の結晶面を選択すること
によって、更に好適な半導体装置を得ることが出来る。
即ち、6角形のパターン30に対応して、基板51の面
方位を(111)としたものである。尚、面方位(11
1)とは、x軸=<100>軸と1で交わり、y軸=<
010>軸と1で交わり、同じくz軸=<001>軸と
1で交わる結晶面を意味する。
【0026】図3は、シリコン単結晶の立方晶系立体模
型を、(111)面に対して垂直方向から観測した平面
図である。この状態では、(111)面が水平面を構成
し、周囲の6つの辺35〜40は紙面に対して垂直な側
壁を構成し、その他は紙面に対して傾斜した面を構成す
る。そして、各辺35〜40が正6角形を構成し、各辺
35〜40に露出する側壁の全てが、結晶面(110)
面に対して等価面(ミラー面)であることに着目すべき
である。例えば、{110}、{101}、{011}
等は全て(110)面に対して等価の結晶面である。等
価の結晶面は、そのシリコン表面における、電子の移動
度、界面準位、シリコン酸化膜の成長レート等、の電気
的特性が全て等しい。
【0027】図4は、各辺35〜40に沿って6角柱を
形成した時の、6角柱を示す斜視図である。6角柱の上
面と下面が(111)又はその等価面となり、各辺35
〜40に対応する垂直な6つの側壁が、全て(110)
の等価面になる。
【0028】この様な結晶学的な特性を利用することに
より、半導体層34の側壁33の結晶面を互いに等しい
面で構成することが可能となる。例えば、図1(B)の
例では、各パターン30毎に図4に示した6角柱を配置
するような形態にすれば、半導体層34の各側壁33に
(110)面を露出させることが可能である。図2
(B)の例でも同様に各側壁33に(110)面を露出
させることが可能である。
【0029】実際の半導体装置の製造においては、図5
に示した、面方位(111)の半導体ウェハ41を用い
る。このウェハ41は、表面に(111)面が露出した
ものであり、該表面に多数の半導体チップを形成するも
のである。オリエンテーションフラットOFは結晶方位
<110>としたが、その他の方位でも良い。そして、
6角形のパターン30の各辺35〜40が結晶方位<1
10>に対して直交するような配置で、パターン30を
形成する。これにより、半導体層34の6つの側壁33
を、全て(110)の結晶面(ミラー面)で構成するこ
とが可能になる。側壁33の結晶面が互いに均等である
ことは、シリコン中における電子の移動度、界面準位等
が同じであるので、該側壁33にチャネル電流を流すよ
うな電子デバイスを形成したときに、6つの側壁33全
てにおいて互いに等しいチャネル電流を流すことができ
る事を意味する。
【0030】尚、パターン30の各辺35〜40が結晶
軸<110>方向に対して必ずしも直交している必要は
ない。図5の符号80のように、<111>軸を中心に
して左右60度の範囲で回転した場合でも、その辺35
〜40に沿って出現する結晶面の電気的な特性は、互い
に等しくなる。
【0031】また、トレンチ32の側壁33は垂直な平
坦面の他、深さ方向に傾斜しても良いし曲折しても良
い。6つの側壁41が全て同じ形状に加工されているこ
と、即ち6つの側壁33全ての結晶学的な電気的特性を
同じにする事が条件である。ここで結晶学的な電気的特
性とは、側壁に露出したシリコン表面における、電子の
移動度、界面準位、シリコン酸化膜の成長レート等、を
指す。さらに、トレンチ32の底面も平坦面であるほ
か、湾曲した面でも良い。
【0032】第3のパターン:図6に、第3のパターン
を示した。パターン30の6角形が正6角形ではなく図
面縦方向yの距離に対して図面横方向の距離xの距離を
長くした6角形である形態を示している。この場合、パ
ターン30の中心と中心とを結ぶ三角形31は2等辺三
角形となり、2つの辺の距離cは等距離である。三角形
の距離aは図1の距離aに等しい。パターン30の辺
は、隣のパターン30の辺と平行であり、その距離bは
一定である。斯かる形状に於いても、その6面全ての電
気的特性を等しくする事が出来る。
【0033】以下、上述したパターンを用いた、絶縁ゲ
ート型半導体装置について説明する。
【0034】第1の実施の形態:図7は、図1の第1の
パターンを利用した、パワーMOSFET素子を示す
(A)平面図、(B)断面図である。断面構造では従来
のものと基本的な変化はない。基本的なパターン配列は
図1に示したものを用いている。
【0035】即ち、N型ドレイン層51a、N+型ドレ
イン層51bとを有するシリコン半導体基板51の一主
面側に、P型チャネル領域52と、トレンチ32がP型
チャネル領域52を超えてN型ドレイン層51aに達す
る深さに形成されている。そのトレンチ32の表面には
熱酸化によりゲート酸化膜54が形成され、更にその内
部は多結晶シリコン等からなるゲート電極55が埋設さ
れている。そして、トレンチ32によって区画された半
導体層の表面に、N+型のソース領域56が設けられて
いる。ソース領域56はチャネル領域52の周囲端部の
内側を一定の幅で取り囲む。ソース領域56で囲まれた
チャネル領域52の表面にはP+型のコンタクト領域5
7が形成される。
【0036】ゲート電極55の上にはCVD法等による
絶縁層58が形成される。トレンチ32の33即ちチャ
ネル領域52の外周(ソース領域56外周に等しい)が
単位セルを定義し、単位セルを多数配置した領域をセル
領域と称する。このとき、単位セルは図1に示したパタ
ーン30の形状と配置に等しい。即ち、各単位セルは平
面視で6角形の形状を持ち、その周囲をトレンチ32が
取り囲む。トレンチ32は一定の幅、一定の深さを持
ち、連続する。また、複数の単位セルはその中心から中
心までのセルピッチが均等となるように配列されてい
る。これらのトレンチ32とパターン30は、全体とし
て「蜂の巣」の様なハニカム形状に配置される。
【0037】そして、セル領域の全面にアルミ等の金属
電極59が設けられ、この絶縁層58がゲート電極55
と金属電極59とを絶縁分離している。そして、金属電
極59がソース領域56に電気接続すると同時に、コン
タクト領域57を介してチャネル領域52に電気接続す
るように構成されている。トレンチ32内部に埋設され
たゲート電極55は、トレンチ32の溝に沿って連続
し、図示せぬ箇所で外部からゲート電位を印加可能な電
極パッドに接続される。N+型ドレイン層51bの裏面
側にはドレイン電極(図示せず)が形成される。また、
金属電極59は、絶縁膜58に形成されたコンタクト孔
60を介してソース領域56とコンタクト領域57の両
方に接触している。この様に、各単位セルを金属電極5
9が並列接続することによって、全体として電力用の素
子を構成している。
【0038】このトレンチ型MOSFETは、ゲート電
極55に電界を加えることにより、P型のチャネル領域
52内のトレンチ32に沿ってN型の反転層を形成し、
N型半導体基板51のドレイン層51a、51bとN+
型のソース領域56との間に電流路を形成する。この電
流路は6つの面全てに形成される。
【0039】斯様に6角形のセルを配置したことによ
り、単位面積あたりのセル密度を大幅に向上できる。こ
れに伴ってゲート幅GWの総合的な長さも大幅に増大す
るので、単位面積あたりの電流容量を増大できる。具体
的には、従来と同じチップサイズ(例えば1.0mm×
1.0mm)に、数万個〜数十万個の単位セルを集積化
することが可能になった。
【0040】加えて、側壁33の結晶面を互いに等価と
なるように選択する(例えば、(110)面もしくはそ
の近傍の面)ことにより、チャネル領域32における電
子の移動度を均一に出来る。これは、6つの結晶面全て
において、チャネル領域32に流れる電流の値を均等に
出来ることを意味する。よって、高出力で且つオン抵抗
Rds(on)の小さいMOSFET装置を得ることが
出来る。
【0041】更に、単位面積当たりに収納できる単位セ
ルの個数を増大することによって、単位セル毎に配置す
るコンタクト孔60の個数を増大できる。従って、金属
電極59とソース領域56とのコンタクト面積を増大で
き、その接触抵抗を減じることが出来る。これはオン抵
抗Rds(on)を更に低減する効果を生む。
【0042】この様な装置は、例えば以下の製造方法に
よって製造することが出来る。
【0043】第1工程:図8(A)参照 まず、ドレイン層となるN層51aを有するシリコン半
導体基板51を準備する。N層51aのセル領域部分の
全面に、チャネル領域52となるP型の拡散層を例えば
ボロンのイオン注入により形成する。
【0044】第2工程:図8(B)参照 次にチャネル領域52を貫通してドレイン層51aに達
する深さまで半導体基板51をエッチングすることによ
り、トレンチ32を形成する。これは前記セル領域の全
面に形成された酸化膜にホトリソグラフィの工程により
開口を設け、その開口から異方性のガスエッチングをす
ることでトレンチ32を形成する。
【0045】そして、ダミー酸化によりトレンチ32内
部に酸化膜層を形成し、その酸化膜層を除去することに
よりトレンチ32形成に伴うシリコン層表面の欠陥層を
除去する。その後ゲート酸化を行うことで、トレンチ3
2の内部にゲート酸化膜54を形成する。
【0046】第3工程:図8(C)参照 次に、多結晶シリコン膜をCVDにより全面に被着する
ことで、トレンチ32の内部を多結晶シリコンで埋め込
む。そして、多結晶シリコン膜にリン又はボロンをドー
プし、多結晶シリコン膜を導電層化する。次に例えば等
方性のガスエッチングにより、多結晶シリコンをエッチ
バックする。そしてチャネル領域52上の酸化膜54表
面が露出した段階で多結晶シリコンのエッチングを停止
することで、トレンチ32内に埋め込まれたゲート電極
55を形成する。
【0047】第4工程:図8(D)参照 次に、P+型のコンタクト領域57を形成する。これは
コンタクト領域57となる部分にホトリソグラフィの工
程によりレジストマスクの開口を形成し、例えばボロン
をイオン注入することにより形成する。次に再びホトリ
ソグラフィの工程によりソース領域となる部分にレジス
トマスクの開口を形成し、例えば砒素(As)をイオン注
入することでN+型のソース領域56を形成する。この
ソース領域56は、トレンチ32に埋め込まれたゲート
電極55の上端部をマスクとしてイオン注入により形成
されるので、ゲート電極に対してセルフアラインで拡散
層が形成される。これにより、閾値電圧等の特性のバラ
ツキを少なくできる。次にNSG/BPSG等の絶縁膜
を基板51全面に被着し、ホトリソグラフィの工程によ
り基板51表面のソース領域及びコンタクト領域を露出
するようにその絶縁膜をエッチングすることで開口を設
け、絶縁層58を形成する。
【0048】そして、アルミ等の金属材料をスパッタリ
ングすることで、基板51の全面に金属材料を被着し、
ホトエッチング、アロイすることで、セル領域部分の全
面にソース電極59を形成する。更にチップ全面にパッ
シベーション膜を被着し、又、半導体基板51の裏面に
裏張り電極(ドレイン電極)を形成することで、ウェハ
段階の縦型MOSFETが完成(図7(B)参照)す
る。尚、チャネル領域52とソース領域56を形成した
後にトレンチ32を形成する順番でもかまわない。
【0049】以上の製造方法に於いて、ゲート酸化膜5
4の形成はシリコンの熱酸化による。このとき、トレン
チ32の側壁33を全て(110)結晶面あるいはその
近傍の結晶面で構成した場合、ゲート酸化膜54の成長
レートが6つの面全てに於いて等しくなり、6面全てに
均一な膜厚t1のゲート酸化膜54を形成できる。この
ことは、6つの面でチャネル領域52におけるしきい値
Vtを均等に出来る事を意味する。従って、電子の移動
度が均一であること及び閾値が均等であることによっ
て、各側壁33間で電流値に差が生じることがないの
で、高出力を得ることが出来る他、図9に示したよう
に、MOSFET素子のしきい値Vtの立ち上がり特性
を改善できるという効果を生じる。
【0050】更に、トレンチ32の底面を(111)面
で構成した場合、以下の如き効果を生む。これは、ゲー
ト酸化膜54を形成するときの、熱酸化膜の成長レート
が結晶面に大きく依存する事に起因する。
【0051】例えば1000℃、ドライ酸化の条件で各
結晶面の熱酸化膜の成長レートを比較すると、以下のよ
うになる。 (111)>(110)>(311)>(511)>
(100) 即ち、(110)面に比較して、(111)面の成長レ
ートが少し速いのである。従って、ゲート酸化膜の形成
条件として900℃以上、好ましくは1000℃以上の
熱処理を行うことで、トレンチ32における側壁33の
酸化膜厚t1(図7(B)参照)よりも、トレンチ32
底面における酸化膜厚t2(図7(B))を約10%程
度厚く形成できる。例えば、側壁33の酸化膜厚t2の
膜厚を500Åとした場合に、底面の酸化膜厚t2を5
50Å程度に形成できる。雰囲気は酸化性、非酸化性を
問わない。
【0052】この様に、トレンチ32底面の酸化膜厚t
2、即ちゲート電極55とN層51aとが対向している
箇所のゲート酸化膜54を厚くすることにより、ゲート
とドレイン間の容量Cgdを低減できる他、この膜厚t
2によって決定されるゲート・ドレイン間の耐圧Vgd
を大きくできる。一方、酸化膜厚t1即ちゲート電極5
5とチャネル領域52とが対向している箇所のゲート酸
化膜54を薄くすることは、MOSFET素子の電流駆
動能力を増大する事を意味する。従って、これらの相反
する要求を同時に満足することが出来る。
【0053】加えて、斯様な高温処理を加えることによ
り、トレンチ32の肩の部分(図8B符号100)、即
ちソース領域56と接する箇所の形状を丸みの帯びた形
状に加工できる。よって、酸化膜54、58やゲート電
極55及び酸化膜58の被覆性が向上する。尚、シリコ
ン酸化膜に代えて、シリコン窒化膜SiNを用いた場合
でも、同様に膜厚の差を得ることが出来る。
【0054】第2の実施の形態:図10は、図2の第2
のパターン配置を利用した、パワーMOSFET素子を
示す(A)平面図、(B)断面図である。6角形のパタ
ーン30の内側にゲート電極55を形成した例である。
製造方法は図8と同様である。
【0055】即ち、表面にP型チャネル領域52を有
し、その下部にN型ドレイン層51a、N+型ドレイン
層51bとを有するシリコン半導体基板51に、多数の
トレンチ32がP型チャネル領域52を超えてN型ドレ
イン層51aに達する深さに形成されている。そのトレ
ンチ32の表面には熱酸化によりゲート酸化膜54が形
成され、更にその内部は多結晶シリコン等からなるゲー
ト電極55が埋設されている。そして、トレンチ32に
よって区画された半導体層の表面にN+型のソース領域
56が設けられている。ソース領域56はチャネル領域
52の周囲近傍でゲート電極55を取り囲む。ソース領
域56で囲まれたチャネル領域52の表面にはP+型の
コンタクト領域57が形成される。
【0056】ゲート電極55の上にはCVD法等による
絶縁層58が形成される。各ゲート電極55周辺の側壁
33(ソース領域56内周に等しい)が単位セルを定義
し、単位セルを多数配置した領域をセル領域と称する。
単位セルはパターン32の形状と配置に等しい。また、
チャネル領域52の側壁33は(110)面で代表され
るように、互いに等価な結晶面で構成されている。チャ
ネル領域52は蜂の巣状に連続する。
【0057】絶縁層58にはP+コンタクト領域57と
N+ソース領域56とを露出するコンタクトホール60
が設けられる。セル領域の表面にアルミ等の金属電極5
9が設けられ、コンタクトホール60を介してソース領
域56とコンタクト領域57に接続される。
【0058】ゲート電極55はトレンチ32の内部に点
在し、図示せぬアルミ電極などによって並列接続され
る。各ゲート電極55はチャネル領域52で取り囲ま
れ、チャネル領域52は連続する。チャネル領域52の
表面にはゲート電極55を各々取り囲むソース領域56
が形成される。尚、コンタクトホール60の箇所に部分
的にP+コンタクト領域57が露出するような構成でも
良い。
【0059】第3の実施の形態:トレンチ32内にゲー
ト電極を埋設する本発明は、縦型MOSFETに限定さ
れるものではない・例えばIGBT(Insulate Gate Bipolar
Transistor)にも同様に適用可能である。
【0060】図11は、本発明をIGBT装置に適用し
た例を示している。パターン32は図1、図2どちらの
例でも適用が可能である。P型基板70の上にN+層7
1とN型層72を形成し、N型層72表面にP型チャネ
ル領域73を形成し、チャネル領域73の表面からN型
層72に達するトレンチ74を形成し、トレンチ74内
部にゲート酸化膜75とゲート電極76を形成し、チャ
ネル領域73表面に環状のN+ソース領域77を形成
し、更にチャネル領域73表面にP+コンタクト領域7
8を形成し、ソース領域とP+コンタクト領域にアルミ
などの金属電極79が電気接触している。
【0061】この素子は、ゲート電極76に印加した電
圧によってトレンチ溝74内壁のチャネル領域73にチ
ャネルを形成し、ソース領域77からN型層72へチャ
ネル電流を流すと共に、該チャネル電流をP型チャネル
領域73、N/N+層71、72、及びP+基板70と
で形成するPNPトランジスタのベース電流として供給
するように構成したものである。該IGBTは、前記P
NPトランジスタで伝導度変調が生じるので、MOSF
ET素子よりもオン抵抗を減じることが出来る。結晶面
の関係は第1、第2の実施の形態に等しい。
【0062】第4の実施の形態:図12は、トレンチ3
2の側壁33の形状が湾曲している場合の、トレンチ型
MOSFET装置を示している。トレンチ32とパター
ンは図1(A)のパターン配列を用いている。トレンチ
32側部の側壁33がV字型に湾曲している。この場
合、側壁33には(110)面が露出するものではない
が、6角側壁全てが、互いに均等な結晶面となる。他の
箇所は図7の構成と同一であるので説明を省略する。
【0063】尚、上述した各実施の形態において、パタ
ーン30の6つの角は多少丸みを帯びても良い。更に、
ウェハ41(図5)表面の面方位が正確に(111)面
と直行している他、<111>結晶軸に対して結晶面が
数度、好ましくは5度以内の角度で傾斜していても良
い。骨子は、6面全ての側壁33の電気特性を均等にす
ることである。
【0064】更に、本発明の趣旨を逸脱することなく、
このほかにも例えば静電誘導サイリスタ(SIT)、ゲ
−トタ−ンオフサイリスタ(GTO)、及びMOS制御
サイリスタ(MCT)等の、ゲート電位によってチャネ
ル電流を制御する半導体素子等、種々の変形した実施の
形態が考えられることは勿論のことである。また、第1
〜第3のパターンと、第1〜第4の実施の形態とのいず
れを組み合わせてもよいことは言うまでもない
【0065】
【発明の効果】以上に説明したように本発明は、トレン
チ32によって区画される半導体層の側壁33によって
略6角形のパターン30を形成することにより、単位面
積当たりに収納できる単位セルの個数を大幅に増大でき
る。これにより、トレンチ型の絶縁ゲート型半導体装置
の大電流容量化とオン抵抗の低減化を図ることが出来
る。
【0066】加えて、単位セル数の個数を増大すること
によって、同時に金属電極59とソース領域56との接
触面積を増大できるので、両者の接触抵抗を減じ、オン
抵抗の低減化に寄与できる。
【0067】更に、面方位(111)基板を用いること
により、トレンチ32の各側壁33の電気的結晶学的特
性を均等にすることができる。最も代表的な例が、各側
壁33に(110)面が露出する形態である。これによ
り、各側壁33にに流す電流を均等にできるので、局所
的な電流集中による耐圧劣化を防止できる。
【0068】更に、面方位の選択と熱処理によっては、
トレンチ32底面のゲート酸化膜厚t2が大になるよう
に形成できるので、ゲート酸化膜厚t1を減じてMOS
FET素子の駆動能力を更に増大できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1のパターンを説明するための(A)平面
図、(B)断面図である。
【図2】第2のパターンを説明するための(A)平面
図、(B)断面図である。
【図3】本発明を説明するための平面図である。
【図4】本発明を説明するための斜視図である。
【図5】本発明を説明するための平面図である。
【図6】第3のパターンを説明するための平面図であ
る。
【図7】本発明の第1の実施の形態を説明するための
(A)平面図、(B)断面図である。
【図8】製造方法を説明するための断面図である。
【図9】本発明を説明するための特性図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態を説明するための
(A)平面図、(B)断面図である。
【図11】本発明の第3の実施の形態を説明するための
断面図である。
【図12】本発明の第4の実施の形態を説明するための
断面図である。
【図13】トレンチ型MOSFET装置を示す断面図で
ある。
【図14】従来の(100)ウェハを示す平面図であ
る。
【図15】従来例を説明するための斜視図である。
【図16】単位セルのパターンを示す図である。
【符号の説明】
30 パターン 32 トレンチ 33 側壁 54 ゲート酸化膜 55 ゲート電極 56 ソース領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑子 栄一郎 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 5F102 FA02 FB01 GB04 GC08 GD10 GJ03 GL03 GR01

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 6角形のパターンの半導体層を設け、前
    記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とすることを
    特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 半導体層の一主面に形成したトレンチに
    より、6角形のパターンに区画された前記半導体層を設
    け、前記区画された半導体層の側壁の結晶面を互いに等
    価面とすることを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】 半導体層の一主面に形成したトレンチに
    より、6角形のパターンに区画された前記半導体層を設
    け、前記区画された半導体層の側壁の結晶面を互いに等
    価面とし、前記半導体層の側壁に絶縁膜を設けたことを
    特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項4】 半導体層の一主面に形成したトレンチに
    より、6角形のパターンに区画された前記半導体層を設
    け、前記区画された半導体層の側壁の結晶面を互いに等
    価面とし、前記半導体層の側壁に絶縁膜を設け、前記ト
    レンチ内に導電材料からなる制御電極を設け、前記制御
    電極と前記絶縁膜及び前記区画された半導体層の側壁と
    で絶縁ゲート型半導体素子を構成したことを特徴とする
    半導体装置。
  5. 【請求項5】 半導体層の一主面に形成したトレンチに
    より、6角形のパターンに区画された前記半導体層を設
    け、 前記区画された半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面
    とし、 前記半導体層の側壁に形成した絶縁膜と、 前記トレンチ内に埋設された、導電材料からなるゲート
    電極と、 前記半導体層の一主面に形成したソース領域と、 前記半導体層の一主面とは反対側の面に設けたドレイン
    領域と、 前記ゲート電極と前記絶縁膜、及び前記半導体層の側壁
    に設けたチャネル領域とで絶縁ゲート型半導体素子を構
    成したことを特徴とする半導体装置。
  6. 【請求項6】 ドレインとなる一導電型の半導体層と、
    前記半導体層の表面に形成した逆導電型のチャネル領域
    と、前記チャネル領域の表面に形成した逆導電型のソー
    ス領域と、前記チャネル領域を貫通し、6角形のパター
    ンに区画された前記半導体層を形成するトレンチとを設
    け、 前記区画された半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面
    とし、 前記半導体層の側壁に絶縁膜を形成し、 前記トレンチ内に導電材料からなるゲート電極を形成
    し、 前記ゲート電極と前記絶縁膜、及び前記チャネル領域と
    で絶縁ゲート型半導体素子を構成したことを特徴とする
    半導体装置。
  7. 【請求項7】 一導電型の第1の半導体層と、前記第1
    の半導体層の上に形成した逆導電型の第2の半導体層
    と、前記第2の半導体層の上に形成した逆導電型の第3
    の半導体層と、前記第3の半導体層の表面に形成した一
    導電型のチャネル領域と、前記チャネル領域の表面に形
    成した逆導電型のソース領域と、前記チャネル領域を貫
    通し、6角形のパターンに区画された前記半導体層を形
    成するトレンチとを設け、 前記区画された半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面
    とし、 前記半導体層の側壁に絶縁膜を形成し、 前記トレンチ内に導電材料からなるゲート電極を形成
    し、 前記ゲート電極と前記絶縁膜、及び前記チャネル領域と
    で絶縁ゲート型半導体素子を構成したことを特徴とする
    半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記半導体層の一主面の結晶面が(11
    1)面若しくはその近傍の面であることを特徴とする、
    請求項1、2、3、4、5、6、7のいずれかに記載の
    半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記側壁の結晶面が(110)面若しく
    はその近傍の面であることを特徴とする請求項1、2、
    3、4、5、6、7、8のいずれかに記載の半導体装
    置。
  10. 【請求項10】 前記6角形のパターン又は前記区画さ
    れた半導体層を一定間隔離間して多数個配置したことを
    特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9
    のいずれかに記載の半導体装置。
  11. 【請求項11】 前記絶縁膜が、少なくともシリコン酸
    化膜を含む膜であることを特徴とする請求項3、4、
    5、6、7のいずれかに記載の半導体装置。
  12. 【請求項12】 前記半導体層の6つ側壁に形成された
    絶縁膜の膜厚が、実質的に均一であることを特徴とする
    請求項3、4、5、6、7、11のいずれかに記載の半
    導体装置。
  13. 【請求項13】 前記半導体層の6つ側壁に形成された
    絶縁ゲート型半導体素子の、各側壁における各々のしき
    い値が実質的に均等であることを特徴とする請求項4、
    5、6、7のいずれかに記載の半導体装置。
  14. 【請求項14】 蜂の巣状のパターンの半導体層を設
    け、前記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とする
    ことを特徴とする半導体装置。
  15. 【請求項15】 半導体層の一主面に形成した6角形の
    トレンチにより、蜂の巣状に連続する前記半導体層を設
    け、前記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とする
    ことを特徴とする半導体装置。
  16. 【請求項16】 半導体層の一主面に形成した6角形の
    トレンチにより、蜂の巣状に連続する前記半導体層を設
    け、前記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とし、
    前記半導体層の側壁に絶縁膜を設けたことを特徴とする
    半導体装置。
  17. 【請求項17】 半導体層の一主面に形成した6角形の
    トレンチにより、蜂の巣状に連続する前記半導体層を設
    け、前記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とし、
    前記半導体層の側壁に絶縁膜を設け、前記トレンチ内に
    導電材料からなる制御電極を設け、前記制御電極と前記
    絶縁膜及び前記半導体層の側壁とで絶縁ゲート型半導体
    素子を構成したことを特徴とする半導体装置。
  18. 【請求項18】 半導体層の一主面に形成した6角形の
    トレンチにより、蜂の巣状に連続する前記半導体層を設
    け、 前記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とし、 前記半導体層の側壁に形成した絶縁膜と、 前記トレンチ内に埋設された、導電材料からなるゲート
    電極と、 前記半導体層の一主面に形成したソース領域と、 前記半導体層の一主面とは反対側の面に設けたドレイン
    領域と、 前記ゲート電極と前記絶縁膜、及び前記半導体層の側壁
    に設けたチャネル領域とで絶縁ゲート型素子を構成した
    ことを特徴とする半導体装置。
  19. 【請求項19】 ドレインとなる一導電型の半導体層
    と、前記半導体層の表面に形成した逆導電型のチャネル
    領域と、前記チャネル領域の表面に形成した逆導電型の
    ソース領域とを設け、 前記チャネル領域を貫通する6角形のトレンチにより、
    蜂の巣状に連続する前記半導体層を設け、 前記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とし、 前記半導体層の側壁に絶縁膜を形成し、 前記トレンチ内に導電材料からなるゲート電極を形成
    し、 前記ゲート電極と前記絶縁膜、及び前記半導体層の側壁
    に設けたチャネル領域とで絶縁ゲート型半導体素子を構
    成したことを特徴とする半導体装置。
  20. 【請求項20】 一導電型の第1の半導体層と、前記第
    1の半導体層の上に形成した逆導電型の第2の半導体層
    と、前記第2の半導体層の上に形成した逆導電型の第3
    の半導体層と、前記第3の半導体層の上に形成した一導
    電型のチャネル領域と、前記チャネル領域の表面に形成
    した逆導電型のソース領域とを設け、前記チャネル領域
    を貫通する6角形のトレンチにより、蜂の巣状に連続す
    る前記半導体層を設け、 前記半導体層の側壁の結晶面を互いに等価面とし、 前記半導体層の側壁に絶縁膜を形成し、 前記トレンチ内に導電材料からなるゲート電極を形成
    し、 前記ゲート電極と前記絶縁膜、及び前記半導体層の側壁
    に設けたチャネル領域とで絶縁ゲート型半導体素子を構
    成したことを特徴とする半導体装置。
  21. 【請求項21】 前記半導体層の一主面の結晶面が(1
    11)面若しくはその近傍の面であることを特徴とする
    請求項14、15、16、17、18、19、20のい
    ずれかに記載の半導体装置。
  22. 【請求項22】 前記側壁の結晶面が(110)面若し
    くはその近傍の面であることを特徴とする請求項14、
    15、16、17、18、19、20、21のいずれか
    に記載の半導体装置。
  23. 【請求項23】 前記絶縁膜が、少なくともシリコン酸
    化膜を含む膜であることを特徴とする請求項16、1
    7、18、19、20のいずれかに記載の半導体装置。
  24. 【請求項24】 前記半導体層の6つ側壁に形成された
    絶縁膜の膜厚が、実質的に均一であることを特徴とする
    請求項16、17、18、19、20、23のいずかに
    記載の半導体装置。
  25. 【請求項25】 前記半導体層の6つ側壁に形成された
    絶縁ゲート型半導体素子の、各側壁における各々のしき
    い値が実質的に均等であることを特徴とする請求項1
    6、17、18、19、20のいずれかに記載の半導体
    装置。
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